特集

ライダー技術 I

月・惑星探査用ライダー
加瀬 貞二 1，水野 貴秀 2，荒木 博志 3，千秋 博紀 412

日本電気株式会社（〒183‒8501 東京都府中市日新町 1‒10）

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所（〒252‒5210 神奈川県相模原市中央区由野台 3‒1‒1）
34

国立天文台（〒181‒8588 東京都三鷹市大沢 2‒21‒1）

千葉工業大学 惑星探査研究センター（〒275‒0016 千葉県習志野市津田沼 2‒17‒1）

Lidar for Lunar and Planetary Exploration
Teiji KASE 1, Takahide MIZUNO 2, Hiroshi ARAKI 3, and Hiroki SENSHU 4
12

NEC Corporation, 1‒10 Nisshin Fuchu, Tokyo 183‒8501

Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency,
3‒1‒1 Yoshinodai, Chuo-ku, Sagamihara, Kanagawa 252‒5210

34National Astronomical Observatory of Japan, 2‒21‒1 Osawa, Mitaka, Tokyo 181‒8588

Planetary Exploration Research Center, Chiba Institute of Technology, 2‒17‒1 Tsudanuma, Narashino, Chiba 275‒0016（Received February 15, 2021）
Light Detection and Ranging（LIDAR）has become an indispensable technology for lunar and planetary
exploration. LIDAR for lunar and planetary exploration in Japan starts with＂HAYABUSA＂and leads to＂Martian Moons eXploration（MMX）＂via＂KAGUYA＂and＂HAYABUSA2＂. Here are some of theLIDAR technologies that have been developed so far.
キーワード：ライダー，レーザ高度計，月惑星探査Key Words: LIDAR, Laser altimeter, Lunar and Planetary Exploration

1．はじめにる．日本では月探査の「かぐや」3）や，現在進行中の「火 星 衛 星 探 査（Martian Moons eXploration:2020 年 12 月 6 日，小惑星「リュウグウ」のサンMMX）」4），米国では月探査の Lunar Reconnaissance

プルを格納したカプセルがオーストラリアのウーメ

Orbiter 5），小惑星探査の OSIRIS-REx 6），欧州では現ラ管理区域の地面に着地した．
「はやぶさ 2」が 2

在水星探査中の BepiColombo 7），インドや中国では回のタッチダウン成功後，無事地球へ帰還しミッそれぞれ月探査の Chandrayaan-1 8）や ChangʼE-1 9）等，ションを完了した瞬間である †1．初代「はやぶさ」1）

各国の様々な探査機にライダーが搭載されている．

を始め，世界各国で深宇宙探査ミッションが競うよ近年活発になっている月・惑星探査のライダー技

うに立ち上がっている中，月・惑星探査に必須の技術となっているのがライダー（Light Detection andRanging: LIDAR）である．GPS 等の航法支援が得ら術を以下に紹介する．

2．「はやぶさ」LIDARれず，地球からのリアルタイムの制御が効かない遠初号機「はやぶさ」は 2003 年 5 月に打ち上げらい深宇宙で，探査機を自律的に機能させるためにれた小惑星探査機である．2005 年に小惑星「イトは，直接距離を計測できるライダーの役割が大きカワ」にタッチダウン後，2010 年 6 月に地球へ帰い．アポロ計画 2）以降，ライダーは探査機の高度情還し「イトカワ」のサンプルを含むカプセルを投下報を取得し様々な天体の地形観測に利用されてい後， 大 気 圏 に 再 突 入 し た．LIDAR は「イ ト カ ワ」
近傍から運用開始し，高度約 50 km から「イトカhttp://www.hayabusa2.jaxa.jp/†1©2021 Laser Radar Society of Japanワ」を捉え，全球マッピングやタッチダウンまでの31

月・惑星探査用ライダー（加瀬 貞二）

レーザ発振器はパルスエネルギー 8 mJ，パルス幅 14 ns，繰り返し 1 Hz の Q スイッチ Nd:YAG レーザであり，Q スイッチ素子には LiNbO 3 を使用している．受信望遠鏡は材料に Silicon carbide（SiC）を使用した口径 126 mm のカセグレン望遠鏡である．
「はやぶさ」LIDAR の軌道上でのレーザショット
数 は， 約 3 か 月 間 の ミ ッ シ ョ ン 期 間 で 約 400 万ショットである．

3．「かぐや」レーザ高度計（Laser Altimeter: LALT）
Fig. 1

HAYABUSA LIDAR.

「かぐや」は 2007 年 9 月に打ち上げられた月探査機である．定常運用と後期運用の約 1 年半の観測を終え 2009 年 6 月に月面へ制御落下した．
「か ぐ や」の レ ー ザ 高 度 計（Laser Altimeter:LALT）はノミナル高度 100 km（重力の影響で 50km から 150 km の範囲で変化する軌道を定期的に約 100 km の高度に修正）から月面までの距離や反射率を観測し，月の詳細な地形図の作成に貢献した．それまで得られていなかった月の極域データ取得 に 成 功 し， 月 の 正 確 な 重 心 推 定 な ど も 行 わ れた 11, 12）．
「かぐや」LALT は 2 つのユニットに分かれている（Fig. 3）．合計の質量は 19.1 kg，消費電力 44.2W，距離分解能は 1 m である．光の送受信を行うレーザ送受信部（LALT-TR）の内部構造を Fig. 4 にFig. 2

Rendezvous and touchdown sequence for HAYABUSA.

示す．

航法支援を行った 10）．
「はやぶさ」LIDAR から得られた知見は，その後の日本の月・惑星探査ミッションに大きく貢献している．厳しいシステム制約と耐環境性要求の中で3.7 kg という装置質量を実現するため，レーザ，光学系及び電気回路の様々な点で工夫されている．
「はやぶさ」LIDAR の外観を Fig. 1 に，探査機と小惑星のランデブー及びタッチダウンシーケンスをFig. 2 にそれぞれ示す．
Fig. 2 のようなタッチダウンまでの航法支援に利Fig. 3

KAGUYA LALT（Control electronics: LALT-E, Laser.
transmitter/receiver: LALT-TR）

用される装置の特徴には，高高度から天体表面付近の至近距離までカバーする広いダイナミックレンジ要求がある．
「はやぶさ」LIDAR の観測範囲は 50m-50 km であり，受信パワー換算にして 60 dB 変化する中で，自律的にゲインを制御して測距精度を維持しなくてはならない．
「はやぶさ」LIDAR では，光検出器の Avalanche Photodiode（APD）のゲインと 複 数 の チ ャージアンプゲインの組み合わ せ をFPGA による制御で切り替え Automatic Gain Control（AGC）を実現している．

32Fig. 4

Structure of LALT-TR.

レーザセンシング学会誌

第 2 巻第 1 号（2021）

LALT の特徴は 100 mJ クラスのレーザ出力である．「かぐや」の初期計画では傾斜角を持つ周回軌道であったことから，科学的に重要な極域を観測するため，LALT はミラーを可動させて斜めから測距は，18 か月間のミッション期間で約 2,200 万ショットである．

4．「はやぶさ 2」LIDARする計画であった．このため高いレーザ出力と可動「は や ぶ さ 2」は 2014 年 12 月 に 打 ち 上 げ ら れ，ミラーが必要であったが，「かぐや」の軌道が極軌2020 年末にカプセルを分離し，一連のミッション道に見直されたことでミラーは 45 度に固定となっ完了後，次の目標に向かった．初号機と同様に「はた．レーザ出力は 100 mJ の設計を維持し，斜面ややぶさ 2」LIDAR もタッチダウン直前までの航法支

凹凸によって低下する受信パルスの波高値を補い，援と科学観測の両面で使用された 17）．観測範囲は起伏の激しい月面高度データの取得率向上に貢献し30 m-25 km，装置全体の質量は 3.52 kg，消費電力ている

18 W，距離分解能は 0.5 m である．

．

13, 14）

レーザの送受信を行う LALT-TR は Fig. 4 に示す「はやぶさ 2」LIDAR の外観を Fig. 6 に示す．

ように 2 階建構造になっている．熱歪を回避したい

レーザ発振器はパルスエネルギー 15 mJ，パルス光学系を上段に集め，下段に発熱する各種ドライバ

幅 7 ns，繰り返し 1 Hz の Q スイッチ Nd:YAG レー回路を設置している．上段と下段の結合や，レーザザである．「はやぶさ」，「かぐや」の経験を踏まえ，発振器及び送受信望遠鏡の設置にはキネマティック

真空中の熱歪に起因する LiNbO 3 の焦電効果の影響

マウントを使用し，熱分布による歪みの影響を最小を避けるため，Q スイッチにはパッシブ方式を採用限にしている

した 18‒20）．また，レーザ媒質とパッシブ Q スイッ．

15, 16）レーザ発振器はパルスエネルギー 100 mJ，パルチ素子をボンディングしたコンポジット結晶を使用

ス 幅 17 ns， 繰 り 返 し 1 Hz の Q ス イ ッ チ Nd:YAG

し，1 つの光学素子で共振器を構成した（Fig. 7）．

レーザである．レーザ発振器の光学レイアウトをこの共振器構成により，ミスアライメントや光学ダFig. 5 に示す．

メージのリスクの低減に成功した．レーザ発振器の励起モジュールは強度分布の均一性を図るため
YAG ロ ッ ド の 側 面 8 方 向 に レ ー ザ ダ イ オ ー ド

寸法は 66×90×40 mm，質量は 190 g である．レー
ザ発振器の外観を Fig. 8 に示す．

（LD）を設置している．真空中で動作させることか受信系のダイナミックレンジの確保は，初号機でら，大気中評価時とのコーティングの特性変化を懸苦労したゲイン切り替えの校正作業を避けるため，念し，無コーティングのポラライザを使用した．Q
ス イ ッ チ 素 子 に は「は や ぶ さ」LIDAR と 同 様 にLiNbO 3 を使用し，1/4 波長板とポッケルスセルの1/4 波長電圧動作の組合せで行うアクティブ方式であ る． レ ー ザ 発 振 器 の 寸 法 は 150×170×83 mm，質量は約 1.6 kg である．
送受信望遠鏡は炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製の鏡筒で一体化し，受信系は口径 110mm のカセグレン望遠鏡，送信系は 10 倍のガリレオ式望遠鏡を採用している．カセグレンの材料は石英である．
「かぐや」LALT の軌道上でのレーザショット数

Fig. 5LALT laser oscillator optical layout.

Fig. 6

HAYABUSA2 LIDAR.

Fig. 7

Stricture of resonator.

33

月・惑星探査用ライダー（加瀬 貞二）

Fig. 8

HAYABUSA2 LIDAR laser oscillator（Engineering model）.

Fig. 9Bare chip of LIDARX（Prototype）.

光学系を 2 つに分けてそれぞれの検出器でゲイン調整を行う方式とした．遠距離系と近距離系の光学系には 1345：1 の面積比をつけ，APD の逆バイアス電圧を 2 段階に切り替える．これにより受信系のゲインを 4 段階に可変でき，30 m から 25 km の観測範囲で測距精度を確保した．ゲイン切り替えは，受信レベルを検出して AGC により自律的に行った．
遠距離系の受信光学系は開口 127 mm（遮蔽ロスを考慮した有効開口で 110 mm）のカセグレン望遠鏡である．材料には宇宙用に開発された New-Technology Silicon Carbide（NT-SiC）21）を使用した．送信系には 3 倍のエキスパンダを設置し透過後のビーム拡がり角は 2.4 mrad である．
運用モードには通常の測距モードの他，科学観測

Fig. 10Circuit structure.

を目的としたダストカウントモードと，地球の衛星

LIDARX は Divider, Integrator, Timing detector 及びレーザ測距（Satellite Laser Ranging: SLR）局と光リ

Time-to-analog converter（TAC）circuit で 構 成 さ れンク実験を行う光リンクモードがそれぞれある．

る．Divider は測距距離で変わる APD 出力の電荷量「はやぶさ 2」LIDAR の軌道上でのレーザショッを 適 切 な 容 量 を 選 択 し て 分 割 す る． 入 力 電 荷 は

ト数は 2021 年 1 月現在で約 711 万ショットである．

Integrator で電流-電圧変換され Leading wave を生成

5．火星衛星探査（MMX）用 LIDARする．Leading wave は Timing detector の微分回路でDifferential wave に変換され，そのゼロクロス点がMMX は現在開発中の探査機であり，2024 年の打信号タイミングとして検出される．検出されたタイち上げが計画されている．火星衛星（フォボス）にミングは TAC circuit でアナログ信号に変換され，着陸機を降しサンプルリターンを行う計画である．

距離がアナログレベル信号として出力される．TAC

MMX LIDAR の観測範囲は 100 m から 100 km であcircuit を使用することで，宇宙用デバイスでは扱いり，「はやぶさ 2」と同程度の 60 dB のダイナミッが困難な高速のクロックを使用することなく，高いクレンジが要求されている距離分解能を実現できる．

．

22）

MMX LIDAR は「は や ぶ さ 2」LIDAR の 設 計 を

MMX LIDAR は「はやぶさ 2」LIDAR 同様にパッ流用しつつ，レーザ出力の増大と受信回路の改良を

シ ブ Q ス イ ッ チ 方 式 の Nd:YAG レ ー ザ で あ る．

行っている．上述の通り「はやぶさ 2」では 2 系統

レーザ出力 20 mJ 以上，10 ns 以下，繰り返し 1 Hzの光学系としたが，JAXA で開発中であった広ダイであり，装置質量 4.7 kg 以下，距離分解能 0.1 m 以

ナミックレンジの専用 IC（集積回路）LIDARX 23）下を目標としている．

が完成し，1 系統化が実現した．
LIDARX のベアチップの外観を Fig. 9，回路構成を Fig. 10 にそれぞれ示す．

34

現在，クリティカル部の部分試作評価を終え，フライトモデル製作の前に行う技術評価用のエンジニアリングモデルの開発を進めている 24）．

レーザセンシング学会誌

第 2 巻第 1 号（2021）6．おわりに「はやぶさ」から始まり「かぐや」，「はやぶさ 2」を経て「MMX」につながる日本の月・惑星探査用ライダーについて，培われた技術の一部を紹介した．探査機のバス機器として，また科学観測の観測機器として，月・惑星探査にライダーが不可欠な技術になっている．これらの技術が，今後広がる様々な宇宙観測ミッションに活用されることを期待する．
参考文献
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13）田澤誠一，加瀬貞二，荒木博志：“かぐや搭載レーザ高度計（LALT）のレーザ出力変化”，第 53 回 宇宙科学技術連合講演会講演集（2009）3D01．
14）田澤誠一，荒木博志，野田寛大，石原吉明，坪川恒也，河野宣之，佐々木晶，加瀬貞二，村田 茂：“かぐや搭載レーザ高度計の初期運用報告”，第 26 回レーザセンシン
グシンポジウム予稿集（2008）124．
15）田澤 誠，荒木博志，野田寛大，石原吉明，坪川恒也，河野宣之，浅利一善，右田恵美子，佐々木晶，加瀬貞二，村田 茂，國森裕生，大嶽久志：“かぐや（SELENE）搭載レーザ高度計による観測”，測地学会誌 55（2009）2．
16）加瀬貞二，椎名哲男，倉田賢一，神原文博，堀田智充，
村田 茂：“かぐや搭載レーザ高度計の地上試験結果”，
第 26 回レーザセンシングシンポジウム予稿集（2008）
122．
17）T. Mizuno, T. Kase, T. Shiina, M. Mita, N. Namiki, H. Senshu,
R. Yamada, H. Noda, H. Kunimori, N. Hirata, F. Terui, and Y.
Mimasu: “Development of the Laser Altimeter（LIDAR）for
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18）M. E. Kushina, M. G. Grote, C. E. Wiswall, D. A. Hall, and J.
B. Russek: “Clementine: Diode-pumped laser Qualification”,
Proc. SPIE 2379（1995）137.
19）中山通雄：“宇宙用半導体レーザ励起 YAG レーザ”，東芝レビュー 56（2001）6．
20）加瀬貞二，黛 克典，川原章裕，卯尾匡史，大島 武，椎名哲男，秋山哲夫，水野貴秀，三田 信，並木則行，野田寛大，山田竜平，千秋博紀，國森裕生：“「はやぶさ2」LIDAR の開発”，第 64 回 宇宙科学技術連合講演会講演集（2014）3C17．
21）K. Tsuno, K. Oono, H. Irikado, T. Ueda, S. Suyama, and Y.
Itoh: “NT-SiC（new-technology silicon carbide）: applicationfor space optics”, Proc. SPIE 5868（2005）.
22）千秋博紀，水野貴秀，小西晃央，梅谷和弘，名倉 徹，松本晃治，野田寛大，生瀬裕之，黛 克典，加瀬貞二，
樫根久佳：“火星衛星探査計画 MMX LIDAR 開発状況報告”， 第 64 回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会 講 演 集（2020）
3D13．
23）T. Mizuno, H. Ikeda, and K. Kawahara: “Pulse Detection IC
for a Laser Altimeter Using CMOS Technology”, Proc. The
28th International Symposium on Space Technology andScience（2011）d-77.
24）生瀬裕之，黛 克典，加瀬貞二，川原章裕，千秋博紀，水野貴秀，小西晃央，梅谷和弘，名倉 徹：“火星衛星探査 機（MMX）用 レ ー ザ 高 度 計（LIDAR）の 部 分 試 作 評価”， 第 63 回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会 講 演 集（2019）
2B09．

35

月・惑星探査用ライダー（加瀬 貞二）

加瀬貞二

1992 年岩手大学工学部電子工学科卒
業．同年，日本電気（株）入社から現在（同 社 電 波・ 誘 導 事 業 部）ま でレーザ装置開発に従事．近年は，「かぐ や」，「は や ぶ さ 2」等 の 月・ 惑 星探査用ライダーを始め，衛星レーザ測距（SLR）や宇宙機器のランデブドッキング用センサ等の宇宙用ライダー開発に携わる．レーザセンシング学会会員，応用物理学会会員．

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レーザセンシング学会誌

第 2 巻第 1 号（2021）