JP2000206246A

JP2000206246A - レ―ザレ―ダ装置

Info

Publication number: JP2000206246A
Application number: JP11009715A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Murata; 茂村田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-28
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: JP3156690B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジが大きく、かつ、小型で
低コストを実現するレーザレーダ装置を提供すること。【解決手段】レーザを測定対象に発射するレーザ発生
部１００を備えた送信光学部１１を有し、前記測定対象
により散乱された前記レーザの散乱光を受信するレーザ
レーダ装置において、送信光学部１１は、強度の異なる
複数のレーザビームを発射するように構成されているこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気や海水などの
観測に用いられる環境計測用レーザレーダ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に大気や海水などの観測に用いられ
る環境測定用レーザレーダ装置では、距離に対する信号
レベルは、距離のマイナス２乗以上で急速に減衰する。
測定する受信信号のレベルの範囲は最低でも５−６桁以
上にわたるため、光検出系には非常に広いダイナミック
レンジが要求される。しかし通常の光検出器系では単独
でこのように広いダイナミックレンジをカバーすること
はできない。

【０００３】この欠点を補うために従来いくつかの方式
が考えられている。一例として、図７、図８に示されて
いるような方式がある。図７、８において示したものは
従来の一般的なミー散乱計測用レーザレーダ装置であ
る。主な構成要素は、図７に示すように、レーザ発生部
１００を備えた送信光学部１１、散乱光を受信する受信
光学部１２、受信光を検出する光検出部１３、送信光学
部１１および光検出部１３を制御する制御・信号処理部
１４である。詳細には図８に示すように、送信光学部１
１は、レーザ発生部１００、ミラー２１０−２１４、エ
キスパンダ２２０により構成され、受信光学部１２は、
望遠鏡３００、視野絞り３１０、コリメートレンズ３２
０、ミラー３３０により構成され、光検出部１３は、近
距離測定用光検出器４０１、遠距離測定用光検出器４０
２、部分透過ミラー４１０により構成され、制御・信号
処理部１４は、コンピュータ部５００、ＡＤ変換部５１
０、タイミングパルス発生部５２０により構成されてい
る。

【０００４】このレーザレーダ装置においては、レーザ
発生部から出力されたレーザがミラー２１０−２１４、
エキスパンダ２２０を介して上空に送信され、大気によ
り散乱された散乱光が受信光学部により受信され、光検
出部に入力される。部分透過ミラー４１０は、レーザ光
の波長に対して透過率が高く（例えは９５％）、反射率
が低い（例えば５％）。部分透過ミラー４１０を透過し
た受信光は、遠距離測定用光検出器４０２に入射する。
ここでは信号光のレベルが高いので遠距離までの測定が
行えるが、近距離では光検出器４０２が飽和して正確な
測定ができない。そこで近距離の測定は近距離測定用光
検出器４０１で行う。こちらは信号光のレベルが低いの
で、遠距離測定はできないが、近距離レベルが比較的低
いため飽和せず、正確な測定が可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
式は以下のような問題点を有している。第１に光検出器
が２台必要な点で、光検出部１３の構成が複雑になる点
である。この点は図８の一波長の測定系はもちろん、多
波長が測定できる装置や、２つの偏光を同時に測定する
ような装置の場合に特に重要である。第２の問題点は、
遠距離測定用光検出器４０２の線形性が低下する場合が
ある点である。すなわち、この方式では遠距離測定用光
検出器４０２には近距離で非常に強い信号が入力するた
め、単に近距離での出力が飽和するだけでなく、光検出
器４０２に用いている増幅器によっては、信号レベルの
低い遠距離の信号がひずむ場合がある。

【０００６】また、ダイナミックレンジを大きくする他
の方式として、従来次のような方式もある。これは光検
出器としてゲート付き光電子増倍管を用いる場合の方式
である。遠距離測定の場合は、近距離の強い信号を減衰
するために、光電子増倍管の印加電圧を時間的に制御し
て、近距離（すなわちＡＤ変換開始時点から一定時間。
例えば５μｓ）の部分は増幅が行われないようにし、遠
距離の部分だけ増幅を行うように電圧のゲートをかけ
る。近距離測定の場合は、測定の全範囲で増幅が行われ
るように、ゲートのタイミング等を調整すると同時に、
光検出器の前に光減衰器などを挿入して、光検出器の出
力が飽和しないように調整する。この方式は、光検出器
および制御系にゲート制御機能が必要であり、構成が複
雑になるという問題点がある。また、光検出器として一
般に用いられるアバランシェフォトダイオードを利用す
る場合には、ゲート機能を付加することができないた
め、この方式を適用できない。

【０００７】上記事情に鑑み、本発明は、ダイナミック
レンジが大きく、かつ、小型で低コストを実現するレー
ザレーダ装置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】請求項１記載のレーザレ
ーダ装置は、レーザ発生部を備えレーザビームを測定対
象に発射する送信光学部を有し、前記測定対象により散
乱された前記レーザの散乱光を受信するレーザレーダ装
置において、前記送信光学部は、強度の異なる複数のレ
ーザビームを発射するように構成されていることを特徴
とする。

【０００９】このレーザレーダ装置においては、前記複
数のレーザビームの強度が異なるので、例えば２種のレ
ーザビームを発射し、強度の小さいレーザビームを近距
離測定系に用い、強度の大きいレーザビームを遠距離測
定系に用いることができる。近距離測定系用のレーザビ
ームはビーム強度が小さく近距離による大気による散乱
光によって光検出器が飽和しないので、遠距離測定系と
光検出器を共用することができる。

【００１０】請求項２記載のレーザレーダ装置は、請求
項１記載のレーザレーダ装置において、前記送信光学部
には、前記レーザ発生部が出力した一つのレーザを複数
のレーザビームに分岐させるとともに該レーザビームの
強度を制御する光路分岐部が設けられていることを特徴
とする。

【００１１】このレーザレーダ装置においては、光路分
岐部が一つのレーザを複数のレーザビームに分岐させる
ため、複数のレーザビームを発射させるためにレーザ発
生部を二つ設ける必要がない。光路分岐部によって強度
が制御された複数のレーザビームは、前記のように近距
離測定系用、遠距離測定系用などに用いられる。ここ
で、光路分岐部は、一つのレーザを同時に複数に分ける
こととしてもよいし、一つのレーザを選択的に複数のレ
ーザビームに切り替えることとしてもよい。なお、強度
を制御するとは、複数のレーザビームについて、各々所
定の強度とするという意味である。

【００１２】請求項３記載のレーザレーダ装置は、請求
項１または２記載のレーザレーダ装置において、測定対
象に発射される前記複数のレーザビームは、各々の光軸
が離れていることを特徴とする。

【００１３】このレーザレーダ装置においては、例え
ば、散乱光受信用の望遠鏡の光軸と前記近距離測定系用
のレーザビームの光軸とをほぼ同一に配置すると、近距
離の大気による散乱光を望遠鏡の視野角に入れることが
でき、近距離大気の測定を行うことができる。また、前
記遠距離測定系用のレーザビームの光軸を望遠鏡の光軸
から遠く配置すると、強度の大きい近距離の大気による
散乱光を望遠鏡の視野角から外すことができ、中・遠距
離大気の測定を行うことができる。

【００１４】請求項４記載のレーザレーダ装置は、請求
項２または３記載のレーザレーダ装置において、前記光
路分岐部は、レーザビームを選択的に発射するように構
成され、前記光路分岐部を制御して前記複数のレーザビ
ームの発射を時間によって切り替えるとともに、この切
替と同期して、受信した散乱光のデータを区別して処理
する制御・信号処理部を有することを特徴とする。

【００１５】このレーザレーダ装置においては、前記光
路分岐部はレーザを複数のレーザビームに分岐させるこ
とが可能であるが、それらのうち、いくつかのビームが
選択的に発射されるように構成される。そしてその切替
を前記制御・信号処理部が時間によって制御すること
で、異なる測定距離について時間で区別されて測定され
る。例えば、制御・信号処理部は、近距離を測定すると
きには光路分岐部を制御して近距離測定系用レーザビー
ムを発射させるとともに、入力された散乱光データを近
距離のものとして処理する。遠距離を測定するときに
は、光路分岐部を制御して遠距離測定系用レーザビーム
を発射させるとともに、入力された散乱光データを遠距
離のものとして処理する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１および図２を参照して、本発
明に係る第１の実施形態について説明する。図１は、本
実施形態に係るレーザレーダ装置のブロック図である。
主な構成要素は、レーザ発生部１００、レーザ発生部１
００を備えた送信光学部１１、散乱光を受信する受信光
学部１２、受信光を検出する光検出部１３、送信光学部
１１および光検出部１３を制御する制御・信号処理部１
４を備えている。次に、図２を用いてより詳細に説明す
る。図２において示したものは、大気のミー散乱測定を
行うためのミー散乱レーザレーダ装置である。このレー
ザレーダ装置においては、送信光学部１１は、レーザ発
生部１００、ミラー２１０−２１４、エキスパンダ２２
０、部分透過ミラー２３０、シャッタＡ２４０、シャッ
タＢ２４１により構成され、受信光学部１２は、望遠鏡
３００、視野絞り３１０、コリメートレンズ３２０、ミ
ラー３３０により構成され、光検出部１３は、光検出器
４００により構成され、制御・信号処理部１４は、コン
ピュータ部５００、ＡＤ変換部５１０、タイミングパル
ス発生部５２０、シャッタ制御部５３０により構成され
ている。また、送信光学部１１のうち、部分透過ミラー
２３０、シャッタＡ２４０、シャッタＢ２４１は光路分
岐部１５を構成している。

【００１７】レーザ発生部１００は、波長５３２ｎｍの
パルスＹＡＧレーザを使用している。主な仕様は、レー
ザ出力２００ｍＪ、繰り返し周期１０Ｈｚ、パルス幅７
ｎｓである。レーザ発生部１００はコンピュータ制御に
より、レーザ発射のＯＮ／ＯＦＦを制御できる。送信光
学部１１は、複数の折り返し用ミラー２１０−２１４、
レーザビーム径を拡大するエキスパンダ２２０、部分透
過ミラー２３０、シャッタＡ２４０、シャッタＢ２４１
から構成される。エキスパンダ２２０から出射されるレ
ーザビームの広がり角は約０．５ｍｒａｄである。

【００１８】ここで、本実施形態において特徴的な構成
は、部分透過ミラー２３０、２台のシャッタＡ２４０お
よびシャッタＢ２４１である。部分透過ミラー２３０
は、５３２ｎｍのレーザ光に対して、エネルギーの約１
０％を透過、約９０％を反射し、送信レーザビームを２
つのビーム、すなわち近距離測定系送信ビームと遠距離
測定系送信ビームとに分離する。ここで、２つの送信ビ
ームは共に上空向って発射される。近距離測定系送信ビ
ームの光軸は、望遠鏡３００の光軸とほぼ同軸となって
いる。遠距離測定系送信ビームの光軸は、望遠鏡３００
の光軸と平行で互いに一定距離（ここでは約６０ｃｍ）
離れている。シャッタＡ２４０は近距離測定系送信ビー
ムの光路上に設置され、送信ビームを透過または遮蔽す
る。シャッタＢ２４１は遠距離測定系送信ビームの光路
上に設置され、送信ビームを透過または遮蔽する。シャ
ッタＡ２４０とシャッタＢ２４１はコンピュータ制御に
より開閉を制御できる。

【００１９】受信光学部１２は、望遠鏡３００、視野絞
り３１０、コリメートレンズ３２０、ミラー３３０から
構成される。望遠鏡３００は有効径４０ｃｍ、焦点距離
１５０ｃｍのカセグレン型であり、大気散乱光を集光す
る。コリメートレンズ３２０は信号光をほぼ平行光にし
て光検出部１３に導くためのレンズである。受信視野角
は、常に送信レーザビーム広がり角よりも若干大きく設
定する必要がある。この場合、受信視野角は、視野絞り
３１０を用いて約１ｍｒａｄに調整されている。光検出
部１３は、光電子増倍管を用いた光検出器４００で構成
される。信号光（大気散乱光）は光検出器４００で電気
信号に変換されるようになっている。

【００２０】制御・信号処理部１４は、本実施例全体の
制御と信号処理を行うユニットである。コンピュータ部
５００、ＡＤ変換部５１０、タイミングパルス発生部５
２０、シャッタ制御部５３０から構成される。コンピュ
ータ部５００からの司令で、レーザ発生部１００のレー
ザ発射が、シャッタ制御部５３０を通してシャッタＡ２
４０とシャッタＢ２４１の開閉等が制御されるようにな
っている。光検出器４００から出力される信号はＡＤ変
換部５１０でデジタル信号に変換され、デジタル信号は
コンピュータ部５００でデータ処理、表示、保存等が行
われるようになっている。タイミングパルス発生部５２
０から発生する繰り返し１０Ｈｚのトリガパルスによっ
て、１ショットごとのレーザパルス発射タイミングおよ
びＡＤ変換器５１０におけるＡＤ変換開始のタイミング
が制御されるように構成されている。

【００２１】次に、図３および図４を用いて上記レーザ
レーダ装置の動作について説明する。まず測定のシーケ
ンスを説明する。レーザ発射は図３に示すタイムチャー
トようにＯＮとＯＦＦを繰り返す。レーザ発射がＯＮの
間は、１０Ｈｚの繰り返し周期でレーザパルスが連続的
に発射される。ＯＮ／ＯＦＦの時間は測定の内容によっ
て設定される。典型的な値はＯＮが３分程度、ＯＦＦが
７分程度である。レーザ発射をＯＮにした後、一定のウ
ォーミングアップ時間（約３０秒）をおいて、シャッタ
Ａ２４０が「開」となり、レーザ光が近距離測定系から
出射される。その直後に近距離測定のＡＤ変換が開始す
る。つまり、光検出器４００から出力されるアナログ信
号がＡＤ変換部５１０でデジタル信号に変換される。Ａ
Ｄ変換の時間（または平均化回数）は、コンピュータ部
５００から設定される。この値は測定の内容によって設
定されるが、近距離ではＳＮ比が良いので、通常は１０
秒（１０Ｈｚで１００回）程度の短時間で良い。

【００２２】近距離測定が終了後、シャッタＡ２４０が
「閉」となり、同時にシャッタＢ２４１が「開」とな
る。その直後に、遠距離測定のＡＤ変換が開始する。つ
まり、近距離測定と同じ光検出器４００から出力される
アナログ信号がデジタル信号に変換される。遠距離測定
時のＡＤ変換時間（または平均化回数）は、測定の内容
によって設定されるが、通常は１００秒（１０Ｈｚで１
０００回）程度である。遠距離測定が終了後、シャッタ
Ｂ２４１も「閉」となり、その後レーザ発射がＯＦＦと
なる。近距離測定、遠距離測定ともに、最終的には平均
値がデータ処理されるため、両測定間の１００秒程度の
時間ずれは実際上無視できる。通常は、以上のシーケン
スを例えば１０分ごとに繰り返す。シーケンスの制御
は、コンピュータ部５００で行う。

【００２３】図４は信号波形の模式図である。近距離測
定系の特徴は、かなり近距離（Ａ点、例えば１００ｍ）
からの信号が得られる点である。これは近距離測定系送
信ビームの光軸が望遠鏡３００の光軸と接近して配置さ
れているために、近距離からの大気散乱光が望遠鏡３０
０の視野角内に入るためである。また、送信ビームの強
度は小さく設定されているために、近距離で信号レベル
が飽和することは無い。ただし、全体としては信号レベ
ルが低いため、ある程度の距離（Ｃ点、例えば５ｋｍ）
までしか信号が得られない。一方、遠距離測定系の特徴
は、中距離（Ｂ点、例えば３ｋｍ）から遠距離（Ｄ点、
例えば２０ｋｍ）までの信号が得られる点である。遠距
離測定系送信ビームの光軸は望遠鏡３００の光軸と離れ
て配置されているために、近距離からの大気散乱光が望
遠鏡３００の視野角内に入らないめ、大気散乱光の強度
が強い近距離からＢ点までは信号レベルが低い。このた
め、過大入力による遠距離での信号の歪みを回避でき
る。

【００２４】以上、本実施形態に係るレーザレーダ装置
によれば、単純な光検出器の構成で近距離測定と遠距離
測定を行うことができるため、簡便かつ測定のダイナミ
ックレンジが広いレーザレーダ装置が構成できる。特に
偏光解消度の測定や、多波長（３波長に限らない）の同
時測定など、光検出器を複数使用する必要のあるレーザ
レーダ装置においてより有効である。

【００２５】なお、上記レーザレーダ装置は、次のよう
な構成としても良い。まず、上記においては、光検出部
は光検出器４００が１台で構成されているが、別の構成
でも良い。例えば、信号光の偏光依存性を測定し、偏光
解消度を求めるような場合は、光検出器の前に偏光ビー
ムスプリッタを挿入し、異なる偏光の信号光を２台の光
検出器で別々に測定すれば良い。この場合はＡＤ変換器
も２チャンネル必要なのは当然であるが、この装置の作
用効果は前記実施形態と同様であり、光検出部の構成に
はよらない。

【００２６】また、図３で説明した測定シーケンスにつ
いても、必ずしもこのとおりでなくとも同様の効果が得
られる。例えば、遠距離測定を先に行い、その後近距離
測定を行っても良い。一般には遠距離測定時間が近距離
測定時間よりも長くなるが、測定の内容によっては、両
方も同じか、または逆の場合もありうる。また、遠距離
測定時間が相当長い場合には、遠距離測定時間を２つに
分けて、その間に近距離測定を行うというシーケンスも
ある。このようなシーケンスはコンピュータ部５００の
ソフトウエアの変更で容易に対応可能である。

【００２７】さらにまた、前記実施形態では図２に示す
エキスパンダ２２０を使用していたが、これは使用する
レーザ等の条件により、場合によっては不要である。ま
た、図２に示すような折り返し用のミラーの配置および
数に関しては、実際の装置では、全体の大きさ等の条件
から決定されるため、必ずしも図２と同じでなくとも良
い。この点は、本発明の本質とは無関係である。

【００２８】なお、本発明に係るレーザレーダ装置は上
記ミー散乱レーザレーダ装置に限定されるものではな
く、ミー散乱レーザレーダ装置以外のレーザレーダ装
置、すなわち差分吸収レーザレーダ装置やラマン散乱レ
ーザレーダ装置など、ほとんどの環境計測用レーザレー
ダ装置にも利用できる。また、アナログ測定だけでな
く、フォトンカウンティング測定においても有効であ
る。

【００２９】次に、本発明の第２の実施形態について、
図５を参照して説明する。本実施形態の主な構成は、図
１に示したものと同じである。上記第１の実施形態で
は、光路分岐部１５として、送信光学部１１に部分透過
ミラー２３０と、それぞれの光路に挿入した２台のシャ
ッタ２４０，２４１が設けられていたが、本実施形態で
は、その代わりに駆動機構を備えたビームダンパー付低
反射ミラー２５０（反射率１０％）とミラー制御部５４
０を設置する。他の構成は第１の実施形態とほぼ同じで
ある。近距離観測系に送信ビームを導く場合には低反射
ミラー２５０を駆動し光路に挿入する。遠距離観測系に
送信ビームを導く場合には、光路から外す。この低反射
ミラー２５０の出し入れはコンピュータ部５００からの
司令で行われ、第１の実施形態と同様な効果が得られ
る。なお、近距離計測の場合は、ビームダンパー付低反
射ミラー２５０の部分で強力なレーザ光を吸収する必要
があるため、ビームダンパー付低反射ミラー２５０は、
透過したレーザ光を吸収するためのビームダンパを備え
ている。

【００３０】次に、本発明の第３の実施形態について、
図６を参照して説明する。本実施形態の主な構成は、図
１に示したものと同じである。図６においては、３波長
の同時測定が可能なレーザレーダ装置のうち、送信光学
部を示したものである。本実施形態においては、光路分
岐部１５として、多波長部分透過ミラー２３１、シャッ
タＡ２４０、シャッタＢ２４１を備えている。レーザ発
生部１００からはパルスＹＡＧレーザの３波長（基本
波、２倍波、３倍波）が同時に発射される。送信光学部
１１で、レーザ光を、ダイクロイックミラー２６０−２
６３を用いて一旦各波長に分離し、波長毎にエキスパン
ダ２２１−２２３でビーム径を広げた後再び合成してい
る。送信光学部１１は、多波長に対応してエキスパンダ
部分と部分透過ミラー２３１が多波長に対応しているこ
と以外は前記第１の実施形態と同じであり、第１の実施
形態と同じシーケンスで運用することで同様の効果が得
られる。なお、この場合は、図には示していないが、光
検出部には、３波長に対応して波長分離用のダイクロイ
ックミラーと３台の光検出器が必要であり、制御・信号
処理部には３チャンネル対応のＡＤ変換器が必要である
ことは当然である。

【００３１】更に、第３実施形態の変形として、３波長
同時の偏光解消度測定を行うレーザレーダ装置としても
よい。この場合は、光検出部に、各波長用の偏光ビーム
スプリッタと、合計６台の光検出器が必要である。光検
出器は図８で示した従来の方式を採用した場合の半分の
数ですむ。

【００３２】

【発明の効果】以上、本発明によれば、単純な光検出器
の構成で近距離測定と遠距離測定を行うことができるた
め、簡便かつ測定のダイナミックレンジが広いレーザレ
ーダ装置が構成できる。特に偏光解消度の測定や、多波
長（３波長に限らない）の同時測定など、光検出器を複
数使用する必要のあるレーザレーダ装置においてより有
効である。さらに、本発明は上記の実施形態のようなミ
ー散乱レーザレーダ装置以外のレーザレーダ装置、すな
わち差分吸収レーザレーダ装置やラマン散乱レーザレー
ダ装置など、ほとんどの環境計測用レーザレーダ装置に
も利用できる。また、アナログ測定だけでなく、フォト
ンカウンティング測定においても有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態として示したレーザ
レーダ装置のブロック図である。

【図２】同レーザレーダ装置の模式図である。

【図３】同レーザレーダ装置の動作を示すシーケンス
図である。

【図４】同レーザレーダ装置により受信される散乱光
の信号波形を示す模式図である。

【図５】本発明の第２の実施形態として示したレーザ
レーダ装置の模式図である。

【図６】本発明の第３の実施形態として示したレーザ
レーダ装置の模式図である。

【図７】従来のレーザレーダ装置のブロック図であ
る。

【図８】同レーザレーダ装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１１送信光学部１５光路分岐部１００レーザ発生部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発生部を備えレーザビームを測定
対象に発射する送信光学部を有し、前記測定対象により
散乱された前記レーザの散乱光を受信するレーザレーダ
装置において、前記送信光学部は、強度の異なる複数のレーザビームを
発射するように構成されていることを特徴とするレーザ
レーダ装置。
【請求項２】請求項１記載のレーザレーダ装置におい
て、前記送信光学部には、前記レーザ発生部が出力した一つ
のレーザを複数のレーザビームに分岐させるとともに該
レーザビームの強度を制御する光路分岐部が設けられて
いることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項３】請求項１または２記載のレーザレーダ装
置において、測定対象に発射される前記複数のレーザビームは、各々
の光軸が離れていることを特徴とするレーザレーダ装
置。
【請求項４】請求項２または３記載のレーザレーダ装
置において、前記光路分岐部は、レーザビームを選択的に発射するよ
うに構成され、前記光路分岐部を制御して前記複数のレーザビームの発
射を時間によって切り替えるとともに、この切替と同期
して、受信した散乱光のデータを区別して処理する制御
・信号処理部を有することを特徴とするレーザレーダ装
置。