JPH03216580A - 動的な相対速度及び相対距離を検知するレーザレーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来の技術〕 本発明はレーザレーダに関し、特に車のような２つの移
動する物体の相対速度及び相対距離を検知するレーヂレ
ーダに関する。

従来の無線周波レーダ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ　Ｒａｄａｒｓ）は物体に向けて発する媒体として電
波を使用している。反射された電波は受信され、相対速
度や距離を求めるよう処理される。電波は正確な方向を
維持するのが難しく、雑音電波によって妨害されやすい
ので、このようなレーダの使用範囲は限られている。

そこで距離を測る媒体としてレーザビームを使用する動
きがある。最近レーザドブラ一変位計（Ｌａｓｅｒ　Ｄ
ａｐｐｌｅｒ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｅｒ
以下ＬＤＤＭ）が開発された。これについてはＬａｓｅ
ｒｓ　＆　Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ，１９８７．　９．　ｐ
６９−７１に紹介されている。ＬＤＤＭの利点は連続し
た波動周波数を有し、周波数が安定したレーザビームを
用い、光学的フィードバック手段が不用で、システム全
体がコンパクトであることである。レーザビームのレー
ダ装置への応用は活発に行なわれており、その中には小
糸製作所（日本）によって発明された衝突防止装置があ
る。この装置は概略的には同方向へ進行する車の間をレ
ーザビームが進む時間を測定し、この時間を相対距離に
変換する。

〔発明が解決しようとする課題〕

１００ｍ離れている車の間をレーザビームが進行する時
間は０．３マイクロセカンドより短いので、どんな測定
誤差も装置の価値をなくす原因になる。

このようにこの装置は事故を避けるよう運転手に警告信
号を発する動作をするが、信頼性は必ずしも充分ではな
い。これが電波を使用するかレーザビームを使用するか
にかかわらず、従来のレーダの最大の問題点である。

２つの物体の相対速度及び距離を検知する従来のレーダ
の他の問題点は高精度な測定が難しいことである。この
理由は他の物体からのノイズ波をレーダが捕え、反射波
と混合することによる。これは特に無線電磁波を媒体と
して使用する時に起きる。さらに時には伝搬波が非所望
の物体によって反射されることがあるので警告信号を誤
って発することがある。

本発明の主たる目的は２つの移動物体の相対速度及び距
離を検知するレーザレーダを提供することである。この
目的は伝搬された媒体レーザビームと反射された媒体レ
ーザビームとのヘテロダイン干渉効果を利用することで
正確な検知を得ることにより達成される。

本発明の他の目的はドプラー効果を用いたドプラー周波
数を測定するレーザレーダを提供することである。ドプ
ラー周波数はレーザレーダの中央処理装置によって処理
される相対速度の情報を含んでいる。

本発明の更に他の目的で本発明の非常に重要な特徴は反
射されたレーザビームを検知すると同時に２つの移動物
体の相対距離の情報を得るためのＰＩＮダイオードアレ
イや電荷結合素子（ＣＣＯ）列のような光検出手段を提
供することである。

本発明の更に他の目的で本発明のレーザレーダのきわ立
った特徴は速度測定の精度改良と起り得るすべての雑音
波を避けるタイミングゲート手段を提供することである
。タイミングゲート手段はレーザレーダによって受光さ
れ処理される５ｐ射波に対応する反射レーザビームを抑
制する。

〔課題を解決するための手段〕 したがって本発明のレーザレーダは、レーザビーム照射
手段、該照射ビームを受光してこれを参照ビームに変換
する参照ビーム形成手段、該参照ビームと、該参照ビー
ムと混合されるべき反射レーザビームとを受光する受光
手段、混合されたレーザビームを処理して相対速度の情
報に変換し出本発明のレーザレーダはシステム全体のた
めのパルスクロックを生成するクロック発生手段、レー
ザビーム駆動手段、照射レーザビームに対応する反射レ
ーザビームの受光を制御するタイミングゲート手段も有
する。クロック発生手段、レーザ駆動手段、タイミング
ゲート手段はすべて電気回路で作られる。

〔実施例〕

第１図は本発明によるレーザレーダシステムのブロック
図である。本発明は２移動物体、特に同方向へ移動する
２台の車の相対速度と距離を検知しようとするものであ
る。２つの混合した波のへテロダイン干渉効果という現
象は良く知られた技術で、”Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ
　Ｌａｓｅｒ　ｆｌｅｔｅｒｏｄｙｒＬｅ　Ｍｉｃｒｏ
−ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ”という表題で“Ｏｐｔｉｃａｌ
　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍａｇａｚｉｎｅ″ｐ９２６
　−９２９　Ｎｏ．６　ｖｏ１，２４，Ｎｏｖ．／Ｄｅ
ｃ．１９８５を参照すると最もよく理解できる。本発明
によるレーザレーダは相対速度情報検出のためにこのヘ
テロダイン干渉法を用いるが、簡明にするためこの点に
関するレーザレーダの動作については詳細は省く。これ
により発明の開示が不充分ということにはならない。ま
た本発明のレーザレーダではドプラー効果を利用する。

ドプラー効果は次の式（１），　　（２）で表わされる
。

Ｆｒ＝Ｆｔ　（（Ｃ−Ｖ）／　（Ｃ＋Ｖ））”　・・・
（１）Ｆ　ｏ　＝　Ｆ　ｒ　　Ｆ　ｔ　　　　　　　　
　　　　　・・・（２）但しＦｔ　；照射電磁波の周波
数 Ｆｒ；受信電磁波の周波数 ＦＤ；ドブラー周波数 Ｃ　；光速 Ｖ　；２物体の相対速度 レーザビームの周波数を３００，０００ＧＨｚ，　２台
の車の速度差である相対速度をｌｋｍ／時から１００ｋ
ｍ／時とすると、ドブラー周波数Ｆ，は約０．５ＭＨｚ
から５５ＭＨｚになる。ドブラー周波数Ｆ，は相対速度
の情報を表わすように選択される。第１図にあるように
レーザレーダシステムは制御用クロックパルスを発生す
るクロック手段０１、同期高電圧発生手段０２、レーザ
ビーム駆動手段０３及び光学装置１００を含み、光学装
置１００は更にレーザビーム照射部１０１、参照ビーム
検出部１０２とレーザビーム受光部１０３を含む、中央
処理装置１７はブロック３１で表わされる初期設定、ブ
ロック３２で表わされる第１の車の速度、ブロック３３
で表わされる第１の車のクラッチ又は非クラッチ状態、
及び光学部１００からの他の信号の受信情報信号の処理
を行なう。中央処理装置１７は表示装置１８に表示すべ
き相対速度と距離の信号を送ることができ、スピーカ１
９で通知すべき警告を送ることができ、第１の車の減速
器２０を制御することができ、第１の車の前を走る第２
の車の画像を捕えるようカメラ２１を制御することがで
きる。これらの制御技術は良く知られており、本発明の
主たる特徴でないので詳細は述べない。再び第１図を参
照して、本発明のレーザレーダでは参照ビーム検出手段
１０２と中央処理装置ｌ７に接続された第１の増巾器１
０と前置増巾器１５と第２増巾器１５１と中央処理装置
１７とレーザビーム受光部１０３０間に接続されたタイ
ミングゲ一ト部１６を具備する。

第２図を参照して，光学部１００は車の前面に取付られ
、養モこの部分には一般的にレーザビームを発生するレ
ーザダイオード０４と１組の集光レンズ０５、第１のプ
リズム０６、第１のレンチキコラーレンズ０７を含むレ
ーザビーム照射部１０１を備えている。

第３図（ａ）から第３図（Ｃ）に示すように、レンチキ
ュラーレンズ０７の機能はレーザビーム４０を水平方向
は、１．５゜、垂直方向は０．３゛の広がり角を有する
ビームに変えることである。これによりレーザビーム４
０は目的外の物体に照射されることなく前方の移動する
目的物に向うことができる。

第２図に示すようにレーザダイオード０４からのレーザ
ビームは第１のプリズム０６で反射され、参照レーザビ
ーム検出部１０２内の第２のプリズム０８に到達する。

参照レーザビーム検出部１０２は集光レンズ０８１と受
光素子０９を具備し、ビーム照射装置１００が正常に動
作しているか確認するため監視している。さらに第２の
プリズム０８を透過したビームが参照用レーヂビームに
なる。光学Ｉ　１００のレーザビーム受光部１０３は概
略的には第２のレンチキ二ラーレンズ１１、第３のプリ
ズム１２、第２の集光レンズ１３及びレーザビーム検出
部１４を具備する。レーザビーム検出部１４はアレイ状
のＰＩＮダイオードを形成する複数のＰＩＮダイオード
又は複数のＣＣＤである。商業的に実用できるＣＣＤは
１０２４素子で照射された光ビームを検出できる。

光学部１００の動作を第１図によって説明する。

レーザ駆動部０３はレーザダイオード０４を駆動し、レ
ーザビームを発生させる。発生したレーザは集光レンズ
０５、第１プリズム０６、第１レンチキュラーレンズ０
７を通り、照射用レーザビーム４０になる。

反射されたレーザビーム４１は受光部１０３の第２レン
チキュラーレンズ１１、第３プリズム１２、第２集光レ
ンズ１３を通り、レーザビーム検出部ｌ４に至る。

受光されたレーザビーム４１は参照光検出部１０２より
の参照光４２と混合される。この参照光４２は照射レー
ザビーム４０と光学的に同一の性質を有する。

レーザビーム４１．４２はヘテロダイン干渉効果に用い
られる。その結果ドプラー周波数Ｆｄが求められ中央処
理装置１７に送られる。これにより第１の車と前方の第
２の車の相対速度が中央処理装置１７で求められる。

第４図にはレーザビーム駆動部０３、高電圧発生器０２
、クロック発生部Ｏｌの回路図が示されている。

システムの動作電圧は車のバッテリー５１より供給され
る。電源５０に含まれる電圧安定器５２が１２ＶＤＣの
安定した電圧を供給する。一点鎖線０１で示されるクロ
ック部０１は商業的に利用可能なＩＣ（ナンバー５５５
）で実現される発振回路を用いる。同期高電圧発生器０
２は一点鎖線０２で表わされる高電圧スイッチング電源
により実現される。レーザダイオード０４は一点鎖線０
３で表わされるレーザビーム駆動手段用回路内で接続さ
れる。第４図で示される電気回路は全体でクロック部０
１からの制御クロックに従ってレーザダイオード０４か
らレーザビームを発生させる。これらの回路は比較的よ
く知られたものであるからその構成と動作については詳
述しない。

第５図は前置増巾器１５の回路図を示す。前置増巾器１
５はレーザビーム受光部１０３のレーザビーム検知手段
１４に接続される。特に回路の具体例ではレーザビーム
検出手段１４として複数のＰＩＮダイオードを使う。前
置増巾器１５はまず光学的周波数増巾器１５０で構成さ
れる。この前置増巾器回路１５の数はＰＩＮダイオード
の分だけある。各光学的周波数増巾器１５０の出力は同
時にアナログ加算器１５２に送られ、前置増巾器１５か
らの出力は合算される。アナログ加算器１５２の出力は
接続点Ｂから出力される。

第６図に本発明のレーザレーダで使用される２つの移動
物体の相対速度を検知する回路図を示す。

回路図ではタイミングゲート手段１６を具体化した回路
が示されており、以下これについて詳しく説明する。周
波数・電圧変換器は機能ブロック６０で表わされる。こ
の変換器６０の１つの例は周波数合成器（イ７７ル（７
）　Ｉ　Ｃ，　１８２ＸＯ）　（商標名）、増巾器（ナ
ショナルセミコンダクターのＬＦ３５６）　（商標名）
とマルチプレクサー（アナログコーポレーションのＡＤ
５３２）　（商標名）で構成されるものである。この周
波数・電圧変換器６０の機能は、２つの移動物体の相対
速度の情報を示すドブラー周波数を電圧に変化すること
である。周波数・電圧変換器６０から得られる電圧信号
は、中央処理装置１７（ＣＰ［Ｉ）が取り込み可能なよ
う電圧を保持するサンプル・ホールド回路６ｌに送られ
る。このサンプル・ホールド回路６１はナショナルセミ
コンダクターのＬＨＯ５３（商標名）　によって作るこ
とが可能である。

照射ビームと受光ビームによるドプラー周波数に対応す
る電圧はさらに中央処理装置１７によって相対速度を求
めるよう演算され表示装置１８に表示される。

第６図に示される電気回路はタイミングゲート用回路図
である。タイミングゲート部１６を具体化したこのタイ
ミングゲート回路の目的と機能は、前方の移動物体によ
って反射された受光レーザビーム４ｌが照射レーザビー
ム４０から実際に発生したことを保証することによって
、できるだけ雑音を除去することにある。レーザビーム
受光部１０３で受光されたレーザビームは参照波と混合
の後、前置増巾器１５によって増巾される。このドプラ
ー周波数を含んだレーザビーム波は接続点Ｂでタイミン
グゲート回路に入り飽和増巾器１６１で飽和される。タ
イミングゲート回路にはフリップフロップ１６２とＲＣ
による遅延回路１６３が設けられている。

レーザダイオード０４が発振を開始し、レーザビームを
出射し始める時、この時間信号は接続点Ｃを通じてタイ
ミングゲート回路１６に供給される。この時間信号はＲ
Ｃ遅延回路１６３のＲＣ定数によって決定される期間だ
け開始時間を遅らせるようタイミングゲート回路を制御
する。したがって接続点Ｂからのドプラー周波数を含ん
だレーザビームはある時間遅れの後受け入れられる。そ
の間にクロック０１が接続点Ａからタイミングゲート回
路に供給されて、単安定発振器１６４を制御する。レー
ザダイオード０４の開始の時間信号は、このタイミング
ゲート回路の開始を確実にするために１組のフリップフ
ロツプ１６５　，　１６６からこのタイミングゲート回
路にも供給される。接続点Ａからタイミングゲート回路
に供給されるクロックパルスの波形はノードａに示され
る。単安定発振器１６４の出力はノードｂに示されるよ
うになる。ノードｂにおける信号のパルス幅はＲｌ，Ｃ
ＩとＲ２，Ｃ２によって決まる定数による。この信号は
アナログスイッチ１６７に供給される。アナログスイッ
チとしてはＤＧ１８０（商品名）が利用でき、その結果
ノードＣでの波形は図のようになる。このドプラー周波
数情報を含む波形は周波数・電圧変換器６０に供給され
、これまで述べたように相対速度が得られる。

本発明によるレーザレーダによる相対距離の検知にはレ
ーザビーム受光部１０３内の光検知素子を用いる。第７
図に示すように反射レーザビーム４１は光検知素子アレ
イｌ４によって受光される。この光検知素子アレイは一
連のＰＩＮダイオードアレイか電荷結合素子（ＣＣ［ｌ
ｌ）である。光検知アレイ上には複数のピクセルがある
。ビクセルの位置に反射されたレーザビームは、２つの
移動する物体の相対位置の情報を含むと考えられる。第
７図において第１の車の前の第２の車によって反射され
たレーザビーム４１は光検知アレイ１４に照射される。

この情報は第８図又は第９図に示される電気回路に入力
される。

第８図に示されるように第５図の接続点Ｄでの出力には
ＰＩＮダイオードの中のどの素子に反射されたレーザビ
ームが照射されているかという情報が含まれている。各
素子は異なる抵抗値Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３・・・・・・Ｒｎ
を有する個別回路につながっている。よって利得増巾器
１５２に供給される信号が個別回路で異なることにより
、異なる相対位置の情報が中央処理装置１７によって処
理することで得られ、表示装置１８に表示される。

第９図にはＣＣＤを受光部１０３に用いて相対速度と位
置を検知する場合を示す。信号は直接中央処理装置に送
り相対距離の情報を得る。相対速度を検知するため第６
図の回路図でＢを通じて同様の検知信号が供給される。

本発明はこれまで説明した好ましい実施例として述べら
れているが、本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲
で種々の変形が可能である。従って特許請求の範囲に記
載された以外の具体的な実施例に限定されるものではな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればヘテロダイン干渉
効果を利用することで２つの移動物体の相対速度と距離
を正確に検知するレーザレーダが実現できる。

さらにドプラー周波数を測定することでドブラー効果を
利用した、２つの移動物体の相対速度を正確に検知する
レーザレーダが実現できる。

さらにレーザレーダの受光手段としてＰＩＮダイオード
アレイ又は電荷結合素子を用いることで同時に２つの移
動物体の相対距離に関する情報が得られる。

さらに受光する反射レーザビームが照射レーザビームに
よるものに限定するためにタイミングゲート手段を用い
ることで速度測定の精度向上と起り得るすべての雑音波
を避ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザレーダのシステムブロック
図、第２図は本発明によるレーザレーダで使われる光シ
ステムの概略図、第３図（ａ）〜第３図（Ｃ）は照射レ
ーザビームの概略図、第４図は本発明によるクロック発
生手段、高電圧発生手段、及びレーザビーム駆動手段の
回路図、第５図は本発明によるレーザレーダのレーザビ
ーム受光手段とこれに接続された増巾手段の回路図、第
６図は本発明によるレーザレーダの中央処理装置で採用
される２移動物体の相対速度検出用回路図、第７図は本
発明によるレーザレーダにおける受光素子列を使って移
動物体の相対距離検出の説明図、第８図は本発明による
レーザレーダにおける受光手段としてＰＩＮダイオード
アレイを使用して相対距離を検出するための中央処理装
置に採用される電気回路の回路図、第９図は本発明によ
るレーザレーダにおける受光手段として電荷結合素子を
使用して相対距離を検出するだめの、中央処理装置に採
用される電気回路の回路である。 図において、 １４・・・光検出部、　　　１６・・・タイミングゲー
ト部、ｌ７・・・中央処理装置、　４０・・・照射レー
ザビーム、４１・・・反射レーザビーム、 ６０・・・周波数・電圧変換器、 １０１・・・レーザビーム照射部、 １０２・・・レーザビーム受光部、 １６３・・・遅延回路、　　　１６４・・・単安定発振
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザビームを発生し照射する手段、 該照射レーザビームが移動物体の１つによって反射され
   た反射レーザビームを受光する光検出手段を有する受光
   手段、 ヘテロダイン干渉を生じさせるため該照射レーザビーム
   と該反射レーザビームを混合して混合レーザビームを得
   る手段、及び 該混合レーザビームを処理し、２つの移動物体の相対速
   度に変換する中央処理装置を具備する２つの移動物体の
   相対速度を検知するレーザレーダ。 ２、該反射ビームを受光する該受光手段の開始時間を制
   御するゲート手段を更に具備し、それにより該反射レー
   ザビームが該照射レーザビームに対応することを確実化
   するようにした請求項の１に記載したレーザレーダ。 ３、該混合レーザビームの周波数信号を電圧信号に変換
   するために、該中央処理装置に接続される周波数・電圧
   変換手段を更に具備する請求項の１に記載のレーザレー
   ダ。 ４、該ゲート手段は更に、２つの移動物体の相対速度を
   示す周波数信号を有効に含む該混合レーザビームの波形
   を生成するための単安定発振器と遅延回路を更に具備す
   る請求項の２に記載したレーザレーダ。 ５、該光検知手段はＰＩＮダイオード列である請求項の
   １に記載のレーザレーダ。 ６、該光検知手段は電荷結合素子である請求項の１に記
   載のレーザレーダ。 ７、レーザビームを発生し照射する手段、 移動する物体のうち１つによって反射された反射レーザ
   ビームを検知するために、一連の素子を有する実質的に
   光検知列の形式をしており、該素子の各々が相対距離の
   異なる情報を示す光検知手段、 及び該光検知手段からの信号を処理し、２つの移動物体
   の相対距離に変換する手段を具備する２つの移動物体の
   相対距離を検知するレーザレーダ。 ８、該光検知手段がＰＩＮダイオード列である請求項の
   ７に記載のレーザレーダ。 ９、該光検知手段が電荷結合素子である請求項の７に記
   載のレーザレーダ。