JP7081994B2 - 測距方法及び測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象に向けてパルス光等の光を射出し、射出した光の反射成分を受光することで、測定対象までの距離測定を行う測距方法及び測距装置に関する。

上記のような方法で距離測定を行うものとして、例えば、立ち上り回路と共振回路とを有するものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１では、異なる回路を併用することで、検出される反射光の光量の違い等を利用して、霧などの外乱が生じる場合であっても、測定対象までの距離を測定可能としている。

しかしながら、特許文献１の場合、立ち上り回路での閾値等を予め想定した反射光の光量に基づいて定めることになるため、例えば測定対象が非常に反射率の低い物体であるとか、想定外の濃い霧などの外乱が生じているといった場合には、的確な検出ができなくなる可能性がある。

特開２０１１－２１９８０号公報

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、測定対象が非常に反射率の低い物体や想定外の濃い霧などの外乱が生じる等の種々の場合において、測定対象までの距離測定をより確実に行うことができる測距方法及び測距装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための測距方法は、測定対象に向けて射出した光の反射成分の受光をゲインの異なる第１検出及び第２検出により、測定対象までの距離測定をする測距方法であって、第１及び第２検出の双方で、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行い、第１及び第２検出の検出パターンの組合せに基づき測定距離を算出する。

上記測距方法では、反射成分の受光についてゲインの異なる検出方法である第１及び第２検出の双方において、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行った際の検出パターンの組合せに基づき測定距離を算出することで、例えば測定対象が反射率の低い物体である場合や、濃い霧が発生している場合であっても、測定対象までの距離測定を確実に行うことができる。

本発明の具体的な側面では、第１検出は、受信レベルの立ち上りに基づく検出であり、第２検出は、受信信号のフィルタリング信号に基づく検出である。この場合、相対的に受信強度の大きなものについては、受信レベルの立ち上りで捉え、相対的に受信強度の小さなものについては、受信信号のフィルタリング信号で捉えることができる。

本発明の別の側面では、第１及び第２検出の検出パターンの組合せとして、第２検出で少なくとも２回の受光確認をし、かつ、第１検出で１回の受光確認をした場合、第１検出での受光確認又は第２検出での２回目以降の受光確認に基づき測定距離を算出する。この場合、受光確認結果に基づき、確実に測定対象までの距離測定を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、第１検出での受光確認が、第２検出での２回の受光確認よりも後である場合、第１検出での受光確認に基づき測定距離を算出する。この場合、第１検出での受光確認に基づくことで、確実な距離測定ができる。

本発明のさらに別の側面では、第１検出での受光確認が、第２検出での２回の受光確認よりも前である場合、第２検出での２回目の受光確認に基づき測定距離を算出する。この場合、第２検出での２回目の受光確認に基づくことで、確実な距離測定ができる。

本発明のさらに別の側面では、第１検出での受光確認が、第２検出での１回目の受光確認と２回目の受光確認との間である場合、第１検出での受光確認と第２検出での各回の受光確認との時間差に基づき、測定距離の算出に際して第１検出での受光確認及び第２検出での２回目の受光確認のうちいずれを採用するかを決定する。この場合、第１検出側での受光確認と第２検出側での受光確認との時間差に基づくことで、確実な距離測定ができる。

本発明のさらに別の側面では、第２検出での１回目の受光確認と第１検出での受光確認との時間差が、第１検出での受光確認と第２検出での２回目の受光確認との時間差よりも大きい場合、第１検出での受光確認に基づき測定距離を算出し、小さい場合、第２検出での２回目の受光確認に基づき測定距離を算出する。この場合、第１検出側での受光確認と第２検出側での受光確認との時間差の大小関係に基づくことで、確実な距離測定ができる。

本発明のさらに別の側面では、第１検出では、反射成分の受信レベルが閾値に到達した時点を受光したタイミングとし、第２検出では、反射成分の受信信号のフィルタリング信号についてゼロクロスとなる時点を受光したタイミングとする。この場合、第１検出における受信レベルに関する閾値と、第２検出におけるゼロクロスとなる時点（タイミング）とに基づくことで、確実な距離測定ができる。

本発明のさらに別の側面では、測定対象に向けた光の射出時から第１検出での受光確認又は第２検出での受光確認時までの時間差に基づき測定距離を算出する。光の射出時から受光確認時までの時間において光が進む距離を算出することで、正確な距離測定ができる。

上記目的を達成するための測距装置は、測定対象に向けて射出した光の反射成分を受信する受光素子と、受光素子での受光をゲインの異なる２種類の検出をするための第１検出部及び第２検出部と、第１及び第２検出部での検出パターンの組合せに基づき測定距離を算出する算出部とを備え、第１及び第２検出部の双方で、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行う。

上記測距装置では、反射成分の受光についてゲインの異なる２種類の検出をするための第１検出部及び第２検出部の双方において、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行った際の検出パターンの組合せに基づき測定距離を算出することで、例えば測定対象が反射率の低い物体である場合や、濃い霧が発生している場合であっても、測定対象までの距離測定を確実に行うことができる。

本発明の具体的な側面では、第１検出部は、受光素子での受光を、受信レベルの立ち上りに基づき検出し、第２検出部は、受光素子での受光を、受信信号のフィルタリング信号に基づき検出する。この場合、受光確認結果に基づき、確実に測定対象までの距離測定を行うことができる。

実施形態に係る測距装置の光学系の一例について示す斜視図である。 測距装置の一構成例についてのブロック図である。 測距計測部の一構成例についてのブロック図である。 反射成分の検出について一例を説明するためのグラフである。 反射成分の受光について説明するための概念的な波形図である。 反射成分の検出パターンについて例示する波形図である。 反射成分の検出パターンに対応する第１及び第２検出部での受光確認結果の様子を示すタイムチャートである。 測距装置による第１及び第２検出部での受光確認結果に対する出力選択の処理動作の一例を示すフローチャートである。

以下、図１等を参照して、一実施形態に係る測距装置を用いた測距方法について一例を説明する。本実施形態の測距装置は、例えば走行する列車の前方確認等において、人間や荷物や自動車等の測定対象までの距離を測定するに際して、霧，雨，雪などの外乱が測距視野に含まれる場合にも測定可能となっている装置である。なお、以下では、典型的な一例として、霧の発生における測定対象までの測距について説明する。

図１に例示するように、本実施形態の測距装置１は、２次元走査ミラー（スキャナ）２と、レーザ投光部３と、レーザ受光部４と、投光／受光分離器５ｂと、ガラス板などの透明板からなるレーザ光を透過させる投受光窓６とを含んで構成され、測定対象ＯＢに向けたレーザ光（パルスレーザ）の投光、及び、測定対象ＯＢからの反射光の受光は、投受光窓６を介してなされる。

測距装置１は、レーザ投光部３から測定対象ＯＢへ向けたレーザ光の放射タイミングと、測定対象ＯＢからの反射光をレーザ受光部４が受光した受光タイミングとの時間差及びレーザ光の伝播速度に基づいて、測定対象ＯＢまでの距離が算出される。つまり、測距装置１は、光パルス飛行時間計測法による測定装置である。

以下、図２及び図３のブロック図を参照して、測距装置１の一構成例について説明する。測距装置１は、例えば図２に示すように、上記した２次元走査ミラー２等のほか、各種動作を制御する制御部１０を有する。制御部１０は、例えば２次元走査ミラー２駆動動作の制御等種々の駆動動作や各種信号処理を行うが、ここでは、特に、距離の算定を行うために、測距計測部９を有している。なお、測距計測部９の具体的構成の一例について、図３を参照して後述する。

まず、図２において、測距装置１のうち、レーザ投光部３は、例えばレーザドライバ、レーザ素子（半導体レーザ）、レンズ等の投光光学系等を含んで構成され、レーザ光（パルス光）を発光させる。なお、レーザ素子から発光されたレーザ光（投光光束）は、投光光学系を介して放射され、反射ミラー５ａによって投光／受光分離器５ｂに向けて反射され、投光／受光分離器５ｂを透過して２次元走査ミラー２に向かい、２次元走査ミラー２で反射されることで、測定対象ＯＢ（図１参照）の表面を走査する。

測距装置１のうち、２次元走査ミラー２は、例えば枠体状の可動部や、可動部に接続され回転させる回転軸となる梁（トーションバー）等を含んで構成され、ミラー２１を２次元的に振動する。レーザ投光部３からのレーザ光が、姿勢を変化させるミラー２１で反射されることで、測定対象ＯＢに対して、２次元走査がなされる。

さらに、測定対象ＯＢで反射された反射レーザ光は、再び、２次元走査ミラー２で反射される。このうち、投光／受光分離器５ｂで反射された成分が、レーザ受光部４に受光される。

レーザ受光部４は、例えば、測定対象ＯＢに向けて射出したレーザ光の反射成分を受信する受光素子（フォトダイオード）４ａのほか、受光光学系、プリアンプ、Ａ／Ｄ変換器等を含んで構成され、投光／受光分離器５ｂで反射されたレーザ光の成分（反射成分）を、例えば検出可能なパルス波の状態にして、制御部１０の測距計測部９に出力する。

一方、レーザ投光部３には、上記のほか、放射されるレーザ光をモニタリングする発光モニタ部３１が設けられている。発光モニタ部３１は、例えば受光素子（フォトダイオード）を含んで構成され、放射されるレーザ光（パルス光）の一部を受信することで、放射タイミングを計時する。すなわち、発光モニタ部３１は、計時スタートパルスを生成する。さらに、発光モニタ部３１は、生成した計時スタートパルスを制御部１０の測距計測部９に出力する。

制御部１０のうち、測距計測部９は、測距部９ａと、距離値光量値演算処理部９ｂとを備える。測距部９ａは、レーザ投光部３からの計時スタートパルスと、レーザ受光部４からの反射されたレーザ光の反射成分についてのパルス波とに基づいて、レーザ光（パルス光）についての時間差や光量計測を行い、距離値光量値演算処理部９ｂは、測距部９ａでの計測結果に基づいて、測定対象ＯＢまでの距離や光量値を算出する。すなわち、距離値光量値演算処理部９ｂは、測定距離を算出する算出部として機能している。

なお、制御部１０は、測距計測部９のほか、例えば２次元走査ミラー２の２次元駆動を行うためのスキャナドライバ１１や、２次元走査ミラー２のスキャナ位置（姿勢）を捉えるためのフィルタ１２、さらには、スキャナドライバ１１に対して駆動信号を送信するとともにフィルタ１２からスキャナ位置についての信号を受け取るスキャナ制御部１３を備える。

また、制御部１０は、測距計測部９で算出された距離値や光量値についての情報や、スキャナ制御部１３で取得された２次元走査ミラー２のスキャナ位置についての情報を、外部インターフェースＩＦを介してデータ送信可能となっている。

以下、図３のブロック図を参照して、上記のうち、測距計測部９の一構成例についてより詳細に説明する。

図３に示すように、本実施形態では、測距計測部９のうち、測距部９ａは、レーザ受光部４の受光素子（フォトダイオード）４ａでの受光をゲインの異なる２種類の検出（第１検出及び第２検出）をするための第１検出部ＤＴ１及び第２検出部ＤＴ２を有している。測距計測部９は、第１検出部ＤＴ１及び第２検出部ＤＴ２での検出パターンの組合せに基づいて、計時ストップパルスを生成している。

また、算出部としての距離値光量値演算処理部９ｂは、レーザ投光部３からの計時スタートパルスと、測距部９ａで生成された計時ストップパルスとによって求められる時間差から、測定距離を算出している。

特に、本実施形態では、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２の双方で、レーザ投光部３からの１回の光射出に対して、時間差を有する２回の検出を行うものとなっている。これにより、例えば測定対象ＯＢが反射率の低い物体である場合や、濃い霧が発生している場合であっても、的確な計時ストップパルスの生成を可能とすることで、測定対象ＯＢまでの距離測定を確実に行うことができるようにしている。

以下、図３を参照して、測距計測部９のうち、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２を有する測距部９ａの構成について、より詳細に説明する。

まず、測距部９ａのうち、第１検出部ＤＴ１は、受光素子４ａにおいて受光した受光信号について、受信レベルの立ち上りに基づき検出を行う高受信レベル用の受光検出部であり、例えばローゲインアンプとコンパレータとで構成される立ち上り測距回路ＲＣ１を有している。さらに、第１検出部ＤＴ１は、立ち上り測距回路ＲＣ１で検出された受信信号に対して、時間差を有する２回の検出を第１検出として行うべく、第１エコー検出部Ｅ１１と、第２エコー検出部Ｅ１２とを有している。なお、各エコー検出部Ｅ１１，Ｅ１２では、計測時間についてのデジタル変換を行い、計測結果を、測定距離を算出する算出部である距離値光量値演算処理部９ｂに対して送信する。

一方、測距部９ａのうち、第２検出部ＤＴ２は、受光素子４ａにおいて受光した受光信号について、当該受信信号のフィルタリング信号に基づき検出する低受信レベル用の受光検出部であり、例えば共振回路とハイゲインアンプとコンパレータとで構成される共振測距回路ＲＣ２を有している。さらに、第２検出部ＤＴ２は、共振測距回路ＲＣ２で検出された受信信号に対して、時間差を有する２回の検出を第２検出として行うべく、第１エコー検出部Ｅ２１と、第２エコー検出部Ｅ２２とを有している。なお、各エコー検出部Ｅ２１，Ｅ２２では、計測時間についてのデジタル変換を行い、計測結果を、距離値光量値演算処理部９ｂに対して送信する。

以下、各検出部ＤＴ１，ＤＴ２における１回の検出ごとになされる検出の方法について一例を説明する。なお、以下では、各回における検出で、受信（受光）の検出があった場合を、受光確認があった等と表現する。

まず、第１検出部ＤＴ１は、既述のように、高受信レベル用の受光検出部であり、波形の立ち上りの値を検出することで受光タイミングを検出し、検出結果に基づき計時ストップパルスを生成する立上がりエッジ検出方式となっている。すなわち、立上がりエッジ検出方式における閾値を予め定めておき、受光素子４ａから入力されたパルス波（出力信号）をローゲインアンプにより増幅し、増幅された波形信号が閾値に達したか否かをコンパレータにより判定することで、各回の検出における受光確認・未確認が決定する。なお、この場合、受光素子４ａから入力されたパルス波としての反射成分の受信レベルが閾値に到達した時点（エッジ点）が受光したタイミングとなる、すなわち、計時ストップパルスが生成されるタイミングとなる。

一方、第２検出部ＤＴ２は、既述のように、低受信レベル用の受光検出部であり、いわゆるゼロクロス検出方式で受光タイミングを検出し、検出結果に基づき計時ストップパルスを生成するものである。すなわち、受光素子４ａから入力されたパルス波（出力信号）に含まれる特定周波数成分を、共振回路で共振させ（フィルタリング）、フィルタリング信号として抽出し、抽出したフィルタリング信号についてゼロクロスとなる時点が受光したタイミングとなる、すなわち、計時ストップパルスが生成されるタイミングとなる。

本実施形態の場合、各検出部ＤＴ１，ＤＴ２で、上記のような検出の動作を、レーザ投光部３での１回の光射出に対してそれぞれ２回行う、したがって、合計で４回の検出の処理が行われ、最大で４回の受光確認がなされ得ることになり、この際の検出結果と検出の状況とを加味することで、受光確認に伴う計時ストップパルスのうちから適切なものを選択できるようにしている。

なお、測距計測部９は、上記各検出部ＤＴ１，ＤＴ２のほか、受光素子４ａでの受光について光量検出を行う光量検出回路ＬＣや光量検出回路ＬＣでの検出結果をデジタル信号化して距離値光量値演算処理部９ｂに送信するＡ／Ｄ変換回路ＬＣｄ等を有している。

以下、図４のグラフを参照して、外乱が生じる場合の一例として、霧の発生における測定対象までの測距について一実験例を説明する。図４は、反射成分の検出態様について一例を説明するためのグラフである。ここでの例では、霧の発生が可能な実験室等において、例えば本実施形態の測距装置１や従来の測距装置の設置位置から前方１５ｍ程度先の位置に、測定対象ＯＢとして、たとえば白色の壁のような反射性の高い物体を設置した状況下において、霧の濃度を変化させた場合の実験結果を例示している。図４のグラフにおいて、横軸は、距離あるいは距離に相当する測距装置において測距のために測定される時間差を示しており、縦軸は、受光した反射成分の受信強度に相当する電圧値を示している。なお、この例では、電圧値が負になるほど大きな信号受信が捉えられていることを意味している。

図４に示す各曲線Ｃ０～Ｃ３のうち、曲線Ｃ０は、霧が無い場合を示している。この場合、図示のように、測定対象ＯＢが存在する位置に対応する箇所でのみ大きなピークを有する波形となり、この波形を捉えることで、測定対象ＯＢの位置検出がなされることになる。なお、曲線Ｃ０となるような状況下で、本実施形態の測距装置１を使用した場合、各検出部ＤＴ１，ＤＴ２における２回の検出については、ともに１回ずつのみ受光確認がなされる（シングルエコー）ことになる。

一方、曲線Ｃ１は、視程２００ｍすなわち肉眼で２００ｍ先までが視認確認可能な程度の霧が発生している場合を示している。同様に、曲線Ｃ２は、視程１００ｍ、曲線Ｃ３は、視程５０ｍの霧が発生している場合を示している。なお、視程５０ｍ程度の霧が発生している場合、列車の運行は略困難な状態になると考えられる。

図示から明らかなように、霧の濃度が増すほど、測定対象ＯＢが存在する位置に対応する箇所でのピークが下がっていく。すなわち、受信強度が弱くなっていくことになる。一方、霧の濃度が増すにつれ、測定対象ＯＢの位置よりも手前となる位置において、別のピークを有する波形が生じていることが分かる。これは、霧に反射した成分が検出されることに伴うものと考えられる。この霧に起因するピークは、図示のように、霧の濃度が増すほど大きくなるが、そのピークの位置（検出される距離）については、霧の濃度が増してもあまり変化しないことが分かっている。なお、曲線Ｃ１～Ｃ３となるような状況下で、本実施形態の測距装置１を使用した場合、各検出部ＤＴ１，ＤＴ２においてそれぞれなされる２回の検出について、少なくとも一方で２回の受光確認がなされる（デュアルエコー）ことになる。

ここで、２回の検出において、２回とも受光確認がなされるデュアルエコーの場合、相対的に早い時間に検出される１回目の受光は、霧に起因する反射であり、相対的に遅い時間に検出される２回目の受光が目的とする測定対象ＯＢの位置を示す反射であると考えられる。したがって、このような場合、２回目の受光タイミングを正確に把握することが非常に重要となる。

一方、測定対象ＯＢに関する検出においては、測距装置からの距離を離すほど対応する波形のピークが下がっていく。また、測距装置からの距離が同じであっても、測定対象ＯＢの反射性が低くなるほど、波形のピークが下がっていく。したがって、種々の状況によって、検出のされ方が変わってくると考えられ、状況に応じて正しい判断ができるようにすることが必要となり、そのためには、各検出部ＤＴ１，ＤＴ２の特性を把握しておくことも重要である。

以下、図５を参照して、測距計測部９を構成する各検出部ＤＴ１，ＤＴ２の特性について説明する。図５は、反射成分の受光について説明するための概念的な図であり、図中、例えば波形αは、レーザ投光部３の発光モニタ部３１で検出されるレーザ光（パルス光）ＰＬ１の一例についての様子を概念的に示している。また、波形βは、第１検出部ＤＴ１において検出される受信信号の一例についての様子を概念的に示している。さらに、波形γ，δは、第２検出部ＤＴ２において検出される受信信号の一例についての様子を概念的に示している。ここでは、図示のように、例えば霧の発生等により、波形αで示される１回の光射出に対して、霧による反射（第１エコー）ＥＣ１と測定対象による反射（第２エコー）ＥＣ２とが生じているものとする。

以上に対して、まず、既述のように、第１検出部ＤＴ１は、受信信号の立ち上りの値を検出することをもって受光タイミングとする高受信レベル用の受光検出部であり、閾値を越える比較的大きな信号のみしか検出対象とならない。したがって、例えば図５において例示する波形βに示す場合のように、第１エコーＥＣ１及び第２エコーＥＣ２が存在しても、ピークの低い第１エコーＥＣ１については、第１検出部ＤＴ１において検出されず、ピークの高い第２エコーＥＣ２のみが検出される、といったことが生じ得る。ただし、第１検出部ＤＴ１での検出の場合、比較的大きな受信信号の波形の立ち上りを検出するものであるため、受光確認がされた場合は、その受光タイミングすなわち計時ストップパルスの生成タイミングは、より正確に捉えられたものと考えることができる。

次に、第２検出部ＤＴ２は、既述のように、特定周波数成分を共振回路で共振させることに基づく、すなわち受信信号のフィルタリング信号に基づいて、当該信号のゼロクロスＺＣとなる時点を検出することをもって受光タイミングとする低受信レベル用の受光検出部である。つまり、共振を利用することで、受信信号が比較的小さな場合において、これを的確に捉えることが可能になっている。したがって、例えば図５において波形γに示すように、第１エコーＥＣ１及び第２エコーＥＣ２が存在している場合、これらの双方について検出することが可能である。しかしながら、受信信号が大きくなり過ぎると、共振回路出力が飽和してしまうおそれがある。例えば波形δに例示する場合での第２エコーＥＣ２のように、破線で示すような本来捉えたい波形から形状が崩れてしまい、ゼロクロスＺＣとなる時点がずれてしまい、タイミング取得の正確性に欠けてしまう可能性がある。なお、図示の場合、計時ストップパルスの生成タイミングが実際よりも遅延したものになってしまうおそれがある。

以上のような特性を踏まえた上で、本実施形態では、第１検出部ＤＴ１及び第２検出部ＤＴ２のそれぞれで２回の検出を行い、検出された結果からどの計時ストップパルスあるいはこれに対応するエコーを距離想定の算出に採用すべきか、を決定している。

以下、図６を参照して、発生することが想定されるいくつかの受信信号（レーザ光の反射成分）の波形パターンについて説明する。

なお、図６のうち、波形αは、図５の場合と同じくレーザ投光部３の発光モニタ部３１で検出されるレーザ光（パルス光）ＰＬ１の一例についての様子を概念的に示している。すなわち、計時スタートパルスについて示している。他の波形Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２、Ｘ１，Ｘ２は、実際に生じ得るものとして想定される受信信号の波形について例示したものであり、ここでは、立上がりエッジ検出方式による第１検出部ＤＴ１で受光確認されるための閾値を立上り測距閾値とし、共振を利用したゼロクロス検出方式による第２検出部ＤＴ２で受光確認されるための閾値を共振測距閾値とし、仮想的に示している。つまり、各閾値以上のピーク波形を有すれば、それぞれに対応する検出部ＤＴ１，ＤＴ２において、受光確認がなされることを意味している。この場合、高受信レベル用の第１検出部ＤＴ１についての閾値である立上り測距閾値のほうが、低受信レベル用の第２検出部ＤＴ２についての閾値である共振測距閾値よりも高いものとなる。

以上において、まず、波形Ａ１として例示するように、受光素子４ａでの受信信号として、比較的ピークの大きい第１エコーＥＣ１のみが存在する場合が考えられる。典型例としては、霧が無いか非常に薄いため反射成分が生じず、測定対象ＯＢの反射率が高い、という状況の場合に、このようになると考えられる。

次に、波形Ａ２として例示するように、受光素子４ａでの受信信号として、比較的ピークの小さい第１エコーＥＣ１のみが存在する場合が考えられる。典型例としては、霧が無いか非常に薄いため反射成分が生じないものの、測定対象ＯＢの反射率が低いという状況の場合に、このようになると考えられる。

次に、波形Ｂ１として例示するように、受光素子４ａでの受信信号として、比較的ピークの小さい第１エコーＥＣ１と第２エコーＥＣ２とが存在する場合が考えられる。典型例としては、霧がある程度あり、測定対象ＯＢの反射率が低いという状況の場合に、このようになると考えられる。

次に、波形Ｂ２として例示するように、受光素子４ａでの受信信号として、比較的ピークの大きい第１エコーＥＣ１と第２エコーＥＣ２とが存在する場合が考えられる。典型例としては、霧がある程度以上に濃いが、測定対象ＯＢの反射率も高い、という状況の場合に、このようになると考えられる。

次に、波形Ｘ１として例示するように、受光素子４ａでの受信信号として、比較的ピークの小さい第１エコーＥＣ１と比較的ピークの大きい第２エコーＥＣ２とが存在する場合が考えられる。典型例としては、霧がある程度あり、測定対象ＯＢの反射率が高いという状況の場合に、このようになると考えられる。

最後に、波形Ｘ２として例示するように、受光素子４ａでの受信信号として、比較的ピークの大きい第１エコーＥＣ１と比較的ピークの小さい第２エコーＥＣ２とが存在する場合が考えられる。典型例としては、霧がある程度以上に濃いが、測定対象ＯＢの反射率が低いという状況の場合に、このようになると考えられる。

なお、以上をまとめると、まず、霧については、無い場合すなわち霧に起因する反射成分が無い場合（第２エコーＥＣ２：無し）と、ある程度ある場合（第１エコーＥＣ１：小）と、濃い場合すなわち霧に起因する反射成分が多い場合（第１エコーＥＣ１：大）との３パターンが考えられる。一方、測定対象については、反射率が低い場合（第１エコーＥＣ１又は第２エコーＥＣ２：小）と、反射率が高い場合（第１エコーＥＣ１又は第２エコーＥＣ２：大）との２パターンが考えられる。以上の結果から、上記した６つの場合（態様）が想定される。

以下、図７のタイムチャートを参照して、以上のような６つの場合に対する第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２でのそれぞれ２回の検出についての受光確認状況の様子について考察する。

図７は、反射成分の検出パターンに対応する第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２での受光確認結果の様子を示しており、図中において、タイムチャートＴ１～Ｔ４は、図６に示した上記６つの場合のうち、波形Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の４つの場合にそれぞれ対応している。一方、タイムチャートＴ５は、上記６つの場合のうち、波形Ｘ１，Ｘ２の２つの場合に対応し得るものとなっている。タイムチャートＴ５については、波形Ｘ１として想定される状況と、波形Ｘ２として想定される状況とから、タイムチャートＴ５ａのようになる場合と、タイムチャートＴ５ｂのようになる場合とが想定されるが、これらについて詳しくは後述する。

なお、各タイムチャートＴ１～Ｔ５，Ｔ５ａ，Ｔ５ｂにおいて、上段は、第１検出部ＤＴ１での検出における受光確認がなされた回数を示し、下段は、第２検出部ＤＴ２での検出における受光確認がなされた回数を示している。すなわち、各タイムチャートにおいてパルスがオンになっているところが、受光確認がされたタイミングを示している。また、これは、図６において示した各閾値を波形のピークが越えるか否かとも対応している。

まず、タイムチャートＴ１は、図６の波形Ａ１の場合に対応している。波形Ａ１の場合、比較的ピークの大きい第１エコーＥＣ１が存在し、これに対応して、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２の双方での検出において、それぞれ１回ずつ受光確認がなされること（シングルエコー）になる。この場合、第２検出部ＤＴ２においては、共振回路出力が飽和してしまって正確性を欠いている可能性があるため、第１検出部ＤＴ１での検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用することで、計時を正確にできる。

次に、タイムチャートＴ２は、図６の波形Ａ２の場合に対応している。波形Ａ２の場合、比較的ピークの小さい第１エコーＥＣ１が存在し、これに対応して、第２検出部ＤＴ２の検出のみにおいて、１回の受光確認がなされること（シングルエコー）になる。この場合、第２検出部ＤＴ２での検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用する。

次に、タイムチャートＴ３は、図６の波形Ｂ１の場合に対応している。波形Ｂ１の場合、比較的ピークの小さい第１エコーＥＣ１と第２エコーＥＣ２とが存在し、これらに対応して、第２検出部ＤＴ２の検出のみにおいて、２回の受光確認がなされること（デュアルエコー）になる。この場合、第２検出部ＤＴ２での２回目の検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用する。

次に、タイムチャートＴ４は、図６の波形Ｂ２の場合に対応している。波形Ｂ２の場合、比較的ピークの大きい第１エコーＥＣ１と第２エコーＥＣ２とが存在し、これらに対応して、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２の双方での検出において、それぞれ２回ずつ受光確認がなされること（デュアルエコー）になる。この場合、第２検出部ＤＴ２においては、共振回路出力が飽和してしまって正確性を欠いている可能性があるため、第１検出部ＤＴ１での２回目の検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用する。

次に、タイムチャートＴ５は、既述のように、図６の波形Ｘ１又は波形Ｘ２の場合に対応している。波形Ｘ１及び波形Ｘ２の場合のいずれにおいても、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２のうち、第１検出部ＤＴ１での検出において、１回の受光確認がなされ（シングルエコー）、第２検出部ＤＴ２の検出において、２回の受光確認がなされる（デュアルエコー）ことになる。すなわち、この場合、例えば第１検出部ＤＴ１側と第２検出部ＤＴ２側とでの受光確認の回数の比較のみでは、波形Ｘ１の場合と波形Ｘ２の場合とのうちどちらの状態になっているかを区別することができない。典型的には、図示のように、第１検出部ＤＴ１での受光確認が、第２検出部ＤＴ２での１回目の受光確認と２回目の受光確認との間である場合が考えられる。

このような状況について、まず、波形Ｘ１のような場合のように、比較的ピークの小さい第１エコーＥＣ１と比較的ピークの大きい第２エコーＥＣ２とが存在するのであれば、第１検出部ＤＴ１における１回の受光確認は、第２エコーＥＣ２側であると考えられ、この場合、第１検出部ＤＴ１での受光確認のタイミングは、第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認のタイミングに近いはずである。一方、波形Ｘ２のような場合、上記とは逆に、第１検出部ＤＴ１での受光確認のタイミングは、第２検出部ＤＴ２での１回目の受光確認のタイミングに近いはずである。そこで、タイムチャートＴ５のようになった場合には、タイムチャートＴ５ａ，Ｔ５ｂに例示するように、第１検出ＤＴ１での受光確認と第２検出ＤＴ２での各回の受光確認との時間差に基づいて、波形Ｘ１の場合であるか波形Ｘ２の場合であるかを判別する。

具体的には、例えばタイムチャートＴ５ａに示すように、第２検出部ＤＴ２での１回目の受光確認時Ｒ２１と第１検出部ＤＴ１での受光確認時Ｒ１との時間差Ｔｘが、第１検出部ＤＴ１での受光確認時Ｒ１と第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認時Ｒ２２との時間差Ｔｙよりも大きい場合、波形Ｘ１の場合であると判断し、第１検出部ＤＴ１での受光確認時Ｒ１を受光タイミング（計時ストップパルス）として採用する。つまり、この場合、第２エコーＥＣ２すなわち測定対象ＯＢを捉えた２回目の第２検出部ＤＴ２の検出においては、共振回路出力が飽和してしまって正確性を欠いている可能性があるため、第１検出部ＤＴ１での検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用する。

一方、タイムチャートＴ５ｂに示すように、時間差Ｔｘが、時間差Ｔｙよりも小さい場合、波形Ｘ２の場合であると判断し、第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認時Ｒ２２を受光タイミング（計時ストップパルス）として採用する。

以上のように、本実施形態では、第１検出部ＤＴ１側での受光確認と第２検出部ＤＴ２側での受光確認との時間差の大小関係に基づくことで、確実な距離測定ができる。

以下、図８のフローチャートを参照して、測距装置１による第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２での受光確認結果に対する出力選択の処理動作について一例を説明する。

まず、測距計測部９は、レーザ受光部４（受光素子４ａ）からの受信信号を受け取ると、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２での各２回の検出に関して、第２検出部ＤＴ２での受光確認が１回であったか否かを確認する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１において、第２検出部ＤＴ２での受光確認が１回であったと判定された場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、測距計測部９は、さらに、第１検出部ＤＴ１での受光確認（１回の受光確認）があったか否かを確認する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２において、第１検出部ＤＴ１での受光確認があったと判定された場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、測距計測部９は、図６の波形Ａ１つまり図７のタイムチャートＴ１の場合に相当すると判断し、第１検出部ＤＴ１での検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用し、これに基づく測定距離の算出を行う（ステップＳ１０３）。

一方、ステップＳ１０２において、第１検出部ＤＴ１での受光確認が無かったと判定された場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、測距計測部９は、図６の波形Ａ２つまり図７のタイムチャートＴ２の場合に相当すると判断し、第２検出部ＤＴ２での検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用し、これに基づく測定距離の算出を行う（ステップＳ１０４）。

次に、ステップＳ１０１において、第２検出部ＤＴ２での受光確認が１回ではなく、２回であったと判定された場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、測距計測部９は、さらに、第１検出部ＤＴ１での受光確認（１回の受光確認）があったか否かを確認する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５において、第１検出部ＤＴ１での受光確認が無かったと判定された場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、測距計測部９は、図６の波形Ｂ１つまり図７のタイムチャートＴ３の場合に相当すると判断し、第２検出部ＤＴ２での２回目の検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用し、これに基づく測定距離の算出を行う（ステップＳ１０６）。

一方、ステップＳ１０５において、第１検出部ＤＴ１での受光確認があったと判定された場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、測距計測部９は、さらに、第１検出部ＤＴ１での受光確認が１回であったか否かを確認する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７において、第１検出部ＤＴ１での受光確認が１回ではなく、２回であったと判定された場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、測距計測部９は、図６の波形Ｂ２つまり図７のタイムチャートＴ４の場合に相当すると判断し、第１検出部ＤＴ１での２回目の検出における受光タイミング（計時ストップパルス）を採用し、これに基づく測定距離の算出を行う（ステップＳ１０８）。

次に、ステップＳ１０７において、第１検出部ＤＴ１での受光確認が１回であったと判定された場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、すなわち、第１検出部ＤＴ１で１回の受光確認がなされ、第２検出部ＤＴ２で２回の受光確認がなされていると判断された場合、測距計測部９は、図７のタイムチャートＴ５のような場合であると判断し、さらに、受光確認時の時間差について考察する（ステップＳ１０９）。つまり、測距計測部９は、ステップＳ１０９において、時間差Ｔｘが、時間差Ｔｙよりも大きいか否かを確認する。ステップＳ１０９において、時間差Ｔｘが、時間差Ｔｙよりも大きいと判断された場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、測距計測部９は、図６の波形Ｘ１つまり図７のタイムチャートＴ５ａの場合に相当すると判断し、第１検出部ＤＴ１での受光確認を受光タイミング（計時ストップパルス）として採用し、これに基づく測定距離の算出を行う（ステップＳ１１０）。

一方、ステップＳ１０９において、時間差Ｔｘが、時間差Ｔｙよりも大きくないと判断された場合（ステップＳ１０９：Ｎｏ）、測距計測部９は、図６の波形Ｘ２つまり図７のタイムチャートＴ５ｂの場合に相当すると判断し、第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認を受光タイミング（計時ストップパルス）として採用し、これに基づく測定距離の算出を行う（ステップＳ１１１）。

以上のように、ここでは、例えば、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２の検出パターンの組合せとして、第２検出部ＤＴ２で少なくとも２回の受光確認をし、かつ、第１検出部ＤＴ１で１回の受光確認をした場合、第１検出部ＤＴ１での受光確認又は第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認に基づき測定距離を算出している。さらに、第１検出部ＤＴ１での受光確認が、第２検出部ＤＴ２での１回目の受光確認と２回目の受光確認との間である場合、第１検出部ＤＴ１での受光確認と第２検出部ＤＴ２での各回の受光確認との時間差Ｔｘ，Ｔｙに基づき、測定距離の算出に際して第１検出部ＤＴ１での受光確認及び前記第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認のうちいずれを採用するかを決定している。これにより、正確な測定距離の算出を可能にしている。

また、以上のうち、ステップＳ１０９において、例えば第１検出部ＤＴ１での受光確認が、第２検出部ＤＴ２での２回の受光確認よりも後である場合も、時間差Ｔｘが、時間差Ｔｙよりも大きいと判断された場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）に含まれ、この場合も、第１検出部ＤＴ１での受光確認に基づき測定距離を算出することになる。一方、例えば第１検出部ＤＴ１での受光確認が、第２検出部ＤＴ２での２回の受光確認よりも前である場合は、時間差Ｔｘが、時間差Ｔｙよりも大きくないと判断された場合（ステップＳ１０９：Ｎｏ）に含まれ、この場合も、第２検出部ＤＴ２での２回目の受光確認に基づき測定距離を算出することになる。

以上のように、本実施形態に係る測距装置１及びこれを用いた測距方法では、測距計測部９を構成する測距部９ａのうち反射成分の受光についてゲインの異なる検出方法である第１及び第２検出によってそれぞれ検出を行う第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２の双方において、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行い、第１及び第２検出部ＤＴ１，ＤＴ２で行った際の検出パターンの組合せに基づいて算出部である距離値光量値演算処理部９ｂにおいて測定距離を算出することで、例えば測定対象が反射率の低い物体である場合や、濃い霧が発生している場合であっても、測定対象までの距離測定を確実に行うことができる。

〔その他〕
この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

まず、上記では、１回の光射出に対して第１検出部ＤＴ１及び第２検出部ＤＴ２のそれぞれで２回の検出を行い、検出された結果からどの計時ストップパルスあるいはこれに対応するエコーを採用すべきかを決定するものとしているが、検出の回数は２回に限らず、３回以上としてもよい。また、上記では、外乱について霧を対象とした一例を説明しているが、雨，雪などの外乱についても対応可能にできる。

また、上記では、２次元走査ミラー２における各点での検出結果について説明しているが、各点での検出結果を、ラベリング等の処理により、走査エリア全体の画素、または一定以上の画素においてすなわち２次元的エリアにまとめて取り扱うものとすることができる。なお、この場合において、捉えられる２次元的形状から外乱の特性を確認するものとしてもよい。

また、上記では、測距装置１は、走行する列車の前方確認等において、霧，雨，雪などの外乱が測距視野に含まれる場合がある装置であるものとしているが、これに限らず、例えばドアの挟み込み検出、周辺検知、障害物検知等に用いられる装置であって、屋外での使用によるものとすることができる。

また、上記実施形態では、２次元走査ミラー２において、例えば光走査部として電磁駆動式の２次元ガルバノミラーを用いることが考えられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁駆動式、静電方式、圧電方式、熱方式などの各種の駆動方式で光反射面を有する可動部を揺動駆動する構成の光走査部にも適用することができる。

１…測距装置、２…２次元走査ミラー（スキャナ）、３…レーザ投光部、４…レーザ受光部、４ａ…受光素子、５ａ…反射ミラー、５ｂ…投光／受光分離器、６…投受光窓、９…測距計測部、９ａ…測距部、９ｂ…距離値光量値演算処理部、１０…制御部、１１…スキャナドライバ、３１…発光モニタ部、１２…フィルタ、１３…スキャナ制御部、２１…ミラー、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｘ１，Ｘ２…波形、Ｃ０～Ｃ３…曲線、ＤＴ１…第１検出部、ＤＴ２…第２検出部、Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２…エコー検出部、ＥＣ１…第１エコー、ＥＣ２…第２エコー、ＩＦ…外部インターフェース、ＬＣ…光量検出回路、ＯＢ…測定対象、ＰＬ１…レーザ光（パルス光）、Ｒ１，Ｒ２１，Ｒ２２…受光確認時、ＲＣ１…立ち上り測距回路、ＲＣ２…共振測距回路、Ｔ１～Ｔ５，Ｔ５ａ，Ｔ５ｂ…タイムチャート、Ｔｘ，Ｔｙ…時間差、α～δ…波形

Claims (6)

1. 測定対象に向けて射出した光の反射成分の受光に関して、ゲインの異なる第１検出及び第２検出の双方で、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行い、
   前記第１及び第２検出の検出パターンの組合せとして、前記第２検出で少なくとも２回の受光確認をし、かつ、前記第１検出で１回の受光確認をした場合において、前記第１検出での１回の受光確認が、前記第２検出での１回目の受光確認と２回目の受光確認との間であるとき、前記第１検出での受光確認と前記第２検出での各回の受光確認との時間差に基づき前記第１検出での受光確認及び前記第２検出での２回目の受光確認のうちいずれを採用するかを決定して、測定距離を算出する測距方法。
2. 前記第２検出での１回目の受光確認と前記第１検出での受光確認との時間差が、前記第１検出での受光確認と前記第２検出での２回目の受光確認との時間差よりも大きい場合、前記第１検出での受光確認に基づき測定距離を算出し、小さい場合、前記第２検出での２回目の受光確認に基づき測定距離を算出する、請求項１に記載の測距方法。
3. 前記第１検出は、受信レベルの立ち上りに基づく検出であり、
   前記第２検出は、受信信号のフィルタリング信号に基づく検出である、請求項１及び２のいずれか一項に記載の測距方法。
4. 前記第１検出では、反射成分の受信レベルが閾値に到達した時点を受光したタイミングとし、
   前記第２検出では、反射成分の受信信号のフィルタリング信号についてゼロクロスとなる時点を受光したタイミングとする、請求項３に記載の測距方法。
5. 測定対象に向けて射出した光の反射成分を受信する受光素子と、
   前記受光素子での受光に関して、ゲインの異なる２種類の検出をするための第１検出部及び第２検出部と、
   前記第１及び第２検出部での検出パターンの組合せに基づき測定距離を算出する算出部と
   を備え、
   前記第１及び第２検出部の双方で、１回の光射出に対して時間差を有する少なくとも２回の検出を行い、
   前記算出部は、前記第１及び第２検出の検出パターンの組合せとして、前記第２検出で少なくとも２回の受光確認をし、かつ、前記第１検出で１回の受光確認をした場合において、前記第１検出での１回の受光確認が、前記第２検出での１回目の受光確認と２回目の受光確認との間であるとき、前記第１検出での受光確認と前記第２検出での各回の受光確認との時間差に基づき前記第１検出での受光確認及び前記第２検出での２回目の受光確認のうちいずれを採用するかを決定して、測定距離を算出する、測距装置。
6. 前記第１検出部は、前記受光素子での受光を、受信レベルの立ち上りに基づき検出し、
   前記第２検出部は、前記受光素子での受光を、受信信号のフィルタリング信号に基づき検出する、請求項５に記載の測距装置。

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