JP4974774B2

JP4974774B2 - 光波レーダ装置

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Publication number: JP4974774B2
Application number: JP2007157355A
Authority: JP
Inventors: 武司崎村; 俊行安藤; 俊平亀山; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: JP2008309620A

Description

この発明は、レーザ光を空間に照射して空間内のエアロゾル移動に伴う散乱光のドップラーシフトによる風速を測定する光波レーダ装置に関するものである。

単一周波数のレーザ光を光送受信部から大気中に照射してエアロゾル散乱光を受信し、光ヘテロダイン受信部で散乱光のドップラーシフトを検出することによって、風速の測定を行うコヒーレントドップラーライダ技術は、気象観測、気象予測、航空の交通安全のための乱気流検出等への応用が期待できる。レーザ光送受信部に光ファイバを用い、構成部品として光ファイバ型光学部品を用いて、装置全体の構成を光ファイバ型とした光波レーダ装置は、小型化や安定性、信頼性の向上に適している（例えば、特許文献１〜３参照）。一方、小型、可搬型な光波レーダ装置において、計測距離の長距離化が求められている。

光ファイバ部品により光回路を構成した光波レーダ装置において、計測距離を長距離化するためには送信光パワーの増強が必要であり、そのためには送信光の増幅を行う光ファイバ増幅器の高出力化が求められる。

しかし、非特許文献１にも示されているように、狭線幅でμｓオーダーのパルス幅を持つレーザパルス光を光ファイバ増幅器により増幅する場合、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ：ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＢｒｉｌｌｏｕｉｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の発生により出力パワーが１０Ｗ程度で制限されている。

特開２００３−３０７５６７号公報国際公開第２００４／１０６９７１号パンフレット特開２００３−２４０８５３号公報 Gabor Kulcsar, Yves Jaouen, Guillaume Canat, Elena Olmedo and Guy Debarge "Multiple-Stokes Stimulated Brillouin Scattering Generation in Pulsed High-Power Double-Cladding Er3+-Yb3+ Codoped Fiber Amplifier", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.15, NO.6, JUNE 2003

従来の全光ファイバ型の光波レーダ装置でも、ＳＢＳによる出力パワーの制限が計測距離を拡大できない原因となっていた。

一方で、ＳＢＳが発生するしきい値は、光ファイバの有効コア面積に比例し、有効光路長に反比例して大きくなるため、ＳＢＳしきい値の引き上げにはファイバコア径の拡大とファイバ長の短縮が有効であることが良く知られている。しかしながら、光ファイバ増幅器においては、所定の増幅利得を得るためには希土類添加光ファイバの長さが所望する利得の大きさに応じてある一定値以上必要となり、ファイバ長が短いと十分な利得が得られないという問題点があった。

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、その目的は、光ファイバ増幅器を多段化した際、前段の光ファイバ増幅器での自然放出光（ＡＳＥ）を効果的に削減して後段の光ファイバ増幅器で信号光を効率的に増幅し、また後段の光ファイバ増幅器ほどＳＢＳしきい値を引き上げていくことによってＳＢＳを抑圧して送信レーザ光パワーを増強することにより、風速計測距離の長距離化を図ることができる全光ファイバ型の光波レーダ装置を得るものである。

この発明に係る光波レーダ装置は、単一周波数のレーザ光を発生する基準光源と、前記レーザ光を信号光と局部発振光に分波する光分波器と、駆動信号を発生するパルス変調信号発生器と、前記駆動信号を所定時間遅延する遅延手段と、前記パルス変調信号発生器により発生された駆動信号で前記光分波器からの信号光である連続発振レーザ光をパルス化する第１の音響光学変調器と、前記第１の音響光学変調器の出力を増幅する第１の光ファイバ増幅器と、前記第１の音響光学変調器と同期させた、前記遅延手段により遅延された駆動信号で前記第１の光ファイバ増幅器の出力を再パルス化する第２の音響光学変調器と、前記第２の音響光学変調器の出力を増幅する第２の光ファイバ増幅器と、送信光と受信光の光路を切り替える光サーキュレータと、前記第２の光ファイバ増幅器から前記光サーキュレータを経た送信光を空間に送信レーザパルス光として出射し、出射した送信光が空間中のエアロゾルにより散乱された散乱光を受信する望遠鏡と、前記光分波器により分波された局部発振光と前記望遠鏡から前記光サーキュレータを経た散乱光とミキシングしてビート信号へ変換する光ミキサと、前記ビート信号を電気信号へ変換する受光器と、前記電気信号を高速フーリエ変換して周波数の解析を行い、ドップラーシフト成分を検出して風速を求める信号処理装置とを設け、前記パルス変調信号発生器及び第１の音響光学変調器間、前記パルス変調信号発生器及び遅延手段間、前記遅延手段及び第２の音響光学変調器間、並びに前記受光器及び信号処理装置間を除くすべての素子間は、シングルモードの光ファイバで接続され、前記第１の光ファイバ増幅器は、シングルモードの励起光を出力する第１の半導体レーザと、前記第１の音響光学変調器の出力である信号光と前記第１の半導体レーザにより出力された励起光を合波する第１の信号光／励起光合波器と、第１の希土類が添加され、前記第１の音響光学変調器の出力を増幅する第１の希土類添加光ファイバとから構成され、前記第２の光ファイバ増幅器は、波長１４８０ｎｍ帯のシングルモードの励起光を出力する第２の半導体レーザと、前記第２の音響光学変調器の出力である信号光と前記第２の半導体レーザにより出力された励起光を合波する第２の信号光／励起光合波器と、前記第１の希土類の添加濃度よりも大きい濃度で第２の希土類が添加され、コア径が前記第１の希土類添加光ファイバよりも大きく、かつファイバ長が前記第１の希土類添加光ファイバよりも短く、前記第２の音響光学変調器の出力を増幅する第２の希土類添加光ファイバとから構成されているものである。

この発明に係る光波レーダ装置は、ＳＢＳしきい値を引き上げることができ、送信光パワーを高出力化でき、ひいては風速計測距離の長距離化を図ることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置について図１から図４まで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に係る光波レーダ装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置は、単一周波数のレーザ光を発生する基準光源１と、前記レーザ光を信号光と局部発振光に分波する光分波器２と、駆動信号を発生するパルス変調信号発生器３と、前記駆動信号を所定時間遅延する遅延手段４と、前記パルス変調信号発生器３により発生された駆動信号で前記光分波器２からの信号光である連続発振レーザ光をパルス化する音響光学変調器（ＡＯＭ）（第１の音響光学変調器）５ａと、前記音響光学変調器５ａの出力を増幅する第１の光ファイバ増幅器と、前記音響光学変調器５ａと同期させた、前記遅延手段４により遅延された駆動信号で前記第１の光ファイバ増幅器の出力を再パルス化する音響光学変調器（ＡＯＭ）（第２の音響光学変調器）５ｂと、前記音響光学変調器５ｂの出力を増幅する第２の光ファイバ増幅器と、送信光と受信光の光路を切り替える光サーキュレータ９と、前記第２の光ファイバ増幅器から前記光サーキュレータ９を経た送信光を空間に送信レーザパルス光として出射し、出射した送信光が空間中のエアロゾルにより散乱された散乱光を受信する望遠鏡１０と、前記光分波器２により分波された局部発振光と前記望遠鏡１０から前記光サーキュレータ９を経た散乱光とミキシングしてビート信号へ変換する光ミキサ１１と、前記ビート信号を電気信号へ変換する受光器１２と、前記電気信号を高速フーリエ変換して周波数の解析を行い、ドップラーシフト成分を検出して風速を求める信号処理装置１３とが設けられている。

前記第１の光ファイバ増幅器は、シングルモードの励起光を出力する半導体レーザ（第１の半導体レーザ）６ａ、６ｂと、前記音響光学変調器５ａの出力である信号光と前記半導体レーザ６ａ、６ｂにより出力された励起光を合波する信号光／励起光合波器（第１の信号光／励起光合波器）７ａ、７ｂと、前記音響光学変調器５ａの出力を増幅する希土類添加光ファイバ（第１の希土類添加光ファイバ）８ａとから構成されている。

また、前記第２の光ファイバ増幅器は、波長１４８０ｎｍ帯のシングルモードの励起光を出力する半導体レーザ（第２の半導体レーザ）６ｃ、６ｄと、前記音響光学変調器５ｂの出力である信号光と前記半導体レーザ６ｃ、６ｄにより出力された励起光を合波する信号光／励起光合波器（第２の信号光／励起光合波器）７ｃ、７ｄと、コア径が前記希土類添加光ファイバ８ａよりも大きく、かつファイバ長が前記希土類添加光ファイバ８ａよりも短く、前記音響光学変調器５ｂの出力を増幅する希土類添加光ファイバ（第２の希土類添加光ファイバ）８ｂとから構成されている。

なお、パルス変調信号発生器３〜ＡＯＭ５ａ、５ｂ間と受光器１２〜信号処理装置１３間を除くすべての素子間は、シングルモードの光ファイバで接続されている。

基準光源１は、波長１．５μｍ帯でスペクトル線幅が１００ｋＨｚ以下の連続発振ファイバレーザである。パルス変調信号発生器３は、ＡＯＭ５ａ、５ｂに駆動信号を与える。遅延手段４は、ＡＯＭ５ｂに与えるパルス変調信号発生器３からの駆動信号に遅延を与える。半導体レーザ６ａ、６ｂは、希土類添加光ファイバ８ａを励起し、半導体レーザ６ｃ、６ｄは、希土類添加光ファイバ８ｂに励起するための波長１４８０ｎｍ帯のシングルモード出力半導体レーザである。信号光／励起光合波器７ａ〜７ｄは、半導体レーザ６ａ〜６ｄから出力される励起光を希土類添加光ファイバ８ａ、８ｂへ結合させる。希土類添加光ファイバ８ａは、１．５５μｍ帯の信号光の増幅を行うためにエルビウム（Ｅｒ）がコア内に添加されたシングルモードファイバである。希土類添加光ファイバ８ｂは、Ｅｒとイッテルビウム（Ｙｂ）がコア内に添加されたシングルモードファイバである。

つぎに、この実施の形態１に係る光波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。

図２は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の２段目の光ファイバ増幅器で増幅された出力光の時間波形（取れている場合）と、同期が取れていない従来構成の出力光の時間波形を示す図である。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の望遠鏡から出射されるレーザパルス光の時間波形と、従来構成から出射されるレーザパルス光の時間波形を示す図である。さらに、図４は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置で風速の測定を行ったとき受信されるＳＮ比と、従来構成で受信されるＳＮ比を示す図である。

まず、基準光源１からの連続発振レーザ光を、光分波器２は、信号光と局部発振光に分岐する。この信号光は、ＡＯＭ５ａによりパルス幅１．５μｓ、繰り返し周波数１〜１６ｋＨｚのパルスに切り出され、希土類添加光ファイバ８ａへ入射する。

希土類添加光ファイバ８ａは、上述したように、Ｅｒが添加されたファイバで、半導体レーザ６ａおよび６ｂからの励起光を入力することにより、反転分布を形成して入力されてきたパルス光の増幅を行う。

希土類添加光ファイバ８ａは、通常のシングルモードのＥＤＦＡであり、ここではＳＢＳが発生しない範囲（約１０Ｗ）に出力を制限してパルス増幅を行う。なお、１段目の光ファイバ増幅器として、希土類添加光ファイバ８ａの入射側と出射側の両側にそれぞれ半導体レーザ６ａ及び信号光／励起光合波器７ａと、半導体レーザ６ｂ及び信号光／励起光合波器７ｂを設けているが、片側のいずれか一方にだけ半導体レーザ及び信号光／励起光合波器を設けても構わない。

また、半導体レーザ６ｃ、６ｄには波長として１４８０ｎｍ帯を用いているが、９８０ｎｍ帯を用いてもよい。

このようにして希土類添加光ファイバ８ａで増幅した信号パルス光を、遅延手段４によりＡＯＭ５ａとパルス切り出しの開始時間を同期させたＡＯＭ５ｂでパルスの再切り出しを行い、２段目の光ファイバ増幅器となる希土類添加光ファイバ８ｂで増幅する。

希土類添加光ファイバ８ｂは、希土類添加光ファイバ８ａで増幅され出力されてきた信号パルス光をさらに高ピークパワー、高エネルギーに増幅する。なお、２段目の光ファイバ増幅器として、希土類添加光ファイバ８ｂの入射側と出射側の両側にそれぞれ半導体レーザ６ｃ及び信号光／励起光合波器７ｃと、半導体レーザ６ｄ及び信号光／励起光合波器７ｄを設けているが、片側のいずれか一方にだけ半導体レーザ及び信号光／励起光合波器を設けても構わない。

希土類添加光ファイバ８ｂからの出力光を送信レーザパルス光として望遠鏡１０から出射し、出射した送信光が大気中のエアロゾルにより散乱された散乱光を望遠鏡１０により受信する。

この望遠鏡１０は、光波レーダの計測距離を拡大するためには開口の大きいものが望ましいが、コリメータのようなもので置き換えることができる。

受信した散乱光は、光サーキュレータ９で取り出して、光ミキサ１１により局部発振光とミキシングし、ビート信号へ変換する。つまり、光ミキサ１１は、散乱光を局部発振光と合成した際の差周波数光の強度信号を得る。受光器１２は、ビート信号を電気信号へ変換する。そして、信号処理装置１３は、電気信号へ変換したビート信号を高速フーリエ変換して周波数の解析を行い、ドップラーシフト成分を検出し風速を求める。つまり、信号処理装置１３は、受光器１２からの電気信号を周波数変換して視線方向風速や、複数視線方向風速から風向風速を演算する。

上記で用いたＡＯＭ５ａ、５ｂは、６０ｄＢ程度の高い消光比でパルスの切り出しを行うことができるので、希土類添加光ファイバ８ａでパルスオフ期間発生する自然放出光（ＡＳＥ）を効果的に削減できる。

希土類添加光ファイバ８ａで発生するＡＳＥは、励起された希土類添加光ファイバ８ｂで誘導放出を起こして増幅され、希土類添加光ファイバ８ｂへのエネルギーの蓄積を阻害する要因となるため、ＡＯＭ５ａ、５ｂを用いて前段の光ファイバ増幅器で発生したＡＳＥを削減することにより後段の光ファイバ増幅器に蓄積できるエネルギーが減少するのを防ぐことができる。

さらに、ＡＯＭ５ｂをＡＯＭ５ａと同期させることで、希土類添加光ファイバ８ａで増幅された出力光の信号部分だけを切り出すことができ、希土類添加光ファイバ８ｂにおいて信号光だけを増幅させることができる。

ＡＯＭ５ａとＡＯＭ５ｂを同期させることによる効果の様子として、同期が取れていない場合と、取れている場合の希土類添加光ファイバ８ｂで増幅された出力光の時間波形の例を、図２（ａ）及び（ｂ）に示す。なお、同期が取れていない従来構成は、例えば図１で遅延手段４がないような構成である。また、図２の信号波形は、オシロスコープのレンジをマイクロ秒程度と広めに設定している場合で、雑音などによる電圧の変動により縦軸方向で幅があるように見えている。

図２において、Ｓ１ａ及びＳ１ｂはＡＯＭ５ａへの駆動信号、Ｓ２ａ及びＳ２ｂはＡＯＭ５ｂへの駆動信号、Ｓ３ａ及びＳ３ｂは希土類添加光ファイバ８ｂで増幅された出力の時間波形、Ｓ４はＡＯＭ５ａの駆動信号の立ち上がりを与えるトリガ波形をそれぞれ示している。また、破線Ｓ５で囲まれた部分は、希土類添加光ファイバ８ａで発生したＡＳＥが希土類添加光ファイバ８ｂで増幅されている部分、Ｓ６はＡＯＭ５ｂに与えた遅延時間をそれぞれ示している。

図２（ａ）では、ＡＯＭ５ｂのパルス切り出しタイミングが信号パルスの立ち上がりよりも早く、信号パルス前方に希土類添加光ファイバ８ａで発生したＡＳＥ成分が残っており、これが希土類添加光ファイバ８ｂで増幅されることによって２つのピークが現れている。破線Ｓ５で囲まれた部分は、ＡＳＥが増幅された白色光の成分であり光波レーダ装置の送信光パワーには寄与しない。

一方、図２（ｂ）では、ＡＯＭ５ｂに入力される駆動信号Ｓ２ｂに信号パルスの立ち上がりとパルス切り出しのタイミングを一致させるように調整した遅延時間Ｓ６を与えており、出力パルスの波形Ｓ３ｂには信号光の１つのピークしか現れておらず、パルスのピーク値が図２（ａ）よりも高くなっている。

上記のようにＡＯＭ５ｂのパルス切り出しのタイミングを調整することで、希土類添加光ファイバ８ｂに蓄積したエネルギーがＡＳＥの増幅に使われるのを防ぎ、信号光の増幅を効率的に行えるようになる。

上記の希土類添加光ファイバ８ｂは、ＥｒとＹｂを共添加したシングルモードファイバで、Ｅｒ添加濃度を５０００ｗｔ−ｐｐｍ以上にまで大きくしている。つまり、Ｅｒ添加濃度が希土類添加光ファイバ８ａよりも大きい。また、シングルモード伝搬が可能な範囲で１０μｍ程度にまでコア径を大きくしている。つまり、コア径が希土類添加光ファイバ８ａよりも大きい。さらに、半導体レーザ６ｃおよび６ｄからの励起光を希土類添加光ファイバ８ｂのコアへ投入している。

コアへ励起光を投入することで励起パワー密度を大きくでき、希土類添加光ファイバ８ｂのファイバ長は数ｍ程度で利得を得ることができる。実験では、３．５ｍ程度としており、ファイバ長を短尺にしてコア径を大きくしたことにより、ＳＢＳしきい値を引き上げることができている。つまり、ファイバ長が希土類添加光ファイバ８ａよりも短い。

励起用半導体レーザ６ｃおよび６ｄには、波長１．４８μｍ帯のものを用いている。これは、ＥＤＦの一般的な励起波長としてよく知られている９８０ｎｍ帯と１．４８μｍ帯での吸収量を実測した結果、１．４８μｍ帯の吸収の方が大きかったからである。

吸収が大きい励起波長帯を選択することで、励起光を吸収させるために必要な希土類添加光ファイバ８ｂの長さを短くできる。

以上により、希土類添加光ファイバ８ｂでの増幅後の出力として１００Ｗ程度のパルス出力をＳＢＳが発生することなく得ることができる。

希土類添加光ファイバ８ｂのファイバ長は、蓄積できる最大エネルギーを決めるファイバ中のＥｒイオン数と、希土類添加光ファイバ８ｂにおいてＡＳＥが発生するために消費されるエネルギー、ＳＢＳしきい値を考慮して決定している。

図３は、望遠鏡１０から出射されるレーザパルス光の時間波形を示しており、グラフの横軸は時間（ｔｉｍｅ［μｓ］）、縦軸は出力光のパワー（ＯｕｔｐｕｔＰｏｗｅｒ［Ｗ］）を示している。図３において、Ｌ１は従来構成から出射される出力パルス波形、Ｌ２は本実施の形態１に係る光波レーダ装置から出射される出力パルス波形である。なお、ここで説明する従来構成は、例えば光ファイバ増幅器が１段のものである。

従来構成では出力パルス波形Ｌ１のＳＢＳしきい値が低く、ＳＢＳを発生させないように送信光パワーが１０Ｗ程度となっていたものを、本実施の形態１では出力パルス波形Ｌ２のＳＢＳしきい値を引き上げることができ、１００Ｗ程度にまで高出力化した送信光を得ることができている。

図３に示した送信光で風速の測定を行ったときの受信されるＳＮ比を図４に示す。図４において、グラフの横軸は距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ［Ｋｍ］）、縦軸は検出される信号の信号対雑音（ＳＮ）比（Ｄｅｔｅｃｔａｂｉｌｉｔｙ［ｄＢ］）を表す。Ｒ１は従来構成の送信光による受信信号のＳＮ比、Ｒ２は本実施の形態１に係る光波レーダ装置の送信光による受信信号のＳＮ比、Ｒ３は風速の検出に必要なＳＮ比を示しており、ＳＮ比Ｒ３を上回る部分で風速の検出を行うことができる。なお、ここで説明する従来構成は、例えば光ファイバ増幅器が１段のものである。

図４を参照すると、従来構成の場合、測定可能な距離は１．５ｋｍ程度であるが、本実施の形態１の場合、測定可能な距離は８ｋｍ以上となっている。以上のように光ファイバ増幅器の高出力化による送信レーザパルス光の増強により、光波レーダ装置の測定距離が拡大できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置について図５及び図６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に係る光波レーダ装置の構成を示す図である。また、図６は、この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置の別の構成を示す図である。

上記の実施の形態１では、２つ目のＡＯＭ５ｂによりパルスの時間ゲート切り出しを行い、前段の光ファイバ増幅器で発生したＡＳＥを後段の光ファイバ増幅器へ入射させないようにしたものであるが、ＡＳＥの削減は光バンドパスフィルタを用いることもできる。この実施の形態２では、光バンドパスフィルタを用いたものである。

図５において、この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置は、実施の形態１のＡＯＭ５ｂを光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４で置き換えた構成となっており、その他の構成は実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

光バンドパスフィルタ１４によるＡＳＥの削減量が大きいほど後段の光ファイバ増幅器でＡＳＥに取り出されるエネルギーを減少でき、出力パルスとして得られるエネルギーが大きくなので、光バンドパスフィルタ１４は信号波長を中心にできるだけ狭帯域で、かつ消光比の高いものとする。

また、上記の実施の形態１に記述したように、ＡＯＭは高い消光比でパルスの切り出しを行うことができるので、図６に示すように、ＡＯＭ５ｂと光バンドパスフィルタ１４を組み合わせて連続して配置することにより、前段の光ファイバ増幅器で発生したＡＳＥを上記の構成以上に削減でき、後段の光ファイバ増幅器に投入したエネルギーを信号パルスの増幅に効果的に使うことができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置の構成を示す図である。

上記の実施の形態２では、光ファイバ増幅器を多段化した場合において、後段の光ファイバ増幅器に投入した励起エネルギーを効率よく信号光の増幅に使わせるようにするために、後段の光ファイバ増幅器へ入力されていく前段の光ファイバ増幅器で発生したＡＳＥを削減するための方法について説明しているが、この実施の形態３では、高ピークパワーの出力光を得るために必要となるＳＢＳを抑圧するための方法を説明する。

図７において、この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置は、１段目の光ファイバ増幅器２１と、２段目の光ファイバ増幅器２２と、３段目の光ファイバ増幅器２３と、・・・、Ｎ段目の光ファイバ増幅器２４と、望遠鏡１０とが設けられている。

上記の実施の形態１及び２では、希土類添加光ファイバ８ｂとして、ＥｒとＹｂを共添加したシングルモードファイバでＥｒ添加濃度が５０００ｗｔ−ｐｐｍ以上と大きく、シングルモード伝搬が可能な範囲で１０μｍ程度にまでコア径を大きくしたものを用いてＳＢＳしきい値の引き上げを行っているが、希土類添加光ファイバ８ｂにはＥｒ濃度が高くコア径を大きくしたＥｒ添加光ファイバとして、濃度消光なくＥｒ添加濃度を高くした例えばビスマス系ガラスファイバなどを用いることもできる。

このビスマス系ガラスの希土類添加光ファイバと石英系の希土類添加光ファイバを組み合わせて使用する際には、ガラス組成の異なるファイバではＳＢＳの利得帯域が異なるというよく知られている性質によるＳＢＳしきい値の引き上げ効果も期待できる。

図７に示すような、パルス光の増幅を行う多段化した光ファイバ増幅器をもつ光波レーダ装置は、後段の光ファイバ増幅器では十分な利得が得られる範囲で前段の光ファイバ増幅器よりもファイバ長が短くコア径の大きい希土類添加光ファイバを使用する。

これは、光ファイバ増幅器２１の出力パワーは、光ファイバ増幅器２２〜望遠鏡１０までのＳＢＳしきい値を超えないように制限し、光ファイバ増幅器２２の最大出力パワーは、光ファイバ増幅器２３〜望遠鏡１０までのＳＢＳしきい値を超えないように制限するというように、前段の光ファイバ増幅器の出力パワーはそれより後段部分のＳＢＳしきい値により制限され、信号光は光ファイバ中で増幅されて強度が増し、段階的に光ファイバ増幅器での増幅を繰り返して出射端に近いほどピークパワーが大きくなっていくので、後段の光ファイバ増幅器ほどＳＢＳしきい値を大きくしていかなければならないからである。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置の一部の構成を示す図である。

上記の実施の形態１及び実施の形態２において、複数段の光ファイバ増幅器を接続し、ＡＯＭ５ｂによる時間ゲート切り出しや、光バンドパスフィルタ１４を用いて第１の光ファイバ増幅器で発生したＡＳＥ光成分を第２の光ファイバ増幅器に入射させないようにして、光ファイバ増幅器の高出力化を行うものであるが、本実施の形態４では、第２の光ファイバ増幅器全体を収納するものである。

図８において、この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置は、上記の実施の形態１及び２で説明した、信号光／励起光合波器７ｃ、７ｄと、希土類添加光ファイバ８ｂと、光サーキュレータ９と、望遠鏡１０とを共通の筐体２０に収納する。これ以外の構成要素は、共通の筐体２０とは別の筐体に収納する。

この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置の動作については、上記の実施の形態１あるいは実施の形態２と共通であるため説明を省略する。

共通の筐体２０に収納した信号光／励起光合波器７ｃと、ＡＯＭ５ｂ、あるいは光バンドパスフィルタ１４とは光ファイバコネクタ２０ａを用いて接続する。また、信号光／励起光合波器７ｃと半導体レーザ６ｃ、及び信号光／励起光合波器７ｄと半導体レーザ６ｄは、光ファイバコネクタ２０ｃ及び２０ｄを用いて接続する。さらに、光サーキュレータ９と光ミキサ１１は、光ファイバコネクタ２０ｂを用いて接続する。

信号光／励起光合波器７ｄと光サーキュレータ９を接続する光ファイバ長、及び光サーキュレータ９と望遠鏡１０を接続する光ファイバ長は、シングルモード光ファイバの曲げ損失が生じない程度に短い状態で接続する。

この実施の形態４において、信号光／励起光合波器７ｃ、７ｄと、希土類添加光ファイバ８ｂと、光サーキュレータ９と、望遠鏡１０とを共通の筐体２０に収納しているため、信号光／励起光合波器７ｃから望遠鏡１０までの光ファイバ長を短くすることができ、ＳＢＳの発生を効果的に抑制することができる。

また、共通の筐体２０に収納する要素はすべて、パッシブの光学部品であり、電気的な接続が不要であり、接続ケーブルを小型軽量化でき、また、電気的絶縁の確保や電気雑音抑圧の対策が不要であるため、簡素な筐体で光波レーダ装置を分散配置することができる利点がある。

さらに、共通の筐体２０に収納する要素に関して、望遠鏡１０以外は光ファイバ部品であり、配置の際の光学アライメント調整が不要で且つ、収納スペースを小さくできる利点がある。

本実施の形態４では、光ファイバ接続用の光ファイバコネクタ２０ａ〜２０ｄを筐体２０内に設置することを想定しているが、ＡＯＭ５ｂ、あるいは光バンドパスフィルタ１４、半導体レーザ６ｃ、６ｄ、光ミキサ１１を収納する筐体側に光ファイバコネクタ２０ａ〜２０ｄを設置して、筐体２０から光ファイバケーブル端末として取り出してもよい。

この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の２段目の光ファイバ増幅器で増幅された出力光の時間波形（取れている場合）と、同期が取れていない従来構成の出力光の時間波形を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の望遠鏡から出射されるレーザパルス光の時間波形を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置において図３の送信光で風速の測定を行ったときの受信されるＳＮ比を示す図である。この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置の別の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置の一部の構成を示す図である。

符号の説明

１基準光源、２光分波器、３パルス変調信号発生器、４遅延手段、５ａ音響光学変調器、５ｂ音響光学変調器、６ａ半導体レーザ、６ｂ半導体レーザ、６ｃ半導体レーザ、６ｄ半導体レーザ、７ａ信号光／励起光合波器、７ｂ信号光／励起光合波器、７ｃ信号光／励起光合波器、７ｄ信号光／励起光合波器、８ａ希土類添加光ファイバ、８ｂ希土類添加光ファイバ、９光サーキュレータ、１０望遠鏡、１１光ミキサ、１２受光器、１３信号処理装置、１４光バンドパスフィルタ、２０筐体。

Claims

単一周波数のレーザ光を発生する基準光源と、
前記レーザ光を信号光と局部発振光に分波する光分波器と、
駆動信号を発生するパルス変調信号発生器と、
前記駆動信号を所定時間遅延する遅延手段と、
前記パルス変調信号発生器により発生された駆動信号で前記光分波器からの信号光である連続発振レーザ光をパルス化する第１の音響光学変調器と、
前記第１の音響光学変調器の出力を増幅する第１の光ファイバ増幅器と、
前記第１の音響光学変調器と同期させた、前記遅延手段により遅延された駆動信号で前記第１の光ファイバ増幅器の出力を再パルス化する第２の音響光学変調器と、
前記第２の音響光学変調器の出力を増幅する第２の光ファイバ増幅器と、
送信光と受信光の光路を切り替える光サーキュレータと、
前記第２の光ファイバ増幅器から前記光サーキュレータを経た送信光を空間に送信レーザパルス光として出射し、出射した送信光が空間中のエアロゾルにより散乱された散乱光を受信する望遠鏡と、
前記光分波器により分波された局部発振光と前記望遠鏡から前記光サーキュレータを経た散乱光とミキシングしてビート信号へ変換する光ミキサと、
前記ビート信号を電気信号へ変換する受光器と、
前記電気信号を高速フーリエ変換して周波数の解析を行い、ドップラーシフト成分を検出して風速を求める信号処理装置とを備え、
前記パルス変調信号発生器及び第１の音響光学変調器間、前記パルス変調信号発生器及び遅延手段間、前記遅延手段及び第２の音響光学変調器間、並びに前記受光器及び信号処理装置間を除くすべての素子間は、シングルモードの光ファイバで接続され、
前記第１の光ファイバ増幅器は、
シングルモードの励起光を出力する第１の半導体レーザと、
前記第１の音響光学変調器の出力である信号光と前記第１の半導体レーザにより出力された励起光を合波する第１の信号光／励起光合波器と、
第１の希土類が添加され、前記第１の音響光学変調器の出力を増幅する第１の希土類添加光ファイバとから構成され、
前記第２の光ファイバ増幅器は、
波長１４８０ｎｍ帯のシングルモードの励起光を出力する第２の半導体レーザと、
前記第２の音響光学変調器の出力である信号光と前記第２の半導体レーザにより出力された励起光を合波する第２の信号光／励起光合波器と、
前記第１の希土類の添加濃度よりも大きい濃度で第２の希土類が添加され、コア径が前記第１の希土類添加光ファイバよりも大きく、かつファイバ長が前記第１の希土類添加光ファイバよりも短く、前記第２の音響光学変調器の出力を増幅する第２の希土類添加光ファイバとから構成されている
ことを特徴とする光波レーダ装置。
前記第２の音響光学変調器と前記第２の光ファイバ増幅器の間に挿入され、前記第１の光ファイバ増幅器で発生した自然放出光を遮断する光バンドパスフィルタをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光波レーダ装置。
単一周波数のレーザ光を発生する基準光源と、
前記レーザ光を信号光と局部発振光に分波する光分波器と、
駆動信号を発生するパルス変調信号発生器と、
前記パルス変調信号発生器により発生された駆動信号で前記光分波器からの信号光である連続発振レーザ光をパルス化する音響光学変調器と、
前記音響光学変調器の出力を増幅する第１の光ファイバ増幅器と、
前記第１の光ファイバ増幅器で発生した自然放出光を遮断する光バンドパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタの出力を増幅する第２の光ファイバ増幅器と、
送信光と受信光の光路を切り替える光サーキュレータと、
前記第２の光ファイバ増幅器から前記光サーキュレータを経た送信光を空間に送信レーザパルス光として出射し、出射した送信光が空間中のエアロゾルにより散乱された散乱光を受信する望遠鏡と、
前記光分波器により分波された局部発振光と前記望遠鏡から前記光サーキュレータを経た散乱光とミキシングしてビート信号へ変換する光ミキサと、
前記ビート信号を電気信号へ変換する受光器と、
前記電気信号を高速フーリエ変換して周波数の解析を行い、ドップラーシフト成分を検出して風速を求める信号処理装置とを備え、
前記パルス変調信号発生器及び音響光学変調器間、並びに前記受光器及び信号処理装置間を除くすべての素子間は、シングルモードの光ファイバで接続され、
前記第１の光ファイバ増幅器は、
シングルモードの励起光を出力する第１の半導体レーザと、
前記音響光学変調器の出力である信号光と前記第１の半導体レーザにより出力された励起光を合波する第１の信号光／励起光合波器と、
第１の希土類が添加され、前記音響光学変調器の出力を増幅する第１の希土類添加光ファイバとから構成され、
前記第２の光ファイバ増幅器は、
波長１４８０ｎｍ帯のシングルモードの励起光を出力する第２の半導体レーザと、
前記光バンドパスフィルタの出力である信号光と前記第２の半導体レーザにより出力された励起光を合波する第２の信号光／励起光合波器と、
前記第１の希土類の添加濃度よりも大きい濃度で第２の希土類が添加され、コア径が前記第１の希土類添加光ファイバよりも大きく、かつファイバ長が前記第１の希土類添加光ファイバよりも短く、前記光バンドパスフィルタの出力を増幅する第２の希土類添加光ファイバとから構成されている
ことを特徴とする光波レーダ装置。
前記基準光源は、波長１．５μｍ帯の連続発振ファイバレーザであり、
前記第１の希土類添加光ファイバは、エルビウムがコア内に添加されたシングルモードファイバであり、
前記第２の希土類添加光ファイバは、エルビウム添加濃度が前記第１の希土類添加光ファイバよりも大きく、エルビウムとイッテルビウムがコア内に共添加されたシングルモードファイバである
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の光波レーダ装置。
前記第２の光ファイバ増幅器を構成する要素のうち第２の信号光／励起光合波器、及び第２の希土類添加光ファイバと、前記光サーキュレータと、前記望遠鏡とを同一の筐体に収納し、且つこれら以外の構成要素を前記筐体と分離した別筐体に収納する
ことを特徴とする請求項１又は３記載の光波レーダ装置。