WO2017122637A1

WO2017122637A1 - 測距装置および測距方法

Info

Publication number: WO2017122637A1
Application number: PCT/JP2017/000488
Authority: WO
Inventors: 正光錦戸; 大槻　豊
Original assignee: 京セラ株式会社
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2017-07-20
Also published as: JP2019039671A

Abstract

本開示にかかる測距装置の一つの構成は、光デバイス（１１６）と、受光部（１２０）と、演算部（１３４）とを備える。光デバイス（１１６）は、出力光を出力する。出力光は、周波数が周期的に変化する信号に応じて発光量の振動における周波数が周期的に変化する。受光部（１２０）は、光デバイス（１１６）の出力光が対象物（１０）に反射した反射光を検出する。演算部（１３４）は、出力光と反射光の周波数差から対象物（１０）までの距離を算出する。

Description

測距装置および測距方法

関連出願のクロスリファレンス

　本出願は、２０１６年１月１２日に日本国に特許出願された特願２０１６－００３５２６の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。

　本開示は、光デバイスの光量を変化させて距離を測定する測距装置および測距方法に関する。

　測距デバイスとしては、例えば超音波デバイス、ミリ波デバイス、レーザ光デバイス等がある。測距方式としては、ＴＯＦ(Time Of Flight)方式、およびＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式などがある。ＴＯＦ方式は、送信した信号が対象物に反射して戻ってくるまでの時間を計測して距離を測る方式である。ＦＭＣＷ方式は、送信したＦＭ変調信号波と対象物に反射して戻ってきたＦＭ変調信号波との周波数差を計測して距離を測る方式である。例えば特許文献１には、ＦＭＣＷ方式を用いた自動車レーダ装置が記載されている。

特開平１１－２７１４３０号公報

　本開示にかかる一実施形態の測距装置は、光デバイスと、受光部と、演算部とを備える。光デバイスは、周波数が変化する信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力する。受光部は、前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出する。演算部は、前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を算出する。光デバイスは、ＬＥＤであってよい。光デバイスは自動車のヘッドライトであってよい。

　本開示にかかる一実施形態の測距方法は、固定波長の光を出力する光デバイスを用いる。測距方法では、周波数が周期的に変化する信号を生成する。前記光デバイスは、前記信号に応じて光量の振動の周波数が変化する出力光を出力する。前記光デバイスの前記出力光が対象物に反射した反射光を検出する。前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を測定する。

本実施形態にかかる測距装置および測距方法を説明する図である。図１に示す信号生成部が生成するチャープ信号を説明する図である。図１に示すＡＭＰが出力する制御信号を説明する図である。対象物が近い場合の、積算処理により得られる合成波を説明する図である。対象物が近い場合の、図１に示すＦＦＴ処理部によるフーリエ変換後の波形を説明する図である。図３Ｂに示す波形のゼロ付近を拡大した波形を示す図である。対象物が遠い場合の、積算処理により得られる合成波を説明する図である。対象物が近い場合の、図１に示すＦＦＴ処理部によるフーリエ変換後の波形を説明する図である。図４Ｂに示す波形のゼロ付近を拡大した波形を示す図である。図１に示す信号生成部が生成するチャープ信号を説明する図である。対象物までの距離と周波数差との関係を説明する図である。

　以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

　本発明者は、上記従来の技術においては、測距デバイスの観点からは次のような問題があることに思い至った。

　超音波デバイスは、ミリ波デバイス及びレーザ光デバイスと比較して測距可能距離が短い。超音波デバイスは、ミリ波デバイス及びレーザ光デバイスと比較して相対速度が速い場合の測距精度が低い。超音波デバイスは、ミリ波デバイス及びレーザ光デバイスと比較して指向性が弱く微小領域の測距に不適である。

　ミリ波デバイスは、超音波デバイス及び光デバイスと比較して高周波を扱うため高価である。ミリ波デバイスは、超音波デバイス及び光デバイスと比較して回路的な設計の難易度も高い。ミリ波デバイスは、周波数によって各国の法規制があり、厳格な取扱いが必要である。

　レーザ光デバイスは、半導体レーザー（レーザーダイオード：ＬＤ）を含む。ＬＤは、制御電流の量によって波長（周波数）が可変である。ＬＤは、測距方式としてＦＭＣＷ方式を利用可能である。ＬＤは、優れたデバイスであるが、一般に高価なデバイスである。　

　本発明者は、測距方式の観点からは従来技術には次のような問題があることに思い至った。

　ＴＯＦ(Time Of Flight)方式は、送信波と反射波との時間差を計測して測距する。ＴＯＦ方式では、測距精度に応じた高いサンプリングレートのＡＤ変換器が必要となる。例えば、ＴＯＦ方式によって１０ｃｍの精度を得るために、１．６ＧＨｚ以上のサンプリングが可能なＡＤ変換器が必要である。一般的に入手可能なＡＤ変換器の上限のサンプリングレートは数百ＭＨｚである。１ＧＨｚを超えるサンプリングレートのＡＤ変換器は特殊用途用のみに一部生産されている。ＴＯＦ方式の測距デバイスは、ＡＤ変換器のサンプリングレートによって測距精度が制限される。

　ＦＭＣＷ方式は、送信波と反射波との周波数差を計測して測距する方式である。ＦＭＣＷ方式は、精度の高い測距が可能であり、一般的な測距方式として様々なモジュール等にて利用されている。ＦＭＣＷ方式は、ＦＭ変調波を用いるため、固定周波数の信号を出力するデバイスは利用できない。

　ＬＥＤ（Light Emitting Diode）は、ミリ波デバイス及びＬＤに比べて安価である。ＬＥＤは、発した光の到達可能距離が超音波デバイスに比べて長い。ＬＥＤは、周波数に関する各国の法規制がない。ＬＥＤは、用いられている素子の特性によって発する光の周波数が固定である。固定周波数で出力するデバイスは、ＦＭＣＷ方式を利用することはできない。

　図１は複数の実施形態のうちの一例にかかる測距装置および測距方法を説明する図である。図１に示す波形のグラフはイメージである。波形のグラフは、図２～４に詳述する。図２はチャープ信号を説明する図である。

　測距装置１００の送信系について説明する。信号生成部１１０は、図２Ａに示すように周波数が周期的に変化するチャープ信号を生成する。信号生成部１１０が生成するチャープ信号は、デジタル信号である。このチャープ信号は、ＦＭＣＷ方式と同様に、時間とともに周波数が増加（アップチャープ）し、次に時間とともに周波数が減少（ダウンチャープ）する信号である。図２Ａでは、アップチャープのときのみのチャープ信号を例示している。ＤＡ変換器（ＤＡＣ；Digital to Analog Converter）１１２は、デジタル信号であるチャープ信号をアナログ信号に変換する。ＤＡＣ１１２は、アナログ信号を増幅器（ＡＭＰ；Amplifier）１１４に出力する。ＡＭＰ１１４は、ＤＡＣ１１２から出力されたアナログ信号を増幅する。増幅されたアナログ信号は、図２Ｂに示すような制御信号となる。制御信号は、電流の振動の周波数が周期的に変化する信号である。図２Ｂでは、縦軸が電流を示し、横軸が時間を示している。ＡＭＰ１１４は、この制御信号を、光デバイスの例であるＬＥＤ１１６に供給する。

　本開示の光デバイスは、出力する光の周波数が固定である。以下では、光デバイスが出力する光を出力光という場合がある。ＬＥＤ１１６は、光デバイスの一例である。ＬＥＤ１１６は、固定波長の光を出力する。言い換えると、ＬＥＤ１１６は、特定の周波数の光を出力する。ＬＥＤ１１６は、電流量に応じて発光量が変化する。ＬＥＤ１１６は、制御信号における電流量の変化に応じて発光量が変化する。ＬＥＤ１１６が発する光は、発光量の振動における周波数が周期的に変化する。出力光の波形は、図２Ｂの縦軸を光量に置き換えたものに相当する。ＬＥＤ１１６が出力する光は、発光量が周期的に変化する振幅変調の波となる。対象物１０は、ＬＥＤ１１６から照射された出力光を反射する。以下では、対象物１０が反射した出力光を反射光という場合がある。

　測距装置１００の受信系について説明する。測距装置１００は、反射光を受光部１２０によって検出する。受光部１２０は、例えばフォトダイオードを含む。受光部１２０は、検出した反射光の光量に応じた検出信号を発する。検出信号は、例えば、発光量の光量に応じて、電圧値または電流量が変化する信号である。検出信号の波形は、検出する反射光の光量変化に応じて電圧値または電流量が変化する。受光部１２０が受光する反射光は、対象物１０までの往復の伝搬に要する伝搬時間分だけ、出力光から時間遅延している。受光部１２０は、出力光から伝搬時間分だけ時間遅延した波形の検出信号を次段のＡＧＣ回路（ＡＧＣ；Automatic Gain Control）１２２に出力する。

　ＡＧＣ１２２は、信号に応じて利得を自動調整し、出力レベルを制御する。ＡＧＣ１２２は、出力レベルが一定になるように調整してよい。ＡＧＣ１２２は、ＬＥＤ１１６の出力光が対象物１０に反射して受光部１２０に検出されるまでに減衰した光量分に相当する利得分に応じて検出信号を増幅する。図２Ｂに示した制御信号に対応する時間遅延した波形のアナログ信号が得られる。

　ＡＤ変換器（ＡＤＣ；Analog to Digital Converter）１２４は、ＡＧＣ１２２により増幅された信号をデジタル信号に変換する。ＡＤＣ１２４は、図２Ａに示したチャープ信号に対応する時間遅延した波形のデジタル信号を出力する。

　混合器（ＭＸ；Mixer）１２６は、ＡＤＣ１２４が出力するデジタル信号と、信号生成部１１０にて生成されたチャープ信号とをデジタル積算処理する。これら２つの信号は、周波数が増加または減少するチャープ信号である。２つの信号は、チャープ信号からの時間遅延によって周波数差が変化する。ＭＸ１２６は、２つのデジタル信号の周波数差に相当する周波数成分が主に含まれる信号を出力する。以下では、ＭＸ１２６からの出力信号を合成波と呼ぶ場合がある。

　フィルタ１２８は、測距には不要な周波数成分を除去し、次段のＦＦＴ処理部１３２に信号を出力する。フィルタ１２８は、主に高周波を除去しうる。ＦＦＴ処理部１３２は、フィルタ１２８の出力信号をフーリエ変換し、演算部１３４に出力する。フーリエ変換された波形には、周波数差に相当する周波数成分にピークが表われる。演算部１３４は、このピークを検出し、測距装置１００から対象物１０までの距離に換算する。演算部１３４は、出力光と反射光の周波数差から対象物１０までの距離を算出しうる。

　図３は対象物が近い場合（２２．５ｍ）を説明する図である。図３Ａは積算処理により得られる合成波の例である。図３ＢはＦＦＴ処理部１３２によるフーリエ変換後の波形である。図３Ｃは図３Ｂに示す波形のゼロ付近を拡大した波形である。図４は対象物が遠い場合（９０ｍ）を説明する図である。図４Ａは積算処理により得られる合成波の例である。図４ＢはＦＦＴ処理部１３２によるフーリエ変換後の波形である。図４Ｃは図４Ｂに示す波形のゼロ付近を拡大した波形である。

　合成波には、出力光と反射光の時間遅延に応じた周波数差がうなりとなる。周波数差に相当するうなり成分は、合成波において低周波成分となって含まれる。図３Ａと図４Ａを見比べるとわかるように、対象物が相対的に近い場合はうなり成分の周波数が相対的に低くなり、対象物が相対的に遠い場合はうなり成分の周波数が相対的に高くなる。図３Ｂ，３Ｃの例では、０．０１５ＭＨｚ付近に信号ピークが検出されていることがわかる。図４Ｂ，４Ｃの例では、０．０６ＭＨｚ付近に信号ピークが検出される。

　対象物までの距離と周波数差との関係を説明する。図５Ａに示すように、信号生成部１１０が生成するチャープ信号の種別は線形チャープ信号である。周波数変化は１０ＭＨｚ／１００μｓｅｃであるとする。この場合、対象物までの距離と周波数差との関係は図５Ｂに示すように、距離が離れるほど比例して周波数差が高くなる関係にある。すなわち、演算部１３４において検出される周波数差を対象物１０までの距離に換算することができる。

　以上説明したように、測距装置１００は、固定波長の光を出力するＬＥＤ１１６を用いて、発光量の振動における周波数を周期的に変化させる。こうすることで、ＬＥＤ１１６の出力光と、その出力光が対象物で反射した反射光には、対象物までの距離に応じた周波数差（うなり成分）が生じる。測距装置１００は、この周波数差を距離に換算することにより、ＦＭＣＷ方式と同等の高精度な測距を行うことができる。測距装置１００は、アップチャープとダウンチャープとの周波数差からドップラーシフトを算出することにより、対象物１０との相対速度を求めることもできる。

　測距装置１００は、光の周波数を変化させる必要がないことから、ＬＥＤを用いてＦＭＣＷ方式に相当する精度で測距ができる。ＬＥＤを用いることから測距装置のコストを削減できるという特別な利点を有している。

　上記の測距装置を車載する場合には、自動車の灯火類に用いられる光デバイスを測距装置に利用してもよい。自動車の灯火類は、前照灯、後退灯、車幅灯、テールランプ、後部番号灯、前部フォグランプ、リアフォグランプ、リアアンダーランプ、デイタイムランニングランプ、サイドマーカ、ターニングランプを含む。自動車の灯火類には省電力、高耐久のＬＥＤが使用される場合も増えてきている。このような灯火類のＬＥＤを用いて上記の制御を行うことにより、測距用のデバイスを追加することなく測距を行うことができる。光デバイスとしては、複数種類の灯火類のうち、１つまたは複数を利用しうる。１つの灯火類に複数のＬＥＤ球が使用される場合には、一部の球を上記のように制御することでよい。なお、光量の振動を高速にすると、人間は、灯火類の光量の変化を知覚しにくくなる。

　以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

　本開示は、光デバイスの光量を変化させて距離を測定する測距装置および測距方法として利用可能である。

１０…対象物、１００…測距装置、１１０…信号生成部、１１２…ＤＡＣ、１１４…ＡＭＰ、１１６…ＬＥＤ、１２０…受光部、１２２…ＡＧＣ、１２４…ＡＤＣ、１２６・・・ＭＸ、１２８…フィルタ、１３２…ＦＦＴ処理部、１３４…演算部

Claims

　周波数が変化する信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力する光デバイスと、
　前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出する受光部と、
　前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を算出する演算部とを備える測距装置。
　前記光デバイスは、ＬＥＤによって構成される請求項１に記載の測距装置。
　周波数が周期的に変化する信号を生成する信号生成部を備え、
　前記光デバイスは、前記信号生成部の信号に応じて光量の振動の周波数が周期的に変化する光を出力する請求項１に記載の測距装置。
　前記信号の種別は線形チャープ信号である請求項１に記載の測距装置。
　前記光デバイスは自動車の灯火類のうちの少なくとも１つである請求項１に記載の測距装置。
　固定波長の光を出力する光デバイスを用いる測距方法において、
　周波数が周期的に変化する信号を生成するステップと、
　前記光デバイスは、前記信号に応じて光量の振動の周波数が変化する光を出力するステップと、
　前記光デバイスの出力光が対象物に反射した反射光を検出するステップと、
　前記出力光と反射光の周波数差から前記対象物までの距離を測定するステップとを有する測距方法。