(57)【要約】ＬＯＡＳ及びＬＩＤＡＲシステムの組合せシステムは、第１所定波長で第１コヒーレント光ビームを生成するＬＩＤＡＲ光学要素構成と、第２所定波長で第２コヒーレント光ビームを生成するＬＯＡＳ光学要素構成と、ビームエクスパンダの開口部へ向けてほぼ第１共通光路上に第１および第２コヒーレント光ビームを指向させる二色性フィルタ光学要素と、該システムから拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を指向させる少なくとも１つの出力光学要素と、を備え、該少なくとも１つの出力光学要素はまた、第１および第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該反射をビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集され、二色性フィルタ光学要素は、第１コヒーレントビームに対応する収集された光を分離し、流速の決定において使用するためにＬＩＤＡＲ光学要素構成へ戻るように指向させ、第２コヒーレントビームに対応する収集された光を分離し、少なくとも１つの物体の検出において使用するためにＬＯＡＳ光学要素構成へ戻るように指向させる。
2005502055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
障害物検出および流速測定のためのレーザー障害物認識システム（ＬＯＡＳ）並びに光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの組合せシステムであって、
第１所定波長で第１コヒーレント光ビームを生成するＬＩＤＡＲ光学要素構成と、
第２所定波長で第２コヒーレント光ビームを生成するＬＯＡＳ光学要素構成と、
ビームエクスパンダと、
前記ビームエクスパンダの開口部へ向けてほぼ第１共通光路上に前記第１および第２コヒーレント光ビームを指向させる二色性フィルタ光学要素であって、前記ビームエクスパンダは、前記第１および第２コヒーレントビームを受け入れて拡大し、その出力において第２共通光路に沿って前記拡大された第１および第２コヒーレントビームを放出するように位置合わせされる、二色性フィルタ光学要素と、
少なくとも１つの出力光学要素であって、前記第２共通光路は、該システムから前記拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を導く該少なくとも１つの出力光学要素に入射し、該少なくとも１つの出力光学要素はまた、前記第１および第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該反射を前記ビームエクスパンダへ指向させ、そこで前記ビーム反射が収集される、少なくとも１つの出力光学要素と、
を備え、
前記二色性フィルタ光学要素は、前記第１コヒーレントビームに対応する収集された光を前記第２コヒーレントビームに対応する収集された光から分離し、前記第１コヒーレントビームに対応する分離された光は流速の決定において使用するために前記ＬＩＤＡＲ光学要素構成へ戻るように指向され、前記第２コヒーレントビームに対応する分離された光は少なくとも１つの物体の検出において使用するために前記ＬＯＡＳ光学要素構成へ戻るように指向される、
組合せシステム。
【請求項２】
前記ＬＩＤＡＲ光学要素構成と前記二色性フィルタ光学要素の間に配置され、該システムからほぼ所定距離の空間内のスポットに前記第１コヒーレント光ビームを集光するビーム収束光学部品を含み、前記少なくとも１つの出力光学要素は、空間内の前記スポットにおける少なくとも１つの粒子から前記第１コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該粒子反射を前記ビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集される請求項１に記載の組合せシステム。
【請求項３】
前記ビーム収束光学部品は、前記第１コヒーレント光ビームが集光される空間内のスポットの距離を変動させるように作動する請求項２に記載の組合せシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの出力光学要素は少なくとも１つの回転作動式共通光学要素を備え、前記第２共通光路は、該システムから前記拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を指向させる前記少なくとも１つの回転作動式共通光学要素に入射し、前記拡大された第１コヒーレント光ビームは第１所定パターンで指向され、前記拡大された第２コヒーレント光ビームは第２所定パターンで指向される請求項１に記載の組合せシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの回転作動式共通光学要素はまた、前記第２所定パターンに沿って少なくとも１つの物体から前記第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該ビーム反射を前記ビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集される請求項４に記載の組合せシステム。
【請求項６】
前記第１および第２パターンはほぼ同じである請求項４に記載の組合せシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの回転作動式共通光学要素は、方位角走査において前記第１所定パターンの拡大された第１コヒーレント光ビームおよび前記第２所定パターンの拡大された第２コヒーレント光ビームを指向させる請求項４に記載の組合せシステム。
【請求項８】
前記第１所定パターンの拡大された第１コヒーレント光ビームおよび前記第２所定パターンの拡大された第２コヒーレント光ビームは、前記方位角走査においてほぼ共通の方位角位置に指向される請求項７に記載の組合せシステム。
【請求項９】
前記ＬＯＡＳ光学要素構成は、少なくとも１つの物体を検出することにおいて使用するために、前記第２コヒーレントビームの光反射を、それを表す電気信号に変換する光検出器を含み、該組合せシステムは、指向された第２コヒーレント光ビームの、その方位角走査における方位角位置をほぼ決定する手段と、前記光検出器および前記方位角位置を決定する手段に結合し、距離および方位角に関して前記少なくとも１つの検出された物体の位置を決定する処理手段とを含む請求項７に記載の組合せシステム。
【請求項１０】
前記ＬＩＤＡＲ光学要素構成は、流速を決定することにおいて使用するために、前記第１コヒーレントビームのヘテロダイン処理された光反射を、それを表す電気信号に変換する光検出器を含み、該組合せシステムは、指向された第１コヒーレント光ビームの、その方位角走査における方位角位置をほぼ決定する手段と、前記光検出器および前記方位角位置を決定する手段に結合し、前記方位角走査における異なる方位角位置での流速を決定する処理手段とを含む請求項７に記載の組合せシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの回転作動式光学要素は、
前記拡大された第１および第２コヒーレント光ビームを受け取り、それらのそれぞれ対応する第１および第２所定パターンで前記受け取られたビームを指向させる第１回転作動式光学要素と、
前記第１回転作動式光学要素から前記第１および第２ビームを受け取り、方位角走査におけるそれらの所定パターンで前記受け取られたビームを指向させる第２回転作動式光学要素と、
を含む請求項４に記載の組合せシステム。
【請求項１２】
前記第１回転作動式光学要素は所定章動角で回転されるミラー光学要素を備え、前記拡大された第１および第２コヒーレント光ビームは前記ミラー光学要素の面で受け取られ反射される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１３】
前記第１回転作動式光学要素は二色性ウエッジ光学要素を備え、該二色性くさび光学要素は、その１つの面からほぼ前記第１コヒーレントビームの光を指向させ、そのもう１つの面からほぼ前記第２コヒーレントビームの光を指向させる請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１４】
前記第１回転作動式光学要素は二色性ウエッジ光学要素を備え、該二色性ウエッジ光学要素は、その１つの面からほぼ前記第１コヒーレントビームの光を反射し、そのもう１つの面からほぼ前記第２コヒーレントビームの光を指向させる請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１５】
前記第１回転作動式光学要素は、１つの面がそれに対向する面に対して所定角をなして傾斜しているミラー光学要素を備え、該光学要素は前記対向面に垂直な軸の周りに回転され、前記拡大された第１および第２ビームは前記ミラー光学要素の該傾斜面で受け取られ反射される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１６】
前記第１回転作動式光学要素はパルマーミラーを備え、前記拡大された第１および第２ビームは前記パルマーミラーの面で受け取られ反射される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１７】
前記第２回転作動式光学要素はミラー光学要素を備え、前記第１回転作動式光学要素から指向されたビームは前記ミラー光学要素の面で受け取られ反射される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１８】
前記第２回転作動式光学要素はフォールドミラーとして構成される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項１９】
前記第１回転作動式光学要素はフォールドミラーとして構成される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項２０】
前記第１回転作動式光学要素は前記第２回転作動式光学要素の回転速度よりかなり大きい回転速度で回転される請求項１１に記載の組合せシステム。
【請求項２１】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムのための送受信機として使用されるブロック光学要素構成であって、
その内部に複数の光路を形成するようにブロックとして互いに位置合わせされ、該位置合わせを維持するように互いに固定された複数のガラスモジュールと、
前記ブロックに固定され、コヒーレント光ビームを前記ブロックの出口点に導く前記ブロック内の少なくとも１つの光路上にコヒーレント光ビームを生成するコリメート光源と、
前記ブロックに固定された光検出器と、
を備え、
前記ブロックは、反射コヒーレント光ビームを受け取り、前記ブロック内に形成された少なくとも１つの別の光路を通じて前記反射コヒーレント光ビームを前記光検出器へ伝えるように構成される、
ブロック光学要素構成。
【請求項２２】
前記ブロックの前記出口点に固定された４分の１波長板を含み、生成した光ビームは前記４分の１波長板を通って前記ブロックから放出され、前記反射光ビームは前記４分の１波長板を通って前記ブロックによって受け取られる請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２３】
前記４分の１波長板は、前記ブロックにその前記出口点で接着される請求項２２に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２４】
前記複数のガラスモジュールのうちの２個が互いに接着されて、生成したコヒーレント光ビームの光路に配置され第１偏光状態の光を通過させ第２偏光状態の光を反射する第１ビームスプリッタを形成する請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２５】
前記第１ビームスプリッタは、前記反射コヒーレント光ビームの経路にも配置される請求項２４に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２６】
前記ブロックは、音響光学変調器（ＡＯＭ）を固定するための穴を含む請求項２５に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２７】
前記ＡＯＭは、前記第１ビームスプリッタから反射される光の光路に配置される請求項２６に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２８】
前記複数のガラスモジュールのうちの別の２個のガラスモジュールが互いに接着されて、前記反射コヒーレント光ビームおよび前記ＡＯＭを出る光の光路に配置された第２ビームスプリッタを形成し、該第２ビームスプリッタは、前記反射コヒーレント光ビームおよび前記ＡＯＭを出る光の両方の一部を前記光検出器に導くように構成される請求項２７に記載のブロック光学要素構成。
【請求項２９】
前記複数のガラスモジュールのうちの１つがドーブプリズムを備え、該ドーブプリズムは少なくとも１つの別のガラスモジュールに接着され、前記第１ビームスプリッタから反射された光を前記ＡＯＭに導く光路を形成する請求項２７に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３０】
前記複数のガラスモジュールは接着剤で接着することによって互いに固定される請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３１】
前記接着剤は紫外線硬化光学接着剤を含む請求項３０に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３２】
前記複数のガラスモジュールの少なくとも１つが、内部光反射によって前記ブロックの１つの光路を形成する少なくとも１つの研磨面を含む請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３３】
前記コリメート光源はレーザーダイオードを備える請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３４】
前記光検出器はフォトダイオードを備える請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３５】
前記コリメート光源は前記ブロックのある側に固定され、前記出口点は前記ブロックのもう１つの側にある請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３６】
前記コリメート光源は前記ブロックのある側に固定され、前記光検出器は前記ブロックのもう１つの側にある請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３７】
前記ブロックは、音響光学変調器（ＡＯＭ）を固定するための穴を含む請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３８】
前記ＡＯＭを出る光の光路に配置されたビーム補正光学要素を含む請求項３７に記載のブロック光学要素構成。
【請求項３９】
前記複数のガラスモジュールのうちの２個のガラスモジュールが互いに接着されて、前記反射コヒーレント光ビームの光路に配置されたビームスプリッタを形成し、該ビームスプリッタは、前記反射コヒーレント光ビームの一部を前記光検出器に導く請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項４０】
ガラスモジュールの前記位置合わせが、前記コリメート光源と前記ブロックの出口点の間のコヒーレント光ビームの直線光路を形成する請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項４１】
前記生成したコヒーレント光ビームおよび反射コヒーレント光ビームの光路は前記ブロック内で同一直線上にある請求項２１に記載のブロック光学要素構成。
【請求項４２】
障害物検出および流速測定のためのレーザー障害物認識システム（ＬＯＡＳ）並びに光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの組合せシステムであって、
第１所定波長で第１コヒーレント光ビームを生成するＬＩＤＡＲ光学要素構成と、
第２所定波長で第２コヒーレント光ビームを生成するＬＯＡＳ光学要素構成と、
共通光路にほぼ沿って前記第１および第２コヒーレント光ビームを指向させる二色性フィルタ光学要素と、
前記共通光路から光を受け入れて拡大するビームエクスパンダを含む走査ヘッドと、少なくとも１つの出力光学要素であって、前記走査ヘッドから該拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を指向させ、また、前記第１および第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該反射を前記ビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集され、前記共通光路に沿って前記二色性フィルタ光学要素に戻される、少なくとも１つの出力光学要素と、
を備え、
前記二色性フィルタ光学要素は、前記第１コヒーレントビームに対応する収集された光を前記第２コヒーレントビームに対応する収集された光から分離し、前記第１コヒーレントビームに対応する分離された光は流速を決定することにおいて使用するために前記ＬＩＤＡＲ光学要素構成へ戻るように指向され、前記第２コヒーレントビームに対応する分離された光は少なくとも１つの物体を検出することにおいて使用するために前記ＬＯＡＳ光学要素構成へ戻るように指向される、
組合せシステム。
【請求項４３】
前記スキャンヘッドの少なくとも１つの出力光学要素は、前記スキャンヘッドから前記拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を指向させる少なくとも１つの回転作動式共通光学要素を備え、前記拡大された第１コヒーレント光ビームは第１所定パターンで指向され、前記拡大された第２コヒーレント光ビームは第２所定パターンで指向される請求項４２に記載の組合せシステム。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの回転作動式共通光学要素はまた、前記第２所定パターンに沿って少なくとも１つの物体から前記第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該ビーム反射を前記ビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集され、前記共通光路に沿って前記二色性フィルタ光学要素に戻される請求項４３に記載の組合せシステム。
【請求項４５】
前記第１および第２パターンはほぼ同じである請求項４３に記載の組合せシステム。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの回転作動式共通光学要素は、方位角走査において前記第１所定パターンの拡大された第１コヒーレント光ビームおよび前記第２所定パターンの拡大された第２コヒーレント光ビームの両方を指向させるために前記走査ヘッドによって方位角方向に回転される請求項４３に記載の組合せシステム。
【請求項４７】
前記第１所定パターンの拡大された第１コヒーレント光ビームおよび前記第２所定パターンの拡大された第２コヒーレント光ビームは、前記方位角走査においてほぼ共通の方位角位置に指向される請求項４６に記載の組合せシステム。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの回転作動式共通光学要素は、仰角走査において前記第１所定パターンの拡大された第１コヒーレント光ビームおよび前記第２所定パターンの拡大された第２コヒーレント光ビームの両方を指向させるために前記走査ヘッドによって仰角方向に回転される請求項４３に記載の組合せシステム。
【請求項４９】
前記第１所定パターンの拡大された第１コヒーレント光ビームおよび前記第２所定パターンの拡大された第２コヒーレント光ビームは、前記仰角走査においてほぼ共通の方位角位置に指向される請求項４６に記載の組合せシステム。
【請求項５０】
前記走査ヘッドは、前記ＬＯＡＳ光学要素構成およびＬＩＤＡＲ光学要素構成から離れて配置され、該離れた走査ヘッドへの光路は光ファイバケーブルを備える請求項４２に記載の組合せシステム。
【請求項５１】
複数の走査ヘッドおよび前記共通光路と、前記複数の走査ヘッドのうちの選択された走査ヘッドとの間で対応する光路に沿って光を結合するように制御可能な光スイッチを含む請求項４２に記載の組合せシステム。
【請求項５２】
前記走査ヘッドのそれぞれは、前記ＬＯＡＳ光学要素構成およびＬＩＤＡＲ光学要素構成から離れて配置され、該離れた走査ヘッドへの光路のそれぞれは光ファイバケーブルを備える請求項５１に記載の組合せシステム。
【請求項５３】
前記光スイッチは、少なくとも１つの軸の周りに回転するように作動するフリップミラーを備える請求項５１に記載の組合せシステム。
【請求項５４】
前記光スイッチはＭＥＭＳ技法を用いて作製される請求項５１に記載の組合せシステム。
【請求項５５】
複数の走査ヘッドを含み、光が、前記共通光路と、該複数の走査ヘッドとの間で対応する複数の光路に沿って指向される請求項４２に記載の組合せシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、レーザー測定システムに関し、特に、組合わされたレーザー障害物認識（ＬＯＡＳ：laser obstacle awareness）並びに光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ：light detection and ranging）システムに関する。
（関連出願の相互参照）
以下の特許出願は、本出願と共通の明細書および図面を含む。
米国特許出願第０９／９４６０５８号、名称：「Wide Field Scanning Laser Obstacle Awareness System」；および
米国特許出願第０９／９４６０４８号、名称：「System and Method Of Measuring Flow Velocity In Three Axes」
これらはいずれも、同日に出願され、本願と同一の譲受人に譲渡されている。
【背景技術】
【０００２】
地面近くを運航中の航空機に共通の飛行危険要因として、地上構造物および障害物との衝突の可能性がある。特に、ヘリコプターや、無人航空機（ＵＡＶ）と呼ばれる新種の航空機は、対地高度（ＡＧＬ）５００フィート未満で運航されることが多い。この環境では、これらの航空機が送電線、無線塔の支持ワイヤ、あるいは種々の構造物や障害物と衝突することもまれではない。このような衝突は通常、人命の喪失、航空機の重大な損傷、構造物や障害物自体への損傷、その後の高圧送電線網での配電損失、ならびに地上の人間や財産への危険を引き起こす。例えばヘリコプターやＵＡＶのような航空機は通常、離着陸、種々の低空軍事演習、および電力会社による点検や緊急救助任務のような商業的用途のために、そのような低い高度で運航される。
【０００３】
航空機から送電線を点検するには、損傷した機器を探しながら高圧電線および支持構造物に沿って地上近くを飛行する必要がある。ヘリコプターを使用すれば、電力会社の点検要員は、短時間で広範囲の高圧送電線網をカバーすることができる。低空飛行プロファイルを必要とする他のヘリコプター用途としては、例えば、緊急および救助任務、緊急医療、国境監視、ならびに石油掘削用浮動プラットフォームの供給がある。同様に、ＵＡＶ用途は、監視、離着陸および軍需品配送のための自律制御を必要とする。これらのすべての用途において、航空機搭乗員および航空機は、電線、ケーブル、塔、およびその他同様の支持構造物等の障害物と衝突する危険性がある。この危険性は、視程が低い場合や未知地形の上空を飛行する場合にはいっそう高くなる。航空機キャノピーの種類、照明、および環境条件によっては、たとえ昼光条件下であっても、背景クラッタにより、多くの障害物がパイロットや搭乗員にとって実質的に見えなくなることがある。また、航空機によりパイロットに提供される視野が狭いため、一部の障害物は、見えるのが遅すぎて回避できなくなる可能性がある。驚くべきことに、非常に高い事故率は一般に晴天条件に関連している。このことは、パイロットの状況認知状態が低い間には、危険な地上障害物の識別が規則正しく行われない可能性があることを示している。
【０００４】
一部のヘリコプターは、航空機の前端に取り付けられる構造的ワイヤ打撃保護キットを装備している。これは、航空機の進路に入ったワイヤを、航空機の上部の上または下部の下でスライドさせるためのものである。しかし、この装置が有効であるためには、接触したワイヤがキャノピーを横切ってワイヤカッターまでスライドしなければならない。これが起こると、ワイヤがワイヤカッターによって（もしある一定のサイズおよび強度エンベロープを満たせば）切断され、航空機を危険から解放する可能性が高い。電力会社が、切断されたワイヤを確認しても、ワイヤ打撃事故の報告がないことはまれではない。このことは、場合によっては、航空機搭乗員がワイヤにぶつかった、ましてやそれを切断したのを知らなかったことや、彼らが事故を報告したがらないことの現れである。しかし、ワイヤがキャノピーを横切ってスライドせず、ヘリコプターのローターや着陸用そりのような他の領域に激突する場合、ワイヤをワイヤ打撃保護システムで切断することができない。前進運動によりワイヤの張力が高まる結果、航空機への損傷はキャノピーおよび航空機搭乗員への貫通を伴い、メインローターへの損傷がアンバランスを引き起こし、あるいはテールローター制御が失われる。これらのすべての場合に、航空機搭乗員は直ちに生命に関わる危険がある。相互作用の程度に応じて、災害は、ローターアンバランスの高ｇ加速度、その後の地上／航空機との激突による鈍器外傷(blunt-force trauma)、またはワイヤとの有害な相互作用による重大な裂傷や感電死等に至る可能性がある。したがって、多くの低空飛行用途およびそれにより増大する危険性によって、これらの航空機のための障害物回避警告システムが、航空機のパイロットおよび搭乗員の安全にとって最も重要となっている。このような装置は、障害物との衝突に先んじて航空機搭乗員に警告し、搭乗員（または自動飛行制御システム）が衝突前に回避行動をとることができるようにすることを意図している。
【０００５】
カナダ・モントリオール(Montreal)のAmphitech Internationalは、ＯＡＳＹＳという名称のレーダー方式の障害物認識システムを開発しており、これはQuebec HeliExpo 2001で発表された。ＯＡＳＹＳは、悪天候条件下でさえ２キロメートル遠方まで、例えば電線のような小さい障害物を検出することができると提案されているが、ＯＡＳＹＳはかなり重く、容積が大きく、高価な装置であるため、小型航空機用には無理がある。
【０００６】
もう１つの障害物認識警告システムとして、ドイツ・フリードリヒスハーフェン(Friedrichshafen)のDornier GmbHによって、そのDefense and Civil Systems Business Unit（防衛・民生システム事業部）でＨＥＬＬＡＳ(Helicopter Laser Radar)という商品名で開発されているものがある。この装置では、約１００本の光ファイバの直線列を通してレーザービームが順次走査されてラスターラインスキャンを生成し、これがシステムから投射される。ラインスキャンは、枢動（ピボット運動）し振動するミラーによって垂直にステアリング（操作）される。視野は、システムの照準線（見通し線）に対する方位角および仰角に関して約±３２度である。Dornierは、有効な障害物検出装置としてＨＥＬＬＡＳを奨励しているが、これは依然としてかなり複雑で高価な、比較的視野の狭い装置である。さらに、有効な障害物検出解像度には多数の光ファイバが必要なため、装置を繰り返し位置合わせするのが困難となり、それにより製造も困難になると考えられる。
【０００７】
これらの低空飛行プロファイル航空機用途において遭遇するもう１つの問題点は、作業実行中の航空機周囲の風または気流の条件である。場合により航空機は、左右で大きく異なる気流条件に遭遇することがある。例えば、峡谷を飛行している時、航空機は、一方の側が山壁で、反対側は開かれた空間の場合がある。空母の飛行甲板への着陸にも同様の危険性がある。このような不均一気流条件は、検出される障害物の回避への航空機の応答性に悪影響を及ぼし得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、従来品より設計が簡単で安価であり、低空飛行プロファイル航空機用の経済的に魅力的な安全システムとなるような、広視野走査レーザー方式障害物認識システムが所望される。通常システムにおける気流および障害物測定を組み合わせれば、障害物が航路に検出された時の航空機周囲の大気条件の知識を提供し、パイロットがそのような大気データ情報に基づいて回避決定をすることを可能にするであろう。強化された状況認識ディスプレイにより、潜在的な衝突障害物に対する航空機搭乗員の周辺視野が増強されるであろう。本発明は、本明細書における以下の説明からさらに明らかになるように、レーザー方式障害物認識システムにおいてこれらの望ましい特徴を提供することを意図している。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１態様によれば、障害物検出および流速測定のためのレーザー障害物認識システム（ＬＯＡＳ）並びに光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの組合せシステムであって、第１所定波長で第１コヒーレント光ビームを生成するＬＩＤＡＲ光学要素構成と、第２所定波長で第２コヒーレント光ビームを生成するＬＯＡＳ光学要素構成と、ビームエクスパンダの開口部へ向けてほぼ第１共通光路上に第１および第２コヒーレント光ビームを指向させる二色性フィルタ光学要素であって、ビームエクスパンダは、第１および第２コヒーレントビームを受け入れて拡大し、その出力において第２共通光路に沿って該拡大された第１および第２コヒーレントビームを放出するように位置合わせされる、二色性フィルタ光学要素と、少なくとも１つの出力光学要素であって、第２共通光路は、該システムから拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を指向させる該少なくとも１つの出力光学要素に入射し、該少なくとも１つの出力光学要素はまた、第１および第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該反射をビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集される、少なくとも１つの出力光学要素と、を備え、二色性フィルタ光学要素は、第１コヒーレントビームに対応する収集された光を第２コヒーレントビームに対応する収集された光から分離し、第１コヒーレントビームに対応する分離された光は流速を決定することにおいて使用するためにＬＩＤＡＲ光学要素構成へ戻るように指向され、第２コヒーレントビームに対応する分離された光は少なくとも１つの物体を検出することにおいて使用するためにＬＯＡＳ光学要素構成へ戻るように指向される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムのための送受信機として使用されるブロック光学要素構成であって、その内部に複数の光路を形成するようにブロックとして互いに位置合わせされ、該位置合わせを維持するように互いに固定された複数のガラスモジュールと、ブロックに固定され、コヒーレント光ビームをブロックの出口点に導くブロック内の少なくとも１つの光路上にコヒーレント光ビームを生成するコリメート光源と、ブロックに固定された光検出器と、を備え、ブロックは、反射コヒーレント光ビームを受け取り、ブロック内に形成された少なくとも１つの別の光路を通じて該反射コヒーレント光ビームを光検出器へ伝えるように構成される。
【００１１】
本発明のさらなる他の態様によれば、上記組合せシステムであって、少なくとも１つの走査ヘッドを備え、該走査ヘッドのそれぞれは、ビームエクスパンダと少なくとも１つの出力光学要素を備え、該走査ヘッドから該拡大された第１および第２コヒーレント光ビームの両方を指向させ、走査ヘッドのそれぞれの少なくとも１つの出力光学要素は、第１および第２コヒーレント光ビームの反射を受け取り、該反射をビームエクスパンダへ指向させ、そこで該ビーム反射が収集され、共通光路に沿って二色性フィルタ光学要素に戻される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の少なくとも一態様を具現化するのに適した広視野走査レーザー障害物認識システム（ＬＯＡＳ）の概略ブロック図である。図１を参照すると、パルス光ビームを発生する光源が、レーザードライバ回路１０と、回路１０により駆動されるレーザー源１２とからなる。本実施形態では、レーザー源１２はマイクロチップレーザーダイオードを備え、これは例えばNanolaseによって型番ＮＰ−１０３２０−１００として製造されているタイプのものであってもよい。レーザー源１２は、回路１０によって駆動されてパルス光ビームを放出する。そのパルス幅は約１〜２ナノ秒（１〜２ｎｓｅｃ）以上であり、パルス反復レートは１０キロヘルツ（１０ｋＨｚ）程度以上である。本実施形態で発生される光ビームは、直径が約３００マイクロメートル（３００ミクロン）、波長が例えば１５５０ナノメートル（１５５０ｎｍ）または１０６４ナノメートル（１０６４ｎｍ）で、直線偏光状態にある。レーザー源１２は、３００ミクロンから３ミリメートル（３ｍｍ）までレーザービーム径をコリメートおよび拡大するビーム調整光学系（図示せず）を含んでもよい。
【００１３】
パルスレーザー光ビームは、光路１４を通って偏光ビームスプリッタ光学要素１６に導かれる。これは、パルスビーム１４のほとんどを光路１８に沿ってレーザービームエクスパンダ２０の入力へ通過させる。少量のパルスビーム１４がビームスプリッタ１６により反射され、光路２４に沿って光検出器２２に送られて、本明細書における以下の説明からさらに明らかになるように、送出時間同期パルスとして作用する。本実施形態では、光検出器２２はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を備え、これは例えばAnalog Modulesによって型番７５６として製造されているタイプのものであってもよく、小振幅パルスに対する感度を増大させるための可変利得回路を含んでもよい。さらに、ビームスプリッタ１６は、その出力に４分の１波長（λ／４）板を含んでもよい。これは、ビームスプリッタ１６を通過した直線偏光ビームを円偏光ビームに変換し、これが光路１８に沿ってビームエクスパンダ２０に送られる。
【００１４】
本実施形態では、回路１０、レーザー源１２、光検出器２２およびビームスプリッタ１６はすべて、例えば光路１４、１８および２４を生成するように適切に位置合わせされて、オプティカルベンチ２６に搭載される。それからオプティカルベンチは、本実施形態におけるＬＯＡＳ全体を支持するマウンティング構造２８に構造的に取り付けられる。レーザービームエクスパンダ２０は、例えばSpecial Opticsによって型番５２−７１−１０Ｘ−９０５−１０６４として製造されているタイプのものであってもよいが、これもまた構造２８に搭載され、その入力すなわち入口開口部が、ビームスプリッタ１６からパルスビームを受信するように光路１８と位置合わせされる。ビームエクスパンダ２０は、広視野にわたり方位角方向に所定パターンで走査される拡大パルスレーザービームをＬＯＡＳから光路３６に沿って指向させるために、例えば倍率１０倍でパルス光ビームの直径を拡大し、拡大されたパルスコリメート光ビームを、光路３０に沿って少なくとも１つの回転作動式光学要素３２に送る。エクスパンダ２０から少なくとも１つの回転作動式光学要素３２へ経路３０に沿って拡大光ビームを導くために、従来のフォールドミラー光学要素３４を構造２８に搭載し位置合わせしてもよい。言うまでもなく、本実施形態におけるフォールドミラー３４の使用は単に設計上の選択である。
【００１５】
所定パターンに沿って、例えばワイヤのような障害物すなわち物体３８から光路４０に沿って反射されたパルス光は、少なくとも１つの回転作動式光学要素３２により受信され、光路４２に沿ってフォールドミラー３４経由でビームエクスパンダ２０に戻される。所定パターンの経路内に複数の物体がある場合、ＬＯＡＳは検出される各物体から反射パルス光を受信する。反射パルス光は、ビームエクスパンダ２０において、その入力開口部付近で集められて集光コリメートビームにされる。物体３８からの反射光は、送出光ビームとは逆の円偏光である。例えば、送出ビームが時計回りの偏光状態に偏光していた場合、反射光は反時計回りの偏光状態を有し、逆も同様である。オプティカルベンチ２６内の後部光学系は、反射光をビームエクスパンダ２０から光路４４に沿ってλ／４板およびビームスプリッタ１６に導く。λ／４板は、円偏光反射光を、送出光ビームに対して直角の直線偏光に再び変換することにより、反射光パルスを偏光ビームスプリッタが光検出器２２へ反射するようにする。これは、同じく共通構造２８に搭載される信号処理回路５０に結合してもよい。障害物の検出に関連する光検出器２２および回路５０の動作については、本明細書において以下でさらに詳細に説明する。
【００１６】
より具体的には、本実施形態では、少なくとも１つの回転作動式光学要素３２は第１回転作動式光学要素５２を備える。これは、エクスパンダ２０から拡大パルスレーザービームを受信し、それを以下の説明からさらに明らかになるように所定パターンで光路５６に沿って第２回転作動式光学要素５４に送る。第２要素５４は、第１要素５２からパルス光ビームを受信し、受信したビームを広視野にわたり方位角方向に所定パターンで指向させる。これは、ＬＯＡＳの基準軸に対して±９０度程度以上であってよい。物体からの所定パターンに沿った反射パルスは、第２要素５４から光路５８を通って第１要素５２に送られる。要素５２および５４の一方または両方は、フォールドミラーとして構成されてもよい。
【００１７】
光学要素５２は、例えば、１つの面が対向面に対して所定角をなして傾斜し対向面に垂直な軸の周りに回転する回転光学ウエッジ（wedge）であってもよく、あるいは垂直軸に対して所定章動角をなす軸の周りに回転するウォブル（wobble）ミラー（例えばパルマー（Palmer）走査ミラー）であってもよい。これにより、拡大パルスレーザービームは、所定パターンで光学要素の鏡面から反射され得る。いずれの場合でも、要素５２は、従来の高速円形走査モジュール６０に結合し、それにより駆動される。モジュール６０は、例えば電気モーターのようなドライブシステム６２と、従来のベアリングシステム６４を含んでもよい。本実施形態では、モジュール６０（これは例えばパルマーミラーアセンブリであってもよい）は、そのドライブ６２およびベアリングシステム６４とともに、共通構造２８に搭載され、その上で適切に位置合わせされる。ドライブ６２は要素５２を、その目的軸の周りに、例えば毎秒約５０サイクルの角速度で回転させることにより、要素５４経由でＬＯＡＳから投射されるパルスレーザービームの循環的円錐パターンを生成する。
【００１８】
要素５４もまた、方位角走査モーター６６（これは例えばステッピングモーターであってもよい）により駆動されるミラー光学要素であってもよく、要素５２の円錐パターンを、例えば０．５秒間で、ＬＯＡＳの基準軸に対して約１８０°（すなわち±９０°）以上の弧にわたり方位角方向に回転走査する。こうして、所定パターンは、システムの照準線軸に対する仰角変動を含むことになる。システムから５００メートルの位置における例示的な走査パターンを図２のグラフに例示する。図２を参照すると、システムの基準軸が縦軸７０で示され、システムの照準線軸が横軸７２で示されている。らせん状の線７４は、第１要素５２によって回転され第２要素５４によって方位角方向に走査されている走査パターンを表す。この例では、第１要素５２は、ウエッジ（くさび）角１０度の、約１１５Ｈｚで回転する光学ウエッジミラーである。図２のグラフは、０°から＋９０°までの方位角変位のみを示している。言うまでもなく、−９０°から０°までの方位角変位は、図２に示されるものの鏡像として現れるであろう。図２の図の方位角走査レートは約２Ｈｚである。
【００１９】
なお、図２に例示の各走査パターンサイクルで、光ビームパターン７４は、照準線軸すなわち横軸７２に対して仰角方向に、および基準軸すなわち縦軸７０に対して方位角方向に移動することに留意されたい。また、パターン７４は、１サイクルを完了するのに約９ｍｓｅｃかかり、ＬＯＡＳは０．１ｍｓｅｃごとに光ビームパルスを発生するので、走査パターンサイクルあたり一様に約９０個の光ビームパルスが発生されることになる。以下の説明からさらに明らかになるように、本実施形態のＬＯＡＳは、距離、方位角、および仰角に関して所定走査パターンの経路に沿って、それぞれの検出された障害物の位置を決定することができる。
【００２０】
図１に戻って、本実施形態では、方位角走査ミラー光学要素５４は、走査マウンティングアセンブリ６８において方位角走査モーター６６に結合する。走査マウンティングアセンブリ６８もまた、例えば走査モジュール６０経由で共通構造２８に搭載される。したがって、本実施形態のすべての要素が、共通マウンティング構造２８に搭載され、固定的に位置合わせされてもよい。システムによっては、ＬＯＡＳの要素は、必要が生じた場合には時々その搭載された位置で調整自在に再位置合わせされてもよい。さらに、本実施形態は２個の回転作動式光学要素５２および５４を有するように記載されているが、言うまでもなく、走査パターンおよび方位角回転を組み合わせて２個のモーターにより駆動される１つの光学要素にまとめ、一方のモーターは円形走査パターン用、他方のモーターは方位角走査用とすることも、本発明の一般的原理から逸脱することなく可能である。また、本明細書で以下の代替実施形態に関連して説明するように、２個より多くのミラーを使用してもよい。さらに、例えば、単一のミラーを使用し、垂直平面内でのミラーの共振運動を用いて仰角走査を行うと同時に、方位角についてはモーターにより駆動して、ラスター走査パターンを生成することも可能である。
【００２１】
本実施形態での使用に適した広視野光ビーム走査パターン発生器／受信器の概略ブロック図を図３に示す。図１に示した実施形態について既に記載した要素については、同一参照番号が維持される。図３を参照すると、フォトダイオード２２によって信号線７８上に発生された電気信号は、所定パターンの送出パルス光ビームに沿って物体から受信される反射光ビームを表す。図４は、ＬＯＡＳ実施形態が動作し得る例示的環境を示している。図４を参照すると、例えば経路３６に沿ってＬＯＡＳから投射されるパルス光ビームは、ケーブル８０、ケーブル支持塔または構造物８２等の障害物や、例えば高木および低木８４の形を取り得る背景クラッタから反射され得る。障害物からの反射光は、ＬＯＡＳによって受信され、図１の実施形態に関連して説明したように光検出器２２に送られ、そこで反射光はそれを表す電気信号に変換される。
【００２２】
図５Ａの時間グラフは、送出パルス光ビームのパルス間期間中に反射パルス光ビームから光検出器２２によって生成されるこのような電気信号を例示している。図５Ａは、例えば１００マイクロ秒のパルス間期間の最初の約１０マイクロ秒のみを例示している。図５Ａで、第１のパルス９０は、時間同期用送出ビームを表すことができる。距離の近い第２のパルス９２は、単なる電気ノイズパルスかもしれない。第３のパルス９４は、例えば図４に図示されているようなケーブル８０または構造物８２等の第１の障害物からの反射を表し得る。そして第４のパルス９６は、例えば樹木８４の１つのような、より遠方の距離にある第２の障害物からの反射を表し得る。
【００２３】
再び図３を参照すると、フォトダイオード２２からの信号線７８上の電気信号は、コンパレータ回路として構成される回路８６の１つの入力に結合することができる。フォトダイオード２２からの電気信号と比較するために、しきい値レベルを表す電気信号が、コンパレータ８６のもう１つの入力に結合してもよい。しきい値レベルは、図５Ａでは破線９８で示されている。図５Ｂは、フォトダイオード２２からの入来電気信号に応答したコンパレータ８６の動作を例示する時間グラフである。例えば、パルス９０（同期パルス）がしきい値９８を超えると、コンパレータ８６の出力が高電位（＋５Ｖ）から低電位（＋２Ｖ）に変化する。なお、図３の実施形態では、コンパレータ８６の出力は、信号プロセッサ８８に結合しており、これは信号処理電子機器５０の一部であってもよい。プロセッサ８８は、例えばTexas Instrumentsによって型番ＴＭＳ−３２０Ｃ６７１１として製造されているタイプのデジタル信号プロセッサであってもよい。したがって、プロセッサ８８は、同期パルス９０によって引き起こされる図５Ｂの時間グラフ中の１００における状態変化を検出し、コンパレータ８６の同期パルスすなわち第１の状態変化１００を基準にしてすべての後続検出パルスの時間を測定するようにプログラムすることができる。本実施形態では、コンパレータ８６は、次のパルスすなわち検出障害物を検出するためにその出力を高レベルに戻す前に、所定応答時間を有してもよい。その後、図５Ｂの例では、コンパレータは、ある障害物の検出を表すパルス９４に応答して１０２で、および別の障害物を表すパルス９６に応答して再び１０４で、状態変化する。なお、しきい値レベル９８を下回るパルス９２に応答しての状態変化は起きておらず、したがって電気ノイズとみなされていることに注意されたい。プロセッサ８８は、あらかじめプログラムされた光速度のデータを用いて、同期パルスと障害物を表すパルスとの間の時間差から検出障害物までの距離を決定するようにプログラムされていてもよい。また、プロセッサは、以下のいくつかのパラグラフに関連して説明するように、障害物の方位角および仰角位置を同様に決定してもよい。
【００２４】
再び図３を参照すると、走査パターンモジュール６０は、シャフト１１０を通じて回転作動式光学要素５２に結合しそれを駆動してもよい。シャフト１１０は、基準角に対するその角度位置の指示を含んでもよい。光学要素５２の角度位置を読み取る一実施形態では、シャフトは、その相対角を表す印でマークされるか、またはこのような角度マーキングを有した、もしくは取り付けたホイールを含んでもよい。いずれの場合でも、印は、従来の読取り装置で読み取り、走査パターン光学要素の回転角の尺度としてプロセッサ８８にデジタル的に提供されてもよい。こうして、プロセッサはいつでも走査パターンの測定角を格納しており、それを用いて検出障害物の方位角および仰角を計算することができる。もう１つの実施形態では、シャフト１１０は、例えば溝切りされた歯のようなマーキングを含むか、または歯が溝切りされたホイールが取り付けられていてもよい。従来の近接装置１１２が、各溝切り歯を検出し、それに応答して電気パルスを発生してもよい。これらの電気パルスがカウンタ１１４でカウントされてもよい。そのカウントは、光学要素５２の現在の走査パターン角の尺度であり得る。要素５２は、要素５２が回転して基準角を通過するたびに基準パルス１１６を発生するように配置された機械スイッチ、近接スイッチまたは光スイッチを含んでもよい。基準パルス１１６は、カウンタ１１４に結合してそれをゼロにリセットし、カウンタ１１４が各回転サイクルで基準角に関して計数を開始することができるようにしてもよい。よって、プロセッサ８８がやがて障害物を検出した時、カウンタ１１４の内容を読み出すことができる。これは光学要素５２の同時間の角度位置の尺度であり、これからプロセッサは検出障害物の仰角を決定することができる。
【００２５】
走査パターンの角度位置を読み取るさらにもう１つの実施形態では、プロセッサ８８は、角度位置の時間ベースの尺度であるカウントをその指定レジスタでカウントアップするための所定レートのクロックを含んでもよい。指定レジスタ内のカウントをリセットするために基準パルス１１６がプロセッサに提供されてもよい。基準パルス１１６が受信されるたびに、プロセッサ８８は計数レジスタに総カウントを保存し、レジスタをリセットしてゼロカウントからカウントアップを開始する。この実施形態では、障害物が検出されると、プロセッサ８８は単に計数レジスタ内の同時間カウントを読み出し、それを保存されている総カウントと比較して比を求め、これから走査パターンの角度位置を決定することができる。ＬＯＡＳの照準線に対する障害物の仰角は、例えば、検出障害物の読み取られた走査パターン角の正弦をとり、それに検出障害物の測定距離における最大仰角振幅を乗じることによって決定することができる。すなわち、検出障害物の距離における円錐走査パターンの平面切断の直径の半分が、最大仰角振幅となる。これは、図２の走査パターン例では、距離５００メートルの場合が例示されている。
【００２６】
また、図３の実施形態は、少なくとも距離および方位角に関して検出物体の位置を決定するために、指向パルスレーザービームの方位角位置を実質的に決定する手段も例示している。図３を参照すると、従来のデジタルクロック回路１２０が、所定レートでクロック信号１２２を発生する。信号１２２は、選択ロジック回路１２４に結合するとともに、クロック信号１２２のレートを係数Ｎで除算（分周）するレート除算器回路１２６に結合している。回路１２６からの除算されたレート信号１２８は、選択ロジック回路１２４に結合するとともに、パルスを受信するたびにそのカウントを増加させる方位角位置カウンタ１３０に結合している。選択ロジック回路１２４は、電気モーター６６（これは例えばステッピングモーターであってもよい）を制御する際に使用するための時計回り信号（ＣＷ）および反時計回り信号（ＣＣＷ）を発生する。モーター６６は、ミラー要素５４を１８０°の回転角にわたり回転させるためのシャフト１３２によって方位角走査ミラーアセンブリ５４に結合している。方位角ミラーアセンブリ５４は、例えば、実質的に０°の方位角位置で活性化しＳＴＡＲＴ信号を発生するように配置された第１スイッチと、実質的に１８０°の方位角位置で活性化しＳＴＯＰ信号を発生するように配置された第２スイッチとを含んでもよい。ＳＴＡＲＴおよびＳＴＯＰ信号は選択ロジック回路１２４に提供される。いくつかの用途では、信号プロセッサ８８は、信号１２２のレートを除算する数Ｎをセットするために信号線１３４を通じて除算器回路１２６に結合していてもよい。また、信号プロセッサ８８は、カウンタ１３０の方位角位置カウントを読み出すために、信号線１３６を通じてカウンタ１３０にも結合している。
【００２７】
動作において、信号プロセッサ８８は、除算器１２６の数Ｎをセットしてもよい。除算器１２６は、レーザービーム走査パターンが方位角方向に回転するレートを究極的にセットすることになる。言うまでもなく、この数Ｎは、レート除算器回路１２６にあらかじめプログラムされていてもよい。すると、選択ロジック１２４は、高速レート信号１２２および低速レート信号１２８の両方を受信し、それらのレート信号の一方を選択して、モーター６６の回転角を制御すなわちステップ動作させる。例えば、選択ロジック１２４は、走査ミラーアセンブリ５４からＳＴＡＲＴ信号を受信すると、低速レート信号１２８を選択してＣＷ制御線によりモーター６６を制御し、例えば０．５秒のような所定時間、時計回りに１８０°の回転角にわたり回転させる。ＳＴＯＰ信号が発生されると、選択ロジック１２６はそれに応答して、高速レート信号１２２を選択してＣＣＷ信号によりモーター６６を制御し、その開始位置まで反時計回りに回転させた後、プロセスが繰り返される。言うまでもないが、本発明の一般的原理から逸脱することなく、方位角走査は、低速レートで反時計回りの回転方向に回転するように制御されてから、はるかに高速のレートでその開始角度位置まで戻されてもよい。
【００２８】
選択ロジックは、ＳＴＡＲＴ信号を受信するたびに、カウンタ１３０のカウントをゼロにリセットするためにカウンタ１３０へのＺＥＲＯ信号を発生する。ＳＴＯＰ信号は、信号プロセッサ８８に結合していてもよく、信号プロセッサ８８はその信号に応答して、例えば１８０°の方位角角位置を表すカウンタ１３０内の総カウントを読み出し格納する。そして、障害物が信号プロセッサ８８によって検出されるたびに、信号プロセッサ８８は方位角位置カウンタ１３０内の同時間カウントを読み出し、読み出したカウントを総カウントとともに使用して検出障害物の方位角位置を決定することができる。本実施形態では、回路１２０、１２４、１２６および１３０は、信号処理回路５０の一部であってもよい。言うまでもなく、これらの回路の機能は、信号プロセッサ８８にプログラムされてもよい。
【００２９】
用途によっては、方位角走査は、時計回りおよび反時計回りの両方向についてプログラムされたレートで回転するように制御されてもよい。その場合、カウンタ１３０は、開始位置から一方向にカウントアップし、停止位置から逆方向にカウントダウンする。このような用途では、カウンタはやはりＳＴＡＲＴ信号に応答して選択ロジック１２４によってゼロにリセットされ、信号プロセッサ８８がＳＴＯＰ信号に応答してカウンタ１３０の総カウントを読み出してもよい。そして、同様にして、障害物が信号プロセッサ８８によって検出されるたびに、信号プロセッサ８８は方位角位置カウンタ１３０内の同時間カウントを読み出し、読み出したカウントを総カウントとともに使用して検出障害物の方位角位置を決定することができる。
【００３０】
図６のフローチャートは、例として信号プロセッサ８８のプログラムされた動作を示している。図６を参照すると、ブロック１４０に示すように、ダイオードレーザー源１２が、ドライバ回路１０によって自律的に１００μｓｅｃのパルス間期間で、例えば１０ＫＨｚすなわち毎秒１０，０００パルスのレートで周期的に放射（発射）するように制御されてもよく、またはプログラムされたプロセッサ８８によって発射するように制御されてもよい。いずれの場合でも、ブロック１４２で、プロセッサが上記のように同期パルスを検出し、プロセッサ距離タイマを開始させる。その後、ブロック１４４で、プロセッサは所定走査パターンに沿ってターゲットすなわち障害物からの反射の戻りパルスの探索を開始する。ブロック１４６で、検出障害物を表している反射パルスが受信された場合、ブロック１４８で、プロセッサはその飛行時間に従って反射信号をビンに入れる(bin)。すなわち、反射パルスは、検出時間と同時間のタイマ内のカウントである記録される距離プロセッサ時間とともに、プロセッサの指定メモリ位置にインデックス付けされて格納される。このカウントは、検出障害物の距離を表す。障害物の検出と同時に、ステップ１５０で、パルマー走査パターンおよび方位角ミラーの瞬間位置が上記のように、好ましくはインデックス付けされた検出障害物に対する指定メモリ位置に記録される。障害物がレーザー発射のパルス間期間中にプロセッサによって検出されるたびに、ブロック１４６、１４８および１５０が繰り返され、障害物インデックスならびにその距離および位置を表す方位角および仰角に対するデータが指定メモリ位置すなわちビンに記録される。
【００３１】
ブロック１５２で、レーザー発射間のパルス間期間の最初の約６μｓｅｃまたは他の適当な初期期間が終了した後、プロセッサは検出障害物の探索（サーチ）を停止する。その後、プロセッサは、次のレーザー発射前の残り時間を用いて、現在のパルス間期間に検出されインデックス付けされた各障害物について、その記録データから距離ならびに方位角および／または仰角の位置を計算することができる。ブロック１５８で、検出障害物（複数可）のこの距離および位置標定情報が表示用に構成され、例えば図３の概略ブロック図に示されるようなディスプレイ１５４に転送されてもよい。この情報は、プロセッサ８８によって、信号線１５６を通じて他のシステムへ、そこで使用するために提供されてもよい。パルス間期間が終了すると、レーザー源１２は、再びブロック１４０で発射するように制御されてもよく、上記のプロセスが繰り返される。このようにして、所定走査パターンに沿った各障害物が検出され、その位置が決定され、検出障害物およびそれらのそれぞれの位置は、本明細書における以下の説明からさらに明らかになるように、認識目的でオペレータに対して表示され得る。
【００３２】
図１〜図６に関連して説明した広視野走査ＬＯＡＳ実施形態は、例えば約１キロメートルの距離において直径１メートル程度のパルスレーザービームスポットサイズを用いて、所定走査経路に沿って障害物を検出する。図２のパターン例に示したように、パターン７４の走査経路間の尖点（カスプ：cusp）領域では、障害物は検出されない。広視野ＬＯＡＳ実施形態の障害物検出の有効性を改善するため、ビーム摂動すなわちディザミラーを、ビームスプリッタ１６とエクスパンダ２０の入力すなわち入口開口部との間の光路１８に、好ましくは例えばオプティカルベンチ２６の後部光学系に配置してもよい。図７Ａおよび図７Ｂに示すような摂動ミラー１６０（これはフォールドミラーとして構成されている）は、ピボットに支持され、光路１８の中心軸を横切って前後に回転してもよい。その際、摂動ミラー１６０は、ビームエクスパンダ２０の入口開口部内へのビーム進入角を変化させる。例えば、本実施形態では、光路１８の中心軸に対する摂動ミラー１６０の±１°の枢動すなわち傾斜が、１キロメートルの距離においてレーザービームスポットを±５メートル動かすと期待される。ミラーがこのようにして、例えば１〜１０キロヘルツ（１〜１０ｋＨｚ）程度のような高いレートでディザを受ける場合、１メートルのレーザービームスポットサイズは１キロメートルの位置で実質的に５メートルになるように広がる。したがって、実質的に広がったレーザービームスポットサイズによって、場面のより高い割合が観測される。すなわち、走査パターンの経路の幅が実質的に５倍に増大する。
【００３３】
図７Ａおよび図７Ｂは、摂動ミラー１６０のディザ動作を例として示している。図７Ａで、ミラー１６０は、図の紙面に向かう軸１６３の周りに枢動するフォールドミラーとして構成されるように示されている。図７Ａで、ミラー１６０は、ゼロ角傾斜で示されている。なお、ミラー１６０のこの位置では、光路１８を通って導かれるビームの光線は、ビームエクスパンダ２０の入口開口部１６４の中心軸１６２を中心とすることに留意されたい。図７Ｂでは、ミラー１６０は、図７Ａのゼロ角度位置から約１°下方に傾斜（チルト）すなわち枢動することにより、ビームの光線は入口開口部への進入角が中心軸１６２から下方に約マイナス１度ずれている。同様に、ミラー１６０がゼロ角度位置から上方に１°傾斜すると、ビームの光線は入口開口部への進入角が中心軸１６２から上方に約プラス１度ずれる。±１°の傾斜位置の間で回転するミラー１６０の急速な運動の結果、レーザービームスポットが走査パターンに沿って実質的に広がる。
【００３４】
図８Ａおよび図８Ｂは、空間に投射されるイメージに対するミラー１６０の１°傾斜の効果を示している。図８Ａで、ミラー１６０は０度傾斜位置にある。なお、経路１８に沿って反射されるレーザービームが、離れていく光線によって示されているように、ビームエクスパンダ２０を通って広がっていることに注意されたい。ビームは、エクスパンダ２０を出ると、パス３０で平行光線にコリメートされる。拡大されコリメートされたビームは、ミラー５２で反射され、経路５６に沿ってミラー５４に至り、そこで再び経路３６に沿って反射され、システムから所定走査経路に沿って指向される。例えばスポットサイズのような、投射イメージに対する摂動ミラー１６０のディザ効果をより良く説明するため、空間内のシステムから所定距離の焦点すなわちスポット１７０にビームを集光するために、収束レンズ１６８がシステムの出力に配置されている。この収束レンズ１６８は、本例では単にイメージ分析の目的で使用される。図８Ｂでは、ミラー１６０が下方に１度傾斜することにより、エクスパンダ２０を出たコリメートされたビームが下方にシフトする結果、新しい位置１７２に焦点スポットがずれる。これは、図８Ａに示されているもとの焦点位置１７０からわずかに離れているだけである。本例では、１°の傾斜により、１キロメートルの距離で焦点スポットが１．６メートルずれるだけである。このように、ミラー１６０のわずかな摂動は、システムから遠い距離で検出される障害物イメージの実質的なピンぼけや歪みを生じない。
【００３５】
図１の実施形態での使用に適した摂動ミラー１６０は、例えばパルマーまたはウォブルミラーアセンブリや走査ミラーのような、さまざまな市販のミラーのいずれでもよい。しかし、本実施形態に所望される例えば２００〜６００Ｈｚ程度の枢動すなわちディザ速度を生じさせるには、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術を用いて作成されたミラーアセンブリのような、慣性の低いミラーアセンブリが好ましい。この種の低慣性ミラーアセンブリは、小型の圧電電源を使用してもよい。摂動ミラー１６０のミラー表面積は、それが反射しているレーザービームの幅程度のように、極めて小さくしてもよい。光学イメージ安定化のために圧電ドライバによって動作するいくつかの市販の「高速」ディザミラーがこの目的のために好適であろう。
【００３６】
本発明のもう１つの態様によれば、回転作動式走査光学要素５２は、図９に図示されているように、互いに対してフォールドミラーとして構成された２個の回転作動式走査ミラー１７４および１７６を備え、光路５６に沿って方位角走査ミラー５４へレーザービームの複数の異なる出力走査パターンを投射してもよい。ここで走査パターンは、図１〜図６の実施形態に関連して本明細書で既に説明したように広視野にわたり方位角方向にステアリングされる。図２で例示したように、単一の走査ミラー５２が、広い方位角視野にわたりステアリングされる時にらせん状パターン７４を発生する。しかし、このパターンは、当面の用途にとって理想的または好ましい走査パターンではないかもしれない。したがって、特定の用途に合わせて適切な走査パターンを調整する選択肢を有すること、あるいは変動する条件によりパターンを変えられることが望ましい。本発明のこの態様の二重フォールドミラーアセンブリによれば、一方のミラー１７４のフェーズ（位相）、方向および回転速度を他方のミラー１７６に対して設定および／または変更することにより、走査パターンの調整ができる。本実施形態では、ミラー１７４および１７６は、それぞれ例えば５°程度のような所定章動角で回転作動するパルマーまたはウォブルミラーアセンブリを備えてもよい。しかし、言うまでもないが、本発明の一般的原理から逸脱することなく、光学ウエッジ型ミラーも全く同様に機能するように構成可能である。
【００３７】
図９において、回転作動式ミラー１７４は、例えば光路３０に沿ってその面１７８に入射するレーザービームを、中間走査パターンにより光路１８０に沿って他方の回転作動式ミラー１７６へ指向させるように構成される。他方の回転作動式ミラー１７６は、経路１８０に沿ってその面１８２に入射するレーザービームを、所望の走査パターンにより経路５６を通じて方位角走査ミラー５４へ指向させるように構成される。ミラー１７４および１７６は、レーザービームの複数の出力走査パターンのうちの所望の出力走査パターンを生じさせるように、互いに対する速度、方向および位相角に関してそれぞれの回転軸１８４および１８６の周りに調整自在に回転作動する。本実施形態では、電気スキャナモーターが各ミラーに結合し、所望の出力走査パターンを生じさせるために、他方のミラーに対して所望の速度、方向および位相角とするとともに、所定章動角（ミラー１７４では角１８８、ミラー１７６では角１９０）で各ミラーを回転させるように制御されてもよい。図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、回転作動式ミラー１７４および１７６によって生じ得る例示的な走査パターンを示している。回転および速度の異なる組合せにより他の走査パターンも可能である。
【００３８】
図１０Ａに示す鋸歯状走査パターンは、図９の二重ミラーアセンブリ実施形態によって、ミラー１７４を回転速度５０Ｈｚで時計回り方向に章動角５°で動作させるとともに、ミラー１７６を回転速度５０Ｈｚでミラー１７４に対して反時計回り方向に章動角５°で動作させることにより発生される。この例では、方位角ステアリング速度はおよそ毎秒３６０°である。この走査パターンは、垂直または水平形状の障害物を検出するのにより適しているであろう。図１０Ｂに示す大きい円形走査パターンは、図９の二重ミラーアセンブリ実施形態によって、ミラー１７４を回転速度５０Ｈｚで時計回り方向に章動角５°で動作させるとともに、ミラー１７６を回転速度５０Ｈｚで、ミラー１７４に対して時計回り方向であるが１８０°位相をずらして、章動角５°で動作させることにより発生される。この例では、方位角ステアリング速度はおよそ毎秒３６０°である。最後に、図１０Ｃに示す小さい円形走査パターンは、図９の二重ミラーアセンブリ実施形態によって、ミラー１７４を回転速度５０Ｈｚで時計回り方向に章動角５°で動作させるとともに、ミラー１７６を回転速度５０Ｈｚで、ミラー１７４に対して同じく時計回り方向であるが２２°の位相差で、章動角５°で動作させることにより発生される。この例では、方位角ステアリング速度は同じくおよそ毎秒３６０°である。したがって、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、パターンのサイズは、回転速度を実質的に固定したまま、一方のミラーの位相角を他方に対して変えることにより変動させることができる。また、方位角走査ミラーの速度を変化させることによって、方位角走査のパターンの密度を変えることも可能である。なお、図１０Ａ〜図１０Ｃのパターンの側端がやや圧縮されて見えるのは、パターンがシステムの真正面に配置された平坦面に投射されるためであることに留意されたい。図中に示されている水平および垂直方向の単位はそれぞれ、±９０°の方位角走査および所定のターゲット距離に正規化されている。
【００３９】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、図１〜図６に関連して上記で説明した広視野走査ＬＯＡＳ実施形態は、航空機と衝突する危険性のある障害物を航空機のオペレータまたはパイロットに警告する際に使用するために、例えばヘリコプターのような航空機上に配置されてもよい。図３の実施形態に関連して上記で説明したプロセッサ８８は、１つまたは複数の検出障害物の位置を、航空機の航路に対する距離、仰角および方位角について決定し、例えば航空機のコックピットに配置されるディスプレイ１５４を駆動して、距離、方位角および仰角についてその１つまたは複数の障害物すなわち物体を表す指示をパイロットまたはオペレータに対して表示する。言うまでもなく、プロセッサ８８は、ＬＯＡＳの基準軸に対する検出障害物の位置をまず決定してから、その位置を航空機の基準軸に変換してもよい。ある基準軸系から他へのこの変換については、本明細書において以下でさらに詳細に説明する。
【００４０】
ディスプレイ１５４の一実施形態は、図１１に示すような光インジケータ２０２のパネル２００を備える。パネル２００の光インジケータ２０２は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。この実施形態では、パネル２００は、インジケータ２０２の少なくとも１つの行２０４および少なくとも１つの列２０６を含む。行２０４は、航空機の航路の水平軸を表してもよく、列２０６はその仰角軸を表してもよい。したがって、行２０４と列２０６の交点にあるインジケータ２０８は、航空機の照準線すなわち瞬間針路を表す。光インジケータ２０２は、航空機の航路に対する仰角および方位角について１つまたは複数の物体の位置を示すために、異なる色で発光するように制御されてもよい。例えば緑から黄を経て赤への色変化が、航空機から検出物体までの距離を示してもよい。図１１では、色はグレイスケールで表されている。例えば、黒っぽいインジケータ２１０は赤を示し、それにより表されている検出物体が航空機に近い距離であるが航空機の下方にあることを示している。例えば灰色のインジケータ２１２は、航空機まで中程度の距離にあるが、その左に相当離れている検出物体を表しているであろう。点灯していないか、またはほんのわずかに灰色（緑）のインジケータ２０２はそれぞれ、検出物体がないか、または航空機からの距離が遠い検出物体を表している。パネル２００上のインジケータの色の変化により、１つまたは複数の検出障害物が航空機と衝突する危険性をオペレータに対して示してもよい。
【００４１】
ディスプレイ１５４のもう１つの実施形態は、多機能ビデオディスプレイ（ＭＦＤ）を備える。その例示的画面を図１２に示す。ＭＦＤの画面は、例えば図１２に示すビューのように、航空機の前部に搭載されたビデオカメラもしくは前方監視赤外線（ＦＬＩＲ）カメラまたはレーダー装置（図示せず）から得られる前方監視ビューを表示してもよい。一般的に、レーダーおよびビデオまたはＦＬＩＲカメラは、例えば航空機の航路から方位角が±３０度（±３０°）程度の比較的狭い視野を有する。したがって、オペレータは、航空機の経路内の障害物からの危険性を確かめるために、カメラの視野内の障害物のみを見ることができる。なお、図１２の画面では、ＭＦＤは、点線２１６で示す航空機の経路を水平に横切って延びるワイヤを表示していることに留意されたい。点線２１６は、その検出距離に従って色が変化してもよい。また、航空機上のセンサから取得され、または航空機へのアップリンク伝送から受信されるさまざまな情報が、関連技術のすべての当業者に周知のオーバーレイまたは画像統合技術を使用することにより図１２の画面に表示されていることにも留意されたい。本実施形態で使用するための例示的なＭＦＤは、Goodrich Avionics Systems, Inc.からＳｍａｒｔＤｅｃｋ（商標）ディスプレイの商品名で製造されている。この種のＭＦＤは、航空機速度（すなわち速さと機首方位）、高度、対地高度（ＡＧＬ）計測値、航空機出力レベル等のような情報を表示する。
【００４２】
本発明は、ＭＦＤのディスプレイ画面の方位角視野の外側に航空機に対する検出障害物の位置を表示することによって、航空機のパイロットまたはオペレータの状況認識を向上させる。このため、本発明は、１つまたは複数の検出物体およびその位置を表すために、ＭＦＤの画面イメージ上に少なくとも１つの垂直バー２１８の形のイメージをオーバーレイする。本実施形態では、１つの垂直イメージバー２１８が画面イメージの左端にオーバーレイされ、もう１つの垂直イメージバー２２０が画面イメージの右端にオーバーレイされる。各バー２１８および２２０は２つのエリアに分割される。一方のエリア２２２は、ディスプレイ画面の中心線の上方にあって航空機の現在の高度を表し、他方のエリア２２４は中心線の下方にある。各バー２１８および２２０は、方位角に関してＭＦＤの視野の外部の物体を検出すると下部エリア２２２から出発して点灯するように制御され、色は検出物体までの距離を示す。本実施形態では、ＬＯＡＳは、例えば距離が５０メートルから１キロメートル、方位角が±９０°、仰角が±１０°の表示域(field of regard)を有してもよい。
【００４３】
例えば、物体がまず、航空機から遠方の距離で方位角に関してＭＦＤの視野の外部に検出されると、対応するバー２１８または２２０の下部が緑色で点灯する。これは、物体の仰角が光学的に航空機の高度の下方で、物体まで遠距離であると判定されていることを示す。航空機が検出障害物に接近すると、イメージバーは、色が例えば緑から黄のように変化してその距離の変化を示すとともに、障害物の仰角が航空機の高度に光学的に近づいていると判定される場合には垂直方向のサイズが増大してもよい。そして、検出障害物の距離が航空機に非常に近くなると、対応するイメージバーの色が例えば黄から赤に変化するとともに、障害物が航空機の高度の上方にあると判定される場合、イメージバーの着色部分がディスプレイ画面の中心線上方のイメージバーの部分２２４に延びる。このようにして、パイロットまたはオペレータには、ＭＦＤの方位角視野の外部の検出障害物と、航空機に対するそれらの距離（色）および仰角（バーの高さ）の位置が警告される。
【００４４】
図１３Ａ〜図１３Ｅは、例えば上記実施形態と同様の種類の広視野走査ＬＯＡＳを含むとともに、図１２に関連して説明したような種類のＭＦＤを含むヘリコプター２２８が、柱２３２によって支持される送電線２３０ならびに２００メートル無線塔２３４および接続支持線２３６に接近している場合の時間経過（タイムスライス）における平面図である。円形の線２３８、２４０および２４２はそれぞれ、矢印２４４の方向に進んでいる航空機２２８から２００メートル、４００メートルおよび６００メートルの距離を表す。ＭＦＤの視野はウエッジ形エリア２４６で示されており、航空機の飛行方位２４４に対して±１５°程度であってよい。図１３Ａ〜図１３Ｅの時間経過図の例示的なＭＦＤ画面表示がそれぞれ図１４Ａ〜図１４Ｅに示されている。
【００４５】
図１３Ａを参照する。これは時間的に最初の図であり、航空機２２８が電線および塔の障害物（それぞれ２３０および２３４）の両方から６００メートルより遠い距離に示されている。したがって、電線２３０が部分的にＭＦＤの視野（ＦＯＶ）内にあるので、図１４Ａの画面にはオーバーレイされた点線として表示される。しかし、障害物２３０および２３４は６００メートル距離の外部にあるので、垂直バーイメージ２１８および２２０は点灯していない。６００メートル距離は、本例のための設計上の選択により設定されており、言うまでもなくこの距離は、当面の特定用途に応じて変更可能である。図１３Ｂに示す次のタイムスライスでは、ヘリコプターは電線２３０、柱２３２および塔２３４の近くに移動しており、電線２３０および柱２３２の一部２４８が、ＭＦＤの方位角ＦＯＶ２４６の外部ではあるがＬＯＡＳの６００メートル距離内にある。障害物２４８は、航空機２２８の広視野走査ＬＯＡＳの方位角セクタ２５０内に検出可能であるので、垂直バー２２０に例えば緑色で表示され、その測定仰角を示す高さ２５２が図１４Ｂの例示的画面表示に示されている。本例では、明るい灰色で示す緑色は、検出障害物の距離が４００〜６００メートルの間であることを示す。なお、点灯した垂直バー２２０の高さ２５２は画面の中心線の下方にあり、障害物が航空機２２８の高度の下方にあることをオペレータに対して示す。
【００４６】
図１３Ｃのタイムスライスでは、航空機２２８は、電線および柱の一部２５４が方位角セクタ２５０および２５６内で２００〜４００メートルの間の距離内に入る点まで、障害物のさらに近くに移動している。航空機２２８のＬＯＡＳによる検出後、図１４Ｃに示されているように垂直イメージバー２２０は、電線および柱の一部２４８が距離４００〜６００メートルの間に入ったことを表す緑部分（白または薄い灰色）２５２と、電線および柱の一部２５４が距離２００〜４００メートルの間に入ったことを表す黄部分（濃い灰色）２５８を表示する。図１４Ｃの画面の垂直バーイメージ２２０の高さ２６０は、航空機の高度、すなわち画面の中心線に対する検出障害物の仰角を反映している。なお、障害物部分２５４はＭＦＤの方位角ＦＯＶ２４６の外部にあり、ＬＯＡＳおよびＭＦＤの画面イメージ上のその垂直バーイメージオーバーレイ２２０の助けがなければパイロットによって観測されないことに留意されたい。また、航空機２２８のＬＯＡＳは、ＦＯＶ２４６の外部の方位角セクタ２６２内の塔２３４を、６００メートル距離を超えるにもかかわらず検出し、その指示として垂直バーイメージ２１８を点灯させることにも留意されたい。
【００４７】
図１３Ｄのタイムスライスでは、航空機は、電線２３０および塔２３４のさらに近くに移動しており、このことをオペレータに対して、対応する図１４Ｄの画面に示すような垂直バーイメージオーバーレイ２１８および２２０を通じて示している。なお、垂直バーイメージ２１８は高さ２６４まで増大しており、障害物が、距離は６００メートルより遠いが、航空機２２８の高度に近い仰角にあることを示している。また、垂直バーイメージ２２０は、ディスプレイの中心線を越えて高さ２６６まで増大しており、方位角セクタ２５６および２５０内の検出障害物が航空機の高度の上方の仰角にあり、当該障害物との衝突の危険性が増大したことを示している。図１３Ｅのタイムスライスでは、航空機２２８は電線２３０のいっそう近くに移動しており、その一部２６８が航空機のＬＯＡＳによって今度は距離２００メートル内にあることが検出されている。これに応答して、ＬＯＡＳは垂直バーイメージ２２０を、画面の中心線をはるかに越える高さ２７２に赤色（濃い灰色で示されている）で点灯させる。これは、電線が２００メートル以内で航空機の高度にあることをパイロットに対して示す。すなわち、もし直ちに回避行動を取らなければ、航空機２２８と電線の一部２６８との衝突が差し迫っている。他方、航空機のＬＯＡＳは、方位角セクタ２７０内で航空機から距離６００メートル以内に塔２３４も検出しており、垂直バーイメージ２１８の点灯により、その距離を色で、仰角を高さで示している。なお、垂直バーイメージ２１８は、画面の中心線によって表される、およそ航空機の高度にある塔２３４の検出仰角を示していることに留意されたい。したがって、パイロットは、塔２３４ならびにその距離および仰角も認識し、電線部分２６８を避けるために取る回避行動において塔を避けることができる。
【００４８】
したがって、図１３Ａ〜図１３Ｅおよび図１４Ａ〜図１４Ｅの以上の記載は、例として、航空機上で使用される広視野走査ＬＯＡＳの動作と、航空機の有視界視野またはＭＦＤの視野を超えて広がる表示を動的に変化させる形でパイロットおよび／またはオペレータにＬＯＡＳが提供する増強された状況認識とを説明している。航空機上のＬＯＡＳと、検出障害物ならびに航空機の航路および高度に対するそれらの位置のオーバーレイ表示イメージの助けがなければ、航空機のパイロットおよび／またはオペレータには、航空機と当該障害物との差し迫った衝突の危険性が認識されず、あるいは衝突を回避することができないであろう。
【００４９】
上記の広視野走査ＬＯＡＳは増強された認識をオペレータに提供するが、航空機の航路内の検出障害物を回避する能力は、航空機の周りの風条件も知ればさらに改善されるであろう。そこで、航空機の付近の障害物を検出する広視野走査ＬＯＡＳを、航空機の周りの点において、特に検出障害物や軍用プラットフォームの兵器の発射点において風速を測定するための例えば光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ：light detection and ranging）システムのようなレーザー大気データシステムと組み合わせることが望ましい。このような複合システムの好適な実施形態を図１５の概略ブロック図に示す。
【００５０】
図１５を参照すると、ＬＯＡＳのパルスレーザービーム送受信光学要素が破線で囲まれたブロック２８０に示され、ＬＩＤＡＲシステムの連続波（ＣＷ）レーザービーム送受信光学要素が破線で囲まれたブロック２８２に示され、ＬＯＡＳおよびＬＩＤＡＲシステム２８０および２８２に共通の光学要素が破線ブロック２８４に示されている。本明細書で上記の図１〜図６のＬＯＡＳ実施形態に関連して既に説明した要素については同一参照番号が使用される。例えば、ブロック２８０で、本実施形態のパルスレーザー源は、レーザードライバ１０およびレーザーダイオード１２の要素を備えてもよい。発生したパルスレーザービーム幅を光路１４に沿ってコリメートおよび拡大するビーム調整光学系がブロック１１によって示されている。ビームスプリッタ１６および４分の１波長板１７が、円偏光のパルスレーザービームを経路１８に沿って通す。発生したパルスレーザービームの一部はスプリッタ１６により反射され、経路２４を通って光検出器２２に至る。光検出器２２は例えばＡＰＤであってもよい。光検出器２２によって発生される電気信号は、プロセッサ８８に結合したしきい値検出器すなわちコンパレータ回路８６に提供される。方位角位置データが、例えば図３に示した実施形態について説明したのと同様にして、プロセッサ８８に提供されてもよい。
【００５１】
要素のＬＩＤＡＲブロックすなわちモジュール２８２で、レーザー源２８６は、ＬＯＡＳ要素２８０のパルスレーザービームの波長とは実質的に異なる波長で、直線偏光ＣＷレーザービームを発生するように制御される。ＬＩＤＡＲ発生レーザービームは、例えば８５０〜１５５０ナノメートルの範囲内のある波長であってもよく、ＬＯＡＳレーザービームは、例えば８５０〜１５５０ナノメートルの範囲内の異なる波長であってもよい。しかし、言うまでもなく他の波長範囲も全く同様に機能することが可能であり、本発明はいかなる特定の波長または波長範囲にも限定されない。ＣＷレーザービームは、光路２８８に沿って発生されてビーム調整光学系２９０に至る。ビーム調整光学系２９０は、ＣＷビームをコリメートおよび拡大してから、ある光路に沿って偏光ビームスプリッタ２９４に送る。直線偏光のほとんどはビームスプリッタ２９４によって経路２９６に沿って４分の１波長（λ／４）板２９８に通され、これが直線偏光を円偏光に変換してから、ビームをある光路に沿ってビーム収束光学系３００に送る。他方、偏光ビームスプリッタ２９４で、発生されたＣＷビームの２％程度のような小部分が、光路３０２に沿って反射されて音響光学変調器（ＡＯＭ）３０４に至り、これが反射ビームの周波数を所定周波数（例えば８０ＭＨｚ程度であってもよい）だけシフトする。この周波数シフトの理由は、以下の説明からさらに明らかになるように、ヘテロダイン動作の結果としての方向測定の曖昧さを避けるためである。周波数シフトされたビームはＡＯＭ３０４を出て、１つまたは複数の光学要素によって光路３０６に沿って光学的に導かれ、もう１つの偏光ビームスプリッタ３０８に至る。
【００５２】
複合システムから所定距離にある、例えばエアロゾル（aerosol）粒子からの反射光は、光学系３００、λ／４板２９８を通り、光路２９６に沿ってビームスプリッタ２９４に戻り、そこで光路３１０に沿って反射されてビームスプリッタ３０８に至る。反射ビームは、ビームスプリッタ３０８で送出（周波数シフトされた）ビーム部分と合成、すなわちヘテロダイン合成され、空間中の粒子からの反射により引き起こされるドップラー周波数内容を有する光ビームを生じる。本実施形態で、反射ビームがドップラー周波数でシフトしていない場合、ヘテロダイン合成により生じる合成光ビーム信号は、例えば８０ＭＨｚに設定されていてよいヘテロダイン処理の中心周波数にある。したがって、反射ビームにドップラーシフトがある場合、ヘテロダインプロセスにより生じる合成ビームは、８０ＭＨｚより大きいか小さいかのいずれかのドップラー周波数内容を有する。このようにして、プロセスは、ヘテロダイン光ビームの周波数がシフトしていない場合に、遠ざかるターゲットにより引き起こされる負のドップラー周波数シフトが、接近するターゲットにより引き起こされる正のドップラー周波数シフトと区別できずに混乱することがない。ドップラー周波数内容を有する合成ビームは、光路３１２に沿って光検出器３１４に導かれる。光検出器３１４は例えばフォトダイオードであってもよい。フォトダイオード３１４は、合成光ビームを時変アナログ電気信号３１６に変換し、これは信号調整回路３１８経由でプロセッサ８８に送られる。プロセッサ８８がデジタル信号プロセッサである場合、時変アナログ信号３１６は、プロセッサ８８による処理のために所定のサンプリングデータレートに従って信号調整回路３１８によってデジタル化されてもよい。
【００５３】
ビーム収束光学系３００は、可変レーザー大気データ距離モジュールであってもよい。これは、システムから例えば５メートルから２０メートルまで変動し得る空間内のスポットに、ＬＩＤＡＲ発生ビームの焦点を調整自在に設定することができる一群の集光要素を含む。この空間内の焦点スポットは、空間内を流れる１つまたは複数の粒子からの反射ビームが集中するところである。一実施形態では、光学系３００は、空間内の焦点スポットまで所望の距離とするための、特定の集光レンズの選択を含む。それぞれの異なるレンズは、空間内で、システムから別個の所定の距離（レンジ）にあるスポットへの集光を提供する。このレンズ選択プロセスは、所望の集光レンズを手動で差し込むことによって、または例えばさまざまなレンズを有する機械式回転ラックを備え、その回転ラックが選択された集光レンズまで回転するように制御され得る装置により電気機械的に、実行されてもよい。もう１つの実施形態では、光学系３００は、空間内の焦点スポットを所望の距離にするためにレンズの集光特性を変化させるように電子制御されるレンズを含んでもよい。
【００５４】
共通光学要素のブロックすなわちモジュール２８４で、光学系３００を出たコヒーレントＣＷ光ビームは、光路３１９に沿って二色性フィルタ光学要素３２０に導かれる。光路１８を伝わるパルスコヒーレント光ビームもまた二色性フィルタ３２０に導かれる。適当な位置合わせにより、異なる波長の２つのコヒーレント光ビームが二色性フィルタ３２０に導かれ、共通光路３２２に沿って一方が反射され他方が透過して、ビームエクスパンダすなわちテレスコープ（望遠鏡）２０の入口開口部へ向かう。ビームエクスパンダ２０は、２つのコヒーレントビームを受け入れて拡大し、拡大されたコヒーレントビームをその出力から別の共通光路３２４に沿って送出するように位置合わせされる。拡大されたコヒーレントビームは、図１の実施形態に関連して説明した少なくとも１つの光学要素３２に入射するように、共通経路３２４に沿って導かれる。そして、その少なくとも１つの光学要素３２が、２つのビームをシステムから空間内に指向させる。焦点スポットにある粒子からのＣＷコヒーレントビームの反射および障害物からのパルスコヒーレントビームの反射はすべて、少なくとも１つの光学要素３２に戻り、これが当該反射を受信してそれらを経路３２４に沿ってビームエクスパンダ２０に戻し、そこで経路３２２に沿って、ビームエクスパンダ２０の焦点に集光される。二色性フィルタ３２０は、経路３２２に沿ってビームエクスパンダ２０の焦点付近に配置され、集光された反射を受け取り、パルスコヒーレントビームに対応する集光された反射光を、ＣＷコヒーレントビームに対応する集光された反射光から、それらの異なる波長に基づいて分離してもよい。
【００５５】
パルスコヒーレントビームに対応する分離された反射光は、例えば図１〜図６の実施形態に関連して説明したように１つまたは複数の物体を検出する際に使用するために、経路１８に沿ってＬＯＡＳモジュール２８０に戻される。さらに、ＣＷコヒーレントビームに対応する分離された反射光は、後でさらに詳細に説明するように流速を決定するために、経路３１９に沿ってＬＩＤＡＲモジュール２８２に戻される。上記のように、少なくとも１つの光学要素３２は、入射するＣＷおよびパルスの両方のコヒーレントビームをシステムから誘導し得る少なくとも１つの共通の回転作動式光学要素を備え、ＣＷビームはシステムから第１の所定パターンで指向され、パルスビームはシステムから第２の所定パターンで指向される。図１〜図６に関連して上記で説明した実施形態では、少なくとも１つの回転作動式要素３２は光学要素５２および５４を備え、これらはともに、図２に示される方位角方向にステアリングされた円錐ビームパターンで経路３６に沿ってシステムから実質的に同一直線上にＣＷおよびパルスの両方のコヒーレントビームを指向させるように構成され回転作動し得る。このようにして、第１および第２のパターンは実質的に同一であり、方位角走査において実質的に共通の方位角位置に指向される。異なる第１および第２のパターンでシステムから２つのコヒーレントビームを指向させる実施形態については、本明細書において以下で説明する。
【００５６】
経路３１９に沿って導かれＬＩＤＡＲモジュール２８２に戻る分離された反射光は、ビーム収束光学系３００を通ってλ／４板２９８に至り、そこで円偏光が直線偏光に逆変換され、経路２９６を通ってビームスプリッタ２９４に送られる。しかし、送出ビームの円偏光方向は粒子からの反射時に逆転するので、反射光の変換後の直線偏光状態は送出ビームの直線偏光状態と直角になる。したがって、反射反射光は、ビームスプリッタ２９４を通過せずに、経路３１０に沿って反射され、本明細書において上述したようにスプリッタ３０８で送出ビーム（周波数がシフトしている）とヘテロダイン合成される。プロセッサ８８は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理のような関連技術のすべての当業者に既知のドップラー信号処理を用いて、光検出器３１４によって変換された時変電気バースト信号から種々の方位角位置における航空機の付近の流速を計算してもよい。流速は、本明細書における以下の記載からさらに明らかになるように、１つまたは複数の軸に関して計算されてもよい。方位角位置もまた、例えば図３の実施形態に関連して説明した方位角決定装置の入力からプロセッサ８８によって求められ得る。したがって、プロセッサ８８で、流速と方位角位置の相関を求めてもよい。そして、本実施形態ではＣＷビームとパルスビームの反射光が共通の方位角位置にあるので、検出障害物の方位角位置における流速が、他の方位角位置における流速とともに計算され得る。
【００５７】
用途によっては、ＣＷビームおよびパルスビームを同一直線上に実質的に同一の所定パターンでシステムから指向させることは、特に単一方向の流速で十分な場合には、望ましくない。異なる所定パターンでシステムから２本のビームを指向させる例示的実施形態が、図１６および図１６Ａに示されている。図１６に例示されている実施形態では、回転作動式光学要素５２は、くさび（ウエッジ）形面３３０および平坦面３３２を含む二色性ウエッジ形光学要素を備える。光学要素５２は、平坦面３３２に垂直な破線３３３で示す軸の周りに回転し得る。ウエッジ形面３３０は、例えば、実質的にＣＷビームの波長で光を透過し実質的にパルスビームの波長で光を反射する特性を有する二色性コーティングで被覆されてもよい。また、平坦面３３２は、実質的にＣＷビームの波長で光を反射する、例えば金や銀のような反射性コーティングで被覆されてもよい。図１６を参照すると、経路３２４に沿ってビームエクスパンダ２０から出る、光線３３４で示されるパルスビームは、光学要素５２のウエッジ形面３３０から、円錐パターンでミラー光学要素５４へ向かって反射され、光学要素５４はパルスビームの円錐パターンを方位角方向にステアリングして、図１６Ａに示すパターン３３６のようならせん状パターンを生じさせる。さらに、ビームエクスパンダ２０から経路３２４に沿って出る、光線３３８で示されるＣＷビームは、光学要素５２のウエッジ形面３３０を通って平坦面３３２に至り、そこで要素５４へ向かって反射される。なお、反射面は平坦であり光学要素５２は平坦面３３２に垂直な軸の周りに回転しているので、ＣＷビームにはいかなるパターンも付与されないことに留意されたい。したがって、光学要素５４は、例えば図１６Ａに示すパターン３４０のような方位角スキャンにわたり直線パターンでＣＷビームを反射しステアリングすることになる。このようにして、ＣＷビームおよびパルスビームは、方位角方向にステアリングされる２つの異なるパターンで複合システムから指向され得る。
【００５８】
上記の図１６の実施形態は、光学要素５２がウエッジ形光学要素を含むように記載しているが、言うまでもなく、実質的に同じ機能を果たすために他の光学要素を用いてもよい。例えば、二色性ウォブルミラーを光学要素５２として用いて、その１つの面からある波長の光を反射し、そのもう１つの面から別の波長の光を指向させるようにしてもよい。したがって、ＣＷおよびパルスビームに対して異なる所定パターンを付与するように記載されているものと全く同様に要素５２として使用可能な、さまざまな他の類似の光学要素、または光学要素の組合せがある。（＊）さらに、言うまでもないが、本発明の一般的原理から逸脱することなく、回転作動式光学要素が単一であっても、くさび形であるかどうかにかかわらず、回転および方位角ステアリングして異なる所定パターンをＣＷおよびパルスビームに付与することが可能である。
【００５９】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、ＬＩＤＡＲモジュール２８２の光学要素は、例えば図１７に示すようなブロック配置３５０として構成してもよい。図１７の実施形態を参照すると、ブロック３５０は、破線で輪郭を示した複数のガラスモジュールからなり、これらはブロック内に複数の光路を形成するように互いに位置合わせされ、位置合わせを維持するように互いに固定される。コリメート光源２８６は、例えばレーザーダイオード２８６およびビーム調整光学系２９０（図１５参照）を備えてもよい。コリメート光源２８６は、ブロック３５０内の少なくとも１つの光路３５４を通じてコヒーレント光ビームを発生するためにブロック３５０に固定されてもよい。ブロック３５０は、その出口点３５６へコヒーレント光ビームを導く。光検出器３１４もまたブロック３５０に固定される。ブロック３５０は、光路３６０を通じて反射コヒーレント光ビームを受信するように作用し、その内部に形成された少なくとも１つの他の光路を通じて光検出器３１４に反射コヒーレントビームを伝えるように構成される。したがって、ブロック３５０は、全体として航空機上のＬＩＤＡＲシステム内に配置され、その寿命まで、位置合わせが実質的に狂うことなく航空機の衝撃・振動環境に耐え、または少なくとも再位置合わせの回数を減らすことが可能である。このように、光学要素が適所に固定された後は、ブロック３５０の光学要素間の位置合わせが維持されるはずである。
【００６０】
図１７を参照すると、複数のガラスモジュールのうちの２個のガラスモジュール３６２および３６４が、好ましくは接着により互いに固定されて、ビームスプリッタ２９４（図１５参照）を形成する。これは光路３５４に配置され、第１偏光状態の光を光路３６６に沿って通過させて点３５６でブロックから出るようにするとともに、第２偏光状態の光を光路３６８に沿って反射する。経路３６０を通じて出て行くビームの偏光状態を変換するために、４分の１波長板２９８が、好ましくは接着により、ブロック３５０の出口点３５６に固定されてもよい。ビームスプリッタ２９４は、反射コヒーレント光ビームの経路３６６にも形成される。複数のガラスモジュールのうちのもう１対のガラスモジュール３７０および３７２が、好ましくは接着により互いに固定されて、ビームスプリッタ３０８を形成する。これは、反射ビームの光路３７４に形成される。ＡＯＭ３０４が、キャビティ３７６内に配置され、適所に、好ましくは接着により固定される。複数のガラスモジュールのうちのもう１つのモジュール３７８は、複数のガラスモジュールのうちの少なくとも１つの他のモジュール３８０に接着されたドーブ（dove）プリズムを含み、ビームスプリッタ２９４からＡＯＭへ反射された光を導く光路３６８を形成する。ドーブプリズム３７８は、内部光反射光により光路３６８を形成する研磨面３８２および３８４を含む。ＡＯＭを出た光はもう１つのガラスモジュール３８６に入る。これは、ＡＯＭを出た光を光路３９０に沿ってビームスプリッタ３０８へ反射する研磨面３８８を有する。
【００６１】
ＬＩＤＡＲ光学要素２８２のためのブロック配置４００の代替実施形態を図１８に示す。図１８を参照すると、レーザー源２８６および光学系２９０が、コヒーレント光ビームを発生するために、ガラスモジュール４０４の一側面でブロック４００に固定され、そのコヒーレント光ビームが光路４０２に沿ってモジュール４０４に導かれる。モジュール４０４の面４０６は、もう１つのガラスモジュール４０８のある面に接着され、コヒーレントレーザービームの経路４０２におけるビームスプリッタ２９４を形成する。コヒーレントビームのある偏光状態の光は、ビームスプリッタ２９４を通り、λ／４板２９８が固定されている点４１０でブロック４００を出る。コヒーレントビームの別の偏光状態の光は、ビームスプリッタ２９４で、ガラスモジュール４０４に接着されたドーブプリズムガラスモジュール４１２内へ反射される。ドーブプリズム４１２は、ビームスプリッタ２９４からの反射光を光路４１４に沿って反射する２つの研磨面４１６および４１８を含む。ＡＯＭ３０４は、ガラスブロック４０４、４０８および第３のガラスブロック４２２の側面により形成される穴すなわちキャビティ４２０に配置されて固定される。研磨面４１８から反射された光はガラスモジュール４０４を通ってＡＯＭ３０４に入る。ＡＯＭ３０４を出る光ビームの位置および角度を補償または再調整するために、ビーム補正光学要素４２４が、ＡＯＭ３０４の出口端に取り付けられてもよい。ガラスモジュール４２２の面４２６は、ガラスモジュール４０８の対応する面に接着されて、ビームスプリッタ３０８を形成する。モジュール４２２の一側面４２８は、ビーム補正要素４２４を出たビームを光路４３０に沿ってビームスプリッタ３０８へ反射するように研磨されている。経路４３２を伝わる反射ビームは、板２９８によって直線偏光状態に変換されてビームスプリッタ２９４に送られ、そこでモジュール４０８を通る光路４３４に沿ってビームスプリッタ３０８へ反射され、経路４３０からのビームと合成される。合成されたビームは、モジュール４２２を通る光路４３６に沿って、モジュール４２２に固定された光検出器３１４に送られる。
【００６２】
ブロック３５０またはブロック４００のガラスモジュールの一部または全部が、接着剤、好ましくは例えば紫外線硬化光学接着剤を用いて接着することによって互いに固定されてもよい。なお、両方のガラスブロック実施形態３５０および４００について、コリメート光源２８６はブロックの一側面に固定され、送出されるコリメート光ビームの出口点はブロックのもう１つの側面にあることに留意されたい。さらに、各ブロック３５０および４００のガラスモジュールの位置合わせは、コリメート光源２８６とブロックの出口点の間の直線光路を形成する。さらに、各ブロック実施形態３５０および４００の光検出器３１４は、レーザー源が固定されている側面以外のブロックの側面に固定される。さらに、送出および反射コヒーレント光ビームの光路はブロック内で同一直線上にある。
【００６３】
図１７および図１８は、光ビームがそれぞれの光路に沿って導かれる時のそれらの種々の偏光状態も記号で示している。例えば、丸付きＸ記号は、紙面に向かって、導かれている光路に平行な直線偏光状態あるいは直線偏光面にある光を表し、方向矢印記号は、紙面に向かって、導かれている光路に垂直な、すなわち丸付きＸの偏光状態と直角をなす直線偏光状態あるいは直線偏光面にある光を表す。また、円偏光状態にある光は矢印付き回転記号で示され、回転方向が矢印で示されている。これらの偏光記号を知れば、例示的なブロック実施形態３５０および４００の光学要素の作用のさらに深い理解が得られるであろう。その作用については、本明細書において上記の図１５のブロック図実施形態に関連して説明した。
【００６４】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、例えば図１５に関連して説明した実施形態と類似の実施形態を有するＬＩＤＡＲシステムが、以下の説明からさらに明らかになるような所定座標系の３軸で流速を測定するように作用する。３軸流速決定要素の好適な実施形態を図１９の概略ブロック図に示す。図３のブロック図実施形態に示した実施形態の方位角決定、走査位置決定、表示および処理について前に説明した要素の参照番号は図１９の実施形態でも同一のままである。したがって、これらの要素は、図１９の実施形態におけるそれらの使用が流速の測定および表示のためであることを除いては、図３の実施形態について説明したものと構造的および機能的に同一または類似の作用をする。以下、図１９のブロック図で、前に説明していない要素について説明する。
【００６５】
図１９を参照すると、図１５のＬＩＤＡＲシステム実施形態について前述したように、送出ＣＷレーザービームの所定走査パターンに沿った粒子からの反射光に応答して光検出器３１４によって発生される電気反射信号が、信号線３１６を通って信号調整回路３１８に送られる。信号調整回路３１８は、電気信号を調整するのに適した従来の増幅およびフィルタリング回路を備えてもよい。これらの電気信号は、粒子が送出レーザービームの幅の範囲内にある限り持続するドップラー周波数内容のバースト信号であり、以下これを「ヒット（hit）」という。回路３１８の信号調整の後、電気信号の各バーストが、所定のサンプリングデータレートに従ってアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４４０でサンプリングされデジタル化される。このデータレートは、例えば毎秒１億７５００万サンプル（１７５ＭＳＰＳ）程度であってもよい。結果として得られる各ヒットのデータサンプルが、それに関連するドップラー周波数を決定する処理のためにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４４２に提供され、ドップラー周波数はそのメモリ４４４に、本明細書において以下でさらに詳細に説明するような、プロセッサ８８により取得されるデータワードの形式で格納される。バーストすなわちヒットのデジタル化されたデータサンプルの処理は、ＤＳＰ４４２にプログラムされた、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムまたは自己相関器アルゴリズムの形を取ってもよい。プロセッサ８８とＤＳＰ４４２の間を結合する信号線４４６は、以下の説明から明らかになるようなハンドシェイクおよびデータワード転送を提供する。本実施形態では、プロセッサ８８および４４２はそれぞれ、例えばTexas Instrumentsによって型番ＴＭＳ３２０−Ｃ３３およびＴＭＳ３２０−Ｃ６２０１として製造されているタイプのＤＳＰであってもよい。言うまでもなく、本実施形態においてシステム機能を２個のデジタルプロセッサに分離して実行することは、設計上の便宜および容易化を提供するものであり、代替実施形態では、ＤＳＰ４４２の機能を、例えばプロセッサ８８のような単一のＤＳＰにプログラムして、プロセッサ８８自体がプロセッサ８８および４４２の両方の機能を実行してもよい。また、２個より多くのプロセッサを用いて全体の処理機能を具現化することも可能である。したがって、本発明のこの態様はプロセッサの個数に限定はなく、その個数は本発明の特定用途に基づいて決定される。
【００６６】
図２０および図２０Ａは、所定座標系の３軸における流速の決定に関与する処理を機能的に示している。本明細書において上記で説明したように、一実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、図２０に示すように円錐パターンで所定幅のレーザービーム４５０を投射する。図２０において、ヒット４５４が起きているＬＩＤＡＲシステムから距離Ｒの位置に、円錐パターンを通り断面（図２０Ａ参照）が円形の平面４５２をとる。この平面すなわちスライス４５２を本明細書では、例えば光学要素５２の回転によって生じる走査円という。本明細書において図３の実施形態に関連して上記で説明したように、光学要素５２が回転して円形回転の基準点を通るたびに、トリガ信号が発生される。この基準点を、走査円のトリガ位置４５６と呼ぶ。本実施形態では、所定座標系の直交するＹ軸およびＺ軸が、走査円の平面内に存在する。より詳細には、Ｙ軸は、走査円の中心４６０からトリガ位置４５６へ引いた直線４５８上にあり、Ｚ軸は、円４５２の中心４６０から、Ｙ軸から９０°反時計回りの方向に引いた直線４６２上にある。座標系のＸ軸は、走査円平面４５２に垂直に、その中心４６０を通って引いた直線４６４上にある。したがって、Ｘ軸は、円錐パターンの頂点から、ＬＩＤＡＲシステムを出て平面４５２の中心４６０を通るように出ている。以上で基本原理を説明したので、３軸Ｖｓｘ、Ｖｓｙ、およびＶｓｚで流速を決定する考え方について説明する。
【００６７】
得られた電気信号バーストから例えば点４５４等でヒットが検出されるたびに、関連するバーストのデータサンプルからドップラー周波数が決定される。レーザービームの波長が既知なので、ヒットの１軸流速Ｖ１を、対応するドップラー周波数から決定することができる。さらに、本明細書における以下の説明からさらに明らかになるように、ヒット点４５４に対応する走査円上のＹ軸に対する角ａ１を、最終トリガ信号からの経過時間と、走査円周期、すなわち円パターンの走査を完了する全時間とに基づいて決定することができる。ヒットがＸ軸となす角ｔは、円形走査パターンの場合には実質的に一定のままである。したがって、図２０Ｂに例として示すように、走査円の周りの３個のヒットＨ１、Ｈ２およびＨ３に対して、それらの単一軸速度Ｖ１、Ｖ２およびＶ３ならびに走査円の角ａ１、ａ２およびａ３（本実施形態では角ｔは一定である）に基づいて、三角法の恒等式を用いて３個の方程式のセットを立てることができる。図２０Ｂを参照すると、上段、中段および下段の方程式はそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸にそれぞれ沿った流速Ｖｓｘ、ＶｓｙおよびＶｓｚに対して解くことができる。また、３個のヒットをとった走査円パターンの方位角位置が既知なので、３軸流速の方位角に関する基準点が確定する。
【００６８】
１つの面倒な問題として、ヒットがいつ起こるか分からないこと、すなわちヒットを発生させることができないことがある。むしろ、各ヒットは、例えばちりや気体または蒸気の凝結のような粒子が、レーザービームがその所定パターンに沿って導かれる時のレーザービームの幅を横切る時に自然に発生する。もう１つの面倒な問題として、多数のヒットが起こる可能性が高く、検出されるすべてのヒットを処理するとすればプロセッサに負荷がかかるということがある。したがって、走査パターンの経路に沿って検出されるヒットのいずれを処理すべきか、および処理されるヒットのうちのいずれを用いて３軸流速を決定すべきかを判断する選択基準が所望される。こうした選択基準については、以下のいくつかのパラグラフでさらに詳細に説明する。
【００６９】
さらに、３軸流速を決定するための上記の所定座標系はＬＩＤＡＲシステムを基準にしており、これはＬＩＤＡＲシステムが搭載される航空機の飛行座標系と同一ではないかもしれない。図２１は、ＬＩＤＡＲおよび航空機の２つの座標系が同一でないような、航空機４７２（この例ではヘリコプターである）上に搭載されたＬＩＤＡＲシステム４７０を例示している。すなわち、ＬＩＤＡＲスキャナ４７０は、本明細書において上記で説明したようなＸＹＺ座標系を有し、航空機４７２は固有のＸＹＺ座標系を有する。パイロットまたはオペレータは、航空機の座標系を基準とする流速を知ることが重要な場合があるので、ＬＩＤＡＲシステムの流速Ｖｓｘ、ＶｓｙおよびＶｓｚは、図２１Ａに例として示す３個の方程式のセットを用いて、航空機の座標系Ｖａｘ、Ｖａｙ、およびＶａｚを基準とする流速に変換されてもよい。変換定数ａｉｊは３×３マトリックスを形成してもよい。ここでｉはマトリックスの列を表し、ｊはマトリックスの行を表す。この３×３変換マトリックスは、ＬＩＤＡＲ座標系の速度成分を含む単一列マトリックスとして表されたＬＩＤＡＲ速度ベクトルに作用し、航空機の座標系の速度成分を含む同じく単一列マトリックスとして表された航空機の速度ベクトルを得ることができる。
【００７０】
３軸流速測定値を求めるようにプロセッサ８８をプログラムする例示的なプログラムフロー編成を図２２のブロック図に示す。図２２を参照すると、プロセッサ８８の起動後、ブロック４７４で、図２３の流れ図（フローチャート）に関連してさらに詳細に説明するメインプログラムが実行され、プロセッサを初期化する。次に、ブロック４７６で、プロセッサは、図２４の流れ図に関連してさらに詳細に説明するフォアグラウンドプログラムに入る。フォアグラウンドプログラム４７６は、クロック機能ＩＳＲ４８４（図２５参照）、トリガ機能ＩＳＲ４８６（図２６参照）、およびシリアル機能ＩＳＲ４８８（図２７参照）のような複数の割込みサービスルーチン（ＩＳＲ）に基づく、評価機能プログラム４７８（図２８参照）、速度機能プログラム４８０（図２９参照）、および出力機能プログラム４８２（図３０参照）のような種々の他のプログラムを呼び出すように連続的に実行される。本プログラム編成例では、クロック機能ＩＳＲ４８４をトリガするものはタイマ０であり、これは、所定期間を表す全カウントにわたりカウントするように構成された、プロセッサ８８の指定レジスタであってもよい。タイマ０がその所定期間（これは例えば１００マイクロ秒であってもよい）をカウントし終えるたびに、機能クロックＩＳＲ４８４が実行される。プロセッサ８８のもう１つのレジスタがタイマ１に指定され、プロセッサ８８が割込みポートＩＮＴ０を通じて、図１９の実施形態に関連して説明したトリガ信号１１６を受信するたびにゼロからカウントを開始するように構成されてもよい。トリガ信号１１６によりトリガ機能ＩＳＲ４８６が実行される。また、データワードがＤＳＰ４４２からシリアルポート０経由で受信されると、それは、以下でさらに詳細に説明するように、データ受信レジスタ４９０というプロセッサ８８のレジスタに格納される。プロセッサ８８へのデータワードの転送が完了すると、シリアル機能ＩＳＲ４８８が実行される。
【００７１】
メインプログラム４７４の例示的なソフトウェア流れ図を含む図２３を参照すると、ブロック４９２で、シリアルポート０が、フォアグラウンド機能ルーチン４７６（図２２参照）によるフレーム同期信号４９４の発生に応答してデータワードを求める要求がＤＳＰ４４２に対してなされる際に用いられるポートであるように設定される。ポート０は、ブロック４９２によって、ＤＳＰ４４２からデータワードを受信し、それをレジスタ４９０に格納し、データワード転送の完了時にシリアル機能ＩＳＲ４８８を呼び出すようにも設定される。ブロック４９６で、タイマ０が、例えば１００マイクロ秒を表すカウントをカウントし終えるたびにクロック機能ＩＳＲ４８４を呼び出すように設定される。ブロック４９８で、タイマ１が、トリガ機能ＩＳＲ４８６によるリセットまで自由にカウントするように設定される。ブロック５００で、ＩＮＴ０ポートが、それに結合しているラインを通じてトリガ信号１１６が走査パターンスキャナ５２（図１９参照）から受信されるたびにトリガ機能ＩＳＲ４８６を呼び出すように設定される。ブロック５０２で、プロセッサ８８のディスプレイ書き込み機能が、関連技術のすべての当業者に既知のある特定のコマンドで初期化され、テキストメッセージを形成してディスプレイ１５４の画面を制御する。メインプログラム４７４の初期化タスクが完了した後、フォアグラウンド機能ルーチン４７６がブロック５０４によって呼び出される。
【００７２】
図２４を参照すると、ブロック５０６で、「Get Dataフラグ」５０８がtrueにセットされているかどうかを判断する。このセットは、１００マイクロ秒ごとにクロック機能ＩＳＲ４８４によってなされる。trueである場合、ブロック５１０が、ＤＳＰ４４２に対してデータワードを求める要求を行うためにポート０へのフレーム同期信号４９４を発生し、Get Dataフラグ５０８をfalseにセットし、判断ブロック５１２を実行する。ブロック５０６によってGet Dataフラグ５０８がfalseであると判断された場合、ブロック５１０の実行は迂回され、判断ブロック５１２が実行される。ブロック５１２で、レジスタ４９０内へのデータワードの転送の完了に応答してシリアル機能ＩＳＲによってData Readyフラグ５１４がtrueにセットされているかどうかを判断する。trueの場合、ブロック５１６による実行のために評価機能ルーチン４７８が呼び出される。評価機能４７８のタスクの完了後、プログラム実行は５１６に戻り、続いてData Readyフラグ５１４がfalseにセットされ、ブロック５１８が実行される。ブロック５１２によってData Readyフラグ５１４がfalseであると判断された場合、ブロック５１６は迂回され、判断ブロック５１８が実行される。ブロック５１８で、Displayフラグ５２０がクロック機能ＩＳＲ４８４によってtrueにセットされているかどうかを判断する。trueの場合、ブロック５２２が、速度機能ルーチン４８０を実行のために呼出し、そのタスクが完了した後、プログラム実行はブロック５２２に戻る。次にブロック５２２は、出力機能ルーチン４８２を実行のために呼出し、そのタスクが完了した後、プログラム実行はブロック５２２に戻り、次にブロック５２２はDisplayフラグ５２０をfalseにセットする。ブロック５２２の実行の完了後、またはブロック５１８によってDisplayフラグ５２０がfalseであると判断された場合、プログラム実行は判断ブロック５０６に戻り、プログラムフローが繰り返される。このようにして、フォアグラウンド機能４７６は連続的に実行される。
【００７３】
図２５の流れ図を参照すると、タイマ０がその所定カウントをカウントし終えるたびに、すなわち１００マイクロ秒ごとに、プログラム実行が割込みされ、クロック機能ＩＳＲ４８４が実行のために呼び出される。ブロック５２６で、Get Dataフラグがtrueにセットされ、Displayカウンタ（これはプロセッサ８８の指定レジスタであってもよい）が１カウントだけインクリメントされる。次に、ブロック５２８で、Displayカウンタのカウントが、時間増分を示す所要カウントに達したかどうかを判断する。例えば、Displayカウンタが１００マイクロ秒ごとに１カウントずつインクリメントされ、所要の時間増分が２５０ミリ秒である場合、所要カウントは２５００となる。したがって、Displayカウンタは、本実施形態では２５０ミリ秒の時間増分を設定するために使用される手段である。こうして、ブロック５２８によって判断される２５０ミリ秒ごとに、ブロック５３０がDisplayフラグをtrueにセットし、Displayカウンタをゼロにリセットする。その後、プログラム実行は割込みされたところまで戻り、クロック機能ＩＳＲ４８４は、タイマ０からの次の内部割込みを待機してアイドル状態にとどまる。
【００７４】
図２６の流れ図を参照すると、トリガ信号１１６が割込みポートＩＮＴ０によって受信されるたびに、プログラム実行が割込みされ、トリガ機能ＩＳＲ４８６が実行のために呼び出される。ブロック５３２で、１走査サイクルの周期を表すタイマ１内のカウントが読み出され、プロセッサ８８の指定レジスタに格納され、タイマ１がゼロカウントにリセットされる。その後、プログラム実行はその割込みポイントから続行され、トリガ機能ＩＳＲは、次の外部割込み信号１１６を待機してアイドル状態にとどまる。図２７の流れ図を参照すると、データワード転送が完了するたびに、シリアル機能ＩＳＲ４８８が実行のために呼び出される。ブロック５３４で、ヒットのドップラー周波数を示すレジスタ４９０のデータワードおよびそのヒットの対応する走査円の角ａ１を示すタイマ１のカウントが読み出され、プロセッサ８８の指定レジスタに格納され、Data Readyフラグがtrueにセットされる。その後、プログラム実行はその割込みポイントから続行され、シリアル機能ＩＳＲは、次の内部割込み信号の受信を待機してアイドル状態にとどまる。
【００７５】
以上説明した実施形態によれば、プロセッサ８８は、１００マイクロ秒ごとにＤＳＰ４４２に対してデータワードを要求し、その入力を行う。ヒットが最近の１００マイクロ秒インターバル中に起きたかどうかは不明なので、現在の１００マイクロ秒インターバルにＤＳＰ４４２から受信されるデータワードが前の１００マイクロ秒インターバルに受信されたデータワードと同じかどうか、すなわち現在のインターバル中にヒットがないかどうかは分からない。したがって、現在のインターバル中に少なくとも１つのヒットが起きたことを示すための何らかの指示をプロセッサ８８に提供しなければならない。本実施形態では、この指示は、データワードのビットのうちの「New Bit」という１ビットの形で提供され、これはデータワードが現在のインターバル中のヒットのドップラー周波数を表すことを示すために「１」にセットされる。これにより、ＤＳＰ４４２からの各受信データワードを用いて、その評価が、評価機能４７８によって実行される。その流れ図を図２８に示す。
【００７６】
図２８の流れ図を参照すると、ブロック５４０で、受信データワードにおいてNew Bitが「１」にセットされているかどうかを判断する。「１」にセットされていない場合、評価機能ルーチン４７８のプログラム実行は中断され、実行はフォアグラウンドルーチン４７６のブロック５１６に戻る。「１」にセットされている場合、次にブロック５４２で、新しいデータワードが現在の評価期間の第１のヒットすなわちデータ点であるかどうかを判断する。その通りである場合、ブロック５４４で、第１のヒットすなわちデータ点のデータワード（ドップラー周波数）および角度位置が格納され、第１データ点に属するものとして指定される。また、ブロック５４４で、第２および第３のヒットのターゲット位置が、それらに対する許容領域とともに設定される。本実施形態では、第２および第３ヒットのターゲット位置は、第１データ点の位置に対してそれぞれ約１２０°および２４０°であってもよく、それぞれの許容領域は例えば±６０°程度であってもよい。次に、ブロック５４６で、現在の評価期間に受信されたデータ点の個数を示すカウントを有する、プロセッサ８８のデータ点カウンタが１だけインクリメントされる。そして、プログラム実行はブロック５１６に戻る。
【００７７】
ブロック５４２で、最新のデータ点が第１データ点でない場合、ブロック５４８で、その角度位置が、最新ヒットに対応するタイマ１のカウントと、走査サイクルの周期を表すカウントとの比から決定される。第１データ点に続くデータ点の角度位置が、第１データ点の角度位置から減算される。次に、ブロック５５０で、角度位置の差が第２データ点のターゲットおよび許容領域、すなわち例えば１２０°±６０°の範囲内にあるかどうかを判断する。その通りである場合、ブロック５５２で、データワード（ドップラー周波数）およびそれに対応する角度位置が格納され、第２データ点に属するものとして指定される。また、ブロック５５２で、許容ターゲットおよび許容領域を有するそれぞれの第２データ点が決定された後、許容領域が狭められる。例えば、最初の第２データ点の後に許容領域を±５０°にセットし、２番目の第２データ点の後に許容領域を±４０°にセットし、以下同様にして、もはや第２データ点が領域内に入らなくなるまで続けてもよい。この評価プロセスは、例えば１２０°のターゲットに最も近い第２データ点のみを３軸流速の決定で使用することを保証する。さらに、ブロック５５２で、第２データ点が処理に有効と認められたことを示すために、「Point 2 Valid」フラグがtrueにセットされる。第１データ点の後続のデータ点が、第２データ点のターゲットおよび許容領域内にないと判断された場合、ブロック５５４および５５６で、ブロック５５０および５５２と同じ処理が第３データ点に対して繰り返され、第１データ点に対して例えば２４０°の設定ターゲット角に最も近い許容領域内の第３データ点を確定する。ブロック５５２またはブロック５５６のいずれかの各実行後、ブロック５４６でデータ点カウンタが１だけインクリメントされ、その全カウントが、現在の評価期間（これは例えば２５０ｍｓｅｃ程度であってもよい）について評価されたデータ点の総数を表すようにする。このようにして、各２５０ｍｓｅｃ期間に処理されるすべてのデータ点から３個のデータ点が選択され、それらのそれぞれの角度位置は、走査円パターンに沿って１２０°ずつ離れた位置に最も近くなる。
【００７８】
本実施形態で２５０ｍｓｅｃごとに実行される速度機能ルーチン４８０の例示的流れ図を図２９に示す。図２９を参照すると、ブロック５６０で、データ点カウンタを読み出し、先行する評価期間に少なくとも３個のデータ点が処理されたかどうかを判断する。処理された場合、ブロック５６２で、第２および第３データ点のValidフラグがtrueにセットされているかどうかを判断する。このtrueは、走査円の周りの相対的角度位置の所定の許容基準内に入る３個のデータ点、すなわち選択されたデータ点があることを示す。trueの場合、ブロック５６４で、選択された３個のデータ点のドップラー周波数（データワード）から３個の単一軸速度Ｖ１、Ｖ２およびＶ３を決定する。その後、ブロック５６６で、３軸流速測定値を、３個の単一軸速度Ｖ１、Ｖ２およびＶ３ならびにそれらのそれぞれの角度位置ａ１、ａ２およびａ３（ｔは３個のすべてのデータ点について一定である）から、例えば図２０Ｂの例示的な方程式に従って求める。ブロック５６８で、ＬＩＤＡＲの所定座標系を基準とする速度成分Ｖｓｘ、ＶｓｙおよびＶｓｚを、ＬＩＤＡＲシステムが搭載されている航空機の速度成分Ｖａｘ、ＶａｙおよびＶａｚに変換してもよい。そして、ブロック５７０で、前述の計算で使用されたデータを何らかの方法で特徴づけてもよい。例えば、許容領域内のデータ点分布が良好とみなされる場合に、良好なデータにデータ有効性フラグをセットしてもよく、またデータレートを計算してもよい。最後に、フォアグラウンド機能ルーチンのブロック５２２に実行を戻す前に、ブロック５７２で、前の評価期間に評価機能ルーチン４７８によってセットされたすべてのフラグを、次の評価期間のためにリセットする。
【００７９】
一方、ブロック５６０で、前の評価期間に３個より少ないデータ点が処理されたと判断された場合、ブロック５７４で、例えばデータ有効性を低データレートに設定し、そのデータレートを計算することによって、データ品質が特徴づけられる。また、ブロック５６２で、データ点分布の現在の許容基準に基づいて処理するための３個の有効なデータ点がないと判断された場合、ブロック５７６で、例えばデータ有効性を不良データ分布に設定し、そのデータレートを計算することによって、データが特徴づけられてもよい。ブロック５７４または５７６のいずれかの後、プログラム実行は、前述のようにフラグをリセットするためにブロック５７２に進む。
【００８０】
プロセッサ８８のプログラムされた処理を説明する際に使用するのに適した出力機能ルーチン４８２の例示的流れ図を図３０に示す。このルーチン４８２もまた、速度機能ルーチン４８０が実行された後に、例えば２５０ｍｓｅｃごとに呼び出される。図３０を参照すると、ブロック４８０で、データ有効性が低データレートに設定されたかどうかを判断し、その通りである場合、ブロック５８２で、ディスプレイ１５４の画面に表示するために、ある特定のメッセージテキストが選択される。例えば、ブロック５８２および５８８によって、Low Data Rate（低データレート）の指示を表示するテキストメッセージが生成され、ディスプレイに送られてもよい。また、ブロック５８２および５８８によって、低データレートを示すようにフォーマットされた信号が生成され、他の航空機アビオニクス機器へのインタフェースに提供されてもよい。同様に、ブロック５８４で、データ有効性が不良データ分布にセットされたと判断された場合、ブロック５８６および５８８によって、この条件を示すために、適当なテキストメッセージが生成され、ディスプレイへ送られ、他の航空機アビオニクス機器へ配信するためにフォーマットされてもよい。ブロック５８０およびブロック５８４のいずれの条件判断もtrueでないすなわち肯定でない場合、ブロック５８７および５８８が、３軸流速測定値を示すテキスト出力すなわちメッセージを生成してディスプレイ画面に送るとともに、その速度測定値をフォーマットして、例えばプロセッサ８８とインタフェースをとる信号線（複数可）を通じてそれを他の航空機アビオニクス機器へ送る。ブロック５８８がそのタスクを完了した後、プログラム実行はフォアグラウンド機能ルーチン４７６のブロック５２２に戻る。
【００８１】
ＬＯＡＳ及びＬＩＤＡＲ複合システムの実施形態について、図１５のブロック図に関連して本明細書において上記で説明したが、言うまでもなく、例えばヘリコプターやＵＡＶのような移動ビークル（輸送手段）に適用される場合の実用的観点から、図３１の例示的ブロック図に示すように、共通光学要素２８４は、単一ＬＯＡＳ２８０またはＬＯＡＳ２８０およびＬＩＤＡＲ２８２の複合システムの光学要素から離れて位置する走査ヘッド６００内に具現化されてもよい。図１５および図３１の実施形態間で共通の要素は同一参照番号を有する。図３１の実施形態では、２８０および２８２の光学要素は、ビークル内に配置されてしっかりと支持され、ビークルの環境から保護される。従来の光ファイバケーブルが光路１８および３１９に使用され、図１５の実施形態について前に説明した二色性フィルタ光学要素３２０に導かれて位置合わせされてもよい。もう１本の光ファイバケーブルが、二色性フィルタ３２０から、共通光学要素２８４を含む走査ヘッド６００への光路３２２を提供する。光路３２２の光ファイバケーブルは、走査ヘッド６００に到達するためにビークル内で回り道をとってもよい。走査ヘッド６００は、ビークルからビーム走査パターンを投射することができるように、ビークルの外面に搭載されてもよい。本明細書における以下の説明からさらに明らかになるように、本実施形態において複数の走査ヘッドを用いてもよい。
【００８２】
走査ヘッド６００の好適な実施形態を図３２の略図に示す。この走査ヘッドは、３本の軸６０２、６０４および６０６に沿って光ビーム走査パターンの動きを制御する。走査ヘッド６００の上部６０８は、図２１の略図に示されているような、例えばヘリコプターやＵＡＶの前下部等のビークルの表面に搭載されてもよい。ビームスキャンが放出される際に通る走査ヘッド６００のウインドウ（窓）領域６１０は、ビークルが航空機である場合、ビークルの移動方向すなわち航路を向く。光路３２２の光ファイバケーブルが、ビークルの外板の孔を通り、走査ヘッド６００の上部６０８の開口部６１２を通って走査ヘッド６００に入る。本明細書において以下でさらに詳細に説明する走査ヘッド６００内の光学要素により、経路３２２を通るビームが、軸６０６の周りに３６０°走査される。走査ヘッド６００内の従来のモーターアセンブリ（図示せず）がその下部６１４の動きを、軸６０２の周りに±９０°の範囲で、ビークルの航路に対して方位角方向に制御する。この動きは、上部６０８と下部６１４の間の継ぎ目６１６に沿って起こり、実質的に、図２の例に関連して説明したのとほとんど同様のらせん状パターンによるビーム走査パターンを投射する下部６１４とともに軸６０６を動かす。
【００８３】
窓領域６１０を含み部分６１４内にある走査ヘッド６００のもう１つの部分６１８が部分６１４とともに方位角方向に動く。走査ヘッド６００内に配置されたもう１つの従来のモーター（図示せず）が、ビークルの航路すなわち方向に対して、例えば仰角に関して＋３０°から−９０°まで、軸６０４の周りに部分６１８の動きを制御する。この動きにより、軸６０６および走査パターンの仰角が部分６１８とともに動く。本実施形態では、部分６１８の窓領域６１０は、非使用時に環境からそれを保護するために、部分６１４の上方内部に移動するように制御されてもよい。上部６０８の領域６２０にある波形外板すなわち表面は、走査ヘッド６００の動作中に走査ヘッド６００から逃げる熱輸送を向上させるためのヒートシンクとして作用する。
【００８４】
走査ヘッド６００内部の共通光学要素を例示する略図を図３３に示す。図３３を参照すると、光路３２２の光ファイバケーブルは、ビームエクスパンダ２０の入力開口部の軸と位置合わせされる。エクスパンダ２０を出たビームは、フォールドミラー３２５で反射され、光路３２４を通り、回転光学要素３２に至ることが可能である。本実施形態では、回転光学要素３２は回転光学ウエッジ要素６２２を備える。これは、軸６０６を中心としてその周りに回転し、その入力側に平坦面６２４を有するとともに、その出力側に所定角傾斜した面を有する。言うまでもないが、本発明の一般的原理から逸脱することなく、回転光学要素３２として例えば透明液晶スキャナのような他の要素を使用してもよい。
【００８５】
経路３２４を伝わるビームは、軸６０６に沿って進み、ウエッジ要素６２２の入力側から出力側に通過する。光ビームは、ウエッジ要素６２２を通るその経路において屈折し、ウエッジ要素６２２の傾斜した出力面６２６から垂直に出る。この光ビームの屈折により、光ビームは、軸６０６と角６２８をなして窓領域６１０を通過するビーム３６として走査ヘッド６００を出る。したがって、ウエッジ光学要素６２２が軸６０６の周りに３６０°回転すると、ビーム３６は走査ヘッド６００から円錐状に投射され、走査パターン６３０を形成する。反射ビームは、本明細書において上記で説明したように、放出されたビームと同じ光路をたどる。窓領域６１０は、出て行くビーム３６の走査パターンと実質的に干渉しないように、例えばガラスのような材料からなる透明で、平坦で、ゼロパワーの光学要素を備えてもよい。本実施形態では、ウエッジ光学要素６２２および窓６１０は構造的に結合し、ともに方位角経路６３２および仰角経路６３４に沿って動き、光軸６０６をそれらとともに移動させる。このようにして、走査パターン６３０は、走査ヘッド６００の部分６１４および６１８とともに方位角および仰角方向に動かされる。
【００８６】
上記のように、本発明は、ビークル上の異なる位置に搭載された複数の走査ヘッドを含むように具現化されてもよい。用途によっては、走査ヘッドのうちのいくつかが、図３２および図３３の実施形態について説明したものより少ない光学要素およびより小さい走査角を利用してもよい。一用途では、走査ヘッド６００は、本明細書において上記で説明したようにヘリコプターまたはＵＡＶの前下部に搭載されて、例えば航空機の前方および側方の物体および風条件を検出してもよく、第２の走査ヘッド６４０が、例えばヘリコプターのテール部分に搭載されて、航空機の後方および側方にある物体を検出してもよい。この用途を具現化するのに適したシステムを図３４のブロック図に示す。この実施形態では、光スイッチ６４２がＬＯＡＳ２８０の出力光路６４４に配置される。経路６４４は光ファイバケーブルで形成されてもよい。光スイッチ６４２は、経路６４４のビームを複数の光路のうちの１つへ指向させるために信号６４６によって制御されてもよい。例えば、光スイッチ６４２は、ＬＯＡＳビームを、経路１８の光ファイバケーブルにより二色性フィルタ３２０へ、および本明細書において上記で図３１に関連して説明したような走査ヘッド６００へ指向させるように、またはビームを、光路６４８（これは光ファイバケーブルで形成されてもよい）によりテール（尾部）走査ヘッド６４０へ指向させるように、またはビームを、他の光路６５０によりビークル上の他の場所に搭載された他の走査ヘッド（図示せず）へ指向させるように、制御されてもよい。反射ビームは、指向されたビームと実質的に同じ光路をたどることになる。
【００８７】
高速光スイッチ６４２の好適な実施形態を図３５の略図に示す。この実施形態では、フリップミラー要素６５２が、垂直ヒンジ６５４および６５６を用いて取り付けられてその周りの水平回転が制御されるとともに、水平ヒンジ６５８および６６０を用いて取り付けられてその周りの垂直回転が制御される。光スイッチは、所与の時間に光路１８、６４８、または６５０のうちの１つへビーム６４４を指向させるようにミラー要素６５２の動きを制御するために、ヒンジ取付台に結合した小型モーターを有するマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技法を用いて基板上に作製されてもよい。したがって、ビーム６４４およびその戻りは、スイッチのモーターを位置決めする制御信号６４６で光スイッチを制御することによって、前記の経路の間で多重化され得る。言うまでもなく、図３５の実施形態は単に光スイッチ６４２の例示的実施形態であり、全く同様にして他の実施形態を使用してもよい。例えば、経路１８、６４８または６５０のうちの１つに沿ってビームおよびその反射が通過できるように実質的に透明な部分と、ビームおよびその反射をこれらの経路のうちの別の１つに沿って反射させるための反射コーティングを有する部分とを有する回転円板を、制御信号６４６により制御されるモーターによって位置決めし、ビーム６４４およびその反射をその通過または反射によって指定光路に指向してもよい。
【００８８】
図３６の概略ブロック図に示すさらにもう１つの実施形態では、複数の走査ヘッドがビークル上の種々の位置に搭載され、走査ヘッド位置の周囲の所定領域で物体を検出し風条件を決定することができる。例えば、１つの走査ヘッド６６２が、航空機の一方の翼またはビークルの側面に配置され、もう１つの走査ヘッド６６４が他方の翼または側面に配置されてもよい。ビークルの方向ベクトルに対して右翼または右側に搭載され得る走査ヘッド６６２は、ビークルの前方右側領域をカバーするように、方位角方向に０°から＋９０°まで（０°はビークルの方向ベクトルである）走査するように調整されてもよい。同様に、ビークルの方向ベクトルに対して左翼または左側に搭載され得る走査ヘッド６６４は、ビークルの前方左側領域をカバーするように、方位角方向に０°から−９０°まで走査するように調整されてもよい。他の走査ヘッドを、例えば航空機のテールまたはビークルの後部のような他の位置に搭載してもよい。すべてのこのような走査ヘッドが、単一のＬＯＡＳまたはＬＯＡＳ２８０およびＬＩＤＡＲ２８２の複合システムによって処理される。このため、高速光スイッチ６６６が利用され、単一または複合システムの放出ビームおよびその反射を、走査ヘッド６６２、６６４等のそれぞれとの間の光路６６８、６７０および６７２にわたり多重化するように制御される。本実施形態では、スイッチ６６６は、二色性フィルタ３２０を出るＬＯＡＳおよび／またはＬＩＤＡＲビームの光路の線上に配置されてもよく、また、本明細書において上記で説明した図３５の実施形態で用いられるタイプの光スイッチと同一または類似であってもよい。
【００８９】
以上、本明細書において、さまざまな実施形態に関連して本発明の態様を説明したが、言うまでもなく、これらの実施形態は単に例示として提供されたものであり、本発明をいかなる方法、形状または形式に限定するものではなく、本発明およびそのすべての発明態様は、特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の少なくとも一態様を具現化するのに適した広視野走査レーザー障害物認識システム（ＬＯＡＳ）の概略ブロック図である。
【図２】図１のＬＯＡＳ実施形態から発生される例示的走査パターンのグラフである。
【図３】図１の実施形態での使用に適した光ビーム走査パターン発生器／受信器の概略ブロック図である。
【図４】図１のＬＯＡＳ実施形態が動作し得る例示的環境の図である。
【図５Ａ】図１のＬＯＡＳ実施形態の信号処理を例示する時間グラフである。
【図５Ｂ】図１のＬＯＡＳ実施形態の信号処理を例示する時間グラフである。
【図６】図１のＬＯＡＳ実施形態での使用に適したプロセッサの例示的なプログラムされた動作を説明するフローチャートである。
【図７Ａ】図１の実施形態での使用に適した摂動ミラーの例示的なディザ動作を示す略図である。
【図７Ｂ】図１の実施形態での使用に適した摂動ミラーの例示的なディザ動作を示す略図である。
【図８Ａ】空間に投射されたイメージに対する摂動ミラーの所定角傾斜の効果を示す略図である。
【図８Ｂ】空間に投射されたイメージに対する摂動ミラーの所定角傾斜の効果を示す略図である。
【図９】さまざまなビーム走査パターンを生じる図１の実施形態での使用に適した２個の回転作動式光学要素の略図である。
【図１０Ａ】図９の実施形態の回転作動式光学要素により生じ得る例示的なビーム走査パターンの図である。
【図１０Ｂ】図９の実施形態の回転作動式光学要素により生じ得る例示的なビーム走査パターンの図である。
【図１０Ｃ】図９の実施形態の回転作動式光学要素により生じ得る例示的なビーム走査パターンの図である。
【図１１】図３の実施形態での使用に適した光インジケータディスプレイの略図である。
【図１２】別法として、図３の実施形態での使用に適した多機能ビデオディスプレイ（ＭＦＤ）の例示的画面の略図である。
【図１３Ａ】例として示される航路の付近および航路中の障害物に接近中の航空機の時間経過における（タイムスライスごとの）平面図である。
【図１３Ｂ】例として示される航路の付近および航路中の障害物に接近中の航空機の時間経過における（タイムスライスごとの）平面図である。
【図１３Ｃ】例として示される航路の付近および航路中の障害物に接近中の航空機の時間経過における（タイムスライスごとの）平面図である。
【図１３Ｄ】例として示される航路の付近および航路中の障害物に接近中の航空機の時間経過における（タイムスライスごとの）平面図である。
【図１３Ｅ】例として示される航路の付近および航路中の障害物に接近中の航空機の時間経過における（タイムスライスごとの）平面図である。
【図１４Ａ】図１３Ａのタイムスライスの例示的ＭＦＤ画面ディスプレイの図である。
【図１４Ｂ】図１３Ｂのタイムスライスの例示的ＭＦＤ画面ディスプレイの図である。
【図１４Ｃ】図１３Ｃのタイムスライスの例示的ＭＦＤ画面ディスプレイの図である。
【図１４Ｄ】図１３Ｄのタイムスライスの例示的ＭＦＤ画面ディスプレイの図である。
【図１４Ｅ】図１３Ｅのタイムスライスの例示的ＭＦＤ画面ディスプレイの図である。
【図１５】本発明のもう１つの態様を具現化するのに適したＬＯＡＳ及びＬＩＤＡＲ複合システムの概略ブロック図である。
【図１６】異なる所定の走査パターンで複合システムから２本のビームを指向させるための、図１５の実施形態での使用に適した回転作動式光学要素の略図である。
【図１７】本発明のもう１つの態様を具現化するのに適したＬＩＤＡＲシステムの光学要素のブロック配置の略図である。
【図１８】ＬＩＤＡＲシステムの光学要素の代替ブロック配置の略図である。
【図１９】本発明のさらにもう１つの態様を具現化するのに適した３軸流速を決定するＬＩＤＡＲシステムの概略ブロック図である。
【図２０】図１９の実施形態による３軸流速決定に関与する処理を例として機能的に示す。
【図２０Ａ】図１９の実施形態による３軸流速決定に関与する処理を例として機能的に示す。
【図２０Ｂ】図１９の実施形態による３軸流速決定に関与する処理を例として機能的に示す。
【図２１】航空機に搭載される本発明の実施形態をその固有の座標とともに示す図である。
【図２１Ａ】ある座標系から別の座標系へ３軸流速を変換する際の使用に適した３個の方程式のセットを示す。
【図２２】３軸流速測定値を求めるためにプロセッサをプログラムする際に使用される例示的なプログラム編成である。
【図２３】図２２のプログラム編成での使用に適したメインプログラムの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図２４】図２２のプログラム編成での使用に適したフォアグラウンド機能ルーチンの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図２５】図２２のプログラム編成での使用に適したクロック機能割込みサービスルーチン（ＩＳＲ）の例示的なソフトウェア流れ図である。
【図２６】図２２のプログラム編成での使用に適したトリガー機能ＩＳＲの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図２７】図２２のプログラム編成での使用に適したシリアル機能ＩＳＲの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図２８】図２２のプログラム編成での使用に適した評価機能ルーチンの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図２９】図２２のプログラム編成での使用に適した速度機能ルーチンの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図３０】図２２のプログラム編成での使用に適した出力機能ルーチンの例示的なソフトウェア流れ図である。
【図３１】走査光学要素が本発明のもう１つの態様による走査ヘッドに具現化されたＬＯＡＳ及びＬＩＤＡＲ複合システムの概略ブロック図である。
【図３２】図３１の実施形態での使用に適した走査ヘッドの実施形態の略図である。
【図３３】図３２の走査ヘッド実施形態に配置される走査光学要素の図である。
【図３４】本発明のもう１つの態様による多重走査ヘッドを具現化するＬＯＡＳの図である。
【図３５】図３４の実施形態での使用に適した例示的光スイッチの図である。
【図３６】本発明のもう１つの態様による多重走査ヘッドを具現化するＬＯＡＳ・ＬＩＤＡＲ複合システムの図である。
【図１】
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【図３】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２０Ａ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３４】
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【図３６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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