JP3824218B2 - コヒーレントレーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザレーダ装置に関するものである。特に、目標の距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定することを目的とし、光源に光ファイバ増幅器を用い、かつ光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を用いたコヒーレントレーザレーダ装置は、大気中のエアロゾルでも十分な散乱強度が得られるため、晴天時でも風速や風速分布の測定ができる。このため、コヒーレントレーザレーダ装置は、空港設置や航空機搭載の乱気流を含む障害物検知装置として期待されている。
【０００３】
コヒーレントレーザレーダ装置には、送信光源に光ファイバ増幅器を用いたものがある。
【０００４】
従来のコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図６は、例えばG. N. PersonおよびJ. Eacockにより11th Coherent Laser Radar Conference（Malvern, Worcestershire, UK, July 2001）のProceedings (p.144-146)に示された送信光源に光ファイバ増幅器を用いた従来のコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【０００５】
図６において、１は単一波長で発振したレーザ光を光ファイバ出力するレーザ光源、２は光ファイバ型の第１の光カプラ、３は光変調器、４は光ファイバ増幅器、５は送受信光分離部、６は送受光学系、７は光ファイバ型の第２の光カプラ、８は光受信器、９は信号処理器、１０は第１の偏波制御器、１１は第２の偏波制御器である。
【０００６】
また、同図において、３１は第１の結合光学系、３２は偏光子、３３は１／４波長板、３４は第２の結合光学系である。これら第１の結合光学系３１〜第２の結合光学系３４の光学部品は、送受信光分離部５を構成する。図中、レーザ光源１から送受信光分離部５まで、レーザ光源１から光受信器８まで、および、送受信光分離部５から光受信器８までの光学部品は、インラインファイバ型の光学部品であり、それぞれシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）により結合される。
【０００７】
つぎに、従来のコヒーレントレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【０００８】
単一波長（周波数：ｆ０）で発振するレーザ光源１からのレーザ光は、第１の光カプラ２により２分岐され、一方はローカル光に用いられ、他方は光変調器３により変調される。ここでは、光変調器３はパルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子であり、上記レーザ光の光周波数を周波数ｆＩＦだけ周波数シフトし、かつパルスレーザ光に変調して出力する。上記パルス化された変調光は光ファイバ増幅器４で増幅された後、送受信光分離部５を介して、送受光学系６より目標に向けて照射される。
【０００９】
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。このとき受信光の周波数は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数：ｆｄ）を受けている。受信光は送受信光分離部５において送信光と分離され、第２の光カプラ７において、上記ローカル光と混合される。上記受信光とローカル光の混合光は光受信器８において光コヒーレント検波され、そのビート信号が出力される。上記ビート信号は信号処理器９において信号処理され、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間およびドップラー周波数から目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。
【００１０】
送受信光分離部５では、偏光を用いて送受信光の分離を行っている。光ファイバ増幅器４からのパルスレーザ光は送信光に用いられ、第１の結合光学系３１により略平行ビームとして偏光子３２に入射される。偏光子３２は紙面に対して平行な偏光成分を透過し、紙面対して垂直な偏光成分を反射するように設定されている。偏光子３２を透過した送信光は、紙面に対して平行な直線偏光となる。さらに、１／４波長板３３を透過することにより円偏光に変換されたのち、光送受光学系６に送られる。目標の散乱による偏波変動がないものとすると、送受光学系６からの受信光は円偏光であり、１／４波長板３３を透過することにより紙面対して垂直な直線偏光に変換される。直線偏光に変換された受信光は偏光子３２で反射され、第２の結合光学系３４を介して、第２の光カプラ７に至る光ファイバに結合される。
【００１１】
送信光の送受信光分離部５における透過損失を最小にするためには、光ファイバ増幅器４からの送信光を紙面に対して平行な直線偏光とする必要がある。このため、第１の偏波制御器１０により、光ファイバ増幅器４からの送信光は紙面に対して平行な直線偏光となるように設定される。
【００１２】
また、光ヘテロダイン検波においては、検波効率を最大にするためにはローカル光と受信光の偏波面を一致させる必要がある。このため、第２の偏波制御器１１により、ローカル光の偏波面を受信光の偏波面に略一致するように設定している。
【００１３】
上述の従来例は、光変調器３にパルス変調器としてパルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子を用いており、パルス型のコヒーレントレーザレーダ装置の構成となっている。
【００１４】
光変調器３を用いない、または固定周波数シフトを与える周波数シフタとした場合は、ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。
【００１５】
また、光変調器３に強度、位相、周波数のいずれかまたは複数を変調する変調器を用い、光変調器３を通過する上記レーザ光を擬似ランダム系列（例えば、Ｍ系列）に従って変調し、信号処理器９において復調を行えば、擬似ランダム変調ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。上記に示した構成において、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報のいずれかまたは複数を測定することが可能である。
【００１６】
上記に示した各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置では、上記光ファイバにシングルモード光ファイバを用いている。このシングルモード光ファイバは、設置方法と環境条件により与えられる応力およびその揺らぎのため、屈折率分布が変動する。このため、シングルモード光ファイバは、複屈折性を持ち、かつその程度は変動する。したがって、シングルモード光ファイバ伝播する光の偏波面が変化するとともに揺らぐことになる。よって、上記の構成において、シングルモードファイバ中をローカル光、送信光、受信光が伝搬するため、伝播中にそれぞれの光の偏波面が変動する。送信光の偏波変動は送信光の送受信光分離部５における透過損失となり、ローカル光および受信光の偏波変動は、光ヘテロダイン検波における両者に偏波面不一致による損失となっていた。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のコヒーレントレーザレーダ装置では、前述した偏波変動による損失を小さくするため、第１の偏波制御器１０、及び第２の偏波制御器１１により、送信光およびローカル光の偏波面を制御している。しかし、温度、振動等の環境条件によりシングルモード光ファイバを伝搬する光の偏波面は時々刻々と変化する。このため、偏波変動損失を補償するためには、第１の偏波制御器１０、及び第２の偏波制御器１１に常にフィードバックを駆ける必要があり、装置が複雑化するという問題点があった。
【００１８】
また、この偏波変動損失を補償するためには、装置内に用いる光ファイバを偏波保存型光ファイバとし、光ファイバ増幅器をはじめとする光学部品を偏波保存型とすることにより可能である。しかし、光学部品を偏波保存型とすることは、特に、高出力の光ファイバ増幅器において得ることは困難であり、また、もし得られたとしてもシングルモード光ファイバ型の光ファイバ増幅器に比べて非常に高額なものになるという問題点があった。
【００１９】
以上のように、各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置では、シングルモードファイバ中をローカル光、送信光、受信光が伝搬するため、伝播中にそれぞれの光の偏波面が変動する。このため、送信光の透過損失や光ヘテロダイン検波におけるローカル光と受信光の偏波面不一致による損失が発生していた。
【００２０】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、フィードバック制御のような複雑な系や全ての光学部品を偏波保存型にすることなく、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるコヒーレントレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、前記光変調器からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光変調器からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部及び前記光変調器を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたものである。
【００２２】
この発明の請求項２に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光変調器と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するものである。
【００２３】
この発明の請求項３に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光変調器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するものである。
【００２４】
この発明の請求項４に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光分岐部からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたものである。
【００２５】
この発明の請求項５に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光分岐部と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するものである。
【００２６】
この発明の請求項６に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光分岐器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するものである。
【００２７】
この発明の請求項７に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系を収める光学系部と、前記信号処理器を除く、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系以外の光学部品を収める本体部とに分け、前記光学系部と前記本体部とを所定の長さの、偏波保存型でないシングルモード光ファイバで結合するものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２９】
図１において、１２は直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源、１３はレーザ光源１２からのレーザ光を分割する光分岐部である第１カプラ、１４は第１カプラ１３からのレーザ光の一方を変調する光変調器、１５は送受信光分離部、１６は光ファイバ増幅器、１７は光ファイバ増幅器１６により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受光する送受光学系、１８は４５°ファラデーローテータ、１９は第１カプラ１３からのレーザ光と送受光学系１７からの受信光を混合する光混合部である第２カプラ、２０は第２カプラ１９からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器、２１は光受信器２０からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器である。
【００３０】
また、同図において、レーザ光源１２から光受信器２０に至る各光学素子は、シングルモード光ファイバにより結合される。そのうち、レーザ光源１２から送受信光分離部１５までの間（送信光の経路）、第１カプラ１３から第２カプラ１９までの間（ローカル光の経路）、さらに、送受信光分離部１５から光受信器２０までの間（受信光及び混合光の経路）のシングルモード光ファイバは、偏波保存型で構成される。また、第１カプラ１３、光変調器１４及び第２カプラ１９は、偏波保存型の光学素子である。
【００３１】
レーザ光源１２から偏波保存型光ファイバに出力される、紙面に対して平行に直線偏光したレーザ光は、第１カプラ１３において２つに分岐される。分岐されたレーザ光の一方は送信光として、他方は光コヒーレント検波のローカル光として用いられる。光変調器１４は、第１カプラ１３で分岐されたレーザ光の一方を変調する。この変調されたレーザ光は、送受信光分離部１５を介して光ファイバ増幅器１６に送られる。光変調器１４からの変調光は、光ファイバ増幅器１６で増幅され、４５°ファラデーローテータ１８を介して、送受光学系１７により目標に向けて照射される。
【００３２】
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。このとき、受信光の周波数は、目標の速度に応じたドップラーシフトを受けている。この受信光は、送受信光分離部１５において送信光と分離され、第２カプラ１９に送られる。この第２カプラ１９では、第１カプラ１３からの他方のレーザ光であるローカル光と送受光学系１７からの受信光とを混合する。光受信器２０では、第２カプラ１９からの混合光を光コヒーレント検波し、受信光とローカル光のビート信号を出力する。信号処理器２１では、上記ビート信号を信号処理し、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数から目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。
【００３３】
図２は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の構成を示す図である。
【００３４】
この送受信光分離部１５は、偏光を用いて送受信光の分離を行う偏光分離型である。図２において、３５は偏光子、３６、３７、３８はそれぞれ第１、第２、第３の結合光学系である。光変調器１４からの送信光は、偏波保存型のファイバと光学部品を経ているので、紙面に平行な直線偏光である。よって、送信光は、偏光子３５をほとんど損失なしに透過し、光ファイバ増幅器１６に出力される。
【００３５】
図１に示すように、光ファイバ増幅器１６の入射側に送受信光分離部１５を、出射側の送受光学系１７の直前に４５°ファラデーローテータ１８をそれぞれ設置している。受信光は、４５°ファラデーローテータ１８を２回通過するので、送信光の偏光面から９０°回転している。受信光は、光ファイバ増幅器１６を通過し、送受信光分離部１５により送信光と分離される。光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の受信光および送信光の伝送路は、シングルモードファイバで構成しているため、シングルモードファイバの屈折率揺らぎにより偏波面が変動する。しかしながら、上記の構成により、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間を受信光は光の偏光面を９０°回転して２回通過しているので、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動を補償することができる。よって、光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動の如何に拘わらず、受信光は送受信光分離部１５において紙面に対して垂直な直線偏光となる。この受信光は偏光子３５において、ほとんど損失なしに反射され、第２カプラ１９へ出力される。
【００３６】
ここで、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動を補償できることを図３を用いて詳細に説明する。
【００３７】
図３は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送信光と受信光の偏光状態を示す図である。
【００３８】
送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動は、主軸（速軸および遅軸）の座標系となす角（φ（ｔ））と透過する速軸と遅軸それぞれに平行な偏光成分間に与える位相差量（θ（ｔ））が時間的に変化する仮想的な波長板が与えるものとして考えることができる。
【００３９】
レーザ光源１２からのレーザ光は、図３に示すように、ｙ軸に平行な直線偏光である。レーザ光源１２から送受信光分離部１５までは偏波保存型の素子およびファイバで構成されているため、偏光状態は保持されている。送信光が送信され目標で散乱されて受信光として戻ってくる時間は、仮想的な波長板のφ（ｔ）とθ（ｔ）の時間変化に比べれば十分に小さいので、φ（ｔ）とθ（ｔ）は、この時間間隔において一定と考えてよい。
【００４０】
送受信分離部１５からの送信光の仮想的な波長板の速軸に平行な偏光成分をＦ成分、遅軸に平行な偏光成分をＳ成分とする。直線偏光であることから、このときのＦ成分とＳ成分の位相は一致している。このＦ成分とＳ成分の座標系となす角とそれぞれに与えられる位相差量に着目する。送信光が仮想的な波長板を通過すると、速軸と遅軸に平行な偏光成分間に位相差が与えられる。これを遅軸に平行な偏光成分に与えられる位相差量θ（ｔ）として表現する。この時点において、Ｓ成分に位相差量θ（ｔ）が加えられる。
【００４１】
４５°ファラデーローテータ１８は、磁気光効果により通過する光の偏光面を４５°回転させる素子である。この４５°ファラデーローテータ１８を通過することにより、Ｆ成分とＳ成分は時計周りに４５°回転する。送信光は、送受光学系１７により目標に向けて照射され、その散乱光を受信光として受光される。
【００４２】
受信光は、再度、４５°ファラデーローテータ１８を通過し、Ｆ成分とＳ成分はさらに時計周りに４５°回転する。これにより、Ｆ成分は仮想的な波長板の遅軸に平行な偏光成分となり、またＳ偏光は速軸に平行な偏光成分となる。つぎに、受信光が仮想的な波長板を通過すると、遅軸に平行な偏光成分であるＦ成分に位相差量θ（ｔ）が加えられる。
【００４３】
以上のように、送信光が受信光として送受信光分離部１５に至るまでに仮想的な波長板により与えられる位相差量は、Ｆ成分とＳ成分とで等しくなる。よって、Ｆ成分とＳ成分を合成したものである受信光は、送信光と同様に直線偏光となる。また、その偏光面は送信光に比べ、９０°異なるので、受信光は送受信光分離部１５において偏光による損失を生じずに送信光と分離することができる。上記の条件は、仮想的な波長板のφ（ｔ）およびθ（ｔ）の大きさによらずに成立するので、光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動を常に補償し、送受信光分離部１５における送信光および受信光の透過損失を最小にすることができる。
【００４４】
光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の受信光および送信光の伝送路は、シングルモードファイバで構成しているにも拘らず、単純な構成により、送受信光分離部１５における送信光および受信光の透過損失を最小にできる効果がある。
【００４５】
ここで、送受信光分離部１５の別の構成例について説明する。
【００４６】
図４は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の別の構成を示す図である。
【００４７】
図４において、３９はインライン型偏波分離素子、４０はターミネータである。
【００４８】
偏波分離素子３９は、１つのポートに入力した光を２つの直交する偏光成分に分離して、２つの出力ポートに出力する機能を持つ。図４には、偏波保存型の光ファイバを入出力ポートに持つ２×２ポートタイプの偏波分離素子を示している。未接続の入出力ポートの偏波保存型光ファイバの端末には、系に不必要な後方反射光が発生しないようにターミネータ４０により無反射端末処理をしている。送受信光分離部１５としての動作は前述したものと同様であり、その効果も同等に得ることができる。
【００４９】
さらに、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間以外の部分は、送受光学系１７と光受信器２０を除いて、各光学素子を偏波保存型光ファイバで結合し、各光学素子を偏波保存型で構成した。これにより、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間以外の部分では偏波面は変動しない。また、第２カプラ１９において、ローカル光と受信光の偏波面を一致させるため、第１カプラ１３と第２カプラ１９の間において、ローカル光の偏波面が９０°回転するように偏波保存型光ファイバを接続している。即ち、第２カプラ１９への入力時にローカル光を紙面に対して垂直な直線偏光となるようにしている。
【００５０】
以上の構成により、受信光のシングルモードファイバの区間の偏波変動を補償したので、ローカル光と受信光の偏波面不一致による損失を低減し、高い光ヘテロダイン検波効率を得ることができる。
【００５１】
図１において、光変調器１４としてパルス変調器を用いれば、パルス型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。
【００５２】
また、光変調器１４を用いない、または固定周波数シフトを与える周波数シフタとした場合は、ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。
【００５３】
また、光変調器１４に強度、位相、周波数のいずれか、または複数を変調する変調器を用い、この変調器を通過するレーザ光を擬似ランダム系列（例えば、Ｍ系列）に従って変調し、信号処理器２１において復調を行えば、擬似ランダム変調ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。この装置は、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報のいずれか、または複数を測定することが可能である。
【００５４】
以上より、本実施の形態１においては、送信光及び受信光は、光ファイバ増幅器１６を含むシングルモードファイバの区間を通過する。このとき、送信光と受信光の偏光面を９０°回転させることにより、シングルモードファイバの区間の偏波変動を補償している。これにより、送信光の透過損失の低減と高い光ヘテロダイン検波効率を持つ各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置が簡易あるいは安価に得られる効果がある。
【００５５】
なお、図１において、４５°ファラデーローテータ１８は、光ファイバ増幅器１６からのシングルモード光ファイバの出力端と送受光学系１７の間に設置しているが、送受光学系１７の内部に設けてもよく、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【００５７】
図５に示すように、信号処理器２１以外の部品が、送受光学系１７と４５°ファラデーローテータ１８とからなる光学系部と、それ以外の光学部品からなる本体部とに分けて収められている。これら光学系部と本体部とは、前述した実施の形態１と同様に、光ファイバで結合されている。
【００５８】
この実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の基本的な動作は、上記の実施の形態１に等しい。
【００５９】
本実施の形態２の構成においては、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動の大きさ如何に拘わらず、上記偏波変動を常に補償し、送受信光分離部１５における送信光および受信光の透過損失を最小にすることができる。このことは、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間が長尺の光ファイバで結合されていても成り立つことを示している。例えば、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間が数百ｍあっても同様の効果を得ることが可能である。
【００６０】
図５のように装置を光学系部と本体部に分離し、その間を任意の長さの光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置は、設置自由度を飛躍的に増す効果がある。光ファイバであるので、その敷設にはスペースも精度も要求されない。例えば、航空機搭載型の場合は、光学系部と本体部とが機体内で分散配置が可能であり、さらに、光学系部のみを屋外におき、本体部を環境条件に優れた室内に置くことも可能である。
【００６１】
本実施の形態２においては、シングルモードファイバの区間の偏波変動を補償し、送信光の透過損失の低減と高い光ヘテロダイン検波効率を持つ各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置が簡易あるいは安価に得られる効果が得られるとともに、設置自由度の高いコヒーレントレーザレーダ装置を得られる効果がある。
【００６２】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、前記光変調器からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光変調器からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部及び前記光変調器を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６３】
この発明の請求項２に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光変調器と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６４】
この発明の請求項３に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光変調器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６５】
この発明の請求項４に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光分岐部からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６６】
この発明の請求項５に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光分岐部と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６７】
この発明の請求項６に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光分岐器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６８】
この発明の請求項７に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系を収める光学系部と、前記信号処理器を除く、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系以外の光学部品を収める本体部とに分け、前記光学系部と前記本体部とを所定の長さの、偏波保存型でないシングルモード光ファイバで結合するので、設置自由度を飛躍的に増すことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送信光と受信光の偏光状態を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の別の構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【図６】 従来のコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１２ レーザ光源、１３ 第１カプラ、１４ 光変調器、１５ 送受信光分離部、１６ 光ファイバ増幅器、１７ 送受光学系、１８ ４５°ファラデーローテータ、１９ 第２カプラ、２０ 光受信器、２１ 信号処理器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザレーダ装置に関するものである。特に、目標の距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定することを目的とし、光源に光ファイバ増幅器を用い、かつ光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を用いたコヒーレントレーザレーダ装置は、大気中のエアロゾルでも十分な散乱強度が得られるため、晴天時でも風速や風速分布の測定ができる。このため、コヒーレントレーザレーダ装置は、空港設置や航空機搭載の乱気流を含む障害物検知装置として期待されている。
【０００３】
コヒーレントレーザレーダ装置には、送信光源に光ファイバ増幅器を用いたものがある。
【０００４】
従来のコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図６は、例えばG. N. PersonおよびJ. Eacockにより11th Coherent Laser Radar Conference（Malvern, Worcestershire, UK, July 2001）のProceedings (p.144-146)に示された送信光源に光ファイバ増幅器を用いた従来のコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【０００５】
図６において、１は単一波長で発振したレーザ光を光ファイバ出力するレーザ光源、２は光ファイバ型の第１の光カプラ、３は光変調器、４は光ファイバ増幅器、５は送受信光分離部、６は送受光学系、７は光ファイバ型の第２の光カプラ、８は光受信器、９は信号処理器、１０は第１の偏波制御器、１１は第２の偏波制御器である。
【０００６】
また、同図において、３１は第１の結合光学系、３２は偏光子、３３は１／４波長板、３４は第２の結合光学系である。これら第１の結合光学系３１〜第２の結合光学系３４の光学部品は、送受信光分離部５を構成する。図中、レーザ光源１から送受信光分離部５まで、レーザ光源１から光受信器８まで、および、送受信光分離部５から光受信器８までの光学部品は、インラインファイバ型の光学部品であり、それぞれシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）により結合される。
【０００７】
つぎに、従来のコヒーレントレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【０００８】
単一波長（周波数：ｆ０）で発振するレーザ光源１からのレーザ光は、第１の光カプラ２により２分岐され、一方はローカル光に用いられ、他方は光変調器３により変調される。ここでは、光変調器３はパルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子であり、上記レーザ光の光周波数を周波数ｆＩＦだけ周波数シフトし、かつパルスレーザ光に変調して出力する。上記パルス化された変調光は光ファイバ増幅器４で増幅された後、送受信光分離部５を介して、送受光学系６より目標に向けて照射される。
【０００９】
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。このとき受信光の周波数は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数：ｆｄ）を受けている。受信光は送受信光分離部５において送信光と分離され、第２の光カプラ７において、上記ローカル光と混合される。上記受信光とローカル光の混合光は光受信器８において光コヒーレント検波され、そのビート信号が出力される。上記ビート信号は信号処理器９において信号処理され、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間およびドップラー周波数から目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。
【００１０】
送受信光分離部５では、偏光を用いて送受信光の分離を行っている。光ファイバ増幅器４からのパルスレーザ光は送信光に用いられ、第１の結合光学系３１により略平行ビームとして偏光子３２に入射される。偏光子３２は紙面に対して平行な偏光成分を透過し、紙面対して垂直な偏光成分を反射するように設定されている。偏光子３２を透過した送信光は、紙面に対して平行な直線偏光となる。さらに、１／４波長板３３を透過することにより円偏光に変換されたのち、光送受光学系６に送られる。目標の散乱による偏波変動がないものとすると、送受光学系６からの受信光は円偏光であり、１／４波長板３３を透過することにより紙面対して垂直な直線偏光に変換される。直線偏光に変換された受信光は偏光子３２で反射され、第２の結合光学系３４を介して、第２の光カプラ７に至る光ファイバに結合される。
【００１１】
送信光の送受信光分離部５における透過損失を最小にするためには、光ファイバ増幅器４からの送信光を紙面に対して平行な直線偏光とする必要がある。このため、第１の偏波制御器１０により、光ファイバ増幅器４からの送信光は紙面に対して平行な直線偏光となるように設定される。
【００１２】
また、光ヘテロダイン検波においては、検波効率を最大にするためにはローカル光と受信光の偏波面を一致させる必要がある。このため、第２の偏波制御器１１により、ローカル光の偏波面を受信光の偏波面に略一致するように設定している。
【００１３】
上述の従来例は、光変調器３にパルス変調器としてパルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子を用いており、パルス型のコヒーレントレーザレーダ装置の構成となっている。
【００１４】
光変調器３を用いない、または固定周波数シフトを与える周波数シフタとした場合は、ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。
【００１５】
また、光変調器３に強度、位相、周波数のいずれかまたは複数を変調する変調器を用い、光変調器３を通過する上記レーザ光を擬似ランダム系列（例えば、Ｍ系列）に従って変調し、信号処理器９において復調を行えば、擬似ランダム変調ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。上記に示した構成において、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報のいずれかまたは複数を測定することが可能である。
【００１６】
上記に示した各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置では、上記光ファイバにシングルモード光ファイバを用いている。このシングルモード光ファイバは、設置方法と環境条件により与えられる応力およびその揺らぎのため、屈折率分布が変動する。このため、シングルモード光ファイバは、複屈折性を持ち、かつその程度は変動する。したがって、シングルモード光ファイバ伝播する光の偏波面が変化するとともに揺らぐことになる。よって、上記の構成において、シングルモードファイバ中をローカル光、送信光、受信光が伝搬するため、伝播中にそれぞれの光の偏波面が変動する。送信光の偏波変動は送信光の送受信光分離部５における透過損失となり、ローカル光および受信光の偏波変動は、光ヘテロダイン検波における両者に偏波面不一致による損失となっていた。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のコヒーレントレーザレーダ装置では、前述した偏波変動による損失を小さくするため、第１の偏波制御器１０、及び第２の偏波制御器１１により、送信光およびローカル光の偏波面を制御している。しかし、温度、振動等の環境条件によりシングルモード光ファイバを伝搬する光の偏波面は時々刻々と変化する。このため、偏波変動損失を補償するためには、第１の偏波制御器１０、及び第２の偏波制御器１１に常にフィードバックを駆ける必要があり、装置が複雑化するという問題点があった。
【００１８】
また、この偏波変動損失を補償するためには、装置内に用いる光ファイバを偏波保存型光ファイバとし、光ファイバ増幅器をはじめとする光学部品を偏波保存型とすることにより可能である。しかし、光学部品を偏波保存型とすることは、特に、高出力の光ファイバ増幅器において得ることは困難であり、また、もし得られたとしてもシングルモード光ファイバ型の光ファイバ増幅器に比べて非常に高額なものになるという問題点があった。
【００１９】
以上のように、各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置では、シングルモードファイバ中をローカル光、送信光、受信光が伝搬するため、伝播中にそれぞれの光の偏波面が変動する。このため、送信光の透過損失や光ヘテロダイン検波におけるローカル光と受信光の偏波面不一致による損失が発生していた。
【００２０】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、フィードバック制御のような複雑な系や全ての光学部品を偏波保存型にすることなく、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるコヒーレントレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、前記光変調器からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光変調器からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部及び前記光変調器を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたものである。
【００２２】
この発明の請求項２に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光変調器と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するものである。
【００２３】
この発明の請求項３に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光変調器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するものである。
【００２４】
この発明の請求項４に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光分岐部からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたものである。
【００２５】
この発明の請求項５に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光分岐部と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するものである。
【００２６】
この発明の請求項６に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記送受信光分離部が、前記光分岐器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するものである。
【００２７】
この発明の請求項７に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系を収める光学系部と、前記信号処理器を除く、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系以外の光学部品を収める本体部とに分け、前記光学系部と前記本体部とを所定の長さの、偏波保存型でないシングルモード光ファイバで結合するものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２９】
図１において、１２は直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源、１３はレーザ光源１２からのレーザ光を分割する光分岐部である第１カプラ、１４は第１カプラ１３からのレーザ光の一方を変調する光変調器、１５は送受信光分離部、１６は光ファイバ増幅器、１７は光ファイバ増幅器１６により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受光する送受光学系、１８は４５°ファラデーローテータ、１９は第１カプラ１３からのレーザ光と送受光学系１７からの受信光を混合する光混合部である第２カプラ、２０は第２カプラ１９からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器、２１は光受信器２０からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器である。
【００３０】
また、同図において、レーザ光源１２から光受信器２０に至る各光学素子は、シングルモード光ファイバにより結合される。そのうち、レーザ光源１２から送受信光分離部１５までの間（送信光の経路）、第１カプラ１３から第２カプラ１９までの間（ローカル光の経路）、さらに、送受信光分離部１５から光受信器２０までの間（受信光及び混合光の経路）のシングルモード光ファイバは、偏波保存型で構成される。また、第１カプラ１３、光変調器１４及び第２カプラ１９は、偏波保存型の光学素子である。
【００３１】
レーザ光源１２から偏波保存型光ファイバに出力される、紙面に対して平行に直線偏光したレーザ光は、第１カプラ１３において２つに分岐される。分岐されたレーザ光の一方は送信光として、他方は光コヒーレント検波のローカル光として用いられる。光変調器１４は、第１カプラ１３で分岐されたレーザ光の一方を変調する。この変調されたレーザ光は、送受信光分離部１５を介して光ファイバ増幅器１６に送られる。光変調器１４からの変調光は、光ファイバ増幅器１６で増幅され、４５°ファラデーローテータ１８を介して、送受光学系１７により目標に向けて照射される。
【００３２】
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。このとき、受信光の周波数は、目標の速度に応じたドップラーシフトを受けている。この受信光は、送受信光分離部１５において送信光と分離され、第２カプラ１９に送られる。この第２カプラ１９では、第１カプラ１３からの他方のレーザ光であるローカル光と送受光学系１７からの受信光とを混合する。光受信器２０では、第２カプラ１９からの混合光を光コヒーレント検波し、受信光とローカル光のビート信号を出力する。信号処理器２１では、上記ビート信号を信号処理し、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数から目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。
【００３３】
図２は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の構成を示す図である。
【００３４】
この送受信光分離部１５は、偏光を用いて送受信光の分離を行う偏光分離型である。図２において、３５は偏光子、３６、３７、３８はそれぞれ第１、第２、第３の結合光学系である。光変調器１４からの送信光は、偏波保存型のファイバと光学部品を経ているので、紙面に平行な直線偏光である。よって、送信光は、偏光子３５をほとんど損失なしに透過し、光ファイバ増幅器１６に出力される。
【００３５】
図１に示すように、光ファイバ増幅器１６の入射側に送受信光分離部１５を、出射側の送受光学系１７の直前に４５°ファラデーローテータ１８をそれぞれ設置している。受信光は、４５°ファラデーローテータ１８を２回通過するので、送信光の偏光面から９０°回転している。受信光は、光ファイバ増幅器１６を通過し、送受信光分離部１５により送信光と分離される。光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の受信光および送信光の伝送路は、シングルモードファイバで構成しているため、シングルモードファイバの屈折率揺らぎにより偏波面が変動する。しかしながら、上記の構成により、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間を受信光は光の偏光面を９０°回転して２回通過しているので、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動を補償することができる。よって、光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動の如何に拘わらず、受信光は送受信光分離部１５において紙面に対して垂直な直線偏光となる。この受信光は偏光子３５において、ほとんど損失なしに反射され、第２カプラ１９へ出力される。
【００３６】
ここで、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動を補償できることを図３を用いて詳細に説明する。
【００３７】
図３は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送信光と受信光の偏光状態を示す図である。
【００３８】
送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動は、主軸（速軸および遅軸）の座標系となす角（φ（ｔ））と透過する速軸と遅軸それぞれに平行な偏光成分間に与える位相差量（θ（ｔ））が時間的に変化する仮想的な波長板が与えるものとして考えることができる。
【００３９】
レーザ光源１２からのレーザ光は、図３に示すように、ｙ軸に平行な直線偏光である。レーザ光源１２から送受信光分離部１５までは偏波保存型の素子およびファイバで構成されているため、偏光状態は保持されている。送信光が送信され目標で散乱されて受信光として戻ってくる時間は、仮想的な波長板のφ（ｔ）とθ（ｔ）の時間変化に比べれば十分に小さいので、φ（ｔ）とθ（ｔ）は、この時間間隔において一定と考えてよい。
【００４０】
送受信分離部１５からの送信光の仮想的な波長板の速軸に平行な偏光成分をＦ成分、遅軸に平行な偏光成分をＳ成分とする。直線偏光であることから、このときのＦ成分とＳ成分の位相は一致している。このＦ成分とＳ成分の座標系となす角とそれぞれに与えられる位相差量に着目する。送信光が仮想的な波長板を通過すると、速軸と遅軸に平行な偏光成分間に位相差が与えられる。これを遅軸に平行な偏光成分に与えられる位相差量θ（ｔ）として表現する。この時点において、Ｓ成分に位相差量θ（ｔ）が加えられる。
【００４１】
４５°ファラデーローテータ１８は、磁気光効果により通過する光の偏光面を４５°回転させる素子である。この４５°ファラデーローテータ１８を通過することにより、Ｆ成分とＳ成分は時計周りに４５°回転する。送信光は、送受光学系１７により目標に向けて照射され、その散乱光を受信光として受光される。
【００４２】
受信光は、再度、４５°ファラデーローテータ１８を通過し、Ｆ成分とＳ成分はさらに時計周りに４５°回転する。これにより、Ｆ成分は仮想的な波長板の遅軸に平行な偏光成分となり、またＳ偏光は速軸に平行な偏光成分となる。つぎに、受信光が仮想的な波長板を通過すると、遅軸に平行な偏光成分であるＦ成分に位相差量θ（ｔ）が加えられる。
【００４３】
以上のように、送信光が受信光として送受信光分離部１５に至るまでに仮想的な波長板により与えられる位相差量は、Ｆ成分とＳ成分とで等しくなる。よって、Ｆ成分とＳ成分を合成したものである受信光は、送信光と同様に直線偏光となる。また、その偏光面は送信光に比べ、９０°異なるので、受信光は送受信光分離部１５において偏光による損失を生じずに送信光と分離することができる。上記の条件は、仮想的な波長板のφ（ｔ）およびθ（ｔ）の大きさによらずに成立するので、光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動を常に補償し、送受信光分離部１５における送信光および受信光の透過損失を最小にすることができる。
【００４４】
光ファイバ増幅器１６を含む送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の受信光および送信光の伝送路は、シングルモードファイバで構成しているにも拘らず、単純な構成により、送受信光分離部１５における送信光および受信光の透過損失を最小にできる効果がある。
【００４５】
ここで、送受信光分離部１５の別の構成例について説明する。
【００４６】
図４は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の別の構成を示す図である。
【００４７】
図４において、３９はインライン型偏波分離素子、４０はターミネータである。
【００４８】
偏波分離素子３９は、１つのポートに入力した光を２つの直交する偏光成分に分離して、２つの出力ポートに出力する機能を持つ。図４には、偏波保存型の光ファイバを入出力ポートに持つ２×２ポートタイプの偏波分離素子を示している。未接続の入出力ポートの偏波保存型光ファイバの端末には、系に不必要な後方反射光が発生しないようにターミネータ４０により無反射端末処理をしている。送受信光分離部１５としての動作は前述したものと同様であり、その効果も同等に得ることができる。
【００４９】
さらに、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間以外の部分は、送受光学系１７と光受信器２０を除いて、各光学素子を偏波保存型光ファイバで結合し、各光学素子を偏波保存型で構成した。これにより、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間以外の部分では偏波面は変動しない。また、第２カプラ１９において、ローカル光と受信光の偏波面を一致させるため、第１カプラ１３と第２カプラ１９の間において、ローカル光の偏波面が９０°回転するように偏波保存型光ファイバを接続している。即ち、第２カプラ１９への入力時にローカル光を紙面に対して垂直な直線偏光となるようにしている。
【００５０】
以上の構成により、受信光のシングルモードファイバの区間の偏波変動を補償したので、ローカル光と受信光の偏波面不一致による損失を低減し、高い光ヘテロダイン検波効率を得ることができる。
【００５１】
図１において、光変調器１４としてパルス変調器を用いれば、パルス型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。
【００５２】
また、光変調器１４を用いない、または固定周波数シフトを与える周波数シフタとした場合は、ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。
【００５３】
また、光変調器１４に強度、位相、周波数のいずれか、または複数を変調する変調器を用い、この変調器を通過するレーザ光を擬似ランダム系列（例えば、Ｍ系列）に従って変調し、信号処理器２１において復調を行えば、擬似ランダム変調ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。この装置は、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報のいずれか、または複数を測定することが可能である。
【００５４】
以上より、本実施の形態１においては、送信光及び受信光は、光ファイバ増幅器１６を含むシングルモードファイバの区間を通過する。このとき、送信光と受信光の偏光面を９０°回転させることにより、シングルモードファイバの区間の偏波変動を補償している。これにより、送信光の透過損失の低減と高い光ヘテロダイン検波効率を持つ各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置が簡易あるいは安価に得られる効果がある。
【００５５】
なお、図１において、４５°ファラデーローテータ１８は、光ファイバ増幅器１６からのシングルモード光ファイバの出力端と送受光学系１７の間に設置しているが、送受光学系１７の内部に設けてもよく、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【００５７】
図５に示すように、信号処理器２１以外の部品が、送受光学系１７と４５°ファラデーローテータ１８とからなる光学系部と、それ以外の光学部品からなる本体部とに分けて収められている。これら光学系部と本体部とは、前述した実施の形態１と同様に、光ファイバで結合されている。
【００５８】
この実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の基本的な動作は、上記の実施の形態１に等しい。
【００５９】
本実施の形態２の構成においては、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間の偏波変動の大きさ如何に拘わらず、上記偏波変動を常に補償し、送受信光分離部１５における送信光および受信光の透過損失を最小にすることができる。このことは、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間が長尺の光ファイバで結合されていても成り立つことを示している。例えば、送受信光分離部１５と４５°ファラデーローテータ１８の間が数百ｍあっても同様の効果を得ることが可能である。
【００６０】
図５のように装置を光学系部と本体部に分離し、その間を任意の長さの光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置は、設置自由度を飛躍的に増す効果がある。光ファイバであるので、その敷設にはスペースも精度も要求されない。例えば、航空機搭載型の場合は、光学系部と本体部とが機体内で分散配置が可能であり、さらに、光学系部のみを屋外におき、本体部を環境条件に優れた室内に置くことも可能である。
【００６１】
本実施の形態２においては、シングルモードファイバの区間の偏波変動を補償し、送信光の透過損失の低減と高い光ヘテロダイン検波効率を持つ各光学部品を光ファイバで結合したコヒーレントレーザレーダ装置が簡易あるいは安価に得られる効果が得られるとともに、設置自由度の高いコヒーレントレーザレーダ装置を得られる効果がある。
【００６２】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、前記光変調器からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光変調器からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部及び前記光変調器を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６３】
この発明の請求項２に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光変調器と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６４】
この発明の請求項３に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光変調器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６５】
この発明の請求項４に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光分岐部からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバとを備えたので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６６】
この発明の請求項５に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光分岐部と結合する第１の結合光学系と、前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子とを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６７】
この発明の請求項６に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記送受信光分離部が、前記光分岐器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータとを有するので、単純な構成で偏波変動を補償し、送信光の透過損失を低減でき、光ヘテロダイン検波効率を高くすることができるという効果を奏する。
【００６８】
この発明の請求項７に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系を収める光学系部と、前記信号処理器を除く、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系以外の光学部品を収める本体部とに分け、前記光学系部と前記本体部とを所定の長さの、偏波保存型でないシングルモード光ファイバで結合するので、設置自由度を飛躍的に増すことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送信光と受信光の偏光状態を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の送受信光分離部の別の構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【図６】 従来のコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１２ レーザ光源、１３ 第１カプラ、１４ 光変調器、１５ 送受信光分離部、１６ 光ファイバ増幅器、１７ 送受光学系、１８ ４５°ファラデーローテータ、１９ 第２カプラ、２０ 光受信器、２１ 信号処理器。
Claims (7)
- 直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、
前記光分岐部からのレーザ光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、
前記光変調器からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、
前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、
前記光変調器からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、
前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、
前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、
前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、
前記レーザ光源から前記光分岐部及び前記光変調器を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、
前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバと
を備えたことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記送受信光分離部は、
前記光変調器と結合する第１の結合光学系と、
前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、
前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、
前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子と
を有することを特徴とする請求項１記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記送受信光分離部は、
前記光変調器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、
前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータと
を有することを特徴とする請求項１記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、
前記光分岐部からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、
前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、
前記光分岐部からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、
前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、
前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、
前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、
前記レーザ光源から前記光分岐部を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、
前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合する、偏波保存型でないシングルモード光ファイバと
を備えたことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記送受信光分離部は、
前記光分岐部と結合する第１の結合光学系と、
前記光ファイバ増幅器と結合する第２の結合光学系と、
前記光混合部と結合する第３の結合光学系と、
前記第１の結合光学系からの送信光を前記第２の結合光学系へ透過するとともに、前記第２の結合光学系からの受信光を前記第３の結合光学系へ反射する偏光子と
を有することを特徴とする請求項４記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記送受信光分離部は、
前記光分岐器からの送信光を前記光ファイバ増幅器へ透過するとともに、前記光ファイバ増幅器からの受信光を前記光混合部へ反射する偏波分離素子と、
前記偏波分離素子からの不必要な偏光成分を無反射端末処理するターミネータと
を有することを特徴とする請求項４記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系を収める光学系部と、
前記信号処理器を除く、前記４５°ファラデーローテータ、及び前記送受光学系以外の光学部品を収める本体部とに分け、
前記光学系部と前記本体部とを所定の長さの、偏波保存型でないシングルモード光ファイバで結合する
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかに記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
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