JPH09503583A - 距離、速度、加速度を測定することができるレーザ・センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 位相差を使用して所望の測定値を求める光ベースの距離・速度・加速度センサ。レーザ信号が、発振器信号によって変調され、物体から信号受信機へ反射する。反射したレーザ信号および発振器信号は次いで、二重経路条件付け回路を通過する。この回路では、出力信号の伝搬遅延の効果を打ち消すために２つの経路の経路長および回路素子が同じである。条件付けられた信号が、位相比較器を通過し、発振器信号と反射したレーザ信号との間の位相差を示す信号を生成する。この位相差は、センサと物体との間の距離に正比例する。

Description

【発明の詳細な説明】 距離、速度、加速度を測定することができるレーザ・センサ 発明の背景 本発明は、距離センサに関し、詳細には、センサからの距離、速度、加速度を 測定すべき物体から反射された放射信号を受信するセンサに関する。 距離を測定するための多数の異なる方法が知られている。一般的には１００フ ィート（３０．４８ｍ）よりも短い距離で、間の測定が行われる２つの位置に物 理的に到達することが可能な場合には、定規、ヤード尺、巻き尺などのものを使 用することができる。しかし、このような装置の１つを使用することが実際的で はなく、たとえば測定する距離が長く、アクセスが不可能であり、あるいは、人 間が関与することが望ましくないほど何度も測定を行う必要があるいくつかの例 が存在する。 この問題を解消するために、レーダや超音波センサなど、物体に対して信号を 放射する距離センサが作製された。レーダと超音波センサは共に、同じ原則に基 づいて動作していた。すなわち、基本装置が信号を生成し、距離を測定すべき物 休の方へ送信する。信号は物体から基本装置に反射され、基本装置は次いで、信 号を送信してからその信号が戻るまでにどれだけの時間が経過したかを求める。 信号の伝搬速度が分かり、あるいは信号の伝搬速度を算出することができ、した がって、簡単な計算によって、基本装置と物体との間の距離を求めることができ る。 しかし、測定すべき音声信号またはレーダ信号以外の音声信号またはレーダ信 号が物体から反射し、したがって誤ったリターン信号を与えることがある。物体 の形状および構造によっては、信号が完全に失われ、測定を行うことができなく なることもある。 このため、光ベースのセンサが開発された。光ベースのセンサの１つの周知の バージョンは、車両の速度を判定するために警察によって使用されるレーザ速度 検出器である。このようなレーザ速度検出器は、レーザ信号が基本装置から物体 へ送られ、次いで基本装置に戻る時間を使用して物体の距離が求められ、そのよ うな２つの読取り値を使用して速度が求められるという点で、前述とほど同様に 働く。 これは、前述の検出器に対する改良であったが、依然として問題は解決しなか った。たとえば、レーザ信号の速度のために、短い距離において、レーザ信号が 物体へ送られ、次いで戻る時間を求めることは困難である。この難点のためにそ のような検出器は複雑で高価である。 発明の概要 本発明は、物体までの距離を求める低コストのレーザ・センサである。このレ ーザ・センサは、容易に得られる部品で構成され、この部品のうちのいくつかは コンパクト・ディスク技術で使用されている。 レーザ・センサは、レンズを使用してコヒーレント・ビームに平行にされたレ ーザを備える。このレーザは、発振器によって、好ましくは１０Ｍｈｚないし２ ００Ｍｈｚの速度で変調される。 反射された光は、第２のレンズによって収集され、第１の出力信号を生成する 受信機上に合焦される。第１の出力信号は、発振器信号と共に、伝搬遅延をなく するために両方の信号に対して同じ経路長を有する条件付け回路を通じて条件付 けられる。条件付けられた第１の出力信号および条件付けられた発振器信号は次 いで、２つの信号間の位相差を判定する位相比較器に渡される。位相差は、物体 との距離に比例する。位相差を正確に測定することによって、物体との距離を算 出することができる。 物体の速度または物体の加速度を算出することができる。第１の信号からの既 知の遅延の後、第２のレーザ信号が物体へ送られ、再び基本装置からの距離が算 出される。既知の遅延時間にわたる距離の差によって速度が与えられる。加速度 を判定するには、既知の遅延にわたる２つの速度間の差を求める。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明のセンサとサンプル物体の電気ブロック図である。 第２図は、センサ内の様々な信号の状態を示すタイミング図である。 第３図は、１つのレーザ・センサ装置の平面図である。 第４図は、自動利得制御に使用されるアバランシュ・フォトダイオード・ルー プの概略図である。 好ましい実施の形態の詳細な説明 次に第１図を参照すると、本発明のレーザ・センサ１００が示されている。こ のレーザ・センサは、発振器１０５と、レーザ１０８と、受信機１２０と、信号 条件付け回路１２２と、位相比較器１３５と、マイクロプロセッサ１４５とを含 む。 発振器１０５は、水晶時計を含むことができ、動作時には、方形波や正弦波な どの周期信号を生成する。発振器は、レーザ信号を変調するためにレーザ１０８ に接続される。発振器は、信号条件付け回路１２２にも接続される。 レーザは、好ましい実施形態では、レーザ・ドライバ１１０とレーザ・ダイオ ード１１５とからなる。これらの部品は、コストが低くなり可用性が高くなるよ うに選択される。レーザは、第３図に示したようにレンズ（３１６）によって平 行なレーザ信号１１７を生成する。 レーザ信号が物体１０から反射された後、反射されたレーザ信号１１８は受信 機１２０によって検知される。この場合は、受信機としてアバラシュ・フォトダ イオード（ＡＰＤ）を選択した。 ＡＰＤは、光信号を電気信号に変換する。こ の種のダイオードを選択したのは、それが自動利得制御（ＡＧＣ）機構として働 いて目標物体のそれぞれの異なる反射率、形状、色を調整するからである。従来 型のＡＧＣ電子機器は、信号の振幅の変動を容易に調整することができるが、信 号の位相完全性は維持しない。したがって、色が変化し、あるいは物体がセンサ から離れる方向へ傾いたときに、センサは、物体がセンサに対しては移動してい ない場合でもこれを運動として誤って解釈する。ＡＰＤは、検出された光信号に ３０ｄＢダイナミック・レンジにわたる可変利得を持たせることができ、しかも 、このことは信号の位相を変化させずに可能になる。回路の物体レグからの増幅 された信号がサンプリングされ、これを使用して、ＡＰＤに印加されたバイアス 電 圧を調整するフィードバックが提供される。これによって、光信号は、１から１ ０００まで（したがって、前述の３０ｄＢレンジを超える）の範囲の利得を経験 することができる。この閉ループ・バイアス制御機構によって、通常ＡＰＤ光受 信機に伴う温度ドリフト問題が解消される。ＡＰＤに印加されるバイアス電圧を 監視することによって、非常に弱い利得位相関係を補償できることが分かった。 この弱い関係は、バイアス電圧が増大すると共に空乏領域の幅が増加するために ＡＰＤのキャパシタンスが変動することによるものである。この弱いバイアス誤 差および温度誤差をコンピュータ・メモリ中の多次元ルックアップ・テーブルを 使用して補正した。 物体を１ｍｍの分解能まで測定するには、測定する必要がある時間差が約７ピ コ秒である必要がある。これは、高価な高速電子機器を用いた場合でも困難な作 業である。しかし、反射されたレーザ信号は、最初の発振器信号と同じ周波数を 有するが、発振器信号とは異なる位相を有する。本発明は、比較的廉価で容易に 得られる部品を使用して、反射されたレーザ信号と発振器信号との間の位相差を 測定することによって物体との距離を求める。受信機１２０の出力は、第１の経 路１２３Ａおよび第２の経路１２３Ｂを有する信号条件付け回路１２２に接続さ れる。この２つの別々の経路を使用して、反射されたレーザ信号および発振器信 号が個別に条件付けられる。好ましい実施形態では、各条件付け回路経路は、増 幅器１２５Ａ、Ｂと、アナログ検出器信号をディジタル信号に変換する比較器１ ３０Ａ、Ｂとを含む。通常、発振器信号は条件付けなしで使用することができる 。しかし、この回路は、反射されたレーザ信号と発振器信号が共に、まったく同 じ経路長を移動するように構成され、したがって、信号伝搬差のための最終的な 出力信号の誤差がなくなる。 信号条件付け回路の２つの経路１２３Ａ、Ｂは位相比較器に接続される。この 場合、コストが低く、可用性が高いため、好ましくは高速シリコンＥＣＬ型の排 他的論理和（ＸＯＲ）ゲートを位相比較器として使用する。出力信号はパルス幅 変調（ＰＷＭ）信号である。第２図は、発振器信号（１番上）と反射されたレー ザ信号（中央）とＸＯＲゲートの出力信号との比較例を示す。 ＰＷＭ信号は次いで、プロセッサ１４５、たとえばマイクロプロセッサによる 処理の前にアナログ・ディジタル変換器１４４によって監視することができるア ナログ信号に変換されるように増幅器１４０、低域フィルタ１４３を通過する。 ディジタルＰＷＭ信号をマイクロプロセッサに直接入力してＡ／Ｄ変換器のコス トを節約することができる。しかし、マイクロプロセッサのクロック速度は、こ の例でのレーザの変調周波数よりも高くする必要がある。 移相または遅延は物体との距離の２倍に正比例する。比例定数は光の速度に反 比例する。したがって、この時間差は次式 Δｔ＝２ｄ／ｃ で表され、位相差は次式で表される。 Δφ＝４πｄ／ｃ 上式で、ｄは測定すべき距離であり、ｃ＝３×１０⁸ｍ／ｓである。Δは、時 間または位相の差を意味し、φは位相角である。 必要に応じて物体の速度を算出するには、既知の時間間隔で得た距離測定値を 記憶し、プロセッサによって距離の差を時間間隔で除して速度を求めることがで きる。微分器を使用してこの作業を実行することもできる。 必要に応じて物体の加速度を算出するには、既知の時間間隔にわたる２つの速 度間の差をプロセッサによって算出することができる。この場合も、微分器を使 用してこの作業を実行することもできる。 次に第３図を参照すると、本発明のセンサ１００に関する好ましいレイアウト の側面平面図が示されている。ハウジング３００が、ボード３０５、ボード３１ ０、フレネル・レンズ３１３を支持する。ボード３０５上にレーザ・ダイオード １１５が取り付けられる。レンズ３１６は、好ましくは屈折率分布形（ＧＲＩＮ ）レンズであり、レーザ・ダイオード１１５から出た光をレーザ信号１１７、す なわちコヒーレント・ビームとしてコリメートする（平行にする）。好ましい実 施形態では、ボード３１０は、レーザ信号が通過する通路３１１を含む。 光は、物体から反射した後、信号１１８ＡないしＥで示したように散乱するこ とがある。信号は、レンズ３１３、たとえばフレネル・レンズによってＡＰＤ１ ２０上に合焦される。レンズ３１３は、好ましい実施形態では、レーザ信号が通 過する窓３１４を含む。 信号がＡＰＤ上に合焦された後、ＡＰＤは前述のように電気信号を生成する。 次に第４図を参照すると、自動利得制御に使用されるアバランシュ・フォトダ イオードの一例が示されている。この回路は、調整可能な電源４０５と、演算増 幅器４１０と、比較器４１５と、ダイオード４２０と、比較器４２５と、ダイオ ード４３０と、キャパシタ４５１ないし４５４と、抵抗器４６１ないし４６６と および４６８ないし４７０と、可変抵抗器４６７および４７１とを含む。この回 路は、第３図および第４図に示したように、点ＢでＡＰＤ１２０に接続される。 動作時には、この回路は、第３図の点Ａに対応する第４図の点Ａで一定の電圧 を維持する。ＡＰＤが、黒い物体からの光など、反射された光の低下を経験した 場合、点Ａでの信号レベルは、比較器４２５の周りの回路が、調整可能な電源４ ０５に入力されるバイアス調整を変更し、それによって再び点Ａでの電圧が一定 に維持されるようにＡＰＤの電圧が調整されるまで瞬間的に低下する。この変更 に関する時間定数は抵抗器４６６およびキャパシタ４５３によって設定される。 この回路で使用すべき好ましいデバイスは、演算増幅器４１０−ＩＴＡ−１２ ３１８、比較器４１５−ＡＤ９６１８、ダイオード４２０−ＩＮ５７１１、比較 器４２５−ＬＦ４４４、ダイオード４３０−ＩＮ４１４８、キャパシタ４５１− ０．１ｆ、４５２−０．１ｆ、４５３−１００ｐｆ、４５４−１０００ｐｆ、抵 抗器４６１−５０オーム、４６２−１０オーム、４６３−１Ｋオーム、４６４− ５０オーム、４６５−１Ｋオーム、４６６−１０Ｋオーム、４６８−１００Ｋオ ーム、４６９−１Ｍオーム、４７０−１０Ｋオーム、５Ｋオームに設定された可 変抵抗器４６７、４７１である。 前記のことは、新規の自明ではない距離・速度・加速度センサの例示的な説明 である。本出願人は、その所有権の限界を添付の請求の範囲で定義する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１０月４日 【補正内容】 補正請求の範囲 １．物体のセンサからの距離を決定するセンサであって、 第１の周波数の第１の電気変調信号を生成する発振器と、 前記発振器に接続されており、第１の周波数で変調され物体へ送られてそれに 当たり物体から反射されるレーザ光信号を生成するレーザと、 前記物体から反射されたレーザ信号を受信し、変調して第１の周波数の第２の 電気変調信号に変換する受信機と、 前記発振器に接続され、第１の電気変調信号を第１の周波数の第１のデジタル 変調方形波信号に変換する第１の信号条件付け回路と、 前記受信機に接続され、第２の電気変調信号を第１の周波数の第２のデジタル 変調方形波信号に変換する第２の信号条件付け回路と、 前記第１および第２の条件付け回路に接続され、センサと物体の間の距離を示 す、前記第１のデジタル変調方形波信号と前記第２のデジタル変調方形波信号と の間の位相差を示すパルス幅を有する第３のデジタル信号を生成する排他的ＯＲ ゲートと、 第３のデジタル信号を処理して、センサと物体の間の距離を示す有用信号にし 、かつ一連の第３のデジタル信号を処理して、センサに対する物体の速度と加速 度を示す有用信号にする信号プロセッサとを備えることを特徴とするセンサ。 ２．前記レーザが、 レーザ・ドライバと、 前記レーザ・ドライバに接続されたレーザ・ダイオードと、 前記レーザ・ダイオードに物理的に近接する位置に配置されたコリメータ・レ ンズとを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。 ３．前記コリメータ・レンズが、 屈折率分布形レンズを備えることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。 ４．前記受信機が、 アバランシュ・フォトダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載の センサ。 ５．前記条件付け回路が、 それぞれ、前記アバランシュ・フォトダイオードおよび前記発振器に接続され た第１および第２の増幅器と、 それぞれ、前記第１および第２の増幅器に接続された、第１および第２の比較 器とを備えることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 31/12 7630−2Ｋ Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体の所望の特性を決定するセンサであって、 第１の信号を生成する発振器と、 前記発振器に接続され、レーザ信号を生成する前記レーザと、 前記物体から反射されたレーザ信号を受信し第２の信号を生成する受信機と、 第１および第２の条件付け済み信号を生成するために前記発振器および前記受 信機に接続され、それぞれ前記第１および第２の信号用の第１および第２の条件 付け経路を有し、前記第１および第２の条件付け経路が、同じ回路素子を有し、 さらに同じ経路長を有する条件付け回路と、 前記条件付け回路に接続され、前記第１の条件付け済み信号と前記第２の条件 付け済み信号との間の位相差を表す位相信号を生成する位相比較器と、 前記位相比較器に接続され、位相信号に基づいて物体との距離を算出するプロ セッサとを備えることを特徴とするセンサ。 ２．前記レーザが、 レーザ・ドライバと、 前記レーザ・ドライバに接続されたレーザ・ダイオードと、 前記レーザ・ダイオードに物理的に近接する位置に配置されたコリメータ・レ ンズとを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。 ３．前記コリメータ・レンズが、 屈折率分布形レンズを備えることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。 ４．前記受信機が、 アバランシュ・フォトダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載の センサ。 ５．前記条件付け回路が、 それぞれ、前記アバランシュ・フォトダイオードおよび前記発振器に接続され た、第１および第２の増幅器と、 それぞれ、前記第１および第２の増幅器に接続された、第１および第２の比較 器とを備えることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。 ６．前記位相比較器が、 前記第１および第２の条件付け経路に接続された第１および第２の入力端子と 、パルス幅変調信号が生成される出力端子とを有する排他的論理和ゲートを備え ることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。 ７．さらに、 前記排他的論理和ゲートの前記出力端子に接続された増幅器と、 アナログ信号を生成する前記増幅器に接続された低域フィルタと、 前記低域フィルタと前記プロセッサとの間に接続されたアナログ・ディジタル 変換器とを備えることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。 ８．さらに、多次元参照テーブルを事前にロードされたメモリ記憶装置を備える ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。 ９．前記事前ロード参照テーブルが、レーザの弱いバイアス誤差および温度誤差 を補償する補正値を有することを特徴とする請求項８に記載のセンサ。 １０．プロセッサが、物体の他の測定量を算出するために、前記メモリ記憶装置 に記憶されている以前の測定値にアクセスできるように、メモリ記憶装置がさら にＲＡＭ部分を備えることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。 １１．メモリ記憶装置のＲＡＭ部分が読取り装置に結合され、したがって各測定 量を視覚的に表示することができることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ 。