JP2013238474A - Laser radar device - Google Patents

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Hideaki Ochimizu
秀晃 落水
Shunpei Kameyama
俊平 亀山
Mikio Takabayashi
幹夫 高林
Yoshihito Hirano
嘉仁 平野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser radar device capable of precisely and easily measuring distance to a target and velocity of the target even if wavelength conversion of transmission light is required according to light propagation characteristics of a measurement environment by a frequency modulation system using a coherent laser light source.SOLUTION: A laser radar device includes: a frequency modulator 2 for frequency-modulating coherent laser beams from a coherent laser light source 1 with predetermined modulation frequencies and modulation bandwidths; a wavelength conversion element 4 for converting the wavelength of the coherent laser beams; a first optical distributor 5 for distributing the coherent laser beams to local light emission and transmission light outputted to a target object 30; an optical mixer 8 for multiplexing reflection light from the target object 30 of the transmission light and local light emission; a light receiver 9 for converting a light signal to an electric signal; and a signal processing unit 10 for receiving an output electric signal converted to an electric signal from the optical mixer 8 and computing distance to the target object 30 and velocity of the target object 30 based on the output electric signal.

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。   The present invention relates to a laser radar device that measures a distance to a target body and a speed of the target body.

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。   As a laser radar device that simultaneously measures the distance to the target body and the speed of the target body, for example, as described in Patent Document 1, the difference between the transmission time of the pulse laser light and the reception time of the reflected light from the target body There is known an apparatus for calculating a speed from a Doppler frequency obtained from a beat signal generated by calculating a distance from a beat signal generated by mixing reflected light and local light.

国際公開第２００４／０６１４７６号International Publication No. 2004/061476

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。 Here, in a situation where wavelength conversion is required in accordance with the light propagation characteristics of the measurement environment, the distance to the target body and the speed of the target body are measured by a conventional laser radar device such as Patent Document 1. In this case, for example, a method of performing pulse modulation after wavelength conversion of coherent laser light output from a coherent laser light source to a wavelength in a necessary wavelength region is conceivable.
However, in this case, pulse modulation makes it impossible to use 100% of the energy of the light source that can be originally used, and the measurement area in which the signal-to-noise ratio (S / N ratio) allowed for measurement can be maintained is limited. In addition, there is a problem that the system becomes inefficient from the viewpoint of power consumption.

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。   In addition, as a method that does not require pulse modulation, a pulse laser light source is used as a light source, and the pulse laser output from the pulse laser light source is directly converted into a wavelength in the required wavelength region, and the distance to the target body and the target Although there is a method of measuring the speed of the body, it is difficult to generate coherent local light from the pulse laser light source necessary for generating a beat signal, and it is impossible to mix reflected light and local light There was a problem.

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。   In addition, in order to solve the above-mentioned problem that the coherent local light cannot be generated, in the case where the configuration includes a coherent laser light source for local light emission in addition to the pulse laser light source for transmission light, the pulse laser light source and the coherent laser are provided. It is necessary to synchronize the phase of the light source, and a system for controlling the light source is required separately from the laser radar device, and there is a problem that the scale of the entire system becomes large.

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。   In addition to the above, as a problem in actual operation, there has been a problem that a signal from an unnecessary signal factor floating in a measurement environment is erroneously recognized as a signal of a target body and a distance and a speed are erroneously detected. Unnecessary signal factors include marine snow and marine life in the sea, rain, snow, ice, and aerosol in the air.

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。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and requires wavelength conversion of transmitted light in accordance with the light propagation characteristics of a measurement environment by a frequency modulation method using a coherent laser light source. In this case, frequency modulation using a coherent laser light source that can measure the distance to the target and the speed of the target with high accuracy and ease even in situations where unnecessary signal factors float in the measurement environment. An object is to provide a laser radar device by a method.

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。   To achieve the above object, the present invention provides a coherent laser light source that outputs a coherent laser, a frequency modulator that modulates the frequency of the coherent laser with a predetermined modulation frequency and modulation bandwidth, and a wavelength that converts the wavelength of the coherent laser. A conversion element; an optical distributor that distributes the coherent laser to the local light and the transmitted light output toward the target; an optical mixer that combines the reflected light of the transmitted light from the target and the local light; A light receiver that converts the signal into an electric signal, and a signal processing that receives the output electric signal converted into the electric signal from the optical mixer and calculates the distance to the target and the speed of the target based on the output electric signal Part.

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。   According to the laser radar device of the present invention, even when it is necessary to convert the wavelength band of the light source in accordance with the light propagation characteristics of the measurement environment, the distance to the target body and the target by the frequency modulation method of the coherent laser light source. It is possible to detect the speed of the body easily and with high accuracy. In addition, if the measurement environment includes unnecessary signal factors other than the target body, such as marine snow or marine life in the sea, rain with a large particle size in the air, snow, ice, aerosol, etc. By extracting only the body signal, the distance to the target body and the speed of the target body can be detected easily and with high accuracy.

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。It is a block diagram which shows the structure of the laser radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。It is a flowchart explaining operation | movement of the signal processing part of the laser radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure which shows the relationship between the frequency change of the transmitted / received light obtained inside the laser radar apparatus by Embodiment 1 of this invention, and a beat frequency. 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。It is a figure explaining the reflected light from an unnecessary signal factor, and the reflected light from a target body in the laser radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure explaining the principle which separates the reflected light from an unnecessary signal factor, and the reflected light from a target body in the laser radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。It is a block diagram which shows the circuit structure of the signal processing part of the laser radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。It is a block diagram which shows the circuit structure of the signal processing part of the laser radar apparatus by other embodiment of this invention.

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。 Embodiment 1 FIG.
A laser radar device according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.

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。   FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention includes a light source unit 40 including a coherent laser light source 1, a frequency modulator 2, an optical amplifier 3, and a wavelength conversion element 4, a first optical distributor 5, and a first optical distributor. 2 includes an optical unit 50 including a light distributor 6, a transmission / reception optical system 7, an optical mixer 8, and a light receiver 9, and a signal processing unit 10.

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。   In FIG. 1, a coherent laser light source 1 has a function of outputting a continuous wave laser. The output laser light is frequency-modulated with a predetermined modulation frequency and modulation bandwidth by a frequency modulator 2 having a function of modulating the frequency of the laser light. In the configuration of this embodiment, a narrow line width DFB semiconductor laser is used as the coherent laser light source 1, and a driving current is modulated using a semiconductor laser driving current modulator as the frequency modulator 2, thereby coherent laser light source. 1 is applied with frequency modulation.

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。   Incidentally, in the prior art, in order to perform frequency modulation, it is necessary to perform frequency modulation by an acousto-optic device after wavelength conversion of light, and it is possible to modulate only in a narrow frequency band of about several MHz and to irradiate the target body 30. As for the amount of light to be emitted, loss in the acousto-optic device could not be avoided. However, with the configuration of the present embodiment, it is possible to perform wavelength conversion after directly frequency-modulating the light source, and easily frequency-modulate in a wide band of several GHz without losing the irradiation light quantity after wavelength conversion. Distance resolution can be improved.

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。   The modulated laser light is amplified to an energy level necessary for detecting the distance to the target body 30 and the speed of the target body 30 by an optical amplifier 3 having a function of amplifying light energy. The energy level at this time sufficiently satisfies the level necessary for wavelength conversion performed in the next stage, and is the S / N level necessary for detecting the distance to the target body 30 and the speed of the target body 30. It is a level that satisfies. The optical amplifier 3 can be easily implemented by using, for example, a fiber type optical amplifier.

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。   The optically amplified laser light is wavelength-converted into a predetermined wavelength band by the wavelength conversion element 4 having a function of converting the wavelength of the light by a nonlinear optical effect. For example, when the measurement environment has good light propagation characteristics in the visible light region, there is a method in which a 1.0 μm band laser beam is incident on the wavelength conversion element to generate a second harmonic to generate a 500 μm band wavelength. . Here, two light sources having different wavelength bands may be prepared to generate a sum frequency. Furthermore, a difference frequency may be generated when performing wavelength conversion to the longer wavelength side in accordance with the light propagation characteristics of the measurement environment.

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。   Laser light generated by the light source unit 40 is input to the optical unit 50. In the optical unit 50, a part of the first optical distributor 5 having a function of distributing light in two directions is branched as local light for heterodyne detection. The laser beam branched for irradiating the target body 30 is irradiated from the transmission / reception optical system 7 toward the target body 30 via the second light distributor 6. Note that the second light distributor 6 has a function of propagating transmission light to the transmission / reception optical system 7 and propagating reception light to the optical mixer 8. For example, a polarization beam splitter can be used.

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。   The transmission / reception optical system 7 has a function of outputting laser light toward the target body 30 with a predetermined beam diameter and divergence angle, and a function of condensing the laser light reflected from the target body 30. . In addition, a wave plate is incorporated in the transmission / reception optical system 7, and the propagation direction of the transmission / reception light can be separated by the second light distributor 6 from the difference in the polarization direction of the laser light during transmission and reception. It becomes possible.

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。   Of the laser light reflected by the target body 30, the light incident on the transmission / reception optical system 7 is guided by the second light distributor 6 so as to be input to the optical mixer 8. In the optical mixer 8, the local light branched by the first optical distributor 5 and the reflected light from the target body 30 input from the second optical distributor 6 are combined. The light receiver 9 has a function of converting an optical signal into an electrical signal, and photoelectrically converts the combined optical signal. The photoelectrically converted reception signal is output from the optical unit 50 and input to the signal processing unit 10 having a function of calculating distance and speed.

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ｆｒ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ｆｍ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。

Figure 2013238474
Here, a signal processing flow in the signal processing unit will be described with reference to FIG. The input received signal is extracted as the frequency of the beat signal at the frequency at which the power spectrum becomes maximum after frequency conversion. The frequency f r of the beat signal obtained here includes information on the distance R to the target body 30 and is calculated from the frequency modulation repetition frequency f m , the frequency modulation width Δf, and the speed of light c in the following relationship. Can do.
Figure 2013238474

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ｆｒと速度に依存したドップラー周波数ｆｄが重畳しており、式（２）に示すような関係がある。

Figure 2013238474
When the target body 30 is moving relatively, the beat frequency of the received signal decreases when the frequency of the coherent laser light source 1 is up-chirped as shown in FIG. 3 due to the Doppler effect corresponding to the relative speed. It increases when down chirping. In this case, the beat frequency f r depending on the distance and the Doppler frequency f d depending on the speed are superimposed on the beat frequencies f 1 and f 2 which fluctuate, and there is a relationship as shown in Expression (2).
Figure 2013238474

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ｆｒと速度に依存したドップラー周波数ｆｄを式（３）のように演算することで導出できる。

Figure 2013238474
Here, by detecting the spectrum having the maximum frequency at the time of up-chirp and at the time of down-chirp as the frequency of the beat signal, it depends on the beat frequency fr and the speed depending on the distance based on the equation (2). It can be derived by calculating the Doppler frequency fd as shown in Equation (3).
Figure 2013238474

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。

Figure 2013238474
The relative speed of the target body 30 can be derived from the Doppler frequency fd, the light speed c, and the light frequency f0 of the light source calculated from Expression (3) by calculating as in Expression (4).
Figure 2013238474

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。   In the above description of the calculation of distance and speed by frequency modulation, an example in which a sinusoidal frequency chirp is applied is given, but it is desirable to select an optimum method from various waveform characteristics such as a triangular wave frequency chirp. .

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。   As described above, the case where only a signal resulting from the reflected light from the target body 30 exists as a received signal has been described. However, in an actual measurement environment, laser light can be reflected on the light propagation path to the target body 30. The substance may be floating, and the received signal is not a single beat signal but a signal in which a plurality of beat signals caused by reflected light from these substances are superimposed. In the following, a method for separating these unnecessary signals will be described.

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。 As shown in FIG. 4 and FIG. 5, when an unnecessary signal factor 31 is floating between the laser radar device and the target body 30, when laser light 32 is transmitted from the laser radar device, the target body 30 is transmitted to the receiver. The reflected light 33 from the unnecessary signal factor 31 is superimposed on the reflected light 33. However, since the unnecessary signal factor 31 always exists in front of the target body 30, when the received signal is subjected to frequency analysis from the relational expression (1), the beat signal frequency due to the unnecessary signal factor 31 is greater than the beat signal frequency of the target body 30. Becomes a low frequency.
Therefore, by converting the frequency of the obtained received signal and always extracting the maximum frequency from the obtained power spectrum, the beat signal from the target body 30 can be extracted even in an environment where unnecessary signal factors exist. It is possible to detect the distance and speed to the target body 30.

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。   FIG. 6 shows a circuit configuration example inside the signal processing unit described above. The received signal is first data-sampled by the high-speed A / D conversion circuit 11. The sampled data group passes through the FFT circuit 12 and is converted into a frequency domain. The converted signal is input to a maximum frequency filter circuit 13 having a function of extracting a signal having the maximum frequency from the signal group, and a signal component having the maximum frequency is extracted. The method of selecting the maximum frequency may set the threshold at an arbitrary level, or may set the average value of the obtained power spectrum as the threshold, and the frequency above the set threshold. Select the highest frequency among the components.

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。   The memory switching circuit 14 has a function of switching the storage destination of beat frequency information during up-chirping and down-chirping based on the frequency modulation signal obtained from the frequency modulator 2. When beat frequency information is input from the maximum frequency filter circuit 13 to the memory switching circuit 14, the save destination is determined in the up-chirp data processing circuit 15 or the down-chirp data processing circuit 16 according to the direction of the chirp, and the beat frequency is determined. Information is output. The up-chirp data processing circuit 15 and the down-chirp data processing circuit 16 have a function of taking a moving average with respect to input data, and move with respect to beat frequency information input through the memory switching circuit 14. An averaging process is performed. The beat frequency information at the time of up-chirp and down-chirp processed by each circuit includes a beat frequency calculation circuit 17 having a function of calculating a beat frequency depending on a distance by addition and subtraction based on Expression (3), and a Doppler depending on the speed. Each is input to the Doppler frequency calculation circuit 18 having a function of calculating the frequency, and the calculation result is output to the multiplication circuit.

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ｆｍ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。 Distance calculating circuit 19 has a function of calculating the distance R based on Equation (1) from the value of the information and the beat frequency between the modulation frequency width Δf modulation frequency f m which is transmitted from the frequency modulator 2, the beat frequency computing The beat frequency information input from the circuit 17 is processed into a distance R.

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。   Similarly, the speed calculation circuit 20 has a function of calculating the speed V based on the equation (4) from the optical frequency of the light source and the value of the Doppler frequency, and converts the Doppler frequency information input from the Doppler frequency calculation circuit 18 into the speed V. Arithmetic processing.

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。   As described above, according to the first embodiment, the coherent laser light source 1 that outputs a coherent laser, the frequency modulator 2 that modulates the frequency of the coherent laser with a predetermined modulation frequency and modulation bandwidth, and the wavelength of the coherent laser are set. The wavelength conversion element 4 for conversion, the first light distributor 5 that distributes the coherent laser to the local light and the transmission light output toward the target body 30, the reflected light of the transmission light from the target body 30 and the local light The optical mixer 8 for combining the signals, the output electric signal converted into the electric signal from the optical mixer 8, and the distance to the target body 30 and the speed of the target body 30 based on the output electric signal. Since the signal processing unit 10 is provided, the wavelength band of the light source needs to be converted in accordance with the light propagation characteristics of the measurement environment. By the frequency modulation scheme Heather light source facilitate detection of the rate of the distance and target 30 to the target 30, and can be performed with high accuracy.

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。   Further, according to the first embodiment, the signal processing unit 10 calculates the distance to the target body 30 and the speed of the target body 30 based on the maximum frequency calculation signal extracted from the output electrical signal with a predetermined threshold. Since the measurement environment includes marine snow and marine organisms in the sea other than the target body 30, unnecessary signal factors such as rain, snow, ice, and aerosol with large particle diameter in the air, Only the signal of the target body 30 is extracted from the inside, and the distance to the target body 30 and the speed of the target body 30 can be detected easily and with high accuracy.

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。 Embodiment 2. FIG.
A laser radar device according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, in which the configuration of the signal processing unit 10 in FIG. 1 is different from that of the first embodiment.

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。   The FFT circuit 12 shown in FIG. 7 has a function of converting the frequency of the received signal sampled by the A / D circuit, and stores the frequency-converted received signal in the memory 21 sequentially from the high frequency side data. The memory address order stored at this time coincides with the ascending order of the frequency, that is, by obtaining the memory address as information, the frequency of the data stored therein can be known. The peak hold circuit 22 has a function of sequentially calling the data stored in the memory 21 from the data on the high frequency side, accumulating the sampled data, and extracting the signal having the maximum intensity. In the peak hold circuit 22, the comparison with the signal strength accumulated last time is sequentially performed, and the data acquisition is stopped when the peak update is stopped. The frequency at that time is calculated from the memory address at which the data at the time when the capturing is stopped is called, and is output to the memory switching circuit 14 as the reflected signal frequency from the target body 30.

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。   The first embodiment is an effective method when the difference between the reflection intensity from the target body 30 and the reflection intensity from other unnecessary signal factors is not clear, but when the reflection intensity from the target body 30 is sufficiently strong. According to the second embodiment, the reflected signal from the target body 30 can be acquired more accurately.

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。   As described above, according to the second embodiment, the signal processing unit 10 calculates the distance to the target body 30 and the speed of the target body 30 based on the calculation signal having the frequency at which the intensity of the output electric signal is maximum. Thus, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and when the reflection intensity from the target body 30 is sufficiently strong, the reflection signal from the target body 30 can be acquired more accurately. Become.

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。   Further, within the scope of the present invention, the invention of the present application can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment. .

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coherent laser light source, 2 Frequency modulator, 3 Optical amplifier, 4 Wavelength conversion element, 5 1st light distributor, 6 2nd light distributor, 7 Transmission / reception optical system, 8 Optical mixer, 9 Light receiver, 10 Signal processing unit, 11 high-speed A / D conversion circuit, 12 FFT circuit, 13 maximum frequency filter circuit, 14 memory switching circuit, 15 up-chirp data processing circuit, 16 down-chirp data processing circuit, 17 beat frequency arithmetic circuit, 18 Doppler frequency calculation circuit, 19 distance calculation circuit, 20 speed calculation circuit, 21 memory, 22 peak hold circuit, 30 target object, 31 unnecessary signal factor, 32 laser light, 33 reflected light from target object, 34 unnecessary signal factor Reflected light, 40 light source part, 50 optical part.

Claims (3)

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。 A coherent laser source that outputs a coherent laser;
A frequency modulator for frequency-modulating the coherent laser with a predetermined modulation frequency and modulation bandwidth;
A wavelength conversion element for converting the wavelength of the coherent laser;
An optical distributor for distributing the coherent laser to local light and transmission light output toward a target body;
An optical mixer for combining the reflected light of the transmitted light from the target body and the local light;
A receiver that converts an optical signal into an electrical signal;
A signal processing unit which receives an output electric signal converted into an electric signal from the optical mixer and calculates a distance to the target body and a speed of the target body based on the output electric signal; Laser radar device. 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。   2. The laser radar according to claim 1, wherein the signal processing unit calculates a distance to the target body and a speed of the target body based on a calculation signal having a maximum frequency extracted from the output electrical signal with a predetermined threshold. apparatus. 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。   2. The laser radar device according to claim 1, wherein the signal processing unit calculates a distance to the target body and a speed of the target body based on a calculation signal having a frequency at which the intensity of the output electric signal is maximum.
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