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JP7804493B2 - Measuring equipment - Google Patents
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JP7804493B2 - Measuring equipment - Google Patents

Measuring equipment

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JP7804493B2 JP2022040509A JP2022040509A JP7804493B2 JP 7804493 B2 JP7804493 B2 JP 7804493B2 JP 2022040509 A JP2022040509 A JP 2022040509A JP 2022040509 A JP2022040509 A JP 2022040509A JP 7804493 B2 JP7804493 B2 JP 7804493B2
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Description

本発明は、測定装置に関する。 The present invention relates to a measuring device.

光を測定することによって周囲の物体までの距離情報を取得するLiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)などの測定装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。FMCW方式(FMCW:Frequency Modulated Continuous Wave)の測定装置では、周波数変調した照射光を対象物に照射し、対象物からの反射光と参照光とを干渉させた干渉波のビート周波数に基づいて、対象物までの距離や対象物との相対速度を測定する。 Measuring devices such as LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging) are known that obtain distance information to surrounding objects by measuring light (see, for example, Patent Document 1). FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) measuring devices irradiate the object with frequency-modulated illumination light, and measure the distance to the object and its relative speed based on the beat frequency of the interference wave generated by interference between the light reflected from the object and a reference light.

特表2020-502503号公報Special Publication No. 2020-502503

FMCW方式の測定装置では、レーザ光源の直流電流を制御することによって、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加又は減少するように光を変調させることが一般的である。但し、レーザ光源の応答遅れによって、レーザ光源から実際に出力される光の周波数は、時間の経過に対して直線的に増加又は減少しないことがある。 In FMCW measurement devices, it is common to control the direct current of the laser light source to modulate the light so that the frequency increases or decreases linearly over time. However, due to response delays in the laser light source, the frequency of the light actually output from the laser light source may not increase or decrease linearly over time.

本発明は、応答遅れのあるレーザ光源を用いてFMCW方式による測距を実現することを目的とする。 The present invention aims to achieve distance measurement using the FMCW method using a laser light source with a response delay.

上記目的を達成するための本発明の一形態は、周波数変調した光を生成する生成装置と、前記光を対象物に照射するとともに、対象物からの反射光と参照光とを干渉させる光学装置と、前記反射光と前記参照光との干渉波を検出し、ビート信号を出力する検出装置と、前記ビート信号のビート周波数の時間変化に基づいて前記対象物までの距離を求める信号処理装置とを備える測定装置である。 One aspect of the present invention to achieve the above object is a measurement device that includes a generator that generates frequency-modulated light, an optical device that irradiates an object with the light and causes the reflected light from the object to interfere with a reference light, a detector that detects the interference wave between the reflected light and the reference light and outputs a beat signal, and a signal processor that determines the distance to the object based on the change over time in the beat frequency of the beat signal.

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。 Furthermore, the problems disclosed in this application and the solutions thereto will be made clear in the detailed description and drawings.

本発明によれば、応答遅れのあるレーザ光源を用いてFMCW方式により距離を測定できる。 According to the present invention, distance can be measured using the FMCW method with a laser light source that has a response delay.

図1は、測定装置1の全体構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the overall configuration of a measurement device 1. 図2A及び図2Bは、測定光と反射光の周波数の時間変化の概要説明図である。2A and 2B are diagrams illustrating the change over time in the frequencies of the measurement light and the reflected light. 図3A及び図3Bは、ビート周波数の時間変化の概要説明図である。3A and 3B are diagrams illustrating the outline of the change in beat frequency over time. 図4は、解析部42が行う処理のフロー図である。FIG. 4 is a flow diagram of the processing performed by the analysis unit 42. 図5は、ビート周波数の計測方法の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for measuring the beat frequency. 図6Aは、解析部42が予め記憶している第1テーブルの説明図である。図6Bは、解析部42が予め記憶している第2テーブルの説明図である。Fig. 6A is an explanatory diagram of a first table stored in advance in the analysis unit 42. Fig. 6B is an explanatory diagram of a second table stored in advance in the analysis unit 42. 図7は、対象物90が動いている場合のビート周波数fの時間変化の概要説明図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the outline of the change in beat frequency f B over time when the object 90 is moving. 図8A~図8Cは、周波数変調光の周波数の時間変化を示す説明図である。8A to 8C are explanatory diagrams showing the change over time in the frequency of frequency-modulated light. 図9A及び図9Bは、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加又は減少するように光を変調させた場合の説明図である。9A and 9B are diagrams illustrating the case where light is modulated so that the frequency increases or decreases linearly with the passage of time. 図10は、対象物90が動いている場合の測定光と反射光の周波数の時間変化を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the time variation of the frequency of the measurement light and the reflected light when the object 90 is moving. 図11A及び図11Bは、時間の経過に応じて周波数が非直線的に増加又は減少する場合の説明図である。11A and 11B are diagrams illustrating a case where the frequency increases or decreases non-linearly with the passage of time.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. Note that in the following description, identical or similar components may be designated by common reference numerals, and redundant explanations may be omitted.

<全体構成>
図1は、測定装置1の全体構成の説明図である。
<Overall structure>
FIG. 1 is an explanatory diagram of the overall configuration of a measurement device 1.

測定装置1は、対象物90までの距離を測定する装置である。測定装置1は、いわゆるLiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)としての機能を有する。測定装置1は、FMCW方式(FMCW:Frequency Modulated Continuous Wave)にて対象物90までの距離を測定する。すなわち、測定装置1は、周波数変調した測定光(照射光)を対象物90に照射し、対象物90からの反射光と測定光(参照光)とを干渉させ、干渉光の検出結果であるビート信号の周波数(ビート周波数)に基づいて、対象物90までの距離を測定する。なお、測定装置1は、対象物90までの距離だけでなく、対象物90との相対速度も測定可能である。 The measuring device 1 is a device that measures the distance to an object 90. The measuring device 1 functions as a so-called LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging). The measuring device 1 measures the distance to the object 90 using the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method. That is, the measuring device 1 irradiates the object 90 with frequency-modulated measurement light (irradiation light), causes interference between the reflected light from the object 90 and the measurement light (reference light), and measures the distance to the object 90 based on the frequency (beat frequency) of the beat signal that is the detection result of the interference light. Note that the measuring device 1 can measure not only the distance to the object 90, but also the relative speed with respect to the object 90.

測定装置1は、生成装置10と、光学装置20と、検出装置30と、信号処理装置40とを有する。 The measurement device 1 has a generating device 10, an optical device 20, a detecting device 30, and a signal processing device 40.

生成装置10は、周波数を変調させた光(周波数変調光)を生成する装置である。生成装置10は、周波数変調光を光学装置20に出力する。生成装置10から出力した光(測定光)は、一部は対象物90に照射する照射光となり、一部は反射光に干渉させる参照光となる。生成装置10は、信号発生器11と、電流源12と、レーザ光源13と、温調器14とを有する。 The generating device 10 is a device that generates frequency-modulated light (frequency-modulated light). The generating device 10 outputs the frequency-modulated light to the optical device 20. A portion of the light (measurement light) output from the generating device 10 becomes illumination light that is irradiated onto the object 90, and a portion becomes reference light that interferes with the reflected light. The generating device 10 has a signal generator 11, a current source 12, a laser light source 13, and a temperature controller 14.

信号発生器11は、電流源12を制御するための電圧信号を生成する。信号発生器11は、例えば波形発生器であり、例えば三角波の電圧信号を生成して電流源12に出力する。
電流源12は、光源を制御するための電流信号を生成する。電流源12は、信号発生器11の電圧信号に応じた電流信号を生成する。例えば、電流源12は、三角波の電圧信号に応じた三角波の電流信号を生成してレーザ光源13に出力する。
レーザ光源13は、周波数を変調させた光(周波数変調光)を出射する。例えば、レーザ光源13は、分布帰還型(DFB)レーザ素子を用いて構成される。レーザ光源13は、電流源12の電流信号に応じた周波数のレーザ光を生成する。レーザ光は、例えば193.4024~193.4266THz(λ=1549.903~1550.097nm)の範囲で周波数変調したレーザ光を生成する。例えば、レーザ光源13は、三角波の電流信号に応じて周波数を徐々に増加又は減少させたレーザ光(周波数変調光)を生成する。レーザ光源13は、レーザ光を光学装置20に出力する。
温調器14は、レーザ光源13(特にレーザ素子)を所定の温度に調整する。温調器14は、例えば温度センサ14Aと熱電素子(例えばペルチェ素子)を有し、温度センサ14Aによってレーザ光源13の温度を測定し、温度センサ14Aの測定結果に基づいて熱電素子をフィードバック制御することによってレーザ光源13を所定の温度に調整する。
The signal generator 11 generates a voltage signal for controlling the current source 12. The signal generator 11 is, for example, a waveform generator, and generates a voltage signal, for example, a triangular wave, and outputs it to the current source 12.
The current source 12 generates a current signal for controlling the light source 13. The current source 12 generates a current signal corresponding to the voltage signal of the signal generator 11. For example, the current source 12 generates a triangular wave current signal corresponding to the triangular wave voltage signal and outputs the triangular wave current signal to the laser light source 13.
The laser light source 13 emits light whose frequency is modulated (frequency-modulated light). For example, the laser light source 13 is configured using a distributed feedback (DFB) laser element. The laser light source 13 generates laser light whose frequency corresponds to the current signal of the current source 12. The laser light generated is frequency-modulated in the range of 193.4024 to 193.4266 THz (λ=1549.903 to 1550.097 nm), for example. For example, the laser light source 13 generates laser light whose frequency gradually increases or decreases according to a triangular wave current signal (frequency-modulated light). The laser light source 13 outputs the laser light to the optical device 20.
The temperature regulator 14 regulates the temperature of the laser light source 13 (particularly the laser element) to a predetermined temperature. The temperature regulator 14 has, for example, a temperature sensor 14A and a thermoelectric element (e.g., a Peltier element), and measures the temperature of the laser light source 13 with the temperature sensor 14A and adjusts the laser light source 13 to a predetermined temperature by feedback-controlling the thermoelectric element based on the measurement result of the temperature sensor 14A.

光学装置20は、周波数変調した光(測定光)を対象物90に照射し、対象物90からの反射光と参照光(測定光)とを干渉させる装置である。光学装置20は、生成装置10から入力された測定光の一部を対象物90に照射する照射光とし、生成装置10から入力された測定光の一部を参照光とし、対象物90からの反射光と参照光とを干渉させて干渉光(干渉波)を生成する。光学装置20は、反射光と参照光とを干渉させた干渉光(干渉波)を検出装置30に出力する。光学装置20は、分岐器21と、サーキュレータ22と、光学系23と、光導波路24と、結合器25とを有する。
分岐器21は、生成装置10の周波数変調光を分岐する。分岐器21は、例えば光カプラにより構成される。分岐した一方の光は、サーキュレータ22に出力され、対象物90に照射する照射光となる。分岐した他方の光は、光導波路24に出力され、反射波と干渉させる参照光となる。
サーキュレータ22は、分岐器21からの光(照射光)を光学系23に導くとともに、光学系23からの光(反射光)を結合器25に導く。
光学系23は、対象物90に向かって光を照射するとともに、反射光を集光して出力する。光学系23は、例えばレンズ、ミラー、プリズムなどの光学エレメントにより構成される。光学系23は、例えば、照射光を対向物に向かって照射する投光用光学系と、反射光を集光する受光用光学系とを有する。光学系23は、照射光を走査させる機能を有していても良い。光学系23は、集光した反射光をサーキュレータ22に出力する。なお、反射光は、サーキュレータ22を介して、結合器25に入力される。
光導波路24は、分岐器21から結合器25までの間の所定長の光路を構成する。光導波路24は、所定の光路長で参照光を分岐器21から結合器25へ導く。光導波路24は、例えば光ファイバにより構成される。
結合器25は、サーキュレータ22からの反射光と、光導波路24からの参照光とを結合する。結合器25は、例えば光カプラにより構成される。結合器25は、反射光と参照光とを干渉させる干渉器として機能し、反射光と参照光とを干渉させた干渉光(干渉波)を生成する。結合器25は、干渉光を検出装置30に出力する。
The optical device 20 is a device that irradiates the object 90 with frequency-modulated light (measurement light) and causes interference between reflected light from the object 90 and reference light (measurement light). The optical device 20 uses a portion of the measurement light input from the generation device 10 as irradiation light to irradiate the object 90, and a portion of the measurement light input from the generation device 10 as reference light, and causes the reflected light from the object 90 to interfere with the reference light to generate interference light (interference wave). The optical device 20 outputs the interference light (interference wave) caused by interference between the reflected light and the reference light to the detection device 30. The optical device 20 has a branching device 21, a circulator 22, an optical system 23, an optical waveguide 24, and a coupler 25.
The splitter 21 splits the frequency-modulated light from the generation device 10. The splitter 21 is configured by, for example, an optical coupler. One of the split lights is output to the circulator 22 and becomes the irradiation light to be irradiated onto the object 90. The other of the split lights is output to the optical waveguide 24 and becomes the reference light to be interfered with the reflected wave.
The circulator 22 guides the light (irradiated light) from the branching device 21 to the optical system 23 , and also guides the light (reflected light) from the optical system 23 to the coupler 25 .
The optical system 23 irradiates light toward the object 90 and collects and outputs reflected light. The optical system 23 is composed of optical elements such as lenses, mirrors, and prisms. The optical system 23 has, for example, a light-projecting optical system that irradiates the irradiated light toward the object, and a light-receiving optical system that collects reflected light. The optical system 23 may also have a function of scanning the irradiated light. The optical system 23 outputs the collected reflected light to the circulator 22. The reflected light is input to the coupler 25 via the circulator 22.
The optical waveguide 24 forms an optical path of a predetermined length from the splitter 21 to the coupler 25. The optical waveguide 24 guides the reference light over a predetermined optical path length from the splitter 21 to the coupler 25. The optical waveguide 24 is formed of, for example, an optical fiber.
The coupler 25 combines the reflected light from the circulator 22 with the reference light from the optical waveguide 24. The coupler 25 is configured by, for example, an optical coupler. The coupler 25 functions as an interferometer that causes interference between the reflected light and the reference light, and generates interference light (interference wave) by causing interference between the reflected light and the reference light. The coupler 25 outputs the interference light to the detection device 30.

検出装置30は、反射光と参照光との干渉光を検出し、ビート信号を出力する装置である。検出装置30は、光電変換器31と、増幅器32とを有する。
光電変換器31は、検出した光信号(ここでは干渉光)の強度に応じた電気信号(電流信号)を出力する。光電変換器31は、例えばフォトダイオードである。光電変換器31が検出する干渉光は、周波数の異なる反射光と参照光とが干渉することによって振幅が周期的に変わる波である。
増幅器32は、光電変換器31の電流信号を電圧信号に変換して出力する。増幅器32は、例えばトランスインピーダンス増幅器により構成される。増幅器32から出力されるビート信号は、反射光と参照光の周波数の差を示す信号となる。ビート信号のビート周波数は、干渉光のうなり成分の周波数に相当する。また、ビート信号のビート周波数は、反射光と参照光の周波数の差に相当する。
The detector 30 detects the interference light between the reflected light and the reference light and outputs a beat signal. The detector 30 includes a photoelectric converter 31 and an amplifier 32.
The photoelectric converter 31 outputs an electrical signal (current signal) corresponding to the intensity of the detected optical signal (here, interference light). The photoelectric converter 31 is, for example, a photodiode. The interference light detected by the photoelectric converter 31 is a wave whose amplitude changes periodically due to interference between reflected light and reference light, which have different frequencies.
The amplifier 32 converts the current signal of the photoelectric converter 31 into a voltage signal and outputs it. The amplifier 32 is configured, for example, by a transimpedance amplifier. The beat signal output from the amplifier 32 is a signal that indicates the difference in frequency between the reflected light and the reference light. The beat frequency of the beat signal corresponds to the frequency of the beat component of the interference light. The beat frequency of the beat signal also corresponds to the difference in frequency between the reflected light and the reference light.

信号処理装置40は、ビート信号に基づいて対象物90までの距離を求める装置である。信号処理装置40は、不図示のA/D変換器、演算装置、記憶装置等を有する。演算装置は、例えばCPU、GPU、MPUなどの演算処理装置で構成される。記憶装置は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物90までの距離を測定するための各種処理が実行される。図1には、信号処理装置40が実行する各種処理が機能ブロックとして示されている。 The signal processing device 40 is a device that determines the distance to the object 90 based on the beat signal. The signal processing device 40 has an A/D converter, a calculation device, a storage device, etc. (not shown). The calculation device is composed of a calculation processing device such as a CPU, GPU, or MPU. The storage device is composed of a main storage device and an auxiliary storage device, and is a device that stores programs and data. The calculation device executes the programs stored in the storage device, thereby performing various processes for measuring the distance to the object 90. Figure 1 shows the various processes performed by the signal processing device 40 as functional blocks.

信号処理装置40は、信号取得部41と、解析部42と、出力部43とを有する。信号取得部41は、検出装置30のビート信号をデジタル信号として取り込む。信号取得部41は、例えばA/D変換器(A/D変換ボード等)により構成される。解析部42は、ビート信号に基づいて対象物90までの距離を求める。解析部42の処理については、後述する。出力部43は、解析部42の解析結果を外部に出力する。例えば、出力部43は、対象物90までの距離を示す距離データや、対象物90の相対速度を示す速度データを、外部装置である車両ECUに出力する。 The signal processing device 40 has a signal acquisition unit 41, an analysis unit 42, and an output unit 43. The signal acquisition unit 41 acquires the beat signal from the detection device 30 as a digital signal. The signal acquisition unit 41 is configured, for example, by an A/D converter (such as an A/D conversion board). The analysis unit 42 calculates the distance to the object 90 based on the beat signal. The processing of the analysis unit 42 will be described later. The output unit 43 outputs the analysis results of the analysis unit 42 to the outside. For example, the output unit 43 outputs distance data indicating the distance to the object 90 and speed data indicating the relative speed of the object 90 to an external device, such as a vehicle ECU.

<参考説明1>
本実施形態の解析部42の処理について説明する前に、まず一般的なFMCW方式による測定方法について説明する。
<Reference explanation 1>
Before describing the processing of the analysis unit 42 of this embodiment, a general FMCW measurement method will be described.

図9A及び図9Bは、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加又は減少するように光を変調させた場合の説明図である。図9Aは、測定光と反射光の周波数の時間変化を示すグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。なお、周波数が増加する期間のことを漸増期間と呼び、周波数が減少する期間のことを漸減期間と呼ぶことがある。図9Bは、ビート信号の周波数解析結果(高速フーリエ変換(FFT)による解析結果)を示すグラフであり、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅(強度)を示している。まず、対象物90が静止している場合(対象物90との相対速度がゼロの場合)について説明する。 Figures 9A and 9B are explanatory diagrams of the case where light is modulated so that the frequency increases or decreases linearly over time. Figure 9A is a graph showing the temporal change in the frequency of the measurement light and the reflected light, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing frequency. Note that the period in which the frequency increases is sometimes called the gradual increase period, and the period in which the frequency decreases is sometimes called the gradual decrease period. Figure 9B is a graph showing the frequency analysis results of the beat signal (analysis results obtained by fast Fourier transform (FFT)), with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing amplitude (intensity). First, we will explain the case where the object 90 is stationary (when the relative velocity with respect to the object 90 is zero).

図中のfは、測定光(照射光、参照光)と反射光との周波数の差を示している。Δtは、対象物90までの間を光が往復するのにかかる時間を示している。Tは、漸増期間又は漸減期間(周波数を変調させる変調時間)を示している。Fは、変調周波数幅(周波数の増加幅や減少幅)を示している。 In the figure, fB indicates the frequency difference between the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light. Δt indicates the time it takes for the light to travel back and forth to the object 90. T indicates the gradual increase period or gradual decrease period (the modulation time for modulating the frequency). F indicates the modulation frequency width (the width of increase or decrease in frequency).

ここでは、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加するため、グラフの傾きが一定であることから、Δtは、次式(1)の通りになる。
Δt=(T/F)・f ・・・(1)
Here, since the frequency increases linearly with the passage of time, the slope of the graph is constant, and Δt is given by the following equation (1).
Δt=(T/F)・f B ...(1)

ここで、光の速度をcとし、対象物90までの距離をRとすると、対象物90までの間を光が往復するのに時間Δtかかることから、距離Rは、次式(2)の通りになる。
2R=c・Δt
R=(c・T/2F)・f ・・・(2)
Here, if the speed of light is c and the distance to the object 90 is R, it takes time Δt for light to travel to and from the object 90, so the distance R is given by the following equation (2).
2R = c Δt
R=(c・T/2F)・f B ...(2)

上式(2)のうち、周波数fは、図9Bに示すようにビート信号をFFT解析することによって求めることができる。また、光の速度c、変調時間T及び変調周波数幅Fは、既知である。このため、ビート信号をFFT解析して周波数fを求めることによって、対象物90までの距離Rを算出することができる。 In the above equation (2), the frequency fB can be obtained by FFT analysis of the beat signal as shown in Fig. 9B. The speed of light c, modulation time T, and modulation frequency width F are known. Therefore, by performing FFT analysis of the beat signal to obtain the frequency fB , the distance R to the target object 90 can be calculated.

図10は、対象物90が動いている場合の測定光と反射光の周波数の時間変化を示すグラフである。なお、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加又は減少するように光が変調している。反射光のグラフに示されるように、対象物90が動いている場合、ドップラー効果によって周波数がシフトする。 Figure 10 is a graph showing the change in frequency of the measurement light and reflected light over time when the object 90 is moving. Note that the light is modulated so that the frequency increases or decreases linearly over time. As shown in the graph of reflected light, when the object 90 is moving, the frequency shifts due to the Doppler effect.

図中のfdopは、ドップラー効果による周波数のシフト量(ドップラーシフト周波数)を示している。fupは、漸増期間中における測定光(照射光、参照光)と反射光との周波数の差を示している。fdnは、漸減期間中における測定光(照射光、参照光)と反射光との周波数の差を示している。 In the figure, f dop indicates the amount of frequency shift due to the Doppler effect (Doppler shift frequency), f up indicates the frequency difference between the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light during the gradual increase period, and f dn indicates the frequency difference between the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light during the gradual decrease period.

周波数fupは、漸増期間中のビート信号をFFT解析することによって求めることができる。また、周波数fdnは、漸減期間中のビート信号をFFT解析することによって求めることができる。なお、ビート信号の周波数解析は、漸増期間と漸減期間のそれぞれで別個に行われることになる。そして、周波数fup及び周波数fdnに基づいて、次式(3)のように周波数fを求めることができ、前述の式(2)に基づいて距離Rを求めることができる。
=(fup+fdn)/2 ・・・(3)
The frequency f up can be obtained by FFT analysis of the beat signal during the gradual increase period. The frequency f dn can be obtained by FFT analysis of the beat signal during the gradual decrease period. Note that the frequency analysis of the beat signal is performed separately for each of the gradual increase period and the gradual decrease period. Then, based on the frequency f up and the frequency f dn , the frequency f B can be obtained as shown in the following equation (3), and the distance R can be obtained based on the above-mentioned equation (2).
fB = ( fup + fdn )/2...(3)

また、周波数fup及び周波数fdnに基づいて、次式(4)のようにドップラーシフト周波数fdopを求めることができ、次式(5)に基づいて相対速度Vを求めることができる。
dop=(fup-fdn)/2 ・・・(4)
V=(λ/2)・fdop ・・・(5)
(λは、光の波長)
Furthermore, based on the frequency f up and the frequency f dn , the Doppler shift frequency f dop can be calculated as in the following equation (4), and the relative velocity V can be calculated based on the following equation (5).
f dop = (f up - f dn )/2 (4)
V=(λ/2)・f dop ...(5)
(λ is the wavelength of light)

<参考説明2:光源の応答遅れ>
図11A及び図11Bは、時間の経過に応じて周波数が非直線的に増加又は減少する場合の説明図である。図11Aは、測定光(照射光、参照光)と反射光の周波数の時間変化を示すグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。図11Bは、ビート信号の周波数解析結果(FFT解析結果)を示すグラフであり、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅(強度)を示している。ここでは、説明の簡略化のため、対象物90は静止しているものとする(対象物90との相対速度はゼロとする)。
<Reference explanation 2: Light source response delay>
11A and 11B are explanatory diagrams illustrating a case where the frequency increases or decreases nonlinearly over time. Fig. 11A is a graph showing the temporal change in the frequency of the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing frequency. Fig. 11B is a graph showing the frequency analysis results (FFT analysis results) of the beat signal, with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing amplitude (intensity). Here, for simplicity of explanation, it is assumed that the object 90 is stationary (the relative velocity with respect to the object 90 is zero).

実際のレーザ光源13では、入力電流が変化してから出力するレーザ光の周波数が変化するまでの間に応答遅れがある。この結果、電流源12が三角波の電流信号をレーザ光源13に入力しても、レーザ光源13から出力されるレーザ光の周波数は、時間の経過に対して直線的に増加・減少しない。 In an actual laser light source 13, there is a response delay between when the input current changes and when the frequency of the output laser light changes. As a result, even if the current source 12 inputs a triangular wave current signal to the laser light source 13, the frequency of the laser light output from the laser light source 13 does not increase or decrease linearly over time.

このように周波数が非直線的に変化する場合、測定光(照射光、参照光)と反射光との周波数の差が一定にならない。この結果、図11Bに示すように、ビート信号に対して周波数解析(FFT解析)が行われても、特定の周波数に強度のピークが現れ難くなる(これに対し、周波数が直線的に変化する場合には、図9Bに示すように、特定の周波数にピークが表れる)。このため、周波数が非直線的に変化する場合には、ビート信号に対する周波数解析によってビート周波数fを求めることが困難になり、この結果、前述の式(2)に基づいて距離Rを求めることが困難になる。 When the frequency changes nonlinearly in this way, the frequency difference between the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light is not constant. As a result, even when frequency analysis (FFT analysis) is performed on the beat signal, an intensity peak is unlikely to appear at a specific frequency, as shown in Fig. 11B (in contrast, when the frequency changes linearly, a peak appears at a specific frequency, as shown in Fig. 9B). Therefore, when the frequency changes nonlinearly, it is difficult to determine the beat frequency fB by frequency analysis of the beat signal, and as a result, it is difficult to determine the distance R based on the above-mentioned equation (2).

<解析部42の処理>
図2A及び図2Bは、測定光(照射光、参照光)と反射光の周波数の時間変化の概要説明図である。図2Aは、対象物90の距離が近い場合の説明図である。図2Bは、対象物90の距離が遠い場合の説明図である。各図の横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。
<Processing of analysis unit 42>
2A and 2B are diagrams illustrating the time variation of the frequency of the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light. Fig. 2A is an explanatory diagram illustrating the case where the distance to the object 90 is close. Fig. 2B is an explanatory diagram illustrating the case where the distance to the object 90 is far. In each diagram, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents frequency.

図2A及び図2Bに示すように、レーザ光源13の応答遅れの影響により、漸増期間中の測定光(照射光、参照光)と反射光との周波数の差は、徐々に増加する(fB1<fB2<fB3)。対象物90の距離が近い場合、図2Aに示すように、測定光と反射光との周波数の差の時間変化は、比較的小さくなる。一方、対象物90の距離が遠い場合、図2Bに示すように、測定光と反射光との周波数の差の時間変化は、比較的大きくなる。 2A and 2B, due to the effect of a response delay of the laser light source 13, the frequency difference between the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light during the gradual increase period gradually increases (f B1 < f B2 < f B3 ). When the distance to the object 90 is close, as shown in FIG. 2A, the change over time in the frequency difference between the measurement light and the reflected light is relatively small. On the other hand, when the distance to the object 90 is far, as shown in FIG. 2B, the change over time in the frequency difference between the measurement light and the reflected light is relatively large.

図3A及び図3Bは、ビート周波数の時間変化の概要説明図である。図3Aは、対象物90の距離が近い場合の説明図である。図3Bは、対象物90の距離が遠い場合の説明図である。各図の横軸は時間を示し、縦軸はビート周波数を示している。図中の点線は、実線のグラフを直線近似したグラフに相当する。 Figures 3A and 3B are schematic explanatory diagrams of the change in beat frequency over time. Figure 3A is an explanatory diagram when the object 90 is close. Figure 3B is an explanatory diagram when the object 90 is far away. In each diagram, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents beat frequency. The dotted lines in the diagrams correspond to linear approximations of the solid line graphs.

図3A及び図3Bに示すように、レーザ光源13の応答遅れの影響により、ビート信号のビート周波数は、時間に応じて変化する(これに対し、図9Aに示すように周波数が直線的に増加又は減少する場合には、漸増期間中や漸減期間中におけるビート周波数は一定になり、時間変化しない)。そして、対象物90の距離が近い場合、図3Aに示すように、ビート周波数の時間変化は、比較的小さくなる。例えば、対象物90の距離が近い場合、図3Aに示すように、時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合(グラフの傾きに相当)は、比較的小さくなる。一方、対象物90の距離が遠い場合、図3Bに示すように、測定光(照射光、参照光)と反射光との周波数の差の時間変化は、ビート周波数の時間変化は、比較的大きくなる。例えば、対象物90の距離が近い場合、図3Bに示すように、時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合は、比較的大きくなる。 As shown in Figures 3A and 3B, the beat frequency of the beat signal changes over time due to the response delay of the laser light source 13. (In contrast, when the frequency increases or decreases linearly as shown in Figure 9A, the beat frequency remains constant during the gradual increase and decrease periods and does not change over time.) When the object 90 is close, the change in beat frequency over time is relatively small, as shown in Figure 3A. For example, when the object 90 is close, the ratio of the change in beat frequency to the change in time (corresponding to the slope of the graph) is relatively small, as shown in Figure 3A. On the other hand, when the object 90 is far, the change in the difference in frequency between the measurement light (illumination light, reference light) and the reflected light, i.e., the change in beat frequency over time, is relatively large, as shown in Figure 3B. For example, when the object 90 is close, the ratio of the change in beat frequency to the change in time is relatively large, as shown in Figure 3B.

そこで、解析部42は、ビート周波数の時間変化を求め、ビート周波数の時間変化に基づいて対象物90の距離を求める。具体的には、解析部42は、時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合(ビート周波数の時間変化率;グラフの傾きに相当)に基づいて対象物90の距離を求める。 The analysis unit 42 therefore determines the change in beat frequency over time and calculates the distance to the object 90 based on the change in beat frequency over time. Specifically, the analysis unit 42 calculates the distance to the object 90 based on the ratio of the change in beat frequency to the change in time (the rate of change in beat frequency over time; equivalent to the slope of the graph).

図4は、解析部42が行う処理のフロー図である。図中の各処理は、信号処理装置40を構成する演算処理装置が解析プログラムを実行することにより実現される。 Figure 4 is a flow diagram of the processing performed by the analysis unit 42. Each process in the diagram is realized by the arithmetic processing unit that constitutes the signal processing device 40 executing an analysis program.

解析部42は、まず、時間ごとのビート周波数を計測する(S101)。図5は、ビート周波数の計測方法の説明図である。図中のグラフはビート信号を示しており、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。 The analysis unit 42 first measures the beat frequency over time (S101). Figure 5 is an explanatory diagram of the beat frequency measurement method. The graph in the figure shows the beat signal, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing voltage.

解析部42は、まず、ビート信号がピークとなる時間(ピーク時間)を求める。図中のグラフ上の黒丸印は、ビート信号のピーク(極値;極大値又は極小値)を示している。例えば、解析部42は、ビート信号の電圧の傾き(ビート信号の微分値)の符号が変化する時間をピーク時間として順次計測する。ここでは、解析部42は、ビート信号が極大値になるピーク時間(電圧の傾きの符号が正から負に変化する時間)と、ビート信号が極小値になるピーク時間(電圧の傾きの符号が負から正に変化する時間)とをそれぞれ計測する。但し、解析部42は、ビート信号の極大値のピーク時間だけを計測しても良いし、ビート信号の極小値のピーク時間だけを計測しても良い。なお、解析部42は、ビート信号の全てのピークのそれぞれのピーク時間を計測する代わりに、例えば所定周期ごとや所定時間経過ごとにピーク時間を検出しても良い。解析部42は、漸増期間中又は漸増期間中に、複数のピーク時間を計測することになる。 The analysis unit 42 first determines the time at which the beat signal reaches its peak (peak time). The black circles on the graph in the figure indicate the peaks (extreme values; local maximum or minimum values) of the beat signal. For example, the analysis unit 42 sequentially measures the times at which the sign of the voltage slope of the beat signal (the differential value of the beat signal) changes as peak times. Here, the analysis unit 42 measures the peak time at which the beat signal reaches its maximum value (the time at which the sign of the voltage slope changes from positive to negative) and the peak time at which the beat signal reaches its minimum value (the time at which the sign of the voltage slope changes from negative to positive). However, the analysis unit 42 may measure only the peak time of the local maximum value of the beat signal, or only the peak time of the local minimum value of the beat signal. Instead of measuring the peak time of each peak of the beat signal, the analysis unit 42 may detect the peak time, for example, at predetermined intervals or after a predetermined period of time has elapsed. The analysis unit 42 measures multiple peak times during the gradual increase period or during the gradual increase period.

次に、解析部42は、2つのピーク時間の間隔に基づいて、ビート周波数を算出する。例えば、解析部42は、ビート信号の或る極大値のピーク時間と、次の極大値のピーク時間との間隔(ビート信号の1周期の時間)に基づいて、その時間(タイミング)におけるビート周波数を算出する。なお、解析部42は、ビート信号の或る極小値のピーク時間と、次の極小値のピーク時間との間隔(ビート信号の1周期の時間)に基づいて、その時間におけるビート周波数を算出しても良い。また、解析部42は、ビート信号の或る極大値(又は極小値)のピーク時間と、次の極小値(又は極大値)のピーク時間との間隔(ビート信号の半周期の時間)に基づいて、その時間におけるビート周波数を算出しても良い。若しくは、解析部42は、ビート信号の或る極大値(又は極小値)のピーク時間と、複数周期後の極大値(又は極小値)のピーク時間との間隔に基づいて、その時間におけるビート周波数を算出しても良い。解析部42は、漸増期間中又は漸減期間中における複数の時間(複数のタイミング)のそれぞれのビート周波数を計測することになる。 Next, the analysis unit 42 calculates the beat frequency based on the interval between the two peak times. For example, the analysis unit 42 calculates the beat frequency at that time (timing) based on the interval between the peak time of a certain maximum value of the beat signal and the peak time of the next maximum value (the time of one cycle of the beat signal). The analysis unit 42 may also calculate the beat frequency at that time based on the interval between the peak time of a certain minimum value of the beat signal and the peak time of the next minimum value (the time of one cycle of the beat signal). The analysis unit 42 may also calculate the beat frequency at that time based on the interval between the peak time of a certain maximum value (or minimum value) of the beat signal and the peak time of the next minimum value (or maximum value) (the time of half a cycle of the beat signal). Alternatively, the analysis unit 42 may calculate the beat frequency at that time based on the interval between the peak time of a certain maximum value (or minimum value) of the beat signal and the peak time of a maximum value (or minimum value) several cycles later. The analysis unit 42 measures the beat frequency at each of multiple times (multiple timings) during the gradual increase period or gradual decrease period.

なお、図5に示す一例では、解析部42は、2つの極大値のピーク時間に基づくビート周波数の算出と、2つの極小値のピーク時間に基づくビート周波数の算出とを、半周期ごとに交互に繰り返す。これにより、ビート信号の半周期ごとにビート周波数を求めることができるため、高い時間解像度でビート周波数を求めることができる。 In the example shown in FIG. 5, the analysis unit 42 alternately calculates the beat frequency based on the peak times of two maximum values and the beat frequency based on the peak times of two minimum values every half period. This allows the beat frequency to be calculated every half period of the beat signal, making it possible to calculate the beat frequency with high time resolution.

次に、解析部42は、ビート周波数の時間変化を求める(S102)。ここでは、解析部42は、ビート周波数の時間変化を示す指標として、時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合(ビート周波数の時間変化率)を求める。言い換えると、解析部42は、図3Aや図3Bに示すグラフ(直線)の傾きを算出する。具体的には、解析部42は、S101で求めた複数の時間tのそれぞれのビート周波数fに基づいて、最小二乗法による直線近似式(f=A・t+B)を求め、この近似式の傾きAをビート周波数の時間変化を示す値とする。(後述するように、解析部42は、この近似式の切片Bに基づいて対象物90の相対速度を求めることも可能である。)なお、時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合(ビート周波数の時間変化率)の算出方法は、最小二乗法に限られるものではなく、他の算出方法でも良い。例えば、解析部42は、漸増期間(又は漸減期間)の開始直後と終了直前の2つの時間のそれぞれのビート周波数に基づいて、時間の増加に対するビート周波数の増加の割合を算出しても良い(つまり、2点を結ぶ直線の傾きを、ビート周波数の時間変化率としても良い)。 Next, the analysis unit 42 calculates the change in the beat frequency over time (S102). Here, the analysis unit 42 calculates the ratio of the change in the beat frequency to the change in time (the time rate of change of the beat frequency) as an index indicating the change in the beat frequency over time. In other words, the analysis unit 42 calculates the slope of the graph (straight line) shown in FIGS. 3A and 3B. Specifically, the analysis unit 42 calculates a linear approximation formula ( fB = A·t + B) using the least squares method based on the beat frequencies fB at each of the multiple times t calculated in S101, and sets the slope A of this approximation formula as a value indicating the change in the beat frequency over time. (As will be described later, the analysis unit 42 can also calculate the relative velocity of the object 90 based on the intercept B of this approximation formula.) Note that the method for calculating the ratio of the change in the beat frequency to the change in time (the time rate of change of the beat frequency) is not limited to the least squares method and other calculation methods may be used. For example, the analysis unit 42 may calculate the rate of increase in the beat frequency with respect to the increase in time based on the beat frequencies at two times, immediately after the start and immediately before the end of the gradual increase period (or gradual decrease period) (that is, the slope of the line connecting the two points may be regarded as the rate of change of the beat frequency with time).

次に、解析部42は、ビート周波数の時間変化(ここでは時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合;ビート周波数の時間変化率)に基づいて、対象物90までの距離を導出する(S103)。図6Aは、解析部42が予め記憶している第1テーブルの説明図である。第1テーブルには、ビート周波数の時間変化を示す傾きAと、距離Rとが対応付けられている。解析部42は、S102で求めたビート周波数の時間変化(傾きA)に基づいて第1テーブルを参照することによって、距離Rを求める。例えば、ビート周波数の時間変化を示す傾きがAの場合、解析部42は、第1テーブルを参照することによって、対象物90までの距離をRと導出することになる。なお、解析部42は、S102で求めた傾きAが第1テーブルの傾きAiとAi+1の間の値である場合には、傾きAiに対応する距離Rと、傾きAi+1に対応する距離Ri+1とに基づいて、S102で求めた傾きAに相当する距離Rを補間しても良い。 Next, the analysis unit 42 derives the distance to the object 90 based on the change in the beat frequency over time (here, the ratio of the change in the beat frequency to the change in time; the time change rate of the beat frequency) (S103). FIG. 6A is an explanatory diagram of a first table pre-stored in the analysis unit 42. The first table associates a slope A indicating the change in the beat frequency over time with a distance R. The analysis unit 42 determines the distance R by referring to the first table based on the change in the beat frequency over time (slope A) determined in S102. For example, if the slope A indicating the change in the beat frequency over time is A4 , the analysis unit 42 will derive the distance to the object 90 as R4 by referring to the first table. In addition, if the slope A obtained in S102 is a value between the slopes A i and A i+1 in the first table, the analysis unit 42 may interpolate the distance R corresponding to the slope A obtained in S102 based on the distance R i corresponding to the slope A i and the distance R i+ 1 corresponding to the slope A i+1 .

解析部42は、ビート周波数の時間変化や、ビート周波数の大きさに基づいて、対象物90との相対速度を導出しても良い。以下、相対速度を導出方法について説明する。 The analysis unit 42 may derive the relative velocity with respect to the object 90 based on the change in the beat frequency over time or the magnitude of the beat frequency. The method for deriving the relative velocity is described below.

図6Bは、解析部42が予め記憶している第2テーブルの説明図である。第2テーブルには、ビート周波数の時間変化を示す傾きAと、基準切片Bとが対応付けられている。
図7は、対象物90が動いている場合のビート周波数fの時間変化の概要説明図である。既に説明したように、対象物90が動いている場合、ドップラー効果によって周波数がシフトする。図中のfdopは、ドップラー効果による周波数のシフト量(ドップラーシフト周波数)を示している。図中には、基準切片Bと、ドップラーシフト周波数fdopとの関係を示す説明図である。
6B is an explanatory diagram of a second table stored in advance in the analysis unit 42. In the second table, a slope A indicating a change in beat frequency over time is associated with a reference intercept B0 .
7 is a diagram illustrating the outline of the change in beat frequency fB over time when the object 90 is moving. As already explained, when the object 90 is moving, the frequency shifts due to the Doppler effect. In the diagram, fdop indicates the amount of frequency shift (Doppler shift frequency) due to the Doppler effect. The diagram also illustrates the relationship between the reference intercept B0 and the Doppler shift frequency fdop .

既に説明した通り、解析部42は、S101で求めた複数の時間tのそれぞれのビート周波数fに基づいて、最小二乗法による直線近似式(f=A・t+B)を求め、ビート周波数の時間変化を示す傾きAを求めるとともに、切片Bを求める。切片Bは、S101で求めた複数のビート周波数の大きさを示す指標となる。
次に、解析部42は、S102で求めたビート周波数の時間変化(傾きA)に基づいて第2テーブルを参照することによって、基準切片Bを求める。図6Bに示す第2テーブルの基準切片Bは、対象物90が静止している状態で傾きが特定の値Aになる場合の切片の値に相当する(図7参照)。基準切片Bは、対象物90が静止している状態におけるビート周波数の大きさを示す指標となる。
そして、解析部42は、切片Bと基準切片Bとの差を求める。図7に示すように、切片Bと基準切片Bとの差は、ドップラーシフト周波数fdopに相当する。例えば、ビート周波数の時間変化を示す傾きがAの場合、解析部42は、切片Bと基準切片B04との差を算出することによって、ドップラーシフト周波数fdopを算出することになる。解析部42は、ドップラーシフト周波数fdopに基づいて、前述の式(5)に基づいて相対速度V(=(λ/2)・fdop)を求めることができる。
As already explained, the analysis unit 42 calculates a linear approximation formula ( fB = A·t + B) by the least squares method based on the beat frequencies fB at the respective times t calculated in S101, and calculates the slope A indicating the change in beat frequency over time, as well as the intercept B. The intercept B is an index indicating the magnitude of the beat frequencies calculated in S101.
Next, the analysis unit 42 determines the reference intercept B0 by referring to the second table based on the change over time (slope A) of the beat frequency determined in S102. The reference intercept B0 in the second table shown in Fig. 6B corresponds to the intercept value when the slope is a specific value A when the object 90 is stationary (see Fig. 7). The reference intercept B0 is an index that indicates the magnitude of the beat frequency when the object 90 is stationary.
Then, the analysis unit 42 calculates the difference between the intercept B and the reference intercept B0 . As shown in FIG. 7, the difference between the intercept B and the reference intercept B0 corresponds to the Doppler shift frequency fdop . For example, when the slope indicating the time change of the beat frequency is A4 , the analysis unit 42 calculates the Doppler shift frequency fdop by calculating the difference between the intercept B and the reference intercept B04 . The analysis unit 42 can calculate the relative velocity V (=(λ/2)· fdop ) based on the Doppler shift frequency fdop and the above-mentioned equation (5).

図8A~図8Cは、周波数変調光の周波数の時間変化を示す説明図である。図中の縦軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。 Figures 8A to 8C are explanatory diagrams showing the change in frequency of frequency-modulated light over time. The vertical axis in the diagrams represents time, and the vertical axis represents frequency.

図8Aには、周波数が徐々に増加する漸増期間と、周波数が徐々に減少する漸減期間とを交互に繰り返す様子が示されている。生成装置10の信号発生器11が三角波の電圧信号を出力する場合、レーザ光源13は、図8Aに示すように周波数が時間変化する光(周波数変調光)を出力することになる。図8Aに示すように光を周波数変調させる場合(周波数変調光の周波数が漸増期間と漸減期間とを交互に繰り返すように時間変化する場合)には、解析部42は、漸増期間用の第1テーブル(及び第2テーブル)と、漸減期間用の第1テーブル(及び第2テーブル)とをそれぞれ備えることが望ましい。これにより、漸増期間及び漸減期間のそれぞれにおいて、対象物90までの距離(及び対象物90との相対速度)を求めることができる。 Figure 8A shows how a gradual increase period in which the frequency gradually increases and a gradual decrease period in which the frequency gradually decreases alternately. When the signal generator 11 of the generating device 10 outputs a triangular wave voltage signal, the laser light source 13 outputs light whose frequency changes over time (frequency-modulated light) as shown in Figure 8A. When frequency-modulating light as shown in Figure 8A (when the frequency of the frequency-modulated light changes over time so that gradual increase periods and gradual decrease periods alternate), it is desirable for the analysis unit 42 to have a first table (and second table) for the gradual increase period and a first table (and second table) for the gradual decrease period, respectively. This makes it possible to determine the distance to the object 90 (and the relative velocity with respect to the object 90) during each of the gradual increase period and the gradual decrease period.

図8Bには、周波数が徐々に増加した後に周波数が急降下することを繰り返す様子が示されている。図8Cには、周波数が徐々に減少した後に周波数が急上昇することを繰り返す様子が示されている。生成装置10の信号発生器11がのこぎり波の電圧信号を出力する場合、レーザ光源13は、図8Bや図8Cに示すように周波数が時間変化する周波数変調光を出力することになる。図8Bや図8Cに示すように光を周波数変調させる場合には、解析部42は、1種類の第1テーブル(及び第2テーブル)だけを備えるだけで良い。これにより、解析部42は、漸増期間用及び漸減期間用の両方の第1テーブルを備えなくても良いため、テーブルのデータ量を軽減できる。 Figure 8B shows a gradual increase in frequency followed by a sudden drop, repeated. Figure 8C shows a gradual decrease in frequency followed by a sudden rise, repeated. When the signal generator 11 of the generating device 10 outputs a sawtooth voltage signal, the laser light source 13 outputs frequency-modulated light whose frequency changes over time, as shown in Figures 8B and 8C. When frequency-modulating light as shown in Figures 8B and 8C, the analysis unit 42 only needs to have one type of first table (and second table). This means that the analysis unit 42 does not need to have first tables for both the gradual increase period and the gradual decrease period, thereby reducing the amount of data in the tables.

ところで、レーザ光源13(特にレーザ素子)の特性は温度によって変化するため、レーザ光源13の応答遅れも、温度によって変化する。このため、レーザ光源13から出力されるレーザ光の周波数の時間変化は、温度に応じて変化する。この結果、仮に対象物90までの距離が同じであっても、温度が変化すると、S102で求められるビート周波数の時間変化(傾きA)が変化する。
そこで、解析部42は、温度と、ビート周波数の時間変化(傾きA)と、距離Rとを対応付けた第1テーブルを備えることが望ましい。言い換えると、ビート周波数の時間変化(傾きA)と、距離Rとを対応付けた第1テーブルに、温度も対応付けられていることが望ましい。この場合、解析部42は、温度センサによって温度を検出し、温度センサの検出した温度と、S102で求めたビート周波数の時間変化(傾きA)とに基づいて第1テーブルを参照することによって、距離Rを求めることになる。これにより、距離の測定精度を高めることができる。
Incidentally, the characteristics of the laser light source 13 (particularly the laser element) change with temperature, and therefore the response delay of the laser light source 13 also changes with temperature. Therefore, the time change in the frequency of the laser light output from the laser light source 13 changes with temperature. As a result, even if the distance to the target object 90 remains the same, if the temperature changes, the time change (slope A) of the beat frequency calculated in S102 changes.
Therefore, it is desirable that the analysis unit 42 has a first table that associates temperature, the change over time of the beat frequency (slope A), and the distance R. In other words, it is desirable that the first table that associates the change over time of the beat frequency (slope A) with the distance R also associates temperature. In this case, the analysis unit 42 detects the temperature using a temperature sensor, and determines the distance R by referring to the first table based on the temperature detected by the temperature sensor and the change over time of the beat frequency (slope A) determined in S102. This can improve the accuracy of distance measurement.

なお、上記の説明では、解析部42は、ビート周波数の時間変化(傾きA)と距離Rとを対応付けた第1テーブルを予め記憶しており、S102で求めたビート周波数の時間変化(傾きA)をキーとして第1テーブルを参照することによって、距離Rを求めていた。但し、解析部42は、テーブルを用いずに距離Rを求めても良い。例えば、解析部42は、ビート周波数の時間変化(傾きA)を距離Rに変換する関数を備え、この関数を用いてS102で求めたビート周波数の時間変化(傾きA)を距離Rに変換することによって、対象物90までの距離を求めても良い。このようにしても、解析部42は、ビート信号のビート周波数の時間変化に基づいて、対象物90までの距離を求めることができる。 In the above explanation, the analysis unit 42 pre-stores a first table that associates the change in beat frequency over time (slope A) with the distance R, and determines the distance R by referencing the first table using the change in beat frequency over time (slope A) determined in S102 as a key. However, the analysis unit 42 may also determine the distance R without using a table. For example, the analysis unit 42 may be provided with a function that converts the change in beat frequency over time (slope A) into the distance R, and may determine the distance to the object 90 by using this function to convert the change in beat frequency over time (slope A) determined in S102 into the distance R. In this way, the analysis unit 42 can also determine the distance to the object 90 based on the change in beat frequency of the beat signal over time.

同様に、テーブルを用いずに、温度センサの検出した温度とビート周波数の時間変化(傾きA)とに基づいて距離Rを求めても良い。例えば、解析部42は、関数を用いて、温度センサの検出した温度とS102で求めたビート周波数の時間変化(傾きA)とに基づいて、距離Rを算出しても良い。このようにしても、解析部42は、距離の測定精度を高めることができる。 Similarly, the distance R may be calculated based on the temperature detected by the temperature sensor and the change over time in the beat frequency (slope A) without using a table. For example, the analysis unit 42 may use a function to calculate the distance R based on the temperature detected by the temperature sensor and the change over time in the beat frequency calculated in S102 (slope A). In this way, the analysis unit 42 can also improve the accuracy of distance measurement.

温度センサの検出した温度を用いて対象物90までの距離を求める場合、温度センサは、生成装置10のレーザ光源13(特にレーザ素子)の温度を検出することが望ましい。これにより、レーザ光源13の温度特性に応じて対象物90までの距離を求めることができるため、距離の測定精度を高めることができる。この場合、解析部42は、温調装置に設けられている温度センサ14Aの検出する温度を用いると良い。これにより、温度センサ14Aを兼用できる。但し、解析部42は、温調装置の温度センサ14Aとは別の温度センサの検出した温度を用いて、対象物90までの距離を求めても良い。 When determining the distance to the object 90 using the temperature detected by the temperature sensor, it is desirable that the temperature sensor detect the temperature of the laser light source 13 (particularly the laser element) of the generation device 10. This allows the distance to the object 90 to be determined according to the temperature characteristics of the laser light source 13, thereby improving the accuracy of distance measurement. In this case, the analysis unit 42 should use the temperature detected by the temperature sensor 14A provided in the temperature adjustment device. This allows the temperature sensor 14A to be used for both purposes. However, the analysis unit 42 may also determine the distance to the object 90 using the temperature detected by a temperature sensor other than the temperature sensor 14A of the temperature adjustment device.

===小括===
上記の測定装置1は、生成装置10と、光学装置20と、検出装置30と、信号処理装置40とを備えている。図11Aに示すように、応答遅れのあるレーザ光源を用いると、時間の経過に応じて周波数が非直線的に増加又は減少する。このような場合、図3A及び図3Bに示すように、ビート信号のビート周波数は、時間に応じて変化する。また、図3A及び図3Bに示すように、ビート周波数の時間変化は、対象物までの距離に応じて異なることになる。そこで、本実施形態の信号処理装置40は、ビート信号のビート周波数の時間変化に基づいて、対象物90までの距離を求める。これにより、応答遅れのあるレーザ光源を用いてFMCW方式により距離を測定することができる。また、安価なレーザ光源を利用できるため、測定装置1のコストの低減を図ることができる。
===Summary===
The measurement device 1 includes a generating device 10, an optical device 20, a detecting device 30, and a signal processing device 40. As shown in FIG. 11A , when a laser light source with a response delay is used, the frequency increases or decreases nonlinearly over time. In such a case, as shown in FIGS. 3A and 3B , the beat frequency of the beat signal changes over time. Furthermore, as shown in FIGS. 3A and 3B , the change in the beat frequency over time differs depending on the distance to the object. Therefore, the signal processing device 40 of this embodiment calculates the distance to the object 90 based on the change in the beat frequency of the beat signal over time. This enables distance measurement using the FMCW method using a laser light source with a response delay. Furthermore, since an inexpensive laser light source can be used, the cost of the measurement device 1 can be reduced.

信号処理装置40は、漸増期間又は漸減期間における複数の時間(複数のタイミング)のそれぞれのビート周波数を求め(図4のS101参照)、求められた複数のビート周波数に基づいて、ビート周波数の時間変化を求める(S102)。例えば、図3A及び図3Bに示すように、信号処理装置40は、或る漸増期間における3つの時間のそれぞれに対応するビート周波数fB1,fB2,fB3を求め、求められた3つのビート周波数fB1,fB2,fB3に基づいて時間の変化量に対するビート周波数の変化量の割合(ビート周波数の時間変化に相当;図3A及び図3Bに示すグラフの傾きに相当)を求める。これにより、S103の処理において、ビート周波数の時間変化に基づいて対象物までの距離を測定することができる。なお、信号処理装置40は、漸増期間における複数のビート周波数を求める代わりに、漸減期間における複数のビート周波数を求め、求められた複数のビート周波数に基づいてビート周波数の時間変化(例えばグラフの傾き)を求めても良い。 The signal processing device 40 calculates the beat frequency at each of multiple times (multiple timings) during the gradual increase period or the gradual decrease period (see S101 in FIG. 4 ), and calculates the change in the beat frequency over time based on the calculated multiple beat frequencies (S102). For example, as shown in FIGS. 3A and 3B , the signal processing device 40 calculates beat frequencies f B1 , f B2 , and f B3 corresponding to three times during a certain gradual increase period , and calculates the ratio of the change in the beat frequency to the change in time (corresponding to the change in the beat frequency over time; corresponding to the slope of the graph shown in FIGS. 3A and 3B ) based on the calculated three beat frequencies f B1 , f B2 , and f B3. This allows the distance to the target to be measured based on the change in the beat frequency over time in the process of S103. Note that instead of calculating multiple beat frequencies during the gradual increase period, the signal processing device 40 may also calculate multiple beat frequencies during the gradual decrease period and calculate the change in the beat frequency over time (e.g., the slope of the graph) based on the calculated multiple beat frequencies.

信号処理装置40は、図5に示すように、ビート信号がピークとなるピーク時間を求め、ピーク時間の間隔に基づいてビート周波数を求める。これにより、漸増期間又は漸減期間におけるビート周波数の時間変化を求めることができる。なお、ビート周波数の計測方法は、これに限られるものではない。例えば、信号処理装置40は、ビート信号が所定の電圧(例えば0V)になる時間を求めるとともに、ビート信号が所定の電圧(例えばビート信号の中心電圧(平均電圧))になる時間の間隔に基づいてビート周波数を求めても良い。 As shown in FIG. 5, the signal processing device 40 determines the peak time at which the beat signal reaches its peak, and then determines the beat frequency based on the interval between peak times. This makes it possible to determine the change in the beat frequency over time during the gradual increase or decrease period. However, the method for measuring the beat frequency is not limited to this. For example, the signal processing device 40 may determine the time at which the beat signal reaches a predetermined voltage (e.g., 0 V), and also determine the beat frequency based on the interval at which the beat signal reaches a predetermined voltage (e.g., the center voltage (average voltage) of the beat signal).

信号処理装置40は、図5に示すように、ビート信号が極大値となるピーク時間と、ビート信号が極小値となるピーク時間とをそれぞれ求め、ピーク時間の間隔に基づいて、ビート信号の半周期ごとにビート周波数を求める。これにより、高い時間解像度でビート周波数を求めることができる。但し、ビート周波数を求めるタイミングは、これに限られるものではない。例えば、信号処理装置40は、所定周期ごとや所定時間経過ごとに、ピーク時間やビート周波数を求めても良い。なお、所定周期ごとや所定時間経過ごとにピーク時間やビート周波数を求める場合、ビート信号の半周期ごとにビート周波数を求める場合と比べて、信号処理装置40の演算負荷を軽減できる。 As shown in FIG. 5, the signal processing device 40 determines the peak time when the beat signal reaches its maximum value and the peak time when the beat signal reaches its minimum value, and calculates the beat frequency for each half cycle of the beat signal based on the interval between the peak times. This allows the beat frequency to be calculated with high time resolution. However, the timing for calculating the beat frequency is not limited to this. For example, the signal processing device 40 may calculate the peak time or beat frequency for each predetermined cycle or after a predetermined amount of time has elapsed. Note that when the peak time or beat frequency is calculated for each predetermined cycle or after a predetermined amount of time has elapsed, the computational load on the signal processing device 40 can be reduced compared to when the beat frequency is calculated for each half cycle of the beat signal.

信号処理装置40は、漸増期間又は漸減期間における複数の時間のそれぞれのビート周波数を求め(図4のS101参照)、求められた複数のビート周波数の大きさに基づいて、対象物の相対速度を求める(図6B及び図7参照)。例えば、図7に示すように、信号処理装置40は、或る漸増期間における複数の時間のそれぞれのビート周波数に基づいて、最小二乗法による直線近似式(f=A・t+B)を求め、ビート周波数の時間変化を示す傾きAを求めるとともに、複数のビート周波数の大きさを示す指標となる切片Bを求める。そして、信号処理装置40は、図6Bに示す第2テーブルを参照することによって、切片Bと基準切片Bとの差からドップラーシフト周波数fdopを求め、これにより、対象物の相対速度V(=(λ/2)・fdop)を求めることができる。なお、信号処理装置40は、最小二乗法による直線近似式の切片Bを求める代わりに、他のビート周波数の大きさを示す指標に基づいてドップラーシフト周波数fdopを求めることによって、対象物の相対速度を求めても良い。 The signal processing device 40 obtains the beat frequency at each of a plurality of times during the gradual increase period or the gradual decrease period (see S101 in FIG. 4 ), and obtains the relative velocity of the object based on the magnitudes of the obtained beat frequencies (see FIGS. 6B and 7 ). For example, as shown in FIG. 7 , the signal processing device 40 obtains a linear approximation equation (f B = A · t + B) by the least squares method based on the beat frequencies at each of a plurality of times during a certain gradual increase period, and obtains a slope A that indicates the time change of the beat frequency and an intercept B that serves as an index indicating the magnitudes of the plurality of beat frequencies. The signal processing device 40 then obtains the Doppler shift frequency f dop from the difference between the intercept B and the reference intercept B 0 by referring to the second table shown in FIG. 6B , and is thereby able to obtain the relative velocity V (= (λ/2) · f dop ) of the object. Note that instead of obtaining the intercept B of the linear approximation equation by the least squares method, the signal processing device 40 may obtain the Doppler shift frequency f dop based on another index indicating the magnitude of the beat frequency, thereby obtaining the relative velocity of the object.

信号処理装置40は、ビート周波数の時間変化と距離とを対応付けたテーブルを予め記憶しており(図6A参照)、このテーブルを参照することによって距離を求める。これにより、ビート周波数の時間変化に基づいて距離を求めることができる。但し、信号処理装置40は、テーブルを用いずに距離を求めても良い。 The signal processing device 40 pre-stores a table that associates distance with changes in beat frequency over time (see Figure 6A), and determines distance by referencing this table. This allows distance to be determined based on changes in beat frequency over time. However, the signal processing device 40 may also determine distance without using a table.

テーブルを参照することによって距離を求める場合、ビート周波数の時間変化と距離とを対応付けたテーブルには、更に温度が対応付けられていることが望ましい。そして、信号処理装置40は、温度センサの検出した温度とビート周波数の時間変化とに基づいてテーブルを参照することによって距離を求めることが望ましい。これにより、距離の測定精度を高めることができる。 When determining distance by referencing a table, it is desirable that the table correlating distance with time-dependent changes in beat frequency also correlates temperature. The signal processing device 40 then determines distance by referencing the table based on the temperature detected by the temperature sensor and the time-dependent changes in beat frequency. This can improve the accuracy of distance measurement.

なお、テーブルを用いずに、温度センサの検出した温度とビート周波数の時間変化とに基づいてテーブルを参照することによって距離を求めることが望ましい。これにより、距離の測定精度を高めることができる。 It is desirable to determine the distance without using a table, but by referencing the table based on the temperature detected by the temperature sensor and the change in beat frequency over time. This can improve the accuracy of distance measurement.

温度センサの検出した温度を用いて対象物90までの距離を求める場合、温度センサは、生成装置10(レーザ光源13)の温度を検出することが望ましい。これにより、レーザ光源13の温度特性に応じて対象物90までの距離を求めることができるため、距離の測定精度を高めることができる。 When determining the distance to the object 90 using the temperature detected by the temperature sensor, it is desirable that the temperature sensor detect the temperature of the generation device 10 (laser light source 13). This allows the distance to the object 90 to be determined according to the temperature characteristics of the laser light source 13, thereby improving the accuracy of distance measurement.

上記の測定方法によれば、(1)周波数変調した光を生成すること、(2)光を対象物90に照射するとともに、対象物90からの反射光と参照光とを干渉させること、(3)反射光と参照光との干渉波を検出装置30で検出し、検出装置30からビート信号を出力すること、及び(4)ビート信号のビート周波数の時間変化に基づいて対象物90までの距離を求めること、が行われる。これにより、応答遅れのあるレーザ光源を用いてFMCW方式により距離を測定することができる。 The above measurement method involves (1) generating frequency-modulated light, (2) irradiating the object 90 with the light and causing the reflected light from the object 90 to interfere with the reference light, (3) detecting the interference wave between the reflected light and the reference light with the detection device 30 and outputting a beat signal from the detection device 30, and (4) determining the distance to the object 90 based on the change over time in the beat frequency of the beat signal. This makes it possible to measure distance using the FMCW method using a laser light source with a response delay.

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments and includes various modifications. Furthermore, the above embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to those that include all of the described configurations. Furthermore, some of the configurations of the above embodiments can be added to, deleted from, or replaced with other configurations.

1 測定装置、
10 生成装置、11 信号発生器、
12 電流源、13 レーザ光源、
14 温調器、14A 温度センサ、
20 光学装置、21 分岐器、
22 サーキュレータ、23 光学系、
24 光導波路、25 結合器、
30 検出装置、31 光電変換器、32 増幅器、
40 信号処理装置、41 信号取得部、
42 解析部、43 出力部、
90 対象物
1. Measuring device,
10 Generating device, 11 Signal generator,
12 current source, 13 laser light source,
14 temperature controller, 14A temperature sensor,
20 Optical device, 21 Branching device,
22 circulator, 23 optical system,
24 optical waveguide, 25 coupler,
30 Detector, 31 Photoelectric converter, 32 Amplifier,
40 signal processing device, 41 signal acquisition unit,
42 analysis unit, 43 output unit,
90 Object

Claims (9)

周波数変調した光を生成する生成装置と、
前記光を対象物に照射するとともに、対象物からの反射光と参照光とを干渉させる光学装置と、
前記反射光と前記参照光との干渉波を検出し、ビート信号を出力する検出装置と、
前記ビート信号のビート周波数の時間変化に基づいて前記対象物までの距離を求める信号処理装置と
を備え
前記信号処理装置は、
前記時間変化と前記距離とを対応付けたテーブルを予め記憶しており、
前記検出装置の出力した前記ビート信号に基づいて前記ビート周波数の前記時間変化を求めるとともに、前記テーブルを参照することによって前記距離を求める、
測定装置。
a generator for generating frequency modulated light;
an optical device that irradiates the light onto an object and causes the reflected light from the object to interfere with a reference light;
a detector that detects an interference wave between the reflected light and the reference light and outputs a beat signal;
a signal processing device that calculates the distance to the object based on a time change in the beat frequency of the beat signal ,
The signal processing device includes:
a table in which the change over time and the distance are associated with each other is stored in advance;
determining the time change of the beat frequency based on the beat signal output from the detection device, and determining the distance by referring to the table;
Measuring device.
請求項1に記載の測定装置であって、
前記信号処理装置は、
前記光の周波数が増加又は減少する期間における複数の時間のそれぞれの前記ビート周波数を求めるとともに、求められた複数の前記ビート周波数に基づいて前記時間変化を求める、
測定装置。
2. The measuring device according to claim 1,
The signal processing device includes:
determining the beat frequency at each of a plurality of times during a period in which the frequency of the light increases or decreases, and determining the change over time based on the determined plurality of beat frequencies;
Measuring equipment.
請求項2に記載の測定装置であって、
前記信号処理装置は、
前記ビート信号がピークとなるピーク時間を求め、
前記ピーク時間の間隔に基づいて、前記ビート周波数を求める、
測定装置。
3. The measuring device according to claim 2,
The signal processing device includes:
A peak time at which the beat signal reaches a peak is determined;
determining the beat frequency based on the interval between the peak times;
Measuring equipment.
請求項3に記載の測定装置であって、
前記信号処理装置は、
前記ビート信号が極大値となるピーク時間と、前記ビート信号が極小値となるピーク時間とをそれぞれ求め、
前記ピーク時間の間隔に基づいて、前記ビート信号の半周期ごとに前記ビート周波数を求める、
測定装置。
4. The measuring device according to claim 3,
The signal processing device includes:
a peak time when the beat signal reaches a maximum value and a peak time when the beat signal reaches a minimum value are respectively determined;
determining the beat frequency for each half period of the beat signal based on the interval between the peak times;
Measuring device.
請求項1~4のいずれかに記載の測定装置であって、
前記信号処理装置は、
前記光の周波数が増加又は減少する期間における複数の時間のそれぞれの前記ビート周波数を求めるとともに、求められた複数の前記ビート周波数の大きさに基づいて前記対象物の相対速度を求める、
測定装置。
The measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The signal processing device includes:
determining the beat frequency at each of a plurality of times during a period in which the frequency of the light increases or decreases, and determining the relative velocity of the object based on the magnitudes of the determined plurality of beat frequencies;
Measuring device.
請求項1~5のいずれかに記載の測定装置であって、
温度を検出する温度センサを備え、
前記テーブルには、温度及び前記時間変化と前記距離とが対応付けられており、
前記信号処理装置は、前記温度センサの検出した温度と前記時間変化とに基づいて前記テーブルを参照することによって前記距離を求める、
測定装置。
The measuring device according to any one of claims 1 to 5 ,
A temperature sensor is provided to detect the temperature.
The table associates the temperature and the change over time with the distance,
the signal processing device determines the distance by referring to the table based on the temperature detected by the temperature sensor and the change over time;
Measuring equipment.
請求項1~6のいずれかに記載の測定装置であって、
温度を検出する温度センサを備え、
前記信号処理装置は、前記温度センサの検出した温度と前記時間変化とに基づいて、前記距離を求める、
測定装置。
The measuring device according to any one of claims 1 to 6 ,
A temperature sensor is provided to detect the temperature.
the signal processing device calculates the distance based on the temperature detected by the temperature sensor and the change over time.
Measuring equipment.
請求項7に記載の測定装置であって、
前記温度センサは、前記生成装置の温度を検出する、測定装置。
8. The measuring device according to claim 7 ,
The temperature sensor detects the temperature of the generating device.
周波数変調した光を生成すること、
前記光を対象物に照射するとともに、対象物からの反射光と参照光とを干渉させること、
前記反射光と前記参照光との干渉波を検出装置で検出し、前記検出装置からビート信号を出力すること、及び
前記ビート信号のビート周波数の時間変化に基づいて前記対象物までの距離を求めること、
を行うとともに、
前記時間変化と前記距離とを対応付けたテーブルを予め記憶しており、
前記検出装置の出力した前記ビート信号に基づいて前記ビート周波数の前記時間変化を求めるとともに、前記テーブルを参照することによって前記距離を求める、
測定方法。
generating frequency modulated light;
irradiating the light onto an object and causing reflected light from the object to interfere with a reference light;
detecting an interference wave between the reflected light and the reference light with a detection device and outputting a beat signal from the detection device; and determining the distance to the object based on a time change in the beat frequency of the beat signal.
In addition to carrying out the above,
a table in which the change over time and the distance are associated with each other is stored in advance;
determining the time change of the beat frequency based on the beat signal output from the detection device, and determining the distance by referring to the table;
Measurement method.
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