JP6653052B2 - レーザー測距装置およびレーザー測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー測距装置およびレーザー測距方法に関する。

測定対象物にレーザー光を照射し、その反射光を受光して距離を測定するレーザー測距技術は、様々な分野で活用されている（例えば特許文献１、２）。特に、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）の分野では従来から広く利用されており、さらに、最近では自動車の衝突安全回避用のレーザーレーダーが実用化され、さらなる需要の拡大が期待されている。

また、建設市場においても、ＩＣＴ施工（情報化施工）の普及が促進され、工事現場の施工前、施工後の三次元データの計測が必要になり、建設用途向け三次元レーザースキャナーの需要が伸びている。三次元レーザースキャナーはまた、土木建築・建設分野に限らずその活用は多岐にわたり、工場やプラント、文化財調査保存、製品検査、リバースエンジニアリング、犯罪・事故現場捜査解析、森林調査、農業、バーチャルリアリティ等、様々な分野で利用されている。

レーザー測距技術のうち特に中長距離の距離測定には、大きく分類して２つの測距方式が用いられる。１つはＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式であり、測定対象物に対してレーザーパルスを照射し、そのパルスが戻ってくるまでの時間を測ることで、距離を算出する方式である。もう１つは位相差方式であり、レーザー光を変調し、送信光と受信光の変調信号の位相差から、対象までの距離を算出する方式である。

ＴＯＦ方式は時間を正確に測定することが難しく、精度の面では、位相差方式のほうが優れていると言われている。しかし、単パルスで距離を求めることのできるＴＯＦ方式に対して、位相差方式では、レーザー照射時間を必要とする。このため、位相差方式では、長距離計測において高いパワーのレーザー出力を必要とする場合、精度と安全規格の両方を満たすことが難しくなる。ただし、現時点においては、光の到達時間を高精度で直接測定することが困難なため、高精度の測距においては、位相差方式が多く用いられている。

位相差方式も、大別すると２つの方式がある。１つはレーザー波長変調方式であり、もう１つはレーザー強度変調方式である。レーザー波長変調方式は、工業用途などでサブミクロンという非常に高い精度を実現しているが、強度変調と比較して高コストで、かつ、大型の装置になってしまう。このため、三次元レーザースキャナーのような中長距離の距離計測には、主にレーザー強度変調方式が用いられる。

レーザー強度変調方式における変調波形としては、正弦波ではなくパルスが用いられる。その理由は、正弦波を用いるとレーザーを常時発光させることになり、例えば三次元レーザースキャナーのようにレーザー光を空間に放射する場合には人の目に入る可能性があるなど、安全性の点で問題があるからである。また、変調周波数としては、長距離を測定するには低い周波数、高い精度を得るには高い周波数と、複数の周波数が用いられる（例えば特許文献２）。

特表２０１１-５１１２８０号公報 特表２０１１-５２２２１６号公報

レーザー強度変調方式において、変調周波数を高くすると、受光信号をその周波数のまま処理することが困難になってくる。高い周波数を低い周波数に変換する方法として、変調信号と少し周波数の異なる局部発振信号を掛け合わせて差信号を得るヘテロダイン方式が良く知られている。しかし、ヘテロダイン方式はアナログ処理のため、回路規模が大きくなってしまう。

本発明は、このような課題を解決し、受光信号を直接ディジタル変換してその受信信号の変調周波数よりも低い周波数で処理することのできるレーザー測距装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザー測距装置は、強度変調されたレーザー光を発生する発光手段と、この発光手段の出力光を測定対象物に照射する光学手段と、発光手段の出力光を分岐して参照光として受光する参照光受光手段と、測定対象物からの戻り光を受光する戻り光受光手段と、参照光受光手段の出力する参照光信号と戻り光受光手段の出力する戻り光信号とをそれぞれ直接にアナログディジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器の出力に基づいて、参照光信号と戻り光信号との位相差を解析して、測定対象物までの距離を求める信号解析回路と、を備え、レーザー光の変調周波数として、複数の周波数が、一部がＡ／Ｄ変換器のナイキスト周波数より高い周波数であって、ナイキスト周波数より低い変調周波数およびその高調波と、ナイキスト周波数より高い変調周波数がナイキスト周波数で折り返された周波数とが互いに干渉しない値で、時間的に変化するように設定され、信号解析回路は、ナイキスト周波数より低い変調周波数およびナイキスト周波数で折り返された周波数のそれぞれの信号について解析する、ことを特徴とする。

すなわち、本発明では、受光信号を直接Ａ／Ｄ変換する。変調周波数ｆ_Ｈとしてナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２（Ｆ_Ｓはサンプリング周波数）より高い周波数を用いた場合、その周波数のままではサンプリングされず、Ｆ_Ｓ−ｆ_Ｈの信号、すなわちナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２で折り返された（エイリアシングされた）信号（以下、「エイリアス信号」という）に変換される。このエイリアス信号にも元の信号の位相情報が残っていることから、これを用いて、高精度の測距が可能である。ただし、ナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より低い変調周波数およびその高調波がエイリアス信号と干渉しないように、変調に用いる各周波数を設定することが必要である。

本発明の第二の側面によると、強度変調されたレーザー光を発生させ、そのレーザー光を分岐して一方を測定対象物に照射すると共に他方を参照光として受光し、測定対象物からの戻り光を受光し、参照光と戻り光とのそれぞれの受光信号を直接にＡ／Ｄ変換して、２つの受光信号の位相差を解析して測定対象物までの距離を求めるレーザー測距方法において、レーザー光の変調周波数として、複数の周波数を、一部がＡ／Ｄ変換のナイキスト周波数より高い周波数であって、ナイキスト周波数より低い変調周波数およびその高調波と、ナイキスト周波数より高い変調周波数がナイキスト周波数で折り返された周波数と、が互いに干渉しない値で、時間的に変化するように設定し、ナイキスト周波数より低い変調周波数およびナイキスト周波数で折り返された周波数のそれぞれの信号について解析することを特徴とする。

図１は、発明の一実施形態のレーザー測距装置の構成を示すブロック図である。 図２は、参照光信号と戻り光信号との位相差を説明する図である。 図３は、変調波形とスペクトルの関係を説明する図である。

図１は、本発明の一実施形態のレーザー測距装置の構成を示すブロック図である。このレーザー測距装置は、測距のための信号処理を行う信号処理回路１と、強度変調されたレーザー光を発生する発光手段としてのレーザー発光モジュール２と、レーザー発光モジュール２の出力光を測定対象物４に照射する光学手段としての平行光レンズ３と、レーザー発光モジュール２の出力光を分岐して参照光として受光する参照光受光手段としての受光モジュール６と、集光レンズ５により集光された測定対象物４からの戻り光を受光する戻り光受光手段としての受光モジュール７とを備え、信号処理回路１内に、受光モジュール６の出力する参照光信号と受光モジュール７の出力する戻り光信号とをそれぞれ直接にアナログディジタル変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）１３と、このＡ／Ｄ変換器１３の出力に基づいて、参照光信号と戻り光信号との位相差を解析して、測定対象物までの距離を求める信号解析回路１４とを備える。信号処理回路１内にはさらに、信号処理回路１内の各部を動作させるための基準クロックを発生する基準クロック発生器１１と、変調波形を生成してレーザー発光モジュール２に変調信号として供給する変調波形生成器１２とを備える。

図２は、参照光信号と戻り光信号との位相差を説明する図である。強度変調周波数をｆとすると、強度変調の１周期は、λ＝ｃ／ｆに相当する。ｃは光の速度である。したがって、戻り光の位相が参照光信号の位相からΔφずれているとすると、レーザー光の往復走行距離は、（Δφ／２π）λということになる。すなわち、測定対象物までの距離ｄが、
ｄ＝（Δφ／２π）λ÷２＝（Δφ／２π）（ｃ／ｆ）λ÷２＝Δφｃ／４πｆ
により求められる。例えばｆ＝１ＭＨｚの場合、ｃ＝３×１０^８ｍ／ｓとすると、λ＝３００ｍである。位相差を２πの範囲外まで検出することは実用的ではなく、測定対象物までの距離の測定範囲は、波長λの半分が限度となる。一方、変調周波数ｆが高いほど波長λが短く、測定精度を高めることができる。そこで、変調周波数ｆとして複数の周波数を時間的に切り替えて用い、「大きな物差し」、「中程度の物差し」、「細かい物差し」として使い分ける。これにより、測定レンジと測定精度とを共に向上させることができる。

ここで問題となるのは、変調周波数ｆが高くなるほど測定精度を高めることができる一方で、それを信号処理するためには、処理系の処理速度を高めるか、高い周波数を低い周波数に変換する必要があることである。本発明では、Ａ／Ｄ変換器にそのナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２（Ｆ_Ｓはサンプリング周波数）より高い周波数の信号を入力したとき、ナイキスト周波数で折り返された（エイリアシングされた）周波数の信号が発生することを利用する。一般に、このような信号は、エイリアス雑音として除去されるべきものである。本発明では、この信号を、雑音としてではなく位相差を解析するための信号として利用する。この理由から、本明細書では、この信号を特に「エイリアス信号」と呼んでいる。

すなわち、図１に示す実施形態において、変調波形生成器１２は、複数の周波数が、一部がＡ／Ｄ変換器１３のナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より高い周波数であって、ナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より低い変調周波数およびその高調波と、ナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より高い変調周波数がナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２で折り返された周波数とが互いに干渉しない値で、時間的に変化するように設定された変調波形を、変調信号としてレーザー発光モジュール２に供給する。また、信号解析回路１４は、ナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より低い変調周波数およびナイキスト周波数で折り返された周波数の、それぞれの信号について解析する。

図３は、変調波形とスペクトルの関係を説明する図である。変調波形生成器１２は、周波数ｆ_１の各周期毎に、周波数の異なる複数のパルス列を順次生成する。図３（ａ）の例では、周波数ｆ_１の周期毎に、周波数ｆ_２、ｆ_ｈのパルスを順次生成する。周波数ｆ_ｈは、Ａ／Ｄ変換器１３のナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より高いものとする。このとき、Ａ／Ｄ変換器１３の出力には、図３（ｂ）に示すように、周波数ｆ_１、ｆ_２に加え、周波数ｆ_ｈがナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２で折り返された周波数Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈのエイリアス信号が生じる。このエイリアス信号も位相差を解析するための信号として利用されるので、周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_ｈの値は、周波数ｆ_１、ｆ_２およびその高調波がエイリアス信号に干渉しないようにする。また、Ａ／Ｄ変換器１３の出力には、変調信号の高調波も含まれる。

ここで、
Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈ＝ｎ_ｋ×ｆ_ｋ
となる数ｎ_ｋ、ただしｋ＝１，２，…、を定義する。ｎ_ｋが整数のとき、Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈはｆ_ｋの整数倍のため、ｆ_ｋの高調波がＦ_Ｓ−ｆ_ｈに重なり、干渉が生じて、Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈの位相に誤差が生じる。一方、ｎ_ｋが非整数であれば、Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈはｆ_ｋの整数倍ではなく、ｆ_ｋの高調波がＦ_Ｓ−ｆ_ｈに干渉することはない。Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈがｆ_ｋの整数倍ではなくという条件が満たされるのであれば、ｆ_ｋ（ｋ＝２，…）およびｆ_ｈがｆ_１の整数倍であってもよい。

具体的な例として、
Ｆ_Ｓ＝１ＧＨｚ，
ｆ_１＝１ＭＨｚ，
ｆ_２＝２０ＭＨｚ，
ｆ_ｈ＝６００ＭＨｚ
の場合を考える（周波数例１）。この場合、
Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈ＝４００ｆ_１ ＝３０ｆ_２
となり、ｆ_１、ｆ_２の高調波がＦ_Ｓ−ｆ_ｈに重なって、Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈの位相に誤差が生じることになる。

これに対し、
Ｆ_Ｓ＝１ＧＨｚ，
ｆ_１＝１．２ＭＨｚ，
ｆ_２＝２４ＭＨｚ，
ｆ_ｈ＝６００ＭＨｚ
とすれば（周波数例２）、
Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈ＝３３３．３３３…×ｆ_１ ＝１６．６６６…×ｆ_２
となり、ｆ_１、ｆ_２の高調波が２．４ＧＨｚ（Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈとｆ_１、ｆ_２の公倍数のうちナイキスト周波数で折返した結果Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈに重なる周波数のうち一番低い周波数）未満の場合には、Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈに対して干渉することはない。

ただし、ｆ_１、ｆ_２の高次高調波、具体的には２．４ＧＨｚ、３．６ＧＨｚ等の場合、それらのエイリアス周波数が、Ｆ_Ｓ−ｆ_ｈと一致することになるが、Ａ／Ｄ変換器１３の手前に６００ＭＨｚまでは通過させ、２．４ＧＨｚ以上の高調波を遮断するＬＰＦ（ローパスフィルター）を挿入することにより、高次高調波のＦ_Ｓ−ｆ_ｈに対しての干渉を回避することが可能である。あるいは、適切に帯域が制限された受光モジュールを使えばＬＰＦを省略することもできる。

一方、周波数例１においては、ｆ_ｈより低い高調波がＦ_Ｓ−ｆ_ｈに干渉してしまうので、ｆ_ｈより高い高調波のみをＬＰＦで遮断する手法は適用することができない。従って、周波数例２のような組み合わせを採用する本発明によって、ｆ_１、ｆ_２の高調波がＦ_Ｓ−ｆ_ｈに対して干渉することを排除でき、位相に誤差を生じさせることが解消されることとなる。

以上説明した実施形態では、既存のＡ／Ｄ変換器１３を用いて、そのナイキスト周波数Ｆ_Ｓ／２より高い変調周波数でのレーザー強度変調方式による距離測定が可能となる。また、そのときに用いる変調周波数を適切に設定することにより、ディジタル変換された信号間の干渉を防止し、精度の高い測定を行うことができる。

１ 信号処理回路
２ レーザー発光モジュール（発光手段）
３ 平行光レンズ（光学手段）
５ 集光レンズ
６ 受光モジュール（参照光受光手段）
７ 受光モジュール（戻り光受光手段）
１１ 基準クロック発生器
１２ 変調波形生成器
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ 信号解析回路

Claims (2)

1. 強度変調されたレーザー光を発生する発光手段と、
   この発光手段の出力光を測定対象物に照射する光学手段と、
   前記発光手段の出力光を分岐して参照光として受光する参照光受光手段と、
   前記測定対象物からの戻り光を受光する戻り光受光手段と、
   前記参照光受光手段の出力する参照光信号と前記戻り光受光手段の出力する戻り光信号とをそれぞれ直接にアナログディジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器の出力に基づいて、前記参照光信号と前記戻り光信号との位相差を解析して、前記測定対象物までの距離を求める信号解析回路と、
   を備え、
   前記レーザー光の変調周波数として、複数の周波数が、一部が前記Ａ／Ｄ変換器のナイキスト周波数より高い周波数であって、前記ナイキスト周波数より低い変調周波数およびその高調波と、前記ナイキスト周波数より高い変調周波数が前記ナイキスト周波数で折り返された周波数とが互いに干渉しない値で、時間的に変化するように設定され、
   前記信号解析回路は、前記ナイキスト周波数より低い変調周波数および前記ナイキスト周波数で折り返された周波数のそれぞれの信号について解析する、
   ことを特徴とするレーザー測距装置。
2. 強度変調されたレーザー光を発生させ、
   そのレーザー光を分岐して一方を測定対象物に照射すると共に他方を参照光として受光し、
   前記測定対象物からの戻り光を受光し、
   前記参照光と前記戻り光とのそれぞれの受光信号を直接にＡ／Ｄ変換して、２つの受光信号の位相差を解析して前記測定対象物までの距離を求める
   レーザー測距方法において、
   前記レーザー光の変調周波数として、複数の周波数を、一部が前記Ａ／Ｄ変換のナイキスト周波数より高い周波数であって、前記ナイキスト周波数より低い変調周波数およびその高調波と、前記ナイキスト周波数より高い変調周波数が前記ナイキスト周波数で折り返された周波数とが互いに干渉しない値で、時間的に変化するように設定し、
   前記ナイキスト周波数より低い変調周波数および前記ナイキスト周波数で折り返された周波数のそれぞれの信号について解析する、
   ことを特徴とするレーザー測距方法。
   
   

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