WO2025224809A1

WO2025224809A1 - 電磁波測距装置及び電磁波測距方法

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Publication number: WO2025224809A1
Application number: PCT/JP2024/015793
Authority: WO
Inventors: 隆典山内; 直樹園; 広樹後藤; 論季小竹; 勝治今城
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2024-04-23
Filing date: 2024-04-23
Publication date: 2025-10-30
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: JPWO2025224809A1; JP7799911B1

Abstract

周波数が時間と共に変化する電磁波を発生させる電磁波発生部（１１）と、電磁波発生部（１１）によって発生した電磁波の一部を対象物（Ｍ１）に照射する照射部（１２）と、対象物（Ｍ１）に照射されて対象物（Ｍ１）で反射された電磁波の反射波と、対象物（Ｍ１）に照射されなかった電磁波と、の干渉波である測定干渉信号を生成する測定干渉信号生成部（１２）と、測定干渉信号生成部（１２）からの測定干渉信号を含む信号に基づいて、測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成する基準干渉信号生成部（２０）と、基準干渉信号に基づいて測定干渉信号をサンプリングするサンプリング部（４２）と、サンプリング部（４２）によるサンプリングの結果に基づいて、照射部（１２）から対象物（Ｍ１）までの距離を算出する距離算出部（４３）と、を備える。

Description

電磁波測距装置及び電磁波測距方法

　本開示は、電磁波測距装置及び電磁波測距方法に関する。

　従来、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）方式によって対象物までの距離を測定する測距装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この測距装置は、レーザ光源からのレーザ光が分岐された２つのレーザ光のうちの一方のレーザ光が対象物によって反射された反射光と他方のレーザ光とを干渉させた測定干渉信号と、レーザ光が分岐された他の２つのレーザ光のそれぞれに異なる遅延時間を与えて干渉させた補助干渉信号と、に基づいて、対象物までの距離を測定している。

特開２０２４－００７７５０号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の装置は、測定干渉信号と補助干渉信号とが互いに異なる経路によって伝搬されるため、信号の伝搬経路が長くやすいという課題がある。

　本開示は、上記課題の認識を契機としてなされたものであり、従来よりも信号の伝搬経路を短縮化できる電磁波測距装置及び電磁波測距方法を提供することを目的とする。

　本開示に係る電磁波測距装置は、周波数が時間と共に変化する電磁波を発生させる電磁波発生部と、電磁波発生部によって発生した電磁波の一部を対象物に照射する照射部と、対象物に照射されて対象物で反射された電磁波の反射波と、対象物に照射されなかった電磁波と、の干渉波である測定干渉信号を生成する測定干渉信号生成部と、測定干渉信号生成部からの測定干渉信号を含む信号に基づいて、測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成する基準干渉信号生成部と、基準干渉信号に基づいて測定干渉信号をサンプリングするサンプリング部と、サンプリング部によるサンプリングの結果に基づいて、照射部から対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えたことを特徴とするものである。

　本開示に係る電磁波測距装置は、対象物によって反射された電磁波の反射波と対象物に照射されなかった電磁波との干渉波である測定干渉信号と、測定干渉信号に基づいて生成された基準干渉信号と、に基づいて対象物までの距離を算出するため、測定干渉信号を伝搬させる経路と基準干渉信号を伝搬させる経路の少なくとも一部を共通化できるので、信号の伝搬経路を短縮化することができる。

実施の形態１に係る電磁波測距装置の概略構成を示すブロック図。実施の形態１に係る電磁波測距装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図。実施の形態１に係る電磁波測距装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図。実施の形態１に係る電磁波測距装置において、第１信号変換部への入力に含まれる信号を示す表。図５Ａは、実施の形態１に係る測定干渉信号の周波数の時間変化を示すグラフ、図５Ｂは、実施の形態１に係る第１信号変換部への入力に含まれる信号の周波数の時間変化を示すグラフ。実施の形態１に係る信号処理部が行う処理の一例を示すフローチャート。実施の形態２に係る基準干渉信号が含まれる分岐合成部からの信号の周波数の時間変化を示すグラフ。図８Ａは、実施の形態２に係る基準干渉信号の振幅の時間変化を示すグラフ、図８Ｂは、実施の形態２に係る測定干渉信号の振幅の時間変化を示すグラフ、図８Ｃは、実施の形態２に係る基準干渉信号のサンプリングの結果を示すグラフ。図９Ａは、実施の形態２に係る基準干渉信号の周波数の時間変化を示すグラフ、図９Ｂは、実施の形態２に係る測定干渉信号の周波数の時間変化を示すグラフ、図９Ｃは、実施の形態２に係る基準干渉信号のサンプリングの結果における対象物までの距離と波数との関係を示すグラフ、図９Ｄは、実施の形態２に係る基準干渉信号のサンプリングの結果をフーリエ変換したスペクトルを示すグラフ。実施の形態３に係る電磁波測距装置の概略構成を示すブロック図。

　以下、本開示に係る実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　先ず、図１を参照して、実施の形態１に係る電磁波測距装置１の概略構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る電磁波測距装置１の概略構成を示すブロック図である。電磁波測距装置１は、周波数が時間と共に変化するレーダ光を対象物に照射し、対象物からの反射波の周波数に基づいて対象物までの距離Ｌ_ａｉｒを測定するＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ－Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ）方式の測距装置である。図１に示すように、電磁波測距装置１は、光源１１、照射部１２、鏡筒１３、分岐部１４、分岐合成部１５、第１信号変換部２０、第２信号変換部３０、及び信号処理部４０を備えている。なお、図１において、破線の矢印は、光信号（光波）の伝搬経路を示しており、実線の矢印は、電気信号の伝搬経路を示している。

　光源１１は、周波数が時間と共に変化するレーザ光を発生させる周波数掃引光源である。例えば、光源１１は、図示しない電源からの電力の供給を受けて、周波数が時間と共に線形変化するように、連続波であるレーザ光を発生させる。なお、実施の形態１において、光源１１は、電磁波を発生させる電磁波発生部を構成する。

　照射部１２は、光源１１によって発生したレーザ光Ｌ１を、距離を測定する対象である対象物Ｍ１に向けて照射すると共に、対象物Ｍ１の側から入力された光を分岐部１４に向けて出力する。照射部１２は、例えば、光サーキュレータと、光サーキュレータと鏡筒１３とを接続する図示しない光ファイバと、を有して構成されており、光源１１によって発生したレーザ光Ｌ１を光ファイバから鏡筒１３を介して対象物Ｍ１に向けて照射すると共に、対象物Ｍ１の側から光ファイバに入力された光を分岐部１４に向けて出力する。

　鏡筒１３は、照射部１２と対象物Ｍ１との間に配置されており、照射部１２からのレーザ光の一部を集光して対象物Ｍ１に照射する。例えば、鏡筒１３は、単数又は複数のレンズを有して構成され、照射部１２の光ファイバと接続されており、照射部１２の光ファイバから伝搬されたレーザ光の一部を集光して対象物Ｍ１に照射する。照射部１２からのレーザ光のうち、一部のレーザ光Ｌ２は、鏡筒１３を介して対象物Ｍ１に照射され、対象物Ｍ１で反射された反射波が再び鏡筒１３を介して照射部１２に入力される。また、照射部１２からのレーザ光のうち、一部のレーザ光Ｌ３は、対象物Ｍ１に照射されずに照射部１２から対象物Ｍ１に照射されるレーザ光Ｌ３の伝搬経路上でフレネル反射され、フレネル反射による反射波であるフレネル反射波が照射部１２に入力される。

　例えば、照射部１２からのレーザ光のうち、一部のレーザ光Ｌ２は、光ファイバ及び鏡筒１３を介して対象物Ｍ１に照射され、対象物Ｍ１で反射された反射波が鏡筒１３及び光ファイバを介して照射部１２に入力される。また、照射部１２からのレーザ光のうち、一部のレーザ光Ｌ３は、対象物Ｍ１に照射されずに光ファイバと鏡筒１３の接続部の空気界面においてフレネル反射され、反射波が照射部１２に入力される。言い換えると、照射部１２からのレーザ光のうち、一部のレーザ光Ｌ３は、対象物Ｍ１に照射されずに光ファイバの対象物Ｍ１の側の端部における空気界面でフレネル反射され、反射波が照射部１２に入力される。この際、レーザ光Ｌ２の対象物での反射波と、レーザ光Ｌ３のフレネル反射による反射波と、の干渉波である測定干渉信号が生成される。なお、実施の形態１において、レーザ光Ｌ３がフレネル反射される空気界面が、測定干渉信号を生成する測定干渉信号生成部を構成する。

　測定干渉信号は、照射部１２から照射されたレーザ光Ｌ２が対象物Ｍ１で反射されて照射部１２に入力されるまでの光路長と、照射部１２から照射されたレーザ光Ｌ３がフレネル反射されて照射部１２に入力されるまでの光路長と、の差である、距離Ｌ_ａｉｒの２倍の距離に応じたビート周波数を有する。なお、以下の記載において、距離Ｌ_ａｉｒを測定距離Ｌ_ａｉｒともいう。生成された測定干渉信号は、照射部１２に入射されて、分岐部１４に向けて出力される。

　分岐部１４は、照射部１２からの測定干渉信号を分岐させる。分岐部１４は、例えば、光カプラ又はビームスプリッタによって構成されており、照射部１２からの測定干渉信号を２分配する。分岐部１４は、分岐された一方の測定干渉信号Ｌ４を、分岐合成部１５に向けて出力し、分岐された他方の測定干渉信号Ｌ５を、第２信号変換部３０に向けて出力する。分岐部１４で分岐された一方の測定干渉信号Ｌ４は、分岐部１４で分岐された他方の測定干渉信号Ｌ５に基づいて対象物Ｍ１までの距離を算出する際の参照光として用いられる。

　分岐合成部１５は、測定干渉信号を分岐点で一旦分岐させ、分岐させた一方の信号に他方の信号に対する遅延時間を与えるための遅延経路であるループ路１５ａを有しており、ループ路１５ａを伝搬させた一方の信号を他方の信号と分岐点で再び合成する。これにより、分岐合成部１５は、測定干渉信号に基づいて、ループ路１５ａの光路長に応じたビート周波数を有する信号を生成している。なお、分岐合成部は、測定干渉信号を一旦分岐させ、分岐させた一方の信号に他方の信号に対する遅延時間を与えて再び合成するように構成されていればよく、例えば、分岐合成部は、測定干渉信号を分岐させた一方の信号を伝搬させる伝搬経路と、測定干渉信号を分岐させた他方の信号を伝搬させる伝搬経路と、を有して、それぞれの伝搬経路を伝搬させた一方の信号と他方の信号とを再び合成するように構成されていてもよい。分岐合成部がこのように構成されている場合、分岐合成部は、測定干渉信号に基づいて、一方の信号を伝搬させる伝搬経路と他方の信号を伝搬させる伝搬経路との光路長差に応じたビート周波数を有する信号を生成する。分岐合成部１５は、生成した信号を第１信号変換部へ出力する。

　第１信号変換部２０は、分岐合成部１５から入力された信号に基づいて、測定干渉信号よりもビート周波数が高いデジタル信号である基準干渉信号を生成する。言い換えると、第１信号変換部２０は、測定干渉信号に基づいて、測定干渉信号よりもビート周波数が高いデジタル信号である基準干渉信号を生成する。第１信号変換部２０が生成する基準干渉信号のビート周波数は、測定干渉信号の少なくとも２倍以上であればよいが、測定干渉信号の４倍以上であることが望ましい。なお、実施の形態１において、第１信号変換部２０は、基準干渉信号生成部を構成する。第１信号変換部２０は、光電変換部２１、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ）という。）２２、時間ゲート２３及びＡＤ変換部２４を有している。

　光電変換部２１は、分岐合成部１５から入力された測定干渉信号である光信号を電気信号に変換する。例えば、光電変換部２１は、フォトダイオードを有して構成されており、入力された光信号に応じた電流を生成することで、光信号を電気信号に変換する。ＢＰＦ２２は、光電変換部２１によって光信号から変換された電気信号から、特定周波数の信号を抽出する。時間ゲート２３は、ＢＰＦ２２が抽出した信号から特定時間の信号を抽出する。ＡＤ変換部２４は、アナログ信号である時間ゲート２３によって抽出された信号を、特定の周波数でサンプリングすることでデジタル信号に変換する。このようにして、第１信号変換部２０は、入力された測定干渉信号に基づいて、基準干渉信号を生成している。第１信号変換部２０は、生成したデジタル信号である基準干渉信号を、信号処理部４０に向けて出力する。第１信号変換部２０の詳細については、後述する。

　第２信号変換部３０は、光電変換部３１、及びＡＤ変換部３２を有している。光電変換部３１は、分岐部１４によって分岐された光信号である測定干渉信号Ｌ５を、光電変換によって電気信号に変換する。ＡＤ変換部３２は、光電変換部３１によって電気信号に変換された測定干渉信号をデジタル信号に変換して、信号処理部４０に向けて出力する。光電変換部３１及びＡＤ変換部３２の詳細は、光電変換部２１及びＡＤ変換部２４と同様であるため、説明を省略する。

　信号処理部４０は、信号取得部４１、サンプリング部４２、及び距離算出部４３を有している。信号取得部４１は、第１信号変換部２０からデジタル信号である基準干渉信号を取得し、第２信号変換部３０からデジタル信号である測定干渉信号を取得する。

　サンプリング部４２は、信号取得部４１によって取得された基準干渉信号に基づいて、信号取得部４１によって取得された測定干渉信号をサンプリングする。例えば、サンプリング部４２は、基準干渉信号のビート周波数に関するタイミングで測定干渉信号をサンプリングする。具体的には、サンプリング部４２は、基準干渉信号の位相が０°になるゼロクロス点に対応する時刻において測定干渉信号をサンプリングする。サンプリング部４２は、例えば、リサンプリング法によってサンプリングした測定干渉信号を

　なお、サンプリング部４２は、信号取得部４１によって取得された基準干渉信号に基づいて、信号取得部４１によって取得された測定干渉信号をサンプリングするように構成されていればよく、サンプリング部は、例えば、基準干渉信号の位相が１８０°になるゼロクロス点に対応する時刻において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよいし、基準干渉信号の位相が０°になるゼロクロス点及び１８０°になるゼロクロス点に対応する時刻の両方において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよいし、基準干渉信号の位相が９０°である時刻において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよいし、基準干渉信号の位相が２７０°である時刻において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよいし、基準干渉信号の位相が９０°である時刻及び２７０°である時刻の両方において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよいし、基準干渉信号の変位が予め設定されたしきい値を超えた時刻において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよいし、これらのうち複数の時刻において測定干渉信号をサンプリングするように構成されていてもよい。

　距離算出部４３は、サンプリング部４２によるサンプリングの結果に基づいて、照射部１２から対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出する。言い換えると、距離算出部４３は、サンプリング部４２によるサンプリングの結果に基づいて、照射部１２の空気界面から対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出する。例えば、距離算出部４３は、サンプリング部４２によるサンプリングの結果に基づいて、高速フーリエ変換によって測定干渉信号から周波数成分を抽出し、抽出した周波数成分の解析によって得られるビート周波数のスペクトルに基づいて、照射部１２から対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出する。

　次に、図２及び図３を参照して、信号処理部４０のハードウェア構成について説明する。図２は、信号処理部４０のハードウェア構成の一例を示す図であり、図３は、信号処理部４０のハードウェア構成の図２とは異なる例を示す図である。例えば、図２に示すように、信号処理部４０は、プロセッサ４０ａとメモリ４０ｂとＩ／Ｏポート４０ｃとを有するコンピュータであり、メモリ４０ｂに格納されるプログラムをプロセッサ４０ａが読み出して実行するように構成されている。

　また、例えば、図３に示すように、信号処理部４０は、専用のハードウェアである処理回路４０ｄと、Ｉ／Ｏポート４０ｃとを有して、プログラムを実行するコンピュータである。処理回路４０ｄは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又はこれらの組み合わせによって構成される。信号処理部４０の各機能は、これらプロセッサ４０ａ又は専用のハードウェアである処理回路４０ｄがプログラムを実行することによって実現される。なお、信号処理部４０は、上述した以外のハードウェアを有していてもよい。

　次に、図１、図４及び図５を参照して、電磁波測距装置１の基準干渉信号を生成する構成である第１信号変換部２０の詳細について説明する。図４は、第１信号変換部２０への入力に含まれる信号を示す表である。図４に示すように、第１信号変換部２０には、測定干渉信号であるビート周波数が測定距離Ｌ_ａｉｒの２倍（２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号、ビート周波数が分岐合成部１５の遅延時間に係る光路長である遅延長さＬ_ｌｏｏｐに対応する信号、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの合計の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ＋２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号、及びビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの差の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ－２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号、の４つの信号が含まれる。なお、ループ路１５ａを複数回ループした光信号に基づいて生成される信号については、省略する。

　図５Ａは、実施の形態１に係る測定干渉信号の周波数の時間変化を示すグラフであり、図５Ｂは、実施の形態１に係る第１信号変換部２０への入力に含まれる信号の周波数の時間変化を示すグラフである。上述したように、第１信号変換部２０は、ＢＰＦ２２及び時間ゲート２３によって、入力された測定干渉信号を含む信号から、特定周波数かつ特定時間の信号を抽出する。例えば、図５Ｂに示すように、第１信号変換部２０は、ＢＰＦ２２によって周波数ｆ１から周波数ｆ２までの周波数帯の信号を抽出し、時間ゲート２３によって時刻ｔ１から時刻ｔ２までの信号を抽出する。これにより、第１信号変換部２０は、図５Ｂのグラフにおける領域Ａ１に含まれる、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐに対応する信号を基準干渉信号として抽出する。言い換えると、第１信号変換部２０は、分岐合成部１５から入力された信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波の周波数を含まない信号である、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐに対応する信号を基準干渉信号として抽出する。

　なお、第１信号変換部２０は、入力された測定干渉信号を含む信号から、特定周波数の信号及び特定時間の信号の少なくとも一方に該当する信号を抽出するように構成されていればよく、例えば、第１信号変換部２０は、ＢＰＦ２２及び時間ゲート２３のいずれか一方のみを有して、特定周波数の信号及び特定時間の信号のいずれか一方に該当する信号を抽出するように構成されていてもよい。

　次に、図１及び図６を参照して、信号処理部４０が行う処理について説明する。図６は、信号処理部４０が行う処理の一例を示すフローチャートである。図６に示すように、信号処理部４０は、処理を開始すると、まず、測定干渉信号、及び測定干渉信号に基づいて生成された基準干渉信号を取得する（ステップＳＴ０１）。この処理において、信号処理部４０は、信号取得部４１によって、第１信号変換部２０から基準干渉信号を取得し、第２信号変換部３０から測定干渉信号を取得している。

　ステップＳＴ０１の処理を行うと、信号処理部４０は、取得した基準干渉信号に基づいて、測定干渉信号をサンプリングする（ステップＳＴ０２）。この処理において、信号処理部４０は、例えば、基準干渉信号のビート周波数に関するタイミングで測定干渉信号を再びサンプリング（リサンプリング）している。

　ステップＳＴ０２の処理を行うと、信号処理部４０は、ステップＳＴ０２の処理におけるサンプリングの結果に基づいて、高速フーリエ変換によって測定干渉信号から周波数成分を抽出する（ステップＳＴ０３）。

　ステップＳＴ０３の処理を行うと、信号処理部４０は、抽出した周波数成分のピーク位置に基づいて、照射部１２から対象物Ｍ１までの測定距離Ｌ_ａｉｒを算出する（ステップＳＴ０４）。ステップＳＴ０４の処理を行うと、信号処理部４０は、処理を終了する。

　以上、実施の形態１に係る電磁波測距装置１は、周波数が時間と共に変化するレーザ光を発生させる光源１１と、光源１１によって発生したレーザ光の一部を対象物Ｍ１に照射する照射部１２と、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１で反射されたレーザ光の反射波と、対象物Ｍ１に照射されなかったレーザ光と、の干渉波である測定干渉信号を生成する測定干渉信号生成部と、測定干渉信号を分岐させ、分岐させた一方の信号に他方の信号に対する遅延時間を与えて再び合成する分岐合成部１５と、分岐合成部１５からの信号に基づいて、測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成する第１信号変換部２０と、基準干渉信号に基づいて測定干渉信号をサンプリングするサンプリング部４２と、サンプリング部４２によるサンプリングの結果に基づいて、照射部１２から対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出する距離算出部と、を備えている。

　このように構成されて、電磁波測距装置１は、対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波と対象物Ｍ１に照射されなかったレーザ光との干渉波である測定干渉信号と、測定干渉信号に基づいて生成された基準干渉信号と、に基づいて対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出するため、測定干渉信号を伝搬させる経路と基準干渉信号を伝搬させる経路の少なくとも一部を共通化できるので、信号の伝搬経路を短縮化することができる。

　同様に、実施の形態１に係る信号処理部４０は、周波数が時間と共に変化するレーザ光の一部が対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１で反射されたレーザ光の反射波と対象物Ｍ１に照射されなかったレーザ光との干渉波である測定干渉信号と、測定干渉信号を含む信号に基づいて生成された測定干渉信号よりも周波数が高い信号である基準干渉信号と、を取得する信号取得部４１と、基準干渉信号に基づいて測定干渉信号をサンプリングするサンプリング部４２と、サンプリング部４２によるサンプリングの結果に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えている。

　このように構成されて、信号処理部４０は、対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波と対象物Ｍ１に照射されなかったレーザ光との干渉波である測定干渉信号と、測定干渉信号に基づいて生成された基準干渉信号と、に基づいて対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出するため、電磁波測距装置における測定干渉信号を伝搬させる経路と基準干渉信号を伝搬させる経路の少なくとも一部を共通化できるので、電磁波測距装置における信号の伝搬経路を短縮化することができる。

　また、実施の形態１に係る第１信号変換部２０は、分岐合成部１５からの信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波を含まない信号を抽出することで、基準干渉信号を生成するように構成されている。このように構成されて、実施の形態１に係る電磁波測距装置１は、測定距離Ｌ_ａｉｒに応じて変化することがない信号を基準干渉信号として抽出するので、測定距離Ｌ_ａｉｒの測定結果を安定させることが可能になる。

　なお、実施の形態１において、第１信号変換部２０は、分岐合成部１５から入力された信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波の周波数を含まない信号を基準干渉信号として抽出することで、基準干渉信号を生成するように構成されているが、これに限定されない。電磁波測距装置は、分岐合成部からの信号に基づいて、測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成するように構成されていればよく、例えば、電磁波測距装置は、分岐合成部からの信号に含まれる４つの信号のうち、ビート周波数が分岐合成部１５の遅延時間に係る光路長である遅延長さＬ_ｌｏｏｐに対応する信号以外の信号を抽出することで基準干渉信号を生成するように構成されていてもよい。

実施の形態２．
　次に、図７から図９を参照して、実施の形態２に係る電磁波測距装置について説明する。実施の形態２に係る電磁波測距装置は、実施の形態１に係る電磁波測距装置１に対して、第１信号変換部が抽出する信号の範囲が異なるが、各部の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、実施の形態１と同様の名称及び符号を付して説明を省略する。

　図７は、実施の形態２に係る基準干渉信号が含まれる分岐合成部からの信号の周波数の時間変化を示すグラフである。実施の形態１に係る第１信号変換部２０と同様に、実施の形態２に係る第１信号変換部は、ＢＰＦ及び時間ゲートによって、入力された測定干渉信号を含む信号から、特定周波数かつ特定時間の信号を抽出する。例えば、図７に示すように、実施の形態２に係る第１信号変換部は、ＢＰＦによって周波数ｆ３から周波数ｆ４までの周波数帯の信号を抽出し、時間ゲートによって時刻ｔ１から時刻ｔ２までの信号を抽出する。これにより、実施の形態２に係る第１信号変換部は、分岐合成部１５からの信号から、図７のグラフに示す領域Ａ２に含まれる、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの差の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ－２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号を基準干渉信号として抽出する。言い換えると、実施の形態２に係る第１信号変換部は、分岐合成部１５から入力された信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波の周波数を含む信号である、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの差の長さに対応する信号を基準干渉信号として抽出する。

　一般に、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ方式において、光源からのレーザ光は、周波数が時間と共に線形変化するように制御されるが、レーザ光の波長分散の影響により、周波数を完全な線形変化をさせることは難しい。しかしながら、発生した電磁波の周波数が非線形変化する場合、周波数の非線形性の影響でビート周波数のスペクトルが劣化するため、測距精度を向上させることが難しい。例えば、測定干渉信号と基準干渉信号とは互いに周波数が異なるため、電磁波測距装置の構造によっては、互いに波長分散の影響が異なることで、互いに異なる非線形性を有することになる。このような基準干渉信号に基づいて測定干渉信号をサンプリングすると、それぞれの信号の波長分散のミスマッチが発生し、測距精度を向上させることが難しい。

　これに対し、実施の形態２に係る電磁波測距装置は、光源１１からのレーザ光の周波数が非線形変化する場合であっても、第１信号変換部が、分岐合成部１５から入力された信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波の周波数を含む信号、即ち、測定干渉信号と同様の非線形性を有する信号である基準干渉信号として抽出し、信号処理部４０が、当該基準干渉信号と、測定干渉信号と、に基づいて対象物Ｍ１までの距離を算出するように構成されているため、基準干渉信号に基づいて光源１１からのレーザ光の波長分散等に起因する非線形性を補償することができる。

　以下、図８及び図９を参照して、レーザ光の非線形性の基準干渉信号による補償について説明する。図８Ａは、実施の形態２に係る基準干渉信号の振幅の時間変化を示すグラフであり、図８Ｂは、実施の形態２に係る測定干渉信号の振幅の時間変化を示すグラフであり、図８Ｃは、実施の形態２に係る基準干渉信号のサンプリングの結果を示すグラフである。また、図９Ａは、実施の形態２に係る基準干渉信号の周波数の時間変化を示すグラフであり、図９Ｂは、実施の形態２に係る測定干渉信号の周波数の時間変化を示すグラフであり、図９Ｃは、実施の形態２に係る基準干渉信号のサンプリングの結果における対象物までの距離と波数との関係を示すグラフであり、図９Ｄは、実施の形態２に係る基準干渉信号のサンプリングの結果をフーリエ変換したスペクトルを示すグラフである。図９Ａ及び図９Ｂは、実施の形態２に係る第１信号変換部が生成した基準干渉信号と、測定干渉信号と、が互いに相似な非線形性を有していることを示している。

　例えば、信号処理部４０において、信号取得部４１が第１信号変換部から図８Ａに示す信号を基準干渉信号として取得し、第２信号変換部３０から図８Ｂに示す信号を測定干渉信号として取得し、サンプリング部４２が、基準干渉信号の位相が０°になる立上りゼロクロス点（図８Ａに示す丸印）に対応する時刻において、測定干渉信号をサンプリングした場合を考える。この場合、サンプリング部４２は、レーザ光の非線形性に応じたタイミングで測定干渉信号のサンプリングを行うことになる。これにより、図８Ｃ及び図９Ｃに示すように、サンプリング部４２によるサンプリングの結果において、レーザ光の非線形性による影響を抑制することができる。距離算出部４３は、サンプリング部４２によるサンプリングの結果に基づいて、高速フーリエ変換によって測定干渉信号から周波数成分を抽出することで、図９Ｄに示すビート周波数のスペクトルを取得し、対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒを算出する。

　以上、実施の形態２に係る電磁波測距装置は、分岐合成部１５からの信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波の周波数を含む信号を抽出することで、基準干渉信号を生成するように構成されている。このように構成されて、実施の形態２に係る電磁波測距装置は、対象物Ｍ１に照射されるレーザ光の周波数の変化が非線形性を有している場合であっても、基準干渉信号に基づいてレーザ光の非線形性を補償することで、従来よりも対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒの算出精度を向上させることができる。

　なお、実施の形態２において、電磁波測距装置は、分岐合成部１５からの信号から、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの差の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ－２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号を基準干渉信号として抽出することで、基準干渉信号を生成するように構成されているが、これに限定されない。電磁波測距装置は、分岐合成部１５から入力された信号から、対象物Ｍ１に照射されて対象物Ｍ１によって反射されたレーザ光の反射波の周波数を含む信号を基準干渉信号として抽出することで、基準干渉信号を生成するように構成されていればよく、例えば、電磁波測距装置は、分岐合成部１５からの信号から、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの合計の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ＋２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号を基準干渉信号として抽出することで、基準干渉信号を生成するように構成されていてもよい。

　なお、分岐合成部１５からの信号から、ビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの差の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ－２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号、又はビート周波数が遅延長さＬ_ｌｏｏｐと２Ｌ_ａｉｒとの合計の長さ（Ｌ_ｌｏｏｐ＋２Ｌ_ａｉｒ）に対応する信号を基準干渉信号として抽出する場合、測定距離Ｌ_ａｉｒ、及び遅延長さＬ_ｌｏｏｐは、ナイキストの定理に従い、以下の数式（１）を満たすことが求められる。数式（１）において、Ｒは、測定距離Ｌ_ａｉｒの測定レンジ、ｎは、光ファイバの屈折率である。

　２（２Ｌ_ａｉｒ＋Ｒ）＜ｎＬ_ｌｏｏｐ－２Ｌ_ａｉｒ－Ｒ
　∴６Ｌ_ａｉｒ＋３Ｒ＜ｎＬ_ｌｏｏｐ　　　　　　　・・・・・・・（１）

　例えば、測定距離（空気層の長さ）Ｌ_ａｉｒを０．１３［ｍ］、測定レンジＲを０．０１［ｍ］、光ファイバの屈折率ｎを１．４４、遅延長さ（ループ路１５ａの長さ）を０．６３［ｍ］とした場合、数式（１）の左辺及び右辺は、それぞれ０．８１［ｍ］及び０．９１［ｍ］となり、数式（１）を満たす。また、基準干渉信号は、対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒに応じてビート周波数が変化するため、それぞれの信号の帯域において、測定レンジＲを満たすようにＢＰＦ２２によって抽出する周波数帯域を設定することが求められる。

実施の形態３．
　次に、図１０を参照して、実施の形態３に係る電磁波測距装置３について説明する。実施の形態３に係る電磁波測距装置３は、実施の形態１に係る電磁波測距装置１に対して、照射部１２からの測定干渉信号に基づいて基準干渉信号を生成するための構成が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、実施の形態１と同様の名称及び符号を付して説明を省略する。

　図１０に示すように、実施の形態３に係る電磁波測距装置３は、光源１１、照射部１２、鏡筒１３、光電変換部１６、ＡＤ変換部３２、信号変換部５０、及び信号処理部４０を備えている。なお、図１０において、破線の矢印は、光信号（光波）の伝搬経路を示しており、実線の矢印は、電気信号の伝搬経路を示している。実施の形態１に係る電磁波測距装置１と同様に、照射部１２からのレーザ光のうち、一部のレーザ光Ｌ３は、対象物Ｍ１に照射されずに光ファイバの対象物Ｍ１の側の端部における空気界面でフレネル反射され、反射波が照射部１２に入力される。この際、レーザ光Ｌ２の対象物での反射波と、レーザ光Ｌ３のフレネル反射による反射波と、の干渉波である測定干渉信号が生成される。照射部１２は、生成された測定干渉信号を光電変換部１６に向けて出力する。

　光電変換部１６は、照射部１２から入力された測定干渉信号である光信号を電気信号に変換する。光電変換部１６の詳細は、実施の形態１に係る光電変換部２１と同様であるため、説明を省略する。光電変換部１６は、電気信号に変換された測定干渉信号Ｓ１、Ｓ２を信号変換部５０及びＡＤ変換部３２に向けて出力する。

　信号変換部５０は、周波数変換部５１、及びＡＤ変換部２４を有している。周波数変換部５１は、入力された測定干渉信号Ｓ１を、より高いビート周波数を有する信号に変換することで、基準干渉信号を生成する。例えば、周波数変換部５１は、入力された測定干渉信号Ｓ１をサンプリングし、サンプリングした結果に基づいて、入力された測定干渉信号Ｓ１のビート周波数が逓倍された新たなビート周波数を有する信号である基準干渉信号を生成する。なお、周波数変換部５１が生成する基準干渉信号のビート周波数は、測定干渉信号の少なくとも２以上の実数倍であればよいが、測定干渉信号の４倍以上であることが望ましい。周波数変換部５１は、生成した基準干渉信号をＡＤ変換部２４に向けて出力する。ＡＤ変換部２４は、アナログ信号である周波数変換部５１からの信号をデジタル信号に変換し、信号処理部４０に向けて出力する。なお、実施の形態３において、信号変換部５０は、測定干渉信号を含む信号に基づいて、測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成する基準干渉信号生成部を構成する。

　ＡＤ変換部３２は、アナログ信号である光電変換部１６からの測定干渉信号をデジタル信号に変換し、信号処理部４０に向けて出力する。

　以上、実施の形態３に係る電磁波測距装置３は、基準干渉信号生成部は、測定干渉信号生成部からの測定干渉信号の周波数を実数倍することによって、測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成する。このように構成されて、電磁波測距装置３は、測定干渉信号が非線形性を有している場合であっても、基準干渉信号と測定干渉信号とが互いに相似である非線形性を有することになるため、基準干渉信号に基づいてレーザ光の非線形性を補償することができ、従来よりも対象物Ｍ１までの距離Ｌ_ａｉｒの算出精度を向上させることができる。また、このように構成されて、電磁波測距装置３は、実施の形態１における分岐部１４、分岐合成部１５、ＢＰＦ２２、及び時間ゲート２３等の構成が不要になり、部品点数の削減を図ることが可能になる。

　なお、上述した実施の形態１から３において、電磁波測距装置は、周波数が時間と共に変化するレーザ光を発生させる周波数掃引光源である光源１１を備えたＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ方式の測距装置であるが、これに限定されない。上述したいずれの実施の形態においても、電磁波測距装置は、周波数が時間と共に変化するレーダ光以外の電磁波を対象物に照射し、対象物からの反射波の周波数に基づいて対象物までの距離を測定するＦＭＣＷ方式の測距装置であればよく、例えば、電磁波測距装置は、周波数が時間と共に変化する電波を生成する電波発生部を備え、電波発生部からの電波を対象物に照射し、対象物からの反射波の周波数に基づいて対象物までの距離を測定するＦＭＣＷ方式のレーダ装置であってもよい。このような装置においても、測定干渉信号を伝搬させる経路と基準干渉信号を伝搬させる経路の少なくとも一部を共通化し、信号の伝搬経路を短縮化する効果を得ることができる。

　なお、本開示は、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

　本開示に係る電磁波測距装置は、例えば、対象物に向けて電磁波を照射した際の反射波に基づいて対象物までの距離を算出することに利用することができる。

　１　電磁波測距装置、３　電磁波測距装置、１１　光源（電磁波発生部）、１２　照射部（測定干渉信号生成部）、１３　鏡筒、１４　分岐部、１５　分岐合成部、１５ａ　ループ路、１６　光電変換部、２０　第１信号変換部（基準干渉信号生成部）、２１　光電変換部、２２　ＢＰＦ、２３　時間ゲート、２４　ＡＤ変換部、３０　第２信号変換部、３１　光電変換部、３２　ＡＤ変換部、４０　信号処理部、４１　信号取得部、４２　サンプリング部、４３　距離算出部、５０　信号変換部、５１　周波数変換部、Ｌ_ａｉｒ　距離（測定距離）、Ｍ１　対象物。

Claims

　周波数が時間と共に変化する電磁波を発生させる電磁波発生部と、
　前記電磁波発生部によって発生した前記電磁波の一部を対象物に照射する照射部と、
　前記対象物に照射されて前記対象物で反射された前記電磁波の反射波と、前記対象物に照射されなかった前記電磁波と、の干渉波である測定干渉信号を生成する測定干渉信号生成部と、
　前記測定干渉信号生成部からの前記測定干渉信号を含む信号に基づいて、前記測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成する基準干渉信号生成部と、
　前記基準干渉信号に基づいて前記測定干渉信号をサンプリングするサンプリング部と、
　前記サンプリング部によるサンプリングの結果に基づいて、前記照射部から前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた
　ことを特徴とする電磁波測距装置。
　前記電磁波発生部は、前記電磁波としてのレーザ光を発生させる光源である
　ことを特徴とする請求項１記載の電磁波測距装置。
　前記測定干渉信号生成部は、前記対象物に照射されて前記対象物で反射した前記レーザ光の反射波と、前記照射部によって前記対象物に照射される前記レーザ光の伝搬経路におけるフレネル反射波と、の干渉波である前記測定干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項２記載の電磁波測距装置。
　前記測定干渉信号生成部からの前記測定干渉信号を分岐させ、分岐させた一方の信号に他方の信号に対する遅延時間を与えて再び合成する分岐合成部を備え、
　前記基準干渉信号生成部は、前記分岐合成部からの信号に基づいて、前記測定干渉信号よりも周波数が高い前記基準干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項２又は３記載の電磁波測距装置。
　前記測定干渉信号を分岐させる分岐部を備え、
　前記分岐合成部は、前記分岐部によって分岐された一方の前記測定干渉信号を新たに分岐させてから再び合成し、
　前記サンプリング部は、前記基準干渉信号に基づいて、前記分岐部によって分岐された他方の前記測定干渉信号をサンプリングする
　ことを特徴とする請求項４記載の電磁波測距装置。
　前記基準干渉信号生成部は、前記分岐合成部からの信号から特定周波数の信号を抽出することで、前記基準干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項記載の電磁波測距装置。
　前記基準干渉信号生成部は、前記分岐合成部からの信号から特定時間の信号を抽出することで、前記基準干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載の電磁波測距装置。
　前記基準干渉信号生成部は、前記分岐合成部からの信号から、前記対象物に照射されて前記対象物によって反射された前記電磁波の反射波の周波数を含まない信号を抽出することで、前記基準干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項４から７のいずれか１項記載の電磁波測距装置。
　前記基準干渉信号生成部は、前記分岐合成部からの信号から、前記対象物に照射されて前記対象物によって反射された前記電磁波の反射波の周波数を含む信号を抽出することで、前記基準干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項４から７のいずれか１項記載の電磁波測距装置。
　前記分岐合成部は、前記測定干渉信号を分岐させ、遅延時間を与えた状態で再び分岐点に戻して合成するループ路を有している
　ことを特徴とする請求項４から９のいずれか１項記載の電磁波測距装置。
　前記基準干渉信号生成部は、前記測定干渉信号生成部からの前記測定干渉信号の周波数を実数倍することによって、前記測定干渉信号よりも周波数が高い前記基準干渉信号を生成する
　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電磁波測距装置。
　周波数が時間と共に変化する電磁波の一部が対象物に照射されて前記対象物で反射された前記電磁波の反射波と前記対象物に照射されなかった前記電磁波との干渉波である測定干渉信号と、前記測定干渉信号を含む信号に基づいて生成された前記測定干渉信号よりも周波数が高い信号である基準干渉信号と、を取得する信号取得部と、
　前記基準干渉信号に基づいて前記測定干渉信号をサンプリングするサンプリング部と、
　前記サンプリング部によるサンプリングの結果に基づいて前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた
　ことを特徴とする電磁波測距装置。
　電磁波発生部と、照射部と、測定干渉信号生成部と、基準干渉信号生成部と、サンプリング部と、距離算出部と、を備えた装置が行う電磁波測距方法であって、
　前記電磁波発生部が、周波数が時間と共に変化する電磁波を発生させるステップと、
　前記照射部が、前記電磁波発生部によって発生した前記電磁波の一部を対象物に照射するステップと、
　前記測定干渉信号生成部が、前記対象物に照射されて前記対象物で反射された前記電磁波の反射波と、前記対象物に照射されなかった前記電磁波と、の干渉波である測定干渉信号を生成するステップと、
　前記基準干渉信号生成部が、前記測定干渉信号生成部からの前記測定干渉信号を含む信号に基づいて、前記測定干渉信号よりも周波数が高い基準干渉信号を生成するステップと、
　前記サンプリング部が、前記基準干渉信号に基づいて前記測定干渉信号をサンプリングするステップと、
　前記距離算出部が、前記サンプリング部によるサンプリングの結果に基づいて、前記照射部から前記対象物までの距離を算出するステップと、を備えた
　ことを特徴とする電磁波測距方法。
　信号取得部と、サンプリング部と、距離算出部と、を備えた装置が行う電磁波測距方法であって、
　前記信号取得部が、周波数が時間と共に変化する電磁波の一部が対象物に照射されて前記対象物で反射された前記電磁波の反射波と前記対象物に照射されなかった前記電磁波との干渉波である測定干渉信号と、前記測定干渉信号を含む信号に基づいて生成された前記測定干渉信号よりも周波数が高い信号である基準干渉信号と、を取得するステップと、
　前記サンプリング部が、前記基準干渉信号に基づいて前記測定干渉信号をサンプリングするステップと、
　前記距離算出部が、前記サンプリング部によるサンプリングの結果に基づいて前記対象物までの距離を算出するステップと、を備えた
　ことを特徴とする電磁波測距方法。