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JP2701110B2 - Lidar equipment - Google Patents

Lidar equipment

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Publication number
JP2701110B2
JP2701110B2 JP4164063A JP16406392A JP2701110B2 JP 2701110 B2 JP2701110 B2 JP 2701110B2 JP 4164063 A JP4164063 A JP 4164063A JP 16406392 A JP16406392 A JP 16406392A JP 2701110 B2 JP2701110 B2 JP 2701110B2
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JP
Japan
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signal
light
lidar
laser
converted
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JP4164063A
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延夫 竹内
哲 山口
茂純 桑島
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP4164063A priority Critical patent/JP2701110B2/en
Publication of JPH05333150A publication Critical patent/JPH05333150A/en
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  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は高速繰り返しのレーザを
光源とするライダ装置において、無駄なく信号を取り込
むことにより高感度の計測を実現し、高速で変動する現
象の空間分布を密に計測することによって実際の状態に
近い計測を可能とするライダ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention realizes high-sensitivity measurement by capturing a signal without waste in a lidar apparatus using a high-speed repetition laser as a light source, and densely measures a spatial distribution of a high-speed varying phenomenon. The present invention relates to a lidar device which enables measurement close to an actual state.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、ライダ装置(レーザレーダ)で
対象物体の空間分布を測定する際に、必要とする空間分
解能を得るのに十分に狭い時間幅(空間幅と時間幅の間
には、“空間幅”=“時間幅”×(c/2)の関係があ
る(c:光速度))を持つパルスレーザ光を媒体中へ送
出し、散乱体からのエコー信号を受光望遠鏡で受信する
とともに、これを電気信号に変換して信号処理を行って
いる。
2. Description of the Related Art Generally, when a spatial distribution of a target object is measured by a lidar apparatus (laser radar), a time width narrow enough to obtain a required spatial resolution (between the space width and the time width, A pulse laser beam having a relationship of “space width” = “time width” × (c / 2) (c: light speed)) is transmitted into a medium, and an echo signal from a scatterer is received by a light receiving telescope. At the same time, this is converted into an electric signal to perform signal processing.

【0003】次いで、処理した信号をパソコンに転送
し、積算・演算・表示・記録を行う。その際に使用する
パルスレーザの繰り返し周期は、10〜100Hzであ
ることが多い。この理由は、高出力のパルスレーザ(例
えばNd:YAGレーザ)の繰り返し周期が上記範囲で
あることが多いことや、信号処理装置でAD変換したデ
ータをパソコン側へ転送するのに要する時間は、従来は
10〜100Hz程度が限度であったことなどによる。
Next, the processed signal is transferred to a personal computer to perform integration, calculation, display, and recording. The repetition cycle of the pulse laser used at that time is often 10 to 100 Hz. The reason for this is that the repetition cycle of a high-output pulse laser (for example, Nd: YAG laser) is often in the above range, and the time required to transfer data converted by the signal processing device to the personal computer side is as follows. Conventionally, the limit is about 10 to 100 Hz.

【0004】ところで、最近、半導体レーザ(LD)励
起の固体レーザなどのように、フラッシュランプを使用
しないレーザが注目されている。半導体レーザ励起パル
ス動作固体レーザの場合で、cw動作の半導体レーザを
用いる場合は、Qスイッチが電子的な過程で行われるの
で、1KHzよりも速い繰り返し速度が可能である。
Recently, attention has been paid to lasers that do not use flash lamps, such as solid-state lasers excited by semiconductor lasers (LD). In the case of a semiconductor laser pump pulsed solid-state laser, when a cw-operated semiconductor laser is used, a repetition rate higher than 1 KHz is possible because the Q switch is performed in an electronic process.

【0005】特に、光音響(AO)素子を用いてQスイ
ッチパルス動作を行うようにした場合は、数百Hz以下
の繰り返し周波数では動作が不安定であるばかりでな
く、出力が小さい問題がある。これに対し、繰り返し周
波数が増えると平均パワーは増大して一定値に近づくた
め、通常は5〜10KHzの高速繰り返しのパルス動作
を行わせるようにしている。
[0005] In particular, when a Q-switch pulse operation is performed using a photoacoustic (AO) element, the operation is unstable and the output is small at a repetition frequency of several hundred Hz or less. . On the other hand, when the repetition frequency increases, the average power increases and approaches a constant value. Therefore, a high-speed repetition pulse operation of usually 5 to 10 KHz is performed.

【0006】ところで、半導体レーザ励起固体レーザ
は、励起効率、信頼性、形状が小さいことなどによっ
て、ライダ光源として適しているが、高速動作でデータ
を取得するにはデータ・サンプリングの問題が残ってい
た。なお、パルス当りのエネルギーがほぼ同じで、高速
繰り返しが可能なレーザ光源の他の例としては、最大出
力が端面の強度で制限されるAlGaAs系の可視半導
体レーザや、cw動作の固体レーザの共振器内部に変調
素子を挿入してQスイッチをかける場合が相当する。
A semiconductor laser pumped solid-state laser is suitable as a lidar light source because of its small pumping efficiency, reliability, and small shape. However, the problem of data sampling remains to acquire data at high speed. Was. Other examples of laser light sources that have substantially the same energy per pulse and that can be repeated at high speed include AlGaAs-based semiconductor lasers whose maximum output is limited by the intensity of the end face, and resonance of cw operation solid-state lasers. This corresponds to the case where a modulation element is inserted inside the device and the Q switch is turned on.

【0007】次に、従来型のライダ装置では転送速度が
どのようになるかを考察する。図5は、従来のライダ装
置の一例を示す構成図である。図5で示すように、先
ず、測定対象の散乱体9で散乱された信号光は受光望遠
鏡10で集光される。そして、集光された光信号は光検
出器27で電気信号に変換され、必要があれば信号強度
に応じて前置増幅器13で増幅される。
[0007] Next, what the transfer speed will be in a conventional lidar device will be considered. FIG. 5 is a configuration diagram illustrating an example of a conventional rider device. As shown in FIG. 5, first, the signal light scattered by the scatterer 9 to be measured is collected by the light receiving telescope 10. The collected optical signal is converted into an electric signal by the photodetector 27, and if necessary, is amplified by the preamplifier 13 according to the signal intensity.

【0008】上記前置増幅器13により必要レベルまで
増幅されたライダ信号は、電気信号をディジタル化する
トランジェントレコーダ(高速マルチチャネルAD変換
器)28に与えられる。そして、上記トランジェントレ
コーダ28内の増幅器17で所定のレベル迄増幅された
後、AD変換器18によりディジタル信号に変換され
る。上記AD変換動作は時間制御器19により制御さ
れ、クロック発生器20で生成されるクロック信号の時
間間隔で行われる。
The rider signal amplified to the required level by the preamplifier 13 is supplied to a transient recorder (high-speed multi-channel AD converter) 28 for digitizing an electric signal. Then, after being amplified to a predetermined level by the amplifier 17 in the transient recorder 28, it is converted into a digital signal by the AD converter 18. The AD conversion operation is controlled by a time controller 19 and is performed at time intervals of a clock signal generated by a clock generator 20.

【0009】このようにしてディジタル化されたライダ
信号は、バッファレジスタ24に一時的に記憶され、イ
ンタフェースボード21を通ってパソコン15に転送さ
れて処理される。この場合、データの積算・処理・記録
等は全てパソコン15によって実時間で行なわれる。ま
た、繰り返し設定部25はパソコン15の制御下で時間
制御器19にスタート信号を送出するとともに、レーザ
送光部26の発光動作を制御する。
The digitized lidar signal is temporarily stored in the buffer register 24, transferred to the personal computer 15 through the interface board 21, and processed. In this case, the integration, processing, recording, etc. of the data are all performed by the personal computer 15 in real time. The repetition setting unit 25 sends a start signal to the time controller 19 under the control of the personal computer 15 and controls the light emission operation of the laser light transmission unit 26.

【0010】ところで、データ取得の速度はトランジェ
ントレコーダ28のクロック周波数とサンプリングメモ
リ数、パソコン15での積算に必要なクロック数などに
よって律速される。例えば、現状で容易に入手できるI
Cの速度を考慮し、トランジェントレコーダ28のクロ
ック周波数を30MHz、サンプリングメモリ数を2キ
ロワード(2048)とすると、1周期は68.3μs
となる。
The data acquisition speed depends on the clock frequency of the transient recorder 28 and the sampling memo.
The number is controlled by the number of clocks, the number of clocks required for integration in the personal computer 15, and the like. For example, at present I
Considering the speed of C, if the clock frequency of the transient recorder 28 is 30 MHz and the number of sampling memories is 2 kilowords (2048), one cycle is 68.3 μs.
Becomes

【0011】次に、パソコン15にこのデータを順次転
送し、データの始まりのサンプリングメモリを合わせて
加算して行く場合を考える。なお、AD変換器18の量
子化のビット数を6または8ビットとし、バスラインで
パラレルに送るものとする。このときの転送速度はパソ
コン15側のクロック周波数によるので、例えばその周
波数を20MHzとすると、1周期2048のサンプリ
ングメモリを転送するのに、パソコン15側で積算する
ために要する転送のクロック数を10クロックとする
と、サンプリングメモリ数×10倍のクロック数が必要
となるので、1024μsが必要となる。
Next, consider a case where the data is sequentially transferred to the personal computer 15 and added together with the sampling memory at the beginning of the data. It is assumed that the number of quantization bits of the AD converter 18 is 6 or 8 bits, and the data is transmitted in parallel on a bus line. Since the transfer rate at this time depends on the clock frequency of the personal computer 15, for example, if the frequency is set to 20 MHz, the sampling rate of 2048 per cycle is used.
Assuming that the number of transfer clocks required for the integration on the personal computer 15 side to transfer the sampling memory is 10 clocks, the number of sampling memories × 10 times the number of clocks is required, so that 1024 μs is required.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】このことは、他の転送
に必要な処理過程が無視できるものとしても、転送の最
大速度は0.975KHzであることを意味する。実際
には、トランジェントレコーダ28とパソコン15のコ
マンドの交換などで転送速度は更に遅くなり、100H
z程度が限度である。したがって、従来はデータを取り
込む速度を高速化するのに限界があった。
This means that the maximum transfer rate is 0.975 KHz, even if the processing steps required for other transfers are negligible. Actually, the transfer speed is further reduced due to the exchange of commands between the transient recorder 28 and the personal computer 15, and the like.
The limit is about z. Therefore, there has been a limit in increasing the speed at which data is taken in the past.

【0013】なお、従来の方式でも、例えばトランジェ
ントレコーダ28の後にシグナル・アヴァレッジャ(S
A;信号積算器)を付加することにより、パソコン15
へ転送する前に積算を行うことが可能であるが、このよ
うにした場合にはパイプライン方式を採用することが難
しく積算速度の改善を大きくすることが困難であった。
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたもので、高
速繰り返しレーザを光源とするライダ装置におけるデー
タの取り込み速度を高速化することを目的とする。
In the conventional method, for example, after the transient recorder 28, a signal averager (S
A: A signal integrator) can be added to the PC 15
Although it is possible to perform the integration before transferring the data to the storage device, it is difficult to employ the pipeline system in such a case, and it is difficult to increase the improvement of the integration speed.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to increase the speed of capturing data in a lidar device using a high-speed repetitive laser as a light source.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明のライダ装置は、
上記の目的を達成するために、高速繰り返しパルスレー
ザ光を媒体中へ向けて送光する送光部と、 上記媒体か
らの後方散乱光を受光する受光光学系と、上記受光光学
系によって受光されたライダ信号光を電気信号に変換す
る光電変換部と、上記電気信号に変換されたライダ信号
を増幅する増幅器と、上記増幅器から出力されるライダ
信号を取り込み、高速でディジタルデータに変換すると
ともに、レーザパルスに同期してサンプリング時間を合
わせて加算器により積算する信号処理装置と、上記信号
処理装置から送られてくるディジタルデータを、演算・
表示・記録する演算・表示・記録部とを具備することを
特徴としている。また、本発明の他の特徴とするところ
は、上記媒体中に向けて送光されるパルスレーザ光を検
出して上記信号処理装置の動作タイミングを決める送光
タイミング検出部を更に具備している。
According to the present invention, there is provided a lidar device comprising:
In order to achieve the above object, a light transmitting unit that transmits high-speed repetitive pulsed laser light into a medium, a light receiving optical system that receives backscattered light from the medium, and light that is received by the light receiving optical system A photoelectric conversion unit that converts the lidar signal light into an electric signal, an amplifier that amplifies the lidar signal converted into the electric signal, and a lidar signal output from the amplifier, which is converted into digital data at high speed, A signal processing device that integrates the sampling time in synchronization with the laser pulse and integrates the data with an adder, and computes and calculates digital data sent from the signal processing device.
It is characterized by comprising a calculation / display / recording unit for displaying / recording. According to another feature of the present invention, the apparatus further includes a light transmission timing detection unit that detects a pulse laser beam transmitted toward the medium and determines an operation timing of the signal processing device. .

【0015】[0015]

【作用】本発明は上記技術手段よりなるので、ライダ装
置に入り込む雑音のうちで系統的なものは全て除去さ
れ、ランダムな雑音だけが残っているものとすると、信
号/雑音比(以下“SN比”と呼ぶ)は次のように与え
られる。
Since the present invention comprises the above technical means, it is assumed that all systematic noise is removed from the noise entering the lidar device, and that only random noise remains, the signal / noise ratio (hereinafter "SN") The ratio is called as follows:

【0016】[0016]

【数1】 (Equation 1)

【0017】ここで、Nは積算回数、IS (R)は距離
Rからの信号による電流、iS (R)はIs (R)によ
るショット雑音、iB は背景光電流によるショット雑
音、iD はAPD(アヴァランシェフォトダイオード)
の暗電流雑音、inAは増幅器雑音、ifnは増幅器内の帰
還抵抗による熱雑音を表す。
Here, N is the number of times of integration, I S (R) is a current due to a signal from the distance R, i S (R) is a shot noise due to Is (R), i B is a shot noise due to the background photocurrent, i D is APD (avalanche photodiode)
, InA represents amplifier noise, and ifn represents thermal noise due to feedback resistance in the amplifier.

【0018】本発明では実施例にあるように、全固体素
子化という観点から検出器としてアヴァランシェフォト
ダイオードAPDを使用する場合を検討するが、ここで
の議論は検出器に光電子増倍管などの別の素子を使用す
る場合も全く同じように扱うことが可能である。
In the present invention, as in the embodiment, a case where an avalanche photodiode APD is used as a detector from the viewpoint of all-solid-state devices will be discussed. In the case where another element is used, it can be handled in exactly the same way.

【0019】先ず、データ取得時間(積算時間)を一定
にした場合のSN比を考える。サンプリング時間をΔt
とするとき、ΔR=c・Δt/2の空間分解能で測定で
きるためには、サンプリング時間Δtに比べてレーザパ
ルス幅が小さいことが必要である。数1におけるショッ
ト雑音IS (R)は、サンプリング時間Δtでサンプリ
ングした値で、パルス当りのエネルギーE0 に比例す
る。
First, consider the SN ratio when the data acquisition time (integrated time) is fixed. The sampling time is Δt
In order to measure at a spatial resolution of ΔR = c · Δt / 2, the laser pulse width needs to be smaller than the sampling time Δt. The shot noise I S (R) in Expression 1 is a value sampled at the sampling time Δt, and is proportional to the energy E 0 per pulse.

【0020】上記パルス当りのエネルギーE0 が繰り返
し周波数fに関係なく一定の場合には、積算回数Nはf
に比例して大きくなるので、f1/2 に比例してSN比は
増大する。繰り返し周波数fに関係なく平均パワーが一
定の場合には、パルス当りのエネルギーE0 、すなわち
Is (R)は1/fに比例する。信号ショット雑音リミ
ット(数1の分母の雑音項で信号雑音iS (R)2 が最
も大きく他は無視できる)の時にはiS (R)2 はIs
(R)に比例するので、数1のSN比は繰り返し周波数
fに無関係で、本方式の利点は無い。
If the energy E 0 per pulse is constant irrespective of the repetition frequency f, the integration number N becomes f
Therefore, the SN ratio increases in proportion to f 1/2 . When the average power is constant irrespective of the repetition frequency f, the energy E 0 per pulse, ie, Is (R), is proportional to 1 / f. When the signal shot noise limit (the signal noise i S (R) 2 is the largest in the denominator noise term of Equation 1 and the others are negligible), i S (R) 2 is Is
Since it is proportional to (R), the S / N ratio of Equation 1 is independent of the repetition frequency f, and there is no advantage of this method.

【0021】また、数1の分母で、他の雑音に比べてi
S (R)2 が無視できる(雑音が信号ショット雑音以外
の雑音で支配されている)とき、SN比は1/f1/2
比例して悪くなるので、このときも本方式の利点は無
い。さらに、雑音が信号ショット雑音以外の雑音で支配
されるとき、SN比が繰り返し周波数fとともに増大す
るのは、パルス当りのエネルギーE0 の減少が1/f
1/2 よりも緩やかなとき(f1/2 ・E0 がfとともに増
大するとき)である。
In the denominator of the equation 1, i is larger than that of other noises.
When S (R) 2 is negligible (noise is dominated by noise other than signal shot noise), the S / N ratio deteriorates in proportion to 1 / f 1/2. There is no. Furthermore, when noise is dominated by noise other than signal shot noise, the SNR increases with repetition frequency f because the decrease in energy E 0 per pulse is 1 / f
This is a case where the time is slower than 1/2 (when f 1/2 · E 0 increases with f).

【0022】本発明では、図5のトランジェントレコー
ダ28の部分を、図1の高速データ処理装置14で置き
換え、加算演算を上記高速データ処理装置14のクロッ
クに同期させて処理器内で行うことにより、本発明の主
旨である“高速でデータを取得する”ことを可能として
いる。転送はデータを加算後行うこととして実質上は省
略し、2Kワードのサンプリングメモリ数でデータを取
得する場合、通常30MHzのクロック動作が可能なの
で、15KHzまでの高速でデータを取得することを可
能にした。
In the present invention, the transient recorder 28 in FIG. 5 is replaced by the high-speed data processing device 14 in FIG. 1, and the addition operation is performed in the processor in synchronization with the clock of the high-speed data processing device 14. Thus, it is possible to “acquire data at high speed”, which is the gist of the present invention. The transfer is practically omitted as being performed after the addition of data. When data is acquired with a sampling memory number of 2K words, a clock operation of 30 MHz is normally possible, so that data can be acquired at a high speed of up to 15 KHz. did.

【0023】また、本発明では入力信号は30MHzで
図中のADC18でAD変換された後、必要回数だけレ
ジスタの最初のチャネルをレーザの開始に合わせて加算
し、高速データ処理装置14のクロック周波数で高速に
データ取得する。そして、時間内で効率よく加算を行な
うためにパイプライン方式を採用している。
In the present invention, the input signal is AD-converted at 30 MHz by the ADC 18 in the figure, and the first channel of the register is added the required number of times in accordance with the start of the laser, and the clock frequency of the high-speed data processor 14 is increased. To get data at high speed. Then, a pipeline system is adopted in order to efficiently perform addition within a time.

【0024】例えば、5KHzで動作させた場合、1秒
積算では5,000回加算した後で信号処理装置での1
周期分(30MHzでは68.3μs)だけ測定を止め
る。そして、次の測定開始後にデータをパソコン15へ
転送(転送時間10〜100ms)し、次の測定に移
る。したがって、パソコン15への転送によってデータ
取得が妨げられる時間(10〜100ms)はほぼ無視
できる程度である。もし、従来法で同じデータの転送を
行おうとするとパソコン15への転送に5,000倍長
い時間がかかることになる。
For example, when operating at 5 KHz, 1 second integration adds 5,000 times and then 1
The measurement is stopped for the period (68.3 μs at 30 MHz). Then, after the start of the next measurement, the data is transferred to the personal computer 15 (the transfer time is 10 to 100 ms), and the process proceeds to the next measurement. Therefore, the time (10 to 100 ms) during which data transfer is prevented by transfer to the personal computer 15 is almost negligible. If the same data is transferred by the conventional method, the transfer to the personal computer 15 takes 5,000 times longer.

【0025】さらに、クロック周波数を30MHz(ク
ロック時間33.3ns)とすると、クロック時間Δt
サンプリングメモリ数の積68.3μsとレーザ発振
間隔Tとの大小により、図2(a),(b)のケース
がある。なお、図2においてΔtはクロック時間、Nは
サンプリングメモリ数、Tはレーザ間隔を示し1/f
である。
Further, if the clock frequency is 30 MHz (clock time 33.3 ns), clock time Δt
2 (a) and 2 (b) depending on the size of the product of the sampling memory number and 68.3 μs and the laser oscillation interval TL . In FIG. 2, Δt is a clock time, and N is
The number of sampling memories , TL , indicates the laser interval and 1 / f
It is.

【0026】図2(a)では,次のレーザパルスが来る
前にレジスタへのデータの書き込みが終わっているケー
スで、次のデータを加算する迄に計測に利用されない時
間が存在する。また、図2(b)では、図2(a)とは
逆に全てを加算し終わる前に次のパルスが来るケース
で、それ以降のパルスによって新たに最初のサンプリン
グメモリから加算される。このケースでは63.8μs
の逆数14.6KHzを境にして図2(a)か図2
(b)に分かれ、それより速い(例えば20KHz)動
作では全サンプリングメモリの途中までしか使用されな
い。
FIG. 2A shows a case where data writing to the register is completed before the next laser pulse arrives, and there is a time that is not used for measurement until the next data is added. In addition, in FIG. 2B, contrary to FIG. 2A, the case where the next pulse comes before the addition is completed, the first sample is newly added by the subsequent pulses.
From the memory . 63.8 μs in this case
2 (a) or FIG. 2 at the reciprocal of 14.6 KHz of FIG.
The operation is divided into (b). In the operation at a higher speed (for example, 20 KHz), only a part of the entire sampling memory is used.

【0027】したがって、信号処理器に次のパルスが来
る前にサンプリングメモリが埋まったときは何も行なわ
ずに次の信号まで待ち、最後のサンプリングメモリに到
達する前に次のパルスが来たときは後ろのサンプリング
メモリを空白にしたまま最初のサンプリングメモリに戻
る機能を持たせるものが望ましい。また、クロックに合
わせてタイミングを取るだけでなく、送光タイミング検
出部8を設けてレーザ発振光をモニターすることによ
り、送光タイミングをディジタル・サンプリングや積算
の始点とするタイミング機能を持たせるようにしてもよ
い。
Therefore, if the sampling memory is filled before the next pulse arrives at the signal processor, nothing is done until the next signal arrives, and when the next pulse arrives before reaching the last sampling memory. Is the back sampling
It is desirable to have a function of returning to the first sampling memory while leaving the memory blank. In addition to setting the timing in accordance with the clock, a light transmission timing detection unit 8 is provided to monitor the laser oscillation light so that the light transmission timing has a timing function for starting digital sampling and integration. It may be.

【0028】[0028]

【実施例】以下、図面に基づいて本発明のライダ装置の
一実施例を説明する。図1は、本実施例のライダ装置の
概略構成を示すブロック図である。本実施例のライダ装
置においては、送光部29の光源が1W級のLDで励起
されたNd:YAGレーザ1(CW発振時250mW)
の共振器内にAO変調素子2を挿入して構成され、外部
発振器3によってQスイッチをかけることにより25〜
40nsのパルス幅を得るようにしている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the lidar device of the present embodiment. In the lidar device of the present embodiment, the light source of the light transmitting unit 29 is an Nd: YAG laser 1 (250 mW at CW oscillation) excited by a 1 W class LD.
AO modulation element 2 is inserted into the resonator, and a Q-switch is applied by the external oscillator 3 to set
A pulse width of 40 ns is obtained.

【0029】この場合、変調周波数がそのままレーザパ
ルスの繰り返し周波数となり、1KHzについて行って
いる。パルス当りのエネルギーは70μJである。実施
例でのライダ装置は、大気中のエアロゾルなどの浮遊粒
子の測定を目的としたものであるが、300m先の建物
からの反射エコーの測定例を図3に示している。
In this case, the modulation frequency becomes the laser pulse repetition frequency as it is, and the operation is performed at 1 KHz. The energy per pulse is 70 μJ. The lidar device in the embodiment is intended to measure suspended particles such as aerosols in the atmosphere, and FIG. 3 shows a measurement example of a reflected echo from a building 300 m away.

【0030】レーザ信号はLD励起YAGレーザ1から
出射され、出力鏡4およびビームスプリッタ5を経てビ
ーム拡大器6に至る。そして、ビーム拡大器6でビーム
広がりを絞められた後、2枚のウェッジからなる方向調
整器7でビームの方向を調整され、大気中に出射され
る。
The laser signal is emitted from the LD-pumped YAG laser 1 and reaches the beam expander 6 via the output mirror 4 and the beam splitter 5. After the beam spread is narrowed by the beam expander 6, the beam direction is adjusted by the direction adjuster 7 composed of two wedges, and the beam is emitted to the atmosphere.

【0031】大気中に出射されたビームは散乱体9によ
り反射され、散乱光となって戻ってくる。そして、この
散乱光は受光望遠鏡10によって集められ、アヴァラン
シェフォトダイオードAPD12で電気信号に変換され
るとともに、増幅器13で増幅される。
The beam emitted into the atmosphere is reflected by the scatterer 9 and returns as scattered light. The scattered light is collected by the light receiving telescope 10, converted into an electric signal by the avalanche photodiode APD 12, and amplified by the amplifier 13.

【0032】増幅器13で増幅されたライダ信号S1
は、その後、高速データ処理装置14に与えられ、この
高速データ処理装置14に設けられている6ビットのA
D変換器18でディジタル化される。そして、次に加算
器22に与えられ、2048のサンプリングメモリにわ
たってレーザ光を基準としたタイミングで繰り返し連続
加算されるとともに、その加算結果がレジスタ23に記
憶される。そして、必要な時間毎にパソコン(CPU)
15に転送されて演算・解析されるとともに、表示装置
16に表示される。
The lidar signal S1 amplified by the amplifier 13
Is then supplied to the high-speed data processing device 14, and the 6-bit A provided in the high-speed data processing device 14
It is digitized by the D converter 18. Then, it is given to the adder 22, and is repeatedly and continuously added at a timing based on the laser light in the sampling memory 2048, and the addition result is stored in the register 23. And a personal computer (CPU) every required time
15 to be calculated and analyzed, and displayed on the display device 16.

【0033】また、本実施例においては、送光タイミン
グ検出部8を設けてレーザ発振光をモニターしてスター
ト信号S2を生成し、ディジタル・サンプリングや積算
の始点とするタイミング機能を持たせている。さらに、
レーザ光の発光および受光部は、掃引架台11上に設置
されて所定の範囲を掃引される。なお、本実施例の測定
においては5,000回の積算(5秒間)を行った。
Further, in this embodiment, a light transmission timing detecting section 8 is provided to monitor the laser oscillation light to generate a start signal S2 and have a timing function as a starting point of digital sampling and integration. . further,
The light emitting and receiving unit of the laser beam is installed on a sweeping pedestal 11 and is swept over a predetermined range. In the measurement of this example, 5,000 times of integration (5 seconds) were performed.

【0034】比較例として従来法のレーザーパルス繰り
返し周波数である10HzでNd:YAGレーザーのQ
スイッチを動作させ、さらにパルスエネルギーを1KH
z動作のときと同じ値、70μJに減光し、本発明と従
来方式で各々5秒間積算を行ってSN比の比較を行った
結果を、図4に示す。図4から明らかなように、繰り返
し周期が1KHzである本発明のライダ装置の場合に
は、従来方式の10Hzに比べてSN比が10(100
1/2 )倍良いことが分かる。
As a comparative example, the Q of a Nd: YAG laser at a laser pulse repetition frequency of 10 Hz according to a conventional method was used.
Activate the switch and further increase the pulse energy to 1 KH
FIG. 4 shows the result of comparing the SN ratio by dimming the light to 70 μJ, the same value as in the z operation, and performing integration for 5 seconds each in the present invention and the conventional method. As is clear from FIG. 4, in the case of the lidar apparatus of the present invention in which the repetition period is 1 KHz, the SN ratio is 10 (100) compared to 10 Hz in the conventional method.
1/2 ) times better.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明は上述したように、レーザパルス
に同期してライダーエコー信号を取り込むとともに、取
り込んだ信号を高速でディジタルデータに変換し、レー
ザパルスに同期した位置を合わせて積算するようにした
ので、SN比を高くして高精度の計測を行うことができ
るとともに、データの高速処理を可能にする。
As described above, the present invention captures a lidar echo signal in synchronization with a laser pulse, converts the captured signal into digital data at a high speed, and accumulates the position in synchronization with the laser pulse. Therefore, high-precision measurement can be performed by increasing the SN ratio, and high-speed processing of data can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のライダ装置の一実施例を示す構成図で
ある。
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a lidar device of the present invention.

【図2】レーザパルス間隔とサンプリングメモリ数との
関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a laser pulse interval and the number of sampling memories .

【図3】建物からのエコーを検出した実験例を示す強度
特性図である。
FIG. 3 is an intensity characteristic diagram showing an experimental example of detecting an echo from a building.

【図4】本発明のライダ装置と従来方式のライダ装置と
のSN比の比較を示す特性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a comparison of the SN ratio between the rider device of the present invention and the conventional rider device.

【図5】従来のライダ信号処理部の一例を示す構成図で
ある。
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating an example of a conventional lidar signal processing unit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 LD励起YAGレーザ 2 AO変調器 3 発振器 4 出力鏡 5 ビームスプリッター 8 検出器 9 散乱体 10 受光望遠鏡 11 掃引架台 13 前置増幅器 14 高速信号処理装置 15 CPU(パソコン) 16 表示装置 17 増幅器 18 A/D変換器 19 時間制御器 20 クロック発生器 21 インターフェースボード 22 加算器 23 レジスタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 LD excitation YAG laser 2 AO modulator 3 Oscillator 4 Output mirror 5 Beam splitter 8 Detector 9 Scatterer 10 Light receiving telescope 11 Sweep mount 13 Preamplifier 14 High-speed signal processing device 15 CPU (PC) 16 Display device 17 Amplifier 18 A / D converter 19 Time controller 20 Clock generator 21 Interface board 22 Adder 23 Register

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−76484(JP,A) 特開 昭53−147570(JP,A) 特開 昭53−34549(JP,A) 特開 平3−252586(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-4-76484 (JP, A) JP-A-53-147570 (JP, A) JP-A-53-34549 (JP, A) 252586 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 高速繰り返しパルスレーザ光を媒体中へ
向けて送光する送光部と、 上記媒体からの後方散乱光を受光する受光光学系と、 上記受光光学系によって受光されたライダ信号光を電気
信号に変換する光電変換部と、 上記電気信号に変換されたライダ信号を増幅する増幅器
と、 上記増幅器から出力されるライダ信号を取り込み、高速
でディジタルデータに変換するとともに、レーザパルス
に同期してサンプリング時間を合わせて加算器により積
算する信号処理装置と、 上記信号処理装置から送られてくるディジタルデータ
を、演算・表示・記録する演算・表示・記録部とを具備
することを特徴とするライダ装置。
A light transmitting section for transmitting a high-speed repetitive pulsed laser beam into a medium; a light receiving optical system for receiving backscattered light from the medium; and a lidar signal light received by the light receiving optical system. A photoelectric conversion unit that converts the electric signal into an electric signal; an amplifier that amplifies the lidar signal converted into the electric signal; a lidar signal that is output from the amplifier is taken in; converted into digital data at high speed; and synchronized with a laser pulse. A signal processing device for integrating sampling times and adding the signals by an adder; and a calculation, display, and recording unit for calculating, displaying, and recording digital data sent from the signal processing device. Lidar device.
【請求項2】 高速繰り返しパルスレーザ光を媒体中へ
向けて送光する送光部と、 上記媒体からの後方散乱光を受光する受光光学系と、 上記受光光学系によって受光されたライダ信号光を電気
信号に変換する光電変 換部と、上記電気信号に変換されたライダ信号を増幅す
る増幅器と、 上記増幅器から出力されるライダ信号を取り込んで高速
でディジタルデータに変換するとともに、レーザパルス
に同期してサンプリング時間を合わせて加算器により積
算する信号処理装置と、 上記信号処理装置から送られてくるディジタルデータ
を、演算・表示・記録する演算・表示・記録部と、 上記媒体中へ向けて送光されるパルスレーザ光を検出し
て上記信号処理装置の動作タイミングを決める送光タイ
ミング検出部とを具備することを特徴とするライダ装
置。
2. A light transmitting section for transmitting high-speed repetitive pulsed laser light into a medium, a light receiving optical system for receiving backscattered light from the medium, and a lidar signal light received by the light receiving optical system. A photoelectric conversion unit that converts the electric signal into an electric signal, an amplifier that amplifies the lidar signal converted into the electric signal, a lidar signal output from the amplifier is taken and converted into digital data at a high speed, and the laser signal is converted into a laser pulse. A signal processing device for synchronizing the sampling time and integrating by an adder; a calculation / display / recording unit for calculating / displaying / recording the digital data sent from the signal processing device; A light transmission timing detecting unit for detecting the pulsed laser light transmitted by the light source and determining the operation timing of the signal processing device. Device.
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