JP2012021878A

JP2012021878A - 距離変動計測装置

Info

Publication number: JP2012021878A
Application number: JP2010159844A
Authority: JP
Inventors: Katsuji Imashiro; 勝治今城; Shunpei Kameyama; 俊平亀山; Kimio Asaka; 公雄浅香; Yoshihito Hirano; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】距離変動計測を行う前に光軸調整を行う機構を備えた距離変動計測装置を得る。
【解決手段】レーザ光による送信系−受信系間の距離変動計測装置であり、送信系が、基準となる変調信号を生成する変調信号発生器１ｄ、変調信号に基づいてレーザ光を照射する光送信器１ａ−１ｃ、光送信器のレーザ光のビーム方向を変更するビーム方向変更手段３，４、を含み、受信系が、送信系からのレーザ光を受光し受信信号を得る光受信器９ａ−９ｃ、受信信号の位相検波を行い強度と位相を求める位相検波器９ｄ、光受信器のレーザ光の受光視野を変更する受光視野変更手段１１，１２、位相検波器で求めた受信信号の強度が所定の閾値以上になるように受光視野変更手段１１，１２または通信機能により送信系のビーム方向変更手段３，４を制御して受光視野またはビーム方向の調整を行う光学的アライメント調整手段１４，６を含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、レーザ送信機と受信機間の距離を高精度に計測する距離変動計測装置に関するものである。

従来のこの種の距離変動計測装置としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。

下記特許文献１に記載の従来の距離変動計測装置では、伝播媒質中による受信ＳＮ比の劣化を軽減するために、変調をかけたレーザ光を送信する送信機と変調信号の位相を測定する受信機を分担させ、片道でのレーザ測距を行っている。

特開平５−２７３３５０号公報

しかしながら上記従来技術では、送信機と受信機の距離が離れている場合、光軸調整に時間を要するという問題があった。また、レーザ光に変調をかける発振器と、位相測定を行う際に用いる発振器がそれぞれ独立に構成されており、従って、発振器の周波数揺らぎが距離精度を制限してしまうという問題がある。

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、設置時に送受信の光学的アライメントがとれていないことを想定し、距離変動計測を行う前に光軸調整を行う機構を有する距離変動計測装置を得ることを目的とする。
また、光基準信号を別途伝送し、この基準信号を用いて光受信信号を位相検波することにより、発振器の自身の変動の影響を軽減し、送受間の距離変動を高精度に計測する距離変動計測装置を得ることを目的とする。

この発明は、送信系から放射されたレーザ光を受信系で受光し送信系と受信系の間の距離変動を計測する距離変動計測装置であって、前記送信系が、基準となる変調信号を生成する変調信号発生器と、前記変調信号に基づいてレーザ光を照射する光送信器と、前記光送信器のレーザ光のビーム方向を変更するビーム方向変更手段と、を含み、前記受信系が、前記送信系からのレーザ光を受光し受信信号を得る光受信器と、前記受信信号の位相検波を行い強度と位相を求める位相検波器と、前記光受信器のレーザ光の受光視野を変更する受光視野変更手段と、前記位相検波器で求めた前記受信信号の強度が所定の閾値以上になるように前記受光視野変更手段または通信機能により前記送信系のビーム方向変更手段を制御して受光視野またはビーム方向の調整を行う光学的アライメント調整手段と、を含むことを特徴とする距離変動計測装置にある。

この発明では、距離変動計測を行う前に光軸調整を行う機構を備えた、また光基準信号を別途伝送し、この基準信号を用いて光受信信号を位相検波することにより、装置自身による位相揺らぎを補正し、送受間の距離変動を高精度に計測する距離変動計測装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る距離変動計測装置の概略的構造図である。この発明の実施の形態１に係る距離変動計測装置のより詳細な構成図である。この発明の実施の形態１に係る距離変動計測装置に設けられる長さ制御機構の構成の一例を示す図である。

以下、この発明による距離変動計測装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る距離変動計測装置の概略的構造図である。この発明による距離変動計測装置は、例えば距離変動の計測対象領域の両端に配置される送信系と受信系、およびこれらの間に接続された光ファイバ８からなる。

送信系は、光送信部１、光学窓２、仰角走査部３、方位角走査部４、基準信号送信部５、データ通信部６、ＤＣ電源部７、スリップリング１６で構成される。送信系は、光受信部９、光学窓１０、仰角走査部１１、方位角走査部１２、基準信号受信部１３、データ通信部１４、ＤＣ電源部１５、スリップリング１７で構成される。

送信系において、ＤＣ電源部７、基準信号送信部５、データ通信部６と、仰角走査部３、光送信部１とがスリップリング１６を介して電気的に接続される。同様に、受信系において、ＤＣ電源部１５、基準信号受信部１３、データ通信部１４と、仰角走査部１１、光受信部９とがスリップリング１７を介して電気的に接続される。また、送信系と受信系とが光ファイバ８により接続される。

図２はこの発明の実施の形態１に係る距離変動計測装置のより詳細な構成図である。送信系の光送信部１は、送信光学系１ａ、ＬＤ(レーザダイオード)１ｂ、ＬＤドライバ１ｃ、変調信号発生器１ｄにより構成される。基準信号送信部５は、ＬＤ５ａ、ＬＤドライバ５ｂにより構成される。また受信系の光受信部９は、受信光学系９ａ、ＰＤ(フォトダイオード)９ｂ、ＴＩＡ(Trans Impedance Amplifier)９ｃ、位相検波器(デジタル式)９ｄにより構成される。基準信号受信部１３は、ＰＤ１３ａ、ＴＩＡ１３ｂにより構成される。

図２において、光送信部１の変調信号発生器１ｄは、ＴＴＬ(Transistor-Transistor Logic)レベルのデジタル信号の基準クロック信号及びこのクロックに同期したアナログ正弦波の変調信号を発生する。ＬＤドライバ１ｃは、変調信号を入力信号とし、ＤＣ成分が重畳された駆動電流を出力する。ＬＤ１ｂは注入された駆動電流に対しレーザ光を発光させる。送信光学系１ａはビーム形状を整形し、媒質中にレーザ光のビームを照射する。

基準信号送信部５のＬＤドライバ５ｂは、光送信部１の変調信号発生器１ｄの基準クロック信号に同期した駆動電流を出力する。ＬＤ５ａは注入された駆動電流に対しレーザ光を発光させる。

光ファイバ８は、基準信号送信部５で発生させた基準信号光(レーザ光)を受信系の基準信号受信部１３のＰＤ１３ａに伝送する。基準信号受信部１３のＰＤ１３ａは、受信光を電気信号に変換する。ＴＩＡ１３ｂはＰＤ１３ａからの電気信号を増幅し、ＴＴＬ(Transistor-Transistor Logic)レベルのデジタル信号の基準クロック信号すなわち基準信号を出力する。

光受信部９の受信光学系９ａは、光送信部１において照射されたレーザ光を受信し、ＰＤ９ｂ上に集光する。ＰＤ９ｂは、受信光を電気信号に変換する。ＴＩＡ９ｃはＰＤ９ｂからの電気信号を増幅する。位相検波器９ｄは、基準信号受信部１３で得られた基準信号(基準クロック信号)を用いて光受信部９で得られた受信信号の位相検波を行い、受信信号の強度と、基準信号と受信信号の位相の差に相当する電気信号(受信強度・位相信号)を出力する。

受信系のデータ通信部１４は、受信強度信号と位相信号を無線または有線にて所望の場所に送信する。また、受信強度値を予め定めた閾値と比較し、受信系の仰角走査部１１および方位角走査部１２へ制御信号を出力したり、送信系のデータ通信部６に対して送信系の仰角走査部３および方位角走査部４を駆動させるための指令信号を出力する。

送信系のデータ通信部６は、受信系のデータ通信部１４からの指令信号を受けると、該指令信号に従って送信系の仰角走査部３および方位角走査部４を駆動させるための制御信号を出力する。

つぎに、この実施の形態１に係る距離変動計測装置の動作について説明する。この装置は、光軸合わせ(ステップ１)と距離変動計測(ステップ２)の２つの動作ステップがある。

最初に、ステップ１の光軸合わせについて説明する。変調信号発生器１ｄから、基準クロック信号およびこのクロックに同期したアナログ正弦波信号が発生される。アナログ正弦波はＬＤドライバ１ｃを介しＤＣ成分が重畳された電流信号に変換され、この信号でＬＤ１ｂが駆動される。送信光学系１ａからの出力光は正弦波で強度変調されたものとなる。基準クロック信号はスリップリング１６を介して基準信号送信部５に送られ、ＬＤドライバ５ｂを介してこの信号でＬＤ５ａの出力光が変調される。この変調された基準信号光は光ファイバ８を介し受信系へ伝送される。

光送信部１からの出力光は光受信部９の受信光学系９ａで受光され、ＰＤ９ｂ、ＴＩＡ９ｃで電気信号の受信信号に変換された後、位相検波器９ｄへ送られる。位相検波器９ｄでは、光ファイバ８を介し送られてきた基準信号光の電気信号である基準信号(光ファイバ８からの基準信号光が基準信号受信部１３で復調された後、スリップリング１７を介し位相検波器９ｄへ送られた基準クロック信号)を用い、光受信部９で電気信号に変換された受信信号の位相検波が行われる。この検波により、変調信号発生器１ｄの位相揺らぎの影響を軽減した受信信号の強度と位相が検出される。検出した強度・位相はスリップリング１７を介してデジタル信号としてデータ通信部１４に送られる。

データ通信部１４では、ステップ２の距離変動計測に先立ち、光受信部９から得られる受信信号の強度値を予め定めた閾値と比較し、閾値以上であれば、送信系の光送信部１の送信光学系１ａの光軸と受信系の光受信部９の受信光学系９ａの光軸が所望の程度に一致したものとして、距離変動計測のステップに進む。閾値未満であれば、両者の光軸が所望の程度に一致していないものとして、受信系の仰角走査部１１および方位角走査部１２に制御信号を与えて送信光学系１ａの光軸を動かして再度受信強度計測を行うか、もしくは、送信系のデータ通信部６へ光軸の修正を指示する指令信号を有線または無線で送り、送信系のデータ通信部６から送信系の仰角走査部３および方位角走査部４に制御信号を送らせて受信光学系９ａの光軸を動かして再度受信強度計測を行う。これを受信信号の強度が閾値以上になるまで繰り返し行い、光軸合わせのステップを終了する。

次に、ステップ２の距離変動計測について説明する。光軸合わせの完了後に行われる距離変動計測では、位相検波器９ｄからの受信信号の位相出力を計測する。その際、基準信号受信部１３からの基準信号を用いて受信信号の位相検波をすることで、基準信号と受信信号の位相の差φを算出し、受信信号の位相変動から送信系と受信系の間の距離変動ΔＬを算出する。さらに、送信系側の変調信号発生器１ｄにおける周波数揺らぎによる位相の揺らぎを取り除く。これに基づき送信系と受信系の間の距離変動ΔＬは以下の式により求める。

ΔＬ＝ｃ／(２ｆｍ)×Δφ／(２π)
Δφ＝φ_ｐ−φ_０
但し
ｃ：光速
ｆｍ：変調周波数
Δφ：検出位相の初期値からの変動
φ_０：検出位相の初期値(初回の、基準信号を用いて受信信号を位相検波して得られる基準信号と受信信号の位相の差)
φ_ｐ：検出位相の現在値(今回の、基準信号を用いて受信信号を位相検波して得られる基準信号と受信信号の位相の差)

なおデータ通信部１４は、検出位相の初期値φ_０等のデータを記憶しておく記憶部を含む。

この発明の実施の形態１に係る距離変動計測装置では、固定長の光ファイバ８を介した基準信号を用い、受信信号との位相差を計測することで、(距離の絶対値計測はできないものの)距離の変動計測が可能となる。また送信ビーム方向および受信視野を走査する機構を有し、設置後、自動光軸アライメントができるため、マニュアルでの光軸合わせが困難な深海での距離変動計測にも適用できる。

また、光軸合わせを速やかに行うため、高速に方位走査をする際には一方向のエンドレス回転が必要であるが、この際必須となるスリップリング１６，１７での電力および電気信号伝送では、接触ノイズの混入が問題となる。この発明では、スリップリング１６，１７を介した伝送経路を全て信号のデジタル化および給電のＤＣ化を行っているため、この問題を回避できる。

さらに、この発明における距離変動計測装置では、図３に示すような光ファイバ８の長さを制御する長さ制御機構８０を別途有する構成とし、周囲温度変動に依存することなく長さを一定に保持すれば、距離変動計測精度がさらに向上する。

図３の長さ制御機構８０では、基準信号送信部５から送信された基準信号光が光ファイバ８に挿入された部分反射鏡８３で一部が反射され、この反射された信号光が同様に光ファイバ８に挿入されたサーキュレータ８１で抽出される。サーキュレータ８１で抽出された信号光はＰＤ８４で電気信号に変換された後、位相検波器８５に入力し、光送信部１の変調信号発生器１ｄで生成される基準クロック信号との位相の差を検出する。サーボ回路８６では、検出位相が初期に検出した位相となるよう光ファイバ８に設けられたファイバストレッチャ８２を駆動する。なおサーボ回路８６は、検出位相の初期値のデータを記憶しておく記憶部を含む。

なお、この発明における距離変動計測装置では、スリップリングを介する部分がＤＣ給電およびデジタル信号であれば、図２の構成に限るものではない。例えば、変調信号発生器１ｄからアナログ正弦波を発生させているが、この部分もデジタルであってもよい。変調効率が低下しＳＮ比が低下するが、この構成にすることで変調信号発生器１ｄおよびＬＤドライバ１ｃをスリップリング１６より下に置くことができ、方位回転部を軽量化することが可能となる。また、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。この場合、受信系の光受信部９では、送信系から受信系までのパルスの到達時間の計測になるため、位相検波器９ｄのかわりに、例えば時間差計測回路となる。

また、送信光学系１ａ，ＬＤ１ｂ，ＬＤドライバ１ｃが光送信器を構成し、仰角走査部３，方位角走査部４がビーム方向変更手段を構成し、受信光学系９ａ，ＰＤ９ｂ，ＴＩＡ９ｃが光受信器を構成し、仰角走査部１１，方位角走査部１２が受光視野変更手段を構成し、データ通信部６，データ通信部１４が光学的アライメント調整手段を構成し、データ通信部１４が距離変動測定手段を構成する。

また、送信系のスリップリング１６の下側の例えば図１で方位角走査部４，基準信号送信部５，データ通信部６，ＤＣ電源部７が収納されて示されている方形状部分、および受信系のスリップリング１７の下側の例えば図１で方位角走査部１２，基準信号受信部１３，データ通信部１４，ＤＣ電源部１５が収納されて示されている方形状部分をそれぞれ固定セクション、送信系のスリップリング１６の上側の例えば図１で光送信部１，光学窓２，仰角走査部３が含まれるドーム形状部分、および受信系のスリップリング１７の上側の例えば図１で光受信部９，光学窓１０，仰角走査部１１が含まれるドーム形状部分をそれぞれ可動セクションとする。

１光送信部、１ａ送信光学系、１ｂＬＤ、１ｃＬＤドライバ、１ｄ変調信号発生器、２光学窓、３仰角走査部、４方位角走査部、５基準信号送信部、５ａＬＤ、５ｂＬＤドライバ、６データ通信部、７ＤＣ電源部、８光ファイバ、９光受信部、９ａ受信光学系、９ｂＰＤ、９ｃＴＩＡ、９ｄ位相検波器、１０光学窓、１１仰角走査部、１２方位角走査部、１３基準信号受信部、１４データ通信部、１５ＤＣ電源部、１６，１７スリップリング、８０制御機構、８１サーキュレータ、８２ファイバストレッチャ、８３部分反射鏡、８５位相検波器、８６サーボ回路。

Claims

送信系から放射されたレーザ光を受信系で受光し送信系と受信系の間の距離変動を計測する距離変動計測装置であって、
前記送信系が、
基準となる変調信号を生成する変調信号発生器と、
前記変調信号に基づいてレーザ光を照射する光送信器と、
前記光送信器のレーザ光のビーム方向を変更するビーム方向変更手段と、
を含み、
前記受信系が、
前記送信系からのレーザ光を受光し受信信号を得る光受信器と、
前記受信信号の位相検波を行い強度と位相を求める位相検波器と、
前記光受信器のレーザ光の受光視野を変更する受光視野変更手段と、
前記位相検波器で求めた前記受信信号の強度が所定の閾値以上になるように前記受光視野変更手段または通信機能により前記送信系のビーム方向変更手段を制御して受光視野またはビーム方向の調整を行う光学的アライメント調整手段と、
を含むことを特徴とする距離変動計測装置。
前記送信系が、
前記変調信号に基づいて基準信号光を発生する基準信号送信部と、
前記基準信号光を前記受信系に伝送する固定長の光ファイバと、
を含み、
前記受信系が、
前記光ファイバからの基準信号光を電気信号の基準信号に変換する基準信号受信部を含み、
前記位相検波器が前記基準信号を用いて受信信号を位相検波して基準信号と受信信号の位相の差を求め、
前記光学的アライメント調整手段で前記受信信号の強度が所定の閾値以上の時に、前記基準信号と受信信号の位相の差の変動に基づき位相揺らぎを補正した送信系と受信系の間の距離変動を求める距離変動測定手段をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離変動計測装置。
前記光ファイバの長さを一定に保つ長さ制御機構をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の距離変動計測装置。
前記送信系と受信系がそれぞれ固定セクションと、ビーム方向または受光視野の変更のために前記固定セクションに対して可動な可動セクションとからなり、前記前記固定セクションと可動セクションの間でスリップリングを介してデジタル信号伝送と直流の給電を行うことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の距離変動計測装置。