JP6250197B1 - Laser radar equipment - Google Patents
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Abstract
送信光と異なる波長の参照光を発振する参照光源(113)と、発振された参照光を光ファイバ(206)の一端に結合する光合波カプラ(114)と、送信光及び参照光を同じ方向から出射する送受分離部(106)と、光ファイバ(206)と送受分離部(106)との間に配置され、通過する光の光軸を調整する光軸調整機構(109)と、送信光の一部及び参照光の少なくとも一部を透過する部分反射ミラー(108)と、部分反射ミラー(108)を透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する光軸角度ずれ検出部(115)と、光軸角度ずれ検出部(115)により検出された光軸角度ずれ量に基づき、光軸調整機構(109)を制御する制御部(116)とを備えた。A reference light source (113) that oscillates reference light having a wavelength different from that of the transmission light, an optical multiplexing coupler (114) that couples the oscillated reference light to one end of the optical fiber (206), and the transmission light and the reference light in the same direction A transmission / reception separating unit (106) emitted from the optical fiber (206) and the transmission / reception separating unit (106), an optical axis adjusting mechanism (109) for adjusting the optical axis of light passing therethrough, and transmission light And a partial reflection mirror (108) that transmits at least a part of the reference light, and an optical axis angle deviation detection that detects an optical axis angle deviation amount between the transmission light and the reference light that has passed through the partial reflection mirror (108). Unit (115) and a control unit (116) for controlling the optical axis adjustment mechanism (109) based on the optical axis angular deviation amount detected by the optical axis angular deviation detection unit (115).
Description
この発明は、送信光を照射して目標により散乱された受信光を受信するレーザレーダ装置に関する。 The present invention relates to a laser radar device that radiates transmission light and receives reception light scattered by a target.
従来のコヒーレントレーザレーダ装置では、送信光を、音響光学(AO)素子でパルス化し、EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)で増幅した後、ファイバコリメータから出射している(例えば非特許文献1参照)。 In a conventional coherent laser radar apparatus, transmission light is pulsed by an acousto-optic (AO) element, amplified by an EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), and then emitted from a fiber collimator (see, for example, Non-Patent Document 1).
一方、非特許文献1に開示されるようなコヒーレントレーザレーダ装置では、ヘテロダイン検出を行うため、受信光を光ファイバに結合させる必要がある。このとき、受信光の損失を抑制して高感度な測定を行うためには、受信光を効率良く光ファイバに結合させる必要があり、送信光の出射光軸に対して受信光学系の光軸を一致させる必要がある。光軸角度ずれがある場合、受信光の光ファイバへの結合効率が大きく低下するため、μradオーダの精度で光軸を一致させる必要がある。よって、装置組立て時での光軸調整に手間がかかる。また、振動、衝撃又は温度変化等の外乱による光軸のアライメントずれが生じ易く、装置の信頼性を高めることが難しい。 On the other hand, in a coherent laser radar device as disclosed in Non-Patent Document 1, it is necessary to couple received light to an optical fiber in order to perform heterodyne detection. At this time, in order to perform a highly sensitive measurement while suppressing the loss of the received light, it is necessary to efficiently couple the received light to the optical fiber, and the optical axis of the receiving optical system with respect to the outgoing optical axis of the transmitted light. Need to match. When there is an optical axis angle shift, the coupling efficiency of received light to the optical fiber is greatly reduced, and therefore it is necessary to match the optical axes with an accuracy of μrad order. Therefore, it takes time to adjust the optical axis when assembling the apparatus. In addition, the optical axis is likely to be misaligned due to disturbance such as vibration, impact or temperature change, and it is difficult to improve the reliability of the apparatus.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸調整を行うことができるレーザレーダ装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a laser radar device capable of easily adjusting the optical axes of transmission light and reception optical system with respect to a conventional configuration. It is an object.
この発明に係るレーザレーダ装置は、送信光を出射する送信光出射部と、送信光と異なる波長である参照光を発振する参照光源と、参照光源により発振された参照光を光ファイバにおける一端に結合する第1の光合波部と、送信光出射部における出射端に対向された入射端に入射された送信光及び光ファイバにおける他端に対向された第1の入出射端に入射された参照光を第2の入出射端から出射し、当該第2の入出射端に入射された受信光を当該第1の入出射端から出射する送受分離部と、光ファイバにおける他端と送受分離部における第1の入射射端との間、又は送信光出射部における出射端と送受分離部における入射端との間に配置され、通過する光の光軸を調整する光軸調整部と、送受分離部における第2の入出射端の光軸上に配置され、送信光の一部及び参照光の少なくとも一部を透過する部分反射ミラーと、部分反射ミラーを透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する光軸角度ずれ検出部と、光軸角度ずれ検出部により検出された光軸角度ずれ量に基づき、光軸調整部における調整量を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。 A laser radar device according to the present invention includes a transmission light emitting unit that emits transmission light, a reference light source that oscillates reference light having a wavelength different from that of the transmission light, and reference light oscillated by the reference light source at one end of the optical fiber. The first optical multiplexing unit to be coupled, the transmission light incident on the incident end opposed to the output end of the transmission light emitting unit, and the reference incident on the first incident / exit end opposed to the other end of the optical fiber A transmission / reception separating unit that emits light from the second incident / exit end, and a received light incident on the second incident / exit end, and the other end of the optical fiber and a transmission / reception separating unit. An optical axis adjustment unit that adjusts an optical axis of light passing therethrough, and a transmission / reception separation between the first incident emission end of the transmission light or between the emission end of the transmission light emission unit and the incidence end of the transmission / reception separation unit Placed on the optical axis of the second input / output end A partial reflection mirror that transmits a part of the transmission light and at least a part of the reference light, and an optical axis angle deviation detection unit that detects an optical axis angle deviation amount between the transmission light and the reference light transmitted through the partial reflection mirror; And a control unit that controls an adjustment amount in the optical axis adjustment unit based on the optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit.
この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸調整を行うことができる。 According to this invention, since it comprised as mentioned above, the optical axis adjustment of transmission light and a reception optical system can be performed simply with respect to a conventional structure.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るレーザレーダ装置の構成例を示す図である。
レーザレーダ装置は、送信光を照射して目標(例えば、大気、大気中の微粒子又はエアロゾル、飛翔体、建築物等)により散乱された受信光を受信する装置である。なお以下では、レーザレーダ装置として、受信光を用いてドップラーシフトを検出することで風速計測を行うコヒーレントドップラーライダ装置を用いる。このレーザレーダ装置は、図1に示すように、基準レーザ光源101、光分岐カプラ(光分岐部)102、光変調器103、光ファイバ増幅器104、レーザ増幅器105、送受分離部106、部分反射ミラー107、望遠鏡(送受信光学系)108、光軸調整機構(光軸調整部)109、光合波カプラ(第2の光合波部)110、光検出器111、信号処理部112、参照光源113、光合波カプラ(第1の光合波部)114、光軸角度ずれ検出部115及び制御部116を備えている。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
The laser radar device is a device that receives received light scattered by a target (for example, the atmosphere, fine particles or aerosol in the atmosphere, a flying object, a building, etc.) by radiating transmission light. In the following description, a coherent Doppler lidar device that measures wind speed by detecting Doppler shift using received light is used as the laser radar device. As shown in FIG. 1, the laser radar device includes a reference
また、基準レーザ光源101における出力端と光分岐カプラ102における入力端との間は、光ファイバ201により接続されている。また、光分岐カプラ102における第1の出力端と光変調器103における入力端との間は、光ファイバ202により接続されている。また、光分岐カプラ102における第2の出力端と光合波カプラ110における第1の入力端との間は、光ファイバ203により接続されている。また、光変調器103における出力端と光ファイバ増幅器104における入力端との間は、光ファイバ204により接続されている。また、光ファイバ増幅器104における出力端には、光ファイバ205における一端が接続されている。また、光合波カプラ114における入出力端には、光ファイバ206における一端が接続されている。また、光合波カプラ114における出力端と光合波カプラ110における第2の入力端との間は、光ファイバ207により接続されている。また、光合波カプラ110における出力端と光検出器111における入力端との間は、光ファイバ208により接続されている。また、参照光源113における出力端と光合波カプラ114における入力端との間は、光ファイバ209により接続されている。
An output end of the reference
基準レーザ光源101は、一定周波数のCW(Continuous Wave:連続波)レーザ光を基準レーザ光として発振する。この基準レーザ光源101としては、例えば、DFB(Distributed Feed−Back)ファイバレーザ又はDFB−LD(Laser Diode)を用いることができる。この基準レーザ光源101により発振された基準レーザ光は、光ファイバ201に結合されて光分岐カプラ102へ伝搬される。
The reference
光分岐カプラ102は、基準レーザ光源101により発振された基準レーザ光を2分岐する。この光分岐カプラ102により分岐された一方の基準レーザ光は、光ファイバ202に結合されて光変調器103へ伝搬される。また、光分岐カプラ102により分岐された他方の基準レーザ光は、光ファイバ203に結合されて光合波カプラ110へ伝搬される。
The
光変調器103は、光分岐カプラ102により分岐された一方の基準レーザ光(送信種光)を変調する。この際、光変調器103は、送信種光に対し、パルス化及び周波数シフトを行う。この光変調器103としては、例えば音響光学変調器(Acousto−Optic Modulator:AOM)を用いることができ、AOMを用いることで、送信種光を時間ゲートで切り出すことによるパルス化と、周波数シフトとを同時に行うことができる。この光変調器103により変調された送信種光は、光ファイバ204に結合されて光ファイバ増幅器104へ伝搬される。
The
光ファイバ増幅器104は、光変調器103により変調された送信種光を増幅する。この光ファイバ増幅器104としては、送信種光の波長帯に見合う増幅器を用いる。例えば、送信種光の波長が1.06μm帯である場合には、光ファイバ増幅器104として、Nd(Neodymium)添加ファイバ又はYb(Ytterbium)添加ファイバを使用している増幅器を用いることができる。また、例えば、送信種光の波長が1.55μm帯である場合には、光ファイバ増幅器104として、Er(Erbium)添加ファイバを使用している増幅器を用いることができる。この光ファイバ増幅器104により増幅された送信種光は、光ファイバ205に結合されてレーザ増幅器105側に出射される。
The
レーザ増幅器105は、入射端が光ファイバ205における他端(出射端)に対向され、光ファイバ増幅器104により増幅された送信種光を増幅する空間型の増幅器である。このレーザ増幅器105としては、送信種光の波長帯に見合うレーザ媒質を用いる。例えば、送信種光の波長が1.06μm帯である場合には、Nd又はYbを添加した結晶、ガラス又はセラミック等を用いることができる。また、送信種光の波長が1.55μm帯である場合には、Erを添加した結晶、ガラス又はセラミック等を用いることができる。また、レーザ媒質の形状としては、ロッド型、ディスク型又は平面導波路型の素子を用いることができる。これらの素子を用いる場合、レーザ増幅器105は、光ファイバ205から出射された送信種光をコリメータレンズ等でコリメートした後、レンズ等の光学系で集光して当該素子に入射する。また、レーザ増幅器105は、素子を通過した送信種光をコリメータレンズ等でコリメートした後、送信光として送受分離部106側に出射する。
The
なお、光ファイバ増幅器104及びレーザ増幅器105は、光変調器103により変調された基準レーザ光を増幅して送信光とする増幅器117を構成する。
また、基準レーザ光源101、光分岐カプラ102、光変調器103、光ファイバ増幅器104及びレーザ増幅器105は、送信光を出射する送信光出射部118を構成する。The
The reference
送受分離部106は、レーザ増幅器105における出射端に対向された入射端に入射された送信光及び光ファイバ206における他端に対向された第1の入出射端に入射された参照光を、第2の入出射端から出射する。また、送受分離部106は、第2の入出射端に入射された受信光を、第1の入出射端から出射する。この送受分離部106は、空間型の光学素子により構成され、偏光子と波長板又はファラデー素子との組合わせ等による光サーキュレータを用いることができる。
The transmission /
部分反射ミラー107は、送受分離部106における第2の入出射端の光軸上に配置され、送信光の一部及び参照光の少なくとも一部を透過する。この部分反射ミラー107は、送信光の波長に対して一部(数%程度)の透過率を有し、且つ、参照光の波長に対して一部又は全部(数%〜100%)の透過率を有する。なお、部分反射ミラー107の送信光の波長に対する透過率は、送信光及び受信光の損失を抑えるため、なるべく小さい方が望ましい。
The
望遠鏡108は、部分反射ミラー107により反射された送信光を大気中に向けて照射し、当該送信光に対し大気中に存在する目標(エアロゾル)により散乱された受信光を受信する。この望遠鏡108としては、例えば、照射する送信光を略平行光化でき且つ焦点距離が調整可能なコリメータを用いることができる。また、望遠鏡108は、照射する送信光の発散角を小さくし且つ受信効率を上げるため、開口が大きい方が好適である。なお、望遠鏡108は、受信した受信光を略平行光化した後、部分反射ミラー107側へ出射する。
The
光軸調整機構109は、光ファイバ206における他端と送受分離部106における第1の入出射端との間に配置され、通過する光(受信光及び参照光)の光軸を調整する。この光軸調整機構109としては、光軸の角度を変化させることが可能なウェッジプリズム又は反射ミラー等の光学素子を用いることができる。ここで、光軸調整機構109としてウェッジプリズムを用いる場合には、2個使用して、それぞれ周方向に回転させることで、ウェッジプリズムの偏角で決まる出射角度範囲内で任意の角度に光軸を変化させることができる。また、光軸調整機構109として反射ミラーを用いる場合には、1枚使用して2軸方向に角度制御を行ってもよいし、2枚使用してそれぞれ1軸方向に角度制御を行ってもよい。なお、光学素子の駆動機構としては、モータ又はピエゾ素子等を用いたアクチュエータを用いることができる。ここで、2個のウェッジプリズムを用いてモータにより回転させる構成は、簡易な構成で微小な角度制御が容易となる。また、ウェッジプリズムの偏角又はモータのステップ角は、必要な角度精度が得られるように、好適な値に設定される。この光軸調整機構109を通過した受信光は、ファイバコリメータ等の集光光学系(不図示)により集光された後、光ファイバ206に結合されて光合波カプラ114及び光ファイバ207を介して光合波カプラ110へ伝搬される。
The optical
光合波カプラ110は、光分岐カプラ102により分岐された他方の基準レーザ光(局部発振光)と、送受分離部106により出射され光軸調整機構109及び光合波カプラ114を通過した受信光とを合波(混合)する。この光合波カプラ110により合波された光は、光ファイバ208に結合されて光検出器111へ伝搬される。
The
光検出器111は、光合波カプラ110により合波された光を受光し、受信光と局部発振光とのビート信号を検出する。
The
信号処理部112は、光検出器111により検出したビート信号から目標に関する情報を抽出する。目標に関する情報としては、例えば、受信光の強度、ラウンドトリップ時間又はドップラー周波数を示す情報が挙げられる。また、信号処理部112は、抽出した目標に関する情報から、目標の運動諸元を算出する。目標の運動諸元としては、例えば、目標までの距離又は速度分布が挙げられる。
The
参照光源113は、送信光出射部118から出射される送信光と異なる波長であるレーザ光を参照光として発振する。この参照光源113としては、例えば、半導体レーザ(Laser Diode)又はDFBファイバレーザを用いることができる。ここで、参照光源113としてファイバ出力型のレーザを用いた場合には、光コネクタ接続又は光ファイバの融着接続により光合波カプラ114との接続が容易になる。この参照光源113により発振された参照光は、光ファイバ209に結合されて光合波カプラ114へ伝搬される。
The
光合波カプラ114は、参照光源113により発振された参照光を光ファイバ206における一端に結合する。
The
光軸角度ずれ検出部115は、部分反射ミラー107を透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する。この光軸角度ずれ検出部115は、例えば図2に示すように、レンズ1151、光検出素子1152及び演算部1153を有している。
The optical axis angle
レンズ1151は、入射された送信光及び参照光を集光する。
光検出素子1152は、レンズ1151により集光された送信光及び参照光を受光する2次元の光検出素子である。なお、光検出素子1152は、レンズ1151に対し、当該レンズ1151の焦点距離fだけ離れた位置に配置される。この光検出素子1152としては、例えば、4象限光検出器又はCCD等のカメラ型素子を用いることができる。ここで、光検出素子1152として4象限光検出器を用いた場合には、小型で簡易な構成とすることができる。
演算部1153は、光検出素子1152により受光された送信光及び参照光の位置から上記光軸角度ずれ量を演算する。The
The
The
制御部116は、光軸角度ずれ検出部115により検出された光軸角度ずれ量に基づいて、光軸調整機構109における調整量を制御する。
The
次に、実施の形態1に係るレーザレーダ装置の動作例について説明する。
レーザレーダ装置の動作例では、まず、基準レーザ光源101は、一定周波数のCWレーザ光を基準レーザ光として発振する。なお、コヒーレント検出の精度を高めるため、基準レーザ光のスペクトル幅はできるだけ狭線幅であることが好ましく、基準レーザ光としては例えば100kHz以下のレーザ光が好適である。この基準レーザ光源101により発振された基準レーザ光は、光ファイバ201に結合されて光分岐カプラ102へ伝搬される。Next, an operation example of the laser radar device according to the first embodiment will be described.
In the operation example of the laser radar apparatus, first, the reference
次いで、光分岐カプラ102は、基準レーザ光源101により発振された基準レーザ光を2分岐する。この光分岐カプラ102により分岐された一方の基準レーザ光は、光ファイバ202に結合されて光変調器103へ伝搬される。また、光分岐カプラ102により分岐された他方の基準レーザ光は、光ファイバ203に結合されて光合波カプラ110へ伝搬される。
Next, the optical branching
次いで、光変調器103は、光分岐カプラ102により分岐された一方の基準レーザ光(送信種光)を変調する。この際、光変調器103は、送信種光に対し、パルス化及び周波数シフトを行う。なお、周波数シフトで付加される中間周波数は、通常、数10〜数100MHz程度の周波数であり、レーザレーダ装置として好適な値が選定される。この光変調器103により変調された送信種光は、光ファイバ204に結合されて光ファイバ増幅器104へ伝搬される。
Next, the
次いで、光ファイバ増幅器104は、光変調器103により変調された送信種光を増幅する。この光ファイバ増幅器104により増幅された送信種光は、光ファイバ205に結合されてレーザ増幅器105側に出射される。このように、光ファイバ増幅器104を用いることで、送信光の強度が増大され、受信光の強度を高めることができるため、測定精度及び測定可能距離が向上する。
Next, the
一方、光ファイバでは、一定値以上の強度を有するレーザ光が入射されると、非線形現象である誘導ブリルアン散乱が発生する。よって、光ファイバに入射可能なレーザ光の強度は制限される。一般的な光ファイバでは誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅が数10〜100MHz程度であり、狭線幅のレーザ光を用いるコヒーレントドップラーライダ装置では誘導ブリルアン散乱が生じやすい。そのため、通常は、誘導ブリルアン散乱が発生しないように、光ファイバ増幅器104に投入する励起パワーを制限する等して、出力されるレーザ光の強度を調整している。このように、光ファイバ増幅器104だけでは、送信光の強度が制限されるため、送信光の強度の増強による測定精度及び測定可能距離の向上が不十分となっている。そこで、光ファイバ増幅器104に加え、レーザ増幅器105を用いる。
On the other hand, in the optical fiber, stimulated Brillouin scattering, which is a non-linear phenomenon, occurs when laser light having a certain intensity or more is incident. Therefore, the intensity of the laser beam that can enter the optical fiber is limited. A general optical fiber has a gain bandwidth of stimulated Brillouin scattering of about several tens to 100 MHz, and a coherent Doppler lidar apparatus using a narrow linewidth laser beam is likely to cause stimulated Brillouin scattering. Therefore, normally, the intensity of the laser beam to be output is adjusted by limiting the pumping power input to the
レーザ増幅器105は、光ファイバ増幅器104により増幅された送信種光を更に増幅する。このレーザ増幅器105は空間型の増幅器であり、パワー密度を適切に設定することで非線形現象を抑制でき、光ファイバ増幅器104よりも送信光の強度を増大できる。このように、光ファイバ増幅器104とレーザ増幅器105を併用することで、送信光の強度が増大され、受信光の強度を高めることができるため、測定精度及び測定可能距離が向上する。このレーザ増幅器105により増幅された送信種光は、送受分離部106側に出射される。
The
次いで、送受分離部106は、レーザ増幅器105により増幅された送信種光(送信光)を部分反射ミラー107側に出射する。
Next, the transmission /
次いで、部分反射ミラー107は、送受分離部106により出射された送信光のうちの一部を透過し、残りを望遠鏡108側へ反射する。ここで、部分反射ミラー107は、送信光の波長に対して数%程度の透過率を有しているため、部分反射ミラー107に入射された送信光の大部分は望遠鏡108側へ反射される。
Next, the
次いで、望遠鏡108は、部分反射ミラー107により反射された送信光を大気中に向けて照射し、当該送信光に対し大気中に存在する目標(エアロゾル)により散乱された受信光を受信する。この望遠鏡108により受信された受信光は、略平行光化された後、部分反射ミラー107側に出射される。
Next, the
次いで、部分反射ミラー107は、望遠鏡108により出射された受信光を送受分離部106側へ反射する。すなわち、望遠鏡108から到来する受信光は、送信光とほぼ同一波長であるため、大部分が送受分離部106側へ反射される。
Next, the
次いで、送受分離部106は、部分反射ミラー107により反射された受信光を光軸調整機構109側に出射する。
Next, the transmission /
次いで、光軸調整機構109は、送受分離部106により出射された受信光の光軸を調整する。この光軸調整機構109により光軸が調整された受信光は、ファイバコリメータ等の集光光学系により集光された後、光ファイバ206に結合されて光合波カプラ114及び光ファイバ207を介して光合波カプラ110へ伝搬される。
Next, the optical
次いで、光合波カプラ110は、光分岐カプラ102により分岐された他方の基準レーザ光(局部発振光)と、送受分離部106により出射され光軸調整機構109及び光合波カプラ114を通過した受信光とを合波(混合)する。この光合波カプラ110により合波された光は、光ファイバ208に結合されて光検出器111へ伝搬される。
Next, the
次いで、光検出器111は、光合波カプラ110により合波された光を受光し、受信光と局部発振光とのビート信号を検出する。ここで、受信光は、光変調器103による周波数シフト、及びエアロゾルの移動に伴うドップラーシフトを受けている。よって、光検出器111により検出されたビート信号の周波数を解析することで、ドップラーシフトを求めることができる。
Next, the
次いで、信号処理部112は、光検出器111により検出したビート信号から目標に関する情報を抽出する。また、信号処理部112は、抽出した目標に関する情報から、目標の運動諸元を算出する。なお、目標に関する情報から目標の運動諸元を算出する処理は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
Next, the
ここで、光軸調整機構109を通過した受信光を光ファイバ206に結合させる必要があるが、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸にずれがある場合には、受信光学系により集光された受信光が光ファイバ206のコアに入射されず、光ファイバ206への結合効率が低下する。その結果、受信光の強度が低下し、レーザレーダ装置の検出感度が低下する。
受信光は集光光学系により集光されて光ファイバ206へと入射されるため、特に、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸の角度を精度よく一致させる必要がある。ビーム径にも依存するが、通常、μradオーダの精度で光軸角度を一致させる必要がある。Here, it is necessary to couple the received light that has passed through the optical
Since the received light is collected by the condensing optical system and is incident on the
なお、送信光の出射光軸とは、レーザ増幅器105から出射された送信光が、送受分離部106、部分反射ミラー107及び望遠鏡108を経て大気中に照射されるまでの光路上の光軸を指す。また、受信光学系の光軸とは、光ファイバ206へと理想的に結合可能な受信光の光軸であり、図1では、望遠鏡108、部分反射ミラー107、送受分離部106及び光軸調整機構109を経て光ファイバ206に至る光路上の光軸が含まれる。
ここで、受信光学系の光軸は、上記の通り、光ファイバ206へと理想的に結合可能な光軸であるため、光ファイバ206からレーザ光を出射させた場合の光軸と一致する。また、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸とを一致させるためには、送受分離部106、部分反射ミラー107及び望遠鏡108以降の経路上で、送信光の光軸と光ファイバ206から出射させたレーザ光の光軸とを一致させればよい。The outgoing optical axis of the transmitted light is the optical axis on the optical path from when the transmitted light emitted from the
Here, since the optical axis of the receiving optical system is an optical axis that can be ideally coupled to the
そこで、実施の形態1に係るレーザレーダ装置では、参照光を用いて、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸とを一致させる。
すなわち、まず、参照光源113は、レーザ増幅器105から出射された送信種光(送信光)と異なる波長であるレーザ光を参照光として発振する。この参照光源113により発振された参照光は、光ファイバ209に結合されて光合波カプラ114へ伝搬される。Therefore, in the laser radar device according to the first embodiment, the outgoing light axis of the transmission light and the optical axis of the reception optical system are matched using the reference light.
That is, first, the
次いで、光合波カプラ114は、参照光源113により発振された参照光を光ファイバ206における一端に結合する。その後、参照光は、光ファイバ206における他端から出射されるため、参照光の光軸は受信光学系の光軸と一致する。
Next, the
また、参照光を送信光と異なる波長とすることで、光学系による反射によって生じる参照光の受信光への混入を防ぐことができ、雑音を低下できる。よって、参照光の波長は、光検出器111で検出する周波数帯域と異なる波長帯とするとよい。また、参照光源113として可視のレーザ光源を用いた場合には、当該参照光を、装置組立て時の受信光学系の光軸に対するガイド光として利用することもできる。
Further, by setting the reference light to a wavelength different from that of the transmission light, it is possible to prevent the reference light from being mixed into the reception light caused by reflection by the optical system, and noise can be reduced. Therefore, the wavelength of the reference light may be a different wavelength band from the frequency band detected by the
次いで、光軸調整機構109は、光ファイバ206から出射された参照光の光軸を調整する。
次いで、送受分離部106は、光軸調整機構109により光軸が調整された参照光を部分反射ミラー107側に出射する。すなわち、送受分離部106は、参照光を送信光と同じ方向へ出射する。
なお、送受分離部106として偏光分離型の光学系を用いている場合には、送受分離部106で参照光が部分反射ミラー107側へ反射されるように参照光の偏光方向を設定しておくと、参照光の損失を低下でき、参照光源113に必要な出力を低減できる。また、送信光と参照光の波長帯域が大きく異なる場合には、送受分離部106に用いる光学素子に波長選択性を持たせてもよい。Next, the optical
Next, the transmission /
When a polarization separation type optical system is used as the transmission /
次いで、部分反射ミラー107は、送受分離部106により出射された参照光のうちの少なくとも一部を透過する。
Next, the
次いで、光軸角度ずれ検出部115は、部分反射ミラー107を透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する。ここで、参照光の光軸と受信光学系の光軸は一致しているため、送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出することで、送信光と受信光学系の光軸角度ずれ量を検出できる。
Next, the optical axis angle
以下に、光軸角度ずれ検出部115の詳細動作について説明する。
図2に示すように、まず、レンズ1151は、入射された送信光及び参照光を集光する。次いで、光検出素子1152は、レンズ1151により集光された送信光及び参照光を受光する。次いで、演算部1153は、光検出素子1152により受光された送信光及び参照光の位置から上記光軸角度ずれ量を演算する。
ここで、送信光と参照光の光軸が一致している場合には、光検出素子1152上での集光スポットの中心位置は一致する。一方、送信光と参照光の光軸に角度ずれがある場合には、異なる位置に集光スポットが現れる。そのため、光検出素子1152上で送信光及び参照光の集光スポットの中心位置を測定することで、送信光と参照光の光軸角度ずれ量を測定できる。集光スポットの中心位置については、重心演算等により求めることができ、光軸の角度ずれ量Δθは下式(1)で表される。式(1)において、Δdは光検出素子1152上での送信光と参照光の集光スポットの中心位置の距離である。
Δθ=arctan(Δd/f) (1)The detailed operation of the optical axis angle
As shown in FIG. 2, first, the
Here, when the optical axes of the transmission light and the reference light match, the center positions of the focused spots on the
Δθ = arctan (Δd / f) (1)
なお、送信光と参照光の集光スポットの区別は、例えば、送信光と参照光の波長差を利用して空間的に分離する方法により実現できる。
送信光と参照光の波長差を利用する方法では、光検出素子1152として4象限光検出器を用い、例えば図3に示すように、当該波長差による集光スポット径の差を利用して、4象限光検出器の内側と外側でそれぞれ受光する対象を分けてもよい。図3の構成では、4象限光検出器において、内側に参照光の受光領域301を設けて参照光の集光スポット302を受光し、外側に送信光の受光領域303を設けて送信光の集光スポット304を受光する。この構成は、例えば、4象限光検出器の前段に空間分布を持たせた波長分離フィルタを設ける方法、又は、4象限光検出器の表面に波長特性を持たせたフィルタ膜を製膜することで実現できる。また、参照光の波長を送信光の波長よりも短くすることで、参照光の集光スポット径を送信光の集光スポット径よりも小さくできる。この構成では、小型且つ簡単な構成で送信光と参照光の光軸角度ずれを検出できる。また、送信光と参照光の波長域が大きく異なる場合等には、光検出素子1152として、参照光の受光領域301と送信光の受光領域303とで感度を有する波長域が異なる受光素子を組み合わせた構成のものを用いることもできる。
また、送信光と参照光の集光スポットを空間的に分離することが難しい場合には、参照光をパルス動作させて送信光と時間的に分離する方法を用いることもできる。送信光のパルス間に参照光を出射させることにより、光検出素子1152には送信光の集光スポット304と参照光の集光スポット302が交互に現れることとなる。よって、光検出素子1152での受光信号を時間間隔で区切ることにより、送信光の集光スポット304と参照光の集光スポット302を区別して検出できる。Note that the condensing spot between the transmission light and the reference light can be distinguished by, for example, a spatial separation method using a wavelength difference between the transmission light and the reference light.
In the method using the wavelength difference between the transmission light and the reference light, a four-quadrant light detector is used as the
In addition, when it is difficult to spatially separate the condensing spot of the transmission light and the reference light, a method in which the reference light is temporally separated from the transmission light by performing a pulse operation can be used. By emitting the reference light between the pulses of the transmission light, the transmission
また、部分反射ミラー107と光軸角度ずれ検出部115との間、又は、光軸角度ずれ検出部115内のレンズ1151と光検出素子1152との間に、縮小光学系を設けてもよい。ここで、倍率M倍の縮小光学系を用いた場合には、光軸角度ずれがM倍となるため、光軸角度ずれ量の検出精度を高めることができる。また、一定の光軸角度ずれ量の検出精度を得るために必要なレンズ1151の焦点距離を短くできるため、光軸角度ずれ検出部115を小型に構成できる。
光軸角度ずれ検出部115は、受信光学系の条件に合わせ、受信光の光ファイバ206への結合効率の低下を防ぐために必要な角度ずれ量を検出するために必要な精度が得られるように構成される。Further, a reduction optical system may be provided between the
The optical axis angle
次いで、制御部116は、光軸角度ずれ検出部115により検出された光軸角度ずれ量に基づいて、光軸調整機構109における調整量を制御する。すなわち、制御部116は、送信光と参照光の光軸角度ずれ量が小さくなるように、光軸調整機構109による参照光の光軸を変化させる。このようにして、送信光と参照光の光軸角度ずれ量を小さくすることで、受信光の光ファイバ206への結合効率の低下を防ぎ、受信光の強度の低下を防ぐことができるため、レーザレーダ装置の検出感度の低下を防ぐことができる。また、光軸角度ずれ検出部115により検出された光軸角度ずれ量に従って送信光と受信光学系の光軸調整を行うことができるため、装置組立て時の光軸調整が容易となる。更に、フィードバック型の制御等を利用した自動型の調整機構を適用することで、振動、衝撃又は温度変化等の外乱による光学素子のアライメントずれが生じた場合でも、送信光と受信光学系の光軸角度ずれを小さくできるため、装置の信頼性を高めることができる。
Next, the
以上のように、この実施の形態1によれば、送信光を出射する送信光出射部118と、送信光と異なる波長である参照光を発振する参照光源113と、参照光源113により発振された参照光を光ファイバ206における一端に結合する光合波カプラ114と、送信光出射部118における出射端に対向された入射端に入射された送信光及び光ファイバ206における他端に対向された第1の入出射端に入力された参照光を第2の入出射端から出射し、当該第2の入出射端に入射された受信光を当該第1の入出射端から出射する送受分離部106と、光ファイバ206における他端と送受分離部106における第1の入出射端との間に配置され、通過する光の光軸を調整する光軸調整機構109と、送受分離部106における第2の入出射端の光軸上に配置され、送信光の一部及び参照光の少なくとも一部を透過する部分反射ミラー107と、部分反射ミラー107を透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する光軸角度ずれ検出部115と、光軸角度ずれ検出部115により検出された光軸角度ずれ量に基づき、光軸調整機構109における調整量を制御する制御部116とを備えたので、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸角度ずれ量を小さくできる。これにより、受信光の光ファイバ206への結合効率の低下を防ぐことができ、受信光の強度の低下を防ぐことができるため、レーザレーダ装置の検出感度の低下を防ぐことができる。また、送信光と受信光学系との光軸角度ずれ量を抑えるための調整が容易となり、装置組立て時の光軸調整を簡易化できる。更に、自動制御等を利用することで、振動、衝撃又は温度変化等の外乱による光学素子のアライメントずれが生じた場合にも、送信光と受信光学系の光軸角度ずれを小さくできるため、装置の信頼性を高めることができる。
As described above, according to the first embodiment, the transmission
なお上記では、光軸調整機構109を、光ファイバ206における他端(入出射端)と送受分離部106における第1の入出射端との間に配置し、受信光学系の光軸を送信光の光軸に一致させるように変化させている。しかしながら、これに限らず、光軸調整機構109を、レーザ増幅器105における出射端と送受分離部106における入射端との間に配置し、送信光の光軸を受信光学系の光軸に一致させるように変化させてもよい。
In the above description, the optical
また上記では、光軸調整機構109として、空間型のものを用いているが、直接、光ファイバ206の位置又は角度を変化させる機構としてもよい。また、レンズ等を用いている場合には、当該レンズの位置を変化させる機構としてもよい。
In the above, a spatial type is used as the optical
また上記では、レーザレーダ装置として、コヒーレントドップラーライダ装置を用いた場合を示したが、これに限らず、レーザ光を送信して目標からの散乱光を受信するその他のレーザレーダ装置にも同様に適用できる。 In the above description, a coherent Doppler lidar device is used as the laser radar device. However, the present invention is not limited to this, and the same applies to other laser radar devices that transmit laser light and receive scattered light from a target. Applicable.
最後に、図4を参照して、実施の形態1における信号処理部112及び制御部116のハードウェア構成例を説明する。なお以下では制御部116のハードウェア構成例を説明するが、信号処理部112についても同様である。
制御部116における機能は、処理回路51により実現される。処理回路51は、図4Aに示すように、専用のハードウェアであっても、図4Bに示すように、メモリ53に格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)52であってもよい。Finally, with reference to FIG. 4, an example of the hardware configuration of the
The function in the
処理回路51が専用のハードウェアである場合、処理回路51は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、又はこれらを組み合わせたものが該当する。
When the
処理回路51がCPU52の場合、制御部116の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ53に格納される。処理回路51は、メモリ53に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御部116の機能を実現する。すなわち、制御部116は、処理回路51により実行されるときに、光軸角度ずれ検出部115により検出された光軸角度ずれ量に基づいて、光軸調整機構109における調整量を制御する動作が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ53を備える。また、これらのプログラムは、制御部116の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ53とは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)等が該当する。
When the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, any constituent element of the embodiment can be modified or any constituent element of the embodiment can be omitted within the scope of the invention.
この発明に係るレーザレーダ装置は、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸調整を行うことができ、送信光を照射して目標により散乱された受信光を受信するレーザレーダ装置等に用いるのに適している。 The laser radar device according to the present invention can easily adjust the optical axes of the transmission light and the reception optical system, and receives the reception light scattered by the target by irradiating the transmission light. Suitable for use in laser radar devices and the like.
101 基準レーザ光源、102 光分岐カプラ(光分岐部)、103 光変調器、104 光ファイバ増幅器、105 レーザ増幅器、106 送受分離部、107 部分反射ミラー、108 望遠鏡(送受信光学系)、109 光軸調整機構(光軸調整部)、110 光合波カプラ(第2の光合波部)、111 光検出器、112 信号処理部、113 参照光源、114 光合波カプラ(第1の光合波部)、115 光軸角度ずれ検出部、116 制御部、117 増幅器、118 送信光出射部、201〜209 光ファイバ、1151 レンズ、1152 光検出素子、1153 演算部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記送信光と異なる波長である参照光を発振する参照光源と、
前記参照光源により発振された参照光を光ファイバにおける一端に結合する第1の光合波部と、
前記送信光出射部における出射端に対向された入射端に入射された送信光及び前記光ファイバにおける他端に対向された第1の入出射端に入射された参照光を第2の入出射端から出射し、当該第2の入出射端に入射された受信光を当該第1の入出射端から出射する送受分離部と、
前記光ファイバにおける他端と前記送受分離部における第1の入出射端との間、又は前記送信光出射部における出射端と前記送受分離部における入射端との間に配置され、通過する光の光軸を調整する光軸調整部と、
前記送受分離部における第2の入出射端の光軸上に配置され、送信光の一部及び参照光の少なくとも一部を透過する部分反射ミラーと、
前記部分反射ミラーを透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する光軸角度ずれ検出部と、
前記光軸角度ずれ検出部により検出された光軸角度ずれ量に基づき、前記光軸調整部における調整量を制御する制御部と
を備えたレーザレーダ装置。A transmission light emitting section for emitting transmission light;
A reference light source that oscillates a reference light having a wavelength different from that of the transmission light;
A first optical multiplexing unit for coupling reference light oscillated by the reference light source to one end of an optical fiber;
The transmission light incident on the incident end opposed to the emission end in the transmission light emitting portion and the reference light incident on the first incident / exit end opposed to the other end of the optical fiber are second incident / exit ends. And a transmission / reception separating unit that emits the received light incident on the second incident / exit end from the first incident / exit end,
Between the other end of the optical fiber and the first entrance / exit end of the transmission / reception separating unit, or between the exit end of the transmission light emitting unit and the entrance end of the transmitting / receiving separation unit, An optical axis adjustment unit for adjusting the optical axis;
A partial reflection mirror that is disposed on the optical axis of the second incident / exit end in the transmission / reception separating unit, and transmits a part of the transmission light and at least a part of the reference light;
An optical axis angle deviation detector for detecting an optical axis angle deviation amount between the transmission light and the reference light transmitted through the partial reflection mirror;
A laser radar device comprising: a control unit that controls an adjustment amount in the optical axis adjustment unit based on an optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit.
入射された送信光及び参照光を集光するレンズと、
前記レンズにより集光された送信光及び参照光を受光する光検出素子と、
前記光検出素子により受光された送信光及び参照光の位置から前記光軸角度ずれ量を演算する演算部とを有する
ことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。The optical axis angle deviation detector is
A lens for condensing incident transmission light and reference light;
A light detecting element for receiving the transmission light and the reference light collected by the lens;
The laser radar device according to claim 1, further comprising: a calculation unit that calculates the optical axis angle deviation amount from the positions of the transmission light and the reference light received by the light detection element.
ことを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。The laser radar device according to claim 2, wherein the light detection element has a light receiving area for transmission light and a light receiving area for reference light.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。The laser radar device according to claim 1, wherein the reference light source is a visible laser light source.
基準レーザ光を発振する基準レーザ光源と、
前記基準レーザ光源により発振された基準レーザ光を2分岐する光分岐部と、
前記光分岐部により分岐された一方の基準レーザ光を変調する光変調器と、
前記光変調器により変調された基準レーザ光を増幅して前記送信光とする増幅器とを有し、
前記部分反射ミラーにより反射された送信光を照射し、当該送信光に対し目標により散乱された受信光を受信する送受信光学系と、
前記光分岐部により分岐された他方の基準レーザ光と前記光ファイバの一端から出力された受信光とを合波する第2の光合波部と、
前記第2の光合波部により合波された光を受光してビート信号を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出されたビート信号から前記目標に関する情報を抽出する信号処理部とを備えた
ことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。The transmission light emitting unit is
A reference laser light source for oscillating the reference laser light;
An optical branching unit that splits the reference laser light oscillated by the reference laser light source into two parts;
An optical modulator that modulates one reference laser beam branched by the optical branching unit;
An amplifier that amplifies the reference laser light modulated by the optical modulator and uses it as the transmission light;
A transmission / reception optical system that irradiates transmission light reflected by the partial reflection mirror and receives reception light scattered by a target with respect to the transmission light;
A second optical multiplexing unit that combines the other reference laser beam branched by the optical branching unit and the received light output from one end of the optical fiber;
A photodetector that receives the light combined by the second optical multiplexing unit and detects a beat signal;
The laser radar device according to claim 1, further comprising: a signal processing unit that extracts information on the target from a beat signal detected by the photodetector.
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