JPS6336180A - ハンターとターゲットとの間の距離を測定するための光学的装置 - 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】 発明の背景 この発明は、以下で「ハンター」と呼ばれる能動設備と
、以下で「ターゲット」と呼ばれる測定する際の受動部
材との間の距離の測定に関するものである。それは、ハ
ンターに関してターゲットの距離および位置を測定する
だめの、特に２つの宇宙飛体の接合および係留を許可す
るだめの特に重要であるが排他的でない応用を見出す。

この場合、ハンターには、 −それらを分ける距離が約１００　ｋ　ｍ未満になるや
否やハンターに関するターゲットの距離およびその位置
を測定し、 −数１０ｍを越えない非常に短い距離に対してのみター
ゲットの姿勢も決定するだめの装置が設けられる必要が
ある。

所与の幾何学的パターンで間隔をおいたいくつかの反射
鏡をターゲット上に含み、かつ反射鏡のイメージを形成
するための単色光パルス源およびマトリックス検出器を
ハンター上に含む測定装置が、この目的のために利用す
るために既に提案されている。検出器は一般に、電荷結
合センサまたはＣＣＤのマトリックスにより形成される
。ハンターに関するターゲットの姿勢がそれから、短い
距離で得られたイメージを反射鏡の既知の分配パターン
と比較することにより決定される。短い距離では、イメ
ージの分析によりハンターおよびターゲットを分離する
距離を測定することもまた可能である。しかし距離が大
きくなるや否や、それは、ターゲットの大きさを７Ｉｒ
ｌｊ定することではもはや決定され得ない、なぜならば
このイメージは実際には検出器のためのビンポイントだ
からである。

この場合、光源により伝達されるパルスの飛行時間を７
１ｐｌ定することにより距離を決定することか知られて
いる。飛行時間は事実上、距離を光の速度で割ったもの
の２倍に等しい。

しかし、距離が大きくなるとハンターに戻る電力は非常
に低くなり、かつイメージにおけるエコーを同定すると
いう問題が生じ、その場合、特に太陽がそこに位置する
とき、フィールドに位置する光源によりバラサイトが現
われる。

ＣＣＤを用いる従来の方法は入射フォトンによリセンサ
の各々に発生される電荷の蓄積の位相を含むので、この
問題が益々深刻になる。太陽のような永久的放射源は、
光源により伝達されるパルスの持続期間よりずっと長い
集積面Ｆ目の全持続期間の間、電荷を生じる。

光源により伝達されるパルスの時間にほぼ等しい開放時
間を有する機械的またはオプトエレクＩ・ロニックシャ
ッタを、ＣＣＤへの光エコーのリターンバスに挾むこと
によりこの問題を克服することが既に提案されている。

パルスの放出に関してシャッタの開放の遅延を変更する
ことにより、最大出力信号が得られる瞬間が求められる
。飛行時間に対応する遅延から、距離が得られ得る。

この解決は不充分である。機械的またはオプトエレクト
ロニックシャッタは費用がかかる。その利用は複雑であ
る。Δ１１３定は、パルスのリターン時間と窓の開放と
の間の一致、すなわち同期を得るように試行錯誤による
処置を必要とする。

この発明は、特に、位置および／または姿勢の；ｔｌ定
にとにかく必要な手段に任意の機械的または電気機械的
部材を付加することなく距離測定かなされ得るという点
で、従来の既知のものよりもより良く実際の要求に答え
る測定方法および装置を提供することを目的とする。

発明の概要 このために、この発明はより特定的にはハンターとター
ゲットとの間の距離を光学的に測定するための方法を提
供し、そこでは実質的に単色の光パルスがハンターから
ターゲットの方向に繰返し放出され、かつターゲットに
より反射される光束は線ごとの、または点ごとの転送読
出を用いてマトリックス検出器上に集められ、反射され
たエコーが戻る間所与の周波数で転送が行なわれること
を特徴とし、かつ放出、収集および転送シーケンスは少
なくとも２つの異なる転送周波数に対して繰返され、２
つの異なる周波数に対するエコーを受取る線または点間
のシフトから距離が得られることを特徴とする。

この発明は、宇宙飛体間の短い距離の位置および姿勢の
測定のために既に用いられている形式のフレーム転送Ｃ
ＯＤを検出器として用いる非制限的例として与えられた
特定の実施例の以下の説明から、より良く理解される。

発明の説明 この発明は、両方が宇宙飛体により形成される、ハンタ
ー１２に関するターゲット１０の距離および位置の１１
定に対するその応用において述べられる。ハンター１２
により保持される装置は、距離りならびに（たとえば飛
跡に接する）ハンター１２の主軸に関するターゲットの
配向を規定する角度αおよびβか決定され得なければな
らない。／Ｘンターにより保持される７１？＋定装置も
またターゲット１０の姿勢を決定しなければならないと
き、このターゲット１０が、装置により認識可能なパタ
ーンに従って分配されたいくつかのバックフォールディ
ング反射鏡（図示せず）を保持する。

測定装置は、既知のようにハンター１２上に１１１色パ
ルス源（一般に１個または２個以上のレーザダイオード
）およびセンサのマトリックスを含むソリッドステート
検出器を含む。この検出器は一般に、第２図で示された
構造を角°する電荷結合型またはＣＣＤである。

この発明の利点を表わすために、ＣＣＤの従来の構造お
よび動作モードがまず想起されるべきである。イメージ
ゾーンと呼ばれるＣＣＤの感光性エレメント１４は、線
および列に集められた多くの感光性の場所１６から形成
された２次元マトリックス回路網を有する半導体材料の
ウェハにより形成される。各感光性の場所１６はポテン
シャル井戸を形成し、それはそれが受取る入射フォトン
のト目互作用により発生される電子を捕える。ＣＣＤを
従来通り利用する間、電子バケットは集積時間と呼ばれ
る一定時間の間、ポテンシャル井戸内で捕えられ、かつ
それから出力レジスタ１８に転送され、そこでそれらは
ビデオ周波数で動作する前置増幅器２０によりアナログ
電圧にシーケンシャルに変換される。クロックは、クロ
ック２２の制御のもとて同じ線内に画素ごとに生じるこ
の転送を確実にする。

感光性の場所もまたシフ］・レジスタを形成することが
わかる。しかし、イメージゾーン１４におけるこれらの
レジスタは感光性であるので、読出位相の間発生される
電子の数が、イメージを妨害しないように集積位相の間
発生される数に関して無視してよいはずであると今まで
考えられていた。

現在、読出ずために非常に多くの画素を有するために出
力レジスタ１８を含む読出段階が手間取る。

このために、いわゆるフレーム転送ＣＣＤにおいてメモ
リゾーン２４はイメージゾーン１４と出力レジスタ１８
との間に挿入される。メモリゾーンは、イメージゾーン
のそれと同じであるが感光性ではないマトリックスに分
配されたエレメントから形成される。メモリゾーンのエ
レメントの各々は、イメージゾーン１４の対応する感光
性の場所に生じられる電子のパケットを、妨害すること
なく保護する。メモリゾーン２４内へのイメージゾーン
１４の内容の転送は、線転送りロック２５により固定さ
れる速度で生じる。

第２図に示されたＣＣＤは、優れた解像度を有する光パ
ルスの飛行時間を測定するためにはあまりにも速度が遅
く、それは結果的に、たとえば機械的またはオプトエレ
クトロニックシャッタおよび測定チェーンにより形成さ
れる距離測定装置に関連しなければならない。さらに、
ハンターに戻る入射光の断片か非常に低くなる。エコー
を区別可能にするために、実際パルス源のみになり得る
非常に強力な光源が必要である。しかし、ＣＣＤのイメ
ージゾーン１４に非常に短い集積時間を得る可能性によ
り、費用のかかる構成要素であるシャッタを付加するこ
とがさらに必要になり、かつさらに距離探索の期間の後
、測定値を与えるのみである。

例として、ＣＯＤは現在利用可能であり、そのイメージ
ゾーン１４は３８４個の列および２９０個の線のマトリ
ックスに分配された感光性の場所を含む。メモリゾーン
２４は、同数の構成要素を含む。

従来、第２図に示された種類のＣＣＤにおいて利用する
間の動作のシーケンスは以下のとおりである、すなわち ＝　１秒あたり１Ｍ線になり得る速度で、一方の線から
他方の線に、かつイメージゾーンの最後の線からメモリ
ゾーン２４の最初の線に電子パケットを転送することに
よるイメージゾーン１４のアンロード、 −入射フォトンによりイメージゾーンに発生される電荷
が累積される間、検出器の感度が（一般に１ミリセカン
ドから数セカンドまでの）この位相の持続期間に依存す
る集積位相、 −クロック２６により伝達される２９０個の連続転送パ
ルスにより生じられる線をシフトすることによる、イメ
ージゾーン１４に累積した電荷の、メモリゾーン２４へ
の転送、 −１秒あたりＩＭの画素または２．５に線になり得る速
度で、出力レジスタ１８内の線によりシフトし、それか
らこのレジスタをシフトすることによるメモリゾーン２
４の読出、 となる。

もしこの配置が用いられるならば、メモリゾーン２４の
アンロードおよびメモリゾーンへの転送の位相の間、イ
メージゾーン１４の感光性の場所に発生され続ける電子
が、集積位相の間形成されるイメージ内に有するものと
は異なる位置に置かれることがわかる。ＣＣＤを用いる
従来の方法においてそれらが測定を妨害しないように、
集積位相はアンロードおよび転送位相の持続期間よりず
っと長い持続期間を有さなければならない。

この発明は、集積位相を抑圧するかまたは少なくとも線
の転送時間の持続期間までそれを減じる、全く逆のもの
と考えられ得る方法を用いる。メモリゾーン２４により
伝達されるイメージはそのとき列から形成され、そこで
は各画素が、イメージゾーン１４を介して進む間、対応
する列における位置に対して、タロツク２５により伝達
される転送パルスの持続期間の間の、各々累積された電
気素量の合計を表わす。

もし観測されるべきシーンが時間的に一定である照度を
有するならば、同じ列のすべての画素は同数のフォトン
を受取り、かつそれらはすべて同じレベルを有する。も
しシーンか均質の照度を白゛さないならば、レベルが列
の平均照度に対応するスペクトル線によりイメージが形
成される。

これに反して、もしイメージゾーン１４の感光性の場所
のうちの１つが転送パルスのそれよりも短い持続期間の
短パルスを受取るならば、電荷はパルスの持続期間の間
、この場所に発生されるのみであり、この時間間隔の間
転送しないので、イメージは鮮明である。

この実施では、 −たとえば同じ列の２個の連続する画素に対応する信号
を減じることによりパラサイト照度をなくすることが可
能である、 −　なぜなら検出器は今では光パルスの飛行時間を測定
するのが非常に速く、それは伝統的方法に従って作業す
ることにより得られる表示に関するイメージ上のエコー
の表示のシフトを生じるからである。

さらに、線の方向に位置を変更しないので、新たな作業
方法は測定が走査方向になされる、すなわち、たとえば
第１図の角度αを決定するのを決して妨げない。角度β
に関しては、それは異なる転送周波数を用いて連続して
その２つを測定することにより決定され得る。

第３図は、ハンター１２のパルス源により伝達されるパ
ルスの時間ｔに関する転送の食違いを示す。時間Ｔは、
２９０　ｆ！！］の線の連続転送に必要であり、クロッ
ク２６の周波数により固定されたものである。もしエコ
ーがＣＣＤに戻るが既にイメージゾーン１４（第５図）
から２８（こ中云送しているために、このイメージゾー
ンの中間にある感光性の場所２６上にエコーのイメージ
が形成されると仮定するならば、読出ず間、表示が２６
ａに現われる。もし第１の転送、照度パルスの送信、お
よびエコーリターンの終了時間をそれぞれｔｏ、ｔおよ
びｔ′で表わし、かつ・ｒメージ１１１およびす、　２
における表示の亮さをもたらす２つの連続する転送周波
数の値を「１およびＥ２で表わすならば、 ｈｌ　−ｈ　＋　ｃｘ、ｆｌ　（＋’　−ｔ□）−ｈ２
−　ｈ　＋　ｃｙ、ｆ２（ｔ’　−ｔ□）となり、そこ
から ４ｔ　　、　　ｔ　−し　　−［（ｈｌ−ｈ２１　　／
　　ｄ　　（ｆｌ−ｆ２）］　　＋　　＋ｔ□−ｔｌお
よび １＋　＝　ｈｌ−ｆｌ　［（ｈｌ−ｈ２）　／　　（ｆ
ｌ　−ｆ２）］が得られる。

このように、一方で距離が得られる飛行時間が決定され
得て、かつ他方で列の方向のターゲットの位置が決定さ
れ得ることがわかる。

照度パルスの表示は、スポットにより形成される。照度
ノ（通重心探索技術を用いると、約０．０２画素に達す
る測定の空間解像度が得られ得る。

最大転送周波数が１秒あたり約１Ｍ線であるので、得ら
れる解（象度は飛行時間に関して０．０２ｏｑ、すなわ
ちＲ１離（こ関して３ｍｌこなり１辱る。

時間ｔ。に関する照度パルスの時間【を進めるかまたは
遅らせることにより、イメージの上向きまたは下向きシ
フトを生じ、かつそれゆえにイメージゾーン１４のそれ
に関する装置の有用をエフイールドを減じないことが明
らかに可能である。

測定装置の一般的構造は、第６図で略図的に示されたも
のであってもよい。この図面に示された装置は、光ヘッ
ド３２および電子ユニット３４を含む。ヘッド３２は光
入力フィルタ３８を有する対物レンズ３６を含み、その
通過帯域はパルス源を形成するレーザダイオード４０の
放出スペクトル光線に対応する。光ヘッドは、対物レン
ズ３６により伝達されるイメージが形成されるＣＣＤＧ
出器４出合４２に含む。このＣＣＤは、供給回路６８を
有するベルチニクーラ４４が設けられる。

光ヘッド３２は、さらに見られるようにユニット３４か
らクロック信号を受取るインターフェイスボックス４６
をさらに含む。光ガイド４８により、レーザダイオード
４０の光伝送が対物レンズ３６の軸に伝送される。イン
ターフェイス４６の目的は、線５０上で電子ユニット３
４に再度送信されるクロックおよびビデオ信号を本質的
に整合することである。

電子ユニット３４は光ヘッド３２に接続され、それはま
たｇＷを保持する宇宙飛体の電力バス５２およびデータ
バス５４に接続される。このユニツー・は異なる回路が
接続される内部バス５６を有し、 −ＣＣＤのシーケンス動作、 −光ヘッドからのビデオ信号のアナログ処理、−ディジ
タル化の後の信号のディジタル処理（特に同じ列の２つ
の連続する点に対応する輝度の減算）、 −制御および計算 −電子ユニット３４および光ヘッド３２の異なる回路の
電源、 −ペルチェ効果クーラ４４の制御および電源、−レーザ
ダイオード４０の制御および電源を提供する。

ユニット３４の一般的構造は、たとえば第６図で示され
るように、内部バス５６に接続された以下の構成要素を
含むものであってもよい、すなわち 接地との無線接続および１ｉｌｌｌ定データの伝送のた
めに出力がトランシーバに接続されたイメージメモリ５
８と、 −プロセッサ６０と、 一ビデオ信号のアナログ処理およびＡ／Ｄ変換のための
アナログユニット６２と、 −実時間処理ユニット６４と、 −クロック信号をインターフェイス４６に伝達する、さ
らに詳細に述べられるシーケンサ６６と、 −ＤＣ−ＤＣ変換器を含み、かつまた制御回路４４によ
り温度調整を与える電力回路６８とを含むものであって
もよい。

このような装置の構成要素の多くは、エレクトロオプテ
ィックシャッタを用いる距離測定装置に見られるものと
同じである。しかしながら、機能図は第６ａ図で示され
た種類のものである。シーケンサ６６は、採用されるべ
き転送周波数およびレーザダイオードをトリガする前の
遅延を表わす人カフ０および７２に応答して、転送する
間（第１図の角度αおよびβに対応する）マトリックス
におけるＸおよびＹ座漂の形で制御パルスをレーザダイ
オード４０に、かつクロックパルスをインターフェイス
４６および画素のアドレスに伝達する。

シーケンスは特に、第７図で示された構造を有してもよ
く、スター感知装置に対するシーケンサと比較すると、
付加的構成要素は１点鎖線枠内にあるものである。シー
ケンサ６６は、局部クロック７６から信号を受取りかつ
線カウンタ８０とカスケードして画素カウンタ７８に給
送するプログラム可能分周器７４を含む。両方のカウン
タは、各画素のＸおよびＹ座漂をその出力で順に伝達す
る９ビツトカウンタであってもよい。分周器７４は、レ
ジスタ８２により、局部バス５６により伝達されたデー
タからプログラミングされる。このバスはまた、レジス
タ８４が、時間ｔを規定するレーザダイオード４０のト
リガ遅延をプログラミングするためにロードされ得る。

４０自体のトリガ動作は、レジスタの内容および画素カ
ウンタ７８の出力を比較する比較器８６により生じられ
る。

２ｆｔ！ｉｔのカウンタ７８および８０は各々、デコー
ダ８８または９０に関連する。デコーダ９０は制御論理
９２を駆動し、それによりゲート９４の回路網が可能化
され、ＣＣＤに必要な異なる制御信号を伝達する同期回
路９６を給電するようにされる。

第８図は、発生される異なる信号のタイミング図である
。（より大きい割合で上部線の一部を表わす底部線）ｖ
ｍで同定される線は、メモリゾーンにおける転送信号の
時間的連続を示す。線１ｒｌは、メモリゾーンにおける
読出信号を示す。ビデオ信号は、線Ｖで示された形態を
有し得る。第１の７個の読出パルスは、イメージを処理
する際には用いられない予続出を形成し得る。最終的に
、ゲート９４により伝達される信号は、レーザダイオー
ドを同期するためのパルス９８をさらに含む。

距離による飛行時間は、局部バス５６からレジスタ８４
をプログラミングすることにより補償される。

この発明は、上で例として述べられた特定の実施例に限
定されない。多くの変更が可能である。

特に、フレーム転送ＣＯＤの代わりにインターライン転
送ＣＣＤが用いられてもよい。このようなＣＣＤでは、
第９図で示されるように、各々がシフトレジスタ１０２
に取付けられた線に感光性の場所１００が配置される。

すべてのレジスタは、それ自体がビデオ前置増幅器２０
を駆動する出力レジスタ１０４に接続される。レジスタ
は感光性ではなく、かつＣＣＤの従来の動作では感光性
の場所に発生されたすべての電子パケットがシフトレジ
スタ内への集積の終端で転送され、かつこれらは出力レ
ジスタ１０４を介して続出される。このような形式のレ
ジスタもまた、この発明を実現するために応用され得る
。

最終的に、方向Ｘにおけるターゲットの位置の測定が不
所望であるとき、ＣＯＤはイメージゾーン１４およびメ
モリゾーン２４を含む１ｌｊ−ストリップに減じられて
もよい。この場合、システム１０６を形成する光イメー
ジは、線形イメージを形成するために与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、空間におけるランデブーを考慮してなされる
べき距離および位置Ａ１１ｌ定を示す全体図である。 第２図は、フレーム転送ＣＣＤの構造を示す全体図であ
る。 第３図は、ＣＣＤの列の画素による左右の連続する転送
（出力レジスタでは読出を生じない画素を示すハツチス
クエア）を示す。 第４図は、フレーム転送の開始およびエコーリターン時
間の開始の照度パルスの時間的連続を示す。 第５図は、転送シーケンスに関するエコーのリターン時
間の関数としての明らかなイメージの位置の差を示す図
である。 第６図および第６ａ図はそれぞれ、フレーム転送ＣＯＤ
を用いる装置の全体図および機能図である。 第７図は、第６ａ図で示された装置のシーケンサのブロ
ック図である。 第８図は、第６図のブロック図に現われる信号のタイミ
ング図である。 第９図は、この発明の実現化も果たすためのインターラ
イン転送ＣＣＤを示す。 第１０図は、距離測定装置を形成するための線形ＣＣＤ
ストリップの利用を略図的に示す。 図において、１０はターゲット、１２はハンター、１４
．２４はゾーン、１８，８２，８４，１０２．１０４は
レジスタ、２０は前置増幅器、２２．２５．２６．７６
はクロック、４２は検出器、６０はプロセッサ、６６は
シーケンサ、７４は分周器、７８．８０はカウンタ、８
６は比較器、８８．９０はデコーダである。 特許用１軸人　マドう ＦＩＧ、１ ｄ ＦＩＧ、５゜ ＦＩＧ、３゜ ＦＩＧ、４゜ ＦＩＧ、６゜ ＦＩＧ、７゜ ＦＩＧ、８

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハンターとターゲットとの間の距離を測定するた
   めの光学的方法であって、 （ａ）ハンターからターゲットに向かう実質的に単色の
   光パルスを放出する段階と、 （ｂ）線ごとのまたは点ごとの転送読出を用いてマトリ
   ックス検出器上に、ターゲットにより反射される光を集
   める段階と、 （ｃ）前記ターゲットから反射されたエコーを戻す間、
   第１の予め定められた周波数で前記転送読出を行なう段
   階と、 （ｄ）第１の周波数とは異なる他の予め定められた転送
   周波数を用いて放出、収集および転送シーケンスを繰返
   す段階と、 （ｅ）２つの異なる周波数に対するエコーを受取った線
   または点間のシフトから距離を得る段階とを含む、ハン
   ターとターゲットとの間の距離を測定するための光学的
   方法。
2. （２）ハンターとターゲットとの間の距離を光学的に測
   定するための装置であって、ターゲット上に後方反射手
   段を含み、 実質的に単色の光パルス源と、 線および列に分配されたセンサのマトリックスを有する
   ソリッドステート検出器と、 前記センサのうちの１個の上にスポットとして前記反射
   手段により反射された光のイメージを形成するための光
   学的手段と、 検出器出力手段に対して予め定められた周波数で、前記
   列の方向に線ごとにまたは点ごとに前記センサの出力を
   転送することによりセンサの前記マトリックスを読出す
   ための手段と、 読出手段により転送する間、前記ターゲットからエコー
   を戻すために前記転送の開始に関して選択された予め定
   められた時間で１個の前記光パルスをトリガするための
   タイミング手段と、 ２つの異なる転送周波数に対して、エコーを受取った線
   または点の決定から前記距離を得るための計算手段とを
   ハンター上に含む、ハンターとターゲットとの間の距離
   を光学的に測定するための装置。
3. （３）前記計算手段が、永久光効果を抑圧するために同
   じ列の２つの相互に隣接する点の輝度を減するために配
   置される、特許請求の範囲第２項に記載の装置。
4. （４）転送する間、受取られるべきエコーに対して選択
   された値で前記光パルスおよびエコーを分離する前後の
   時間の関数として、光パルスと転送の開始との間の時間
   期間を調整するための手段をさらに含む、特許請求の範
   囲第２項に記載の装置。
5. （５）前記検出器が、前記線および列に分配された光応
   答センサの第１のマトリックス回路網からなるイメージ
   ゾーンと、さらに第１のものと同じ第２のマトリックス
   回路網からなるメモリゾーンとを含むＣＣＤ検出器から
   なり、前記読出手段は、イメージゾーンの内容をメモリ
   ゾーンに、かつメモリゾーンから、同じ線の画素がシー
   ケンシャルに読出される出力レジスタに線ごとに転送す
   るために配置される、特許請求の範囲第２項に記載の装
   置。
6. （６）前記光パルス源が、前記光学的手段の軸に沿って
   光パルスを伝達するレーザダイオードからなる、特許請
   求の範囲第５項に記載の装置。
7. （７）前記検出器が、前記線および列に分配された光応
   答センサの第１のマトリックス回路網からなるイメージ
   ゾーンと、さらに第１のものと同じ第２のマトリックス
   回路網からなるメモリゾーンとを含むＣＣＤ検出器から
   なり、前記読出手段は、イメージゾーンの内容をメモリ
   ゾーンに、かつメモリゾーンから、同じ線の画素がシー
   ケンシャルに読出される出力レジスタに線ごとに転送す
   るために配置される、特許請求の範囲第４項に記載の装
   置。