JP7256631B2

JP7256631B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP7256631B2
Application number: JP2018206357A
Authority: JP
Inventors: 弘幸松原; 勇高井; 峰樹曽我; 禎祐木村; 憲幸尾崎; 武廣秦; 謙太東
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2023-04-12
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: WO2020090911A1; JP2020071164A

Description

本発明は、距離測定装置に関する。

光源からパルス光を照射し、物体によって反射された反射光を受光することによって、物体までの距離を測定する距離測定装置が知られている。

レーザ光を測定対象物に向けて照射する送信光学系と、照射されたのち測定対象物により反射されたレーザ光の反射光を受信する受信光学系と、受信光学系による反射光の受信信号をサンプリングし、今回サンプリングの受信信号の信号強度が前回サンプリングの受信信号の信号強度より低ければ、今回サンプリングの受信信号の信号強度と受信時刻を用いて伝搬経路上の媒質を起因とするレーザ光のエネルギーの減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、算出された減衰係数を用いて受信光学系による反射光の受信信号の信号強度を補償する信号強度補償手段と、信号強度が補償された受信信号の中から測定対象物に係る受信信号を抽出して受信信号に対応するレーザ光の送信時刻と受信信号の受信時刻との差から測定対象物までの距離を導出する距離導出手段とを備えたレーザレーダ装置が開示されている（特許文献１）。また、外乱による反射成分を関数でフィッティングして、そのフィッティングされた外乱成分を除去する方法が開示されている（非特許文献１）。

また、複数の反射ピークを検出するマルチエコー検出型のレーザレーダにおいて霧などの外乱による反射ピークを除外する方法が開示されている（特許文献２～４）。

特開２０１３－１２４８８２号公報特開２０１０－２８６３０７号公報特開２０１３－１６７４７９号公報特開２０１７－２１９３８３号公報

Ｇ．Ｓａｔａｔ，ｅｔａｌ．， "ＴｏｗａｒｄｓＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙＴｈｒｏｕｇｈＲｅａｌｉｓｔｉｃＦｏｇ"，ＩＥＥＥＩＣＣＰ，２０１８．

ところで、特許文献２～４の技術では、外乱光のピークを除去するだけであり、物体光と重なっている成分は除去できない。そのため、物体光の信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）は向上させることができない。

また、特許文献１及び非特許文献１の技術では、外乱散乱光の波形を均一な外乱と近似してフィッティングしている。そのため、外乱の原因となる物質の空間的な濃度分布にむらがある場合に対して効果的ではない。

本発明の１つの態様は、パルス光を出力する光照射部と、光を受光し、受光強度の時間変化を強度波形として取得する受光部と、前記強度波形に含まれる前記パルス光の反射光に基づいて物体までの距離を算出する信号処理部と、を備え、前記光照射部は、第１パルス光と、前記第１パルス光に対して波形及び出力タイミングの少なくとも一方を変更した第２パルス光と、を出力し、前記信号処理部は、前記第１パルス光の反射光を含む前記強度波形と前記第２パルス光の反射光を含む前記強度波形とを処理することによって前記物体までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置である。

ここで、前記信号処理部は、前記第１パルス光の反射光を含む前記強度波形と前記第２パルス光の反射光を含む前記強度波形との線形加算の波形から前記物体までの距離を算出することが好適である。

また、前記第１パルス光と前記第２パルス光とは出力エネルギーが等しく、前記信号処理部は、前記第１パルス光の反射光を含む前記強度波形と前記第２パルス光の反射光を含む前記強度波形との差分波形から前記物体までの距離を算出することが好適である。

また、前記第２パルス光は出力タイミングが異なる複数の信号の線形和からなることを特徴とすることが好適である。

また、前記第２パルス光は、前記第１パルス光よりパルス幅が広い波形を有し、前記光照射部は、所定の条件を満たすときのみ前記第２パルス光を出力することが好適である。

また、前記第１パルス光と前記第２パルス光は異なる波長であり、前記受光部は、前記第１パルス光の反射光と前記第２パルス光の反射光に対してそれぞれ異なる受光素子を備えてもよい。

本発明によれば、天候などによる後方散乱光の影響を除去し、物体からの反射信号を高い感度で検出することが可能な距離測定装置を提供することができる。

第１の実施の形態の距離測定装置の構成を示す図である。第１の実施の形態の強度波形Ｓ１，Ｓ２及び補正信号Ｓの例を示す図である。第２の実施の形態の強度波形Ｓ１，Ｓ２及び補正信号Ｓの例を示す図である。第３の実施の形態の強度波形Ｓ１，Ｓ２及び補正信号Ｓの例を示す図である。第４の実施の形態の距離測定装置の構成を示す図である。第５の実施の形態の距離測定装置の構成を示す図である。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における距離測定装置１００は、図１に示すように、光照射部１０、受光部１２及び信号処理部１４を含んで構成される。光照射部１０、受光部１２及び信号処理部１４は同一の筐体内に収めることができる。

距離測定装置１００は、光照射部１０から所定の波長λ_ＬＤのパルス光を出力し、測定対象物２００において反射された反射光を受光部１２にて受光することにより測定対象物２００までの距離を測定するために用いられる。

光照射部１０は、距離測定装置１００において測距に利用される光を出射する。光照射部１０は、レーザダイオード（ＬＤ）や液晶（ＬＥＤ）とすることができる。光照射部１０は、例えば、中心発光波長λ_ＬＤが（８７０ｎｍといった）赤外線の帯域であるＬＤを使用してもよい。ただし、光照射部１０から照射される光の波長は、これに限定されるものではなく、測定対象物２００において反射され、受光部１２において当該反射光が受光できる波長の電磁波であればよい。

本実施の形態では、光照射部１０からパルス光が出力される。光照射部１０からパルス光が出射されると、その出射時刻ｔ_０が信号処理部１４に入力される。

また、光照射部１０から光を広範囲に照射するための手段を設けてもよい。例えば、ポリゴンミラーを回転させて、光照射部１０から出力される光の照射角度を変更できる構成としてもよい。

受光部１２は、受光素子を含んで構成される。受光部１２は、例えば、複数の受光素子を配列させた構成とされる。例えば、縦４個×横４個の合計１６個の受光素子をアレイ状に並べた構成とすることができる。ただし、受光部１２における受光素子の配置は、これに限定されるものではなく、単一の受光素子で構成してもよいし、複数の受光素子を１次元的又は２次元的に配置するような構成としてもよい。

受光部１２の各受光素子に光が入射すると、光の強度に応じた電気信号に変換されて信号処理部１４へ強度信号が出力される。したがって、受光部１２から出力される強度信号の時間的変化から強度波形を取得することができる。

信号処理部１４は、受光部１２において取得された強度波形を処理して、距離測定装置１００から測定対象物２００までの距離を算出する。すなわち、信号処理部１４は、受光部１２において取得された信号の強度波形に含まれるパルス光の反射光に基づいて物体までの距離を算出する。具体的には、光照射部１０から出力されたパルス光を測定対象物２００が反射した反射光の成分を受光部１２で取得した信号の強度波形から抽出し、当該パルス光の出射時刻ｔ_０から当該パルス光の反射光の受光時刻ｔ_ｄとの差分Δｔ（＝ｔ_ｄ－ｔ_０）に基づいて距離測定装置１００から測定対象物２００までの距離を演算する。すなわち、信号処理部１４は、差分Δｔに光速ｃを乗算し、それを２で割ることで測定対象物２００までの距離Ｄを求める。

本実施の形態における距離測定装置１００では、光照射部１０は、第１パルス光と、第１パルス光に対して波形及び出力タイミングの少なくとも一方を変更した第２パルス光とを出力する。そして、信号処理部１４は、第１パルス光の反射光を含む強度波形と第２パルス光の反射光を含む強度波形とを処理することによって物体までの距離を算出する。

図２（ａ）は、第１パルス光（エネルギーＥ１）を出力し、測定対象物２００によって反射された第１パルス光の反射光を受光部１２において受光したときの強度波形Ｓ１の例を示す。また、図２（ｂ）は、第１パルス光よりもパルス幅が広い第２パルス光（エネルギーＥ２）を出力し、測定対象物２００によって反射された第２パルス光の反射光を受光部１２において受光したときの強度波形Ｓ２の例を示す。

このとき、霧、煙、粉塵等の外乱散乱体はパルス光の照射の奥行方向に拡がっているため、外乱散乱対による反射光の信号は強度波形Ｓ１，Ｓ２において時間的に拡がったバックグラウンド信号として検出される。このように拡がったバックグラウンド信号を時間的に積算するとパルスエネルギーに比例した大きさとなる。一方、測定対象物２００からの反射光は、測定対象物２００の表面からの反射だけであり、光照射部１０から出力した第１パルス光又は第２パルス光と略同じ波形となる。

信号処理部１４は、第１パルス光の反射光を含む強度波形Ｓ１と第２パルス光の反射光を含む強度波形Ｓ２をもとに、数式（１）を用いて線形加算した補正信号Ｓを算出する。これによって、散乱外乱信号を除去した補正信号Ｓを得ることができる。ただし、補正信号Ｓには、近距離部分に補償しきれない外乱成分が残る。これについては、強度波形Ｓ１との比較（ピーク高さや位置など）によって、外乱ピークであることを推定して除外することが可能である。
（数１）
Ｓ＝Ｓ１×Ｅ２－Ｓ２×Ｅ１・・・（１）

このように、第１パルス光の反射光を含む強度波形Ｓ１と第２パルス光の反射光を含む強度波形Ｓ２に基づいて外乱散乱体からの反射の影響を除去した補正信号Ｓを求めることで強度信号の信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上させることができる。そして、補正信号Ｓに基づいてパルス光の反射光の受光時刻ｔ_ｄを求めることによって、距離測定装置１００から測定対象物２００までの距離Ｄをより高い精度及び確度で求めることができる。

なお、第１パルス光のエネルギーＥ１と第２パルス光のエネルギーＥ２が等しい場合（Ｅ_１＝Ｅ_２）、数式（２）を用いて差分波形を算出することで補正信号Ｓを求めることができる。
（数２）
Ｓ＝Ｓ１－Ｓ２・・・（２）

また、強度波形Ｓ１，Ｓ２を求める際に、１回の測定結果ではなく、複数回の合計又は平均を算出することによって、背景光ノイズやショットノイズといったランダムノイズを低減することができる。

なお、２つの強度波形Ｓ１，Ｓ２を用いることは散乱外乱光を除去するのに有効であるが、散乱外乱光が無い場合には信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）の観点から不利になる場合がある。したがって、強度波形Ｓ１から特開２０１３－１６７４７９等に記載された方法で散乱外乱光がある程度強いと判定できた場合にのみ２つの強度波形Ｓ１，Ｓ２を用いた散乱外乱除去処理を適用することが好適である。例えば、通常は第１パルス光のみを出力するようにしておき、強度波形Ｓ１において散乱外乱光がある程度強いと判定できた場合にのみ第２パルス光を照射して強度波形Ｓ２を取得するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態における距離測定装置１００では、光照射部１０から出力される第１パルス光と第２パルス光とはパルス幅の中心が一致するように設定した。これに対して、第１パルス光と第２パルス光との出力タイミングを異なるようにしてもよい。

図３（ａ）は、第１パルス光を出力し、測定対象物２００によって反射された第１パルス光の反射光を受光部１２において受光したときの強度波形Ｓ１の例を示す。また、図３（ｂ）は、第１パルス光よりもパルス幅が広く、パルスの立ち上がりの位置を第１パルス光に揃えた第２パルス光を出力し、測定対象物２００によって反射された第２パルス光の反射光を受光部１２において受光したときの強度波形Ｓ２の例を示す。

このような強度波形Ｓ１，Ｓ２について上記数式（１）を用いて補正信号Ｓを求めた場合、第１パルス光と第２パルス光の中心位置が揃っている場合に比べて信号のピーク位置で引かれる量が小さくなり、より大きいピークを得ることができる。ただし、外乱散乱成分の影響がより大きくなる可能性がある。

［第３の実施の形態］
また、光照射部１０から出力される第１パルス光の数と第２パルス光の数とを異ならせるようにしてもよい。

図４（ａ）は、第１パルス光として１つのパルス光を出力し、測定対象物２００によって反射された第１パルス光の反射光を受光部１２において受光したときの強度波形Ｓ１の例を示す。また、図４（ｂ）は、第２パルス光として２つのパルス光を出力し、測定対象物２００によって反射された第２パルス光の反射光を受光部１２において受光したときの強度波形Ｓ２の例を示す。

すなわち、第１パルス光よりパルス幅が広い第２パルス光とする代わりに、第１パルス光とパルス幅が同程度又は狭い２つのパルスを含む第２パルス光を用いる。このとき、第２パルス光に含まれるパルスのピーク位置が第１パルス光のピーク位置を避けるようにすることが好適である。

なお、第１パルス光と第２パルス光のパルス波形は相似形である必要はない。また、２つの連続したパルスの代わりに、それぞれ個別に発光して得られた信号の線形和を第２パルス光としてもよい。

このような強度波形Ｓ１，Ｓ２について上記数式（１）を用いて補正信号Ｓを求めた場合、信号のピークの強度の減少を抑制しつつ、外乱散乱成分を除去することができる。

［第４の実施の形態］
図５は、第４の実施の形態における距離測定装置１０２の構成を示す。距離測定装置１０２では、光源として２つの光照射部１０ａ及び光照射部１０ｂが設けられている。光照射部１０ａは、第１パルス光を照射するための光源として機能し、光照射部１０ｂは、第２パルス光を照射するための光源として機能する。このとき、受光部１２の受光開口部から遠い位置に第１パルス光を出力する光照射部１０ａを配置し、近い位置に第１パルス光よりパルス幅が広い第２パルス光を出力する光照射部１０ｂを配置することが好適である。

このように、２つの光照射部１０ａ及び光照射部１０ｂを配置することによって、強度波形の近距離範囲に残ってしまう外乱信号を低減することができる。なお、光照射部１０を１つのみにした場合、第１パルス光及び第２パルス光を同じ照度分布で照射できるので、補償精度がよくなるという利点がある。

［第５の実施の形態］
図６は、第５の実施の形態における距離測定装置１０４の構成を示す。距離測定装置１０４は、光源として２つの光照射部１０ａ及び光照射部１０ｂ並びに２つの受光素子として受光部１２ａ及び受光部１２ｂを備える。

光照射部１０ａは、第１パルス光を照射するための光源として機能し、光照射部１０ｂは、第２パルス光を照射するための光源として機能する。本実施の形態では、光照射部１０ａと光照射部１０ｂは互いに異なる波長の光を出力する。例えば、光照射部１０ａは波長λ１の第１パルス光を出力し、光照射部１０ｂは波長λ２の第２パルス光を出力する。光照射部１０ａ及び光照射部１０ｂからそれぞれ出力された第１パルス光及び第２パルス光は、２色合成用のハーフミラー１６によって合成されて外部へ照射される。

受光部１２ａは、第１パルス光の波長の光を受光する手段として機能し、受光部１２ｂは、第２パルス光の波長の光を受光する手段として機能する。例えば、光照射部１０ａは波長λ１の光を受光し、光照射部１０ｂは波長λ２の光を受光する。本実施の形態では、外部から入射された光は、２色分離用のハーフミラー１８によって第１パルス光の波長の光と第２パルス光の波長の光に分離されてそれぞれ受光部１２ａ及び受光部１２ｂへ導入される。

このように、第１パルス光と第２パルス光との波長を異ならせることによって、第１パルス光と第２パルス光とを同時に照射し、それぞれの波長の光を分離して受光することによって強度波形Ｓ１と強度波形Ｓ２とを同時に取得することができる。これにより、強度波形Ｓ１と強度波形Ｓ２との計測時刻の差による環境変化等の影響を低減することができる。したがって、補正信号Ｓにおける環境変化等の影響も低減することができ、距離測定の精度及び確度を向上することができる。

１０（１０ａ，１０ｂ）光照射部、１２（１２ａ，１２ｂ）受光部、１４信号処理部、１６ハーフミラー、１８ハーフミラー、１００，１０２，１０４距離測定装置、２００測定対象物。

Claims

パルス光を出力する光照射部と、
光を受光し、受光強度の時間変化を強度波形として取得する受光部と、
前記強度波形に含まれる前記パルス光の反射光に基づいて測定対象物体までの距離を算出する信号処理部と、
を備え、
前記光照射部は、第１パルス光と、前記第１パルス光に対して時間的なパルス幅が異なる第２パルス光、又は、前記第１パルス光に対してパルスの数が異なる第２パルス光と、を出力し、
前記信号処理部は、前記測定対象物体による前記第１パルス光の反射光を含む前記強度波形と前記測定対象物体による前記第２パルス光の反射光を含む前記強度波形とを処理することによって前記測定対象物体までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記信号処理部は、前記第１パルス光の反射光を含む前記強度波形と前記第２パルス光の反射光を含む前記強度波形との線形加算の波形から前記測定対象物体までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。