JP5103953B2 - レーザ測距装置及びレーザ測距方法 - Google Patents

レーザ測距装置及びレーザ測距方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザダイオード（ＬＤ）から出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、ターゲットに反射したパルスレーザ光を受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、ターゲットとの距離を測定するレーザ測距装置及びレーザ測距方法に関する。
一般に、所望のターゲットに向けて照射したパルスレーザ光が当該ターゲットに反射して戻ってくるまでの回帰時間に基づいて、ターゲットとの距離を測定するレーザ測距装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
この種のレーザ測距装置のなかでも、特に、人工衛星や宇宙ステーションに対して輸送機をドッキングさせる際に使用するランデブドッキング用のレーザ測距装置や、ヘリコプタを着陸位置まで誘導する際に使用する着陸誘導用のレーザ測距装置においては、高精度と高信頼性が要求されるだけでなく、広いダイナミックレンジの確保が必要となる。
従来、人工衛星や宇宙ステーションのランデブドッキング用のレーザ測距装置は、輸送機側に搭載されており、人工衛星や宇宙ステーションに付設されたマーカ（コーナキューブリフレクタ等）をターゲットとして、２次元のスキャナによりパルスレーザ光を走査し、ターゲットに反射したパルスレーザ光の回帰時間測定から得られる距離情報と、スキャナの角度検出から得られる位置情報とを出力するように構成されている。
このような２次元走査型のレーザ測距装置では、ターゲットとの距離によって受信レベル（受信光量）に６〜７桁の変化が生じるため、光検知器や受光回路の飽和などから受信波形が歪み、測距精度が低下するという問題がある。
このため、従来では、受信レベルに応じて受光回路の増幅率を制御したり、送受信光路中に可変フィルタを設置することにより、受信レベルの変化による測距精度の低下を抑制し、必要なダイナミックレンジを確保している。
特開平１１−２８７８５９号公報 特開２００６−０３０１８１号公報
しかしながら、電気的に受光回路の増幅率を変化させる方法は、少なからず受信波形に歪みを与えるほか、ノイズの増加にもつながるため、測距精度への影響を考慮すると、最大でも４桁程度の受信レベル変化に対応するのが限界であり、それを超える受信レベル変化には対応が困難であった。
一方、可変フィルタは、光学的に受信レベルを変化させるため、測距精度への影響は少ないが、現存の可変フィルタは、機械的にフィルタを駆動させることにより、フィルタ濃度を変化させるので、高信頼性が要求される宇宙機器などでは、信頼性を保証することが困難であった。また、可変フィルタを用いる方法でも、単独では４桁程度の受信レベル変化に対応することしかできず、６桁以上の受信レベル変化に対応するには、他の方法を組み合せる必要があった。
本発明は、以上のような従来の技術が有する問題を解決するために提案されたものであり、ターゲットとの距離に応じた受信レベルの変化に幅広く対応して、必要なダイナミックレンジを確保するとともに、機械的な可動部による信頼性の低下を回避することができるレーザ測距装置及びレーザ測距方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため本発明のレーザ測距装置は、レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光を、受信光の波長を選択するバンドパスフィルタを介して受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、前記ターゲットとの距離を測定するレーザ測距装置であって、前記レーザダイオードの温度を制御することにより、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更する出力波長変更手段と、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を、前記バンドパスフィルタの透過中心波長に対してシフトさせることにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する受信レベル制御手段と、を備える構成としてある。
このような構成からなる本発明のレーザ測距装置によれば、ターゲットとの距離に応じた受信レベルの変化に幅広く対応して、必要なダイナミックレンジを確保することができる。
例えば、一般的に測距用として用いられるレーザダイオード（波長：約８００ｎｍ、温度による波長変化：１℃あたり約０．３ｎｍ）とバンドパスフィルタ（干渉フィルタ）との組み合わせでは、パルスレーザ光の透過帯域波長幅を１ｎｍとした場合、レーザダイオードの温度制御（加温又は冷却）によるパルスレーザ光の中心波長変更（１０ｎｍ〜２０ｎｍ）に基づいて、受信レベルを６桁の範囲で減衰させることができる。これにより、ターゲットとの距離に応じた６桁程度の受信レベル変化を吸収し、極めて広いダイナミックレンジで要求精度を満たすことができる。
しかも、レーザダイオードの加温や冷却は、ベルチェ素子などの非機械要素を用いて行うことができるので、機械的な可動部による信頼性の低下を回避し、高い信頼性を確保できる。
また、本発明のレーザ測距装置は、前記受信レベル制御手段が、前記ターゲットとの測定距離に応じて、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更することにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する構成としてある。
このような構成とすることにより、受信レベルの微細な変動などに影響を受けることなく、パルスレーザ光の波長を変更し、受光レベルを安定的に制御することができる。
また、本発明のレーザ測距装置は、前記受信レベル制御手段が、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを検出し、検出した受信レベルに応じて、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更することにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する構成としてある。
このような構成とすることにより、フィードバックされる受光レベルに応じて、パルスレーザ光の波長を変更し、受光レベルを高精度に制御することができる。
また、本発明のレーザ測距方法は、レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光を、受信光の波長を選択するバンドパスフィルタを介して受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、前記ターゲットとの距離を測定するレーザ測距方法であって、前記レーザダイオードの温度を制御することにより、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更し、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を、前記バンドパスフィルタの透過中心波長に対してシフトさせることにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する方法としてある。
また、本発明のレーザ測距方法は、前記ターゲットとの測定距離に応じて、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更することにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する方法としてある。
さらに、本発明のレーザ測距方法は、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを検出し、検出した受信レベルに応じて、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更することにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する方法としてある。
このように、本発明は上述したレーザ測距装置の発明としてだけでなく、方法発明としても実現化することができる。
従って、本発明は、適用する装置のハードウェア構成等にとらわれることなく実施することができ、柔軟性、汎用性、拡張性に優れたレーザ測距方法として提供することが可能となる。
本発明によれば、ターゲットとの距離に応じた受信レベルの変化に幅広く対応して、必要なダイナミックレンジを確保することができる。
しかも、レーザダイオードの加温や冷却は、ベルチェ素子などの非機械要素を用いて行うことができるので、機械的な可動部による信頼性の低下を回避し、高い信頼性を確保できる。
以下、本発明のレーザ測距装置及びレーザ測距方法の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係るレーザ測距装置の概略全体構成について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ測距装置の構成を示すブロック図である。
同図に示すように、本実施形態に係るレーザ測距装置１は、人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用されるランデブドッキング用のレーザ測距装置である。
具体的には、本実施形態に係るレーザ測距装置１は、レーザダイオード２、送受信光学部３、バンドパスフィルタ４、受信光用光検知器５、送信光用光検知器６、受光回路７、レベル検出部８、測距カウンタ部９、スキャナ部１０、スキャナ駆動部１１、制御部１２及び電源部１３の各部を備えた構成となっている。
レーザダイオード２は、所望の測距ターゲットに向けて照射するパルスレーザ光を出力する。
一般的に測距用として用いられるレーザダイオード２は、波長が８００ｎｍ程度のパルスレーザ光を出射するが、温度によって半導体のバンドギャップが変化し、１℃あたり約０．３ｎｍの波長変化が生じる（温度が上ると波長が長くなる）。
送受信光学部３は、送信するパルスレーザ光を整形し、かつ、受信光を受信光用光検知器５へ伝送する。
バンドパスフィルタ（干渉フィルタ）４は、光学的に受信光の波長を選択する。これにより、受信光の中から背景光を分離し、ターゲットに反射したパルスレーザ光を抽出することができる。
受信光用光検知器５は、受信光を検知して電気信号に変換する。
送信光用光検知器６は、送信光を検知して電気信号に変換する。
受光回路７は、電気信号に変換された送信信号及び受信信号を増幅し、所定の閾値をもってタイミング信号に変換する。
レベル検出部８は、受信光のレベルを検出する。
測距カウンタ部９は、受光回路７で変換されたタイミング信号に基づいて、送受信されたパルスレーザ光の回帰時間をカウントする。
スキャナ部１０は、パルスレーザ光を２次元に走査する。
スキャナ駆動部１１は、スキャナ部１０に角度指令信号を送信する。
制御部１２は、スキャナ駆動部１１を介してスキャナ制御を行うとともに、各部から受信レベル検出データ、測距カウントデータ（距離情報）、角度データ（位置情報）を取得する。
電源部１３は、各部に電力を供給する。
以上のような構成からなる本実施形態のレーザ測距装置１においては、まず、レーザダイオード２から出力されたパルスレーザ光は、送受信光学系で整形され、スキャナ部１０へ伝送される。
スキャナ部１０では、パルスレーザ光を２軸に走査することで、ターゲットとの距離と角度の３次元情報を得ることができる。
通常の測距機能では、ターゲットからの反射光を受信し、バンドパスフィルタ４で背景光との分離を行い、送信したパルスレーザ光のみを抽出し、受光回路７で増幅及びタイミング信号への変換を行い、送信時とのパルス位相ずれ時間をカウントすることで、ターゲットまでの距離を測定する。
以下、本実施形態に係るレーザ測距装置１における特有の構成及び動作について、図１及び図２を参照しつつ詳述する。
図２は、バンドパスフィルタの透過波長領域とレーザダイオードの発振波長領域との関係を示す説明図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るレーザ測距装置１では、レーザダイオード２の温度を制御することより、レーザダイオード２から出力されるパルスレーザ光の波長を変更する出力波長変更手段と、レーザダイオード２から出力されるパルスレーザ光の波長を、バンドパスフィルタ４の透過中心波長に対してシフトさせることにより、ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する受信レベル制御手段とを備えている。
具体的には、出力波長変更手段は、ベルチェ素子などを用いてレーザダイオード２を加温・冷却する温度制御部１４により構成される。
また、受信レベル制御手段は、受信レベル検出データや測距カウントデータに基づいて温度制御部１４を制御する制御部１２により構成される。
そして、このような構成を備えることで、測距ターゲットまでの距離が遠距離の場合には、レーザダイオード２の波長がバンドパスフィルタ４の透過中心波長に合致するような温度にレーザダイオード２の温度制御を行う。
具体的には、レーザ測距装置１を搭載した宇宙器用輸送機は、ランデブドッキングのためにターゲットまでの距離が近づき、それに伴って受信光量が増加してくる。
そこで、距離と受信レベルを連続的に計測することで受信受光の変化を検出し、最適な受信レベルになるようにレーザダイオード２に設置した温度制御部１４に対し、制御部１２から温度制御信号を送信する。
これにより、受信光の受信レベルをほぼ一定に保つことができ、遠距離から近距離までの広いダイナミックレンジにおいて測距精度を確保できる。
例えば、一般的に測距用として用いられるレーザダイオード（波長：約８００ｎｍ、温度による波長変化：１℃あたり約０．３ｎｍ）とバンドパスフィルタ（干渉フィルタ）との組み合わせでは、パルスレーザ光の透過帯域波長幅を１ｎｍとした場合、温度制御によるパルスレーザ光の中心波長変更（１０ｎｍ〜２０ｎｍ）に基づいて、受信レベルを６桁の範囲で減衰させることができる。
これにより、ターゲットとの距離に応じた６桁程度の受信レベル変化を吸収し、極めて広いダイナミックレンジで要求精度を満たすることができる。
しかも、レーザダイオード２の加温や冷却は、ベルチェ素子などの非機械要素を用いて行うことができるので、機械的な可動部による信頼性の低下を回避し、高い信頼性を確保できる。
受信レベル制御手段は、受信レベルに応じてパルスレーザ光の波長を変更してもよいし、ターゲットとの距離に応じてパルスレーザ光の波長を変更してもよい。そして、受信レベルに応じてパルスレーザ光の波長を変更する場合は、受光レベルをフィードバック制御により高精度に制御できるという利点があり、また、ターゲットとの距離に応じてパルスレーザ光の波長を変更する場合は、受信レベルの微細な変動などに影響を受けることなく、受光レベルを安定的に制御できるという利点がある。
次に、制御部１２において実行される受信レベル制御の具体例について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、本実施形態のレーザ測距装置における受信レベル制御の制御手順を示すフローチャートである。
また、図４は、同じく実施形態のレーザ測距装置における受信レベル制御の作用説明図である。
図３に示すように、受信レベル制御では、まず、測距中であるか否かを判断し（Ｓ１）、この判断結果がＹＥＳの場合は、測定距離に基づいてターゲットとの距離が遠距離であるか否かを判断する（Ｓ２）。
この判断結果がＹＥＳの場合は、レーザダイオード２の発振波長がバンドパスフィルタ４の透過中心波長に一致するように、レーザダイオード２の温度をあらかじめ設定された最大透過温度に制御する（Ｓ３）。
一方、測定距離が中距離又は近距離である場合は、検出受信レベルと目標範囲下限レベルとを比較する（Ｓ４）。
ここで、検出受信レベルが目標範囲下限レベルよりも低い場合は、受信レベルが目標範囲に未到達であるか否かを判断し（Ｓ５）、この判断結果がＹＥＳの場合は、前記のステップＳ３を実行するが、判断結果がＹＥＳの場合は、レーザダイオード２を冷却して、レーザダイオード２の発振波長中心をバンドパスフィルタの透過中心波長に近付ける（Ｓ６）。
また、測定距離が中距離又は近距離であり、かつ、検出受信レベルが目標範囲下限レベル以上の場合は、検出受信レベルと目標範囲上限レベルとを比較する（Ｓ７）。
ここで、検出受信レベルが目標範囲上限レベルよりも高い場合は、レーザダイオード２を加温して、レーザダイオード２の発振波長中心をバンドパスフィルタの透過中心波長から遠ざけ（Ｓ８）、また、検出受信レベルが目標範囲上限レベル以下の場合は、現在のレーザダイオード温度を維持する（Ｓ９）。
これにより、図４に示すように、中距離範囲及び近距離範囲においては、受信レベルを目標範囲内で推移させ、受信レベルの変動による測距精度の低下を回避し、極めて広いダイナミックレンジにおいて要求精度を満たすことができる。
以上のように構成された本実施形態によれば、レーザダイオード２から出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、ターゲットに反射したパルスレーザ光を、受信光の波長を選択するバンドパスフィルタ４を介して受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、ターゲットとの距離を測定するレーザ測距装置１において、レーザダイオード２の加温や冷却に基づいて、レーザダイオード２から出力されるパルスレーザ光の波長を変更し、レーザダイオード２から出力されるパルスレーザ光の波長を、バンドパスフィルタ４の透過中心波長に対してシフトさせることができる。
これにより、ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御することが可能となり、ターゲットとの距離に応じた受信レベルの変化に幅広く対応して、必要なダイナミックレンジを確保することができる。
しかも、レーザダイオード２の加温や冷却は、ベルチェ素子などの非機械要素を用いて行うことができるので、機械的な可動部による信頼性の低下を回避し、高い信頼性を確保できる。
以上、本発明に係るレーザ測距装置及びレーザ測距方法について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係るレーザ測距装置及びレーザ測距方法は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用されるランデブドッキング用のレーザ測距装置を例にとって説明したが、本発明のレーザ測距装置及びレーザ測距方法は、これらの用途に限定されるものではない。
本発明のレーザ測距装置は、人工衛星や宇宙ステーションに対して輸送機をドッキングさせる際に使用するランデブドッキング用のレーザ測距装置の他、ヘリコプタを着陸位置まで誘導する際に使用する着陸誘導用のレーザ測距装置のように、高精度と高信頼性が要求され、かつ、広いダイナミックレンジの確保が必要となるレーザ測距装置やレーザ測距方法であれば、どのような用途・分野の装置等に対しても好適に適用することができる。
本発明は、レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、ターゲットに反射したパルスレーザ光を受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、ターゲットとの距離を測定する各種のレーザ測距装置及びレーザ測距方法として好適に利用することができる。
本発明の一実施形態に係るレーザ測距装置の構成を示すブロック図である。 バンドパスフィルタの透過波長領域とレーザダイオードの発振波長領域との関係を示す説明図である。 受信レベル制御の制御手順を示すフローチャートである。 受信レベル制御の作用説明図である。
符号の説明
１ レーザ測距装置
２ レーザダイオード
３ 送受信光学部
４ バンドパスフィルタ
５ 受信光用光検知器
６ 送信光用光検知器
７ 受光回路
８ レベル検出部
９ 測距カウンタ部
１０ スキャナ部
１１ スキャナ駆動部
１２ 制御部
１３ 電源部
１４ 温度制御部

Claims (2)

  1. 人工衛星又は宇宙ステーションにランデブドッキングする輸送機に搭載され、レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光を、受信光の波長を選択するバンドパスフィルタを介して受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、前記ターゲットとの距離を測定する、広いダイナミックレンジが要求される宇宙機器用のレーザ測距装置であって、
    前記レーザダイオードの温度を制御することにより、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更する出力波長変更手段と、
    前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を変更することにより、前記バンドパスフィルタの透過中心波長に対してシフトさせて、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを制御する受信レベル制御手段と、
    を備え、
    受信レベル制御手段は、前記出力波長変更手段を制御して、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を、前記ターゲットとの距離が所定の遠距離の場合には、前記バンドパスフィルタの透過中心波長に一致するように前記レーザダイオードの温度を所定の最大透過温度に制御するとともに、前記ターゲットとの測定距離に応じて、前記ターゲットとの距離が所定の中距離又は近距離の場合には、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを検出し、検出した受信レベルが所定の目標範囲下限レベルよりも低い場合には、前記レーザダイオードの発振波長中心を前記バンドパスフィルタの透過中心波長に近付けるように当該レーザダイオードを冷却し、検出した受信レベルが所定の目標範囲上限レベルよりも高い場合には、前記レーザダイオードの発振波長中心を前記バンドパスフィルタの透過中心波長から遠ざけるように当該レーザダイオードを加温し、検出した受信レベルが前記所定の目標範囲下限レベル以上かつ前記所定の目標範囲上限レベル以下の場合には、当該レーザダイオードの現在温度を維持することにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを６桁の範囲で減衰可能に制御することを特徴とするレーザ測距装置。
  2. 人工衛星又は宇宙ステーションにランデブドッキングを行う輸送機に搭載され、レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光をターゲットに向けて送信するとともに、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光を、受信光の波長を選択するバンドパスフィルタを介して受信し、送受信したパルスレーザ光の回帰時間測定に基づいて、前記ターゲットとの距離を測定する、広いダイナミックレンジが要求される宇宙機器用のレーザ測距方法であって、
    前記レーザダイオードの温度を制御することにより、前記レーザダイオードから出力されるパルスレーザ光の波長を、前記ターゲットとの距離が所定の遠距離の場合には、前記バンドパスフィルタの透過中心波長に一致するように前記レーザダイオードの温度を所定の最大透過温度に制御するとともに、前記ターゲットとの測定距離に応じて、前記ターゲットとの距離が所定の中距離又は近距離の場合には、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを検出し、検出した受信レベルが所定の目標範囲下限レベルよりも低い場合には、前記レーザダイオードの発振波長中心を前記バンドパスフィルタの透過中心波長に近付けるように当該レーザダイオードを冷却し、検出した受信レベルが所定の目標範囲上限レベルよりも高い場合には、前記レーザダイオードの発振波長中心を前記バンドパスフィルタの透過中心波長から遠ざけるように当該レーザダイオードを加温し、検出した受信レベルが前記所定の目標範囲下限レベル以上かつ前記所定の目標範囲上限レベル以下の場合には、当該レーザダイオードの現在温度を維持することにより、前記ターゲットに反射したパルスレーザ光の受信レベルを６桁の範囲で減衰可能に制御する
    ことを特徴とするレーザ測距方法。
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