JP6293285B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ光を空間に放射して、空間に存在している観測対象に反射されたレーザ光の反射光を受信し、その反射光とローカル光を合波してビート信号を得るレーザレーダ装置に関するものである。

以下の特許文献１に開示されているレーザ光送受信装置の主な構成要素は下記の通りである。
（１）レーザ光を出力するレーザ光源
（２）レーザ光源から出力されたレーザ光を透過する偏光ビームスプリッタ
（３）偏光ビームスプリッタを透過したレーザ光を透過する１／４波長板
（４）ターゲットに反射して戻ってきたレーザ光の反射光を受光する受光器

上記の１／４波長板を透過したレーザ光は、空間に存在しているターゲットに照射され、その後、ターゲットに反射して戻ってきたレーザ光の反射光が１／４波長板を再度透過する。
レーザ光の反射光が１／４波長板を透過することで、レーザ光源から出力された時点のレーザ光と比べて偏光が９０°回転する。そのため、レーザ光の反射光は、偏光ビームスプリッタで反射されて、レーザ光源と異なる方向に配置されている受光器によって受光される。

また、特許文献１に開示されているレーザ光送受信装置では、２視線方向の観測を可能にするためにスキャナ光学素子を搭載し、スキャナ制御装置がスキャナ光学素子を機械的に制御することで、レーザ光を走査するようにしている。
なお、スキャナ光学素子はガルバナミラーによって構成されており、スキャナ制御装置はガルバナミラーを駆動する電動機制御装置を搭載している。

以下の特許文献２には、２視線方向の観測を可能にするために、偏光ビームスプリッタを用いて、レーザ光源から出力されたレーザ光を２分岐しているレーザ光送受信装置が開示されている。
偏光ビームスプリッタは、レーザ光源から出力されたレーザ光におけるｐ偏光とｓ偏光を分岐するものであり、レーザ光を２方向に分岐することができる。
偏光ビームスプリッタは、故障する可能性がある可動部を備えておらず、機械的な制御を行うことなく、レーザ光を２方向に分岐することができる。

特開昭６３−２６０３９０号公報（図２Ｂ、図３） 特開２００４−２８５８５８号公報（図２）

従来のレーザ光送受信装置は以上のように構成されているので、スキャナ光学素子を機械的に制御することで、レーザ光を走査すれば、２視線方向を観測することができるが（特許文献１）、スキャナ光学素子を機械的に制御する場合、スキャナ光学素子を制御するスキャナ制御装置を搭載する必要があるため、装置の大型化を招いてしまう課題があった。また、スキャナ光学素子の可動を伴うため、装置の信頼性が低くなってしまう課題があった。
また、偏光ビームスプリッタを用いて、レーザ光源から出力されたレーザ光を２分岐する場合（特許文献２）、可動部がないため、装置の信頼性を高めることができるが、レーザ光を偏光によって２分岐するものであるため、１パルス当りのエネルギーが半分になる。そのため、送受信するレーザ光のパワーが低下して、観測精度が劣化してしまうことがある課題があった。

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、レーザ光を機械的に走査することなく、パワーの低下がないレーザ光を２視線方向に送信することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を出力する光源と、光源から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する偏光切替手段と、偏光切替手段から出力されたレーザ光を空間に放射し、空間に存在している観測対象に反射されたレーザ光の反射光を受信する第１の送受信光学系と、第１の送受信光学系と異なる方向に配置されており、偏光切替手段から出力されたレーザ光を空間に放射し、空間に存在している観測対象に反射された前記レーザ光の反射光を受信する第２の送受信光学系と、第１の送受信光学系により受信された反射光を受信するとともに、第２の送受信光学系により受信された反射光を受信する受信光学系と、受信光学系により受信された反射光と、光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光とを合波してビート信号を得るヘテロダイン検波手段とを備え、ヘテロダイン検波手段は、受信光学系により受信された反射光の偏光に対応する方向に、反射光を出力する反射光切替手段と、光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にローカル光を出力するローカル光切替手段と、反射光切替手段から出力された反射光とローカル光切替手段から出力されたローカル光とを合波してビート信号を得る第１のヘテロダイン検波器と、第１のヘテロダイン検波器と異なる方向に配置されており、反射光切替手段から出力された反射光とローカル光切替手段から出力されたローカル光とを合波してビート信号を得る第２のヘテロダイン検波器とから構成されていることを特徴とするようにしたものである。

この発明によれば、光源から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する偏光切替手段と、光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にローカル光を出力するローカル光切替手段を設けるように構成したので、レーザ光を機械的に走査することなく、パワーの低下がないレーザ光を２視線方向に送信することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーザ光送受信装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるレーザ光送受信装置の偏光切替部２を示す構成図である。 偏光スイッチ１１のオン／オフ状態と、レーザ光の各出力方向の強度との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるレーザ光送受信装置の他の偏光切替部２を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態５によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態５による他のレーザレーダ装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ光送受信装置を示す構成図である。
図１において、送信光源１は直線偏光のレーザ光を出力する光源である。図１のレーザ光送受信装置が、風計測用ドップラーライダとして用いられる場合、単一周波数のレーザ光を出力する。また、図１のレーザ光送受信装置が、遠距離に存在しているターゲット（観測対象）を観測するレーザレーダ装置の一部を構成する場合、高ピークパルスのレーザ光又は連続波であるＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）光を出力する。
なお、レーザ光の波長は、目への安全性を考慮して、１．５μｍ〜１．７μｍのアイセーフ波長を使用する場合が多い。
この実施の形態１では、送信光源１が直線偏光のレーザ光を出力する例を説明するが、円偏光のレーザ光を出力するものであってもよい。

偏光切替部２は送信光源１から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する。
即ち、偏光切替部２は送信光源１からｐ偏光のレーザ光が出力されると、ｐ偏光のレーザ光を反射ミラー３側に透過させる出力状態Ａと、送信光源１から出力されたｐ偏光のレーザ光の偏光方向を９０°回転させることで、そのレーザ光の偏光をｓ偏光に切り替えて、ｓ偏光のレーザ光を偏光回転部６側に反射させる出力状態Ｂとが時間的に切り替わる光学部品である。なお、偏光切替部２は偏光切替手段を構成している。
この実施の形態１では、送信光源１がｐ偏光のレーザ光を出力する例を説明するが、送信光源１がｓ偏光のレーザ光を出力するものであってもよい。
この場合、偏光切替部２は、ｓ偏光のレーザ光の偏光方向を９０°回転させることで、そのレーザ光の偏光をｐ偏光に切り替えて、ｐ偏光のレーザ光を反射ミラー３側に透過させる出力状態Ａと、送信光源１から出力されたｓ偏光のレーザ光を偏光回転部６側に反射させる出力状態Ｂとが時間的に切り替わる光学部品となる。

反射ミラー３は偏光切替部２から出力されたｐ偏光のレーザ光を偏光回転部４側に反射させる一方、偏光回転部４から出力されたｓ偏光の反射光を偏光切替部２側に反射させる光学部品である。
偏光回転部４は、例えば、１／４波長板、旋光子、ファラデー回転子、あるいは、ポッケルスセルなどで構成される。図１のレーザ光送受信装置では１／４波長板を用いているものとすると、偏光回転部４は反射ミラー３から出力された直線偏光であるｐ偏光のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換して、円偏光のレーザ光を送信光学系５に出力する一方、送信光学系５から出力された円偏光の反射光（空間に存在しているターゲットに反射されて戻ってきたレーザ光の反射光）を直線偏光であるｓ偏光のレーザ光に変換し、ｓ偏光のレーザ光を反射ミラー３に出力する。即ち、偏光回転部４は、反射ミラー３から偏光回転部４へと出力されるレーザの偏光方向に対して、送信光学系５から偏光回転部４を通過して反射ミラー３へと出力される反射光の偏光方向を９０°回転させる光学部品である。

送信光学系５は例えばレンズやウィンドウなどから構成されており、偏光回転部４から出力された円偏光のレーザ光を空間に放射する一方、空間に存在しているターゲットに反射されて戻ってきた前記レーザ光の反射光（反射光は、進行方向に対して、送信光（空間に放射したレーザ光）と逆回転の円偏光になる）を受信し、円偏光の反射光を偏光回転部４に出力する。
送信光学系５はレーザ光である送信光のビーム径の拡大や、ビームのコリメート化を図るために搭載されているが、送信光のビームを変更する必要がない場合は、送信光学系５を搭載する必要がない。
反射ミラー３から偏光切替部２に出力されたｓ偏光の反射光は、偏光切替部２で反射されて受信光学系８に出力される。
なお、反射ミラー３、偏光回転部４及び送信光学系５から第１の送受信光学系が構成されている。

偏光回転部６は、例えば、１／４波長板、旋光子、ファラデー回転子、あるいは、ポッケルスセルなどで構成されており、反射ミラー３と異なる方向に配置されている。
図１のレーザ光送受信装置では偏光回転部６として１／４波長板を用いているものとすると、偏光回転部６は偏光切替部２から出力された直線偏光であるｓ偏光のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換して、円偏光のレーザ光を送信光学系７に出力する一方、送信光学系７から出力された円偏光の反射光（空間に存在しているターゲットに反射されて戻ってきたレーザ光の反射光）を直線偏光であるｐ偏光のレーザ光に変換し、ｐ偏光のレーザ光を偏光切替部２に出力する光学部品である。
送信光学系７は例えばレンズやウィンドウなどから構成されており、偏光回転部６から出力された円偏光のレーザ光を空間に放射する一方、空間に存在しているターゲットに反射されて戻ってきた前記レーザ光の反射光（反射光は、進行方向に対して、送信光（空間に放射したレーザ光）と逆回転の円偏光になる）を受信し、円偏光の反射光を偏光回転部６に出力する。
送信光学系７はレーザ光である送信光のビーム径の拡大や、ビームのコリメート化を図るために搭載されているが、送信光のビームを変更する必要がない場合は、送信光学系７を搭載する必要がない。
偏光回転部６から偏光切替部２に出力されたｐ偏光の反射光は、偏光切替部２を透過して受信光学系８に出力される。
なお、偏光回転部６及び送信光学系７から第２の送受信光学系が構成されている。

受信光学系８は例えばレンズなどから構成されており、反射ミラー３から出力されたのち、偏光切替部２で反射されたｓ偏光の反射光を受信するとともに、偏光回転部６から出力されたのち、偏光切替部２を透過したｐ偏光の反射光を受信する。
受信光学系８は、図示せぬ受光素子と結合される場合、その受光素子の受信開口内に対して、偏光切替部２から出力された反射光を損失なく入射させるために、その反射光を受光素子の受信開口内に集光させる機能を備えている。
また、受信光学系８は、図示せぬ光ファイバーと結合される場合、偏光切替部２から出力された反射光を集光させ、光ファイバーのコアに結合させる機能を備えている。

次に動作について説明する。
送信光源１は、直線偏光であるｐ偏光のレーザ光を出力する。
偏光切替部２は、送信光源１からｐ偏光のレーザ光が出力されると、そのレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する。
即ち、偏光切替部２は、ｐ偏光のレーザ光を反射ミラー３側に透過させる出力状態Ａと、送信光源１から出力されたｐ偏光のレーザ光の偏光方向を９０°回転させることで、そのレーザ光の偏光をｓ偏光に切り替えて、ｓ偏光のレーザ光を偏光回転部６側に反射させる出力状態Ｂとを有し、その出力状態Ａと出力状態Ｂを時間的に切り替えることで、２視線方向のレーザ光の出力を実現している。

反射ミラー３は、偏光切替部２からｐ偏光のレーザ光を受けると、そのレーザ光を偏光回転部４側に反射させる。
偏光回転部４は、反射ミラー３からｐ偏光のレーザ光を受けると、そのレーザ光の透過時に、ｐ偏光（直線偏光）のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換して、円偏光のレーザ光を送信光学系５に出力する。
送信光学系５は、偏光回転部４から円偏光のレーザ光を受けると、そのレーザ光を送信光として空間に放射する。
その後、空間に存在しているターゲットに反射されて戻ってきたレーザ光の一部（反射光）は送信光学系５が受信し、送信光学系５が反射光を偏光回転部４に出力する。なお、反射光は、進行方向に対して、送信光と逆回転の円偏光になっている。

偏光回転部４は、送信光学系５から円偏光の反射光を受けると、その反射光の透過時に、円偏光の反射光をｓ偏光（直線偏光）のレーザ光に変換し、ｓ偏光のレーザ光を反射ミラー３に出力する。
反射ミラー３は、偏光回転部４からｓ偏光の反射光を受けると、その反射光を偏光切替部２側に反射させる。
反射ミラー３から偏光切替部２に出力されたｓ偏光の反射光は、偏光切替部２で反射されて受信光学系８に出力される。

偏光回転部６は、偏光切替部２からｓ偏光のレーザ光を受けると、そのレーザ光の透過時に、ｓ偏光（直線偏光）のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換して、円偏光のレーザ光を送信光学系７に出力する。
送信光学系７は、偏光回転部６から円偏光のレーザ光を受けると、そのレーザ光を送信光として空間に放射する。
その後、空間に存在しているターゲットに反射されて戻ってきたレーザ光の一部（反射光）は送信光学系７が受信し、送信光学系７が反射光を偏光回転部６に出力する。なお、反射光は、進行方向に対して、送信光と逆回転の円偏光になっている。

偏光回転部６は、送信光学系７から円偏光の反射光を受けると、その反射光の透過時に、円偏光の反射光をｐ偏光（直線偏光）のレーザ光に変換し、ｐ偏光のレーザ光を偏光切替部２に出力する。
偏光回転部６から偏光切替部２に出力されたｐ偏光の反射光は、偏光切替部２を透過して受信光学系８に出力される。
受信光学系８は、反射ミラー３から出力されたのち、偏光切替部２で反射されたｓ偏光の反射光を受信するとともに、偏光回転部６から出力されたのち、偏光切替部２を透過したｐ偏光の反射光を受信する。
即ち、受信光学系８は、ｓ偏光の反射光と、ｐ偏光の反射光とを直交偏光で受信している。

なお、図１のレーザ光送受信装置が、風計測用ドップラーライダとして用いられる場合、大気中のエアロゾルがターゲットとなり、エアロゾルにより散乱されたレーザ光の反射光の周波数が、エアロゾルの移動速度（風速）に対応するドップラー周波数だけシフトしているため、反射光の周波数から風速を測定することができる。
また、この実施の形態１では、２視線方向にレーザ光を放射しているので、２視線方向の観測が可能になり、２方向を含む面の風向きを測定することができる。また、レーザ光を放射してから反射光を受信するまでの時間から、ターゲットまでの距離を算出することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、送信光源１から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する偏光切替部２を設けるように構成したので、レーザ光を機械的に走査することなく、パワーの低下がないレーザ光を２視線方向に送信することができる効果を奏する。
即ち、偏光に対応する方向にレーザ光を出力する偏光切替部２を設けることで、送信光源１や受信光学系８を複数台搭載することなく、２視線方向の観測が可能になり、装置の小型化や軽量化を図ることができる。
また、２視線方向の観測を行うために、レーザ光を機械的に走査する走査機構を備える必要がないため、装置の小型化を図ることができるとともに、信頼性が高い装置（振動や衝撃に対する耐性が高い装置）が得られる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、送信光源１から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する偏光切替部２を設けているものを示したが、この実施の形態２では、偏光切替部２の具体的な構成例を説明する。
図２はこの発明の実施の形態２によるレーザ光送受信装置の偏光切替部２を示す構成図である。
図２において、偏光スイッチ１１は例えばポッケルスセル、カーセル、回転手段が付いている１／２波長板、あるいは、導波路型の偏光スイッチなどで構成されており、送信光源１から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替える偏光切替器である。
偏光子１２は例えば偏光ビームスプリッタ、薄膜偏光子、ポラロイド（登録商標／以下、記載を省略する）プリズム、あるいは、ウォラストンプリズムなどで構成されており、偏光スイッチ１１により切り替えられた偏光に応じて、レーザ光を反射ミラー３又は偏光回転部６に出力する。

次に動作について説明する。
偏光スイッチ１１は、オフのときには出力状態が出力状態Ａになり、送信光源１から出力されたｐ偏光のレーザ光の偏光方向を変えずに、ｐ偏光のレーザ光を偏光子１２に出力する。
偏光スイッチ１１は、オンのときには出力状態が出力状態Ｂになり、送信光源１から出力されたｐ偏光のレーザ光の偏光方向を９０°回転させることで、そのレーザ光の偏光をｓ偏光に切り替えて、ｓ偏光のレーザ光を偏光子１２に出力する。

偏光スイッチ１１として、例えば、印加電界に比例して屈折率が変化するポッケルス効果を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などを材料とするポッケルスセル（電気光学変調器を構成する変調素子）を用いることができる。
ポッケルスセルは、電界を印加することで電気光学効果によって複屈折が発生する。このとき、ポッケルスセルの光学軸と直交する軸である速軸と遅軸の方向に位相差が生じるため、ポッケルスセルを透過するレーザ光の偏光が変化する。レーザ光の偏光方向が９０°回転するときの電圧は１／２波長電圧と呼ばれる。
したがって、偏光スイッチ１１として、ポッケルスセルを用いる場合、電圧無印加状態と、１／２波長電圧印加状態とを切り替えることで、偏光方向を時間的に切り替えることができる。ポッケルスセルは、可動機構を持たずに、電圧によって偏光を切り替えるものであるため、信頼性が高く、また、高速に偏光を切り替えることができる。

また、偏光スイッチ１１として、電気光学変調器であるカーセルを用いることができる。カーセルは、印加電界の２乗に比例して屈折率が変化するカー効果を有しており、電界を印加することによって、ポッケルスセルと同様の動作を実現することができる。
また、偏光スイッチ１１として、１／２波長板を用いることができる。１／２波長板を用いる場合、例えば、１／２波長板に対して回転機構を付けることで、１／２波長板を周期的に回転させれば、ポッケルスセルと同様の動作を実現することができる。この場合、偏光の切替速度が遅くなるが、低消費電力で駆動することができる。
なお、偏光スイッチ１１として、導波路型の偏光スイッチを用いる場合、取り扱えるレーザ光の出力が小さくなるが、光学系や偏光スイッチの駆動系を小さくすることができる。

偏光子１２は、偏光スイッチ１１により切り替えられた偏光に応じて、レーザ光を反射ミラー３又は偏光回転部６に出力する。
偏光子１２として、例えば、偏光ビームスプリッタを用いる場合、入射光に対して水平に反射するように設置すると、ｐ偏光は透過して、ｓ偏光は反射するようになる。
したがって、偏光子１２は、偏光スイッチ１１からオフ時にｐ偏光のレーザ光を受けると、ｐ偏光のレーザ光を反射ミラー３側に透過させ、その後、反射ミラー３から出力されたｓ偏光の反射光を受信光学系８側に反射される。
また、偏光子１２は、偏光スイッチ１１からオン時にｓ偏光のレーザ光を受けると、ｓ偏光のレーザ光を偏光回転部６側に反射させ、その後、偏光回転部６から出力されたｐ偏光の反射光を受信光学系８側に透過させる。
なお、遠方に存在しているターゲットを観測するために高出力のレーザ光を使用する場合には、耐パワー性を考慮して使用する偏光子を選択する。

図３は偏光スイッチ１１のオン／オフ状態と、レーザ光の各出力方向の強度との関係を示す説明図である。
図３より、偏光スイッチ１１がオフのときは、偏光切替部２の偏光子１２からレーザ光が反射ミラー３に出力され、偏光スイッチ１１がオンのときは、偏光切替部２の偏光子１２からレーザ光が偏光回転部６に出力されることが分かる。
したがって、偏光スイッチ１１のオン／オフ状態を切り替えれば、視線方向を切り替えることができる。

ここで、視線方向が１方向であるレーザ光送受信装置の性能指数を示すＦＯＭ（Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）は、１パルス当りのレーザ光のエネルギーＥと、パルスの繰り返し周波数ｆによって、下記の式（１）で表される。

したがって、視線方向が２方向であって、レーザ光の偏光を時間的に切り替えているレーザ光送受信装置（実施の形態１，２）では、１視線方向当りのＦＯＭが下記の式（２）で表される。

これに対して、特許文献２に記載されているレーザ光送受信装置のように、偏光ビームスプリッタがレーザ光の出力を異なる２方向に分配して、２視線方向にレーザ光を同時に放射する場合、１視線方向当りのＦＯＭが下記の式（３）で表される。

式（２）と式（３）を比較すると明らかなように、実施の形態１，２のように、レーザ光の偏光を時間的に切り替える方が、レーザ光の出力を異なる２方向に分配する場合よりも高いＦＯＭを得ることができる。
したがって、１視線方向当りのＦＯＭを同じにする場合、特許文献２に記載されているレーザ光送受信装置より、実施の形態１，２のレーザ光送受信装置の方が、送信光源１に要求されるレーザ光の出力を小さくすることができる。これにより、送信光源１の小型化および軽量化を図ることができるとともに、低消費電力化を図ることができ、レーザ光送受信装置を小型、軽量に構成することができる。

この実施の形態２では、偏光スイッチ１１及び偏光子１２からなる偏光切替部２が、レーザ光の偏光を時間的に切り替えるものを示したが、送信光学系５，７から放射されるレーザ光の出力パワー（エネルギー）が小さくても足りる場合（例えば、ターゲットまでの距離が短い場合）には、図４に示すように、偏光スイッチ１１の代わりに、１／２波長板１３を用いるようにしてもよい。
例えば、偏光ビームスプリッタである偏光子１２に対して、偏光方向が４５°になるように１／２波長板１３を回転させると、偏光子１２が、送信光源１から出力されて、１／２波長板１３を透過してきたレーザ光を２方向に分配する（ｐ偏光のレーザ光を反射ミラー３に出力して、ｓ偏光のレーザ光を偏光回転部６に出力する）。
このとき、偏光ビームスプリッタである偏光子１２によってレーザ光の出力パワーが半分ずつに分けられて、分配された各レーザ光の出力パワーが小さくなるが、２視線方向にレーザ光を同時に放射することができる。
したがって、受信光学系８では、２視線方向の反射光をほぼ同時に受信することができる。

また、１／２波長板１３を用いることで、直線偏波のレーザ光の偏光方向を任意の方向に変えることができるため、偏光子１２によって分配するレーザ光の分配比を自由に設定することができる。
なお、偏光子１２に対して偏光方向が０°または９０°となるように、１／２波長板１３の回転角度を時間的に切り替えるようにした場合には、偏光スイッチ１１を用いる場合と同様に、レーザ光の偏光を時間的に切り替えることができる。
ただし、この場合、１／２波長板１３の回転角度を切り替える機械的な機構が必要になる。

ここでは、偏光スイッチ１１の代わりに、１／２波長板１３を用いるものを示したが、送信光源１から出力されるレーザ光の偏光が円偏光である場合、偏光スイッチ１１の代わりに、１／４波長板を用いるようにしてもよく、１／２波長板１３と同様の効果が得られる。この場合、任意の偏光方向を持つ直線偏光に変換することができるため、偏光子１２により分配されるレーザ光の分配比を自由に設定することができる。
また、偏光スイッチ１１の代わりに、レーザ光の偏光方向を回転させる旋光子を用いるもようにしてもよく、１／２波長板１３と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図５のレーザレーダ装置は図１のレーザ光送受信装置を搭載している。図５において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
反射光切替部２１は例えば偏波カプラあるいは偏光子などで構成されており、受信光学系８により受信された反射光（ｓ偏光の反射光、ｐ偏光の反射光）の偏光に対応する方向に、その反射光を出力する。
即ち、反射光切替部２１は受信光学系８から出力されたｐ偏光の反射光を透過して、ｐ偏光の反射光を光合波器２３に出力し、受信光学系８から出力されたｓ偏光の反射光を反射して、ｓ偏光の反射光を光合波器２５に出力する。なお、反射光切替部２１は反射光切替手段を構成している。

偏光スイッチ２２は例えばポッケルスセル、カーセル、回転手段が付いている１／２波長板、あるいは、導波路型の偏光スイッチなどで構成されており、送信光源１から出力されたレーザ光に相当するローカル光（送信光源１から出力されたレーザ光が分岐された光）の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にローカル光を出力する。
即ち、偏光スイッチ２２はオフのときには、送信光源１から出力されたｐ偏光のローカル光の偏光方向を変えずに、ｐ偏光のローカル光を光合波器２３に出力し、オンのときには、送信光源１から出力されたｐ偏光のローカル光の偏光方向を９０°回転させることで、そのローカル光の偏光をｓ偏光に切り替えて、ｓ偏光のローカル光を光合波器２５に出力する。なお、偏光スイッチ２２はローカル光切替手段を構成している。

光合波器２３は例えば３ｄＢカプラ、ビームスプリッター、部分反射ミラーなどで構成されており、反射光切替部２１から出力されたｐ偏光の反射光と偏光スイッチ２２から出力されたｐ偏光のローカル光とを光学的に合波し、その合波光（反射光とローカル光の差周波数の信号）を光検波器２４に出力する。
光検波器２４は例えばフォトダイオード、あるいは、バランスドレシーバなどで構成されており、光合波器２３から出力された合波光を電気信号に変換し、その電気信号であるビート信号を出力する。
なお、光合波器２３及び光検波器２４から第１のヘテロダイン検波器が構成されている。

光合波器２５は例えば３ｄＢカプラ、ビームスプリッター、部分反射ミラーなどで構成されており、光合波器２５は反射光切替部２１から出力されたｓ偏光の反射光と偏光スイッチ２２から出力されたｓ偏光のローカル光とを光学的に合波し、その合波光（反射光とローカル光の差周波数の信号）を光検波器２６に出力する。
光検波器２６は例えばフォトダイオード、あるいは、バランスドレシーバなどで構成されており、光合波器２５から出力された合波光を電気信号に変換し、その電気信号であるビート信号を出力する。
なお、光合波器２５及び光検波器２６から第２のヘテロダイン検波器が構成されている。
また、反射光切替部２１、偏光スイッチ２２、光合波器２３，２５及び光検波器２４，２６からヘテロダイン検波手段が構成されている。

次に動作について説明する。
反射光切替部２１は、上記実施の形態１，２と同様にして、受信光学系８が反射光（ｓ偏光の反射光、ｐ偏光の反射光）を受信すると、その反射光（ｓ偏光の反射光、ｐ偏光の反射光）の偏光によって、その反射光の出力先を時間的に切り替える。
即ち、反射光切替部２１は、受信光学系８からｐ偏光の反射光を受けると、ｐ偏光の反射光を透過して、ｐ偏光の反射光を光合波器２３に出力する。
一方、受信光学系８からｓ偏光の反射光を受けると、ｓ偏光の反射光を反射して、ｓ偏光の反射光を光合波器２５に出力する。
偏光スイッチ１１のオン、オフの切り替えにより、受信光学系８から反射光切替部２１に入力される反射光は偏光方向が時間的に切り替わっているため、反射光切替部２１から出力される反射光は出力先が時間的に切り替わることとなる。

偏光スイッチ２２は、偏光切替部２がｐ偏光のレーザ光を出力してｓ偏光の反射光を得ている時間帯ではオン状態になり、送信光源１からｐ偏光のローカル光（ｐ偏光のレーザ光から分岐された光）を受けると、ｐ偏光のローカル光の偏光方向を９０°回転させることで、そのローカル光の偏光をｓ偏光に切り替えて、ｓ偏光のローカル光を光合波器２５に出力する。
また、偏光スイッチ２２は、偏光切替部２がｓ偏光のレーザ光を出力してｐ偏光の反射光を得ている時間帯ではオフ状態になり、送信光源１からｐ偏光のローカル光を受けると、ｐ偏光のローカル光の偏光方向を変えずに、ｐ偏光のローカル光を光合波器２３に出力する。
なお、偏光切替部２と偏光スイッチ２２は、動作タイミングを同期させても良い。また、どちらか一方に遅延時間を持たせるようにしても良い。動作タイミングを同期させることで、効率良くヘテロダイン検波を行うことができる。また、遅延時間を持たせることで、偏光切替部２で偏光を切り替える際の過渡状態を除いてヘテロダイン検波を行うようにすることができる。

光合波器２３は、反射光切替部２１から出力されたｐ偏光の反射光と偏光スイッチ２２から出力されたｐ偏光のローカル光とを光学的に合波し、その合波光（反射光とローカル光の差周波数の信号）を光検波器２４に出力する。
光検波器２４は、光合波器２３から合波光を受けると、その合波光を電気信号に変換し、その電気信号であるビート信号を出力する。
光合波器２５は、反射光切替部２１から出力されたｓ偏光の反射光と偏光スイッチ２２から出力されたｓ偏光のローカル光とを光学的に合波し、その合波光（反射光とローカル光の差周波数の信号）を光検波器２６に出力する。
光検波器２６は、光合波器２５から合波光を受けると、その合波光を電気信号に変換し、その電気信号であるビート信号を出力する。

光検波器２４，２６から出力されたビート信号は図示せぬ信号処理器に入力され、信号処理器がビート信号の周波数成分を解析することで、ターゲットの移動速度（風速）を算出することができる。２視線方向にレーザ光を放射しているので、２視線方向の観測が可能になり、２方向を含む面の風向きを測定することができる。
また、レーザ光を放射してから反射光を受信するまでの時間から、ターゲットまでの距離を算出することができる。２視線方向にレーザ光を放射しているので、２視線方向の観測が可能になり、演算等の処理により２方向を含む面内の風向きを算出することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、送信光源１から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にレーザ光を出力する偏光切替部２を設けるように構成したので、上記実施の形態１，２と同様に、レーザ光を機械的に走査することなく、パワーの低下がないレーザ光を２視線方向に送信することができる効果を奏する。
また、この実施の形態３によれば、偏光スイッチ２２が、送信光源１から出力されたレーザ光が分岐されたローカル光の偏光を時間的に切り替えながら、その偏光に対応する方向にローカル光を出力するように構成したので、ローカル光用の光源を搭載する必要がない。このため、装置の小型化を図ることができるとともに、省電力化を図ることができる効果を奏する。
また、この実施の形態３によれば、偏光スイッチ２２によりローカル光の偏光を時間的に切り替え、その偏光に対応する方向にローカル光を出力させ、受信光学系８から出力される反射光の偏光方向に合わせるように構成したため、効率良くヘテロダイン検波を行うことができる。また、送信光源１に要求されるローカル光の出力を小さくすることができるため、装置の小型化を図ることができるとともに、省電力化を図ることができる効果を奏する。

この実施の形態３では、例えば、反射光切替部２１として偏波カプラ、偏光スイッチ２２として導波路型の偏光スイッチ、光合波器２３，２５として３ｄＢカプラのように、光ファイバ型の部品を用いた場合、光ファイバの接続によりレーザレーダ装置の受信系を組むことができるため、レーザ光のアライメントが不要となり、小型で安定性の高い装置構成とすることができる。さらに、これらの部品として偏波保持型の光ファイバ部品を用いることで、より容易に装置を構成することができる。
また、光検波器２４，２６としてバランスドレシーバを用いた場合には、雑音の影響を低減して高感度な検出を行うことができる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図６において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ローカル光分岐部２７は例えば偏波カプラ、偏光ビームスプリッタ、薄膜偏光子、ポラロイド板、あるいは、グランレーザプリズムやウォラストンプリズム等の偏光子などで構成されており、送信光源１から出力されたローカル光（レーザ光から分岐された光）を２方向に分岐する。ローカル光分岐部２７として偏光カプラを用いれば、光ファイバーで取り扱うことができる。なお、ローカル光分岐部２７はローカル光分岐手段を構成している。

上記実施の形態３では、偏光スイッチ２２が、時間的にオン／オフ状態が切り替わり、オフのときにｐ偏光のローカル光を光合波器２３に出力して、オンのときにｓ偏光のローカル光を光合波器２５に出力するものを示したが、図６に示す実施の形態４のように、ローカル光分岐部２７が、送信光源１からローカル光を受けると、そのローカル光を２分岐することで、ｐ偏光のローカル光を光合波器２３に出力すると同時に、ｓ偏光のローカル光を光合波器２５に出力するようにしてもよい。
ローカル光分岐部２７として偏波カプラを用いる場合、送信光源１から出力されたローカル光の偏光が、ｐ偏光とｓ偏光の半分ずつになるように偏波カプラに入射すれば、ローカル光のパワーを半々にすることができる。
偏光スイッチ２２の代わりに、ローカル光分岐部２７を使用することで、低コスト化と信頼性の向上を図ることができるが、ローカル光の出力パワーが２倍必要になる。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図７において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
偏光スイッチ２８は例えばポッケルスセル、カーセル、回転手段が付いている１／２波長板、あるいは、導波路型の偏光スイッチなどで構成されており、送信光源１から出力されたｐ偏光のローカル光（ｐ偏光のレーザ光から分岐された光）の偏光を時間的に切り替える偏光切替器である。
これにより、偏光スイッチ２８は図５の偏光スイッチ２２と同様に、ｐ偏光のローカル光とｓ偏光のローカル光を交互に出力するが、偏光スイッチ２８は図５の偏光スイッチ２２と異なり、ｐ偏光のローカル光とｓ偏光のローカル光の出力先を切り替えずに、同じ光合波器２９に出力している。なお、偏光スイッチ２８はローカル光切替手段を構成している。

光合波器２９は例えば３ｄＢカプラ、ビームスプリッター、部分反射ミラーなどで構成されており、受信光学系８から出力されたｐ偏光の反射光と偏光スイッチ２８から出力されたｐ偏光のローカル光とを光学的に合波して、その合波光を光検波器３０に出力するとともに、受信光学系８から出力されたｓ偏光の反射光と偏光スイッチ２８から出力されたｓ偏光のローカル光とを光学的に合波して、その合波光を光検波器３０に出力する。
光検波器３０は例えばフォトダイオード、あるいは、バランスドレシーバなどで構成されており、光合波器２９から出力された合波光を電気信号に変換し、その電気信号であるビート信号を出力する。
なお、光合波器２９及び光検波器３０からヘテロダイン検波器が構成されている。
また、偏光スイッチ２８、光合波器２９及び光検波器３０からヘテロダイン検波手段が構成されている。

次に動作について説明する。
受信光学系８は、上記実施の形態１〜４と同様に、反射ミラー３から出力されたのち、偏光切替部２で反射されたｓ偏光の反射光を受信する。また、偏光回転部６から出力されたのち、偏光切替部２を透過したｐ偏光の反射光を受信する。即ち、受信光学系８で受信される反射光は、偏光方向が時間的に切り替わっている。
受信光学系８は、受信した反射光を光合波器２９に出力する。

偏光スイッチ２８は、偏光切替部２がｐ偏光のレーザ光を出力してｓ偏光の反射光を得ている時間帯ではオン状態になり、送信光源１からｐ偏光のローカル光を受けると、ｐ偏光のローカル光の偏光方向を９０°回転させることで、そのローカル光の偏光をｓ偏光に切り替えて、ｓ偏光のローカル光を光合波器２９に出力する。
また、偏光スイッチ２８は、偏光切替部２がｓ偏光のレーザ光を出力してｐ偏光の反射光を得ている時間帯ではオフ状態になり、送信光源１からｐ偏光のローカル光を受けると、ｐ偏光のローカル光の偏光方向を変えずに、ｐ偏光のローカル光を光合波器２９に出力する。

偏光切替部２におけるレーザ光の偏光の切替タイミングと、偏光スイッチ２８におけるレーザ光の偏光の切替タイミングとが同期しているため、受信光学系８からｓ偏光の反射光が光合波器２９に出力されるタイミングでは、偏光スイッチ２８からｓ偏光のローカル光が光合波器２９に出力される。また、受信光学系８からｐ偏光の反射光が光合波器２９に出力されるタイミングでは、偏光スイッチ２８からｐ偏光のローカル光が光合波器２９に出力される。

光合波器２９は、受信光学系８から出力されたｐ偏光の反射光と偏光スイッチ２８から出力されたｐ偏光のローカル光とを光学的に合波して、その合波光を光検波器３０に出力する。
また、光合波器２９は、受信光学系８から出力されたｓ偏光の反射光と偏光スイッチ２８から出力されたｓ偏光のローカル光とを光学的に合波して、その合波光を光検波器３０に出力する。
光検波器３０は、光合波器２９から合波光を受けると、その合波光を電気信号に変換し、その電気信号であるビート信号を出力する。

この実施の形態５によれば、上記実施の形態３，４と同様の効果を奏することができるが、反射光切替部２１が不要であり、また、１つのヘテロダイン検波器で装置を構成できるため、小型で安価に装置を構築することができる。
なお、偏光スイッチ２８は、受信光学系８から光合波器２９までの経路上に配置し、受信した反射光の偏光方向を切り替えるようにしても良いが、受信光に対して損失が発生するため、ローカル光のパワーに余裕がある場合にはローカル光の経路上に配置することが望ましい。

上記実施の形態３〜５では、受信光学系８で受信する反射光の偏光方向が時間的に切り替わる場合を示したが、図４に示すように、偏光切替部２を構成する偏光スイッチ１１の代わりに、１／２波長板１３や１／４波長板などが用いられた場合、受信光学系８がｓ偏光の反射光とｐ偏光の反射光をほぼ同時に受信する。
この場合、図８に示すように、反射光切替部２１の代わりに、受信光学系８により受信されたｓ偏光の反射光とｐ偏光の反射光を分岐する偏光分岐部３１（ｐ偏光の反射光を光合波器２３に出力し、ｓ偏光の反射光を光合波器２３に出力する偏光分岐部）を備えるようにすればよい。
さらには、偏光スイッチ２２においても、１／２波長板１３や１／４波長板などを用いてｓ偏光のローカル光とｐ偏光のローカル光を同時に出力させることにより、２視線方向の反射光を同時にヘテロダイン検波することができ、２視線方向の観測を同時に行うことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るレーザ光送受信装置及びレーザレーダ装置は、２視線方向の観測を行う必要があるものに適している。

１ 送信光源、２ 偏光切替部（偏光切替手段）、３ 反射ミラー（第１の送受信光学系）、４ 偏光回転部（第１の送受信光学系）、５ 送信光学系（第１の送受信光学系）、６ 偏光回転部（第２の送受信光学系）、７ 送信光学系（第２の送受信光学系）、８
受信光学系、１１ 偏光スイッチ、１２ 偏光子、１３ １／２波長板、２１ 反射光切替部（反射光切替手段、ヘテロダイン検波手段）、２２ 偏光スイッチ（ローカル光切替手段、ヘテロダイン検波手段）、２３ 光合波器（第１のヘテロダイン検波器、ヘテロダイン検波手段）、２４ 光検波器（第１のヘテロダイン検波器、ヘテロダイン検波手段）、２５ 光合波器（第２のヘテロダイン検波器、ヘテロダイン検波手段）、２６ 光検波器（第２のヘテロダイン検波器、ヘテロダイン検波手段）、２７ ローカル光分岐部（ローカル光分岐手段、ヘテロダイン検波手段）、２８ 偏光スイッチ（ローカル光切替手段、ヘテロダイン検波手段）、２９ 光合波器（ヘテロダイン検波器、ヘテロダイン検波手段）３０ 光検波器（ヘテロダイン検波器、ヘテロダイン検波手段）、３１ 偏光分岐部。

Claims (6)

1. レーザ光を出力する光源と、
   前記光源から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、前記偏光に対応する方向に前記レーザ光を出力する偏光切替手段と、
   前記偏光切替手段から出力されたレーザ光を空間に放射し、空間に存在している観測対象に反射された前記レーザ光の反射光を受信する第１の送受信光学系と、
   前記第１の送受信光学系と異なる方向に配置されており、前記偏光切替手段から出力されたレーザ光を空間に放射し、空間に存在している観測対象に反射された前記レーザ光の反射光を受信する第２の送受信光学系と、
   前記第１の送受信光学系により受信された反射光を受信するとともに、前記第２の送受信光学系により受信された反射光を受信する受信光学系と、
   前記受信光学系により受信された反射光と、前記光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光とを合波してビート信号を得るヘテロダイン検波手段とを備え、
   前記ヘテロダイン検波手段は、
   前記受信光学系により受信された反射光の偏光に対応する方向に、前記反射光を出力する反射光切替手段と、
   前記光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光の偏光を時間的に切り替えながら、前記偏光に対応する方向に前記ローカル光を出力するローカル光切替手段と、
   前記反射光切替手段から出力された反射光と前記ローカル光切替手段から出力されたローカル光とを合波してビート信号を得る第１のヘテロダイン検波器と、
   前記第１のヘテロダイン検波器と異なる方向に配置されており、前記反射光切替手段から出力された反射光と前記ローカル光切替手段から出力されたローカル光とを合波してビート信号を得る第２のヘテロダイン検波器とから構成されている
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記偏光切替手段は、
   前記光源から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替える偏光切替器と、
   前記偏光切替器により切り替えられた偏光に応じて、前記レーザ光を前記第１の送受信光学系又は前記第２の送受信光学系に出力する偏光子とから構成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。
3. 前記偏光子は、前記第１及び第２の送受信光学系により受信された反射光を前記受信光学系が配置されている方向に反射させることを特徴とする請求項２記載のレーザレーダ装置。
4. レーザ光を出力する光源と、
   前記光源から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替えながら、前記偏光に対応する方向に前記レーザ光を出力する偏光切替手段と、
   前記偏光切替手段から出力されたレーザ光を空間に放射し、空間に存在している観測対象に反射された前記レーザ光の反射光を受信する第１の送受信光学系と、
   前記第１の送受信光学系と異なる方向に配置されており、前記偏光切替手段から出力されたレーザ光を空間に放射し、空間に存在している観測対象に反射された前記レーザ光の反射光を受信する第２の送受信光学系と、
   前記第１の送受信光学系により受信された反射光を受信するとともに、前記第２の送受信光学系により受信された反射光を受信する受信光学系と、
   前記受信光学系により受信された反射光と、前記光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光とを合波してビート信号を得るヘテロダイン検波手段とを備え、
   前記ヘテロダイン検波手段は、
   前記受信光学系により受信された反射光の偏光に対応する方向に、前記反射光を出力する反射光切替手段と、
   前記光源から出力されたレーザ光に相当するローカル光を２方向に分岐するローカル光分岐手段と、
   前記反射光切替手段から出力された反射光と前記ローカル光分岐手段により分岐された一方のローカル光とを合波してビート信号を得る第１のヘテロダイン検波器と、
   前記反射光切替手段から出力された反射光と前記ローカル光分岐手段により分岐された他方のローカル光とを合波してビート信号を得る第２のヘテロダイン検波器とから構成されている
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
5. 前記偏光切替手段は、
   前記光源から出力されたレーザ光の偏光を時間的に切り替える偏光切替器と、
   前記偏光切替器により切り替えられた偏光に応じて、前記レーザ光を前記第１の送受信光学系又は前記第２の送受信光学系に出力する偏光子とから構成されていることを特徴とする請求項４記載のレーザレーダ装置。
6. 前記偏光子は、前記第１及び第２の送受信光学系により受信された反射光を前記受信光学系が配置されている方向に反射させることを特徴とする請求項５記載のレーザレーダ装置。

Images