JP5697478B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
例えば、レーザレーダ装置の受信装置が、一組の受信光学系と受光器から構成されている場合、受信装置における受光器の受光面の長さをw、受信装置の受信光学系のF値をFとすると、受信装置の視野角θと受光量を決める開口径Dの積は、下記の式(1)のように表される。
このため、レーザレーダ装置の画角を広くすると、受信装置の視野角θが広くなり、開口径Dが小さくなるため、測距対象物に対するレーザ光の散乱光の受光量が減少する。これにより、受信SN比が低くなり、レーザ測距可能な距離が短くなる。
一方、散乱光の受光量を増やすためには開口径Dを広くする必要があるが、この場合には、受信装置の視野角θが狭くなるため、レーザレーダ装置の画角が狭くなる。
この受信装置は、従来の受光器には到達できなかった光を、反射を用いて折り返すことで受光器に到達させて、視野角を大きくしているものである。
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図1において、レーザ光送信部1は変調信号でレーザ光を変調し、変調後のレーザ光を測距対象物に向けて走査する処理を実施する。なお、レーザ光送信部1はレーザ光送信手段を構成している。
発振器12は基準となる変調信号を発振させる機能を備えている。変調信号は正弦波でもパルスでも良い。
変調器13は発振器12から発振された変調信号でレーザ装置11から発光されたレーザ光を強度変調し、強度変調後のレーザ光を出力する処理を実施する。
スキャナ14は例えば反射鏡などから構成されており、図示せぬ制御装置の制御の下で走査角が切り替えられて、変調器13から出力された強度変調後のレーザ光を空間中に走査する処理を実施する。
角度モニタ装置15はスキャナ14の走査角を観測し、その走査角を示すスキャナ角度信号を信号処理部3に出力する処理を実施する。
散乱光受信部2の受信光学系21aと受信光学系21bは、互いに異なる視野を有しており、測距対象物に対するレーザ光の散乱光を受信する。
受光器22a,22bは受信光学系21a,21bにより受信された散乱光を電気信号に変換し、その電気信号を信号処理部3に出力する処理を実施する。受光器22a,22bは単素子でもよいし、アレイでもよい。
なお、受信光学系21aと受光器22aから一組の受信光学モジュール23aが構成され、受信光学系21bと受光器22bから一組の受信光学モジュール23bが構成されている。
図1の例では、二組の受信光学モジュールが実装されているものを示しているが、三組以上の受信光学モジュールが実装されていてもよい。
信号処理部3の受信信号選択装置31は複数の受信光学系21a,21bの中で、角度モニタ装置15から出力されたスキャナ角度信号が示す走査角に対応する視野を有する受信光学系を選択し、その受信光学系により受信された散乱光を示す電気信号を距離強度検出装置32に与える処理を実施する。
距離強度検出装置32は受信信号選択装置31から与えられた電気信号の位相あるいは時間と発振器12により発振された変調信号の位相あるいは時間から、その電気信号の位相差あるいは時間差を検出するとともに、その電気信号の振幅を検出し、その位相差あるいは時間差に相当する距離信号と振幅に相当する強度信号を画像処理装置33に与える処理を実施する。変調信号が正弦波の場合、電気信号と変調信号の位相差を検出する。変調信号がパルスの場合、電気信号と変調信号の時間差を検出する。
なお、受信信号選択装置31及び距離強度検出装置32から距離強度検出手段が構成されている。
レーザ光送信部1は、変調信号でレーザ光を変調し、変調後のレーザ光を測距対象物に向けて走査する。
即ち、レーザ光送信部1の変調器13は、発振器12から発振された変調信号でレーザ装置11から発光されたレーザ光を強度変調し、強度変調後のレーザ光をスキャナ14に出力する。
これにより、空間中の測距対象物に向けてレーザ光が送信され、その測距対象物に対するレーザ光の散乱光がレーザレーダ装置に戻ってくる。
なお、角度モニタ装置15は、スキャナ14の走査角を観測しており、その走査角を示すスキャナ角度信号を信号処理部3に出力する。
即ち、散乱光受信部2の受光器22a,22bは、視野が異なる受信光学系21a,21bが測距対象物に対するレーザ光の散乱光を受信すると、その散乱光を電気信号に変換し、その電気信号を信号処理部3に出力する。
このため、例えば、受光器22の受光面の長さwが2mm、開口径Dm1が10mm、受信光学系21のF値が1である場合、1つの受信光学モジュール23の視野角θm1は0.1radとなる。
θt1=Nθm1 (3)
なお、図1のレーザレーダ装置では、二組の受信光学モジュール23a,23bを備えているので、散乱光受信部2の全体の視野角θt1は0.2radとなり、一組の受信光学モジュール23を備えるだけの場合の2倍になる。
例えば、走査角θ1〜θ2に対応する視野を有する受信光学系が受信光学系21aであり、走査角θ2〜θ3に対応する視野を有する受信光学系が受信光学系21bである場合(θ1<θ2<θ3)、スキャナ角度信号が示す走査角がθ1〜θ2の範囲内であれば、受信光学系21aを選択し、スキャナ角度信号が示す走査角がθ2〜θ3の範囲内であれば、受信光学系21bを選択する。
位相差あるいは時間差と振幅の検出処理自体は公知の技術であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
画像処理装置33は、距離強度検出装置32が距離信号である位相差Δφを検出すると、下記の式(4)に示すように、その位相差Δφに基づいて測距対象物までの距離z(測距対象物の視線方向の距離)を算出する。
ここで、cは光速、fは変調信号の周波数である。
また、画像処理装置33は、距離強度検出装置32が距離信号である時間差Δtを検出すると、下記の式(5)に示すように、その時間差Δtに基づいて測距対象物までの距離z(測距対象物の視線方向の距離)を算出する。
例えば、レーザダイオードを用いてレーザ装置11を構成し、変調信号に同期している駆動電流をレーザ装置11に注入することで、直接変調光を生成することができる。
1次元走査の場合、角度モニタ装置15が1次元のスキャナ走査角度を示すスキャナ角度信号を信号処理部3に出力し、信号処理部3の画像処理装置33が2次元の測距画像を生成する。
この場合、受光器22a,22bは、図2(a)に示すように、スキャン方向に長い受光面を持つことになる。
2次元走査の場合、角度モニタ装置15が2次元のスキャナ走査角度を示すスキャナ角度信号を信号処理部3に出力し、信号処理部3の画像処理装置33が3次元の測距画像を生成する。
この場合、受光器22a,22bは、図2(b)に示すように、2次元状に広がった受光面を持つことになる。
この実施の形態1では、受信光学モジュール23a,23bにおける受信光学系21a,21bの視野が相互に異なっているものを示しているが、受信光学系21a,21bの視野の一部が重なっていてもよい。
この場合、太陽光などの散乱光が受信光学モジュール23a,23bで受信され、散乱光よりも大きな信号として出力された場合でも、太陽光などの信号は距離強度検出装置32a,32bでカットされるので、信号を正確に選択することができる。
図4はこの発明の実施の形態2によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
この実施の形態2では、散乱光受信部2の全体の視野角がθt2であって、散乱光受信部2がN台の受信光学モジュール23が実装しているものを説明するが(図4の例では、N=2)、N台の受信光学モジュール23における受信光学系21として、散乱光受信部2の全体の視野角θt2がN分割された角度θt2/Nの視野角θm2を有する受信光学系21を使用しているものとする。
例えば、受光器22の受光面の長さwが2mm、開口径Dmが10mm、受信光学系21のF値が1である場合、1つの受信光学モジュール23における受信光学系21の視野角θm2は0.1radとなる。
θm2=θt2/N (6)
例えば、散乱光受信部2の全体の視野角θt2が0.1rad、受光器22の受光面の長さwが2mm、受信光学系21のF値が1である受信光学モジュール23が2台実装される場合、1つの受信光学モジュール23における受信光学系21の視野角θm2が0.05radになり、開口径Dm2が20mmになる。
また、受信SN比をS、測距対象物までの距離をL、測距対象物の反射率をRとすると、下記の式(8)に示されるように、受信光学モジュール23の台数Nの二乗に比例して受信SN比を増大させることができる。
上記実施の形態1,2では、散乱光受信部2の受信光学系21aと受信光学系21bが、互いに異なる視野を有しているものを示したが、この実施の形態3では、受信光学系21aと受信光学系21bの視野の一部が重なっている例を説明する。
図5はこの発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
信号処理部3の受信信号加算装置34は受信光学モジュール23aにより受信された散乱光を示す電気信号と、受信光学モジュール23bにより受信された散乱光を示す電気信号とを加算し、加算後の電気信号を距離強度検出装置32に与える処理を実施する。
なお、受信信号加算装置34及び距離強度検出装置32から距離強度検出手段が構成されている。
信号処理部3の受信信号加算装置34では、受信光学モジュール23aから出力された電気信号と、受信光学モジュール23bから出力された電気信号とを加算するので、視野が重なっている部分では、1つの受信光学モジュール23から出力された電気信号を選択する場合よりも、受信信号である電気信号の信号強度を強くすることができる。
また、視野が重なっている部分では、信号強度が強くなることから、レーザレーダ装置では、視野が重なっていない領域での低感度の画角と、視野が重なっている領域での高感度の画角とを併せ持つことができる。
これにより、例えば、ある領域だけ反射率が低い測距対象物、あるいは、距離が遠い測距対象物が存在していることが分かっている場合、その領域において、受信光学系21aと受信光学系21bの視野を重ねて感度を高めれば、測距対象物から到来する散乱光の受光量を増やすことができる。
図6はレーザ光送信部1及び信号処理部3と一体で、レーザレーダ装置の筺体内に受信光学モジュール23a,23bが配置されている例を示している。
図7はレーザ光送信部1及び信号処理部3を収納している筺体から離れている位置に設置されている別々の受信装置の筺体内に受信光学モジュール23a,23bが配置されている例を示している。
図8は受信光学モジュール23aについてはレーザ光送信部1及び信号処理部3を収納している筺体内に配置されているが、受信光学モジュール23bについては、その筺体から離れている位置に設置されている受信装置の筺体内に配置されている例を示している。
これに対して、図7及び図8のように、受信光学モジュール23aと受信光学モジュール23bを離して配置している場合には、複数に分かれている散乱光を受信することができる。
Claims (4)
- 変調信号でレーザ光を変調し、変調後のレーザ光を測距対象物に向けて走査するレーザ光送信手段と、
視野が異なる複数の受信光学系を用いて、上記測距対象物に対する上記レーザ光の散乱光を受信し、上記散乱光を示す電気信号を出力する散乱光受信手段と、
上記散乱光受信手段から出力された電気信号と上記変調信号の位相差あるいは時間差を検出するとともに、上記電気信号の振幅を検出する距離強度検出手段と、
上記距離強度検出手段により検出された位相差あるいは時間差に基づいて上記測距対象物までの距離を算出する距離強度算出手段と
を備え、
上記距離強度検出手段は、上記複数の受信光学系ごとの受光器により出力された電気信号の中で、信号強度が高い電気信号を一つ選択し、当該電気信号と変調信号の位相差あるいは時間差、および当該電気信号の振幅を検出することを特徴とするレーザレーダ装置。 - 変調信号でレーザ光を変調し、変調後のレーザ光を測距対象物に向けて走査するレーザ光送信手段と、
視野が異なる複数の受信光学系を用いて、上記測距対象物に対する上記レーザ光の散乱光を受信し、上記散乱光を示す電気信号を出力する散乱光受信手段と、
上記散乱光受信手段から出力された電気信号と上記変調信号の位相差あるいは時間差を検出するとともに、上記電気信号の振幅を検出する距離強度検出手段と、
上記距離強度検出手段により検出された位相差あるいは時間差に基づいて上記測距対象物までの距離を算出する距離強度算出手段と
を備え、
上記距離強度検出手段は、上記複数の受信光学系ごとの受光器により出力された電気信号と上記変調信号との位相差あるいは時間差、および上記電気信号の振幅を検出し、上記複数の受信光学系ごとの電気信号のうち信号強度が高い電気信号と上記変調信号との位相差あるいは時間差を一つ選択するとともに、当該電気信号の振幅を選択して上記距離強度算出手段に出力することを特徴とするレーザレーダ装置。 - 上記散乱光受信手段の全体の視野角がθtである場合、視野角がθt/Nである受信光学系がN台実装されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載のレーザレーダ装置。
- 変調信号でレーザ光を変調し、変調後のレーザ光を測距対象物に向けて走査するレーザ光送信手段と、
視野が異なる複数の受信光学系を用いて、上記測距対象物に対する上記レーザ光の散乱光を受信し、上記散乱光を示す電気信号を出力する散乱光受信手段と、
上記散乱光受信手段から出力された電気信号と上記変調信号の位相差あるいは時間差を検出するとともに、上記電気信号の振幅を検出する距離強度検出手段と、
上記距離強度検出手段により検出された位相差あるいは時間差に基づいて上記測距対象物までの距離を算出する距離強度算出手段と
を備え、
上記距離強度検出手段は、視野の一部が重なっている複数の受信光学系により受信された散乱光を示す電気信号を加算し、加算後の電気信号と変調信号との位相差あるいは時間差、および当該加算後の電気信号の振幅を検出することを特徴とするレーザレーダ装置。
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