JP2016166816A - Coherent laser rader system and target measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コヒーレントレーザレーダ装置および目標測定方法に関する。 The present invention relates to a coherent laser radar device and a target measurement method.
コヒーレントレーザレーダ装置には、単一周波数のパルスレーザ光を発振するパルスレーザを光源にしたものと、単一周波数の連続光を発振するCW(Continuous Wave:連続波)レーザを光源にしたものとがある。 The coherent laser radar device uses a pulse laser that oscillates a single frequency pulse laser as a light source, and a CW (Continuous Wave) laser that oscillates a single frequency continuous light as a light source. There is.
特許文献1には、パルスレーザを光源とするコヒーレントレーザレーダ装置が開示されている。該コヒーレントレーザレーダ装置は、レーザ光を二分し、一方のレーザ光を送信光として空間に放射し、他方のレーザ光をローカル光として遅延線路で所定の時間だけ遅延させる。該コヒーレントレーザレーダ装置は、空間に存在するエアロゾルなどの目標からの反射光と遅延させられたローカル光とをコヒーレント検波することで、目標の速度を含む物理量を測定する。
特許文献2には、CWレーザを光源とするコヒーレントレーザレーダが開示されている。該コヒーレントレーザレーダ装置は、レーザ光を二分し、一方のレーザ光の周波数をシフトさせて、周波数の異なる2つのレーザ光である信号光とローカル光を生成する。該コヒーレントレーザレーダ装置は、信号光のみをパルス変調し、パルス変調された信号光を空間に放射し、空間に存在する目標からの反射光とローカル光とをヘテロダイン検波することで、目標の速度を含む物理量を測定する。
特許文献1に開示されるコヒーレントレーザレーダ装置は、ローカル光の遅延時間に相当する距離に位置する観測対象のデータしか取得できないため、距離分布データを取得するためには、複数の遅延回路が必要となり、装置規模が大きくなるという課題がある。
Since the coherent laser radar device disclosed in
特許文献2に開示されるコヒーレントレーザレーダ装置は、光源としてCWレーザを用いるため、ローカル光を遅延させなくても、目標からの反射光とローカル光とのヘテロダイン検波を行うことが可能である。しかし、信号光が目標までの距離を往復する間に、レーザ光源の発振周波数が変動すると、信号光とローカル光の相関度が低くなり、ヘテロダイン検波をして得られるビート信号のS/N(Signal-to-Noise:信号対雑音)比が劣化してしまい、目標の物理量の測定値に誤差が生じる。
Since the coherent laser radar device disclosed in
ビート信号のS/N比の劣化を抑制するために、光スペクトル純度の高い単一モード発振レーザが必要となる。特許文献2に開示されるコヒーレントレーザレーダ装置は、線幅100Hz以下の高スペクトル純度のCWレーザ光源を用いる。このようなレーザ光源を実現するためには、共振器長を長くする必要があるが、温度または振動などの環境変動によって共振器長が変動すると、周波数変動および線幅拡大が生じる。また共振器長を長くするために、レーザ光源が大型化され、重量の増大、価格の上昇、安定性の低下、および耐環境性能の低下などの課題が生じる。
In order to suppress the deterioration of the S / N ratio of the beat signal, a single mode oscillation laser with high optical spectrum purity is required. The coherent laser radar device disclosed in
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object thereof is to improve the measurement accuracy of a target physical quantity with a simpler configuration.
上記目的を達成するため、本発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、光分岐器と、光周波数変換器と、送受光学系と、測定部と、補償回路とを備える。光分岐器は、レーザ光源から出力された連続波であるレーザ光を二分して送信信号光およびローカル光を出力する。光周波数変換器は、送信信号光およびローカル光の一方の周波数をシフトさせる。送受光学系は、送信信号光を空間へ放射し、空間に存在する目標で反射された送信信号光である反射光を受信し、受信信号光を生成する。測定部は、連続光であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第1のビート信号を生成し、第1のビート信号から目標の速度を含む物理量を測定する。補償回路は、送信信号光が目標まで往復する時間に生じるレーザ光源の発振周波数の変動を補償する。 In order to achieve the above object, a coherent laser radar device according to the present invention includes an optical branching device, an optical frequency converter, a transmission / reception optical system, a measurement unit, and a compensation circuit. The optical branching device bisects the laser beam, which is a continuous wave output from the laser light source, and outputs transmission signal light and local light. The optical frequency converter shifts one frequency of the transmission signal light and the local light. The transmission / reception optical system radiates the transmission signal light to the space, receives the reflected light that is the transmission signal light reflected by the target existing in the space, and generates the reception signal light. The measurement unit generates a first beat signal by performing heterodyne detection and photoelectric conversion of the mixed light of the local light that is continuous light and the received signal light, and generates a physical quantity including a target speed from the first beat signal. taking measurement. The compensation circuit compensates for fluctuations in the oscillation frequency of the laser light source that occur during the time that the transmission signal light reciprocates to the target.
本発明によれば、送信信号光が目標まで往復する時間に生じるレーザ光源の発振周波数の変動を補償することで、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the measurement accuracy of the target physical quantity with a simpler configuration by compensating for the fluctuation of the oscillation frequency of the laser light source that occurs during the time when the transmission signal light reciprocates to the target.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。コヒーレントレーザレーダ装置1(以下、レーザレーダ装置1という)は、CW(Continuous Wave:連続波)レーザである光源11が出力するレーザ光を二分して一方の周波数をシフトし、周波数の異なる2つのレーザ光の一方である送信信号光を空間に放射する。レーザレーダ装置1は、空間に存在する目標で反射された送信信号光である反射光から受信信号光を生成し、該2つのレーザ光の他方であって、連続波であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第1のビート信号を生成し、第1のビート信号に対して必要に応じて周波数変換などの信号処理を行った後に、第1のビート信号から目標の物理量を測定する。目標の物理量は、目標の速度、および目標までの距離などである。レーザレーダ装置1は、送信信号光が目標まで往復する時間に生じる光源11の発振周波数の変動を補償する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a coherent laser radar apparatus according to
レーザレーダ装置1は、CWレーザである光源11、光源11が出力するレーザ光を二分して送信信号光とローカル光とを生成する光分岐器12と、送信信号光の周波数を定められた量だけシフトさせる光周波数変換器13と、光周波数変換器13での周波数のシフトに用いられる基準信号を出力する信号発生器14とを備える。レーザレーダ装置1は、送信信号光を送受光学系16に送り、送受光学系16から送られた受信信号光を測定部3に送る光サーキュレータ15と、送信信号光を送信し、目標で反射された送信信号光である反射光を受信して受信信号光を生成する送受光学系16とを備える。またレーザレーダ装置1は、送信信号光が目標まで往復する時間に生じる光源11の発振周波数の変動を補償する補償回路2と、目標の物理量の測定を行う測定部3とを備える。補償回路2は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させる光遅延回路17を備える。測定部3は、遅延させられたローカル光と、受信信号光とを混合する光混合器18と、遅延させられたローカル光と受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第1のビート信号を出力する光電変換部19と、第1のビート信号に対して必要に応じて信号処理を行った後に目標の物理量を測定する信号処理部20とを備える。
The
図1において、実線の矢印は光信号を示し、実線の矢印で接続されるレーザレーダ装置1の各部の間は、全て光回路接続されており、例えば光ファイバまたは空間光ビームなどにより接続されている。レーザレーダ装置1の各部を接続する光ファイバは、偏波面保存光ファイバを用いることが望ましいが、偏波変動を許容できる場合または偏波変動を補償する手段を別途設ける場合には、シングルモードの光ファイバを用いてもよい。図1において、点線の矢印は電気信号を示し、点線の矢印で接続されるレーザレーダ装置1の各部の間は、全て電気回路により接続されている。
In FIG. 1, solid arrows indicate optical signals, and all parts of the
光源11は、単一周波数からなるCW光を出力する。光分岐器12は、光源11からのレーザ光を二分して、一方のレーザ光である送信信号光を光周波数変換器13に、他方のレーザ光であるローカル光を光遅延回路17に送る。光周波数変換器13は、信号発生器14が出力するRF(Radio Frequency:無線周波数)信号である基準信号の周波数に相当する量だけ、送信信号光の周波数をシフトさせ、周波数をシフトさせた送信信号光を光サーキュレータ15に送る。また基準信号の強度に応じて、光周波数変換器13が出力する送信信号光の強度も変化する。光周波数変換器13として、AOM(Acousto-Optic Modulator:音響光学変調器)を用いることができる。光サーキュレータ15は、送信信号光を送受光学系16に送る。送受光学系16は、送信信号光を所定の光ビームに変換した後、光ビームを空間に放射する。
The
空間に放射された光ビームは、例えば空間中に浮遊するエアロゾルなどの目標(散乱体)により反射され、この反射光(後方散乱光)が送受光学系16で受信される。送受光学系16は、反射光を受信して、必要に応じて周波数変換などを行い、受信信号光を生成する。送受光学系16は、受信信号光を光サーキュレータ15に送り、光サーキュレータ15は、受信信号光を測定部3が備える光混合器18に送る。光サーキュレータ15の代わりに、偏光ビームスプリッタおよび偏光ビームスプリッタと送受光学系16との間に設けられた偏波回転手段などの、送信信号光と受信信号光とを分離する任意の手段を用いることができる。
The light beam radiated to the space is reflected by a target (scattering body) such as an aerosol floating in the space, and the reflected light (backscattered light) is received by the transmission / reception
光遅延回路17は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて、光混合器18に送る。シングルモードの光ファイバの伝送損失は、波長1.3μm,1.5μm帯において、0.1〜0.2dB/kmである。したがって、光遅延回路17を、例えば長尺の光ファイバなどで実現する場合、光ファイバは低損失であり、かつ、細線であるため、長尺でも低損失かつコンパクトな光遅延回路17を実現することができる。光ファイバの屈折率を1.5とすると、1kmの光ファイバで光学長1.5km相当である5μ秒の遅延を実現できる。
The
光遅延回路17には、目標の推定位置に対応する遅延時間、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定されている。閾値は任意に定めることができる。閾値を十分に小さくすることで、光遅延回路17に設定される遅延時間は、送受光学系16から放射された送信信号光が目標までの距離を往復するのに要する時間に一致するとみなすことができる。
In the
光混合器18は、遅延させられたローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部19に送る。光電変換部19は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第1のビート信号を生成し、信号処理部20に送る。第1のビート信号の周波数は、光周波数変換器13で与えられた周波数のシフト量に目標の速度に対応するドップラー周波数シフト量が重畳されたものである。光電変換部19は、1つのフォトダイオードで構成されてもよいし、光混合器18の出力を二分して、光電変換部19を構成する2つのフォトダイオードで、二分された光混合器18の出力をそれぞれ受信してもよい。2つのフォトダイオードでバランスドレシーバを形成することで、光源11に起因するRIN(Relative Intensity Noise:相対強度雑音)を抑制することが可能となる。信号処理部20は、第1のビート信号に対して必要に応じて周波数変換などの信号処理を行い、第1のビート信号から目標の物理量を測定する。
The
送信信号光が目標を往復するまでの時間、すなわち送受光学系16が送信信号光を放射してから反射光を受信するまでの間に、光源11の発振周波数が変動する場合がある。一般的なコヒーレントレーザレーダ装置においては、ヘテロダイン検波および光電変換を行うことで得られる電気信号のS/N(Signal-to-Noise:信号対雑音)比が、レーザ光源の発振周波数の変動によって劣化することがある。しかし、実施の形態1に係るレーザレーダ装置1においては、光源11としてCWレーザを用い、補償回路2によって目標の推定位置に対応する遅延時間だけ遅延された連続波であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波を行うため、光源11の発振周波数が変動した場合であっても第1のビート信号のS/N比の劣化が抑制される。
There is a case where the oscillation frequency of the
パルスレーザをレーザ光源として用いる一般的なコヒーレントレーザレーダ装置では、ローカル光と受信信号光とのコヒーレント検波を行うために、送信信号光が目標まで往復する時間だけ、ローカル光を遅延させている。該コヒーレントレーザレーダ装置におけるローカル光の遅延はコヒーレント検波を可能にするためのものであり、該コヒーレントレーザレーダ装置は、送信信号光が目標まで往復する時間において生じるレーザ光源の発振周波数の変動を補償することができない。一方、実施の形態1に係るレーザレーダ装置1は、光源11としてCWレーザを用いるため、遅延させられた連続波であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波を行うことで、光源11の発振周波数の変動を補償し、第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することができる。
In a general coherent laser radar apparatus using a pulse laser as a laser light source, the local light is delayed by a time required for the transmission signal light to reciprocate to the target in order to perform coherent detection between the local light and the received signal light. The local light delay in the coherent laser radar device is to enable coherent detection, and the coherent laser radar device compensates for fluctuations in the oscillation frequency of the laser light source that occurs during the time that the transmitted signal light reciprocates to the target. Can not do it. On the other hand, since the
図2は、実施の形態1に係るコヒーレントレーザレーダ装置が行う目標測定の動作の一例を示すフローチャートである。光分岐器12は、光源11からのレーザ光を二分して一方を光周波数変換器13に、他方を光遅延回路17に送る(ステップS11)。光周波数変換器13は、信号発生器14が出力する基準信号の周波数に相当する量だけ、送信信号光の周波数をシフトさせる(ステップS12)。送受光学系16は、送信信号光を所定の光ビームに変換した後、光ビームを空間に放射すると共に、目標からの反射光を受信する(ステップS13)。光遅延回路17は、定められた遅延時間だけローカル光を遅延させる(ステップS14)。光混合器18は、遅延させられたローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成する(ステップS15)。光電変換部19は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第1のビート信号を生成する(ステップS16)。信号処理部20は、第1のビート信号に対して必要に応じて周波数変換などの信号処理を行い、第1のビート信号から目標の物理量を測定する(ステップS17)。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the target measurement operation performed by the coherent laser radar device according to the first embodiment. The
信号発生器14が出力する基準信号にパルス変調信号を用いると、光周波数変換器13が出力する送信信号光はパルス信号となる。パルス信号である送信信号光を用いて、パルス往復時間を測定することで、目標の距離を測定することが可能となる。なお送信信号光のパルス化を、例えば光周波数変換器13と光サーキュレータ15の間などの、送信信号光の経路に設けられた光強度変調器によって行ってもよい。
When a pulse modulation signal is used for the reference signal output from the
目標の推定位置に対応する遅延時間だけローカル光を遅延させることで、例えば目標の推定位置よりも送受光学系16の近傍に位置する他の目標(散乱体)で反射された反射光から生成される受信信号光と、ローカル光との相関度は低下するが、該受信信号光の光強度は高いため、第1のビート信号のS/N比が著しく劣化することはない。したがって、本実施の形態1に係るレーザレーダ装置1によれば、CWレーザをレーザ光源に用いるコヒーレントレーザレーダ装置に比べて、測定可能距離を延伸することが可能となる。
By delaying the local light by a delay time corresponding to the estimated position of the target, for example, the local light is generated from the reflected light reflected by another target (scattering body) located closer to the transmission / reception
以上説明した通り、実施の形態1に係るレーザレーダ装置1によれば、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。またレーザレーダ装置1は狭線幅レーザを必要としないため、装置の小型化、安定性および耐環境性の向上、およびコストの削減が可能となる。
As described above, according to the
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態2に係るレーザレーダ装置1は実施の形態1と異なり、補償回路2が光遅延回路17_1,17_2,・・・,17_nを備える。ここで光遅延回路17は、光遅延回路17_1,17_2,・・・,17_nの内、任意の光遅延回路を意味する。補償回路2はn個の光遅延回路17を備え、nは任意の2以上の自然数である。補償回路2は、さらに、ローカル光が通過する光遅延回路17を決定する第1の選択部21および第2の選択部22とを備える。各光遅延回路17に設定される遅延時間は互いに異なる。例えば、観測範囲に含まれる複数の目標の推定位置に対応する遅延時間が各光遅延回路17に設定されている。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the coherent laser radar device according to the second embodiment of the present invention. The
第1の選択部21および第2の選択部22は、少なくとも1つの光遅延回路17を選択する。レーザレーダ装置1は、外部から光遅延回路17の選択を指示する制御信号を取得する。該制御信号によって第1の選択部21および第2の選択部22が制御され、目標の推定位置に応じて、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間に基づいて、少なくとも1つの光遅延回路17が選択される。光分岐器12が出力するローカル光は第1の選択部21を介して、選択された少なくとも1つの光遅延回路17を通過し、第2の選択部22を介して光混合器18に送られる。
The
制御信号によって第1の選択部21および第2の選択部22が制御され、目標の推定位置に応じて、例えば、送信信号光が目標まで往復する時間との差が最も小さい遅延時間が設定されている、1つの光遅延回路17が選択される。1つの光遅延回路17が選択される場合は、光混合器18は、選択された光遅延回路17を通過したローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部19に送る。光電変換部19および信号処理部20の処理は実施の形態1と同様である。複数の光遅延回路17の内、送信信号光が目標まで往復する時間に最も近い遅延時間が設定された光遅延回路17を通過したローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで、第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
The
また、観測範囲に対応して複数の距離レンジが予め定められており、各距離レンジに対応する、互いに異なる遅延時間が複数の光遅延回路17のそれぞれに設定されている場合を例に説明する。距離レンジに対応する遅延時間とは、距離レンジに含まれる目標まで送信信号光が往復するのに要する時間との差が閾値以下である遅延時間である。制御信号によって第1の選択部21および第2の選択部22が制御され、目標の推定位置が属する距離レンジに対応する遅延時間が設定された複数の光遅延回路17が選択される。
Further, a case where a plurality of distance ranges are determined in advance corresponding to the observation range and different delay times corresponding to the respective distance ranges are set in each of the plurality of
複数の光遅延回路17が選択される場合は、光混合器18は、選択された複数の光遅延回路17のそれぞれについて、該光遅延回路17を通過したローカル光と、受信信号光とを混合し、複数の混合光を生成して光電変換部19に送る。光電変換部19は複数の混合光のそれぞれについて、ヘテロダイン検波および光電変換を行い、複数の第1のビート信号を生成して信号処理部20に送る。
When a plurality of
k個の光遅延回路17が選択された場合を例にして説明する。信号処理部20は、例えば、k個の第1のビート信号それぞれに基づいて目標までの距離および目標の速度を測定する。信号処理部20は、k個の第1のビート信号それぞれのS/N比を算出する。測定した目標までの距離が上記距離レンジに属する第1のビート信号の内、最もS/N比の高い第1のビート信号に基づいて測定された目標の速度を、該距離レンジにおける目標の速度として検出する。
The case where k
また例えば、信号処理部20は、k個の第1のビート信号それぞれに基づいて目標までの距離を測定する。信号処理部20は、k個の第1のビート信号のそれぞれのS/N比を算出する。測定した目標までの距離が上記距離レンジに属する第1のビート信号の内、最もS/N比の高い第1のビート信号に基づいて目標の速度を測定し、測定された目標の速度を、上記距離レンジにおける目標の速度として検出する。
For example, the
また例えば、信号処理部20は、k個の第1のビート信号の全てを合成し、合成された第1のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を、上記距離レンジにおける目標の速度として検出してもよい。また信号処理部20は、k個の第1のビート信号のそれぞれのS/N比を算出し、S/N比が閾値以上である第1のビート信号を合成し、合成された第1のビート信号に基づいて、目標の速度を測定してもよい。
Further, for example, the
互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路17を備える補償回路2を用いて、目標の推定位置に応じて選択された光遅延回路17を通過したローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波を行うことで、光源11の発振周波数の変動を補償し、広範囲の距離において第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
Using the
以上説明した通り、実施の形態2に係るレーザレーダ装置1によれば、広範囲の距離において目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。
As described above, according to the
(実施の形態3)
図4は、本発明の実施の形態3に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態3に係るレーザレーダ装置1が備える補償回路2は、実施の形態2と同様に複数の光遅延回路17を備える。補償回路2は、実施の形態2と異なり、第1の選択部21および第2の選択部22の代わりに、光分岐器23を備える。レーザレーダ装置1は、光分岐器24を備え、測定部3は、光混合器18_1,18_2,・・・,18_nと、光電変換部19_1,19_2,・・・,19_nとを備える。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the coherent laser radar device according to the third embodiment of the present invention. The
実施の形態2と同様に、レーザレーダ装置1はn個の光遅延回路17を備え、nは任意の2以上の自然数である。光分岐器23は、光分岐器12が出力したローカル光をn個のレーザ光に分けて、光遅延回路17_1,17_2,・・・,17_nに送る。光分岐器24は、光サーキュレータ15が出力した受信信号光をn個のレーザ光に分けて、光混合器18_1,18_2,・・・,18_nのそれぞれに送る。光遅延回路17_1は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて、光混合器18_1に送る。同様に、光遅延回路17_2は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて光混合器18_2に送り、光遅延回路17_nは、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて光混合器18_nに送る。
Similar to the second embodiment, the
光混合器18_1は、光遅延回路17_1が出力したローカル光と光分岐器24が出力した受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部19_1に送る。同様に、光混合器18_2は、光遅延回路17_2が出力したローカル光と光分岐器24が出力した受信信号光とを混合して混合光を生成して光電変換部19_2に送り、光混合器18_nは、光遅延回路17_nが出力したローカル光と光分岐器24が出力した受信信号光とを混合して混合光を生成して光電変換部19_nに送る。
The optical mixer 18_1 mixes the local light output from the optical delay circuit 17_1 and the received signal light output from the
光電変換部19_1,19_2,19_nはそれぞれ、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第1のビート信号を生成し、信号処理部20に送る。レーザレーダ装置1の観測範囲に対応して複数の距離レンジが予め定められている。信号処理部20は、例えば、n個の第1のビート信号それぞれに基づいて、目標の物理量を測定する。信号処理部20は、目標の物理量として、目標までの距離および目標の速度を測定する。信号処理部20は、n個の第1のビート信号のそれぞれのS/N比を算出する。距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第1のビート信号の内、最もS/N比の高い第1のビート信号に基づいて測定された目標の速度を、該距離レンジにおける目標の速度として検出する。
Each of the photoelectric conversion units 19_1, 19_2, and 19_n performs heterodyne detection and photoelectric conversion of the mixed light, generates a first beat signal, and sends the first beat signal to the
また例えば、信号処理部20は、n個の第1のビート信号のそれぞれに基づいて目標までの距離を測定する。信号処理部20は、n個の第1のビート信号のそれぞれのS/N比を算出する。距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第1のビート信号の内、最もS/N比の高い第1のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を、該距離レンジにおける目標の速度として検出する。
For example, the
信号処理部20は、第1のビート信号の全てを合成し、合成された第1のビート信号に基づいて、目標の速度を測定してもよい。信号処理部20は、例えば、n個の第1のビート信号それぞれに基づいて、目標までの距離を算出し、距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第1のビート信号を合成する。信号処理部20は、合成された第1のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を該距離レンジにおける目標の速度として検出する。
The
また例えば、信号処理部20は、n個の第1のビート信号それぞれに基づいて、目標までの距離を算出する。信号処理部20は、n個の第1のビート信号のそれぞれのS/N比を算出する。信号処理部20は、距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第1のビート信号の内、S/N比が閾値以上である第1のビート信号を合成する。閾値は任意に定めることができる。信号処理部20は、合成された第1のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を該距離レンジにおける目標の速度として検出する。
For example, the
互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路17を備える補償回路2を用い、信号処理部20において、複数の第1のビート信号に基づいて目標の物理量を測定することで、光源11の発振周波数の変動を補償し、広範囲の距離において第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
By using the
以上説明した通り、実施の形態3に係るレーザレーダ装置1によれば、広範囲の距離において目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となり、複数の目標の物理量を測定する場合でも測定精度を向上させることが可能となる。
As described above, according to the
(実施の形態4)
図5は、本発明の実施の形態4に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態4に係るレーザレーダ装置1は、実施の形態1から3において説明したレーザレーダ装置1とは異なり、送信信号光とローカル光との周波数の差の変動を補正することで、光源11の発振周波数の変動を補償し、第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制する。レーザレーダ装置1は、ローカル光と定められた遅延時間だけ遅延された送信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第2のビート信号と、光周波数変換器13における周波数のシフトに用いられる基準信号との位相差に基づいて、光周波数変換器13における周波数のシフト量を調節する。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a coherent laser radar device according to Embodiment 4 of the present invention. Unlike the
光源11、光分岐器12、光周波数変換器13、信号発生器14、光サーキュレータ15、送受光学系16、および測定部3の構成および動作は実施の形態1と同様である。実施の形態4に係るレーザレーダ装置1は、光周波数変換器13が出力するローカル光を二分して出力する光分岐器23、光分岐器12が出力する送信信号光を二分して出力する光分岐器24を備える。補償回路2は、光分岐器24が出力する送信信号光を遅延させる光遅延回路25、光分岐器23が出力するローカル光と光遅延回路25が出力する送信信号光を混合する光混合器26、光混合器26が出力する混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第2のビート信号を生成する光電変換部27、基準信号と第2のビート信号の位相を比較して誤差信号を出力する位相比較器28、ループフィルタ29、およびVCO(Voltage-Controlled Oscillator:電圧制御発振器)30を備える。
The configurations and operations of the
光分岐器12は、光源11からのレーザ光を二分して、一方のレーザ光である送信信号光を光分岐器24に、他方のレーザ光であるローカル光を光周波数変換器13に送る。実施の形態4に係るレーザレーダ装置1においては、光周波数変換器13はローカル光の周波数をシフトさせ、周波数をシフトさせたローカル光を光分岐器23に送る。光分岐器23は、周波数がシフトされたローカル光を二分して一方を光混合器18に、他方を光混合器26に送る。光分岐器24は、光分岐器12が出力した送信信号光を二分して一方を光サーキュレータ15に、他方を光遅延回路25に送る。
The optical branching
光遅延回路25は、送信信号光を定められた遅延時間だけ遅延させて、光混合器26に送る。光遅延回路25には、目標の推定位置に対応する遅延時間、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定されている。閾値は任意に定めることができる。閾値を十分に小さくすることで、光遅延回路25に設定される遅延時間は、送受光学系16から放射された送信信号光が目標までの距離を往復するのに要する時間に一致するとみなすことができる。
The
光混合器26は、光分岐器23が出力するローカル光と光遅延回路25が出力する送信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部27に送る。光電変換部27は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第2のビート信号を生成し、位相比較器28に送る。位相比較器28は、信号発生器14が出力するRF信号である基準信号の位相と、第2のビート信号の位相を比較し、位相差に応じた誤差信号を出力する。誤差信号はループフィルタ29を介してVCO30に入力され、VCO30は、誤差信号に基づいて出力するRF信号の周波数を調節する。VCO30が出力するRF信号の周波数を調節することで、光周波数変換器13における周波数のシフト量が調節される。
The
光周波数変換器13、光分岐器23、光遅延回路25、光混合器26、光電変換部27、位相比較器28、ループフィルタ29、およびVCO30が協働して位相同期回路として動作し、光遅延回路25に設定されている遅延時間の間に生じる光源11の発振周波数の変動を打ち消すように、光周波数変換器13における周波数のシフト量が調節される。したがって、光源11の発振周波数の変動による第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
The
実施の形態4に係るレーザレーダ装置1が行う目標測定の動作は、図2に示す実施の形態1に係るレーザレーダ装置1が行う目標測定方法の動作からステップS14の処理を除いた動作と同じである。実施の形態4に係るレーザレーダ装置1は、目標測定の動作とは独立したタイミングで、周波数変動抑制の動作を行う。
The target measurement operation performed by the
図6は、実施の形態4に係るコヒーレントレーザレーダ装置が行う周波数変動抑制の動作の一例を示すフローチャートである。光遅延回路25は、定められた遅延時間だけ送信信号光を遅延させる(ステップS21)。光混合器26は、光分岐器23が出力するローカル光と光遅延回路25が出力する送信信号光とを混合して混合光を生成する(ステップS22)。光電変換部27は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第2のビート信号を生成する(ステップS23)。位相比較器28は、信号発生器14が出力するRF信号である基準信号の位相と、第2のビート信号の位相を比較し、位相差に応じた誤差信号を出力する(ステップS24)。VCO30は、ループフィルタ29を介して入力された誤差信号に基づいて出力するRF信号の周波数を調節する(ステップS25)。
FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of suppressing the frequency fluctuation performed by the coherent laser radar device according to the fourth embodiment. The
以上説明した通り、実施の形態4に係るレーザレーダ装置1によれば、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。また補償回路2を用いて光周波数変換器13における周波数シフト量を調節するため、レーザレーダ装置1は狭線幅レーザを必要とせず、装置の小型化、安定性および耐環境性の向上、およびコストの削減が可能となる。
As described above, according to the
(実施の形態5)
図7は、本発明の実施の形態5に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態5に係るレーザレーダ装置1は、実施の形態4と異なり、補償回路2が光遅延回路25_1,25_2,・・・,25_nを備える。ここで光遅延回路25は、光遅延回路25_1,25_2,・・・,25_nの内、任意の光遅延回路を意味する。補償回路2はn個の光遅延回路25を備え、nは任意の2以上の自然数である。補償回路2は、さらに、送信信号光が通過する光遅延回路25を決定する第1の選択部21および第2の選択部22とを備える。各光遅延回路25に設定される遅延時間は互いに異なる。例えば、観測範囲に含まれる目標の推定位置に対応する遅延時間が各光遅延回路25に設定されている。
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the coherent laser radar device according to the fifth embodiment of the present invention. In the
レーザレーダ装置1は、実施の形態2と同様に、外部から光遅延回路25の選択を指示する制御信号を取得する。該制御信号によって第1の選択部21および第2の選択部22が制御され、目標の推定位置に応じて、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間に基づいて、1つの光遅延回路25が選択される。光分岐器24が出力する送信信号光は第1の選択部21を介して、選択された光遅延回路25を通過し、第2の選択部22を介して光混合器26に送られる。
As in the second embodiment, the
制御信号によって第1の選択部21および第2の選択部22が制御され、目標の推定位置に応じて、例えば、送信信号光が目標まで往復する時間との差が最も小さい遅延時間が設定されている、1つの光遅延回路25が選択される。光混合器26は、光分岐器23が出力するローカル光と、選択された光遅延回路25を通過した送信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部27に送る。光電変換部27、位相比較器28、ループフィルタ29、VCO30の動作は実施の形態4と同様である。
The
ローカル光と、複数の光遅延回路25の内、送信信号光が目標まで往復する時間に最も近い遅延時間が設定された光遅延回路25を通過した送信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第2のビート信号に基づいて、周波数変換器13における周波数のシフト量を調整することで、第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
Heterodyne detection and photoelectric detection of mixed light of local light and transmission signal light that has passed through the
互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路25を備える補償回路2を用いて、目標の推定位置に応じて選択された光遅延回路25を通過した送信信号光とローカル光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第2のビート信号に基づいて、周波数変換器13における周波数のシフト量を調整することで、光源11の発振周波数の変動を補償し、広範囲の距離において第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
Using the
以上説明した通り、実施の形態5に係るレーザレーダ装置1によれば、広範囲の距離において目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。
As described above, according to the
(実施の形態6)
図8は、本発明の実施の形態6に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態6に係るレーザレーダ装置1が備える補償回路2は、光源11の発振周波数を調節することで、第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制する。
(Embodiment 6)
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of the coherent laser radar device according to the sixth embodiment of the present invention. The
光源11、光分岐器12、光周波数変換器13、信号発生器14、光サーキュレータ15、送受光学系16、測定部3、光分岐器23,24、光遅延回路25、光混合器26、光電変換部27、位相比較器28、およびループフィルタ29の構成および動作は実施の形態4と同様である。実施の形態6に係るレーザレーダ装置1が備える補償回路2は、光源11の発振周波数を調節する波長制御部31を備える。
波長制御部31は、ループフィルタ29を介して入力される誤差信号に基づいて、光源11の発振周波数を調節する。波長制御部31は、光源11への駆動電流の制御、レーザ共振器の実長の制御、またはレーザ共振器の屈折率の制御に基づくレーザ共振器の光学長の制御などによって、光源11の発振周波数を調節する。
The
光周波数変換器13、光分岐器24、光遅延回路25、光混合器26、光電変換部27、位相比較器28、ループフィルタ29、および波長制御部31が協働して位相同期回路として動作し、光源11の発振周波数が調節される。したがって、光源11からのレーザ光の周波数の変動が抑制され、第1のビート信号のS/N比の劣化を抑制することが可能となる。
The
実施の形態6に係るレーザレーダ装置1が行う周波数変動抑制の動作は、図6に示す実施の形態4に係るレーザレーダ装置1が行う周波数変動抑制の動作と同様である。ただし、ステップS25の処理は、波長制御部31が光源11の発振周波数を調節することにより、実現される。
The operation of suppressing the frequency fluctuation performed by the
以上説明した通り、実施の形態6に係るレーザレーダ装置1によれば、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。また補償回路2を用いて光源11の発振周波数を調節するため、レーザレーダ装置1は狭線幅レーザを必要とせず、装置の小型化、安定性および耐環境性の向上、およびコストの削減が可能となる。
As described above, according to the
本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。光周波数変換器13は送信信号光およびローカル光のいずれの周波数のシフトを行ってもよい。図1の例では、光周波数変換器13を光分岐器12と光サーキュレータ15の間に設ける代わりに、光分岐器12と光遅延回路17の間に設けてもよい。
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment. The
1 コヒーレントレーザレーダ装置、2 補償回路、3 測定部、11 光源、12,23,24 光分岐器、13 光周波数変換器、14 信号発生器、15 光サーキュレータ、16 送受光学系、17,17_1,17_2,17_n,25,25_1,25_2,25_n 光遅延回路、18,18_1,18_2,18_n,26 光混合器、19,19_1,19_2,19_n,27 光電変換部、20 信号処理部、21 第1の選択部、22 第2の選択部、28 位相比較器、29 ループフィルタ、30 VCO、31 波長制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記送信信号光および前記ローカル光の一方の周波数をシフトさせる光周波数変換器と、
前記送信信号光を空間へ放射し、前記空間に存在する目標で反射された前記送信信号光である反射光を受信し、受信信号光を生成する送受光学系と、
連続波である前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第1のビート信号を生成し、前記第1のビート信号から前記目標の速度を含む物理量を測定する測定部と、
前記送信信号光が前記目標まで往復する時間に生じる前記レーザ光源の発振周波数の変動を補償する補償回路と、
を備えるコヒーレントレーザレーダ装置。 An optical branching device that divides the laser light, which is a continuous wave output from the laser light source, into two parts and outputs the transmission signal light and the local light;
An optical frequency converter that shifts one frequency of the transmission signal light and the local light;
A transmission / reception optical system that radiates the transmission signal light to space, receives the reflected light that is the transmission signal light reflected by a target existing in the space, and generates reception signal light;
The first beat signal is generated by performing heterodyne detection and photoelectric conversion of the mixed light of the local light that is a continuous wave and the received signal light, and a physical quantity including the target velocity is obtained from the first beat signal. A measuring section to measure,
A compensation circuit that compensates for fluctuations in the oscillation frequency of the laser light source that occurs during the time that the transmission signal light reciprocates to the target;
A coherent laser radar device.
前記測定部は、前記光遅延回路を通過した前記定められた遅延時間だけ遅延させられた前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って前記第1のビート信号を生成する、
請求項1に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 The compensation circuit includes an optical delay circuit that delays and outputs the local light by a predetermined delay time,
The measurement unit performs heterodyne detection and photoelectric conversion of mixed light of the local light delayed by the predetermined delay time that has passed through the optical delay circuit and the received signal light, and performs the first beat Generate signal,
The coherent laser radar device according to claim 1.
互いに異なる遅延時間が設定された複数の前記光遅延回路と、
前記送信信号光が前記目標まで往復する時間に基づいて、前記複数の光遅延回路の少なくとも1つを選択する選択部と、
を備え、
前記測定部は、前記選択部により選択された少なくとも1つの前記光遅延回路のそれぞれについて、前記光遅延回路を通過した前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って少なくとも1つの前記第1のビート信号を生成し、前記少なくとも1つの第1のビート信号の内、定められた基準に合致する第1のビート信号から、または、前記少なくとも1つの第1のビート信号の内、定められた基準に合致する第1のビート信号を合成した信号から、前記目標の速度を含む物理量を測定する請求項2に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 The compensation circuit includes:
A plurality of the optical delay circuits set with different delay times;
A selection unit that selects at least one of the plurality of optical delay circuits based on a time required for the transmission signal light to reciprocate to the target;
With
The measurement unit performs heterodyne detection and photoelectric conversion of mixed light of the local light that has passed through the optical delay circuit and the received signal light for each of the at least one optical delay circuit selected by the selection unit. To generate at least one of the first beat signals, and from among the at least one first beat signal, a first beat signal that meets a predetermined criterion, or the at least one first beat signal The coherent laser radar device according to claim 2, wherein a physical quantity including the target velocity is measured from a signal obtained by synthesizing a first beat signal that meets a predetermined criterion among beat signals.
前記測定部は、前記複数の光遅延回路のそれぞれについて、前記光遅延回路を通過した前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って複数の前記第1のビート信号を生成し、前記複数の第1のビート信号の内、定められた基準に合致する第1のビート信号から、または、前記複数の第1のビート信号の内、定められた基準に合致する第1のビート信号を合成した信号から、前記目標の速度を含む物理量を測定する請求項2に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 The compensation circuit includes a plurality of optical delay circuits in which different delay times are set,
For each of the plurality of optical delay circuits, the measurement unit performs heterodyne detection and photoelectric conversion of mixed light of the local light that has passed through the optical delay circuit and the received signal light, and performs a plurality of the first delays. A beat signal is generated, and the first beat signal that matches a predetermined criterion among the plurality of first beat signals, or meets the predetermined criterion among the plurality of first beat signals The coherent laser radar device according to claim 2, wherein a physical quantity including the target velocity is measured from a signal obtained by synthesizing the first beat signal.
前記補償回路は、前記ローカル光と前記光遅延回路を通過した前記定められた遅延時間だけ遅延させられた前記送信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第2のビート信号と、前記光周波数変換器において周波数のシフトに用いられる基準信号との位相差を用いて、前記レーザ光源の発振周波数の変動を補償する、
請求項1に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 The compensation circuit includes an optical delay circuit that delays and outputs the transmission signal light by a predetermined delay time,
The compensation circuit is generated by performing heterodyne detection and photoelectric conversion of mixed light of the local light and the transmission signal light delayed by the predetermined delay time that has passed through the optical delay circuit. Using the phase difference between the beat signal and the reference signal used for frequency shift in the optical frequency converter, to compensate for fluctuations in the oscillation frequency of the laser light source,
The coherent laser radar device according to claim 1.
前記補償回路は、前記ローカル光と前記光遅延回路を通過した前記送信信号光とに基づき生成される前記第2のビート信号と、前記基準信号との位相差に基づいて、前記光周波数変換器における周波数のシフト量を調節する、
請求項6に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 In the optical delay circuit, a delay time is set such that a difference from a time required for the transmission signal light to reciprocate to the target is equal to or less than a threshold value.
The compensation circuit includes the optical frequency converter based on a phase difference between the second beat signal generated based on the local light and the transmission signal light that has passed through the optical delay circuit, and the reference signal. Adjust the frequency shift amount at
The coherent laser radar device according to claim 6.
互いに異なる遅延時間が設定された複数の前記光遅延回路と、
前記送信信号光が前記目標まで往復する時間に基づいて、前記複数の光遅延回路のいずれかを選択する選択部と、
を備え、
前記補償回路は、前記ローカル光と前記選択部により選択された前記光遅延回路を通過した前記送信信号光とに基づき生成される前記第2のビート信号と、前記基準信号との位相差に基づいて、前記光周波数変換器における周波数のシフト量を調節する、
請求項6に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 The compensation circuit includes:
A plurality of the optical delay circuits set with different delay times;
A selection unit that selects one of the plurality of optical delay circuits based on the time for which the transmission signal light travels back and forth to the target;
With
The compensation circuit is based on a phase difference between the second beat signal generated based on the local light and the transmission signal light that has passed through the optical delay circuit selected by the selection unit, and the reference signal. Adjusting the frequency shift amount in the optical frequency converter,
The coherent laser radar device according to claim 6.
前記補償回路は、前記ローカル光と前記光遅延回路を通過した前記送信信号光とに基づき生成される前記第2のビート信号と、前記基準信号との位相差に基づいて、前記レーザ光源の発振周波数を調節する、
請求項6に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 In the optical delay circuit, a delay time is set such that a difference from a time required for the transmission signal light to reciprocate to the target is equal to or less than a threshold value.
The compensation circuit oscillates the laser light source based on a phase difference between the second beat signal generated based on the local light and the transmission signal light that has passed through the optical delay circuit, and the reference signal. Adjust the frequency,
The coherent laser radar device according to claim 6.
連続波である前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことにより得られる第1のビート信号から前記目標の速度を含む物理量を測定する測定ステップと、
前記送信信号光が目標まで往復する時間に生じる前記レーザ光の周波数の変動を補償する補償ステップと、
を備える目標測定方法。 Of the transmission signal light and local light generated by shifting the frequency of one laser beam that is a continuous wave, the transmission signal light is radiated to the space and reflected by the target existing in the space. A transmission / reception step of receiving reflected light that is the transmission signal light and generating reception signal light;
A measurement step of measuring a physical quantity including the target velocity from a first beat signal obtained by performing heterodyne detection and photoelectric conversion of mixed light of the local light that is a continuous wave and the received signal light;
A compensation step for compensating for fluctuations in the frequency of the laser light that occurs during the time that the transmission signal light reciprocates to a target;
A target measurement method comprising:
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