JP4932378B2 - Coherent rider device - Google Patents
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Description
この発明は、高い検出性能が得られるコヒーレントライダ装置に関するものである。 The present invention relates to a coherent rider apparatus that can obtain high detection performance.
コヒーレントライダ装置は、レーザ光を大気中に発射し、大気、雲、エアロゾルからの散乱光を反射望遠鏡などの送受光学系を用いて集め、検出処理を行って、その強さとドップラー速度を測定することで大気微量成分や水蒸気、風、気温、エアロゾル、雲などの分布を測定するものである。この装置によれば、特に大気中のエアロゾルに対しても十分な散乱強度が得られるため、晴天時においても風速や風速分布を測定することができる。そのため、コヒーレントライダ装置を空港に設置したり、航空機に搭載して、乱気流などの障害物の検知に使用されるようになってきた。 A coherent lidar device emits laser light into the atmosphere, collects scattered light from the atmosphere, clouds, and aerosol using a transmission / reception optical system such as a reflective telescope, performs detection processing, and measures its strength and Doppler velocity. Thus, the distribution of atmospheric trace components, water vapor, wind, temperature, aerosol, clouds, etc. is measured. According to this apparatus, since sufficient scattering intensity can be obtained particularly for aerosols in the atmosphere, wind speed and wind speed distribution can be measured even in fine weather. For this reason, coherent riders have been installed at airports or mounted on airplanes to detect obstacles such as turbulence.
従来のコヒーレントライダ装置としては、例えば非特許文献1に記載されたものがある。この装置は、図6に示すように、レーザ光源101、第1光カプラ102、光変調器103、光ファイバ増幅器104、光サーキュレータ105、送受光学系106、第2光カプラ107、光受信器108、ADコンバータ109および信号処理器110で構成されている。また、各部の接続において、レーザ光源101と第1光カプラ102、第1光カプラ102と光変調器103、光変調器103と光ファイバ増幅器104、光ファイバ増幅器104と光サーキュレータ105、光サーキュレータ105と送受光学系106、第1光カプラ102と第2光カプラ107、光サーキュレータ105と第2光カプラ107、および第2光カプラ107と光受信器108との間は、いずれも光ファイバで接続されている。さらに、光受信器108とADコンバータ109、およびADコンバータ109と信号処理器110との間は、同軸ケーブル等の電線ケーブルにより接続されている。
As a conventional coherent rider device, for example, there is one described in Non-Patent
次に、動作について説明する。
レーザ光源101から出力されたCW(Continuous Wave)レーザ光は、第1光カプラ102において2つに分岐される。分岐された一方のレーザ光は送信光として、他方はヘテロダイン検波におけるローカル光として用いられる。光変調器103では、分岐された一方のレーザ光を変調する。この変調されたレーザ光は、光ファイバ増幅器104に送られ増幅される。増幅された変調光は、光サーキュレータ105を介して送受光学系106によりターゲットへ向けて照射される。その後、送受光学系106によりターゲットからの散乱光が受信される。このとき、受信光の周波数はターゲットの速度に応じたドップラーシフトを受けている。この受信光は、光サーキュレータ105により、第2光カプラ107に送られる。この第2光カプラ107では、この受信光と第1光カプラ102で分岐された他方のレーザ光(ローカル光)とを合波する。光受信器108では、第2光カプラ107からの合波光をヘテロダイン検波し、受信光とローカル光とのビート信号を出力する。さらにADコンバータ109で、上記ビート信号をAD変換し、信号処理部110で、AD変換したビート信号の信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の所望の情報を導出する。
Next, the operation will be described.
A CW (Continuous Wave) laser beam output from the
図6示したような送受光系を1つとしたモノスタティック構成を持つコヒーレントライダ装置では、光サーキュレータ105を介して送信光と受信光を分離しているため、光受信器108で得られる受信光成分には、所望の信号成分を含んだターゲットからの散乱光成分のほかに、主に光サーキュレータ105からの内部反射光が混入する。例えば、インライン型光ファイバサーキュレータを用いた場合の内部反射光レベルは、市販品で−60dB程度である。これに対してターゲットからの散乱光は、この−60dBより小さいレベルの場合が多い。したがって、散乱光成分よるドップラーシフトのシフト量が非常に小さい場合、内部反射光レベルと重なってしまい、散乱光成分の検出ができなくなるという問題が起こる。また、移動しないターゲットからの散乱光成分を検出する場合、ドップラーシフトは0となるため、内部反射光成分と重なってしまい、上記同様検出できなくなる。さらに後述するが、音声等による微弱振動の検出を行う際、強度変動による雑音成分を除去し所望の周波数成分のみを取り出すためFM変調を実施することがあるが、この場合、上記問題に加えて、復調信号の白色雑音に対するS/N比も劣化するという問題が生じる。
In the coherent lidar device having a monostatic configuration with one transmission / reception system as shown in FIG. 6, since the transmission light and the reception light are separated via the
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、高い検出性能を得ることを可能にするコヒーレントライダ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a coherent rider device that can obtain high detection performance.
この発明に係るコヒーレントライダ装置は、単一周波数のCWレーザ光を出力する光源と、この光源が出力したレーザ光を2つに分岐する第1光カプラと、この第1光カプラで分岐された一方のレーザ光を増幅する光増幅器と、この光増幅器で増幅されたレーザ光を第1のポートに入力して第2のポートから出力し、受信したターゲットの散乱光を第2のポートに入力して第3のポートへ出力する光サーキュレータと、この光サーキュレータの出力レーザ光を送信側に伝送し、受信したターゲットからの散乱光のみを所望の周波数分シフトさせる周波数シフタと、この周波数シフタから伝送された出力レーザ光をターゲットへ向けて送信すると共に、ターゲットからの散乱光を受信する送受光学系と、第1光カプラにより分岐された他方のレーザ光と、光サーキュレータから出力される周波数シフトされたターゲットの散乱光とを合波させる第2光カプラと、第2光カプラで合波された光をヘテロダイン検波し、他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を取り出して電気信号に変換する光受信器と、この光受信器で変換された電気信号からビート信号成分のみを通過させるフィルタと、このフィルタを通過したビート信号成分について信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する信号処理部を備えたものである。 A coherent lidar device according to the present invention includes a light source that outputs CW laser light having a single frequency, a first optical coupler that branches the laser light output from the light source into two, and the first optical coupler branched. An optical amplifier that amplifies one of the laser beams, the laser beam amplified by the optical amplifier is input to the first port and output from the second port, and the scattered light of the received target is input to the second port Then, an optical circulator that outputs to the third port, a frequency shifter that transmits the output laser light of the optical circulator to the transmission side, and shifts only the scattered light from the received target by a desired frequency, and the frequency shifter The transmitted output laser beam is transmitted toward the target, and the other optical signal branched by the first optical coupler and the transmission / reception optical system for receiving the scattered light from the target A second optical coupler that combines the light and the scattered light of the frequency-shifted target output from the optical circulator, heterodyne detection of the light combined by the second optical coupler, and the other laser light and the target An optical receiver that extracts a beat signal from the scattered light and converts it into an electrical signal, a filter that passes only the beat signal component from the electrical signal converted by this optical receiver, and the beat signal component that has passed through this filter The apparatus includes a signal processing unit that performs signal processing analysis and derives information such as Doppler frequency.
この発明によれば、光サーキュレータから第2光カプラ側に漏れこむ内部反射光の遮断力を高め、検出性能を向上させる効果がある。 According to the present invention, there is an effect of improving the detection performance by increasing the blocking power of the internally reflected light leaking from the optical circulator to the second optical coupler side.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。
このコヒーレントライダ装置は、光源1、第1光カプラ2、光増幅器3、光サーキュレータ4、周波数シフタ5、送受光学系6、第2光カプラ7、光受信器8、フィルタ9および信号処理部10を備えている。
図において、光源1は第1光カプラ2に接続されており、第1光カプラ2の2つの出力ポートのうち一方は光増幅器3に接続されている。他方の出力ポートは第2光カプラ7に接続されている。光増幅器3は光サーキュレータ4の入力ポートに接続されている。光サーキュレータ4の2つの出力ポートのうち、光増幅器3からの光を出力する方は周波数シフタ5に接続され、周波数シフタ5からの光を出力する方は第2光カプラ7に接続されている。周波数シフタ5は送受光学系6に接続されている。第2光カプラ7は光受信器8に接続されている。ここで、光源1と第1光カプラ2、第1光カプラ2と光増幅器3、光増幅器3と光サーキュレータ4、光サーキュレータ4と周波数シフタ5、周波数シフタ5と送受光学系6、第1光カプラ2と第2光カプラ7、光サーキュレータ4と第2光カプラ7、および第2光カプラ7と光受信器8との間の接続には、光回路、例えば光ファイバが用いられている。
また、光受信器8はフィルタ9に接続されている。フィルタ9は信号処理部10に接続されている。これらの電気接続には、例えば同軸ケーブル等の電線ケーブルが用いられる。
1 is a block diagram showing a configuration of a coherent rider apparatus according to
This coherent rider device includes a
In the figure, a
The optical receiver 8 is connected to the
光源1は、単一周波数のCW(Continuous Wave)レーザ光を出力する機能を有している。第1光カプラ2は、光源1から入力されるCWレーザ光を2つに分岐する機能を有している。光増幅器3は、第1光カプラ2で分岐された一方のレーザ光を増幅する機能を有している。光サーキュレータ4は、光増幅器3で増幅されたレーザ光を周波数シフタ5へ出力し、また周波数シフタ5側から入力されるターゲットの散乱光を第2光カプラ7へ出力する機能を有している。周波数シフタ5は、光サーキュレータ4の出力レーザ光を送信側に伝送し、送受光学系6で受信したターゲットの散乱光のみを所望の周波数分シフトさせる機能を有している。送受光学系6は、周波数シフタ5の出力レーザ光をターゲットへ向けて送信すると共に、ターゲットからの散乱光を受信する機能を有している。第2光カプラ7は、第1光カプラ2で分岐された他方のレーザ光と光サーキュレータ4からの出力される周波数シフトされたターゲットの散乱光とを合波させる機能を有している。光受信器8は、第2光カプラ7で合波された光をヘテロダイン検波し、ローカル光とターゲットの散乱光とのビート信号を電気信号に変換する機能を有している。フィルタ9は、光受信器8で変換された電気信号からビート信号成分のみを通過させる機能を有している。信号処理部10は、フィルタ9を通過したビート信号成分について信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する機能を有している。
The
ここで、周波数シフタ5には、可逆でシフト可能となるもの、例えば音響光学素子に超音波を加えることで入力光の周波数をシフトさせるAO変調器(Acoust Optic Modulator:AOM)などを用いればよい。ただし、この発明における周波数シフタは、必ずしも可逆でシフト可能となる必要はなく、例えば片方の方向のみシフトさせる周波数シフタであっても、もう一方のシフトしない方向について、本装置の検出機能を十分満足するだけの透過率を持っているものであればよい。
また、この発明では、ヘテロダイン検波を行う際にショット雑音限界に達していれば、さらなる検波性能の向上が得られる。
Here, the
In the present invention, if the shot noise limit is reached when performing heterodyne detection, further improvement in detection performance can be obtained.
次に、図1のコヒーレントライダ装置の動作について説明する。
光源1より単一周波数のCWレーザ光が出力されると、第1光カプラ2によってレーザ光は2つに分岐される。第1光カプラ2によって分岐された一方のレーザ光は、光増幅器3により増幅され、光サーキュレータ4を通過後、周波数シフタ5により所望の周波数分シフトされ、送受光学系6によりターゲットへ向けて送信される。また、第1光カプラ2によって分岐された他方のレーザ光は、後述するヘテロダイン検波で使用するローカル光として第2光カプラ7に出力される。
ここで、ターゲットが、例えば大気中に含まれるエアロゾルとした場合、ターゲットへ向けて送信された送信光はエアロゾルにより散乱され、その散乱光が戻ってきて送受光学系6により受信される。このときの散乱光のキャリア周波数は、送信光のキャリア周波数に対し、送信方向における風速のドップラー周波数だけシフトした値となる。
Next, the operation of the coherent rider apparatus of FIG. 1 will be described.
When CW laser light having a single frequency is output from the
Here, when the target is an aerosol contained in the atmosphere, for example, the transmission light transmitted toward the target is scattered by the aerosol, and the scattered light returns and is received by the transmission / reception
周波数シフタ5では、送受光学系6で受信されたターゲットからの散乱光に対してのみ所望の周波数分シフトさせる。周波数シフトされた散乱光は、光サーキュレータ4により第2光カプラ7に出力される。第2光カプラ7では、第1光カプラ2で分岐された他方のレーザ光(ローカル光)と光サーキュレータ4からの周波数分シフトされた散乱光とを合波し光受信器8に与える。光受信器8では、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を取り出し、電気信号に変換してフィルタ9に出力する。フィルタ9では、光受信器8の電気信号から検波成分、すなわちローカル光と散乱光によるビート信号成分のみを通過させ、光サーキュレータ4から第2光カプラ7へ漏れ込んだ内部反射光成分(DC信号成分)を遮断する。ここで用いるフィルタ9は、どんな種類のフィルタでも構わない。ただし、上記のように、ローカル光と散乱光によるビート信号成分のみを通過させるので、できるだけ帯域を絞って余分な有色雑音を遮断できる特性を持つものであることが好ましい。その後、信号処理部10では、フィルタ9で取り出された上記ビート信号成分について、FFT(Fast Fourier Transform)をはじめとするスペクトル解析等を用いた信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する。
In the
図1に示すような送受光学系を1つとしたモノスタティック構成を持つコヒーレントライダ装置について考察すると、光サーキュレータ4を介して送信光と受信光を分離しているため、光受信器8で得られる受信光成分には、所望の信号成分を含んだターゲットからの散乱光成分の他に、主に光サーキュレータ4からの内部反射光が混入する。例えば、インライン型光ファイバサーキュレータを用いた場合の内部反射光レベルは、市販品で−60dB程度である。これに対して、ターゲットからの散乱光は、この−60dBよりも小さいレベルの場合が多い。したがって、散乱光成分によるドップラーシフトのシフト量が非常に小さい場合、内部反射光成分と重なってしまい、散乱光成分の検出ができないという問題が起こる。また、移動しないターゲットからの散乱光成分を検出する場合、ドップラーシフトは0となるため、内部反射光成分と重なってしまい、上記同様検出できなくなる。
しかし、この実施の形態1によれば、周波数シフタ5を光サーキュレータ4の後方に設置してターゲットからの散乱光のみに周波数シフトを施しており、さらにフィルタ9を挿入することで、光受信器8で検波されたローカル光と散乱光のビート信号成分のみを通過させるようにしているので、内部反射光成分を実質的に遮断できる。
したがって、上記のような、内部反射光成分と重なってしまうぐらいにドップラーシフト周波数が小さい散乱光成分や、移動しないターゲットからの散乱光成分についても、図1の構成を用いれば検出が可能になる。
また、上記構成とすることで、内部反射光成分や、装置内の電源等が有する有色雑音成分も除去することが可能になる。
Considering a coherent lidar apparatus having a monostatic configuration with a single transmission / reception optical system as shown in FIG. 1, transmission light and reception light are separated via an
However, according to the first embodiment, the
Therefore, the scattered light component having a Doppler shift frequency that is small enough to overlap with the internally reflected light component as described above and the scattered light component from the target that does not move can be detected using the configuration of FIG. .
Further, with the above configuration, it is possible to remove the internally reflected light component and the colored noise component of the power source in the apparatus.
さらに、この実施の形態1において、光源1から光サーキュレータ4までの各部間の接続、第1光カプラ2から光受信器8までの各部間の接続、および光サーキュレータ4と第2光カプラ7間の接続に光ファイバを用いている場合、小型化、高い信頼性、取り扱いの容易性、配置の自由度等が得られる。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまる。
なお、光サーキュレータ4と周波数シフタ5の間、および周波数シフタ5と送受光学系6との間の光回路接続にも光ファイバを用いた場合、周波数シフタ5によりシフトしたレーザ光について、ファイバ端におけるフレネル反射や、ファイバ内部でのレーリー散乱が発生し、これらをフィルタ9で遮断できないことが考えられる。しかし、フィルタ9により上記フレネル反射光成分やレーリー散乱光成分を遮断できるか、もしくは本装置の検出性能にこれら反射光成分や散乱光成分はほとんど影響しない場合には、これらの接続に光ファイバを用いても構わない。
Further, in the first embodiment, the connection between the respective parts from the
When an optical fiber is also used for optical circuit connection between the
なお、一般に光サーキュレータとして、ファイバ型サーキュレータを用いた場合、ファイバ端において、空気とファイバ媒質との屈折率差で生じるフレネル反射や、ファイバ内部で生じるレーリー散乱が発生し、これらは物理的に回避することは不可能である。しかし、この実施の形態1の構成では、光サーキュレータ4にファイバ型サーキュレータを用いても、内部反射光を実質的に遮断できるため、光回路接続に光ファイバを用いることが可能となる。
また、光サーキュレータ4として空間型光サーキュレータを使用した場合でも、サーキュレータからの内部反射光は存在するため、この実施の形態1の構成を用いることで内部反射光を遮断でき、検出性能が向上するという効果が得られる。
In general, when a fiber circulator is used as an optical circulator, Fresnel reflection caused by the difference in refractive index between air and the fiber medium and Rayleigh scattering occurring inside the fiber occur at the fiber end, and these are physically avoided. It is impossible to do. However, in the configuration of the first embodiment, even if a fiber circulator is used as the
Further, even when a spatial light circulator is used as the
なお、上記図1の構成では、周波数シフタ5は光サーキュレータ4と送受光学系6の間に設けられているが、この代わりに、送受光学系6とターゲットとの間に周波数シフタを設けてもよく、同様な効果が期待できる。
また、この実施の形態1のコヒーレントライダ装置は、ターゲットの移動、振動で生じるドップラー周波数を検出することができるので、大気中のエアロゾルにレーザ光を照射させて風速や風速分布を測定すること以外にも、自動車に照射して走行速度を測定すること、微小振動しているターゲットに照射させて振動変位あるいは振動周波数を検出すること等、各種の用途に適用できる。
In the configuration shown in FIG. 1, the
Further, since the coherent rider apparatus of the first embodiment can detect the Doppler frequency generated by the movement and vibration of the target, it is other than measuring the wind speed and the wind speed distribution by irradiating the aerosol in the atmosphere with laser light. In addition, the present invention can be applied to various applications such as measuring the traveling speed by irradiating an automobile, and detecting the vibration displacement or vibration frequency by irradiating a minutely vibrating target.
実施の形態2.
図2はこの発明の実施の形態2によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図1と同一の部分には同一の符号を付し、原則としてその説明は省略する。
この実施の形態2では、図1の構成の第1光カプラ2と光増幅器3の間に新たにパルス変調器21を設けている点で実施の形態1と異なっている。第1光カプラ2とパルス変調器21との間、およびパルス変調器21と光増幅器3との間は光回路、例えば光ファイバにより接続されている。このパルス変調器21は、第1光カプラ2で分岐された一方のレーザ光をパルス光に変調する機能を有している。
第1光カプラ2で分岐された2つのレーザ光のうち、ターゲットへ送信する方のレーザ光は、パルス変調器21によりパルス光に変調され、その変調されたパルス光は光増幅器3で増幅され光サーキュレータ4に与えられる。以降の各部の動作は図1と同一である。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a coherent rider apparatus according to
The second embodiment is different from the first embodiment in that a
Of the two laser beams branched by the first
図2に示すコヒーレントライダ装置の場合、パルス変調器21によりパルス光に変調し、その後光増幅器3により増幅しているため、パルス変調器21からの出力光は、その平均パワーと同じCW光を増幅したときの光パワーに対して、パルス化時のピークパワーは大きくなる。したがって、光受信器8におけるヘテロダイン検波時の受信タイミングを、あらかじめトリガ信号等を用いて受信パルス信号のピーク付近に調整しておくことで、CW光増幅の場合と比較してより高い受信パワーを得ることができ、測定限界距離が延長する等、検出性能の向上が図れる。
In the case of the coherent lidar device shown in FIG. 2, the pulse light is modulated by the
ここで、ターゲットまでの往復距離を送信光が伝搬する時間がパルス幅時間よりも長い場合、光受信器8で受信するタイミングは、まず内部反射光成分であるパルスを受信した後に、ターゲットからの散乱光成分の受信となる。したがって、従来のパルス出力のコヒーレントライダ装置でも、内部反射光成分とターゲットからの散乱光成分との切り分けが可能になる。一方、ターゲットまでの往復距離を送信光が伝搬する時間がパルス幅時間よりも短い場合、内部反射光成分であるパルス中にターゲットからの散乱光成分が含まれてしまう。したがって、従来のパルス出力のコヒーレントライダ装置では、内部反射光成分とターゲットからの散乱光成分との切り分けが不可能となる。しかし、実施の形態2によれば、実施の形態1で述べたと同じように内部反射光を実質的に遮断できるため、ターゲットからの散乱光成分の検出を可能にする。 Here, when the transmission light propagates the round-trip distance to the target longer than the pulse width time, the timing of reception by the optical receiver 8 is as follows. The scattered light component is received. Therefore, even a conventional pulse output coherent lidar device can separate the internally reflected light component and the scattered light component from the target. On the other hand, when the transmission light propagates through the round-trip distance to the target is shorter than the pulse width time, the scattered light component from the target is included in the pulse that is the internally reflected light component. Therefore, in the conventional pulse output coherent lidar apparatus, it is impossible to separate the internally reflected light component and the scattered light component from the target. However, according to the second embodiment, the internally reflected light can be substantially blocked in the same manner as described in the first embodiment, so that the scattered light component from the target can be detected.
実施の形態3.
図3はこの発明の実施の形態3によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図1と同一の部分には同一の符号を付し、原則としてその説明は省略する。
この実施の形態3では、第2光カプラ7は、合波させた光を2つに分岐して出力するようになっており、光受信器8に代えて、バランスドレシーバ31を設けている点が実施の形態1の構成と異なっている。第2光カプラ7とバランスドレシーバ31との間は、光回路、例えば光ファイバにより接続されている。また、バランスドレシーバ31とフィルタ9との間は電気接続、例えば電線ケーブルにより接続されている。バランスドレシーバ31は、第2光カプラ7による合波後の2つの出力光を用いてヘテロダイン検波し、第1光カプラ2からの他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を取り出して電気信号に変換して出力する機能を有している。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a coherent rider apparatus according to
In the third embodiment, the second optical coupler 7 branches and outputs the combined light into two, and a
第2光カプラ7により第1光カプラ2からのローカル光と光サーキュレータ4からの散乱光とを合波するまでの動作は図1と同一である。その後、第2光カプラ7からの2つの出力光をバランスドレシーバ31によりヘテロダイン検波する。この場合、第2光カプラ7からの2つの出力光に含まれるビート信号成分は、互いに位相が反転され出力される。これに対し、第2光カプラ7からの2つの出力光に含まれる光源1からの強度雑音成分については、共に同位相で出力される。したがって、バランスドレシーバ31へ入力される2つのレーザ光の差信号を取り出すと、ビート信号成分は2倍となって出力されるのに対し、光源1からの強度雑音成分は相殺されることになる。なお、バランスドレシーバの動作原理については、例えば特開平9−93206号公報に記載されている。以降の各部の動作は図1と同一である。
The operation until the local light from the first
なお、光源1の強度雑音の除去をさらに高めるためには、図3の構成において、第2光カプラ7からバランスドレシーバ31までの2つの光路の長さを等しく設定すればよい。また、これに加えて、第2光カプラ7による出力光の分岐比を1対1に設定することにより、バランスドレシーバ31に入力する2つの光パワーを等しくすれば、光源1の強度雑音を実質的に除去することができる。
以上のように、この実施の形態3によれば、バランスドレシーバを用いてヘテロダイン検波を行うようにしたので、上記実施の形態1の効果に加えて、光源からの強度雑音成分の除去を行うことができる。
In order to further improve the removal of intensity noise of the
As described above, according to the third embodiment, since the heterodyne detection is performed using the balanced receiver, the intensity noise component from the light source is removed in addition to the effect of the first embodiment. be able to.
実施の形態4.
コヒーレントライダ装置の用途として、例えばターゲットを窓ガラスとし、音声等により微弱に振動している窓ガラスに送信光を照射する場合を想定する。この場合、コヒーレントライダ装置から照射した送信光は窓ガラスの振動により音声変調されることになるが、窓ガラスの反射光(散乱光)には、その周波数変調成分に加え、非常に大きい強度変動による雑音成分等が含まれる。この場合、所望の周波数成分のみを取り出す必要がある。この実施の形態4はそのための構成を与えるものである。
図4はこの発明の実施の形態4によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図1と同一の部分には同一の符号を付し、原則としてその説明は省略する。この実施の形態4では、図1の構成のフィルタ9と信号処理部10の間に新たにFM復調器41を設けている点が実施の形態1と異なっている。フィルタ9とFM復調器41との間、およびFM復調器41と信号処理部10との間は電気接続、例えば同軸ケーブル等の電線ケーブルにより接続されている。FM復調器41は、フィルタ9を通過したビート信号成分に含まれる所望の周波数変調成分を復調する機能を有している。
As an application of the coherent rider apparatus, for example, a case is assumed in which the target is a window glass and the transmission light is irradiated to the window glass that is vibrated weakly by sound or the like. In this case, the transmitted light emitted from the coherent lidar device is voice-modulated by the vibration of the window glass, but the reflected light (scattered light) of the window glass has a very large intensity fluctuation in addition to its frequency modulation component. The noise component by etc. is included. In this case, it is necessary to extract only a desired frequency component. The fourth embodiment provides a configuration for that purpose.
4 is a block diagram showing a configuration of a coherent rider apparatus according to
フィルタ9を用いて、ローカル光と散乱光によるビート信号成分のみを通過させるまでの動作は実施の形態1と同一であるが、ここでは、さらに、FM復調器41により、フィルタ9を通過したビート信号に含まれる微小振動である周波数変調成分を復調する。復調された周波数変調成分は信号処理部10に与えられ、実施の形態1と同様にして処理される。
The operation until only the beat signal component of the local light and the scattered light is passed using the
FM復調の方式は多数存在するが、その1つであるクオダラチャ(Quadrature)方式を適用した場合について説明する。クオダラチャ方式のFM復調器は図5に示すような構成を持つ。IF周波数帯の主信号を分配器411で2つに分配し、その一方を位相器413で位相をずらし、両信号をミキサ412で乗算した値を積分器414で積分することで周波数変調された信号分を復調する。この場合、FM復調回路の復調信号は、信号同士の乗算により表模式的に(1)式のように表される。
(1)式を基に、復調信号の白色雑音に対するS/N比(SNR)を求めると(2)式のように表される。
(2)式より、内部反射光成分電力が支配的な場合、有色雑音が大きくなるだけではなく、白色雑音に関しても散乱光成分電力と内部反射光成分電力の比に比例してS/N比劣化が生じる。したがって、この方式では内部反射光レベルを散乱光レベルに対して十分低減する必要があるが、そのため、FM復調器を、図4の構成のようにこの発明のコヒーレントライダ装置に適用することで、内部反射光を実質的に遮断できるので特に有効である。
When the S / N ratio (SNR) of the demodulated signal with respect to white noise is obtained based on the equation (1), it is expressed as equation (2).
From the equation (2), when the internal reflected light component power is dominant, not only the colored noise is increased, but also the white noise is proportional to the ratio of the scattered light component power to the internal reflected light component power. Deterioration occurs. Therefore, in this method, it is necessary to sufficiently reduce the internally reflected light level with respect to the scattered light level. Therefore, by applying the FM demodulator to the coherent lidar apparatus of the present invention as shown in FIG. This is particularly effective because the internally reflected light can be substantially blocked.
以上のように、この実施の形態4によれば、音声振動等の微小振動の検出に用いるために、上記実施の形態1の構成のフィルタと信号処理部の間に所望の周波数変調成分を復調するFM復調器を設けているので、光受信器で得られるビート信号に含まれる所望の周波数変調成分より非常に大きい強度変動による雑音成分、すなわち内部反射光成分は実質的に遮断できるため、所望の周波数変調成分である微小振動の検出精度を向上させる効果がある。 As described above, according to the fourth embodiment, a desired frequency modulation component is demodulated between the filter of the configuration of the first embodiment and the signal processing unit in order to detect minute vibrations such as sound vibration. Since an FM demodulator is provided, a noise component due to an intensity fluctuation that is much larger than a desired frequency modulation component included in the beat signal obtained by the optical receiver, that is, an internally reflected light component can be substantially blocked. There is an effect of improving the detection accuracy of minute vibration which is a frequency modulation component.
1 光源、2 第1光カプラ、3 光増幅器、4 光サーキュレータ、5 周波数シフタ、6 送受光学系、7 第2光カプラ、8 光受信器、9 フィルタ、10 信号処理部、21 パルス変調器、31 バランスドレシーバ、41 FM復調器。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
この光源が出力したレーザ光を2つに分岐する第1光カプラと、
この第1光カプラで分岐された一方のレーザ光を増幅する光増幅器と、
この光増幅器で増幅されたレーザ光を第1のポートに入力して第2のポートから出力し、受信したターゲットの散乱光を第2のポートに入力して第3のポートへ出力する光サーキュレータと、
この光サーキュレータの出力レーザ光を送信側に伝送し、受信したターゲットからの散乱光のみを所望の周波数分シフトさせる周波数シフタと、
この周波数シフタから伝送された出力レーザ光をターゲットへ向けて送信すると共に、ターゲットからの散乱光を受信する送受光学系と、
前記第1光カプラにより分岐された他方のレーザ光と、前記光サーキュレータから出力される周波数シフトされたターゲットの散乱光とを合波させる第2光カプラと、
第2光カプラで合波された光をヘテロダイン検波し、前記他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を取り出して電気信号に変換する光受信器と、
この光受信器で変換された電気信号からビート信号成分のみを通過させるフィルタと、
このフィルタを通過したビート信号成分について信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する信号処理部を備えたことを特徴とするコヒーレントライダ装置。 A light source that outputs CW laser light of a single frequency;
A first optical coupler for branching the laser beam output from the light source into two;
An optical amplifier for amplifying one of the laser beams branched by the first optical coupler;
An optical circulator for inputting the laser light amplified by the optical amplifier to the first port and outputting it from the second port, and inputting the received scattered light of the target to the second port and outputting it to the third port. When,
A frequency shifter that transmits the output laser light of the optical circulator to the transmission side and shifts only the scattered light from the received target by a desired frequency;
A transmission / reception optical system that transmits the output laser light transmitted from the frequency shifter toward the target, and receives scattered light from the target, and
A second optical coupler for combining the other laser beam branched by the first optical coupler and the scattered light of the frequency-shifted target output from the optical circulator;
An optical receiver that heterodyne-detects the light combined by the second optical coupler, extracts a beat signal between the other laser light and the scattered light of the target, and converts it into an electrical signal;
A filter that passes only the beat signal component from the electrical signal converted by the optical receiver;
A coherent rider apparatus comprising a signal processing unit that performs signal processing analysis on a beat signal component that has passed through the filter and derives information such as a Doppler frequency.
前記第2光カプラによる合波後の2つの出力光を用いてヘテロダイン検波し、第1光カプラからの他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を電気信号に変換して出力するバランスドレシーバを、光受信器の代わりに備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載のコヒーレントライダ装置。 The second optical coupler splits the combined light into two and outputs it,
Heterodyne detection is performed using the two output lights combined by the second optical coupler, and the beat signal of the other laser light from the first optical coupler and the scattered light of the target is converted into an electrical signal and output. The coherent rider device according to any one of claims 1 to 3, further comprising: an optical receiver instead of the optical receiver.
An optical fiber was used for connection between each part from the light source to the optical circulator, between each part from the first optical coupler to the optical receiver or the balanced receiver, and between the optical circulator and the second optical coupler. The coherent rider device according to any one of claims 1 to 8, wherein the coherent rider device is provided.
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