JP2008267920A - レーザ測距装置およびレーザ測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号処理負担を軽くして測距時間を短縮したレーザ測距装置を提供する。特に単位時間当たりの測定密度が多い場合に効果的であるようにする。
【解決手段】計測対象へ向けてレーザ光を送信する送信部１と、前記計測対象で反射されて戻ってきた受信信号２１を受信する受信部２と、前記受信部２の出力を分岐して入力する時間計測部３および強度計測部４と、前記時間計測部３が出力する時間計測値△ｔ_１に含まれる時間計測誤差を抑制するコンスタントフラクションディスクリミネータと、前記コンスタントフラクションディスクリミネータでの抑制限度を超える時間計測誤差を補正する補正部５と、その補正部５には強度計測部４の計測した強度計測値Ｐ_１に対する補正量を予め定めて参照自在に記憶した補正テーブルと、を備え、前記強度計測値Ｐ_１が所定値を超えた時にのみ前記補正部５を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ測距装置レーザ測距方法に関する。

下記特許文献１には、反射波の強度が高すぎることに起因する物体の検出精度の悪化を防止するレーダ装置が記載されている。このレーダ装置において、レーザレーダセンサは、レーザ光を発光するレーザダイオードと、レーザダイオードの発光したレーザ光を反射して、所定の測定エリアを走査させるポリゴンミラーを有する。このポリゴンミラーには、レーザ光の反射率が異なる反射面が形成されており、車両の走行速度、反射物体との距離、反射物体からの反射波の受光強度等に基づいて、ポリゴンミラーの反射面を切り換えて、出力するレーザ光の強度を変更する。その結果、遠距離の物体や、レーザ光の反射率の低い物体を検出する場合には、レーザ光の強度を高くし、近距離の物体や、レーザ光の反射率の高い物体を検出する場合には、レーザ光の強度を低くするように強度を変更できるので、物体の検出精度を向上することができる、というものである。

また、下記特許文献２には、レーザ測距において受光量の変化による計測距離の変動を防止するレーザ測距装置が記載されている。このレーザ測距装置は、受光したレーザ光をアナログ電気信号に変換し出力する受光回路と、この受光回路が出力するアナログ電気信号を矩形波に変換し出力するデジタル化回路と、このデジタル化回路の出力する矩形波の入力により時間計測を行い記録する時間計測装置とを有し、デジタル化回路は、所定電圧以上のアナログ電気信号が入力されると矩形波の出力を抑止する飽和対策手段として、アナログ電気信号を増幅する増幅回路の出力が上限閾値以上になると制御信号を出力する飽和レベル検出回路と、制御信号が入力されるとアナログ電気信号から矩形波への変換を抑止する比較回路を有する、というものである。

また、下記特許文献３には、レーザレーダセンサの表面に、レーザ光が内部を伝播したり、散乱されたりする汚れが付着した時、その汚れの付着を検出することが可能な車両用物体認識装置が記載されている。この車両用物体認識装置は、レーザ光が汚れの内部を伝播したり、散乱されたりすると、その一部が、レーザレーダセンサの受光素子によって受光される。そこで、複数照射されるレーザ光の中で、照射からその反射光が受光されるまでの計測時間が所定計測時間より短く、かつ反射光の受光パルスが上閾値を超えるほど強度が強いレーザ光が第１の所定数以上であることを条件として、汚れが付着していると判定する。照射から受光までの時間が所定計測時間よりも短い場合、上述した汚れに起因する反射光であり、受光パルスが上閾値を超えるほど強度が強い場合、汚れの付着量も多くなっていると推測できる。従って、このような受光パルスの数が第１の所定数を超えた時、上述した汚れが付着したと判定できる、というものである。

さらに、この特許文献３には、つぎのような技術も開示されている。すなわち、受光強度に対応する時間幅と補正時間とは所定の対応関係を有する。具体的には、受光強度に対応する時間幅が大きくなるにしたがって補正時間も単調増加する傾向を有している。したがって、その対応関係を予め実験等により求めておくことにより、受光強度に対応する時間幅から補正時間を求めて補正することができる。受光信号が、最大電圧に達する時刻が算出されると、レーザダイオードの発光時刻から最大電圧に達する時刻までの時間差に基づいて反射物体までの距離を測定する。

これにより、反射波の受光強度の違いによる測定誤差は補正時間によって補正され、同一の時刻までの時間差として物体までの距離が測定される。なお、受光強度に対応する時間幅と補正時間との関係はマップ（以下、「補正テーブル」ともいう）としてＲＯＭ等に記憶しておく、というものである。
特開２００５−７７３７９号公報 特開２００３−２９４８４０号公報 特開２００５−１００９４号公報

しかしながら、特許文献３に記載された技術において、前記ＲＯＭ等に記憶された「補正テーブル」を参照することによりＣＰＵの演算処理負担が増大するため、測距時間が長くなるという課題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、測定誤差をなくすように補正するための信号処理負担を軽減することにより、測距時間を短縮したレーザ測距装置を提供することを目的とする。特に、単位時間当たりの測定密度が多い場合に効果的であるようにする。

前記目的を達成するために、第１の発明に係るレーザ測距装置は、下記第１の手段を採用する。
計測対象へ向けてレーザ光を送信する送信部と、前記計測対象で反射されて戻ってきた受信信号を受信する受信部と、前記受信部の出力に接続された時間計測部および強度計測部と、前記時間計測部は前記受信信号の波高に依存しないタイミング情報を抽出可能なコンスタントフラクションディスクリミネータと、前記コンスタントフラクションディスクリミネータでの抑制限度を超える時間計測誤差を補正する補正部を備え、前記強度計測値が所定値を超えた時にのみ前記補正部を作動させる。

第１の発明に係るレーザ測距装置によれば、送信部から計測対象へ向けてレーザ光を送信し、計測対象で反射されて戻ってきた受信信号を受信部で受信する。この受信部の出力を分岐して時間計測部および強度計測部へ入力する。
レーザ測距装置における受信信号を単一固定的な単純閾値によって検出すると、受信信号の波高の変動に伴う時間計測誤差（ジッター）が発生する。例えば、正弦波の昇り傾斜のタイミングで検出する場合、同一測定距離であっても信号強度が強い程早く検出されるため、真の測定距離よりも近くであるかのように誤認され、逆に信号強度が弱い程遅く検出されるため、真の測定距離よりも遠くであるかのように誤認される。

このように時間計測部が出力する時間計測値に含まれる時間計測誤差を抑制するため、コンスタントフラクションディスクリミネータは常時作動している。しかし、コンスタントフラクションディスクリミネータでの抑制限度を超える時間計測誤差が発生した時は、補正部により補正する。このようにして、測定誤差を補正するための信号処理負担を軽減することにより、測距時間を短縮することが可能となる。特に、単位時間当たりの測定密度が多い場合に効果的であるようにする。

また、第２の発明に係るレーザ測距装置は、前記第１の手段に加えて下記第２の手段を採用する。
前記補正部には前記強度計測部の計測した強度計測値に対する補正量を予め定めて参照自在に記憶した補正テーブルと、前記補正テーブルを参照して前記時間計測誤差を補正する演算処理手段と、を備えた。

請求項２に係るレーザ測距装置によれば、補正テーブルを参照して補正する時には演算処理手段（ＣＰＵ）の演算処理負担が増大して測距時間が長くなるので、強度計測値が所定値を超えた時にのみ補正部を作動させる。そうすると、測定誤差を補正するための信号処理負担が軽減され、測距時間を短縮することが可能となる。特に、単位時間当たりの測定密度が多い場合に効果的であるようにする。

また、第３の発明に係るレーザ測距方法は、下記第３の手段を採用する。
計測対象へ向けてレーザ光を送信し、前記計測対象で反射されて戻ってきた受信信号を受信し、前記レーザ光を送信した送信信号と前記受信信号との時間差から光速との関係式により計測対象までの距離を換算するレーザ測距装置において、
前記時間差を計測する時間計測終了ステップと、前記受信信号が飽和しているか否かを判別する飽和判別ステップと、この飽和判別ステップにおいて飽和していると判別されたならば飽和が原因による計測誤差を補正する飽和補正ステップと、前記飽和補正ステップにより正しく補正された後に距離換算ステップと、前記飽和判別ステップにおいて飽和していないと判別されたならば補正することなく計測された時間差から計測対象までの距離を算出する距離換算ステップと、を備えた。

第３の発明に係るレーザ測距方法によれば、第１の発明に係るレーザ測距装置と、同様の作用効果を奏する。

また、第４の発明に係るレーザ測距方法は、下記第４の手段を採用する。
前記飽和補正ステップにおいて、受信した受信信号の強度を計測した強度計測値に対する補正量を予め定めて記憶した補正テーブルを参照する。

第４の発明に係るレーザ測距方法によれば、第２の発明に係るレーザ測距装置と、同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、信号処理負担を軽くして測距時間を短縮したレーザ測距装置を提供することが可能である。特に、単位時間当たりの測定密度（回数）が多い場合に測距時間を短縮する効果が高い。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）について、構成と動作を適宜織り交ぜて説明する。なお、各図において、同一機能は同一符号を付して説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、レーザ測距装置Ｅは計測対象１２（図２）へ向けてレーザ光を送信する送信部１と、計測対象１２で反射されて戻ってきた受信信号２１を受信する受信部２と、この受信部２の出力を分岐して入力する時間計測部３および強度計測部４と、時間計測部３が出力した時間計測値△ｔ_１に含まれた誤差を補正する補正部５と、を備えて構成されている。補正部５は図示せぬ演算処理手段（以下、「ＣＰＵ」と略す）と、パルス幅−補正量マップ（以下、「補正テーブル（図６（ｂ））」ともいう）を含んで構成されている。

強度計測部４は受信信号２１の強度を計測して強度計測値Ｐ_１を出力する。補正部５へ入力された時間計測値△ｔ_１は、強度計測値Ｐ_１を用いて補正された後、時間計測値△ｔ_３として出力される。補正部５には強度計測値Ｐ_１のパルス幅に対する補正量を予め定めた補正テーブルを具備しており、その「パルス幅−補正量マップ」に沿って、時間計測値△ｔ_１を時間計測値△ｔ_３に補正して出力する。すなわち、パルス幅に比例するように信号強度が推定できるという原理を応用している。

図２は本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅにおけるスキャナ２２周辺の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、レーザ測距装置Ｅは送信部１から計測対象１２へレーザ光による送信信号１１を送信して受信信号２を受信する際、所定の測定エリアを走査するためのポリゴンミラーでなるスキャナ２２を介在させる。すなわち、送信部１から送信された送信信号１１は、まずスキャナ２２に投射され、適宜方向に走査するように反射されて計測対象１２へ投射される。

計測対象１２で反射されて戻ってきた受信信号２１もスキャナ２２に投射され適切に反射されて受信部２へ向かう。受信部２で受信された受信信号２１は信号処理部２３、時間計測部３、制御部２５へ送られる。制御部２５は時間計測部３から得られた時間計測値△ｔ_１またはそれを補正した時間計測値△ｔ_３を用いてスキャナ２２を制御する。

図３は本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅにおける単純閾値による誤差の説明図である。図３に示すようにレーザ測距装置Ｅにおける受信信号２１（図１，図４）を単一固定的な単純閾値３２によって検出する際、例えば正弦波の昇り傾斜のタイミングで検出する場合、同一測定距離であっても信号強度が強い程早く検出されるため真の測定距離よりも近くであるかのように誤認され、逆に信号強度が弱い程遅く検出されるため、真の測定距離よりも遠くであるかのように誤認される。

また、レーザ測距装置Ｅにおける受信信号２１を単一固定的な単純閾値３２によって検出すると、受信信号２１の波高の変動に伴う時間計測誤差（ジッター）が発生する。すなわち、受信信号２１が過大入力である場合、例えば増幅器のダイナミックレンジからはみ出せば、増幅器の電源電圧より大きな増幅出力を得ることはできずに飽和信号３１に示す歪みを伴って後段階の信号処理部２３へ送られることになり、当然に測定誤差の原因になる。

図４は本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅにおけるコンスタントフラクションディスクリミネータ（以下、「ＣＦＤ」と略す）の説明図であり、（ａ）ブロック図、（ｂ）信号波形図である。図４（ａ）ブロック図に示すように、受信信号２１は分岐して遅延回路４１および減衰回路４２へと入力される。これら遅延回路４１および減衰回路４２の出力端子はそれぞれがコンパレータ４３に接続されている。

実際には、コンパレータ４３の出力端子は図示せぬＤ型フリップフロップのＤ端子へ入力され、受信信号２１の波高に依存しないタイミング情報をＤ型フリップフロップのＱ端子から抽出する。Ｄ型フリップフロップのＱ端子が図示せぬカウンタに接続され、そのカウンタがレーザ測距装置Ｅの送信部１から出力される送信信号１１の投光タイミングでリセットされてからの時間を計測することにより、時間計測部３は時間計測カウンタとして機能する。ただし、この時間計測カウンタに関しては、既にワンチップ化されたものが実用化されているので、さらなる図解説明は省略する。

遅延回路４１の出力する遅延信号４１ａと、減衰回路４２の出力する減衰信号４２ａはコンパレータ４３に入力されて比較される。ここで、図４（ｂ）信号波形図に示すように、ＣＦＤを用いた時間計測部３は受信信号２１の波高に依存しないタイミング情報を抽出可能であるため、遅延信号４１ａと減衰信号４２ａの交点４５ａの位置はそれぞれの信号強度に依存することなく常に一定である。

このように時間計測部４が出力する時間計測値△ｔ_１に含まれる時間計測誤差を抑制するため、ＣＦＤは常時作動している。しかし、ＣＦＤでの抑制限度を超える時間計測誤差が発生した時に限定して補正部５が作動して補正する。補正部５が作動する際には、ＣＰＵがＲＯＭから読み出した補正テーブル（図６（ｂ））を参照して補正する。

その時、ＣＰＵには相当の負担がかかると共に演算に所定の時間を要するので、ＣＦＤでの抑制限度を超えない時は補正部５を作動させない。このようにして、測定誤差を補正するための信号処理負担を軽減することにより、測距時間を短縮することが可能となる。特に、単位時間当たりの測定密度が多い場合に効果的であるようにする。

図５は本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅにおける飽和信号の交点を示す波形図である。図５に示すように、飽和した遅延信号４１ｂと、同じく飽和した減衰信号４２ｂの交点４５ｂは、本来これらの信号が飽和していなければ得られたであろう真の交点４５ａ（図４（ｂ））よりも手前で検出されるので、この場合も真の測定距離よりも近く誤認される。

図６は本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅにおける補正方法の説明図であり、（ａ）飽和信号の波形図、（ｂ）パルス幅と計測誤差の関係を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、信号強度が強い順の飽和信号６１ｃ，６２ｃ，６３ｃにおけるパルス幅６１ｄ，６２ｄ，６３ｄも広いことが確認できる。このことから、信号強度が強くパルス幅が広い程、計測誤差も大きくなることがわかっている。

図６（ｂ）に示すように、パルス幅と計測誤差の関係をバックデータとして保持しておくことにより、図１に示した補正部５において、正確な補正を施すことが可能となる。すなわち、パルス幅と計測誤差の関係をバックデータとして利用可能に記憶した「パルス幅−補正量マップ」に沿って、時間計測値△ｔ_１を時間計測値△ｔ_３に補正して出力する。

図７は本実施形態に係るレーザ測距装置Ｅにおける飽和補正の手順を示すフローチャートである。図７に示すようにレーザ測距装置Ｅにおいて、時間計測終了（ステップＳ１）についで、受信信号２１が強度計測部４において飽和しているか否か？を判別する飽和判別（ステップＳ２）が続き、この飽和判別（ステップＳ２）において飽和している（Ｙｅｓ）と判別されたならば飽和補正（ステップＳ３）へ進み、正しく補正された後に距離換算（ステップＳ４）を実行する。一方、飽和判別（ステップＳ２）において飽和していない（Ｎｏ）と判別されたならば、補正することなくそのまま距離換算（ステップＳ４）を実行する。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。例えば、本発明にいう「補正テーブル」または「パルス幅−補正量マップ」の呼称にかかわりなく、図１における補正部５および図６（ｂ）に示したように、受光強度（受信信号２１）に対応する時間幅と補正時間との関係を、実験等により予め定めてＲＯＭ等に記憶したものであれば、何れを用いても構わない。さらに、その記憶媒体もＲＯＭに限定することなく自由である。

要するに、ＣＦＤでの抑制限度を超える時間計測誤差を補正する補正部５を備え、受信部２で受信された受信信号２１を強度計測部４が計測したと強度計測値Ｐ_１が所定値を超えた時にのみ補正部５を作動させて、不必要な演算処理手段ＣＰＵの処理負担を軽減することにより、パフォーマンスを向上させて測距速度を高めるようにしたレーザ測距装置Ｅに関する技術はすべて本発明に含まれる。

上記実施形態では、レーザ光を用いたレーザレーダセンサを採用したが、電磁波や光（ミリ波、Ｘ線等）や超音波を用いるものであってもよい。

本実施形態に係るレーザ測距装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るレーザ測距装置におけるスキャナ周辺の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るレーザ測距装置における単純閾値による誤差の説明図である。 本実施形態に係るレーザ測距装置におけるコンスタントフラクションディスクリミネータＣＦＤの説明図であり、（ａ）ブロック図、（ｂ）信号波形図である。 本実施形態に係るレーザ測距装置における飽和信号の交点を示す波形図である。 本実施形態に係るレーザ測距装置における補正方法の説明図であり、（ａ）飽和信号の波形図、（ｂ）パルス幅と計測誤差の関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ測距装置における飽和補正の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 送信部
３ 時間計測部
４ 強度計測部
５ 補正部
１２ 計測対象
２１受信信号
Ｅ レーザ測距装置
△ｔ_１ 時間計測値
Ｐ_１ 強度計測
ＣＦＤ コンスタントフラクションディスクリミネータ

Claims (4)

1. 計測対象へ向けてレーザ光を送信する送信部と、
   前記計測対象で反射されて戻ってきた受信信号を受信する受信部と、
   前記受信部の出力端に接続された時間計測部および強度計測部と、
   前記時間計測部は前記受信信号の波高に依存しないタイミング情報を抽出可能なコンスタントフラクションディスクリミネータと、
   前記コンスタントフラクションディスクリミネータでの抑制限度を超える時間計測誤差を補正する補正部を備え、
   前記強度計測値が所定値を超えた時にのみ前記補正部を作動させることを特徴とするレーザ測距装置。
2. 前記補正部には前記強度計測部の計測した強度計測値に対する補正量を予め定めて参照自在に記憶した補正テーブルと、
   前記補正テーブルを参照して前記時間計測誤差を補正する演算処理手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ測距装置。
3. 計測対象へ向けてレーザ光を送信し、
   前記計測対象で反射されて戻ってきた受信信号を受信し、
   前記レーザ光を送信した送信信号と前記受信信号との時間差から光速との関係式により計測対象までの距離を換算するレーザ測距装置において、
   前記時間差を計測する時間計測終了ステップと、
   前記受信信号が飽和しているか否かを判別する飽和判別ステップと、
   この飽和判別ステップにおいて飽和していると判別されたならば飽和が原因による計測誤差を補正する飽和補正ステップと、
   前記飽和補正ステップにより正しく補正された後に距離換算ステップと、
   前記飽和判別ステップにおいて飽和していないと判別されたならば補正することなく計測された時間差から計測対象までの距離を算出する距離換算ステップと、を備えたことを特徴とするレーザ測距方法。
4. 前記飽和補正ステップにおいて、
   受信した受信信号の強度を計測した強度計測値に対する補正量を予め定めて記憶した補正テーブルを参照することを特徴とする請求項３に記載のレーザ測距方法。

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