JP5741833B2 - レーザレーダ装置及びレーザレーダ法 - Google Patents
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Description
この三次元レーザレーダ装置は、測定空間に対して測定用レーザ光を走査しながら投光し、測定用レーザ光の戻り光を受光することによって得られる点データの分布から海上の船舶を検知する。
より詳細には、三次元レーザレーダ装置は、測定用レーザ光の戻り光が受光されるか否かによって検知対象物の有無を検知し、また測定用レーザ光を射出してから戻り光が受光されるまでの時間から検知した検知対象物までの距離を計測すると共に測定用レーザ光の射出角度から検知対象物の方位を計測する。
一方、測定用レーザ光は、波の立ち上がり領域や波が崩れる際に生じる白波等の波の一部で反射される場合がある。
このため、三次元レーザレーダ装置は、波の一部で測定用レーザ光が反射して発生した戻り光を識別することができず、波の一部を船舶であると誤検知する可能性がある。
このため、特許文献1では、GPSや電波時計、ジャイロコンパス等を用いて潮位を算出して、上述の基準面を常に補正する方法が提案されている。
つまり、このような三次元レーザレーダ装置では、GPS、電波時計及びジャイロコンパスの各々が正常に作動していなければ正確に潮位を算出することができないため、装置の信頼性が低下する。
仮に上記三次元レーザレーダ装置を船舶等の移動体に搭載した場合には、正確に海面位置を算出することができずに正確にマスキングを行うことが難しくなり、他の船舶等を検知できない恐れがある。
ただし、通常、海上における波は、三次元レーザレーダ装置の検知対象物でとなる船舶等と比較して高さが低い。このため、このような波の一部は、当然のことながら船舶等と比較してその高さが僅かなものとなる。
なお、波の進行方向としては、三次元レーザレーダ装置に対して前後方向である場合と、三次元レーザレーダ装置に対して左右方向である場合とが考えられる。測定用レーザ光が照射された場合に三次元レーザレーダ装置に到達する戻り光が発生する領域は、波の進行方向によって大きさが変化する。ただし、この領域の高さは、波の大きさを超えることはなく、船舶等と比較して十分に小さい。つまり、三次元レーザレーダ装置において検知されてしまう波の一部領域の高さは、波の進行方向に関わらず船舶等と比較して常に小さなものとなる。
このような構成を採用する本発明によれば、波の想定最大値を上限として設定される除外閾値以下の高さを有する連続点データ群に含まれる点データ(すなわち測定用レーザ光が波の一部によって散乱されて発生した戻り光を受光して得られた点データ)が削除されて検知対象物の検知が行われる。
つまり、本発明によれば、海面位置がどこに存在しようとも、波の一部に測定用レーザ光が反射して得られた点データが除外されるため、海面位置を取得することなく船舶等を検知することができる。
本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1は、測定空間(検知対象物が存在する可能性のあるエリア)に対して測定用レーザ光を照射して船舶(検知対象物)の検知を行うものであり、当該測定空間に船舶が存在する場合に、その船舶の位置を示す信号を出力する。
そして、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1は、図1に示すように、レーザ投光器1と、受光器2と、ポリゴンスキャナ3と、ガルバノスキャナ4と、距離演算器5と、信号処理部6(信号処理手段)と、制御器7とを備えている。
なお、受光器2は、戻りレーザ光L2を受光した際にパルス信号を出力するものであり、つまりは戻りレーザ光L2の受光タイミング情報を出力する。そして、受光器2は、距離演算器5と電気的に接続されており、距離演算器5に対して上記受光タイミング情報を入力する。
なお、ポリゴンスキャナ3は、制御器7から入力される速度指令に基づいて稼働する。
なお、ガルバノスキャナ4は、制御器7から入力される速度指令に基づいて稼働する。
なお、ポリゴンスキャナ3は、ガルバノスキャナ4と比較して測定用レーザ光L1を高速で走査することに適している。そして、本実施形態においては、上述のようにポリゴンスキャナ3が測定用レーザ光L1を鉛直方向に走査し、ガルバノスキャナ4が測定用レーザ光L1を水平方向に走査する。
このため、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1においては、ポリゴンスキャナ3とガルバノスキャナ4とが連動することによって、水平方向に移動速度より鉛直方向の移動速度が速められて測定用レーザ光L1が走査され、いわゆる縦方向のラスタスキャンが行われる。
このように、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1においては、本発明の走査手段がポリゴンスキャナ3とガルバノスキャナ4とによって構成されている。
より詳細には、距離演算器5は、制御器7からレーザ投光器1に入力される投光指令を同時に入力され、この投光指令の入力タイミングと受光器2から入力される受光タイミングとの差から反射体までの距離を算出する。
なお、距離演算器5は、算出した距離情報を計測情報として信号処理部6に入力する。
例えば、信号処理部6は、距離演算器5から計測情報が入力されると、当該計測情報の基となった戻りレーザ光L2が発生した位置を、制御器7から入力される測定用レーザ光L1の照射位置から取得し、上述のグローバル座標系上の戻りレーザ光L2が発生した位置に点データをプロットする。なお、測定用レーザ光L1の照射位置は、ポリゴンスキャナ3とガルバノスキャナ4から制御器7を介して入力される角度情報から求めることができる。
そして、図2においては、黒丸で示す位置が点データのプロットされた位置である。なお、図2においては、今後の説明を分かり易くするために、平面上に点データがプロットされているが、実際のグローバル座標系は、図2に示す平面に加えて奥行き方向を有しており、点データは立体的にプロットされる。
なお、この信号処理部6での処理は、後に図3に示すフローチャートを参照しながら詳しく説明する。
なお、以下の説明において、動作主体は、制御器7の制御の下で処理を行う信号処理部6である。また、以下の説明においては、信号処理部6が受光器2から見たグローバル座標系の全領域にて点データを取得している状態をスタートとして説明を行う。ただし、以下の動作は、必ずしもグローバル座標系の全領域にて点データを取得している状態からスタートする必要はなく、より処理時間を短くするために点データを取得しながら進めても良い。
ここで、点データが鉛直方向に連続して配列されるとは、2つの点データが鉛直方向に並びかつ隣接距離以内の離間距離とされていることを指す。なお、隣接距離は、単一の検知対象物として可能性のある距離であり、かつ、三次元レーザレーダ装置S1の分解能を超えない範囲で任意に設定可能である。具体的には、本実施形態における検知対象物は船舶であるため、隣接距離を20cm程度に設定することが考えられる。
そして、信号処理部6は、上記隣接距離を予め記憶し、鉛直方向に並ぶ点データを極座標から直交座標に変換してこれらの点データ間の距離を算出し、この算出した距離が上述の隣接距離以下である場合には、これらの点データ同士を単一の連続点データ群とする。
なお、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1において信号処理部6は、連続点データ群に属されなかった点データ(すなわち鉛直方向に連続しない点データ)を削除する。
なお、測定用レーザ光L1が照射された際に波において受光器2に到達する戻り光L2が発生する領域はごく一部である。このため、実験やシミュレーションによって、受光器2に到達する戻り光L2を発生する領域を取得し、この取得値に基づいて上記除外閾値を設定することも可能である。
つまり、本発明において除外閾値は、波の想定最大値とされている必要はなく、例えば、受光器2に到達する戻り光L2を発生する領域に基づく高さ距離を最小値、波の最大の高さ距離を最大値として設定することができる。
なお、ここでの波の想定最大値は、例えば、海面が穏やかな場合において想定される波の最大高さであっても良いし、海面が荒れている場合において想定される波の最大高さであっても良く、三次元レーザレーダ装置S1が設置される環境や検知したい検知対象物によって適宜設定される。
一方、ステップS2において、連続点データ群の高さ距離が除外閾値以下でないと判定した場合には、信号処理部6は、この連続点データ群を、検知対象物を示す部分点データ群として記憶する。
ここで、信号処理部6は、隣り合う部分点データ群がステップS1で用いた隣接距離以内に存在するかを判定し、隣接距離以内に存在する場合には、これらの部分点データ群が単一の船舶を示すものとしてグルーピングする。
なお、船舶の位置は、物体点データ群から船舶の中心を求めて当該中心の位置としても良いし、物体点データ群から船舶の重心を求めて当該重心の位置としても良い。
つまり、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1及び三次元レーザレーダ法によれば、海面の高さが何処に存在しようと、波を船舶と誤検知することを防止することができる。
したがって、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1及び三次元レーザレーダ法によれば、波の一部に測定用レーザ光が反射して得られた点データが除外されるため、海面位置を取得することなく船舶等を検知することができる。
つまり、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1及び三次元レーザレーダ法によれば、海面位置に関わらず、確実に検知対象物を検知することが可能となり、GPS、電波時計及びジャイロコンパス等を搭載する必要がなく、また陸地に限らず船舶等の移動体に対して搭載することも可能となる。
このため、本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1によれば、物体点データ群の生成を行う際の信号処理部6の負荷を低減させることができる。
このように、水平方向の移動速度より鉛直方向の移動速度を速めて測定用レーザ光L1を走査することによって、鉛直方向に連続する点データの取得タイミングが近づき、波の進行速度が前後方向に速い場合であっても、実際の波の大きさよりも広い範囲で当該波を示す点データが取得されることを防止することができる。
このため、このような本実施形態の三次元レーザレーダ装置S1によれば、船舶の検知精度をより高めることが可能となる。
このため、ラスタスキャンを行いながら、上述の動作を行う場合には、点データの取得しながら直ぐに連続点データ群を抽出することができると共に、直ぐに除外閾値以下の高さの連続点データ群を構成する点データを除外することができる。したがって、最も短時間で必要とされない点データを除外することができ、信号処理部6の負担をより低減させることが可能となる。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、検知しようとする検知対象物が船舶以外のものであっても、その大きさが波に対して十分に大きいものであれば検知することが可能である。
しかしながら、測定用レーザ光L1の移動速度が波や船舶の進行速度と比較して十分に速い場合には、上記構成に拘る必要はない。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、回転プリズムを用いたスキャナ等の他のスキャナを用いて走査手段を構成することもできる。
また、ガルバノミラーを備えずにポリゴンミラーを交差する2軸を中心として回転可能とする走査手段、ポリゴンミラーを備えずにガルバノミラーを交差する2軸を中心として回転可能とする走査手段、あるいは、ポリゴンスキャナを水平方向走査に用いてガルバノスキャナを鉛直方向走査に用いる走査手段を用いることも可能である。
図4は、レーザセンサ装置S2の概略構成を示すブロック図である。
また、図5は、レーザセンサ装置S2が備えるポリゴンミラー及びその周囲を拡大して示す三面図及び断面図である。
レーザセンサ装置S2は、測定対象エリア(測定対象物が存在する可能性のあるエリア)に対して測定用レーザ光を照射して測定を行うものであり、当該測定対象エリアに測定対象物が存在する場合に、その測定対象物の位置や形状を示す信号を出力する。
そして、レーザセンサ装置S2は、図4に示すように、レーザ投光器11と、受光器12と、ポリゴンミラー13と、回転用モータ14と、回動用モータ15と、距離演算器16と、制御器17とを備えている。
なお、レーザ投光器11は、制御器17から入力される投光指令に基づいて測定用レーザ光L1を射出する。
この受光器12は、図5に示すように、戻りレーザ光L2を電気信号に変換する受光素子12aと、当該受光素子12aを囲んで保護する受光カバー12bと、ポリゴンミラー13から反射された戻りレーザ光L2を受光素子12aに向けて案内する受光レンズ12cとを備えている。
なお、受光器12は、戻りレーザ光L2を受光した際にパルス信号を出力するものであり、つまりは戻りレーザ光L2の受光タイミング情報を出力する。そして、受光器12は、距離演算器16と電気的に接続されており、距離演算器16に対して上記受光タイミング情報を入力する。
なお、後に詳説するが、レーザセンサ装置S2においてポリゴンミラー13は、図6に示す回動軸Lbを中心に回動される。そして、ポリゴンミラー13が回動する際に、レーザ投光器11及び受光器12とポリゴンミラー13との位置関係が大きくずれて測定用レーザ光L1と戻りレーザ光L2とがポリゴンミラー13の周面から外れないように、これらのレーザ投光器11及び受光器12は、できるだけ回動軸Lbに近づけて配置されている。
本実施形態におけるポリゴンミラー13は、回転用モータ14によって回転軸Laを中心として回転されると共に、図5に示すように、スリット19によって回転軸La方向に2つに分割されている。
より詳細には、ポリゴンミラー13は、スリット19によって、測定用レーザ光L1を案内する測定用レーザ光案内部13aと、戻りレーザ光L2を案内する戻りレーザ光案内部13bとに分割されている。
なお、ポリゴンミラー13には回転用モータ14に接続される軸部110が貫通して取り付けられており、当該軸部110が回転用モータ14によって回転駆動されることによってポリゴンミラー13が回転される。
そして、図5に示すように、本実施形態において窓部111aは、回動軸Lb方向から見て、回動軸Lbを中心とする円弧状に形状設定されている。
この支持部111bは、測定用レーザ光L1及び戻りレーザ光L2に対して不透明な材料によって形成されており、例えば遮光板112と同一の材料によって形成されている。
そして、支持部111bは、窓部111a側と、レーザ投光器11及び受光器12側とに、測定用レーザ光L1及び戻りレーザ光L2を通過可能とする開口を有している。
なお、支持部111bの窓部111a側の先端111cは、窓部111aに対して僅かに隙間を空けて対向配置されている。
ここで、収容ケース111の窓部111aは設置面に固定され、支持部111bは回動可能に軸支されている。このため、支持部111bを回動させた際には、窓部111aと支持部111bとの位置関係が変化する。ただし、窓部111aが回動軸Lbを中心とする円弧状に形状設定されているため、支持部111bの窓部111a側の先端111cから窓部111aまでは、常に僅かな隙間に保たれることとなる。
この遮光板112は、測定用レーザ光L1及び戻りレーザ光L2に対して不透明な材料によって形成されており、測定用レーザ光案内空間K1から戻りレーザ光案内空間K2への光の侵入、及び、レーザ光案内空間K2から測定用レーザ光案内空間K1への光の進入を防ぐものである。
そして、レーザセンサ装置S2においては、遮光板112がポリゴンミラー13のスリット19内にも配設されており、これによって遮光板112にて支持部111bに囲まれた空間が、完全に測定用レーザ光案内空間K1と戻りレーザ光案内空間K2とに隔離されている。
なお、遮光板112の窓部111a側の先端112aは、窓部111aに対して僅かに隙間を空けて対向配置されている。そして、遮光板112は、支持部111bの回動に伴って回動軸Lbを中心に回動され、この際、遮光板112の窓部111a側の先端112aから窓部111aまでは、常に僅かな隙間に保たれる。
なお、本実施形態においては、回転軸Laが水平となるように配設されている。このため、ポリゴンミラー13が回転されることによって測定用レーザ光L1が垂直方向に走査される。
なお、回転用モータ14は、制御器17から入力される速度指令に基づいてポリゴンミラー13を回転させる。また、回転用モータ14には、不図示のエンコーダが設置されており、当該エンコーダから回転用モータ14の角度情報が制御器17に入力される。
ここで、回動軸Lbは、回転軸La(回転用モータ14による回転の中心軸)に対して直交(交差)する中心軸である。このため、回動用モータ15によってポリゴンミラー13が回動されることによって、測定用レーザ光L1がポリゴンミラー13の回転軸Laを中心とする回転による走査方向と異なる方向(第2方向)に走査される。
なお、本実施形態においては、回動軸Lbが垂直となるように配設されている。このため、ポリゴンミラー13が回動されることによって測定用レーザ光L1が水平方向に走査される。
なお、回動用モータ15は、制御器17から入力される速度指令に基づいてポリゴンミラー13を回動させる。また、回動用モータ15には、不図示のエンコーダが設置されており、当該エンコーダから回動用モータ15の角度情報が制御器17に入力される。
より詳細には、距離演算器16は、制御器17からレーザ投光器11に入力される投光指令を同時に入力され、この投光指令の入力タイミングと受光器12から入力される受光タイミングとの差から反射体までの距離を算出する。
そして、制御器17は、上記実施形態の信号処理部6及び制御器7として機能する。
つまり、レーザセンサ装置S2においては、収容ケース111の内部空間で測定用レーザ光案内空間K1から戻りレーザ光案内空間K2への光の入射及び戻りレーザ光案内空間K2から測定用レーザ光案内空間K1への光の入射が遮光板112によって防がれる。
このため、測定用レーザ光L1が収容ケース111内で意図せずに反射することによって発生する迷光が測定用レーザ光案内空間K1から戻りレーザ光案内空間K2に入射することを防止することができ、当該迷光が受光器12に到達することを防ぐことができる。
したがって、レーザセンサ装置S2によれば、迷光による測定精度の悪化を防止することが可能となる。
このように迷光による測定精度の悪化が防止されることによって、戻りレーザ光L2の強度が弱くなる遠距離での測定を可能とすることができる。さらに、迷光が受光器12に入射することを防止できるために、測定用レーザ光L1の出力を高めることが可能となり、より遠距離での測定が可能となる。
このため、回転用モータ14による回転と回動用モータ15による回動とを組み合わせることによって、測定用レーザ光L1を三次元領域の全領域において走査することができる。
よって、レーザセンサ装置S2によれば、三次元領域での測定を行うことができる。
このため、レーザセンサ装置S2の全体を移動させることなく測定用レーザ光L1を走査することができ、これによって測定用レーザ光L1を高速で走査することができる。
このため、支持部12bの内部を測定用レーザ光案内空間K1と戻りレーザ光案内空間K2とに完全に隔離することができ、より迷光が受光器12に入射することを防止することができる。
このため、収容ケース111の全体を回動させることなくポリゴンミラー13を回動させることができると共に、収容ケース111の内部に異物が侵入することを防止することもできる。
図6は、レーザセンサ装置S2が備えるポリゴンミラー13及びその周囲を拡大して示す模式図である。
この図に示すように、レーザセンサ装置S2は、戻りレーザ光案内空間K2に遮光筒13を備えている。
この遮光筒13は、戻りレーザ光案内部13bと受光器12との間に配置されており、戻りレーザ光案内部13bと受光器12との間において、戻りレーザ光L2の光路を囲うものである。
この遮光筒13は、例えば可視光に対して不透明な材料によって形成されており、遮光筒13の内部領域への外乱光(迷光を含む)の侵入を防止するものである。
したがって、より測定精度を向上させることが可能となる。
しかしながら、回転軸Laと回動軸Lbとが交差していれば、測定用レーザ光L1を三次元領域で走査することが可能である。
しかしながら、回転軸Laを垂直に設定し、回動軸Lbを水平に設定しても良い。
しかしながら、ポリゴンミラー13の回転軸La方向から見た形状は、三角形以上の多面体とすることができる。
Claims (4)
- 測定用レーザ光を測定空間に走査しながら投光し、前記測定用レーザ光の戻り光を受光器で受光することで得られる点データの分布から海上の検知対象物の検知を行うレーザレーダ装置であって、
複数の前記点データから鉛直方向に連続して配列される複数の前記点データからなる連続点データ群を抽出し、抽出した前記連続点データ群のうち高さ距離が海上に発生する波の想定最大高さ距離を上限として設定される除外閾値以下の連続点データ群に含まれる前記点データを除外して前記検知対象物の検知を行う信号処理手段を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。 - 水平方向の移動速度より鉛直方向の移動速度を速めて前記測定用レーザ光を走査する走査手段を備えることを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 前記走査手段は、
前記測定用レーザ光を鉛直方向に走査するポリゴンスキャナと、
前記測定用レーザ光を水平方向に走査するガルバノスキャナと
を備えることを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。 - 測定用レーザ光を測定空間に走査しながら投光し、前記測定用レーザ光の戻り光を受光器で受光することで得られる点データの分布から海上の検知対象物の検知を行うレーザレーダ法であって、
複数の前記点データから鉛直方向に連続して配列される複数の前記点データからなる連続点データ群を抽出し、抽出した前記連続点データ群のうち高さ距離が海上に発生する波の想定最大高さ距離を上限として設定される除外閾値以下の連続点データ群に含まれる前記点データを除外して前記検知対象物の検知を行うことを特徴とするレーザレーダ法。
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