JP2015129646A - レーダ装置および距離速度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高精度に対象物の距離、速度を測定するレーダ装置の提供。
【解決手段】レーザー１０から出力されるレーザー光は、変調器１２において発振器１１からの周期信号で強度変調されて出力される。周期信号は余弦波であり、その周波数はドップラー周波数ｆｄの測定可能な最小値ｆ０である。対象物によって反射されたレーザー光は、合波器１６、光検出器１７によって光ヘテロダイン検波され、ＢＰＦ１８、１９にそれぞれ入力される。ＢＰＦ１８に入力された電気信号は、周波数ｆ０近傍の帯域のみが通過され位相差検出手段２０に入力される。そして、発振器１１からの周期信号との位相差比較により距離が算出される。他方、ＢＰＦ１９に入力された電気信号は、ｆｄ近傍の帯域のみが通過され、周波数解析手段２１に入力される。そして周波数スペクトルを算出し、ドップラー周波数ｆｄから速度が算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光を対象物に照射し、対象物により反射されたレーザー光を検出して、対象物の距離と速度を測定するレーダ装置に関する。また、その距離速度測定方法に関する。

レーザー光を対象物に照射し、対象物によって反射されたレーザー光を受光して解析することにより、対象物の距離および速度を測定するレーダ装置（ＬＩＤＡＲ）が従来知られている。距離と速度の測定方式としては、ＦＭＣＷ方式が知られている（たとえば特許文献１）。ＦＭＣＷ方式では、レーザー光を周波数変調して照射し、受光したレーザー光とローカル光とを光ヘテロダイン検波してビート信号を生成し、その周波数解析により距離と速度を求める。

特開２００１−３２４５６３号公報

しかし、レーザー光を用いたＦＭＣＷ方式による距離速度の測定では、分解能を高めるためには高速なＡＤ変換器が必要であり、技術的、コスト的な問題があった。

そこで本発明は、安価かつ高精度に距離と速度を測定することができるレーダ装置を実現することが目的である。

本発明は、対象物にレーザー光を照射し、対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、対象物までの距離および対象物の速度を測定するレーダ装置において、対象物の運動による測定可能なドップラー周波数ｆｄの最小値よりも小さな周波数ｆ０の周期信号で強度変調されたレーザー光を対象物に照射する送信手段と、対象物によって反射されたレーザー光を受信する受信手段と、受信手段により受信したレーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波し、電気信号に変換する検波手段と、検波手段からの電気信号の周波数ｆ０の成分と周期信号との位相差を検出し、対象物までの距離を測定する位相差検出手段と、検波手段からの電気信号を周波数解析してドップラー周波数ｆｄを求め、速度を測定する周波数解析手段と、を有することを特徴とするレーダ装置である。

検波手段と位相差検出手段との間に、次のような通過特性を有した第１フィルタを設けルことが望ましい。第１フィルタは、周波数ｆ０以上であってドップラー周波数ｆｄ以下である所定周波数をｆ１として、ｆ１以下の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力するフィルタである。このような第１フィルタを設けることで、位相差検出手段２０における信号処理を容易とし、また距離測定精度を向上させることができる。

検波手段と周波数解析手段との間に、次のような通過特性を有した第２フィルタを設けることが望ましい。第２フィルタは、第２フィルタは、周波数ｆ０以上であってドップラー周波数ｆｄ以下である所定周波数をｆ１、ｆ１以上であってドップラー周波数ｆｄ以下の所定周波数をｆ２として、ｆ２以上の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力するフィルタである。このような第２フィルタを設けることで、周波数解析手段２１における信号処理を容易とし、また速度測定精度を向上させることができる。

周期信号は余弦波、矩形波、三角波、ノコギリ波など任意の周期信号を用いることができる。特に、余弦波を用いることが望ましい。測定感度や測定精度を向上させることができる。

レーダ装置の構成のうち、レーザー光を処理する部分、すなわち、送信手段、受信手段および検波手段は、光集積回路により構成してもよい。本発明のレーダ装置をより安価に実現することができる。

速度の方向の測定には、たとえば以下の方法を用いることができる。

１つは、検波手段として、受信手段により受信したレーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波する第１検波手段と、受信手段により受信したレーザー光と送信前のレーザー光のうち一方の位相を９０°シフトして合波し、光ヘテロダイン検波する第２検波手段とを有するものを用いる。そして、周波数解析手段は、第１検波手段と第２検波手段からの出力をＩ信号、Ｑ信号とする複素信号として、その複素信号を周波数解析してドップラー周波数ｆｄを算出する。ｆｄの正負によって速度の方向を求めることができる。

他の１つは、受信手段により受信したレーザー光を、そのレーザー光の波長よりも長波長側と短波長側に分離してそれぞれ電気信号に変換し、２つの電気信号の電圧を比較することで、対象物の速度の方向を検出する速度の方向検出手段を設けることである。

他にも、距離を複数回測定し、距離の時間変化から速度の方向を求めてもよい。

レーダ装置内部において反射されたレーザー光を受信手段が受信して、距離の測定精度を悪化させてしまう場合があるので、これを補正する手段を設けてもよい。

補正手段の１つは、レーダ装置内部でのレーザー光の反射による内部反射信号の値を記録する記録手段を設けることである。そして、位相差検出手段は、記録手段の内部反射信号の値に基づき位相差を補正して対象物までの距離を測定する。

補正手段の他の１つは、レーダ装置内部でのレーザー光の反射による反射光を受信し、その反射光の位相を１８０°シフトして、受信手段により受信したレーザー光と合波することである。これにより、受信したレーザー光のうち内部反射による成分が打ち消され、対象物からの反射によるレーザー光の成分のみに補正される。

レーザー光の強度変調には、外部変調方式を用いてもよいし、直接変調方式を用いてもよい。外部変調方式は、出力されたレーザー光を変調器によって強度変調する方式、直接変調方式は駆動電圧を変調することで強度変調されたレーザー光を直接出力する方式である。

レーダ装置を車載レーダとして用い、速度０．５〜５０ｍ／ｓの対象物を測定対象とする場合、ｆ０は５０〜３００ｋＨｚ、レーザーの波長は０．８〜１．７μｍとするのがよい。このような範囲であれば、対象物の距離速度を感度よく高精度に測定することができる。

本発明の他の１つは、対象物にレーザー光を照射し、対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、対象物までの距離および対象物の速度を測定する距離速度測定方法において、対象物の運動によるドップラー周波数ｆｄよりも小さな周波数ｆ０の周期信号で強度変調されたレーザー光を対象物に照射し、対象物によって反射されたレーザー光を受信し、受信したレーザー光と送信前のレーザー光とを合波し、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、電気信号の周波数ｆ０の成分と周期信号との位相差を検出して対象物までの距離を測定し、電気信号を周波数解析してドップラー周波数ｆｄを求め、速度を測定する、ことを特徴とする距離速度測定方法である。

本発明のレーダ装置では、レーザー光を強度変調する周期信号の周波数として、ドップラー周波数ｆｄよりも小さな周波数ｆ０に設定している。そのため、距離と速度をそれぞれ分離して測定することができる。また、電気信号をデジタル処理する場合のＡＤ変換器として比較的低速なものを用いることができる。よって本発明のレーダ装置によれば、安価かつ高精度に対象物の距離、速度を測定することができる。

実施例１のレーダ装置の構成を示した図。 レーザー光および電気信号の波形を示した図。 速度の方向検出手段２２の構成を示した図。 実施例２のレーダ装置の構成を示した図。 変形例のレーダ装置の構成を示した図。 光集積回路によって構成した例を示した図。 内部反射光による測定誤差を説明する図。 変形例のレーダ装置の構成を示した図。 光集積回路の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のレーダ装置の構成を示した図である。図１中、二重線の矢印はレーザー光の経路を示し、一重線の矢印は電気信号の経路を示している。実施例１のレーダ装置は、図１に示すように、レーザー１０、発振器１１、変調器１２、送信手段１３、受信手段１４、光ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１５、合波器１６、光検出器１７、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１８、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１９、位相差検出手段２０、周波数解析手段２１、速度の方向検出手段２２、によって構成されている。ＢＰＦ１８、ＢＰＦ１９は本発明の第１、２フィルタにそれぞれ相当する。以下、各構成要素について詳しく説明する。

レーザー１０は、波長１５５０ｎｍの連続光であるレーザー光を放射する。レーザー１０から出力されるレーザー光は、２つに分配され、一方は変調器１２に入力され、他方は合波器１６に入力される。

レーザー光の波長は１５５０ｎｍに限らないが、測定精度、発生の容易さ、人体への影響などを考慮して８００〜１７００ｎｍの範囲とすることが望ましい。

発振器１１は、周波数１００ｋＨｚの余弦波である周期信号を発生させる。この周期信号は、変調器１２と位相差検出手段２０に入力される。

発振器１１の出力する周期信号は、実施例１のように余弦波である必要はなく、周期信号であれば任意の信号でよい。たとえば三角波、矩形波、ノコギリ波などの信号を用いることができる。ただし、測定の感度を高め、測定精度の向上を図るために余弦波を用いることが好ましい。

周期信号の周波数は、レーダ装置によって測定を予定している対象物の速度によって決める。詳細には、周期信号の周波数は、対象物の運動によって生じるドップラー周波数ｆｄよりも十分に低い値に設定する。十分に低い値とは、周期信号の周波数とドップラー周波数ｆｄとをフィルタによって分離可能な程度である。このように周期信号の周波数を設定することで、距離と速度の同時測定を容易に可能としている。

たとえば、レーダ装置を車両に搭載して車載レーダとして用いる場合、対象物は歩行者や前方車両などである。それらの車両に対する相対速度（すなわちレーダ装置に対する相対速度ｖ）は、およそ０．５ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓであるから、ドップラー周波数ｆｄはｆｄ＝２ｖ／λ、ここでλはレーザー光の波長、より０．６５〜６５ＭＨｚである。したがって、周期信号の周波数は６５０ｋＨｚより十分に低い値、たとえば５００ｋＨｚ以下であればよい。つまりはドップラー周波数ｆｄの測定可能な最小値であればよい。ただし、５０ｋＨｚよりも小さいと、レーザーの線幅よりも小さいため測定精度が悪化してしまい望ましくない。そこで実施例１では１００ｋＨｚに設定している。

変調器１２には、レーザー１０からのレーザー光と、発振器１１からの周期信号が入力される。変調器１２は、レーザー光を周期信号で強度変調して出力する。

送信手段１３は、変調器１１からのレーザー光を対象物に照射する光学系であり、レーザー光を所定の方向に導く光導波路やレンズなどによって構成されている。

受信手段１４は、対象物によって反射されたレーザー光を集光して受光する光学系であり、光導波路、集光レンズ、受光したレーザー光の偏光状態を補正する回路などによって構成されている。受光したレーザー光は、光ＢＰＦ１５に入力される。

なお、送信手段１３と受信手段１４は、光サーキュレータなどを用いることで送信と受信を共用する送受信手段としてもよい。

光ＢＰＦ１５には、受信手段１４からのレーザー光が入力される。光ＢＰＦ１５は、レーザー光の波長帯域は透過させ、他の帯域は透過させない光学フィルタである。光ＢＰＦ１５の出力は合波器１６に入力される。この光ＢＰＦ１５により外乱光などをカットしてＣＮ比を改善し、距離、速度の測定精度向上を図っている。

合波器１６には、光ＢＰＦ１５からのレーザー光と、レーザー１０からのレーザー光が入力される。合波器１６はこの２つのレーザー光を合波して光検出器１７に出力する。

光検出器１７には、合波器１６からのレーザー光が入力される。光検出器１７は、入力されたレーザー光を光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し出力する。光検出器１７はフォトダイオードである。光検出器１７からの出力は２つに分配され、ＢＰＦ１８とＢＰＦ１９にそれぞれ入力される。

ＢＰＦ１８は、入力された電気信号について、周期信号の周波数近傍、すなわち１００ｋＨｚ近傍（たとえば９０〜１１０ｋＨｚ）の周波数帯域は通過させ、それ以外の帯域については遮断して出力するフィルタである。ＢＰＦ１８の出力する電気信号は位相差検出手段２０に入力される。

なお、ＢＰＦ１８の通過帯域は、発振器１１からの周期信号として矩形波、三角波などの高調波を含む波形を用いる場合には、基本周波数よりも高い周波数を含むような範囲とするのが望ましい。また、基本周波数を含む通過帯域であれば、ＢＰＦ１８に替えてローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いてもよい。たとえば基本周波数１００ｋＨｚの矩形波を用いる場合、５００ｋＨｚ以下の周波数を通過し、他の帯域は遮断するＬＰＦを用いることができる。

ＢＰＦ１９は、入力された電気信号に対して、５００ｋＨｚ以上３３Ｍｚ以下の周波数帯域は通過させ、それ以外の帯域は遮断して出力するフィルタである。ＢＰＦ１９の出力する電気信号は周波数解析手段２１に入力される。

なお、ドップラー周波数を含む通過帯域であれば、ＢＰＦ１９に替えて（ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いてもよい。ただし、ＢＰＦ１９を用いて通過帯域をより制限する方が、速度をより高精度に求めることができるので望ましい。

ＢＰＦ１８、１９は、実施例１のレーダ装置により距離、速度を算出するために必ずしも必要なものではないが、位相差検出手段２０、周波数解析手段２１における信号処理を容易とし、距離、速度を高精度に測定するためには設けることが望ましい。

位相差検出手段２０には、ＢＰＦ１８からの電気信号と、発振器１１からの周期信号が入力される。位相差検出手段２０は、ロックインアンプによる同期検波で入力された２つの信号の位相差を検出し、対象物の距離を測定する。

周波数解析手段２１は、入力された電気信号をＡＤ変換し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）する。そして、得られた周波数スペクトルからドップラー周波数を検出し、対象物の速度を測定する。速度の向きについては、速度の方向検出手段２２によって別途測定する。

なお、光検出器１７とＢＰＦ１８との間にＡＤ変換器を設け、ＢＰＦ１８以降の信号処理をデジタル処理としてもよいし、ＢＰＦ１８はアナログ処理とし位相差検出手段２０にＡＤ変換器を設けて位相差検出手段２０での信号処理をデジタル処理としてもよい。同様に、ＢＰＦ１９以降の信号処理をデジタル処理としてもよいし、ＢＰＦ１９はアナログ処理、周波数解析手段２１をデジタル処理としてもよい。ＢＰＦ１８、１９、位相差検出手段２０、および周波数解析手段２１は、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）により構成してもよい。

速度の方向検出手段２２には、光ＢＰＦ１５からのレーザー光が入力される。速度の方向検出手段２２は、その入力されたレーザー光から、対象物の速度の方向、つまり対象物がレーダ装置に近づいているのか遠ざかっているのかを測定する。

なお、速度の方向を検出しなくてもよい場合などには速度の方向検出手段２２は必要ない。また、速度の方向検出手段２２を設けず、距離を複数回測定し、その距離の増減から速度の方向を判定してもよい。

次に、実施例１のレーダ装置によって対象物の距離、速度を測定する動作について詳細に説明する。

レーザー１０から出力されるレーザー光は、分配されて一方は変調器１２に、他方は合波器１６に入力される。変調器１２に入力されたレーザー光は、単一周波数の余弦波である発振器１１からの周期信号で強度変調されて出力される。図２（ａ）は周期信号の波形、（ｂ）は強度変調されたレーザー光の波形である。ここで、レーザー光の角周波数をω、周期信号の角周波数をω０とすると、強度変調されたレーザー光は角周波数ω、ω＋ω０、ω−ω０の３つの角周波数成分を含む。

強度変調されたレーザー光は、送信手段１３によってレーダ装置の外部の対象物に照射される。そして、対象物によって反射されたレーザー光は、受信手段１４によって受光される。ここで、対象物がレーダ装置に対して相対速度ｖで運動している場合、受光したレーザー光は、ドップラー効果によって周波数がシフトしている。ドップラー周波数をｆｄとし、ωｄ＝２π・ｆｄとすれば、ｖ＝ｃ・ωｄ／（２ω）、である。ここでｃは光速である。よって、受光したレーザー光の各角周波数成分は、ω＋ωｄ、ω＋ωｄ＋ω０、ω＋ωｄ−ω０、の３成分である。なお、ωｄの正負は、対象物がレーダ装置に近づく方向を正、遠ざかる方向を負にとる。

受信手段１４によって受光したレーザー光は、光ＢＰＦ１５によって外乱光などがカットされた後、分配されて一方は合波器１６においてレーザー１０からのレーザー光と合波され、光検出器１７に入力される。他方は速度の方向検出手段２２に入力される。

光検出器１７に入力されたレーザー光は光ヘテロダイン検波され、差周波数成分が電気信号として出力される。その角周波数は、ωｄ、ωｄ＋ω０、ωｄ−ω０、ω０、２ω０の５つの成分を含む。このように光ヘテロダイン検波を用いることにより、高感度に距離、速度を測定することができる。参考として、以下の信号処理において必要とするωｄとω０の２つの成分を有する電気信号の波形を図２（ｃ）に示す。

光検出器１７から出力された電気信号は、２分配されてＢＰＦ１８、１９にそれぞれ入力される。

ＢＰＦ１８に入力された電気信号は、角周波数ω０近傍の帯域のみが通過され、他の角周波数成分は遮断される。そして、ＢＰＦ１８を通過した電気信号は位相差検出手段２０に入力される。

位相差検出手段２０には、発振器１１からの周期信号とＢＰＦ１８からの電気信号が入力される。図２（ｄ）にその電気信号の波形を示す。そして、ロックインアンプによる同期検波でｃｏｓΔφとｓｉｎΔφ（ここでΔφは周期信号とＢＰＦ１８からの電気信号との位相差）の直流電圧値が得られ、その値から位相差Δφが算出される。そして、レーダ装置から対象物までの距離Ｒは、Ｒ＝ｃ・Δφ／（２ω０）によって算出することができる。ロックインアンプを用いるため、高精度かつ高解像度に位相差Δφを測定することができるので、距離Ｒも高精度かつ高解像度に測定することができる。またその結果として、電気信号をデジタル処理する場合のＡＤ変換器として比較的低速な機器を用いたとしても、位相差Δφを高精度に求めることができる。

他方、ＢＰＦ１９に入力された電気信号は、角周波数ωｄ近傍の帯域のみが通過され、他の角周波数成分は遮断される。そして、ＢＰＦ１９を通過した電気信号は周波数解析手段２１に入力される。図２（ｅ）にＢＰＦ１９を通過した電気信号の波形を示す。

周波数解析手段２１では、以下のようにして入力された電気信号を周波数解析して対象物の速度ｖを算出する。まず、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）によって入力された電気信号の周波数スペクトルを算出する。そして、その周波数スペクトルのピーク位置からドップラー周波数ｆｄ（＝ωｄ／２π）を求める。ドップラー周波数ｆｄが求まると、ｖ＝λ・ｆｄ／２、ここでλはレーザー１０の出力するレーザー光の波長、によって対象物の速度ｖを算出することができる。

このように、実施例１のレーダ装置では、周期信号の周波数をドップラー周波数よりも低い値とすることで、受信した電気信号を周期信号の周波数と、ドップラー周波数の信号とに分離することを可能とし、それにより位相差検出手段２０と周波数解析手段２１で距離と速度をそれぞれ測定することができるようにしている。

なお、周波数解析手段２１では速さは測定できるが速度の向き（対象物がレーダ装置に近づいているのか、それとも遠ざかっているのか）は測定することができない。そこで、速度の方向検出手段２２によって以下のようにして向きを測定する。

速度の方向検出手段２２は、受信したレーザー光の波長がレーザー１０の発振波長に対して長波長側と短波長側のどちら側にずれているかを測定することにより、速度の方向を測定する。

図３は、速度の方向検出手段２２の具体的な構成を示した図である。図３のように、速度の方向検出手段２２は、リング共振器型フィルタ１００と、２つのフォトダイオード１０１、１０２と、比較器１０３と、によって構成されている。光ＢＰＦ１５を透過したレーザー光の一部は、速度の方向検出手段２２のリング共振器型フィルタ２３に入力される。リング共振器型フィルタ２３は、入力されたレーザー光をレーザー１０の出力波長λを中心として長波長側と短波長側に分離する。そして、長波長側のレーザー光と短波長側のレーザー光とを、それぞれフォトダイオード１０１、１０２によって電気信号に変換する。フォトダイオード１０１、１０２から出力される電気信号は比較器０３に入力される。比較器１０３では、入力された２つの電気信号の電圧差に応じた出力が得られる。

ここで、対象物がレーダ装置に近づく方向に運動している場合、ドップラー効果によりレーザー光の波長は短波長側にシフトし、離れる方向に運動している場合は長波長側にシフトする。そのため、フォトダイオード１０１、１０２が出力する電気信号は波長シフトに応じて電圧に差が生じる。長波長側に波長シフトしている場合には、フォトダイオード１０１からの電気信号の方が電圧が大きくなり、短波長側に波長シフトしている場合には、フォトダイオード１０２からの電気信号の方が電圧が大きくなる。したがって、比較器１０３によってどちらの電圧の方が大きいかを検出することで、波長が長波長側と短波長側のどちらにシフトしているかがわかり、対象物の速度の方向がわかる。

以上、実施例１のレーダ装置によれば、高感度で高精度に対象物の距離、速度を測定することができる。また、デジタル処理する場合のＡＤ変換器として比較的低速な機器を用いることができ、レーダ装置におけるレーザー光の処理部分は光集積回路によってモジュール化することができるため、実施例１のレーダ装置は低コスト化を図ることが容易である。

図４は、実施例２のレーダ装置の構成を示した図である。実施例２のレーダ装置は、実施例１のレーダ装置において、π／２移相器２００、合波器２０１、光検出器２０２、ＢＰＦ２０３を追加し、周波数解析手段２１に替えて周波数解析手段２１０とし、速度の方向検出手段２２を省いた構成である。その他の構成は実施例１と同様である。合波器２０１、光検出器２０２、ＢＰＦ２０３は、実施例１の合波器１６、光検出器１７、ＢＰＦ１９と同一性能のものを用いる。以下、実施例１と異なる構成部分について説明するとともに、実施例２のレーダ装置の動作について説明する。

レーザー１０の出力するレーザー光は分配されて変調器１２、合波器１６、π／２移相器２００に入力される。π／２移相器２００には、レーザー１０からのレーザー光が入力され、π／２移相して合波器２０１に出力する。

光ＢＰＦ１５から出力されたレーザー光は、分配されて合波器１６、２０１に入力される。合波器２０１には、π／２移相器２００からのレーザー光と、光ＢＰＦ１５からのレーザー光が入力され、それらを合波して出力する。

光検出器２０２は、入力されたレーザー光を光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、ＢＰＦ２０３を介して周波数解析手段２１０に出力する。また、実施例１と同様に光検出器１７は、合波器１６から入力されたレーザー光を光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、ＢＰＦ１９を介して周波数解析手段２１０に出力する。つまり、光検出器１７が出力する電気信号はＩ信号、光検出器２０２が出力する電気信号はＱ信号である。

周波数解析手段２１０には、ＢＰＦ１９とＢＰＦ２０３からの電気信号（Ｉ信号、Ｑ信号）が入力される。周波数解析手段２１０は、実部をＩ信号、虚部をＱ信号とする複素信号とし、その複素信号をＦＦＴして周波数スペクトルを算出し、その周波数スペクトルのピークから正負を含めたドップラー周波数を算出する。そして、ドップラー周波数の絶対値から速さ、ドップラー周波数の正負から速度の方向を算出する。対象物がレーダ装置に近づいている場合には正のドップラー周波数、遠ざかっている場合には負のドップラー周波数となる。

なお、対象物までの距離については、実施例１のレーダ装置と同様にして測定する。つまり、ＢＰＦ１８からの電気信号と発振器１１からの周期信号との位相差から距離を算出する。

このように、実施例２のレーダ装置では、合波器１６と光検出器１７によって光ヘテロダイン検波してＩ信号を生成し、π／２移相器２００と合波器２０１と光検出器２０２によって、レーザー光のままで位相を９０°ずらして光ヘテロダイン検波してＱ信号を生成している。つまり、直交検波と光ヘテロダイン検波を同時に行う構成としている。そして、それによって得られるＩ信号とＱ信号とで複素信号を構成してＦＦＴすることにより、ドップラー周波数を正負も含めて算出し、速度とその方向を求めている。

この実施例２のレーダ装置によれば、実施例１のレーダ装置と同様に、高感度で高精度に対象物の距離、速度を測定することができる。

なお、実施例２において光検出器２０２において光ヘテロダイン検波する際に、レーザー１０から出力されるレーザー光側ではなく、受信手段１４により受信したレーザー光の方をπ／２移相器２００によって位相を９０°シフトすることで光検出器２０２においてＱ信号を生成するようにしてもよい。

［各種変形例］
速度の方向を検出する手段は、実施例１、２に限るものではなく、従来知られている各種方法を用いることができる。たとえば、距離を複数回測定し、距離の時間変化から速度の方向を求めてもよい。

また、実施例１、２のレーダ装置は、レーザーからのレーザー光を変調器１２によって外部から変調する外部変調方式であるが、レーザーの駆動電流の制御により直接強度変調する直接変調方式にも本発明は適用することができる。

一例として、図５に、実施例２において外部変調方式から直接変調方式に替えた場合の構成を示す。図５のように、変調器１２は省き、レーザー１０に替えてレーザー３００が設けられている。また、発振器１１からの周期信号がレーザー３００に入力される。レーザー３００は、発振器１１からの周期信号に基づき駆動電流を変調し、周期信号で強度変調されたレーザー光を出力する。この変調されたレーザー光は分配されて送信手段１３、合波器１６、π／２移相器２００に入力される。合波器１６、２０１には変調されたレーザー光が入力されるため、光検出器１７、２０２から出力される電気信号には、実施例２の場合以外の周波数成分、ωｄ＋２ω０、ωｄ−２ω０も含まれる。これらの周波数成分も考慮して補正すれば、実施例２と同様にしてドップラー周波数ωｄを算出して対象物の速度を測定することができる。また、光検出器１７、２０２から出力される電気信号のうち、周波数がω０の成分には、発振器１１からの周期信号との位相差が生じていない成分も含まれる。したがって、その分の補正を行えば、実施例２と同様に位相差検出手段２０における位相差の検出により距離を測定することができる。

また、実施例１、２のレーダ装置において、レーザー光を処理する構成部分を光集積回路によって構成してもよい。一例として、図６に、実施例２のレーダ装置におけるレーザー光処理部分を光集積回路とした構成を示す。光集積回路の各素子と実施例２の構成要素との対応を説明する。

各構成要素を接続する光導波路３００には、ＳｉＯ₂ 基板上に線路状にＳｉを形成された構造を用いる。光導波路３００を分配するにはカプラ３０１を用いる。また、変調器１２としてリングモジュレータ３０２を用いる。また、送信手段１３として、光導波路３００の端面からそのまま外部に放射させる構成としている。受信手段１４として、偏光補正回折格子３０３を用いている。偏光補正回折格子３０３により受信するレーザー光の偏光状態を補正することで光導波路３００との結合を良好としている。また、光ＢＰＦ１５としてはリング共振器３０４を用いている。π／２移相器２００としては光導波路上にヒータを配置し、ヒータの熱により熱光学効果で位置変調するものを用いる。光検出器１７、２０２にはフォトダイオード３０５を用いている。また、ＶＯＡ（可変光アッテネータ）３０６が光導波路３００に挿入されており、これによりレーザー１０からフォトダイオード３０５に入力されるレーザー光の強度を調整可能としている。

このように実施例１、２のレーダ装置のレーザー光処理部分を光集積回路としてモジュール化することで、レーダ装置のコストを低減することができる。

また、実施例１、２のレーダ装置では、レーダ装置内部でのレーザー光の反射光を受信してしまい、測定精度が悪化してしまう場合がある。図７に示すように、実信号に内部反射信号が加わると、実際に測定される測定信号のベクトルは、実信号のベクトルと内部反射信号のベクトルを足し合わせたベクトルである。そのため、測定信号は実信号とは位相が異なる。その結果、距離の測定に誤差を生じてしまう。そこで、内部反射信号とはベクトルが逆向きで大きさの等しい信号を足し合わせることで、実信号を取り出せるように補正することが考えられる。これは、たとえば以下の２通りの方法によって可能である。

１つは、内部反射信号の値を記録しておき、測定信号から差し引くことで実信号とする方法である。内部反射信号は、レーザ装置の構造やレーザ装置の設置環境などに起因するもので、常時一定の値をとる。そこで、内部反射信号の値を工場出荷時などに記録手段に記録しておき、その値を位相差検出手段２０において差し引くことで実信号に補正することができる。図８は、そのような記録手段４００を実施例２のレーダ装置に設けた例である。たとえば、位相差検出手段２０におけるロックインアンプからの出力であるｃｏｓΔφ、ｓｉｎΔφから、記録手段４００が保持する補正データα、βを差し引いてｃｏｓΔφ−α、ｓｉｎΔφ−βとすることで補正を行う。

他の１つは、内部反射による反射光を別途受信し、位相を１８０°シフトしてから、受信したレーザー光と合波する方法である。レーザー光の段階で補正を行うため、高感度である。図９は、そのような補正手段を図６の光集積回路に付加したものである。図９のように、レンズ５００と、偏光補正回折格子５０１と、フィルタ５０２、ＶＯＡ５０３と、カプラ５０４をさらに有している。レンズ５００は、レーダ装置内部で反射するレーザー光（反射光）を集光して偏光補正回折格子５０１に入射させるものである。偏光補正回折格子５０１によって偏光状態が補正された反射光はフィルタ５０２を通過した後、ＶＯＡ５０３によって光強度が調整され、かつ位相が１８０°シフトされる。そして、カプラ５０４によって、フィルタ３０４を通過したレーザー光と合波される。これにより、受信したレーザー光のうち反射光の成分が打ち消され、対象物からの反射光の成分のみに補正することができる。

また、本発明のレーダ装置を車載レーダとして使用する場合、対象物は歩行者や前方車両などであり、その速度はおよそ０．５〜５０ｍ／ｓである。このとき、発振器１１からの周期信号の周波数ｆ０は５０〜３００ｋＨｚ、レーザーの波長は８００〜１７００ｎｍとすることで、制度よく対象物の距離、速度を測定することができる。

本発明のレーダ装置は、車載レーダなどに用いることができ、歩行者などの検出を行うことができる。

１０：レーザー
１１：発振器
１２：変調器
１３：送信手段
１４：受信手段
１５：光ＢＰＦ
１６、２０１：合波器
１７、２０２：光検出器
１８、１９、２０３：ＢＰＦ
２０：位相検出手段
２１、２１０：周波数解析手段
２２：速度の方向検出手段
２００：π／２移相器
４００：記録手段

Claims (13)

1. 対象物にレーザー光を照射し、前記対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、前記対象物までの距離および前記対象物の速度を測定するレーダ装置において、
   前記対象物の運動による測定可能なドップラー周波数ｆｄの最小値よりも小さな周波数ｆ０の周期信号で強度変調されたレーザー光を前記対象物に照射する送信手段と、
   対象物によって反射された前記レーザー光を受信する受信手段と、
   前記受信手段により受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波し、電気信号に変換する検波手段と、
   前記検波手段からの前記電気信号の周波数ｆ０の成分と前記周期信号との位相差を検出し、前記対象物までの距離を測定する位相差検出手段と、
   前記検波手段からの前記電気信号を周波数解析してドップラー周波数ｆｄを求め、速度を測定する周波数解析手段と、
   を有することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記検波手段と前記位相差検出手段との間に第１フィルタを有し、
   前記第１フィルタは、周波数ｆ０以上であってドップラー周波数ｆｄ以下である所定周波数をｆ１として、ｆ１以下の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記検波手段と前記周波数解析手段との間に第２フィルタを有し、
   前記第２フィルタは、周波数ｆ０以上であってドップラー周波数ｆｄ以下である所定周波数をｆ１、ｆ１以上であってドップラー周波数ｆｄ以下の所定周波数をｆ２として、ｆ２以上の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記周期信号は余弦波であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーダ装置。
5. 前記送信手段、前記受信手段および前記検波手段は、光集積回路により構成されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のレーダ装置。
6. 前記検波手段は、前記受信手段により受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波する第１検波手段と、前記受信手段により受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光のうち一方の位相を９０°シフトして合波し、光ヘテロダイン検波する第２検波手段とを有し、
   前記周波数解析手段は、前記第１検波手段と前記第２検波手段からの出力をＩ信号、Ｑ信号とする複素信号として、その複素信号を周波数解析し、ドップラー周波数ｆｄから速さを求めるとともにドップラー周波数ｆｄの正負によって速度の向きを検出する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のレーダ装置。
7. 前記受信手段により受信した前記レーザー光を、そのレーザー光の波長よりも長波長側と短波長側に分離してそれぞれ電気信号に変換し、２つの電気信号の電圧を比較することで、前記対象物の速度の方向を検出する速度の方向検出手段をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のレーダ装置。
8. レーダ装置内部でのレーザー光の反射による内部反射信号の値を記録する記録手段をさらに有し、
   前記位相差検出手段は、前記記録手段の前記内部反射信号の値に基づき位相差を補正して前記対象物までの距離を測定する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のレーダ装置。
9. レーダ装置内部でのレーザー光の反射による反射光を受信し、その反射光の位相を１８０°シフトして合波することにより、前記受信手段により受信したレーザー光を補正する補正手段をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のレーダ装置。
10. 変調器によってレーザー光を強度変調する外部変調方式であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のレーダ装置。
11. 駆動電圧の変調によって強度変調されたレーザー光を生成する直接変調方式であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のレーダ装置。
12. 前記レーダ装置は車載レーダであって速度０．５〜５０ｍ／ｓの対象物を測定対象とし、ｆ０は５０〜３００ｋＨｚ、レーザーの波長は０．８〜１．７μｍである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のレーダ装置。
13. 対象物にレーザー光を照射し、前記対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、前記対象物までの距離および前記対象物の速度を測定する距離速度測定方法において、
    前記対象物の運動による測定可能なドップラー周波数ｆｄの最小値よりも小さな周波数ｆ０の周期信号で強度変調されたレーザー光を前記対象物に照射し、
    対象物によって反射された前記レーザー光を受信し、
    受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光とを合波し、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、
    前記電気信号の周波数ｆ０の成分と前記周期信号との位相差を検出して前記対象物までの距離を測定し、
    前記電気信号を周波数解析してドップラー周波数ｆｄを求め、速度を測定する、
    ことを特徴とする距離速度測定方法。

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