JP2013124882A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境や、後方散乱光が発生する環境でも、測定対象物までの距離を正確に導出することができるようにする。
【解決手段】今回サンプリングの受信信号ｄの信号強度が前回サンプリングの受信信号ｄの信号強度より低ければ、今回サンプリングの受信信号ｄの信号強度と受信時刻を用いて、伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数ｇを算出する距離減衰推定回路１０と、その減衰係数ｇを用いて、受信信号ｄの信号強度を補償するゲイン回路１１とを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光の送信時刻と反射光の受信時刻の差から測定対象物までの距離を導出するレーザレーダ装置に関するものである。

例えば、以下の特許文献１に開示されているレーザレーダ装置では、雪や雨などによる周辺環境の変化を検知する環境条件検出部を設け、環境条件検出部が周辺環境の変化を検知すると、光走査部の走査速度を遅くし、その走査速度と対応するようにゲート回路を開く周期を長くするようにしている。
このように、ゲート回路を開く周期を長くすることで、反射光の受光信号量が増大するため、閾値判定部が信号強度と閾値を比較して、測定対象物からの反射光の受信信号を抽出する際、誤って雑音要因からの反射光の受信信号を抽出する確率を低減することができる。

ただし、例えば、海中のように、レーザ光のエネルギーの伝搬損失が大きい環境では、一般的に、レーザ光の送信点から遠方になる程、伝搬経路上の媒質を起因とする光強度減衰によって信号強度が指数関数的に減少する。
このため、測定対象物までの経路上に、海中におけるマリンスノーや、大気中における雨、雪、あられなどの比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境、あるいは、レーザ光の伝搬経路上の媒質で後方散乱光が発生する環境では、図１０に示すように、雑音要因からの反射光の信号強度や、後方散乱光の信号強度レベルが、測定対象物からの反射光の信号強度よりも大きくなる。

特開平１０−１９７６３５号公報（段落番号［０００８］、図３）

従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境や、後方散乱光が発生する環境では、レーザの走査速度を遅くすることで、ゲート回路を開く周期を長くしても、距離に依存する信号量の損失が改善されない。このため、大きな閾値を設定しても、測定対象物の前方に存在している雑音要因等からの不要信号の誤検出を招き、測定対象物までの距離を正確に導出することができないなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境や、後方散乱光が発生する環境でも、測定対象物までの距離を正確に導出することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を測定対象物に向けて照射する送信光学系と、送信光学系から照射されたのち、測定対象物により反射された上記レーザ光の反射光を受信する受信光学系と、受信光学系による反射光の受信信号をサンプリングし、今回サンプリングの受信信号の信号強度が前回サンプリングの受信信号の信号強度より低ければ、今回サンプリングの受信信号の信号強度と受信時刻を用いて、伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、減衰係数算出手段により算出された減衰係数を用いて、受信光学系による反射光の受信信号の信号強度を補償する信号強度補償手段と、信号強度補償手段により信号強度が補償された受信信号の中から、測定対象物に係る受信信号を抽出し、その受信信号に対応するレーザ光の送信時刻と上記受信信号の受信時刻との差から、測定対象物までの距離を導出する距離導出手段とを設け、画像生成手段が、距離導出手段により導出された距離及び上記受信信号の信号強度から、測定対象物を画像化するようにしたものである。

この発明によれば、受信光学系による反射光の受信信号をサンプリングし、今回サンプリングの受信信号の信号強度が前回サンプリングの受信信号の信号強度より低ければ、今回サンプリングの受信信号の信号強度と受信時刻を用いて、伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、減衰係数算出手段により算出された減衰係数を用いて、受信光学系による反射光の受信信号の信号強度を補償する信号強度補償手段とを設け、距離導出手段が、信号強度補償手段により信号強度が補償された受信信号の中から、測定対象物に係る受信信号を抽出し、その受信信号に対応するレーザ光の送信時刻と上記受信信号の受信時刻との差から、測定対象物までの距離を導出するように構成したので、比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境や、後方散乱光が発生する環境でも、測定対象物までの距離を正確に導出することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置のサンプリング回路９を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の距離減衰推定回路１０を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置のゲイン回路１１を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の距離・強度検出回路１３を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の距離減衰推定回路１０の処理内容を示すフローチャートである。 伝搬損失分の強度補償前後の受信信号を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置のサンプリング回路９を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置の距離減衰推定回路１０を示す構成図である。 比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境や、後方散乱光が発生する環境で、レーザ光が空間中に放射された場合の受信信号を示す説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図１において、レーザ光出力部１はレーザドライバ２及びレーザ発振器３から構成されており、パルス発振トリガ信号ｃを出力するとともに、そのパルス発振トリガ信号ｃに同期して、パルス状のレーザ光を発振する処理を実施する。
レーザドライバ２は送信光学系４から１パルスのレーザ光を照射させる際、パルス発振トリガ信号ｃをレーザ発振器３、信号強度補償部８及び画像処理部１２に出力する処理を実施する。
レーザ発振器３はレーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受ける毎に、１パルスのレーザ光を送信光学系４に出力する発振器である。

送信光学系４はレーザ発振器３から出力されたパルス状のレーザ光のビーム形状を整形し、内部のビームスキャナによって測定範囲を走査しながら、整形後のレーザ光を測定対象物に向けて照射するとともに、ビームスキャナのスキャン角度を画像処理部１２に出力する処理を実施する。
レーザ光受信部５は受信光学系６と受光器７から構成されており、受信光学系６は送信光学系４から照射されたのち、測定対象物により反射されたレーザ光の反射光を受信する処理を実施する。
受光器７は受信光学系６により受信された反射光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号ｄを信号強度補償部８に出力する処理を実施する。

信号強度補償部８はサンプリング回路９、距離減衰推定回路１０及びゲイン回路１１から構成されており、伝搬経路上の媒質を起因とする上記レーザ光のエネルギーの減衰係数を算出するとともに、減衰係数を用いて、受光器７から出力された受信信号ｄの信号強度を補償する処理を実施する。
サンプリング回路９は受光器７から出力された受信信号ｄをＡ／Ｄ変換して、ディジタルの受信信号ｄであるサンプリングデータｆを距離減衰推定回路１０に出力する処理を実施する。

距離減衰推定回路１０はサンプリング回路９から今回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度が、前回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度より低い場合、今回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの受信時刻と一緒に、そのサンプリングデータｆを内部メモリに保存する処理を実施する。
また、距離減衰推定回路１０は内部メモリに保存しているサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度と受信時刻を用いて、伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数ｇを算出する処理を実施する。
なお、サンプリング回路９及び距離減衰推定回路１０から減衰係数算出手段が構成されている。

ゲイン回路１１は距離減衰推定回路１０により算出された減衰係数ｇを用いて、受光器７から出力された受信信号ｄの信号強度を補償し、強度補償後の受信信号ｅを出力する処理を実施する。なお、ゲイン回路１１は信号強度補償手段を構成している。

画像処理部１２は距離・強度検出回路１３及び画像処理回路１４から構成されており、測定対象物を示す２次元画像及び３次元画像を生成する処理を実施する。
距離・強度検出回路１３はゲイン回路１１により信号強度が補償された受信信号ｅの中から、測定対象物に係る受信信号を抽出し、その受信信号に対応するレーザ光の送信時刻Ｔ_ｔｘと、その受信信号の受信時刻Ｔ_ｒｘとの時刻差ΔＴから、測定対象物までの距離Ｌを導出する処理を実施する。なお、距離・強度検出回路１３は距離導出手段を構成している。

画像処理回路１４は距離・強度検出回路１３により導出された距離Ｌと、距離・強度検出回路１３により抽出された測定対象物に係る受信信号の信号強度Ｓから、送信光学系４におけるビームスキャナのスキャン角度に基づいて測定対象物を画像化して、その測定対象物を示す２次元画像及び３次元画像を生成する処理を実施する。なお、画像処理回路１４は画像生成手段を構成している。

図１の例では、レーザレーダ装置の構成要素であるレーザ光出力部１、送信光学系４、レーザ光受信部５、信号強度補償部８及び画像処理部１２のそれぞれが専用のハードウェア（例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコン）で構成されているものを想定しているが、レーザレーダ装置がコンピュータで構成されていてもよい。
レーザレーダ装置がコンピュータで構成されている場合、レーザ光出力部１、送信光学系４、レーザ光受信部５、信号強度補償部８及び画像処理部１２の処理内容が記述されているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。

図２はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置のサンプリング回路９を示す構成図である。
図２において、クロック回路２１は所定の時間周期のパルス信号ａを出力する処理を実施する。
Ａ／Ｄ変換回路２２はクロック回路２１から出力されるパルス信号ａに同期して、受光器７から出力されたアナログの受信信号ｄをＡ／Ｄ変換し、ディジタルの受信信号ｄであるサンプリングデータｆを距離減衰推定回路１０に出力する処理を実施する。

図３はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の距離減衰推定回路１０を示す構成図である。
図３において、クロック回路３１はレーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受けると、所定の時間周期のパルス信号を出力する処理を実施する。
時間計測回路３２はクロック回路３１から出力されたパルスの数をカウントすることで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点（≒送信光学系４からレーザ光が放射された時点）からの経過時間を計測する処理を実施する。

フィルタ回路３３はサンプリング回路９から今回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度が、前回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度より高い場合、今回出力されたサンプリングデータｆを破棄し、今回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度が、前回出力されたサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度より低い場合、今回出力されたサンプリングデータｆに対して、時間計測回路３２により計測された経過時間を示す時間情報を付加するとともに、信号入力順の番号を付与して、そのサンプリングデータｆを内部メモリ３４に保存する処理を実施する。

内部メモリ３４は付与されている番号が小さい順に、時間情報付のサンプリングデータｆを格納する記録媒体である。
対数演算回路３５は内部メモリ３４により格納されているサンプリングデータｆの中から、付与されている番号が小さい順にサンプリングデータｆを２つずつ取り出し、２つのサンプリングデータｆのうち、番号が小さい方のサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度で、番号が大きい方のサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度を除算し、その除算結果の対数を演算する処理を実施する。

除算回路３６は対数演算回路３５により取り出された２つのサンプリングデータｆに付加されている時刻情報が示す経過時間の差を求め、対数演算回路３５の演算結果を経過時間の差で除算するとともに、定数である光速で除算することにより、２つのサンプリングデータｆ間の減衰係数αを算出する処理を実施する。
平均演算回路３７は除算回路３６により２つのサンプリングデータｆ間の減衰係数αが算出される毎に、それらの減衰係数αの平均値を算出する処理を実施する。なお、平均演算回路３７により算出される減衰係数αの平均値は、レーザ発振器３から１パルスのレーザ光が出力される時間中の減衰係数αの平均を示す値となる。

内部メモリ３８は平均演算回路３７により算出された減衰係数αの平均値を格納する記録媒体である。
移動平均演算回路３９は内部メモリ３８により格納されている減衰係数αの平均値に対する移動平均処理を実施し、移動平均処理後の減衰係数αを減衰係数ｇとしてゲイン回路１１に出力する処理を実施する。
なお、図６はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の距離減衰推定回路１０の処理内容を示すフローチャートである。

図４はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置のゲイン回路１１を示す構成図である。
図４において、クロック回路４１はレーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受けると、所定の時間周期のパルス信号を出力する処理を実施する。
バイアス演算回路４２はクロック回路４１から出力されたパルスの数をカウントすることで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点（≒送信光学系４からレーザ光が放射された時点）からの経過時間を計測し、その経過時間と距離減衰推定回路１０により算出された減衰係数ｇを用いて、可変利得回路４３に与えるバイアスＶを算出する処理を実施する。
可変利得回路４３はバイアス演算回路４２により算出されたバイアスＶを受光器７から出力された受信信号ｄに印加することで、その受信信号ｄの信号強度を補償し、強度補償後の受信信号ｅを距離・強度検出回路１３に出力する処理を実施する。

図５はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の距離・強度検出回路１３を示す構成図である。
図５において、クロック回路５１はレーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受けると、所定の時間周期のパルス信号を出力する処理を実施する。
ピーク検出回路５２はクロック回路５１から出力されたパルス信号の入力タイミングで動作を開始して、一定時間後に放電するピークホールド回路であり、ゲイン回路１１により信号強度が補償された受信信号ｅの中のピーク値を検出する処理を実施する。

コンパレータ５３は測定対象物に係る受信信号と不要信号を仕分けるための閾値が設定されており、ピーク検出回路５２により検出されたピーク値と閾値を比較し、そのピーク値が閾値より大きければ、そのピーク値を時間計測回路５４により計測された経過時間を示す時間情報と一緒に内部メモリ５５に保存する処理を実施する。
時間計測回路５４はクロック回路５１から出力されたパルスの数をカウントすることで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点（≒送信光学系４からレーザ光が放射された時点）からの経過時間を計測する処理を実施する。
内部メモリ５５はピーク検出回路５２により検出されたピーク値を時間情報と一緒に格納する記録媒体である。

強度検出回路５６は内部メモリ５５により時間情報と一緒に格納されているピーク値を読み出して、そのピーク値に対応する時刻情報を距離演算回路５７に出力するとともに、そのピーク値が示す信号強度Ｓを画像処理回路１４に出力する処理を実施する。
距離演算回路５７は強度検出回路５６から出力された時刻情報が示す経過時間からレーザ光の送信時刻Ｔ_ｔｘと、そのピーク値の受信時刻Ｔ_ｒｘとの時刻差ΔＴを把握し、その時刻差ΔＴから、測定対象物までの距離Ｌを導出する処理を実施する。

次に動作について説明する。
まず、レーザ光出力部１のレーザドライバ２は、送信光学系４から１パルスのレーザ光を照射させる際、パルス発振トリガ信号ｃをレーザ発振器３、信号強度補償部８及び画像処理部１２に出力する。
レーザ光出力部１のレーザ発振器３は、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受ける毎に、１パルスのレーザ光を送信光学系４に出力する。

送信光学系４は、レーザ発振器３からパルス状のレーザ光の受けると、そのレーザ光のビーム形状を整形し、内部のビームスキャナによって測定範囲を走査しながら、整形後のレーザ光（略平行光のレーザ光）を測定対象物に向けて照射する。
また、送信光学系４は、そのビームスキャナのスキャン角度を画像処理部１２に出力する。
このとき、送信光学系４によるレーザ光の送信方向に測定対象物が存在していれば、送信光学系４が１パルスのレーザ光を送信する毎に、測定対象物による当該レーザ光の反射光が戻ってくる。

レーザ光受信部５の受信光学系６は、送信光学系４から送信されたレーザ光が測定対象物に反射されて戻ってくると、そのレーザ光の反射光を受信する。
受光器７は、受信光学系６が反射光を受信すると、その反射光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号ｄをサンプリング回路９及びゲイン回路１１に出力する。

サンプリング回路９は、受光器７から受信信号ｄを受けると、その受信信号ｄをＡ／Ｄ変換して、ディジタルの受信信号ｄであるサンプリングデータｆを距離減衰推定回路１０に出力する。
即ち、サンプリング回路９のクロック回路２１は、所定の時間周期のパルス信号ａをＡ／Ｄ変換回路２２に出力する。
サンプリング回路９のＡ／Ｄ変換回路２２は、受光器７から受信信号ｄを受けると、クロック回路２１から出力されるパルス信号ａに同期して、その受信信号ｄ（アナログの受信信号）をＡ／Ｄ変換し、ディジタルの受信信号ｄであるサンプリングデータｆを距離減衰推定回路１０に出力する。

距離減衰推定回路１０は、サンプリング回路９からサンプリングデータｆを受けると、そのサンプリングデータｆに基づいて、伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数ｇを算出する。
以下、図６を参照しながら、距離減衰推定回路１０の処理内容を具体的に説明する。

まず、距離減衰推定回路１０のクロック回路３１は、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受信すると、その受信タイミングを起点として、所定の時間周期のパルス信号を時間計測回路３２に出力する。
時間計測回路３２は、クロック回路３１から出力されたパルスの数をカウントすることで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点（≒送信光学系４からレーザ光が放射された時点）からの経過時間を計測する。

フィルタ回路３３は、サンプリング回路９からサンプリングデータｆが出力される毎に、そのサンプリングデータｆを取り込み（図６のステップＳＴ１）、今回取り込んだサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度と、前回取り込んだサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度とを比較する（ステップＳＴ２）。
フィルタ回路３３は、今回取り込んだサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度が、前回取り込んだサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度より高い場合、今回取り込んだサンプリングデータｆを破棄する（ステップＳＴ３）。
このようにサンプリングデータｆを破棄することで、減衰係数の推定に影響を及ぼす異常な信号強度を有する受信信号を排除することが可能になる。

フィルタ回路３３は、今回取り込んだサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度が、前回取り込んだサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度より低い場合、今回取り込んだサンプリングデータｆに対して、時間計測回路３２により計測された経過時間を示す時間情報を付加する（ステップＳＴ４）。
そして、フィルタ回路３３は、信号入力順の番号を時間情報付のサンプリングデータｆに付与して内部メモリ３４に保存する（ステップＳＴ５）。

ここで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点からｔ秒後の時間における受信信号ｄの信号強度がＩ_ｔであるとするとき、減衰係数がα、光速がｃであれば、ｔ_１秒後の信号強度Ｉ_ｔ１とｔ_２秒後の信号強度Ｉ_ｔ２の関係は、ランバート・ベールの法則より、下記の式（１）で表される。
Ｉ_ｔ２／Ｉ_ｔ１＝ｅｘｐ（−α×ｃ×（ｔ_２−ｔ_１）） （１）
距離減衰推定回路１０では、下記に示すように、式（１）を利用して、減衰係数αを算出する。

対数演算回路３５は、内部メモリ３４により格納されているサンプリングデータｆの中で（既に取り出し済みのサンプリングデータｆを除く）、付与されている番号が１番小さいサンプリングデータｆと、２番目に小さいサンプリングデータｆとを取り出して、以下に示すような除算処理と対数処理を行う。
ここでは、説明の便宜上、１番小さいサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度をＩ_ｔ１、２番目に小さいサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度をＩ_ｔ２とする。

対数演算回路３５は、１番小さいサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度Ｉ_ｔ１で、２番目に小さいサンプリングデータｆが示す受信信号ｄの信号強度Ｉ_ｔ２を除算する除算処理を実施する。
Ｄ＝Ｉ_ｔ２／Ｉ_ｔ１
また、対数演算回路３５は、その除算結果Ｄの対数を演算する。
Ｅ＝ｌｏｇ（Ｄ）
ここで、対数演算回路３５の演算結果Ｅは、式（１）より、下記のように表される。
Ｅ＝ｌｏｇ（Ｉ_ｔ２／Ｉ_ｔ１）＝−α×ｃ×（ｔ_２−ｔ_１）

除算回路３６は、１番小さいサンプリングデータｆに付加されている時刻情報が示す経過時間ｔ_１と、２番目に小さいサンプリングデータｆに付加されている時刻情報が示す経過時間ｔ_２との時刻差Δｔ（＝ｔ_２−ｔ_１）を求め、対数演算回路３５の演算結果Ｅを時刻差Δｔで除算するとともに、定数である光速ｃで除算することにより、２つのサンプリングデータｆ間の減衰係数αを算出する。
α＝−Ｅ／（ｃ×（ｔ_２−ｔ_１））

平均演算回路３７は、除算回路３６が２つのサンプリングデータｆ間の減衰係数αを算出する毎に、これまでに除算回路３６により算出された減衰係数αの平均値を算出する（ステップＳＴ６）。
フィルタ回路３３、対数演算回路３５、除算回路３６及び平均演算回路３７の処理は、１パルスのレーザ光が出力されている間、繰り返し実施される。
これにより、平均演算回路３７により算出される減衰係数αの平均値は、レーザ発振器３から１パルスのレーザ光が出力される時間中の減衰係数αの平均を示す値となる。
対数演算回路３５は、減衰係数αの平均値を内部メモリ３８に格納する（ステップＳＴ７）。

移動平均演算回路３９は、平均演算回路３７が１パルス当りの減衰係数αの平均値を内部メモリ３８に格納すると、その減衰係数αの平均値に対する移動平均処理を実施し（ステップＳＴ８）、移動平均処理後の減衰係数αを減衰係数ｇとしてゲイン回路１１に出力する（ステップＳＴ９）。
これにより、環境が時間的に変化しても常に最新の減衰係数を取り込むことができるため、環境の変化に追従することが可能になる。
また、移動平均演算回路３９が移動平均処理後の減衰係数ｇをゲイン回路１１に出力しているので、減衰係数αが大きく変化しても、ゲイン回路１１に与える減衰係数ｇの変化を緩和して、急激な制御の変動を防止することができる。

ゲイン回路１１は、距離減衰推定回路１０から減衰係数ｇを受けると、その減衰係数ｇを用いて、受光器７から出力された受信信号ｄの信号強度を補償し、強度補償後の受信信号ｅを距離・強度検出回路１３に出力する。
即ち、ゲイン回路１１のクロック回路４１は、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受信すると、その受信タイミングを起点として、所定の時間周期のパルス信号をバイアス演算回路４２に出力する。

バイアス演算回路４２は、クロック回路４１から出力されたパルスの数をカウントすることで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点（≒送信光学系４からレーザ光が放射された時点）からの経過時間ｔを計測する。
そして、バイアス演算回路４２は、下記の式（２）に示すように、その経過時間ｔと距離減衰推定回路１０により算出された減衰係数ｇを用いて、可変利得回路４３に与えるバイアスＶを算出する。
Ｖ＝ｇ×ｃ×ｔ／β （２）
ただし、ｃは光速、βは可変利得回路４３のバイアス当りの利得変化量である。

可変利得回路４３は、バイアス演算回路４２からバイアスＶを受けると、そのバイアスＶを受光器７から出力された受信信号ｄに印加することで、その受信信号ｄの信号強度を補償し、強度補償後の受信信号ｅを距離・強度検出回路１３に出力する。
なお、ゲイン回路１１では、レーザ発振器３から１パルスのレーザ光が送信されるタイミング毎に、距離減衰推定回路１０により新たに算出された減衰係数ｇを用いて、受光器７から出力された受信信号ｄの信号強度を補償している。
ここで、図７は伝搬損失分の強度補償前後の受信信号を示す説明図である。
図７からも明らかなように、レーザの伝搬距離に依存している強度損失が補償されるため、反射光の信号強度を、送信したレーザ光を反射する物質の反射率のみに依存している信号強度に変換することが可能になる。

距離・強度検出回路１３は、ゲイン回路１１から強度補償後の受信信号ｅを受けると、強度補償後の受信信号ｅの中から、測定対象物に係る受信信号を抽出し、その受信信号に対応するレーザ光の送信時刻Ｔ_ｔｘと、その受信信号の受信時刻Ｔ_ｒｘとの時刻差ΔＴから、測定対象物までの距離Ｌを導出する。
以下、距離・強度検出回路１３の処理内容を具体的に説明する。

距離・強度検出回路１３のクロック回路５１は、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃを受信すると、その受信タイミングを起点として、所定の時間周期のパルス信号をピーク検出回路５２及び時間計測回路５４に出力する。
時間計測回路５４は、クロック回路５１から出力されたパルスの数をカウントすることで、レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時点（≒送信光学系４からレーザ光が放射された時点）からの経過時間ｔを計測する。

ピーク検出回路５２は、クロック回路５１から出力されたパルス信号の入力タイミングで動作を開始して、一定時間後に放電するピークホールド回路であり、ゲイン回路１１により信号強度が補償された受信信号ｅの中のピーク値を検出する。
コンパレータ５３は、図７（ｂ）に示すように、測定対象物に係る受信信号と不要信号を仕分けるための閾値が設定されており、ピーク検出回路５２により検出されたピーク値と閾値を比較する。
コンパレータ５３は、ピーク検出回路５２により検出されたピーク値が閾値より大きければ、そのピーク値は測定対象物に係る受信信号であると判断し、そのピーク値を時間計測回路５４により計測された経過時間ｔを示す時間情報と一緒に内部メモリ５５に保存する。

強度検出回路５６は、内部メモリ５５により時間情報と一緒に格納されているピーク値を読み出して、そのピーク値に対応する時刻情報を距離演算回路５７に出力するとともに、そのピーク値が示す信号強度Ｓを画像処理回路１４に出力する。
距離演算回路５７は、強度検出回路５６からピーク値に対応する時刻情報を受けると、その時刻情報が示す経過時間ｔからレーザ光の送信時刻Ｔ_ｔｘと、そのピーク値の受信時刻Ｔ_ｒｘとの時刻差ΔＴを把握する。
即ち、距離演算回路５７は、時間計測回路５４により計測される経過時間が０の時刻（レーザドライバ２からパルス発振トリガ信号ｃが出力された時刻）をレーザ光の送信時刻Ｔ_ｔｘと認識し、その送信時刻Ｔ_ｔｘから経過時間ｔを加えた時刻（Ｔ_ｔｘ＋ｔ）をピーク値の受信時刻Ｔ_ｒｘと認識して、レーザ光の送信時刻Ｔ_ｔｘとピーク値の受信時刻Ｔ_ｒｘとの時刻差ΔＴを把握する。
距離演算回路５７は、その時刻差ΔＴと光速ｃから、測定対象物までの距離Ｌを導出し、その距離Ｌを画像処理回路１４に出力する。
Ｌ＝ｃ×ΔＴ

画像処理回路１４は、距離・強度検出回路１３から測定対象物に係る受信信号の信号強度Ｓと測定対象物までの距離Ｌを受けると、その信号強度Ｓと距離Ｌから、送信光学系７から出力されるビームスキャナのスキャン角度に基づいて測定対象物を画像化し、その測定対象物を示す２次元画像及び３次元画像を生成する。
信号強度Ｓと距離Ｌから測定対象物を画像化する技術自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、受光器７により変換された電気信号である受信信号ｄをサンプリングするサンプリング回路９と、今回サンプリングの受信信号ｄの信号強度が前回サンプリングの受信信号ｄの信号強度より低ければ、今回サンプリングの受信信号ｄの信号強度と受信時刻を用いて、伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数ｇを算出する距離減衰推定回路１０と、距離減衰推定回路１０により算出された減衰係数ｇを用いて、受光器７により変換された電気信号である受信信号ｄの信号強度を補償するゲイン回路１１とを設け、距離・強度検出回路１３が、ゲイン回路１１により信号強度が補償された受信信号ｅの中から、測定対象物に係る受信信号を抽出し、その受信信号に対応するレーザ光の送信時刻と上記受信信号の受信時刻との差から、測定対象物までの距離Ｌを導出するように構成したので、比較的粒径が大きい雑音要因が存在する環境や、後方散乱光が発生する環境でも、測定対象物までの距離Ｌを正確に導出することができる効果を奏する。

即ち、この実施の形態１によれば、レーザ発振器３がパルス状のレーザ光を送信光学系４に出力するタイミングで、距離減衰推定回路１０が、伝搬経路上の媒質を起因とする減衰係数ｇを推定し、その減衰係数ｇを用いて、ゲイン回路１１が伝搬損失分の強度補償を実施しているので、受光器７により変換された電気信号である受信信号ｄから伝搬損失の影響を取り除くことができ、測定対象物の反射率に依存する信号強度に置換される。
これにより、閾値を可変にしても取り除くことができなかった雑音要因からの反射信号を排除することができるようになり、安定した測定対象物からの信号検出及び測距を行うことが可能になる。

また、この実施の形態１によれば、１パルスのレーザ光を送信する毎に、伝搬経路上の媒質を起因とする減衰係数ｇを推定し、過去に推定している減衰係数ｇと合わせ移動平均を取っていることから、周辺環境が変化して、伝搬経路上の減衰係数ｇが徐々に変化している場合でも、最新の減衰係数を取り込んで周辺環境に追従している安定した距離測定が可能になる。

なお、この実施の形態１では、距離・強度検出回路１３のコンパレータ５３が、ピーク検出回路５２により検出されたピーク値と閾値を比較し、そのピーク値が閾値より大きければ、そのピーク値は測定対象物に係る受信信号であると判断するものを示したが、伝搬経路上の雑音要因からの反射率が高い場合、伝搬損失分の強度補償を実施しても、測定対象物からの信号強度と比べて、雑音要因からの信号強度が同等あるいは高い場合があり得る。
この場合、コンパレータ５３が使用する閾値を調整しても、複数のピーク値が閾値より大きくなることがある。
しかし、測定対象物は、雑音要因よりも必ず後方に存在しているため、１回のパルスレーザ光の送信で、最後に得られたピーク値が測定対象物に係る受信信号となる。

そこで、コンパレータ５３は、複数のピーク値が閾値より大きくなる場合、それらのピーク値の受信時刻を参照して、受信時刻が最も遅いピーク値を測定対象物に係る受信信号であると判断して、そのピーク値を内部メモリ５５に保存するようにする。
これにより、伝搬経路上の雑音要因からの反射率が高いために、複数のピーク値が閾値より大きくなる場合でも、測定対象物までの距離Ｌを正確に導出することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、サンプリング回路９がクロック回路２１とＡ／Ｄ変換回路２２から構成されているものを示したが、サンプリング回路９は他の構成であってもよい。
図８はこの発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置のサンプリング回路９を示す構成図であり、図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ゲート回路６１はクロック回路２１からパルス信号を受ける毎に、受光器７により変換された電気信号である受信信号ｄを与えるマルチチャンネルＡ／Ｄ回路６２のセルを順次切り替える処理を実施する。
マルチチャンネルＡ／Ｄ変換回路６２は複数のセル（各セルは、Ａ／Ｄ変換機能を備えている）を有しており、ゲート回路６１から受信信号ｄを与えられたセルがＡ／Ｄ変換処理を実施して、ディジタルの受信信号であるサンプリングデータｆを出力する処理を実施する。

上記実施の形態１では、サンプリング回路９のＡ／Ｄ変換回路２２が、マルチチャンネルの構成ではないため、クロック回路２１のパルス周期に追従可能な高速なＡ／Ｄ変換回路を搭載する必要がある。
この実施の形態２では、マルチチャンネルＡ／Ｄ変換回路６２が複数のセルを有し、ゲート回路６１がクロック回路２１から出力されるパルス信号を複数のセルに分散するため、個々のセルについては、低速でＡ／Ｄ変換処理を行っても、上記実施の形態１のサンプリング回路９と同様の処理を実現することができる。
例えば、マルチチャンネルＡ／Ｄ変換回路６２が、Ｎ個のセルを有している場合、個々のセルの処理周期は、クロック回路２１のパルス周期の１／Ｎ倍まで低減することが可能になる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、距離減衰推定回路１０が除算回路３６と平均演算回路３７を実装している構成を示したが、距離減衰推定回路１０は他の構成であってもよい。
図９はこの発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置の距離減衰推定回路１０を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
最小二乗法演算回路７０は対数演算回路３５の演算結果に対して、一次式の最小二乗法処理を行うことで、減衰係数αの平均値を算出する処理を実施する。

次に動作について説明する。
ただし、距離減衰推定回路１０が、除算回路３６及び平均演算回路３７の代わりに、最小二乗法演算回路７０を実装している点以外は、上記実施の形態１と同様であるため、最小二乗法演算回路７０の処理内容だけを説明する。

最小二乗法演算回路７０は、対数演算回路３５から演算結果を受けると、その演算結果に対して、一次式の最小二乗法処理を行う。
推定する減衰係数αは、式（１）からも分かる通り、信号強度を対数で表すと、時間に対する一次方程式の傾きであることが分かる。
このことから、内部メモリ３４に保存されているサンプリングデータｆに対して、一次方程式の最小二乗法を適用することで得られる近似式の傾きを減衰係数αとして算出する。

具体的には、内部メモリ３４に保存されているサンプリングデータｆの個数がＮ、ｎ番目に対数処理された信号強度がＡ_ｎ、サンプリングデータｆに係る受信信号の受信時刻がｔ_ｎであるとすると、減衰係数αは、下記の式（３）のように表される。

最小二乗法演算回路７０は、式（３）を演算することで減衰係数αを求め、その減衰係数αを内部メモリ３８に格納する。
この演算処理は、１パルスのレーザ光が送信される毎に行われる。

上記実施の形態１では、減衰係数αを算出する際、Ｎ個のサンプリングデータｆが内部メモリ３４に格納されている場合、対数演算回路３５で（Ｎ−１）回の除算処理が行われ、さらに除算回路３６で（Ｎ−１）回の除算処理が行われるため、一回の減衰係数αの算出で２（Ｎ−１）回の除算処理を行う必要がある。
この実施の形態３では、最小二乗法演算回路７０が式（３）の除算処理を１回行えばよく、計算処理の速度を大幅に向上させることが可能になる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ レーザ光出力部、２ レーザドライバ、３ レーザ発振器、４ 送信光学系、５ レーザ光受信部、６ 受信光学系、７ 受光器、８ 信号強度補償部、９ サンプリング回路（減衰係数算出手段）、１０ 距離減衰推定回路（減衰係数算出手段）、１１ ゲイン回路（信号強度補償手段）、１２ 画像処理部、１３ 距離・強度検出回路（距離導出手段）、１４ 画像処理回路（画像生成手段）、２１ クロック回路、２２ Ａ／Ｄ変換回路、３１ クロック回路、３２ 時間計測回路、３３ フィルタ回路、３４ 内部メモリ、３５ 対数演算回路、３６ 除算回路、３７ 平均演算回路、３８ 内部メモリ、３９ 移動平均演算回路、４１ クロック回路、４２ バイアス演算回路、４３ 可変利得回路、５１ クロック回路、５２ ピーク検出回路、５３ コンパレータ、５４ 時間計測回路、５５ 内部メモリ、５６ 強度検出回路、５７ 距離演算回路、６１ ゲート回路、６２ マルチチャンネルＡ／Ｄ変換回路、７０ 最小二乗法演算回路。

Claims (3)

1. レーザ光を測定対象物に向けて照射する送信光学系と、上記送信光学系から照射されたのち、上記測定対象物により反射された上記レーザ光の反射光を受信する受信光学系と、上記受信光学系による反射光の受信信号をサンプリングし、今回サンプリングの受信信号の信号強度が前回サンプリングの受信信号の信号強度より低ければ、今回サンプリングの受信信号の信号強度と受信時刻を用いて、伝搬経路上の媒質を起因とする上記レーザ光のエネルギーの減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、上記減衰係数算出手段により算出された減衰係数を用いて、上記受信光学系による反射光の受信信号の信号強度を補償する信号強度補償手段と、上記信号強度補償手段により信号強度が補償された受信信号の中から、上記測定対象物に係る受信信号を抽出し、その受信信号に対応するレーザ光の送信時刻と上記受信信号の受信時刻との差から、上記測定対象物までの距離を導出する距離導出手段と、上記距離導出手段により導出された距離及び上記受信信号の信号強度から、上記測定対象物を画像化する画像生成手段とを備えたレーザレーダ装置。
2. 減衰係数算出手段は、送信光学系からレーザ光が照射される毎に、上記レーザ光のエネルギーの減衰係数を算出して、上記減衰係数を信号強度補償手段に出力することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 距離導出手段は、信号強度補償手段により信号強度が補償された受信信号の中に、測定対象物に係る受信信号の候補が複数存在している場合、複数の受信信号の候補の中から、受信時刻が最も遅い受信信号を抽出することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。

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