JP2578604B2 - ハンターとターゲットとの間の距離を測定するための光学的装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、以下に“ハンター”と称する能動設備
と、以下に“ターゲット”と称する測定における受動部
材との間の距離の測定に関するものである。この発明
は、特に２つの宇宙飛体の接合および係留を許可するた
め、ハンターに対してターゲットの距離および位置を測
定するために特に重要な応用（ただしこれに限るもので
はない）を見出す。

この場合、ハンターには、 それらを隔てた距離が約100km未満になるとすぐにハ
ンターに関するターゲットの距離およびその位置を測定
し、 数10mを超えない非常に短い距離に対してのみターゲ
ットの姿勢も決定するための装置が設けられる必要があ
る。

所与の幾何学的パターンで間隔をおいたいくつかの反
射鏡をターゲット上に含み、かつ反射鏡のイメージを形
成するための単色光パルス源およびマトリックス検出器
をハンター上に含む測定装置が、この目的のために利用
するために既に提案されている。検出器は、一般に、電
荷結合センサまたはCCDのマトリックスにより形成され
る。ハンターに関するターゲットの姿勢が、短い距離で
得られたイメージを反射鏡の既知の分配パターンと比較
することにより決定される。短い距離では、イメージの
分析によりハンターとターゲットとを隔てた距離を測定
することもまた可能である。しかし、距離が大きくなる
とすぐに、それはターゲットの大きさを測定することで
はもはや決定され得ない、なぜならば、このイメージは
実際には検出器のためのピンポイントだからである。こ
の場合、光源により伝達されるパルスの飛行時間を測定
することにより距離を決定することが知られている。飛
行時間は、距離の２倍を光の速度で割ったものに等し
い。

しかし、距離が大きくなるとハンターに戻るパワーが
非常に低くなり、イメージにおけるエコーを識別すると
いう問題が生じ、その場合、フィールドに位置する光源
のため、特に太陽がフィールドに位置するとき、ノイズ
が現れる。

CCDを用いる従来の方法は入射フォトンによりセンサ
の各々に発生される電荷の蓄積の位相を含むので、この
問題が益々深刻になる。太陽のような永久的放射源は、
光源により伝達されるパルスの持続期間よりずっと長い
蓄積位相の全持続期間の間、電荷を生じる。

光源により伝達されるパルスの時間にほぼ等しい開放
時間を有する機械的なシャッタまたはオプトエレクトロ
ニクシャッタを、光エコーがCCDへ戻る経路に挟むこと
によりこの問題を克服することが既に提案されている。
パルスの放出に関してシャッタの開放の遅延を変更する
ことにより、最大出力信号が得られる瞬間が求められ
る。飛行時間に対応する遅延から距離が得られる。

この解決は不十分である。機械的シャッタまたはオプ
トエレクトロニクシャッタは費用がかかる。その利用は
複雑である。測定は、パルスのリターン時間と窓の開放
との間の一致、すなわち同期を得るように試行錯誤によ
る処置を必要とする。

この発明は、特に、位置および／または姿勢の測定に
とにかく必要な手段に任意の機械的または電気機械的部
材を付加することなく、距離測定がなされ得るという点
で従来の既知のものよりもよりよく実際の要求に応える
測定方法および装置を提供することを目的とする。

発明の概要 このために、この発明は、より特定的には、ハンター
とターゲットとの間の距離を光学的に測定するための装
置を提供し、実質的に単色の光パルスがハンターからタ
ーゲットの方向に繰返し放出され、かつターゲットによ
り反射される光束はマトリックス検出器上に集められ、
行ごとに、または点ごとに転送読出しされ、特徴的に
は、反射されたエコーが戻る間、所定の周波数で転送が
行なわれ、かつ放出、収集および転送シーケンスが少な
くとも２つの異なる転送周波数に対して繰返され、２つ
の異なる周波数に対するエコーを受取る行または点間の
シフトから距離が得られることを特徴とする。

この発明は、宇宙飛体間の短い距離の位置および姿勢
の測定のために既に用いられている形式のフレーム転送
CCDを検出器として用いる特定の実施例（ただしこれに
限定されるものではない）の以下の説明からよりよく理
解されるであろう。

発明の説明 この発明は、宇宙飛体により形成されるターゲット10
およびハンター12において、ハンター12に対しターゲッ
ト10の距離および位置の測定に対するその応用について
説明される。ハンター12により保持される装置により、
距離Ｄならびに（たとえば飛跡に対し接する）ハンター
12の主軸に関するターゲットの配向を規定する角度αお
よびβが決定されなければならない。ハンターにより保
持される測定装置は、また、ターゲット10の姿勢を決定
しなければならないとき、このターゲット10が装置によ
り認識可能なパターンに従って分配されたいくつかのバ
ックフォールディング反射鏡（図示せず）を保持する。

測定装置は、既知のように、ハンター12上に単色パル
ス源（一般に１個または２個以上のレーザダイオード）
およびセンサのマトリックスを含むソリッドステート検
出器を含む。この検出器は、一般に、第２図で示された
構造を有する電荷結合型のもの、すなわち、CCDであ
る。

この発明の利点を表わすために、CCDの従来の構造お
よび動作モードがまず想起されるべきである。イメージ
ゾーンと称すCCDの感光性エレメント14は、行および列
に集められた多くの感光性の場所16から形成された２次
元マトリックス回路網を有する半導体材料のウェハによ
り形成される。各感光性の場所16はポテンシャル井戸を
形成し、受取る入射フォトンの相互作用により発生され
る電子をトラップする。CCDを従来どおり利用する間
に、電子パケットが蓄積時間と称す一定時間の間、ポテ
ンシャル井戸内にトラップされ、かつそれから、出力レ
ジスタ18に転送され、そこでそれらがビデオ周波数で動
作する前置増幅器20によりアナログ電圧にシーケンシャ
ルに変換される。クロックは、クロック22の制御のもと
で同じ行内で画素ごとに行なわれてこの転送を確実にす
る。

感光性の場所もまたシフトレジスタを形成することが
わかる。しかし、イメージゾーン14におけるこれらのレ
ジスタは感光性であるので、イメージを妨害しないよう
に、読出位相の間発生される電子の数は、蓄積位相の間
発生される数に関しては無視できるはずであると、今ま
では考えられていた。現在、読出すために非常に多くの
画素を有するため、出力レジスタ18を含む読出段階が遅
くなっている。

このために、いわゆるフレーム転送CCDには、メモリ
ゾーン24がイメージゾーン14と出力レジスタ18との間に
挿入されている。メモリゾーンは、イメージゾーンのそ
れと同じであるが感光性ではないマトリックスに分配さ
れたエレメントから形成される。メモリゾーンのエレメ
ントの各々は、イメージゾーン14の対応する感光性の場
所に発生される電子のパケットを、妨害することなく保
護する。メモリゾーン24内へのイメージゾーン14の内容
の転送は、行転送クロック25により固定される速度で行
なわれる。

第２図に示されたCCDは、優れた解像度を有する光パ
ルスの飛行時間を測定するためにはあまりにも速度が遅
く、それは、結果的に、たとえば機械的シャッタまたは
オプトエレクトロニクシャッタおよび測定チェーンによ
り形成される距離測定装置に関連しなければならない。
さらに、ハンターに戻る入射光の割合が非常に低くな
る。エコーを区別可能にするために、非常に強力な光源
が必要であり、それは、実際、パルス化された光源しか
ないであろう。しかし、CCDのイメージゾーン14に非常
に短い蓄積時間を得る可能性があるため、費用のかかる
構成要素であるシャッタを付加することがさらに必要に
なり、かつさらに距離探索の期間の後しか測定値を供給
できない。

例として、CCDは現在利用可能であり、そのイメージ
ゾーン14は384個の列および290個の行のマトリックスに
分配された感光性の場所を含む。メモリゾーン24は、同
数の構成要素を含む。

従来、第２図に示された種類のCCDにおいて利用する
間の動作のシーケンスは以下のとおりである、すなわ
ち、 １秒あたり100万本という速度で、一方の行から他方
の行に、かつイメージゾーンの最後の行からメモリゾー
ン24の最初の行に電子パケットを転送することにより、
イメージゾーン14をアンロードし、 入射フォトンによりイメージゾーンに発生される電荷
が蓄積される蓄積位相；検出器の感度は（一般に１ミリ
秒から数秒までの）この位相の持続期間に依存する、 クロック25により伝達される290個の連続転送パルス
により発生される行をシフトすることによる、イメージ
ゾーン14に累積した電荷の、メモリゾーン24への転送、 出力レジスタ18において１行だけシフトし、それか
ら、１秒あたり100万の画素または2500本の行になり得
る速度でこのレジスタをシフトすることによりメモリゾ
ーン24を読出す。

もしこの配置が用いられるならば、メモリゾーン24の
アンロードおよびメモリゾーンへの転送の位相の間、イ
メージゾーン14の感光性の場所に発生され続ける電子
が、集積位相の間形成されるイメージ内に有するものと
は異なる位置におかれることがわかる。CCDを用いる従
来の方法においてそれらが測定を妨害しないように、蓄
積位相はアンロードおよび転送位相の持続時間よりずっ
と長い持続時間を有さなければならない。

この発明は、蓄積位相をなくするかまたは少なくとも
それを１行の転送時間の持続期間まで減らす、全く逆の
ものと考えられ得る方法を用いている。メモリゾーン24
により伝達されるイメージは列から形成され、列では各
画素が、イメージゾーン14を介して進む間、対応する列
における位置に対して、クロック25により伝達される転
送パルスの持続期間の間の、各々累積された電気総量の
合計を表わす。

もし観測されるべきシーンが時間的に一定である照度
を有するならば、同じ列のすべての画素は同数のフォト
ンを受取り、かつそれらはすべて同じレベルを有する。
もしシーンが均質の照度を有さなければ、そのレベルが
列の平均照度に対応するスペクトル線によりイメージが
形成される。

これに反して、もしイメージゾーン14の感光性の場所
のうちの１つが転送パルスの持続期間より短い持続期間
の短いパルスを受取れば、電荷はパルスの持続期間の
間、この場所に発生されるのみであり、この時間間隔の
間転送しないので、イメージは鮮明である。

この実施では、 たとえば同じ列の２個の連続する画素に対応する信号
を減じることによりノイズ照度をなくすることが可能で
ある、 なぜならば、検出器は今では光パルスの飛行時間を測
定するのが非常に速く、その結果、従来の方法に従って
作業することにより得られたであろう表示に対してイメ
ージ上のエコーの表示のシフトを生じるからである。

さらに、行の方向に位置を変更しないので、新たな作
業方法は測定が走査方向になされる、すなわち、たとえ
ば第１の角度αを決定するのを決して妨げない。角度β
に関しては、それは異なる転送周波数を用いて連続して
その２つを測定することにより決定され得る。

第３図は、ハンター12のパルス源により伝達されるパ
ルスの時間ｔに関する転送の時差を示す。時間Ｔは、29
0個の行の連続転送に必要であり、クロック25の周波数
により固定されたものである。もし、イメージゾーン14
の中間にある、ゾーンの下辺から高さｈの感光性の場所
26上にエコーのイメージが形成されるものと仮定する
と、転送がイメージゾーン14（第５図）を28にもたらす
ときにエコーがCCDに戻るので、読出すときは、表示が2
6aに現れる。もし第１の転送の終了時間、照度パルスの
送信終了時間、およびエコーリターンの終了時間をそれ
ぞれt0,tおよびｔ′で表わし、かつイメージにおける表
示の高いh1およびh2をもたらす２つの連続する転送周波
数の値をf1およびf2で表わすと、 h1＝ｈ＋α・f1（ｔ′−t0） h2＝ｈ＋α・f2（ｔ′−t0）となり、そこから距離の
２倍を光の速さで割ったものに等しい飛行時間Δｔ＝
ｔ′−ｔ、 Δｔ＝ｔ′−ｔ＝［（h1−h2）／α（f1−f2）］＋（t0
−ｔ） および ｈ＝h1−f1［（h1−h2）／（f1−f2）］ が得られる。

このように、一方で飛行時間が決定され得てそれから
距離が得られ、かつ他方では、ｈの直接の関数である列
の方向のターゲットの位置、たとえばβが決定されるこ
とができることがわかる。

照度パルスの表示は、スポットにより形成される。照
度共通重心探索技術を用いると、約0.02画素に達する測
定の空間解像度が得られる。最大転送周波数が１秒あた
り約100万行であるので、得られる解像度は飛行時間に
関して0.02μｓ、すなわち距離に関して3mになり得る。

時間t0に関する照度パルスの時間ｔを進めるかまたは
遅らせることにより、イメージの上向きまたは下向きシ
フトを生じ、かつそれゆえイメージゾーン14のそれに関
する装置の有用なフィールドを減じ得ないことが明らか
に可能である。

測定装置の一般的構造は、第６図に概略的に示された
ものであってもよい。この第６図に示された装置は、光
ヘッド32および電子ユニット34を含む。ヘッド32は光入
力フィルタ38を有する対物レンズ36を含み、その通過帯
域はパルス源を形成するレーザダイオード40の放出スペ
クトル光線に対応する。光ヘッドは、対物レンズ36によ
り伝達されるイメージが形成されるCCD検出器42をさら
に含む。このCCDには、電源回路68を有するペルチェク
ーラー44が設けられる。光ヘッド32は、さらに、見られ
るように、ユニット34からクロック信号を受取るインタ
ーフェイスボックス46をさらに含む。光ガイド48によ
り、レーザダイオード40の光伝送が対物レンズ36の軸に
伝送される。インターフェイス46の目的は、線50上で電
子ユニット34に再度送信されるクロックおよびビデオ信
号を本質的に整合することである。

電子ユニット34は、光ヘッド32に接続され、それはま
た装置を保持する宇宙飛体の電力バス52およびデータバ
ス54に接続される。このユニット34は異なる回路が接続
される内部バス56を有し、 CCDのシーケンス動作、 光ヘッドからのビデオ信号のアナログ処理 デジタル化の後の信号のデジタル処理（特に同じ列の
２つの連続する点に対応する輝度の減算） 制御および計算 電子ユニット34および光ヘッド32の異なる回路の電源 ペルチェ効果クーラー44の制御および電源 レーザダイオード40の制御および電源を提供する。

ユニット34の一般的構造は、たとえば第６図に示すよ
うに、内部バス56に接続された以下の構成要素を含むも
のであってもよい、すなわち、 接地との無線接続および測定データの伝送のために出
力トランシーバに接続されたイメージメモリ58と、 プロセッサ60と、 ビデオ信号のアナログ処理およびA/D変換のためのア
ナログユニット62と、 実時間処理ユニット64と、 クロック信号をインターフェイス46に伝達する、さら
に詳細に述べられるシーケンサ66と、 DC−DC変換器を含み、かつまた制御回路44により温度
調整を与える電力回路68とを含むものであってもよい。

このような装置の構成要素の多くは、エレクトロオプ
ティックシャッタを用いる距離測定装置にみられるもの
と同じである。しかしながら、機能図は第6a図で示され
た種類のものである。シーケンサ66は、採用されるべき
転送周波数およびレーザダイオードをトリガする前の遅
延を表わす入力70および72に応答して、転送する間（第
１図の角度αおよびβに対応する）マトリックスにおけ
るＸおよびＹ座標の形で制御パルスをレーザダイオード
40に、かつクロックパルス46および画像のアドレスに伝
達する。

シーケンスは、特に、第７図に示す構造を有してもよ
く、スター感知装置に対するシーケンサと比較すると、
付加的構成要素は一点鎖線枠内にあるものである。シー
ケンサ66は局部クロック76から信号を受取り、かつライ
ンカウンタ80とカスケードして画素カウンタ78に給送す
るプログラマブル分周器74を含む。両方のカウンタは、
各画像のＸおよびＹ座標のその出力で順に伝達する９ビ
ットカウンタであってもよい。分周器74は、レジスタ82
により、局部バス56により伝達されたデータからプログ
ラミングされる。このバスはまた、レジスタ84が、時間
ｔを規定するレーザダイオード40のトリガ遅延をプログ
ラミングするためにロードされ得る。40自体のトリガ動
作は、レジスタの内容および画素カウンタ78の出力を比
較する比較器86により行なわれる。２個のカウンタ78お
よび80は、各々、デコーダ88または90に関連する。デコ
ーダ90は制御論理92を駆動し、それによりゲート94の回
路網が能動化され、CCDに必要な異なる制御信号を伝達
する同期回路96を給電するようにされる。

第８図は、発生される異なる信号のタイミング図であ
る。（より大きいスケールで上部線の一部を表わす底部
線）Ψｍで示される線は、メモリゾーンにおける転送信
号の時間的連続を示す。線Ψ１は、メモリゾーンにおけ
る読出信号を示す。ビデオ信号は、線Ｖで示された形態
を有する。最初の７個の読出パルスは、イメージを処理
する際には用いられない予備読出を形成し得る。最終的
に、ゲート94により伝達される信号は、レーザダイオー
ドを同期するためのパルス98をさらに含む。距離による
飛行時間は、局部バス56からレジスタ84をプログラミン
グすることにより補償される。

この発明は、上で例として述べた特定の実施例には限
定されない。多くの変更が可能である。特に、フレーム
転送CCDの代わりにインタライン転送CCDが用いられても
よい。このようなCCDでは、第９図に示すように、各々
がシフトレジスタ102に取付けられた線に感光性の場所1
00が配置される。すべてのレジスタは、それ自体がビデ
オ前置増幅器20を駆動する出力レジスタ104に接続され
る。レジスタは感光性ではなく、かつCCDの従来の動作
では感光性の場所に発生されたすべての電子パケットが
シフトレジスタ内への蓄積の終わるときに転送され、か
つこれらは出力レジスタ104を介して読出される。この
ような形式のレジスタもまたこの発明を実現するために
応用され得る。

最終的に、方向Ｘにおけるターゲットの位置の測定が
望まれないとき、CCDはイメージゾーン14およびメモリ
ゾーン24を含む単一ストリップに減じられてもよい。こ
の場合、システム106を形成する光イメージは、線形イ
メージを形成するために与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、空間におけるランデブーを考慮してなされる
べき距離および位置測定を示す全体図である。 第２図は、フレーム転送CCDの構造を示す全体図であ
る。 第３図は、CCDの列の画素による左右の連続する転送
（出力レジスタでは読出を生じない画素を示すハッチス
クエア）を示す。 第４図は、フレーム転送の開始およびエコーリターン時
間の開始の照度パルスの時間的連続を示す。 第５図は、転送シーケンスに関するエコーのリターン時
間の関数としての明らかなイメージの位置の差を示す図
である。 第６図および第6a図は、それぞれ、フレーム転送CCDを
用いる装置の全体図および機能図である。 第７図は、第6a図で示された装置のシーケンサのブロッ
ク図である。 第８図は第６図のブロック図に現れる信号のタイミング
図である。 第９図は、この発明の実現化も果たすためのインタライ
ン転送CCDを示す。 図10図は、距離測定装置を形成するための線形CCDスト
リップの利用を概略的に示す。 図において、10はターゲット、12はハンター、14はイメ
ージゾーン、24はメモリゾーン、18,82,84,102,104はレ
ジスタ、20は前置増幅器、22,25,26,76はクロック、42
は検出器、60はプロセッサ、66はシーケンサ、74は分周
器、78,80はカウンタ、86は比較器、88,90はデコーダで
ある。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハンターとターゲットとの間の距離を光学
   的に測定するための装置であって、ターゲット上に後方
   反射手段を含み、 実質的に単色の光パルス源と、 行および列に分配されたセンサのマトリックスを有する
   ソリッドステート検出器と、 前記センサのうちの１個の上にスポットとして前記反射
   手段により反射された光のイメージを形成するための光
   学的手段と、 予め定められた周波数で、前記列の方向に行ごとにまた
   は点ごとに前記センサの出力を検出器出力手段へ転送す
   ることによりセンサの前記マトリックスを読出すための
   手段と、 読出手段により転送する間、前記ターゲットからエコー
   を戻すために前記転送の開始に関して選択された予め定
   められた時間で１個の前記光パルスをトリガするための
   タイミング手段と、 ２つの異なる転送周波数に関連して、エコーを受取った
   行または点の決定から前記距離を得るための計算手段と
   をハンター上に含むハンターとターゲットとの間の距離
   を光学的に測定するための装置。
2. 【請求項２】前記計算手段が、永久光効果を抑圧するた
   めに同じ列の２つの相互に隣接する点の輝度を減ずるた
   めに配置される、特許請求の範囲第１項の記載の装置。
3. 【請求項３】転送する間、受取られるべきエコーに対し
   て選択された値で前記光パルスおよびエコーを分離する
   前後の時間の関数として、光パルスと転送の開始との間
   の時間期間を調整するための手段をさらに含む、特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。
4. 【請求項４】前記検出器が前記行および列に分配された
   光応答センサの第１のマトリックス回路網からなるイメ
   ージゾーンと、さらに第１のものと同じ第２のマトリッ
   クス回路網からなるメモリゾーンとを含むCCD検出器か
   らなり、前記読出手段は、イメージゾーンの内容をメモ
   リゾーンに、かつメモリゾーンから、同じ行の画素がシ
   ーケンシャルに読出される出力レジスタに行ごとに転送
   するために配置される、特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。
5. 【請求項５】前記光パルス源が、前記光学的手段の軸に
   沿って光パルスを伝達するレーザダイオードからなる、
   特許請求の範囲第４項に記載の装置。
6. 【請求項６】前記検出器が前記線および列に分配された
   光応答センサの第１のマトリックス回路網からなるイメ
   ージゾーンと、さらに第１のものと同じ第２のマトリッ
   クス回路網からなるメモリゾーンとを含むCCD検出器か
   らなり、前記読出手段は、イメージゾーンの内容をメモ
   リゾーンに、かつメモリゾーンから、同じ行の画素がシ
   ーケンシャルに読出される出力レジスタに行ごとに転送
   するために配置される、特許請求の範囲第３項に記載の
   装置。