JPH07260677A - レーザ遠隔センサ用の積分検出器 - Google Patents

レーザ遠隔センサ用の積分検出器

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JPH07260677A
JPH07260677A JP6305093A JP30509394A JPH07260677A JP H07260677 A JPH07260677 A JP H07260677A JP 6305093 A JP6305093 A JP 6305093A JP 30509394 A JP30509394 A JP 30509394A JP H07260677 A JPH07260677 A JP H07260677A
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JP
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laser
detector
target
laser energy
sensor device
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JP6305093A
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Louis F Klaras
ルイス・エフ・クララス
David B Cohn
デイビッド・ビー・コーン
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Raytheon Co
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Hughes Aircraft Co
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • GPHYSICS
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    • G01J1/02Details
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、別々の送信および受信検出器が不
要で、単一の検出器を使用して出力監視と受信検出機能
を行うことのできるレーザセンサ装置を提供することを
目的とする。 【構成】 ターゲット19に供給されるレーザエネルギを
送信するレーザ11と、送信されたレーザエネルギの一部
の抽出用のビームスプリッタ12と、ターゲット19から反
射されるレーザエネルギの積分と焦点結び用の望遠鏡16
と、抽出された送信されたレーザエネルギおよびターゲ
ットから反射されたレーザエネルギを受信するための積
分球体13と、抽出された送信レーザエネルギおよびター
ゲットから反射されたレーザエネルギを選択的に検出す
るために積分球体に結合された検出器14とを備えている
積分検出器20とを備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はレーザセンサ、特に積分
検出器を具備した改良された遠隔レーザセンサに関す
る。
【0002】
【従来の技術】化学物質の遠隔検出に使用されるレーザ
センサの設計はよく知られている差動吸収光線レーダ
(DIAL)方法に基づいている。遠隔の化学物質検出
用のレーザセンサは典型的に2つの検出器を使用し、一
方は送信ビームの監視、他方は受信ビームの監視用に使
用する。測定の標準化は2つの信号の比率を取ることに
より行われる。通常の2検出器システムは、(1)波長
関数として検出器の感度が相違し、(2)パルス周波数
応答が相違し、(3)感度が時間で変化することに関す
る重大な較正問題をもつ。最も簡単な場合にはセンサは
それぞれ異なった波長で2つのパルスを送信し、帰還し
た反射波を比較する。一方の波長は化学物質の吸収帯域
のピークに同調され、他方の波長は吸収しないように同
調される。しかしながら実際、レーザは異なった波長で
異なったエネルギを送信し、単一波長においてさえ、出
力はパルスからパルスに変化する可能性がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】それ故、各帰還反射パ
ルス用にレーザ出力パルスを測定しパルス反射波を標準
化するために送信検出器を使用することが必要である。
標準化は単一波長(受信/送信)で帰還反射パルスと送
信パルスとの比率を取ることにより行われる。問題は送
信および受信検出器が波長の関数として異なった応答と
異なった帯域幅を有し、従ってパルス形状もまた影響さ
れることである。さらに、これらの応答は時間によって
変化し、従ってセンサの再較正は各サービス事象で行わ
れることが望まれる。
【0004】化学物質の遠隔検出用のパルス赤外線レー
ザを使用するセンサはシーケンスで多数の波長を送信
し、望遠鏡により集められた背景散乱信号を比較するこ
とによりその機能を行う。これらのセンサは典型的に2
つの検出器、即ち一方は送信レーザパルスを監視し他方
は望遠鏡の焦点で帰還反射信号の測定に使用される。レ
ーザ出力エネルギは波長から波長まで50%程度、単一
波長でパルスからパルスまで10%程度変化することが
できるので、送信パルスによって帰還信号を標準化する
ことが基本である。センサの較正は波長の関数として送
信および受信検出器の感度の正確な測定と検出器周波数
応答に基づく。さらに検出器は時間で特性を変化するこ
とが知られており、従って周期的な再較正が必要であ
る。検出器特性は20%程度変化し、典型的なセンサは
1〜2パーセントの雑音フロアで動作することを必要と
される。それ故、波長の関数としてのセンサ較正はセン
サ性能の決定要素である。2つの検出器のセンサの光・
機械的および電子的な複雑さはセンサ設計に厳格な制限
を課す。2つの検出器を備える場合の材料と人件費は多
くの応用に非常に適切である。
【0005】それ故、本発明の目的は別々の送信および
受信検出器の使用を不要にするレーザセンサ装置を提供
し単一の検出器を使用して出力監視と受信検出機能を行
うことである。
【0006】
【課題を解決するための手段】前述およびその他の目的
を達成するために、本発明は単一の積分された検出器を
具備する改良されたレーザセンサを提供するものであ
る。特に、本発明はターゲットに供給されるレーザエネ
ルギを送信するためのレーザを含むレーザセンサ装置と
送信されたレーザエネルギの抽出用のビームスプリッタ
とを具備する。望遠鏡はターゲットから反射されるレー
ザエネルギの集収用に設けられている。抽出された送信
レーザエネルギを受信し、ターゲットから反射されたレ
ーザエネルギを受信するための積分された球体と、抽出
された送信レーザエネルギとターゲットから反射された
レーザエネルギを選択的に検出するための積分された球
体に結合される検出器を具備する積分された検出器が設
けられている。散乱板は球体内の第1の散乱事象から直
接生じる光子が検出器に入らないようにするため積分さ
れた球体内に位置される。
【0007】動作において、レーザはターゲットに導か
れる送信ビームを与え、ターゲットからの反射エネルギ
は望遠鏡により集収され、検出器に焦点を結ばれる。ビ
ームスプリッタは検出器に与えられる送信ビームの一部
分を抽出するために使用される。検出器の積分は積分球
面の後部表面に設けられている単一の検出器チップを使
用することにより達成され、これはレーザ送信ビームの
断面全体の抽出を可能にする。
【0008】本発明は2つの通常の検出器の代りにレー
ザ送信および帰還反射パルスを監視するために単一の検
出器を使用することにより通常のセンサの較正に関する
問題を除去し、従ってセンサ光学系と電子装置を非常に
簡単にし、前述の較正問題を除去する。さらにセンサ設
計は非常に簡単にされ、分離した送信検出器、その前置
増幅器、温度制御回路、光学系の必要性を除去すること
により、価格を廉価にする。
【0009】本発明は例えば化学検出および監視装置ま
たは汚染監視装置で使用されることもできる。このよう
な装置での本発明の積分された検出器の使用はセンサの
価格を低下しセンサ装置をより適用可能にすることを助
長する。
【0010】
【実施例】本発明の種々の特徴および利点は添付図面を
伴った後述の詳細な説明を参照してより理解されるであ
ろう。図面を参照すると、図1は本発明の原理による積
分された検出器20を具備したレーザセンサ装置10の断面
図を示している。典型的なレーザセンサ装置10のセンサ
の送信および受信の光学系列が図1で示されている。本
発明により例えばCO2 TEAレーザのようなレーザ11
が与えられ、ビームスプリッタ12は送信パルス21または
ビーム21の一部の少量部分を積分された検出器20に導
く。積分された検出器20は積分球体13と、積分球体13の
後部表面13aに取付けられている単一の積分された検出
器14とを具備する。ビームスプリッタ12は例えばレーザ
11からの送信パルス21に関してブルースター角で方向づ
けされている被覆されていないセレン化亜鉛(ZnS
e)からなる。積分球体13は送信パルス21の断面全体の
均一な抽出を与える。レーザ送信パルス21は平均を50
%越える強度ピークを有する空間的に高いマルチモード
であるので均一な抽出は臨界的な関数である。送信パル
ス21の主要部分はターゲット19に導かれる。ターゲット
19からの反射パルス22またはビーム22は望遠鏡16により
集収され、通常の方法で検出器14上に直接焦点を結ばれ
る。望遠鏡16は技術で知られているような1次反射器17
と2次反射器18を具備する。
【0011】CO2 TEAレーザ11は典型的に例えば遠
隔化学センサで使用され、150〜200ナノ秒の長い
スパイクとそれに続く1マイクロ秒のテールを有する送
信パルス21を放射する。ここで説明したように連続的に
送信および受信パルス21,22を測定する本発明の単一の
積分検出器20の場合では、送信パルス21のテールは約1
マイクロ秒に対して反射パルス22からの信号を曖昧にす
る。これは約150メートルの範囲に対応する。化学セ
ンサは典型的に500メートルから3キロメートルの範
囲で使用され、従って、隣接の150メートル範囲の能
力の損失は問題にならない。
【0012】図2は図1のレーザセンサ装置で使用され
る本発明の積分検出器20の詳細を示している。積分検出
器20は検出器チップ14aと検出器電子14bを含み、両者
は通常技術でよく知られている。散乱プレート15は積分
球体13内に配置されている。
【0013】送信ビーム21は積分球体13に入り、内部壁
24で散乱する。これは球体13を均一に満たすため空間的
に反射パルス22の入力束をランダム化し、検出器14(検
出器チップ14a)はランダム化された送信ビーム21を抽
出する。散乱プレート15は第1の散乱イベントから直接
生じる検出器14(検出器チップ14)に光子が入ることを
防止するために使用される。反射パルス22は検出器チッ
プ14aに直接焦点を結ばれる。望遠鏡16の視野と、望遠
鏡16の焦点距離と、検出器チップ14aの大きさはよく知
られている通常の方法で関連され、共に相互作用するた
め通常の方法で設計される。
【0014】動作において、積分検出器20はレーザ送信
パルス21と、関連する反射パルス22のエネルギ測定とパ
ルス反射の標準化に使用される。標準化は単一波長にお
ける反射パルス22のエネルギと送信パルス21のエネルギ
との比率を取ることにより行われる。積分検出器20を使
用することにより、単一の検出器チップ14aが使用され
るために波長の関数または異なった帯域幅の関数として
の応答に関する問題はない。さらに、単一検出器チップ
14aの応答が時間によって変化してもレーザセンサ装置
10を再較正する必要はない。
【0015】送信および受信パルス21,22 の振幅は単一
の検出器14aを具備する積分検出器20と積分球面13とを
使用して時間的に連続して測定される。例えば典型的な
化学検出レーザセンサ装置10ではレーザ送信パルス21は
継続期間が150〜200ナノ秒のスパイクとそれに続
く約1マイクロ秒の期間のテールを有する。検出器14に
近接しているため、送信パルス21の抽出部分は検出器14
により即座に測定される。しかしながら、受信パルス22
はパルスのターゲット19への往復走行時間のために典型
的に10マイクロ秒程度で検出器14に到着する。それ
故、送信および受信パルス21,22 は時間的に干渉せず、
単一の検出器14は実効的に時間多重化される。
【0016】実験は直径2インチの積分球体13と液体窒
素で冷却したテルル化水銀カドミウム(HgCdTe)
検出器14で行われた。CO2 TEAレーザ11は150m
Jのパルス出力エネルギで動作する。ビームスプリッタ
13はレーザ送信ビーム21に関してブルースター角度で方
向付けされている被覆されていないセルル化亜鉛(Zn
Se)プレートを具備する。積分検出器20はレーザ11に
より送信されたエネルギと、ターゲット19から反射され
受信されたエネルギの検出に良好に動作することが発見
されている。
【0017】従って、積分検出器を具備した新しい改良
された遠隔レーザセンサを説明した。前述の実施例は本
発明の原理の応用を表した多数の特別な実施例の単なる
図示であることが理解できよう。多数および他の装置が
本発明の技術的範囲を逸脱することなく当業者により発
明されることが明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理による積分検出器を具備したレー
ザセンサ装置の断面図。
【図2】図1のレーザセンサ装置で使用される本発明の
積分検出器の詳細を示した図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・ビー・コーン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90505、トーランス、メサ・ストリート 4221

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ターゲットに供給されるレーザエネルギ
    を送信するためのレーザと、 送信されたレーザエネルギの一部を抽出するためのビー
    ムスプリッタと、 ターゲットから反射されたレーザエネルギを積分して焦
    点を結ばせる望遠鏡と、 抽出された送信されたレーザエネルギおよびターゲット
    から反射されたレーザエネルギを受信するための積分球
    体と、抽出された送信レーザエネルギおよびターゲット
    から反射されたレーザエネルギを選択的に検出するため
    に積分球体に結合された検出器とを備えている積分検出
    器とを具備していることを特徴とするレーザセンサ装
    置。
  2. 【請求項2】 積分検出器がさらに球体内の第1の分散
    イベントから生じる光子が直接検出器に入ることを阻止
    するための積分球体内に位置する散乱プレートを具備し
    ていることを特徴とする請求項1記載のレーザセンサ装
    置。
  3. 【請求項3】 散乱プレートがレーザからの送信パルス
    に関してブルースター角度で方向付けされている被覆さ
    れていないセルル化亜鉛(ZnSe)プレートであるこ
    とを特徴とする請求項2記載のレーザセンサ装置。
  4. 【請求項4】 レーザがCO2 TEAレーザであること
    を特徴とする請求項1記載のレーザセンサ装置。
  5. 【請求項5】 ターゲットに供給されるレーザエネルギ
    を送信するためのレーザと、送信されたレーザエネルギ
    の抽出用のビームスプリッタと、ターゲットから反射さ
    れたレーザエネルギを収集し焦点に集める望遠鏡とを具
    備しているレーザセンサ装置において、 抽出された送信レーザエネルギの受信とターゲットから
    反射されたレーザエネルギの受信用の積分球体と、 抽出された送信レーザエネルギと、ターゲットから反射
    されたレーザエネルギとの選択的な検出を行うために積
    分球体に結合された検出器とを有する積分検出器とを具
    備していることを特徴とするレーザセンサ装置。
  6. 【請求項6】 積分検出器がさらに球体内の第1の散乱
    イベントから生じる光子が直接検出器に入ることを阻止
    するために積分球体内に配置された散乱プレートを具備
    していることを特徴とする請求項5記載のレーザセンサ
    装置。
  7. 【請求項7】 散乱プレートがさらにレーザからの送信
    パルスに関してブルースター角で方向付けられている被
    覆されていないセルル化亜鉛(ZnSe)プレートを具
    備していることを特徴とする請求項6記載のレーザセン
    サ装置。
  8. 【請求項8】 レーザがCO2 TEAレーザであること
    を特徴とするレーザセンサ装置。
JP6305093A 1993-12-09 1994-12-08 レーザ遠隔センサ用の積分検出器 Pending JPH07260677A (ja)

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US16459393A 1993-12-09 1993-12-09
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US (1) US5703691A (ja)
EP (1) EP0660107B1 (ja)
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