JP4993087B2 - レーザ監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザ光を走査して監視対象領域における物体の有無を監視するレーザ監視装置に関する。

踏切内における障害物の有無を検出する監視装置として、パルスレーザ光を用いたレーザ監視装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。この種のレーザ監視装置は、監視対象領域を見渡し得る所定高さの監視位置から上記監視対象領域の全域に亘ってパルスレーザ光を２次元走査しながら照射し、この走査に同期して上記パルスレーザ光の反射光を受光することで、その走査位置毎に障害物が存在するか否かを検出するものであり、レーザレーダとも称される。

尚、この種のレーザ監視装置（レーザレーダ）において、その計測の安定性を確保するべく、温度に応じてレーザ光の出力強度を調整したり、また外来ノイズの影響を除去してその測定可能距離を確保するべく、パルスレーザ光の出力停止期間における受光信号に応じて受光アンプのゲインを最適化調整することが提唱されている。（例えば特許文献２,３を参照）。
特開２００６−７８１８号公報 特開平９−３１８７４７号公報 特開平９−３１８７４９号公報

ところでレーザ監視装置においては、所定の監視対象領域における物体の有無を確実に検出し得る性能を備えることは勿論のことではあるが、長期に亘ってその性能を安定に維持し得ることも重要である。しかしながらレーザ監視装置の構成部品、特にパルスレーザ光を生成するレーザ発振器、例えばレーザダイオードの寿命は、その出力強度や駆動時間に大きく依存する。しかも一般的には監視対象領域の状況は絶えず変化しており、常に安定した監視環境が確保されるとは限らない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、監視対象領域の状況変化に応じて長期に亘って安定に所要とする監視性能を維持することのできる簡易な構成のレーザ監視装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明は、所定の周期で生成したパルスレーザ光を監視対象領域に向けて照射すると共に、上記パルスレーザ光を前記監視対象領域の全域に亘って走査し、この走査に同期して前記監視対象領域における前記パルスレーザ光の反射光を受光して前記監視対象領域における物体の有無を監視するレーザ監視装置に係り、
前記監視対象領域における物体の有無の監視は、前記パルスレーザ光の走査に同期して検出される前記反射光の受光データを解析して物体を検出すると共に、前記監視対象領域における固定物を監視対象から除外して行われ、
前記監視対象領域に監視対象物体が存在しないときには前記パルスレーザ光の生成周期を予め定めた最大値に設定し、前記監視対象領域に監視対象物体が存在する場合には、各物体毎に求められる有効データ数が減少するに伴いレーザ光の生成周期を減少させる出力周期調整手段を備えたことを特徴としている。

好ましくは前記出力周期調整手段は、監視対象領域内の最遠点の物体の平均検出距離を求め、当該平均検出距離を前記最遠点の物体の有効データ数で除算した値が増加するに伴いレーザ光の生成周期を減少させるように構成される。

上記構成のレーザ監視装置によれば監視対象領域における物体検出状況に応じてパルスレーザ光の生成周期を調整し、これによって前記監視対象領域の走査密度を調整することができるので、例えば前記監視対象領域に監視対象とする物体が存在しないような場合には前記パルスレーザ光の生成周期を予め定めた最大値として長くし、その走査密度を粗く設定して前記監視対象領域における監視対象物体の出現だけを検出する、いわゆる待機モードに設定することができる。

そして監視対象領域に監視対象物体が存在する場合には、例えば検出物体毎にその有効データ数を求め、物体を確実に検出し得る数の検出データが得られるように前記パルスレーザ光の生成周期を最適化すれば良い。具体的には検出物体毎にその平均検出距離と有効データ数とを求め、最遠点における物体を検出するに十分な数の検出データが得られるように前記パルスレーザ光の生成周期を最適化する。この結果、その計測性能を犠牲にすることなく一定時間当たりのパルスレーザ光の出力回数を減らし、その分、省エネルギ化を図ることが可能となる等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るレーザ監視装置について説明する。
図１はレーザ監視装置の概略構成図で、１は所定の監視対象領域Ａを見渡し得る所定の高さ位置に設けられたセンサヘッドである。このセンサヘッド１には、パルスレーザ光を所定周期で生成して前記監視対象領域Ａに向けて出力する投光部２と、上記パルスレーザ光の前記監視対象領域Ａにおける反射光を受光する受光部３とが組み込まれている。尚、前記投光部２は、例えばレーザ光源としてのレーザダイオードと、このレーザダイオードから出力されたレーザ光を平行ビーム化するコリメータレンズ等を備えて構成されるものである。また前記受光部３は、例えば光センサとしてのフォトダイオードと、その前面に設けられた集光レンズ等を備えて構成される。

特に前記投光部２から出力されたパルスレーザ光は、例えば反射鏡４ａおよびハーフミラー４ｂからなる光学系を介して光学スキャナ５に導かれ、この光学スキャナ５にてその照射方向が一定の周期で２次元偏向制御されている。具体的には光学スキャナ５は、パルスレーザ光を角度θに亘って水平偏向制御（主走査）すると共に、この水平偏向制御に同期して角度φに亘って垂直偏向制御（副走査）し、これによって前記監視対象領域Ａの全域に亘って前記パルスレーザ光の照射位置を走査している。そしてパルスレーザ光が照射された物体において生じた反射光は、上記走査に同期して前記光学スキャナ５を介して前記受光部３に導かれて受光され、受光部３はその受光強度に応じたレベルの検出信号を出力する。

尚、前記投光部２は、センサ制御部６の制御の下で所定の周期Ｔ毎に発光駆動されると共に、その駆動電圧に応じた強度のパルスレーザ光を出力する。センサ制御部６は、その上位機器である情報処理装置（例えばＰＣ）７からの指示に従い、前記パルスレーザ光の生成周期Ｔとその出力強度Ｐをそれぞれ可変調整する出力周期調整手段およびレーザ光強度調整手段としての機能を担う。

また前記受光部３からの検出信号を入力する検出部８は、前記センサ制御部６の制御の下で前述したパルスレーザ光の生成タイミングに同期して前記検出信号のレベル（反射光の受光強度）を判定し、予め設定した閾値以上の検出信号を物体による前記パルスレーザ光の反射光であるとして検出している。同時に検出部８は上記反射光の検出タイミング（反射光の受光タイミング）と前記パルスレーザ光の出力タイミングとの時間差を求め、これを前記監視対象領域Ａにおける物体の検出距離として求めている。このようにして求められた反射波の受光強度Ｑと検出距離Ｌとからなる検出データ（Ｑ,Ｌ）は、前記光学スキャナ５によるパルスレーザ光の照射方向の情報、つまり偏向情報（θ,φ）と共に前記情報処理装置に与えられる。

ここで前述した検出データに基づく前記情報処理装置７での物体検出処理について簡単に説明すると、情報処理装置７は前記パルスレーザ光の偏向走査に同期して、その偏向方向である走査位置（θ,φ）毎に前記検出データ（Ｑ,Ｌ）を解析し、例えば同一物体による反射光であると認められる複数点からの検出データを統合してラベリングする。そして同一ラベルが付されて統合された複数の検出データの走査位置（θ,φ）からその大きさを推定して物体検出を行うと共に、前記監視対象領域Ａにおける物体の存在位置を検出する。

図２は上述した物体検出のメカニズムを模式的に示している。例えば前記センサヘッド１から視野し得る監視対象領域Ａに図２(ａ)に示すように物体ａ１,ａ２,ａ３が存在している場合、上記監視対象領域Ａをパルスレーザ光によりスキャン（走査）することによって図２(ｂ)に示すように上記各物体ａ１,ａ２,ａ３による反射光が検出される。そしてこれらの反射光は、前記各物体ａ１,ａ２,ａ３の存在領域毎に或るまとまりをなし、それらの各まとまりの大きさは各物体ａ１,ａ２,ａ３の大きさをそれぞれ示すことになる。従ってこれらの反射光のまとまりｂ１,ｂ２,ｂ３を検出し、その大きさを判定すれば、所定の大きさをなす反射光（検出データ）のまとまりｂ１,ｂ２,ｂ３を、それぞれ物体として認識することが可能となる。

尚、上述した如くして検出される物体の検出位置は、前述したように所定の高さに設けられたセンサヘッド１から監視対象領域Ａを視野したときの［θ-φ］座標のものであるので、これを地表面での物体位置として検出する場合には、地表面を表す［ｘ-ｙ］座標との間で前記物体の検出位置を座標変換（投影変換）すれば良い。この座標変換により前記センサヘッド１からの俯瞰に起因する視差の問題を生じることなく、例えば図２(ｃ)に示すように監視対象領域Ａにおける物体ｃ１,ｃ２,ｃ３の存在位置を容易に理解することが可能となる。

ここで本装置における特徴的な処理機能について説明する。この実施形態に係るレーザ監視装置においては、前述したようにセンサ制御部６の制御の下でパルスレーザ光の生成周期（出力周期）Ｔを可変設定する機能（出力周期調整手段）を備えている。このパルスレーザ光の生成周期Ｔの可変設定は、前述した光学スキャナ５によるパルスレーザ光の偏向走査とは独立に行われる。従ってパルスレーザ光の生成周期Ｔが長くなるに従って上記パルスレーザ光を所定の角度に亘って偏向走査する際のパルスレーザ光の照射回数が少なくなり、監視対象領域Ａに対する走査密度が粗くなる。逆にパルスレーザ光の生成周期Ｔを短くすることによって監視対象領域Ａが緻密に走査されることになり、同じ大きさの物体であっても数多くの検出データが得られることになる。

ちなみに上記パルスレーザ光の生成周期（出力周期）Ｔの調整は、監視対象領域Ａにおける物体検出状況に応じて行われるものであって、概略的には前記監視対象領域Ａにて検出された物体の検出距離Ｄと、所定の受光強度Ｑ以上の物体認識に用いられる有効データ数Ｍとに応じて、例えばレーザ光源としてのレーザダイオードの駆動周期Ｔを増減することにより実行される。

具体的にはこの出力周期調整手段は、例えば前記情報処理装置７が備える処理機能９として実現される。例えばパルスレーザ光の生成周期（出力周期）Ｔの調整は、先ず監視対象領域Ａにおいて物体が検出されたか否かを判定して行われ、更には監視対象領域Ａに物体が存在する場合には検出した物体（検出データのまとまり）毎にその平均反射光強度Ｑaveと平均検出距離Ｄaveとを求め、平均検出距離Ｄaveから求められる最遠点の物体を表す有効データ数Ｍに従って前記パルスレーザ光の出力周期Ｔを最適化することにより行われる。

即ち、監視対象領域Ａに監視対象とする物体が存在しない場合には、前記パルスレーザ光の生成周期Ｔを予め定めた最大値Ｔmaxとして長くし、パルスレーザ光が出力される１周期当たりの偏向走査角度を広くすることで監視対象領域Ａに対する走査密度を粗く設定する。そして前記監視対象領域Ａへの監視対象物体の出現だけを検出する、いわゆる待機モードに設定する。また監視対象領域Ａに監視対象物体が存在する場合には、例えば検出物体毎にその有効データ数Ｍを求め、上記物体を確実に検出し得る数の検出データが得られるように前記パルスレーザ光の生成周期Ｔを最適化する。具体的には検出物体毎にその平均検出距離Ｄaveと有効データ数Ｍとを求め、最遠点における物体を検出するに十分な数の検出データＭminが得られるように前記パルスレーザ光の生成周期Ｔを最適化する。

このようにして監視対象領域Ａにおける物体の検出状況に応じてパルスレーザ光の出力周期Ｔを可変制御してその最適化を図り、例えばパルスレーザ光の生成周期Ｔを最大値Ｔmaxに設定し、前記監視対象領域Ａへの監視対象物体の出現だけを検出する、いわゆる待機モードに設定することで、その間におけるセンサヘッド１の駆動電力を低減して省エネルギ化を図ることが可能となる。また投光部２を構成するレーザ光源としてのレーザダイオードの駆動回数（駆動時間）を減らすことができるので、その分、上記レーザダイオードの長寿命化を図ってその特性劣化を防ぐことができる。

更には監視対象領域Ａに物体が存在する場合には、それらの各物体の検出距離Ｄ（平均検出距離Ｄave）に従って最遠点の物体を特定し、この最遠点の物体を確実に検出し得る最低限の測定条件を満たすようにパルスレーザ光の出力周期Ｔを設定することで、前述したレーザダイオードの駆動条件を緩和することができる。具体的には、一般的には１つの物体として認識するに必要な、所定のまとまりをなすデータ数Ｍがその検出距離に応じて定まることから、物体検出条件として最も厳しい最遠点の物体に着目し、その物体を認識した有効データ数Ｍとその平均検出距離Ｄaveとを求める。尚、有効データとは、予め定められた受光強度Ｑ以上の検出データを指す。そして上記平均検出距離Ｄaveに応じて所定の有効データ数Ｍが確保されるように、具体的には平均検出距離Ｄaveに応じて所定の有効データ数Ｍとの比［Ｄave／Ｍ］に応じて前記パルスレーザ光の出力周期Ｔを最適化設定する。この結果、投光部２の駆動条件を緩和してその長寿命化を図り、更にはパルスレーザ光の出力周期Ｔ（レーザダイオードの駆動頻度）を低減した分、その駆動エネルギを抑えて省エネルギ化を図ることができる等の効果が奏せられる。

図３は上述したパルスレーザ光の出力周期Ｔに対する制御手順の一例を示している。この制御は、先ず監視対象領域Ａにおける不変的な固定物に関するデータを取得し、背景データとして物体検出処理から除外するデータを得ることから開始される〈ステップＳ１〉。この背景データの除外処理は、例えば図４に示すように計測対象物が存在しない状況下において物体検出を行い〈ステップＳ１１〉、これによって検出された物体の位置座標を求める〈ステップＳ１２〉。そしてこれらの物体が前記監視対象領域Ａにおける不変的な固定物であるか否かを判定し〈ステップＳ１３〉、不変的な固定物であるならば背景データとして認識対象から除外する為の情報とする〈ステップＳ１４〉。具体的には背景データとして認識された位置からの反射光（検出データ）を監視対象として取り込まないようにマスクする為の情報を作成する。これに加えて雑音成分となる地表面による反射光を除去するべく、地表面から高さに対する閾値を設定する〈ステップＳ１５〉。この閾値処理は、前述したパルスレーザ光のスキャン（走査）方向毎に、その最大計測距離を制限することに相当する。

以上の初期設定処理を終えたならば、前述した図３に示す処理手順に戻って通常の監視処理を開始する〈ステップＳ２〉。そしてその検出データを上位の情報処理装置（ＰＣ）７に送り、物体の検出処理を実行する〈ステップＳ３〉。この物体の検出処理については図２を参照して前述した通りである。そして所定のまとまりをなす検出データの集まり毎に、これを前記監視対象領域Ａにおいて検出された物体の情報として検出する。この際、前述した如く求められた背景データに従って監視対象領域Ａにおける固定物をその監視対象から除外したり、更には地表面からの不要な反射光に対する除去処理を実行する。

しかる後、監視対象領域Ａに監視対象とする物体が存在するか否かを判定する〈ステップＳ４〉。そして監視対象とする物体が存在しない場合には、監視対象領域Ａへの監視対象物体の出現だけを検出し得る程度に、パルスレーザ光の生成周期Ｔを最大値Ｔmaxに設定する〈ステップＳ５〉。このようにしてパルスレーザ光の生成周期Ｔを最大値Ｔmaxすることは、レーザダイオードの駆動回数を最低限に抑えてその駆動電力を低減する、いわゆる待機モードを設定したことに相当する。

これに対して監視対象領域Ａにおいて何らかの監視対象物体が検出される場合には、その物体に対する最低限の検出性能を保証するべく、検出された物体毎にその検出データからその平均検出距離Ｄaveとその有効データ数Ｍとをそれぞれ求める〈ステップＳ６〉。そして各物体毎に算出された平均検出距離Ｄaveを相互に比較し、前記監視対象領域Ａにおいて前記センサヘッド１が設けられた監視点から最遠点の物体を特定し、この最遠点の物体の検出データについて、その検出性能を評価する為の指標Ｓを
Ｓ＝［平均反射光強度Ｑave］／［有効データ数Ｍ］
として計算する。

ちなみに最遠点の物体について計測性能評価の為の指標Ｓを求めるのは、監視点からの距離が長くなるほど（検出距離Ｄが長くなるほど）パルスレーザ光およびその反射光が大気中を伝播するに際しての減衰量が多く、また外来ノイズの影響を受け易くなり、その計測条件が悪い為である。そして上述した如く求めた指標Ｓについて、予め実験結果等に基づいて求められた物体の最低検出条件を保証しうる、例えば図５に示すような指標Ｓとパルスレーザ光の最適な出力周期Ｔとの関係を満たすように前記パルスレーザ光の出力周期Ｔを調整する〈ステップＳ７〉。このようにしてパルスレーザ光の出力周期Ｔを調整しながら、前述したステップＳ２からの処理に戻って監視対象領域Ａにおける物体の監視処理を継続して実行する。

以上のようにして監視対象領域Ａにおける物体の検出状況に応じてパルスレーザ光の出力周期Ｔを最適化設定することにより、最遠点の物体を確実に検出し得る計測条件を満たしながら上記パルスレーザ光の出力回数を抑えることが可能となる。従ってパルスレーザ光の出力周期Ｔを長くした分、例えばレーザ光源としてレーザダイオードの駆動条件を緩和してその長寿命化を図ると共に、省エネルギ化を図ることが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態においては、検出性能を評価する為の指標Ｓを平均反射光強度と有効データ数との比［Ｑave／Ｍ］として計算したが、有効データ数Ｍだけに着目してパルスレーザ光の出力周期Ｔを最適化するようにしても良い。またカメラを用いて監視対象領域Ａを撮像し、その画像を解析することでパルスレーザ光を用いて実施される物体検出状況を推定し、この推定結果に応じてパルスレーザ光の出力周期Ｔを可変設定することも可能である。特に前述した待機モードを設定する場合に有用である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

レーザ監視装置の概略構成図。 レーザ監視装置による物体検出の手法を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係るレーザ監視装置におけるパルスレーザ光の出力強度制御の処理手順を示す図。 監視対象領域における固定物の検出処理手順を示す図。 パルスレーザ光の出力周期Ｔの最適化制御に用いる、最遠点の物体の平均検出距離Ｄaveと有効データ数Ｍとの比［Ｄave／Ｍ］に対するパルスレーザ光の最適な出力周期Ｔとの関係を示す図。

符号の説明

１ センサヘッド
２ 投光部
３ 受光部
５ 光学スキャナ
６ センサ制御部
７ 情報処理装置
８ 検出部
９ 出力周期調整手段

Claims (2)

1. 所定の周期で生成したパルスレーザ光を監視対象領域に照射すると共に、上記パルスレーザ光を前記監視対象領域の全域に亘って走査し、この走査に同期して前記監視対象領域における前記パルスレーザ光の反射光を受光して前記監視対象領域における物体の有無を監視するレーザ監視装置であって、
   前記監視対象領域における物体の有無の監視は、前記パルスレーザ光の走査に同期して検出される前記反射光の受光データを解析して物体を検出すると共に、前記監視対象領域における固定物を監視対象から除外して行われ、
   前記監視対象領域に監視対象物体が存在しないときには前記パルスレーザ光の生成周期を予め定めた最大値に設定し、前記監視対象領域に監視対象物体が存在する場合には、各物体毎に求められる有効データ数が減少するに伴いレーザ光の生成周期を減少させる出力周期調整手段を備えたことを特徴とするレーザ監視装置。
2. 前記出力周期調整手段は、前記監視対象領域内の最遠点の物体の平均検出距離を求め、当該平均検出距離を前記最遠点の物体の有効データ数で除算した値が増加するに伴いレーザ光の生成周期を減少させるものである請求項１に記載のレーザ監視装置。

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