レーザセンシング学会（レーザ・レーダ研究会）50周年記念
第1回レーザ・レーダシンポジウム（1972年7月25日-26日）特別講演予稿（覆刻版）（手書き予稿の湿式コピーからテキスト化）「レーザ・レーダとその周辺技術の進展」
Development of Laser Radar and Their Related Techniques
稲場文男 東北大学電気通信研究所
Humio Inaba Research Institute of Electrical Communication, Tohoku
University
１．はじめにレーザ光の主要な特徴は，強大な出力とすぐれたコヒーレンスの性質を備えていることで，これを利用して遠方の物体や状態の検知をはじめ，距離，方向，大きさ，形状，速度，密度，組成などの諸情報を光学的に遠隔測定する装置がレーザ・レーダ（Laser Radar）である。一部（特に気象学関係）では，ライダー（Light Detection and Ranging）とも呼ばれている1)。
レーザ・レーダの動作原理は，レーダという用語を併用していることからも明らかな様に，従来からの電波やマイクロ波領域のレーダ（Radio Detection and Ranging）と共通しており，機能の面でも類似のものが多い。例えば，地上物体の測距や移動物体の速度測定，人工衛星トラッキング，月面測距などがそれであり，従来のレーダ技術の光領域への拡張と見ることが出来る。しかしながら，これらの応用分野においてレーザ・レーダは，その波長がマイクロ波に比べて３〜４桁も小さいため，従来のレーダでは実現出来ない様な高い測定精度を実証しており，重要な計測手段となっている。
一方，この様な従来のレーダといわば相補的な関係を保つ機能のほかに，それとは本質的に異なった新しい活用分野が幾つか見出されて来た。その一例として，マイクロ波やミリ波では検出不可能な微小な粒子（大気中の原子，分子，イオン，エアロゾル粒子，水滴など）がレーザ光に対して，それぞれに特有の相互作用を通して，大きい散乱断面積を持つ事に着目して開拓された，大気物理現象の観測への応用が挙げられる1), 2), 3)。 最近では，さらにこの様な機能を発展させて，大気汚染に関するさまざまの情報の実時間・遠隔計測や分析にレーザ・レーダを利用するユニークな応用開発が活発に進められている4)ことも注目に値しよう。
２．レーザ・レーダの送受信方式
レーザ・レーダにおける送受信系の基本的構成は Fig. 1 に示した様なもので，光領域でのTR（送受）スイッチとして実用に供されるものが未開発のため，通常，送受信望遠鏡を分離して使用する。しかし，超遠距離の物体，例えば月面などの測距には送受信パルス間の時間差が大きいため，一つの望遠鏡を送受兼用する実例もある。
次に現在までにレーザ・レーダに応用されたレーザ発振器とその変調法や動作方式などの特徴をまとめると Table 1 のようになる。Qスイッチ・ルビー・レーザは従来，最も広く用いられて来たが，最近ではNd-ガラスやNd-YAGさらに，それらのジャイアント・パルス光の第２高調波が広く使用される様になった。また，N2気体レーザや発振波長可変の色素レーザが大気汚染の分析や超高層大気成分の計測などの新しい応用に供せられる様になっている。GaAsなどの半導体ダイ1オード・レーザも小型簡易な点で，地上や海上での測距などに利用されている。なお，気体レーザを中心とする連続発振レーザの応用については後節で別に触れることにする。

Fig. 1 レーザ・レーダの基本的構成

Table 1 レーザ・レーダに用いられた主要なレーザ発振器とその特性および動作方式

ここで，レーザ・レーダに応用した場合にレーザ光の諸性質が果たす本質的な役割，または長所をマイクロ波や他の光源の場合と比較すると次の様に分類される；(i) ビームの指向性 Δθ が鋭い事により受信効率が極めて増大する。(ii) 受信視野 Ωr が小さくできるので，背景光雑音が減少出来，さらに方向分解能が高くなる。(iii) 単色性が優れているために，受信フィルターの波長帯幅 Δλ を小さく出来て，効率を下げずに背景光雑音を減少出来る。(iv) パルス時間幅 τ が短いので距離測定精度が高くなる。ここで，距離測定精度 ΔR は2

ΔR =c(τ + τd )2(1)で与えられ，τd は受信系の時間分解能である。(v) 高出力および高速繰返しパルス特性は受信感度向上に寄与している。
次に，受信信号の検出表示法については，大別するとディジタルおよびアナログの二つになる。
距離，方位，速度などの測定には時間や周波数のカウンターを用いて数値を表示するディジタル方式が広く用いられている。しかし，多様な大気物理現象の観測や未知物体の探知あるいは監視などには，Aスコープ（距離-強度）3), 5)，Bスコープ（方位-距離-強度）6) ，Cスコープ（仰角-距離強度）6)，RHI（距離-高度-強度）7)，PPI（二次元位置-強度）などのアナログ表示が利用されている。
さらに，レーザ・レーダでは受信光が極めて微弱になる状態を取扱う場合が多く，その際には受信信号をアナログ電流の形より，個々の光電子パルスとして計数する光電子計数方式又は光子計数方式（ディジタル方式）8) が感度上優れており，月面測距や超高層大気観測，大気汚染計測などに不可欠の検出法となっている。
３．計測用レーザ・レーダ
３a.

測距および探知地上可搬ないし航空機搭載用のレーザ測距装置の発振器としては，固体レーザからのジャイア
ント・パルスが通常用いられるが，GaAs半導体ダイオード・レーザのアレイ（Array）を使用して小型化した試みもある9)。 動作は送信光パルスの一部を受けて受信系の計数回路のスタート・パルスとし，次に反射してきた信号パルスをストップ・パルスとして，その時間内のクロック・パルスの計数から距離を直接表示する方式が用いられている。
Table 2 は代表的な測距用レーザ・レーダの主な性能や特徴をまとめたものである。さらに，地形の測定や物体の形状探知等の目的には高速繰返し発振パルス・レーザを用いて高精度の表示方式が可能である。一方，レーザ測距の水中への応用，さらにレーザ光照射による目標物の映像の表示などが，測距ゲートや偏光弁別などの方法を用いて開発されている。その他，レーザ・トランシーバによって車両や航空機の排気ガスを探知したり，車の衝突防止に利用するなどの試みもある。さらに，飛行機の着地の進入路の監視や誘導のためのパルス・レーザ・レーダの方式開発も行われている。
３b.

人工衛星の追尾および月面測距

レーザ・レーダによる人工衛星の追尾，測距は全世界にまたがる Baker-Nunn カメラによる観測網の測定を補って衛星軌道の詳細な情報を得るために1965年に米国で計画されたもので，同時にレーザ光の伝搬特性の研究等も行われている10)。 この様な目的でリトロ反射器を備えた人工衛星が米国，フランス，ソ連で今迄に多数打ち上げられた。これまでの実験はルビーのジャイアン
ト・パルスを用いて行われており（Table 3 参照），ビーム断面積が人工衛星の断面積より大きい
ため，受信電力は R4 に逆比例している。実際の受信電力はレーザ・パルスのエネルギーのばらつ
き，衛星への入射角，ビーム内のエネルギー分布，大気中のゆらぎ，速度光行差などにより変化している11)。

3

Table 2

レーザ測距装置の代表的な性能および特徴

一方，月面からのレーザ光の反射検出は1962年にMITで最初に試みられ，引続きソ連やフランスでも実験が行われた。それらの測距精度は200m程度であった。1970年以来の米国のアポロ計画とソ連の無人探査計画により，月面上に数個の回折限界に近い指向性を有するリトロ反射器が設置され，測距効率および精度が飛躍的に向上するに至った12, 13) 。この測定には米国，ソ連，フランス，日本などが参加している。Table 3 は人工衛星追尾および月面測距レーザ・レーダの代表例の特性の比較を示すものである。後者の測定精度は30cmであり，この値はレーザ・パルス幅と光電子増倍管の特性により制限され，最終的には15cm の精度が期待されている。Fig. 2に月面測距の測定結果の一例として，地球と月の往復の時間間隔の予測値を原点とした場合の，受信光電子パルスのカウント数の時間分布のヒストグラムを示す2)。 ここでも光電子計数検出法が活用されており，カウント数１の背景光雑音パルス列の中から，信号光パルスが高いカウント数で検出されている。この様な月面の高精度の測距は世界各国で地道な研究が進められており，相対論に基づく重力波の検証などの基礎的な問題への関心と共に，月の力学的挙動や地殻変動などの月および地球物理学上貴重な資料の蓄積が行われつつある。

4

Table 3 人工衛星追尾および月面測距用レーザ・レーダの特性の概要

Fig. 2

月面測距における送受信光パルスの時間間隔の測定結果（レーザ発射数：50ショット，時間原点は予測値）

４．大気観測用レーザ・レーダ
レーザ光の波長はマイクロ波やミリ波に比べて３〜４桁程度小さいので，これらの電波では検出不可能であった大気中に浮遊する微小粒子（浮遊粉塵や汚染粒子よりなるエアロゾルや水滴粒子など）からの散乱効率が極めて大きくなる。Fig. 3 は電磁波の波長と，大気中に存在するさまざまの粒子や日常経験するいろいろな粒子の大きさを比較したものである3), 4)。
一般に波長 λ に比べて粒子半径 a が十分小さい領域（2πa/λ << 1）で生じるレーリー散乱に比べて，両者が同程度の領域（2πa/λ 〜 1）でのミー散乱の散乱断面積は著しく大きくなることが知られている。しかし，この様な古典的なミー散乱では得ることが出来ない，大気中の原子や分子の状態についてのさまざまの情報は，レーリー散乱やラマン散乱を通して知ることが可能であり，従来のレーダ技術では及ばなかった新しい領域を開拓しつつある4)。 さらに，原子や分子成分との共鳴的な相互作用（自然放出や吸収）も有用であり，それらの散乱や放出，吸収現象を介して（Table 5 参照）レーザ・レーダは多種多様な大気現象の観測に独自の重要な立場を占めるに至っている。

5Fig. 3

電磁波の波長と大気中および地上の種々の粒子の大きさの比較

Table 4 に，さまざまの目的に使われる大気観測用レーザ・レーダの主要な特徴を示す。
Table 4

大気観測用レーザ・レーダの代表例の動作および特性

6

４a.

大気中の粒子成分の観測（ミー散乱の利用）(i) 気象現象の観測および検出
地上約10km 以下の対流圏には，無数のエアロゾル粒子や水滴，氷晶などが浮遊し，種々の気象現象に伴って運動している。米国SRI（スタンフォード研究所）では低高度での快晴大気の観測を行い，エコー波形の不連続な面がほぼ気温逆転層に一致することを見出し，逆転層の立体的検出が可能な事を示した14) 。さらに，雲の下端および頂上の高度測定，夜間に肉眼で検出できない雲や霧の観測，雲の生成消滅過程の追跡などを行っており1), 5)， 最近では大気中の混合層や温度逆転層の分布などを走行中に実時間で観測出来る測定車の実用化を進めている。
一方，東北大学では我が国で最初にレーザ・レーダを試作し15)，大気中のレーザ・ビームの伝搬特性を調べ，レーザ・レーダによる大気減衰率および視程の定量的測定を行うと共に，煙霧や雲などの粒子密度分布の解析法を明らかにした3)。以後，各国でレーザ・レーダによる斜め方向の伝搬特性測定の研究が行われ16), 17)，空港や海上での視程測定に新しい分野が開かれつつある。さらに，晴天乱流の検出についても実験的に研究が行われている18)。また，煙突の有効高の計測や排煙の大気拡散状態の三次元的な測定にも利用されて，大気汚染の複雑な様相の解明に役立つ事が示され19)，レーザ・レーダは局所的な大気の観測手段としてユニークな実用性を発揮しつつある。
(ii) 地球高層および超高層大気の観測
1963年にMITのグループはルビー・レーザ光を用いて地球超高層からの散乱の観測を行い，60〜90 km および 110 km〜140 km の高度から微弱ではあるがエコーが検出された20)。 これらの散乱層は流星塵によるエアロゾル層と推定された。その後，スウェーデンやアラスカにおける観測では低い方の層のみが見出されたが，ジャマイカやイギリスでは散乱層は検出されず，散乱層の存在に関して種々の議論が行われた21)。
高度20〜30 kmの高層大気においても，ルビー・レーザ光を用いた散乱光測定によりエアロゾル層が多数観測され21)，成層圏の底部のトロポポーズの位置の季節的移動もラジオゾンデによる測定とほぼ一致する事が明らかにされている。この様なレーザ・レーダによる地球高層ないし超高層の物理的状態の観測は，従来のサーチライトやロケットを用いた観測に比べて簡便で，しかも有力な手段であるために，世界的規模で広範囲かつ長期にわたり進められている。
４b.

大気中の原子，分子成分の計測

ミー散乱はいろいろ有用であるが，粒子の大きさが波長と同程度の場合に生じる古典的散乱であり，大気中に混在する原子や分子を選択的に定量測定するためには，ミー散乱以外の光と物質の相互作用を利用するレーザ・レーダ方式に頼らなければならない4), 22)。Table 5 はこの様な観点より，レーザ・レーダによる大気中の種々の情報計測のための原理的方式を総括して，分類，比較したものである4), 23)。参考のために古典的なミー散乱の場合を含めて，波長域 0.3〜0.4 μmの入射光に対するSO2分子１個当りの各相互作用の微分断面積の概略値を示しておく。
(i) ラマン散乱方式
ラマン散乱は，レーザ光の照射によりそれぞれの分子に固有の周波数シフトを伴って別の波長で生じるため，大気中の種々の分子成分のラマン散乱光を分光することにより分子の種類の選別と共に，各分子の密度の測定が可能である。この方式により，大気の主成分であるN2，O2，H2O分子等の観測が地上 3km 程度の高度まで行われている24)。 一方，多種類の微量な大気汚染分子を遠隔的に分析測定するレーザ・ラマン・レーダが東北大で提案，実験され25), 26)，距離約 1kmで数100ppmの濃度のSO2，CO2，NO，CO等の検出に成功し，さらに煙突からの排煙の遠隔・定量分析に実用化された27)。

7(ii)

共鳴散乱方式

送信レーザ光の波長が物質の固有遷移状態との共鳴に近づくと，相互作用の断面積が著しく増大することは，共鳴効果として知られている（Table 5 参照）。イギリスのRSRSのグループは，1969年にNaのD1線の波長に高精度で同調させた色素レーザを用いて，高度90 km 付近の大気中の極めて微量なNa原子層の検出に成功した28)。この測定は，振動子強度の大きな原子の共鳴線による蛍光散乱を利用したもので，共鳴散乱方式と呼ばれている。超高層におけるNa以外の他の原子や分子もこの方式で測定が可能と見られている。さらに，共鳴レーリー散乱を利用すれば大気中の汚染金属蒸気原子の検出や環境濃度測定も十分期待されよう4), 22)。
(iii) その他の方式
この他，大気汚染の計測に実用可能性のある方法として，Table 5 にも示した様に，レーザ光の吸収強度より分子密度分布を求める共鳴吸収方式や共鳴ラマン散乱方式4), 23) などがあり，発振波長可変の色素レーザや光パラメトリック発振器，赤外ダイオード・レーザ等の利用が考えられている4)。レーザ・レーダによる大気汚染の測定の方法は従来の化学的なウェット法に比べて，ドライで，実時間・遠隔計測が可能など本質的に優れた特徴を備えており，今後広範な実用化が進むものと予測される。
５．CWレーザ・レーダ
最後に，ドップラ・レーダや探知，地形測定などのために連続発振レーザを利用するレーダ方式に触れておこう。ドップラ・レーザ・レーダは He-Ne や CO2 気体レーザとヘテロダイン検出法を組合わせたもので，移動物体の速度測定や航空機に搭載して速度を精密に測定する航法装置として実用に供されているものもある。MITでは航空機や車両の速度を0〜235マイル/時まで測定出来る装置を開発し29)，また検出したスペクトルの形により物体の種類を微細に識別できることも示された。その他，レーザによる液体流速や回転速度，粒子速度分布の測定などが実験室内で研究されているが，これらをレーダ方式にして遠隔測定を行うことも実用上有用であろう。
一方，レーザ測地装置やレーザ高度計は連続発振レーザ光に多重周波数の変調を加え，送信ビームと受信ビーム間の位相差を検出することにより，物体までの距離または高度を測定するものである30)。前者では3〜8kmの距離を1x10-6 （あるいは1mm）の高精度で，また後者では地上300mの高度で約3cmの精度で高度変化が測定出来て，いずれもマイクロ波を利用した場合に比べて１桁近い測定精度の改善が得られている。応用としては飛行機によるさまざまな地形の精密測定や地形図作成をはじめ，多方面にわたっている。
その他，夜間の地上探知用として開発されたレーザ・カメラはHe-Neレーザを用い，航空機の進行に伴って二次元の映像を記録する方式を用いている。さらにレーザ光によるSidelookingレーダ31)では，レーダにより得られた地形や物体などの二次元情報をホログラフィ技術を利用して光情報処理を行う事により測定精度の向上を計もので，積極的な開発が進められている。

8

Table 5

レーザ・レーダによる大気情報計測法の基本的分類と比較

６．おわりに以上，レーザ・レーダについて概説したが，歴史的に見るとレーザの真の新しい工学的応用はレーザ・レーダに始まったと言っても過言ではない。現在の技術と過去30年以上にわたるマイクロ波レーダの発展経過を対比すると，新らしい機能や現象追求する初期の段階を経て，実用的な精度とシステムとしての総合的な動作の実現のための着実な研究開発が行われる次の段階へと移行しつつある様に見受けられ，それに伴って各分野で実用価値が認められて来ている。今後，さらにレーザの高出力，高性能化と周波数可変なコヒーレント光源の実用化や周辺技術の進展に伴い，高度化されたレーザ・レーダ・システムの応用が進むものと期待されよう。
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fifi

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