JP2002196075A

JP2002196075A - レーザレーダ監視方法及び装置

Info

Publication number: JP2002196075A
Application number: JP2000394031A
Authority: JP
Inventors: Takao Kobayashi; 喬郎小林; Takeshi Yokozawa; 剛横澤
Original assignee: INC Engineering Co Ltd
Current assignee: INC Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP4712188B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大気中の浮遊粒子（粉塵等）の相対濃度分布
を短時間で高精度に計測でき、人の目に損傷を与えない
アイセーフ性と計測作業が第３者に知られない秘匿性と
を有し、耐環境性が高く、計測装置の自動化ができ、取
り扱いが容易であるアイセーフなレーザレーダ監視方法
及び装置を提供する。【解決手段】波長０．４μｍ以下の目に対して安全な
レーザ光を放射するレーザ装置１と、散乱体によるミー
散乱光を検出する光検出器３を有する受信望遠鏡２と、
レーザ装置及び受信望遠鏡を水平走査する走査装置８
と、検出したミー散乱光をデータ処理するデータ処理装
置４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔から散乱体の
物性を計測するレーザレーダ装置に係わり、更に詳しく
は、アイセーフなレーザレーダ監視方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】大気中の微小散乱体（例えば、工場の排
煙，自動車から排出される微粒子，ちり，ごみ，雲，
氷，エアロゾル）等の物性を遠隔から計測するために図
１２に例示するようなレーザレーダ装置が開発されてい
る。この装置は、レーザ装置１、テレスコープ２（受信
望遠鏡）、光検出装置３、データ処理装置４、等から構
成され、レーザ装置１により大気中にレーザ光５を放射
（発信）し、散乱体６によるミー散乱光７をテレスコー
プ２で受信し、光検出装置３及びデータ処理装置４によ
り、散乱体６の相対密度（相対濃度）分布を検出するよ
うになっている。なお、この図で１ａはコリメータ、１
ｂはレーザ電源制御部、４ａはアンプ、４ｂはレコー
ダ、４ｃはコンピュータである。

【０００３】かかるレーザレーダ装置を用いることによ
り、製鉄所等の工場、ゴミ焼却場、火力発電所、高速道
路や一般道、建設作業現場、廃棄物処分場、その他人為
的に発生する煤煙、煙流、粉塵及び灰塵並びに、春季の
山林から発散する花粉、火山からの噴煙、霧、その他自
然界で発生するエアロゾル等の浮遊粒子状物質の２次元
若しくは３次元分布を計測することができる。

【０００４】なお、かかるレーザレーダ装置は、例え
ば、１９８６年７月発行の“ＡＰＰＬＩＥＤＯＰＴＩ
ＣＳ”ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１３、特開平８−１３６４
５５号、特開平９−１１３６２０号等に開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のレーザ
レーダ装置は、大気中の浮遊粒子（粉塵等）の相対濃度
分布を短時間で高精度に計測できる特徴があり気象、環
境科学研究用として使用されている。しかし次の問題点
により工業応用として一般的な使用までには至っていな
い。（１）目に対して危険な波長域（可視域、近赤外）のレ
ーザを光源として使用していた。（２）レーザレーダ装置はレーザ装置、高感度光検知
器、高速・大容量データ処理システムという高度で精密
な装置で構成されているため、装置の運転及び計測にお
いて高度な技術を必要とし、レーザ技術者や研究者等の
専門家しか取り扱えなかった。すなわち取り扱いの容易
なレーザレーダ装置が存在しなかった。（３）耐環境性を考慮した装置が存在しなかった。（４）計測装置の自動化（無人運転）が為されていなか
った。（５）計測結果の評価法が確立していなかった。

【０００６】すなわち、現在までにミー散乱光を計測す
るレーザレーダ装置は様々なものが開発されており、本
発明に関係するミー散乱レーザレーダに関して使用する
レーザ別に次のように区分することが出来る。Ａ．波長０．３５５μｍのＮｄ：ＹＡＧＴＨＧレー
ザレーダＢ．波長０．５３２μｍのＮｄ：ＹＡＧＳＨＧレーザ
レーダＣ．波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザレーダＤ．波長１．４μｍのＯＰＯレーザレーダＥ．波長２μｍのレーザレーダ

【０００７】このうち、ＢとＣは人の目の網膜に損傷を
与えないアイセーフ性がなかった。すなわち、Ｂの波長
０．５３２μｍのＮｄ：ＹＡＧＳＨＧレーザレーダ
はミー散乱レーザレーダとして、頻繁に使用されるレー
ザレーダであるが、この波長はアイセーフ性がないた
め、工業計測として安全に使用することが出来ない。更
に、このレーザレーダ装置において、レーザ光強度を大
幅に下げて、アイセーフ性を確保することもできるが
（例えばマイクロパルスライダー）、レーザの波長が可
視域のため秘匿性はない。ここでアイセーフ性とは、一
度損傷すると回復不可能な網膜に対する安全性をいい、
レーザの波長域としては、０．４μｍ以下の紫外線及び
１．４μｍ以上の赤外線をいう。さらに、光強度につい
てはＪＩＳ６８０２の最大許容露光量（ＭＰＥ）で規定
された波長帯及び露光時間別の光強度以下のものを指
す。

【０００８】また、Ｃの波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡ
ＧレーザレーダもＡと同様にアイセーフ性はない。
又、この波長では、０．５３２μｍと比べて検知器感度
が低下するため、このレーザレーダをマイクロパルス化
してアイセーフ性を確保することは困難である。

【０００９】一方、Ａ，Ｄ，Ｅはアイセーフ性を有する
が、以下の問題点があった。Ａの波長０．３５５μｍの
Ｎｄ：ＹＡＧＴＨＧレーザレーダは、計測信号にレ
イリー散乱信号を含み、このレイリー散乱信号の影響
で、浮遊粒子状物質を計測するレーザレーダ装置として
は使用できなかった。また、屋外設置用に環境対策を施
し、走査装置を含めた走査型の工業用に使用できなかっ
た。

【００１０】Ｄの波長１．４μｍのＯＰＯレーザレーダ
はアイセーフ性は有するが、検知器感度が低く、高出力
を必要とし装置が大型化する問題点があった。また、Ｅ
の波長２μｍのレーザレーダもアイセーフ性を有する
が、高感度の検知器が存在せず小型化は困難である。

【００１１】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の主目
的は、大気中の浮遊粒子（粉塵等）の相対濃度分布を短
時間で高精度に計測でき、人の目に損傷を与えないアイ
セーフ性と計測作業が第３者に知られない秘匿性とを有
するアイセーフなレーザレーダ監視装置を提供すること
にある。また、本発明の別の目的は、耐環境性が高く、
計測装置の自動化ができ、取り扱いが容易であるアイセ
ーフなレーザレーダ監視方法及び装置を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、所定の
監視位置から水平に旋回しながらそのまわりに波長０．
４μｍ以下の目に対して安全なレーザ光（５）を照射
し、そのミー散乱光（７）を受光して、ミー散乱光の強
度Ｉと照射から受光までの時間ｔとから、大気中の浮遊
粒子の相対濃度とその存在地点を計測するようにしたこ
とを特徴とするアイセーフなレーザレーダ監視方法が提
供される。

【００１３】この方法により、大気中の浮遊粒子（粉塵
等）の相対濃度分布を短時間で高精度に計測でき、かつ
人の目に損傷を与えないアイセーフ性と計測作業が第３
者に知られない秘匿性とを確保することができる。

【００１４】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
レーザ光（５）として、レーザ光のビーム径を広げて目
に対して安全な強度Ｉ₀まで下げた波長０．３５５μｍ
のＮｄ：ＹＡＧＴＨＧレーザを使用する。ここで目に
対する安全な強度Ｉ₀はＪＩＳ６８０２に規定されたＭ
ＰＥ以下とする。この方法により、アイセーフ性と秘匿
性を確保したまま、装置を小型化することができる。

【００１５】また、建屋屋上若しくは鉄塔（１６）上に
装置を設置し、レーザ光を水平に走査して上空の粉塵濃
度相対分布を求める。この方法により、工場上空等の粉
塵濃度の相対分布を求めることができる。

【００１６】また、前記水平走査において、遠距離の計
測が必要な角度範囲に関しては走査速度を遅らせ高精度
の計測を行い、近距離計測の必要性しかない角度範囲に
対しては、走査速度を速めて迅速な計測を行う。この方
法により、遠距離の高精度の計測を実施し、かつ近距離
の走査速度を速めて迅速な計測を行うことにより、計測
精度を低下させずに全計測時間の短縮が可能となる。

【００１７】また、建屋や煙突、装置等の影響を防止す
るため、計測角度区分毎に計測仰角を変化させて計測を
実施する。この方法により、計測角度区分毎に建物等の
影響を防止し、かつ最も粉塵発生料の多い高度の計測が
可能となる。

【００１８】また、各シーケンス計測毎に、本計測前に
気象データ取得用に短時間計測を実施し、データ解析し
て求められた大気の消散係数から視程を求め、この視程
が所定のしきい値より低い場合は、悪天候と判断して計
測をキャンセルし、次回の計測まで待機する。又、専用
の感雨センサにより、降雨の検出を行い、降雨時には計
測をキャンセルすることができる。この方法により、計
測に適しない気象条件の計測シーケンスを自動でキャン
セルすることができる。

【００１９】また、近傍のデータと遠方のデータを別の
チャンネルでＡＤ変換し、後で１つのデータとして結合
させる。この方法により、遠方データに含まれる量子化
雑音を低減して広いダイナミックレンジの計測ができ
る。

【００２０】また、受信信号を距離補正し、設定値以下
の信号となった場合、固体障害物（ハードターゲット）
として検出し不要な信号を全て除去するハードターゲッ
ト信号除去を行う。この方法により、煙突やタンク等の
固体表面からの強い信号（ハードターゲット信号）を除
去することができる。

【００２１】また、水蒸気に相当する設定値以上のデー
タをゼロとする。この方法により、多量の水蒸気を高濃
度の粉塵として計測するのを防ぐことができる。

【００２２】また、あらかじめ設定された空における計
測値をもってバックグラウンドとし、この信号を全計測
結果から差し引くバックグラウンド補正を行う。この方
法により、粉塵以外の要因（空気分子のレイリー散乱、
気象状況、黄砂、エアロゾル等）の影響を無くすことが
できる。

【００２３】また、計測結果を色階調に変換し、工場敷
地内外の地図若しくはＣＣＤ画像場に重ねて表示する。
この方法により、計測結果と工場の配置等から粉塵の発
生場所や拡散の様子をわかりやすく表示することができ
る。

【００２４】更に、本発明によれば、波長０．４μｍ以
下の目に対して安全なレーザ光を放射するレーザ装置
（１）と、散乱体によるミー散乱光を検出する光検出器
（３）を有する受信望遠鏡（２）と、レーザ装置及び受
信望遠鏡を水平走査する走査装置（８）と、検出したミ
ー散乱光をデータ処理するデータ処理装置（４）とを備
えたことを特徴とするアイセーフなレーザレーダ監視装
置が提供される。

【００２５】本発明の構成によれば、レーザ装置（１）
が波長０．４μｍ以下の目に対して安全なレーザ光を放
射するので、人の目に損傷を与えないアイセーフ性と計
測作業が第３者に知られない秘匿性とを確保することが
できる。

【００２６】また、前記レーザ装置及び受信望遠鏡を格
納する耐環境性のあるドーム装置（９）を備え、該ドー
ム装置はドーム回転部（９ａ）とドーム固定部（９ｂ）
とからなり、ドーム回転部は、レーザ装置の水平走査に
同期して水平回転する光学窓（１０）を有し、該光学窓
を透してレーザ光を放射しかつミー散乱光を受信するよ
うになっている。この構成により、装置の耐環境性を高
めることができる。

【００２７】更に、ドーム回転部の光学窓に設置され光
学窓を保護するための開閉可能なスライドドアー（１
１）と、光学窓を清浄な乾燥空気によりパージするパー
ジ装置とを備える。この構成により、光学窓（１０）を
保護し、かつ光学窓の汚れ付着を防止できる。

【００２８】更に、スライドドアーの内側に設置された
反射鏡（１２）と、光学窓表面からの反射光をカットす
る偏光フィルター（１３）と、ドーム内の光学窓の内側
に設置された半導体レーザの送受光装置（１４）とを有
する汚れモニター装置を備え、光学窓の汚れをモニター
する。かかる汚れモニター装置を備えることにより、偏
光フィルター（１３）で光学窓表面からの反射光をカッ
トして、光学窓（１０）の汚れをモニターすることがで
きる。

【００２９】また、光ファイバーケーブル又は無線通信
により構築された社内ＬＡＮ若しくは専用回線により遠
隔制御する遠隔制御装置（１５）を備え、該遠隔制御装
置により計測指示を本体制御装置に送信し、計測を実施
し、計測データを本体制御装置から遠隔制御装置に送信
し、解析及び表示する。この構成により、アイセーフな
レーザレーダ監視装置を遠隔制御し、かつ遠隔でデータ
解析と表示をすることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付して使用する。

【００３１】図１は、本発明のアイセーフなレーザレー
ダ監視装置の構成図である。この図に示すように、本発
明のアイセーフなレーザレーダ監視装置は、波長０．４
μｍ以下の目に対して安全なレーザ光を放射するレーザ
装置１と、散乱体によるミー散乱光を検出する光検出器
３を有する受信望遠鏡２と、レーザ装置１及び受信望遠
鏡２を水平走査する走査装置８と、検出したミー散乱光
をデータ処理するデータ処理装置４とを備える。

【００３２】すなわち、本発明のアイセーフなレーザレ
ーダ監視装置は、レーザとして波長０．４μｍ以下の目
に対して安全なレーザ（０．３５５μｍのＮｄ：ＹＡＧ
ＴＨＧレーザ等）を使用し、アイセーフ性を確保す
る。アイセーフ性の確保のためには、光強度をＪＩＳ６
８０２で規定されているＭＰＥ以下にする。又、光検知
器３として高感度の光電子増倍管を使用することにより
レーザ装置及び受光望遠鏡等の小型化を図っている。こ
の検知器は高速応答でありながら受光面積が大きいた
め、振動等による光軸の変化に強く、微妙な光軸調整が
不要である。従って、取り扱いの容易な装置とする事が
できる。

【００３３】このアイセーフなレーザレーダ監視装置を
屋外の工場全体を見渡せる高い場所に設置し、光ファイ
バーケーブルによるＬＡＮや無線通信等の通信手段を介
して遠隔で自動運転する事により工場上空の粉塵相対濃
度を定期的に自動計測するレーザレーダ監視装置とする
ことが出来る。

【００３４】このアイセーフなレーザレーダ装置はレー
ザを工場上空においてほぼ水平に走査し、上空の粉塵相
対濃度の水平分布を計測する。この装置は無人の自動運
転を実現するために予め設定された計測シーケンスに基
づき計測を連続して実施する（シーケンス計測機能）。
また降雨及び濃霧等の計測が出来ない気象状況を自動的
に判別し、計測を中断する機能を有している（気象条件
自動判別機能）。更に、計測面上に存在する煙突、建
屋、水蒸気等からの信号を自動的に除去する機能を有し
ている（不要信号除去機能）。

【００３５】以下、本発明の特徴点を説明する。（１）図２は、本発明のアイセーフなレーザレーダ監視
装置の外観図である。この図に示すように、本発明のア
イセーフなレーザレーダ監視装置は、屋外に固定設備と
して設置可能な耐環境性を備えている。

【００３６】図１に示した監視装置のレーザレーダ部及
び補機類は全てドーム装置９内に収納されている。ドー
ム装置９はドーム回転部９ａとドーム固定部９ｂに分か
れている。レーザ光はドーム回転部９ａに設置した光学
窓１０を介して外部に放射され、後方散乱光は光学窓１
０を介して望遠鏡２内に入射する。ドーム回転部９ａは
レーザレーダ装置の水平走査に伴い同期して回転し光学
窓１０を介した計測が常時可能となっている。ドーム装
置９内の環境はエアコンにより一定温度に管理され、レ
ーザレーダの性能の安定化を図り、耐環境性を確保して
いる。

【００３７】ドーム回転部９ａの光学窓１０にはスライ
ドドアー１１が設置されている。スライドドアー１１
は、光学窓１０を保護するためのカバーで、計測時は開
となり計測が可能なように光学窓１０を外界に暴露する
が、計測時以外は光学窓１０をカバーして水滴や汚染粒
子の付着による窓の汚れを防止する機能を有している。
さらに、光学窓１０は清浄な乾燥空気により常時パージ
され、窓の汚れ付着を防止する機能を備えている。

【００３８】窓の汚れをモニターし、汚れが増加した場
合に遠隔制御装置に表示させる機能を有している。図３
は窓汚れモニター装置の一例である。ドーム内の光学窓
１０の内側に半導体レーザの送受光装置１４を設置し、
光学窓１０の外部のスライドドアー１１の内側に半導体
レーザ（ＬＤ）光の反射鏡１２を設置する。スライドド
アー１１が閉まっているときにＬＤを発振させる。ＬＤ
光は光学窓１０を透過し反射鏡１２により反射し、再度
光学窓１０を透過しＬＤ受光装置１４により検知され
る。光学窓１０が汚れた場合は汚れによりＬＤ光が散乱
され、検知されたＬＤ光の強度が低下する。従って、こ
のＬＤ光の低下により光学窓１０の汚れを検知する。反
射鏡１０の汚れによるＬＤ光の低下を防ぐため、スライ
ドドアーの内側に反射鏡１２を設置している。また、光
学窓表面からの反射による影響を防止するため、ＬＤ光
と同一の直線偏光の光は偏光フィルター１３によりカッ
トする。

【００３９】図４は、本発明のアイセーフなレーザレー
ダ監視装置のシステム構成図であり、図５は、別のシス
テム構成図である。

【００４０】本発明のアイセーフなレーザレーダ監視装
置光ファイバーケーブルや無線通信等により構築された
社内ＬＡＮ若しくは専用回線により遠隔に制御される。
装置本体から離れて設置された遠隔制御装置１５から計
測指示が本体制御装置に送られ、計測が実施される。計
測終了後、計測データは本体制御装置から遠隔制御装置
１５に送られ、解析、表示等が実施される。なお、この
システムでは装置設置工場内その他で計測されている風
向風速計の計測結果データをＬＡＮを介して自動的に取
り込み計測結果と一緒に地図上に表示させることが可能
である。

【００４１】（２）図６は、本発明による水平走査によ
るレーザレーダ計測を示す図である。この図に示すよう
に、本発明の方法では、工場上空の粉塵濃度相対分布を
求めるために、建屋屋上若しくは鉄塔等１６に装置を設
置し、レーザ光を水平に走査することにより計測を実施
する。

【００４２】図７は、本発明による水平走査方法を示す
図である。この図に示すように、計測対象計測角度区分
毎にレーザ光の走査速度を変化させながら計測を実施す
る。この事により、遠距離の計測が必要な角度範囲に関
しては走査速度を遅らせ高精度の計測を行い、近距離計
測の必要性しかない角度範囲に対しては、走査速度を速
め、迅速な計測が出来るようにした。更に、この機能に
より、計測距離によらずほぼ一定の計測分解能となるよ
うに出来る。また、この機能により、１回の全計測時間
を短縮することが出来る。

【００４３】本発明のアイセーフなレーザレーダ監視装
置は、工場内外上空の粉塵相対濃度を計測する装置であ
る。工場内には高さの違った建屋や煙突、装置等が混在
するため、粉塵の発生が予想される高度もそれぞれ異な
っている。それに対応するため、計測角度区分毎に計測
仰角を変化させて計測を実施する。この事により、計測
角度区分毎に建物等の影響を防止し、しかも最も粉塵発
塵量の多い場所（高度）の計測が可能となる（図７）。
また、計測したい仰角（粉塵の発生する高さ）は建屋や
煙突等の高さの他に、風向風速によっても変化する。従
って、ＬＡＮ等により取得した風向風速データから最適
な計測仰角を求め、これにより計測を行うことも可能で
ある。

【００４４】（３）気象条件自動判別機能粉塵発生及びレーザレーダ計測は大気条件の影響を受け
る。粉塵の場合、冬季のように乾燥した晴天で強風の場
合は発塵は多いが、多湿で雨天のように天候が悪化した
場合は粉塵の発塵はない。またレーザレーダは晴天では
長距離計測が可能であるが雨天や霧のような悪天候の場
合は計測距離は短くしかも雨滴や霧を計測する危険性が
ある。更にレーザレーダの光学窓に雨滴が付着すると汚
れが進みレーザレーダの計測性能を悪化させる可能性が
ある。従って計測に適さない気象条件の場合は当該時刻
の計測シーケンスをキャンセルする機能を有している。

【００４５】この気候判断はレーザレーダの短時間計測
による計測結果により行われる。気象条件の判定はレー
ザレーダ計測により求められた大気の消散係数から視程
を求める事により行われる。視程が長い（良好な）場合
は、気象状況が良好で、レーザ光の大気中の透過率が高
くレーザレーダ計測に適した条件である。視程が短い場
合は、降雨や霧等が存在し、レーザ光の大気中の透過率
が低くレーザレーダ計測には不適の場合である。レーザ
レーダの計測結果を解析して得られた大気の消散係数
（αＭ）と視程（Ｒｖ）との間には一般的に（数１）の
式（１）の関係がある。

【００４６】

【数１】

【００４７】ここで、ｑ＝０．５８５Ｒｖ^1/3 （但
し、Ｒｖ＜６ｋｍの場合）、ｑ＝１．３（Ｒｖ＞６ｋ
ｍ）である。この式（１）により視程を求め、視程があ
る値を超えた場合は計測を中止する。

【００４８】具体的には各シーケンス計測毎に、本計測
前に気象データ取得用に短時間計測を実施しデータ解析
を行う。この結果から悪天候（降雨や濃霧等による視程
の悪化）と判断した場合はこの回の計測をキャンセル
し、次回の計測まで待機する機能を有している。この計
測において、取得したデータに対してスロープ法若しく
はクレット法により消散係数を求め、その値が設定値以
上の場合は雨天悪化として計測をキャンセルする。スロ
ープ法及びクレット法については例えば次の論文によ
る。 "ＬｉｄａｒＳｅｎｓｉｎｇｏｆＡｅｒｏｓｏｌ
ｓａｎｄＣｌｏｕｄｓｉｎｔｈｅＴｒｏｐｏ
ｓｐｈｅｒｅａｎｄＳｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅ"，
ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＯＦＴＨＥＩＥＥＥ，
ＶＯＬ．７７，ＮＯ．３，１９８９以上の方法と併用して、降雨計を設置しそのデータも気
象判断に使用すればより確実となる。

【００４９】（４）不要信号除去機能図８は、従来のＡＤ変換方法を示す図であり、図９は、
本発明のＡＤ変換方法を示す図である。計測データはＡ
Ｄ変換器でアナログデータからデジタルデータに変換さ
れるが、遠方のデータは近傍のデータと比べてその信号
レベルが１／１００以下となるため、遠方データでは量
子化雑音が無視できなくなる。そこで近傍のデータと遠
方のデータを別のチャンネルでＡＤ変換し、後で１つの
データとして結合させることにより量子化雑音の低く広
いダイナミックレンジの計測が出来る（図９）。ここで
図９（Ａ）は光検知器を１台とした場合、（Ｂ）は光検
知器を別とした場合である。

【００５０】図１０は、本発明による固体障害物（ハー
ドターゲット）信号の処理方法を示す図である。工場上
空には高い煙突やタンク等が存在し、これがレーザを遮
る場合がある。この結果、固体表面から強い信号（ハー
ドターゲット信号）が装置に戻り、高濃度の粉塵として
計測される場合がある。そのため、このハードターゲッ
トによる強い信号をソフト的に除去する機能を有してい
る。図１０にレーザレーダのハードターゲット信号の概
念図を示す。図１０（Ａ）はハードターゲット信号を含
まない信号波形である。この波形を距離補正（Ｒ２乗補
正）して解析に使用する。図１０（Ｂ）はハードターゲ
ット信号を含む信号波形である。図中のピーク信号はＡ
Ｄ変換器のサンプリングタイミングにより発生しない場
合もある。

【００５１】ハードターゲット信号を含む信号波形にお
いて、ハードターゲット以遠の信号は０となる。これは
レーザ光がハードターゲットに当たった場合、すべての
光が散乱し、その位置より直進できないためである。従
って、この０信号を検出してハードターゲットと認識す
る。すなわち、信号がハードターゲット設定値以下とな
った場合、その位置をハードターゲットとする。ハード
ターゲットと認識した場所からレーザレーダの方向数ｍ
分のデータを除去する。これはハードターゲットによる
ピーク信号を除去するためである。

【００５２】製鉄所等の上空には工場から発生した多量
な水蒸気が存在している。従って水蒸気を高濃度の粉塵
として計測される可能性がある。そのため、水蒸気のよ
うな強い信号を除去する機能を有している。これは、計
測結果において、設定値以上のデータをゼロとするもの
である。

【００５３】工場上空の大気は粉塵以外の要因（気象状
況、黄砂、その他）によるエアロゾル等も存在してい
る。このエアロゾルからの信号が計測の基準（バックグ
ラウンド値）となる。バックグラウンド信号は気象状況
等の大気状況により変動するため、このバックグラウン
ド成分を補正し工場に起因した信号（工場から発生した
粉塵）のみを計測する必要がある。そのために、あらか
じめ設定された場所における計測値をもってバックグラ
ウンドとし、この信号を全計測結果から差し引くことに
よりバックグラウンド補正を行う。あらかじめ設定され
た場所とは、工場等から発生した粉じんが存在しない、
もしくは少ないと考えられ、計測結果が大気状況を示し
ていると想定される場所である。この場所は固定ではな
く、地形や気象等の状況により変更することも可であ
る。この場所における計測結果の距離にわたる平均値を
バックグラウンドとする。

【００５４】（計測結果の表示）計測結果を色階調に変
換し、工場敷地内外の地図若しくはＣＣＤ画像場に重ね
て表示する。この事により、計測結果と工場の配置等か
ら粉塵の発生場所や拡散の様子を解りやすく表示でき
る。更にこの図上風向風速データを表示させる事により
更に拡散の様子を明らかにする事ができる。

【００５５】図１１は、本発明によるデータ処理方法を
示すフロー図である。このデータ処理法のアルゴリズム
は次の通りである。１．ＰＭＴからの信号を２ＣＨの高速ＡＤコンバータの
両チャンネルに入力する。各チャンネルはレンジが異な
り高い電圧レンジは近距離信号用であり、低い電圧レン
ジは遠距離用である。この事によりレーザレーダ信号を
広いダイナミックレンジでデジタル変換する事が出来
る。各データを走査速度及び計測距離に合わせて積算を
行う。２．ゼロレベル補正計測信号を受信する前若しくは後の数１００データの平
均値をオフセット信号として、チャンネル夫々の全デー
タから引くことによりゼロレベルを調整する。

【００５６】３．データ結合両チャンネルのデータを結合して、１つのデータとす
る。この時、結合する距離を調整し、遠距離用チャンネ
ルの飽和信号部分が近距離データとなるように結合す
る。また、出力信号はマイナス信号のためプラス信号に
変換する。４．時間軸を距離軸に変換する。レーザ出力波形をトリ
ガー信号として、そのタイミングを距離原点とする。そ
れ以降、時間軸を距離軸に変換する。５．ノイズ低減処理移動平均その他の処理によりノイズを低減させる。６．レーザ出力補正レーザ出力の変動をモニターし、レーザ出力の増減に合
わせて信号レベルを調整する。

【００５７】７．距離補正及び近距離補正信号とＲ２との積を取る事により距離に対する幾何学的
な信号の減少の補正（距離補正）を行う。補正曲線は予
め取得したデータを使用する。８．ハードターゲット処理距離補正で得られた信号に対して設定値以上の値となっ
た場合は、ハードターゲットとして検出し、不要な信号
を除去する。

【００５８】９．クレット法による消散係数の導出クレット法を使用して消散係数を求める。ハードターゲ
ットでない波形の場合は計測距離より遠方から計算を開
始する。ハードターゲット信号の場合は、ハードターゲ
ットの位置から計算を開始する。１０．バックグラウンド補正、レイリー散乱補正計測範囲中において、ある設定角度（ハードターゲット
がなく、大気が均一と思われる場所若しくは数点の角度
を設定する）の計算結果の平均値をバックグラウンド値
として全データからこの値を引く。このことにより、レ
イリー散乱の消散係数の補正もできる。１１．水蒸気データ削除消散係数がある設定値以上の場合は、水蒸気等のデータ
としてそのデータを削除してゼロとする。１２．データ量低減得られた計算結果の単位を［ｍ^-1］若しくは［ｋｍ^-1］
から［１０ｋｍ^-1］の単位に変換し小数点以下を四捨五
入して整数化する。１３．得られたデータを色階調に変換し地図上に表示さ
せる。

【００５９】（５）シーケンス計測機能レーザレーダ装置は工場上空を定期的に自動計測する監
視装置であるため計測時間及び計測方法等の計測スケジ
ュールを予め設定し、装置をこのスケジュールに基づき
シーケンス的に自動計測を行う。設定するパラメータは
次の通り。

【００６０】（１）計測時刻：１日分の計測開始時刻
を２４時間制で設定する。（２）計測角度範囲：計測時における計測開始角度及
び終了角度（３）水平走査速度：計測角度範囲内における、角度
毎の水平走査速度（４）計測仰角：計測角度範囲内における、角度毎の
水平走査速度（５）ＣＣＤ画像取得角度：ＣＣＤにより取得及び表
示させる画像の角度（静止画像を取り込む場合）（６）その他の設定条件：制御装置ソフトウェアーの
安定動作を確保するため、１日に１回のシステム（遠隔
制御装置及び機側制御装置）の再起動を行う。その再起
動の実施時刻。その他の計測に必要な設定条件。

【００６１】計測シーケンスをスタートすると、それに
従って計測を実施する。計測シーケンスが終了した場合
は装置は待機状態となる。翌日、再度計測シーケンスに
基づき計測を実施する。この計測シーケンスを数種類準
備し、計測内容によりシーケンスを選択して計測ができ
る機能も有する。

【００６２】（６）ＣＣＤによる計測状況監視機能遠隔制御装置は装置から離れた場所に設置されているた
め、レーザレーダの計測状況が不明となる。従ってＣＣ
Ｄカメラを望遠鏡脇等の走査装置上に設置し、レーザレ
ーダの走査に合わせてレーザ光軸方向の監視を行う。得
られたＣＣＤ画像は、遠隔制御装置に転送され、静止画
若しくは動画としてＣＲＴ上に表示する。静止画像の場
合は、予め計測シーケンスで設定された角度における静
止画像を表示させる。動画の場合は、ＣＣＤ画像をリア
ルタイムに表示させる。

【００６３】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。

【００６４】

【発明の効果】上述したように、本発明のアイセーフな
レーザレーダ監視装置では、光源としては波長０．４μ
ｍ以下のレーザ（０．３５５μｍのＮｄ：ＹＡＧＴＨ
Ｇレーザ等）を使用し、しかもレーザを空間内で走査す
る事により、浮遊粒子物質の空間分布を短時間で高精度
で計測することが出来る。このレーザ光は網膜に対する
損傷閾値（最大許容露光量ＭＰＥ）が０．４μｍ〜１．
４μｍの範囲のレーザと比べて１００００倍以上高いた
めに、波長帯１．４μｍ以上のレーザと同様にアイセー
フ性を有するレーザであり、レーザレーダ装置のように
高いピークパワーを必要とする計測においても、網膜に
損傷を与える事無しに安全に計測することが出来る。
又、この波長域の光を高感度で検出する検知器が存在す
るため、装置全体を小型に出来、可搬型のレーザレーダ
にも適している。更に、この波長の光は目に見えないた
め、秘匿性を有する計測において特に有効である。この
ような小型、空間走査が可能なアイセーフなレーザレー
ダにより、従来のレーザレーダと比較して、より運用が
容易で高精度の計測装置とする事が出来る。

【００６５】従って、本発明のアイセーフなレーザレー
ダ監視方法及び装置は、大気中の浮遊粒子（粉塵等）の
相対濃度分布を短時間で高精度に計測でき、人の目に損
傷を与えないアイセーフ性と計測作業が第３者に知られ
ない秘匿性とを有し、耐環境性が高く、計測装置の自動
化ができ、取り扱いが容易である、等の優れた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアイセーフレーザレーダ監視装置の構
成図である。

【図２】本発明のアイセーフレーザレーダ監視装置の外
観図である。

【図３】本発明の汚れモニター装置の構成図である。

【図４】本発明のアイセーフレーザレーダ監視装置のシ
ステム構成図である。

【図５】本発明のアイセーフレーザレーダ監視装置の別
のシステム構成図である。

【図６】本発明による水平走査によるレーザレーダ計測
を示す図である。

【図７】本発明による水平走査方法を示す図である。

【図８】従来のＡＤ変換方法を示す図である。

【図９】本発明のＡＤ変換方法を示す図である。

【図１０】本発明によるハードターゲット信号の処理方
法を示す図である。

【図１１】本発明によるデータ処理方法を示すフロー図
である。

【図１２】従来のレーザレーダ装置の模式図である。

【符号の説明】

１レーザ装置、２テレスコープ（受信望遠鏡）、３
光検出装置、４データ処理装置、４ａレコーダ、
４ｂコンピュータ、５レーザ光、６散乱体、７
ミー散乱光、８走査装置、９ドーム装置、９ａド
ーム回転部、９ｂドーム固定部、１０光学窓、１１
スライドドアー、１２反射鏡、１３偏光フィルタ
ー、１４送受光装置、１５遠隔制御装置、１６鉄
塔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横澤剛東京都新宿区百人町１丁目15番18号株式会社アイ・エヌ・シー・エンジニアリング内Ｆターム(参考） 2G059 AA05 BB02 CC11 CC19 DD16 EE02 EE05 GG01 GG04 HH03 HH06 JJ13 JJ17 JJ19 KK01 KK04 MM05 MM09 MM15 NN01 PP04 5J084 AA01 AB08 AD01 AD03 BA04 BA49 BB17 BB27 DA01 EA04 EA20 EA40 FA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の監視位置から水平に旋回しながら
そのまわりに波長０．４μｍ以下の目に対して安全なレ
ーザ光（５）を照射し、そのミー散乱光（７）を受光し
て、ミー散乱光の強度Ｉと照射から受光までの時間ｔと
から、大気中の浮遊粒子の相対濃度とその存在地点を計
測するようにしたことを特徴とするアイセーフなレーザ
レーダ監視方法。
【請求項２】前記レーザ光（５）として、レーザ光の
ビーム径を広げて目に対して安全な強度Ｉ₀まで下げた
波長０．３５５μｍのＮｄ：ＹＡＧＴＨＧレーザを使
用する、ことを特徴とする請求項１に記載のアイセーフ
なレーザレーダ監視方法。
【請求項３】建屋屋上若しくは鉄塔（１６）上に装置
を設置し、レーザ光を水平に走査して上空の粉塵濃度相
対分布を求める、ことを特徴とする請求項１に記載のア
イセーフなレーザレーダ監視方法。
【請求項４】前記水平走査において、遠距離の計測が
必要な角度範囲に関しては走査速度を遅らせ高精度の計
測を行い、近距離計測の必要性しかない角度範囲に対し
ては、走査速度を速めて迅速な計測を行う、ことを特徴
とする請求項１に記載のアイセーフなレーザレーダ監視
方法。
【請求項５】建屋や煙突、装置等の影響を防止するた
め、計測角度区分毎に計測仰角を変化させて計測を実施
する、ことを特徴とする請求項１に記載のアイセーフな
レーザレーダ監視方法。
【請求項６】各シーケンス計測毎に、本計測前に気象
データ取得用に短時間計測を実施し、データ解析して求
められた大気の消散係数から視程を求め、この視程が所
定のしきい値より低い場合は、悪天候と判断して計測を
キャンセルし、次回の計測まで待機する、ことを特徴と
する請求項１に記載のアイセーフなレーザレーダ監視方
法。
【請求項７】近傍のデータと遠方のデータを別のチャ
ンネルでＡＤ変換し、後で１つのデータとして結合させ
る、ことを特徴とする請求項１に記載のアイセーフなレ
ーザレーダ監視方法。
【請求項８】受信信号を距離補正し、設定値以下の信
号となった場合、固体障害物（ハードターゲット）とし
て検出し不要な信号を全て除去する遠距離ハードターゲ
ット信号除去を行う、ことを特徴とする請求項１に記載
のアイセーフなレーザレーダ監視方法。
【請求項９】水蒸気に相当する設定値以上のデータを
ゼロとする、ことを特徴とする請求項１に記載のアイセ
ーフなレーザレーダ監視方法。
【請求項１０】あらかじめ設定された領域における計
測値をもってバックグラウンドとし、この信号を全計測
結果から差し引くバックグラウンド補正を行う、ことを
特徴とする請求項１に記載のアイセーフなレーザレーダ
監視方法。
【請求項１１】計測結果を色階調に変換し、工場敷地
内外の地図若しくはＣＣＤ画像場に重ねて表示する、こ
とを特徴とする請求項１に記載のアイセーフなレーザレ
ーダ監視方法。
【請求項１２】波長０．４μｍ以下の目に対して安全
なレーザ光を放射するレーザ装置（１）と、粉じんによ
るミー散乱光を検出する光検出器（３）を有する受信望
遠鏡（２）と、レーザ装置及び受信望遠鏡を水平走査す
る走査装置（８）と、検出したミー散乱光をデータ処理
するデータ処理装置（４）と、前記レーザ装置及び受信
望遠鏡を格納する耐環境性のあるドーム装置（９）とを
備え、該ドーム装置はドーム回転部（９ａ）とドーム固
定部（９ｂ）とからなり、ドーム回転部は、レーザ装置
の水平走査に同期して水平回転する光学窓（１０）を有
し、該光学窓を透してレーザ光を放射しかつミー散乱光
を受信するようになっている、ことを特徴とする請求項
１３に記載のアイセーフなレーザレーダ監視装置。
【請求項１３】ドーム回転部の光学窓に設置され光学
窓を保護するための開閉可能なスライドドアー（１１）
と、光学窓を清浄な乾燥空気によりパージするパージ装
置とを備えた、ことを特徴とする請求項１２に記載のア
イセーフなレーザレーダ監視装置。
【請求項１４】スライドドアーの内側に設置された反
射鏡（１２）と、光学窓表面からの反射光をカットする
偏光フィルター（１３）と、ドーム内の光学窓の内側に
設置された半導体レーザの送受光装置（１４）とを有す
る汚れモニター装置を備え、光学窓の汚れをモニターす
る、ことを特徴とする請求項１３に記載のアイセーフな
レーザレーダ監視装置。
【請求項１５】光ファイバーケーブル又は無線通信に
より構築された社内ＬＡＮ若しくは専用回線により遠隔
制御する遠隔制御装置（１５）を備え、該遠隔制御装置
により計測指示を本体制御装置に送信し、計測を実施
し、計測データを本体制御装置から遠隔制御装置に送信
し、解析及び表示する、ことを特徴とする請求項１２に
記載のアイセーフなレーザレーダ監視装置。