レーザレーダ装置
【課題】レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を有するレーザレーダ装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する光送受信部１０と、あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、光送受信部１０によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することでレーザ光の照射点までの距離を示す距離信号を算出すると共に、レーザ光の照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部２０と、距離強度算出部２０により算出された距離信号及び強度信号に基づきあらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部３０とを備え、距離強度算出部２０は信号処理部３０により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出する。
【解決手段】 レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する光送受信部１０と、あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、光送受信部１０によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することでレーザ光の照射点までの距離を示す距離信号を算出すると共に、レーザ光の照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部２０と、距離強度算出部２０により算出された距離信号及び強度信号に基づきあらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部３０とを備え、距離強度算出部２０は信号処理部３０により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光の発振時間と反射光の受光時間の差から目標までの距離を導出するレーザ距離測定法を用いたレーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザレーダ装置では、時間測定の基準となる時間標準を有しており、時間標準を基にレーザ光の発振時間から反射光の受光時間までの時間間隔である反射光帰還時間を測定し、反射光帰還時間と光速度から目標までの距離値を算出していた。
【０００３】
図１２は、レーザレーダ装置におけるレーザ光の発信時間と反射光の受光時間の差を測定する時間測定部の構成図例である。図１２に示す時間測定部は時間標準として定電流源を用いたランプ電圧を有している。ランプ電圧はレーザ光の発振時間の基準となるゲート信号により定電流源のスイッチが入ることで電圧上昇を始め、定電流源の電流値に応じて時間に対して比例して増加する。反射光の受光による受信信号が発生するとピーク検出回路によりＳ／Ｈトリガが出力される。Ｓ／Ｈトリガによりランプ電圧のその瞬間の電圧値をＳ／Ｈ回路が読み取り、ホールド電圧値として出力する。その後、ゲート信号の入力が止まり、リセット信号が入力され、ランプ電圧が放電される。ゲート信号の時間とランプ電圧の時間に対する比例定数とホールド電圧値から上記反射光帰還時間を算出する。
【０００４】
定電流源には一定のノイズが存在するため、ランプ電圧にもノイズが存在し、Ｓ／Ｈトリガのタイミングに対してホールド電圧値が誤差を有する。ホールド電圧値が誤差を有することにより、算出される反射光帰還時間も誤差を有することになる。
【０００５】
ここで、ランプ電圧の比例定数を大きくすると時間に対するホールド電圧変化量が大きくなる一方、ホールド電圧値の誤差は一定値であるので、相対的に算出される反射光帰還時間の誤差は小さくなる。逆にランプ電圧の比例定数を小さくすると相対的に算出される反射光帰還時間の誤差は大きくなる。ランプ電圧の比例定数を大きくすることで算出される反射光帰還時間の誤差は小さくなるが、ランプ電圧値には上限があるので、測定可能時間間隔は短くなる。逆にランプ電圧の比例定数を小さくすると、誤差は大きくなるが測定可能時間間隔を長くすることが可能である。
【０００６】
よって、反射光帰還時間の測定可能時間間隔が長いほど時間測定精度が悪くなり、測定可能時間間隔が短いほど時間測定精度が良くなる。
【０００７】
同様に距離測定誤差は測定可能距離間隔に反比例する。広い距離間隔を測定する場合には距離測定精度が粗く、狭い距離間隔を測定する場合には細かい精度となる。これにより測定可能距離間隔と距離測定精度は両方高めることはできず、トレードオフの関係にある。
【０００８】
この問題を解決する従来技術として、例えば特許文献１では、レーザレーダ装置と他の距離測定法を併せ持つ装置が提案されている。この発明は広い測定可能距離間隔を持つ他の距離測定法で目標を粗検出し、粗検出の結果を用いて高い距離測定精度を持つレーザレーダ装置で目標を精検出するという装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２４０２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のようなレーザレーダ装置と他の距離測定法を併せ持つ装置では、レーザレーダ装置以外に他の距離測定装置を備えなければならず、装置が大きくなり、また部品数も多くなってしまうという課題があった。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を有するレーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する送受信部と、あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、送受信部によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することでレーザ光の照射点までの距離を示す距離信号を算出すると共に、レーザ光の照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部と、距離強度算出部により算出された距離信号及び強度信号に基づきあらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部とを備え、距離強度算出部は信号処理部により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るレーザレーダ装置によれば、目標までの距離の測定を複数回行い、初回測定では測定可能距離間隔を広く設定し目標を低精度で検出し、次回以降の測定では前回の測定の結果を用いて測定可能距離間隔を狭く再設定して目標を高精度に検出するため、レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を併せ持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体構成である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定時のランプ電圧を示したグラフである。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定及び測定可能距離間隔の再設定について示したグラフである。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の次回測定時のランプ電圧について示したグラフである。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の処理手順のフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における時間測定部のランプ電圧の時間変化を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の目標強度データが示す信号の強度が高い時と信号の強度が低い時のランプ電圧の時間変化を示す図である。
【図８】図１のレーザレーダ装置の全体構成において、受信視野中心とレーザ光伝搬方向が同軸方向でない場合の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体構成である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置のランプ電圧の時間変化を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体構成である。
【図１２】レーザレーダ装置におけるレーザ光の発信時間と反射光の受光時間の差を測定する時間測定部の構成図例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体構成である。この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を発振し、レーザ光の反射光を集光して電気信号である受信信号に変換する光送受信部１０と、測定可能時間間隔の可変な時間標準を有し、光送受信部１０によって変換された受信信号からセンサからレーザ光照射点までの距離を示す距離信号及びレーザ照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部２０と、距離信号及び強度信号から目標を検出し、検出された目標に対して最適な測定可能距離間隔を算出する信号処理部３０を備えており、光送受信部１０は、トリガ発生部１１、レーザ部１２、スキャナ部１３、角度モニタ部１４、受信レンズ部１５、受光器部１６によって、距離強度算出部２０は、強度測定部２１、時間測定部２２、距離算出部２３によって、信号処理部３０は、距離強度画像算出部３１、目標検出部３２、最適測定可能距離間隔算出部３３によって、それぞれ構成されている。
【００１６】
トリガ発生部１１はレーザ光の発振時間の基準となるトリガ信号を生成してレーザ部１２と時間測定部２２に出力し、レーザ部１２はトリガ発生部１１によって生成されたトリガ信号に基づいてレーザ光を発振する。スキャナ部１３はレーザ部１２によって発振されたレーザ光とレーザ光の反射光を受光可能な角度範囲である受信視野を２次元走査し、角度モニタ部１４はスキャナ部１３のその時のスキャナ角度を読み取り、スキャナ角度信号として距離強度画像算出部３１に出力する。
【００１７】
受信レンズ部１５は受信視野中心に対して同軸方向に伝搬する目標からの散乱光を集光した反射光を受光器部１６へ出力し、受光器部１６は受信レンズ部１５によって集光された反射光を電気信号である受信信号に変換して強度測定部２１と時間測定部２２に出力する。
【００１８】
強度測定部２１は、受光器部１６によって変換された受信信号のピーク値を計測し、それに対応する電圧を強度信号として距離強度画像算出部３１へ出力する。
【００１９】
時間測定部２２は図１２に示すように構成されており、トリガ発生部１１によって発生されたトリガ信号の時間を時間原点として時間に比例して増加するランプ電圧を時間標準として有する。時間測定部２２は受光器部１６によって変換された受信信号が入力されるとその受信信号のピークを検出してＳ／Ｈトリガを出力する。Ｓ／Ｈ回路はＳ／Ｈトリガの入力タイミングのランプ電圧値を読み取り、ホールド電圧値として距離算出部２３に出力する。
時間測定部２２は、ランプ電圧比例定数とゲート時間を変更することで測定可能時間間隔を変更することができ、初回測定においては測定可能距離間隔が広くなるようにあらかじめ決められた初回ランプ電圧比例定数Ｃ１と初回ゲート時間ｔｇ１を設定し、２回目以降の測定においては初回測定よりも測定可能距離間隔が狭くなるように最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２を設定する。
【００２０】
図１に示す距離算出部２３は、時間測定部２２によって出力されたホールド電圧値からランプ電圧比例定数とゲート時間を用いて反射光帰還時間を算出し、反射光帰還時間と光速度から距離信号を算出して距離強度画像算出部３１に出力する。
ここで、反射光帰還時間の算出に用いるランプ電圧比例定数とゲート時間は時間測定部２２において設定される値であり、初回測定においては初回ランプ電圧比例定数Ｃ１と初回ゲート時間ｔｇ１に設定され、２回目以降の測定においては最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２に設定される。
【００２１】
距離強度画像算出部３１は、角度モニタ部１４によって出力されたスキャナ角度信号から得られるレーザ光照射点の２次元情報と、距離算出部２３から得られる距離信号と、強度測定部２１から得られる強度信号により生成される、空間的に３次元の画像データである３次元距離画像データと、空間的に２次元の反射光強度画像データである２次元強度画像データを算出して目標検出部３２へ出力する。
【００２２】
目標検出部３２は、距離強度画像算出部３１によって算出された３次元距離画像データと２次元強度画像データから目標を検出し、検出した目標までの距離を示す目標距離データと検出した目標の反射光強度を示す目標強度データを算出して最適測定可能距離間隔算出部３３へ出力する。
【００２３】
最適測定可能距離間隔算出部３３は、目標検出部３２によって出力された目標距離データから最適な測定可能距離間隔を算出し、算出した測定可能距離間隔に基づきランプ電圧比例定数信号とゲート信号を算出して時間測定部２２と距離算出部２３に出力する。
【００２４】
ここで、最適な測定可能距離間隔とこれに基づくランプ電圧比例定数信号、ゲート信号の算出について説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定時のランプ電圧を示したグラフであり、図２の時間原点はレーザ発振タイミングとし、ランプ電圧開始時間（初回ゲート時間）をｔｇ１、ランプ電圧の傾きをＣ１、ランプ電圧の最大値をＶｍａｘ、ランプ電圧終了時間をｔｍａｘ１とする。光速をｃとすると、このときの測定可能距離Ｌｍｉｎ１〜Ｌｍａｘ１は、ｔｇ１×ｃ〜ｔｍａｘ１×ｃとなる。ランプ電圧において設定可能なのはランプ電圧開始時間とランプ電圧傾きの２つのパラメータであり、ランプ電圧の最大値Ｖｍａｘは不変の値である。また、ｔｍａｘ１は式（１）で表わされる。
ｔｍａｘ１＝ｔｇ１＋Ｖｍａｘ／Ｃ１ （１）
【００２５】
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定及び測定可能距離間隔の再設定について示したグラフである。ある時間ｔにレーザ反射光を受光し、その瞬間のランプ電圧ＶＲをホールド電圧値として出力する。このホールド電圧値ＶＲ１と時間ｔの関係を式（２）に示す。
ＶＲ１＝Ｃ１×（ｔ−ｔｇ１） （２）
また、このときのランプ電圧誤差をΔＶＲ１とする。
【００２６】
ランプ電圧誤差ΔＶＲ１から時間誤差Δｔ１を逆算する。Δｔ１とΔＶＲ１の関係は式（３）で表される。
Δｔ１＝ΔＶＲ１／Ｃ１ （３）
また、距離誤差ΔＬは光速ｃを用いて式（４）で表わされる。
ΔＬ１＝ｃ×Δｔ１ （４）
【００２７】
ここで、次回ランプ電圧のランプ電圧開始時間ｔｇ２と終了時間ｔｍａｘ２が、図３に示すように時間誤差Δｔに一致するよう、ランプ電圧開始時間とランプ電圧傾きを再設定する。このときの測定可能距離Ｌｍｉｎ２〜Ｌｍａｘ２は、ｔｇ２×ｃ〜ｔｍａｘ２×ｃとなる。この測定可能距離が距離誤差を含んだ最小の測定可能距離となるため、「最適な測定可能距離間隔」となる。また、このときのランプ電圧傾きをＣ２とすると、次回ランプ電圧のランプ電圧開始時間ｔｇ２及びランプ電圧傾きＣ２は式（５）、式（６）で表わされる。
ｔｇ２＝ｔ−Δｔ１／２ （５）
Ｃ２＝Ｖｍａｘ／Δｔ１ （６）
また、ランプ電圧終了時間ｔｍａｘ２は式（７）で表わされる。
ｔｍａｘ２＝ｔ＋Δｔ１／２ （７）
【００２８】
次に、初回測定と同様に、測定可能距離間隔を再設定されたランプ電圧を用いて、次回測定を行う。図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の次回測定時のランプ電圧について示したグラフである。レーザ拡散光を受光するタイミングは図３と同じｔである。このときホールドされるホールド電圧値ＶＲ２は式（８）で表わされる。
ＶＲ２＝Ｃ２×（ｔ−ｔｇ２) （８）
また、ランプ電圧誤差は、図３と同じΔＶＲとする。
【００２９】
初回測定と同様にランプ電圧誤差ΔＶＲから時間誤差Δｔ２を逆算する。Δｔ２とΔＶＲの関係は式（９）で表わされる。
Δｔ２＝ΔＶＲ／Ｃ２ （９）
また、距離誤差ΔＬ２は式（１０）で表わされる。
ΔＬ２＝ｃ×Δｔ２ （１０）
【００３０】
初回測定時の距離誤差ΔＬ１と次回測定時の距離誤差ΔＬ２を比較した結果を（４）、式（６）、式（９）、式（１０）を用いて、式（１１）に示す。
【００３１】
ΔＬ２／ΔＬ１＝Δｔ２／Δｔ１＝ΔＶＲ／Ｃ２／Δｔ１＝ΔＶＲ／Ｖｍａｘ（１１）
【００３２】
以上のことから最適な測定可能距離を設定することで、距離誤差をΔＶＲ／Ｖｍａｘに減少させることが可能となる。
【００３３】
次に、この実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の処理手順のフローチャートである。まず、時間測定部２２が、ランプ電圧比例定数とゲート時間に初期値を設定する（ステップＳＴ１）。
【００３４】
次に、トリガ発生部１１がトリガ信号を生成し、このトリガ信号に基づいてレーザ部１２がレーザ光を発振する（ステップＳＴ２）。
【００３５】
次に、受信視野の中心がレーザ光の伝搬方向と同軸方向に配向している受信レンズ部１５が目標からの反射光を集光し、受信レンズ部１５によって集光された反射光を、受光器部１６が電気信号である受信信号に変換して強度測定部２１と時間測定部２２へ出力する(ステップＳＴ３)。受光器部１６によって変換された受信信号から強度測定部２１がレーザ光の反射光強度を読み取って強度信号として距離強度画像算出部３１に出力する（ステップＳＴ４）。
【００３６】
次に、受光器部１６によって変換された受信信号が時間測定部２２に入力されると、時間測定部２２がその瞬間のランプ電圧値を読み取ってホールド電圧値として距離算出部２３に出力し（ステップＳＴ５）、時間測定部２２によって出力されたホールド電圧値から距離算出部２３が反射光帰還時間を算出し、反射光帰還時間と光速度からセンサからレーザ光照射点までの距離を算出し、距離信号として距離強度画像算出部３１に出力する（ステップＳＴ６）。
【００３７】
ここで、図６はこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における時間測定部２２のランプ電圧の時間変化を示す図である。トリガ発生部１１によって発生されたトリガ信号を時間原点とし、時間測定部２２の初回ホールド電圧値をＶＲ、初回ゲート時間をｔｇ１、初回ランプ電圧比例定数をＣ１とそれぞれすると、時間測定部２２によって出力されたホールド電圧値から距離算出部２３が反射光帰還時間ｔを算出する処理は式（１２）で表される。
【００３８】
ｔ＝ＶＲ／Ｃ１＋ｔｇ１ （１２）
【００３９】
つまり、距離算出部２３は（１２）の式により、初回ホールド電圧値ＶＲとステップＳＴ１において設定された初回ランプ電圧比例定数Ｃ１と初回ゲート時間ｔｇ１から目標からの反射光帰還時間ｔを算出する。
【００４０】
次に、図５に示すように、角度モニタ部１４がスキャナ角度信号を出力し、スキャナ部１３が駆動してレーザを走査する（ステップＳＴ７）。そして、距離強度画像算出部３１が、出力されたスキャナ角度信号から２次元走査が完了したかを判定する（ステップＳＴ８）。
【００４１】
距離強度画像算出部３１が、２次元走査が完了していないと判定した場合（ステップＳＴ８のＮＯの場合）は、ステップＳＴ２に戻って処理を繰り返す。一方、距離強度画像算出部３１が、２次元走査が完了していると判定した場合（ステップＳＴ８のＹＥＳの場合）には、距離強度画像算出部３１が３次元距離画像データと２次元強度画像データを算出して目標検出部３２に出力する（ステップＳＴ９）。
【００４２】
距離強度画像算出部３１によって出力された３次元距離画像データと２次元強度画像データから目標検出部３２が目標を検出したか判定する（ステップＳＴ１０）。目標検出部３２が、目標を検出しなかったと判定した場合（ステップＳＴ１０のＮＯの場合）、ステップＳＴ１に戻って処理を繰り返す。一方、目標検出部３２が目標を検出したと判定した場合（ステップＳＴ１０のＹＥＳの場合）には、目標距離データと目標強度データを算出し（ステップＳＴ１１）、最適測定可能距離間隔算出部３３に出力する。
【００４３】
次に、最適測定可能距離間隔算出部３３が目標検出部３２によって算出された目標距離データから最適な測定可能距離間隔を算出し、最適な測定可能距離間隔に合わせた次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２を算出する（ステップＳＴ１２）。
【００４４】
その後、最適測定可能距離間隔算出部３３が、算出した次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２をそれぞれランプ電圧比例定数信号とゲート信号として時間測定部２２及び距離算出部２３に出力して再設定を行い（ステップＳＴ１３）、ステップＳＴ２に戻って処理を繰り返す。
【００４５】
時間測定部２２及び距離算出部２３の再設定は、時間測定部２２がランプ電圧比例定数とゲート時間について最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２をそれぞれ設定する。よって、次回測定におけるステップＳＴ６において距離算出部２３によって算出される反射光帰還時間ｔは式（１３）で表わされる。また、次回測定におけるランプ電圧の時間変化を図６に示す。
【００４６】
ｔ＝ＶＲ／Ｃ２＋ｔｇ２ （１３）
【００４７】
このように、ゲート時間とランプ電圧比例定数について測定結果に基づいて再設定を複数回繰り返すことで、測定精度を高めることができる。
【００４８】
ここで、最適測定可能距離間隔算出部３３による最適な測定可能距離間隔の算出は、目標距離データだけでなく、目標強度データも加えて用いて行ってもよい。図３を用いて上述したように、最適な測定可能距離は、目標距離データとランプ電圧誤差によって決定され、通常の場合、このランプ電圧誤差は事前に設定した値を用いる。しかし、目標強度データが大きいほど、このランプ電圧誤差は小さくなるため、この対応関係を用いて、誤差を最適化して再設定することも可能となる。これにより変動する誤差に応じて最適な測定可能距離を測定できるようになる。
【００４９】
目標強度データを用いて最適な測定可能距離間隔を算出する場合、目標強度データが示す目標の強度値が高いほど、距離測定精度が高くなる。そのため、初回測定において目標の強度値が高い場合は距離測定精度も高いので、次回測定ではより精密な距離測定を行うことができる。
【００５０】
図７は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の目標強度データが示す信号の強度が高い時と信号の強度が低い時のランプ電圧の時間変化を示す図である。図７に示すように、初回測定における信号の強度が高い場合は信号の強度が低い場合よりも次回ゲート時間ｔｇ２を反射光帰還時間の近くに設定し、次回ランプ電圧比例定数Ｃ２をより大きく設定するものとする。これにより初回測定時の強度値に応じて次回測定の距離測定精度を高めることができる。
【００５１】
なお、次回ゲート時間ｔｇ２は反射光帰還時間に可能な限り近づけて設定してもよい。例えば、図３において、ランプ電圧誤差ΔＶＲと強度信号Ｉに反比例した場合、ΔＶＲは定数ｋを用いて式（１４）で表される。
ΔＶＲ＝ｋ／Ｉ （１４）
すると、ゲート時間ｔｇ２は、式（３）、式（５）、式（１４）より、式（１５）のように設定される。
ｔｇ２＝ｔ−ｋ／２Ｃ１Ｉ （１５）
よって、強度信号Ｉが強いほど、ゲート時間ｔｇ２を反射光帰還時間ｔに近づけて設定することができると言える。
【００５２】
また、図７に示すように、時間測定部２２の時間標準であるランプ電圧は定電流を時間積分することによって時間に比例して上昇する。ここで、定電流源が一定の電流ノイズＩｎを有する場合、ランプ電圧を示すホールド電圧値のノイズＶｎはランプ電圧比例定数Ｃを用いて式（１６）によって算出することができる。
【００５３】
【００５４】
ここで、図３において、ランプ電圧誤差ΔＶＲがゲート時間ｔｇ２からの経過時間に比例するため、ΔＶＲは比例定数ｈを用いて式（１７）のように表わされる。
ΔＶＲ＝ｈ（ｔ−ｔｇ２） （１７）
よって、ゲート時間ｔｇ２から反射光帰還時間ｔまでの経過時間がなるべく短くなるようにゲート時間ｔｇ２を設定することで、ノイズの上昇を抑え、高精度な測距が可能となる。
【００５５】
また、受信視野中心とレーザ光伝搬方向は同軸方向でなくてもよい。図８は図１のレーザレーダ装置の全体構成において、受信視野中心とレーザ光伝搬方向が同軸方向でない場合の構成を示す図である。受信視野中心とレーザ光伝搬方向が同軸方向でない場合、図８に示すようにスキャナ部１３は受信視野を走査せず、レーザ光のみ受信レンズ部１５の固定された視野内に２次元走査する。
【００５６】
受信視野をスキャナ部１３と分離することにより、受信開口がスキャナ部１３の大きさにより制限されなくなり、受信光強度を大きくすることができる。
【００５７】
スキャナ部１３が行う走査は２次元走査でも１次元走査でもよい。１次元走査の場合、ラインセンサとなり１次元の距離データと強度データを取得する。
【００５８】
なお、スキャナ部１３はなくても良い。スキャナ部１３が備えない構成の場合、実施の形態１のレーザレーダ装置は定点の測距装置となり、ある定点の距離データと強度データが取得できる。この場合、スキャナ部１３の他に角度モニタ部１４、距離強度画像算出部３１、目標検出部３２が必要なくなる。なお、最適測定可能距離間隔算出部３３は距離信号と強度信号から最適な測定可能距離間隔を算出する。
【００５９】
以上のようにして、レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する光送受信部１０と、あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、光送受信部１０によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することで目標までの距離を示す距離信号を算出すると共に、受信信号の強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部２０と、距離強度算出部２０により算出された距離信号及び強度信号に基づきあらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部３０とを備え、距離強度算出部２０は信号処理部３０により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出するように構成したので、レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を併せ持つことができる。
【００６０】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体構成であり、実施の形態１の図１に示すレーザレーダ装置の構成に対して、目標距離誤差算出部３４を信号処理部３０の構成に追加で備えるものである。図１と同一符号は同一又は相対部分を示すので説明を省略する。
【００６１】
目標距離誤差算出部３４は、あらかじめ設定された目標最大移動速度と１回の測定にかかる時間から目標距離誤差値を算出して目標距離誤差データとして最適測定可能距離間隔算出部３３に出力する。
【００６２】
最適測定可能距離間隔算出部３３は、目標検出部３２によって算出された目標距離データと目標強度データから最適な測定可能距離間隔だけでなく、目標距離誤差算出部３４によって算出された目標距離誤差値を用いて、最適な測定可能距離間隔を算出して次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２をそれぞれランプ電圧比例定数信号、ゲート信号として時間測定部２２に出力する。
【００６３】
目標の最大移動速度ｖｔが想定できる場合、目標距離誤差算出部３４が目標の最大移動速度ｖｔと距離強度画像取得における初回測定と次回測定の時間差Δｔｄから目標が移動する最大の距離を示す目標距離誤差ΔＬとする。目標距離誤差ΔＬを表す式を式（１８）に示す。
【００６４】
【００６５】
目標距離誤差算出部３４は式（１８）を用いて、あらかじめ設定された目標の最大移動速度ｖｔと時間差Δｔｄから目標距離誤差ΔＬを計算して最適測定可能距離間隔算出部３３に出力する。
【００６６】
最適測定可能距離間隔算出部３３は、目標距離誤差算出部３４によって算出された目標距離誤差ΔＬから目標の反射光帰還時間誤差Δｔｒ’を算出する。目標距離誤差ΔＬから目標の反射光帰還時間誤差Δｔｒ’を表す式を式（１９）を示す。ここでｃは光速を示す。
【００６７】
【００６８】
最適測定可能距離間隔算出部３３は式（１９）を用いて、目標距離誤差ΔＬから目標の反射光帰還時間誤差Δｔｒ’を算出し、算出したΔｔｒ’を用いて次回ゲート時間ｔｇ２と次回ランプ電圧比例定数Ｃ２の設定を行う。
【００６９】
図１０は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置のランプ電圧の時間変化を示す図である。次回ゲート時間ｔｇ２と次回ランプ電圧比例定数Ｃ２は図１０に示すように上記反射光帰還時間誤差Δｔｒ’の幅を含むように設定する。
【００７０】
例えば、図３において、目標が移動することを想定し、距離誤差ΔＬ１に目標移動距離誤差ΔＬｍを追加する。よって距離誤差ΔＬ１’は式（２０）で表される。
ΔＬ１’＝ ΔＬ１＋ΔＬｍ （２０）
式（２０）より算出した時間誤差ΔＬ１’からΔｔ１’を算出し、式（５）、式（６）により次回ゲート時間ｔｇ２と次回ランプ電圧比例定数Ｃ２を設定する。
【００７１】
以上のようにして、信号処理部３０は、あらかじめ設定された目標の最大移動速度と１回の測定にかかる時間から目標距離誤差値を算出する目標距離誤差算出部３４を備え、目標距離誤差値を用いて測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を算出するように構成したので、これにより目標が移動しても目標が測定可能距離間隔内に収まるので、目標を検出することができる。
【００７２】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体構成であり、実施の形態１の図１に示すレーザレーダ装置の構成に対して、トリガ周期制御部４１を追加で備えるものである。図１と同一符号は同一又は相対部分を示すので説明を省略する。
【００７３】
トリガ周期制御部４１は、最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された測定可能距離間隔に基づいて算出されたゲート信号及びランプ電圧比例定数信号から最適なトリガ周期信号を算出してトリガ発生部１１に出力する。
【００７４】
最適なトリガ周期信号の算出方法について説明すると、トリガ周期Ｔ１は、測定終了時間であるランプ電圧終了時間ｔｍａｘ１よりも大きな値を取る。
Ｔ１>ｔｍａｘ１
例えば、再設定されたランプ電圧終了時間ｔｍａｘ２が初回ランプ電圧時間ｔｍａｘ１の１／Ａ倍（Ａは定数）だったとする。
ｔｍａｘ２＝ｔｍａｘ１／Ａ
すると、再設定されたトリガ周期Ｔ２もランプ電圧終了時間の変化に応じて１／Ａ倍にすることが可能となる。
Ｔ２＝Ｔ１／Ａ
このように、トリガ周期を短くすることで、データ取得を高速化することができる。
【００７５】
トリガ周期制御部４１によって最適なトリガ周期信号が出力されると、トリガ発生部１１は最適なトリガ周期信号に応じた周期でトリガを発生させる。
【００７６】
反射光帰還時間を測定するために、レーザ部１２は測定可能距離間隔に応じた測定可能時間間隔だけ次のレーザ光の発振を待つ必要がある。測定可能距離間隔が広い場合には測定可能時間間隔が長くなるので、レーザ光の発振繰り返し周期を長くする必要がある。逆に測定可能距離間隔が狭い場合には測定可能時間間隔が短くなり、レーザ光の発振周期を短くすることができる。
【００７７】
実施の形態３に係るレーザレーダ装置では２回目以降の測定において測定可能距離間隔を目標距離付近に最適化するので、測定可能時間間隔は小さくなる。そこで、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置では、最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出されたランプ電圧比例定数信号とゲート信号からトリガ周期制御部４１が測定可能時間間隔を算出し、算出した測定可能時間間隔に応じて最適なレーザ光のトリガ周期を決定するトリガ周期を算出する。
【００７８】
以上のようにして、測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔隔から最適なトリガ周期信号を算出するトリガ周期制御部４１を備え、光送受信部１０は最適なトリガ周期信号に応じた周期でトリガを発生させるように構成したので、２回目以降の測定において最適なトリガ周期信号に応じた周期でレーザ光を発振し、レーザ発振繰り返し周期を短縮することができる。
【００７９】
また、１回の距離強度画像の撮像周期はレーザの発振周期に比例するので、レーザ発振繰り返し周期を短縮することで２回目以降の測定において距離強度画像の撮像周期を短縮することができる。
【００８０】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、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。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 光送受信部、１１ トリガ発生部、１２ レーザ部、１３ スキャナ部、１４ 角度モニタ部、１５ 受信レンズ部、１６ 受光器部、２０ 距離強度算出部、２１ 強度測定部、２２ 時間測定部、２３ 距離算出部、３０ 信号処理部、３１ 距離強度画像算出部、３２ 目標検出部、３３ 最適測定可能距離間隔算出部、３４ 目標距離誤差算出部、４１ トリガ周期制御部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光の発振時間と反射光の受光時間の差から目標までの距離を導出するレーザ距離測定法を用いたレーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザレーダ装置では、時間測定の基準となる時間標準を有しており、時間標準を基にレーザ光の発振時間から反射光の受光時間までの時間間隔である反射光帰還時間を測定し、反射光帰還時間と光速度から目標までの距離値を算出していた。
【０００３】
図１２は、レーザレーダ装置におけるレーザ光の発信時間と反射光の受光時間の差を測定する時間測定部の構成図例である。図１２に示す時間測定部は時間標準として定電流源を用いたランプ電圧を有している。ランプ電圧はレーザ光の発振時間の基準となるゲート信号により定電流源のスイッチが入ることで電圧上昇を始め、定電流源の電流値に応じて時間に対して比例して増加する。反射光の受光による受信信号が発生するとピーク検出回路によりＳ／Ｈトリガが出力される。Ｓ／Ｈトリガによりランプ電圧のその瞬間の電圧値をＳ／Ｈ回路が読み取り、ホールド電圧値として出力する。その後、ゲート信号の入力が止まり、リセット信号が入力され、ランプ電圧が放電される。ゲート信号の時間とランプ電圧の時間に対する比例定数とホールド電圧値から上記反射光帰還時間を算出する。
【０００４】
定電流源には一定のノイズが存在するため、ランプ電圧にもノイズが存在し、Ｓ／Ｈトリガのタイミングに対してホールド電圧値が誤差を有する。ホールド電圧値が誤差を有することにより、算出される反射光帰還時間も誤差を有することになる。
【０００５】
ここで、ランプ電圧の比例定数を大きくすると時間に対するホールド電圧変化量が大きくなる一方、ホールド電圧値の誤差は一定値であるので、相対的に算出される反射光帰還時間の誤差は小さくなる。逆にランプ電圧の比例定数を小さくすると相対的に算出される反射光帰還時間の誤差は大きくなる。ランプ電圧の比例定数を大きくすることで算出される反射光帰還時間の誤差は小さくなるが、ランプ電圧値には上限があるので、測定可能時間間隔は短くなる。逆にランプ電圧の比例定数を小さくすると、誤差は大きくなるが測定可能時間間隔を長くすることが可能である。
【０００６】
よって、反射光帰還時間の測定可能時間間隔が長いほど時間測定精度が悪くなり、測定可能時間間隔が短いほど時間測定精度が良くなる。
【０００７】
同様に距離測定誤差は測定可能距離間隔に反比例する。広い距離間隔を測定する場合には距離測定精度が粗く、狭い距離間隔を測定する場合には細かい精度となる。これにより測定可能距離間隔と距離測定精度は両方高めることはできず、トレードオフの関係にある。
【０００８】
この問題を解決する従来技術として、例えば特許文献１では、レーザレーダ装置と他の距離測定法を併せ持つ装置が提案されている。この発明は広い測定可能距離間隔を持つ他の距離測定法で目標を粗検出し、粗検出の結果を用いて高い距離測定精度を持つレーザレーダ装置で目標を精検出するという装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２４０２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のようなレーザレーダ装置と他の距離測定法を併せ持つ装置では、レーザレーダ装置以外に他の距離測定装置を備えなければならず、装置が大きくなり、また部品数も多くなってしまうという課題があった。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を有するレーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する送受信部と、あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、送受信部によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することでレーザ光の照射点までの距離を示す距離信号を算出すると共に、レーザ光の照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部と、距離強度算出部により算出された距離信号及び強度信号に基づきあらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部とを備え、距離強度算出部は信号処理部により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るレーザレーダ装置によれば、目標までの距離の測定を複数回行い、初回測定では測定可能距離間隔を広く設定し目標を低精度で検出し、次回以降の測定では前回の測定の結果を用いて測定可能距離間隔を狭く再設定して目標を高精度に検出するため、レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を併せ持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体構成である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定時のランプ電圧を示したグラフである。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定及び測定可能距離間隔の再設定について示したグラフである。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の次回測定時のランプ電圧について示したグラフである。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の処理手順のフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における時間測定部のランプ電圧の時間変化を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の目標強度データが示す信号の強度が高い時と信号の強度が低い時のランプ電圧の時間変化を示す図である。
【図８】図１のレーザレーダ装置の全体構成において、受信視野中心とレーザ光伝搬方向が同軸方向でない場合の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体構成である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置のランプ電圧の時間変化を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体構成である。
【図１２】レーザレーダ装置におけるレーザ光の発信時間と反射光の受光時間の差を測定する時間測定部の構成図例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体構成である。この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を発振し、レーザ光の反射光を集光して電気信号である受信信号に変換する光送受信部１０と、測定可能時間間隔の可変な時間標準を有し、光送受信部１０によって変換された受信信号からセンサからレーザ光照射点までの距離を示す距離信号及びレーザ照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部２０と、距離信号及び強度信号から目標を検出し、検出された目標に対して最適な測定可能距離間隔を算出する信号処理部３０を備えており、光送受信部１０は、トリガ発生部１１、レーザ部１２、スキャナ部１３、角度モニタ部１４、受信レンズ部１５、受光器部１６によって、距離強度算出部２０は、強度測定部２１、時間測定部２２、距離算出部２３によって、信号処理部３０は、距離強度画像算出部３１、目標検出部３２、最適測定可能距離間隔算出部３３によって、それぞれ構成されている。
【００１６】
トリガ発生部１１はレーザ光の発振時間の基準となるトリガ信号を生成してレーザ部１２と時間測定部２２に出力し、レーザ部１２はトリガ発生部１１によって生成されたトリガ信号に基づいてレーザ光を発振する。スキャナ部１３はレーザ部１２によって発振されたレーザ光とレーザ光の反射光を受光可能な角度範囲である受信視野を２次元走査し、角度モニタ部１４はスキャナ部１３のその時のスキャナ角度を読み取り、スキャナ角度信号として距離強度画像算出部３１に出力する。
【００１７】
受信レンズ部１５は受信視野中心に対して同軸方向に伝搬する目標からの散乱光を集光した反射光を受光器部１６へ出力し、受光器部１６は受信レンズ部１５によって集光された反射光を電気信号である受信信号に変換して強度測定部２１と時間測定部２２に出力する。
【００１８】
強度測定部２１は、受光器部１６によって変換された受信信号のピーク値を計測し、それに対応する電圧を強度信号として距離強度画像算出部３１へ出力する。
【００１９】
時間測定部２２は図１２に示すように構成されており、トリガ発生部１１によって発生されたトリガ信号の時間を時間原点として時間に比例して増加するランプ電圧を時間標準として有する。時間測定部２２は受光器部１６によって変換された受信信号が入力されるとその受信信号のピークを検出してＳ／Ｈトリガを出力する。Ｓ／Ｈ回路はＳ／Ｈトリガの入力タイミングのランプ電圧値を読み取り、ホールド電圧値として距離算出部２３に出力する。
時間測定部２２は、ランプ電圧比例定数とゲート時間を変更することで測定可能時間間隔を変更することができ、初回測定においては測定可能距離間隔が広くなるようにあらかじめ決められた初回ランプ電圧比例定数Ｃ１と初回ゲート時間ｔｇ１を設定し、２回目以降の測定においては初回測定よりも測定可能距離間隔が狭くなるように最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２を設定する。
【００２０】
図１に示す距離算出部２３は、時間測定部２２によって出力されたホールド電圧値からランプ電圧比例定数とゲート時間を用いて反射光帰還時間を算出し、反射光帰還時間と光速度から距離信号を算出して距離強度画像算出部３１に出力する。
ここで、反射光帰還時間の算出に用いるランプ電圧比例定数とゲート時間は時間測定部２２において設定される値であり、初回測定においては初回ランプ電圧比例定数Ｃ１と初回ゲート時間ｔｇ１に設定され、２回目以降の測定においては最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２に設定される。
【００２１】
距離強度画像算出部３１は、角度モニタ部１４によって出力されたスキャナ角度信号から得られるレーザ光照射点の２次元情報と、距離算出部２３から得られる距離信号と、強度測定部２１から得られる強度信号により生成される、空間的に３次元の画像データである３次元距離画像データと、空間的に２次元の反射光強度画像データである２次元強度画像データを算出して目標検出部３２へ出力する。
【００２２】
目標検出部３２は、距離強度画像算出部３１によって算出された３次元距離画像データと２次元強度画像データから目標を検出し、検出した目標までの距離を示す目標距離データと検出した目標の反射光強度を示す目標強度データを算出して最適測定可能距離間隔算出部３３へ出力する。
【００２３】
最適測定可能距離間隔算出部３３は、目標検出部３２によって出力された目標距離データから最適な測定可能距離間隔を算出し、算出した測定可能距離間隔に基づきランプ電圧比例定数信号とゲート信号を算出して時間測定部２２と距離算出部２３に出力する。
【００２４】
ここで、最適な測定可能距離間隔とこれに基づくランプ電圧比例定数信号、ゲート信号の算出について説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定時のランプ電圧を示したグラフであり、図２の時間原点はレーザ発振タイミングとし、ランプ電圧開始時間（初回ゲート時間）をｔｇ１、ランプ電圧の傾きをＣ１、ランプ電圧の最大値をＶｍａｘ、ランプ電圧終了時間をｔｍａｘ１とする。光速をｃとすると、このときの測定可能距離Ｌｍｉｎ１〜Ｌｍａｘ１は、ｔｇ１×ｃ〜ｔｍａｘ１×ｃとなる。ランプ電圧において設定可能なのはランプ電圧開始時間とランプ電圧傾きの２つのパラメータであり、ランプ電圧の最大値Ｖｍａｘは不変の値である。また、ｔｍａｘ１は式（１）で表わされる。
ｔｍａｘ１＝ｔｇ１＋Ｖｍａｘ／Ｃ１ （１）
【００２５】
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の初回測定及び測定可能距離間隔の再設定について示したグラフである。ある時間ｔにレーザ反射光を受光し、その瞬間のランプ電圧ＶＲをホールド電圧値として出力する。このホールド電圧値ＶＲ１と時間ｔの関係を式（２）に示す。
ＶＲ１＝Ｃ１×（ｔ−ｔｇ１） （２）
また、このときのランプ電圧誤差をΔＶＲ１とする。
【００２６】
ランプ電圧誤差ΔＶＲ１から時間誤差Δｔ１を逆算する。Δｔ１とΔＶＲ１の関係は式（３）で表される。
Δｔ１＝ΔＶＲ１／Ｃ１ （３）
また、距離誤差ΔＬは光速ｃを用いて式（４）で表わされる。
ΔＬ１＝ｃ×Δｔ１ （４）
【００２７】
ここで、次回ランプ電圧のランプ電圧開始時間ｔｇ２と終了時間ｔｍａｘ２が、図３に示すように時間誤差Δｔに一致するよう、ランプ電圧開始時間とランプ電圧傾きを再設定する。このときの測定可能距離Ｌｍｉｎ２〜Ｌｍａｘ２は、ｔｇ２×ｃ〜ｔｍａｘ２×ｃとなる。この測定可能距離が距離誤差を含んだ最小の測定可能距離となるため、「最適な測定可能距離間隔」となる。また、このときのランプ電圧傾きをＣ２とすると、次回ランプ電圧のランプ電圧開始時間ｔｇ２及びランプ電圧傾きＣ２は式（５）、式（６）で表わされる。
ｔｇ２＝ｔ−Δｔ１／２ （５）
Ｃ２＝Ｖｍａｘ／Δｔ１ （６）
また、ランプ電圧終了時間ｔｍａｘ２は式（７）で表わされる。
ｔｍａｘ２＝ｔ＋Δｔ１／２ （７）
【００２８】
次に、初回測定と同様に、測定可能距離間隔を再設定されたランプ電圧を用いて、次回測定を行う。図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の次回測定時のランプ電圧について示したグラフである。レーザ拡散光を受光するタイミングは図３と同じｔである。このときホールドされるホールド電圧値ＶＲ２は式（８）で表わされる。
ＶＲ２＝Ｃ２×（ｔ−ｔｇ２) （８）
また、ランプ電圧誤差は、図３と同じΔＶＲとする。
【００２９】
初回測定と同様にランプ電圧誤差ΔＶＲから時間誤差Δｔ２を逆算する。Δｔ２とΔＶＲの関係は式（９）で表わされる。
Δｔ２＝ΔＶＲ／Ｃ２ （９）
また、距離誤差ΔＬ２は式（１０）で表わされる。
ΔＬ２＝ｃ×Δｔ２ （１０）
【００３０】
初回測定時の距離誤差ΔＬ１と次回測定時の距離誤差ΔＬ２を比較した結果を（４）、式（６）、式（９）、式（１０）を用いて、式（１１）に示す。
【００３１】
ΔＬ２／ΔＬ１＝Δｔ２／Δｔ１＝ΔＶＲ／Ｃ２／Δｔ１＝ΔＶＲ／Ｖｍａｘ（１１）
【００３２】
以上のことから最適な測定可能距離を設定することで、距離誤差をΔＶＲ／Ｖｍａｘに減少させることが可能となる。
【００３３】
次に、この実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の処理手順のフローチャートである。まず、時間測定部２２が、ランプ電圧比例定数とゲート時間に初期値を設定する（ステップＳＴ１）。
【００３４】
次に、トリガ発生部１１がトリガ信号を生成し、このトリガ信号に基づいてレーザ部１２がレーザ光を発振する（ステップＳＴ２）。
【００３５】
次に、受信視野の中心がレーザ光の伝搬方向と同軸方向に配向している受信レンズ部１５が目標からの反射光を集光し、受信レンズ部１５によって集光された反射光を、受光器部１６が電気信号である受信信号に変換して強度測定部２１と時間測定部２２へ出力する(ステップＳＴ３)。受光器部１６によって変換された受信信号から強度測定部２１がレーザ光の反射光強度を読み取って強度信号として距離強度画像算出部３１に出力する（ステップＳＴ４）。
【００３６】
次に、受光器部１６によって変換された受信信号が時間測定部２２に入力されると、時間測定部２２がその瞬間のランプ電圧値を読み取ってホールド電圧値として距離算出部２３に出力し（ステップＳＴ５）、時間測定部２２によって出力されたホールド電圧値から距離算出部２３が反射光帰還時間を算出し、反射光帰還時間と光速度からセンサからレーザ光照射点までの距離を算出し、距離信号として距離強度画像算出部３１に出力する（ステップＳＴ６）。
【００３７】
ここで、図６はこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における時間測定部２２のランプ電圧の時間変化を示す図である。トリガ発生部１１によって発生されたトリガ信号を時間原点とし、時間測定部２２の初回ホールド電圧値をＶＲ、初回ゲート時間をｔｇ１、初回ランプ電圧比例定数をＣ１とそれぞれすると、時間測定部２２によって出力されたホールド電圧値から距離算出部２３が反射光帰還時間ｔを算出する処理は式（１２）で表される。
【００３８】
ｔ＝ＶＲ／Ｃ１＋ｔｇ１ （１２）
【００３９】
つまり、距離算出部２３は（１２）の式により、初回ホールド電圧値ＶＲとステップＳＴ１において設定された初回ランプ電圧比例定数Ｃ１と初回ゲート時間ｔｇ１から目標からの反射光帰還時間ｔを算出する。
【００４０】
次に、図５に示すように、角度モニタ部１４がスキャナ角度信号を出力し、スキャナ部１３が駆動してレーザを走査する（ステップＳＴ７）。そして、距離強度画像算出部３１が、出力されたスキャナ角度信号から２次元走査が完了したかを判定する（ステップＳＴ８）。
【００４１】
距離強度画像算出部３１が、２次元走査が完了していないと判定した場合（ステップＳＴ８のＮＯの場合）は、ステップＳＴ２に戻って処理を繰り返す。一方、距離強度画像算出部３１が、２次元走査が完了していると判定した場合（ステップＳＴ８のＹＥＳの場合）には、距離強度画像算出部３１が３次元距離画像データと２次元強度画像データを算出して目標検出部３２に出力する（ステップＳＴ９）。
【００４２】
距離強度画像算出部３１によって出力された３次元距離画像データと２次元強度画像データから目標検出部３２が目標を検出したか判定する（ステップＳＴ１０）。目標検出部３２が、目標を検出しなかったと判定した場合（ステップＳＴ１０のＮＯの場合）、ステップＳＴ１に戻って処理を繰り返す。一方、目標検出部３２が目標を検出したと判定した場合（ステップＳＴ１０のＹＥＳの場合）には、目標距離データと目標強度データを算出し（ステップＳＴ１１）、最適測定可能距離間隔算出部３３に出力する。
【００４３】
次に、最適測定可能距離間隔算出部３３が目標検出部３２によって算出された目標距離データから最適な測定可能距離間隔を算出し、最適な測定可能距離間隔に合わせた次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２を算出する（ステップＳＴ１２）。
【００４４】
その後、最適測定可能距離間隔算出部３３が、算出した次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２をそれぞれランプ電圧比例定数信号とゲート信号として時間測定部２２及び距離算出部２３に出力して再設定を行い（ステップＳＴ１３）、ステップＳＴ２に戻って処理を繰り返す。
【００４５】
時間測定部２２及び距離算出部２３の再設定は、時間測定部２２がランプ電圧比例定数とゲート時間について最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２をそれぞれ設定する。よって、次回測定におけるステップＳＴ６において距離算出部２３によって算出される反射光帰還時間ｔは式（１３）で表わされる。また、次回測定におけるランプ電圧の時間変化を図６に示す。
【００４６】
ｔ＝ＶＲ／Ｃ２＋ｔｇ２ （１３）
【００４７】
このように、ゲート時間とランプ電圧比例定数について測定結果に基づいて再設定を複数回繰り返すことで、測定精度を高めることができる。
【００４８】
ここで、最適測定可能距離間隔算出部３３による最適な測定可能距離間隔の算出は、目標距離データだけでなく、目標強度データも加えて用いて行ってもよい。図３を用いて上述したように、最適な測定可能距離は、目標距離データとランプ電圧誤差によって決定され、通常の場合、このランプ電圧誤差は事前に設定した値を用いる。しかし、目標強度データが大きいほど、このランプ電圧誤差は小さくなるため、この対応関係を用いて、誤差を最適化して再設定することも可能となる。これにより変動する誤差に応じて最適な測定可能距離を測定できるようになる。
【００４９】
目標強度データを用いて最適な測定可能距離間隔を算出する場合、目標強度データが示す目標の強度値が高いほど、距離測定精度が高くなる。そのため、初回測定において目標の強度値が高い場合は距離測定精度も高いので、次回測定ではより精密な距離測定を行うことができる。
【００５０】
図７は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の目標強度データが示す信号の強度が高い時と信号の強度が低い時のランプ電圧の時間変化を示す図である。図７に示すように、初回測定における信号の強度が高い場合は信号の強度が低い場合よりも次回ゲート時間ｔｇ２を反射光帰還時間の近くに設定し、次回ランプ電圧比例定数Ｃ２をより大きく設定するものとする。これにより初回測定時の強度値に応じて次回測定の距離測定精度を高めることができる。
【００５１】
なお、次回ゲート時間ｔｇ２は反射光帰還時間に可能な限り近づけて設定してもよい。例えば、図３において、ランプ電圧誤差ΔＶＲと強度信号Ｉに反比例した場合、ΔＶＲは定数ｋを用いて式（１４）で表される。
ΔＶＲ＝ｋ／Ｉ （１４）
すると、ゲート時間ｔｇ２は、式（３）、式（５）、式（１４）より、式（１５）のように設定される。
ｔｇ２＝ｔ−ｋ／２Ｃ１Ｉ （１５）
よって、強度信号Ｉが強いほど、ゲート時間ｔｇ２を反射光帰還時間ｔに近づけて設定することができると言える。
【００５２】
また、図７に示すように、時間測定部２２の時間標準であるランプ電圧は定電流を時間積分することによって時間に比例して上昇する。ここで、定電流源が一定の電流ノイズＩｎを有する場合、ランプ電圧を示すホールド電圧値のノイズＶｎはランプ電圧比例定数Ｃを用いて式（１６）によって算出することができる。
【００５３】
【００５４】
ここで、図３において、ランプ電圧誤差ΔＶＲがゲート時間ｔｇ２からの経過時間に比例するため、ΔＶＲは比例定数ｈを用いて式（１７）のように表わされる。
ΔＶＲ＝ｈ（ｔ−ｔｇ２） （１７）
よって、ゲート時間ｔｇ２から反射光帰還時間ｔまでの経過時間がなるべく短くなるようにゲート時間ｔｇ２を設定することで、ノイズの上昇を抑え、高精度な測距が可能となる。
【００５５】
また、受信視野中心とレーザ光伝搬方向は同軸方向でなくてもよい。図８は図１のレーザレーダ装置の全体構成において、受信視野中心とレーザ光伝搬方向が同軸方向でない場合の構成を示す図である。受信視野中心とレーザ光伝搬方向が同軸方向でない場合、図８に示すようにスキャナ部１３は受信視野を走査せず、レーザ光のみ受信レンズ部１５の固定された視野内に２次元走査する。
【００５６】
受信視野をスキャナ部１３と分離することにより、受信開口がスキャナ部１３の大きさにより制限されなくなり、受信光強度を大きくすることができる。
【００５７】
スキャナ部１３が行う走査は２次元走査でも１次元走査でもよい。１次元走査の場合、ラインセンサとなり１次元の距離データと強度データを取得する。
【００５８】
なお、スキャナ部１３はなくても良い。スキャナ部１３が備えない構成の場合、実施の形態１のレーザレーダ装置は定点の測距装置となり、ある定点の距離データと強度データが取得できる。この場合、スキャナ部１３の他に角度モニタ部１４、距離強度画像算出部３１、目標検出部３２が必要なくなる。なお、最適測定可能距離間隔算出部３３は距離信号と強度信号から最適な測定可能距離間隔を算出する。
【００５９】
以上のようにして、レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する光送受信部１０と、あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、光送受信部１０によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することで目標までの距離を示す距離信号を算出すると共に、受信信号の強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部２０と、距離強度算出部２０により算出された距離信号及び強度信号に基づきあらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部３０とを備え、距離強度算出部２０は信号処理部３０により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出するように構成したので、レーザレーダ装置以外の他の距離測定装置を備えずに、高い距離測定精度と広い測定可能距離間隔を併せ持つことができる。
【００６０】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体構成であり、実施の形態１の図１に示すレーザレーダ装置の構成に対して、目標距離誤差算出部３４を信号処理部３０の構成に追加で備えるものである。図１と同一符号は同一又は相対部分を示すので説明を省略する。
【００６１】
目標距離誤差算出部３４は、あらかじめ設定された目標最大移動速度と１回の測定にかかる時間から目標距離誤差値を算出して目標距離誤差データとして最適測定可能距離間隔算出部３３に出力する。
【００６２】
最適測定可能距離間隔算出部３３は、目標検出部３２によって算出された目標距離データと目標強度データから最適な測定可能距離間隔だけでなく、目標距離誤差算出部３４によって算出された目標距離誤差値を用いて、最適な測定可能距離間隔を算出して次回ランプ電圧比例定数Ｃ２と次回ゲート時間ｔｇ２をそれぞれランプ電圧比例定数信号、ゲート信号として時間測定部２２に出力する。
【００６３】
目標の最大移動速度ｖｔが想定できる場合、目標距離誤差算出部３４が目標の最大移動速度ｖｔと距離強度画像取得における初回測定と次回測定の時間差Δｔｄから目標が移動する最大の距離を示す目標距離誤差ΔＬとする。目標距離誤差ΔＬを表す式を式（１８）に示す。
【００６４】
【００６５】
目標距離誤差算出部３４は式（１８）を用いて、あらかじめ設定された目標の最大移動速度ｖｔと時間差Δｔｄから目標距離誤差ΔＬを計算して最適測定可能距離間隔算出部３３に出力する。
【００６６】
最適測定可能距離間隔算出部３３は、目標距離誤差算出部３４によって算出された目標距離誤差ΔＬから目標の反射光帰還時間誤差Δｔｒ’を算出する。目標距離誤差ΔＬから目標の反射光帰還時間誤差Δｔｒ’を表す式を式（１９）を示す。ここでｃは光速を示す。
【００６７】
【００６８】
最適測定可能距離間隔算出部３３は式（１９）を用いて、目標距離誤差ΔＬから目標の反射光帰還時間誤差Δｔｒ’を算出し、算出したΔｔｒ’を用いて次回ゲート時間ｔｇ２と次回ランプ電圧比例定数Ｃ２の設定を行う。
【００６９】
図１０は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置のランプ電圧の時間変化を示す図である。次回ゲート時間ｔｇ２と次回ランプ電圧比例定数Ｃ２は図１０に示すように上記反射光帰還時間誤差Δｔｒ’の幅を含むように設定する。
【００７０】
例えば、図３において、目標が移動することを想定し、距離誤差ΔＬ１に目標移動距離誤差ΔＬｍを追加する。よって距離誤差ΔＬ１’は式（２０）で表される。
ΔＬ１’＝ ΔＬ１＋ΔＬｍ （２０）
式（２０）より算出した時間誤差ΔＬ１’からΔｔ１’を算出し、式（５）、式（６）により次回ゲート時間ｔｇ２と次回ランプ電圧比例定数Ｃ２を設定する。
【００７１】
以上のようにして、信号処理部３０は、あらかじめ設定された目標の最大移動速度と１回の測定にかかる時間から目標距離誤差値を算出する目標距離誤差算出部３４を備え、目標距離誤差値を用いて測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を算出するように構成したので、これにより目標が移動しても目標が測定可能距離間隔内に収まるので、目標を検出することができる。
【００７２】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体構成であり、実施の形態１の図１に示すレーザレーダ装置の構成に対して、トリガ周期制御部４１を追加で備えるものである。図１と同一符号は同一又は相対部分を示すので説明を省略する。
【００７３】
トリガ周期制御部４１は、最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出された測定可能距離間隔に基づいて算出されたゲート信号及びランプ電圧比例定数信号から最適なトリガ周期信号を算出してトリガ発生部１１に出力する。
【００７４】
最適なトリガ周期信号の算出方法について説明すると、トリガ周期Ｔ１は、測定終了時間であるランプ電圧終了時間ｔｍａｘ１よりも大きな値を取る。
Ｔ１>ｔｍａｘ１
例えば、再設定されたランプ電圧終了時間ｔｍａｘ２が初回ランプ電圧時間ｔｍａｘ１の１／Ａ倍（Ａは定数）だったとする。
ｔｍａｘ２＝ｔｍａｘ１／Ａ
すると、再設定されたトリガ周期Ｔ２もランプ電圧終了時間の変化に応じて１／Ａ倍にすることが可能となる。
Ｔ２＝Ｔ１／Ａ
このように、トリガ周期を短くすることで、データ取得を高速化することができる。
【００７５】
トリガ周期制御部４１によって最適なトリガ周期信号が出力されると、トリガ発生部１１は最適なトリガ周期信号に応じた周期でトリガを発生させる。
【００７６】
反射光帰還時間を測定するために、レーザ部１２は測定可能距離間隔に応じた測定可能時間間隔だけ次のレーザ光の発振を待つ必要がある。測定可能距離間隔が広い場合には測定可能時間間隔が長くなるので、レーザ光の発振繰り返し周期を長くする必要がある。逆に測定可能距離間隔が狭い場合には測定可能時間間隔が短くなり、レーザ光の発振周期を短くすることができる。
【００７７】
実施の形態３に係るレーザレーダ装置では２回目以降の測定において測定可能距離間隔を目標距離付近に最適化するので、測定可能時間間隔は小さくなる。そこで、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置では、最適測定可能距離間隔算出部３３によって算出されたランプ電圧比例定数信号とゲート信号からトリガ周期制御部４１が測定可能時間間隔を算出し、算出した測定可能時間間隔に応じて最適なレーザ光のトリガ周期を決定するトリガ周期を算出する。
【００７８】
以上のようにして、測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔隔から最適なトリガ周期信号を算出するトリガ周期制御部４１を備え、光送受信部１０は最適なトリガ周期信号に応じた周期でトリガを発生させるように構成したので、２回目以降の測定において最適なトリガ周期信号に応じた周期でレーザ光を発振し、レーザ発振繰り返し周期を短縮することができる。
【００７９】
また、１回の距離強度画像の撮像周期はレーザの発振周期に比例するので、レーザ発振繰り返し周期を短縮することで２回目以降の測定において距離強度画像の撮像周期を短縮することができる。
【００８０】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、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。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 光送受信部、１１ トリガ発生部、１２ レーザ部、１３ スキャナ部、１４ 角度モニタ部、１５ 受信レンズ部、１６ 受光器部、２０ 距離強度算出部、２１ 強度測定部、２２ 時間測定部、２３ 距離算出部、３０ 信号処理部、３１ 距離強度画像算出部、３２ 目標検出部、３３ 最適測定可能距離間隔算出部、３４ 目標距離誤差算出部、４１ トリガ周期制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する光送受信部と、
あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、前記光送受信部によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することで前記レーザ光の照射点までの距離を示す距離信号を算出すると共に、前記レーザ光の照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部と、
前記距離強度算出部により算出された距離信号及び強度信号に基づき前記あらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部とを備え、
前記距離強度算出部は前記信号処理部により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出する
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記送受信部は、前記発振されたレーザ光と当該レーザ光の反射光の受信視野を２次元走査するスキャナ部と、前記スキャナ部のスキャナ角度を読み取って前記信号処理部へ出力する角度モニタ部とを有し、
前記信号処理部は前記角度モニタ部によって読み取られたスキャナ角度に基づいて前記測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、あらかじめ設定された目標の最大移動速度と１回の測定にかかる時間から目標距離誤差値を算出する目標距離誤差算出部を備え、前記目標距離誤差値を用いて測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を算出する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔から最適なトリガ周期信号を算出するトリガ周期制御部を備え、
前記送受信部は前記最適なトリガ周期信号に応じた周期でトリガを発生させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。
【請求項１】
レーザ光を目標に向けて発振し、目標からの反射光を受信して受信信号に変換する光送受信部と、
あらかじめ設定された測定可能時間間隔に基づき、前記光送受信部によるレーザ光の発振から反射光の受信までの時間を測定することで前記レーザ光の照射点までの距離を示す距離信号を算出すると共に、前記レーザ光の照射点からのレーザ光の反射光強度を示す強度信号を算出する距離強度算出部と、
前記距離強度算出部により算出された距離信号及び強度信号に基づき前記あらかじめ設定された測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を設定する信号処理部とを備え、
前記距離強度算出部は前記信号処理部により設定された狭い測定可能時間間隔に基づいて距離信号を算出する
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記送受信部は、前記発振されたレーザ光と当該レーザ光の反射光の受信視野を２次元走査するスキャナ部と、前記スキャナ部のスキャナ角度を読み取って前記信号処理部へ出力する角度モニタ部とを有し、
前記信号処理部は前記角度モニタ部によって読み取られたスキャナ角度に基づいて前記測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、あらかじめ設定された目標の最大移動速度と１回の測定にかかる時間から目標距離誤差値を算出する目標距離誤差算出部を備え、前記目標距離誤差値を用いて測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔を算出する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記測定可能時間間隔より狭い測定可能時間間隔から最適なトリガ周期信号を算出するトリガ周期制御部を備え、
前記送受信部は前記最適なトリガ周期信号に応じた周期でトリガを発生させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２５１８６２（Ｐ２０１２−２５１８６２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２４３１５（Ｐ２０１１−１２４３１５）
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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