JP2010127839A - Laser radar device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、CW(Continuous Wave:連続波)からなるCW変調信号で強度変調されたCWレーザ光信号(以下、単に「レーザ光信号」ともいう)を、ターゲットに対して送受して受信光(CW受信信号)を強度検波し、CW変調信号と検波により得られた受信信号の位相差に基づいて、装置からターゲットまでの間(以下、「装置−ターゲット間」という)の距離を計測するレーザレーダ装置に関するものである。 The present invention transmits and receives a CW laser light signal (hereinafter also simply referred to as “laser light signal”), which is intensity-modulated with a CW modulation signal composed of CW (Continuous Wave), to a target to receive light ( CW received signal) is intensity-detected, and the laser measures the distance from the device to the target (hereinafter referred to as “device-target”) based on the phase difference between the CW modulation signal and the received signal obtained by the detection. The present invention relates to a radar device.
従来から、この種のレーザレーダ装置は、レーザ光信号に強度変調をかけて空間中に送信し、ターゲットからの散乱光を受信して強度検波し、送受間の変調成分の位相差を利用して、装置−ターゲット間の距離を計測している(たとえば、特許文献1参照)。 Conventionally, this type of laser radar device modulates the intensity of the laser light signal and transmits it to the space, receives the scattered light from the target, detects the intensity, and uses the phase difference of the modulation component between the transmission and reception. Thus, the distance between the device and the target is measured (for example, see Patent Document 1).
従来のレーザレーダ装置では、特許文献1に記載の技術の場合、変調周波数の1周期に相当する装置−ターゲット間の距離ごとに同じ位相が生じるので、たとえば変調周波数に1MHzを使用した場合に、装置−ターゲット間の距離が150mだけ変化するごとに同じ位相が生じてしまい、受信信号の位相から、距離を一義的に決定することができないという課題があった。
また、従来のレーザレーダ装置では、上述した原理的に生じる測距値の不確定性を回避する手段がないという課題があった。
In the conventional laser radar apparatus, in the case of the technique described in Patent Document 1, since the same phase is generated for each distance between the apparatus and the target corresponding to one period of the modulation frequency, for example, when 1 MHz is used as the modulation frequency, The same phase occurs every time the distance between the device and the target changes by 150 m, and there is a problem that the distance cannot be uniquely determined from the phase of the received signal.
Further, the conventional laser radar device has a problem that there is no means for avoiding the uncertainty of the distance measurement value that occurs in principle.
この発明は、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、CW変調信号で強度変調されたレーザ光信号を送受して距離計測を行うとともに、位置情報、姿勢情報および地図情報などの先見情報を利用して1周期ごとの不確定性を除去することにより、正確な距離を検出可能なレーザレーダ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and performs distance measurement by transmitting and receiving a laser light signal intensity-modulated with a CW modulation signal, as well as position information, posture information, map information, and the like. An object of the present invention is to obtain a laser radar device capable of detecting an accurate distance by removing uncertainty for each period using the foresight information.
この発明によるレーザレーダ装置は、地球上の位置情報を生成するGPSと、慣性航法のための姿勢情報を生成するINSと、地図情報を保存している地図情報保存部と、レーザ光信号を発生する光信号発生手段と、光信号発生手段からのレーザ光信号に対してCW変調信号により強度変調をかける光強度変調手段と、光強度変調手段により強度変調されたレーザ光信号をターゲットに向けて送信するとともに、ターゲットからの散乱光信号を受信する光学系手段と、ターゲットからの散乱光信号を強度検波して電気信号からなる受信信号に変換する光受信手段と、CW変調信号と受信信号との位相差を検出する位相検波手段と、位相検波手段により検出された位相差と、GPS、INSおよび地図情報保存部から得られた位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの1つ以上の先見情報とに基づいて、ターゲットまでの距離を検出する距離検出手段とを備えたものである。 A laser radar device according to the present invention generates a position information on the earth, an INS that generates attitude information for inertial navigation, a map information storage unit that stores map information, and a laser light signal. An optical signal generating means for performing an intensity modulation on the laser light signal from the optical signal generating means with a CW modulation signal, and a laser light signal modulated by the light intensity modulating means directed toward the target. An optical system means for transmitting and receiving a scattered light signal from the target, an optical receiving means for detecting the intensity of the scattered light signal from the target and converting it into a received signal comprising an electric signal, a CW modulation signal and a received signal; Phase detection means for detecting the phase difference between the GPS, the INS and the position information and attitude information obtained from the GPS, INS and map information storage unit. And based on one or more look-ahead information in the map information, in which a distance detecting means for detecting a distance to the target.
この発明によれば、CW変調信号で強度変調されたレーザ光信号を送受して距離計測を行うとともに、先見情報を利用して1周期ごとの不確定性を除去することにより、正確な距離を検出することができる。 According to the present invention, a distance measurement is performed by transmitting and receiving a laser light signal intensity-modulated with a CW modulation signal, and an accurate distance is obtained by removing uncertainty for each period using foresight information. Can be detected.
実施の形態1.
以下、図1〜図3を参照しながら、この発明の実施の形態1について説明する。
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模式的に示すブロック図であり、航空機14に搭載されたレーザレーダ装置13の例を示している。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, and shows an example of a
図1において、レーザレーダ装置13は、光源1と、光強度変調器2と、発振器3と、分配器4と、送信光学系5と、受信光学系6と、光受信機7と、位相検波器8と、距離検出器9と、GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)10と、INS(Inertial Navigation System:慣性航法システム)11と、地図情報保存部12とを備えている。
In FIG. 1, a
なお、図1では、一例として、レーザレーダ装置13のシステム全体を航空機14に搭載しているが、たとえば、衛星に搭載してもよく、また、地上に設置してもよい。
図1において、光源1と光強度変調器2との間の伝送手段、光強度変調器2と送信光学系5との間の伝送手段、および、受信光学系6と光受信機7との間の伝送手段は、それぞれ光回路(たとえば、光ファイバ)により構成されている。
In FIG. 1, the entire system of the
In FIG. 1, transmission means between the light source 1 and the
分配器4は、入力端子が発振器3に接続され、出力端子が光強度変調器2および位相検波器8に接続されており、発振器3から入力されるCW変調信号を、光強度変調器2および位相検波器8に分配入力する。
位相検波器8は、入力端子が光受信機7に接続され、出力端子が距離検出器9に接続されている。また、距離検出器9は、GPS10、INS11および地図情報保存部12に接続されている。発振器3、分配器4、位相検波器8〜地図情報保存部12の相互間の接続手段は、それぞれ電気信号線により構成されている。
The distributor 4 has an input terminal connected to the
The
光源1は、レーザ光信号を発生して送信する機能を有する。
光強度変調器2は、分配器4を介して入力される発振器3からのCW変調信号に基づいて、光源1からのレーザ光信号に対してCWの強度変調をかける機能を有する。
なお図1では、光源1からのレーザ光信号を光強度変調器2で変調する構成としたが、光強度変調器2を用いずに、光源1に対して直接変調をかける構成としてもよい。
The light source 1 has a function of generating and transmitting a laser light signal.
The
In FIG. 1, the laser light signal from the light source 1 is modulated by the
送信光学系5は、光強度変調器2により変調されたレーザ光信号を、所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して、空間中に存在するターゲット30(たとえば、地面)に向けてレーザ光信号30aを放射する機能を有する。
一方、受信光学系6は、ターゲット30からの散乱光信号30bを受信して、CW受信信号(以下、単に「受信信号」ともいう)として光受信機7に送る機能を有する。
The transmission
On the other hand, the reception optical system 6 has a function of receiving the
光受信機7は、受信光学系6を介して受信したターゲット30からの散乱光信号30bを強度検波して電気信号に変換し、位相検波器8に送る機能を有する。
位相検波器8は、光受信機7からの受信信号と、分配器4を介して入力される発振器3からのCW変調信号との位相検波を行い、両信号の位相差Δφを検出して距離検出器9に送る機能を有する。
The
The
GPS10、INS11および地図情報保存部12は、それぞれ、飛行位置、飛行姿勢および地図情報などの各種情報を、先見情報として距離検出器9に送る機能を有する。
距離検出器9は、GPS10、INS11および地図情報保存部12から得られる先見情報のうち、いずれか1つ以上の先見情報を用いて、位相検波器8からの位相差情報を信号処理することにより、装置−ターゲット間の距離Lを求める機能を有する。
The
The
次に、図1に示したこの発明の実施の形態1に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。
まず、光源1は、光強度変調器2に対してCWレーザ光信号を送信する。
また、これと並行して、発振器3は、或る変調周波数fmのCW変調信号を発生させ、分配器4は、CW変調信号を2分配して、一方のCW変調信号を光強度変調器2に入力し、他方のCW変調信号を位相検波器8に入力する。
Next, the operation of the laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
First, the light source 1 transmits a CW laser light signal to the
In parallel with this, the
これにより、光強度変調器2は、光源1からのレーザ光信号に対して、CW変調信号を用いて変調周波数fmの強度変調をかけ、強度変調されたレーザ光信号を送信光学系5に入力する。続いて、送信光学系5は、光強度変調器2から送信されたレーザ光信号を、所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して放射用のレーザ光信号30aとし、空間中のターゲット30に向けて放射する。
Thereby, the
次に、受信光学系6は、ターゲット30からの散乱光信号30bを受信して光受信機7に送り、光受信機7は、受信信号を強度検波することにより、電気信号からなる受信信号に変換して位相検波器8に入力する。
このとき、送信光学系5および受信光学系6は、CW変調信号で強度変調されたレーザ光信号30aおよび散乱光信号30bを送受しているので、受信信号は、変調周波数fmのCW信号となる。
Next, the receiving optical system 6 receives the
At this time, since the transmission
図2はCW変調信号と受信信号との関係を模式的に示す説明図である。
図2から分かるように、CW変調信号および受信信号は、変調周波数fmからなるCW信号であるが、受信信号には、CW変調信号に対して遅延時間τ(位相差Δφを含む)が生じる。
このとき、両信号間の位相差Δφは、装置−ターゲット間の距離Lに相当しており、光速度cおよび距離Lを用いて、以下の式(1)で与えられる。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the CW modulated signal and the received signal.
As can be seen from FIG. 2, the CW modulation signal and the reception signal are CW signals having the modulation frequency fm, but the reception signal has a delay time τ (including phase difference Δφ) with respect to the CW modulation signal.
At this time, the phase difference Δφ between the two signals corresponds to the distance L between the apparatus and the target, and is given by the following equation (1) using the light velocity c and the distance L.
Δφ=2π×(2L/c)×fm[rad] ・・・(1) Δφ = 2π × (2L / c) × fm [rad] (1)
ただし、式(1)から明らかなように、位相差Δφは、CW変調信号の変調周波数fmの1周期に相当する距離ごとに同じ位相差が生じるので、不確定性を有する。
続いて、位相検波器8は、光受信器6からの受信信号とCW変調信号とを位相検波し、CW変調信号と受信信号との位相差Δφを検出して、位相差情報を距離検出器9に入力する。
However, as apparent from the equation (1), the phase difference Δφ has uncertainty because the same phase difference is generated for each distance corresponding to one period of the modulation frequency fm of the CW modulation signal.
Subsequently, the
一方、GPS10およびINS11は、飛行位置および飛行姿勢を計測し、地図情報保存部12からの地図情報とともに、先見情報として距離検出器9に入力する。
距離検出器9は、まず、先見情報に基づいて装置−ターゲット間の概略距離(真値が取り得る範囲)を予測し、続いて、位相検波器8からの位相差情報に基づいて、真の距離Lを検出する。
On the other hand, the
The
図3は距離Lと位相差Δφとの関係を模式的に示す説明図である。
図3において、位相差Δφは、CW変調信号(変調周波数fm)の1周期Tm(=1/fm)に対応した距離Lごとに、周期的に範囲「0〜2π」内で変化する。
したがって、検出位相(破線参照)に対する距離Lの真値(黒四角点)のみならず、1周期Tmごとの不確定性により、複数の候補点(黒丸点)が発生する。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the distance L and the phase difference Δφ.
In FIG. 3, the phase difference Δφ periodically changes within the range “0 to 2π” for each distance L corresponding to one period Tm (= 1 / fm) of the CW modulation signal (modulation frequency fm).
Therefore, not only the true value (black square point) of the distance L with respect to the detection phase (see the broken line) but also a plurality of candidate points (black circle points) are generated due to the uncertainty for each period Tm.
上述したように、単に位相差Δφのみから距離Lを求めようとすると、変調周波数fmの1周期Tmごとに不確定性(黒丸点)が生じる。
しかし、距離検出器9で予測する概略距離の予測精度の範囲(図3内の1点鎖線枠)が周期Tよりも小さければ、この予測範囲における位相差Δφと距離Lとの対応関係は「1対1」となり、位相差情報から一義的に真値(黒四角点)の距離Lを特定して測定することが可能となる。
As described above, when the distance L is simply determined from only the phase difference Δφ, uncertainty (black dot) occurs for each period Tm of the modulation frequency fm.
However, if the range of the approximate distance predicted by the distance detector 9 (the one-dot chain line in FIG. 3) is smaller than the period T, the correspondence between the phase difference Δφ and the distance L in the predicted range is “ It becomes possible to specify and measure the distance L of the true value (black square point) uniquely from the phase difference information.
以上のように、この発明の実施の形態1(図1〜図3)に係るレーザレーダ装置は、地球上の位置情報を生成するGPS10と、慣性航法のための姿勢情報を生成するINS11と、地図情報を保存している地図情報保存部12と、レーザ光信号を発生する光源(光信号発生手段)1と、光源1からのレーザ光信号に対してCW変調信号により強度変調をかける光強度変調器2と、光強度変調器2により強度変調されたレーザ光信号30aをターゲット30に向けて送信するとともに、ターゲット30からの散乱光信号30bを受信する送信光学系5および受信光学系6(光学系手段)と、ターゲット30からの散乱光信号30bを強度検波して電気信号からなる受信信号に変換する光受信機7と、CW変調信号と受信信号との位相差Δφを検出する位相検波器8と、位相検波器8により検出された位相差Δφと、GPS10、INS11および地図情報保存部12から得られた位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの1つ以上の先見情報とに基づいて、ターゲット30までの距離Lを検出する距離検出器9とを備えている。
As described above, the laser radar device according to Embodiment 1 (FIGS. 1 to 3) of the present invention includes the
距離検出器9は、GPS10、INS11および地図情報保存部12からの先見情報のうちのいずれか1つ以上の情報に基づいて、装置−ターゲット間の距離Lに関する概略予測を行うとともに、CW変調信号で強度変調されたレーザ光信号30aおよび散乱光信号30bを送受して、CW変調信号と受信信号との位相差Δφを利用して距離Lを計測する。
このように、GPS10、INS11および地図情報保存部12からの先見情報を利用して概略距離を予測することにより、位相差Δφを利用した距離計測時に原理的に生じるCW変調信号の1周期ごとの不確定性を除去して、一義的に正確な距離Lを検出することができる。
The
Thus, by predicting the approximate distance using the foresight information from the
また、発振器1に関連した周波数設定手段(図示せず)を設け、位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの1つ以上の先見情報の精度に応じてCW変調信号の変調周波数fmを可変設定するように構成してもよい。
この場合、GPS10、INS11および地図情報保存部12の情報精度が、時刻や場所によって変化する場合においても、先見情報の精度を把握しておき、さらに変調周波数の1波長を、予測精度以上となるように可変設定することにより、予測範囲(図3内の1点鎖線枠)が1周期T以下となるので、確実に高精度の測距機能を実現することが可能となる。
Further, a frequency setting means (not shown) related to the oscillator 1 is provided, and the modulation frequency fm of the CW modulation signal is variably set according to the accuracy of one or more pieces of foresight information among position information, posture information, and map information. You may comprise.
In this case, even when the information accuracy of the
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1では、空間中のガス濃度を検出する機能について言及しなかったが、図4のように、2つの光源1a、1b、2つの光強度変調器2a、2bおよび2つの発振器3a、3bを用いて送受を行うとともに、光吸収量検出器18およびガス濃度検出器19を設け、装置−ターゲット間の計測対象ガスの濃度を計測するように構成してもよい。
In the first embodiment, the function of detecting the gas concentration in the space is not mentioned, but as shown in FIG. 4, two
以下、図4を参照しながら、この発明の実施の形態2について説明する。
図4はこの発明の実施の形態2に係るレーザレーダ装置の構成を模式的に示すブロック図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
4 is a block diagram schematically showing the configuration of a laser radar apparatus according to
図4において、レーザレーダ装置13Aは、公知の差分吸収ライダ装置(たとえば、特開2007−248126号公報参照)の構成をベースとしており、2つの異なる波長のレーザ光信号30aおよび散乱光信号30bを、ターゲット30(図1参照)に対して送受して、装置−ターゲット間に存在する計測対象ガスの濃度を計測する。
In FIG. 4, the
この場合、光源は2つの光源1a、1bからなり、各光源1a、1bは、互いに異なる波長λON、λOFFを有するCWレーザ光信号を個別に送信する。
同様に、光強度変調器は2つの光強度変調器2a、2bからなり、光強度変調器2a、2bには、各光源1a、1bからのレーザ光信号が個別に入力される。
また、発振器は、2つの発振器3a、3bからなり、各発振器3a、3bは、互いに異なる変調周波数fm1、fm2のCW変調信号を、光強度変調器2a、2bに個別に入力する。
In this case, the light source is composed of two
Similarly, the light intensity modulator includes two
The oscillator includes two
光強度変調器2a、2bと送信光学系5との間には、光強度変調器2a、2bからのレーザ光信号を合波する光合波器15と、光合波器15からのレーザ光信号を増幅する光アンプ16とが、直列に挿入されている。
また、光受信機7と位相検波器8との間には、分配器4a、フィルタ17bおよび分配器4bが、直列に挿入されている。
Between the
A
分配器4aの他方の出力端子には、フィルタ17aを介して光吸収量検出器18が接続されている。分配器4bの他方の出力端子には、光吸収量検出器18が接続されている。
光吸収量検出器18の出力端子には、ガス濃度検出器19が接続されている。
距離検出器9で検出された装置−ターゲット間の距離Lは、ガス濃度検出器19に入力されている。
A light
A
The apparatus-target distance L detected by the
図4において、光源1aと光強度変調器2aとの間の伝送手段、光源1bと光強度変調器2bとの間の伝送手段、光合波器15と光強度変調器2a、2bおよび光アンプ16との間の伝送手段、光アンプ16と送信光学系5との間の伝送手段、および、受信光学系6と光受信機7との間の伝送手段は、全て光回路線(たとえば、光ファイバ)により構成されている。
In FIG. 4, the transmission means between the
一方、発振器3aと光強度変調器2aとの間の伝送手段、発振器3bと分配器4との間の伝送手段、分配器4と光強度変調器2bおよび位相検波器8との間の伝送手段、光受信機7と分配器4aとの間の伝送手段、分配器4aとフィルタ17a、17bとの間の伝送手段、フィルタ17bと分配器4bとの間の伝送手段、フィルタ17aと光吸収量検出器18との間の伝送手段、分配器4bと光吸収量検出器18および位相検波器8との間の伝送手段、濃度検出器19とガス吸収量検出器18および距離検出器9との間の伝送手段、距離検出器9と位相検波器8、GPS10、INS11および地図情報保存部12との間の伝送手段は、全て電線ケーブルにより構成されている。
On the other hand, transmission means between the oscillator 3a and the
光源1aは波長λONのレーザ光信号を送信し、光源1bは波長λOFFのレーザ光信号を送信する。
このとき、計測対象ガスに関して、波長λONは、吸収係数が大きい波長に設定されており、波長λOFFは、吸収係数が小さい波長に設定されている。
The
At this time, for the measurement target gas, the wavelength λON is set to a wavelength having a large absorption coefficient, and the wavelength λOFF is set to a wavelength having a small absorption coefficient.
また、発振器3aは、変調周波数fm1のCW変調信号を出力して光強度変調器2aに送信し、発振器3bは、変調周波数fm2のCW変調信号を出力して光強度変調器2bに送信する。ここで、変調周波数fm1、fm2は、各々ベースバンド帯の周波数である。
光強度変調器2a、2bは、発振器3a、3bからのCW変調信号により、光源1a、1bからの各レーザ光信号に強度変調をかける。
The oscillator 3a outputs a CW modulation signal having a modulation frequency fm1 and transmits it to the
The
光合波器15は、光強度変調器2a、2bからの強度変調されたレーザ光信号を合波して光アンプ16に送信し、光アンプ16は、光合波器15からの合波された2波長のレーザ光信号を増幅した後、送信光学系5に送信する。
The
送信光学系5は、光アンプ16からの増幅されたレーザ光信号を、所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して空間中に放射し、受信光学系6は、ターゲット30からの散乱光信号3bを受信して光回路線(光ファイバ)に結合させ、光受信機7に送信する。
光受信機7は、受信光学系9を介して受信した散乱光信号30bを強度検波して電気信号に変換し、分配器4aに送信する。分配器4aは、光受信機7からの電気信号を2分配して、一方をフィルタ17aに送信し、他方をフィルタ17bに送信する。
The transmission
The
フィルタ17a、17bは、分配器4aからの電気信号(受信信号)をフィルタリングし、フィルタ17aの出力信号(fm1)は、ガス吸収量検出器18に直接入力され、フィルタ17bの出力信号(fm2)は、分配器4bを介してガス吸収量検出器18に入力される。
The
フィルタ17a、17bは、所定の周波数成分のみを抽出するバンドパスフィルタであり、フィルタ17aが抽出する周波数値は、発振器3aからのCW変調信号の変調周波数fm1に設定され、フィルタ17bが抽出する周波数値は、発振器3bからのCW変調信号の変調周波数fm2に設定されている。
The
分配器4は、発振器3bからのCW変調信号(fm2)の一部をタップして位相検波器8に送信し、分配器4bは、フィルタ17bからの出力信号(fm2)の一部をタップして位相検波器8に送信する。
位相検波器8は、分配器4、4bからの各信号を位相検波して、両信号間の位相差Δφを検出して距離検出器9に入力する。
The distributor 4 taps a part of the CW modulation signal (fm2) from the
The
以下、前述と同様に、距離検出器9は、GPS10からの位置情報、INS11からの飛行姿勢情報、地図情報保存部12からの地図情報のうちのいずれか1つ以上と、位相検波器8からの位相差Δφの情報とを用いて、装置−ターゲット間の距離Lを計測する。
Hereinafter, as described above, the
一方、光吸収量検出器18は、フィルタ17a、17bからのフィルタリング出力信号を信号処理し、大気中に存在する計測対象ガスによる光吸収量を求める。
濃度検出器19は、光吸収量検出器18で求めた計測対象ガスによる光吸収量と、距離検出器9で求めた距離Lとから、装置−ターゲット間における計測対象ガスの濃度を算出する。
On the other hand, the light
The
次に、図4に示したこの発明の実施の形態2に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。
まず、光源1a、1bから2波長のCWレーザ光信号を送信し、光強度変調器2a、2bに入力する。続いて、発振器3a、3bから、互いに異なる2つの変調周波数fm1、fm2を有するCW変調信号を出力し、各々を光強度変調器2a、2bに送信する。
Next, the operation of the laser radar apparatus according to
First, CW laser light signals of two wavelengths are transmitted from the
このとき、発振器3bからのCW変調信号に関しては、その一部を分配器3aによりタップして位相検波器8に送信する。
光強度変調器2a、2bは、発振器3a、3bからの各CW変調信号に基づいて、光源1a、1bからのCWレーザ光信号に強度変調をかける。
これにより、光源1aからの波長λONを有する送信用のレーザ光信号については、変調周波数fm1で強度変調され、光源1bからの波長λOFFを有する送信用のレーザ光信号については、変調周波数fm2で強度変調される。
At this time, a part of the CW modulation signal from the
The
Thus, the intensity of the transmission laser light signal having the wavelength λON from the
次に、光合波器15は、光強度変調器2a、2bからの強度変調されたレーザ光信号を合波して光アンプ16に送信し、光アンプ16は、光合波器15からの合波された2波長のレーザ光信号を増幅して送信光学系5に送信する。
送信光学系5は、レーザ光信号を所定のビームサイズおよびビーム形状に成形して、空間中にレーザ光信号30aを放射する。
Next, the
The transmission
空間中に放射されたレーザ光信号30aのうち2波長の信号間には、計測対象ガスに関する吸収係数が異なることから、空間中を伝搬する過程における減衰量に差が生じる。したがって、2波長のレーザ光信号間では、装置−ターゲット間の往復伝搬過程において減衰量の差が生じる。
つまり、同一の送信パワーで2波長のレーザ光信号を送信したとしても、受信光量においては、2波長の信号間で減衰量の差が生じる。
Between the two-wavelength signals of the
That is, even if two-wavelength laser light signals are transmitted with the same transmission power, a difference in attenuation occurs between the two-wavelength signals in the received light quantity.
受信光学系6は、ターゲット30からの散乱光信号30bを受信し、光回路線(光ファイバ)に結合させて光受信機7に送信する。
次に、光受信機7は、受信光学系6を介して受信した受信光を強度検波して電気信号に変換し、分配器4aに送信する。
The receiving optical system 6 receives the scattered
Next, the
このとき、レーザ光信号の放射時に、波長λONの成分については変調周波数fm1で変調され、波長λOFFの成分については変調周波数fm2で変調されているので、光受信機7からの電気信号においても、波長λONの成分については変調周波数fm1を有し、波長λOFFの成分については変調周波数fm2を有することになる。なお、上述したように、変調周波数fm1、fm2は、ベースバンド帯の周波数である。
At this time, when the laser light signal is emitted, the component of the wavelength λON is modulated with the modulation frequency fm1, and the component of the wavelength λOFF is modulated with the modulation frequency fm2, so even in the electric signal from the
光受信機7のトランスインピーダンスゲインは、受信周波数帯を低くすることにより、高いゲイン値に設定可能なことが知られている。したがって、変調周波数fm1、fm2をベースバンド帯に設定することにより、光受信機7のトランスインピーダンスゲインを大きく設定して、光受信感度を高くし、高い受信S/N比を実現することが可能となる。
It is known that the transimpedance gain of the
次に、分配器4aは、光受信機7からの電気信号を分配し、一方をフィルタ17aに送信し、他方をフィルタ17bに送信する。
フィルタ17a、17bは、分配器4aからの電気信号をフィルタリングし、光吸収量検出器18に送信する。
Next, the
The
このとき、フィルタ17aは変調周波数fm1の成分のみを抽出し、フィルタ17bは変調周波数fm2の成分のみを抽出するので、フィルタ17aからのフィルタリング出力信号(fm1)は、波長λONの成分となり、フィルタ17bからのフィルタリング出力信号(fm2)は、波長λOFFの成分となる。
分配器4bは、フィルタ17bからの出力信号の一部をタップして、位相検波器8に送信する。
At this time, since the filter 17a extracts only the component of the modulation frequency fm1, and the
The
光吸収量検出器18は、2つのフィルタ17a、17bからの出力信号を用いて、装置−ターゲット間における計測対象ガスによる光吸収量を求める。
具体的には、まず、2つのフィルタ17a、17bからの各出力信号をA/D変換することにより、2つのデジタル信号の時間波形を変調周波数fm1、fm2の信号とする。
The light
Specifically, first, the respective output signals from the two
次に、2つのデジタル信号の時間波形の振幅を比較する。
このとき、装置−ターゲット間の空間に計測対象ガスがほとんど存在しない場合には、2波長が空間中の伝搬過程において受ける吸収の影響は、いずれもほとんど発生しないので、2つの時間波形の振幅はほぼ同じとなる。
Next, the amplitudes of the time waveforms of the two digital signals are compared.
At this time, when there is almost no measurement target gas in the space between the apparatus and the target, the effects of absorption of the two wavelengths in the propagation process in the space hardly occur, so the amplitudes of the two time waveforms are It will be almost the same.
一方、装置−ターゲット間の空間に、計測対象ガスが大きい濃度で存在する場合には、2波長が空間中の伝搬過程において受ける吸収の影響は大きく、これにともない、2つのデジタル信号の時間波形の振幅にも大きな差が生じる。
具体的には、波長λONに対応する変調周波数fm1の成分の時間波形の振幅が、波長λOFFに対応する変調周波数fm2の成分の時間波形の振幅よりも顕著に小さくなる。
On the other hand, when the measurement target gas is present in a large concentration in the space between the apparatus and the target, the influence of absorption of the two wavelengths in the propagation process in the space is large, and accordingly, the time waveforms of the two digital signals There is also a large difference in the amplitude of
Specifically, the amplitude of the time waveform of the component of the modulation frequency fm1 corresponding to the wavelength λON is significantly smaller than the amplitude of the time waveform of the component of the modulation frequency fm2 corresponding to the wavelength λOFF.
2つのデジタル信号の時間波形の振幅の差異は、2波長λON、λOFFの受信光量の差異と対応づけることができ、この受信光量の差異は、2波長の空間中における計測対象ガスに関する吸収量の差異に対応づけることができる。
すなわち、吸収量の差異は、装置−ターゲット間における計測対象ガスの分子数に相当し、光吸収量検出器18は、計測対象ガスの分子数を光吸収量情報としてガス濃度検出器19に入力する。
The difference between the amplitudes of the time waveforms of the two digital signals can be associated with the difference between the received light amounts of the two wavelengths λON and λOFF. Can be associated with differences.
That is, the difference in absorption amount corresponds to the number of molecules of the measurement target gas between the apparatus and the target, and the light
位相検波器8は、分配器4、4bからのCW変調信号と受信信号との位相差Δφを求めるが、前述のように、位相差Δφは、距離Lに相当するものの、変調周波数fm2の1周期に相当する距離ごとに同じ位相が出現するので、不確定性を有する。
したがって、前述と同様に、位相差Δφに基づく距離検出時の不確定性を、GPS10、INS11および地図情報保存部12からの先見情報に基づく予測範囲(図3内の1点鎖線枠)を用いて除去する。
The
Therefore, similarly to the above, the uncertainty at the time of distance detection based on the phase difference Δφ is used as the prediction range (one-dot chain line in FIG. 3) based on the foresight information from the
次に、濃度検出器19は、光吸収量検出器18で求めた装置−ターゲット間における計測対象ガスの分子数と、距離検出器9で求めた装置−ターゲット間の距離Lとから、装置−ターゲット間の計測対象ガスの濃度を算出する。
Next, the
以上のように、この発明の実施の形態2(図4)に係るレーザレーダ装置は、距離検出器9により検出されたターゲット30までの距離Lに基づいて、ターゲット30までの間に存在する計測対象ガスの濃度を検出するガス濃度検出器19を備えている。
この場合、光信号発生手段は、互いに異なる波長λON、λOFFを有する複数のレーザ光信号を発生する複数の光源1a、bを含む。
As described above, the laser radar device according to the second embodiment (FIG. 4) of the present invention is based on the distance L to the target 30 detected by the
In this case, the optical signal generating means includes a plurality of
同様に、光強度変調手段は、複数のレーザ光信号の各波長成分に対して、互いに異なる変調周波数fm1、fm2のCW変調信号で強度変調をかける複数の光強度変調器2a、2bを含む。
光学系手段は、複数の光強度変調器2a、2bからの各レーザ光信号を合波してターゲット30に送信する送信光学系5と、ターゲット30からの散乱光信号を受信する受信光学系6とを含む。
Similarly, the light intensity modulation means includes a plurality of
The optical system means includes a transmission
光受信手段は、受信光学系6から得られる受信信号から、強度変調に使用した複数の周波数成分を抽出する複数のフィルタ17a、17bと、複数のフィルタ17a、17bにより抽出された各周波数成分の振幅または強度の差異から、計測対象ガスによる光吸収量を検出する光吸収量検出器18とを含む。
ガス濃度検出器19は、ターゲット30までの距離Lと光吸収量検出器18により検出された光吸収量とに基づいて、計測対象ガスの濃度を求める。
The optical receiving means extracts a plurality of frequency components used for intensity modulation from the received signal obtained from the receiving optical system 6, and a plurality of
The
これにより、公知の差分吸収ライダ装置の構成をベースとして、さらに装置−ターゲット間の距離Lを検出する機能をさらに実現することができる。
また、公知の差分吸収ライダ装置では、光吸収量から装置−ターゲット間の計測対象ガスの濃度を求める際に、装置−ターゲット間の距離Lを知るための別の装置を必要としていたが、この発明の実施の形態2によれば、距離検出器9を付加することにより、別の装置を不要として、単一のレーザレーダ装置により、装置−ターゲット間の距離Lを検出するとともに、計測対象ガスの濃度を求めることが可能となる。
Accordingly, it is possible to further realize a function of detecting the distance L between the apparatus and the target based on the configuration of a known differential absorption lidar apparatus.
Further, in the known differential absorption lidar apparatus, when obtaining the concentration of the measurement target gas between the apparatus and the target from the light absorption amount, another apparatus for knowing the distance L between the apparatus and the target is required. According to the second embodiment of the present invention, the
実施の形態3.
なお、上記実施の形態1、2(図1、図4)では、分配器4を用いてタップすることにより、発振器3、3bからのCW変調信号を位相検波器8に分岐導入したが、図5のように、実際に送信放射されるレーザ光信号の一部をタップして、位相検波器8に分岐導入してもよい。
In the first and second embodiments (FIGS. 1 and 4), the CW modulation signal from the
以下、図5を参照しながら、この発明の実施の形態3に係るレーザレーダ装置について説明する。ここでは、代表的に、前述の実施の形態2(図4)の構成に適用した場合を示している。
図5はこの発明の実施の形態3に係るレーザレーダ装置を示すブロック図であり、前述(図4参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
Hereinafter, a laser radar apparatus according to
FIG. 5 is a block diagram showing a laser radar apparatus according to
図5において、光アンプ16の出力側には、光分配器20が挿入されており、光分配器20と位相検波器8との間には、モニタ光受信機21およびフィルタ17cが挿入されている。
光分配器20は、送信用のレーザ光信号の一部をタップして、分岐したレーザ光信号をモニタ光受信機21に入力する。
In FIG. 5, an
The
モニタ光受信機21は、光分配器20を介してタップされたレーザ光信号を、電気信号に変換してフィルタ17cに入力する。
フィルタ17cは、通過周波数が変調周波数fm2に設定されたバンドパスフィルタからなり、変調周波数fm2の成分を抽出して位相検波器8に入力する。
これにより、位相検波器8は、送信時の変調周波数fm2の成分と、受信信号における変調周波数fm2の成分との位相差Δφを求めることができる。
The
The
Thereby, the
以上のように、この発明の実施の形態3によれば、光強度変調器9からのレーザ光信号(CW変調信号)、または光合波器15で合波されたレーザ光信号の一部をモニタ信号として抽出するモニタ光受信機21を備え、位相検波器8は、モニタ光受信機21により抽出されたモニタ信号と、受信信号から抽出された成分のうちのモニタ信号と同じ変調周波数を有する成分との位相差Δφを検出するので、分配器4を用いることなく、前述と同様の作用効果を奏する。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, the laser light signal (CW modulation signal) from the
なお、前述の実施の形態2で述べたように、光受信機7で電気信号に変換した後の処理を全てデジタル領域で実行してもよい。すなわち、光受信機7からの電気信号と、位相検波器8に入力されるCW変調信号の一部をタップしたものを直接AD変換すれることにより、前述の実施の形態2の場合と同じ動作をデジタル領域で行うことも可能である。
Note that, as described in the above-described second embodiment, all processing after conversion to an electrical signal by the
1、1a、1b 光源、2、2a、2b 光強度変調器、3、3a、3b 発振器、4、4a、4b 分配器、5 送信光学系、6 受信光学系、7 光受信機、8 位相検波器、9 距離検出器、10 GPS、11 INS、12 地図情報保存部、13、13A、13B レーザレーダ装置、14 航空機、15 光合波器、16 光アンプ、17a〜17c フィルタ、18 光吸収量検出器、19 濃度検出器、20 光分配器、21 モニタ光受信機、30 ターゲット、30a レーザ光信号、30b 散乱光信号、Δφ 位相差。 1, 1a, 1b light source, 2, 2a, 2b light intensity modulator, 3, 3a, 3b oscillator, 4, 4a, 4b distributor, 5 transmission optical system, 6 reception optical system, 7 optical receiver, 8 phase detection , 9 Distance detector, 10 GPS, 11 INS, 12 Map information storage unit, 13, 13A, 13B Laser radar device, 14 Aircraft, 15 Optical multiplexer, 16 Optical amplifier, 17a-17c filter, 18 Optical absorption detection , 19 concentration detector, 20 light distributor, 21 monitor light receiver, 30 target, 30a laser light signal, 30b scattered light signal, Δφ phase difference.
Claims (5)
慣性航法のための姿勢情報を生成するINSと、
地図情報を保存している地図情報保存部と、
レーザ光信号を発生する光信号発生手段と、
前記光信号発生手段からのレーザ光信号に対してCW変調信号により強度変調をかける光強度変調手段と、
前記光強度変調手段により強度変調されたレーザ光信号をターゲットに向けて送信するとともに、前記ターゲットからの散乱光信号を受信する光学系手段と、
前記ターゲットからの散乱光信号を強度検波して電気信号からなる受信信号に変換する光受信手段と、
前記CW変調信号と前記受信信号との位相差を検出する位相検波手段と、
前記位相検波手段により検出された位相差と、前記GPS、前記INSおよび前記地図情報保存部から得られた位置情報、姿勢情報および地図情報のうちの1つ以上の先見情報とに基づいて、前記ターゲットまでの距離を検出する距離検出手段と
を備えたレーザレーダ装置。 GPS that generates location information on the earth,
INS for generating attitude information for inertial navigation;
A map information storage unit storing map information;
An optical signal generating means for generating a laser optical signal;
A light intensity modulating means for modulating the intensity of the laser light signal from the light signal generating means by a CW modulation signal;
An optical system means for transmitting a laser light signal intensity-modulated by the light intensity modulation means toward a target, and receiving a scattered light signal from the target;
Light receiving means for detecting the intensity of the scattered light signal from the target and converting it into a received signal comprising an electrical signal;
Phase detection means for detecting a phase difference between the CW modulation signal and the reception signal;
Based on the phase difference detected by the phase detection means and one or more foresight information of the position information, posture information, and map information obtained from the GPS, the INS, and the map information storage unit, A laser radar device comprising: distance detection means for detecting a distance to the target.
前記周波数設定手段は、前記先見情報の精度に応じて、前記CW変調信号の1周期が前記概略距離の予測範囲以上となるように、前記CW変調信号の変調周波数を可変設定することを特徴とする請求項2に記載のレーザレーダ装置。 Frequency setting means for variably setting the modulation frequency of the CW modulation signal;
The frequency setting means variably sets the modulation frequency of the CW modulation signal so that one period of the CW modulation signal is equal to or greater than the predicted range of the approximate distance according to the accuracy of the look-ahead information. The laser radar device according to claim 2.
前記光信号発生手段は、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光信号を発生する複数の光信号発生手段を含み、
前記光強度変調手段は、前記複数のレーザ光信号の各波長成分に対して、互いに異なる変調周波数のCW変調信号で強度変調をかける複数の光強度変調手段を含み、
前記光学系手段は、
前記複数の光強度変調手段からの各レーザ光信号を合波して前記ターゲットに送信する送信光学系と、
前記ターゲットからの散乱光信号を受信する受信光学系と、を含み、
前記光受信手段は、
前記受信光学系から得られる受信信号から、前記強度変調に使用した複数の周波数成分を抽出する複数のフィルタ手段と、
前記複数のフィルタ手段により抽出された各周波数成分の振幅または強度の差異から、前記計測対象ガスによる光吸収量を検出する光吸収量検出手段と、を含み、
前記ガス濃度検出手段は、前記ターゲットまでの距離と前記光吸収量検出手段により検出された光吸収量とに基づいて、前記計測対象ガスの濃度を求めることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 Based on the distance to the target detected by the distance detection means, the gas concentration detection means for detecting the concentration of the measurement target gas existing between the target,
The optical signal generating means includes a plurality of optical signal generating means for generating a plurality of laser optical signals having different wavelengths,
The light intensity modulation means includes a plurality of light intensity modulation means for performing intensity modulation with CW modulation signals having different modulation frequencies for each wavelength component of the plurality of laser light signals,
The optical system means includes
A transmission optical system that multiplexes and transmits the laser light signals from the plurality of light intensity modulation means to the target;
Receiving optical system for receiving the scattered light signal from the target,
The optical receiving means includes
A plurality of filter means for extracting a plurality of frequency components used for the intensity modulation from a reception signal obtained from the reception optical system;
A light absorption amount detection means for detecting a light absorption amount by the measurement target gas from a difference in amplitude or intensity of each frequency component extracted by the plurality of filter means,
The said gas concentration detection means calculates | requires the density | concentration of the said measurement object gas based on the distance to the said target, and the light absorption amount detected by the said light absorption amount detection means. 4. The laser radar device according to any one of up to 3.
前記位相検波手段は、前記モニタ光受信手段により抽出されたモニタ信号と、前記受信信号から抽出された成分のうちの前記モニタ信号と同じ周波数を有する成分との位相差を検出することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 A monitor light receiving means for extracting, as a monitor signal, a part of the laser light signal from the light intensity modulating means or the laser light signal combined by the transmission optical system;
The phase detection unit detects a phase difference between a monitor signal extracted by the monitor light receiving unit and a component having the same frequency as the monitor signal among components extracted from the reception signal. The laser radar device according to any one of claims 1 to 4.
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