JP4862300B2 - レーザ測距装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ測距装置に関し、特にキャリブレーション機能を実現可能なレーザ測距装置に関する。

宇宙ステーションに物資を運ぶ無人の輸送機の開発が各国で行われているが、宇宙ステーションでの無人ドッキングに関する計測技術には実績が少なく宇宙での十分な精度の計測器を実現することが困難であるが、特に、輸送機に搭載されるレーザ測距技術には高精度と高信頼性が要求される。

また、このようなレーザ測距装置には軌道上での校正機能が必須であり内部に独自の校正基準を持ち、必要時にいつでも校正を行えることが重要である。

一方、輸送機の搭載品に対するリソース要求が厳しく電力・重量等による制限から大掛かりな装置は搭載性の面で問題があり、多機能かつコンパクトなコンポーネントが期待されている。

宇宙ステーション等への輸送機に搭載する２次元走査型のパルスレーザ測距装置では、環境条件の変化から測距カウンタや角度検出器にバイアス誤差が発生しターゲット位置の計測精度が悪化する。特に、地上で使用するパルスレーザ測距装置ではこのような誤差は外部の基準ターゲットを測距して校正することができるが、宇宙空間で使用する場合には校正の基準を外部に用意することができないという制約がある。

また、このようなレーザ測距装置に内部リファレンスを用いて距離と角度を校正する校正基準を設け、内部リファレンスで正確に校正を実施する好適な手段がこれまで無かった。

そこで、本発明の目的は、以上の問題を解決しょうとするものであり、環境条件で変化するバイアス誤差等を軌道上で校正し、信頼性を向上させることを可能としたレーザ測距装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、距離の校正用光ファイバを角度の校正用に共用しコンパクト化を実現したレーザ測距装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、内部に距離と角度を同時に校正可能な校正基準を設けたレーザ測距装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用するランデブドッキング用の高精度、高信頼性のキャリブレーション機能を有するレーザ測距装置を提供することにある。

例えば、人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用するランデブドッキング用レーザ測距装置であって、輸送機側に搭載したレーザ測距装置から人工衛星や宇宙ステーションのマーカ（コーナキューブリフレクタ等）を２次元のスキャナによりレーザ走査して、パルスレーザの往復時間から得られる距離情報とスキャナの角度情報からマーカの位置を算出し、輸送機を誘導する測距装置において、環境条件で変化する距離及び角度のバイアス誤差を校正する併せ持つことを特徴とする。

本発明は、距離校正用の内部リファレンスに光ファイバを用い、その光ファイバへの入射位置を角度校正のリファレンス位置とすることで距離と角度の校正を同時に実施する。このとき、光ファイバへ入射するビームは集光レンズで絞り、集光点にはビーム拡がり角以下のピンホールを設置することで、校正精度の分解能を向上させることができる。また、校正点をスキャナの角度で送信光量の変化しない領域に複数設け、その受信光のレベルを検出し比較することでスキャナへの指令角度に対する実際の変位角の誤差を見積もること可能とし、そのバイアス誤差を校正する。

本発明のレーザ測距装置は、レーザビームのスキャナを有する走査型のレーザ測距装置であって、距離校正用の内部リファレンスとしての光ファイバと、前記スキャナの走査範囲内の角度校正用のリファレンス位置を入射位置とした光ファイバとを備えることを特徴とし、前記角度校正用のリファレンス位置を入射位置とした光ファイバを前記距離校正用の光ファイバと共用したことを特徴とする。また、前記角度校正用のリファレンス位置はターゲットの走査範囲外の位置であり、レーザビームが走査される遮蔽板のピンホールで規定される。

また、前記レーザビームの集光レンズと、前記集光レンズの集光面に設けたビーム拡がり角以下の複数のピンホールが形成された遮蔽板と、を備え、前記ピンホールを前記角度校正用のリファレンス位置とすることを特徴とし、前記ピンホールはスキャナの走査範囲内の光量の変化が少ないスキャナの走査範囲に位置することを特徴とする。

更に、本発明の角度補正は、複数のピンホールの通過光により計測される角度の絶対値が同じ量シフトしていれば角度のバイアス補正を行い、バイアス誤差を校正することを特徴とし、複数のピンホールの通過光により計測される相対角がスキャナの角度指令信号に一致しなければ、角度指令信号のゲイン補正を行うことを特徴とする。

また、本発明のレーザ測距装置は人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用するランデブドッキング用のレーザ測距装置であることを特徴とし、輸送機に搭載され人工衛星や宇宙ステーションのマーカを２次元のスキャナによりレーザ走査して、パルスレーザの往復時間から得られる距離情報とスキャナの角度情報とからマーカの位置を算出し、輸送機を誘導するデータを出力することを特徴とする。

本発明によれば、内部リファレンスとしての距離校正用の光ファイバと、前記スキャナの走査範囲内の角度校正用のリファレンス位置を入射位置とした光ファイバとを備えることにより、レーザ測距装置内部に距離と角度を同時に校正可能な校正基準を実現することが可能であり、計測精度の向上が実現可能となる。

また、距離校正用の内部リファレンスとしての光ファイバの入射位置をスキャナの走査範囲内の角度校正用のリファレンス位置としたことにより、個別の光ファイバの設置が不要でありコンパクト化が可能である。

また、角度校正用のリファレンス位置をターゲットの走査範囲外の位置とすることにより通常の測距と同時に距離及び角度の校正データを取得することが可能となる。

また、前記光ファイバへ入射するビームは集光レンズで絞り、集光点にはビーム拡がり角以下の１ないし複数のピンホールを設置することで、校正精度の分解能をも向上させることが可能である。

更に、前記ピンホールはスキャナの走査範囲内の光量の変化が少ないスキャナの走査範囲に位置することにより、その受信光のレベルを検出し比較することが可能となりスキャナへの指令角度に対する実際の変位角の誤差を見積もることが可能であり、角度のバイアス補正及び角度指令信号のゲイン補正が可能である。

また、装置単独での校正機能を実現可能であるから校正基準を外部に設置できない宇宙、軌道上等の環境において使用するレーザ測距装置の信頼性が向上するのみならず、本校正基準により環境条件で変化するバイアス誤差を軌道上等で校正することが可能である。

（構成の説明）
図１は本発明のレーザ測距装置の一実施の形態の構成を示す図である。距離と角度のバイアス誤差等、距離・角度校正機能を持つレーザ測距装置の構成例を示している。

本実施の形態のレーザ測距装置は、パルスレーザを発射するレーザ発信器（レーザ）１、送信ビームの整形及び受信光の受光部への伝送を行う送受信光学部２、レーザビームを２次元に走査するスキャナ部３、角度指令信号を出力しスキャナ部３のスキャナを駆動するとともにスキャナの角度データを受信するスキャナ駆動部４、スキャナ部３の角度基準位置に設置した校正用光学部８、距離校正用の所定の長さを持ち送信光の一部を送受信光学部２へ伝送する校正用光ファイバ（光ファイバ）９、レーザ１からの送信光、光ファイバ９からの受信光及びターゲット（測定対象、マーカのコーナキューブリフレクタ等）からの受信光を検知し、電気信号の送受信パルスへ変換する受光部５、受光部５からの送受信パルスから送受信パルス間の時間をカウントし、距離カウントデータを出力する測距カウンタ部６、受信パルスのレベルを検出するレベル検出部７、スキャナ駆動部４を制御するとともにスキャナからの角度データを受信し、測距カウンタ部６から距離データを受信し、レベル検出部７からピークレベル（ピーク点）を検出し、これら距離データ、角度データ、ピークレベルから校正用光ファイバと校正用光学部８によるリファレンスの値を算出し、該レファレンスと前記距離データ、角度データと比較して距離及び角度の校正を行う制御部１０、そして各部に電力を供給する電源部１１によって構成される。

図２はスキャナと校正用光学部の構成例を示す図である。校正用光学部８は送信光側に対応して設けられ、スキャナのスキャン範囲内等に設けた送信ビームの集光レンズ８１と、その焦点面に設けた複数のピンホール８３を有する遮光板８２と、該遮光板８２のピンホール８３を透過する送信光を入射端部より取り込み送受信光学部２に伝送する校正用光ファイバ９と、を備える。ここで、ピンホール８３の位置はあらかじめスキャナ３の基準角に一致するよう形成される。この構成により校正用光学部８からは、スキャナのスキャン毎にピンホール８３を通過する送信光がファイバ９の距離校正用の所定長に相当する遅延時間を伴いピンホールの数だけ送受信光学部２を介して受光部５に伝送される。
（動作の説明）
図１、２に示す実施の形態の構成図により動作を説明する。
レーザ１から出力されたレーザパルスはハーフミラーにより一部反射され受光部５に伝送されるともに、透過光は送受信光学部２に伝送されてビーム整形され、スキャナ部３へ伝送される。スキャナ部３は制御部１０からのスキャナ制御により動作するスキャナ駆動部４からの２軸駆動の角度指令信号を受け、軸の周りに回動するミラー等でなるスキャナを有し、該スキャナは送受信光学部２からのビームを２軸に走査するとともにスキャナの角度の３次元情報（角度データ）を検出しスキャナ駆動部４を介して制御部１０に出力する。

通常の測距機能に関しては、スキャナ部３は測距対象のターゲットの探知方向に送信光のビームを走査し、ターゲットからの反射光を受信光として受信し、送受信光学部２を介して受光部５に伝送する。受光部５はレーザ１からの送信光に加え、前記受信光を電気信号に変換して測距カウンタ部６に出力する。測距カウンタ部６は送信光と受信光の電気信号に基づき、レーザ発射時の送信光パルスの発射時点と受信光の受信時点の間の時間を高周波のクロック信号等をカウントすることでターゲットまでの距離を計測し、測距カウントデータを制御部１０に出力する。

距離・角度の校正機能に関しては、前記測距動作でスキャナ部３は図２に示すように送信光のビームの走査毎に該ビームが校正用光学部８もスキャンする。校正用光学部８をスキャンするビームは集光レンズ８１で集光され、その集光スポットは遮蔽板８２の複数のピンホール８３の配置方向に移動し、集光スポットがピンホール８３に位置した時点で、ピンホール８３を通過したレーザパルスがピンホール８３の下部側に配置されている光ファイバ９の一端部から入射し、距離校正用の長さに相当する遅延時間後にその他端部から出射し、送受信光学部２を介して受光部５に伝送され、このレーザパルスが距離、角度の校正に利用される。

図３は距離校正及びスキャナの角度校正の詳細な動作例を示す図である。送信光の集光スポットの径に対しレーザビームを通過させるピンホール８３の径を小さく設定することにより、レーザビームの集光スポットがピンホール８３をスキャンする時、受光部５における光ファイバ９からの受信レベルが変化し、そのピークレベル（ピーク位置）を検出して利用することで校正精度の分解能を向上させることが可能である。集光レンズ８１の焦点距離ｆ、ピンホール８３の間隔ｄ及びスキャン角度θの間には、ｄ＝ｆ・θの関係が成り立ち、受光部５の受信レベルのピーク間の間隔を計測することによりスキャン角度θを算出することができる。

本実施の形態の距離及び角度の校正動作は以下のとおりである。
距離校正については、スキャナ部３からの送信光の一部を校正用光学部８で受信し、ピンホール８３を透過した送信光をファイバ９で送受信光学部２へ伝送し、受光部５で受信して電気信号として測距カウンタ部６に出力する。このとき測距カウンタ部６で計測される送信光と前記受信光の間の時間差は光ファイバ９の遅延時間に相当し、あらかじめ距離校正されたファイバ長の光ファイバ９を使用することにより内部リファレンスの距離情報として扱うことができるから、この情報を制御部１０で距離校正の情報として利用することが可能である。

角度校正については、遮蔽板８２の複数のピンホール８３の位置をあらかじめスキャナ３の基準角に対応する位置、基準相対角に対応する間隔に設定しておくことにより、複数のピンホール８３を通過したビームによるレーザパルスのピーク位置及びピーク間の間隔により、それぞれ角度指令信号のバイアス補正及び角度指令信号のゲイン補正に利用することが可能である。

角度校正の動作を簡単のため１軸スキャナとして説明すると、図３に示すように、スキャナのある角度でピンホール８３を透過するレーザ光が光ファイバ９を介して受光部５で検知される。この受信信号のレベルをレベル検出部７で検知しピークレベルを制御部１０へ伝送する。制御部１０ではスキャナ部３からのスキャナの角度信号と受信光のピークレベルとの相関を検出しピークレベルから角度を計算し、この角度があらかじめ既知であるスキャナの基準角と比較して一致するか否かを判断する。制御部１０は２つのピンホール８３を通過したビームにより計測される角度情報の絶対値がスキャナの基準角より同じ量シフトしていれば基準角の角度のバイアス誤差が生じていることになり角度のバイアス補正を行い、また、２つのピンホール８３を通過したビームにより計測される２つのピンホール間の相対角が角度指令信号と一致しなければスキャナの角度指令信号に対するゲインの補正（ゲイン補正）を行う。

（他の実施の形態）
以上の実施の形態においては、入射光を所定時間後に出射し装置内の距離校正用のリファレンスとする光ファイバについて、その入射位置を角度校正用のリファレンス位置に設置し、角度校正用のリファレンス位置の送信光の取得用にも前記光ファイバを共用して装置構成のコンパクト化を可能としたレーザ測距装置の構成例を説明したが、本発明の他の実施の形態として、距離校正用の光ファイバと角度校正用の光ファイバとをそれぞれ個別に備えるように構成することができることは明らかである。

また、以上のように本実施の形態の機器構成で距離と角度を同時に校正することが可能であり、校正用光学部８を通常の測距に必要な計測範囲の外（但しスキャナの走査範囲内）に設置すれば通常の測距と同時に校正データの取得も可能である。

産業上の利用分野

人工衛星や宇宙ステーションにランデブドッキングを行う輸送機や、軌道上サービスを目的とした衛星に搭載可能である。

本発明のレーザ測距装置の一実施の形態の構成を示す図である。 スキャナと校正用光学部の構成を示す図である。 距離校正及びスキャナの角度校正の詳細動作例を示す図である。

符号の説明

１ レーザ（発信器）
２ 送受信光学部
３ スキャナ部
４ スキャナ駆動部
５ 受光部
６ 測距カウンタ部
７ レベル検出部
８ 校正用光学部
９ 校正用光ファイバ
１０ 制御部
１１ 電源部
８１ 集光レンズ
８２ 遮蔽板
８３ ピンホール

Claims (8)

1. レーザビームのスキャナを有する走査型のレーザ測距装置であって、内部リファレンスとしての距離校正用の光ファイバ及び前記スキャナの走査範囲内の角度校正用のリファレンス位置を入射位置とした光ファイバを備え、かつ、
   前記レーザビームの集光レンズと、前記集光レンズの集光面に設けたビーム拡がり角以下の複数のピンホールが形成された遮蔽板と、を備えて、前記ピンホールを前記角度校正用のリファレンス位置とすることを特徴とするレーザ測距装置。
   
2. 前記角度校正用のリファレンス位置を入射位置とした光ファイバを前記距離校正用の光
   ファイバと共用としたことを特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
3. 前記角度校正用のリファレンス位置はターゲットの走査範囲外の位置としたことを特徴
   とする請求項１又は２記載のレーザ測距装置。
   
   
4. 前記ピンホールはスキャナの走査範囲内の光量の変化が少ないスキャナの走査範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
5. 複数のピンホールの通過光により計測される角度の絶対値が同じ量シフトしていれば角度のバイアス補正を行い、バイアス誤差を校正することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
6. 複数のピンホールの通過光により計測される相対角がスキャナの角度指令信号に一致しなければ、前記角度指令信号のゲイン補正を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
7. 人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用するランデブドッキング用レーザ測距装置であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
8. 輸送機に搭載され人工衛星や宇宙ステーションのマーカを２次元のスキャナによりレーザ走査して、パルスレーザの往復時間から得られる距離情報とスキャナの角度情報とからマーカの位置を算出し、輸送機を誘導するデータを出力することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。

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