JPS6026962B2 - レ−ザ−シ−ロメ−タ− - Google Patents

レ−ザ−シ−ロメ−タ−

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JPS6026962B2
JPS6026962B2 JP50054333A JP5433375A JPS6026962B2 JP S6026962 B2 JPS6026962 B2 JP S6026962B2 JP 50054333 A JP50054333 A JP 50054333A JP 5433375 A JP5433375 A JP 5433375A JP S6026962 B2 JPS6026962 B2 JP S6026962B2
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laser
ceilometer
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detector
light
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JP50054333A
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JPS50153689A (ja
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ピ− サ−ジ ジヨゼフ
ア−ル トル−スコツト ノ−マン
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Warner Lambert Co LLC
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Publication date
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Publication of JPS6026962B2 publication Critical patent/JPS6026962B2/ja
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

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  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は雲高測定器に関連する。
この種の装置は通常シーロメータ−（ｃｅｉｌｏｍｅｔ
ｅｒ）と呼ばれる。硯程測定に関連する霧の測定及び雲
高測定は航行、特に空中航行の補助測定として重要であ
る。従釆のシーロメータ−は添付図面の第１図に示され
るようにいわゆる回転ビームシーロメーターが使用され
ている。
この測定器は三角法の計算によって使用される。‘回転
ビームシーロメーターの場合には、一定の角度範囲内で
自由にピポット回転できる光源１２から既知距離に配贋
された固定受光器１０を使用する。光源１２から投射さ
れる光線（矢印１１で示される）は空中を走査し、この
走査光が受光器１０の上方の雲１４に衝突すると受光器
１０はこの衝突光線を検出する。光源１２から雲１４に
衝突する光線と受光器１０で検出される光線との闇の角
度と、光源１２と受光器１０との間の既知距離によって
受光器上方の雲高が計算できる。従来の回転ビームシー
ロメーターは実用的であるとは考えられていない。
回転ビームシーロメーターに必要な装置は大型で、光源
と受光器はコンクリート製プラットフオーム１６に固定
する必要がある。回転ビームシーロメーターの多くの欠
点はしーザー距離測定器の最近の進歩によって大幅に減
少することができた。
レーザー距離測定器は頭字語“ライダー”ぐｌｉｄａｒ
）と呼ばれている。この“ｌｉ’’は光線を意味する“
ｌｉｇｈｒの頭字語である。この“ライダー”装置を使
用すると光線が対象物から反射されるが、“レーダー”
ぐｒａ独ｒ”）では無線周波が対象物から反射される。
しかし本発明以前には１５００の以上の測定範囲を有す
る距離測定器として目に安全なしーザー距離測定器はな
かった。
ガリウムヒ素レ−ザー距離測定器は１５００ｍ程度の範
囲にも使用できるがこの距離以上離れた雲を検出するた
めにはしーザーバルスの繰返し周波数とピーク電力を目
に安全な基準レベル以上に増大しなければならない。又
ルビーレーザーシーロメーターは１０３００の以上の雲
高測定に使用できる。
しかしこれ以上の距離測定を有効に行うために必要な電
力レベルでは人間の網膜に入射する（又レンズで視準さ
れる）ルビーレーザービームの電力密度は安全基準以上
になる。従来のレーザーシーロメーターの１種は第２図
に示されるルビーレーザーシーロメーターである。この
装置ではルビーレーザー２０からのレーザー光線１８の
ビームは雲２２に向けられ、反射でシーロメーターに戻
って検出器２６で検出される。検出器２６に入射する前
に帰還レーザー光線１８はしンズ２８で集東されフィル
夕３０で炉波される。この種のシーロメーターはルビー
レーザー光を発生して人間の目には安全ではないから、
目にレーザー光が入射する可能性を減少するためこの種
のシーロメーターではパルス反射を道上に向けて行わな
ければならない。これに関連して、大気中の直上に向け
て発射されるルビーレーザー光は目に安全ではなく、飛
行機のパイロットと乗客は地上から直上に発射される光
東を見る位直には殆どいることがないから、単に目にレ
ーザー光が入る可能性を減少するに過ぎないことに注意
すべきである。従来のルビーレーザーシーロメーターは
安全ではなく、通常直上の雲高測定に使用されるに過ぎ
ない。又エルビウム添加レーザーは１２０００肌程度の
有効測定に必要な電力レベルでは目に安全であることは
公３句である。
従ってエルビウムレーザーは目に安全な距離測定装置と
して使用できる。この１例は米国特許第３５５６６５７
号（クェル名義Ｆ．Ｗ．Ｑｕｅｌｌｅ）の“レーザー距
離測定器”のエルビウム添加レーザーとして記載されて
いる。この特許明細書に記載されているように、レーザ
ー距離測定器の広汎な使用に対する重大な障害の一つは
人間の目、特に網膜に対する危険である。この危険のた
め空港、航空機上及び軍用作戦地におけるし−ザー距離
測定器の使用は大幅に制限される。又上記特許明細書に
記載されているように、視覚媒質を通るレーザービーム
の相対的透過性が減少するにつれて、網膜に向けて通過
するレーザービームは視覚煤質によって減衰されるから
、網膜に損傷を与える電力制限値は増加する。エルビウ
ムレーザーを使用すると、強力な照射による目の損傷は
１．鼠仏区域（エルビウムレーザーの出力）の波長を有
する光線の比較的大きい減衰の結果最小になる。この１
．私山区域の視覚煤質による減衰のため、網膜に集東す
る電力限界値はエルビウムレーザーの範囲に近い波長を
使用しても０．０７ｊ／地に達することはない。上記の
事実のため、他の波長の強力な可千渉性単色光線が目に
損傷を与えるような装置にエルビウムレーザーの１．払
ム照射が使用できる。この点で、網膜は一度損傷すると
自然治癒しないことに注意すべきである。照射による網
膜損傷は、光線が目のレンズによって網膜上の小区域に
集東するため池の原因による損傷よりも起こり易い。他
の損傷、例えば角膜に対する損傷は約０．５ｉ／の以下
の強度では起こらないが、角膜で１０‐７ｉ／地、即ち
網膜上では０．７ｉ／地の強度でも網膜は損傷する。し
かし１．４−１．６ｒの区域ではｌｉ／の以下の照射レ
ベルでは網膜損傷は起こらなし、。１００ミリジュール
で動作するエルビウムレーザーを使用するとこれに近い
範囲の直接照射を受けても人間の目は損傷しない。
これはルビーレーザーと称照的で、ルビーレーザーは１
００ミリジュールでも直接照射するとかなりの損傷を目
に与える。エルビウムレーザーは１．５４仏範囲のレー
ザー光を発射し、又ゲルマニウム電子なだれ検出器は１
．５４仏光に感度を有するから、エルビウムレーザー距
離測定器には通常ゲルマニウム電子なだれ検出器が使用
される。
しかし本発明以前には、姿、もや及び雲の位置決定に、
Ｑスイッチエルビウムレーザーとゲルマニウム電子なだ
れ検出器とを組合わせて使用できる適当な光学系が知ら
れてし、なかつた。従来のシーロメーターの欠点は本発
明のレーザーシーロメーターによってズ坪劇こ改善され
、本願の第１発明の菱直はＱスイッチエルビウム添加ガ
ラスレーザーを含む発振器、発射パルスを監視するゲル
マニウムホトダィオード及び帰還パルスを検出する検出
器を含んでいる。
雲や菱から反射された低レベルの光線を検出するためゲ
ルマニウム電子なだれホトダイオードと増幅器モジュー
ルが放物線反射器の′焦点に配置され、この反射器は検
出器に十分量の帰還光線を反射するから妻高又は霧の範
囲を測定することができる。本発明の一重要実施例では
、照射による網膜損傷の危険を発生せずかつレーザー光
を発射できるＱスイッチエルビウム添加ガラスレーザー
が使用される。
本願の第２発明である他の実施例では、発射パルスを帰
還光線と整列させて視差を減少できるべリスコープ光学
系が使用される。この実施例では、シーロメーターの光
学回路は、波長が変動したときに生ずる整列問題を防止
するため反射面のみを有する反射式光学素子で構成され
る。上記シーロメーターのレーザー発振器の効率を増加
するため、空洞内にレーザー棒を配置するため使用され
るクランプはしーザー綾と同じ材料で作られ、又ポンプ
光反射器は銀、銅及び黒色ペイントの順に被覆された石
英基質を有する別の表面鏡である。上記の発振器は１．
鼠仏を中心とする波長帯の光線を発射するから目の安全
性は問題にならす、又このシーロメータ−は上方以外の
位置にある雲の高さを測定するのに煩斜して使用できる
。従って本発明の一目的は、霧区域の測定、これに関連
する視程測定及び雲高柳定ができる新規な装贋を提供す
ることにある。
他の一目的は新規なシーロメーターを提供することにあ
る。他の一目的は直上以外の雲の高さを測定するため鏡
斜できるレーザーシーロメーターを提供することにある
。他の一目的は、雲及び霧等から反射される弱い光線を
検出する感度の検出器を有するエルビウムレーザー距離
測定器を提供することにある。更に他の一目的は、視差
の問題を生じないレーザーシーロメーターを提供するこ
とにある。最初に本発明のシーロメーターの全般を説明
し細部については後述する。
本発明の一実施例のシーロメーターは第３図に略示され
、エルビウムＱスイッチレーザ発振器３１はフラッシュ
ランプ３４でポンピングされる。
フラッシュランプ３４はＱスイッチ機構３６と同期され
た高圧トリガ回略によってトリガされる。上記のポンピ
ソグで反転分布を行った後、ェルムビウム綾は上記のＱ
スイッチ機構３６によってパルスモードでレーザー発振
するようになる。この出力は３０ナノ秒の半却底と１．
鼠りに約１メガワットのピーク電力を有する１個又は２
個以上のパルスになるように選択される。このパルスが
ゲルマニウムホトダィオード検出器３８を通過する際に
、検出器３８は矢印４０で表わされる発射パルスを監視
し、雲から反射される帰還パルスと比較する時間基準と
してあとで使用される基準パルス信号を与える。次に発
射光パルス４０は大気中を伝搬し雲や霧のような目標に
衝突する。目標に衝突した光線の一部は矢印４４で示さ
れるようにシーロメーター４２に反射される。シーロメ
ーターの窓４６を通過後、帰還パルスは放物面鏡４８で
検出装置５０に反射される。矢印４０で表わされかつ検
出器３８から発射されるパルスと、矢印４４で表わされ
かつ検出菱贋、即ち検出器５０で発生する受信パルスと
の間の時間間隔は目標までの距離の基準になる。この時
間間隔の長さはオシロスコープのトレースから操作者が
測定してもよく、又インターバルカウンタの出力として
デジタル型式で表示することができる。後者の場合には
検出器３８からの出力パルスで２進アップカウンタの計
数動作を開始するからこのカゥンタは適当な間隔の刻時
パルスに応じてこの計数状態の増分を計数する。カウン
タの計数動作は帰還信号検出器５０の出力パルスに応じ
て遮断される。発射パルスと受信パルス間の時間間隔の
持続時間は普通の謙出回路によって容易に距離に換算で
きる。発振器と受光器の視野のビーム分散は共にほぼ０
．５ミリラジアン（弧で１．３分）である。
シーロメーターとしてこの装置は１０．３００仇の測定
範囲（昼間も夜間も同一である）を有し、又多層雲及び
地上の霧、雨又は雪の上部の雲層の検出も可能である。
エルビウムレーザー発振器は射出光の出力波長が１．弦
仏であるから目に安全である。
この波長では大気通過性も非常に良好であるが、水によ
る吸収は大きいから目に入射するレーザー光の電力密度
はたとえ入射光が網膜で集東されても安全限界値以下で
ある。又１．５４仏の光線の水による吸収は、二酸化炭
素レーザーから射出される同じ程度の電力密度を有する
光線が角膜の前面を加熱するほど大きくはない。猿を使
用した実験では、Ｑスイッチレーザーに対する角膜障害
の目の安全限界値１７ｉ／のが測定された。アメリカン
・ナショナル・スタンダーズ・ィンスティテュートの提
案している安全限界値はｌｉ／めである。この値はエル
ビウムレーザー発振器３１の出力のエネルギー密度レベ
ル以上である。本発明の一実施例ではしーザー綾３２は
長さ１５比舷でイッテルビウムとエルビウムをドープし
た直径４肋のコア５２と、ネオジムとイッテルビウムを
ドープした外径６肋の被覆５４とで構成されたケイ酸塩
ベースガラスで作った。
このレーザー棒３２の構成の利点は米国特許第３５９０
００４号明細書に記載されている。レーザー榛３２のガ
ラスの実際の組成は下記の第１表と第０表に示せれる。
第１表 第０表 レーザー棒３２のポンピング回路は第４図に示されるよ
うに放電回路の間に接続された２個の直列接続フラッシ
ュランプ３４を有する。
これらのフラッシュランプ３４は内径４側で外蓬は６柵
である。フラッシュランプ３４に対する放電回路は、直
列接続された５４０ムｆｄコンデンサバンク１７２（Ｓ
ｐｒａ則ｅ ＭｍｅＩ Ｎｏ．２８２Ｐ２）、５００仏
ｈｙ誘導器即ちィンダクタ１７４（ＥＧ＆Ｇ Ｍｏｄｅ
ｌＮｏ．ＴＲ−１９８）及び注入変成器１７６（ｉｎｔ
ｃｔｉｏｎ○ａ旧ｆｏｒｍｅｒ：ＥＧ＆Ｇ Ｍ戊ＩＮｏ
．ＴＲ−１８５）で構成される。高圧電源１７８は、コ
ンデンサバンク１７２を放電するため全波整流器１７９
に結合される。動作の際は同期制御装置１８４は上記注
入変成器１７６を通じて印加される２００００ボルトの
パルス信号によってフラッシュランプ３４を最初イオン
化する。次にコンデンサバンク１７２が放電され、フラ
ッシュランプ３４が発光して、レーザー綾３２は２ミリ
秒（半幅）パルスでポンピングされる。この比較的長い
ポンビングパルスはガラスの近赤外吸収帯に良好な整合
を与える。この波長では、適当な電気−光学式変調器が
ないから、Ｑスイッチングはモータ１８２で駆動される
回転数２４００びｐｍのサファイア板で行われた。本発
明によるレーザー空洞は第５図に略示される。図示のよ
うにこの前方反射器は２４００仇ｐｍで回転するサファ
イア板３６を含む。このサファイア板３６の出力側には
しーザー空洞と同軸に石英板３７が配置される。後方反
射器４１は２枚のサファイア板４３と１枚の石英板４５
で構成される。これらのサファイア板と石英板は互いに
整列されかつ空洞とも整列される。石英板４５は溶融石
英で作られ外側には二色性被覆４７が設けられる。被覆
４７は１．５４ｒの光線に対して９９．９％の反射率を
有する。これらの板４３，４３，４５はこれらの相互整
列を維持するためステンレス鋼製保持器４９とステンレ
ス鋼製スべ−サ（図面省略）とによって正しい方位に保
持される。これらの板はほぼこれらの厚さに等しい距離
だけ互いに分離される。１．鼠仏の光線に対するサファ
イアの最大反射率は約３０％で石英の最大反射率は約１
５％である。
レーザー棒の両端は空洞内の損失を低下するため１．５
４ムの光線に対する反射防止被覆が設けられる。本発明
のシーロメーターに対するレーザー空洞の詳細は第１０
及び１１図に示される。
第１０図にはエルビウムレーザー発振器３１、フラッシ
ュランプ３４及びこれらを包囲する結像用シリンダ６４
が示される。レーザー棒３２とフラッシュランプ３４は
結像用シリンダ６４の軸線と各藤線を平行にして配贋さ
れる。
又レーザー榛とフラッシュランプ３４は、このフラッシ
ュランプから放射されるポンピング用光線エネルギーが
結像用シリンダ６４の内面に設けられた反射性被覆によ
ってレーザー榛３２に結像、即ち集中するようにシリン
ダ６４内に配置される。このポンピング用光線エネルギ
ーはしーザー榛内の活性エルビウムレーザーイオンを基
底状態から上方レベルの準安定状態に励起し、この状態
からしーザーィオンの放射遷移が起こる。この遷移は直
接にも起こるが、通常はしーザー榛内の３価イッテルビ
ウム増感イオンによるエネルギー伝達によって起きる。
第１０図に示す本発明の実施例では、レーザー綾３２は
保持部村１１８，１２０，１２２及び１２４によって結
像用シリンダ６４内の定位層に配置保持される。
これらの保持部材はそれぞれ同一配置、同一機能の２対
部村１１８と１２０、及び１２２と１２４い分割される
。部材１１８と１２０はエルビウム及び／又はイッテル
ビウム増感イオンが吸収される波長に対して高い透過性
のあるガラス材料で作られる。これらの保持部材は透明
ガラスで作るか、又はレーザー棒の被覆５４と同じガラ
ス物質で作る。勿論、これらの保持部村はしーザー榛の
コア５２と同様に、エルビウムをドープしたガラス物質
で作ることもできる。保持部材１１８と１２０はガラス
棒で作り端部１１９と１２１はしーザー榛３２の外面に
正確に一致するように凹面に研摩する。これらの端面は
ボンピング用エネルギーが最小損失で通過すると共に、
保持部材としーザー棒との間に十分大きい摩擦力を生じ
て機方向にも鞠方向にも安定性を与えるように精密に研
摩する。保持部村１１８と１２０はしーザー榛の軸線と
直角な共通軸線に沿って整列される。勿論、使用環境に
応じてレーザー棒に沿ってこれ以上の数の保持部材を配
置し、大型レーザー様を多数の支持点で保持してもよい
。エルビウムは３レベルレーザーイオンで、又基底状態
にある場合にはこのレーザー放射波長に対して吸収性が
ある。
上記の保持部材がレーザー棒と同じガラス材料で作られ
ている場合には、フラッシュランプ３４からのポンピン
グ用エネルギーは直接、又は増感イオンによって保持部
村内のエルビウムイオンを、レーザー様自体内のイオン
と同様に、準安定状態に励起する。そこで保持部材はレ
ーザーの放射とポンピング波長に対して透明になる。こ
のようにしてポンピング用エネルギーは保持部材を通し
てこの下のレーザー綾の一部に放射されるから、この部
分のイオンも励起状態にポンプされ、レーザー榛は高効
率で動作する。レーザー榛を結像用シリンダ６４内の定
位直に固定するための保持部村をレーザー榛に圧迫する
菱贋が必要である。第１０図の実施例ではこの機能は保
持部材１１８ないし１２４にそれぞれ関連して一連のね
じ１２６，１２８，１３０及び１３２によって得られる
。これらのねじがねじ込まれる礎造は簡単であるから第
１０図には示されていない。上記のレーザー装置が動作
する際には、ある程度レーザー綾と保持部材は熱を吸収
する。
熱応力による破損を防止するため、各ガラス材料の膨張
を吸収する何等かの弾性装置が必要である。これは第１
０図の実施例ではねじ１２８と１３０の下にそれぞれ配
魔されるパッド１２９と１３１である。同じようなパッ
ドがねじ１２６と１３２にも使用される。これらのパッ
ドはナイロン製がよい。結像用シリンダを調整する一連
のねじ１３４が設けられ、これらのねじによってシリン
ダ６４は最大ポンピング用エネルギーがレーザー棒３２
に集中するようにフラッシュランプ３４としーザー棒に
対する位置が調整される。
フラッシュランプ３４は１対の保持器（図面省略）によ
ってシリンンダ６４内の定位直に保持される。結像用シ
リンダ６４‘ま表面鏡で石英基質６６で作られ狼被覆６
８、鋼被覆７０及び黒色ペイント被覆７２の順に被覆さ
れている。
この礎造は優れた反射性を与えるのみならずヒートシン
クとしての作用も有する。検出器３８はテキサス・ィン
スツルメント社製のゲルマニウム電子なだれホトダイオ
ード（ＭｏｄｅｌＴＩＸＬ５７）を使用し、これは約１
．私ムの波長に対して感光性を有する。
パルス信号はし−ザ−棒３２で発生される各レーザーパ
ルスと一致して導線３８ａで送られる。レンズ５６，５
７を有する４倍の望遠鏡式レンズ系ビーム拡大器が受光
器の視野に一致する０．４ミリラジアンのビーム分散を
生ずるため使用される。
受光器装置は３０仇奴直径のＦ２のアルミニウム〆ッキ
放物面反射器４８を有する。
ゲルマニウム滋子なだれホトダィオードの検出器５０を
反射器４８の焦点に配置する。このの検出器５０はテキ
サス・ィンスツルメント社のＭｍｅＩ ＮＯ．ＴＩＸＬ
７６を使用した。この検出器は１．５４ムの光線に対し
て最適で、又５瓜ＶＨｚ帯域に対して約６×１０‐１２
ＷノＨｚの最大雑音有効電力（ＮＨＰ）と６Ｖ／肌Ｗの
最小応答性とを有する。スペクトル炉波は赤外透過ガラ
スの外側窓４６によって行われ、このガラスは１．２ム
以下と１．６山以上の波長に対しては透過性がなく、こ
れらの波長を検出器５川こ対して遮断する。
この波長範囲内ではバックライトで強く照射された雲に
対して空の背景は７×１０‐９Ｗと評価される。これは
上記検出器の内部受光器雑音よりも低い。事実、１００
Ａスペクトル炉波幅を使用すると、上記の受光器アパー
チュアは、空の背景が内部受光器雑音に等しい磯悪の場
合でも２メートルに増加する。上記の窓４６に使用され
る赤外透過フィルタガラスの組成物は下記の第ｍ表に示
される。第ｍ表 第４図に示されるように出力ステーション８６は導線３
８ａで印放される検出器３８からの第１入力と、導線５
６ａで印加される検出器５０からの第２入力とを有する
。
ステーション８６は操作者に距離測定装置の出力データ
を与える。一実施例では、オシロスコープ５８は導線３
８ａで印加される各パルス信号でトリガされて検出器で
検出される反射パルス（導線５６ａで送られる）を表示
する。操作者はこの表示によって導線３８ａと５６ａで
送られるパルスの時間差を測定し、この測定値から目標
までの距離を計算することができる。別法ではステーシ
ョン８６に、例えばＢｉｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎ社製の過渡記録器（Ｔ的船ｉｅｎｔＲｅｃｏ
ｒｄｅｒ）ＭｍｅｉＮｏ．６１雌のようなＡ一Ｄ記憶装
置８８を設けることもできる。
この記憶装瞳８８は検出器３８からの基準パルス（導線
３８ａで送られる）で作動されて検出器５０からのアナ
ログ信号（導線５６ａで送られる）を処理し、帰還信号
のデジタル変換値は装置８８に記憶される。次に操作者
はチャート記憶菱贋９０を作動し、検出された特定の帰
還信号の記憶変換値を選択的に記録する。本発明のシー
ロメーターは３階の建物の平らな屋上に設置され、雲や
周囲の目標を測定できる。
この試験に使用された装置は第３図のものと類似してい
るが、レーザー視準用望遠鏡はなく、又検出器は電子な
だれモードで動作させなかった。この試験で得られたデ
ー外ま第６図に示される。第６図に示されるように、近
距離目標のデータはしーザーと受光器の軸線が２２５肋
離れている視差の影響で小さくなる。しかしこれは固体
目標と雲との帰還ピーク電力レベルの差とほぼ一致する
オーダ−である。雲からの帰還パルスの平均パルスひず
みは３４５ナノ秒に拡大される。厚い義に対してはこの
パルスは厚さに応じて拡大される。時には非常に薄い雲
のため短いパルスが現われる。第７，８及び９図に示さ
れるように雲、雪及び霧は容易に区別できる。均一な霧
は特徴のある帰還トレースを示し、この前縁は主として
光学的幾何学作用によるもので、換言すれば受光器視野
と発振器ビームとの間の近距離不完全重複によるもので
あるのに対し、この後緑は大気の減衰と後方散乱特性を
反映している。雨の場合には均一な菱の場合とトレース
が類似しているが分離した雨滴の帰還による特別の構造
のため明確に区別できる。雪片は雨滴よりも接近してい
るから、適当な方位に雪片があれば非常に明瞭な反射性
を示す。これはトレースの大きさからわかる。本発明の
シーロメーターの別の試験では、ルビーレーザーシーロ
メーターと標準型回転ビームシーロメーターと比較した
。
この後者は１２０ＨＺで変調したタングステンフィラメ
ント投光装置を有するものであった。投射ビームは垂直
から水平まで連続的に回転した。受光器は一定距離（通
常１２０の＝４００フィート）離してセットし、その視
野は回転ビームに対して垂直及び同一平面にした。ビー
ムが垂直まで回転するにつれて交差角は増大し、もしビ
ームが雲底に衝突すると後方散乱が観測された。この角
度から三角法で雲高が得られる。この器械の精度は１度
で、雲高によって種々の比例精度になる。雲高が大きく
なると精度も多重雲層を測定する性能も低下する。この
ためこの器械は９００メートル以下の雲高測定にしか使
用できない。２個のレーザーシーロメーターを１メート
ル離し、又回転ビームシーロメーターを３０メートル離
して設置した。
これら３個の器械は３秒以内の時間遅延でデータを読み
取った。２個のしーザーシーロメーターの出力は約３５
ナノ秒のパルス半幅で約１メガワツトのピーク電力であ
った。
−連の比較測定で２個のレーザーシー。
メーターは非常に良好な相関を示した。しかし殆ど同時
のパルス発射と測定にもかかわらず若干の差があったが
、これは２個のレーザーが同一の雲を監視しなかったた
めである。レーザーシーロメーターは使用範囲内の回転
ビームシーロメーターと一致し、又非常な高度にある雲
も測定することができる。上記の試験により、目に安全
な比較的低電力のエルビウムレーザー陣磯測定器でもシ
ーロメーターとして使用でき、又視程を含めて天候状態
に関する情報を与えることが実証された。
この装置は単一構造であるから任意の方向に向けること
ができ、又設置が簡単な利点を有する。第１２図は本発
明の変型実施例の略示図である。この装置の主な利点は
、各種屈折表面を有する実施例と異なり反射面のみを有
する点である。屈折面は波長を変更した時に問題を生ず
ることが判明した。第１２図の実施例の別の利点はべり
スコープ式光学系を有する点で、この装置は発射パルス
を帰還信号と同一線上に整列する。
この装置は視差の問題を解決する。第１２図にはしーザ
ー発振器７４が略示される。
しかしこのレーザー発振器は第５図のものと類似してい
る。第３図の実施例のレンズ５６−５７の代りに第１２
図の実施例は反射素子７６と７８で構成されるビーム分
散即ち拡大用望遠鏡式光学系を有する。この望遠鏡は４
倍望遠鏡と同等の拡大ビームを生ずるように設計されて
いる。反射面８０と８２は発射レーザーパルスを受信信
号の軸線と軍ねるべリスコーブを形成する。この装置で
は硯差は問題にならない。放物面反射器４８の軸線に沿
ってビーム分割器８６が配置される。勿論このビーム分
割器は放物面反射器と整列され、この反射器に投影され
る目標像は観察鏡８８を通して観測者に反射される。こ
の装置によって観測者は測定目標を正確に見ることがで
きるばかりでなく、色消し、即ち１波長以上で完全に補
正される。本発明により目に安全なシーロメーターが得
られる。
又本発明の光学原理によれば霧、雨等が正確に測定でき
る。このシーロメーターは目に安全であるから頃斜して
使用できる。従って第３図に示すようにこのシーロメー
ターは支持部材９０の回りにピポット回転できる。本発
明の実施例及び特許請求の範囲では、本発明は雲高柳定
用レーザーシーロメーターとして示されるが、実施の態
様としてはしーザー距離測定器としても使用できること
は、当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の回転ビームシーロメーターの略示図；第
２図は従来のルビーレーザーシーロメーターの略示図：
第３図は本発明のエルビウムレーザーシーロメータ−の
略示図；第４図は第３図のシーロメーターの一部を略示
したブロック図：第５図は本発明のレーザー空洞の略示
図；第６図は本発明のシーロメーターによる距離測定で
得られたデータを示すグラフ；第７図は本発明のシーロ
メータ−で測定された霧のオシロスコープトレース；第
８図は本発明のシーロメーターで得られた雪のオシロス
コープトレース；第９図は本発明のシーロメーターで得
られた雨のオシロスコープトレース：第１０図は本発明
のレーザー発振器の略示斜視図で種々の特徴を示すため
一部破砕して示し；第１１図は第１０図に示される保持
装置の拡大端面図で；第１２図は本発明の変型実施例の
略示図である。 ３１・…・・レーザー発振器、３８・・・・・・ゲルマ
ニウムダイオード検出器、４８・・・・・・放物面反射
器、５０…・・・検出器、５６，５７，７６，７８．．
・．．・ビーム拡大器、８０，８２・・・・・・ベリス
コープ式光学系。 ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３ 寸 ○ い 町 ９ 山 ＦＩＧ．６ ＦＩＧ．７ ＦＩＧ．８ ＦＩＧ．９ ＦＩＧ．ｌｌ ＦＩＧ．ｌ○ ＦＩＧ．ｌ２

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ １．５４μを中心とする波長帯のレーザー光を発生
    するＱスイツチエルビウムドープガラスレーザーを含む
    レーザー発振器と、該レーザー発振器から放出される発
    射パルスを監視するゲルマニウムホトダイオード検出器
    と、上記レーザー発振器から放出され測定目標で反射後
    、帰還した光線を反射する放物面反射器と、該放物面反
    射器の焦点に配置された検出器と、上記レーザー発振器
    の出力側に配置されかつ上記発射パルスのビームを上記
    放物線反射器の直径に整合させるビーム拡大器と、で構
    成されることを特徴とする雲高測定用レーザーシーロメ
    ーター。 ２ ビーム拡大器は、望遠鏡式レンズ系である特許請求
    の範囲第１項記載の雲高測定用レーザーシーロメーター
    。 ３ １．５４μを中心とする波長帯のレーザー光を発生
    するＱスイツチエルビウムドープガラスレーザーを含む
    レーザー発振器と、該レーザー発振器から放出される発
    射パルスを監視するゲルマニウムホトダイオード検出器
    と、上記レーザー発振器から放出され測定目標で反射後
    、帰還した光線を反射する放物面反射器と、該放物面反
    射器の焦点に配置された検出器と、上記レーザー発振器
    の出力側に配置されかつ上記発射パルスのビームを上記
    放物線反射器の直径に整合させるビーム拡大器と、上記
    発射パルスを上記放物線反射器の光軸に対し整列させる
    ペリスコープ式光学系と、で構成されることを特徴とす
    る雲高測定用レーザーシーロメーター。 ４ ビーム拡大器は、反射式光学素子のみで構成される
    特許請求の範囲第３項記載の雲高測定用レーザーシーロ
    メーター。 ５ ペリスコープ式光学系は反射式光学素子のみで構成
    される特許請求の範囲第３項又は第４項記載の雲高測定
    用レーザーシーロメーター。
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