JP2016090435A - 光飛行型測距装置 - Google Patents
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Abstract
Description
θ=tan−1[(Q1−Q3)/(Q2−Q4)]…(1)
演算式(1)は上記4つのサンプリングに基づく位相差の演算式であるが、一般のN位相についても位相差θを以下の演算式(2)により計算することが可能である。
θ=tan−1[(ΣQk*sin(2π/N*k))/(ΣQk*cos(2π/N*k))]…(2)
図5は、発光波形のデューティーを従来の発光波形から尖頭値を上げずに短くしたときの波形である。従来の発光波形(311)のデューティーが50%であるのに対し、発光波形(301)のデューティーは25%である。従来の発光波形から尖頭値を上げていないので、デューティーを25%として発光するときには発光パワーを従来よりも低減することができる。即ち、デューティーを50%から25%に短くすることで、発光パワーを従来の約半分に抑えることができる。この場合のフーリエ級数展開の各係数の依存性を図6に示す。発光波形(301)についてフーリエ級数展開を求めるデューティーをd(0<d<1.0)で表すと、n次高調波について
a0=2d…(3−1)
an=2sin(nπd)/nπ (n=1,2,3,…)…(3−2)
となる。
a0=(0.5/d)×2d=1…(4−1)
an=(0.5/d)×(2sin(nπd)/nπ)
=2dsin(nπd)/nπ (n=1,2,3,…)…(4−2)
となる。0.5は従来の発光波形(311)のデューティーが50%であることを意味する。
第1の方法では、図11に示すように、変調スイッチ13a,13bを同時にオンする期間、即ち、TG1,TG2の両方が「H」となる期間を設けて「0」を実現する。TG1,TG2の両方が「H」となる期間においてPD12に発生した電荷はQa,Qbに分かれて蓄積容量14a,14bに蓄積され、Qa,Qbは等しい値となる。そのため、この成分はCM成分除去回路7及び差分検出回路9でキャンセルされ、その結果、AD変換回路10は「0」を出力する。
又、デジタル信号処理回路11は2次高調波から測距値d2を以下の演算式により計算する。
=(1/2)(c/fm)(θ2/2/2π)
=(1/2)(c/fm)(θ2´/2π)…(6)
デジタル信号処理回路11は、A1,A2を係数とし、測距値d1,d2について重み付け加算を行い、測距値dを以下の演算式により計算する。
=(1/2)(c/fm)(1/2π)(A1θ1+A2θ2´)
=(1/2)(c/fm)(θ/2π)…(7)
ここで、本発明の測距の期間中について、fmは不変であるので、A1θ1+A2θ2´を加算した位相角θと定義し、これを従来技術と比較することにより、本発明を適用した光飛行型測距装置1の性能を定量的に評価することができる。ここでA1,A2は例えば位相角標準偏差σθが最小となるように決定する。基本波、2次高調波のそれぞれについて、系の伝達ゲインが判れば、サンプル値にノイズが乗畳したときにθ1,θ2´にどのように誤差が伝達されるのかを計算することが可能である。よって、これらの伝達ゲインの比が分かれば、適切なA1,A2を計算することができる。尚、伝達ゲインの比は、発光波形(デューティー比)、受光素子6の駆動波形、位相数の関数であり、受光素子6の駆動の仕方が不変である場合にはデューティー比の関数となる。
A1=0.3,A2=0.7…(8)
が好適な値となり、よって、
θ=0.3θ1+0.7θ2´…(9)
d=0.3d1+0.7d2…(10)
となる。
光飛行型測距装置1において、発光波形のデューティーを50%よりも短くすると、デューティーが短くなるにしたがって高次高調波の成分のエネルギーが増加する現象を利用し、発光波形のデューティーを50%よりも短くし、所定の高次高調波に感度を有するように受光素子6の露光を制御し、基本波の成分と高次高調波の成分とを線形結合するようにした。これにより、高次高調波の成分を加味する分、基本波の成分のみから距離を計算する場合よりも距離誤差を適切に低減することができる。この場合、信号成分を増やすために発光パワーを高める必要はなく、ノイズ成分を減らすために光学フィルタを用いる必要はなく、積分回数を増やす必要はなく、変調周波数を高める必要はない。即ち、発光パワーを高めたり光学フィルタを用いたり積分回数を増やしたり変調周波数を高めたりすることなく、距離誤差を適切に低減することができる。
又、受光素子6によりサンプリングされた値のうち積分期間と時間軸が一致する(オーバーラップする)値を有効とし、積分期間と時間軸が一致しない値を無効とすることで、距離誤差を低減することができる。
更に、自装置から対象物までの距離が相対的に遠いときには、サンプリング回数が相対的に多くなるように受光素子6の露光期間を相対的に長く制御することで、距離誤差を低減することができる。これとは反対に、自装置から対象物までの距離が相対的に近いときには、サンプリング回数が相対的に少なくなるように受光手段6の露光期間を相対的に短く制御することで、飽和を防ぐことができる。
車両以外の用途に適用しても良い。
発光波形のデューティーを50%から25%や17%に短くすることを例示したが、それ以外の値に短くしても良い。又、発光波形の尖頭値を2倍に高めることを例示したが、それ以外の倍数に高めても良い。
Claims (14)
- 繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子(4)と、
前記発光素子を駆動する駆動手段(3)と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量(14a,14b)に振り分けて蓄積する受光素子(6)と、
前記受光素子の露光を制御する制御手段(5)と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段(11)と、を備え、
前記駆動手段は、発光波形のデューティーを50%よりも短くして前記発光素子を駆動し、
前記制御手段は、所定の高次高調波に感度を有するように前記受光素子の露光を制御し、
前記信号処理手段は、基本波の成分と高次高調波の成分とを線形結合し、自装置から対象物までの距離を計算することを特徴とする光飛行型測距装置(1)。 - 請求項1に記載した光飛行型測距装置において、
前記駆動手段は、発光波形のデューティーを50%よりも短くした分だけ当該発光波形の尖頭値を高めることを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項1又は2に記載した光飛行型測距装置において、
前記受光素子は、2つの蓄積容量(14a,14b)と、前記2つの蓄積容量のそれぞれに対応する2つの変調スイッチ(13a,13b)と、を有し、
前記制御手段は、前記2つの変調スイッチのうち一方を駆動する制御信号がHであり且つ他方を駆動する制御信号がLである状態を1と定義すると共に、一方を駆動する制御信号がLであり且つ他方を駆動する制御信号がHである状態を−1と定義することに加え、入射光に応じて発生する電荷を出力せずに破棄又は蓄積する状態を0と定義し、1と−1との間に0を挿入することで、所定の高次高調波に感度を有するように前記受光素子の露光を制御することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項3に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、前記2つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号が共にHである状態を設けることで、0を定義することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項3に記載した光飛行型測距装置において、
前記受光素子は、2つの変調スイッチとは別の変調スイッチ(13c)を有し、
前記制御手段は、前記2つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号が共にLであり且つ前記別の変調スイッチを駆動する制御信号がHである状態を設けることで、0を定義することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項3に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、前記2つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号を反転制御し、前記2つの蓄積容量のうち一方に蓄積された電荷を破棄する周期と、前記2つの蓄積容量のうち他方に蓄積された電荷を破棄する周期とを統合することで、0を定義することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項1から6の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において
前記信号処理手段は、基本波の成分と高次高調波の成分とを線形結合する前に、n(nは自然数)次高調波の成分について、1/nの固定ゲインを付与することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項1から7の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値から発光波形のデューティーを推定することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項8に記載した光飛行型測距装置において、
前記信号処理手段は、推定した発光波形のデューティーから基本波の成分と高次高調波の成分とを線形結合する際の係数を決定することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項9に記載した光飛行型測距装置において、
前記信号処理手段は、基本波の成分から高次高調波の成分への位相回りを判定し、
係数を補正することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項9又は10に記載した光飛行型測距装置において、
前記信号処理手段は、基本波の成分と2次高調波の成分を3対7の比で線形結合することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項11に記載した光飛行型測距装置において、
前記信号処理手段は、位相数が6又は8であるときに、基本波の成分と2次高調波の成分を3対7の比で線形結合することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項1から12の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値のうち積分期間と時間軸が一致する値を有効とし、積分期間と時間軸が一致しない値を無効とし、自装置から対象物までの距離を計算することを特徴とする光飛行型測距装置。 - 請求項1から13の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、自装置から対象物までの距離が相対的に遠いときには、積分期間と時間軸が一致するサンプリング回数が相対的に多くなるように前記受光手段の露光期間を相対的に長く制御し、自装置から対象物までの距離が相対的に近いときには、積分期間と時間軸が一致するサンプリング回数が相対的に少なくなるように前記受光手段の露光期間を相対的に短く制御することを特徴とする光飛行型測距装置。
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