JP7034398B1 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、図1から図10を参照して、実施の形態1によるレーザレーダ装置について説明する。
<構成>
図1から図3Bを参照して、本開示の実施の形態1によるレーザレーダ装置の構成例について説明する。図1に示すとおり、実施の形態1によるレーザレーダ装置は、一例として、光源1、強度変調器2、トリガ生成回路部3、強度変調信号生成部4、パルス信号生成部5、パルス変調部6、送信側光学系7、送受分離器8、テレスコープ9、受信側光学系10、受光部11、信号処理部12、およびスキャナ13を備える。光源1、強度変調器2、強度変調信号生成部4、パルス信号生成部5、およびパルス変調部6は、光源部60を構成する。送信側光学系7および受信側光学系10は、選択的な構成部である。図1において、黒太矢印は送信光の流れを示し、白太矢印は受信光の流れを示し、細矢印は電気信号の流れを示す。光源1と強度変調器2の間、強度変調器2とパルス変調部6の間、パルス変調部6と送信側光学系7の間、送信側光学系7と送受分離器8の間、送受分離器8とテレスコープ9の間、送受分離器8と受信側光学系10の間、受信側光学系10と受光部11の間の光路は、例えば光ファイバにより実現できる。テレスコープ9とスキャナ13の間は自由空間である。電気信号が流れる電気経路は電気配線により実現される。
光源1は単一周波数からなる連続波レーザ光を出射する光源である。光源1は強度変調器2に接続され、連続波レーザ光を強度変調器2に供給する。
トリガ生成回路部3は、強度変調信号生成部4、パルス信号生成部5および信号処理部12に接続され、これらの構成部を駆動するためのトリガ信号(パルス照射トリガ)を生成して、トリガ信号を強度変調信号生成部4、パルス信号生成部5および信号処理部12へ出力する。トリガ生成回路部3として、例えば、パルスジェネレータ、ファンクションジェネレータ、またはFPGA(field-programmable gate array)を用いることができる。
強度変調信号生成部4は、トリガ信号に基づいて周波数fkの強度変調信号を経時的に生成する。k=1~M(Mは2以上の整数)である。強度変調信号生成部4は、強度変調器2および信号処理部12に接続され、生成した周波数fkの強度変調信号を強度変調器2および信号処理部12へ出力する。異なる周波数で強度変調された信号が生成されるように、周波数f1~fMは互いに異なるように設定される。異なる周波数fkの生成法としては、例えば、周波数混合器を用いてf1の周波数信号に対してδfkだけのオフセット周波数を与えた信号を生成する方法、および基準信号発生器で発生する信号の周波数を基準周波数として、基準周波数を逓倍器で逓倍しまたは分周器で分周して生成する方法がある。強度変調周波数信号を生成する際の基準信号は同一である必要はなく、各強度変調周波数に対して個別に基準信号を用意してもよい。
パルス信号生成部5は、トリガ信号に基づいてパルス信号を生成する。パルス信号生成部5は、パルス変調部6に接続され、生成したパルス信号をパルス変調部6へ出力する。
強度変調器2は、強度変調信号生成部4から出力された強度変調信号に基づいて光源1からの連続波レーザ光を周期的に強度変調する。強度変調器2として、例えば、光アッテネータ、半導体光増幅器、音響光学素子、位相変調器を用いた干渉計型強度変調器を用いることができる。強度変調器2は、パルス変調部6に接続され、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調部6へ出力する。
パルス変調部6は、パルス変調器を備え、パルス信号生成部5から出力されたパルス信号に基づいて強度変調器2からの強度変調された連続波レーザ光を、繰返し周期Trepおよびパルス幅δTのパルスにパルス変調する。パルス変調部6として、例えば、音響光学素子または位相変調器を用いることができる。パルス変調部6は、高いSNR(信号対雑音比)を得るために、光増幅器を備え、パルス変調されたレーザ光の光パワーを増幅してもよい。パルス変調部6は、送信側光学系7に接続され、増幅されたレーザ光を送信側光学系7へ出力する。以上のようにして、光源部60は、連続波レーザ光を互いに異なる周波数の強度変調信号により周期的に強度変調して、変調周波数が異なる複数の強度変調パルスを出力する。なお、「周期的に強度変調する」とは、光パワーが周期的に変化するように変調を行うことを意味する。周期的に強度変調されたパルスの例は、例えば図5のパルスP1またはパルスP2である。パルスP1は、光パワーの最大値を一定に保ったまま、光パワーが変調周波数f1で周期的に変化する様子を示す。パルスP2は、光パワーの最大値を一定に保ったまま、光パワーが変調周波数f2で周期的に変化する様子を示す。
送信側光学系7は、パルス変調部6からのパルス変調され又は増幅されたレーザ光を所望のビーム径且つ広がり角に整形する。送信側光学系7は、凹面および凸面からなるレンズ群で構成される。送信側光学系7は、ミラーを利用する反射型の光学系であってもよい。送信側光学系7によるレーザ光の整形は高SNRを得るためになされるものであるので、送信側光学系7が無くても十分なSNRが得られる場合には送信側光学系7を設けなくてもよい。送信側光学系7は、送受分離器8に接続され、整形後のレーザ光を送受分離器8へ出力する。
送受分離器8は、送信光と受信光を所定のポートに分離する分離器である。送受分離器8と他の構成部との間のレーザ光の伝搬を空間伝搬により行う場合、送受分離器8として偏光ビームスプリッタ(PBS:polarizing beam splitter)が利用できる。レーザ光の伝搬を空間伝搬により行う場合、送受分離器8は、送信側光学系7とテレスコープ9の間であって、かつ送信光の光軸上に設置される。送受分離器8と他の構成部がファイバで接続されている場合、送受分離器8としてサーキュレータを利用することができる。送受分離器8は、送信光をテレスコープ9へ出力し、受信光を受信側光学系10へ出力する。
テレスコープ9は、送信光をスキャナ13を介して所望の方向へ送信するとともに、ターゲットからの反射光である受信光をスキャナ13を介して受信する。テレスコープ9は、凹面および凸面からなるレンズ群で構成される。テレスコープ9は、ミラー利用による反射型のテレスコープであってもよい。スキャナ13は、不図示の制御部により所定の方向を向くように回転される。テレスコープ9は、受信光を送受分離器8へ出力する。
受信側光学系10は、送受分離器8からの受信光を所望のビーム径且つ広がり角に整形する。受信側光学系10は、凹面および凸面からなるレンズ群で構成される。受信側光学系10は、ミラー利用による反射型の光学系であってもよい。受信側光学系10による整形は高SNRを得るためであるので、受信側光学系10が無くても十分なSNRが得られる場合には受信側光学系10を設けなくてもよい。受信側光学系10は、受光部11に接続され、受信光を受光部11へ出力する。
受光部11は、受信光を光電変換して受信電気信号を生成する。受光部11は、信号処理部12に接続され、受信電気信号を信号処理部12へ出力する。
信号処理部12は、受信電気信号に対して信号処理を行って物性距離特性を算出する。以下、図2を参照して、信号処理部12の構成について説明する。図2に示されているように、信号処理部12は、フィルタ処理部12-1、A/D変換部12-2、レンジビン分割部12-3、周波数解析部12-4、積算処理部12-5、SNR算出部12-6、距離特性算出部12-7、伝達関数算出部12-8、物性特性算出部12-9、および物性距離特性算出部12-10を備える。
フィルタ処理部12-1は、強度変調信号生成部4からの周波数fkの強度変調信号に基づいて、受光部11からの受信電気信号を周波数フィルタ処理する。フィルタ処理部12-1は、例えば中心周波数fk(k=1、2、3,・・・、M)のバンドパスフィルタにより実現され、通過帯域内にある受光部11からの受信電気信号を通過させる。フィルタ処理部12-1は、A/D変換部12-2に接続され、フィルタ処理後の電気信号をA/D変換部12-2へ出力する。なお、フィルタ処理部12-1は、A/D変換部12-2から積算処理部12-5までの間にあってもよい。
A/D変換部12-2は、トリガ生成回路部3からのトリガ信号(パルス照射トリガ)に基づいて、フィルタ処理部12-1からのフィルタ処理後の電気信号をAD変換する。A/D変換部12-2は、レンジビン分割部12-3に接続され、AD変換後のデジタル信号をレンジビン分割部12-3へ出力する。
レンジビン分割部12-3は、トリガ信号(パルス照射トリガ)に基づいて、AD変換後のデジタル信号をパルス幅相当の幅で時間方向に分割する。レンジビン分割部12-3は、周波数解析部12-4に接続され、分割後の信号を周波数解析部12-4へ出力する。
周波数解析部12-4は、強度変調信号生成部4からの周波数fkの強度変調信号に基づいて、分割されたビン毎の信号に対して高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理を行うことでビン毎の信号をスペクトルに変換する。周波数解析部12-4は、積算処理部12-5に接続され、スペクトルを積算処理部12-5へ出力する。
積算処理部12-5は、同一周波数fkの複数ショットのデータから得られる複数のスペクトルをスペクトル空間で積算する。積算処理部12-5は、SNR算出部12-6に接続され、積算後のスペクトルをSNR算出部12-6へ出力する。
SNR算出部12-6は、ある時刻且つある強度変調周波数での受信信号のSNRを算出する。SNR算出部12-6は、距離特性算出部12-7に接続され、算出したSNRを距離特性算出部12-7へ出力する。
距離特性算出部12-7は、ある強度変調周波数での距離とSNRの関係(距離特性:A-scope)を算出する。距離特性算出部12-7は、強度変調周波数f1~fMの全てについてA-scopeを算出する。距離特性算出部12-7は、伝達関数算出部12-8に接続され、算出した複数の距離特性(A-scope)を伝達関数算出部12-8へ出力する。
伝達関数算出部12-8は、あるレンジビンに関する複数の強度変調周波数(f1~fM)の複数の距離特性(A-scope)から、そのレンジビンにおけるターゲットの伝達関数を算出する。このようにして、伝達関数算出部12-8は、SNRの周波数依存性から、同一レンジのターゲットの伝達関数特性を解析する。伝達関数算出部12-8は、物性特性算出部12-9に接続され、算出した伝達関数を物性特性算出部12-9へ出力する。
物性特性算出部12-9は、伝達関数算出部12-8により求められた各レンジビンnにおける伝達関数から判明した伝達関数特性と、後述する式(4)若しくは式(6)による伝達関数式またはこれらの式に類似する式による伝達関数式とを比較することにより、レンジビンnに存在するターゲットの物性特性を算出する。また、物性特性算出部12-9は、距離特性算出部12-7により求められた各レンジビンnにおけるSNRと、想定されるSNRとを比較することで、レンジビンnに存在するターゲットの物性特性を算出してもよい。物性特性算出部12-9は、物性距離特性算出部12-10に接続され、算出した物性特性を物性距離特性算出部12-10へ出力する。
物性距離特性算出部12-10は、物性特性算出部12-9により算出された物性パラメータデータについて、距離特性算出部12-7と同様に、図10に示すようにレンジビン情報とAD変換レートとレンジビン幅からΔt=ADレート×レンジビン幅×(n-1)を計算し、L=v×Δt/2(vは光速)によりΔtを距離に変換し、距離ごとの物性パラメータグラフを出力する。
次に、図4~図10を参照して、本実施の形態1のレーザレーダ装置の動作について説明する。
以下、実施の形態1の変形例について説明する。パルスレーザの発生手法としては、連続波レーザをパルス化する手法のみでなく、Qスイッチレーザやモード同期レーザなどのパルス波レーザを直接発生する手法等の一般的手法のいずれか、あるいはその組み合わせを用いてもよい。強度変調パルスの生成方法としては、電解吸収変調器、電気光学結晶若しくは光ブロック、若しくはそれらに類するもの、またはそれらを用いて作成された強度変調器を用いて強度変調パルスを生成する手法、光源を直接電気信号パルス列で励起することで疑似的な強度変調パルスを生成する手法、パルスレーザをビームスプリッタで分割させて片方のパルスを遅延させて再び合波することで疑似的な強度変調パルスを生成する手法、片側のミラーのみ反射率を下げた共振器内に波長変換結晶を設置し疑似的な強度変調パルスを生成する手法などを利用してもよい。
以下、図11から図13を参照して、実施の形態2によるレーザレーダ装置について説明する。
図11に示されているように、実施の形態2によるレーザレーダ装置の全体的な構成は、図1に示した実施の形態1のレーザレーダ装置の構成と同様である。図12に示されているように、実施の形態2のレーザレーダ装置においては、光源部60Aは、光源1、強度変調器2、強度変調信号生成部4A、パルス信号生成部5、およびパルス変調部6を備える。実施の形態2によるレーザレーダ装置においては、光源部60Aが備える強度変調信号生成部4Aの構成が実施の形態1の強度変調信号生成部4と異なる。
実施の形態1においては、ある強度変調周波数fkでレーザ光を強度変調してパルスを生成し、M種のパルスのそれぞれを積算のためにa回ずつ照射した。これに対し、実施の形態2では、M個の異なる周波数(f1~fM)をもつ強度変調信号を同時に送信パルスに付与し、送信パルスを積算のためにa回照射する。実施の形態2の動作は、この点について実施の形態1の場合と相違する。その他については、実施の形態2の動作は実施の形態1の動作と同様である。相違点について、図13を参照して説明する。
る。
以上の説明では、M個の異なる強度変調信号生成部を用意したが、M=XYとなるようなXとYにおいて、X個の異なる強度変調信号生成部を用意し、1パルスにX個の強度変調を付与し、強度変調周波数を変化させながらY回パルスを照射することでYパルスでM個の異なる強度変調に対するターゲットの伝達関数特性を算出することができる。このような信号発生器の個数とパルス照射回数の変更は適宜行ってよい。
以下、図14~図17を参照して、実施の形態3によるレーザレーダ装置について説明する。実施の形態1および2の構成では、各パルスPkに周波数fkの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーまたは強度変調する度合いの不均一性により、算出される伝達関数特性に誤差が生じる場合がある。段落を変えて説明する。
実施の形態3によるレーザレーダ装置は、実施の形態1のレーザレーダ装置に対して、次の点で異なる。すなわち、図16に示されているように、実施の形態3によるレーザレーダ装置は、光パルス分岐部14、光パルスモニタ部15、および光パルス補正部16を更に備える。光パルス分岐部14は、パルス変調部6と送信側光学系7の間に備えられる。光パルスモニタ部15は、光パルス分岐部14の後段に備えられる。光パルス補正部16は、光パルスモニタ部15の後段に備えられ、強度変調信号生成部4Bおよびパルス信号生成部5Bに接続される。なお、光源1、強度変調器2、強度変調信号生成部4B、パルス信号生成部5B、およびパルス変調部6は、光源部60Bを構成する。なお、光パルス分岐部14、光パルスモニタ部15、および光パルス補正部16を実施の形態2によるレーザレーダ装置に対して追加するように、実施の形態2によるレーザレーダ装置を変形してもよい。
次に、図17を参照して、実施の形態3のレーザレーダ装置の動作について説明する。実施の形態3のレーザレーダ装置の動作は、実施の形態3のレーザレーダ装置の動作に対してステップST41、ST42、ST43およびST44の処理が追加された点で異なる。重複する説明を省略するため、実施の形態1の動作と相違する点についてのみ説明する。
実施の形態3によるレーザレーダ装置によれば、各パルスPkに周波数fkの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーや強度変調度の理想値に対する差を抑制することができるので、算出される伝達関数特性に誤差が生じることを防止できる。
以下、図18~図20を参照して、実施の形態4によるレーザレーダ装置について説明する。実施の形態4によるレーザレーダ装置は、実施の形態3によるレーザレーダ装置と同様に、各パルスPkに周波数fkの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーや強度変調度の不均一性から算出される伝達関数特性の誤差を補正することを目的とする。この目的を達成する手法が、実施の形態4によるレーザレーダ装置と実施の形態3によるレーザレーダ装置とでは異なる。端的には、実施の形態4のレーザレーダ装置は、強度変調パルス信号の一部をモニタして理想的な強度変調パルスパラメータに対する実際の強度変調パルスのパラメータを観測し、それらの情報をもとに発生しうる伝達関数の誤差などの受信信号の不確定性を算出し、それらの情報を用いて検出されたSNRを補正することでより正確な伝達関数を算出するように構成される。以下にて、詳しく説明する。
実施の形態4によるレーザレーダ装置は、実施の形態1のレーザレーダ装置に対して、次の点で異なる。すなわち、図18に示されているように、実施の形態4によるレーザレーダ装置は、光パルス分岐部14、および光パルスモニタ部15Aを更に備える。光パルス分岐部14は、パルス変調部6と送信側光学系7の間に備えられる。光パルスモニタ部15Aは、光パルス分岐部14の後段に備えられる。光パルスモニタ部15Aは信号処理部12Aに電気的に接続される。光パルスモニタ部15Aは光パルス信号を電気信号に変換して変換後の電気信号を光パルスモニタ信号として信号処理部12Aへ供給する。また、図19に示されているように、信号処理部12Aは、伝達関数算出補正部12-11を更に備える。伝達関数算出補正部12-11は、一例として、信号処理部12において伝達関数算出部12-8と物性特性算出部12-9の間に備えられる。なお、光源1、強度変調器2、強度変調信号生成部4、パルス信号生成部5、およびパルス変調部6は、実施の形態1の場合と同様に光源部60を構成する。なお、光パルス分岐部14、光パルスモニタ部15A、および伝達関数算出補正部12-11を実施の形態2によるレーザレーダ装置に対して追加するように、実施の形態2によるレーザレーダ装置を変形してもよい。
次に、図20を参照して、実施の形態4のレーザレーダ装置の動作について説明する。実施の形態4のレーザレーダ装置の動作は、実施の形態3のレーザレーダ装置の動作に対してステップST55の処理が追加された点、およびモニタ信号を受光するステップ(ST41A)の後に行われる処理がステップST55の処理である点で異なる。重複する説明を省略するため、実施の形態3の動作と相違する点についてのみ説明する。
実施の形態4によるレーザレーダ装置によれば、各パルスPkに周波数fkの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーや強度変調度の不均一性から算出される伝達関数特性の誤差を補正し、より正確な物性特性算出ができる。
Claims (12)
- レーザ光を互いに異なる周波数の強度変調信号により周期的に強度変調して複数の強度変調パルスを出力する光源部と、
前記複数の強度変調パルスをターゲットに送信し、前記ターゲットによる反射光を受信光として受信するテレスコープと、
前記受信光を光電変換して受信電気信号を生成する受光部と、
前記受信電気信号に基づいて前記ターゲットの距離および消光係数を算出する信号処理部と、
を備えるレーザレーダ装置。 - 前記光源部は、互いに異なる周波数の複数の強度変調信号を経時的に発生し、または互いに異なる周波数の複数の強度変調信号を同時に発生させて混合することにより、前記複数の強度変調パルスを生成する、
請求項1に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光源部は、前記互いに異なる周波数の強度変調信号を、前記信号処理部へ出力し、
前記信号処理部は、前記複数の強度変調パルスの何れか1つの強度変調パルスの生成に用いられた周波数の情報を用いて、前記受信電気信号を周波数解析してスペクトル信号を生成して前記スペクトル信号の周波数と信号対雑音比を検出する、
請求項2に記載のレーザレーダ装置。 - 前記信号処理部は、前記複数の強度変調パルスの2種以上の強度変調パルスの生成に用いられた周波数の情報を用いて、前記受信電気信号を周波数解析して同一レンジのターゲットから反射された受信光に係る複数のスペクトルを生成し、前記複数のスペクトルの信号対雑音比の周波数依存性を解析する、
請求項3に記載のレーザレーダ装置。 - 前記信号処理部は、前記信号対雑音比の周波数依存性から、前記同一レンジのターゲットの伝達関数特性を解析する、
請求項4に記載のレーザレーダ装置。 - 前記伝達関数特性に基づいて、前記同一レンジのターゲットの消光係数を評価する、
請求項5に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光源部は、第1の波長の強度変調パルスと、前記第1の波長と異なる第2の波長の強度変調パルスとを出力し、
前記信号処理部は、前記第1の波長の受信光と前記第2の波長の受信光の受信信号強度比からターゲットの吸収波長と濃度を算出する、
請求項6に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光源部は、2つの直交する偏光状態を持つ強度変調パルスを出力し、
前記信号処理部は、前記2つの偏光による受信信号強度比からターゲットの粒形を評価する、
請求項6に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光源部で生成された強度変調パルスを光電変換する光パルスモニタ部と、
前記光パルスモニタ部からの電気信号に基づいて、送信パルスのパルスパワーと変調強度を制御するためのフィードバック信号を出力する光パルス補正部と、
を更に備える、
請求項6に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光パルス補正部は、理想的な強度変調パルス波形を保持し、光パルスモニタ部からの電気信号の波形と前記理想的な強度変調パルス波形とを比較して偏差を算出し、前記偏差を抑制するように前記光源部に対してフィードバック信号を出力する、
請求項9に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光源部で生成された強度変調パルスを光電変換する光パルスモニタ部を更に備え、
前記信号処理部は、前記光パルスモニタ部に接続され、前記光パルスモニタ部からの電気信号に基づいて補正を行う伝達関数算出補正部を更に備える、
請求項6に記載のレーザレーダ装置。 - 前記伝達関数算出補正部は、受信信号の周波数応答特性が一様なターゲットからの受信信号のスペクトル特性が一様となるような強度変調パルスの最適駆動条件に関する情報を予め保有し、前記光パルスモニタ部からの電気信号と前記情報を比較することで前記強度変調送信パルスにより生じる受信信号の不確定性を補正する、
請求項11に記載のレーザレーダ装置。
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