JP5602225B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、ターゲットに対しレーザ光を送受信して、ターゲット上の多点までの距離を計測し、この多点に関する距離情報からターゲットの３次元形状を計測するレーザレーダ装置に関するものである。

従来のこの種のレーザレーダ装置としては、例えば非特許文献１に記載されたものが知られている。

この従来のレーザレーダ装置では、受信系にアスペクト比の大きい長尺型受光素子を用いることで、受光量を大きくするための大きい受信開口を保持しつつ、受光素子の長尺方向に対して広い、ライン状の受信視野をスキャンレスで確保し、さらにライン状の視野内において送信ビームのみをＭＥＭＳスキャナを用いて高速１次元スキャンすることでターゲットの断面形状を高速に計測している。

今城他、「受信スキャンレス型ＣＷ変調方式３ＤImagingLADARの開発」、第２７回レーザセンシングシンポジウム予稿集、ｐｐ．１８−１９，２００９ 平井他、「パルス方式３ＤImagingLADARの開発」、第２７回レーザセンシングシンポジウム予稿集、ｐｐ．９０−９１，２００９

しかしながら、従来技術には、以下のような課題があった。広い視野を実現できるのが受光素子の長尺方向のみであるため、高速撮像できるのがターゲットの断面形状のみであった。したがって、３次元形状を計測するために、受光素子の長尺方向と直交する方向に関し、送信ビームと受信視野の両方をスキャンする構成となっていた。受光量を大きくするために大きい受信開口とした状態で受信視野をスキャンすると、大きい受信開口を持つ大きい受信レンズをスキャンすることとなる。しかし、大きい受信レンズを高速スキャンすると、結果としてスキャナへの負荷が高くなり、スキャナ駆動部の磨耗等によりスキャナの寿命が短くなり、さらに、その結果として装置全体としての寿命が短くなるという問題点があった。

このとき、スキャンレス状態での受信視野を、受光素子の長尺方向と直交する方向にも広げることができれば、この直交する方向に受信視野をスキャンする必要がなく、小さい径の送信ビームのみを２次元スキャンすれば良いこととなり、上記問題点を回避できる。しかし、この場合、次に示す問題点があった。

受光素子の長尺方向と直交する方向にも広い視野を実現するには、長尺型受光素子のサイズに関し、短辺側を長くする形で正方形に近づける必要があった。この場合、受光素子のサイズが大きくなるのに伴って受光素子の電気的容量が増大し、その結果として受光素子の応答周波数帯域が低下するという問題点が生じる。この帯域低下が生じると、特に光パルスを送受信するタイプの測距を用いる場合において、短パルスへの応答性が低下し、測距精度が低下するという問題点があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、受信スキャンレスでの広い２次元視野、大きい受信開口、及び短パルス光への応答性を兼ね備えることを新たに可能とするレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーザレーダ装置は、トリガ信号に基づいてパルスレーザ光を発生させて送信パルスとして出力するレーザ光源と、前記送信パルスのペンシル状の送信ビームを、受光素子の長尺方向及びこの受光素子の長尺方向と直交する方向の２次元スキャンしながらターゲットに向け送信パルスを送信するとともに、スキャン角度情報を出力するスキャナと、前記送信パルスが前記ターゲットにより散乱された後、到来した受信光を受信する受信レンズと、前記受信光を電気信号領域からなる受信信号に変換して出力する、長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べた長尺受光素子アレイと、前記受信信号を増幅するするトランスインピーダンスアンプアレイと、前記トランスインピーダンスアンプアレイの各素子からの受信信号を加算する加算回路と、前記加算回路からの出力信号のターゲットまでの光往復時間を計測する距離検出回路と、前記スキャン角度情報と対応させながら前記スキャナを２次元スキャン動作させることにより、前記光往復時間及び光速に基づき前記ターゲット上の多点までの距離を求めて、前記ターゲットの３次元形状を計測する信号処理部とを備えるものである。

本発明に係るレーザレーダ装置によれば、従来では困難だった、スキャンレスでの広い２次元の受信視野と短パルスへの応答性を兼ね備えることを実現することができる。これにより、３次元形状を計測する場合においても、ビーム径の小さい送信ビームのみをスキャンすればよく、スキャナに小さいサイズのスキャナ、例えばＭＥＭＳスキャナ、を用いることができ、結果として高速スキャンしてもスキャナへの負荷が少なく、長寿命なスキャナ動作を実現することができる。

この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置の長尺受光素子アレイの構成を示す図である。 この発明の実施例２に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。

以下、本発明のレーザレーダ装置の好適な実施例につき図面を用いて説明する。

この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。また、図２は、この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置の長尺受光素子アレイの構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置は、レーザ光源１と、スキャナ２と、受信レンズ３と、長尺受光素子アレイ４と、トランスインピーダンスアンプアレイ５と、加算回路６と、距離検出回路７と、信号処理部８とが設けられている。

図１において、レーザ光源１とスキャナ２との間、受信レンズ３と長尺受光素子アレイ４との間は、空間からなる光回路である。

また、信号処理部８とレーザ光源１との間、信号処理部８とスキャナ２との間、長尺受光素子アレイ４とトランスインピーダンスアンプアレイ５との間、トランスインピーダンスアンプアレイ５と加算回路６との間、加算回路６と距離検出回路との間、距離検出回路７と信号処理部８との間は、電線ケーブルにより接続されている。

図１において、レーザ光源１は、信号処理部８からのトリガ信号に基づいてパルスレーザ光を発生させ、これを送信パルスとして送信する機能を有している。また、スキャナ２は、信号処理部８により駆動され、送信パルスの送信ビームを、送信パルスの照射方向である受光素子の長尺方向及びこの受光素子の長尺方向と直交する方向の２次元をスキャンしながらターゲットに向け送信パルスを送信するとともに、スキャン角度情報を信号処理部８に送る機能を有している。

また、受信レンズ３は、送信パルスがターゲットにより散乱された後、到来した受信光を受信し、長尺受光素子アレイ４上に送る機能を有している。長尺受光素子アレイ４は、アレイを構成する複数の素子により受信光を電気信号領域からなる受信信号に変換して、この受信信号をトランスインピーダンスアンプアレイ５に送る機能を有している。

トランスインピーダンスアンプアレイ５の各素子は、長尺受光素子アレイ４の各素子からの受信信号をそれぞれ増幅した後、加算回路６に送る機能を有している。加算回路６は、トランスインピーダンスアンプアレイ５の各素子からの出力信号を加算し、距離検出回路７に送る機能を有している。

距離検出回路７は、加算回路６からの出力信号のターゲットまでの光往復時間を計測し、信号処理部８に送る機能を有している。信号処理部８は、レーザ光源１、スキャナ２及び距離検出回路７の動作タイミングを司り、ターゲットまでの光往復時間と、スキャナ２の角度情報を対応させながらスキャナ２を、受光素子の長尺方向及びこの受光素子の長尺方向と直交する方向の２次元スキャン動作させ、ターゲット上の多点までの距離情報を得ることから、ターゲットの３次元形状を計測する機能を有している。

図１において、長尺受光素子アレイ４の１素子（長尺受光素子）は、短いパルスに応答できる程度に小さい素子サイズであるが、アスペクト比の大きいものである。これにより、長尺方向に関しては、この１素子分のみでも広いライン状の視野を実現できている。さらに、図１に示すように、この１素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べることで、受光素子の長尺方向と直交する方向に関しても広い視野を実現している。なお、長尺受光素子アレイ４は、図２（ａ）に示すように、単一の素子で構成しても良いし、図２（ｂ）に示すように、２次元アレイで構成しても良い。

つぎに、この実施例１に係るレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

まず、レーザ光源１から、信号処理部８からのトリガ信号に基づいてパルスレーザ光を発生させ、これを送信パルスとして送信する。また、スキャナ２を信号処理部８により駆動し、送信パルスの送信ビームを、送信パルスの照射方向である受光素子の長尺方向及びこの受光素子の長尺方向と直交する方向の２次元スキャンしながらターゲットに向け送信パルスを送信するとともに、スキャン角度情報を信号処理部８に送る。この際、送信ビームは、ターゲット上での照射スポットサイズが所望の画素分解能以下となるよう、ペンシル状のビームとしておく。

送信パルスはターゲット上で散乱され、送信パルスがターゲットにより散乱された後、到来した受信光が受信レンズ３を介し、長尺受光素子アレイ４上に送られる。

次に、長尺受光素子アレイ４は、アレイを構成する複数の素子により受信光を電気信号領域からなる受信信号に変換して、この受信信号をトランスインピーダンスアンプアレイ５に送る。

次に、トランスインピーダンスアンプアレイ５は、長尺受光素子アレイ４の複数の素子からの受信信号を、対応する各素子で増幅した後、加算回路６に送る。

次に、加算回路６は、トランスインピーダンスアンプアレイ５の各素子からの信号を加算して１つの信号とし、距離検出回路７に送る。

次に、距離検出回路７は、加算回路６からの出力信号のターゲットまでの光往復時間を計測し、信号処理部８に送る。この往復時間を計測する距離検出回路７の具体的な回路構成は、非特許文献２に示されている。この距離検出回路７は、信号処理部８から、レーザ光源１を駆動するためのトリガ信号に同期したゲート信号が入力されると、往復時間に比例したアナログ電圧を出力する。

そして、信号処理部８は、ターゲットまでの光往復時間を距離検出回路７から出力されるアナログ電圧値をＡＤ変換することにより求める。さらに、この光往復時間と光速とから、ターゲットまでの距離を計測する。この際、送信ビームを細いペンシル状としているため、計測しているターゲット上の領域は１点のみであり、この点までの距離が計測されることとなる。

また、信号処理部８は、この距離計測を、スキャナ２の角度情報、つまり送信ビームの送信方向と対応させながらスキャナ２を、受光素子の長尺方向及びこの受光素子の長尺方向と直交する方向の２次元スキャン動作させて行う。これにより、ターゲット上の多点までの距離情報を得ることができ、結果としてターゲットの３次元形状を計測することが可能となる。

この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置では、短パルスへの応答性を保持するために受光素子の１素子を長尺型として１素子のサイズを制限しつつ、長尺型の長所である受光素子の長尺方向の広い受信視野を実現している。さらに、この長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べることで、受光素子の長尺方向と直交する方向に対しても広い視野を実現している。これにより、従来困難であった、スキャンレスでの広い２次元の受信視野と短パルスへの応答性を兼ね備えることを実現している。また、３次元形状を計測する場合においても、ビーム径の小さい送信ビームのみをスキャンすればよく、スキャナ２に小さいサイズのスキャナ、例えばＭＥＭＳスキャナ、を用いることができ、結果として高速スキャンしてもスキャナ２への負荷が少なく、長寿命なスキャナ動作を実現できる効果がある。

また、この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置では、受光素子及びトランスインピーダンスはアレイであり、複数の素子により構成されているが、その出力を加算回路６により加算して１つとしている。つまり、受光素子アレイ４、トランスインピーダンスアンプアレイ５、及び加算回路６により等価的に単素子の受信系を構築しており、その結果として、その後段に接続される距離検出回路７をアレイ化する必要がない。これにより、回路構成が単純となり、装置の低コスト化、高信頼化を実現できる。

さらに、この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置では、次に示す利点が存在する。通常、受光素子がアレイの場合は、アレイの素子数で３次元形状画像の画素数が決まる。しかし、本装置では、送信ビームの照射点を変えながら、１つの送信パルスごとに１画素ずつ計測しており、画素数を決めるのは１フレームを計測する時間内に送信する送信パルスの数で決まる。したがって、送信パルスの繰り返し周波数を大きくしてフレーム計測時間内に多数のパルスを送信すればするほど、フレーム内に計測する画素が増えることとなる。したがって、アレイの素子数以上の画素数で計測することが可能である。言い換えると、通常のアレイ受信の場合と比較して、同じ画素数の計測結果を少ないアレイ素子数で実現することができ、構成をシンプルにして装置の低コスト化、高信頼化を実現できるという効果が生じている。この効果が得られるのは、本装置が、送信ビームがどの位置を照射しているかは装置側で把握できているので、計測位置を受光素子アレイの素子と対応付ける必要がないためである。

なお、この発明の実施例１に係るレーザレーダ装置では、長尺受光素子アレイ４を並べた際に、アレイ素子間に隙間ができる。受信レンズ３により受信光が集光されて長尺受光素子アレイ４に入射した際、隙間に集光すると、電気信号に変換できず、結果としてこの際の送信ビームの照射位置がデッドゾーンとなる可能性がある。この場合は、次の工夫をさらに施すことにより、この問題を回避できる。受信レンズ３の焦点距離からはずした位置に、長尺受光素子アレイ４を配置する。これにより、受信レンズ３からの受信光のスポットが、点状に集光された状態に対し拡がった状態で長尺受光素子アレイ４上に照射される。この際、受信光のスポットが、隙間のサイズよりも大きくなるように設定しておくことで、少なくとも１つ以上の長尺受光素子の受信光が入射する形となり、上述したデッドゾーンの発生を回避することが可能となる。この際、２つ以上の長尺受光素子から受信信号が出力されることとなるが、後段において加算回路６により加算しているので、信号エネルギーを大幅に損なうことについても回避できる。

この発明の実施例２に係るレーザレーダ装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施例２に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。

図３において、レーザ光源１と、ビーム成形レンズ９と、スキャナ２と、受信レンズ３と、長尺受光素子アレイ４と、トランスインピーダンスアンプアレイ５と、距離検出回路アレイ１０と、マルチプレクサ１１と、信号処理部８とが設けられている。

つぎに、この実施例２に係るレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

この実施例２の基本的な構成及び動作は、上記の実施例１と同様であるが、異なる点について以下において説明する。

図３において、ビーム成形レンズ９は、レーザ光源１からの送信パルスの送信ビームをライン状ビームに成形し、ターゲット上のあるラインに１度に照射する。このときのライン状のビームは、長尺受光素子アレイ４の１素子が生成するライン状の受信視野と直交する方向である。

スキャナ２は、２次元スキャンではなく、１次元のラインスキャンタイプであり、照射ビームはこの受光素子の長尺方向にスキャンする。

距離検出回路アレイ１０の各素子は、長尺受光素子アレイ４の各素子にそれぞれ接続されており、マルチプレクサ１１により、長尺受光素子アレイ４の各素子の出力の１つが選択された後、信号処理部８に送られる。

信号処理部８は、マルチプレクサ１１により選択する距離検出回路アレイ１０の各素子からの出力を切り替えるための切り替え機能を新たに有している。

図３のレーザレーダ装置では、図１のレーザレーダ装置とは異なり、ライン状ビームで一度にターゲット上のあるラインを照射する。また、各点からの散乱光を、受信レンズ３を用いて各点に対応する長尺受光素子アレイ４の各素子上に集光する。長尺受光素子アレイ４の各素子は、受信光を電気信号からなる受信信号に変換し、各受信信号をトランスインピーダンスアンプアレイ５の各素子、距離検出回路アレイ１０の各素子により並列処理して、照射したターゲット上の各点までの距離を同時に検出する。

次に、マルチプレクサ１１により切り替えることで距離検出回路アレイ１０の各素子からの距離情報、具体的には光往復時間に比例するアナログ電圧を読み出し、信号処理部８においてＡＤ変換後、アナログ電圧から各素子に関するターゲットまでの距離を求める。この時点で、ターゲット上の送信ビーム照射方向の断面形状が計測される。この断面形状の計測を、受光素子の長尺方向に１次元スキャンしながら行うことで、結果的に３次元画像を計測することが可能となる。

なお、この発明の実施例２に係るレーザレーダ装置では、上記の実施例１で述べた、短パルスへの応答性を保持するために受光素子の１素子を長尺型として１素子のサイズを制限しつつ、受光素子の長尺方向の広い受信視野を実現でき、さらにスキャンを高速化しても長寿命性を保持できるという効果を有する。

また、距離検出回路７をアレイ化した距離検出回路アレイ１０を用いており、装置が複雑化する課題はあるものの、１つの送信パルスで一度にターゲット上のあるラインに関する断面形状を一度に取得できるので、１つの３次元形状を得るのに必要な送信パルスの数を少なくできる。したがって、同じ計測レートの場合であれば送信パルスの繰り返し周波数を落とすことが可能となるし、見方を変えると、同じ送信パルスの繰り返し周波数において撮像レートを上げることが可能である。

１ レーザ光源、２ スキャナ、３ 受信レンズ、４ 長尺受光素子アレイ、５ トランスインピーダンスアンプアレイ、６ 加算回路、７ 距離検出回路、８ 信号処理部、９ ビーム成形レンズ、１０ 距離検出回路アレイ、１１ マルチプレクサ。

Claims (2)

1. トリガ信号に基づいてパルスレーザ光を発生させて送信パルスとして出力するレーザ光源と、
   前記送信パルスのペンシル状の送信ビームを、受光素子の長尺方向及びこの受光素子の長尺方向と直交する方向の２次元スキャンしながらターゲットに向け送信パルスを送信するとともに、スキャン角度情報を出力するスキャナと、
   前記送信パルスが前記ターゲットにより散乱された後、到来した受信光を受信する受信レンズと、
   前記受信光を電気信号領域からなる受信信号に変換して出力する、長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べた長尺受光素子アレイと、
   前記受信信号を増幅するするトランスインピーダンスアンプアレイと、
   前記トランスインピーダンスアンプアレイの各素子からの受信信号を加算する加算回路と、
   前記加算回路からの出力信号のターゲットまでの光往復時間を計測する距離検出回路と、
   前記スキャン角度情報と対応させながら前記スキャナを２次元スキャン動作させることにより、前記光往復時間及び光速に基づき前記ターゲット上の多点までの距離を求めて、前記ターゲットの３次元形状を計測する信号処理部と
   を備えたレーザレーダ装置。
2. トリガ信号に基づいてパルスレーザ光を発生させて送信パルスとして出力するレーザ光源と、
   前記送信パルスをライン状ビームに成形して出力するビーム成形レンズと、
   前記送信パルスのライン状の送信ビームを、受光素子の長尺方向と直交する方向の１次元スキャンしながらターゲットに向け送信パルスを送信するとともに、スキャン角度情報を出力するスキャナと、
   前記送信パルスが前記ターゲットにより散乱された後、到来した受信光を受信する受信レンズと、
   前記受信光を電気信号領域からなる受信信号に変換して出力する、長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べた長尺受光素子アレイと、
   前記受信信号を増幅するするトランスインピーダンスアンプアレイと、
   前記トランスインピーダンスアンプアレイの各素子からの出力信号のターゲットまでの光往復時間を計測する距離検出回路アレイと、
   前記スキャン角度情報と対応させながら前記スキャナを１次元スキャン動作させることにより、前記光往復時間及び光速に基づき前記ターゲット上の多点までの距離を求めて、前記ターゲットの３次元形状を計測する信号処理部と、
   前記距離検出回路アレイの各素子と前記信号処理部を切り替え接続するマルチプレクサと
   を備えたレーザレーダ装置。

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