JP7654246B2 - Distance and speed measuring device and distance and speed measuring method - Google Patents

Distance and speed measuring device and distance and speed measuring method Download PDF

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Description

本発明は、距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法に関し、特に、FMCWライダーによる距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法に関する。 The present invention relates to a distance and speed measurement device and a distance and speed measurement method, and in particular to a distance and speed measurement device and a distance and speed measurement method using FMCW lidar.

「光検出と測距(Light Detection and Ranging、LiDAR)」は、レーザを対象体に照射して散乱光を検出し、対象体までの距離を計測する技術である。その手法の1つに周波数変調CWライダー(frequency-modulated cw LiDAR、FMCW LiDAR)がある。FMCWライダーは、周波数変調したCWレーザを対象体に照射し、参照光と散乱光の干渉によって生じるビート信号の周波数を測定することによって対象体までの距離及び速度を検出する方法である。 "Light Detection and Ranging (LiDAR)" is a technology that irradiates a target with a laser, detects the scattered light, and measures the distance to the target. One of the techniques is frequency-modulated CW LiDAR (FMCW LiDAR). FMCW LiDAR is a method of detecting the distance and speed to a target by irradiating the target with a frequency-modulated CW laser and measuring the frequency of the beat signal generated by the interference between the reference light and the scattered light.

図10、図11及び図11を参照して、FMCWライダーにより対象体までの距離及び対象体の速度を検出する方法を説明する。図10に、従来のFMCWライダーによる距離測定装置100の構成の一例を示す。CWレーザ光源装置1001から照射されたCWレーザ1009は、光方向性結合器1002において参照光1010と参照光1016とに分離される。参照光1010は、サーキュレータ1003を介して角度掃引機構1004に入射し、角度掃引機構1004によって角度αの方向へ照射される。照射された参照光1012は角度αの方向に位置する対象体1005によって散乱し、散乱光1013が角度掃引機構1004に入射する。角度掃引機構1004に入射した散乱光1013は、そのまま散乱光1014としてサーキュレータに入力され、散乱光1015として出力される。散乱光1015は、光方向性結合器1006によって、参照光1016と合流し出力光1017として出力される。出力光1017の干渉信号を光検出器1007によって検出し、検出された干渉信号1018は計算装置1008に入力される。角度掃引機構1004が参照光1012を角度αの方向へ照射する状態を保ったまま、CWレーザ光源装置1001によってCWレーザ1009の周波数を掃引することにより、対象体1005までの距離が算出される。 A method for detecting the distance to an object and the speed of the object by an FMCW lidar will be described with reference to Figures 10, 11, and 11. Figure 10 shows an example of the configuration of a distance measuring device 100 using a conventional FMCW lidar. A CW laser 1009 irradiated from a CW laser light source device 1001 is separated into a reference light 1010 and a reference light 1016 by an optical directional coupler 1002. The reference light 1010 is incident on an angle sweep mechanism 1004 via a circulator 1003 and is irradiated in the direction of an angle α by the angle sweep mechanism 1004. The irradiated reference light 1012 is scattered by an object 1005 located in the direction of angle α, and the scattered light 1013 is incident on the angle sweep mechanism 1004. The scattered light 1013 incident on the angle sweep mechanism 1004 is input to the circulator as scattered light 1014 as it is and output as scattered light 1015. The scattered light 1015 is merged with the reference light 1016 by the optical directional coupler 1006 and output as the output light 1017. The interference signal of the output light 1017 is detected by the photodetector 1007, and the detected interference signal 1018 is input to the calculation device 1008. While the angle sweep mechanism 1004 keeps irradiating the reference light 1012 in the direction of the angle α, the CW laser source device 1001 sweeps the frequency of the CW laser 1009, thereby calculating the distance to the target object 1005.

CWレーザ1009の周波数掃引の一例として、図11(a)及び図12(a)に示すように、CWレーザ1009の周波数を三角波形で時間変化させるとする。対象体1005が静止しているとき、散乱光1015は、参照光1016に対して遅れて伝搬するため、出力光1017の周波数を掃引したときの周波数変化量は図11(b)のように表される。散乱光1015と参照光1016の干渉によりビート信号が生じ、光検出器1007によって図11(c)に示すような、ビート信号の周波数fbeatを検出することが出来る。ビート信号の周波数は次式 As an example of frequency sweep of the CW laser 1009, the frequency of the CW laser 1009 is changed over time with a triangular waveform as shown in Figures 11(a) and 12(a). When the object 1005 is stationary, the scattered light 1015 propagates with a delay relative to the reference light 1016, so the amount of frequency change when the frequency of the output light 1017 is swept is expressed as shown in Figure 11(b). A beat signal is generated by interference between the scattered light 1015 and the reference light 1016, and the frequency f beat of the beat signal can be detected by the photodetector 1007 as shown in Figure 11(c). The frequency of the beat signal is expressed by the following equation:

Figure 0007654246000001
のように表されることから、対象体1005までの距離Lを算出することが出来る。ここで、cは光速、Tは図11及び図12に示す三角波形の半周期、Δは図11及び図12に示す周波数変化量の最大値である。
Figure 0007654246000001
From the above, it is possible to calculate the distance L to the target object 1005. Here, c is the speed of light, T is the half period of the triangular waveform shown in Figures 11 and 12, and Δ is the maximum value of the frequency change amount shown in Figures 11 and 12.

対象体1005が移動しているとき、散乱光1015は、参照光1016に対して遅れて伝搬するが、ドップラーシフトにより、周波数も変化する。図12(b)に示す例では、周波数が高周波側にシフトしている。ビート信号の周波数は図12(c)のように表され、次式により対象体1005までの距離L及び対象体の速度Vを算出することが出来る。 When the object 1005 is moving, the scattered light 1015 propagates with a delay relative to the reference light 1016, but the frequency also changes due to the Doppler shift. In the example shown in FIG. 12(b), the frequency shifts to the higher frequency side. The frequency of the beat signal is expressed as shown in FIG. 12(c), and the distance L to the object 1005 and the velocity V of the object can be calculated by the following equation.

Figure 0007654246000002
Figure 0007654246000002

Figure 0007654246000003
Figure 0007654246000003

こういったFMCWライダーにより対象体までの距離及び速度を検出する方法は、CWレーザの照射角度を掃引しながら、掃引する全ての照射角度においてCWレーザの周波数を掃引する必要があるため、測定時間が長くなる。これに対して、FMCWライダーにより対象体までの距離及び速度を検出する際の測定時間を短縮する方法が、例えば非特許文献1及び非特許文献2に開示されている。 This method of detecting the distance and speed of a target object using FMCW LIDAR requires sweeping the frequency of the CW laser at every irradiation angle while sweeping the irradiation angle of the CW laser, which results in long measurement times. In response to this, methods for shortening the measurement time when detecting the distance and speed of a target object using FMCW LIDAR are disclosed, for example, in Non-Patent Documents 1 and 2.

非特許文献1には、光源としてマイクロコムを使用し、マイクロコムの各コムモードをCWレーザ光源とすることにより角度掃引時間を短縮する方法が開示されている。非特許文献1に開示された方法によれば、マイクロコムの各コムモードを、回折光学素子等により各コムモードのコムモード周波数に応じた角度方向に照射し、励起CWレーザ光の周波数と、マイクロコムの共鳴周波数を同時に掃引することによりマイクロコムの周波数掃引を行うことによって、角度掃引時間を短縮することが出来る。 Non-Patent Document 1 discloses a method for shortening the angle sweep time by using a microcomb as a light source and using each comb mode of the microcomb as a CW laser light source. According to the method disclosed in Non-Patent Document 1, each comb mode of the microcomb is irradiated in an angular direction corresponding to the comb mode frequency of each comb mode by a diffractive optical element or the like, and the frequency of the excitation CW laser light and the resonant frequency of the microcomb are swept simultaneously to perform frequency sweep of the microcomb, thereby shortening the angle sweep time.

図12を参照しながら説明した方法によれば、移動する対象体の距離及び速度を算出するためには、図12(a)に示すような三角波形状に周波数掃引する場合、図12では、時間0からTまで周波数を増加させた後、時間Tから2Tまで周波数を減少させることによって距離と速度を算出することが出来る。非特許文献2に開示された方法によれば、光源としてキャリア抑制両側サイドバンド変調を使用することにより距離と速度を同時刻に測定することが出来、よって掃引時間を短縮することが出来る。 According to the method described with reference to FIG. 12, in order to calculate the distance and speed of a moving object, when the frequency is swept in a triangular waveform as shown in FIG. 12(a), in FIG. 12, the frequency is increased from time 0 to T, and then decreased from time T to 2T, thereby allowing the distance and speed to be calculated. According to the method disclosed in Non-Patent Document 2, the distance and speed can be measured at the same time by using carrier suppressed double sideband modulation as the light source, thereby shortening the sweep time.

図13に、非特許文献2に開示された方法による距離、速度測定装置130の構成の一例を示す。図13に示す速度測定装置130は、CWレーザ光源装置1001に電気光学変調器1301を接続する点を除き、図10に示すFMCWライダーによる距離測定装置100の構成と同様である。電気光学変調器1301は、キャリア、即ちCWレーザ1009を抑制して両側のサイドバンドのみを出力するように調整されるとし、かつ変調周波数がfであるRF発振器1302によって駆動されるとする。 Fig. 13 shows an example of the configuration of a distance and speed measurement device 130 using the method disclosed in Non-Patent Document 2. The speed measurement device 130 shown in Fig. 13 has the same configuration as the distance measurement device 100 using the FMCW LIDAR shown in Fig. 10, except that an electro-optic modulator 1301 is connected to a CW laser light source device 1001. The electro-optic modulator 1301 is adjusted to suppress the carrier, i.e., the CW laser 1009, and output only the sidebands on both sides, and is driven by an RF oscillator 1302 with a modulation frequency of fm .

CWレーザ光源装置1001から照射された周波数νのCWレーザ1009は、電気光学変調器1301によって変調を受け、CWレーザ1009は抑制され、周波数がν+fとν―fの2つのサイドバンドが生成される。RF発振器1302の発振周波数をfからf+Δまでシフトさせることにより、図14(a)に示すように、上側サイドバンド(A)の周波数をν+fからν+f+Δまで、下側サイドバンド(B)の周波数をν―fからν―(f+Δ)までシフトさせることが出来る。 The CW laser 1009 having a frequency of v c emitted from the CW laser light source device 1001 is modulated by the electro-optic modulator 1301, the CW laser 1009 is suppressed, and two sidebands having frequencies of v c +f m and v c -f m are generated. By shifting the oscillation frequency of the RF oscillator 1302 from f m to f m +Δ, the frequency of the upper sideband (A) can be shifted from v c +f m to v c +f m +Δ and the frequency of the lower sideband (B) can be shifted from v c -f m to v c -(f m +Δ) as shown in Fig. 14(a).

上側サイドバンド(A)及び下側サイドバンド(B)を静止している対象体に照射したときの散乱光は、図14(b)の散乱光(C)及び散乱光(D)のように、上側サイドバンド(A)及び下側サイドバンド(B)に対して遅れて伝搬する。上側サイドバンド(A)及び下側サイドバンド(B)を移動している対象体に照射すると、散乱光は、図14(b)の散乱光(E)及び散乱光(F)のように、ドップラーシフトによって周波数がシフトする。光検出器907によって、図14(c)に示すように、上側サイドバンド(A)と散乱光(E)とのビート周波数(G)、及び下側サイドバンド(B)と散乱光(F)とのビート周波数(H)を検出することにより、距離と速度を同時に算出することが出来る。 When the upper side band (A) and the lower side band (B) are irradiated onto a stationary object, the scattered light propagates with a delay relative to the upper side band (A) and the lower side band (B), as shown by the scattered light (C) and the scattered light (D) in FIG. 14(b). When the upper side band (A) and the lower side band (B) are irradiated onto a moving object, the scattered light shifts in frequency due to the Doppler shift, as shown by the scattered light (E) and the scattered light (F) in FIG. 14(b). By detecting the beat frequency (G) between the upper side band (A) and the scattered light (E) and the beat frequency (H) between the lower side band (B) and the scattered light (F) using the photodetector 907, as shown in FIG. 14(c), the distance and speed can be calculated simultaneously.

J.Riemensberger,et al.,Nature,581,164(2020)J. Riemensberger, et al. , Nature, 581, 164 (2020) Z.Xu,et al.,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.29,No.24,December 15,pp.2254-2257(2017)Z. Xu, et al. , IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 29, No. 24, December 15, pp. 2254-2257 (2017)

非特許文献2に開示されている方法によると、上側サイドバンド(A)及び下側サイドバンド(B)を移動している対象体に照射すると、図13(c)に示すように、ビート周波数(G)とビート周波数(H)が互いに異なる値であるため、距離と速度を算出することが出来る。しかしながら、静止している対象体に対しては、上側サイドバンド(A)と散乱光(C)とのビート周波数と下側サイドバンド(B)と散乱光(D)とのビート周波数とが同じ値となり、上側サイドバンド(A)による散乱光と下側サイドバンド(B)による散乱光が干渉し打ち消しあうことで、光検出器によって信号を検出することが出来ず、距離を算出することが出来なくなる状況が存在する。 According to the method disclosed in Non-Patent Document 2, when an upper sideband (A) and a lower sideband (B) are irradiated onto a moving object, the beat frequency (G) and the beat frequency (H) are different values as shown in FIG. 13(c), so that the distance and the speed can be calculated. However, for a stationary object, the beat frequency between the upper sideband (A) and the scattered light (C) and the beat frequency between the lower sideband (B) and the scattered light (D) are the same value, and the scattered light from the upper sideband (A) and the scattered light from the lower sideband (B) interfere with each other and cancel each other out, so that the photodetector cannot detect the signal and the distance cannot be calculated.

上記問題点を鑑み、本発明は、静止している対象体、移動している対象体の距離、速度測定のいずれにおいても、計測時間を短縮する、FMCWライダーによる距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法を提供することを目的とする。 In consideration of the above problems, the present invention aims to provide a distance and speed measurement device and a distance and speed measurement method using FMCW lidar that shortens the measurement time for both distance and speed measurement of stationary and moving objects.

本発明の第1の態様は、距離、速度測定装置であって、連続波である励起光を照射するレーザ光源装置と、励起光の発振周波数を制御するための電流コントローラと電流コントローラを制御する第1制御装置と、変調周波数で変調信号を発振するRF発振器と、励起光から得られるキャリア光源が入力され、RF発振器の変調信号によって駆動され、キャリア光源を抑制し、キャリア光源の高周波側に変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及びキャリア光源の低周波側に変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を参照光として出力する電気光学変調器と、RF発振器の変調周波数を制御する第2制御装置と、参照光を対象体に照射したときの散乱光と参照光との干渉信号を計測する光検出器と、光検出器によって検出された干渉信号から対象体までの距離及び対象体の速度を計算する計算装置とを備え、第1制御装置による電流コントローラの制御によって参照光の周波数をνからν+ΔCWまで掃引し、第2制御装置によるRF発振器の制御によって、RF発振器の発振周波数をfからf+Δまで掃引し、第1制御装置による電流コントローラの制御及び第2制御装置によるRF発振器の制御は、互いに同期をとりながら実行され、計算装置は干渉信号からビート信号fbeat+、fbeat-を算出し、さらに A first aspect of the present invention is a distance/velocity measuring device, comprising: a laser light source device that irradiates excitation light which is a continuous wave; a current controller for controlling the oscillation frequency of the excitation light; a first control device that controls the current controller; an RF oscillator that oscillates a modulated signal at a modulation frequency; an electro-optic modulator that receives a carrier light source obtained from the excitation light and is driven by a modulation signal from the RF oscillator, suppresses the carrier light source, generates an upper side band shifted to the high frequency side of the carrier light source by the modulation frequency and a lower side band shifted to the low frequency side of the carrier light source by the modulation frequency, and outputs a mixed light of the upper side band and the lower side band as a reference light; a second control device that controls the modulation frequency of the RF oscillator; a photodetector that measures an interference signal between the scattered light and the reference light when the reference light is irradiated onto an object; and a calculation device that calculates a distance to the object and a velocity of the object from the interference signal detected by the photodetector. The first control device controls the current controller to sweep the frequency of the reference light from ν c to ν c + Δ CW , and the second control device controls the RF oscillator to change the oscillation frequency of the RF oscillator to f m to f m + Δm , the control of the current controller by the first control device and the control of the RF oscillator by the second control device are executed in synchronization with each other, and the calculation device calculates beat signals f beat+ and f beat− from the interference signal,

Figure 0007654246000004
Figure 0007654246000004

Figure 0007654246000005

の式により対象体までの距離τ及び対象体の速度Vを算出することを要旨とする。
Figure 0007654246000005

The gist of the present invention is to calculate the distance τ to the target object and the velocity V of the target object using the following equation.

本発明の第1の態様において、対象体に照射する参照光の角度を掃引する角度掃引機構をさらに備えてもよい。 The first aspect of the present invention may further include an angle sweep mechanism that sweeps the angle of the reference light irradiated onto the target object.

本発明の第1の態様において、励起光と前記キャリア光源とは互いに同一であってもよい。 In the first aspect of the present invention, the excitation light and the carrier light source may be the same.

本発明の第1の態様において、参照光の周波数の掃引量とRF発振器の発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定してもよい。 In the first aspect of the present invention, the frequency sweep amount of the reference light and the oscillation frequency sweep amount of the RF oscillator may be measured using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer.

本発明の第1の態様において、参照光の周波数の掃引量とRF発振器の発振周波数の掃引量とを干渉用CWレーザを用いて測定してもよい。 In the first aspect of the present invention, the frequency sweep amount of the reference light and the oscillation frequency sweep amount of the RF oscillator may be measured using an interference CW laser.

本発明の第1の態様において、励起光からキャリア光源として光周波数コムを生成する光周波数コム発生器と、第1制御装置による電流コントローラの制御による光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定する周波数変化測定部と、光周波数コムを電気光学変調器に入力し、光周波数コムの各コムモードについて生成された上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を、各コムモードのモード毎に分離し、モード毎に分離された混合光のそれぞれを各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するための第1波長分割多重伝送装置とをさらに備えてもよい。 In the first aspect of the present invention, the device may further include an optical frequency comb generator that generates an optical frequency comb from excitation light as a carrier light source, a frequency change measurement unit that measures the sweep amount of the comb mode frequency of the optical frequency comb under the control of a current controller by a first control device, and a first wavelength division multiplexing transmission device that inputs the optical frequency comb to an electro-optical modulator, separates the mixed light of the upper sideband and the lower sideband generated for each comb mode of the optical frequency comb for each mode of each comb mode, and irradiates each of the mixed light separated for each mode at an angle corresponding to the mode frequency of each comb mode.

本発明の第1の態様において、光周波数コム発生器は、電気光学変調器から構成されてもよい。 In a first aspect of the present invention, the optical frequency comb generator may be comprised of an electro-optic modulator.

本発明の第1の態様において、光周波数コム発生器は、微小共振器から構成されてもよい。 In a first aspect of the present invention, the optical frequency comb generator may be comprised of a microresonator.

本発明の第1の態様において、周波数変化測定部はアンバランスマッハツェンダ―干渉計から構成されてもよい。 In the first aspect of the present invention, the frequency change measuring unit may be composed of an unbalanced Mach-Zehnder interferometer.

本発明の第1の態様において、周波数変化測定部は光周波数コムと干渉用CWレーザとの干渉計から構成されてもよい。 In the first aspect of the present invention, the frequency change measurement unit may be composed of an interferometer between an optical frequency comb and an interfering CW laser.

本発明の第1の態様において、強度変調器であり、直流バイアス電圧を調整することによってキャリア抑制両側サイドバンド変調するように調整されてもよい。 In a first aspect of the present invention, the intensity modulator may be adjusted to provide carrier suppression double sideband modulation by adjusting the DC bias voltage.

本発明の第2の態様は、距離、速度測定方法であって、連続波である励起光を照射するステップと、励起光からキャリア光源を得るステップと、変調周波数で変調信号を発振するRF発振器によって駆動される電気光学変調器に入力し、キャリア光源が抑制され、キャリア光源の高周波側に変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及びキャリア光源の低周波側に変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を参照光として出力するステップと、参照光を対象体に照射したときの散乱光と参照光との干渉信号を計測するステップと、参照光の周波数をνからν+ΔCWまで掃引し、RF発振器の発振周波数をfからf+Δまで掃引するステップと、干渉信号からビート信号fbeat+、fbeat-を算出するステップと、 A second aspect of the present invention is a distance/speed measuring method, comprising the steps of irradiating excitation light which is a continuous wave, obtaining a carrier light source from the excitation light, inputting the excitation light to an electro-optic modulator driven by an RF oscillator which oscillates a modulation signal at a modulation frequency, suppressing the carrier light source, generating an upper side band shifted to the high frequency side of the carrier light source by the modulation frequency and a lower side band shifted to the low frequency side of the carrier light source by the modulation frequency, and outputting a mixed light of the upper side band and the lower side band as a reference light, measuring an interference signal between the scattered light and the reference light when the reference light is irradiated to an object, sweeping the frequency of the reference light from ν c to ν cCW and sweeping the oscillation frequency of the RF oscillator from f m to f mm , and calculating beat signals f beat+ and f beat− from the interference signal,

Figure 0007654246000006
Figure 0007654246000006

Figure 0007654246000007
上式により対象体までの距離τ及び対象体の速度Vを算出するステップとを備えることを要旨とする。
Figure 0007654246000007
The method further comprises a step of calculating a distance τ to the object and a velocity V of the object using the above formula.

本発明の第2の態様において、対象体に照射する参照光の角度を掃引するステップをさらに備えてもよい。 The second aspect of the present invention may further include a step of sweeping the angle of the reference light irradiated onto the target object.

本発明の第2の態様において、励起光とキャリア光源とは互いに同一であってもよい。 In a second aspect of the present invention, the excitation light and the carrier light source may be the same.

参照光の周波数の掃引量とRF発振器の発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定するステップをさらに備えてもよい。 The method may further include a step of measuring the sweep amount of the reference light frequency and the sweep amount of the RF oscillator oscillation frequency using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer.

参照光の周波数の掃引量とRF発振器の発振周波数の掃引量とを干渉用CWレーザを用いて測定するステップをさらに備えてもよい。 The method may further include a step of measuring the sweep amount of the reference light frequency and the sweep amount of the RF oscillator oscillation frequency using an interference CW laser.

本発明の第2の態様において、励起光から前記キャリア光源として光周波数コムを生成するステップと、参照光の周波数をνからν+ΔCWまで掃引し、RF発振器の発振周波数をfからf+Δまで掃引するステップにおいて、光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定するステップと、光周波数コムの各コムモードについて生成された上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を、各コムモードのモード毎に分離し、モード毎に分離された混合光のそれぞれを各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するステップとをさらに備えてもよい。 In a second aspect of the present invention, the method may further include a step of measuring a sweep amount of the comb mode frequency of the optical frequency comb in the step of generating an optical frequency comb from excitation light as the carrier light source, sweeping the frequency of the reference light from ν c to ν c + Δ CW and sweeping the oscillation frequency of the RF oscillator from f m to f m + Δ m , and a step of separating the mixed light of the upper sideband and the lower sideband generated for each comb mode of the optical frequency comb for each mode of each comb mode, and irradiating each of the mixed light separated for each mode at an angle corresponding to the mode frequency of each comb mode.

本発明によれば、静止している対象体、移動している対象体の距離、速度測定のいずれにおいても、短時間での計測を可能とする、FMCWライダーによる距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法を提供できる。 The present invention provides a distance and speed measurement device and method using FMCW lidar that enables measurements in a short time for both stationary and moving object distance and speed measurements.

第1の実施形態に係る距離、速度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of a configuration of a distance and speed measuring device according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る距離、速度測定装置による参照光、散乱光の上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数及びビート周波数の時間変化を示すグラフであり、(a)及び(b)は上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数、(c)はビート周波数に対するグラフである。1 is a graph showing the time changes of the upper sideband frequency, the lower sideband frequency and the beat frequency of the reference light and the scattered light by the distance and speed measuring device of the first embodiment, where (a) and (b) are graphs for the upper sideband frequency and the lower sideband frequency, and (c) is a graph for the beat frequency. 第2の実施形態に係る距離、速度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing an example of the configuration of a distance and speed measuring device according to a second embodiment. 第2の実施形態に係る距離、速度測定装置のライダー部の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing an example of the configuration of a LIDAR section of a distance and speed measuring device according to a second embodiment. 光周波数コム発生器として電気光学変調器を使用する場合の、周波数変化測定部の構成の一例を示すブロック図である。11 is a block diagram showing an example of the configuration of a frequency change measuring unit when an electro-optic modulator is used as an optical frequency comb generator. FIG. 光周波数コム発生器として微小共振器を使用する場合の、周波数変化測定部の構成の一例を示すブロック図である。11 is a block diagram showing an example of the configuration of a frequency change measuring unit when a microresonator is used as an optical frequency comb generator. FIG. 実験を行った距離、速度測定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a distance and speed measuring device used in the experiment. 観測された上側サイドバンドと下側サイドバンドの周波数の時間変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change over time in the observed frequencies of the upper sideband and the lower sideband. 観測されたビート信号を示すグラフである。1 is a graph showing an observed beat signal. 従来のFMCWライダーによる距離測定装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device using a conventional FMCW LIDAR. 対象体が静止しているときの従来のFMCWライダーによる参照光、散乱光及びビート周波数の変化量を示すグラフであり、(a)は参照光、(b)は参照光と散乱光、(c)はビート周波数に対するグラフである。1A and 1B are graphs showing the changes in reference light, scattered light, and beat frequency by a conventional FMCW lidar when the target object is stationary, where (a) is a graph of the reference light, (b) is a graph of the reference light and scattered light, and (c) is a graph of the beat frequency. 対象体が移動しているときの従来のFMCWライダーによる参照光、散乱光及びビート周波数の変化量を示すグラフであり、(a)は参照光、(b)は参照光と散乱光、(c)はビート周波数に対するグラフである。1A and 1B are graphs showing the changes in reference light, scattered light, and beat frequency when a target object is moving, using a conventional FMCW lidar; (a) is a graph of the reference light, (b) is a graph of the reference light and scattered light, and (c) is a graph of the beat frequency. 非特許文献2に開示された方法による距離、速度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a distance and speed measuring device using the method disclosed in Non-Patent Document 2. 非特許文献2に開示された方法による距離、速度測定装置の参照光、散乱光の上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数及びビート周波数の時間変化を示すグラフであり、(a)及び(b)は上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数、(c)はビート周波数に対するグラフである。13 is a graph showing the time variations in the upper sideband frequency, the lower sideband frequency and the beat frequency of the reference light and the scattered light of the distance and speed measuring device according to the method disclosed in Non-Patent Document 2, where (a) and (b) are graphs for the upper sideband frequency and the lower sideband frequency, and (c) is a graph for the beat frequency.

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。実施形態に係る図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings relating to the embodiment, the same or similar parts are given the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each component, etc., differ from the actual ones. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined with reference to the following explanation. In addition, it goes without saying that the drawings include parts with different dimensional relationships and ratios.

又、実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、各構成要素の構成や配置、レイアウト等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 The embodiments are merely examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention does not specify the configuration, arrangement, layout, etc. of each component to those described below. The technical idea of the present invention can be modified in various ways within the technical scope defined by the claims.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法を図1を参照しながら説明する。図1に示すように、本実施形態に係る距離、速度測定装置10は、CWレーザ光源装置101と、電気光学変調器102と、RF発振器103と、電流コントローラ104と、第1制御装置105と、第2制御装置106と、第1光方向性結合器107と、サーキュレータ108と、角度掃引機構109と、第2光方向性結合器110と、光検出器111と、計算装置112とから構成される。
(First embodiment)
A distance and speed measuring device and a distance and speed measuring method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 1. As shown in Fig. 1, the distance and speed measuring device 10 according to this embodiment is composed of a CW laser light source device 101, an electro-optic modulator 102, an RF oscillator 103, a current controller 104, a first control device 105, a second control device 106, a first optical directional coupler 107, a circulator 108, an angle sweep mechanism 109, a second optical directional coupler 110, a photodetector 111, and a calculation device 112.

CWレーザ光源装置101から、周波数がνであるCWレーザ113をキャリア抑制両側サイドバンド変調するように設定された電気光学変調器102に入射する。電気光学変調器102は、変調周波数がfであるRF発振器103によって駆動される。キャリア抑制両側サイドバンド変調とは、キャリア光源を入力すると、キャリア光源は抑制し、キャリア光源の周波数から高周波側及び低周波側に変調周波数分シフトした周波数を有する2つのサイドバンドを生成し、出力する変調である。電気光学変調器102としては、特に強度変調器が好適であり、この場合、直流バイアス電圧を調整することによってキャリア抑制両側サイドバンド変調するように調整される。電気光学変調器102によって、キャリア光源であるCWレーザ113は抑制され、CWレーザ113の周波数νの高周波側及び低周波側にfだけシフトした周波数を有する2つのサイドバンドが生成される。 A CW laser 113 having a frequency of ν c is input from a CW laser light source device 101 to an electro-optical modulator 102 set to perform carrier suppression double-sided sideband modulation. The electro-optical modulator 102 is driven by an RF oscillator 103 having a modulation frequency of f m . The carrier suppression double-sided sideband modulation is a modulation in which, when a carrier light source is input, the carrier light source is suppressed, and two sidebands having frequencies shifted from the frequency of the carrier light source to the high-frequency side and the low-frequency side by the modulation frequency are generated and output. An intensity modulator is particularly suitable as the electro-optical modulator 102, and in this case, the DC bias voltage is adjusted to perform carrier suppression double-sided sideband modulation. The CW laser 113, which is a carrier light source, is suppressed by the electro-optical modulator 102, and two sidebands having frequencies shifted by f m to the high-frequency side and the low-frequency side of the frequency ν c of the CW laser 113 are generated.

電気光学変調器102によって生成された2つのサイドバンドの混合光114を、2つの参照光115、116に分け、参照光115を対象体124に照射し、散乱光と参照光の干渉を光検出器によって検出して対象体までの距離を算出する点は、以下に述べるように、従来のFMCWライダーと同様である。 The mixed light 114 of the two sidebands generated by the electro-optical modulator 102 is split into two reference beams 115 and 116, the reference beam 115 is irradiated onto the target object 124, and the interference between the scattered light and the reference beam is detected by a photodetector to calculate the distance to the target object, which is similar to conventional FMCW lidar, as described below.

2つのサイドバンドの混合光114は、第1光方向性結合器107において参照光115と参照光116とに分離される。参照光115はサーキュレータ108に入力され、参照光117として出力される。角度掃引機構109に入力された参照光117は、角度掃引機構109の出力孔から見て角度αの方向へ照射され、照射された参照光118は角度αの方向に位置する対象体124によって散乱し、散乱光119が角度掃引機構109に入射する。入射した散乱光120はサーキュレータ108及び第2光方向性結合器110によって、参照光116と合流し、出力光122として出力される。出力光122の干渉信号を光検出器111によって検出し、干渉信号123は計算装置112に入力される。 The mixed light 114 of the two sidebands is separated into reference light 115 and reference light 116 in the first optical directional coupler 107. The reference light 115 is input to the circulator 108 and output as reference light 117. The reference light 117 input to the angle sweep mechanism 109 is irradiated in the direction of angle α as seen from the output hole of the angle sweep mechanism 109, the irradiated reference light 118 is scattered by the object 124 located in the direction of angle α, and the scattered light 119 is incident on the angle sweep mechanism 109. The incident scattered light 120 is merged with the reference light 116 by the circulator 108 and the second optical directional coupler 110 and output as output light 122. The interference signal of the output light 122 is detected by the photodetector 111, and the interference signal 123 is input to the calculation device 112.

非特許文献2に開示されている方法では、RF発振器1202の発振周波数をfからf+Δまで掃引し、図13(c)に示すように、上側サイドバンド(A)と散乱光(E)とのビート周波数(G)、及び下側サイドバンド(B)と散乱光(F)とのビート周波数(H)を検出し、距離と速度を同時に算出する。この方法によれば、静止している対象体に対して、上側サイドバンド(A)と散乱光(C)とのビート周波数と下側サイドバンド(B)と散乱光(D)とのビート周波数とが同じ値となり、距離を算出することが出来ない状況が存在する。 In the method disclosed in Non-Patent Document 2, the oscillation frequency of RF oscillator 1202 is swept from fm to fm + Δ, and the beat frequency (G) between the upper side band (A) and scattered light (E) and the beat frequency (H) between the lower side band (B) and scattered light (F) are detected as shown in Fig. 13(c), and distance and speed are calculated simultaneously. According to this method, for a stationary target, there are situations in which the beat frequency between the upper side band (A) and scattered light (C) and the beat frequency between the lower side band (B) and scattered light (D) have the same value, making it impossible to calculate the distance.

本実施形態においては、RF発振器103の発振周波数をfからf+Δまで掃引すると同時に、CWレーザ光源装置101から照射するCWレーザ113の周波数をνからν+ΔCWまで掃引する。図2(a)に示すように、電気光学変調器102によって生成された上側サイドバンド(I)の周波数はν+fからν+f+Δ+ΔCWまで、下側サイドバンド(J)の周波数はν―fからν―(f+Δ)+ΔCWまで変化する。上側サイドバンド(I)及び下側サイドバンド(J)を静止している対象体に照射したときの散乱光は、図2(b)の散乱光(K)及び散乱光(L)、移動している対象体に照射したときの散乱光は、図2(b)の散乱光(M)及び散乱光(N)となる。 In this embodiment, the oscillation frequency of the RF oscillator 103 is swept from fm to fm + Δm , and at the same time, the frequency of the CW laser 113 irradiated from the CW laser light source device 101 is swept from νc to νc + ΔCW . As shown in Fig. 2(a), the frequency of the upper sideband (I) generated by the electro-optic modulator 102 changes from νc + fm to νc + fm + Δ + ΔCW , and the frequency of the lower sideband (J) changes from νc - fm to νc - ( fm + Δ) + ΔCW . The scattered light when the upper sideband (I) and the lower sideband (J) are irradiated on a stationary target becomes the scattered light (K) and scattered light (L) in Fig. 2(b), and the scattered light when they are irradiated on a moving target becomes the scattered light (M) and scattered light (N) in Fig. 2(b).

非特許文献2に開示されている方法では、上側サイドバンド(A)と散乱光(C)とのビート周波数と下側サイドバンド(B)と散乱光(D)とのビート周波数とが同じ値となり、距離を算出することが出来ない場合があるのに対して、本実施形態では、上側サイドバンド(I)と下側サイドバンド(J)のビート周波数が互いに異なるため、対象体が静止している場合においても、距離を算出することが出来る。 In the method disclosed in Non-Patent Document 2, the beat frequency between the upper sideband (A) and the scattered light (C) and the beat frequency between the lower sideband (B) and the scattered light (D) are the same value, and it may not be possible to calculate the distance. In contrast, in this embodiment, the beat frequencies of the upper sideband (I) and the lower sideband (J) are different from each other, so that the distance can be calculated even when the target object is stationary.

図2(c)に示すように、対象体が静止しているとき、移動しているときのいずれにおいても、上側サイドバンドのビート周波数(O)と下側サイドバンドのビート周波数(P)が互いに異なり、次式のように表すことが出来る。 As shown in Figure 2(c), whether the target is stationary or moving, the beat frequency of the upper sideband (O) and the beat frequency of the lower sideband (P) are different and can be expressed as follows:

Figure 0007654246000008
Figure 0007654246000008

Figure 0007654246000009
したがって、対象体が静止しているときは対象体までの距離を、対象体が移動しているときは対象体までの距離及び対象体の速度を次式より算出することが出来る。
Figure 0007654246000009
Therefore, when the target object is stationary, the distance to the target object can be calculated from the following equation, and when the target object is moving, the distance to the target object and the speed of the target object can be calculated from the following equation.

Figure 0007654246000010
Figure 0007654246000010

Figure 0007654246000011
Figure 0007654246000011

上式により得られる距離及び速度は、角度掃引機構109によって参照光115を所定の角度の方向へ照射した際に、角度掃引機構109から所定の角度方向に位置する対象体までの距離及び対象体の速度である。本実施形態における一連の距離、速度測定は、角度掃引機構109によって参照光115の照射角の角度掃引を行い、各角度において、上式による距離及び速度測定を行う。 The distance and velocity obtained by the above formula are the distance from the angle sweep mechanism 109 to an object located in a predetermined angular direction and the velocity of the object when the reference light 115 is irradiated in a direction at a predetermined angle by the angle sweep mechanism 109. In this embodiment, a series of distance and velocity measurements are performed by sweeping the irradiation angle of the reference light 115 by the angle sweep mechanism 109, and measuring the distance and velocity at each angle using the above formula.

本実施形態において、電気光学変調器102としては、特に強度変調器を使用し、キャリア抑制両側サイドバンド変調が可能となるように直流バイアス電圧を調整する。RF発振器103としては、例えば電圧制御発振器を使用する。第2制御装置106によってRF発振器103が発振周波数をfからf+Δまで掃引するように制御する。CWレーザ光源装置101には電流コントローラ104を接続し、さらに電流コントローラ104に第1制御装置105を接続する。第1制御装置105によって電流コントローラ104を制御し、CWレーザ光源装置101から照射するCWレーザ113の周波数をνからν+ΔCWまで掃引する。 In this embodiment, an intensity modulator is particularly used as the electro-optical modulator 102, and a DC bias voltage is adjusted so that carrier suppression double sideband modulation is possible. For example, a voltage controlled oscillator is used as the RF oscillator 103. The second control device 106 controls the RF oscillator 103 to sweep the oscillation frequency from fm to fm + Δm . A current controller 104 is connected to the CW laser light source device 101, and a first control device 105 is further connected to the current controller 104. The first control device 105 controls the current controller 104 to sweep the frequency of the CW laser 113 irradiated from the CW laser light source device 101 from νc to νc + ΔCW .

CWレーザの周波数掃引量と、RF発振器の周波数掃引量の測定方法としては、例えば、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用する方法や、CWレーザ及び上側サイドバンドと干渉させるための干渉用CWレーザを用意し、干渉用CWレーザとCWレーザとの干渉と、干渉用CWレーザと上側サイドバンドとの干渉をそれぞれ光検出器によって検出し、その周波数差を測定する方法が挙げられる。 Methods for measuring the frequency sweep amount of a CW laser and the frequency sweep amount of an RF oscillator include, for example, using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer, and preparing an interfering CW laser for interference with the CW laser and the upper sideband, detecting the interference between the interfering CW laser and the CW laser and the interference between the interfering CW laser and the upper sideband with a photodetector, and measuring the frequency difference.

CWレーザの周波数掃引量とRF発振器の周波数掃引量の測定を、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて行う場合、本実施形態においては、CWレーザ113を図示しない周波数掃引量測定用アンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて2つに分岐させ、光路長の異なる2つの光路を伝搬させたのち重ね合わせ、干渉による干渉信号を光検出器によって検出し、CWレーザ113の周波数変化による干渉信号の位相の変化を測定することによりCWレーザの周波数掃引量を測定する。RF発振器の周波数掃引量の測定についても同様に、2つのサイドバンドの混合光114のうちのいずれかのサイドバンドの、図示しないアンバランスマッハツェンダ―干渉計によって生じる干渉の干渉信号を光検出器によって検出することによりRF発振器の周波数掃引量を測定する。なお、CWレーザの周波数掃引量を測定するための図示しないアンバランスマッハツェンダ―干渉計と、RF発振器の周波数掃引量を測定するための図示しないアンバランスマッハツェンダ―干渉計とは、互いに異なる干渉計であってもよく、また、互いに同一の干渉計であってもよい。互いに同一の干渉計である場合は、CWレーザ113と、2つのサイドバンドの混合光114のうちのいずれかのサイドバンドとを、それぞれ、周波数掃引量測定用アンバランスマッハツェンダ―干渉計の対抗する入力端子から入力させる。 When the frequency sweep amount of the CW laser and the frequency sweep amount of the RF oscillator are measured using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer, in this embodiment, the CW laser 113 is split into two using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer for measuring the frequency sweep amount (not shown), and the two light beams are propagated through two optical paths with different optical path lengths, and then superimposed. The interference signal due to interference is detected by a photodetector, and the frequency sweep amount of the CW laser is measured by measuring the change in phase of the interference signal due to the frequency change of the CW laser 113. Similarly, the frequency sweep amount of the RF oscillator is measured by detecting the interference signal of the interference generated by an unbalanced Mach-Zehnder interferometer (not shown) of one of the mixed light 114 of the two sidebands using a photodetector. In addition, the unbalanced Mach-Zehnder interferometer (not shown) for measuring the frequency sweep amount of the CW laser and the unbalanced Mach-Zehnder interferometer (not shown) for measuring the frequency sweep amount of the RF oscillator may be different interferometers, or may be the same interferometer. If they are the same interferometer, the CW laser 113 and one of the two sidebands of the mixed light 114 of the sidebands are input from opposing input terminals of the unbalanced Mach-Zehnder interferometer for measuring the frequency sweep amount.

CWレーザの周波数掃引量とRF発振器の周波数掃引量の測定を、干渉用CWレーザを用いて行う場合、本実施形態においては、CWレーザ113とは別の、CWレーザ113と干渉させるための図示しない干渉用CWレーザを用意し、CWレーザ113と干渉用CWレーザとの干渉による干渉信号を光検出器によって検出し、CWレーザ113の周波数変化による干渉信号の位相の変化を測定することによりCWレーザの周波数掃引量を測定する。RF発振器の周波数掃引量の測定についても同様に、2つのサイドバンドの混合光114のうちのいずれかのサイドバンドと、図示しない干渉用CWレーザとの干渉の干渉信号を光検出器によって検出することによりRF発振器の周波数掃引量を測定する。なお、CWレーザ113と干渉させるための図示しない干渉用CWレーザと、2つのサイドバンドの混合光114のうちのいずれかのサイドバンドと干渉させるための図示しない干渉用CWレーザとは、互いに異なるレーザであってもよく、また、互いに同一のレーザであってもよい。互いに同一のレーザである場合は、図示しない干渉用CWレーザを2つに分岐させ、一方をCWレーザ113と干渉させ、もう一方をサイドバンドと干渉させる。 When the frequency sweep amount of the CW laser and the frequency sweep amount of the RF oscillator are measured using an interference CW laser, in this embodiment, a non-illustrated interference CW laser is prepared for interference with the CW laser 113, and an interference signal caused by interference between the CW laser 113 and the interference CW laser is detected by a photodetector, and the frequency sweep amount of the CW laser is measured by measuring the phase change of the interference signal caused by the frequency change of the CW laser 113. Similarly, for measuring the frequency sweep amount of the RF oscillator, an interference signal caused by interference between one of the two sidebands of the mixed light 114 and the interference CW laser (not shown) is detected by a photodetector, thereby measuring the frequency sweep amount of the RF oscillator. Note that the interference CW laser (not shown) for interference with the CW laser 113 and the interference CW laser (not shown) for interference with one of the two sidebands of the mixed light 114 may be different lasers from each other, or may be the same laser. If they are the same laser, an interference CW laser (not shown) is split into two, one of which is made to interfere with the CW laser 113 and the other is made to interfere with the sideband.

図2(a)に示すように、RF発振器103の発振周波数の掃引とCWレーザ113の周波数の掃引は同じ周期で行う必要があるため、第1制御装置105と第2制御装置106による制御は、互いに同期をとりながら実行される。第1制御装置105による電流コントローラ104の制御及び第2制御装置106によるRF発振器103の制御は、CWレーザ113の周波数及びRF発振器1102の発振周波数が、例えばのこぎり波形状となるように、実行される。 As shown in FIG. 2(a), the sweep of the oscillation frequency of the RF oscillator 103 and the sweep of the frequency of the CW laser 113 must be performed in the same cycle, so the controls by the first control device 105 and the second control device 106 are executed in synchronization with each other. The control of the current controller 104 by the first control device 105 and the control of the RF oscillator 103 by the second control device 106 are executed so that the frequency of the CW laser 113 and the oscillation frequency of the RF oscillator 1102 have, for example, a sawtooth wave shape.

以上述べたように、本実施形態に係る距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法によれば、対象体が静止しているときは対象体までの距離を、対象体が移動しているときは対象体までの距離及び対象体の速度を測定する時間を短縮することが出来る。 As described above, the distance and speed measurement device and distance and speed measurement method according to this embodiment can reduce the time required to measure the distance to an object when the object is stationary, and the time required to measure the distance to the object and the speed of the object when the object is moving.

(第2の実施形態)
第1の実施形態において、CWレーザ光源装置からCWレーザを電気光学変調器に入射した。本実施形態では、電気光学変調器に、CWレーザの代わりに光周波数コムを入射することにより、距離及び速度の測定時間をさらに短縮する。
Second Embodiment
In the first embodiment, a CW laser is input from a CW laser light source device to the electro-optic modulator. In the present embodiment, an optical frequency comb is input to the electro-optic modulator instead of a CW laser, thereby further shortening the measurement time of distance and velocity.

本実施形態に係る距離、速度測定装置30の構成の一例を図3に示す。図3に示すように、本実施形態に係る距離、速度測定装置30は、CWレーザ光源装置301と、光周波数コム発生器302と、電気光学変調器303と、RF発振器304と、電流コントローラ305と、第1制御装置306と、第2制御装置307と、第1光方向性結合器308と、第2光方向性結合器309と、ライダー部310と、周波数変化測定部311とから構成される。 An example of the configuration of the distance and speed measurement device 30 according to this embodiment is shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, the distance and speed measurement device 30 according to this embodiment is composed of a CW laser light source device 301, an optical frequency comb generator 302, an electro-optical modulator 303, an RF oscillator 304, a current controller 305, a first control device 306, a second control device 307, a first optical directional coupler 308, a second optical directional coupler 309, a LIDAR unit 310, and a frequency change measurement unit 311.

光周波数コム発生器302としては、例えば電気光学変調器や微小共振器が挙げられる。光周波数コム発生器302として電気光学変調器を用いる場合、CWレーザ光源装置301からCWレーザを電気光学変調器に入力し、変調を加えることによってサイドバンド、即ち光周波数コムを発生させる。光周波数コム発生器302として微小共振器を用いる場合、CWレーザ光源装置301からCWレーザを導波路を介して導波路に光結合された微小共振器に入力し、光周波数コムを発生させる。 The optical frequency comb generator 302 may be, for example, an electro-optical modulator or a microresonator. When an electro-optical modulator is used as the optical frequency comb generator 302, a CW laser is input from the CW laser source device 301 to the electro-optical modulator and modulated to generate a sideband, i.e., an optical frequency comb. When a microresonator is used as the optical frequency comb generator 302, a CW laser is input from the CW laser source device 301 via a waveguide to a microresonator optically coupled to the waveguide to generate an optical frequency comb.

電気光学変調器や微小共振器による光周波数コムは、コムモード周波数の間隔が10GHz-1THz程度と、モードロックファイバレーザ等の従来の光周波数コムのコム間隔が100MHz-1GHz程度であるのと比較して広い。本実施形態においては、後述するように、光周波数コムの各コムモードは互いに分離して、各コムモードを複数のCWレーザとして使用し、更に各コムモードのコムモード周波数を掃引することから、光周波数コムのコム間隔が広いほうが望ましく、コム間隔の観点からは、光周波数コム発生器302として電気光学変調器や微小共振器を使用するのが望ましい。 An optical frequency comb using an electro-optic modulator or a microresonator has a comb mode frequency spacing of about 10 GHz-1 THz, which is wider than the comb spacing of conventional optical frequency combs such as mode-locked fiber lasers, which is about 100 MHz-1 GHz. In this embodiment, as described below, each comb mode of the optical frequency comb is separated from the others and each comb mode is used as multiple CW lasers, and the comb mode frequency of each comb mode is swept. Therefore, it is desirable for the comb spacing of the optical frequency comb to be wider, and from the viewpoint of comb spacing, it is desirable to use an electro-optic modulator or a microresonator as the optical frequency comb generator 302.

CWレーザ光源装置301からCWレーザ312を光周波数コム発生器302に入力させ、光周波数コム313を生成させる。光周波数コム発生器302において生成された光周波数コム313は、第1光方向性結合器308によって光周波数コム314と光周波数コム317に分離され、光周波数コム314が電気光学変調器303に入力される。電気光学変調器303は、第1の実施形態と同様、変調周波数がfであるRF発振器304によって駆動され、かつキャリア抑制両側サイドバンド変調するように設定されている。光周波数コム314を電気光学変調器303に入力すると、キャリア光源である光周波数コム314は抑制され、光周波数コム314の複数のコムモードのそれぞれに対して、各コムモードのコムモード周波数の高周波側及び低周波側にfだけシフトした周波数を有する2つのサイドバンドが生成される。光周波数コム314がn個のコムモードから構成されるとすると、電気光学変調器303によってn個のコムモードは抑制され、n個のコムモードのそれぞれに対して2個ずつ、即ち2n個のサイドバンドが生成される。電気光学変調器303によって生成された2n個のサイドバンドは、参照光315として第2光方向性結合器309に入力され、参照光316と参照光318に分離され、参照光316はライダー部310に入力される。 A CW laser 312 is input from a CW laser source device 301 to an optical frequency comb generator 302 to generate an optical frequency comb 313. The optical frequency comb 313 generated in the optical frequency comb generator 302 is separated into an optical frequency comb 314 and an optical frequency comb 317 by a first optical directional coupler 308, and the optical frequency comb 314 is input to an electro-optical modulator 303. As in the first embodiment, the electro-optical modulator 303 is driven by an RF oscillator 304 having a modulation frequency of fm , and is set to perform carrier suppression double sideband modulation. When the optical frequency comb 314 is input to the electro-optical modulator 303, the optical frequency comb 314, which is a carrier light source, is suppressed, and two sidebands having frequencies shifted by fm to the higher and lower frequency sides of the comb mode frequency of each comb mode are generated for each of the multiple comb modes of the optical frequency comb 314. If the optical frequency comb 314 is composed of n comb modes, the n comb modes are suppressed by the electro-optic modulator 303, and two sidebands are generated for each of the n comb modes, i.e., 2n sidebands are generated. The 2n sidebands generated by the electro-optic modulator 303 are input to the second optical directional coupler 309 as reference light 315 and separated into reference light 316 and reference light 318, and the reference light 316 is input to the LIDAR section 310.

ライダー部310の構成の一例を図4に示す。図4に示すライダー部310は、第3光方向性結合器401と、サーキュレータ402と、第1波長分割多重伝送(Wavelength Division Multiplexing,WDM)装置403と、第4光方向性結合器404と、第2波長分割多重伝送(WDM)装置405と、第1~第n光検出器4061~406nと、計算装置407とから構成される。 An example of the configuration of the LIDAR section 310 is shown in FIG. 4. The LIDAR section 310 shown in FIG. 4 is composed of a third optical directional coupler 401, a circulator 402, a first wavelength division multiplexing (WDM) device 403, a fourth optical directional coupler 404, a second wavelength division multiplexing (WDM) device 405, first to nth photodetectors 4061 to 406n, and a calculation device 407.

参照光316は、第3光方向性結合器401において参照光408と参照光409とに分離される。参照光408は、サーキュレータ402を介して第1波長分割多重伝送装置403に入力される。第1波長分割多重伝送装置403において、2n個のサイドバンドは、各コムモードの上側サイドバンド及び下側サイドバンドを1組として、n個のサイドバンドの組に分離され、各サイドバンドの周波数に応じた角度方向に照射される。 The reference light 316 is separated into reference light 408 and reference light 409 in the third optical directional coupler 401. The reference light 408 is input to the first wavelength division multiplexing transmission device 403 via the circulator 402. In the first wavelength division multiplexing transmission device 403, the 2n sidebands are separated into n sets of sidebands, with the upper sideband and the lower sideband of each comb mode being one set, and are irradiated in an angular direction according to the frequency of each sideband.

各サイドバンドは、それぞれの周波数に応じた角度方向に位置する対象体410によって散乱される。各サイドバンドの散乱光は、第1波長分割多重伝送装置403によって散乱光411として合流し、サーキュレータ402及び第4光方向性結合器404によって参照光409と合流し、出力光412として出力される。出力光412は第2波長分割多重伝送装置405によって再度n個のサイドバンドの組に分離される。それぞれのサイドバンドの組の干渉信号4131~413nは第1~第n光検出器4061~406nによって検出され、計算装置407に入力される。 Each sideband is scattered by an object 410 located in an angular direction corresponding to the respective frequency. The scattered light of each sideband is combined as scattered light 411 by the first wavelength division multiplexing transmission device 403, combined with the reference light 409 by the circulator 402 and the fourth optical directional coupler 404, and output as output light 412. The output light 412 is again separated into n sets of sidebands by the second wavelength division multiplexing transmission device 405. The interference signals 4131 to 413n of each set of sidebands are detected by the first to nth photodetectors 4061 to 406n and input to the calculation device 407.

本実施形態においては、RF発振器304の発振周波数をfからf+Δまで掃引すると同時に、光周波数コム313の各コムモード周波数をνからν+Δまで掃引する。ここで、νはp番目のコムモードのコムモード周波数とする。RF発振器304の発振周波数の掃引と光周波数コム313の各コムモード周波数の掃引が同じ周期である必要があるため、第1制御装置306と第2制御装置307による制御は、互いに同期をとりながら実行される。 In this embodiment, the oscillation frequency of the RF oscillator 304 is swept from fm to fm + Δm , and at the same time, each comb mode frequency of the optical frequency comb 313 is swept from νp to νp + Δp , where νp is the comb mode frequency of the p-th comb mode. Since the sweep of the oscillation frequency of the RF oscillator 304 and the sweep of each comb mode frequency of the optical frequency comb 313 must have the same period, the controls by the first control device 306 and the second control device 307 are executed in synchronization with each other.

光周波数コム313の周波数掃引は、光周波数コム発生器302として電気光学変調器を使用する場合、第1制御装置306によって電流コントローラ305を制御することにより、電流コントローラ305に接続されたCWレーザ光源装置301から電気光学変調器に入力されるCWレーザの周波数を掃引することによって行う。光周波数コム発生器302として微小共振器を使用する場合、微小共振器の共鳴周波数をマイクロヒータ、圧電素子等により制御し、微小共振器の共鳴周波数の制御に同期して、第1制御装置306によって電流コントローラ305を制御することでCWレーザの周波数を制御し、光周波数コム313の周波数掃引を行う。ただし、周波数掃引範囲が小さい場合は電流コントローラ305を制御することで、CWレーザーの周波数を制御するだけでよい。 When an electro-optical modulator is used as the optical frequency comb generator 302, the frequency sweep of the optical frequency comb 313 is performed by controlling the current controller 305 with the first control device 306 to sweep the frequency of the CW laser input from the CW laser light source device 301 connected to the current controller 305 to the electro-optical modulator. When a microresonator is used as the optical frequency comb generator 302, the resonant frequency of the microresonator is controlled by a microheater, a piezoelectric element, etc., and the first control device 306 controls the current controller 305 in synchronization with the control of the resonant frequency of the microresonator to control the frequency of the CW laser, thereby performing the frequency sweep of the optical frequency comb 313. However, when the frequency sweep range is small, it is sufficient to control only the frequency of the CW laser by controlling the current controller 305.

光周波数コム313の周波数掃引量は、周波数変化測定部311を用いて測定する。各コムモードをFMCWライダーの光キャリアとして使用するため、周波数掃引されている全てのコムモードの周波数掃引量を同時に測定する必要がある。 The frequency sweep amount of the optical frequency comb 313 is measured using the frequency change measurement unit 311. Since each comb mode is used as an optical carrier for the FMCW lidar, it is necessary to simultaneously measure the frequency sweep amounts of all comb modes that are being frequency swept.

掃引されるコムモードの周波数掃引量の測定は、例えば、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用する方法や、コムモードと干渉させるための干渉用CWレーザを使用する方法が挙げられる。掃引されるコムモードの周波数掃引量の測定を、干渉用CWレーザを用いて行う場合、コムモードと干渉させるための干渉用CWレーザを用意し、干渉用CWレーザとコムモードを干渉させて、干渉信号を光検出器によって検出し、コムモードの周波数の周波数変化による干渉信号の位相の変化量を測定することにより周波数掃引量を測定する。本実施形態においては、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用してコムモードの周波数掃引量の測定を行う。 Measurements of the frequency sweep amount of the swept comb mode include, for example, a method using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer and a method using an interfering CW laser for interference with the comb mode. When measuring the frequency sweep amount of the swept comb mode using an interfering CW laser, an interfering CW laser for interference with the comb mode is prepared, the interfering CW laser is made to interfere with the comb mode, the interference signal is detected by a photodetector, and the amount of change in phase of the interference signal due to a frequency change in the frequency of the comb mode is measured to measure the frequency sweep amount. In this embodiment, an unbalanced Mach-Zehnder interferometer is used to measure the frequency sweep amount of the comb mode.

本実施形態において、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用してコムモードの周波数掃引量の測定を行う際、光周波数コム発生器302として電気光学変調器を使用する場合と、微小共振器を使用する場合とでは、測定方法が互いに異なる。 In this embodiment, when measuring the frequency sweep amount of the comb mode using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer, the measurement method differs between using an electro-optic modulator as the optical frequency comb generator 302 and using a microresonator.

光周波数コム発生器302として電気光学変調器を使用する場合の、本実施形態に係る周波数変化測定部311を周波数変化測定部3111として、その一例を図5に示す。図5に示す周波数変化測定部311は2波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計501と、第1光バンドパスフィルタ(BPF)502、第2光バンドパスフィルタ(BPF)503、第1光検出器504、第2光検出器505とから構成される。2波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計501は、互いに光路長の異なる第1導波路506と、第2導波路507と、第5光方向性結合器508と、第6光方向性結合器509とから構成される。 FIG. 5 shows an example of the frequency change measurement unit 311 according to this embodiment when an electro-optical modulator is used as the optical frequency comb generator 302, as the frequency change measurement unit 3111. The frequency change measurement unit 311 shown in FIG. 5 is composed of a two-wavelength unbalanced Mach-Zehnder interferometer 501, a first optical bandpass filter (BPF) 502, a second optical bandpass filter (BPF) 503, a first photodetector 504, and a second photodetector 505. The two-wavelength unbalanced Mach-Zehnder interferometer 501 is composed of a first waveguide 506, a second waveguide 507, a fifth optical directional coupler 508, and a sixth optical directional coupler 509, each of which has a different optical path length.

光周波数コム発生器302において生成された光周波数コム313は、第1光方向性結合器308に入力され、光周波数コム314と光周波数コム317に分離され、光周波数コム317は周波数変化測定部311に入力される。光周波数コム317は、参照光510として第1導波路506を、参照光511として第2導波路507を伝搬し、第6光方向性結合器509において合流し、出力光512が出力される。第1光バンドパスフィルタ(BPF)502によって出力光512のp番目のコムモードのみを出力光513として透過させ、第1光検出器504によって出力光513の干渉信号が検出される。 The optical frequency comb 313 generated in the optical frequency comb generator 302 is input to the first optical directional coupler 308 and separated into the optical frequency comb 314 and the optical frequency comb 317, and the optical frequency comb 317 is input to the frequency change measurement unit 311. The optical frequency comb 317 propagates through the first waveguide 506 as reference light 510 and through the second waveguide 507 as reference light 511, and is merged at the sixth optical directional coupler 509, and the output light 512 is output. The first optical bandpass filter (BPF) 502 transmits only the p-th comb mode of the output light 512 as the output light 513, and the first photodetector 504 detects the interference signal of the output light 513.

電気光学変調器303によって生成された2n個のサイドバンドは、参照光315として第2光方向性結合器309に入力され、参照光316と参照光318に分離され、参照光318は周波数変化測定部311に入力される。参照光318は、光周波数コム317と同様、第1導波路506及び第2導波路507を伝搬し、第1光方向性結合器308から出力光516として出力される。第2光バンドパスフィルタ(BPF)503によって出力光516のq番目のコムモードの上側サイドバンドのみを出力光517として透過させ、第2光検出器505によって出力光517の干渉信号が検出される。第2光バンドパスフィルタ(BPF)503は、出力光516のq番目のコムモードの上側サイドバンドのみを透過させるように設定されるものとしたが、出力光516のq番目のコムモードの下 側サイドバンドを透過させるように設定されるものとしてもかまわない。 The 2n sidebands generated by the electro-optical modulator 303 are input to the second optical directional coupler 309 as reference light 315, separated into reference light 316 and reference light 318, and the reference light 318 is input to the frequency change measurement unit 311. The reference light 318 propagates through the first waveguide 506 and the second waveguide 507, similar to the optical frequency comb 317, and is output from the first optical directional coupler 308 as output light 516. The second optical bandpass filter (BPF) 503 transmits only the upper sideband of the q-th comb mode of the output light 516 as output light 517, and the second optical detector 505 detects the interference signal of the output light 517. The second optical bandpass filter (BPF) 503 is set to transmit only the upper sideband of the q-th comb mode of the output light 516, but it may also be set to transmit the lower sideband of the q-th comb mode of the output light 516.

光周波数コム313がn個のコムから構成されるとして、光周波数コム313が電気光学変調器303に入力されることによって生成された2n個のサイドバンドのうち、光周波数コム313のCWレーザ312から数えてq番目のコムから生成されたサイドバンドの、上側サイドバンドの周波数νq+及び下側サイドバンドの周波数νq―は、 Assuming that the optical frequency comb 313 is composed of n combs, among the 2n sidebands generated by inputting the optical frequency comb 313 to the electro-optic modulator 303, the frequency of the upper sideband v q+ and the frequency of the lower sideband v q− of the sideband generated from the q-th comb of the optical frequency comb 313 counting from the CW laser 312 are expressed as follows :

Figure 0007654246000012
Figure 0007654246000012

Figure 0007654246000013

で表すことが出来る。ΔCWとΔを求めることによって、電気光学変調器303によって生成された2n個のサイドバンドのうち、全てのサイドバンドの周波数を算出することが出来る。
Figure 0007654246000013

By determining Δ CW and Δ m , the frequencies of all of the 2n sidebands generated by the electro-optic modulator 303 can be calculated.

図5に示す周波数変化測定部3111を用いた場合、光周波数コム317のs番目のコムモードの周波数は、 When the frequency change measurement unit 3111 shown in FIG. 5 is used, the frequency of the s-th comb mode of the optical frequency comb 317 is

Figure 0007654246000014
で表される。光周波数コム317の周波数変化量Δνと、第1光検出器504によって検出された出力光513の干渉信号の位相の変化量Δφは、
Figure 0007654246000014
The frequency change amount Δν s of the optical frequency comb 317 and the phase change amount Δφ of the interference signal of the output light 513 detected by the first photodetector 504 are expressed as follows:

Figure 0007654246000015
Figure 0007654246000016
で表されることから、出力光513の干渉信号の位相の変化量Δφを計測することで、光周波数コム317の周波数変化量Δν、即ちΔCWを求めることが出来る。ここで、τは、2波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計501による、参照光318の光周波数コム317に対する遅延時間である。
Figure 0007654246000015
Figure 0007654246000016
Since it is expressed as above, the frequency change amount Δν s of the optical frequency comb 317, i.e., Δ CW , can be obtained by measuring the phase change amount Δφ of the interference signal of the output light 513. Here, τ is the delay time of the reference light 318 with respect to the optical frequency comb 317, caused by the two-wavelength unbalanced Mach-Zehnder interferometer 501.

参照光318のCWレーザ312から数えてq番目のコムから生成されたサイドバンドの、上側サイドバンドの周波数νq+は(式12)のように表されることから、光周波数コム317の周波数変化量Δν、即ちΔCWを求める手順と同様の手順で、参照光318の周波数変化量ΔCW+Δ、即ちΔを求めることが出来る。 Since the frequency ν q+ of the upper sideband of the sideband generated from the q-th comb of the reference light 318 counting from the CW laser 312 is expressed as (Equation 12), the frequency change Δ CW +Δ m of the reference light 318, i.e., Δ m , can be obtained in a similar manner to the procedure for obtaining the frequency change Δν s of the optical frequency comb 317 , i.e., Δ CW .

光周波数コム発生器302として微小共振器を使用する場合の、本実施形態に係る周波数変化測定部311を周波数変化測定部3112として、その一例を図6に示す。図6に示す周波数変化測定部3112は、図5に示す周波数変化測定部3111と比較すると、第5光方向性結合器508には第5光バンドパスフィルタ(BPF)603及び第5光検出器606が、第6光方向性結合器509には第3光バンドパスフィルタ(BPF)601、第4光バンドパスフィルタ(BPF)602、第3光検出器604及び第4光検出器605が接続されている点が異なっている。 FIG. 6 shows an example of the frequency change measurement unit 311 according to this embodiment as the frequency change measurement unit 3112 when a microresonator is used as the optical frequency comb generator 302. The frequency change measurement unit 3112 shown in FIG. 6 differs from the frequency change measurement unit 3111 shown in FIG. 5 in that the fifth optical directional coupler 508 is connected to a fifth optical bandpass filter (BPF) 603 and a fifth optical detector 606, and the sixth optical directional coupler 509 is connected to a third optical bandpass filter (BPF) 601, a fourth optical bandpass filter (BPF) 602, a third optical detector 604, and a fourth optical detector 605.

光周波数コム317は第5光方向性結合器508によって参照光510と参照光511とに分離され、参照光510は第1導波路506を、参照光511は第2導波路507を伝搬し、第6光方向性結合器509において合流し、出力光606及び出力光607が出力され、出力光606が第3光バンドパスフィルタ(BPF)601に、出力光607が第4光バンドパスフィルタ(BPF)602に入力される。第3光バンドパスフィルタ(BPF)601によって出力光606のp番目のコムモードのみを出力光609として透過させ、第3光検出器604によって出力光609の干渉信号が検出される。第4光バンドパスフィルタ(BPF)602によって出力光607のq番目のコムモードのみを出力光610として透過させ、第4光検出器605によって出力光610の干渉信号が検出される。ただし、p≠qである。 The optical frequency comb 317 is separated into reference light 510 and reference light 511 by the fifth optical directional coupler 508, the reference light 510 propagates through the first waveguide 506, and the reference light 511 propagates through the second waveguide 507. The sixth optical directional coupler 509 merges the reference light 510 and the output light 607, which are output. The output light 606 is input to the third optical bandpass filter (BPF) 601, and the output light 607 is input to the fourth optical bandpass filter (BPF) 602. The third optical bandpass filter (BPF) 601 transmits only the p-th comb mode of the output light 606 as the output light 609, and the third optical detector 604 detects an interference signal of the output light 609. A fourth optical bandpass filter (BPF) 602 transmits only the q-th comb mode of the output light 607 as output light 610, and a fourth optical detector 605 detects an interference signal of the output light 610. Here, p ≠ q.

参照光318についても、光周波数コム317と同様、第5光バンドパスフィルタ(BPF)603によって出力光608のr番目のコムモードの上側サイドバンドのみを出力光611として透過させ、第5光検出器606によって出力光611の干渉信号が検出される。 As with the optical frequency comb 317, the fifth optical bandpass filter (BPF) 603 transmits only the upper sideband of the r-th comb mode of the output light 608 as the output light 611 for the reference light 318, and the fifth optical detector 606 detects an interference signal of the output light 611.

光周波数コム313が電気光学変調器303に入力されることによって生成された2n個のサイドバンドのうち、光周波数コム313のCWレーザ312から数えてr番目のコムから生成されたサイドバンドの、上側サイドバンドの周波数νr+及び下側サイドバンドの周波数νr―は、 Of the 2n sidebands generated by inputting the optical frequency comb 313 to the electro-optic modulator 303, the frequency of the upper sideband v r+ and the frequency of the lower sideband v r− generated from the r-th comb of the optical frequency comb 313 counting from the CW laser 312 are given by

Figure 0007654246000017
Figure 0007654246000017

Figure 0007654246000018

で表すことが出来る。ただし、ΔrepはCWレーザ312の変化に伴って生じるコムモード間隔の変化量である。ΔCW、Δ、及びΔrepを求めることによって、電気光学変調器303によって生成された2n個のサイドバンドのうち、全てのサイドバンドの周波数を算出することが出来る。
Figure 0007654246000018

where Δ rep is the amount of change in the comb mode spacing that occurs with the change in the CW laser 312. By determining Δ cw , Δ m , and Δ rep , the frequencies of all of the 2n sidebands generated by the electro-optic modulator 303 can be calculated.

図6に示す周波数変化測定部3112を用いた場合、出力光609及び出力光610の干渉信号から、ΔCW及びΔrepを求めることが出来る。さらに、出力光611の干渉信号から、Δを求めることが出来る。 6, Δ CW and Δ rep can be obtained from the interference signal of output light 609 and output light 610. Furthermore, Δ m can be obtained from the interference signal of output light 611.

RF発振器304の発振周波数をfからf+Δまで掃引すると同時に、光周波数コム313の各コムモード周波数をνからν+Δまで掃引し、ライダー部310の第1~第n光検出器4061~406nによって検出された干渉信号4131~413nから、第1の実施形態と同様、第1波長分割多重伝送装置403から光周波数コム313の各サイドバンドの周波数に応じた角度方向に位置する対象体までの距離と対象体の速度を算出することが出来る。 While sweeping the oscillation frequency of the RF oscillator 304 from f m to f m + Δ m , each comb mode frequency of the optical frequency comb 313 is swept from ν p to ν p + Δ p , and from the interference signals 4131 to 413n detected by the first to nth photodetectors 4061 to 406n of the LIDAR section 310, the distance from the first wavelength division multiplexing transmission device 403 to a target located in an angular direction corresponding to the frequency of each sideband of the optical frequency comb 313 and the velocity of the target can be calculated, as in the first embodiment.

以上により得られる距離及び速度は、光周波数コム313の各サイドバンドの周波数に応じた角度方向に位置する対象体までの距離及び対象体の速度である。本実施形態における一連の距離、速度測定は、光周波数コム313のコムモード周波数を掃引することによって、参照光408の照射角の角度掃引を行い、各角度において、上式による距離及び速度測定を行う。 The distance and velocity obtained from the above are the distance to the target object located in an angular direction according to the frequency of each sideband of the optical frequency comb 313, and the velocity of the target object. In this embodiment, a series of distance and velocity measurements are performed by sweeping the comb mode frequency of the optical frequency comb 313, thereby sweeping the irradiation angle of the reference light 408, and measuring the distance and velocity at each angle according to the above formula.

本実施形態の距離、速度測定装置を使用して、静止している対象体、移動している対象体の距離と速度の算出を実際に行った。この実験の構成の一部を図7に示す。本実験では、図3に示す光周波数コム発生器302として微小共振器702を使用した。また、簡単のために、光バンドパスフィルタ(BPF)711によって、微小共振器702において生成された光周波数コム715のn本のコムモードのうち1本のコムモード716のみを取り出して、コムモード616に対してのみ距離と速度の算出を行った。図7には、図3に示すライダー部310と周波数変化測定部311は示していない。また、微小共振器702の共鳴周波数を変えるための、例えばマイクロヒータ等の機構は図7には図示されていない。 The distance and speed measurement device of this embodiment was used to actually calculate the distance and speed of a stationary object and a moving object. Part of the configuration of this experiment is shown in FIG. 7. In this experiment, a microresonator 702 was used as the optical frequency comb generator 302 shown in FIG. 3. For simplicity, only one comb mode 716 out of n comb modes of the optical frequency comb 715 generated in the microresonator 702 was extracted by an optical bandpass filter (BPF) 711, and the distance and speed were calculated only for the comb mode 616. The lidar unit 310 and the frequency change measurement unit 311 shown in FIG. 3 are not shown in FIG. 7. Also, a mechanism such as a microheater for changing the resonant frequency of the microresonator 702 is not shown in FIG. 7.

図8に、観測された上側サイドバンドと下側サイドバンドの周波数の時間変化を示す。また、図9に、静止している対象体、移動している対象体に対する観測されたビート信号を示す。図9に示すように、静止している対象体、移動している対象体のいずれに対してもビート周波数を観測出来た。また、図8に示すように、上側サイドバンドと下側サイドバンドとで互いに異なる周波数変化が観測された。 Figure 8 shows the observed changes in frequency of the upper and lower sidebands over time. Figure 9 shows the beat signals observed for a stationary object and a moving object. As shown in Figure 9, beat frequencies were observed for both stationary and moving objects. Also, as shown in Figure 8, different frequency changes were observed for the upper and lower sidebands.

静止している対象体、移動している対象体のビート周波数を使用して算出した距離と速度を次の表に示す。静止している対象体、移動している対象体のそれぞれの距離はほぼ同じ値を示し、速度の値は50倍程度の差となった。従って、本実施形態の距離、速度測定装置によって、静止している対象体が静止状態であり、移動している対象体は動作している状態であると認識することが出来た。また、定量的に値を算出することが出来た。 The following table shows the distance and speed calculated using the beat frequency of a stationary object and a moving object. The distances of the stationary object and the moving object were almost the same, but the speed values differed by about 50 times. Therefore, the distance and speed measuring device of this embodiment was able to recognize that a stationary object is in a stationary state, and that a moving object is in a moving state. It was also possible to calculate the values quantitatively.

Figure 0007654246000019
Figure 0007654246000019

以上、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 The present invention naturally includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention-specific matters related to the scope of the claims that are appropriate from the above explanation.

10、30、90、130 距離、速度測定装置
101、301、701、1001 CWレーザ光源装置
102、303、703、1301 電気光学変調器
103、304、704、1302 RF発振器
104、305、705 電流コントローラ
105、306、706 第1制御装置
106、307、707 第2制御装置
107、308 第1光方向性結合器
108、402、1003 サーキュレータ
109、1004 角度掃引機構
110、309 第2光方向性結合器
111、712、1007 光検出器
112、407、713、1008 計算装置
113、312、714、1009 CWレーザ
114 混合光
115~118、315、316、318、408、409、510、511、1010~1012、1016 参照光
119~121、411、1013、1014 散乱光
122、412、512、513、516、517、606~611、1017 出力光
123、4131~413n、1018 干渉信号
124、410、1005 対象体
302 光周波数コム発生器
310 ライダー部
311、3111、3112 周波数変化測定部
313、314、317、615 光周波数コム
401 第3光方向性結合器
403 第1波長分割多重伝送装置
404 第4光方向性結合器
405 第2波長分割多重伝送装置
4061~406n 第1~第n光検出器
501 2波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計
502 第1光バンドパスフィルタ(BPF)
503 第2光バンドパスフィルタ(BPF)
504 第1光検出器
505 第2光検出器
506 第1導波路
507 第2導波路
508 第5光方向性結合器
509 第6光方向性結合器
601 第3光バンドパスフィルタ(BPF)
602 第4光バンドパスフィルタ(BPF)
603 第5光バンドパスフィルタ(BPF)
604 第3光検出器
605 第4光検出器
606 第5光検出器
702 微小共振器
711 コムモード
1002、1006 光方向性結合器
10, 30, 90, 130 Distance, speed measuring device 101, 301, 701, 1001 CW laser light source device 102, 303, 703, 1301 Electro-optical modulator 103, 304, 704, 1302 RF oscillator 104, 305, 705 Current controller 105, 306, 706 First control device 106, 307, 707 Second control device 107, 308 First optical directional coupler 108, 402, 1003 Circulator 109, 1004 Angle sweep mechanism 110, 309 Second optical directional coupler 111, 712, 1007 Photodetector 112, 407, 713, 1008 Calculation device 113, 312, 714, 1009 CW laser 114 Mixed light 115-118, 315, 316, 318, 408, 409, 510, 511, 1010-1012, 1016 Reference light 119-121, 411, 1013, 1014 Scattered light 122, 412, 512, 513, 516, 517, 606-611, 1017 Output light 123, 4131-413n, 1018 Interference signal 124, 410, 1005 Object 302 Optical frequency comb generator 310 LIDAR unit 311, 3111, 3112 Frequency change measurement unit 313, 314, 317, 615 Optical frequency comb 401 Third optical directional coupler 403 First wavelength division multiplexing transmission device 404 Fourth optical directional coupler 405 Second wavelength division multiplexing transmission devices 4061 to 406n First to nth photodetectors 501 Two-wavelength unbalanced Mach-Zehnder interferometer 502 First optical bandpass filter (BPF)
503 Second optical bandpass filter (BPF)
504: First photodetector 505: Second photodetector 506: First waveguide 507: Second waveguide 508: Fifth optical directional coupler 509: Sixth optical directional coupler 601: Third optical bandpass filter (BPF)
602 4th optical bandpass filter (BPF)
603 5th optical bandpass filter (BPF)
604 Third photodetector 605 Fourth photodetector 606 Fifth photodetector 702 Microresonator 711 Comb mode 1002, 1006 Optical directional coupler

Claims (17)

連続波である励起光を照射するレーザ光源装置と、
前記励起光の発振周波数を制御するための電流コントローラと
前記電流コントローラを制御する第1制御装置と、
変調周波数で変調信号を発振するRF発振器と、
前記励起光から得られるキャリア光源が入力され、前記RF発振器の前記変調信号によって駆動され、前記キャリア光源を抑制し、前記キャリア光源の高周波側に前記変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及び前記キャリア光源の低周波側に前記変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を参照光として出力する電気光学変調器と、
前記RF発振器の前記変調周波数を制御する第2制御装置と、
前記参照光を対象体に照射したときの散乱光と前記参照光との干渉信号を計測する光検出器と、
前記光検出器によって検出された前記干渉信号から前記対象体までの距離及び前記対象体の速度を計算する計算装置と
を備え、前記第1制御装置による前記電流コントローラの制御によって前記参照光の周波数をνからν+ΔCWまで掃引し、前記第2制御装置による前記RF発振器の制御によって、前記RF発振器の前記発振周波数をfからf+Δまで掃引し、
前記第1制御装置による前記電流コントローラの制御及び前記第2制御装置による前記RF発振器の制御は、互いに同期をとりながら実行され、
前記計算装置は前記干渉信号から前記上側サイドバンドのビート信号の周波数beat+及び前記下側サイドバンドのビート信号の周波数beat-以下の式


より算出し、さらに



の式(cは光速、Tは前記参照光の周波数のνからν+ΔCWまでの掃引時間、Δは周波数変化量の最大値)により前記対象体までの距離τ及び前記対象体の速度Vを算出することを特徴とする距離・速度測定装置。
A laser light source device that irradiates excitation light that is a continuous wave;
a current controller for controlling an oscillation frequency of the excitation light; and a first control device for controlling the current controller.
an RF oscillator that oscillates a modulating signal at a modulating frequency;
an electro-optical modulator that receives a carrier light source obtained from the excitation light, is driven by the modulation signal of the RF oscillator, suppresses the carrier light source, generates an upper side band shifted to the high frequency side of the carrier light source by the modulation frequency and a lower side band shifted to the low frequency side of the carrier light source by the modulation frequency, and outputs a mixed light of the upper side band and the lower side band as a reference light;
a second control device for controlling the modulation frequency of the RF oscillator;
a photodetector that measures an interference signal between the reference light and scattered light when the reference light is irradiated onto an object;
a calculation device that calculates a distance to the object and a velocity of the object from the interference signal detected by the photodetector, wherein the frequency of the reference light is swept from v c to v c + Δ CW by controlling the current controller by the first control device, and the oscillation frequency of the RF oscillator is swept from f m to f m + Δ m by controlling the RF oscillator by the second control device;
the control of the current controller by the first control device and the control of the RF oscillator by the second control device are performed in synchronization with each other;
The calculation device calculates the frequency f beat+ of the upper sideband beat signal and the frequency f beat− of the lower sideband beat signal from the interference signal using the following formula:


Calculate from and further



(c is the speed of light, T is the sweep time from v c to v c + Δ CW of the frequency of the reference light, and Δ is the maximum value of the frequency change)
前記対象体に照射する前記参照光の角度を掃引する角度掃引機構をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の距離・速度測定装置。 The distance/speed measuring device according to claim 1, further comprising an angle sweeping mechanism for sweeping the angle of the reference light irradiated onto the target object. 前記励起光と前記キャリア光源とは互いに同一であることを特徴とする請求項1又は2に記載の距離・速度測定装置。 The distance/speed measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the excitation light and the carrier light source are the same. 前記参照光の周波数の掃引量と前記RF発振器の前記発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の距離・速度測定装置。 A distance/speed measuring device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sweep amount of the frequency of the reference light and the sweep amount of the oscillation frequency of the RF oscillator are measured using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer. 前記参照光の周波数の掃引量と前記RF発振器の前記発振周波数の掃引量とを干渉用CWレーザを用いて測定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の距離・速度測定装置。 A distance/speed measuring device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sweep amount of the frequency of the reference light and the sweep amount of the oscillation frequency of the RF oscillator are measured using an interference CW laser. 前記励起光から前記キャリア光源として光周波数コムを生成する光周波数コム発生器と、
前記第1制御装置による前記電流コントローラの制御による前記光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定する周波数変化測定部と、
前記光周波数コムを前記電気光学変調器に入力し、前記光周波数コムの各コムモードについて生成された前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を、前記各コムモードのモード毎に分離し、前記モード毎に分離された前記混合光のそれぞれを前記各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するための第1波長分割多重伝送装置と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の距離・速度測定装置。
an optical frequency comb generator that generates an optical frequency comb from the excitation light as the carrier light source;
a frequency change measurement unit that measures a sweep amount of a comb mode frequency of the optical frequency comb under control of the current controller by the first control device;
3. The distance/speed measurement device according to claim 1, further comprising: a first wavelength division multiplexing transmission device for inputting the optical frequency comb to the electro-optical modulator, separating the mixed light of the upper sideband and the lower sideband generated for each comb mode of the optical frequency comb for each mode of each of the comb modes, and irradiating each of the mixed lights separated for each mode at an angle corresponding to the mode frequency of each of the comb modes.
前記光周波数コム発生器は、電気光学変調器から構成されることを特徴とする請求項6に記載の距離・速度測定装置。 The distance and speed measurement device according to claim 6, characterized in that the optical frequency comb generator is composed of an electro-optical modulator. 前記光周波数コム発生器は、微小共振器から構成されることを特徴とする請求項6に記載の距離・速度測定装置。 The distance and speed measurement device according to claim 6, characterized in that the optical frequency comb generator is composed of a microresonator. 前記周波数変化測定部はアンバランスマッハツェンダ―干渉計から構成されることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の距離・速度測定装置。 A distance/speed measuring device according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the frequency change measuring unit is composed of an unbalanced Mach-Zehnder interferometer. 前記周波数変化測定部は前記光周波数コムと干渉用CWレーザとの干渉計から構成されることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の距離・速度測定装置。 A distance/speed measurement device according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the frequency change measurement unit is composed of an interferometer between the optical frequency comb and an interfering CW laser. 前記電気光学変調器は、強度変調器であり、直流バイアス電圧を調整することによってキャリア抑制両側サイドバンド変調するように調整されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の距離・速度測定装置。 The distance and speed measurement device according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the electro-optical modulator is an intensity modulator and is adjusted to perform carrier suppression double sideband modulation by adjusting the DC bias voltage. 連続波である励起光を照射するステップと、
前記励起光からキャリア光源を得るステップと、
変調周波数で変調信号を発振するRF発振器によって駆動される電気光学変調器に入力し、前記キャリア光源が抑制され、前記キャリア光源の高周波側に前記変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及び前記キャリア光源の低周波側に前記変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を参照光として出力するステップと、
前記参照光を対象体に照射したときの散乱光と前記参照光との干渉信号を計測するステップと、
前記参照光の周波数をνからν+ΔCWまで掃引し、前記RF発振器の発振周波数をfからf+Δまで掃引するステップと、
前記干渉信号から前記上側サイドバンドのビート信号の周波数beat+及び前記下側サイドバンドのビート信号の周波数beat-以下の式




より算出するステップと、




上式(cは光速、Tは前記参照光の周波数のνからν+ΔCWまでの掃引時間、Δは周波数変化量の最大値)により前記対象体までの距離τ及び前記対象体の速度Vを算出するステップと
を備えることを特徴とする距離・速度測定方法。
Irradiating the device with continuous wave excitation light;
obtaining a carrier light source from the excitation light;
inputting the modulated signal to an electro-optic modulator driven by an RF oscillator that oscillates the modulated signal at a modulation frequency, suppressing the carrier light source, generating an upper sideband shifted to the high frequency side of the carrier light source by the modulation frequency and a lower sideband shifted to the low frequency side of the carrier light source by the modulation frequency, and outputting a mixed light of the upper sideband and the lower sideband as a reference light;
measuring an interference signal between the reference light and scattered light when the reference light is irradiated onto an object;
Sweeping the frequency of the reference light from v c to v cCW and sweeping the oscillation frequency of the RF oscillator from f m to f mm ;
The frequency f beat+ of the upper sideband beat signal and the frequency f beat− of the lower sideband beat signal are calculated from the interference signal by the following formula:




and calculating the




and calculating a distance τ to the object and a velocity V of the object using the above formula (where c is the speed of light, T is the sweep time from v c to v c + Δ CW of the frequency of the reference light, and Δ is the maximum value of the frequency change).
前記対象体に照射する前記参照光の角度を掃引するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項12に記載の距離・速度測定方法。 The distance/speed measurement method according to claim 12, further comprising a step of sweeping the angle of the reference light irradiated onto the target object. 前記励起光と前記キャリア光源とは互いに同一であることを特徴とする請求項12又は13に記載の距離・速度測定方法。 The distance/speed measurement method according to claim 12 or 13, characterized in that the excitation light and the carrier light source are the same. 前記参照光の周波数の掃引量と前記RF発振器の前記発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項12乃至14のいずれかに記載の距離・速度測定方法。 The distance/velocity measurement method according to any one of claims 12 to 14, further comprising a step of measuring the sweep amount of the frequency of the reference light and the sweep amount of the oscillation frequency of the RF oscillator using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer. 前記参照光の周波数の掃引量と前記RF発振器の前記発振周波数の掃引量とを干渉用CWレーザを用いて測定するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項12乃至14のいずれかに記載の距離・速度測定方法。 The distance/velocity measurement method according to any one of claims 12 to 14, further comprising a step of measuring the sweep amount of the frequency of the reference light and the sweep amount of the oscillation frequency of the RF oscillator using an interference CW laser. 前記励起光から前記キャリア光源として光周波数コムを生成するステップと、
前記参照光の周波数をνからν+ΔCWまで掃引し、前記RF発振器の前記発振周波数をfからf+Δまで掃引するステップにおいて、前記光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定するステップと、
前記光周波数コムの各コムモードについて生成された前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を、前記各コムモードのモード毎に分離し、前記モード毎に分離された前記混合光のそれぞれを前記各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するステップと
をさらに備えたことを特徴とする請求項12又は13に記載の距離・速度測定方法。



generating an optical frequency comb from the excitation light as the carrier light source;
a step of sweeping the frequency of the reference light from v c to v cCW and sweeping the oscillation frequency of the RF oscillator from f m to f mm , measuring a sweep amount of a comb mode frequency of the optical frequency comb;
14. The distance and velocity measurement method according to claim 12 or 13, further comprising a step of separating the mixed light of the upper sideband and the lower sideband generated for each comb mode of the optical frequency comb for each mode of the comb mode, and irradiating each of the mixed lights separated for each mode at an angle corresponding to the mode frequency of each of the comb modes.



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