JP2010127840A - 光波レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コヒーレントドップラーライダ技術による光波レーダ装置において、高精度な速度および距離の計測を可能にした装置を提供する。
【解決手段】光ファイバコリメータ光学系１２からの受信光と基準レーザ光源部１からの局部発振光の合波光から得られるビート信号の周波数成分を解析して対象物の速度を検出する第１信号処理部(１６，１７)と、送信光を伝送する光ファイバ伝送路において発生し後方へと伝搬する誘導ブリルアン散乱光を送信光から分離する分離用光路切り替え部(７)と、分離された誘導ブリルアン散乱光を送信光へ結合させるための第２光路合成部(１１)と、光ファイバコリメータ光学系１２から送受信された誘導ブリルアン散乱光により、パルス光の往復時間から対象物までの距離を検出する第２信号処理部(１８，１９)と、備えた。
【選択図】図１

Description

この発明はレーザ光を空間に照射して対象物からの散乱光を受信してヘテロダイン検波を行い、ドップラーシフトを検出することにより速度を測定する光波レーダ装置に関する。

単一周波数のレーザ光を光送受信部から大気中に照射してエアロゾル散乱光を受信し、光ヘテロダイン受信部で散乱光のドップラーシフトを検出することによって、風速の測定を行うコヒーレントドップラーライダ技術は、気象観測、気象予測、航空・交通安全のための乱気流検出等への応用が期待できる。単一周波数のパルス光を送受信する光波レーダ装置において、連続光の基準レーザ光源を２分岐して一方を局部発振光とし、他方を音響光学素子(ＡＯＭ)によりパルス切り出し後に光増幅し、空間放出後にエアロゾル散乱光をミキシングする方式を用いた装置が実現されている(例えば下記特許文献１参照)。

上記光波レーダ装置においては、風速の測定を行うためにエアロゾルを対象といているが、送信光の照射対象を固体の移動体とした場合には、同様の測定原理により移動体の移動速度を検出できる。

特許第３８８１３１３号公報

対象物からの散乱光を受信しドップラーシフトを検出することによって移動体の速度を測定するコヒーレントドップラーライダでは、移動体の速度と移動体までの距離を同時に高精度に測定したいという要求があった。

しかし、コヒーレントドップラーライダでは、距離分解能を改善するためには送信光のパルス幅を短縮する必要があるが、パルス幅を短縮するとこの逆数に比例してスペクトルが広がるため速度分解能が低下する課題があった。

これを回避するために、十分な速度分解能が得られるように送信光のパルス幅を設定したコヒーレントドップラーライダと、高距離分解能で遠方までの距離を測定する測距装置を組み合わせ、対象物へと視線を合わせて測定を行うことにより、高精度な速度および距離計測の両立を図る方法が考えられる。

しかし、コヒーレントドップラーライダと測距装置の測定方向を全計測距離範囲に渡って厳密に一致させることは難しく、調整が必要となる。また、装置を組み合わせることにより装置全体が複雑化、大型化するという問題がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、コヒーレントドップラーライダ技術による光波レーダ装置において、高精度な速度および距離の計測を可能にした装置を提供することを目的とする。

この発明は、単一周波数の連続発振レーザ光を発生する基準レーザ光源部と、前記基準レーザ光源部により発生させたレーザ光を伝送する光ファイバ伝送路と、前記基準レーザ光源部により発生させたレーザ光を送信光と局部発振光に分波する光路分離部と、前記送信光をパルス化し規定の周波数変化を付加する音響光学変調器と、パルス化および周波数変化を付加された送信光のパワーを増幅する光ファイバ増幅器と、光ファイバ伝送された増幅された送信光を空中に放出するとともに、対象物からの散乱光を受信光として光ファイバ伝送路に結合するための送受信共用の光ファイバコリメータ光学系と、送信光と受信光の光路を切り替える送受信光路切り替え部と、受信光と局部発振光とを合成する第１光路合成部と、受信光と局部発振光の合波光から得られるビート信号の周波数成分を解析して対象物の速度を検出する第１信号処理部と、送信光を伝送する前記光ファイバ伝送路(３)において発生し後方へと伝搬する誘導ブリルアン散乱光を送信光から分離する分離用光路切り替え部と、分離された誘導ブリルアン散乱光を送信光へ結合させるための第２光路合成部と、前記光ファイバコリメータ光学系から送受信された誘導ブリルアン散乱光により、パルス光の往復時間から対象物までの距離を検出する第２信号処理部と、を備えたことを特徴とする光波レーダ装置にある。

この発明では、コヒーレントドップラーライダ技術による光波レーダ装置において、高精度な速度および距離の計測を可能にした装置を提供できる。

この発明は、単一周波数のパルス光を送信しエアロゾル等からの散乱光のドップラー周波数シフトを光ヘテロダイン検出する光波レーダ装置において、十分な速度分解能を確保できるように送信光のパルス幅を設定した状態で、送信光を伝送する光ファイバで発生し後方へと伝搬する幅の短いパルス状の誘導ブリルアン散乱光を、光路を切り替えて送信光と同軸で送受信することにより対象物までの距離を計測し、高精度な速度および距離計測を同時に同一の装置で行うものである。

ここでは、大気中のエアロゾルを送信光の散乱対象として風速測定を行う波長１．５５μｍ帯のコヒーレントドップラーライダをもとに、この発明の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による光波レーダ装置の構成図である。図１において、１は連続発振波の基準レーザ光源部、２は基準レーザ光源部１の出力光を送信光光路３と局部発振光光路４に分割するための第１の光分波器、３は送信光を伝送するための光ファイバ型の送信光光路、４は局部発振光を伝送するための光ファイバ型の局部発振光光路、５は基準レーザ光源部１の連続発振波の出力光をパルス化し周波数シフトを与えるための音響光学変調器(以下ＡＯＭ)である。

６はＡＯＭ５を駆動させる動作波形を与えるためのパルスジェネレータ、７は送信光光路３と誘導ブリルアン散乱光光路２０を切り替えるための第１の光サーキュレータ、８は送信光パワーを増強するための光ファイバ増幅器、９は誘導ブリルアン散乱の発生点、１０は送信光と受信光を分離するための第２の光サーキュレータである。

１１は誘導ブリルアン散乱光と送信光を合波するための第１の光合波器、１２はレーザ光の送受信を行うための送受信用望遠鏡、１３は受信光を伝送するための光ファイバ型の受信光光路、１４は受信光の一部を取り出すための第２の光分波器、１５は受信光と局部発振光を合波するための第２の光合波器である。

１６は受信光と局部発振光の合波光からビート信号を得るための第１の光検波器、１７は第１の光検波器１６からの電気信号の周波数成分の解析を行うための第１の信号処理装置、１８は受信光の強度を電気信号へと変換するための第２の光検波器、１９は第２の光検波器１８からの電気信号のピークを検出しピークの現れる間隔から距離を計算するための第２の信号処理装置である。

２０は誘導ブリルアン散乱光を伝送するための光ファイバ型の誘導ブリルアン散乱光光路、２１は誘導ブリルアン散乱光の伝送時間に遅延を与えるための時間遅延手段、２２は内部反射光などが後方へと伝搬するのを防止するための光アイソレータである。

パルスジェネレータ６とＡＯＭ５の間、パルスジェネレータ６と第１の信号処理装置１７及び第２の信号処理装置１９の間、第１の光検波器１６と第１の信号処理装置１７の間、および第２の光検波器１８と第２の信号処理装置１９の間を除くすべての素子間は、シングルモードの光ファイバまたは偏波保持機能を有するシングルモードの光ファイバ(光ファイバ伝送路)で接続されている。

送信光光路３を第１の光分波器２から送受信用望遠鏡１２へ至る光路、局部発振光光路４を第１の光分波器２から第２の光合波器１５へ至る光路、受信光光路１３を送受信用望遠鏡１２から第２の光サーキュレータ１０を介して第１及び第２の光検波器１６，１８へ至る光路、誘導ブリルアン散乱光光路２０を第１の光サーキュレータ７から時間遅延手段２１、光アイソレータ２２を介して第１の光合波器１１へ至る光路とし、これらを光ファイバ伝送路とする。

また、第１の光分波器２が第１光路分離部を構成し、送受信用望遠鏡１２が送受信共用の光ファイバコリメータ光学系を構成し、第２の光サーキュレータ１０が送受信光路切り替え部を構成し、第２の光合波器１５が第１光路合成部を構成し、第１の光検波器１６と第１の信号処理装置１７が第１信号処理部を構成し、第１の光サーキュレータ７が分離用光路切り替え部を構成し、第１の光合波器１１が第２光路合成部を構成し、第２の光検波器１８と第２の信号処理装置１９が第２信号処理部を構成し、第２の光分波器１４が第２光路分離部を構成する。

図２は、図１の装置の風速および距離の測定の際の動作を説明するためのタイムチャートである。(ａ)は基準レーザ光源部１の出力、(ｂ)はＡＯＭ５の出力、(ｃ)は送信光、(ｄ)は誘導ブリルアン散乱(以下ＳＢＳ)光、(ｅ)はＳＢＳ光の送信光、(ｆ)は第１の光検波器１６におけるビート信号、(ｇ)はパルス検出信号を示す。そして、２０１は基準レーザ光源部１の出力パワー、２０２はＡＯＭ５の出力するパルスの繰り返し間隔、２０３はパルスのＯＮ時間、２０４は送信光のパルス幅、２０５はＳＢＳ光のパルス幅、２０６はＳＢＳ光の時間遅延手段２１による時間遅延、２０７は第１の信号処理装置１７による風速の測定期間、２０８は第２の信号処理装置１９による距離の測定期間、２０９は第２の信号処理装置１９によるＳＢＳ内部反射光のピーク検出時刻、２１０は第２の信号処理装置１９によるＳＢＳ受信光のピーク検出時刻をそれぞれ表す。

次に動作について説明する。基準レーザ光源部１は連続発振波のレーザ光を出力する。基準レーザ光源部１の波長帯は、装置に対してふさわしいものが選択される。波長１．５５μｍ帯であれば人体の目に対する安全性が高いという利点がある。基準レーザ光源部１の発振線幅はコヒーレント検出を行うためになるべく狭線幅であることが好ましい。狭線幅の光源としては分布帰還型(ＤＦＢ)のファイバレーザや半導体レーザが使用できる。

図２の(ａ)に示すように、基準レーザ光源部１の出力パワー２０１は時間変化せず、一定となる。基準レーザ光源部１から出力された連続発振波のレーザ光は第１の光分波器２により所定のパワー比で２分割され、一方は送信光として送信光光路３へと伝送され、他方は局部発振光として局部発振光光路４へと伝送される。

送信光はＡＯＭ５に入力される。ＡＯＭ５にはパルスジェネレータ６から信号を入力し、パルス駆動させる。ＡＯＭ５をパルス駆動させることにより、図２の(ｂ)に示すように、基準レーザ光源部１の出力光が時間的に切り出されてパルス光となる。ＡＯＭ５によりパルス化された１次出力光は送信光光路へと伝送させる。

図２の(ｂ)に示すパルス繰り返し間隔２０２およびＡＯＭ５のＯＮ時間２０３は、パルスジェネレータ６により設定する。パルス繰り返し間隔２０２はパルスの繰り返し周波数の逆数で表され、最大検出距離および計測の演算やデータレート等により決定される。

例えば最大計測距離を１０(ｋｍ)とした場合、大気中の光速を３×１０^８(ｍ／ｓ)とすると送信光の往復時間が２×１０×１０^３／(３×１０^８)＝６７μｓとなるため、少なくともこれより長い時間にする必要がある。演算やデータレート等により１ｋＨｚ、４ｋＨｚ、８ｋＨｚを動作周波数とした場合においては、パルス繰り返し間隔２０２はそれぞれ１ｍｓ、２５０μｓ、１２５μｓとなる。パルスの繰り返し周波数が８ｋＨｚよりも小さい範囲では、風速の測定を行う期間はパルス繰り返し間隔２０２の半分以下となり、残りの期間は何も測定していないことになるが、この発明ではこの残りの期間を効率よく利用することができる。

ＡＯＭ５のＯＮ時間２０３は、送信光のパルス幅Δｔが後述の理由からΔｔ＝２００ｎｓになるように調整する。このとき、光ファイバ増幅器８での増幅によるパルス幅の短縮効果を考慮する。また、図２の(ｂ)においては、ＡＯＭ５の動作電圧波形を矩形波で示しているが、ランプ波形状にすることにより光ファイバ増幅器８での増幅による送信光のピークの急峻な立ち上がりを防ぐこともできる。

ＡＯＭ５は高い消光比が得られると同時に、出力光に数十ＭＨｚ程度の周波数シフトを付加できるため、光ヘテロダイン検出を行うことができる。

ＡＯＭ５によりパルス化された送信光は、第１の光サーキュレータ７を介して光ファイバ増幅器８へと入力される。

光ファイバ増幅器８により、送信光のパワーが増強される。光ファイバ増幅器８は基準レーザ光源部１の波長に合わせてふさわしいものを選択する。基準レーザ光源部１の波長が１．５５μｍ帯の場合にはエルビウム(Ｅｒ)添加光ファイバ増幅器を用いる。

光ファイバ増幅器８により増幅された送信光は、第２の光サーキュレータ１０および第１の光合波器１１を介して送受信用望遠鏡１２へと伝送され、送受信用望遠鏡１２から大気中へと照射される。

出射したレーザ光が大気中のエアロゾルにより散乱された散乱光を送受信用望遠鏡１２により受信し、受信光は光ファイバ伝送路へと結合される。

受信光は第１の光合波器１１を介して光サーキュレータ１０へと伝送され、第２の光サーキュレータ１０により受信光光路１３へ光路が切り替えられる。受信光は第２の光分波器１４を介して第２の光合波器１５へと入力され、第２の光合波器１５において局部発振光光路４を伝送されてきた局部発振光と合波される。

受信光と局部発振光の合波光は第１の光検波器１６に入力され電気信号に変換される。この変換されたビート信号を第１の信号処理装置１７で周波数解析することにより受信光のドップラーシフト量を検出し測定対象物の速度、すなわちここでは例えば風速を求める。

送受信用望遠鏡１２において生じる送信光の内部反射光は、大気中の散乱体による受信光よりも強度が強く、受信器の飽和などを引き起こすため、第１の信号処理装置１７では送信光の内部反射光が入力されている間は計測を行わない。

図２の(ｆ)に示す第１の信号処理装置１７による風速の測定期間２０７は、前述のように最大検出距離に応じて設定される。

上記において、ＡＯＭ５は、通常、図２の(ｃ)の送信光のパルス幅２０４が数１００ｎ〜数μｓとなるように動作時間が設定される。これは、パルス幅が短いほど距離レンジの分解能が向上するがスペクトル幅の広がりによってドップラーシフトの周波数分解能が低下し、パルス幅が長い程ドップラーシフトを高精度に計測できるが、距離レンジの分解能が悪化するためである。送信光のパルス幅は、システムに要求される距離レンジの分解能とドップラーシフトの周波数分解能とのバランスによって最適な値に設定する。

また、パルスの繰り返し周波数は、最大検出距離および計測のデータレート等により決定する。例えば最大計測距離をＬＭＡＸ(ｍ)とした場合、パルスの繰り返し周波数は送信光の往復時間の逆数で表される１／(２×ＬＭＡＸ／(３×１０^８))Ｈｚ以下となるようにしなければならない。

ここでは風速測定が可能な範囲でパルス幅を短くした場合を想定し、パルス幅ΔｔをΔｔ＝２００ｎｓ程度と設定した場合を前提条件として以下の説明を進める。

光ファイバでは誘導ブリルアン散乱(以下ＳＢＳと記述する)と呼ばれる非線形現象が生じる。これは、光ファイバへの入射パワーがあるしきい値(以下ＳＢＳしきい値と記述する)を超えたところで、入射光と逆方向に伝搬する入射光よりも周波数の小さい散乱光(以下ＳＢＳ光と記述する)が発生する現象である。一般的な石英ファイバでは、ＳＢＳ光の周波数は入射光よりも１０ＧＨｚ程度小さく、ＳＢＳの利得帯域は数１０ＭＨｚ程度である。ＳＢＳは、狭線幅で比較的パルス幅の長い(数１０ｎｓ以上)入射光に対して発生しやすい。

また、ＳＢＳしきい値Ｐｔｈは有効相互作用長Ｌｅｆｆに反比例し、有効コア面積Ａｅｆｆに比例する関係を持ち、
Ｐｔｈ＝２１×Ａｅｆｆ／(ｇＢ×Ｌｅｆｆ) (１)
で表されることがよく知られている(アグラワール著「非線形ファイバー光学」)。ｇＢはブリルアン利得係数である。

図１の構成において、通常の光ファイバ増幅器８はファイバ長が２０ｍ程度と長く、また第２の光サーキュレータ１０までのファイバ長が加算されることにより、ＳＢＳしきい値は比較的低くなる。入力した送信光が増幅されることにより、ピークパワーが大きくなってＳＢＳしきい値を超え、誘導ブリルアン散乱の発生点９においてＳＢＳが発生する。図１と同様の構成ではピークパワーが１０Ｗを超えたところからＳＢＳ光が発生した。

図３の(ａ)にＳＢＳ発生時に送信光とＳＢＳ光の光強度の時間変化の測定結果、また図３の(ｂ)に送信光とＳＢＳ光を光ヘテロダイン検波して周波数解析を行った結果の一例を示す。図３の(ａ)において、横軸は時間を縦軸は任意の光強度を表し、３０１は送信光時間波形、３０２はＳＢＳ光時間波形、３０３は送信光のパルス幅、３０４はＳＢＳ光のパルス幅、３０５は送信光とＳＢＳ光のピークの時間差を示す。図３の(ｂ)において、横軸は周波数を縦軸は各周波数成分の強度を示し、横軸は２０ＧＨｚの範囲で、中央が１０ＧＨｚを示し、３０６は送信光とＳＢＳ光のビート信号の周波数ピークを示している。

図３の(ａ)に示されるように、送信光パワーがパルス状に時間変化するため、ＳＢＳは送信光パワーがＳＢＳしきい値を超える時間領域だけで発生し、ＳＢＳ光は送信光よりも幅の短いパルス状になる。また、そのピーク位置はＳＢＳ光のピークが送信光のピークよりも数１００ｎｓ程度遅れて現れる。図３の(ａ)の測定条件においては、送信光のパルス幅３０３は約０．５μｓであり、ＳＢＳ光のパルス幅３０４は約３０ｎｓ程度であった。また、送信光とＳＢＳ光のピークの時間差３０５は約１００ｎｓであった。図３の(ａ)では送信光のパルス幅が長く、かつ誘導ブリルアン散乱の発生点９の調整を行っていないため、送信光パルスとＳＢＳ光が重なる形になっているが、これらを調整することにより送信光とＳＢＳ光の重なりを防ぐことができる。また、前述のようにＳＢＳ光は送信光よりも周波数が約１０ＧＨｚ程度小さくなり、この現象はＳＢＳ周波数シフトと呼ばれる。図３の(ｂ)の場合においては、ＳＢＳ周波数シフトは１０．２ＧＨｚであった。

ＳＢＳ光のパルス幅２０５(３０４)は送信光のパルス幅２０４(３０３)よりも短いため、これを距離の計測に利用することで計測精度の向上が期待できる。

誘導ブリルアン散乱の発生点９において発生したＳＢＳ光は送信光と逆方向に伝搬し、光ファイバ増幅器８を通過することによって増幅される。

送信光のパルス幅が０．５μｓなどと長い場合、送信光が光ファイバ増幅器８を通過し増幅されている間に、ＳＢＳ光が光ファイバ増幅器８により増幅されて増幅器の利得が減少することにより、送信光パルスは一部が窪み削り取られたような波形になる。このような波形の乱れは、送信光パルスの不規則なパワー変化や変調を引き起こす原因となり、ドップラーシフトの検出の妨げとなる。このため、通常のコヒーレントドップラーライダのように送信光のパルス幅が長い場合においては送信光のピークパワーがＳＢＳしきい値以下になるように調整している。

図１の構成においては、前述の前提条件のように送信光のパルス幅ΔｔをΔｔ＝２００ｎｓ程度と設定した場合、ＳＢＳ光が光ファイバ増幅器８を通過する前に送信光が光ファイバ増幅器８を通過して光増幅が完了しているため、送信光にＳＢＳの影響は現れない。

誘導ブリルアン散乱の発生点９の位置は、ファイバの長さやコア径、送信光のピークパワー、ブリルアン利得係数ｇＢなどを調整することにより、ドップラーシフトの検出にＳＢＳの影響が現れないように適切に設定する。以下に誘導ブリルアン散乱の発生点９の調整方法を説明する。

ＳＢＳしきい値は上記(１)式で示されるが、有効コア面積Ａｅｆｆはコア径に、有効相互作用長Ｌｅｆｆはファイバ長に、ブリルアン利得係数ｇＢはブリルアン散乱の利得帯域にそれぞれ依存するため、これらの組み合わせと入射パワーの関係により発生位置が調整可能である。長さＬのファイバにおいて、長さ方向をｘ軸としてｘ＝０からｘ＝Ｌまで伝搬する入射光に対して発生するＳＢＳ光は、ｘ＝Ｌからｘ＝０へと入射光とは逆方向に伝搬し、その発生位置はｘ＝Ｌの点となる。

いま、光ファイバ増幅器８の有効コア面積、有効相互作用長、ブリルアン利得係数、ＳＢＳしきい値をそれぞれＡｅｆｆ１、Ｌｅｆｆ１、ｇＢ１、Ｐｔｈ１とする。同様に、光ファイバ増幅器８から誘導ブリルアン散乱の発生点９までのファイバおよび誘導ブリルアン散乱の発生点９から第２の光サーキュレータ１０までのファイバについて有効コア面積、有効相互作用長、ブリルアン利得係数、ＳＢＳしきい値をそれぞれＡｅｆｆ２、Ｌｅｆｆ２、ｇＢ２、Ｐｔｈ２およびＡｅｆｆ３、Ｌｅｆｆ３、ｇＢ３、Ｐｔｈ３とする。

まず、光ファイバ増幅器８において、ＳＢＳが発生しないように送信光のピークパワーを調整する。光ファイバ増幅器８の出力光のピークパワーをＰ０とすると、Ｐ０＜Ｐｔｈ１とする。これは、ｇＢ１とｇＢ２が異なる場合には、光ファイバ増幅器８として製品等を使用しＬｅｆｆ１とＡｅｆｆ１とｇＢ１が調整不可のときには単純にＰｔｈ１を超えないようにＰ０を設定する。Ｌｅｆｆ１とＡｅｆｆ１とｇＢ１のパラメータ変更が可能な場合、これらの値も含めて調整する。ただし、Ａｅｆｆ１およびｇＢ１はファイバ固有の値であり既存の物については調整が困難であるため、通常はＬｅｆｆ１つまりファイバ長を所定値に設定することにより行う。

このとき、光ファイバ増幅器８においては実効的なＳＢＳしきい値が(１)式と異なることを考慮する。これは、光ファイバ増幅器８への入力パワーは通常小さくてよいため(１)式で表されるＳＢＳしきい値をこえることはなく、増幅器内の終端部分ほどピークパワーが大きくなる一方でＬｅｆｆに対応する伝搬距離が短くなるために実効的なＳＢＳしきい値が(１)式よりも大きくなるためである。

ｇＢ１とｇＢ２が等しい場合には、Ｐｔｈ１はＬｅｆｆ２とＡｅｆｆ２にも依存することになる。さらに、ｇＢ３が等しい場合にはＰｔｈ１はＬｅｆｆ３とＡｅｆｆ３にも依存することになる。これらの場合においては、それぞれの場合のＳＢＳしきい値を超えないようにＰ０を調整する。ただし、一般的には光ファイバ増幅器８では添加イオンなどにより通常のファイバとはｇＢが異なると想定される。

光ファイバ増幅器８から誘導ブリルアン散乱の発生点９までのファイバではＰｔｈ２＜Ｐ０となるように調整する。これはＡｅｆｆ２、Ｌｅｆｆ２、ｇＢ２を設計により設定することにより行う。ただし、これはｇＢ２とｇＢ３が異なる場合である。このとき、誘導ブリルアン散乱の発生点９は光ファイバ増幅器８から誘導ブリルアン散乱の発生点９までのファイバの終端となる。

ｇＢ２とｇＢ３が等しい場合には、誘導ブリルアン散乱の発生点９は誘導ブリルアン散乱の発生点９から第２の光サーキュレータ１０までのファイバの終端、つまり第２の光サーキュレータ１０の入力端となる。このとき、Ｐｔｈ２はＬｅｆｆ３とＡｅｆｆ３にも依存することになるため、これらも含めて考慮することによりＰｔｈ２＜Ｐ０となるように調整する。

誘導ブリルアン散乱の発生点９から第２の光サーキュレータ１０までのファイバではＰｔｈ３＞Ｐ０となるように調整する。これはＡｅｆｆ３、Ｌｅｆｆ３、ｇＢ３を調整することにより行う。ただし、誘導ブリルアン散乱の発生点９を第２の光サーキュレータ１０の入力端とする場合などにおいては、Ｐｔｈ３＞Ｐ０とする必要はない。ここでは、ファイバ付の光サーキュレータを想定し、ｇＢ２とｇＢ３が異なる場合に２点でＳＢＳが発生することを防ぐことを目的として条件付けている。

上記ように光ファイバ増幅器８の出力光のピークパワーとファイバのＡｅｆｆ、Ｌｅｆｆ、ｇＢをそれぞれ調整することにより、誘導ブリルアン散乱の発生点９を任意の位置に設定することが可能である。

上記の場合において、送信光が誘導ブリルアン散乱の発生点９に到達してＳＢＳが誘起され、送信光と逆方向に伝搬し始めるとすると、送信光が光ファイバ増幅器８を通過してからＳＢＳ光が光ファイバ増幅器８に到達するまでの時間差ｔＳＢＳはｔＳＢＳ＝２×ＬＳＢＳ／ｃとなる。ただし、ＬＳＢＳは光ファイバ増幅器８から誘導ブリルアン散乱の発生点９までのファイバの長さを、ｃはファイバ中の光速を表す。これにより、送信光のパルス幅を考慮してＬＳＢＳを調整して２×Δｔ＜ｔＳＢＳとすることにより、ＳＢＳ光が光ファイバ増幅器８に到達する前に送信光が光ファイバ増幅器８を通過して光増幅が完了するため、送信光にＳＢＳの影響が現れなくなる。

上記の場合では、光ファイバ増幅器８と、光ファイバ増幅器８から誘導ブリルアン散乱の発生点９までの光ファイバと、誘導ブリルアン散乱の発生点９から第２の光サーキュレータ１０までの光ファイバの３種類のファイバだけで構成される場合について示したが、さらに複数の光ファイバを用いた場合でも同様にして誘導ブリルアン散乱の発生点９の位置を調整することができる。例えば、光ファイバ増幅器８にＳＢＳしきい値の高いＳＢＳ利得帯域の異なる長い光ファイバを複数接続し、これにＳＢＳしきい値の低い短い光ファイバを接続してこのファイバでＳＢＳを発生させ、その後にＳＢＳの発生しないＳＢＳしきい値の大きい光ファイバを接続することにより、ＳＢＳの発生点をより明確にすると同時にＬＳＢＳを長くすることができ、ｔＳＢＳを大きくすることができる。

すなわち、送信光が伝送される光ファイバ増幅器８から第２の光サーキュレータ１０までの光ファイバ伝送路を、所望の長さとコア径または長さと非線形性または長さとコア径と非線形性を有する少なくとも１本の光ファイバを接続して構成することで、誘導ブリルアン散乱の発生点の位置が所望位置に調整できる。特に、光ファイバ増幅器８よりもＳＢＳしきい値が大きく光ファイバ増幅器８の出力パワーではＳＢＳが発生することのない光ファイバと、該光ファイバよりもＳＢＳしきい値が小さく光ファイバ増幅器８の出力パワーによってＳＢＳが発生する光ファイバを接続して構成する。例えば、上記光ファイバ伝送路が、光ファイバ増幅器８よりもＳＢＳしきい値が大きいコア径の大きい光ファイバと該光ファイバよりもＳＢＳしきい値が小さい非線形性の大きい光ファイバ、または光ファイバ増幅器８よりもＳＢＳしきい値が大きい非線形性の小さい光ファイバと該光ファイバよりもＳＢＳしきい値が小さいコア径の小さい光ファイバを接続して構成され、かつ前記光ファイバの長さがそれぞれ異なるもので構成される。

以上のようにして誘導ブリルアン散乱の発生点９を調整する。

光ファイバ増幅器８において増幅されたＳＢＳ光は、第１の光サーキュレータ７により誘導ブリルアン散乱光光路２０へと光路が切り替えられ伝送される。

誘導ブリルアン散乱光光路２０には時間遅延手段２１が設置されており、ＳＢＳ光の伝搬時間を調整できる。

時間遅延を与えるための方法としては、ファイバ長を変化させる方法や空間型の光学系を用いて光路長を変化させる方法が考えられる。ファイバ長を変化させる場合、ファイバの屈折率を１．５とし真空中の光速を３×１０^８(ｍ／ｓ)とすると、１ｍのファイバ長が１／(３×１０^８／１．５)＝５ｎｓに相当する。

時間遅延手段２１による時間遅延量は、ＳＢＳ光が送受信用望遠鏡１２に到達することにより送受信用望遠鏡１２において発生する内部反射光が、第１の光合波器１１を介して光サーキュレータ１０により受信光光路１３へと光路を切り替えられ、第２の光分波器１４により一定割合でそのパワーが第２の光検波器１８へと伝送され、電気信号へと変換されて第２の信号処理装置１９に入力されるまでの時間が、第１の信号処理装置１７においてドップラーシフトの検出を行う時間よりも長くなるように設定する。これにより、風速測定用の送信光パルスとＳＢＳ光のそれぞれの受信光の混在を防ぐことができる。同時に、遅延時間２０６は、パルス繰り返し間隔２０２内で風速の測定と距離の測定をそれぞれ独立して最大計測距離まで行えるように調整する。

時間遅延手段２１により一定の時間遅延が付加されたＳＢＳ光は、光アイソレータ２２を介して第１の光合波器１１へと入力され、送信光と同一の光路へと結合されて送受信用望遠鏡１２から出射される。光アイソレータ２２は逆方向への光の伝搬を抑制するものであり、戻り光による機器の損傷を防ぐためのものである。光アイソレータ２２は、第１の光サーキュレータ７から誘導ブリルアン散乱の発生点９までの間以外であれば場所、個数を問わず設置してよい。

送受信用望遠鏡１２により出射されたＳＢＳ光は、空間を伝搬し、視線方向に位置する主に固体の対象物により反射または散乱される。反射または散乱されたＳＢＳ光の一部が送受信用望遠鏡１２により受信され、第１の光合波器１１を介して第１の光サーキュレータ１０により受信光光路１３へと光路を切り替えられ、第２の光分波器１４により一定割合でそのパワーが第２の光検波器１８へと伝送され、電気信号へと変換されて第２の信号処理装置１９に入力される。第２の光分波器１４により分岐されなかったＳＢＳ光の受信光は、第２の光合波器１５において局部発振光光路４を伝送されてきた局部発振光と合波され、受信光と局部発振光の合波光は第１の光検波器１６に入力され電気信号に変換され、第１の信号処理装置１７へと入力される。

第２の信号処理装置１９では、ＳＢＳ光の送受信用望遠鏡１２による内部反射光と受信光のパルスのピーク位置をそれぞれ検出し、ＳＢＳ光の内部反射光のピーク検出時刻２０９とＳＢＳ光の受信光のピーク検出時刻２１０の時間差Δｔ１を検出する。対象物までの距離ＬはＬ＝Δｔ１×(３×１０^８)／２により求めることができる。

ＳＢＳ光のパルス幅は短いため、送信光の往復伝搬時間から距離を求める場合よりも高感度な検出が行える。また、受信光と内部反射光に対する送受信用望遠鏡１２から第２の光検波器１８までの光路長が等しいため、ＳＢＳ光の内部反射光と受信光のパルスピーク位置の時間差が送受信用望遠鏡１２から対象物までのＳＢＳ光の送信光の往復時間に相当し、空気中の光速と乗算して１／２倍することにより距離が求められる。

ＳＢＳ光の受信光のうち、第２の光分波器１４により分岐されなかった成分は、ビート信号として第１の信号処理装置１７に現れるが、このタイミングでは第１の信号処理装置１７では風速の測定期間から外れているため、測定に影響は生じない。ただし、高ピーク信号の入力による受信機の飽和や破損に注意する必要がある。

また、波長１．５５μｍの送信光の場合、１ｍ／ｓの風速は１．３ＭＨｚのドップラー周波数シフトに相当し、±３８．５ｍ／ｓの風速検出のためには±５０ＭＨｚの周波数シフトが検出できれば良い。このように、風速の測定に必要となる検出器の周波数帯域は数１０ＭＨｚ程度であるため、第１の信号処理装置１７ではフィルタ等を用いることによりＳＢＳ光のビート信号の周波数成分を遮断することができる。図４に帯域制限フィルタを用いることによりＳＢＳ光のビート信号の周波数を遮断する場合の部分構成図を示す。図４は図１の第１の光検波器１６と第１の信号処理装置１７の間にバンドパスフィルタ(ＢＰＦ)４０１を設置した構成となっており、その他については図１と同じであるため、ここでは図示及び説明を省略する。ＳＢＳ光は送信光に対して１０ＧＨｚ程度の周波数シフトを持ち、風速検出のためのドップラー周波数シフトはＭＨｚオーダーであるため、バンドパスフィルタ４０１の帯域を適当な値に設定することにより、ＳＢＳ光の受信光の周波数成分はバンドパスフィルタ４０１により遮断される。

さらに、このとき、第１の信号処理装置１７において、周波数の検出と同時に受信信号のパルスピークの検出を行うことにより、第１の光検波器１６と第１の信号処理装置１７だけで風速の検出と距離の検出を兼ねることができ、この場合においては第２の光分波器１４と第２の光検波器１８と第２の信号処理装置１９は不要となる。ただし、風速の測定を行う場合には空気中の微小粒子を送信光の散乱対象としているために受信信号レベルが小さく、強度の大きなＳＢＳ光のビート信号が重畳することにより測定に雑音を与えることが懸念されるため、図１の構成においては時間遅延手段２１と２つの検出部により風速と距離の検出を切り分けて行っている。

以上のようにして、ＳＢＳ光を用いて距離の計測を行うことができる。

ＳＢＳ光は送信光よりもパルス幅が短いため、送信光の往復伝搬時間から距離を求めるよりも、高精度な距離計測を行うことができる。

また、送信光とＳＢＳ光は光路を共有し、同一の出射端から出射されるため、両者の視線方向は調整なく一致する。このため、別途測距装置を用意し組み合わせて利用する場合等に必要となる光軸の調整等は不要であり、振動などによる光軸ずれの問題もなくなる。また、装置全体をファイバ型部品で構成することもでき、小型化、軽量化が行える。

さらに、風速の測定データと距離の測定データの更新レートとを等しくでき、風速と距離の同時計測が可能である。

すなわちこの発明では、十分な速度分解能を維持したままで、高精度な距離検出を同時に行うことができる。速度検出用と距離検出用の送信光が同軸となるため、光軸等の調整が不要となり、観測対象位置を完全に一致できる。また、従来では有効に用いていなかった時間領域を活用でき、速度計測および距離計測のデータレートを等しくできる。

誘導ブリルアン散乱光に時間遅延を与えることによって、速度測定を行うための送信光の受信光のビート信号に、誘導ブリルアン散乱光のビート信号が重畳することを防ぐことができる。

光ファイバ増幅器から送信光と受信光の光路を切り替える送受信光路切り替え部(第２の光サーキュレータ)までの光ファイバ伝送路を、長さ、コア径、非線形性が適当な少なくとも１本の光ファイバで構成することで、誘導ブリルアン散乱の発生点を任意に設定でき、誘導ブリルアン散乱光の光路切り替えを確実に行うことができる。

実施の形態２．
上記の実施の形態１においては、光ファイバ増幅器内にアイソレータ等の後方へのＳＢＳ光の伝搬を阻害する素子が含まれている場合には適用できないが、次に、光ファイバ増幅器内にアイソレータ等の素子が含まれ、ＳＢＳ光の伝搬が阻害される場合においても、ＳＢＳ光を利用して距離の計測を行うことができる実施の形態について説明する。

図５はこの発明の別の実施の形態による光波レーダ装置の部分構成図である。図５は図１のＡＯＭ５から送受信用望遠鏡１２の間に相当する部分の構成を示すものであり、その他の部分は図１のものと同じである。また図５において図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。図５では図１において、第１の光サーキュレータ７の位置をＡＯＭ５と光ファイバ増幅器８の間から、光ファイバ増幅器８と誘導ブリルアン散乱光の発生点９の間に移動させた構成となっており、他の部分は図１と同じであるため省略している。

光ファイバ増幅器８と誘導ブリルアン散乱光の発生点９は光ファイバで接続されているため、ＳＢＳ光は伝搬可能である。この間に第１の光サーキュレータ７を設置することにより、誘導ブリルアン散乱光の発生点９で発生し後方へと伝搬するＳＢＳ光を、光路を切り替えて送信光光路へと再結合させることができる。これは、実施の形態１において第１の光サーキュレータ７の位置が変化しただけであり、素子の動作や働きは実施の形態１と同じであるため、ここでは説明を省略する。

この構成では、光ファイバ増幅器８により増幅された送信光のピークパワーと、光ファイバ増幅器８を含む第１の光サーキュレータ７までのファイバの長さと、第１の光サーキュレータ７から第２の光サーキュレータ１０までのファイバの長さとを、誘導ブリルアン散乱光の発生点９が第１の光サーキュレータ７から第２の光サーキュレータ１０までの間に位置するように、それぞれ最適に調整する。

この構成により、ＳＢＳ光が光ファイバ増幅器８に到達する前に光路を切り替えることができるため、ＳＢＳ光を距離の計測に利用できる。

また、上記の実施の形態において、ＳＢＳ光が光ファイバ増幅器８を通過せず増幅されないために、ＳＢＳ光のパワーが不足する場合には、図６に示すように誘導ブリルアン散乱光光路２０に新たに光ファイバ増幅器５０１を設置することにより、ＳＢＳ光パワーを増幅し、増強することができる。

実施の形態３．
上記の実施の形態１および実施の形態２は、空気中の微小粒子を送信光の散乱対象として風速の測定を行う場合を例に挙げて説明したが、この発明では、送信光の散乱対象を移動する飛翔体等も含む固体物とすることで、移動体の速度と距離の検出に適用できる。

この場合も、ＳＢＳ光は送信光よりもパルス幅が短いため、送信光の往復伝搬時間から距離を求めるよりも、高精度な距離計測を行うことができ、また送信光とＳＢＳ光の送信方向が同一となるため測定対象を完全に一致できる。このようにして移動体の速度と高精度な距離の検出を同時に行うことができる。

なおこの発明は上記それぞれの実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の特徴の可能な組合せも含むことはいうまでもない。

この発明の一実施の形態による光波レーダ装置の構成図である。 図１の光波レーダ装置の風速および距離の測定の際の動作を説明するためのタイムチャートである。 ＳＢＳ発生時の送信光とＳＢＳ光の光強度の時間変化および送信光とＳＢＳ光を光ヘテロダイン検波して周波数解析を行った結果の一例を示す図である。 図１の光波レーダ装置の変形例を示す部分構成図である。 この発明の別の実施の形態による光波レーダ装置の部分構成図である。 図５の光波レーダ装置の変形例を示す部分構成図である。

符号の説明

１ 基準レーザ光源部、２ 第１の光分波器、３ 送信光光路、４ 局部発振光光路、６ パルスジェネレータ、７ 第１の光サーキュレータ、８ 光ファイバ増幅器、９ 誘導ブリルアン散乱の発生点、１０ 第２の光サーキュレータ、１１ 第１の光合波器、１２ 送受信用望遠鏡、１３ 受信光光路、１４ 第２の光分波器、１５ 第２の光合波器、１６ 第１の光検波器、１７ 第１の信号処理装置、１８ 第２の光検波器、１９ 第２の信号処理装置、２０ 誘導ブリルアン散乱光光路、２１ 時間遅延手段、２２ 光アイソレータ、４０１ バンドパスフィルタ、５０１ 光ファイバ増幅器。

Claims (9)

1. 単一周波数の連続発振レーザ光を発生する基準レーザ光源部と、
   前記基準レーザ光源部により発生させたレーザ光を伝送する光ファイバ伝送路と、
   前記基準レーザ光源部により発生させたレーザ光を送信光と局部発振光に分波する光路分離部と、
   前記送信光をパルス化し規定の周波数変化を付加する音響光学変調器と、
   パルス化および周波数変化を付加された送信光のパワーを増幅する光ファイバ増幅器と、
   光ファイバ伝送された増幅された送信光を空中に放出するとともに、対象物からの散乱光を受信光として光ファイバ伝送路に結合するための送受信共用の光ファイバコリメータ光学系と、
   送信光と受信光の光路を切り替える送受信光路切り替え部と、
   受信光と局部発振光とを合成する第１光路合成部と、
   受信光と局部発振光の合波光から得られるビート信号の周波数成分を解析して対象物の速度を検出する第１信号処理部と、
   送信光を伝送する前記光ファイバ伝送路において発生し後方へと伝搬する誘導ブリルアン散乱光を送信光から分離する分離用光路切り替え部と、
   分離された誘導ブリルアン散乱光を送信光へ結合させるための第２光路合成部と、
   前記光ファイバコリメータ光学系から送受信された誘導ブリルアン散乱光により、パルス光の往復時間から対象物までの距離を検出する第２信号処理部と、
   を備えたことを特徴とする光波レーダ装置。
2. 分離用光路切り替え部で分離された誘導ブリルアン散乱光を第２光路合成部まで伝送するための光ファイバ伝送路に誘導ブリルアン散乱光に時間遅延を与えるための時間遅延手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光波レーダ装置。
3. 送信光が伝送される光ファイバ増幅器から送受信光路切り替え部までの光ファイバ伝送路が、所望の長さとコア径または長さと非線形性または長さとコア径と非線形性を有する少なくとも１本の光ファイバを接続して構成され、誘導ブリルアン散乱の発生点の位置が所望位置に調整されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波レーダ装置。
4. 送信光が伝送される光ファイバ増幅器から送受信光路切り替え部までの光ファイバ伝送路が、光ファイバ増幅器よりもコア径の大きい光ファイバと該光ファイバよりも非線形性の大きい光ファイバ、または光ファイバ増幅器よりも非線形性の小さい光ファイバと該光ファイバよりもコア径の小さい光ファイバを接続して構成され、かつ前記光ファイバの長さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載の光波レーダ装置。
5. 第１信号処理部が、誘導ブリルアン散乱光の周波数シフトを遮断するバンドパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の光波レーダ装置。
6. 分離用光路切り替え部が、音響光学変調器と光ファイバ増幅器の間に設けられていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の光波レーダ装置。
7. 分離用光路切り替え部が、光ファイバ増幅器と光ファイバ伝送路の誘導ブリルアン散乱の発生点位置の間に設けられていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の光波レーダ装置。
8. 分離用光路切り替え部で分離された誘導ブリルアン散乱光を第２光路合成部まで伝送するための光ファイバ伝送路にＳＢＳ光パワーを増幅し増強する光ファイバ増幅器を設けたことを特徴とする請求項７に記載の光波レーダ装置。
9. 速度および距離を測定する対象物が固体物からなることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の光波レーダ装置。

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