特開 2023-115804 制御システム、制御装置及び制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023115804

(43)【公開日】2023-08-21

(54)【発明の名称】制御システム、制御装置及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/484 20060101AFI20230814BHJP

【ＦＩ】

G01S7/484

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022018217

(22)【出願日】2022-02-08

(71)【出願人】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100187322

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 直輝

(74)【代理人】

【識別番号】100213702

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 芳則

(72)【発明者】

【氏名】高田 聡

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA05

5J084AD01

5J084BA04

5J084BA12

5J084BA52

5J084BB14

5J084BB20

5J084BB31

5J084CA03

5J084CA11

5J084CA21

5J084DA09

5J084EA33

(57)【要約】

【課題】パルス強度単体を高精度に安定化させる制御システム、制御装置及び制御方法を提供すること。
【解決手段】制御システムは、光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、第一パルス光を増幅する光増幅部と、第一パルス光を変数とするＮ次元方程式（Ｎは１以上の整数）で表されたパルス帯域光と、ＤＣ成分光と、を含む第二パルス光を検出する第二検出部と、Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける第一パルス光及び二パルス光からＮ次元方程式の係数及びＤＣ成分光を求めて第一パルス光に対するパルス帯域光の利得を求め、パルス帯域光の強度が一定となるように利得及び第一パルス光の一方又は両方を調整する制御部と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、
前記第一パルス光を増幅する光増幅部と、
前記第一パルス光を変数とするＮ次元方程式（Ｎは１以上の整数）で表されたパルス帯域光と、ＤＣ成分光と、を含む第二パルス光を検出する第二検出部と、
Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記Ｎ次元方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求めて前記第一パルス光に対する前記パルス帯域光の利得を求め、前記パルス帯域光の強度が一定となるように前記利得及び前記第一パルス光の一方又は両方を調整する制御部と、
を備える制御システム。

【請求項2】

前記Ｎ次元方程式は３次元以上の非線形方程式であり、
前記制御部は、Ｎ＋１以上の異なるタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記Ｎ次元方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求める、
請求項１に記載の制御システム。

【請求項3】

前記制御部は、直近の複数のタイミングに検出した前記第一パルス光及び前記第二パルス光を用いて前記係数及び前記ＤＣ成分光を求める、請求項１又は請求項２に記載の制御システム。

【請求項4】

前記Ｎ次元方程式は１次元の線形方程式であり、
前記制御部は、２回の異なるタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記Ｎ次元方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求める、
請求項１に記載の制御システム。

【請求項5】

前記ＤＣ成分光は、自然放射光である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の制御システム。

【請求項6】

前記パルス帯域光の強度は、下記の式で求められる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の制御システム。

［但し、Ｐ_s ⁿ（ｔ）は前記第一パルス光の強度、Ｐ_pulseは前記パルス帯域光の強度、α_nはＰ_s（ｔ）のｎ次項の前記係数、ＡＳＥは前記ＤＣ成分光である自然放射光である。］

【請求項7】

光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、
前記第一パルス光を増幅する光増幅部と、
前記第一パルス光を変数とする非線形方程式で表されたパルス帯域光とＤＣ成分光とを含む第二パルス光を検出する第二検出部と、
Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記非線形方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求めて前記第一パルス光に対する前記パルス帯域光の利得を求め、前記パルス帯域光の強度が一定となるように前記利得及び前記第一パルス光の一方又は両方を調整する制御部と、
を備える制御装置。

【請求項8】

制御システムにおける制御方法であって、
前記制御システムは、
光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、
前記第一パルス光を増幅する光増幅部と、
前記第一パルス光を変数とする非線形方程式で表されたパルス帯域光とＤＣ成分光とを含む第二パルス光を検出する第二検出部と、
を備え、
Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記非線形方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求めて前記第一パルス光に対する前記パルス帯域光の利得を求め、前記パルス帯域光の強度が一定となるように前記利得及び前記第一パルス光の一方又は両方を調整する、
制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御システム、制御装置及び制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、特定の波長の光を増幅させることを可能とした技術が提案されている。例えば、スキャナーを用いた距離計測技術では、パルス光源を用いたＴｏＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式が用いられている。スキャナーは高速に点群データを取得するため、パルス光の往復時間から距離を求める単発測距方式が用いられている。単発測距方式により出射するパルス光は、短いパルス幅、高ピークパワー、高繰り返し性（高安定性）が要求され、これを満たす光源として例えばファイバーレーザが使用されている。例として、特許文献１には、光検出及び測距システムにおいて、入力されたパルス光を利得ファイバーによって増幅させて出力させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６８５２０８５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

出力パルス光として出射されるレーザ光は、種火の光源であるレーザ光源から発生した短パルス光をファイバーアンプ（ファイバー増幅器、光ファイバ－アンプ又は利得ファイバー）でピーク強度を増幅させて高出力化している。一方で、このファイバーレーザを用いたスキャナーでは、定点測定の際にドリフトと呼ばれる、時間に依存した距離誤差が発生することが知られている。これは、スキャナーが単発測距であり、各パルス光の強度が変化することが原因の一つであることが知られている。そのため、出力される各パルス光のピーク強度を安定化させる必要がある。

【0005】

パルス光のピーク強度の安定化には、ファイバーアンプのポンプ光源を含むレーザシステム全体に対して温度調整機能を持たせた温調化が有効な手段の一つである。しかし、温調化行うための構成を設けるには、サイズ、コスト、消費電力等に関する課題がある。そこでオートパワーコントロール（ＡＰＣ）により出力されるパルス光の安定化を行うことが考えられるが、従来のＡＰＣでは、パルス光とファイバーアンプで発生する自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を含んだ平均出力のコントロールはできても、パルス単体の強度を制御することが困難であった。

【0006】

以上により、本開示は、パルス単体の強度を高精度に安定化させる制御システム、制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の実施形態に係る制御システムは、光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、前記第一パルス光を増幅する光増幅部と、前記第一パルス光を変数とするＮ次元方程式（Ｎは１以上の整数）で表されたパルス帯域光と、ＤＣ成分光と、を含む第二パルス光を検出する第二検出部と、Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記Ｎ次元方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求めて前記第一パルス光に対する前記パルス帯域光の利得を求め、前記パルス帯域光の強度が一定となるように前記利得及び前記第一パルス光の一方又は両方を調整する制御部と、を備える。

【0008】

本開示の実施形態に係る制御装置は、光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、前記第一パルス光を増幅する光増幅部と、前記第一パルス光を変数とする非線形方程式で表されたパルス帯域光とＤＣ成分光とを含む第二パルス光を検出する第二検出部と、Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記非線形方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求めて前記第一パルス光に対する前記パルス帯域光の利得を求め、前記パルス帯域光の強度が一定となるように前記利得及び前記第一パルス光の一方又は両方を調整する制御部と、を備える。

【0009】

本開示の実施形態に係る制御方法は、制御システムにおける制御方法であって、前記制御システムは、光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、前記第一パルス光を増幅する光増幅部と、前記第一パルス光を変数とする非線形方程式で表されたパルス帯域光とＤＣ成分光とを含む第二パルス光を検出する第二検出部と、を備え、Ｎ＋１以上の複数のタイミングにおける前記第一パルス光及び前記第二パルス光から前記非線形方程式の係数及び前記ＤＣ成分光を求めて前記第一パルス光に対する前記パルス帯域光の利得を求め、前記パルス帯域光の強度が一定となるように前記利得及び前記第一パルス光の一方又は両方を調整する。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、パルス単体の強度を高精度に安定化させる制御システム、制御装置及び制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の実施形態に係るスキャナーを用いた測量システムの概略構成を示す図である。

【図2】本開示の実施形態に係る制御システムの全体構成を示す図である。

【図3】図３（Ａ）は増幅後のパルス光を示す図である。

【図4】対応テーブルを示す図である。

【図5】入力パルス強度と出力パルス強度の測定のタイミングを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら本開示の実施形態について説明する。図１は、スキャナー２を用いた測量システム１の概略構成を示す図である。測量システム１は、スキャナー２からターゲットＴｇまでの距離ＤをＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により測距して、例えば、点群データ作成のための測距データを取得することができる。

【0013】

スキャナー２は、内部に光の制御システム３を有する送信部２１と、送信部２１から出射されたパルス光Ｌ１０をスキャナー２の外部に出射して、ターゲットＴｇにより反射されたパルス光Ｌ２０を受信して受信部２３に導光する導光部２２と、反射光であるパルス光Ｌ２０を受信して検出部２４に導光する受信部２３を備える。また、スキャナー２は、送信するパルス光Ｌ１０の一部を分光して検出する検出部２４と、受信したパルス光Ｌ２０を検出する検出部２５とを有する。スキャナー２は、検出部２４によりパルス光Ｌ１０が検出された出射タイミングＴ１０と、検出部２５により反射光であるパルス光Ｌ２０が検出された入射タイミングＴ２０とからパルス光の往復時間Ｔを求め、スキャナー２からターゲットＴｇまでの距離Ｄを、往復時間Ｔに光速ｃを乗じて求めることができる。

【0014】

またスキャナー２は、制御部２６、記憶部２７を有する。制御部２６は、送信部２１によるパルス光Ｌ１０の出射制御、検出部２４及び検出部２５によるパルス光Ｌ１０，Ｌ２０の検出、演算等のその他の制御を行う。制御部２６は、記憶部２７に記憶されるプログラムに含まれるコード又は命令によって実現する機能及び／又は方法を実行する。スキャナー２は、プログラムを実行させるためのコンピュータを備える。制御部２６は、例として、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＭＰＵ、ＧＰＵ、マイクロプロセッサ、プロセッサコア、マルチプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等を含み、集積回路等に形成された論理回路や専用回路によって各実施形態に開示される各処理を実現してもよい。また、これらの回路は、１又は複数の集積回路により実現されてよく、各実施形態に示す複数の処理を１つの集積回路により実現されることとしてもよい。また、制御部２６は、記憶部２７から読み出したプログラムを一時的に記憶し、作業領域を提供する主記憶部を備えてもよい。

【0015】

図２は、制御システム３の全体構成を示す図である。制御システム３は、前述したスキャナー２に適用可能であり、例えば、スキャナー２の送信部２１が出射するパルス光Ｌ１０を生成する光制御システムである。制御システム３は、スキャナー２の制御部２６により制御される。なお、本実施形態では、制御システム３が制御部２６により制御される例について説明するが、制御部２６とは別体の制御部（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＭＰＵ、ＧＰＵ、マイクロプロセッサ、プロセッサコア、マルチプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等）により制御されてもよい。制御システム３は、レーザ光源３０１から出射された種火或いはシード光等とも称されるとされるパルス光Ｌ１１を、強度の安定したパルス光Ｌ１３として増幅させる光の増幅制御機能を有する。

【0016】

制御システム３は、レーザ光源３０１と、レーザ光源３０１から出射されたパルス光Ｌ１１（第一パルス光）を検出する第一検出部３１２と、パルス光Ｌ１０を増幅する光増幅部３２０と、増幅されたパルス光Ｌ１１であるパルス光Ｌ１３（第二パルス光）を検出する第二検出部３４２と、出射部３０６と、を備える。レーザ光源３０１から出射されたパルス光Ｌ１１は、光ファイバー等により構成された光路Ｐによって各種の光学素子を介して導光される。

【0017】

レーザ光源３０１は、パルス光Ｌ１１を出射可能な光源であり、例えば、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）が用いられる。パルス光Ｌ１１としては、例えば、アイセーフである１．５μｍ帯の光が用いられる。タップ３１１は、分光器、光スプリッタタップ又は光分岐タップとも称される光分岐部である。また、第一検出部３１２は、光を検出する機能を有し、例えば、受信した光を電気信号に変換するフォトダイオードが用いられる。レーザ光源３０１から出射されたパルス光Ｌ１１の一部は、タップ３１１によって取り出されて、第一検出部３１２により検出される。

【0018】

光増幅部３２０は、ポンプレーザダイオード３２１と、ＦＢＧフィルタ３２２（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ）と、合成部３２３と、ファイバーアンプ３２４とを有する。ポンプレーザダイオード３２１は、光増幅媒体であるファイバーアンプ３２４に対してレーザを発振させるための励起レーザ光を出射する光源素子である。ポンプレーザダイオード３２１としては、例えば、シングルモード光ファイバー（ＳＭＦ：ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）カップルレーザダイオードが用いられる。

【0019】

ＦＢＧフィルタ３２２は、励起に有効な所定波長帯域の光を反射し、ポンプレーザダイオード３２１へ帰還することでポンプレーザダイオード３２１の発振波長を安定させるためのフィルタである。合成部３２３は、タップ側から導光されたパルス光Ｌ１１と、ポンプレーザダイオード３２１から導光された励起レーザ光とを合成して、各光をファイバーアンプ３２４へ導光する。合成部３２３は、例えば、ＷＤＭ光カプラ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ）が用いられる。

【0020】

ファイバーアンプ３２４は、合成部３２３から入射したパルス光Ｌ１１を増幅させる増幅器であり、例えば、ＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が用いられる。ファイバーアンプ３２４は、励起レーザ光を入射させてパルス光Ｌ１１のパルス帯域光Ｌｐ（図３（Ａ）参照）を増幅させる。

【0021】

アイソレータ３０２は、ファイバーアンプ３２４により増幅されたパルス光Ｌ１２をサーキュレータ３０３側に導光する。一方、アイソレータ３０２は、サーキュレータ３０３側から入射された光（例えば、サーキュレータ３０３側の光路Ｐにおける散乱戻り光等）を遮光することでファイバーアンプ３２４（ファイバーレーザ）内のレーザ光の寄生発振を抑制する。サーキュレータ３０３は、アイソレータ３０２側から入射したパルス光Ｌ１２をＦＢＧフィルタ３０４側へ導光し、ＦＢＧフィルタ３０４側から入射したパルス光Ｌ１２を光増幅部３３０側へ導光する。ＦＢＧフィルタ３０４は、サーキュレータ３０３側から入射したパルス光Ｌ１２の内、所定波長帯域の光を反射させる。サーキュレータ３０３とＦＢＧフィルタ３０４とにより、バンドパスフィルタ３５０が構成される。

【0022】

光増幅部３３０は、ポンプレーザダイオード３３１と、合成部３３２と、ファイバーアンプ３３３とを有する。ポンプレーザダイオード３３１は、光増幅媒体であるファイバーアンプ３３３に対してレーザを発振させるための励起レーザ光を出射する光源素子である。ポンプレーザダイオード３３１としては、例えば、マルチモード光ファイバー（ＭＭＦ：Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ）カップルレーザダイオードが用いられる。

【0023】

合成部３３２は、ポンプレーザダイオード３３１から出射された励起レーザ光をファイバーアンプ３３３側へ導光し、ファイバーアンプ３３３側から出射されたパルス光Ｌ１３をアイソレータ３０５側に導光する。ファイバーアンプ３３３は、サーキュレータ３０３から導光されたパルス光Ｌ１１を増幅させる増幅器であり、例えば、エルビウム及びイッテルビウムを添加したダブルクラッドファイバーアンプが用いられる。ファイバーアンプ３３３は、合成部３３２から入射された励起レーザ光によりパルス光Ｌ１２のピーク帯域の光を増幅させる。この増幅されたパルス光Ｌ１２は、パルス光Ｌ１３として、ファイバーアンプ３３３から合成部３３２を介してアイソレータ３０５側に導光される。

【0024】

図３（Ａ）は増幅前のパルス光Ｌ１１を示す図である。また、図３（Ｂ）は増幅後のパルス光Ｌ１３を示す図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、縦軸は光の強度を示し、横軸は波長を示している。増幅前のパルス光Ｌ１１は、パルス光Ｌ１３のパルス帯域光Ｌｐと略同波長のパルス帯域光Ｌｐを含む。一方、図３（Ｂ）に示すように、各光増幅部３２０，３３０により増幅された増幅後のパルス光Ｌ１３は、パルス光Ｌ１１よりも強度が増幅されたパルス帯域光Ｌｐと、ＤＣ成分光である自然放射光ＡＳＥとを含んでいる。自然放射光ＡＳＥは、前段の光増幅部３２０と、後段の光増幅部３３０の光路Ｐの間に配置されてサーキュレータ３０３とＦＢＧフィルタ３０４で構成されたバンドパスフィルタ３５０により、通過帯域Ｗ１に含まれない第一成分光Ｌａ１が取り除かれている。従って、光増幅部３３０による増幅前であってバンドパスフィルタ３５０を通過したパルス光Ｌ１２には、パルス帯域光Ｌｐと、自然放射光ＡＳＥのうちの通過帯域Ｗ１に含まれる第二成分光Ｌａ２とを含まれている。光増幅部３３０により増幅されたパルス光Ｌ１３は、パルス光Ｌ１２よりもピークの強度が増幅されたパルス帯域光Ｌｐと、第二成分光Ｌａ２（自然放射光ＡＳＥの一部）とを含む。

【0025】

アイソレータ３０５は、ファイバーアンプ３３３により増幅されたパルス光Ｌ１３をタップ３４１側に導光する。一方、アイソレータ３０５は、タップ３４１側から入射された光（例えば、タップ３４１側の光路Ｐにおける戻り光等）を遮光する。具体的に、制御システム３が生成した光を本実施形態のスキャナー２又は図示しないトータルステーション等のパルス光Ｌ１０として用いる場合、建物、土地又はコーナーキューブプリズム等の物体から反射されたパルス光Ｌ１０の一部が制御システム３内に戻り光（パルス光Ｌ２０）として入射することがある。アイソレータ３０５は、反射されたパルス光Ｌ１０（パルス光Ｌ２０）が制御システム３（ファイバーレーザ）内に侵入した場合であっても、内部の機器や部品の損傷を防ぐための対策として機能する。

【0026】

タップ３４１は、分光器、光スプリッタタップ又は光分岐タップとも称される光分岐部である。また、第二検出部３４２は、光を検出する機能を有し、例えば、受信した光を電気信号に変換するフォトダイオードが用いられる。アイソレータ３０５から出射されたパルス光Ｌ１３の一部は、タップ３４１によって取り出されて、第二検出部３４２により検出される。一方、アイソレータ３０５から出射されたパルス光Ｌ１３の他の一部は、タップ３４１を介して出射部３０６からパルス光Ｌ１０として出射される。

【0027】

図４は、記憶部２７に記憶される対応テーブル４を示す図である。対応テーブル４は、タイミングｔに対応して、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）及び出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）を記憶する。入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）は、あるタイミングｔにおいて第一検出部３１２が検出したパルス光Ｌ１１の強度である。また、出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）は、タイミングｔにおいて第二検出部３４２が検出したパルス光Ｌ１３の強度である。

【0028】

ここで、制御システム３により生成されるパルス光Ｌ１０の制御方法の例について説明する。レーザ光源３０１から出射されたパルス光Ｌ１１は、一部が第一検出部３１２により検出される。制御部２６は、所定の複数のタイミングｔにおいて、第一検出部３１２によりパルス光Ｌ１１を検出してパルス光Ｌ１１の強度である入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）を取得し、第二検出部３４２によりパルス光Ｌ１３を検出してパルス光Ｌ１３の強度である出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）を取得する。

【0029】

ファイバーアンプ３２４内を伝播するパルス波形と、スペクトル分布の変化は非線形シュレーディンガー方程式（ＮＬＳＥ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｃｈｒöｄｉｎｇｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ）を用いて以下の式（１）で算出することができる。

・・・（１）

ここで、Ａ₀はパルスの包絡線分布、Ｔ₀はパルスの群速度で移動する遅延時間、ｚが伝播距離である。また、αはファイバーの減衰係数、ｇはファイバーアンプの増幅率、βは線形分散係数、γは非線形係数である。このように、ファイバー増幅器においては、入射光と出射光の間に非線形な関係がある。

【0030】

そこで、より高精度にファイバーアンプの利得を求めるために、利得の非線形性と自然放射光ＡＳＥを考慮すると、出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）は次の式（２）に示すような３次元非線形方程式で表される。

Ｐ_o（ｔ）＝α₁Ｐ_s（ｔ）＋α₂Ｐ_s ²（ｔ）＋α₃Ｐ_s ³（ｔ）＋ＡＳＥ ・・・（２）

ここで、α₁、α₂、α₃は、それぞれ入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）の１次、２次及び３次の係数である。また、ＡＳＥは自然放射光である。本実施形態のＡＳＥは、利得Ａ等の算出に用いられる入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）や出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）の測定期間の範囲において、その時間変化は無視できるものとして（即ち、ＡＳＥは定数であるものとして）扱う。

【0031】

制御部２６は、対応テーブル４を参照して、複数のタイミングｔにおける入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）及び出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）から、式（２）の未知数である係数α₁、α₂、α₃及びＡＳＥを求める。例えば、式（２）は、４つの未知数を含むため、図４に示した４つの異なるタイミングｔ１～ｔ４に対応する入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）及び出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）を代入した連立方程式により、係数α₁、α₂、α₃及びＡＳＥを求めることができる。

【0032】

また、式（２）の出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）のうち、パルス帯域光Ｌｐのパルス強度Ｐ_pulseは、以下の式（３）で表される。

Ｐ_pulse＝α₁Ｐ_s（ｔ）＋α₂Ｐ_s ²（ｔ）＋α₃Ｐ_s ³（ｔ） ・・・（３）

【0033】

従って、レーザ光源３０１から出射されたパルス光Ｌ１１の入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）に対する、パルス帯域光のパルス強度Ｐ_pulseの利得Ａ（或いは増幅率）は、式（４）で表される。

Ａ＝Ｐ_pulse／Ｐ_s（ｔ） ・・・（４）

【0034】

制御部２６は、利得Ａ及び入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）の一方又は両方を調整することで、パルス帯域光Ｌｐのパルス強度Ｐ_pulseが一定となるように制御することができる。制御部２６は、利得Ａを変化させる場合、ポンプレーザダイオード３２１及びポンプレーザダイオード３３１の一方又は両方の出力を制御する。また、制御部２６は、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）を変化させる場合、レーザ光源３０１の出力を制御する。

【0035】

なお、制御部２６は、利得Ａ又は入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）のうちの増幅感度の低い方（例えば、利得Ａ又は入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）の変化率に対するパルス強度Ｐ_pulseの変化量が小さい方）を調整すると、パルス強度Ｐ_pulseが一定となるように高精度に制御することができる。一方、制御部２６は、利得Ａ又は入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）のうちの増幅感度の高い方（例えば、利得Ａ又は入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）の変化率に対するパルス強度Ｐ_pulseの変化量が大きい方）を調整すると、パルス強度Ｐ_pulseを高い倍率で制御することができる。

【0036】

パルス強度Ｐ_pulseを一定とするには、制御部２６は、例えば、直近（直前）の複数（本実施形態では４回以上）のタイミングｔに検出したパルス光Ｌ１１（第一パルス光）の入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）と、パルス光Ｌ１３（第二パルス光）の出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）とを用いて係数α₁、α₂、α₃及びＡＳＥを求める。

【0037】

図５は、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）と出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）の測定のタイミングｔを示す図である。範囲Ｒ_n、Ｒ_n-1及びＲ_n-2は、それぞれ、タイミングｔ_n、ｔ_n-1及びｔ_n-2でパルス強度Ｐ_pulseを算出する場合に、いずれのタイミングｔに取得した入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）と出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）を用いるのかを示している。例えば、タイミングｔ_ｎにおいてパルス強度Ｐ_pulseを算出する場合、範囲Ｒｎのタイミングｔ_n、ｔ_n-1、ｔ_n-2及びｔ_n-3に取得された入力パルス強度Ｐ_s（ｔ_n）、Ｐ_s（ｔ_n-1）、Ｐ_s（ｔ_n-2）及びＰ_s（ｔ_n-3）と、出力パルス強度Ｐ_o（ｔ_n）、Ｐ_o（ｔ_n-1）、Ｐ_o（ｔ_n-2）及びＰ_o（ｔ_n-3）とが用いられる。また、タイミングｔ_n-1においてパルス強度Ｐ_pulseを算出する場合、範囲Ｒ_n-1のタイミングｔ_n-1、ｔ_n-2、ｔ_n-3及びｔ_n-4に取得された入力パルス強度Ｐ_s（ｔ_n-1）、Ｐ_s（ｔ_n-2）、Ｐ_s（ｔ_n-3）及びＰ_s（ｔ_n-4）と、出力パルス強度Ｐ_o（ｔ_n-1）、Ｐ_o（ｔ_n-2）、Ｐ_o（ｔ_n-3）及びＰ_o（ｔ_n-4）とが用いられる。

【0038】

このように、過去に取得した検出値を用いることで、パルス強度Ｐ_pulseを継続して安定化することができる。なお、制御部２６は、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）と出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）の古いデータから順に記憶部２７から削除して、記憶部２７の容量増加を低減することができる。

【0039】

また、制御部２６は、パルス強度Ｐ_pulseをその平均値を用いて一定に制御する場合、基準となるパルス強度Ｐ_pulseの平均値は次の式（５）により求めてもよい。

・・・（５）

【0040】

以上のように、ＡＰＣ制御を適用した場合にパルス強度Ｐ_pulseだけではなく自然放射光ＡＳＥも含んだ平均パワーによる制御が行われた場合では、安定したパルス強度Ｐ_pulseを出力することが難しいが、本実施形態の制御システム３では、ＤＣ成分光である自然放射光ＡＳＥを考慮するため、安定したパルス強度Ｐ_pulseのパルス帯域光Ｌｐを含んだ光を出力制御することができる。

【0041】

なお、本実施形態で説明した制御システム３は、一つ又は複数の機器等による制御装置として構成してもよい。例えば、制御装置は、一つ又は複数の機器に、レーザ光源３０１、第一検出部３１２、光増幅部３２０，３３０、第二検出部３４２、制御部２６及び記憶部２７等を設けた装置として構成することができる。

【0042】

（変形例１）
次に、本実施形態の変形例１について説明する。なお、変形例１において、前述した制御システム３、制御装置、及び制御方法と同様の構成については、説明を省略又は簡略化する。

【0043】

前述した利得Ａと、ＤＣ成分光である自然放射光ＡＳＥを考慮したパルス光Ｌ１３の出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）は、３次元非線形方程式に限らず、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）のＮ次元方程式（Ｎは整数）で求めることができ、例えば、式（６）で表すことができる。

・・・（６）

但し、Ｐ_s ⁿ（ｔ）は増幅前のパルス光Ｌ１１（第一パルス光）の入力パルス強度、Ｐ_o ⁿ（ｔ）は増幅後のパルス光Ｌ１３（第二パルス光）の出力パルス強度、α_nはＰ_s ⁿ（ｔ）のｎ次項の係数、ＡＳＥはＤＣ成分光である自然放射光である。従って、出力のパルス光Ｌ１３（第二パルス光）は、入力のパルス光Ｌ１１（第一パルス光）を変数とするＮ次元方程式（Ｎは１以上の任意の整数）で表されたパルス帯域光とＤＣ成分光とを含む。

【0044】

式（６）のように出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）を入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）のＮ次式で近似すると、パルス帯域光Ｌｐのパルス強度Ｐ_pulseは、下記の式（７）で表される。

・・・（７）

【0045】

制御部２６は、Ｎ＋１回の異なるタイミングｔにおける入力パルス強度Ｐ_s ⁿ（ｔ）（第一パルス光）及び出力パルス強度Ｐ_o ⁿ（ｔ）（第二パルス光）からＮ次元方程式の係数α_n及び自然放射光ＡＳＥ（ＤＣ成分光）を求める。利得Ａは、式（４）で求めることができる。制御部２６は、利得Ａ及び入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）の一方又は両方を調整することで、パルス帯域光Ｌｐのパルス強度Ｐ_pulseが一定となるように制御することができる。

【0046】

なお、非線形性を考慮する場合、式（６）及び式（７）のＮは２以上として計算される。

【0047】

以上、出力パルス強度Ｐ_o ⁿ（ｔ）を入力パルス強度Ｐ_s ⁿ（ｔ）のＮ次式で一般化して計算する場合、合計の変数はＮ＋１つとなるため、第一検出部３１２及び第二検出部３４２はＮ＋１回の測定により取得される。このため制御システム３は、簡易な構成で、パルス強度Ｐ_pulseをより高い精度で制御することができる。なお、Ｎ＋１回の測定の間においても、自然放射光ＡＳＥの値は定数（一定）とみなすことができる。制御システム３は、前回の測定データ（入力パルス強度Ｐ_s ⁿ（ｔ）、出力パルス強度Ｐ_o ⁿ（ｔ））を記憶部２７に保存しておくことで、利得Ａや入力パルス強度Ｐ_s ⁿ（ｔ）の制御値を更新しながらパルス帯域光Ｌｐのパルス強度Ｐ_pulseが安定化させることができる。

【0048】

（変形例２）
また、変形例２として、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）のＮ次元方程式はＮ＝１の１次元の線形方程式としてもよい。この場合、入力パルス強度Ｐ_s（ｔ）及び出力パルス強度Ｐ_o（ｔ）は、異なるタイミングｔで２回測定を行って、係数α₁及び自然放射光ＡＳＥを求めることができるため、簡易な方法でＤＣ成分光を考慮して、計算を行うことができる。前述した制御システム３、制御装置、及び制御方法と同様の構成については、説明を省略又は簡略化する。

【0049】

制御部２６は、２回の異なるタイミングｔにおけるパルス光Ｌ１１（第一パルス光）及びパルス光Ｌ１２（第２パルス光）から１次元方程式の係数α₁、及び自然放射光ＡＳＥ（ＤＣ成分光）を求めてパルス光Ｌ１１に対するパルス帯域光の利得Ａを求めることができる。

【0050】

以上により、本開示の実施形態に係る制御システム３は、光源から出射された第一パルス光を検出する第一検出部と、第一パルス光を増幅する光増幅部と、増幅された一パルス光であって、第一パルス光を変数とするＮ次元方程式（Ｎは１以上の整数）で表されたパルス帯域光とＤＣ成分光とを含む第二パルス光を検出する第二検出部と、複数のタイミングにおける第一パルス光及び前記第二パルス光からＮ次元方程式の係数及びＤＣ成分光を求めて第一パルス光に対するパルス帯域光の利得を求め、パルス帯域光が一定となるように利得Ａ及び第一パルス光の一方又は両方を調整する制御部と２６、を備える構成について説明した。

【0051】

このような構成とすると、光源から出射されるパルス光を増幅させる際にＤＣ成分光が含まれていた場合であっても、ＤＣ成分光を考慮してパルス帯域光Ｌｐが一定となるように増幅部（光増幅部３２０及び光増幅部３３０の一方又は両方）の利得や光源（例えば、レーザ光源３０１）の出力を制御することができる。このため、制御システム３、制御装置及び制御方法は、制御システム３の温調のために複雑な構成と採用しなくても簡易な構成でパルス強度単体を高精度に安定化させることができる。

【0052】

以上で、本開示の実施形態の説明を終えるが、本開示の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、ファイバーアンプ３２４及びファイバーアンプ３３３は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）、ダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）の任意の構成を適用したり、ＥＤＦＡ、ＰＤＦＡ（Ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）やＴＤＦＡ（Ｔｈｕｌｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１ 測量システム
２ スキャナー
３ 制御システム
４ 対応テーブル
２１ 送信部
２２ 導光部
２３ 受信部
２４ 検出部
２５ 検出部
２６ 制御部
２７ 記憶部
３０１ レーザ光源
３０２ アイソレータ
３０３ サーキュレータ
３０４ ＦＢＧフィルタ
３０５ アイソレータ
３０６ 出射部
３１１ タップ
３１２ 第一検出部
３２０ 光増幅部
３２１ ポンプレーザダイオード
３２２ ＦＢＧフィルタ
３２３ 合成部
３２４ ファイバーアンプ
３３０ 光増幅部
３３１ ポンプレーザダイオード
３３２ 合成部
３３３ ファイバーアンプ
３４１ タップ
３４２ 第二検出部
３５０ バンドパスフィルタ
Ａ 利得
ＡＳＥ 自然放射光
Ｄ 距離
Ｌ１０，Ｌ１１～Ｌ１３，Ｌ２０ パルス光
Ｌａ１ 第一成分光
Ｌａ２ 第二成分光
Ｌｐ パルス帯域光
Ｐ 光路
Ｐ_o 出力パルス強度
Ｐ_s 入力パルス強度
Ｒ_n-1，Ｒ_n-1，Ｒ_n 範囲
Ｔ 往復時間
Ｔ１０ 出射タイミング
Ｔ２０ 入射タイミング
Ｔｇ ターゲット
Ｗ１ 通過帯域
ｃ 光速
ｔ（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，ｔ₄・・・ｔ_n） タイミング
α₁，α₂，α₃，α_n 係数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】