JP4834308B2

JP4834308B2 - レーザパルス送受光装置及びこのレーザパルス送受光装置の制御方法

Info

Publication number: JP4834308B2
Application number: JP2005011725A
Authority: JP
Inventors: 晋平深田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: JP2006201373A

Description

この発明は、レーザ光の変調機能の向上を目的としたレーザパルス送受光装置及びこのレーザパルス送受光装置の制御方法に関する。

レーザパルス送受光装置にあっては、パルスレーザ光の変調機能の向上が強く求められている。そこで、パルスレーザ光を所定の周波数に変調する場合に、パルスレーザ光の位相調整を行う手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−１９４３７５号公報。

ところで、上記手法では、パルス繰り返し周波数と変調周波数との差が小さい場合に、精度良くレーザ光を変調することができない。

そこで、この発明の目的は、パルス繰り返し周波数と変調周波数との差が小さい場合であっても、精度良くレーザ光を変調し得るレーザパルス送受光装置及びこのレーザパルス送受光装置の制御方法を提供することにある。

この発明は、上記目的を達成するために、以下のように構成される。
一定のパルス繰り返し周波数のレーザ光を放射する送光手段と、放射するレーザ光を変調する変調器と、レーザ光の回転目標体からの反射光を受光する受光手段と、この受光手段による受光信号を周波数領域の信号に変換し、周波数成分を分析する周波数分析手段と、この周波数分析手段により得られた周波数に基づいて、送光手段で発生されるレーザ光のパルス繰り返し周波数と変調器の変調周波数と変調パターンのパルス幅（デューティ比）を制御する制御手段とを備えるようにしたものである。制御手段は、周波数分析手段により得られるレーザ反射光の周波数に基づいて、レーザ反射光の受光時に得られるレーザ反射光と同じ周波数になるように、レーザ光のパルス繰り返し周波数を制御することを特徴とする。

この構成によれば、レーザ光の反射光の受光信号から周波数分析結果に基づいて、放射すべくレーザ光のパルス繰り返し周波数変調器の変調周波数と変調パターンのパルス幅（デューティ比）を制御して、変調することで、レーザ光の所要変調周波数に応じて精度良くレーザ光を変調することができる。

制御手段は、レーザ反射光を受光し、周波数分析手段によって得られる周波数と同じ周波数となるように、変調パターンのパルス幅及びレーザ光のパルス繰り返し周波数を変更することを特徴とする。
この構成によれば、レーザ光のパルス繰り返し周波数と変調周波数との差をなくすように、さらに精度良くレーザ光を変調することができる。

以上詳述したようにこの発明によれば、パルス繰り返し周波数と変調周波数との差が小さい場合であっても、精度良くレーザ光を変調し得るレーザパルス送受光装置及びこのレーザパルス送受光装置の制御方法を提供することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係わるレーザパルス送受光装置の構成を示すブロック図である。図１において、光学装置１１は、ジンバル機構１２によって左右方向及び上下方向に回動自在に支持され、内部にレーザ送信器１１１、一対の反射鏡１１２ａ，１１２ｂ、光学系レンズ１１３、光検出器１１４を備える。

上記レーザ送信器１１１から出射されたＰＲＦ（パルス繰り返し周波数）が一定のレーザ光は、一対の反射鏡１１２ａ，１１２ｂを介して光学系レンズ１１３で集光され、所定方向に向けて照射される。その反射光は、光学系レンズ１１３を介して光検出器１１４に入射される。一対の反射鏡１１２ａ，１１２ｂのうちいずれか一方は、詳細は図示しないが、一定範囲で角度制御が可能となっており、この反射鏡１１２ａ，１１２ｂの角度制御により送信レーザ光を走査することが可能となっている。

上記レーザ送信器１１１から基準信号発生器１４で生成される基準信号に基づいて出力されるパルスレーザ光は、変調器１３により変調される。また、光検出器１１４の受光信号は、増幅器１５で増幅された後、周波数分析器１６に供給される。

周波数分析器１６は、増幅器１５の出力信号を周波数領域の信号に変換し、周波数成分を分析し、回転目標体の周波数を抽出するもので、その出力はレーザ送信制御器１７に供給される。

レーザ送信制御器１７は、周波数分析器１６により抽出された周波数と同じ周波数となるようにレーザ送信器１１１から出力されるレーザ光のＰＲＦと変調器１３の変調周波数を制御する。また、変調パターンのパルス幅（デューティ比）を変更するように変調器１３を制御する。

次に、上記構成において、以下にその特徴となる処理動作について説明する。
まず、パルスのレーザ光を精度良く変調できない原因を、ＣＷ（連続）発振のレーザ光の変調を例に説明する。図２は、ＣＷレーザの光出力の例を示し、図３は変調パターンを示し、図４はＣＷレーザ光が変調パターンで変調された場合のレーザ変調光のパターンを示している。

ここで、ＣＷレーザの場合に、変調パターンとほぼ同等の周波数の変調をレーザ光に印加することができる。つまり、レーザ変調光の分解能は、変調パターン（周波数）の分解能に依存することになる。

続いて、パレスレーザの変調について説明する。
図５は、パルスレーザの光出力の例を示し、図６は変調パターンを示し、図７はパルスレーザ光が変調パターン（周波数）で変調された場合のパルスレーザ光のパターンを示している。

図７に示すように、変調パターン（周波数）とレーザ変調光パターン（周波数）は一致しない。これは、パルスレーザのＰＲＦと変調周波数にほとんど差が無いために生ずる。しかも、変調パターンの周波数を微小に変えたとしても分解能が低いため、変調光の周波数は変わらない場合がある。

例えば１５ｋＨｚのＰＲＦであるパルスレーザ光を２ｋＨｚの変調パターンにより変調した場合に、変調パターンの透過期間２５０μｓ内にパルス繰り返し時間６６μｓのレーザ光は変調の１周期にレーザ光は３パルス射出し、次の３パルスはチョッピングされ、次の３パルスは射出することになる。つまり、レーザ変調光の変調周波数は変調パターンの周波数ではなく、射出するレーザ光の数とＰＲＦによって決まる。例えば、３パルス射出する場合は、２５２５Ｈｚとなり、４パルス射出する場合は、１８９４Ｈｚとなる。

そこで、本実施形態では、周波数分析器１６において、増幅器１５の出力からレーザ反射光の変調パターン（周波数）を抽出する。そして、レーザ送信制御器１７において、変調パラメータのパルス内、つまり透過期間内のレーザ光射出数を求め、このレーザ光射出数になるように、図８に示す如く、変調周波数及び変調パターンのパルス幅（デューティ比）とＰＲＦとを変えて、所要の変調周波数の変調レーザ光を生成するように、基準信号発生器１４及び変調器１３を制御する。これにより、図９に示す如く、変調周波数の精度を格段に向上できる。

例えば、ＰＲＦ１５ｋＨｚのレーザ光を１．２ｋＨｚで変調したい場合に、ＰＲＦを１４４０１Ｈｚにし、変調パターンの時間幅を４１７μｓから４１７μｓ以上４８６μｓ以下に設定すれば、変調パターンの間に６発のレーザ光が射出され、その変調周波数は１２００．１Ｈｚとなり、ほぼ所要の周波数となる。

以上のように上記実施形態では、周波数分析器１６において、レーザ反射光の受光信号を周波数領域の信号に変換し、周波数成分を分析し、目標体の周波数を抽出し、レーザ送信制御器１７において目標体の周波数にレーザ光を変調できるように、レーザ光のＰＲＦと変調器１３の変調周波数（パターン）と変調パターンのパルス幅（デューティ比）を判定し、この判定結果に基づいて、レーザ送信器１１１から放出されるレーザ光のＰＲＦと変調器１３の変調周波数（変調パターン）と変調パターンのパルス幅（デューティ比）を制御する。このため、変調周波数に応じて精度良くレーザ光を変調することができる。

また、上記実施形態では、レーザ送信制御器１８において、レーザ光のＰＲＦと変調周波数との差をなくすように、変調器１３を制御して変調パターンのパルス幅（デューティ比）を変更するようにしているので、さらに精度良くレーザ光を変調することができる。

なお、この発明は上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば周波数分析器１６及びレーザ送信制御器１７をソフトウェアで構成するようにしてもよい。

図１０は、周波数分析機能及びレーザ送信制御機能を有するマイクロコンピュータとしての信号処理部を備えたレーザパルス送受光装置を示すブロック構成図である。なお、図１０において、図１と同一部分には同一符号を付して示す。

信号処理部２１は、図１１に示すような制御処理を実行する。
この制御処理を開始すると信号処理部２１は、レーザ光の初期ＰＲＦを設定してレーザ送信器１１１からレーザ光を放出させる（ステップＳＴ１１ａ）。

続いて、信号処理部２１は、増幅器１５の出力を入力すると（ステップＳＴ１１ｂ）、この出力から目標体の周波数を抽出し（ステップＳＴ１１ｃ）、この目標体の周波数からＰＲＦと変調周波数との差をなくすように、変調器１３及び基準信号発生器１４を制御してＰＲＦ及び変調周波数及び変調パターンの時間幅（デューティ比）の変更を行う（ステップＳＴ１１ｄ）。

以上のように上記他の実施形態によってもこの発明を実施することができる。特に、各処理がソフトウェアにより実現できるので、構成が簡単になり、小型化に寄与することができる。

その他、レーザパルス送受光装置の構成、レーザ光のＰＲＦと変調周波数及び変調パターンのパルス幅（デューティ比）の変更処理手順や処理内容等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

この発明の一実施形態に係わるレーザパルス送受光装置の構成を示すブロック図。ＣＷレーザの光出力の例を示す特性図。変調パターンを示す特性図。ＣＷレーザ光が変調パターンで変調された場合のレーザ変調光のパターンを示す特性図。パルスレーザの光出力の例を示す特性図。変調パターンを示す特性図。パルスレーザ光が変調パターンで変調された場合のレーザ変調光のパターンを示す特性図。同実施形態において、レーザ光のＰＲＦ及び変調周波数及び変調パターンのパルス幅（デューティ比）を変更するために示す特性図。同実施形態において、レーザ光のＰＲＦ及び変調周波数及び変調パターンのパルス幅（デューティ比）を変更した後の特性図。この発明の他の実施形態に係わるレーザパルス送受光装置の構成を示すブロック図。図１０に示した信号処理部の動作を説明するために示すフローチャート。

符号の説明

１１…光学装置、１２…ジンバル機構、１３…変調器、１４…基準信号発生器、１５…増幅器、１６…周波数分析器、１７…レーザ送信制御器、２１…信号処理部、１１１…レーザ送信器、１１２ａ，１１２ｂ…反射鏡、１１３…光学系レンズ、１１４…光検出器。

Claims

一定のパルス繰り返し周波数のレーザ光を放射する送光手段と、
放射するレーザ光を変調する変調器と、
前記変調器により変調されたレーザ光の回転目標体からの反射光を受光する受光手段と、
この受光手段による受光信号を周波数領域の信号に変換し、周波数成分を分析する周波数分析手段と、
この周波数分析手段により得られるレーザ反射光の変調周波数に合わせるべく、前記送光手段で発生されるレーザ光のパルス繰り返し周波数を変更する制御手段とを具備したことを特徴とするレーザパルス送受光装置。
前記制御手段は、前記周波数分析手段による分析結果からレーザ反射光の変調パターンのパルス内で前記送光手段から放射されるレーザ光のパルス数を求め、このレーザ光のパルス数に一致するように、前記送光手段を制御して前記送光手段で発生されるレーザ光のパルス繰り返し周波数を変更することを特徴とする請求項１記載のレーザパルス送受光装置。
前記制御手段は、前記周波数分析手段による分析結果からレーザ反射光の変調パターンのパルス内で前記送光手段から放射されるレーザ光のパルス数を求め、このレーザ光のパルス数に一致するように、前記送光手段及び前記変調器を制御して前記送光手段で発生されるレーザ光のパルス繰り返し周波数を変更することを特徴とする請求項１記載のレーザパルス送受光装置。
一定のパルス繰り返し周波数のレーザ光を放射する送光器と、放射するレーザ光を変調する変調器と、前記変調器により変調されたレーザ光の回転目標体からの反射光を受光する受光器とを備えるレーザパルス送受光装置で使用される制御方法において、
前記受光器による受光信号を周波数領域の信号に変換して周波数成分を分析し、
この周波数分析により得られたレーザ反射光の変調周波数に合わせるべく、前記送光器で発生されるレーザ光のパルス繰り返し周波数を変更することを特徴とするレーザパルス送受光装置の制御方法。