JP-2026076506-A - 測距装置及び測距方法

Abstract

【課題】本開示は、連続波光源を用いることなく、測距誤差の原因となるパルス光源の繰り返し周波数の揺らぎの影響を補償可能にすることを目的とする。 【解決手段】本開示は、試験光パルスを被測定物に照射し、前記試験光パルスが前記被測定物で反射された信号光パルスと参照光パルスとの干渉波形を用いて、前記被測定物までの距離を測定する測距装置において、前記試験光パルス及び前記参照光パルスは、複数の周波数成分を有し、前記試験光パルス及び前記参照光パルスに含まれる前記複数の周波数成分のうちの少なくとも２つの周波数成分の、前記試験光パルス及び前記参照光パルスの干渉信号を補正信号として検出する補正信号取得部を備える測距装置である。 【選択図】図５

Inventors

• 中村 篤志
• 戸毛 邦弘
• 伊藤 文彦
• 張 超

Assignees

• ＮＴＴ株式会社
• 国立大学法人島根大学

Dates

Publication Date

20260512

Application Date

20241024

Claims (8)

1. 試験光パルスを被測定物に照射し、前記試験光パルスが前記被測定物で反射された信号光パルスと参照光パルスとの干渉波形を用いて、前記被測定物までの距離を測定する測距装置において、 前記試験光パルス及び前記参照光パルスは、複数の周波数成分を有し、 前記試験光パルス及び前記参照光パルスに含まれる前記複数の周波数成分のうちの少なくとも２つの周波数成分の、前記試験光パルス及び前記参照光パルスの干渉信号を補正信号として検出する補正信号取得部を備える、 測距装置。
2. 前記補正信号取得部は、前記試験光パルス及び前記参照光パルスに含まれる前記複数の周波数成分のうちいずれかの周波数成分を透過させる複数の光フィルタを備える、 請求項１に記載の測距装置。
3. 前記補正信号取得部は、前記複数の光フィルタよりも帯域幅の狭い周波数フィルタを、前記信号光パルス及び前記参照光パルスに透過させる、 請求項２に記載の測距装置。
4. 前記補正信号取得部は、光９０度ハイブリッドを用いて、前記信号光パルス及び前記参照光パルスの干渉信号を検出する、 請求項１に記載の測距装置。
5. 前記干渉波形を用いて前記被測定物までの距離を求める信号処理回路を備え、 前記信号処理回路は、前記補正信号取得部で検出された前記補正信号を用いて、前記干渉波形における前記信号光パルス及び前記参照光パルスの繰り返し周波数の揺らぎを補正する、 請求項１に記載の測距装置。
6. 前記信号処理回路は、 前記揺らぎに付随する位相の項を算出し、 前記位相の項の増分が一定となるように、前記干渉波形を補正する、 請求項５に記載の測距装置。
7. 前記参照光パルスの繰り返し周波数は、前記試験光パルスの時間幅の範囲内で、前記試験光パルスの繰り返し周波数と異なり、 前記信号処理回路は、前記信号光パルス及び前記参照光パルスのコヒーレント相関検出で得られた瞬時値を時間軸で再配置することで、前記干渉波形を構成する、 請求項５に記載の測距装置。
8. 試験光パルスを被測定物に照射し、前記試験光パルスが前記被測定物で反射された信号光パルスと参照光パルスとの干渉波形を用いて、前記被測定物までの距離を測定する測距装置が実行する測距方法であって、 前記試験光パルス及び前記参照光パルスは、複数の周波数成分を有し、 前記試験光パルス及び前記参照光パルスに含まれる前記複数の周波数成分のうちの少なくとも２つの周波数成分の、前記試験光パルス及び前記参照光パルスの干渉信号を補正信号として検出する、 測距方法。

Description

本開示は、光パルス測距装置及び測距方法に関する。 光パルスの放射から反射を検出するまでの時間を計測する飛行時間（ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）型ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）は、インフラ点検に求められる長距離測距に適しているが、一般的なｎｓ級幅の光パルスを直接検波で受光する方式では、奥行分解能がｃｍオーダであるため高精細な測定が難しい。そこで、幅１ｐｓ以下の短パルスの試験光パルスを対象物に投影し、対象物で反射された信号光を２コム干渉（ＤＣＩ（Ｄｕａｌ Ｃｏｍｂ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ））法により検出することで、奥行分解能と奥行精度を高める研究が行われている［非特許文献１、２］。ＤＣＩ法では、繰り返し周波数が僅かに異なる２台のパルス光源を用いるが、その繰り返し周波数の揺らぎが測距エラーにつながるため、２つのレーザの位相同期させることが望ましい［非特許文献１、２］。 レーザの精密な制御を不要とするため、ＤＣＩに用いる２台のパルス光源を自走させ、干渉信号を生成した後に、ソフトウェア処理により２台の繰り返し周波数の揺らぎを補償する技術が提案されている［非特許文献３］。この方式では、１対の連続波（ＣＷ）光源を受光側に設置して、自走する２台のパルス光源との干渉させることで得られる４種の干渉信号から、補償処理に必要な情報を取得する。しかしこの方式では、周波数の安定した２台の連続波レーザを必要とし、高コストである。 Ｉ． Ｃｏｄｄｉｎｇｔｏｎ， Ｗ． Ｃ． Ｓｗａｎｎ， Ｌ． Ｎｅｎａｄｏｖｉｃ， ａｎｄ Ｎ． Ｒ． Ｎｅｗｂｕｒｙ， “Ｒａｐｉｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｔ ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ，” Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． ６， ｐｐ． ３５１－３５６， ２００９．Ｐ． Ｔｒｏｃｈａ， Ｍ． Ｋａｒｐｏｖ， Ｄ． Ｇａｎｉｎ， Ｍ． Ｈ． Ｐ． Ｐｆｅｉｆｆｅｒ， Ａ． Ｋｏｒｄｔｓ， Ｓ． Ｗｏｌｆ， Ｊ． Ｋｒｏｃｋｅｎｂｅｒｇｅｒ， Ｐ． Ｍａｒｉｎ－Ｐａｌｏｍｏ， Ｃ． Ｗｅｉｍａｎｎ， Ｓ． Ｒａｎｄｅｌ， Ｗ． Ｆｒｅｕｄｅ， Ｔ． Ｊ． Ｋｉｐｐｅｎｂｅｒｇ， ａｎｄ Ｃ． Ｋｏｏｓ， “Ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｒａｎｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｏｌｉｔｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂｓ，” Ｓｃｉｅｎｃｅ， ｖｏｌ． ３５９， ｎｏ． ６３７８， ｐｐ． ８８７－８９１， ２０１８．須山嵩大，泉本彬，大澤京悟，張超，伊藤文彦，中村篤志，古敷谷優介，“連続波参照光を利用した２コム干渉による飛行時間型光測距”，応用物理学会・光波センシング技術研究会，ＬＳＴ７０－０９， 東京理科大学 森戸記念館，２０２４年６月． 線形光サンプリング法による超高速複素電界振幅測定の原理の説明図である。非特許文献３のシステム構成例を示す。非特許文献３において発生させる干渉信号の一例を示す。非特許文献３における干渉信号の光周波数の一例を示す。本開示のシステム構成例を示す。光周波数成分ｆ１及びｆ２の一例を示す。補正信号取得部の接続構成例を示す。第１の実施形態の波長特性の一例を示す。第２の実施形態の補正信号取得部の接続構成例を示す。第２の実施形態の波長特性の一例を示す。第２の実施形態のシステム構成例を示す。第３の実施形態の補正信号取得部の接続構成例を示す。第３の実施形態の波長特性の一例を示す。第３の実施形態のシステム構成例を示す。第４の実施形態の補正信号取得部の接続構成例を示す。第５の実施形態のシステム構成例を示す。 以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 （線形サンプリング法） 図１に、非特許文献３の原理の説明図を示す。非特許文献３で用いられている線形サンプリング法（２コム干渉法）では、参照光に幅１ｐｓ以下の短パルス光を用い、試験光パルスを被測定物に照射し、前記試験光パルスが前記被測定物で反射された信号光パルスと参照光パルスとのコヒーレント相関検出を行うことでサンプリングを行い、信号光パルスの瞬時複素振幅を測定する。そして、信号光パルス及び参照光パルスのコヒーレント相関検出で得られた瞬時値を時間軸で再配置することで、信号光パルス及び参照光パルスの干渉波形を構成する。これにより、測定信号が得られる。この測定信号を用いて、光パルスの入力から受信までの時間差を距離に換算することで、距離を測定することができる。 非特許文献３では、信号光パルスの繰返し周期Ｔと参照光パルスの繰返し周期Ｔ＋ΔＴをわずかに離調し、干渉点をずらしながら瞬時振幅を検出することで、サブピコ秒の時間分解能で干渉波形を観測する。 参照光パルスの繰り返し周波数は、試験光パルスの時間幅の範囲内で、試験光パルスの繰り返し周波数と異なる。例えば、信号光パルスの繰返し周波数Ｆとすると、参照光パルスの繰返し周波数は１／（Ｆ－ΔＦ）で表される。観測可能な信号の速度は、サンプリングパルス幅だけで決まり、超高速信号に対応できる。使用するエレクトロニクスはサンプリングパルス周期に追随できればよく、数ＭＨｚ程度の帯域のものが使用できる。 干渉点の実効的な時間間隔を実効サンプリング間隔ΔＴと呼び、以下のように表すことができる。 図２に、非特許文献３のシステム構成例を示す。非特許文献３のシステムは、２台のパルス光源と、２台の連続波光源と、光受信器と、を有する。２台のパルス光源は、光周波数コム光源であり、それぞれ試験光パルス及び参照光パルスを繰返して出力する。図に示すＣＷ１及びＣＷ２が２台の連続波光源である。図では、光９０度ハイブリッド（以下、「９０Ｈ」と略記することがある。）、ＢＰＤ及びＡＤＣを用いた光受信器を示す。ＣＷはＣＷレーザ、ＢＰＤはバランス型フォトディテクタ、ＡＤＣはアナログディジタルコンバータ、ＣＰは光カプラ、Ｃｉｒはサーキュレータ、ＡＤＣはＡＤコンバータ、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）は、光受信器で得られたデジタル信号の任意の処理を行う信号処理回路である。以下、信号処理回路を「ＰＣ」と表記する。 ２台のパルス光源をわずかに異なる繰り返し周波数で自走させ、信号光パルスと参照光パルスの干渉信号から測定装置と被測定物間の距離を取得する。パルス光源と連続波光源を用いて得られる４種の干渉信号から、測距誤差の原因となる「繰り返し周波数の揺らぎ」を取得し、その影響をデジタル信号処理により補償する。 連続レーザ光の光周波数は、試験光パルスと参照光パルスの帯域の中の異なる光周波数に設定される。この条件の下で、図３に示すように、ＣＷ１と信号光パルス、ＣＷ１と参照光パルス、ＣＷ２と信号光パルス、ＣＷ２と参照光パルスで計４種の干渉信号α１、β１、α２、β２を生成させ、ＡＤＣによりデジタルデータに変換し、ＰＣのメモリに格納する。 図４に、干渉信号α１、β１、α２、β２の光周波数の一例を示す。干渉信号α１、β１、α２、β２は次式で表される。 ここで、ｆＳとｆＬはそれぞれ試験光パルスと参照光パルスのＣＷ１近傍の歯の周波数、ｆＣＷ１とｆＣＷ２は連続レーザ光の周波数、θＳ（ｔ）、θＬ（ｔ）、θＣＷ１（ｔ）、θＣＷ２（ｔ）はそれぞれパルス光源及び連続レーザ光のもつ位相雑音である。ｆは周波数コムの歯の間隔、ΔＦは試験光パルスおよび参照光パルスの繰り返し周波数の差、ｎは２つの連続レーザ光の周波数の間に含まれる周波数コムの歯の数である。 線形サンプリング法では、上式に対して以下のようにΔＦが付随する項のみが残るように、位相共役演算及び乗算を施す。 式（１）よりΔＴ≒ΔＦ／Ｆ２であることから、式（８）の位相２πｎΔＦｔの変化はΔＴに比例する。したがって、この位相の変動はΔＴの変動と対応している。そして、α１β＊ １（α２β＊ ２）＊の位相２πｎΔＦｔが一定値増加する毎に測定信号をリサンプリングすることで、正しい時間軸上での干渉信号が得られる。 線形サンプリング法では、自走する２台のパルス光源の繰返し周期の揺らぎを補償し、正しい時間軸上での干渉信号を得ることで、高精度な測距を実現することができる。しかし、従来手法は２台の安定した連続光レーザを必要とし、コストが高い。 （本開示の概要） 本開示は、線形サンプリング法を用いた測距装置において、より低コストで簡易な構成を用いて、同等の効果を得ることを目的とする。すなわち、自走する２台のパルス光源の繰返し周期の揺らぎを補償し、正しい時間軸上での干渉波形を得ることで、高精度な測距を実現する。そのために、パルス光源の繰り返し周波数の揺らぎを検出する新たな方法を開示する。 本開示の測距装置は、本開示の測距方法を実行する。具体的には、本開示の測距方法では、測距装置が、被測定物に照射された試験光パルス列の該被測定物での反射光である信号光と試験光パルス列の繰り返し周波数と異なる繰り返し周波数の参照光パルス列との干渉波形を計測し、線形光サンプリング法の原理に基づいて被測定物までの距離を求める。本開示の測距装置では、試験光パルス列と参照光パルス列との干渉信号から互いに異なる光周波数を抽出する第１光フィルタおよび第２光フィルタと、第１光フィルタで抽出された干渉信号を受光して得られる第１ビート信号と第２光フィルタで抽出された干渉信号を受光して得られる第２ビート信号とから、試験光パルス列と参照光パルス列との繰り返し周波数の差が付随する位相の項を取得し、該位相の項の時間変化に基づいて、試験光パルス列および参照光パルス列の繰り返し周波数の揺らぎの測距信号に対する影響を補償する信号処理部とを備える。 図５に、本実施形態のシステム構成例を示す。本実施形態の測定装置は、光生成部１０、測距信号取得部２０、及び補正信号取得部３０を備える。光生成部１０及び測距信号取得部２０については、２コム干渉（ＤＣＩ）法により検出する従来技術と同じ装置構成を用いることができる。 例えば、本実施形態の光生成部１０は、一定の時間間隔で繰り返す試験光パルスを生成するパルス光源１１と、一定の時間間隔で繰り返す参照光パルスを生成するパルス光源１２と、を備える。試験光パルス及び参照光パルスは、複数の周波数成分を有する。パルス光源１１及び１２は、複数の周波数成分を有するパルス光を発生させることの可能な任意の光源であり、例えば周波数間隔ｆの等しい光周波数コム光源を用いることができる。 例えば、測距信号取得部２０は、試験光パルスを被測定物に照射し、被測定物で反射された信号光を光９０度ハイブリッド２２に導くサーキュレータ２１と、参照光パルスを光９０度ハイブリッド２２に分岐するＣＰ２５と、光９０度ハイブリッド２２からの出力を受光するＢＰＤ２２３と、ＢＰＤ２２３からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ２４と、を備える。 補正信号取得部３０は、信号光パルス及び参照光パルスの干渉信号から異なる複数の光周波数成分を抽出する複数の光フィルタを備え、前記複数の光フィルタで抽出された前記信号光パルス及び前記参照光パルスの干渉信号を検出する。この干渉信号が補正信号として用いられる。 図６に、光周波数コムの一例を示す。複数の光フィルタは、試験光パ