JP6687301B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の照射を受けたターゲットで散乱または反射された光を計測することによって当該ターゲットの速度などの情報を検知するレーザレーダ技術に関するものである。

レーザレーダ装置は、レーザ光を外部空間に放射し、ターゲットで散乱または反射された光を受信し、その受信光を計測することによって当該ターゲットの速度あるいは当該ターゲットとの距離といった情報を検知することができる。たとえば、エアロゾル（大気中に浮遊する、液体もしくは固体からなる微粒子）、雲粒または大気分子などのターゲットから散乱光を受信し、その受信光を計測することによって風速などの観測値を検知するレーザレーダ技術が知られている。また、構造物、地形物または移動体などのターゲットで反射された拡散光を受信し、その受信光を計測することによって当該ターゲットとの距離を検知するレーザレーダ技術も知られている。

特許文献１には、光ヘテロダイン検波により得られた受信信号を信号処理して風速を検出するレーザレーダ装置（以下「従来のレーザレーダ装置」という。）が開示されている。この従来のレーザレーダ装置は、単一周波数のＣＷ光を出力するレーザ光源と、そのＣＷ光を送信用の第１の光と参照用の第２の光とに分配する光分配器と、当該第１の光にパルス変調を施すパルス変調器と、当該第２の光を周波数シフトして参照光を生成する周波数シフタと、パルス変調器の出力光を大気中に放射するとともに大気中から散乱光を受信光として受信する送受光学系とを備えている。従来のレーザレーダ装置は、さらに、受信光と参照光とを合波する光カプラと、この光カプラの出力光を電気信号に変換する光受信機と、当該電気信号をディジタル形式の受信信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、当該受信信号に信号処理を施して視線方向の風速を検出する信号処理部とを備える。

特開２００９−１６２６７８号公報

上記した従来のレーザレーダ装置において、スペクトル線幅の狭いレーザ光を出力するレーザ光源が使用されると、ターゲットの表面で反射された拡散光の干渉が生じ、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）ノイズが発生する。レーザレーダ装置の場合、スペックルノイズは、受信光の振幅を変動させ、受信信号の信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ，ＳＮＲ）を劣化させるという課題がある。

上記に鑑みて本発明の目的は、スペックルノイズの発生を抑制し、受信信号の信号対雑音比を向上させることができるレーザレーダ装置を提供することである。

本発明の一態様によるレーザレーダ装置は、互いに異なる複数の波長をそれぞれ有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成する基準光源と、前記基準光を送信光と参照光とに分解する光分配器と、前記送信光を変調して変調送信光を生成する光変調器と、前記変調送信光を外部空間に放射し、前記外部空間内のターゲットで散乱または拡散された光を受信する光送受信部と、前記参照光と前記光送受信部で受信された光とを合波して光ビート信号を生成する光合波器と、前記光ビート信号を光電変換して受信信号を生成する光検出回路と、信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、予め定められた周波数分解能で前記受信信号に周波数解析を施して前記受信信号のスペクトルを算出する周波数解析器と、当該算出されたスペクトルに基づいて前記ターゲットに関する計測値を算出する計測値算出部とを含み、前記複数の波長は、前記受信信号のスペクトルにおいて前記複数の波長にそれぞれ対応して現れる複数のピーク間の周波数差が前記周波数分解能以下となるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、スペックルノイズの発生を抑制し、受信信号の信号対雑音比を向上させることができる。

本発明に係る実施の形態１であるレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１の信号処理回路の構成例を概略的に示すブロック図である。 実施の形態１の信号処理回路のハードウェア構成例を概略的に示すブロック図である。 ターゲット上で反射された拡散光の状態を模式的に示す図である。 図５Ａ〜図５Ｅは、送信光、受信光、受信信号（ヘテロダイン検波信号）、受信スペクトルおよび補正スペクトルの例を示すグラフである。 ドップラーシフトスペクトル成分の例を示すグラフである。 ドップラーシフトスペクトル成分の他の例を示すグラフである。 実施の形態１に係る送信光、受信光、受信信号（ヘテロダイン検波信号）、包絡線検波信号およびエッジ検出信号の例を示すグラフである。 本発明に係る実施の形態２であるレーザレーダ装置の構成例を概略的に示す図である。 実施の形態２の信号処理回路の構成例を概略的に示すブロック図である。 実施の形態２のバンドパスフィルタの通過帯域および遮断帯域の例を示すグラフである。 本発明に係る実施の形態３であるレーザレーダ装置の構成例を概略的に示す図である。 実施の形態３の信号処理回路の構成例を概略的に示すブロック図である。 図１４Ａおよび図１４Ｂは、ドップラーシフトスペクトル成分の例を示すグラフである。 本発明に係る実施の形態４であるレーザレーダ装置の構成例を概略的に示す図である。 実施の形態４の信号処理回路の構成例を概略的に示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成および同一機能を有するものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１であるレーザレーダ装置１の概略構成を示す図である。図１に示されるように、レーザレーダ装置１は、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成する多波長基準光源１０（以下、単に「基準光源１０」という。）と、基準光源１０から入力された基準光を送信光と参照光とに分配する光分配器２１と、当該送信光に周波数変調および振幅変調を施して変調送信光を生成する光変調器２２と、当該変調送信光を外部空間内の特定の視線方向に向けて放射した後にターゲットで散乱または拡散された光を受信する光送受信部２３と、その受信光と当該参照光とを合波して光ビート信号を生成する光合波器２６と、当該光ビート信号を光電変換してアナログ受信信号（ヘテロダイン検波信号）を生成するとともに当該アナログ受信信号をディジタル受信信号にＡ／Ｄ変換する光検出回路２７と、当該ディジタル受信信号に基づいてターゲットに関する計測値を算出する信号処理回路３１とを備えて構成されている。なお、光合波器２６と光検出回路２７とにより光ヘテロダイン検波器（ｏｐｔｉｃａｌ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が構成される。

基準光源１０と光分配器２１とは光伝送路Ｃ０を介して互いに光学的に結合され、光分配器２１と光変調器２２とは光伝送路Ｃ１を介して互いに光学的に結合され、光分配器２１と光合波器２６とは光伝送路Ｃ２を介して互いに光学的に結合され、光変調器２２と光送受信部２３とは光伝送路Ｃ３を介して互いに光学的に結合され、光送受信部２３と光合波器２６とは光伝送路Ｃ５を介して互いに光学的に結合され、光合波器２６と光検出回路２７とは光伝送路Ｃ６，Ｃ７を介して互いに光学的に結合されている。たとえば、これら光伝送路Ｃ０〜Ｃ３，Ｃ５〜Ｃ７は、光ファイバケーブルで構成可能である。

基準光源１０は、図１に示されるように、レーザ光源１１，１２、光合波器１３、集光光学系１４および光接続部１５を含む。レーザ光源１１，１２は、スペクトル線幅（以下「線幅」という。）の狭いレーザ光を出力する光発振器である。レーザ光源１１，１２は、たとえば、約１００ＭＨｚ以下の狭線幅のレーザビームをそれぞれ出力するように構成されていればよい。これらレーザビームは、偏光方向が一定方向に保持された線偏光である。この場合、これらレーザ光間の周波数差は１００ＭＨｚ以上となるように選択される。このようなレーザ光源１１，１２は、半導体レーザまたは固体レーザで構成可能である。

また、基準光源１０は、図１に示される構成に限定されるものではない。たとえば、複数の波長の光を同時に生成することができる波長可変アッセンブリ（Ｉｎｔｅｇｒａｂｌｅ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＩＴＬＡ）または光コム光源が使用されてもよい。また、レーザ光源１１，１２の各々は、単一波長の光を出力する単一の光発振器で構成される必要はない。所定の波長幅内に含まれる複数の波長の光を同時に出力する複数の光発振器によってレーザ光源１１，１２の各々が構成されてもよい。

光合波器１３は、レーザ光源１１，１２から入射したレーザ光を合波して基準光を生成し、基準光を集光光学系１４に向けて出力する。光合波器１３は、たとえば、誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、またはビームスプリッタで構成可能である。集光光学系１４は、光合波器１３から入射した基準光を光接続部１５の光入力端に集光させる。光接続部１５は、集光光学系１４から入射した基準光を光伝送路Ｃ０に入力させる。

光分配器２１は、基準光源１０から光伝送路Ｃ０を介して入力された基準光を光伝送路Ｃ１，Ｃ２に分配する光部品である。すなわち、光分配器２１は、入力された基準光を所定の分岐比で送信光と参照光とに分解し、送信光を光伝送路Ｃ１に出力するとともに、参照光を光伝送路Ｃ２に出力する。光分配器２１の分岐比は、システム設計により予め決定される。たとえば、光分配器２１は、誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、またはビームスプリッタで構成可能である。

光変調器２２は、光分配器２１から光伝送路Ｃ１を介して入力された送信光に周波数変調および強度変調を施して変調周波数ｆ_ｍを有する変調送信光を生成する。すなわち、光変調器２２は、送信光の周波数を変調することにより当該送信光の周波数をシフトさせ、かつ送信光の強度を変調することにより当該送信光をパルス化する変調器である。このとき、光変調器２２は、送信光をパルス化するタイミングを示すパルストリガ信号ＰＴを光検出回路２７および信号処理回路３１に供給するので、光検出回路２７および信号処理回路３１は、供給されたパルストリガ信号ＰＴと同期して動作することができる。

ここで、光変調器２２は、所定のパルス幅およびパルス繰り返し周波数（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＰＲＦ）で送信光を強度変調する。パルス幅は距離分解能値に相当する。ユーザは、所望の距離分解能値に相当するパルス幅をレーザレーダ装置１の外部から設定することが可能である。あるいは、光変調器２２は、システム設計時に設定された固定のパルス幅および固定のＰＲＦで動作してもよい。また、光変調器２２の出力光の強度が不足している場合、光変調器２２の後段に光増幅器が追加されてもよい。

たとえば、光変調器２２の強度変調器部分は、ＬＮ（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）変調器を用いて構成可能であり、光変調器２２の周波数変調器部分は、音響光学周波数シフタ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔｅｒ，ＡＯＦＳ）、または、複数の光位相変調器で構成された周波数シフタを用いて構成可能である。あるいは、光変調器２２の強度変調器部分と周波数変調器部分との双方を音響光学素子を用いて構成することが可能である。パルストリガ信号ＰＴとしては、５ボルトのＴＴＬレベルを有するＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｏｇｉｃ）パルス信号が使用されればよい。

光送受信部２３は、光伝送路Ｃ４を介して互いに光学的に結合された光サーキュレータ２４および光アンテナ２５を含む。光サーキュレータ２４は、３ポートを有する非相反型の光学部品である。すなわち、光サーキュレータ２４は、光伝送路Ｃ３から順方向に入力された変調送信光に対しては、光伝送路Ｃ３を光伝送路Ｃ４と結合するが、光伝送路Ｃ４を光伝送路Ｃ５と結合しない。このため、光サーキュレータ２４は、光伝送路Ｃ３から順方向に入力された変調送信光のほとんどを光アンテナ２５に供給する。光アンテナ２５は、外部空間の特定の視線方向に当該変調送信光を放射する。一方、光伝送路Ｃ４から逆方向に入力された受信光に対しては、光伝送路Ｃ４を光伝送路Ｃ５と結合するが、光伝送路Ｃ４を光伝送路Ｃ３と結合しない。このため、光サーキュレータ２４は、光伝送路Ｃ４から逆方向に入力された受信光のほとんどを光伝送路Ｃ５に供給する。

このような光サーキュレータ２４は、たとえば、１／４波長板と偏光ビームスプリッタとを含む空間伝搬型のサーキュレータで構成可能である。この場合、たとえば、垂直偏光として偏光ビームスプリッタを透過した変調送信光は、１／４波長板で円偏光に変換された後に光アンテナ２５から放射される。光アンテナ２５で受信された受信光は、１／４波長板で水平偏光に変換された後に、偏光ビームスプリッタで光伝送路Ｃ５の方向へ反射させられる。このようにして空間伝搬型のサーキュレータは、変調送信光と受信光とを互いから分離することができる。

光アンテナ２５は、入力された変調送信光をコリメートして外部空間に放射し、外部空間内のターゲットから到来した散乱光または拡散光を受信光として受信することができる光学系である。受信光は、光伝送路Ｃ４および光サーキュレータ２４を伝搬して光合波器２６に入射する。外部空間内のターゲットとしては、エアロゾル（大気中に浮遊する、液体もしくは固体からなる微粒子）、雲粒もしくは大気分子などのターゲット、あるいは、構造物、地形物もしくは移動体（たとえば車両）などのハードターゲットが挙げられる。このような光アンテナ２５は、光学望遠鏡またはカメラレンズを用いて構成可能である。また、光アンテナ２５は、外部空間内の所定範囲を変調送信光で走査する光スキャナ（図示せず）と、集光調整機能とを有してもよい。

次に、光合波器２６は、光伝送路Ｃ２から入力された参照光と光伝送路Ｃ５から入力された受信光とを合波して光ビート信号成分を含む合波光を生成する。合波光は、光伝送路Ｃ６，Ｃ７を伝搬して光検出回路２７に入射する。本実施の形態の光合波器２６は、光検出回路２７のバランスド受信器（ｂａｌａｎｃｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）構成に合わせて、互いに１８０°異なる位相を有する合波光（正相の光と逆相の光）を光伝送路Ｃ６，Ｃ７にそれぞれ出力するように構成されている。このような光合波器２６は、たとえば、９０°ハイブリッドカプラを用いて構成可能である。

光検出回路２７は、バランスド受信器構成を有する光検出器２８と、光検出器２８の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＡＤＣ）２９とを含む。光検出器２８は、光伝送路Ｃ６から入力された正相の光と光伝送路Ｃ７から入力された逆相の光とをそれぞれ光電変換する２個の受光素子（たとえばフォトダイオード）を有している。光検出器２８は、これら受光素子の出力電流の差分に基づいてアナログ受信信号ＢＳを生成する。光検出回路２７はこのようなバランスド受信器構成を有するので、基準光源１０に起因する相対強度雑音（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ，ＲＩＮ）の低減を実現することができる。

ＡＤＣ２９は、光変調器２２から供給されたパルストリガ信号ＰＴをトリガとして、アナログ受信信号ＢＳをサンプリングすることで、アナログ受信信号ＢＳをディジタル受信信号ＤＳ（以下、単に「受信信号ＤＳ」という。）に変換する。ＡＤＣ２９は、受信信号ＤＳを信号処理回路３１に出力する。たとえば、ＡＤＣ２９は、二重積分型Ａ／Ｄ変換器、逐次比較形Ａ／Ｄ変換器または並列比較型Ａ／Ｄ変換器で構成可能である。

信号処理回路３１は、ディジタル領域でのキャリア信号である受信信号ＤＳに基づいて、レーザレーダ装置１に対するターゲットの相対速度（移動速度）およびターゲットとの距離といった計測値を算出し、これら計測値からなる計測データＭＤを出力する機能を有する。図２は、実施の形態１の信号処理回路３１の構成例を概略的に示すブロック図である。

図２に示されるように信号処理回路３１は、第１計測部４０および第２計測部６０を含む。第１計測部４０は、周波数解析器４４、スペクトル補正部４５および計測値算出部５０を有している。

周波数解析器４４は、受信信号ＤＳに対し、予め定められた周波数分解能Δｆで高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）を含む周波数解析を実行して受信信号ＤＳのスペクトル（以下「受信スペクトル」という。）を算出し、受信スペクトルを示すスペクトル信号をスペクトル補正部４５に出力する。受信スペクトルは、受信信号ＤＳのパワーと周波数との関係を示すパワースペクトル、または、受信信号ＤＳの振幅と周波数との関係を示す振幅スペクトルのいずれでもよい。ＦＦＴは、ＦＦＴビン数Ｎ_ＦＦＴで実行される。Ｎ_ＦＦＴは、ＦＦＴに使用される点数を表し、たとえば、２５６の値がＦＦＴビン数Ｎ_ＦＦＴとして用いられる。また、周波数分解能Δｆは、受信スペクトルの各周波数ビンの幅に等しい。

スペクトル補正部４５は、受信スペクトルを補正して補正スペクトルを生成し、生成された補正スペクトルを示す信号を計測値算出部５０に出力する。具体的には、スペクトル補正部４５は、信号光が受信されない状態で予め測定されたノイズフロア（周波数とノイズレベルとの関係）を受信スペクトルから除去することによって受信スペクトルの形状を補正することができる。

計測値算出部５０は、補正スペクトルに基づいて視線方向に対する計測値を算出する。具体的には、計測値算出部５０は、補正スペクトルからレーザ光のドップラーシフト量すなわちドップラーシフト周波数を算出し、算出されたドップラーシフト量に基づいて視線方向に対するターゲットの相対速度を計測値として算出することができる。ドップラーシフト量がゼロの場合は、光変調器２２によって付与された変調周波数ｆ_ｍがキャリア周波数となる。一方、レーザレーダ装置１に対してターゲットが相対的に移動している場合には、変調周波数ｆ_ｍからドップラーシフト周波数だけシフトした周波数がキャリア周波数となる。計測値算出部５０は、複数の視線方向に対する複数の計測値に基づいて３次元の相対速度ベクトルを算出することもできる。

一方、第２計測部６０は、図２に示されるように包絡線検波器６１、エッジ検出部６２および測距部６３を含む。包絡線検波器６１は、受信信号ＤＳに対して所定の透過周波数帯域幅を有する。包絡線検波器６１は、受信信号ＤＳの包絡線を検波し、その検波結果を示す包絡線検波信号をエッジ検出部６２に出力する。エッジ検出部６２は、包絡線検波信号の信号波形のエッジ（たとえば、立ち上がりエッジ、立ち下がりエッジ、または立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの双方）を検出し、その検出結果を示すエッジ検出信号を測距部６３に出力する。エッジ検出信号としてはＴＴＬ信号が使用可能である。

測距部６３は、送信光パルスの送信時刻とこれに対応する受信光の検出時刻との間の時間差を示す遅延時間τを計測し、その遅延時間τに基づいてターゲットとの距離を算出することができる。たとえば、測距部６３は、時間−ディジタル変換器（Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＴＤＣ）または時間−波高変換器（Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＴＡＣ）などの時間計測器を用いて構成可能である。

上記した信号処理回路３１のハードウェア構成は、たとえば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの半導体集積回路を有する単数または複数のプロセッサで実現されればよい。あるいは、信号処理回路３１のハードウェア構成は、メモリから読み出されたソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置を含む単数または複数のプロセッサで実現されてもよい。ＤＳＰなどの半導体集積回路とＣＰＵなどの演算装置との組み合わせを含む単数または複数のプロセッサで信号処理回路３１のハードウェア構成が実現されてもよい。

図３は、信号処理回路３１の機能を実現するハードウェア構成例である信号処理回路７０を概略的に示すブロック図である。信号処理回路７０は、プロセッサ７１、メモリ７２、入力インタフェース部７３、出力インタフェース部７４および信号路７５を含んで構成されている。信号路７５は、プロセッサ７１、メモリ７２、入力インタフェース部７３および出力インタフェース部７４を相互に接続するためのバスである。入力インタフェース部７３は、外部から入力された受信信号ＤＳを信号路７５を介してプロセッサ７１に転送する機能を有する。プロセッサ７１は、転送された受信信号ＤＳにディジタル信号処理を施してターゲットに関する計測値を算出し、これら計測値を示す計測データＭＤを、信号路７５および出力インタフェース部７４を介して外部機器に出力することができる。

ここで、メモリ７２は、プロセッサ７１がディジタル信号処理を実行する際に使用されるデータ記憶領域である。プロセッサ７１がＣＰＵなどの演算装置を内蔵する場合には、メモリ７２は、プロセッサ７１により実行されるソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを記憶するデータ記憶領域を有する。メモリ７２としては、たとえば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの半導体メモリを使用することが可能である。

次に、上記レーザレーダ装置１の動作および構成についてより詳細に説明する。

光アンテナ２５は、入力された変調送信光をコリメートして外部空間に放射し、外部空間内のターゲットから到来した散乱光または拡散光を受信光として受信することができる。線幅の狭いレーザ光を出力するレーザ光源が使用されると、コントラストの高い細かな斑点模様（スペックルパターン）すなわちスペックルノイズが観測面に現れることが知られている。仮に、本実施の形態において単一のレーザ光源１１のみが使用された場合、光送受信部２３の光アンテナ面にスペックルノイズが生じると、当該スペックルノイズが光伝送路Ｃ４に結合する場合と、当該スペックルノイズが光伝送路Ｃ４に結合しない場合とがある。図４は、単一のレーザ光源１１のみが使用された場合におけるターゲットＴｇｔ上で反射された拡散光の状態を模式的に示す図である。この場合、ターゲットＴｇｔの測定対象面上の複数点で反射された拡散光の波面ＷＦ１，ＷＦ２，ＷＦ３が、ターゲットＴｇｔと受光面との間の伝搬経路ＲＰ内で互いに干渉する。このような光の干渉がスペックルノイズを生じさせるものと考えられる。単一のレーザ光源１１のみでヘテロダイン検波が実行された場合、スペックルノイズによる光強度変動は、概してガウス分布に従って発生する。このため、送信光パルスの１ショットで計測値の算出が行われる場合には、受信信号ＤＳの振幅が大きく変動したり、あるいは、当該振幅がほぼゼロとなったりすることで計測値の算出が実質的に不可能になるおそれがある。

これに対し、本実施の形態では、基準光源１０は、互いに異なる複数の波長をそれぞれ有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成するので、ターゲットＴｇｔと受光面との間の伝搬経路内で、複数の波長にそれぞれ対応する複数の干渉条件が発生する。これにより、確率的にスペックルノイズに起因する受信信号ＤＳの強度変動を抑制することが可能となる。

本実施の形態では、独立したレーザ光源１１，１２の個数は２個であるが、この個数に限定されるものではない。ｎ個（ｎは２以上の整数）のレーザ光源が使用された場合、受信信号ＤＳのレベルが「０」〜「１」の範囲内の値を示すとすれば、受信強度のばらつき（標準偏差）はｎ^１／２となる。

次に、図２を参照すると、信号処理回路３１の第１計測部４０においては、周波数解析器４４は、ディジタル領域でのキャリア信号である受信信号ＤＳに対して、予め定められた周波数分解能Δｆで周波数解析を実行して受信スペクトルを算出する。スペクトル補正部４５は、受信スペクトルを補正して補正スペクトルを生成する。計測値算出部５０は、補正スペクトルからターゲットの相対速度を計測値として算出することができる。具体的には、計測値算出部５０は、最大値検出法または重心法により、補正スペクトルに現れるピークを検出し、検出されたピークの位置に基づいてドップラーシフト量（ドップラーシフト周波数）δを算出する。計測値算出部５０は、ドップラーシフト量δから、視線方向に対するターゲットの相対速度Ｖ_ｒを算出することができる。

図５Ａ〜図５Ｅは、送信光、受信光、受信信号（ヘテロダイン検波信号）、受信スペクトルおよび補正スペクトルの例を示すグラフである。図５Ａに示される振幅を有する送信光が送信された場合、図５Ｂに示される振幅を有する受信光が受信される。図５Ｃは、図５Ｂに示される受信光から得られた受信信号波形を表している。図５Ｄは、図５Ｃに示される受信信号波形から得られた受信スペクトルを表している。この受信スペクトルはキャリア周波数成分Ｓａを有する。図５Ｅは、図５Ｄに示された受信スペクトルを補正することで得られた補正スペクトルを表している。この補正スペクトルは、キャリア周波数成分（ドップラーシフトスペクトル成分）Ｓｂを有する。計測値算出部５０は、キャリア周波数成分（ドップラーシフトスペクトル成分）Ｓｂのピークを検出し、検出されたピークの位置に基づいてドップラーシフト量δを算出することができる。

ドップラーシフト量δがゼロの場合、光変調器２２によって付与された変調周波数ｆ_ｍがピーク位置に対応するキャリア周波数である。一方、ターゲットが相対移動している場合には、その変調周波数ｆ_ｍからドップラーシフト周波数δだけシフトした周波数がピーク位置に対応するキャリア周波数となる。ドップラーシフト量δ、レーザ光の波長λおよび相対速度Ｖ_ｒの間の関係は、次式（１）で表される。

Ｖ_ｒ＝λ×δ／２ （１）

レーザ光源１１，１２は、それぞれ異なる波長λ_１，λ_２を使用しているため、波長λ_１，λ_２に対応してそれぞれ発生するドップラーシフト量δ１，δ２も互いに異なる。この場合、ドップラーシフト量δ１，δ２にそれぞれ対応する相対速度Ｖ_ｒ１，Ｖ_ｒ２は、次式（２Ａ），（２Ｂ）で与えられる。

Ｖ_ｒ１＝λ_１×δ１／２ （２Ａ）
Ｖ_ｒ２＝λ_２×δ２／２ （２Ｂ）

たとえば、仮に、λ_１＝１５５０．０ｎｍ、λ_２＝１５５１．０ｎｍのように波長λ_１，λ_２が選定されたとの条件を考える。この条件下でターゲットの相対速度の計測可能範囲（以下「速度計測範囲」という。）における速度の絶対値の最大値Ｖ_ｍａｘが１００ｍ／秒である場合、ターゲットが最大値Ｖ_ｍａｘの相対速度で移動すると、ドップラーシフト量δ１は１２９．０３２ＭＨｚであり、ドップラーシフト量δ２は１２８．９４９ＭＨｚとなる。図６は、このような条件での波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応するドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２の例を概略的に示すグラフである。図６において、Ｓ１は、補正スペクトルにおいて波長λ_１に対応するドップラーシフトスペクトル成分であり、Ｓ２は、補正スペクトルにおいて波長λ_２に対応するドップラーシフトスペクトル成分である。また、図６には、高調波成分などの不要周波数成分Ｕ１，Ｕ２も示されている。これら不要周波数成分Ｕ１，Ｕ２については後述する。

図６の例では、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２の２つのピークが同一の周波数ビン内に収まらない。言い換えれば、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２のピーク間の周波数差は、周波数分解能に相当する周波数ビンの幅Δｆよりも大きい。これらドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２の２つのピークが互いに異なる周波数ビンの位置に存在すると、受信品質が低い環境下では、ピーク検出の失敗、あるいは、相対速度Ｖ_ｒの算出精度の低下が生じるおそれがある。たとえば、受信光の強度が低い場合、または受信信号ＤＳの信号対雑音比が劣化している場合には、ピーク検出の失敗、あるいは相対速度Ｖ_ｒの算出精度の低下が生じる。

そこで、本実施の形態では、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２のピークが同一の周波数ビン内に収まるようにレーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が選定される。言い換えれば、速度計測範囲内の任意の速度に対して、周波数解析前の受信信号ＤＳのスペクトルにおいて波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れるピーク間の周波数差が周波数分解能（各周波数ビンの幅）Δｆ以下となるように、レーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が設定されている。これにより、受信スペクトルにおいては波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れるピークを、同一の周波数ビン内に収めることが可能となる。

より具体的には、速度計測範囲内における速度の絶対値の最大値がＶ_ｍａｘ、波長λ_１，λ_２のうちの最大波長がλ_ｍａｘ、波長λ_１，λ_２のうちの最小波長がλ_ｍｉｎ、周波数分解能（各周波数ビンの幅）がΔｆでそれぞれ表されるとき、次式（３）を満たす波長λ_１，λ_２のレーザ光を出力するレーザ光源１１，１２を選定することが望ましい。

Δｆ＞２×Ｖ_ｍａｘ×（１／λ_ｍｉｎ−１／λ_ｍａｘ） （３）

図７は、レーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が式（３）を満たすように最適化された場合のドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２の例を示すグラフである。図７に示されるようにドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２のピークは、同一の周波数ビン内に収められる。したがって、図６の場合と比べると、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２の重ね合わせにより鋭いピークが形成されるため、ピークの検出精度が向上し、相対速度Ｖ_ｒの算出精度も向上する。

ここで、本実施の形態では、独立したレーザ光源１１，１２の個数は２個であるが、この個数に限定されるものではない。互いに異なるｎ個（ｎは２以上の整数）の波長λ_１，λ_２，…，λ_ｎのレーザ光をそれぞれ出力するｎ個のレーザ光源が使用されてもよい。この場合には、ｎ個の波長λ_１〜λ_ｎのうちの最大波長をλ_ｍａｘとし、ｎ個の波長λ_１〜λ_ｎのうちの最小波長をλ_ｍｉｎとして、上式（３）を満たす波長λ_１〜λ_ｎのレーザ光を出力するｎ個のレーザ光源を選定することが望ましい。このようにして基準光源を構成するｎ個のレーザ光源が選定されることで、受信スペクトルおよび補正スペクトルにおいて波長λ_１〜λ_ｎに対応して現れるｎ個のピークを同一の周波数ビン内に収めることができる。したがって、受信スペクトルおよび補正スペクトルに鋭いピークが形成されるため、ピークの検出精度が向上し、相対速度Ｖ_ｒの算出精度も向上する。

次に、図２に示される第２計測部６０の動作について説明する。第２計測部６０においては、上述のとおり、包絡線検波器６１は、ディジタル領域でのキャリア信号に相当する受信信号ＤＳの包絡線を検波し、その検波結果を示す包絡線検波信号をエッジ検出部６２に出力する。包絡線検波器６１は、受信信号ＤＳに対して所定の透過周波数帯域幅ＢＷを有している。透過周波数帯域幅ＢＷは、第１計測部４０における速度計測幅を最大値Ｖ_ｍａｘとしたときのドップラーシフト周波数成分を通過させる帯域幅であればよい。このため、透過周波数帯域幅ＢＷは、レーザ光の波長λについて、次式（４）に基づいて算出可能である。

ＢＷ＝４×Ｖ_ｍａｘ／λ （４）

図８Ａ〜図８Ｅは、送信光、受信光、受信信号（ヘテロダイン検波信号）、包絡線検波信号およびエッジ検出信号の例を示すグラフである。図８Ａに示される振幅を有する送信光が送信された場合、図８Ｂに示される振幅を有する受信光が受信される。図８Ｃは、図８Ｂに示される受信光から得られた受信信号波形を表している。図８Ｄは、図８Ｃに示される受信信号波形から得られた包絡線検波信号の波形を表している。

エッジ検出部６２は、包絡線検波信号の信号波形のエッジを検出し、その検出結果を示すエッジ検出信号（たとえば、ＴＴＬ信号）を測距部６３に出力する。図８Ｅは、図８Ｄに示される包絡線検波信号の信号波形の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを検出することにより生成されたエッジ検出信号のパルス波形を表している。

測距部６３は、送信光パルスの送信タイミングとこれに対応する受信光の受信タイミングとの間の時間差を示す遅延時間τを計測し、その遅延時間τに基づいてターゲットとの距離を算出することができる。この遅延時間τは、ターゲットとの距離Ｒに応じて変化する。遅延時間τは、たとえば、次式（５）で与えられる。ここでｃは光速である。

τ＝２×Ｒ／ｃ （５）

以上に説明したように、実施の形態１によれば、レーザレーダ装置１は、互いに異なる複数の波長λ_１，λ_２をそれぞれ有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成する基準光源１０を備えていることから、ターゲットと光検出器２８の受光面との間の伝搬経路内で、複数の波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応する複数の干渉条件を発生させることができる。これにより、スペックルノイズの発生が抑制され、スペックルノイズに起因する受信信号ＤＳの強度変動を抑制することが可能である。このため、実施の形態１のレーザレーダ装置１は、受信信号ＤＳの信号対雑音比を向上させることができる。したがって、計測値の算出精度が向上し、送信光パルスの１ショットでも計測値の高精度算出が可能である。

また、実施の形態１によれば、速度計測範囲内の任意の速度に対して、周波数解析前の受信信号ＤＳのスペクトルにおいて波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れるピーク間の周波数差が周波数分解能（各周波数ビンの幅）Δｆ以下となるように、レーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が設定されている。これにより、受信スペクトルにおいては波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れるピークを、同一の周波数ビン内に収めることができる。したがって、ピークの検出精度が向上し、計測値の算出精度も向上する。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。上記実施の形態１では、基準光源１０を構成するレーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２の選択条件が設けられていた。これに対し、実施の形態２では、そのような選択条件は設けられていない。また、実施の形態２は、ヘテロダイン検波により得られたアナログ受信信号またはディジタル受信信号の周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去する帯域制限フィルタを備える。このような帯域制限フィルタは、アナログフィルタまたはディジタルフィルタのいずれでもよい。

図９は、本発明に係る実施の形態２であるレーザレーダ装置２の構成例を概略的に示す図である。図９に示されるように、レーザレーダ装置２は、基準光源１０、光分配器２１、光変調器２２、光送受信部２３、光合波器２６、光検出回路２７および信号処理回路３２を備えて構成されている。本実施の形態のレーザレーダ装置２の構成は、実施の形態１の信号処理回路３１（図１）に代えて図９の信号処理回路３２を有する点を除いて、上記実施の形態１のレーザレーダ装置１の構成と同じである。図９の構成例では、信号処理回路３２が帯域制限フィルタを有している。

図１０は、実施の形態２の信号処理回路３２の構成例を概略的に示すブロック図である。図１０に示されるように信号処理回路３２は、第１計測部４１および第２計測部６０を含む。第２計測部６０の構成は、上記実施の形態１の第２計測部６０の構成と同じである。第１計測部４１は、上記実施の形態１の第１計測部４０と同様に、周波数解析器４４、スペクトル補正部４５および計測値算出部５０を有する。

本実施の形態の第１計測部４１は、さらに、帯域制限フィルタとして動作するバンドパスフィルタ４６を有する。バンドパスフィルタ４６は、計測値算出部５０よりも前段に設けられており、スペクトル補正部４５で算出された補正スペクトルの周波数帯域を制限することで帯域制限スペクトルを生成し、生成された帯域制限スペクトルを計測値算出部５０に出力する。バンドパスフィルタ４６は、補正スペクトルの周波数帯域を制限することで不要な周波数成分を除去することができる。

図１１は、バンドパスフィルタ４６の通過帯域および遮断帯域の例を示すグラフである。図１１には、波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応するドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１，Ｓ２が示されている。高調波成分などの不要周波数成分Ｕ１，Ｕ２は、バンドパスフィルタ４６の遮断帯域によって除去される。

また、計測値算出部５０は、帯域制限スペクトルに現れる単一のピークを検出した場合には、当該検出されたピークに対応するドップラーシフト量に基づいてターゲットの相対速度Ｖ_ｒを算出する。一方、計測値算出部５０は、帯域制限スペクトルにおいて複数の波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れる複数のピークを検出した場合には、当該検出された複数のピークにそれぞれ対応するドップラーシフト量に基づいてターゲットの複数の相対速度成分Ｖ_ｒ１，Ｖ_ｒ２を算出する。さらに、計測値算出部５０は、これら複数の相対速度成分Ｖ_ｒ１，Ｖ_ｒ２を平均化することで当該ターゲットの相対速度Ｖ_ｒを算出することができる。平均化処理としては、二乗平均を使用すればよい。このとき、相対速度Ｖ_ｒは、次式（６）に基づいて算出可能である。

Ｖ_ｒ＝［（Ｖ_ｒ１）^２＋（Ｖ_ｒ２）^２］^１／２ （６）

なお、計測値算出部５０は、帯域制限スペクトルにおいて複数の波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れる複数のピークを検出した場合には、これら複数のピークにそれぞれ対応する複数のドップラーシフトスペクトル成分の信号対雑音比を検出し、検出された信号対雑音比に基づき、ドップラーシフトスペクトル成分それぞれについて周波数検出精度を評価する機能を有していてもよい。計測値算出部５０は、その評価結果に基づき、平均化処理をせずに、評価の高い１つのドップラーシフトスペクトル成分の検出ピークのみに基づき、ターゲットの相対速度Ｖ_ｒを算出することができる。

以上に説明したように、上記実施の形態１の場合と同様に、本実施の形態のレーザレーダ装置２は基準光源１０を備えていることから、スペックルノイズの発生を抑制し、スペックルノイズに起因する受信信号ＤＳの強度変動を抑制することができる。このため、受信信号ＤＳの信号対雑音比の向上が可能である。したがって、計測値の算出精度が向上し、送信光パルスの１ショットでも計測値の高精度算出が可能である。

また、実施の形態２では、バンドパスフィルタ４６は、スペクトル補正部４５で算出された補正スペクトルの周波数帯域を制限することで帯域制限スペクトルを生成するので、不要な周波数成分を除去することができる。さらに、計測値算出部５０は、帯域制限スペクトルにおいて複数の波長λ_１，λ_２にそれぞれ対応して現れる複数のピークを検出した場合でも、当該検出された複数のピークに基づいてターゲットの複数の相対速度成分Ｖ_ｒ１，Ｖ_ｒ２を算出し、これら複数の相対速度成分Ｖ_ｒ１，Ｖ_ｒ２を平均化することで当該ターゲットの相対速度Ｖ_ｒを算出する。したがって、基準光源１０を構成するレーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が制限されない場合でも、検出された複数のピークに基づいてターゲットの相対速度Ｖ_ｒを算出することできる。

なお、本実施の形態では、レーザ光源１１，１２の個数は２個であるが、この個数に限定されるものではない。互いに異なるｎ個（ｎは２以上の整数）の波長λ_１，λ_２，…，λ_ｎのレーザ光をそれぞれ出力するｎ個のレーザ光源が使用されてもよい。この場合には、計測値算出部５０は、波長数に応じた数のピークを検出すればよい。すなわち、計測値算出部５０は、帯域制限スペクトルにおいて複数の波長λ_１，λ_２，…，λ_ｎにそれぞれ対応して現れる複数のピークを検出し、当該検出された複数のピークに基づいてターゲットの複数の相対速度成分を算出すればよい。計測値算出部５０は、当該複数の相対速度成分を平均化（たとえば、二乗平均化）することでターゲットの相対速度を算出することができる。

また、上記バンドパスフィルタ４６に代えて、アナログ受信信号ＢＳの周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去するアナログフィルタ、あるいは、周波数解析前の受信信号ＤＳの周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去するディジタルフィルタが使用されてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図１２は、本発明に係る実施の形態３であるレーザレーダ装置３の構成例を概略的に示す図である。図１２に示されるように、レーザレーダ装置３は、基準光源１０、光分配器２１、光変調器２２、光送受信部２３、切替制御部８０、光スイッチ８１、光合波器２６、光検出回路２７および信号処理回路３３を備えて構成されている。

本実施の形態のレーザレーダ装置３の構成は、切替制御部８０および光スイッチ８１を有する点と、実施の形態２の信号処理回路３２（図９）に代えて図１２の信号処理回路３３を有する点とを除いて、上記実施の形態２のレーザレーダ装置２の構成と同じである。

光スイッチ８１は、光分配器２１と光合波器２６との間の光伝送経路に設けられている。光分配器２１と光スイッチ８１とは光伝送路Ｃ２ａを介して互いに光学的に結合され、光スイッチ８１と光合波器２６とは光伝送路Ｃ２ｂを介して互いに光学的に結合されている。たとえば、これら光伝送路Ｃ２ａ，Ｃ２ｂは光ファイバケーブルで構成可能である。

光スイッチ８１は、切替制御部８０から供給された切替制御信号ＳＣに従って、波長を切り替える動作を行う光分離器である。すなわち、光スイッチ８１は、切替制御信号ＳＣに従って、光伝送路Ｃ２ａから入力された参照光の中から、複数の波長λ_１，λ_２をそれぞれ有する複数の参照光成分を選択的に順次分離する。具体的には、光スイッチ８１は、まず、波長λ_１の参照光成分を参照光から分離してその参照光成分を光伝送路Ｃ２ｂに出力し、次いで、波長λ_２の参照光成分を参照光から分離してその参照光成分を光伝送路Ｃ２ｂに出力する。

この場合、光合波器２６は、まず、波長λ_１の参照光成分と受信光とを合波して合波光を生成し、その合波光を光検出回路２７に出力する。次いで、光合波器２６は、波長λ_２の参照光成分と受信光とを合波して合波光を生成し、その合波光を光検出回路２７に出力する。よって、光検出回路２７は、まず、波長λ_１の参照光成分に対応する受信信号ＤＳ（以下「第１の受信信号ＤＳ１」という。）を信号処理回路３３に出力し、次いで、波長λ_２の参照光成分に対応する受信信号ＤＳ（以下「第２の受信信号ＤＳ２」という。）を信号処理回路３３に出力することとなる。

図１３は、実施の形態３の信号処理回路３３の構成例を概略的に示すブロック図である。図１３に示されるように信号処理回路３３は、第１計測部４２および第２計測部６０を含む。第２計測部６０の構成は、上記実施の形態１の第２計測部６０の構成と同じである。第１計測部４２は、上記実施の形態２の第１計測部４１と同様に、周波数解析器４４、スペクトル補正部４５、バンドパスフィルタ４６および計測値算出部５０を有する。本実施の形態の第１計測部４２は、さらに、切替制御信号ＳＣと同期して動作するスケール変換部４７と、スケール変換部４７の出力を一時的に記憶するメモリ４８と、切替制御信号ＳＣと同期して動作するスペクトル積算部４９とを有している。

バンドパスフィルタ４６は、まず、第１の受信信号ＤＳ１に対応する帯域制限スペクトル（以下「第１の帯域制限スペクトル」という。）を生成し、次いで、第２の受信信号ＤＳ２に対応する帯域制限スペクトル（以下「第２の帯域制限スペクトル」という。）を生成する。スケール変換部４７は、これら第１および第２の帯域制限スペクトルのうちの１つを基準スペクトルとし、残る帯域制限スペクトルの周波数軸方向のスケールを所定の変換係数ｋで変換することでスケール変換スペクトルを生成する。これにより、スケール変換スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分の周波数軸上の位置を、基準スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分の周波数軸上の位置にほぼ一致させて、これらドップラーシフトスペクトル成分を同一の周波数ビン（基準スペクトルの周波数ビン）に収めることが可能となる。スケール変換部４７は、基準スペクトルおよびスケール変換スペクトルを示すデータをメモリ４８に一時記憶させる。

たとえば、第２の帯域制限スペクトルが基準スペクトルとして選択された場合は、第１の帯域制限スペクトルの周波数軸方向のスケールを変換係数ｋ＝λ_２／λ_１で変換することができる。図１４Ａは、スケール変換により得られたドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１ｃを含む第１の帯域制限スペクトルの例を示すグラフであり、図１４Ｂは、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ２を含む第２の帯域制限スペクトルの例を示す図である。図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるように、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ１ｃの位置は、ドップラーシフトスペクトル成分Ｓ２の周波数ビンの位置と一致する。

スペクトル積算部４９は、基準スペクトルおよびスケール変換スペクトルを示すデータをメモリ４８から読み出し、これら基準スペクトルおよびスケール変換スペクトルを積算して積算スペクトルを算出する。計測値算出部５０は、最大値検出法または重心法により、積算スペクトルに現れるピークを検出し、検出されたピークの位置に基づいてドップラーシフト量を算出する。計測値算出部５０は、ドップラーシフト量から、視線方向に対するターゲットの相対速度を算出することができる。

スケール変換スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分のピーク位置は、基準スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分のピーク位置とほぼ一致する。このため、積算スペクトルには、これらドップラーシフトスペクトル成分の重ね合わせにより単一の周波数ビンの位置に鋭いピークが形成される。したがって、計測値算出部５０は、高い精度でピークを検出することができ、ターゲットの相対速度を高い精度で算出することができる。

以上に説明したように実施の形態３によれば、上記実施の形態１の場合と同様に、レーザレーダ装置３は基準光源１０を備えていることから、スペックルノイズの発生を抑制し、スペックルノイズに起因する受信信号ＤＳの強度変動を抑制することができる。このため、受信信号ＤＳの信号対雑音比の向上が可能である。また、レーザレーダ装置３の信号処理回路３３は、積算スペクトルを算出するスペクトル積算部４９を備えていることから、計測値算出部５０は、低ノイズの積算スペクトルに基づいて計測値を算出することができる。したがって、計測値の算出精度が向上し、送信光パルスの１ショットでも計測値の高精度算出が可能である。

また、信号処理回路３３はスケール変換部４７を備えることから、スケール変換スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分の周波数軸上の位置を、基準スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分の周波数軸上の位置にほぼ一致させることができる。このため、積算スペクトルには、ドップラーシフトスペクトル成分の重ね合わせにより単一の周波数ビンの位置に鋭いピークが形成される。したがって、本実施の形態のレーザレーダ装置３は、基準光源１０を構成するレーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が制限されない場合でも、検出された複数のピークに基づいてターゲットに関する計測値を高い精度で算出することできる。

なお、本実施の形態では、レーザ光源１１，１２の個数は２個であるが、この個数に限定されるものではない。互いに異なるｎ個（ｎは２以上の整数）の波長λ_１，λ_２，…，λ_ｎのレーザ光をそれぞれ出力するｎ個のレーザ光源が使用されてもよい。

また、上記実施の形態２の場合と同様に、本実施の形態でも、バンドパスフィルタ４６に代えて、アナログ受信信号ＢＳの周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去するアナログフィルタ、あるいは、周波数解析前の受信信号ＤＳの周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去するディジタルフィルタが使用されてもよい。

実施の形態４．
次に、本発明に係る実施の形態４について説明する。実施の形態４は、上記実施の形態３の変形例であり、上記実施の形態３と同様の効果を奏するように構成されている。

図１５は、本発明に係る実施の形態４であるレーザレーダ装置４の構成例を概略的に示す図である。図１５に示されるように、レーザレーダ装置４は、実施の形態３のレーザレーダ装置３と同様に、基準光源１０、光分配器２１、光変調器２２および光送受信部２３を備えている。本実施の形態のレーザレーダ装置４は、さらに、光分配器８２、波長分波器８３、光合波器（光合波素子）２６Ａ，２６Ｂ、光検出回路２７Ｍおよび信号処理回路３３Ｍを備える。

光分配器８２は、光サーキュレータ２４と光合波器２６Ａとの間の光伝送経路に設けられている。光サーキュレータ２４と光分配器８２とは光伝送路Ｃ５ａを介して互いに光学的に結合され、光分配器８２と光合波器２６Ａとは光伝送路Ｃ５ｂを介して互いに光学的に結合されている。また、波長分波器８３は、光分配器２１と光合波器２６Ａとの間の光伝送経路に設けられている。光分配器２１と波長分波器８３とは光伝送路Ｃ２ａを介して互いに光学的に結合され、波長分波器８３と光合波器２６Ａとは光伝送路Ｃ２ｂを介して互いに光学的に結合されている。さらに、光分配器８２と光合波器２６Ｂとは光伝送路Ｃ５ｃを介して互いに光学的に結合され、波長分波器８３と光合波器２６Ｂとは光伝送路Ｃ２ｃを介して互いに光学的に結合されている。

光分配器８２は、光サーキュレータ２４から光伝送路Ｃ５ａを介して入力された受信光を光伝送路Ｃ５ｂ，Ｃ５ｃに分配する光部品である。すなわち、光分配器８２は、入力された受信光を所定の分岐比（５０：５０）で第１の受信光と第２の受信光とに分解し、第１の受信光を光伝送路Ｃ５ｂに出力するとともに、第２の受信光を光伝送路Ｃ５ｃに出力する。たとえば、光分配器８２は、誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、またはビームスプリッタで構成可能である。

波長分波器８３は、光伝送路Ｃ２ａから入力された参照光の中から、複数の波長λ_１，λ_２をそれぞれ有する複数の参照光成分を同時に分離する光分離器である。すなわち、波長分波器８３は、波長λ_１の参照光成分を参照光から分離してその参照光成分を光伝送路Ｃ２ｂに出力し、同時に、波長λ_２の参照光成分を参照光から分離してその参照光成分を光伝送路Ｃ２ｃに出力する。

光合波器２６Ａは、光伝送路Ｃ２ｂから入力された参照光と光伝送路Ｃ５ｂから入力された第１の受信光とを合波して光ビート信号成分を含む合波光を生成する光合波素子である。合波光は、光伝送路Ｃ６，Ｃ７を伝搬して光検出回路２７Ｍに入射する。光合波器２６Ａは、光検出回路２７Ｍのバランスド受信器構成に合わせて、互いに１８０°異なる位相を有する合波光（正相の光と逆相の光）を光伝送路Ｃ６，Ｃ７にそれぞれ出力するように構成されている。このような光合波器２６Ａは、たとえば、９０°ハイブリッドカプラを用いて構成可能である。

一方、光合波器２６Ｂは、光伝送路Ｃ２ｃから入力された参照光と光伝送路Ｃ５ｃから入力された第２の受信光とを合波して光ビート信号成分を含む合波光を生成する光合波素子である。合波光は、光伝送路Ｃ８，Ｃ９を伝搬して光検出回路２７Ｍに入射する。光合波器２６Ｂは、光合波器２６Ａと同様に、光検出回路２７Ｍのバランスド受信器構成に合わせて、互いに１８０°異なる位相を有する合波光（正相の光と逆相の光）を光伝送路Ｃ８，Ｃ９にそれぞれ出力するように構成されている。このような光合波器２６Ｂは、たとえば、９０°ハイブリッドカプラを用いて構成可能である。

光検出回路２７Ｍは、各々がバランスド受信器構成を有する光検出器２８Ａ，２８Ｂと、光検出器２８Ａの出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２９Ａと、光検出器２８Ｂの出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２９Ｂとを含む。光検出器２８Ａは、光伝送路Ｃ６から入力された正相の光と光伝送路Ｃ７から入力された逆相の光とをそれぞれ光電変換する２個の受光素子（たとえばフォトダイオード）を有している。光検出器２８Ａは、これら受光素子の出力電流の差分に基づいてアナログ受信信号ＢＳ１を生成する。一方、光検出器２８Ｂは、光伝送路Ｃ８から入力された正相の光と光伝送路Ｃ９から入力された逆相の光とをそれぞれ光電変換する２個の受光素子（たとえばフォトダイオード）を有している。光検出器２８Ｂは、これら受光素子の出力電流の差分に基づいてアナログ受信信号ＢＳ２を生成する。光検出回路２７Ａ，２７Ｂはバランスド受信器構成を有するので、基準光源１０に起因する相対強度雑音（ＲＩＮ）の低減を実現することができる。

ＡＤＣ２９Ａは、光変調器２２から供給されたパルストリガ信号ＰＴをトリガとして、アナログ受信信号ＢＳ１をサンプリングすることで、アナログ受信信号ＢＳ１をディジタル受信信号ＤＳ１（以下「第１の受信信号ＤＳ１」という。）に変換する。一方、ＡＤＣ２９Ｂは、パルストリガ信号ＰＴをトリガとして、アナログ受信信号ＢＳ２をサンプリングすることで、アナログ受信信号ＢＳ２をディジタル受信信号ＤＳ２（以下「第２の受信信号ＤＳ２」という。）に変換する。ＡＤＣ２９Ａ，２９Ｂは、これら第１および第２の受信信号ＤＳ１，ＤＳ２を信号処理回路３３Ｍに出力する。たとえば、ＡＤＣ２９Ａ，２９Ｂは、二重積分型Ａ／Ｄ変換器、逐次比較形Ａ／Ｄ変換器または並列比較型Ａ／Ｄ変換器で構成可能である。

図１６は、実施の形態４の信号処理回路３３Ｍの構成例を概略的に示すブロック図である。図１６に示されるように信号処理回路３３Ｍは、第１計測部４２Ｍおよび第２計測部６０を含む。第２計測部６０の構成は、上記実施の形態１の第２計測部６０の構成と同じである。第２計測部６０は、第１の受信信号ＤＳ１に基づいてターゲットとの距離を検出することができる。

第１計測部４２Ｍは、周波数解析器４４Ａ，４４Ｂ、スペクトル補正部４５Ａ，４５Ｂ、バンドパスフィルタ４６Ａ，４６Ｂ、スケール変換部４７Ｍ、スペクトル積算部４９Ｍおよび計測値算出部５０を有する。ここで、周波数解析器４４Ａ、スペクトル補正部４５Ａおよびバンドパスフィルタ４６Ａの構成は、上記した周波数解析器４４、スペクトル補正部４５およびバンドパスフィルタ４６の構成と同じであり、周波数解析器４４Ｂ、スペクトル補正部４５Ｂおよびバンドパスフィルタ４６Ｂの構成は、上記した周波数解析器４４、スペクトル補正部４５およびバンドパスフィルタ４６の構成と同じである。

バンドパスフィルタ４６Ａは、第１の受信信号ＤＳ１に対応する帯域制限スペクトル（以下「第１の帯域制限スペクトル」という。）を生成する。並行して、バンドパスフィルタ４６Ｂは、第２の受信信号ＤＳ２に対応する帯域制限スペクトル（以下「第２の帯域制限スペクトル」という。）を生成する。スケール変換部４７Ｍは、実施の形態３のスケール変換部４７と同様に、これら第１および第２の帯域制限スペクトルのうちの１つを基準スペクトルとし、残る帯域制限スペクトルの周波数軸方向のスケールを所定の変換係数ｋで変換することでスケール変換スペクトルを生成する。

スペクトル積算部４９Ｍは、実施の形態３のスペクトル積算部４９と同様に、基準スペクトルおよびスケール変換スペクトルを積算して積算スペクトルを算出する。計測値算出部５０は、最大値検出法または重心法により、積算スペクトルに現れるピークを検出し、検出されたピークの位置に基づいてドップラーシフト量を算出する。計測値算出部５０は、ドップラーシフト量から、視線方向に対するターゲットの相対速度を算出することができる。

スケール変換スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分のピーク位置は、基準スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分のピーク位置とほぼ一致する。このため、積算スペクトルには、これらドップラーシフトスペクトル成分の重ね合わせにより単一の周波数ビンの位置に鋭いピークが形成される。したがって、計測値算出部５０は、高い精度でピークを検出することができ、ターゲットの相対速度を高い精度で算出することができる。

以上に説明したように実施の形態４によれば、上記実施の形態１の場合と同様に、レーザレーダ装置４は基準光源１０を備えていることから、スペックルノイズの発生を抑制し、スペックルノイズに起因する受信信号ＤＳ１，ＤＳ２の強度変動を抑制することができる。このため、受信信号ＤＳ１，ＤＳ２の信号対雑音比の向上が可能である。また、レーザレーダ装置４の信号処理回路３３Ｍは、積算スペクトルを算出するスペクトル積算部４９Ｍを備えていることから、計測値算出部５０は、低ノイズの積算スペクトルに基づいて計測値を算出することができる。したがって、計測値の算出精度が向上する。送信光パルスの１ショットでも計測値の高精度算出が可能である。

また、信号処理回路３３Ｍはスケール変換部４７Ｍを備えることから、スケール変換スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分の周波数軸上の位置を、基準スペクトルに現れるドップラーシフトスペクトル成分の周波数軸上の位置にほぼ一致させることができる。このため、積算スペクトルには、ドップラーシフトスペクトル成分の重ね合わせにより単一の周波数ビンの位置に鋭いピークが形成される。したがって、本実施の形態のレーザレーダ装置４は、基準光源１０を構成するレーザ光源１１，１２の発振波長λ_１，λ_２が制限されない場合でも、検出された複数のピークに基づいてターゲットに関する計測値を高い精度で算出することできる。

なお、本実施の形態では、レーザ光源１１，１２の個数は２個であるが、この個数に限定されるものではない。互いに異なるｎ個（ｎは２以上の整数）の波長λ_１，λ_２，…，λ_ｎのレーザ光をそれぞれ出力するｎ個のレーザ光源が使用されてもよい。

また、上記実施の形態２の場合と同様に、本実施の形態でも、バンドパスフィルタ４６Ａ，４６Ｂに代えて、アナログ受信信号ＢＳ１，ＢＳ２の周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去するアナログフィルタ、あるいは、周波数解析前の受信信号ＤＳ１，ＤＳ２の周波数帯域を制限して不要な周波数成分を除去するディジタルフィルタが使用されてもよい。

実施の形態１〜４の変形例．
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。

上記した実施の形態２〜４の信号処理回路３２，３３，３３Ｍの各々のハードウェア構成は、上記実施の形態１の場合と同様に、たとえば、ＤＳＰ，ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどの半導体集積回路を有する単数または複数のプロセッサで実現されればよい。あるいは、信号処理回路３２，３３，３３Ｍの各々のハードウェア構成は、メモリから読み出されたソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置を含む単数または複数のプロセッサで実現されてもよい。ＤＳＰなどの半導体集積回路とＣＰＵなどの演算装置との組み合わせを含む単数または複数のプロセッサで信号処理回路３２，３３，３３Ｍの各々のハードウェア構成が実現されてもよい。さらには、図３に示した信号処理回路７０で信号処理回路３２，３３，３３Ｍの各々のハードウェア構成が実現されてもよい。

また、上記実施の形態１〜４のレーザレーダ装置１〜４は、送信光パルスに基づいて計測値を検出するパルス型のレーザレーダ装置である。この代わりに、ＣＷ波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式で計測値を算出するように上記実施の形態１〜４のレーザレーダ装置１〜４の構成が変更されてもよい。

また、上記実施の形態１は、第１計測部４０および第２計測部６０が同時並行に動作するように構成されていたが、この代わりに、実施の形態１の構成が、動作条件を定める測定パラメータに応じて、第１計測部４０および第２計測部６０のうちのいずれか一方のみ、または第１計測部４０および第２計測部６０の双方が動作するように変更されてもよい。この場合、実施の形態１のレーザレーダ装置１は、当該測定パラメータに応じた動作モード（すなわち、ターゲットの相対速度のみを算出する動作モード、ターゲットとの距離のみを算出する動作モード、および、相対速度および距離の双方を算出する動作モードのうちのいずれか）で動作することができる。同様に、実施の形態２の構成は、測定パラメータに応じて、第１計測部４１および第２計測部６０のうちのいずれか一方のみ、または第１計測部４１および第２計測部６０の双方が動作するように変更されてよく、実施の形態３の構成は、測定パラメータに応じて、第１計測部４２および第２計測部６０のうちのいずれか一方のみ、または第１計測部４２および第２計測部６０の双方が動作するように変更されてよく、実施の形態４の構成は、測定パラメータに応じて、第１計測部４２Ｍおよび第２計測部６０のうちのいずれか一方のみ、または第１計測部４２Ｍおよび第２計測部６０の双方が動作するように変更されてよい。

本発明の範囲内において、上記実施の形態１〜４の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を用いてターゲットで散乱または反射された光を計測することによって当該ターゲットの速度などの情報を検知することができるので、たとえば、大気状態を観測する観測システム、および車両などの移動体を検出する移動体検出システムに用いられるのに適している。

１〜４ レーザレーダ装置、１０ 多波長基準光源、１１，１２ レーザ光源、１３ 光合波器、１４ 集光光学系、１５ 光接続部、２１ 光分配器、２２ 光変調器、２３ 光送受信部、２４ 光サーキュレータ、２５ 光アンテナ、２６，２６Ａ，２６Ｂ 光合波器、２７，２７Ｍ 光検出回路、２８，２８Ａ，２８Ｂ 光検出器、２９ Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、３１〜３３，３３Ｍ 信号処理回路、４０〜４２，４２Ｍ 第１計測部、４４，４４Ａ，４４ｂ 周波数解析器、４５，４５Ａ，４５Ｂ スペクトル補正部、４６，４６Ａ，４６Ｂ バンドパスフィルタ、４７，４７Ｍ スケール変換部、４８ メモリ、４９，４９Ｍ スペクトル積算部、５０ 計測値算出部、６０ 第２計測部、６１ 包絡線検波器、６２ エッジ検出部、６３ 測距部、７０ 信号処理回路、７１ プロセッサ、７２ メモリ、７３ 入力インタフェース部、７４ 出力インタフェース部、７５ 信号路、８０ 切替制御部、８１ 光スイッチ（光分離器）、８２ 光分配器、８３ 波長分波器（光分離器）、Ｃ０〜Ｃ９ 光伝送路、Ｔｇｔ ターゲット。

Claims (8)

1. 互いに異なる複数の波長をそれぞれ有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成する基準光源と、
   前記基準光を送信光と参照光とに分解する光分配器と、
   前記送信光を変調して変調送信光を生成する光変調器と、
   前記変調送信光を外部空間に放射し、前記外部空間内のターゲットで散乱または拡散された光を受信する光送受信部と、
   前記参照光と前記光送受信部で受信された光とを合波して光ビート信号を生成する光合波器と、
   前記光ビート信号を光電変換して受信信号を生成する光検出回路と、
   信号処理回路とを備え、
   前記信号処理回路は、
   予め定められた周波数分解能で前記受信信号に周波数解析を施して前記受信信号のスペクトルを算出する周波数解析器と、
   当該算出されたスペクトルに基づいて前記ターゲットに関する計測値を算出する計測値算出部とを含み、
   前記複数の波長は、前記受信信号のスペクトルにおいて前記複数の波長にそれぞれ対応して現れる複数のピーク間の周波数差が前記周波数分解能以下となるように設定されていることを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 請求項１記載のレーザレーダ装置であって、
   前記計測値算出部は、予め定められた速度計測範囲内で前記ターゲットの相対速度を前記計測値として算出し、
   前記速度計測範囲内における速度の絶対値の最大値がＶ_ｍａｘ，前記複数の波長のうちの最大波長がλ_ｍａｘ，前記複数の波長のうちの最小波長がλ_ｍｉｎ，前記周波数分解能がΔｆでそれぞれ表されるとき、前記複数の波長は、
   Δｆ＞２×Ｖ_ｍａｘ×（１／λ_ｍｉｎ−１／λ_ｍａｘ）、
   との関係式を満たすように設定されていることを特徴とするレーザレーダ装置。
3. 請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置であって、前記複数のレーザ光の各々のスペクトル線幅が１００ＭＨｚ以下であることを特徴とするレーザレーダ装置。
4. 互いに異なる複数の波長をそれぞれ有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成する基準光源と、
   前記基準光を送信光と参照光とに分解する光分配器と、
   前記送信光を変調して変調送信光を生成する光変調器と、
   前記変調送信光を外部空間に放射し、前記外部空間内のターゲットで散乱または拡散された光を受信する光送受信部と、
   前記参照光の中から、前記複数の波長をそれぞれ有する複数の参照光成分を分離する光分離器と、
   前記複数の参照光成分と前記光送受信部で受信された光とを合波して複数の光ビート信号を生成する光合波器と、
   前記複数の光ビート信号を光電変換して複数の受信信号を生成する光検出回路と、
   前記複数の受信信号に周波数解析を施して前記複数の受信信号それぞれの複数のスペクトルを算出する周波数解析器と、
   前記複数のスペクトルを積算して積算スペクトルを算出するスペクトル積算部と、
   前記積算スペクトルに基づき、前記ターゲットに関する計測値を算出する計測値算出部と、
   前記複数のスペクトルのうちの１つを基準スペクトルとし、前記複数のスペクトルのうち前記基準スペクトル以外の単数または複数のスペクトルの周波数軸方向のスケールを変換してスケール変換スペクトルを生成するスケール変換部と
   を備え、
   前記スペクトル積算部は、前記基準スペクトルおよび前記スケール変換スペクトルを積算して前記積算スペクトルを算出する、
   ことを特徴とすることを特徴とするレーザレーダ装置。
5. 互いに異なる複数の波長をそれぞれ有する複数のレーザ光を合波して基準光を生成する基準光源と、
   前記基準光を送信光と参照光とに分解する光分配器と、
   前記送信光を変調して変調送信光を生成する光変調器と、
   前記変調送信光を外部空間に放射し、前記外部空間内のターゲットで散乱または拡散された光を受信する光送受信部と、
   前記参照光の中から、前記複数の波長をそれぞれ有する複数の参照光成分を分離する光分離器と、
   前記複数の参照光成分と前記光送受信部で受信された光とを合波して複数の光ビート信号を生成する光合波器と、
   前記複数の光ビート信号を光電変換して複数の受信信号を生成する光検出回路と、
   前記複数の受信信号に周波数解析を施して前記複数の受信信号それぞれの複数のスペクトルを算出する周波数解析器と、
   前記複数のスペクトルを積算して積算スペクトルを算出するスペクトル積算部と、
   前記積算スペクトルに基づき、前記ターゲットに関する計測値を算出する計測値算出部と
   を備え、
   前記光分離器は、前記参照光の中から前記複数の参照光成分を選択的に順次分離する光スイッチであることを特徴とするレーザレーダ装置。
6. 請求項４記載のレーザレーダ装置であって、前記光分離器は、前記参照光の中から前記複数の参照光成分を選択的に順次分離する光スイッチであることを特徴とするレーザレーダ装置。
7. 請求項４記載のレーザレーダ装置であって、
   前記光分離器は、前記参照光の中から前記複数の参照光成分を同時に分離する波長分波器であり、
   前記光合波器は、前記光送受信部で受信された光を前記複数の参照光成分とそれぞれ合波して前記複数の光ビート信号を同時に生成する複数の光合波素子を含み、
   前記光検出回路は、前記複数の光ビート信号をそれぞれ光電変換して前記複数の受信信号を同時に生成する複数の光検出器を含む、
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
8. 請求項４記載のレーザレーダ装置であって、前記複数のレーザ光の各々のスペクトル線幅が１００ＭＨｚ以下であることを特徴とするレーザレーダ装置。

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