JP5518267B2 - レーザレーダ装置、惑星着陸用セーフランディングセンサ、宇宙機用ドッキングセンサ、宇宙ごみ回収センサおよび車載衝突防止センサ - Google Patents

Description

この発明は、ターゲット上の一点ないしは複数点までの距離を計測するレーザレーダ装置に関するものであり、特に、アレイ受信機を有し、ターゲット上の特定箇所までの距離を計測する機能（以下、測距モードと称する）と、ターゲットの３次元形状を計測する機能（以下、イメージングモードと称する）とを兼ね備えたレーザレーダ装置、惑星着陸用セーフランディングセンサ、宇宙機用ドッキングセンサ、宇宙ごみ回収センサおよび車載衝突防止センサに関するものである。

従来、ターゲット上の特定箇所までの距離を計測する測距モードと、ターゲットの３次元形状を計測するイメージングモードとを兼ね備えたレーザレーダ装置としては、例えば特許文献１や非特許文献１に開示されたものが知られている。

この特許文献１や非特許文献１に開示された従来のレーザレーダ装置（イメージングモード）では、送信パルスであるレーザをライン状にして送信し、このレーザに対するターゲットからの散乱光をリニアアレイ化されたアレイ受信機の各素子で受信することで、各素子の視野に対応するターゲット上の点までの距離を瞬時に計測する。つまり、ターゲットの断面形状を瞬時に計測する。この計測を、１次元スキャナによりリニアアレイと直交する方向にスキャンしながら繰り返すことで、２次元の距離画像を取得する。そして、得られた距離画像と、各画素に対応する送受信方向の角度から、ターゲットの３次元形状を取得している。

このイメージングモードが正常に機能する状態においては、測距モードとしても動作できることは自明である。このレーザレーダ装置を使用することで、惑星探査機を惑星上に着陸させる際に障害物を検知するセーフランディングセンサ、衛星をはじめとした物体間のドッキングセンサへの適用が期待できる。

特開２００９−２７６２４９号公報

Ｓ．Ｋａｍｅｙａｍａ ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，８１９２０５，２０１１． Ｓ．Ｋａｍｅｙａｍａ ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，７３８２０９，２００９．

しかしながら、従来のアレイ受信機を有する３次元形状取得用のレーザレーダ装置では、１パルス（単一の送信光学系）で複数素子による計測を行っている。そのため、各素子での信号検出に利用できる送信パルスエネルギーは、全送信パルスエネルギーを素子数で割った値まで小さくなる。つまり、このレーザレーダ装置において、送信パルスエネルギーが有限な値を持つ場合、良好な信号検出を実現距離が大きく制限される。

したがって、従来のレーザレーダ装置では、ターゲットの３次元形状が計測できなくなる条件（例えば、ターゲットまでの距離がある値以上）になると、上記３次元形状計測機能だけでなく、ターゲット上の特定箇所までの距離を計測することも同時に困難となってしまうという課題があった。つまり、イメージングモードの動作が困難となる条件では、測距モードの動作も同時に困難となっていた。

上記セーフランディングセンサ、ドッキングセンサの用途においては、遠方では、ターゲットの３次元形状情報は必要ないが測距モードにより特定箇所の距離の把握が必要である。また、近距離では、ターゲットのより詳細な情報として３次元形状情報が必要となる。しかしながら、上述したように、従来のレーザレーダ装置では、ある特定の条件（例えば、ターゲットまでの距離がある値以上）では測距モードでの動作も困難となるため、上記２つのセンサへ適用した場合、動作を開始できるターゲットまでの距離が近距離に限られるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アレイ受信機を有し、測距モードとイメージングモードとを兼ね備え、かつ、従来に対し、より遠方から計測動作を開始できるレーザレーダ装置、惑星着陸用セーフランディングセンサ、宇宙機用ドッキングセンサ、宇宙ごみ回収センサおよび車載衝突防止センサを提供することを目的としている。

この発明に係るレーザレーダ装置は、ターゲットへの送信光を出力する光源と、光源により出力された送信光を、所定のビーム拡がり角とする送信光学系と、送信光学系により所定のビーム拡がり角とされた送信光に対するターゲットからの散乱光を受光し、電気信号に変換する受光素子アレイと、受光素子アレイにより変換された電気信号から、受信強度および受信時間を検出する電気回路アレイと、電気回路アレイにより検出された受信時間に基づいて、ターゲットまでの距離または当該ターゲットの３次元形状を計測する計測部と、電気回路アレイにより検出された受信強度および受信時間に基づいて、送信光学系によるビーム拡がり角を変更するかを判定する判定部と、判定部による判定結果に基づいて、送信光学系によるビーム拡がり角を変更する制御部とを備え、ターゲットまでの距離が遠距離から近距離に移行する際に、制御部は判定部による判定結果に基づいて送信光学系によるビーム拡がり角を変更するとともに、計測部はターゲットまでの距離を計測する測距モードから当該ターゲットの３次元形状を計測するイメージングモードに移行することを特徴とするものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、測距モードとイメージングモードとを兼ね備え、かつ、従来に対し、より遠方から計測動作を開始できる。

この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における信号処理部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置を惑星着陸用セーフランディングセンサへ適用した場合の運用模式図である。 図３に示すレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。

以下、この発明の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．
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構成を示す模式図である。
レーザレーダ装置は、図１に示すように、レーザドライバ１、パルスレーザ（光源）２、送信光学系３、折り返しミラー４（図１では２つの折り返しミラー４ａ，４ｂ）、スキャナミラー５、受信光学系６、受光素子アレイ７、電気回路アレイ８、信号処理部９および制御部１０から構成されている。

レーザドライバ１は、制御部１０からの信号に応じてパルスレーザ２の駆動制御を行うものである。
パルスレーザ２は、レーザドライバ１からの信号に応じて、所定の送信パルスであるレーザ（送信光）を出力するものである。

送信光学系３は、パルスレーザ２により出力されたレーザを所定のビーム拡がり角にし、折り返しミラー４およびスキャナミラー５を介してターゲットに向けて照射するものである。この送信光学系３は、測距モードで用いる高指向性ビーム用光学系３１と、イメージングモードで用いるファンビーム用光学系３２とを有している。そして、制御部１０からの信号に応じて上記光学系３１，３２を切り替え、いずれか一方を送信ビーム用として用いる。なお、高指向性ビーム用光学系３１としては、一般的なコリメート光学系が適用でき、ファンビーム用光学系３２としては、例えば非特許文献１に示された構成などが適用できる。

折り返しミラー４は、送信光学系３を通過したレーザをスキャナミラー５側へ導く固定のミラーである。
スキャナミラー５は、制御部１０からの信号に応じてモータ５１の回動軸が回動することでミラー本体が回動し、折り返しミラー４により導かれたレーザの進行方向を変化させるものである。このスキャナミラー５はイメージングモードで動作し、ファンビーム用光学系３２および折り返しミラー４を通過したライン状のレーザの進行方向を、このラインと直交する方向に変化させる。

受信光学系６は、送信光学系３から折り返しミラー４およびスキャナミラー５を介して照射されたレーザに対するターゲットからの散乱光を収束するものである。
受光素子アレイ７は、複数の素子を有するリニアアレイであり、受信光学系６により収束された散乱光を各素子で受光し、電気信号からなる受信信号に変換するものである。この受光素子アレイ７の各素子により受信・変換された受信信号は電気回路アレイ８に出力される。

電気回路アレイ８は、複数の素子を有するリニアアレイであり、受光素子アレイ７の各素子からの受信信号を対応する各素子で受信し、この受信信号の受信時間および受信強度（例えばパルスピーク強度）を検出するものである。電気回路アレイ８としては、例えば非特許文献２に示された構成などが適用できる。この電気回路アレイ８の各素子により受信・検出された受信信号の受信時間および受信強度を示す信号は信号処理部９に出力される。

なお、図１では、電気回路アレイ８の出力は、模式的に１本の矢印線で信号処理部９と接続されている。この線には、アレイ８の各素子からの信号がパラレルに出力されるか、または、マルチプレクサ（不図示）により１出力にまとめられシリーズに出力され、全ての素子からの信号が信号処理部９に入力される形となっている。また、図２における信号処理部９への入力についても１本の矢印線で示されているが、これも上述と同様、アレイ８の各素子からの信号がパラレルまたはシリーズに出力され、全ての素子からの信号が信号処理部９に入力される形となっている。

信号処理部９は、電気回路アレイ８の各素子により検出された受信信号の受信時間および受信強度に基づいて、ターゲットまでの距離またはターゲットの３次元形状を計測するとともに、レーザレーダ装置に対するモード判定を行うものである。この信号処理部９の詳細な構成については後述する。

制御部１０は、レーザレーダ装置内の各部の動作制御を行うものである。この制御部１０は、信号処理部９によるモード判定結果に応じて、レーザレーダ装置のモードを切り替える。ここで、制御部１０は、測距モードに設定する場合には、送信光学系３を高指向性ビーム用光学系３１に切り替え、モータ５１を制御してスキャナミラー５の回動を停止させる。また、イメージングモードに設定する場合には、送信光学系３をファンビーム用光学系３２に切り替え、モータ５１を制御してスキャナミラー５を回転させる。

図２はこの発明の実施の形態１における信号処理部９の内部構成を示すブロック図である。
信号処理部９は、図２に示すように、距離・３次元形状出力部（計測部）９１および判定部９２から構成されている。

距離・３次元形状出力部９１は、電気回路アレイ８の各素子により検出された受信信号の受信時間に基づいて、ターゲットまでの距離またはターゲットの３次元形状を計測するものである。ここで、測距モードに設定されている場合には、距離・３次元形状出力部９１は、上記受信時間に基づいて、ターゲットの特定箇所までの距離を算出する。また、イメージングモードに設定されている場合には、上記距離値を、スキャナミラー５の角度情報とともに保存する。そして、スキャナミラー５が回動している間の距離値を逐一計測・保存することで、ターゲットの３次元形状を計測する。この距離・３次元形状出力部９１により計測されたターゲットまでの距離またはターゲットの３次元形状を示す信号は装置外部に出力される。

判定部９２は、電気回路アレイ８の各素子により検出された受信信号の受信時間および受信強度に基づいて、現在のモードを継続するかモード切替を行うかを判定するものである。この判定部９２によるモード判定結果を示す信号は制御部１０に出力される。

次に、上記のように構成されたレーザレーダ装置の動作について、図３，４を参照しながら説明する。図３は、図１に示すレーザレーダ装置を惑星探査機１１に搭載し、惑星表面１２へのセーフランディングを行う際のセンサとして適用した場合の運用に関する説明図であり、図４はその際の動作を示すフローチャートである。
なお以下では、運用のイメージに合わせて、「測距モード」を意味する文言として「高度計モード」という文言を用いることとする。また、動作開始時においては、図３に示す惑星探査機１１が高高度に位置（図の左側）している場合を想定し、高度計モードで動作開始するものとする。

レーザレーダ装置の動作では、図４に示すように、まず、制御部１０は、送信光学系３を高度計モードに対応した光学系（高指向性ビーム用光学系３１）に設定させる（ステップＳＴ１）。この際、送信光学系３出力（高指向性ビーム）のビーム拡がり角が、受光素子アレイ７の１素子の瞬時視野と同等となるように設定しておく。また、上記受光素子アレイ７の特定の１素子の瞬時視野と重なるようにビーム送信角度を設定しておく。

次いで、レーザレーダ装置は、レーザを惑星表面１２に照射する（ステップＳＴ２）。すなわち、まず、パルスレーザ２から送信パルスであるレーザを出力する。そして、高指向性ビーム用光学系３１は、このレーザを高指向性ビームに変換し、折り返しミラー４ａ, ４ｂおよびスキャナミラー５を介して惑星表面１２に照射する。なおこの際、スキャナミラー５は静止させておく。これにより、図３に示す惑星表面１２の特定箇所に高指向性ビームを照射することができる。

次いで、レーザレーダ装置は、惑星表面１２からの散乱光を受光する（ステップＳＴ３）。すなわち、ステップＳＴ２において照射されたレーザに対する惑星表面１２からの散乱光を、受信光学系６を介して受光素子アレイ７の特定の１素子で受光し、電気信号からなる受信信号に変換する。この受光素子アレイ７の特定の１素子により受光・変換された受信信号は電気回路アレイ８に出力される。

次いで、電気回路アレイ８は、受光素子アレイ７の特定の１素子により変換された受信信号を対応する特定の１素子で受信し、この受信信号の受信時間および受信強度を検出する（ステップＳＴ４）。この電気回路アレイ８の特定の１素子により検出された受信信号の受信時間および受信強度を示す信号は信号処理部９に出力される。

次いで、信号処理部９の距離・３次元形状出力部９１は、電気回路アレイ８の特定の１素子により検出された受信信号の受信時間に基づいて、惑星表面１２の特定箇所までの距離を計測する（ステップＳＴ５）。この距離・３次元形状出力部９１により計測された惑星表面１２までの距離を示す信号は装置外部に出力される。

また、ステップＳＴ５における動作と並行して、信号処理部９の判定部９２は、電気回路アレイ８の特定の１素子により検出された受信信号の受信時間および受信強度に基づいて、高度計モードからイメージングモードへの移行を実施するかを判定する（ステップＳＴ６）。この際、判定部９２は、（１）上記受信時間から計測したターゲットの特定箇所までの距離、（２）上記受信強度、および（３）上記受信強度と予め既知である受信雑音レベルとに基づいて求めた受信ＳＮ比、の３つの判定基準うちのいずれか１つ以上に関し、予め定めた閾値と比較する。そして、この比較結果から、このまま高度計モードでの動作を継続するか、イメージングモードへの移行を実施するかの判定を行う。

具体的には、（１）ターゲットの特定箇所までの距離が閾値以下、（２）受信強度が閾値以上、または、（３）受信ＳＮ比が閾値以上、のいずれか１つ以上が成立する場合には、イメージングモードへの移行を実施すると判定する。
基本的に、受信強度または受信ＳＮ比が十分大きければ、イメージングモードに移行して受信光の強度が各素子に分散される形となっても、十分なＳＮ比で各素子での信号検出は可能である。また、ターゲットまでの距離が近距離になるにつれ、受信光の強度は大きくなるため、距離の計測結果から受信強度を概略把握することは可能である。したがって、上記（１）〜（３）のいずれか１つ以上が成立しているかを判定することで、イメージングモードへ移行すべきか否かの自動判定を行うことが可能となる。

なお、上記判定を行うには、距離および受信強度の計測を正確に行うことが必要である。したがって、場合によっては、受信系において信号の飽和を回避することが必要である。このための方策としては、信号処理部９から制御部１０を介してレーザドライバ１に制御をかけ、受信強度に応じてパルスレーザ２からの出力パワーを制御することが考えられる。また、信号処理部９から制御部１０を介して受光素子アレイ７または電気回路アレイ８に制御をかけ、受信系のゲインを制御することも考えられる。この場合、上記判定は、これらの出力パワーまたは受信系のゲインを考慮して受信強度または受信ＳＮ比を校正した値に対して実施する。

このステップＳＴ６におけるモード判定において、判定部９２は、測距モードを継続すると判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ２に戻り高指向性ビームでの送受信動作を継続する。

一方、ステップＳＴ６におけるモード判定において、判定部９２は、イメージングモードへの移行を実施すると判定した場合には、この判定結果を制御部１０に送る。次いで、制御部１０は、イメージングモードへの移行を実施する（ステップＳＴ７）。すなわち、制御部１０は、送信光学系３をファンビーム用光学系３２に切り替えるとともに、モータ５１を制御してスキャナミラー５を回動させる。
その後、レーザレーダ装置は、ファンビームでの送受信動作を行う（ステップＳＴ８）。この際、惑星表面１２上の照射スポットはライン状となるが、このスポットと受光素子アレイ７全体の瞬時視野が一致するようにファンビームの拡がり角を決めておく。このようにしておくことで、照射スポットの各点からの散乱光は受光素子アレイ７の各素子で受光され、電気信号に変換される。

次いで、電気回路アレイ８は、受光素子アレイ７の各素子により変換された受信信号を対応する特定の１素子で受信し、この受信信号の受信時間および受信強度を検出する（ステップＳＴ９）。この電気回路アレイ８の各素子により検出された受信信号の受信時間および受信強度を示す信号は信号処理部９に逐次出力される。

次いで、信号処理部９の距離・３次元形状出力部９１は、電気回路アレイ８の各素子により検出された受信信号の受信時間に基づいて、ターゲットの３次元形状を計測する（ステップＳＴ１０）。すなわち、距離・３次元形状出力部９１は、電気回路アレイ８の各素子により検出された受信信号の受信時間に基づいて、惑星表面１２の各箇所までの距離を算出する。そして、この距離値を、スキャナミラー５の角度情報とともに保存する。そして、スキャナミラー５が回動している間の距離値を計測・保存することで、惑星表面１２の３次元形状を計測する。この距離・３次元形状出力部９１により計測された惑星表面１２の３次元形状を示す信号は装置外部に出力される。

以上のように、この実施の形態１によれば、送信光学系３に、測距モードで用いる高指向性ビーム用光学系３１とイメージングモードで用いるファンビーム用光学系３２とを備え、受信信号の状態（ターゲットまでの距離、受信強度および受信ＳＮ比のいずれか１つ以上）に基づいてモードを切り替えるか否かを判定するように構成したので、アレイ受信機によるイメージングモードでの３次元形状取得機能を保持しつつ、測距モードに関し、従来困難であった長距離からの動作が可能となる。

また、ターゲットへの安全なランディングを行うには、イメージングモードにより、ターゲット上の凹凸形状つまり３次元形状を取得する必要がある。しかしながら、高高度の状態、低受信強度の状態、または受信ＳＮ比が低い状態でイメージングモードに移行すると、１素子に入力される散乱光強度が低下するため、３次元形状取得が機能しなくなる可能性がある。しかし、上記実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、距離が閾値以下となり高い受信ＳＮ比を期待できる状況、または、直接的に計測した受信強度を自己判断してイメージングモードに移行できるため、最適タイミングでの移行が可能となる。

なお、実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、送信パルスを送受してその往復時間から距離を計測することを前提としているが、距離の計測方式は、上述のパルス方式に限るものではない。例えば、正弦波で強度変調された光を送受して、この変調波形の送受間の位相差を計測してこの位相差から距離を求める方式、つまり、ＣＷ変調・位相検波方式でもよい。

また、実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、受信系をリニアアレイとしていたが、受信系は２次元アレイであってもよい。２次元アレイとしておくことにより、高指向性ビームの角度が高度計モードで用いる特定受光素子の視野方向と縦横いずれかの方向に若干ずれたとしても、隣接する素子のいずれかでは受信できる。したがって、測距モードにおいて、隣接する素子に関しても出力値をモニタする機能をさらに有することで、上記角度ずれの問題を回避できる新たなメリットも生じる。

また、実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、送信光学系３に関し２つの光学系３１，３２をデジタル的に切り替えていたが、レーザの拡がり角を徐々にアナログ的に変える方式としてもよい。具体的には、シリンドリカルレンズを用い、パルスレーザと上記シリンドリカルレンズの離間距離を変える機能を持たせることで、この方式を実現することが可能である。

なお、実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、惑星着陸用セーフランディングセンサへ適用するものとして説明を行ったが、このレーザレーダ装置は、物体間、一例としては宇宙機同士のドッキングセンサ（宇宙機用ドッキングセンサ）への適用することによっても、これまでにない効果が生じる。一方の宇宙機にこのレーザレーダ装置を搭載しておき、遠距離においては上記高度計モードでの動作により他方の宇宙機までの概略距離を計測し、近距離ではイメージングモードに移行して終末のドッキング動作を行うようにすれば、より正確・安全なシステム動作が可能となる。
また、宇宙ごみの回収用宇宙機にこのレーザレーダを搭載し、宇宙ごみ回収センサとして用いることで、上記ドッキングセンサと同様の動作を行うことで、より正確なシステム動作が可能となる。

また、実施の形態１に係るレーザレーダ装置を自動車に搭載することで、高精度な車載衝突防止センサとしても従来にない効果が得られる。遠距離においては上記測距モードでの動作により特定方向、例えば前方の障害物（例えば他の車両）までの概略距離を計測し、近距離ではイメージングモードに移行して詳細な３次元形状取得を行うようにすれば、より正確・安全な衝突防止動作が可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ レーザドライバ、２ パルスレーザ、３ 送信光学系、４ 折り返しミラー、５ スキャナミラー、６ 受信光学系、７ 受光素子アレイ、８ 電気回路アレイ、９ 信号処理部、１０ 制御部、１１ 惑星探査機、１２ 惑星表面、３１ 高指向性ビーム用光学系、３２ ファンビーム用光学系、５１ モータ、９１ 距離・３次元形状出力部、９２ 判定部。

Claims (6)

1. ターゲットへの送信光を出力する光源と、
   前記光源により出力された送信光を、所定のビーム拡がり角とする送信光学系と、
   前記送信光学系により前記所定のビーム拡がり角とされた送信光に対する前記ターゲットからの散乱光を受光し、電気信号に変換する受光素子アレイと、
   前記受光素子アレイにより変換された電気信号から、受信強度および受信時間を検出する電気回路アレイと、
   前記電気回路アレイにより検出された受信時間に基づいて、前記ターゲットまでの距離または当該ターゲットの３次元形状を計測する計測部と、
   前記電気回路アレイにより検出された受信強度および受信時間に基づいて、前記送信光学系によるビーム拡がり角を変更するかを判定する判定部と、
   前記判定部による判定結果に基づいて、前記送信光学系によるビーム拡がり角を変更する制御部とを備え、
   前記ターゲットまでの距離が遠距離から近距離に移行する際に、前記制御部は前記判定部による前記判定結果に基づいて前記送信光学系によるビーム拡がり角を変更するとともに、前記計測部は前記ターゲットまでの距離を計測する測距モードから当該ターゲットの３次元形状を計測するイメージングモードに移行することを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記判定部は、前記ターゲットまでの距離、前記受信強度、および当該受信強度に基づく受信ＳＮ比のうちのいずれか１つ以上に基づいて判定を行う
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 請求項１記載のレーザレーダ装置を搭載した
   ことを特徴とする惑星着陸用セーフランディングセンサ。
4. 請求項１記載のレーザレーダ装置を搭載した
   ことを特徴とする宇宙機用ドッキングセンサ。
5. 請求項１記載のレーザレーダ装置を搭載した
   ことを特徴とする宇宙ごみ回収センサ。
6. 請求項１記載のレーザレーダ装置を搭載した
   ことを特徴とする車載衝突防止センサ。

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