JP3464650B2 - 広帯域信号を使用するコヒーレント検出器についてのスペックル緩和 - Google Patents

広帯域信号を使用するコヒーレント検出器についてのスペックル緩和

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、独立計測を同時に
並行して行うことができるようにするのに十分な距離だ
け周波数が離間された複数のスペクトル線を持つ信号を
使用して赤外線等の放射線のコヒーレントなビームを大
気を通して伝送することによってスペクトル特性を計測
することに関する。次いで、独立計測を平均し、スペッ
クルにより生じる信号の変動を減少し、これによってス
ペクトル特性の計測の精度を高める。スペクトル伝送特
性の正確な計測を提供するために平均される別の独立計
測を導入することによってスペックル変動を減少するた
め、ビーム伝送口径の大きさに限定された多数の受信口
径を使用するのがよい。
【０００２】
【従来の技術】光源から遠隔のターゲットまで光ビーム
を伝送し、照射放射線をターゲットで散乱させ、散乱し
たエネルギをトランスミッターと一致した又はトランス
ミッターの近くに設けられたレシーバー（又は多数のレ
シーバー）によって検出することを含む長距離計測を行
う上でレーザーが理想的に適している。戻り信号の強さ
及び他のパラメータ、例えば往復移動時間、戻り放射線
のドップラーシフト、分極変化を計測することによって
情報が得られる。この情報には、ターゲットの性質（大
きさ、距離、速度、及び距離分解回転速度並びに光ビー
ムがターゲットへ及びターゲットから通過する媒体の性
質が含まれる。ターゲットに関する情報は、レーザーレ
ーダー（レーダー（ｌａｄａｒ））の一般的カレゴリー
でグループ分けされ、この際、光媒体に関する計測は遠
隔測定（ライダー）でグループ分けされる。
【０００３】例えば、地上に設置した光源と飛行してい
るターゲットの場合には、信号強度の計測によりターゲ
ットの物理的性質についての情報が得られ、ターゲット
への及びターゲットからの往復移動時間がターゲットの
距離の計測値を提供し、戻り放射線の周波数シフトを決
定することにより、光源に対するターゲットの速度を直
接計測する。これは、光レーダーシフトの基本である。
【０００４】照射源が飛行しており、ターゲットが地上
にある場合には、後方散乱信号の強さを計測することに
よって、伝送波長で光路に沿って吸収大気種（ａｂｓｏ
ｒｂｉｎｇ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｓｐｅｃｉｅ
ｓ）があるものと推論される。これは、環境中の化学的
種を遠隔測定するための重要な技術である。パルスレー
ザー源を使用する標準的な経路積分計測又は距離分解吸
収差計測によって、空中浮遊汚染物の遠隔測定を行うこ
とができる。経路積分システムは、エコー信号の地形戻
り信号に基づくが、距離分解センサはエアロゾルの後方
散乱を使用する。汚染物質は、スペクトルに分解した吸
収の徴候から同定される。吸収計測は、一般的には赤外
線大気窓（波長が３μｍ乃至５μｍ、及び８μｍ乃至１
２μｍ）で行われるが、以下に説明する技術は、可視領
域及び近赤外線領域（波長：０．４μｍ乃至２．０μ
ｍ）で等価の利点を提供する。計測は、標準的な直接検
出を使用して、又は赤外線領域で遙かに良い感度でコヒ
ーレントな（ヘテロダインな）検出を使用して行うこと
ができる。
【０００５】ライダー計測及びレーダー計測の両方の有
用性は、長距離での作動可能性に左右される。所与の距
離では、ターゲットの大きさ、反射性、及び表面の品
質、及びシステムの伝送エネルギ、トランスミッター及
びレシーバーの口径、及び検出感度等の全システムパラ
メータをＳＮ比が決定する。
【０００６】システム性能を最適化するため、単光子検
出感度（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉ
ｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を得る努力がなされて
いる。熱ノイズ源が僅かな拮抗信号を発生する可視領域
及び近赤外線領域では、戻り信号のエネルギ即ち出力に
左右され、戻り電界振幅の平方と比例する直接検出によ
り、単光子検出性能が提供される。熱放射線誘導ノイズ
により戻り信号が遮蔽される場合がある赤外線領域の比
較的長い波長では、戻り信号の電界の振幅に左右され且
つ局部発振器として役立つ追加の光源を必要とするコヒ
ーレント検出器が、単光子検出性能を提供する。スペク
トル作動範囲、ハードウェアの複雑さ、及び所望の感度
で検出モードが決まるけれども、両方の方法には、レー
ザービームの空間的コヒーレンスによるレーザービーム
の高い輝度及び指向性の利点がある。
【０００７】一時的コヒーレンスは、電界間の干渉によ
りレシーバー平面にスペックルパターンが発生すること
によって、両検出モードについて問題が生じ、これは、
粗い（拡散する）ターゲット表面からの散乱に寄与す
る。表面は、照射された放射線を表面粗さのスケールサ
イズに応じて鏡面反射又は拡散反射する。表面の凹凸の
スケールサイズが照射波長と比較して小さい場合には、
戻りは鏡面反射である。表面粗さのスケールサイズが照
射波長に適するか或いはそれよりも長い場合には、散乱
が拡散しスペックルが発生する。
【０００８】スペックルは、戻り信号の電界にランダム
なパルス間変動を加えることによってシステムの性能を
劣化する。変動は、光路長（照射放射線の波長に匹敵す
る）の小さな変化による。光路長のこのような変化は、
ターゲット又は放射線源の運動によって、又はレーザー
放射線の連続パルス間の光伝送路で見られる大気の揺ら
ぎによって発生する。パルス間スペックルが発生する変
動は、戻り信号計測の分散を増大し、これにより有効Ｓ
Ｎ比が減少し、これによって計測の正確さが低下する。
【０００９】戻り信号の電界の平方を計測し、その位相
に対して感度がない直接検出システムについては、多数
のスペックルを同時に収集するようにレシーバー口径を
大きくすることによってスペックルを吸収できる（及び
分散を結果的に減少する）。結果的に得られた検出器の
出力は個々のスペックルの強さの平均を表し、ターゲッ
トから散乱された平均出力を更に近く表す。しかしなが
ら、この技術はコヒーレント検出には適用できない。こ
れは、出力信号が電界の振幅及び位相で決まるためであ
る。周知の分析によれば、口径が減少するため、コヒー
レントに検出された信号における分散は減少しない。従
来、スペックルによる分散を減少する有効な手段がなか
ったため、コヒーレント検出の使用が思いとどめられて
おり、赤外領域での直接検出と比較した場合のその非常
に大きな感度が利用されてこなかった。
【００１０】コヒーレント照射を使用するシステム、及
び直接検出又はコヒーレント検出のいずれかの方法が、
スペックルによる上述の干渉が解決できるのであれば、
多くの監視型機能で望ましい長レンジを得る可能性を提
供できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、両検
出方法について、スペックルにより生じる変動を減少す
る方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】以上の問題点は、本発明
によれば、レーダー及びライダーのいずれかで、ターゲ
ットのレーザー照射を使用することによって汚染物質等
の空気中に漂う物質のスペクトル計測を行うことによっ
て、上述のレーダー及びライダー状況の両方で、受信し
たレーザー信号の分散を減少することによって解決され
る。スペクトル特性の独立計測を並行して行い、独立計
測を平均し、ランダムなスペックルにより生じる、コヒ
ーレント検出システムで見られる戻り信号振幅の乱れを
減少することによって、スペックル干渉が緩和される。
多数の受信口径を使用することによって及び／又は多数
の搬送スペクトル線を持つレーザー信号を伝送すること
によって独立計測が並行して行われる。多数の搬送スペ
クトル線は、レーザー信号の各搬送成分が、他の搬送周
波数のレーザー信号によって行われた計測とは独立した
計測を行うことができるのに十分離間されている。
【００１３】多数の受信口径を使用することに関し、タ
ーゲットをコヒーレントな放射線で照射することにより
受信口径の平面に形成されるスペックルパターンを考慮
しなければならない。スペックルの効果は、受信平面を
横切って進むときに受信信号の振幅を変化させるという
ことである。この変化は、ピークを持つ準定期的である
と説明でき、スペックル戻り信号の強め合う干渉及び弱
め合う干渉のため、受信パターンがほぼゼロである。ピ
ーク間間隔は、受信信号の特性寸法に関して説明でき、
これはモノスタティックレーダーの場合には、レーザー
信号の伝送に使用される円形の伝送口径の直径に等し
い。かくして、受信口径の直径を特性寸法に限定するこ
とによって、信号応答を最大にするため、口径が受信し
た信号を強め合う干渉の領域に拘束する。更に、計測の
独立性を確保するため、受信口径をこれらの受信口径の
中央で特性寸法の整数と等しい間隔だけ離間する。これ
によって、受信口径のアレイを形成できる。ここで、夫
々の受信口径は、レーザービームが通過して伝播する環
境のスペクトル特性の独立計測を行うように作動する。
【００１４】伝送されたレーザー信号のパルス列に関し
て独立計測を並行して行うことに関し、伝送されたパル
スのスペクトル成分の帯域幅及びスペクトルの個々の成
分の間隔がパルス列の繰り返し周波数と関連した櫛状ス
ペクトルを発生することが、モードロックレーザーの共
振器の長さの特性であるということに着目されたい。こ
のスペクトルは、レーザーによって放射された放射線
（代表的には、赤外線）の搬送周波数の公称値に中心を
持つ。これによりパルス列に線周波数のところで一組の
正弦波成分を提供する。正弦波成分が同期されており、
ランダムに発生したものと区別され、スペクトル線の間
隔は、正弦波成分の各々が発生するスペックルパターン
を非相関にするのに十分大きい。
【００１５】夫々のスペクトル成分の各々の波長の数
は、レーザーの共振チャンバ内の往復伝播路内の波長の
整数である。これによって、共振チャンバの長さを短く
することによって、スペクトル成分間の周波数差の分数
増分が増大し、共振チャンバの往復路が増大し、伝送さ
れたスペクトルの連続した周波数線間の周波数差の分数
増分を減少する。伝送された振動の並行成分がスペクト
ルの様々な部分で互いに非相関の成分戻り振動を発生す
るように、様々なスペクトル線の間で十分大きな周波数
差を提供することによって計測の独立性が得られる。非
相関を得るための隣接したスペクトル線間の周波数差の
大きさは、以下に論じるように、ターゲットの形状で決
まる。
【００１６】レーザービームを地上に向かって下方に５
°乃至１０°、代表的には７°乃至８°の仰角で差し向
けた場合には、放射線のパターン列は、ターゲット領域
に沿って進むように見える。円形断面のビームの場合に
は、仰角が小さいため、地上でのビームのフットプリン
トが楕円形になり、放射線のパターンはこのフットプリ
ントに沿って伝播する。ここでも、戻り振動の一連の最
大値及び最小値をもたらす強め合う干渉及び弱め合う干
渉の両方を持つ干渉パターンがある。楕円形のフットプ
リント（長軸）の寸法が、必要な周波数差を決定する。
一つの正弦波成分から第２の正弦波成分まで、周波数が
十分に異なることにより、正弦波成分間で、照射領域の
位相の蓄積における差を提供し、非相関にされるべき様
々な正弦波成分の戻り信号を可能にする。必須の周波数
シフトを非相関周波数シフトと呼ぶ。
【００１７】レーザーの共振チャンバは、非相関を行う
ため、出力されたレーザー信号のレーザー成分間に必須
の周波数差を提供するように選択される。これによっ
て、戻り信号は、周波数成分の夫々の値で並行した独立
計測の組を提供する。これは、レーザービームが通過し
て伝播する環境のスペクトル特性の必須の多数回の独立
計測を提供する。戻り信号から独立計測を取り出すた
め、信号の伝送時及び戻り信号の受信時に信号のフーリ
エ変換を行う。第１のフーリエ変換は基準スペクトルと
して使用され、第２のフーリエ変換は受信信号のスペク
トルを伝送信号のスペクトルと相関するために使用され
る。フーリエ変換の結果及び相関は、戻り信号の様々な
スペクトル線での伝送出力と受信出力の比較を行うため
である。これにより、レーザービームが通過して伝播す
る環境の所望のデータが得られる。
【００１８】受信口径のアレイを使用した場合には、以
上のデータ処理方法を受信口径の各々について繰り返
し、独立計測の平均を行うのがよい。かくして、平均効
果を得るのに二つのモードがある。即ち、櫛状スペクト
ルからの複合計測及び様々な受信口径からの計測の平均
の二つのモードがある。これにより、環境のスペクトル
特性を、非常に正確に且つ従来可能であったよりも遙か
に迅速に計測する。
【００１９】本発明の以上の特徴及び他の特徴を、添付
図面を参照して以下に説明する。同じ参照番号を附した
エレメントが異なる図における同じエレメントに関して
異なる図に示してあるが、全ての図についての説明で参
照されない。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は、光信号を航空機２４に伝
送するために地上２２に設置したレーザーシステム２０
を示す。このシステム２０は、出射光信号を発生するた
めのトランスミッター２６、航空機２４から反射された
光信号を検出するためのレシーバー２８、及び望遠鏡３
０を含む。光信号は、放射線の一連のパルスである。望
遠鏡３０は、出射信号を焦合し、大気を通して航空機２
４まで伝播するビーム３２を形成するためにトランスミ
ッター２６とともに使用される。望遠鏡３０は、レシー
バー２８を作動するために反射信号の輻射エネルギを集
めるのにも役立つ。受信された信号は、伝送した信号の
性質を持つが、航空機の物理的特性、及びその運動２４
及び大気中の汚染物３４によって伝送した信号から変更
される。受信信号におけるこのような変更には、様々な
スペクトル成分のドップラー周波数シフト及び選択的減
衰が含まれる。このような変更の検出及び分析は、レシ
ーバー２８に連結された信号プロセッサ３６によって行
われる。
【００２１】図２は、伝送された光エネルギ及び反射さ
れた光信号によって計測を行うための構成を示す。この
構成は、図１に示す構成と逆である。図２では、レーザ
ーシステム２０は航空機２４によって運搬され、放射線
のビーム３２を地上２２に向かって下方に差し向ける。
出射信号は、トランスミッター２６によって、ビーム３
２を形成する望遠鏡３０を介して伝送される。ビーム３
２は、フットプリント３８として表示された地上２２の
部分を照射する。地上２２は、大きな空間領域に亘って
放射線を反射するのに十分な粗さを有し、光を望遠鏡３
０に向かって反射する。地面２２の表面の粗さは、地面
２２の表面の乱れ即ち凹凸によって構成され、乱れの個
々の一つの大きさは、照射放射線の波長程度である。レ
ーザーシステム２０によって伝送された放射線は、以下
に詳細に説明するように、レーザーのモードをロックす
る（ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ）ことによって発生させ
たコヒーレントな放射線である。放射線がコヒーレント
であるため、フットプリント３８に亘る多くの乱れから
反射された波が干渉し、この干渉がスペックルとして周
知の現象を生じる。
【００２２】図３は、スペックルの効果を示すグラフで
あり、従来のレシーバー３８の像平面４０で強め合う干
渉及び弱め合う干渉が観察される。図３は、受信した放
射線の強さのスペックルパターンを決定する確率分布で
ある。像平面４０は、垂線によって表される。望遠鏡３
０の軸線４２を、像平面４０と交差する水平線で表す。
更に、像平面４０の垂線は、望遠鏡３０のボアサイトか
らの離間距離を計測するのに役立ち、水平線即ち軸線４
２もまた像平面４０のところで受信された放射線の強さ
の基準として役立つ。トレース４４は、像平面４０での
受信放射線の強さを軸線４２からの距離の関数として示
す。グラフは、強さのピーク値４６が軸線４２のところ
で受け入れられることを示す。強さは、軸線４２の両側
での距離が大きくなるにつれて落ち込む。更に別のピー
ク（図示せず）が、軸線４２から別の距離のところに存
在する。三つのピーク４６、５２、及び５４は、像平面
４０に沿ってほぼ同じ幅である。
【００２３】像平面４０上に結果的に形成されたスペッ
クルパターンを、特性寸法ｒに関して説明するのが便利
である。この特性寸法ｒは、像平面４０（図５参照）か
らターゲット即ちフットプリント３８までの距離Ｒ（図
５参照）に比例する。特性寸法ｒは、更に、放射線の波
長λをフットプリント３８の幅Ｄ（図５参照）で除した
比と比例する。特性寸法ｒは、ピーク４６、５２、及び
５４の各々の間の間隔と本質的に等しいということがわ
かっている。これを図３のグラフに示す。放射線の波長
に匹敵する光路長の小さな変化により、スペックルパタ
ーンを時間で変化させることができる。光路長における
小さな変化は、システム２０が表す放射線源とフットプ
リント３８が表すターゲットとの間の相対的移動によ
り、並びにシステム２０が伝送する連続した放射線パル
ス間の大気の揺らぎにより生じる。
【００２４】図４は、システム２０Ａとして示す、シス
テム２０の別の実施例を示す。この実施例では、コヒー
レント検出の利点を実現するため、追加の望遠鏡を望遠
鏡３０と関連してアレイ６０をなして使用する。二つの
このような望遠鏡５６及び５８を例として示す。望遠鏡
アレイ６０は、特性寸法ｒと等しい直径の光学的口径を
各望遠鏡３０、５６、及び５８に提供することによって
形成されている。喜ばしいことに、望遠鏡の口径につい
てのこのような直径により、望遠鏡３０、５６、及び５
８を、図４に示すように側部と側部とを向き合わせたア
レイ、例えばアレイ６０をなして配置できる。これによ
り、望遠鏡５６及び５８に夫々連結された追加のレシー
バー６２及び６４を、望遠鏡３０に連結されたレシーバ
ー２８と協働して作動し、単一のスペックルを観察でき
る。ターゲットを照射した連続したパルス間の受信信号
の揺らぎは、望遠鏡３０、５６、及び５８の各々が受信
するのと同じ特性を備えている。これにより、夫々のレ
シーバー２８、６２、及び６４を上述の協働態様で作動
させ、信号の分散を大幅に減少させ、受信信号のスペク
トル特性の計測を改善できる。
【００２５】トレース４４を一つの寸法（ディメンジョ
ン）で示す図３を更に参照すると、図３のトレース４４
が、像平面の二つの直交する次元内において軸線４２を
中心として対称であるということが理解されよう。従っ
て、アレイ６０を図４において一次元だけの直線状のア
レイとして示したが、アレイ６０は、スペクトル計測で
更に改良がなされるようにするため、望遠鏡３０を中心
として対称に位置決めされた望遠鏡の二次元アレイ（図
示せず）として形成できる。
【００２６】戻り信号のエネルギの平均値を正確に表す
ために戻り信号の強さを計測するため、受信信号の多数
のパルスを平均し、受信信号の信号強さの変動を所望の
レベルまで減少することが必要である。所与の戻り信号
の強さの計測における不確実性は、独立計測の数の平方
の逆数に従って減少する。
【００２７】本発明によれば、計測の独立性を確保する
ため、上述の特性寸法ｒだけ離間された複数の位置で同
時に、ターゲットからの単一のエコーパルスを同時に見
ることによって平均を行うことができる。これは、受信
信号パルスの連続を見ることによっても行うことができ
る。この場合、一つのパルスの信号は、一つのパルスの
信号が独立しているという意味で、非相関であるという
意味で、互いのパルスから独立している。このような独
立性は、パルス列の各パルス内で同時に発生する複数の
スペクトル線を同時に見る場合でも得ることができ、ス
ペクトル線間の周波数の相違量を非相関周波数と呼ぶ。
図５及び図６を参照して非相関周波数を得ることを説明
する。
【００２８】図５は、図２と同様であり、ビーム３２が
システム２０の望遠鏡３０によって下方に地上２２に向
かって小さな仰角θで差し向けられる。仰角の値は、代
表的には、５°乃至１０°であり、代表的には、７°乃
至８°である。ビームは、図６に示すように、長さがｘ
で幅がＤのフットプリント３８を照射する。地面近くで
のビームの直径は、代表的には１０ｍ乃至１５ｍの範囲
内にある。長さｘ及び幅Ｄは等式ｘ＝Ｄ／ｓｉｎ（θ）
によって数学的に関連している。伝送光線には参照番号
６６が附してあり、反射光線には参照番号６８が附して
ある。伝送放射線のパルス７０の持続時間は約１ｎｓで
あり、これは、放射線がフットプリント３８に沿って伝
播する際のフットプリント３８に沿った約１フィートの
距離と対応する。
【００２９】上述のように、計測を改良するため、一連
のパルスに亘って平均を行うことができる。しかしなが
ら、これには時間がかかり、及び従って、不利である。
この不利は、本発明によって、パルス７０の各々は光又
は放射線の多くのスペクトル線の合成であることを考慮
することによって解決できる。この場合、多くの同時も
しくは平行（ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ）スペクトル線の各
々は他のラインと周波数が異なっている。周波数は、非
相関周波数Ｆｄと呼ばれる量だけ十分に異なっており、
同時スペクトル線のうちの任意の一つのスペクトル線を
使用することによって行われる計測は、同時スペクトル
線のうちの任意の他の一つのスペクトル線について発生
された計測とは独立している。これによって、パルス７
０のうちの一つのパルスを使用することによって多数の
独立した計測を行うことができる。これにより計測を行
うのに必要な時間が大幅に減少する。
【００３０】異なる搬送周波数のパルス間の以上の独立
計測を行うため、非相関周波数Ｆｄは、ｃ／（２ｘ）と
等しいか或いはそれ以上である。ここで、ｃは光速であ
り、ｘは上述のフットプリント３８の長さである。この
関係は、パルスがフットプリント３８に沿って伝播する
際にパルスの二つの正弦波成分間での位相差を考慮する
ことによって理解できる。信号６６と６８（図５参照）
との間の往復移相（ｒｏｕｎｄ ｔｒｉｐ ｐｈａｓｅ
ｓｈｉｆｔ）θは、２（π／λ）ｃｏｓ（θ）によっ
て与えられる。ここで、ｃｏｓ（θ）は、低い仰角θで
はほぼ一定である。搬送周波数が異なる二つの信号間の
往復位相の差θの量を考えなければならない。大きさが
π／２に等しい量Δθが、像平面４０でのスペックルの
最大値又は最小値を提供する（図３及び図５参照）。Ｆ
ｄについての最小値を決定するために非相関についての
この判断基準を使用することによって、Δθの大きさが
２（π／λ）（２ｘ）（１／８ｘ）に等しいという関係
をつくりだす。〔伝送放射線が、波長λが１０-5ｍに等
しく、フットプリント３８の長さｘが２５ｍであると仮
定すると、Ｆｄは、１．５ＭＨｚと等しいか或いはそれ
以上でなければならない。波長及びフットプリント長さ
の以上の値を例として提供したが、これらの値は本発明
の好ましい実施例で使用される。
【００３１】本発明の以上の実施例では、パルス７０の
うちの単一のパルス内にＮ本のスペクトル線があると仮
定した場合、Ｎ個の独立計測即ちスペックル実現（ｓｐ
ｅｃｋｌｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ）があり、これに
より単一のパルス７０についての反射信号の分散をＮの
平方根だけ減少する。本発明を実施する上での変形例に
より、搬送周波数が異なるＮ個の同時パルスを提供する
代わりに単一のパルスを提供して、搬送周波数がＮ（Ｆ
ｄ）に等しい周波数範囲に亘り掃引されるようにしても
よい。更に、これにより、Ｎ個の独立計測又はスペック
ル実現が、単一のパルス７０についての反射信号の分散
をＮの平方根だけ減少することを可能にする。
【００３２】レーザーシステム２０でモードロックレー
ザーを使用することによって、図８で説明するように、
レーザーは、所定の関係、即ちモード間隔がｃ／（２
Ｌ）に等しいという関係によって、周波数間隔が等しい
又は等しいモード間隔のラインスペクトルの性質を有す
る複数の搬送周波数を端ミラー間で同時に発生できる。
ここで、ｃはレーザーの光速である。レーザーの作動領
域内には、振動を発生するための十分なゲインがあり、
上述のモード間隔を有する多数のスペクトル線を発生す
るのに十分な帯域幅がある。モードロックレーザーにつ
いて同時発生させたスペクトル線のこのような間隔を図
７に簡単に示す。
【００３３】図８を参照して詳細に説明するレーザー共
振器内のモジュレータを作動し、パルス持続時間が１ｎ
ｓのモードロックパルスを発生する。これにより、図５
を参照して上文中に説明した複数のスペクトル線を持つ
パルス７０を発生する。パルス７０の他の持続時間を使
用できるが、本発明の好ましい実施例では１ｎｓの持続
時間を使用する。１ｎｓのパルスの周波数スペクトルの
帯域幅は、単一パルスでスペクトルが連続している場合
には、１０００ＭＨｚである。しかしながら、パルスの
繰り返し列を発生するとき、スペクトルは、パルス間の
時間間隔の逆数に比例する線間隔になる。かくして、パ
ルス列のパルスの繰り返し周波数が高いと、線即ちスペ
クトル間の周波数差が大きくなる。共振器の長さＬは、
２５ＭＨｚのモード間隔を発生するように選択される。
モード間隔と釣り合った周波数でモジュレータを作動さ
せることによって、以下に説明する理由のため、１２．
５ＭＨｚのモジュレータ周波数を使用する。モジュレー
タにより、反射の各往復毎に反射輻射エネルギをモード
ロックを行うためのレーザーの端ミラー間で通すことが
できる。パルスを２５ＭＨｚで出力する。かくして、レ
ーザーは、互いから２５ＭＨｚ離間された４０本の線ス
ペクトルを発生する。これによって、Ｎ個の独立計測の
並行計測をレーザーによりＮ＝４０で行うことができ
る。
【００３４】図８は、図１及び図２を参照して上文中に
論じたレーザーシステム２０の構造を詳細に示す。この
構造は、望遠鏡３０及び信号プロセッサ３６及びこれら
とトランスミッター２６及びレシーバー２８との相互接
続部を含む。レシーバー２８は、ヘテロダイン型のレシ
ーバーであり、局部発振器７２、半反射性ミラー７４、
ヘテロダイン検波器７６、及び受信回路７８を含む。ト
ランスミッター２６はレーザー８０を含み、このレーザ
ーは、二つの端ミラー８４と８６との間に配置されたレ
イジング媒体８２を含む。入力電源９０による媒体８２
の賦勢に応じて赤外線ビーム８８を媒体８２内で発生さ
せ、ミラー８４と８６との間で反射させ、強さを高め
る。ミラー８６は部分的に透明であり、ビームエネルギ
の一部をレーザー８０から出し、伝送／受信スイッチ９
２を介して望遠鏡３０に伝播し、システム２０からビー
ム３２として出す。このビーム３２は航空機２４（図１
参照）又は地上２２（図２参照）の形態のターゲットを
照射する。図７の線スペクトルを提供するため、レーザ
ー８０は、レーザー８０のモードロックを行うためにド
ライバー９６により駆動されるモジュレータ９４を含
む。
【００３５】上文中に説明したように、モードロックに
よりレーザー８０からパルス列７０を図９に示すように
出力する。ここで、各パルス７０は、各パルス７０内に
多数のモードロックスペクトル線を含む複合パルスであ
る。本発明の好ましい実施例では、上文中に説明したよ
うに、パルス７０の各々は、幅が１ｎｍであり、パルス
間間隔が４０ｎｓである。更に、レーザー８０は、約１
１μｍの波長を提供する二酸化炭素レイジング媒体８２
を使用する。パルス列は、約３μｓ乃至５μｓの時間間
隔に亘って延びている。
【００３６】モジュレータ９４は、圧電材料製の音響光
学変調器即ちブラッグセル（Ｂｒａｇｇ ｃｅｌｌ）と
して形成されているのがよく、ドライバー９６が圧電材
料内で音響波を賦勢する。波は、正又は負の何れかのピ
ーク値の格子の外観をセルに与え、圧電材料を圧縮して
格子を形成するのに役立つ。かくして、格子の空間周波
数はドライバー９６の励起周波数の倍である。従って、
２５ＭＨｚのモード間隔をつくりだすため、ドライバー
９６は上記周波数の半分、即ち１２．５ＭＨｚのドライ
バー信号を出力する。ブラッグセルの格子は、レーザー
ビームをレーザーの長さ方向軸線から変向する傾向があ
り、これによりレーザーパルスを終了させ、レーザー８
０が出力した光の各パルスが生じる長さ及び時間を制御
するのに役立つ。
【００３７】所望であれば、本発明の別の実施例に従っ
てレーザー８０を作動させることができる。この実施例
では、線スペクトルを発生させる代わりに、ミラー８４
を格子に変えることによってレーザー８０を改造する。
格子を傾けることによってレーザー８０が出力する放射
線の周波数を時間間隔に亘って周波数掃引する。例え
ば、傾斜は、仮想線で示す制御装置９８によって行うこ
とができる。この制御装置は、レーザー８０が出力した
パルス７０の持続時間等の時間間隔中、レーザー８０の
長さ方向軸線に対して垂直な軸線を中心として格子を所
定の回転速度で回転する。これにより、パルス７０の持
続時間中、ビーム３２の搬送周波数を直線的に掃引す
る。
【００３８】作動では、ターゲットから反射されたエコ
ーの受信中、スイッチ９２が作動し、受信した光をミラ
ー７４を通して検出器７６に差し向ける。単一の周波数
を出力するために連続的に作動するレーザーであるのが
よい局部発振器７２が基準信号をミラー７４を介して検
出器７６に差し向ける。局部発振器７２の周波数は、検
出器７６から回路７８にベースバンド信号を出力するよ
うにレーザー８０の搬送周波数からずれている。回路７
８でベースバンド信号を濾波し、増幅し、アナログから
デジタルにフォーマットを変換した後、デジタル信号と
して信号プロセッサ３６に出力する。信号プロセッサ３
６は、フーリエ変換器１００、メモリー１０２、及び相
関器１０４を含む。スペクトル計測を行う前に、レーザ
ー信号のサンプルをスイッチ９２を介して引き出し、検
出器７６に加える。検出されたサンプル信号をフーリエ
変換器１００に加え、基準スペクトルを提供し、これを
メモリー１０２に記憶する。フーリエ変換は、伝送され
た信号の線スペクトルの各周波数のサンプル採取点でデ
ジタル式に行われる。掃引周波数を使用する本発明の別
の変形例では、周波数の掃引は、周波数の掃引を行わな
いパルス列を使用する実施例の場合に存在するのと同じ
スペクトル帯域に亘って行われる。更に、掃引周波数の
実施例では、フーリエ変換を行うために周波数スペクト
ルのデジタル式にサンプル採取した点は、少なくとも、
周波数スペクトルで非相関周波数Ｆｄによって間隔が隔
てられたサンプル採取点を含む。その後、スペクトル計
測の実施中、受信信号のフーリエ変換をメモリー１０２
に記憶された基準スペクトルと相関する。相関の結果を
データ出力ユニット１０６に加える。この出力ユニット
は、例えば、システム２０を使用する人に出力データを
提供するのに役立つプリンター、ディスプレー、又は記
憶装置であるのがよい。
【００３９】受信信号の以上の処理は、図４のシステム
２０Ａについても行うことができる。この場合、望遠鏡
３０、５６、及び５８の各々について相関器１０４がデ
ータを出力し、その後、データ出力ユニットに出力する
前に平均値算出ユニット１０８によって平均する。本発
明の掃引周波数の実施例の場合には、フーリエ変換器に
よる周波数のサンプリングを、櫛状スペクトルを処理す
る場合と同じスペクトル帯域に亘って行う。従って、本
発明の両実施例において、信号プロセッサ３６によって
スペクトルデータを得ることができる。これは、図２に
おけるように単一の望遠鏡３０が設けられている場合で
も、図４におけるように多数の望遠鏡３０、５６、及び
５８が設けられている場合でも適用される。
【００４０】本発明を実施する上での手順を図１０のＡ
及びＢのフローチャートに記載した。手順は、ブロック
１１０で始まり、レーザーが照射されるべきターゲット
の種類について選択を行う。かくして、ブロック１１２
を参照すると、ターゲットは飛行しているターゲットで
もよく、図１に示すように地上に置いたレーザーシステ
ムによってターゲットを照射する。別の態様では、ブロ
ック１１４に記載してあるように、ターゲットは図２に
示すように地上にあり、レーザーシステムは航空機等に
よって高い高度で運ばれている。ブロック１１０でター
ゲットを選択した後、手順はブロック１１６に続き、こ
こで、ターゲットが拡散するように散乱するときに照射
領域のフットプリントの断面寸法Ｄを決定する。次いで
ブロック１１８で、ターゲットの照射で使用されるレー
ザーの波長を選択する。手順はブロック１２０に続き、
ここでターゲットとレーザーシステムの受信器との間の
ターゲット視認距離Ｒを決定する。
【００４１】以上の情報をブロック１２２で使用し、タ
ーゲットから反射された放射線を見るためにモノスタテ
ィックレーダー又はバイスタティックレーダーを使用す
る本発明の形態について、レシーバーの像平面内のスペ
ックルの特性寸法（ディメンジョン）ｒを決定する。特
性寸法ｒは、レーダーが図１及び図２に示すモノスタテ
ィック形態であろうとバイスタティック形態（図示せ
ず）であろうと、照射光の波長、照射されたフットプリ
ントの断面寸法、及びターゲットと受信機器の像平面と
の間の距離に関して与えられる。ブロック１２２で決定
された特性寸法ｒを使用し、スペックルの信号受信を最
大にするように視認望遠鏡の断面寸法を形成する。本発
明の好ましい実施例に開示されたモノスタティックレー
ダー形態の場合には、最適の望遠鏡の受信口径は、望遠
鏡の伝送口径と等しい。ブロック１２６では、ターゲッ
トフットプリントｘが特性寸法とターゲットからトラン
スミッターまでの仰角の正弦との比に等しいということ
に着目されたい。手順は、次いで、ブロック１２６から
末端Ａを介して図１０のＢのブロック１２８に進む。
【００４２】図１０Ｂのブロック１２８では、照射レー
ザー光の非相関周波数シフトＦｄを、光速ｃ、レーザー
共振器の長さＬに関して計算する。Ｆｄは、光パルス列
を発生するパルスモードロックレーザーのスペクトル線
の間隔になる。手順はブロック１３０に進み、Ｆｄの周
波数軸線に沿った間隔の数がＮの周波数帯域を含む所定
範囲の光周波数を各光パルス内で選択する。これらの間
隔は、図７に示すように、スペクトル線間のモード間隔
である。モード間隔が非相関周波数と等しいため、周波
数帯域によりパルス列内で全部でＮ個のスペクトル成分
を伝送できる。これは、受信機器のところで受信された
各光パルス中にスペクトル特性のＮ個の独立計測を同時
に並行して得るためである。
【００４３】その後、ブロック１３２のところでターゲ
ットにレーザー光のパルス列を照射する。レーザーをモ
ードロック態様で作動させることによって得られたパル
ス列のパルスの個々のスペクトル線を同期させる。この
ようなモードロックが行われない場合には、様々なスペ
クトル線で波形の個々の正弦波成分が互いに対してドリ
フトし、これにより計測の正確さを損なう。本発明を実
施する上での随意の実施例によって、ブロック１３４
で、ターゲットからの戻り散乱レーザー光を視認するた
め、図４に示すように、全部でＭ個の受信口径を与える
追加の受信口径を提供する。更に、本発明を実施する上
での変形例によって、伝送放射線のパルス中に搬送周波
数を直線的に掃引できる。ここで、信号伝送の帯域幅は
ブロック１３０で上文中に記載した帯域幅と同じであ
る。ブロック１３６に開示したように複数の受信口径を
使用することにより、戻り散乱光を観察し、追加の独立
計測が積ＮＭによって与えられる。ブロック１３８で、
変換、基準スペクトルの記憶、及び受信口径の各々が受
信した信号の相関を使用する信号プロセッサを作動する
ことによって独立スペクトル計測を行う（図８参照）。
この際、ブロック１４０で、受信口径の各々から発生さ
れた計測の平均を行う。平均を図８に開示する。
【００４４】本発明の上述の実施例は単なる例示であ
り、従って、当業者は変更を思い付くことができるとい
うことは理解されよう。従って、本発明は、本願に開示
された実施例に限定されるものと考えられるべきではな
く、添付の特許請求の範囲のみによって限定されるべき
である。 ［図面の簡単な説明］
【図１】地面に配置されており、放射線のビームを上方
に航空機の形態のターゲットに伝送するレーザーシステ
ムの概略図である。
【図２】航空機に配置されており、放射線のビームを下
方に地面の一部として示すターゲットに伝送するレーザ
ーシステムの概略図である。
【図３】図２のターゲットから反射され、レーザーシス
テムのところでスペックルパターンをなして受信された
信号の強さの変化を示すグラフである。
【図４】受信信号を観察するために追加の望遠鏡を使用
するレーザーシステムの変形例を示す図である。
【図５】図２のレーザーシステムと地面上のフットプリ
ントとして示すターゲットとの間を伝播する伝送信号及
び受信信号の概略図である。
【図６】図５のフットプリントの平面図である。
【図７】モードロックレーザーの線スペクトルを示すグ
ラフである。
【図８】図１又は図２のいずれかのレーザーシステムの
概略図である。
【図９】レーザーが出力するパルス列を表すグラフであ
る。
【図１０】１０Ａは、本発明のプロセスのフローチャー
トである。１０Ｂは、本発明のプロセスのフローチャー
トである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コヴァクス，マーク・エイ アメリカ合衆国ニューハンプシャー州 03087，ウィンダム，ヴィオウ・ロード 15 (56)参考文献 特開2000−121836（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−186324（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−167640（ＪＰ，Ａ) 特開2000−268603（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−38828（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/48 - 7/50 G01S 17/00 - 17/88 G01N 21/00 - 21/61

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コヒーレント放射線を使用するシステム
    でスペックルの効果を緩和するため、多数回の独立スペ
    クトル計測を同時に行う方法において、 レーザーをモードロック態様で作動し、パルス列信号の
    周波数成分の夫々1 つを非相関にするのに十分に線が離
    間された線スペクトルによって周波数領域が特徴付けら
    れた放射線のパルスからなる列を含む信号を発生する工
    程、 ターゲットを照射するため、パルス列信号を含む光ビー
    ムをレーザーからターゲットに差し向け、ターゲットの
    領域をフットプリントの形態で照射する工程、 前記フットプリントの長さ寸法、及び前記フットプリン
    トの前記長さに反比例する非相関周波数の大きさを決定
    する工程、 前記ターゲットから反射された信号にフーリエ変換を実
    行し、受信信号スペクトルを提供する工程、及び 前記受信信号スペクトルを前記レーザーから伝送された
    前記信号の基準スペクトルと比較し、独立スペクトル計
    測からデータを得る工程を含む、方法。
  2. 【請求項２】 前記フットプリントの幅の寸法を決定す
    る工程、 前記ターゲットから反射された光の受信位置にある像平
    面でのスペックルの特性寸法を決定する工程であって、
    前記特性寸法は、前記放射線の波長及び前記ターゲット
    と前記受信位置との間の距離と比例し、前記特性寸法
    は、前記フットプリントの前記幅と反比例する、工程、
    及び アレイをなして配置された複数の受信望遠鏡を像平面に
    設け、前記望遠鏡の位置は、前記特性寸法によって離間
    されている工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記複数の望遠鏡の夫々一つが受信した
    信号についてフーリエ変換を行う工程、及び 前記複数の望遠鏡のところで受信された前記信号のフー
    リエ変換により発生されたスペクトル計測を平均する工
    程を更に含む、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 コヒーレント放射線を使用するシステム
    でスペックルの効果を緩和するため、多数回の独立スペ
    クトル計測を同時に行う方法において、 レーザーが出力する信号の周波数を掃引することによ
    り、前記レーザーを作動する工程、 ターゲットを照射するため、パルス列信号を含む光ビー
    ムをレーザーからターゲットに差し向け、ターゲットの
    領域をフットプリントの形態で照射する工程、 前記フットプリントの長さ寸法、及び前記フットプリン
    トの前記長さに反比例する非相関周波数の大きさを決定
    する工程、 前記ターゲットから反射された信号にフーリエ変換を実
    行し、受信信号スペクトルを提供する工程であって、前
    記フーリエ変換は、前記レーザーによって伝送された信
    号の周波数帯域に亘って取り出された周波数のサンプル
    についてデジタル式に行われ、周波数領域のサンプル採
    取点には、少なくとも非相関周波数によって離間された
    スペクトル線を含む、工程、及び 前記受信信号スペクトルを前記レーザーから伝送された
    前記信号の基準スペクトルと比較し、独立スペクトル計
    測からデータを得る工程を含む、方法。
  5. 【請求項５】 前記フットプリントの幅の寸法を決定す
    る工程、 前記ターゲットから反射された光の受信位置にある像平
    面でのスペックルの特性寸法を決定する工程であって、
    前記特性寸法は、前記光の波長及び前記ターゲットと前
    記受信位置との間の距離と比例し、前記特性寸法は、前
    記フットプリントの前記幅と反比例する、工程、及び アレイをなして配置された複数の受信望遠鏡を像平面に
    設け、前記望遠鏡の位置は、前記特性寸法によって離間
    されている工程を更に含む、請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記複数の望遠鏡の夫々一つが受信した
    信号についてフーリエ変換を行う工程、及び 前記複数の望遠鏡のところで受信された前記信号のフー
    リエ変換により発生されたスペクトル計測を平均する工
    程を更に含む、請求項３に記載の方法。
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