(57)【要約】【課題】サンプリング時間を長くせずに周波数分解能の精度を高める。【解決手段】光学パターン板によりチョッピングされた測定対象からのレーザ反射光を受信し、この受信信号を周波数領域の信号に変換して、所定のサンプリング時間の周波数成分を分析する。分析の手法としては、光学パターン板の回転周波数をｆｒｓ  、回転で光がチョッピングされることによって生じるキャリア周波数をｆｒｃ  、光学パターン板１１に形成される透過／不透過のパターンの分割数（１ペアの整数値）をｎｄ  とするときの関係式ｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ  を用いてキャリア周波数候補値を求め（Ｓ１２）、各候補値を評価して最も可能性が高いキャリア周波数を選定し、関係式ｆｒｓ  ＝  ｆｒｃ  ／ｎｄ  を用いて回転周波数を求める（Ｓ１４）。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心から放射状に透過／不透過のパターンを形成した光学パターン板により光がチョッピングされる測定対象に向けてレーザを送出し、そのレーザ反射光を光受信器によって受信する光学系装置と、前記光受信器によって得られた受信信号を周波数領域の信号に変換する周波数変換器と、前記周波数変換器によって得られた周波数領域の信号を周波数分析する周波数分析器とを具備し、
前記周波数分析器は、前記光学パターン板の回転周波数をｆｒｓ  、回転で光がチョッピングされることによって生じるキャリア周波数をｆｒｃ  、前記光学パターン板に形成されるパターン板の分割数（１ペアの整数値）をｎｄ  とするときの第１の関係式ｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ  を用いて、前記周波数領域の信号中のキャリア周波数候補値を求め、各候補値を評価して最も可能性が高いキャリア周波数を選定し、第２の関係式ｆｒｓ  ＝  ｆｒｃ  ／ｎｄ  を用いて前記回転周波数を求めることを特徴とするリモートセンシング装置。
【請求項２】
前記周波数分析器は、前記周波数領域の信号について、前記光学パターン板の回転周波数領域の最大値を回転周波数の概略値として求め、この概略値から前記キャリア周波数候補値を求めることを特徴とする請求項１記載のリモートセンシング装置。
【請求項３】
前記周波数分析器は、前記キャリア周波数候補値から周波数範囲を制限して不要周波数成分を除去した後に前記キャリア周波数を選定することを特徴とする請求項１記載のリモートセンシング装置。
【請求項４】
前記周波数分析器は、前記キャリア周波数候補値のうち、左右対称度を評価して、当該左右対称度が最も大きくなる周波数をキャリア周波数として選定することを特徴とする請求項１記載のリモートセンシング装置。
【請求項５】
前記周波数分析器は、キャリア周波数とその側波周波数との差を回転周波数と見なして処理を行うことを特徴とする請求項１記載のリモートセンシング装置。
【請求項６】
回転中心から放射状に透過／不透過のパターンを形成した光学パターン板により光がチョッピングされる測定対象に向けてレーザを送出し、そのレーザ反射光を光受信器によって受信する光学系装置と、前記光受信器によって得られた受信信号を周波数領域の信号に変換する周波数変換器と、前記周波数変換器によって得られた周波数領域の信号を周波数分析するリモートセンシング装置の周波数分析方法であって、
前記光学パターン板の回転周波数をｆｒｓ  、回転で光がチョッピングされることによって生じるキャリア周波数をｆｒｃ  、前記光学パターン板に形成されるパターン板の分割数（１ペアの整数値）をｎｄ  とするときの第１の関係式ｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ  を用いて、前記周波数領域の信号中のキャリア周波数候補値を求める候補値演算ステップと、
前記キャリア周波数候補値をそれぞれ評価して最も可能性が高いキャリア周波数を選定するキャリア周波数選定ステップと、
前記選定キャリア周波数に基づいて第２の関係式ｆｒｓ  ＝  ｆｒｃ  ／ｎｄ  を用いて前記回転周波数を求める回転周波数演算ステップとを具備することを特徴とするリモートセンシング装置の周波数分析方法。
【請求項７】
さらに、前記周波数領域の信号について、前記光学パターン板の回転周波数領域の最大値を回転周波数の概略値として求める概略値演算ステップを備え、前記候補値演算ステップは、前記概略値から前記キャリア周波数候補値を求めることを特徴とする請求項６記載のリモートセンシング装置の周波数分析方法。
【請求項８】
さらに、前記キャリア周波数候補値から周波数範囲を制限して不要周波数成分を除去する不要成分除去ステップを備えることを特徴とする請求項６記載のリモートセンシング装置の周波数分析方法。
【請求項９】
前記キャリア周波数選定ステップは、前記キャリア周波数候補値のうち、左右対称度を評価して、当該左右対称度が最も大きくなる周波数をキャリア周波数として選定することを特徴とする請求項６記載のリモートセンシング装置の周波数分析方法。
【請求項１０】
さらに、キャリア周波数とその側波周波数との差を回転周波数と見なして処理を行うことを特徴とする請求項６記載のリモートセンシング装置の周波数分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転する光学パターン板に像を結像する機能を有する測定対象にレーザ光を照射し、その反射光から測定対象のパターン板の回転周波数やパターン特性を分析するリモートセンシング装置とその周波数分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ・レーダに代表されるリモートセンシング装置にあっては、測定対象に対してレーザ光を照射し、測定対象からのレーザ反射光を受信し、その反射光を分析することによって測定対象の特徴情報を抽出している。この測定対象が、回転中心から放射状に透過／不透過のパターンを形成した光学パターン板を有しており、その光学パターン板を所定の速度で回転させながら像を結像させている場合は、レーザ反射光の受信信号の周波数成分を分析することで、光学パターン板の回転周波数と光チョッピングによって生じるキャリア周波数を抽出することが可能である。
【０００３】
ところで、従来の装置構成では、レーザ反射光の受信信号を周波数変換し、所要の精度に対応した周波数分解能を有するＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行っている。但し、要求される周波数分解能の精度が高くなるに従って、その分、サンプリング時間を長くとる必要がある。また、キャリア周波数を求める方法としては、単純に最大値を求めるといった簡易的な手法がとられており、変調がかかった反射光を受信する場合には、受信信号に容易には分離できない側波成分が現れてしまう。
【０００４】
尚、本発明の先行関連技術として、光学システムからのレーザ反射光がシーカによって変調されており、その信号には光学パターン板の回転周波数やパターン特性などが含まれることを述べた文献がある。
【０００５】
【非特許文献１】
”ＩＮＦＲＡＲＥＤ  ＣＯＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ  ＆  ＣＯＵＮＴＥＲ−ＣＯＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ”  Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ  ｂｙ  Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｄ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  Ｅｘｐｅｒｔ：  Ｍｒ．  Ｊｏｅｌ  Ｓ．  Ｄａｖｉｓ，  ＳＡＮ  ＤＩＥＧＯ，  ＣＡ  ＯＣＴＯＢＥＲ  １１−１３，  ２０００，  ＬＡＳ  ＶＥＧＡＳ，  ＮＶ  ＯＣＴＯＢＥＲ  １６−１８，  ２０００，  ＯＲＬＡＮＤＯ，  ＦＬ  ＯＣＴＯＢＥＲ  ２５−２７，２０００，  ＷＡＳＨＩＮＧＴＯＮ  ＤＣ  ＯＣＴ  ３０  −  ＮＯＶ  １，  ２０００。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の光学パターン回転板を用いたレーザ送受信によるリモートセンシング装置では、周波数分解能の精度を高めるためにはサンプリング時間を長くとる必要があり、変調がかかった反射光を受信した場合には、受信信号にキャリア周波数から分離が困難な側波成分が現れてしまうといった問題が生じている。
【０００７】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、サンプリング時間を長くしなくても周波数分解能の精度を高めることができ、さらに変調がかかった反射光受信出力からキャリア周波数と側波成分とを容易に分離することのできるリモートセンシング装置とその周波数分析方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係るリモートセンシング装置は、レーザ送信光を測定対象に向けて送出し、そのレーザ反射光を光受信器によって受信する光学系装置と、前記光受信器によって得られた受信信号を周波数領域の信号に変換する周波数変換器と、前記周波数変換器によって得られた周波数領域の信号の周波数成分を分析する周波数分析器とを具備する。
【０００９】
前記周波数分析器の周波数分析方法としては、前記光学パターン板の回転周波数をｆｒｓ  、回転で光がチョッピングされることによって生じるキャリア周波数をｆｒｃ  、前記光学パターン板の分割数（１ペアの整数値）をｎｄ  とするときの第１の関係式ｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ  を用いて、前記周波数領域の信号中のキャリア周波数候補値を求め、各候補値を評価して最も可能性が高いキャリア周波数を選定し、第２の関係式ｆｒｓ  ＝  ｆｒｃ  ／ｎｄ  を用いて前記回転周波数を求めることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明が適用されるリモートセンシング装置の概略構成を示す図である。図１において、１１は測定対象において回転中心から放射状に透過／不透過のパターンを形成した光学パターン板である。レーザ１２から放射されるレーザ送信光は測定対象である光学パターン板１１によってチョッピングされつつ反射され、そのレーザ反射光はパルス列となって光受信器１３によって受信される。ここで得られた受信信号は、周波数変換器１４に入力され、所定の精度を有するＦＦＴによって時間領域の信号から周波数領域の信号に変換される。このようにして得られた周波数領域の信号は周波数分析器１５により周波数分析が行われる。その分析結果は、表示装置１６に適宜表示される。
【００１２】
上記構成において、まず本発明の概要について説明する。
【００１３】
測定対象である光学パターン板透過光の周波数には、光学パターン板１１の回転周波数ｆｒｓ  と、回転で光がチョッピングされることによって生じるキャリア周波数ｆｒｃ  がある。この２種類の周波数は、光学パターン板１１の構造上の特徴から、以下の関係式が成立する。
【００１４】
ｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ
ここで、ｎｄ  は、光学パターン板１１に形成される透過／不透過のパターンの分割数（１ペアの整数値）である。
【００１５】
本発明は、上記の関係を利用することにより、同じサンプリング時間にて、ＦＦＴによって得られる周波数分解能のｎｄ  倍の周波数精度で周波数分析を行う手法を提案するものである。すなわち、同じ周波数精度を得る場合には、従来のＦＦＴによる方法に比べて１／ｎｄ  サンプリング時間で周波数分析を行うことができる。
【００１６】
また、光学パターン板１１の回転周波数とキャリア周波数との関係から、その関係を満たさない周波数を不要な周波数成分と見なして除去することにより、分析精度の向上が期待できる。さらに、変調がかかった反射光には、キャリア周波数に対して回転周波数成分の側波成分が現れるが、この関係を用いれば、キャリア周波数と側波成分とを容易に分離することができる。
【００１７】
（第１の実施形態）
図２は、本発明を適用した場合の周波数分析器１５の処理手順を示すフローチャートである。図２において、まず、光学パターン板１１の回転周波数の概略値を演算し（ステップＳ１１）、その回転周波数概略値からキャリア周波数の可能性のある候補を選択し、その候補値を演算する（ステップＳ１２）。続いて、ステップＳ１２で得られたキャリア周波数候補値を基に、周波数分析器１５によって周波数領域信号から不要な周波数成分を除去し（ステップＳ１３）、キャリア周波数候補から評価関数を用いてキャリア周波数を選定すると共に、その値から回転周波数を演算し（ステップＳ１４）、これによって得られたキャリア周波数及び回転周波数の結果を表示装置１６へ送出する。
【００１８】
上記処理手順における具体的な動作内容を説明する。
【００１９】
図３はレーザ反射光の時間変化をモデル化して示すもので、光学パターン板１１が、図３（ａ）に示すように、半円領域と残りが均等に分割形成された複数の光学パターンにより形成されている場合、レーザ反射光には、図３（ｂ）に示すように、光学パターン板１１の回転周波数成分とキャリア周波数成分が重畳されている。光学パターン板１１からのレーザ反射光は、周波数変換器１４によって周波数領域の信号に変換される。
【００２０】
図４に図３の反射光時間変化モデルのＦＦＴ結果を示す。光学パターン板１１の用途及び製造上の制約で回転周波数ｆｒｓと光学パターン板分割数ｎｄ  は、ある範囲に限定される。そこで、ステップＳ１１にて回転周波数領域の最大値を光学パターン板１１の回転周波数概略値ｆｒｓ’とする。この周波数は、周波数変換固有の周波数精度となっている。
【００２１】
次に、ステップＳ１２にてｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ  の関係とｎｄ  の候補値ｎが有限の整数値をとることを用いて、光学パターン板１１のキャリア周波数の候補値ｆｒｃ’（ｎ）  を演算する。この演算はｆｒｓ’×ｎの近傍の周波数変換された値の最大値を求めるなどによって行う。
【００２２】
さらに、ステップＳ１３にて、図５に示すようにｆｒｓ’×ｎ±Δｆ（＝ｆｒｃ’（ｎ）  ±Δｆ，ｆｒｃ’（ｎ＋１）  ±Δｆ，ｆｒｃ’（ｎ＋２）  ±Δｆ，…）の範囲で周波数範囲を制限することによって、通常の周波数変換では除去できない不要周波数成分を除去する。
【００２３】
最後に、ステップＳ１４において、候補値ｆｒｃ’（ｎ）  を後述の第２の実施形態で述べる評価関数を用いて評価し、もっともキャリア周波数である可能性が高いものをｆｒｃ  として選定する。また、このときのｎの値が光学パターン板１１の分割数ｎｄ  であるから、光学パターン板１１の回転周波数ｆｒｓ  は
ｆｒｓ  ＝  ｆｒｃ  ／ｎｄ
から求められる。
【００２４】
ここで求められた光学パターン板１１の回転周波数は、周波数変換で求められたキャリア周波数をｎｄ  で割っている。このため、周波数精度も周波数変換を行った際の１／ｎｄ  に向上している。別の見方をすると、所要の周波数精度を得ようとする場合、周波数変換（例えばＦＦＴ）だけで周波数を求める場合の１／ｎｄ  のサンプリング時間で計測することができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の中で、キャリア周波数候補値ｆｒｃ’（ｎ）  からキャリア周波数を選定する手段について説明する。
【００２６】
光学パターン板１１からの反射光は、光学パターン板１１の用途によっては、スリットパターンによって変調された反射光が帰ってくる場合もあり得る。反射光がＡＭ変調の場合とＦＭ変調の場合のＦＦＴ結果のシミュレーション例をそれぞれ図６及び図７に示す。
【００２７】
図６において、（ａ）はＡＭ変調された反射光、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれＡＭ変調率ｍａ  （＝Ｖｓ  ／Ｖｃ  ）が０．１，０．５，１．０の場合の周波数分布を示している。また、図７において、（ａ）はＦＭ変調された反射光、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれＦＭ変調指数ｍｆ  （＝ｆｓ  ／ｆｄ  ）が０．１，１．０，２．０の場合の周波数分布を示している。
【００２８】
図６、図７からわかるように、変調率や変調指数が大きい場合は側波成分が大きくなり、キャリア成分と側波成分の分離が困難になる場合もあり得る。そこで、キャリア周波数に対して側波成分は、常に左右対称の形をとっている特徴を利用し、左右対称度が最も大きくなる周波数をキャリア周波数として選択する。左右対称度の評価するためのキャリア周波数分布の一例を図８に示す。この場合は、
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と定義したときのＥｎ  が最も小さくなるｆｎ  を左右対称度がよいと判定する。
【００２９】
（第３の実施形態）
第１の実施形態では、図２のステップＳ１１〜Ｓ１４で示される処理手順にて光学パターンのキャリア周波数と回転周波数を求めたが、図７に示したＦＭ変調の反射光のように、回転周波数成分が小さく回転周波数の概略値の演算が困難な場合には、以下のような処理手順が有効である。
【００３０】
図９はその処理の流れを示すフローチャートである。まず、光学パターン板１１のキャリア周波数を演算し（ステップＳ２１）、このキャリア周波数から回転周波数の可能性のある候補値を演算する（ステップＳ２２）。続いて、ステップＳ２２で得られた回転周波数候補値を基に回転周波数を選択し（ステップＳ２３）、得られたキャリア周波数、回転周波数の結果を表示装置１６に出力する（ステップＳ２４）。
【００３１】
次に、図１０を参照して上記処理手順を具体的に説明する。
【００３２】
前述のように、反射光がＦＭ変調を受けていると、回転周波数成分が得られない場合がある。この場合は、図１０に示すように、側波周波数とキャリア周波数の差が回転周波数となることを利用する。ステップＳ２１にてキャリア周波数領域の最大値を光学パターン板１１のキャリア周波数ｆｒｃとする。この周波数は、周波数変換固有の周波数精度となっている。
【００３３】
次に、ステップＳ２２にて、ｆｒｃ  ＝ｆｒｓ  ×ｎｄ  の関係とｎｄ  の候補値ｎが有限の整数値をとることを用いて、回転周波数の候補値ｆｒｓ’（ｎ）をｆｒｓ’（ｎ）＝ｆｒｃ／ｎで求める。ステップＳ２３にて、この候補値ｆｒｓ’（ｎ）をもとに、ｆｒｃ’−ｆｒｓ’（ｎ）の周波数の振幅の最も大きいｎを分割数ｎｄ  として選定する。
【００３４】
光学パターン板１１の回転周波数ｆｒｓ  は
ｆｒｓ  ＝ｆｒｃ  ／ｎｄ
から求められる。ここで求められた光学パターン板の回転周波数は、周波数変換で求められたキャリア周波数ｆｒｃをｎｄ  で割っているため、周波数精度も周波数変換を行った際の１／ｎｄ  に向上している。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、サンプリング時間を長くしなくても周波数分解能の精度を高めることができ、さらに変調がかかった反射光受信出力からキャリア周波数と側波成分とを容易に分離することのできるリモートセンシング装置とその周波数分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリモートセンシング装置の実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態として、図１の周波数分析器の処理手順を示すフローチャート。
【図３】第１の実施形態において、レーザ反射光の時間変化をモデル化して示す光学パターンと周波数分布図。
【図４】図３の反射光時間変化モデルのＦＦＴ結果を示す周波数分布図。
【図５】第１の実施形態において、不要周波数を除去する処理を説明するための周波数分布図。
【図６】第２の実施形態を説明するために、ＡＭ変調における変調率に対するＦＦＴシミュレーション例を示す図。
【図７】第２の実施形態を説明するために、ＦＭ変調における変調指数に対するＦＦＴシミュレーション例を示す図。
【図８】第２の実施形態を説明するために、左右対称度の評価関数の一例を説明するための周波数分布図。
【図９】本発明の第３の実施形態として、図１の周波数分析器の処理手順を示すフローチャート。
【図１０】第３の実施形態の処理手順を具体的に説明するためにレーザ反射光のＦＦＴ結果を示す周波数分布図。
【符号の説明】
１１…光学パターン板、１２…レーザ、１３…光受信器、１４…周波数変換器、１５…周波数分析器、１６…表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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