JP2009162453A - レーザービーム照射システム、レーザービーム照射方法およびレーザービーム中継機 - Google Patents

Abstract

【課題】目視範囲外の目標物に対してレーザービームを照射する。
【解決手段】レーザービームを照射するレーザービーム照射機１と、このレーザービーム照射機１およびレーザービームの被照射体３を目視可能な領域に配備されたレーザービーム中継機２と、からなり、レーザービーム中継機２が、被照射体３を追尾して被照射体３の座標、移動速度、および移動方向を含む追尾情報を取得し、この追尾情報とレーザービーム照射機１から取得される位置情報に基づいて反射板２７の姿勢を調整し、レーザービーム照射機１から照射されるレーザービームを反射板２７によって被照射体３に向けて反射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、目視範囲外の目標物に対してレーザービームを照射可能なレーザービーム照射システム、レーザービーム照射方法およびレーザービーム中継機に関する。

レーザービームは、直進性を有しており、目視範囲にある目標物（被照射体）への照射が容易である。また、レーザービームは光速で目標物へ到達するため、移動する目標物へ照射を行う場合でも到達までの所要時間を計算上ほとんど考慮する必要がない。

このようなレーザービームの特性を利用した技術としては、レーザービーム照射機から目標物に照射したレーザービームの反射光を受光して目標物の追尾を行うレーザセミアクティブ誘導方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３４１０３２号公報

しかしながら、上記従来技術においては、レーザービームの照射対象となる目標物が目視範囲外の場合には、レーザービームの直進性のために照射できないという問題があった。

そこで、本発明は、従来技術の問題に鑑み、目視範囲外の目標物に対してもレーザービームの照射が可能なレーザービーム照射システム、レーザービーム照射方法、およびレーザービーム中継機を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザービーム照射システムは、レーザービームを照射するレーザービーム照射機と、このレーザービーム照射機およびレーザービームの被照射体を目視可能な領域に配備されたレーザービーム中継機と、からなり、レーザービーム中継機が、レーザービーム照射機との間で通信を行い、レーザービーム照射機の位置情報を取得する通信装置と、レーザービームの被照射体を検知すると共に追尾し、被照射体の位置情報、移動速度、および移動方向を含む追尾情報を出力する目標追尾装置と、レーザービーム照射機から照射されたレーザービームを被照射体に向けて反射する反射板と、通信装置から取得されたレーザービーム照射機の位置情報および目標追尾装置から取得された被照射体の追尾情報を解析し、反射板を駆動させる駆動制御情報を出力する情報解析装置と、この情報解析装置から出力された駆動制御情報に基づいて反射板の駆動を制御する反射板制御装置と、を有することを特徴とする。

本発明に係るレーザービーム照射方法は、レーザービームを照射するレーザービーム照射機およびレーザービームの被照射体の双方を目視可能な領域に配備されたレーザービーム中継機が、レーザービーム照射装置および被照射体の位置、移動速度、および移動方向を含む情報を取得する情報取得ステップと、レーザービーム中継機が、取得された情報を解析し、レーザービーム照射機から照射されるレーザービームを反射する反射板の駆動制御情報を出力する駆動制御情報出力ステップと、レーザービーム中継機が、出力された駆動制御情報に基づいて反射板を駆動し、姿勢を調整する姿勢調整ステップと、レーザービーム中継機が、レーザービーム照射機から自機に向かって照射されたレーザービームを調整された反射板によって反射し、被照射体に照射するレーザービーム反射ステップと、を有することを特徴とする。

本発明に係るレーザービーム中継機は、レーザービームを照射するレーザービーム照射機との間で通信を行い、レーザービーム照射機の位置情報を取得する通信装置と、レーザービームの被照射体を検知すると共に追尾し、被照射体の位置情報、移動速度、および移動方向を含む追尾情報を出力する目標追尾装置と、レーザービーム照射機から照射されたレーザービームを被照射体に向けて反射する反射板と、通信装置から取得されたレーザービーム照射機の位置情報および目標追尾装置から取得された被照射体の追尾情報を解析し、反射板を駆動させる駆動制御情報を出力する情報解析装置と、この情報解析装置から出力された駆動制御情報に基づいて反射板の駆動を制御する反射板制御装置と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、目視範囲外の目標物に対してもレーザービームの照射が可能なレーザービーム照射システムが提供される。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーザービーム照射システムの全体構成例を説明する図である。同図に示されるように、本実施形態に係るレーザービーム照射システムは、レーザービーム照射機１とレーザービーム中継機２から構成されている。尚、レーザービーム照射機１およびレーザービーム中継機２の台数に制限は無い。

レーザービーム照射機１は、レーザービーム中継機２に対してレーザービームを照射する機体である。

レーザービーム中継機２は、肉眼や赤外線カメラなどによって確認できる範囲（以下、「目視範囲」という。）内にレーザービーム照射機１および被照射体３がある、地上若しくは空中の領域に配備され、レーザービーム照射機１から照射されたレーザービームを被照射体３に向けて反射する機体である。地上配備の場合には移動車両、空中配備の場合にはヘリコプター、飛行機、および気球など飛行手段（図示省略する）を有する機体がレーザービーム中継機２の具体例として挙げられる。配備において移動が容易であり、かつ、レーザービームの中継点として地上若しくは空中において一定の位置に留まることが可能な無人機であると好適である。尚、本実施形態では被照射体３が飛翔体の場合を例として説明する。

図２は、レーザービーム照射機１の構成例を示すブロック図である。同図に示されるように、レーザービーム照射機１は、制御装置１１、ＧＰＳ１２、通信装置１３、追尾装置１４、照準装置１５、レーザービーム生成装置１６、および冷却装置１７を備えている。

制御装置１１は、レーザービーム照射機１を構成する各装置を制御する中央処理装置である。

ＧＰＳ１２は、レーザービーム照射機１の位置情報を取得し、この位置情報を制御装置１１へ出力するＧＰＳ装置である。

通信装置１３は、制御装置１１からの制御情報に基づいて単数若しくは複数のレーザービーム中継機２と通信を行う装置である。通信方法としては、無線通信やレーザー通信を用いることができ、通信内容の機密性に応じて選択すると好適である。また、レーザービーム中継機２との通信によって、レーザービーム照射機１、レーザービーム中継機２、および被照射体３のそれぞれの位置情報、被照射体３の追尾指令などの制御情報、およびレーザービームの照射前における受光確認情報などが送受信される。

追尾装置１４は、制御装置１１からの制御情報に基づいてレーザービーム中継機２を追尾し、その位置情報（座標）、移動速度、移動方向などを含む追尾情報を出力する装置である。

図３は、追尾装置１４の構成例を示すブロック図である。同図に示されるように、追尾装置１４は、画像センサ１４１、確認レーザー発光器１４２、確認レーザー照準器１４３、確認レーザー受光器１４４、および追尾処理部１４５を含んでいる。

画像センサ１４１は、追尾処理部１４５からの制御情報に基づいて赤外線カメラなどの撮像装置を指向し、撮影した画像から位置情報を求め、追尾処理部１４５へ出力する装置である。

確認レーザー発光器１４２は、レーザービーム生成装置１６から高出力のレーザービームを照射する準備段階において受光確認のために低出力のレーザビームをレーザービーム中継機２に照射する装置である。

確認レーザー照準器１４３は、追尾処理部１４５からの制御情報に基づいて確認レーザー発光器１４２のレーザービームの照射方向をレーザービーム中継機２に向ける装置である。

確認レーザー受光器１４４は、確認レーザー発光器１４２から照射された受光確認用のレーザービームの反射光を受光して反射光データを取得し、この反射光データによって受光確認を行うと共に目標物までの距離を求め、追尾処理部１４５へ出力する装置である。

追尾処理部１４５は、通信装置１３で取得されたレーザービーム中継機２の位置情報に基づいてレーザービーム中継機２の追尾情報を取得し、この追尾情報を制御装置１１へ出力するプログラムである。

照準装置１５は、追尾情報に基づいてレーザービーム生成装置１６で生成されるレーザービームの照射先をレーザービーム中継機２として照準を定める装置である。

レーザービーム生成装置１６は、制御装置１１からの制御情報に基づいてレーザービームを生成し、照準装置１５で定められた方向へ照射する装置である。レーザービームは、誘導放出を起こす媒質によって特性が決定され、この媒質によって幾つかの種類に分けられる。本実施形態では高出力を要するため、フッ化重水素を用いた波長３．８μｍの化学レーザー、ヨウ素を用いた波長１．３μｍの化学レーザー、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶）を用いた波長約１μｍの固体レーザーなどを用いると好適である。大気減衰等を考慮して波長３〜５μｍまたは８〜１２μｍに波長変換して利用することも可能である。

冷却装置１７は、レーザービーム生成装置１６においてレーザービームの生成の際に生じる熱を冷却する装置である。

図４は、レーザービーム中継機２の構成例を示すブロック図である。同図に示されるように、レーザービーム中継機２は、制御装置２１、ＧＰＳ２２、通信装置２３、目標追尾装置２４、情報解析装置２５、反射板制御装置２６、および反射板２７を備えている。

制御装置２１は、レーザービーム中継機２を構成する各装置を制御する中央処理装置である。

ＧＰＳ２２は、レーザービーム中継機２の位置情報を取得し、制御装置２１へ出力するＧＰＳ装置である。

通信装置２３は、制御装置２１からの制御情報に基づいてレーザービーム照射機１と通信を行う装置である。通信方法は、レーザービーム照射機１に対応している。

目標追尾装置２４は、制御装置２１からの制御情報に係る被照射体３（目標物）を検知し、被照射体３の位置情報（座標）、移動速度、距離、および移動方向を含む追尾情報を求め、この追尾情報を制御装置２１へ出力する装置である。

図５は、目標追尾装置２４の構成例を示すブロック図である。同図に示されるように、目標追尾装置２４は、光波センサ２４１、画像センサ２４２、確認レーザー発光器２４３、確認レーザー照準器２４４、確認レーザー受光器２４５、および目標追尾処理部２４６を含んでいる。

光波センサ２４１は、接近する被照射体３が発する光波を検出し、その到来方向を目標追尾処理部２４６へ出力する。

画像センサ２４２は、目標追尾処理部２４６からの制御情報に基づいて赤外線カメラなどの撮像装置を指向し、撮影した画像から接近する被照射体３の位置情報を求め、この位置情報を目標追尾処理部２４６へ出力する装置である。

確認レーザー発光器２４３は、被照射体３に対して受光確認用のレーザビームをレーザービーム中継機２に照射する装置である。

確認レーザー照準器２４４は、目標追尾処理部２４６からの制御情報に基づいて確認レーザー発光器２４３におけるレーザービームの照射方向をレーザービーム中継機２に向ける装置である。

確認レーザー受光器２４５は、確認レーザー発光器２４３から照射された受光確認用のレーザービームの反射光を受光して反射光データを取得し、この反射光データによって受光確認を行うと共に被照射体３までの距離を求め、目標追尾処理部２４６へ出力する装置である。

目標追尾処理部２４６は、被照射体３の追尾情報を取得し、この追尾情報を制御装置２１へ出力するプログラムである。

情報解析装置２５は、通信装置２３から取得されたレーザービーム照射機１の位置情報と目標追尾装置２４から取得された被照射体３の追尾情報を解析して反射板２７における反射角度を求め、この反射角度に基づく駆動制御情報を制御装置２１へ出力する装置である。

反射板制御装置２６は、制御装置２１を介して取得される駆動制御情報に基づいて反射板２７の駆動機構（図示省略する）を制御し、反射板２７の姿勢（傾斜角度）を変更する装置である。

反射板２７は、レーザービーム照射機１から照射されるレーザービームを受光し、集約させたレーザービームを被照射体３に向けて反射させる装置である。レーザービームの反射においては、表面の形状が可変であるデフォーマブルミラーを用いることで、レーザービームを集約して被照射体３に照射する。

以下、レーザービーム照射システムの動作を図面に基づいて詳細に説明する。図６は、レーザービーム照射システムにおける処理の具体例を示すシーケンス図である。

先ず、レーザービーム照射機１は、現在時刻における自機の位置情報をＧＰＳ１２によって取得する（Ｓ６０１）。

次に、レーザービーム照射機１は、自機の位置情報を通信装置１３によってレーザービーム中継機２へ無線で送信する（Ｓ６０２）。

次に、レーザービーム中継機２は、現在時刻における自機の位置情報をＧＰＳ１２によって取得する（Ｓ６０３）。

次に、レーザービーム中継機２は、自機の位置情報を通信装置２３によってレーザービーム照射機１へ無線で送信する（Ｓ６０４）。

次に、レーザービーム照射機１は、レーザービーム中継機２から通信装置１３によって取得された位置情報に基づいて追尾装置１４を動作させ、追尾処理部１４５による制御に基づいてレーザービーム中継機２を追尾・捕捉する（Ｓ６０５）。この時、追尾装置１４は、レーザービーム中継機２の位置情報（座標）、移動速度、移動方向などを含む追尾情報を出力する。レーザービーム中継機２が一定の領域に留まっている場合も同様とする。

次に、レーザービーム照射機１は、追尾装置１４から出力される追尾情報に基づいて照準装置１５を駆動させ、レーザービーム生成装置１６で生成されるレーザービームの照射先をレーザービーム中継機２として照準を定める（Ｓ６０６）。

次に、レーザービーム照射機１は、レーダー装置（図示省略する）において検知された被照射体３（飛翔体）の接近情報を通信装置１３によって取得する（Ｓ６０７）。この接近情報には、被照射体３の数、位置情報、移動方向、および移動速度などが含まれる。

次に、レーザービーム照射機１は、接近情報に基づいて被照射体３の追尾指令を通信装置１３によってレーザービーム中継機２へ発する（Ｓ６０８）。この時、追尾指令と共に被照射体３の接近情報もレーザービーム中継機２へ送信され、被照射体３の探索範囲が絞られる。

次に、レーザービーム中継機２は、レーザービーム照射機１から通信装置２３によって取得される被照射体３の接近情報に基づいて目標追尾装置２４を動作させ、追尾指令に係る被照射体３を内蔵された光波センサ２４１および画像センサ２４２によって探知し、目標追尾処理部２４６による制御に基づいて追尾・捕捉を行うと共に被照射体３の位置情報（座標）、移動速度、および移動方向などの追尾情報を取得する（Ｓ６０９）。

次に、レーザービーム中継機２は、レーザービーム照射機１および被照射体３の位置情報および追尾情報を情報解析装置２５によって解析し、レーザービームを被照射体３に向けて反射するための反射角度を算出し、この反射角度を満たすように反射板２７の姿勢を調整させる駆動制御情報を出力する（Ｓ６１０）。

図７は、情報解析装置２５における情報解析処理の具体例を説明する図である。尚、ここでは説明を簡潔にするため、レーザービームの照射準備中に移動しているのは被照射体３のみとする。先ず、情報解析装置２５は、通信装置２３および目標追尾装置２４によって取得された位置情報から現在時刻Ｔ_１における座標を定める。ここでは、レーザービーム中継機２の座標を点Ａ（０,０,０）、レーザービーム照射機１の座標を点Ｂ（ｘ_１,ｙ_１,ｚ_１）、被照射体３の座標を点Ｃ（ｘ_２,ｙ_２,ｚ_２）と定めている。次に、情報解析装置２５は、追尾情報に含まれる移動速度および移動方向に基づいて現在時刻Ｔ_１からΔt[秒]経過した時刻Ｔ_２における被照射体３の座標である点Ｄ（ｘ_３,ｙ_３,ｚ_３）を推定する。そして、情報解析装置２５は、時刻Ｔ_２においてレーザービーム照射機１（点Ｂ）から照射されたレーザービームをレーザービーム中継機２（点Ａ）に搭載された反射板２７によって反射し、被照射体３（点Ｄ）に照射するための反射角度を算出し、この反射角度に基づいて反射板２７の姿勢を調整する駆動制御情報を制御装置２１に出力する。例えば、反射板２７の駆動機構（図示省略する）の回転軸がｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸の場合には、各軸について回転させる角度が駆動制御情報として出力される。

次に、レーザービーム中継機２は、情報解析装置２５から出力された駆動制御情報に基づいて反射板制御装置２６を動作させ、反射板２７の姿勢を調整する（Ｓ６１１）。

次に、レーザービーム中継機２は、反射板２７の姿勢調整が完了した旨を通信装置２３によってレーザービーム照射機１へ通知する（Ｓ６１２）。

次に、レーザービーム照射機１は、確認レーザー照準器１４３の照準をレーザービーム中継機２に定めた後に、確認レーザー発光器１４２からレーザービーム中継機２に向けて受光確認用のレーザービームを照射する（Ｓ６１３）。ここで、確認レーザー受光器１４４によって反射光を受光できた場合には、その反射光データを制御装置１１に出力することで、レーザービーム中継機２に対する受光確認を行う。

次に、レーザービーム中継機２は、確認レーザー照準器２４４の照準を被照射体３に定めた後に、確認レーザー発光器２４３から被照射体３に向けて受光確認用のレーザービームを照射する（Ｓ６１４）。照射方向は反射予定の方向と同じとする。ここで、確認レーザー受光器２４５によって反射光を受光できた場合には、その反射光データを制御装置２１に出力することで、被照射体３に対する受光確認を行う。

次に、レーザービーム中継機２は、レーザービームの受光準備が完了した旨を通信装置２３によってレーザービーム照射機１へ通知する（Ｓ６１５）。高出力のレーザービームの照射前に低出力のレーザービームによる受光確認を行うことで、レーザービームを確実に照射することができる。

次に、レーザービーム照射機１は、レーザービーム生成装置１６から高出力のレーザービームをレーザービーム中継機２へ向けて照射する（Ｓ６１６）。

そして、レーザービーム中継機２は、レーザービーム照射機１から照射されたレーザービームを反射板２７によって反射し（Ｓ６１７）、被照射体３に照射する。

上記のように、レーザービーム照射機１の配備地点において被照射体３が目視範囲に存在しない場合、例えばレーザービーム照射機１と被照射体３との間に山林などの障害物があり、レーザービーム照射機１からレーザービームを直接照射出来ない場合であっても、レーザービーム中継機２を介することで被照射体３にレーザービームを照射可能となる。

また、レーザービーム中継機２は、高出力のレーザービームを生成するレーザービーム生成装置１６を備える必要が無いので、機体の小型化と製造コストの削減が可能となる。

更に、レーザービーム照射機１を地上に配備する構成をとっているため、高出力のレーザービームを生成するために機体を大型化することが可能である。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、レーザービーム照射機１の位置情報は、被照射体３と同様にレーザービーム中継機２側の各種センサによって求めてもよい。この場合、レーザービーム照射機１との間で位置情報の送受信に要する時間が無くなるため、情報解析装置２５における被照射体３の座標の推定精度を高めることができる。

また、レーザービーム照射機１側で位置情報等の解析を行い、レーザービーム中継機２ではレーザービーム照射機１からの制御情報に基づいて反射板２７の姿勢を変更させるとしても良い。この場合、レーザービーム中継機２の機能は少なくなるが、各機体の製造コストや処理能力などを考慮して任意に設計変更可能となる。

本発明の一実施形態に係るレーザービーム照射システムの全体構成例を説明するブロック図。 本発明の一実施形態に係るレーザービーム照射機１の構成例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る追尾装置１４の構成例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係るレーザービーム中継機２の構成例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る目標追尾装置２４の構成例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係るレーザービーム照射システムにおける処理の具体例を示すシーケンス図。 本発明の一実施形態に係る情報解析装置２５における情報解析処理の具体例を説明する図。

符号の説明

１…レーザービーム照射機、
２…レーザービーム中継機、
３…被照射体、
１１…制御装置、
１２…ＧＰＳ、
１３…通信装置、
１４…追尾装置、
１５…照準装置、
１６…レーザービーム生成装置、
１７…冷却装置、
２１…制御装置、
２２…ＧＰＳ、
２３…通信装置、
２４…目標追尾装置、
２５…情報解析装置、
２６…反射板制御装置、
２７…反射板、
１４１…画像センサ、
１４２…確認レーザー発光器、
１４３…確認レーザー照準器、
１４４…確認レーザー受光器、
１４５…追尾処理部、
２４１…光波センサ、
２４２…画像センサ、
２４３…確認レーザー発光器、
２４４…確認レーザー照準器、
２４５…確認レーザー受光器、
２４６…目標追尾処理部。

Claims (5)

1. レーザービームを照射するレーザービーム照射機と、
   このレーザービーム照射機および前記レーザービームの被照射体を目視可能な領域に配備されたレーザービーム中継機と、
   からなり、
   前記レーザービーム中継機が、
   前記レーザービーム照射機との間で通信を行い、前記レーザービーム照射機の位置情報を取得する通信装置と、
   前記レーザービームの被照射体を検知すると共に追尾し、前記被照射体の位置情報、移動速度、および移動方向を含む追尾情報を出力する目標追尾装置と、
   前記レーザービーム照射機から照射されたレーザービームを前記被照射体に向けて反射する反射板と、
   前記通信装置から取得された前記レーザービーム照射機の位置情報および前記目標追尾装置から取得された前記被照射体の追尾情報を解析し、前記反射板を駆動させる駆動制御情報を出力する情報解析装置と、
   この情報解析装置から出力された前記駆動制御情報に基づいて前記反射板の駆動を制御する反射板制御装置と、
   を有することを特徴とするレーザービーム照射システム。
2. 前記レーザービーム中継機は、滞空無人機若しくは地上無人機であることを特徴とする請求項１記載のレーザービーム照射システム。
3. 前記レーザービーム中継機が前記反射板によって前記レーザービームを照射する前記被照射体は、飛翔体であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザービーム照射システム。
4. レーザービームを照射するレーザービーム照射機および前記レーザービームの被照射体の双方を目視可能な領域に配備されたレーザービーム中継機が、前記レーザービーム照射装置および前記被照射体の位置、移動速度、および移動方向を含む情報を取得する情報取得ステップと、
   前記レーザービーム中継機が、前記取得された情報を解析し、前記レーザービーム照射機から照射されるレーザービームを反射する反射板の駆動制御情報を出力する駆動制御情報出力ステップと、
   前記レーザービーム中継機が、前記出力された駆動制御情報に基づいて前記反射板を駆動し、姿勢を調整する姿勢調整ステップと、
   前記レーザービーム中継機が、前記レーザービーム照射機から自機に向かって照射された前記レーザービームを前記調整された反射板によって反射し、前記被照射体に照射するレーザービーム反射ステップと、
   を有することを特徴とするレーザービーム照射方法。
5. レーザービームを照射するレーザービーム照射機との間で通信を行い、前記レーザービーム照射機の位置情報を取得する通信装置と、
   前記レーザービームの被照射体を検知すると共に追尾し、前記被照射体の位置情報、移動速度、および移動方向を含む追尾情報を出力する目標追尾装置と、
   前記レーザービーム照射機から照射されたレーザービームを前記被照射体に向けて反射する反射板と、
   前記通信装置から取得された前記レーザービーム照射機の位置情報および前記目標追尾装置から取得された前記被照射体の追尾情報を解析し、前記反射板を駆動させる駆動制御情報を出力する情報解析装置と、
   この情報解析装置から出力された駆動制御情報に基づいて前記反射板の駆動を制御する反射板制御装置と、
   を有することを特徴とするレーザービーム中継機。