JPS5988673A

JPS5988673A - レ−ザ測距装置

Info

Publication number: JPS5988673A
Application number: JP57197734A
Authority: JP
Inventors: Yasuji Suzaki; 州崎　保司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-12
Filing date: 1982-11-12
Publication date: 1984-05-22
Also published as: JPS6348025B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は、測地や地殻変動の観測などの遠距離の測距に
好適なレーザ測距装置に関するものである。

〔従来技術〕

従来から遠距離の測距には、パルスレーザ方式によるレ
ーザ測距装置が広く使用されている。

これは、人工衛星システム、月測距システム等の例で知
られているように、大出力のパルスレーザ光が目標まで
往復する時間をタイムインターバルカウンター等で測定
し、その目標までの距離を求めるものであるが、その精
度は数釧が限度である。

ところで、近年、地震予知−などを目的とする測地では
、年間ＩＣｒｎ程度の距離変位を数十ｋｍの区間におい
て検出しうることが必要とされている。

これに対して、従来のパルスレーザ方式のレーザ測距装
置は、上述のごとく、地殻変動ＩＩＭ測などの目的に対
しては、その所要の測定精度の点から充分に応じうるも
のではない。

その原因は、現在のレーザ技術によれば、パルス幅が数
ｐｓ〜数士ｐｓ（長さに換算して数百μｍ〜数關）の強
力なパルスレーザ光が得られているにもかかわらず、レ
ーザ測距装置の主要構成部分である光電子増倍管、パル
スアンプ、スレシホールド回路、タイムインタバルカウ
ンター系における応答が上記パルスレーザ光を忠実に処
理しうる程度に高速化されておらず、また、これらの回
路系での遅延、タイムジッター等による不確定要素が存
在するからである。すなわち、現状ではパルスレーザ光
のパルス幅として数百ｐｓ（長さに換算して数Ｃ１ｎ）
のものが最良のものとなっている。

なお、レーザ測距装置にはレーザ変調方式のものもあシ
、ジオジメータ、光波測距儀などの名称で知られている
。これは、その精度は相当に高いのに反して比較的近距
離（数十ｋｍ以下）の測距にしか適用できず、上述のご
とき地殻変動観測用には使用することができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、地
殻変動観測など遠距離区間の直接的な測距を所望の高精
度で行いうるレーザ測距装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係るレーザ測距装置の構成ば、所定幅のパルス
レーザ光を発射するパルスレーザ発振器と、レーザ光干
渉を利用して往復反射、間隔を所定精度で所定値に制御
・保持するようにした空洞共振系と、入射されるパルス
レーザ光についての時間差を検出するストリークチプカ
メラ系と、上記パルスレーザ発振器から発射されたパル
スレーザ光を受け、これを測距対象の標的および上記空
洞共振系に対して分岐・投射せしめるとともに、それら
からの上記パルスレーザ光の各反射光を上記ストリーク
チューブカメラ系に入射せしめるようにする送受光学系
とを少なくとも具備し、上記標的から反射されてくるパ
ルスレーザ光と上記空洞共振系内で往復反射をして取シ
出されたパルスレーザ光とを検出・識別し、それら両パ
ルスレーザ光間の時間差に相当する距離と上記空洞共振
器内テノハルスレーザ光の往復距離とにより、上記標的
までの距離を算出・１ｌｌＪ　足しうる工うにしたもの
である。

これを要するに、測距に係る絶対距離の基準として上記
空洞共振系を用い、これにストリークカメラ系を組み合
せることにより、測定装置の歪。

ジッタを極小にするとともに、同遅延量を物理的に確定
せしめ、極めて短刀為いパルスレーザ光の特徴を充分に
活用し、遠距離測距の高精度化を可能としたものである
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

第１図は、本発明に降るレーザ測距装置の一実施例の構
成系統図、第２図は、空洞共振出力光パルス列の波形図
である。

ここで、１０１１１−Ｉｔパルスレーザ発振器、１０２
はパルスレーザ発振器１０１から出力（発射）したパル
スレーザ光、１０２−１，１０２−２は分岐したパルス
レーザ光、１０２−３．１０２−４は反射パルスレーザ
光、１０３は送受光学系に係る光学的ビームスプリッタ
−である。

１０４は空洞共振系に係る空洞共振器形鏡装置で以下の
各部１０４−１〜１０４−５からなり、１０４−１，１
０４−２は平面反射鏡、１０４−３は変位の修正ドライ
ブ機構を有する鏡支持台、１０４−４は固定の鏡支持台
、１０４−５は光路長を一定にするための真空チャンバ
ーである。１０５は、同じく空洞共振系に係るレーザ干
渉計であって、１０５−１〜１０５−５はその光学系で
、１０５−１はコーナキューブ鏡、１０５−２は直角プ
リズム、１０５−３はビームスプリッタ−１１０５−４
は平面鏡、１０５−５はレンズである。また、１０６も
、同じく空洞共振系に係る、レーザ干渉計１０５の波長
安定化用のレーザ発振器、１０７は同光検知器、１０８
は同位相検知器、１０９は同増巾器である。なお、１１
０は空洞共振形鏡装置１０４に対するサーボドライバー
である。

１１１は送受光学系に係る集光レンズ、１１２は同ビー
ムスプリッタ−１１１３は同レンズ、１１４は同光検知
器、１１５は同利得制御増幅器、１１６は同ゲート回路
、１１７は同パルスカウンター、１１８，１１９は同反
射鏡、１２０は同レンズ、１２１は同検知器、１２２は
同゛亀動シャッター、１２３は同スリット、１２４は同
レンズである。

１２５は、ストリークチューブカメラ系に係るストリー
クチューブ、１２５−１は、その光電面、１２５−２は
同偏向板、１２５−３は同チャンネル形光電子増倍プレ
ート、１２５−４は同螢光板、１２６は同陥引電圧発生
回路、１２７は同レンズ、１２８は同系に係る撮像カメ
ラ、１２９は同じくアナライザ、１３０は同じく表示器
で、１３１，１３２は、その信号映像を示す。

なお、１３３は測距対象の標的反射器である。

１ず、パルスレーザ発振器１０１から出力したパルスレ
ーザ光１０２は、ビームスプリッタ−１０３によって１
０２−１，１０２−２に分岐される。

て、同系１０２−２は空洞共振器形鏡装置１０４の平面
反射鏡１０４−１の面に垂直に入射するように分岐され
る。

標的反射器１３３で反射されたパルスレーザ光１０２−
３は集光レンズ１１１に入射する。一方、上記平面反射
鏡１０４−１に入った光は距離りを隔てて対峙する上面
反射鏡１０４−２との間を繰り返し往復反射する。平面
反射鏡１０４−１は一部の光が透過するようにしてあり
、平面反射鏡１０４−１゜１０４−２間ｆパルスレーザ
光が往復するごとに、その一部を反射パルスレーザ光１
０２−４として外部へ射出する。結果として第２図に示
すような光パルス列が平面反射鏡１０４−１から出力さ
れる。

平面反射鏡１０４−１．１０４−２間の間隔りは、レー
ザ干渉計１０５および同付属回路１０６〜１０９とサー
ボドライバー１１０とにより、一定長に精密に制御保持
される。同干渉計精度は、主にレーザ発振器１０６の波
長安定度によって決まるが、現在製品レベルで１０−８
〜１０−９　程度である。このように、入射パルスレー
ザ光１０４−２１ｄ、上記のように空洞共振形鏡装置１
０４においてレーザ光干渉を受けた後、反射パルスレー
ザ光１０２−４として出力される。

平面反射鏡１０４−１からの出力光１０２−４１”ｔ、
、ビームスプリッタ−１０３で反射して標的反射器１３
３かもの反射光と同様にレンズ１１１に入射する。

集光レンズ１１１に入射した光は、ビームスプリッタ−
１１２で一部が分岐され、レンズ・１１３によって検知
器１１４に集光入射される。

平面反射鏡１０４−１からの出力光ノくルス列の波高値
は、第２図に示すように回折・反射および往復ごとの射
出損失によって漸次に減小する。この損失、減小の様子
は、装置としてのノくラメータ、すなわち平面反射鏡１
０４−１．１０４−２の反射率、鏡間隔（往復間隔）Ｌ
および入射パルスレーザ光１０２−２の径と拡がυ角な
どが与えられれば理論的に計算することができる。最終
的には実験的に確認することも可能である。

入射ハルスレー−Ｑ、１０２−２のパワーヲＰ　ｏ、平
面反射鏡１０４−１の入射ノくルスレーザ光に対する反
射率をａｔ　　（透過率を１−Ｒ１とする。）、平面反
射鏡１０４−２の反射率を几２とすると、ｎ回の反射後
の出力Ｐｎ［、次式で与えられる。

Ｐ　ｎ＝Ｐｏ　（Ｉ　　Ｒ＋　）　２Ｒｐ：　”Ｒ２−
−−−−−−−−（１１反射率Ｒ２を１００％とすればＰｎ＝Ｐｏ　（１１％１　）２Ｒ＋ｎ−１−・”・・（
２）また、ｎ回目の出力を最大とする平面反射鏡１０４
−１の反射率の条件は、＆ｐ　ｎ／ａ　Ｒ，、＝Ｏから
、Ｒｔ＝（ｎ　１）／（ｎ＋１）　　　　　　　　−＝
＝ｆ３１でおることが分る。

更に、回折損失については、例えば平面反射鏡１０４−
１を円形とし、その直径をＤ＋＼入射レーザビームの直
径をｄｌその拡がり角をａｔとすると、ｎ回反射後に平
面反射鏡１０４−１の大きさの範囲内にある光量の率α
は次のように与えられる。

α＝Ｄ２／（ｄ＋２ｎＬθｔ）２　　　　　　、−・−
・・・−（４）ただし、ｄ＋２１Ｌθｔ＞Ｄ２の場合と
する。

拡がり角θｔは、レーザビームの場合、回折のみの拡が
り角に近い設定が可能であるので、θｔ””２．４４λ
／ｄ　　　　　　　　　・・・・・・・・・（５）で与
えられる。ここでλはレーザビームの波長を表わす。

以上、式（１１〜（５）などにより、平面反射鏡１０４
−１からの出力波高値の変化を予測しつる。

利得制■１増巾器１１５は、上記のような波高値変化に
対応して利得が変化する増巾器で、出力醒気的パルスの
波高値を一定にするためのものである。

すなわち、検出器１１４で電気信号に変換されたパルス
レーザ光は、利得制御増巾器１１５．ゲート回路１１６
を経てパルスカウンター１１７に入る。最初のパルスは
平面反射鏡１０４−１からの直接反射光であるが、これ
がカウンタースタートをさせ、次のパルスからカウント
をするように論理が組まれている。カウンターストップ
は反射鏡１１８．１１９とレンズ１２０．検知器１２１
とによって検知される標的反射器１３３からの反射パル
スレーザ光信号によって行われる。すなわち、このカウ
ント数が往復反射回数ｎとなる。

検知器１２１からの出力信号は、またスｉＪ　−クチュ
ーブ１２５の掃引電圧発生回路１２６０トリガー信号と
しても使われる。掃引′電圧の発生は、標的１３３から
の反射パルスレーザ光がストリークチューブ１２５０光
電而１２５−１に到達するのに同期して行われる。この
同期の最適化調整は、反射鏡１１８，１１９の間隔また
はケーブル長などで遅延時間を変えることによって可能
である。

掃引の長さは、少なくとも標的反射器１３３からの反射
パルスレーザ光との平面反射鏡１０４−１からの１つの
出力光とが１回の掃引の中に入るようになっている必要
がある。更に高分解能を得るためには、２つのパルスが
接近していることが必要である。これは標的反射器１３
３の位置を変えることによって可能である。

標的反射器１３３と平田」反射鏡１０４−１とからの反
射光は、スリット１２３．レンズ１２４を経てストリー
クチューブ１２５の光電面１２５−１に入射する。スト
リークチューブ１２５内で電子ビーム流に変換された光
パルスは、電圧掃引されてチャンネル形光電子増倍プレ
ー）１２５−３に入射され、ここで増倍されて螢光面１
２５−４にイメージ化される。このイメージの位置は、
掃引時間と対応しており、旨い時間分解能が得られるこ
とは公ヂ■である。

このイメージは、レンズ１２７を通して撮像カメラ１２
８で検知され、アナライザ１２９で処理されて表示器１
３０にディスプレイされる。この実施例では、標的反射
器１３３からの反射光および平面反射鏡１０４−１から
の出力光のストリーク像をそのままディスプレイする例
を示している。

ここで必要な情報は２つのパルスの到来時間差である。

いま、信号映鍼１３１で示されるイメージのパルスを平
面反射鏡１０４−１からのｎ番目の出力パルス、信号映
ｉｔ　１３２で示されるイメージのパルスを標的反射器
１３３からの反射、＋レスとし、その時間差すなわち当
該距離差がδ（表示器１３０における表示）の場合、標
的までの距離ρは、システム内の固有の遅延を除けば次
式で表わすことができる。

ρ”’　ｎ　ＴＪ＋δ／２　　　　　　　　　　・・・
・・・・・・（６）空洞共振往復間隔りは、レーザ干渉
計１０５で制御することにより、実用的にも１０−８程
度の誤差すなわち５０ｋｍに対して０．５期の誤差内と
なるように一定化しうるものである。ストリークチュー
ブ１２５０分解能は、一般製品で１ｏｐｓ　（長さ換算
で３簡ｎ）程度のものがある。一方、ノ々ルスレーザ発
振器１０１においては、ノ（ルス幅が１ｏｐｓ程度の充
分な高出力パルスレーザ光を出力しうる状況にある。

したがって、これらにより、上記実施例の装置構成で所
望の遠距離について所望の精度での測距が可能となる。

なお、」二記実施例において、シャッター１２２をスト
リークチューブ１２５の前に入れであるのは、平面反射
鏡１０４−１からの直接の反射光および初期の出力光が
強力の場合、スｌ−ＩＪ−クチューブ１２５の光電面１
２１−１を保護するため、それらを一時的に遮断するた
めのものである。

最後に、この装置の実現性について、更に具体的に説明
する。

」二記実施例において、パルスレーザ発振器１０１にＮ
ｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波光（波長０，５３μｍ）
を使用するものとし、この出力を１０ｍＪ／パルスとす
る。これはパルス幅を１０１）ＳとするとパワーがＩＧ
Ｗのレーザ光であり、このようなレーザ光は現在のレー
ザ技術では充分に実現が可能である。このレーザ光の１
パルス当シの出力光子（フォトン）の数は約２．７Ｘ１
０１６個である。

」二記実施例において、平面反射鏡１０４−１，１０４
−２の直径りを２０　Ｃｎ１、間隔りを１０ｍ１入射レ
ーザビームの径ｄを５Ｃ１ｎとして、２　ｎ　Ｌ−１０
０ｋｍ（標的丑での距離ρ＝５０ｋｍを想定）、平面反
射鏡１０４−１の反射率Ｒ１”９９．９％、平面反射鏡
１０４−２の反射率＆　＝１００％とした場合について
、式（１）〜（５）により、ｎ＝５０００回の反射後の
損失による各減衰率を計算すると、反射による減衰率Ｐ
　ｎ／　Ｐ　ｏ　Ｆ’Ｓ　６．７Ｘ１０−９、回折によ
る減衰率αは５．７Ｘ１０’−３になる。この両減衰率
を掛は合わせると３．８Ｘ１０”ｌｌになる。これは、
レーザの出力の１割を平面反射鏡１０４−１に分岐・入
射するとしても、その光子数は２．７Ｘ１０！５個であ
るので、平面反射鏡１０４−１．１０４−２間を０回（
たとえば５０００回）往復した後でも約１０５個の光子
を含むパルスが得られることを示している。すなわち、
実施例の系で距離５９ｋｍ程度の測距を成し得るシステ
ム構成が充分に可能であることを示すものである。

〔発明の効果〕

以下、詳細に説明したように、本発明によれば、測距装
置としては相当大がかシなものとなるが、特に長期的に
同一箇所での継続観測を行なうような地殻変動観測など
の遠距離区間の直接的な測距を所望の高精度で行うこと
ができ、その効果は顕著である。パルスレーザ方式であ
るため、その他の遠距離測距にも適しており、従来のジ
オジメータ、光波測距儀等で困難な数１０ｋｍ以上の高
精度直接測距も、それらに代って可能とせしめるという
効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るレーザ測距装置の一実施例の構
成系統図、第２図は、その空洞共振出力光パルス列の波
形図である。１０１・・・パルスレーザＱ振器、１０２・・・パルス
レーザ光、１０３・・・光学的ビームスプリッタ−１１
０４・・・空洞共振器形鏡装置、１０５・・・レーザ干
渉計、１０６・・・波長安定化用のレーザ発振器、１０
７・・・光検知器、１０８・・・位相検知器、１０９・
・・増幅器、１１０・・・サーボドライバ、１１１・・
・集光レンズ、１１２・・・ビームスプリッタ−１１１
３・・・レンズ、１１４・・・光検知器、１１５・・・
利得制御増１１１器、１１６・・・ゲート回路、１１７
・・・パルスカウンター、１１８，１１９・・・反射鏡
、１２０・・・レンズ、１２１・・・検知器、１２２・
・・電動シャッター、１２３・・・スリンｌ−１１２４
・・・レンズ、１０５・・・ストリークチューブ、１２
６・・・掃引電圧発生回路、１２７・・・レンズ、１２
８・・・撮像カメラ、１２９・・・アナライザ、１３０
・・・表示器、１３１，１３２・・・信号映像、１３３
・・・標的反射器。

Claims

【特許請求の範囲】

１６所定幅のパルスレーザ光を発射するパルスレーザ発
振器と、レーザ光干渉を利用して往復反射間隔を所定精
度で所定値に制御・保持するようにした空洞共振系と、
入射されるパルスレーザ光についての時間差を検出する
ストリークチューブカメラ系と、上記パルスレーザ発振
器から発射されたパルスレーザ光を受け、これを測距対
象の標的および上記空洞共振系に対して分岐・投射せし
めるとともに、それらからの上記パルスレーザ光の各反
射光を上記ストリークチューブカメラ系に入射せしめる
ようにする送受光学系とを少なくとも具備し、上記標的
から反射されてくるパルスレーザ光と上記空洞共振系で
往少反射をして取シ出されたパルスレーザとを検出・識
別し、それらの両パルスレーザ光間の時間差に相当する
距離と上記空洞共振器内でのパルスレーザ光の往復距離
とにより、上記標的までの距離を算出・測定しうるよう
にしたレーザ測距装置。