JP6954494B2 - Laser radar device - Google Patents
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Description
この発明は、レーザレーダ装置に関するものである。 The present invention relates to a laser radar device.
従来、大気中にレーザ光を照射することで風速計測を行うレーザレーダ装置として、ヘテロダイン検波方式のレーザレーダ装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。ヘテロダイン検波方式のレーザレーダ装置は、レーザ光を送信光として大気中に照射し、エアロゾル(大気中の塵等の極小の浮遊粒子)が送信光を反射した反射光を受信光として受信する。レーザレーダ装置は、ヘテロダイン検波によって参照光と受信光を合波して干渉光を生成し干渉光を電気信号に変換する。そして、当該電気信号をフーリエ変換して得られる周波数スペクトルからエアロゾルの移動によって生じたドップラーシフト量を求め、当該ドップラーシフト量からレーザ照射方向の風速を計測する。 Conventionally, a heterodyne detection type laser radar device is known as a laser radar device that measures wind speed by irradiating a laser beam into the atmosphere (see, for example, Patent Document 1). The heterodyne detection type laser radar device irradiates the atmosphere with laser light as transmitted light, and receives reflected light reflected by aerosol (minimal suspended particles such as dust in the atmosphere) as received light. The laser radar device combines the reference light and the received light by heterodyne detection to generate interference light, and converts the interference light into an electric signal. Then, the Doppler shift amount generated by the movement of the aerosol is obtained from the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the electric signal, and the wind speed in the laser irradiation direction is measured from the Doppler shift amount.
レーザレーダ装置を用いて送信光を、大気中ではなく、対象物に向けて送信した場合、対象物からの反射光を受信することで、対象物の速度を計測することが考えられる。例えば、海面に向けてレーザ光を照射することで、海面の移動速度を計測することが考えられる。しかし、特許文献1に記載のレーザレーダ装置が受信する受信光には、対象物からの反射光だけでなく、エアロゾルからの反射光も含まれるため、フーリエ変換して得られるドップラーシフト量には、対象物の速度だけでなく、エアロゾルの速度による影響が含まれてしまう。その結果、ドップラーシフト量から対象物の速度を算出すると、エアロゾルの影響により対象物の速度を精度よく算出できないという問題があった。
本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あり、対象物の速度をより精度良く算出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。When the transmitted light is transmitted to the object instead of the atmosphere by using the laser radar device, it is conceivable to measure the velocity of the object by receiving the reflected light from the object. For example, it is conceivable to measure the moving speed of the sea surface by irradiating the sea surface with a laser beam. However, since the received light received by the laser radar device described in
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a laser radar device capable of calculating the speed of an object with higher accuracy.
本発明に係るレーザレーダ装置は、対象物が反射可能な帯域のレーザ光を生成する光源部と、光源部が生成したレーザ光に基づいて第1の偏光成分と第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分とを含む送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信し、受信光に含まれる第1の偏光成分から第1の電気信号を生成し、受信光に含まれる第2の偏光成分から第2の電気信号を生成する検波部と、第1の電気信号と、第2の電気信号との差に基づいて、対象物の速度を算出する信号処理部と、を備えたものである。 The laser radar device according to the present invention has a light source unit that generates laser light in a band in which an object can be reflected, and a first polarization component and a first polarization component based on the laser light generated by the light source unit. The transmitted light including the second polarizing component is transmitted toward the object, the transmitted light receives the reflected light reflected by the object as the received light, and the first polarized light contained in the received light is first. Based on the difference between the detector, the first electric signal, and the second electric signal, which generates the electric signal of the above and generates the second electric signal from the second polarization component contained in the received light. It is equipped with a signal processing unit that calculates the speed of an object.
本発明に係るレーザレーダ装置によれば、光源部が生成したレーザ光に基づいて第1の偏光成分と第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分とを含む送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信し、受信光に含まれる第1の偏光成分から第1の電気信号を生成し、受信光に含まれる第2の偏光成分から第2の電気信号を生成する検波部と、第1の電気信号と、第2の電気信号との差に基づいて、対象物の速度を算出する信号処理部とを備えることにより、エアロゾルでの反射は偏光依存性がないため第1の電気信号と第2の電気信号との差をとることでエアロゾルからの反射成分を取り除くことができ、より精度良く対象物の速度を算出することができる。 According to the laser radar device according to the present invention, the transmitted light including the first polarization component and the second polarization component different from the first polarization component is directed to the object based on the laser light generated by the light source unit. The transmitted light receives the reflected light reflected by the object as the received light, generates a first electric signal from the first polarized light component included in the received light, and generates a first electric signal, and a second included in the received light. By providing a detection unit that generates a second electric signal from a polarized light component and a signal processing unit that calculates the speed of an object based on the difference between the first electric signal and the second electric signal. Since the reflection in the aerosol has no polarization dependence, the reflected component from the aerosol can be removed by taking the difference between the first electric signal and the second electric signal, and the velocity of the object is calculated more accurately. be able to.
実施の形態1.
実施の形態1に係るレーザレーダ装置1は、第1の偏光成分を有する受信光から生成された第1の電気信号と、第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分を有する受信光から生成された第2の電気信号との差に基づいて、対象物の速度を算出することにより、エアロゾルからの影響を低減して対象物の速度を算出することができるものである。
The
図1は、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1の構成を示す構成図であり、図2は、実施の形態1における信号処理部4の構成を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the
図1に示したレーザレーダ装置1は、対象物が反射可能な帯域のレーザ光を生成する光源部2と、光源部が生成したレーザ光に基づいて第1の偏光成分と第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分とを含む送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信し、受信光に含まれる第1の偏光成分から第1の電気信号を生成し、受信光に含まれる第2の偏光成分から第2の電気信号を生成する検波部3と、第1の電気信号と、第2の電気信号との差に基づいて、対象物の速度を算出する信号処理部4と、を備えたものである。
本明細書において、第1の電気信号と第2の電気信号との差に基づくとは、第1の電気信号と第2の電気信号の直接の差分に基づくだけでなく、包絡線の取得等、所定の処理を施した後の第1の電気信号と第2の電気信号との差分に基づくことも含む。実施の形態1では、後述する第1の包絡線と第2の包絡線との差分に基づき、対象物の速度を算出する。
本明細書において、送信光とは、一つのパルスだけを指すのではなく、時間的に離れた複数のパルスを含むものである。そして、以下において送信パルスとは送信光に含まれるパルスを意味する。
また、本明細書において、第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含む送信光とは、図16に示すように、第1の偏光成分E1を有する第1の偏光状態の送信パルス1011と第2の偏光成分E2を有する第2の偏光状態の送信パルス1012を時間の経過に伴い交互に送信する場合と、図17に示すように、第1の偏光成分と第2の偏光成分の両方を有する偏光状態の送信パルス1013を送信する場合の両方を意味する。実施の形態1では、第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含む送信光として、図16に示す第1の偏光状態の送信パルス1011と第2の偏光状態の送信パルス1012を時間の経過に伴い交互に送信する場合について説明する。
また、第1の偏光成分を有する受信光とは、受信光のうち第1の偏光成分を有する第1の偏光状態の送信パルスが対象物で反射された反射光を受信して得られた受信光であり、第2の偏光成分を有する受信光とは、受信光のうち第2の偏光成分を有する第2の偏光状態の送信パルスが対象物で反射された反射光を受信して得られた受信光である。干渉光においても同様に、第1の偏光成分を有する干渉光とは、第1の偏光状態の送信パルスに対応するものであり、第2の偏光成分を有する干渉光とは、第2の偏光状態の送信パルスに対応するものである。
レーザレーダ装置1は、上記のように構成されており、以下で各部を詳細に説明する。The
In the present specification, based on the difference between the first electric signal and the second electric signal is not only based on the direct difference between the first electric signal and the second electric signal, but also the acquisition of the envelope, etc. It also includes being based on the difference between the first electric signal and the second electric signal after performing a predetermined process. In the first embodiment, the velocity of the object is calculated based on the difference between the first envelope and the second envelope, which will be described later.
As used herein, the transmitted light does not refer to only one pulse, but includes a plurality of pulses separated by time. In the following, the transmission pulse means a pulse included in the transmission light.
Further, in the present specification, the transmitted light including the first polarized light component and the second polarized light component is the
Further, the received light having the first polarization component is the reception obtained by receiving the reflected light in which the transmission pulse in the first polarized state having the first polarization component of the received light is reflected by the object. The received light which is light and has a second polarization component is obtained by receiving the reflected light in which the transmission pulse in the second polarized state having the second polarization component of the received light is reflected by the object. It is the received light. Similarly, in the interference light, the interference light having the first polarization component corresponds to the transmission pulse in the first polarization state, and the interference light having the second polarization component is the second polarization. It corresponds to the transmission pulse of the state.
The
光源部2は、対象物が反射可能な帯域のレーザ光を生成するものである。ここで、レーザレーダ装置1が測定対象とする対象物は、反射光が偏光依存性を有するものであり、例えば、海面や車両等である。以下では、対象物は海面とし、海面が移動する速度、すなわち潮流速度を算出するものとする。
光源部2にて生成されるレーザ光は、海面が反射可能な帯域の単一周波数からなる連続光である。光源部2には例えば半導体レーザ装置や固体レーザ装置が用いられる。また、光源部2から出力されるレーザ光の偏光状態は、楕円偏光やランダム偏光等、どのようなものでも問題ないが、以下では、光源部2から出力されるレーザ光は直線偏光状態にあるものとする。The
The laser light generated by the
検波部3は、光源部2が生成したレーザ光に基づいて第1の偏光成分と第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分とを含む送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信し、受信光に含まれる第1の偏光成分から第1の電気信号を生成し、受信光に含まれる第2の偏光成分から第2の電気信号を生成するものである。
実施の形態1における検波部3は、光源部2が生成したレーザ光に第1の偏光成分と第2の偏光成分を含むように偏光を施し、送信光と、送信光と同じ偏光状態の参照光とを出力する光制御部5と、光制御部5から出力された送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信する送受信部6と、送受信部6で受信した受信光と光制御部5から出力された参照光を合波して干渉光を生成する合波部7と、入力された干渉光を変換して第1の電気信号と第2の電気信号とを含む電気信号を生成する光検出部8と、を有する。また、実施の形態1において、第1の電気信号は光検出部8で第1の偏光成分を有する干渉光を変換して生成された電気信号であり、第2の電気信号は光検出部で第2の偏光成分を有する干渉光を変換して生成された電気信号である。The detection unit 3 transmits and transmits the transmitted light including the first polarization component and the second polarization component different from the first polarization component to the object based on the laser light generated by the
The detection unit 3 in the first embodiment polarizes the laser light generated by the
光制御部5は、光源部2が生成したレーザ光に第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含むように偏光を施し、第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含む送信光と、送信光と同じ偏光状態の参照光とを出力するものである。実施の形態1において、光制御部5は、光源部2で出力されたレーザ光を偏光させる偏光部51と、偏光部51で偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配する分配部52と、分配部52で分配された送信光を変調する変調部53と、を含む。
The
偏光部51は、光源部2で生成されたレーザ光に偏光を施し、第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含むレーザ光を生成するものである。具体的には、実施の形態1における偏光部51は、光源部2で出力されたレーザ光を第1の偏光成分を有する第1の偏光状態と、第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分を有する第2の偏光状態に、時間の経過に伴い交互に偏光させるものである。後述する第1の電気信号と第2の電気信号の強度差を大きくするために、以下では、第1の偏光状態は第1の偏光成分のみを有する直線偏光状態とし、第2の偏光状態は第2の偏光成分のみを有する直線偏光状態とする。
偏光部51としては、例えば、波長板や光ファイバ偏光スイッチ、ポッケルスセルが用いられる。また、光源部2と偏光部51は光ファイバーケーブルで接続される。
また、光源部2から出力されるレーザ光の偏光状態が、第1の偏光状態と一致している場合、偏光部51は、第1の偏光状態の光をそのまま透過する構成として良い。すなわち、上記において、偏光部51がレーザ光を第1の偏光状態に偏光させるとは、偏光部51から出力されるレーザ光が第1の偏光状態であればよく、第1の偏光状態と異なる状態から第1の偏光状態に偏光させることだけではなく、第1の偏光状態のレーザ光を入力し、偏光状態を変化させず、そのまま第1の偏光状態のレーザ光を出力することを含む。これは、第2の偏光状態に対しても同様である。The
As the
Further, when the polarization state of the laser light output from the
分配部52は、偏光部51で偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配するものである。実施の形態1において、分配部52は、偏光部51で偏光されたレーザ光を所定の比率で変調部53と合波部7に分配する。ここで、変調部53に出力されるレーザ光が送信光であり、合波部7に出力されるレーザ光が参照光である。
なお、分配部52としては、例えば、光ファイバカプラや誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、ビームスプリッタが用いられる。また、偏光部51と分配部52は光ファイバーケーブルで接続される。The
As the
変調部53は、分配部52で分配された送信光を変調するものである。実施の形態1において、変調部53は、分配部52からの送信光に対して連続光をパルスに変換するパルス変調と周波数を周波数シフト量だけ偏移させる周波数シフトを施し、送信パルスを生成する。また、パルス変調は、所定のパルス幅及びパルス変調周波数で施される。パルス幅は、距離分解能に対応し、ユーザによって、所望の距離分解能に相当するパルス幅を設定する構成としてもよいし、システム設計時に設定された固定のパルス幅で動作するようにしてもよい。周波数シフトについても同様に、ユーザが設定する構成としてもよいし、システム設計時に設定された固定の周波数シフト量で動作する構成としてもよい。
また、偏光部51と変調部53は、第1の偏光状態への偏光と第2の偏光状態への偏光の切り替えを行う頻度を表す偏光切り替え周波数と、パルス変調を行う頻度を表すパルス変調周波数を同期することにより、1パルス毎に偏光状態の異なる送信パルスを生成する。
変調部53としては、例えば、電気光学結晶や音響光学結晶を含む光変調器が用いられ、変調部53と分配部52は光ファイバーケーブルで接続される。
なお、変調部53から出力される送信光の強度が弱い場合、変調部53の後段に光増幅器を追加してもよい。The
Further, the
As the
If the intensity of the transmitted light output from the
送受信部6は、光制御部5から出力された第1の偏光成分と第2の偏光成分を含む送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信するものである。実施の形態1において、送受信部6は、送受分離部61と送受共用光学系62とを有する。
The transmission / reception unit 6 transmits the transmission light including the first polarization component and the second polarization component output from the
送受分離部61は、変調部53から入力された送信光を送受共用光学系62に出力し、送受共用光学系62から入力された受信光を合波部7に出力するものである。送受分離部61には、例えば、波長板と偏光ビームスプリッタを組み合わせた光サーキュレータが用いられ、変調部53と送受分離部61は光ファイバーケーブルで接続される。
The transmission /
送受共用光学系62は、送受分離部61から入力された送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信し、送受分離部61に出力するものである。ここで、送受共用光学系62が受信する反射光(受信光)には、対象物からの反射成分だけでなく、エアロゾルからの反射成分が含まれ、対象物からの反射成分には第1の偏光成分を有する送信光が対象物で反射された反射成分と第2の偏光成分を有する送信光が対象物で反射された反射成分とが含まれる。なお、送受共用光学系62には、例えば、光学望遠鏡やカメラレンズが用いられる。また、送受分離部61と送受共用光学系62は光ファイバーケーブルで接続される。
実施の形態1では、第1の偏光成分を有する送信光と第2の偏光成分を有する送信光は同一の光学系を用いて対象物に送信されるため、それぞれの送信光の光路は、周囲の環境の時間変化を無視できるスケールにおいて一致し、光路に由来する光学的損失は両偏光で同一となる。これは、信号処理部4で第1の包絡線と第2の包絡線の差分を取る際の精度を向上する。
また、本発明において送信用光学系と受信用光学系を別々の構成としても構わないが、実施の形態1では、送信光を対象物に向けて送信する送信用光学系と、対象物からの反射光を受信する受信用光学系をまとめて一つの送受共用光学系で構成しているため、送信光と反射光の光軸を一致させることができる。The transmission / reception shared
In the first embodiment, since the transmitted light having the first polarization component and the transmitted light having the second polarization component are transmitted to the object using the same optical system, the optical paths of the respective transmitted lights are ambient. The time changes in the environment are consistent on a negligible scale, and the optical loss from the optical path is the same for both polarized light. This improves the accuracy when the
Further, in the present invention, the transmitting optical system and the receiving optical system may be configured separately, but in the first embodiment, the transmitting optical system that transmits the transmitted light toward the object and the transmitting optical system from the object are used. Since the receiving optical system that receives the reflected light is collectively composed of one transmission / reception shared optical system, the optical axes of the transmitted light and the reflected light can be matched.
合波部7は、送受信部6で受信した受信光と光制御部5から出力された参照光を合波して干渉光を生成するものである。より詳細には、送受信部6が受信する受信光に第1の偏光成分を有する送信光の反射成分と第2の偏光成分を有する送信光が含まれるため、合波部7が生成する干渉光においても第1の偏光成分を有する干渉光と第2の偏光成分を有する干渉光とが含まれる。ここで、干渉光とは、合波により生成される光の干渉成分を意味する。実施の形態1における合波部7は、光検出部8の構成に合わせて、互いに180°異なる位相の2本の干渉光を光検出部8に出力するように構成される。
なお、合波部7としては、例えば、誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラーやビームスプリッタ、光ファイバカプラが用いられる。また、分配部52と合波部7及び送受分離部61と合波部7は光ファイバーケーブルで接続される。The combiner 7 generates interference light by combining the received light received by the transmitter / receiver 6 with the reference light output from the
As the combiner 7, for example, a branch mirror using a dielectric multilayer filter, a beam splitter, or an optical fiber coupler is used. Further, the
光検出部8は、合波部7で生成された干渉光を変換して第1の電気信号と第2の電気信号とを含む電気信号を生成するものである。また、実施の形態1において、第1の電気信号とは、合波部7が生成した第1の偏光成分を有する干渉光を光検出部8が変換して生成した電気信号であり、第2の電気信号とは、合波部7が生成した第2の偏光成分を有する干渉光を光検出部8が変換して生成した電気信号である。
The
より具体的には、光検出部8は、合波部7で生成された干渉光を変換してアナログの電気信号を生成する光検出器81と光検出器81で生成された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部82を有する。
More specifically, the
光検出器81は、バランスド受信機構成を有し、フォトダイオードからなる受光素子を2つ備える。各受光素子は合波部7から出力される位相の異なる干渉光をそれぞれ受光し、光検出器81は、各受光素子の出力電流の差分に基づいて電気信号を生成する。上記の構成により、光検出器81は、光源部2に起因するノイズを低減することができる。また、合波部7と光検出器81は光ファイバーケーブルで接続される。
The
A/D変換部82は、光検出器81から出力される電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するものである。実施の形態1において、A/D変換部82は、デジタル信号に変換した電気信号を低周波信号取得部41と抽出部43に出力する。また、光検出器81とA/D変換部82は、電気信号ケーブルで接続される。
The A /
図2において、信号処理部4は、第1の電気信号と、第2の電気信号との差に基づいて、対象物の速度を算出するものである。
In FIG. 2, the
また、実施の形態1における信号処理部4は、光検出部8で生成された電気信号から高周波成分が除去された低周波信号を取得する低周波信号取得部41と、低周波信号取得部41が第1の電気信号から取得した第1の低周波信号と、低周波信号取得部41が第2の電気信号から取得した第2の低周波信号との差分を、第1の電気信号と前記第2の電気信号との差として算出する差分算出部42と、差分算出部42で算出された差分と光検出部8で生成された第1の電気信号とに基づいて、第1の電気信号から、対象物からの反射成分を抽出した電気信号を生成する抽出部43と、抽出部43で抽出された電気信号を用いて、対象物の速度を算出する速度算出部44と、を有する。
また、A/D変換部82と信号処理部4は、電気信号ケーブルで接続される。Further, the
Further, the A /
低周波信号取得部41は、光検出部で生成された電気信号から高周波成分が除去された低周波信号を取得するものである。第1の低周波信号とは、第1の電気信号から取得される低周波信号であり、第2の低周波信号とは、第2の電気信号から取得される低周波信号である。
実施の形態1において、低周波信号取得部41は、低周波信号として電気信号の包絡線を取得する。また、第1の低周波信号は第1の電気信号から取得される包絡線である第1の包絡線であり、第2の低周波信号は第2の電気信号から取得される包絡線である第2の包絡線である。包絡線を取得するには、例えば、各プログラミング言語に用意された関数を用いる。The low-frequency
In the first embodiment, the low frequency
差分算出部42は、低周波信号取得部41が第1の電気信号から取得した第1の低周波信号と、低周波信号取得部41が第2の電気信号から取得した第2の低周波信号との差分を、第1の電気信号と第2の電気信号との差として算出するものである。実施の形態1において、差分算出部42は、第1の包絡線と第2の包絡線との差分を算出する。また、実施の形態1における差分算出部は第1の包絡線が入力された後、第2の包絡線が入力され、差分を算出するまでの間、第1の包絡線を記憶する機能を有する。
The
抽出部43は、差分算出部42で算出された差分と光検出部8で生成された第1の電気信号に基づいて、第1の電気信号から、対象物からの反射成分を抽出した電気信号を生成するものである。実施の形態1において、抽出部43は、差分算出部42で算出された差分と光検出部8で生成された第1の電気信号を乗算することにより、第1の電気信号から対象物からの反射成分を抽出する。
差分算出部42と抽出部43は、上記の構成により、干渉光からエアロゾルによる反射成分を取り除き、海面による反射成分を抽出する。以下で、この仕組みについて詳細に説明する。The
The
差分算出部42及び抽出部43は、干渉光を変換して生成された電気信号から海面による反射成分を抽出するが、これは、海面による光の反射が偏光依存性を有するのに対して、エアロゾルによる光の反射が偏光依存性を有さない、あるいは偏光依存性が小さいことを利用している。説明を簡素化するため、ここでは、エアロゾルによる反射は偏光依存性を有さないものとして扱う。
海面による反射は偏光依存性を有するため、送受信部6で受信した受信光及び合波部7で生成された干渉光は、それぞれ偏光状態の違いにより強度差を有する。すなわち、第1の偏光成分を有する受信光及び干渉光と第2の偏光成分を有する受信光及び干渉光は強度差を有する。これに対して、エアロゾルからの反射は偏光依存性を有さないため、送受信部6で受信した受信光と合波部7で生成された干渉光も、エアロゾルからの反射成分は偏光状態の違いによる強度差を有さない。すなわち、第1の偏光成分を有する受信光及び干渉光と第2の偏光成分を有する受信光及び干渉光のうちエアロゾルからの反射成分は強度差を有さない。そのため、第1の偏光成分を有する干渉光から生成された第1の電気信号と第2の偏光成分を有する干渉光から生成された第2の電気信号との差を取ると、エアロゾルからの反射成分が取り除かれ、海面からの反射成分だけが残存する。実施の形態1においては、第1の電気信号と第2の電気信号との差として、第1の電気信号から取得される第1の包絡線と第2の電気信号から取得される第2の包絡線との差分を用いる。
具体的には、図6で図示されるように、第1の包絡線101と第2の包絡線102の差を取ると、得られた差分103は、エアロゾルからの反射成分がゼロとなり、海面からの反射成分のみがゼロでない値を有する。
そして、図7で図示されるように、得られた差分103を第1の電気信号100と乗算すると、差分103は海面からの反射成分のみゼロでない値を有しているため、乗算して得られる電気信号106も海面からの反射成分に対応する時間範囲のみゼロでない値を有する。このようにして、差分算出部42及び抽出部43は、光検出部8で得られる電気信号においてエアロゾルからの影響を低減する。
図6及び図7については、後述するレーザレーダ装置1の動作の説明において、詳細に説明する。The
Since the reflection by the sea surface has polarization dependence, the received light received by the transmission / reception unit 6 and the interference light generated by the combiner 7 have different intensities due to the difference in the polarization state. That is, the received light and the interference light having the first polarization component and the reception light and the interference light having the second polarization component have an intensity difference. On the other hand, since the reflection from the aerosol has no polarization dependence, the reflected component from the aerosol is different in the polarization state between the received light received by the transmission / reception unit 6 and the interference light generated by the combiner 7. There is no difference in strength due to. That is, of the received light and the interference light having the first polarization component and the reception light and the interference light having the second polarization component, the reflection component from the aerosol has no difference in intensity. Therefore, if the difference between the first electric signal generated from the interference light having the first polarization component and the second electric signal generated from the interference light having the second polarization component is taken, the reflection from the aerosol is taken. The component is removed and only the reflected component from the sea surface remains. In the first embodiment, as a difference between the first electric signal and the second electric signal, a second envelope acquired from the first electric signal and a second electric signal acquired from the second electric signal are obtained. Use the difference from the envelope.
Specifically, as shown in FIG. 6, when the difference between the
Then, as shown in FIG. 7, when the obtained
6 and 7 will be described in detail in the description of the operation of the
速度算出部44は、抽出部43で抽出された電気信号を用いて、対象物の速度を算出するものである。実施の形態1において、速度算出部44は、抽出部43で抽出された電気信号を複数のレンジビンで分割するレンジビン分割部441と、レンジビン分割部441で分割された電気信号のレンジビンごとの周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出部442と、周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルのドップラーシフト量から対象物の速度を算出するドップラー速度算出部443とを備える。
The
レンジビン分割部441は、抽出部43で抽出された電気信号を複数のレンジビンで分割するものである。ここで、レンジビンとは所定の時間幅を持つ時間範囲のことであり、電気信号をレンジビンに分割するとは、電気信号を所定の時間幅ごとに分割することである。
The range
周波数スペクトル算出部442は、レンジビン分割部441で分割された電気信号のレンジビンごとの周波数スペクトルを算出するものである。実施の形態1における周波数スペクトル算出部442は、レンジビンごとに分割された電気信号に対してFFT(Fast Fourier Transform)処理を行う。
ここで、光検出部8から出力される電気信号の周波数は、変調部53で付与された周波数シフト量と対象物の速度に対応するドップラーシフト量の和となり、周波数スペクトル算出部442で算出される周波数スペクトルは、当該周波数シフト量と当該ドップラーシフト量の和の周波数値にピーク値を持つ。The frequency
Here, the frequency of the electric signal output from the
ドップラー速度算出部443は、周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルのドップラーシフト量から対象物の速度を算出するものである。周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルは周波数シフト量とドップラーシフト量の和の周波数値にピーク値を持つため、周波数スペクトルのピーク値に対応する周波数値から周波数シフト量を減算し、ドップラーシフト量を算出することにより、対象物の速度を算出することができる。
The Doppler
信号処理部4の各機能は、コンピュータにより実現される。図3は信号処理部4を実現するコンピュータのハードウェア構成の例を示す構成図である。
図3に示したハードウェアには、CPU(Central Processing Unit)等の処理装置1000と、ROM(Read Only Memory)やハードディスク等の記憶装置1001と、入力インターフェース部1002が備えられている。また、処理装置1000と記憶装置1001は、電気信号ケーブルにより接続され、同様に、処理装置1000と入力インターフェース部1002は、電気信号ケーブルにより接続される。Each function of the
The hardware shown in FIG. 3 includes a
図1に示す、低周波信号取得部41、差分算出部42、抽出部43、速度算出部44は、記憶装置1001に記憶されたプログラムが処理装置1000で実行されることにより実現される。入力インターフェース部1002は、外部から入力された電気信号を処理装置1000に出力する機能を有し、特に、検波部3から入力された電気信号を処理装置1000へと出力する。
また、信号処理部4の各機能を実現する方法は、上記したハードウェアとプログラムの組み合わせに限らず、処理装置にプログラムをインプリメントしたLSI(Large Scale Integrated Circuit)のような、ハードウェア単体で実現するようにしてもよいし、一部の機能を専用のハードウェアで実現し、一部を処理装置とプログラムの組み合わせで実現するようにしてもよい。The low frequency
Further, the method of realizing each function of the
以上のように、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1は構成されている。
また、光源部2及び検波部3の各部を接続する光ファイバーケーブルには、偏光保持光ファイバーケーブルを用いることとする。各部の接続に偏光保持光ファイバーケーブルを用いる場合、当該偏光保持光ファイバーケーブルのFast軸及びSlow軸を第1の偏光成分の方向と第2の偏光成分の方向にそれぞれ一致させることにより、偏光状態を維持したまま光を伝搬させることができる。As described above, the
Further, a polarization-retaining optical fiber cable is used for the optical fiber cable connecting each part of the
次に、本実施の形態におけるレーザレーダ装置1の動作について説明する。
図4は、本実施の形態におけるレーザレーダ装置1により、対象物の速度を算出する動作を示すフローチャートである。Next, the operation of the
FIG. 4 is a flowchart showing an operation of calculating the speed of an object by the
レーザレーダ装置1が、対象物の速度を算出する動作を開始すると、ますステップS1で、光源部2がレーザ光を出力する。上述したように、実施の形態1における対象物は海面であり、海面の速度を算出するものとする。また、当該レーザ光は、海面が反射可能な帯域の単一周波数からなる連続光である。
When the
次にステップS2で、偏光部51は、ステップS1で光源部2が出力したレーザ光を第1の偏光状態に偏光させる。以下では、第1の偏光成分を海面に対するS偏光成分、第2の偏光成分を海面に対するP偏光成分とする。これにより、第1の偏光成分を有する反射光と第2の偏光成分を有する反射光の強度差、ひいては、第1の電気信号と第2の電気信号の強度差を最大化することができる。
Next, in step S2, the
次にステップS3で、分配部52は、偏光部51で第1の偏光状態に偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配する。分配部52は、送信光を変調部53に出力するとともに、参照光を合波部7に出力する。
Next, in step S3, the
次にステップS4で、変調部53は、ステップS3において分配部52で分配された送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。変調部53は変調を施した送信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S4, the
次にステップS5で、送受共用光学系62は、送受分離部61を介して入力された送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S5, the transmission / reception shared
次にステップS6で、送受共用光学系62は、海面で反射された送信光を受信光として受信する。送受共用光学系62は、受信した受信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S6, the transmission / reception shared
次にステップS7で、合波部7は、送受分離部61を介して合波部7に入力された受信光と、分配部52で分配された参照光とを合波して、干渉光を生成する。合波部7は、生成した干渉光を光検出器81に出力する。
Next, in step S7, the combiner 7 combines the received light input to the combiner 7 via the transmission /
次にステップS8で、光検出器81は、ステップS7において合波部7で生成された干渉光を変換しアナログの電気信号を生成する。また、光検出器81で生成された電気信号は、A/D変換部82でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、低周波信号取得部41と抽出部43に出力される。
このステップで得られる電気信号は、第1の電気信号である。Next, in step S8, the
The electrical signal obtained in this step is the first electrical signal.
次にステップS9で、低周波信号取得部41は、入力された電気信号から低周波信号を取得する。このステップで得られる低周波信号は、第1の低周波信号であり、すなわち第1の包絡線である。
図5は、低周波信号取得部41が包絡線を取得する動作を示す説明図である。図5において、第1の電気信号100は細い実線で図示され、第1の包絡線101は太い実線で図示される。図5において、低周波信号取得部41は、A/D変換部82から入力した第1の電気信号100から第1の包絡線101を取得する。そして、低周波信号取得部41は、取得した第1の包絡線101を差分算出部42に出力する。差分算出部42は、後のステップで第2の包絡線が入力され、差分を算出するまで、入力された第1の包絡線101を記憶する。Next, in step S9, the low frequency
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an operation in which the low frequency
次にステップS10で、偏光部51は、光源部2が出力したレーザ光を第2の偏光状態に偏光させる。ここで、ステップS1からステップS10までの時間間隔は、あらかじめ設定された偏光切り替え周波数によって決定される。
Next, in step S10, the
その後のステップS11からステップS17までの動作は、処理する光の偏光状態が異なるだけであり、ステップS3からステップS9までの動作と同様である。 Subsequent operations from step S11 to step S17 are the same as the operations from step S3 to step S9, except that the polarization state of the light to be processed is different.
ステップS11で、分配部52は、偏光部51で第2の偏光状態に偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配する。分配部52は、送信光を変調部53に出力するとともに、参照光を合波部7に出力する。
In step S11, the
次にステップS12で、変調部53は、ステップS3において分配部52で分配された送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。変調部53は変調を施した送信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S12, the
次にステップS13で、送受共用光学系62は、送受分離部61を介して入力された送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S13, the transmission / reception shared
次にステップS14で、送受共用光学系62は、海面で反射された送信光を受信光として受信する。
Next, in step S14, the transmission / reception shared
次にステップS15で、合波部7は、送受分離部61を介して合波部7に入力された受信光と、分配部52で分配された参照光とを合波し、干渉光を生成する。合波部7は、生成した干渉光を光検出器81に出力する。
Next, in step S15, the combiner 7 combines the received light input to the combiner 7 via the transmission /
次にステップS16で、光検出器81は、ステップS7において合波部7で生成された干渉光を変換しアナログの電気信号を生成する。また、光検出器81で生成された電気信号は、A/D変換部82でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、信号処理部4に出力される。
このステップで得られる電気信号は、第2の電気信号である。Next, in step S16, the
The electrical signal obtained in this step is the second electrical signal.
次にステップS17で、低周波信号取得部41は、入力された電気信号から低周波信号を取得する。このステップで得られる低周波信号は、第2の低周波信号であり、すなわち第2の包絡線である。
Next, in step S17, the low frequency
次にステップS18で、差分算出部42は、ステップS9で取得した第1の包絡線と、ステップS17で取得した第2の包絡線との差分を算出する。
図6は、差分算出部42が差分を算出する動作を示す説明図である。図6において、第1の包絡線101は実線で図示され、第2の包絡線102は点線で図示され、差分103は一点鎖線で図示される。差分算出部42は、低周波信号取得部41から第2の包絡線102が入力されると、予め記憶していた第1の包絡線101との差分103を算出する。第1の包絡線101と第2の包絡線102とで、エアロゾルからの反射成分は共通であるので、差分を取るとエアロゾルからの反射成分を受信していた時間範囲104では信号電圧はゼロとなり、海面からの反射成分を受信していた時間範囲105の信号電圧だけがゼロでない値を取る。そして、差分算出部42は、算出した差分103を抽出部43に出力する。Next, in step S18, the
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an operation in which the
次にステップS19で、抽出部43は、差分算出部42で算出された差分とA/D変換部82から入力された第1の電気信号を乗算することにより、第1の電気信号から海面からの反射成分を抽出する。
図7は、抽出部43が第1の電気信号100から海面からの反射成分を抽出する動作を示す説明図である。図7において、第1の電気信号100と、海面からの反射成分のみ抽出された電気信号106は細い実線で図示され、差分103は太い実線で図示される。
抽出部43は、A/D変換部から入力した第1の電気信号100と差分算出部42が算出した差分103とを乗算し、海面からの反射成分のみ抽出された電気信号106を取得する。抽出部43は、海面からの反射成分のみ抽出された電気信号106をレンジビン分割部441に出力する。Next, in step S19, the
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an operation in which the
The
次にステップS20で、レンジビン分割部441は、ステップS19において抽出部43で抽出された電気信号を複数のレンジビンに分割する。
Next, in step S20, the range
次にステップS21で、周波数スペクトル算出部442は、ステップS20においてレンジビン分割部441で分割された電気信号にFFT処理を行い、レンジビンごとに電気信号の周波数スペクトルを算出する。
Next, in step S21, the frequency
次にステップS22で、ドップラー速度算出部443は、ステップS21において周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルのドップラーシフト量から対象物の速度を算出する。
Next, in step S22, the Doppler
以上のようなレーザレーダ装置1の動作により、第1の電気信号と第2の電気信号との差をとることでエアロゾルからの反射成分を取り除くことができ、より精度良く対象物の速度を算出することができる。
By the operation of the
また、実施の形態1のレーザレーダ装置1は、第1の偏光成分を有する第1の偏光状態の送信パルスと、第2の偏光成分を有する第2の偏光状態の送信パルスとを送信するようにしたので、一つの光検出器で第1の電気信号と第2の電気信号とを生成することができる。さらに、第1の偏光状態の送信パルスと第2の偏光状態の送信パルスを時間の経過に伴い交互に送信するようにしたので、第1の偏光状態の送信パルスと第2の偏光状態の送信パルスを送信したときの周囲の環境の変化は、複数の送信パルス毎に偏光状態を切り替える場合に比べて小さく、両偏光における光学的損失の差を小さくすることができる。
Further, the
また、低周波信号取得部41を備え、高周波成分が除去された第1の低周波信号と第2の低周波信号との差分を算出するようにしたので、第1の電気信号と第2の電気信号の位相が揃っていない場合においても、細かい時間変動成分(高周波成分)に影響されず信号電圧の差を求め、エアロゾルからの反射成分を取り除くことができる。
さらに、実施の形態1においては、低周波信号として包絡線を取得するようにしたので、ローパスフィルター等で低周波信号を取得する場合のように、取り除く周波数の閾値を設定することなく、低周波信号を取得することができる。Further, since the low frequency
Further, in the first embodiment, since the envelope is acquired as the low frequency signal, the low frequency is not set as in the case of acquiring the low frequency signal with a low-pass filter or the like. The signal can be acquired.
以下で、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1の変形例について説明する。
Hereinafter, a modified example of the
上記の動作の実施例では、ステップS9まで終了した後に、第2の偏光状態への切り替えを行う構成としたが、第1の偏光成分を有する干渉光を生成した後であれば、第1の偏光成分を有する干渉光に係る動作と並行して、第2の偏光成分を有する光に係る動作を行っても良く、ステップS8及びステップS9で第1の電気信号及び第1の包絡線を取得する動作と並行して、ステップS10の動作を開始する構成としてもよい。 In the embodiment of the above operation, the configuration is such that the switching to the second polarization state is performed after the completion up to step S9, but if the interference light having the first polarization component is generated, the first In parallel with the operation related to the interference light having a polarized light component, the operation related to the light having a second polarized light component may be performed, and the first electric signal and the first envelope are acquired in steps S8 and S9. The operation of step S10 may be started in parallel with the operation to be performed.
低周波信号取得部41は、低周波信号として包絡線を取得する構成としたが、包絡線を取得するのは、電気信号から高周波成分を取り除くためであり、高周波成分を取り除くことができれば、他の構成でもよく、例えば、ローパスフィルターを設けたり、移動平均を求めることにより、高周波成分を取り除く構成としてもよい。あるいは、後述する実施の形態4のように、応答の遅い光検出器を用いる構成であってもよい。
The low-frequency
差分算出部42は、第1の包絡線と第2の包絡線との差分を算出する構成としたが、差分を算出することによりエアロゾルからの反射成分を対象物からの反射成分に対して無視できる程度に小さな値にできれば、他の構成でもよく、例えば、時間方向のキャリブレーションにより第1の電気信号と第2の電気信号の時間変動を揃えることができる場合には、キャリブレーション後の第1の電気信号と第2の電気信号との差分を算出する構成でもよい。
The
抽出部43は、差分算出部42が算出した差分とA/D変換部82から入力された第1の電気信号を乗算することにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としたが、対象物からの反射成分を抽出できれば、他の構成でもよい。例えば、第1の電気信号に対して、差分の値が所定の閾値以上の時間範囲は元の値のままとし、差分の値が当該閾値未満の時間範囲の値はゼロにする変換を行うことにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としてもよい。
また、差分と乗算する電気信号は第1の電気信号に限らず、第2の電気信号としてもよい。あるいは、抽出部43は第1の電気信号と第2の電気信号の両方から対象物の反射成分を抽出し、速度算出部44は、それぞれの抽出された電気信号から算出された速度を平均して最終的な算出結果としての速度を算出するようにしてもよい。The
Further, the electric signal to be multiplied by the difference is not limited to the first electric signal, and may be a second electric signal. Alternatively, the
送受信部6において、送信光を送信する送信用光学系と受信光を受信する受信用光学系を一つの送受共用光学系62で構成するようにしたが、送信用光学系と受信用光学系を別々の光学系で構成してもよい。この場合には、光学系の前段に送受分離部61を設ける必要はない。
また、送受共用光学系62は、送信光の送信方向を制御する走査機構を有してもよい。あるいは、複数の送受共用光学系62を設けることにより、一度に複数の方向に送信光を送信する構成としても良い。上記の構成を備えた場合、対象物の移動方向をより容易に推定することができる。In the transmission / reception unit 6, the transmission optical system for transmitting the transmission light and the reception optical system for receiving the reception light are configured by one transmission / reception shared
Further, the transmission / reception shared
差分算出部42は、第1の電気信号から取得した第1の包絡線と、第2の電気信号から取得した第2の包絡線との差分を算出するが、光検出部8が生成する電気信号にはレーザレーダ装置1自身の偏光依存性に由来した強度差が存在すると予想されるため、対象物からの反射成分を含まない時間範囲における強度差がゼロとなるようにキャリブレーションを実施してもよい。
The
合波部7における合波動作では、参照光と受信光の偏光が一致していない場合に、干渉光の生成効率が低下するが、実施の形態1では、参照光も偏光部51により送信光と同じ偏光状態に偏光されているので、参照光と受信光の偏光もほぼ一致しており、高い生成効率で干渉光を得ることができる。また、参照光と受信光の偏光が一致していない場合において、干渉光の生成効率は低下するが、非干渉光、すなわち合波光の非干渉成分は光検出部8におけるバランスド検出の際に打ち消されるため、対象物の速度を算出する動作を実施するのに問題はない。
In the merging operation in the merging unit 7, when the polarizations of the reference light and the received light do not match, the generation efficiency of the interference light decreases, but in the first embodiment, the reference light is also transmitted by the
また、偏光部51を分配部52の前段に設ける構成としたが、送信光及び参照光を偏光させることができれば、他の位置に設けても良く、例えば分配部52の後段かつ変調部53の前段、あるいは送受分離部61の後段かつ送受共用光学系62の前段と、分配部52の後段かつ合波部7の前段とにそれぞれ設け、計二つの偏光部を設ける構成としても良い。偏光部が送受分離部61の後段かつ送受共用光学系62の前段に設けられる場合には、受信光も送信光と同じ偏光状態に偏光させることにより、余分な偏光成分を除去することができる。
Further, although the
偏光部51と変調部53は、偏光切り替え周波数とパルス変調周波数を等しくすることにより、偏光の切り替えとパルス変調を同期する構成としたが、偏光部51と変調部53が同期して動作を行うことができればこの構成に限らず、例えば、偏光部51が偏光の切り替えを行う際に、偏光の切り替えを行ったことを示す信号を変調部53に送信し、この信号に基づき変調部53が動作を行うことにより偏光部51と変調部53が同期して動作を行う構成としてもよい。また、各種制御を行う制御部をレーザレーダ装置1がさらに備え、この制御部が出力する制御信号に基づき、偏光部51と変調部53が同期して動作を行う構成としてもよい。
The
また、光制御部5は、1パルス毎に偏光状態を切り替えているが、パルス変調周波数を偏光切り替え周波数の整数倍とすることで、複数パルス毎に偏光状態を切り替える構成としても良い。
Further, although the
また、ドップラー速度算出部443は、1パルス毎に対象物の速度を算出する構成としたが、複数のパルスをインコヒーレント積分し、信号対雑音比を向上してから速度を算出する構成としてもよい。
Further, although the Doppler
また、信号処理部4が有する各部はアナログ回路で実装するようにしてもよい。例えば、抽出部43までをアナログ回路で実装してもよく、この場合には、A/D変換部82は、抽出部43の後段かつ速度算出部44の前段に設けられる。
Further, each part of the
また、光源部2及び検波部3の各部は光ファイバーケーブルで接続する構成としたが、空間伝搬型の伝送路を用いて接続する構成としても良い。
Further, although each of the
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
Next,
図8は、実施の形態2におけるレーザレーダ装置1の構成を示す構成図である。
また、図9は、実施の形態2における信号処理部40の構成を示す構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram showing the configuration of the
Further, FIG. 9 is a configuration diagram showing the configuration of the
実施の形態1において、レーザレーダ装置1に備えられた偏光部51は、光源部2で出力されたレーザ光を第1の偏光成分を有する第1の偏光状態と、第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分を有する第2の偏光状態に、時間の経過に伴い交互に偏光させるものであった。
これに対して、実施の形態2における偏光部501は、光源部2で出力されたレーザ光を第1の偏光成分と第2の偏光成分の両方を有する偏光状態に偏光させるものである。
すなわち、実施の形態1において、検波部3は、第1の偏光状態の送信パルスと第2の偏光状態の送信パルスとを時間の経過に伴い交互に送信するものであったのに対し、実施の形態2において、検波部3は、第1の偏光成分と第2の偏光成分との両方を有する送信パルスを送信するものである。
そのため、実施の形態1との主な相違点は、偏光部501と偏光分離部9である。
偏光部501には、実施の形態1と同様に、例えば、波長板や光ファイバ偏光スイッチ、ポッケルスセルが用いられる。In the first embodiment, the
On the other hand, the
That is, in the first embodiment, the detection unit 3 alternately transmits the transmission pulse in the first polarized state and the transmission pulse in the second polarized state with the passage of time. In the second embodiment, the detection unit 3 transmits a transmission pulse having both a first polarization component and a second polarization component.
Therefore, the main difference from the first embodiment is the
As the
また、実施の形態2におけるレーザレーダ装置1は、入力された光を第1の偏光成分を有する第1の偏光状態の光と第2の偏光成分を有する第2の偏光状態の光に分離する偏光分離部9を備える。ここで、実施の形態2における偏光分離部9は、合波部7の後段かつ光検出部8の前段に設けられ、合波部7で生成された干渉光を第1の偏光状態の干渉光と第2の偏光状態の干渉光に分離するものである。
実施の形態1と同様に、第1の偏光状態は第1の偏光成分のみを有する直線偏光状態とし、第2の偏光状態は第2の偏光成分のみを有する直線偏光状態とする。
偏光分離部9には、例えば、偏光ビームスプリッタやファイバ偏光カプラが用いられる。Further, the
Similar to the first embodiment, the first polarized light state is a linearly polarized light state having only the first polarized light component, and the second polarized light state is a linearly polarized light state having only the second polarized light component.
For the polarization separating unit 9, for example, a polarization beam splitter or a fiber polarization coupler is used.
また、実施の形態2における光検出部80は、偏光分離部9で分離された第1の偏光成分を有する干渉光を変換して第1の電気信号を生成する第1偏光用光検出部810と、偏光分離部9で分離された第2の偏光成分を有する干渉光を変換して第2の電気信号を生成する第2偏光用光検出部820を有する。
Further, the
第1偏光用光検出部810は、第1の偏光成分を有する干渉光を変換してアナログの第1の電気信号を生成する第1偏光用光検出器811と、第1偏光用光検出器811が生成した第1の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第1偏光用A/D変換部812を有する。また、第1偏光用光検出器811は、実施の形態1における光検出器81と同様に、2つの受光素子を備えたバランスド受信機構成を有する。
第2偏光用光検出部820は、第2の偏光成分を有する干渉光を変換してアナログの第2の電気信号を生成する第2偏光用光検出器821と、第2偏光用光検出器821が生成した第2の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第2偏光用A/D変換部822を有する。また、第2偏光用光検出器821は、第1偏光用光検出器811と同様に、2つの受光素子を備えたバランスド受信機構成を有する。The first polarization
The second polarization
また、実施の形態2における信号処理部40は、光検出部80で生成された電気信号から高周波成分が除去された低周波信号を取得する低周波信号取得部401と、低周波信号取得部が第1の電気信号から取得した第1の低周波信号と、低周波信号取得部が第2の電気信号から取得した第2の低周波信号との差分を、第1の電気信号と第2の電気信号との差として算出する差分算出部402と、差分算出部402で算出された差分と光検出部80で生成された第1の電気信号とに基づいて、第1の電気信号から、対象物からの反射成分を抽出した電気信号を生成する抽出部403と、抽出部403で抽出された電気信号を用いて対象物の速度を算出する速度算出部44と、を有する。
Further, the
低周波信号取得部401は、実施の形態1と同様に、光検出部80で生成された電気信号から高周波成分を除去し、低周波信号を取得するものである。実施の形態1においては、電気信号の入力先がA/D変換部82であったのに対し、実施の形態2においては、電気信号の入力先は第1偏光用A/D変換部812と第2偏光用A/D変換部822であり、一見異なるが、これは、光検出部8が光検出器81のみ備える構成であったのに対し、光検出部80が第1偏光用光検出器811と第2偏光用光検出器821の二つの光検出器を備えることによる形式的な違いであり、入力される電気信号及び入力された電気信号に行う動作は実施の形態1と同様である。
また、実施の形態1と同様に、実施の形態2における低周波信号取得部401も低周波信号として包絡線を取得するものである。Similar to the first embodiment, the low frequency
Further, similarly to the first embodiment, the low frequency
差分算出部402は、実施の形態1と同様に、低周波信号取得部401が第1の電気信号から取得した第1の低周波信号と、低周波信号取得部401が第2の電気信号から取得した第2の低周波信号との差分を、第1の電気信号と第2の電気信号との差として算出する。
実施の形態1においては、第1の包絡線が差分算出部42に入力され、その後第2の包絡線が入力される構成であったため、差分算出部42は、先に入力された第1の包絡線を差分を算出するまで記憶する構成であったが、実施の形態2においては、第1の包絡線と第2の包絡線はほぼ同時に差分算出部402に入力されるので、差分算出部42は第1の包絡線を長時間記憶しなくてもよい。なお、実施の形態2において、差分算出部402は、第1の包絡線と第2の包絡線のうち、先に差分算出部402に入力された包絡線を、他方の包絡線が入力され、差分を算出するまで一時的に記憶する構成とする。Similar to the first embodiment, the
In the first embodiment, since the first envelope is input to the
抽出部403は、実施の形態1と同様に、差分算出部402で算出された差分と光検出部80で生成された第1の電気信号とに基づいて、第1の電気信号から、対象物からの反射成分を抽出した電気信号を生成するものである。実施の形態2における抽出部403は、第1偏光用A/D変換部812から入力された第1の電気信号を用いるが、低周波信号取得部401と同様に、実施の形態1との違いは入力先の違いのみであり、入力される電気信号及び入力された電気信号に行う動作は実施の形態1と同様である。
Similar to the first embodiment, the
その他の構成は、実施の形態1における構成と同じである。 Other configurations are the same as those in the first embodiment.
次に、実施の形態2におけるレーザレーダ装置1の動作について説明する。
図9は、実施の形態2におけるレーザレーダ装置1により、対象物の速度を算出する動作を示すフローチャートである。Next, the operation of the
FIG. 9 is a flowchart showing an operation of calculating the speed of an object by the
レーザレーダ装置1が、対象物の速度を算出する動作を開始すると、ますステップS201で、光源部2がレーザ光を出力する。ここで、実施の形態2における対象物も実施の形態1と同様に海面であり、レーザレーダ装置1は海面の速度を算出するものとする。
When the
次にステップS202で、偏光部501は、光源部2で出力されたレーザ光を第1の偏光成分と第2の偏光成分の両方を有する偏光状態に偏光させる。実施の形態2においても、実施の形態1と同様、第1の偏光成分は海面に対するS偏光成分、第2の偏光成分は海面に対するP偏光成分とする。
また、上記の第1の偏光成分と第2の偏光成分の両方を有する偏光状態は、S偏光成分とP偏光成分の振幅が等しく、S偏光成分とP偏光成分の位相が同期した直線偏光状態であるとする。これにより、エアロゾルからの反射成分の影響を低減しつつ、第1の電気信号と第2の電気信号における対象物からの反射成分の強度差を大きくすることができる。Next, in step S202, the
Further, the polarized state having both the first polarized component and the second polarized component described above is a linearly polarized state in which the amplitudes of the S polarized component and the P polarized component are equal and the phases of the S polarized component and the P polarized component are synchronized. Suppose that As a result, it is possible to increase the intensity difference of the reflected component from the object in the first electric signal and the second electric signal while reducing the influence of the reflected component from the aerosol.
また、実施の形態1と同様に、光源部2及び検波部3の各部を接続する光ファイバーケーブルには、偏光保持光ファイバーケーブルを用いる。この場合、Fast軸とSlow軸で実行屈折率が異なるため、第1の偏光成分と第2の偏光成分の相対位相が変動し、送受共用光学系62から出射される送信光の偏光状態は、直線偏光から円偏光や楕円偏光に変わりうる。しかしながら、第1の偏光成分と第2の偏光成分の振幅は変動しないため、対象物の速度を算出する動作に問題は与えない。
Further, as in the first embodiment, a polarization-retaining optical fiber cable is used as the optical fiber cable connecting each of the
ステップS203からステップS207までの動作は、実施の形態1におけるステップS3からステップS7までの動作と同様である。
ステップS203で、分配部52は、偏光部501で偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配する。分配部52は、送信光を変調部53に出力するとともに、参照光を合波部7に出力する。The operation from step S203 to step S207 is the same as the operation from step S3 to step S7 in the first embodiment.
In step S203, the
次にステップS204で、変調部53は、ステップS203において分配部52で分配された送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。変調部53は変調を施した送信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S204, the
次にステップS205で、送受共用光学系62は、送受分離部61を介して入力された送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S205, the transmission / reception shared
次にステップS206で、送受共用光学系62は、海面で反射された送信光を受信光として受信する。送受共用光学系62は、受信した受信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S206, the transmission / reception shared
次にステップS207で、合波部7は、送受分離部61を介して合波部7に入力された受信光と、分配部52で分配された参照光とを合波し、干渉光を生成する。合波部7は、生成した干渉光を偏光分離部9に出力する。
Next, in step S207, the combiner 7 combines the received light input to the combiner 7 via the transmission /
次に、ステップS208で、偏光分離部9は、合波部7が生成した干渉光を第1の偏光状態の干渉光と第2の偏光状態の干渉光に分離する。偏光分離部9は、第1の偏光状態の干渉光を第1偏光用光検出器811に出力するとともに、第2の偏光状態の干渉光を第2偏光用光検出器821に出力する。
Next, in step S208, the polarization separating unit 9 separates the interference light generated by the combining unit 7 into the interference light in the first polarization state and the interference light in the second polarization state. The polarization separation unit 9 outputs the interference light in the first polarization state to the
次にステップS209で、第1偏光用光検出器811がステップS208において偏光分離部9が分離した第1の偏光状態の干渉光を変換し、アナログの第1の電気信号を生成する。第1偏光用A/D変換部812は、第1偏光用光検出器811が生成した第1の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、低周波信号取得部401及び抽出部403に出力する。
Next, in step S209, the
また、ステップS209の動作と並行して、ステップS210において第2偏光用光検出器821は、ステップS208において偏光分離部9が分離した第2の偏光状態の干渉光を変換し、アナログの第2の電気信号を生成する。また、第2偏光用A/D変換部822は、第2偏光用光検出器821が生成した第2の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、低周波信号取得部401に出力する。
Further, in parallel with the operation of step S209, in step S210, the
ステップS211で、低周波信号取得部401は、ステップS209で生成された第1の電気信号から第1の包絡線を取得するとともに、第2の電気信号から第2の包絡線を取得し、第1の包絡線及び第2の包絡線を差分算出部402に出力する。
In step S211 the low frequency
実施の形態2におけるステップS212からステップS216における動作は、実施の形態1におけるステップS18からステップS22における動作と同様である。 The operation from step S212 to step S216 in the second embodiment is the same as the operation from step S18 to step S22 in the first embodiment.
次にステップS212で、差分算出部402は、ステップS211で取得した第1の包絡線と第2の包絡線の差分を算出する。差分算出部402は取得した差分を抽出部403に出力する。
Next, in step S212, the
ステップS213で、抽出部403は、差分算出部402で算出された差分と第1偏光用A/D変換部812から入力された第1の電気信号を乗算することにより、第1の電気信号から海面からの反射成分を抽出する。
In step S213, the
次にステップS214で、レンジビン分割部441は、ステップS213において抽出部403で抽出された電気信号を複数のレンジビンに分割する。
Next, in step S214, the range
次にステップS215で、周波数スペクトル算出部442は、ステップS214においてレンジビン分割部441で分割された電気信号にFFT処理を行い、レンジビンごとに電気信号の周波数スペクトルを算出する。
Next, in step S215, the frequency
次にステップS216で、ドップラー速度算出部443は、ステップS215において周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルのドップラーシフト量から対象物の速度を算出する。
Next, in step S216, the Doppler
以上のようなレーザレーダ装置1に動作により、第1の電気信号と第2の電気信号との差をとることでエアロゾルからの反射成分を取り除くことができ、より精度良く対象物の速度を算出することができる。
By operating the
実施の形態2では、第1の偏光成分を有する送信光と第2の偏光成分を有する送信光を重ね合わせて一本の送信光として同時に送信するため、両偏光の光は同一の光路を通過し、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1以上に光学的損失を両偏光の光で一致させることができる。
In the second embodiment, since the transmitted light having the first polarized light component and the transmitted light having the second polarized light component are overlapped and simultaneously transmitted as one transmitted light, the light of both polarized light passes through the same optical path. However, the optical loss can be matched with the bipolarized light as compared with the
また、実施の形態2におけるレーザレーダ装置1によれば、第1の電気信号と第2の電気信号を同時に取得することができるので、対象物の速度を実施の形態1におけるレーザレーダ装置1より早く算出することができる。
Further, according to the
以下で、実施の形態2におけるレーザレーダ装置1の変形例について説明する。
Hereinafter, a modified example of the
偏光分離部9は、合波部7の後段かつ光検出部80の前段に設け、干渉光を第1の偏光状態の干渉光と第2の偏光状態の干渉光に分離する構成としたが、分配部52の後段かつ合波部7の前段と、送受分離部61の後段かつ合波部7の前段とにそれぞれ設け、計二つの偏光分離部を設け、参照光と受信光をそれぞれ第1の偏光状態の参照光と第2の偏光状態の参照光、第1の偏光状態の受信光と第2の偏光状態の受信光に分離する構成としてもよい。
The polarization separation unit 9 is provided after the combiner 7 and in front of the
実施の形態1と同様に、低周波信号取得部401は、入力された電気信号から高周波成分を取り除くことができれば、他の構成でもよく、例えば、ローパスフィルターを設けたり、移動平均を求めることにより、高周波成分を取り除く構成としてもよい。
Similar to the first embodiment, the low frequency
実施の形態1と同様に、差分算出部402は、第1の包絡線と第2の包絡線との差分を算出する構成としたが、差分を算出することによりエアロゾルからの反射成分を対象物からの反射成分に対して無視できる程度に小さな値にできれば、他の構成でもよく、例えば、時間方向のキャリブレーションにより第1の電気信号と第2の電気信号の時間変動を揃えることができる場合には、キャリブレーション後の第1の電気信号と第2の電気信号との差分を算出する構成でもよい。
Similar to the first embodiment, the
実施の形態1と同様に、送受信部6において、送信光を送信する送信用光学系と受信光を受信する受信用光学系を一つの送受共用光学系62で構成するようにしたが、送信用光学系と受信用光学系を別々の光学系で構成してもよい。この場合には、光学系の前段に送受分離部61を設ける必要はない。
また、送受共用光学系62は、送信光の送信方向を制御する走査機構を有してもよい。あるいは、複数の送受共用光学系62を設けることにより、一度に複数の方向に送信光を送信する構成としても良い。上記の構成を備えた場合、対象物の移動方向をより容易に推定することができる。Similar to the first embodiment, in the transmission / reception unit 6, the transmission optical system for transmitting the transmission light and the reception optical system for receiving the reception light are configured by one transmission / reception shared
Further, the transmission / reception shared
実施の形態1と同様に、差分算出部402は、対象物からの反射成分を含まない時間範囲における強度差がゼロとなるようにキャリブレーションを実施する機能を有してもよい。
Similar to the first embodiment, the
実施の形態1と同様に、偏光部501は、送信光を偏光させることができれば、他の位置に設けても良く、例えば分配部52の後段かつ変調部53の前段、あるいは送受分離部61の後段かつ送受共用光学系の前段に一つと、分配部52の後段かつ合波部7の前段に一つ、計二つの偏光部を設ける構成としても良い。また、偏光部501が送受分離部61の後段かつ送受共用光学系62の前段に設けられる場合には、受信光も送信光と同じ偏光状態に偏光させることにより、余分な偏光成分を除去することができる。
Similar to the first embodiment, the
実施の形態1と同様に、ドップラー速度算出部443は、1パルス毎に対象物の速度を算出するのではなく、複数のパルスをインコヒーレント積分し、信号対雑音比を向上してから速度を算出する構成としてもよい。
Similar to the first embodiment, the Doppler
実施の形態1と同様に、信号処理部40が有する各部はアナログ回路で実装するようにしてもよい。例えば、抽出部403までをアナログ回路で実装してもよく、この場合には、各A/D変換部は、抽出部403の後段かつ速度算出部44の前段に設けられる。
Similar to the first embodiment, each part of the
実施の形態1と同様に、光源部2及び検波部3の各部は光ファイバーケーブルで接続する構成としたが、空間伝搬型の伝送路を用いて接続する構成としても良い。
Similar to the first embodiment, each part of the
実施の形態1と同様に、抽出部403は、差分算出部402が算出した差分と第1偏光用A/D変換部812から入力された第1の電気信号を乗算することにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としたが、対象物からの反射成分を抽出できれば、他の構成でもよい。例えば、第1の電気信号に対して、差分の値が所定の閾値以上の時間範囲は元の値のままとし、差分の値が当該閾値未満の時間範囲の値はゼロにする変換を行うことにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としてもよい。
また、差分と乗算する電気信号は第1の電気信号に限らず、第2の電気信号としてもよい。あるいは、抽出部403は第1の電気信号と第2の電気信号の両方から対象物の反射成分を抽出し、速度算出部44は、それぞれの抽出された電気信号から算出された速度を平均して最終的な算出結果としての速度を算出するようにしてもよい。Similar to the first embodiment, the
Further, the electric signal to be multiplied by the difference is not limited to the first electric signal, and may be a second electric signal. Alternatively, the
実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3について説明する。Embodiment 3.
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described.
図11は、実施の形態3におけるレーザレーダ装置1の構成を示す構成図である。
実施の形態1及び実施の形態2において、第1の偏光状態の送信光と第2の偏光状態の送信光は、同じ送受共用光学系を用いて送受信されるものであった。
これに対して、実施の形態3におけるレーザレーダ装置1は、それぞれ異なる送受共用光学系を用いて第1の偏光状態の送信光と第2の偏光状態の送信光の送受信を行うものである。
そのため、実施の形態1及び2との主な相違点は、光制御部500と送受信部60である。
以下で、上記の構成について詳細に説明する。FIG. 11 is a configuration diagram showing the configuration of the
In the first embodiment and the second embodiment, the transmitted light in the first polarized state and the transmitted light in the second polarized state are transmitted and received using the same transmission / reception shared optical system.
On the other hand, the
Therefore, the main difference from the first and second embodiments is the
The above configuration will be described in detail below.
実施の形態3における検波部3は、光源部2が生成したレーザ光に第1の偏光成分と第2の偏光成分を含むように偏光を施し、送信光と、送信光と同じ偏光が施された参照光とを出力する光制御部500と、光制御部500から出力された送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信する送受信部60と、送受信部60で受信した受信光と光制御部500から出力された参照光を合波して干渉光を生成する合波部70と、入力された干渉光を変換して第1の電気信号と第2の電気信号とを含む電気信号を生成する光検出部80と、を有する。
The detection unit 3 in the third embodiment polarizes the laser light generated by the
実施の形態1及び2と同様に、光制御部500は、光源部2が生成したレーザ光に第1の偏光成分と第2の偏光成分を含むように偏光を施し、第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含む送信光と、送信光と同じ偏光状態の参照光とを出力するものである。
また、実施の形態3において、光制御部500は、光源部2が出力したレーザ光を参照光と送信光に分配する第1分配部5001と、第1分配部5001で分配された送信光を変調する変調部5002と、変調部5002で変調された送信光を第1の送信光と第2の送信光に分配する第2分配部5003と、第2分配部5003で分配された第1の送信光を第1の偏光成分を有する第1の偏光状態に偏光させる送信光用第1偏光部5004と、第2分配部5003で分配された第2の送信光を第2の偏光成分を有する第2の偏光状態に偏光させる送信光用第2偏光部5005と、第1分配部5001で分配された参照光を第1の参照光と第2の参照光に分配する第3分配部5006と、第3分配部5006で分配された第1の参照光を第1の偏光状態に偏光させる参照光用第1偏光部5007と、第3分配部5006で分配された第2の参照光を第2の偏光状態に偏光させる参照光用第2偏光部5008と、を含むものである。Similar to the first and second embodiments, the
Further, in the third embodiment, the
第1分配部5001は、光源部2が出力したレーザ光を参照光と送信光に分配するものであり、実施の形態1における分配部52と同様に、例えば、光ファイバカプラや誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、ビームスプリッタが用いられる。
The
変調部5002は第1分配部5001で分配された送信光を変調するものであり、実施の形態1における変調部53と同様に、送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。実施の形態1における変調部53と同様に、変調部5002としては、例えば、電気光学結晶や音響光学結晶を含む光変調器が用いられる。
The
第2分配部5003は、変調部5002で変調された送信光を第1の送信光と第2の送信光に分配するものであり、第1分配部5001と同様に、例えば、光ファイバカプラや誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、ビームスプリッタが用いられる。
The
送信光用第1偏光部5004は、第2分配部5003で分配された第1の送信光を第1の偏光成分を有する第1の偏光状態に偏光させるものであり、実施の形態1における偏光部51と同様に、例えば、波長板や光ファイバ偏光スイッチ、ポッケルスセルが用いられる。第1の送信光には、第1の偏光成分を有する第1の偏光状態の送信パルスが複数含まれる。
The
送信光用第2偏光部5005は、第2分配部5003で分配された第2の送信光を第2の偏光成分を有する第2の偏光状態に偏光させるものであり、送信光用第1偏光部5004と同様に、例えば、波長板や光ファイバ偏光スイッチ、ポッケルスセルが用いられる。第2の送信光には、第2の偏光成分を有する第2の偏光状態の送信パルスが複数含まれる。
The
実施の形態1及び2と同様に、以下では、送信光用第1偏光部5004が偏光させる第1の偏光状態は、第1の偏光成分のみを有する直線偏光状態とし、送信光用第2偏光部5005が偏光させる第2の偏光状態は、第2の偏光成分のみを有する直線偏光状態とする。
Similar to the first and second embodiments, in the following, the first polarization state to be polarized by the
第3分配部5006は、第1分配部5001で分配された参照光を第1の参照光と第2の参照光に分配するものであり、第1分配部5001及び第2分配部5003と同様に、例えば、例えば、光ファイバカプラや誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、ビームスプリッタが用いられる。
The
参照光用第1偏光部5007は、第3分配部5006で分配された第1の参照光を第1の偏光状態に偏光させるものであり、送信光用第1偏光部5004と同様に、例えば、波長板や光ファイバ偏光スイッチ、ポッケルスセルが用いられる。
The first polarization unit 5007 for reference light polarizes the first reference light distributed by the
参照光用第2偏光部5008は、第3分配部5006で分配された第2の参照光を第2の偏光状態に偏光させるものであり、送信光用第1偏光部5004と同様に、例えば、波長板や光ファイバ偏光スイッチ、ポッケルスセルが用いられる。
The
送受信部60は、光制御部500から出力された第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含む送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信するものである。
実施の形態3において、送受信部60は、送信光用第1偏光部5004で偏光された第1の送信光を対象物に向けて送信し、第1の送信光が対象物で反射された第1の反射光を第1の受信光として受信する第1送受信部610と、送信光用第2偏光部5005で偏光された第2の送信光を対象物に向けて送信し、第2の送信光が対象物で反射された第2の反射光を第2の受信光として受信する第2送受信部620と、を含む。The transmission / reception unit 60 transmits the transmission light including the first polarization component and the second polarization component output from the
In the third embodiment, the transmission / reception unit 60 transmits the first transmission light polarized by the
第1送受信部610は、送信光用第1偏光部5004から入力された第1の送信光を対象物に向けて送信し、対象物で反射された第1の反射光を第1の受信光として受信するものであり、第1送受分離部611と第1送受共用光学系612とを有する。すなわち、第1送受信部610は、第1の送信光を対象物に向けて送信する第1送信部としての機能と、第1の受信光を受信する第1受信部としての機能を有する。
第1送受分離部611は、送信光用第1偏光部5004から入力された第1の送信光を第1送受共用光学系に出力し、第1送受共用光学系612から入力された第1の受信光を第1合波部701に出力するものであり、実施の形態1における送受分離部61と同様に、例えば、波長板と偏光ビームスプリッタを組み合わせた光サーキュレータが用いられる。
第1送受共用光学系612は、第1送受分離部611から入力された第1の送信光を対象物に向けて送信し、対象物で反射された第1の反射光を第1の受信光として受信し、第1の受信光を第1送受分離部611に出力するものであり、実施の形態1における送受共用光学系62と同様に、例えば、光学望遠鏡やカメラレンズが用いられる。The first transmission /
The first transmission / reception separation unit 611 outputs the first transmission light input from the
The first transmission / reception shared
第2送受信部620は、送信光用第2偏光部5005から入力された第2の送信光を対象物に向けて送信し、対象物で反射された第2の反射光を第2の受信光として受信するものであり、第2送受分離部621と第2送受共用光学系622とを有する。すなわち、第2送受信部620は、第2の送信光を対象物に向けて送信する第2送信部としての機能と、第2の受信光を受信する第2受信部としての機能を有する。
第2送受分離部621は、送信光用第2偏光部5005から入力された第2の送信光を第2送受共用光学系に出力し、第2送受共用光学系622から入力された第2の受信光を第2合波部702に出力するものであり、第1送受分離部611と同様に、例えば、波長板と偏光ビームスプリッタを組み合わせた光サーキュレータが用いられる。
第2送受共用光学系622は、第2送受分離部621から入力された第2の送信光を対象物に向けて送信し、対象物で反射された第2の反射光を第2の受信光として受信し、第2の受信光を第2送受分離部621に出力するものであり、第1送受共用光学系612と同様に、例えば、光学望遠鏡やカメラレンズが用いられる。The second transmission / reception unit 620 transmits the second transmission light input from the
The second transmission /
The second transmission / reception shared
合波部70は、送受信部60で受信した受信光と光制御部500から出力された参照光を合波して干渉光を生成するものである。
実施の形態3において、合波部70は、第1送受信部610で受信した第1の受信光と第3分配部5006で分配された第1の参照光を合波して第1の干渉光を生成する第1合波部701と、第2送受信部620で受信した第2の受信光と第3分配部5006で分配された第2の参照光を合波して第2の干渉光を生成する第2合波部702と、を含む。The combined wave unit 70 generates interference light by combining the received light received by the transmitting / receiving unit 60 with the reference light output from the
In the third embodiment, the combiner 70 combines the first received light received by the first transmitter /
第1合波部701は、第1送受信部610で受信した第1の受信光と第3分配部5006で分配された第1の参照光を合波して第1の干渉光を生成するものであり、実施の形態1における合波部7と同様に、例えば、誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラーやビームスプリッタ、光ファイバカプラが用いられる。
The first combiner unit 701 generates the first interference light by combining the first received light received by the first transmission /
第2合波部702は、第2送受信部620で受信した第2の受信光と第3分配部5006で分配された第2の参照光を合波して第2の干渉光を生成するものであり、実施の形態1における合波部7と同様に、例えば、誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラーやビームスプリッタ、光ファイバカプラが用いられる。
The second combing
光検出部80は、第1の干渉光を変換して第1の電気信号を生成するとともに、第2の干渉光を変換して第2の電気信号を生成するものであり、干渉光の入力先が異なるのみで実施の形態2における光検出部80と同様のものである。
第1偏光用光検出部810は、第1合波部から第1の干渉光を入力し、第1の電気信号を生成する。また、第2偏光用光検出部820は、第2合波部から第2の干渉光を入力し、第2の電気信号を生成する。The
The first polarization
その他の構成は、実施の形態1及び2と同様である。特に、信号処理部40は、実施の形態2における信号処理部40と同様のものである。
Other configurations are the same as those of the first and second embodiments. In particular, the
次に、実施の形態3におけるレーザレーダ装置1の動作について説明する。
図12は、実施の形態3におけるレーザレーダ装置1が対象物の速度を算出する動作を示すフローチャートである。Next, the operation of the
FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the
レーザレーダ装置1が、対象物の速度を算出する動作を開始すると、ますステップS301で、光源部2がレーザ光を出力する。ここで、実施の形態3における対象物も実施の形態1及び2と同様に海面であり、レーザレーダ装置1は海面の速度を算出するものとする。また、実施の形態3においても、実施の形態1及び2と同様、第1の偏光成分は海面に対するS偏光成分、第2の偏光成分は海面に対するP偏光成分とする。
When the
次にステップS302で、第1分配部5001は、光源部2で出力されたレーザ光を送信光と参照光に分配する。第1分配部5001は、送信光を変調部5002に出力するとともに、参照光を第3分配部5006に出力する。
Next, in step S302, the
次にステップS303で、ステップS302で分配された参照光は、第3分配部5006により、第1の参照光と第2の参照光に分配される。第3分配部5006は、第1の参照光を参照光用第1偏光部5007に出力するとともに、第2の参照光を参照光用第2偏光部5008に出力する。
Next, in step S303, the reference light distributed in step S302 is distributed to the first reference light and the second reference light by the
次にステップS304で、参照光用第1偏光部5007は、ステップS302で分配された第1の参照光を第1の偏光状態に偏光させ、偏光させた第1の参照光を第1合波部701に出力する。 Next, in step S304, the first polarization unit 5007 for reference light polarizes the first reference light distributed in step S302 into the first polarized state, and the polarized first reference light is the first combined wave. Output to unit 701.
また、ステップS304と並行して、ステップS305において参照光用第2偏光部5008は、ステップS303で分配された第2の参照光を第2の偏光状態に偏光させ、偏光させた第2の参照光を第2合波部702に出力する。
Further, in parallel with step S304, in step S305, the
下記のステップS306からステップS310までの動作は、上記のステップS303からステップS304までの動作と並行して行われ、下記のステップS306からステップS316までの動作は、上記のステップS303からステップS305までの動作と並行して行われる。また、下記のステップS308からステップS313までの動作は、下記のステップS314からステップS319までの動作と並行して行われる。 The following operations from step S306 to step S310 are performed in parallel with the above operations from step S303 to step S304, and the following operations from step S306 to step S316 are from the above steps S303 to S305. It is done in parallel with the operation. Further, the following operations from step S308 to step S313 are performed in parallel with the following operations from step S314 to step S319.
ステップS306で、変調部5002は、ステップS302において第1分配部5001で分配された送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。変調部5002は変調を施した送信光を第2分配部5003に出力する。
In step S306, the
次にステップS307で、第2分配部5003は、ステップS306で変調された送信光を第1の送信光と第2の送信光に分配する。第2分配部5003は、第1の送信光を送信光用第1偏光部5004に出力するとともに、第2の送信光を送信光用第2偏光部5005に出力する。
Next, in step S307, the
次にステップS308で、送信光用第1偏光部5004は、ステップS304で分配された第1の送信光を第1の偏光状態に偏光させ、偏光させた第1の送信光を第1送受分離部611に出力する。
Next, in step S308, the
次にステップS309で、第1送受共用光学系612は、第1送受分離部611を介して入力された第1の送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S309, the first transmission / reception shared
次にステップS310で、第1送受共用光学系612は、海面で反射された第1の反射光を第1の受信光として受信する。第1送受共用光学系612は、受信した第1の受信光を第1送受分離部611に出力する。
Next, in step S310, the first transmission / reception shared
次にステップS311で、第1合波部701は第1送受分離部611を介して入力された第1の受信光と、ステップS304で偏光させた第1の参照光を合波して、第1の干渉光を生成する。 Next, in step S311, the first merging unit 701 combines the first received light input via the first transmission / reception separating unit 611 with the first reference light polarized in step S304, and the first Generates 1 interference light.
次にステップS312で、第1偏光用光検出器811が、ステップS311において第1合波部701が生成した第1の干渉光を変換し、アナログの第1の電気信号を生成する。第1偏光用A/D変換部812は、第1偏光用光検出器811が生成した第1の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、信号処理部40に出力する。
Next, in step S312, the
次にステップS313で、低周波信号取得部401は、ステップS312で取得した第1の電気信号から第1の包絡線を取得する。低周波信号取得部401は、取得した第1の包絡線を差分算出部402に出力する。
Next, in step S313, the low frequency
ステップS314からステップS319までの動作は、扱う光の偏光状態が異なるのみで、ステップS308からステップS313までの動作と同様である。また、上述したようにステップS314からステップS319までの動作は、ステップS308からステップS319までの動作と並行して行われる。 The operation from step S314 to step S319 is the same as the operation from step S308 to step S313 except that the polarization state of the light to be handled is different. Further, as described above, the operations from step S314 to step S319 are performed in parallel with the operations from step S308 to step S319.
ステップS314で、送信光用第2偏光部5005は、ステップS304で分配された第2の送信光を第2の偏光状態に偏光させ、偏光させた第2の送信光を第2送受分離部621に出力する。
In step S314, the
次にステップS315で、第2送受共用光学系622は、第2送受分離部621を介して入力された第2の送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S315, the second transmission / reception shared
次にステップS316で、第2送受共用光学系622は、海面で反射された第2の反射光を第2の受信光として受信する。第2送受共用光学系622は、受信した第2の受信光を第2送受分離部621に出力する。
Next, in step S316, the second transmission / reception shared
次にステップS317で、第2合波部702は第2送受分離部621を介して入力された第2の受信光と、ステップS305で偏光させた第2の参照光を合波して、第2の干渉光を生成する。
Next, in step S317, the
次にステップS318で、第2偏光用光検出器821がステップS317において第2合波部702が生成した第2の干渉光を変換し、アナログの第2の電気信号を生成する。第2偏光用A/D変換部822は、第2偏光用光検出器821が生成した第2の電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、信号処理部40に出力する。
Next, in step S318, the
次にステップS319で、低周波信号取得部401は、ステップS318で取得した第2の電気信号から第2の包絡線を取得する。低周波信号取得部401は、取得した第2の包絡線を差分算出部402に出力する。
Next, in step S319, the low frequency
次のステップS320からステップS324までの動作は、実施の形態2のステップS212からステップS216までの動作と同様である。 The operation from the next step S320 to step S324 is the same as the operation from step S212 to step S216 of the second embodiment.
次にステップS320で、差分算出部402は、ステップS313で取得した第1の包絡線とステップS319で取得した第2の包絡線の差分を算出する。差分算出部402は取得した差分を抽出部403に出力する。
Next, in step S320, the
ステップS321で、抽出部403は、差分算出部402で算出された差分とA/D変換部から入力された第1の電気信号を乗算することにより、第1の電気信号から海面からの反射成分を抽出する。
In step S321, the
次にステップS322で、レンジビン分割部441は、ステップS321において抽出部43で抽出された電気信号を複数のレンジビンに分割する。
Next, in step S322, the range
次にステップS323で、周波数スペクトル算出部442は、ステップS322においてレンジビン分割部441で分割された電気信号にFFT処理を行い、レンジビンごとに電気信号の周波数スペクトルを算出する。
Next, in step S323, the frequency
次にステップS324で、ドップラー速度算出部443は、ステップS323において周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルのドップラーシフト量から対象物の速度を算出する。
Next, in step S324, the Doppler
以上のようなレーザレーダ装置1の動作により、第1の電気信号と第2の電気信号との差をとることでエアロゾルからの反射成分を取り除くことができ、より精度良く対象物の速度を算出することができる。
By the operation of the
また、実施の形態3におけるレーザレーダ装置1によれば、実施の形態2と同様に、第1の電気信号と第2の電気信号を同時に取得することができるので、対象物の速度を実施の形態1におけるレーザレーダ装置1より早く算出することができる。
Further, according to the
また、実施の形態3においては、第1の偏光成分を有する第1の偏光状態の送信パルスを送信する送信部と、第2の偏光成分を有する第2の偏光状態の送信パルスを送信する送信部とを別々に設けたので、偏光保持光ファイバーケーブルを伝搬する際に直線偏光状態を保持したまま、送信光を伝搬させることができる。 Further, in the third embodiment, a transmission unit for transmitting a transmission pulse in a first polarized state having a first polarized component and a transmission unit for transmitting a transmission pulse in a second polarized state having a second polarized component are transmitted. Since the unit is provided separately, it is possible to propagate the transmitted light while maintaining the linearly polarized state when propagating the polarization-retaining optical fiber cable.
以下で、実施の形態3におけるレーザレーダ装置1の変形例について説明する。
Hereinafter, a modified example of the
光制御部500は、送信光用第1偏光部5004及び送信光用第2偏光部5005を第2分配部5003の後段に有し、参照光用第1偏光部5007及び参照光用第2偏光部5008を第3分配部5006の後段に有する構成としたが、送信光と参照光を偏光させることができれば、各偏光部を設ける位置はこれに限らず、例えば、送信光用第1偏光部5004と参照光用第1偏光部5007をまとめて第1光源部として、光源部2の後段かつ第1分配部5001の前段に設ける構成としても良い。
The
第1送受信部610及び第2送受信部620は、送信光を送信する送信用光学系と受信光を受信する受信用光学系をそれぞれ一つの送受共用光学系で構成するようにしたが、送信用光学系と受信用光学系を別々の光学系で構成してもよい。この場合には、光学系の前段に送受分離部を設ける必要はない。
また、第1送受共用光学系612及び第2送受共用光学系622は、送信光の送信方向を制御する走査機構を有してもよい。あるいは、複数の送受共用光学系を設けることにより、一度に複数の方向に送信光を送信する構成としても良い。上記の構成を備えた場合、対象物の移動方向をより容易に推定することができる。The first transmission /
Further, the first transmission / reception shared
実施の形態1及び2と同様に、低周波信号取得部401は、入力された電気信号から高周波成分を取り除くことができれば、他の構成でもよく、例えば、ローパスフィルターを設けたり、移動平均を求めることにより、高周波成分を取り除く構成としてもよい。
Similar to the first and second embodiments, the low-frequency
実施の形態1及び2と同様に、差分算出部402は、第1の包絡線と第2の包絡線との差分を算出する構成としたが、差分を算出することによりエアロゾルからの反射成分を対象物からの反射成分に対して無視できる程度に小さな値にできれば、他の構成でもよく、例えば、時間方向のキャリブレーションにより第1の電気信号と第2の電気信号の時間変動を揃えることができる場合には、キャリブレーション後の第1の電気信号と第2の電気信号との差分を算出する構成でもよい。
Similar to the first and second embodiments, the
実施の形態1及び2と同様に、抽出部403は、対象物からの反射成分を抽出できれば、他の構成でもよい。例えば、第1の電気信号に対して、差分が所定の閾値以上の時間範囲は元の値のままとし、差分が当該閾値未満の時間範囲の値はゼロにする変換を行うことにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としてもよい。
Similar to the first and second embodiments, the
実施の形態1及び2と同様に、差分算出部402は、対象物からの反射成分を含まない時間範囲における強度差がゼロとなるようにキャリブレーションを実施する機能を有してもよい。
Similar to the first and second embodiments, the
実施の形態1及び2と同様に、ドップラー速度算出部443は、1パルス毎に対象物の速度を算出するのではなく、複数のパルスをインコヒーレント積分し、信号対雑音比を向上してから速度を算出する構成としてもよい。
Similar to the first and second embodiments, the Doppler
実施の形態1及び2と同様に、信号処理部40が有する各部はアナログ回路で実装するようにしてもよい。例えば、抽出部403までをアナログ回路で実装してもよく、この場合には、A/D変換部は、抽出部403の後段かつ速度算出部44の前段に設けられる。
Similar to the first and second embodiments, each part of the
実施の形態1及び2と同様に、光源部2及び検波部3の各部は光ファイバーケーブルで接続する構成としたが、空間伝搬型の伝送路を用いて接続する構成としても良い。
Similar to the first and second embodiments, the
実施の形態1及び2と同様に、抽出部403は、差分算出部402が算出した差分と第1偏光用A/D変換部812から入力された第1の電気信号を乗算することにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としたが、対象物からの反射成分を抽出できれば、他の構成でもよい。例えば、第1の電気信号に対して、差分の値が所定の閾値以上の時間範囲は元の値のままとし、差分の値が当該閾値未満の時間範囲の値はゼロにする変換を行うことにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としてもよい。
また、差分と乗算する電気信号は第1の電気信号に限らず、第2の電気信号としてもよい。あるいは、抽出部403は第1の電気信号と第2の電気信号の両方から対象物の反射成分を抽出し、速度算出部44は、それぞれの抽出された電気信号から算出された速度を平均して最終的な算出結果としての速度を算出するようにしてもよい。Similar to the first and second embodiments, the
Further, the electric signal to be multiplied by the difference is not limited to the first electric signal, and may be a second electric signal. Alternatively, the
実施の形態4.
次に、本発明の実施の形態4について説明する。
Next,
図13は、実施の形態4におけるレーザレーダ装置1の構成を示す構成図である。
また、図14は、実施の形態4における信号処理部400の構成を示す構成図である。
実施の形態1から3において、第1の電気信号は第1の偏光成分を有する干渉光を変換して生成された電気信号であり、第2の電気信号は第2の偏光成分を有する干渉光を変換して生成された電気信号であった。これに対して、実施の形態4において、第1の電気信号は、合波していない第1の偏光成分を有する受信光を変換して生成された電気信号であり、第2の電気信号は、合波していない第2の偏光成分を有する受信光を変換して生成された電気信号である。
そのため、実施の形態1から3との主な相違点は、受信光分配部10と光検出部800である。
以下で、上記の構成について詳細に説明する。FIG. 13 is a configuration diagram showing the configuration of the
Further, FIG. 14 is a configuration diagram showing the configuration of the
In the first to third embodiments, the first electric signal is an electric signal generated by converting the interference light having the first polarization component, and the second electric signal is the interference light having the second polarization component. It was an electric signal generated by converting. On the other hand, in the fourth embodiment, the first electric signal is an electric signal generated by converting the received light having the first unwavering polarized light component, and the second electric signal is , Is an electrical signal generated by converting received light having a second polarization component that is not combined.
Therefore, the main difference from the first to third embodiments is the received
The above configuration will be described in detail below.
実施の形態4における検波部3は、光源部2が生成したレーザ光に第1の偏光成分と第2の偏光成分を含むように偏光を施し、第1の偏光成分と第2の偏光成分とを含む送信光と、送信光と同じ偏光状態の参照光とを出力する光制御部5と、光制御部5から出力された送信光を対象物に向けて送信し、送信光が対象物で反射された反射光を受信光として受信する送受信部6と、送受信部6で受信した受信光を第1の受信光と第2の受信光に分配する受信光分配部10と、光制御部5から出力された参照光と受信光分配部10で分配された第1の受信光を合波して干渉光を生成する合波部700と、合波部700で生成された干渉光を変換して電気信号を生成する干渉光検出部8010と、受信光分配部10で分配された第2の受信光を変換して第1の電気信号と第2の電気信号とを含む電気信号を生成する受信光検出部8020とを含む光検出部800と、を有する。
The detection unit 3 in the fourth embodiment polarizes the laser light generated by the
実施の形態4における光制御部5及び送受信部6は、実施の形態1における光制御部5及び送受信部6と同様のものである。また、実施の形態4における合波部700は、受信光の入力先が異なるのみで実施の形態1における合波部700と同様のものである。
実施の形態4における合波部700は、光制御部5から出力された参照光と受信光分配部10で分配された第1の受信光を合波して干渉光を生成する。The
The
受信光分配部10は、送受信部6で受信した受信光を干渉用受信光と差分用受信光に分配するものである。実施の形態4において、受信光分配部10は、送受信部6で受信した受信光を所定の比率で合波部700と受信光検出部8020に分配する。ここで、合波部700に出力される受信光が干渉用受信光であり、ヘテロダイン検波を行うためのものである。また、受信光検出部8020に出力される受信光が差分用受信光であり、第1の電気信号と第2の電気信号の差分を取得しエアロゾルからの影響を低減するためのものである。
なお、受信光分配部10としては、実施の形態1における分配部52と同様に、例えば、光ファイバカプラや誘電体多層膜フィルタを用いた分岐ミラー、ビームスプリッタが用いられる。The reception
As the receiving
光検出部800は、合波部700で生成された干渉光を変換して電気信号を生成する干渉光検出部8010と、受信光分配部10で分配された差分用受信光を変換して電気信号を生成する受信光検出部8020とを含む。
ここで、干渉光検出部8010は、合波部700で生成された干渉光を変換してアナログの電気信号を生成する干渉光検出器8011と、干渉光検出器8011が生成した電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する干渉光用A/D変換部8012を有する。
また、受信光検出部8020は、受信光分配部10で分配された干渉用受信光を変換してアナログの電気信号を生成する受信光検出器8021と、受信光検出器8021が生成した電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する受信光用A/D変換部8022を有する。ここで、受信光検出器8021には、光の検出において応答が遅い検出器を用いる。これにより、受信光検出器8021が生成する電気信号は、高周波成分が除去されており、低周波信号を得ることができる。すなわち、実施の形態4における受信光検出部8020は、実施の形態1から3における低周波信号取得部と同等の機能を有する。
以下では、区別のために、干渉光検出部8010で干渉光を変換して生成された電気信号をビート信号と呼び、受信光検出部8020で受信光を変換して生成された電気信号を低周波信号と呼ぶ。また、第1の偏光成分を有する干渉光を変換して生成されたビート信号を第1のビート信号と呼び、第2の偏光成分を有する干渉光を変換して生成されたビート信号を第2のビート信号と呼ぶ。
同様に、第1の偏光成分を有する受信光を変換して生成された低周波信号を第1の低周波信号と呼び、第2の偏光成分を有する受信光を変換して生成された低周波信号を第2の低周波信号と呼ぶ。The
Here, the interference
Further, the received
In the following, for the sake of distinction, the electric signal generated by converting the interference light by the interference
Similarly, the low frequency signal generated by converting the received light having the first polarization component is called the first low frequency signal, and the low frequency generated by converting the received light having the second polarization component is called the first low frequency signal. The signal is called a second low frequency signal.
実施の形態4における信号処理部400が有する差分算出部4002は、受信光用A/D変換部8022が出力した電気信号を用いて差分を算出する。すなわち、差分算出部4002は、第1の低周波信号と第2の低周波信号の差分を、第1の電気信号と第2の電気信号との差として算出する。また、差分算出部4002は、実施の形態1における差分算出部42が、差分を算出するまで第1の包絡線を記憶していたのと同様に、差分を算出するまで入力された第1の低周波信号を記憶する。
The
また、実施の形態4における抽出部4003は、干渉光用A/D変換部8012から入力される第1のビート信号と差分算出部4002から入力される差分を乗算することにより、第1のビート信号から海面からの反射成分を抽出するものであり、実施の形態1から3の抽出部と同様の機能を有するものである。
Further, the
その他の構成は、実施の形態1における構成と同じである。
次に、実施の形態4におけるレーザレーダ装置1の動作について説明する。
図15は、実施の形態4におけるレーザレーダ装置1が対象物の速度を算出する動作を示すフローチャートである。Other configurations are the same as those in the first embodiment.
Next, the operation of the
FIG. 15 is a flowchart showing the operation of the
ステップS401からステップS406までの動作は、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1のステップS1からステップS6までの動作と同様である。
The operation from step S401 to step S406 is the same as the operation from step S1 to step S6 of the
レーザレーダ装置1が、対象物の速度を算出する動作を開始すると、ますステップS401で、光源部2がレーザ光を出力する。ここで、実施の形態4における対象物も、実施の形態1から3と同様に、海面であり、海面の速度を算出するものとする。
When the
次にステップS402で、偏光部51は、ステップS401で光源部2が出力したレーザ光を第1の偏光成分を有する第1の偏光状態に偏光させる。実施の形態4においても、実施の形態1から3と同様に、第1の偏光成分を海面に対するS偏光成分、第2の偏光成分を海面に対するP偏光成分とする。
Next, in step S402, the
次にステップS403で、分配部52は、偏光部51で偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配する。分配部52は、送信光を変調部53に出力するとともに、参照光を合波部700に出力する。
Next, in step S403, the
次にステップS404で、変調部53は、ステップS403において分配部52で分配された送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。変調部53は変調を施した送信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S404, the
次にステップS405で、送受共用光学系62は、送受分離部61を介して入力された送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S405, the transmission / reception shared
次にステップS406で、送受共用光学系62は、海面で反射された送信光を受信光として受信する。送受共用光学系62は、受信した受信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S406, the transmission / reception shared
次にステップS407で、受信光分配部10は、送受分離部61を介して入力された受信光を干渉用受信光と差分用受信光に分配する。すなわち、受信光分配部10は、干渉用受信光を合波部700に出力するとともに、差分用受信光を受信光検出部8020に出力する。
Next, in step S407, the reception
次にステップS408で、合波部700は、ステップS403において分配部52で分配された参照光と、ステップS407において受信光分配部10で分配された干渉用受信光を合波して干渉光を生成する。
Next, in step S408, the
次にステップS409で、干渉光検出器8011は、ステップS408において合波部700で生成された干渉光を変換しアナログのビート信号を生成する。また、干渉光検出器8011で生成されたビート信号は、干渉光用A/D変換部8012でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、抽出部4003に出力される。
Next, in step S409, the interference light detector 8011 converts the interference light generated by the
ステップS408及びステップS409と並行して、ステップS410で、受信光検出器8021は、ステップS407で分配された差分用受信光を変換しアナログの低周波信号を生成する。また、受信光検出器8021で生成された低周波信号は、受信光用A/D変換部8022でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、差分算出部4002に出力される。
In parallel with step S408 and step S409, in step S410, the received
次にステップS411で、偏光部51は、光源部2が出力したレーザ光を第2の偏光成分を有する第2の偏光状態に偏光させる。実施の形態1と同様に、ステップS402からステップS411までの時間間隔は、あらかじめ設定された偏光切り替え周波数によって決定される。
Next, in step S411, the
ステップS412からステップS418までの動作は、処理する光の偏光状態が異なるだけであり、ステップS403からステップS409までの動作と同様である。また、ステップS412からステップS419までの動作は、処理する光の偏光状態が異なるだけであり、ステップS403からステップS410までの動作と同様である。 The operation from step S412 to step S418 is the same as the operation from step S403 to step S409 except that the polarization state of the light to be processed is different. Further, the operations from step S412 to step S419 are the same as the operations from step S403 to step S410, except that the polarization state of the light to be processed is different.
次にステップS412で、分配部52は、偏光部51で偏光されたレーザ光を送信光と参照光に分配する。分配部52は、送信光を変調部53に出力するとともに、参照光を合波部700に出力する。
Next, in step S412, the
次にステップS413で、変調部53は、ステップS3において分配部52で分配された送信光にパルス変調と周波数シフトを施す。変調部53は変調を施した送信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S413, the
次にステップS414で、送受共用光学系62は、送受分離部61を介して入力された送信光を海面に向けて送信する。
Next, in step S414, the transmission / reception shared
次にステップS415で、送受共用光学系62は、海面で反射された送信光を受信光として受信する。送受共用光学系62は、受信した受信光を送受分離部61に出力する。
Next, in step S415, the transmission / reception shared
次にステップS416で、受信光分配部10は、ステップS406で受信した受信光を干渉用受信光と差分用受信光に分配する。すなわち、受信光分配部10は、干渉用受信光を合波部700に出力するとともに、差分用受信光を受信光検出部8020に出力する。
Next, in step S416, the received
次にステップS417で、合波部700は、ステップS412において分配部52で分配された参照光と、ステップS416において受信光分配部10で分配された差分用受信光を合波して干渉光を生成する。
Next, in step S417, the
次にステップS418で、干渉光検出器8011は、ステップS417において合波部700で生成された干渉光を変換しアナログのビート信号を生成する。また、干渉光検出器8011で生成されたビート信号は、干渉光用A/D変換部8012でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、抽出部4003に出力される。
Next, in step S418, the interference light detector 8011 converts the interference light generated by the
ステップS417及びステップS418と並行して、ステップS419で、受信光検出器8021は、ステップS416で分配された差分用受信光を変換しアナログの低周波信号を生成する。また、受信光検出器8021で生成された低周波信号は、受信光用A/D変換部8022でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、差分算出部4002に出力される。
In parallel with step S417 and step S418, in step S419, the received
次のステップS420からステップS424までの動作は、実施の形態1におけるステップS18からステップS22までの動作と同様である。 The operation from the next step S420 to step S424 is the same as the operation from step S18 to step S22 in the first embodiment.
次にステップS420で、差分算出部4002は、ステップS410で取得した第1の低周波信号と、ステップS419で取得した第2の低周波信号との差分を算出する。そして、差分算出部4002は、算出した差分を抽出部4003に出力する。
Next, in step S420, the
次にステップS421で、抽出部4003は、ステップS420において差分算出部4002で算出された差分と、干渉光用A/D変換部8012から入力された第1のビート信号を乗算することにより、第1のビート信号から海面からの反射成分を抽出する。抽出部4003は、海面成分のみ抽出されたビート信号をレンジビン分割部に出力する。
Next, in step S421, the
次にステップS422で、レンジビン分割部441は、ステップS421において抽出部43で抽出されたビート信号を複数のレンジビンに分割する。
Next, in step S422, the range
次にステップS423で、周波数スペクトル算出部442は、ステップS422においてレンジビン分割部441で分割された電気信号にFFT処理を行い、レンジビンごとに電気信号の周波数スペクトルを算出する。
Next, in step S423, the frequency
次にステップS424で、ドップラー速度算出部443は、ステップS423において周波数スペクトル算出部442で算出された周波数スペクトルのドップラーシフト量から対象物の速度を算出する。
Next, in step S424, the Doppler
以上のようなレーザレーダ装置1の動作により、第1の電気信号と第2の電気信号との差をとることでエアロゾルからの反射成分を取り除くことができ、より精度良く対象物の速度を算出することができる。
By the operation of the
また、実施の形態4におけるレーザレーダ装置1によれば、ビート信号の取得と並行して低周波信号を取得することができる。
Further, according to the
以下で、実施の形態4におけるレーザレーダ装置1の変形例について説明する。
Hereinafter, a modified example of the
受信光検出部8020は、応答が遅い光検出器である受信光検出器8021を有することにより、低周波信号を生成する構成としたが、受信光検出器8021の代わりに通常の応答速度の光検出器を用い、当該光検出器の後段にローパスフィルターを設ける構成でもよい。
The received
また、受信光検出部8020を低周波信号を取得する低周波信号取得部として用いる構成としたが、実施の形態1から3と同様に、受信光用A/D変換部8022の後段にデジタル回路で低周波信号取得部を設ける構成してもよい。
Further, although the received
光制御部5が有する偏光部51は実施の形態1の偏光部51と同様のものとしたが、実施の形態2の偏光部501と同様のものを設ける構成としても良い。この場合には、干渉光検出部8010と受信光検出部8020のそれぞれが、第1の偏光成分を有する光を検出するための第1光検出部と第2の偏光成分を有する光を検出するための第2光検出部を含む構成とする。
The
実施の形態1から3と同様に、抽出部4003は、差分算出部4002が算出した差分と干渉光用A/D変換部8012から入力された第1のビート信号を乗算することにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としたが、対象物からの反射成分を抽出できれば、他の構成でもよい。例えば、第1のビート信号に対して、差分が所定の閾値以上の時間範囲は元の値のままとし、差分が当該閾値未満の時間範囲の値はゼロにする変換を行うことにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としてもよい。
Similar to the first to third embodiments, the
実施の形態1から3と同様に、送受信部6において、送信光を送信する送信用光学系と受信光を受信する受信用光学系を一つの送受共用光学系62で構成するようにしたが、送信用光学系と受信用光学系を別々の光学系で構成してもよい。この場合には、光学系の前段に送受分離部61を設ける必要はない。
また、送受共用光学系62は、送信光の送信方向を制御する走査機構を有してもよい。あるいは、複数の送受共用光学系62を設けることにより、一度に複数の方向に送信光を送信する構成としても良い。上記の構成を備えた場合、対象物の移動方向をより容易に推定することができる。Similar to the first to third embodiments, in the transmission / reception unit 6, the transmission optical system for transmitting the transmission light and the reception optical system for receiving the reception light are configured by one transmission / reception shared
Further, the transmission / reception shared
実施の形態1から3と同様に、差分算出部4002は、第1の包絡線と第2の包絡線との差分を算出する構成としたが、差分を算出することによりエアロゾルからの反射成分を対象物からの反射成分に対して無視できる程度に小さな値にできれば、他の構成でもよく、例えば、時間方向のキャリブレーションにより第1の電気信号と第2の電気信号の時間変動を揃えることができる場合には、キャリブレーション後の第1の電気信号と第2の電気信号との差分を算出する構成でもよい。
Similar to the first to third embodiments, the
実施の形態1から3と同様に、差分算出部4002は、第1の低周波信号と、第2の低周波信号との差分を算出するが、光検出部800が生成する電気信号にはレーザレーダ装置1自身の偏光依存性に由来した強度差が存在すると予想されるため、対象物を含まない時間領域における強度差がゼロとなるようにキャリブレーションを実施してもよい。
Similar to the first to third embodiments, the
また、実施の形態1及び2と同様に、偏光部51を分配部52の前段に設ける構成としたが、送信光及び参照光を偏光させることができれば、他の位置の設けても良く、例えば分配部52の後段かつ変調部53の前段、あるいは送受分離部61の後段かつ送受共用光学系の前段に一つと、分配部52の後段かつ合波部700の前段に一つ、計二つの偏光部を設ける構成としても良い。偏光部51が送受分離部61の後段かつ送受共用光学系62の前段に設けられる場合には、受信光も送信光と同じ偏光状態に偏光させることにより、余分な偏光成分を除去することができる。
Further, as in the first and second embodiments, the
また、実施の形態1と同様に、偏光部51と変調部53は、偏光切り替え周波数とパルス変調周波数を等しくすることにより、偏光とパルス変調を同期する構成としたが、偏光部51と変調部53が同期して動作を行うことができれば他の構成でもよく、例えば、偏光部51が偏光の切り替えを行う際に、偏光の切り替えを行ったことを示す信号を変調部53に送信し、この信号に基づき変調部53が動作を行うことにより偏光部51と変調部53が同期して動作を行う構成としてもよい。また、レーザレーダ装置1が各種制御を行う制御部をさらに備え、この制御部が出力する制御信号に基づき、偏光部51と変調部53が同期して動作を行う構成としてもよい。
Further, as in the first embodiment, the
また、実施の形態1から3と同様に、光制御部5は、1パルス毎に偏光状態を切り替えているが、パルス変調周波数を偏光切り替え周波数の整数倍とすることで、複数パルス毎に偏光状態を切り替える構成としても良い。
Further, as in the first to third embodiments, the
また、実施の形態1から3と同様に、ドップラー速度算出部443は、1パルス毎に対象物の速度を算出する構成としたが、複数のパルスをインコヒーレント積分し、信号対雑音比を向上してから速度を算出する構成としてもよい。
Further, similarly to the first to third embodiments, the Doppler
また、実施の形態1から3と同様に、信号処理部400が有する各部はアナログ回路で実装するようにしてもよい。例えば、抽出部4003までをアナログ回路で実装してもよく、この場合には、A/D変換部は、抽出部4003の後段かつ速度算出部44の前段に設けられる。
Further, as in the first to third embodiments, each part of the
また、実施の形態1から3と同様に、光源部2及び検波部3の各部は光ファイバーケーブルで接続する構成としたが、空間伝搬型の伝送路を用いて接続する構成としても良い。
Further, as in the first to third embodiments, the
実施の形態1から3と同様に、抽出部4003は、差分算出部4002が算出した差分と干渉光用A/D変換部8012から入力された第1のビート信号を乗算することにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としたが、対象物からの反射成分を抽出できれば、他の構成でもよい。例えば、第1のビート信号に対して、差分の値が所定の閾値以上の時間範囲は元の値のままとし、差分の値が当該閾値未満の時間範囲の値はゼロにする変換を行うことにより、対象物からの反射成分を抽出する構成としてもよい。
また、差分と乗算する電気信号は第1のビート信号に限らず、第2のビート信号としてもよい。あるいは、抽出部4003は第1のビート信号と第2のビート信号の両方から対象物の反射成分を抽出し、速度算出部44は、それぞれの抽出されたビート信号から算出された速度を平均して最終的な算出結果としての速度を算出するようにしてもよい。Similar to the first to third embodiments, the
Further, the electric signal to be multiplied by the difference is not limited to the first beat signal, and may be a second beat signal. Alternatively, the
実施の形態1から4において、レーザレーダ装置1の対象物は海面としたが、反射光が偏光依存性を持つ物質であれば、他の物でもよく、例えば、車両や飛行機等の人工物に対しても用いることができる。
In the first to fourth embodiments, the object of the
本発明に係るレーザレーダ装置は、速度等の対象物の情報を測定するレーダシステムに用いられるのに適している。 The laser radar device according to the present invention is suitable for use in a radar system that measures information on an object such as speed.
1 レーザレーダ装置、2 光源部、3 検波部、4,40,400 信号処理部、41,401 低周波信号取得部、42,402,4002 差分算出部、43,403,4003 抽出部、44 速度算出部、441 レンジビン分割部、442 周波数スペクトル算出部、443 ドップラー速度算出部、5,50,500 光制御部、51,501 偏光部、52 分配部、53,5002 変調部、5001 第1分配部、5003 第2分配部、5004 送信光用第1偏光部、5005 送信光用第2偏光部、5006 第3分配部、5007 参照光用第1偏光部、5008 参照光用第2偏光部、6,60 送受信部、61 送受分離部、62 送受共用光学系、610 第1送受信部、620 第2送受信部、611 第1送受分離部、612 第1送受共用光学系、621 第2送受分離部、622 第2送受共用光学系、7,70 合波部、701 第1合波部、702 第2合波部、8,80,800 光検出部、81 光検出器、82 A/D変換部、810 第1偏光用光検出部、811 第1偏光用光検出器、812 第1偏光用A/D変換部、820 第2偏光用光検出部、821 第2偏光用光検出器、822 第2偏光用A/D変換部、8010 干渉光検出部、8011 干渉光検出器、8012 干渉光用A/D変換部、8020 受信光検出部、8021 受信光検出器、8022 受信光用A/D変換部、9 偏光分離部、10 受信光分配部、100 第1の電気信号、101 第1の包絡線、102 第2の包絡線、103 差分、104 エアロゾルからの反射成分を受信していた時間範囲、105 海面からの反射成分を受信していた時間範囲、106 海面からの反射成分のみ抽出された電気信号、1000 処理装置、1001 記憶装置、1002 入力インターフェース部、1011,1012,1013 送信パルス。 1 Laser radar device, 2 Light source unit, 3 Detection unit, 4,40,400 Signal processing unit, 41,401 Low frequency signal acquisition unit, 42,402,4002 Difference calculation unit, 43,403,4003 Extraction unit, 44 Speed Calculation unit, 441 range bin division unit, 442 frequency spectrum calculation unit, 443 Doppler speed calculation unit, 5,50,500 optical control unit, 51,501 polarization unit, 52 distribution unit, 53,5002 modulation unit, 5001 first distribution unit , 5003 2nd distribution unit, 5004 1st polarization unit for transmission light, 5005 2nd polarization unit for transmission light, 5006 3rd distribution unit, 5007 1st polarization unit for reference light, 5008 2nd polarization unit for reference light, 6 , 60 Transmission / reception unit, 61 Transmission / reception separation unit, 62 Transmission / reception shared optical system, 610 1st transmission / reception unit, 620 2nd transmission / reception unit, 611 1st transmission / reception separation unit, 612 1st transmission / reception shared optical system, 621 2nd transmission / reception separation unit, 622 2nd transmission / reception shared optical system, 7,70 confluence unit, 701 1st confluence unit, 702 2nd confluence unit, 8,80,800 optical detector unit, 81 optical detector, 82 A / D converter, 810 1st polarization light detection unit, 811 1st polarization light detector, 812 1st polarization A / D conversion unit, 820 2nd polarization light detection unit, 821 2nd polarization light detector, 822 2nd A / D conversion unit for polarization, 8010 interference light detector, 8011 interference light detector, 8012 A / D conversion unit for interference light, 8020 reception light detector, 8021 reception light detector, 8022 A / D conversion for reception light Unit, 9 Polarization separator, 10 Received light distributor, 100 1st electrical signal, 101 1st optic line, 102 2nd optic line, 103 Difference, 104 Time range in which the reflection component from the aerosol was received. , 105 Time range in which the reflected component from the sea surface was received, 106 Electrical signal extracted only from the reflected component from the sea surface, 1000 processing device, 1001 storage device, 1002 input interface unit, 1011, 1012, 1013 transmission pulse.
Claims (10)
前記光源部が生成した前記レーザ光に基づいて第1の偏光成分と前記第1の偏光成分とは異なる第2の偏光成分とを含む送信光を前記対象物に向けて送信し、前記送信光が前記対象物で反射された反射光を受信光として受信し、前記受信光に含まれる第1の偏光成分から第1の電気信号を生成し、前記受信光に含まれる第2の偏光成分から第2の電気信号を生成する検波部と、
前記第1の電気信号と、前記第2の電気信号との差に基づいて、前記対象物の速度を算出する信号処理部と、
を備えたレーザレーダ装置。A light source unit that generates laser light in the band where the object can be reflected,
Based on the laser beam generated by the light source unit, transmitted light containing a first polarized light component and a second polarized light component different from the first polarized light component is transmitted toward the object, and the transmitted light is transmitted. Receives the reflected light reflected by the object as received light, generates a first electric signal from the first polarized light component contained in the received light, and generates a first electric signal from the second polarized light component contained in the received light. A detector that generates a second electrical signal,
A signal processing unit that calculates the speed of the object based on the difference between the first electric signal and the second electric signal.
Laser radar device equipped with.
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。The transmitted light transmitted by the detection unit includes a transmission pulse in a first polarized state having the first polarized component and a transmission pulse in a second polarized state having the second polarized component. The laser radar device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザレーダ装置。The detection unit transmits a first transmitting unit that transmits a transmission pulse in a first polarized state having the first polarized component, and a second transmitting unit that transmits a transmission pulse in a second polarized state having the second polarized component. The laser radar apparatus according to claim 1 or 2, further comprising two transmitters.
ことを特徴とする請求項2に記載のレーザレーダ装置。The laser radar apparatus according to claim 2, wherein the detection unit alternately transmits the transmission pulse in the first polarized state and the transmission pulse in the second polarized state with the passage of time. ..
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。The laser radar apparatus according to claim 1, wherein the transmitted light transmitted by the detection unit includes a transmission pulse having both the first polarized light component and the second polarized light component.
前記光源部が生成した前記レーザ光に前記第1の偏光成分と前記第2の偏光成分とを含むように偏光を施し、前記送信光と、前記送信光と同じ偏光状態の参照光とを出力する光制御部と、
前記光制御部から出力された前記送信光を前記対象物に向けて送信し、前記送信光が前記対象物で反射された前記反射光を前記受信光として受信する送受信部と、
前記送受信部で受信した前記受信光と前記光制御部から出力された前記参照光を合波して干渉光を生成する合波部と、
入力された前記干渉光を変換して前記第1の電気信号と前記第2の電気信号とを含む電気信号を生成する光検出部と、を有し、
前記第1の電気信号は、前記光検出部で前記第1の偏光成分を有する前記干渉光を変換して生成された前記電気信号であり、
前記第2の電気信号は、前記光検出部で前記第2の偏光成分を有する前記干渉光を変換して生成された前記電気信号である
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置。The detection unit
The laser light generated by the light source unit is polarized so as to include the first polarized light component and the second polarized light component, and the transmitted light and the reference light having the same polarization state as the transmitted light are output. Optical control unit and
A transmission / reception unit that transmits the transmitted light output from the optical control unit toward the object and receives the reflected light reflected by the object as the received light.
A wave combination unit that generates interference light by combining the received light received by the transmission / reception unit with the reference light output from the optical control unit.
It has an optical detection unit that converts the input interference light to generate an electric signal including the first electric signal and the second electric signal.
The first electric signal is the electric signal generated by converting the interference light having the first polarization component by the photodetector.
Any one of claims 1 to 5, wherein the second electric signal is the electric signal generated by converting the interference light having the second polarization component by the photodetector. The laser radar device according to the section.
前記光検出部で生成された前記電気信号から高周波成分が除去された低周波信号を取得する低周波信号取得部と、
前記低周波信号取得部が前記第1の電気信号から取得した第1の低周波信号と、前記低周波信号取得部が前記第2の電気信号から取得した第2の低周波信号との差分を、前記第1の電気信号と前記第2の電気信号との差として算出する差分算出部と、
前記差分算出部で算出された前記差分と前記光検出部で生成された前記第1の電気信号とに基づいて、前記第1の電気信号から、前記対象物からの反射成分を抽出した電気信号を生成する抽出部と、
前記抽出部で抽出された電気信号を用いて、前記対象物の速度を算出する速度算出部と、を有する
ことを特徴とする請求項6に記載のレーザレーダ装置。The signal processing unit
A low-frequency signal acquisition unit that acquires a low-frequency signal from which high-frequency components have been removed from the electrical signal generated by the photodetector unit, and a low-frequency signal acquisition unit.
The difference between the first low-frequency signal acquired by the low-frequency signal acquisition unit from the first electric signal and the second low-frequency signal acquired by the low-frequency signal acquisition unit from the second electric signal. , A difference calculation unit that calculates the difference between the first electric signal and the second electric signal,
An electric signal obtained by extracting a reflection component from the object from the first electric signal based on the difference calculated by the difference calculation unit and the first electric signal generated by the light detection unit. And the extraction part that generates
The laser radar apparatus according to claim 6, further comprising a speed calculation unit that calculates the speed of the object using an electric signal extracted by the extraction unit.
ことを特徴とする請求項7に記載のレーザレーダ装置。The low-frequency signal acquired by the low-frequency signal acquisition unit is an envelope acquired from the electric signal generated by the light detection unit, and the first low-frequency signal is from the first electric signal. The laser radar apparatus according to claim 7, wherein the first envelope is acquired, and the second low-frequency signal is the second envelope acquired from the second electric signal. ..
前記抽出部で抽出された前記電気信号を複数のレンジビンで分割するレンジビン分割部と、
前記レンジビン分割部で分割された前記電気信号の前記レンジビンごとの周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出部と、
前記周波数スペクトル算出部で算出された前記周波数スペクトルのドップラーシフト量から前記対象物の速度を算出するドップラー速度算出部と、
を備えたことを特徴とする請求項7または8に記載のレーザレーダ装置。The speed calculation unit
A range bin dividing unit that divides the electric signal extracted by the extraction unit into a plurality of range bins, and a range bin dividing unit.
A frequency spectrum calculation unit that calculates the frequency spectrum of the electric signal divided by the range bin division unit for each range bin, and a frequency spectrum calculation unit.
A Doppler velocity calculation unit that calculates the velocity of the object from the Doppler shift amount of the frequency spectrum calculated by the frequency spectrum calculation unit, and a Doppler velocity calculation unit.
7. The laser radar apparatus according to claim 7 or 8.
前記光源部で生成された前記レーザ光に偏光を施し、前記第1の偏光成分と前記第2の偏光成分とを含む前記レーザ光を生成する偏光部と、
前記偏光部で生成された前記レーザ光を前記送信光と前記参照光に分配する分配部と、
を含む
ことを特徴とする請求項6から9のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置。The optical control unit
A polarizing unit that polarizes the laser light generated by the light source unit and generates the laser light including the first polarization component and the second polarization component.
A distribution unit that distributes the laser light generated by the polarizing unit to the transmission light and the reference light, and a distribution unit.
The laser radar apparatus according to any one of claims 6 to 9, wherein the laser radar apparatus comprises.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2019/016951 WO2020217267A1 (en) | 2019-04-22 | 2019-04-22 | Laser radar device |
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Publication Number | Publication Date |
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