(57)【要約】【課題】  人工衛星間の距離を充分な正確さで、かつリアルタイムに測定することのできる小型のレーザ測距装置を提供する。【解決手段】  レーザ部１０１は、他装置に送出するための短パルスのレーザを発生する。受光部１０５は、他装置から送出された短パルスのレーザを受信し、他装置の方向を検出する。ポインティング部１０３は、レーザ部１０１で発生したレーザの送出方向を受光部１０５で検出された方向に調整する。制御部１０８は、他装置が短パルスのレーザを受信してから短パルスのレーザを送出するまでの保留時間を予め記憶しており、レーザの送出時刻および受信時刻と保留時間から自装置と他装置の間の距離を算出する。【選択図】      図１
2005091286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自装置と他装置の間の距離を測定するレーザ測距装置であって、
前記他装置に送出するための短パルスのレーザを発生するレーザ部と、
前記他装置から送出された短パルスのレーザを受信し、前記他装置の方向を検出する受光部と、
前記レーザ部で発生したレーザの送出方向を前記受光部で検出された方向に調整するポインティング部と、
前記短パルスのレーザの送出時刻および受信時刻から前記自装置と前記他装置の間の距離を算出する制御部とを有するレーザ測距装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記他装置が短パルスのレーザを受信してから短パルスのレーザを送出するまでの時間を予め記憶しており、前記自装置と前記他装置の間の距離の算出に用いる、請求項１に記載のレーザ測距装置。
【請求項３】
前記受光部は、複数の受光素子の受光量からレーザの入射方向を検出する視野センサを有する、請求項１または２に記載のレーザ測距装置。
【請求項４】
前記受光素子は、Ｓｉフォトダイオードである、請求項３に記載のレーザ測距装置。
【請求項５】
前記レーザ部は、モノリシック型のレーザ発振器を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
【請求項６】
前記レーザ発振器はパッシブＱスイッチにより短パルスのレーザを発生する、請求項５に記載のレーザ測距装置。
【請求項７】
人工衛星に搭載され、他の人工衛星との間の距離を測定する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いて距離を測定する装置に関し、特に、人工衛星に搭載され、人工衛星間の距離の測定に用いられるレーザ測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星の正確な時刻同期を行うために人工衛星間の７００００ｋｍにおよぶ距離を正確に測定する必要がある。
【０００３】
長い距離を正確に測定する装置として短パルスレーザによるレーザ測距装置がある（例えば、特許文献１参照）。従来のレーザ測距装置は、ターゲットに向けて短パルスレーザを発射し、そのターゲットから反射してきたレーザを用いて、ターゲットまでの距離を測定する。この方式を、以下、反射光受信方式と称する。
【０００４】
また、人工衛星のような移動体をターゲットとする場合、レーザ測距装置は、移動するターゲットに追随してレーザの発射方向をターゲットに向ける（以下、ポインティングと称す）。ターゲットの追随にはターゲットの位置の情報が必要となる。通常、人工衛星の位置は地上で管理されているので、人工衛星が他の人工衛星との距離を測定するとき、地上から人工衛星に位置情報を与えることができる。
【特許文献１】特開平１０−２３９６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の反射光受信方式で距離を測定する場合、レーザを往復させる必要があるため、レーザシステムとして大出力のものが必要となり巨大になる。例えば、地上から高度４００００ｋｍ程度の人工衛星までの距離を測定するためには、人工衛星にコーナキューブリフレクタのようなレーザ反射鏡を設置していても１ジュール程度のレーザ出力が必要となり、レーザ発振器は３ｍ×１．５ｍ×１．５ｍといった大型のものとなる。そのため、従来の反射光受信方式は、人工衛星に搭載して人工衛星間の距離の測定するには不向きであった。
【０００６】
また、移動する人工衛星にレーザの発射方向を追随させるために地上から人工衛星に与えられる位置情報は、位置誤差が大きく、またリアルタイム性がない。そのため地上から得られる位置情報は人工衛星に搭載されるレーザ測距装置のターゲット追随用には不充分であった。
【０００７】
また、人工衛星に搭載されるレーザ測距装置では、宇宙での厳しい環境変化によりレーザ発振器がミスアライメントを起し、レーザ出力が低下してしまうことがあった。
【０００８】
これら様々な要因により、従来のレーザ測距装置は、人工衛星間の距離を充分な正確さで、かつリアルタイムに測定することが困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、人工衛星間の距離を充分な正確さで、かつリアルタイムに測定することのできる小型のレーザ測距装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ測距装置は、自装置と他装置の間の距離を測定するレーザ測距装置であって、
前記他装置に送出するための短パルスのレーザを発生するレーザ部と、
前記他装置から送出された短パルスのレーザを受信し、前記他装置の方向を検出する受光部と、
前記レーザ部で発生したレーザの送出方向を前記受光部で検出された方向に調整するポインティング部と、
前記短パルスのレーザの送出時刻および受信時刻から前記自装置と前記他装置の間の距離を算出する制御部とを有している。前記制御部は、前記他装置が短パルスのレーザを受信してから短パルスのレーザを送出するまでの時間を予め記憶しており、前記自装置と前記他装置の間の距離の算出に用いることとしてもよい。
【００１１】
本発明によれば、２つの装置間の距離を測るとき、双方から相互に相手側にレーザを送り、レーザの送出時刻と受信時刻から距離を算出するので、レーザを一方から他方までの片道だけ伝播すればよい。
【００１２】
また、前記受光部は、複数の受光素子の受光量からレーザの入射方向を検出する視野センサを有することとしてもよい。前記受光素子は、Ｓｉフォトダイオードであってもよい。
【００１３】
したがって、相手側のレーザ測距装置から送出されたレーザを受光部の視野センサで受けて相手側の方向をリアルタイムで正確に検出し、自身がレーザを送出する方向をポインティング部により調整することができる。
【００１４】
また、前記レーザ部は、モノリシック型のレーザ発振器を有することとしてもよい。前記レーザ発振器はパッシブＱスイッチにより短パルスのレーザを発生することとしてもよい。また、人工衛星に搭載され、他の人工衛星との間の距離を測定することとしてもよい。
【００１５】
したがって、共振器長を短くすることができる他、アライメントの耐環境性にも優れたモノリシック型のパッシブＱスイッチによるレーザ発振器でレーザ部が構成されているので、小型でかつ耐環境性に優れ、宇宙での厳しい環境変化にもレーザ出力の低下を起こしにくい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２つの装置間の距離を測るとき、双方から相互に相手側にレーザを送り、レーザの送出時刻と受信時刻から距離を算出するので、レーザを一方から他方までの片道だけ伝播すればよく、従来の反射光受信方式に比べてレーザシステムを小型化することができる。
【００１７】
また、相手側のレーザ測距装置から送出されたレーザを受光部の視野センサで受けて相手側の方向をリアルタイムで正確に検出し、自身がレーザを送出する方向をポインティング部により調整するので、レーザを相手側の人工衛星に継続的に確実に向けることができる。
【００１８】
また、共振器長を短くすることができる他、アライメントの耐環境性にも優れたモノリシック型のパッシブＱスイッチによるレーザ発振器でレーザ部が構成されているので、小型でかつ耐環境性に優れ、宇宙での厳しい環境変化にもレーザ出力の低下を起こしにくい、人工衛星への搭載に適したレーザ測距装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態のレーザ測距装置の構成を示すブロック図である。図１を参照すると、レーザ測距装置は、レーザ部１０１、送信光学系１０２、ポインティング部１０３、ポインティング駆動部１０４、受光部１０５、ディスクリミネータ１０６、イベントタイマ１０７、制御部１０８、インタフェース１０９、および電源部１１０を有している。
【００２１】
レーザ部１０１は、モノリシックレーザ発振器で構成されており、短パルスのレーザを発射する。本実施形態のレーザ部１０１に採用されているモノリシックレーザ発振器は、Ｃｒ４＋をドープしたＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）（Ｃｒ4+：ＹＡＧ）結晶を可飽和吸収体として用いたパッシブＱスイッチである。
【００２２】
図２は、モノリシックレーザ発振器の構造例を示す図である。内側がＢａＳＯ4の集光筒２２内にＮｏｎ−Ｄｏｐｅ  ＹＡＧ２３があり、さらにその中にレーザ媒質であるＮｄ  ＹＡＧ結晶２４が形成されている。Ｎｄ  ＹＡＧ結晶２４の形状は３□×１０ｍｍである。
【００２３】
そして、集光筒２２の一方の端部２５には全反射ミラーがコーティングされている。他方の端部２６には７０％反射ミラーのコーティングとＣｒ4+：ＹＡＧ結晶の可飽和吸収体が形成されている。これら両端の反射ミラーが共振器のミラー対をなしている。
【００２４】
Ｃｒ4+：ＹＡＧの可飽和吸収体とＮｄ  ＹＡＧ結晶２４とはボンディングにより接合されている。この可飽和吸収体がシャッターの役割を果たして短パルスを発射する。ここでは、レーザの波長は１０６４ｎｍである。
【００２５】
モノリシックレーザ発振器は、共振器長を短くすることができる他、アライメントの耐環境性に優れており、人工衛星への搭載に適している。
【００２６】
図１に戻って、送信光学系１０２は、レーザ部１０１から発射されたレーザを所望のビーム拡がり角に整形する。
【００２７】
受光部１０５は、相手側の人工衛星から送出されたレーザを受信する。また受光部１０５は、相手側の人工衛星からのレーザの一部を分岐し、分岐したレーザに基づいてポインティング検出用視野センサにより相手側の人工衛星の方向を特定する。
【００２８】
図３は、ポインティング検出用視野センサの概念を示す図である。図３を参照すると、受信光は、まずビームスプリッタ３０１で分岐される。ビームスプリッタ３０１で分岐された１０％程度の受信光が集光レンズ３０２で集光され、粗調用ポインティングセンサ３０３に送られる。
【００２９】
粗調用ポインティングセンサ３０３は、例えば４分割のＳｉフォトダイオードの各々でレーザの光を検出し、各Ｓｉフォトダイオードで検出された光量から、レーザを送出した人工衛星の方向をリアルタイムに粗く広視野で検出する。
【００３０】
さらに、受信光は、ビームスプリッタ３０４で分岐される。ビームスプリッタ３０４で分岐された１０％程度の受信光が集光レンズ３０５で集光され、微調用ポインティングセンサ３０６に送られる。
【００３１】
微調用ポインティングセンサ３０６は、例えば４分割のＳｉフォトダイオードの各々でレーザの光を検出し、各Ｓｉフォトダイオードで検出された光量から、レーザを送出した人工衛星の方向をリアルタイムに細かく狭視野で検出する。
【００３２】
なお、粗調用ポインティングセンサ３０２の広い視野と微調用ポインティングセンサ３０６の狭い視野とは集光レンズ３０２と集光レンズ３０４の各々の焦点距離により設定される。この２つのセンサにより相手側の人工衛星の方向を正確に検出することができる。また、粗調用ポインティングセンサ３０２および微調用ポインティングセンサ３０６は、光信号を電気信号に変換する複数の受光素子の各々の受光量からレーザの入射方向を検出する視野センサであればよく、４分割のＳｉフォトダイオードに限られない。例えば、他の例としてＣＣＤカメラによるものであってもよい。
【００３３】
なお、８０％程度のレーザは、集光レンズ３０７で集光され、Ｓｉ−ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）の測距用受光素子３０８に送られる。
【００３４】
図１に戻って、ディスクリミネータ１０６は、受光部１０５の測距用受光素子３０８で受信された信号を検波し、時刻読み出し用のトリガ信号に変換する。
【００３５】
イベントタイマ１０７は、人工衛星内部の時刻を正確に決定するタイマである。
【００３６】
ポインティング部１０３は、ポインティング駆動部１０４に駆動され、受光部１０５の粗調用ポインティングセンサ３０２および微調用ポインティングセンサ３０６によって検出された情報に従ってレーザの送信方向を調整する。
【００３７】
制御部１０８はレーザ測距装置の各部の制御を行う。例えば、制御部１０８はレーザを送出するタイミングを設定する。また、制御部１０８は、レーザを送受した時刻を記録する。さらに、制御部１０８は相手側の人工衛星との距離の算出などの処理を行う。例えば、制御部１０８は、相手側の人工衛星にレーザを送出した時刻を記録し、また相手側の人工衛星からレーザを受信した時刻を記録し、それらの時刻から距離を算出する。
【００３８】
インタフェース１０９は、レーザ測距装置の外部にある不図示の装置との間のインタフェースである。電源部１１０は、レーザ測距装置の各部、例えばレーザ部１０１に電源を供給する。
【００３９】
図４は、本実施形態のレーザ測距装置が人工衛星間の距離を測定するときの動作を示す概念図である。図４では、レーザ測距装置Ｓ１とレーザ測距装置Ｓ２の間の距離を測定する例が示されている。
【００４０】
まず、レーザ測距装置Ｓ１は、ポインティング部１０３によりレーザ測距装置Ｓ２を搭載した人工衛星の方向に調整しつつ、時刻Ｔ１にレーザ部１０１から送信光学系１０２を通して短パルスのレーザを送出する。そのとき、レーザ測距装置Ｓ１の制御部１０８は時刻Ｔ１をメモリに記録する。
【００４１】
レーザ測距装置Ｓ１から送出されたレーザは、レーザ測距装置Ｓ２の受光部１０５で時刻Ｔ１′に受信される。レーザ測距装置Ｓ２のディスクリミネータ１０６は短パルスをトリガ信号に変換する。制御部１０８はトリガ信号をトリガとして、短パルスを受信した時刻Ｔ１′を記録する。
【００４２】
また、レーザ測距装置Ｓ２は、ポインティング部１０３によりレーザ測距装置Ｓ１の人工衛星の方向に調整しつつ、時刻Ｔ１′から所定の保留時間Ｔ後の時刻Ｔ２′にレーザ部１０１から送信光学系１０２を通して短パルスのレーザを送出する。そのとき、レーザ測距装置Ｓ２の制御部１０８は時刻Ｔ２′をメモリに記録する。
【００４３】
レーザ測距装置Ｓ２から送出されたレーザは、レーザ測距装置Ｓ１の受光部１０５で時刻Ｔ２に受信される。レーザ測距装置Ｓ１のディスクリミネータ１０６は短パルスをトリガ信号に変換する。制御部１０８はトリガ信号をトリガとして、短パルスを受信した時刻Ｔ２を記録する。
【００４４】
そして、レーザ測距装置Ｓ１の制御部１０８は、時刻Ｔ１、Ｔ２、および保留時間Ｔを用いてレーザ測距装置Ｓ２までの距離を算出する。すなわち、レーザ測距装置Ｓ１からレーザ測距装置Ｓ２に短パルスが到達する時間は（Ｔ２−Ｔ１−Ｔ）／２なので、光速をｃとすると、レーザ測距装置Ｓ１、Ｓ２の間の距離はｃ×（Ｔ２−Ｔ１−Ｔ）／２である。
【００４５】
以上説明した本実施形態のレーザ測距装置によれば、２つの人工衛星の間の距離を測るとき、双方のレーザ測距装置から相互に相手側にレーザを送り、レーザの送出時刻と受信時刻から距離を算出するので、レーザを一方の人工衛星から他方の人工衛星までの片道だけ伝播すればよく、従来の反射光受信方式に比べてレーザシステムを小型化することができる。例えば、７００００ｋｍ程度の人工衛星間の距離を測定するには数ミリジュール程度のレーザ出力でよく、レーザ発振器は０．１ｍ×０．１ｍ×０．１ｍ程度で製作することができる。
【００４６】
また、本実施形態のレーザ測距装置によれば、相手側の人工衛星に搭載されたレーザ測距装置から送出されたレーザを受光部１０５の視野センサで受けて相手側の方向をリアルタイムで正確に検出し、自身がレーザを送出する方向をポインティング部１０３により調整するので、レーザを相手側の人工衛星に継続的に確実に向けることができる。
【００４７】
また、本実施形態のレーザ測距装置によれば、レーザ部１０１がモノリシック型のパッシブＱスイッチによるレーザ発振器で構成されているので、耐環境性に優れ、宇宙での厳しい環境変化にもレーザ出力の低下を起こしにくい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態のレーザ測距装置の構成を示すブロック図である。
【図２】モノリシックレーザ発振器の構造例を示す図である。
【図３】ポインティング検出用視野センサの概念を示す図である。
【図４】本実施形態のレーザ測距装置が人工衛星間の距離を測定するときの動作を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０１    レーザ部
１０２    送信光学系
１０３    ポインティング部
１０４    ポインティング駆動部
１０５    受光部
１０６    ディスクリミネータ
１０７    イベントタイマ
１０８    制御部
１０９    インタフェース
１１０    電源部
２１    ＬＤ
２２    集光筒
２３    Ｎｏｎ−Ｄｏｐｅ  ＹＡＧ
２４    Ｎｄ  ＹＡＧ結晶
２５、２６    端部
３０１、３０４    ビームスプリッタ
３０２、３０５、３０７    集光レンズ
３０３    粗調用ポインティングセンサ
３０６    微調用ポインティングセンサ
３０８    測距用受光素子
【図１】
2005091286.tif 000003
【図２】
2005091286.tif 000004
【図３】
2005091286.tif 000005
【図４】
2005091286.tif 000006