JP2010127839A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＷ変調信号で強度変調されたレーザ光信号を送受して距離計測を行うとともに、先見情報を利用して１周期ごとの不確定性を除去することにより、正確な距離を検出可能なレーザレーダ装置を得る。
【解決手段】ＧＰＳ１０と、ＩＮＳ１１と、地図情報保存部１２と、光源１と、光源１からのレーザ光信号に対してＣＷ変調信号により強度変調をかける光強度変調器２と、強度変調されたレーザ光信号３０ａをターゲット３０に向けて送信するとともに、ターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを受信する送信光学系５および受信光学系６と、散乱光信号３０ｂを強度検波して電気信号に変換する光受信機７と、ＣＷ変調信号と受信信号との位相差Δφを検出する位相検波器８と、位相差Δφと先見情報とに基づいて、ターゲット３０までの距離Ｌを検出する距離検出器９とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：連続波）からなるＣＷ変調信号で強度変調されたＣＷレーザ光信号（以下、単に「レーザ光信号」ともいう）を、ターゲットに対して送受して受信光（ＣＷ受信信号）を強度検波し、ＣＷ変調信号と検波により得られた受信信号の位相差に基づいて、装置からターゲットまでの間（以下、「装置−ターゲット間」という）の距離を計測するレーザレーダ装置に関するものである。

従来から、この種のレーザレーダ装置は、レーザ光信号に強度変調をかけて空間中に送信し、ターゲットからの散乱光を受信して強度検波し、送受間の変調成分の位相差を利用して、装置−ターゲット間の距離を計測している（たとえば、特許文献１参照）。

特開平９−１５３３４号公報

従来のレーザレーダ装置では、特許文献１に記載の技術の場合、変調周波数の１周期に相当する装置−ターゲット間の距離ごとに同じ位相が生じるので、たとえば変調周波数に１ＭＨｚを使用した場合に、装置−ターゲット間の距離が１５０ｍだけ変化するごとに同じ位相が生じてしまい、受信信号の位相から、距離を一義的に決定することができないという課題があった。
また、従来のレーザレーダ装置では、上述した原理的に生じる測距値の不確定性を回避する手段がないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＣＷ変調信号で強度変調されたレーザ光信号を送受して距離計測を行うとともに、位置情報、姿勢情報および地図情報などの先見情報を利用して１周期ごとの不確定性を除去することにより、正確な距離を検出可能なレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明によるレーザレーダ装置は、地球上の位置情報を生成するＧＰＳと、慣性航法のための姿勢情報を生成するＩＮＳと、地図情報を保存している地図情報保存部と、レーザ光信号を発生する光信号発生手段と、光信号発生手段からのレーザ光信号に対してＣＷ変調信号により強度変調をかける光強度変調手段と、光強度変調手段により強度変調されたレーザ光信号をターゲットに向けて送信するとともに、ターゲットからの散乱光信号を受信する光学系手段と、ターゲットからの散乱光信号を強度検波して電気信号からなる受信信号に変換する光受信手段と、ＣＷ変調信号と受信信号との位相差を検出する位相検波手段と、位相検波手段により検出された位相差と、ＧＰＳ、ＩＮＳおよび地図情報保存部から得られた位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの１つ以上の先見情報とに基づいて、ターゲットまでの距離を検出する距離検出手段とを備えたものである。

この発明によれば、ＣＷ変調信号で強度変調されたレーザ光信号を送受して距離計測を行うとともに、先見情報を利用して１周期ごとの不確定性を除去することにより、正確な距離を検出することができる。

実施の形態１．
以下、図１〜図３を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を模式的に示すブロック図であり、航空機１４に搭載されたレーザレーダ装置１３の例を示している。

図１において、レーザレーダ装置１３は、光源１と、光強度変調器２と、発振器３と、分配器４と、送信光学系５と、受信光学系６と、光受信機７と、位相検波器８と、距離検出器９と、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）１０と、ＩＮＳ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ：慣性航法システム）１１と、地図情報保存部１２とを備えている。

なお、図１では、一例として、レーザレーダ装置１３のシステム全体を航空機１４に搭載しているが、たとえば、衛星に搭載してもよく、また、地上に設置してもよい。
図１において、光源１と光強度変調器２との間の伝送手段、光強度変調器２と送信光学系５との間の伝送手段、および、受信光学系６と光受信機７との間の伝送手段は、それぞれ光回路（たとえば、光ファイバ）により構成されている。

分配器４は、入力端子が発振器３に接続され、出力端子が光強度変調器２および位相検波器８に接続されており、発振器３から入力されるＣＷ変調信号を、光強度変調器２および位相検波器８に分配入力する。
位相検波器８は、入力端子が光受信機７に接続され、出力端子が距離検出器９に接続されている。また、距離検出器９は、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２に接続されている。発振器３、分配器４、位相検波器８〜地図情報保存部１２の相互間の接続手段は、それぞれ電気信号線により構成されている。

光源１は、レーザ光信号を発生して送信する機能を有する。
光強度変調器２は、分配器４を介して入力される発振器３からのＣＷ変調信号に基づいて、光源１からのレーザ光信号に対してＣＷの強度変調をかける機能を有する。
なお図１では、光源１からのレーザ光信号を光強度変調器２で変調する構成としたが、光強度変調器２を用いずに、光源１に対して直接変調をかける構成としてもよい。

送信光学系５は、光強度変調器２により変調されたレーザ光信号を、所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して、空間中に存在するターゲット３０（たとえば、地面）に向けてレーザ光信号３０ａを放射する機能を有する。
一方、受信光学系６は、ターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを受信して、ＣＷ受信信号（以下、単に「受信信号」ともいう）として光受信機７に送る機能を有する。

光受信機７は、受信光学系６を介して受信したターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを強度検波して電気信号に変換し、位相検波器８に送る機能を有する。
位相検波器８は、光受信機７からの受信信号と、分配器４を介して入力される発振器３からのＣＷ変調信号との位相検波を行い、両信号の位相差Δφを検出して距離検出器９に送る機能を有する。

ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２は、それぞれ、飛行位置、飛行姿勢および地図情報などの各種情報を、先見情報として距離検出器９に送る機能を有する。
距離検出器９は、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２から得られる先見情報のうち、いずれか１つ以上の先見情報を用いて、位相検波器８からの位相差情報を信号処理することにより、装置−ターゲット間の距離Ｌを求める機能を有する。

次に、図１に示したこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。
まず、光源１は、光強度変調器２に対してＣＷレーザ光信号を送信する。
また、これと並行して、発振器３は、或る変調周波数ｆｍのＣＷ変調信号を発生させ、分配器４は、ＣＷ変調信号を２分配して、一方のＣＷ変調信号を光強度変調器２に入力し、他方のＣＷ変調信号を位相検波器８に入力する。

これにより、光強度変調器２は、光源１からのレーザ光信号に対して、ＣＷ変調信号を用いて変調周波数ｆｍの強度変調をかけ、強度変調されたレーザ光信号を送信光学系５に入力する。続いて、送信光学系５は、光強度変調器２から送信されたレーザ光信号を、所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して放射用のレーザ光信号３０ａとし、空間中のターゲット３０に向けて放射する。

次に、受信光学系６は、ターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを受信して光受信機７に送り、光受信機７は、受信信号を強度検波することにより、電気信号からなる受信信号に変換して位相検波器８に入力する。
このとき、送信光学系５および受信光学系６は、ＣＷ変調信号で強度変調されたレーザ光信号３０ａおよび散乱光信号３０ｂを送受しているので、受信信号は、変調周波数ｆｍのＣＷ信号となる。

図２はＣＷ変調信号と受信信号との関係を模式的に示す説明図である。
図２から分かるように、ＣＷ変調信号および受信信号は、変調周波数ｆｍからなるＣＷ信号であるが、受信信号には、ＣＷ変調信号に対して遅延時間τ（位相差Δφを含む）が生じる。
このとき、両信号間の位相差Δφは、装置−ターゲット間の距離Ｌに相当しており、光速度ｃおよび距離Ｌを用いて、以下の式（１）で与えられる。

Δφ＝２π×（２Ｌ／ｃ）×ｆｍ［ｒａｄ］ ・・・（１）

ただし、式（１）から明らかなように、位相差Δφは、ＣＷ変調信号の変調周波数ｆｍの１周期に相当する距離ごとに同じ位相差が生じるので、不確定性を有する。
続いて、位相検波器８は、光受信器６からの受信信号とＣＷ変調信号とを位相検波し、ＣＷ変調信号と受信信号との位相差Δφを検出して、位相差情報を距離検出器９に入力する。

一方、ＧＰＳ１０およびＩＮＳ１１は、飛行位置および飛行姿勢を計測し、地図情報保存部１２からの地図情報とともに、先見情報として距離検出器９に入力する。
距離検出器９は、まず、先見情報に基づいて装置−ターゲット間の概略距離（真値が取り得る範囲）を予測し、続いて、位相検波器８からの位相差情報に基づいて、真の距離Ｌを検出する。

図３は距離Ｌと位相差Δφとの関係を模式的に示す説明図である。
図３において、位相差Δφは、ＣＷ変調信号（変調周波数ｆｍ）の１周期Ｔｍ（＝１／ｆｍ）に対応した距離Ｌごとに、周期的に範囲「０〜２π」内で変化する。
したがって、検出位相（破線参照）に対する距離Ｌの真値（黒四角点）のみならず、１周期Ｔｍごとの不確定性により、複数の候補点（黒丸点）が発生する。

上述したように、単に位相差Δφのみから距離Ｌを求めようとすると、変調周波数ｆｍの１周期Ｔｍごとに不確定性（黒丸点）が生じる。
しかし、距離検出器９で予測する概略距離の予測精度の範囲（図３内の１点鎖線枠）が周期Ｔよりも小さければ、この予測範囲における位相差Δφと距離Ｌとの対応関係は「１対１」となり、位相差情報から一義的に真値（黒四角点）の距離Ｌを特定して測定することが可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図３）に係るレーザレーダ装置は、地球上の位置情報を生成するＧＰＳ１０と、慣性航法のための姿勢情報を生成するＩＮＳ１１と、地図情報を保存している地図情報保存部１２と、レーザ光信号を発生する光源（光信号発生手段）１と、光源１からのレーザ光信号に対してＣＷ変調信号により強度変調をかける光強度変調器２と、光強度変調器２により強度変調されたレーザ光信号３０ａをターゲット３０に向けて送信するとともに、ターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを受信する送信光学系５および受信光学系６（光学系手段）と、ターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを強度検波して電気信号からなる受信信号に変換する光受信機７と、ＣＷ変調信号と受信信号との位相差Δφを検出する位相検波器８と、位相検波器８により検出された位相差Δφと、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２から得られた位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの１つ以上の先見情報とに基づいて、ターゲット３０までの距離Ｌを検出する距離検出器９とを備えている。

距離検出器９は、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２からの先見情報のうちのいずれか１つ以上の情報に基づいて、装置−ターゲット間の距離Ｌに関する概略予測を行うとともに、ＣＷ変調信号で強度変調されたレーザ光信号３０ａおよび散乱光信号３０ｂを送受して、ＣＷ変調信号と受信信号との位相差Δφを利用して距離Ｌを計測する。
このように、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２からの先見情報を利用して概略距離を予測することにより、位相差Δφを利用した距離計測時に原理的に生じるＣＷ変調信号の１周期ごとの不確定性を除去して、一義的に正確な距離Ｌを検出することができる。

また、発振器１に関連した周波数設定手段（図示せず）を設け、位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの１つ以上の先見情報の精度に応じてＣＷ変調信号の変調周波数ｆｍを可変設定するように構成してもよい。
この場合、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２の情報精度が、時刻や場所によって変化する場合においても、先見情報の精度を把握しておき、さらに変調周波数の１波長を、予測精度以上となるように可変設定することにより、予測範囲（図３内の１点鎖線枠）が１周期Ｔ以下となるので、確実に高精度の測距機能を実現することが可能となる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、空間中のガス濃度を検出する機能について言及しなかったが、図４のように、２つの光源１ａ、１ｂ、２つの光強度変調器２ａ、２ｂおよび２つの発振器３ａ、３ｂを用いて送受を行うとともに、光吸収量検出器１８およびガス濃度検出器１９を設け、装置−ターゲット間の計測対象ガスの濃度を計測するように構成してもよい。

以下、図４を参照しながら、この発明の実施の形態２について説明する。
図４はこの発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成を模式的に示すブロック図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図４において、レーザレーダ装置１３Ａは、公知の差分吸収ライダ装置（たとえば、特開２００７−２４８１２６号公報参照）の構成をベースとしており、２つの異なる波長のレーザ光信号３０ａおよび散乱光信号３０ｂを、ターゲット３０（図１参照）に対して送受して、装置−ターゲット間に存在する計測対象ガスの濃度を計測する。

この場合、光源は２つの光源１ａ、１ｂからなり、各光源１ａ、１ｂは、互いに異なる波長λＯＮ、λＯＦＦを有するＣＷレーザ光信号を個別に送信する。
同様に、光強度変調器は２つの光強度変調器２ａ、２ｂからなり、光強度変調器２ａ、２ｂには、各光源１ａ、１ｂからのレーザ光信号が個別に入力される。
また、発振器は、２つの発振器３ａ、３ｂからなり、各発振器３ａ、３ｂは、互いに異なる変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２のＣＷ変調信号を、光強度変調器２ａ、２ｂに個別に入力する。

光強度変調器２ａ、２ｂと送信光学系５との間には、光強度変調器２ａ、２ｂからのレーザ光信号を合波する光合波器１５と、光合波器１５からのレーザ光信号を増幅する光アンプ１６とが、直列に挿入されている。
また、光受信機７と位相検波器８との間には、分配器４ａ、フィルタ１７ｂおよび分配器４ｂが、直列に挿入されている。

分配器４ａの他方の出力端子には、フィルタ１７ａを介して光吸収量検出器１８が接続されている。分配器４ｂの他方の出力端子には、光吸収量検出器１８が接続されている。
光吸収量検出器１８の出力端子には、ガス濃度検出器１９が接続されている。
距離検出器９で検出された装置−ターゲット間の距離Ｌは、ガス濃度検出器１９に入力されている。

図４において、光源１ａと光強度変調器２ａとの間の伝送手段、光源１ｂと光強度変調器２ｂとの間の伝送手段、光合波器１５と光強度変調器２ａ、２ｂおよび光アンプ１６との間の伝送手段、光アンプ１６と送信光学系５との間の伝送手段、および、受信光学系６と光受信機７との間の伝送手段は、全て光回路線（たとえば、光ファイバ）により構成されている。

一方、発振器３ａと光強度変調器２ａとの間の伝送手段、発振器３ｂと分配器４との間の伝送手段、分配器４と光強度変調器２ｂおよび位相検波器８との間の伝送手段、光受信機７と分配器４ａとの間の伝送手段、分配器４ａとフィルタ１７ａ、１７ｂとの間の伝送手段、フィルタ１７ｂと分配器４ｂとの間の伝送手段、フィルタ１７ａと光吸収量検出器１８との間の伝送手段、分配器４ｂと光吸収量検出器１８および位相検波器８との間の伝送手段、濃度検出器１９とガス吸収量検出器１８および距離検出器９との間の伝送手段、距離検出器９と位相検波器８、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２との間の伝送手段は、全て電線ケーブルにより構成されている。

光源１ａは波長λＯＮのレーザ光信号を送信し、光源１ｂは波長λＯＦＦのレーザ光信号を送信する。
このとき、計測対象ガスに関して、波長λＯＮは、吸収係数が大きい波長に設定されており、波長λＯＦＦは、吸収係数が小さい波長に設定されている。

また、発振器３ａは、変調周波数ｆｍ１のＣＷ変調信号を出力して光強度変調器２ａに送信し、発振器３ｂは、変調周波数ｆｍ２のＣＷ変調信号を出力して光強度変調器２ｂに送信する。ここで、変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２は、各々ベースバンド帯の周波数である。
光強度変調器２ａ、２ｂは、発振器３ａ、３ｂからのＣＷ変調信号により、光源１ａ、１ｂからの各レーザ光信号に強度変調をかける。

光合波器１５は、光強度変調器２ａ、２ｂからの強度変調されたレーザ光信号を合波して光アンプ１６に送信し、光アンプ１６は、光合波器１５からの合波された２波長のレーザ光信号を増幅した後、送信光学系５に送信する。

送信光学系５は、光アンプ１６からの増幅されたレーザ光信号を、所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して空間中に放射し、受信光学系６は、ターゲット３０からの散乱光信号３ｂを受信して光回路線（光ファイバ）に結合させ、光受信機７に送信する。
光受信機７は、受信光学系９を介して受信した散乱光信号３０ｂを強度検波して電気信号に変換し、分配器４ａに送信する。分配器４ａは、光受信機７からの電気信号を２分配して、一方をフィルタ１７ａに送信し、他方をフィルタ１７ｂに送信する。

フィルタ１７ａ、１７ｂは、分配器４ａからの電気信号（受信信号）をフィルタリングし、フィルタ１７ａの出力信号（ｆｍ１）は、ガス吸収量検出器１８に直接入力され、フィルタ１７ｂの出力信号（ｆｍ２）は、分配器４ｂを介してガス吸収量検出器１８に入力される。

フィルタ１７ａ、１７ｂは、所定の周波数成分のみを抽出するバンドパスフィルタであり、フィルタ１７ａが抽出する周波数値は、発振器３ａからのＣＷ変調信号の変調周波数ｆｍ１に設定され、フィルタ１７ｂが抽出する周波数値は、発振器３ｂからのＣＷ変調信号の変調周波数ｆｍ２に設定されている。

分配器４は、発振器３ｂからのＣＷ変調信号（ｆｍ２）の一部をタップして位相検波器８に送信し、分配器４ｂは、フィルタ１７ｂからの出力信号（ｆｍ２）の一部をタップして位相検波器８に送信する。
位相検波器８は、分配器４、４ｂからの各信号を位相検波して、両信号間の位相差Δφを検出して距離検出器９に入力する。

以下、前述と同様に、距離検出器９は、ＧＰＳ１０からの位置情報、ＩＮＳ１１からの飛行姿勢情報、地図情報保存部１２からの地図情報のうちのいずれか１つ以上と、位相検波器８からの位相差Δφの情報とを用いて、装置−ターゲット間の距離Ｌを計測する。

一方、光吸収量検出器１８は、フィルタ１７ａ、１７ｂからのフィルタリング出力信号を信号処理し、大気中に存在する計測対象ガスによる光吸収量を求める。
濃度検出器１９は、光吸収量検出器１８で求めた計測対象ガスによる光吸収量と、距離検出器９で求めた距離Ｌとから、装置−ターゲット間における計測対象ガスの濃度を算出する。

次に、図４に示したこの発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。
まず、光源１ａ、１ｂから２波長のＣＷレーザ光信号を送信し、光強度変調器２ａ、２ｂに入力する。続いて、発振器３ａ、３ｂから、互いに異なる２つの変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２を有するＣＷ変調信号を出力し、各々を光強度変調器２ａ、２ｂに送信する。

このとき、発振器３ｂからのＣＷ変調信号に関しては、その一部を分配器３ａによりタップして位相検波器８に送信する。
光強度変調器２ａ、２ｂは、発振器３ａ、３ｂからの各ＣＷ変調信号に基づいて、光源１ａ、１ｂからのＣＷレーザ光信号に強度変調をかける。
これにより、光源１ａからの波長λＯＮを有する送信用のレーザ光信号については、変調周波数ｆｍ１で強度変調され、光源１ｂからの波長λＯＦＦを有する送信用のレーザ光信号については、変調周波数ｆｍ２で強度変調される。

次に、光合波器１５は、光強度変調器２ａ、２ｂからの強度変調されたレーザ光信号を合波して光アンプ１６に送信し、光アンプ１６は、光合波器１５からの合波された２波長のレーザ光信号を増幅して送信光学系５に送信する。
送信光学系５は、レーザ光信号を所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して、空間中にレーザ光信号３０ａを放射する。

空間中に放射されたレーザ光信号３０ａのうち２波長の信号間には、計測対象ガスに関する吸収係数が異なることから、空間中を伝搬する過程における減衰量に差が生じる。したがって、２波長のレーザ光信号間では、装置−ターゲット間の往復伝搬過程において減衰量の差が生じる。
つまり、同一の送信パワーで２波長のレーザ光信号を送信したとしても、受信光量においては、２波長の信号間で減衰量の差が生じる。

受信光学系６は、ターゲット３０からの散乱光信号３０ｂを受信し、光回路線（光ファイバ）に結合させて光受信機７に送信する。
次に、光受信機７は、受信光学系６を介して受信した受信光を強度検波して電気信号に変換し、分配器４ａに送信する。

このとき、レーザ光信号の放射時に、波長λＯＮの成分については変調周波数ｆｍ１で変調され、波長λＯＦＦの成分については変調周波数ｆｍ２で変調されているので、光受信機７からの電気信号においても、波長λＯＮの成分については変調周波数ｆｍ１を有し、波長λＯＦＦの成分については変調周波数ｆｍ２を有することになる。なお、上述したように、変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２は、ベースバンド帯の周波数である。

光受信機７のトランスインピーダンスゲインは、受信周波数帯を低くすることにより、高いゲイン値に設定可能なことが知られている。したがって、変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２をベースバンド帯に設定することにより、光受信機７のトランスインピーダンスゲインを大きく設定して、光受信感度を高くし、高い受信Ｓ／Ｎ比を実現することが可能となる。

次に、分配器４ａは、光受信機７からの電気信号を分配し、一方をフィルタ１７ａに送信し、他方をフィルタ１７ｂに送信する。
フィルタ１７ａ、１７ｂは、分配器４ａからの電気信号をフィルタリングし、光吸収量検出器１８に送信する。

このとき、フィルタ１７ａは変調周波数ｆｍ１の成分のみを抽出し、フィルタ１７ｂは変調周波数ｆｍ２の成分のみを抽出するので、フィルタ１７ａからのフィルタリング出力信号（ｆｍ１）は、波長λＯＮの成分となり、フィルタ１７ｂからのフィルタリング出力信号（ｆｍ２）は、波長λＯＦＦの成分となる。
分配器４ｂは、フィルタ１７ｂからの出力信号の一部をタップして、位相検波器８に送信する。

光吸収量検出器１８は、２つのフィルタ１７ａ、１７ｂからの出力信号を用いて、装置−ターゲット間における計測対象ガスによる光吸収量を求める。
具体的には、まず、２つのフィルタ１７ａ、１７ｂからの各出力信号をＡ／Ｄ変換することにより、２つのデジタル信号の時間波形を変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２の信号とする。

次に、２つのデジタル信号の時間波形の振幅を比較する。
このとき、装置−ターゲット間の空間に計測対象ガスがほとんど存在しない場合には、２波長が空間中の伝搬過程において受ける吸収の影響は、いずれもほとんど発生しないので、２つの時間波形の振幅はほぼ同じとなる。

一方、装置−ターゲット間の空間に、計測対象ガスが大きい濃度で存在する場合には、２波長が空間中の伝搬過程において受ける吸収の影響は大きく、これにともない、２つのデジタル信号の時間波形の振幅にも大きな差が生じる。
具体的には、波長λＯＮに対応する変調周波数ｆｍ１の成分の時間波形の振幅が、波長λＯＦＦに対応する変調周波数ｆｍ２の成分の時間波形の振幅よりも顕著に小さくなる。

２つのデジタル信号の時間波形の振幅の差異は、２波長λＯＮ、λＯＦＦの受信光量の差異と対応づけることができ、この受信光量の差異は、２波長の空間中における計測対象ガスに関する吸収量の差異に対応づけることができる。
すなわち、吸収量の差異は、装置−ターゲット間における計測対象ガスの分子数に相当し、光吸収量検出器１８は、計測対象ガスの分子数を光吸収量情報としてガス濃度検出器１９に入力する。

位相検波器８は、分配器４、４ｂからのＣＷ変調信号と受信信号との位相差Δφを求めるが、前述のように、位相差Δφは、距離Ｌに相当するものの、変調周波数ｆｍ２の１周期に相当する距離ごとに同じ位相が出現するので、不確定性を有する。
したがって、前述と同様に、位相差Δφに基づく距離検出時の不確定性を、ＧＰＳ１０、ＩＮＳ１１および地図情報保存部１２からの先見情報に基づく予測範囲（図３内の１点鎖線枠）を用いて除去する。

次に、濃度検出器１９は、光吸収量検出器１８で求めた装置−ターゲット間における計測対象ガスの分子数と、距離検出器９で求めた装置−ターゲット間の距離Ｌとから、装置−ターゲット間の計測対象ガスの濃度を算出する。

以上のように、この発明の実施の形態２（図４）に係るレーザレーダ装置は、距離検出器９により検出されたターゲット３０までの距離Ｌに基づいて、ターゲット３０までの間に存在する計測対象ガスの濃度を検出するガス濃度検出器１９を備えている。
この場合、光信号発生手段は、互いに異なる波長λＯＮ、λＯＦＦを有する複数のレーザ光信号を発生する複数の光源１ａ、ｂを含む。

同様に、光強度変調手段は、複数のレーザ光信号の各波長成分に対して、互いに異なる変調周波数ｆｍ１、ｆｍ２のＣＷ変調信号で強度変調をかける複数の光強度変調器２ａ、２ｂを含む。
光学系手段は、複数の光強度変調器２ａ、２ｂからの各レーザ光信号を合波してターゲット３０に送信する送信光学系５と、ターゲット３０からの散乱光信号を受信する受信光学系６とを含む。

光受信手段は、受信光学系６から得られる受信信号から、強度変調に使用した複数の周波数成分を抽出する複数のフィルタ１７ａ、１７ｂと、複数のフィルタ１７ａ、１７ｂにより抽出された各周波数成分の振幅または強度の差異から、計測対象ガスによる光吸収量を検出する光吸収量検出器１８とを含む。
ガス濃度検出器１９は、ターゲット３０までの距離Ｌと光吸収量検出器１８により検出された光吸収量とに基づいて、計測対象ガスの濃度を求める。

これにより、公知の差分吸収ライダ装置の構成をベースとして、さらに装置−ターゲット間の距離Ｌを検出する機能をさらに実現することができる。
また、公知の差分吸収ライダ装置では、光吸収量から装置−ターゲット間の計測対象ガスの濃度を求める際に、装置−ターゲット間の距離Ｌを知るための別の装置を必要としていたが、この発明の実施の形態２によれば、距離検出器９を付加することにより、別の装置を不要として、単一のレーザレーダ装置により、装置−ターゲット間の距離Ｌを検出するとともに、計測対象ガスの濃度を求めることが可能となる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２（図１、図４）では、分配器４を用いてタップすることにより、発振器３、３ｂからのＣＷ変調信号を位相検波器８に分岐導入したが、図５のように、実際に送信放射されるレーザ光信号の一部をタップして、位相検波器８に分岐導入してもよい。

以下、図５を参照しながら、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置について説明する。ここでは、代表的に、前述の実施の形態２（図４）の構成に適用した場合を示している。
図５はこの発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置を示すブロック図であり、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図５において、光アンプ１６の出力側には、光分配器２０が挿入されており、光分配器２０と位相検波器８との間には、モニタ光受信機２１およびフィルタ１７ｃが挿入されている。
光分配器２０は、送信用のレーザ光信号の一部をタップして、分岐したレーザ光信号をモニタ光受信機２１に入力する。

モニタ光受信機２１は、光分配器２０を介してタップされたレーザ光信号を、電気信号に変換してフィルタ１７ｃに入力する。
フィルタ１７ｃは、通過周波数が変調周波数ｆｍ２に設定されたバンドパスフィルタからなり、変調周波数ｆｍ２の成分を抽出して位相検波器８に入力する。
これにより、位相検波器８は、送信時の変調周波数ｆｍ２の成分と、受信信号における変調周波数ｆｍ２の成分との位相差Δφを求めることができる。

以上のように、この発明の実施の形態３によれば、光強度変調器９からのレーザ光信号（ＣＷ変調信号）、または光合波器１５で合波されたレーザ光信号の一部をモニタ信号として抽出するモニタ光受信機２１を備え、位相検波器８は、モニタ光受信機２１により抽出されたモニタ信号と、受信信号から抽出された成分のうちのモニタ信号と同じ変調周波数を有する成分との位相差Δφを検出するので、分配器４を用いることなく、前述と同様の作用効果を奏する。

なお、前述の実施の形態２で述べたように、光受信機７で電気信号に変換した後の処理を全てデジタル領域で実行してもよい。すなわち、光受信機７からの電気信号と、位相検波器８に入力されるＣＷ変調信号の一部をタップしたものを直接ＡＤ変換すれることにより、前述の実施の形態２の場合と同じ動作をデジタル領域で行うことも可能である。

この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるＣＷ変調信号と受信信号との間に生じる位相差を示す説明図である。 この発明の実施の形態１における位相差とターゲットまでの距離との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置を示すブロック図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 光源、２、２ａ、２ｂ 光強度変調器、３、３ａ、３ｂ 発振器、４、４ａ、４ｂ 分配器、５ 送信光学系、６ 受信光学系、７ 光受信機、８ 位相検波器、９ 距離検出器、１０ ＧＰＳ、１１ ＩＮＳ、１２ 地図情報保存部、１３、１３Ａ、１３Ｂ レーザレーダ装置、１４ 航空機、１５ 光合波器、１６ 光アンプ、１７ａ〜１７ｃ フィルタ、１８ 光吸収量検出器、１９ 濃度検出器、２０ 光分配器、２１ モニタ光受信機、３０ ターゲット、３０ａ レーザ光信号、３０ｂ 散乱光信号、Δφ 位相差。

Claims (5)

1. 地球上の位置情報を生成するＧＰＳと、
   慣性航法のための姿勢情報を生成するＩＮＳと、
   地図情報を保存している地図情報保存部と、
   レーザ光信号を発生する光信号発生手段と、
   前記光信号発生手段からのレーザ光信号に対してＣＷ変調信号により強度変調をかける光強度変調手段と、
   前記光強度変調手段により強度変調されたレーザ光信号をターゲットに向けて送信するとともに、前記ターゲットからの散乱光信号を受信する光学系手段と、
   前記ターゲットからの散乱光信号を強度検波して電気信号からなる受信信号に変換する光受信手段と、
   前記ＣＷ変調信号と前記受信信号との位相差を検出する位相検波手段と、
   前記位相検波手段により検出された位相差と、前記ＧＰＳ、前記ＩＮＳおよび前記地図情報保存部から得られた位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの１つ以上の先見情報とに基づいて、前記ターゲットまでの距離を検出する距離検出手段と
   を備えたレーザレーダ装置。
2. 前記距離検出手段は、前記ＣＷ変調信号で強度変調されたレーザ光信号を送受して前記ターゲットまでの距離を計測するとともに、前記先見情報を利用して概略距離を予測することにより、前記ＣＷ変調信号の１周期ごとの不確定性を除去して前記距離を検出することを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
3. 前記ＣＷ変調信号の変調周波数を可変設定する周波数設定手段を備え、
   前記周波数設定手段は、前記先見情報の精度に応じて、前記ＣＷ変調信号の１周期が前記概略距離の予測範囲以上となるように、前記ＣＷ変調信号の変調周波数を可変設定することを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。
4. 前記距離検出手段により検出された前記ターゲットまでの距離に基づいて、前記ターゲットまでの間に存在する計測対象ガスの濃度を検出するガス濃度検出手段を備え、
   前記光信号発生手段は、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光信号を発生する複数の光信号発生手段を含み、
   前記光強度変調手段は、前記複数のレーザ光信号の各波長成分に対して、互いに異なる変調周波数のＣＷ変調信号で強度変調をかける複数の光強度変調手段を含み、
   前記光学系手段は、
   前記複数の光強度変調手段からの各レーザ光信号を合波して前記ターゲットに送信する送信光学系と、
   前記ターゲットからの散乱光信号を受信する受信光学系と、を含み、
   前記光受信手段は、
   前記受信光学系から得られる受信信号から、前記強度変調に使用した複数の周波数成分を抽出する複数のフィルタ手段と、
   前記複数のフィルタ手段により抽出された各周波数成分の振幅または強度の差異から、前記計測対象ガスによる光吸収量を検出する光吸収量検出手段と、を含み、
   前記ガス濃度検出手段は、前記ターゲットまでの距離と前記光吸収量検出手段により検出された光吸収量とに基づいて、前記計測対象ガスの濃度を求めることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
5. 前記光強度変調手段からのレーザ光信号、または前記送信光学系で合波されたレーザ光信号の一部をモニタ信号として抽出するモニタ光受信手段を備え、
   前記位相検波手段は、前記モニタ光受信手段により抽出されたモニタ信号と、前記受信信号から抽出された成分のうちの前記モニタ信号と同じ周波数を有する成分との位相差を検出することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。

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