JP2022536051A - 空中地形測深ＬｉＤＡＲシステム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、空中ＬｉＤＡＲ測深システム及びその使用方法を提供する。【解決手段】空中ＬｉＤＡＲ測深システムは、高高度での地形データと測深データを収集することができる。空中ＬｉＤＡＲ測深システムは、受信機システム、検出器システム及びレーザー伝送システムを含む。【選択図】図１

Description

〔関連出願の相互参照〕
本願は、２０１９年５月３０日に出願された、名称が空中地形測深ＬｉＤＡＲシステム及びその方法である米国仮特許出願第６２／８５４５７１号の優先権を主張するものである。その全ての開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。

〔連邦政府の支援による研究又は開発に関する陳述〕
本発明は、アメリカ陸軍工兵隊によって授与された契約Ｗ９１２７８１７Ｄ００６８の下で政府の支援を受けて行われたものである。政府は、本発明において一定の権利を有する。

空中（航空機搭載型）ＬｉＤＡＲ機器（ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）は、パルスレーザーを走査して、地面までの距離の測距測定値を収集する。統合された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）ＧＰＳ受信機と慣性計測装置から取得した位置及び高度（標高）を組み合わせると、詳細な標高マッピング製品（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｍａｐｐｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔ）が生成される。ＬｉＤＡＲは、空中地形測量に日常的に使用されている成熟した技術である。空中（ａｅｒｉａｌ）ＬｉＤＡＲ技術の現在の進歩により、収集率が向上し、マッピング密度が高くなり、動作高度が高くなる。最先端のシステムは、毎秒数百万回の標高測定値を記録し、７０００メートルを超える高度で動作する。地形ＬｉＤＡＲシステム（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ＬｉＤＡＲ ｓｙｓｔｅｍ）がこれらの仕様を満たすことができるが、測深ＬｉＤＡＲシステム（ｂａｔｈｙｍｅｔｒｉｃ ＬｉＤＡＲ ｓｙｓｔｅｍ）は、海底の記録標高をｋＨｚ範囲のはるかに低いレートで測量し、２００～５００メートル範囲のはるかに低い高度で動作するように設計される。

様々な実施形態は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面に関してよりよく理解されるようになるであろう。

１つの非限定的な実施形態に係る空中ＬｉＤＡＲ測深（ＡＬＢ）システムの側面図である。

図１のＡＬＢシステムの正面図である。

図１のＡＬＢシステムの等角図である。

データ収集のために航空機によって輸送（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）されている例示的なＡＬＢシステムを概略的に示す。

本開示に係る例示的な受信機システムの例示的な光学設計を示す。 本開示に係る例示的な受信機システムの例示的な光学設計を示す。 本開示に係る例示的な受信機システムの例示的な光学設計を示す。

図５～７の受信機システムの一部の断面等角図を示している。

図１の例示的なＡＬＢシステムを通過する例示的な光路を示す。

１つの非限定的な実施形態に係る例示的な検出器システムを示す。

明確にするために構成要素が取り外された、図１０の検出器システムの等角図を示す。

ガイガーモードアレイ検出器に結合された検査器リフォーマッタを示す。

図１２のリフォーマッタの光路を概略的に示す。

一実施形態に係るリフォーマッタによる２×２入力画像の長方形の１×４出力画像への変換を示す。

１つの非限定的な実施形態に係る例示的なレーザー伝送システムの側面図を示す。

図１５のレーザー伝送システムの上面図を示す。

１つの非限定的な実施形態に係るレーザー送信機モジュールの等角図である。

１つの非限定的な実施形態に係るガルボエンクロージャの断面等角図である。

以下、本開示の様々な非限定的な実施形態について説明して、本明細書に開示される高高度でのレーザー地形測深システムの構造、機能、及び使用の原理の全体的な理解を提供する。これらの非限定的な実施形態の１つ以上の例は、添付の図面に示される。当業者は、本明細書に具体的に記載され、添付の図面に示されるシステム及び方法が非限定的な実施形態であることを理解するであろう。１つの非限定的な実施形態に関連して示されるか又は説明された特徴は、他の非限定的な実施形態の特徴と組み合わせてよい。そのような修正及び変形は、本開示の範囲内に含まれることを意図している。

本明細書全体を通して「様々な実施形態」、「いくつかの実施形態」、「一実施形態」、「いくつかの例示的な実施形態」、「１つの例示的な実施形態」、又は「実施形態」への参照は、任意の実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して複数の場所に出現する「様々な実施形態において」、「いくつかの実施形態において」、「一実施形態において」、「いくつかの例示的な実施形態において」、「１つの例示的な実施形態において」、又は「実施形態において」という語句は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてもよい。

本開示全体を通して構成要素又はモジュールへの参照は、一般に、論理的に１つの機能又は１セットの関連する機能を果たすようにまとめてグループ化することができる項目を指す。類似の参照番号は、一般に、同じ又は類似の構成要素を指すものであることを意図する。構成要素とモジュールは、ソフトウェア、ハードウェア、又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせとして実装することができる。ソフトウェアという用語は、実行可能コードのみならず、データ構造、データストア、ならびに任意の電子形式、ファームウェア、及び埋め込みソフトウェア内のコンピューティング命令も含むために広義で使用される。情報及びデータという用語は、広義で使用され、それだけに限らないが、機械実行可能命令又は機械解釈可能命令、特にテキスト、ビデオデータ、オーディオデータなどのコンテンツ、及び様々なコード又はフラグを含む多種多様な電子情報を含むことができる。情報、データ、及びコンテンツという用語は、文脈上許容される場合に、区別なく使用される場合もある。

本明細書で論じられる例は、例示にすぎず、本明細書で説明されるシステム及び方法の説明に役立つように提供されるものである。図面に示されるか又は以下で論じられる特徴又は構成要素のいずれも、特に必須であると指定しない限り、これらのシステム又は方法のいずれのいかなる特定の実装にも必須であるとみなすべきではない。読みやすさと明確さのために、特定の構成要素、モジュール、又は方法を、特定の図だけに関連して説明する場合もある。構成要素の組み合わせ又は部分的な組み合わせ（ｓｕｂ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）が具体的に記載されない場合があっても、それを、いかなる組み合わせも部分的な組み合わせも不可能であることを指示するものであると理解すべきではない。また、記載されるいかなる方法についても、その方法がフローチャートと併せて記載されるかどうかにかかわらず、特に指定されない限り、又は文脈上別の解釈が要求されない限り、方法の実行に際して行われるステップのいかなる明示的又は暗黙的な順序付けも、それらのステップが提示される順序で行われなければならないことを示唆するものではなく、異なる順序で、又は並列に行われてもよいことを理解すべきである。

空中ＬｉＤＡＲ測深（ＡＬＢ）は、沿岸水域の深さを測定するための確立された効果的な技術である。Ｇｕｅｎｔｈｅｒによる先駆的な研究により、１９８０年代に最初のＡＬＢシステムが開発される。ＬｉＤＡＲ測深の基本原理は、走査型パルス式水透過緑色レーザーからの測定値を記録することである。青緑色の波長が最小の減衰で一般的な沿岸水域を透過するため、海底の検出には緑色レーザーが使用される。水面が検出されると、海底までの距離は、空気と水の両方中の光速の時間差と知識（ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ）から計算される。水中の光速は空気中の光速より約３分の１遅く（ａ ｔｈｉｒｄ ｓｌｏｗｅｒ）、この偏差を補正する必要がある。したがって、測距距離の正確な決定は、レーザー戻りパルスの波形に基づく水面と海底の両方への信頼性の高い検出に依存する。

受信した緑色レーザーパルスの波形は、空気－水界面でのレーザーパルスの相互作用、レーザーが水柱（ｗａｔｅｒ ｃｏｌｕｍｎ）を通過する際の体積散乱（ｖｏｌｕｍｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）、及び海底でのレーザーの反射を含む多くの効果の重ね合わせである。伝送（送信）経路と受信経路の両方の空気－水界面で、レーザーパルスのエネルギーの一部は、反射され、残りのエネルギーは、フレネルの式によって決定されるように伝送される。理想的に水平な海面の場合、一方向のフレネル反射は、一般的なＡＬＢのオフナディア（ｏｆｆ－ｎａｄｉｒ） のレーザービームの角の２～３％である。しかしながら、海面は、決して平坦ではなく、風速が低い場合でも、それを粗い表面として扱って水の反射率を算出し、一般に、マイクロファセット双方向反射率分布関数（ＢＲＤＦ）を使用してモデル化される。ＢＲＤＦは、拡散成分と、水面の粗さが大きいほど、風速の関数としてモデル化される振幅が大きくなる鏡面ローブ（ｓｐｅｃｕｌａｒ ｌｏｂｅ）との両方を含む。レーザーパルスが水柱を通過すると、体積散乱と吸収によってレーザーエネルギーが減衰する。散乱パルスの一部は、受信経路に沿って反射されて戻る。この後方散乱パルスは、受信したＬｉＤＡＲ波形の構成要素でもある。レーザー波形の第３の構成要素は、減衰したレーザー光の海底での拡散反射による海底戻りパルスである。減衰によりノイズ閾値を下回る大きさの底部戻りパルス及び／又は後方散乱戻りパルスが発生すると、底部検出は、不可能になる。空気－水界面での屈折と多重散乱により、伸張されたパルスが底部から戻る。これらすべての影響が存在する場合、海底の底部を検出して測位することは、困難な信号処理タスクである。

緑色の波形の戻りパルスに加えて、測深システムは、水柱内の緑色レーザーのラマン後方散乱（Ｒａｍａｎ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ）から生じる赤方の偏移したレーザーの戻りパルスを利用することもできる。ラマン散乱が風速と海面波によって受ける影響がごくわずかであるため、この信号の検出は、水面の決定に役立つ。一部の測深及び地形測深システムは、水を透過しないが、地形測量に加えて信頼性の高い水面の検出を提供するＩＲレーザーも採用する。

空気－水界面でのフレネル反射によって一部のレーザーエネルギーが失われるが、レーザー減衰の優性効果（ｄｏｍｉｎａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ）は、水柱に沿った光の散乱と吸収である。水中の光の透過率は、指数関数的減衰に従うランベルトベールの法則（Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ ｌａｗ）によって決定され、次のように表される。

ここで、Ｅ（ｚ）は、深さｚでの放射照度であり、Ｅ_０は、水面での放射照度である。Ｋ_ｄという用語は、拡散減衰係数であり、海洋光学の分野では、よく研究されている水の見かけの光学特性である。拡散減衰係数は、水の透明度に応じて変化し、水中での放射線の前方透過の指標である。拡散減衰係数は、次のように定義される。

ここで、Ｅ_ｄという用語は、平面沈降流（ｄｏｗｎ－ｗｅｌｌｉｎｇ）の放射照度である。Ｋ_ｄの値は、波長に応じて変化し、沿岸水域に対して、その最小値が５３２ｎｍ付近であり、多くの一般的な周波数二重化（ｄｏｕｂｌｅｄ）固体状態のＮｄ：ＹＡＧレーザーの波長に対応する。一般的な澄んだ沿岸水域の場合、Ｋ_ｄ＝０．１ｍ^－１であるが、濁った沿岸水域の係数は、Ｋ_ｄ＝０．４ｍ^－１に近い。

レーザー減衰の影響を軽減し、沿岸水域を透過するために、ほとんどのＡＬＢシステムは、高パワー緑色レーザーを使用する。一般的な地形システムのレーザーパワーが１００μＪ程度であるのと比較して、ＡＬＢシステムのパルスあたりのレーザーパワーは、約５ｍＪである。受信機の開口サイズを大きくして、より多くの光を集めることもできる。しかし、大型望遠鏡ミラーの製造の難しさ、機器のサイズ、及びプラットフォームの制約は、開口サイズの増大を制限する。更に、システムの電子ノイズを最小限に維持し、検出器の感度を向上させることで、ＬｉＤＡＲの透過深さを高めることができる。受信したレーザーパワーと伝送したレーザーパワーとの間の逆二乗の法則（ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｑｕａｒｅ ｌａｗ）により、動作高度は、水の透過にかなりの影響を与える。このため、ＡＬＢシステムは、水面上の２００～５００メートルの範囲の低い高度（ｌｏｗ ａｌｔｉｔｕｄｅ）で動作（ｏｐｅｒａｔｅ）する。様々な理由から、高度を更に下げることは困難であり、許容できないほど小さなスワス（ｓｗａｔｈ）をもたらす。地形ＬｉＤＡＲとは異なり、大きなオフナディア角を有する広い走査角度は、ＡＬＢに対して実用的ではない。

ＡＬＢシステムの透過深さ能力は、一般に、ｄ_ｍａｘ＝ｎ／Ｋ_ｄとして表される。よく設計されたＡＬＢ機器のｎの値は、昼間の動作では２～４の範囲にあり、夜間の動作では３～５の範囲にある。例えば、ｄ_ｍａｘ＝４／Ｋ_ｄのシステムは、Ｋ_ｄ＝０．１ｍ^－１の一般的な沿岸水域を４０ｍ透過することができる。なお、十分なレーザー光が海底に到達したとしても、海底のアルベド（ａｌｂｅｄｏ）又は反射率は、ＡＬＢシステムが波形に基づいて海底を解析する能力にかなりの影響を与える。

光の減衰に加えて、水は、屈折を介してレーザービームのオフナディア角を変化させる。屈折の補正は、スネルの法則（Ｓｎｅｌｌ’ｓ Ｌａｗ）の簡単な適用であるが、必要な精度のレベルによっては、表面波を注意深くモデル化する必要がある場合がある。ＬｉＤＡＲ測深のもう１つの挑戦は、水面と海底の戻りパルスが合流する非常に浅い水域において、水面と海底とを区別することである。この目的のために、短パルス幅のレーザーは、空間領域で狭いシステム伝達関数を生成する高帯域幅、低ノイズの受信機電子機器と同様に有用である。

レーザー、望遠鏡、スキャナー、検出器、及びＧＰＳ／ＩＭＵは、ＬｉＤＡＲマッピングシステムの主な構成要素である。測深及び地形測深システムには、これらの構成要素の大部分に特定の要件がある。測深システムは、一般に、高パワー、周波数二重化（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｅｄ）、固体状態のＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用する。地形システムと比較して、これらのレーザーは、はるかに低いパルスレートで動作する。３０Ｗ以下（～３０Ｗ）の高パワーと１０ｋＨｚ以下（～１０ｋＨ）の低パルスレートの組み合わせにより、水の透過に必要な３ｍＪ程度のレーザーパルスエネルギーが得られる。水面と海底の検出を改善し、パルスストレッチの影響を最小限にするために、数ｎｓ（ａ ｆｅｗ ｎｓ）以下の短いレーザーパルスを使用する。ＩＲレーザーは、水面検出を支援し、地形測量を提供するために、緑色レーザーと組み合わせて使用されることが多い。周波数二重化レーザー（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｅｄ ｌａｓｅｒｓ）を使用して、整列したＩＲ（１０６４ｎｍ）及び緑色（５３２ｎｍ）のビームを放出することができる。

ＡＬＢシステムの望遠鏡は、大きな開口を使用してより多くの光を集め、これには、大口径のスキャナーが必要である。屈折の影響と入射角の関数としての表面戻りパルスの高い変動性により、ほとんどのＡＬＢシステムは、固定された又は狭い範囲のオフナディア角（一般に、約１５～２０度）を有するスキャナーを使用する。線形走査パターンは避けられ、円形、半円形、又は楕円形の走査パターンは優先される。ニューテイティングミラー（ｎｕｔａｔｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒｓ）、リズレープリズム、ウェッジプリズム、フレネルプリズムを使用して、これらのパターンを有するスキャナーを設計することができる。

光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ（ＰＭＴ））は、測深戻りパルスの広いダイナミックレンジを処理するために検出器として選択されることが多い。ＰＭＴは、数桁にわたって線形応答を維持することができる。ＰＭＴのダイナミックレンジが高いにもかかわらず、高エネルギー戻りパルスによるアフターパルスと検出器の損傷を防ぐように注意を払う必要がある。もう１つの一般的なＡＬＢ検出器の設計は、複数のチャネルを使用して視野を空間的にセグメント化するか、ビームスプリッターを介してダイナミックレンジを拡大することである。

ＡＬＢシステムに使用される高パワーレーザーは、かなりの冷却を必要とする。大型望遠鏡とスキャナーに加えて、熱管理に対する必要性は、サイズ、重量、パワー（ＳＷａＰ）を制約することができる。低パワーでフットプリントの小さいシステムを設計することは、ＬｉＤＡＲ測深システムの今後の課題の１つである。

高高度の測深には課題がある。現在、実用化され、かつ市販品として入手可能なＡＬＢシステムは、２００ｍ～５００ｍの範囲の低高度で動作する。これは、１５００ｍ～３５００ｍ以上の範囲で日常的に動作する地形ＬｉＤＡＲシステムの高度をはるかに下回る。ＡＬＢシステムの動作高度を３０００ｍに上げると、新しいアプローチを必要とするいくつかの課題がある。主な難点は、逆二乗の法則と大気の減衰によるレーザーパワーの損失である。

ＬｉＤＡＲ方程式から、ここで、Ｐ_ｒは、受信した光パワーであり、Ｐ_ｔは、伝送した光パワーであり、Ｃ_Ｌは、センサーの物理的特性のみに依存するＬｉＤＡＲ定数であり、受信した光パワーは、

により低下し、ここで、ｈは、高度である。この逆二乗の減衰は、高度が高くなるにつれて望遠鏡の開口によって限定される立体角（ｓｏｌｉｄ ａｎｇｌｅ）の減少に由来する。受信した光パワーは、レーザー波長λに依存する双方向大気透過率減衰係数（ｔｗｏ－ｗａｙ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）Ｔによって更に減衰される。可視波長では、Ｔは、主に大気中のレイリー散乱によるものである。緑色レーザーを必要とする測深システムは、レイリー散乱のスペクトル依存性のために、ＩＲベースの地形システムよりも大きな減衰の欠点がある。

既存のＡＬＢ設計を５００ｍから３０００ｍに動作させるようにスケーリングするには、

からのエネルギーの損失を考慮して、レーザーパワーを３６倍増加させる必要がある（ｒｅｑｕｉｒｅ １ａ ３６ｘ ｉｎｃｒｅａｓｅ）。晴れた日の５３２ｎｍでのレーザーパワーの大気減衰は、高度３ｋｍで約０．８５であるが、５００ｍで約０．９７である。逆二乗の減衰と組み合わせると、既存の設計をスケーリングするには、レーザーパワーを４０倍増加させる必要がある。５００ｍでのＡＬＢシステムに使用される高パワーレーザー（１０Ｗ以上）を考えると、４０倍の増加は、実現可能な解決策ではない。

もう１つの課題は、高度が高くなるにつれて点密度を維持する必要があることである。
５００ｍから３０００ｍに移動するには、点密度を維持するために測定レートを６倍増加させる必要がある。これは、レーザーのパルスレートを上げること、レーザーの数を増加させること、及び／又はアレイ型検出器を使用して受信機チャネルの数を増加させることによって達成することができる。受信機チャネルあたりのパルスエネルギーを維持するために、合計レーザーパワーを６倍に増加させる必要がある。これには、従来の検出器とレーザー技術を使用して高高度で深さ方向の透過と点密度を維持するために、数ｋＷのレーザーパワーが必要になる。

高高度システムを設計する場合、地理的位置（ｇｅｏ－ｌｏｃａｔｉｏｎ）の精度を維持することはもう１つの難点である。高度が高くなるにつれて、角度指向誤差（ａｎｇｕｌａｒ ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒ）とバイアスが拡大する。地形ＬｉＤＡＲシステムの場合、後処理中にソフトウェアでバイアスを較正し、角度指向誤差を減らすことができる。既存の商用ソフトウェアパッケージは、地形ＬｉＤＡＲ用に設計されているため、利用することができない。バイアスを較正し、測深点群（ｂａｔｈｙｍｅｔｒｉｃ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄｓ）の指向精度（ｐｏｉｎｔｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ）を向上させるための新しい方法が必要である。

レーザーパワーには実際的な制限があるため、高高度ＡＬＢシステムは、特別な検出器技術に依存する必要がある。更に、スキャナーの設計と後処理は、高高度の測深の解決策を開発する重要な基準である。

弱い光信号を検出できるため、光電子増倍管（ＰＭＴ）とアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ（ＡＰＤ））の両方は、ＬｉＤＡＲシステムに一般的に使用される検出器である。一般に、これらの装置は、アナログモードで動作し、受信したレーザーパルスの波形を測定するために使用される。高いダイナミックレンジが必要なＡＬＢの場合、ＰＭＴは、最適な検出器である。一方で、ほとんどの地形システムは、ＡＰＤを採用する。

ＰＭＴは、単一光子（ｐｈｏｔｏｎ）までの非常に弱い信号を検出するために使用できるが、高電圧の外部電源が必要である。ＡＰＤは、絶縁破壊（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）電圧を超えるバイアスで動作する場合、いわゆるガイガー（Ｇｅｉｇｅｒ）モードでは、単一光子を検出することもでき、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）又はガイガーモードＡＰＤ（Ｇ－ＡＰＤ）と呼ばれる。ＳＰＡＤ検出器とＰＭＴ検出器はいずれも、高高度の測深ＬｉＤＡＲなどの光子不足環境での信号検出に適する。

ＳＰＡＤ検出器の欠点の１つは、回復時間が長いことである。光子の検出に続いて、新しい光子を検出する準備ができる前に、チャネルをクエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）する必要がある。受動的にクエンチした検出器の回復時間は、最大１ミリ秒であるが、能動的にクエンチした検出器の回復時間は、約５０ナノ秒である。ＰＭＴは、非常に高速であり、回復時間が２ナノ秒未満である。水透過ＡＬＢシステムの場合、回復時間は、検出器を選択する重要な仕様である。水柱からの後方散乱光子の到着率と検出器の回復時間によっては、水柱での後方散乱は、底部検出（ｂｏｔｔｏｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）を妨げる可能性がある。

ＳＰＡＤ検出器は、２次元のモノリシックアレイに配置でき、ＳＰＡＤ検出器の３２×３２又は３２×１２８アレイを含むチップは、市販品として入手可能である。アレイ型ＰＭＴ検出器は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）を使用して設計することもできる。これらのＭＣＰ－ＰＭＴ検出器は、浜松ホトニクスによって１０×１０チャネルアレイで提供される。これらの検出器は、５３２ｎｍで優れた量子効率を備えた単一光子の検出に加えて、空間分解能を提供する。アレイ型検出器は、点密度の向上と後処理による地理的位置の改善の両方の点で、高高度ＡＬＢに利点を提供する。アレイ内の各ピクセルが同じ位置、姿勢、及びタイミング誤差を共有するという事実を利用して、地理的位置の精度を向上させるアルゴリズムを開発することができる。

単一光子感受性検出器を使用すると、既存のレーザー技術で水透過動作と高高度動作の両方を実現することができる。受信した光子の数は、次の式で与えられる。

ここで、Ｅ_ｔは、レーザーパルスあたりのエネルギーであり、Ｃは、ＬｉＤＡＲシステムの効率であり、Ｔ（ｈ；λ）は、直線距離（ｓｌａｎｔ ｒａｎｇｅ）ｈと波長λでの双方向大気減衰であり、ξ（λ）は、光子あたりのエネルギーであり、Ａ_ｒは、開口受信機面積（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｒｅａ）であり、ｐ_ｅは、水柱による双方向の減衰後の海底の有効アルベド（ａｌｂｅｄｏ）である。波長５３２ｎｍで、ξ（λ）＝３．７３４×１０^－１９Ｊである。公称値Ｃ＝０．１、Ｔ＝０．８５、Ａ_ｒ＝０．０１５ｍ^２、直線距離ｈ＝３１００ｍを使用すると、光子計数（ｐｈｏｔｏｎ ｃｏｕｎｔ）は、Ｎ_ｒ＝Ｅ_ｔ・１．１３×１０^８ｐ_ｅである。海底の有効アルベドは、水深ｚ、海底底部の実際のアルベドｐ_ｂ、拡散減衰係数Ｋ_ｄ、及び水面でのフレネル反射Ｆ_ｒに依存し、次の式で表される。

反射率ｐ_ｂ＝０．４の砂底、Ｋ_ｄ＝０．１ｍ^－１の澄んだ沿岸水域、Ｆ_ｒ＝０．０３のフレネル反射の場合、ｚ＝２０ｍの深さから平均して単一光子を受信するために、エネルギー

を有するレーザーパルスが必要である。高い検出確率を得るために複数の光子が必要であるが、ポアソン統計学的には、３つ程度の光子があれば十分である。水の透明度、底部反射率の値、及びＬｉＤＡＲシステムの効率の範囲での海底検出について、高高度ＡＬＢシステムの設計に対して、パルスあたり及びチャネルあたりのエネルギーは、１０μＪ程度で十分である。ＡＬＢシステムは、一般に、１０～３０ｋＨｚのレートで測深測定を行う。高高度での動作に必要な測定レートの増加を考慮すると、総レーザーパワーは、１０Ｗ未満である。

ＡＬＢシステムのもう１つの重要な設計基準は、レーザービームの一定のオフナディア角を維持することである。一定のオフナディア走査角を達成するための多くの効果的な方法があり、該方法は、ナディア指向レーザービームに回転ウェッジ、フレネルプリズムを通させたり、複数の走査ミラーを利用したりすることを含む。最適なオフナディア角が決定されると、プリズムの設計を選択することができる。回転プリズム又は直交正弦波走査ミラーから生成される円形走査パターンも、アレイ型検出器に適する。アレイ型検出器と併用すると、連続したマッピングを相対的に低い走査速度で維持することができる。更に、オブジェクトは、円形走査パターンを使用して異なる角度から少なくとも２回走査され、これにより、オブジェクトの検出と識別などの特定の応用に役立つ。前述のように、円形パターンは、校正と地理的位置の改善にも利用される。ＣＺＭＩＬなどのＡＬＢシステムと、ＡＬＩＲＴ及びＢｕｃｋｅｙｅ－ＩＩなどの高高度地形ＬｉＤＡＲシステムは、いずれも円形走査パターンを使用する。

単一光子検出器と波形検出器の主な違いの１つは、データの処理である。単一光子がノイズから区別できないため、これらの検出器からのデータは、大量の処理を必要とする。処理は、常に非ローカルであり、データを最適に利用するために点群で行うのが最適である。単一光子検出器からのデータは、太陽放射輝度（ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｎｃｅ）などの非レーザー照明源からのノイズを含む。これらの装置の感度が高いため、データは、クロストーク、アフターパルス、ガウスノイズなどの大量のシステムノイズも含む。前縁又はピークを決定するために分析できる波形を生成する線形モード検出器とは異なり、単一光子は、点の近傍を分析せずに、受信したレーザーパルス内に正確に配置されることができない。ただし、適切なデータ構造とパターン認識アルゴリズムを選択することで、これらのノイズ源を効果的に除去及び／又は低減することができる。

点群処理アルゴリズムを適用して、水面を検出し、水柱からの後方散乱をフィルタリングし、海底の戻りパルスを検出することもできる。一般に各レーザーパルスについて独立して実行される波形処理とは異なり、点群アルゴリズムは、複数の隣接するレーザーパルスからの測定値を統合する。緑色レーザーシステムのみに基づく水面検出とスパース（少ない。ｓｐａｒｓｅ）戻りパルスによる底部検出などの問題には、この方法が有利である。

要約すると、単一光子検出器、アレイ型検出器、円形走査システム、及び点群処理アルゴリズムを含む高標高地形ＬｉＤＡＲシステムの最近の進歩を利用することにより、本開示に係るＡＬＢシステムは、既存のシステムよりもはるかに高高度で動作することができる。これらの地形測深ＬｉＤＡＲシステムの例示的な実施形態は、より高い点密度でより効果的なカバレッジを行うことができ、単一の経路で地形と測深の両方を生成することができる。

以下の参考文献のそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。（１）航空ＬｉＤＡＲ測深における精度課題への対応（Ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｉｎ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｂａｔｈｙｍｅｔｒｙ）、Ｇｕｅｎｔｈｅｒ，Ｇａｒｙ Ｃ．２０００．ＥＡＲＳｅＬ－ＳＩＧ－ワークショップＬＩＤＡＲの議事録、Ｄｒｅｓｄｅｎ／ＦＲＧ、（２）Ｍｏｂｌｅｙ Ｃ．，ｅｔ ａｌ．Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｗｅｂ Ｂｏｏｋ．Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｗｅｂ Ｂｏｏｋ． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｃｅａｎｏｐｔｉｃｓｂｏｏｋ．ｉｎｆｏ／、（３）昼間の動作中の光子計数ＳＬＲと高度計に対する受信機のデッドタイムの影響．Ｊ．，Ｄｅｇｎａｎ Ｊ． ２０１４．レーザー測距に関する第１６回国際ワークショップの議事録、（４）光子計数用の２次元ＳＰＡＤ画像カメラ、Ｇｕｅｒｒｉｅｒｉ Ｆ， Ｔｉｓａ Ｓ．Ｔｏｓｉ Ａ．，Ｚａｐｐａ Ｆ．５， ｓ．ｌ．：ＩＥＥＥ，２０１０，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．２．

以下、図１～１８を参照して本開示に係る高高度地形測深ＬｉＤＡＲシステムの例示的な光学設計の詳細を説明する。当業者は、本明細書に具体的に記載され、添付の図面に示されるシステム及びその方法が非限定的な実施形態であることを理解するであろう。

図１～３を参照すると、本開示に係る例示的な高高度ＡＬＢシステム１０００が示される。図１は、ＡＬＢシステム１０００の側面図であり、図２は、ＡＬＢシステム１０００の正面図であり、図３は、ＡＬＢシステム１０００の等角図である。ＡＬＢシステム１０００は、航空機に取り付けてられて、例えば、約１００００フィートの高度から地形及び測深データを収集することができる。いくつかの実施形態において、ＡＬＢシステム１０００は、Ｒｅｉｍｓ－Ｃｅｓｓｎａ Ｆ４０６ Ｃａｒａｖａｎ ＩＩ航空機に取り付けられて、約１６０ノットで飛行するが、この開示は、これに限定されない。他の実施形態において、例えば、無人航空機（ＵＡＶ）又は他の適切な航空機を使用することができる。図４は、航空機１００２によって輸送されている図１～３のＡＬＢシステム１０００を概略的に示す。航空機１００２は、例えば、約１００００フィートの高度（Ａ）で飛行することができ、例えば、約１６０ノットの速度（Ｖ）で走行することができる。データ収集コーン１００８によって概略的に示されるように、ＡＬＢシステム１０００は、地形面１００４と水中面（ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ）１００６の両方をマッピングするために使用することができる。

本開示に係るＡＬＢシステム１０００は、水の透明度に応じて、約０から約３０メートルの範囲の水深透過量（ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）を有することができ、約０から約１０メートルの水深透過量が、約１メートルの空間分解能（ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有し、約１０から約３０メートルの水深透過量が、約２．５メートルの空間分解能を有する。様々な実施形態において、地形分解能は、約０．５メートルである。高所で飛行する場合、ＡＬＢシステム１０００は、約８５０メートルのスワス幅を有することができる。ＡＬＢシステム１０００は、以下でより詳細に説明される様々なサブシステム又は構成要素を含むことができる。例えば、ＡＬＢシステム１０００は、受信機システム１００、検出器システム１１０、及びレーザー伝送システム２００を含むことができる。一般に、レーザー伝送システム２００は、２つの異なる波長（レーザーパルス２０２によって概略的に示される）でレーザーパルスを伝送して、受信機システム１００の視野と整列している地面の領域を照射することができる。

図５～７に示されるように、本開示の実施形態に係るＡＬＢシステム１０００の受信機システム１００の例示的な光学設計を示す。更に、図８は、図５～７に示される受信機システム１００の一部の断面等角図を示す。まず、図５を参照すると、光学設計は、一般に、対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）１０２、反射型開口リレー（ＲＡＲ）１０４、ダウンコリメート望遠鏡１０８、及び検出器システム１１０を含むことができ、これらのそれぞれは、以下でより詳細に説明される。受信機システムは、走査ウォブル（ｗｏｂｂｌｅ）ミラー１０６を含むことができる走査サブシステムを含むこともできる。

対物レンズ１０２は、例えば、約１００００フィート離れ、光軸から８度の角度にある地面の点から戻り光１５２を収集して集束するように設計することができる。図示のように、８度のオフナディア角は、受信機システム１００内に回転している走査ウォブルミラー１０６を用いて円を描き、掃引する（ｓｗｅｅｐ）ことができる。ＲＡＲ１０４は、スパイダーウィンドウ１３２の下流に配置することができる。ＲＡＲ１０４の目的は、２つであり得る。ＲＡＲ１０４の第１の目的は、対物レンズの開口の画像を走査ウォブルミラー１０６に生成することである。ＲＡＲ１０４の第２の目的は、対物レンズ１０２によって発生するいくつかの光学収差（ｏｐｔｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を補正することである。ＲＡＲ１０４からの光は、走査ウォブルミラー１０６に向けることができる。走査ウォブルミラー１０６は、受信機システム１００の光軸に配置され、８度で歳差運動（ｐｒｅｃｅｓｓ）している光を収集し、かつ該光を光学システムの軸に平行に戻すために使用される。走査ウォブルミラー１０６から出る光は、ほとんどコリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）される。以下でより詳細に説明されるように、ビームがコリメートされて軸に向け直された後、ビーム直径は、ダウンコリメート望遠鏡で減らすことができる。折り返しミラーを利用して望遠鏡の本体からのビームを反射することができる。ダウンコリメート望遠鏡（ＤＣＴ）１０８から出るビームは、検出器システム１１０に入るにつれてほとんどコリメートされる。検出器システム１１０は、例えば、５つの検出器からなるアレイを有することができる。各検出器は、単一波長で動作することができる。波長は、ダイクロイックビームスプリッター（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ）を使用して分離される。個々の検出器に送られるエネルギーは、中間（ｎｅｕｔｒａｌ）ビームスプリッターによって制御される。検出器１１０に関する追加の説明は、図１０～１１を参照して以下に見出すことができる。

図６に示されるように、システム内の対物レンズ１０２は、例えば、３つのガラス要素１２２、１２４及び１２６で構成することができる。３つの要素１２２、１２４及び１２６は、色補正を提供することができ、システム内の収差を、下流の光学構成要素を利用して収差を補正できるレベルに制御することができる。対物レンズ１０２の前部要素１２２は、非球面になるように設計された１つの表面を有することができる。残りの要素１２４及び１２６は、球面であってよい。前部要素１２２の非球面は、システム内の球面収差の量（ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を制御するために使用することができる。対物レンズを通してうまく制御されていない収差は、コマ収差（ｃｏｍａ）と非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）であってよい。様々な実施形態において、収集された光ビームの直径は、３００ｍｍであってよく、対物レンズのみの焦点距離は、９６５ｍｍであってよい。対物レンズのｆストップは、例えば、ｆ／３．２であってよい。システムの各部分の収差を最小限にすることで、構成要素間のより緩和したアライメント許容差を可能にすることができる。ＲＡＲ１０４の２つのミラー１３４と１３６は、両方とも非球面であってよい。対物レンズ１０２からのビーム経路は、システムの全長を短縮するのに役立つ平坦な折り返しミラー１２８で折り返すことができる。折り返しミラー１２８は、様々な実施形態に係る対物レンズ１０２の一部であると見なすことができる。

図７に示すように、折り返しミラー１２８の後、光は、一般に厚い窓であるスパイダーウィンドウ１３２を通過する。いくつかの実施形態において、例えば、スパイダーウィンドウ１３２の厚さは、約３０ｍｍである。スパイダーウィンドウ１３２の後にはＲＡＲ１０４がある。ＲＡＲ１０４は、例えば、一次（主）ミラー１３４及び二次（副）ミラー１３６の２つの曲面ミラーを含むことができる。対物レンズ１０２からの光は、一次ミラー１３４と二次ミラー１３６との間に集束することができる。対物レンズ１０２の開口が走査ウォブルミラー１０６に画像化されることを可能にするために、光が焦点を通過することが要求され得る。センサーから地面への画像のマッピングを簡略化するために、対物レンズ１０２の開口を走査ウォブルミラー１０６に画像化することが要求され得る。

更に、図７を参照すると、走査ウォブルミラー１０６は、モーター１０７によってシステムの光軸の周りに回転する円環面（ｔｏｒｏｉｄａｌ ｓｕｒｆａｃｅ）を有することができる。軸受１０９は、走査ウォブルミラー１０６及びそのアセンブリの光軸周りの回転を容易にすることができる。走査ウォブルミラー１０６の傾斜角は、例えば、システムの光軸に対して１６．６５４度であってよい。走査ウォブルミラー１０６での入力ビームと出力ビームとの間の夾角（ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ）は、対物レンズ開口の画像の倍率が低下するため、システムの入力での８度の角度とは異なる。走査ウォブルミラー１０６は、例えば、１つの軸に非球面項（ａｓｐｈｅｒｉｃ ｔｅｒｍ）を有する円環面であってよい。１つの軸のみに非球面項を可能にすることにより、部品内に回転対称軸が存在する。回転対称軸を有することで、表面の製造がより簡単になる。走査ウォブルミラー１０６から出る光ビームは、システムの光軸に平行であり、かつほとんどがコリメートされる。

ＤＣＴ１０８（図８）は、正の二重レンズ（ｄｏｕｂｌｅｔ）１４０、スパイダーウィンドウ１３２に取り付けられた折り返しミラー１４２、及び空気によって離隔した負の三重レンズ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ａｉｒ－ｓｐａｃｅｄ ｔｒｉｐｌｅ）１４４を有することができる。第１の正の二重レンズ１４０は、走査ウォブルミラー１０６の後にビームを集束し始める。光を検出器システム１１０に送るシステム内の折り返しミラー１４２のサイズを小さくするために、集束が必要である。折り返しミラー１４２は、円形に（ｉｎ ａ ｃｉｒｃｌｅ）走査されるにつれて光ビームによって形成される環の中心に適合する（ｆｉｔ）のに十分に小さい必要がある。折り返しミラー１４２は、スパイダーウィンドウ１３２に取り付けることができる。望遠鏡の機械式スパイダーの代わりにウィンドウを使用して、システムが走査するにつれてスパイダーが信号を遮ることを防止する。ＤＣＴ１０８に入るビームは、直径８２．５ｍｍであってもよく、ＤＣＴ１０８から出るときに２０ｍｍであってもよい。折り返しミラー１４２は、検出器アセンブリが入射ビームを遮断しないように、ビームをメインシステムの本体から離れるように向けることを可能にすることができる。

図９を参照すると、受信機システム１００を通過する例示的な光路が概略的に示される。図示のように、レーザー伝送システム２００のレーザー１４６は、ビーム調整光学部品を含む送信機モジュール１４８を通って送られる光ビームを、生成する。レーザー光は、バッフル（図１に示される）を通って送られて、光出力１５０によって示されるように、最終的に下向きに向けられる。レーザー伝送システム２００に関する追加の詳細は、図１５～１８を参照して以下に見出すことができる。図９に示されるように、戻り光１５２は、最初に対物レンズ１０２によって受信され、図５～７を参照して以上で詳細に説明されるように、折り返しミラー１２８に向けられ、最終的に走査ウォブルミラー１０６に向けられる。戻り光１５２は、以下でより詳細に説明されるように、最終的に検出器システム１１０によって受信される。検出器システム１１０は、一般に、戻り光１５２内の様々なチャネルを検出することができ、ラマンチャネル１５４Ａ（６４７ｎｍ）、深緑色１５４Ｂ（５３２ｎｍ）、浅緑色１５４Ｃ（５３２ｎｍ）、ＩＲ／ｔｏｐｏ１５４Ｄ（１０６４ｎｍ）、及びＩＲ安全性１５４Ｅ（１０６４ｎｍ）を含むことができる。

図１０～１１を参照すると、例示的な実施形態に係る検出器システム１１０が示され、図１１は、明確にするために構成要素が取り外された、検出器システム１１０の等角図を示す。いくつかの実施形態において、検出器システム１１０は、５つの個別の検出器を有することができる。光が検出器システムに到達すると、個々の波長は、分離され、様々な機能を有する検出器に送られる。図示の例示的な実施形態において、分割される第１の波長は、ラマン放射を捕捉することを目的とした６４７ｎｍの帯域である。この波長帯域を分割するためのダイクロイックビームスプリッター１５８は、２２．５度の入射角を有することができる。入射角が小さいほど、コーティング設計が偏光に敏感にならないようにすることが容易になる。ラマン光を最初に分割して、そのビーム経路で使用される要素の数を減らすことにより、そのビーム経路における伝送損失を減らすことができる。例示的な実施形態において、ラマン検出器１６４の前方に、帯域通過フィルタ１６０及び集束レンズ１６２が存在する。図示の実施形態において、集束レンズ１６２は、システムのサイズを縮小するための望遠レンズである。

図示の例示的な実施形態において、分割される第２の波長は、ロングパスダイクロイックビームスプリッター１６６による５３２ｎｍ帯域である。５３２ｎｍの光は、部分反射ビームスプリッター１６８によって２つのチャネルに分割されて、２つの検出器によって収集される。図示のように、浅緑色検出器１７０は、収集効率を改善するために、４つの検出器の上にレンズアレイを備えた象限検出器であってよい。更に、図示の実施形態において、単一の検出器であってよい深緑色検出器１７２が存在する。両方の検出器は、検出器の前方に帯域通過フィルタと集束レンズを有することができる。

最終波長は、１０６４ｎｍである。この波長は、２つの経路があり、部分反射ビームスプリッター１７４によって分割される。第１の経路は、ＩＲ安全性検出器である。ＩＲ安全性経路は、単一の検出器１７６の前方に帯域通過フィルタ及び望遠レンズを有することができる。第２の経路は、３２×１２８ピクセルのガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＧｍＡＰＤ）１７８に到達することができる。この経路には、６４×６４ピクセルの画像アレイをカバーする画像を生成する集束レンズ１８０を設けることができる。次に、初期画像を、ＧｍＡＰＤリフォーマットシステム（ここではリフォーマッタ（ｒｅｆｏｒｍａｔｔｅｒ）１８２と呼ばれる）によって３２×１２８ピクセルのガイガーモードアレイにリフォーマットすることができる。

図１２～１３を参照すると、リフォーマッタ１８２が示され、図１２は、ガイガーモードアレイ検出器１７８に結合されたリフォーマッタ１８２の等角図を示し、図１３は、リフォーマッタ１８２の光路を概略的に示す。図示のように、リフォーマッタ１８２は、一般に、ＧｍＡＰＤ１７８の前方に取り付けられる小さなシステムであってよい。リフォーマッタ１８２の目的は、３．２ｍｍの正方形の画像（又は他の正方形の画像）を取り込んで、該画像を１．６ｍｍ×６．４ｍｍのアレイ（又は他の長方形のアレイ）に画像化することである。画像化は、画像平面の左半分（１．６ｍｍ×３．２ｍｍ）をガイガーモードアレイ検出器のＧｍＡＰＤアレイの上部に画像化し、画像平面の右半分（１．６ｍｍ×３．２ｍｍ）をガイガーモードアレイ検出器１７８のＧｍＡＰＤアレイの下半分に画像化することにより画像のピクセル解像度を維持することを目的とする。画像のリフォーマットは、以下に説明し、図１３に概略的に示すように、一連のミラーを使用して発生する。

いくつかの実施において、ＧｍＡＰＤアレイは、幅３２ピクセル、高さ１２８ピクセルの長方形アレイであってよい。ピクセルは、５０平方ミクロンであってよく、３．５度以下の角度許容度を有する。円錐角は、円錐の半角と見なすことができる。４０９６ピクセルアレイの寸法は、１．６ｍｍ×６４ｍｍである。ＧｍＡＰＤは、例えば、ガイガーモードの画像化装置であってよく、ガイガーモードの装置であり、ＧｍＡＰＤピクセルは、単一光子イベントに敏感である。

本開示に係る受信機システム１００（図５）は、円形画像を生成することができる。ＧｍＡＰＤに入るビームの円錐角は、内接する３２×３２ピクセルの領域に画像化される場合、７度以下になる。ピクセル受光角のオーバーフィル（ｏｖｅｒｆｉｌｌ）は、システムの全開口がカメラに画像化される場合、ＧｍＡＰＤの７５％の光損失を引き起こすと予想される。画像を６４×６４ピクセルの領域に拡大する場合、ビームの円錐角は、３．５度以下になる。この場合、中心の３２×６４ピクセルでは、受光角のオーバーフィルによる光損失は見られない。しかしながら、この画像は、システムの望ましい視野の半分のみをカバーする。画像でカバーされるピクセルの数を増加させると、３２×３２ピクセルの１つに落下する（ｌａｎｄ ｏｎ）画像が、４倍のピクセル数に広がり、これにより、各ピクセルの強度が４分の１に減少する。これらの２つの影響は、打ち消すように見える。しかしながら、実際に発生するのは、システムの感度が４倍に増加することである。６４×６４ピクセル構成では４０９６個の単一光子イベントを捕捉できることとは対照的に、３２×３２ピクセル構成では最大１０２４個の単一光子イベントを記録できるため、感度の向上が達成される。６４×６４ピクセル構成を採用することの欠点は、アレイが３２×１２８ピクセルであることである。利用可能なピクセル数が４０９６であるが、該ピクセルは、正方形構成ではなく長方形構成である。

ＤＣＴ１０８（図５）とＧｍＡＰＤ１７８のレンズシステムは、オブジェクト平面の０．５平方メートルに対応する領域内にある地面の点からのエンスクエアド（ｅｎｓｑｕａｒｅｄ）エネルギーの９０％を超えることによって性能が定義される画像を生成するように、設計することができる。３２×３２ピクセルの画像は、一辺が１００ミクロンの４×４ピクセルのアレイに対応する。６４×６４ピクセルの画像は、８×８ピクセルのアレイに対応する。システムの光学性能は、システムの全開口を使用しながら、１．８ｍｒａｄの視野（ＦＯＶ）の９０％以上でこの要件を満たすことができる。いくつかの実施形態において、ＧｍＡＰＤカメラで取られた画像の解像度を０．２５ｍに改善することが望ましい可能性がある。システムの収集開口の直径を全開口直径の６０％に減らすことで、解像度を向上させることができる。システムの瞳孔の画像化（ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｕｐｉｌ）がある位置に、システムの調整可能な開口を配置することは重要である。全ての視野角からのコリメートされた光が重ならない位置にシステムストップ（ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｏｐ）を配置すると、照明がＦＯＶ全体で不均一になり、視野の縁で望ましい改善された解像度が作成されない。

一般に、本開示に係るリフォーマッタ１８２は、２×２の正方形の画像の半分である１×２の長方形を、１×４長方形アレイの半分に画像化し、正方形の画像の残りの半分を１×４長方形アレイの後半に画像化する画像化装置である。有利には、画像化は、画像平面からセンサーアレイへの正方形ピクセルの見かけのアスペクト比を歪めることなく、かつ画像からアレイへの円錐角を変えることなく、実行することができる。本開示に係るリフォーマッタ１８２を使用することにより、見かけの６４×６４ピクセルの画像を、センサーの利用可能な３２×１２８ピクセルの領域に画像化することができる。したがって、本明細書に記載のリフォーマッタ１８２は、本開示のシステムが全開口で動作することを可能にし、円錐角が３．５度以下の３．２ｍｍ×３．２ｍｍの画像を生成することができる。この正方形の画像は、１．６ｍｍ×６．４ｍｍのアレイに画像化することができる。リフォーマッタ１８２内には、システムストップをシステムの画像の中心に配置できる平面があり得る。システム開口が画像化される平面は、可変アイリス（ｉｒｉｓ）を有することができる。このアイリスの目的は、上記のように、ＧｍＡＰＤ １７８への光の低減を可能にし、システムの解像度の向上を可能にすることである。

図１３を参照すると、リフォーマッタ１８２の例示的な光路が説明される。上記のように、リフォーマッタ１８２は、スプリッタミラー１１４でＤＣＴ１０８（図７）から受信された正方形の２×２入力画像を取り、かつ入力画像と同じ面積を有する長方形の１×４出力画像１１３に変換することができる（例示的な変換が図１４に概略的に示される）。

理解されるように、ほとんどの光学システムは、円形画像を生成する。円形画像は、センサー１９８内に内接するか、又はセンサー１９８の周りに外接することができる。１×４の長方形センサー１９８の場合、センサーによって完全に捕捉されるように内接される円形画像に対して、センサー１９８の未使用領域は、約９５％である。１×４の長方形センサー１９８の場合、センサーが画像によって完全にカバーされるように外接する円形画像に対して、画像の未使用領域は、約７０％である。２×２の正方形センサー１９８の場合、センサーによって完全に捕捉されるように内接される円形画像に対して、センサー１９８の未使用領域は、約２１％である。２×２の正方形センサー１９８の場合、センサー１９８が画像によって完全にカバーされるように外接する円形画像に対して、画像の未使用領域は、約３６％である。リフォーマッタ１８２を使用することにより、センサー１９８に内接する画像について、センサーが実質的に２×２対１×４である場合に、利用されるピクセルの数の１６倍の改善が実現される。

リフォーマッタ１８２の入力画像は、任意の画像生成レンズシステムによって作成することができる。好ましい実施形態において、入力画像を形成している光円錐（ｃｏｎｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）は、システム（テレセントリック）の光軸に平行である。入力画像は、分割ミラー１１４で形成することができる。分割ミラー１１４は、画像の半分が一方向に反射され、画像の半分が反対方向に反射されるように、屋根のような形状をとることができるミラーである。いくつかの実施形態において、屋根の「ピーク」は、画像が分割されるときに失われる画像領域の量を減らすために、鋭くすることができる。１つの例示的な実施形態において、分割ミラーのピーク角は、約７０度である。画像の２つの半分は、画像が分割された軸に垂直な軸において互いにオフセットされた一対の合成ミラー１８６に一対のイメージャ１８４によって再画像化することができる。いくつかの実施形態において、イメージャ１８４は、全反射性であり、好ましくは、１：１の倍率で動作する。イメージャ１８４の倍率が１：１である場合、オフナートリプレット設計を利用することができる。図１３に示されるように、オフナートリプレットは、単一の大きな凹面鏡１９０及び小さな凸面鏡１９２からなる。鏡１９０及び１９２の両方を同じ軸に配置することができる。鏡１９０及び１９２の軸は、分割ミラー１１４によって方向付けられる画像の軸に平行であり、該画像の軸からオフセットすることができる。鏡の軸のオフセットは、画像が分割された軸に垂直な軸上の画像の高さの半分にほぼ等しくなる。大きな凹面鏡１９０は、入口画像から凹面鏡の頂点までの距離にほぼ等しい曲率半径を有することができる。小さな凸面鏡１９２は、大きな凹面鏡１９０の曲率半径の半分にほぼ等しい半径を有することができる。大きな凹面鏡１９０と小さな凸面鏡１９２との間の頂点間隔も、大きな凹面鏡１９０の曲率半径の半分にほぼ等しい。画像分割プリズムからの発散光は、各イメージャ１８４の大きな凹面鏡１９０から小さな凸面鏡１９２に反射される。次に、光は、小さな凸面鏡１９２から大きな凹面鏡１９０に反射されて戻る。大きな凹面鏡１９０からの第２の反射は、分割入力画像からミラー軸に関して対称的にオフセットされた分割入力画像の中間画像１８８を作成する。２×２入力画像は、分割ミラー１１４によって２つの１×２画像に分割することができる。合成ミラー１８６で２つのイメージャ１８４によって生成される２つの１×２中間画像１８８は、組み合わせて１×４画像を作成することができる。合成ミラー１８６はそれぞれ、２つの画像が共通の光軸に実質的に平行になるように向けられる角度だけ反対方向に角度が付けられる。リレーイメージャ１９４は、光軸に沿って配置することができ、組み合わせた１×４中間画像を１×４センサー１９８に画像化する。図示の例示的な実施形態において、リレーイメージャ１９４は、第２のレンズと第３のレンズとの間に調整可能な開口１９６を備えた一対の対称レンズである。調整可能な開口１９６の目的は、システムの効果的なＦストップを制御することである。Ｆストップを制御することにより、システムが収集する光の量を制御することができる。効果的なＦストップは、システムの解像度を制御するためにも使用することができる。入力画像が収差を生成する光学システムによって生成される場合、これらの収差は、開口１９６を使用して、瞳孔の外側部分を通過するより多くの収差を有する光を遮断することによって改善できるのが一般的である。

図１５～１８を参照すると、様々な非限定的な実施形態に係るレーザー伝送システム２００が示される。レーザー伝送システム２００は、例えば、レーザー１４６、レーザー送信機モジュール１４８、及び一対のガルバノメータ駆動ミラーを収容するガルボエンクロージャ（ｇａｌｖｏ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）２０４を含むことができる。図１５は、レーザー伝送システム２００の側面図であり、図１６は、レーザー伝送システム２００の上面図であり、図１７は、明確にするために部分が取り外された、様々な実施形態に係るレーザー送信機モジュール１４８の等角図であり、図１８は、明確にするために部分が取り外された、様々な実施形態に係るガルボエンクロージャ２０４の断面等角図である。

上記のように、本開示に係るレーザー伝送システム２００の目的は、レーザーパルス２０２（図１～３）を伝送して、受信機システム１００によって見られる領域と整列している地面の領域を照射することである。レーザー伝送システム２００のレーザー１４６は、２つの異なる波長の光を放出することができる。レーザー送信機モジュール１４８は、レーザー１４６の２つの出力ビームを、各色に対する所定の発散角を有する２色のビームに組み合わせる前に調整することができる。

様々な実施形態において、レーザー１４６によって放出される光の２つの波長は、５３２ｎｍ及び１０６４ｎｍであってよい。例えば、レーザーパルスのパルス幅は、約１．１ｎｓであってよく、パルス周波数は、約２０ｋＨｚであってよい。ビームは、レーザー１４６の２つの別個の射出窓（ｅｘｉｔｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗｓ）から放出することができる。射出窓でのビームは、直径が約３．３ｍｍ～約５ｍｍのトップハット空間的プロファイル（フラットトップビームと呼ばれることもある）を有することができる。２つの射出窓は、横方向に分離することができる。レーザー伝送システム２００の光学部品の目的は、地面にレーザーの射出窓の組み合わせ画像を生成することにより、地面に各色に対する所定の直径のトップハット画像を生成することである。トップハット空間的プロファイルは、望ましい内接円内で最大のエネルギーを可能にするとともに、円全体にわたる最高の均一性を維持する。

射出窓から出た後、２つのビーム２５０及び２５２は、それらの調整レッグ（ｌｅｇ）に向けられる。調整光学部品はそれぞれ、ビームの軸に沿ってレンズを移動し、地面のビームのビーム画像サイズの直径を個別に設定する単一の可動ステージを有することができる。例えば、５３２ｎｍのレッグでは、ビーム２５０は、固定レンズ２０６を通過し、２つのミラー２０８及び２１０から反射することができ、該２つのミラーは、ビームを、発散（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）制御固定レンズ２１２と、地面のスポットサイズを制御するために使用されるステージにある可動レンズ２１４とに向けるために使用される。１０６４ｎｍのレッグでは、ビーム２５２は、固定レンズ２１６を通過し、２つのミラー２１８及び２２０から反射することができ、該２つのミラーは、ビームを、発散制御固定レンズ２２２と、地面のスポットサイズを制御するために使用されるステージにある可動レンズ２２４とに向けるために使用される。ズームの光学部品は、射出窓から地面までの画像化を維持するとともに画像の直径を調整するように、設計することができる。各チャネルは、目の安全のために、及び動作中に可視光が出ることなくシステムを動作させるために使用される、反転可能なシャッター２２６及び２２８を有することができる。５３２ｎｍズームレッグの端部には、ビームコンバイナ光学部品２３２と共に、ミラー２３０を設けることができる。ミラー２３０は、５３２ｎｍビームを１０６４ｎｍビームと整列することで、ビームが同心であり、同じ方向を向き、それによりスポットが地面で十分に同心であることを保証する。ビームコンバイナ光学部品２３２の後方に、２つのステアリングミラー２３４及び２３６のセットが存在し得ることにより、組み合わせたビームを、２つのレンズを有する最終ビームエキスパンダーと整列し、２つのレンズのうちの第１のレンズが伝送モジュール２３８の出力上にある。

図１８を参照すると、最終エキスパンダー２４０の第２の光学部品は、一対のガルバノメータ制御ミラー２４２及び２４４の前方の最後の光学部品である。ガルバノメータ制御ミラーは、受信機システム１００によって見られる地面の領域を照射するために、受信スキャナーと組み合わせてビームを走査するように組み合わせたビームを向けるために、使用される。

実施形態及び例の前述の説明は、例示及び説明の目的のために提示されている。網羅的であることは意図されておらず、又は開示された実施形態に限定されない。上記の教示に照らして、多くの修正が可能である。それらの修正のいくつかは議論されており、他のものは当業者によって理解されるであろう。実施形態は、企図される特定の用途に適した様々な実施形態の原理を最もよく説明するために選択され、説明されたものである。当然のことながら、その範囲は、本明細書に記載の例に限定されるものではなく、当業者によって任意の数の用途及び同等の装置に使用することができる。よって、本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって定義されることが意図されている。

Claims (20)

1. 対物レンズ、
   反射型開口リレー、
   走査ウォブルミラー、及び
   ダウンコリメート望遠鏡を含む受信機システムと、
   複数の検出器を含み、前記複数の検出器のそれぞれが固有の単一波長で動作する検出器システムと、
   第１及び第２の波長の光ビームを放出するためのレーザー、及び
   レーザー送信機モジュールを含むレーザー伝送システムと、を含む、空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
2. 地面の点から前記対物レンズによって収集された光のＮＡＤＲ角度は、約８度である、請求項１に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
3. 前記走査ウォブルミラーは、前記受信機システムの光軸に回転可能に配置される、請求項２に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
4. 前記光軸の周りの前記走査ウォブルミラーの回転は、前記対物レンズによって収集された光を処理して、前記光を前記光軸に平行に戻す、請求項３に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
5. 前記ダウンコリメート望遠鏡は、光を前記走査ウォブルミラーから前記検出器システムに向けるためのものである、請求項１～４のいずれか１項に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
6. 前記検出器システムは、複数のダイクロイックビームスプリッターを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
7. 前記検出器システムは、少なくとも５つの検出器を含む、請求項６に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
8. 前記検出器システムは、ガイガーモードアレイ検出器及びガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＧｍＡＰＤ）リフォーマッタを含む、請求項６～７のいずれか１項に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
9. 前記ガイガーモードアレイ検出器は、長方形のアレイを含む、請求項８に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
10. 前記リフォーマッタは、分割ミラー、第１及び第２のイメージャ、合成ミラー、及びリレーイメージャを含む、請求項９に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
11. 前記レーザーは、約１．１ｎｓのパルス幅及び約２０ｋＨｚのパルス周波数を有するパルスを生成するためのものである、請求項１～１０のいずれか１項に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
12. 対物レンズ、
    反射型開口リレー、及び
    走査ウォブルミラーを含む受信機システムと、
    ６４７ｎｍの波長を検出する第１の検出器、
    ５３２ｎｍの波長を検出する第２の検出器、
    浅緑色検出器、
    深緑色検出器、及び
    ガイガーモードアレイ検出器を含む検出器システムと、
    レーザー、及び、第１の調整レッグ及び第２の調整レッグを含むレーザー送信機モジュールを含むレーザー伝送システムと、を含む、空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
13. 前記第１の調整レッグ及び前記第２の調整レッグのそれぞれは、固定レンズ、少なくとも１つのミラー、及び可動レンズを含む、請求項１２に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
14. 第１のガルバノメータ制御ミラー及び第２のガルバノメータ制御ミラーを含むエキスパンダーを更に含む、請求項１２～１３のいずれか１項に記載の空中ＬｉＤＡＲ測深システム。
15. 航空機に空中ＬｉＤＡＲ測深システムを取り付けるステップと、
    約１００００フィートの高度で前記航空機を飛行させるステップと、
    受信機システム、検出器システム及びレーザー伝送システムを含む空中ＬｉＤＡＲ測深システムにより地形データと測深データを収集するステップと、を含む、空中測量方法。
16. 前記受信機システムは、対物レンズ、反射型開口リレー、走査ウォブルミラー及びダウンコリメート望遠鏡を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記検出器システムは、複数の検出器を含み、前記複数の検出器のそれぞれは、固有の単一波長で動作する、請求項１５～１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記レーザー伝送システムは、第１及び第２の波長の光ビームを放出するレーザーと、レーザー送信機モジュールとを含む、請求項１５～１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 航空機を約１６０ノットで飛行させるステップを更に含む、請求項１５～１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記空中ＬｉＤＡＲ測深システムは、約８５０メートルのスワス幅を有する、請求項１５～１９のいずれか１項に記載の方法。

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