JP3881313B2 - コヒーレントレーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
技術分野
この発明は、レーザレーダ装置に関し、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する光源に単一波長で発振するパルスレーザを用いたコヒーレントレーザレーダ装置に関する。
背景技術
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に好適であり、乱気流を含む障害物検知装置として期待されている。
コヒーレントレーザレーダ装置には、光源に単一周波数で発振するパルスレーザを使用したものと、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：連続波）レーザを用いたものとがある。
図９は、Ｓａｍｍｙ Ｗ．Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ等により米国特許５、２３７、３３１号に示された、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に、庄司、平野により特開平１０−５４７６０号公報に示された、レーザレーダ光源の波長を安定化させるための波長同調回路を組み合わせたレーザレーダ装置の構成図である。
図９に示されるレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するＣＷレーザ光源１、ＣＷレーザ光源１からのレーザ光１９を分岐する第１の光分岐器２、周波数シフタ３、インジェクションシーディングパルスレーザ４、ビームスプリッタ５、１／４波長板６、テレスコープ７、走査光学系８、第１の光混合器９、光検波部１０、第２の光分岐器１１、第３の光分岐器１２、第２の光混合器１３、信号処理装置１６、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１７、調整機構の制御回路１８を備える。なお、２０は周波数シフタ３からのシード光、２１は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、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。
次に、図９に示されるレーザレーダ装置の動作を説明する。単一周波数ｆ０で発振するレーザ光源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となり、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ってシード光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からのレーザパルス２１は直線偏光しており、第２の光分岐器１１を介してビームスプリッタ５により反射される。その後、その反射光は、１／４波長板６により円偏光に変換され、テレスコープ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。
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によりレーザパルス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、その混合光２６は光検波部１０に供給される。
ここで、前記光検波部１０は、図１０に示す構成を備えている。
図１０に示すように、光検波部１０は、第１の光検出器２７と第２の光検出器２８を備えている。第１の光検出器２７および第２の光検出器２８は、それぞれ光コヒーレント検波を行う自乗検波器であるフォトダイオードと、フォトダイオードからの信号を電気的に増幅するマイクロ波増幅器とにより構成される。マイクロ波増幅器は、図において、プリアンプとポストアンプの組み合わせで示されている。第１の光検出器２７からの検波出力は受信信号として信号処理装置１６へ出力され、第２の光検出器２８からの検波出力はモニタ信号として信号処理装置１６へ出力される。
図９に戻って、第１の光混合器９からの混合光２６は、光検波部１０の第１の光検出器２７においてコヒーレント検波される。第１の光検出器２７からの信号は、受信信号として信号処理装置１６へ入力される。信号処理装置１６は、受信信号の到達時間（目標に送信光を送信して目標からの受信光を受信するまでの時間）から目標の距離を演算し、受信信号を周波数解析してドップラー信号を得てそのドップラー信号から目標の速度を抽出する。
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によりそれぞれモニタ光としてレーザパルス２１の一部とローカル光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、光検波部１０ａ内の第２の光検出器２８でコヒーレント検波を行う。第２の光検出器２８からの信号はモニタ信号となる。
信号処理装置１６において、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差（モニタ信号の周波数）ｆＭとレーザパルスの発振タイミングを求める。ローカル光２５の周波数をｆ０とすると、シード光、レーザパルス、受信光、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。
ｆｓ＝ｆ０＋ｆＩＦ
ｆＴ＝ｆｓ＋Δｆ
ｆＲ＝ｆＴ＋ｆｄ
ｆＭ＝ｆＩＦ＋Δｆ
ｆｓｉｇ＝ｆＭ＋ｆｄ
ここで、Δｆはレーザパルス２１とシード光２０の周波数差、ｆｄは目標のドップラー周波数である。受信信号の周波数ｆｓｉｇとモニタ信号の周波数ｆＭの差を取ることにより目標のドップラー周波数ｆｄを得ることができる。
インジェクションシーディングパルスレーザ４は、安定してインジェクションシーディング動作を得るため、共振器長の調整機構１７としてピエゾ素子を用いパルスレーザの共振器長を調整している。共振器長の調整機構１７としてのピエゾ素子は制御回路１８により制御される。信号処理装置１６では、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差ｆＭの値に基づく誤差信号を制御回路１８に送る。制御回路１８では、Δｆの値が設定値以下もしくは０となるようにピエゾ素子によりパルスレーザ４の共振器長を調整する。
このように、安定して単一モード（単一波長）で発振するレーザパルスを得ている。
図１１は、信号処理装置１６の一例としての信号処理装置１６ａの構成を示すブロック図である。信号処理装置１６ａは、第１の周波数弁別器１０１、第２の周波数弁別器１０２、第３の周波数弁別器１０３および演算装置１０４を備えている。
第１の周波数弁別器１０１は、第１の光検出器２７からの受信信号を受け周波数解析を行い、目標からのドップラー周波数を抽出する。第２の周波数弁別器１０２は、モニタ信号の周波数解析を行い、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差ｆＭとレーザパルスの発振タイミングを求める。第３の周波数弁別器１０３は、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差ｆＭの値に基づく誤差信号を制御回路１８に送る。演算装置１０４は、第１、第２の周波数弁別器１０１，１０２からの出力信号に基づいて目標の距離と速度を演算する。
ここで、第１の周波数弁別器１０１、第２の周波数弁別器１０２、第３の周波数弁別器１０３としての周波数弁別器の構成は、図１２に示すように、受信信号またはモニタ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器で変換されたデジタル信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数解析手段により必要な信号に処理する信号処理部と備えている。
また、この周波数弁別器は、図１３に示すように、１ないし複数の電気フィルタからなる電気フィルタ部と、電気フィルタ部からの信号の透過率から必要な信号処理を行う信号処理部とからなる構成でもよい。
また、信号処理装置１６は、図１４に示すように、図１１に示す第３の周波数弁別器１０３の機能を、第２の周波数弁別器１０２に集約した信号処理装置１６ｂを用いることが可能であり、図１１に示す信号処理装置１６ａと同等の機能を有す。
以上のように、従来のインジェクションシーディングパルスレーザ４を光源に用いたコヒーレントレーザレーダ装置の光検波部１０においては、図１０に示す光検波部１０ａに示すように、受信光を検出する第１の光検出器２７の他に、インジェクションシーディングパルスレーザ４の発振周波数をモニターするための第２の光検出器２８を設けていた。さらに、図１１及び図１４に示すように、周波数弁別器も受信信号用とモニター用等少なくとも２系統を用意していた。
なお、モニタ光の強度が十分大きい場合には、第２の光検出器２８のマイクロ波増幅器の一部あるいは全てを省略することが可能である。
次に、図９に示したパルスレーザ光源と同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置の内部反射光の影響について述べる。
図９において、ビームスプリッタ５、１／４波長板６、テレスコープ７および走査光学系８は、送受信光の光軸２２を略一致させた同軸型の送受光学系となっている。
このような同軸の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置においては、同軸の送受光学系を構成する光学素子からの内部反射光が受信光と同じ経路を経て、光検波部１０に至る。特に、テレスコープ７および走査光学系８からの内部反射光はビームスプリッタ５を受信側にして通過するので、影響は大きい。通常、テレスコープ７および走査光学系８の反射減衰量は約６０〜７０ｄＢ程度である。これに対し、大気中のエアロゾルからの受信光の反射減衰量は１００ｄＢを超える。
精度の高い測定を行うため、図１０に示す光検波部１０ａ内の第１の光検出器２７のプリアンプとポストアンプでなるマイクロ波増幅器は、受信信号を、第１の周波数弁別器１０１のサンプリング最大振幅に見合う程度まで増幅する必要がある。受信光が微少であることから、第１の光検出器２７のマイクロ波増幅器は高い増幅率を持つ。内部反射光は受信光に比べパワーが非常に大きいので、内部反射光は第１の光検出器２７のマイクロ波増幅器の飽和を引き起こす。マイクロ波増幅器が飽和してから回復するまでの間は信号の線形の増幅が行われないので、測定を行うことができない。通常、このような内部反射光の影響がなくなるまでは数μｓかかる。このため、装置から数百ｍの近距離は測定ができない“ブラインドゾーン”が発生する。
以上のように、図９に示したような従来のインジェクションシーディングパルスレーザ４を光源に用い、また、同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置では、以下のような欠点があった。
１．インジェクションシーディングパルスレーザ４の発振周波数をモニターするために、受信光を検出する光検出器の他にモニター用の光検出器を設けており、光検波部を複雑にしていた。
２．同様に、周波数弁別器も受信信号用とモニター用の少なくとも２系統を設けており、信号処理装置を複雑にしていた。
３．送受光学系の内部反射光の影響により、装置から数百ｍの近距離におよぶ広い測定不能な“ブラインドゾーン”が発生していた。
この発明は上述した問題点を解消するためになされたもので、インジェクションシーディングパルスレーザを光源に用いると共に、同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置において、光検出器を１系統にすると共に、ブラインドゾーンをなくす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。
発明の開示
前記目的を達成するために、この発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するローカル光源と、前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、前記ローカル光源からの出力光と前記受信光とを混合する光混合手段と、前記光混合手段により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を演算する信号処理装置とを備え、前記光検波部は、光コヒーレント検波を行う光検出素子と、前記光検出素子からの出力の伝播線路を切り替えるマイクロ波スイッチと、マイクロ波増幅器と、前記パルスレーザからのパルス光が前記送受光学系を通過終了する時間を基準として、その基準時間の以前をモニタ信号として前記信号処理装置に送信すると共に、基準時間以後を受信信号として前記信号処理装置に送信するように、前記マイクロ波スイッチを切り替えるスイッチ制御手段とを有するものである。
また、前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、前記マイクロ波スイッチは、前記プリアンプと前記ポストアンプとの間に設けられて、前記プリアンプで増幅された信号をモニタ信号として出力すると共に、前記ポストアンプを経た信号を受信信号として出力するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、前記マイクロ波スイッチは、前記光検出素子と前記プリアンプとの間に設けられて、前記光検出素子からの信号をモニタ信号として出力すると共に、前記ポストアンプを経た信号を受信信号として出力するものである。
また、他の発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するローカル光源と、前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、前記ローカル光源からの出力光と前記受信光を混合する光混合手段と、前記光混合手段により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を検出する信号処理装置とを備え、前記光検波部は、光コヒーレント検波を行う光検出素子と、前記光検出素子からの出力信号を増幅するマイクロ波増幅部と、前記マイクロ波増幅部からの出力信号の振幅がある閾値を超えないように前記マイクロ波増幅部の利得を制御する利得制御手段とを有するものである。
また、前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するゲインコントロールアンプとでなり、前記利得制御手段は、前記ゲインコントロールアンプの利得を制御するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、前記利得制御手段は、前記プリアンプと前記ポストアンプとの間に設けられたマイクロ波可変減衰器と、当該マイクロ波可変減衰器の減衰量を制御する減衰量制御回路とでなるものである。
また、さらに他の発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するローカル光源と、前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、前記ローカル光源からの出力光と前記受信光を混合する光混合手段と、前記光混合器により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を検出する信号処理装置と、前記送受光学系と前記光検波部との間に設けられた光可変減衰器と、前記光検波部からの出力の振幅がある閾値を超えないように前記光可変減衰器の減衰量を制御する制御手段と備えたものである。
さらに、前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力するものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１において、図９に示す従来例と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。
図１に示すコヒーレントレーザレーダ装置において、図９に示す従来例と異なる点を説明すると、まず、後述する如く従来例とは内部構成が異なる光検波部１０Ａを備えている。また、ビームスプリッタ５と第１の光混合器９の間に結合光学系２９が設けられている。さらに、レーザ光源１−第１の光分岐器２−周波数シフタ３−インジェクションシーディングパルスレーザ４の間、第１の光分岐器２−第１の光混合器９の間、および結合光学系２９−第１の光混合器９−実施の形態１の光検波部１０Ａの間は、それぞれ光ファイバによって連結されている。そして、受信光２４は、結合光学系２９により光ファイバに結合され、ファイバインライン型の光混合器９においてローカル光２５と混合される。受信光２４とローカル光２５の混合光２６は、光ファイバを通過して光検波部１０Ａに供給される。
他方、図９に示す従来例と等しい点を説明すると、インジェクションシーディングパルスレーザ（以下、単にパルスレーザと称す）４が単一周波数で発振する過程と、その出力レーザパルスが送信光として目標に向けて送信され、目標からの散乱光を受信する過程は図９に示す従来例に等しい。また、実施の形態１の光検波部１０Ａからモニタ信号と受信信号が信号処理装置１６に供給され、信号処理装置１６における信号処理までの過程も図９に示す従来例に等しい。この信号処理装置１６としては、図１１に示す信号処理装置１６ａまたは図１４に示す信号処理装置１６ｂのいずれでもよい。
図２は、実施の形態１における光検波部１０Ａとして用いる光検波部１０Ａａの構成を示すブロック図である。図２に示される光検波部１０Ａａは、フォトダイオード３０と、プリアンプ３１と、ポストアンプ３２と、マイクロ波スイッチ３３と、マイクロ波スイッチ３３を制御するスイッチ制御回路３４とで構成される。
マイクロ波スイッチ３３は、スイッチ制御回路３４により次のように制御される。パルスレーザ４が発振する前からフォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間、マイクロ波スイッチ３３は、プリアンプ３１で増幅されたフォトダイオード３０からの信号をモニタ信号として信号処理装置１６に送信する。内部反射光が十分減衰した後、マイクロ波スイッチ３３は、フォトダイオード３０からの信号をポストアンプ３２を経て、受信信号として信号処理装置１６に送信する。すなわち、スイッチ制御回路３４は、パルスレーザ４からのパルス光が送受光学系を通過終了する時間を基準として、その基準時間の以前をモニタ信号として信号処理装置１６に送信すると共に、基準時間以後を受信信号として信号処理装置１６に送信するように、マイクロ波スイッチを切り替える。
内部反射光もパルスレーザ４の出力レーザパルスの一部であるので、その光コヒーレント検波の信号は、レーザパルス２１とローカル光２５の周波数差とレーザパルスの発振タイミングとを求めるモニタ信号として用いることができる。内部反射光が十分減衰した後に、マイクロ波スイッチ３３を切り替えることにより、ポストアンプ３２を飽和させることなく受信信号を送信することができる。
さらに、マイクロ波スイッチ３３を切り替えるタイミングを、内部反射光に起因する信号がポストアンプ３２を飽和させない程度に減衰した時点とすれば、“ブラインドゾーン”を小さくすることできる。例えば、レーザパルス２１のパルス幅が２００ｎｓであれば、切り替えタイミングは発振後１μｓ以下にすることが可能である。即ち、“ブラインドゾーン”を１５０ｍ以下にすることができる。
内部反射光のピーク強度が十分強ければ、図３に示す光検波部１０Ａｂのように、マイクロ波スイッチ３３を、フォトダイオード３０とプリアンプ３１との間に設けても良い。この際、マイクロ波スイッチ３３の切り替えタイミングはプリアンプ３１およびポストアンプ３２を飽和させない程度に内部反射光が減衰した時点となる。
なお、マイクロ波スイッチ３３には０．１μｓ程度のスイッチング速度と信号ＯＦＦ時にアンプを飽和させない十分なＩｎ−Ｏｕｔアイソレーションが要求されるが、ＧａＡｓ等を用いた半導体スイッチにおいてスイッチング速度数１０ｎｓと４０ｄＢ以上のＩｎ−Ｏｕｔアイソレーションが実現されており、マイクロ波スイッチ３３には半導体スイッチを用いることができる。
前記の構成により、マイクロ波スイッチ３３を切り替えることにより、内部反射光を用いてモニタ信号を作ることができるので、別途、レーザパルス２４の一部を取り出すための光学系やモニタ信号を作るための光検出器が不要となり、装置を簡略化できる効果が得られる。また、マイクロ波スイッチ３３の切り替えタイミングにより、プリアンプ３１およびポストアンプ３２を飽和することなく、“ブラインドゾーン”小さくできる効果がある。
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る光検波部１０Ｂの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２における光検波部１０Ｂは、図１において、実施の形態１に係る光検波部１０Ａの代わりに用いられるもので、フォトダイオード３０と、プリアンプ３１と、ゲインコントロールアンプ３５と、ゲインコントロールアンプ３５の利得を制御する利得制御回路３６とを備えている。
プリアンプ３１とゲインコントロールアンプ３５は、光検波部１０Ｂにおけるマイクロ波増幅器を構成し、ゲインコントロールアンプ３５と利得制御回路３６によりマイクロ波増幅器の利得制御手段を構成している。
また、図５は、この発明の実施の形態２に係る信号処理装置１６として用いる信号処理装置１６Ａの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２における信号処理装置１６Ａは、図１に示す信号処理装置１６として用いられるもので、周波数弁別器１１０と、演算装置１０４のみで構成される。
本実施の形態２において、インジェクションシーディングパルスレーザ４が単一周波数で発振する過程と、その出力レーザパルスが送信光として目標に向けて送信され、目標からの散乱光を受信し光検波部１０Ｂに供給する過程は、実施の形態１に等しい。本実施の形態２では、光検波部１０Ｂにおけるマイクロ波増幅器の利得を時間により制御することを特徴としている。フォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間は、内部反射光に起因する信号振幅のピーク値が周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅を超えない値にマイクロ波増幅器の利得を低く設定する。その後、内部反射光が十分減衰した後は、受信信号を周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅に見合う程度に増幅するのに十分な高い利得に設定する。
このように、マイクロ波増幅器の利得を制御することにより、従来“ブラインドゾーン”として、信号処理に用いてこなかった受信信号の時間帯にモニタ信号を入れることができる。一つの信号ラインに時分割でモニタ信号と受信信号を流すことができるので、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる。さらに、実施の形態１と同様に、マイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果もある。
以上の構成により、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる効果と、実施の形態１と同様にマイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果を得ることができる。
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係る光検波部１０Ｃの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３における光検波部１０Ｃは、図１において、実施の形態１に係る光検波部１０Ａの代わりに用いられるもので、フォトダイオード３０と、プリアンプ３１と、ポストアンプ３２と、マイクロ波可変減衰器３７と、可変減衰器３７の減衰量を制御する減衰量制御回路３８とを備えている。
すなわち、実施の形態３における光検波部１０Ｃは、プリアンプ３１とポストアンプ３２の間にマイクロ波可変減衰器３７を挿入して光検出器のマイクロ波増幅器を構成している。そして、減衰量制御回路３８により、可変減衰器３７の減衰量を制御する。
これにより、一つの出力信号ラインに時分割でモニタ信号と受信信号を流すことができる。
なお、この発明の実施の形態３における信号処理装置１６は、図５に示す実施の形態２と同様な信号処理装置１６Ａを用いる。
以上の構成により、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる効果と、実施の形態１と同様にマイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果を得ることができる。
なお、可変減衰器３７には、ＧａＡｓ等を用いた半導体スイッチを用いることも可能である。
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図７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。この実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置においては、図１に示す実施の形態１に対し、図７に示すように、結合光学系２９と第１の光混合器９との間に、可変光減衰器３９と、可変光減衰器３９の減衰量を制御する減衰量制御回路４０とをさらに備えている。また、後述する如く実施の形態１〜３とは内部構成が異なる光検波部１０Ｄを備えている。なお、この発明の実施の形態３における信号処理装置１６は、図５に示す実施の形態２と同様な信号処理装置１６Ａを用いる。
図８は、本実施の形態４における光検波部１０Ｄとその直前の光学系の構成を示すブロック図である。
図８に示すように、この実施の形態４において、光検波部１０Ｄは、コヒーレント検波を行う光検出素子であるフォトダイオード３０と、プリアンプ３１とポストアンプ３２とでなる固定の利得を持つマイクロ波増幅器との組み合わせにより、１組の光検出器を構成している。
この実施の形態４では、図４及び図５に示す実施の形態２の構成における機能を、可変光減衰器３９と減衰量制御回路４０とによって受信光２４に対する減衰量を制御することにより達成している。すなわち、実施の形態２において、光検出器１０Ｂのマイクロ波増幅器の利得制御回路３６により、光検出器１０Ｂから信号処理装置１６Ｂへの出力信号が、フォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間においても、周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅を超えないようにしていた機能を、可変光減衰器３９と減衰量制御回路４０とによって受信光２４に対する減衰量を制御することにより達成している。
図８に示すフォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間は、内部反射光に起因する信号振幅のピーク値が図５に示す周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅を超えないように、可変光減衰器３９の減衰量を高く設定してフォトダイオード３０に受光される内部反射光のパワーを制限する。その後、内部反射光が十分減衰した後は、可変光減衰器３９の減衰量を０もしくは０近傍にし、フォトダイオード３０に受光される受信光のパワー損失を低くするよう制御する。マイクロ波増幅器の利得はこのときの受信信号を周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅に見合う程度に増幅するのに十分な高い利得に設定される。
このように、可変光減衰器３９の減衰量を制御することにより、実施の形態２と同様に、従来“ブラインドゾーン”として、信号処理に用いてこなかった受信信号の時間帯にモニタ信号を入れることができる。一つの信号ラインに時分割でモニタ信号と受信信号を流すことができるので、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる。さらに、実施の形態２と同様に、マイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果もある。
以上の構成により、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる効果と、実施の形態１と同様にマイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果を得ることができる。
上記実施の形態１から４においては、レーザ光源１−第１の光分岐器２−周波数シフタ３−インジェクションシーディングパルスレーザ４の間、第１の光分岐器２−第１の光混合器９の間、および結合光学系２９−第１の光混合器９−光検波部１０（１０Ａ，１０Ａａ，１０Ａｂ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）の間は、それぞれ光ファイバによって連結され、ローカル光２５、受信光２４、シード光２０および混合光２６を光ファイバ中に伝搬させている構成例を示している。この実施の形態１から４において、図９に示した従来例のように、結合光学系２９および光ファイバの全体または一部を省略して、ローカル光２５、受信光２４、シード光２０および混合光２６の全体または一部を空間を伝搬させる構造としてもよく、上記と同様の効果を得ることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、この発明によれば、インジェクションシーディングパルスレーザを光源に用いると共に、同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置において、受信信号とモニタ信号用として２系統備えられた光検出器を１系統に簡略化することができると共に、ブラインドゾーンを小さ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ができる。
【図面の簡単な説明】
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ブロック図、
図２は、この発明の実施の形態１における光検波部１０Ａとして用いる光検波部１０Ａａの構成を示すブロック図、
図３は、この発明の実施の形態１における光検波部１０Ａとして用いる光検波部１０Ａｂの構成を示すブロック図、
図４は、この発明の実施の形態２に係る光検波部１０Ｂの構成を示すブロック図、
図５は、この発明の実施の形態２に係る信号処理装置１６として用いる信号処理装置１６Ａの構成を示すブロック図、
図６は、この発明の実施の形態３に係る光検波部１０Ｃの構成を示すブロック図、
図７は、この発明の実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図８は、この発明の実施の形態４における光検波部１０Ｄとその直前の光学系の構成を示すブロック図、
図９は、米国特許５、２３７、３３１号に示された、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に、特開平１０−５４７６０号公報に示された、レーザレーダ光源の波長を安定化させるための波長同調回路を組み合わせたレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図１０は、従来例に係る光検波部１０ａの構成を示すブロック図、
図１１は、従来例に係る信号処理装置１６の一例としての信号処理装置１６ａの構成を示すブロック図、
図１２は、図１１における周波数弁別器の構成の一例を示すブロック図、
図１３は、図１１における周波数弁別器の構成の他の例を示すブロック図、
図１４は、従来例に係る信号処理装置１６の一例としての信号処理装置１６ｂの構成を示すブロック図である。
この発明は、レーザレーダ装置に関し、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する光源に単一波長で発振するパルスレーザを用いたコヒーレントレーザレーダ装置に関する。
背景技術
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に好適であり、乱気流を含む障害物検知装置として期待されている。
コヒーレントレーザレーダ装置には、光源に単一周波数で発振するパルスレーザを使用したものと、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：連続波）レーザを用いたものとがある。
図９は、Ｓａｍｍｙ Ｗ．Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ等により米国特許５、２３７、３３１号に示された、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に、庄司、平野により特開平１０−５４７６０号公報に示された、レーザレーダ光源の波長を安定化させるための波長同調回路を組み合わせたレーザレーダ装置の構成図である。
図９に示されるレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するＣＷレーザ光源１、ＣＷレーザ光源１からのレーザ光１９を分岐する第１の光分岐器２、周波数シフタ３、インジェクションシーディングパルスレーザ４、ビームスプリッタ５、１／４波長板６、テレスコープ７、走査光学系８、第１の光混合器９、光検波部１０、第２の光分岐器１１、第３の光分岐器１２、第２の光混合器１３、信号処理装置１６、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１７、調整機構の制御回路１８を備える。なお、２０は周波数シフタ３からのシード光、２１は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、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。
次に、図９に示されるレーザレーダ装置の動作を説明する。単一周波数ｆ０で発振するレーザ光源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となり、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ってシード光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からのレーザパルス２１は直線偏光しており、第２の光分岐器１１を介してビームスプリッタ５により反射される。その後、その反射光は、１／４波長板６により円偏光に変換され、テレスコープ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。
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によりレーザパルス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、その混合光２６は光検波部１０に供給される。
ここで、前記光検波部１０は、図１０に示す構成を備えている。
図１０に示すように、光検波部１０は、第１の光検出器２７と第２の光検出器２８を備えている。第１の光検出器２７および第２の光検出器２８は、それぞれ光コヒーレント検波を行う自乗検波器であるフォトダイオードと、フォトダイオードからの信号を電気的に増幅するマイクロ波増幅器とにより構成される。マイクロ波増幅器は、図において、プリアンプとポストアンプの組み合わせで示されている。第１の光検出器２７からの検波出力は受信信号として信号処理装置１６へ出力され、第２の光検出器２８からの検波出力はモニタ信号として信号処理装置１６へ出力される。
図９に戻って、第１の光混合器９からの混合光２６は、光検波部１０の第１の光検出器２７においてコヒーレント検波される。第１の光検出器２７からの信号は、受信信号として信号処理装置１６へ入力される。信号処理装置１６は、受信信号の到達時間（目標に送信光を送信して目標からの受信光を受信するまでの時間）から目標の距離を演算し、受信信号を周波数解析してドップラー信号を得てそのドップラー信号から目標の速度を抽出する。
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によりそれぞれモニタ光としてレーザパルス２１の一部とローカル光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、光検波部１０ａ内の第２の光検出器２８でコヒーレント検波を行う。第２の光検出器２８からの信号はモニタ信号となる。
信号処理装置１６において、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差（モニタ信号の周波数）ｆＭとレーザパルスの発振タイミングを求める。ローカル光２５の周波数をｆ０とすると、シード光、レーザパルス、受信光、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。
ｆｓ＝ｆ０＋ｆＩＦ
ｆＴ＝ｆｓ＋Δｆ
ｆＲ＝ｆＴ＋ｆｄ
ｆＭ＝ｆＩＦ＋Δｆ
ｆｓｉｇ＝ｆＭ＋ｆｄ
ここで、Δｆはレーザパルス２１とシード光２０の周波数差、ｆｄは目標のドップラー周波数である。受信信号の周波数ｆｓｉｇとモニタ信号の周波数ｆＭの差を取ることにより目標のドップラー周波数ｆｄを得ることができる。
インジェクションシーディングパルスレーザ４は、安定してインジェクションシーディング動作を得るため、共振器長の調整機構１７としてピエゾ素子を用いパルスレーザの共振器長を調整している。共振器長の調整機構１７としてのピエゾ素子は制御回路１８により制御される。信号処理装置１６では、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差ｆＭの値に基づく誤差信号を制御回路１８に送る。制御回路１８では、Δｆの値が設定値以下もしくは０となるようにピエゾ素子によりパルスレーザ４の共振器長を調整する。
このように、安定して単一モード（単一波長）で発振するレーザパルスを得ている。
図１１は、信号処理装置１６の一例としての信号処理装置１６ａの構成を示すブロック図である。信号処理装置１６ａは、第１の周波数弁別器１０１、第２の周波数弁別器１０２、第３の周波数弁別器１０３および演算装置１０４を備えている。
第１の周波数弁別器１０１は、第１の光検出器２７からの受信信号を受け周波数解析を行い、目標からのドップラー周波数を抽出する。第２の周波数弁別器１０２は、モニタ信号の周波数解析を行い、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差ｆＭとレーザパルスの発振タイミングを求める。第３の周波数弁別器１０３は、モニタ信号からレーザパルス２１とローカル光２５の周波数差ｆＭの値に基づく誤差信号を制御回路１８に送る。演算装置１０４は、第１、第２の周波数弁別器１０１，１０２からの出力信号に基づいて目標の距離と速度を演算する。
ここで、第１の周波数弁別器１０１、第２の周波数弁別器１０２、第３の周波数弁別器１０３としての周波数弁別器の構成は、図１２に示すように、受信信号またはモニタ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器で変換されたデジタル信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数解析手段により必要な信号に処理する信号処理部と備えている。
また、この周波数弁別器は、図１３に示すように、１ないし複数の電気フィルタからなる電気フィルタ部と、電気フィルタ部からの信号の透過率から必要な信号処理を行う信号処理部とからなる構成でもよい。
また、信号処理装置１６は、図１４に示すように、図１１に示す第３の周波数弁別器１０３の機能を、第２の周波数弁別器１０２に集約した信号処理装置１６ｂを用いることが可能であり、図１１に示す信号処理装置１６ａと同等の機能を有す。
以上のように、従来のインジェクションシーディングパルスレーザ４を光源に用いたコヒーレントレーザレーダ装置の光検波部１０においては、図１０に示す光検波部１０ａに示すように、受信光を検出する第１の光検出器２７の他に、インジェクションシーディングパルスレーザ４の発振周波数をモニターするための第２の光検出器２８を設けていた。さらに、図１１及び図１４に示すように、周波数弁別器も受信信号用とモニター用等少なくとも２系統を用意していた。
なお、モニタ光の強度が十分大きい場合には、第２の光検出器２８のマイクロ波増幅器の一部あるいは全てを省略することが可能である。
次に、図９に示したパルスレーザ光源と同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置の内部反射光の影響について述べる。
図９において、ビームスプリッタ５、１／４波長板６、テレスコープ７および走査光学系８は、送受信光の光軸２２を略一致させた同軸型の送受光学系となっている。
このような同軸の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置においては、同軸の送受光学系を構成する光学素子からの内部反射光が受信光と同じ経路を経て、光検波部１０に至る。特に、テレスコープ７および走査光学系８からの内部反射光はビームスプリッタ５を受信側にして通過するので、影響は大きい。通常、テレスコープ７および走査光学系８の反射減衰量は約６０〜７０ｄＢ程度である。これに対し、大気中のエアロゾルからの受信光の反射減衰量は１００ｄＢを超える。
精度の高い測定を行うため、図１０に示す光検波部１０ａ内の第１の光検出器２７のプリアンプとポストアンプでなるマイクロ波増幅器は、受信信号を、第１の周波数弁別器１０１のサンプリング最大振幅に見合う程度まで増幅する必要がある。受信光が微少であることから、第１の光検出器２７のマイクロ波増幅器は高い増幅率を持つ。内部反射光は受信光に比べパワーが非常に大きいので、内部反射光は第１の光検出器２７のマイクロ波増幅器の飽和を引き起こす。マイクロ波増幅器が飽和してから回復するまでの間は信号の線形の増幅が行われないので、測定を行うことができない。通常、このような内部反射光の影響がなくなるまでは数μｓかかる。このため、装置から数百ｍの近距離は測定ができない“ブラインドゾーン”が発生する。
以上のように、図９に示したような従来のインジェクションシーディングパルスレーザ４を光源に用い、また、同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置では、以下のような欠点があった。
１．インジェクションシーディングパルスレーザ４の発振周波数をモニターするために、受信光を検出する光検出器の他にモニター用の光検出器を設けており、光検波部を複雑にしていた。
２．同様に、周波数弁別器も受信信号用とモニター用の少なくとも２系統を設けており、信号処理装置を複雑にしていた。
３．送受光学系の内部反射光の影響により、装置から数百ｍの近距離におよぶ広い測定不能な“ブラインドゾーン”が発生していた。
この発明は上述した問題点を解消するためになされたもので、インジェクションシーディングパルスレーザを光源に用いると共に、同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置において、光検出器を１系統にすると共に、ブラインドゾーンをなくす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。
発明の開示
前記目的を達成するために、この発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するローカル光源と、前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、前記ローカル光源からの出力光と前記受信光とを混合する光混合手段と、前記光混合手段により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を演算する信号処理装置とを備え、前記光検波部は、光コヒーレント検波を行う光検出素子と、前記光検出素子からの出力の伝播線路を切り替えるマイクロ波スイッチと、マイクロ波増幅器と、前記パルスレーザからのパルス光が前記送受光学系を通過終了する時間を基準として、その基準時間の以前をモニタ信号として前記信号処理装置に送信すると共に、基準時間以後を受信信号として前記信号処理装置に送信するように、前記マイクロ波スイッチを切り替えるスイッチ制御手段とを有するものである。
また、前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、前記マイクロ波スイッチは、前記プリアンプと前記ポストアンプとの間に設けられて、前記プリアンプで増幅された信号をモニタ信号として出力すると共に、前記ポストアンプを経た信号を受信信号として出力するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、前記マイクロ波スイッチは、前記光検出素子と前記プリアンプとの間に設けられて、前記光検出素子からの信号をモニタ信号として出力すると共に、前記ポストアンプを経た信号を受信信号として出力するものである。
また、他の発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するローカル光源と、前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、前記ローカル光源からの出力光と前記受信光を混合する光混合手段と、前記光混合手段により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を検出する信号処理装置とを備え、前記光検波部は、光コヒーレント検波を行う光検出素子と、前記光検出素子からの出力信号を増幅するマイクロ波増幅部と、前記マイクロ波増幅部からの出力信号の振幅がある閾値を超えないように前記マイクロ波増幅部の利得を制御する利得制御手段とを有するものである。
また、前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するゲインコントロールアンプとでなり、前記利得制御手段は、前記ゲインコントロールアンプの利得を制御するものである。
また、前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、前記利得制御手段は、前記プリアンプと前記ポストアンプとの間に設けられたマイクロ波可変減衰器と、当該マイクロ波可変減衰器の減衰量を制御する減衰量制御回路とでなるものである。
また、さらに他の発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、単一周波数で発振するローカル光源と、前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、前記ローカル光源からの出力光と前記受信光を混合する光混合手段と、前記光混合器により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を検出する信号処理装置と、前記送受光学系と前記光検波部との間に設けられた光可変減衰器と、前記光検波部からの出力の振幅がある閾値を超えないように前記光可変減衰器の減衰量を制御する制御手段と備えたものである。
さらに、前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力するものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１において、図９に示す従来例と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。
図１に示すコヒーレントレーザレーダ装置において、図９に示す従来例と異なる点を説明すると、まず、後述する如く従来例とは内部構成が異なる光検波部１０Ａを備えている。また、ビームスプリッタ５と第１の光混合器９の間に結合光学系２９が設けられている。さらに、レーザ光源１−第１の光分岐器２−周波数シフタ３−インジェクションシーディングパルスレーザ４の間、第１の光分岐器２−第１の光混合器９の間、および結合光学系２９−第１の光混合器９−実施の形態１の光検波部１０Ａの間は、それぞれ光ファイバによって連結されている。そして、受信光２４は、結合光学系２９により光ファイバに結合され、ファイバインライン型の光混合器９においてローカル光２５と混合される。受信光２４とローカル光２５の混合光２６は、光ファイバを通過して光検波部１０Ａに供給される。
他方、図９に示す従来例と等しい点を説明すると、インジェクションシーディングパルスレーザ（以下、単にパルスレーザと称す）４が単一周波数で発振する過程と、その出力レーザパルスが送信光として目標に向けて送信され、目標からの散乱光を受信する過程は図９に示す従来例に等しい。また、実施の形態１の光検波部１０Ａからモニタ信号と受信信号が信号処理装置１６に供給され、信号処理装置１６における信号処理までの過程も図９に示す従来例に等しい。この信号処理装置１６としては、図１１に示す信号処理装置１６ａまたは図１４に示す信号処理装置１６ｂのいずれでもよい。
図２は、実施の形態１における光検波部１０Ａとして用いる光検波部１０Ａａの構成を示すブロック図である。図２に示される光検波部１０Ａａは、フォトダイオード３０と、プリアンプ３１と、ポストアンプ３２と、マイクロ波スイッチ３３と、マイクロ波スイッチ３３を制御するスイッチ制御回路３４とで構成される。
マイクロ波スイッチ３３は、スイッチ制御回路３４により次のように制御される。パルスレーザ４が発振する前からフォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間、マイクロ波スイッチ３３は、プリアンプ３１で増幅されたフォトダイオード３０からの信号をモニタ信号として信号処理装置１６に送信する。内部反射光が十分減衰した後、マイクロ波スイッチ３３は、フォトダイオード３０からの信号をポストアンプ３２を経て、受信信号として信号処理装置１６に送信する。すなわち、スイッチ制御回路３４は、パルスレーザ４からのパルス光が送受光学系を通過終了する時間を基準として、その基準時間の以前をモニタ信号として信号処理装置１６に送信すると共に、基準時間以後を受信信号として信号処理装置１６に送信するように、マイクロ波スイッチを切り替える。
内部反射光もパルスレーザ４の出力レーザパルスの一部であるので、その光コヒーレント検波の信号は、レーザパルス２１とローカル光２５の周波数差とレーザパルスの発振タイミングとを求めるモニタ信号として用いることができる。内部反射光が十分減衰した後に、マイクロ波スイッチ３３を切り替えることにより、ポストアンプ３２を飽和させることなく受信信号を送信することができる。
さらに、マイクロ波スイッチ３３を切り替えるタイミングを、内部反射光に起因する信号がポストアンプ３２を飽和させない程度に減衰した時点とすれば、“ブラインドゾーン”を小さくすることできる。例えば、レーザパルス２１のパルス幅が２００ｎｓであれば、切り替えタイミングは発振後１μｓ以下にすることが可能である。即ち、“ブラインドゾーン”を１５０ｍ以下にすることができる。
内部反射光のピーク強度が十分強ければ、図３に示す光検波部１０Ａｂのように、マイクロ波スイッチ３３を、フォトダイオード３０とプリアンプ３１との間に設けても良い。この際、マイクロ波スイッチ３３の切り替えタイミングはプリアンプ３１およびポストアンプ３２を飽和させない程度に内部反射光が減衰した時点となる。
なお、マイクロ波スイッチ３３には０．１μｓ程度のスイッチング速度と信号ＯＦＦ時にアンプを飽和させない十分なＩｎ−Ｏｕｔアイソレーションが要求されるが、ＧａＡｓ等を用いた半導体スイッチにおいてスイッチング速度数１０ｎｓと４０ｄＢ以上のＩｎ−Ｏｕｔアイソレーションが実現されており、マイクロ波スイッチ３３には半導体スイッチを用いることができる。
前記の構成により、マイクロ波スイッチ３３を切り替えることにより、内部反射光を用いてモニタ信号を作ることができるので、別途、レーザパルス２４の一部を取り出すための光学系やモニタ信号を作るための光検出器が不要となり、装置を簡略化できる効果が得られる。また、マイクロ波スイッチ３３の切り替えタイミングにより、プリアンプ３１およびポストアンプ３２を飽和することなく、“ブラインドゾーン”小さくできる効果がある。
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る光検波部１０Ｂの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２における光検波部１０Ｂは、図１において、実施の形態１に係る光検波部１０Ａの代わりに用いられるもので、フォトダイオード３０と、プリアンプ３１と、ゲインコントロールアンプ３５と、ゲインコントロールアンプ３５の利得を制御する利得制御回路３６とを備えている。
プリアンプ３１とゲインコントロールアンプ３５は、光検波部１０Ｂにおけるマイクロ波増幅器を構成し、ゲインコントロールアンプ３５と利得制御回路３６によりマイクロ波増幅器の利得制御手段を構成している。
また、図５は、この発明の実施の形態２に係る信号処理装置１６として用いる信号処理装置１６Ａの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２における信号処理装置１６Ａは、図１に示す信号処理装置１６として用いられるもので、周波数弁別器１１０と、演算装置１０４のみで構成される。
本実施の形態２において、インジェクションシーディングパルスレーザ４が単一周波数で発振する過程と、その出力レーザパルスが送信光として目標に向けて送信され、目標からの散乱光を受信し光検波部１０Ｂに供給する過程は、実施の形態１に等しい。本実施の形態２では、光検波部１０Ｂにおけるマイクロ波増幅器の利得を時間により制御することを特徴としている。フォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間は、内部反射光に起因する信号振幅のピーク値が周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅を超えない値にマイクロ波増幅器の利得を低く設定する。その後、内部反射光が十分減衰した後は、受信信号を周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅に見合う程度に増幅するのに十分な高い利得に設定する。
このように、マイクロ波増幅器の利得を制御することにより、従来“ブラインドゾーン”として、信号処理に用いてこなかった受信信号の時間帯にモニタ信号を入れることができる。一つの信号ラインに時分割でモニタ信号と受信信号を流すことができるので、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる。さらに、実施の形態１と同様に、マイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果もある。
以上の構成により、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる効果と、実施の形態１と同様にマイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果を得ることができる。
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係る光検波部１０Ｃの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３における光検波部１０Ｃは、図１において、実施の形態１に係る光検波部１０Ａの代わりに用いられるもので、フォトダイオード３０と、プリアンプ３１と、ポストアンプ３２と、マイクロ波可変減衰器３７と、可変減衰器３７の減衰量を制御する減衰量制御回路３８とを備えている。
すなわち、実施の形態３における光検波部１０Ｃは、プリアンプ３１とポストアンプ３２の間にマイクロ波可変減衰器３７を挿入して光検出器のマイクロ波増幅器を構成している。そして、減衰量制御回路３８により、可変減衰器３７の減衰量を制御する。
これにより、一つの出力信号ラインに時分割でモニタ信号と受信信号を流すことができる。
なお、この発明の実施の形態３における信号処理装置１６は、図５に示す実施の形態２と同様な信号処理装置１６Ａを用いる。
以上の構成により、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる効果と、実施の形態１と同様にマイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果を得ることができる。
なお、可変減衰器３７には、ＧａＡｓ等を用いた半導体スイッチを用いることも可能である。
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図７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。この実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置においては、図１に示す実施の形態１に対し、図７に示すように、結合光学系２９と第１の光混合器９との間に、可変光減衰器３９と、可変光減衰器３９の減衰量を制御する減衰量制御回路４０とをさらに備えている。また、後述する如く実施の形態１〜３とは内部構成が異なる光検波部１０Ｄを備えている。なお、この発明の実施の形態３における信号処理装置１６は、図５に示す実施の形態２と同様な信号処理装置１６Ａを用いる。
図８は、本実施の形態４における光検波部１０Ｄとその直前の光学系の構成を示すブロック図である。
図８に示すように、この実施の形態４において、光検波部１０Ｄは、コヒーレント検波を行う光検出素子であるフォトダイオード３０と、プリアンプ３１とポストアンプ３２とでなる固定の利得を持つマイクロ波増幅器との組み合わせにより、１組の光検出器を構成している。
この実施の形態４では、図４及び図５に示す実施の形態２の構成における機能を、可変光減衰器３９と減衰量制御回路４０とによって受信光２４に対する減衰量を制御することにより達成している。すなわち、実施の形態２において、光検出器１０Ｂのマイクロ波増幅器の利得制御回路３６により、光検出器１０Ｂから信号処理装置１６Ｂへの出力信号が、フォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間においても、周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅を超えないようにしていた機能を、可変光減衰器３９と減衰量制御回路４０とによって受信光２４に対する減衰量を制御することにより達成している。
図８に示すフォトダイオード３０に送受光学系からの内部反射光が受光されている間は、内部反射光に起因する信号振幅のピーク値が図５に示す周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅を超えないように、可変光減衰器３９の減衰量を高く設定してフォトダイオード３０に受光される内部反射光のパワーを制限する。その後、内部反射光が十分減衰した後は、可変光減衰器３９の減衰量を０もしくは０近傍にし、フォトダイオード３０に受光される受信光のパワー損失を低くするよう制御する。マイクロ波増幅器の利得はこのときの受信信号を周波数弁別器１１０のサンプリング最大振幅に見合う程度に増幅するのに十分な高い利得に設定される。
このように、可変光減衰器３９の減衰量を制御することにより、実施の形態２と同様に、従来“ブラインドゾーン”として、信号処理に用いてこなかった受信信号の時間帯にモニタ信号を入れることができる。一つの信号ラインに時分割でモニタ信号と受信信号を流すことができるので、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる。さらに、実施の形態２と同様に、マイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果もある。
以上の構成により、従来、受信信号とモニタ信号として２系統の光検出器と周波数弁別器が必要であったものが、１系統に簡略化することができる効果と、実施の形態１と同様にマイクロ波増幅器の利得の切り替えタイミングにより、“ブラインドゾーン”を小さくできる効果を得ることができる。
上記実施の形態１から４においては、レーザ光源１−第１の光分岐器２−周波数シフタ３−インジェクションシーディングパルスレーザ４の間、第１の光分岐器２−第１の光混合器９の間、および結合光学系２９−第１の光混合器９−光検波部１０（１０Ａ，１０Ａａ，１０Ａｂ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）の間は、それぞれ光ファイバによって連結され、ローカル光２５、受信光２４、シード光２０および混合光２６を光ファイバ中に伝搬させている構成例を示している。この実施の形態１から４において、図９に示した従来例のように、結合光学系２９および光ファイバの全体または一部を省略して、ローカル光２５、受信光２４、シード光２０および混合光２６の全体または一部を空間を伝搬させる構造としてもよく、上記と同様の効果を得ることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、この発明によれば、インジェクションシーディングパルスレーザを光源に用いると共に、同軸型の送受光学系を用いたコヒーレントレーザレーダ装置において、受信信号とモニタ信号用として２系統備えられた光検出器を１系統に簡略化することができると共に、ブラインドゾーンを小さ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ができる。
【図面の簡単な説明】
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ブロック図、
図２は、この発明の実施の形態１における光検波部１０Ａとして用いる光検波部１０Ａａの構成を示すブロック図、
図３は、この発明の実施の形態１における光検波部１０Ａとして用いる光検波部１０Ａｂの構成を示すブロック図、
図４は、この発明の実施の形態２に係る光検波部１０Ｂの構成を示すブロック図、
図５は、この発明の実施の形態２に係る信号処理装置１６として用いる信号処理装置１６Ａの構成を示すブロック図、
図６は、この発明の実施の形態３に係る光検波部１０Ｃの構成を示すブロック図、
図７は、この発明の実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図８は、この発明の実施の形態４における光検波部１０Ｄとその直前の光学系の構成を示すブロック図、
図９は、米国特許５、２３７、３３１号に示された、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に、特開平１０−５４７６０号公報に示された、レーザレーダ光源の波長を安定化させるための波長同調回路を組み合わせたレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図１０は、従来例に係る光検波部１０ａの構成を示すブロック図、
図１１は、従来例に係る信号処理装置１６の一例としての信号処理装置１６ａの構成を示すブロック図、
図１２は、図１１における周波数弁別器の構成の一例を示すブロック図、
図１３は、図１１における周波数弁別器の構成の他の例を示すブロック図、
図１４は、従来例に係る信号処理装置１６の一例としての信号処理装置１６ｂの構成を示すブロック図である。
Claims (4)
- 単一周波数で発振するローカル光源と、
前記ローカル光源の出力光と同一もしくは近傍の周波数で単一周波数で発振するパルスレーザと、
前記パルスレーザからのパルスレーザ光を送信光として目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受信光として受光する送受光学系と、
前記ローカル光源からの出力光と前記受信光とを混合する光混合手段と、
前記光混合手段により混合された光を光コヒーレント検波する光検波部と、
前記光検波部からの出力から目標の速度や距離を演算する信号処理装置と
を備え、
前記光検波部は、
光コヒーレント検波を行う光検出素子と、
前記光検出素子からの出力の伝播線路を切り替えるマイクロ波スイッチと、
マイクロ波増幅器と、
前記パルスレーザからのパルス光が前記送受光学系を通過終了する時間を基準として、その基準時間の以前をモニタ信号として前記信号処理装置に送信すると共に、基準時間以後を受信信号として前記信号処理装置に送信するように、前記マイクロ波スイッチを切り替えるスイッチ制御手段と
を有する
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記パルスレーザは、共振器長を調整する調整機構を有し、
前記調整機構を制御する制御回路をさらに備え、
前記制御回路は、前記信号処理装置からのレーザパルスとローカル光の周波数差に基づく誤差信号に基づいて前記パルスレーザの共振器長を調整する制御信号を前記調整機構に出力する
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、
前記マイクロ波スイッチは、前記プリアンプと前記ポストアンプとの間に設けられて、前記プリアンプで増幅された信号をモニタ信号として出力すると共に、前記ポストアンプを経た信号を受信信号として出力する
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記マイクロ波増幅器は、前記光検出素子からの信号を増幅するプリアンプと、そのプリアンプの出力を増幅するポストアンプとでなり、
前記マイクロ波スイッチは、前記光検出素子と前記プリアンプとの間に設けられて、前記光検出素子からの信号をモニタ信号として出力すると共に、前記ポストアンプを経た信号を受信信号として出力する
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。
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