JP5222117B2 - Laser light generation circuit, laser radar device, and transportation equipment - Google Patents
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Description
本発明は、パルス状のレーザ光を生成するレーザ光生成回路およびそれを備えたレーザレーダ装置ならびにそのレーザレーダ装置を備えた輸送機器に関する。 The present invention relates to a laser light generation circuit that generates pulsed laser light, a laser radar device including the laser light generation circuit, and a transportation device including the laser radar device.
従来より、車両から対象物までの距離を測定するために、種々の車両用のレーザレーダ装置が提案されている。レーザレーダ装置では、送光部から対象物に対してパルス状のレーザ光が発射され、対象物からの反射光が受光部で受光される。送光部によるレーザ光の発射から受光部による反射光の受光までに要した時間を測定することにより対象物までの距離が算出される。 Conventionally, various laser radar devices for vehicles have been proposed in order to measure the distance from the vehicle to the object. In the laser radar device, pulsed laser light is emitted from the light transmitting unit to the object, and reflected light from the object is received by the light receiving unit. The distance to the object is calculated by measuring the time required from the emission of the laser beam by the light transmitting unit to the reception of the reflected light by the light receiving unit.
送光部において、パルス状のレーザ光を生成するために、電源からスイッチング素子を通してレーザダイオードにパルス状の電流が供給される。この場合、スイッチング素子はパルス駆動される。また、従来の送光部では、レーザ光の発光パワーを安定に制御するために、一定の直流電圧を発生するスイッチングレギュレータを含むDC−DCコンバータ(直流−直流変換器)またはスイッチング電源が用いられる(特許文献1および2)。
上記のようなレーザレーダ装置を用いて遠距離にある対象物を検出する場合または反射率の小さい対象物を検出する場合には、発光パワーの大きいレーザ光を発射する必要がある。 When detecting an object at a long distance using the laser radar apparatus as described above or detecting an object with a low reflectance, it is necessary to emit a laser beam having a high emission power.
一方、レーザレーダ装置から対象物までの距離が近い場合には、レーザ光のパルス幅が最小検出距離に相当する往復時間に比べて短くないと、発射されたレーザ光と反射光とを分離することができない。また、短い距離で隣り合う複数の対象物を検出する場合には、レーザ光のパルス幅が隣り合う対象物間の距離に相当する往復時間に比べて短くないと、複数の対象物からの反射光を互いに分離することができない。そのため、近距離にある対象物を検出する場合または短い距離で隣り合う複数の対象物を検出する場合には、レーザ光のパルス幅を短くする必要がある。 On the other hand, when the distance from the laser radar device to the object is short, the emitted laser light and reflected light are separated if the pulse width of the laser light is not shorter than the round trip time corresponding to the minimum detection distance. I can't. In addition, when detecting a plurality of objects adjacent to each other at a short distance, reflection from the objects should be performed unless the pulse width of the laser light is shorter than the round trip time corresponding to the distance between the objects adjacent to each other. The light cannot be separated from each other. Therefore, when detecting an object at a short distance or when detecting a plurality of objects adjacent to each other at a short distance, it is necessary to shorten the pulse width of the laser light.
パルス幅の短いレーザ光を出射するためには、レーザダイオードに供給する電流のパルス幅を短くする必要がある。一方、発光パワーの大きいレーザ光を出射するためには、レーザダイオードに大電流を流す必要がある。そのためには、大電流を流すことが可能な高耐圧のスイッチング素子を用いることが必要となる。 In order to emit laser light having a short pulse width, it is necessary to shorten the pulse width of the current supplied to the laser diode. On the other hand, in order to emit laser light with high emission power, it is necessary to pass a large current through the laser diode. For that purpose, it is necessary to use a high-breakdown-voltage switching element capable of flowing a large current.
しかしながら、高耐圧のスイッチング素子に大電流を流す場合、スイッチング素子は駆動信号がオンになると瞬時にオンするが、駆動信号がオフになっても瞬時にオフすることが困難である。そのため、高耐圧のスイッチング素子を用いてレーザダイオードに大電流を短時間のみ流すことは困難である。 However, when a large current is passed through the high breakdown voltage switching element, the switching element is turned on instantaneously when the drive signal is turned on, but it is difficult to turn off instantaneously even when the drive signal is turned off. Therefore, it is difficult to allow a large current to flow through the laser diode only for a short time using a high breakdown voltage switching element.
そこで、特許文献1に記載された駆動回路では、一定電圧を発生するDC−DCコンバータによりコンデンサを予め充電し、スイッチング素子をオンさせることにより、コンデンサからレーザダイオードへの電流の供給を開始し、コンデンサに蓄積された電荷を完全に放電し切ることによりレーザダイオードへ電流の供給を終了させる。その後、スイッチング素子をオフし、DC−DCコンバータにより再びコンデンサを充電する。このようにして、短いパルス状の電流をレーザダイオードに流すことが可能となる。
Therefore, in the drive circuit described in
この場合、常時一定電圧を発生しているDC−DCコンバータはコンデンサを充電し続ける。その結果、レーザダイオードに流れる電流のパルス幅が広がることになる。そこで、スイッチング素子のオン時にDC−DCコンバータからの電流の供給を抑制するためにDC−DCコンバータとコンデンサとの間に電流制限抵抗を設けることが必要となる。 In this case, the DC-DC converter that constantly generates a constant voltage continues to charge the capacitor. As a result, the pulse width of the current flowing through the laser diode is widened. Therefore, it is necessary to provide a current limiting resistor between the DC-DC converter and the capacitor in order to suppress the supply of current from the DC-DC converter when the switching element is on.
しかしながら、DC−DCコンバータから供給される電流が電流制限抵抗を流れることにより電力が消費され、熱に変換される。同様に、特許文献2のパルスレーダ装置において、大きな発光パワーのレーザ光を出射するためには、スイッチング電源に電流制限抵抗を設けることが必要となる。この場合にも、電流制限抵抗により電力が消費され、熱に変換される。そのため、放熱対策のために大型の部品が必要となる。したがって、レーザレーダ装置の低消費電力化および小型化が困難となる。
However, the current supplied from the DC-DC converter flows through the current limiting resistor, so that power is consumed and converted into heat. Similarly, in the pulse radar device of
本発明の目的は、発光パワーが大きくパルス幅が短いレーザ光を生成することが可能でかつ低消費電力化および小型化が可能なレーザ光生成回路、それを備えたレーザレーダ装置およびそれを備えた輸送機器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser light generation circuit capable of generating laser light having a large light emission power and a short pulse width and capable of reducing power consumption and miniaturization, a laser radar device including the same, and a laser radar device including the same Is to provide transport equipment.
(1)第1の発明に係るレーザ光生成回路は、直流電圧を発生する電源と、電源により発生される磁気エネルギーを蓄積するインダクタと、インダクタに蓄積される磁気エネルギーにより充電されるコンデンサと、コンデンサの放電電流によりレーザ光を発生するレーザダイオードと、レーザダイオードと直列に設けられる第1のスイッチング素子と、第1のスイッチング素子のオンおよびオフを制御する第1の制御回路と、電源、インダクタおよびコンデンサにおける電流径路を切り替える切り替え回路とを備え、切り替え回路は、電源からインダクタに電流を供給する第1の電流径路を形成した後、インダクタに蓄積された磁気エネルギーによりコンデンサを充電する第2の電流径路を形成し、コンデンサが予め定められた電圧値まで充電された状態でインダクタを電源から遮断し、第1の制御回路は、切り替え回路によりインダクタが電源から遮断された後に第1のスイッチング素子をオンさせるものである。 (1) A laser beam generation circuit according to a first aspect of the present invention includes a power supply that generates a DC voltage, an inductor that stores magnetic energy generated by the power supply, a capacitor that is charged by the magnetic energy stored in the inductor, Laser diode for generating laser light by discharge current of capacitor, first switching element provided in series with laser diode, first control circuit for controlling on / off of first switching element, power supply, inductor And a switching circuit that switches a current path in the capacitor. The switching circuit forms a first current path that supplies current from the power source to the inductor, and then charges the capacitor with the magnetic energy accumulated in the inductor. A current path is formed and the capacitor is charged to a predetermined voltage value. Been blocked inductor from the power state, the first control circuit is for turning on the first switching element after the inductor is cut off from the power supply by the switching circuit.
そのレーザ光生成回路においては、まず、切り替え回路により第1の電流径路が形成される。それにより、電源からインダクタに電流が供給され、インダクタに磁気エネルギーが蓄積される。その後、切り替え回路により第2の電流径路が形成される。それにより、インダクタに蓄積された磁気エネルギーによりコンデンサが充電される。コンデンサが予め定められた電圧値まで充電された状態で切り替え回路によりインダクタが電源から遮断される。インダクタが電源から遮断された後に第1の制御回路により第1のスイッチング素子がオンされる。それにより、コンデンサに蓄積された電荷が第1のスイッチング素子を通して放電され、レーザダイオードに電流が流れる。コンデンサに蓄積された電荷が完全に放電し切ると、レーザダイオードに流れる電流が0となる。その結果、レーザダイオードにパルス状の電流が流れ、レーザダイオードからパルス状のレーザ光が出射される。 In the laser light generation circuit, first, a first current path is formed by the switching circuit. Thereby, current is supplied from the power source to the inductor, and magnetic energy is stored in the inductor. Thereafter, a second current path is formed by the switching circuit. Thereby, the capacitor is charged by the magnetic energy stored in the inductor. The inductor is cut off from the power source by the switching circuit while the capacitor is charged to a predetermined voltage value. After the inductor is disconnected from the power source, the first switching element is turned on by the first control circuit. Thereby, the electric charge accumulated in the capacitor is discharged through the first switching element, and a current flows through the laser diode. When the charge accumulated in the capacitor is completely discharged, the current flowing through the laser diode becomes zero. As a result, a pulsed current flows through the laser diode, and a pulsed laser beam is emitted from the laser diode.
この場合、コンデンサに蓄積された電荷が放電されることによりレーザダイオードにパルス状の電流が供給されるので、コンデンサの容量値を調整することによりレーザダイオードから出射されるレーザ光のパルス幅を短くすることができる。また、コンデンサの電圧値を調整することによりレーザダイオードから出射されるレーザ光の発光パワーを大きくすることができる。 In this case, since the pulsed current is supplied to the laser diode by discharging the charge accumulated in the capacitor, the pulse width of the laser light emitted from the laser diode is shortened by adjusting the capacitance value of the capacitor. can do. Further, by adjusting the voltage value of the capacitor, the light emission power of the laser light emitted from the laser diode can be increased.
また、コンデンサに蓄積された電荷が放電されているときには、電源からインダクタに電流が供給されず、インダクタに磁気エネルギーが蓄積されない。そのため、放電中のコンデンサがインダクタに蓄積された磁気エネルギーにより充電されることはない。それにより、コンデンサに電流を供給する電流径路に電流制限抵抗を設ける必要がなく、電流制限抵抗による電力消費および発熱が生じない。したがって、放熱対策のための大型の部品が不要となる。 Further, when the electric charge accumulated in the capacitor is discharged, no current is supplied from the power source to the inductor, and no magnetic energy is accumulated in the inductor. Therefore, the discharging capacitor is not charged by the magnetic energy stored in the inductor. Thereby, it is not necessary to provide a current limiting resistor in the current path for supplying current to the capacitor, and power consumption and heat generation by the current limiting resistor do not occur. Therefore, large parts for heat dissipation measures are not required.
これらの結果、発光パワーが大きくパルス幅が短いレーザ光を生成することが可能になるとともに、レーザ光生成回路の低消費電力化および小型化が可能になる。 As a result, it is possible to generate laser light having a large light emission power and a short pulse width, and it is possible to reduce the power consumption and size of the laser light generation circuit.
(2)レーザ光生成回路は、一定周期を有する発光トリガに応答して動作し、切り替え回路は、電源の一方の電極とインダクタの一端との間に接続される第2のスイッチング素子と、インダクタの他端と接地電位との間に接続される第3のスイッチング素子と、コンデンサの電圧を予め定められた電圧値以下に制限する電圧制限回路と、発光トリガの各周期の第1のタイミングで第2のスイッチング素子をオンするとともに第3のスイッチング素子をオンし、電源からインダクタに供給される電流が予め定められた値に達したときに第3のスイッチング素子をオフし、コンデンサが予め定められた電圧値まで充電されて電圧制限回路によりコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に保持されている状態で第2のスイッチング素子をオフする第2の制御回路とを含み、第1の電流径路は、電源から第2のスイッチング素子、インダクタおよび第3のスイッチング素子を経由して接地電位に電流が流れる径路であり、第2の電流径路は、インダクタからコンデンサに電流が流れる径路であってもよい。 (2) The laser light generation circuit operates in response to a light emission trigger having a fixed period, and the switching circuit includes a second switching element connected between one electrode of the power supply and one end of the inductor, an inductor A third switching element connected between the other end of the first electrode and the ground potential, a voltage limiting circuit for limiting the voltage of the capacitor to a predetermined voltage value or less, and a first timing of each cycle of the light emission trigger The second switching element is turned on and the third switching element is turned on. When the current supplied from the power source to the inductor reaches a predetermined value, the third switching element is turned off, and the capacitor is predetermined. The second switching element is turned off in a state where the voltage is charged to a predetermined voltage value and the voltage of the capacitor is held at a predetermined voltage value by the voltage limiting circuit. The first current path is a path through which a current flows from the power source to the ground potential via the second switching element, the inductor, and the third switching element. The second current path is A path through which current flows from the inductor to the capacitor may be used.
この場合、発光トリガの各周期の第1のタイミングで第2の制御回路により第2のスイッチング素子および第3のスイッチング素子がオンされる。それにより、電源から第2のスイッチング素子、インダクタおよび第3のスイッチング素子を経由して接地電位に電流が流れる第1の電流径路が形成される。その結果、インダクタに磁気エネルギーが蓄積される。 In this case, the second switching element and the third switching element are turned on by the second control circuit at the first timing of each cycle of the light emission trigger. Thereby, a first current path is formed in which a current flows from the power source to the ground potential via the second switching element, the inductor, and the third switching element. As a result, magnetic energy is accumulated in the inductor.
その後、電源からインダクタに供給される電流が予め定められた値に達したときに、第2の制御回路により第3のスイッチング素子がオフされる。それにより、インダクタからコンデンサに電流が流れる第2の電流径路が形成される。その結果、インダクタに蓄積された磁気エネルギーによりコンデンサが充電される。 Thereafter, when the current supplied from the power source to the inductor reaches a predetermined value, the third switching element is turned off by the second control circuit. This forms a second current path through which current flows from the inductor to the capacitor. As a result, the capacitor is charged by the magnetic energy stored in the inductor.
コンデンサが予め定められた電圧値まで充電されて電圧制限回路によりコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に保持されている状態で第2の制御回路により第2のスイッチング素子がオフされる。それにより、インダクタが電源から遮断される。 The second switching element is turned off by the second control circuit while the capacitor is charged to a predetermined voltage value and the voltage of the capacitor is held at the predetermined voltage value by the voltage limiting circuit. Thereby, the inductor is disconnected from the power source.
このようにして、第1のスイッチング素子がオンされる前にコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に確実に保持される。それにより、レーザダイオードから安定した発光パワーおよびパルス幅を有するレーザ光が出射される。 In this way, the voltage of the capacitor is reliably held at a predetermined voltage value before the first switching element is turned on. Thereby, laser light having stable light emission power and pulse width is emitted from the laser diode.
また、第2および第3のスイッチング素子のオンおよびオフの後にコンデンサに蓄積された電荷の放電によりレーザダイオードに電流が供給される。それにより、レーザダイオードによるパルス状のレーザ光の出射時に第3のスイッチング素子のスイッチングノイズが発生することが確実に防止される。したがって、レーザ光の出射時に周囲の機器の動作にノイズの影響を与えることが確実に防止される。 Further, a current is supplied to the laser diode by discharging the charge accumulated in the capacitor after the second and third switching elements are turned on and off. This reliably prevents the switching noise of the third switching element from being generated when the laser diode emits pulsed laser light. Therefore, it is possible to reliably prevent the influence of noise on the operation of surrounding equipment when the laser beam is emitted.
(3)電圧制限回路は、コンデンサが予め定められた電圧値まで充電されたときにコンデンサの電圧を予め定められた電圧値に保持する定電圧ダイオードを含み、第2の制御回路は、発光トリガの第1のタイミングで第3のスイッチング素子をオンし、電源からインダクタに供給される電流が予め定められた値に達したときに第3のスイッチング素子をオフする電流検出回路と、第1のタイミングで第2のスイッチング素子をオンし、定電圧ダイオードによりコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に保持されている状態で第2のスイッチング素子をオフする電圧検出回路とを含んでもよい。 (3) The voltage limiting circuit includes a constant voltage diode that holds the voltage of the capacitor at a predetermined voltage value when the capacitor is charged to a predetermined voltage value, and the second control circuit includes a light emission trigger. A current detection circuit that turns on the third switching element at the first timing and turns off the third switching element when the current supplied from the power source to the inductor reaches a predetermined value; A voltage detection circuit that turns on the second switching element at the timing and turns off the second switching element in a state where the voltage of the capacitor is held at a predetermined voltage value by the constant voltage diode may be included.
この場合、電源からインダクタに供給される電流が予め定められた値に達したときに、電流検出回路により確実に第3のスイッチング素子がオフされる。また、コンデンサが予め定められた電圧値まで充電されたときに、定電圧ダイオードによりコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に保持される。この場合、コンデンサの電圧が予め定められた電圧値を超えようとすると、定電圧ダイオードがオンし、インダクタの余分な磁気エネルギーによる電流が定電圧ダイオードに流れる。それにより、余分な磁気エネルギーが定電圧ダイオードで消費される。その結果、コンデンサの充電が防止され、コンデンサの電圧が予め定められた電圧値に確実に保持される。さらに、定電圧ダイオードによりコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に保持されている状態で電圧検出回路により第2のスイッチング素子が確実にオフされる。 In this case, when the current supplied from the power source to the inductor reaches a predetermined value, the third switching element is reliably turned off by the current detection circuit. Further, when the capacitor is charged to a predetermined voltage value, the voltage of the capacitor is held at the predetermined voltage value by the constant voltage diode. In this case, when the voltage of the capacitor exceeds a predetermined voltage value, the constant voltage diode is turned on, and a current due to excess magnetic energy of the inductor flows through the constant voltage diode. Thereby, extra magnetic energy is consumed by the constant voltage diode. As a result, charging of the capacitor is prevented, and the voltage of the capacitor is reliably held at a predetermined voltage value. Further, the second switching element is reliably turned off by the voltage detection circuit while the voltage of the capacitor is held at a predetermined voltage value by the constant voltage diode.
このようにして、定電圧ダイオードの動作により第1のスイッチング素子がオンされる前にコンデンサの電圧が予め定められた電圧値に確実に保持される。この場合、定電圧ダイオードで消費される余分なエネルギーは、電流制限抵抗で消費されるエネルギーに比べてはるかに小さいので、電力消費効率に影響をほとんど与えない。 In this way, the voltage of the capacitor is reliably held at a predetermined voltage value before the first switching element is turned on by the operation of the constant voltage diode. In this case, the extra energy consumed by the constant voltage diode is much smaller than the energy consumed by the current limiting resistor, and thus hardly affects the power consumption efficiency.
(4)第1の制御回路は、発光トリガの各周期の第2のタイミングで第1のスイッチング素子をオンするための駆動パルスを発生してもよい。 (4) The first control circuit may generate a drive pulse for turning on the first switching element at the second timing of each cycle of the light emission trigger.
この場合、第1のスイッチング素子は、第1の制御回路により発光トリガの各周期の第2のタイミングで発生される駆動パルスに応答してオンする。それにより、コンデンサに蓄積された電荷の放電が開始され、レーザダイオードに電流が供給される。 In this case, the first switching element is turned on in response to the drive pulse generated at the second timing of each cycle of the light emission trigger by the first control circuit. Thereby, discharge of the electric charge accumulated in the capacitor is started, and current is supplied to the laser diode.
(5)第3のスイッチング素子は、発光トリガの各周期の第1のタイミングから第1の期間オン状態となり、残りの第2の期間オフ状態となり、第2のスイッチング素子は、発光トリガの各周期の第1のタイミングから第1の期間よりも長い第3の期間オン状態となり、残りの第4の期間オフ状態となり、第2のタイミングは第4の期間内に設定されてもよい。 (5) The third switching element is in the on state for the first period from the first timing of each cycle of the light emission trigger and is in the off state for the remaining second period. The third period may be turned on for a third period longer than the first period from the first timing of the cycle, the remaining fourth period may be turned off, and the second timing may be set within the fourth period.
この場合、発光トリガの各周期内で、第1の電流径路が形成された後に第2の電流径路が形成され、さらに第2および第3のスイッチング素子がオフ状態となる期間でレーザダイオードにコンデンサからパルス状の電流が供給される。それにより、レーザダイオードの出射時に第3のスイッチング素子のスイッチングノイズが発生することが確実に防止される。したがって、レーザ光の出射時に周囲の機器の動作にノイズの影響を与えることが確実に防止される。 In this case, within each period of the light emission trigger, the second current path is formed after the first current path is formed, and the capacitor is connected to the laser diode during the period in which the second and third switching elements are turned off. Is supplied with a pulsed current. This reliably prevents the occurrence of switching noise of the third switching element when the laser diode is emitted. Therefore, it is possible to reliably prevent the influence of noise on the operation of surrounding equipment when the laser beam is emitted.
(6)コンデンサの容量値は、レーザダイオードに流れる電流の半値幅が5ns以下になるように設定されてもよい。 (6) The capacitance value of the capacitor may be set so that the half-value width of the current flowing through the laser diode is 5 ns or less.
この場合、近距離にある検出対象物および短い距離で隣り合う複数の検出対象物を正確に検出することができる。 In this case, it is possible to accurately detect a detection object at a short distance and a plurality of detection objects adjacent at a short distance.
(7)第2の発明に係るレーザレーダ装置は、検出対象物にパルス状のレーザ光を発射する送光装置と、検出対象物からの反射光を受ける受光装置と、受光装置により受光された反射光に基づいて検出対象物に関する情報を算出する算出部とを備え、送光装置は、第1の発明に係るレーザ光生成回路を含むものである。 (7) A laser radar device according to a second aspect of the invention is a light transmitting device that emits pulsed laser light to a detection target, a light receiving device that receives reflected light from the detection target, and a light receiving device that receives the light. And a light transmitting device including the laser light generation circuit according to the first aspect of the present invention.
そのレーザレーダ装置においては、送光装置によりレーザ光が発射され、検出対象物からの反射光が受光装置により受光される。そして、受光装置により受光された反射光に基づいて算出部により検出対象物に関する情報が算出される。 In the laser radar device, laser light is emitted by a light transmitting device, and reflected light from a detection target is received by a light receiving device. And the information regarding a detection target is calculated by the calculation part based on the reflected light received by the light-receiving device.
送光装置のレーザ光生成回路は、発光パワーが大きくパルス幅が短いレーザ光を生成することが可能である。また、そのレーザ光生成回路は、低消費電力化および小型化が可能である。 The laser light generation circuit of the light transmitting device can generate laser light having a large light emission power and a short pulse width. Further, the laser light generation circuit can reduce power consumption and size.
したがって、そのレーザレーダ装置によれば、遠距離にある検出対象物および反射率の低い検出対象物を高精度で検出することができるとともに、近距離にある検出対象物および短い距離で隣り合う複数の検出対象物を高精度で検出することができる。また、レーザレーダ装置の低消費電力化および小型化が可能となる。 Therefore, according to the laser radar device, it is possible to detect a detection object at a long distance and a detection object with a low reflectance with high accuracy, and a plurality of adjacent detection objects at a short distance and a plurality of adjacent detection objects. Can be detected with high accuracy. In addition, it is possible to reduce the power consumption and size of the laser radar device.
(8)第3の発明に係る輸送機器は、本体部と、本体部を移動させる駆動部と、本体部に設けられる第2の発明に係るレーザレーダ装置と、レーザレーダ装置により得られる情報を乗員に報知する報知部とを備えたものである。 (8) A transport device according to a third aspect of the present invention provides a main body, a drive unit that moves the main body, the laser radar device according to the second invention provided in the main body, and information obtained by the laser radar device. And an informing unit for informing the passenger.
その輸送機器においては、駆動部により移動する本体部にレーザレーダ装置が設けられる。そのレーザレーダ装置により得られる情報が報知部により乗員に報知される。 In the transportation equipment, a laser radar device is provided in a main body that is moved by a drive unit. Information obtained by the laser radar device is notified to the occupant by the notification unit.
ここで、レーザレーダ装置は、遠距離にある検出対象物および反射率の低い検出対象物を高精度で検出することができるとともに、近距離にある検出対象物および短い距離で隣り合う複数の検出対象物を高精度で検出することができる。また、レーザレーダ装置は、低消費電力化および小型化が可能である。したがって、小型かつ低消費電力のレーザレーダ装置で種々の検出対象物に関する情報を乗員に正確に報知することが可能となる。 Here, the laser radar apparatus can detect a detection object at a long distance and a detection object with a low reflectance with high accuracy, and a plurality of detection objects adjacent to each other at a short distance and a detection object at a short distance. The object can be detected with high accuracy. In addition, the laser radar device can reduce power consumption and size. Accordingly, it is possible to accurately notify the occupant of information related to various detection objects with a small-sized and low power consumption laser radar device.
本発明によれば、発光パワーが大きくパルス幅が短いレーザ光を生成することが可能になるとともに、レーザ光生成回路の低消費電力化および小型化が可能になる。 According to the present invention, it is possible to generate laser light having a large light emission power and a short pulse width, and it is possible to reduce the power consumption and the size of the laser light generation circuit.
(1)レーザレーダ装置の信号処理系
図1は本発明の一実施の形態に係るレーザレーダ装置の信号処理系の構成を示すブロック図である。このレーザレーダ装置は、例えば輸送機器に搭載される。
(1) Signal Processing System of Laser Radar Device FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a signal processing system of a laser radar device according to an embodiment of the present invention. This laser radar device is mounted on, for example, transportation equipment.
図1のレーザレーダ装置1は、検出対象物10までの距離および検出対象物10の方位を検出するために用いられる。ここで、検出対象物10の方位は、基準方向からの角度で表される。基準方向は、例えば進行方向に垂直な方向に定められる。なお、基準方向は、これに限定されず、進行方向と平行な方向でもよく、または任意の方向に定めることができる。
The
送光装置70は、パルス状のレーザ光を発射する。以下、送光装置70から発射されるパルス状のレーザ光を発射光ELと呼ぶ。モータ30は、送光装置70からの発射光ELの方向を所定の平面(以下、走査平面と呼ぶ)内で360度回転させるために後述する反射鏡を回転させる。エンコーダ40は、モータ30の回転角度に対応するエンコーダパルスEPを出力するとともに、モータ30の1回転ごとに原点パルスOPを出力する。モータ回転数制御部20は、エンコーダ40から出力されるエンコーダパルスEPに基づいてモータ30の回転速度を一定に制御する。
The
発光間隔パルス生成部50は、エンコーダ40から出力されるエンコーダパルスEPを逓倍することにより発光間隔パルスEIを生成する。発光トリガ生成部60は、発光間隔パルス生成部50により生成される発光間隔パルスEIに同期して発光トリガETを生成する。送光装置70は、発光間隔パルス生成部50により生成される発光トリガETに同期して発射光ELを発射する。
The light emission interval pulse generator 50 generates the light emission interval pulse EI by multiplying the encoder pulse EP output from the
受光装置80は、検出対象物10からの反射光RLを受光するとともに、送光装置70からの発射光ELを受光し、受光信号REを出力する。
The
信号処理部90は、発光トリガ生成部60により生成される発光トリガETおよび受光装置80から出力される受光信号REに基づいて2値化信号BSを出力する。
The signal processing unit 90 outputs a binarized signal BS based on the light emission trigger ET generated by the light emission trigger generation unit 60 and the light reception signal RE output from the
距離生成部100は、発光トリガ生成部60により生成される発光トリガETおよび信号処理部90から出力される2値化信号BSに基づいて距離を示す距離信号DSを生成するとともに、距離の生成を示す距離生成信号DGを出力する。 The distance generation unit 100 generates a distance signal DS indicating a distance based on the light emission trigger ET generated by the light emission trigger generation unit 60 and the binarized signal BS output from the signal processing unit 90, and generates a distance. The distance generation signal DG shown is output.
一方、角度生成部110は、エンコーダ40から出力される原点パルスOP、発光トリガ生成部60により生成される発光トリガETおよび距離生成部100により生成される距離生成信号DGに基づいて角度を示す角度信号ASを生成する。
On the other hand, the angle generation unit 110 indicates an angle based on the origin pulse OP output from the
レーダ画像生成部120は、距離生成部100により生成される距離信号DSおよび角度生成部110により生成される角度信号ASに基づいて検出対象物10の距離および方位を示す画像をディスプレイの画面に表示する。検出対象物認識部140は、距離生成部100により生成される距離信号DSおよび角度生成部110により生成される角度信号ASに基づいて検出対象物10の距離および方位を認識する。危険判定部150は、検出対象物認識部140により認識された検出対象物10の距離および方位に基づいて検出対象物10が危険であるか否かを示す情報を画像または音声により乗員に提示する。 The radar image generation unit 120 displays an image indicating the distance and azimuth of the detection target 10 on the display screen based on the distance signal DS generated by the distance generation unit 100 and the angle signal AS generated by the angle generation unit 110. To do. The detection target recognition unit 140 recognizes the distance and orientation of the detection target 10 based on the distance signal DS generated by the distance generation unit 100 and the angle signal AS generated by the angle generation unit 110. The danger determination unit 150 presents information indicating whether or not the detection target object 10 is dangerous based on the distance and orientation of the detection target object 10 recognized by the detection target recognition unit 140 to an occupant using an image or a sound. .
発光間隔パルス生成部50、発光トリガ生成部60、信号処理部90、距離生成部100、角度生成部110、レーダ画像生成部120、検出対象物認識部140および危険判定部150は、CPU(中央演算処理装置)およびメモリ等のハードウエアおよびプログラム等のソフトウエアにより実現される。 The light emission interval pulse generation unit 50, the light emission trigger generation unit 60, the signal processing unit 90, the distance generation unit 100, the angle generation unit 110, the radar image generation unit 120, the detection target recognition unit 140, and the danger determination unit 150 are CPU (central It is realized by hardware such as an arithmetic processing unit) and memory, and software such as a program.
なお、発光間隔パルス生成部50、発光トリガ生成部60、信号処理部90、距離生成部100、角度生成部110、レーダ画像生成部120、検出対象認識部140および危険判定部150の一部または全てが論理回路等のハードウエアにより実現されてもよい。 In addition, a part of the light emission interval pulse generation unit 50, the light emission trigger generation unit 60, the signal processing unit 90, the distance generation unit 100, the angle generation unit 110, the radar image generation unit 120, the detection target recognition unit 140, and the risk determination unit 150 All may be realized by hardware such as a logic circuit.
(2)レーザレーダ装置の光学系
図2(a)は図1のレーザレーダ装置1の光学系の構成を示す模式図、図2(b)はレーザレーダ装置1の反射鏡250の構成を示す斜視図である。
(2) Optical System of Laser Radar Device FIG. 2 (a) is a schematic diagram showing the configuration of the optical system of the
図2(a)において、円筒状の保持体200の底部の中心に送光装置70が取り付けられる。送光装置70は、レーザ光生成回路700および保持部材72からなる。レーザ光生成回路700は、レーザダイオード(以下、LDと呼ぶ)71を含む。LD71は、レーザ光を走査平面に垂直な方向に出射するように保持部材72により保持される。本実施の形態では、LD71として、例えば波長870nmの近赤外パルスレーザが用いられる。
In FIG. 2A, the
保持体200の内部には、中心に開口部を有する反射鏡210が走査平面に対して45度の角度で傾斜するように取り付けられる。保持体200の側壁には、受光装置80が設けられる。受光装置80は、アバランシェフォトダイオード(以下、APDと呼ぶ)81、保持部材81aおよ受信回路(図示せず)からなる。APD81は、光軸が走査平面に平行な方向を向くように保持部材81aにより保持される。
Inside the holding
保持体200の内部で反射鏡210の上方には、投受光レンズ220が取り付けられる。投受光レンズ220の中心軸は走査平面に対して垂直な方向を向いている。
A light projecting / receiving
保持体200の上端部の内周面には、複数のベアリング230を介して保持部材240が走査平面に対して垂直な方向の軸の周りで回転可能に取り付けられる。図2(b)に示すように、保持部材240に反射鏡250が走査平面に対して45度の角度で傾斜するように固定される。
A holding
図2(a)において、保持体200の上端部の外周面から走査平面に平行な方向に突出するようにモータ保持部201が一体的に形成される。モータ30は、回転軸が走査平面に対して垂直な方向を向くようにモータ保持部201に保持される。モータ30の回転軸にはプーリ31が取り付けられる。プーリ31と保持部材240とはベルト32により連結されている。モータ30の回転に伴って保持部材240が回転する。それにより、反射鏡250が走査平面に対して45度傾斜した状態で走査平面に対して垂直な方向の軸の周りで回転する。
In FIG. 2A, the
送光装置70のLD71から走査平面に垂直な方向に出射されるレーザ光(発射光EL)は、反射鏡210の開口部および投受光レンズ220を透過し、反射鏡250により反射され、走査平面に平行な方向に進行する。モータ30により反射鏡250が回転することにより、発射光ELの進行方向は走査平面に対して垂直な方向の軸を中心として360度回転する。
Laser light (emitted light EL) emitted from the
検出対象物10からの反射光RLは、反射鏡250により下方に反射され、投受光レンズ220により集光される。集光された反射光RLは、反射鏡210により反射され、受光装置80のAPD81に入射する。この場合、LD71からの発射光ELの一部は投受光レンズ220の表面で乱反射され、APD81に入射する。
The reflected light RL from the detection target 10 is reflected downward by the reflecting
(3)レーザレーダ装置の動作
図3は図1のレーザレーダ装置1の動作を説明するためのタイミング図である。以下、図3を参照しながら図1のレーザレーダ装置1の動作を説明する。
(3) Operation of Laser Radar Device FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the
図3の横軸は時間である。1段目および2段目に原点パルスOPおよびエンコーダパルスEPが示される。また、3段目〜5段目には発光間隔パルスEI、発光トリガETおよび発射光ELがそれぞれ示されている。発光間隔パルスEI、発光トリガETおよび発射光ELは、エンコーダパルスEPに比べて時間軸上で拡大されている。さらに、6段目および7段目には受光信号REおよび2値化信号BSがそれぞれ示されている。受光信号REおよび2値化信号BSは、発射光ELに比べて時間軸上でさらに拡大されている。 The horizontal axis in FIG. 3 is time. The origin pulse OP and encoder pulse EP are shown in the first and second stages. In the third to fifth stages, the light emission interval pulse EI, the light emission trigger ET, and the emitted light EL are shown. The light emission interval pulse EI, the light emission trigger ET, and the emitted light EL are enlarged on the time axis compared to the encoder pulse EP. Further, the light reception signal RE and the binarized signal BS are shown in the sixth and seventh stages, respectively. The light reception signal RE and the binarization signal BS are further expanded on the time axis compared to the emission light EL.
図1のモータ30が所定角度回転するごとに、エンコーダ40はエンコーダパルスEPを出力する。本実施の形態では、エンコーダパルスEPは、モータ30が6°回転するごとに生成される。したがって、モータ30が1回転すると、エンコーダ40は60個のエンコーダパルスEPを生成する。また、モータ30が1回転するごとに、エンコーダ40は原点パルスOPを出力する。したがって、原点パルスOPの周期T1はモータ30の1回転の周期に相当する。本実施の形態では、エンコーダ40は、60個のエンコーダパルスEPの生成ごとに原点パルスOPを生成する。
Each time the
モータ回転数制御部20は、エンコーダパルスEPに応答してモータ30の回転数を一定に制御する。この場合、モータ回転数制御部20は、原点パルスOPの周期T1が一定になるようにモータ30を制御する。
The motor rotation speed control unit 20 controls the rotation speed of the
発光間隔パルス生成部50は、エンコーダパルスEPを逓倍することにより発光間隔パルスEIを生成する。本実施の形態では、発光間隔パルスEIの周期T2はエンコーダパルスEPの周期の1/20である。ここで、発光間隔パルスEIの周期T2の間にモータ30が回転する角度(以下、単位角度と呼ぶ)をΔθとする。本実施の形態では、単位角度Δθは0.3°である。この場合、発光間隔パルスEIは、モータ30が0.3°回転するごとに生成される。
The light emission interval pulse generator 50 generates the light emission interval pulse EI by multiplying the encoder pulse EP. In the present embodiment, the cycle T2 of the light emission interval pulse EI is 1/20 of the cycle of the encoder pulse EP. Here, an angle at which the
発光トリガ生成部60は、発光間隔パルスEIの立ち上がりに同期して立ち下がる発光トリガETを生成する。 The light emission trigger generation unit 60 generates a light emission trigger ET that falls in synchronization with the rise of the light emission interval pulse EI.
送光装置70は、発光トリガETの立ち下りに同期してパルス状のレーザ光を発射光ELとして発射する。これにより、モータ30が単位角度Δθ回転するごとに、発射光ELが発射される。
The
送光装置70のLD71からの発射光ELは、検出対象物10に照射される。一部の発射光ELは、受光装置80のAPD81に入射する。したがって、送光装置70からの発射光ELが受光装置80により受光された後、検出対象物10からの反射光RLが受光装置80により受光される。この場合、受光装置80による発射光ELの受光時点から反射光RLの受光時点までの時間がレーザレーダ装置1から検出対象物10までの距離に比例する。
The emitted light EL from the
上記のように、受光装置80のAPD81には、送光装置70からの発射光ELおよび検出対象物10からの反射光RLが入射する。したがって、受光装置80から出力される受光信号REには、発射光ELのパルス成分(以下、発射光パルスPeと呼ぶ)および反射光RLのパルス成分(以下、反射光パルスPrと呼ぶ)が含まれる。
As described above, the emitted light EL from the
信号処理部90は、受光信号REのレベルを予め定められたしきい値Thと比較することにより2値化信号BSを生成する。この2値化信号BSは、受光信号REのレベルがしきい値Thよりも高いときに論理値“1”となり、受光信号REのレベルがしきい値以下のときに論理値“0”となる。それにより、2値化信号BSは、発射光パルスPeに対応するパルスPEおよび反射光パルスPrに対応するパルスPRを含む。 The signal processing unit 90 generates the binarized signal BS by comparing the level of the light reception signal RE with a predetermined threshold value Th. The binarized signal BS has a logical value “1” when the level of the light reception signal RE is higher than the threshold value Th, and has a logical value “0” when the level of the light reception signal RE is equal to or lower than the threshold value. . Thereby, the binarized signal BS includes a pulse PE corresponding to the emitted light pulse Pe and a pulse PR corresponding to the reflected light pulse Pr.
距離生成部100は、発光トリガETに応答して、2値化信号BSのパルスPE,PRの時間間隔に基づいてレーザレーダ装置1から検出対象物10までの距離を算出し、算出された距離を示す距離信号DSを生成する。
The distance generation unit 100 calculates the distance from the
角度生成部110は、原点パルスOP、発光トリガETおよび距離生成信号DGに基づいて角度θ[°]を算出し、角度θを表す角度信号ASを生成する。 The angle generation unit 110 calculates an angle θ [°] based on the origin pulse OP, the light emission trigger ET, and the distance generation signal DG, and generates an angle signal AS representing the angle θ.
具体的には、角度生成部110は、原点パルスOPに応答して角度θを0°にリセットし、発光トリガETごとに角度θに単位角度Δθを積算する。距離生成部100により距離生成信号DGが与えられたときに、角度生成部110は、角度θを示す角度信号ASを出力する。 Specifically, the angle generation unit 110 resets the angle θ to 0 ° in response to the origin pulse OP, and adds the unit angle Δθ to the angle θ for each light emission trigger ET. When the distance generation signal DG is given by the distance generation unit 100, the angle generation unit 110 outputs an angle signal AS indicating the angle θ.
(4)レーザ光生成回路700の構成
図4は送光装置70に含まれるレーザ光生成回路700の構成を示す回路図である。
(4) Configuration of Laser
図4のレーザ光生成回路700は、スイッチング素子S1〜S5を含む。スイッチング素子S1,S3,S5はNチャネル電界効果トランジスタからなり、スイッチング素子S2,S4はPチャネル電界効果トランジスタからなる。
The laser
レーザ光生成回路700において、直流電源PSの正極はノードN1に接続され、負極は接地電位に保持される接地端子に接続されている。また、ノードN1と接地端子との間にはバイパスコンデンサC1が接続されている。直流電源PSとしては、例えばバッテリを用いることができる。
In the laser
ノードN1とノードN2との間には、スイッチング素子S4が接続されている。スイッチング素子S4のゲートはノードN3に接続されている。ノードN1とノードN3との間に抵抗R1が接続され、ノードN3とノードN4との間に抵抗R2が接続されている。 A switching element S4 is connected between the node N1 and the node N2. The gate of the switching element S4 is connected to the node N3. A resistor R1 is connected between the node N1 and the node N3, and a resistor R2 is connected between the node N3 and the node N4.
ノードN4と接地端子との間には、スイッチング素子S5が接続されている。インバータINVの入力端子に図1の発光トリガ生成部60により発光トリガETが与えられる。インバータINVの出力端子はスイッチング素子S5のゲートに接続されている。ノードN4の電位が充電判定信号CHとなる。 A switching element S5 is connected between the node N4 and the ground terminal. A light emission trigger ET is given to the input terminal of the inverter INV by the light emission trigger generator 60 shown in FIG. The output terminal of the inverter INV is connected to the gate of the switching element S5. The potential of the node N4 becomes the charge determination signal CH.
スイッチング素子S2は、ノードN1とノードN5との間に接続されている。スイッチング素子S2のゲートはノードN2に接続され、ノードN2と接地端子との間に抵抗R3が接続されている。ノードN2の電位が充電タイミング信号CTとなる。 The switching element S2 is connected between the node N1 and the node N5. The gate of the switching element S2 is connected to the node N2, and a resistor R3 is connected between the node N2 and the ground terminal. The potential of the node N2 becomes the charging timing signal CT.
フライホイールダイオードD1のカソードがノードN5に接続され、アノードが接地端子に接続されている。ノードN5とノードN6との間に、ダイオードD2および抵抗R4からなる放電回路73が接続されている。
The flywheel diode D1 has a cathode connected to the node N5 and an anode connected to the ground terminal. A
電流制御回路74は、抵抗R5、コンデンサC2および比較器CP1により構成される電流積分回路からなる。抵抗R5はノードN5とノードN6との間に接続され、コンデンサC2はノードN6と接地端子との間に接続されている。比較器CP1の反転入力端子はノードN6に接続され、非反転入力端子は基準電圧Vrefを受ける基準電圧端子に接続されている。比較器CP1の出力端子はノードN7に接続されている。
The
ノードN5とノードN7との間に抵抗R6が接続されている。ノードN5とノードN8との間にインダクタL1が接続され、ノードN8と接地端子との間にスイッチング素子S3が接続されている。スイッチング素子S3のゲートはノードN7に接続されている。ノードN7の電位がスイッチング信号SWとなる。 A resistor R6 is connected between the node N5 and the node N7. An inductor L1 is connected between the node N5 and the node N8, and a switching element S3 is connected between the node N8 and the ground terminal. The gate of the switching element S3 is connected to the node N7. The potential of the node N7 becomes the switching signal SW.
ノードN8とノードN4との間に定電圧ダイオードD3および整流ダイオードD4が直接に接続されている。ノードN8とノードN9との間に整流ダイオードD5が接続されている。比較器CP2の反転入力端子はノードN10に接続され、非反転入力端子は基準電圧Vrefを受ける基準電圧端子に接続されている。比較器CP2の出力端子はノードN4に接続されている。ノードN9とノードN10との間に抵抗R7が接続され、ノードN10と接地端子との間に抵抗R8が接続されている。 A constant voltage diode D3 and a rectifier diode D4 are directly connected between the node N8 and the node N4. A rectifier diode D5 is connected between the node N8 and the node N9. The inverting input terminal of the comparator CP2 is connected to the node N10, and the non-inverting input terminal is connected to a reference voltage terminal that receives the reference voltage Vref. The output terminal of the comparator CP2 is connected to the node N4. A resistor R7 is connected between the node N9 and the node N10, and a resistor R8 is connected between the node N10 and the ground terminal.
ノードN9と接地端子との間に放電コンデンサC3が接続されている。また、ノードN9と接地端子との間に、寄生インダクタンスL2、LD71、およびスイッチング素子S1が直列に接続されている。ノードN9の電位が出力電圧OTとなる。 A discharge capacitor C3 is connected between the node N9 and the ground terminal. Further, parasitic inductances L2, LD71, and a switching element S1 are connected in series between the node N9 and the ground terminal. The potential of the node N9 becomes the output voltage OT.
ゲート駆動回路75は、発光トリガETに基づいてゲート駆動信号GDを出力する。ゲート駆動信号GDは、スイッチング素子S1のゲートに与えられる。
The
(5)レーザ光生成回路700の動作
以下、図5を参照しながら図4のレーザ光生成回路700の動作を説明する。図5は図4のレーザ光生成回路700の動作を示す信号波形図である。図5の横軸は時間である。
(5) Operation of Laser
各周期T2の時点t1の前には、スイッチング素子S4,S5がオンし、スイッチング素子S1,S2,S3がオフしている。 Before the time point t1 of each cycle T2, the switching elements S4 and S5 are turned on, and the switching elements S1, S2, and S3 are turned off.
時点t1において、発光トリガETの立ち下がりに同期して、インバータINVの出力信号はローレベルに立ち下がる。それにより、スイッチング素子S5がオフする。一方、ノードN9の出力電圧OTは0Vであり、基準電圧Vrefよりも低い。したがって、比較器CP2から出力される充電判定信号CH(ノードN4の電位)がハイレベルに立ち上がり、スイッチング素子S4がオフする。それにより、充電タイミング信号CT(ノードN2の電位)がローレベルに立ち下がり、スイッチング素子S2がオンする。その結果、インダクタL1に電流が流れ始める。 At time t1, the output signal of the inverter INV falls to a low level in synchronization with the fall of the light emission trigger ET. Thereby, the switching element S5 is turned off. On the other hand, the output voltage OT of the node N9 is 0V, which is lower than the reference voltage Vref. Therefore, the charge determination signal CH (potential of the node N4) output from the comparator CP2 rises to a high level, and the switching element S4 is turned off. Thereby, the charging timing signal CT (the potential of the node N2) falls to the low level, and the switching element S2 is turned on. As a result, current starts to flow through the inductor L1.
また、スイッチング信号SW(ノードN7の電位)がハイレベルになる。それにより、スイッチング素子S3がオンする。したがって、インダクタ電流ILはスイッチング素子S3を流れる。 Further, the switching signal SW (the potential of the node N7) becomes a high level. Thereby, the switching element S3 is turned on. Therefore, the inductor current IL flows through the switching element S3.
このようにして、直流電源PSからスイッチング素子S2、インダクタL1、スイッチング素子S3を経由して接地電位に電流が流れる第1の電流径路が形成される。第1の電流径路によりインダクタL1に磁気エネルギーが蓄積される。 In this way, a first current path is formed in which a current flows from the DC power source PS to the ground potential via the switching element S2, the inductor L1, and the switching element S3. Magnetic energy is stored in the inductor L1 by the first current path.
この場合、電流制御回路74の抵抗R5にも電流が流れ、コンデンサC2が充電される。それにより、ノードN6の電圧(電流積分電圧)が上昇する。
In this case, a current also flows through the resistor R5 of the
ここで、インダクタ電流ILが予め定められた目標値に達した時点で電流積分電圧が基準電圧Vrefと等しくなるように電流制御回路74の時定数が設定されている。電流制御回路74は電流検出回路として働く。
Here, the time constant of the
時点t2で、インダクタ電流ILが目標値に達すると、比較器CP1から出力されるスイッチング信号SW(ノードN7の電位)がローレベルに立ち下がり、スイッチング素子S3がオフする。それにより、ノードN8の電位が上昇し、整流ダイオードD5がオンする。その結果、インダクタ電流ILが整流ダイオードD5を通して放電コンデンサC3に流れる。 When the inductor current IL reaches the target value at time t2, the switching signal SW (potential of the node N7) output from the comparator CP1 falls to the low level, and the switching element S3 is turned off. Thereby, the potential of the node N8 rises and the rectifier diode D5 is turned on. As a result, the inductor current IL flows to the discharge capacitor C3 through the rectifier diode D5.
このようにして、インダクタL1からダイオードD5を経由して放電コンデンサC3に電流が流れる第2の電流径路が形成される。第2の電流径路により放電コンデンサC3が充電され、出力電圧OT(ノードN9の電位)が上昇し始める。 In this way, a second current path is formed through which current flows from the inductor L1 to the discharge capacitor C3 via the diode D5. The discharge capacitor C3 is charged by the second current path, and the output voltage OT (the potential of the node N9) starts to rise.
時点t3で、ノードN10の電位が基準電圧Vrefに達すると、比較器CP2から出力される充電判定信号CH(ノードN4の電位)がローレベルに立ち下がる。それにより、定電圧ダイオードD3および整流ダイオードD4がオンする。 When the potential of the node N10 reaches the reference voltage Vref at time t3, the charge determination signal CH (potential of the node N4) output from the comparator CP2 falls to a low level. Thereby, the constant voltage diode D3 and the rectifier diode D4 are turned on.
ここで、インダクタ電流ILは、目標値よりも若干高くなるように流れる。目標値を超える余剰なインダクタ電流は定電圧ダイオードD3および整流ダイオードD4に流れる。それにより、余剰なエネルギーが定電圧ダイオードD3で消費され、出力電圧OTが予め定められた電圧値VRに保持される。ここで、抵抗R7および抵抗R8の抵抗値をそれぞれおよびR7およびR8とすると、電圧値VRは次式のようになる。 Here, the inductor current IL flows so as to be slightly higher than the target value. Excess inductor current exceeding the target value flows through the constant voltage diode D3 and the rectifier diode D4. Accordingly, surplus energy is consumed by the constant voltage diode D3, and the output voltage OT is held at a predetermined voltage value VR. Here, when the resistance value of the resistor R7 and the resistor R8 to respectively and R 7 and R 8, the voltage value VR is expressed by the following equation.
VR=(R7+R8)・Vref/R8
この場合、定電圧ダイオードD3で消費される余剰なエネルギーは、電流制限抵抗で消費されるエネルギーに比べてはるかに小さいので、電力消費効率に影響をほとんど与えない。
VR = (R 7 + R 8 ) · Vref / R 8
In this case, the surplus energy consumed by the constant voltage diode D3 is much smaller than the energy consumed by the current limiting resistor, and therefore hardly affects the power consumption efficiency.
このとき、スイッチング素子S4がオンし、充電タイミング信号CTがハイレベルに立ち上がる。それにより、スイッチング素子S2がオフする。その結果、インダクタL1が直流電源PSから遮断される。また、電流制御回路74のコンデンサC2の電荷が放電される。
At this time, the switching element S4 is turned on, and the charging timing signal CT rises to a high level. Thereby, the switching element S2 is turned off. As a result, the inductor L1 is disconnected from the DC power source PS. Further, the electric charge of the capacitor C2 of the
この状態で、時点t4で、発光トリガETがローレベルに立ち下がると、ゲート駆動回路75はゲート駆動信号GDをハイレベルに立ち上げ、時点t5でローレベルに立ち下げる。それにより、スイッチング素子S1が一定時間オンした後オフする。この場合、放電コンデンサC3に蓄積された電荷がLD71およびスイッチング素子S1を通して放電される。放電コンデンサC3の電荷が完全に放電し切ることによりLD71に流れる電流が0になるとともにノードN10の電位が0Vとなる。それにより、LD71にパルス状の電流が流れ、LD71から発射光ELが出射される。
In this state, when the light emission trigger ET falls to the low level at the time t4, the
放電コンデンサC3の電荷が完全に放電し切るまでに要する時間は、寄生インダクタンスL2の値および放電コンデンサC3の容量値で決まる。寄生インダクタンスL2の値は、LD71およびスイッチング素子S1ならびにこれらの部品が実装される配線回路基板の配線パターンに固有な値である。
The time required until the discharge capacitor C3 is completely discharged is determined by the value of the parasitic inductance L2 and the capacitance value of the discharge capacitor C3. The value of the parasitic inductance L2 is a value unique to the wiring pattern of the
本実施の形態では、発射光ELの半値幅が例えば5ns以下となるように放電コンデンサC3の容量値が設定される。また、LD71から出射される発射光ELの発光パワーが例えば20Wとなるように放電コンデンサC3の容量値および基準電圧Vrefが設定される。
In the present embodiment, the capacitance value of the discharge capacitor C3 is set so that the half width of the emitted light EL is, for example, 5 ns or less. Further, the capacitance value of the discharge capacitor C3 and the reference voltage Vref are set so that the emission power of the emitted light EL emitted from the
このとき、比較器CP2から出力される充電判定信号CH(ノードN4の電位)はローレベルを維持している。したがって、スイッチング素子S4はオン状態を維持し、スイッチング素子S2はオフ状態を維持している。 At this time, the charge determination signal CH (the potential of the node N4) output from the comparator CP2 is maintained at a low level. Therefore, the switching element S4 maintains the on state, and the switching element S2 maintains the off state.
このように、LD71に流れる電流の半値幅は、放電コンデンサC3の電荷が完全に放電し切るために要する時間により決まる。したがって、LD71から出射される発射光ELの半値幅をスイッチング素子S1のオン期間よりも短くすることが可能となる。
Thus, the half-value width of the current flowing through the
(6)実施の形態の効果
本実施の形態に係るレーザ光生成回路700においては、放電コンデンサC3に蓄積された電荷が放電されることによりLD71にパルス状の電流が供給されるので、放電コンデンサC3の容量値を調整することによりLD71から出射される発射光ELのパルス幅を短くすることができる。また、放電コンデンサC3の容量値および基準電圧Vrefを調整することによりLD71から出射される発射光ELの発光パワーを大きくすることができる。
(6) Effects of the Embodiment In the laser
図6は図1のレーザレーダ装置1における発射光ELおよび受光信号REの一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the emitted light EL and the received light signal RE in the
図6(a)は近距離にある検出対象物を検出する場合を示し、図6(b)は短い距離で隣り合う2つの検出対象物を検出する場合を示す。 FIG. 6A shows a case where a detection target object at a short distance is detected, and FIG. 6B shows a case where two detection target objects adjacent to each other at a short distance are detected.
図6(a)に示すように、検出対象物が近距離にある場合には、発射光ELに基づく受光信号REの発射光パルスPeと検出対象物からの反射光に基づく受光信号REの反射光パルスPrとの時間間隔Daが短い。本実施の形態に係るレーザ光生成回路700によれば、発射光ELの半値幅を10nsよりも小さくすることができるので、受光信号REにおける発射光パルスPeと反射光パルスPrとを分離することができる。また、発射光ELの発光パワーを大きくすることができる。したがって、近距離にある反射率の小さい検出対象物までの距離を正確に測定することができる。
As shown in FIG. 6A, when the detection target is at a short distance, the reflection of the light reception signal RE based on the emission light pulse Pe of the light reception signal RE based on the emission light EL and the reflection light from the detection target. The time interval Da with the optical pulse Pr is short. According to the laser
また、図6(b)に示すように、2つの検出対象物が短い距離で隣り合う場合には、2つの検出対象物に基づく受光信号REにおける反射光パルスPr1と反射光パルスPr2との時間間隔Dbが短い。本実施の形態に係るレーザ光生成回路700によれば、発射光ELの半値幅を5ns以下にすることができるので、受光信号REにおける反射光パルスPr1と反射光パルスPr2とを分離することができる。また、発射光ELの発光パワーを大きくすることができる。したがって、短い距離で隣り合う反射率の小さい検出対象物までの距離または短い距離で隣り合いかつ遠距離にある複数の検出対象物までの距離を正確に測定することができる。
As shown in FIG. 6B, when two detection objects are adjacent to each other at a short distance, the time between the reflected light pulse Pr1 and the reflected light pulse Pr2 in the light reception signal RE based on the two detection objects. The interval Db is short. According to the laser
また、放電コンデンサC3に蓄積された電荷が放電されているときには、直流電源PSからインダクタL1に電流が供給されず、インダクタL1に磁気エネルギーが蓄積されない。そのため、放電中の放電コンデンサC3がインダクタL1に蓄積された磁気エネルギーにより充電されることはない。それにより、放電コンデンサC3に電流を供給する電流径路に電流制限抵抗を設ける必要がなく、電流制限抵抗による電力消費および発熱が生じない。したがって、放熱対策のための大型の部品が不要となる。 Further, when the electric charge accumulated in the discharge capacitor C3 is discharged, no current is supplied from the DC power source PS to the inductor L1, and no magnetic energy is accumulated in the inductor L1. Therefore, the discharging capacitor C3 being discharged is not charged by the magnetic energy accumulated in the inductor L1. Thereby, it is not necessary to provide a current limiting resistor in the current path for supplying current to the discharge capacitor C3, and power consumption and heat generation by the current limiting resistor do not occur. Therefore, large parts for heat dissipation measures are not required.
これらの結果、発光パワーが大きくパルス幅が短い発射光ELを生成することが可能になるとともに、レーザ光生成回路700の低消費電力化および小型化が可能となる。
As a result, it is possible to generate the emitted light EL having a large light emission power and a short pulse width, and it is possible to reduce the power consumption and the size of the laser
さらに、図5に示すように、スイッチング素子S3のスイッチングノイズは各周期T2の時点t2から時点t3までの期間(ノイズ発生期間Tn)で発生する。一方、スイッチング素子S1は各周期T2の時点t4から次の周期T2の時点t1までの期間(計測期間Tm)でオンされる。このように、各周期T2内でノイズ発生期間Tnから完全に分離された計測期間Tmにおいて、放電コンデンサC3に蓄積された電荷の放電によりLD71にパルス状の電流が供給される。それにより、スイッチング素子S3のスイッチングノイズが期間Tmにおける受光装置80の動作に影響を与えることがない。また、目標値を超える余分なインダクタ電流による余分な磁気エネルギーが定電圧ダイオードD3で消費されることにより、コンデンサC3の充電が停止し、コンデンサC3の電圧が予め定められた電圧値VRに保持される。したがって、LD71から安定した発光パワーおよびパルス幅を有する発射光ELが出射される。その結果、検出対象物までの距離を高精度で測定することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 5, the switching noise of the switching element S3 is generated in a period (noise generation period Tn) from time t2 to time t3 of each cycle T2. On the other hand, the switching element S1 is turned on in a period (measurement period Tm) from time t4 of each cycle T2 to time t1 of the next cycle T2. In this way, in the measurement period Tm that is completely separated from the noise generation period Tn within each period T2, a pulsed current is supplied to the
(7)レーザレーダ装置を備えた輸送機器
次に、上記実施の形態に係るレーザレーダ装置1を備えた輸送機器の例として自動二輪車について説明する。
(7) Transportation equipment provided with laser radar device Next, a motorcycle will be described as an example of transportation equipment provided with the
図7はレーザレーダ装置1を備えた自動二輪車を示す模式図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a motorcycle equipped with the
図7の自動二輪車300においては、車体310の前部下方に前輪320が設けられ、後部下方に後輪330が設けられている。車体310の中央部には、ECU(電子制御装置)340が設けられている。車体310の前端部および後端部に上記実施の形態に係るレーザレーダ装置1がそれぞれ取り付けられている。
In the
また、車体310においてハンドル360の後方下部にディスプレイ350が設けられている。
In addition, a
前端部のレーザレーダ装置1は、主として自動二輪車300の前方および側方の物体の距離および方位を測定する。後端部のレーザレーダ装置1は、主として自動二輪車300の後方および側方の物体の距離および方位を測定する。前端部および後端部のレーザレーダ装置1により測定された距離および方位はECU340に与えられる。
The
ECU340は、前端部および後端部のレーザレーダ装置1により測定された距離および方位をディスプレイ350にレーダ画像として表示させる。また、乗員は、危険判定部150により提示される情報に基づいて検出対象物10が危険であるか否かを認識することができる。
The
レーザレーダ装置1は、遠距離にある検出対象物および反射率の低い検出対象物を高精度で検出することができるとともに、近距離にある検出対象物および短い距離で隣り合う複数の検出対象物を高精度で検出することができる。また、レーザレーダ装置1は、低消費電力化および小型化が可能である。したがって、小型かつ低消費電力のレーザレーダ装置1で種々の検出対象物に関する情報を乗員に正確に報知することが可能となる。
The
(8)請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
(8) Correspondence between each constituent element of claim and each element of the embodiment Hereinafter, an example of correspondence between each constituent element of the claim and each element of the embodiment will be described. It is not limited to.
本実施の形態では、直流電源PSが電源の例であり、インダクタL1がインダクタの例であり、LD71がレーザダイオードの例であり、スイッチング素子S1が第1のスイッチング素子の例であり、ゲート駆動回路75が第1の制御回路の例であり、スイッチング素子S2〜S5、抵抗R1〜R8、ダイオードD1〜D5、比較器CP1,CP2およびインバータINVが切り替え回路の例であり電圧値VRが予め定められた電圧値の例である。
In the present embodiment, the DC power source PS is an example of a power source, the inductor L1 is an example of an inductor, the
また、発光トリガETが発光トリガの例であり、直流電源PSの正極が電源の一方の電極の例であり、スイッチング素子S2が第2のスイッチング素子の例であり、スイッチング素子S3が第3のスイッチング素子の例であり、スイッチング素子S4,S5、抵抗R1〜R8、ダイオードD1〜D5、比較器CP1,CP2およびインバータINVが第2の制御回路の例である。 The light emission trigger ET is an example of the light emission trigger, the positive electrode of the DC power supply PS is an example of one electrode of the power supply, the switching element S2 is an example of the second switching element, and the switching element S3 is the third one. An example of a switching element, switching elements S4 and S5, resistors R1 to R8, diodes D1 to D5, comparators CP1 and CP2, and an inverter INV are examples of a second control circuit.
さらに、放電回路73、電流制御回路74および抵抗R6が電流検出回路の例であり、インバータINV、スイッチング素子S4,S5、抵抗R1〜R3,R7,R8および比較器CP2が電圧検出回路の例であり、ダイオードD3〜D5が電圧制御回路の例である。
Further, the
また、各周期T2の時点t1が第1のタイミングの例であり、各周期T2の時点t4が第2のタイミングの例であり、ゲート駆動信号GDが駆動パルスの例であり、各周期T2の時点t1から時点t2までの期間が第1の期間の例であり、各周期T2の時点t2から次の周期T2の時点t1までの期間が第2の期間の例であり、各周期T2の時点t1から時点t3までの期間が第3の期間の例であり、各周期T2の時点t3から次の周期T2の時点t1までの期間が第4の期間の例である。 In addition, the time point t1 of each cycle T2 is an example of the first timing, the time point t4 of each cycle T2 is an example of the second timing, the gate drive signal GD is an example of a drive pulse, and each cycle T2 The period from time t1 to time t2 is an example of the first period, the period from time t2 of each cycle T2 to time t1 of the next cycle T2 is an example of the second period, and the time of each cycle T2 The period from t1 to time t3 is an example of the third period, and the period from time t3 of each cycle T2 to time t1 of the next cycle T2 is an example of the fourth period.
また、送光装置70が送光装置の例であり、受光装置80が受光装置の例であり、信号処理部90、距離生成部100および角度生成部110が算出部の例であり、車体301が本体部の例であり、後輪330が駆動部の例であり、ディスプレイ350が報知部の例である。
Further, the
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。 As each constituent element in the claims, various other elements having configurations or functions described in the claims can be used.
(9)他の実施の形態
送光装置70のLD71としては、近赤外パルスレーザに限らず、種々の波長のレーザ素子を用いることができる。
(9) Other Embodiments The
また、スイッチング素子S1〜S5としては、電界効果トランジスタに限らず、バイポーラトランジスタまたはサイリスタ等の種々のスイッチング素子を用いることができる。 The switching elements S1 to S5 are not limited to field effect transistors, and various switching elements such as bipolar transistors or thyristors can be used.
さらに、電流積分回路からなる電流制御回路74の代わりに、ホール素子を用いてインダクタ電流ILが目標値に達したことを検出してもよい。
Furthermore, instead of the
上記のレーザレーダ装置1は、自動二輪車に限らず、4輪の自動車、3輪の自動車、電動自転車、滑走艇、水上バイク、電動車椅子、船舶、ヘリコプター等の種々の輸送機器に用いることができる。
The
本発明は、レーザ光を用いて検出対象物までの距離等の情報を測定するために利用することができる。 The present invention can be used to measure information such as a distance to a detection target using a laser beam.
1 レーザレーダ装置
10 検出対象物
20 モータ回転数制御部
30 モータ
31 プーリ
32 ベルト
40 エンコーダ
50 発光間隔パルス生成部
60 発光トリガ生成部
70 送光装置
71 LD
72,81a 保持部材
73 放電回路
74 電流積分回路
75 ゲート駆動回路
80 受光装置
81 APD
90 信号処理部
100 距離生成部
110 角度生成部
120 レーダ画像生成部
140 検出対象物認識部
150 危険判定部
200 保持体
201 モータ保持部
210,250 反射鏡
220 投受光レンズ
230 ベアリング
240 保持部材
300 自動二輪車
310 車体
320 前輪
330 後輪
340 ECU
350 ディスプレイ
700 レーザ光生成回路
AS 角度信号
BS 2値化信号
C1 バイパスコンデンサ
C2 コンデンサ
C3 放電コンデンサ
CH 充電判定信号
CP1,CP2 比較器
CT 充電タイミング信号
D1 フライホイールダイオード
D2 ダイオード
D3 定電圧ダイオード
D4,D5 整流ダイオード
Db 時間間隔
DG 距離生成信号
DS 距離信号
EI 発光間隔パルス
EL 発射光
EP エンコーダパルス
ET 発光トリガ
GD ゲート駆動信号
INV インバータ
IL インダクタ電流
L1 インダクタ
L2 寄生インダクタンス
N1〜N10 ノード
Pe 発射光パルス
PE,PR パルス
Pr,Pr1,Pr2 反射光パルス
PS 直流電源
R1〜R8, 抵抗
RE 受光信号
RL 反射光
OP 原点パルス
OT 出力電圧
S1〜S5 スイッチング素子
SW スイッチング信号
t1〜t5 時点
T2 発光間隔
Vref 基準電圧
DESCRIPTION OF
72,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 90 Signal processing part 100 Distance generation part 110 Angle generation part 120 Radar image generation part 140 Detection target object recognition part 150
350
Claims (8)
前記電源により発生される磁気エネルギーを蓄積するインダクタと、
前記インダクタに蓄積される磁気エネルギーにより充電されるコンデンサと、
前記コンデンサの放電電流によりレーザ光を発生するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードと直列に設けられる第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子のオンおよびオフを制御する第1の制御回路と、
前記電源、前記インダクタおよび前記コンデンサにおける電流径路を切り替える切り替え回路とを備え、
前記切り替え回路は、前記電源から前記インダクタに電流を供給する第1の電流径路を形成した後、前記インダクタに蓄積された磁気エネルギーにより前記コンデンサを充電する第2の電流径路を形成し、前記コンデンサが予め定められた電圧値まで充電された状態で前記インダクタを前記電源から遮断し、
前記第1の制御回路は、前記切り替え回路により前記インダクタが前記電源から遮断された後に前記第1のスイッチング素子をオンさせる、レーザ光生成回路。 A power source that generates a DC voltage;
An inductor for storing magnetic energy generated by the power source;
A capacitor charged by the magnetic energy stored in the inductor;
A laser diode that generates laser light by the discharge current of the capacitor;
A first switching element provided in series with the laser diode;
A first control circuit for controlling on and off of the first switching element;
A switching circuit for switching a current path in the power source, the inductor and the capacitor,
The switching circuit forms a first current path for supplying current from the power source to the inductor, and then forms a second current path for charging the capacitor by magnetic energy accumulated in the inductor, and the capacitor Is disconnected from the power source in a state where is charged to a predetermined voltage value,
The first control circuit is a laser light generation circuit that turns on the first switching element after the inductor is disconnected from the power source by the switching circuit.
前記切り替え回路は、
前記電源の一方の電極と前記インダクタの一端との間に接続される第2のスイッチング素子と、
前記インダクタの他端と接地電位との間に接続される第3のスイッチング素子と、
前記コンデンサの電圧を前記予め定められた電圧値以下に制限する電圧制限回路と、
前記発光トリガの各周期の第1のタイミングで前記第2のスイッチング素子をオンするとともに前記第3のスイッチング素子をオンし、前記電源から前記インダクタに供給される電流が予め定められた値に達したときに前記第3のスイッチング素子をオフし、前記コンデンサが前記予め定められた電圧値まで充電されて前記電圧制限回路により前記コンデンサの電圧が前記予め定められた電圧値に保持されている状態で前記第2のスイッチング素子をオフする第2の制御回路とを含み、
前記第1の電流径路は、前記電源から前記第2のスイッチング素子、前記インダクタおよび前記第3のスイッチング素子を経由して接地電位に電流が流れる径路であり、
前記第2の電流径路は、前記インダクタから前記コンデンサに電流が流れる径路である、請求項1記載のレーザ光生成回路。 The laser light generation circuit operates in response to a light emission trigger having a certain period,
The switching circuit is
A second switching element connected between one electrode of the power source and one end of the inductor;
A third switching element connected between the other end of the inductor and a ground potential;
A voltage limiting circuit for limiting the voltage of the capacitor to the predetermined voltage value or less;
At the first timing of each cycle of the light emission trigger, the second switching element is turned on and the third switching element is turned on, and the current supplied from the power source to the inductor reaches a predetermined value. The third switching element is turned off, the capacitor is charged to the predetermined voltage value, and the voltage of the capacitor is held at the predetermined voltage value by the voltage limiting circuit. And a second control circuit for turning off the second switching element,
The first current path is a path through which a current flows from the power source to a ground potential via the second switching element, the inductor, and the third switching element.
The laser light generation circuit according to claim 1, wherein the second current path is a path through which a current flows from the inductor to the capacitor.
前記コンデンサが前記予め定められた電圧値まで充電されたときに前記コンデンサの電圧を前記予め定められた電圧値に保持する定電圧ダイオードを含み、
前記第2の制御回路は、
前記発光トリガの前記第1のタイミングで前記第3のスイッチング素子をオンし、前記電源から前記インダクタに供給される電流が予め定められた値に達したときに前記第3のスイッチング素子をオフする電流検出回路と、
前記第1のタイミングで前記第2のスイッチング素子をオンし、前記定電圧ダイオードにより前記コンデンサの電圧が前記予め定められた電圧値に保持されている状態で前記第2のスイッチング素子をオフする電圧検出回路とを含む、請求項2記載のレーザ光生成回路。 The voltage limiting circuit is:
A constant voltage diode that holds the voltage of the capacitor at the predetermined voltage value when the capacitor is charged to the predetermined voltage value;
The second control circuit includes:
The third switching element is turned on at the first timing of the light emission trigger, and the third switching element is turned off when a current supplied from the power source to the inductor reaches a predetermined value. A current detection circuit;
Voltage that turns on the second switching element at the first timing and turns off the second switching element in a state where the voltage of the capacitor is held at the predetermined voltage value by the constant voltage diode. The laser light generation circuit according to claim 2, further comprising a detection circuit.
前記第2のスイッチング素子は、前記発光トリガの各周期の前記第1のタイミングから前記第1の期間よりも長い第3の期間オン状態となり、残りの第4の期間オフ状態となり、
前記第2のタイミングは前記第4の期間内に設定される、請求項2〜4のいずれかに記載のレーザ光生成回路。 The third switching element is turned on for a first period from the first timing of each cycle of the light emission trigger, and is turned off for the remaining second period,
The second switching element is turned on for a third period longer than the first period from the first timing of each cycle of the light emission trigger, and is turned off for the remaining fourth period,
The laser light generating circuit according to claim 2, wherein the second timing is set within the fourth period.
前記検出対象物からの反射光を受ける受光装置と、
前記受光装置により受光された反射光に基づいて前記検出対象物に関する情報を算出する算出部とを備え、
前記送光装置は、請求項1〜6のいずれかに記載のレーザ光生成回路を含む、レーザレーダ装置。 A light transmission device that emits a pulsed laser beam to a detection object;
A light receiving device that receives reflected light from the detection object;
A calculation unit that calculates information on the detection object based on reflected light received by the light receiving device;
The said light transmission apparatus is a laser radar apparatus containing the laser beam generation circuit in any one of Claims 1-6.
前記本体部を移動させる駆動部と、
前記本体部に設けられる請求項7記載のレーザレーダ装置と、
前記レーザレーダ装置により得られる情報を乗員に報知する報知部とを備えた、輸送機器。 The main body,
A drive unit for moving the main body unit;
The laser radar device according to claim 7 provided in the main body,
A transportation device comprising: an informing unit for informing an occupant of information obtained by the laser radar device.
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