JPH01426A - 大気中を通過するパルス状光ビームの光路を決定する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ビーム光路の一方の側に位置する測定段に光
感知検出系を具える大気中を通過するパルス状光ビーム
の光路を決定する装置に関するものである。

この光感知検出装置は、公開された英国特許出願第２，
１５１，８７１号から既知である。この既知の装置では
、光感知検出系が、相互に既知の角度位置にある複数の
固定されている感知ローブを有し、これらローブのうち
少なくとも３個のローブを決定されるべきビーム光路の
方向に向かせる必要がある。光パルスが３個の感知ロー
ブの感知域を通る光路中を通過すると、光感知検出系が
散乱放射のパルスを３個の感知ローブによって順次受光
することになる。検出装置に接続されている時間測定回
路により、散乱光の３個のローブへの到達瞬時を測定す
ると共にこれら到達瞬時間の相互の時間長を決定してい
る。この時間差は３個のローブに対する進行距離の差に
依存し、一方では散乱放射を発生させる光パルス自身の
進行距離の差であり、゛　　他方では３個のローブで受
光される散乱放射の進行距離の差に依存する。これらの
進行距離の差は幾何学的条件によって発生し、未知のビ
ーム光路に関する既知のローブ方向及び２個の変数を含
む簡単な幾何学的関係式で表わされることができる。

これらの関係式を用いて少なくとも２個の測定された時
間差からビーム光路を決定することができる。

この既知の装置の特性は、光パルスに基（散乱放射が少
なくとも３個のローブを介して検出装置で受光し得るな
らば、１個の単一の光パルスで光路を決定することがで
きることである。従って、この既知の装置は距離レーザ
装置の光路を測定するために用いることができ、このレ
ーザ装置は原理的に１個の単一のパルスだけを放射して
所望の距離に関する十分な情報をもたらせている。

この既知の装置の欠点は、大気の広い範囲に亘って、例
えば３６０ｍの角度に亘ってカバーしようとすると検出
系の構造が複雑になりしかも高価になってしまうことで
ある。これにもかかわらず、既知の検出装置の実施され
ている形態のものでは、３個のローブの所要の最小のも
のを介して散乱放射の検出だけしか行なうことができな
い。よって、光路決定の精度が低下するおそれがある。

従って、本発明の目的は、明細書冒頭部で述べた型式の
光感知検出装置において、高精度にビーム光路を決定で
きると共に既知の装置に比べて一層簡単な構造の検出系
を用いることができる光感知検出装置を提供するもので
ある。

本発明によれば、この目的を達成するため検出系が、所
定の限界ローブ幅を有する感知ローブを具える少なくと
も１個の光感知検出装置を有し、この検出系を、感知ロ
ーブを通る経路中における光パルスの散乱光の前側端縁
と後側端縁との間の時間的距離、すなわち散乱放射のパ
ルス幅又はパルス長を少なくとも２個の異なる方向で測
定する。

更に、本発明による大気中を通過するパルス状光ビーム
の光路を決定する装置は、関連するローブ方向と共同し
て測定したパルス幅から光ビームの光路を決定されてい
る。

本発明に基き各感知ローブ方向における散乱放射の前端
縁及び後端縁の両方が検出装置に到達する時間瞬時を測
定することにより、原理的には２個の感知ローブで測定
するだけでビーム光路を決定することができる。従って
、３個のローブで測定を行なうことは余分な測定を行な
うことになるが、測定の不正確性を除去するために用い
ることができる。

本発明によるビーム光感知検出装置の好適実施例は、検
出装置の感知ローブが測定中に回動可能であり、感知ロ
ーブの少なくとも２個の異なる角度位置において反復す
るパルス状光ビームの散乱放射のパルス幅を決定する。

この回動可能な感知ローブを具える検出装置は、大気の
所望の範囲をカバーする多数の固定ローブを有する検出
装置よりも適切に構造が簡単になる。従って、異なる回
動位置で測定を行ない、異なる時間瞬時において決定さ
れるべき光路を伝播する数個の光パルスを発生させる必
要がある。このような構成は、レーザ標的探査機につい
ては有用なものとなる。光路の光パルスの周波数に対し
て感知ローブの回動速度を適切に選択することにより、
多数の方向について、例えば５個又はそれ以上の方向に
ついて測定を行なうことができ、これにより光路決定の
精度が増大する。本発明は、測定段における散乱放射パ
ルスの幅又は長さが、感知ローブのある位置から別の位
置までの測定に対して測定段に対する光ビーム光路の位
置に依存するようにしてｆｒｐｍ測定を変化させると会
う認識に基いている。ビーム光路の位置は、例えば次の
２個の変数により、すなわちビーム光路と測定段との間
の最短距離及びビーム光路と測定段を通る固定されてい
る基準方向との間でなす角により表わすことができ、こ
れら未知の変数に加えて、測定されたパルス幅は各測定
について感知の感知ローブの方向ならびに感知ローブの
幅に依存することになる。

未知の変数と共に検出装置によって測定されたパルス幅
と既知のパラメータとの間の関係式を導くに当って、こ
れら関係式からでは未知の変数を明確に表わすことので
きないことが立証されている。従って、測定されたパル
ス幅に関係すると共にローブ方向に対応する多数の測定
値を用いる光路位置の計算が有用であり、反復計算法を
用いて適切に行なうことができる。或は、関係式に基く
計算に先立って表検索を行なうことにより光路位置を決
定することもできる。

前述した基本的な検討において、散乱放射を発生させる
第１の光パルスの長さは無視できる程度に極めて短いも
のと仮定する。この仮定が正しくないならば、光パルス
長も測定パルス幅に影響を与え、この第１のパルス長が
第３の未知の変数として現われることになる。測定値が
少なくとも３個のローブ方向において存在すれば、原理
的にパルス長を測定することができる。−層多数の測定
値を用いれば、他の測定誤差、例えば信号ノイズによっ
て生ずる誤差を除去することができる。

以下図面に基き本発明の詳細な説明する。

第１図において、レーザ送信機をＡ点に配置し、このレ
ーザ送信機から中心が光軸Ｏとして規定される光路に光
パルスを放射する。大気中の粒子との接触によって散乱
放射が、全光路に沿うパルス光から放射される。レーザ
受光器又はレーザローブが光軸に対する一方の側のＦ点
に位置し、レーザ光パルスが受光器の感知ローブに対す
る限界域内に位置する場合散乱放射が受光器によって受
光される。第１図の実施例において、受光器の感知ロー
ブの限界域はＢ点及びＤ点で光軸と交差し、感知ローブ
の中心線は０点で光軸と交差する。Ｆ点に位置する検出
装置によって検出される受光パルス長Δｄ、は、放射が
Ｂ点からＤ点を経てＦ点まで進行する時間とＢ点から直
接Ｆ点まで進行する時間との時間差に等しいから、次式
が成立する。

Δｄ、＝ＢＤ＋ＤＦ−ＢＦ　　　　　　　・・・（１）
この（１）式及び以後の式の誘導において、同一の記号
を用いて２点間の距離すなわち光路長並びに放射がその
距離又は通路を進行する時間を表示する。

レーザローブの光軸に対する位置は、測定点Ｆを通る基
準線Ｒに対して定められる。レーザ光路は２個の変数に
より一層詳細に決定され、一方の変数は基準線Ｒと光軸
０とのなす角度φであり他方の変数は光軸Ｏと測定点と
の間の最短距離ｄ０である。光軸と測定点との間の最短
距離は測定点を通る光軸に対する法線に沿い、この法線
はＥ点で光軸と交差する。従ってφ及びｄｏの大きさは
、本発明による方法によって計算されるべき変数となる
。

計算のための既知のパラメータは、受光器の感知ローブ
の中心線と基準ｉＲとの間でなす角度α及び感知ローブ
の感知角である。第１図では、感知ローブの角度を２Δ
θで示す。更に、第１図のθは感知ローブの中心線とレ
ーザ光路の光軸とのなす角度である。この角度θは未知
であり、ｄｏ及びφを計算するための数学的関係を決定
する場合に用いられる補助的な大きさを示す。

第２図は測定点Ｆに配置されている光怒知検出装置の基
本構成を示す。この検出装置は図面上集光レンズＨで表
わしたレンズ系、検出器プレートＮ及び増幅器Ｐで構成
される。電流■が増幅器Ｐの出力部に現われ、この電流
は単位時間当り検出器プレート、すなわち２Δθで規定
される感知ローブで捕獲された多数の光子を表わす。更
に、回動機構（図示せず）が設けられ、この回動機構に
よって感知ローブは所定の面内で異なる角度位置を占め
ることができる。この回動機構は検出器全体に対する回
動ミラー系或は回動装置を具えることもできる。第１図
において、回動面は紙面と−敗しており、感知ローブを
回動させることにより角度αを異なる既知の値にセット
することもできる。連続的に回動させることができ、こ
の回動速度は光速度に比べて極めて小さいので、各測定
中一定とみなすことができる。

回動可能な感知ローブ及び十分な怒度を存するいかなる
既知の検出装置も測定点Ｆにおける検出装置として用い
ることができる。

光パルスがその光路中光軸０に沿って進行し受光器の感
知ローブがこの光路の方向に向いている場合、光パルス
が感知ローブの範囲内に位置する限り受光器によって散
乱放射を受光することができる。散乱光の受光によって
受光器の電流パルスが増大し、この電流パルスは第３図
に示すように時間と共に変化する。レーザ光路の計算に
用いられる測定値は受光パルスの長さすなわち幅であり
、このパルス幅を図面上Δｄ、で示す。このパルス長又
はパルス幅を各測定毎に決定し角度αの関連する値と共
に記憶する。パルス長Δｄ、及び角度αに関する少なく
とも２個の関連する値が存在すれば、角度θ及び最短距
離ｄ０を計算することができる。更に、測定値を用いて
計算の精度を改良することができる。

基本式は前述した関係式（］）であり、この（１）式は
検出される散乱放射を発生させる最初のレーザパルスを
無視できる条件下において有効である。

計算のために用いられる以下の関係式の誘導において、
光軸上にＧ点を規定し、このＧ点は光軸０上の任意の位
置とすることができる。更に、第１図に基き以下の大き
さを規定することができる。

Ｚ＝ＥＧ Ｌ＝ＡＥ ｄＩ！１＝ＡＧ＋ＧＦ−ＡＥ 放射がある距離に沿って進行するのに要する時間を、距
離自身を表わす記号と同一の記号で示す。

大きさＺは信号の変数であり、このＺはＧ点が放射源Ａ
とＥ点との間にある場合正となり、第１図に示すように
Ｇ点がＥ点よりもＡ点から離れる場合負になる。

上記変数を用いることにより次式が有効になる。

ｔａｎ　　ω＝　ｄ　ｏ／　Ｚ　　　　　　　　　　　
　　　−（３）（２）式からｄｏを取り出しａｏ、”ｚ
を（３）式のｔａｎ　ωで置き換えれば、通常の三角法
の単純化の後次式％式％ （ω＝θ−Δθ）に対するｄｌ、ｌとの差を用いること
により受光パルス長を表わすことができる。

むａｎ　　’／２　　　（θ　±　Δ　θ　）＝（ｓｉ
ｎθ±ｓｉｎΔθ）／（ｃｏｓθ＋ｃｏｓΔθ）　　　
−（５）従って、次式が有効になる。

間車化した後次式が得られる。

Δｄ　ｍ／　ｄ　ｏ＝　２　ｓｉｎΔθ／（ｃｏｓθ十
ｃｏｓΔθ）・・・（６） 角度αは既知であるが、角度θは未知であるため、次の
ように書き表わす。

θ−α−φ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・（力ここで、φは計算すべき角度である。

（７）式を置き換えると次式が得られる。

Δｄ　ｍ／　ｄ　ｏ＝　２　ｓｉｎΔθ／　（ｃｏｓ（
α−φ）＋ｃｏｓΔθ）・・・（８） ｎ番目の測定をｎの符号で表わすものとすれば、（８）
式を書き直した後次式が得られる。

Δｄｌｌｌ、　ｎ／　ｄｏ　＝　２　ＳｉｎΔθ／　（
ｃｏｓ（α０−φ）　＋　ｃｏｓΔθ）・・・（９） 角度φが既知であれば、（９）式からｄｏを決定するこ
とができる。変数φは（９）弐から次のようにして決定
する。

ここで、変数φは不定である。

よって、非線形式０ωの根を正確に表わすことはできな
い。従って、近似法で適合させる必要がある。人、Ｂｊ
６ｒｋ及びＣＤａｈｌｑｕｉｓｔ著の当節”Ｎｕｍｅｒ
ｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ”の表題’　Ｎｏｎ−１１ｎ
ｅａｒｅｑｕａｔｉｏｎ　」には、数個の有用な方法例
えばニュートン　ラプソンズ反復法が記載されている。

上記計算において、レーザパルス長は受光器での受光パ
ルス長より一層小さいものであると仮定した。しかしな
がら、この仮定は必ずしも正しくないない場合がある。

特に、角度θの値が小さい場合レーザパルス長が受光パ
ルス長より優位になる場合がある。従って、実際には、
最小受光パルスが受光器で濾波されたレーザパルスを表
わすものとしばしば仮定する。

角度θの値を決定することができない場合、レーザパル
スを受光器のローブ及び受光器のフィルタでたたみ込む
ことができ、従って近似法によってレーザパルス長及び
残存する大きさを解析することができる。この作業には
多大な計算作業が含まれている。この場合、厳格な精度
が要求されない場合、畳込みを近似法で置換することが
できる。

実際の形態は次のようになる。

ここで、ｄ　、ｌは測定された受光パルス長、ｄＬはレ
ーザパルス長である。すなわち、例えば２個の変数に対
するニュートンーラプソン法を発展させる必要があるこ
とを意味する。

これまでは、測定値は極めて正確であると仮定した。し
かし、必ずしも正確ではない場合がある。

種々の誤差が信頼性に影響を与える場合がある。

基本的な誤差は受光器でのノイズである。けだし、この
ノイズは完全に除去することができないためである。こ
れに加えてパルス長測定法に関連する誤差がある。

２個以上の１ｊｊｌｌ定値を用いてそれらの結果を結合
することによって最終的な誤差を低減することができる
。最も簡単な方法は、２以上の多数の測定値からニュー
トンーラブラン法によって計算する二七である。その後
、最終結果が部分的結果の平均値として形成される。そ
して、明らかに無意味な値を放棄する。しかしながら、
この方法は最良ではない。線形な系について最良な方法
を用いることができる。

前述したように、回動可能な感知ローブを有する検出装
置を用いる場合感知ローブの向きが異なる少なくとも２
個の測定値が必要であり、少なくとも２個のパルスを測
定光路中で通過させる必要がある。しかしながら、検出
装置にわずかな変形を加えることにより、すなわち検出
装置に相互に固定した２個の惑知ローブを装着すること
により原理的に１個の単一パルスで光路を決定すること
ができる。これら感知ローブを異なる方向に向けること
により、精度の高い測定値を得ることができ、光路決定
の精度を改善するのに有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザビーム光路の位置を決定す
る原理を示す線図、 第２図は光パルスによる散乱光を測定する検出装置の構
成を示す線図、 第３図は検出装置で得られる信号の時間に対する変化を
示す時間線図である。 ０・・・光軸　　　　　　　Ｒ・・・基準線Ａ・・・レ
ーザ光源の位置　Ｆ・・・検出段の位置Ｈ・・・集光レ
ンズ系　　　Ｎ・・・検出器プレートＰ・・・増幅器 特許出願人　　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイ
ランペンファブリケン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ビーム光路の一方の側に位置する測定段に光感知検
   出系を具える大気中を通過するパルス状光ビームの光路
   を決定する装置において、前記検出系が、所定の限界ロ
   ーブ幅を有する感知ローブを具える少なくとも１個の光
   感知検出装置を有し、この検出系を、感知ローブを通る
   経路中における光パルスの散乱光の前側端縁と後側端縁
   との間の時間的距離、すなわち散乱放射のパルス幅又は
   パルス長を少なくとも２個の異なる方向で測定するよう
   に配置したことを特徴とする大気中を通過するパルス状
   光ビームの光路を決定する装置。 ２、関連するローブ方向と共同して測定したパルス幅か
   ら光ビームの光路を決定するように構成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の大気中を通過するパ
   ルス状光ビームの光路を決定する装置。 ３、前記検出装置の感知ローブが測定中に回動可能であ
   り、感知ローブの少なくとも２個の異なる角度位置にお
   いて反復するパルス状光ビームの散乱放射のパルス幅を
   決定することを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の大気中を通過するパルス状光ビームの光路を
   決定する装置。 ４、前記検出系が、それぞれ所定のローブ幅を有する２
   個の感知ローブを具え、これら感知ローブが相互に固定
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第
   ２項又は第３項記載の大気中を通過するパルス状光ビー
   ムの光路を決定する装置。