CN106574963B - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明构成为设置偏振切换部(2)，该偏振切换部(2)在时间上切换从发送光源(1)输出的激光的偏振，在与该偏振对应的方向上输出激光。由此，无需以机械方式扫描激光，即可在双视线方向发送不存在功率降低的激光。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及如下的激光收发装置及激光雷达装置：该激光收发装置向空间中放射激光，并接收被存在于空间中的观测对象反射的激光的反射光，该激光雷达装置向空间中放射激光，并接收被存在于空间中的观测对象反射的激光的反射光，对该反射光和本地光进行合波而得到差拍信号(beat signal)。
背景技术
以下的专利文献1公开的激光收发装置的主要构成要素如下所述。
(1)输出激光的激光光源
(2)使从激光光源输出的激光透过的偏振光束分离器
(3)使透过偏振光束分离器的激光透过的1/4波长板
(4)接收被目标反射并返回来的激光的反射光的受光器
透过上述的1/4波长板的激光照射到存在于空间中的目标，然后被目标反射并返回来的激光的反射光再次透过1/4波长板。
激光的反射光透过1/4波长板，由此与从激光光源输出的时刻的激光相比，偏振旋转90°。因此，激光的反射光被偏振光束分离器反射，被配置在与激光光源不同的方向上的受光器接收。
并且，在专利文献1所公开的激光收发装置中安装了扫描光学元件，以便能够实现双视线方向的观测，扫描控制装置以机械方式控制扫描光学元件，由此扫描激光。
另外，扫描光学元件由振镜(galvanometer mirror)构成，扫描控制装置安装了驱动振镜的电动机控制装置。
在下面的专利文献2中公开了如下的激光收发装置：使用偏振光束分离器将从激光光源输出的激光一分为二，以便能够实现双视线方向的观测。
偏振光束分离器对从激光光源输出的激光中的p偏振光和s偏振光进行分支，能够将激光分支为两个方向。
偏振光束分离器不具备存在故障可能性的可动部，无需进行机械方式的控制，即可将激光分支为两个方向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63－260390号公报(图2B、图3)
专利文献2：日本特开2004－285858号公报(图2)
发明内容
发明要解决的问题
现有的激光收发装置是按照以上所述构成的，因而如果以机械方式控制扫描光学元件来扫描激光，则能够观测双视线方向(专利文献1)，但是在以机械方式控制扫描光学元件的情况下，需要安装控制扫描光学元件的扫描控制装置，因而存在导致装置的大型化的问题。并且，存在装置的可靠性随着扫描光学元件的可动而降低的问题。
并且，在使用偏振光束分离器将从激光光源输出的激光分支成两部分的情况下(专利文献2)，由于没有可动部，因而能够提高装置的可靠性，但由于是通过偏振将激光分支成两部分，因而每1脉冲的能量成为一半。因此，发送及接收的激光的功率降低，存在观测精度劣化的问题。
本发明正是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于，提供一种无需以机械方式扫描激光，即可在双视线方向发送不存在功率降低的激光的激光收发装置及激光雷达装置。
用于解决问题的手段
本发明的激光雷达装置具有：光源，其输出激光；偏振切换单元，其在时间上切换从光源输出的激光的偏振，在与偏振对应的方向上输出激光；第1收发光学系统，其将从偏振切换单元输出的激光放射到空间中，并接收被存在于空间中的观测对象反射的激光的反射光；第2收发光学系统，其配置在与第1收发光学系统不同的方向上，将从偏振切换单元输出的激光放射到空间中，并接收被存在于空间中的观测对象反射的所述激光的反射光；接收光学系统，其接收由第1收发光学系统接收到的反射光，并且接收由第2收发光学系统接收到的反射光；以及外差式检波单元，其对由接收光学系统接收到的反射光、和相当于从光源输出的激光的本地光进行合波，得到差拍信号，外差式检波单元由以下部分构成：反射光切换单元，其在与接收光学系统接收到的反射光的偏振对应的方向上输出反射光；本地光切换单元，其在时间上切换相当于从光源输出的激光的本地光的偏振，并在与偏振对应的方向上输出本地光；第1外差式检波器，其对从反射光切换单元输出的反射光和从本地光切换单元输出的本地光进行合波，得到差拍信号；以及第2外差式检波器，其配置在与第1外差式检波器不同的方向上，对从反射光切换单元输出的反射光和从本地光切换单元输出的本地光进行合波，得到差拍信号。
发明效果
根据本发明，构成为设置有如下的偏振切换单元和本地光切换单元，该偏振切换单元在时间上切换从光源输出的激光的偏振的同时，在与该偏振对应的方向上输出激光，该本地光切换单元在时间上切换相当于从光源输出的激光的本地光的偏振的同时，在与该偏振对应的方向上输出本地光，因而具有如下的效果：无需以机械方式扫描激光，即可在双视线方向发送不存在功率降低的激光。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的激光收发装置的结构图。
图2是示出本发明的实施方式2的激光收发装置的偏振切换部2的结构图。
图3是示出偏振开关11的开启/关闭(ON/OFF)状态和激光在各输出方向上的强度的关系的说明图。
图4是示出本发明的实施方式2的激光收发装置的另一偏振切换部2的结构图。
图5是示出本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图。
图6是示出本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图。
图7是示出本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图。
图8是示出本发明的实施方式5的另一激光雷达装置的结构图。
具体实施方式
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的激光收发装置的结构图。
在图1中，发送光源1是输出线偏振激光的光源。图1的激光收发装置在被用作风计测用多普勒雷达的情况下，输出单一频率的激光。并且，在由图1的激光收发装置构成观测存在于远距离的目标(观测对象)的激光雷达装置的一部分的情况下，输出高峰值脉冲的激光或者作为连续波的CW(Continuous Wave)光。
另外，考虑到对眼睛的安全性，激光的波长往往使用1.5μm～1.7μm的人眼安全波长。
在该实施方式1中，说明发送光源1输出线偏振激光的例子，但也可以是输出圆偏振激光的发送光源。
偏振切换部2在时间上切换从发送光源1输出的激光的偏振，向与该偏振对应的方向输出激光。
即，偏振切换部2是在从发送光源1输出p偏振的激光时，在时间上切换如下的输出状态A和输出状态B的光学部件，在输出状态A时使p偏振的激光向反射镜3侧透过，在输出状态B时使从发送光源1输出p偏振的激光的偏振方向旋转90°，由此将该激光的偏振切换为s偏振，使s偏振的激光向偏振旋转部6侧反射。另外，偏振切换部2构成偏振切换单元。
在该实施方式1中说明发送光源1输出p偏振激光的例子，但发送光源1也可以是输出s偏振激光的光源。
在这种情况下，偏振切换部2成为在时间上切换如下的输出状态A和输出状态B的光学部件：在输出状态A时使s偏振的激光的偏振方向旋转90°，由此将该激光的偏振切换为p偏振，使p偏振的激光朝向反射镜3侧透过，在输出状态B时使从发送光源1输出的s偏振的激光向偏振旋转部6侧反射。
反射镜3是使从偏振切换部2输出的p偏振激光向偏振旋转部4侧反射，另一方面，使从偏振旋转部4输出的s偏振的反射光向偏振切换部2侧反射的光学部件。
偏振旋转部4例如由1/4波长板、旋光器(azimuth rotator)、法拉第转子(Faradayrotator)或者普克尔盒(Pockels cell)等构成。当图1的激光收发装置是使用1/4波长板的装置时，偏振旋转部4将从反射镜3输出的线偏振光即p偏振的激光转换为圆偏振激光，将圆偏振激光输出给发送光学系统5，另一方面，将从发送光学系统5输出的圆偏振的反射光(被存在于空间中的目标反射并返回来的激光的反射光)转换为线偏振光即s偏振的激光，将s偏振的激光输出给反射镜3。即，偏振旋转部4是如下这样的光学部件：其使从发送光学系统5通过偏振旋转部4向反射镜3输出的反射光的偏振方向，相对于从反射镜3向偏振旋转部4输出的激光偏振方向旋转90°。
发送光学系统5例如由透镜和/或窗等构成，将从偏振旋转部4输出的圆偏振激光放射到空间中，并接收被存在于空间中的目标反射并返回来的所述激光的反射光(反射光成为关于行进方向与发送光(放射到空间中的激光)反向旋转的圆偏振光)，将圆偏振的反射光输出给偏振旋转部4。
发送光学系统5是为了实现作为激光的发送光的光束直径的扩大和/或光束的准直化(collimation)而安装的，但在不需要变更发送光的光束的情况下，无需安装发送光学系统5。
从反射镜3输出给偏振切换部2的s偏振的反射光被偏振切换部2反射并输出给接收光学系统8。
另外，由反射镜3、偏振旋转部4和发送光学系统5构成第1收发光学系统。
偏振旋转部6例如由1/4波长板、旋光器、法拉第转子或者普克尔盒等构成，配置在与反射镜3不同的方向上。
当在图1的激光收发装置中使用1/4波长板作为偏振旋转部6时，偏振旋转部6是如下这样的光学部件：将从偏振切换部2输出的线偏振光即s偏振的激光转换为圆偏振激光，将圆偏振激光输出给发送光学系统7，另一方面，将从发送光学系统7输出的圆偏振的反射光(被存在于空间中的目标反射并返回来的激光的反射光)转换为线偏振光即p偏振的激光，将p偏振的激光输出给偏振切换部2。
发送光学系统7例如由透镜和/或窗等构成，将从偏振旋转部6输出的圆偏振激光放射到空间中，接收被存在于空间中的目标反射并返回来的所述激光的反射光(反射光成为关于行进方向与发送光(放射到空间中的激光)反向旋转的圆偏振光)，将圆偏振的反射光输出给偏振旋转部6。
发送光学系统7是为了实现作为激光的发送光的光束直径的扩大和/或光束的准直化而安装的，但在不需要变更发送光的光束的情况下，无需安装发送光学系统7。
从偏振旋转部6输出给偏振切换部2的p偏振的反射光透过偏振切换部2并输出给接收光学系统8。
另外，由偏振旋转部6及发送光学系统7构成第2收发光学系统。
接收光学系统8例如由透镜等构成，接收从反射镜3输出的光中的、被偏振切换部2反射的s偏振的反射光，并且接收从偏振旋转部6输出的光中的、透过偏振切换部2的p偏振的反射光。
接收光学系统8具有在与未图示的受光元件耦合时，使从偏振切换部2输出的反射光没有损耗地入射到该受光元件的接收开口内，使该反射光会聚在受光元件的接收开口内的功能。
并且，接收光学系统8具有在与未图示的光纤耦合时，使从偏振切换部2输出的反射光会聚并与光纤的纤芯耦合的功能。
下面，对动作进行说明。
发送光源1输出作为线偏振光的p偏振的激光。
偏振切换部2在从发送光源1输出了p偏振的激光时，在时间上切换该激光的偏振，并向与该偏振对应的方向输出激光。
即，偏振切换部2具有输出状态A和输出状态B，通过在时间上切换该输出状态A和输出状态B，实现双视线方向的激光的输出，其中，在输出状态A时使p偏振的激光朝向反射镜3侧透过，在输出状态B时使从发送光源1输出的p偏振的激光的偏振方向旋转90°，由此将该激光的偏振切换为s偏振，使s偏振的激光向偏振旋转部6侧反射。
反射镜3在从偏振切换部2接收到p偏振的激光时，使该激光向偏振旋转部4侧反射。
偏振旋转部4在从反射镜3接收到p偏振的激光时，在该激光透过时将p偏振(线偏振)的激光转换为圆偏振激光，将圆偏振激光输出给发送光学系统5。
发送光学系统5在从偏振旋转部4接收到圆偏振激光时，将该激光作为发送光放射到空间中。
然后，被存在于空间中的目标反射并返回来的激光的一部分(反射光)由发送光学系统5接收，发送光学系统5将反射光输出给偏振旋转部4。另外，反射光成为关于行进方向与发送光反向旋转的圆偏振光。
偏振旋转部4在从发送光学系统5接收到圆偏振的反射光时，在该反射光透过时将圆偏振的反射光转换为s偏振(线偏振)的激光，将s偏振的激光输出给反射镜3。
反射镜3在从偏振旋转部4接收到s偏振的反射光时，使该反射光朝向偏振切换部2侧反射。
从反射镜3输出给偏振切换部2的s偏振的反射光，被偏振切换部2反射并输出给接收光学系统8。
偏振旋转部6在从偏振切换部2接收到s偏振的激光时，在该反射光透过时将s偏振(线偏振)的激光转换为圆偏振的激光，将圆偏振的激光输出给发送光学系统7。
发送光学系统7在从偏振旋转部6接收到圆偏振的激光时，将该激光作为发送光放射到空间中。
然后，被存在于空间中的目标反射并返回来的激光的一部分(反射光)由发送光学系统7接收，发送光学系统7将反射光输出给偏振旋转部6。另外，反射光成为关于行进方向与发送光反向旋转的圆偏振光。
偏振旋转部6在从发送光学系统7接收到圆偏振的反射光时，在该反射光透过时将圆偏振的反射光转换为p偏振(线偏振)的激光，将p偏振的激光输出给偏振切换部2。
从偏振旋转部6输出给偏振切换部2的p偏振的反射光透过偏振切换部2并输出给接收光学系统8。
接收光学系统8接收从反射镜3输出的光中的、被偏振切换部2反射的s偏振的反射光，并且接收从偏振旋转部6输出的光中的、透过偏振切换部2的p偏振的反射光。
即，接收光学系统8以正交偏振来接收s偏振的反射光和p偏振的反射光。
另外，图1的激光收发装置在被用作风计测用多普勒雷达的情况下，大气中的悬浮微粒成为目标，由于悬浮微粒而散乱的激光的反射光的频率偏移了与悬浮微粒的移动速度(风速)对应的多普勒频率，因而能够根据反射光的频率测定风速。
并且，在该实施方式1中向双视线方向放射激光，因而能够进行双视线方向的观测，能够测定包含这两个方向的面的风向。并且，能够根据从放射激光到接收到反射光的时间计算距目标的距离。
如以上所明确的那样，根据该实施方式1，构成为设置在时间上切换从发送光源1输出的激光的偏振，并在与该偏振对应的方向上输出激光的偏振切换部2，因而具有如下的效果：无需以机械方式扫描激光，即可在双视线方向发送不存在功率降低的激光。
即，通过设置向对应于偏振的方向输出激光的偏振切换部2，无需安装多台发送光源1和/或接收光学系统8，即可进行双视线方向的观测，能够实现装置的小型化和轻量化。
并且，不需要具备为进行双视线方向的观测而以机械方式扫描激光的扫描机构，因而能够实现装置的小型化，并且得到可靠性较高的装置(对振动和冲击的耐受性较高的装置)。
实施方式2
在上述实施方式1中示出了设置偏振切换部2的例子，该偏振切换部2在时间上切换从发送光源1输出的激光的偏振，在与该偏振对应的方向上输出激光，而在该实施方式2中说明偏振切换部2的具体结构例。
图2是示出本发明的实施方式2的激光收发装置的偏振切换部2的结构图。
在图2中，偏振开关11例如由普克尔盒、克尔盒(Kerr cell)、带旋转单元的1/2波长板、或者波导型偏振开关等构成，是在时间上切换从发送光源1输出的激光的偏振的偏振切换器。
偏振器12例如由偏振光束分离器、薄膜偏振器、宝丽来(注册商标，以下省略记述)偏振镜(Polaroid prism)、或者渥拉斯顿棱镜(Wollaston prism)等构成，与由偏振开关11切换后的偏振对应地，将激光输出给反射镜3或者偏振旋转部6。
下面，对动作进行说明。
偏振开关11在关闭(OFF)时，输出状态成为输出状态A，无需改变从发送光源1输出的p偏振的激光的偏振方向，就将p偏振的激光输出给偏振器12。
偏振开关11在开启(ON)时，输出状态成为输出状态B，使从发送光源1输出的p偏振的激光的偏振方向旋转90°，由此将该激光的偏振切换为s偏振，将s偏振的激光输出给偏振器12。
作为偏振开关11，例如能够使用普克尔盒(构成电光调制器的调制元件)，该普克尔盒以具有折射率与施加电场成比例地变化的普克尔效应的铌酸锂(LiNbO3)等为材料。
普克尔盒通过施加电场，借助电光效应而产生双折射。此时，在与普克尔盒的光学轴正交的轴即快轴和慢轴的方向上产生相位差，因而透过普克尔盒的激光的偏振变化。激光的偏振方向旋转90°时的电压被称为1/2波长电压。
因此，在使用普克尔盒作为偏振开关11的情况下，通过切换电压无施加状态和1/2波长电压施加状态，能够在时间上切换偏振方向。普克尔盒不具有可动机构，并根据电压来切换偏振，因而可靠性高，并且能够快速地切换偏振。
另外，偏振开关11能够使用作为电光调制器的克尔盒。克尔盒具有折射率与施加电场的平方成比例地变化的克尔效应，通过施加电场，能够实现与普克尔盒同样的动作。
另外，偏振开关11能够使用1/2波长板。在使用1/2波长板的情况下，例如通过对1/2波长板附加旋转机构，使1/2波长板周期性旋转，而能够实现与普克尔盒同样的动作。在这种情况下，虽然偏振的切换速度变慢，但能够以低功耗进行驱动。
另外，在偏振开关11使用波导型偏振开关的情况下，虽然能够处理的激光的输出减小，但是能够减小光学系统和偏振开关的驱动系统。
偏振器12与由偏振开关11切换的偏振对应地，向反射镜3或者偏振旋转部6输出激光。
在偏振器12使用例如偏振光束分离器的情况下，如果设置成对入射光水平地进行反射，则p偏振光透过，s偏振光反射。
因此，偏振器12在偏振开关11关闭时从偏振开关11接收p偏振的激光，使p偏振的激光朝向反射镜3侧透过，然后使从反射镜3输出的s偏振的反射光向接收光学系统8侧反射。
并且，偏振器12在偏振开关11开启时从偏振开关11接收s偏振的激光，使s偏振的激光向偏振旋转部6侧反射，然后使从偏振旋转部6输出的p偏振的反射光朝向接收光学系统8侧透过。
另外，在为了观测位于远方的目标而使用高输出的激光的情况下，选择考虑功率耐受性而使用的偏振器。
图3是示出偏振开关11的开启/关闭状态和激光的各输出方向的强度之间的关系的说明图。
根据图3可知，在偏振开关11关闭时，从偏振切换部2的偏振器12向反射镜3输出激光，在偏振开关11开启时从偏振切换部2的偏振器12向偏振旋转部6输出激光。
因此，如果切换偏振开关11的开启/关闭状态，则能够切换视线方向。
在此，表示视线方向为一个方向的激光收发装置的性能指数的FOM(Figure ofMerit，品质因数)，利用每1脉冲的激光的能量E和脉冲重复频率f，由下述的式(1)表示。
因此，在视线方向是两个方向、并在时间上切换激光的偏振的激光收发装置(实施方式1、2)中，每一视线方向的FOM由下述的式(2)表示。
与此相对，如专利文献2所记载的激光收发装置那样，在偏振光束分离器将激光的输出分配于两个不同方向，并在双视线方向同时放射激光的情况下，每一视线方向的FOM由下述的式(3)表示。
如比较式(2)和式(3)所明确的那样，如实施方式1、2所示，与将激光的输出分配于两个不同方向的情况相比，在时间上切换激光的偏振的方式，能够得到更高的FOM。
因此，在使每一视线方向的FOM相同的情况下，相比专利文献2所记载的激光收发装置，实施方式1、2的激光收发装置能够减小对发送光源1要求的激光输出。由此，能够实现发送光源1的小型化及轻量化，并且能够实现低功耗化，能够构成小型轻量的激光收发装置。
在该实施方式2中示出了由偏振开关11和偏振器12构成的偏振切换部2在时间上切换激光的偏振，但是，在从发送光学系统5、7放射的激光的输出功率(能量)即使小但也足够的情况下(例如与目标的距离较短的情况下)，如图4所示，也可以使用1/2波长板13取代偏振开关11。
例如，在使1/2波长板13旋转以使得偏振方向相对于作为偏振光束分离器的偏振器12为45°时，偏振器12将从发送光源1输出并透过1/2波长板13的激光分配到两个方向(将p偏振的激光输出给反射镜3，将s偏振的激光输出给偏振旋转部6)。
此时，虽然通过作为偏振光束分离器的偏振器12将激光的输出功率分成各一半，分配后的各激光的输出功率减小，但是能够在双视线方向同时放射激光。
因此，在接收光学系统8中能够几乎同时地接收双视线方向的反射光。
另外，通过使用1/2波长板13，能够将线偏振激光的偏振方向改为为任意方向，因而能够自由设定通过偏振器12所分配的激光的分配比。
另外，在在时间上切换1/2波长板13的旋转角度以使得偏振方向相对于偏振器12成为0°或者90°的情况下，与使用偏振开关11的情况同样地，能够在时间上切换激光的偏振。
但是，在这种情况下，需要切换1/2波长板13的旋转角度的机械式机构。
在此，示出了使用1/2波长板13取代偏振开关11的装置，但在从发送光源1输出的激光的偏振是圆偏振的情况下，也可以使用1/4波长板取代偏振开关11，并能得到与1/2波长板13相同的效果。在这种情况下，能够转换为具有任意的偏振方向的线偏振光，因而能够自由设定通过偏振器12所分配的激光的分配比。
另外，也可以使用使激光的偏振方向旋转的旋光器取代偏振开关11，并能得到与1/2波长板13相同的效果。
实施方式3
图5是示出本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图，图5的激光雷达装置安装了图1的激光收发装置。在图5中，与图1相同的标号表示相同或者相当的部分，因而省略说明。
反射光切换部21例如由极化耦合器或者偏振器等构成，在与通过接收光学系统8接收到的反射光(s偏振的反射光、p偏振的反射光)的偏振对应的方向上输出该反射光。
即，反射光切换部21使从接收光学系统8输出的p偏振的反射光透过，将p偏振的反射光输出给光合波器23，使从接收光学系统8输出的s偏振的反射光反射，将s偏振的反射光输出给光合波器25。另外，由反射光切换部21构成反射光切换单元。
偏振开关22例如由普克尔盒、克尔盒、带旋转单元的1/2波长板或者波导型偏振开关等构成，在时间上切换与从发送光源1输出的激光相当的本地光(由从发送光源1输出的激光分支而成的光)的偏振，在与该偏振对应的方向上输出本地光。
即，在偏振开关22关闭时，无需改变从发送光源1输出的p偏振的本地光的偏振方向，就将p偏振的本地光输出给光合波器23，在开启时使从发送光源1输出的p偏振的本地光的偏振方向旋转90°，将该本地光的偏振切换为s偏振，将s偏振的本地光输出给光合波器25。另外，由偏振开关22构成本地光切换单元。
光合波器23例如由3dB耦合器、光束分离器、部分反射镜等构成，对从反射光切换部21输出的p偏振的反射光和从偏振开关22输出的p偏振的本地光进行光学合波，将该合波光(反射光和本地光的差频信号)输出给光检波器24。
光检波器24例如由光电二极管或者平衡接收器等构成，将从光合波器23输出的合波光转换为电信号，并输出该电信号即差拍信号(beat signal)。
另外，由光合波器23和光检波器24构成第1外差式检波器。
光合波器25例如由3dB耦合器、光束分离器和部分反射镜等构成，光合波器25对从反射光切换部21输出的s偏振的反射光和从偏振开关22输出的s偏振的本地光进行光学合波，将该合波光(反射光和本地光的差频信号)输出给光检波器26。
光检波器26例如由光电二极管或者平衡接收器等构成，将从光合波器25输出的合波光转换为电信号，并输出该电信号即差拍信号。
另外，由光合波器25和光检波器26构成第2外差式检波器。
另外，由反射光切换部21、偏振开关22、光合波器23、25及光检波器24、26构成外差式检波单元。
下面，对动作进行说明。
反射光切换部21与上述实施方式1、2一样，在接收光学系统8接收反射光(s偏振的反射光、p偏振的反射光)时，通过该反射光(s偏振的反射光、p偏振的反射光)的偏振，在时间上切换该反射光的输出目标。
即，反射光切换部21在从接收光学系统8接收到p偏振的反射光时，使p偏振的反射光透过，将p偏振的反射光输出给光合波器23。
另一方面，在从接收光学系统8接收到s偏振的反射光时，使s偏振的反射光反射，将s偏振的反射光输出给光合波器25。
通过偏振开关11的开启和关闭的切换，在时间上切换了从接收光学系统8输入反射光切换部21的反射光的偏振方向，因而从反射光切换部21输出的反射光在时间上切换了输出目标。
偏振开关22在偏振切换部2输出p偏振的激光并得到s偏振的反射光的时间段处于开启状态，在从发送光源1接收到p偏振的本地光(由p偏振的激光分支而成的光)时，使p偏振的本地光的偏振方向旋转90°，由此将该本地光的偏振切换为s偏振，将s偏振的本地光输出给光合波器25。
另外，偏振开关22在偏振切换部2输出s偏振的激光并得到p偏振的反射光的时间段处于关闭状态，在从发送光源1接收到p偏振的本地光时，无需改变p偏振的本地光的偏振方向，就将p偏振的本地光输出给光合波器23。
另外，偏振切换部2和偏振开关22也可以使动作定时同步。并且，也可以使任意一方具有延迟时间。通过使动作定时同步，能够高效地进行外差式检波。并且，通过使具有延迟时间，除利用偏振切换部2切换偏振时的过渡状态以外，能够进行外差式检波。
光合波器23对从反射光切换部21输出的p偏振的反射光和从偏振开关22输出的p偏振的本地光进行光学合波，将该合波光(反射光和本地光的差频信号)输出给光检波器24。
光检波器24在从光合波器23接收到合波光时，将该合波光转换为电信号，并输出该电信号即差拍信号。
光合波器25对从反射光切换部21输出的s偏振的反射光和从偏振开关22输出的s偏振的本地光进行光学合波，将该合波光(反射光和本地光的差频信号)输出给光检波器26。
光检波器26在从光合波器25接收到合波光时，将该合波光转换为电信号，并输出该电信号即差拍信号。
从光检波器24、26输出的差拍信号被输入未图示的信号处理器，信号处理器分析差拍信号的频率成分，由此能够计算目标的移动速度(风速)。由于在双视线方向放射激光，因而能够进行双视线方向的观测，能够测定包含这两个方向的面的风向。
另外，能够根据从放射激光到接收到反射光的时间来计算距目标的距离。由于在双视线方向放射激光，因而能够进行双视线方向的观测，能够通过运算等处理计算包含这两个方向的面内的风向。
如以上所明确的那样，根据该实施方式3，构成为设置在时间上切换从发送光源1输出的激光的偏振，在与该偏振对应的方向上输出激光的偏振切换部2，因而具有与上述实施方式1、2一样的如下效果：无需以机械方式扫描激光，即可在双视线方向发送不存在功率降低的激光。
另外，根据该实施方式3，构成为偏振开关22在时间上切换将从发送光源1输出的激光分支而成的本地光的偏振，并在与该偏振对应的方向上输出本地光，因而不需要安装本地光用光源。因此，发挥能够实现装置的小型化，并且能够实现节能的效果。
另外，根据该实施方式3，构成为通过偏振开关22在时间上切换本地光的偏振，在与该偏振对应的方向上输出本地光，并使其与从接收光学系统8输出的反射光的偏振方向一致，因而能够高效地进行外差式检波。并且，由于能够减小对发送光源1要求的本地光输出，因而发挥能够实现装置的小型化，并且能够实现节能的效果。
在该实施方式3中，例如在使用极化耦合器作为反射光切换部21、使用波导型偏振开关作为偏振开关22、使用3bB耦合器那样的光纤型部件作为光合波器23、25的情况下，能够通过光纤的连接装配激光雷达装置的接收系统，因而不需要激光的校准，能够实现小型且稳定性较高的装置结构。另外，使用极化保持型光纤部件作为这些部件，由此能够容易构成装置。
另外，在使用平衡接收器作为光检波器24、26的情况下，能够降低噪声的影响，进行高灵敏度的检测。
实施方式4
图6是示出本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图，在图6中，与图5相同的标号表示相同或者相当的部分，因而省略说明。
本地光分支部27例如由极化耦合器、偏振光束分离器、薄膜偏振器、偏振板(Polaroid plate)、或者格兰激光棱镜(Glan-laser prism)或渥拉斯顿棱镜等偏振器等构成，将从发送光源1输出的本地光(从激光分支而成的光)分支成两个方向。如果使用偏振耦合器作为本地光分支部27，则能够利用光纤进行处理。另外，本地光分支部27构成本地光分支单元。
在上述实施方式3中示出了偏振开关22在时间上切换开启/关闭状态，在关闭时将p偏振的本地光输出给光合波器23，在开启时将s偏振的本地光输出给光合波器25，但也可以如图6所示的实施方式4那样，本地光分支部27在从发送光源1接收到本地光时，将该本地光分支成两部分，由此将p偏振的本地光输出给光合波器23，同时将s偏振的本地光输出给光合波器25。
在使用极化耦合器作为本地光分支部27的情况下，如果将从发送光源1输出的本地光的偏振以成为p偏振和s偏振各一半的方式入射到极化耦合器，则能够将本地光的功率分为各一半。
通过使用本地光分支部27取代偏振开关22，能够实现低成本化和可靠性的提高，但是本地光的输出功率需要为原来的2倍。
实施方式5
图7是示出本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图，在图7中，与图5相同的标号表示相同或者相当的部分，因而省略说明。
偏振开关28例如由普克尔盒、克尔盒、带旋转单元的1/2波长板、或者波导型偏振开关等构成，是在时间上切换从发送光源1输出的p偏振的本地光(从p偏振的激光分支而成的光)的偏振的偏振切换器。
由此，偏振开关28与图5的偏振开关22同样，交替地输出p偏振的本地光和s偏振的本地光，但偏振开关28与图5的偏振开关22不同，不切换p偏振的本地光和s偏振的本地光的输出目标，而是输出给相同的光合波器29。另外，偏振开关28构成本地光切换单元。
光合波器29例如由3dB耦合器、光束分离器、部分反射镜等构成，对从光接收系统8输出的p偏振的反射光和从偏振开关28输出的p偏振的本地光进行光学合波，将该合波光输出给光检波器30，并且对从光接收系统8输出的s偏振的反射光和从偏振开关28输出的s偏振的本地光进行光学合波，将该合波光输出给光检波器30。
光检波器30例如由光电二极管或者平衡接收器等构成，将从光合波器29输出的合波光转换为电信号，并输出该电信号即差拍信号。
另外，由光合波器29和光检波器30构成外差式检波器。
并且，由偏振开关28、光合波器29和光检波器30构成外差式检波单元。
下面，对动作进行说明。
接收光学系统8与上述实施方式1～4同样，接收从反射镜3输出的光中的、被偏振切换部2反射的s偏振的反射光。并且，接收从偏振旋转部6输出的光中的、透过偏振切换部2后的p偏振的反射光。即，在时间上切换由接收光学系统8接收到的反射光的偏振方向。
接收光学系统8将接收到的反射光输出给光合波器29。
偏振开关28在偏振切换部2输出p偏振的激光并得到s偏振的反射光的时间段处于开启状态，在从发送光源1接收到p偏振的本地光时，使p偏振的本地光的偏振方向旋转90°，由此将该本地光的偏振切换为s偏振，将s偏振的本地光输出给光合波器29。
并且，偏振开关28在偏振切换部2输出s偏振的激光并得到p偏振的反射光的时间段处于关闭状态，在从发送光源1接收到p偏振的本地光时，无需改变p偏振的本地光的偏振方向，就将p偏振的本地光输出给光合波器29。
偏振切换部2中的激光偏振的切换定时和偏振开关28中的激光偏振的切换定时同步，因而在从接收光学系统8将s偏振的反射光输出给光合波器29的定时，从偏振开关28将s偏振的本地光输出给光合波器29。并且，在从接收光学系统8将p偏振的反射光输出给光合波器29的定时，从偏振开关28将p偏振的本地光输出给光合波器29。
光合波器29对从接收光学系统8输出的p偏振的反射光和从偏振开关28输出的p偏振的本地光进行光学合波，将该合波光输出给光检波器30。
另外，光合波器29对从接收光学系统8输出的s偏振的反射光和从偏振开关28输出的s偏振的本地光进行光学合波，将该合波光输出给光检波器30。
光检波器30在从光合波器29接收到合波光时，将该合波光转换为电信号，并输出该电信号即差拍信号。
根据该实施方式5，能够发挥与上述实施方式3、4相同的效果，但是不需要反射光切换部21，并且由一个外差式检波器构成装置，因而能够构成小型且低成本的装置。
另外，偏振开关28也可以配置在从接收光学系统8到光合波器29的路径上，切换所接收到的反射光的偏振方向，但是相对于接收光产生损耗，因而在本地光的功率有富余的情况下，优选配置在本地光的路径上。
在上述实施方式3～5中示出了在时间上切换由接收光学系统8接收的反射光的偏振方向，但在如图4所示使用1/2波长板13或1/4波长板等取代构成偏振切换部2的偏振开关11的情况下，接收光学系统8几乎同时接收s偏振的反射光和p偏振的反射光。
在这种情况下，如图8所示，设置偏振分支部31(将p偏振的反射光输出给光合波器23，将s偏振的反射光输出给光合波器23的偏振分支部)取代反射光切换部21即可，该偏振分支部31对通过接收光学系统8接收到的s偏振的反射光和p偏振的反射光进行分支。
另外，通过在偏振开关22中也使用1/2波长板13或1/4波长板等同时输出s偏振的本地光和p偏振的本地光，能够同时对双视线方向的反射光进行外差式检波，能够同时进行双视线方向的观测。
另外，本申请发明能够在本发明的范围内进行各实施方式的自由组合、或者各实施方式的任意的构成要素的变形、或者在各实施方式中省略任意的构成要素。
产业上的可利用性
本发明的激光收发装置及激光雷达装置适合于需要进行双视线方向的观测的情况。
标号说明
1发送光源；2偏振切换部(偏振切换单元)；3反射镜(第1收发光学系统)；4偏振旋转部(第1收发光学系统)；5发送光学系统(第1收发光学系统)；6偏振旋转部(第2收发光学系统)；7发送光学系统(第2收发光学系统)；8接收光学系统；11偏振开关；12偏振器；13 1/2波长板；21反射光切换部(反射光切换单元、外差式检波单元)；22偏振开关(本地光切换单元、外差式检波单元)；23光合波器(第1外差式检波器、外差式检波单元)；24光检波器(第1外差式检波器、外差式检波单元)；25光合波器(第2外差式检波器、外差式检波单元)；26光检波器(第2外差式检波器、外差式检波单元)；27本地光分支部(本地光分支单元、外差式检波单元)；28偏振开关(本地光切换单元、外差式检波单元)；29光合波器(外差式检波器、外差式检波单元)；30光检波器(外差式检波器、外差式检波单元)；31偏振分支部。

Claims (6)

1.一种激光雷达装置，其中，该激光雷达装置具有：
光源，其输出激光；
偏振切换单元，其在时间上切换从所述光源输出的激光的偏振，并在与所述偏振对应的方向上输出所述激光；
第1收发光学系统，其将从所述偏振切换单元输出的激光放射到空间中，接收被存在于空间中的观测对象反射的所述激光的反射光；
第2收发光学系统，其配置在与所述第1收发光学系统不同的方向上，将从所述偏振切换单元输出的激光放射到空间中，接收被存在于空间中的观测对象反射的所述激光的反射光；
接收光学系统，其接收由所述第1收发光学系统接收到的反射光，并且接收由所述第2收发光学系统接收到的反射光；以及
外差式检波单元，其对由所述接收光学系统接收到的反射光、和由从所述光源输出的激光分支而成的本地光进行合波，得到差拍信号，
所述外差式检波单元由以下部分构成：
反射光切换单元，其在与所述接收光学系统接收到的反射光的偏振对应的方向上输出所述反射光；
本地光切换单元，其在时间上切换由从所述光源输出的激光分支而成的本地光的偏振，并在与所述偏振对应的方向上输出所述本地光；
第1外差式检波器，其对从所述反射光切换单元输出的反射光和从所述本地光切换单元输出的本地光进行合波，得到差拍信号；以及
第2外差式检波器，其配置在与所述第1外差式检波器不同的方向上，对从所述反射光切换单元输出的反射光和从所述本地光切换单元输出的本地光进行合波，得到差拍信号。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述偏振切换单元由以下部分构成：
偏振切换器，其在时间上切换从所述光源输出的激光的偏振；
偏振器，其与所述偏振切换器切换后的偏振对应地，将所述激光输出给所述第1收发光学系统或者所述第2收发光学系统。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述偏振器使由所述第1收发光学系统及所述第2收发光学系统接收到的反射光向配置有所述接收光学系统的方向反射。
4.一种激光雷达装置，其中，该激光雷达装置具有：
光源，其输出激光；
偏振切换单元，其在时间上切换从所述光源输出的激光的偏振，并在与所述偏振对应的方向上输出所述激光；
第1收发光学系统，其将从所述偏振切换单元输出的激光放射到空间中，接收被存在于空间中的观测对象反射的所述激光的反射光；
第2收发光学系统，其配置在与所述第1收发光学系统不同的方向上，将从所述偏振切换单元输出的激光放射到空间中，接收被存在于空间中的观测对象反射的所述激光的反射光；
接收光学系统，其接收由所述第1收发光学系统接收到的反射光，并且接收由所述第2收发光学系统接收到的反射光；以及
外差式检波单元，其对由所述接收光学系统接收到的反射光、和由从所述光源输出的激光分支而成的本地光进行合波，得到差拍信号，
所述外差式检波单元由以下部分构成：
反射光切换单元，其在与所述接收光学系统接收到的反射光的偏振对应的方向上输出所述反射光；
本地光分支单元，其将由从所述光源输出的激光分支而成的本地光分支成两个方向；
第1外差式检波器，其对从所述反射光切换单元输出的反射光和由所述本地光分支单元分支而成的一方的本地光进行合波，得到差拍信号；以及
第2外差式检波器，其对从所述反射光切换单元输出的反射光和由所述本地光分支单元分支而成的另一方的本地光进行合波，得到差拍信号。
5.根据权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述偏振切换单元由以下部分构成：
偏振切换器，其在时间上切换从所述光源输出的激光的偏振；
偏振器，其与所述偏振切换器切换后的偏振对应地，将所述激光输出给所述第1收发光学系统或者所述第2收发光学系统。
6.根据权利要求5所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述偏振器使由所述第1收发光学系统及所述第2收发光学系统接收到的反射光向配置有所述接收光学系统的方向反射。
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