JP2004286574A

JP2004286574A - レーザレーダ装置及びアライメント自動調整方法

Info

Publication number: JP2004286574A
Application number: JP2003078596A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Takeuchi; 延夫竹内; Hiroaki Kuze; 宏明久世; Hirobumi Suga; 博文菅; Akihiro Sone; 明弘曽根
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP4071656B2

Abstract

【課題】送光及び受光光学系の光軸のアライメント調整を自動的に且つ適切に行うことが可能なレーザレーダ装置及びアライメント自動調整方法を提供すること。
【解決手段】レーザレーダ装置１は、送光光学系１１、受光光学系２１及び信号処理部３１を備える。送光光学系１１は、レーザ１２、ビーム拡大器１３、方向調整プリズム１４及びビーム送光プリズム１５を有する。受光光学系２１は、受光望遠鏡２２及び検出器２３を有する。信号処理部３１は、方向調整プリズム１４が固定された２軸ジンバルマウント１７の駆動制御を行うための制御信号を出力する。２軸ジンバルマウント１７及び信号処理部３１により、受光光学系２１にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に方向調整プリズム１４の角度が調整されて、送光光学系１１の光軸方向が調整される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザレーダ装置、及び、当該レーザレーダ装置におけるアライメント自動調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のレーザレーダ装置として、上空に向けてレーザ光を送出する送光光学系と、送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光する受光光学系とを備えたレーザレーダ装置、いわゆるミー散乱ライダー（ＬＩＤＡＲ：ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、送光光学系の光軸と受光光学系の光軸とが一致した共軸型のミー散乱ライダーと、送光光学系の光軸と受光光学系の光軸とが平行な２軸型のミー散乱ライダーとが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９６０７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されたレーザレーダ装置では、送光光学系及び送光光学系の外部環境（温度、日照等）の変化によって送光光学系の光軸と受光光学系の光軸との関係（一致あるいは平行）に狂いが生じてしまい、受光光学系へ入力されるミー散乱レーザ光の強度が減衰し、適切なデータを得ることができないという問題点を有している。
【０００５】
上記問題点を解決するためには、送光光学系の光軸と受光光学系の光軸の相対的なアライメントを調整する必要がある。レーザレーダ装置における送光及び受光光学系の光軸のアライメント調整に関しては、通常、レーザレーダ装置からの距離（高度）に対するミー散乱レーザ光の強度の変化波形、いわゆるＡスコープ波形を見て、最も遠方まで波形が伸びている状態が最適にアライメント調整されている状態であると判断していた。しかしながら、遠方からの信号は変動が大きく、また信号強度も小さいので、アライメント調整を自動的に且つ適切に行うことは困難であった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、送光及び受光光学系の光軸のアライメント調整を自動的に且つ適切に行うことが可能なレーザレーダ装置及びアライメント自動調整方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザレーダ装置は、大気中にレーザ光を送出する送光光学系と、送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光する受光光学系と、送光光学系の光軸方向を調整する光軸調整手段と、を備え、光軸調整手段は、受光光学系にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に送光光学系の光軸方向を自動的に調整することを特徴としている。
【０００８】
一方、本発明に係るアライメント自動調整方法は、大気中にレーザ光を送出する送光光学系と、送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光する受光光学系と、送光光学系の光軸方向を調整する光軸調整手段と、を備えたレーザレーダ装置のアライメント自動調整方法であって、光軸調整手段により、受光光学系にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に送光光学系の光軸方向を自動的に調整することを特徴としている。
【０００９】
これら、本発明に係るレーザレーダ装置及びアライメント自動調整方法それぞれによれば、光軸調整手段により、受光光学系にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に送光光学系の光軸方向が自動的に調整されることとなる。このとき、大気境界層からのミー散乱レーザ光は比較的強い信号強度を有していることから、送光及び受光光学系の光軸間のアライメント調整を自動的に且つ適切に行うことができる。
【００１０】
なお、本明細書にて用いる「大気境界層」なる用語は、大気中において地表面との相互作用（力学的摩擦、熱交換等）を強く受ける大気最下層の領域のことであり、地表面から地上数ｋｍ程度までの大気層を意味している。
【００１１】
また、受光光学系は、受光望遠鏡を有しており、受光望遠鏡の視野角は、２００μｒａｄ以下に設定されていることが好ましい。この場合、受光望遠鏡に背景光が入力されるのを抑制し、送光光学系の出力を大きくすることなく信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善することができる。
【００１２】
また、光軸調整手段は、鉛直方向及び水平方向のそれぞれについて所定角度刻みにレーザ光の送出方向を掃引するように送光光学系の光軸方向を変更し、大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度を求め、当該角度となるように送光光学系の光軸方向を自動的に調整することが好ましい。この場合、送光光学系の光軸方向を大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる方向に確実に調整することができる。
【００１３】
また、所定角度は、送光光学系から送出したレーザ光の広がり角と同等の精度で設定されていることが好ましい。この場合、大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度を短時間で且つ適切に求めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るレーザレーダ装置及びアライメント自動調整方法について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーザレーダ装置１は、図１に示されるように、大気中にレーザ光を送出する送光光学系１１（レーザ１２、ビーム拡大器１３、方向調整プリズム１４、ビーム送光プリズム１５及び２軸ジンバルマウント１７）と、この送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光する受光光学系２１（受光望遠鏡２２及び検出器２３）とを備えており、送光光学系１１の光軸（ビーム送光プリズム１５で曲げられて送出される光の方向）と受光光学系２１の光軸（受光望遠鏡２２の中心軸）とが一致した共軸型のミー散乱レーザレーダである。
【００１６】
送光光学系１１は、レーザ１２、ビーム拡大器１３、方向調整プリズム１４及びビーム送光プリズム１５を有している。レーザ１２は、半導体レーザ（ＬＤ）励起固体レーザ（ＤＰＳＳｌａｓｅｒ：ｄｉｏｄｅｐｕｍｐｅｄｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｌａｓｅｒ）であって、半導体レーザ及びＱスイッチ素子（いずれも図示せず）等を含み、レーザ電源１６からの電力供給により半導体レーザを励起し、Ｑスイッチ素子のＱスイッチング動作により周波数を逓倍し、小エネルギー（例えば、２０μＪ程度）の高速繰返しパルス状のレーザ光を出射する。半導体レーザ励起固体レーザとしては、発振波長が５３２ｎｍや１０６４ｎｍ等のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。
【００１７】
ビーム拡大器１３は、レーザ１２から出射されたパルス状のレーザ光のビーム径を拡大する。本実施形態において、ビーム拡大器１３は、ビーム径を２０〜３０ｍｍに拡大している。
【００１８】
方向調整プリズム１４は、ビーム拡大器１３によりビーム径が拡大されたパルス状のレーザ光をビーム送光プリズム１５に向けて反射させる。この方向調整プリズム１４は、直交する２軸の方向を変えることができる２軸ジンバルマウント１７上に固定されている。この２軸ジンバルマウント１７は、ステップモータにより上記２軸の角度調整が可能となっており、後述する信号処理部３１からの制御信号に基づいて、各軸における角度が独立して制御される。なお、方向調整プリズム１４の代わりに、ミラーを用いるようにしてもよい。
【００１９】
ビーム送光プリズム１５は、方向調整プリズム１４にて反射されたパルス状のレーザ光を大気に向けて反射させる。ビーム送光プリズム１５は、後述する受光望遠鏡２２の副鏡２５の裏面側に設けられている（図２参照）。なお、ビーム送光プリズム１５の代わりに、ミラーを用いるようにしてもよい。
【００２０】
レーザ１２から出射されたパルス状のレーザ光は、ビーム拡大器１３を通り、方向調整プリズム１４及びビーム送光プリズム１５により受光望遠鏡２２の副鏡２５の裏側に平行移動された後、大気中に送出される。このとき、パルス状のレーザ光のビーム広がり角は、５０μｒａｄ程度である。送光光学系１１から送出されたパルス状のレーザ光は、エアロゾル（浮遊粒子状物質）等により散乱され、ミー散乱レーザ光が生じることとなる。
【００２１】
受光光学系２１は、受光望遠鏡２２及び検出器２３を有している。受光望遠鏡２２は、図２に示されるように、カセグレイン光学系の望遠鏡（テレスコープ）であって、主鏡２４及び副鏡２５を含んでいる。ミー散乱レーザ光は、受光望遠鏡２２により集光されて視野絞り２７（例えば、アイリス絞り等）を通る。受光望遠鏡２２の視野角は、視野絞り２７の開口径と望遠鏡の焦点距離とで与えられ、２００μｒａｄ以下に設定されている。受光望遠鏡２２の側面には、上述したレーザ１２、ビーム拡大器１３及び方向調整プリズム１４（２軸ジンバルマウント１７）が設けられている。
【００２２】
検出器２３は、視野絞り２７を通過したミー散乱レーザ光を光電変換して、電気信号として出力する。検出器２３としては、Ｓｉ−ＡＰＤ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）、光電子増倍管等を用いることができる。検出器２３から出力された電気信号は、信号処理部３１に送られる。
【００２３】
信号処理部３１は、検出器２３からの電気信号に基づいて、光子計数法（ＰｈｏｔｏｎＣｏｕｎｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄ）により検出器２３に到来した光子を所定時間にわたってカウントする。所定時間内の光子のカウント数が、検出器２３に入射したミー散乱レーザ光の強度に相当することとなる。信号処理部３１は、光子のカウント数のデータを継続して取得し、取得したデータを画像処理して、ミー散乱レーザ光の強度の時間変化を表す波形を生成し、画像表示部３２に表示するとともに、取得したデータを記憶部３３に格納する。本実施形態においては、例えば、高度３０ｋｍにいたる鉛直プロファイルを連続して観測する。
【００２４】
また、信号処理部３１は、２軸ジンバルマウント１７（ステップモータ）の駆動制御を行うための制御信号を出力する。本実施形態においては２軸ジンバルマウント１７及び信号処理部３１が、送光光学系１１の光軸方向を調整する光軸調整手段として機能する。
【００２５】
次に、図３を参照して、上述した構成のレーザレーダ装置１における送光光学系１１の光軸を受光光学系２１の光軸と一致させるアライメント自動調整方法について説明する。図３は、アライメント自動調整方法を説明するためのフローチャートである。
【００２６】
予め、レーザレーダ装置１から検出器２３を外した状態で、パルス状のレーザ光を建造物の壁に向けて出射し、反射したレーザ光が受光望遠鏡２２の視野の真中に入射するように送光光学系１１の光軸と受光光学系２１の光軸との初期アライメントを調整しておく。
【００２７】
続いて、レーザレーダ装置１に検出器２３を装着し、信号処理部３１からの出力信号に基づいて２軸ジンバルマウント１７を作動させて、送光光学系１１の光軸と受光光学系２１の光軸とのアライメントを以下のように調整する。
【００２８】
まず、鉛直方向を所定角度範囲（本実施形態においては、−５００〜５００μｒａｄの範囲）にわたって所定角度（本実施形態においては、５０μｒａｄ）刻みにレーザ光を掃引する（Ｓ１０１）。このレーザ光の掃引は、信号処理部３１が２軸ジンバルマウント１７に制御信号を出力し、２軸ジンバルマウント１７の角度、すなわち方向調整プリズム１４の角度を一方の軸周りに変更させることにより、為される。
【００２９】
その際、信号処理部３１は、各角度において、所定時間（本実施形態においては、１秒）にわたり検出器２３に入射する光子数を計数し、Ａスコープ波形を求める。そして、信号処理部３１は、求めたＡスコープ波形を距離自乗補正した上で、大気境界層（本実施形態においては、４００〜７００ｍの範囲）に相当する高度でのミー散乱レーザ光の強度を積算し、当該積算したミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向での角度を求める（Ｓ１０３）。
【００３０】
次に、水平方向を所定角度範囲（本実施形態においては、−５００〜５００μｒａｄの範囲）にわたって所定角度（本実施形態においては、５０μｒａｄ）刻みにレーザ光を掃引する（Ｓ１０５）。このレーザ光の掃引は、信号処理部３１が２軸ジンバルマウント１７に制御信号を出力し、２軸ジンバルマウント１７の角度、すなわち方向調整プリズム１４の角度を他方の軸周りに変更させることにより、為される。
【００３１】
その際、信号処理部３１は、各角度において、所定時間（本実施形態においては、１秒）にわたり検出器２３に入射する光子数を計数し、レーザレーダ装置１からの距離（高度）に対するミー散乱レーザ光の強度のＡスコープ波形を求める。そして、信号処理部３１は、求めたＡスコープ波形を距離振幅補正した上で、大気境界層（本実施形態においては、４００〜７００ｍの範囲）に相当する高度でのミー散乱レーザ光の強度を積算し、当該積算したミー散乱レーザ光の強度が最大となる水平方向での角度を求める（Ｓ１０７）。
【００３２】
信号処理部３１は、Ｓ１０３及びＳ１０７にて求めた角度、すなわち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度となるように、２軸ジンバルマウント１７（ステップモータ）に制御信号を出力し、当該２軸ジンバルマウント１７に固定された方向調整プリズム１４の角度を調整して、送光光学系１１の光軸方向を調整する（Ｓ１０９）。これにより、送光光学系１１の光軸と受光光学系２１の光軸とが一致した状態にアライメントが調整されることとなる。
【００３３】
アライメント調整が終わると、送光光学系１１から大気中にレーザ光を送出し、受光光学系２１により送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光し、データを取得する。上述したアライメント調整の時間は６０秒程度であり、例えば１５分間隔で自動的にアライメント調整を行った場合、アライメント調整によるデータの欠損は６．７％となり、データ取得上、支障が生じるようなことはない。また、１５分程度ではアライメントが大きくずれてしまうようなことはなく、常に最適なアライメントが保たれることとなる。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、２軸ジンバルマウント１７及び信号処理部３１により、受光光学系２１にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に方向調整プリズム１４の角度が調整されて、送光光学系１１の光軸方向が調整されることとなる。このとき、大気境界層からのミー散乱レーザ光は比較的強い信号強度を有していることから、送光及び受光光学系２１の光軸のアライメント調整を自動的に且つ適切に行うことができる。
【００３５】
この結果、送光光学系１１及び送光光学系の外部環境（温度、日照等）の変化によって送光光学系１１の光軸と受光光学系２１の光軸とが一致している状態からずれた場合でも、適切な送光及び受光光学系２１の光軸のアライメント調整がなされ、ミー散乱レーザ光の信号強度の減衰が抑制されることとなり、常に最適な観測を行うことが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態において、受光光学系２１は、受光望遠鏡２２を有し、この受光望遠鏡２２の視野角は、２００μｒａｄ以下に設定されている。これにより、受光望遠鏡２２に背景光が入力されるのを抑制し、送光光学系１１の出力を大きくすることなく信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善することができる。
【００３７】
また、本実施形態において、２軸ジンバルマウント１７及び信号処理部３１は、鉛直方向及び水平方向のそれぞれについて所定角度刻みにレーザ光を掃引するように方向調整プリズム１４の角度を調整することで送光光学系１１の光軸方向を変更し、大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度を求め、当該角度となるように方向調整プリズム１４の角度を調整して、送光光学系１１の光軸方向を自動的に調整している。これにより、送光光学系１１の光軸方向を大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる方向に確実に調整することができる。
【００３８】
また、本実施形態において、レーザ光を掃引する際の刻み角度（上記所定角度）は、送光光学系から送出したレーザ光の広がり角と同等の精度で設定されている。これにより、大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度を短時間で且つ適切に求めることができる。
【００３９】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、本発明を共軸型のミー散乱レーザレーダを適用したが、これに限られることなく、２軸型のミー散乱レーザレーダにも本発明を適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、送光及び受光光学系の光軸のアライメント調整を自動的に且つ適切に行うことが可能なレーザレーダ装置及びアライメント自動調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るレーザレーダ装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】本実施形態に係るレーザレーダ装置に含まれる受光望遠鏡を示す概略構成図である。
【図３】本実施形態に係るアライメント自動調整方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…レーザレーダ装置、１１…送光光学系、１２…レーザ、１３…ビーム拡大器、１４…方向調整プリズム、１５…ビーム送光プリズム、１７…２軸ジンバルマウント、２１…受光光学系、２２…受光望遠鏡、２３…検出器、２６…視野絞り、３１…信号処理部。

Claims

大気中にレーザ光を送出する送光光学系と、
前記送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光する受光光学系と、
前記送光光学系の光軸方向を調整する光軸調整手段と、を備え、
前記光軸調整手段は、前記受光光学系にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に前記送光光学系の光軸方向を自動的に調整することを特徴とするレーザレーダ装置。
前記受光光学系は、受光望遠鏡を有しており、
前記受光望遠鏡の視野角は、２００μｒａｄ以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
前記光軸調整手段は、鉛直方向及び水平方向のそれぞれについて所定角度刻みにレーザ光の送出方向を掃引するように前記送光光学系の光軸方向を変更し、前記大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度を求め、当該角度となるように前記送光光学系の光軸方向を自動的に調整することを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
前記所定角度は、前記送光光学系から送出したレーザ光の広がり角と同等の精度で設定されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザレーダ装置。
大気中にレーザ光を送出する送光光学系と、前記送光光学系から送出したレーザ光のミー散乱レーザ光を受光する受光光学系と、前記送光光学系の光軸方向を調整する光軸調整手段と、を備えたレーザレーダ装置のアライメント自動調整方法であって、
前記光軸調整手段により、前記受光光学系にて受光したミー散乱レーザ光のうち大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度に基づいて、当該強度が最大となる方向に前記送光光学系の光軸方向を自動的に調整することを特徴とするアライメント自動調整方法。
前記受光光学系は、受光望遠鏡を有しており、
前記受光望遠鏡の視野角は、２００μｒａｄ以下に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のアライメント自動調整方法。
前記光軸調整手段により、鉛直方向及び水平方向のそれぞれについて所定角度刻みにレーザ光の送出方向を掃引するように前記送光光学系の光軸方向を変更し、前記大気境界層からのミー散乱レーザ光の強度が最大となる鉛直方向及び水平方向での角度を求め、当該角度となるように前記送光光学系の光軸方向を自動的に調整することを特徴とする請求項５に記載のアライメント自動調整方法。
前記所定角度は、前記送光光学系から送出したレーザ光の広がり角と同等の精度で設定されていることを特徴とする請求項７に記載のアライメント自動調整方法。