JP7209917B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明はレーザレーダ装置に関する。

従来から、対象物との距離、又は、対象物の移動速度を計測する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、媒質内の対象物に対して、媒質外から波長が変化する複数の光を照射し、対象物にて反射された夫々の反射光の干渉光に基づいて媒質の反射面までの距離、媒質内の対象物までの距離、ならびに、媒質の反射面から対象物までの距離を算出する技術が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、観測領域に電磁波を送信し、観測領域における海面で反射した電磁波を受信して分析することで海面の流速を算出する技術が開示されている。

また、例えば、特許文献３には、パルスレーザを送信光として出力し、受信した受信光から受信信号を生成し、受信信号の周波数ピークと送信光の周波数とに基づき求めたドップラーシフト周波数から風速を計測し、受信信号に対応する受信光の送信から受信までの飛行時間に基づき計測対象の距離を計測する技術が開示されている。

特開２０１６－０１７９１９号公報 ＷＯ２０１８／０３７５３３ 特開２０１５－１０８５５７号公報

レーザレーダ装置においては、計測の対象物が混在する状況、即ち、第１の対象物の移動速度、及び、レーザレーダ装置から第１の対象物までの視線方向延長線上にある第２の対象物の距離の計測を同一の装置で高精度に計測したいという要求がある。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２といった、２種類の装置を用いることは、適用するレーザレーダ装置が大型化したり、構造や処理が複雑化したりするという課題があった。

また、特許文献３に開示された技術では、風速の計測に最適なレーザ光のパルス幅と、距離の計測に最適なレーザ光のパルス幅とが相反する関係にあるため、夫々に最適なパルス幅に切り替える必要がある。そして、送信光として出力するレーザ光のパルス幅の切り替えに時間を要するため、第１の対象物の移動速度を計測するタイミングと、第２の対象物の距離を計測するタイミングがずれて計測精度が低下してしまうという課題があった。

この発明は、前述のような問題を解決するものであり、第１の対象物の移動速度の計測、及び、レーザレーダ装置から第１の対象物までの視線方向延長線上にある第２の対象物の距離の計測を、同一の装置で精度よく実現するレーザレーダ装置を提供することを目的とするものである。

□本開示のレーザレーダ装置は、第１の対象物の移動速度、及び、から当該第１の対象物までの視線方向延長線上にある第２の対象物の距離を計測するレーザレーダ装置であって、光源から出力されるレーザ光を分配する光分配器と、所定の繰り返し周期でトリガ信号を出力するトリガ生成回路と、前記トリガ信号が入力された繰り返し周期内で、前記光分配器で分配された照射光をパルス変調し、長パルスレーザ光を生成する長パルス変調器と、前記トリガ信号が入力された繰り返し周期内で、前記光分配器で分配された照射光をパルス変調し、前記長パルスレーザ光よりもパルス幅が短い短パルスレーザ光を生成する短パルス変調器と、前記長パルス変調器で生成された長パルスレーザ光、及び、前記短パルス変調器で生成された短パルスレーザ光を含む照射光を同一の繰り返し周期内で出力し、第１の対象物で反射された当該照射光の長パルスレーザ光に対応する第１の反射光、第２の対象物で反射された当該照射光の短パルスレーザ光に対応する第２の反射光を入力する光学系と、前記光学系で入力された前記第１の反射光と前記光分配器で分配された参照光の干渉光に基づいて前記第１の対象物の移動速度を算出し、前記光学系で入力された前記第２の反射光に対応する照射光の送信から受信までの時間に基づいて前記レーザレーダ装置から前記第２の対象物までの距離を算出する計測部とを備えることを特徴とする。

この発明は、第１の対象物の移動速度、及び、レーザレーダ装置から第１の対象物までの視線方向延長線上にある第２の対象物の距離の計測を、同一の装置で精度良く実現するレーザレーダ装置を提供することができるという効果を奏する。

レーザレーダ装置１の適用例を示す図である。 本開示の実施形態１に係るレーザレーダ装置１の構成図である。 距離特性算出部４４の構成を示す図である。 対象物Ｔ１からの反射光Ｒ１１に応じたデジタル受信信号の一例を示す図である。 処理装置４００のハードウェアの一例を示す図である。 レーザレーダ装置１の処理を示すフローチャート図である。 大気中に照射された照射光、及び、対象物で反射された反射光を説明する図である。 距離特性情報の一例を示す図である。 受光部で検出される受信信号と、入力切替される参照光を示す図である。 受光部で検出される受信信号と、入力切替される参照光を示す図である。 レーザレーダ装置１の処理を示すフローチャート図 受光部で検出される受信信号と、入力切替される参照光を示す図である。 レーザレーダ装置１の処理を示すフローチャート図 本開示の実施形態４に係るレーザレーダ装置１の構成図である。

図１は、レーザレーダ装置１の適用例を示す図である。
実施形態１において、レーザレーダ装置１が、例えば、航空機、ヘリコプターなどの空中移動体に適用された例について説明する。このような空中移動体は、水中に位置する対象物Ｔ２の検出、及び／又は、対象物Ｔ２までの距離を測定するために、レーザレーダ装置１から照射光を出力する。

レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ２に照射光を照射（出力）して、対象物Ｔ２で反射された反射光を入力する。そして、レーザレーダ装置１は、照射光の送信時刻から反射光の受信時刻までの時間（飛行時間）から光の伝搬距離を算出することで、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２を算出する。以降の説明において、光の送受信時刻から算出したレーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２を「距離情報」と称する。

また、空中移動体は、対象物Ｔ２の検出の際、海面の移動速度、海上の波浪の状況、及び／又は、海面付近の風の状況把握を要求されることがある。そのため、空中移動体は、レーザレーダ装置１から照射光を出力して、空中移動体と対象物Ｔ２との間の気体、水面表層、又は、水面表層付近の液体要素などの対象物Ｔ１で反射された反射光が入力される。即ち、レーザレーダ装置１は、照射光のローカル光である略単一周波数の連続光（参照光）と反射光とのヘテロダイン検波 により対象物Ｔ１の移動によって生じるドップラシフトを求め、視線方向の移動速度を算出する。以降の説明において、参照光と反射光とのヘテロダイン検波により得られる対象物Ｔ１の移動速度を「速度情報」と称する。また、「速度情報」には、対象物Ｔ１の移動速度に加え、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を含んでいてもよい。

ところで、速度情報の計測精度に関係する速度の分解能と、距離情報の計測精度に関係する距離の分解能とは相反する関係にある。具体的には、速度分解能は、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）時の周波数分解能によって定まるものであり、この周波数分解能は受信信号の観測時間の逆数に比例する。即ち、受信信号の観測時間に相当するパルス幅が長くなるほど、速度分解能が高くなる。これに対し、距離分解能は、パルス幅によって定まる。即ち、パルス幅が短くなるほど、距離分解能が高くなる。

そこで、本開示に係るレーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１の速度情報を得るために照射するパルスレーザ光のパルス幅を、対象物Ｔ２の距離情報を得るために照射するパルスレーザ光のパルス幅よりも長くなるようにパルス変調する。以降の説明においては、対象物Ｔ１の速度情報を得るために照射するパルスレーザ光を「長パルスレーザ光ＰＬ」、対象物Ｔ２及び／又は対象物Ｔ１の距離情報を得るために照射するパルスレーザ光を「短パルスレーザ光ＰＳ」と称する。

ところで、パルス幅の異なる２つのパルスレーザ光を同軸で対象物Ｔ１、Ｔ２へ照射（出力）し、対象物Ｔ１、Ｔ２からの反射光を単一の受光部で受光（入力）した場合、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光と、ヘテロダイン検波用に用いる参照光が干渉し、対象物Ｔ２の距離の測定精度が低下する。

このため、本開示に係るレーザレーダ装置１は、長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光と参照光を干渉させて対象物Ｔ１の速度情報を算出する一方、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光と参照光の干渉を抑制することで対象物Ｔ２の距離情報を算出する。これにより、本開示に係るレーザレーダ装置１は、速度情報及び距離情報の測定精度の低下を抑制する。

・実施の形態１
本開示に係るレーザレーダ装置１の好適な実施の形態を説明する。
図２は、本開示の実施形態１に係るレーザレーダ装置１の構成図である。
レーザレーダ装置１は、光送信部１０、光学系部２０、光受信部３０、及び、計測部４０を備える。

光送信部１０は、光源１１、第１光分配器１２、第２光分配器１３、長パルス変調器１４、短パルス変調器１５、第１光合波器１６、及び、トリガ生成回路１７を備える。光源１１は、第１光分配器１２と接続する。第１光分配器１２は、光受信部３０の光スイッチ部３３と第２光分配器１３に接続する。第２光分配器１３は、長パルス変調器１４と短パルス変調器１５に接続する。長パルス変調器１４は、第１光合波器１６に接続する。短パルス変調器１５は、第１光合波器１６に接続する。第１光合波器１６は、光学系部２０の送信側光学系２１に接続する。トリガ生成回路１７は、長パルス変調器１４、短パルス変調器１５、計測部４０のゲート位置設定部４８に接続する。

光源１１は、単一周波数からなるレーザ光を出力する機能を有する。第１光分配器１２は、光分配器の一例であり、光源１１から出力されるレーザ光を光スイッチ部３３、及び、第２光分配器１３に分配する機能を有する。第１光分配器１２の例としては、１：２ファイバカプラや、ハーフミラーなどにより構成可能である。ここで、光スイッチ部３３に分配されたレーザ光を参照光、第２光分配器１３に分配されたレーザ光を照射光と称する。第２光分配器１３は、第１光分配器１２から分配された照射光を更に分配して長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５へ出力する機能を有する。

長パルス変調器１４は、トリガ生成回路１７からトリガ信号が入力されたタイミングで駆動され、第２光分配器１３から分配された照射光を装置設計で定められたパルス幅ＷＬにパルス変調し、周波数シフトを与えた長パルスレーザ光ＰＬを生成する機能を有する。

短パルス変調器１５は、トリガ生成回路１７からトリガ信号が入力されたタイミングで駆動され、第２光分配器１３から分配された照射光を装置設計で定められたパルス幅ＷＳにパルス変調し、周波数シフトを与えた短パルスレーザ光ＰＳを生成する機能を有する。

ここで、短パルス変調器１５が生成する短パルスレーザ光ＰＳのパルス幅ＷＳは、長パルスレーザ光ＰＬが生成するパルス幅ＷＬよりも短い。長パルス変調器１４及び短パルス変調器１５は、パルスレーザ光を同一の繰り返し周期内で生成する。長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、例えば、音響光学素子（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）により構成可能である。

第１光合波器１６は、長パルス変調器１４で生成された長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルス変調器１５で生成された短パルスレーザ光ＰＳを合波する機能を有する。第１光合波器１６は、例えば、ファイバ型のコンバイナ、偏光ビームスプリッタにより構成可能である。ここで、長パルス変調器１４と第１光合波器１６の間、及び、短パルス変調器１５と第１光合波器１６の間に、図示せぬ光増幅器が設けられていてもよい。

光学系部２０は、長パルス変調器１４で生成された長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルス変調器１５で生成された短パルスレーザ光ＰＳを含む照射光を同一の繰り返し周期内で出力し、対象物Ｔ１（第１の対象物の一例）で反射された当該照射光の長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光、対象物Ｔ２（第２の対象物の一例）で反射された当該照射光の短パルスレーザ光に対応する反射光を入力する機能を有する。具体的には、光学系部２０は、送信側光学系２１、送受分離部２２、及び、受信側光学系２３を備える。送信側光学系２１は、送受分離部２２に接続される。送受分離部２２は、送信側光学系２１とテレスコープ５０の間であり、同一の光軸上に設置される。受信側光学系２３は、送受分離部２２からの受信光、及び、光受信部３０の第２光合波器３１と光軸が一致するように設置される。

送信側光学系２１は、第１光合波器１６からの照射光を所望のビーム径、及び、広がり角に変換し、送受分離部２２へ出力する機能を有する。送受分離部２２は、送信側光学系２１から入力された照射光をテレスコープ５０へ出力する機能と、テレスコープ５０から入力された反射光を受信側光学系２３へ出力する機能を有する。テレスコープ５０は、送受分離部２２から入力された照射光を大気中へ出力する機能と、対象物で反射された反射光を入力する機能を有する。また、テレスコープ５０は、入力された反射光を送受分離部２２へ出力する機能を有する。受信側光学系２３は、反射光を所望のビーム径、及び、広がり角に整形する機能と、反射光を光受信部３０の第２光合波器３１へ出力する機能を有する。ここで、送信側光学系２１は、凹面、又は、凸面から成るレンズ群で構成されるが、ミラー利用による反射型で構成されてもよい。送受分離部２２は、サーキュレータ、又は、偏光ビームスプリッタで構成されてもよい。また、受信側光学系２３は、凹面、又は、凸面から成るレンズ群で構成されるが、ミラー利用による反射型で構成されてもよい。

光受信部３０は、第２光合波器３１、受光部３２、及び、光スイッチ部３３を備える。第２光合波器３１は、光スイッチ部３３と受光部３２と受信側光学系２３に接続する。第２光合波器３１は、光スイッチ部３３から入力された参照光、及び、受信側光学系２３から入力された反射光を合波し、受光部３２へ出力する機能を有する。受光部３２は、第２光合波器３１から入力された反射光を電気信号に変換して計測部４０のＡＤ変換部４１へ出力する機能を有する。光スイッチ部３３は、光送信部１０の第１光分配器１２から出力された参照光を第２光合波器３１へ出力する機能を有する。また、光スイッチ部３３は、ゲート位置設定部４８からの信号に基づいて、第１光分配器１２から入力された参照光を第２光合波器３１に対して出力するか否かを制御する機能を有する。光スイッチ部３３は、長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光と参照光を干渉させ、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光と参照光の干渉を抑制する干渉抑制部の一例として機能する。光スイッチ部３３は、例えば、光スイッチや偏光回転素子などにより構成可能である。また、第２光合波器３１は、例えば、ファイバ型のコンバイナ、又は、偏光ビームスプリッタにより構成可能である。

計測部４０は、光学系部２０で入力された第１の反射光と第１光分配器１２で分配された参照光の干渉光に基づいて第１の対象物の移動速度を算出し、光学系部２０で入力された第２の反射光に対応する照射光の送信から受信までの時間に基づいて、レーザレーダ装置１から第２の対象物までの距離を算出する機能を有する。具体的には、計測部４０は、ＡＤ変換部４１、切替部４２、分割部４３、距離特性算出部４４、速度算出部４５、Ｔ１距離算出部４６、Ｔ２距離算出部４７、ゲート位置設定部４８、及び、制御部４９を備える。切替部４２、分割部４３、距離特性算出部４４、速度算出部４５、Ｔ１距離算出部４６、Ｔ２距離算出部４７、ゲート位置設定部４８、及び、制御部４９は、処理装置４００の構成要素に含まれる。制御部４９のメモリには、長パルスレーザ光ＰＬ及び短パルスレーザ光ＰＳの出力順序、及び、長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、及び、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２の入力順序が入出力情報として記憶されている。制御部４９は、入出力情報に基づいて、光送信部１０、光学系部２０、光受信部３０、計測部４０等のレーザレーダ装置１の各構成部を制御し、制御パラメータを調整する機能を備える。制御パラメータとしては、例えば、繰り返し周期、パルス幅、及び、レーザパワーなどを含む。また、制御部４９は、レーザレーダ装置１の各構成部に関するデータ、及び／又は、レーザレーダ装置１が算出した計測情報を図示せぬ上位装置に出力する機能を備える。

ＡＤ変換部４１の出力側は、切替部４２に接続する。切替部４２の出力側は、分割部４３、及び、距離特性算出部４４に接続する。分割部４３は、距離特性算出部４４、及び、Ｔ１距離算出部４６に接続する。距離特性算出部４４は、速度算出部４５、及び、Ｔ１距離算出部４６に接続する。Ｔ１距離算出部４６と速度算出部４５は、ゲート位置設定部４８に接続する。ゲート位置設定部４８の出力側は、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に接続する。

ＡＤ変換部４１は、光受信部３０の受光部３２から入力されたアナログの電気信号をデジタル受信信号に変換し、切替部４２へ出力する機能を有する。また、ＡＤ変換部４１は、トリガ生成回路１７からトリガ信号が入力されたタイミングでＡＤ変換を開始し、次のトリガ信号が入力されるまでＡＤ変換を続ける。従って、ＡＤ変換部４１は、アナログの電気信号を１パルスごとに、デジタル受信信号へと変換する。このような構成とすることで、ＡＤ変換を開始してからΔｔ後にＡＤ変換されたデジタル受信信号は、距離Ｌ（光速ｃ×Δｔ／２）離れた空間に位置する対象物で反射された反射光に対応した受信信号に相当することになる。

切替部４２は、ゲート位置設定部４８から入力された信号に応じて、ＡＤ変換部４１から入力されたデジタル受信信号を分割部４３、又は、Ｔ２距離算出部４７のどちらへ送るか切り替える機能を有する。

分割部４３は、切替部４２からのデジタル受信信号を距離特性算出部４４、及び、Ｔ１距離算出部４６へ出力する機能を有する。

図３は、距離特性算出部４４の構成を示す図である。
距離特性算出部４４は、レンジビン分割器４４１、ＦＦＴ処理器４４２、積算処理器４４３、ＳＮＲ算出器４４４、特性算出部４４５を有する。レンジビン分割器４４１は、分割部４３、及び、ＦＦＴ処理器４４２と接続されている。また、距離特性算出部４４は、例えばＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）によって構成することが可能であり、受光部３２、ＡＤ変換部４１、切替部４２、分割部４３、距離特性算出部４４間での指示、出力、入力は、デジタル信号、及び／又は、ＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ－ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ－ｌｏｇｉｃ）信号によって実装される。

レンジビン分割器４４１は、分割部４３、及び、ＦＦＴ処理器４４２と接続されている。レンジビン分割器４４１は、ＡＤ変換部４１が出力したデジタル受信信号を、パルス幅相当の時間レンジ（レンジビン）ごとに区切る処理を行い、レンジビンごとに区切ったデジタル受信信号をＦＦＴ処理器４４２に出力する機能を有する。

図４は、対象物Ｔ１からの反射光Ｒ１１に応じたデジタル受信信号の一例を示す図である。
ｎは分割したレンジビンのラベルを表す。ｎ＝５のラベルは、対象物Ｔ１からの反射光Ｒ１１に応じたデジタル受信信号（反射信号）を示す。また、ｎ＝１～４のラベルは、対象物Ｔ１よりもレーザレーダ装置１の近傍の浮遊物（例えば、エアロゾル）などからの反射信号を示す。

説明を図３に戻す。
ＦＦＴ処理器４４２は、レンジビン分割器４４１、及び、積算処理器４４３と接続されている。ＦＦＴ処理器４４２は、レンジビン分割器４４１から出力されたレンジビンごとに区切ったデジタル受信信号を周波数領域に変換（高速フーリエ変換）し、レンジビンごとのスペクトル信号を積算処理器４４３に出力する。

積算処理器４４３は、ＦＦＴ処理器４４２、及び、ＳＮＲ算出器４４４に接続されている。積算処理器４４３は、ＦＦＴ処理器４４２から出力されたスペクトル信号をレンジビンごとに任意の回数だけ積算処理し、積算処理後のスペクトル信号をＳＮＲ算出器４４４に出力する機能を有する。

ＳＮＲ算出器４４４は、積算処理器４４３、及び、特性算出部４４５に接続されている。ＳＮＲ算出器４４４は、積算処理器４４３から出力されるそれぞれのレンジビンの積算後のスペクトル信号から、レンジビンごとの信号対雑音比（以下、「ＳＮＲ」と称する）を算出する機能を有する。具体的には、ＳＮＲ算出器４４４は、レンジビンごとに積算されたスペクトル信号のピーク強度を求め、帯域外雑音との比を計算する。そして、ＳＮＲ算出器４４４は、レンジビン情報（ｎの値）と、積算後のスペクトル信号と、算出したＳＮＲを、特性算出部４４５へ送る。ここで、ピーク強度は、ピーク周波数位置でのスペクトル強度を計算してもよいし、重心演算して得る重心周波数位置でのスペクトル強度を計算してもよい。

特性算出部４４５は、ＳＮＲ算出器４４４、速度算出部４５、及び、Ｔ１距離算出部４６に接続されている。特性算出部４４５は、各レンジビンの積算後のスペクトル信号からピーク値（受信ＳＮＲ）を算出し、距離、及び、ピーク値の関係を示す情報（「距離特性情報（a-scope）」）を求める機能を有する。具体的には、特性算出部４４５は、ＳＮＲ算出器４４４から出力されるレンジビン情報（ｎの値）とＡＤ変換レートとレンジビン幅から時間Δｔ［ＡＤ変換レート×レンジビン幅×（ｎ－１）］を算出する。そして、特性算出部４４５は、算出した時間Δｔを距離Ｌ［光速ｃ×Δｔ／２］へと変換することで、距離特性情報を求める。更に、特性算出部４４５は、距離特性情報、及び、ＳＮＲ算出器４４４からの積算後のスペクトル信号を、速度算出部４５、及び、Ｔ１距離算出部４６へと出力する機能を有する。

ここで、説明を図２に戻す。
速度算出部４５は、光学系部２０により照射光が照射された方向、且つ、距離特性算出部４４からの距離特性情報のピーク値が示す距離、即ち、水面表面付近に存在する液体要素などの対象物Ｔ１の移動速度を算出する機能を有する。具体的には、速度算出部４５は、照射光のローカル光である略単一周波数の連続光（参照光）と反射光とのヘテロダイン検波 により対象物Ｔ１の移動によって生じるドップラシフトを求め、照射光が照射された方向（視線方向とも呼ぶ）の対象物Ｔ１の移動速度を算出する機能を有する。そして、速度算出部４５は、複数の視線方向の移動速度から対象とする空間の移動速度ベクトルを算出する機能を有する。また、例えば、速度算出部４５は、距離特性算出部４４から送られたレンジビン毎に積算されたスペクトル信号のピーク周波数、及び、レーザレーダ装置１固有の中心周波数からドップラシフト量を算出し、算出したドップラシフト量から各レンジビンの移動速度を計算してもよい。

Ｔ１距離算出部４６は、距離特性算出部４４からの距離特性情報（A-scope）、及び／又は、分割部４３からのデジタル受信信号に基づいて対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を算出する機能を有する。Ｔ１距離算出部４６は、算出した距離Ｌ_Ｔ１と光速ｃから、デジタル受信信号に対応する照射光の出力から反射光の入力までの飛行時間Ｔ_Ｔ１を計算する機能を有する。さらに、Ｔ１距離算出部４６は、算出した飛行時間Ｔ_Ｔ１をゲート位置設定部４８へと出力する機能を有する。

Ｔ２距離算出部４７は、切替部４２からのデジタル受信信号に基づいて対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２を算出する機能を有する。具体的には、Ｔ２距離算出部４７は、照射光の送信時刻、及び、反射光の受信時刻から算出した光の飛行時間Ｔ_Ｔ２に基づいて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２を算出する機能を有する。送信時刻は、例えば、トリガ生成回路１７がトリガ信号を生成した時刻としてもよい。また、受信時刻は、例えば、受光部３２が反射光を電気信号に変換した時刻としてもよい。また、Ｔ２距離算出部４７は、切替部４２からのデジタル受信信号に基づいて対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を算出する機能を有していてもよい。

トリガ生成回路１７は、所定の繰り返し周期Ｒでトリガ信号を出力する機能を有する。トリガ生成回路１７は、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５にトリガ信号を出力することで、第２光分配器１３からの照射光をパルス変調する機能、及び、パルス変調するタイミング（パルス化時間ＰＮ）を制御する機能を有する。長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、トリガ信号が入力される繰り返し周期内で照射光をパルス変調する。また、トリガ生成回路１７は、トリガ信号を出力することで、パルス化時間ＰＮをゲート位置設定部４８に通知する機能を有する。ここで、トリガ生成回路１７は、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、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）によって構成可能である。

ゲート位置設定部４８は、トリガ信号の入力に応じたタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に第１の信号を出力する機能を有する。光スイッチ部３３は、第１の信号の入力に応じたタイミングで、第１光分配器１２から入力された参照光が第２光合波器３１に出力されように光路を切り替える機能を有する。また、切替部４２は、第１の信号の入力に応じたタイミングで、ＡＤ変換部４１から入力されたデジタル受信信号を分割部４３に対して出力するように出力先を切り替える機能を有する。

また、ゲート位置設定部４８は、トリガ生成回路１７から出力されたパルス化時間ＰＮから、Ｔ１距離算出部４６から出力された飛行時間Ｔ_Ｔ１だけ経過し、更に、所定の時間Ｔ_Ａが経過したタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第２の信号を出力する機能を有する。また、ゲート位置設定部４８は、Ｔ１距離算出部４６から飛行時間Ｔ_Ｔ１が入力された後、所定の時間Ｔ_Ａが経過したタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第２の信号を出力してもよい。ここで、所定の時間Ｔ_Ａは、長パルスレーザ光ＰＬのパルス幅ＷＬ相当の時間としてもよい。光スイッチ部３３は、第２の信号の入力に応じたタイミングで、第１光分配器１２から入力された参照光が第２光合波器３１に出力されないように光路を切り替える機能を有する。また、切替部４２は、第２の信号の入力に応じたタイミングで、ＡＤ変換部４１から入力されたデジタル受信信号をＴ２距離算出部４７に対して出力するように出力先を切り替える機能を有する。

処理装置４００の各構成要素は、ソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、あるいは、プロセッサが該当する。

処理装置４００の各構成要素においてハードウェアで実現される構成要素は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、または、これらを組み合わせたものが該当する。

図５は、処理装置４００の各構成要素がソフトウェアまたはファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェアの一例を示す図である。 処理装置４００の各構成要素がソフトウェアまたはファームウェアなどで実現される場合、処理装置４００の各構成要素の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ４０１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ４０２がメモリ４０１に格納されているプログラムを実行する。

次に、レーザレーダ装置１の処理を説明する。
図６は、レーザレーダ装置１の処理を示すフローチャート図である。
光源１１は、制御部４９からの制御により、略単一周波数からなるレーザ光（連続波光）を出力する（ステップＳＴ１）。

トリガ生成回路１７は、制御部４９からの制御により、長パルス変調器１４、短パルス変調器１５、ゲート位置設定部４８、及び、ＡＤ変換部４１に対して、同一の繰り返し周期Ｒでトリガ信号を出力する（ステップＳＴ２）。ＡＤ変換部４１は、トリガ信号が入力されたタイミングでＡＤ変換を開始する。長パルス変調器１４は、トリガ信号の入力に応じたタイミングでパルス変調を開始する。短パルス変調器１５は、トリガ信号の入力に応じたタイミングで、パルス変調を開始する。ゲート位置設定部４８は、トリガ信号の入力に応じたタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第１の信号を出力する。光スイッチ部３３は、ゲート位置設定部４８から第１の信号の入力に応じて、第１光分配器１２から入力された参照光を第２光合波器３１に対して出力するように光路を切り替える。切替部４２は、ゲート位置設定部４８から第１の信号の入力に応じて、ＡＤ変換部４１から入力されたデジタル受信信号を分割部４３に対して出力するように出力先を切り替える。

第１光分配器１２は、光源１１から出力されたレーザ光を光スイッチ部３３、及び、第２光分配器１３に分配する（ステップＳＴ３）。ここで、光スイッチ部３３に分配されたレーザ光を参照光、第２光分配器１３に分配されたレーザ光を照射光と称する。

第２光分配器１３は、第１光分配器１２から分配された照射光を更に分配して長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５に分配する（ステップＳＴ４）。

長パルス変調器１４は、繰り返し周期Ｒでトリガ信号が入力されたタイミングで駆動され、第２光分配器１３から分配された照射光を装置設計で定められたパルス幅ＷＬにパルス変調し、周波数シフトを与えた長パルスレーザ光ＰＬを生成する。（ステップＳＴ５－１）。また、短パルス変調器１５は、繰り返し周期Ｒでトリガ信号が入力されたタイミングで駆動され、第２光分配器１３から分配された照射光を装置設計で定められたパルス幅ＷＳ（パルス幅ＷＳ＜パルス幅ＷＬ）にパルス変調し、周波数シフトを与えた短パルスレーザ光ＰＳを生成する（ステップＳＴ５－２）。ここで、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、同一の繰り返し周期Ｒ、且つ、同一のタイミングで長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルスレーザ光ＰＳを生成する。

第１光合波器１６は、長パルス変調器１４で生成された長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルス変調器１５で生成された短パルスレーザ光ＰＳを合波し、合波した照射光を光学系部２０へと出力する（ステップＳＴ６）。

レーザレーダ装置１は、同一の繰り返し周期Ｒ内において、長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルスレーザ光ＰＳを含む照射光を照射する（ステップＳＴ７Ａ）。

図７は、大気中に照射された照射光、及び、対象物で反射された反射光を説明する図である。
大気中に照射された長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルスレーザ光ＰＳは、対象物Ｔ１で反射される。ここで、Ｒ１１は、長パルスレーザ光ＰＬが対象物Ｔ１によって反射された際に生じた反射光である。即ち、反射光Ｒ１１は、第１の反射光の一例である。反射光Ｒ１１には、対象物Ｔ１の移動に対応したドップラシフト周波数が生じている。また、Ｒ２１は、短パルスレーザ光ＰＳが対象物Ｔ１によって反射された際に生じた反射光である。即ち、反射光Ｒ２１は、第３の反射光の一例である。また、大気中に照射された短パルスレーザ光ＰＳは、対象物Ｔ２で反射される。ここで、Ｒ２２は、短パルスレーザ光ＰＳが対象物Ｔ２によって反射された際に生じた反射光である。即ち、反射光Ｒ２２は、第２の反射光の一例である。

ところで、対象物Ｔ２は、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの視線方向延長線上に存在する。即ち、対象物Ｔ１とレーザレーダ装置１の距離Ｌ_Ｔ１は、対象物Ｔ２とレーザレーダ装置１の距離Ｌ_Ｔ２よりも短い。そのため、対象物Ｔ１によって反射された反射光Ｒ１１、Ｒ２１は、対象物Ｔ２によって反射された反射光Ｒ２２よりも早くレーザレーダ装置１に入力される。

ここで説明を図６に戻す。
レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ２で反射された反射光Ｒ２２よりも先に、対象物Ｔ１で反射された反射光Ｒ１１、Ｒ２１が入力される（ステップＳＴ９）。

光スイッチ部３３は、光送信部１０の第１光分配器１２から出力された参照光を第２光合波器３１へ出力する（ステップＳＴ８）。

第２光合波器３１は、対象物Ｔ１で反射された反射光Ｒ１１、Ｒ２１、及び、光スイッチ部３３から入力された参照光を合波する（ステップＳＴ１０）。ここで、第１光分配器１２からの参照光と反射光Ｒ１１との合波信号は、長パルス変調器１４で付与した周波数シフトｆＩＦ（中心周波数）に対応するビート信号となる。そして、反射光Ｒ１１において、対象物Ｔ１の移動に応じたドップラシフト周波数Δｆが生じている場合には、ビート信号の周波数は中心周波数ｆＩＦ＋ドップラシフト周波数Δｆとなる。

距離特性算出部４４、速度算出部４５、及び、Ｔ１距離算出部４６は、対象物Ｔ１の速度情報を算出する（ステップＳＴ１１）。具体的には、距離特性算出部４４は、ステップＳＴ１０で合波された合波光を変換したデジタル受信信号を、パルス幅相当の時間レンジ（レンジビン）ごとに区切る処理を行う。また、距離特性算出部４４は、各レンジビンのデジタル受信信号を周波数領域に変換（高速フーリエ変換）し、レンジビンごとのスペクトル信号を任意の回数だけ積算する処理を行う。また、距離特性算出部４４は、積算後のスペクトル信号から、レンジビンごとの信号対雑音比を算出する。また、距離特性算出部４４は、各レンジビンの積算後のスペクトル信号からピーク値を算出し、距離、及び、ピーク値（受信ＳＮＲ）の関係を示す距離特性情報（a-scope）を速度算出部４５、及び、Ｔ１距離算出部４６に出力する。

図８は、距離特性情報の一例を示す図である。
距離特性情報は、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１と光スイッチからの参照光との干渉信号の包絡線で示される。また、距離特性情報において、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔは、観測開始後最初に設定閾値を超えたピーク値Ｐ１で示される。

Ｔ１距離算出部４６は、距離特性算出部４４から入力された距離特性情報に対し、観測開始時刻から受信ＳＮＲ値をモニタし、初めて設定閾値よりも大きくなる値を示す距離（レンジビン）を特定する。Ｔ１距離算出部４６は、この特定された距離をレーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１とする。そして、Ｔ１距離算出部４６は、距離Ｌ_Ｔ１及び光速ｃに基づいて算出した飛行時間Ｔ_Ｔ１［２×距離_Ｔ１／光速ｃ］をゲート位置設定部４８へと出力する。ここで、制御部４９は、算出された距離Ｌ_Ｔ１、及び、飛行時間Ｔ_Ｔ１を図示せぬ上位装置に出力してもよい。

速度算出部４５は、参照光と反射光Ｒ１１とのヘテロダイン検波 により対象物Ｔ１の移動によって生じるドップラシフトを求め、視線方向の移動速度Vを算出する。具体的には、速度算出部４５は、各レンジビンの積算後のスペクトルからピーク周波数ｆｍを求め、中心周波数ｆＩＦとの差から、レンジビン毎のドップラシフト量Δｆ（ｎ）を計算する。そして、速度算出部４５は、レンジビン毎のドップラシフト量Δｆ（ｎ）に基づいて、レンジビン毎の移動速度V（ｎ）［λΔｆ（ｎ）／２］を算出する。移動速度は、速度情報の一例である。ここで、制御部４９は、算出されたレンジビン毎の移動速度V（ｎ）を図示せぬ上位装置に出力してもよい。

ゲート位置設定部４８は、トリガ生成回路１７から出力されたパルス化時間ＰＮから、Ｔ１距離算出部４６から出力された飛行時間Ｔ_Ｔ１だけ経過し、更に、所定の時間Ｔ_Ａが経過したタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第２の信号を出力する。光スイッチ部３３は、ゲート位置設定部４８からの第２の信号の入力に応じて、第１光分配器１２から入力された参照光を第２光合波器３１に出力しないように光路を切り替える（ステップＳＴ１２）。また、切替部４２は、ＡＤ変換部４１からのデジタル受信信号をＴ２距離算出部４７に出力するように出力先を切り替える。

図９は、受光部３２で検出される受信信号と、入力切替される参照光を示す図である。
光スイッチ部３３は、長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１が検出された時間Ｔ_Ｔ１から、所定の時間Ｔ_Ａが経過したタイミングで、参照光の出力を停止する。これにより、レーザレーダ装置１は、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２が入力されたとしても、参照光と合波されることがない。このような構成とすることで、レーザレーダ装置１は、反射光Ｒ２２と参照光の干渉による計測精度の悪化を抑制することが可能となる。

次に、レーザレーダ装置１には、短パルスレーザ光ＰＳを照射して得られる対象物Ｔ２からの反射光Ｒ２２が入力される（ステップＳＴ１３）。

Ｔ２距離算出部４７は、短パルスレーザ光ＰＳを含む照射光を照射してから反射光Ｒ２２が入力されるまでの飛行時間Ｔ_Ｔ２に基づいて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２［（光速ｃ×飛行時間Ｔ_Ｔ２）／２］を算出する（ステップＳＴ１４）。ここで、制御部４９は、算出された距離Ｌ_Ｔ２を距離情報として図示せぬ上位装置に出力してもよい。

本実施形態によれば、レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１の移動速度、及び、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの視線方向延長線上にある対象物Ｔ２の距離の計測を、同一の装置で精度良く実現することができる。より具体的には、レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１の速度情報を得るために照射するパルスレーザ光のパルス幅ＷＬを、対象物Ｔ２の距離情報を得るために照射するパルスレーザ光のパルス幅ＷＳよりも長くなるようにパルス変調する。これにより、レーザレーダ装置１は、速度情報を得るのに適した分解能である長レーザパルス光Ｐ１を対象物Ｔ１に照射することで、より精度よく、対象物Ｔ１の速度情報を計測することが可能となる。また、レーザレーダ装置１は、距離情報を得るのに適した分解能である短レーザパルス光Ｐ２を対象物Ｔ２に照射することで、より精度よく、対象物Ｔ２の距離情報を計測することが可能となる。

また、レーザレーダ装置１は、長レーザパルス光Ｐ１に対応する反射光と参照光を干渉させ、ヘテロダイン検波を行うことで対象物Ｔ１の移動速度を算出する一方、短レーザパルス光Ｐ２に対応する反射光と参照光を干渉させずに飛行時間測定法で対象物Ｔ２の距離を算出する。このように、レーザレーダ装置１は、短レーザパルス光Ｐ２に対応する反射光と、長レーザパルス光Ｐ１に対応する反射光とを区別し、短レーザパルス光Ｐ２に対応する反射光と参照光の干渉を抑制することで、距離情報の計測精度の低下を抑制することができる。

また、レーザレーダ装置１の長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、同一の繰り返し周期Ｒ、且つ、同一のタイミングで長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルスレーザ光ＰＳを生成した。これにより、レーザレーダ装置１は、照射光として出力するレーザ光のパルス幅の切り替えに時間を要しないため、第１の対象物の移動速度を計測するタイミングと、第２の対象物の距離を計測するタイミングがずれて計測精度の低下を抑制することができる。

また、レーザレーダ装置１は、従来のレーザレーダ装置に対し、スイッチ回路、ＦＰＧＡのみを付加することで本発明を適用することが可能であり、２つのレーザレーダ装置を独立に動作させて距離及び移動速度を計測する場合に比べて価格やサイズ、重量を抑えることができる。

・実施の形態２
実施の形態１において、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、トリガ生成回路１７により同じタイミングで駆動され、長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルスレーザ光ＰＳを同時に生成した。しかしながら、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、同一の繰り返し周期Ｒ内であれば、長パルスレーザ光ＰＬ、及び、短パルスレーザ光ＰＳを同時ではなく、異なるタイミングで（時間差をつけて）生成してもよい。実施の形態２では、レーザレーダ装置１が、同一の繰り返し周期Ｒ内において、長パルス変調器１４が長パルスレーザ光ＰＬを生成した後に、短パルス変調器１５が短パルスレーザ光ＰＳを生成する例について説明する。

ここで、長パルスレーザ光ＰＬが短パルスレーザ光ＰＳよりも先に照射された場合、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１は、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１よりも早くレーザレーダ装置１に入力される。また、対象物Ｔ１とレーザレーダ装置１の距離Ｌ_Ｔ１は、対象物Ｔ２とレーザレーダ装置１の距離Ｌ_Ｔ２よりも短い。この場合、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１は、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２よりも早くレーザレーダ装置１に入力される。

図１０は、受光部３２で検出される受信信号と、入力切替される参照光を示す図である。
以上を踏まえると、長パルスレーザ光ＰＬを短パルスレーザ光ＰＳよりも先に照射した場合、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１は、観測開始後１番目に設定閾値を超えたピーク信号Ｐ１で示される。また、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１は、観測開始後２番目に設定閾値を超えたピーク信号Ｐ２１で示される。そして、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２は、観測開始後３番目に設定閾値を超えたピーク信号Ｐ２２で示される。これらの、長パルスレーザ光ＰＬ及び短パルスレーザ光ＰＳの出力順序、及び、長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、及び、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２の入力順序は、制御部４９のメモリに入出力情報として記憶されている。

図１１は、レーザレーダ装置１の処理を示すフローチャート図である。図５のフローチャート図との相違点について説明する。
レーザレーダ装置１は、同一の繰り返し周期Ｒ内において、長パルス変調器１４が長パルスレーザ光ＰＬを生成した後に（ステップＳＴ５Ａ１）、短パルス変調器１５が短パルスレーザ光ＰＳを生成する（ステップＳＴ５Ａ２）。また、レーザレーダ装置１は、同一の繰り返し周期Ｒ内において、長パルスレーザ光ＰＬを含む照射光を照射した後に、短パルスレーザ光ＰＳを含む照射光を照射する（ステップＳＴ７Ａ）。

ステップＳＴ９Ａにおいて、レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１が入力される。

ステップＳＴ１０Ａにおいて、第２光合波器３１は、対象物Ｔ１で反射された反射光Ｒ１１、及び、光スイッチ部３３から入力された参照光を合波する。

ステップＳＴ１１Ａにおいて、速度算出部４５は、参照光と反射光のヘテロダイン検波により対象物Ｔ１の移動によって生じるドップラシフトを求め、照射光が照射された方向の対象物Ｔ１の移動速度を算出する。

また、Ｔ１距離算出部４６は、観測開始時刻から受信ＳＮＲ値をモニタし、観測開始後１番目のピーク信号Ｐ１に対応する飛行時間Ｔ_Ｔ１を特定する。また、Ｔ１距離算出部４６は、特定した飛行時間Ｔ_Ｔ１をゲート位置設定部４８へと出力する。更に、Ｔ１距離算出部４６は、飛行時間Ｔ_Ｔ１及び光速ｃに基づいてレーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１［飛行時間Ｔ_Ｔ１×光速ｃ／２］を算出する。ステップＳＴ１１Ａにおいて算出された移動速度、飛行時間Ｔ_Ｔ１、及び、距離Ｌ_Ｔ１は、速度情報の一例である。

ゲート位置設定部４８は、Ｔ１距離算出部４６から飛行時間Ｔ_Ｔ１が入力された後、所定の時間Ｔ_Ａが経過したタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第２の信号を出力する。

ステップＳＴ１２において、光スイッチ部３３は、ゲート位置設定部４８からの第２の信号の入力に応じて参照光の出力を停止する。また、切替部４２は、ゲート位置設定部４８からの第２の信号の入力に応じて、ＡＤ変換部４１からのデジタル受信信号をＴ２距離算出部４７に出力するように出力先を切り替える。これにより、レーザレーダ装置１は、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、Ｒ２２が入力されたとしても、参照光と合波されることがない。このような構成とすることで、レーザレーダ装置１は、反射光Ｒ２１、Ｒ２２と参照光の干渉による計測精度の悪化を抑制することが可能となる。

次に、ステップＳＴ１３Ａにおいて、レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、及び、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２が入力される。

ステップＳＴ１４Ａにおいて、Ｔ２距離算出部４７は、観測開始後３番目のピーク信号Ｐ２２に対応する飛行時刻Ｔ_Ｔ２２に基づいて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２を算出する。また、Ｔ２距離算出部４７は、観測開始後２番目のピーク信号Ｐ２１に対応する飛行時刻Ｔ_Ｔ２１に基づいて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を算出してもよい。ここで、制御部４９は、算出された距離Ｌ_Ｔ１、Ｌ_Ｔ２を図示せぬ上位装置に出力してもよい。

実施の形態２においては、Ｔ１距離算出部４６、及び、Ｔ２距離算出部４７が、それぞれ、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を算出することができる。ただし、パルス幅が短いほど距離分解能が高くなるので、Ｔ２距離算出部４７が短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光に基づいて算出した距離Ｌ_Ｔ１の方が、Ｔ１距離算出部４６が長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光に基づいて算出した距離Ｌ_Ｔ１よりも測定精度が高い。

本実施形態によれば、レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１の移動速度、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１まで距離、及び、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離の計測を、同一の装置で精度良く実現することができる。より具体的には、レーザレーダ装置１は、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、Ｒ２２と、光スイッチ部３３からの参照光を、第２光合波器３１で合波しない。これにより、反射光Ｒ２１、Ｒ２２、及び、光スイッチ部３３からの参照光が干渉することがない。その為、レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１、Ｔ２の距離情報の測定精度の悪化を抑制することができる。また、レーザレーダ装置１は、距離情報を得るのに適した分解能である短レーザパルス光Ｐ２を用いて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離を計測することができる。これにより、レーザレーダ装置１は、長レーザパルス光Ｐ１を用いた場合よりも、精度よく、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離を計測することができる。

・実施の形態３
実施の形態３では、レーザレーダ装置１が、同一の繰り返し周期Ｒ内において、短パルス変調器１５が短パルスレーザ光ＰＳを生成した後に、長パルス変調器１４が長パルスレーザ光ＰＬを生成する例について説明する。この場合、対象物Ｔ１と対象物Ｔ２の距離が離れる程、反射光Ｒ２１と反射光Ｒ２２の入力間隔が広くなる。その為、レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１の入力と、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２の入力の間に、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１が入力されることになる。

図１２は、受光部で検出される受信信号と、入力切替される参照光を示す図である。
短パルスレーザ光ＰＳを長パルスレーザ光ＰＬよりも先に照射した場合、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１は、観測開始後１番目に設定閾値を超えたピーク信号Ｐ２１で示される。また、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１は、観測開始後２番目に設定閾値を超えたピーク信号Ｐ１で示される。そして、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２は、観測開始後３番目に設定閾値を超えたピーク信号Ｐ２２で示される。これらの、長パルスレーザ光ＰＬ及び短パルスレーザ光ＰＳの出力順序、及び、長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、及び、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２の入力順序は、制御部４９のメモリに入出力情報として記憶されている。

図１３は、レーザレーダ装置１の処理を示すフローチャート図である。図５のフローチャート図との相違点について説明する。
ステップＳＴ２Ｂにおいて、トリガ生成回路１７は、制御部４９からの制御により、長パルス変調器１４、短パルス変調器１５、ゲート位置設定部４８、及び、ＡＤ変換部４１にトリガ信号を出力する。ここで、ゲート位置設定部４８は、トリガ生成回路１７からトリガ信号が入力されたタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第２の信号を出力する。ゲート位置設定部４８からの第２の信号の入力に応じて、光スイッチ部３３は、参照光の出力を停止する。また、切替部４２は、ＡＤ変換部４１からのデジタル受信信号をＴ２距離算出部４７に出力するように出力先を切り替える。

レーザレーダ装置１は、同一の繰り返し周期Ｒ内において、短パルス変調器１５が短パルスレーザ光ＰＳを生成した後に（ステップＳＴ５Ｂ２）、長パルス変調器１４が長パルスレーザ光ＰＬを生成する（ステップＳＴ５Ｂ１）。また、レーザレーダ装置１は、同一の繰り返し周期Ｒ内において、短パルスレーザ光ＰＳを含む照射光を照射した後に、長パルスレーザ光ＰＬを含む照射光を照射する（ステップＳＴ７Ｂ）。

ステップＳＴ１３Ｂ１において、レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ１で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１が入力される。

ステップＳＴ１４Ｂ１において、Ｔ２距離算出部４７は、観測開始時刻から受信ＳＮＲ値をモニタし、観測開始後１番目のピーク信号Ｐ２１に対応する飛行時刻Ｔ_Ｔ２１に基づいて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を算出する。観測開始後１番目のピーク信号Ｐ２１を検出したタイミングにおいては、図１２に示すように、光スイッチ部３３は、参照光の出力を停止した状態である。従って、反射光Ｒ２１と参照光との干渉が発生しないから計測精度の低下を抑制することができる。

ステップＳＴ１２Ｂ１において、ゲート位置設定部４８は、反射光Ｒ２１を検出したタイミング（観測開始から時間Ｔ_Ｔ２１が経過したタイミング）から、更に所定の時間Ｔ_Ｂが経過したタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第１の信号を出力する。第１の信号の入力に応じて、光スイッチ部３３は、参照光の出力を開始する。また、切替部４２は、ＡＤ変換部４１からのデジタル受信信号を分割部４３に出力するように出力先を切り替える。

ステップＳＴ１３Ｂ２において、レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ１で反射された長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光Ｒ１１が入力される。

ステップＳＴ１０Ｂにおいて、第２光合波器３１は、対象物Ｔ１で反射された反射光Ｒ１１、及び、光スイッチ部３３から入力された参照光を合波する。

ステップＳＴ１１Ｂにおいて、速度算出部４５は、参照光と反射光とのヘテロダイン検波 により対象物Ｔ１の移動によって生じるドップラシフトを求め、照射光が照射された方向の対象物Ｔ１の移動速度を算出する。

また、Ｔ１距離算出部４６は、観測開始時刻から受信ＳＮＲ値をモニタし、観測開始後２番目のピーク信号Ｐ１に対応する飛行時間Ｔ_Ｔ１を特定する。また、Ｔ１距離算出部４６は、特定した飛行時間Ｔ_Ｔ１をゲート位置設定部４８へと出力する。更に、Ｔ１距離算出部４６は、飛行時間Ｔ_Ｔ１及び光速ｃに基づいてレーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１［飛行時間Ｔ_Ｔ１×光速ｃ／２］を算出する。ステップＳＴ１１Ｂにおいて算出された移動速度、飛行時間Ｔ_Ｔ１、及び、距離Ｌ_Ｔ１は、速度情報の一例である。

ゲート位置設定部４８は、Ｔ１距離算出部４６から飛行時間Ｔ_Ｔ１が入力された後、所定の時間Ｔ_Ａが経過したタイミングで、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に対して第２の信号を出力する。

ステップＳＴ１２Ｂ２において、光スイッチ部３３は、参照光の出力を停止する。また、切替部４２は、ＡＤ変換部４１からのデジタル受信信号を分割部４３に出力するように出力先を切り替える。これにより、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２と参照光が干渉することがない。その為、レーザレーダ装置１は、短パルスレーザ光ＰＳを用いた距離情報の測定精度の悪化を抑制することが可能となる。

ステップＳＴ１３Ｂ３において、レーザレーダ装置１には、対象物Ｔ２で反射された短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２２が入力される。

ステップＳＴ１４Ｂ２において、Ｔ２距離算出部４７は、観測開始後３番目のピーク信号Ｐ２２に対応する飛行時刻Ｔ_Ｔ２２に基づいて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離Ｌ_Ｔ２を算出する。ここで、制御部４９は、算出された距離Ｌ_Ｔ２を図示せぬ上位装置に出力してもよい。

実施の形態３においては、Ｔ１距離算出部４６、及び、Ｔ２距離算出部４７が、それぞれ、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離Ｌ_Ｔ１を算出することができる。ただし、パルス幅が短いほど距離分解能が高くなるので、Ｔ２距離算出部４７が短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光に基づいて算出した距離Ｌ_Ｔ１の方が、Ｔ１距離算出部４６が長パルスレーザ光ＰＬに対応する反射光に基づいて算出した距離Ｌ_Ｔ１よりも測定精度が高い。

本実施形態によれば、レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１の移動速度、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１まで距離、及び、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ２までの距離の計測を、同一の装置で精度良く実現することができる。より具体的には、レーザレーダ装置１は、短パルスレーザ光ＰＳに対応する反射光Ｒ２１、Ｒ２２と、光スイッチ部３３からの参照光を、第２光合波器３１で合波しない。これにより、反射光Ｒ２１、Ｒ２２、及び、光スイッチ部３３からの参照光が干渉することがない。その為、レーザレーダ装置１は、対象物Ｔ１、Ｔ２の距離情報の測定精度の悪化を抑制することができる。また、レーザレーダ装置１は、距離情報を得るのに適した分解能である短レーザパルス光Ｐ２を用いて、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離を計測することができる。これにより、レーザレーダ装置１は、長レーザパルス光Ｐ１を用いた場合よりも、精度よく、レーザレーダ装置１から対象物Ｔ１までの距離を計測することができる。

・実施の形態４
実施の形態１～３におけるレーザレーダ装置１は、光スイッチ部３３を用いて参照光の出力を切り替えることで、短パルスレーザ光Ｐ１に対応した反射光Ｒ２１、Ｒ２２と参照光の干渉の有無を制御した。しかしながら、レーザレーダ装置１は、光スイッチ部３３を用いず、短パルスレーザ光Ｐ１と参照光の偏光を異ならせることで干渉を抑制してもよい。

図１４は、本開示の実施形態４に係るレーザレーダ装置１Ｃの構成図である。図２のレーザレーダ装置１の構成図との相違点について説明する。
レーザレーダ装置１Ｃは、レーザレーダ装置１のゲート位置設定部４８、光スイッチ部３３、及び、切替部４２に代えて、偏光器１８を備える。偏光器１８は、短パルス変調器１５と第１光合波器１６の間に設けられている。また、偏光器１８は、短パルス変調器１５で生成された短パルスレーザ光ＰＳの偏光を変える（例えば、９０度回転させる）ことで、短パルスレーザ光ＰＳと参照光の干渉を抑制する機能を有する。即ち、偏光器１８は、干渉抑制部の一例である。偏光器１８は、例えば、半波長板で構成されてもよい。また、偏光器１８は、第２光分配器１３と短パルス変調器１５の間に設けられてもよい。レーザレーダ装置１Ｃは、この構成を備えることで、光スイッチ部３を用いた参照光の時間操作が不要となる。

ところで、第２光合波器３１は、参照光及び反射光を空間伝搬で合波する際、参照光及び反射光の偏光方向を合わせる必要がある。この場合、送受分離部２２とテレスコープ５０の間に１／４波長を挿入するなど対応が考えられる。ただし、これに限らず、偏光を合わせるために必要となる周知の技術を用いてもよい。

レーザレーダ装置１Ｃの制御部４９Ｃは、トリガ生成回路１７Ｃを制御する機能を有する。トリガ生成回路１７Ｃは、制御部４９Ｃの制御に応じて、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５にトリガ信号を出力する機能を有する。長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５は、トリガ信号の入力に応じて、照射光をパルス変調する機能を有する。ここで、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５が、照射光をパルス変調し、パルス変調された照射光を出力する順序を出力順序と称する。制御部４９は、長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５の出力順序に基づいて、速度算出部４５、Ｔ１距離算出部４６、及び、Ｔ２距離算出部４７を制御する機能を有する。

・長パルス変調器１４、及び、短パルス変調器１５が、同一のパルス化時間でパルス変調した場合の制御について。
制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後１番目のピーク信号を、長パルスレーザ光ＰＬに対応する対象物Ｔ１からの反射光Ｒ１１をとして検出する。そして、制御部４９は、Ｔ１距離算出部４６、及び、速度算出部４５を制御し、検出した反射光Ｒ１１に対して、実施の形態１のステップＳＴ１１と同様の処理を行う。

次に、制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後２番目のピーク信号を、短パルスレーザ光ＰＳに対応する対象物Ｔ２からの反射光Ｒ２２をとして検出する。そして、制御部４９は、Ｔ２距離算出部４７を制御し、検出した反射光Ｒ２２に対して、実施の形態１のステップＳＴ１４と同様の処理を行う。

・長パルス変調器１４が長パルスレーザ光を生成した後に、短パルス変調器１５が短パルスレーザ光を生成した場合の制御について。
制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後１番目のピーク信号を、長パルスレーザ光ＰＬに対応する対象物Ｔ１からの反射光Ｒ１１として検出する。そして、制御部４９は、Ｔ１距離算出部４６、及び、速度算出部４５を制御し、検出した反射光Ｒ１１に対して、実施の形態２のステップＳＴ１１Ａと同様の処理を行う。

次に、制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後２番目のピーク信号を、短パルスレーザ光ＰＳに対応する対象物Ｔ１からの反射光Ｒ２１をとして検出する。また、制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後３番目のピーク信号を、短パルスレーザ光ＰＳに対応する対象物Ｔ２からの反射光Ｒ２２をとして検出する。そして、制御部４９は、Ｔ２距離算出部４７を制御し、検出した反射光Ｒ２１、Ｒ２２に対して、実施の形態２のステップＳＴ１４Ａと同様の処理を行う。

・短パルス変調器１５が短パルスレーザ光を生成した後に、長パルス変調器１４が長パルスレーザ光を生成した場合の制御について。
制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後１番目のピーク信号を、短パルスレーザ光ＰＳに対応する対象物Ｔ１からの反射光Ｒ２１として検出する。そして、制御部４９は、Ｔ２距離算出部４７を制御し、検出した反射光Ｒ２１に対して、実施の形態３のステップＳＴ１４Ｂ１と同様の処理を行う。

次に、制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後２番目のピーク信号を、長パルスレーザ光ＰＬに対応する対象物Ｔ１からの反射光Ｒ１１として検出する。そして、制御部４９は、Ｔ１距離算出部４６、及び、速度算出部４５を制御し、検出した反射光Ｒ１１に対して、実施の形態３のステップＳＴ１１Ｂと同様の処理を行う。

次に、制御部４９は、該当の出力順序に基づいて、観測開始後３番目のピーク信号を、短パルスレーザ光ＰＳに対応する対象物Ｔ２からの反射光Ｒ２２をとして検出する。そして、制御部４９は、Ｔ２距離算出部４７を制御し、検出した反射光Ｒ２２に対して、実施の形態２のステップＳＴ１４Ｂ２と同様の処理を行う。

本実施形態によれば、レーザレーダ装置１Ｃは、偏光器１８を用いて、短パルスレーザ光ＰＳの偏光を変える（例えば、９０度回転させる）ことで、短パルスレーザ光Ｐ１と参照光の干渉を抑制することができる。これにより、レーザレーダ装置１Ｃは、短パルスレーザ光Ｐ１と参照光の干渉によって、レーザレーダ装置１Ｃと対象物の距離を測定する精度の悪化を抑制することができる。また、レーザレーダ装置１Ｃは、反射光を検出したタイミングに合わせて参照光をスイッチ動作させる機構が不要となるため、装置全体の構成の簡易化が可能となる。

・その他の応用例
レーザレーダ装置１は、ボリュームターゲット（ＶＴ；ここでは気体、水面表層、水面表層付近の液体要素を定義とする）である対象物に長パルスレーザ光を照射して、対象物からの反射光と、送信光のローカル光である参照光とのヘテロダイン検波により対象物の移動によって生じるドップラシフトを求め、対象物の移動速度を算出した。しかしながら、レーザレーダ装置１は、ボリュームターゲットに限らず、ハードターゲット（ＨＴ；ここでは、固体、液体を定義とする）である対象物に長パルスレーザ光を照射して、対象物の移動速度を算出してもよい。例えば、レーザレーダ装置１は、前方の対象物Ｔ１を海面表層（ボリュームターゲット）としたが、海中などのハードターゲットを前方の対象物Ｔ１としてもよい。また、この場合、ハードターゲットからの反射となるが、ボリュームターゲットからの反射と同一構成、同一信号処理によって測定される。要するに、レーザレーダ装置１は、コヒーレンシを低下させる対象物（波長以上のオーダで面形状の起伏がある対象物）であれば速度情報、位置情報の算出が可能であり、例えば、海面、海中からの後方散乱などに適用しても良い。

１ レーザレーダ装置、１０ 光送信部、１１ 光源、１２ 第１光分配器、１３ 第２光分配器、１４ 長パルス変調器、１５ 短パルス変調器、１６ 第１光合波器、１７ トリガ生成回路、２０ 光学系部、２１ 送信側光学系、２２ 送受分離部、２３ 受信側光学系、３０ 光受信部、３１ 第２光合波器、３２ 受光部、３３ 光スイッチ部、４０ 計測部、４１ ＡＤ変換部、４２ 切替部、４３ 分割部、４４ 距離特性算出部、４５ 速度算出部、４６ Ｔ１距離算出部、４７ Ｔ２距離算出部、４８ ゲート位置設定部、４９ 制御部。

Claims (4)

1. 第１の対象物の移動速度、及び、レーザレーダ装置から当該第１の対象物までの視線方向延長線上にある第２の対象物の距離を計測するレーザレーダ装置であって、
   光源から出力されるレーザ光を参照光及び照射光に分配する光分配器と、
   所定の繰り返し周期でトリガ信号を出力するトリガ生成回路と、
   前記トリガ信号が入力された繰り返し周期内で、前記光分配器で分配された前記照射光をパルス変調し、長パルスレーザ光を生成する長パルス変調器と、
   前記トリガ信号が入力された繰り返し周期内で、前記光分配器で分配された前記照射光をパルス変調し、前記長パルスレーザ光よりもパルス幅が短い短パルスレーザ光を生成する短パルス変調器と、
   前記長パルス変調器で生成された前記長パルスレーザ光、及び、前記短パルス変調器で生成された前記短パルスレーザ光を含む前記照射光を同一の繰り返し周期内で出力し、前記第１の対象物で反射された当該照射光の前記長パルスレーザ光に対応する第１の反射光、第２の対象物で反射された当該照射光の前記短パルスレーザ光に対応する第２の反射光を入力する光学系と、
   前記光学系で入力された前記第１の反射光と前記光分配器で分配された前記参照光の干渉光に基づいて前記第１の対象物の移動速度を算出し、前記光学系で入力された前記第２の反射光に対応する前記照射光の送信から受信までの時間に基づいて前記レーザレーダ装置から前記第２の対象物までの距離を算出する計測部と
   を備えることを特徴としたレーザレーダ装置。
2. 前記参照光と前記第１の反射光を干渉させ、前記参照光と前記第２の反射光の干渉を抑制する干渉抑制部を更に備える
   ことを特徴とした請求項１に記載のレーザレーダ装置。
3. 前記干渉抑制部は、
   前記短パルス変調器に入力される前記照射光、又は、当該短パルス変調器で生成された前記短パルスレーザ光の偏光を変えることで、前記光分配器で分配された前記参照光と前記第２の反射光の干渉を抑制する
   ことを特徴とした請求項２に記載のレーザレーダ装置。
4. 前記長パルス変調器、及び、前記短パルス変調器は、
   前記トリガ信号が入力された同一の繰り返し周期内の異なるタイミングでパルスレーザ光を生成し、
   前記光学系は、
   前記第１の対象物で反射された前記短パルスレーザ光に対応する第３の反射光を入力し、
   前記計測部は、
   前記光学系に入力された前記第３の反射光に対応する前記照射光の送信から受信までの時間に基づいて前記第１の対象物の距離を算出する
   ことを特徴とした請求項１～３の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。

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