JP2573682B2 - 光レーダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は周囲に光を送光し、物標からの反射光を受光
することによって、物標の有無，物標までの距離，物標
の速度等の少なくとも１つを検出する光レーダ装置の改
良に係わり、特に受信感度の向上を図った光レーダ装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の光レーダ装置は、例えば文献：「レーザーハン
ドブック」，昭和48年朝倉書店発行,664頁〜677頁，
“レーザレーダー”等に開示されている。

第６図は上記文献に開示された従来の光レーダ装置の
基本的構成を示し、同図において、１はパルス発生器、
２はパルス発生器１からの電気信号を光信号に変換する
ための発光素子（レーザダイオード等）とその駆動回路
とレンズ系で構成される送光器、３は物標からの反射光
を受光するためのレンズ系と光信号を電気信号に変換す
るための受光素子（ホトダイオード等）で構成される受
光器、４はパルス信号を通過させるような広帯域増幅
器、５は物標までの距離等を検出する信号処理器であ
る。

次に動作について説明する。パルス発生器１は、パル
ス間隔が最大警戒レンジに対する時間以上であるクロッ
クパルスを発生する。この信号は、送光器２へ駆動パル
スとして入力され、送光パルスが送出される。物標から
反射して返ってきたこの光は、受光器３で受光されて光
電変換により電気信号に変換された後、通過帯域幅B_pが
B_p＝1.2/τ（τ：送信パルス幅）で決まるような広帯域
増幅器４によって必要レベルまで増幅されて受信パルス
となる。このとき、受信パルスは極めて狭い幅のパルス
であり、かつ微弱信号を判定レベルまで増幅することが
可能でなければならぬため、広帯域増幅器４は非常に広
帯域かつ高利得のものが必要となる。信号処理器５で
は、送信パルスと受信パルスの時間差を測ることにより
物標までの距離等の検出を行う。

従来の光レーダ装置においては、レーダの最大探知距
離R_maxは、 となる。ここで、P_tは送信ピーク出力、S_minは最小探知
信号電力である。また、最小探知信号電力S_minは下記式
のように与えられる。

ここで、Ｋはボルツマン定数、T_oは絶対温度、B_pは受信
機の周波数帯域幅、NFは受信機雑音指数、 は受信機出力で必要とされる信号対雑音比S/Nの最小値
である。また、B_pは送信パルス幅τとの関係でいうと、
例えば、 となる。更に、距離分解能R_resは送信パルス幅τによっ
て次のように定まる。

ここで、ｃは光の速度である。

光レーダ装置はレーダ性能として最大探知距離R_maxを
長くとろうとすれば式（１）からわかるように、最小探
知信号電力S_minを小さくするか、又は送信ピーク出力P_t
を大きくする必要がある。最小探知信号電力S_minを小さ
くするためには、式（２）をみると、 は一意的に決まる量であるので、受信機の周波数帯域幅
B_pを狭くするか、受信機雑音指数NFを小さくする必要が
ある。第６図の光レーダ装置において、送信ピーク出力
P_t、受信機雑音指数NFが一定と仮定した場合、レーダ性
能として距離分解能を良くしようとすれば、式（４）よ
り送信パルス幅τを狭くする必要がある。そうすると式
（３）より受信機の周波数帯域幅B_pが大きくなり、受信
感度が悪くなってしまう。

〔発明が解決しようとする課題〕 従来の光レーダ装置は以上のように構成されているの
で、ある一定の距離分解能R_resを確保するためには、式
（３）及び式（４）で決まる受信機の周波数帯域幅B_p以
下にはできないので、この通過帯域幅によって限定され
る感度以上には高感度にできない課題があった。また、
この必要とされる周波数帯域幅B_pを保ち、かつ高利得の
広帯域増幅器を得ようとすれば、回路が複雑で非常に高
価になる等の課題があった。

本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、従来と同等又は同等以上の距離分解能の性能を
保有しながら、受信感度の向上を図り、最大探知距離を
伸ばすことができ、かつ回路が簡単で安価に製造できる
光レーダ装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光レーダ装置は、パルス光を送信する送
光手段と、受信側に、上記パルス光を照射された物標か
らの反射パルス光を受信する受光手段と、サンプルパル
スの生成タイミングに、送信パルスの発生タイミングを
基準として上記送信パルス送信毎に徐々に遅延を与え、
一定距離に相当する時間幅で遅延させる掃引機能を有
し、この掃引機能を繰り返し行うサンプルのパルス掃引
手段と、上記受光手段の受信パルス信号を上記サンプル
パルスによってサンプリングして時間拡大信号をつくる
サンプリング手段と、上記送信パルスの送信タイミング
と上記受信パルスのサンプルタイミングとから上記物標
の有無、距離、速度等の少なくとも１つを検出する信号
処理手段を設けたものである。

〔作用〕

本発明における光レーダ装置は、受信側で受信された
受信パルス信号をサンプルパルスでサンプリングすれ
ば、サンプルパルスのサンプルタイミングによってサン
プリング出力が変動し、受信パルス信号を一定距離に相
当する時間幅を掃引幅としてその範囲を低周波の繰り返
しでもって掃引するので、上記サンプリング出力を低周
波の受信パルス信号に変換することにより、低周波受信
パルス信号を狭帯域幅・高利得で増幅でき、送信タイミ
ングとサンプルタイミングとから物標の有無，距離，速
度等の少なくとも１つの検出できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明する。第１
図は本発明の一実施例を示す光レーダ装置の回路のブロ
ック図である。第１図において、従来装置と同一又は相
当部分には第６図と同一符号を付し、その説明を省略す
る（但し、広帯域増幅器４は、後述するように低利得で
ある事が従来例と異なる）。６はサンプリング処理器で
あり、掃引器７、サンプルパルス発生器８、サンプルホ
ールド器９、低周波増幅器10から構成されている。掃引
器７は、パルス発生器１からクロックパルスを入力し、
一定距離に相当する時間幅を掃引幅t₂とする低周波の送
信タイミング信号とその掃引幅t₂を低周波の繰り返し
（掃引時間t₃）でもって掃引したサンプルタイミング信
号を出力する。サンプルパルス発生器８は上記サンプル
タイミング信号を入力してサンプルホールドするための
サンプルパルスを生成して出力する。サンプルホールド
器９は上記サンプルパルスにより広帯域増幅器４の出力
信号をサンプルホールドする。このサンプルホールドさ
れた信号は低周波増幅器10により増幅される。なお、こ
の低周波増幅器10は、汎用のOPアンプでもよく、狭帯域
高利得のものである。信号処理器５は、レベル判定器1
1、距離・速度検出器12、基準クロック13、カウンタ14
で構成されている。レベル判定器11は低周波増幅器10か
らの受信パルス信号が所定レベル以上となっているか否
かを判定する。カウンタ14は、基準クロック13からの基
準クロックパルスを計数するもので、上記送信タイミン
グ信号とレベル判定器11の出力信号により計数開始、終
了を行う。距離・速度検出器12はカウンタ14の計数結果
に基づいて距離・速度等の測定値を算出する。

次に動作について説明する。パルス発生器１の出力信
号は、第２図で示すＡの波形のクロックパルスで、この
信号は送光器２への駆動パルスとなり、第２図のＢの波
形に示すように送光パルスとして送出される。物標（図
示せず）から反射してきたこの信号光は、第２図のＣの
波形に示すようにその物標までの往復距離に相当する遅
延時間t₁をもった反射光となり、受光器３で受光されて
光電変換により電気信号に変換される。そして、この受
信信号は広帯域増幅器４により増幅されるが、この受信
信号はパルス信号であるので、通過帯域幅が例えば1.2/
τ（τ：送信パルス幅）で決まる帯域幅を必要とする
が、その利得は後述するサンプルホールド器９以降の雑
音レベルで信号対雑音比が悪化しない程度の低利得で良
い。第２図のＤで波形を示すように上記増幅された受信
パルス信号はサンプルホールド器９にてサンプルパルス
発生器８からのサンプルパルス（第２図のＦ参照）によ
ってサンプルホールドされる。このサンプルパルスは、
パルス発生器１の出力信号を掃引器７に通すことによっ
て得られた第２図のＥに波形を示すサンプルタイミング
信号から生成される。掃引器７は、一定距離に相当する
時間幅を掃引幅t₂として、その範囲を低周波の繰り返し
（掃引時間t₃）でもって掃引し、上記サンプルタイミン
グ信号をサンプルパルス発生器８に出力する。サンプル
パルス発生器８はこのサンプルタイミング信号から上記
サンプルパルスを生成して出力する。

上記のようにサンプルホールドされた受信パルス信号
は低周波増幅器10によって必要レベルまで増幅される。
この信号は第２図のＨの波形に示すように掃引周波数に
等しい低周波の受信パルス信号である。即ち、元の受信
パルス信号に対して、時間軸が変換されただけの相似形
のパルス信号になる。

内容の理解を容易にするために、以上の受信パルス信
号の変換過程を時間軸上の流れで詳しく見てみると第７
図のようになる。受信パルス信号Ｄは送信パルスＢに対
して物標までの往復距離に相当する遅延時間t₁の時間差
をもっている。この受信パルス信号Ｄはサンプルパルス
Ｆによってサンプルホールドされるわけであるが、この
とき、サンプルパルスＦは送信パルスＢのタイミングを
基準に送信毎に徐々に遅延量を増加させる、例えば時間
t₀ずつ増加させるようなパルス掃引手段を行う。この掃
引手段の遅延量の最大値が掃引幅t₂であり、この掃引手
段の繰り返し周期が掃引時間t₃である。掃引幅t₂は、警
戒したい距離が例えば150mであるからば、その距離に相
当するレーダパルスの往復時間１μｓに設定すればよ
い。また、掃引時間t₃は、受信パルス波形の時間軸を例
えば10万倍に引き伸ばすとすれば100msに設定すればよ
い。サンプルホールドされた受信パルス信号Ｊおよび狭
帯域低周波増幅器10によって増幅された低周波の受信パ
ルス信号Ｈは、時間軸がt₂からt₃に引き伸ばされた低周
波の繰り返し信号となる。この場合の受信機出力の信号
対雑音比S/Nについて考察すると、広帯域増幅器４のみ
の場合に比べて、低周波信号を通過させる帯域幅を低周
波増幅器10にて極めて狭くできる分だけ大幅に改善でき
る。但し、一方ではサンプリングすることによる付加雑
音が生じる分だけの雑音指数の劣化があり、この劣化に
よる信号対雑音比への影響は、実験によれば第３図に示
すように約10dB/decの傾きで繰り返し周波数に依存して
いる。以上まとめて、受信機の信号対雑音比S/Nの総合
の改善度A_o〔dB〕は次式のようになる。

ここで、f_Rは広帯域増幅器の通過帯域幅、f_Lは低周波信
号の通過帯域幅、f_Oはサンプルパルスの繰り返し周波
数、f_Wはサンプルパルスのもつ周波数帯域幅である。本
実施例では、一例として、f_R＝100MHz、f_L＝100Hz、f_O
＝100KHz、f_W＝100MHzとすると、（５）式から、A_O＝20
dBの改善度が得られる事になる。また、このことはサン
プルホールド器９以降の雑音レベルが例えばサンプリン
グによる付加雑音レベルと同程度とした場合、上記受信
機の信号対雑音比S/Nを劣化させないためには、広帯域
増幅器４の利得は20dB程度の低利得でよいということで
ある。

低周波増幅器10により増幅された第２図の波形Ｈの受
信低周波パルス信号はレベル判定器11により所定レベル
以上か否かレベル判定される。信号処理器５では、掃引
器７からの低周波に変換した第２図の波形Ｇの送信タイ
ミング信号とレベル判定器11からの第２図の波形Ｈの受
信低周波パルス信号のタイミングとの時間差t₄（第２図
参照、但し、G,Hは時間軸を引き伸ばして掃引時間t₃の
間でみた場合を示す）を、基準クロック13からの基準ク
ロックパルスを用いてカウンタ14で計数する。そして、
この計数値から距離・速度検出器12にて物標までの距離
や速度を検出している。本実施例では、掃引幅t₂に相当
する距離を とすると、物標までの距離Ｒは、 のようにあらわされる。

本発明によれば、従来装置に比べて、同等又は同等以
上の距離分解能で、受信感度を向上させ、最大探知距離
を長くとることができ、かつ高価で複雑な高出力の送光
器や広帯域・高利得の増幅器が不要になることで、簡単
な構成で安価な光レーダ装置を得ることができるように
なった。

この光レーダ装置は自動車等の移動物体に搭載装備さ
れることによって、自車の前方、後方、又は側方など周
辺の物標の有無の検知や、距離，速度等の検出を可能と
するので、衝突防止，車間距離制御，路面状況検知，車
線変更時の隣接レーンの状況検知等に有効に使用するこ
とができる。

なお、上記実施例では、所定距離を一系統のパルス掃
引手段で検知する場合について述べたが複数領域の距離
に分割し、それぞれに対応した複数のパルス掃引手段を
もってもよい。このようにすると、同様の効果を失なわ
ないままで、検知時間の短縮が図れる。

また、上記実施例では、時間軸変換後の低周波パルス
信号に対して基準クロックパルスを計数して物標までの
距離等を検出するようにしたが、第４図に示すように送
信タイミングとサンプルタイミングの位相差を積分し
て、両信号の時間差に比例したアナログ信号から物標ま
での距離等を検出するようにしてもよい。第４図におい
て、15は第５図に示すＡの波形の信号を入力し且つ第５
図の波形Ｅのサンプルタイミング信号を入力して位相を
比較する位相比較器、16はその後段の積分・増幅器、17
はサンプルホールド器で、レベル判定器11の判定結果に
よりサンプルパルスを発生するサンプルパルス発生器18
からのサンプルパルスにより積分・増幅器16の出力をサ
ンプリングする。このサンプルホールド器17の出力信号
は距離・速度検出器12に入力されるように構成されてい
る。第４図には信号処理器５のみを示したがその他の構
成及びその動作は第１図と同じなのでその説明を省略す
る。

次に第４図及び第５図により第２実施例の動作につい
て説明する。位相比較器15には、第５図に示す波形Ａの
送信タイミング信号と、同じくＥの波形のサンプルタイ
ミング信号が入力され、両信号の位相差が積分・増幅器
16にて時間的に積分され、所要レベルに増幅される。こ
の出力信号は第５図のＩの波形〔但し、時間ｔを縦軸
（T₁は掃引時間）に、距離アナログ出力S_Aを横軸に示し
ている。〕に示すように振幅が距離に対応する信号とな
る。レベル判定器11によって第１実施例と同様に波形Ｈ
の受信低周波パルス信号のタイミングを得て、サンプル
パルス発生器18からのサンプルパルスによってサンプル
ホールド器17によって積分・増幅器16の距離アナログ出
力のサンプリングを行う。その結果、距離アナログ値が
サンプルホールドされ、距離・速度検出器12を通すこと
によって物標までの距離等が検出できる。以上のように
第２実施例の場合も、第１実施例の場合と同様の効果を
発揮することができる。

また、第４図のような第２実施例で、送信タイミング
信号及びサンプルタイミング信号の周波数を実際の送信
パルス周波数に対して逓倍したものを使用してもよい。
このようにすると、上記実施例と同様の効果を発揮する
と共に、加えて位相比較器15、積分・増幅器16を通過し
た後の波形Ｉで示される距離アナログ信号の精度が良く
なる効果がある。

ところで、上記実施例は、主として車両へ応用した場
合について述べたが、移動物体に限定しなくて、固定し
た物体に対して他の物体が接近する場合等に応用しても
よく、ひろく一般の産業分野にも適用することが可能で
ある。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によればパルス光を送信する送
光手段と、上記パルス光を照射された物標からの反射パ
ルス光を受信する受光手段と、サンプルパルスの生成タ
イミングに、送信パルスの発生タイミングを基準として
上記送信パルス送信毎に徐々に遅延を与え、一定距離に
相当する時間幅で遅延させる掃引機能を有し、この掃引
機能を繰り返し行うサンプルのパルス掃引手段と、上記
受光手段の受信パルス信号を上記サンプルパルスによっ
てサンプリングするサンプリング手段と、送信タイミン
グとサンプルタイミングとから上記物標の有無、距離、
速度等の少なくとも１つを検出する信号処理手段とを備
えたので、サンプルパルスの発生タイミングを徐々に遅
延させることで優れた距離の分解能を有すると共に、特
別な変調波を用いないでも受信側のサンプルパルスの簡
単な制御、即ちサンプルパルスの時間的な発生タイミン
グを送信パルスの送信毎に変化させるという掃引動作の
繰り返しでS/Nを改善し受信感度が向上するという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図の回路における主要各部の動作中の信号波形図、
第３図はサンプリング処理における繰り返し周波数と信
号対雑音比の関係を示した図、第４図は本発明の他の一
実施例による回路の一部を示すブロック図、第５図は第
４図の回路における主要各部の動作中の信号波形図、第
６図は従来の光レーダ装置を示すブロック図、第７図は
受信パルス信号の変換過程を時間軸上の流れで示す波形
図である。 図において、１……パルス発生器、２……送光器、３…
…受光器、４……広帯域増幅器、５……信号処理器、６
……サンプリング処理器、７……掃引器、８……サンプ
ルパルス発生器、９……サンプルホールド器、10……低
周波増幅器。 なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス光を送信する送光手段と、受信側
   に、上記パルス光を照射された物標からの反射パルス光
   を受信する受光手段と、サンプルパルスの生成タイミン
   グに、送信パルスの発生タイミングを基準として上記送
   信パルス送信毎に徐々に遅延を与え、一定距離に相当す
   る時間幅で遅延させる掃引機能を有し、この掃引機能を
   繰り返し行うサンプルのパルス掃引手段と、上記受光手
   段の受信パルス信号を上記サンプルパルスによってサン
   プリングして時間拡大信号をつくるサンプリング手段
   と、上記送信パルスの送信タイミングと上記受信パルス
   のサンプルタイミングとから上記物標の有無、距離、速
   度等の少なくとも１つを検出する信号処理手段とを備え
   た光レーダ装置。