JPS642903B2

JPS642903B2 -

Info

Publication number: JPS642903B2
Application number: JP57048157A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Takeuchi; Katsumi Sakurai; Nobuo Sugimoto
Original assignee: KOKURITSU KOGAI KENKYUSHOCHO
Current assignee: KOKURITSU KOGAI KENKYUSHOCHO
Priority date: 1982-03-27
Filing date: 1982-03-27
Publication date: 1989-01-19
Also published as: JPS58166281A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、連続出力レーザを用いて散乱体の
空間プロフアイルを得るようにした擬似ランダム
変調連続出力ライダに関するものである。

ライダ（lidar：light detection and ranging）
はレーザレーダ（laser radar）とも言われ、レ
ーザで代表される指向性の良い光を光源とし、大
気、水等の透明媒質中を伝播させ、その散乱（反
射）信号から、散乱体までの距離、空間的形状、
濃度等の物理的性状を得る装置であり、通常パル
スレーザが光源として用いられる。ライダはマイ
クロ波のレーダに比べ、レーザを光源とするの
で、光源の指向性が良いばかりでなく、光源の波
長が短く、大気中の粒子状物質や気体成分からの
散乱も大きいので、精密な測距や大気汚染などの
計測に用いられる。一般的に信号強度は送信光平
均出力に比例するので、パルス光よりも連続光
（CW光）を用いる方が、電源電圧や動作の安定
性の点から望ましい。

マイクロ波領域のレーダではCW動作のものと
して、FM（周波数変調）CWレーダがあり、光領
域のFM−CWライダも提案されている。この方
式は空間分解能を得るために、FMをかけ、その
特定の周波数成分から距離を求めているので、周
波数（位相）の制御された送信源が必要である。
また、周波数の変移から距離を求めているので、
散乱体が移動しているときは距離の測定が不正確
になる。

CW動作に近い方式に、「断続CW動作」（in−
terrupted CW）があり、それに該当するものと
して符号化パルスレーダ（以下レーダと呼ぶとき
にはマイクロ波領域を指す）がある。

符号化パルスレーダの動作時間の関係を第１図
ａに示す。その詳細は後述するが、符号化パルス
レーダを空間分布測定に用いようとするときに
は、第１図ａからわかるように近距離の影響を除
くために断続的な測定にする必要があることが符
号化パルスレーダの本質的なところである。（測
距計に使用し、遠方の強い反射体までの距離だけ
を求める場合はこの限りではない。）符号化パル
スレーダでは、擬似ランダム信号による変調方式
を用いており、距離を目標物の速度と関係なく求
めることができ、周波数変移を測定すると、移動
速度を同時に求めることができる。

この発明の擬似ランダム変調連続出力ライダ
（以下擬似ランダム変調CWライダという）は、
光領域で動作するレーザを光源とし、レーザ光と
受光系視野との重なり（以下、視野の重なり関数
という）を調整して完全にCW動作させる方式で
あり、これを第１図ｂに示す。

符号化パルスレーダとこの発明とを比較する
と、前者では第１図ａのようにT_t移送信後、近
距離の影響を除くために、不感時間T_bだけあけ
てT_t秒受信し、このスキームを（2T_t＋T_b）秒の
周期で繰返する方式である。したがつて時間の利
用率は、第１図ｂに示す連続出力のこの発明と比
べて、T_t／（2T_t＋T_b）と少ない。また、符号化
パルスレーダでは、送・受信時間T_tは擬似ラン
ダム信号の周期Ｔ（Ｃを光速として、Ｔ・（Ｃ／
２）が測定距離区間となる）より必要以上に大き
くても無意味であり、遠方（したがつてT_bを大
きくとる）の測定ではT_t／（2T_t＋T_b）を1/2に
近づけることは難しい。また、第１図ｃの矢印
（矢印の長さが、送信された信号のうち、それぞ
れの距離に対応して受信される時間を示す）が示
すように、不感時間T_bの後、受光信号光は直線
的に比例して大きくなり、全受信区間で必要に応
じて有効に調節することはできない。この発明の
擬似ランダム変調CWライダでは連続動作であ
り、視野の重なり関数を調節するので、各測定距
離（受信の遅延時間）に対する送信信号の寄与率
を望ましい形に近づけることが可能である。ま
た、ライダ（光領域）では、変調信号の単位ビツ
ト時間τの中に多数の周波数が入るので、送信光
の周波数（位相）がそれほど問題でなく、単なる
光のパルスを受光すればよく、指向性さえよけれ
ば非可干渉性（インコヒーレント）な光を用いる
ことができる。これはレーダにない利点であり、
周波数の質や安定性の悪いレーザ光の使用を可能
とする。また、可干渉性（コヒーレント）な光を
用いることによつて速度を検出できる装置に機能
を拡大できる。

上記は従来の符号化パルスレーダとこの発明の
擬似ランダム変調CWライダとの特徴的相違点で
あるが、以下この発明についてより詳細に説明す
る。

第２図はこの発明の原理説明図である。この図
において、１０は送信部で、レーザ１１および変
調器１２からなる。２０は受信部で、受光検出器
２１と遅延相関器２２からなり、受光部分には受
光望遠鏡が用いられる。

その動作について説明する。レーザ１１から放
出されたCW光は、変調器１２によつて擬似ラン
ダム信号（例えばＭ系列（最長系列）、バーカ系
列など）の符号で変調を受け、大気（水）中へ射
出される。この送信信号を、出力信号をP₀、擬
似ランダム信号をＭ（ｔ）として、P₀M（ｔ）で
表わす。

視野の重なり関数Ｙ（Ｒ）（送信レーザ光が受光
望遠鏡視野に含まれる割合、第２図の斜線部分）
が“０”から正に変わる距離（以下これを最小検
出距離という）をR_nとすると、この最小検出距
離R_nより遠方で散乱体（反射体）３０から散乱
（反射）された信号のみが検出可能である。散乱
（反射）された光は受光検出器２１で検出され、
電気信号に変換される。この受信信号Ｐ（ｔ）を
記憶し、遅延相関器２２で遅延された変調信号Ｍ
（ｔ＋t_d）と相関をとつて応答関数（ライダのエ
コー信号）Ｓ（t_d）を得る。

応答関数Ｓ（t_d）の導出は、擬似ランダム信号
Ｍ（ｔ）（周期Ｔ）の性質： (A) ∫^T ₀Ｍ（ｔ）・ｆ（ｔ）dt≒０たゞし、ｆ（ｔ）はＭ（ｔ）と異なる関数 (B) たゞし、τは変調符号１ビツトの幅、Ｔは周
期で、τの整数倍（この整数値は擬似ランダム
信号の種類によつて決まる）を用いてＳ（t_d）＝１／Ｔ・P₀∫^T ₀Ｐ（ｔ）Ｍ（t_d＋ｔ）dt ……(1) として得られる。受信信号Ｐ（ｔ）は、応答関数
Ｓ（t_d）を用いて、Ｐ（ｔ）＝P₀∫^T ₀Ｓ(t-t′)Ｍ(t′)dt′＋b₀(t) ……(2) と表わされる。第(2)式と第(1)式に代入して展開す
ると、b₀（ｔ）を含む項は性質(A)によつて消去さ
れる。応答関数Ｓ（t_d）は、Ｓ（t_d）＝η（Ｃ／２）A_rβ_r（Ｒ）T²（Ｒ）Ｙ（Ｒ
）・１／R²である。

たゞし、Ｒ＝t_d（Ｃ／２）であり η：受光光学系の効率 A_r：受光望遠鏡の面積 β_r（Ｒ）：距離Ｒにおける後方散乱係数Ｔ（Ｒ）：透過率ｃ：光速パルスレーザの受光信号は、応答関数Ｓ（t_d）
を用いて、 P_r,pulse（Ｒ）＝P_pulseＳ（t_d））τ_p たゞし、τ_p：パルスレーザ光のパルス幅の関係
にある。したがつて、遅延時間t_dを変えることに
よつて、応答関数Ｓ（t_d）を得ることができる。
応答関数Ｓ（t_d）をすべてのt_dについて同時に計
測するために、受光検出された信号は、高速記憶
装置に周期Ｔで繰り返して集積記録され、デイジ
タル処理によつて応答関数Ｓ（t_d）を求める。か
くして、散乱体（反射体）３０からの信号を検出
することができる。

次に上記原理に基づくこの発明の実施例につい
て第３図により説明する。

第３図において、１３は擬似ランダム信号発生
器、２３は高速記憶装置、２４は表示記録器であ
り、その他は第２図と同じである。

次に動作について説明する。

擬似ランダム信号発生器１３で発生された擬似
ランダム信号Ｍ（ｔ）を用いて、変調器１２で出
力信号P₀を変調して送信信号P₀M（ｔ）を生成す
る。最小検出距離R_nより遠方の信号を受光検出
器２１で集光し、高速記憶装置２３に擬似ランダ
ム信号Ｍ（ｔ）の要素数のシフトレジスタに周期
Ｔで繰返し積算し、一定積算回数毎に遅延相関器
２２へ転送し、擬似ランダム信号Ｍ（ｔ）の遅延
時間t_dを変えながら相関をとることによつて、応
答関数Ｓ（t_d）、すなわち、大気（水）中の散乱体
３０のプロフアイルに距離の関数T²（Ｒ）／R²を
乗じたものを得ることができる。

さらに、上記の実施例では送信部として、レー
ザ１１からのCW光を擬似ランダム信号で変調す
るようにしたが、この他、レーザ電源を擬似ラン
ダム信号で駆動することによりパルスコード化す
るようにしてもよい。

上述のように、この発明では送出レーザ光と受
光光学系の視野の関係を利用することによつて、
応答関数Ｓ（t_d）の式から分るように、近距離の
散乱体からの強い信号（Ｙ（Ｒ）＝１の場合には無
限大となる）を０とすることによつて、従来の測
距系を転用したのでは測定できなかつた空間分布
の測定を可能とした。また、周期Ｔの全ての時間
で測定を行つて高感度化しているだけでなく、高
速記憶装置に周期Ｔで連続加算することによつて
測定をさらに高感度化し、空間分布の精密な測定
を可能としている。

なお、媒体としては気体、液体のほか透明な固
体であつてもよく、また、散乱体３０には反射体
が含まれることは云うまでもない。さらに、視野
の重なりの調整は受光検出器２１側のみでなく、
送信部１０側の調整も寄与する。調整のパラメー
タとしては、送信側でのレーザ光のビームの拡が
りと送信方向、受信側での受光視野角、受光光軸
方向のみでなく、受光光学系の焦点面（距離の関
数）と絞りの挿入個所の関係などをかえて視野角
を距離の関数として調整することも可能である。
これらの総合的な調整の結果として視野の重なり
関数Ｙ（Ｒ）が定められる。

以上詳細に説明したように、この発明は、連続
発振のCWレーザ光を擬似ランダム信号で変調
し、視野の重なり関数Ｙ（Ｒ）を調整できる光学
系と組合わせることによつて、散乱体の位置、濃
度を求めるようにしたもので、下記のような利点
がある。

(1) 平均出力がP₀／２のパルス動作ライダとほ
ぼ同等の性能が得られる。

(2) CW動作であるので、動作が安定しており、
信頼性が高くなる。

(3) CW動作であるので、充放電のスウイツチン
グに伴う誘導雑音を完全に除去できる。

(4) ライダで常に問題となる背景光などによる信
号のゼロレベルを自動的に補正することが可能
である。

(5) 同じ平均出力を得るパルスレーザに比べ、一
般に装置が小型となるので、装置の小型化がは
かれる。

(6) パルスレーダと異なり、常に信号を取り込ん
でいるので、応答関数Ｓ（t_d）の中のT²（Ｒ）／
R²の因子によつて近距離からの寄与が大きい
が、視野の重なり関数Ｙ（Ｒ）を調節すること
によつて、任意に最小検出距離R_nを設定でき
る。したがつて、非常に離れた遠方から測定を
開始することも可能である。

(7) 視野の重なり関数Ｙ（Ｒ）を調節することに
よつてCW光を用いることは、符号化パルスレ
ーダ方式（第１図ａ）と比べて、パワーの利用
率が２倍以上となるだけでなく、各測定距離に
対する送信信号の寄与率を視野の重なり関数Ｙ
（Ｒ）によつて調整できる点でも有利である。

(8) ドツプラ効果による受信信号光の周波数遷移
を測定して反射体の速度を求める方法、および
パルスライダにおける差分吸収ライダと同じく
多波長を同時に送信し、多チヤンネルの遅延相
関器によつて、波長別の信号を得て、その強度
比から媒体中の散乱されるまでの吸収が求めら
れ、この光路積分吸収量を距離微分して、吸収
体の空間濃度プロフアイルを求める方法に適用
できる。

(9) 単一動作パルスライダに比べ光源出力が弱く
て済むので、レーザ光の眼に対する安全性に対
して有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａはマイクロ波レーダの一種である符号
化パルスレーダの送信、受信の動作タイムチヤー
ト、第１図ｂはこの発明における送光、受光の動
作タイムチヤート、第１図ｃは符号化パルスレー
ダにおける各測定距離に対する送信光の寄与率の
チヤート、第２図はこの発明の原理説明図、第３
図はこの発明の一実施例の構成を示すブロツク図
である。図中、１０は送信部、１１はレーザ、１２は変
調器、１３は擬似ランダム信号発生器、２０は受
信部、２１は受光検出器、２２は遅延相関器、２
３は高速記憶装置、２４は表示記録器、３０は散
乱体である。

Claims

【特許請求の範囲】

１周期的擬似ランダムコードで変調された連続
出力レーザを媒体中へ送出する送信部と；前記媒
体中の近距離の散乱体からの散乱光に対して不感
帯のある受光検出器と、前記変調に用いた擬似ラ
ンダム信号と前記受光検出器の周期的連続加算さ
れた受信信号との相関をとり遅延時間の関数とし
て前記媒体中の散乱体の空間プロフアイルを得る
遅延相関器からなる受信部と；からなることを特
徴とする擬似ランダム変調連続出力ライダ。