JP7131181B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、距離測定装置に関する。

近年、対象にパルス発光するレーザー光を投光し対象からの反射光を受光して対象までの距離等を検出するレーザーレーダー(ライダー（LIDAR（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging））)装置が利用されている。
レーザーレーダー装置においてＴＯＦ（Time Of Flight）の原理が利用されている。ＴＯＦ（Time Of Flight）の原理は、照射した光線が対象に当たり、反射光が戻るまでにかかる時間から対象までの距離を算出する原理である。
レーザーレーダー装置において利用されるＴＯＦ方式は、レーザーダイオードに駆動電流を供給してレーザーダイオードを発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して、対象物までの距離を測定する方式であり、レーザーダイオードからの発光から反射光の受光までの時間差から距離を算出する。
距離算出には、受光したアナログデータをＡ/Ｄコンバーターでデジタル信号へ変換し、正確なピークを求める方法（例えば特許文献１）やコンパレータなどの比較器を用いてパルス幅と立ち上がり時間からピークを算出する方法（例えば特許文献２，３など）がある。

特開２００８－７０２７０号公報 特開平０８－３０４５３５号公報 実開昭６３－１０１８８０号公報

しかしながら、受光したアナログデータをＡ/Ｄコンバーターでデジタル信号へ変換し、正確なピークを求める方法は、正確なピーク位置を算出できる反面、高速Ａ/Ｄコンバーターが必要なため受光回路が複数必要な場合、コストアップにつながる。
コンパレータなどの比較器を用いてパルス幅と立ち上がり時間からピークを算出する方法は、コストは抑えられるが、２値化するため詳細な受光信号波形が得られず、外乱や内部迷光との分離が困難になり、距離情報の正確さを欠くことになる。
さらに、コンパレータに入力するアンプからのアナログ信号のダイナミックレンジが広くないと、アンプゲイン設定値によっては、遠距離を重視した場合は近距離が飽和、近距離を重視した場合は遠距離の信号レベルが取れないという課題がある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、レーザーレーダー装置等のＴＯＦを利用した距離測定装置において、簡素な構成により遠距離から近距離まで精度よく距離を測定することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、所定のタイミングで対象物に対して光を発光する発光部と、前記対象物で反射した前記光の反射光を受光検出する受光部と、前記受光部が受光検出した受光強度の時間変化を示す受光信号を出力する受光信号取得部と、前記受光信号取得部が出力する受光信号に基づき、前記発光部が前記光を発光してから前記受光部が前記反射光を受光するまでの時間から、対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
前記距離算出部として、第１の増幅値を用いて第１距離値を算出する第１距離算出部と、前記第１の増幅値よりも大きい第２の増幅値を用いて第２距離値を算出する第２距離算部と、を備え、
前記第１距離値及び前記第２距離値のうちから距離測定値を選択する選択部をさらに備え、
前記選択部は、第１境界距離以下の範囲において前記第１距離値を距離測定値として選択し、前記第１境界距離以上である第２境界距離以上の範囲において前記第２距離値を距離測定値として選択し、前記第２境界距離が前記第１境界距離より遠距離に設定され、前記第１境界距離から前記第２境界距離までの範囲において前記第１距離値及び前記第２距離値のうちから距離測定値を選択する距離測定装置である。

請求項２記載の発明は、前記選択部は、前記第１境界距離から前記第２境界距離までの範囲において前記第１距離値及び前記第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択する請求項１に記載の距離測定装置である。

請求項３記載の発明は、前記選択部は、前記第１境界距離から前記第２境界距離までの範囲において、前記第１距離値が存在せず前記第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択する請求項２に記載の距離測定装置である。

本発明によれば、比較的近距離にある対象物の距離算出に適した第１距離算出部と、比較的遠距離にある対象物の距離算出に適した第２距離算出部とによる各距離値から距離測定値を選択するので、簡素な構成により遠距離から近距離まで精度よく距離を測定することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザーレーダー装置のブロック図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーレーダー装置において処理される信号を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーレーダー装置において利用する輝度と距離補正値の対応関係を示すグラフである。 対象物からの反射光を２つのしきい値で検出する状況を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーレーダー装置による距離測定の様子を示す模式図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１に示すように本実施形態のレーザーレーダー装置１００は、発光部１と、受光部２と、受光信号取得部としてのパルス受光回路３と、第１距離算出部としての近距離用距離算出回路１０と、第２距離算出部としての遠距離用距離算出回路２０と、選択部としての距離選択回路３０とを備える。
発光部１にはレーザーダイオードが適用される。受光部２にはアバランシェフォトダイオードが適用される。

近距離用距離算出回路１０は、第１の増幅値（Ｎ）が適用される第１信号増幅回路１１と、第１しきい値ｔｈ１が適用される第１信号比較回路１２と、第２しきい値ｔｈ２が適用される第２信号比較回路１３と、第１、第２輝度距離補正ＬＵＴ１５，１６を参照可能にされた第１距離補正回路１４とを備える。なお、ＬＵＴは、ルックアップテーブルの略である。
第１信号比較回路１２及び第２信号比較回路１３の一方又は双方を適用して実施する。
遠距離用距離算出回路２０は、第２信号増幅回路２１と、第３しきい値ｔｈ３が適用される第３信号比較回路２２と、第４しきい値ｔｈ４が適用される第４信号比較回路２３と、第３、第４輝度距離補正ＬＵＴ２５，２６を参照可能にされた第２距離補正回路２４とを備える。なお、本回路では、第１信号増幅回路１１の出力を第２信号増幅回路２１に入力しており、第２の増幅値（Ｎ×Ｍ）が遠距離用距離算出回路２０で適用される。
第３信号比較回路２２及び第４信号比較回路２３の一方又は双方を適用して実施する。

まず、図２及び図３を参照して各信号比較回路（１２，１３，２２，２３）及び各距離補正回路（１４，２４）を区別せずに信号処理の概要を説明する。
図２に、発光部１を発光駆動する発光駆動信号Ｓ１、発光部１の発光信号Ｓ２、各信号比較回路（１２，１３，２２，２３）に入力される受光信号Ｓ３（しきい値ｔｈを付記）、受光信号Ｓ３としきい値ｔｈとの比較結果信号Ｓ４、距離補正回路（１４，２４）が出力する距離値の時間軸を横軸にした波形図を示す。
レーザーレーダー装置１００は、所定のタイミングで発光駆動信号Ｓ１のパルスを発光部１に入力する。
発光駆動信号Ｓ１のパルス入力にしたがって発光部１が発光信号Ｓ２のように発光する。これによりレーザーレーダー装置１００は、対象物に対してレーザー光を発光（照射）する。
その対象物で反射したレーザー光の反射光を受光部２により受光検出する。受光部２が受光検出した受光強度の時間変化を示す受光信号を、パルス受光回路３が近距離用距離算出回路１０に出力する。
パルス受光回路３が出力する受光信号が第１信号増幅回路１１を介して第１信号比較回路１２と、第２信号比較回路１３とに入力される。
また、パルス受光回路３が出力する受光信号が第１信号増幅回路１１及び第２信号増幅回路２１を介して第３信号比較回路２２と、第４信号比較回路２３とに入力される。

信号比較回路（１２，１３，２２，２３）は、しきい値ｔｈ（ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３、ｔｈ４）と入力信号Ｓ３を比較して、比較結果信号Ｓ４を距離補正回路（１４，２４）に出力する。
距離補正回路（１４，２４）は、正確な距離値の算出のため、比較結果信号Ｓ４及び輝度距離補正ＬＵＴ（１５，１６，２５，２６）に基づき、受光信号Ｓ３のピークに相当する距離値（ｄ１１＋ｄ１２，ｄ１３＋ｄ１４）を算出し、距離選択回路３０に出力する。なお、図２においては距離値をレーザー光の往復飛翔時間で示す。対象物までの距離は、〔（往復飛翔時間）／２〕×光速に相当しており一対一に対応し相互換算可能であるから、距離測定用媒介光の飛翔時間を算出することは、距離値を算出することと同等である。

距離補正回路（１４，２４）は、図示例では以下の通りに処理する。
図２の受光信号Ｓ３に、比較的近距離の対象物からの反射光を受光検出した受光パルスＰ３１と、それより遠距離の対象物からの反射光を受光検出した受光パルスＰ３２とが含まれている。
受光パルスＰ３１，Ｐ３２に対応して比較結果信号Ｓ４には、比較結果パルスＰ４１，Ｐ４２が含まれている。
距離補正回路（１４，２４）は、比較結果パルスＰ４１，Ｐ４２の立ち上がりタイミングに相当する距離値ｄ１１，ｄ１３にピークまでの距離に相当する距離補正値ｄ１２，ｄ１４を加算して補正後の距離値とし距離選択回路３０に出力する。
距離補正値ｄ１２，ｄ１４は、図３に示すような輝度から距離補正値に換算するための輝度距離補正ＬＵＴを参照して決定する。ここでは、輝度はパルス幅Ｌ１，Ｌ２と相関するのでパルス幅Ｌ１，Ｌ２を用いる。また、輝度距離補正ＬＵＴは、増幅度としきい値の組合せに対応してそれぞれ予め容易して置く。

以上の構成で、信号増幅度の異なる近距離用距離算出回路１０と、遠距離用距離算出回路２０のそれぞれで、上下に異なる２つのしきい値ｔｈ１、ｔｈ２（ｔｈ３、ｔｈ４）を適用することで、遠距離物体からの光量の少ない受光パルスの検出性、受光タイミングが近い二つの受光ピークの分離性がある程度向上し、近距離から遠距離までの距離測定精度が向上する。信号増幅度としきい値の組合せが増えることで、多くの特徴を捉えることができるからである。
しかし、図４のＧ１１欄に示すように近距離から遠距離に向かって物体Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４がある対象を距離測定する場合に、図４のＧ１２欄に示す近距離用距離算出回路１０での信号処理でしきい値ｔｈ１、ｔｈ２をいくら下げても検出できない遠距離物体（Ｊ４）が生じる。図４のＧ１３欄に示すように増幅度を上げれば、遠距離物体（Ｊ４）が検出可能となってくるが、近距離物体（J１,J２）の分離検出が困難になってくるという限界がある。

そのため、本実施形態のレーザーレーダー装置１００は、距離選択回路３０によって有効値としての距離測定値の選択を行う。
そのために、距離選択回路３０は、図５に示すような第１境界距離ｄ１と、第２境界距離ｄ２を設定する。第２境界距離ｄ２は、第１境界距離以上である（すなわち、等しいか遠い距離である）。
図５のＧ２１欄に示すように近距離から遠距離に向かって物体Ｊ１１－Ｊ１６がある対象を例として説明する。図５のＧ２２欄に近距離用距離算出回路１０での信号比較処理（パルスＰ１１－Ｐ１７，しきい値ｔｈ１，２）を示す。しきい値の適用は単数又は複数とする。図５のＧ２３欄に近距離用距離算出回路１０が算出し距離選択回路３０に出力する第１距離値（ｄ２１－ｄ２５）を示す。図５のＧ２４欄に遠距離用距離算出回路２０での信号比較処理（パルスＰ２１－Ｐ２７，しきい値ｔｈ３，４）を示す。しきい値の適用は単数又は複数とする。図５のＧ２５欄に遠距離用距離算出回路２０が算出し距離選択回路３０に出力する第２距離値（ｄ３１－ｄ３６）を示す。

物体Ｊ１１－Ｊ１６の中でも物体Ｊ１５は、反射率の低い物体である。
物体Ｊ１１－Ｊ１６に対応して、第１の増幅値（Ｎ）での増幅後の受光パルスＰ１１－Ｐ１３，Ｐ１５－Ｐ１７が得られ、近距離用距離算出回路１０での信号処理により、第１距離値ｄ２１－ｄ２５が得られる。
このとき、遠距離物体Ｊ１６からの反射光を受光検出して得られる受光パルスＰ１７が小さいためにしきい値で検出できず、これに対応する第１距離値は得られなかった状況を示す。
また、反射率の低い物体Ｊ１５からの反射光を受光検出して得られる受光パルスＰ１６は小さくなり、これに対応する第１距離値ｄ２５が得られたり、得られなかったりする検出困難な状況を示す。
また、受光パルスＰ１４は対応する物体が無く、ノイズ光であることを示すが、ピークは小さいので、これに対応する第１距離値が算出されなかった状況を示す。

一方、物体Ｊ１１－Ｊ１６に対応して、第２の増幅値（Ｎ×Ｍ）での増幅後の受光パルスＰ２１－Ｐ２３，Ｐ２５－Ｐ２７が得られ、遠距離用距離算出回路２０での信号処理により、第１距離値ｄ３１，ｄ３２，ｄ３４－ｄ３６が得られる。
このとき、互いに近接する物体Ｊ１１，Ｊ１２に対応した受光パルスＰ２１，Ｐ２２が過剰に増幅されて分離検出できず、これらに対応した一つの第１距離値ｄ３１が得られた状況を示す。
遠距離物体Ｊ１６からの反射光を受光検出して得られる受光パルスＰ１７が増幅値の上昇により大きくなったためしきい値で検出でき、これに対応する第１距離値ｄ３６が得られた状況を示す。
また、反射率の低い物体Ｊ１５からの反射光を受光検出して得られる受光パルスＰ１６も増幅値の上昇により大きくなったため、これに対応する第１距離値ｄ３５が確実に得られる状況を示す。
また、受光パルスＰ２４は対応する物体が無く、ノイズ光であることを示すが、ピークが大きいので、これに対応する第１距離値ｄ３３が誤りとして算出された状況を示す。

距離選択回路３０は、第１境界距離ｄ１以下の範囲において第１距離値ｄ２１，ｄ２２を距離測定値として選択する。したがって、近距離物体Ｊ１１，Ｊ１２の距離が測定できたことになる。また、互いに近接する物体でもある物体Ｊ１１，Ｊ１２を分離検出でき、正確な距離測定ができたことになる。
距離選択回路３０は、第２境界距離ｄ２以上の範囲において第２距離値ｄ３６を距離測定値として選択する。したがって、遠距離物体Ｊ１６の距離が正確に測定できたことになる。
第１境界距離ｄ１と第２境界距離ｄ２とが等しい距離に設定される場合、距離選択回路３０による選択処理については以上である。

第２境界距離ｄ２が第１境界距離ｄ１より遠距離に設定される場合、第１境界距離ｄ１から第２境界距離ｄ２までの範囲についての距離選択回路３０による選択処理については以下の通り実施する。
まず、距離選択回路３０は、第１距離値及び第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択する。したがって、第１距離値ｄ２３，ｄ２４，ｄ２５は、同距離に第２距離値ｄ３２，ｄ３４，ｄ３５が存在するので、選択する。したがって、遠距離物体Ｊ１３，Ｊ１４，Ｊ１５の距離が正確に測定できたことになる。
以上のようにして、ノイズをカットし、近距離から遠距離までのすべての物体Ｊ１１－Ｊ１６の距離を正確にすることができる。

但し、上述したように第１距離値ｄ２５が得られなかった場合は、ノイズとともに物体Ｊ１５の距離値がカットされてしまう。これを解決する処理は以下の通り実施する。
距離選択回路３０は、第１距離値が存在せず第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択する。
まとめて言えば、第１距離値及び第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択、第１距離値が存在せず第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択、第１距離値が存在し第２距離値が存在しない距離値を距離測定値から排除する。
したがって、第１距離値ｄ２５が得られていない状況での第２距離値ｄ３５を選択する。この場合でも増幅値としきい値の設定により、一定のノイズカット性能は得られる。さらに、ノイズカット性能を向上するために、解析部３１を設ける。
解析部３１により、ｄ１～ｄ２範囲における第２の増幅値（Ｎ×Ｍ）での受光パルスＰ２３－Ｐ２６につき、ノイズであるか否かを解析し判定する。これにより、受光パルスＰ２４（第２距離値ｄ３２）を排除して、測定精度を向上する。また、解析部３１により、低反射率の物体からの反射光を受光検出した受光パルスであるか否か解析し、これにより受光パルスＰ２６（第２距離値ｄ３５）を選択し、受光パルスＰ２４（第２距離値ｄ３２）を選択せず距離測定値から排除する。

以上説明したように本実施形態のレーザーレーダー装置によれば、比較的近距離にある対象物の距離算出に適した第１距離算出部（１０）と、比較的遠距離にある対象物の距離算出に適した第２距離算出部（２０）とによる各距離値から距離測定値を選択するので、簡素な構成により遠距離から近距離まで精度よく距離を測定することができる。

ｄ１ 第１境界距離
ｄ２ 第２境界距離
ｄ２１－ｄ２５ 第１距離値
ｄ３１－ｄ３６ 第２距離値
ｔｈ１，２ しきい値
ｔｈ３，４ しきい値
１ 発光部
２ 受光部
３ パルス受光回路
１０ 近距離用距離算出回路（第１距離算出部）
２０ 遠距離用距離算出回路（第２距離算出部）
３０ 距離選択回路（選択部）
１００ レーザーレーダー装置

Claims (3)

1. 所定のタイミングで対象物に対して光を発光する発光部と、前記対象物で反射した前記光の反射光を受光検出する受光部と、前記受光部が受光検出した受光強度の時間変化を示す受光信号を出力する受光信号取得部と、前記受光信号取得部が出力する受光信号に基づき、前記発光部が前記光を発光してから前記受光部が前記反射光を受光するまでの時間から、対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
   前記距離算出部として、第１の増幅値を用いて第１距離値を算出する第１距離算出部と、前記第１の増幅値よりも大きい第２の増幅値を用いて第２距離値を算出する第２距離算出部と、を備え、
   前記第１距離値及び前記第２距離値のうちから距離測定値を選択する選択部をさらに備え、
   前記選択部は、第１境界距離以下の範囲において前記第１距離値を距離測定値として選択し、前記第１境界距離以上である第２境界距離以上の範囲において前記第２距離値を距離測定値として選択し、前記第２境界距離が前記第１境界距離より遠距離に設定され、前記第１境界距離から前記第２境界距離までの範囲において前記第１距離値及び前記第２距離値のうちから距離測定値を選択する距離測定装置。
2. 前記選択部は、前記第１境界距離から前記第２境界距離までの範囲において前記第１距離値及び前記第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択する請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記選択部は、前記第１境界距離から前記第２境界距離までの範囲において、前記第１距離値が存在せず前記第２距離値が存在する距離値を距離測定値として選択する請求項２に記載の距離測定装置。

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