JP2014174069A

JP2014174069A - レーザ測距装置

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Publication number: JP2014174069A
Application number: JP2013048699A
Authority: JP
Inventors: Kozo Ishida; 晃三石田; Yasuharu Koyada; 康晴小矢田; Takenori Ono; 剛典大野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】従来のレーザ測距装置では、受光素子の出力を増幅し、コンパレートするため、レーザ光の信号量、受光素子の感度特性、増幅器の増幅特性、コンパレータの閾値特性などの特性や、特性ばらつきの影響で、測距値がばらつくという課題がある。
【解決手段】送信タイミングを示す参照光と、受信タイミングを示す信号光の相関性を検出し、相関を検出した結果から、重心を求め、測距値を算出する。これにより測距誤差を減らし測距精度を向上したレーザ測距装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザを光源とし、レーザ光（参照光）の発射タイミングと、被写体で反射した後、検出器で信号光を受光するタイミングとの時間差を計測し、時間差から被写体の距離を求めるレーザ測距装置の測距精度向上技術に関するものである。

レーザ光は、指向性が高く波長を一定に保つ電磁波である。光の速度で伝播するため、送信タイミングと、被写体で反射した光を受信する受信タイミングを測定することで、被写体までの距離を精度良く測定することができる。

特許文献１はレーザ測距装置の一例である。レーザ発信器部の出力とコンパレータの出力をカウンタでカウントすることで、目標までの距離を測距することができる（特許文献１参照）。

実開平５−２８９８３号公報

従来の構成では、検出器の出力を増幅しコンパレートするため、レーザ光の信号量、検出器の感度特性、回路の増幅特性、回路のコンパレータ閾値などの固体ばらつき、温度特性のばらつきなどの影響で、測距値がばらついて、誤差が発生し、測距精度が劣化するという課題があった。

また、レーザ波形が複数のピークを持つ場合、発射タイミングの参照光の検出するピークと、信号光のピークとが異なる場合、コンパレートされるタイミングが異なるため、測距誤差が発生するという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、測距精度の高いレーザ測距装置を提供することを目的とする。

この発明は、参照光を送信するレーザ光源と、前記参照光が目標で反射された信号光を検出する第一の検出器と、前記第一の検出器と同一の感度特性と周波数特性を有し、前記参照光を検出する第二の検出器と、前記第一の検出器で検出した信号光の出力信号と、前記第二の検出器で検出した参照光の出力信号との相互相関を求める相関検出部と、前記相互相関の結果を用いて、前記参照光を送信した後前記信号光を検出するまでのシフト時間を算出し、前記シフト時間と光の速度から前記目標までの距離を算出する距離検出部とを備える。

本発明に係るレーザ測距装置によれば、レーザ光の信号強度、検出器の感度特性、回路の増幅特性、回路のコンパレータ閾値特性などのばらつきの影響で発生する測距値の誤差を低減し、測距精度を向上する効果を有する。

また、レーザ波形が複数のピークを持つ場合であっても、検出器、回路など特性に影響を受けにくく、測距精度を向上させる効果を有する。

また、信号光の信号強度が弱い場合においても、ノイズから信号光を検出することができ、測距精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ測距装置の構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１における参照光、信号光、第一の相関検出部の相関検出出力と、第一の距離検出部７の演算結果を示した図である。従来のコンパレータの閾値ばらつきによる測距値の測距誤差を説明する図である。本発明の実施の形態１に係るレーザ測距装置の測距誤差を表す図であり、相互相関(破線)と重心演算結果(Ｃ点)を示した図である。本発明の実施の形態２に係るレーザ測距装置の構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態２に係るレーザ測距装置における主要信号のタイミングを示す図である。本発明の実施の形態３に係るレーザ測距装置の構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態３に係るレーザ測距装置における主要信号のタイミングを示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ測距装置の構成を示す図の一例である。図１において、１はレーザ測距装置の光源、２は送信時のレーザ光(以下、参照光ともいう)の受信タイミングを検出するためのレーザ光を分岐する光学部品、３は参照光を検出する第二の検出器、４は第二の検出器の出力を増幅しＡ／Ｄ変換する参照光の受信回路、５は測距目標(ターゲットともいう)、６はターゲット５から反射光(信号光ともいう)の受信タイミングを検出する第一の検出器。７は、第一の検出器の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換する信号光の受信回路、８は参照光の受信回路４の出力信号と、信号光の受信回路７の出力信号の相関を求める第一の相関検出部、９は第一の相関検出部の出力信号から測距値を求める第一の距離検出部、１４は第二の検出器の入射光量を制限するアッテネータであり、１５は第一の検出器の入射光量を制限するアッテネータである。

図２は、参照光ｆ(t)、信号光ｇ(t)、第一の相関検出部８の相関検出出力と、第一の距離検出部９の演算結果を示した図である。

なお、ここでは参照光の受信回路４と信号光の受信回路７の信号の遅延量のばらつきはないものとする。このため、参照光と信号光の検出の時間差は、参照光の受信回路４と、信号光の受信回路７の検出器の時間差と同等である。なお、遅延量にばらつきがある場合は、遅延量を引く処理部を実装することで対応できる。

レーザ光源１から出射した参照光は、光学部品２で分岐し、分岐した参照光は第二の検出器３で受光し、参照光の受信回路４で増幅Ａ／Ｄ変換され、参照光の送信時の参照光タイミング(tr)を生成する。
光学部品２は、ビームスプリッタのような光を分離する光学部品でもよく、レーザ光源を包む筐体内の散乱光を取る込む光学的な構成部品でも良い。

レーザ光源１から出射した光は、光学部品２で分岐した後、空中を伝播し、ターゲット５で反射され、反射された信号光を第一の検出器６で受光する。第一の検出器６で受光された信号光は、信号光の受信回路７で増幅Ａ／Ｄ変換され、信号光の受信時の信号光タイミング(ts)を生成する。

アッテネータ１４、１５はそれぞれ第二の検出器、第一の検出器への入射光量を制限することで、検出器出力の飽和を防ぐ効果がある。検出器の飽和が発生しないことで、参照光と、信号光の波形を検出することができ、相関を検出することができる。
なお、本実施の形態では、光学部品としてアッテネータを用いた構成を示しているが、参照光と信号光の信号強度を検出した結果を元に、第一の検出器と第二の検出器の感度特性を変化させる電気的な構成や、絞りを変化させる光学的な構成であっても良い。また、入射光が飽和しない状態でも後段の受信回路にて飽和する場合もあるため、受信回路の利得を可変する構成でも良い。

本実施の形態において、第一の検出器６の特性と第二の検出器３は、同一の感度特性と同一の周波数特性を有する検出器である。
また、参照光の受信回路４と、信号光の受信回路７は、電流−電圧変換回路、増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路などで構成された回路であり、ノイズ、帯域などは同一または、類似の特性をもつ受信回路である。

ここで、本発明の特長を理解するために、従来の測距原理について図２を用いて説明する。従来のレーザ測距装置では、参照光の送信時の参照光タイミング(tr)と、信号光の受信時の信号光タイミング(ts)の時間差τ＝ts-trと、光速から測距距離を求めていた。

図３は従来のコンパレータの閾値ばらつきによる測距値の測距誤差を説明する図であり、時間に対するレーザ光強度の波形を示した図である。図３に示すようにレーザ光強度の波形に複数のピークを持つ信号では、ピークを検出するタイミングが、参照光と信号光でずれる場合がある。
例えば、参照光においては１番目の低い信号強度のピークで信号光タイミング(ts)を検出し、一方、信号光では中央の高い信号強度のピークで信号光の送信時の信号光タイミング(ts)を検出することがある。この場合、検出するピーク位置のズレが測距の誤差となる。

また、レーザ、検出器などの特性で信号光の信号強度が減衰した場合など、回路の閾値特性以下の信号の場合は、測距不能となることがある。検出できた場合でも、閾値のばらつきによる測距誤差が発生する。

本発明に係るレーザ測距装置では、図１に示すように、第一の相関検出部８を実装する。第一の相関検出部８において、参照光と信号光の相関を検出することで、レーザや検出器などの特性で信号光の信号強度が減衰する場合においても、相関を検出することを可能とする。

相関検出部８は、相互相関などの二つの信号の間の相関を求める処理である。相互相関Ｒfg(τ)は参照光をf(t)、信号光をg(t)とすると、(1)式で定義される。

図２に、相互相関の結果を示す。
参照光f(t)と相関の高い信号光g(t)のある時間に相関検出結果（相関検出出力）が大きくなる波形となる。

距離検出部９は、相関検出部８の相互相関の結果を入力し、目標までの距離を検出する処理である。式(2)に、距離検出部９で行う重心演算の式を示す。

相関検出結果の重心演算することで、参照光から信号光の時間的シフトτm(送信後、ターゲット５から反射を受けた信号を受けるまでの時間)が分かる。得られた時間(τm)と、光速から距離を求める。

特性が等しい第一の検出器６と第二の検出器３を用いることで、第一の検出器６の検出器出力と、第二の検出器３の検出器出力をそのまま相関検出部８に入力して、相関検出することが可能となり、信号処理時間の短縮化、処理回路の実装面積の短縮化、信号処理の簡素化ができる。

また、参照光受信回路、ならびに信号光受信回路のＡ／Ｄ変換したデジタル信号を用いることで、ノイズ耐性の高い精度のよい信号処理ができる。二つのＡ／Ｄ変換器に供給するＡ／Ｄクロックの位相を相関検出値が高くなるように位相制御することで、測距精度を向上させることも可能となる。

相関を用いるため、ノイズが含まれる場合において、測距回路の閾値を越えるノイズ信号による誤測距が発生しないなど、ノイズの影響を避けることができる。
また、相関関数の特徴として相関性の低い信号は相関出力が低く、相関の高い信号は相関出力が高い出力を得ることができるため、遠距離測定などS/Nの低い微小信号においても、ノイズの影響を軽減した信号光の検出ができる。

また、相互相関の演算を用いることで、従来のコンパレータの構成で問題となった閾値と受信信号の増幅量ばらつきなどの問題による測距値誤差を少なくすることができる。
図３に、コンパレータの閾値ばらつきによる測距値の誤差の一例を示す。受信信号の増幅量ばらつきなどの問題による測距値誤差も同様の考えにて発生する。図３においてＢ点は真の測距値を示すターゲットからの受信信号のレーザ光強度である。図３の例では、コンパレータを用いた場合、入力信号の電圧値と、コンパレータの閾値特性により、Ａ点の位置を受信光の測距値と検出することになる。このＡとＢの差分が測距値の誤差を発生させていたことがわかる。

図４は、本実施の形態の相互相関(破線)と重心演算結果(Ｃ点)を示している。
送信光と受信光の相互相関を求め、重心から測距値を求めるため、従来に比べて測距値の誤差を抑えることができ、測距値の精度を向上させることが可能となる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るレーザ測距装置の構成の一例を示した図である。実施の形態２においては第三の検出器１０と、参照光受信回路１１を用いる点で、実施の形態１と異なる。図６は、実施の形態２に係るレーザ測距装置における主要信号のタイミングを示した図である。

図５において、第三の検出器１０は第二の検出器３とは、周波数特性、感度特性の異なる検出器である。
本実施の形態では、第二の検出器３に比べ、周波数特性、応答特性が遅く、感度が低い検出器を用いた場合について説明する。例えば、第二の検出器６にアバランシェフォトダイオード、第三の検出器１０にSiフォトダイオードを用いるような場合である。

なお、第三の検出器１０は、第二の検出器６と感度特性や周波数特性などで特性が異なっていればよく、第二の検出器３に比べ、周波数特性、応答特性が速く、感度が高い検出器などの場合であっても良い。

参照光受信回路１１は、予め同一のレーザ光源からの光を用いて第一の検出器６の出力と第三の検出器１０の出力を各々測定することにより、その出力特性の違いを算出した特性相違データを記憶した記憶部（図示せず）を備えている。
参照光受信回路１１は、第三の検出器１０からの出力を受信すると、記憶部に記憶した特性相違データを用いて、第三の検出器１０からの出力を第一の検出器の信号パターンと同一に置き換えて、増幅Ａ／Ｄ変換し、参照光ｆ(t)の信号を生成する。

なお、増幅Ａ／Ｄ変換の前に、第三の検出器１０からの出力を第一の検出器の信号パターンと同一に置き換える構成を示しているが、第三の検出器１０からの出力を利得調整した後、Ａ／Ｄ変換し、デジタル信号にて、第一の検出器の信号パターンと同一に置き換える構成であっても良い。

このように参照光受信回路１１は、参照光f(t)の信号を生成する機能を有する。参照光f(t)の信号は、信号光ｇ(t)と同一の周波数特性、応答特性、ビーム強度の分布を持つ信号波形であり、第三の検出器１０の検出器出力から得た出力レーザの出射タイミングに波形を置き換えた信号である。

以下、実施の形態１において説明した相関検出部８の処理、距離検出部９を行うことで、目標までの距離を測距することができる。

本実施の形態では、第三の検出器１０として、帯域が狭く、感度が低い素子を用いることも可能となり、部品コストを下げることが可能となる。

また、電源回路の小型化や部品点数の削減も可能となり、大きさを小さくすることが可能となる。部品点数を削減することができ信頼性を向上できる。また、電圧を下げるできるため、消費電力の削減、部品の信頼性を向上することができる。

また、遠距離の信号を検出するために、第一の検出器６の感度特性のみを高くすることで、システムが構築でき、コストを低く抑えることができる。

さらに、従来の構成に比べ、測距精度を向上でき、誤差を軽減することが出来る。

なお、前述の説明では、第三の検出器１１は第一の検出器６に比べ周波数特性が遅く、感度が低い検出器である場合について述べたが、第三の検出器１１は第一の検出器６に比べ周波数特性が早い検出器の場合であっても本発明を適用することができる。

実施の形態３.
図７は、実施の形態３に係るレーザ測距装置の構成の一例である。実施の形態３では、送信光を検出する構成（第二の検出器３）を持たない点と、レーザ光源１２がレーザ光の発射タイミングを出力する点で、実施の形態１と異なる。また、第二の参照光受信回路１３がレーザ光源１の発射タイミングを検出し、参照光f(t)を求める点で、実施の形態１または、実施の形態２と構成が異なる。

図８は、実施の形態３に係るレーザ測距装置における主要信号のタイミングを示した図である。
レーザ光源１２はレーザ光（参照光）の発射タイミングの信号を生成し、第二の参照光受信回路１３へ出力する。
参照光受信回路１３は、予め、実施の形態１においてレーザ光源１が送信する参照光を受光し、参照光の受信回路４が出力する参照光ｆ(t)の信号と同一の周波数特性、応答特性、ビーム強度の分布を持つ信号波形の信号を記憶部（図示せず）に記憶する。
そして、参照光受信回路１３は、レーザ光源から発射タイミングの信号を受信すると、記憶部から予め記憶しておいた信号を取り出し、参照光ｆ(t)の信号として相関検出部８に出力する。

以下、実施の形態１において説明したように、相関検出部８において参照光ｆ(t)のパターンと信号光ｇ(t)のパターンの相関をとり、距離検出部９において重心演算することで、誤差の少ない、測距精度の高い信号処理が可能となる。

本実施の形態では、送信光を受光する光学部品や、信号処理回路が不要となる、コスト大きさ信頼性が高くなるなど点で有利となる。また、部品点数の削減でき、実装面積の縮小、機器サイズの小型化することを望める。

本発明を用いることで、測距誤差を少なくでき、測距精度の高い測距装置が実現できる。また、部品点数を少なくすることも可能となるため、装置の小型化など汎用的な測距装置を実現することができる。

１レーザ測距装置の光源、２レーザ光の送信時のタイミングを検出するための送信光を分岐する光学部品、３送信光の光を検出する第二の検出器、４第二の検出器の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換する参照光受信回路、５レーザ光を反射する測距対象のターゲット、６ターゲットの反射光を検出する第一の検出器、７第一の検出器の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換する信号光受信回路、８参照光受信回路４の出力と、信号光受信回路７の出力信号の相関を検出する相関検出部、９相関検出結果から距離を検出する距離検出部、１０第三の検出器、１１実施例２の参照光受信回路、１２実施の形態３のレーザ光源、１３実施の形態３の参照光受信回路、１４第二の検出器への入射光量を制限するアッテネータ、１５第二の検出器への入射光量を制限するアッテネータ、ｆ（ｔ）参照光（レーザ光）、ｇ（ｔ）信号光（反射光）。

Claims

参照光を送信するレーザ光源と、
前記参照光が目標で反射された信号光を検出する第一の検出器と、
前記第一の検出器と同一の感度特性と同一の周波数特性を有し、前記参照光を検出する第二の検出器と、
前記第一の検出器で検出した信号光の出力信号と、前記第二の検出器で検出した参照光の出力信号との相互相関を求める相関検出部と、
前記相互相関の結果を用いて、前記参照光を送信した後前記信号光を検出するまでのシフト時間を算出し、前記シフト時間と光の速度から前記目標までの距離を算出する距離検出部と、
を備えることを特徴とするレーザ測距装置。
前記相関検出部は、前記相互相関Ｒfg(τ)を、前記参照光をｆ(t)、前記信号光をｇ(t)として、以下の式（１）により算出することを特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
前記距離検出部は、前記シフト時間τmを、以下の式（２）により、算出することを特徴とする請求項２記載のレーザ測距装置。
参照光を送信するレーザ光源と、
前記参照光が目標で反射された信号光を検出する第一の検出器と、
前記第一の検出器と異なる感度特性と周波数特性を有し、前記参照光を検出する第三の検出器と、
前記第三の検出器が前記参照光を検出したタイミングで、前記第一の検出器と同一の感度特性、周波数特性を有する検出器で前記参照光を検出した場合の波形を表した出力信号を生成し出力する参照光受信回路と、
前記第一の検出器で検出した信号光の出力信号と、前記参照光受信回路の出力信号との相互相関を求める相関検出部と、
前記相互相関の結果を用いて、前記参照光を送信した後前記信号光を検出するまでのシフト時間を算出し、前記シフト時間と光の速度から前記目標までの距離を算出する距離検出部と、
を備えることを特徴とするレーザ測距装置。
参照光を送信するレーザ光源と、
前記参照光が目標で反射された信号光を検出する第一の検出器と、
前記参照光を送信したタイミングで、前記第一の検出器と同一の感度特性と周波数特性の検出器で前記参照光を検出した場合の波形を表した出力信号を生成し出力する参照光受信回路と、
前記第一の検出器で検出した信号光の出力信号と、前記参照光受信回路の出力信号との相互相関を求める相関検出部と、
前記相互相関の結果を用いて、前記参照光を送信した後前記信号光を検出するまでのシフト時間を算出し、前記シフト時間と光の速度から前記目標までの距離を算出する距離検出部と、
を備えることを特徴とするレーザ測距装置。
前記第一の検出器、前記第二の検出器、前記第三の検出器は、それぞれ入射光の光量を制限する減衰部を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のレーザ測距装置。