JP3281628B2 - 多周波数光電的検出システム - Google Patents

多周波数光電的検出システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、概ね、或る監視ゾーンにおけ
る対象物の存在を検出するための検出システムに係り、
より詳細には、多数の周波数の赤外線信号を用いて監視
ゾーン内の対象物から反射された光とその他の光とを識
別する赤外線検出システムであって、監視ゾーンの境界
を選択的に変更する手段を有するものに係る。
【０００２】多くの知られている光電的同期検出システ
ムにおいては、典型的には、矩形波又は低デューティ係
数パルス発生器／発振器によって作動されるＬＥＤを用
いて、パルス状の光ビーム信号が監視される空間又はゾ
ーンへ伝送される。光学的光検出器は、パルス状のＬＥ
Ｄのビームを含む視野を有する監視ゾーンへ向けられ、
これにより、その信号の反射を受信して監視ゾーンの対
象物の存在を検出する。このようなシステムは、ジュド
ス（Juds）の米国特許第５，４６３，３８４号に示され
ており、三角測量を用いて、監視ゾーン内の対象物から
反射された光と監視ゾーンの境界を越えたところから現
れる光とを識別している。
【０００３】ノイズ及び対象物からの反射以外の源（例
えば、その他の電源や光源）からの信号を排除するため
に、同期受信器が用いられ、上記のパルス状信号の反射
が期待される場合のみ受信器が作動される。このことに
より、反射されたパルス状信号が有り得ない区間におけ
るその他の源からの光エネルギーの検出による応答は阻
止される。
【０００４】内因的な不規則な回路ノイズ及び検出器の
ショットノイズの検出を拒絶するためには、検出回路に
見られる予想される内因的な不規則なノイズのレベルよ
り高い或るレベルの固定された検出閾値がシステムに与
えられる。このことにより、検出回路は、そのようなノ
イズを無視することができる。ノイズによる誤検出の確
率は、実際のノイズレベルに対する閾値レベルの関数で
あり、その大きさは、概ね、ガウス分布である。
【０００５】固定された閾値を有する光電的検出システ
ムは、フェイフィールド（Fayfield）の米国特許第４，
３５６，３９３号、ジュドスの同第４，８５１，６６０
号、エベレット（Everett）・ジュニアの同第４，８５
１，６６１号、ジュドスの同第４，９９０，８９５号及
びベッグス（Beggs）等の同第５，１２２，７９６号に
見られる。これらの固定閾値の同期検出システムは、ほ
とんどの光電的センサの用途について有用であることが
わかっているが、ノイズレベルが一定ではなくで不規則
に変動する作動環境において高い受信器感度が望まれる
状況においては、十分に正確ではない。
【０００６】そのような環境においては、予想される最
悪のノイズ条件の環境で満足のいくノイズ拒絶レベルを
確保するように検出閾値レベルを適合させなければなら
いということが、検出器システムの性能にとって不利な
条件となる。この状況は、検出システムが屋外の作動環
境における車両の検出に用いられる場合に生ずる。運転
者の盲点にある車両を検出するために用いられる上記の
ようなシステムは、真っ暗な夜間から白い表面から反射
された日光の８５００ft-cdls（９１５００lx）まで、
濡れた路面から反射された日光の７０，０００ft-cdls
（７５３０００lx）程度の明るさまでの範囲にわたる周
囲の光条件による広範に変動するノイズに遭遇すること
となる。また、そのようなシステムは、例えば、濃い霧
や雪によって生ずる大気中の後方散乱の存在に騙され、
盲点内の車両の存在を誤って指示するということが生じ
うる。そのようなシステムによる誤検出によって、車両
の運転者の係るシステムの信頼性を損なうものであるの
で、誤検出の除去は、一つの重要な目的である。
【０００７】盲点検出システムにおいて、検出された標
的車両の反射率は、周囲の光条件と共に、広範に変動す
る。従って、上記のようなシステムは、真っ暗な夜間か
ら明るい日光まで変動する光条件において黒から白まで
の範囲にわたる反射率の車両を検出することが必要とさ
れることとなる。かくして、検出の要件は、夜間におけ
る黒色の車両から明るい日光中における白い車両までの
範囲に亙る。
【０００８】夜間の暗さにおいては、検出器中には、非
常にわずかなＤＣ光電流が生成され、発生するショット
ノイズは非常にわずかである。しかしながら、明るい日
中における作動では、非常に大きなＤＣ光電流が受信器
のフォトダイオード中に生じ、ショットノイズレベル
は、高くなる。受信器が明るい日光の下で白い標的車両
を見ている場合、光電流は、受信器の増幅器自身中に内
因的な電子的ノイズよりも何倍も大きいショットノイズ
を発生する。高レベルのショットノイズにより発生され
る誤検出を回避するためには、必要とされる閾値は、最
悪の場合のショットノイズに比較して非常に大きくなけ
ればならない。そのように閾値が高いと、全ての光条件
下において非常に暗くて低い反射率の標的を検出するシ
ステムの能力が低くなる。
【０００９】いくつかの試みが、システムのノイズレベ
ルが上記のように広範に変動することに起因する作動上
の問題を解決するために為されている。これらの試み
は、受信器の検出閾値を設定するために用いられるノイ
ズの振幅特性の測定に基づいた適応調節機構の或る形態
を有する検出システムを提供することに関連したもので
ある。それらによる適応閾値の受信器は、受信器で測定
された周囲ノイズに関連して感度を最適化し、信号受容
の完全性を維持する。そのようなシステムの例は、バン
ガードナー（Bumgardner）の米国特許第３，９９９，０
８３号、ハーディ（Hardy）等の同第４，１４２，１１
６号、コナー（Conner）等の同第５，３３７，２５１
号、及びパストー（Pastor）の同第５，３３７，２５１
号に見られる。
【００１０】これらのシステムは、連続的にノイズを測
定するため、実際の信号が検出された際に前記のような
ノイズの測定を阻止し前に行った測定を維持するため及
び測定されたレベルを可変利得段へフィードバックする
ための回路の追加を必要とするので、非常に高価とな
る。この回路は、構成要素と組み立ての労力を増やし、
システムの大きさを増大する。
【００１１】上記の特許に開示されているような車両の
盲点検出器システムは、運転席側と助手席側の双方に検
出器を用いている。一つのシステムは、一つのモジュー
ルに六組の発光器−検出器の対を含み、検出器は、互い
に逆の極性を有するフォトダイオードの対である。シス
テムの有効範囲は、これらの要素のジオメトリにより定
められる。これらの要素は、非常に小さく、それらのジ
オメトリを維持するために製作中において非常に精密な
許容差を保持することが必要となる。
【００１２】受信器のノイズの統計的な性質により自然
に制御されてシステムの受信器の感度を最適化して許容
可能な低い誤検出率を維持する適応閾値を有する同期パ
ルス検出システムを特徴とする盲点検出器を提供するこ
とも提案されている。多試験零閾値検出器は、パルス発
光によってタイミングを合わせられた二つ若しくはそれ
以上の間隔のあいた時点であって発光パルスの反射から
の予想される最大及び最小の電圧ピーク及びフライバッ
ク応答に対応する時点にて、帯域制限された受信器のノ
イズ及びパルスの組合された応答を検査する。アップ／
ダウンカウンタが、比較器により応答の極性が正しいこ
とが報告された場合にのみカウントを上昇し、その他の
すべての応答についてカウントを降下することに用いら
れる。アップ／ダウンカウンタは、カウント降下の方に
大きく偏倚されており、この状態は、受容された信号
が、前記の負のカウントの偏倚を凌駕しカウントを上昇
して一つの検出信号を生成するほどノイズに比べて十分
に大きくならない限り継続する。このシステムにおい
て、正当な信号が存在していない状態における誤検出の
率は、カウントの長さと共に指数関数的に低減する。そ
のようなシステムは、PCT／US９７／２０６３７に開示
されており、その開示内容は、ここに参考文献として組
み込まれている。
【００１３】また、この検出器システムは、発光器と光
センサの幾何的配置構成上で作動する。ゾーン内の対象
物からの反射と監視ゾーンを越えたところからの反射と
を識別するために三角測量が用いられているので、これ
らの要素の精密な配置が決定的に重要である。または、
三つのレンズが必要とされるので、ユニットが嵩張り、
通常では、尾灯において車両のボディ上又は内に装着さ
れなければならない。
【００１４】三角測量を用いたシステムは、各々の発光
器について、監視ゾーン内の不均一な対象物からの反射
に十分に不感な第二の受信器を必要とする。そのような
二重三角測量システムは、余分な回路及び構成要素のた
めに課せられる追加的な費用を負うだけでなく、ユニッ
トの物理的な寸法を増大することとなり、空間を気にす
る自動車の製造者にとっての魅力を損なうこととなる。
【００１５】車両の後写鏡の中又は外側に配置されるの
に十分に小さくコンパクトな検出器システムが必要とさ
れている。また、発光器と光検出器の相対的な配置を精
密にする必要がなく、また、二重三角測量を使用する必
要のない検出器システムであって、より少ない且より廉
価な要素を用い、ユニットの大きさがより小さく、製作
費用が最小化されるシステムが必要とされている。ま
た、監視ゾーンの境界を選択的に変動するための組込み
調節機構を含む検出器システムが必要とされている。
【００１６】これらの従来の技術のエネルギー検出器シ
ステムは、光−光学的距離測定技術の一つの局面にすぎ
ない。もう一つの局面では、短いパルスレーザービーム
が離れた対象物へ発せられ、そのビームの反射の時間遅
れが決定される。この情報から、対象物の距離を決定す
ることができ、そのようなことは、米国特許第２，２３
４，３２９号、同第３，７２３，００２号、同第４，６
３４，２７２号、同第５，１７９，２８６号、同第５，
６９９，１５１号、同第５，７２４，１４１号に示され
ている。その他のシステムは、米国特許第３，７７８，
１５９号、同第３，８８８，５８８号、同第４，１４
６，３２８号、同第５，１９４，９０６号、同第５，２
３９，３５３号にあるように、固定周波数の変調された
光の反射の位相の遅れを測定する。
【００１７】米国特許第３，６４９，１２３号、同第
３，７３９，６２８号、同第３，７７８，１６０号、同
第５，１２５，７３６号及び同第５，３０９，２１２号
で例示されているように、更に他のシステムは、発振器
の周波数を測定するものであり、フィードバックループ
内に光学的経路を含んでいる。米国特許第３，６４７，
２９８号及び同第４，７２１，３８５号に示されている
ように、更に他のシステムは、ＦＷ−ＣＷ又はチャープ
変調として知られている如く、伝送周波数と帰還周波数
とを混合することによって生成される差周波数を測定す
る。
【００１８】これらの距離感知システムは、主に測量及
び軍事用途のために発展されたものであり、長距離の正
確な決定を必要とする。このようなシステムが盲点検出
の用途に利用可能であることは見出されていたが、それ
らは、嵩張り過ぎると共に、商業上の実際では、高価で
あり過ぎる装備を必要とする。
【００１９】しかしながら、類似のシステムが、自動車
用に提案されていた。一つのそのようなシステムは、正
面の対象物を検出し追跡するべく車両に用いられるため
に提案されている。米国特許第５，４６１，３５７号に
示されているように、一つのコンピュータが、車両と検
出された対象物との相対速度を追跡し、対象物が車両に
対して危険を与えるかどうかを判断する。米国特許第
５，２６０，６８２号に示されているように、もう一つ
のシステムは、移相原理を用いて、車両と近づいてくる
対象物との距離を決定する。この距離の変化速度が、車
両の速度と共に対象物の速度を決定するために用いられ
る。これらのシステムの双方とも著しく複雑で、法外に
高価である。その結果、それらは、現在まで、商業用の
用途が見出されていない。
【００２０】上記のような距離測定システムが解決しな
ければならない更なる問題は、大気の後方散乱である。
自動車の環境においては、この後方散乱は、霧、雪、路
上の水しぶき又はかすみの形態を為す。この問題の解決
は、（ａ）監視ゾーンの境界の遠い方における非常に低
い反射率の車を感知しながら、（ｂ）濃い霧、かすみ又
は雪が存在する中で誤検出に対する免疫性を維持すると
いう競合する目的のために、更に難しくなる。大気の後
方散乱の反射率は、通常は、監視ゾーンの遠方の境界に
ある黒い車に比較して小さいが、光電的システムにおけ
る帰還信号は、（数フィートを越える）遠い領域におい
て距離の平方で低減する。従って、３フィート（９１ｃ
ｍ）にある対象物からの光電的応答は、２１フィート
（６．４ｍ）にある対象物からの応答よりも４９倍強く
なる。この特性は、近い範囲における大気の後方散乱に
対する感度が監視ゾーンの遠い境界におけるものより非
常に良くなるということで、上記の問題を悪化し、何か
の補償なしで、前記の目的の均衡を取るということが不
可能となっている。
【００２１】この問題は、米国特許第５，７２４，１４
１号、同第５，３１１，０１２号、同第５，３５４，９
８３号及び同第５，４１８，３５９号において注意され
ている。しかしながら、提案された解決方法は、システ
ムの費用を高くし、自動車用には非現実的である追加の
構成要素及び回路を必要とするものである。
【００２２】
【発明の概要】本発明の一つの目的は、発光器と光検出
器の精密な相対的な配置を必要とせず、かくして、構成
要素及び製作の高価でないものとすることのできる光電
的対象物検出器を提供することである。
【００２３】本発明のもう一つの目的は、選択的に監視
ゾーンの境界を変更するための手段を有している光電的
対象物検出器を提供することである。
【００２４】本発明の更にもう一つの目的は、車両の外
側の後写鏡に配置されるのに十分小さくコンパクトな光
電的検出器を提供することである。
【００２５】本発明の更にもう一つの目的は、監視ゾー
ンの境界内の対象物の存在を決定するために位相のずれ
原理を使用することである。
【００２６】本発明の更なる目的は、大気の後方散乱に
より生ずる検出信号が有効にナル（零）にされる検出シ
ステムを提供することである。
【００２７】本発明は、検出された対象物の特定の範囲
を測定する必要は除去し、対象物が監視ゾーン内にある
かどうかを決定するだけのシステムを提供する。システ
ムは、単純化された位相遅れ測定構成を使用し、そこに
おいては、使用される周波数が選択され、その選択は、
対象物が監視ゾーン内にあると、使用される周波数の各
々について対象物から反射された帰還信号が正の復調信
号を生成するように為され、かくして、従来の技術のシ
ステムの複雑さが排除される。
【００２８】また、本発明は、戦略的に発光器−受信器
の視野の重複領域を配置して、監視ゾーンの特性に適合
した自然検出ナルを選択することによって、大気の後方
散乱の効果を無効にするシステムを提供する。
【００２９】一つの局面において、本発明は、監視ゾー
ンの境界内の対象物を検出するための電気光学的検出シ
ステムであって、発光器と光検出器の対にして発光器が
多周波数にて光エネルギーのパルスのビームを監視ゾー
ンへ発し光検出器が監視ゾーン内の対象物から反射され
たビームからの光エネルギーを含む光エネルギーを検出
して光検出信号を発生する発光器と光検出器の対と、発
光器と光検出器の対を作動するため及び各々の周波数に
て位相遅れ参照信号を発生するためのコントローラとを
含むシステムを特徴とする。コントローラは、光検出信
号と参照信号とを混合し、各々の周波数について対象物
までの距離と共に正弦的に極性の変動する位相差信号を
生成し、これらの位相差信号の極性を比較して監視ゾー
ン中の対象物の存在を決定する。
【００３０】好ましくは、検出システムは、複数の発光
器及び検出器の対を含み、各々の対は、監視ゾーンの特
定の部分を監視し、コントローラは、各々についての参
照信号の位相を調節して監視ゾーンの有効な境界を変動
するよう作動可能である。
【００３１】本発明のもう一つの局面においては、コン
トローラは、監視ゾーンの境界における対象物からの反
射された発光信号の予想される位相のずれに等しくなる
よう参照信号の位相をずらすための移相器を含み、比較
器が、受容された光エネルギーが前記の境界の中にある
対象物から反射されたものか、境界の外の対象物から反
射されたものかどうかを決定する。
【００３２】本発明の更にもう一つの局面において、コ
ントローラは、ゾーンの遠方の境界にて対象物から反射
された対応する光エネルギーパルスの予想される位相の
ずれに等しく位相のずらされた連続的な参照信号を各周
波数にて発生するプログラマブル移相器を含み、かくし
て、比較器が受容された光エネルギーの位相のずれが参
照信号より大きいか小さいかを決定することが可能とな
る。
【００３３】好ましくは、検出システムは、車両の外側
の後写鏡の各々に装着される。
【００３４】本発明の更なる局面において、衝突回避装
置は、監視ゾーン内の隣接する車両の存在を検出するた
めにホスト車両に装着される。装置は、監視ゾーンの特
定の部分を監視するための少なくとも一つの別々のセン
サシステムを含むセンサモジュールを有する。発光器
が、予め定められたバースト長の或る固定された周波数
の変調された光エネルギーのビームを監視ゾーンの特定
の部分内へ発し、発せられたビームに実質的に並んだ視
野を有する受信器が、光エネルギーを感知し、受容信号
を発生する。周波数発生器は、少なくとも一つの固定さ
れた周波数を生成し、移相器が前記の固定された周波数
に対して予め定められた位相遅れの関係を有する位相の
ずらされた参照信号を生成し、混合器が各々の受容信号
と各々の移相参照信号から復調信号を生成する。発光ビ
ームの放射パターンと受信器の視野は、或る固定された
光学的に重複した領域を有し、固定された周波数と予め
定められた位相遅れは、光学的重複領域内の均一に分布
された大気の後方散乱からの発光ビームの反射によって
ナル受容信号を実質的に生成するよう選択される。
【００３５】本発明のこれら及び更なる目的及び特徴
は、添付の図面に例示されている如き好ましい実施態様
の以下の詳細な説明を参照して更に容易に明らかになる
であろう。
【００３６】
【好ましい実施態様の詳細な説明】ここに例示され記載
された検出システムは、ＰＣＴ／ＵＳ９７／２０６３７
に開示された形式の車両の盲点検出器である。システム
は、ホスト車両２０の運転者へ、図１に示されている如
き境界２４ａ、ｂ、ｃ、ｄ及び２６ａ、ｂ、ｃ、ｄを有
する検出システム又はユニット２８又は３０によって監
視される隣接したゾーン２４及び２６に一つ又はそれ以
上の車両２２の存在に関する情報を提供するよう機能す
る。これらの監視ゾーン２４及び２６は、所謂「盲
点」、即ち、車両２０の運転者が直接又は内側及び外側
の後写鏡を介して見ることのできない領域を含む。検出
システム２８、３０の発光器及び検出器ユニットは、好
ましくは、車両の外側の後写鏡内又は上に装着され、そ
の一つ（３２）が装着された検出システムユニットの如
く図２に例示されている。
【００３７】本発明の検出システムの回路は、図３に模
式的に示されており、インターフェース４２を介して車
両のシステムへ接続されたマイクロコントローラ４０を
含む。マイクロコントローラ４０は、種々のシステム制
御及びタイミングロジックを統制し、車両２０と繋がっ
て電力及びセンサ付勢要求を受容し、センサの検出及び
条件の状態を伝送する。検出システムは、レーザーダイ
オード駆動増幅器４４のすぐ前にてファン・アウトし、
受信器増幅器４６のすぐ前でファン・インすることで、
この分野でよく知られた手段によって多重化された六個
の赤外線センサビームを含むが、図３の簡単化されたダ
イアグラムは、このシステムの全ての関係のある機能を
示している。
【００３８】図６に示されているように、システムは、
三つの異なる周波数にて作動し、各々の周波数は、或る
オフセット位相を有している（−２４ｎｓのオフセット
を有する１５ＭＨｚと、＋２６ｎｓのオフセットを有す
る２．５ＭＨｚと、−７２ｎｓのオフセットを有する
１．８７５ＭＨｚ）。この盲点検出の用途においては、
外側の後写鏡から測定される如き運転席側及び助手席側
の盲点を適切に覆うようにするには、約４−２０ft．
（１．２２−６．０９６ｍ）の監視ゾーンが望ましい。
１５ＭＨｚは、以下の理由により主周波数として選択さ
れた。
【００３９】１５ＭＨｚは、６６．６７ｎｓの周期であ
る。帰還信号は、監視ゾーンの或る境界距離における帰
還信号と９０゜位相がずれて設定された同じ周波数の位
相の制御された参照信号と混合される。このことによ
り、信号は直角位相にあるので、混合器からゼロの出力
が生成されることとなる。より近い距離における帰還信
号は、＋信号を生成し、−信号が、より遠い距離にて生
成される。これは、帰還光信号の位相が、被検出対象物
の距離の変化について１．９７ｎｓ／ft（６．４６ｎｓ
／ｍ）ずれるからである。この量は、１５ＭＨｚにおい
て１０．７゜の位相のずれに相当する。最大の信号は、
位相のずれが１８０゜の倍数である場合に生成され、ナ
ルは、位相のずれが９０゜の場合に生成される。かくし
て、２２ft（６．７ｍ）にてナルを有するシステムは、 ２２ft−１８０／３６０・６６．６７ｎｓ／１．９７ｎｓ／ft＝５．０８ft （６．７ｍ−１８０／３６０・６６．６７ｎｓ／６．４６ｎｓ／ｍ＝１．５５ｍ ） においてもナルを有することとなる。かくして、このシ
ステムは、５．０８ft（１．５５ｍ）から２２ft（６．
７ｍ）の範囲で正の検出を生成し、２２ft（６．７ｍ）
から３８．９２ft（１１．８６ｍ）にて負の検出を生成
し、３８．９２ft（１１．８６ｍ）から５５．８４ft
（１６．９１ｍ）にて正の検出を生成し、と続き、１
６．９２ft（５．１５７ｍ）ごとにエイリアス（ａｌｉ
ａｓ）不確定性を生成する極性の切換えが生ずる。我々
は、係るエイリアス問題を解決するために二つの追加の
周波数を採用する。ここでは、２．８ＭＨｚと１．８７
５ＭＨｚの周波数が選択され、従って、検出される対象
物の位置を監視ゾーン中に見出す場合には、全ての三つ
の周波数における帰還信号からの応答が正であることが
要求される。
【００４０】マイクロコントローラー４０は、六つの発
光器−検出器対の各々についてこれら三つの周波数を循
環して監視ゾーン内の車両の存在を決定する。マイクロ
コントローラー４０は、三つの周波数のうちの一つを選
択し、周波数発生器４８へ適正な制御ビットを送り、周
波数発生器は、要求された周波数を生成する。或る予め
定められた時点において、マイクロコントローラー４０
は、典型的には４０μｓの長さのバースト信号５０を発
し、その信号は、増幅器４４への周波数のゲート制御を
するために用いられる。増幅器は、次いで、１ａｍｐの
典型的なピーク電流にてレーザーダイオード５２を駆動
する。バーストシーケンスは、一つの周波数にて連続的
に各々のダイオードを作動し、その後、次の周波数へ移
ることを含んでいて良い。又は、シーケンスは、連続的
にすべての三つの周波数にて各々のダイオードを作動
し、その後、次のダイオードに移行することを含むよう
にもできる。
【００４１】レーザーダイオード５２により発せられた
変調された赤外線光５４のバーストは、発光器レンズで
集光され、コリメートされて、監視ゾーン２６（図１）
の特定の部分へ射出されるビーム５８を生成する。受信
器レンズ６０は、領域Ａにおいて発光されたビーム５８
と重複する視野６２を有し、対象物６４からのビームの
反射６６が集光され、受信器のフォトダイオード６８上
に集中される。フォトダイオードでは、光が電流に変換
されて増幅器４６へ送られる。
【００４２】周波数発生器４８が予め選択された周波数
を生成する際、発生器は、同時に、周波数を多段移相器
７０へ送り、移相器は、位相のずれた参照信号を混合器
７２のLOポートへ供給し、そこで、参照信号は、ＲＦポ
ートから供給される受容信号と混合され、復調される。
移相器７０により与えられる位相のずれの量は、特定の
周波数について望まれる境界距離範囲と応答の極性の関
係に従ってコントローラ４０により設定される。混合器
６８は、ＲＦポート上の受容信号とＬＯポート上の同じ
周波数の位相のずれた信号との乗算的関数を実行する。
【００４３】復調されたＩＦポート出力は、以下の式で
決定される。 IF出力＝Ｋm｛ＳＩＮ（２ｆπ（ｔ−τ）］［ＡRＳＩＮ（２πｆ（ｔ−２ｄ）） ］ そして、ローパスフィルターを通ったＩＦ出力は、以下
の式で与えられる。 ＬＰＦ出力＝ＫmＡRＣＯＳ（２πｆ（２ｄ−τ）） ここで、 Ｋm＝混合器７２の変換利得、 ＡR＝受信器増幅器４６の信号の振幅、 ｆ＝作動周波数 ＧＨｚ、 ｔ＝時間 ｎｓ（ナノ秒）、 τ＝移相器７０の時間遅れ ｎｓ、 ｄ＝対象物までの距離 フィート。 上記の式中１．０ft／ｎｓ（０．３０５ｍ／ｎｓ）を光
の進行速度の近い近似として（実際には、０．９８４ft
／ｎｓ（０．３０ｍ／ｎｓである）距離ｄを用いてい
る。
【００４４】かくして、対象物までの伝搬遅れ及び帰還
を含む受信器の遅れが位相のずれに等しい場合、ＣＯＳ
関数の引数（２πｆ（２ｄ−τ））がゼロになるので、
応答は、最大となる。図６において、１５ＭＨｚの波形
は、２４ｎｓほど遅れており、これは、１２ft（３．７
ｍ）においてピーク応答があることに相当し、光の伝搬
遅れ（往復）は、２４ｎｓである。あきらかなことは、
ＣＯＳ関数の引数が９０゜の奇数倍（π／２ラジアン）
であると、ナルが生ずることである。１５ＭＨｚは、６
６．６７ｎｓの周期を有するので、９０゜の位相のずれ
は、１６．６７ｎｓに等しく、１２ft（３．７ｍ）の距
離における前記のピーク応答から±８．３３ftにてナル
を生成する。これは、図６において、概ね、４ft（１．
２ｍ）及び２０ft（６．１ｍ）の距離範囲にて示されて
いるナルに相当する。同様に、ＣＯＳの引数が１８０゜
の偶数倍である場合、出力応答は、負のピークになる。
【００４５】前記の従来の技術における距離範囲検出装
置では、検出された対象物の正確な距離を決定するため
には、帰還信号の正確な位相角を明らかにすることが必
要である。このことは、通常、二つの混合器を使用する
ことによって達成される。双方の混合器は、同じＲＦポ
ートへの接続を有しているが、一方のみが、ＬＯポート
の信号について追加的な９０゜の位相のずれを有してい
る。そして、二つのＩＦポート出力がローパスフィルタ
ーにかけられ、デジタル化される。このことから、逆正
接計算がなされ、位相角を生成する。本発明は、単一の
混合器を用い、アナログデジタル変換器を除去し、単に
正の出力の存在又は不存在を検出することによって、従
来の技術の上記の如き複雑さ及びそれに伴う費用を取り
除くものである。混合された信号は、マイクロコントロ
ーラ４０による検出決定のためにローパスフィルター７
４と高利得リミッタ増幅器７６を介して送られる。マイ
クロコントローラ４０は、検出された対象物が監視ゾー
ンの内側に在るか外側に在るかを示し、単に「ゴー−ノ
ー・ゴー」検出器として作動する。
【００４６】正の受容信号を非常に感度よく検出するこ
とは、図１１に示されている如く、光のバースト（４０
μｓ）を伝送し、次いで、受信器増幅器７６上にてその
バーストの包絡線を決定することによって達成される。
検出の原理は、発光されたバーストの終端近傍の応答の
統計的なサンプリングと、バーストの終端後約３０μｓ
の後のフライバック応答についての統計的なサンプリン
グをすることに基づいている。この技術は、ＰＣＴ／Ｕ
Ｓ９７／２０６３７に更に完全に記載されている。サン
プルに起因する四つの可能な状態のうち、検出アルゴリ
ズムは、Ｌｏ−Ｌｏ、Ｌｏ−Ｈｉ及びＨｉ−Ｈｉについ
てカウントを降下し、Ｈｉ−Ｌｏの応答のみカウントを
上昇する。この技術では、ランダムノイズの存在下で、
３：１の割合でカウントを降下する方に偏倚し、実質的
な帰還信号の存在している場合のみ連続的にカウントを
上昇する。カウンタの上昇は、ゼロ値及び＋１５閾値ま
でに制限され、閾値に達するとマイクロコントローラ４
０により対象物の検出が生成され、カウントがゼロに戻
るまで、状態が維持される。ＰＣＴ／ＵＳ９７／２０６
３７が示すように、このアルゴリズムによれば、ＲＭＳ
ノイズレベルの約６０％の有効閾値が与えられ、誤検出
速度は、約５×１０-8と無視し得る程度となる。
【００４７】この単純な単一の混合器の方法を用いるこ
とによって与えられる情報は、対象物が正の半分のサイ
クルのうちの一つに相当する距離範囲にあるかどうかで
あり、どれかではない。このことは、この種の一般的な
距離範囲検出装置の全てが遭遇するよく知られたアンビ
ギテイー又はエイリアス問題を生ずる。
【００４８】ここでは、対象物が監視ゾーンに相当する
１５ＭＨｚの正の半サイクルに在るかどうかを決定する
ために複数の周波数（２．５０ＭＨｚ及び１．８７５Ｍ
Ｈｚ）が用いられる。図６に示されているように、これ
らの周波数を使用することにより、対象物の検出の際に
すべての周波数が正の応答を生成する唯一のゾーン（約
４−２０ft（約１．２−６．１ｍ）が生成される。正の
応答は、３５０ft（１０７ｍ）以上の距離範囲において
も全ての三つの周波数で生ずるが、非常に強い反射体か
らの信号であっても検出するには弱すぎ、かくして、そ
のような信号を考慮する必要は除去される。周波数及び
位相のずれ又はオフセットは、十分に強い信号が帰還し
得る全距離範囲に亙って上記の排他的な結果を得るべく
慎重に選択された。
【００４９】図７は、路傍及び車のフェンダに共通の或
る固定された大きさの逆反射体と、ペイントされた建物
の側部などの広い拡散性白色反射対象物についての光電
応答関数を示している。鉛直軸は、検出閾値を越える信
号レベルを示している。拡散性白色のものからの帰還信
号が距離の平方で低減することが気づかれる。逆反射体
の帰還信号は、短い距離範囲では、非常に強いが、距離
の四乗で低減する。図７は、３００ft（９１．４ｍ）を
越えるところまでの検出が可能であることを示している
ので、周波数と位相のオフセットは、この距離範囲で如
何なるエイリアスをも排除することを確実にするべく慎
重に選択されなければならない。例の三つの周波数、ビ
ームの重複関数及び光電的応答を使用することにより、
図８に示されている正味のシステムの応答関数が生成さ
れ、そこにおいて、正の応答は、４−２０ft（１．２−
６．１ｍ）の範囲のみであり、それよりも大きな距離で
帰還信号が検出可能なエイリアスゾーンは存在しない。
【００５０】かくして、本発明は、ＳＩＮ及びＣＯＳ混
合器の双方の生成信号を発生する必要性を排し、更に、
それらの各々におけるアナログ−デジタル変換を実行す
る必要性を排除する。本発明は、単純な存在／不存在
（「ゴー−ノー・ゴー」）検出システムであって、正の
混合器の復調生成信号を生成する１８０゜の位相ゾーン
内で対象物の存在を信頼性よく指示するシステムを提供
する。周波数と位相のオフセットを慎重に適合すること
によって、その他の監視ゾーン範囲についても同様の結
果が得られる。
【００５１】大気の後方散乱（霧、かすみ、雨、雪、水
しぶき）によって生ずる誤検出に関する問題は、発光器
のビームパターンと検出器の視野との重複の関数を慎重
に選択し、復調関数における近い方のゾーンのナルが配
置される場所を慎重に選択することによって、最小化さ
れる。大気の後方散乱は、深さ１フット（０．３０４８
ｍ）当たりの反射率を固定パーセンテイジで決定するこ
とによって、合理的にモデル化される。例えば、フット
当たり０．００１％を反射する薄い霧については、この
霧から受信器へ帰還される全信号は、距離範囲１フット
毎について図６の復調関数に図７からの光電応答を乗算
し、０．００１％を乗算したものの和にとなろう。
【００５２】図７は、受信器の視野と発光器の放射パタ
ーンとの重複の関数と、拡散性白色対象物についての距
離の平方の逆数で変化する関係とを含む基本的な光電応
答を示している。重複が始まる約３ftにて鋭い上昇があ
る。重複がもっと近くで始まるとすると、拡散性白色標
的についての曲線は、０．５ft（１５ｃｍ）にて２０
０，０００（２×１０+5）程度に高いピークまで上昇す
ることとなろう。このように著しく高い感度は、最も弱
い大気の後方散乱であっても実際上問題となる。ビーム
の重複の始まる距離は、受信器レンズ６０からの発光器
レンズ５６の離隔距離、ビームと視野の角度の拡がり及
びそれらの向けられた方向とによって決定される。これ
らのパラメータは、システムの設計者により制御可能で
ある。
【００５３】再び図６を参照して、近い方のナルは、１
５ＭＨｚの曲線上で約４ft（１．２ｍ）の距離範囲にあ
る。重複点よりも大きな距離に近い方のナルを配置する
と、幾分かの相殺をする負の信号の寄与が生成され、正
の信号の寄与を更に遠い範囲にオフセットすることとな
る。図９は、相対的な後方散乱の寄与と０−７５ft（０
−２３ｍ）の範囲に亙るその信号の積分を示している。
これらの全ての寄与を非常に長い距離まで足し合わせて
ゼロに近い和を得て、後方散乱信号の寄与を第一次近似
まで内因的に自己で相殺することは望ましいことであ
る。明らかなことは、近い範囲での負の信号の寄与の量
は、この目的を達成する上で重要である。大きすぎる正
の寄与は、誤検出を発生するが、大きすぎる負の寄与
は、非常に暗い車両に対する感度を抑制するので、バラ
ンスを取ることが重要である。
【００５４】図１０は、１５ＭＨｚについての予め定め
られた近い方のナル位置に対するレンズの離隔距離を変
更することの効果を示している。復調されたナルがゼロ
の距離に置かれる場合、近い方のゾーンにおいて負の寄
与は存在しない。レンズの間隔を増大すると、状況は改
善され、間隔が大きいほど良いと思われる傾向を示す。
しかしながら、１インチの離隔距離では、４ft（１．２
ｍ）まで「デッド」（非検出）ゾーンを生成し、２イン
チの離隔距離では、８ft（２．４ｍ）まで「デッド」ゾ
ーンを生成し、これらは、自動車の盲点検出の用途では
大きすぎるであろう。図１０の鉛直方向のスケールは、
センサの検出閾値に相対的に目盛りが付けられている。
かくして、理想的なシステムは、いずれにしても望まれ
る大気の後方散乱の許容範囲のレベルが１を越えない場
合で、積分された後方散乱がゼロに近いということにな
ろう。図１０で示されているバランスの良い選択は、レ
ンズの離隔距離が０．２インチ（０．５１ｃｍ）であ
り、復調器の近いゾーンのナルが４ft（１．２ｍ）に設
定されていることであろう）。
【００５５】詳しい回路が図４及び図５に模式的に示さ
れている。図４において、発光器回路の好ましい実施態
様は、一つの共通の７４Ｆシリーズバス・ドライバゲー
ト８０を有し、それは、十分な電流駆動能力を有し、高
速である。ゲートは、ゼテックス（Zetex）ＦＭＭＴ４
９１Ａ高ベータ高電流ＮＰＮトランジスタ８２を駆動
し、トランジスタは、シーメンス（Siemens）ＳＦＨ４
９５レーザーダイオード発光器５２を通る電流を制御す
る。
【００５６】図５において、受容される光は、レンズ６
０を通ってシーメンスＳＦＨ３０２高速ＰＩＮフォトダ
イオード受信器６８により受容され、それは、光を電流
に変換する。トランスインピーダンス増幅器４６は、低
ノイズ金属フィルム抵抗を用い、１０Ｋオームの利得、
２７ＭＨｚの帯域幅及び４ｐＡ／Ｈｚの等価な入力ノイ
ズを有する。低ノイズ性能は、監視ゾーンの遠い境界に
於ける非常に暗い車両の検出のための最大感度を達成す
るために必要である。ノイズ性能は、周囲に光が存在す
ることでショットノイズとして生成されるノイズ電流よ
りも良い必要はない。
【００５７】かくして、本発明は、従来の技術の制限を
克服し、対象物検出システムであって、複数の周波数に
おける検出信号を各々周波数における位相の遅れた参照
信号と混合することで生ずる位相の差の信号の極性を比
較することを利用して、検出された対象物が監視ゾーン
に置かれているかどうかを決定するシステムを提供す
る。このことにより、対象物の正確な距離範囲を測定す
る必要はなくなり、三角測量に基づくシステムに要求さ
れる高精度のジオメトリ及び組立の必要性もなくなる。
信頼性のある検出における大気の後方散乱の効果は、光
学的な重複の選択と、選択される周波数と位相の遅れに
よって最小化される。好ましい実施態様が例示され記載
されているが、特許請求の範囲により確定される如き本
発明の範囲内で自明な変更が予想できることである。 ［図面の簡単な説明］
【図１】図１は、本発明の検出システムを採用した車両
の模式図であり、車両に隣接した盲点における監視ゾー
ンを例示している。
【図２】図２は、本発明による検出システムを組み込ん
だ助手席側の外側の後写鏡の斜視図である。
【図３】図３は、本発明による多周波数検出システムの
模式的な回路ダイアグラムである。
【図４】図４は、図２のシステムのレーザーダイオード
駆動回路の模式的なダイアグラムである。
【図５】図５は、図３のシステムの受信器回路の模式的
なダイアグラムである。
【図６】図６は、三つの周波数復調関数対距離範囲をプ
ロットしたチャート図であり、単一のゾーンだけが全て
の周波数にて正の復調応答を呈していることを例示して
いる。
【図７】図７は、或る固定された直径の逆反射標的と広
い拡散性白色標的についての距離範囲の関数としての光
電的な閾値を越える信号の利得をプロットしたチャート
図であり、視野の重複の効果を例示している。
【図８】図８は、三つの周波数のＡＮＤ関数と光電的応
答関数を含む正味のシステム応答関数を示すチャート図
であり、距離範囲の関数としての正味の応答を例示して
いる。
【図９】図９は、４ft．（１．２２ｍ）に近い方のナル
を有し、レンズの離隔距離が０．２“（６ｍｍ）で、１
５ＭＨｚの変調された信号についての例示的な積分関数
を示すチャート図である。
【図１０】図１０は、標準白色拡散反射体に関連した
０．０５％／ft．（０．１６％／ｍ）の後方散乱反射率
の１５ＭＨｚ変調における大気の後方散乱による生ずる
検出信号を示すチャート図である。
【図１１】図１１は、システムのパルス応答におけるノ
イズの影響を示すチャート図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ルイス アメリカ合衆国 94056 カリフォルニ ア州 サニーヴェイル カラル アヴェ ニュー 1172 (56)参考文献 特開 平９−61525（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−178848（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−198835（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−140245（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−269373（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−61526（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258426（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−101880（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−39578（ＪＰ，Ｕ) 特表 平５−508479（ＪＰ，Ａ) 米国特許5339075（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/00 - 7/50 G01S 13/00 - 13/95 G01S 17/00 - 17/88 G08G 1/16 G08G 13/00 - 15/02 H01H 35/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 監視ゾーンの境界内の対象物を検出する
    ための電気光学的検出システムであって、発光器が監視
    ゾーン内へ光エネルギーのパルスビームを発光する発光
    器及び前記監視ゾーン内の対象物から反射されたビーム
    からの光エネルギーを含む光エネルギーを検出し光検出
    信号を発生する光検出器の対と、前記発光器及び光検出
    器の対を作動するため及び前記監視ゾーンに対象物があ
    ると決定するときに対象物検出信号を発生するためのコ
    ントローラとを含むシステムであって、 前記発光器が前記監視ゾーン内へ複数の周波数にて光エ
    ネルギーのパルスビームを発光し、 前記コントローラが各々の周波数にて位相の遅れた参照
    信号を生成し、前記光検出信号と前記参照信号とを混合
    して、各々の周波数について、前記対象物までの距離と
    共に正弦的に極性が変化する位相差信号を生成し、これ
    らの位相差信号の極性を比較して前記監視ゾーン内の対
    象物の存在を決定することを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１の検出システムであって、更
    に、複数の発光器及び光検出器の対を含み、それらの各
    々が前記監視ゾーンの特定の部分を監視することを特徴
    とするシステム。
  3. 【請求項３】 請求項２の検出システムであって、更
    に、前記コントローラが前記参照信号の位相遅れを調節
    し各々前記監視ゾーンの有効な境界を変更するよう作動
    可能であることを特徴とするシステム。
  4. 【請求項４】 請求項３の検出システムであって、更
    に、前記コントローラが前記参照信号を、前記監視ゾー
    ンの境界にある対象物から反射された発光された信号の
    予想される位相のずれに等しくなるように位相をずらす
    ための装置を含んでおり、これにより、比較器が、受容
    された光エネルギーが前記境界の中にある対象物から反
    射されたものか前記境界の外にある対象物から反射され
    たものかどうかを決定することができるようになってい
    ることを特徴とするシステム。
  5. 【請求項５】 請求項１の検出システムであって、更
    に、前記発光器及び前記光検出器が車輌の外側の後写鏡
    上に装着されていることを特徴とする検出システム。
  6. 【請求項６】 ホスト車輌上に装着され監視ゾーン内に
    ある隣接した車輌の存在を検出するための衝突回避装置
    であって、前記監視ゾーンの特定の部分を監視するため
    の別々のセンサシステムにして前記監視ゾーンの前記特
    定の部分へ予め定められたバーースト長を有する光エネ
    ルギーの或る固定された周波数に変調されたビームを発
    するための発光器と前記発光されたビームに実質的に並
    んだ視野を有し光エネルギーを感知して受容信号を発生
    するための受容器とを含むセンサシステムを少なくとも
    一つ含むセンサモジュールを含む装置であって、 二つ若しくはそれ以上の予め定められた異なる固定され
    た周波数にしてそれらの各々にて前記発光器がビームを
    発光するのに使用される周波数を生成するための周波数
    発生器と、 前記固定された周波数の各々に対して異なる予め定めら
    れた位相遅れ関係を有する位相のずらされた参照信号を
    生成する移相器と、 各々の周波数についての各々の受容信号と各々の位相の
    ずらされた参照信号から復調信号を生成するための混合
    器と、 前記復調信号から高度に増幅されたａｃ結合デジタル論
    理レベル検出信号を生成するためのリミッター増幅器
    と、 前記固定された周波数の各々にて各々の別々のセンサシ
    ステムによって発生された前記論理レベル信号を受容処
    理して前記監視ゾーン内の車輌の存在を決定するための
    プロセッサと、 を含むことを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】 請求項６の衝突回避装置であって、更
    に、６つの別々のセンサシステムを含むことを特徴とす
    る装置。
  8. 【請求項８】 請求項６の衝突回避装置であって、更
    に、前記周波数発生手段が各々の発光器によって使用さ
    れるために３つの固定された周波数を生成することを特
    徴とする装置。
  9. 【請求項９】 請求項８の衝突回避装置であって、更
    に、前記周波数が約１５ＭＨｚ、２．５ＭＨｚ及び１．
    ８７５ＭＨｚであることを特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 ホスト車輌上に装着され監視ゾーン内
    にある隣接した車輌の存在を検出するための衝突回避装
    置であって、前記監視ゾーンの特定の部分を監視するた
    めの別々のセンサシステムにして前記監視ゾーンの前記
    特定の部分へ予め定められたバーースト長を有する光エ
    ネルギーの或る固定された周波数に変調されたビームを
    発するための発光器と前記発光されたビームに実質的に
    並んだ視野を有し光エネルギーを感知して受容信号を発
    生するための受容器とを含むセンサシステムを少なくと
    も一つ含むセンサモジュールを含む装置であって、 少なくとも一つの固定された周波数を生成するための周
    波数発生器と、 前記固定された周波数に対して予め定められた位相遅れ
    関係を有する位相のずらされた参照信号を生成するため
    の移相器と、 各々の受容信号と各々の位相のずらされた参照信号から
    復調信号を生成するための混合器とを含み、 前記発光されたビームの放射パターンと前記受容器の視
    野とが或る固定された光学的に重複する領域を有し、 前記固定された周波数と前記予め定められた位相遅れ
    が、前記光学的に重複した領域内に一様に分布した大気
    の後方散乱からの前記発光されたビームの反射によりナ
    ル受容信号を実質的に生成するよう選択されていること
    を特徴とする装置。
JP2000504564A 1997-07-22 1998-07-22 多周波数光電的検出システム Expired - Fee Related JP3281628B2 (ja)

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