JP6223644B1 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
誘導ブリルアン散乱は、入射されたパルス光によって音響波であるフォノンが発生し、発生したフォノンによって伝送路である光ファイバの伝送方向に周期的な屈折率の変調が誘発される際に生じる現象である。
誘導ブリルアン散乱は、この屈折率の変調が、あたかも伝送路上に回折格子が設置された場合と同様の作用を施す結果、入射されたパルス光が伝搬方向に対して後方に散乱される現象である。
このため、レーザレーダ装置の出力パワーが制限されることがある。
このため、周波数差が100MHzよりも大きいN個のパルス光が同時に光高出力増幅器に入射される場合には、各々の波長のパルス光の光パワーを、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えない範囲で高めることができる。その結果、周波数差が100MHzよりも大きいN個のパルス光が同時に光高出力増幅器に入射される場合、1つのパルス光が入射される場合と比べて、レーザレーダ装置の出力パワーをN倍にすることができる。
以下の特許文献1には、周波数差が100MHzよりも大きいN個のパルス光が同時に光高出力増幅器に入射されるようにしているレーザレーダ装置が開示されている。
具体的には、以下の通りである。
光ヘテロダイン受信機の飽和を回避するため、光ヘテロダイン受信機に入射される後方散乱光の最大パワーが規定されている。SNRを最大化するには、光ヘテロダイン受信機が光ヘテロダイン検波を実施する際に用いる局部発振光を規定されている最大パワーに近い値に設定する必要がある。ただし、誘導ブリルアン散乱の影響を回避するために、複数の波長のパルス光を用いる場合には、光ヘテロダイン受信機が、複数の波長の後方散乱光を光ヘテロダイン検波する際の飽和を避ける必要がある。このため、1波長当りの局部発振光の光パワーを波長数分の1に設定する必要がある。
この結果、1波長当りの局部発振光の光パワーが低下するため、1波長当りのSNRが低下してしまうという課題があった。
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図1において、基準光源1は単一周波数の送信種光を発振し、その送信種光を伝送路OF1に出力する光源である。
伝送路OF1は基準光源1から出力された送信種光を光路分岐カプラ2に伝送する光ファイバである。
光路分岐カプラ2は基準光源1から伝送路OF1に出力された送信種光を2つに分岐して、分岐した一方の送信種光を伝送路OF2に出力し、分岐した他方の送信種光を局部発振光として伝送路OF3に出力する。
伝送路OF2は光路分岐カプラ2から出力された送信種光をパラレル光位相変調器6に伝送する光ファイバである。伝送路OF3は光路分岐カプラ2から出力された局部発振光を光路合波カプラ12に伝送する光ファイバである。
第1の信号発生器4はN個の鋸波信号発生器4−1〜4−Nを備えており、同期信号発生器3から出力された同期信号に同期して、光位相変調器6−1〜6−Nを駆動する駆動信号として、鋸波信号sw1〜swNを発生する信号発生器である。
鋸波信号発生器4−n(n=1,2,3,・・・,N)は信号波形WF01のような鋸波信号sw1〜swNを光位相変調器3−nに出力する信号発生器である。
鋸波信号swnは、光強度変調器7から出力されるパルス光のON期間(振幅がゼロでない期間)では、周期が1/fofs_n、振幅が2×Vπの信号である。また、鋸波信号swnは、パルス光の振幅がゼロの期間であるOFF期間では、振幅がゼロの信号である。fofs_nはオフセット周波数である。Vπはパラレル光位相変調器6に180度の位相変化を付与するために必要な駆動電圧である。
鋸波信号発生器4−1〜4−Nには、オフセット周波数fofs_1〜fofs_Nの周波数間隔が、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きくなるようなオフセット周波数fofs_1〜fofs_Nが設定されている。
第2の信号発生器5は同期信号発生器3から出力された同期信号に同期して、光強度変調器7を駆動する駆動信号を発生する信号発生器である。この駆動信号は、信号波形WF02のような矩形波形の信号である。
光位相変調器6−n(n=1,2,3,・・・,N)は鋸波信号発生器4−nから出力された鋸波信号swnに基づいて、分岐された1つの送信種光にオフセット周波数fofs_nを付与し、オフセット周波数付与後の送信種光を伝送路OF4に出力する。
伝送路OF4は光位相変調器6−1〜6−Nから出力されたオフセット周波数付与後の送信種光を光強度変調器7に伝送する光ファイバである。
光強度変調器7では、オフセット周波数付与後の送信種光が、パルス繰り返し周波数がfprf[kHz]、パルス幅がON期間Δtであるパルス光に変調される。
伝送路OF5は光強度変調器7から出力されたパルス光を光高出力増幅器9に伝送する光ファイバである。
この場合、光強度変調器7が基準光源1から出力された送信種光をパルス光に変調し、パラレル光位相変調器6が変調されたパルス光を分岐してから、分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与し、オフセット周波数付与後の複数のパルス光を光高出力増幅器9に出力する。
光高出力増幅器9は例えば希土類であるエルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、ネオジウム(Nd)などが添加されている光ファイバ増幅器である。光ファイバ増幅器は、増幅媒体の蓄積作用を利用して、伝送路OF6からのパルス光のOFF期間に蓄積したエネルギーをパルス光のON期間に開放することで、パルス光を増幅する。
伝送路OF6は光高出力増幅器9から出力されたパルス光を光サーキュレータ10に伝送する光ファイバである。
伝送路OF7は光サーキュレータ10から出力されたパルス光を光アンテナユニット11に伝送する一方、光アンテナユニット11からから出力された後方散乱光を光サーキュレータ10に伝送する光ファイバである。
伝送路OF8は光サーキュレータ10から出力された後方散乱光を光路合波カプラ12に伝送する光ファイバである。
また、光アンテナユニット11は、パルス光を空間に放射した後、空間に存在している散乱対象によって後方散乱されたパルス光の後方散乱光を受信し、後方散乱光を伝送路OF7に出力する光アンテナを有している。
パルス光を放射する光アンテナと、後方散乱光を受信する光アンテナとが光アンテナユニット11内に別々に設けられていてもよいし、共通化されていてもよい。
散乱対象は、例えば、風速と同じ速度で移動するエアロゾルであり、後方散乱光は、散乱対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトfDopを受ける。
光ヘテロダイン受信機13は光路合波カプラ12により周波数が変換された後方散乱光を光ヘテロダイン検波することで、後方散乱光と局部発振光の差周波数を有するビート信号を出力する受信機である。
バンドパスフィルタ14は光ヘテロダイン受信機13から出力されたビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、その信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されている電気的なフィルタである。
信号処理器16はADC15によりデジタル信号に変換されたビート信号を分析する処理器である。
基準光源1は、単一周波数の送信種光を連続発振し、定偏光で送信種光を伝送路OF1に出力する。
光路分岐カプラ2は、基準光源1から伝送路OF1に出力された送信種光を受けると、送信種光の偏光状態を維持したまま、送信種光を2つに分岐する。
光路分岐カプラ2は、分岐した一方の送信種光を伝送路OF2に出力し、分岐した他方の送信種光を局部発振光として伝送路OF3に出力する。
光路分岐カプラ2から伝送路OF2に出力された送信種光は、パラレル光位相変調器6の内部でN分岐され、N分岐された各々の送信種光が光位相変調器6−1〜6−Nに入力される。
第1の信号発生器4の鋸波信号発生器4−1〜4−Nは、同期信号発生器3から同期信号を受けると、その同期信号に同期して、光位相変調器6−1〜6−Nを駆動する駆動信号として、鋸波信号sw1〜swNを発生する。
鋸波信号発生器4−n(n=1,2,3,・・・,N)により発生される鋸波信号swnは、光強度変調器7から出力されるパルス光のON期間では、周期が1/fofs_n、振幅が2×Vπの信号である。また、鋸波信号swnは、光強度変調器7から出力されるパルス光のOFF期間では、振幅がゼロの信号である。fofs_nはオフセット周波数である。
光高出力増幅器9又は伝送路OF6,OF7で発生する誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅は、10〜100MHz程度であることが知られている。光高出力増幅器9に入射される複数のパルス光の周波数間隔が100MHzよりも大きければ、光高出力増幅器9において、各々の波長のパルス光の光パワーを誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えない範囲で高めることができる。
このため、この実施の形態1では、オフセット周波数fofs_1〜fofs_Nの周波数間隔が、200MHz以上確保されるように、オフセット周波数fofs_1〜fofs_Nが設定されている。
オフセット周波数fofs_1〜fofs_Nの周波数間隔を100MHz以上確保すれば、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるが、SNRを高める目的で、100MHzの通過帯域と100MHzの遮断帯域とが交互に設定されているバンドパスフィルタ14を設けているため、200MHz以上確保している。
式(1)において、fnyqはADC15による標本化におけるナイキスト周波数(=サンプリング周波数/2)である。
例えば、パラレル光位相変調器6に実装されている光位相変調器6−1〜6−Nの個数Nが3であるとすれば、オフセット周波数fofs_1〜fofs_3は、以下の式(2)のように表される。
鋸波信号発生器4−1〜4−3から光位相変調器6−1〜6−3に出力される鋸波信号sw1〜sw3は、図2に示すように、初期位相が一致している。
オフセット周波数fofs_1は鋸波信号sw1に対応し、オフセット周波数fofs_2は鋸波信号sw2に対応し、オフセット周波数fofs_3は鋸波信号sw3に対応している。
即ち、光位相変調器6−n(n=1,2,3,・・・,N)は、鋸波信号発生器4−nから出力された鋸波信号swnに基づいて、分岐された1つの送信種光にオフセット周波数fofs_nを付与し、オフセット周波数付与後の送信種光を伝送路OF4に出力する。
パラレル光位相変調器6から伝送路OF4に出力されたN個の送信種光は、周波数間隔が200MHz以上のオフセット周波数fofs_1〜fofs_Nが付与されているため、N個の送信種光の周波数間隔は、200MHz以上になっている。
光強度変調器7は、第2の信号発生器5から出力された駆動信号で駆動され、パラレル光位相変調器6から伝送路OF4に出力されたN個のオフセット周波数付与後の送信種光をパルス光に変調して伝送路OF5に出力する。
光強度変調器7では、N個のオフセット周波数付与後の送信種光を、パルス繰り返し周波数がfprf[kHz]、パルス幅がON期間Δtであるパルス光に変調する。
なお、図1のレーザレーダ装置が、風計測ライダ装置として用いられる場合、例えば、光周波数νとして195THz、パルス繰り返し周波数fprfとして数kHz〜数10kHz、パルス幅Δtとして数100nsec〜数μsecが用いられる。また、オフセット周波数としてfofs_1=150MHz、fofs_2=350MHz、fofs_3=550MHzが用いられ、ナイキスト周波数fnyqとして100MHzが用いられる。
光高出力増幅器9は、例えば希土類であるエルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、ネオジウム(Nd)などが添加されている光ファイバ増幅器である。このため、光高出力増幅器9は、増幅媒体の蓄積作用を利用して、伝送路OF6からのパルス光のOFF期間に蓄積したエネルギーをON期間に開放することで、パルス光を増幅する。
この実施の形態1では、オフセット周波数fofs_1〜fofs_Nの周波数間隔が200MHz以上であるため、N個のパルス光の周波数間隔が、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅である100MHz以上の周波数差となっている。
このため、光高出力増幅器9の出力パワーをN倍に高めることが可能である。
光アンテナユニット11が有する光アンテナは、光サーキュレータ10から伝送路OF7に出力されたN個のパルス光のビーム径を拡大して、N個のパルス光を所定方向の空間に放射する。
光アンテナから空間に放射されたN個のパルス光は、空間に存在している散乱対象によって後方散乱される。散乱対象は、例えば、風速と同じ速度で移動するエアロゾルである。
図3において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。
図3の横軸における目盛は、基準光源1の周波数νを起点にして、ナイキスト周波数fnyqを刻みとして記載している。
光位相変調器6−1によりオフセット周波数fofs_1が付与されたパルス光のスペクトルSPTX1は、周波数(fnyq+ν)と周波数(2×fnyq+ν)との中間の周波数に位置している。
光位相変調器6−2によりオフセット周波数fofs_2が付与されたパルス光のスペクトルSPTX2は、周波数(3×fnyq+ν)と周波数(4×fnyq+ν)との中間の周波数に位置している。
また、光位相変調器6−3によりオフセット周波数fofs_3が付与されたパルス光のスペクトルSPTX3は、周波数(5×fnyq+ν)と周波数(6×fnyq+ν)との中間の周波数に位置している。
スペクトルSPTX1,SPTX2,SPTX3の周波数fTX1,fTX2,fTX3は、以下の式(3)のように表される。
スペクトルSPTX1’,SPTX2’,SPTX3’の周波数fTX1’,fTX2’,fTX3’は、以下の式(4)のように表される。
図3では、光アンテナから放射されるパルス光の放射方向に対して向い風が吹いている状況を想定して、パルス光が正方向にシフトしている例を示しているが、パルス光の放射方向に対して追い風が吹いている状況では、パルス光が負方向にシフトする。
したがって、風速によって位置がシフトされているスペクトルSPTX1’,SPTX2’,SPTX3’の存在範囲は、それぞれ周波数軸上で限定された範囲fwTX1,fwTX2,fwTX3になる。
式(5)において、cは光速である。
例えば、視線方向の最大風速±VLOS_MAXが38m/s、基準光源1の周波数νが195THzであれば、ナイキスト周波数fnyq≧98.8MHzのように計算されるため、ナイキスト周波数fnyqは約100MHzに設定される。
散乱対象によって後方散乱された後方散乱光は、光アンテナから放射されるパルス光のOFF期間に光アンテナによって連続的に受信される。
光アンテナから散乱対象までの距離Lm(i)に対応する後方散乱光の受信期間は時間幅Δtであり、光アンテナからパルス光が放射されてから後方散乱光が受信されるまでの時間tm(i)は、以下の式(6)のように表される。iはi番目の距離レンジを示すパラメータである。
光路合波カプラ12は、光サーキュレータ10から伝送路OF8に出力された後方散乱光に光路分岐カプラ2から伝送路OF3に出力された局部発振光を合波することで、当該後方散乱光の周波数を変換する。
光ヘテロダイン受信機13は、光路合波カプラ12により周波数が変換された後方散乱光を光ヘテロダイン検波することで、後方散乱光と局部発振光の差周波数を有するビート信号をバンドパスフィルタ14に出力する。光ヘテロダイン受信機13から出力されるビート信号は電気信号である。
この実施の形態1では、光ヘテロダイン受信機13から連続的に出力されるビート信号のうち、i番目の距離レンジに対応する後方散乱光の受信期間でのビート信号について説明するが、i番目以外の距離レンジのビート信号についても同様に取り扱われる。
図4において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。
図4の横軸における目盛は、ナイキスト周波数fnyqを刻みとして記載している。
図4Aは光ヘテロダイン受信機13により検波されたビート信号のスペクトルを示し、図4Bはバンドパスフィルタ14に設定されている通過帯域及び遮断帯域を示している。また、図4CはADC15によるアンダーサンプリング後のビート信号のスペクトルを示している。
また、光ヘテロダイン受信機13から出力されるビート信号のスペクトルSPRX3は、パルス光のスペクトルSPTX3’に対応している。
周波数fRX1,fRX2,fRX3は、以下の式(7)のように、パルス光のスペクトルSPTX1’,SPTX2’,SPTX3’の周波数から局部発振光の周波数νを減じた周波数となる。
したがって、ビート信号のスペクトルSPRX1,SPRX2,SPRX3の存在範囲は、それぞれ周波数軸上で限定された範囲fwRX1,fwRX2,fwRX3になる。
また。バンドパスフィルタ14は、スペクトルSPRX1,SPRX2,SPRX3の周波数fRX1,fRX2,fRX3を含まない周波数帯域が遮断帯域Stopに設定されている。
バンドパスフィルタ14に設定されている通過帯域Pass#1,#2,#3及び遮断帯域Stopは、例えば、図4Bのように設定されている。
Pass#1=1×fnyq〜2×fnyq
Pass#2=3×fnyq〜4×fnyq
Pass#3=5×fnyq〜6×fnyq
図4には記載していないが、通過帯域Pass#Nは、以下の通りである。
Pass#N=(2×N−1)×fnyq〜(2×N)×fnyq
一方、ビート信号のスペクトルSPRX1,SPRX2,SPRX3が存在していないバンドパスフィルタ14の遮断帯域Stop内の雑音成分は、バンドパスフィルタ14で遮断されるため、ADC15に入力されない。
ADC15によるアンダーサンプリングによって、サンプリング周波数2×fnyqの2分の1であるナイキスト周波数fnyq以上の信号は、周波軸上で折り返される。
例えば、バンドパスフィルタ14を通過してきたビート信号のスペクトルSPRX1は、ADC15によって周波軸上で1回折り返されるため、図4Cに示すように、スペクトルSPASに周波数変換される。スペクトルSPRX1の変換後の周波数fIF1であるスペクトルSPASの周波数fIFは、以下の式(8)のように表される。
なお、スペクトルSPASの存在範囲は、周波数軸上で周波数0〜fnyqの範囲に限定される。
図4Cにおいて、スペクトルSPAS,0は、風速がゼロである場合のビート信号のスペクトルSPRX1,0,SPRX2,0,SPRX3,0がADC15によって周波数変換されたスペクトルである。
なお、ビート信号のスペクトルSPRXn(n=1,2,・・・,N)は、ADC15によって周波軸上で(2×N−1)回折り返される。
図5Aはオフセット周波数fofs_1が付与されているスペクトルがSPRX1であるビート信号を示し、実線が変換前のビート信号、破線が変換後のビート信号である。
図5Bはオフセット周波数fofs_2が付与されているスペクトルがSPRX2であるビート信号を示し、実線が変換前のビート信号、破線が変換後のビート信号である。
図5Cはオフセット周波数fofs_3が付与されているスペクトルがSPRX3であるビート信号を示し、実線が変換前のビート信号、破線が変換後のビート信号である。
図5DはADC15により周波数が変換された後のスペクトルがSPAS(周波数変換後のSPRX1AS,SPRX2,SPRX3)であるビート信号を示している。
また、N個のパルス光は、同一の観測空間(方位、仰角及びビーム径が同一)を伝搬され、かつ、観測空間内の同一の観測対象であるエアロゾルに同時刻で散乱を受けるため、同一のドップラ周波数シフトfDopを受ける。
同一のエアロゾルによって散乱された後方散乱光は、光アンテナユニット11の光アンテナで同時刻に受信され、同一の伝送路OF7,OF8を伝送される。このため、光ヘテロダイン受信機13からビート信号のスペクトルSPRX1,SPRX2,SPRX3が、同位相で出力される。
したがって、ADC15により周波数が変換された後のスペクトルSPRX1AS,SPRX2,SPRX3(=SPAS)は、図5に示すように、同位相となる。
同位相でコヒーレントに加算されたN個のスペクトルSPASの振幅は、1つの波長のパルス光を放射する場合の振幅のN倍になる。
一方、バンドパスフィルタ14の通過帯域Pass#1,#2,#3に含まれている雑音成分は、インコヒーレントに加算されるため、1つの波長のパルス光を放射する場合の振幅の√N倍になる。雑音成分はショット雑音が主な成分である。
したがって、SNRである信号成分/雑音成分は、1つの波長のパルス光を放射する場合と比べて、√N倍=N/√Nに改善される。
信号処理器16は、時間ゲート幅で分割した各々のデジタルデータを高速フーリエ変換することで、周波数領域の信号であるパワースペクトルを得る。
信号処理器16は、事前に設定された回数N_INTだけパワースペクトルを得ると、それらのパワースペクトルにおける同一周波数の成分同士を加算することで、複数のパワースペクトルを積算する。
信号処理器16は、複数のパワースペクトルを積算すると、積算後のパワースペクトルを分析する。
信号処理器16は、積算後のパワースペクトルを分析する前に、パワースペクトルのフロアオフセット値を、事前に光アンテナを遮光した状態で測定しておいた雑音スペクトルフロアデータを用いて補正するようにしてもよい。
時系列のデジタルデータが分割された後の各々の時間ゲートのデジタルデータは、計測距離に対応するため、計測距離毎の視線方向の風速に対応したドップラ周波数の分布を得ることができる。
なお、信号処理器16が光アンテナユニット11の光アンテナから放射されるパルス光の放射方向を切り替える機能を有する場合、信号処理器16は、パルス光の放射方向を切り替えることで、各々の放射方向に対するエアロゾルまでの距離及び風速を計測することができる。また、信号処理器16は、各々の放射方向に対する距離及び風速の計測値を用いるベクトル演算を行えば、風速の3次元分布の推定、計測距離毎の風向風速分布の算出などを行うことができる。
信号処理器16によるパワースペクトルの分析結果は、信号処理器16のデータ蓄積部に格納されるほか、図示せぬ表示器などに表示される。
例えば、光強度変調器7として、マッハツェンダー(MZ:Mach Zehnder)型のLN(Lithium Niobate)変調器、EA(Electro Absorption)変調器などの強度変調器のほか、半導体光増幅器、光ファイバ増幅器などの光増幅器、MEMS(Micro Electro Mechanical System)光スイッチなどの光スイッチなどが考えられる。
例えば、光高出力増幅器9として、基準光源1から発生される送信種光の光周波数νが195THz(波長1.5μm)であれば、エルビウムなどの希土類が添加されている光ファイバ増幅器のほか、エルビウム及びガラスのロッド型、ディスク型、平面導波路型などの増幅器、ラマン増幅器などが考えられる。
このとき、光強度変調器7として、半導体光増幅器を用いることで、基準光源1、光路分岐カプラ2及び半導体光増幅器である光強度変調器7が一体化されているデジタルコヒーレント通信用の集積可変波長レーザモジュール(ITLA:Integrable Tunable Laser Assembly)を用いることができる。これにより、部品点数が低減されるため、小型化及び低コスト化を図ることができる。
バンドパスフィルタ14として、アクティブフィルタを用いる場合、ビート信号の信号レベルを、後段のADC15で必要な信号レベルまで増幅するようにしてもよい。
第2の信号発生器5が発生する駆動信号としては、信号波形WF02のような矩形波形の信号に限るものではなく、例えば、立ち上がりが緩やかな鋸波状の波形の信号であってもよい。
第2の信号発生器5が発生する駆動信号が、立ち上がりが緩やかな鋸波状の波形の信号であれば、光高出力増幅器9による非線形光学効果の発生を抑えることができる。
これらを実装する基板としては、シリコン、リン化インジウム(InP:Indium Phosphide)、 有機ポリマなどが用いられている基板が考えられる。
同一の基板上に実装されることで、部品点数の低減による低コスト化、高信頼化のほかに、集積実装による小型化の効果が得られる。
上記実施の形態1では、パラレル光位相変調器6が光位相変調器6−1〜6−Nを備えている例を示したが、パラレル光位相変調器6が光路分岐カプラ21、進行波形型光変調器であるデュアルMZ変調器22−1〜22−M及び光合波カプラ23を備えるようにしてもよい。
光路分岐カプラ21は光路分岐カプラ2から伝送路OF2に出力された送信種光をN分岐し、分岐した送信種光をデュアルMZ変調器22−1〜22−Mに出力する。
デュアルMZ変調器22−m(m=1,2,3,・・・,M)は鋸波信号発生器4−nから出力された鋸波信号に基づいて、分岐された1つの送信種光にオフセット周波数を付与し、オフセット周波数付与後の送信種光を伝送路OF4に出力する。
ただし、N=2×M(Mは自然数)である。このため、デュアルMZ変調器22−mは、鋸波信号発生器4−(2×m−1)から出力された鋸波信号sw(2×m−1)に基づいて、分岐された1つの送信種光にオフセット周波数fofs_(2×m−1)を付与する。また、デュアルMZ変調器22−mは、鋸波信号発生器4−(2×m)から出力された鋸波信号sw(2×m)に基づいて、分岐された1つの送信種光にオフセット周波数fofs_(2×m)を付与する。
光合波カプラ23はデュアルMZ変調器22−1〜22−Mから出力されたオフセット周波数付与後の送信種光を合波する。
この実施の形態2では、光通信分野で広く利用されているデュアルMZ変調器22−1〜22−Mを用いているので、パラレル光位相変調器6の量産による低コスト化、入手性の向上、信頼性の向上の効果が得られる。
これらを実装する基板としては、シリコン、リン化インジウム、 有機ポリマなどが用いられている基板が考えられる。
同一の基板上に実装されることで、部品点数の低減による低コスト化、高信頼化のほかに、集積実装による小型化の効果が得られる。
上記実施の形態1,2では、1つの光アンテナユニット11を備えている例を示したが、複数の光アンテナユニット11を備えるようにしてもよい。
可変波長基準光源31はL(Lは2以上の整数)個の波長のうち、波長切換器32から出力される波長指定信号が示す波長の送信種光を発振する光源である。
L個の波長は、光高出力増幅器9における利得帯域範囲内の波長であり、また、波長分離器34における入出力ポートを通過することが可能な帯域内の波長である。
波長切換器32は信号処理器33から出力される制御信号に基づいて可変波長基準光源31により発振される送信種光の波長を切り換える切換器である。
信号処理器33は図1の信号処理器16と同様に、ADC15によりデジタル信号に変換されたビート信号を分析するほか、波長切換器32の制御を行う。
また、波長分離器34は光サーキュレータ10から出力されたN個のパルス光の波長が光アンテナユニット11−Lに対応する波長であれば、N個のパルス光を光アンテナユニット11−Lに出力する。
波長分離器34としては、例えば、ITU−TG.691勧告に準拠しているITUグリッドと呼ばれる波長の間隔で複数の入出力ポートが割り当てられている波長分離カプラ又はアレイ導波路グレーティング(AWG:Array Waveguide Gratings)を用いることができる。
可変波長基準光源31、波長切換器32、信号処理器33、波長分離器34及び光アンテナユニット11−1〜11−L以外は、上記実施の形態1と同様であるため、ここでは、可変波長基準光源31、波長切換器32、信号処理器33、波長分離器34及び光アンテナユニット11−1〜11−Lの動作だけを説明する。
波長切換器32は、信号処理器33から出力される制御信号に基づいて可変波長基準光源31により発振される送信種光の波長の切り換えを行う。
具体的には、波長切換器32は、可変波長基準光源31からL個の波長の送信種光が順番に発振されるように、送信種光の波長を指定する波長指定信号を可変波長基準光源31に出力する。
可変波長基準光源31は、L個の波長のうち、波長切換器32から出力される波長指定信号が示す波長の送信種光を発振し、送信種光を光路分岐カプラ2に出力する。
波長分離器34は、N個のパルス光の波長が光アンテナユニット11−2に対応する波長であれば、N個のパルス光を光アンテナユニット11−2に出力し、N個のパルス光の波長が光アンテナユニット11−Lに対応する波長であれば、N個のパルス光を光アンテナユニット11−Lに出力する。
光アンテナユニット11−1〜11−Lが有する光アンテナは、N個のパルス光を空間に放射した後、空間に存在している散乱対象によって後方散乱されたパルス光の後方散乱光を受信して、後方散乱光を波長分離器34に出力する。
波長分離器34は、光アンテナユニット11−1〜11−Lから出力された後方散乱光を光サーキュレータ10に出力する。
信号処理器33は、図1の信号処理器16と同様に、ADC15から出力されたデジタル信号を分析する。
(a)光アンテナユニット11−1〜11−Lが有する光アンテナの方位角が同一角度のまま、複数の光アンテナを離間して設置する。
(b)光アンテナユニット11−1〜11−Lが有する光アンテナを近接配置しつつ、一定の仰角で方位角が等間隔となるように、複数の光アンテナを設置する。
(c)光アンテナユニット11−1〜11−Lが有する光アンテナを近接配置しつつ、一定の方位角で仰角が等間隔となるように、複数の光アンテナを設置する。
(d)光アンテナユニット11−1〜11−Lが有する光アンテナを近接配置しつつ、各々の出射指向角が円錐状になるように、複数の光アンテナを設置する。
複数の光アンテナを上記の(b)のように設置した場合、平面位置表示(PPI:Plan Position Indicator)方式での風速分布を計測することが可能になる。
複数の光アンテナを上記の(c)のように設置した場合、距離高度表示(RHI:Range Height Indicator)方式での風速分布を計測することが可能になる。
複数の光アンテナを上記の(d)のように設置した場合、VAD(Velocity Azimuth Display)方式による3次元の風速ベクトル及び風向・風速・鉛直風を計測することが可能になる。
また、可変波長基準光源31の機能と、光路分岐カプラ2の機能とを備えている2出力型の集積可変波長レーザ(2出力ITLA)を用いるようにしてもよい。これにより、部品点数が低減するため、低コスト化と高信頼性化を図ることができる。
これらを実装する基板としては、シリコン、リン化インジウム、 有機ポリマなどが用いられている基板が考えられる。
同一の基板上に実装されることで、部品点数の低減による低コスト化、高信頼化のほかに、集積実装による小型化の効果が得られる。
Claims (8)
- 送信種光を分岐し、前記分岐した複数の送信種光に異なるオフセット周波数を付与してから、前記複数の送信種光のそれぞれをパルス光に変調して出力、あるいは、送信種光をパルス光に変調して、当該パルス光を分岐し、前記分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与してから、前記複数のパルス光を出力する変調器と、
前記変調器から出力された複数のパルス光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅された複数のパルス光を空間に放射し、前記放射した複数のパルス光の後方散乱光を受信する光アンテナと、
前記光アンテナにより受信された複数の後方散乱光からビート信号をそれぞれ検波する受信機と、
前記受信機により検波された複数のビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、前記信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているフィルタと、
前記フィルタを通過してきたビート信号をサンプリング周波数で標本化する変換器と
を備えたレーザレーダ装置。 - 前記変調器は、前記光増幅器に出力する複数のパルス光の周波数間隔が、前記光増幅器又は前記光増幅器から前記光アンテナに至る伝送路で発生する誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きくなるオフセット周波数を付与することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 前記変調器は、前記分岐した送信種光又は前記分岐したパルス光にオフセット周波数を付与する複数の光位相変調器を備えており、
前記複数の光位相変調器は、互いに異なるオフセット周波数を付与することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記変調器は、前記分岐した送信種光又は前記分岐したパルス光にオフセット周波数を付与する複数の進行波形型光変調器を備えており、
前記複数の進行波形型光変調器は、互いに異なるオフセット周波数を付与することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 単一周波数の送信種光を発振する基準光源を備え、
前記基準光源により発振された送信種光が前記変調器に出力されることを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記変換器により標本化されたビート信号を分析する信号処理器を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 複数の波長のうち、いずれか1つの波長の送信種光を発振する可変波長基準光源と、
前記可変波長基準光源により発振される送信種光の波長を切り換える波長切換器と、
前記光増幅器により増幅された複数のパルス光の波長を分離する波長分離器とを備え、
前記光アンテナは、前記波長切換器により切り換えられる波長の数分用意されており、各々の光アンテナは、前記波長分離器により分離されたいずれか1つの波長のパルス光を空間に放射することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記変調器の一部又は全部と前記受信機とが同一の基板上に実装されていることを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
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