JP7879552B2 - 非接触型測距装置及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、周波数掃引光を用いた非接触型測距装置及び方法に関する。

正確な測距技術は大規模構造物の形状測定のような計測において重要な技術である。このような応用は多数存在し、パラボラアンテナや建築物のような人工物の形状測定、氷床の厚み計測や森林の高さ測定に代表される自然形成物の測定、等がある。特に、建物等のヘルスモニタリングや防災を目的とした大規模構造物の計測では、遠方の測定物の位置や形状を高精細に測定する需要が存在する。

ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：光による検知と測距）は、レーザ光を使って被測定物までの光路長を計測する非接触型測距技術である。このような技術において、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）型ＬｉＤＡＲは単一光源で測距を行い、速度・振動検知の能力がある。ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、光周波数を掃引し、戻り光との干渉により生じる周波数差（ビート周波数、ＩＦ）を距離に換算する。１００ｎｍの掃引帯域を有する光源を用いれば約１２μｍの分解能が実現できる。

しかしながら、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、測定距離は光源のコヒーレンス長により数十ｍに限定されている。また、得られるビート周波数が受信帯域を上回る計測はできない。これは、受信帯域が一定である限り、周波数の掃引速度と測定距離の積に上限が生じることを意味する。すなわち、受信帯域が一定ならば、測定距離又は周波数の掃引速度のいずれかを犠牲にしなければならないという課題がある。なお、測定の繰り返し周波数（リフレッシュレート）は周波数の掃引速度に比例するため、周波数の掃引速度を犠牲にすることは、リフレッシュレートを犠牲することになる。以上２つの要因により、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは専ら数十ｍ程度以内の比較的短距離の測距に限定されていた。

永田崇弘 他，"波長掃引型光周波数コムを用いた周波数変調連続波型光距離計"，２０２２年度（第７３回）電気・情報関連学会中国支部連合大会，Ｒ２２－１１－０４．

単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現するための技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。非特許文献１では、参照光又はプローブ光の一方を異なる複数の周波数の光に複製し、参照光又はプローブ光の他方と合波する。これにより、複数の周波数のビート信号を発生させ、そのうちの受信帯域に入ったビート周波数を検出する。

しかし、非特許文献１では、複数の周波数の光に複製した際、受信帯域に入るビート信号を発生させることのできない周波数が含まれていた。そこで、本開示は、プローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、ビート信号の発生効率を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示は、参照光から複数の周波数の光を複製し、複製した複数の周波数の光とプローブ光とを干渉させる。この複製の際に、複製した参照光のより多くがビート信号を発生させられるよう、複製した参照光を時間シフトさせる。

具体的には、本開示に係る非接触型測距装置は、周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、本開示に係る非接触型測距方法を実行する。

本開示に係る非接触型測距装置は、
前記参照光を異なる複数の周波数の光に複製する光複製部と、
前記光複製部で複製された参照光を遅延させる遅延線と、
を備え、
前記光複製部で複製された複数の周波数の光を、前記プローブ光と合波することで、複数のビート信号を発生させ、
前記複数のビート信号のうちの少なくともいずれかの周波数を計測する。

本開示に係る非接触型測距方法は、
光複製部が、前記参照光を異なる複数の周波数の光に複製する手順と、
前記光複製部で複製された参照光を遅延させる手順と、
を備え、
前記光複製部で複製された複数の周波数の光を前記参照光又は前記プローブ光の他方と合波することで、複数のビート信号を発生させ、
前記複数のビート信号のうちの少なくともいずれかの周波数を計測する。

本開示に係る非接触型測距装置は、前記複数のビート信号のうちの最小の周波数を計測してもよい。

また前記光複製部は、前記複数の周波数の光として、前記周波数掃引光の周波数掃引幅よりも広い周波数帯域の光周波数コムを生成してもよい。

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、プローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、ビート信号の発生効率を向上することができる。このため、本開示は、単一光源を用いた簡便な構成にも関わらず、測定速度を低下させることなく、ｋｍ級の測定距離と数十μｍ級の分解能とを実現することができ、さらに、光複製後の参照光を効率よく測距に利用することができる。

実施形態１に係る非接触型測距装置の構成の一例を示す図である。 従来の参照光及びプローブ光を説明する図であり、（ａ）は参照光及びプローブ光の周波数を示し、（ｂ）は干渉信号スペクトルを示す。 従来の参照光の周波数を説明する図である。 本開示の参照光の周波数を説明する図である。 本開示の参照光及び試験光の周波数を説明する図である。 本開示の干渉信号スペクトルを説明する図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１にＦＷＣＷ型ＬｉＤＡＲ方式をベースとした本開示の実施形態を示す。１は周波数掃引光源、２は光を分波または合波するカプラ、３は光サーキュレータ、４はレンズ、５は被測定物、６は遅延器、７は光周波数コム発生器、８は光９０度ハイブリッド、９はバランス型フォトデテクタ、１０はＡＤコンバータ、１１はコンピュータ等の演算部、１２はＲＦシンセサイザ、１４は遅延線である。

光周波数コム発生器７は本開示の光複製部として機能し、参照光を異なる複数の周波数の光に複製する。光９０度ハイブリッド８、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２、ＡＤコンバータ１０－１は、本開示の光検出部として機能する主干渉計２０を構成する。以下、「光検出部の受信帯域」を「受信帯域」と略記する。

周波数掃引光源１は、周波数が線形に変調されたレーザ光を発振する。その周波数は、一定の掃引速度γ［Ｈｚ／ｓ］で、一定の周波数掃引時間ΔＴに、周波数掃引幅ΔＦにわたり掃引される。本実施形態では、周波数掃引光源１から出力される光をレーザ光として説明するが、コヒーレント光であればこれに限定されない。

カプラ２－１は、周波数掃引光源１から入力された光を２つに分岐し、一方をプローブ光として光サーキュレータ３に入力し、他方を参照光として光周波数コム発生器７に入力する。光サーキュレータ３は、カプラ２－１からのプローブ光をレンズ４に入力する。また、光サーキュレータ３は、レンズ４からの光を光９０度ハイブリッド８に入力する。レンズ４は、周波数掃引光源１からのプローブ光を平面波に変換する。また、レンズ４は、被測定物５からの反射されたプローブ光を集光して光サーキュレータ３に入力する。

光周波数コム発生器７は、入力された光に対して高次の変調側波帯を発生させるものである。光周波数コム発生器７の具体的な構成としては、例えば非特許文献１に記載がある。本実施形態では、一例として、アンプ１３を介したＲＦシンセサイザ１２の信号が光周波数コム発生器７に入力され、光周波数コム発生器７がＲＦシンセサイザ１２からの信号に応じた周波数間隔で光周波数コムを発生させる例を示す。

光周波数コム発生器７は、カプラ２－１から入力された参照光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成する。光周波数コム発生器７は、生成した光周波数コムを、主干渉計２０の参照光として光９０度ハイブリッド８に入力する。被測定物５により反射されたプローブ光は、レーザ光（参照光）と光９０度ハイブリッド８において干渉する（主干渉計）。主干渉計２０では、被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間を測定することができる。演算部１１は、この遅延時間を用いて測距を行う。図１では、演算部１１を主干渉計２０に含まれる構成としているが、主干渉計２０と演算部１１は別々でもよい。

具体的には、光９０度ハイブリッド８は、参照光と被測定物５からの反射光とを合波したビート信号の同相成分Ｉを生成し、バランス型フォトデテクタ９－１に入力する。また、光９０度ハイブリッド８は、９０度位相シフトさせた参照光と被測定物からの反射光とを合波したビート信号の直交成分Ｑを生成し、バランス型フォトデテクタ９－２に入力する。

バランス型フォトデテクタ９－１は、光９０度ハイブリッド８からの入力に基づき、ビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号を取得し、ＡＤコンバータ１０－１に入力する。バランス型フォトデテクタ９－２は、光９０度ハイブリッド８からの入力に基づき、ビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号を取得し、ＡＤコンバータ１０－１に入力する。ＡＤコンバータ１０－１は、バランス型フォトデテクタ９－１から入力されるビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号及びバランス型フォトデテクタ９－２から入力されるビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、演算部１１に入力する。

ここで、光周波数コム発生器７を備えない従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲにおける参照光とプローブ光の干渉について図２を用いて説明する。すなわち、従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは、図１の主干渉計において、カプラ２－１からの参照光が光９０度ハイブリッド８に直接入力される構成である。従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、カプラ２－１からの参照光と、参照光に対して被測定物５までの距離を往復した分だけ遅延したプローブ光とが到着し、その周波数差に相当する周波数を持つビート信号が発生する。以下、ビート信号の周波数をビート周波数ＩＦとする。このビート周波数ＩＦは、被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間に比例するため、測距ができる。

ビート信号は、具体的には、光９０度ハイブリッド８から出力されるビート信号のＩ相成分およびＱ相成分を用いて複素数表示で式（１）のように表される。
（数１）
Ｉ＋ｊＱ＝ｅｘｐ（ｊγτｔ） （１）

演算部１１は、ＡＤコンバータ１０－１から入力されるハイブリッド信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑに基づき、式（１）からビート信号の位相を求める。ここで、τは、参照光とプローブ光との光経路差に相当するプローブ光の参照光に対する遅延時間であり、γτがビート周波数ＩＦである。

一般に、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲの距離分解能Δｚは、周波数掃引幅ΔＦを用いて以下のように表される。
（数２）
Δｚ＝ｃ／（２ΔＦ） （２）

つまり、距離分解能Δｚを向上するには、周波数掃引幅ΔＦを大きくする必要がある。かつ、ビート周波数ＩＦは被測定物５までの距離により変動する遅延時間τと掃引速度γに比例する。そのため、仮に受信帯域が一定であるならば、掃引速度γと距離との積に対して限界が生じることになる。具体的には、従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、図２（Ｂ）に示すように、ビート周波数ＩＦが受信帯域外となるビート信号は検知できず、受信帯域による測定距離の限界が生じる。なお、繰り返し周波数（リフレッシュレート）は、掃引速度γに比例するため、掃引速度γが制限されれば、リフレッシュレートも制限されることになる。

本開示では、この受信帯域による測定距離の限界を排除するため、参照光経路に、すなわち、カプラ２－１と光９０度ハイブリッド８との間に、前述した光周波数コム発生器７を導入する。

図３に、光周波数コム発生器７で生成される光周波数コムの一例を示す。本実施形態に係る光周波数コム発生器７は、カプラ２－１から入力された参照光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成する。図３に示す光周波数コムでは、理解が容易になるように、参照光Ｌ_ｒｅｆ１が周波数掃引光源１が周波数を掃引するレーザ光に相当し、各時刻において、参照光Ｌ_ｒｅｆ１を中心に両側に等間隔に離れた周波数を２つずつ含む計７つの周波数で構成される例を示す。

本実施形態に係る光周波数コムは一例であり、周波数の数はこれに限定されない。また、光周波数コムの周波数間隔は等間隔ではなく、異なっていてもよい。なお、図３に示す数程度の複数の周波数を含む光周波数コムの生成を行う光複製部には、光周波数コム発生器７に限らず、入力された光に対して側波帯を発生させうる任意の手段を採用し得る。

光周波数コム発生器７は、元の周波数掃引光の両側に新たな周波数を発生する。このため、そのうちの半分は使うことができず、無駄になる。そこで、本開示は、光周波数コム発生器７の後段に遅延線１４を備える。遅延線１４は、時間シフトを付与する。図４に、測定装置と被測定物５との間の距離がゼロの場合の参照光及びプローブ光の周波数の一例を示す。これにより、本開示は、図４に示すように、すべての歯がプローブ光より下に位置するように、参照光の遅延を調節する。

本実施形態では、カプラ２－１から入力された参照光が周波数掃引光源１によって線形に掃引されるため、光周波数コムも線形に掃引される。これにより、本開示におけるカプラ２－１からの参照光は、図３に示す周波数掃引された光周波数コムとなって光９０度ハイブリッド８に入射する。

図５に示すように、被測定物５までの伝搬により遅延を受けたプローブ光である試験光は、光周波数コムを構成する参照光のすべてと干渉し、複数のビート信号が発生する。本開示では、図６に示すようにバランス型フォトデテクタ９－１及び９－２などの受信帯域が観測されるビート周波数を、試験光とその最も近い周波数の参照光Ｌ_ｒｅｆ４との干渉により得られるビート周波数ＩＦ４のみにする。

ここで、周波数が等間隔である図３に示す光周波数コムの周波数間隔をΔｆとすると最小のビート周波数はΔｆ／２以下となる。そのため、主干渉計２０は少なくともΔｆ／２以下を受信帯域とすることが望ましい。図３に示すように光周波数コムの周波数間隔Δｆを狭めると、最小のビート周波数の最大値Δｆ／２が低くなるので、受信帯域が狭い主干渉計２０でも最小のビート周波数を検出可能となる。なお、周波数間隔が等間隔ではない光周波数コムの場合は、周波数間隔が最大の周波数間隔をΔｆとすれば等間隔の場合と同様に説明できる。

図３及び図５では、参照光及びプローブ光の一部分を記載しているだけであり、参照光及びプローブ光はさらに高い周波数帯域側にも線形に掃引されているものとする。光周波数コム発生器７において周波数掃引光源１の周波数掃引幅ΔＦよりも十分に広い周波数帯域の光周波数コムを発生すれば、被測定物５が遠方にある場合でも、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２などの受信帯域を拡張することなく、いずれかの光周波数コム成分との干渉を観測することができる。このとき、どの周波数成分と干渉したかはわからないので、測距結果には周期的な曖昧さが残ることになるが、これは事前の粗測定により排除することができる。

以上のように、光周波数コム発生器７の導入により、周波数の掃引速度を低下させることなく、受信帯域による測定距離の限界を排除することができる。遅延線１４の導入により、参照経路（または試験光の経路）に遅延線を挿入することで、Ｃｏｍｂのすべての歯（ｔｅｅｔｈ）を測距に使えるようにできる。

なお、本実施形態に係る主干渉計２０では、光９０度ハイブリッド８を用いてハードウェアベースで処理する構成としたが、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理してもよい。

本実施形態に係る演算部１１はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

本開示に係る非接触型測距装置及び方法は、情報通信産業に適用することができる。

１：周波数掃引光源
２：カプラ
３：光サーキュレータ
４：レンズ
５：被測定物
６：遅延器
７：光周波数コム発生器
８：光９０度ハイブリッド
９：バランス型フォトデテクタ
１０：ＡＤコンバータ
１１：演算部
１２：ＲＦシンセサイザ
１３：アンプ
１４：遅延線
２０：主干渉計

Claims (4)

1. 周波数掃引光をプローブ光及び参照光に分岐し、前記プローブ光を被測定物に照射し、前記プローブ光が前記被測定物で反射された試験光と前記参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、
   前記参照光と一定の周波数間隔を有する複数の参照光を生成する光生成部と、
   前記複数の参照光のすべてが前記プローブ光より下になるように、前記複数の参照光を遅延させる遅延線と、
   を備え、
   前記遅延線からの前記複数の参照光を前記試験光と合波することで、複数の前記ビート信号を発生させ、
   前記複数のビート信号のうちの少なくともいずれかの周波数を計測する、
   非接触型測距装置。
2. 前記複数のビート信号のうちの最小の周波数を計測する、
   請求項１に記載の非接触型測距装置。
3. 前記光生成部は、前記複数の参照光として、前記周波数掃引光の周波数掃引幅よりも広い周波数帯域の光周波数コムを生成する、
   請求項１に記載の非接触型測距装置。
4. 周波数掃引光をプローブ光及び参照光に分岐し、前記プローブ光を被測定物に照射し、前記プローブ光が前記被測定物で反射された試験光と前記参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距方法において、
   光生成部が、前記参照光と一定の周波数間隔を有する複数の参照光を生成する手順と、
   遅延線が、前記複数の参照光のすべてが前記プローブ光より下になるように、前記複数の参照光を遅延させる手順と、
   を備え、
   前記遅延線からの前記複数の参照光を前記試験光と合波することで、複数の前記ビート信号を発生させ、
   前記複数のビート信号のうちの少なくともいずれかの周波数を計測する、
   非接触型測距方法。