JP2017032355A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットの反射率の違いに依らずに、当該ターゲットまでの正確な距離を測定できるレーザレーダ装置を提供する。【解決手段】レーザレーダ装置１は、互いに異なる反射率を有する複数のリファレンス領域を含む窓部１０と、レーザパルスで複数のリファレンス領域を走査する光走査部３０と、レーザパルスを受光して受信信号を出力する受光部４２と、当該受信信号を検出して当該受信信号の検出時刻までに計測された遅延時間を示す計測値を出力する時間測定部４３と、当該受信信号に基づいて強度値を測定する強度測定部４４と、計測値の強度値への依存関係を示す特性データを算出する強度依存特性算出部と、計測値及び前記強度値に基づき、特性データを用いて外部空間内の物体までの距離を測定する測距部４７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光で空間を走査して当該空間内の物体を検出する技術に関し、特に、レーザ光で空間を走査して、当該空間内で反射したレーザ光に基づき当該空間内の物体までの距離を測定する技術に関する。

レーザ光で空間を走査して、当該空間内のターゲットで反射したレーザ光に基づきターゲットまでの距離を計測するレーザレーダ装置が知られている。この種のレーザレーダ装置では、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式と呼ばれる技術が採用されている。ＴＯＦ方式は、ターゲットに向けて光束を出射してから、当該ターゲットから反射光束を受光するまでの伝播時間を計測し、その計測結果を基に当該ターゲットまでの距離の測定（以下「測距」ともいう。）を行う技術である。たとえば、特許文献１（特開２０１２−２５１８６２号公報）及び特許文献２（特開２０１２−９３２５６号公報）には、ＴＯＦ方式を用いたレーザレーダ装置が開示されている。

測距精度の向上のためには、伝播時間を高精度に計測する時間計測回路が必要である。特許文献１に開示されている時間測定部は、受信信号波形のピークを検出するピーク検出回路と、定電流源を用いてランプ電圧を発生するコンデンサと、当該ピークが検出された時間での当該ランプ電圧の値をホールド電圧値として出力するサンプルホールド回路とを備えている。伝播時間は、このホールド電圧値に基づいて算出される。

一方、特許文献２には、レーザ光走査光学系から基準固定距離だけ離れた位置に配置された基準反射板を用いて、温度変化または振動などの環境条件の変化に左右されずに正確な測距値を得るレーザレーダ装置が開示されている。このレーザレーダ装置は、基準反射板に対する距離変動量を測定し、この距離変動量の測定値を用いて測距値を補正することができる。

特開２０１２−２５１８６２号公報（たとえば、図１、図１２及び段落０００３） 特開２０１２−９３２５６号公報（たとえば、図１、図３及び図４、並びに段落００３１〜００３７）

しかしながら、特許文献１に開示されている時間測定部では、当該時間測定部の応答時間特性が受光強度に依存することがある。これにより、受光強度の違いに応じて、ピーク検出回路におけるピーク検出時間が異なり、測距精度を低下させるという課題がある。たとえば、レーザ光に対して異なる反射率を有する複数のターゲットに対しては、これらターゲットで反射したレーザ光の受光強度は、ターゲット間で異なる。この場合に、複数のターゲットまでの実際の距離が同一でも、ターゲット間でピーク検出時間が異なることに起因して測距値に違いが生じることがある。

一方、特許文献２に開示されているレーザレーダ装置は、上述した通り、基準反射板を用いて、温度変化または振動などの環境条件の変化に応じて測距値を補正することができる。しかしながら、特許文献１の従来技術の場合と同様に、ターゲットの反射率の違いにより応答時間特性が異なる場合には、測距値を正確に補正することができない。

上記に鑑みて本発明の目的は、レーザ光に対するターゲットの反射率の違いに依らずに、当該ターゲットまでの正確な距離を測定することができるレーザレーダ装置を提供する点にある。

本発明の一態様によるレーザレーダ装置は、送信用レーザパルス及び参照用レーザパルスを出射するレーザ光源と、互いに異なる反射率を有する複数のリファレンス領域及び光透過領域を含む窓部と、前記送信用レーザパルスを前記光透過領域の方向に反射させて当該送信用レーザパルスで前記光透過領域を走査するとともに、前記参照用レーザパルスを前記複数のリファレンス領域の方向に反射させて当該参照用レーザパルスで前記複数のリファレンス領域を走査する光走査部と、外部空間で反射した当該送信用レーザパルスを受光して受信信号を出力するとともに、前記複数のリファレンス領域の各々で反射した参照用レーザパルスを受光して参照用受信信号を出力する受光部と、前記レーザ光源からの当該送信用レーザパルスの出射と同期して時間計測を開始した後、前記受信信号を検出して当該受信信号の検出時刻までに計測された遅延時間を示す計測値を出力するとともに、前記レーザ光源からの当該参照用レーザパルスの出射前の時刻に設定された測定開始時刻に時間計測を開始した後、前記参照用受信信号を検出して当該参照用受信信号の検出時刻までに計測された参照用遅延時間を示す参照用計測値を出力する時間測定部と、前記受信信号に基づいて前記外部空間内の物体の反射強度を示す受信強度を測定するとともに、前記参照用受信信号に基づいて前記複数のリファレンス領域の各々の反射強度を示す参照用受信強度を測定する強度測定部と、前記各リファレンス領域について、前記参照用計測値の前記参照用強度値への依存関係を示す特性データを算出する強度依存特性算出部と、前記計測値及び前記強度値に基づき、前記特性データを用いて前記外部空間内の物体までの距離を測定する測距部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光に対するターゲットの反射率の違いに依らずに、当該ターゲットまでの距離を正確に測定することができる。

本発明に係る実施の形態１のレーザレーダ装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 （Ａ），（Ｂ）は、実施の形態１の窓部の構成例を示す図である。 実施の形態１の受光部、時間測定部４３及び強度測定部４４の構成を示す図である。 図３に示した時間測定回路の構成例を示す概略図である。 図４に示したピーク検出器の回路構成例を示す概略図である。 図４に示した時間検出器の動作を説明するための図である。 受信信号の強度分布の例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、特性測定モード時におけるゲート信号の波形とレーザパルス信号の受信波形との間の関係を示すタイミングチャートである。 （Ａ）〜（Ｅ）は、ゲート信号とレーザパルスとの間の関係を示すタイミングチャートである。 実施の形態１に係る特性データの算出方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る特性測定処理の手順を概略的に示す図である。 実施の形態１に係る撮像処理の手順を概略的に示す図である。 実施の形態１に係る走査制御信号の制御電圧の波形の例を示す図である。 本発明に係る実施の形態２のレーザレーダ装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 実施の形態２の窓部の構成例を示す図である。 実施の形態２に係る走査制御信号の制御電圧の波形の例を示す図である。 （Ａ）は、実施の形態２に係る制御電圧の波形の例を示す図であり、（Ｂ）は、実施の形態２に係る窓部の強度画像の例を示す図である。 （Ａ）は、画像歪みを有するリファレンス領域画像の例を示す図であり、（Ｂ）は、対応する強度電圧を示すグラフである。 （Ａ）は、歪みが補正された後のリファレンス領域画像の例を示す図であり、（Ｂ）は、対応する強度電圧を示すグラフである。 実施の形態２に係るパラメータ算出処理の手順を概略的に示す図である。 実施の形態２に係る撮像補正処理の手順を概略的に示す図である。 実施の形態２の窓部の他の構成例を示す図である。 本発明に係る実施の形態３のレーザレーダ装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 実施の形態３に係る走査範囲調整処理の手順を概略的に示す図である。 実施の形態３に係る撮像処理の手順を概略的に示す図である。 実施の形態３に係る走査範囲調整処理を説明するための図である。 実施の形態３に係る走査範囲調整処理を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について説明する。なお、図面において同一符号を付された構成要素は、同一機能及び同一構成を有するものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１のレーザレーダ装置１の概略構成を示す機能ブロック図である。このレーザレーダ装置１は、トリガ制御信号Ｔｃの供給に応じて一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを出力する基準トリガ発生部２０と、基準トリガ信号Ｔｇと同期して動作するスキャナ駆動部３２と、このスキャナ駆動部３２により駆動されるスキャナ３１と、基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じてパルス状のレーザ光すなわちレーザパルスを連続的に出射するレーザ光源２１と、当該レーザパルスをファンビーム状のレーザパルスに変換する送信光学系２２と、この送信光学系２２の出射光を導光してスキャナ３１に入射させる反射ミラー２３，２４と、スキャナ３１で反射された送信用レーザパルスを外部空間へ透過させる窓部１０とを備えている。ここで、スキャナ３１とスキャナ駆動部３２とで光走査部３０が構成される。なお、ファンビームは、扇状の拡がりを持つビームをいう。

窓部１０は、レーザパルスを透過させるとともに、レーザレーダ装置１の内部に塵及び水分などの異物が侵入することを防止する機能を有する。図２（Ａ）は、Ｙ軸負方向側から視たときの窓部１０の構成例を概略的に示す図である。図２（Ａ）に示されるように、窓部１０は、レーザパルスＬＰに対して互いに異なる反射率を有するリファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、スキャナ３１から入射するレーザパルスＬＰを外部空間へ透過させる光透過領域１６とを有する。光透過領域１６は、レーザパルスＬＰを透過させる板状の材料で構成されればよい。

リファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、レーザパルスＬＰの走査方向Ｘにおける窓部１０の右方の出射端近傍に配置され、且つ、走査方向Ｘに沿って配列されている。各リファレンス領域は、ファンビーム状のレーザパルスＬＰに対して一つの反射率特性を有するように構成されており、レーザパルスＬＰの１ショット毎に一つの反射率特性を示す。

なお、図２（Ａ）に示される窓部１０に代えて、図２（Ｂ）に示される窓部１０Ｍを使用してもよい。図２（Ｂ）に示される窓部１０Ｍは、レーザパルスＬＰを透過させる光透過領域１７と、走査方向Ｘにおける窓部１０の右方の出射端近傍に配置されたリファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、走査方向Ｘにおける窓部１０の左方の出射端近傍に配置されたリファレンス領域１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃとを有する。これらリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃ，１２Ａ〜１２Ｃは、レーザパルスＬＰに対して互いに異なる反射率を有するように構成可能である。

また、図１に示されるように、レーザレーダ装置１は、受信光学系４１と、この受信光学系４１からの出射光を受光する受光部４２とを備える。レーザパルスＬＰは、外部空間内のターゲットまたはリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃに照射された後、当該ターゲットまたはリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃで反射されてスキャナ３１に入射する。スキャナ３１は、入射する受信レーザ光を受信光学系４１の方向へ反射させる。受信光学系４１は、スキャナ３１から入射する受信レーザ光を受光部４２の受光面に集光させる。受光部４２は、入射する受信レーザ光を受光して受信信号Ｒｓを出力することができる。

更に、レーザレーダ装置１は、基準トリガ信号Ｔｇと同期した時間計測を実行して計測値データＶＲを出力する時間測定部４３と、受信信号Ｒｓに基づいて、レーザパルスＬＰの照射を受けた物体の反射強度を示す強度値データＶＩを出力する強度測定部４４と、計測値データＶＲの強度値データＶＩへの依存関係を示す特性データＣｉを算出する強度依存特性算出部４５と、特性データＣｉを格納するメモリである特性データ記憶部４６と、計測値データＶＲ及び強度値データＶＩに基づいて外部空間内のターゲットまでの距離を測定する測距部４７と、信号処理ユニット５０とを備えている。

信号処理ユニット５０は、トリガ制御信号Ｔｃ及びゲート信号Ｇｔを生成する測定制御部５１と、強度値データＶＩに基づいて、レーザパルスＬＰが照射された物体の反射強度を示す強度画像を生成する強度画像生成部５２と、測距部４７から供給された測距値データＬｄに基づいてターゲットの３次元情報を示す距離画像を生成する距離画像生成部５３と、走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給して当該スキャナ駆動部３２の動作を制御する走査制御部５４とを有している。

上記した強度依存特性算出部４５、測距部４７及び信号処理ユニット５０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの半導体集積回路で構成されてもよいし、あるいは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含むマイクロコンピュータの一種であるワンチップマイコンで構成されてもよい。特性データ記憶部４６は、不揮発性メモリで構成することができる。

以下、本実施の形態のレーザレーダ装置１の構成について詳細に説明する。図１に示される送信光学系２２から出射されるファンビーム状のレーザパルスは、図面に垂直なＺ軸方向に拡がり、且つＺ軸方向に対して垂直なＹ軸方向に狭い幅を有するものである。この送信光学系２２は、たとえば、シリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーと、コリメータレンズとを用いて構成することができる。送信光学系２２は、受光部４２の受光視野に合わせて、入射レーザパルスをファンビーム状のレーザパルスに変換するように設計されている。

スキャナ３１は、反射ミラー２４から入射するレーザパルスを窓部１０の方向へ反射させる単一または複数の反射面を有している。スキャナ駆動部３２は、走査制御信号Ｓｃに従ってスキャナ３１の反射面の傾きを変化させることにより、当該反射面で反射されたレーザパルスで窓部１０をＸ軸方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向の双方に垂直な方向）に走査する。スキャナ３１は、走査時に、送信光学系２２から反射ミラー２３，２４を介して入射するレーザパルスと、窓部１０から入射する受信レーザ光とが共に受光可能となるように設計されている。スキャナ３１としては、たとえば、ガルバノミラーまたはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーデバイスを使用することが可能である。

受信光学系４１は、受信視野中心に対して外部空間から伝搬した受信レーザ光（散乱光を含む。）を受光部４２に集光させる。なお、図１では、説明の便宜上、反射ミラー２３，２４の近傍に受信光学系４１が配置されているが、これに限定されるものではない。受信レーザ光が反射ミラー２３，２４などの送信用の光学部品と干渉しないように受信光学系４１を配置すればよい。

図３は、受光部４２、時間測定部４３及び強度測定部４４のそれぞれの構成を概略的に示す図である。図３に示されるように、受光部４２は、線状に分布する受信レーザ光を受光するためにＺ軸方向に配列されたＮ個の受光素子４２２，…，４２２からなる受光素子アレイ４２１と、これら受光素子４２２，…，４２２のＮ個の出力を増幅する増幅器４２３とを有する。増幅器４２３は、受光素子４２２，…，４２２のＮ個の出力にそれぞれ増幅処理を施すＮ個のトランスインピーダンスアンプ４２４，…，４２４で構成されている。各受光素子４２２は、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）またはＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）などの光電変換素子からなり、受信レーザ光を電流信号に変換することができる。トランスインピーダンスアンプ４２４は、その電流信号をインピーダンス変換し且つ増幅して電圧信号を生成する。結果として、受光部４２は、Ｎ個の受光素子４２２，…，４２２にそれぞれ対応するＮ系統の電圧信号Ｒｓ（１），…，Ｒｓ（Ｎ）を受信信号Ｒｓとして並列に出力する。この受信信号Ｒｓは、時間測定部４３及び強度測定部４４にそれぞれ供給される。

時間測定部４３は、基準トリガ信号Ｔｇの入力に応じてリセット信号Ｒｓｔを生成する制御回路４３１と、電圧信号Ｒｓ（１），…，Ｒｓ（Ｎ）をそれぞれ入力とする時間測定回路４３２_１，…，４３２_Ｎとで構成されている。時間測定回路４３２_１〜４３２_Ｎの各々は、たとえば、アナログＲＯＩＣ（Ｒｅａｄ Ｏｕｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＴＤＣ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で構成可能である。アナログＲＯＩＣが採用される場合は、時間測定部４３に基準トリガ信号Ｔｇが入力された時刻を時間原点として用いることができる。また、経過時間に比例して一定の率で増加するランプ電圧を時間標準信号として用いることができる。一方、ＴＤＣが採用される場合は、内蔵カウンタのディジタル出力値を時間標準信号として用いることができる。

図４は、アナログＲＯＩＣを有する時間測定回路４３２_ｎ（ｎは１〜Ｎのうちのいずれかの整数）の構成例を示す概略図であり、図５は、時間測定回路４３２_ｎを構成するピーク検出器４３３の回路構成例を示す概略図である。

図４に示されるように時間測定回路４３２_ｎは、電圧信号Ｒｓ（ｎ）の信号波形の強度ピークを検出するピーク検出器４３３と、当該強度ピークの検出に応じてランプ電圧をサンプリングする時間検出器４３７とで構成される。図５に示されるように、ピーク検出器４３３は、差動増幅器４３４、トリガ生成回路４３５、定電流源４３６、コンデンサＣ１及びスイッチＳＷ１，ＳＷ２を有する。電圧信号Ｒｓ（ｎ）は、差動増幅器４３４の非反転入力端子（＋）に入力される。差動増幅器４３４の反転入力端子（−）には、コンデンサＣ１の一端により電圧が入力される。コンデンサＣ１の他端は電気的に接地されている。また、コンデンサＣ１の一端には、スイッチＳＷ２が並列に接続されている。スイッチＳＷ２には、後述する信号処理ユニット５０の測定制御部５１からゲート信号Ｇｔが供給される。このスイッチＳＷ２は、ゲート信号Ｇｔの電圧レベルが高レベルのときにオフとなる。一方、ゲート信号Ｇｔの電圧レベルが低レベルのときには、スイッチＳＷ２はオンとなってコンデンサＣ１の電極間電圧をゼロにする。

電圧信号Ｒｓ（ｎ）の強度すなわち電圧レベルが、差動増幅器４３４の反転入力端子の電圧レベル以下となる場合、差動増幅器４３４は、低レベル信号をトリガ生成回路４３５に出力する。受光部４２が受信レーザ光を受光すると、電圧信号Ｒｓ（ｎ）の強度は上昇する。この電圧信号Ｒｓ（ｎ）の強度が、差動増幅器４３４の反転入力端子の電圧レベルよりも高い場合、差動増幅器４３４は、高レベル信号をトリガ生成回路４３５に出力する。トリガ生成回路４３５は、差動増幅器４３４から高レベル信号が入力される間のみ、スイッチＳＷ１をオンにする高レベル電圧を出力する。スイッチＳＷ１がオンにされると、定電流源４３６は、当該スイッチＳＷ１を介してコンデンサＣ１へ電流を供給し、これにより差動増幅器４３４の反転入力端子の電圧が上昇する。電圧信号Ｒｓ（ｎ）の強度がピークを越えると、差動増幅器４３４の出力レベルは、高レベルから低レベルへ切り替えられる。これに応じて、トリガ生成回路４３５の出力レベルも、高レベルから低レベルに切り替えられる。この結果、トリガ生成回路４３５は、信号レベルが高レベルから低レベルに遷移するトリガ信号Ｐｄを、時間検出器４３７のサンプルホールド回路４３９へ出力する。

図４を参照すると、時間検出器４３７は、定電流源４３８、コンデンサＣ２、サンプルホールド回路４３９及びスイッチＳＷ３，ＳＷ４を有している。コンデンサＣ２の一端は、スイッチＳＷ４とサンプルホールド回路４３９の入力端とにそれぞれ接続され、コンデンサＣ２の他端は、電気的に接地されている。また、コンデンサＣ２の一端には、スイッチＳＷ３が並列に接続されている。図３に示した制御回路４３１は、基準トリガ信号Ｔｇが入力されると、リセットパルスＲｓｔをスイッチＳＷ３に供給する。スイッチＳＷ３は、このリセットパルスＲｓｔが供給されたときにオンとなり、コンデンサＣ２の電極間電圧をゼロにして当該コンデンサＣ２をリセットする。

スイッチＳＷ４は、供給されるゲート信号Ｇｔの電圧レベルが低レベルのときにオフとなり、ゲート信号Ｇｔの電圧レベルが高レベルのときはオンとなる。定電流源４３８は、スイッチＳＷ３がオフで且つスイッチＳＷ４がオンのときに、当該スイッチＳＷ４を介してコンデンサＣ２に電流を供給する。このとき、サンプルホールド回路４３９の入力端電圧は、経過時間とともに一定の率で上昇するランプ電圧となる。サンプルホールド回路４３９は、トリガ信号Ｐｄの電圧レベルの立ち下がりに応じて当該ランプ電圧をサンプリングし、当該サンプリングされたホールド電圧Ｖｒ（ｎ）を計測値として出力する。この計測値Ｖｒ（ｎ）は、距離電圧とも呼ばれる。

図６は、ランプ電圧の一例を示す概略図である。時刻ｔ_Ｇは、ゲート信号Ｇｔの電圧レベルが低レベルから高レベルへ立ち上がる測定開始時刻である。時刻ｔは、トリガ信号Ｐｄの電圧レベルの立ち下がりに応じてサンプルホールド回路４３９がランプ電圧をサンプリングした時刻である。図６に示されるランプ電圧の増加率すなわち比例係数をＣ_１とすると、次式（１）が成立する。

Ｖｒ（ｎ）＝Ｃ_１×（ｔ−ｔ_Ｇ） （１）

この式（１）に基づいて、測定開始時刻ｔ_Ｇから、電圧信号Ｒｓ（ｎ）の強度ピークが検出される時刻ｔまでの遅延時間Ｔ（＝Ｖｒ（ｎ）／Ｃ_１）を算出することが可能である。比例定数Ｃ_１及び測定開始時刻ｔ_Ｇを調整することで測定可能な時間間隔を最適化することができる。

一方、強度測定部４４は、図３に示されるように、電圧信号Ｒｓ（１），Ｒｓ（２），…，Ｒｓ（Ｎ）をそれぞれ入力とする強度測定回路４４１_１，４４１_２，…，４４１_Ｎを有している。各強度測定回路４４１_ｎ（ｎは１〜Ｎのうちのいずれか）は、電圧信号Ｒｓ（ｎ）の信号波形の強度ピークを検出し、当該検出された強度ピークを示す強度電圧Ｖｉ（ｎ）を受信強度として出力する。これら強度測定回路４４１_１〜４４１_Ｎは、時間測定回路４３２_１〜４３２_Ｎと同様に、アナログＲＯＩＣで構成することができる。

ところで、時間測定部４３の応答時間特性が受信信号Ｒｓの強度に依存する場合がある。図７に示されるように、反射率の高いターゲットから伝搬した受信レーザ光の受光強度分布Ｗ１のピーク値は高く、反射率の低いターゲットから伝搬した受信レーザ光の受光強度分布Ｗ２のピーク値は低くなる。このように互いに異なる反射率を有する複数のターゲットまでの実際の距離が同一であっても、時間測定部４３の応答時間特性が受信信号Ｒｓの強度に依存すると、ターゲット間で計測値（ホールド電圧値）が異なるという課題がある。図５に示したピーク検出器４３３の場合、差動増幅器４３４の出力波形の立ち下がり時間が電圧信号Ｒｓ（ｎ）の強度に依存して変化することがある。この変化に応じて、トリガ信号Ｐｄの電圧レベルの立ち下がり時間も変化する。これにより、サンプルホールド回路４３９におけるサンプリングのタイミングが変化し、測定精度を劣化させる。

この課題を解決するために、本実施の形態のレーザレーダ装置１には、計測値データＶＲの強度値データＶＩへの依存関係を示す特性データＣｉを取得する動作モード（以下「特性測定モード」という。）が用意されている。測定制御部５１は、この特性測定モードと、特性データＣｉを用いて強度画像及び距離画像を取得する動作モード（以下「第１撮像モード」という。）とのうちの一方から他方へ切り替えることができる。

レーザレーダ装置１が特性測定モードで動作するとき、測定制御部５１は、ゲート信号Ｇｔの波形が低レベルから高レベルへ立ち上がる時刻を、基準トリガ信号Ｔｇの発生時刻ｔ_０よりも早くする。これにより、時間測定部４３の測定開始時刻ｔ_Ｇは、レーザ光源２１からのレーザパルスの出射前の時刻に設定される。また、レーザ光源２１は、基準トリガ信号Ｔｇの供給を受けて、窓部１０のリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃ（図２（Ａ））を照射するための参照用レーザパルスを出射する。光走査部３０は、送信光学系２２及び反射ミラー２３，２４を経て入射する参照用レーザパルスをリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃの方向へ反射させてリファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを走査する。これらリファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃで反射した参照用レーザパルスは、スキャナ３１及び受信光学系４１を経て受光部４２で受光される。

図８（Ａ），（Ｂ）は、特性測定モード時におけるゲート信号Ｇｔの波形と、レーザパルス信号の受信波形との間の関係を示すタイミングチャートである。図８（Ａ），（Ｂ）に示されるように、レーザパルス信号の受信波形は、測定開始時刻ｔ_Ｇから遅延時間Ｔだけ遅れて現れる。遅延時間Ｔは、時刻ｔ_Ｇから時刻ｔ_０までの期間である。

測定制御部５１は、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻ｔ_Ｇを段階的に変化させることにより、遅延時間Ｔを切り替えることができる。図９（Ａ）〜（Ｅ）は、ゲート信号Ｇｔ_１〜Ｇｔ_５と、リファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃで反射したレーザパルスＬＰの受信波形との間の関係を示すタイミングチャートである。図９（Ａ）〜（Ｅ）には、遅延時間Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，Ｔ_４，Ｔ_５にそれぞれ対応するゲート信号Ｇｔ_１，Ｇｔ_２，Ｇｔ_３，Ｇｔ_４，Ｇｔ_５のパルス波形が示されている。このとき、強度依存特性算出部４５は、計測値データＶＲ、強度値データＶＩ及び遅延時間Ｔ_１〜Ｔ_５に基づき、回帰分析を実行して特性データＣｉを算出することができる。

以下、遅延時間Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，Ｔ_４，Ｔ_５が与えられたときの特性データＣｉの算出方法の例を説明する。

強度測定部４４は、リファレンス領域１１Ａで反射した参照用レーザパルスから得られる受信強度Ｖｉ_１を出力するものとする。この受信強度Ｖｉ_１は、遅延時間Ｔに依存しない一定の値である。同様に、強度測定部４４は、リファレンス領域１１Ｂで反射した参照用レーザパルスから得られる受信強度Ｖｉ_２を出力し、リファレンス領域１１Ｃで反射した参照用レーザパルスから得られる受信強度Ｖｉ_３を出力するものとする。これら受信強度Ｖｉ_２，Ｖｉ_３もそれぞれ遅延時間Ｔに依存しない一定の値である。

一方、時間測定部４３は、遅延時間Ｔに対して、リファレンス領域１１Ａで反射した参照用レーザパルスから得られる計測値Ｖｒ_１［Ｔ］を出力し、リファレンス領域１１Ｂで反射した参照用レーザパルスから得られる計測値Ｖｒ_２［Ｔ］を出力し、リファレンス領域１１Ｃで反射した参照用レーザパルスから得られる計測値Ｖｒ_３［Ｔ］を出力するものとする。

強度依存特性算出部４５は、リファレンス領域１１Ａについて、計測値Ｖｒ_１［Ｔ_１］，Ｖｒ_１［Ｔ_２］，Ｖｒ_１［Ｔ_３］，Ｖｒ_１［Ｔ_４］，Ｖｒ_１［Ｔ_５］に基づき、最小自乗法により、次式（２）に示す回帰直線を得ることができる。

Ｖｒ_１＝ａ_１・Ｔ＋ｂ_１ （２）

ここで、ａ_１は、回帰直線の傾き（単位：ボルト／秒）であり、ｂ_１は、オフセット値（単位：ボルト）である。

同様に、強度依存特性算出部４５は、リファレンス領域１１Ｂについて、計測値Ｖｒ_２［Ｔ_１］〜Ｖｒ_２［Ｔ_５］に基づき、最小自乗法により、次式（３）に示す回帰直線を得るとともに、リファレンス領域１１Ｃについて、計測値Ｖｒ_３［Ｔ_１］〜Ｖｒ_３［Ｔ_５］に基づき、最小自乗法により、次式（４）に示す回帰直線を得ることができる。

Ｖｒ_２＝ａ_２・Ｔ＋ｂ_２ （３）
Ｖｒ_３＝ａ_３・Ｔ＋ｂ_３ （４）

ここで、ａ_２，ａ_３は、回帰直線の傾き（単位：ボルト／秒）であり、ｂ_２，ｂ_３は、オフセット値（単位：ボルト）である。

図１０は、回帰直線の例を示すグラフである。図１０において、グラフの横軸は遅延時間Ｔを示し、グラフの縦軸は計測値を示し、実線は回帰直線の例を表している。図１０に示されるように、受信強度Ｖｉ_１の場合に得られる上式（２）の回帰直線と、受信強度Ｖｉ_２の場合に得られる上式（３）の回帰直線と、受信強度Ｖｉ_３の場合に得られる上式（４）の回帰直線とは、互いに異なることが分かる。すなわち、回帰直線は受信強度に依存して変わりうる。よって、計測値Ｖｒが次式（５）を満たすと考えることができる。

Ｖｒ＝ａ（Ｖｉ）・Ｔ＋ｂ（Ｖｉ） （５）

ここで、傾きａ（Ｖｉ）及びオフセット値ｂ（Ｖｉ）は、それぞれ、受信強度Ｖｉに関する連続関数である。この式（５）は、Ｖｉ＝Ｖｉ_１のときは上式（２）と一致し、Ｖｉ＝Ｖｉ_２のときは上式（３）と一致する。更に、式（５）は、Ｖｉ＝Ｖｉ_３のときは上式（４）と一致する。

先ず、Ｖｒ_１≧Ｖｒ＞Ｖｒ_２の範囲内で、受信強度Ｖｉに対してオフセット値ｂ（Ｖｉ）のみが変化する場合を考える。この場合、ａ（Ｖｉ）＝ａ_１＝ａ_２、となる。このとき、上式（２），（５）の組、及び、上式（２），（３）の組からそれぞれ次式（１ａ），（２ａ）を導出することができる。

Ｖｒ−Ｖｒ_１＝ｂ（Ｖｉ）−ｂ_１ （１ａ）
Ｖｒ_２−Ｖｒ_１＝ｂ_２−ｂ_１ （２ａ）

ここで、ｂ（Ｖｉ＝Ｖｉ_１）＝ｂ_１，ｂ（Ｖｉ＝Ｖｉ_２）＝ｂ_２，である。オフセット値ｂ（Ｖｉ）を１次式で線形近似すると、式（１ａ），（２ａ）から次式（６）を導出することができる。

ｂ（Ｖｉ）＝（ｂ_２−ｂ_１）（Ｖｉ−Ｖｉ_１）／（Ｖｉ_２−Ｖｉ_１）＋ｂ_１ （６）

次に、Ｖｒ_１≧Ｖｒ＞Ｖｒ_２の範囲内で、強度電圧Ｖｉに対して傾きａのみが変化する場合を考える。この場合は、ｂ（Ｖｉ）＝ｂ_１＝ｂ_２、となる。このとき、上式（２），（５）の組、及び、上式（２），（３）の組からそれぞれ次式（１ｂ），（２ｂ）を導出することができる。

Ｖｒ−Ｖｒ_１＝（ａ（Ｖｉ）−ａ_１）Ｔ （１ｂ）
Ｖｒ_２−Ｖｒ_１＝（ａ_２−ａ_１）Ｔ （２ｂ）

ここで、ａ（Ｖｉ＝Ｖｉ_１）＝ａ_１，ａ（Ｖｉ＝Ｖｉ_２）＝ａ_２，である。傾きａ（Ｖｉ）を１次式で線形近似すると、式（１ｂ），（２ｂ）に基づいて次式（７）を導出することができる。

ａ（Ｖｉ）＝（ａ_２−ａ_１）（Ｖｉ−Ｖｉ_１）／（Ｖｉ_２−Ｖｉ_１）＋ａ_１ （７）

同様に、Ｖｒ_２≧Ｖｒ≧Ｖｒ_３の範囲内では、次式（８），（９）を導出することが可能である。

ｂ（Ｖｉ）＝（ｂ_３−ｂ_２）（Ｖｉ−Ｖｉ_２）／（Ｖｉ_３−Ｖｉ_２）＋ｂ_２ （８）
ａ（Ｖｉ）＝（ａ_３−ａ_２）（Ｖｉ−Ｖｉ_２）／（Ｖｉ_３−Ｖｉ_２）＋ａ_２ （９）

よって、Ｖｒ_１≧Ｖｒ＞Ｖｒ_２の範囲内では、上式（６），（７）を用いてａ（Ｖｉ），ｂ（Ｖｉ）を算出することができ、Ｖｒ_２≧Ｖｒ≧Ｖｒ_３の範囲内では、上式（８），（９）を用いてａ（Ｖｉ），ｂ（Ｖｉ）を算出することができる。上式（５）を変形すれば、次式（１０）が得られる。

Ｔ＝（Ｖｒ−ｂ（Ｖｉ））／ａ（Ｖｉ） （１０）

したがって、受信強度Ｖｉ及び計測値Ｖｒが与えられたとき、式（１０）により遅延時間Ｔを算出することができる。

強度依存特性算出部４５は、上式（６），（７），（８），（９），（１０）を特定するデータを特性データＣｉとして特性データ記憶部４６に格納する。

なお、本実施の形態では、強度依存特性算出部４５は、リファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの各々について５点の実測値を用いて回帰直線を算出しているが、６点以上の実測値を用いて回帰直線を算出してもよい。また、回帰直線に限定されず、回帰曲線が算出されてもよい。また、強度依存特性算出部４５は、２変量Ｔ，Ｖｒに基づく回帰分析を実行しているが、これに限定されるものではない。強度依存特性算出部４５は、３変量Ｔ，Ｖｒ，Ｖｉに基づく重回帰分析を実行して回帰平面もしくは回帰曲面を算出し、当該回帰平面または回帰曲面を特定する特性データＣｉを特性データ記憶部４６に格納してもよい。

次に、レーザレーダ装置１が第１撮像モードで動作するときは、測定制御部５１は、ゲート信号Ｇｔの波形が立ち上がる測定開始時刻ｔ_Ｇを、基準トリガ信号Ｔｇの発生時刻ｔ_０以後とする。レーザ光源２１は、基準トリガ信号Ｔｇの供給を受けて、窓部１０の光透過領域１６（図２（Ａ））を走査するための送信用レーザパルスを出射する。光走査部３０は、送信光学系２２及び反射ミラー２３，２４を経て入射する送信用レーザパルスを光透過領域１６の方向へ反射させて光透過領域１６を走査する。外部空間内のターゲットで反射した送信用レーザパルスは、光透過領域１６、スキャナ３１及び受信光学系４１を経て受光部４２で受光される。

このとき、測距部４７には、計測値データＶＲ及び強度値データＶＩが供給される。測距部４７は、特性データ記憶部４６から特性データＣｉを取得し、当該特性データＣｉを用いて上式（１０）により遅延時間Ｔを算出することができる。更に、測距部４７は、ターゲットまでの距離Ｌを次式（１１）により算出することができる。

Ｌ＝ｃ・Ｔ／２ （１１）

ここで、ｃは、光速度である。

次に、図１１及び図１２を参照しつつ、上記レーザレーダ装置１の動作について説明する。

図１１は、特性測定モード時における特性測定処理の手順を概略的に示すフローチャートである。この特性測定処理は、強度依存特性算出部４５及び信号処理ユニット５０により実行される。図１２は、第１撮像モード時における撮像処理の手順を概略的に示すフローチャートである。この撮像処理は、測距部４７及び信号処理ユニット５０により実行される。

まず、図１１を参照しつつ、特性測定処理について説明する。測定制御部５１は、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻である測定開始時刻ｔ_Ｇと測定時間間隔とをそれぞれ特性測定用の初期値に初期設定する（ステップＳＴ１０）。ここで、測定開始時刻ｔ_Ｇの初期値は、図９（Ａ）に示した遅延時間Ｔ_１を与える値に設定される。次に、走査制御部５４は、窓部１０のリファレンス領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが参照用レーザパルスで照射されるようにスキャナ３１の走査範囲を設定する（ステップＳＴ１１）。ここでは、スキャナ３１の振れ角（機械角ともいう。）の範囲が走査範囲として設定されればよい。走査制御部５４は、当該走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。

その後、測定制御部５１は、レーザ光源２１に参照用レーザパルスを出射させる（ステップＳＴ１２）。具体的には、測定制御部５１は、トリガ制御信号Ｔｃを基準トリガ発生部２０に供給して一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを発生させる。レーザ光源２１は、その基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じて参照用レーザパルスを出射する。その後、強度依存特性算出部４５には、時間測定部４３及び強度測定部４４からそれぞれ計測値データＶＲ及び強度値データＶＩが測定値として入力される。強度依存特性算出部４５は、時間測定部４３及び強度測定部４４から入力された測定値を内部メモリに一時記憶する（ステップＳＴ１３）。

次に、測定制御部５１は、図９（Ａ）〜（Ｅ）に示される遅延時間Ｔ_１〜Ｔ_５の全てについて測定値の取得が完了したか否かを判定する（ステップＳＴ１４）。測定値の取得が完了していない場合（ステップＳＴ１４のＮＯ）、測定制御部５１は、測定開始時刻ｔ_Ｇを変更して遅延時間を切り替える（ステップＳＴ１５）。その後は、ステップＳＴ１２，ＳＴ１３が実行される。

一方、測定値の取得が完了していると判定された場合（ステップＳＴ１４のＹＥＳ）、強度依存特性算出部４５は、当該測定値に基づいて特性データＣｉを算出し（ステップＳＴ１６）、当該特性データＣｉを、メモリである特性データ記憶部４６に格納する（ステップＳＴ１７）。以上で特性測定処理は終了する。

次に、図１２を参照しつつ、撮像処理について説明する。まず、測定制御部５１は、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻である測定開始時刻ｔ_Ｇと測定時間間隔とをそれぞれ測距用の最適値に初期設定する（ステップＳＴ２０）。たとえば、２００ｍ離れたターゲットまでの距離を測定しようとする場合、ゲート信号Ｇｔのパルスの時間間隔すなわち測定時間間隔は、約１．３マイクロ秒以上の値に設定される。次に、走査制御部５４は、窓部１０の光透過領域１６が送信用レーザパルスで照射されるようにスキャナ３１の走査範囲を設定する（ステップＳＴ２１）。ここでは、スキャナ３１の振れ角の範囲が走査範囲として設定されればよい。走査制御部５４は、当該走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。

その後、測定制御部５１は、レーザ光源２１に送信用レーザパルスを出射させる（ステップＳＴ２２）。具体的には、測定制御部５１は、トリガ制御信号Ｔｃを基準トリガ発生部２０に供給して一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを発生させる。レーザ光源２１は、その基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じて送信用レーザパルスを出射する。その後、測距部４７には、時間測定部４３及び強度測定部４４から計測値データＶＲ及び強度値データＶＩが測定値として入力される。並行して、信号処理ユニット５０には、強度測定部４４から強度値データＶＩが測定値として入力される。測距部４７及び信号処理ユニット５０は、時間測定部４３及び強度測定部４４から入力された測定値を内部メモリに一時記憶する（ステップＳＴ２３）。

次に、測距部４７は、特性データＣｉを利用するか否かを判定する（ステップＳＴ２４）。たとえば、特性データＣｉが未だに特性データ記憶部４６に記憶されていないとき、測距部４７は、特性データＣｉを利用しないと判定する（ステップＳＴ２４のＮＯ）。この場合、測距部４７は、通常の方法で距離値を算出する（ステップＳＴ２５）。ここで、測距部４７は、計測値データＶＲに基づき、上記の式（１）により遅延時間Ｔを算出し、上式（１１）により距離値Ｌを算出することができる。

一方、特性データＣｉを利用すると判定したとき（ステップＳＴ２４のＹＥＳ）、測距部４７は、特性データ記憶部４６から特性データＣｉを取得する（ステップＳＴ２７）。次いで、測距部４７は、強度値データＶＩ及び計測値データＶＲに基づき、当該特性データＣｉを用いて上式（１０）により遅延時間Ｔを算出し、上式（１１）により距離値Ｌを算出する（ステップＳＴ２８）。当該距離値Ｌを示す測距値データＬｄは、信号処理ユニット５０に与えられる。

その後、距離画像生成部５３は、測距値データＬｄに基づいて外部空間内のターゲットの３次元情報を示す距離画像を生成する（ステップＳＴ３０）。また、強度画像生成部５２は、強度値データＶＩに基づいて外部空間内のターゲットの反射強度を示す強度画像を生成する（ステップＳＴ３１）。以上で撮像処理は終了する。

上記した特性測定モードと第１撮像モードとは、互いに独立して実行されてよいし、あるいは、交互に実行されてもよい。

図１３は、走査制御信号Ｓｃの制御電圧の波形の例を示す図である。この制御電圧は、窓部１０におけるリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃと光透過領域１６とを交互にレーザパルスＬＰで走査させるものである。駆動電圧が一定の率で増加する走査期間ＳＴ_１，ＳＴ_３では、レーザパルスＬＰは、窓部１０の左方一端から右方他端まで窓部１０を走査する。一方、駆動電圧が一定の率で下降する走査期間ＳＴ_２，ＳＴ_４では、レーザパルスＬＰは、窓部１０の右方他端から左方一端まで当該窓部１０を走査する。走査期間ＳＴ_１，ＳＴ_２間の境界付近のリファレンス期間ＭＴ_１と、走査期間ＳＴ_３，ＳＴ_４間の境界付近のリファレンス期間ＭＴ_２とは、それぞれ、リファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃが走査される期間である。レーザレーダ装置１は、リファレンス期間ＭＴ_１，ＭＴ_２では特性測定モードで動作し、リファレンス期間ＭＴ_１，ＭＴ_２以外の期間では第１撮像モードで動作してもよい。このとき、リファレンス期間ごとに異なる遅延時間Ｔを設定することができる。

以上に説明したように実施の形態１によれば、特性測定モードでは、測定制御部５１は、時間測定部４３の測定開始時刻ｔ_Ｇをレーザパルスの出射前の時刻に設定し、リファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃで反射したレーザパルスに対して遅延時間Ｔを形成する。強度依存特性算出部４５は、当該遅延時間Ｔに応じて生成された計測値データＶＲと強度値データＶＩとを取得し、当該計測値データＶＲの強度値データＶＩへの依存関係を示す特性データＣｉを算出する。第１撮像モードでは、測距部４７は、計測値データＶＲ及び強度値データＶＩに基づき、特性データＣｉを用いてターゲットまでの距離を測定することができる。よって、時間測定部４３の応答時間特性がレーザパルスの受光強度に依存していたとしても、正確な測距値データＬｄを算出することができる。また、レーザ光に対するターゲットの反射率の違いに依らずに、当該ターゲットまでの正確な距離をリアルタイムに測定することができる。したがって、測距精度の向上が可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図１４は、本発明に係る実施の形態２のレーザレーダ装置２の概略構成を示すブロック図である。

図１４に示されるように、レーザレーダ装置２は、上記実施の形態１のレーザレーダ装置１と同様に、基準トリガ発生部２０、レーザ光源２１、送信光学系２２、反射ミラー２３，２４、光走査部３０、受信光学系４１、受光部４２、時間測定部４３、強度測定部４４、強度依存特性算出部４５、特性データ記憶部４６及び測距部４７を備えている。また、レーザレーダ装置２の信号処理ユニット５０Ａは、上記実施の形態１の信号処理ユニット５０と同様に、強度画像生成部５２、距離画像生成部５３及び走査制御部５４を有する。これら構成要素２０〜２４，３０，４１〜４７，５２〜５４の構成及び機能は、上述した通りである。

レーザレーダ装置２は、上述した特性測定モード及び第１撮像モードで動作することができる（図１１及び図１２）。信号処理ユニット５０Ａに含まれる測定制御部５１Ａは、上記実施の形態１の測定制御部５１と同様に、特性測定モードと第１撮像モードとを制御することが可能である。更に、本実施の形態のレーザレーダ装置２は、補正パラメータ算出モードと撮像補正モードという２種類の動作モードで動作することができる。測定制御部５１Ａは、補正パラメータ算出モードと撮像補正モードとを制御することが可能である。補正パラメータ算出モード及び撮像補正モードの詳細については後述する。

また、図１４に示されるように、レーザレーダ装置２は、窓部１０Ａを備えている。窓部１０Ａは、レーザパルスを透過させるとともに、レーザレーダ装置２の内部に塵及び水分などの異物が侵入することを防止する機能を有する。図１５は、Ｙ軸負方向側から視たときの窓部１０Ａの構成例を概略的に示す図である。図１５に示されるように、窓部１０Ａは、レーザパルスＬＰに対して互いに異なる反射率を有するリファレンス領域１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆと、スキャナ３１から入射するレーザパルスＬＰを外部空間へ透過させる光透過領域１８とを有する。光透過領域１８は、レーザパルスＬＰを透過させる板状の材料で構成されればよい。リファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆは、レーザパルスＬＰの走査方向Ｘと直交する方向Ｚにおける窓部１０Ａの一方の出射端近傍に配置され、且つ、走査方向Ｘに沿って配列されている。

レーザレーダ装置２が特性測定モードで動作するとき、測定制御部５１Ａは、上記測定制御部５１と同様に、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻ｔ_Ｇを段階的に変化させることにより、遅延時間Ｔを切り替えることができる（図９（Ａ）〜（Ｅ））。また、レーザ光源２１は、基準トリガ信号Ｔｇの供給を受けて、窓部１０Ａのリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆ（図１５）を照射するための参照用レーザパルスを出射する。光走査部３０は、送信光学系２２及び反射ミラー２３，２４を経て入射する参照用レーザパルスをリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの方向へ反射させてリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを走査する。これらリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆで反射した参照用レーザパルスは、スキャナ３１及び受信光学系４１を経て受光部４２で受光される。強度依存特性算出部４５は、実施の形態１の場合と同様に、計測値データＶＲ、強度値データＶＩ及び遅延時間に基づき、回帰分析を実行して特性データＣｉを算出することができる。この特性データＣｉは、特性データ記憶部４６に格納される。レーザレーダ装置２が第１撮像モードで動作するときは、測距部４７は、特性データ記憶部４６から特性データＣｉを取得し、当該特性データＣｉを用いてターゲットまでの距離を算出することができる。

一方、図１４に示されるように、信号処理ユニット５０Ａは、強度画像に現れるリファレンス領域１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆの各々の画像歪みを検出する歪み検出部６１と、当該検出された画像歪みを補正する歪み補正部６２とを備えている。

次に、リファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの強度画像に歪みが発生する理由について説明する。図１６は、スキャナ駆動部３２に供給される走査制御信号Ｓｃの制御電圧の波形を示す図である。この制御電圧は、窓部１０ＡのＸ軸方向における一端と他端との間をレーザパルスＬＰで走査させるものである。図１３の場合と同様に、制御電圧が一定の率で増加する走査期間ＳＴ_１，ＳＴ_３では、レーザパルスＬＰは、窓部１０Ａの左方一端から右方他端までリファレンス領域１３Ｆ〜１３Ａ及び光透過領域１８を走査する。一方、制御電圧が一定の率で下降する走査期間ＳＴ_２，ＳＴ_４では、レーザパルスＬＰは、窓部１０Ａの右方他端から左方一端までリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆ及び光透過領域１８を走査する。各走査期間において窓部１０Ａの全体が１回走査される。たとえば、走査期間ＳＴ_１，ＳＴ_２の境界付近ではリファレンス領域１３Ａを含む帯状領域がレーザパルスＬＰで照射され、走査期間ＳＴ_２，ＳＴ_３の境界付近ではリファレンス領域１３Ｆを含む帯状領域がレーザパルスＬＰで照射される。

窓部１０Ａに対するレーザパルスＬＰの走査速度は、制御電圧の上昇または下降に応じて一定となることが理想である。しかしながら、実際には、隣り合う走査期間の境界付近で制御電圧が上昇から下降へ転じる際、あるいは、隣り合う走査期間の境界付近で制御電圧が下降から上昇へ転じる際に、スキャナ３１の振れ角が最大角または最小角となる。この振れ角の最大角付近または最小角付近で、走査速度が遅くなり、スキャナ３１の非線形動作が生ずる。このとき、図１６に示される波形を持つ制御電圧が実際に供給された場合でも、図１７（Ａ）に示される波形Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃを持つ制御電圧が供給された場合と同様の結果となる。これにより、強度画像及び距離画像の走査方向両端部が局所的に歪むという課題がある。図１７（Ｂ）は、窓部１０Ａの強度画像７０の例を示す概略図である。この強度画像７０は、リファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを示すリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆと、光透過領域１８を示す光透過領域画像７２とからなる。強度画像７０の水平方向両端部付近のリファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆは、水平方向に引き延ばされて歪んでいる。

窓部１０Ａでは、図１５に示したように、互いに反射率の異なる複数のリファレンス領域１３Ａ〜１３ＦがレーザパルスＬＰの走査方向Ｘに沿って配置されている。本実施の形態では、リファレンス領域ごとに反射率が異なる特性を活かして、強度画像及び距離画像の歪みを補正することができる。

前述の画像歪みを補正するための補正パラメータを算出する動作モードが「パラメータ算出モード」である。レーザレーダ装置２は、この補正パラメータを格納するデータ記憶部６３を備えている。また、この補正パラメータを用いて強度画像及び距離画像を補正する動作モードが「撮像補正モード」である。測定制御部５１Ａは、この補正パラメータ算出モード、撮像補正モード及び他の動作モードのうちの或る動作モードから他の動作モードへ切り替えることができる。

図１８（Ａ）は、パラメータ算出モード時に得られた強度画像におけるリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの例を示す図である。また、図１８（Ｂ）は、これらリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆに対して設定されたリファレンス点７３，…，７３を示し、各リファレンス点の位置を示す画素数と強度電圧（受信強度）との間の関係を示すグラフである。リファレンス点７３，…，７３は、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの全体に対して、水平方向に沿って等間隔で設定されている。このため、画像歪みを有する両端部のリファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆは、他のリファレンス領域画像７１Ｂ〜７１Ｅと比べて多数のリファレンス点を含むことが分かる。

今、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆ全体の水平方向の総画素数をＰ_Ｈとし、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの総個数をｘ_Ｒとする。図１８（Ａ）の例では、ｘ_Ｒ＝６、である。また、両端部付近のリファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆの合計個数をＮｓとし、リファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆの各々の水平方向の画素数をＰｃとし、他のリファレンス領域画像７１Ｂ〜７１Ｅの合計個数をＮｔとし、当該他のリファレンス領域画像７１Ｂ〜７１Ｅの各々の水平方向の画素数をＰｄとする。図１８（Ａ）の例では、Ｎｓ＝２，Ｎｔ＝４、である。このとき、次式（１２），（１３）が成立する。

Ｐ_Ｈ＝Ｎｓ×Ｐｃ＋Ｎｔ×Ｐｄ （１２）
ｘ_Ｒ＝Ｎｓ＋Ｎｔ （１３）

一方、図１９（Ａ）は、画像歪みが補正されたと仮定した場合の強度画像におけるリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの例を示す図であり、図１９（Ｂ）は、補正後のリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆに対して設定されたリファレンス点７３，…，７３を示し、各リファレンス点７３の位置を示す画素数と強度電圧（受信強度）との間の関係を示すグラフである。

今、画像歪みが補正された後の両端部付近のリファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆの各々の画素数をＰｃ’とし、他のリファレンス領域画像７１Ｂ〜７１Ｅの水平方向の画素数をＰｄ’とする。リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆ全体の水平方向の総画素数Ｐ_Ｈは、補正の前後で変化しない。このとき、次式（１４）が成立する。

Ｐ_Ｈ＝Ｎｓ×Ｐｃ’＋Ｎｔ×Ｐｄ’ （１４）

また、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの総個数ｘ_Ｒは、補正の前後で変化しない。補正後のリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの各々の水平方向の画素数をＰ_Ｒとすると、次式（１５）が成立する。

Ｐ_Ｒ＝Ｐ_Ｈ／ｘ_Ｒ （１５）

水平方向の総画素数Ｐ_Ｈとリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの総個数ｘ_Ｒが固定値であるので、式（１５）により、補正後のリファレンス領域画像個々の水平方向の画素数Ｐ_Ｒを算出することができる。

リファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆの水平方向の画素数Ｐｃ（Ｐｃ＞Ｐｃ’）に対する補正量をαとし、リファレンス領域画像７１Ｂ〜７１Ｅの水平方向の画素数をＰｄ（Ｐｄ＜Ｐｄ’）に対する補正量をβとする。このとき、次式（１６ａ），（１６ｂ）が成立する。

Ｐｃ’＝Ｐｃ−α （１６ａ）
Ｐｄ’＝Ｐｄ＋β （１６ｂ）

ここで、次式（１７）の条件を満たす必要がある。
Ｎｓ×α＝Ｎｔ×β （１７）

歪み検出部６１は、パラメータ算出モード時に強度画像を解析して補正パラメータα，βを算出し、これら補正パラメータα，βをデータ記憶部６３に格納することができる。

一方、歪み補正部６２は、撮像補正モード時に、データ記憶部６３から補正パラメータα，βを取得し、これら補正パラメータα，βを用いて強度画像及び距離画像の画像歪みを補正する。たとえば、歪み補正部６２は、図１８（Ａ）に示した画像両端部のリファレンス領域画像７１Ａ，７１Ｆの各々を変形率Ｚ_α（＝Ｐｃ’／Ｐｃ）で水平方向に縮小し、他のリファレンス領域画像７１Ｂ〜７１Ｅの各々を変形率Ｚ_β（＝Ｐｄ’／Ｐｄ）で水平方向に拡大することができる。

ところで、上記した信号処理ユニット５０Ａ及び測距部４７は、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣなどの半導体集積回路で構成されてもよいし、あるいは、ＣＰＵを含むマイクロコンピュータの一種であるワンチップマイコンで構成されてもよい。データ記憶部６３は、不揮発性メモリで構成することができる。

次に、図２０及び図２１を参照しつつ、上記レーザレーダ装置２の動作について説明する。

図２０は、パラメータ算出モード時におけるパラメータ算出処理の手順を概略的に示すフローチャートである。このパラメータ算出処理は、信号処理ユニット５０Ａによって実行される。図２１は、撮像補正モード時における撮像補正処理の手順を概略的に示すフローチャートである。この撮像補正処理は、測距部４７及び信号処理ユニット５０Ａによって実行される。

まず、図２０を参照しつつ、パラメータ算出処理について説明する。測定制御部５１Ａは、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻である測定開始時刻ｔ_Ｇと測定時間間隔とをそれぞれ最適値に初期設定する（ステップＳＴ４０）。次に、走査制御部５４は、窓部１０Ａのリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆが参照用レーザパルスで照射されるようにスキャナ３１の走査範囲を設定する（ステップＳＴ４１）。ここでは、スキャナ３１の振れ角の範囲が走査範囲として設定されればよい。走査制御部５４は、当該走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。

その後、測定制御部５１Ａは、レーザ光源２１に参照用レーザパルスを出射させる（ステップＳＴ４２）。具体的には、測定制御部５１Ａは、トリガ制御信号Ｔｃを基準トリガ発生部２０に供給して一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを発生させる。レーザ光源２１は、その基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じて参照用レーザパルスを出射する。その後、信号処理ユニット５０Ａには、強度測定部４４から強度値データＶＩが測定値として入力される。信号処理ユニット５０Ａは、強度測定部４４から入力された測定値を内部メモリに一時記憶する（ステップＳＴ４３）。

その後、強度画像生成部５２は、内部メモリから強度値データＶＩを読み出し、当該強度値データＶＩに基づいてリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの反射強度を示す強度画像を生成する（ステップＳＴ４４）。

次に、歪み検出部６１は、強度画像に現れるリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの各々の画像歪みの検出を試みる（ステップＳＴ４５）。歪み検出部６１は、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの各々の水平方向画素数が同一（上式（１５）の画素数Ｐ_Ｒと一致）となれば、画像歪みが存在しないと判定することができる（ステップＳＴ４６のＮＯ）。一方、図１８（Ａ），（Ｂ）に示したように、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの各々の水平方向画素数が同じでなければ、画像歪みが存在すると判定することができる（ステップＳＴ４６のＹＥＳ）。

画像歪みが存在すると判定された場合は（ステップＳＴ４６のＹＥＳ）、歪み検出部６１は、上記した補正パラメータα，βを算出し（ステップＳＴ４７）、これら補正パラメータα，βをデータ記憶部６３に格納する（ステップＳＴ４８）。以上でパラメータ算出処理は終了する。

上記パラメータ算出処理は、たとえば、レーザレーダ装置２の初回動作時もしくはユーザ指定のタイミングで実行されればよい。

次に、図２１を参照しつつ、撮像補正処理について説明する。まず、測定制御部５１Ａは、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻である測定開始時刻ｔ_Ｇと測定時間間隔とをそれぞれ最適値に初期設定する（ステップＳＴ５０）。次に、走査制御部５４は、窓部１０Ａの光透過領域１８が送信用レーザパルスで照射されるようにスキャナ３１の走査範囲を設定する（ステップＳＴ５１）。ここでは、スキャナ３１の振れ角の範囲が走査範囲として設定されればよい。走査制御部５４は、当該走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。

その後、測定制御部５１Ａは、レーザ光源２１に送信用レーザパルスを出射させる（ステップＳＴ５２）。具体的には、測定制御部５１Ａは、トリガ制御信号Ｔｃを基準トリガ発生部２０に供給して一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを発生させる。レーザ光源２１は、その基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じて参照用レーザパルスを出射する。その後、測距部４７には、時間測定部４３から計測値データＶＲが測定値として入力される。並行して、信号処理ユニット５０Ａには、強度測定部４４から強度値データＶＩが測定値として入力される。測距部４７及び信号処理ユニット５０Ａは、時間測定部４３及び強度測定部４４から入力された測定値を内部メモリに一時記憶する（ステップＳＴ５３）。

その後、測距部４７は、計測値データＶＲに基づいて距離値を算出する（ステップＳＴ５４）。当該距離値を示す測距値データＬｄは、信号処理ユニット５０Ａに与えられる。

次に、距離画像生成部５３は、測距値データＬｄに基づいて外部空間内のターゲットの３次元情報を示す距離画像を生成する（ステップＳＴ５５）。また、強度画像生成部５２は、強度値データＶＩに基づいて外部空間内のターゲットの反射強度を示す強度画像を生成する（ステップＳＴ５６）。

次に、歪み補正部６２は、データ記憶部６３から補正パラメータα，βを取得し（ステップＳＴ５７）、これら補正パラメータα，βを用いて強度画像及び距離画像をそれぞれ局所的に拡大または縮小することにより、これら強度画像及び距離画像の歪みを補正する（ステップＳＴ５８）。以上で撮像補正処理は終了する。

なお、上記したパラメータ算出モードと撮像補正モードとは、互いに独立して実行されてよいし、あるいは、同時並行に実行されてもよい。

以上に説明したように実施の形態２のレーザレーダ装置２は、窓部１０Ａのリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを用いる特性測定モード及び第１撮像モードで動作することができる。したがって、レーザ光に対するターゲットの反射率の違いに依らずに、当該ターゲットまでの正確な距離をリアルタイムに測定することができる。また、リファレンス領域ごとの反射率が異なる特性を活かして、強度画像及び距離画像の歪みを適正に補正することができる。特に、強度画像に基づいて補正パラメータα，βが算出されるので、レーザレーダ装置２の温度変化があったとしても、適正な補正パラメータα，βを算出することができる。よって、正確な距離画像を得ることができ、これにより測距精度の向上が可能となる。

なお、上記実施の形態２では、上記窓部１０Ａの代わりに、図２２に示す窓部１０Ｂが使用されてもよい。図２２は、Ｙ軸負方向側から視たときの窓部１０Ｂの構成例を概略的に示す図である。図２２に示されるように、窓部１０Ｂは、上記実施の形態１のリファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃと、上記リファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆと、スキャナ３１から入射するレーザパルスＬＰを外部空間へ透過させる光透過領域１９とを有するものである。光透過領域１９は、レーザパルスＬＰを透過させる板状の材料で構成されればよい。この場合、リファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃを、上記した特性測定モード時に使用し、リファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを、上記したパラメータ算出モード時に使用することができる。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図２３は、実施の形態３のレーザレーダ装置３の概略構成を示す機能ブロック図である。

図２３に示されるように、このレーザレーダ装置３は、上記実施の形態１のレーザレーダ装置１と同様に、基準トリガ発生部２０、レーザ光源２１、送信光学系２２、反射ミラー２３，２４、光走査部３０、受信光学系４１、受光部４２、時間測定部４３、強度測定部４４、強度依存特性算出部４５、特性データ記憶部４６及び測距部４７を備えている。また、レーザレーダ装置３の信号処理ユニット５０Ｃは、上記実施の形態１の信号処理ユニット５０と同様に、強度画像生成部５２、距離画像生成部５３及び走査制御部５４を有する。これら構成要素２０〜２４，３０，４１〜４７，５２〜５４の構成及び機能は、上述した通りである。

レーザレーダ装置３は、上述した実施の形態１に係る特性測定モード及び第１撮像モードで動作することができる（図１１及び図１２）。信号処理ユニット５０Ｃに含まれる測定制御部５１Ｃは、上記実施の形態１の測定制御部５１と同様に、特性測定モードと第１撮像モードとを制御することが可能である。更に、本実施の形態のレーザレーダ装置３は、光走査部３０の走査範囲を調整するための動作モード（以下「走査範囲調整モード」という。）で動作することができる。測定制御部５１Ｃは、この走査範囲調整モードを制御することが可能である。走査範囲調整モードの詳細については後述する。

また、レーザレーダ装置３は、上記実施の形態２と同様に、図１５に示した窓部１０Ａを備えている。レーザレーダ装置３が特性測定モードで動作するとき、測定制御部５１Ｃは、上記測定制御部５１と同様に、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻ｔ_Ｇを段階的に変化させることにより、遅延時間Ｔを切り替えることができる（図９（Ａ）〜（Ｅ））。また、レーザ光源２１は、基準トリガ信号Ｔｇの供給を受けて、窓部１０Ａのリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆ（図１５）を照射するための参照用レーザパルスを出射する。光走査部３０は、送信光学系２２及び反射ミラー２３，２４を経て入射する参照用レーザパルスをリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの方向へ反射させてリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを走査する。これらリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆで反射した参照用レーザパルスは、スキャナ３１及び受信光学系４１を経て受光部４２で受光される。強度依存特性算出部４５は、実施の形態１の場合と同様に、計測値データＶＲ、強度値データＶＩ及び遅延時間に基づき、回帰分析を実行して特性データＣｉを算出することができる。この特性データＣｉは、特性データ記憶部４６に格納される。レーザレーダ装置３が第１撮像モードで動作するときは、測距部４７は、特性データ記憶部４６から特性データＣｉを取得し、当該特性データＣｉを用いてターゲットまでの距離を算出することができる。

一方、本実施の形態のレーザレーダ装置３は、窓部１０Ａのリファレンス領域ごとに反射率が異なる特性を活かして、光走査部３０の走査範囲を最適化することにより、上述したスキャナ３１の非線形動作に起因する画像歪みの発生を未然に防止することができる。このために、信号処理ユニット５０Ｃは、走査範囲調整モードで動作する走査範囲調整部６５を備えている。この走査範囲調整部６５は、強度画像に現れる複数のリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの各々の画素数が予め定められた画素数と一致するように光走査部３０の走査範囲を調整することができる。レーザレーダ装置３は、当該調整された走査範囲を示す調整データを格納する調整データ記憶部６６を備えている。測定制御部５１Ｃは、この走査範囲調整モード及び他の動作モードのうちの或る動作モードから他の動作モードへ切り替えることが可能である。

上記した測距部４７及び信号処理ユニット５０Ｃは、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣなどの半導体集積回路で構成されてもよいし、あるいは、ＣＰＵを含むマイクロコンピュータの一種であるワンチップマイコンで構成されてもよい。調整データ記憶部６６は、不揮発性メモリで構成することができる。

次に、図２４及び図２５を参照しつつ、上記レーザレーダ装置３の動作について説明する。

図２４は、走査範囲調整モード時における走査範囲調整処理の手順を概略的に示すフローチャートである。この走査範囲調整処理は信号処理ユニット５０Ｃによって実行される。図２５は、実施の形態３に係る撮像モード（以下「第２撮像モード」と呼ぶ。）時における撮像処理の手順を概略的に示すフローチャートである。この撮像処理は、測距部４７及び信号処理ユニット５０Ｃによって実行される。

まず、図２４を参照しつつ、走査範囲調整処理について説明する。測定制御部５１Ｃは、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻である測定開始時刻ｔ_Ｇと測定時間間隔とをそれぞれ最適値に初期設定する（ステップＳＴ６０）。次に、走査制御部５４は、窓部１０Ａのリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆが参照用レーザパルスで照射されるようにスキャナ３１の走査範囲を設定する（ステップＳＴ６１）。ここでは、スキャナ３１の振れ角の範囲が走査範囲として設定されればよい。走査制御部５４は、当該走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。

その後、測定制御部５１Ｃは、レーザ光源２１に参照用レーザパルスを出射させる（ステップＳＴ６２）。具体的には、測定制御部５１Ｃは、トリガ制御信号Ｔｃを基準トリガ発生部２０に供給して一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを発生させる。レーザ光源２１は、その基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じて参照用レーザパルスを出射する。その後、信号処理ユニット５０Ｃには、強度測定部４４から強度値データＶＩが測定値として入力される。信号処理ユニット５０Ｃは、強度測定部４４から入力された測定値を内部メモリに一時記憶する（ステップＳＴ６３）。

その後、強度画像生成部５２は、内部メモリから強度値データＶＩを読み出し、当該強度値データＶＩに基づいてリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの反射強度を示す強度画像を生成する（ステップＳＴ６４）。

次に、走査範囲調整部６５は、強度画像を解析して当該強度画像に現れるリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆの各々の画像歪みの検出を試みる（ステップＳＴ６５）。たとえば、走査範囲調整部６５は、上記実施の形態２の歪み検出部６１と同様に、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの各々の水平方向画素数が同一（上式（１５）の画素数Ｐ_Ｒと一致）となれば、画像歪みが存在しないと判定することができる（ステップＳＴ６６のＮＯ）。一方、図１８（Ａ），（Ｂ）に示したように、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの各々の水平方向画素数が同じでなければ、画像歪みが存在すると判定することができる（ステップＳＴ６６のＹＥＳ）。

画像歪みが存在すると判定された場合は（ステップＳＴ６６のＹＥＳ）、走査範囲調整部６５は、スキャナ３１の振れ角が拡大するように走査範囲を変更し（ステップＳＴ６７）、当該変更された走査範囲を示す調整データを調整データ記憶部６６に格納する（ステップＳＴ６８）。この結果、走査制御部５４は、当該変更された走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。その後、走査範囲調整部６５は、走査範囲調整処理の手順をステップＳＴ６２に移行させる。そして、ステップＳＴ６２〜ＳＴ６６が再度実行される。最終的に、画像歪みが存在しないと判定されたとき（ステップＳＴ６６のＮＯ）、走査範囲調整処理は終了する。

ステップＳＴ６７での走査範囲の変更については、走査範囲調整部６５は、たとえば、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆのそれぞれの水平方向画素数が等しくなるように、走査範囲を変更すればよい。リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆのそれぞれの水平方向画素数が等しくなったとき、走査範囲調整部６５は、走査制御部５４にスキャナ３１の振れ角を固定させることができる。

本実施の形態でも、図１３に示したような走査制御信号Ｓｃの制御電圧波形を使用することができる。図２６は、この場合の当該制御電圧の三角波を示す関数ｆ（ｔ）（ｔは時間）を例示するグラフである。関数ｆ（ｔ）の振幅は電圧値（単位：ボルト）を示している。図２６の点線で囲まれた領域Ｄａは、スキャナ３１の非線形動作が生ずる部分を示している。上述したように、制御電圧が上昇から下降へ転じる際、あるいは、隣り合う走査期間の境界付近で制御電圧が下降から上昇へ転じる際に、スキャナ３１の振れ角が最大角または最小角となる。この振れ角の最大角付近または最小角付近で、走査速度が遅くなり、スキャナ３１の非線形動作が生ずる。したがって、図２６の領域Ｄａでは、ｔ＝０で振幅値＋Ａを持つ制御電圧が供給された場合でも、＋Ａよりも低い振幅値を持つ制御電圧が供給された場合と同様の結果が生ずる。関数ｆ（ｔ）は、次式（１８ａ），（１８ｂ）で表される。

ｆ（ｔ）＝−（４Ａ／Ｋ）ｔ＋Ａ （−Ｋ／２≦ｔ＜０） （１８ａ）
ｆ（ｔ）＝＋（４Ａ／Ｋ）ｔ＋Ａ （０≦ｔ≦＋Ｋ／２） （１８ｂ）

走査範囲調整部６５は、スキャナ３１の振れ角を拡大してリファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆのそれぞれの水平方向画素数を等しくすることができる。このときの制御電圧の三角波を示す関数は、図２７に示されるような関数ｆ’（ｔ）となる。この関数ｆ’（ｔ）は、次式（１９ａ），（１９ｂ）で表される。

ｆ’（ｔ）＝−（４Ｂ／Ｋ）ｔ＋Ｂ （−Ｋ／２≦ｔ＜０） （１９ａ）
ｆ’（ｔ）＝＋（４Ｂ／Ｋ）ｔ＋Ｂ （０≦ｔ≦＋Ｋ／２） （１９ｂ）

ここで、Ｂ＞Ａ＞０、である。

図２７の点線で囲まれた領域Ｄｂは、スキャナ３１の非線形動作が生ずる部分を示している。この領域Ｄｂでは、ｔ＝０で振幅値＋Ｂを持つ制御電圧が供給された場合でも、振幅値＋Ａ以上の振幅値を持つ制御電圧を供給することができる。スキャナ３１の非線形動作が生ずる部分に対応する画像は撮像されないので、ほぼ画像歪みの無い撮像画像（強度画像及び距離画像）を得ることができる。

次に、図２５を参照しつつ、撮像処理について説明する。まず、測定制御部５１Ｃは、ゲート信号Ｇｔのパルスの立ち上がり時刻である測定開始時刻ｔ_Ｇと測定時間間隔とをそれぞれ測距用の最適値に初期設定する（ステップＳＴ７０）。次に、走査範囲調整部６５は、調整データ記憶部６６から調整データを取得し、この調整データを走査制御部５４に与える（ステップＳＴ７１）。走査制御部５４は、当該調整データに基づいてスキャナ３１の走査範囲を設定する（ステップＳＴ７２）。この結果、走査制御部５４は、当該走査範囲を走査させる走査制御信号Ｓｃをスキャナ駆動部３２に供給する。

その後、測定制御部５１Ｃは、レーザ光源２１に送信用レーザパルスを出射させる（ステップＳＴ７３）。具体的には、測定制御部５１Ｃは、トリガ制御信号Ｔｃを基準トリガ発生部２０に供給して一定周期で基準トリガ信号Ｔｇを発生させる。レーザ光源２１は、その基準トリガ信号Ｔｇの供給に応じて送信用レーザパルスを出射する。その後、測距部４７には、時間測定部４３から計測値データＶＲが測定値として入力される。並行して、信号処理ユニット５０Ｃには、強度測定部４４から強度値データＶＩが測定値として入力される。測距部４７及び信号処理ユニット５０Ｃは、時間測定部４３及び強度測定部４４から入力された測定値を内部メモリに一時記憶する（ステップＳＴ７４）。

その後、測距部４７は、計測値データＶＲに基づいて距離値を算出する（ステップＳＴ７５）。当該距離値を示す測距値データＬｄは、信号処理ユニット５０Ｃに与えられる。

次に、距離画像生成部５３は、測距値データＬｄに基づいて外部空間内のターゲットの３次元情報を示す距離画像を生成する（ステップＳＴ７６）。また、強度画像生成部５２は、強度値データＶＩに基づいて外部空間内のターゲットの反射強度を示す強度画像を生成する（ステップＳＴ７７）。以上で撮像処理は終了する。

なお、上記した走査範囲調整モードと第２撮像モードとは、互いに独立して実行されてよいし、あるいは、同時並行に実行されてもよい。

以上に説明したように実施の形態３のレーザレーダ装置３は、窓部１０Ａのリファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを用いる特性測定モード及び第１撮像モードで動作することができる。したがって、レーザ光に対するターゲットの反射率の違いに依らずに、当該ターゲットまでの正確な距離をリアルタイムに測定することができる。また、リファレンス領域画像７１Ａ〜７１Ｆの画像歪みが発生しないように光走査部３０の走査範囲を調整することができるので、歪みの無い強度画像及び距離画像を出力することができる。よって、正確な距離画像を得ることができ、これにより測距精度の向上が可能となる。

なお、上記実施の形態３では、上記窓部１０Ａの代わりに、図２２に示した窓部１０Ｂが使用されてもよい。この場合、リファレンス領域１１Ａ〜１１Ｃを、上記した特性測定モード時に使用し、リファレンス領域１３Ａ〜１３Ｆを、上記した走査範囲調整モード時に使用することができる。

以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態１〜５について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記実施の形態１〜５では、スキャナ３１は、ファンビーム状のレーザパルスで対象領域を１次元方向に走査するので、結果として面状の領域を走査している。これに代えて、ペンシルビーム状のレーザパルスで対象領域を２次元方向に走査できるように各実施の形態の構成を変更してもよい。

本発明の範囲内において、上記実施の形態１〜５の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

ＬＰ レーザパルス、１〜３ レーザレーダ装置、１０，１０Ｍ，１０Ａ，１０Ｂ 窓部、１１Ａ〜１１Ｃ，１２Ａ〜１２Ｃ，１３Ａ〜１３Ｆ、１６〜１９ 光透過領域、２０ 基準トリガ発生部、２１ レーザ光源、２２ 送信光学系、２３ 反射ミラー、２４ 反射ミラー、３０ 光走査部、３１ スキャナ、３２ スキャナ駆動部、４１ 受信光学系、４２ 受光部、４２１ 受光素子アレイ、４２２ 受光素子、４２３ 増幅器、４２４ トランスインピーダンスアンプ、４３ 時間測定部、４３１ 制御回路、４３２_１〜４３２_Ｎ 時間測定回路、４３３ ピーク検出器、４３４ 差動増幅器、４３５ トリガ生成回路、４３６ 定電流源、４３７ 時間検出器、４３８ 定電流源、４３９ サンプルホールド回路、４４ 強度測定部、４４１_１〜４４１_Ｎ 強度測定回路、４５ 強度依存特性算出部、４６ 特性データ記憶部、４７ 測距部、５０，５０Ａ，５０Ｃ 信号処理ユニット、５１，５１Ａ，５１Ｃ 測定制御部、５２ 強度画像生成部、５３ 距離画像生成部、５４ 走査制御部、６１ 歪み検出部、６２ 歪み補正部、６３ データ記憶部、６５ 走査範囲調整部、６６ 調整データ記憶部、７０ 強度画像、７１Ａ〜７１Ｆ リファレンス領域画像、７２ 光透過領域画像。

Claims (10)

1. 送信用レーザパルス及び参照用レーザパルスを出射するレーザ光源と、
   互いに異なる反射率を有する複数のリファレンス領域及び光透過領域を含む窓部と、
   前記送信用レーザパルスを前記光透過領域の方向に反射させて当該送信用レーザパルスで前記光透過領域を走査するとともに、前記参照用レーザパルスを前記複数のリファレンス領域の方向に反射させて当該参照用レーザパルスで前記複数のリファレンス領域を走査する光走査部と、
   外部空間で反射した当該送信用レーザパルスを受光して受信信号を出力するとともに、前記複数のリファレンス領域の各々で反射した参照用レーザパルスを受光して参照用受信信号を出力する受光部と、
   前記レーザ光源からの当該送信用レーザパルスの出射と同期して時間計測を開始した後、前記受信信号を検出して当該受信信号の検出時刻までに計測された遅延時間を示す計測値を出力するとともに、前記レーザ光源からの当該参照用レーザパルスの出射前の時刻に設定された測定開始時刻に時間計測を開始した後、前記参照用受信信号を検出して当該参照用受信信号の検出時刻までに計測された参照用遅延時間を示す参照用計測値を出力する時間測定部と、
   前記受信信号に基づいて前記外部空間内の物体の反射強度を示す受信強度を測定するとともに、前記参照用受信信号に基づいて前記複数のリファレンス領域の各々の反射強度を示す参照用受信強度を測定する強度測定部と、
   前記各リファレンス領域について、前記参照用計測値の前記参照用強度値への依存関係を示す特性データを算出する強度依存特性算出部と、
   前記計測値及び前記強度値に基づき、前記特性データを用いて前記外部空間内の物体までの距離を測定する測距部と
   を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 請求項１記載のレーザレーダ装置であって、前記測定開始時刻を変化させることにより前記参照用遅延時間を変化させる測定制御部を更に備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
3. 請求項２記載のレーザレーダ装置であって、前記強度依存特性算出部は、前記参照用強度値、前記参照用計測値及び前記参照用遅延時間に基づき、前記強度値、前記計測値及び前記遅延時間の間の関係を定める関数を特定するデータを前記特性データとして算出することを特徴とするレーザレーダ装置。
4. 請求項３記載のレーザレーダ装置であって、前記強度依存特性算出部は、回帰分析を実行して前記関数を算出することを特徴とするレーザレーダ装置。
5. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置であって、
   前記時間測定部は、
   前記参照用受信信号の信号波形の強度ピークを検出するピーク検出器と、
   経過時間とともに一定の率で上昇するランプ電圧を、当該強度ピークの検出に応じてサンプリングし、当該サンプリングされたランプ電圧を前記参照用計測値として出力する時間検出器と
   を含むことを特徴とするレーザレーダ装置。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置であって、前記複数のリファレンス領域は、前記送信用レーザパルスの走査方向における前記窓部の両端部のうち少なくとも一方に配置され、且つ、前記走査方向に沿って配列されていることを特徴とするレーザレーダ装置。
7. 請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置であって、
   前記測距部で測定された距離に基づいて、前記外部空間内の物体の３次元情報を示す距離画像を生成する距離画像生成部と、
   前記強度測定部で測定された強度値に基づいて、前記外部空間内の物体の反射強度を示す強度画像を生成する強度画像生成部と
   を更に備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
8. 請求項７記載のレーザレーダ装置であって、
   前記強度画像に現れる当該複数のリファレンス領域の各々の画像の歪みを検出する歪み検出部と、
   前記距離画像を局所的に拡大または縮小して当該画像の歪みを補正する歪み補正部と
   を更に備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
9. 請求項８記載のレーザレーダ装置であって、前記複数のリファレンス領域は、前記送信用レーザパルスの走査方向と直交する方向における前記窓部の一端部に配置され、且つ、前記走査方向に沿って配列されていることを特徴とするレーザレーダ装置。
10. 請求項７から請求項９のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置であって、前記強度画像に現れる当該複数のリファレンス領域の各々の画素数が予め定められた画素数と一致するように前記光走査部の走査範囲を調整する走査範囲調整部を更に備えることを特徴とするレーザレーダ装置。

Images