JP2019039671A - 測距装置および測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、安価な光デバイス（ＬＥＤ）を用いてＦＭＣＷ方式と同等の高精度な測距を可能とする測距装置および測距方法を提案する
【解決手段】本発明にかかる測距装置１００の代表的な構成は、周波数が周期的に変化する信号を生成する信号生成部１１０と、信号に応じて光量の振動の周波数が周期的に変化する光を出力するＬＥＤ１１６と、ＬＥＤ１１６の出力光が対象物に反射した反射光を検出する受光部１２０と、出力光と反射光の周波数差から対象物までの距離を測定する演算部１３４とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイスの光量を変化させて距離を測定する測距装置および測距方法に関する。

近年、自動車業界において自動ブレーキ等に代表される先進運転支援システム(ＡＤＡＳ)が普及期に入り、これまで以上にセンシング技術が着目されている。そしてセンシング技術には、更に高速、高精度、安価なものが求められるようになってきている。

センシング技術の中でも車両周辺の物体を検出したり、物体までの距離を算出したりするための測距センサーとしては、これまでに様々な測距デバイスや測距方式が用いられてきた。

測距デバイスとしては、例えば超音波デバイス、ミリ波デバイス、光デバイス等が広く用いられている。測距方式としては、送信した信号が対象物に反射して戻ってくるまでの時間を計測して測距を行うＴＯＦ(Time Of Flight)方式や、送信したＦＭ変調信号波と対象物に反射して戻ってきたＦＭ変調信号波との周波数差を計測して測距を行うＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式などが従来より用いられてきた。

例えば特許文献１には、ＦＭＣＷ方式を用いた自動車レーダ装置（測距装置）が記載されている。なお特許文献１では、左右２チャンネルの受信アンテナを用いることにより、複数のターゲットやターゲット以外の物体などの反射波が合成されて受信されるレーダ使用環境でも信頼性の高い方位、相対距離及び相対速度の計測が可能な自動車レーダ装置を提供できると説明されている。

特開平１１−２７１４３０号公報

しかしながら上記従来の技術においては、測距デバイスの観点からは次のような問題がある。

まず超音波デバイスは、ミリ波デバイスや光デバイスと比較して測距可能距離が短い。また相対速度が速い場合の測距精度が低いこと、指向性が弱く微小領域の測距に不適なことが問題として挙げられる。

ミリ波デバイスは、超音波デバイスや光デバイスと比較して高周波を扱うため高価であり、回路的な設計の難易度も高い。また周波数によって法規制があり、厳格な取扱いが必要である。

光デバイスのうち、半導体レーザー（レーザーダイオード：ＬＤ）は制御電流の量によって波長(周波数)が可変であり、測距方式としてＦＭＣＷ方式を利用可能であるが、高価である。一方、ＬＥＤは安価であるうえ、測距可能距離も長い。ただしＬＥＤは用いられている材料の特性により光の波長(周波数)が固定であり、ＦＭＣＷ方式を利用することはできないという問題点がある。

次に、測距方式の観点からは従来技術には次のような問題がある。

ＴＯＦ(Time Of Flight)方式は、送信波と反射波との時間差を計測して測距するため、精度の高い測距には非常に高いサンプリングレートのＡＤ変換器が必要となり、そのサンプリングレートの制限から高精度な測距は困難という問題がある。例えば、１０ｃｍの精度を得るためには１.６ＧＨｚ以上のサンプリングが可能なＡＤ変換器が必要である。一般的に入手可能なＡＤ変換器の上限のサンプリングレートは数百ＭＨｚであり、１ＧＨｚを超えるサンプリングレートのＡＤ変換器は特殊用途用のみに一部生産されているのみである。

ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式は、送信波と反射波との周波数差を計測して測距する方式で、精度の高い測距が可能であり、もっとも一般的な測距方式として様々なモジュール等にて利用されている。しかし、ＦＭ変調波を用いるため、ＬＥＤなどのように出力信号が固定された波長(周波数)のデバイスへの適用はできない。

上記に示す通り、測距デバイスの観点からＬＥＤは他のデバイスにはない様々な利点を有している。具体的には、超音波デバイスと比較して長距離測距可能であり、高精度である。ミリ波デバイスと比較して安価であり、法的制限がない。半導体レーザーダイオードと比較して安価である。しかしながら、測距方式の観点から見た場合、固定波長(周波数)の信号を出力することから、高精度な測距が可能なＦＭＣＷ方式を適用することができないという問題点がある。

そこで本発明は、光デバイス（ＬＥＤ等）を用いて高精度な測距を可能とする測距装置および測距方法を提案することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる測距装置の代表的な構成は、周波数が変化する信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力する光デバイスと、
前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出する受光部と、
前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を測定する演算部とを備えることを特徴とする。光デバイスは、ＬＥＤであってもよい。光デバイスは自動車のヘッドライトであってもよい。

さらに、本発明にかかる測距装置の代表的な構成は、周波数が周期的に変化する信号を生成する信号生成部を備え、前記光デバイスは、前記信号生成部の信号に応じて光量の振動の周波数が周期的に変化する光を出力する。

また本発明にかかる測距方法の代表的な構成は、固定波長の光を出力する光デバイスを用いる測距方法において、周波数が周期的に変化する信号を生成するステップと、前記光デバイスは、前記信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力するステップと、前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出するステップと、前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を測定するステップとを有することを特徴とする。

本発明は、光デバイス（ＬＥＤ等）を用いて高精度な測距を可能とする測距装置および測距方法を提供するものである。

本実施形態にかかる測距装置および測距方法を説明する図である。 チャープ信号を説明する図である。 対象物が近い場合を説明する図である。 対象物が遠い場合を説明する図である。 対象物までの距離と周波数差との関係を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は本実施形態にかかる測距装置および測距方法を説明する図である。図１に示す波形のグラフはイメージであって、図２〜４に詳述する。図２はチャープ信号を説明する図である。

測距装置１００の送信系について説明する。信号生成部１１０は、図２（ａ）に示すように周波数が周期的に変化するチャープ信号を生成する（デジタル値）。この信号は、ＦＭＣＷ方式と同様に、時間とともに周波数を増加（アップチャープ）させ、次に時間とともに周波数を減少（ダウンチャープ）させる（図２（ａ）ではアップチャープのみを例示している）。この信号をＤＡ変換器（ＤＡＣ１１２）においてアナログ信号に変換し、増幅器（ＡＭＰ１１４）で増幅して、図２（ｂ）に示すような光量強弱制御信号とする（アナログ値）。光量強弱制御信号は、電流（縦軸）の振動の周波数が周期的に変化する信号である。この光量強弱制御信号を、光デバイスの例であるＬＥＤ１１６に供給する。

ＬＥＤ１１６は固定波長の光しか出力することができないが、電流に応じて光量が変化する。したがって、上記の光量強弱制御信号に応じて光量の振動の周波数が周期的に変化する光を出力する。出力光の波形は、図２（ｂ）の縦軸を光量に置き換えたものに相当する。こうしてＬＥＤ１１６から照射した出力光は、対象物１０に反射する。

測距装置１００の受信系について説明する。反射光は受光部１２０（例えばフォトダイオード）によって検出する。受光部１２０は検出した反射光の光量に応じた電圧(電流)を発生する。その結果、出力光とは対象物１０までの往復の伝搬遅延分だけ時間遅延した波を次段のＡＧＣ回路（ＡＧＣ１２２）に出力する。

ＡＧＣ１２２は、ＬＥＤ１１６の出力光が対象物１０に反射して受光部１２０に検出されるまでに減衰した光量分に相当する利得分だけ増幅する。これにより、図２（ｂ）に示した光量強弱制御信号と同様の波形（遅延あり）の信号を得る（アナログ値）。

増幅された信号はＡＤ変換器(ＡＤＣ１２４)にてデジタル信号に変換され、図２（ａ）に示したチャープ信号と同様の波形（遅延あり）の信号を得る（デジタル値）。その後に、信号生成部１１０にて生成されたチャープ信号と、反射光をＡＤ変換した信号をデジタル積算処理する。これらの信号は周波数が増加または減少するチャープ信号であるから、遅延によってずれることにより周波数差を生じる。したがって積算処理の結果、信号生成部１１０にて生成されたチャープ信号と反射光をＡＤ変換した信号との周波数差に相当する周波数成分が主に含まれる信号が得られる。

フィルタ１２８にて測距には不要な周波数成分（主に高周波）を除去し、次段のＦＦＴ処理部１３２に信号を出力する。フーリエ変換された波形には、周波数差に相当する周波数成分にピークが立つので、演算部１３４はこれを検出し、測距装置１００から対象物１０までの距離に換算する。

図３は対象物が近い場合（２２．５ｍ）を説明する図であって、（ａ）は合成波の例、（ｂ）はフーリエ変換した波形、（ｃ）は（ｂ）のゼロ付近を拡大した波形である。同様に、図４は対象物が遠い場合（９０ｍ）を説明する図であって、（ａ）は合成波の例、（ｂ）はフーリエ変換した波形、（ｃ）は（ｂ）のゼロ付近を拡大した波形である。

上記したように、合成波には出力光と反射光の時間遅延に応じた周波数差（うなり成分）が、低周波成分となって含まれる。そして図３（ａ）と図４（ａ）を見比べるとわかるように、対象物が近い場合はうなり成分の周波数が低くなり、対象物が遠い場合はうなり成分の周波数が高くなる。図３（ｂ）（ｃ）を参照すると、近い場合には０．０１５ＭＨｚ付近に信号ピークが検出されていることがわかる。図４（ｂ）（ｃ）を参照すると、遠い場合には０．０６ＭＨｚ付近に信号ピークが検出されていることがわかる。

図５は対象物までの距離と周波数差との関係を説明する図である。図５（ａ）に示すように、信号生成部１１０が生成するチャープ信号の種別は線形チャープ信号であり、周波数変化は１０ＭＨｚ／１００μｓｅｃであるとする。この場合、対象物までの距離と周波数差との関係は図５（ｂ）に示すように、距離が離れるほど比例して周波数差が高くなる関係にある。すなわち、演算部１３４において検出される周波数差を対象物１０までの距離に換算することができる。

以上説明したように、測距装置１００は、固定波長の光を出力するＬＥＤ１１６を用いて、光量の振動の周波数を周期的に変化させることにより、出力光と反射光には対象物までの距離に応じた周波数差（うなり成分）が生じる。この周波数差を距離に換算することにより、ＦＭＣＷ方式と同等の高精度な測距が可能となる。また、アップチャープとダウンチャープの周波数差からドップラーシフトを算出することにより、対象物１０との相対速度を求めることもできる。

測距装置１００は、光の周波数を変化させる必要がないことから、ＬＥＤを用いてＦＭＣＷ方式と同等の高精度な測距ができ、ＬＥＤを用いることから測距装置のコストを削減できるという特別な利点を有している。

上記の測距装置を車載する場合には、光デバイスとして自動車のヘッドライトを利用してもよい。近年、自動車のヘッドライトには省電力、高耐久のＬＥＤが使用される場合も増えてきている。このようなヘッドライトのＬＥＤを用いて上記の制御を行うことにより、測距用のデバイスを追加することなく測距を行うことができる。ヘッドライトに複数のＬＥＤ球が使用される場合には、一部の球を上記のように制御することでよい。なお、光量の振動は高速であることから、ヘッドライトの光がちらつきを生じることはない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、光デバイスの光量を変化させて距離を測定する測距装置および測距方法として利用可能である。

１０…対象物、１００…測距装置、１１０…信号生成部、１１２…ＤＡＣ、１１４…ＡＭＰ、１１６…ＬＥＤ、１２０…受光部、１２２…ＡＧＣ、１２４…ＡＤＣ、１２８…フィルタ、１３２…ＦＦＴ処理部、１３４…演算部

Claims (6)

1. 周波数が変化する信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力する光デバイスと、
   前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出する受光部と、
   前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を測定する演算部とを備える測距装置。
2. 前記光デバイスは、ＬＥＤによって構成される請求項１に記載の測距装置。
3. 周波数が周期的に変化する信号を生成する信号生成部を備え、
   前記光デバイスは、前記信号生成部の信号に応じて光量の振動の周波数が周期的に変化する光を出力する請求項１に記載の測距装置。
4. 前記信号の種別は線形チャープ信号である請求項１に記載の測距装置。
5. 前記光デバイスは自動車のヘッドライトであることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
6. 固定波長の光を出力する光デバイスを用いる測距方法において、
   周波数が周期的に変化する信号を生成するステップと、
   前記光デバイスは、前記信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力するステップと、
   前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出するステップと、
   前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を測定するステップとを有する測距方法。