CN103946716B - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

具备：振荡出互相不同的波长的CW激光的CW激光光源(1、2)；使CW激光光源(1、2)振荡出的CW激光混合的光合波耦合器(3)；使由光合波耦合器(3)混合了的CW激光分支的光分支耦合器(4)；调制由光分支耦合器4分支了的一方的CW激光的光调制器(5)；放大由光调制器(5)调制了的激光的光纤放大器(6)，其中，收发光学系统(8)向目标照射由光纤放大器(6)放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及使用光纤作为装置内的光的传播光路，向大气中照射激光，接收由目标(例如，大气、大气中的微粒子、气溶胶、飞行物、建筑物等)导致的激光的散射光，检测该散射光受到的多普勒偏移，从而测量目标的位置、速度的激光雷达装置。
背景技术
在以下的非专利文献1中，公开了通过使用脉冲驱动的声光学(AO)元件作为光调制器而使发送光脉冲化的激光雷达装置。
另外，在以下的专利文献1中，公开了使用光纤作为装置内的光的传播光路的激光雷达装置，在该激光雷达装置中，考虑由于在光纤中产生的被称为受激布里渊散射的非线性光学效应而发送光的峰值功率受到限制的情况，采用波长不同的多个CW激光光源，增加发送功率，从而实现高SN比的测量。
另外，在该激光雷达装置中，采用波长分离元件，实施将接收光分离为每个波长的信号分离处理，并且，将每个波长的接收光和每个波长的本机(local)振荡光合波，实施相干检测处理，对各相干检测信号进行积分处理，从而获得高SN比。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-219207号公报(段落编号[0011]，图1)
非专利文献
非专利文献1：G.N.PearsonandJ.Eacock著″Proceedingsof11thCoherentLaserRadarConference″(Malvern，Worcestershire，UK，July2001)，第144页-第146页
发明内容
以往的激光雷达装置如以上那样构成，因此可以实现高SN比的测量，但是存在如下问题：针对每个信号光波长需要光检测器，所以结构复杂，并且装置大型化而变得昂贵。
另外，存在如下问题：如果信号光波长增加，则在波长分离元件中需要分离多个波长，因此构造变得复杂，并且对于接收光的损耗增加而接收光功率衰减，每个波长的相干检测信号发生低SN化。
本发明是为解决上述问题而作出的，目的在于获得不会导致结构的复杂化而可以以简单的结构实现高SN比的测量的激光雷达装置。
本发明的激光雷达装置，具备：CW激光光源，振荡出波长不同的CW激光；光分支器，使由CW激光光源振荡出的CW激光分支；光调制器，调制由光分支器分支的一方的CW激光；光纤放大器，放大由光调制器调制了的激光；收发光学系统，向目标照射由光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光；光合波器，混合由收发光学系统接收到的散射光和由光分支器分支了的另一方的CW激光，输出该散射光和CW激光的混合光；光检测器，接受从光合波器输出的混合光，检测上述散射光和上述CW激光的差拍信号的；以及信息抽出器，从光检测器检测出的差拍信号抽出与目标相关的信息，装置内的光的传播光路由光纤构成，由光检测器检测的所述差拍信号中重合有基于波长不同的多个CW激光的差拍信号的频谱分量。
根据本发明，构成为设置有：振荡出波长不同的CW激光的CW激光光源；使CW激光分支的光分支器；调制由光分支器分支后的一方的CW激光的光调制器；以及放大由光调制器调制后的激光的光纤放大器，收发光学系统向目标照射由光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光，因此，具有不会导致结构的复杂化而可以以简单的结构实现高SN比的测量的效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
图2是表示本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构图。
图3是表示本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图。
图4是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图。
图5是表示本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图。
图6是表示本发明的实施方式6的激光雷达装置的结构图。
(符号的说明)
1、2、20、30：CW激光光源；3、31～3n-1：光合波耦合器(第1光合波器)；4：光分支耦合器(光分支器)；5：光调制器；6：光纤放大器；7：光环行器；8：收发光学系统；9：光合波耦合器(第2光合波器)；10：光检测器；11：信号处理装置(信息抽出器)；21、22：光分支耦合器(光分支器)；23、24：光调制器；25：光合波耦合器(第1光合波器)；26：光合波耦合器(第2光合波器)；27：光合波耦合器(第3光合波器)；41：空间型光放大器(激光放大器)；42：收发光分离器；43：收发光学系统；51、52：CW激光光源；53：控制器。
具体实施方式
以下，为了进一步详细说明本发明，按照附图说明用于实施本发明的方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
在图1中，CW激光光源1是振荡出频率f1的CW(ContinuousWave:连续波)激光的光源。
CW激光光源2是振荡出频率f2的CW激光的光源。
其中，设为由CW激光光源1、2振荡出的CW激光的频率f1、f2处于光纤放大器6的增益频带内，并且，频率f1和频率f2之差比由光纤产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
光合波耦合器3是使由CW激光光源1振荡出的频率f1的CW激光和由CW激光光源2振荡出的频率f2的CW激光混合的光学元件。另外，光合波耦合器3构成第1光合波器。
光分支耦合器4是使由光合波耦合器3混合后的CW激光分支为两路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器5输出，将另一方的CW激光作为本机振荡光向光合波耦合器9输出的光学元件。另外，光分支耦合器4构成光分支器。
光调制器5使从光分支耦合器4输出的发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM)，从而实施将频率为f1+fM、f2+fM的调制后的发送种光向光纤放大器6输出的处理。
光纤放大器6是放大作为从光调制器5输出的调制后的发送种光的激光的光学元件。
光环行器7是使由光纤放大器6放大的激光通过收发光学系统8侧，另一方面将与该激光逆向传播的激光(由收发光学系统8接收到的散射光)的光路切换到光合波耦合器9侧，使该激光向光合波耦合器9传播的光学元件。
收发光学系统8实施使通过光环行器7而来的激光向目标(例如，大气、大气中的微粒子、气溶胶、飞行物、建筑物等)照射，另一方面接收目标导致的上述激光的散射光的处理。
光合波耦合器9是使由收发光学系统8接收并通过光环行器7而来的散射光和从光分支耦合器4输出的本机振荡光混合，并输出该散射光和本机振荡光的混合光的光学元件。另外，光合波耦合器9构成第2光合波器。
光检测器10实施接受从光合波耦合器9输出的混合光，并检测该散射光和本机振荡光的差拍(beat)信号的处理。
作为信息抽出器的信号处理装置11实施从由光检测器10检测到的差拍信号抽出与目标相关的信息(例如，散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等信息)，并从与目标相关的信息算出目标的各种运动因素(例如，到目标的距离、速度分布)的处理。
另外，在图1的激光雷达装置中，光检测器10和信号处理装置11用电线连接，而其他结构要素间用光纤连接。
接着说明动作。
在该实施方式1中，说明设为目标为气溶胶(在大气中悬浮的尘埃等粒子)，检测由气溶胶引起的激光的散射光的多普勒偏移，从而测量风速的例子。
首先，CW激光光源1振荡出频率f1的CW激光。该CW激光被耦合到光纤，向光合波耦合器3传播。
另外，CW激光光源2振荡出频率f2的CW激光。该CW激光被耦合到光纤，向光合波耦合器3传播。
为了提高相干的检测精度，各激光的频谱宽度优选为尽可能窄的线宽度，例如，优选采用100kHz以下的频谱宽度。
作为这样的激光光源，例如，可以采用DFB(DistributedFeed-Back，分布式反馈)光纤激光器、DFB-LD(LaserDiode，激光二极管)等。
光合波耦合器3从CW激光光源1接受频率f1的CW激光，从CW激光光源2接受频率f2的CW激光时，使频率f1的CW激光和频率f2的CW激光混合，使混合后的CW激光向光分支耦合器4输出。
光分支耦合器4从光合波耦合器3接受到混合后的CW激光时，将该CW激光的光功率按规定比例分支为2个光路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器5输出，将另一方的CW激光作为相干检测用的本机振荡光向光合波耦合器9输出。
光分支耦合器4中的光功率的分支比优选对CW激光的频率的依赖性小。
光调制器5从光分支耦合器4接受到频率f1、f2的发送种光时，使该发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM)，从而向光纤放大器6输出频率f1+fM、f2+fM的发送种光。
这里，例如，通过采用声光学调制器(Acousto-OpticModulator:AOM)作为光调制器5，可以同时进行通过将CW激光用定时门切出而进行的脉冲化和频率偏移的施加。
通常，中间频率fM为数十～数百MHz左右的频率，选定适用于系统的值。
光纤放大器6接受到作为从光调制器5输出的调制后的发送种光的激光时，将该激光放大并向光环行器7输出。
光环行器7接受到由光纤放大器6放大后的激光时，使该激光通过收发光学系统侧8。
收发光学系统8使通过光环行器7而来的激光向大气中出射，接收由存在于大气中的气溶胶散射的上述激光的散射光。
作为收发光学系统8，可以采用能够使出射的激光近似平行光化并能够进行焦点距离的调整的望远镜等。
另外，作为收发光学系统8，也可以采用光纤准直器等，但是，为了使出射的激光产生的衍射降低且提高接收效率，优选开口大的。
另外，由收发光学系统8接收到的散射光与光纤耦合。
气溶胶随着大气的流动(风)而移动，因此散射光受到多普勒偏移。
由此，如果将作为发送光的频率f1+fM、f2+fM的激光所受到的多普勒偏移设为fd1、fd2，则散射光的频率成为f1+fM+fd1、f2+fM+fd2。
光环行器7将由收发光学系统8接收到的散射光的光路切换到光合波耦合器9侧，使该散射光向光合波耦合器9传播。
光合波耦合器9在由收发光学系统8接收到的散射光通过光环行器7而来时，使该散射光和从光分支耦合器4输出的频率f1、f2的本机振荡光混合，将该散射光和本机振荡光的混合光向光检测器10输出。
光检测器10接受从光合波耦合器9输出的混合光，检测该散射光和本机振荡光的差拍信号。
光检测器10所接受的混合光中包含的散射光接受到由光调制器5进行的偏移和伴随气溶胶的移动的多普勒偏移，因此，由光检测器10检测的差拍信号的频率成为fM+fd1、fM+fd2。
在光检测器10检测差到拍信号时，信号处理装置11从该差拍信号抽出与目标相关的信息(例如，散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等信息)，根据与目标相关的信息算出目标的各种运动因素(例如，到目标为止的距离、速度分布)。
根据与目标相关的信息算出目标的各种运动因素的处理为公知的技术，因此省略详细的说明。
在该实施方式1中，作为光纤放大器6，采用与所使用的激光的波带相符的放大器，但是，例如，如果激光的波长为1.06μm波段，则可以使用采用了Nd(Neodymium：钕)掺杂光纤、Yb(Ytterbium：镱)掺杂光纤的光纤放大器。
另外，如果激光的波长为1.55μm波段，则可以使用采用了Er(Erbium，铒)掺杂光纤的光纤放大器。
在这些光纤放大器中，具有数nm～数10nm左右的增益频带宽度，如果处于增益频带内，则可以同时放大多个波长的激光。
此处，具有一定值以上的强度的激光入射到光纤中时，发生受激布里渊散射。
受激布里渊散射是如下的现象：通过由入射的激光所发生的声栅波产生折射率的周期性的调制，该折射率的周期性的调制起到衍射栅的作用，从而使入射激光向后方散射。
受激布里渊散射发生时，入射的激光的功率中的、超过受激布里渊散射的发生阈值的部分向光纤的后方散射，因此可向光纤入射的激光的功率被限制。
已知在一般的光纤中，受激布里渊散射的增益频带宽度为数十～100MHz左右。
由此，例如，频率差比100MHz(例如，如果激光的波长为1550nm，则与约0.8pm的波长差相当)大的2个激光入射到光纤时，可以使对2个激光的受激布里渊散射的增益不同，因此，2个激光可以输入光功率直到各自成为受激布里渊散射的发生阈值的入射功率为止。
另外，与在输入多个激光的情况下也同样地，使所输入的各激光的频率差分别比100MHz大，从而可以使对各激光的受激布里渊散射的增益互异，各激光可以输入光功率直到各自成为受激布里渊散射的发生阈值的入射功率为止，因此，可以增大能够向光纤入射的激光的功率。
这样，通过采用具有比受激布里渊散射的增益频带宽度大的频率差的多个激光，可以增大能够向光纤入射的激光的功率。
在光纤放大器中，存在在激光的功率增强的过程中超过受激布里渊散射的阈值的情况，尤其是在进行脉冲光的放大时峰值输出容易变大，因此容易发生受激布里渊散射。由此，通常为了避免发生受激布里渊散射，限制向光纤放大器投入的激励功率等，调整输出光功率而进行使用。
在该实施方式1中，如上所述，由CW激光光源1、2振荡出的CW激光的频率f1、f2之差比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大，因此，这些激光可以将输出脉冲光的峰值功率增大到各自的受激布里渊散射阈值PSBS1、PSBS2为止。
由此，如果将各激光的平均输出功率(平均输出功率用脉冲光的峰值功率和脉冲宽度和脉冲重复频率的积来表示)设为PS1、PS2，则可以将光纤放大器6的输出光的平均功率设为PS1+PS2，与采用单一光源(例如，仅CW激光光源1或CW激光光源2中的某一方)的情况相比，可以增大发送光功率。
由此，在PS1＝PS2时，通过采用2个CW激光光源，可以使发送光的功率成为2倍。
如上所述，通过采用具有比受激布里渊散射的增益频带宽度大的频率差的多个激光光源，可以比采用单一光源时增大发送光的功率，并且可以由后述的接收信号的累加来提高SN比，因此，可以以高灵敏度进行高精度的测量。
另外，通过采用多个激光光源，在光纤放大器6中输入功率增加，因此可以提高能量的提取效率，减少激光放大时的ASE(AmplifiedSpontaneousEmission:放大的自发发射)分量的发生，因此具有光纤放大器6的效率改善效果和光检测器10中的噪声分量的降低效果。
在图1的激光雷达装置中，从收发光学系统8向大气中出射的激光受到的多普勒偏移fd1、fd2如下记的式(1)(2)所表示。
fd1＝2V×(f1+fM)/c(1)
fd2＝2V×(f2+fM)/c(2)
其中，V是风速(气溶胶的移动速度)，c是光速(这里，设为3×108m/s)。
从式(1)(2)，频率fd1和频率fd2之差可以求出为fd1－fd2＝2V×(f1－f2)/c。
例如，将由CW激光光源1振荡出的CW激光的波长λ设为1550nm、将由CW激光光源2振荡出的CW激光的波长λ设为1549nm时，CW激光的频率f通过f＝c/λ求出，频率f1和频率f2之差为约125GHz。
这满足比上述受激布里渊散射的增益频带宽度大的条件。另外，在将风速V设为1m/s时，多普勒偏移fd1和fd2之差成为约0.8kHz。
作为接收光的散射光的频谱宽度因测定范围内的风速的偏差等而扩大，因此，变得比激光光源的线宽度大，通常为1MHz左右。
与之相对，多普勒偏移fd1和fd2之差在上述的情况下成为约0.8kHz，与散射光的频谱宽度相比足够小，因此，由光检测器10检测的差拍信号成为fM+fd1和fM+fd2这两个频谱分量重合的信号。
但是，这些频率分量相位不一致，因此可能相互增强或者削弱，在fd1、fd2的单一频率分量中的强度为Sfd1、Sfd2的情况下，将由信号处理装置11测定的fd1和fd2的分量合成后的信号强度成为
由此，与仅采用单一的光源的情况下的接收光即散射光(Sfd1或Sfd2)相比，可以增大信号强度。因而，可以改善SN比，以高灵敏度进行高精度的测量。
另外，在上述的例子中，在Sfd1＝Sfd2＝Sfd时，将由信号处理装置11测定的fd1和fd2的分量合成后的信号强度成为即，通过采用2个CW激光光源1、2，可以使作为接收光的散射光的信号强度成为√2倍。
这样，通过采用多个频率的CW激光光源，可以增大接收光即散射光的信号强度。从而，可以增大接收光即散射光的SN比，可以以高灵敏度进行高精度的测量。
另外，在上述的例中，将风速V设为1m/s，风速V变大时，多普勒偏移fd1和fd2之差也变大，因此，风速V的值变大时，不能充分取得fd1和fd2的频率分量的重叠，但是在这样的情况下，通过减小激光光源f1、f2的频率差，可以减小多普勒偏移fd1和fd2之差。
这样，考虑需要测量的频率区域、需要的测量精度，设定由CW激光光源1、2振荡出的CW激光的频率f1、f2，从而可以获得作为接收光的散射光的频率分量的重叠，可以增大作为接收光的散射光的信号强度。
通过以上可知，根据该实施方式1，构成为设有：振荡出互相不同的波长的CW激光的多个CW激光光源1、2；使由CW激光光源1、2振荡出的CW激光混合的光合波耦合器3；使由光合波耦合器3混合了的CW激光分支的光分支耦合器4；调制由光分支耦合器4分支了的一方的CW激光的光调制器5；对由光调制器5调制的激光进行放大的光纤放大器6，收发光学系统8向目标照射由光纤放大器6放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光，因此，具有不会导致结构的复杂化而可以以简单的结构实现高SN比的测量的效果。
即，根据该实施方式1，由一个收发光学系统8进行基于2个CW激光光源1、2的激光的收发，可以提高作为接收光的散射光的信号强度，因此，不必针对每个CW激光光源1、2的波长来准备光检测器。因此，可以使装置结构简化，具有可以实现装置的小型化、低价格化的效果。
另外，在上述的结构中，不需要用于针对每个激光的波长分离作为接收光的散射光的光学元件，因此，不会发生针对接收光的光学元件的损耗，可以维持高的信号强度。
另外，通过用光检测器10使本机振荡光和作为接收光的散射光的偏振面一致，可以进行效率高的相干检测，但是，可以用未图示的偏振面控制器等使本机振荡光和散射光的偏振面一致。
进行，将偏振面保存型的光纤用于连接各光学元件间的光纤且将偏振面保存型的光学元件用于各光学元件时，即使不使用偏振面控制器等，也可以使本机振荡光和散射光的偏振面一致，可以使装置结构简化。
实施方式2.
在上述实施方式1中，示出了搭载有振荡出互相不同的波长的CW激光的2个CW激光光源1、2的情况，但是只要光纤放大器6的增益足够大，激光的功率不会导致光纤、发送光路上的光学元件的破坏，也可以增加激光的波长数。
在该实施方式2中，说明搭载n个CW激光光源的激光雷达装置。
图2是表示本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构图，在图中与图1相同的符号表示同一或相当部分，所以省略说明。
CW激光光源20是振荡出频率fn的CW激光的光源。
在图2的例中，搭载n个(n＝1，2，…，n)的CW激光光源。
其中，由n个CW激光光源振荡出的CW激光的频率f1，f2，…，fn处于光纤放大器6的增益频带内，且各频率之差(例如，频率f1和频率f2之差、频率f2和频率f3之差、频率fn-1和频率fn之差)设为比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
光合波耦合器31是使由CW激光光源1振荡出的频率f1的CW激光和由CW激光光源2振荡出的频率f2的CW激光混合的光学元件。
光合波耦合器3n-1是使由光合波耦合器3n-2混合的CW激光和由CW激光光源20振荡出的频率fn的CW激光混合的光学元件。
另外，n-1个光合波耦合器31，…，3n-1构成第1光合波器。
接着说明动作。
在该实施方式2中，n-1个光合波耦合器31，…，3n-1对第1频率f1的CW激光，按照顺序混合第2～第n频率f2，…，fn的CW激光。
由此，从最终级的光合波耦合器3n-1向光分支耦合器4输出的CW激光的频率成为f1，f2，…，fn。
光分支耦合器4以下的处理内容与上述实施方式1相同，因此省略说明，但是，通过混合频率不同的n个CW激光，与仅采用单一的CW激光光源的情况相比，可以将由光纤放大器6放大的激光的功率增大到n倍(在光纤放大器6中的对各波长的输出功率相同的情况下)为止。
由此，在光纤放大器6中，输入功率增加，因此可以提高能量的提取效率，减少激光放大时的ASE分量的发生，因此可以获得光纤放大器6的效率改善效果和光检测器10中的噪声分量的降低效果。
另外，在光检测器10中，获得针对n个激光的差拍信号，如上所述，单个频率分量中的信号强度为Sfd时，将这些分量合成后的信号强度成为(√n)×Sfd，信号强度变大。因此，可以改善SN比，以高灵敏度进行高精度的测量。
这样，通过增加所使用的CW激光光源的个数，可以提高信号强度。
另外，如上所述，考虑需要测量的频率区域、需要的测量精度，设定从激光光源振荡的CW激光的频率f1，f2，…，fn，从而可以获得作为接收光的散射光的频率分量的重叠，能够增大散射光的信号强度。
如上所述，越增加所使用的CW激光光源的个数，越可以提高散射光的信号强度，可以以高灵敏度进行高精度的测量。
实施方式3.
图3是表示本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图，在图中与图1相同的符号表示同一或相当部分，因此省略说明。
光分支耦合器21是将由CW激光光源1振荡出的频率f1的CW激光分支为两路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器23输出，将另一方的CW激光作为本机振荡光向光合波耦合器26输出的光学元件。
光分支耦合器22是将由CW激光光源2振荡出的频率f2的CW激光分支为两路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器24输出，将另一方的CW激光作为本机振荡光向光合波耦合器26输出的光学元件。
另外，光分支耦合器21、22构成光分支器。
光调制器23实施使从光分支耦合器21输出的频率f1的发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM1)，从而向光合波耦合器25输出频率f1+fM1的发送种光的处理。
光调制器24实施使从光分支耦合器22输出的频率f2的发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM2)，从而向光合波耦合器25输出发送种光的处理。
光合波耦合器25是使由光调制器23调制了的频率f1+fM1的发送种光和由光调制器24调制了的频率f2+fM2的发送种光混合，将混合后的发送种光(频率f1+fM1、f2+fM2的发送种光)向光纤放大器6输出的光学元件。另外，光合波耦合器25构成第1光合波器。
光合波耦合器26是使从光分支耦合器21输出的频率f1的本机振荡光和从光分支耦合器22输出的频率f2的本机振荡光混合，将混合后的本机振荡光(频率f1、f2的本机振荡光)向光合波耦合器27输出的光学元件。另外，光合波耦合器26构成第2光合波器。
光合波耦合器27是使由收发光学系统8接收到并通过光环行器7而得到的散射光和从光合波耦合器26输出的本机振荡光混合，输出该散射光和本机振荡光的混合光的光学元件。另外，光合波耦合器27构成第3光合波器。
接着说明动作。
CW激光光源1与上述实施方式1同样，振荡出频率f1的CW激光。该CW激光被耦合到光纤，向光分支耦合器21传播。
CW激光光源2与上述实施方式1同样，振荡出频率f2的CW激光。该CW激光被耦合到光纤，向光分支耦合器22传播。
光分支耦合器21从CW激光光源1接受到频率f1的CW激光时，将该CW激光分支为两路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器23输出，将另一方的CW激光作为本机振荡光向光合波耦合器26输出。
另外，光分支耦合器22从CW激光光源2接受到频率f2的CW激光时，将该CW激光分支为两路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器24输出，将另一方的CW激光作为本机振荡光向光合波耦合器26输出。
光调制器23从光分支耦合器21接受到频率f1的发送种光时，使该发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM1)，从而向光合波耦合器25输出频率f1+fM1的发送种光。
另外，光调制器24从光分支耦合器22接受到频率f2的发送种光时，使该发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM2)，从而向光合波耦合器25输出频率f2+fM2的发送种光。
作为光调制器23、24，与图1的光调制器5同样，例如，通过采用声光学调制器，可以同时进行通过将CW激光用定时门切出而进行的脉冲化和偏移的施加。
其中，基于光调制器23的频率的调制fM1和基于光调制器24的频率的调制fM2设定成不同的值。
另外，设定成使(fM1+fd1)<(fM2+fd2)，或，(fM1+fd1)>(fM2+fd2)的条件成立。
由此，在后级的信号处理装置11中，可以识别由光检测器10检测的差拍信号的2个频率分量(fM1+fd1、fM2+fd2)，因此可以独立地测量各频率分量的信号强度。
例如，如果设为fM1＝50MHz，fM2＝100MHz，fd1＝fd2＝10MHz，则(fM1+fd1＝60MHz)<(fM2+fd2＝110MHz)，因此，可以判别为频率小的信号是与由CW激光光源1振荡出的激光对应的散射光，频率大的信号是与由CW激光光源2振荡出的激光对应的散射光。
光合波耦合器25使由光调制器23调制了的频率f1+fM1的发送种光和由光调制器24调制了的频率f2+fM2的发送种光混合，向光纤放大器6输出混合后的发送种光(频率f1+fM1、f2+fM2的发送种光)。
光纤放大器6从光合波耦合器25接受作为频率f1+fM1、f2+fM2的发送种光的激光时，与上述实施方式1同样，放大该激光而向光环行器7输出。
光环行器7接受由光纤放大器6放大了的激光后，与上述实施方式1同样，使该激光通过收发光学系统8侧。
收发光学系统8与上述实施方式1同样，使通过光环行器7而来的激光向大气中出射，接收由存在于大气中的气溶胶散射的上述激光的散射光。
光环行器7将由收发光学系统8接收到的散射光的光路切换到光合波耦合器27侧，向光合波耦合器27传播该散射光。
光合波耦合器26从光分支耦合器21接受到频率f1的本机振荡光，从光分支耦合器22接受频率f2的本机振荡光时，将该频率f1的本机振荡光和频率f2的本机振荡光混合，向光合波耦合器27输出混合后的本机振荡光(频率f1、f2的本机振荡光)。
光合波耦合器27在由收发光学系统8接收到的散射光通过光环行器7而来时，将该散射光和从光合波耦合器26输出的频率f1、f2的本机振荡光混合，向光检测器10输出该散射光和本机振荡光的混合光。
光检测器10与上述实施方式1同样，接受从光合波耦合器27输出的混合光，检测该散射光和本机振荡光的差拍信号。
光检测器10所接受的混合光所含的散射光受到基于光调制器23、24的偏移和伴随气溶胶的移动的多普勒偏移，因此由光检测器10检测到的差拍信号的频率成为fM1+fd1、fM2+fd2。
在光检测器10检测到差拍信号时，与上述实施方式1同样，信号处理装置11从该差拍信号抽出与目标相关的信息(例如，散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等信息)，根据与目标相关的信息算出目标的各种运动因素(例如，到目标为止的距离、速度分布)。
另外，在信号处理装置11中，可以独立地测量与由CW激光光源1振荡出的激光对应的多普勒偏移fd1和与由CW激光光源2振荡出的激光对应的多普勒偏移fd2，因此，通过对这些测量值进行累计处理，可以改善SN比，以高灵敏度进行高精度的测量。
如上所述，多普勒偏移依赖于风速V和发送的激光的频率而变化，因此，即使仅将激光的频率f1和频率f2设定成不同的值，多普勒偏移fd1和多普勒偏移fd2也会成为不同的值，但是，通过光调制器23、24施加不同频率偏移，即使在多普勒偏移fd1和多普勒偏移fd2之差小的情况下，也可以容易地向散射光的频率赋予差。因此，在信号处理装置11中，可以用频率分量的差异来进行2个散射光的识别。
另外，在该实施方式3中，由CW激光光源1、2振荡出的CW激光的频率f1、f2之差比受激布里渊散射的增益频带宽度大即可，如上述实施方式1、2那样，不必考虑频率f1和频率f2的分量的重叠。
由此，可以增大CW激光光源1、2的波长差，可以增大所使用的设备的自由度。
另外，在光调制器23、24中，也可以采用未图示的信号发生器等而使激光的脉冲化定时同步。
由此，可以使由光合波耦合器25混合的脉冲激光的上升时间一致，使各频率的发送光的出射定时一致，因此，可以使信号处理装置11中的发送光往返时间的测量等的处理简化。
在该实施方式3中，示出了搭载2个CW激光光源1、2的情况，但是如上述实施方式2那样，也可以搭载n个CW激光光源。
在该情况下，针对每个CW激光光源设置使CW激光分支为两路的光分支耦合器和赋予不同的偏移的光调制器，并设置按照顺序混合由多个光调制器调制后的发送种光的光合波耦合器和按照顺序混合由光分支耦合器分支了的本机振荡光的光合波耦合器即可。
此时，如上所述，通过将基于各光调制器的频率偏移设定成不同的值，可以在信号处理装置11中独立地测量针对各激光的多普勒偏移，通过对这些测量值进行累计处理，可以改善SN比，以高灵敏度进行高精度测量。
即使在该情况下，越增加所使用的CW激光光源的个数，越可以增加作为接收光的散射光，因此，基于累计处理的SN比的改善效果变大。
实施方式4.
在上述实施方式2中，示出了通过搭载n个CW激光光源振荡出n个频率f1，f2，…，fn的CW激光的情况，但是，也可以仅仅搭载一个可使n个频率f1，f2，…，fn的CW激光振荡的CW激光光源。
图4是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图，在图中与图1相同的符号表示同一或相当部分，因此省略说明。
CW激光光源30是振荡出n个频率f1，f2，…，fn的CW激光的光源。
其中，由CW激光光源30振荡出的CW激光的频率f1、f2，…，fn分别不同，各频率f1，f2，…，fn之差设为比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
这样，通过搭载振荡出n个频率f1，f2，…，fn的CW激光的CW激光光源30，不需要光合波耦合器31，…，3n-1。
因此，可以在获得与上述实施方式2同样的效果的同时，削减构成部件数量，使装置结构简单化，具有实现装置的小型化、低价格化的效果。
另外，搭载振荡出n个频率f1，f2，…，fn的CW激光的CW激光光源30的结构也可以适用于图3的激光雷达装置。
即使在该情况下，也可以在获得与搭载多个CW激光光源的情况同样的效果的同时，削减构成部件数量，使装置结构简单化，可以实现装置的小型化、低价格化。
实施方式5.
图5是表示本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图，在图中与图1相同的符号表示同一或相当部分，因此省略说明。
空间型光放大器41是将光纤放大器6放大了的激光进一步放大的激光放大器。
收发光分离器42是使由空间型光放大器41放大了的激光通过收发光学系统43侧，另一方面将与该激光逆向传播的激光(由收发光学系统43接收到的散射光)的光路切换到光合波耦合器9侧，使该激光向光合波耦合器9传播的光学元件。
收发光学系统43实施使通过收发光分离器42而来的激光向目标(例如，大气、大气中的微粒子、气溶胶、飞行物、建筑物等)照射，另一方面接收目标导致的上述激光的散射光的处理。
除了空间型光放大器41被设置在光纤放大器6的后级，取代光环行器7搭载收发光分离器42，并且取代收发光学系统8搭载收发光学系统43以外，与上述实施方式1相同。
另外，从空间型光放大器41到收发光学系统43为止的激光的传播通路为空间。
空间型光放大器41由例如棒型、板型、盘型、平面波导型等固体激光介质和激励光源构成。
可以将在例如晶体、陶瓷、玻璃等的母材中添加了Nd、Yb、Er、Tm、Ho等离子的材料用于固体激光介质，但是要采用在激光的波长频带具有增益的材料。
另外，将输出被上述激光介质吸收而发生增益的波长的激光的LD等用于激励光源。
在采用平面波导型构造的固体激光介质时，可以增大激光的功率密度，因此，可以进行高效率的放大。另外，通过波导的导波模式，可以在不使输出光的空间传播模式劣化的情况下进行放大。
在空间型光放大器41中，采用透镜等光学元件，使由光纤放大器6放大了的激光近似平行光化，另外，配合固体激光介质的形状来调整光束直径等，输入激光而进行放大。
从空间型光放大器41输出的激光如上所述，通过透镜等光学元件而被近似平行光化，因此，作为近似平行光的发送光而被输出。
这里，空间型光放大器41采用固体激光介质，因此，可以在功率密度不受限制的情况下进行放大，可以放大到任意的功率。
另外，在固体激光介质中，如果在增益频带内，则也可以同时放大多个波长的激光。
收发光分离器42从空间型光放大器41接受激光时，使该激光通过收发光学系统43侧。
另外，收发光分离器42对于由收发光学系统43接收到的散射光，从激光的发送光路分离，经由透镜等光学元件，使该散射光与光纤耦合，从而向光分波耦合器9侧传播。
发送光路和接收光路的分离例如可以通过组合偏振片和1/4波长板来实现。另外，也可以采用空间型的光环行器。
收发光学系统43扩大被近似平行光化后的激光的光束直径而向大气中照射，接收由气溶胶散射的激光。
收发光学系统43接收气溶胶导致的激光的散射光时，使该散射光近似平行光化，在与作为发送光的激光的相反方向上传播，从而向收发光分离器42输出。该散射光通过收发光分离器42与光纤耦合。
在收发光学系统43中，可以使出射的激光近似平行光化，并且可以采用能够调整焦距的望远镜等，但是，为了使出射的激光产生的衍射降低并进一步提高接收效率，优选开口大的。
在该实施方式5中，也与上述实施方式1同样，与仅采用单一的CW激光光源的情况相比，可以将由光纤放大器6放大的激光的功率增大到2倍，可以将其通过空间型光放大器41进一步增加激光的功率，因此，可以进一步增大发送光功率。
另外，通过增大由光纤放大器6放大了的激光的功率，在空间型光放大器41中，可以通过所输入的激光的功率的增加来进行与饱和放大接近的动作，可以进行高效率的放大。而且，通过所输入的激光功率的增加，可以提高放大器内的能量的提取效率，因此，可以减少激光放大时的ASE分量的发生，可以进行高效率的放大。
因此，至此为止，可以补充光纤放大器6的输出功率由受激布里渊散射限制而产生的激光功率的不足。
另外，在该实施方式5中，可以通过空间型光放大器41增加激光的功率，因此，可以增大作为接收光的散射光的强度，增大针对各发送光的散射光的信号强度。
而且，如上所述，这些散射光重合而被测量，因此可以增大信号强度，可以改善SN比，以高灵敏度进行高精度的测量。
在该实施方式5中，示出了将搭载空间型光放大器41及收发光分离器42的结构应用于上述实施方式1的激光雷达装置，但是不限于此，也可以应用于上述实施方式2～4的激光雷达装置。
在应用于发送许多波长的激光的激光雷达装置的情况下，由于所发送的激光的波长多，因此，光纤放大器6的输出功率进一步增大，从而，在空间型光放大器41中，可以进行更接近饱和放大的效率高的放大。从而，可以进一步增大激光的功率，因此，作为接收光的散射光的信号强度增大，可以以高灵敏度进行高精度的测量。
另外，在光纤放大器6和空间型光放大器41之间，还可以进一步搭载光纤放大器或空间型光放大器的至少一方。另外，可以组合多个这些放大器来使用。
即使在该情况下，也可以进一步增大向最终级的空间型光放大器41输入的激光的功率，因此，在最终级的空间型光放大器41中，可以进行更接近饱和放大的高效率的放大。由此，可以进一步增大激光的功率，因此，可以增大作为接收光的散射光的信号强度，因此，可以以高灵敏度进行高精度的测量。
实施方式6.
图6是示出本发明的实施方式6的激光雷达装置的结构图，在图中与图1相同的符号表示同一或相当部分，因此省略说明。
图6的激光雷达装置是向大气中照射激光脉冲光，接收来自气溶胶(大气中悬浮的尘埃等粒子)的散射光，通过检测散射光的多普勒偏移而进行风速的测量的相干多普勒雷达装置。
CW激光光源51是在控制器53的控制下，振荡出频率f1～f1’的CW激光的光源。
CW激光光源52是在控制器53的控制下，振荡出频率f2～f2’的CW激光的光源。
另外，CW激光光源51、52是可改变CW激光的振荡波长的光源，但是，作为CW激光光源51、52，例如，在采用DFB(DistributedFeed-Back，分布反馈)光纤激光器、作为半导体激光器的DFB-LD(LaserDiode，激光二极管)的情况下，通过改变元件的温度、驱动电流值，可以改变振荡波长。
控制器53实施如下处理：按照由信号处理装置11抽出的与目标相关的信息(例如，散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等信息)来控制CW激光光源51、52的动作状态，从而控制由CW激光光源51、52振荡出的CW激光的波长。
另外，控制器53也可以进行CW激光光源51、52的驱动/停止，作为CW激光光源51、52的动作状态。
接着说明动作。
其中，除了CW激光光源51、52及控制器53以外，与上述实施方式1相同，因此仅说明CW激光光源51、52及控制器53的动作。
这里，为了便于说明，作为通常的动作状态，设为CW激光光源51振荡出振荡频率f1的CW激光，CW激光光源52振荡出频率f2的CW激光。
其中，设为由CW激光光源51、52振荡出的CW激光的频率f1、f2处于光纤放大器6的增益频带内，且频率f1和频率f2之差比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
因而，如果通过控制器53控制为使由CW激光光源51振荡出的CW激光的频率为f1、由CW激光光源52振荡出的CW激光的频率为f2，则成为与上述实施方式1同样的结构，获得与上述实施方式1同样的效果。
从而，在该动作状态下，从收发光学系统8向大气中出射的激光所受到的多普勒偏移fd1、fd2如上所述用式(1)(2)表达，多普勒偏移fd1和多普勒偏移fd2之差成为fd1-fd2＝2V×(f1-f2)/c。
因此，多普勒偏移之差(fd1－fd2)与CW激光的频率之差(f1－f2)及风速V的大小成比例。
在上述实施方式1中，说明了在风速V的值大的情况下，通过采用频率f1和频率f2之差小的CW激光光源1、2，可以减小多普勒偏移fd1和多普勒偏移fd2之差，增大fd1和fd2的频率分量的重叠，因此，可以获得接收信号的频率分量的重叠，增大接收信号的强度。
但是，在相干多普勒雷达装置中，有时需要高精度地测定接收信号的频谱宽度。例如，有时从频谱宽度的广度来评价测定范围内的风速的偏差的大小。
在这样的情况下，如上述那样，在采用波长不同的2个CW激光光源1、2的结构中，针对各波长的接收信号的频率分量具有重叠，因此接收信号的频谱宽度扩展，对频谱宽度的测量精度降低。
另外，因风速V的大小导致接收信号的频率分量的重叠变化，因此产生频谱宽度变动等问题。
因而，在该实施方式6中，如图6所示，控制器53构成为根据由信号处理装置11抽出的与目标相关的信息识别接收信号的频谱宽度，以使该频谱宽度变窄的方式控制CW激光光源51、52的动作状态，从而控制由CW激光光源51、52振荡出的CW激光的波长。
例如，在接收信号的频谱宽度比规定的宽度宽的情况下，控制器53为了使由CW激光光源51振荡出的CW激光的频率和由CW激光光源52振荡出的CW激光的频率之差变大，使由CW激光光源51振荡出的CW激光的频率从f1变化为f1’，消除基于CW激光光源51的接收信号和基于CW激光光源52的接收信号的重叠。由此，可以独立地评价针对各CW激光的接收信号的频谱形状。
在该情况下，由针对各CW激光的接收信号的重叠导致的频谱宽度的扩展消除，因此可以防止针对各CW激光的接收信号的频谱宽度的测量精度的降低。另外，通过独立地分别评价针对各CW激光的接收信号的频谱宽度，进行数据的平均化处理或累计处理等，可以进一步提高测量精度。
另外，仅控制单方的CW激光光源(例如，CW激光光源51)的振荡频率，无法防止接收信号的重叠时，也可以同时控制CW激光光源51和CW激光光源52的振荡频率。另外，也可以使单方的CW激光光源的动作停止。
在使单方的CW激光光源的动作停止的情况下，可以获得与通常采用仅一个CW激光光源的相干多普勒雷达装置同样的频谱宽度的测量精度。
另外，对于CW激光光源51、52的振荡频率的变化量、CW激光光源51、52的停止等动作状态，信号处理装置11也可以评价接收信号的频谱形状来进行判断。
另外，在图6的结构中，在希望增大测量距离的情况下，与上述实施方式1的情况同样，通过在比受激布里渊散射的增益频带宽度大的范围内尽可能减小2个CW激光光源51、52的振荡频率之差，可以增大针对各CW激光光源的接收信号的频率分量的重叠，因此，可以提高接收信号的强度，增大测量距离。
另外，即使在风速大的情况下，也可以调整CW激光光源51、52的振荡频率之差，因此，可以增大接收信号的频率分量的重叠，提高接收信号的强度。
从以上可知，根据该实施方式6，控制器53构成为按照由信号处理装置11抽出的与目标相关的信息来控制由CW激光光源51、52振荡出的CW激光的波长，因此，具有可以提高接收信号的强度，提高测量精度的效果。
在该实施方式6中，示出了在安装了2个CW激光光源的激光雷达装置中搭载控制器53，控制由CW激光光源51、52振荡出的CW激光的波长的情况，但是如图2所示，也可以在安装有n个CW激光光源的激光雷达装置中搭载控制器53，控制由n个CW激光光源振荡出的CW激光的波长。
另外，如图5所示，也可以在安装了空间型光放大器41及收发光分离器42的激光雷达装置搭载控制器53，控制在该激光雷达装置中安装的CW激光光源的振荡波长。
另外，本发明在其发明的范围内，可以进行各实施方式的自由组合，或者各实施方式的任意的结构要素的变形，或者各实施方式中任意的结构要素的省略。
产业上的可利用性
本发明的激光雷达装置适用于在测量目标的位置、速度时需要实现高SN比的测量的情况。

Claims (9)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，具备：
CW激光光源，振荡出波长不同的多个CW激光；
光分支器，使由所述CW激光光源振荡出的CW激光分支；
光调制器，调制由所述光分支器分支了的一方的CW激光；
光纤放大器，放大由所述光调制器调制了的激光；
收发光学系统，向目标照射由所述光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由所述目标导致的所述激光的散射光；
光合波器，使由所述收发光学系统接收到的散射光和由所述光分支器分支了的另一方的CW激光混合，输出所述散射光和所述CW激光的混合光；
光检测器，接受从所述光合波器输出的混合光，检测所述散射光和所述CW激光的差拍信号；以及
信息抽出器，从由所述光检测器检测到的差拍信号抽出与所述目标相关的信息，
装置内的光的传播光路由光纤构成，
由所述光检测器检测的所述差拍信号中重合有基于所述波长不同的多个CW激光的差拍信号的频谱分量。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述激光雷达装置还具备振荡出与所述CW激光光源互相不同的波长的CW激光的多个CW激光光源，
所述激光雷达装置还具备第1光合波器，该第1光合波器混合由所述多个CW激光光源振荡出的CW激光，
所述激光雷达装置使利用所述第1光合波器得到的混合光输出到所述光分支器。
3.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，具备：
激光放大器，进一步放大由光纤放大器放大了的激光；
收发光分离器，使由所述激光放大器放大了的激光通过收发光学系统侧，另一方面使由所述收发光学系统接收到的散射光向光合波器传播。
4.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
激光放大器是空间型的固体激光放大器。
5.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
激光放大器是具有平面波导型构造的固体激光放大器。
6.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
多个CW激光的波长差比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
7.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其特征在于，
多个CW激光的频率差大于等于100MHz。
8.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述激光雷达装置具备控制器，该控制器按照由信息抽出器抽出的与目标相关的信息，控制由CW激光光源振荡出的CW激光的波长。
9.根据权利要求8所述的激光雷达装置，其特征在于，
CW激光光源由半导体激光器构成。
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