JP3771777B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、目標の距離、速度等の物理情報を測定するためのレーザレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
任意の車両や建築物等の目標（ハードターゲット）の距離、速度等の物理情報を測定することを目的とする装置として光波（レーザ）を用いたレーザレーダ装置がある。目標の距離情報を得るレーザレーダ装置には、パルスレーザ光を送信し目標からの反射散乱光を受信するまでの時間により目標の距離を得るパルス方式と、変調したＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を送信する変調ＣＷ方式がある。パルス方式には直接検波方式とコヒーレント検波方式があり、コヒーレント検波方式では受信光のドップラーシフトから目標の速度情報を得ることができる。変調ＣＷ方式としてはＣＷレーザ光を周波数変調するＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式がある。
【０００３】
パルス方式として、コヒーレント検波方式の従来例を示す。
図５は、Sammy W. Henderson等により米国特許５、２３７、３３１号に示されたもので、光源にインジェクションシーディングパルスレーザ装置を用いたコヒーレントレーザレーダ装置の構成図である。
図５において、１は単一周波数で発振するＣＷレーザ光源、２は第１の光分岐器、３は周波数シフタ、４はインジェクションシーディングパルスレーザ、５はビームスプリッタ、６は１／４波長板、７は送受光学系、８は走査光学系、９は第１の光混合器、１０は第１の光検波器、１１は第２の光分岐器、１２は第３の光分岐器、１３は第２の光混合器、１４は第２の光検出器、１５はＡＤ変換器、１６は信号処理装置、１７はインジェクションシーディングパルスレーザ４の共振器長の調整機構、１８は調整機構１７の制御回路、１９はレーザ光源１からのレーザ光、２０はシード光、２１はパルスレーザ光、２２は送受信光の光軸、２３は送信光、２４は受信光、２５はローカル光、２６は第１の光混合器９による受信光２４とローカル光２５の混合光である。
【０００４】
次に、動作について説明する。
単一波長ｆ0で発振するレーザ１からのレーザ光１９は、第１の光分岐器２により２分岐され、一方はローカル光２５に用いられ、他方は周波数シフタ３により周波数ｆIFだけ周波数増加したレーザ光となり、シード光２０としてインジェクションシーディングパルスレーザ４に供給される。インジェクションシーディングパルスレーザ４は、シード光２０に一番近い周波数を持つ軸モードで単一周波数（単一波長）のパルス発振を行う。インジェクションシーディングパルスレーザ４からのパルスレーザ光２１は、直線偏光しており、ビームスプリッタ５により反射される。１／４波長板６により円偏光に変換された後、送受光学系７および走査光学系８を経て、送信光２３として目標に向けて照射される。
【０００５】
目標からの散乱光は、送信光とは逆の経路を経て受信される。受信光２４は１／４波長板６により、パルスレーザ光２１の偏光面とは９０度ずれた直線偏光になり、ビームスプリッタ５を透過し第１の光混合器９に導かれる。第１の光混合器９において、受信光２４とローカル光２５は混合される。混合光２６は第１の光検出器１０においてコヒーレント検波される。第１の光検出器１０からの信号はＡＤ変換器１５によりサンプリングされ、信号処理装置１６により強度信号の時間波形から目標の距離が抽出されると共に、ドップラー信号から目標の速度が抽出される。
【０００６】
前述のように、インジェクションシーディングパルスレーザ４は、シード光２０に一番近い周波数を持つ軸モードで単一周波数のパルス発振を行うので、正確なドップラー信号を得るためには、パルスレーザ光２１とローカル光２５の周波数差をモニタする必要がある。このため、第２、第３の光分岐器１１、１２によりそれぞれパルスレーザ光２１とローカル光２５の一部を取り出し、第２の光混合器１３で両者を混合した後、第２の光検出器１４でコヒーレント検波を行う。受信光と同様にＡＤ変換器１５によりサンプリングし、信号処理装置１６によりパルスレーザ光２１とローカル光２５の周波数差等を求める。ローカル光２５の周波数をｆ0とすると、シード光、パルスレーザ光、受信光、周波数モニタ信号、受信信号のそれぞれの周波数ｆs、ｆT、ｆR、ｆM、ｆsigは次式で表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、ｆIFは中間周波数、δｆはパルスレーザ光とシード光の周波数差、ｆdは目標のドップラー周波数であり、受信信号ｆsigと周波数モニタ信号ｆMの差を取ることにより得ることができる。
【０００９】
パルス方式における距離分解能は、送信レーザパルスのパルス幅により決まり、受信信号のＳＮ比の強弱や目標のスペックル効果による信号強度の変動を考慮すると、距離精度も距離分解能程度であると考えられる。パルス方式の距離分解能ΔＲは次式で表される。
【００１０】
【数２】
【００１１】
ここで、τはレーザパルスのパルス幅、ｃは光速度である。
【００１２】
数（２）より明かなように、距離分解能ΔＲを小さくし精度の高い測定をするには、送信するレーザパルスの幅τを小さくすればよい。距離分解能の値として１ｍを得るにはパルス幅τを６.６ｎｓとすることが必要である。高出力のパルスレーザ発振器には、通常、共振器のＱを制御してレーザパルスを得るＱスイッチパルスレーザ発振器が用いられる。Ｑスイッチパルスレーザ発振器により、狭パルス幅のレーザパルスを得るには高利得が必要である。利得が高くとれる四準位系レーザであるＮｄ系（発振波長１μｍ）のレーザにおいては数ｎｓのパルス幅も達成されているが、アイセーフ波長（＞１.４μｍ）で発振するＥｒ系、Ｈｏ系およびｔｍ系のレーザは利得の低い３準位系のレーザであり、数ｎｓのパルス幅の達成は困難であり、利得を大きくするために励起パワーを大きくしたり、励起効率をあげるための工夫をしたりするなどより複雑な構成を必要とする。さらに、パルス幅を小さくすると、受信信号の周波数帯域が広くなるため、同じＳＮ比を確保するためにピークパワーを高くする必要がある。
【００１３】
したがって、パルス方式で高い距離分解能を得るには高利得のＱスイッチパルスレーザ発振器が必要であるためレーザが複雑な構成となる。また、ピークパワーが高くなるため、装置に用いる光学部品に焼けが生じる可能性が高くなり、信頼性の低下や耐レーザパワー性の高い高価な部品を用いる必要性が生じる問題がある。
【００１４】
また、コヒーレント検波方式においては、パルス幅を小さくして距離分解能を小さくすると速度分解能が大きくなる問題がある。これは、距離分解能ΔＲと速度分解能Δｖの間には次式の関係があるためである。
【００１５】
【数３】
【００１６】
ここで、λ：レーザパルスの波長である。
【００１７】
次に、変調ＣＷ方式であるＦＭＣＷ方式の従来例を示す。
図６は、Christer J. Karlson等によりApplied Optics 誌（Vol. 38, No. １５, pp33766-3386, １999）に開示されたＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置を示す構成図である。
図６において、２７は半導体レーザ（以下、ＬＤと称す）、２８は電源、２９はＦＭ変調回路、３０は光カプラ、３１は送受信光学系、３２は光検出器、３３は信号処理装置である。
【００１８】
図６に示す構成の動作について説明する。
単一モードで発振するＬＤ２７からのＣＷレーザ光は、光カプラ３０を経て、送受光学系３１より目標に向けて照射される。目標からの散乱光の一部は、送受光学系３１により受光され、光カプラ３０を経て、光検出器３２に至る。また、送受光学系３１において、送信光の一部は、例えば光ファイバの出射端におけるフレネル反射により反射される。反射された反射光は、ローカル光として受信光と同様に光カプラ３０を経て光検出器３２に至る。光検出器３２により、受信光とローカル光はヘテロダイン検波される。光検出器３２からの受信信号は、信号処理装置３３により周波数解析され、目標の距離および速度情報が抽出される。
【００１９】
ここで、ＬＤ２７からのＣＷレーザ光は、ＦＭ変調回路２９により周波数変調される。
図７に、周波数変調の一例を示す。
ＣＷレーザ光は、周期ｔｍの２等辺三角形状の三角波に周波数変調される。このときの送信光、ローカル光および受信光の周波数変化は図７に示す通りである。
【００２０】
図８に、受信信号から目標の距離、速度を求める方法を説明するために、受信光、ローカル光および受信信号の１周期分の周波数の時間変化を示す。
受信光の周波数変調は、ローカル光に比べ、目標までのラウンドトリップ時間ｔr分遅れる。このため、ローカル光と受信光の周波数変調関数が同一の傾きである時間において、受信光とローカル光とのビート信号である受信信号は一定の周波数ｆrを持つ。（固定（静止）目標の時）一定の周波数ｆrが得られる時間は、周波数変調の１周期時間をｔmとすると、変調関数が正の傾きにおいてｔr〜ｔm／２、負の傾きにおいてｔm／２+ｔr〜ｔmである。目標が移動目標（装置に対して相対的な速度を持つ）である場合、ドップラー周波数ｆdが受信光の周波数に加わるため、得られるビート周波数は、変調関数が正の傾きにおいてｆr-ｆd、負の傾きにおいてｆr+ｆdとなる。正負両者の傾きの時のビート周波数より、ｆrおよびｆdを求めることができる。これにより、目標の距離と速度情報を得ることができる。
【００２１】
最大測定距離Ｒmaxは、理論的にはローカル光と受信光の変調関数が同一の傾きを持つ時間が存在する条件ｔr＝ｔm／２で決まる距離となるが、計測時間が限り無く０に近くなり現実的ではない。ここで、計測時間が５０％ｄｕｔｙとなる条件を設けると、最大測定距離Ｒmaxと周波数ｆrおよび距離分解能ΔＲ、周波数分解能ｄｆrは以下のように求まる。
【００２２】
【数４】
【００２３】
ここで、Δｆは変調周波数幅、ｆm：変調周波数、ｄｆ：変調関数の傾きである。
【００２４】
距離分解能ΔＲは変調周波数幅Δｆにより、変調周波数ｆmによらない。一方、周波数分解能ｄｆrは次式で表されるから、最大測定距離Ｒmaxが大きくなると、周波数分解能ｄｆrは小さくなる。
【００２５】
【数５】
【００２６】
このことは、単に計測時間が長くなるだけではなく、光源の線幅および周波数変調の精度も周波数分解能以下が必要であるため、影響は大きい。ΔＲ＝１ｍとすると、測定距離範囲、即ち最大測定距離が１ｋｍにおいて、光源の線幅および周波数変調の精度は３００ｋＨｚ、最大測定距離が１０ｋｍとすると３０ｋＨｚが必要となる。通常入手可能なＬＤの線幅は１ＭＨｚ程度であるので、上記の条件では使用することができない。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のパルス方式を用いたレーザレーダ装置では、高い距離分解能を得るには短パルス幅のパルスが必要である。このため、高利得のＱスイッチパルスレーザ発振器が必要となり、レーザが複雑な構成となる。また、ピークパワーが高くなるため、装置に用いる光学部品に焼けが生じる可能性が高くなり、信頼性の低下や耐レーザパワー性の高い高価な部品を用いる必要性が生じる問題があった。さらに、コヒーレント検波を用いたパルス方式においては、距離分解能ΔＲと速度分解能Δｖの間は逆比例の関係にあるため、パルス幅を小さくして距離分解能を小さくすると速度分解能が大きくなる問題があった。
【００２８】
一方、従来のＦＭＣＷ方式では、距離分解能を小さくすることと測定距離範囲を大きくすることを両立するには、光源の線幅および周波数変調の精度に高い条件が必要となり、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使えなくなるという問題があった。
【００２９】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、従来のパルス方式に比べ、同じ距離分解能を得るのに構成のより簡単な光源が利用でき、信頼性の高いレーザレーダ装置を得ることを目的とする。また、従来のＦＭＣＷ方式に比べ線幅および周波数変調の精度に対する条件を緩和し、より簡便な光源が利用できるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザパルスを発生するレーザパルス発生手段と、ローカル光を発生するローカル光発生手段と、上記レーザパルス発生手段からのレーザパルスを目標に向けて送信し、目標からの散乱光の一部を受信する光送受信手段と、上記ローカル光発生手段からのローカル光と上記送受信光学手段で受信された受信光を混合する光混合手段と、上記光混合手段により混合された混合光を光ヘテロダイン検波する光検波手段と、上記光検波手段からの信号から目標の情報を抽出する信号処理手段とを有するコヒーレントレーザレーダ装置において、上記レーザパルス発生手段は、レーザパルスを周波数変調する第１の周波数変調手段を有し、上記ローカル光発生手段は、上記レーザパルス発生手段からのレーザパルスと同様の周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調をローカル光に与える第２の周波数変調手段を有することを特徴とするものである。
【００３１】
また、上記第１の周波数変調手段は、レーザパルス毎に複数の傾きの異なる直線周波数変調で交互に変調することを特徴とするものである。
【００３２】
また、上記レーザパルス発生手段と上記ローカル光発生手段は、単一モードで発振するＣＷレーザと、上記ＣＷレーザからのＣＷレーザ光を周波数変調する変調手段と、上記ＣＷレーザ光を２つに分ける光分岐手段と、上記光分岐手段で分岐された一方のＣＷレーザ光をパルス光として取出す光スイッチ手段とで構成されることを特徴とするものである。
【００３３】
また、上記光分岐手段と上記光送受信手段との間に、光増幅器を設けたことを特徴とするものである。
【００３４】
さらに、上記光増幅器は、光ファイバ増幅器であることを特徴とするものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。図１において、３４は単一モードで発振するパルスレーザ、３５は第１の周波数変調手段、３６は送受信光分離手段、３７は送受光学系、３８は光混合手段、３９は光検出器、４０は単一モードで発振するＣＷレーザ、４１は第２の周波数変調手段、４２は信号処理装置、４３は周波数変調制御回路である。
【００３６】
次に、図に基づき動作を説明する。
パルスレーザ３４は、単一モードの送信レーザパルスを発振する。第１の周波数変調手段３５は、上記レーザパルスを周波数変調制御回路４３からの制御信号により、パルス内で上記レーザパルスの光周波数を周波数変調する。変調する手段としては、パルスレーザ３４の共振器長を変調する、または励起パワーを変調する、またはレーザパルスを直接変調する手段等が考えられる。送信レーザパルスは、送受信光分離手段３６を経て、送受光学系３７から目標に向けて照射される。目標からの散乱光の一部を送受光学系３７により受光し、送受信光分離手段３６により送信レーザパルスと分離して光混合器３８に受信光を送る。
【００３７】
一方、単一モードで発振するＣＷレーザ４０は、上記レーザパルスに対し光周波数Δｆｓを持つＣＷレーザ光を発振する。第２の周波数変調手段４１は、第１の周波数変調手段３５のレーザパルスに対する周波数変調と同一の周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調を上記ＣＷレーザ光の光周波数に対して与える。第２の周波数変調手段４１がＣＷレーザ光を変調する手段としては、ＣＷレーザ４０の共振器長を変調する、または励起パワーを変調する、またはＣＷレーザ光を直接変調する手段等が考えられる。変調されたＣＷレーザ光は、ローカル光として光混合器３８に供給される。
【００３８】
周波数変調制御回路４３は、パルスレーザ３４から繰り返し送信される送信レーザパルス光を２種類以上の異なった傾きを持つ変調関数で交互に切り替えて周波数変調を行う制御信号を第１の周波数変調手段３５に送る。また、第１の周波数変調手段３５と同期を取ってＣＷレーザ光を周波数変調するよう第２の周波数変調手段４１に制御信号を送る。
光混合器３８は、受信光とローカル光を混合して、光検出器３９に送る。光検出器３９では、光ヘテロダイン検波を行い、その受信信号を信号処理装置４２に送る。信号処理装置４２では、受信信号の時間および周波数解析を行い、目標の距離および速度情報を求める。
【００３９】
この発明による方式は、送信レーザ光を１周期分のパルス光としたＦＭＣＷ方式であるＦＭパルス方式である。
図２に、ＦＭＣＷ方式とＦＭパルス方式の送信光とローカル光の強度と周波数の時間概念図を示す。
ＦＭＣＷ方式は、送信光およびローカル光が強度一定で周波数が三角波の変調がかけられたＣＷ光であるのに対し、ＦＭパルス方式は、送信光がＦＭＣＷ方式における三角波の周波数変調の１周期分を斜辺毎に分割した２つのパルスとなっていることが特徴である。ローカル光は、各々の送信光パルスに対し、同期しかつ送信光と同一の周波数波形の繰り返しである鋸歯状の周波数変調光である。通常のパルス方式における距離分解能はパルス幅程度であるが、ＦＭＣＷ方式の手法を用いることにより距離分解能を向上させることができる。
【００４０】
第１パルスと第２パルスの対応するタイムゲート（レンジビン）の信号の周波数からレンジビン内の目標の距離に対応した周波数ｆｒまたはｆｒ'が求まる。さらに、ドップラー周波数ｄｆも同時に求まるので、目標の速度情報も得ることができる。
図３に、第１パルスの受信信号とタイムゲートの関係を示す。ｄｔの値により信号の周波数の値、時間形状が異なるが、少なくともτ／２の間は周波数一定の区間が存在することが分かる。τ／２毎にタイムゲートを切り、信号処理を行うことにより、上記周波数を求めることができる。この周波数と第２パルスの同一のタイムゲートから求まる周波数からレンジビン内の目標の距離に対応した周波数ｆｒまたはｆｒ’およびドップラー周波数ｄｆを求めることができる。
【００４１】
ｆｒおよびｆｒ'とレンジビン内の目標の距離Ｒ’の関係は次式で表される。
【数６】
【００４２】
ここで、ｆｍは変調周波数、ｃは光速度である。
【００４３】
周波数分解能ｄｆrと距離分解能ΔＲの関係は次式で表される。
【００４４】
【数７】
【００４５】
また、周波数分解能ｄｆrと装置の受信機帯域Ｂは等しくとることから、次式となる。
【００４６】
【数８】
【００４７】
よって、次式が得られる。
【数９】
【００４８】
この発明であるＦＭパルス方式を用いれば、例えば、最大測定距離１０ｋｍ、距離分解能ΔＲ＝１ｍとしたとき、送信レーザパルス幅τ＝１μs、周波数分解能ｄｆr＝２ＭＨｚで装置を構築することが可能である。これは、パルス方式がパルス幅τ＝６.７ｎｓが必要であることに比べて、レーザパルスのピークパワーおよびパルス幅の条件を緩和し、パルスレーザにより簡単な構成のパルスレーザを用いることができる。また、必要な周波数分解能はパルス幅と距離分解能により決まる。このため、最大測定距離に係わらず上記の条件では周波数分解能ｄｆr＝２ＭＨｚと変わらない。よって、ＦＭＣＷ方式と比較した場合、光源の線幅および周波数変調の精度の条件が緩くなり、より簡便な光源が利用できる。即ち、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使える可能性がある。
【００４９】
この発明によるＦＭパルス方式においては、送信レーザパルスを周波数変調し、ローカル光を送信レーザパルスに与えた周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調を行うようにしたので、従来のパルス方式に比べ、同じ距離分解能を得るのにピークパワーを小さいかつパルス幅の広い光源が利用できるので、より簡単な構成のパルスレーザが利用でき、装置の信頼性も向上できる効果がある。
また、従来のＦＭＣＷ方式に比べた場合、最大測定距離が大きくなっても光源に要求される線幅および周波数変調の精度は厳しくならないため、より簡便な光源が利用できる効果があり、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使える可能性がある。
さらに、送信レーザパルス光を２種類以上の異なった傾きを持つ変調関数で交互に切り替えて周波数変調を行うようにしたので、目標の距離だけでなく、速度情報も得られる効果がある。
【００５０】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。図４において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、４４は、周波数変調手段を有し、単一モードの周波数変調ＣＷレーザ光を出力する基準光源、４５は、光分岐器である光カプラ、４６は、光スイッチ、４７は、光ファイバ増幅器である。
【００５１】
次に、図に基づき動作について説明する。
基本的な動作は、実施の形態１に等しい。基準光源４４、光カプラ４５および光スイッチ４６により、実施の形態１におけるパルスレーザ３４、ＣＷレーザ４０および第１、２の周波数変調手段３５，４１の機能を実現している。基準光源４４は、周波数変調制御回路４３により、図２に示したローカル光のような周波数変調されたＣＷレーザ光を出力する。即ち、２つ以上の異なった傾きを持つ周期τの鋸歯状の周波数変調の組み合わせで繰返し変調されたＣＷレーザ光である。基準光源４４からのＣＷレーザ光は、光カプラ４５により２つに分けられる。分岐された一方のＣＷレーザ光は、ローカル光として光混合器３８に送られる。光スイッチ４６は、周波数変調制御回路４３による制御信号により、他方の分岐されたＣＷレーザ光から鋸歯状の周波数変調の１周期分をレーザパルスとして切り出す。切り出されたレーザパルスは、送信レーザ光として、光ファイバ増幅器４７により増幅され、送受信光分離手段３６を経て、送受光学系３７から目標に向けて照射される。
【００５２】
上記のように、パルスレーザ、ＣＷレーザおよび第１、２の周波数変調手段の機能を、基準光源４４、光カプラ４５および光スイッチ４６により構成したので、レーザ光源および周波数変調手段を一つにすることができ、実施の形態１で記述した効果をより単純な構成で実現できる効果がある。
さらに、光増幅器を用いて送信レーザ光を増幅しているので、基準光源に必要とされる出力を低減でき、低出力な光源を利用できる効果がある。これにより、基準光源には、安価で周波数変調が注入電流で容易にできるＬＤを利用できる効果がある。
次いで、光増幅器を光ファイバ増幅器で構成したことにより、上記の効果を用意に達成できるばかりでなく、装置内の光の取り回しを光ファイバで構成することができ、装置の組み立てや部品配置を容易に行え、振動等の環境条件にも強い装置を構成できる効果がある。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ＦＭパルス方式においては、送信レーザパルスを周波数変調し、ローカル光に送信レーザパルスに与えた周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調を行うようにしたので、従来のパルス方式に比べ、同じ距離分解能を得るのにピークパワーが小さく、かつパルス幅の広い光源が利用できるので、より簡単な構成のパルスレーザが利用でき、装置の信頼性も向上できる効果がある。また、従来のＦＭＣＷ方式に比べた場合、最大測定距離が大きくなっても光源に要求される線幅および周波数変調の精度は厳しくならないため、より簡便な光源が利用できる効果があり、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使える可能性がある。
【００５４】
また、送信レーザパルス光を複数の異なった傾きの直線周波数変調で交互に切り替えて周波数変調を行うようにしたので、目標の距離だけでなく、速度情報も得られる効果がある。
【００５５】
また、パルスレーザ、ＣＷレーザおよび第１、２の周波数変調手段の機能を、ＣＷレーザ、変調手段および光スイッチ手段により構成したので、レーザ光源および周波数変調手段を一つにすることができ、より単純な構成で実現できる効果がある。
【００５６】
また、光増幅器を用いて送信レーザ光を増幅しているので、ＣＷレーザに必要とされる出力を低減でき、低出力な光源を利用できる効果がある。これにより、ＣＷレーザには、安価で周波数変調が注入電流で容易にできるＬＤを利用できる効果がある。
【００５７】
さらに、光増幅器を光ファイバ増幅器で構成したことにより、上記の効果を用意に達成できるばかりでなく、装置内の光の取り回しを光ファイバで構成することができ、装置の組み立てや部品配置を容易に行え、振動等の環境条件にも強い装置を構成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図２】 ＦＭＣＷ方式とＦＭパルス方式の送信光とローカル光の強度と周波数の時間概念図である。
【図３】 受信信号とタイム（レンジ）ゲートの関係を示す説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図５】 Sammy W. Henderson等により米国特許５、２３７、３３１号に示されたもので、光源にインジェクションシーディングパルスレーザ装置を用いたコヒーレントレーザレーダ装置の構成図である。
【図６】 Christer J. Karlson等によりApplied Optics 誌（Vol. 38, No.１５, pp33766-3386, １999）に開示されたＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図７】 周波数変調の一例を示す説明図である。
【図８】 受信信号から目標の距離、速度を求める方法を説明するために、受信光、ローカル光および受信信号の１周期分の周波数の時間変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ＣＷレーザ光源、２ 第１の光分岐器、３ 周波数シフタ、４ インジェクションシーディングパルスレーザ、５ ビームスプリッタ、６ １／４波長板、７ 送受光学系、８ 走査光学系、９ 第１の光混合器、１０ 第１の光検波器、１１ 第２の光分岐器、１２ 第３の光分岐器、１３ 第２の光混合器、１４ 第２の光検出器、１５ ＡＤ変換器、１６ 信号処理装置、１７ インジェクションシーディングパルスレーザ４の共振器長の調整機構、１８ 調整機構１７の制御回路、１９ レーザ光源１からのレーザ光、２０ シード光、２１ パルスレーザ光、２２ 送受信光の光軸、２３ 送信光、２４ 受信光、２５ ローカル光、２６ 第１の光混合器９による受信光２４とローカル光２５の混合光、２７ 半導体レーザ（ＬＤ）、２８ 電源、２９ ＦＭ変調回路、３０ 光カプラ、３１ 送受信光学系、３２ 光検出器、３３ 信号処理装置、３４ パルスレーザ、３５ 第１の周波数変調手段、３６ 送受信光分離手段、３７ 送受信系、３８ 光混合手段、３９ 光検出器、４０ 単一モードで発信するＣＷレーザ、４１ 第２の周波数変調手段、４２ 信号処理装置、４３ 周波数変調回路、４４ 基準光源、４５ 光カプラ、４６ 光スイッチ、４７ 光ファイバ増幅器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、目標の距離、速度等の物理情報を測定するためのレーザレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
任意の車両や建築物等の目標（ハードターゲット）の距離、速度等の物理情報を測定することを目的とする装置として光波（レーザ）を用いたレーザレーダ装置がある。目標の距離情報を得るレーザレーダ装置には、パルスレーザ光を送信し目標からの反射散乱光を受信するまでの時間により目標の距離を得るパルス方式と、変調したＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を送信する変調ＣＷ方式がある。パルス方式には直接検波方式とコヒーレント検波方式があり、コヒーレント検波方式では受信光のドップラーシフトから目標の速度情報を得ることができる。変調ＣＷ方式としてはＣＷレーザ光を周波数変調するＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式がある。
【０００３】
パルス方式として、コヒーレント検波方式の従来例を示す。
図５は、Sammy W. Henderson等により米国特許５、２３７、３３１号に示されたもので、光源にインジェクションシーディングパルスレーザ装置を用いたコヒーレントレーザレーダ装置の構成図である。
図５において、１は単一周波数で発振するＣＷレーザ光源、２は第１の光分岐器、３は周波数シフタ、４はインジェクションシーディングパルスレーザ、５はビームスプリッタ、６は１／４波長板、７は送受光学系、８は走査光学系、９は第１の光混合器、１０は第１の光検波器、１１は第２の光分岐器、１２は第３の光分岐器、１３は第２の光混合器、１４は第２の光検出器、１５はＡＤ変換器、１６は信号処理装置、１７はインジェクションシーディングパルスレーザ４の共振器長の調整機構、１８は調整機構１７の制御回路、１９はレーザ光源１からのレーザ光、２０はシード光、２１はパルスレーザ光、２２は送受信光の光軸、２３は送信光、２４は受信光、２５はローカル光、２６は第１の光混合器９による受信光２４とローカル光２５の混合光である。
【０００４】
次に、動作について説明する。
単一波長ｆ0で発振するレーザ１からのレーザ光１９は、第１の光分岐器２により２分岐され、一方はローカル光２５に用いられ、他方は周波数シフタ３により周波数ｆIFだけ周波数増加したレーザ光となり、シード光２０としてインジェクションシーディングパルスレーザ４に供給される。インジェクションシーディングパルスレーザ４は、シード光２０に一番近い周波数を持つ軸モードで単一周波数（単一波長）のパルス発振を行う。インジェクションシーディングパルスレーザ４からのパルスレーザ光２１は、直線偏光しており、ビームスプリッタ５により反射される。１／４波長板６により円偏光に変換された後、送受光学系７および走査光学系８を経て、送信光２３として目標に向けて照射される。
【０００５】
目標からの散乱光は、送信光とは逆の経路を経て受信される。受信光２４は１／４波長板６により、パルスレーザ光２１の偏光面とは９０度ずれた直線偏光になり、ビームスプリッタ５を透過し第１の光混合器９に導かれる。第１の光混合器９において、受信光２４とローカル光２５は混合される。混合光２６は第１の光検出器１０においてコヒーレント検波される。第１の光検出器１０からの信号はＡＤ変換器１５によりサンプリングされ、信号処理装置１６により強度信号の時間波形から目標の距離が抽出されると共に、ドップラー信号から目標の速度が抽出される。
【０００６】
前述のように、インジェクションシーディングパルスレーザ４は、シード光２０に一番近い周波数を持つ軸モードで単一周波数のパルス発振を行うので、正確なドップラー信号を得るためには、パルスレーザ光２１とローカル光２５の周波数差をモニタする必要がある。このため、第２、第３の光分岐器１１、１２によりそれぞれパルスレーザ光２１とローカル光２５の一部を取り出し、第２の光混合器１３で両者を混合した後、第２の光検出器１４でコヒーレント検波を行う。受信光と同様にＡＤ変換器１５によりサンプリングし、信号処理装置１６によりパルスレーザ光２１とローカル光２５の周波数差等を求める。ローカル光２５の周波数をｆ0とすると、シード光、パルスレーザ光、受信光、周波数モニタ信号、受信信号のそれぞれの周波数ｆs、ｆT、ｆR、ｆM、ｆsigは次式で表される。
【０００７】
【数１】
ここで、ｆIFは中間周波数、δｆはパルスレーザ光とシード光の周波数差、ｆdは目標のドップラー周波数であり、受信信号ｆsigと周波数モニタ信号ｆMの差を取ることにより得ることができる。
【０００９】
パルス方式における距離分解能は、送信レーザパルスのパルス幅により決まり、受信信号のＳＮ比の強弱や目標のスペックル効果による信号強度の変動を考慮すると、距離精度も距離分解能程度であると考えられる。パルス方式の距離分解能ΔＲは次式で表される。
【００１０】
【数２】
ここで、τはレーザパルスのパルス幅、ｃは光速度である。
【００１２】
数（２）より明かなように、距離分解能ΔＲを小さくし精度の高い測定をするには、送信するレーザパルスの幅τを小さくすればよい。距離分解能の値として１ｍを得るにはパルス幅τを６.６ｎｓとすることが必要である。高出力のパルスレーザ発振器には、通常、共振器のＱを制御してレーザパルスを得るＱスイッチパルスレーザ発振器が用いられる。Ｑスイッチパルスレーザ発振器により、狭パルス幅のレーザパルスを得るには高利得が必要である。利得が高くとれる四準位系レーザであるＮｄ系（発振波長１μｍ）のレーザにおいては数ｎｓのパルス幅も達成されているが、アイセーフ波長（＞１.４μｍ）で発振するＥｒ系、Ｈｏ系およびｔｍ系のレーザは利得の低い３準位系のレーザであり、数ｎｓのパルス幅の達成は困難であり、利得を大きくするために励起パワーを大きくしたり、励起効率をあげるための工夫をしたりするなどより複雑な構成を必要とする。さらに、パルス幅を小さくすると、受信信号の周波数帯域が広くなるため、同じＳＮ比を確保するためにピークパワーを高くする必要がある。
【００１３】
したがって、パルス方式で高い距離分解能を得るには高利得のＱスイッチパルスレーザ発振器が必要であるためレーザが複雑な構成となる。また、ピークパワーが高くなるため、装置に用いる光学部品に焼けが生じる可能性が高くなり、信頼性の低下や耐レーザパワー性の高い高価な部品を用いる必要性が生じる問題がある。
【００１４】
また、コヒーレント検波方式においては、パルス幅を小さくして距離分解能を小さくすると速度分解能が大きくなる問題がある。これは、距離分解能ΔＲと速度分解能Δｖの間には次式の関係があるためである。
【００１５】
【数３】
ここで、λ：レーザパルスの波長である。
【００１７】
次に、変調ＣＷ方式であるＦＭＣＷ方式の従来例を示す。
図６は、Christer J. Karlson等によりApplied Optics 誌（Vol. 38, No. １５, pp33766-3386, １999）に開示されたＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置を示す構成図である。
図６において、２７は半導体レーザ（以下、ＬＤと称す）、２８は電源、２９はＦＭ変調回路、３０は光カプラ、３１は送受信光学系、３２は光検出器、３３は信号処理装置である。
【００１８】
図６に示す構成の動作について説明する。
単一モードで発振するＬＤ２７からのＣＷレーザ光は、光カプラ３０を経て、送受光学系３１より目標に向けて照射される。目標からの散乱光の一部は、送受光学系３１により受光され、光カプラ３０を経て、光検出器３２に至る。また、送受光学系３１において、送信光の一部は、例えば光ファイバの出射端におけるフレネル反射により反射される。反射された反射光は、ローカル光として受信光と同様に光カプラ３０を経て光検出器３２に至る。光検出器３２により、受信光とローカル光はヘテロダイン検波される。光検出器３２からの受信信号は、信号処理装置３３により周波数解析され、目標の距離および速度情報が抽出される。
【００１９】
ここで、ＬＤ２７からのＣＷレーザ光は、ＦＭ変調回路２９により周波数変調される。
図７に、周波数変調の一例を示す。
ＣＷレーザ光は、周期ｔｍの２等辺三角形状の三角波に周波数変調される。このときの送信光、ローカル光および受信光の周波数変化は図７に示す通りである。
【００２０】
図８に、受信信号から目標の距離、速度を求める方法を説明するために、受信光、ローカル光および受信信号の１周期分の周波数の時間変化を示す。
受信光の周波数変調は、ローカル光に比べ、目標までのラウンドトリップ時間ｔr分遅れる。このため、ローカル光と受信光の周波数変調関数が同一の傾きである時間において、受信光とローカル光とのビート信号である受信信号は一定の周波数ｆrを持つ。（固定（静止）目標の時）一定の周波数ｆrが得られる時間は、周波数変調の１周期時間をｔmとすると、変調関数が正の傾きにおいてｔr〜ｔm／２、負の傾きにおいてｔm／２+ｔr〜ｔmである。目標が移動目標（装置に対して相対的な速度を持つ）である場合、ドップラー周波数ｆdが受信光の周波数に加わるため、得られるビート周波数は、変調関数が正の傾きにおいてｆr-ｆd、負の傾きにおいてｆr+ｆdとなる。正負両者の傾きの時のビート周波数より、ｆrおよびｆdを求めることができる。これにより、目標の距離と速度情報を得ることができる。
【００２１】
最大測定距離Ｒmaxは、理論的にはローカル光と受信光の変調関数が同一の傾きを持つ時間が存在する条件ｔr＝ｔm／２で決まる距離となるが、計測時間が限り無く０に近くなり現実的ではない。ここで、計測時間が５０％ｄｕｔｙとなる条件を設けると、最大測定距離Ｒmaxと周波数ｆrおよび距離分解能ΔＲ、周波数分解能ｄｆrは以下のように求まる。
【００２２】
【数４】
ここで、Δｆは変調周波数幅、ｆm：変調周波数、ｄｆ：変調関数の傾きである。
【００２４】
距離分解能ΔＲは変調周波数幅Δｆにより、変調周波数ｆmによらない。一方、周波数分解能ｄｆrは次式で表されるから、最大測定距離Ｒmaxが大きくなると、周波数分解能ｄｆrは小さくなる。
【００２５】
【数５】
このことは、単に計測時間が長くなるだけではなく、光源の線幅および周波数変調の精度も周波数分解能以下が必要であるため、影響は大きい。ΔＲ＝１ｍとすると、測定距離範囲、即ち最大測定距離が１ｋｍにおいて、光源の線幅および周波数変調の精度は３００ｋＨｚ、最大測定距離が１０ｋｍとすると３０ｋＨｚが必要となる。通常入手可能なＬＤの線幅は１ＭＨｚ程度であるので、上記の条件では使用することができない。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のパルス方式を用いたレーザレーダ装置では、高い距離分解能を得るには短パルス幅のパルスが必要である。このため、高利得のＱスイッチパルスレーザ発振器が必要となり、レーザが複雑な構成となる。また、ピークパワーが高くなるため、装置に用いる光学部品に焼けが生じる可能性が高くなり、信頼性の低下や耐レーザパワー性の高い高価な部品を用いる必要性が生じる問題があった。さらに、コヒーレント検波を用いたパルス方式においては、距離分解能ΔＲと速度分解能Δｖの間は逆比例の関係にあるため、パルス幅を小さくして距離分解能を小さくすると速度分解能が大きくなる問題があった。
【００２８】
一方、従来のＦＭＣＷ方式では、距離分解能を小さくすることと測定距離範囲を大きくすることを両立するには、光源の線幅および周波数変調の精度に高い条件が必要となり、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使えなくなるという問題があった。
【００２９】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、従来のパルス方式に比べ、同じ距離分解能を得るのに構成のより簡単な光源が利用でき、信頼性の高いレーザレーダ装置を得ることを目的とする。また、従来のＦＭＣＷ方式に比べ線幅および周波数変調の精度に対する条件を緩和し、より簡便な光源が利用できるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザパルスを発生するレーザパルス発生手段と、ローカル光を発生するローカル光発生手段と、上記レーザパルス発生手段からのレーザパルスを目標に向けて送信し、目標からの散乱光の一部を受信する光送受信手段と、上記ローカル光発生手段からのローカル光と上記送受信光学手段で受信された受信光を混合する光混合手段と、上記光混合手段により混合された混合光を光ヘテロダイン検波する光検波手段と、上記光検波手段からの信号から目標の情報を抽出する信号処理手段とを有するコヒーレントレーザレーダ装置において、上記レーザパルス発生手段は、レーザパルスを周波数変調する第１の周波数変調手段を有し、上記ローカル光発生手段は、上記レーザパルス発生手段からのレーザパルスと同様の周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調をローカル光に与える第２の周波数変調手段を有することを特徴とするものである。
【００３１】
また、上記第１の周波数変調手段は、レーザパルス毎に複数の傾きの異なる直線周波数変調で交互に変調することを特徴とするものである。
【００３２】
また、上記レーザパルス発生手段と上記ローカル光発生手段は、単一モードで発振するＣＷレーザと、上記ＣＷレーザからのＣＷレーザ光を周波数変調する変調手段と、上記ＣＷレーザ光を２つに分ける光分岐手段と、上記光分岐手段で分岐された一方のＣＷレーザ光をパルス光として取出す光スイッチ手段とで構成されることを特徴とするものである。
【００３３】
また、上記光分岐手段と上記光送受信手段との間に、光増幅器を設けたことを特徴とするものである。
【００３４】
さらに、上記光増幅器は、光ファイバ増幅器であることを特徴とするものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。図１において、３４は単一モードで発振するパルスレーザ、３５は第１の周波数変調手段、３６は送受信光分離手段、３７は送受光学系、３８は光混合手段、３９は光検出器、４０は単一モードで発振するＣＷレーザ、４１は第２の周波数変調手段、４２は信号処理装置、４３は周波数変調制御回路である。
【００３６】
次に、図に基づき動作を説明する。
パルスレーザ３４は、単一モードの送信レーザパルスを発振する。第１の周波数変調手段３５は、上記レーザパルスを周波数変調制御回路４３からの制御信号により、パルス内で上記レーザパルスの光周波数を周波数変調する。変調する手段としては、パルスレーザ３４の共振器長を変調する、または励起パワーを変調する、またはレーザパルスを直接変調する手段等が考えられる。送信レーザパルスは、送受信光分離手段３６を経て、送受光学系３７から目標に向けて照射される。目標からの散乱光の一部を送受光学系３７により受光し、送受信光分離手段３６により送信レーザパルスと分離して光混合器３８に受信光を送る。
【００３７】
一方、単一モードで発振するＣＷレーザ４０は、上記レーザパルスに対し光周波数Δｆｓを持つＣＷレーザ光を発振する。第２の周波数変調手段４１は、第１の周波数変調手段３５のレーザパルスに対する周波数変調と同一の周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調を上記ＣＷレーザ光の光周波数に対して与える。第２の周波数変調手段４１がＣＷレーザ光を変調する手段としては、ＣＷレーザ４０の共振器長を変調する、または励起パワーを変調する、またはＣＷレーザ光を直接変調する手段等が考えられる。変調されたＣＷレーザ光は、ローカル光として光混合器３８に供給される。
【００３８】
周波数変調制御回路４３は、パルスレーザ３４から繰り返し送信される送信レーザパルス光を２種類以上の異なった傾きを持つ変調関数で交互に切り替えて周波数変調を行う制御信号を第１の周波数変調手段３５に送る。また、第１の周波数変調手段３５と同期を取ってＣＷレーザ光を周波数変調するよう第２の周波数変調手段４１に制御信号を送る。
光混合器３８は、受信光とローカル光を混合して、光検出器３９に送る。光検出器３９では、光ヘテロダイン検波を行い、その受信信号を信号処理装置４２に送る。信号処理装置４２では、受信信号の時間および周波数解析を行い、目標の距離および速度情報を求める。
【００３９】
この発明による方式は、送信レーザ光を１周期分のパルス光としたＦＭＣＷ方式であるＦＭパルス方式である。
図２に、ＦＭＣＷ方式とＦＭパルス方式の送信光とローカル光の強度と周波数の時間概念図を示す。
ＦＭＣＷ方式は、送信光およびローカル光が強度一定で周波数が三角波の変調がかけられたＣＷ光であるのに対し、ＦＭパルス方式は、送信光がＦＭＣＷ方式における三角波の周波数変調の１周期分を斜辺毎に分割した２つのパルスとなっていることが特徴である。ローカル光は、各々の送信光パルスに対し、同期しかつ送信光と同一の周波数波形の繰り返しである鋸歯状の周波数変調光である。通常のパルス方式における距離分解能はパルス幅程度であるが、ＦＭＣＷ方式の手法を用いることにより距離分解能を向上させることができる。
【００４０】
第１パルスと第２パルスの対応するタイムゲート（レンジビン）の信号の周波数からレンジビン内の目標の距離に対応した周波数ｆｒまたはｆｒ'が求まる。さらに、ドップラー周波数ｄｆも同時に求まるので、目標の速度情報も得ることができる。
図３に、第１パルスの受信信号とタイムゲートの関係を示す。ｄｔの値により信号の周波数の値、時間形状が異なるが、少なくともτ／２の間は周波数一定の区間が存在することが分かる。τ／２毎にタイムゲートを切り、信号処理を行うことにより、上記周波数を求めることができる。この周波数と第２パルスの同一のタイムゲートから求まる周波数からレンジビン内の目標の距離に対応した周波数ｆｒまたはｆｒ’およびドップラー周波数ｄｆを求めることができる。
【００４１】
ｆｒおよびｆｒ'とレンジビン内の目標の距離Ｒ’の関係は次式で表される。
【数６】
ここで、ｆｍは変調周波数、ｃは光速度である。
【００４３】
周波数分解能ｄｆrと距離分解能ΔＲの関係は次式で表される。
【００４４】
【数７】
また、周波数分解能ｄｆrと装置の受信機帯域Ｂは等しくとることから、次式となる。
【００４６】
【数８】
よって、次式が得られる。
【数９】
この発明であるＦＭパルス方式を用いれば、例えば、最大測定距離１０ｋｍ、距離分解能ΔＲ＝１ｍとしたとき、送信レーザパルス幅τ＝１μs、周波数分解能ｄｆr＝２ＭＨｚで装置を構築することが可能である。これは、パルス方式がパルス幅τ＝６.７ｎｓが必要であることに比べて、レーザパルスのピークパワーおよびパルス幅の条件を緩和し、パルスレーザにより簡単な構成のパルスレーザを用いることができる。また、必要な周波数分解能はパルス幅と距離分解能により決まる。このため、最大測定距離に係わらず上記の条件では周波数分解能ｄｆr＝２ＭＨｚと変わらない。よって、ＦＭＣＷ方式と比較した場合、光源の線幅および周波数変調の精度の条件が緩くなり、より簡便な光源が利用できる。即ち、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使える可能性がある。
【００４９】
この発明によるＦＭパルス方式においては、送信レーザパルスを周波数変調し、ローカル光を送信レーザパルスに与えた周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調を行うようにしたので、従来のパルス方式に比べ、同じ距離分解能を得るのにピークパワーを小さいかつパルス幅の広い光源が利用できるので、より簡単な構成のパルスレーザが利用でき、装置の信頼性も向上できる効果がある。
また、従来のＦＭＣＷ方式に比べた場合、最大測定距離が大きくなっても光源に要求される線幅および周波数変調の精度は厳しくならないため、より簡便な光源が利用できる効果があり、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使える可能性がある。
さらに、送信レーザパルス光を２種類以上の異なった傾きを持つ変調関数で交互に切り替えて周波数変調を行うようにしたので、目標の距離だけでなく、速度情報も得られる効果がある。
【００５０】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。図４において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、４４は、周波数変調手段を有し、単一モードの周波数変調ＣＷレーザ光を出力する基準光源、４５は、光分岐器である光カプラ、４６は、光スイッチ、４７は、光ファイバ増幅器である。
【００５１】
次に、図に基づき動作について説明する。
基本的な動作は、実施の形態１に等しい。基準光源４４、光カプラ４５および光スイッチ４６により、実施の形態１におけるパルスレーザ３４、ＣＷレーザ４０および第１、２の周波数変調手段３５，４１の機能を実現している。基準光源４４は、周波数変調制御回路４３により、図２に示したローカル光のような周波数変調されたＣＷレーザ光を出力する。即ち、２つ以上の異なった傾きを持つ周期τの鋸歯状の周波数変調の組み合わせで繰返し変調されたＣＷレーザ光である。基準光源４４からのＣＷレーザ光は、光カプラ４５により２つに分けられる。分岐された一方のＣＷレーザ光は、ローカル光として光混合器３８に送られる。光スイッチ４６は、周波数変調制御回路４３による制御信号により、他方の分岐されたＣＷレーザ光から鋸歯状の周波数変調の１周期分をレーザパルスとして切り出す。切り出されたレーザパルスは、送信レーザ光として、光ファイバ増幅器４７により増幅され、送受信光分離手段３６を経て、送受光学系３７から目標に向けて照射される。
【００５２】
上記のように、パルスレーザ、ＣＷレーザおよび第１、２の周波数変調手段の機能を、基準光源４４、光カプラ４５および光スイッチ４６により構成したので、レーザ光源および周波数変調手段を一つにすることができ、実施の形態１で記述した効果をより単純な構成で実現できる効果がある。
さらに、光増幅器を用いて送信レーザ光を増幅しているので、基準光源に必要とされる出力を低減でき、低出力な光源を利用できる効果がある。これにより、基準光源には、安価で周波数変調が注入電流で容易にできるＬＤを利用できる効果がある。
次いで、光増幅器を光ファイバ増幅器で構成したことにより、上記の効果を用意に達成できるばかりでなく、装置内の光の取り回しを光ファイバで構成することができ、装置の組み立てや部品配置を容易に行え、振動等の環境条件にも強い装置を構成できる効果がある。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ＦＭパルス方式においては、送信レーザパルスを周波数変調し、ローカル光に送信レーザパルスに与えた周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調を行うようにしたので、従来のパルス方式に比べ、同じ距離分解能を得るのにピークパワーが小さく、かつパルス幅の広い光源が利用できるので、より簡単な構成のパルスレーザが利用でき、装置の信頼性も向上できる効果がある。また、従来のＦＭＣＷ方式に比べた場合、最大測定距離が大きくなっても光源に要求される線幅および周波数変調の精度は厳しくならないため、より簡便な光源が利用できる効果があり、ＬＤのような安価で変調の容易な光源が使える可能性がある。
【００５４】
また、送信レーザパルス光を複数の異なった傾きの直線周波数変調で交互に切り替えて周波数変調を行うようにしたので、目標の距離だけでなく、速度情報も得られる効果がある。
【００５５】
また、パルスレーザ、ＣＷレーザおよび第１、２の周波数変調手段の機能を、ＣＷレーザ、変調手段および光スイッチ手段により構成したので、レーザ光源および周波数変調手段を一つにすることができ、より単純な構成で実現できる効果がある。
【００５６】
また、光増幅器を用いて送信レーザ光を増幅しているので、ＣＷレーザに必要とされる出力を低減でき、低出力な光源を利用できる効果がある。これにより、ＣＷレーザには、安価で周波数変調が注入電流で容易にできるＬＤを利用できる効果がある。
【００５７】
さらに、光増幅器を光ファイバ増幅器で構成したことにより、上記の効果を用意に達成できるばかりでなく、装置内の光の取り回しを光ファイバで構成することができ、装置の組み立てや部品配置を容易に行え、振動等の環境条件にも強い装置を構成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図２】 ＦＭＣＷ方式とＦＭパルス方式の送信光とローカル光の強度と周波数の時間概念図である。
【図３】 受信信号とタイム（レンジ）ゲートの関係を示す説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図５】 Sammy W. Henderson等により米国特許５、２３７、３３１号に示されたもので、光源にインジェクションシーディングパルスレーザ装置を用いたコヒーレントレーザレーダ装置の構成図である。
【図６】 Christer J. Karlson等によりApplied Optics 誌（Vol. 38, No.１５, pp33766-3386, １999）に開示されたＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図７】 周波数変調の一例を示す説明図である。
【図８】 受信信号から目標の距離、速度を求める方法を説明するために、受信光、ローカル光および受信信号の１周期分の周波数の時間変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ＣＷレーザ光源、２ 第１の光分岐器、３ 周波数シフタ、４ インジェクションシーディングパルスレーザ、５ ビームスプリッタ、６ １／４波長板、７ 送受光学系、８ 走査光学系、９ 第１の光混合器、１０ 第１の光検波器、１１ 第２の光分岐器、１２ 第３の光分岐器、１３ 第２の光混合器、１４ 第２の光検出器、１５ ＡＤ変換器、１６ 信号処理装置、１７ インジェクションシーディングパルスレーザ４の共振器長の調整機構、１８ 調整機構１７の制御回路、１９ レーザ光源１からのレーザ光、２０ シード光、２１ パルスレーザ光、２２ 送受信光の光軸、２３ 送信光、２４ 受信光、２５ ローカル光、２６ 第１の光混合器９による受信光２４とローカル光２５の混合光、２７ 半導体レーザ（ＬＤ）、２８ 電源、２９ ＦＭ変調回路、３０ 光カプラ、３１ 送受信光学系、３２ 光検出器、３３ 信号処理装置、３４ パルスレーザ、３５ 第１の周波数変調手段、３６ 送受信光分離手段、３７ 送受信系、３８ 光混合手段、３９ 光検出器、４０ 単一モードで発信するＣＷレーザ、４１ 第２の周波数変調手段、４２ 信号処理装置、４３ 周波数変調回路、４４ 基準光源、４５ 光カプラ、４６ 光スイッチ、４７ 光ファイバ増幅器。
Claims (5)
- レーザパルスを発生するレーザパルス発生手段と、
ローカル光を発生するローカル光発生手段と、
上記レーザパルス発生手段からのレーザパルスを目標に向けて送信し、目標からの散乱光の一部を受信する光送受信手段と、
上記ローカル光発生手段からのローカル光と上記送受信光学手段で受信された受信光を混合する光混合手段と、
上記光混合手段により混合された混合光を光ヘテロダイン検波する光検波手段と、
上記光検波手段からの信号から目標の情報を抽出する信号処理手段と
を有するコヒーレントレーザレーダ装置において、
上記レーザパルス発生手段は、レーザパルスを周波数変調する第１の周波数変調手段を有し、
上記ローカル光発生手段は、上記レーザパルス発生手段からのレーザパルスと同様の周波数変調を１周期とする繰返し周波数変調をローカル光に与える第２の周波数変調手段を有する
ことを特徴とするレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のレーザレーダ装置において、
上記第１の周波数変調手段は、レーザパルス毎に複数の傾きの異なる直線周波数変調で交互に変調制御することを特徴とするレーザレーダ装置。 - 請求項１または２に記載のレーザレーダ装置において、
上記レーザパルス発生手段と上記ローカル光発生手段は、
単一モードで発振するＣＷレーザと、
上記ＣＷレーザからのＣＷレーザ光を周波数変調する変調手段と、
上記ＣＷレーザ光を２つに分ける光分岐手段と、
上記光分岐手段で分岐された一方のＣＷレーザ光をパルス光として取出す光スイッチ手段と
で構成されることを特徴とするレーザレーダ装置。 - 請求項３に記載のレーザレーダ装置において、
上記光分岐手段と上記光送受信手段との間に、光増幅器を設けた
ことを特徴とするレーザレーダ装置。 - 請求項４に記載のレーザレーダ装置において、
上記光増幅器は、光ファイバ増幅器である
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
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