JPH03501652A - Ｋファクターおよび深さの測定値を決定するための方法および装置 - 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】 Ｋファクターおよび深さの測定値を 決定するための方法および装置 発明の背景 この発明は一般的に水および他の媒体の光学的な透明度あるいは透過度を遠隔か ら決定するための、また、水および他の媒体の深さを遠隔的に決定するための方 法および装置に係わる。さらに詳しくいえば、この発明は、散乱減衰係数あるい はにファクターおよび他の媒体の広い領域に対して、遠隔の地点から、かつ短時 間の間に決定するための、また、水および他の媒体の深さを広い領域にわたり、 かつ短時間の期間で遠隔より決定するための新規の装置に係わる。

水の透明度あるいは透過度は、部分的に、散乱減衰係数であるＫとして知られて いるファクターに依存している。

かくして水なる物体に対するにファクターの決定は、巡っては、水の透明度に関 する情報を与える。水の透明度の知識がさまざまの科学的、環境的、また軍事的 な応用に対して実に重要であることは高く評価されるべきであろう。例えば、海 水の透明度に関する情報は海洋学者および海軍の両者にとって重要である。海洋 学者は、この情報が植物プランクトン（有機体）の密度およびその食物連鎖の全 体に対する影響を決定するうえで、また海の有機体が光合成するのに利用しつる 太陽光線を判定するうえで有益であるので海水の光学的透明度を決定することに 興味をもっている同様に、海軍はいくつかの理由で水の透明度の地図を作成する ことに興味を持っている。第一に、可視光線の吸収が、潜水艦と他の潜水艦、海 上の艦船、航空機、あるいは衛星との間で作動することができる、レーザー通信 システムに重大な影響を与えることである。したがって、かかる確実な通信のリ ンクの有効性は地球のいたるところの海水の光学的な特性を知ることに決定的に 依存している。第二に、ある種の非音響性の対潜水艦の軍事行動（ＡＳＷ）の検 知システムの有効性は水の光学的な伝達特性に決定的に依存している。したがっ て、かようなＡＳＷシステムの応用度を判断するには水の透明度のデータを持つ ことが必須である。これは、浅い深さにおいて、また変水層の深さを決定するた めにも重要である。

Ｋファクターは汚染監視においても重要である。水中に溶解している、あるいは 表面に浮遊している汚染物質は正確にかつ短時間に検知しなければならない。さ らに、放出がなお進行中であるとすれば、Ｋファクターの検出が汚染を一次の源 泉に遡って追跡するために使用することができる。

Ｋファクターは、比較的に浅い沼湖、河川、あるいは海洋の底を検出するための 水深測量において利用することができる。これは、例えば河川の流量を知りたい と思っている本文学者にとって利益になる（河川の水深が必要になる）。地図作 成者もまた、安全な航路を提供するために海岸線あるいは港の近（の海洋の地図 を作成することに非常に興味を持っている。

残念なことには、Ｋファクターの読みならびに水の深さを遠隔の地点から（例え ば、飛行機によって）広い領域にわたり十分な精度で非常に短時間に費用的に非 常に有効な方法で決定する手法は現在のところ知られていない。先行技術による にファクターを確かめる方法は煩わしくて時間を浪費するワイヤ・ライン装置を 代表的に利用している。

かようなワイヤ・ライン装置は、また、広い領域ではな（て限られた領域のＫを 確かめることに限られている。

及豆立ヱｊ： 先行技術の、上に論じた、また他の欠点や欠陥は、非常に広い領域にわたる、ま た比較的に短時間でにファクターの遠隔検出のための、また深さを決定するため の本発明の新規の装置によって克服され、あるいは軽減される。本発明に従えば 、パルスの幅がナノ秒のオーダーである短い（例えば約１０ｎｍ以下の）光のパ ルスを発生させるためにレーザーが用いられる。このレーザー光線は、光学装置 によって拡大され水の表面へと投射される。強化されたＣＯＤ　（ｃｈａｒｇｅ 　ｃｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ；電荷結合素子）の撮影機を適当な時間遅れの後 に電子的にシャッターを作動し、撮影機によって形成された映像は、距離Ｚで厚 さがΔＺの層から水によって後方散乱された光から構成されている。撮影機によ って検出された信号はＳｌである。もし、知られた時間遅れの差においてＳｌの いくつかの測定値がめられており、距離ゲートＺ＋の差もまた知られているよう なものであれば、Ｋを計算することができる。媒体（例えば水）の表面から反射 と媒体の底部からの反射の間の時間遅れＺを決定することにより深さが測定され る。

Ｉ　ＣＤＤ撮影機は、重要な領域にわたって迅速にかつ効率的な方法でＫの地図 を作成するために用いることができる多くのビクセル（画素）を持っているべき である。が（して、ｘ、ｙおよびＺ座標におけるＫの局地的な変化を決定するこ とができる。それぞれの（最影機のピクセルに対して距離あるいは深さによって Ｋがどのように変化するかを見いだすためにコンピューターによるデジタル映像 処理を用いることができる。

後方散乱する媒体の減衰係数は、かように、媒体の物理的形状とは無関係に、本 発明の方法によって見いだすことができる。この媒体には水、水蒸気、霧、煙、 氷、雪、エアロゾル（煙霧質）、塵埃などを包含することができる。

ただ一つの必要条件は媒体がいくつかの撮影機のグー１−幅（２ΔＺ以上）に対 応して、ある距離の規模にわたって光を部分的に通過させることである。

この技法において通常の技術を有する人たちは以下の詳細な説明と図面から、本 発明の上に論じた、また他の特徴および利点を高（評価し理解するであろう。

図面の簡単な説明 いま図面について言及するにあたり、いくつかの図において同じ要素は同様に番 号を付けである。

第１図は本発明に従ってにファクターを決定するためのシステムの概要ブロック 図である。

第２図は第１図のシステムで用いられるパルス化レーザーの概要図である。

第３図は第２図のレーザーからの単一のパルスの空間的な概要の図である。

第４図は第１図のシステムとの関連で用いられるＣＣＤの撮影機の概要図である 。

第５図は本発明から得られたＫと先行技術のにメーターから得られたＫとの比較 のグラフである。

第６図は第１図のシステムから展開されたＫのグラフである。

日を　するための々ましい升多態 本発明は、広い領域にわたって散乱減衰係数あるいはにファクターを確かめるた めの遠隔探知装置に係わる。この探知装置は、また水および他の媒体における深 さをも遠方から確かめる。第１図についていえば本発明は一般に、パルス化可視 波長レーザー１０、高速ゲート化テレビジョン撮影機１２、レーザー１０および 撮影機１２制御するための制（卸電子装置１４、ビデオ（画像）処理装置１６お よびＣＲＴ装置１８より構成されている。

レーザーｌＯから光のパルスが放出されたとき、レーザー光線を円錐状に拡大さ せるために負の焦点距離を有するレンズ２０を通って光が通過し、これは水の表 面２２上の一点を照射する。撮影機１２にあるシャッターは適当な時間遅れのの ち短時間開放され、その結果、撮影機とレンズによって形成された映像が、表面 下の深さあるいは距離ＺでΔＺの厚さの層からの、水によって後方散乱された光 から構成される。

撮影機からの信号は次にビデオ処理装置１６において処理され、Ｋファクターあ るいは深さのいずれかを決定しＣＲＴ　（１８）上に表示される。

レーザーの波長における後方散乱媒体の散乱減衰係数は−Ｍににファクターとし て知られている。表面下の深さＺにおける放射照度は次によって与えられる。

Ｉ　（ｚ）＝Ｉ。ｅ　−Ｋ　ｌ　（ｔ　）ここにＩｏは水（これは深さＺと比較 して広い領域にわたるものと仮定する）に入射する光の表面放射照度（Ｗ／ｍ” ）ここに０は入射角に比例する１８０°における散乱係数である。

水の表面において水の層の有効放射輝度（Ｗ／ｍ２／ｓｒ）は次によって与えら れる。

ここに工。＝水面における源泉の放射照度である。どのような表面反射損失も、 あらゆる表面下の距離ゲート（Ｚ）に対して小さくまた等しいことに留意された い。

かように深さの関数として、距離Ｚ、において撮影機によって検出される信号は 、 Ｓ１＝定数、　ｅ−２Ｏ２（４） ここに定数は、距離ゲート深さｚｌのい（つかの数値における測定の間じゆう一 般に一定のままであるσ、■。、ＫおよびΔＺによって変化する。

知られた時間遅れの差において、い（つかの（少な（とも２つの）Ｓｌの測定値 が得られており、その結果Ｚｉ。

の差も知られていると想定する。この場合法のことにより１くを見いだすことが できる。

ｉｎ　Ｓ＋　＝−２Ｋ　Ｚ＋　＋　ｃ’　（５ａ）１ｎ　Ｓ＋　＝−２Ｋ　ｚＪ ＋　ｃ’　（５ｂ）ここにＣ′は定数で、Ｚ、は第一の距離における測定値であ り、Ｚｌは第二の距離における測定値である。

（５ａ）から（５ｂ）を引くと １ｎＳ　、　−１ｎＳ、＝−２Ｋ　（ｚ、−ｚＪ）　（６１かくしてＩｎ（Ｓｉ 　／５Ｊ）＝−２ｋ　（ｚ：　−Ｚ＝　）　（７）もちろん、深さ２に関係なく Ｋが一定であることが確認されるならば、（ｊ−ｉ＋１）セットの強度の比率と 深さの差の平均を計算することができる。二者択一的に、Ｋはその対応する平均 の深さく１／２（ｚ　＋　＋　ｚ　＝））における強度の測定値のそれぞれの対 について、深さに対するＫの変化が明らかであるように算出することができる。

水面の閃光からの、まｌ：：水なる物体の底からの、より明る（なった信号の戻 りを検出することによっても水深測量法を行なうことができる。２つの信号の間 の時間遅れては斜めの距離の深さＺに比例して４６つ、ここにＣは真空中の光速 であり、ｎはレーザー波長における水の屈折率である。例えば、５３２ｎｍにお ける海水に対して、ｎ　＝　１．３３でｃ　／　２ｎ＝　１１．２７ｃｍ　／　 ｎｓである。Ｉｎｓをタイミングとする測定の精度において、これは１１ｃｍの 近似的な深さの測定精度に対応する。

後方散乱する媒体の光学的深さは１／につまりに一’である後方散乱する媒体の 減衰係数（あるいは光学的深さ）は、媒体の物理的な形状に関係な（、この方法 によって見いだすことができる。それは水、水蒸気、霧、煙、氷、雪、エアロゾ ル、塵埃などであってもかまわない。唯一の必要条件は、媒体がいくつかの撮影 機のゲー）・幅（＝２ΔＺ）に対応する、ある距離の規模にわたって部分的に光 を通過させることである。かくして、本発明を水なる物体との関連で説明してき たが、この方法と装置は他の後方散乱する媒体についても同様に使用することが できる。

絶対的な光度測定は要求されないが、光電検出器の線形性が必要である。式（８ ）に示すように、２つの強度信号の比率を撮影機の前に狭いスペクトルのフィル ターをつけて測定しなければならない。昼夜にわたる操作も同様に行なうことが できる。

重要な領域にわたって迅速にかつ効率的な様態で、Ｋの地図を作成するために、 多くのピクセルを何するテレビジョン撮影機を用いることができる。かくしてｘ 、ｙおよびＺ座標における局部的なＫの変化を決定することができる。これは、 河川、港湾、海洋などにおいて汚染源（化学物あるいは廃液の放出）の位置決め をするのに有益である。

撮影機のそれぞれのビクセルについて距離あるいは深さによってＫがどう変化す るかを見いだすために、コンピューターによるデジタル映像処理を用いることが できる。

第１図に図示する本発明を、これよりさらに詳細に説明する。以下の説明は、望 ましい具体化装置についてのものであること、また、特別の構成要素のモデル、 製造者および同様の詳細は例示にすぎないことを認められたい。

ニニム土２ニゴ：： 本発明の装置に使用する望ましいレーザー装置は、１１０６４ｎで赤外線の短い パルスを放出するスペクトラ・フィジックスＤＣＲ−４のパルス化Ｎｄ：ＹＡＧ レーザーである。

このレーザーは１周波数倍増クリスタルを内蔵する調波発生器を使用することに より緑（５３２ｎｍ）において操作される。調波発生器はレーザー用の空洞の出 口ボートの前面に外部に取り付けである。最初のレーザーのパルス（１０１０６ ４ｎがクリスタルに衝撃を与える角度は、調波発生器を出す■Ｒに対する緑の光 線の百分率が変化できるように微細に調節することができる。一般に、調波発生 器は、およそ５０％の効率があり、したがって緑における出力の大きさは赤外線 の入力の大きさの約半分である。

第２図に示すように、パルス化Ｎｄ：ＹＡＧのレーザーは、高いエネルギー、良 好な安定性、良好な光束の品質、および高度の空間干渉性を提供する回折結合型 の空洞共振器３６を使用している。Ｎｄ：ＹＡＧのロッドは高電圧の閃光灯３８ を使用することにより光学的に励起される。出力カブラ−（前面レンズ４０）に は凸面状の基体の中央に位置する高い反射率のドツト４２が一つである。後部の 鏡４４は光束を平行にする凹面状の高反射体でＮｄ　：　ＹＡＧのロッドの熱レ ンズ作用を補償する。平行にされた光束は、その出口通路にあるロッドを通過し 、光は前面の出力カブラ−に配置されたドツトの端部のまわりを回折する。これ は第３図に示すように、特徴的な「ドーナツ」空間形状を生み出すパルスの一時 的な輻を調節するために、マルクス・バンドおよび四分の一波長板との関連でＱ スイッチ（ポッケルスのセル）が使用されている。エネルギーの最初の貯えは四 分の一波長板によって達成される。光のパルスは非常に高速度の、高電圧の波形 をポッケルスのセルに加えることによって形成される。

この発明の装置に使用されているＮｄ　：　ＹＡＧレーザーこの望ましい出力仕 様は、 ５３２ｎｍにおけるパルス幅　Ｌ９３ｎ秒５３２ｎｍにおけるパルス・エネルギ ー４５５０ミリジュールパルス繰り返し速度　１５　Ｈｚ 出力パルス・シック　く同期パルスからレーザーは内臓の冷却装置の使用によっ て外部冷却される。さらに空洞はすべて空気パージされている。冷却装置、電子 装置、およびパージ装置はラック取り付は可能な別途の動力供給装置の中に収め られている。ケーブル、空気ライン、水ラインはすべて１０フイートの導管索に よってレーザー・ヘッドおよび動力供給装置に接続されている。レーザーは２０ ８Ｖ、　６０１（ｚの単相電源で、あるいは１２０／２２０Ｖ（１）電源で操作 することができる。

ｍ　’ 本発明の望ましい装置は第４図に示すようにマルコ・サイエンティフィック・モ デル２０１の撮影機を使用している。この撮影機に使用されている映像センサー ４６はＣＣＤ電子装置パッケージによって駆動されるトムソンＣＳＦモデルＴ　 Ｈ−７８８２−Ｆ　Ｏの電荷結合素子（ＣＣＤ）である。

この特別のＣＣＤは、センサーを増幅管に結合するために使われている光学ファ イバー・ウィンドー４８を特徴としている。増幅管５０は光の増幅器として、ま た高電圧増幅器５２によって駆動される超高速シャッターとしての機能をはたし ている。この撮影機はまた、その圧力が標準モニター１８上で表示のために、ま た付加的な映像処理のためにＲＳ　１７０アナログ信号に変換される、組み込み のデジタル・フｌ／−ム・ストア／スキャン変換器５８をも含んでいる。

増幅管５０は２ゲーン・ステージをもつＤＥＰモデルＸＸ１４２０である。第一 のはマイクロチャンネル・プレート（ＭＣＰ）付きのＧ　ｅ　ｎ　ＩＩタイプの 増幅器である。第二のはＧｅｎＩの近接焦点ダイオードである。正味の輝度ゲー ジは呼称１００，０００である。管の５−２０光電陰極は撮影機全体に対してス ペクトル応答を明確にし、量子効率限界を約７％に設定する。管の後端における 陽極蛍光体はＣＣＤセンサーに光学ファイバー的に結合されている。撮影機本体 にある制御スイッチによって増幅ゲート幅の選択が１０．２０あるいは４０にで きる。これは撮影機に対する露出設定と等価である。

使用しているＣＣＤは新規のフレーム移送装置である。

以前より知られているＲ　Ｓ　１７０の互換性フレーム移送装置においては通常 、映像は映像エリア上で統合されて、しかるのちＣＯＤの隣接の記憶領域にシフ トされる。それぞれの新しいＴＶラインとともに、水平レジスターが記憶された 情報を外にシフトさせる。通常のＴＶはインター１７−ス・モードで作動するの で、奇数と偶数フィール゛ドの間の位相のシフトがＣＣＤを一種のインターレー ス読み取りモードで作動することを可能にする。これらの以前の装置では、記憶 領域がセンサーの半分を占め、エレメントの半分しか実際に光を統合しない。本 発明のモデル２０１撮影機において使用されているセンサーが、光の統合のため のチップの領域全体を使用しており、そのようなわけであるから、標準のＲＳ　 １７０の操作とは一般に互換性がないことを認めることは重要なことである。こ れより以降に論じるように、極限のシステムの感度に関して１００％の感度チッ プ領域を有すことは際立った利点がある。

ＣＣＤは連続フォーマット状の２３マイクロメーター平方のビクセルのライン５ ６８本×３８２カラムを特徴としている。この配列のうち呼称５１２本のライン のみが標準ビデオ・モニターでのディスプレーのために正しいアスペクト比（横 縦比）を達成するのに用いられている（４：３のアスペクト比）。最大信号対ノ イズ比をめるゆえにまた、空間解像度に対する限定された必要条件によって、モ デル２０１の撮影機はビクセルのビン化を利用している。ステージが再言明され る前に水平レジスターは２つのチャージ・パケットをそれぞれのチャージ検出ス テージへとシフトさせ、４本のＣＣＤラインが水平シフト・レジスターへとシフ トされ、そして移送の前にまとめられる。このようにして、有効な配列は９２μ ｍ　Ｘ　４６μｍを測定する要素（ビン）のライン１２８本×１９１カラムにな る。これらのビンの各々は単一のビクセルとしては同じ読み取りのノイズ限界を 所有しているが、８×の信号を集める。ビン化はかように約２．８のＳＮＲにお ける改善を与える。

前に述べたように、ここに使用しているＣＯＤは標準のＲＳ　１７０のビデオ出 力とは一般に互換性がない。本発明の映像化ライダー・システムにおいては、相 応しいビデオ出力を達成するのに以下の手順が生じる。

（１）ＣＯＤが、暗い電流の増大を清明にするために水平シフト・レジスターの 連続的な下方シフト化を受けている。

（２）外部のトリガー信号が露出を始動させるために増幅器のスイッチを入れる 。この信号を受け取るとＣＯＤのシフト・モードは中断されて、次の３．２ｍ秒 の間、ＣＣＤは統合モードになる。３．２ｍ秒は蛍光体の残光が短い（２０〜４ ０ｎ秒）の露出のも５％以下に減衰し、かくしてＳＮＲのＲ適化に役立つ。

（３）　３．２ｍ秒の最後に、ＣＯＤは読み出し取りモードに切り替えられて、 それぞれのビンに対する累積チャージがデジタル・フレーム・ストアに読み込ま れる。

データのデジタル化に加えて、フレーム・ストア内でフォーマットの操作が起こ り、その中でセンサーの映像が有効的に９０度回転される（すなわちカラムがロ ーに、またその逆に）。センサーの３：４のアスペクト比は今や標準ビデオ・モ ニターの４：３のアスペクト比へと適切に描きかえられる。このプロセス全体は ８．２ｍ秒かかる。

（４）フレーム・ストアへの読み出しが完了すると、ｃｃＤは連続シフト・モー ドに切り戻して、次の増幅器トリガーが受け取られるまで暗い電流の増大を排除 する。

Ｄ／Ａ変換器は複合ビデオ（画像）・フィールドとしてフレーム・ストア情報を 出力する。このフィールドはフレーム・ストアが更新されるまで６０Ｈｚで繰り 返される９合成ビデオにおける交番フィールドは全く同一であるのだが、従来の 方法でインターレースされる。信号がセンサーにおいて統合および読み出しを始 めるために受け取られる度ごとに、合成ビデオ上で単一のブランク・フィールド が創成される。統合および読み出しのための合計時間（３，２＋８゜２ｍ秒）が フィールド間隔（１６，６７ｍ秒）以内であることに留意されたい。ビデオ・フ ィールドがライン１９０本から構成されていることは注意すべきことである。１ ９０本のあとは、フレーム変換器は標準のＴＶ表示モードに切り変わり、残りの ラインを黒で表示する。

これまでに撮影機の制（Ｈの特徴のいくつかを述べてきた。これらには撮影機本 体における入力による外部ゲート化トリガーおよびゲート幅制御スイッチ（１０ ，２０あるいは４０ｎ秒）が含まれている。また、撮影種本上には３つの出力が ある。データ・モニターは像幅管へ進行する、高電圧ゲート化パルスの分割され たレプリカを示す。フレーム・シンク・アウトは、合成ビデオにおける奇数フィ ールドの開始を表示する１、９８μ秒の幅のＴＴＬの負のパルスであり、か（し て３０Ｈｚで発生する。フィールド・シンク・アウトは、再追跡ブランク（ある いは垂直のフライバック）を表示する１、　３３ｍ秒のＴＴＬの負のパルスであ り、合成ビデオの各々のフィールドの間で６０Ｈｚで発生する。ラック取り付は 可能な電源供給装置が撮影機の電子装置の低電圧の電力を供給し、また増幅管の ２つのステージに対して必要な高電圧をも供給する。電源供給装置の前面パネル には、高電圧の手動制御のための電位差計の制御装置がある。これは管を通過す るデータを変化させ、かつモニターするために用いられる。望ましい具体化装置 においては、データをフィールド・レートに自動的に修正するために自動データ 制御回路が用いられる。

第１図について言えば、本発明の装置に対するタイミング制（卸の概要図が示さ れている。タイミング計画における主要な要素は撮影機１２およびスタンダード ・リサーチ・モデルＤ　Ｇ　５３５型デジタル遅れ発生装置１４である。撮影機 から来る３０Ｈｚのレーム・シンク信号は１５Ｈｚに分割され、レーザーを励起 するために用いられる（第１図を参照）。フレーム・シンク信号が奇数フィール ド間隔の最初に撮影機の合成ビデオの中で発生することを思い起されたい。レー ザーの出力パルスは励起ののち約２５０μ秒で創成される。水面からのレーザー 閃光の戻りはアンチル・オブトロニクスＡＲＸ−ＳＡの高速度電子なだれ光電検 出器２０によって検出される。操作装置において予想される台の高さが与えられ れば、閃光の検出は一般にレーザー・パルスが出たのち１μ秒のオーダーになろ う。光電検出器の信号はモダーン・インストルメント・テクノロジーＦ−１００ Ｔパルス・プリアンプおよびノイズ弁別装置２２を用いて条件付けられる。Ｆ− １００Ｔの閾値はノイズ・レベルより上で、かつ信号ソースの線形領域に沿って 設定される。信号ソースが闇値レベルに達したときに、１００ｎ秒幅のＴＴＬパ ルスが出力される。このＴＴＬパルスはスタンフォードの遅れ装置１４を励起さ せる。このパルス・タイミング発生装置１４は装置に対する１次のタイミング制 御装置でＣＣＤ撮影機１２のための増幅ゲート化を励起させるために用いられる 。これは（６６２／３ｍ秒−装置遅れ十所望の水深さ遅れ）の遅れに対して設定 される。この故に、撮影機は以前に検出された閃光パルスにおいて実際に励起さ れる。装置の遅れは１３０ｎ秒のオーダー辺りになろう（すなわち、撮影機ゲー トの伝播遅れ４０μ秒、スタンフォードの伝播遅れ８５μ秒、およびケーブル長 さのような他の遅れが＜５ｎ秒）。これらの遅れは正確に測定することができ、 ＜Ｉｎ秒のジッタ仕様を有しているはずである。スタンフォードは、その内部の 時間基準の発振機を用いて多くのミリ秒の間パルスを非常に正確に遅らせる能力 がある。ＲＭＳジッタ仕様は次のように定義されている：　（５０ｐ秒＋遅れＸ 　ＩＯＥ　−８）。例えば、７０ｍ秒のオーダーの遅れは０．７ｎ秒のＲＭ　Ｓ ジッタ仕様を有している。装置がいったん較正されれば、遅れは水面からの距離 に関係なくなる（すなわち、装置は変化する台の高さを自動的に追跡する。しか し、これは、事象が１５）１ｚの＋／　ツブ・レートにおいて＜２ｎ秒以内まで に正確に開始されることを必要とする。

これは、ＣＣＤ撮影機のフレーム・シンクが＜ｉｎ秒まで安定しており、かつＴ ＴＬ入力から参照されるレーザーのジッタが＜Ｉｎ秒まで安定している場合のみ に可能である。

全ての他の奇数のビデオ・フィールドの最初において、一つの事象が開始される （すなわち、レーザーが１５Ｈｚでパルス化される）、レーザーの戻りが検出さ れ、次の事象（１）−ザー・パルス）において与えられた水の深さに対して所望 の時間に撮影機をゲート・オンさせるにおいて往復のパルス移送時間が勘定に入 れられる。このゲート化は、常に、交番する奇数のビデオ・フィールド間隔の最 初の数百μ秒の間に起きる。次に、センサーの統合および読み取りが、それぞれ ３．２μ秒、　８．２μ秒の間、生じる。増幅器ゲート化、センサーの統合、お よびセンサーの読取りが生じる場合には、このフィールド間隔の間にブランクの 合成ビデオ・フィールド全体が撮影機のフレーム・ストアから読み取られる。順 次に起きる３つのビデオ、フィールドは、撮影機のフレーム・ストアから読み出 されたものと同等の、とらえられた事象の表示になる。この時間の間、撮影機ト リガーが新しい事象を開始させるのを待ち、ＣＣＤからの暗い電流を連続的に清 明にする。つぎのトリガーは常に、連続する合成ビデオ・フィールド間隔の４番 目の最初近（に起き、このサイクルが繰り返される。

炙ムエ処Ｉ芸１； 増幅されたＣＣＤ撮影機からのＲＳ　１７０信号は、まず、単色のビデオ・モニ ター（コーク・モデル９０２９Ｂ　／２Ｒ）を通ってバッチされ、次に映像処理 装置の入力へと送られる。映像処理装置１３は、距離の関数として測定された強 度に基づいて、映像における各々のビクセルをデジタル化するコンピューターで 、各々のビクセルに対してにファクターを算出し単色の強度としであるいは着色 した（本当の色とは異なる）絵としてそれを表示する。

最ニ　のレンズ゛′−系： 本発明の装置は、随意選択的に、バンドパス・フィルターおよび偏向フィルター を含むある種の小さい光学フィルターを固有することができる。２つの誂えのバ ンドパス・フィルター２４を装置に使用することができる。最初の対は、　２５ ｍｍｆ／、８５フジノンＴＶレンズの使用のために標準および５２ｍｍ写真フィ ルターのホルダーに取り付けられている。

これらのレンズの視界は２０１の半視界である。したがって、これらのフィルタ ーの中央波長およびバンド幅は、バンド幅を最小化しなから５３２ｎｍにおける 伝達を全視界にわたって可及的に均一にするために、それぞれ５３７ｎｍおよび １１．８ｎｍに作られている。第二のフィルター２４は焦点距離７５ｍｍｆ／１ ．０コーワ・レンズに結合された特性のフィルター取り付は台に取り付けられて いる。このフィルターは直径が３゜５“で厚さ、　３３５”である。これらのフ ィルターの中央波長およびバンド幅は、コーツのｌ／レンズ７°の半視界にわた って５３２ｎｍでの伝達を可及的に均一にするために、それぞれ５３２、６ｎｍ および１．４ｎｍに作られている。

感度を抑えるために、あるいは眩しさを感じるために一対の偏向フィルター２４ を取り入れることもできる。

Ｋファクターの検出のための本発明の方法および装置は問題な（試験されており 、本発明によって決定されたに値と商業的に利用しつる水中放射照度の放射系（ バイオスフエリカル・インストルメントのモデルＱ　Ｓ　Ｔ−１７０）を用いた 測定によるものとの間に絶妙な一致が認められている。

第５図は浸漬式光度計の現地の測定値との完全に近い一致から推論された、本発 明のにメーターの絶妙な精度を映しだしている。本発明の装置によって引き出さ れたデータの例を第６図に示す。傾斜は、表面下４メートルの辺りでＩく＝　０ ．６１ｍ−’からＫ　＝　１．ＯＯｍ−’　まで変化している。

本発明の方法は水の清澄度を確かめ、汚染を監視するためのにメーター（式８を 用いる）として、また、深度測定の技法（式９を用いる）において使用すること ができる。

例えば、海洋学者はフォトプランクトン（ｐｈ、！／１ｏｐｌａｎｋｔｏｎ） （有機体）の密度を、また食物連鎖に対して与えるそれの影響を決定するために 、また海の有機体が光合成に利用しつる太陽光線を決定するために、海水の光学 的透過率を決定するために本発明を利用することができる。海軍も、レーザー通 信ネットワークを維持するにおいて、また、ある種の非音響的な対潜水艦の軍事 行動の検知システムにおいて重要である水の清澄度の地図を作成するために、本 発明を使用することができる。

本発明の映像化ライダーにメーターを用いて、水中に溶解している、あるいは水 面に浮遊している汚染物質を検出することができる。航空機から装置を操作させ ることによって汚染物質を検知することができるので、もし排出がなお進行中で あるならば、汚染物質を一次の源泉に遡ることができる。これは海洋において、 あるいは淡水の沼湖および河川において行なうことができる。油の流出を容易に 検知することができ、規則的な格子点で集めた水のサンプルから濃度を測定する よりも容易なやり方で、この汚染の拡散の範囲を判定することができる。

本発明は、水が適当に浅い場合においては、沼湖、河川、あるいは海洋の底をも 検知することができる。表面の閃光と底の反射の両方を検出することにより、映 像における各々のピクセルに対して水深の読みを行なうことができる。これは、 例えば、河川の流量を知りたいと思っている本文学者にとって利益になることで ある。流量は一般に、河川の断面積に流速を乗じることによって決定する。した がって水深測量法は水の深さを水平位置の関数として決定し、それから断面積を 計算することができるので有益である。同様に、地図製造者は安全な航路を提供 するために、海岸線および港湾に近い海洋の深さの地図を作成することに実に興 味をもっている。

かように、本発明によって意図されるような航空機による映像化ライダーは、広 い領域にわたって、十分な精度で、非常に短時間でかつ費用的に非常に効果的に 、煩わしくて時間を浪資するワイヤ・ライン装置をめる必要もな（、Ｋファクタ ーの読みならびに水深を与えることができる本発明を単一の撮影機を用いて説明 してきたが、代替的な方法として単一の１７−ザー・パルスによって複数の距離 から後方散乱された光の測定のための複数の撮影機を利用するものがあり、かく して１（ファクターの測定が行なわれる速さを増すことになる。もちろん、この 代替の具体化装置に対する欠点は追加のハードウェア（例えば撮影機）が必要に なることである。

望ましい具体化装置を示し説明してきたが、発明の精神および範囲からは離れる ことな（、さまざまな改造型や代替型をこれに付は加えて作ることができる。結 果的に、本発明が実例によるやり方で、制限的なやり方でな（説明しできたこと を理解されたい。

浄書（内容に変だなし）

Claims (51)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも部分的に光を透過させる、後方散乱する媒体における散乱減衰係 数あるいはＫファクターを測定する方法において； 光のパルスを選択的に発生すること； 前述の光の短いパルスを後方散乱する媒体に向けて投射すること； 前述の光のパルスの、前述の媒体との間の往復伝播に対応する時間遅れの後に、 前述の媒体から反射されて戻った前述の光のパルスを検出すること； Ｋファクターを決定するために前述の検出された光のパルスを変換すること； の段階を含む方法。
2. ２．前述の短い光のパルスがパルス化レーザーの手段によって発生される請求の 範囲１の方法。
3. ３．前述の短いパルスが約１０ナノ秒未満のパルス幅より構成される請求の範囲 １の方法。
4. ４．光学的な手段を用いて前述のパルスを方向付けることにより前述の発生され た光のパルスを拡大することを含む請求の範囲１の方法。
5. ５．前述の発生された光のパルスをフィルターすることを含む請求の範囲１の方 法。
6. ６．前述のパルスの光をフィルターするためにバンドパスフィルターを使用する ことを含む請求の範囲５の方法。
7. ７．前述の光のパルスが少なくとも１台の撮影機の手段によって検出される請求 の範囲１の方法。
8. ８．前述の光のパルスが複数台の撮影機の手段によって検出される請求の範囲１ の方法。
9. ９．前述の撮影機の手段が増幅された電荷結合素子（ＣＣＤ）のセンサーを含む 請求の範囲７の方法。
10. １０．前述の撮影機の手段がさらに 光学ファイバー・ウィンドーの手段；および増幅管の手段、前述の増幅されたＣ ＣＤのセンサーを明確にするために前述のＣＣＤセンサーを前述の増幅管の手段 に結合させる前述の光学ファイバー・ウィンドーの手段；を含む請求の範囲９の 方法。
11. １１．前述の検出された光のパルスを陰極線管の手段に表示することを含む請求 の範囲１の方法。
12. １２．Ｋファクタ−が次の式 Ｋ＝（ｌｎ（Ｓｉ／Ｓｊ）／２（ｚｊ−ｚｉ））ここに、ｚｉ＝第一距離におけ る測定値Ｚｊ＝第二距離における測定値 Ｓｉ＝距離ｚｉにおいて検出された信号Ｓｊ＝距離ｚｊにおいて検出された信号 によって決定される請求の範囲１の方法。
13. １３．少なくとも部分的に光を透過させる、後方散乱する媒体における散乱減衰 係数あるいはＫファクターを測定するための装置において； 短い光のパルスを選択的に発生させるための発生の手段前述の短い光のパルスを 後方散乱する媒体に向けて投射するための投射の手段； 前述の媒体との間で前述の光のパルスが往復する伝播の時間に対応する時間遅れ の後に前述の媒体から反射されて戻ってきた前述の光のパルスを検出するための 検出の手段；および Ｋファクターを決定するために前述の検出された光のパルスを変換するための変 換の手段； より構成される装置。
14. １４．前述の発生の手段がパルス化レーザーの手段を包含する請求の範囲１３の 装置。
15. １５．前述の短いパルスが約１０ナノ秒未満のパルス幅を包含する請求の範囲１ ３の装置。
16. １６．前述のパルスを光学的な手段を用いて検出することにより前述の発生され た光のパルスを拡大するための手段を含む請求の範囲１３の装置。
17. １７．前述の発生された光のパルスをフィルターするための手段を含む請求の範 囲１３の装置。
18. １８．前述のフィルターの手段がバンドパス・フィルターの手段を包含する請求 の範囲１７の装置。
19. １９．前述の検出の手段が少なくとも１台の撮影機の手段を包含する請求の範囲 １３の装置。
20. ２０．前述の検出の手段が複数台の撮影機の手段を包含する請求の範囲１３の装 置。
21. ２１．前述の撮影機の手段が増幅された電荷結合素子（ＣＣＤ）のセンサーを含 む請求の範囲１３の装置。
22. ２２．前述の撮影機の手段がさらに； 光学ファイバー・ウィンドーの手段；および増幅管の手段、前述の増幅されたＣ ＣＤのセンサーを明確にするために前述のＣＣＤセンサーを前述の増幅管の手段 に結合させる前述の光学ファイバー・ウィンドーの手段；を含む請求の範囲２１ の装置。
23. ２３．前述の検出された光のパルスを陰極線管の手段に表示するための手段を含 む請求の範囲１３の装置。
24. ２４．前述の後方散乱する媒体が水であり、また前述の光のパルスが水の表面に 向けて投射される請求の範囲１３の装置。
25. ２５．Ｋファクターが次の式 Ｋ＝（ｌｎ（Ｓｉ／Ｓｊ）／２（ｚｊ−ｚｉ））ここに、Ｚｉ＝第一距離におけ る測定値；Ｚｊ＝第二距離における測定値； Ｓｉ＝距離Ｚｉにおいて検出された信号；およびＳｊ＝距離Ｚｊにおいて検出さ れた信号；によって決定される請求の範囲１３の装置。
26. ２６．少なくとも部分的に光を透過させる、後法錯乱する媒体において傾斜距離 深さを決定する方法において；短い光のパルスを選択的に発生させること；前述 の短い光のパルスを後方散乱する媒体に抜けて投射すること； 前述の媒体との間で前述の光のパルスが往復する伝播の時間に対応する時間遅れ の後に前述の媒体から反射されて戻ってきた前述の光のパルスを検出すること； 媒体の表面からの反射と媒体の底からの反射との間で時間遅れτを測定すること ；および 前述の時間遅れを傾斜距離深さに変換すること；の段階を含む方法。
27. ２７．傾斜距離深さが下記の式 ｚ＝（２ｃ／ｎ）τ ここに、ｚ＝深さ； ｃ＝真空中における光の速度；および ｎ＝媒体のレーザー波長における屈折率；で決定される請求の範囲２６の方法。
28. ２８．前述の短い光のパルスがパルス化レーザーの手段によって発生される請求 の範囲２６の方法。
29. ２９．前述の短いパルスが約１０ナノ秒未満のパルス幅より構成される請求の範 囲２６の方法。
30. ３０．光学的な手段を用いて前述のパルスを方向付けることにより前述の発生さ れた光のパルスを拡大させることを含む請求の範囲２６の方法。
31. ３１．前述の発生された光のパルスをフィルターすることを含む請求の範囲２６ の方法。
32. ３２．前述の光のパルスをフィルターするためにバンドパス・フィルターの手段 を使用することを含む請求の範囲３１の方法。
33. ３３．前述の光のパルスが少なくとも１台の撮影機によって検出される請求の範 囲２６の方法。
34. ３４．前述の光のパルス複数台の撮影機によって検出される請求の範囲２６の方 法。
35. ３５．前述の撮影機の手段が増幅された電荷結合素子（ＣＣＤ）センサーを含む 請求の範囲３３の方法。
36. ３６．前述の撮影機の手段がさらに 光学ファイバー・ウィンドーの手段；および増幅管の手段、前述の増幅されたＣ ＣＤのセンサーを明確にするために前述のＣＣＤセンサーを前述の増幅管の手段 に結合させる前述の光学ファイバー・ウィンドーの手段を含む請求の範囲３５の 方法。
37. ３７．前述のパルスを陰極線管の手段上に表示することを含む請求の範囲２６の 方法。
38. ３８．前述の後方散乱する媒体が水であり、前述の光のパルスが水の表面に向け て投射される請求の範囲２６の方法。
39. ３９．少なくとも部分的に光を透過させる、後方散乱する媒体における傾斜距離 深さを決定する装置において、短い光のパルスを選択的に発生させるための発生 の手段；前述の短い光のパルスを後方散乱する媒体に向けて投射するための投射 の手段； 前述の媒体との間で前述の光のパルスが往復する伝播の時間に対応する時間遅れ の後に前述の媒体から反射されて戻ってきた前述の光のパルスを検出するための 検出の手段；媒体の表面からの反射と媒体の底からの反射との間の時間遅れを測 定するための測定の手段；および前述の時間遅れを傾斜距離深さに変換するため の変換の手段； の段階を含む装置。
40. ４０．傾斜距離深さが下記の式 ｚ＝（２ｃ／ｎ）τ ここに、ｚ＝深さ ｃ＝真空中における光の速度；および ｎ＝媒体のレーザー波長における屈折率；で決定される請求の範囲３９の装置。
41. ４１．前述の発生の手段がパルス化レーザーの手段を包含する請求の範囲３９の 装置。
42. ４２．前述の短いパルスが約１０ナノ秒未満のパルス幅より構成されている請求 の範囲３９の装置。
43. ４３．光学的な手段を用いて前述のパルスを方向付けることにより前述の発生さ れた光のパルスを拡大させることを含む請求の範囲３９の装置。
44. ４４．前述の発生された光のパルスをフィルターするための手段を含む請求の範 囲３９の装置。
45. ４５．前述のフィルターの手段がバンドパス・フィルターの手段を包含する請求 の範囲４４の装置。
46. ４６．前述の検出の手段が少なくとも１台の撮影機の手段を包含する請求の範囲 ３９の装置。
47. ４７．前述の検出の手段が複数台の撮影機の手段を包含する請求の範囲３９の装 置。
48. ４８．前述の撮影機の手段が増幅された電荷結合素子（ＣＣＤ）のセンサーを含 む請求の範囲３９の装置。
49. ４９．前述の撮影機の手段がさらに 光学ファイバー・ウィンドーの手段；および増幅管の手段、前述の増幅されたＣ ＣＤのセンサーを明確にするために前述のＣＣＤセンサーを前述の増幅管の手段 に結合させる前述の光学ファイバー・ウィンドーの手段；を含む請求の範囲４８ の装置。
50. ５０．前述の検出されたパルスを視覚的に表示するための手段を含む請求の範囲 ３９の装置。
51. ５１．前述の後方散乱する媒体が水であり、前述の光のパルスが水の表面に向け て投射される請求の範囲３９の方法。