JP6846506B2 - 時間領域波形マッチングによるレーザ測距システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は計測器の技術分野に関し、特にパルスレーザ測距システム及びその方法に関するものである。

パルスレーザ測距の基本原理は、パルスレーザを目標に向けて能動的に発射し、次に目標上の照射点からのレーザエコー信号を検出し、パルスレーザの飛行時間を測定することで目標から測距儀までの距離を取得できるというものである。パルスレーザ測距の測距精度は、レーザの飛行時間に対する測定精度によって決まる。パルスレーザは大気や目標の拡散反射特性の影響を受けるため、レーザエコー信号の幅や形状に大きな差が生じ、それによって形成された時間ドリフトエラーがレーザエコー信号のタイミングを精確に確定することを困難にしてしまう。現在、レーザエコー信号のタイミングを弁別する主な方法としては、リーディング・エッジ弁別法、コンスタント・フラクション弁別法、ＣＲ−ハイパス弁別法及び誤差補償方法の４種類がある。リーディング・エッジ弁別法は、１つの所定閾値を用いてレーザエコー信号のストップタイミングを確定するというもので、回路は簡単だが、タイミングの時間ドリフトエラーを解決することができない。コンスタント・フラクション弁別法及びＣＲ−ハイパス弁別法はいずれもタイミングの時間ドリフトエラーを有効に除去することができる。コンスタント・フラクション弁別法では、レーザエコー信号のリーディング・エッジがハーフマックスに到達したタイミングをレーザエコー信号のストップタイミングとする。ＣＲ−ハイパス弁別法では、ＣＲ−ハイパスフィルター回路による微分効果を用いて、レーザエコー信号の極値点を零点とし、これをレーザエコー信号のストップタイミングとする。しかし、この２つの方法は回路構造が複雑であり、実現が難しい。誤差補償方法では、複数の異なる所定閾値を用いて同一のレーザエコー信号を測定し、測定した誤差補償曲線を用いて、１つの所定閾値で生じたタイミングの時間ドリフトエラーを補償することで、精確なレーザエコー信号のストップタイミングを得る。この方法は回路構造が簡単で実現が容易であるものの、事前に誤差補償曲線を測定し、誤差補償曲線のフィッティングか又は誤差補償テーブルを構築する必要があり、パルスレーザ測距方法の複雑さが増してしまう。

特許文献１には、時間領域波形のレジストレーション法によるパルスレーザ測距システム及びその方法が開示されているが、本発明者らは、この技術案にはシステムのトリガ閾値がエコー信号の振幅の大きさによって異なり、トリガのタイミングに大きな変動が生じてしまうという問題があることを発見した。

中国特許公開第１０３３６４７９０Ａ号公報

本発明は、ＴＤＣ（時間／デジタル変換器）システムのトリガ閾値がエコー信号の振幅の大きさによって異なり、トリガのタイミングに大きな変動が生じてしまうという問題を効果的に解決し、また低・中間周波数位相式測距方法の測定速度の問題を解決する、時間領域波形マッチングによるレーザ測距システム及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の時間領域波形マッチングによるレーザ測距システムは、システムにソフトウェア部及びハードウェア部を含み、ハードウェア部には視準光学系、ＦＰＧＡ、光学フィルタ、光電変換系、アナログ増幅回路、レーザ照射器、信号合波系、ＡＤＣサンプリング系、及びナローパルスレーザ照射回路を含み、ＦＰＧＡが制御信号をナローパルスレーザ照射回路に送信し、レーザ照射器が前記照射回路に制御されてパルスレーザを照射し、レーザが視準光学系を通じて物体上に照射され、物体がレーザを反射し、視準光学系及び光学フィルタを通じてエコー光信号が光電変換系に伝送され、光電変換系がエコー光信号をエコー電気信号に変換し、さらにアナログ増幅回路を通じて固定振幅アナログエコー信号に変換されて信号合波系に入り、ＦＰＧＡが制御信号を送信してレーザ照射を制御する際に、同時にＦＰＧＡが基準時間パルスを信号合波系に送信し、信号合波系が基準時間パルス及び固定振幅アナログエコー信号をまとめて基準時間付きエコー信号に合成し、基準時間付きエコー信号はＡＤＣサンプリング系中でデジタル検出信号に変換され、ＦＰＧＡに送信されてデータ解析が行われ、時間領域波形マッチングの解析後、ＦＰＧＡが測距結果を出力する。ソフトウェア部は、時間領域波形マッチング解析アルゴリズム、波形圧縮アルゴリズム、光路減衰推定、補間アルゴリズムを含む。

ソフトウェア部はさらに高速アナログ・デジタル変換回路結合アルゴリズムを含むのが好ましく、高速アナログ・デジタル変換回路結合アルゴリズムを用いてエコー信号の時間間隔に対する高速・高精度な測定を行うことで、レーザ測距の毎秒の測定頻度を高める。光学フィルタは、狭帯域光学フィルタであるのが好ましい。

本発明はさらに、上記システムに基づく時間領域波形マッチングによるパルスレーザ測距方法を提供するが、それは以下のステップを含む。

ステップ１で、照射アレイが照射制御部に制御されてエネルギーを蓄積する。

ステップ２で、レーザは、光チャネルを通じて伝送され、拡散反射されて受光光学系に戻り、光電変換系によって光電変換される。

ステップ３で、プリアンプで微弱なエコー信号をＮ倍増幅し、合波系によって基準時間パルスに加える。

ステップ４で、ＡＤＣがエコー信号に対して収集を行い、且つ大量のデータに対して簡単なスクリーニングを行い、予備ピーク検索を行って後続の計算量を減らすためにスクリーニングにより有用な部分を選別し、またエコーパワー推定もここで完了させ、算出したエコー信号のパワー値を照射制御モジュールに送信し、照射制御系は、常にゼロ状態で動作するエネルギー蓄積回路が２回の照射動作における各照射パワー同士を無関係にさせることができ、いずれか１回の照射は照射パワーを所定範囲内で任意に選択することができるように設計される。

ステップ５で、時間領域波形を解析し、それには時間領域波形マッチングアルゴリズム、光路減衰推定を含み、ここでは補間によって高い時間分解能が得られ、時間分解能は５０ｐｓ以上である。

ステップ６で、ＡＧＣは利得が異なる状況下で様々な群遅延がある場合に、速い応答が難しくなるので、精度の保証及び速度調整のために、可変利得プロセスの使用を放棄し、光路減衰を基にエキスパートシステムが照射パワーを調整して光路減衰を補償し、次回のエコー信号エネルギーが期待するパワー範囲内にちょうど位置するようにさせることで、信号対雑音比の良好なエコー信号を取得する。ここで、照射パワー相対値が与えられる。

ステップ７で、照射パワー、測定した距離及びエキスパートシステムに基づき、測距対象の反射率が得られ、それによりグレースケール値を導出する。

ステップ８で、カスタマイズした磁気結合連鎖回路を通じてパケット化された「距離、グレースケール値、極座標、照射パワー、エコー強度、校正」などの情報を回転部からホストコンピュータ装置に送信する。

Ｎの典型値は１０００であるのが好ましい。

本発明は、次の有益な技術的効果を有する。本発明は、エコー信号の波形輪郭の特徴に基づき波形に対して補間、及びピーク検索を行うことで、ＴＤＣ（時間間隔／デジタル変換器）システムのトリガ閾値がエコー信号の振幅の大きさによって異なり、トリガのタイミングに大きな変動が生じてしまうという問題を効果的に解決し、また低・中間周波数位相式測距方法の測定速度の問題を解決する。

現在、ＡＤＣサンプリングで得た１ｎｓの時間間隔データシーケンスに基づき、エコー信号の信号対雑音比が１５ｄＢより良い場合において、５０ｐｓ以上の時間分解能を得ることができる。また、典型的な環境下における測定結果によって、２５６階調のグレースケール画像を与えることができ、ＰＣ側でデータに対して復元を行えば良好な視覚効果が得られる。

本発明の時間領域波形マッチングによるレーザ測距システムの構造ブロック図である。

以下、本発明の具体的な実施例を図に基づきさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の時間領域波形マッチングによるレーザ測距システムの構造ブロック図であり、そのシステムにはソフトウェア部分及びハードウェア部分が含まれる。

ハードウェア部には視準光学系、ＦＰＧＡ、光学フィルタ、光電変換系、アナログ増幅回路、レーザ照射器、信号合波系、ＡＤＣサンプリング系、及びナローパルスレーザ照射回路を含み、ＦＰＧＡが制御信号をナローパルスレーザ照射回路に送信し、レーザ照射器が前記照射回路に制御されてパルスレーザを照射し、レーザが視準光学系を通じて物体上に照射され、物体がレーザを反射し、視準光学系及び光学フィルタを通じてエコー光信号が光電変換系に伝送され、光電変換系がエコー光信号をエコー電気信号に変換し、さらにアナログ増幅回路を通じて固定振幅アナログエコー信号に変換されて信号合波系に入り、ＦＰＧＡが制御信号を送信してレーザ照射を制御する際に、同時にＦＰＧＡが基準時間パルスを信号合波系に送信し、信号合波系が基準時間パルス及び固定振幅アナログエコー信号をまとめて基準時間付きエコー信号に合成し、基準時間付きエコー信号はＡＤＣサンプリング系中でデジタル検出信号に変換され、ＦＰＧＡに送信されてデータ解析が行われ、時間領域波形マッチングの解析後、ＦＰＧＡが測距結果を出力する。ソフトウェア部分に時間領域波形マッチング解析アルゴリズム、光路減衰推定、補間アルゴリズムを含み、またソフトウェア部分はさらに高速アナログ・デジタル変換回路結合アルゴリズムを含み、高速アナログ・デジタル変換回路結合アルゴリズムを用いてエコー信号の時間間隔に対する高速・高精度な測定を行うことで、レーザ測距の毎秒の測定頻度を高める。

本発明では、上記システムを応用した、時間領域波形マッチングによるパルスレーザ測距方法を提供するが、それは以下のステップを含む。

ステップ１で、照射アレイが照射制御部に制御されてエネルギーを蓄積する。

ステップ２で、レーザは、光チャネルを通じて伝送され、拡散反射されて受光光学系に戻り、光電変換系によって光電変換される。

ステップ３で、プリアンプで微弱なエコー信号をＮ倍（Ｎの典型値）増幅し、合波系によって基準時間パルスに加える。

ステップ４で、ＡＤＣがエコー信号に対して収集を行い、且つ大量のデータに対して簡単なスクリーニングを行い、予備ピーク検索を行って後続の計算量を減らすためにスクリーニングにより有用な部分を選別し、またエコーパワー推定もここで完了させ、算出したエコー信号のパワー値を照射制御モジュールに送信し、照射制御系は、常にゼロ状態で動作するエネルギー蓄積回路が、２回の照射動作における各照射パワー同士を無関係にさせることができ、いずれか１回の照射は照射パワーを所定範囲内で任意に選択することができるように設計される。

ステップ５で、時間領域波形を解析し、それには時間領域波形マッチングアルゴリズム、光路減衰推定を含み、ここでは補間によって高い時間分解能が得られ、時間分解能は５０ｐｓ以上である。

ステップ６で、ＡＧＣ（自動利得制御システム）は利得が異なる状況下で様々な群遅延がある場合に、速い応答が難しくなるので、精度の保証及び速度調整のために、可変利得プロセスの使用を放棄し、光路減衰を基にエキスパートシステムが照射パワーを調整して光路減衰を補償し、次回のエコー信号エネルギーが期待するパワー範囲内にちょうど位置するようにさせることで、信号対雑音比の良好なエコー信号を取得する。ここで、照射パワー相対値が与えられる。

ステップ７で、照射パワー、測定した距離及びエキスパートシステムに基づき、測距対象が得られ、それによりグレースケール値を導出する。

ステップ８で、カスタマイズした磁気結合連鎖回路を通じてパケット化された「距離、グレースケール値、極座標、照射パワー、エコー強度」などの情報を回転部からホストコンピュータ装置に送信する。

以上の内容は、具体的な好ましい実施形態を参照しながら本発明についてより詳細に説明するものであり、本発明の実施形態はこれらの説明に限定されない。本発明が属する技術分野の当業者であれば、本発明の構想から逸脱することなく、多くの簡単な推断演繹又は置換を行うことができ、いずれも本発明の保護範囲に属するものとみなされるべきである。

Claims (2)

1. パルスレーザ測距システムであって、
   照射回路と、
   前記照射回路に制御されてパルスレーザを照射するレーザ照射器と、
   前記照射回路に制御信号を送信するＦＰＧＡと、
   前記パルスレーザが照射された物体からの前記パルスレーザのエコーを光電変換する光電変換系と、
   前記光電変換系から出力されるエコー信号を増幅し、固定振幅アナログエコー信号に変換する増幅回路と、
   前記ＦＰＧＡが前記照射回路に前記制御信号を送信する際に、同時に送信した基準時間パルスを、前記固定振幅アナログエコー信号に加えて、時間基準付きエコー信号を生成する合波系と、
   前記時間基準付きエコー信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤＣとを含み、
   前記ＦＰＧＡは、前記時間基準付きエコー信号の波形輪郭の特徴に基づき波形に対してピーク探索を行った後、前記時間基準付きエコー信号から前記パルスレーザの飛行時間を測定して前記物体までの距離を測定するとともに、前記パルスレーザの光路における減衰の推定を行い、
   さらに前記ＦＰＧＡは、前記光路における減衰に基づいて、前記レーザ照射器が照射する前記レーザパルスの照射パワーを調整して、前記光路における減衰を補償し、次回のエコーのエネルギーが期待するパワー範囲内に入るようにする
   ことを特徴とするパルスレーザ測距システム。
2. 請求項１に記載のパルスレーザ測距システムであって、前記ＦＰＧＡは、前記パルスレーザの照射パワー、測距した距離、および、前記光路における減衰に基づいて、前記物体の反射率を算出することを特徴とするパルスレーザ測距システム。

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