JP2011185837A

JP2011185837A - 異物検出装置

Info

Publication number: JP2011185837A
Application number: JP2010053170A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Kameyama; 俊平亀山; Katsuji Imashiro; 勝治今城; Kimio Asaka; 公雄浅香; Yoshihito Hirano; 嘉仁平野; Toshimi Mochizuki; 俊美望月
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】ターゲットに照射して戻ってくる散乱光の偏波成分によらず異物の３次元形状を高精度に検出できる異物検出装置を得る。
【解決手段】連続波信号で変調されたレーザ光を出力する光源６と、レーザ光を用いてターゲットの捜索範囲を走査するスキャナ１０と、ターゲット表面で散乱される散乱光を偏波成分ごとに分離する偏波ビームスプリッタ１２と、散乱光の各偏波成分をそれぞれ受光する受信レンズ１３ａ、１３ｂ、及び光受信機１４ａ、１４ｂで構成される受光手段と、レーザ光と散乱光の各偏波成分との位相差及び散乱光の各偏波成分の受信強度を検出する位相検波器１５ａ、１５ｂと、これらの検出結果に基づいて散乱光の偏波解消度を算出すると共に、偏波解消度の算出結果に応じて異物との離間距離を算出し異物の３次元形状を出力するパソコン３と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットに光を照射したときの散乱光を用いて異物を検出する異物検出装置に関するものである。

異物を検出する装置として、従来、ターゲットに対してレーザ光を送信する送信機と、ターゲットからの戻り光を偏波するビームスプリッタと、偏波された戻り光を受信する受信機とを備え、レーザ光の偏波解消度およびターゲットとの距離を計測してターゲット上にある異物の３次元形状を検出するレーダシステムがある（例えば、非特許文献１参照）。

Ｊ．Ｔ．Ｍｕｒｒａｙ他、Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．５０８６，ｐｐ．８４−９５，２００３

しかしながら、このようなレーダシステムにおいては、ターゲットからの戻り光を偏波成分ごとに分離して偏波解消度と距離を同時に計測するため、戻り光が直線偏波の場合には分離された一方の偏波強度が非常に弱くなる。このため、受信ＳＮ比が低下して距離の計測制度が低下し、異物の３次元形状の検出精度が劣化するという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、戻り光の偏波成分によらず異物の３次元形状を高精度に検出できる異物検出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る異物検出装置は、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、捜索対象にレーザ光を照射したときの捜索対象からの散乱光を偏波成分ごとに分離する偏波分離手段と、散乱光の各偏波成分を受光する第１及び第２の受光手段と、レーザ光と散乱光の各偏波成分との位相差及び散乱光の各偏波成分の受信強度を検出する第１及び第２の位相差検出手段と、検出結果に基づいて散乱光の偏波解消度を算出すると共に、偏波解消度の算出結果に応じて異物との離間距離を算出し、異物の形状を出力する信号処理手段と、を備えたものである。

本発明によれば、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、捜索対象にレーザ光を照射したときの捜索対象からの散乱光を偏波成分ごとに分離する偏波分離手段と、散乱光の各偏波成分を受光する第１及び第２の受光手段と、レーザ光と散乱光の各偏波成分との位相差及び散乱光の各偏波成分の受信強度を検出する第１及び第２の位相差検出手段と、検出結果に基づいて散乱光の偏波解消度を算出すると共に、偏波解消度の算出結果に応じて異物との離間距離を算出し、異物の形状を出力する信号処理手段と、を備えたことにより、戻り光の偏波成分によらず異物の３次元形状を高精度に検出できる異物検出装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る異物検出装置の構成を示す図である。図１の異物検出装置が検出する検出画像の一例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る異物検出装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態３に係る異物検出装置の構成を示す図である。図４の異物検出装置が粗検出するときの検出画像の一例を示す図である。図４の異物検出装置が精検出するときの検出画像の一例を示す図である。

実施の形態１．
本発明を実施する実施の形態１における異物検出装置を図１および図２を用いて説明する。図１において、異物検出装置１は捜索対象のターゲットに照射するレーザ光を発生する光源６やターゲット表面で散乱された戻り光を受光する光学素子等を内部に備えた筐体２と、光学素子の制御や異物検出の信号処理を行うパソコン３すなわち信号処理手段とで構成されている。
なお、ここではターゲットとはレーザ光が照射される対象物全てを表し、異物とはターゲット内の一部に存在する金属片等の人工物を表すものとする。例えば、空港の滑走路に空き缶が転がっている状況で異物検出をする場合、滑走路の路面および空き缶がターゲットであり、空き缶が異物となる。

筐体２の内部には、レーザ光を変調するための連続波電気信号を単一周波数で発振する発振器４と、連続波電気信号を３つに分配する分配器５と、分配器５の一端に接続され連続波電気信号に基づいて変調したレーザ光を出力する光源６と、光源６の先端に設けられ所望の位置までレーザ光を導く光ファイバ７すなわち光導波手段と、光ファイバ７から出力されるレーザ光の集光スポットサイズ変換及びビーム形状の調整をする送信レンズ８と、送信レンズ８で調整されたレーザ光の光経路を変更する折り返しミラー９と、折り返しミラー９からのレーザ光を反射して筐体２の外部にあるターゲットに照射し、このターゲット表面で散乱された散乱光をスキャンするスキャナ１０すなわち走査手段と、が設けられている。

さらに、筐体２内部には、スキャナ１０で反射された散乱光を所定の径を有する平行光に変換する受信望遠鏡１１と、受信望遠鏡１１を透過した平行光を直交する２つの直線偏波成分に分離する偏波ビームスプリッタ１２すなわち偏波分離手段と、偏波ビームスプリッタ１２で分離された光を集光する受信レンズ１３ａ、１３ｂ、及び集光された散乱光を直接検波して電気信号に変換する光受信機１４ａ、１４ｂで構成される第１及び第２の受光手段と、分配器５および光受信機１４ａ、１４ｂのいずれか一方に接続され、送信前のレーザ光の位相と受信した散乱光の位相の差を検出する位相検波器１５ａ、１５ｂすなわち第１及び第２の位相差検出手段と、が設けられている。
なお、送信レンズ８及び受信レンズ１３ａ、１３ｂは凹面鏡等の光学素子で代替しても良い。

光源６から光ファイバ７を介して送信レンズ８までの経路、送信レンズ８と折り返しミラー９間の経路、折り返しミラー９とスキャナ１０間の経路、スキャナ１０から受信望遠鏡１１、偏波ビームスプリッタ１２を介して受信レンズ１３ａ、１３ｂまでの経路、および受信レンズ１３ａと光受信機１４ａ、受信レンズ１３ｂと光受信機１４ｂそれぞれの間の経路は、全て光信号を伝送する光回路で構成されている。なお、これらの光学素子はレーザ光の透過および反射の過程において偏波を保持する。

一方、発振器４と分配器５間の経路、分配器５と光源６間の経路、分配器５と位相検波器１５ａ、１５ｂ間の経路、光受信機１４ａと位相検波器１５ａ間の経路、光受信機１４ｂと位相検波器１５ｂ間の経路、および位相検波器１５ａ、１５ｂ、スキャナ１０、偏波ビームスプリッタ移動機構１７それぞれとパソコン３との間の経路は、全て電線や電気信号ケーブル等により接続された電気回路で構成されている。

ここで、動作について説明する。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１０にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信する。
発振器４は予め定めた一定の周波数を有する連続波電気信号を発振し、この連続波電気信号は分配器５で３つに分配されて１つは光源６に、他の２つは位相検波器１６ａ、１６ｂにそれぞれ伝達される。光源６に伝達された連続波電気信号は光源６内部で発振するＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）光を変調するのに用いられ、光源６は周波数変調された単一の直線偏波成分を有するレーザ光信号を出力する。

このレーザ光信号は光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ８によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように形状調整される。送信レンズ８を透過したレーザ光信号は折り返しミラー９で光経路変更され、スキャナ１０により方向転換されてターゲット上の任意の地点を走査するのに用いられる。
なお、スキャナ１０はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１０の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。捜索範囲にデッドゾーンを発生させたくない場合は集光スポットサイズを大きくして低分解能で検出を行い、ある程度のデッドゾーン発生は許容できるが高分解能にしたい場合は集光スポットサイズを小さくして検出を行う。

ターゲットに照射されたレーザ光信号はターゲットの表面で散乱され、その一部はスキャナ１０へ戻る。この戻ってきた散乱光はスキャナ１０で反射された後に受信望遠鏡１１で平行光に変換され、偏波ビームスプリッタ１２にて直交する２つの直線偏波成分に分離される。偏波ビームスプリッタ１２は、光源６から出力されるレーザ光と同じ直線偏波成分の光を透過させ、この偏波成分に直交する偏波成分の光を反射する。これにより、偏波ビームスプリッタ１２では透過光である偏波保持成分と反射光である偏波解消成分とを分離できる。

偏波ビームスプリッタ１２を透過した光は受信レンズ１３ａにより集光され、偏波ビームスプリッタ１２で反射された光は受信レンズ１３ｂにより集光される。受信レンズ１３ａ、１３ｂは適切な位置に配置されており、分離された各偏波成分の光はそれぞれ光受信機１４ａ、１４ｂの受光面に一致するよう集光される。

スキャナ１０はまた、散乱光を反射する際の走査位置情報を電気信号にしてパソコン３に伝達する。なお、ここでの走査位置情報とは、捜索範囲におけるＸ座標、Ｙ座標の位置情報、および２次元画像の各画素に対応するスキャン角の情報等を総称している。

光受信機１４ａ、１４ｂは散乱光を受光すると、直接検波により受信電気信号に変換して位相検波器１５ａ、１５ｂに出力する。受信電気信号は発振器４の連続波電気信号で変調されたレーザ光の散乱光を変換したものであるから、これらの周波数は連続波電気信号と同じになる。一方、受信電気信号の位相はレーザ光が筐体２とターゲット間を往復する時間分だけ連続波電気信号よりも遅れる。

光受信機１４ａ、１４ｂからの受信電気信号に加えて分配器５から分配された単一周波数の連続波電気信号が入力されると、位相検波器１５ａ、１５ｂは受信電気信号と連続波電気信号の位相差および受信信号強度を検出する。なお、受信信号強度は受信電気信号と連続波電気信号の差を複素ベクトルで表示したときの絶対値、すなわち振幅の２乗に比例する値である。

パソコン３はスキャナ１０を走査させながら位相検波器１５ａ、１５ｂが検出した位相差および受信信号強度の情報を電気信号として取り込み、これらの情報を用いて散乱光の偏波解消度を算出する。例えば位相検波器１５ａからの受信信号強度をＡ１、位相検波器１５ｂからの受信信号強度をＡ２とすると、偏波解消度は次式により求められる。

パソコン３により、位相検波器１５ａからの受信信号強度はスキャナ１０の走査位置情報に対応して、図２（ａ）に示すようなＮ×Ｎ画素（Ｎは整数）の２次元画像として作成され、位相検波器１５ｂからの受信信号強度は図２（ｂ）に示すようなＮ×Ｎ画素の２次元画像として作成され、これらの図及び上記式に基づいて図２（ｃ）に示すような偏波解消度画像が作成される。

ターゲットの捜索範囲は２次元画像上では捜索領域２０として示され、自然物が存在する領域は異物検出領域２１ａ、金属片等の異物が存在する領域は２１ｂとして画像上にコントラストとなって表れる。自然物は表面に凹凸を有するため、レーザ光が照射されると四方八方の偏波成分を有する散乱光となる。これに対し、人工的に作られた異物は表面が滑らかであるため、特定方向の偏波成分のみを有する散乱光となる。したがって、自然物の偏波解消度は背景のターゲットと同じになり、図２（ｃ）には異物検出領域２１ａは表れない。一方、異物の偏波解消度は背景とは異なるため、図２（ｃ）上で白いコントラストとなって浮かび上がる。なお、これらの画像上で背景等は異物未検出領域２２として表される。

次に、パソコン３は取り込んだ情報に基づいて、筐体２とターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出する。パソコン３には、異物検出を開始する前に予め計測しておいたノイズレベルが登録されており、パソコン３は位相検波器１５ａ、１５ｂから取り込んだ受信信号強度とそれぞれのノイズレベルとを比較して受信ＳＮ比を算出し、この値が高い方を離間距離の算出に用いる。このように、受信ＳＮ比が大きい方の偏波成分について距離を算出することにより、より高精度に離間距離を算出できる。

パソコン３が取り込んだ位相差のうち受信ＳＮ比が大きい方の位相差をΔΦ、発振器４の連続波電気信号の周波数をｆｍ、光速をｃとすると、離間距離Ｌは次式で表すことができる。ただしｎは１以上の整数であり、予めパソコン３に設定された筐体２とターゲットの距離範囲情報に基づいて決まる値である。筐体２とターゲット間の距離範囲情報が予めパソコン３に設定されていない場合、筐体２とターゲット間の距離に対して連続波電気信号の１周期が極めて大きくなるように発振器４の発振周波数を小さくしておくことでｎを一意に決めることもできる。

パソコン３は上記式を用いて算出される距離の情報をスキャナ１０の２次元方向の走査位置情報に対応させて図２（ｄ）に示すようなＮ×Ｎ画素の２次元画像を作成し、上記偏波解消度の図とあわせて図２（ｅ）に示すような３次元画像を作成する。その後、偏波解消度の２次元画像及び異物の形状を示す３次元画像の双方で検出した異物検出領域２１ｂのみを人工的な異物として検出する。

このとき、予めパソコン３に異物の３次元形状の先見情報を登録しておき、作成した３次元画像の異物形状と整合する場合のみ異物として検出し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出しないようにしても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出でき、異物検出の確度を向上できる。

なお、ここではスキャナ１０を２次元方向に走査させているが、ライン照射することにより走査方向を１次元にしても良い。この場合は光受信機１４ａ、１４ｂをリニアアレイとする。また、照射するレーザ光を２次元の矩形ビームとして面照射し、光受信機１４ａ、１４ｂ等の受信系スキャン作業を省略しても良い。

上記、受信ＳＮ比が大きな偏波成分のみを用いて距離を算出する場合について示したが、２つの偏波成分から距離を算出して平均をとっても良い。例えば光受信機１４ａ、１４ｂで受信する２つの偏波成分の受信ＳＮ比が同じ場合、２つの受信信号それぞれについて離間距離を算出して合算すると、信号の振幅が２倍になるのに対し雑音は√２倍に抑えられるため、精度誤差を１／√２倍に改善できる。

また、この方法は受信ＳＮ比の閾値を予め決めておき、この閾値を超える偏波成分により離間距離の算出をしても良い。つまり、受信ＳＮ比の閾値を予めパソコン３に登録しておき、各偏波成分の受信ＳＮ比がこの閾値を超える場合には２つの偏波成分を用いて離間距離を算出し、一方のみがこの閾値を超える場合にはその偏波成分を用いて離間距離を算出する。このように受信ＳＮ比が閾値を超えるか否かによって離間距離の算出方法を変えることで、計測精度を向上できる。

この実施の形態によれば、異物検出装置１はスキャナ１０に戻ってきた散乱光を、偏波ビームスプリッタ１２を用いて２つの直交する偏波成分に分離し、それぞれの受信信号強度から偏波解消度を算出して２次元画像を作成すると共に異物形状の３次元画像を作成して、これらの画像の双方で異物検出領域とした場合に異物として３次元形状を出力することにより、正確に異物を検出できる。

また、離間距離の算出に受信ＳＮ比が最も大きな偏波成分のみを用いることにより、より精度の高い異物検出ができる。
また、受信ＳＮ比の閾値を予め決めておき、この閾値を超える偏波成分を用いて離間距離を算出することにより、離間距離の計測精度すなわち異物の３次元形状の検出精度を向上できる。

また、検出したい異物の３次元形状の先見情報を予めパソコン３に登録しておき、作成した３次元画像の異物形状と整合する場合のみ異物として検出することにより、所望の異物の検出確度を向上できる。

また、このような異物検出装置１を空港の滑走路や高速道路等で用いることにより、危険物などの人工的な異物を精度良く検出することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、偏波ビームスプリッタ１２で分離された散乱光の偏波成分のうち、受信ＳＮ比の大きい偏波成分について筐体２とターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出しているが、実施の形態２では偏波ビームスプリッタ１２を移動させる移動機構を設け、偏波解消度を計測した後に偏波ビームスプリッタ１２を光経路から外して離間距離を算出する。また、光ファイバ７の先端にファイバ位置を調整する焦点調整機構を設ける。本実施の形態に係る異物検出装置１ａを、図３を用いて説明する。

図３において、異物検出装置１ａは筐体２ａ及びパソコン３すなわち信号処理手段で構成され、筐体２ａの内部には、実施の形態１に記載の筐体２内部の構成に加え、光ファイバ７を所望の位置に移動させる焦点調整機構１６すなわち位置調整手段と、偏波ビームスプリッタ１２の位置を移動させる偏波ビームスプリッタ移動機構１７すなわち移動手段が設けられている。
なお、焦点調整機構１６及び偏波ビームスプリッタ移動機構１７は共にパソコン３に電気ケーブルで接続され、パソコン３からの制御信号に応じて光ファイバ７の位置調整あるいは偏波ビームスプリッタ１２の移動をする。

次に、動作について説明する。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１０にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信すると共に、焦点調整機構１６に位置制御信号を送信し、筐体２ａから出力されるレーザ光がコリメート光となるように光ファイバ７を移動させてファイバ端と送信レンズ８の離間距離を調整する。レーザ光をコリメート光とすることでターゲット上に照射する光量むらを低減し、スキャンする際の不感知領域を無くすことができる。

発振器４は予め定めた一定の周波数を有する連続波電気信号を発振する。この連続波電気信号は分配器５で３つに分配され、そのうちの１つは光源６に、他の２つは位相検波器１５ａ、１５ｂにそれぞれ伝達される。光源６に伝達された連続波電気信号は光源６内部で発振するＣＷ光を変調するのに用いられ、光源６からは周波数変調された単一の直線偏波成分を有するレーザ光信号が出力される。

このレーザ光信号は焦点調整機構１６によりターゲット表面で適切なスポットサイズとなるよう位置調整された光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ８によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように形状調整される。送信レンズ８を透過したレーザ光信号は折り返しミラー９で光経路変更され、スキャナ１０により方向転換されてターゲット上の任意の地点を走査するのに用いられる。
なお、スキャナ１０はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１０の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。

ターゲットに照射されたレーザ光信号はターゲット表面で散乱され、その一部はスキャナ１０へ戻る。この戻ってきた散乱光はスキャナ１０で反射された後に受信望遠鏡１１で平行光に変換され、偏波ビームスプリッタ１２にて直交する２つの偏波成分に分離される。偏波ビームスプリッタ１２は、光源６から出力されるレーザ光と同じ直線偏波成分の光を透過させ、この偏波成分に直交する偏波成分の光を反射する。

スキャナ１０はまた、散乱光を反射する際の走査位置情報を電気信号にしてパソコン３に伝達する。なお、ここでの走査位置情報とは、捜索範囲におけるＸ座標、Ｙ座標の位置情報、およびスキャン角の情報等を総称している。

光受信機１４ａ、１４ｂは散乱光を受光すると、直接検波により受信電気信号に変換して位相検波器１５ａ、１５ｂに出力する。この受信電気信号は発振器４の連続波電気信号で変調されたレーザ光の散乱光を変換したものであるから、これらの周波数は連続波電気信号と同じになる。一方、受信電気信号の位相はレーザ光が筐体２ａとターゲット間を往復する時間分だけ連続波電気信号よりも遅れる。

パソコン３は位相検波器１５ａ、１５ｂが検出した位相差および受信信号強度の情報、およびスキャナ１０の走査位置情報を電気信号として取り込み、これらの情報を用いて散乱光の偏波解消度を算出して２次元の偏波解消度画像を作成する。

続けてパソコン３は偏波ビームスプリッタ移動機構１７にビームスプリッタ位置制御信号を送信し、受信望遠鏡１１を透過した平行光の光経路に重ならないように偏波ビームスプリッタ１２を移動させる。その後、パソコン３はスキャナ１０にスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信し、再びターゲットの捜索範囲をスキャンする。

偏波ビームスプリッタ１２を光経路から外したため、受信望遠鏡１１を透過した散乱光はすべて受信レンズ１３ａに入力され、光受信器１４ａの受光面に集光される。光受信器１４ａは直接検波により受光した散乱光を受信電気信号に変換し、位相検波器１５ａはこの受信電気信号と分配器５からの連続波電気信号との位相差および受信信号強度をパソコン３に出力する。パソコン３はこれらの情報を用いて筐体２ａとターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出し、３次元画像を作成する。その後、偏波解消度の２次元画像と３次元画像の双方で異物検出領域と判断したもののみを異物として検出する。
このように、離間距離を算出する際に偏波ビームスプリッタ１２を移動させることにより、偏波ビームスプリッタ１２を光経路に挿入した状態よりも受信ＳＮ比が向上し、離間距離の計測精度すなわち異物の３次元形状の検出精度が向上する。

なお、新たな捜索範囲をスキャンする際には、パソコン３より偏波ビームスプリッタ移動機構１７に再度ビームスプリッタ位置制御信号を送信することで、受信望遠鏡１１と受信レンズ１３ａ、１３ｂの間に偏波ビームスプリッタ１２を挿入できる。

また、異物検出装置１ａは、パソコン３に予め異物の３次元形状の先見情報を登録しておき、作成した３次元画像の異物形状と整合する場合のみ異物として検出し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出しないようにしても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出でき、異物検出の確度を向上できる。

また、ここではスキャナ１０を２次元方向に走査させているが、ライン照射することにより走査方向を１次元にしても良い。この場合は光受信機１４ａ、１４ｂをリニアアレイとする。また、照射するレーザ光を２次元の矩形ビームとして面照射し、光受信機１４ａ、１４ｂ等の受信系スキャン作業を省略しても良い。

この実施の形態によれば、異物検出装置１ａはスキャナ１０に戻ってきた散乱光を偏波ビームスプリッタ１２を用いて２つの直交する偏波成分に分離し、それぞれの受信信号強度から偏波解消度を算出して２次元画像を作成した後、偏波ビームスプリッタ１２を光経路から外して筐体２とターゲットとの離間距離を計測するため、偏波ビームスプリッタ１２を光経路に挿入した状態よりも受信ＳＮ比が向上し、異物の３次元形状の検出精度が向上する。

また、光ファイバ７の位置を調整する焦点調整機構１６を設けたことにより、筐体２ａから出力されるレーザ光をコリメート光とすることができ、ターゲットに照射するレーザ費階の光量むらを低減し、スキャンする際の不感知領域を無くすことができる。

また、このような異物検出装置１ａを空港の滑走路や高速道路等で用いることにより、危険物などの人工的な異物を精度良く検出することができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、偏波解消度と離間距離をそれぞれ１回ずつ検出しているが、本実施の形態では捜索範囲全体を粗検出した後に異物検出領域の周辺を精検出する。また、偏波ビームスプリッタ１２で分離された散乱光の各偏波成分を受信信号強度に基づいて重み付けして離間距離を算出する。本実施の形態に係る異物検出装置１ｂを図４ないし図６を用いて説明する。

図４において、異物検出装置１ｂは筐体２ｂ及びパソコン３すなわち信号処理手段で構成され、筐体２ｂの内部には、実施の形態１及び実施の形態２に記載の発振器４、分配器５、光源６の代わりに、予め定めた周期でレーザパルス光を出力する光源６ａが設けられ、この光源６ａに２つの位相検波器１５ａ、１５ｂが電気回路で接続されている。また、筐体２ｂには光ファイバ７を所望の位置に移動させる焦点調整機構１６にも設けられ、パソコン３に電気ケーブルで接続されている。
その他の構成は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

次に、動作について説明する。異物検出装置１ｂは最初に粗検出を行い、この粗検出の結果に基づいて精検出を行う。
まず、粗検出の動作について説明する。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１０にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信すると共に、焦点調整機構１６に位置制御信号を送信し、筐体２ｂから出力されるレーザ光がコリメート光となるように光ファイバ７を移動させてファイバ端と送信レンズ８の離間距離を調整する。レーザ光をコリメート光とすることでターゲット上に照射する光量むらを低減し、スキャンする際の不感知領域を無くすことができる。

スキャナ１０及び光ファイバ７を初期位置に設定すると、光源６ａは予め定めた一定周期でレーザパルス光信号を出力する。このレーザパルス光信号は光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ８によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように調整される。送信レンズ８を透過したレーザパルス光信号は折り返しミラー９で光路変更され、スキャナ１０にてターゲット上の任意の地点を走査される。

なお、スキャナ１０はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１０の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。捜索範囲にデッドゾーンを発生させたくない場合は集光スポットサイズを大きくして低分解能で検出を行い、ある程度のデッドゾーン発生は許容できるが高分解能にしたい場合は集光スポットサイズを小さくして粗検出を行う。

ターゲットに照射されたレーザパルス光信号はターゲット表面で散乱され、その一部はスキャナ１０へ戻る。この戻ってきた散乱光はスキャナ１０で反射された後に受信望遠鏡１１で平行光に変換され、偏波ビームスプリッタ１２にて直交する２つの偏波成分に分離される。偏波ビームスプリッタ１２は、光源６ａから出力されるレーザパルス光と同じ直線偏波成分の光を透過させ、この偏波成分に直交する偏波成分の光を反射する。

光受信機１４ａ、１４ｂは散乱光を受光すると、直接検波により受信電気パルス信号に変換して位相検波器１５ａ、１５ｂに出力する。この受信電気パルス信号はレーザパルス光の散乱光を変換したものであるから、これらの受信電気パルス信号の発生周期は光源６ａのレーザパルス発生周期と同じになる。一方、受信電気パルス信号の位相はレーザパルス光が筐体２ｂとターゲット間を往復する時間分だけ光源６ａから出力されるレーザパルス光信号よりも遅れる。

位相検波器１５ａ、１５ｂは、光源６ａからのレーザパルス信号と受信電気パルス信号の最大振幅となる時刻から位相差および受信信号強度を検出する。なお、受信信号強度は受信電気パルス信号の最大振幅値に比例する。

パソコン３は位相検波器１５ａ、１５ｂが検出した位相差および受信信号強度の情報、およびスキャナ１０の走査位置情報を電気信号として取り込み、図５（ａ）に示すような透過光の受信信号強度２次元画像と、図５（ｂ）に示すような反射光の受信信号強度２次元画像から図５（ｃ）に示すような２次元の偏波解消度画像を作成する。

自然物が存在する領域は異物検出領域２１ａ、金属片等の異物が存在する領域は２１ｂとして画像上にコントラストとなって表れる。自然物は表面に凹凸を有するためレーザ光が照射されると四方八方の偏波成分を有する散乱光となり、人工的に作られた異物は表面が滑らかであるため特定方向の偏波成分のみを有する散乱光となる。つまり、自然物の偏波解消度は背景のターゲットと同じになるのに対し、人工的な異物は図５（ｃ）に示すように白いコントラストとなって浮かび上がる。

次に、パソコン３は取り込んだ位相差および受信信号強度の情報に基づいて、筐体２ｂとターゲット上のレーザパルス光が照射する地点との離間距離を算出する。パソコン３には、異物検出を開始する前に予め計測しておいたノイズレベルが登録されており、パソコン３は位相検波器１５ａ、１５ｂから取り込んだ受信信号強度とそれぞれのノイズレベルとを比較して受信ＳＮ比を算出し、この値に応じて次式のように各偏波成分から算出した離間距離に重み付けをして画像作成用の離間距離を算出する。ただし、Ｌ１は位相検波器１５ａを用いて算出した離間距離、Ｌ２は位相検波器１５ｂを用いて算出した離間距離、Ｒ１は受信ＳＮ比に依存した位相検波器１５ａ側の重み関数である。

パソコン３は算出した離間距離に基づいて図５（ｄ）に示すような２次元画像を作成し、この図の各画素に対応するスキャン角の情報とあわせて図５（ｅ）に示すような３次元画像を作成する。このように、異なる偏波成分の信号を受信ＳＮ比に応じて重み付けすることにより、離間距離をより高精度に算出できる。

さらにパソコン３は偏波解消度の２次元画像及び離間距離の３次元画像に基づいて、双方で異物検出領域２１ｂと判断した領域周辺を、精検出の対象すなわち着目領域２３（図５（ｅ）内破線で囲まれた領域）として抽出する。このとき、着目領域２３の範囲は２次元画像の情報だけでなく、スキャナ１０が精検出する際の分解能と捜索時間も加味して決定される。

着目領域２３を抽出する際に、予めパソコン３に登録された異物の３次元形状の先見情報を用いて、粗検出で作成した３次元画像における異物の形状と整合を取り、整合した場合のみ着目領域を抽出して精検出の段階に移行し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出を中止しても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出できると共に、所望でない異物に対しては検出を途中で中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。

ここまでが粗検出の動作である。続けて精検出の動作について説明する。精検出の動作も基本的には粗検出と同じで捜索範囲が着目領域になる点のみ異なる。
パソコン３は粗検出で抽出した着目領域２３を捜索範囲として、スキャナ１０にレーザパルス光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信する。また、パソコン３は着目領域２３における筐体２ｂとターゲット上のレーザパルス光が照射する地点間の平均距離を算出し、この位置に照射されるビームの集光スポットサイズが最小となるように、焦点調整機構１６に位置制御信号を送信して光ファイバ７端を移動させる。

精検出の捜索範囲と光ファイバ７及びスキャナ１０の精検出初期値が設定されると、異物検出装置１ｂは粗検出と同様にスキャナ１０を再走査させて精検出を行う。パソコン３は図６（ａ）に示すような透過光の受信信号強度２次元画像と、図６（ｂ）に示すような反射光の受信信号強度２次元画像とから図６（ｃ）に示すような偏波解消度画像を作成する。また、パソコン３は上記重み付けした式を用いて算出したターゲットとの離間距離とスキャナ１０の２次元方向の走査位置情報とから得られる図６（ｄ）に示すような２次元画像を作成し、スキャン角情報を加味して図６（ｅ）に示すような３次元画像を作成する。このようにして、異物検出装置１ｂは着目領域２３について精検出を行うことにより、異物の３次元形状をより精密に検出できる。

なお、精検出時の捜索範囲は粗検出の捜索範囲よりも狭くなるため、集光スポットサイズを小さくすると共にスキャナ１０の走査線間隔も狭くして高分解能で検出することもできる。ここでは集光スポットサイズが最小の場合について説明しているが、所望の分解能が得られ、なおかつスキャナ１０が所望の時間内に捜索範囲を走査できる大きさであれば、必ずしも最小サイズでなくて良い。ただし、デッドゾーンを生じないよう、スキャナ１０が走査する走査線の間隔以上であることが望ましい。
粗検出の段階で集光スポットサイズが十分に小さい場合、精検出で集光スポットサイズを変更せずにスキャナ１０が走査する走査線の間隔のみを狭くして検出精度をあげても良い。
また、粗検出の段階で自然物を検出対象から除外していることから、精検出では離間距離のみ再度算出して検出時間を短縮しても良い。

さらに、精検出の１画素あたりの走査時間を粗検出のそれよりも長くして１画素の検出に用いるサンプリング数を増やし、受信ＳＮ比を大きくすることもできる。検出当初から計測時間を長くすると捜索に過剰な時間を要するが、粗検出をして捜索範囲を絞り込んだ後に１画素あたりの計測時間を長くすれば、効率的に精度良く異物の３次元形状を検出できる。
また、精検出で光源６ａが出力するレーザパルス光信号の出力周期を粗検出の出力周期よりも短くすることにより、位相検波の精度をあげることもできる。
なお、実施の形態１及び実施の形態２の構成で粗検出と精検出の２段階検出するようにしても同様の効果を得ることができる。

本実施の形態３ではレーザパルス光を出力する光源６ａを用いているが、実施の形態１及び実施の形態２と同様に発振器４、分配器５、光源６を用いる構成としても良い。
このとき、精検出における発振器４の発振周波数を粗検出よりも高くすることで、位相検波器１５ａ、１５ｂにおける所定時間内のサンプリング数が増加して受信ＳＮ比が良くなり、位相検波の精度も向上する。

この実施の形態によれば、異物検出装置１ｂはスキャナ１０に戻ってきた散乱光を偏波ビームスプリッタ１２を用いて２つの直交する偏波成分に分離し、各受信信号強度から偏波解消度を算出して２次元画像を作成すると共に、筐体２ｂとターゲットとの離間距離を各偏波成分の受信ＳＮ比に応じて重み付けして算出することにより、散乱光の偏波方向によらず異物の３次元形状を精度よく検出できる。

また、光ファイバ７の位置を調整する焦点調整機構１６を設けたことにより、筐体２ｂから出力されるレーザ光をコリメート光とすることができ、ターゲットに照射するレーザ費階の光量むらを低減し、スキャンする際の不感知領域を無くすことができる。

また、粗検出で捜索範囲を絞った後にスキャンする走査線の間隔を狭くして精検出することにより、異物の３次元形状の検出精度を向上できる。
また、精検出の段階で集光スポットサイズを絞ってスキャンする走査線の間隔をさらに狭くすることにより、より高分解での検出が可能となり、異物の３次元形状の検出精度が向上する。

また、精検出では離間距離のみ再検出すれば、限られた検出時間でも高精度に異物の３次元形状を検出できる。
また、精検出の１画素あたりの走査時間を粗検出の１画素あたりの走査時間よりも長くすることにより、受信ＳＮ比が大きくなり異物の３次元形状を高精度に検出できる。
また、精検出におけるレーザパルス光信号の出力周期を粗検出の出力周期よりも短くすることにより、位相検波の精度をあげて高精度な異物の３次元形状を検出できる。

また、このような異物検出装置１ｂを空港の滑走路や高速道路等で用いることにより、危険物などの人工的な異物を精度良く検出することができる。

１、１ａ、１ｂ異物検出装置
２、２ａ、２ｂ筐体
３パソコン
４発振器
５分配器
６、６ａ光源
７光ファイバ
８送信レンズ
９折り返しミラー
１０スキャナ
１１受信望遠鏡
１２偏波ビームスプリッタ
１３ａ、１３ｂ受信レンズ
１４ａ、１４ｂ光受信機
１５ａ、１５ｂ位相検波器
１６焦点調整機構
１７偏波ビームスプリッタ移動機構
２０捜索領域
２１異物検出領域
２２異物未検出領域
２３着目領域

Claims

レーザ光を出力する光出力手段と、前記レーザ光を用いて前記捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、前記捜索対象にレーザ光を照射したときの前記捜索対象からの散乱光を偏波成分ごとに分離する偏波分離手段と、前記散乱光の各偏波成分を受光する第１及び第２の受光手段と、前記レーザ光と前記散乱光の各偏波成分との位相差及び前記散乱光の各偏波成分の受信強度を検出する第１及び第２の位相差検出手段と、前記検出結果に基づいて前記散乱光の偏波解消度を算出すると共に、前記偏波解消度の算出結果に応じて異物との離間距離を算出し、該異物の形状を出力する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする異物検出装置。
前記光出力手段は、連続波信号を生成する発振器と、前記連続波信号に基づいて前記連続波信号と同一周波数のレーザ光を出力する光源と、前記光源の出力端に一端が接続された光導波手段と、前記光導波手段から出力されるレーザ光のスポットサイズを変換する光学素子と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。
前記光出力手段は、所定周期でレーザパルス光を出力する光源と、前記光源の出力端に一端が接続された光導波手段と、前記光導波手段から出力されるレーザ光のスポットサイズを変換する光学素子と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。
前記光出力手段は、前記光導波手段の他端側に設けられ該光導波手段の位置を調整する位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項２または請求項３のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記偏波分離手段を移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記信号処理手段は、前記各偏波成分のうち受信ＳＮ比が最も大きな偏波成分あるいは予め定めた所定値よりも大きな偏波成分を用いて前記異物との離間距離を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記信号処理手段は、前記各偏波成分の受信ＳＮ比に応じて前記異物との離間距離を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記信号処理手段は、検出する異物の３次元形状の情報を有し、前記捜索対象の検出結果と前記異物の３次元形状の情報とを整合し、整合する場合に異物として形状を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記信号処理手段は、前記検出結果に基づいて前記捜索範囲を絞り込んだ着目領域を抽出し、前記走査手段に走査線間隔を狭くして該着目領域を再走査させることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記光出力手段は、前記着目領域の捜索時に前記捜索対象に照射するスポットサイズが前記捜索範囲の捜索時に前記捜索対象に照射するスポットサイズよりも小さなレーザ光を出力することを特徴とする請求項９に記載の異物検出装置。
前記走査手段は、前記着目領域の捜索時における単位領域あたりの走査時間が前記捜索範囲の捜索時よりも長いことを特徴とする請求項９または請求項１０のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記発振器は、前記着目領域の捜索時に前記捜索範囲の捜索時よりも高周波で発振することを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の異物検出装置。
前記レーザパルス光を出力する光源は、前記着目領域の捜索時に前記捜索範囲の捜索時よりも短い周期でレーザパルス光を出力することを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の異物検出装置。