JP2023172404A - 周波数掃引特性測定装置、ＬｉＤＡＲ装置および周波数掃引特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の周波数掃引特性を精度良く測定することが可能な周波数掃引特性測定装置を実現すること。【解決手段】周波数掃引特性測定装置２は、非対称ＭＺＩ１２０と、受光器１２１と、ＡＤ変換器１２２と、第２信号処理部１２３と、によって構成されている。第２信号処理部１２３は、ＡＤ変換器１２２からのビート信号を信号処理することにより、ＬＤ１００の出力するレーザー光の周波数掃引特性を算出し、非線形成分を算出するものである。第２信号処理部１２３は、波形調整部１２４と、ヒルベルト変換部１２５と、瞬時位相算出部１２６と、周波数算出部１２７と、非線形成分算出部１２８と、ＬＤ駆動信号制御部１２９と、を有している。波形調整部１２４によって、ビート信号の両端で振幅と位相が一致するように波形調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、周波数を掃引した光の周波数掃引特性を測定する周波数掃引特性測定装置および周波数掃引特性測定方法に関するものである。また、ＦＭＣＷ方式のＬｉＤＡＲ装置に関するものである。

レーザー光を用いて対象物を検出し、その対象物までの距離を測定する技術としてＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）がある。ＬｉＤＡＲの測距方式はＴＯＦ方式とＦＭＣＷ方式がある。ＦＭＣＷ方式は、光の周波数を三角波状に変調させ、参照光と受信光のビート信号から対象物までの距離や対象物の速度を測定する技術である。

レーザー光の周波数の掃引は、入力電流を三角波状に掃引することで行う。しかし、レーザーの放熱特性と注入電流に伴うキャリア濃度の変化によって、周波数－時間特性（周波数掃引特性）のグラフは時間に対して非線形なカーブを描く。このような非線形成分が小さい場合には、ビート信号の周波数もほぼ一定となり、スペクトル幅が狭く、感度や分解能も良好である（図８参照）。一方、非線形成分が大きい場合には、ビート信号の周波数が広がりを持ち、スペクトル幅が拡大するため、感度や分解能が低下してしまう（図９参照）。

また、周囲の環境の温度変化などの影響でレーザーの周波数特性は変動する。そこで、常時、または定期的にレーザーの周波数掃引特性を解析し、周波数掃引特性が線形となるように補正する必要がある。

非特許文献１には、以下のようにして周波数掃引特性の線形性を改善することが記載されている。まず、電磁波を非対称マッハツェンダー干渉計に通した後で受光器により受光してビート信号を生成する。そして、ビート信号をヒルベルト変換して直交成分（Ｑ成分）を測定する。次に、直交成分と元のビート信号（Ｉ成分）の逆接を計算することにより、ビート信号の瞬時位相を算出する。そして、テーラー展開による近似式を用いて、ビート信号の瞬時位相からレーザーの周波数掃引特性を算出する。この算出した周波数掃引特性を用いて、Ｖｏｌｔａｇｅ Ｕｐｄａｔｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍでレーザーへの入力信号を更新し、周波数掃引特性が線形となるように補正している。ここで、非理想的な遷移の影響を最小限に抑えるために、ビート信号の両端２０％はＶｏｌｔａｇｅ Ｕｐｄａｔｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍへの入力に使用せず、残りの８０％を入力する。

X. Zhang, J. Pouls, and M. C. Wu, "Laser frequency sweep linearization by iterative learning pre-distortion for FMCW LiDAR," Optics Express, 27(7) 9965 (2019)

しかし、非特許文献１ではビート信号のＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ；周波数掃引特性の解析をしている割合）を８０％に限定している。これは、ヒルベルト変換によって生じる直交信号両端の歪み（大きなオフセットとリップル）によって非理想的な遷移が起こってしまうので、その直交信号両端の歪みを計算に含めないようにしているためである。そのため、ＲＯＩ外の２０％の領域を十分に線形化することができず、信号の一部を測距に利用することができない。その結果、検出感度の低下を引き起こしてしまう。

直交信号両端の歪みは、窓関数を乗算することで改善することはできるが、効果は限定的であり、測定結果に誤差が生じてしまう。また、両端近傍の振幅を０に近づけるため、熱擾乱など別の要因による誤差が相対的に大きくなりやすい。

ビート信号の直交成分を得る方法として、直交検波を用いることも考えられる。しかし、直交検波には音響光学効果型周波数シフタなどの高価な機器が必要となり、追加の部品が必要となってしまう。

そこで本発明の目的は、光の周波数掃引特性を精度よく測定することが可能な周波数掃引特性測定装置を実現することである。

本発明は、周波数掃引したレーザー光の周波数掃引特性を測定する周波数掃引特性測定装置において、前記レーザー光を分岐して所定の光路長差を与えた後で合波して合波光を生成する非対称マッハツェンダー干渉計と、前記非対称マッハツェンダー干渉計から出力された前記合波光を受光し、電気信号であるビート信号に変換して出力する受光器と、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する波形調整部と、前記ビート信号をヒルベルト変換して直交成分を算出するヒルベルト変換部と、前記ヒルベルト変換部からの直交成分と、前記ビート信号の逆正接を算出することで前記ビート信号の瞬時位相を算出する瞬時位相算出部と、前記瞬時位相と前記光路長差とから前記レーザー光の周波数掃引特性を算出する周波数算出部と、を有することを特徴とする周波数掃引特性測定装置である。

本発明において、前記波形調整部は、前記ビート信号の両端近傍それぞれから、ゼロクロス点であってそのゼロクロス点における微分値の符号が一致する２点を抽出し、その２点よりも外側のビート信号を削除することによって、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する、ものであってもよい。

また本発明において、前記非対称マッハツェンダー干渉計は、前記光路長差が可変であり、前記波形調整部は、前記光路長差を制御することによって、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する、ものであってもよい。

また本発明において、前記非対称マッハツェンダー干渉計は、互いに光路長が異なる複数の光路を切り替える光路切り替えスイッチを有し、前記光路切り替えスイッチによって前記光路を切り替えることで前記光路長差が可変となっており、前記波形調整部は、前記光路切り替えスイッチにおける前記光路の選択を制御することによって、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する、ものであってもよい。

また本発明は、レーザー光を放射するＬＤと、前記請求項１から請求項４までに記載の周波数掃引特性測定装置と、を有したＦＭＣＷ方式のＬｉＤＡＲ装置であって、
前記周波数掃引特性測定装置により算出した前記レーザー光の周波数掃引特性に基づき、前記レーザー光の非線形成分が低減するように前記ＬＤの駆動信号を校正するレーザー駆動信号制御部を有する、ことを特徴とするＬｉＤＡＲ装置である。

また本発明は、周波数掃引したレーザー光の周波数掃引特性を測定する周波数掃引特性測定方法において、前記レーザー光を分岐して所定の光路長差を与えた後で合波して合波光を生成し、前記合波光を受光し、電気信号であるビート信号に変換し、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整し、波形が調整された前記ビート信号をヒルベルト変換して直交成分を算出し、前記直交成分と、波形が調整された前記ビート信号の逆正接を算出することで前記ビート信号の瞬時位相を算出し、前記瞬時位相と前記光路長差とから前記レーザー光の周波数掃引特性を算出する、ことを特徴とする周波数掃引特性測定方法である。

本発明によれば、光の周波数掃引特性を精度よく測定することができる。

第１実施形態の周波数掃引特性測定装置の構成を示した図。 周波数掃引特性の解析結果を示したグラフ。 周波数掃引特性の解析結果を示したグラフ。 ビート信号の両端が連続するように波形調整する方法を示した図。 第２実施形態の周波数掃引特性測定装置の構成を示した図。 非対称ＭＺＩ２２０の構成を示した図。 ΔＬとνｎｌの最大値の関係を示したグラフ。 周波数掃引特性の非線形成分が小さい場合の説明を示した図。 周波数掃引特性の非線形成分が大きい場合の説明を示した図。

以下、本発明の実施形態について図を参照に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置の構成を示した図であり、周波数掃引特性をリアルタイムで測定して、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置における周波数掃引特性を線形に校正することが可能なものである。

第１実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置は、図１のように、ＬｉＤＡＲ装置１と、周波数掃引特性測定装置２とによって構成されている。ＬｉＤＡＲ装置１は、ＬＤ（レーザーダイオード）１００と、光カプラ１０１～１０３と、光送信アンテナ１０４と、光受信アンテナ１０５と、受光器１０６と、ＡＤ変換器１０７と、第１信号処理部１０８と、ＤＡ変換器１０９と、ＬＤ駆動回路１１０と、によって構成されている。また、周波数掃引特性測定装置２は、非対称ＭＺＩ（非対称マッハツェンダー干渉計）１２０と、受光器１２１と、ＡＤ変換器１２２と、第２信号処理部１２３と、によって構成されている。

（ＬｉＤＡＲ装置１の構成）
まず、ＬｉＤＡＲ装置１の各構成について説明する。

ＬＤ１００は、レーザー光を放射する周波数可変のレーザーダイオードである。周波数はＬＤ駆動回路１１０によって制御され、周波数の時間特性（周波数掃引特性）は三角形状が周期的に繰り返すように制御される。つまり、周波数が時間に対して線形に増加する区間と、線形に減少する区間とを繰り返すように制御される。レーザー光の波長帯は任意であるが、たとえば赤外線帯域である。

光カプラ１０１は、ＬＤ１００からのレーザー光を２分岐する光デバイスである。２分岐されたレーザー光の一方は光カプラ１０２に入力され、他方は非対称ＭＺＩ１２０に入力される。

光カプラ１０２は、光カプラ１０１と同様の光デバイスであり、光カプラ１０１からのレーザー光を送信光と参照光に分岐する光デバイスである。送信光は光送信アンテナ１０４に入力され、参照光は光カプラ１０３に入力される。

光送信アンテナ１０４は、光カプラ１０２からの送信光を対象物に照射する光デバイスである。

光受信アンテナ１０５は、対象物によって反射された送信光（受信光）を受光する光デバイスである。受信光は光カプラ１０３に入力される。

光カプラ１０３は、光カプラ１０２からの参照光と光受信アンテナ１０５からの受信光を合波して出力する光デバイスである。

受光器１０６は、光カプラ１０３からの合波光を受光して電気信号に変換し、参照光と受信光との干渉により生じるうなり（ビート信号）を生成して出力する装置である。受光器１０６は、たとえばＧｅフォトダイオードである。受光器１０６は、差動型のバランス検出器とすることが好ましい。あるいは、受光器１０６とＡＤ変換器１０７の間にＤＣ成分をカットするフィルタを挿入することが好ましい。

ＡＤ変換器１０７は、受光器１０６からのビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力する装置である。

第１信号処理部１０８は、ＡＤ変換器１０７からのビート信号について信号処理することにより、対象物までの距離と対象物の相対速度を算出するものである。また、ＬＤ１００を駆動するためのＬＤ駆動信号を生成するものである。第１信号処理部１０８は、フーリエ変換部１１１と、ピーク検出部１１２と、距離・速度算出部１１３と、ＬＤ駆動基準信号生成部１１４と、を有している。これらの機能・動作については後述する。

ＤＡ変換器１０９は、第１信号処理部１０８からのＬＤ駆動信号をデジタルからアナログに変換して出力する装置である。

ＬＤ駆動回路１１０は、第１信号処理部１０８からのＬＤ駆動信号に基づきＬＤ１００の放射するレーザー光の周波数を制御する回路である。具体的には、ＬＤ１００への入力電流を制御することによって周波数を制御する。

（周波数掃引特性測定装置２の構成）
次に、周波数掃引特性測定装置２の各構成について説明する。

非対称ＭＺＩ１２０は、光カプラ１０１からのレーザー光を２分岐して所定の光路長差ΔＬを与えた後で合波する光デバイスである。

受光器１２１は、非対称ＭＺＩ１２０からの合波光を受光して電気信号に変換し、所定の光路長差ΔＬを与えた２つの光の干渉により生じるビート信号を生成して出力する装置である。受光器１２１は、たとえばＧｅフォトダイオードである。受光器１２１は、差動型のバランス検出器とすることが好ましい。あるいは、受光器１２１とＡＤ変換器１２２の間にＤＣ成分をカットするフィルタを挿入することが好ましい。

非対称ＭＺＩ１２０と受光器１２１をまとめて１つの光集積回路チップとして実装してもよい。装置構成の簡略化、低コスト化を図ることができる。光集積回路における光導波路は、Ｓｉ、ＳｉＮなどであり、受光器１２１はＧｅフォトダイオードである。非対称ＭＺＩ１２０から受光器１２１までの一部を光集積回路化してもよい。

ＡＤ変換器１２２は、受光器１２１からのビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力する装置である。

第２信号処理部１２３は、ＡＤ変換器１２２からのビート信号を信号処理することにより、ＬＤ１００の出力するレーザー光の周波数掃引特性を算出し、非線形成分を算出するものである。第２信号処理部１２３は、波形調整部１２４と、ヒルベルト変換部１２５と、瞬時位相算出部１２６と、周波数算出部１２７と、非線形成分算出部１２８と、ＬＤ駆動信号制御部１２９と、を有している。これらの機能・動作については後述する。

（ＬｉＤＡＲ装置１の動作）
次に、第１実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置の動作について説明する。まず、ＬｉＤＡＲ装置１による測距の動作を説明する。

第１信号処理部１０８からのＬＤ駆動信号に基づきＬＤ駆動回路１１０によってＬＤ１００を駆動し、ＬＤ１００の放射するレーザー光の周波数掃引特性が、三角形状が周期的に繰り返すように制御する。ここでＬＤ駆動信号は、ＬＤ駆動基準信号生成部１１４によって生成されるＬＤ駆動基準信号を、第２信号処理部１２３のＬＤ駆動信号制御部１２９によって校正したものである。また、ＬＤ駆動基準信号は、電圧値が三角形状に繰り返し変化する信号である。

次に、ＬＤ１００からのレーザー光を光カプラ１０１によって２分岐し、さらに光カプラ１０２によって参照光と送信光に２分岐する。送信光は光送信アンテナ１０４から外部の対象物に照射される。送信光は対象物によって反射され、その反射光である受信光は光受信アンテナ１０５によって受光される。そして、光カプラ１０２によって分岐された参照光と、光受信アンテナ１０５からの受信光とを光カプラ１０３によって合波し、受光器１０６によって電気信号であるビート信号を生成する。

次に、ビート信号をＡＤ変換器１０７によってアナログ信号からデジタル信号に変換する。そして、第１信号処理部１０８によって信号処理して、対象物までの距離と対象物の相対速度を算出する。信号処理は、具体的には次の通りである。

まず、フーリエ変換部１１１によってビート信号をフーリエ変換し、ビート信号の周波数スペクトルを算出する。次に、ピーク検出部１１２によって、周波数スペクトルにおけるピークの周波数を検出する。これにより、周波数が線形に増加する区間におけるビート周波数と、線形に減少する区間のビート周波数を求める。そして、距離・速度算出部１１３によって、２つのビート信号の周波数から対象物までの距離と対象物の相対速度を算出する。

（周波数掃引特性測定装置２の動作）
次に、周波数掃引特性測定装置２の動作について説明する。

光カプラ１０１によって２分岐されたレーザー光の一方を、非対称ＭＺＩ１２０に通した後、受光器１２１によって受光してビート信号を生成する。そして、ビート信号をＡＤ変換器１２２によってアナログ信号からデジタル信号に変換する。

次に、波形調整部１２４によって、ビート信号の両端で波形が連続するように、つまり、両端で振幅と位相が一致するように波形調整する。具体的な波形調整の方法は以下の通りである。

まず、移動平均によってビート信号の高周波ノイズを除去する。その後、ビート信号の両端近傍で、隣接する２つのゼロクロス点（振幅が０の点）をそれぞれ抽出する（図４（ａ）参照）。受光器１２１としてバランス型を用いたり、ＤＣブロックフィルタを用いてＤＣ成分をカットしたりすることで、ゼロクロス点の検出を容易に行うことができる。

次に、抽出した４つのゼロクロス点におけるビート信号の微分値を算出する。そして、４つのゼロクロス点のうち、微分値の符号が一致する２点を選ぶ（図４（ｂ）参照）。符号が＋の２点と－の２点のどちらでも構わない。図４（ｂ）の例では、１と３、または２と４を選ぶ。

次に、選んだ２点よりも外側の測定点をビート信号から削除する（図４（ｃ）参照）。図４（ｃ）の例では、１と３の２点を選び、その外側の測定点を削除している。以上によって、ビート信号の両端で振幅と位相が一致するように波形調整することができる。また、ビート信号の波形をカットする領域を最小限に抑えることができる。

ビート信号の波形調整方法は上記方法に限らず、任意の方法でビート信号の両端近傍において振幅と位相が一致する点をそれぞれ抽出し、その点の外側を削除すればよい。ただし上記方法によれば、ビート信号の両端近傍において振幅と位相が一致する点を容易に抽出することができる。なお、振幅と位相は完全に一致させる必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で誤差があってもよい。たとえば、両端の振幅差の絶対値が振幅最大値に対して１％以下、位相差の絶対値が０．０１π以下となるようにすればよい。

次に、ヒルベルト変換部１２５によってビート信号をヒルベルト変換し、直交成分（Ｑ成分）を算出する。ここで、ヒルベルト変換前にビート信号の両端が連続するように波形調整しているため、Ｑ成分の両端の歪みや周波数のアップ区間とダウン区間の境目での歪みが低減されている。

次に、瞬時位相算出部１２６によってビート信号の瞬時位相φｂ（ｔ）を算出する。ビート信号の瞬時位相φｂ（ｔ）は、元のビート信号（Ｉ成分）とビート信号のＱ成分の逆正接を計算することで得られる。すなわち、φｂ（ｔ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／Ｉ）を計算することで得られる。なお、これによって得られるビート信号の瞬時位相は、±πで折り返した波形になるため、アンラップ処理を行う。

次に、周波数算出部１２７によってビート信号の瞬時周波数ν（ｔ）、つまりビート信号の周波数掃引特性を算出する。瞬時周波数ν（ｔ）は、瞬時位相φｂ（ｔ）を微分することで得られ、２πν（ｔ）＝ｄ（φｂ（ｔ））／ｄｔである。ここで、φｂ（ｔ－τ）をτでテーラー展開して一次の近似を行うことで、ν（ｔ）＝φｂ（ｔ）／（２πτ）となる。τは非対称ＭＺＩ１２０における伝搬遅延時間であり、τ＝ΔＬ／ｃ（ｃは光速）である。τは１ｎｓ～１００ｎｓであり、十分に小さいので、このように近似できる。この近似式を用いてν（ｔ）を算出する。

次に、非線形成分算出部１２８によって瞬時周波数の非線形成分を算出する。ν（ｔ）は、ν（ｔ）＝γｔ＋νｎｌ（ｔ）、で表される。ここでγは周波数変化率、νｎｌ（ｔ）はν（ｔ）の非線形成分であり、γは既知である。よってこの式から、ν（ｔ）の非線形成分νｎｌ（ｔ）を算出する。

次に、ＬＤ駆動信号制御部１２９によってＬＤ駆動基準信号を校正してＬＤ駆動信号を生成する。具体的には、ＬＤ駆動基準信号に、νｎｌ（ｔ）に対応する歪みを付加してＬＤ駆動信号を生成する。これによってＬＤ１００が放射するレーザー光の周波数掃引特性における非線形成分をあらかじめ差し引いておく。このようにして校正したＬＤ駆動信号に基づきＬＤ１００を駆動すると、レーザー光の周波数掃引特性における非線形成分を低減することができる。

ＬＤ駆動基準信号の校正は常時行ってもよいし、随時行うようにしてもよい。

以上、第１実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置では、波形調整部１２４によってビート信号が両端で連続するように波形調整しており、これによってレーザー光の周波数掃引特性を精度よく測定することができる。そのため、測定した周波数掃引特性を用いてレーザー光の掃引周波数を校正することで、レーザー光の掃引周波数の線形性を向上させることができ、測距性能を向上させることができる。また、従来の方法に比べてＲＯＩが広いので、レーザー光を校正できる範囲が広く、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置の感度や距離分解能を向上させることができる。また、周波数シフタなどの高価な機器を使用せずにレーザー光の周波数掃引特性を測定することができるので、低コスト化を図ることができる。

次に、第１実施形態に関するビート信号の解析結果を説明する。

γ＝１．０ＧＨｚ／１２５μｓ、νｎｌ（ｔ）＝９×１０^５・ｓｉｎ［２π・４×１０^３ｔ］とするビート信号Ｖ（ｔ）∝ｃｏｓ［２πν（ｔ）τ］を生成し、レーザー光の周波数掃引特性を解析した。ここで、τを調整することで両端が不連続なビート信号と連続なビート信号をそれぞれ生成した。レーザー光の基本発振波長は１５５０ｎｍとした。図２、３はレーザー光の周波数掃引特性の解析結果と非線形成分の解析結果を示したグラフであり、図２はビート信号が両端で不連続な場合、図３はビート信号が両端で連続な場合である。

図２のように、ビート信号が両端で不連続な場合は、周波数のアップ区間とダウン区間の境目と両端において急峻なオフセットが生じていて、そのオフセットの前後にリップルが継続的に発生していることがわかった。つまり、周波数のアップ区間とダウン区間の境目や両端では、レーザー光の周波数掃引特性を精度よく測定することができないことがわかった。その結果、オフセットやリップルの区間はレーザー光の周波数掃引特性が線形となるように補正できないことがわかった。

一方、図３のように、ビート信号が両端で連続な場合、オフセットやリップルの発生は見られなかった。したがって、第１実施形態によれば、レーザー光の周波数掃引特性を精度よく測定できることがわかり、レーザー光の周波数掃引特性を十分に広い範囲で線形に補正可能であることがわかった。

（第２実施形態）
第２実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置は、第１実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置におけるビート信号の両端を連続とするための機構を変更するものである。図５に示すように、第２実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置は、第１実施形態のＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置において非対称ＭＺＩ１２０、波形調整部１２４を、非対称ＭＺＩ２２０、波形調整部２２４に変更したものである。他の構成は第１実施形態と同様である。

非対称ＭＺＩ２２０は、光路長差を制御可能な非対称ＭＺＩである。光路長差の制御機構の１例を図６に示す。非対称ＭＺＩ２２０は、図６に示すように、光カプラ２０１～２０３と、光路切り替えスイッチ２０４と、を有している。

光カプラ２０１は、光カプラ１０１からのレーザー光を２分岐する光デバイスである。２分岐されたレーザー光の一方は光路切り替えスイッチ２０４に入力され、他方は光カプラ２０３に入力される。

光路切り替えスイッチ２０４は、互いに光路長の異なる複数の光路のうち１つを選択して、その光路に光カプラ２０１からのレーザー光を出力する光デバイスであり、光路の選択は波形調整部１２４によって制御される。光路切り替えスイッチ２０４は、たとえば、マルチモード干渉カプラと位相シフタを組み合わせたスイッチや、リング共振器の共振を利用したスイッチである。光路切り替えスイッチ２０４によって選択された光路からのレーザー光は、光カプラ２０２に入力される。

光カプラ２０２は、光路切り替えスイッチからの複数の光路と接続され、それらの光路から入力されたレーザー光を１つの光路に出力する光デバイスである。光カプラ２０２は、たとえば、マルチモード干渉カプラ（ＭＭＩ）やスターカプラである。光カプラ２０２からのレーザー光は、光カプラ２０３に入力される。

光カプラ２０３は、光カプラ２０１からのレーザー光と光カプラ２０２からのレーザー光を合波して出力する光デバイスである。合波光は受光器１２１に入力される。

波形調整部２２４は、光路切り替えスイッチ２０４における光路の選択を制御する制御信号を生成し出力する。そして、その制御信号に基づき光路切り替えスイッチ２０４における光路の選択を制御し、ビート信号が両端で連続となるように制御する。具体的には、次のようにして光路切り替えスイッチ２０４の制御信号を生成し、その制御信号によって光路切り替えスイッチ２０４における光路の選択を制御する。

光路切り替えスイッチ２０４によって選択される光路はＮ＋１本存在し、光路長が小さい順に０、１、…、ｉ、…、Ｎとする。そして、波形調整部１２４からｉ番目の光路を選択する旨の制御信号が出力され、その制御信号の基づき光路切り替えスイッチ２０４によってｉ番目の光路が選択されているものとする。

ここで、光路長のきざみ幅（ｉ番目と（ｉ＋１）番目の光路長差）は、オフセットやリップルが生じない光路長差の幅（つまり瞬時周波数の非線形成分νｎｌ（ｔ）の最大値が最小となる光路長差の幅）の範囲をａとしてａ／２以下とするのがよい。

まず、ＡＤ変換器１２２からのビート信号について、移動平均によって高周波ノイズを除去する。そして、ビート信号の両端の誤差δ（両端の振幅の差）を検出する。

次に、誤差δの絶対値が所定値以下であるかどうか判定する。誤差δは、ビート信号の両端が十分に連続となるように設定されていればよい。たとえば、両端の振幅差の絶対値が振幅最大値に対して１％以下となるような値に設定する。

誤差δの絶対値が所定値以下であれば、制御信号を更新せず、ビート信号をヒルベルト変換部１２５、瞬時位相算出部１２６に出力する。

一方、誤差δの絶対値が所定値よりも大きい場合、ビート信号の両端における微分値ａ１、ａ２を算出する。そして、ｓｇｎ｛δ×ｓｇｎ（ａ１・ａ２）｝を算出する。

次に、ｉ＝ｉ＋ｓｇｎ｛δ×ｓｇｎ（ａ１・ａ２）｝として、ｉ番目の光路を選択する旨の制御信号を更新する。以下、誤差δの絶対値が所定値以下となるまで制御信号の更新を繰り返す。

もちろん、このようにして制御信号を更新する必要はなく、単にｉを１ずつ増加させていって誤差δの絶対値が所定値以下となるまで繰り返してもよい。

以上、第２実施形態では、非対称ＭＺＩ２２０として光路長差を制御可能なものを用い、波形調整部２２４によって光路長差を制御することによって、ビート信号の両端が連続となるように制御している。

次に、第２実施形態に関するビート信号の解析結果を説明する。

γ＝１．０ＧＨｚ／１２５μｓ、νｎｌ（ｔ）＝９×１０^５・ｓｉｎ［２π・４×１０^３ｔ］とするビート信号を生成し、非対称ＭＺＩにおける光路長差ΔＬを掃引してνｎｌの最大値を算出した。

図７は、ΔＬとνｎｌの最大値の関係を示したグラフである。図７のように、νｎｌの最大値が小さくなるピークが約２０ｃｍごとに現れ、νｎｌの最大値が小さくなるときの幅は約８ｍｍであることがわかった。このνｎｌの最大値が小さくなるときの幅から外れると、νｎｌの最大値は１桁以上大きくなった。これはビート信号の両端が不連続となって大きなオフセットが現れ、測定誤差を与えているためである。また、この場合、非対称ＭＺＩ２２０における光路長のきざみ幅は４ｍｍ以下とするのがよいとわかった。

光ファイバーの実効屈折率を１．４６とすると、光ファイバーを８ｍｍ通過するのに必要な時間は約３９ｐｓである。よって、非対称ＭＺＩ２２０において伝搬遅延時間が３９ｐｓの範囲に収まるように制御すれば、ビート信号の両端を連続にして測定誤差を低減できることがわかった。

（変形例）
なお、第１、第２実施形態では、本発明の周波数掃引特性測定装置をＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置に適用した例を示したが、本発明は周波数掃引特性の測定が必要な例であれば適用できる。たとえば、分光装置に本発明を適用することができる。また、第１、第２実施形態では、周波数を線形に掃引した場合であるが、本発明は線形以外でも適用できる。

本発明の周波数掃引特性測定装置は、ＬｉＤＡＲや分光装置に利用することができ、周波数掃引特性の線形性改善に利用することができる。

１：ＬｉＤＡＲ装置
２：周波数掃引特性測定装置
１００：ＬＤ
１０１～１０３、２０１～２０３：光カプラ
１０４：光送信アンテナ
１０５：光受信アンテナ
１０６、１２１：受光器
１０７、１２２：ＡＤ変換器
１０８：第１信号処理部
１０９：ＤＡ変換器
１１０：ＬＤ駆動回路
１１１：フーリエ変換部
１１２：ピーク検出部
１１３：距離・速度算出部
１１４：ＬＤ駆動基準信号生成部
１２０、２２０：非対称ＭＺＩ
１２３：第２信号処理部
１２４、２２４：波形調整部
１２５：ヒルベルト変換部
１２６：瞬時位相算出部
１２７：周波数算出部
１２８：非線形成分算出部
１２９：ＬＤ駆動信号制御部
２０４：光路切り替えスイッチ

Claims (6)

1. 周波数掃引したレーザー光の周波数掃引特性を測定する周波数掃引特性測定装置において、
   前記レーザー光を分岐して所定の光路長差を与えた後で合波して合波光を生成する非対称マッハツェンダー干渉計と、
   前記非対称マッハツェンダー干渉計から出力された前記合波光を受光し、電気信号であるビート信号に変換して出力する受光器と、
   前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する波形調整部と、
   前記ビート信号をヒルベルト変換して直交成分を算出するヒルベルト変換部と、
   前記ヒルベルト変換部からの直交成分と、前記ビート信号の逆正接を算出することで前記ビート信号の瞬時位相を算出する瞬時位相算出部と、
   前記瞬時位相と前記光路長差とから前記レーザー光の周波数掃引特性を算出する周波数算出部と、
   を有することを特徴とする周波数掃引特性測定装置。
2. 前記波形調整部は、前記ビート信号の両端近傍それぞれから、ゼロクロス点であってそのゼロクロス点における微分値の符号が一致する２点を抽出し、その２点よりも外側のビート信号を削除することによって、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の周波数掃引特性測定装置。
3. 前記非対称マッハツェンダー干渉計は、前記光路長差が可変であり、
   前記波形調整部は、前記光路長差を制御することによって、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の周波数掃引特性測定装置。
4. 前記非対称マッハツェンダー干渉計は、互いに光路長が異なる複数の光路を切り替える光路切り替えスイッチを有し、前記光路切り替えスイッチによって前記光路を切り替えることで前記光路長差が可変となっており、
   前記波形調整部は、前記光路切り替えスイッチにおける前記光路の選択を制御することによって、前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整する、ことを特徴とする請求項３に記載の周波数掃引特性測定装置。
5. レーザー光を放射するＬＤと、請求項１から請求項４までに記載の周波数掃引特性測定装置と、を有したＦＭＣＷ方式のＬｉＤＡＲ装置であって、
   前記周波数掃引特性測定装置により算出した前記レーザー光の周波数掃引特性に基づき、前記レーザー光の非線形成分が低減するように前記ＬＤの駆動信号を校正するレーザー駆動信号制御部を有する、
   ことを特徴とするＬｉＤＡＲ装置。
6. 周波数掃引したレーザー光の周波数掃引特性を測定する周波数掃引特性測定方法において、
   前記レーザー光を分岐して所定の光路長差を与えた後で合波して合波光を生成し、
   前記合波光を受光し、電気信号であるビート信号に変換し、
   前記ビート信号の両端の振幅と位相が一致するように波形を調整し、
   波形が調整された前記ビート信号をヒルベルト変換して直交成分を算出し、
   前記直交成分と、波形が調整された前記ビート信号の逆正接を算出することで前記ビート信号の瞬時位相を算出し、
   前記瞬時位相と前記光路長差とから前記レーザー光の周波数掃引特性を算出する、
   ことを特徴とする周波数掃引特性測定方法。