JP3684193B2 - レーザ照射装置および水中物体探知装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中にレーザ光を照射して物体を探知するための水中物体探知装置と、この水中物体探知装置に用いられるレーザ照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中や水面に存在する物体を航空機などから探知するために、水中物体探知装置が用いられている。これは、ヘリコプタなどの飛行体から水中に向けレーザ光を照射してそのエコーから物体を探知する装置であり、例えば特開２０００−１２１７３２号公報に記載されたものが知られている。上記公報には、レーザ光を走査して大まかな目標位置を得て、その位置をスポット撮像することにより物体の詳細情報を得られるようにした装置が開示されている。
【０００３】
図９に示されるように、走査方式としてはレーザスポットが円を描くようにレーザ光を走査する円錐走査が代表的であり、円錐走査を実施しつつ飛行体１００を徐々に移動させることにより探知領域がくまなく捜索される。このとき、レーザ光は水面に対して斜めに照射される。
【０００４】
ところで、周知のようにレーザ光の偏光方向は原理的に一定であり、レーザ発振器からは偏波面の固定されたレーザ光が出力される。このためレーザ光が水面に対して斜めに照射されると、走査位置によって偏波面と水面とのなす角が様々に変化し、これに伴ってレーザ光の水中への入射強度が異なることになる。
【０００５】
図１０は、レーザ光の偏波面が水面に対して直角に入射された状態を示す図である。すなわち、偏波面と水面とのなす角度Ｄ＝９０°である。この場合にはレーザ光の水面からの反射が最も少なくなり、従って水中への入射光量は最大となる。
【０００６】
図１１は、偏波面と水面とのなす角度Ｄが９０°でない場合である。この場合には角度Ｄが小さくなるほどに反射が大きくなり、水中への入射光量が小さくなる。
【０００７】
図１２は、従来の水中物体探知装置における走査位置と入射光量との関係を示す模式図である。この図に示されるように、円錐走査においては入射光量が最大になる位置と最小になる位置が２つずつあり、これらの位置におけるレーザ光の水中への透過率の差は５０％程度にもなる。すなわち従来の水中物体探知装置には、一定の強度のレーザ光を照射しているにもかかわらず水中の物体に届くレーザ光の強度が大幅に変動し、反射エコーの強度が変化して物体の探知を誤ったり、また効率よくレーザ光を水中に入射できないという不具合があった。このことは水中物体探知装置の性能の低下をもたらし、何らかの対処が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように従来の装置においては、レーザ光の走査位置によってレーザ光の偏波面と水面とのなす角が変化する。このため水中への入射光量が一定にならず、反射エコーの強度が変わって見えたり、物体に届く前にレーザ光が吸収されたりして十分な性能を発揮することができなかった。
【０００９】
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、水中への入射光量を一定に保てるようにし、これにより物体を探知する性能の向上を図ったレーザ照射装置および水中物体探知装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかるレーザ照射装置は、レーザ光を発生出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器で発生されたレーザ光を走査するレーザ走査部と、このレーザ走査部により走査されたレーザ光の照射方向を算出する照射方向算出部と、照射面に達したレーザ光の偏波面と当該照射面とのなす角度を当該レーザ光の照射方向によらず一定とすべく、前記照射方向算出手段で算出された照射方向と前記レーザ発振器で発生されたレーザ光の偏波面との光学的位置関係に基づいて、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の偏波面を回転させる偏波面回転制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
このような手段を講じたことにより、照射面（以下水面を例とする）に達したレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が、走査によってレーザ光の照射方向が変化することによらず一定に保たれる。レーザ光の入射光量は偏波面と水面とのなす角度によって決まるため水中への入射光量が一定に保たれるようになり、レーザ光の走査位置によらず安定したエコーが得られる。
【００１２】
特に本発明にかかるレーザ照射装置では、水面に達したレーザ光の偏波面と当該水面とのなす角度を、レーザ光の照射方向によらず９０°に保つようにした。このようにすることでレーザ光の水面での反射を最小限に抑え、水中への入射光量を最大にできるので、エネルギーの無駄を抑えレーザ光を効率良く放射することが可能になる。
また本発明にかかる水中物体探知装置では、上記の手段により得られる安定したエコーから目標の探知を行なうようにしている。
これらのことから、物体を探知する性能の向上を図ることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明にかかるレーザ照射装置の原理を示すブロック構成図である。このレーザ照射装置は、レーザ発振器１で発生されたレーザ光を偏波面回転部２を介して水面に照射するもので、その照射方向はレーザ走査部３により走査される。偏波面回転部２は、回転量算出部５から与えられる回転量指令信号に応じてレーザ発振器１で発生されたレーザ光の偏波面を回転させる。レーザ走査部３は、図示しないシステム制御部から与えられる角度指令信号のもとでレーザ光の走査を行なう。
【００１４】
角度指令信号は照射方向算出部４にも与えられる。照射方向算出部４は角度指令信号に基づいて、レーザ走査部３により走査されたレーザ光の水面への照射方向を算出する。回転量算出部５は、水面に照射されたレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が、レーザ光の走査に伴い照射方向が変化することによらず一定となるように、偏波面回転部２に回転量指令信号を与える。回転量算出部５は、照射方向算出部４で算出されたレーザ光の照射方向と、レーザ発振器１で発生されたレーザ光に固有の偏波面との光学的位置関係に基づいて回転量指令信号を生成する。
【００１５】
回転量算出部５は、水面に照射されたレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が好ましくは常に９０°になるような回転量指令信号を生成する。
【００１６】
図２は、図１に示される偏波面回転部２の実施形態を示す図である。偏波面回転部２は、レーザ光が入射されるファラデー素子２１と、このファラデー素子２１を囲むように設けられる電磁石２２とを備える。周知のようにファラデー素子２１は、自己を通過する光の偏波面を外部からの磁気作用に応じて回転させる光学素子である。図２においては、電磁石２２からファラデー素子２１に及ぼされる磁気作用を前記回転量指令信号に応じて変化させることにより、レーザ光の偏波面を回転させるようにしている。この種のデバイスはいわゆるファラデーローテータとして知られている。
【００１７】
図３は、図１に示されるレーザ照射装置における走査位置と偏光方向との関係を示す模式図である。図１２との比較から判るように、本実施形態においてはレーザ光の偏光方向が中心から放射状になるように、レーザ光の偏波面が回転される。このようにすると、レーザ光の偏波面と水面との角度の関係は、どのレーザスポットにおいても図１０に示されるようになる。すなわちレーザ光の走査位置によらず、偏波面と水面とのなす角度が９０°になる。
【００１８】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。この装置は図１と同様の原理で動作するもので、レーザ発振器１と偏波面回転部２とを一体化し、これらをモータ６により回転駆動させることでレーザ光を走査するようにしたものである。モータ６の回転軸７はレーザ光の光軸と一致しないように設けられており、いわゆる軸外し回転機構が形成される。
【００１９】
図４の構成においては、図中点線で囲んだように、少なくともレーザ発振器１と偏波面回転部２とが飛行体（図示せず）の外部に装備されることになる。
【００２０】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。この装置は図１と同様の原理で動作するもので、レーザ発振器１と偏波面回転部２とを一体化し、これらをジンバル機構５０に取り付け、ジンバル機構５０を２軸周りに稼動することでレーザ光を走査するようにしたものである。ジンバル機構５０はステー８を介して飛行体（図示せず）に取り付けられる。ジンバル機構５０はジンバル駆動モータ９を備え、これらのモータが角度指令信号に応じて駆動することでレーザ光が走査される。
【００２１】
本実施形態においては、２軸可動型のジンバル機構５０を使用しているため、第１の実施形態よりも複雑な走査が可能となる。すなわち本実施形態では円錐走査に加え、レーザ光を直線状に走査しつつ探知領域をカバーする、いわゆる往復走査を実施できる。
【００２２】
なお、ジンバル駆動モータ９に対向する位置にレートセンサ１０を設け、各ジンバルの稼動量を直接に測定し、その結果を回転量算出部５にフィードバックするようにしても良い。このようにすることでレーザ光の照射方向を直接に求めることができ、より精度の高い処理を行なうことが可能になる。
【００２３】
図５の構成においては、図中点線で囲んだように、少なくともレーザ発振器１と偏波面回転部２とジンバル機構５０とが飛行体の外部に装備されることになる。
【００２４】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。この装置は図１と同様の原理で動作するもので、レーザ発振器１と偏波面回転部２とを飛行体に固定し、自在に稼動する反射ミラー１１でレーザ光を反射させることでレーザ光を走査するようにしたものである。反射ミラー１１は回転軸７を介してモータ６に取り付けられ、モータ６を駆動することにより反射ミラー１１が稼動するようになっている。
【００２５】
図６の構成においては、レーザ発振器１、偏波面回転部２を直接に稼動しないためにモータ６などに負担がかからず、装置規模を縮小できる。また図中点線で囲んだ部分を飛行体の外部に装備しても良いが、より好ましくは、飛行体に小窓１２を設け、この小窓を介してレーザ光を照射すると良い。このようにすることで装置を機体内部に装備することが可能となり、飛行体の空気抵抗を少なくするなどの効果を得られる。
【００２６】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。この装置は図６において偏波面回転部２を経由したレーザ光を、偏波面保持ファイバ１３を介して反射ミラー１１に導くようにしたものである。周知のように偏波面保持ファイバ１３内では光の偏波状態が保持されるため、偏波面回転部２で偏波面が回転されたレーザ光は、偏波面が保持された状態で反射ミラー１１に達する。これにより図１で説明したと同様の動作を実現できる。
【００２７】
図７の構成においても、図中点線で囲んだように反射ミラー１１と偏波面保持ファイバの端部とを飛行体の外部に装備しても良いが、より好ましくは、小窓１２を介してレーザ光を照射すると良い。このようにすることで第３の実施形態と同様の効果を得られるほか、レーザ発振器１、偏波面回転部２を自由に設置できるという利点がある。
【００２８】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態にかかる水中物体探知装置の構成を示すブロック図である。この装置は図１の構成に加え、レーザ光のエコーを受信し、このエコーから水中に存在する物体を探知する受信部１４を備えるものである。受信部１４においてはエコーがＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などのイメージ素子に取り込まれ、ビデオ処理されて、図示しない飛行体の操縦室などにおいて電圧表示または画像表示される。
【００２９】
以上のように上記各実施形態では、レーザ発振器１で発生されたレーザ光の偏波面を回転させる偏波面回転部２と、照射方向算出部４と、回転量算出部５とを備える。照射方向算出部４には、レーザ走査部３により走査されたレーザ光の水面への照射方向を算出させる。回転量算出部５には、この照射方向とレーザ発振器１から出力されるレーザ光の固有の偏波面との光学的位置関係とをもとに、偏波面回転部２に与えるべき回転量指令信号を生成させる。そして、この回転量指令信号を偏波面回転部２に与えて、水面に照射されたレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が走査位置によらずに一定になるように、レーザ光の偏波面を回転させるようにしている。
【００３０】
このようにしたので、水中への入射光量が一定に保てるようになり、一定強度のレーザ光が水中に入射される。これにより安定したエコーを得ることができ、物体の探知性能が向上する。
【００３１】
特に本実施形態では、水面に照射されたレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が常に９０°になるようにしている。これによりレーザ光の水面での反射が最小限に抑えられ、水中への入射光量が最大となり、物体の探知を効率良く行なうことが可能になる。これらのことから、物体を探知する性能の向上を図ったレーザ照射装置および水中物体探知装置を提供することが可能となる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば上記装置を飛行体に設置するにあたり、空間安定化装置を介して飛行体に取り付けるようにしても良い。これにより飛行体の揺動による悪影響が抑えられ、より精度の高い処理を実施できる。
【００３３】
また上記構成におけるファラデーローテータに代えて、偏光回転子を物理的に回転させることによりレーザ光の偏波面を回転させるようにしても良い。
また上記第２の実施形態ではレートセンサ１０を設け、直接に測定したレーザ光の照射方向を回転量算出部５にフィードバックするようにしたが、このような手法は他の実施形態においても同様に適用できる。例えば反射ミラー１１に取り付けられたモータ６の回転軸７にレートセンサを取り付けることで、レーザ光の照射方向を測定することができる。このようにすると照射方向算出部４における演算誤差を補正できるので、処理の精度を更に高めることが可能になる。
【００３４】
また上記各実施形態では、水面に照射されたレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が常に９０°になるようにしているが、他の角度でも良い。要するに、水面に照射されたレーザ光の偏波面と水面とのなす角度が一定になるようにすれば良い。例えばレーザ光の波長や水中の色など、環境によっては偏波面を水面に対してやや斜めに入射するほうが都合が良い場合が有るかもしれない。このような場合にも本発明は有効である。
【００３５】
さらに本発明にかかるレーザ照射装置は、水面に対してだけでなく、例えば将来の惑星探査においてメタンガスや硫酸の海に対してレーザ照射を行なう目的においても使用可能である。
このほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施を行うことができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明では、走査されたレーザ光の照射面への照射方向を照射方向算出部により算出し、この照射方向とレーザ発振器で発生されたレーザ光に固有の偏波面との光学的位置関係に基づいて、照射面に達したレーザ光の偏波面と照射面とのなす角度を当該レーザ光の照射方向によらず一定となるように、偏波面回転制御手段によりレーザ光の偏波面を回転させるようにした。
【００３７】
これにより、走査位置によらず水中への入射光量が一定になるので、物体を探知する性能の向上を図ったレーザ照射装置および水中物体探知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるレーザ照射装置の原理を示すブロック構成図。
【図２】 図１に示される偏波面回転部２の実施形態を示す図。
【図３】 図１に示されるレーザ照射装置における走査位置と偏光方向との関係を示す模式図。
【図４】 本発明の第１の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図。
【図５】 本発明の第２の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図。
【図６】 本発明の第３の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図。
【図７】 本発明の第４の実施形態にかかるレーザ照射装置の構成を示すブロック図。
【図８】 本発明の第５の実施形態にかかる水中物体探知装置の構成を示すブロック図。
【図９】 従来の水中物体探知装置による円錐走査の様子を示す模式図。
【図１０】 レーザ光の偏波面と水面との角度の関係を示す図。
【図１１】 レーザ光の偏波面と水面との角度の関係を示す図。
【図１２】 従来の水中物体探知装置における走査位置と偏光方向、入射光量の関係を示す模式図。
【符号の説明】
１…レーザ発振器
２…偏波面回転部
３…レーザ走査部
４…照射方向算出部
５…回転量算出部
６…モータ
７…回転軸
８…ステー
９…ジンバル駆動モータ
１０…レートセンサ
１１…反射ミラー
１２…小窓
１３…偏波面保持ファイバ
１４…受信部
２１…ファラデー素子
２２…電磁石
５０…ジンバル機構
１００…飛行体

Claims (12)

1. レーザ光を発生出力するレーザ発振器と、
   このレーザ発振器で発生されたレーザ光を走査するレーザ走査部と、
   このレーザ走査部により走査されたレーザ光の照射方向を算出する照射方向算出部と、
   照射面に達したレーザ光の偏波面と当該照射面とのなす角度を当該レーザ光の照射方向によらず一定とすべく、前記照射方向算出部で算出された照射方向と前記レーザ発振器で発生されたレーザ光の偏波面との光学的位置関係に基づいて、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の偏波面を回転させる偏波面回転制御手段とを具備することを特徴とするレーザ照射装置。
2. 前記偏波面回転制御手段は、前記照射面に達したレーザ光の偏波面と当該照射面とのなす角度を当該レーザ光の照射方向によらず９０°に保つべく前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の偏波面を回転させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記偏波面回転制御手段は、
   前記レーザ発振器で発生されたレーザ光が入射され、与えられる回転量指令信号に応じて当該レーザ光の偏波面を回転させる偏波面回転部と、
   この偏波面回転部において前記レーザ光に与えるべき偏波回転量を算出して、この算出された偏波回転量に対応する回転量指令信号を生成して前記偏波面回転部に与える回転量算出部とを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
4. 前記偏波面回転部は、
   前記レーザ光の通過経路に設けられ、与えられる磁気作用に応じて当該レーザ光の偏波面を回転させるファラデー素子と、
   前記回転量指令信号に応じて変化する磁気作用を前記ファラデー素子に与える磁性素子とを備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ照射装置。
5. 前記レーザ走査部は、前記レーザ発振器を前記レーザ光の光軸と異なる軸周りに回転させる軸外し回転機構を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
6. 前記レーザ走査部は、前記レーザ発振器が取りつけられ、このレーザ発振器を２軸周りに稼動させるジンバル機構を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
7. 前記レーザ走査部は、稼動自在に設けられ前記偏波面回転制御手段を経由したレーザ光を照射方向に向け反射する反射ミラーを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
8. さらに、前記偏波面回転制御手段を経由したレーザ光の偏波面を保持して当該レーザ光を前記反射ミラーに導く偏波面保持ファイバを備えることを特徴とする請求項７に記載のレーザ照射装置。
9. 前記レーザ走査部は、前記レーザ光を照射面に対して円錐走査することを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
10. 前記レーザ走査部は、前記レーザ光を照射面に対して往復走査することを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
11. 飛行体に空間安定化装置を介して取り付けられて使用されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
12. 水上から水中に向けレーザ光を照射するレーザ照射装置と、
    このレーザ照射装置から照射されたレーザ光のエコーを受信し、当該エコーから水中に存在する物体を探知する受信部とを具備し、
    前記レーザ照射装置は、
    レーザ光を発生出力するレーザ発振器と、
    このレーザ発振器で発生されたレーザ光を水面に対して走査するレーザ走査部と、
    このレーザ走査部により走査されたレーザ光の前記水面への照射方向を算出する照射方向算出部と、
    前記水面に達したレーザ光の偏波面と当該水面とのなす角度を当該レーザ光の照射方向によらず一定とすべく、前記照射方向算出部で算出された照射方向と前記レーザ発振器で発生されたレーザ光の偏波面との光学的位置関係に基づいて、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の偏波面を回転させる偏波面回転制御手段とを備えることを特徴とする水中物体探知装置。

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