JP7804494B2

JP7804494B2 - 測定装置

Info

Publication number: JP7804494B2
Application number: JP2022040510A
Authority: JP
Inventors: 拓哉稲葉
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2026-01-22
Anticipated expiration: 2042-03-15
Also published as: JP2023135348A

Description

本発明は、測定装置に関する。

光を測定することによって周囲の物体までの距離情報を取得するＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）などの測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＦＭＣＷ方式（ＦＭＣＷ：Frequency Modulated Continuous Wave）の測定装置では、周波数変調した照射光を対象物に照射し、対象物からの反射光と参照光とを干渉させた干渉波のビート周波数に基づいて、対象物までの距離や対象物との相対速度を測定する。

特表２０２０－５０２５０３号公報

ＦＭＣＷ方式の測定装置では、周波数が増加する漸増期間と、周波数が減少する漸減期間とが交互に繰り返されるように光を変調させ、漸増期間におけるビート周波数と、漸減期間におけるビート周波数とに基づいて、対象物までの距離を算出する。但し、対象物の相対速度が大きくなると、対象物までの距離を正確に算出できなくなることがある（後述）。

本発明は、対象物までの距離を正確に算出することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一形態は、周波数が増加する漸増期間と、周波数が減少する漸減期間と、周波数が一定の一定期間とを所定順で繰り返すように周波数変調した測定光を生成する生成装置と、前記測定光を対象物に照射するとともに、対象物からの反射光と前記測定光とを干渉させる光学装置と、前記反射光と前記測定光との干渉波を検出し、ビート信号を出力する検出装置と、前記漸増期間における前記ビート信号のビート周波数を示す第１周波数と、前記漸減期間における前記ビート信号のビート周波数を示す第２周波数と、前記一定期間における前記ビート信号のビート周波数を示す第３周波数とに基づいて、前記対象物までの距離を求める信号処理装置とを備える測定装置である。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、対象物までの距離を正確に算出することができる。

図１は、測定装置１の全体構成の説明図である。図２Ａは、周波数変調光の周波数の時間変化を示す説明図である。図２Ｂは、測定光と反射光の周波数の時間変化の説明図である。図３は、解析部４２が行う処理のフロー図である。図４は、測定光と反射光の大小関係の各種パターンを示す説明図である。図５Ａ及び図５Ｂは、算出頻度の説明図である。図６は、変形例のフロー図である。図７は、変形例の測定光と反射光の周波数の説明図である。図８Ａ及び図８Ｂは、時間の経過に応じて周波数が増加又は減少するように光を変調させた場合の説明図である。図９は、対象物９０が動いている場合の測定光と反射光の周波数の時間変化を示すグラフである。図１０は、対象物９０の相対速度が速い場合の影響の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

＜全体構成＞
図１は、測定装置１の全体構成の説明図である。

測定装置１は、対象物９０までの距離を測定する装置である。測定装置１は、いわゆるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）としての機能を有する。測定装置１は、ＦＭＣＷ方式（ＦＭＣＷ：Frequency Modulated Continuous Wave）にて対象物９０までの距離を測定する。すなわち、測定装置１は、周波数変調した測定光（照射光）を対象物９０に照射し、対象物９０からの反射光と測定光（参照光）とを干渉させ、干渉光の検出結果であるビート信号の周波数（ビート周波数）に基づいて、対象物９０までの距離を測定する。なお、測定装置１は、対象物９０までの距離だけでなく、対象物９０との相対速度も測定可能である。

測定装置１は、生成装置１０と、光学装置２０と、検出装置３０と、信号処理装置４０とを有する。

生成装置１０は、周波数を変調させた光（周波数変調光）を生成する装置である。生成装置１０は、周波数変調光を光学装置２０に出力する。生成装置１０から出力した光（測定光）は、一部は対象物９０に照射する照射光となり、一部は反射光に干渉させる参照光となる。生成装置１０は、信号発生器１１と、電流源１２と、レーザ光源１３と、温調器１４とを有する。

信号発生器１１は、電流源１２を制御するための電圧信号を生成する。信号発生器１１は、例えば波形発生器であり、例えば三角波の電圧信号を生成して電流源１２に出力する。
電流源１２は、光源を制御するための電流信号を生成する。電流源１２は、信号発生器１１の電圧信号に応じた電流信号を生成する。例えば、電流源１２は、三角波の電圧信号に応じた三角波の電流信号を生成してレーザ光源１３に出力する。
レーザ光源１３は、周波数を変調させた光（周波数変調光）を出射する。例えば、レーザ光源１３は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子を用いて構成される。レーザ光源１３は、電流源１２の電流信号に応じた周波数のレーザ光を生成する。レーザ光は、例えば１９３．４０２４～１９３．４２６６ＴＨｚ（λ＝１５４９．９０３～１５５０．０９７ｎｍ）の範囲で周波数変調したレーザ光を生成する。例えば、レーザ光源１３は、三角波の電流信号に応じて周波数を徐々に増加又は減少させたレーザ光（周波数変調光）を生成する。レーザ光源１３は、レーザ光を光学装置２０に出力する。
温調器１４は、レーザ光源１３（特にレーザ素子）を所定の温度に調整する。温調器１４は、例えば温度センサ１４Ａと熱電素子（例えばペルチェ素子）を有し、温度センサ１４Ａによってレーザ光源１３の温度を測定し、温度センサ１４Ａの測定結果に基づいて熱電素子をフィードバック制御することによってレーザ光源１３を所定の温度に調整する。

光学装置２０は、周波数変調した光（測定光）を対象物９０に照射し、対象物９０からの反射光と参照光（測定光）とを干渉させる装置である。光学装置２０は、生成装置１０から入力された測定光の一部を対象物９０に照射する照射光とし、生成装置１０から入力された測定光の一部を参照光とし、対象物９０からの反射光と参照光とを干渉させて干渉光（干渉波）を生成する。光学装置２０は、反射光と参照光とを干渉させた干渉光（干渉波）を検出装置３０に出力する。光学装置２０は、分岐器２１と、サーキュレータ２２と、光学系２３と、光導波路２４と、結合器２５とを有する。
分岐器２１は、生成装置１０の周波数変調光を分岐する。分岐器２１は、例えば光カプラにより構成される。分岐した一方の光は、サーキュレータ２２に出力され、対象物９０に照射する照射光となる。分岐した他方の光は、光導波路２４に出力され、反射波と干渉させる参照光となる。
サーキュレータ２２は、分岐器２１からの光（照射光）を光学系２３に導くとともに、光学系２３からの光（反射光）を結合器２５に導く。
光学系２３は、対象物９０に向かって光を照射するとともに、反射光を集光して出力する。光学系２３は、例えばレンズ、ミラー、プリズムなどの光学エレメントにより構成される。光学系２３は、例えば、照射光を対向物に向かって照射する投光用光学系と、反射光を集光する受光用光学系とを有する。光学系２３は、照射光を走査させる機能を有していても良い。光学系２３は、集光した反射光をサーキュレータ２２に出力する。なお、反射光は、サーキュレータ２２を介して、結合器２５に入力される。
光導波路２４は、分岐器２１から結合器２５までの間の所定長の光路を構成する。光導波路２４は、所定の光路長で参照光を分岐器２１から結合器２５へ導く。光導波路２４は、例えば光ファイバにより構成される。
結合器２５は、サーキュレータ２２からの反射光と、光導波路２４からの参照光とを結合する。結合器２５は、例えば光カプラにより構成される。結合器２５は、反射光と参照光とを干渉させる干渉器として機能し、反射光と参照光とを干渉させた干渉光（干渉波）を生成する。結合器２５は、干渉光を検出装置３０に出力する。

検出装置３０は、反射光と参照光との干渉光を検出し、ビート信号を出力する装置である。検出装置３０は、光電変換器３１と、増幅器３２とを有する。
光電変換器３１は、検出した光信号（ここでは干渉光）の強度に応じた電気信号（電流信号）を出力する。光電変換器３１は、例えばフォトダイオードである。光電変換器３１が検出する干渉光は、周波数の異なる反射光と参照光とが干渉することによって振幅が周期的に変わる波である。
増幅器３２は、光電変換器３１の電流信号を電圧信号に変換して出力する。増幅器３２は、例えばトランスインピーダンス増幅器により構成される。増幅器３２から出力されるビート信号は、反射光と参照光の周波数の差を示す信号となる。ビート信号のビート周波数は、干渉光のうなり成分の周波数に相当する。また、ビート信号のビート周波数は、反射光と参照光の周波数の差に相当する。

信号処理装置４０は、ビート信号に基づいて対象物９０までの距離を求める装置である。信号処理装置４０は、不図示のＡ／Ｄ変換器、演算装置、記憶装置等を有する。演算装置は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵ、ＭＰＵなどの演算処理装置で構成される。記憶装置は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物９０までの距離を測定するための各種処理が実行される。図１には、信号処理装置４０が実行する各種処理が機能ブロックとして示されている。

信号処理装置４０は、信号取得部４１と、解析部４２と、出力部４３とを有する。信号取得部４１は、検出装置３０のビート信号をデジタル信号として取り込む。信号取得部４１は、例えばＡ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ変換ボード等）により構成される。解析部４２は、ビート信号に基づいて対象物９０までの距離を求める。解析部４２の処理については、後述する。出力部４３は、解析部４２の解析結果を外部に出力する。例えば、出力部４３は、対象物９０までの距離を示す距離データや、対象物９０の相対速度を示す速度データを、外部装置である車両ＥＣＵに出力する。

＜参考説明１＞
本実施形態の解析部４２の処理について説明する前に、まず一般的なＦＭＣＷ方式による測定方法について説明する。

図８Ａ及び図８Ｂは、時間の経過に応じて周波数が増加又は減少するように光を変調させた場合の説明図である。図８Ａは、測定光と反射光の周波数の時間変化を示すグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。なお、周波数が増加する期間のことを漸増期間と呼び、周波数が減少する期間のことを漸減期間と呼ぶことがある。図８Ｂは、ビート信号の周波数解析結果（高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による解析結果）を示すグラフであり、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅（強度）を示している。まず、対象物９０が静止している場合（対象物９０との相対速度がゼロの場合）について説明する。

図中のｆ_Ｂは、測定光（照射光、参照光）と反射光との周波数の差を示している。Δｔは、対象物９０までの間を光が往復するのにかかる時間を示している。Ｔは、漸増期間又は漸減期間（周波数を変調させる変調時間）を示している。Ｆは、変調周波数幅（周波数の増加幅や減少幅）を示している。

ここでは、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加するため、グラフの傾きが一定であることから、Δｔは、次式（１）の通りになる。
Δｔ＝（Ｔ／Ｆ）・ｆ_Ｂ・・・（１）

ここで、光の速度をｃとし、対象物９０までの距離をＲとすると、対象物９０までの間を光が往復するのに時間Δｔかかることから、距離Ｒは、次式（２）の通りになる。
２Ｒ＝ｃ・Δｔ
Ｒ＝（ｃ・Ｔ／２Ｆ）・ｆ_Ｂ・・・（２）

上式（２）のうち、周波数ｆ_Ｂは、図８Ｂに示すようにビート信号をＦＦＴ解析することによって求めることができる。また、光の速度ｃ、変調時間Ｔ及び変調周波数幅Ｆは、既知である。このため、ビート信号をＦＦＴ解析して周波数ｆ_Ｂを求めることによって、対象物９０までの距離Ｒを算出することができる。

図９は、対象物９０が動いている場合の測定光と反射光の周波数の時間変化を示すグラフである。反射光のグラフに示されるように、対象物９０が動いている場合、ドップラー効果によって周波数がシフトする。

図中のｆ_ｄｏｐは、ドップラー効果による周波数のシフト量（ドップラーシフト周波数）を示している。ｆ_ｕｐは、漸増期間中における測定光（照射光、参照光）と反射光との周波数の差を示している。ｆ_ｄｎは、漸減期間中における測定光（照射光、参照光）と反射光との周波数の差を示している。

周波数ｆ_ｕｐは、漸増期間中のビート信号をＦＦＴ解析することによって求めることができる。また、周波数ｆ_ｄｎは、漸減期間中のビート信号をＦＦＴ解析することによって求めることができる。なお、ビート信号の周波数解析は、漸増期間と漸減期間のそれぞれで別個に行われることになる。そして、周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎに基づいて、次式（３）のように周波数ｆ_Ｂを求めることができ、前述の式（２）に基づいて距離Ｒを求めることができる。
ｆ_Ｂ＝（ｆ_ｕｐ＋ｆ_ｄｎ）／２・・・（３）

また、周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎに基づいて、次式（４）のようにドップラーシフト周波数ｆ_ｄｏｐを求めることができ、次式（５）に基づいて相対速度Ｖを求めることができる。
ｆ_ｄｏｐ＝（ｆ_ｕｐ－ｆ_ｄｎ）／２・・・（４）
Ｖ＝（λ／２）・ｆ_ｄｏｐ・・・（５）
（λは、光の波長）

＜参考説明２：相対速度が速い場合＞
図１０は、対象物９０の相対速度が速い場合の影響の説明図である。ここでは、説明のため、図中の周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎの大きさは、図９の周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎの大きさと同じにしている。

図１０に示すように、対象物９０の相対速度が大きくなると、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも大きくなることがある。但し、ビート信号の周波数解析によってビート周波数を求めた場合、測定光と反射光との周波数の差の絶対値が求められることになるため、測定光の周波数と反射光の周波数の大小関係を判別できない。このため、図１０に示す状況下でビート信号の周波数解析で得られる周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎは、図９に示す状況下での周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎと同じ値になる。このため、図１０に示す状況下で求められた周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎを、前述の式（２）（３）に適用して距離Ｒを求めると、対象物までの距離を正しく算出できない。
このように、対象物９０の相対速度が大きくなり、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも大きくなると、対象物までの距離を正しく算出できない。同様に、対象物９０の相対速度が大きくなり、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも小さくなると、対象物までの距離を正しく算出できない。

図２Ａは、周波数変調光の周波数の時間変化を示す説明図である。図中の横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。

図２Ａを示すように、生成装置１０は、漸増期間、漸減期間及び一定期間を所定順で繰り返すように周波数変調した測定光を生成する。言い換えると、生成装置１０は、漸増期間、漸減期間及び一定期間を含む期間を所定周期で繰り返すように周波数変調した測定光を生成する。一定期間は、周波数が一定の期間である。なお、生成装置１０の信号発生器１１は、漸増期間に電圧を増加させ、漸減期間に電圧を減少させ、一定期間に電圧を一定にさせた電圧信号を出力する。言い換えると、信号発生器１１は、三角波と三角波の間に電圧を一定にさせた一定期間を設けた電圧信号を出力する。このような電圧信号を信号発生器１１が出力することによって、電流源１２は、漸増期間に電流を増加させ、漸減期間に電流を減少させ、一定期間に電流を一定にさせた電流信号を出力する。これにより、レーザ光源１３は、図２Ａに示すように周波数が時間変化する光（周波数変調光）を出力することになる。

図２Ｂは、測定光（照射光、参照光）と反射光の周波数の時間変化の説明図である。図中の横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。

信号処理装置４０の信号取得部４１は、検出装置３０のビート信号をデジタル信号とし取り込み、解析部４２は、ビート信号に対して周波数解析（例えばＦＦＴ解析）を行う。解析部４２は、漸増期間中のビート信号に対して周波数解析を行うことによって、周波数ｆ_ｕｐ（第１周波数）を取得する。解析部４２は、漸減期間中のビート信号に対して周波数解析を行うことによって、周波数ｆ_ｄｎ（第２周波数）を取得する。解析部４２は、一定期間中のビート信号に対して周波数解析を行うことによって、周波数ｆ_ｃ（第３周波数）を取得する。ｆ_ｃは、一定期間中における測定光（照射光、参照光）と反射光との周波数の差（詳しくは、測定光と反射光との周波数の差の絶対値）を示している。このため、一定期間中のビート信号を周波数解析することによって得られる周波数ｆ_ｃは、ドップラー効果による周波数のシフト量（ドップラーシフト周波数）を示すことになる（但し、周波数ｆ_ｃは、ドップラーシフト周波数ｆ_ｄｏｐの絶対値に相当する）。

なお、解析部４２が取得した周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃは、いずれも、測定光と反射光との周波数の差の絶対値を示すことになる。このように得られた周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて、解析部４２は、次のように対象物９０の距離（及び相対速度）を求める。

図３は、解析部４２が行う処理のフロー図である。図中の各処理は、信号処理装置４０を構成する演算処理装置が解析プログラムを実行することにより実現される。図４は、測定光と反射光の大小関係の各種パターンを示す説明図である。なお、図中のパターンＢ及びＣの場合には、周波数ｆ_ｕｐ及び周波数ｆ_ｄｎを前述の式（２）（３）に適用することによって距離Ｒを求めることが可能である。但し、図中のパターンＡ及びＤの場合には、対象物９０の相対速度が大きくなった結果、前述の式（２）（３）を用いても距離Ｒを正しく算出できない状況となる。

・Ｓ００１～Ｓ００５
解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐと周波数ｆ_ｄｎとの大小関係を比較し、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きいか否かを判定する（Ｓ００１）。ここでは、解析部４２は、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きいか否かを判定する（ｆ_ｕｐ＜ｆ_ｄｎ）。ここでは、周波数ｆ_ｕｐと周波数ｆ_ｄｎとが同じ場合にはＳ００１でＹＥＳと判定される（ｆ_ｕｐ≦ｆ_ｄｎ）。但し、周波数ｆ_ｕｐと周波数ｆ_ｄｎとが同じ場合にＳ００１でＮＯと判定されても良い。

測定光と反射光の大小関係が図４のパターンＡ及びパターンＢに該当する場合、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きいため、解析部４２は、Ｓ００１でＹＥＳと判定することになる。一方、測定光と反射光の大小関係が図４のパターンＣ及びパターンＤに該当する場合、周波数ｆ_ｕｐが周波数ｆ_ｄｎより大きいため、解析部４２は、Ｓ００１でＮＯと判定することになる。

周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きい場合（Ｓ００１でＹＥＳ）、解析部４２は、次の２つの条件（条件Ａ）を満たすか否かを判定する（Ｓ００２）。なお、Ｓ００２の判定は、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも大きいか否かの判定に相当する。
［条件Ａ］

条件Ａにおけるαは、所定の閾値である。パターンＡに該当する場合、測定結果に異常が無ければ、１番目の条件式の右辺の値は、ほぼゼロになる。そこで、条件Ａの２番目の条件式において、１番目の条件式の右辺の値が閾値αより小さいかどうかを判定することによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃの測定結果に異常が無いかどうかを判定している。なお、エラー判定が不要であれば、条件Ａの２つの条件のうちの２番目の条件式を無くしても良い。この点については、次述の条件Ｂ～Ｄにおいても同様である。

解析部４２は、条件Ａを満たすと判定した場合（Ｓ００２でＹＥＳ）、パターンＡに該当すると判別する（Ｓ０１１）。一方、条件Ａを満たさないと判定した場合（Ｓ００２でＮＯ）、解析部４２は、次の２つの条件（条件Ｂ）を満たすか否かを判定する（Ｓ００３）。なお、Ｓ００３の判定は、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも小さいか否かの判定に相当する。
［条件Ｂ］

条件Ｂにおけるαは、前述の条件Ａと同様に、所定の閾値である。パターンＢに該当する場合、測定結果に異常が無ければ、１番目の条件式の左辺の値は、ほぼゼロになる。そこで、条件Ｂの２番目の条件式において、１番目の条件式の左辺の値が閾値αより小さいかどうかを判定することによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃの測定結果に異常が無いかどうかを判定している。

解析部４２は、条件Ｂを満たすと判定した場合（Ｓ００３でＹＥＳ）、パターンＢに該当すると判別する（Ｓ０１２）。一方、条件Ｂを満たさないと判定した場合（Ｓ００３でＮＯ）、解析部４２は、エラーを報知する（Ｓ０１５）。なお、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃの測定結果に異常がある場合、条件Ａや条件Ｂの２番目の条件式の左辺の値が閾値αを超えるため、条件Ａ及び条件Ｂのどちらも満たさないことになり、エラーとなる。

周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより小さい場合（Ｓ００１でＮＯ）、解析部４２は、次の２つの条件（条件Ｃ）を満たすか否かを判定する（Ｓ００４）。なお、Ｓ００４の判定は、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも大きいか否かの判定に相当する。
［条件Ｃ］

条件Ｃにおけるαは、前述の条件Ａ，Ｂと同様に、所定の閾値である。パターンＣに該当する場合、測定結果に異常が無ければ、１番目の条件式の左辺の値は、ほぼゼロになる。そこで、条件Ｃの２番目の条件式において、１番目の条件式の左辺の値が閾値αより小さいかどうかを判定することによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃの測定結果に異常が無いかどうかを判定している。

解析部４２は、条件Ｃを満たすと判定した場合（Ｓ００４でＹＥＳ）、パターンＣに該当すると判別する（Ｓ０１３）。一方、条件Ｃを満たさないと判定した場合（Ｓ００４でＮＯ）、解析部４２は、次の２つの条件（条件Ｄ）を満たすか否かを判定する（Ｓ００５）。なお、Ｓ００５の判定は、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも小さいか否かの判定に相当する。
［条件Ｄ］

条件Ｄにおけるαは、前述の条件Ａ～Ｃと同様に、所定の閾値である。パターンＤに該当する場合、測定結果に異常が無ければ、１番目の条件式の右辺の値は、ほぼゼロになる。そこで、条件Ｄの２番目の条件式において、１番目の条件式の右辺の値が閾値αより小さいかどうかを判定することによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃの測定結果に異常が無いかどうかを判定している。

解析部４２は、条件Ｄを満たすと判定した場合（Ｓ００５でＹＥＳ）、パターンＤに該当すると判別する（Ｓ０１４）。一方、条件Ｄを満たさないと判定した場合（Ｓ００５でＮＯ）、解析部４２は、エラーを報知する（Ｓ０１６）。なお、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃの測定結果に異常がある場合、条件Ｃや条件Ｄの２番目の条件式の左辺の値が閾値αを超えるため、条件Ｃ及び条件Ｄのどちらも満たさないことになり、エラーとなる。

上記のように、解析部４２は、Ｓ００１～Ｓ００５の判定を行うことによって、漸増期間や漸減期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別している。例えば、解析部４２は、Ｓ００１～Ｓ００３の判定を行うことによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて漸増期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別している。また、解析部４２は、Ｓ００１、Ｓ００４及びＳ００５の判定を行うことによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて漸減期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別している。言い換えると、解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて、Ｓ００１～Ｓ００５の判定を行うことによって、前述の式（２）（３）を用いて距離Ｒを算出できるか否かを判定する。なお、Ｓ００１～Ｓ００５の判定の順序は、これに限られるものではない。また、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数より大きい場合に該当するか否か（パターンＡに該当するか否か）、若しくは、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数より小さい場合に該当するか否か（パターンＤに該当するか否か）の判定方法は、これに限られるものではない（変形例参照）。

・Ｓ０１１
解析部４２は、Ｓ００１でＹＥＳと判定し、且つ、条件Ａを満たす場合（Ｓ００２でＹＥＳ）には、パターンＡに該当すると判定する。この場合、解析部４２は、次式（６）に基づいて周波数ｆ_Ｂを算出するとともに、前述の式（２）を用いて周波数ｆ_Ｂに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ０１１）。
ｆ_Ｂ＝（－ｆ_ｕｐ＋ｆ_ｄｎ）／２・・・（６）

・Ｓ０１２
解析部４２は、Ｓ００１でＹＥＳと判定し、且つ、条件Ｂを満たす場合（Ｓ００３でＹＥＳ）には、パターンＢに該当すると判定する（Ｓ０１２）。この場合、解析部４２は、次式（７）に基づいて周波数ｆ_Ｂを算出するとともに、前述の式（２）を用いて周波数ｆ_Ｂに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ０１２）。
ｆ_Ｂ＝（ｆ_ｕｐ＋ｆ_ｄｎ）／２・・・（７）

・Ｓ０１３
解析部４２は、Ｓ００１でＮＯと判定し、且つ、条件Ｃを満たす場合（Ｓ００４でＹＥＳ）には、パターンＣに該当すると判定する（Ｓ０１３）。この場合、解析部４２は、前述のＳ０１２の場合と同様に、上式（７）に基づいて周波数ｆ_Ｂを算出するとともに、前述の式（２）を用いて周波数ｆ_Ｂに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ０１３）。

・Ｓ０１４
解析部４２は、Ｓ００１でＮＯと判定し、且つ、条件Ｄを満たす場合（Ｓ００５でＹＥＳ）には、パターンＤに該当すると判定する（Ｓ０１３）。この場合、解析部４２は、次式（８）に基づいて周波数ｆ_Ｂを算出するとともに、前述の式（２）を用いて周波数ｆ_Ｂに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ０１４）。
ｆ_Ｂ＝（ｆ_ｕｐ－ｆ_ｄｎ）／２・・・（８）

上記の通り、解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて漸増期間や漸減期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別し（Ｓ００１～Ｓ００５）、その判別結果に応じた関数を用いて、周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて周波数ｆ_Ｂを算出するとともに、周波数ｆ_Ｂに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ０１１～Ｓ０１４）。これにより、対象物９０までの距離Ｒを正確に算出することができる。

なお、パターンＢやパターンＣに示すように、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数より小さく、且つ、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数より大きい場合には、解析部４２は、所定の関数（前述の式（３）（７））を用いて、周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて距離Ｒを算出することができる（Ｓ０１２、Ｓ０１３）。一方、パターンＡに示すように漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数より大きい場合、又は、パターンＤに示すように漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数より小さい場合には、前述の式（３）（７）を用いて距離Ｒを算出すると不正確になる。このため、このような場合には、前述の式（３）（７）とは別の関数（前述の式（６）（８））を用いて、周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ０１１、Ｓ０１４）。

既に説明した通り、一定期間中のビート信号を周波数解析することによって得られる周波数ｆ_ｃは、ドップラー効果による周波数のシフト量（ドップラーシフト周波数）に相当する。このため、解析部４２は、一定期間におけるビート信号の周波数ｆ_ｃに基づいて次式（９）を用いて相対速度Ｖを算出しても良い。
Ｖ＝（λ／２）・ｆ_ｃ・・・（９）

なお、上式（９）に基づいて相対速度Ｖを求める際に、解析部４２は、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きい場合（Ｓ００１でＹＥＳ）、対象物９０が近づく方向に移動していると判定することになる。逆に、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより小さい場合（Ｓ００１でＮＯ）、対象物９０が遠ざかる方向に移動していると判定する。このように、解析部４２は、対象物９０の相対速度Ｖを求めるとともに、対象物９０が移動する向き（近づくか、遠ざかるか）を求めることができる。言い換えると、解析部４２は、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きい場合には、ｆ_ｄｏｐ＝－ｆ_ｃとしてドップラーシフト周波数ｆ_ｄｏｐを算出し、前述の式（５）を用いて相対速度Ｖを算出しても良い。また、解析部４２は、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより小さい場合には、ｆ_ｄｏｐ＝ｆ_ｃとしてドップラーシフト周波数ｆ_ｄｏｐを算出し、前述の式（５）を用いて相対速度Ｖを算出しても良い。

＜算出頻度について＞
図５Ａ及び図５Ｂは、算出頻度の説明図である。

既に説明した通り、生成装置１０は、漸増期間、漸減期間及び一定期間を所定順で繰り返すように周波数変調した測定光を生成する（図２Ａも参照）。図５Ａ及び図５Ｂには、漸増期間、漸減期間及び一定期間を含む期間が所定の周期Ｔ０で繰り返すことが示されている。漸増期間、漸減期間及び一定期間の各期間をＴとすると、期間Ｔ０（繰り返し周期Ｔ０）は、期間Ｔの３倍となる。

また、既に説明した通り、解析部４２は、漸増期間中のビート信号に対して周波数解析を行うことによって周波数ｆ_ｕｐを取得し、漸減期間中のビート信号に対して周波数解析を行うことによって周波数ｆ_ｄｎを取得し、一定期間中のビート信号に対して周波数解析を行うことによって周波数ｆ_ｃを取得することによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出する。言い換えると、距離Ｒや相対速度Ｖを算出するためには、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃを取得する必要があり、漸増期間、漸減期間及び一定期間を含む所定の期間Ｔ０を要する。本実施形態では一定期間を設ける必要があるため、図５Ａ及び図５Ｂに示す繰り返し周期Ｔ０は、図９に示す場合の繰り返し周期と比べると、一定期間の分だけ長い期間になり、図９に示す場合の繰り返し周期の１．５倍となる。

図５Ａに示すように、解析部４２は、繰り返し周期Ｔ０ごとに距離Ｒや相対速度Ｖを算出しても良い。すなわち、図５Ａに示すように、解析部４２は、或る期間Ｔ１において周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出し、期間Ｔ１の後の次の期間Ｔ２において周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出しても良い。但し、図５Ａに示すように、距離Ｒや相対速度Ｖを算出することを周期Ｔ０で繰り返した場合、参考説明の場合と比べて、時間的な分解能が低下してしまう。

そこで、図５Ｂに示すように、解析部４２は、繰り返し周期Ｔ０よりも短い周期Ｔで、異なる組み合わせの周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出することを繰り返す。すなわち、図５Ｂに示すように、解析部４２は、一定期間が漸増期間及び漸減期間の後になる期間（例えば期間Ｔ１）における周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出すること、一定期間が漸増期間と漸減期間との間になる期間（例えば期間Ｔ２）における周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出すること、及び、一定期間が漸増期間及び漸減期間の前になる期間（例えば期間Ｔ３）における周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出すること、を順に繰り返し行うことによって、周期Ｔごとに距離Ｒや相対速度Ｖを算出する。つまり、解析部４２は、漸増期間、漸減期間及び一定期間を含む期間Ｔ０に周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃを取得して距離Ｒや相対速度Ｖすることを、周期Ｔ０よりも短い周期Ｔずつ期間Ｔ０をシフトさせながら繰り返す。言い換えると、解析部４２は、或る期間（例えば期間Ｔ１）において周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出し、次に、その期間（例えば期間Ｔ１）と重複する期間（例えば期間Ｔ２）において周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出することを繰り返すことによって、周期Ｔごとに距離Ｒや相対速度Ｖを算出する。これにより、距離Ｒや相対速度Ｖの算出周期を短くでき、時間的な分解能を高めることができる。

＜変形例１＞
漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数より大きい場合に該当するか否か（パターンＡに該当するか否か）、若しくは、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数より小さい場合に該当するか否か（パターンＤに該当するか否か）の判定方法は、前述のＳ００１～Ｓ００５における判定に限られるものではない。

図６は、変形例のフロー図である。図中の各処理は、信号処理装置４０を構成する演算処理装置が解析プログラムを実行することにより実現される。

・Ｓ１０１～Ｓ１０３
解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐと周波数ｆ_ｄｎとの大小関係を比較し、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きいか否かを判定する（Ｓ１０１）。この処理は、前述のＳ００１と同様である。

周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより大きい場合（Ｓ１０１でＹＥＳ）、解析部４２は、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｃの２倍よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１０２）。解析部４２は、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｃの２倍よりも小さい場合（Ｓ１０２でＹＥＳ）、測定光と反射光の大小関係が図４のパターンＡに該当すると判別する（Ｓ０１１）。一方、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｃの２倍よりも大きい場合（Ｓ１０２でＮＯ）、測定光と反射光の大小関係が図４のパターンＢに該当すると判別する（Ｓ０１２）。

また、周波数ｆ_ｄｎが周波数ｆ_ｕｐより小さい場合（Ｓ１０１でＮＯ）、解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐが周波数ｆ_ｃの２倍よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１０３）。解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐが周波数ｆ_ｃの２倍よりも大きい場合（Ｓ１０３のＮＯ）、測定光と反射光の大小関係が図４のパターンＣに該当すると判別する（Ｓ０１３）。一方、解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐが周波数ｆ_ｃの２倍よりも小さい場合（Ｓ１０３のＹＥＳ）、測定光と反射光の大小関係が図４のパターンＤに該当すると判別する（Ｓ０１４）。

上記のように、解析部４２は、Ｓ１０１及びＳ１０２の判定を行うことによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて漸増期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別している。また、解析部４２は、Ｓ１０１及びＳ１０３の判定を行うことによって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて漸減期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別している。言い換えると、解析部４２は、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて、Ｓ１０１、Ｓ１０２及びＳ１０３の判定を行うことによって、前述の式（２）（３）を用いて距離Ｒを算出できるか否かを判定する。

解析部４２は、Ｓ１０１～Ｓ１０３の判別結果に応じた関数を用いて、周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて周波数ｆ_Ｂを算出するとともに（Ｓ０１１～Ｓ０１４）、周波数ｆ_Ｂに基づいて距離Ｒを算出する。なお、図６のＳ０１１～Ｓ０１４の処理は、図３のＳ０１１～Ｓ０１４の処理と同様である。これにより、変形例においても、対象物９０までの距離Ｒを正確に算出することができる。

＜変形例２＞
上記の説明では、一定期間は、漸減期間の後に設けられている。但し、漸増期間、漸減期間及び一定期間の順序は、これに限られるものではない。

図７は、変形例の測定光と反射光の周波数の説明図である。図中には、周波数変調光の周波数の時間変化が示されており、図中の横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。

変形例では、一定期間は、漸増期間の後に設けられている。変形例の生成装置１０は、図７に示すように、漸増期間、一定期間及び漸減期間を順に繰り返すように周波数変調した測定光を生成する。

変形例においても、解析部４２は、漸増期間、漸減期間及び一定期間のそれぞれに対応するビート周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃを求め、求められた３つのビート周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出することが可能である。

また、変形例においても、図７に示すように、解析部４２は、繰り返し周期Ｔ０よりも短い周期Ｔで、異なる組み合わせの周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒや相対速度Ｖを算出することを繰り返すことが望ましい。これにより、距離Ｒや相対速度Ｖの算出周期を短くでき、時間的な分解能を高めることができる。但し、解析部４２は、繰り返し周期Ｔ０ごとに距離Ｒや相対速度Ｖを算出しても良い。

＝＝＝小括＝＝＝
上記の測定装置１は、生成装置１０と、光学装置２０と、検出装置３０と、信号処理装置４０とを備えている。信号処理装置４０は、図９に示すように、漸増期間及び漸減期間のそれぞれに対応するビート周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎを求め、このビート周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて距離Ｒを算出する。但し、図１０に示すように、対象物９０の相対速度が大きくなると、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数よりも大きくなることがあり、図９に示す場合と同様に距離Ｒを算出すると、対象物までの距離を正確に算出できなくなることがある。そこで、本実施形態の生成装置１０は、周波数が増加する漸増期間と、周波数が減少する漸減期間と、周波数が一定の一定期間とを所定順で繰り返すように周波数変調した測定光を生成する。また、信号処理装置４０は、漸増期間、漸減期間及び一定期間のそれぞれに対応するビート周波数ｆ_ｕｐ（第１周波数）、ｆ_ｄｎ（第２周波数）及びｆ_ｃ（第３周波数）に基づいて対象物までの距離Ｒを求める。このように、ビート周波数ｆ_ｕｐ（第１周波数）及びｆ_ｄｎ（第２周波数）だけでなく、一定期間のビート周波数ｆ_ｃ（第３周波数）も用いて対象物までの距離Ｒを求めることによって、対象物までの距離を正確に算出することができる。

上記の信号処理装置４０は、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて、測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別する。例えば、上記の信号処理装置４０は、図３のＳ００１～Ｓ００５の処理や、図６のＳ１０１～Ｓ１０３の処理によって、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて漸増期間や漸減期間における測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係を判別する。そして、信号処理装置４０は、測定光の周波数と反射光の周波数との大小関係に応じた関数（前述の式（３）（７）、式（６）（８）を用いて周波数ｆ_ｕｐ（第１周波数）及びｆ_ｄｎ（第２周波数）に基づいて対象物までの距離Ｒを求める。これにより、対象物までの距離を正確に算出することができる。

また、上記の信号処理装置４０は、図４に示すパターンＢやパターンＣに示すように、漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数より小さく、且つ、漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数より大きい場合には、所定の関数（前述の式（３）（７））を用いて、周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。一方、パターンＡに示すように漸増期間における反射光の周波数が測定光の周波数より大きい場合、又は、パターンＤに示すように漸減期間における反射光の周波数が測定光の周波数より小さい場合には、別の関数（前述の式（６）（８））を用いて、周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎに基づいて距離Ｒを算出する（Ｓ１０４、Ｓ１０７）。これにより、対象物までの距離を正確に算出することができる。

また、図５Ｂ及び図７に示すように、信号処理装置４０は、周波数ｆ_ｕｐ、ｆ_ｄｎ及びｆ_ｃに基づいて距離Ｒを求めることを、周波数変調光の繰り返し周期Ｔ０よりも短い周期（例えば周期Ｔ）で繰り返すことが望ましい。これにより、一定期間を設けることによって繰り返し周期Ｔ０が長くなっても、距離Ｒの算出周期を短くできる。

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

１測定装置、
１０生成装置、１１信号発生器、
１２電流源、１３レーザ光源、
１４温調器、１４Ａ温度センサ、
２０光学装置、２１分岐器、
２２サーキュレータ、２３光学系、
２４光導波路、２５結合器、
３０検出装置、３１光電変換器、３２増幅器、
４０信号処理装置、４１信号取得部、
４２解析部、４３出力部、
９０対象物

Claims

周波数が増加する漸増期間と、周波数が減少する漸減期間と、周波数が一定の一定期間とを所定順で繰り返すように周波数変調した測定光を生成する生成装置と、
前記測定光を対象物に照射するとともに、対象物からの反射光と前記測定光とを干渉させる光学装置と、
前記反射光と前記測定光との干渉波を検出し、ビート信号を出力する検出装置と、
前記漸増期間における前記ビート信号のビート周波数を示す第１周波数と、前記漸減期間における前記ビート信号のビート周波数を示す第２周波数と、前記一定期間における前記ビート信号のビート周波数を示す第３周波数とに基づいて、前記対象物までの距離を求める信号処理装置と
を備え、
前記信号処理装置は、
前記第１周波数、前記第２周波数及び前記第３周波数に基づいて、前記測定光の周波数と前記反射光の周波数との大小関係を判別し、
前記大小関係に応じた関数を用いて、前記第１周波数及び前記第２周波数に基づいて前記距離を求める、
測定装置。
請求項１に記載の測定装置であって、
前記信号処理装置は、
前記漸増期間における前記反射光の周波数が前記測定光の周波数より小さく、且つ、前記漸減期間における前記反射光の周波数が前記測定光の周波数より大きい場合には、所定の関数を用いて、前記第１周波数及び前記第２周波数に基づいて前記距離を求め、
前記漸増期間における前記反射光の周波数が前記測定光の周波数より大きい場合、又は、前記漸減期間における前記反射光の周波数が前記測定光の周波数より小さい場合には、前記所定の関数とは別の関数を用いて、前記第１周波数及び前記第２周波数に基づいて前記距離を求める、
測定装置。
請求項１又は２に記載の測定装置であって、
前記漸増期間、前記漸減期間及び前記一定期間を含む期間が所定周期で繰り返されており、
前記信号処理装置は、前記第１周波数、前記第２周波数及び前記第３周波数に基づいて前記距離を求めることを、前記所定周期よりも短い周期で繰り返す、
測定装置。
請求項３に記載の測定装置であって、
前記信号処理装置は、
前記一定期間が前記漸増期間及び前記漸減期間の後になる前記期間における前記第１周波数、前記第２周波数及び前記第３周波数に基づいて前記距離を求めること、
前記一定期間が前記漸増期間と前記漸減期間との間になる前記期間における前記第１周波数、前記第２周波数及び前記第３周波数に基づいて前記距離を求めること、及び、
前記一定期間が前記漸増期間及び前記漸減期間の前になる前記期間における前記第１周波数、前記第２周波数及び前記第３周波数に基づいて前記距離を求めること、
をそれぞれ行う、
測定装置。