JPH05333150A

JPH05333150A - ライダ装置

Info

Publication number: JPH05333150A
Application number: JP4164063A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Takeuchi; 延夫竹内; Satoru Yamaguchi; 哲山口; Shigezumi Kuwajima; 茂純桑島
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1993-12-17
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: JP2701110B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高速繰り返しレーザを光源とするライダ装置
におけるデータの取り込み速度を高速化することを目的
とする。【構成】送光部２９で生成した高速繰り返しパルスレ
ーザ光を媒体中へ送光するとともに、散乱体９からの後
方散乱光を受光光学系１０でもって受光し、上記受光し
た信号光を光電変換部１２により電気信号に変換し、か
つ上記電気信号に変換されたライダ信号Ｓ１を高速信号
処理装置１４内においてレーザパルスに同期させて積算
し、さらに上記積算したディジタルデータを上記信号処
理装置１４からパソコン１５に送出し、上記パソコン１
５の作用により演算・表示・記録する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速繰り返しのレーザを
光源とするライダ装置において、無駄なく信号を取り込
むことにより高感度の計測を実現し、高速で変動する現
象の空間分布を密に計測することによって実際の状態に
近い計測を可能とするライダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ライダ装置（レーザレーダ）で
対象物体の空間分布を測定する際に、必要とする空間分
解能を得るのに十分に狭い時間幅（空間幅と時間幅の間
には、“空間幅”＝“時間幅”×（ｃ／２）の関係があ
る（ｃ：光速度））を持つパルスレーザ光を媒体中へ送
出し、散乱体からのエコー信号を受光望遠鏡で受信する
とともに、これを電気信号に変換して信号処理を行って
いる。

【０００３】次いで、処理した信号をパソコンに転送
し、積算・演算・表示・記録を行う。その際に使用する
パルスレーザの繰り返し周期は、１０〜１００Ｈｚであ
ることが多い。この理由は、高出力のパルスレーザ（例
えばＮｄ：ＹＡＧレーザ）の繰り返し周期が上記範囲で
あることが多いことや、信号処理装置でＡＤ変換したデ
ータをパソコン側へ転送するのに要する時間は、従来は
１０〜１００Ｈｚ程度が限度であったことなどによる。

【０００４】ところで、最近、半導体レーザ（ＬＤ）励
起の固体レーザなどのように、フラッシュランプを使用
しないレーザが注目されている。半導体レーザ励起パル
ス動作固体レーザの場合で、ｃｗ動作の半導体レーザを
用いる場合は、Ｑスイッチが電子的な過程で行われるの
で、１ＫＨｚよりも速い繰り返し速度が可能である。

【０００５】特に、光音響（ＡＯ）素子を用いてＱスイ
ッチパルス動作を行うようにした場合は、数百Ｈｚ以下
の繰り返し周波数では動作が不安定であるばかりでな
く、出力が小さい問題がある。これに対し、繰り返し周
波数が増えると平均パワーは増大して一定値に近づくた
め、通常は５〜１０ＫＨｚの高速繰り返しのパルス動作
を行わせるようにしている。

【０００６】ところで、半導体レーザ励起固体レーザ
は、励起効率、信頼性、形状が小さいことなどによっ
て、ライダ光源として適しているが、高速動作でデータ
を取得するにはデータ・サンプリングの問題が残ってい
た。なお、パルス当りのエネルギーがほぼ同じで、高速
繰り返しが可能なレーザ光源の他の例としては、最大出
力が端面の強度で制限されるＡｌＧａＡｓ系の可視半導
体レーザや、ｃｗ動作の固体レーザの共振器内部に変調
素子を挿入してＱスイッチをかける場合が相当する。

【０００７】次に、従来型のライダ装置では転送速度が
どのようになるかを考察する。図５は、従来のライダ装
置の一例を示す構成図である。図５で示すように、先
ず、測定対象の散乱体９で散乱された信号光は受光望遠
鏡１０で集光される。そして、集光された光信号は光検
出器２７で電気信号に変換され、必要があれば信号強度
に応じて前置増幅器１３で増幅される。

【０００８】上記前置増幅器１３により必要レベルまで
増幅されたライダ信号は、電気信号をディジタル化する
トランジェントレコーダ（高速マルチチャネルＡＤ変換
器）２８に与えられる。そして、上記トランジェントレ
コーダ２８内の増幅器１７で所定のレベル迄増幅された
後、ＡＤ変換器１８によりディジタル信号に変換され
る。上記ＡＤ変換動作は時間制御器１９により制御さ
れ、クロック発生器２０で生成されるクロック信号の時
間間隔で行われる。

【０００９】このようにしてディジタル化されたライダ
信号は、バッファレジスタ２４に一時的に記憶され、イ
ンタフェースボード２１を通ってパソコン１５に転送さ
れて処理される。この場合、データの積算・処理・記録
等は全てパソコン１５によって実時間で行なわれる。ま
た、繰り返し設定部２５はパソコン１５の制御下で時間
制御器１９にスタート信号を送出するとともに、レーザ
送光部２６の発光動作を制御する。

【００１０】ところで、データ取得の速度はトランジェ
ントレコーダ２８のクロック周波数とチャネル数、パソ
コン１５での積算に必要なクロック数などによって律速
される。例えば、現状で容易に入手できるＩＣの速度を
考慮し、トランジェントレコーダ２８のクロック周波数
を３０ＭＨｚ、チャネル数を２キロワード（２０４８）
とすると、１周期は６８．３μｓとなる。

【００１１】次に、パソコン１５にこのデータを順次転
送し、データの始まりのチャネルを合わせて加算して行
く場合を考える。なお、ＡＤ変換器１８の量子化のビッ
ト数を６または８ビットとし、バスラインでパラレルに
送るものとする。このときの転送速度はパソコン１５側
のクロック周波数によるので、例えばその周波数を２０
ＭＨｚとすると、１周期２０４８チャネルを転送するの
に、パソコン１５側で積算するために要する転送のクロ
ック数を１０クロックとすると、チャンネル数×１０倍
のクロック数が必要となるので、１０２４μｓが必要と
なる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このことは、他の転送
に必要な処理過程が無視できるものとしても、転送の最
大速度は０．９７５ＫＨｚであることを意味する。実際
には、トランジェントレコーダ２８とパソコン１５のコ
マンドの交換などで転送速度は更に遅くなり、１００Ｈ
ｚ程度が限度である。したがって、従来はデータを取り
込む速度を高速化するのに限界があった。

【００１３】なお、従来の方式でも、例えばトランジェ
ントレコーダ２８の後にシグナル・アヴァレッジャ（Ｓ
Ａ；信号積算器）を付加することにより、パソコン１５
へ転送する前に積算を行うことが可能であるが、このよ
うにした場合にはパイプライン方式を採用することが難
しく積算速度の改善を大きくすることが困難であった。
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたもので、高
速繰り返しレーザを光源とするライダ装置におけるデー
タの取り込み速度を高速化することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のライダ装置は、
上記の目的を達成するために、高速繰り返しパルスレー
ザ光を媒体中へ向けて送光する送光部と、上記媒体から
の後方散乱光を受光する受光光学系と、上記受光光学系
によって受光されたライダ信号光を電気信号に変換する
光電変換部と、上記電気信号に変換されたライダ信号を
増幅する増幅器と、上記増幅器から出力されるライダ信
号を取り込み、高速でディジタルデータに変換するとと
もに、レーザパルスに同期してチャネル位置を合わせて
加算器により積算する信号処理装置と、上記信号処理装
置から送られてくるディジタルデータを、演算・表示・
記録する演算・表示・記録部とを具備している。また、
本発明の他の特徴とするところは、上記媒体中へ向けて
送光されるパルスレーザ光を検出して上記信号処理装置
の動作タイミングを決める送光タイミング検出部とを具
備している。

【００１５】

【作用】本発明は上記技術手段よりなるので、ライダ装
置に入り込む雑音のうちで系統的なものは全て除去さ
れ、ランダムな雑音だけが残っているものとすると、信
号／雑音比（以下“ＳＮ比”と呼ぶ）は次のように与え
られる。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、Ｎは積算回数、Ｉ_S（Ｒ）は距離
Ｒからの信号による電流、ｉ_S（Ｒ）はＩs （Ｒ）によ
るショット雑音、ｉ_Bは背景光電流によるショット雑
音、ｉ_DはＡＰＤ（アヴァランシェフォトダイオード）
の暗電流雑音、ｉ_nAは増幅器雑音、ｉ_fnは増幅器内の帰
還抵抗による熱雑音を表す。

【００１８】本発明では実施例にあるように、全固体素
子化という観点から検出器としてアヴァランシェフォト
ダイオードＡＰＤを使用する場合を検討するが、ここで
の議論は検出器に光電子増倍管などの別の素子を使用す
る場合も全く同じように扱うことが可能である。

【００１９】先ず、データ取得時間（積算時間）を一定
にした場合のＳＮ比を考える。サンプリング時間をΔｔ
とするとき、ΔＲ＝ｃ・Δｔ／２の空間分解能で測定で
きるためには、サンプリング時間Δｔに比べてレーザパ
ルス幅が小さいことが必要である。数１におけるショッ
ト雑音Ｉ_S（Ｒ）は、サンプリング時間Δｔでサンプリ
ングした値で、パルス当りのエネルギーＥ₀に比例す
る。

【００２０】上記パルス当りのエネルギーＥ₀が繰り返
し周波数ｆに関係なく一定の場合には、積算回数Ｎはｆ
に比例して大きくなるので、ｆ^1/2に比例してＳＮ比は
増大する。繰り返し周波数ｆに関係なく平均パワーが一
定の場合には、パルス当りのエネルギーＥ₀、すなわち
Ｉs （Ｒ）は１／ｆに比例する。信号ショット雑音リミ
ット（数１の分母の雑音項で信号雑音ｉ_S（Ｒ）²が最
も大きく他は無視できる）の時にはｉ_S（Ｒ）²はＩs
（Ｒ）に比例するので、数１のＳＮ比は繰り返し周波数
ｆに無関係で、本方式の利点は無い。

【００２１】また、数１の分母で、他の雑音に比べてｉ
_S（Ｒ）²が無視できる（雑音が信号ショット雑音以外
の雑音で支配されている）とき、ＳＮ比は１／ｆ^1/2に
比例して悪くなるので、このときも本方式の利点は無
い。さらに、雑音が信号ショット雑音以外の雑音で支配
されるとき、ＳＮ比が繰り返し周波数ｆとともに増大す
るのは、パルス当りのエネルギーＥ₀の減少が１／ｆ
^1/2よりも緩やかなとき（ｆ^1/2・Ｅ₀がｆとともに増
大するとき）である。

【００２２】本発明では、図５のトランジェントレコー
ダ２８の部分を、図１の高速データ処理装置１４で置き
換え、加算演算を上記高速データ処理装置１４のクロッ
クに同期させて処理器内で行うことにより、本発明の主
旨である“高速でデータを取得する”ことを可能として
いる。転送はデータを加算後行うこととして実質上は省
略し、２Ｋワードのチャネル数でデータを取得する場
合、通常３０ＭＨｚのクロック動作が可能なので、１５
ＫＨｚまでの高速でデータを取得することを可能にし
た。

【００２３】また、本発明では入力信号は３０ＭＨｚで
図中のＡＤＣ１８でＡＤ変換された後、必要回数だけレ
ジスタの最初のチャネルをレーザの開始に合わせて加算
し、高速データ処理装置１４のクロック周波数で高速に
データ取得する。そして、時間内で効率よく加算を行な
うためにパイプライン方式を採用している。

【００２４】例えば、５ＫＨｚで動作させた場合、１秒
積算では５，０００回加算した後で信号処理装置での１
周期分（３０ＭＨｚでは６８．３μｓ）だけ測定を止め
る。そして、次の測定開始後にデータをパソコン１５へ
転送（転送時間１０〜１００ｍｓ）し、次の測定に移
る。したがって、パソコン１５への転送によってデータ
取得が妨げられる時間（１０〜１００ｍｓ）はほぼ無視
できる程度である。もし、従来法で同じデータの転送を
行おうとするとパソコン１５への転送に５，０００倍長
い時間がかかることになる。

【００２５】さらに、クロック周波数を３０ＭＨｚ（ク
ロック時間３３．３ｎｓ）とすると、クロック時間Δｔ
とチャネル数の積６８．３μｓとレーザ発振間隔Ｔ_Lと
の大小により、図２（ａ），（ｂ）のケースがある。な
お、図２においてΔｔはクロック時間、Ｎはチャネル
数、Ｔ_Lはレーザ間隔を示し１／ｆである。

【００２６】図２（ａ）では，次のレーザパルスが来る
前にレジスタへのデータの書き込みが終わっているケー
スで、次のデータを加算する迄に計測に利用されない時
間が存在する。また、図２（ｂ）では、図２（ａ）とは
逆に全てを加算し終わる前に次のパルスが来るケース
で、それ以降のパルスによって新たに最初のチャネルか
ら加算される。このケースでは６３．８μｓの逆数１
４．６ＫＨｚを境にして図２（ａ）か図２（ｂ）に分か
れ、それより速い（例えば２０ＫＨｚ）動作では全チャ
ネルの途中までしか使用されない。

【００２７】したがって、信号処理器に次のパルスが来
る前に記録チャネルが埋まったときは何も行なわずに次
の信号まで待ち、最後の記録チャネルに到達する前に次
のパルスが来たときは後ろのチャネルを空白にしたまま
最初のチャネルに戻る機能を持たせるものが望ましい。
また、クロックに合わせてタイミングを取るだけでな
く、送光タイミング検出部８を設けてレーザ発振光をモ
ニターすることにより、送光タイミングをディジタル・
サンプリングや積算の始点とするタイミング機能を持た
せるようにしてもよい。

【００２８】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明のライダ装置の
一実施例を説明する。図１は、本実施例のライダ装置の
概略構成を示すブロック図である。本実施例のライダ装
置においては、送光部２９の光源が１Ｗ級のＬＤで励起
されたＮｄ：ＹＡＧレーザ１（ＣＷ発振時２５０ｍＷ）
の共振器内にＡＯ変調素子２を挿入して構成され、外部
発振器３によってＱスイッチをかけることにより２５〜
４０ｎｓのパルス幅を得るようにしている。

【００２９】この場合、変調周波数がそのままレーザパ
ルスの繰り返し周波数となり、１ＫＨｚについて行って
いる。パルス当りのエネルギーは７０μＪである。実施
例でのライダ装置は、大気中のエアロゾルなどの浮遊粒
子の測定を目的としたものであるが、３００ｍ先の建物
からの反射エコーの測定例を図３に示している。

【００３０】レーザ信号はＬＤ励起ＹＡＧレーザ１から
出射され、出力鏡４およびビームスプリッタ５を経てビ
ーム拡大器６に至る。そして、ビーム拡大器６でビーム
広がりを絞められた後、２枚のウェッジからなる方向調
整器７でビームの方向を調整され、大気中に出射され
る。

【００３１】大気中に出射されたビームは散乱体９によ
り反射され、散乱光となって戻ってくる。そして、この
散乱光は受光望遠鏡１０によって集められ、アヴァラン
シェフォトダイオードＡＰＤ１２で電気信号に変換され
るとともに、増幅器１３で増幅される。

【００３２】増幅器１３で増幅されたライダ信号Ｓ１
は、その後、高速データ処理装置１４に与えられ、この
高速データ処理装置１４に設けられている６ビットのＡ
Ｄ変換器１８でディジタル化される。そして、次に加算
器２２に与えられ、２０４８チャネルにわたってレーザ
光を基準としたタイミングで繰り返し連続加算されると
ともに、その加算結果がレジスタ２３に記憶される。そ
して、必要な時間毎にパソコン（ＣＰＵ）１５に転送さ
れて演算・解析されるとともに、表示装置１６に表示さ
れる。

【００３３】また、本実施例においては、送光タイミン
グ検出部８を設けてレーザ発振光をモニターしてスター
ト信号Ｓ２を生成し、ディジタル・サンプリングや積算
の始点とするタイミング機能を持たせている。さらに、
レーザ光の発光および受光部は、掃引架台１１上に設置
されて所定の範囲を掃引される。なお、本実施例の測定
においては５，０００回の積算（５秒間）を行った。

【００３４】比較例として従来法のレーザーパルス繰り
返し周波数である１０ＨｚでＮｄ：ＹＡＧレーザーのＱ
スイッチを動作させ、さらにパルスエネルギーを１ＫＨ
ｚ動作のときと同じ値、７０μＪに減光し、本発明と従
来方式で各々５秒間積算を行ってＳＮ比の比較を行った
結果を、図４に示す。図４から明らかなように、繰り返
し周期が１ＫＨｚである本発明のライダ装置の場合に
は、従来方式の１０Ｈｚに比べてＳＮ比が１０（１００
^1/2）倍良いことが分かる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は上述したように、レーザパルス
に同期してライダーエコー信号を取り込むとともに、取
り込んだ信号を高速でディジタルデータに変換し、レー
ザパルスに同期した位置を合わせて積算するようにした
ので、ＳＮ比を高くして高精度の計測を行うことができ
るとともに、データの高速処理を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のライダ装置の一実施例を示す構成図で
ある。

【図２】レーザパルス間隔とチャネル数との関係を示す
図である。

【図３】建物からのエコーを検出した実験例を示す強度
特性図である。

【図４】本発明のライダ装置と従来方式のライダ装置と
のＳＮ比の比較を示す特性図である。

【図５】従来のライダ信号処理部の一例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１ＬＤ励起ＹＡＧレーザ２ＡＯ変調器３発振器４出力鏡５ビームスプリッター８検出器９散乱体１０受光望遠鏡１１掃引架台１３前置増幅器１４高速信号処理装置１５ＣＰＵ（パソコン）１６表示装置１７増幅器１８Ａ／Ｄ変換器１９時間制御器２０クロック発生器２１インターフェースボード２２加算器２３レジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速繰り返しパルスレーザ光を媒体中へ
向けて送光する送光部と、上記媒体からの後方散乱光を受光する受光光学系と、上記受光光学系によって受光されたライダ信号光を電気
信号に変換する光電変換部と、上記電気信号に変換されたライダ信号を増幅する増幅器
と、上記増幅器から出力されるライダ信号を取り込み、高速
でディジタルデータに変換するとともに、レーザパルス
に同期してチャネル位置を合わせて加算器により積算す
る信号処理装置と、上記信号処理装置から送られてくるディジタルデータ
を、演算・表示・記録する演算・表示・記録部とを具備
することを特徴とするライダ装置。
【請求項２】高速繰り返しパルスレーザ光を媒体中へ
向けて送光する送光部と、上記媒体からの後方散乱光を受光する受光光学系と、上記受光光学系によって受光されたライダ信号光を電気
信号に変換する光電変換部と、上記電気信号に変換されたライダ信号を増幅する増幅器
と、上記増幅器から出力されるライダ信号を取り込んで高速
でディジタルデータに変換するとともに、レーザパルス
に同期してチャネル位置を合わせて、加算器により積算
する信号処理装置と、上記信号処理装置から送られてくるディジタルデータ
を、演算・表示・記録する演算・表示・記録部と、上記媒体中へ向けて送光されるパルスレーザ光を検出し
て上記信号処理装置の動作タイミングを決める送光タイ
ミング検出部とを具備することを特徴とするライダ装
置。