JP4127649B2 - コヒーレントレーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、装置内の送信光の伝搬路に光ファイバを用い、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】
従来のレーザレーダ装置は、光変調器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(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
【非特許文献1】
G. N. Pearson and J. Eacock著「Proceedings of 11th Coherent Laser Radar Conference」(Malvern, Worcestershire, UK, July 2001)、第144頁−第146頁
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置内の送信光の伝搬路に光ファイバを用いたコヒーレントライダでは、単一周波数の高いピークパワーの送信光をシングルモード光ファイバに伝搬させるため、ブリュリアン散乱といった非線形光学効果のために送信パワーが制限されるという問題点があった。
【0005】
このことは、送信パワーを増すことにより高SN比の測定を行うことができず、SN比が制限されることを意味する。
【0006】
さらに、従来例のように光ファイバ増幅器といった光増幅器をパルス光源に用いたコヒーレントライダでは、パルス間隔を最大測定距離のラウンドトリップ時間以上にする必要があることと、ブリュリアン散乱といった非線形光学効果のためピークパワーが制限されていた。このため、長距離測定になるほど以下の2つの問題点が発生した。
【0007】
パルス間隔が長くなるため、光ファイバ増幅器に蓄積されたエネルギーがASE(Amplified Spontaneous Emission)光として放出される量が多くなる。このため、光ファイバ増幅器の効率が低下し、また、ASE光が光受信器に漏れ込むことによるSN比の低下を引き起こしていた。
【0008】
また、ライダ装置においては、必要なSN比を得るために、多数回の測定データをインコヒーレント積分処理することが行われている。長距離測定になるほど、パルス繰返し数が小さくなるため、インコヒーレント積分によるデータ更新レートが小さくなる。
【0009】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第1の目的は、送信パワーを増加させ、高SN比測定を可能に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ものである。
【0010】
また、この発明は、第2の目的は、パルス送信数を増加させ、上記の課題を解決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ものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、お互いに非線形光学効果による寄生発振の閾値に影響を与えない波長間隔を持った波長の異なる複数のCWレーザ光を出力するCW光源部と、前記CW光源部からの前記複数のCWレーザ光を波長毎に第1及び第2のCWレーザ光に2分割する光分岐部と、前記第1のCW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により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、この目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記送受光学系からの受信光を波長毎に分離し、前記光分岐部からの第2のCWレーザ光を対応する波長毎に前記分離した前記送受光学系からの受信光とそれぞれ混合する光混合部と、前記光混合部からの混合光を波長毎に光コヒーレント検波し、前記送受光学系からの受信光と前記光分岐部からの第2のCWレーザ光のビート信号を波長毎に出力する光受信部と、前記光受信部からの複数のビート信号を積分処理して前記目標の物理情報を抽出する信号処理部とが設けられ、装置内の光の伝搬路が光ファイバから構成されている。
【0012】
【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。
【0013】
図1において、本コヒーレントレーザレーダ装置は、CW(Continuous Wave:連続波)レーザ光を発振するCW光源部1と、CW光源部1からのCWレーザ光を分割する光分岐部2と、光分岐部2からのCWレーザ光の一方を変調する光変調部3と、光ファイバ増幅器4と、光サーキュレータ5と、光ファイバ増幅器4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6と、光分岐部2からのCWレーザ光と送受光学系6からの受信光を混合する光混合部7と、光混合部7からの混合光を光コヒーレント検波する光受信部8と、光受信部8からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理部9とから構成されている。なお、CW光源部1から光受信部8に至る各光学素子は光ファイバにより結合されている。
【0014】
また、同図において、CW光源部1は、単一周波数で発振するCWレーザ光源11およびCWレーザ光源12の2台から構成されている。また、光分岐部2は、光ファイバカプラ21と、光ファイバカプラ22と、これらの光ファイバカプラ21および22からの分岐光を混合する光ファイバカプラ23とから構成されている。さらに、光混合部7は、波長分離素子71と、2台の光ファイバカプラ72および73から構成されている。またさらに、光受信部8は、2台の光受信器81および82から構成されている。
【0015】
つぎに、この実施の形態1に係るコヒーレントレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0016】
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。
【0017】
CW光源部1では、2つの波長のレーザ光を光ファイバに出力する機能を持つ。CWレーザ光源11およびCWレーザ光源12は、各々波長の異なる単一波長で発振するCWレーザ光(周波数:f1、f2)を出力する。
【0018】
光分岐部2では、CW光源部1からの出力光を波長毎に2つに分割する機能を有する。光ファイバカプラ21および光ファイバカプラ22は、それぞれCWレーザ光源11およびCWレーザ光源12と光ファイバで結合され、各々の出力光を2つに分割する。分割されたレーザ光の一方は送信光の種光として、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。また、光ファイバカプラ23において、CWレーザ光源11および12からの上記分岐光の一方が混合され、混合された光が光変調部3に入力される。
【0019】
光変調部3は、光分岐部2で分割されたレーザ光の一方を変調して光ファイバ増幅器4に送る機能を有する。この光変調部3に、音響光学(AO)変調器のように光の周波数をシフトする機能を持つ変調器を用いると、上記混合光に中間周波数fIF分の周波数シフトを与えることができる。
【0020】
光変調部3からの変調光は、光ファイバ増幅器4で増幅され、光サーキュレータ5を介して、送受光学系6により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。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:fd1、fd2)を受けている。受信光は、光サーキュレータ5において送信光と分離され、光混合部7に送られる。
【0021】
光混合部7では、光分岐部2からの波長毎に2分されたCWレーザ光の他方を波長毎に、それぞれ上記CWレーザ光の波長に対応する送受光学系6からの受信光と混合する機能を有する。波長分離素子71において、受信光をCWレーザ光源11および12の発振波長近傍の波長毎に分離する。光ファイバカプラ72および光ファイバカプラ73において、上記分離された受信光は、それぞれ対応する波長の光分岐部2からのローカル光と混合される。
【0022】
光受信部8では、光混合部7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機能を持つ。光受信器81と光受信器82は、それぞれCWレーザ光源11および12を源にする受信光とローカル光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(周波数:fIF+fd1、fIF+fd2)を出力する。
【0023】
信号処理部9は、上記複数の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、目標の速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。ビート信号毎に上記物理情報を得ることができるので、積分処理により、高SN比あるいはより精度の高い測定が可能となる。
【0024】
以上の構成において、CW光源部1から出力される2つの波長のレーザ光の波長は、光ファイバ増幅器4の利得波長帯域内にあるとともに、お互いにブリュリアン散乱といった非線形光学効果による寄生発振の閾値に影響を与えないほど離れた間隔を持つものとする。この光ファイバ増幅器4の飽和出力が充分に大きければ、それぞれの波長のレーザ光の送信パワーは従来のその波長単独で動作させた時と同程度にすることができる。これにより、送信パワーを合わせて従来の2倍程度と大きくすることができる。
【0025】
以上より、本実施の形態においては、お互いにブリュリアン散乱といった非線形光学効果による寄生発振の閾値に影響を与えない波長間隔を持った複数の波長のレーザ光を光ファイバ増幅器4に入力することにより、合計の送信パワーを従来よりも大きくすることができる。これにより、上記複数の波長のレーザ光の数だけ、信号が得られるので、信号処理部9において積分処理を行うことにより、高SN比あるいはより高精度な測定が可能となる効果が有る。
【0026】
光変調部3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。さらに、光変調部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。また、光変調部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、光変調部3を通過する上記CW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、信号処理部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、目標の速度、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。
【0027】
また、図1においては、CW光源部1が2つの波長のレーザ光を光ファイバに出力する機能を持つ例を示したが、もちろん3つ以上の波長のレーザ光を出力する構成とすることも可能である。光分岐部2、光変調部3、光混合部7および光受信部8が上記3つ以上の波長に対応するように構成すれば、合計の送信パワーを従来よりもさらに大きくすることができる。また、上記複数の波長のレーザ光の数だけ、信号が得られるので、信号処理部9において積分処理を行うことにより、高SN比あるいはより高精度な測定が可能となる効果がある。光ファイバ増幅器4の出力が十分にあるならば、合計の送信パワーが送信光路である光ファイバの出力端や送信光路上の光学部品のいずれかの破壊閾値となるまで、送信光の数を増やすことができる。
【0028】
さらに、図1においては、CW光源部1が単一波長で発振する2つのCWレーザ光源11、12で構成された例を示しているが、複数の波長の発振ラインを持つレーザ光源で構成しても構わない。このような光源には、例えば、単一波長で発振するCWレーザ光源に光SSB(Single-Sideband)変調器を組み合わせた光源、あるいはモードロックレーザ光源などがある。
【0029】
CW光源部1が2つの波長の発振ラインを持つCWレーザ光源で構成された例を図2に示す。この図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別の構成を示す図である。
【0030】
図2において、CW光源部1のCWレーザ光源13は、2つの波長(周波数:f1、f2)で発振する。
【0031】
CWレーザ光源13からのCWレーザ光は、光分岐部2の光ファイバカプラ24において2分岐される。分岐光の一方は、送信光の種光として用いる。他方は波長分離素子25により、波長毎に分離されて、光受信部8における光コヒーレント検波のローカル光として用いる。
【0032】
上記のような構成により、図2における光分岐部2からの出力光は、図1の光分岐部2と同じになっており、動作原理およびそれにより得られる効果は図1のものと全く同様である。
【0033】
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3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。
【0034】
図3において、CW光源部1は、単一周波数で発振する2台のCWレーザ光源11およびCWレーザ光源12から構成されている。また、光分岐部2は、2つの光ファイバカプラ21および光ファイバカプラ22から構成されている。光変調部3は、2台の光変調器31および光変調器32と、これらの光変調器31および32からの変調光を混合する光ファイバカプラ33とから構成されている。光混合部7は、波長分離素子71と2台の光ファイバカプラ72および73とから構成されている。そして、光受信部8は、2台の光受信器81および82から構成されている。
【0035】
つぎに、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動作について図面を参照しながら説明する。
【0036】
図4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光変調部の動作を示すタイミングチャートである。
【0037】
図4において、(a)及び(b)は、光変調器31および光変調器32の変調波形である。これらの光変調器31および32は、パルス変調器である。
【0038】
この実施の形態2において受信信号を得る基本的な構成および動作は、上記の実施の形態1と同様である。
【0039】
光変調器31および光変調器32は、それぞれ光分岐器2からの分岐された2つの波長のCWレーザ光をパルス幅τ、パルス繰返し数fRで変調している。パルス出力のタイミングを光変調器31および光変調器32で重ならないように時間差をつけている。図4は、半周期の時間差をつけた例を示している。
【0040】
光変調器31および光変調器32からの出力光を、光ファイバカプラ33により混合して光ファイバ増幅器4に入力する。したがって、この光ファイバ増幅器4に入力するパルス列は、パルス幅τ、パルス繰返し数2fRとなる。
【0041】
以上の構成により、光ファイバ増幅器4に入力するパルス列の周期を2倍にすることができる。従って、パルス間隔が短くなるため、この光ファイバ増幅器4に蓄積されたエネルギーがASE光として放出される量を従来例より小さくすることができる。このため、光ファイバ増幅器4の効率の低下とASE光が光受信器81、82に漏れ込むことによるSN比の低下を従来例より小さくすることができる。また、平均出力が従来例にくらべて大きくできる効果がある。さらに、パルス繰返し数が大きくなるため、インコヒーレント積分によるデータ更新レートが大きくなる効果がある。
【0042】
なお、図3においては、CW光源部1が2つの波長のレーザ光を光ファイバに出力する機能を持つ例を示したが、もちろん3つ以上の波長のレーザ光を出力する構成とすることも可能である。光分岐部2、光変調部3、光混合部7および光受信部8が上記3つ以上の波長に対応するように構成すれば、光ファイバ増幅器4に入力するパルス列のパルス繰返し数を従来例よりCW光源部1が出力するレーザ光の波長数に対応した数倍にすることができる。同様に、上記に述べた効果もそれに比例して得ることができる。最大のレーザ光の波長数は1/fRτ以下で最大の自然数である。
【0043】
【発明の効果】
この発明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、ビート信号毎に、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、目標の速度、密度分布、速度分布といった物理情報を得ることができるので、積分処理により、高SN比あるいはより精度の高い測定が可能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ブロック図である。
【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別の構成を示すブロック図である。
【図3】 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ブロック図である。
【図4】 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光変調部の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 CW光源部、2 光分岐部、3 光変調部、4 光ファイバ増幅器、5 光サーキュレータ、6 送受光学系、7 光混合部、8 光受信部、9 信号処理部、11、12、13 CWレーザ光源、21、22、23、24 光ファイバカプラ、25 波長分離素子、31、32 光変調器、33 光ファイバカプラ、71 波長分離素子、72、73 光ファイバカプラ、81、82 光受信器。
Claims (8)
- お互いに非線形光学効果による寄生発振の閾値に影響を与えない波長間隔を持った波長の異なる複数のCWレーザ光を出力するCW光源部と、
前記CW光源部からの前記複数のCWレーザ光を波長毎に第1及び第2のCWレーザ光に2分割する光分岐部と、
前記第1のCW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により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、この目標からの散乱光を受光する送受光学系と、
前記送受光学系からの受信光を波長毎に分離し、前記光分岐部からの第2のCWレーザ光を対応する波長毎に前記分離した前記送受光学系からの受信光とそれぞれ混合する光混合部と、
前記光混合部からの混合光を波長毎に光コヒーレント検波し、前記送受光学系からの受信光と前記光分岐部からの第2のCWレーザ光のビート信号を波長毎に出力する光受信部と、
前記光受信部からの複数のビート信号を積分処理して前記目標の物理情報を抽出する信号処理部と
を備え
装置内の光の伝搬路が光ファイバから構成されている
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記光分岐部と前記光ファイバ増幅器との間に、前記光分岐部からの第1のCWレーザ光を変調する光変調部
をさらに備えた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。 - 前記光変調部は、前記光分岐部からの第1のCWレーザ光を波長毎にパルス変調する複数のパルス変調器を含み、
前記複数のパルス変調器は、前記第1のCWレーザ光を互いにパルス出力時が時間的に重なりあわないように所定の時間差をつけたパルス変調を行う
ことを特徴とする請求項2記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記CW光源部は、それぞれ単一周波数で発振する複数のCWレーザ光源から構成されている
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記光分岐部は、
前記CW光源部からのCWレーザ光を波長毎に2分割する複数の光ファイバカプラを含む
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記光分岐部は、
前記CW光源部からの複数のCWレーザ光を2分割する光ファイバカプラと、
前記光ファイバカプラにより2分割された一方を波長毎に分離する波長分離素子とを含む
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記光変調部は、前記複数のパルス変調器からのパルス光を1つに結合する光ファイバカプラをさらに含む
ことを特徴とする請求項3記載のコヒーレントレーザレーダ装置。 - 前記光混合部は、前記送受光学系からの受信光を波長毎に分離する波長分離素子と、
前記波長分離素子により分離された受信光を、波長毎にそれぞれ対応する波長の前記光分岐部からの第2のCWレーザ光と混合する複数の光ファイバカプラとを含む
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
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