JPH04223290A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はレーザ光を符号化変調
して大気中に送信し、散乱体からの後方散乱光を光検出
器で受信し、散乱体との距離と後方散乱光のパワーを求
めるレーザレーダ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は竹内、馬場、桜井、上野によって
文献「Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，２５（１），ＰＰ６３−６
７（１９８６）」において報告されたレーザレーダ装置
の構成を示すブロック図である。図７において、１はレ
ーザ光を発生する半導体レーザ、２は半導体レーザ１を
駆動させる駆動回路、３はＭ系列を用いた疑似ランダム
信号を発生するランダム信号発生器、４は光を検出する
光検出器、５は光検出器４の出力信号を増幅する増幅器
、６は増幅器５の出力信号を復調する復調器、７は後述
する処理を行なう計算機、８は半導体レーザ１からの出
射光、９は後方散乱光である。

【０００３】次に動作について説明する。ランダム信号
発生器３はＭ系列を用いた疑似ランダム信号を発生し、
駆動回路２は疑似ランダム変調法を用いることにより疑
似ランダム信号に従って半導体レーザ１を変調する。

【０００４】ここで、Ｍ系列を用いた疑似ランダム変調
法について説明する。Ｍ系列は一定の符号パターンが周
期的に繰り返される符号系列であり、正の符号が１、負
の符号が−１で構成される２値Ｍ系列と、正および負の
符号が多値からなる多値Ｍ系列がある。ここでは、簡単
のため上記従来例で用いられている２値Ｍ系列について
述べる。いま、２値Ｍ系列の１周期をＮ個の符号からな
る系列Ａｉ（ｉ＝１，２，・・・・，Ｎ）とすると自己
相関関数ＳＫ　が第１式で与えられる性質がある。ただ
し、Ｎは奇数で−１が１より１個多い。

【０００５】

【数１】

【０００６】駆動回路２はＭ系列に基づき半導体レーザ
１を符号が１のとき発光させ、符号が−１のとき消光さ
せる。つまり、Ｍ系列を用いた疑似ランダム変調は半導
体レーザ１の出射光８のオンオフ変調となるが、符号の
−１は上記出射光８の強度の０状態に対応するためＭ系
列は第２式で与えられる１および０の符号系列Ｂｉに変
換されて大気中に送信されることになる。

【０００７】

【数２】

【０００８】光検出器４は大気中からの後方散乱光９を
受信する。受信信号は符号系列Ｂｉに従うパルス列とな
るが、増幅された後復調器６により第３式の相関演算が
なされる。

【０００９】

【数３】

【００１０】第３式の結果、図８に示すように時間ｔ０
　に最初に後方散乱光９を検出してから周期Ｎ・Δｔ時
間ごとに後方散乱光出力が得られる。ただし、図８にお
いて時間０は出射光８の出射開始時間、Δｔは１符号の
時間長である。計算機７はランダム信号発生器３に信号
発生の指令をするとともに、散乱体までの距離および後
方散乱光９のパワーを求める。例えば、距離を求めるに
は図８の時間ｔ０　はレーザ光が散乱体を往復する時間
ｔ１　と相関演算に要する時間ｔ２　の合計と考えられ
、ｔ２　は既知であるためｔ１　がわかりｔ１　・Ｃ／
２が散乱体までの距離となる。ただし、Ｃは光速である
。また、後方散乱光９のパワーは相関出力と容易に対応
づけられる。

【００１１】なお上記は散乱体が１つの場合を示したが
、例えば異なる距離Ｒ１およびＲ２に２つの散乱体ある
場合、２つの散乱体からの後方散乱光９はΔｔ０　＝２
×（Ｒ２−Ｒ１）／Ｃ時間だけずれて受信される。通常
Ｍ系列の周期は上記時間のずれにより長いため２つの散
乱体からのＭ系列符号化された後方散乱光は１部重なっ
て受信されるが、第３式の演算により図９に示すように
２×（Ｒ２−Ｒ１）／Ｃ時間だけずれた出力ＩＲ１およ
びＩＲ２が出力される。ただしＩＲ１およびＩＲ２はそ
れぞれ距離Ｒ１およびＲ２にある散乱体からの後方散乱
光出力である。

【００１２】次に、第３式で与えられる出力の信号対雑
音比（Ｓ／Ｎ）について示す。後方散乱光が光検出器４
で受信されると、光検出器４ではショット雑音および熱
雑音が発生する。第３式はＮ個の符号の加算であり、Ｍ
系列符号化せずに符号１に相当する１パルスのみを半導
体レーザ１から出射した場合に比べて、信号成分は振幅
値で（Ｎ＋１）／２倍、雑音成分はランダムと考えられ
るため分散値でＮ倍となる。したがって、Ｓ／Ｎは上記
１パルスのみを半導体レーザ１から出射した場合に比べ
て、（Ｎ＋１）２　／（４・Ｎ）倍に向上する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザレーダ装
置は上記のように構成されているので、Ｎ個の符号を用
いてＳ／Ｎが（Ｎ＋１）２　／（４・Ｎ）倍に向上でき
る。ところで、レーザレーダ装置においては後方散乱光
９を検出するためには受信信号が一定のＳ／Ｎより大き
くなければならない。ところが、遠方からの後方散乱光
９ほど大気の減衰をうけ微小光となるため上記一定のＳ
／Ｎを確保するにはＳ／Ｎを向上させることが必要とな
る。このためには従来Ｍ系列の１周期を構成する符号の
個数Ｎを増大させていた。しかし、符号の個数Ｎが増大
すると周期の長い系列となるため、比較的速く変動する
散乱体に対しては散乱体にＭ系列の１周期が当っている
間に散乱体の状態が変化してしまうため正確な測定がで
きなくなるという問題点があった。さらに、符号の個数
Ｎが増大すると、復調器６における相関演算時間が増大
して高速に変動する散乱体への適用性が低くなり、測定
対象がゆっくりと変化する散乱体に限られるという問題
点があった。

【００１４】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、受信のＳ／Ｎを改善し、測定精
度を高めることができるレーザレーダ装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザレ
ーダ装置は、正負の符号から構成される符号列を発生す
る符号列発生手段（ランダム信号発生器３）と、この符
号列発生手段で発生した符号列の負の符号を０とした第
１の符号列と該第１の符号列の正負を反転させた符号列
の負の符号を０とした第２の符号列とに分離し、上記第
１の符号列に従って変調された第１の波長もしくは第１
の偏光方向を持つ第１のレーザ光を発生すると共に上記
第１の波長もしくは第１の偏光方向とは異なり上記第２
の符号列に従って変調された第２の波長もしくは第２の
偏光方向を持つ第２のレーザ光を発生し、更に上記第１
のレーザ光および第２のレーザ光を光軸方向を合せて合
成し大気中に送出する処理を行なうレーザ光作成処理手
段（レーザ光作成処理部１１１）と、散乱体からの後方
散乱光を上記第１のレーザ光および第２のレーザ光に分
離して第１の受信信号および第２の受信信号を得る受信
処理手段（受信処理部１００）と、上記第１の受信信号
と上記第２の受信信号に−１を乗算した信号とを加算し
て合成し第３の受信信号を得る合成手段（符号合成器２
２）と、上記第３の受信信号と上記符号列との相関を求
める相関算出手段（復調器６）とを備えたものである。

【００１６】

【作用】符号列発生手段（ランダム信号発生器３）は正
負の符号から構成される符号列を発生する。レーザ光作
成処理手段（レーザ光作成処理部１１１）は上記符号列
の負の符号を０とした第１の符号列と該第１の符号列の
正負を反転させた符号列の負の符号を０とした第２の符
号列とに分離し、上記第１の符号列に従って変調された
第１の波長もしくは第１の偏光方向を持つ第１のレーザ
光を発生すると共に上記第１の波長もしくは第１の偏光
方向とは異なり上記第２の符号列に従って変調された第
２の波長もしくは第２の偏光方向を持つ第２のレーザ光
を発生し、更に上記第１のレーザ光および第２のレーザ
光を光軸方向を合せて合成し大気中に送出する。受信処
理手段（受信処理部１００）は散乱体からの後方散乱光
を上記第１のレーザ光および第２のレーザ光に分離して
第１の受信信号および第２の受信信号を得る。合成手段
（符号合成器２２）は、上記第１の受信信号と、上記第
２の受信信号に−１を乗算した信号とを加算して合成し
、第３の受信信号を得る。相関算出手段（復調器６）は
上記第３の受信信号と上記符号列との相関を求める。

【００１７】

【実施例】図１はこの発明の第１の実施例に係るレーザ
レーダ装置の構成を示すブロック図である。図１におい
て、図７に示す構成要素に対応するものには同一の符号
を付し、その説明を省略する。図１において、１４はラ
ンダム信号発生器（符号列発生手段）３で発生した符号
列の負の符号を０とした第１の符号列と、この第１の符
号列の正負を反転させた符号列の負の符号を０とした第
２の符号列とに分離する符号分離器、１０は上記第１の
符号列に従って変調された第１の波長もしくは第１の偏
光方向を持つ第１のレーザ光１６を発生する第１のレー
ザ、１２は第１のレーザ１０を駆動させる第１の駆動回
路、１１は上記第１の波長もしくは第１の偏光方向とは
異なり上記第２の符号列に従って変調された第２の波長
もしくは第２の偏光方向を持つ第２のレーザ光１７を発
生する第２のレーザ、１３は第２のレーザ１１を駆動さ
せる第２の駆動回路、１５は上記第１のレーザ光および
第２のレーザ光を光軸方向を合せて合成し大気中に送出
する第１のダイクロイックミラーである。１１１は符号
分離器１４、第１の駆動回路１２、第１のレーザ１０、
第２の駆動回路１３、第２のレーザ１１、および第１の
ダイクロイックミラー１５を備えたレーザ光作成処理部
（レーザ光作成処理手段）である。

【００１８】２５は散乱体からの後方散乱光を第１のレ
ーザ光および第２のレーザ光に分離する第２のダイクロ
イックミラー、１８は分離された第１のレーザ光（第１
の後方散乱光２３）を検出する第１の光検出器、２０は
第１の光検出器１８の出力信号を増幅して第１の受信信
号を得る第１の増幅器、１９は分離された第２のレーザ
光（第２の後方散乱光２４）を検出する第２の光検出器
、２１は第２の光検出器１９の出力信号を増幅して第２
の受信信号を得る第２の増幅器である。１００は第１の
光検出器１８、第２の光検出器１９、第１の増幅器２０
、第２の増幅器２１、および第２のダイクロイックミラ
ー２５を備えた受信処理部（受信処理手段）である。 ２２は上記第１の受信信号と、上記第２の受信信号に−
１を乗算した信号とを加算して合成し第３の受信信号を
得る符号合成器（合成手段）である。６は上記第３の受
信信号と上記符号列との相関を求める復調器（相関算出
手段）である。

【００１９】次にこの第１の実施例の動作について説明
する。いま簡単のためランダム信号発生器３は２値Ｍ系
列を用いた疑似ランダム信号Ａｉ（ｉ＝１，２，・・・
・，Ｎ）を発生するものとする。符号分離器１４は１周
期Ｎ個の符号からなる符号列のうち負の符号を０とした
第１の符号列Ｄｉと、上記１周期Ｎ個の符号からなる符
号列の正負を反転させた後、負の符号を０とした第２の
符号列Ｅｉに分離する。Ａｉ，Ｄｉ，Ｅｉの関係は図２
に示すようになる。ＤｉおよびＥｉは例えば次式の演算
で簡単に求めることができる。

【００２０】

【数４】

【００２１】

【数５】

【００２２】第１の駆動回路１２は符号列Ｄｉに従って
第１のレーザ１０を変調する。第２の駆動回路１３は符
号列Ｅｉに従って第２のレーザ１１を変調する。第１の
レーザ１０と第２のレーザ１１の発信波長はそれぞれλ
１　，λ２　と異なり、第１のレーザ光１６と第２のレ
ーザ光１７は波長λ１　の光を透過し波長λ２　の光を
反射する第１のダイクロイックミラー１５により合成さ
れ出射光８となる。出射光８は図３に示すようにＡｉの
１を波長λ１　に−１をλ２　に対応させたものとなる
。１つの散乱体からの後方散乱光９はパワーは減衰して
いるが図３のごとく変調されている。後方散乱光９は第
２のダイクロイックミラー２５で波長λ１　を持つ第１
の後方散乱光２３と波長λ２　を持つ第２の後方散乱光
２４に分離され、それぞれ第１の光検出器１８および第
２の光検出器１９で検出される。第１の光検出器１８お
よび第２の光検出器１９の第１の出力および第２の出力
は、それぞれ符号列ＤｉおよびＥｉに対応し第１の増幅
器２０および第２の増幅器２１で増幅され符号合成器２
２に入力される。 符号合成器２２は上記第１の出力と第２の出力に−１を
乗算した出力とを加算し合成する。これにより、第３の
受信信号としての符号列Ａｉを生成する。したがって、
復調器６では第１式の相関演算がなされる。このとき、
Ｓ／Ｎを考えると、信号成分は振幅値でＮ倍、雑音成分
はランダムと考えられるため雑音成分の分散値で２・Ｎ
倍となる。したがって、Ｓ／Ｎは上記１パルスのみを半
導体レーザ１から出射した場合に比べて、Ｎ２　／（２
・Ｎ）倍に向上する。Ｓ／Ｎは従来例においては（Ｎ＋
１）２　／（４・Ｎ）倍であり、通常＞＞１であるため
、本実施例では従来例に比べて２倍向上できる。

【００２３】次に本発明の第２の実施例によるレーザレ
ーダ装置について説明する。第２の実施例は図１におい
て第１のレーザ１０および第２のレーザ１１として直線
偏光したものを用い、第１のレーザ１０および第２のレ
ーザ１１を偏光方向が直交するように設置する。第１の
ダイクロイックミラー１５の代わりに第１のレーザ光を
透過し、第２のレーザ光を反射する第１の偏光ビームス
プリッタ２６を用いる。同様に第２のダイクロイックミ
ラー２５の代わりに第１の後方散乱光２３を透過し、第
２の後方散乱光２３を反射する第２の偏光ビームスプリ
ッタ２７を用いる。この場合も本発明の第１の実施例と
同様にして従来例に比べてＳ／Ｎが２倍に向上できる。

【００２４】次に本発明の第３の実施例によるレーザレ
ーダ装置について説明する。図４は第３の実施例による
レーザレーダ装置の構成ブロック図である。図４におい
て１１２はレーザ光作成処理部であり、レーザは直線偏
光した連続（ＣＷ）発信レーザ２９を用い偏光変調板３
０を制御器２８により回転させる。偏光変調板３０は図
５に示すように偏光方向を９０°回転させるλ／２板３
２と、λ／２板３２の透過率と同一の透過率をもち偏光
には変化を与えない透過窓３１とがＭ系列Ａｉの符号列
にしたがって同一円周上に配列されたもので、例えば、
λ／２板３２が符号１に、透過窓３１が符号−１に対応
する。偏光変調板３０には周期のＭ倍（Ｍの整数）の符
号列が記録され、偏光変調板３０を回転させることによ
り１回転でＭ周期の符号列が得られる。散乱体からの後
方散乱光９が第２の偏光ビームスプリッタ２７で偏光分
離され符号列Ａｉが符号合成器２２で生成される動作は
本発明の第２の実施例によるレーザレーダ装置と同様で
ある。この場合もやはり従来例に比べてＳ／Ｎが２倍に
向上できる。

【００２５】次に本発明の第４の実施例によるレーザレ
ーダ装置について説明する。図６は第４の実施例による
レーザレーダ装置の構成ブロック図である。図６におい
て１１３はレーザ光作成処理部である。ランダム信号発
生器３は２値Ｍ系列を用いた疑似ランダム信号Ａｉ（ｉ
＝１，２，・・・・，Ｎ）を発生する。符号分離器１４
は第４式のＤｉあるいは第５式のＥｉの符号列を生成す
る。制御器２８はＤｉあるいはＥｉの符号列にしたがっ
て符号１のとき偏光回転子３３を動作させることにより
偏光回転子３３を透過するレーザ光の偏光方向を９０°
回転させる。偏光回転子３３としては例えばファラデー
ローテータなどが適用できる。したがって、出射光８で
は符号列Ａｉの符号１および−１が上記第３の実施例と
同様に偏光方向が９０°異なる光信号となっている。後
方散乱光９の偏光を分離して光検出器１８および１９で
検出し、符号合成器２２でＡｉが生成される動作は本発
明の第２の実施例によるレーザレーダ装置と同様である
。この場合もやはり従来例に比べてＳ／Ｎが２倍に向上
できる。

【００２６】上記第３，第４の実施例は、第２の実施例
における上記第１の偏光方向をもつ第１のレーザ光およ
び上記第２の偏光方向をもつ第２のレーザ光を発生する
手段および上記第１および第２のレーザ光を光軸を合せ
て合成し、大気中に送出する手段の代わりに、連続発振
して大気中に送出されている第１の偏光方向をもつレー
ザ光の光路中に、レーザ光の偏光方向を上記第２の符号
列に従い第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向に回転
させる手段を挿入し、上記第１の偏光方向が回転されな
い時に上記第１のレーザ光を得、上記第１の偏光方向が
回転された時に上記第２のレーザ光を得るようにしたこ
とを特徴とするものである。

【００２７】なお、以上はＭ系列により符号化する場合
について述べたが、この発明はその他の正の符号および
負の符号からなる符号列に適用してもよい。

【００２８】以上のように、この発明の第１の実施例に
よれば正負の符号からなる符号列でレーザ光を変調する
際に、正の符号に第１の波長λ１　を負の符号にλ１　
とは異なる第２の波長λ２　を対応させて出射し、後方
散乱光を上記第１の波長λ１　と第２の波長λ２　に分
離してそれぞれ光検出器で受光するようにし、第１の波
長λ１　の光検出器の出力から第２の波長λ２　の光検
出器の出力を引き算して合成した信号と上記符号列との
相関をとるようにしたので、従来に比べＳ／Ｎを２倍向
上できる効果がある。また、以上のように、この発明の
第２〜第４の実施例によれば正負の符号からなる符号列
でレーザ光を変調する際に、正の符号に第１の偏光方向
を負の符号に第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向
を対応させて出射し、後方散乱光を上記第１の偏光方向
成分と第２の偏光方向成分に分離してそれぞれ光検出器
で受光するようにし、第１の偏光方向成分の光検出器の
出力から第２の偏光方向成分の光検出器の出力を引き算
して合成した信号と上記符号列との相関をとるようにし
たので、従来に比べＳ／Ｎを２倍向上できる効果がある
。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、符号列発
生手段で発生した符号列の負の符号を０とした第１の符
号列と、この第１の符号列の正負を反転させた符号列の
負の符号を０とした第２の符号列とに分離し、第１の符
号列に従って変調された第１の波長もしくは第１の偏光
方向を持つ第１のレーザ光を発生すると共に第１の波長
もしくは第１の偏光方向とは異なり第２の符号列に従っ
て変調された第２の波長もしくは第２の偏光方向を持つ
第２のレーザ光を発生し、更に第１のレーザ光および第
２のレーザ光を光軸方向を合せて合成し大気中に送出す
る処理を行なうレーザ光作成処理手段と、散乱体からの
後方散乱光を第１のレーザ光および第２のレーザ光に分
離して第１の受信信号および第２の受信信号を得る受信
処理手段と、第１の受信信号と第２の受信信号に−１を
乗算した信号とを加算して合成し第３の受信信号を得る
合成手段と、第３の受信信号と符号列との相関を求める
相関算出手段とを備えて構成したので、受信のＳ／Ｎが
改善でき、これにより後方散乱光を検出するための受信
信号がＳ／Ｎより大きくなり、したがって散乱体の状態
が比較的速く変化しても正確に散乱体との距離および後
方散乱光のパワーを求めることができるという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例又は第２の実施例によ
るレーザレーダ装置の構成ブロック図である。

【図２】この実施例における符号列の関係を示す図であ
る。

【図３】この実施例においてレーザ出射光の異なる波長
を用いた符号化を示す図である。

【図４】この発明の第３の実施例によるレーザレーダ装
置の構成ブロック図である。

【図５】この第３の実施例における偏光変調板の構成図
である。

【図６】この発明の第４の実施例によるレーザレーダ装
置の構成ブロック図である。

【図７】従来のレーザレーダ装置の構成ブロック図であ
る。

【図８】１つの散乱体からの後方散乱光出力を示す図で
ある。

【図９】２つの散乱体からの後方散乱光出力を示す図で
ある。

【符号の説明】

３　　ランダム信号発生器（符号列発生手段）６　　復
調器（相関算出手段） １８，１９　　光検出器 ２２　　符号合成器（合成手段） １００　　受信処理部（受信処理手段）１１１，１１２
，１１３　　レーザ光作成処理部（レーザ光作成処理手
段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光を符号化変調して大気中に送
   信し、散乱体からの後方散乱光を光検出器で受信し、受
   信信号と上記符号との相関演算結果から散乱体との距離
   と後方散乱光のパワーを求めるレーザレーダ装置におい
   て、正負の符号から構成される符号列を発生する符号列
   発生手段と、この符号列発生手段で発生した符号列の負
   の符号を０とした第１の符号列と該第１の符号列の正負
   を反転させた符号列の負の符号を０とした第２の符号列
   とに分離し、上記第１の符号列に従って変調された第１
   の波長もしくは第１の偏光方向を持つ第１のレーザ光を
   発生すると共に上記第１の波長もしくは第１の偏光方向
   とは異なり上記第２の符号列に従って変調された第２の
   波長もしくは第２の偏光方向を持つ第２のレーザ光を発
   生し、更に上記第１のレーザ光および第２のレーザ光を
   光軸方向を合せて合成し大気中に送出する処理を行なう
   レーザ光作成処理手段と、散乱体からの後方散乱光を上
   記第１のレーザ光および第２のレーザ光に分離して、第
   １の受信信号および第２の受信信号を得る受信処理手段
   と、上記第１の受信信号と上記第２の受信信号に−１を
   乗算した信号とを加算して合成し第３の受信信号を得る
   合成手段と、上記第３の受信信号と上記符号列との相関
   を求める相関算出手段とを備えたことを特徴とするレー
   ザレーダ装置。