CN110073240B - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

激光雷达装置具有：调制器(8)，其对发送种子光进行分支，对分支而成的多个发送种子光赋予不同的偏移频率，然后将多个发送种子光调制成脉冲光进行输出，或者将发送种子光调制成脉冲光，对脉冲光进行分支，对分支而成的多个脉冲光赋予不同的偏移频率，然后输出多个脉冲光；带通滤波器(14)，其将包含由光外差接收机(13)检波出的多个差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含信号成分的频率的频带设定为截止频带；以及ADC(15)，其按照采样频率将通过带通滤波器(14)后的差拍信号样本化。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及激光雷达装置，在空间中放射脉冲光，接收放射出的脉冲光的后向散射光。
背景技术
在激光雷达装置中，在具有一定以上的强度的脉冲光入射到传输路径时，有时产生受激布里渊散射。
受激布里渊散射是由于所入射的脉冲光而产生作为声学波的声子，当由于产生的声子而在作为传输路径的光纤的传输方向上诱发周期性的折射率的调制时产生的现象。
受激布里渊散射是该折射率的调制实施与恰好在传输路径上设置有衍射光栅时相同的作用的结果为所入射的脉冲光相对于传输方向向后方散射的现象。
例如，在激光雷达装置具有放大脉冲光的光高输出放大器的情况下，在所入射的脉冲光的光功率或者被光高输出放大器放大后的脉冲光的光功率超过受激布里渊散射的产生阈值时，超过产生阈值的光功率向后方散射。
因此，有时激光雷达装置的输出功率受到限制。
在通常的单模光纤中，已知受激布里渊散射的增益带宽是10MHz～100MHz左右。
因此，在频率差大于100MHz的N个脉冲光同时入射到光高输出放大器的情况下，能够在不超过受激布里渊散射的产生阈值的范围内提高各个波长的脉冲光的光功率。其结果是，在频率差大于100MHz的N个脉冲光同时入射到光高输出放大器的情况下，与入射一个脉冲光的情况相比，能够使激光雷达装置的输出功率成为N倍。
在下面的专利文献1公开的激光雷达装置中，使得频率差大于100MHz的N个脉冲光同时入射到光高输出放大器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2013-094431
发明内容
发明要解决的问题
以往的激光雷达装置是如上所述构成的，因而能够避免受激布里渊散射的影响，但是存在信号成分与噪声成分之比SNR有时降低这样的问题。
具体地，如下所述。
为了避免光外差接收机的饱和，规定了入射到光外差接收机的后向散射光的最大功率。为了使SNR最大化，需要将光外差接收机实施光外差检波时使用的本振光设定为与规定的最大功率接近的值。但是，在为了避免受激布里渊散射的影响而使用多种波长的脉冲光的情况下，光外差接收机需要避免对多种波长的后向散射光进行光外差检波时的饱和。因此，需要将每一波长的本振光的光功率设定为波长数分之一。
其结果是，每一波长的本振光的光功率降低，因而存在每一波长的SNR降低这样的问题。
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，提供一种激光雷达装置，能够避免受激布里渊散射的影响，并且能够提高SNR。
用于解决问题的手段
本发明的激光雷达装置具有：调制器，其对发送种子光进行分支，对分支而成的多个发送种子光赋予不同的偏移频率，然后将多个发送种子光分别调制成脉冲光进行输出，或者将发送种子光调制成脉冲光，对脉冲光进行分支，对分支而成的多个脉冲光赋予不同的偏移频率，然后输出多个脉冲光；光放大器，其放大从调制器输出的多个脉冲光；光学天线，其向空间放射被光放大器放大后的多个脉冲光，接收放射出的多个脉冲光的后向散射光；接收机，其从由光学天线接收到的多个后向散射光中分别检波出差拍信号；滤波器，其将包含由接收机检波出的多个差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含信号成分的频率的频带设定为截止频带；以及转换器，其按照采样频率将通过滤波器后的差拍信号样本化。
发明效果
根据本发明，构成为具有：调制器，其对发送种子光进行分支，对分支而成的多个发送种子光赋予不同的偏移频率，然后将多个发送种子光分别调制成脉冲光进行输出，或者将发送种子光调制成脉冲光，对脉冲光进行分支，对分支而成的多个脉冲光赋予不同的偏移频率，然后输出多个脉冲光；滤波器，其将包含由接收机检波出的多个差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含信号成分的频率的频带设定为截止频带；以及转换器，其按照采样频率将通过滤波器后的差拍信号样本化。因而具有能够避免受激布里渊散射的影响，并且能够提高SNR的效果。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
图2是示出从锯齿波信号发生器4-1～4-3输出到光相位调制器6-1～6-3的驱动信号即锯齿波信号sw1～sw3与偏移频率fofs_1～fofs_3的关系的说明图。
图3是示出从光学天线单元11具有的光学天线放射的脉冲光的谱的说明图。
图4A是示出由光外差接收机13检波出的差拍信号的谱的说明图，图4B是示出对带通滤波器14设定的通过频带和截止频带的说明图，图4C是示出由ADC15降采样(undersampling)后的差拍信号的谱的说明图。
图5A是示出被赋予偏移频率fofs_1的谱是SPRX1的差拍信号的说明图，图5B是示出被赋予偏移频率fofs_2的谱是SPRX2的差拍信号的说明图，图5C是示出被赋予偏移频率fofs_3的谱是SPRX3的差拍信号的说明图，图5D是示出由ADC15转换频率后的谱是SPAS(频率转换后的SPRX1AS、SPRX2、SPRX3)的差拍信号的说明图。
图6是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构图。
图7是示出本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图。
具体实施方式
下面，为了更详细地说明本发明，参照附图说明用于实施本发明的方式。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
在图1中，基准光源11是振荡出单一频率的发送种子光并将该发送种子光输出到传输路径OF1的光源。
传输路径OF1是将从基准光源1输出的发送种子光传输到光路分支耦合器2的光纤。
光路分支耦合器2将从基准光源1输出到传输路径OF1的发送种子光分支成两个，将分支出的一个发送种子光输出到传输路径OF2，将分支出的另一个发送种子光作为本振光输出到传输路径OF3。
传输路径OF2是将从光路分支耦合器2输出的发送种子光传输到并行光相位调制器6的光纤。传输路径OF3是将从光路分支耦合器2输出的本振光传输到光路合波耦合器12的光纤。
同步信号发生器3是向第1信号发生器4和第2信号发生器5输出同步信号的信号发生器。
第1信号发生器4是具有N个锯齿波信号发生器4-1～4-N，与从同步信号发生器3输出的同步信号同步地产生锯齿波信号sw1～swN，作为驱动光相位调制器6-1～6-N的驱动信号的信号发生器。
锯齿波信号发生器4-n(n＝1、2、3、…、N)是向光相位调制器6-n输出信号波形WF01那样的锯齿波信号sw1～swN的信号发生器。
锯齿波信号swn是在从光强度调制器7输出的脉冲光的ON期间(振幅不是零的期间)，周期为1/fofs_n、振幅为2×Vπ的信号。并且，锯齿波信号swn是在脉冲光的振幅是零的期间即OFF期间中，振幅为零的信号。fofs_n是偏移频率。Vπ是对并行光相位调制器6赋予180度的相位变化所需要的驱动电压。
对锯齿波信号发生器4-1～4-N设定使得偏移频率fofs_1～fofs_N的频率间隔大于受激布里渊散射的增益带宽的偏移频率fofs_1～fofs_N。
第2信号发生器5是与从同步信号发生器3输出的同步信号同步地产生驱动光强度调制器7的驱动信号的信号发生器。该驱动信号是信号波形WF02那样的矩形波形的信号。
并行光相位调制器6具有N个光相位调制器6-1～6-N，将从光路分支耦合器2输出到传输路径OF2的发送种子光分支成N个，根据从第1信号发生器4输出的锯齿波信号sw1～swN，对分支出的N个发送种子光赋予不同的偏移频率fofs_1～fofs_N。
光相位调制器6-n(n＝1、2、3、…、N)根据从锯齿波信号发生器4-n输出的锯齿波信号swn，对分支出的一个发送种子光赋予偏移频率fofs_n，将赋予偏移频率后的发送种子光输出到传输路径OF4。
传输路径OF4是将从光相位调制器6-1～6-N输出的赋予偏移频率后的发送种子光传输到光强度调制器7的光纤。
光强度调制器7被从第2信号发生器5输出的驱动信号驱动，将从并行光相位调制器6输出到传输路径OF4的N个赋予偏移频率后的发送种子光调制成脉冲光并输出到传输路径OF5。
在光强度调制器7中，赋予偏移频率后的发送种子光被调制成脉冲反复频率为fprf[kHz]、脉宽为ON期间Δt的脉冲光。
传输路径OF5是将从光强度调制器7输出的脉冲光传输到光高输出放大器9的光纤。
在本实施方式1中，示出了调制器8具有并行光相位调制器6和光强度调制器7，并行光相位调制器6配置在光强度调制器7的前级的例子，但也可以是，光强度调制器7配置在并行光相位调制器6的前级。
在这种情况下，光强度调制器7将从基准光源1输出的发送种子光调制成脉冲光，对并行光相位调制器6调制后的脉冲光进行分支，然后对分支出的多个脉冲光赋予不同的偏移频率，将赋予偏移频率后的多个脉冲光输出到光高输出放大器9。
光高输出放大器9是放大从光强度调制器7输出到传输路径OF5的赋予偏移频率后的多个脉冲光，将放大后的多个脉冲光输出到传输路径OF6的光放大器。
光高输出放大器9例如是掺杂有稀土类的铒(Er)、镱(Yb)、钕(Nd)等的光纤放大器。光纤放大器利用放大介质的蓄积作用，将在来自传输路径OF6的脉冲光的OFF期间蓄积的能量在脉冲光的ON期间释放，由此放大脉冲光。
传输路径OF6是将从光高输出放大器9输出的脉冲光传输到光环行器10的光纤。
光环行器10将从光高输出放大器9输出到传输路径OF6的脉冲光输出到传输路径OF7，将从光学天线单元11输出到传输路径OF7的后向散射光输出到传输路径OF8。
传输路径OF7是将从光环行器10输出的脉冲光传输到光学天线单元11，将从光学天线单元11输出的后向散射光传输到光环行器10的光纤。
传输路径OF8是将从光环行器10输出的后向散射光传输到光路合波耦合器12的光纤。
光学天线单元11具有光学天线，该光学天线放大从光环行器10输出到传输路径OF7的脉冲光的光束直径，向规定方向的空间放射脉冲光。
并且，光学天线单元11具有光学天线，该光学天线在向空间放射脉冲光后，接收被空间中存在的散射对象向后散射的脉冲光的后向散射光，将后向散射光输出到传输路径OF7。
放射脉冲光的光学天线和接收后向散射光的光学天线可以分别设置在光学天线单元11中，也可以共用。
散射对象例如是以与风速相同的速度移动的气溶胶，后向散射光接受与散射对象的移动速度对应的多普勒频移fDop。
光路合波耦合器12将从光路分支耦合器2输出到传输路径OF3的本振光与从光环行器10输出到传输路径OF8的后向散射光合波，由此转换该后向散射光的频率。
光外差接收机13是对被光路合波耦合器12转换频率后的后向散射光进行光外差检波，由此输出具有后向散射光与本振光的差频率的差拍信号的接收机。
带通滤波器14是将包含从光外差接收机13输出的差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含该信号成分的频率的频带设定为截止频带的电滤波器。
ADC15是按照采样频率对通过带通滤波器14后的差拍信号进行降采样(样本化)，将降采样后的差拍信号从模拟信号转换成数字信号的转换器。
信号处理器16是分析被ADC15转换成数字信号的差拍信号的处理器。
下面，对动作进行说明。
基准光源1连续振荡出单一频率的发送种子光，以恒定偏振将发送种子光输出到传输路径OF1。
光路分支耦合器2在接收到从基准光源1输出到传输路径OF1的发送种子光时，在维持发送种子光的偏振状态下将发送种子光分支成两个。
光路分支耦合器2将分支出的一个发送种子光输出到传输路径OF2，将分支出的另一个发送种子光作为本振光输出到传输路径OF3。
从光路分支耦合器2输出到传输路径OF2的发送种子光在并行光相位调制器6的内部被分支成N个，将被分支成N个的各个发送种子光输入到光相位调制器6-1～6-N。
同步信号发生器3向第1信号发生器4和第2信号发生器5输出同步信号。
第1信号发生器4的锯齿波信号发生器4-1～4-N在从同步信号发生器3接收到同步信号时，与该同步信号同步地产生锯齿波信号sw1～swN，作为驱动光相位调制器6-1～6-N的驱动信号。
由锯齿波信号发生器4-n(n＝1、2、3、…、N)产生的锯齿波信号swn在从光强度调制器7输出的脉冲光的ON期间中是周期为1/fofs_n、振幅为2×Vπ的信号。并且，锯齿波信号swn在从光强度调制器7输出的脉冲光的OFF期间中是振幅为零的信号。fofs_n是偏移频率。
对锯齿波信号发生器4-1～4-N设定偏移频率fofs_1～fofs_N，使得偏移频率fofs_1～fofs_N的频率间隔大于在光高输出放大器9或者传输路径OF6、OF7中产生的受激布里渊散射的增益带宽。
已知在光高输出放大器9或者传输路径OF6、OF7中产生的受激布里渊散射的增益带宽约为10MHz～100MHz。如果入射到光高输出放大器9的多个脉冲光的频率间隔大于100MHz，则在光高输出放大器9中能够在不超过受激布里渊散射的发生阈值的范围内提高各个波长的脉冲光的光功率。
因此，在本实施方式1中，设定偏移频率fofs_1～fofs_N，以确保偏移频率fofs_1～fofs_N的频率间隔在200MHz以上。
如果确保偏移频率fofs_1～fofs_N的频率间隔在100MHz以上，则能够避免受激布里渊散射的影响，基于提高SNR的目的，设置交替地设定100MHz的通过频带和100MHz的截止频带的带通滤波器14，因而确保200MHz以上。
偏移频率fofs_n(n＝1、2、3、…、N)可表示成下面的式(1)。
在式(1)中，fnyq是由ADC15进行的样本化中的奈奎斯特频率(采样频率/2)。
例如，如果设安装在并行光相位调制器6的光相位调制器6-1～6-N的个数N是3，则偏移频率fofs_1～fofs_3可表示成下面的式(2)。
图2是示出从锯齿波信号发生器4-1～4-3输出到光相位调制器6-1～6-3的驱动信号即锯齿波信号sw1～sw3与偏移频率fofs_1～fofs_3的关系的说明图。
从锯齿波信号发生器4-1～4-3输出到光相位调制器6-1～6-3的锯齿波信号sw1～sw3如图2所示，初始相位一致。
偏移频率fofs_1对应于锯齿波信号sw1，偏移频率fofs_2对应于锯齿波信号sw2，偏移频率fofs_3对应于锯齿波信号sw3。
并行光相位调制器6将从光路分支耦合器2输出到传输路径OF2的发送种子光分支成N个，根据从第1信号发生器4输出的锯齿波信号sw1～swN，对分支出的N个发送种子光赋予不同的偏移频率fofs_1～fofs_N。
即，光相位调制器6-n(n＝1、2、3、…、N)根据从锯齿波信号发生器4-n输出的锯齿波信号swn，对分支出的一个发送种子光赋予偏移频率fofs_n，将赋予偏移频率后的发送种子光输出到传输路径OF4。
从并行光相位调制器6输出到传输路径OF4的N个发送种子光被赋予频率间隔为200MHz以上的偏移频率fofs_1～fofs_N，因而N个发送种子光的频率间隔达到200MHz以上。
第2信号发生器5在从同步信号发生器3接收到同步信号时，与该同步信号同步地产生驱动光强度调制器7的驱动信号。该驱动信号是信号波形WF02那样的信号。
光强度调制器7被从第2信号发生器5输出的驱动信号驱动，将从并行光相位调制器6输出到传输路径OF4的N个赋予偏移频率后的发送种子光调制成脉冲光并输出到传输路径OF5。
在光强度调制器7中，将N个赋予偏移频率后的发送种子光调制成脉冲反复频率为fprf[kHz]、脉宽为ON期间Δt的脉冲光。
另外，在图1的激光雷达装置被用作风计测雷达装置的情况下，例如光频率ν使用195THz，脉冲反复频率fprf使用数kHz～数十kHz，脉宽Δt使用数百nsec～数μsec。并且，偏移频率使用fofs_1＝150MHz、fofs_2＝350MHz、fofs_3＝550MHz，奈奎斯特频率fnyq使用100MHz。
光高输出放大器9在从光强度调制器7接收到N个脉冲光时，分别放大N个脉冲光，将放大后的N个脉冲光输出到传输路径OF6。
光高输出放大器9例如是掺杂有稀土类的铒(Er)、镱(Yb)、钕(Nd)等的光纤放大器。因此，光高输出放大器9利用放大介质的蓄积作用，将在来自传输路径OF6的脉冲光的OFF期间蓄积的能量在ON期间释放，由此放大脉冲光。
在本实施方式1中，偏移频率fofs_1～fofs_N的频率间隔在200MHz以上，因而N个脉冲光的频率间隔达到受激布里渊散射的增益带宽即100MHz以上的频率差。
因此，能够将光高输出放大器9的输出功率提高到N倍。
光环行器10在接收到从光高输出放大器9输出到传输路径OF6的N个脉冲光时，将N个脉冲光输出到传输路径OF7。
光学天线单元11具有的光学天线放大从光环行器10输出到传输路径OF7的N个脉冲光的光束直径，向规定方向的空间放射N个脉冲光。
从光学天线放射到空间的N个脉冲光被空间中存在的散射对象向后方散射。散射对象例如是以与风速相同的速度移动的气溶胶。
图3是示出从光学天线单元11具有的光学天线放射的脉冲光的谱的说明图。
在图3中，横轴表示频率，纵轴表示振幅。
图3的横轴中的刻度以基准光源1的频率ν为起点，将奈奎斯特频率fnyq记述为刻度。
被光相位调制器6-1赋予偏移频率fofs_1后的脉冲光的谱SPTX1位于频率(fnyq+ν)与频率(2×fnyq+ν)的中间的频率。
被光相位调制器6-2赋予偏移频率fofs_2后的脉冲光的谱SPTX2位于频率(3×fnyq+ν)与频率(4×fnyq+ν)的中间的频率。
并且，被光相位调制器6-3赋予偏移频率fofs_3后的脉冲光的谱SPTX3位于频率(5×fnyq+ν)与频率(6×fnyq+ν)的中间的频率。
谱SPTX1、SPTX2、SPTX3的频率fTX1、fTX2、fTX3可表示成下面的式(3)。
具有谱SPTX1的脉冲光、具有谱SPTX2的脉冲光以及具有谱SPTX3的脉冲光在同一时间和同一空间内传输，因而通过作为散射对象的气溶胶接受相同量的多普勒频移fDop。因此，脉冲光的谱SPTX1、SPTX2、SPTX3移动到谱SPTX1’、SPTX2’、SPTX3’的位置。
谱SPTX1’、SPTX2’、SPTX3’的频率fTX1’、fTX2’、fTX3’可表示成下面的式(4)。
在图3中示出假设向从光学天线放射的脉冲光的放射方向吹出逆风的状况，脉冲光向正方向移动的例子，在向脉冲光的放射方向吹出顺风的状况下，脉冲光向负方向移动。
在多普勒频移fDop是如下面的式(5)所示根据能够计测奈奎斯特频率fnyq的视线方向的最大风速±VLOS_MAX设定的情况下，收敛在以谱SPTX1、SPTX2、SPTX3为中心谱的±(1/2)×fnyq的范围内。
因此，位置根据风速而移动的谱SPTX1’、SPTX2’、SPTX3’的存在范围分别成为在频率轴上限定的范围fwTX1、fwTX2、fwTX3。
在式(5)中，c表示光速。
例如，如果视线方向的最大风速±VLOS_MAX为38m/s、基准光源1的频率ν为195THz，则计算出奈奎斯特频率fnyq≥98.8MHz，因而奈奎斯特频率fnyq被设定为约100MHz。
光学天线单元11具有的光学天线在向空间放射N个脉冲光后，接收被空间中存在的散射对象向后方散射的脉冲光的后向散射光，将后向散射光输出到传输路径OF7。
被散射对象向后方散射的后向散射光在从光学天线放射的脉冲光的OFF期间被光学天线连续地接收。
与从光学天线到散射对象的距离Lm(i)对应的后向散射光的接收期间是时间幅度Δt，在从光学天线放射脉冲光后到接收到后向散射光的时间tm(i)可表示成下面的式(6)。i是表示第i个距离范围的参数。
光环行器10在接收到从光学天线单元11输出到传输路径OF7的后向散射光时，将后向散射光输出到传输路径OF8。
光路合波耦合器12将从光路分支耦合器2输出到传输路径OF3的本振光与从光环行器10输出到传输路径OF8的后向散射光合波，由此转换该后向散射光的频率。
光外差接收机13对被光路合波耦合器12转换频率后的后向散射光进行光外差检波，由此，将具有后向散射光与本振光的差频率的差拍信号输出到带通滤波器14。从光外差接收机13输出的差拍信号是电信号。
在本实施方式1中，对从光外差接收机13连续输出的差拍信号中的与第i个距离范围对应的后向散射光的接收期间内的差拍信号进行说明，对于第i个以外的距离范围的差拍信号也同样地处理。
在此，图4是示出差拍信号的谱等的说明图。
在图4中，横轴表示频率，纵轴表示振幅。
图4的横轴中的刻度将奈奎斯特频率fnyq记述为刻度。
图4A示出由光外差接收机13检波出的差拍信号的谱，图4B示出对带通滤波器14设定的通过频带和截止频带。并且，图4C示出由ADC15降采样后的差拍信号的谱。
从光外差接收机13输出的差拍信号的谱SPRX1对应于脉冲光的谱SPTX1’，从光外差接收机13输出的差拍信号的谱SPRX2对应于脉冲光的谱SPTX2’。
并且，从光外差接收机13输出的差拍信号的谱SPRX3对应于脉冲光的谱SPTX3’。
在图4A中，设差拍信号的谱SPRX1的频率是fRX1、差拍信号的谱SPRX2的频率是fRX2、差拍信号的谱SPRX3的频率是fRX3。
频率fRX1、fRX2、fRX3如下面的式(7)所示，是脉冲光的谱SPTX1’、SPTX2’、SPTX3’的频率减去本振光的频率ν而得到的频率。
由于是根据能够计测奈奎斯特频率fnyq的视线方向的最大风速±VLOS_MAX设定的，因而差拍信号的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3收敛在以风速为零时的谱SPTX1,0、SPTX2,0、SPTX3,0为中心谱的±(1/2)×fnyq的范围内。
因此，差拍信号的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3的存在范围分别成为在频率轴上限定的范围fwRX1、fwRX2、fwRX3。
带通滤波器14将包含从光外差接收机13输出的差拍信号中包含的信号成分即谱SPRX1、SPRX2、SPRX3的频率fRX1、fRX2、fRX3的频带设定为通过频带Pass#1、#2、#3。
并且，带通滤波器14将不包含谱SPRX1、SPRX2、SPRX3的频率fRX1、fRX2、fRX3的频带设定为截止频带Stop。
例如，如图4B所示，设定对带通滤波器14设定的通过频带Pass#1、#2、#3和截止频带Stop。
Pass#1＝1×fnyq～2×fnyq
Pass#2＝3×fnyq～4×fnyq
Pass#3＝5×fnyq～6×fnyq
虽然在图4中没有记载，但是通过频带Pass#N如下所述。
Pass#N＝(2×N-1)×fnyq～(2×N)×fnyq
从光外差接收机13输出的差拍信号的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3存在于带通滤波器14的通过频带Pass#1、#2、#3的范围内，因而通过带通滤波器14后被输入到ADC15。
另一方面，不存在差拍信号的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3的带通滤波器14的截止频带Stop内的噪声成分被带通滤波器14截止，因而不被输入到ADC15。
ADC15以采样频率2×fnyq对通过带通滤波器14后的差拍信号的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3进行降采样，将降采样而得到的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3从模拟信号转换成数字信号。
通过ADC15的降采样，采样频率2×fnyq的二分之一即奈奎斯特频率fnyq以上的信号在频率轴上折返。
例如，通过带通滤波器14后的差拍信号的谱SPRX1，通过ADC15在频率轴上折返一次，因而如图4C所示被频率转换成谱SPAS。谱SPRX1的转换后的频率fIF1即谱SPAS的频率fIF可表示成下面的式(8)。
通过带通滤波器14后的差拍信号的谱SPRX2，通过ADC15在频率轴上折返三次，因而与差拍信号的谱SPRX1同样地被频率转换成谱SPAS。谱SPRX2的转换后的频率fIF2即谱SPAS的频率fIF可表示成下面的式(9)。
通过带通滤波器14后的差拍信号的谱SPRX3，通过ADC15在频率轴上折返五次，因而与差拍信号的谱SPRX1同样地被频率转换成谱SPAS。谱SPRX3的转换后的频率fIF3即谱SPAS的频率fIF可表示成下面的式(10)。
另外，谱SPAS的存在范围在频率轴上被限定在频率0～fnyq的范围。
在图4C中，谱SPAS,0是风速为零时的差拍信号的谱SPRX1,0、SPRX2,0、SPRX3,0被ADC15频率转换后的谱。
在此，示出了通过带通滤波器14后的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3被频率转换成谱SPAS的例子，对于差拍信号的谱SPRXn(n＝1、2、…、N)，也被频率转换成与谱SPRX1同样的谱SPAS。
另外，差拍信号的谱SPRXn(n＝1、2、…、N)通过ADC15在频率轴上折返(2×N-1)次。
图5是示出被ADC15转换频率前后的差拍信号的说明图。
图5A示出被赋予偏移频率fofs_1的谱是SPRX1的差拍信号，实线表示转换前的差拍信号，虚线表示转换后的差拍信号。
图5B示出被赋予偏移频率fofs_2的谱是SPRX2的差拍信号，实线表示转换前的差拍信号，虚线表示转换后的差拍信号。
图5C示出被赋予偏移频率fofs_3的谱是SPRX3的差拍信号，实线表示转换前的差拍信号，虚线表示转换后的差拍信号。
图5D示出被ADC15转换频率后的谱是SPAS(频率转换后的SPRX1AS、SPRX2、SPRX3)的差拍信号。
N个脉冲光以相位一致的状态被放射到空间。
并且，N个脉冲光在同一观测空间(方位、仰角以及光束直径相同)传播，而且作为观测空间内的同一观测对象的气溶胶在相同时刻受到散射，因而受到同一多普勒频移fDop。
光学天线单元11的光学天线在相同时刻接收被同一气溶胶散射后的后向散射光，在同一传输路径OF1、OF8中传播。因此，从光外差接收机13以相同相位输出差拍信号的谱SPRX1、SPRX2、SPRX3。
因此，被ADC15转换频率后的谱SPRX1AS、SPRX2、SPRX3(＝SPAS)如图5所示成为相同相位。
由此，在被ADC15降采样N个谱SPRXn(n＝1、2、…、N)后的情况下，N个谱SPAS被电气相加，因而按照相同相位相干地相加。
按照相同相位相干地相加而成的N个谱SPAS的振幅成为放射一个波长的脉冲光时的振幅的N倍。
另一方面，带通滤波器14的通过频带Pass#1、#2、#3中包含的噪声成分被非相干地相加，因而成为放射一个波长的脉冲光时的振幅的√N倍。噪声成分是以冲击噪声为主的成分。
因此，作为SNR的信号成分/噪声成分与放射一个波长的脉冲光的情况相比，被改善成√N倍＝N/√N。
信号处理器16按照与脉冲光的脉宽Δt对应的时间门宽分割从ADC15输出的数字信号即时间序列的数字数据。
信号处理器16对按照时间门宽分割后的各个数字数据进行高速傅里叶变换，由此得到频域的信号即功率谱。
信号处理器16在得到事前设定的次数N_INT的功率谱时，将这些功率谱中的同一频率的成分彼此相加，由此累计多个功率谱。
信号处理器16在累计多个功率谱时，分析累计后的功率谱。
也可以是，信号处理器16在分析累计后的功率谱之前，使用在事前将光学天线遮光的状态下测定出的噪声谱背景数据，校正功率谱的背景偏移值。
作为信号处理器16对功率谱的分析处理，例如可考虑检测功率谱的峰值的处理、通过力矩运算确定峰值的重心频率的处理、计算谱宽的处理、计算SNR的处理等。
分割时间序列的数字数据后的各个时间门的数字数据对应于计测距离，因而能够得到与每个计测距离的视线方向的风速对应的多普勒频率的分布。
在通常的风计测雷达中，作为谱积分数的N_INT设定1000～10000次，因而相对于作为脉冲反复频率fprf的数kHz～数十kHz，实际有效的数据速率为0.1秒～数秒左右。
另外，在信号处理器16具有切换从光学天线单元11的光学天线放射的脉冲光的放射方向的功能的情况下，信号处理器16切换脉冲光的放射方向，由此能够计测针对各个放射方向的到气溶胶的距离和风速。并且，信号处理器16如果使用针对各个放射方向的距离和风速的计测值进行向量运算，则能够进行风速的三维分布的估计、每个计测距离的风向风速分布的计算等。
信号处理器16对功率谱的分析结果存储在信号处理器16的数据蓄积部中，此外还可显示在未图示的显示器等。
如以上说明的那样，根据本实施方式1，构成为具有：调制器8，其对发送种子光进行分支，对分支而成的多个发送种子光赋予不同的偏移频率，然后将多个发送种子光调制成脉冲光进行输出，或者将发送种子光调制成脉冲光，对脉冲光进行分支，对分支而成的多个脉冲光赋予不同的偏移频率，然后输出多个脉冲光；带通滤波器14，其将包含被光外差接收机13检波出的多个差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含信号成分的频率的频带设定为截止频带；以及ADC15，其按照采样频率将通过带通滤波器14后的差拍信号样本化。因而具有能够避免受激布里渊散射的影响，并且能够提高SNR的效果。
并且，根据本实施方式1，构成为具有振荡出单一频率的发送种子光的基准光源1，将由基准光源1振荡出的发送种子光输出到调制器8。因而即使在为了避免受激布里渊散射的影响对光高输出放大器9提供频率不同的多个脉冲光的情况下，也能够得到不需安装多个光源即可实现的效果。
在本实施方式1中，示出了调制器8具有将发送种子光调制成脉冲光的光强度调制器7的例子，但只要能够响应脉宽为100nsec～1μsec、脉冲反复频率fprf为数kHz～数十kHz，则光强度调制器7可以是任何方式。
例如，作为光强度调制器7，除马赫-曾德(MZ：Mach Zehnder)型的LN(LithiumNiobate)调制器、EA(Electro Absorption)调制器等强度调制器外，还可考虑半导体光放大器、光纤放大器等光放大器、MEMS(Micro Electro Mechanical System)光学开关等的光学开关。
在本实施方式1中示出了具有放大多个脉冲光的光高输出放大器9的例子。作为光高输出放大器9，只要是具有掺杂有稀土类的玻璃或YAG晶体那样的激励能量的蓄积作用，具有与脉冲光中的ON期间与OFF期间的占空比的倒数成比例的脉冲光的放大作用的光放大器，则可以是任意的光放大器。
例如，作为光高输出放大器9，如果从基准光源1产生的发送种子光的光频率ν是195THz(波长1.5μm)，除掺杂有铒等稀土类的光纤放大器外，还可考虑铒和玻璃的棒型、盘型、平面波导型等的放大器、拉曼放大器等。
在本实施方式1中示出了如下的例子：调制器8具有并行光相位调制器6和光强度调制器7，并行光相位调制器6配置在光强度调制器7的前级，但也可以是如以所述，光强度调制器7配置在并行光相位调制器6的前级。
此时，作为光强度调制器7，通过使用半导体光放大器，能够使用将基准光源1、光路分支耦合器2以及作为半导体光放大器的光强度调制器7一体化而成的数字相干通信用的集成可变波长激光器模块(ITLA：Integrable Tunable Laser Assembly)。由此，部件数目减少，因而能够实现小型化和低成本化。
在本实施方式1中示出了具有带通滤波器14的例子，带通滤波器14将包含差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含该信号成分的频率的频带设定为截止频带。作为带通滤波器14，除具有无源元件的无源型带通滤波器外，还可以使用组合运算放大器等有源元件而成的有源型滤波器。
在带通滤波器14使用有源型滤波器的情况下，还可以将差拍信号的信号电平放大至在后段的ADC15中所需要的信号电平。
在本实施方式1中示出了具有第2信号发生器5的例子，第2信号发生器5产生信号波形WF02那样的矩形波形的信号即光强度调制器7的驱动信号。
作为第2信号发生器5产生的驱动信号，不限于信号波形WF02那样的矩形波形的信号，例如也可以是上升缓慢的锯齿波状波形的信号。
如果第2信号发生器5产生的驱动信号是上升缓慢的锯齿波状波形的信号，则能够抑制光高输出放大器9产生非线性光学效应。
在图1的激光雷达装置中，也可以将光路分支耦合器2、并行光相位调制器6、光路合波耦合器12、光外差接收机13以及传输路径OF2、OF3、OF4、OF8安装在同一基板上。另外，不仅可以将作为调制器8的一部分的并行光相位调制器6安装在该基板上，而且可以将包含光强度调制器7的调制器8全部安装在该基板上。
作为安装这些元件的基板，可考虑使用硅、磷化铟(InP：Indium Phosphide)、有机聚合物等的基板。
通过安装在同一基板上，除通过减少部件数目实现低成本化、高可靠性外，还能够通过集成安装而得到小型化的效果。
实施方式2
在上述实施方式1中，示出了并行光相位调制器6具有光相位调制器6-1～6-N的例子，但并行光相位调制器6也可以具有光路分支耦合器21、行进波形型光调制器即双MZ调制器22-1～22-M以及光合波耦合器23。
图6是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构图。在图6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。
光路分支耦合器21将从光路分支耦合器2输出到传输路径OF2的发送种子光分支成N个，将分支出的发送种子光输出到双MZ调制器22-1～22-M。
双MZ调制器22-m(m＝1、2、3、…、M)根据从锯齿波信号发生器4-n输出的锯齿波信号，对分支出的一个发送种子光赋予偏移频率，将赋予偏移频率后的发送种子光输出到传输路径OF4。
其中，N＝2×M(M为自然数)。因此，双MZ调制器22-m根据从锯齿波信号发生器4-(2×m-1)输出的锯齿波信号sw(2×m-1)，对分支出的一个发送种子光赋予偏移频率fofs_(2×m-1)。并且，双MZ调制器22-m根据从锯齿波信号发生器4-(2×m)输出的锯齿波信号sw(2×m)，对分支出的一个发送种子光赋予偏移频率fofs_(2×m)。
光合波耦合器23对从双MZ调制器22-m输出的赋予偏移频率后的发送种子光进行合波。
并行光相位调制器6的动作自身与上述实施方式1相同。因此，在本实施方式2中，也能够避免受激布里渊散射的影响，并且能够提高SNR。
在本实施方式2中，使用在光通信领域中广泛采用的双MZ调制器22-1～22-M，因而能够通过并行光相位调制器6的量产得到低成本化、易购买性的提高、可靠性的提高的效果。
在图6的激光雷达装置中，也可以将光路分支耦合器2、并行光相位调制器6、光路合波耦合器12、光外差接收机13以及传输路径OF2、OF3、OF4、OF8安装在同一基板上。另外，不仅可以将作为调制器8的一部分的并行光相位调制器6安装在该基板上，而且可以将包含光强度调制器7的调制器8全部安装在该基板上。
作为安装这些元件的基板，可考虑使用硅、磷化铟、有机聚合物等的基板。
通过安装在同一基板上，除通过减少部件数目实现低成本化、高可靠性外，还能够通过集成安装而得到小型化的效果。
实施方式3
在上述实施方式1、2中，示出了具有一个光学天线单元11的例子，但也可以具有多个光学天线单元11。
图7是示出本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图。在图7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。
可变波长基准光源31是振荡出L(L为2以上的整数)个波长中的、从波长切换器32输出的波长指定信号所示的波长的发送种子光的光源。
L个波长是光高输出放大器9中的增益频带范围内的波长，并且是能够通过波长分离器34中的输入输出端口的频带内的波长。
波长切换器32是根据从信号处理器33输出的控制信号，切换由可变波长基准光源31振荡出的发送种子光的波长的切换器。
信号处理器33与图1的信号处理器16同样地，除分析被ADC15转换成数字信号的差拍信号外，还进行波长切换器32的控制。
如果从光环行器10输出的N个脉冲光的波长是对应于光学天线单元11-1的波长，则波长分离器34将N个脉冲光输出到光学天线单元11-1，如果从光环行器10输出的N个脉冲光的波长是对应于光学天线单元11-2的波长，则波长分离器34将N个脉冲光输出到光学天线单元11-2。
并且，如果从光环行器10输出的N个脉冲光的波长是对应于光学天线单元11-L的波长，则波长分离器34将N个脉冲光输出到光学天线单元11-L。
波长分离器34将从光学天线单元11-1～11-L输出的后向散射光输出到光环行器10。
作为波长分离器34，例如能够使用按照依据于ITU-TG.691建议的被称作ITU栅格的波长间隔来分割多个输入输出端口的波长分离耦合器或者阵列波导光栅(AWG：ArrayWaveguide Gratings)。
光学天线单元11-1～11-L与图1的光学天线单元11同样是具有光学天线的单元，但是，按照由波长切换器32切换的波长的数量来准备，脉冲光的放射方向即指向角度彼此不同。
下面，对动作进行说明。
除可变波长基准光源31、波长切换器32、信号处理器33、波长分离器34以及光学天线单元11-1～11-L外，与上述实施方式1相同，因而在此仅说明可变波长基准光源31、波长切换器32、信号处理器33、波长分离器34以及光学天线单元11-1～11-L的动作。
信号处理器33按照比风计测雷达装置的实际有效的计测速率即0.1秒～数秒长的间隔，向波长切换器32输出指示切换波长的控制信号。
波长切换器32根据从信号处理器33输出的控制信号，切换由可变波长基准光源31振荡出的发送种子光的波长。
具体地，波长切换器32向可变波长基准光源31输出指定发送种子光的波长的波长指定信号，使得从可变波长基准光源31依次振荡出L个波长的发送种子光。
可变波长基准光源31振荡出L个波长中的从波长切换器32输出的波长指定信号所示的波长的发送种子光，将发送种子光输出到光路分支耦合器2。
在从光环行器10接收到N个脉冲光时，如果N个脉冲光的波长是对应于光学天线单元11-1的波长，则波长分离器34将N个脉冲光输出到光学天线单元11-1。
如果N个脉冲光的波长是对应于光学天线单元11-2的波长，则波长分离器34将N个脉冲光输出到光学天线单元11-2，如果N个脉冲光的波长是对应于光学天线单元11-L的波长，则波长分离器34将N个脉冲光输出到光学天线单元11-L。
光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线放大从波长分离器34输出的N个脉冲光的光束直径，向规定方向的空间放射N个脉冲光。
光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线在向空间放射N个脉冲光后，接收被空间中存在的散射对象向后散射的脉冲光的后向散射光，将后向散射光输出到波长分离器34。
波长分离器34将从光学天线单元11-1～11-L输出的后向散射光输出到光环行器10。
信号处理器33与图1的信号处理器16同样地，分析从ADC15输出的数字信号。
如以上说明的那样，根据本实施方式3，构成为具有：可变波长基准光源31，其振荡出多个波长中的任意一个波长的发送种子光；波长切换器32，其切换由可变波长基准光源31振荡出的发送种子光的波长；以及波长分离器34，其分离被光高输出放大器9放大后的多个脉冲光的波长，光学天线单元11-1～11-L向空间放射由波长分离器34分离出的任意一个波长的脉冲光。因而发挥不需机械驱动即可切换观测空间的效果。
在本实施方式3中，示出了以使光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线的指向角度相互不同的方式配置多个光学天线的例子，但不限于此，例如，也可以按照下面的(a)～(d)所示配置多个光学天线。
(a)以光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线的方位角为同一角度的状态，分开配置多个光学天线。
(b)以将光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线近接配置，并且使方位角按照固定的仰角成为相同间隔的方式，设置多个光学天线。
(c)以将光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线近接配置，并且使仰角按照固定的方位角成为相同间隔的方式，设置多个光学天线。
(d)以将光学天线单元11-1～11-L具有的光学天线近接配置，并且使各个出射指向角成为圆锥状的方式，设置多个光学天线。
在按照上述的(a)所示设置多个光学天线的情况下，能够计测较广区域的面内的视线方向的风速分布。
在按照上述的(b)所示设置多个光学天线的情况下，能够计测平面位置显示(PPI：Plan Position Indicator)方式的风速分布。
在按照上述的(c)所示设置多个光学天线的情况下，能够计测距离高度显示(RHI：Range Height Indicator)方式的风速分布。
在按照上述的(d)所示设置多个光学天线的情况下，能够计测基于VAD(VelocityAzimuth Display)方式的三维的风速向量和风向/风速/铅直风。
在本实施方式3中示出了具有可变波长基准光源31的例子，作为可变波长基准光源31，能够使用数字相干光通信用的集成可变波长激光器(ITLA：Integrable TunableLaser Assembly)等。
并且，也可以使用具有可变波长基准光源31的功能和光路分支耦合器2的功能的二输出型的集成可变波长激光器(二输出ITLA)。由此，部件数目减少，因而能够实现低成本化和高可靠性。
在图7的激光雷达装置中，也可以将光路分支耦合器2、并行光相位调制器6、光路合波耦合器12、光外差接收机13以及传输路径OF2、OF3、OF4、OF8安装在同一基板上。另外，不仅可以将作为调制器8的一部分的并行光相位调制器6安装在该基板上，而且可以将包含光强度调制器7的调制器8全部安装在该基板上。
作为安装这些元件的基板，可考虑使用硅、磷化铟、有机聚合物等的基板。
通过安装在同一基板上，除通过减少部件数目实现低成本化、高可靠性外，还能够通过集成安装而得到小型化的效果。
另外，本申请能够在其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构成要素的变形、或者在各实施方式中省略任意构成要素。
产业上的可利用性
本发明适合于向空间放射脉冲光并接收放射出的脉冲光的后向散射光的激光雷达装置。
标号说明
1：基准光源；2：光路分支耦合器；3：同步信号发生器；4：第1信号发生器；4-1～4-N：锯齿波信号发生器；5：第2信号发生器；6：并行光相位调制器；6-1～6-N：光相位调制器；7：光强度调制器；8：调制器；9：光高输出放大器(放大器)；10：光环行器；11、11-1～11-L：光学天线单元；12：光路合波耦合器；13：光外差接收机(接收机)；14：带通滤波器(滤波器)；15：ADC(转换器)；16：信号处理器；21：光路分支耦合器；22-1～22-M：双MZ调制器(行进波形型光调制器)；23：光合波耦合器；31：可变波长基准光源；32：波长切换器；33：信号处理器；34：波长分离器。

Claims (8)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置具有：
调制器，其对发送种子光进行分支，对所述分支而成的多个发送种子光赋予不同的偏移频率，然后将所述多个发送种子光分别调制成脉冲光进行输出，或者将发送种子光调制成脉冲光，对该脉冲光进行分支，对所述分支而成的多个脉冲光赋予不同的偏移频率，然后输出所述多个脉冲光；
光放大器，其放大从所述调制器输出的多个脉冲光；
光学天线，其向空间放射被所述光放大器放大后的多个脉冲光，接收所述放射的多个脉冲光的后向散射光；
接收机，其从由所述光学天线接收到的多个后向散射光中分别检波出差拍信号；
滤波器，其将包含由所述接收机检波出的多个差拍信号中包含的信号成分的频率的频带设定为通过频带，将不包含所述信号成分的频率的频带设定为截止频带；以及
转换器，其按照采样频率将通过所述滤波器后的差拍信号样本化。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述调制器赋予偏移频率，该偏移频率使得输出到所述光放大器的多个脉冲光的频率间隔，大于在所述光放大器或者从所述光放大器到达所述光学天线的传输路径中产生的受激布里渊散射的增益带宽。
3.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述调制器具有多个光相位调制器，该多个光相位调制器对所述分支而成的发送种子光或者所述分支而成的脉冲光赋予偏移频率，
所述多个光相位调制器赋予彼此不同的偏移频率。
4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述调制器具有多个行进波形型光调制器，该多个行进波形型光调制器对所述分支而成的发送种子光或者所述分支而成的脉冲光赋予偏移频率，
所述多个行进波形型光调制器赋予彼此不同的偏移频率。
5.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有振荡出单一频率的发送种子光的基准光源，
由所述基准光源振荡出的发送种子光被输出到所述调制器。
6.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有分析被所述转换器样本化的差拍信号的信号处理器。
7.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有：
可变波长基准光源，其振荡出多个波长中的任意一个波长的发送种子光；
波长切换器，其切换由所述可变波长基准光源振荡出的发送种子光的波长；以及
波长分离器，其分离被所述光放大器放大后的多个脉冲光的波长，
按照被所述波长切换器切换的波长的数量准备所述光学天线，各个光学天线向空间放射被所述波长分离器分离出的任意一个波长的脉冲光。
8.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述调制器的一部分或者全部和所述接收机安装在同一基板上。
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