JPH0375581A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は目標の距離と速度を測定するレーザレーダ装
置に関する。

〔従来の技術〕

第７図は例えば文献（０ｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅ
ｒｉｎｇ。

ｖｏｌ、　２Ｆ、　Ｎｏ、ｆ、　ｐｐ、　Ｏｆｆ〜０１
５．１９１１８　）に示された従来例のレーザレーダ装
置の機能ブロック図である。但し、距離測定機能ブロッ
クは周知例による。

図にかいてωは持続発振する炭酸ガスレーザ光源、　Ｇ
ｌｌはこのレーザ光源からの照射光ｔ−２分割する分配
器、（至）はこの分配器からの照射光の一方を入射し、
搬送角周波数ωΩをオフセット角周波数ωＡＣで周波数
変換する音響光学素子、　■はこの音響光学素子からの
照射光を時間カウンタＵからのパルス信号に応じて光パ
ルスに変換する光スィッチ、（８）はこの光スィッチか
らの照射光の水平直線偏光と１／４波長板（９１からの
反射光の垂直直線偏光とを分離し透過する偏光子、Ｃ９
）はこの偏光子からの水平直線偏光の照射光を円偏光、
望遠光学系ａｌからの円偏光の反射光を垂直直線偏光に
各々変換する１７４波長板、　＋１＋１はこの１／４波
長板からの照射光を目標に照射し目標からの反射光を受
光する望遠光学系、０は分配器Ｇｌｌからの照射光の他
方（参照光）を入射し偏光子（８）を経た目標からの反
射光の偏波方向と一致させる偏波制御器、ａｌはこの偏
波制御器を経た参照光と偏光子（８）を経た目標からの
反射光を入射し合波する合波器、ａｌはこの合波器から
の出射光を光−電気変換し周波数混合する受光素子、ａ
・はこの受光素子からの検波信号を増幅する増幅器、儲
はこの増幅器からのパルス信号が光スィッチ（至）にパ
ルス信号を送ってから再び入力されるまでの時間ｔを観
測し距離信号を算出する時間カウンタ、＠は増幅器α・
からのパルス信号に含１れるドプラ周波数偏移ωＤＰを
観測し速度信号を算出するスベトラムアナライザである
。

上記従来例のレーザレーダ装置は、レーザ光源■で一定
の角周波数ω０のレーザ光を持続発振し。

分配器Ｃ（ｎで照射光と参照光に２分割する。照射光を
音響光学素子（至）で角周波数をω０＋ωＡＣに変換し
光スィッチ（至）で光パルスに変換して偏光子＋８１に
入射する。偏光子（８）からの水平直線偏光の照射光を
１／４波長板（９）で円偏光に偏光し望遠光学系軸で目
標に照射する。次に目標の相対速度によシドプラ周波数
偏移ωＤＰｔ受けた角周波数ω０＋ωＡＣ＋ωＤＰ　　
の目標からの反射光を望遠光学系軸で受光し、１／４波
長板＋９１で円偏光の反射光を垂直直線偏光に変換し、
偏光子（８１で照射光の水平直線偏光と分離し透過した
反射光の垂直直線偏光を合波器な）の一方に入射する。

一方参照光を偏波制御器側で偏光子（８）を経た反射光
の偏波方向と一致させて合波器０の他方に入射する。更
に合波器０で照射光の目標からの反射光と参照光を合波
し、受光素子０で光−電気変換し周波数混合する。受光
素子ａｊの検波出力を増幅器ａ４で増幅したパルス信号
を時間カウンタＵに入力し２時間カウンタ（財）で光ス
ィッチ（至）にパルス信号を送ってから再び入力される
までの時間ｔを観測し目標筐での距離Ｒを次式から算出
する。

Ｒ：　　　−ｔ−ｃ ここで、Ｃは光の速度 また受光素子（１３の検波出力を増幅器α◆で増幅した
パルス信号をスペトラムアナライザ（至）に入カシ。

スペクトラムアナライザ（至）で電気信号Ｉを観測しド
プラ周波数偏移ωＤＰｔ−弁別して目標の相対速度Ｖｌ
を次式から算出する。

ｖｒ＝ωＤＰ”／ω０ ここで、Ｃは光の速度 なか上記電気信号！は次式で示される。

Ｉ＝２η＆ｈ　　ｔ２　ｅｘｐ　（ｊ（ωＡＣ＋”ＤＰ
　）　ｔ＋φ、−φ２）ここで、ηは受光素子０の感度 ■、とφ１は照射光の目標からの反射光の受光素子ａ３
での強度と位相 Ｉ２とφ２は参照光の受光素子ａＳでの強度と位相 〔発明が解決しようとする課題〕 上記のような従来のレーザレーダ装置では、距離分解能
を向上するためパルス信号を狭くすると速度信号検出用
の平均電力が低下して信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が劣化し
てしまう。一方速度測定時の掃引時間を短かくして速度
信号の平均電力を上げると距離分解能を犠牲にすること
になる。従って目標の距離と速度を同時に測定するため
には相反する問題点があった。

この発明は距離分解能が高く、かつ速度検出Ｓ／Ｎの良
い目標の距離と速度の測定方式を提供するレーザレーダ
装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するためこの発明のレーザレーダ装置は
９次の手段を備えたものである。

（イ）周期長２ｎ−１ビツトのＭ系列２値信号を発生ず
るＭ系列発生器 （ロ）Ｍ系列発生器からのＭ系列２値信号に応じて第１
と第２の角周波数ω１０とω１１（ω１０〈ω１１）で
周波数変調発振をする照射光源 （ハ）Ｍ系列発生器からのＭ系列２値信号をビット単位
で遅延するビット遅延手段 に）　ビット遅延手段からのＭ系列２値信号に応じて第
３と第４の角周波数ω２０とω２１（ω２０　＜ω２１
）で周波数変調発振をする参照光源 （ホ）照射光源と参照光源からの出射光（照射光と参照
光）各々を２分割する分配手段 （へ）照射光と参照光各々の前記分配手段からの出射光
各々の一方を入射し角周波数偏移ω１．−ω、。

とω２１−ω２１　ｆｔ一致させ、かつ角周波数間隔１
ω１〇−ω２０＋と１ω１１−ω２１１　　を一定差の
中間角周波数ωＩＦに保持させるための周波数管理手段
（ト）照射光の前記分配手段からの出射光の他方と目標
からの反射光を分離し透過する偏光手段（７）偏光手段
からの出射光と目標からの反射光各々の偏波方向を変換
する偏波変換手段（す）偏波変換手段からの出射光を目
標に照射し。

目標からの反射光を受光する光学系手段−）参照光の前
記分配手段からの出射光の他方を入射し、目標か゛らの
反射光の偏波方向と一致させるように制御する偏波制御
手段 □　偏波制御手段からの出射光と目標からの反射光を入
射し合波する手段 （４）合波手段からの出射光を光−電気変換し周波数混
合する検波手段 （切　検波手段からの出力信号を増幅する手段−増幅手
段からの出力信号のうち照射光と参照光両者の角周波数
間隔１ω１０−ω２０＋＝ｌω１１−ω２１１＝ωＩＦ
近傍の信号だけ帯域通過をし、照射光と参照光各々の角
周波数偏移ω１１−ω１０＝ω２１−ω２０＝Δω近傍
の信号だけ高域通過をする手段−１前記高域通過手段か
らの出力値を最小にするように前記ビット遅延手段の遅
延量を変化させ距離信号を算出するための遅延量制御手
段（イ）前記帯域通過手段からの出力のドプラ周波数偏
移ωＤＰｔ−弁別し速度信号を算出するための周波数弁
別手段 〔作用〕 上記のように構成したレーザレーダ装置は＃Ｍ系系列２
信信で２個の周波数変！！１４をした照射光の目標から
の反射光を、ビット遅延をしたＭ系列２値信号で同様に
２値の周波数置ｌｐ１をした参照光と同期して検波し１
Ｍ系列２個信号の遅延時間を照射光が目標までの距離を
往復する時間と等しくなるように制御するから、照射光
の目標からの反射光と参照光この相関が最大となシ同期
検波出力の高周波成分は零となる。また同時に同期検波
出力の低周波成分には目標の相対速度に応じたドプラ周
波数偏移成分が高い信号レベルで生じる。この時のＭ系
列２値信号のビット遅延数から目標筐での距離がわかる
。

従って目標の相対速度を良好なＳ／Ｎで、　かつ目標１
での距離を高い分解能で測定する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザレーダ装置の
機能ブロック図である。

図にわいて（１１は例えばＮ段のシフトレジスタとその
複数段の論理的結合をシフトレジスタ入力に帰還する論
理回路で構成し２周期長２ｎ−１（ｎ：任意の整数）ビ
ットのＭ系列（記号系列の一つ）２値信号を発生するＭ
系列発生器、（２１はこのＭ系列発生器からのＭ系列２
値信号に応じて第１角周波数ω１０と第２角周波数ω１
１（ω１０＜ω１１）で周波数変調パルス発振をする半
導体レーザ照射光源。

（３）はＭ系列発生器（１）からのＭ系列２値信号をビ
ット単位で遅延する遅延器、（４１はこの遅延器でビッ
ト遅延したＭ系列２値信号に応じて第３角周波数ω加と
第４角周波数ω２１（ω２Ｇ＜ω２１）で周波数変調パ
ルス発振をする半導体レーザ参照光源、Ｃ５）は照射光
源（２）からの出射光を２分割する第１分配器。

（６）は参照光源＋４１からの出射光を２分割する第２
分配器、（７）は第１と第２分配器＋５１　＋６１から
の照射光と参照光各々の一方を入射し照射光と参照光各
々の角周波数偏移ω１１−ω１０とω２１−ω２０を一
致させ。

かつ両者の角周波数間隔１ω１０−ω２０１と１ω１１
−ω２１１を一定差の中間角周波数ωＩＦに保持させる
周波数管理器、（８）は第１分配器＋５１からの照射光
の他方の水平直線偏光と１７４波長板＋９１からの反射
光の垂直直線偏光とを分離し透過する偏光子、（９）は
この偏光子からの水平直線偏光の照射光を円偏光、望遠
光学系ａｌｌからの円偏光の反射光を垂直直線偏光に各
々変換する１／４波長板、ａ・はこの１／４波長板から
の照射光を目標に照射し目標からの反射光を受光する窒
遠光学系、卸は第２分配器（６）からの参照光の他方を
入射し、偏光子（８）を経た目標からの反射光の偏波方
向と一致させる偏波制御器、鉦訝はこの偏波制御器を経
た参照光と偏光子（８１を経た目標からの反射光を入射
し合波する第１合波器、ａ３ＩＩｉこの第１合波器から
の出射光を光−電気変換し周波数混合する第１受光素子
、　Ｑ４１はこの第１受光素子からの電気信号を増幅す
る増幅器、０はこの増幅器からの信号のうち照射光と参
照光両者の角周波数間隔に相当する中間角周波数ωＩＦ
近傍（ωｘｐ　＋”ＤＰ　）　　の信号だけ帯域通過を
する第１帯域通過フィルタ、ａｌは増幅器α番からの信
号のうち照射光と参照光各々の角周波数偏移Δω近傍の
信号だけ高域通過をする高域通過フィルタ、αＤはこの
高域通過フィルタからの出力値を最小にするように遅延
器（３）の遅延ビット数を変化させ、その遅延ビット数
から距離信号を算出する遅延量制御器、α謹は第１帯域
通過フィルタ（２）からの信号のドプラ周波数偏移ωＤ
Ｐを弁別し速度信号を算出する第１周波数弁別器である
。

第２図は上記実施例を示す第１図の周波数管理器（７１
の機能ブロック図である。

図にかいて（２０ａ　）と（ｚｏｂ）は第１と第２分配
器＋５１１６１からの照射光と参照光を２分割する第３
と第４分配器、　　（２１０）と（２１ｂ）はこの第３
と第４分配器からの出射光各々の一方を入射し９例えば
２枚の対向半透明鏡の間隔を電歪素子などで変化させ各
々の共振角周波数を掃引する第１と第２ファプリーベロ
ー型共振器、■はこの第１と第２７アグリーペロー型共
振器の各共振角周波数の間隔を直線的に経時変化させる
ための一定周期の３角波信号を発生する駆動器、　　（
２３ａ）と（２３ｂ）は第１と第２フアプリーペロー型
共振器（ｚ＋ａ）　（ｚ＋ｂ）からの出射光各々を光−
電気変換する第２と第３受光素子、Ｑ４はこの第２と第
３受光素子からの照射光と参照光を電気変換した信号で
各々の角周波数偏移ω１１−ω１０とω２１−ω２０に
対応する時間を一致させるように参照光源（４１に変位
電流設定値を帰還する変位電流制御器、■は第３と第４
分配器（２０ａ）（２０ｂ）からの出射光各々の他方を
入射し合波する第２合波器、ａｎはこの第２合波器から
の出射光を光−電気変換する第４受光素子、■はこの第
４受光素子からの照射光と参照光の合波光を電気変換し
た信号のうち角周波数ωＩＦ近傍（ωＩＦ’）　　の信
号だけ帯域通過をする第２帯域通過フィルタ、＠はこの
第２帯域通過フィルタからの信号の角周波数ωＩＦ′ｆ
：＊別し、照射光と参照光両者の角周波数間隔｜ω１０
−ω２０１と１ω１１−ω２１１に相当する所望の中間
角周波数ωＩＦと一致させるように参照光源（４）にバ
イアス電流設定値を帰還する第２周波数弁別器である。

上記実施例のレーザレーダ装置は１Ｍ系列発生器ｆｉｌ
でＭ系列２値信号′ｆ：２ｎ−１ビツト毎に繰返し発生
し、照射光源（２）で注入電流をＭ系列２値信号に応じ
て変調し、角周波数ω１０とω１１で周波数変調を受け
た照射光を発振する。同様にして参照光源（４）でＭ系
列２値信号を遅延器（３１によう照射光源（２）に対し
てビット単位で遅延させた信号に応じて変調し、角周波
数ω２０とω２１で周波数変調を受けた参照光を発振す
る。第１と第２分配器＋５１１６１で照を 射光と参照光を各々２分割し、各々の一方の周波数管理
器＋７１に入射する。この周波数管理器（７）の第３と
第４分配器（２０ａ）　（２０ｂ）で照射光と参照光を
各々更に２分割し、各々の一方を入射した第１と第２フ
アプリーペロー型共振器（ｚ＋ａ）　（ｚ＋ｂ）で照射
光と参照光の各共振角周波数を駆動器のにより周期１．
）で掃引する（第３図（ａ）参照）。第２と第３受光素
子（ｚｓａ）　（２５ｂ）で各共振器（２＋ａ）　（２
１ｂ）からの出射光を光−電気変換し、変位電流制御器
例で照射光と参照光各々の角周波数偏移ω１１−ω１０
とω２１−ω２０に相当する時間ΔｔとΔｔ′が一致す
るように（第３図（ｂｌ（ｃ）参照）参照光源＋４１に
変位電流設定値を帰還し、ω１１−ω１０＝ωη−ω２
０＝Δωとする。一方策３と第４分配器（２０ａ）　（
２０ｂ）で２分割した照射光と参照光各々の他方を入射
した第１合波器０で合波し、第４受光素子■で光−電気
変換し周波数混合した信号のうち角周波数ωＩＦ近傍（
ωＩＦ’）の信号だけ第２帯域通過フィルターで帯域通
過をし、第２周波数弁別器■でωＩＦ’を所望の中間角
周波数ωＩＦと一致させるように参照光源＋４１に角周
波数ω２０またはω２１に相当するバイアス電流設定値
を帰還し、｜ω１０−ω２０｜”Ｉω１１−ω２１１＝
ω！Ｆとする・ 筐た第１分配器＋５１で２分割した照射光の他方を偏光
子（８）に入射し、１／４波長板＋９１で偏光子（８）
からの水平直線偏光の照射光を円偏光に変換し望遠光学
系舖で目標に照射する。次に目標の相対速度によシドプ
ラ周波数偏移ωＤＰを受けた第１と第２角周波数ω１０
＋ωＤＰとω１１＋ωＷの目標からの反射光を望遠光学
系ａ・で受光し、１／４　波長板（９）で望遠光学系α
・からの円偏光の反射光を垂直直線偏光に変換し偏光子
（８）で照射光の水平直線偏光と分離し透過した垂直直
線偏光を第１合波器０３の一方に入射する。

一方第２分配器１８１で２分割した参照光の他方を偏波
制御器ａＤで偏光子（８１を経た目標からの反射光の偏
波方向と一致させて第１合波器α力の他方に入射する。

更に第１合波器０で照射光の目標からの反射光と参照光
を合波して第１受光素子α１で光−電気変換し周波数混
合して同期検波する。ここで照射光の目標からの反射光
を同期検波する時間Ｔ１と参照光をビット遅延する時間
Ｔ２が一致しない場合（Ｔ１’ｑ７２時）、第１受光素
子０１での照射光の目標からの反射光と参照光の各角周
波数の経時変化と検波出力信号の角周波数成分は第４図
ｆａｌ（ｂｌと（ｃ）に示すとす、６で、第１受光素子
０の検波出力は３つの角周波数成分を中心角周波数とす
る信号スペクトラム（ωＩＦ近傍のスペクトラムとΔω
近傍の２つのスペクトラム）ｔ−含む。

このとき増幅器ａ４で増幅した第１受光素子αｊからの
検波出力信号のうち１例えばＨＩＯＭＨｚ程度のωＩＦ
近傍の信号成分（ωＩＦ＋ωＤＰ）は第１帯域通過フィ
ルタα場で帯域通過をし１例えば数ＧＨ２程度のΔω近
傍の信号成分（Δω±（ωＩＦ＋ωＤＰ））は高域通過
フィルタαｅで高域通過をする。ω■Ｆ＝ＨＩＱＭＨｚ
、　Δ（ａｌ＝数ＧＨｚとすれば、相対速度１００　ｂ
ｌｈの移動目標からの反射光のドプラ周波数偏移ωＤＰ
は１０ＭＨｚ程度になる。

一方遅延量制御器ａｎで遅延器（３１の遅延ビット数を
制御して、上記Ｔ１とＴ２を一致させる場合（Ｔ１＝７
２時）、第１受光素子ａ３での照射光の目標からの反射
光と参照光の各角周波数の経時変化と検波出力信号の角
周波数成分は第５図ｉａｌ　（ｂｌと（ｃｌに示すとカ
うで、第１受光素子０の検波出力は１つの角周波数成分
を中心周波数とする信号スペクトラム（ω■Ｆ近傍のス
ペクトラム）だけしか含まない。

このとき増幅器ａ４で増幅した第１受光素子＋１３から
の検波出力信号のうちΔω近傍の信号成分は消失してい
るから高域通過フィルタＱｌの出力は第６図に示すとお
シ零となう、遅延量制御器ａｎで特定に の遅延ビット数４＠ヲ検出し目標までの距離Ｒ′ｆ、次
式から算出する。

Ｒ＝Ｋ・ΔＲΔＲ＝Ｃ／２Ｂ ここで、ΔＲは距離分解能 Ｃは光の速度 Ｂ＃ｉＭ系列２値信号のビットレ ー　）　（ｂｐｓ） 例えば、距離分解能ΔＲを１ｍとするにはビットレー）
１５０ＭｂｐｓのＭ系列２値信号を使用すればよい。

渣たこのときの距離算出時と同時の第１帯域通過フィル
タａｓの出力はωＩＦ＋ωＤｒの信号成分に集中して大
きくなるから、第１周波数弁別器ｔｌｌで検出するドプ
ラ周波数偏移ωＤＰの信号成分も大きくなう、しかもＭ
系列２値信号による周波数変調のスペクトラム拡散の影
響もなくなう、良好なＳ／Ｎでドプラ周波数偏移ωＤＰ
を弁別し目標の相対速度ｖｒを次式から算出する。

ｖγ＝ωＤＰＩＩＣ／ω ここでｌ　ω＝ω１０＝ω１１ 〔発明の効果〕 この発明は以上説明したように構成されてカう。

照射光源と参照光源を直接変調する各Ｍ系列２値信号相
互の遅延時間を照射光の目標からの反射光を同期検波す
る時間に一致させて、照射光の目標からの反射光と参照
光この相関を最大とし同期検波出力の高周波成分を消失
させる特性を利用し。

同期検波出力のドプラ周波数偏移成分が高い信号レベル
で検出できると同時に目標ｉでの距離がＭ系列２値信号
のビット遅延数で検出できるから。

目標の速度情報を良好なＳ／Ｎで、かつ距離情報を高い
分解能で同時測定をすることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザレーダ装置の
機能ブロック図、第２図は第１図に示す周波数管理器の
機能ブロック図、第３図は第２図に示すファプリーベロ
ー型共振器と受光素子の各共振角周波数と出力の経時変
化を示す図、第４図と第５図は第１図に示す受光素子の
検波出力のＴ、　ｓ’ｒ２時と７１　＝７２時の角周波
数成分とその経時変化を示す図、第６図は第１図に示す
高域通過フィルタの出力と遅延ビット数この関係を示す
図。 第７図は従来例を示すレーザレーダ装置の機能ブロック
図である。 図にかいて（１）はＭ系列発生器、（２）は照射光源。 （３）は遅延器、Ｃ４）は参照光源、〈５１は第１分配
器、（６）は第２分配器、（７）は周波数管理器、（８
）は偏光子。 ＋９１は１／４　ｔ１１長板、　ａｌは望遠光学系、　
αＤは偏波制御器、α２は合波器、α３は受光素子、α
４は増幅器。 ０は帯域通過フィルタ、　（１９は高域通過フィルタ。 （Ｉ？＋は遅延量制御器、ａ梯は周波数弁別器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 照射光の目標からの反射光を参照光と同期検波して目標
   の距離と速度を測定するレーザレーダ装置において、周
   期長２＾ｎ−１（ｎ：任意の整数）ビットのＭ系列（符
   号系列の一つ）２値信号を発生するＭ系列発生器、この
   Ｍ系列発生器からのＭ系列２値信号に応じて第１角周波
   数ω＿１＿０と第２角周波数ω＿１＿１（ω＿１＿０＜
   ω＿１＿１）で周波数変調発振をする照射光源、前記Ｍ
   系列発生器からのＭ系列２値信号をビット単位で遅延す
   るビット遅延手段、この手段でビット遅延したＭ系列２
   値信号に応じて第３角周波数ω＿２＿０と第４角周波数
   ω＿２＿１（ω＿２＿０＜ω＿２＿１）で周波数変調発
   振をする参照光源、前記照射光源と前記参照光源からの
   出射光（照射光と参照光）各々を２分割する分配手段、
   この分配手段からの出射光各々の一方を入射し照射光と
   参照光各々の角周波数偏移ω＿１＿１−ω＿１＿０とω
   ＿２＿１−ω＿２＿０を一致させ、かつ両者の内周波数
   間隔｜ω＿１＿０−ω＿２＿０｜と｜ω＿１＿−ω＿２
   ＿１｜を一定差の中間角周波数ω＿Ｉ＿Ｆに保持させる
   ための周波数管理手段、照射光を２分割する前記分配手
   段からの出射光の他方と目標からの反射光を分離し透過
   する偏光手段、この偏光手段からの出射光と目標からの
   反射光各々の偏波方向を変換する偏波変換手段、この偏
   波変換手段からの出射光を目標に照射し目標からの反射
   光を受光する光学系手段、参照光を２分割する前記分配
   手段からの出射光の他方を入射し目標からの反射光の偏
   波方向と一致させるように制御する偏波制御手段、この
   偏波制御手段からの出射光と目標からの反射光を入射し
   合波する手段、この合波手段からの出射光を光−電気変
   換し周波数混合する検波手段、この手段からの検波出力
   を増幅する手段、この増幅手段からの出力信号のうち照
   射光と参照光両者の角周波数間隔近傍の信号だけ帯域通
   過をし、各々の角周波数偏移近傍の信号だけ高域通過を
   する手段、この高域通過手段からの出力値を最小にする
   ように前記ビット遅延手段の遅延量を変化させ距離信号
   を算出するための遅延量制御手段、前記帯域通過手段か
   らの出力のドプラ周波数偏移ω＿Ｄ＿Ｐを弁別し速度信
   号を算出するための周波数弁別手段を備えたレーザレー
   ダ装置。