JP2008191037A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音響光学素子からなる光変調部を用いたコヒーレントレーザレーダ装置では、単純な構成で十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比と時間変動のない安定した偏光状態の変調光を出力する光変調部を得ることが困難であった。
【解決手段】レーザレーダ装置に使用される光変調部３は、入出力光分離手段３１と、音響光学素子３２４からなる光変調手段３２と、基準光源１の出力レーザ光に対しほぼ全反射となる光全反射手段３３とからなり、光変調手段は入出力光分離手段からの入力光と光全反射手段からの反射光が通過して２回変調されるように構成され、光全反射手段は出射光の偏光面が入射光の偏光面に対し直交回転している偏光面回転機能を有するようにして、十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比と時間変動のない安定した偏光状態の変調光が得られるようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、レーザレーダ装置に関するもので、特に、目標の距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定するコヒーレントレーザレーダ装置に関するものである。

レーザ光を用いたコヒーレントレーザレーダ装置（一般にコヒーレントライダと称される。）は、大気中のエアロゾルでも十分な散乱強度が得られるため、晴天時でも風速や風速分布の測定が出来る。このため、コヒーレントレーザレーダ装置は、空港設置や航空機搭載の乱気流を含む障害物検知装置として期待されている。
従来のコヒーレントレーザレーダ装置は、基準光源からの連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ:ＣＷ）の出力光の一部をパルス変調し、光増幅器により増幅することにより送信光を生成し、この送信光を送受信光学系より目標に向けて照射する。目標からの散乱光を送受信光学系で受信し、この受信光を基準光源からの出力光の一部（ローカル光）と混合して光受信部で検波することによりビート信号を出力し、このビート信号を信号処理して、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定する構成となっている。そして送信光のパルス化を行う光変調部にパルス駆動された音響光学素子（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ:ＡＯＭ）が用いられている。

このようなコヒーレントレーザレーダ装置において、送信光を直線偏光とし、また光受信部におけるヘテロダイン検波効率を最大とするためにローカル光と受信光の偏波面を略一致させるために偏波制御器による制御を行ったものがある。（例えば、非特許文献１参照）
また、上記偏波制御器による制御を不要とするために、光学素子間のファイバに偏波保持型の光ファイバを採用し、送信光および受信光を特定の直線偏光としたものがある。ただし、光ファイバ増幅器の入射側に送受信光分離部を、出射側の送受信光学系の直前に４５°ファラデーローテータを設け、光ファイバ増幅器を含む送受信光分離部と４５°ファラデーローテータの間の受信光および送信光の伝送路は、シングルモードファイバで構成したものである。この場合シングルモードファイバの屈折率揺らぎにより偏波面が変動するが、レーザ光は４５°ファラデーローテータを２回通過して偏光面を９０°回転するので、これにより送受信光分離部と４５°ファラデーローテータの間の偏波変動を補償している。（例えば、特許文献１参照）
また、特許文献１のコヒーレントレーザレーダ装置は、光ファイバ増幅器を光分離部と送受信光学系の間に設置したものであるが、光変調部と光分離部の間に光ファイバ増幅器を設置した構成も用いられている。（例えば、特許文献２参照）

G.N.Personand J.Eacock「Proceedings of 11th Coherent Laser Radar Conference」（Malvern,Worcestershire, UK, July 2001）のp.144-146 特開２００３−３０７５６７号公報 特開２００４−２１９２０７号公報

従来のコヒーレントレーザレーダ装置は、いずれも光変調部に音響光学素子（ＡＯＭ）を用いたものであるが、光変調部においては以下に示す２つの課題が存在する。
第１の課題は光変調部のＯＮ／ＯＦＦ消光比が十分得られなかったことである。音響光学素子を用いたパルス変調では、変調用の超音波信号が音響光学素子内に残響することに起因した光のキャリアリークが発生する。キャリアリークは光増幅器で増幅され、有意の大きさで光受信部に到達すると信号検出に悪影響を与える。このため、キャリアリークは十分に減衰させる、即ち、光変調部のＯＮ／ＯＦＦ消光比を十分に取る必要があった。しかし通常の音響光学素子では十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比が得られないため、従来は音響光学素子２台による２段変調といった複雑な構成となっていた。

第２の課題は光変調部からの出力光の偏光状態の安定化が十分でなかったことである。音響光学素子内では複屈折が存在し、かつその時間的変動が起こることから、光変調部からの出力光の偏光状態に時間変動が生じることが分かってきた。この変動は送信光の出力あるいは特定偏光成分の出力変動の原因となり、最終的には受信信号レベルの変動を引き起こす。安定した受信信号レベルの測定を行うには、光変調部の出力光の偏光状態を安定させる必要がある。

この発明は、このような課題を解決するもので、光変調部に音響光学素子を用いても、単純な構成で十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比が得られ、しかも音響光学素子の複屈折による偏波変動を補償することができ、光変調部の出力光の偏光状態を安定できるようにしたレーザレーダ装置を得ることを目的とするものである。

この発明は、基準光源からの連続波のレーザ光の一部をパルス変調して増幅することにより送信光を生成し、この送信光を送受信光学系より目標に向けて照射すると共に、目標からの散乱光を送受信光学系で受信し、この受信光を基準光源からのレーザ光の一部と混合して検波することによりビート信号を出力し、このビート信号を信号処理して目標の情報を抽出するレーザレーダ装置において、レーザ光の一部をパルス変調する光変調部は、入力光と出力光を分離する入出力光分離手段と、音響光学素子からなる光変調手段と、入力光に対しほぼ全反射となる光全反射手段とからなり、光変調手段は入出力光分離手段からの入力光と光全反射手段からの反射光が通過して２回変調されるように構成され、光全反射手段は出射光の偏光面が入射光の偏光面に対し直交回転している偏光面回転機能を有しているものである。

また、この発明のレーザレーダ装置は、単一波長の直線偏光である連続波のレーザ光を出力する基準光源と、この基準光源からのレーザ光を第１および第２のレーザ光に分割する光分岐部と、第１のレーザ光をパルス変調する光変調部と、この光変調部でパルス化された第１のレーザ光を送信光として増幅する光増幅部と、送信光を目標に向けて照射し、目標からの散乱光の一部を受信光として受光する送受信光学系と、送信光と受信光を分離する光分離部と、光分岐部からの第２のレーザ光と光分離部からの受信光とを偏光面を略一致するように混合する光混合部と、この光混合部からの混合光を光コヒーレント検波する光受信部と、この光受信部からの受信信号に基づいて目標の情報を抽出する信号処理部とで構成され、光変調部は入出力光分離手段と、音響光学素子からなる光変調手段と、第１のレーザ光に対しほぼ全反射となる光全反射手段とからなり、第１のレーザ光が光変調手段を２回通過して変調されるように構成され、光全反射手段は出射光の偏光面が入射光の偏光面に対し直交回転している偏光面回転機能を有しているものである。

この発明に係わるレーザレーダ装置は、光変調部を入出力光分離手段と、音響光学素子からなる光変調手段と、レーザ光に対しほぼ全反射となる光全反射手段とで構成し、光変調手段では変調出力光を１台の音響光学素子で２重に変調しており、単純な構成で十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比が得られる効果がある。加えて、光全反射手段は出射光の偏光面が入射光の偏光面に対し直交回転している偏光面回転機能を有するので、音響光学素子の複屈折による偏波変動を補償することができ、光変調部の出力光の偏光状態を安定できる効果がある。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置ついて図面を参照しながら説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示す図、図２はこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置に使用される光変調部の具体的な構成を示す図である。以下、この発明のレーザレーダ装置をコヒーレントレーザレーダ装置の例で説明する。

図１の構成図において、レーザレーダ装置は、単一波長の直線偏光である連続波のレーザ光を出力する基準光源１と、基準光源１からのレーザ光を第１および第２のレーザ光に分割する光分岐部２と、光分岐部２で分離された第１のレーザ光をパルス変調する光変調部３と、光変調部３でパルス化された第１のレーザ光を送信光として増幅する光増幅部４と、光増幅部４で増幅された送信光を目標に向けて照射し、目標からの散乱光の一部を受信光として受光する送受信光学系５と、光増幅部４と送受信光学系５との間にあり送信光と受信光を分離する光分離部６と、光分岐部２からの第２のレーザ光と光分離部６からの受信光とを偏光面を略一致するように混合する光混合部７と、光混合部７からの混合光を光コヒーレント検波する光受信部８と、光受信部８からの受信信号に基づいて目標の情報を抽出する信号処理部９とからなる。

基準光源１から光受信部８に至る各光学部品間は光ファイバ、特に偏波保持型光ファイバ（ＰＭＦ）により接続して、光の入出力を行なっている。図１では、偏波保持型光ファイバ（ＰＭＦ）を太線矢印で示している。基準光源１から光受信部８に至る各光学部品間を除く光受信部８と信号処理部９との間は電気的な信号線で接続されている。光分岐部２から光混合部７までの各光学部品は偏波保持型の光学部品であり、特定の直線偏光の入力光に対し、その偏光状態を保持し、直線偏光として出力するように設計されている。各光学部品の出力光は、各光学部品間を接続する偏波保持型光ファイバのFast軸（速軸）あるいはSlow軸（遅軸）に沿った直線偏光となっている。

図１に基づいて、コヒーレントレーザレーダ装置の動作を説明する。基準光源１からの出力光は単一周波数の連続波のレーザ光であり、偏波保持型光ファイバのFast軸あるいはSlow軸に沿った直線偏光として出力される。基準光源１からの出力光は、光分岐部２において第１および第２のレーザ光に分岐される。第１のレーザ光は送信光として、第２のレーザ光は光コヒーレント検波のローカル光として用いられる。光変調部３は、第１のレーザ光をパルス変調する。上記パルス変調された第１のレーザ光は、光増幅部４で増幅された後、送信光として光分離部６を介して、送受信光学系５により目標に向けて照射される。

目標からの散乱光は、送信光とは逆の経路を経て、送受信光学系５により受信される。このとき、受信光の周波数は、目標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、光分離部６において送信光と分離され、光混合部７に送られる。光混合部７では、光分岐部２からの第２のレーザ光と送受信光学系５からの受信光とを各々の偏光面が略一致するように混合する。光受信部８では、光混合部７からの混合光を光コヒーレント検波し、受信光とローカル光である第２のレーザ光のビート信号を出力する。信号処理器８では、上記ビート信号を信号処理し、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数から目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。

図２はレーザレーダ装置に使用される光変調部３の具体的構成を示す図である。この図２において、光変調部３は、入力光と出力光を分離する入出力光分離手段３１と、音響光学素子（ＡＯＭ）からなる光変調手段３２と、光分岐部２で分岐された第１のレーザ光に対しほぼ全反射となる光全反射手段３３とからなる。また、入出力光分離手段３１と光変調手段３２との間は入出力ファイバ３４で接続され、光変調手段３２と光全反射手段３３との間は入出力ファイバ３５で接続されている。これら入出力ファイバ３４、３５は偏波保持型光ファイバ（ＰＭＦ）で構成される。

入出力光分離手段３１は、偏波保持型光ファイバ（ＰＭＦ）を接続してなる光入力ポート３１１と光出力ポート３１２、および光入力ポート３１１と光出力ポート３１２の偏波保持型光ファイバと入出力ファイバ３４に接続され、光入力ポート３１１から入力された入力光を入出力ファイバ３４に出力し、入出力ファイバ３４からの出力光を光出力ポート３１２に導く偏波ビームスプリッタ３１３からなる。

光変調手段３２は、音響光学手段３２１と音響光学手段３２１の変調信号を発生するＡＯＭ用のドライバ３２２およびパルス変調波形を生成する強度変調回路３２３からなる。音響光学手段３２１は、音響光学素子３２４とこの音響光学素子３２４の光入力側および光出力側に設けられたファイバコリメータ３２５ａおよび３２５ｂを有している。またドライバ３２２は、キャリア周波数ｆ_ＡＯの基準発振信号を発生する発振器３２６と、この基準発振器３２６からの基準発振信号と強度変調回路３２３からのパルス変調波形信号とを混合して、音響光学手段３２に対する変調信号を発生するミキサ３２７を有している。

光全反射手段３３は、ファラデーローテータ３３１と第１のレーザ光に対しほぼ全反射する全反射ミラー３３２およびファイバコリメータ３３３からなる。ファラデーローテータ３３１は、変調光が透過するファラデー素子と、変調光の波長の光に対しファラデー効果（磁気光効果）により光が１回通過するごとにその偏光面を４５°回転させるための磁界を発生する磁石により構成される。したがってファラデーローテータ３３１は、通過する光の偏向面を４５度回転させる素子で、このファラデーローテータ３３１にレーザ光が１往復透過すると偏光面が直交回転する。

図２に基づき光変調部２の機能を詳細に説明する。光分岐部２で分岐された第１のレーザ光の偏光面は光入力ポート３１１のFast軸あるいはSlow軸に平行であり、かつ偏波ビームスプリッタ３１３のＰ偏光と一致するように構成する。これにより、第１のレーザ光は光入力ポート３１１から入力し、偏波ビームスプリッタ３１３および入出力ファイバ３４を介して光変調手段３２に送られる。

光変調手段３２において、ファイバコリメータ３２５ａおよび３２５ｂは音響光学素子３２４における第１のレーザ光の１次回折光が入出力ファイバ３５に結合するように構成される。ドライバ３２２において、発振器３２６からのキャリア周波数ｆ_ＡＯの基準発振信号と強度変調回路３２３からのパルス変調波形信号をミキサ３２７で重畳することにより、音響光学素子３２４に対するパルス変調信号を発生する。上記パルス変調信号により音響光学素子３２４で変調された第１のレーザ光は入出力ファイバ３５を介して、光全反射手段３３に入力する。

光全反射手段３３では、変調光はファイバコリメータ３３３によりコリメートされ、ファラデーローテータ３３１を透過し、全反射ミラー３３２で折り返され、再びファラデーローテータ３３１を透過し、ファイバコリメータ３３３により入出力ファイバ３５に結合する。ファラデーローテータ３３１は変調光が１回通過するごとにファラデー効果によりその偏光面を４５°回転させるためのものである。よって、ファラデーローテータ３３１を変調光が１往復することにより、光全反射手段３３からの出力光の偏光面は入力光に対し９０°回転（直交回転）することになる。

強度変調回路３２３からのパルス変調波形信号のパルス幅を光全反射手段３３の往復に要する時間より大きく取ることにより、光全反射手段３３からの出力光は再び光変調手段３２においてパルス変調を受け、偏波ビームスプリッタ３１３に到達する。偏光面が直交回転しているので、偏波ビームスプリッタ３１３に対してはＳ偏光となって反射され、出力ポート３１２に結合する。このとき、出力光の偏光面は光出力ポート３１２のFast軸あるいはSlow軸に平行となっている。

上記の構成とすることにより、第１のレーザ光を１台の音響光学素子で構成された光変調手段３２で２重にパルス変調をすることになる。通常の音響光学素子におけるパルス変調（１重）のＯＮ／ＯＦＦ消光比は、変調用の超音波信号が音響光学素子内に残響することに起因した光のキャリアリークが存在するため、５０〜６０dB程度に抑えられている。この発明のように２重のパルス変調にすることにより、ＯＮ／ＯＦＦ消光比は１００dB以上と十分に高い値が得られる。

また、４５°の回転角を有するファラデーローテータ３３１と全反射ミラー３３２を組み合わせた構成においては、ファラデーローテータ３３１と入出力光分離手段３１間の偏波変動を補償することができる。音響光学素子の複屈折による偏波変動の時間変化は光変調部３の入出力に要する時間よりも十分に大きいことから、この発明の構成により音響光学手段３２１を含む偏波ビームスプリッタ３１３とファラデーローテータ３３１間の偏波変動の補償を行うことができる。即ち、光変調部３の出力光の偏光状態を安定できる効果がある。

以上のことから、上記の構成により、音響光学素子１台を用いた単純な構成で十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比と偏光状態の安定した変調出力光を同時に達成する光変調部を得ることができる。
また、偏波保持型光ファイバを用いて光学素子間の取り回しを行なえば、偏波制御器が不要で、小型で単純な構成の全光ファイバ型のコヒーレントレーザレーダ装置が得られる効果がある。
また、単一の光学素子であるファラデーローテータにより光全反射手段における偏光面回転機能を達成しているので単純な構成の光変調部が得られる効果がある。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２におけるレーザレーダ装置は、実施の形態１における光全反射手段３３に使用される全反射ミラー３３２を、ファラデーローテータ３３１を構成するファラデー素子の一方の端面に誘電体多層膜による高反射膜を形成して全反射ミラーとしたものである。
即ち、ファラデーローテータ３３１の端面に高反射膜を形成してファラデーローテータミラーとし、実施の形態１におけるファラデーローテータ３３１と全反射ミラー３３２の変わりに用いるようにしたものである。このような構成により、実施の形態１と同様の効果が得られるだけでなく、構成部品の少ないより単純な構成の光変調部を得ることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３におけるレーザレーダ装置は、実施の形態１における入出力光分離手段３１の構成を変更したものである。即ち、実施の形態１では、入出力光分離手段として偏波ビームスプリッタ３１３を用いた例を示したが、実施の形態３の発明は、入出力光分離手段３１の偏波ビームスプリッタ３１３の代わりに偏波保持型の光サーキュレータとしたものである。この場合の入出力ファイバ３４および入出力ファイバ３５は、実施の形態１と同様に偏波保持型光ファイバまたはシングルモードファイバのどちらでも構わない。

なお、上記した実施の形態の説明において、各光学部品間を偏波保持型光ファイバで接続した全光ファイバ型構成のコヒーレントレーザレーダ装置の例を用いているが、各光学部品間の接続の一部あるいは全てを偏波保持型光ファイバから空間伝播による結合としても効果は同様に得られる。

この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に使用される光変調部の具体的構成を示す図である。

符号の説明

１：基準光源、 ２：光分岐部、
３：光変調部、 ４：光増幅部、
５：送受信光学系、 ６：光分離部、
７：光混合部、 ８：光受信部、
９：信号処理部、 ３１：入出力光分離手段、
３２：光変調手段、 ３３：光全反射手段１３、
３４：入出力ファイバ、 ３５：入出力ファイバ
３１１：光入力ポート、 ３１２：光出力ポート、
３１３：偏波ビームスプリッタ、 ３２１：音響光学手段、
３２２：ＡＯＭ用ドライバ、 ３２３：強度変調回路、
３２４：音響光学素子、 ３２５ａ、３２５ｂ：ファイバコリメータ、
３２６：基準発振器、 ３２７：ミキサ、
３３１：ファラデーローテータ、 ３３２：全反射ミラー、
３３３：ファイバコリメータ。

Claims (6)

1. 基準光源からの連続波のレーザ光の一部をパルス変調して増幅することにより送信光を生成し、この送信光を送受信光学系より目標に向けて照射すると共に、前記目標からの散乱光を前記送受信光学系で受信し、この受信光を前記基準光源からのレーザ光の一部と混合して検波することによりビート信号を出力し、このビート信号を信号処理して前記目標の情報を抽出するレーザレーダ装置において、
   前記レーザ光の一部をパルス変調する光変調部は、入力光と出力光を分離する入出力光分離手段と、音響光学素子からなる光変調手段と、前記入力光に対しほぼ全反射となる光全反射手段とからなり、前記光変調手段は前記入出力光分離手段からの入力光と前記光全反射手段からの反射光が通過して２回変調されるように構成され、前記光全反射手段は出射光の偏光面が入射光の偏光面に対し直交回転している偏光面回転機能を有することを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 単一波長の直線偏光である連続波のレーザ光を出力する基準光源と、この基準光源からのレーザ光を第１および第２のレーザ光に分割する光分岐部と、前記第１のレーザ光をパルス変調する光変調部と、この光変調部でパルス化された第１のレーザ光を送信光として増幅する光増幅部と、前記送信光を目標に向けて照射し、目標からの散乱光の一部を受信光として受光する送受信光学系と、前記送信光と受信光を分離する光分離部と、前記光分岐部からの第２のレーザ光と前記光分離部からの受信光とを偏光面を略一致するように混合する光混合部と、この光混合部からの混合光を光コヒーレント検波する光受信部と、この光受信部からの受信信号に基づいて前記目標の情報を抽出する信号処理部とで構成され、前記光変調部は入出力光分離手段と、音響光学素子からなる光変調手段と、前記第１のレーザ光に対しほぼ全反射となる光全反射手段とからなり、前記第１のレーザ光が前記光変調手段を２回通過して変調されるように構成され、前記光全反射手段は出射光の偏光面が入射光の偏光面に対し直交回転している偏光面回転機能を有することを特徴とするレーザレーダ装置。
3. 基準光源から光受信部までの構成部品の光の入出力が光ファイバによってなされたことを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。
4. 光ファイバが偏波保持型光ファイバであることを特徴とする請求項３に記載のレーザレーダ装置。
5. 光全反射手段は、ファラデー効果によりレーザ光が１往復透過すると偏光面が直交回転するファラデーローテータを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のレーザレーダ装置。
6. ファラデーローテータは端面にレーザ光に対する高反射膜を有しているファラデーローテータミラーであることを特徴とする請求項５に記載のレーザレーダ装置。

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