JP4053542B2 - レーザーレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザー光を送受信して散乱体の性状を検出するレーザーレーダ装置に関するものである。

従来のレーザーレーダ装置は、レーザー光を大気中に送信することにより、散乱体の移動速度によるドップラー周波数シフトを受けたレーザー光を受信し、そのレーザー光とローカル光のヘテロダイン検波を実施してドップラー信号を検出する。
そして、そのドップラー信号の周波数から散乱体の移動速度を求めている。

上記のように従来のレーザーレーダ装置は、光のキャリア周波数に関するドップラーシフト周波数を検出する方式であるが、この方式では、ドップラー信号のコヒーレンシィが弱いことが知られている。即ち、ドップラー信号のコヒーレント時間が短いことが知られている。例えば、受信光が大気中のエアロゾルからの散乱光である場合、ドップラー信号のコヒーレント時間はマイクロ秒（μｓ）のオーダーであることが知られている。

このように、ドップラー信号のコヒーレント時間が短い場合には、そのドップラー信号をインコヒーレントに積分して、Ｓ／Ｎ比の改善を試みるが、そのドップラー信号をインコヒーレントに積分しても、Ｓ／Ｎ比を効果的に改善することが困難であることが知られている。
なお、コヒーレント時間の長いドップラー信号を得るには、光信号よりも低い周波数（例えば、マイクロ波帯の周波数からなる変調周波数）によって光信号を強度変調し、この変調周波数に関するドップラー周波数を検出すればよいことが知られている。光信号をマイクロ波帯の変調周波数によって強度変調するレーザーレーダ装置は以下の特許文献１〜３に開示されている。

特開昭５９−１５０２９９号公報 特公昭５１−２９０３２号公報 特開平２−２５７８６号公報

従来のレーザーレーダ装置は以上のように構成されているので、コヒーレント時間の長いドップラー信号を得ることができる。しかし、受信光のＳ／Ｎ比が低い場合、そのＳ／Ｎ比を改善する手段を備えていないため、散乱体の性状を検出することができなくなることがある課題があった。
例えば、散乱体が大気中のエアロゾルであり、そのエアロゾルにより散乱された光信号を受信してエアロゾルの移動速度（風速）を検出する場合、散乱体が自動車などのハードターゲットである場合と比較して、受信光のＳ／Ｎ比が大きく劣化することが考えられる。

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、受信光のＳ／Ｎ比が低い場合でも、散乱体の性状を検出することができるレーザーレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザーレーダ装置は、発振手段により発振された変調信号を用いて光電変換手段から出力された電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換する周波数変換手段を設け、その周波数変換手段による周波数変換後の電気信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出するようにしたものである。

このことによって、受信手段により受信された光信号のＳ／Ｎ比が低い場合でも、散乱体の性状を検出することができる効果がある。

実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１によるレーザーレーダ装置を示す構成図である。図において、光源１は連続波からなる光信号を送信し、発振器２は連続波からなる変調信号を発振する。なお、発振器２は発振手段を構成している。

光強度変調器３は発振器２により発振された変調信号を用いて、光源１から送信された光信号を強度変調する。なお、光強度変調器３は変調手段を構成している。
光送信アンプ４は光強度変調器３により強度変調された光信号を増幅し、送信光学部５は走査光学部６を介して光送信アンプ４による増幅後の光信号を大気中に送信する。なお、光送信アンプ４、送信光学部５及び走査光学部６から送信手段が構成されている。
受信光学部８は送信光学部５が光信号を大気中に送信すると、散乱体によってドップラー周波数シフトを受けた光信号を走査光学部７を介して受信し、光受信アンプ９は受信光学部８により受信された光信号を増幅し、光フィルタ１０は光受信アンプ９による増幅後の光信号に含まれている不要周波数成分を除去する。なお、走査光学部７、受信光学部８、光受信アンプ９及び光フィルタ１０から受信手段が構成されている。
因みに、送信光学部５と受信光学部８は、走査光学部６，７の作用により大気中の同じ位置に焦点を有する構成となっている。

フォトディテクター１１は光フィルタ１０から出力された光信号に含まれている強度変調成分を検波し、その強度変調成分を示す電気信号を出力する。なお、フォトディテクター１１は光電変換手段を構成している。
ミキサ１２はフォトディテクター１１から出力された電気信号と発振器２により発振された変調信号をミキシングして、その電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換する。なお、ミキサ１２は光電変換手段を構成している。
信号処理部１３はミキサ１２による周波数変換後の電気信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出する。なお、信号処理部１３は検出手段を構成している。
制御部１４は走査光学部６，７及び信号処理部１３の処理を制御している。

ここで、光源１と光強度変調器３間、光強度変調器３と光送信アンプ４間、光送信アンプ４と送信光学部５間は光ファイバケーブルにより接続されている。また、受信光学部８と光受信アンプ９間、光受信アンプ９と光フィルタ１０間、光フィルタ１０とフォトディテクター１１間は光ファイバケーブルにより接続されている。それ以外の部品間（例えば、フォトディテクター１１とミキサ１２間）は電線ケーブルにより接続されている。部品間の接続に光ファイバケーブルを使用することにより、光信号をレーザーレーダ装置内において空間的に伝搬させる場合と比較して、各部品の配置自由度が向上する効果が得られる。

第２図は信号処理部１３の内部を示す構成図であり、図において、Ａ／Ｄ変換器２１はミキサ１２による周波数変換後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。コヒーレント積分器２２はＡ／Ｄ変換器２１から出力されたデジタル信号をコヒーレント積分すると同時にスペクトルを求める。風速検出器２３はコヒーレント積分器２２により求められたスペクトルから送信光学部５及び受信光学部８の焦点近傍における送信方向風速を検出する。
なお、Ａ／Ｄ変換器２１とコヒーレント積分器２２と風速検出器２３間は電線ケーブルにより接続されている。

次に動作について説明する。
ここでは、説明の便宜上、散乱体を大気中のエアロゾルとし、風速検出（エアロゾルの移動速度検出）を目的として風速のドップラー周波数を求めるものとする。ただし、散乱体の移動速度を求める他の用途、例えば、自動車の走行速度を求める用途にも適用できる。

まず、光源１が連続波からなる光信号を送信し、発振器２が連続波からなる変調信号を発振する。
ただし、発振器２が発振する変調信号の周波数（キャリア周波数）は、電磁波ドップラーレーダで通常使用されているマイクロ波帯の周波数（例えば、２ＧＨｚ）とする。この変調信号のキャリア周波数は、光源１から送信される光信号の周波数（例えば、２００テラＨｚ）と比較して遥かに低い値である。
光強度変調器３は、光源１から光信号を受けると、発振器２により発振された変調信号を用いて、その光信号を強度変調する。

第３図は光強度変調器３による強度変調前後の信号波形を示し、第３図Ａは強度変調前の信号波形、第３図Ｂは強度変調後の信号波形である。
光送信アンプ４は、光強度変調器３から強度変調後の光信号を受けると、その光信号を増幅し、送信光学部５は、走査光学部６を介して光送信アンプ４による増幅後の光信号を大気中に送信する。
大気中に送信された光信号は、エアロゾルによって散乱された後、受信光学部８により走査光学部７を介して受信される。

受信光学部８により受信された光信号は、散乱体の移動速度、即ち、風速の影響によりドップラー周波数シフトを受けている。この実施の形態１では、光源１から送信される光信号がマイクロ波帯の周波数の変調信号によって強度変調されているので、ドップラー周波数シフトには２種類が存在する。一つは光信号のキャリア周波数に関するドップラー周波数シフト、もう一つは変調周波数に関するドップラー周波数シフトである。

ここで、光信号のキャリア周波数に関するドップラー周波数シフトｆ_scは、光信号のキャリア周波数ｆ_cと、光の伝搬速度ｃと、散乱体の移動速度ｖとから下記のように表される。
ｆ_sc＝（２ｖ×ｆ_c）／ｃ （１）
一方、変調周波数に関するドップラー周波数シフトｆ_smは、変調周波数（変調信号のキャリア周波数）ｆ_mと、光の伝搬速度ｃと、散乱体の移動速度ｖとから下記のように表される。
ｆ_sm＝（２ｖ×ｆ_m）／ｃ （２）
なお、送信光学部５と受信光学部８の焦点は同じ位置であるので、受信光学部８により受信された光信号においては、焦点近傍から散乱された成分が支配的である。

光受信アンプ９は、受信光学部８が光信号を受信すると、その光信号を増幅し、光フィルタ１０は、光受信アンプ９による増幅後の光信号に含まれている不要周波数成分を除去する。
フォトディテクター１１は、光フィルタ１０が増幅後の光信号から不要周波数成分を除去すると、その光信号に含まれている強度変調成分を直接検波することにより、その強度変調成分を示す電気信号を出力する。
即ち、フォトディテクター１１が直接検波を行うと、光信号におけるキャリア周波数が除去されるので、フォトディテクター１１から出力される電気信号の周波数には、光信号の強度変調成分のみが含まれる。したがって、フォトディテクター１１から出力される電気信号の周波数は、光強度変調器３により与えた変調周波数から、この変調周波数に関するドップラー周波数だけシフトした周波数となる。

ミキサ１２は、フォトディテクター１１から電気信号を受けると、その電気信号と発振器２により発振された変調信号をミキシングすることにより、その電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換する。
この際、ベースバンド周波数は、発振器２から発振された変調信号の周波数（光強度変調器３における変調周波数）と、フォトディテクター１１から出力された電気信号の周波数（光強度変調器３における変調周波数から、式（２）で示したドップラー周波数だけシフトした周波数）との差の周波数となる。
即ち、ミキサ１２から出力される電気信号の周波数は、送信光学部５及び受信光学部８の焦点近傍における送信方向風速の式（２）に対応するドップラー周波数となる。この実施の形態１では、説明の便宜上、「ドップラー信号」という文言は、周波数が散乱体の移動速度に関するドップラー周波数となる信号を示すものとし、ミキサ１２から出力される電気信号を以下ではドップラー信号として記述する。

なお、この実施の形態１では、１個のミキサ１２を用いて電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換するものについて示したが、一段のミキシングによる変換ではなく、発振器２から発振された変調信号の周波数よりも低いキャリア周波数からなる変調信号を用いたミキシングを多段で実施し、多段のミキシングによる変換としてもよい。

例えば、フォトディテクター１１から出力された電気信号の周波数に対して、周波数１／３ｆ_mの変調信号でミキシングを行って中間周波数に変換し、このミキシングにより得られた出力に対して、周波数２／３ｆ_mの変調信号で更にミキシングを行ってベースバンド周波数に変換すればよい。第１図には示していないが、周波数１／３ｆ_mの変調信号を発振する発振器と、周波数２／３ｆ_mの変調信号を発振する発振器と、ミキサ１２以外のもう一つのミキサとを別途有する構成とすればよい。このように、ミキシングにおいて周波数の低い変調信号を用いることによって、変調信号のコヒーレンシィ、即ち、変調信号のコヒーレント時間を長くすることが容易となり、ドップラー信号をコヒーレントにする効果が生じる。

ドップラー信号のコヒーレント時間は、一般的に送信信号の周波数に逆比例する。したがって、光強度変調器３での変調周波数に関するドップラー信号のコヒーレント時間は、光信号のキャリア周波数に関するドップラー信号のコヒーレント時間と比較してはるかに長い時間となる。
例えば、周波数２００テラヘルツ（波長１．５μm）の光信号に対して、２ギガヘルツの変調周波数で強度変調を与えた場合、変調周波数に関するドップラー信号のコヒーレント時間は、光信号のキャリア周波数に関するドップラー信号のコヒーレント時間と比較して１０万倍程度の長い時間となる。なお、変調信号のキャリア周波数ｆ_mは、必要なコヒーレント時間τ_rと、定数ｋとから次のように決定する。
ｆ_m＝ｋ／τ_r （３）
定数ｋの具体的な値としては、周波数２００テラＨｚの場合にはドップラー信号のコヒーレント時間が１μs程度であることを考慮し、ｋ＝２×１０６とすればよい。

信号処理部１３は、上記のようにしてミキサ１２からドップラー信号を受けると、そのドップラー信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出する。
即ち、信号処理部１３のＡ／Ｄ変換器２１は、ミキサ１２から出力されたドップラー信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号をコヒーレント積分器２２に出力する。
この際、サンプリング間隔は、所望の距離分解能に対応する値程度とし、例えば、送信光学部５及び受信光学部８の焦点長さ程度とする。

コヒーレント積分器２２は、Ａ／Ｄ変換器２１からデジタル信号を受けると、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）演算等を実施することにより、そのデジタル信号をコヒーレント積分すると同時にドップラー信号のスペクトルを求める。
この演算により、Ｓ／Ｎ比はサンプル数に比例して改善される。ＦＦＴの演算がサンプルした信号のコヒーレント積分であることは、文献（Ｓ．Ｇｏｌｄｍａｎ 著，Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｎｅｗｓ ＆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１８−３，４４−５２，（１９８８））に示されている。ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ），ＰＰ（Ｐｕｌｓｅ Ｐａｉｒ），ＰＰＰ（Ｐｏｌｙ Ｐｕｌｓｅ Ｐａｉｒ）など、ＦＦＴ以外の方式の演算を実施してデジタル信号のコヒーレント積分を実施してもよい。

なお、コヒーレント積分をデジタル信号全体に対して一度に行うのではなく、所望の速度分解能に対応するドップラー周波数の逆数により決まる時間幅からなる時間ゲートによりデジタル信号を分割し、各時間ゲートにおけるコヒーレント積分結果を各時間ゲート間にわたって更にコヒーレント積分すれば、別の効果が生じる。例えば、デジタル信号のサンプル数がＡ個であり、このデジタル信号を時間ゲートによりＢ個ずつに分割する場合、デジタル信号全体をＦＦＴすると、
演算回数がＡｌｏｇ₂Ａとなるのに対し、
時間ゲート毎にＦＦＴする場合の演算量は、
（Ａ／Ｂ）×（Ｂｌｏｇ₂Ｂ）＝Ａｌｏｇ₂Ｂ
となる。Ａ＞Ｂであることから、時間ゲート毎にＦＦＴ演算を行って得られた結果をコヒーレント積分する方が、演算回数が少なく、短時間に積分結果が得られることが分かる。この際、時間ゲートの幅を所望の速度分解能に対応するドップラー周波数の逆数としているので、ＦＦＴ結果における周波数分解能は所望の速度分解能に対応するドップラー周波数となる。したがって、所望の速度分解能を確保することができる。

信号処理部１３の風速検出器２３は、コヒーレント積分器２２により求められたスペクトルから送信光学部５及び受信光学部８の焦点近傍における送信方向風速を検出する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、発振器２により発振された変調信号を用いてフォトディテクター１１から出力された電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換するミキサ１２を設け、ミキサ１２による周波数変換後の電気信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出するように構成したので、受信光学部８により受信された光信号のＳ／Ｎ比が低い場合でも、散乱体の性状を検出することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、所望の速度分解能の逆数により決まる時間幅からなる時間ゲートによってデジタル信号を分割し、各時間ゲートにおいて当該デジタル信号をコヒーレント積分するとともに、その積分結果を各時間ゲート間に亘ってコヒーレント積分するように構成したので、演算回数が減少する結果、短時間に積分結果を得ることができる効果を奏する。また、所望の速度分解能を確保することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、発振器２が変調信号を発振する際、その変調信号のキャリア周波数ｆ_mとコヒーレント時間τ_rの乗算結果が定数ｋと一致するように、そのキャリア周波数ｆ_mを決定するので、測定時間内においてコヒーレント積分を実施することができる効果を奏する。

この実施の形態１によれば、フォトディテクター１１から出力された電気信号と発振器２により発振された変調信号をミキシングするミキサ１２を用いて、その電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換するように構成したので、構成の複雑化を招くことなく、電気信号のベースバンド周波数を得ることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、複数の変調信号をそれぞれ電気信号にミキシングする多段構成にしたので、変調信号のコヒーレント時間を容易に長くすることができるようになり、その結果、ドップラー信号をコヒーレントにすることができる効果を奏する。

この実施の形態１によれば、強度変調された光信号を増幅してから大気中に送信する一方、大気中から受信した光信号を増幅して、その光信号に含まれている不要周波数成分を除去するように構成したので、散乱体の性状の検出精度を高めることができる効果を奏する。

さらに、この実施の形態１によれば、受信光学部８により受信された光信号に含まれている強度変調成分を直接検波するフォトディテクター１１を用いているので、光ファイバ内を伝搬する光信号が受ける偏波変動によりＳ／Ｎ比が影響を受けることがなく、安定したＳ／Ｎ比での測定が可能となる効果を奏する。また、光ファイバケーブルにシングルモードファイバを使う必要がなく、マルチモードファイバを使用することが可能となる。これにより、送信光学部５及び受信光学部８の視野を広くすることが可能となり、送信光学部５と受信光学部８の焦点位置を大気中において容易に一致させることができる効果を奏する。

なお、この実施の形態１では、送信信号のキャリア周波数はあくまでも光信号のキャリア周波数であるので、例えば、空間分解能がよく、局所的な測定が可能となるレーザーレーダ装置の電磁波ドップラーレーダ装置に対するメリットを失うことがない。

また、この実施の形態１では、光送信アンプ４、光受信アンプ９及び光フィルタ１０を備えているが、これらの部品を有していなくても、十分なＳ／Ｎ比が得られれば、これらの部品を有する必要性は特にない。ただし、十分なＳ／Ｎ比での計測が困難な場合、もしくは、受信光に対する受信感度が不足する場合においては、光送信アンプ４、光受信アンプ９及び光フィルタ１０のうちの少なくとも一つを備えるようにすることがＳ／Ｎ比を改善する上で好ましい。

さらに、この実施の形態１では、マイクロ波帯の周波数に関するドップラー周波数を検出するものであり、マイクロ波帯の周波数を用いる電磁波レーダに関する全ての方式に適用することができる。したがって、発振器２から発振される変調信号の周波数は１つであったが、変調信号の周波数を複数として、これらの変調周波数を掃引する電磁波レーダ方式の一つとして知られているＦＭＣＷ方式を用い、散乱体が自動車などのハードターゲットである場合の散乱体の位置測定に適用することも可能である。

この場合、第１図とは異なり、送信光学部５の送信ビームと受信光学部８の受信ビームとは近似的に同一となるように、走査光学部６，７を設定する。これにより、散乱体が第１図における焦点位置に存在しなくとも、送信ビーム及び受信ビーム中に存在すれば、散乱体により散乱された光信号を受信することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ミキサ１２を用いて、電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換するものについて示したが、そのミキサ１２の代わりにＩＱ検波回路を用いて構成し、そのＩＱ検波回路がＩＱビデオ信号をドップラー信号として出力するようにしてもよい。

これにより、信号処理部１３では、風速の絶対値のみでなく、風速の＋もしくは−の符号、即ち、追い風か向い風かの識別も可能となる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、レーザーレーダ装置が送信光学部５と受信光学部８を搭載しているものについて示したが、送信光学部５と受信光学部８の機能を備えている１個の光学部材を搭載するようにしてもよい。

この１個の光学部材に光サーキュレータの機能を搭載すれば、送信における焦点位置と受信における焦点位置とが自然と一致するため、容易にシステムを構築することができるようになる効果を奏する．

実施の形態４．
上記実施の形態１では、特に言及していないが、光源１から送信光学部５までの光ファイバケーブルをシングルモードファイバとし、受信光学部８からフォトディテクター１１までの光ファイバケーブルをマルチモードファイバとするようにしてもよい。

第４図Ａは送受信に関する光ファイバケーブルにシングルモードファイバを用いた場合の送受信ビームの視野を模式的に示し、第４図Ｂは送信に関する光ファイバケーブルにシングルモードファイバを用い、受信に関する光ファイバケーブルにマルチモードファイバを用いた場合の送受信ビームの視野を模式的に示している。

第４図Ａに示すように、送受信の双方においてシングルモードファイバを使用すると、送受信ビームの視野を狭くできるので、高い空間分解能での測定が可能となる反面、送受信ビームの焦点位置を一致させるのが難しい。また、走査光学部６，７により送受信ビームの走査速度を大きくすると、送信光が散乱されて受信光が受信される前に受信ビームの視野が別の位置に移動するので、散乱体により散乱された光を受信する際の受信効率が劣化する。

これに対して、第４図Ｂに示すように、送信に関してはシングルモードファイバを使用し、受信に関してはマルチモードファイバを使用することにより、受信に関するビーム視野を送信に関するビーム視野よりも広くとれば、送受信ビームの焦点位置を容易に一致させることが可能となるのと同時に、高い空間分解能での測定が可能となる効果を奏する。さらに、ビームの走査速度を大きくしても受信ビームの視野が広いため、送受信の双方においてシングルモードファイバを使用する場合と比較して高い受信効率が得られる。

実施の形態５．
第５図はこの発明の実施の形態１によるレーザーレーダ装置の光電変換部３０を示す構成図である。図において、光電変換部３０は第１図のフォトディテクター１１の代わりに搭載され、光電変換部３０は光フィルタ１０から出力された光信号に含まれている強度変調成分を電気信号に変換する光電変換手段を構成している。

光源３１はローカル光を出力し、ヘテロダイン検波器３２は光フィルタ１０から出力された光信号と光源３１から出力されたローカル光をヘテロダイン検波する。包絡線検波器３３はヘテロダイン検波器３２の検波信号の包絡線を検波する。

この実施の形態５では、ヘテロダイン検波器３２が光フィルタ１０から出力された光信号と光源３１から出力されたローカル光をヘテロダイン検波し、包絡線検波器３３がヘテロダイン検波器３２の検波信号の包絡線を検波する。これにより、その包絡線の検波結果がその光信号に含まれている強度変調成分を示す電気信号としてミキサ１２に出力されるが、ヘテロダイン検波の効果により高いＳ／Ｎ比を得ることができる効果を奏する。ただし、ヘテロダイン検波を用いているので、光ファイバケーブルとしてシングルモードファイバを用いる必要がある。

なお、第５図では、光源１とは別の光源３１を設けたが、別の光源３１を設けずに、光源１の光信号を図示せぬ光分配器により分配し、その一部をローカル光としてもよい。

実施の形態６．
第６図はこの発明の実施の形態６によるレーザーレーダ装置を示す構成図である。図において、第１図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
パルス変調器４１は発振器２により発振された変調信号を所望の距離分解能に相当する時間幅を有するパルスに変調し、そのパルス信号を光強度変調器３に出力する。なお、発振器２とパルス変調器４１間、パルス変調器４１と光強度変調器３間、パルス変調器４１と制御部１４間は電線ケーブルにより接続され、パルス変調器４１は発振手段を構成している。

次に動作について説明する。
ただし、上記実施の形態１と同一部分は説明を省略する。
パルス変調器４１は、発振器２から連続波からなる変調信号を受けると、その変調信号を所望の距離分解能に相当する時間幅を有するパルスに変調し、そのパルス信号を光強度変調器３に出力する。

ここで、所望の距離分解能とパルスの時間幅との関係は、所望の距離分解能ｄと、パルスの時間幅ｗとから次のように表される。
ｄ＝ｃ×ｗ／２ （４）
例えば、所望の距離分解能が１５０ｍであれば、パルスの時間幅は１μsになる。

なお、第６図において、送信光学部５の送信ビームと受信光学部８の受信ビームとが近似的に同一となるように、走査光学部６，７が設定されている。また、その送信ビームと受信ビームとは近似的に焦点を持たないアフォーカルな状態に設定されている。

この実施の形態６によれば、光強度変調器３がパルス変調器４１から出力されたパルス信号を用いて、光源１から送信された光信号を強度変調するので、送信光学部５が光パルスを送信することになる。そのため、受信光学部８は大気中の複数のレンジにより散乱された光信号を受信するので、ドップラー信号における各レンジに対応する時間帯のドップラー周波数を検出することになる。よって、各レンジの送信方向風速を検出することが可能となり、大気中の風速分布を知ることが可能となる効果を奏する。

実施の形態７．
第７図はこの発明の実施の形態７によるレーザーレーダ装置を示す構成図である。図において、第１図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
符号系列発生器４２は＋もしくは−の符号からなる符号系列を発生し、位相変調器４３は符号系列発生器４２から発生された符号系列を用いて、発振器２により発振された変調信号の位相を変調する。なお、符号系列発生器４２及び位相変調器４３は発振手段を構成している。

なお、符号系列発生器４２と位相変調器４３間、符号系列発生器４２と信号処理部１３間、位相変調器４３と発振器２間、位相変調器４３と光強度変調器３間は電線ケーブルにより接続されている。

第８図は信号処理部１３の内部を示す構成図である。図において、第２図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
復調器２４はＡ／Ｄ変換器２１から出力されたデジタル信号に対して、符号系列発生器４２から発生された符号系列に基づいて復調処理を実施する。

次に動作について説明する。
ただし、上記実施の形態１と同一部分は説明を省略する。
符号系列発生器４２は、＋もしくは−の符号からなる符号系列を発生する。符号系列としては、符号系列の自己相関関数において遅延時間０に鋭いピークを持ち、かつ、周期的に繰返す符号系列を用いればよい。その一例としてはＭ系列信号が存在する。以下、Ｍ系列信号を用いるものとして説明する。

位相変調器４３は、符号系列発生器４２がＭ系列信号を発生すると、そのＭ系列信号を用いて、発振器２により発振された変調信号の位相を変調する。
即ち、Ｍ系列信号に基づいて位相０もしくはπの位相変調を施し、この信号を光強度変調器３に対して変調信号として送信する。位相変調の１ビットの時間幅は、所望の距離分解能に相当する時間幅とする。

これにより、送信光学部５の送信ビームはＭ系列によって疑似ランダム変調されたＤｕｔｙ比１００％の信号となる。
なお、第７図において、送信光学部５の送信ビームと受信光学部８の受信ビームとが近似的に同一となるように、走査光学部６，７が設定されて、その送信ビームと受信ビームとは近似的に焦点を持たないアフォーカルな状態に設定されているものとする。
したがって、受信光学部８の受信ビームには、大気中の複数のレンジにより散乱された光が重畳して含まれている。

信号処理部１３は、上記実施の形態１と同様にして、ミキサ１２からドップラー信号を受けると、そのドップラー信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出する。
即ち、信号処理部１３のＡ／Ｄ変換器２１は、ミキサ１２から出力されたドップラー信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号を復調器２４に出力する。

信号処理部１３の復調器２４は、Ａ／Ｄ変換器２１から出力されたデジタル信号に対して、符号系列発生器４２から発生された符号系列に基づいて復調処理を実施する。
具体的には、まず、風速を計測する大気中のレンジを１つ選択し、送信光がこのレンジまで伝搬して、このレンジ中の散乱体により散乱され受信光として受信されるまでの遅延時間をτとする。以下、その選択したレンジを計測レンジと呼ぶものとする。

復調器２４は、符号系列発生器４２から発生されたＭ系列信号を時間τだけ遅延させたタイミングで、デジタル信号の各サンプルにＭ系列に対応して＋１と−１を乗じる。これにより、計測レンジからのドップラー信号の位相が復調され、計測レンジにおけるドップラー周波数からなるコヒーレントな信号が得られる。
この際、大気中の他のレンジからのレンジサイドローブレベルは、復調後における計測レンジからの信号強度を１とし、Ｍ系列の系列ビット数をＮ’として、１／Ｎ’となる。したがって、Ｍ系列の系列ビット数Ｎ’を大きくとることにより、レンジサイドローブレベルを無視できる値まで低減することができる。

復調器２４の復調信号は、コヒーレント積分器２２に送られる。この際、サンプリング間隔は、所望の距離分解能に対応する値程度とする。
コヒーレント積分器２２は、ＦＦＴ演算等を実施することにより、その復調信号をコヒーレント積分すると同時に復調信号のスペクトルを求める。
風速検出器２３は、コヒーレント積分器２２により求められたスペクトルから計測レンジにおける送信方向風速を検出する。

以上で明らかなように、この実施の形態７によれば、Ｄｕｔｙ１００％の変調された疑似ＣＷからなる送信光を送受して復調処理を行うため、短時間に所望のＳ／Ｎ比を得ることが可能となり、かつ、所望の距離分解能での風速検出が可能となる効果を奏する。

この実施の形態７では、計測レンジを１つ選択して、このレンジにおける風速を検出するものについて示したが、計測レンジを複数として、計測レンジ毎に復調器２４、コヒーレント積分器２２及び風速検出器２３を並列に構成すれば、大気中の風速分布を知ることができる効果を奏する。

なお、上記実施の形態１〜７では、散乱体の性状が散乱体の移動速度である場合について示したが、これに限るものではなく、例えば、散乱体の性状が、散乱体の位置や反射率である場合でも適用することができる。
例えば、散乱体が自動車などのハードターゲットである場合、復調器２４における遅延時間τを変化させて、コヒーレント積分結果における積分値が最も高くなる遅延時間τを求め、この積分値に相当する距離により散乱体の位置を検出すればよい。また、コヒーレント積分結果における積分値の大きさから散乱体の反射率を検出すればよい。

以上のように、この発明に係るレーザーレーダ装置は、レーザー光を送受信して散乱体の性状を検出し、その散乱体の移動速度、位置や反射率を特定するものに適している。

この発明の実施の形態１によるレーザーレーダ装置を示す構成図である。 信号処理部１３の内部を示す構成図である。 光強度変調器３による強度変調前後の信号波形を示す説明図である。 送受信ビームの視野を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるレーザーレーダ装置の光電変換部３０を示す構成図である。 この発明の実施の形態６によるレーザーレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態７によるレーザーレーダ装置を示す構成図である。 信号処理部１３の内部を示す構成図である。

符号の説明

１ 光源、２ 発振器、３ 光強度変調器、４ 光送信アンプ、５ 送信光学部、６、７ 走査光学部、８ 受信光学部、９ 光受信アンプ、１０ 光フィルタ、１１ フォトディテクター、１２ ミキサ、１３ 信号処理部、１４ 制御部、２１ Ａ／Ｄ変換器、２２ コヒーレント積分器、２３ 風速検出器、３０ 光電変換部、３２ ヘテロダイン検波器、３３ 包絡線検波器。

Claims (14)

1. 変調信号を発振する発振手段と、上記発振手段により発振された変調信号を用いて光信号を強度変調する変調手段と、上記変調手段により強度変調された光信号を大気中に送信する送信手段と、上記送信手段が光信号を大気中に送信すると、その大気中から光信号を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された光信号に含まれている強度変調成分を電気信号に変換する光電変換手段と、上記発振手段により発振された変調信号を用いて上記光電変換手段から出力された電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換する周波数変換手段と、上記周波数変換手段による周波数変換後の電気信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出する検出手段とを備えたレーザーレーダ装置において、上記検出手段は、上記周波数変換手段による周波数変換後の上記電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、所望の速度分解能の逆数により決まる時間幅からなる時間ゲートによって当該デジタル信号を分割し、各時間ゲートにおいて当該デジタル信号をコヒーレント積分するとともに、その積分結果を各時間ゲート間に亘ってコヒーレント積分することを特徴とするレーザーレーダ装置。
2. 変調信号を発振する発振手段と、上記発振手段により発振された変調信号を用いて光信号を強度変調する変調手段と、上記変調手段により強度変調された光信号を大気中に送信する送信手段と、上記送信手段が光信号を大気中に送信すると、その大気中から光信号を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された光信号に含まれている強度変調成分を電気信号に変換する光電変換手段と、上記発振手段により発振された変調信号を用いて上記光電変換手段から出力された電気信号の周波数をベースバンド周波数に変換する周波数変換手段と、上記周波数変換手段による周波数変換後の電気信号をコヒーレント積分し、その積分結果から大気中に存在する散乱体の性状を検出する検出手段とを備えたレーザーレーダ装置において、上記発振手段は、上記変調信号を発振する際、上記変調信号のキャリア周波数とコヒーレント時間の乗算結果が所定値と一致するように、上記キャリア周波数を決定することを特徴とするレーザーレーダ装置。
3. 発振手段は、連続波からなる変調信号を発振することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
4. 発振手段は、所望の距離分解能に相当する時間幅を有するパルス信号を変調信号として発振することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
5. 発振手段は、＋もしくは−の符号からなる符号系列を用いて変調信号を生成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
6. 光電変換手段から出力された電気信号と発振手段により発振された変調信号をミキシングするミキサを用いて周波数変換手段を構成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
7. 周波数変換手段は、複数の発振手段が用意されている場合、複数の発振手段により発振された変調信号をそれぞれ電気信号にミキシングすることを特徴とする請求項６記載のレーザーレーダ装置。
8. １個の光学部材が送信手段と受信手段の機能を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
9. 送信手段が変調手段により強度変調された光信号を増幅してから大気中に送信する一方、受信手段が大気中から受信した光信号を増幅して、その光信号に含まれている不要周波数成分を除去することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
10. 受信手段により受信された光信号に含まれている強度変調成分を検波するフォトディテクターを用いて光電変換手段を構成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
11. 変調手段と送信手段間を接続するケーブルと、受信手段と光電変換手段間を接続するケーブルとが光ファイバケーブルであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。
12. 光ファイバケーブルの全部又は一部がマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１１記載のレーザーレーダ装置。
13. 変調手段と送信手段間を接続する光ファイバケーブルがシングルモードファイバであり、受信手段と光電変換手段間を接続する光ファイバケーブルがマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１１記載のレーザーレーダ装置。
14. 受信手段により受信された光信号とローカル光をヘテロダイン検波するヘテロダイン検波器と、上記ヘテロダイン検波器の検波信号の包絡線を検波する包絡線検波器とから光電変換手段を構成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザーレーダ装置。

Images