カオスレーザレーダの有効性に関する研究

愛知工業大学研究報告 第38号 B 平成 15年

63

カオスレーザレーダの有効性に関する研究

Study on Effectiveness of the chaos laser radar

成 田 義 之

T 3

津 田 紀 生

TT3

山 田 語

tt Yoshiyuki NARITA

，

Norio TSUDA

，

Jun YAMADA

Abstract A laser is widely appli巴dfor measurements， since it is invented. There ar巴twotypes of

laser dis tance m巴terfor short and long distance. For long distance， a laser radar using propagation

tim巴oflaser light is us巴d.Generally， a distanc巴ismeasured from delay time using either a periodic

signal or a single puls巴.But the signal becomes to be buried in noise with increasing distance. A new

type of chaos laser radar which processes by only an addition is proposed. This radar can quickly process and is comparatively strong for noise， even if low output power laser is used. To confirm the effectiveness of this principal， a prototype of chaos laser radar is produced.Itis found that this laser radar using semiconductor laser is comparatively strong for noise and that the chaos laser radar is effectiv巴 1.はじめに レーザが発明されて以来、計測分野をはじめ様々な分 野で広く応用されている。これはレーザ光が従来の光源 に比べてコヒーレントな性質、即ち、単色性、指向性及 び強度等の点で、優れた特長を持ち、これらの特性は、 独立なものでなく、互いに関連しているが、それぞれ活 用することにより、レーザ光を用いた応用につながる 11。 レーザ計測などがこれに該当する。レーザ計測は様々な 測定対象があり、距離、変位を測定する場合は、レーザ 距離計を用いる。レーザ距離計には微小変位を測定する 場合と長距離を測定する場合に分けられる。前者ではレ ーザの指向性を用いた三角測量法、レーザの収束性を用 いて焦点、の位置を知る焦点探査法、レーザ光の干渉性を 用いたマイケルソン干渉計がこれに該当する 2)。また後 者はレーザ光の伝播時間を用いるレーザレーダがこれに 該当する。 このように、様々なレーザ計測に関する研究が行われ ており、また自動車業界においてもエレクトロニクスを 応用し、自動車をインテリジェントイじすることにより、 安全性を高めようとする研究開発が注目をあびている。 この自動車のインテリジェントイむを行うにあたって、キ ー技術となるのが、車両周辺のセンシング技術である。 このセンシング手段として今最も注目を集めているのが、 レーザによるレーダシステムである。 J)

T

愛知工業大学大学院工学研究科 電気電子工学専攻 (豊田市)

t

t

愛知工業大学電子工学科(豊田市) レーザレーダは、自動車の反射板に向けレーザ光を照 射し、反射光の遅れ時聞から距離測定を行う。また、レ ーザレーダ以外には、ミリ波レーダや超音波レーダがあ る。ミリ波レーダの場合は、全天候下で測定可能となり、 長距離センサとして優れた特徴をもっ。しかし、レーザ レーダと比べて、装置自体が大型となり、分解能が悪く、 ターゲットが複数存在する場合は混信する恐れがある。 超音波レーダの場合は、車両周辺の物体のみ測定可能で、 低速車での周辺監視装置としての応用が主流である。こ のように、さまざまなレーダの研究が行われており、現 在は車載用レーダとして、レーザレーダが数多く研究さ れている。 レーザレー夕、方式としては、周期的な信号で変調をか け遅れ時間を求める方法と、単一パルスを用いて遅れ時 間を求める方法が一般的である。しかし、距離が遠くな ると戻り光が小さくなり、ノイズに埋もれてしまう。 そこで、本研究では車載用の距離センサとして、比較 的ノイズに強く、加算のみで高速処理できる、カオスの 特性を利用した新しいタイプのレーザレーダ方式を提案 した。さらに、カオスレーザレーダを試作することで、 その有効性についても確認した。

2

.

カオス カオスとは、英語の“chaos"が語源で、日本語では通 常“混沌円と訳され 4)、決定論的システムにおける確率 論的な振舞いを指す。決定論的システムとは、初期値が 確定していれば、将来の状態も一意的に決定しているよ うな時開発展系のことである九従って、カオスを使用

すると、ある複雑な現象の解析を行い、その解析結果を もとに将来を予測することが出来る。そのため、画像圧 縮、異常検出など、新しい技術を生み出す可能性を秘め ており、将来性が期待される。

長

0.5 0 0 自

u

時間

n

100 図1 不規則数列

+

c

x

。

_。

Xn

図2 ロジスティック写像

2

.

1

ロジスティック写像 ロジスティック写像は簡単な法則に従っていながら複 雑なカオス挙動を示す端的な例である。簡単な法則の一 例としては、具体的には次式によって表されている。

xn+1=dA-xn)

ただし

O

く

r

壬

4

，

0

<

X

nく

1

(2.1.1) ここで r=4

，

Xo=0.35の時、時間 nに対する不規則数列 X

n

のグラフを図1に、ロジスティック写像を図2に示す。 図1のように、時間的に複雑な波形をして何の規則性も ないように見えるが、図2のように、

x

n

とXn+lの聞に は放物線の関係が見られる4) 5)。

2

.

2

ショットノイズ 自然現象中のノイズには、熱ノイズとショットノイズ がある。熱ノイズは導体中の自由電子の不規則な運動に よって生成され、低周波の時、抵抗や半導体から発生す る1/了ノイズ(フリッカーノイズ・ピンクノイズ)がこれ に当たる。またショットノイズはカソード表面からの電 子放出の際のゆらぎによって生ずるノイズ電流等のこと で、周波数に依存せず、すべての周波数成分を均等に含 むホワイトノイズがこれに当たる。 6) 本研究ではツェナーダイオードが出すホワイトノイズ の一種であるショットノイズを用いた。ツェナー電圧が 6V以上のツェナーダイオードでは、熱的に発生した電子 とホールが印加電圧によって雪崩的に増殖し、急激にツ エナー電流を流す。この時ショットノイズが発生する。 ここでショットノイズの波形の一例を図3に示す。

2

0.1

出

血

匝

-

R

--0.1

司

図3 ショットノイス 2.3 ノイズとカオスの違い ノイズとカオスの違いを表1に示す。カオスの場合は 一見ノイズのようなランダム信号に見えるが、図2のよ うに、何かパターンがあり、絶対に同じ値をとらない。 しかし、ノイズ信号の場合はランダム信号であるため、 図3に示されるショットノイズ、を使って、治1と沿1+1の 関係をとると、図4のようにパターンがなく、偶然同じ 値をとることがある。 表 1 ノイズとカオスの違い ノイズ 初期値をどの値にしても、次の値が決まらない。 確率的に決まるので、任意の順番の値と同じ値をと ることもある。 次の値は確率的に決まるので、パターンがない。 カオス 初期値が決まると次の値が決まる。 絶対に同じ値をとらない。 周期的ではないが、何となくパターンがある。

13隠一一一一→掲 1'2時一一勢 T1持者時 「1目n r l岡

n

~ ~九 ' n 明「守~自「市 町恥 I U U iJ U U L ~t

i

! 円 開 門

r i

目 門 h 胴 目正!UU D D L:' L E 円

h

門 「 一 一 「 門

n

~ : --~国i 凶臼 U !J~t

，

Tl梼脅 ! 「l n

r

.

y一 一 一 「 円 門 ; 1凶幽，1.1 U U L E IZ鰻トE

→

時

E 門 門 同F一 「 自 白 国 1国 幽 凶

U

Ll

L

ね

i

詰時再開王

加算信号

-

i

仇 遅れ時間1 時一一~: 持一一一--寺井遅れ時間2 基準時間 65 を求めれば送信信号との時間差を示し、この時間差に光 速を乗算すればターゲットまでの距離が測定できる。 この原理を使用すると、加算のみで処理するため従来 の方式よりも高速に処理が出来る。更に、ノイズによっ て受信信号が分離・結合して送信信号と違った波形にな っても、加算信号のピーク値が減少するだけなので、あ まりノイズによる影響が出にくい。 送信信号 ターゲット1 の加算信号 ターゲット2 の受信信号 受信信号 カオスレーザレーダの有効性に関する研究 0.1

。

Xn

0.1 0.1

。

-0.1

F

+

c

x

惨 t 惨 t 捗 t 惨 t 測定原理(複数) ターゲットが複数の場合の測定原理を図6に示す。送 信信号はターゲットが単体の場合の測定原理と同様に処 理する。一方、受信信号はすべてのターゲットの受信信 号が合成されるので、この合成された受信信号を士lに 2値佑し、送信信号で求めたTl・T2・T3ーだけ波形を進 ませる。この移動した波形をすべて加算すると、加算信 号の値がそれぞれの遅れ時間の所にピークが複数得ら れ、複数個のターゲットまでの距離を同時に測定出来る。 ただし、複数個のターゲットの遅れ時間の差が、加算信 号における負から正ヘ急峻に変イじする部分の過渡時間以 上ある場合に限る。 図6

h

とお

1

+1

の関係(ノイズ信号) T3持 一 一 一 新 T2

摂

←

E害時 Tl持参4 1

r

守岡

n

r - l 目 門 門 目

n .

.

.

.

11LJLJU4ULJLJLJ」 J 」九 日

n

目

nrlnn.

.

.

i - 1 1 U L J U ULJ LFt : TH母 親

n

開 門 r - 1 目 門 円 h : I U U U U U U L"""t ! T2時 一 掛 門 目 門 「 一 「 覇 門 門 悶h i U U U -ul::ru U

L

:

九

円3健一一Eー令唱

: n

岡 門 「 一 寸 目 門 門 岡 』

i

I U U

円

: U L」U L」」

-

z

i k i

i

遅れ時間

1

事 、 ， 棺

基準

h

寺聞 図 4 送信信号 受信信号 惨 t 測定原理(単体) 図5 加算信号 3.測定原理

4

.

測定システム カオスレーザレーダの有効性を示し、測定原理の確 認を行うために試作した実験装置を図 7に示す。本装 置は、光学系、投光回路、受光田路、デジタルオシロ スコープ(以下デジタルオシロ)、パーソナルコンビュ ータ(以下 PC)からなる。尚、デジタルオシロは、 Tektronix製 の TDS3032を 使 用 し 、 周 波 数 帯 域 は 300MHz、最高サンプリングレートは 2.5GSjsである。 ターゲットは、車のテールランプの反射板を模したプ ラスチック製のコーナキューブ反射板を使用した。 カオスの特性を利用したレーダ方式の測定原理を図 5 に示す。送信信号は士1に2値化し、最初の立ち上がり がゼロクロスする時刻を基準時間とすると、この基準時 間と、

2

値信号の立ち上がりがゼロクロスする時刻との 差がそれぞれTl・T2・T3…となる。また、受信信号も 士1に2値イむし、送信信号で求めたTl. T2・T30 • • だけ受信信号波形を進ませ、この移動した波形をすべて 加算すると、遅れ時間の所で加算信号の値が負から正に 急峻に変イじする波形が得られる。それ以外のところは受 信信号波形が不規則に正または負になるので、加算信号 は限りなく 0に収束する。従って、この加算信号の値が 負から正に急峻に変イじしている所と、 0点と交わった点

ターゲット E E E E

-H a a E

.

E

"

，

'-_困問-_.~園園田園田園園田園_..園・ d 園田園白陶・・闘--受信信号 送電信号 ￨パルス発生

i

園 E 聞

-E 圃 E 園 • 園 m 圃 咽 ' 固 嗣 崎 • 圃 園 園 圃 岨 崎 嗣 胡 圃 圃 • • 圃 ' B B B . 図7 実験装置 4.1 光学系 光学系は投光部と受光部からなり、集光するレンズの 面積をフルに使えるため複眼式を用いた。しかし、半 導体レーザ(以下 LD)の照射方向と、フォトダイオード (以下 PD)の受光方向が一致しないため、至近距離にお いて測定できない領域ができるという欠点がある。 投光部は、 LDと直径10皿、焦点距離1伽

m

の投光レン ズから構成されており、直径1伽

m

、長さ 14.07酬のアル ミニウム製の円筒内に設置した。 LDは、シャープ株式会 社製のLT022PDOを使用し、発振波長780nm、平均出力1mW 以下である。本研究は、 5m程度の距離測定を行う為、レ ンズを用いて5m先にレーザ光を集光させた。 受光部は、 PDと直径30皿、焦点距離3伽

m

の受光レン ズから構成される。PDは、浜松ホトニクス株式会社製の S1223-01を使用し、受光面は 3.7mm角であるが450 傾 けて使用した。また、投光、受光レンズ間距離は 25醐 で、測定限界距離は14cmである。 4.2 設光回路 投光回路は、ノイズ発生回路、波形整形回路、 LD駆 動回路からなる。ノイズ発生回路には、ツェナーダイ オード(ツェナー電庄町二12V)が出すショットノイズを 利用した。その後、ノイズ信号は波形整形回路でパル ス信号に整形した。また、パルス発生回路で生成され たパルス幅100μs.周期1msのパルス信号は、このパ ルス幅の聞に波形整形回路でパルス信号に整形された ノイズ信号を挿入し、デジタルオシロで観測する。そ して、送信信号としてPCに送る。また、 LD駆動回路で は、 LDの光出力が一定になるように、供給する駆動電 流をLD駆動回路で制御し、この供給電流を外部から吸 い取ることによって変調をかけている。 4.3 受光回路 受光回路は、増幅回路と波形整形回路からなる。 PD で検出される受信信号は 1mV以下と微弱であり、ノイ ズによる影響が大きいため、初段には負帰還増幅回路 を使用し、次段にはベース接地増幅回路を使用した。 負帰還増幅回路では、出力電圧または電流を入力部に 戻すことで自分自身の入力電圧または電流を見かけ上 小さくして、回路全体の利得をコントロールし、また 増幅率を減らしているため、通常の増幅よりもノイズ を減らすことができる。ベース接地増幅回路では周波 数特性が良い特長をもっ。しかし出力インピーダンス が比較的高いので後段にエミッタフオロワを接続する ことによって、ベース接地増幅回路の周波数特性の良 さを生かしている。その後、オペアンプを用いて更に 増幅させ、デジタルオシロで観測する。そして、受信 信号としてPCに送り、測定原理に基づいて距離を測定 した。 送 信 信 号 波 形 6 4 2 0 吉 田 制 収 沼 形 ( れ 川 旧 日 ﹄ 阻 皮

71

目 世 間 曲

:

号 ﹁ 吋 同 日 刊 州 川 副 z = ﹁ B 目 阻 冒 目 富 歯 周 目 ﹄ 圏 = = 巨 L U M m m 川山川幽 ︽ O A H n ζ n u ( ﹀ ) 出 制 宍 司 加 算 信 号

i

J

ト十弓

ポイン卜数 図8 ノイズの影響がない波形 5.沸

l

定結果及び検討 5.1 信号波形(送信信号、受信信号、加算信号) 実際に使用した送信信号と受信信号の波形と、これを 測定原理に基づいて処理した加算信号波形について記す。 まずノイズの影響がない波形を図8に示す。送信信号 波形についてはパルス波形が不規則になり、毎回異なっ た波形が発生し、受信信号波形は送信信号波形とほとん ど同じである。これを測定原理に基づいて処理すると、 加算信号は負から正に傾斜が急に変化する波形が得られ、 そして O点を通過する時闘が遅れ時間となり、それ以外 は限りなく Oに収束していることが分かる。

6

7

化する波形が得られるため遅れ時間が分かる。またノイ ズが多いときにはパルス数を増やせばさらに遠距離まで 測定できることが予想される。 カオスレーザレーダの有効性に関する研究

5

.

2

距離湖定結果 実験装置を用いて距離測定を行った実験結果を図 11 に示す。ターゲットはプラスチック製のコーナキューブ、 反射板を使用した。距離が遠ざかると、測定距離は実際 の距離に対して比例的に増加する。またこの結果には回 路の遅れが差し引いてある。誤差については 1m付近で、 は近すぎるために反射光が PDの受光面にうまく当たら なかったことが考えられ、また6m付近では戻り光が小さ くなってノイズに埋もれてしまったことが考えられる。 また 2m~5m までの小さな誤差についてはサンプリング レートの影響が考えられ、

2

5

0

M

S

/

s

で処理したため、 0.60m程度の誤差が生じる。 以上のように、本測定原理から予想されるように、ノ イズに埋もれた信号でも遅れ時間が明確に分かり、本測 定原理が有効であることが確認できた。 守 ゴ 3 1 4

ぺ

4 8 名 門 宅 宮 F - ト ロ 10 日 一 → -qa 株 o i

ヨ

1 %00 1000 1500 ポ イ ン 卜 数

ハ 。

A 叫 内 〆 ﹄ n u (﹀国嗣肺門帆沼 (い

2

:

-

1色 目 E 脚l:I 4ミロ「 司 L 次にノイズの影響がある波形を図9に示す。受信信号 波形については戻り光がかなり小さくなり送信信号とは 異なるが、ある程度似たような波形が発生する。また、 この波形には、回路における遅れも含まれる。これを測 定原理に基づいて処理すると、図8の加算信号の波形と 比べてピークがやや小さくなるが、加算信号は負から正 に傾斜が急に変イじする波形が得られるため遅れ時聞が分 かる。

一 理 論 特 性

購 測 定 特 性

6 4

( ε )

糧出民票

ノイズの影響がある波形 図9 n o n 咋 (>田阿択沼 2

。

6 4

実際の距離

(m)

2

。

>回脚︹門司 測定結果 図11

6

.

まとめ

。

一 加 算 信 号

i

J

₅₀₀

ト刊一斗

_{1000 1500} ポ イ ン ト 数 本研究では、ノイズに埋もれても、ある程度測定でき るように、非周期的な信号であるカオス信号で変調をか け、加算処理のみで距離測定を行う新しいタイプのレー ザレーダを提案し、カオスレーザレーダの有効性を示す ために確認実験を行った。その結果、測定原理に基づい て処理できることが分かり、これによりカオスレーザレ ーダの有効性を示すことが出来た。また、ノイズの影響 がある信号波形の場合はピーク値がやや小さくなるだけ で、それ以外はノイズによって上下することが分かる。 また測定結果では、近距離では反射光が PDの受光面に ノイズの影響が大きい波形 最後にノイズの影響が大きい波形を図10に示す。受信 信号波形については距離が遠くなったり、反射率が悪い ものを使用した場合、信号がノイズに埋もれるので送信 信号波形とかなり異なる。これを測定原理に基づいて処 理すると、加算信号のピークは、図9の加算信号のピー クよりもさらに小さくなるが、負から正に傾斜が急に変 図10

うまく当たらなかったため誤差が生じ、 5m以上の測定 では5m先に集光させたため、戻り光がノイズに埋もれ てしまったことが考えられる。さらに2m"" 5mまでの小 さな誤差については、サンプリングレートの影響が考え られ、 250MS/sで処理したため0.6m程度の誤差が生じ る。 今後は、80m程度の距離測定が出来るように本格的な 距離計を試作し、また測定結果がリアルタイムに表示さ れるように専用のハードウェアを用い、オンライン処理 することである。 参考文献 1) 桜庭一郎:レーザ工学， pp.10-11，東京1森北出版1 1998 2) 桜 庭 一 郎 : オ プ ト エ レ ク ト ロ ニ ク ス 入 門y pp.126・129，東京，森北出版， 1997 3) レーザー学会:レーザ一応用に関する 4 7章? pp102-106，東京yオブトロニクス社， 1998 4) 長島弘幸・馬場良和:カオス入門 現象の解析と数 理，pp.1-5，東京， t音風館，1993 5) 合原一幸:カオスセミナー， p.1 pp.31-37，東京?海 文堂， 1994 6) F.R.コナー園広田修.ノイズ入門，pp.34-35，東京1森 北出版，1991 (受理平成

1

5

年

3月1

9日)