WO2014192805A1 - レーザレーダ装置及びレーダ画像生成方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a laser radar apparatus and a radar image generation method for calculating a distance to a measurement surface and measuring an intensity of reflected light from a difference between a transmission time of laser light and a reception time of reflected light.
- a laser radar device disclosed in Patent Document 1 below measures the shape of an object under the surface of the water, and is mounted on a ship, an underwater moving body, or the like.
- the laser beam is emitted toward the measurement surface, the laser beam reflected and returned by the measurement surface is received, the laser beam is emitted, and then the reflected laser beam.
- the laser radar device calculates a distance from the moving body on which the own device (laser radar device) is mounted to the measurement surface, and images the distance.
- a one-dimensional array light receiver is used to measure a detailed shape of a measurement surface at a short distance.
- a physical relative relationship between the measurement surface and its own device for example, The function to change the speed and altitude of the moving body as necessary, and the specifications of the laser light emitted toward the measurement surface (for example, beam divergence angle, beam scanning period, laser beam diameter, etc.) as necessary It does not have a function to change.
- the conventional laser radar apparatus is configured as described above, if the speed of the moving body on which the apparatus is mounted becomes faster than the speed determined from the distance to the measurement surface, the beam scanning period, and the beam divergence angle, A missing measurement point occurs on the converted distance image.
- it since it does not have a function to change the physical relative relationship between the measurement surface and its own device or the specifications of the laser light emitted toward the measurement surface, it is difficult to prevent the occurrence of missing measurement points. There was a problem that the quality of the distance image deteriorated.
- the moving body on which the own device is mounted is stopped, if the distance from the moving body on which the own device is mounted to the measurement surface is long, the number of pixels having a significant pixel value is increased. There is a problem that the quality of the distance image decreases due to a decrease.
- An object of the present invention is to obtain a laser radar device and a radar image generation method capable of ensuring the image quality of the image.
- the laser radar device comprises a laser beam transmitting / receiving means for radiating a laser beam toward a measurement object while switching a beam scanning angle, and receiving the laser beam reflected and returned by the measurement object; Using the elapsed time measuring means for measuring the elapsed time from when the laser light is emitted from the transmitting / receiving means until the laser light is received by the laser light transmitting / receiving means, and the elapsed time measured by the elapsed time measuring means, A distance calculating means for calculating the distance from the apparatus to the measurement object, an imaging means for imaging the distance calculated by the distance calculating means, and whether the quality of the image generated by the imaging means satisfies the reference quality Quality determining means for determining whether or not the relative relationship changing means determines that the quality of the image does not satisfy the reference quality by the quality determining means. , In which so as to change the relative physical relationship between the measurement object and the own apparatus.
- the quality determining means for determining whether or not the quality of the image generated by the imaging means satisfies the reference quality
- the relative relationship changing means is configured so that the quality of the image is determined by the quality determining means. If it is determined that the quality is not satisfied, the physical relative relationship between the measurement target and the device itself is changed.
- FIG. It is a block diagram which shows the laser radar apparatus by Embodiment 4 of this invention. It is a block diagram which shows the transmission / reception optical part 61 of the laser radar apparatus by Embodiment 4 of this invention. It is explanatory drawing which shows a mode that the laser radar apparatus mounted in the underwater mobile body 1 which is moving underwater is measuring the sea bottom.
- FIG. 1 is a block diagram showing a laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
- the underwater vehicle 1 is equipped with a laser radar device 10 and corresponds to an underwater probe or submarine that navigates while measuring its current position (absolute position) by an inertial navigation function or a GPS reception function.
- the navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1 collects measurement data indicating the speed and sea level (water depth) of the underwater vehicle 1 from a speedometer or altimeter of the underwater vehicle 1 and uses the measurement data as a laser radar device.
- the measurement surface 3 is a measurement target of the laser radar device 10 and corresponds to, for example, the sea bottom or a floating object.
- the laser output unit 11 includes a laser light source that generates pulsed laser light. Upon receiving a pulse laser light output command from the system control unit 16, the laser output unit 11 outputs the pulsed laser light generated by the laser light source to the transmission / reception optical unit 12. Perform the process.
- the transmission / reception optical unit 12 emits a pulse laser beam (transmission light) output from the laser output unit 11 toward the measurement surface 3 while switching the beam scanning angle under the control of the system control unit 16. A process of receiving the pulse laser beam (received light) that has been reflected and returned is performed.
- the light detection unit 13 is mounted with a light receiver that converts the pulse laser beam received by the transmission / reception optical unit 12 into an electrical signal and outputs the reception signal, which is the electrical signal, to the signal processing unit 14.
- the light detection unit 13 has a gate function for controlling the light reception timing based on an external signal and a function for changing the light reception gain based on the external signal.
- the laser output unit 11, the transmission / reception optical unit 12, and the light detection unit 13 constitute a laser beam transmitting / receiving means.
- the signal processing unit 14 is configured by, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like. After the pulse laser beam is output from the laser output unit 11, the received signal is received from the light detection unit 13. A process for measuring the elapsed time until output, a process for calculating the distance from the underwater moving body 1 on which the apparatus is mounted to the measurement surface 3 using the elapsed time, and a process received by the transmission / reception optical unit 12 A process for detecting the light intensity of the laser beam is performed.
- the image processing unit 15 includes, for example, a GPU (Graphics Processing Unit) and the like.
- the image processing unit 14 converts the distance calculated by the signal processing unit 14 into an image and outputs a distance image, and the light intensity detected by the signal processing unit 14. A process of imaging and outputting a light intensity image, a process of imaging the three-dimensional coordinates of the measurement points calculated by the signal processing unit 14 and outputting a three-dimensional coordinate image, and the like are performed. In addition, the image processing unit 15 performs processing for generating a three-dimensional map from the three-dimensional coordinates of the measurement points calculated by the signal processing unit 14. The image processing unit 15 constitutes an imaging unit and a three-dimensional map generation unit.
- the system control unit 16 is composed of, for example, a semiconductor integrated circuit mounted with a CPU or a one-chip microcomputer, and the quality of the distance image and the light intensity image generated by the image processing unit 15 satisfies the standard quality. If the quality of the distance image or light intensity image does not satisfy the standard quality, a speed change command that instructs the speed to be lowered or an altitude that instructs the seabed altitude (water depth) to be changed By outputting a change command or the like to the navigation control unit 2, a process of changing the physical relative relationship between the measurement surface 3 and the own device is performed.
- the system control unit 16 constitutes a quality determination unit and a relative relationship change unit.
- each of the laser output unit 11, the transmission / reception optical unit 12, the light detection unit 13, the signal processing unit 14, the image processing unit 15, and the system control unit 16, which are components of the laser radar apparatus, is dedicated hardware.
- all or part of the laser radar device may be configured by a computer.
- the signal processing unit 14, the image processing unit 15, and the system control unit 16 A program describing processing contents may be stored in a memory of a computer, and a CPU of the computer may execute the program stored in the memory.
- FIG. 4 is a flowchart showing the processing contents (radar image generation method) of the laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a block diagram showing the transmission / reception optical unit 12 of the laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
- a laser beam splitter 21 is composed of a tapping optical element such as a flat window, for example, for branching the pulse laser beam (transmitted beam) output from the laser output unit 11, and one pulse laser beam. Is output to the beam adjustment optical system 23, and the other pulse laser beam is output to the transmission light monitor unit 22. Note that only a small amount of pulsed laser light is output to the transmission light monitoring unit 22, and most of the pulsed laser light is output to the beam adjusting optical system 23.
- the transmission light monitor unit 22 converts the pulse laser beam output from the laser beam splitter 21 into an electrical signal, and performs a process of outputting the electrical signal to the signal processing unit 14 as a laser beam output timing monitor signal.
- the beam adjustment optical system 23 is an optical system that adjusts the beam diameter and the beam divergence angle of the pulse laser beam in accordance with the beam adjustment signal output from the system control unit 16 and outputs the adjusted pulse laser beam to the beam scanning system 24. is there.
- the beam scanning system 24 includes a transmission optical system 25 and a reception optical system 26.
- the beam scanning system 24 has a beam scanning speed (beam scanning period) indicated by a beam scanning speed instruction signal output from the system control unit 16, and is transmitted from the transmission optical system 25.
- a process of switching the beam scanning angle of the emitted pulsed laser light and outputting a beam scanning start signal indicating the start timing of the beam scanning to the signal processing unit 14 is performed.
- the transmission optical system 25 is an optical system that emits pulse laser light (transmission light) adjusted by the beam adjustment optical system 23 toward the measurement surface 3 while the beam scanning angle is switched by the beam scanning system 24.
- the reception optical system 26 adjusts the reception visual field according to the reception visual field adjustment signal output from the system control unit 16, and then returns the pulse laser beam (reception light) reflected and returned from the measurement surface 3 to the light detection unit 13. This is a condensing optical system.
- FIG. 2 shows an example in which the transmission optical system 25 and the reception optical system 26 are separate optical systems, the transmission / reception optical system 26 that also functions as the transmission optical system 25 and the reception optical system 26 is a beam scanning system. 24 may be implemented.
- FIG. 3 is a block diagram showing the signal processing unit 14 of the laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
- the threshold adjustment unit 31 is set with the reception signal threshold (reference level) indicated by the threshold setting signal output from the system control unit 16, and the signal level of the reception signal output from the light detection unit 13 is the reception signal threshold. Only when it is the above, the process which outputs the received signal to the elapsed time measurement part 32 and the light intensity detection part 33 is implemented.
- the threshold adjustment unit 31 constitutes a reception signal selection unit.
- the elapsed time measurement unit 32 measures the elapsed time from when the laser beam output timing monitor signal is output from the transmission light monitor unit 22 of the transmission / reception optical unit 12 until the reception signal is output from the threshold adjustment unit 31. carry out.
- the elapsed time measuring unit 32 constitutes elapsed time measuring means.
- the light intensity detection unit 33 starts the peak hold processing of the reception signal output from the threshold adjustment unit 31 from the time when the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitoring unit 22 of the transmission / reception optical unit 12, and transmits and receives light. A process of outputting the peak hold value of the received signal to the data storage unit 35 as the light intensity of the laser beam received by the undergraduate unit 12 is performed.
- the light intensity detector 33 constitutes a light intensity detector.
- the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 uses the elapsed time measured by the elapsed time measurement unit 32 to perform a process of calculating the distance from the underwater moving body 1 on which the device is mounted to the measurement surface 3.
- the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 also outputs a pulse output synchronization signal (in the laser output unit 11 in the laser output unit 11) output from the system control unit 16 from the time when the beam scanning start signal is output from the beam scanning system 24 of the transmission / reception optical unit 12.
- the number of signals output from the system control unit 16 is counted in synchronization with the output of the pulse laser beam, the current beam scanning angle is calculated from the counted value, and the distance from the underwater vehicle 1 to the measurement surface 3 And the process which calculates the three-dimensional coordinate of the measurement point in the measurement surface 3 from the present beam scanning angle is implemented.
- the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 constitutes a distance calculation unit and a three-dimensional coordinate calculation unit.
- the data storage unit 35 is constituted by a storage device such as a RAM or a hard disk, for example, the distance to the measurement surface 3 calculated by the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34, the three-dimensional coordinates of the measurement points, and the light intensity detection unit. The light intensity of the laser light detected by 33 is stored.
- FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which the laser radar device mounted on the underwater moving body 1 moving underwater measures the sea bottom as the measurement surface 3.
- the system control unit 16 of the laser radar apparatus 10 initializes each processing unit before starting measurement of the measurement surface 3 (step ST1 in FIG. 4). That is, the system control unit 16 initializes the pulse repetition period R, the pulse width, and the laser power of the pulse laser beam output from the laser output unit 1. Further, the system control unit 16 sets the beam scanning speed f by outputting a beam scanning speed instruction signal indicating the beam scanning speed f (beam scanning cycle) to the beam scanning system 24 of the transmission / reception optical unit 12 and also outputs pulses.
- the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12 By outputting a beam adjustment signal indicating the beam diameter and the beam divergence angle ⁇ of the laser light to the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12, the beam diameter and the beam divergence angle ⁇ of the pulse laser light are initialized. Further, the system control unit 16 outputs a reception visual field adjustment signal indicating the reception visual field to the reception optical system 26 of the transmission / reception optical unit 12 so that the reception visual field of the reception optical system 26 is emitted from the transmission optical system 25.
- the viewing angle is initially set so that it is in the same range as the light (transmitted light).
- system control unit 16 initializes the light reception gain of the light detection unit 2 and outputs a threshold setting signal indicating a reception signal threshold (reference level) to the threshold adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 to receive the signal. Initialize the signal threshold.
- the system control unit 16 When the initial setting of each processing unit is completed, the system control unit 16 outputs a pulse laser beam output command to the laser output unit 11 to start a one-dimensional line scan on the measurement surface 3 (step ST2).
- the system control unit 16 In order to perform a one-dimensional line scan on the measurement surface 3, the system control unit 16 outputs a command for performing a one-dimensional beam scan to the beam scanning system 24.
- the system control unit 16 When performing a two-dimensional scan, the system control unit 16 outputs a command for performing a two-dimensional beam scan to the beam scanning system 24.
- the laser output unit 11 When the laser output unit 11 receives an output command of the pulse laser beam from the system control unit 16, the laser output unit 11 repeatedly outputs the pulse laser beam to the transmission / reception optical unit 12 with the initially set pulse repetition period R.
- the pulse width and laser power of the pulsed laser light output from the laser output unit 11 are as initially set.
- the system control unit 16 sends the pulse output synchronization signal to the distance / three-dimensional coordinates of the signal processing unit 14 in synchronization with the output of the pulse laser beam from the laser output unit 11. It outputs to the calculation part 34.
- the laser beam splitter 21 of the transmission / reception optical unit 12 branches the pulse laser beam (transmission beam) each time the pulse laser beam (transmission beam) is output from the laser output unit 11, and outputs one pulse laser beam.
- the laser beam is output to the beam adjusting optical system 23 and the other pulse laser beam is output to the transmission light monitor unit 22.
- the amount of pulsed laser light output to the transmission light monitoring unit 22 is very small, and most of the pulsed laser light is output to the beam adjusting optical system 23.
- the transmission light monitor unit 22 converts the pulse laser beam into an electric signal, and uses the electric signal as a laser beam output timing monitor signal, and the elapsed time of the signal processing unit 14.
- the data is output to the measurement unit 32 and the light intensity detection unit 33.
- the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12 receives the pulse laser beam from the laser beam splitter 21 according to the beam adjustment signal output from the system control unit 16 at the time of initial setting.
- the spread angle ⁇ is adjusted, and the adjusted pulsed laser beam is output to the beam scanning system 24.
- the transmission optical system 25 of the beam scanning system 24 receives the adjusted pulse laser light from the beam adjustment optical system 23, it emits the pulse laser light (transmission light) toward the measurement surface 3.
- the beam scanning speed f () indicated by the beam scanning speed instruction signal output from the system control unit 16 at the time of initialization is set.
- the beam scanning angle ⁇ beam of the pulsed laser light emitted from the transmission optical system 25 is switched in the beam scanning period).
- the beam scanning system 24 first outputs a beam scanning start signal indicating the start timing of the beam scanning to the signal processing unit 14 when the adjusted pulse laser beam is received from the beam adjusting optical system 23.
- the reception optical system 26 of the transmission / reception optical unit 12 has its reception visual field adjusted according to the reception visual field adjustment signal output from the system control unit 16, radiated from the transmission optical system 25, then reflected by the measurement surface 3 and returned.
- the pulsed laser beam (received light) is condensed on the light detector 13. Note that, by adjusting the reception field of the reception optical system 26 according to the reception field adjustment signal, the reception field can be narrowed down to the beam irradiation range of the measurement surface 3. For this reason, it becomes possible to receive the reflected light from the measurement surface 3 with good SN, while suppressing the incidence of scattered light around.
- the light detection unit 13 converts the pulse laser beam condensed by the reception optical system 26 of the transmission / reception optical unit 12 into an electric signal with the light reception gain initially set by the system control unit 16, and a reception signal that is the electric signal Is output to the signal processing unit 14.
- the signal processing unit 14 When receiving the reception signal from the light detection unit 13, the signal processing unit 14 performs various signal processing on the reception signal (step ST3). Hereinafter, the processing content of the signal processing unit 14 will be specifically described.
- the threshold adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 receives the reception signal from the light detection unit 13, the signal level (voltage value of the voltage signal) of the reception signal and the threshold value output from the system control unit 16 at the initial setting time.
- the received signal threshold value (reference level) indicated by the setting signal is compared. If the received signal level is equal to or higher than the received signal threshold value, the received signal is output to the elapsed time measuring unit 32 and the light intensity detecting unit 33. On the other hand, if the signal level of the received signal is less than the received signal threshold, the received signal is discarded in order to cancel the noise level signal.
- the elapsed time measurement unit 32 measures an elapsed time T from when the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitor unit 22 of the transmission / reception optical unit 12 to when the reception signal is output from the threshold adjustment unit 31. . Note that even if the number of pulses of the laser light emitted from the transmission optical system 25 of the transmission / reception optical unit 12 is one, if some floating matter exists between the own apparatus and the measurement surface 3, 1 In addition to the pulse laser beam (received light) reflected by the measurement surface 3, the pulse laser beam (received light) reflected by the suspended matter or the like is received at the laser beam output timing.
- the elapsed time measurement unit 32 starts from when the laser light output timing monitor signal is output until each reception signal is output.
- the elapsed time T is measured.
- the pulse laser beam reflected by the suspended matter etc. (Received light) is received before the pulsed laser light (received light) reflected by the measurement surface 3. Therefore, the elapsed time T until the reception signal of the pulsed laser beam (received light) reflected by the suspended matter is output, the received signal of the pulsed laser beam (received light) reflected by the measurement surface 3 is output. It becomes shorter than the elapsed time T until. After the plurality of received signals is obtained by measuring the elapsed time T n until the output when a predetermined time has elapsed, the time measurement processing at the elapsed time measuring unit 32 automatically stops the time are measured is reset .
- the light intensity detection unit 33 starts the peak hold processing of the reception signal output from the threshold adjustment unit 31 from the time when the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitor unit 22 of the transmission / reception optical unit 12.
- the peak hold value P of the received signal is output to the data storage unit 35 as the light intensity of the laser beam received by the receiving optical unit 12. For example, when a rising edge of a pulse having a certain voltage fluctuation width is recognized, a peak voltage value (a peak hold value of a received signal) until the falling edge of the pulse is recognized is detected.
- a peak hold processing of each reception signal is performed, and the peak hold value of each reception signal is output to the data storage unit 35.
- the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 when N pulse laser beams (received light) are received at one laser beam output timing, corresponds to N received signals from the elapsed time measuring unit 32. Although the times T 1 to T N are output, the pulse laser beam (received light) reflected by the measurement surface 3 is received last, so that the Nth received signal is expressed as shown in the following equation (1). Is used to calculate the distance L N from the underwater moving body 1 on which the device is mounted to the measurement surface 3. In equation (1), c is the speed of light and r is the refractive index of the propagation space.
- the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 also outputs a pulse output synchronization signal (laser output unit 11) output from the system control unit 16 from the time when the beam scanning start signal is output from the beam scanning system 24 of the transmission / reception optical unit 12.
- a pulse output synchronization signal laser output unit 11
- N p the number of signals
- X is a beam scanning range
- f is a beam scanning speed (beam scanning period)
- R is a pulse repetition period.
- FIG. 6 is a conceptual diagram showing a relationship between the pulse count number N p and the beam scan angle theta beam.
- the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 calculates the distance L as shown in the following equation (3).
- N and the beam scanning angle ⁇ beam are used to calculate the three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ) at the measurement point on the measurement surface 3 with the own apparatus as the origin.
- FIG. 7 is an explanatory diagram showing a measurement state and a coordinate system of the laser radar device.
- Formula (3) is a calculation formula in the case where the pulse laser beam emitted from the laser radar device 10 is perpendicular to the traveling direction of the underwater moving body 1. pulsed laser light in the direction of the angle theta m Te may be emitted. In that case, the three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ) are calculated as in the following equation (4).
- the data storage unit 35 stores the distance L N to the measurement surface 3 calculated by the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 and the three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ) of the measurement point, and the light intensity.
- the light intensities P 1 to P N of the laser beam for one frame detected by the detection unit 33 are stored.
- the system control unit 16 inquires the navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1 about the current position of the underwater vehicle 1 and acquires measurement data of the current position.
- the current position (Xv N , Yv N , Zv N ) of the underwater vehicle 1 indicated by the measurement data is stored.
- FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of data stored by the data storage unit 35.
- the image processing unit 15 reads the distances L N corresponding to the plurality of pulse laser beams (transmission lights) from the data storage unit 35, images the distances L N, and displays the distance images on a display (not shown). .
- the image processing unit 15 reads the light intensity P N of the laser beam corresponding from the data storage unit 35 into a plurality of pulsed laser beams (transmitted light), and imaged their light intensity P N, the light intensity image Is displayed on a display (not shown).
- the image processing unit 15 reads out the three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ) corresponding to the plurality of pulse laser beams (transmission lights) from the data storage unit 35, and those three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ) is imaged and the three-dimensional coordinate image is displayed on a display (not shown). Furthermore, the image processing unit 15 generates a three-dimensional map from these three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ).
- the system control unit 16 determines whether or not the measurement is completed (step ST4).
- the series of processes is terminated, but when the measurement is continued, the current moving speed and the seafloor altitude ( Inquires the navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1.
- the navigation control unit 2 of the underwater moving body 1 collects measurement data indicating the speed V and the seabed height H of the underwater moving body 1 from the speedometer, and receives an inquiry about the moving speed and the seabed height from the system control unit 16. Then, the measurement data indicating the speed V and the seabed height H of the underwater vehicle 1 are output to the system control unit 16.
- FIG. 9 is an explanatory diagram showing the restriction condition of the moving speed at which the missing of the measurement location occurs.
- the right side of Expression (5) represents the speed of moving the distance corresponding to the beam diameter on the measurement surface 3 in the scanning time for one line.
- the next scanning line is scanned at an interval equal to or larger than the beam diameter, so measurement with a uniform point density is impossible. If the system control unit 16 determines that the measurement point is missing, the system control unit 16 determines that the quality of the distance image or the light intensity image does not satisfy the reference quality.
- Step ST2 If the system control unit 16 determines that there is no missing measurement point and that the quality of the distance image and the light intensity image satisfies the reference quality, the next scan starts with the same settings as the previous scan. (Step ST2). If the system control unit 16 determines that the measurement point is missing and the quality of the distance image or the light intensity image does not satisfy the reference quality, the system control unit 16 determines whether or not the moving speed can be changed. Queries the control unit 2. If the response that the moving speed can be changed is obtained from the navigation control unit 2 (step ST6), the system control unit 16 instructs to decrease the speed until the speed that satisfies the formula (5) is satisfied. A change command is output to the navigation control unit 2. The navigation control unit 2 changes the speed V of the underwater vehicle 1 according to the speed change command output from the system control unit 16 (step ST7).
- the system control unit 16 determines whether or not the seabed altitude can be changed if the navigation control unit 2 cannot obtain a response indicating that the moving speed can be changed.
- the navigation control unit 2 is inquired about whether or not there is. If the response indicating that the seabed altitude can be changed is obtained from the navigation control unit 2 (step ST8), the system control unit 16 determines whether or not the altitude can be changed based on the allowable spatial resolution variation at the measurement point (step ST8). ST9).
- FIG. 10 is a conceptual diagram showing the relationship of the resolution fluctuation to the altitude change. As shown in FIG. 10, the change in the seabed altitude affects the spatial resolution of the measurement point. For this reason, as to whether or not the seabed altitude can be changed, with respect to the current seabed altitude H, the altitude change ⁇ H up to the seabed altitude satisfying Equation (5) is Whether or not the following expression (6) is satisfied is confirmed.
- the system control unit 16 When satisfying Expression (6), the system control unit 16 outputs to the navigation control unit 2 an altitude change command that instructs to change to the new seabed altitude H.
- the navigation control unit 2 changes the seabed height H of the underwater vehicle 1 according to the altitude change command output from the system control unit 16 (step ST10).
- the system control unit 16 starts the next scan (step ST2).
- the system control unit 16 calculates a new beam divergence angle ⁇ that satisfies Expression (6).
- the system control unit 16 uses the beam divergence angle ⁇ , the changed seabed height H, and the current moving speed V to satisfy a new equation (5).
- a beam scanning speed f (beam scanning period) is calculated (step ST11).
- FIG. 11 is a conceptual diagram showing a derivation formula of the beam scanning period. The relationship between the spatial resolution N, the pulse repetition period R, the sea bottom height H, and the beam scanning range X with respect to the beam scanning speed f (beam scanning period).
- the system control unit 16 confirms whether or not the measurement within the allowable range of the specified spatial resolution can be maintained when the new beam scanning speed f (beam scanning period) is used. (Step ST12). That is, the system control unit 16 substitutes the new beam scanning speed f, the current pulse repetition period R, the new seabed height H, and the current beam scanning range X into the equation (7), and sets the new spatial resolution N. If the difference between the spatial resolution N and the current spatial resolution (the amount of variation in the spatial resolution) is within the allowable range, the measurement within the allowable range of the specified spatial resolution can be maintained. to decide.
- the system control unit 16 transmits a beam scanning speed instruction signal indicating a new beam scanning speed f (beam scanning period).
- a new beam scanning speed f is set, and a beam adjustment signal indicating a new beam divergence angle ⁇ is output to the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12.
- a new beam divergence angle ⁇ is set (step ST13).
- the system control unit 16 outputs an altitude change command for instructing the change to the new seabed altitude H to the navigation control unit 2.
- the navigation control unit 2 changes the seabed height H of the underwater vehicle 1 according to the altitude change command output from the system control unit 16.
- the system control unit 16 starts the next scan (step ST2).
- the system control unit 16 calculates a new beam divergence angle ⁇ that satisfies Equation (6). After calculating the new beam divergence angle ⁇ , the system control unit 16 uses the beam divergence angle ⁇ , the current seabed altitude H, and the current moving speed V to create a new beam that satisfies Expression (5). A scanning speed f (beam scanning period) is calculated (step ST11).
- the system control unit 16 confirms whether or not the measurement within the allowable range of the specified spatial resolution can be maintained when the new beam scanning speed f (beam scanning period) is used. (Step ST12). That is, the system control unit 16 substitutes the new beam scanning speed f, the current pulse repetition period R, the current seafloor height H, and the current beam scanning range X into the equation (7), and sets the new spatial resolution N. If the difference between the spatial resolution N and the current spatial resolution (the amount of variation in the spatial resolution) is within the allowable range, the measurement within the allowable range of the specified spatial resolution can be maintained. to decide.
- the system control unit 16 If the system control unit 16 can maintain the measurement within an allowable range of the specified spatial resolution, the system control unit 16 transmits a beam scanning speed instruction signal indicating a new beam scanning speed f (beam scanning period). By outputting to the beam scanning system 24, a new beam scanning speed f is set, and a beam adjustment signal indicating a new beam divergence angle ⁇ is output to the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12. A new beam divergence angle ⁇ is set (step ST13). When the new beam scanning speed f and beam divergence angle ⁇ are set, the system control unit 16 starts the next scan (step ST2).
- the system control unit 16 determines whether or not to change the spatial resolution setting (step ST14). For example, if the underwater vehicle 1 is in a state where it can communicate with the mother ship or the base, the user is inquired whether to change the setting of the spatial resolution. If the communication is impossible, whether to change the setting is determined according to a preprogrammed process. If the spatial resolution setting can be changed, the system control unit 16 outputs a beam scanning speed instruction signal indicating a new beam scanning speed f (beam scanning period) to the beam scanning system 24 of the transmission / reception optical unit 12.
- a beam adjustment signal indicating a new beam divergence angle ⁇ is output to the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12, thereby setting a new beam divergence angle ⁇ (Ste ST12).
- the system control unit 16 starts the next scan (step ST2).
- the system control unit 16 displays a warning (step ST15), and starts the next scan while maintaining the current beam scanning speed f and the beam divergence angle ⁇ . (Step ST2).
- the laser radar device 10 repeatedly performs the processes of steps ST2 to ST15 until the measurement of the measurement surface 3 is completed.
- the image processing unit 15 generates a three-dimensional map from the three-dimensional coordinates (X N , Y N , Z N ) of each measurement point on the measurement surface 3. You may make it test
- FIG. the system control unit 16 determines that the measurement point density included in the specified volume is lower than the reference density set by the user, or the measurement point interval included in the specified volume is Then, an area wider than the reference interval set by the user is extracted, and the area is notified to the navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1. When the navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1 receives the notification from the system control unit 16, the navigation control unit 2 may measure the area again.
- the system control unit 16 determines whether or not the quality of the distance image and the light intensity image generated by the image processing unit 15 satisfies the reference quality. If the quality of the distance image or the light intensity image does not satisfy the reference quality, the navigation control unit 2 sends a speed change command for instructing a decrease in speed, an altitude change command for instructing a change in seabed altitude (water depth), and the like. To change the physical relative relationship between the measurement surface 3 and the apparatus itself, or change the beam scanning speed f, the beam divergence angle ⁇ , etc. within a range in which the variation amount of the spatial resolution does not exceed the allowable amount.
- FIG. 12 is a block diagram showing a laser radar device according to Embodiment 2 of the present invention.
- the system control unit 40 is composed of, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like.
- the number of pixels having a significant pixel value is counted, and if the number is less than a specified number (first reference number), the quality of the range image is the reference quality. To determine that the above is not satisfied.
- system control unit 40 counts the number of pixels having a saturation value among the pixels constituting the light intensity image generated by the image processing unit 15, and the pixel having the saturation value. If the number of images is equal to or greater than the allowable number (second reference number), a process of determining that the quality of the light intensity image does not satisfy the reference quality is performed.
- the system control unit 40 determines that the quality of the distance image does not satisfy the reference quality
- the system control unit 40 instructs the navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1 to approach the measurement target, thereby physically measuring the measurement target and the own device.
- the laser beam transmission / reception conditions for example, the laser power of the pulse laser beam output from the laser output unit 1, the transmission / reception optical unit) 12, the reception visual field in the reception optical system 26, the light reception gain and gate time of the light detection unit 2, the reception signal threshold value in the threshold adjustment unit 31 of the signal processing unit 14, and the like.
- the system control unit 40 constitutes a quality determination unit, a relative relationship change unit, and a low measurement point density region extraction unit.
- the laser output unit 11, the transmission / reception optical unit 12, the light detection unit 13, the signal processing unit 14, the image processing unit 15, and the system control unit 40 which are components of the laser radar apparatus, are dedicated hardware.
- all or part of the laser radar device may be configured by a computer.
- the signal processing unit 14, the image processing unit 15, and the system control unit 40 A program describing processing contents may be stored in a memory of a computer, and a CPU of the computer may execute the program stored in the memory.
- FIG. 13 is a flowchart showing the processing contents (radar image generation method) of the laser radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 14 is a conceptual diagram showing an imaging operation of an underwater object (measurement target) by the laser radar device.
- the beam scanning system 24 of the transmission / reception optical unit 12 performs two-dimensional scanning in the horizontal direction and the vertical direction under the control of the system control unit 40.
- the imaging operation illustrated in FIG. 14 is an operation in the case where the underwater moving body 1 on which the laser radar device 10 is mounted measures the shape of a specific measurement target while approaching the specific measurement target.
- the optical camera or the like mounted on the underwater moving body 1 is a position where the distance to the measurement target cannot be recognized.
- the distance sensor such as an acoustic sensor mounted on the underwater moving body 1 is up to the measurement target.
- the operation of the laser radar device 10 is started from the state in which the underwater moving body 1 exists at a position where the distance can be roughly grasped. That is, when the distance sensor such as an acoustic sensor mounted on the underwater moving body 1 is used to detect that the laser radar device 10 is close to the measurement target, the laser radar device 10 performs initial setting. Start. Specifically, it is as follows.
- the system control unit 40 of the laser radar apparatus 10 initializes each processing unit before starting measurement of the measurement target (step ST21 in FIG. 13). That is, the system control unit 40 initializes each processing unit as in the system control unit 16 of FIG. 1, but initially sets the laser power of the pulse laser beam output from the laser output unit 1 to the maximum output. .
- the light reception gain of the light detection unit 2 is initially set to a maximum value
- the reception signal threshold value in the threshold adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 is initially set to a minimum value.
- the system control unit 40 When the initial setting of each processing unit is completed, the system control unit 40 outputs a pulse laser beam output command to the laser output unit 11 to start two-dimensional scanning on the measurement target (step ST22).
- the laser output unit 11 When receiving the output command of the pulse laser beam from the system control unit 40, the laser output unit 11 repeatedly outputs the pulse laser beam to the transmission / reception optical unit 12 with the initially set pulse repetition period R as in the first embodiment. To do.
- the system control unit 40 synchronizes with the output of the pulse laser beam in the laser output unit 11 in the same manner as the system control unit 16 in FIG. Is output to the distance / three-dimensional coordinate calculation unit 34 of the signal processing unit 14.
- the laser beam splitter 21 of the transmission / reception optical unit 12 branches the pulse laser beam (transmission light) each time the pulse laser beam (transmission light) is output from the laser output unit 11. Then, one pulse laser beam is output to the beam adjustment optical system 23, and the other pulse laser beam is output to the transmission light monitor unit 22.
- the transmission light monitor unit 22 converts the pulse laser beam into an electric signal and converts the electric signal into a laser beam output timing monitor signal, as in the first embodiment. Are output to the elapsed time measuring unit 32 and the light intensity detecting unit 33 of the signal processing unit 14.
- the beam adjustment optical system 23 of the transmission / reception optical unit 12 receives the pulse laser beam from the laser beam splitter 21, and the beam diameter and beam of the pulse laser beam according to the beam adjustment signal output from the system control unit 40 at the initial setting.
- the spread angle ⁇ is adjusted, and the adjusted pulsed laser beam is output to the beam scanning system 24.
- the transmission optical system 25 of the beam scanning system 24 directs the pulse laser light (transmission light) toward the measurement object as in the first embodiment. Radiate.
- the beam scanning system 24 receives the adjusted pulsed laser light from the beam adjusting optical system 23.
- the beam scanning speed f () indicated by the beam scanning speed instruction signal output from the system control unit 40 at the time of initialization is set.
- the beam scanning angle ⁇ of the pulsed laser light emitted from the transmission optical system 25 is switched in the beam scanning period).
- the beam scanning system 24 first outputs a beam scanning start signal indicating the start timing of the beam scanning to the signal processing unit 14 when the adjusted pulse laser beam is received from the beam adjusting optical system 23.
- the reception optical system 26 of the transmission / reception optical unit 12 has its reception visual field adjusted in accordance with the reception visual field adjustment signal output from the system control unit 40, radiated from the transmission optical system 25, and then reflected by the measurement object and returned.
- the pulsed laser beam (received light) is condensed on the light detection unit 13.
- the light detection unit 13 converts the pulse laser beam condensed by the reception optical system 26 of the transmission / reception optical unit 12 into an electrical signal with the light reception gain that is initially set by the system control unit 40, and a reception signal that is the electrical signal Is output to the signal processing unit 14.
- the signal processing unit 14 When receiving the reception signal from the light detection unit 13, the signal processing unit 14 performs various types of signal processing on the reception signal as in the first embodiment.
- the image processing unit 15 displays a two-dimensional distance image and intensity image or a three-dimensional map in response to an external request.
- the system control unit 40 performs a process for improving the visibility of the captured image to be measured.
- FIG. 15 is an explanatory diagram showing a state in which the laser radar device 10 controls the approach to the measurement target while autonomously determining in order to increase the visibility of the measurement target in the distance image.
- FIG. 15 shows a control method for improving the visibility of the distance image when the exact distance to the measurement target and the light attenuation characteristics of the underwater environment are unknown.
- pixels having significant values are sparsely present in a situation where the distance from the measurement target is far enough that a signal having sufficient reflection intensity cannot be received.
- FIG. 16 is explanatory drawing which shows the change of the visibility of the measuring object in a distance image and a light intensity image.
- the system control unit 40 counts the number C 1 of pixels having a significant pixel value in the distance image (hereinafter, “ (Referred to as “the number of effective pixels”).
- the system control unit 40 counts the effective pixel number C 1 in the distance image, the effective pixel number C 1 and the specified number C ref1 (the specified number is a reference number set in advance by the user or the system). Compare (step ST23).
- the system control unit 40 if the less than the number of valid pixels C 1 is prescribed number C ref1, determines that the quality of the range image does not satisfy the reference quality, to the measurement object approaching the underwater vehicle 1
- the navigation control unit 2 is instructed.
- the navigation control unit 2 When the navigation control unit 2 receives an approach command to the measurement target from the system control unit 40, the navigation control unit 2 moves the underwater mobile unit 1 so that the underwater mobile unit 1 approaches the measurement target (step ST24). As a result, the measurement target is measured in a state of approaching the measurement target from the previous time, and a distance image and a light intensity image are generated (step ST22), and it is expected that the visibility of the measurement target in the distance image is improved.
- the system control unit 40 determines that the quality of the range image satisfies the reference quality, in the light intensity image measurement of the object If the function for improving the visibility is set to ON (step ST24), the number C of pixels having a saturation value among the pixels constituting the light intensity image generated by the image processing unit 15 2 (hereinafter referred to as “saturated pixel number”).
- saturated pixel number the number of pixels having a saturation value among the pixels constituting the light intensity image generated by the image processing unit 15 2
- the system control unit 40 counts the saturated pixel number C 2 in the light intensity image, the saturated pixel number C 2 and the allowable number C ref2 (the allowable number is a reference number set in advance by the user or the system). Are compared (step ST25).
- the system control unit 40 determines that the quality of the light intensity image does not satisfy the reference quality, and determines the parameters of the laser radar device 10 (laser light intensity).
- the transmission / reception conditions are changed (step ST26).
- FIG. When changing to increase the reception signal threshold value, the threshold value of the transmission light monitor unit 22 is also increased equally in order to suppress the degradation of distance accuracy caused by a system error.
- the measurement target is measured with a parameter (laser beam transmission / reception condition) different from the previous one to generate a distance image and a light intensity image (step ST22), and the visibility of the measurement target in the light intensity image is improved. Be expected.
- steps ST22 to ST26 are repeated until the quality of the distance image and the light intensity image satisfies the reference quality, and when the measurement is completed, the series of processes is completed (step ST27). If the quality of the distance image or the light intensity image does not satisfy the reference quality even after repeating the processes of steps ST22 to ST26, saturation in the light intensity image is caused by the distance between the underwater moving body 1 and the measurement target being separated. Since the system controller 40 may be improved, the system controller 40 may output a command to the navigation controller 2 to increase the distance between the underwater vehicle 1 and the measurement target.
- the system control unit 40 performs measurement if the effective pixel number C 1 in the distance image generated by the image processing unit 15 is less than the specified number C ref1.
- instruct access to the target navigation control unit 2 of the underwater vehicle 1 if the saturation pixel number C 2 in the light intensity image generated by the image processing unit 15 is allowable number C ref2 above, the laser radar apparatus 10
- the parameter laser beam transmission / reception condition
- the laser radar apparatus 10 is changed so that the decrease in the effective pixel number C 1 in the distance image and the increase in the saturated pixel number C 2 in the light intensity image are prevented, and the desired There is an effect that image quality can be ensured. Therefore, it is possible to save the time for parameter adjustment by remote operation and shorten the measurement time.
- FIG. 17 is a block diagram showing a laser radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
- the gain information holding unit 51 is composed of a storage device such as a RAM or a hard disk, for example.
- the gain information holding unit 51 includes an elapsed time from the time when the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitoring unit 22 (laser light emission start time).
- a plurality of types of gain curves (gain information) indicating correspondence relationships of time response gains (gains) are held.
- the gain information holding unit 51 constitutes gain information holding means.
- the system control unit 52 is composed of, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like, and performs the same processing as the system control unit 16 in FIG. 1 or the system control unit 40 in FIG.
- the effective pixel number C 1 in the distance image generated by the image processing unit 15 is counted, and the effective pixel number C 1 is defined from among a plurality of gain curves held by the gain information holding unit 51. A process of selecting a gain curve that is equal to or greater than a number C ref1 is performed.
- the system control unit 52 counts the saturation pixel number C 2 of the image processing section 15 in the light intensity image generated by, the laser radar apparatus 10 so that the saturated pixel number C 2 is within the allowable number C ref2 Processing for changing the laser beam transmission / reception conditions (for example, the laser power of the pulse laser beam, the light reception gain, the reception signal threshold value, etc.) is performed.
- the system control unit 52 constitutes a quality determination unit, a relative relationship change unit, a low measurement point density region extraction unit, and a gain information selection unit.
- the laser output unit 11, the transmission / reception optical unit 12, the light detection unit 13, the signal processing unit 14, the image processing unit 15, the gain information holding unit 51, and the system control unit 52 that are components of the laser radar apparatus.
- each is configured with dedicated hardware
- all or a part of the laser radar device may be configured with a computer.
- the gain information holding unit 51 is stored in the memory of the computer.
- 19 and 20 are flowcharts showing the processing contents (radar image generation method) of the laser radar device according to the third embodiment of the present invention.
- FIG. 18 is a block diagram showing a light detection unit 13 of a laser radar device according to Embodiment 3 of the present invention.
- the photoelectric converter 61 outputs a gate signal from the system control unit 52 (a signal output after a delay time set by the user after the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitor unit 22). Then, the light receiving gain indicated by the gain setting signal output from the system control unit 52 is applied to the pulsed laser light collected by the receiving optical system 26 of the transmission / reception optical unit 12, and the pulsed laser light after application of the light receiving gain is applied.
- a process of converting into an electrical signal and outputting a received signal that is the electrical signal is performed.
- the time response gain adjustment unit 62 refers to the gain curve selected by the system control unit 52, specifies the time response gain (gain) corresponding to the elapsed time from the emission start time of the laser light, and sets the time response gain. A process of applying the received signal output from the photoelectric converter 61 and outputting the received signal after applying the time response gain to the signal processing unit 14 is performed.
- the photoelectric converter 61 and the time response gain adjustment unit 52 constitute a light receiver.
- the system control unit 52 acquires measurement data indicating the seabed altitude (water depth) at which the underwater mobile body 1 currently exists from the navigation control unit 2 of the underwater mobile body 1. Next, the system control unit 52 refers to a reference table (not shown) indicating the correspondence between the seafloor altitude (water depth) and the gain curve, and sets the plurality of types of gain curves held by the gain information holding unit 51. A gain curve corresponding to the seabed altitude (water depth) at which the underwater vehicle 1 currently exists is selected from the inside, and the gain curve is set in the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 (step in FIG. 19). ST31).
- system control unit 52 initially sets the laser power of the pulsed laser light output from the laser output unit 1 to the maximum output, and initializes the light reception gain of the light detection unit 2 to the maximum value. Further, the reception signal threshold value in the threshold value adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 is initially set to a minimum value (step ST32).
- the system control unit 52 outputs a gate signal to the photoelectric converter 61 of the light detection unit 13 when a delay time set in advance by the user has elapsed after the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitoring unit 22. To do.
- the system control unit 52 outputs a gate signal for the purpose of avoiding reception of scattered light inside the system and reception of unnecessary scattered light from a short distance.
- the photoelectric converter 61 of the light detection unit 13 transmits and receives the light reception gain (maximum value at the initial setting) indicated by the gain setting signal output from the system control unit 52.
- the pulsed laser beam collected by the receiving optical system 26 of the academic unit 12 is applied to the pulsed laser beam after the light receiving gain is applied, converted into an electrical signal, and the received signal as the electrical signal is sent to the time response gain adjusting unit 62. Output.
- the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 refers to the gain curve set by the system control unit 52, and has elapsed since the laser light output timing monitor signal was output (laser light emission start time).
- a time response gain (gain) corresponding to time is specified, the time response gain is applied to the reception signal output from the photoelectric converter 61, and the reception signal after the time response gain is applied is output to the signal processing unit 14.
- FIG. 21 is an explanatory diagram showing propagation loss compensation by the time response gain adjusting unit 62.
- the gain information holding unit 51 is provided with a plurality of types of gain curves, assuming the light attenuation rate of the propagation space, and the time response gain in each gain curve generally increases with time.
- the time response gain adjustment unit 62 applies a time response gain corresponding to the elapsed time to the reception signal, so that attenuation due to propagation of the laser light is compensated. As a result, it is possible to reduce false detection of scattered light from a floating object or the like at a relatively short distance that could not be reduced even if signal threshold adjustment was performed.
- the reception signal output from the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 is input by the signal processing unit 14 so that the same processing as in the first and second embodiments is performed.
- the system control unit 52, the image processing unit 15 generates a distance image, similarly to the system control unit 40 of FIG. 12, it counts the number of valid pixels C 1 in the distance image (step ST33).
- the system control unit 52 counts the effective pixel number C 1 in the distance image
- the effective pixel number C 1 and the specified number C ref1 (the specified number C ref1 is a reference number set in advance by the user or the system). Yes , it may be the same value as the prescribed number C ref1 shown in the second embodiment or a different value (step ST34).
- the system control unit 52 determines that the quality of the distance image satisfies the reference quality if the effective pixel number C 1 in the distance image is equal to or greater than the specified number C ref1 , and first the time response gain adjustment unit 62. Maintain the gain curve set to, and continue measurement with the current parameters.
- the system control unit 52 if the number of valid pixels C 1 in the range image is lower than the specified number C ref1, determines that the quality of the range image does not satisfy the reference quality, increasing the setting of the gain curve 1 step To see if it is possible. That is, the system control unit 52 sets the time corresponding to the elapsed time from the gain curves previously set in the time response gain adjustment unit 62 among the plurality of types of gain curves held by the gain information holding unit 51. It is determined whether or not there is a gain curve with a large response gain (gain) (step ST35).
- the system control unit 52 sets the time response gain adjustment unit 62 first from among the multiple types of gain curves held by the gain information holding unit 51.
- a gain curve whose time response gain (gain) is one step larger than the gain curve being selected is selected, and the gain curve is set in the time response gain adjustment unit 62 (step ST36).
- the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 refers to the gain curve after the setting change, and corresponds to the elapsed time from the laser light emission start time.
- the response gain (gain) is specified, the time response gain is applied to the reception signal output from the photoelectric converter 61, and the reception signal after the time response gain is applied is output to the signal processing unit 14.
- the system control unit 52 requests the navigation control unit 2 to change the measurement position.
- the navigation control unit 2 receives a request to change the measurement position from the system control unit 52, the navigation control unit 2 moves the underwater vehicle 1 to change the measurement position (step ST37). Thereafter, the processes of steps ST31 to ST37 are repeatedly performed until the measurement is completed.
- the system control unit 52 acquires measurement data indicating the seabed altitude (water depth) at which the underwater mobile body 1 currently exists from the navigation control unit 2 of the underwater mobile body 1. Next, the system control unit 52 refers to a reference table (not shown) indicating the correspondence between the seafloor altitude (water depth) and the gain curve, and sets the plurality of types of gain curves held by the gain information holding unit 51. A gain curve corresponding to the seabed altitude (water depth) at which the underwater vehicle 1 currently exists is selected from the inside, and the gain curve is set in the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 (step in FIG. 20). ST41).
- system control unit 52 initially sets the laser power of the pulsed laser light output from the laser output unit 1 to the maximum output, and initializes the light reception gain of the light detection unit 2 to the maximum value.
- reception signal threshold value in the threshold value adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 is initially set to a minimum value (step ST42).
- the system control unit 52 outputs a gate signal to the photoelectric converter 61 of the light detection unit 13 when a delay time set in advance by the user has elapsed after the laser light output timing monitor signal is output from the transmission light monitoring unit 22. To do.
- the photoelectric converter 61 of the light detection unit 13 transmits and receives the light reception gain (maximum value at the initial setting) indicated by the gain setting signal output from the system control unit 52.
- the pulsed laser beam collected by the receiving optical system 26 of the academic unit 12 is applied to the pulsed laser beam after the light receiving gain is applied, converted into an electrical signal, and the received signal as the electrical signal is sent to the time response gain adjusting unit 62. Output.
- the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 refers to the gain curve set by the system control unit 52, and has elapsed since the laser light output timing monitor signal was output (laser light emission start time). A time response gain (gain) corresponding to time is specified, the time response gain is applied to the reception signal output from the photoelectric converter 61, and the reception signal after the time response gain is applied is output to the signal processing unit 14.
- the reception signal output from the time response gain adjustment unit 62 of the light detection unit 13 is input by the signal processing unit 14 so that the same processing as in the first and second embodiments is performed.
- the system control unit 52, the image processing unit 15 when generating the light intensity image similarly to the system control unit 40 of FIG. 12, counts the saturation pixel number C 2 in the light intensity image (step ST43).
- the system control unit 52 counts the saturated pixel number C 2 in the light intensity image, the saturated pixel number C 2 and the allowable number C ref2 (the allowable number C ref2 is a reference number set in advance by the user or the system). And may be the same value as the allowable number C ref2 shown in the second embodiment or a different value (step ST44).
- the system control unit 52 determines that the quality of the light intensity image satisfies the reference quality, while the current parameters Continue measuring.
- the system control unit 52 may be any saturated pixel number C 2 in the light intensity image allowable number C ref2 above, determines that the quality of the light intensity image does not satisfy the reference quality, parameters of the laser radar apparatus 10 It is confirmed whether or not it is possible to change the laser beam transmission / reception conditions (for example, the laser power of the pulse laser beam, the light reception gain, the reception signal threshold value, etc.) (step ST45).
- the system control unit 52 changes the setting of the reception signal threshold in the threshold adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 to a value larger by one step (step ST46). Thereby, the saturation phenomenon of the intensity information due to the scattered light from the nearby suspended matter is reduced.
- the system control unit 52 determines, changing sets a reception signal threshold to one stage higher value, the effective pixel number C 1 in the range image whether a specified number C ref1 or more (step ST47).
- the system control unit 52 if the number of effective pixels C 1 in the range image defined number C ref1 or more, determines that can receive the reflected waves from the measurement surface 3, the number of saturated pixels in the light intensity image C The count of 2 is performed again (step ST43).
- the system control unit 52 if the number of valid pixels C 1 in the range image is lower than the specified number C ref1, determines that it has not been received reflected waves from the measurement surface 3, further one step and the received signal threshold It is confirmed whether or not it is possible to change to a larger value (step ST48).
- the system control unit 52 further changes the setting of the received signal threshold in the threshold adjustment unit 31 of the signal processing unit 14 to a value larger by one step (step) ST46). If it is impossible to change the received signal threshold to a value larger by one step, the system control unit 52 changes the setting of the received signal threshold in the threshold adjustment unit 31 to the minimum value and outputs it from the laser output unit 1. At least one of the laser power of the pulse laser light or the light receiving gain of the light detection unit 2 is changed to a value that is smaller by one step (step ST49). Thereafter, in the same manner as described above, the effective pixel number C 1 of the distance image to check whether a specified number C ref1 above.
- step ST45 the system control unit 52 requests the navigation control unit 2 to change the measurement position.
- the navigation control unit 2 receives a request to change the measurement position from the system control unit 52, the navigation control unit 2 moves the underwater vehicle 1 to change the measurement position (step ST50). Thereafter, the processes of steps ST41 to ST50 are repeatedly performed until the measurement is completed.
- the system control unit 52 from among a plurality of gain curves which are held by the gain information holding unit 51, and selects the gain curve corresponding to the effective pixel number C 1 in the distance image, although the gain curve is set in the time response gain adjustment unit 62, the gain curve selected by the user or the system may be set in the time response gain adjustment unit 62.
- the system control unit 52 determines that the effective pixel number C 1 in the distance image from the plurality of gain curves held by the gain information holding unit 51.
- a gain curve that is equal to or greater than the specified number C ref1 is selected, the gain curve is changed to the time response gain adjustment unit 62, and the saturated pixel number C 2 in the light intensity image is within the allowable number C ref2. Since the configuration of the parameters of the laser radar device 10 is changed, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and the optical propagation loss due to the laser propagation space is compensated for, so An intensity image can be acquired. In addition, device parameters can be autonomously controlled to improve the visibility of these images.
- the underwater object imaging operation is shown.
- the underwater terrain may be measured while the underwater moving body 1 navigates.
- FIG. FIG. 22 is a block diagram showing a laser radar device according to Embodiment 4 of the present invention.
- the transmission / reception optical unit 61 emits a pulsed laser beam (transmission light) output from the laser output unit 11 toward the measurement surface 3 while switching the beam scanning angle under the control of the system control unit 64. A process of receiving the pulse laser beam (received light) that has been reflected and returned is performed.
- the transmission / reception optical unit 61 includes two sets of transmission optical systems 25 and reception optical systems 26. In the fourth embodiment, an example in which two sets of the transmission optical system 25 and the reception optical system 26 are mounted will be described, but three or more sets may be mounted.
- the light detection unit 62 includes the same number of light detection units 13 (see FIG. 1 and the like) as the number of sets of the transmission optical system 25 and the reception optical system 26 mounted on the transmission / reception optical unit 61.
- the pulse laser beam condensed by the system 26 is converted into an electric signal, and a process of outputting a reception signal that is the electric signal to the signal processing unit 143 is performed.
- the laser output unit 11, the transmission / reception optical unit 61, and the light detection unit 62 constitute a laser beam transmission / reception means.
- the signal processing unit 63 includes the same number of signal processing units 14 (see FIG. 1 and the like) as the number of sets of the transmission optical system 25 and the reception optical system 26 mounted on the transmission / reception optical unit 61, and the laser output unit 11.
- a process for calculating the distance from the measurement surface 3 to the measurement surface 3 and a process for detecting the light intensity of the laser beam received by each reception optical system 26 are performed.
- the system control unit 64 is composed of, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted or a one-chip microcomputer, and the system control unit 16 in FIG. 1, the system control unit 40 in FIG. 12, or the system control unit in FIG. The same processing as 52 is performed.
- the transmission / reception optical unit 61 includes two sets of the transmission optical system 25 and the reception optical system 26, the reception visual field of the reception optical system 26 in one set and the reception optical in the other set.
- the receiving field of the system 26 is set to be different.
- the system control unit 64 constitutes a quality determination unit, a relative relationship change unit, a low measurement point density region extraction unit, and a gain information selection unit.
- the laser output unit 11, the transmission / reception optical unit 61, the light detection unit 62, the signal processing unit 63, the image processing unit 15, and the system control unit 64 which are components of the laser radar device, are dedicated hardware.
- all or part of the laser radar device may be configured by a computer.
- the signal processing unit 63, the image processing unit 15, and the system control unit 64 A program describing processing contents may be stored in a memory of a computer, and a CPU of the computer may execute the program stored in the memory.
- FIG. 23 is a block diagram showing a transmission / reception optical unit 61 of a laser radar apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
- the beam scanning system 24 ′ is equipped with transmission optical systems 25A and 25B and reception optical systems 26A and 26B, and has a beam scanning speed (beam scanning period) indicated by a beam scanning speed instruction signal output from the system control unit 64.
- a process of switching the beam scanning angle of the pulsed laser light emitted from the transmission optical systems 25A and 25B and outputting a beam scanning start signal indicating the start timing of the beam scanning to the signal processing unit 63 is performed.
- the transmission optical system 25A is an optical system that emits the pulsed laser light (transmission light A) adjusted by the beam adjustment optical system 23 toward the measurement surface 3 while the beam scanning angle is switched by the beam scanning system 24 ′.
- the optical axis of the reception optical system 26A is adjusted coaxially with the transmission optical system 25A.
- the reception visual field is adjusted according to the reception visual field adjustment signal A output from the system control unit 64, and then reflected by the measurement surface 3. This is an optical system that focuses the pulse laser beam (received light A) returned to the light detection unit 62.
- the optical axis of the transmission optical system 25B is adjusted in a direction different from that of the transmission optical system 25A, and the pulse laser light (transmission light) adjusted by the beam adjustment optical system 23 while the beam scanning angle is switched by the beam scanning system 24 ′.
- This is an optical system that radiates B) toward the measurement surface 3.
- the optical axis of the reception optical system 26B is adjusted in the same direction as the transmission optical system 25B.
- the reception visual field is adjusted according to the reception visual field adjustment signal B output from the system control unit 64, and then reflected by the measurement surface 3. This is an optical system that condenses the pulse laser beam (received light B) that has returned to the light detector 62.
- the laser radar device measures the underwater terrain by performing a plurality of line scans while the underwater moving body 1 moves.
- FIG. 24 is an explanatory diagram showing a state in which the laser radar device mounted on the underwater moving body 1 moving underwater measures the sea bottom.
- the basic processing contents of the laser radar device of the fourth embodiment are the same as those of the laser radar devices of the first to third embodiments, and are different in that a plurality of line scans are performed.
- parts different from the first to third embodiments will be described.
- the optical axis of the transmission optical system 25A and the reception optical system 26A of the transmission / reception optical unit 61 is adjusted in advance in the coaxial direction.
- the optical axes of the transmission optical system 25B and the reception optical system 26B are adjusted in the coaxial direction.
- the optical axes of the transmission optical system 25A and the reception optical system 26A are different from the optical axes of the transmission optical system 25B and the reception optical system 26B.
- the system control unit 64 initializes each processing unit before starting measurement on the measurement surface 3. At that time, the system control unit 64 outputs a reception visual field adjustment signal A indicating the reception visual field to the reception optical system 26A of the transmission / reception optical unit 61, so that the reception visual field of the reception optical system 26A is changed from the transmission optical system 25A.
- the viewing angle is initially set so as to be in the same range as the emitted pulsed laser light (transmission light A).
- the system control unit 64 outputs the reception visual field adjustment signal B indicating the reception visual field to the reception optical system 26B of the transmission / reception optical unit 61, so that the reception visual field of the reception optical system 26B is radiated from the transmission optical system 25B.
- the viewing angle is initially set so as to be in the same range as the pulse laser beam (transmitted light B).
- the reception visual field of the reception optical system 26A and the reception visual field of the reception optical system 26B are adjusted so as not to overlap each other, thereby avoiding the occurrence of crosstalk.
- the transmission optical system 25A When the transmission optical system 25A receives the adjusted pulse laser light from the beam adjustment optical system 23, the transmission optical system 25A emits the pulse laser light (transmission light A) toward the measurement surface 3. At this time, every time the beam scanning system 24 ′ receives the adjusted pulse laser beam from the beam adjusting optical system 23, the beam scanning system 24 ′ scans the pulse laser beam emitted from the transmission optical system 25A on the scanning line A shown in FIG. Change the angle ⁇ beam. When receiving the adjusted pulse laser light from the beam adjustment optical system 23, the transmission optical system 25B emits the pulse laser light (transmission light B) toward the measurement surface 3.
- the beam scanning system 24 ′ scans the pulse laser beam emitted from the transmission optical system 25B in the scanning line B shown in FIG. Change the angle ⁇ beam.
- the beam scanning system 24 ′ first outputs a beam scanning start signal indicating the start timing of the beam scanning to the signal processing unit 63 when receiving the adjusted pulse laser beam from the beam adjusting optical system 23.
- the receiving optical system 26A has its receiving field adjusted in accordance with the receiving field adjustment signal A output from the system control unit 64, radiated from the transmitting optical system 25A, and then reflected by the measurement surface 3 and returned to the pulse laser beam.
- Receiveived light A is collected on the light detection unit 62.
- the reception optical system 26B has its reception visual field adjusted in accordance with the reception visual field adjustment signal B output from the system control unit 64, radiated from the transmission optical system 25B, and then reflected by the measurement surface 3 and returned to the pulse laser beam.
- (Received light B) is collected on the light detector 62.
- the light detection unit 62 converts the pulsed laser light (reception light A) collected by the reception optical system 26A into an electric signal with the light reception gain initially set by the system control unit 64, and a reception signal that is the electric signal. A is output to the signal processing unit 63.
- the light detection unit 62 converts the pulse laser beam (reception light B) collected by the reception optical system 26B into an electric signal with the light reception gain that is initially set by the system control unit 64, and is the electric signal.
- the received signal B is output to the signal processing unit 63.
- the signal processing unit 63 receives the reception signals A and B from the light detection unit 62, the signal processing unit 63 performs various signal processing on the reception signals A and B in the same manner as the signal processing unit 14 of FIG.
- the subsequent processing is performed for each received signal, it differs from the first to third embodiments, but the processing content itself is the same as that of the first to third embodiments, and the description thereof is omitted.
- the measurement of underwater terrain is performed by multiple line scans, thereby increasing the measurement opportunity in one navigation and reducing the need for remeasurement. Obtainable. Moreover, it becomes possible to further expand the search area of the underwater vehicle 1.
- the laser output unit 11 has one laser light source.
- a plurality of laser light sources are prepared, and each light source corresponds to each transmission optical system 25 in the transmission / reception optical unit 61.
- a pulsed laser beam may be output.
- a plurality of laser light sources may oscillate laser beams having different wavelengths, and each light source and each transmission optical system 25 in the transmission / reception optical unit 61 may be associated with each other to output pulsed laser light.
- a wavelength filter matching the wavelength characteristics of the corresponding laser light source to each receiving optical system 26, it becomes possible to further reduce the crosstalk of scattered light due to other line scanning.
- the laser radar device 10 is mounted on the underwater moving body 1 in the first to fourth embodiments.
- the laser radar device 10 is not limited to that mounted on the underwater moving body 1, and for example, the laser radar device 10 May be mounted on an aerial vehicle or a land vehicle.
- the laser radar device includes a quality determination unit that determines whether or not the quality of the image generated by the imaging unit satisfies the reference quality, and the quality of the image satisfies the reference quality by the quality determination unit. If it is determined that there is not, a relative relationship changing means for changing the physical relative relationship between the measurement target and the own device is provided, and a desired image quality can be ensured. It is suitable for measuring the shape of objects under water.
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Abstract
Description
このレーザレーダ装置では、レーザ光を計測面に向けて放射するとともに、その計測面により反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信し、そのレーザ光を放射してから、反射波であるレーザ光を受信するまでの経過時間を計測する。
このレーザレーダ装置は、経過時間を計測すると、その経過時間から、自装置(レーザレーダ装置)を搭載している移動体から計測面までの距離を算出し、その距離を画像化する。
また、自装置を搭載している移動体が止まっている場合でも、自装置を搭載している移動体から計測面までの距離が長いと、有意な画素値を有している画素の個数が減少して、距離画像の品質が低下してしまう課題があった。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図1において、水中移動体1はレーザレーダ装置10を搭載しており、慣性航法機能あるいはGPS受信機能によって、自己の現在位置(絶対位置)を計測しながら航行する水中探査機や潜水艦などが該当する。
水中移動体1の航行制御部2は水中移動体1の速度計や高度計などから、水中移動体1の速度や海底高度(水深)を示す計測データを収集して、その計測データをレーザレーダ装置10に出力するとともに、水中移動体1の現在位置を計測して、その計測データをレーザレーダ装置10に出力する処理を実施するほか、レーザレーダ装置10から出力された速度変更指令や高度変更指令にしたがって水中移動体1の速度や海底高度を制御する処理を実施する。
計測面3はレーザレーダ装置10の計測対象であり、例えば、海底面や浮遊物体などが該当する。
送受光学部12はシステム制御部16の制御の下でビーム走査角度を切り替えながら、レーザ出力部11から出力されたパルスレーザ光(送信光)を計測面3に向けて放射し、計測面3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光(受信光)を受信する処理を実施する。
光検出部13は送受光学部12により受信されたパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号を信号処理部14に出力する受光器を実装している。
なお、光検出部13は、外部信号に基づいて受光タイミングを制御するゲート機能と、外部信号に基づいて受光ゲインを可変できる機能を備えている。
レーザ出力部11、送受光学部12及び光検出部13からレーザ光送受信手段が構成されている。
画像処理部15は例えばGPU(Graphics Processing Unit)などから構成されており、信号処理部14により算出された距離を画像化して距離画像を出力する処理、信号処理部14により検出された光強度を画像化して光強度画像を出力する処理や、信号処理部14により算出された計測点の三次元座標を画像化して三次元座標画像を出力する処理などを実施する。
また、画像処理部15は信号処理部14により算出された計測点の三次元座標から三次元マップを生成する処理を実施する。
なお、画像処理部15は画像化手段及び三次元マップ生成手段を構成している。
例えば、レーザレーダ装置の一部(例えば、信号処理部14、画像処理部15及びシステム制御部16)がコンピュータで構成されている場合、信号処理部14、画像処理部15及びシステム制御部16の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図4はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置の処理内容(レーダ画像生成方法)を示すフローチャートである。
図2において、レーザ光分岐器21は例えば平板ウィンドウなどのタップ用の光学素子から構成されており、レーザ出力部11から出力されたパルスレーザ光(送信光)を分岐し、一方のパルスレーザ光をビーム調整光学系23に出力し、他方のパルスレーザ光を送信光モニタ部22に出力する処理を実施する。なお、送信光モニタ部22に出力するパルスレーザ光は僅かであり、大部分のパルスレーザ光はビーム調整光学系23に出力する。
送信光モニタ部22はレーザ光分岐器21から出力されたパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号をレーザ光出力タイミングモニタ信号として、信号処理部14に出力する処理を実施する。
ビーム走査系24は送信光学系25及び受信光学系26を実装しており、システム制御部16から出力されたビーム走査速度指示信号が示すビーム走査速度(ビーム走査周期)で、送信光学系25から放射されるパルスレーザ光のビーム走査角度を切り替えるとともに、ビーム走査の開始タイミングを示すビーム走査開始信号を信号処理部14に出力する処理を実施する。
受信光学系26はシステム制御部16から出力された受信視野調整信号にしたがって受信視野が調整されたのち、計測面3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光(受信光)を光検出部13に集光する光学系である。
図2では、送信光学系25と受信光学系26が別の光学系である例を示しているが、送信光学系25と受信光学系26の機能を兼ねている送受信光学系26がビーム走査系24に実装されていてもよい。
図3において、閾値調整部31はシステム制御部16から出力された閾値設定信号が示す受信信号閾値(基準レベル)が設定され、光検出部13から出力された受信信号の信号レベルが受信信号閾値以上である場合に限り、その受信信号を経過時間計測部32及び光強度検出部33に出力する処理を実施する。なお、閾値調整部31は受信信号選択手段を構成している。
光強度検出部33は送受光学部12の送信光モニタ部22からレーザ光出力タイミングモニタ信号が出力された時点から、閾値調整部31から出力された受信信号のピークホールド処理を開始し、送受光学部12により受信されたレーザ光の光強度として、受信信号のピークホールド値をデータ保存部35に出力する処理を実施する。なお、光強度検出部33は光強度検出手段を構成している。
また、距離・三次元座標算出部34は送受光学部12のビーム走査系24からビーム走査開始信号が出力された時点から、システム制御部16から出力されるパルス出力同期信号(レーザ出力部11におけるパルスレーザ光の出力に同期して、システム制御部16から出力される信号)の個数をカウントし、そのカウント値から現在のビーム走査角度を算出し、水中移動体1から計測面3までの距離と現在のビーム走査角度から、計測面3における計測点の三次元座標を算出する処理を実施する。
なお、距離・三次元座標算出部34は距離算出手段及び三次元座標算出手段を構成している。
データ保存部35は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、距離・三次元座標算出部34により算出された計測面3までの距離及び計測点の三次元座標と、光強度検出部33により検出されたレーザ光の光強度とを保存する。
この実施の形態1では、海底面が計測面3であり、水中移動体1が水中を移動しながら、計測面3に対して1次元のラインスキャンを実施することで、海底面の形状測定を行う例を説明する。
図5は水中を移動している水中移動体1に搭載されているレーザレーダ装置が計測面3である海底面を計測している様子を示す説明図である。
即ち、システム制御部16は、レーザ出力部1から出力されるパルスレーザ光のパルス繰り返し周期R、パルス幅及びレーザパワーを初期設定する。
また、システム制御部16は、ビーム走査速度f(ビーム走査周期)を示すビーム走査速度指示信号を送受光学部12のビーム走査系24に出力することで、ビーム走査速度fを設定するとともに、パルスレーザ光のビーム径及びビーム拡がり角θを示すビーム調整信号を送受光学部12のビーム調整光学系23に出力することで、パルスレーザ光のビーム径及びビーム拡がり角θを初期設定する。
さらに、システム制御部16は、受信視野を示す受信視野調整信号を送受光学部12の受信光学系26に出力することで、受信光学系26の受信視野が送信光学系25から放射されるパルスレーザ光(送信光)と同等の範囲になるように視野角を初期設定する。
また、システム制御部16は、光検出部2の受光ゲインを初期設定するとともに、受信信号閾値(基準レベル)を示す閾値設定信号を信号処理部14の閾値調整部31に出力することで、受信信号閾値を初期設定する。
ここでは、計測面3に対して1次元のラインスキャンを実施するため、システム制御部16が、一次元のビーム走査を行う指令をビーム走査系24に出力するが、計測面3に対して2次元のスキャンを実施する場合には、システム制御部16が、二次元のビーム走査を行う指令をビーム走査系24に出力する。
レーザ出力部11から出力されるパルスレーザ光のパルス幅及びレーザパワーは、初期設定されている通りである。
システム制御部16は、レーザ出力部11がパルスレーザ光の出力を開始すると、レーザ出力部11におけるパルスレーザ光の出力に同期して、パルス出力同期信号を信号処理部14の距離・三次元座標算出部34に出力する。
上述したように、送信光モニタ部22に出力するパルスレーザ光は僅かであり、大部分のパルスレーザ光はビーム調整光学系23に出力する。
送信光モニタ部22は、レーザ光分岐器21からパルスレーザ光を受けると、そのパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号をレーザ光出力タイミングモニタ信号として、信号処理部14の経過時間計測部32及び光強度検出部33に出力する。
ビーム走査系24の送信光学系25は、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受けると、そのパルスレーザ光(送信光)を計測面3に向けて放射する。
このとき、ビーム走査系24は、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受ける毎に、初期設定時に、システム制御部16から出力されたビーム走査速度指示信号が示すビーム走査速度f(ビーム走査周期)で、送信光学系25から放射されるパルスレーザ光のビーム走査角度θbeamを切り替えるようにする。
また、ビーム走査系24は、最初に、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受けた時点で、ビーム走査の開始タイミングを示すビーム走査開始信号を信号処理部14に出力する。
なお、受信視野調整信号にしたがって受信光学系26の受信視野を調整することで、計測面3のビーム照射範囲程度に受信視野を絞ることができる。このため、周辺の散乱光の入射を抑えて、SN良く、計測面3からの反射光を受信することが可能になる。
光検出部13は、システム制御部16により初期設定された受光ゲインで、送受光学部12の受信光学系26により集光されたパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号を信号処理部14に出力する。
以下、信号処理部14の処理内容を具体的に説明する。
一方、その受信信号の信号レベルが受信信号閾値未満であれば、ノイズレベルの信号をキャンセルするため、その受信信号を破棄する。
なお、送受光学部12の送信光学系25から放射されたレーザ光のパルス数が1個でも、自装置から計測面3に至る間に、何らかの浮遊物などが存在している場合には、1回のレーザ光出力タイミングにおいて、計測面3により反射されたパルスレーザ光(受信光)の他に、その浮遊物等により反射されたパルスレーザ光(受信光)が受信される。
このような場合、閾値調整部31から複数の受信信号が出力されるので、経過時間計測部32は、レーザ光出力タイミングモニタ信号が出力された時点から、各々の受信信号が出力されるまでの経過時間Tを計測する。
以下、N個の受信信号が出力される場合、n番目の受信信号に対応する経過時間をTn(n=1,2,・・・,N)のように表記する。
複数の受信信号が出力されるまでの経過時間Tnを計測したのち、所定時間が経過すると、経過時間計測部32における時間計測処理は自動的に停止され、計測している時間はリセットされる。
例えば、一定の電圧変動幅があるパルスの立上りを認識すると、そのパルスの立下りを認識するまでの間のピーク電圧値(受信信号のピークホールド値)を検出する。
なお、閾値調整部31から複数の受信信号が出力される場合、各々の受信信号のピークホールド処理を実施して、各々の受信信号のピークホールド値をデータ保存部35に出力する。
以下、N個の受信信号が出力される場合、n番目の受信信号のピークホールド値をPn(n=1,2,・・・,N)のように表記する。
式(1)において、cは光速、rは伝搬空間の屈折率である。
式(2)において、Xはビーム走査範囲、fはビーム走査速度(ビーム走査周期)、Rはパルス繰り返し周期である。
ここで、図6はパルスカウント数Npとビーム走査角度θbeamの関係を表す概念図である。
式(3)は、レーザレーダ装置10から放射されるパルスレーザ光が、水中移動体1の進行方向に対して鉛直方向である場合の算出式であるが、水中移動体1の進行方向に対して角度θmの方向にパルスレーザ光が放射されてもよい。
その場合、三次元座標(XN,YN,ZN)は、下記の式(4)のように算出される。
このとき、システム制御部16が、水中移動体1の航行制御部2に対して、水中移動体1の現在位置を問い合わせて、現在位置の計測データを取得するので、データ保存部35が、その計測データが示す水中移動体1の現在位置(XvN,YvN,ZvN)を保存する。
ここで、図8はデータ保存部35により保存されるデータ例を示す説明図である。
また、画像処理部15は、データ保存部35から複数のパルスレーザ光(送信光)に対応するレーザ光の光強度PNを読み出し、それらの光強度PNを画像化して、その光強度画像を図示せぬディスプレイに表示する。
また、画像処理部15は、データ保存部35から複数のパルスレーザ光(送信光)に対応する三次元座標(XN,YN,ZN)を読み出し、それらの三次元座標(XN,YN,ZN)を画像化して、その三次元座標画像を図示せぬディスプレイに表示する。
さらに、画像処理部15は、それらの三次元座標(XN,YN,ZN)から三次元マップを生成する。
水中移動体1の航行制御部2は、速度計から水中移動体1の速度Vや海底高度Hを示す計測データを収集しており、システム制御部16から移動速度や海底高度の問い合わせを受けると、水中移動体1の速度Vや海底高度Hを示す計測データをシステム制御部16に出力する。
ここで、図9は計測箇所の抜けが発生する移動速度の制限条件を示す説明図であり、下記の式(5)の関係を満足していない場合、距離画像や光強度画像上で計測箇所の抜けが発生している判断する。
システム制御部16は、計測箇所の抜けが発生していると判断すると、距離画像や光強度画像の品質が基準品質を満足していないと判定する。
システム制御部16は、計測箇所の抜けが発生しており、距離画像や光強度画像の品質が基準品質を満足していないと判定すれば、移動速度の変更が可能であるか否かを航行制御部2に問い合わせる。
システム制御部16は、航行制御部2から移動速度の変更が可能である旨の回答が得られれば(ステップST6)、式(5)が成立する速度になるまで、速度の低下を指示する速度変更指令を航行制御部2に出力する。
航行制御部2は、システム制御部16から出力された速度変更指令にしたがって水中移動体1の速度Vを変更する(ステップST7)。
システム制御部16は、航行制御部2から海底高度の変更が可能である旨の回答が得られれば(ステップST8)、計測点の空間分解能変動許容量に基づく、高度変更可否判定を行う(ステップST9)。
ここで、図10は高度変化に対する分解能変動の関係を表す概念図である。
海底高度の変更は、図10に示すように、計測点の空間分解能に影響する。このため、海底高度の変更可否の判断として、現在の海底高度Hに対して、式(5)を満足する海底高度までの高度変化量ΔHが、空間分解能の変動許容量ΔNに対して、下記の式(6)を満足するか否かを確認する。
航行制御部2は、システム制御部16から出力された高度変更指令にしたがって水中移動体1の海底高度Hを変更する(ステップST10)。
システム制御部16は、航行制御部2が水中移動体1の海底高度Hを変更すると、次のスキャンを開始させる(ステップST2)。
システム制御部16は、新たなビーム拡がり角θを算出すると、そのビーム拡がり角θと、変更後の海底高度Hと、現在の移動速度Vとを用いて、式(5)を満足する新たなビーム走査速度f(ビーム走査周期)を算出する(ステップST11)。
ここで、図11はビーム走査周期の導出式を表す概念図であり、ビーム走査速度f(ビーム走査周期)に対し、空間分解能N、パルス繰り返し周期R、海底高度H、ビーム走査範囲Xの関係式(下記の式(7))が導かれる。
この背景として、ビーム走査範囲Xに対して、規定のパルス数で計測することが設定されており、これを守るようにシステムを制御することで、ライン走査範囲内の空間分解能を維持することができる。
即ち、システム制御部16は、新たなビーム走査速度f、現在のパルス繰り返し周期R、新たな海底高度H及び現在のビーム走査範囲Xを式(7)に代入して、新たな空間分解能Nを算出し、この空間分解能Nと現在の空間分解能との差分(空間分解能の変動量)が許容範囲内であれば、規定の空間分解能の許容範囲内での計測を維持することが可能であると判断する。
また、システム制御部16は、新たな海底高度Hへの変更を指示する高度変更指令を航行制御部2に出力する。
航行制御部2は、システム制御部16から出力された高度変更指令にしたがって水中移動体1の海底高度Hを変更する。
システム制御部16は、航行制御部2が水中移動体1の海底高度Hを変更すると、次のスキャンを開始させる(ステップST2)。
システム制御部16は、新たなビーム拡がり角θを算出すると、そのビーム拡がり角θと、現在の海底高度Hと、現在の移動速度Vとを用いて、式(5)を満足する新たなビーム走査速度f(ビーム走査周期)を算出する(ステップST11)。
即ち、システム制御部16は、新たなビーム走査速度f、現在のパルス繰り返し周期R、現在の海底高度H及び現在のビーム走査範囲Xを式(7)に代入して、新たな空間分解能Nを算出し、この空間分解能Nと現在の空間分解能との差分(空間分解能の変動量)が許容範囲内であれば、規定の空間分解能の許容範囲内での計測を維持することが可能であると判断する。
システム制御部16は、新たなビーム走査速度fやビーム拡がり角θを設定すると、次のスキャンを開始させる(ステップST2)。
例えば、水中移動体1が、母船や拠点と通信可能な状態であれば、空間分解能の設定変更を行うか否かをユーザに問い合わせるようにする。通信不可能な状態であれば、予めプログラムされた処理に従って設定変更の可否を決定する。
システム制御部16は、空間分解能の設定変更が可能であれば、新たなビーム走査速度f(ビーム走査周期)を示すビーム走査速度指示信号を送受光学部12のビーム走査系24に出力することで、新たなビーム走査速度fを設定するとともに、新たなビーム拡がり角θを示すビーム調整信号を送受光学部12のビーム調整光学系23に出力することで、新たなビーム拡がり角θを設定する(ステップST12)。
システム制御部16は、新たなビーム走査速度fやビーム拡がり角θを設定すると、次のスキャンを開始させる(ステップST2)。
レーザレーダ装置10は、計測面3の計測が完了するまで、ステップST2~ST15の処理を繰り返し実施する。
このとき、システム制御部16は、規定の体積中に含まれている計測点密度が、ユーザにより設定されている基準密度より低い領域、あるいは、規定の体積中に含まれている計測点間隔が、ユーザにより設定されている基準間隔より広い領域を抽出し、その領域を水中移動体1の航行制御部2に通知する。
水中移動体1の航行制御部2は、システム制御部16から上記の通知を受けると、再度、当該領域の計測を行うようにしてもよい。
また、三次元マップの計測点間隔をリアルタイムに検査することで、計測点数が少ない箇所を自律して抽出して再計測を行うことが可能になり、1回の探査で無駄のない水中地形計測を行うことが可能になる。
図12はこの発明の実施の形態2によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
システム制御部40は例えばCPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、図1のシステム制御部16と同様の処理を実施するほかに、画像処理部15により生成された距離画像の中で、有意な画素値を有している画素の個数を計数し、その個数が規定数(第1の基準数)未満であれば、その距離画像の品質が基準品質を満足していないと判定する処理を実施する。
また、システム制御部40は画像処理部15により生成された光強度画像を構成している画素の中で、飽和値を有している画素の個数を計数し、飽和値を有している画素の個数が許容数(第2の基準数)以上であれば、その光強度画像の品質が基準品質を満足していないと判定する処理を実施する。
また、システム制御部40は光強度画像の品質が基準品質を満足していないと判定すると、レーザ光の送受信条件(例えば、レーザ出力部1から出力されるパルスレーザ光のレーザパワー、送受光学部12の受信光学系26における受信視野、光検出部2の受光ゲイン及びゲート時間、信号処理部14の閾値調整部31における受信信号閾値など)を変更する処理を実施する。
なお、システム制御部40は品質判定手段、相対関係変更手段及び低計測点密度領域抽出手段を構成している。
例えば、レーザレーダ装置の一部(例えば、信号処理部14、画像処理部15及びシステム制御部40)がコンピュータで構成されている場合、信号処理部14、画像処理部15及びシステム制御部40の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図13はこの発明の実施の形態2によるレーザレーダ装置の処理内容(レーダ画像生成方法)を示すフローチャートである。
図14はレーザレーダ装置による水中物体(計測対象)のイメージング動作を示す概念図である。
この実施の形態2では、送受光学部12のビーム走査系24が、システム制御部40の制御の下で、水平方向及び垂直方向の二次元走査を行うものとする。
図14に示しているイメージング動作は、レーザレーダ装置10を搭載している水中移動体1が特定の計測対象に近接しながら、特定の計測対象の形状計測を行う場合の動作である。
この場合、水中移動体1が搭載している光学カメラ等では、計測対象までの距離を認識できない位置であるが、水中移動体1が搭載している音響センサ等の距離センサでは、計測対象までの距離を大まかに把握できる位置に水中移動体1が存在している状態から、レーザレーダ装置10の動作を開始する。
即ち、水中移動体1が搭載している音響センサ等の距離センサを用いて、レーザレーダ装置10の動作が可能な距離まで計測対象に近づいたことを検知すると、レーザレーダ装置10が初期設定を開始する。
具体的には、以下の通りである。
即ち、システム制御部40は、図1のシステム制御部16と同様に、各処理部を初期設定するが、レーザ出力部1から出力されるパルスレーザ光のレーザパワーについては最大出力に初期設定する。
また、光検出部2の受光ゲインについては最大値に初期設定し、信号処理部14の閾値調整部31における受信信号閾値については最小値に初期設定する。
レーザ出力部11は、システム制御部40からパルスレーザ光の出力指令を受けると、上記実施の形態1と同様に、初期設定されたパルス繰り返し周期Rでパルスレーザ光を繰り返し送受光学部12に出力する。
システム制御部40は、レーザ出力部11がパルスレーザ光の出力を開始すると、図1のシステム制御部16と同様に、レーザ出力部11におけるパルスレーザ光の出力に同期して、パルス出力同期信号を信号処理部14の距離・三次元座標算出部34に出力する。
送信光モニタ部22は、レーザ光分岐器21からパルスレーザ光を受けると、上記実施の形態1と同様に、そのパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号をレーザ光出力タイミングモニタ信号として、信号処理部14の経過時間計測部32及び光強度検出部33に出力する。
ビーム走査系24の送信光学系25は、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受けると、上記実施の形態1と同様に、そのパルスレーザ光(送信光)を計測対象に向けて放射する。
このとき、ビーム走査系24は、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受ける毎に、初期設定時に、システム制御部40から出力されたビーム走査速度指示信号が示すビーム走査速度f(ビーム走査周期)で、送信光学系25から放射されるパルスレーザ光のビーム走査角度θを切り替えるようにする。
また、ビーム走査系24は、最初に、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受けた時点で、ビーム走査の開始タイミングを示すビーム走査開始信号を信号処理部14に出力する。
光検出部13は、システム制御部40により初期設定された受光ゲインで、送受光学部12の受信光学系26により集光されたパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号を信号処理部14に出力する。
信号処理部14は、光検出部13から受信信号を受けると、上記実施の形態1と同様に、その受信信号に対する各種の信号処理を実施する。
以下、システム制御部40は、計測対象の撮像画像の視認性を高める処理を実施する。
図15は距離画像内の計測対象の視認性を高めるために、レーザレーダ装置10が自律的に判断しながら、計測対象への接近を制御する様子を示す説明図である。
図15では、計測対象との正確な距離や水中環境の光減衰特性が不明な場合において、距離画像の視認性を向上させるための制御方法を表している。なお、図15は、十分な反射強度を有する信号を受信できない程度に、計測対象との距離が離れている状況下では、有意な値を有する画素がまばらに存在している。
また、図16は距離画像及び光強度画像内の計測対象の視認性の変化を示す説明図である。
システム制御部40は、距離画像内の有効画素数C1をカウントすると、その有効画素数C1と規定数Cref1(規定数は、予めユーザ又はシステムによって設定されている基準数である)を比較する(ステップST23)。
システム制御部40は、その有効画素数C1が規定数Cref1未満であれば、その距離画像の品質が基準品質を満足していないと判定し、計測対象への接近を水中移動体1の航行制御部2に指示する。
航行制御部2は、システム制御部40から計測対象への接近指令を受けると、水中移動体1が計測対象へ接近するように、水中移動体1を移動させる(ステップST24)。
これにより、前回より計測対象へ接近した状態で計測対象が計測されて距離画像や光強度画像が生成され(ステップST22)、距離画像内の計測対象の視認性が向上することが期待される。
システム制御部40は、光強度画像内の飽和画素数C2をカウントすると、その飽和画素数C2と許容数Cref2(許容数は、予めユーザ又はシステムによって設定されている基準数である)を比較する(ステップST25)。
システム制御部40は、その飽和画素数C2が許容数Cref2以上であれば、その光強度画像の品質が基準品質を満足していないと判定し、レーザレーダ装置10のパラメータ(レーザ光の送受信条件)を変更する(ステップST26)。
また、送受光学部12の受信光学系26における受信視野を狭める変更を行ってもよい。受信信号閾値を上げる変更を行う場合、システム誤差によって発生する距離精度の劣化を抑えるために、送信光モニタ部22の閾値も同等に上げるようにする。
これにより、前回と異なるパラメータ(レーザ光の送受信条件)で計測対象が計測されて距離画像や光強度画像が生成され(ステップST22)、光強度画像内の計測対象の視認性が向上することが期待される。
なお、ステップST22~ST26の処理を繰り返しても、距離画像や光強度画像の品質が基準品質を満足しない場合、水中移動体1と計測対象の距離が離れることで、光強度画像内の飽和が改善されることがあるため、システム制御部40が、水中移動体1と計測対象の距離を離す指令を航行制御部2に出力するようにしてもよい。
したがって、遠隔操作によるパラメータ調整の手間を省き、計測時間の短縮を図ることが可能になる。また、水中移動体1と計測対象の距離を自律的に調整することで、水中環境が変化した場合でも、水中環境の特性把握を必要とせずに、視認性の良い撮像画像を得ることが可能になる。加えて、水中移動体1の1計測当たりの消費エネルギーを低減することが可能になり、運用効率の向上及び探索範囲の拡大といった効果を得ることが可能になる。
図17はこの発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図において、図1及び図12と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
利得情報保持部51は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、送信光モニタ部22からレーザ光出力タイミングモニタ信号が出力された時点(レーザ光の放射開始時点)からの経過時間と時間応答ゲイン(利得)の対応関係を示す利得カーブ(利得情報)を複数種類保持している。なお、利得情報保持部51は利得情報保持手段を構成している。
また、システム制御部52は画像処理部15により生成された光強度画像内の飽和画素数C2をカウントし、その飽和画素数C2が許容数Cref2以内になるようにレーザレーダ装置10のパラメータであるレーザ光の送受信条件(例えば、パルスレーザ光のレーザパワー、受光ゲイン、受信信号閾値など)を変更する処理を実施する。
なお、システム制御部52は品質判定手段、相対関係変更手段、低計測点密度領域抽出手段及び利得情報選択手段を構成している。
例えば、レーザレーダ装置の一部(例えば、信号処理部14、画像処理部15、利得情報保持部51及びシステム制御部52)がコンピュータで構成されている場合、利得情報保持部51をコンピュータのメモリ上に構成するとともに、信号処理部14、画像処理部15及びシステム制御部52の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図19及び図20はこの発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置の処理内容(レーダ画像生成方法)を示すフローチャートである。
図18において、光電変換器61はシステム制御部52からゲート信号(送信光モニタ部22からレーザ光出力タイミングモニタ信号が出力されたのち、ユーザに設定されたディレイ時間後に出力される信号)が出力されると、システム制御部52から出力されたゲイン設定信号が示す受光ゲインを送受光学部12の受信光学系26により集光されたパルスレーザ光に印加し、受光ゲイン印加後のパルスレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号を出力する処理を実施する。
時間応答ゲイン調整部62はシステム制御部52により選択された利得カーブを参照して、レーザ光の放射開始時点からの経過時間に対応する時間応答ゲイン(利得)を特定し、その時間応答ゲインを光電変換器61から出力された受信信号に印加し、時間応答ゲイン印加後の受信信号を信号処理部14に出力する処理を実施する。
なお、光電変換器61及び時間応答ゲイン調整部52から受光器が構成されている。
この実施の形態3では、上記実施の形態1,2と相違する処理内容だけを説明し、上記実施の形態1,2と同じ処理内容の説明を省略する。
最初に、距離画像の品質を高める際の処理内容を説明する。
次に、システム制御部52は、海底高度(水深)と利得カーブの対応関係を示す参照テーブル(図示せぬ)を参照して、利得情報保持部51により保持されている複数種類の利得カーブの中から、水中移動体1が現在存在している海底高度(水深)に対応する利得カーブを選択し、その利得カーブを光検出部13の時間応答ゲイン調整部62に設定する(図19のステップST31)。
また、システム制御部52は、レーザ出力部1から出力されるパルスレーザ光のレーザパワーを最大出力に初期設定するとともに、光検出部2の受光ゲインを最大値に初期設定する。また、信号処理部14の閾値調整部31における受信信号閾値を最小値に初期設定する(ステップST32)。
システム制御部52は、システム内部の散乱光の受光や、近距離からの不要な散乱光の受光を避ける目的でゲート信号を出力している。
光検出部13の光電変換器61は、システム制御部52からゲート信号が出力されると、システム制御部52から出力されたゲイン設定信号が示す受光ゲイン(初期設定時は最大値)を送受光学部12の受信光学系26により集光されたパルスレーザ光に印加し、受光ゲイン印加後のパルスレーザ光を電気信号に変換して、その電気信号である受信信号を時間応答ゲイン調整部62に出力する。
ここで、図21は時間応答ゲイン調整部62による伝搬損失補償を示す説明図である。
利得情報保持部51には、伝搬空間の光減衰率を想定して、複数種類の利得カーブが用意されており、各々の利得カーブにおける時間応答ゲインは、概ね、時間経過に伴って大きくなるように設定されている。
時間応答ゲイン調整部62が、経過時間に対応する時間応答ゲインを受信信号に印加することで、レーザ光の伝搬に伴う減衰が補償される。これにより、信号閾値調整を実施しても、低減することができなかった比較的近距離の浮遊物等からの散乱光の誤検出を低減することが可能になる。
システム制御部52は、画像処理部15が距離画像を生成すると、図12のシステム制御部40と同様に、その距離画像内の有効画素数C1をカウントする(ステップST33)。
システム制御部52は、距離画像内の有効画素数C1をカウントすると、その有効画素数C1と規定数Cref1(この規定数Cref1は、予めユーザ又はシステムによって設定されている基準数であり、上記実施の形態2で示している規定数Cref1と同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい)を比較する(ステップST34)。
システム制御部52は、距離画像内の有効画素数C1が規定数Cref1未満であれば、その距離画像の品質が基準品質を満足していないと判定し、利得カーブの設定を1段階上げることが可能であるか否かを確認する。
即ち、システム制御部52は、利得情報保持部51により保持されている複数種類の利得カーブの中に、先に時間応答ゲイン調整部62に設定している利得カーブより、経過時間に対応する時間応答ゲイン(利得)が大きい利得カーブが存在しているか否かを判定する(ステップST35)。
光検出部13の時間応答ゲイン調整部62は、システム制御部52が利得カーブを設定変更すると、設定変更後の利得カーブを参照して、レーザ光の放射開始時点からの経過時間に対応する時間応答ゲイン(利得)を特定し、その時間応答ゲインを光電変換器61から出力された受信信号に印加し、時間応答ゲイン印加後の受信信号を信号処理部14に出力する。
航行制御部2は、システム制御部52から計測位置の変更要請を受けると、水中移動体1を移動して計測位置を変更する(ステップST37)。
以降、計測が完了するまで、ステップST31~ST37の処理が繰り返し実施される。
システム制御部52は、水中移動体1の航行制御部2から、水中移動体1が現在存在している海底高度(水深)を示す計測データを取得する。
次に、システム制御部52は、海底高度(水深)と利得カーブの対応関係を示す参照テーブル(図示せぬ)を参照して、利得情報保持部51により保持されている複数種類の利得カーブの中から、水中移動体1が現在存在している海底高度(水深)に対応する利得カーブを選択し、その利得カーブを光検出部13の時間応答ゲイン調整部62に設定する(図20のステップST41)。
また、システム制御部52は、レーザ出力部1から出力されるパルスレーザ光のレーザパワーを最大出力に初期設定するとともに、光検出部2の受光ゲインを最大値に初期設定する。また、信号処理部14の閾値調整部31における受信信号閾値を最小値に初期設定する(ステップST42)。
光検出部13の光電変換器61は、システム制御部52からゲート信号が出力されると、システム制御部52から出力されたゲイン設定信号が示す受光ゲイン(初期設定時は最大値)を送受光学部12の受信光学系26により集光されたパルスレーザ光に印加し、受光ゲイン印加後のパルスレーザ光を電気信号に変換して、その電気信号である受信信号を時間応答ゲイン調整部62に出力する。
システム制御部52は、画像処理部15が光強度画像を生成すると、図12のシステム制御部40と同様に、その光強度画像内の飽和画素数C2をカウントする(ステップST43)。
システム制御部52は、光強度画像内の飽和画素数C2をカウントすると、その飽和画素数C2と許容数Cref2(この許容数Cref2は、予めユーザ又はシステムによって設定されている基準数であり、上記実施の形態2で示している許容数Cref2と同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい)を比較する(ステップST44)。
システム制御部52は、光強度画像内の飽和画素数C2が許容数Cref2以上であれば、その光強度画像の品質が基準品質を満足していないと判定し、レーザレーダ装置10のパラメータであるレーザ光の送受信条件(例えば、パルスレーザ光のレーザパワー、受光ゲイン、受信信号閾値など)を変更することが可能であるか否かを確認する(ステップST45)。
システム制御部52は、パラメータの変更が可能であれば、信号処理部14の閾値調整部31における受信信号閾値を1段階大きい値に設定変更する(ステップST46)。
これにより、近傍の浮遊物からの散乱光による強度情報の飽和現象が低減される。
システム制御部52は、距離画像内の有効画素数C1が規定数Cref1以上であれば、計測面3からの反射波を受信できていると判断し、光強度画像内の飽和画素数C2のカウントを再度実施する(ステップST43)。
システム制御部52は、距離画像内の有効画素数C1が規定数Cref1未満であれば、計測面3からの反射波を受信できていないと判断し、更に、その受信信号閾値を1段階大きい値に変更することが可能であるか否かを確認する(ステップST48)。
変更する(ステップST46)。
システム制御部52は、受信信号閾値を1段階大きい値に変更することが不可能であれば、閾値調整部31における受信信号閾値を最小値に設定変更するとともに、レーザ出力部1から出力されるパルスレーザ光のレーザパワー又は光検出部2の受光ゲインのうち、少なくとも一方を1段階小さい値に設定変更する(ステップST49)。
その後、上記と同様に、距離画像内の有効画素数C1が規定数Cref1以上であるか否かを確認する。
航行制御部2は、システム制御部52から計測位置の変更要請を受けると、水中移動体1を移動して計測位置を変更する(ステップST50)。
以降、計測が完了するまで、ステップST41~ST50の処理が繰り返し実施される。
図22はこの発明の実施の形態4によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図において、図1、図12及び図17と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
送受光学部61はシステム制御部64の制御の下でビーム走査角度を切り替えながら、レーザ出力部11から出力されたパルスレーザ光(送信光)を計測面3に向けて放射し、計測面3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光(受信光)を受信する処理を実施する。
送受光学部61は、図1等の送受光学部12と異なり、送信光学系25及び受信光学系26を2組実装している。
この実施の形態4では、送信光学系25及び受信光学系26を2組実装している例を説明するが、3組以上実装していてもよい。
レーザ出力部11、送受光学部61及び光検出部62からレーザ光送受信手段が構成されている。
また、システム制御部64は、送受光学部61が送信光学系25及び受信光学系26を2組実装しているので、一方の組における受信光学系26の受信視野と、他方の組における受信光学系26の受信視野が異なるように設定する。
なお、システム制御部64は品質判定手段、相対関係変更手段、低計測点密度領域抽出手段及び利得情報選択手段を構成している。
例えば、レーザレーダ装置の一部(例えば、信号処理部63、画像処理部15及びシステム制御部64)がコンピュータで構成されている場合、信号処理部63、画像処理部15及びシステム制御部64の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
ビーム走査系24’は送信光学系25A,25B及び受信光学系26A,26Bを実装しており、システム制御部64から出力されたビーム走査速度指示信号が示すビーム走査速度(ビーム走査周期)で、送信光学系25A,25Bから放射されるパルスレーザ光のビーム走査角度を切り替えるとともに、ビーム走査の開始タイミングを示すビーム走査開始信号を信号処理部63に出力する処理を実施する。
受信光学系26Aは送信光学系25Aと同軸方向に光軸が調整されており、システム制御部64から出力された受信視野調整信号Aにしたがって受信視野が調整されたのち、計測面3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光(受信光A)を光検出部62に集光する光学系である。
受信光学系26Bは送信光学系25Bと同軸方向に光軸が調整されており、システム制御部64から出力された受信視野調整信号Bにしたがって受信視野が調整されたのち、計測面3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光(受信光B)を光検出部62に集光する光学系である。
この実施の形態4のレーザレーダ装置は、水中移動体1が移動しながら、複数のライン走査を実施して、水中地形の計測を行うものである。
図24は水中を移動している水中移動体1に搭載されているレーザレーダ装置が海底面を計測している様子を示す説明図である。
この実施の形態4のレーザレーダ装置の基本的な処理内容は、上記実施の形態1~3のレーザレーダ装置と同じであり、複数のライン走査を実施する点で相違している。
以下、上記実施の形態1~3と相違している部分を説明する。
また、送信光学系25B及び受信光学系26Bについても同軸方向に光軸が調整されている。
ただし、送信光学系25A及び受信光学系26Aの光軸と、送信光学系25B及び受信光学系26Bの光軸は、異なる方向である。
その際、システム制御部64は、受信視野を示す受信視野調整信号Aを送受光学部61の受信光学系26Aに出力することで、受信光学系26Aの受信視野の受信視野が送信光学系25Aから放射されるパルスレーザ光(送信光A)と同等の範囲になるように視野角を初期設定する。
また、システム制御部64は、受信視野を示す受信視野調整信号Bを送受光学部61の受信光学系26Bに出力することで、受信光学系26Bの受信視野の受信視野が送信光学系25Bから放射されるパルスレーザ光(送信光B)と同等の範囲になるように視野角を初期設定する。
なお、受信光学系26Aの受信視野と、受信光学系26Bの受信視野が、互いに重複しないよう調整されており、クロストークの発生を避けている。
このとき、ビーム走査系24’は、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受ける毎に、図24に示す走査ラインAにおいて、送信光学系25Aから放射されるパルスレーザ光のビーム走査角度θbeamを切り替えるようにする。
送信光学系25Bは、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受けると、そのパルスレーザ光(送信光B)を計測面3に向けて放射する。
このとき、ビーム走査系24’は、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受ける毎に、図24に示す走査ラインBにおいて、送信光学系25Bから放射されるパルスレーザ光のビーム走査角度θbeamを切り替えるようにする。
なお、ビーム走査系24’は、最初に、ビーム調整光学系23から調整後のパルスレーザ光を受けた時点で、ビーム走査の開始タイミングを示すビーム走査開始信号を信号処理部63に出力する。
受信光学系26Bは、システム制御部64から出力された受信視野調整信号Bにしたがって受信視野が調整され、送信光学系25Bから放射されたのち、計測面3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光(受信光B)を光検出部62に集光する。
また、光検出部62は、システム制御部64により初期設定された受光ゲインで、受信光学系26Bにより集光されたパルスレーザ光(受信光B)を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号Bを信号処理部63に出力する。
信号処理部63は、光検出部62から受信信号A,Bを受けると、図1等の信号処理部14と同様に、その受信信号A,Bに対する各種の信号処理を実施する。
以降の処理が受信信号毎に行われる点で、上記実施の形態1~3と相違するが、処理内容自体は、上記実施の形態1~3と同様であるため説明を省略する。
また、図22に示している構成では、レーザ出力部11のレーザ光源が1個であるが、複数のレーザ光源を用意して、各光源と送受光学部61内の各送信光学系25を対応付けて、パルスレーザ光を出力するようにしてもよい。
さらに、複数のレーザ光源が異なる波長のレーザ光を発振するようにし、各光源と送受光学部61内の各送信光学系25を対応付けて、パルスレーザ光を出力するようにしてもよい。
これにより、例えば、各受信光学系26に対して、対応するレーザ光源の波長特性に合致する波長フィルターを取り付けることで、他のライン走査による散乱光のクロストークを更に低減することが可能になる。
Claims (22)
- ビーム走査角度を切り替えながらレーザ光を計測対象に向けて放射し、上記計測対象により反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信するレーザ光送受信手段と、
上記レーザ光送受信手段からレーザ光が放射されてから、上記レーザ光送受信手段によりレーザ光が受信されるまでの経過時間を計測する経過時間計測手段と、
上記経過時間計測手段により計測された経過時間を用いて、自装置から上記計測対象までの距離を算出する距離算出手段と、
上記距離算出手段により算出された距離を画像化する画像化手段と、
上記画像化手段により生成された画像の品質が基準品質を満足しているか否かを判定する品質判定手段と、
上記品質判定手段により画像の品質が基準品質を満足していないと判定された場合、上記計測対象と自装置の物理的な相対関係を変更する相対関係変更手段と
を備えたレーザレーダ装置。 - レーザ光送受信手段により受信されたレーザ光の光強度を検出する光強度検出手段を備え、
画像化手段は、上記光強度検出手段により検出された光強度を画像化することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 距離算出手段により算出された距離とレーザ光送受信手段によるレーザ光のビーム走査角度から、計測対象における計測点の三次元座標を算出する三次元座標算出手段を備え、
画像化手段は、上記三次元座標算出手段により算出された三次元座標を画像化することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 品質判定手段は、自装置を搭載している移動体の速度と、上記移動体の高度との関係から、画像化手段により生成された画像上で計測箇所の抜けが発生しているか否かを判定し、計測箇所の抜けが発生していれば、上記画像の品質が基準品質を満足していないと判定することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 相対関係変更手段は、品質判定手段により画像の品質が基準品質を満足していないと判定された場合、速度の低下を移動体に指示することで、計測対象と自装置の物理的な相対関係を変更することを特徴とする請求項4記載のレーザレーダ装置。
- 相対関係変更手段は、移動体の速度を下げることができない場合、高度の変更を移動体に指示することで、計測対象と自装置の物理的な相対関係を変更することを特徴とする請求項5記載のレーザレーダ装置。
- 相対関係変更手段は、移動体の高度を変更することで、空間分解能の変動量が予め設定された許容量を超える場合、高度の変更を上記移動体に指示せずに、上記空間分解能の変動量が上記許容量を超えない範囲で、レーザ光送受信手段から放射されるレーザ光の諸元を変更することを特徴とする請求項6記載のレーザレーダ装置。
- 三次元座標算出手段により算出された三次元座標から三次元マップを生成する三次元マップ生成手段と、
上記三次元マップ生成手段により生成された三次元マップの計測点間隔を検査して、計測点密度が基準密度より低い領域を抽出し、上記領域を移動体に通知する低計測点密度領域抽出手段とを備えたことを特徴とする請求項3記載のレーザレーダ装置。 - 品質判定手段は、画像化手段により生成された画像を構成している画素の中で、有意な画素値を有している画素の個数を計数し、上記個数が基準数未満であれば、上記画像の品質が基準品質を満足していないと判定することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 相対関係変更手段は、品質判定手段により画像の品質が基準品質を満足していないと判定された場合、計測対象への接近を移動体に指示することで、上記計測対象と自装置の物理的な相対関係を変更することを特徴とする請求項9記載のレーザレーダ装置。
- 品質判定手段は、画像化手段により生成された距離画像を構成している画素の中で、有意な画素値を有している画素の個数を計数するとともに、上記画像化手段により生成された光強度画像を構成している画素の中で、飽和値を有している画素の個数を計数し、有意な画素値を有している画素の個数が第1の基準数以上であっても、飽和値を有している画素の個数が第2の基準数以上であれば、画像の品質が基準品質を満足していないと判定することを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。
- 相対関係変更手段は、品質判定手段により画像の品質が基準品質を満足していないと判定された場合、レーザ光の送受信条件を変更することを特徴とする請求項11記載のレーザレーダ装置。
- レーザ光送受信手段は、計測対象により反射されて戻ってきたレーザ光を受信すると、上記レーザ光を電気信号に変換し、上記電気信号である受信信号を出力する受光器を実装しており、
上記受光器から出力された受信信号の信号レベルが基準レベル以上である場合だけ、上記受信信号を経過時間計測手段及び光強度検出手段に出力する受信信号選択手段を備え、
上記経過時間計測手段は、上記レーザ光送受信手段からレーザ光が放射されてから、上記受信信号選択手段から受信信号が出力されるまでの経過時間を計測し、
上記光強度検出手段は、上記レーザ光送受信手段により受信されたレーザ光の光強度として、上記受信信号選択手段から出力された受信信号のピーク値を検出することを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。 - 受光器は、レーザ光送受信手段によるレーザ光の放射開始時点からの経過時間に応じて変化する利得を受信信号に印加し、利得印加後の受信信号を受信信号選択手段に出力することを特徴とする請求項13記載のレーザレーダ装置。
- 経過時間と利得の対応関係を示す利得情報を複数種類保持している利得情報保持手段と、
画像化手段により生成された距離画像を構成している画素の中で、有意な画素値を有している画素の個数を計数し、上記利得情報保持手段により保持されている複数の利得情報の中から、上記個数が規定数以上になる利得情報を選択する利得情報選択手段とを備え、
受光器は、上記利得情報選択手段により選択された利得情報を参照して、受信信号に印加する利得を変更することを特徴とする請求項14記載のレーザレーダ装置。 - 相対関係変更手段は、画像化手段により生成された光強度画像を構成している画素の中で、飽和値を有している画素の個数を計数し、上記個数が許容数以内になるようにレーザ光の送受信条件を変更することを特徴とする請求項15記載のレーザレーダ装置。
- レーザ光送受信手段は、外部から一次元のビーム走査を行う指令を受けると、計測対象に対してレーザ光の一次元走査を実施し、外部から二次元のビーム走査を行う指令を受けると、計測対象に対してレーザ光の二次元走査を実施することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- レーザ光送受信手段は、レーザ光を計測対象に向けて放射する送信光学系と、上記計測対象により反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信する受信光学系とを複数組実装しており、
経過時間計測手段及び光強度検出手段は、各組の受信光学系により受信されたレーザ光に対する処理をそれぞれ実施することを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。 - レーザ光送受信手段は、レーザ光を発生するレーザ光源と、上記レーザ光源から発生されたレーザ光を分岐して、複数の送信光学系にレーザ光を与えるレーザ光分岐器とを備えていることを特徴とする請求項18記載のレーザレーダ装置。
- レーザ光送受信手段は、レーザ光を発生する複数のレーザ光源を備え、各レーザ光源が、対応する送信光学系にレーザ光を与えることを特徴とする請求項18記載のレーザレーダ装置。
- 複数のレーザ光源は、互いに異なる波長のレーザ光を発生することを特徴とする請求項20記載のレーザレーダ装置。
- レーザ光送受信手段が、ビーム走査角度を切り替えながらレーザ光を計測対象に向けて放射し、上記計測対象により反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信するレーザ光送受信処理ステップと、
経過時間計測手段が、上記レーザ光送受信処理ステップでレーザ光が放射されてから、上記レーザ光送受信処理ステップでレーザ光が受信されるまでの経過時間を計測する経過時間計測処理ステップと、
距離算出手段が、上記経過時間計測処理ステップで計測された経過時間を用いて、自装置から上記計測対象までの距離を算出する距離算出処理ステップと、
画像化手段が、上記距離算出処理ステップで算出された距離を画像化する画像化処理ステップと、
品質判定手段が、上記画像化処理ステップで生成された画像の品質が基準品質を満足しているか否かを判定する品質判定処理ステップと、
相対関係変更手段が、上記品質判定処理ステップで画像の品質が基準品質を満足していないと判定された場合、上記計測対象と自装置の物理的な相対関係を変更する相対関係変更処理ステップと
を備えたレーダ画像生成方法。
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