JP2013238474A - レーザーレーダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コヒーレントレーザー光源を使用した周波数変調方式により、測定環境の光伝搬特性に合わせて送信光の波長変換を必要とする場合でも目標までの距離及び目標の速度の計測を高い精度かつ簡単に行うことができるレーザーレーダー装置を提供する。
【解決手段】コヒーレントレーザー光源１からのコヒーレントレーザーを所定の変調周波数及び変調帯域幅で周波数変調する周波数変調器２と、コヒーレントレーザーの波長を変換する波長変換素子４と、コヒーレントレーザーを局発光と目標体３０に出力する送信光に分配する第１の光分配器５と、送信光の目標体３０からの反射光と局発光を合波する光混合器８と、光信号を電気信号に変換する受光器９と、光混合器８からの電気信号に変換された出力電気信号を受信すると共に出力電気信号に基づいて目標体３０までの距離と目標体３０の速度を演算する信号処理部１０とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、目標体までの距離と目標体の速度を計測するレーザーレーダー装置に関するものである。

目標体までの距離と目標体の速度を同時に計測するレーザーレーダー装置としては、例えば特許文献１に記載されたような、パルスレーザー光の送信時間と目標体からの反射光の受信時間との差から距離を算出し、反射光と局発光をミキシングすることにより発生するビート信号から得られるドップラー周波数から速度を算出する装置が知られている。

国際公開第２００４／０６１４７６号

ここで、測定環境の光伝搬特性に合わせて波長変換を必要とするような状況において、特許文献１などの従来のレーザーレーダー装置により、目標体までの距離と目標体の速度の計測を実施する場合、例えば、コヒーレントレーザー光源から出力されるコヒーレントレーザー光を必要な波長領域の波長に波長変換した後に、パルス変調する方法が考えられる。
しかしながら、この場合、パルス変調することによって、本来使用可能な光源のエネルギーを１００％使用することができなくなり、計測に許容される信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）を維持できる測定領域が制約される要因となり、また、消費電力の観点からも非効率なシステムになるという課題があった。

また、パルス変調を必要としない方法として、光源としてパルスレーザー光源を使用し、パルスレーザー光源から出力されるパルスレーザーを直接必要な波長領域の波長に波長変換して、目標体までの距離と目標体の速度を計測する方法があるが、ビート信号を発生させるために必要なコヒーレントな局発光を前記パルスレーザー光源から生成することが困難であり、反射光と局発光をミキシングすることができないという課題があった。

また、上述したコヒーレントな局発光を生成できないという課題を解決するために、送信光用のパルスレーザー光源とは別に局発光用のコヒーレントレーザー光源を備えた構成とする場合、パルスレーザー光源とコヒーレントレーザー光源の位相の同期をとる必要があり、レーザーレーダー装置とは別に、光源を制御するシステムが必要になり、システム全体の規模が大きくなるという課題があった。

また、上記の他にも実運用における課題として測定環境中に浮遊する不要信号要因からの信号を目標体の信号と誤認識して距離及び速度を誤検出するという課題があった。不要信号要因としては、海中におけるマリンスノーや海中生物、空気中における雨、雪、氷、エアロゾルなどがある。

本発明は、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、コヒーレントレーザー光源を使用した周波数変調方式により、測定環境の光伝搬特性に合わせて送信光の波長変換を必要とするような場合で、測定環境中に不要信号要因が浮遊するような状況においても目標体までの距離及び目標体の速度の計測を高い精度でかつ容易に行うことができるコヒーレントレーザー光源を使用した周波数変調方式によるレーザーレーダー装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、コヒーレントレーザーを出力するコヒーレントレーザー光源と、コヒーレントレーザーを所定の変調周波数及び変調帯域幅で周波数変調する周波数変調器と、コヒーレントレーザーの波長を変換する波長変換素子と、コヒーレントレーザーを局発光と目標体に向けて出力される送信光に分配する光分配器と、送信光の目標体からの反射光と局発光を合波する光混合器と、光信号を電気信号に変換する受光器と、光混合器からの電気信号に変換された出力電気信号を受信すると共に出力電気信号に基づいて目標体までの距離と目標体の速度を演算する信号処理部とを備えるものである。

本発明に係わるレーザーレーダー装置によれば、光源の波長帯を測定環境の光伝搬特性に合わせて波長変換する必要がある場合においても、コヒーレントレーザー光源の周波数変調方式によって目標体までの距離及び目標体の速度の検出を容易に、かつ、高精度に行うことができる。また、測定環境に目標体以外の不要信号要因、例えば、海中におけるマリンスノーや海中生物、空気中における粒径の大きい雨、雪、氷、エアロゾルなどが存在する場合においても受信信号の中から目標体の信号だけを抽出して、目標体までの距離及び目標体の速度を容易に、かつ高い精度での検出することができる。

本発明の実施の形態１によるレーザーレーダー装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１によるレーザーレーダー装置の信号処理部の動作を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１によるレーザーレーダー装置の内部で得られる送受信光の周波数変化とビート周波数の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１によるレーザーレーダー装置において不要信号要因からの反射光と目標体からの反射光について説明する図である。 本発明の実施の形態１によるレーザーレーダー装置において不要信号要因からの反射光と目標体からの反射光とを分別する原理を説明する図である。 本発明の実施の形態１によるレーザーレーダー装置の信号処理部の回路構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態によるレーザーレーダー装置の信号処理部の回路構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーザーレーダー装置について図１〜図６を用いて説明する。

図１は、この発明の実施の形態１に係わるレーザーレーダー装置の全体構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係わるレーザーレーダー装置は、コヒーレントレーザー光源１と周波数変調器２と光増幅器３と波長変換素子４で構成される光源部４０と、第１の光分配器５と第２の光分配器６と送受信光学系７と光混合器８と受光器９から構成される光学部５０と、信号処理部１０を有している。

図１において、コヒーレントレーザー光源１は連続波のレーザーを出力する機能を有している。出力されたレーザー光はレーザー光の周波数を変調する機能を有する周波数変調器２により所定の変調周波数及び変調帯域幅で周波数変調されるようになっている。本実施の形態の構成では、コヒーレントレーザー光源１として狭線幅のＤＦＢ半導体レーザーを使用し、周波数変調器２として半導体レーザーの駆動電流変調装置を使用して駆動電流を変調することでコヒーレントレーザー光源１に周波数変調を印加するようになっている。

因みに、従来の技術では、周波数変調を行うには光の波長変換後に音響光学素子により周波数変調を実施せざるを得ず、数ＭＨｚ程度の狭い周波数帯域でしか変調できない上に目標体３０に照射する光量も音響光学素子での損失を避けることができなかった。しかし、本実施の形態の構成にすることで、光源を直接周波数変調した後に波長変換することが可能となり、波長変換後の照射光量を損失させることなく、容易に数ＧＨｚの広い帯域で周波数変調することができ、距離分解能を向上させることができる。

変調されたレーザー光は、光エネルギーを増幅する機能を有する光増幅器３によって目標体３０までの距離及び目標体３０の速度検出に必要なエネルギーレベルまで増幅するようになっている。なお、このときのエネルギーレベルは、次段で実施する波長変換に必要なレベルを十分に満たしており、かつ目標体３０までの距離及び目標体３０の速度の検出に必要なＳ／Ｎのレベルを満足するレベルとなっている。光増幅器３としては、例えばファイバ型光増幅器を用いることで容易に実施することができる。

光増幅されたレーザー光は非線形光学効果により光の波長を変換する機能を有する波長変換素子４により所定の波長帯域に波長変換される。例えば測定環境が可視光領域に良好な光伝搬特性を有する場合、波長変換素子に１．０μｍ帯のレーザー光を入射し、第二高調波を発生させ、５００μｍ帯の波長を発生させる方法がある。ここで、波長帯の異なる光源を２つ用意して和周波を発生させて実施してもよい。さらに、測定環境の光伝搬特性に合わせて長波長側へ波長変換する場合には、差周波を発生させてもよい。

光源部４０にて生成されたレーザー光は光学部５０に入力される。光学部５０では光を二方向へ分配する機能を有する第１の光分配器５よりその一部をヘテロダイン検波用の局発光として分岐される。目標体３０への照射用に分岐されたレーザー光は第２の光分配器６を経由して送受信光学系７から目標体３０に向けて照射される。なお、第２の光分配器６は送信光を送受信光学系７へ伝搬させ、受信光を光混合器８へ伝搬させる機能を有しており、例えば偏光ビームスプリッターを使用することができる。

送受信光学系７は、レーザー光を所定のビーム径及び拡がり角で目標体３０へ向けて出力する機能を有し、目標体３０から反射してくるレーザー光を集光する機能を有している。また、送受信光学系７の内部には波長板が組み込まれており、送信時と受信時でのレーザー光の偏光方向の違いから第２の光分配器６によって送受信光の伝搬方向を切り分けることが可能となる。

目標体３０で反射したレーザー光のうち、送受信光学系７へ入射した光は第２の光分配器６にて光混合器８に入力するよう導光される。光混合器８では、第１の光分配器５にて分岐された局発光と第２の光分配器６より入力される目標体３０からの反射光が合波される。受光器９は光信号を電気信号に変換する機能を有し、合波された光信号を光電変換する。光電変換された受信信号は、光学部５０より出力され、距離及び速度を演算する機能を有する信号処理部１０へ入力される。

ここで、信号処理部での信号処理フローについて図２を基に説明する。入力された受信信号は、周波数変換された後にパワースペクトルが最大となる周波数をビート信号の周波数として抽出する。ここで得られたビート信号の周波数ｆ_ｒは目標体３０までの距離Ｒの情報を含んでおり、周波数変調の繰り返し周波数ｆ_ｍと周波数変調幅Δｆと光速ｃから以下の関係にて演算することができる。

なお、目標体３０が相対的に運動している場合は、その相対速度に応じたドップラー効果により、図３に示すように受信信号のビート周波数はコヒーレントレーザー光源１の周波数がアップチャープ時には減少し、ダウンチャープ時には増加する。この場合、変動するビート周波数ｆ₁，ｆ₂には距離に依存したビート周波数ｆ_ｒと速度に依存したドップラー周波数ｆ_ｄが重畳しており、式（２）に示すような関係がある。

ここで、アップチャープ時とダウンチャープ時でそれぞれの最大周波数となるスペクトルをビート信号の周波数として検出しておくことで、式（２）に基づき距離に依存したビート周波数ｆ_ｒと速度に依存したドップラー周波数ｆ_ｄを式（３）のように演算することで導出できる。

目標体３０の相対速度は、式（３）から演算されたドップラー周波数ｆｄと光速ｃと光源の光周波数ｆ０から式（４）のように演算することで導出できる。

なお、前述の周波数変調による距離及び速度の演算の説明では正弦波状の周波数チャープを印加した例を挙げているが、三角波状の周波数チャープなど種々の波形特性から最適な方法を選択するのが望ましい。

以上のように、受信信号が目標体３０からの反射光に起因する信号のみが存在する場合について述べたが、実際の測定環境では目標体３０までの光伝搬経路上にレーザー光を反射しうる物質が浮遊していることがあり、受信信号は単一のビート信号ではなくこれらの物質からの反射光に起因する複数のビート信号が重畳した信号となる。以下では、それらの不要な信号を切り分けるための方法について述べる。

図４、図５に示す通り、本レーザーレーダー装置と目標体３０の間に不要信号要因３１が浮遊している場合、本レーザーレーダー装置からレーザー光３２を送信すると、受信器に目標体３０からの反射光３３に不要信号要因３１からの反射光３４が重畳された形で入力される。しかし、不要信号要因３１は必ず目標体３０よりも前方に存在するので、式（１）の関係式から受信信号を周波数解析すると不要信号要因３１によるビート信号周波数は目標体３０のビート信号周波数よりも低い周波数となる。
したがって、得られた受信信号を周波数変換し、得られたパワースペクトルの中から常に最大周波数を抽出することで、不要信号要因が存在する環境下でも目標体３０からのビート信号を抽出することができ、目標体３０までの距離及び速度を検出することが可能となる。

図６に上記で述べた信号処理部内部の回路構成例を示す。受信信号は最初に高速Ａ／Ｄ変換回路１１にてデータサンプリングされる。サンプリングされたデータ群はＦＦＴ回路１２を通過し、周波数領域に信号変換される。変換された信号は信号群から最大周波数の信号を抽出する機能を有する最大周波数フィルタ回路１３に入力され、最大周波数の信号成分を抽出する。最大周波数の選択方法は、任意のレベルでしきい値を設定してもよいし、得られたパワースペクトルの平均値をしきい値として設定してもよく、設定されたしきい値以上の周波数成分のうち最大の周波数を選択する。

メモリ切替回路１４は、周波数変調器２から得られる周波数変調信号を基にアップチャープ時とダウンチャープ時のビート周波数情報の保存先切り替えを行う機能を有する。最大周波数フィルタ回路１３よりメモリ切替回路１４にビート周波数情報が入力されると、チャープの方向に応じてアップチャープ時データ処理回路１５あるいはダウンチャープ時データ処理回路１６に保存先を決定し、ビート周波数情報が出力される。アップチャープ時データ処理回路１５及びダウンチャープ時データ処理回路１６は、入力されたデータに対し移動平均を取る機能を有し、メモリ切替回路１４を経由して入力されたビート周波数情報に対して移動平均処理が行われる。各回路で処理されたアップチャープ時及びダウンチャープ時のビート周波数情報は、式（３）に基づく加減算により距離に依存したビート周波数を演算する機能を有するビート周波数演算回路１７と速度に依存したドップラー周波数を演算する機能を有するドップラー周波数演算回路１８にそれぞれ入力され、演算結果が乗算回路へ出力される。

距離演算回路１９は、周波数変調器２より送信される変調周波数幅Δｆと変調周波数ｆ_ｍの情報とビート周波数の値から式（１）に基づき距離Ｒを演算する機能を有し、ビート周波数演算回路１７から入力されたビート周波数情報を距離Ｒに演算処理する。

同様に速度演算回路２０は、光源の光周波数とドップラー周波数の値から式（４）に基づき速度Ｖを演算する機能を有し、ドップラー周波数演算回路１８から入力されたドップラー周波数情報を速度Ｖに演算処理する。

以上のように、実施の形態１によれば、コヒーレントレーザーを出力するコヒーレントレーザー光源１と、コヒーレントレーザーを所定の変調周波数及び変調帯域幅で周波数変調する周波数変調器２と、コヒーレントレーザーの波長を変換する波長変換素子４と、コヒーレントレーザーを局発光と目標体３０に向けて出力される送信光に分配する第１の光分配器５と、送信光の目標体３０からの反射光と局発光を合波する光混合器８と、光混合器８からの電気信号に変換された出力電気信号を受信すると共に出力電気信号に基づいて目標体３０までの距離と目標体３０の速度を演算する信号処理部１０とを備えるように構成したので、光源の波長帯を測定環境の光伝搬特性に合わせて波長変換する必要がある場合においても、コヒーレントレーザー光源の周波数変調方式によって目標体３０までの距離及び目標体３０の速度の検出を容易に、かつ、高精度に行うことができる。

また、実施の形態１によれば、信号処理部１０は、出力電気信号からの所定の閾値で抽出した最大周波数の演算信号に基づいて目標体３０までの距離と目標体３０の速度を演算するように構成したので、測定環境に目標体３０以外の海中におけるマリンスノーや海中生物、空気中における粒径の大きい雨、雪、氷、エアロゾルなどの不要信号要因が存在する場合においても受信信号の中から目標体３０の信号だけを抽出し、目標体３０までの距離及び目標体３０の速度を容易に、かつ高い精度で検出することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーザーレーダー装置について図１及び図７を用いて説明する。図７に示すものは、本発明における他の実施の形態であって、図１中の信号処理部１０の構成を実施の形態１とは異なる構成としたものである。

図７に示すＦＦＴ回路１２はＡ／Ｄ回路にてサンプリングされた受信信号を周波数変換する機能を有しており、周波数変換された受信信号を高周波側のデータから順次メモリ２１へ格納する。この時格納するメモリ番地順は周波数の昇順と一致しており、すなわちメモリ番地を情報として得ることでそこに格納されたデータの周波数を知ることができる。ピークホールド回路２２は、メモリ２１に格納されたデータのうち高周波側のデータから順次呼び出しを行い、サンプリングしたデータを蓄積し、最大強度となる信号を抽出する機能を有している。ピークホールド回路２２内部では前回蓄積した信号の強度との比較を順次行っており、ピーク更新が止まった時点でデータの取り込みを停止する。取り込み停止した時点のデータを呼び出したメモリ番地からその時の周波数を演算し、目標体３０からの反射信号周波数としてメモリ切替回路１４へ出力する。

実施の形態１は、目標体３０からの反射強度と他の不要信号要因からの反射強度との差異が明確でない場合に有効な方法であるが、目標体３０からの反射強度が十分強い場合には、この実施の形態２により、より正確に目標体３０からの反射信号を取得することが可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、信号処理部１０は、出力電気信号の強度が最大となる周波数の演算信号に基づいて目標体３０までの距離と目標体３０の速度を演算するように構成したので、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、目標体３０からの反射強度が十分強い場合には、より正確に目標体３０からの反射信号を取得することが可能となる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ コヒーレントレーザー光源、２ 周波数変調器、３ 光増幅器、４ 波長変換素子、５ 第１の光分配器、６ 第２の光分配器、７ 送受信光学系、８ 光混合器、９ 受光器、１０ 信号処理部、１１ 高速Ａ／Ｄ変換回路、１２ ＦＦＴ回路、１３ 最大周波数フィルタ回路、１４ メモリ切替回路、１５ アップチャープ時データ処理回路、１６ ダウンチャープ時データ処理回路、１７ ビート周波数演算回路、１８ ドップラー周波数演算回路、１９ 距離演算回路、２０ 速度演算回路、２１ メモリ、２２ ピークホールド回路、３０ 目標体、３１ 不要信号要因、３２ レーザー光、３３ 目標体からの反射光、３４ 不要信号要因からの反射光、４０ 光源部、５０ 光学部。

Claims (3)

1. コヒーレントレーザーを出力するコヒーレントレーザー光源と、
   該コヒーレントレーザーを所定の変調周波数及び変調帯域幅で周波数変調する周波数変調器と、
   前記コヒーレントレーザーの波長を変換する波長変換素子と、
   前記コヒーレントレーザーを局発光と目標体に向けて出力される送信光に分配する光分配器と、
   該送信光の前記目標体からの反射光と前記局発光を合波する光混合器と、
   光信号を電気信号に変換する受光器と、
   前記光混合器からの電気信号に変換された出力電気信号を受信すると共に該出力電気信号に基づいて前記目標体までの距離と前記目標体の速度を演算する信号処理部とを備えることを特徴とするレーザーレーダー装置。
2. 信号処理部は、出力電気信号からの所定の閾値で抽出した最大周波数の演算信号に基づいて目標体までの距離と該目標体の速度を演算することを特徴とする請求項１記載のレーザーレーダー装置。
3. 信号処理部は、出力電気信号の強度が最大となる周波数の演算信号に基づいて目標体までの距離と該目標体の速度を演算することを特徴とする請求項１記載のレーザーレーダー装置。

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