JPWO2003100458A1 - レーザードップラーレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
受信光の位相揺らぎがある場合においても高いＳ／Ｎ比での計測が可能で、且つ、受信光に複数のレンジからの信号成分が重畳する場合においても計測レンジにおける風速の検出を行うことを可能にするもので、光源と、符号系列に基づいた変調信号を発生する符号系列発生器と、光源からの光信号を変調信号に基づいて２つの周波数によりＦＳＫ変調する光変調器と、ＦＳＫ変調された光信号を大気中に送信すると共に、大気中からの複数のレンジからの受信光を受信する送受光学部と、光源からの光信号を分配してローカル光を発生する光分配器と、受信光とローカル光とのヘテロダイン検波を行うヘテロダインレシーバと、検波された信号をＡ／Ｄ変換する変換器と、その変換信号を処理する信号処理部とを備え、信号処理部は、大気中における１つの計測レンジ以外の他のレンジからの信号成分をキャンセルし、計測レンジにおけるドップラー周波数の検出を行う。
Description
技術分野
この発明は、レーザー光を大気中に送信して反射体の移動速度を検出するレーザードップラーレーダ装置に関するものであり、特に、反射体が例えば大気中に散在するエアロゾルであり、大気中の複数のレンジからの信号が重畳されて受信される場合に、所望の計測レンジからの信号成分のみを抽出し、計測レンジにおける風速を、高いＳ／Ｎ比で計測するものに関する。
背景技術
従来のこの種の技術としては、所望の距離分解能に相当する時間幅を持つパルス光を大気中に送信し、計測レンジからの受信光が受信される時間帯に時間ゲートをかけ、この時間ゲートにおけるスペクトル解析を行うことで風速のドップラー周波数を検出するものが広く知られている。
この方法を用いて高いＳ／Ｎ比での計測を行うには、高いピークパワーを持つパルス光を送受することが考えられる。しかし、現存のレーザー装置により送信可能なパルス光のピークパワーには制限がある。より高いＳ／Ｎ比での計測を行うには、変調された光信号を大気中に送信し、受信信号を復調する際のパルス圧縮効果によりＳ／Ｎ比を改善する方法を用いることが考えられる。
このような方法を用いたレーザードップラーレーダ装置の一例として、特開２０００−３３８２４６号公報に示されたものが知られている。図２１は、特開２０００−３３８２４６号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図２１において、１は光源、２は光分配器、３は光変調器、４は符号系列発生器、５は光増幅器、６は送受光学部、７はヘテロダインレシーバ、１３は信号処理部、１７は相関器、１８は可変遅延器である。
次に、図２１に示すレーザードップラーレーダ装置の動作について説明する。光源１からの光信号は、光分配器２により２分配され、一方は光変調器３に、他方はヘテロダインレシーバ７に送られる。光変調器３に送られた信号は、符号系列発生器４からの符号系列に基づいた変調信号により位相変調される。符号系列発生器４からの変調信号は、可変遅延器１８により、光信号の計測レンジまでの往復時間に相当する時間だけ遅延された後、相関器１８に送られる。
符号系列変調された信号は、光増幅器５により増幅された後、送受光学部６を介して大気中に送信される。例えばエアロゾルのような大気中の反射体からの受信光は、送受光学部６を介して受信され、ヘテロダインレシーバ７によりヘテロダイン検波される。
ヘテロダイン検波された信号は、相関器１８に送られ、時間遅延が施された変調信号と積算されることにより、相関がとられる。このとき、計測レンジからの受信光信号成分のみが前記変調信号と相関を有するので、相関器１７からの相関信号の周波数は、計測レンジにおけるドップラー周波数となる。次に、信号処理部１３により相関器１７からの相関信号の周波数解析を行い、ドップラー周波数の検出を行う。
以上の動作より、受信光に複数のレンジからの信号が重畳する場合でも、計測レンジからの成分を抽出し、計測レンジにおけるドップラー周波数を検出するとしている。
しかしながら、大気中からの受信光は、実際にはランダムな位相揺らぎを持つため、位相変調を施した光信号を送信しても、受信光においては変調位相が保存されない。したがって、相関器１７において相関がとられた際に、計測レンジからの信号成分を抽出することができないという問題があった。
なお、特開２０００−３３８２４６号公報では、変調方式は、位相変調でなくとも、周波数変調でもよいと記載されている。しかし、前記動作における復調動作、つまり、相関器１７でのかけ算により計測レンジからの信号成分のみを抽出するには、変調方式は位相変調である必要があった。特開２０００−３３８２４６号公報では、変調方式が周波数変調である場合の具体的な復調方法を持ち合わせていなかった。
また、周波数変調された光信号を大気中に送信するレーザードップラーレーダ装置としては、特開平３−７５５８１号公報に示されたものが知られている。図２２は、特開平３−７５５８１号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図２２において、図２１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、１ａおよび１ｂは光源、２１および２２は光分配器、１５は光周波数管理器、１９はバンドパスフィルタ、２０はハイパスフィルタである。図示はしないが、特開平３−７５５８１号公報では、大気中の１箇所からの受信光が受信される場合、つまり、反射体が航空機、自動車等のハードターゲットである場合について記載されている。
次に、図２２に示すレーザードップラーレーダ装置の動作について説明する。符号系列発生器４からの符号系列に基づいた変調信号にしたがって、光源１ａからＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）された光信号が送信光として送信される。前記変調信号は、可変遅延器１８により、光信号の計測レンジまでの往復時間に相当する時間だけ遅延された後、光源１ｂに送られ、光源１ｂから、ＦＳＫされた光信号がローカル光として生じる。
光分配器２１と２２を介した送信光の一部とローカル光の一部は、光周波数管理器１５に送られ、光源１ａと光源１ｂから発生する光信号の周波数差が一定となるように光源１ｂから発生する光信号の周波数が管理される。
送信光は、送受光学部６を介して大気中に送信される。大気中の反射体からの受信光は、送受光学部６を介して受信される。受信光とローカル光は、ヘテロダインレシーバ７によりヘテロダイン検波される。ヘテロダインレシーバ７からの信号は２分され、バンドパスフィルタ１９とハイパスフィルタ２０にそれぞれ送られる。
以上の動作を可変遅延器１８における遅延時間を変化させながら行い、ハイパスフィルタ２０の出力が最大となる遅延時間からターゲットまでの距離を検出する。また、バンドパスフィルタ１９の出力信号を周波数解析することから、ターゲットの移動速度を検出する。
しかしながら、特開平３−７５５８１号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置は、上述したように、反射体が航空機、自動車等のハードターゲットである場合に、その移動速度を検出するものであった。特開平３−７５５８１号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置では、反射体が例えば大気中のエアロゾルであり、受信光に複数のレンジからの信号が重畳する場合において、所望の計測レンジからの信号成分のみを抽出し、計測レンジにおける風速を検出することはできなかった。
この発明は前記事情に鑑みてなされたもので、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式を用いて受信光の位相揺らぎがある場合においてもパルス圧縮効果による高いＳ／Ｎ比での計測を可能とし、且つ、受信光に複数のレンジからの信号成分が重畳する場合においても所望の計測レンジからの成分を抽出して計測レンジにおける風速の検出を行うものである。
発明の開示
この発明に係るレーザードップラーレーダ装置は、光源と、＋もしくは−の符号からなる符号系列に基づいた変調信号を発生する符号系列発生器と、前記光源からの光信号を、前記符号系列発生器からの変調信号に基づいて２つの周波数によりＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調する光変調器と、前記光変調器によりＦＳＫ変調された光信号を大気中に送信すると共に、大気中からの複数のレンジからの受信光を受信する送受光学部と、前記光源からの光信号を分配してローカル光を発生する光分配器と、前記送受光学部からの受信光と前記光分配器からのローカル光とのヘテロダイン検波を行うことにより光信号を電気信号に変換するヘテロダインレシーバと、前記ヘテロダインレシーバからの電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換した信号を信号処理する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、大気中における１つの計測レンジ以外の他のレンジからの信号成分をキャンセルし、計測レンジにおけるドップラー周波数の検出を行う機能を有する。
また、前記光変調器は、変調信号の＋と−に対応して２つの周波数ｆ１とｆ２だけ前記光源からの光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる。
また、前記光源の数を２つとし、前記光変調器は、前記符号系列発生器からの変調信号に基づいて２つの光源からの光信号の一方を選択して出力する光スイッチでなる。
また、前記符号系列は、Ｍ系列である。
また、前記符号系列は、相補系列であり、前記光変調器は、パルス変調機能を有する。
また、前記信号処理部は、前記Ａ／Ｄ変換機によりＡ／Ｄ変換した信号を符号系列の１ビットに対応する時間幅毎にゲート分割するゲート分割機能と、前記ゲート分割機能により分割された各ゲートに含まれる信号のパワースペクトルを求めるスペクトル解析機能と、前記スペクトル解析機能により求められた各ゲートのスペクトルに対し、送信時に用いた符号系列に対応した処理を行う処理機能と、符号系列に対応した前記処理機能により処理が施された各ゲートの処理結果をゲート間および符号系列間にわたって積算する積算機能と、前記積算機能による積算結果における負の周波数領域の信号強度に−１を乗じ、絶対値が等しい正の周波数の信号強度に前記−１を乗じた信号強度を足し合わせる機能とを有し、風速のドップラー周波数をｆｄとし、前記パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとする。
また、周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２の発振信号を出力する第１の発振器と、前記ヘテロダインレシーバからの出力信号と前記第１の発振器からの発振信号とをミキシングする第１のミキサと、前記第１のミキサの出力を２分配する０°分配器と、周波数が（ｆ１−ｆ２）／２の発振信号を出力する第２の発振器と、前記第２の発振器からの発振信号を２分配する９０°分配器と、前記０°分配器からの一方の出力と前記９０°分配器からの一方の出力とをミキシングする第２のミキサと、前記０°分配器からの他方の出力と前記９０°分配器からの他方の出力とをミキシングする第３のミキサとを備え、前記第２と第３のミキサの出力により、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する。
また、周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２の発振信号を出力する第１の発振器と、前記ヘテロダインレシーバからの出力信号と前記第１の発振器からの発振信号とをミキシングする第１のミキサとを備えると共に、前記信号処理部は、求められたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引く機能を有し、前記第１のミキサの出力と前記信号処理部により、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する。
さらに、前記信号処理部は、前記パワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２＋ｆ１）／２の値を差し引く機能と、正の周波数領域について周波数に関して−（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせる機能と、負の周波数領域について周波数に関して（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせ、さらに周波数に関する符号を反転する機能とを有し、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置について図１から図１２を用いて説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１において、１は光源、２は光分配器、３は光変調器、４は符号系列発生器、５は光増幅器である。６は光サーキュレータとしての機能を有する送受光学部であり、この送受光学部６を介して送信光が大気中に対して送信される。７はヘテロダインレシーバ、８１、８２および８３はミキサ、９１と９２は発振器、１０は０°分配器、１１は９０°分配器である。また、１２はＡ／Ｄ変換器、１３は信号処理部である。
図１において、光源１は、光分配器２に接続されており、光分配器２の２つの出力の内の一方はヘテロダインレシーバ７に接続されている。他の一方は光変調器３に接続されている。光変調器３は、符号系列発生器４と光増幅器５とに接続されている。符号系列発生器４は、Ａ／Ｄ変換器１２に接続されている。光増幅器５は、送受光学部６に接続されている。送受光学部６は、ヘテロダインレシーバ７に接続されている。ヘテロダインレシーバ７は、０°分配器１０に接続されている。０°分配器１０の入力はミキサ８１に接続されている。ミキサ８１は、発振器９１と０°分配器１０に接続されている。０°分配器１０の２つの出力は、ミキサ８２と８３にそれぞれ接続されている。発振器９２は、９０°分配器１１に接続されている。９０°分配器１１の２つの出力は、ミキサ８２と８３にそれぞれ接続されている。ミキサ８２と８３は、Ａ／Ｄ変換器１２に接続されている。Ａ／Ｄ変換器１２は、信号処理部１３に接続されている。
図１において、光源１と光分配器２との間、光分配器２とヘテロダインレシーバ７との間、光分配器２と光変調器３との間、光変調器３と光増幅器５との間、光増幅器５と送受光学部６との間、送受光学部６とヘテロダインレシーバ７との間は光ファイバケーブルにより接続されている。他の部品間は電線ケーブルにより接続されている。
また、光源１は、連続波で周波数ｆ０の光信号を発生する機能を有している。符号系列発生器４は、符号系列に基づいた変調信号を発生して光変調器３に送信する機能を有している。また、変調信号の送信タイミングを知らせるトリガ信号をＡ／Ｄ変換器１２に送信する機能を有している。符号系列の１ビットに対応する時間幅τは、光の伝搬速度をｃとし、計測における所望の距離分解能をｄとすると、τ＝２ｄ／ｃとなる。
光変調器３は、符号系列発生器４からの変調信号に基づいて光信号を変調する機能を有している。光変調器３は、変調信号の＋と−に対応して、２つの周波数ｆ１とｆ２だけ光源１から発生した光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる。したがって、光変調器３の出力信号の周波数はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）され、符号系列の＋と−に対応して、ｆ０＋ｆ１とｆ０＋ｆ２となる。また、光変調器３は、変調信号が入力されている時間のみ出力がＯＮとなる、パルス変調機能も有している。１例として、符号系列が＋、−、＋、−の場合における光変調器３からの出力信号の模式図を図２に示す。
この発明において、符号系列発生器４で発生する符号系列は、文献［１］（宮川他著、符号理論、昭晃堂発行、第５版、ｐｐ．４７６−４９９）に示されている、「鋭い相関関数を持つ系列」を用いる。文献［１］に示されている「鋭い相関関数を持つ系列」の例としては、相補系列、Ｍ系列等が存在するが、この発明の実施の形態１においては、符号系列発生器４で発生する符号系列が、相補系列の場合について述べる。以下では、相補系列の具体的１例として、
＋＋＋−（符号系列１）
＋＋−＋（符号系列２）
の２つの系列を用いる場合について述べる。
さらに、この発明におけるミキサ８１、８２、８３は、入力信号の周波数と発振器９１，９２から発振信号の周波数との差の絶対値に相当する周波数の信号を出力する機能を有する。
次に、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置の動作を説明する。まず、光源１から連続波で周波数ｆ０の光信号を送信し、光分配器２によりこの信号を分割する。分割した２つの信号の内、一方はローカル光としてヘテロダインレシーバ７に送られる。
この発明の実施の形態１においては、相補系列である２つの系列、符号系列１および符号系列２を用いるが、まず、符号系列１が選択され、符号系列発生器４から、この符号系列に基づいた変調信号が光変調器３に送信される。また、変調信号の送信タイミングを知らせるトリガ信号をＡ／Ｄ変換器１２に送信する。
光分配器２の２つの出力の一方は、光変調器３に送られる。光変調器３は、符号系列発生器４からの変調信号の＋と−に対応して、２つの周波数ｆ１とｆ２だけ光源１から発生した光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる。ここで、０≦ｆ１＜ｆ２とする。また、変調信号が入力されている時間のみ光変調器３の出力がＯＮとなり、パルス変調される。光変調器３の出力信号の周波数はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）され、符号系列の＋と−に対応して、ｆ０＋ｆ１とｆ０＋ｆ２となる。また、光変調器３からの出力信号のパルス幅τｐは、変調信号の時間幅となる。つまり、符号系列の１ビットに対応する時間幅τと、符号系列のビット数Ｎとから、τｐ＝τ×Ｎで表される値となる。
光変調器３からの出力信号は、光増幅器５により増幅される。光増幅器５からの信号は、送受光学部６を介して大気中に送信光として送信される。
大気中に送信された送信光は、例えばエアロゾルといった大気中の反射体により反射された後に受信される。このとき、受信光の周波数は、送信光の周波数に対し、送信方向における風速のドップラー周波数だけシフトした値となる。ここで、風速のドップラー周波数をｆｄとすると、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関する反射光の周波数はｆ０＋ｆ１＋ｆｄとなり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する反射光の周波数はｆ０＋ｆ２＋ｆｄとなる。
ここで、大気中からの受信光について図３を用いて説明する。図３は、大気中からの受信光について説明を行うための図である。図３において、１４はレーザードップラーレーダ装置である。また、Ｒ−３〜Ｒ３は大気中のレンジの一部であり、ここではＲ０を計測レンジとする。各レンジの距離幅は、計測における所望の距離分解能ｄとする。図３中、ｄ１はレーザードップラーレーダ装置１４から計測レンジＲ０までの距離である。大気中に送信された送信光は、計測レンジＲ０だけでなく、計測レンジ以外の他のレンジ、例えばＲ−３〜Ｒ−１、Ｒ１〜Ｒ３からも反射される。したがって、受信光には、大気中における計測レンジからの反射光だけでなく、計測レンジ以外の他のレンジからの反射光が重畳している。
ここで、レンジＲ−３、Ｒ−２、Ｒ−１、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３における風速のドップラー周波数ｆｄを、ｆｄ−３、ｆｄ−２、ｆｄ−１、ｆｄ０、ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３とする。つまり、受信光は、送信光の周波数に対しこれらのドップラー周波数だけシフトした周波数を持つ信号が重畳している。本明細書において、記号ｆｄとは、各レンジにおいて異なる値を持つ風速のドップラー周波数を総称するものとする。なお、この発明において、各レンジにおける風速のドップラー周波数ｆｄと、各レンジにおける送信光に対する反射率は、計測時間内において一定であるとする。
受信光は、送受光学部６を介してヘテロダインレシーバに送られる。ヘテロダインレシーバ７においては、ローカル光と受信光とがヘテロダイン検波されて光信号が電気信号に変換され、２つの信号のビート信号が出力される。符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ１となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ２となる。
前記ビート信号は、ミキサ８１に送られ、発振器９１からの発振信号とミキシングされる。発振器９１からの発振信号の周波数は（ｆ１＋ｆ２）／２としておく。なお、ｆ１およびｆ２の値は、風速のドップラー周波数ｆｄの取りうる値全てについて、
（ｆ２−ｆ１）／２＞ｆｄ
を満足するように設定しておく。このとき、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するミキサ８１からの出力信号の周波数は、
｜ｆ１＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２−ｆｄ
となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する前記ミキサからの出力信号の周波数は、
｜ｆ２＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２＋ｆｄ
となる。
前記ミキサ８１からの出力信号は、０°分配器１０により２分された後、２つのミキサ８２と８３に送られる。発振器９２からは周波数（ｆ２−ｆ１）／２の発振信号が発振され、９０°分配器１１に送られる。９０°分配器１１の出力は、２つのミキサ８２と８３に送信され、０°分配器１０からの２つの出力信号とミキシングされる。ミキサ８２と８３によるミキシングは、ＩＱ検波に対応し、２つのミキサ８２と８３からの信号は、例えばミキサ８２からの出力信号をＩ信号、ミキサ８３からの出力信号をＱ信号としたＩＱ信号と見なせる。このとき、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するミキサ８２および８３からのＩＱ信号の周波数は、
（ｆ２−ｆ１）／２−ｆｄ−（ｆ２−ｆ１）／２＝−ｆｄ
となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する前記ミキサからの出力信号の周波数は、
（ｆ２−ｆ１）／２＋ｆｄ−（ｆ２−ｆ１）／２＝＋ｆｄ
となる。ここで、周波数の＋と−を識別できるのは、ＩＱ検波を行ったことにより生じた効果である。
以上のように、ミキサ８２および８３からのＩＱ信号の周波数は、変調符号の＋と−に対応して、−ｆｄおよび＋ｆｄとなる。２つのミキサ８２および８３からのＩＱ信号は、Ａ／Ｄ変換器１２に送られる。
Ａ／Ｄ変換器１２は、ミキサ８２および８３からのＩＱ信号をＡ／Ｄ変換する。ここで、レーザードップラーレーダ装置１４から距離ｄ１に存在する計測レンジＲ０までの光信号の往復時間をτｒとする。Ａ／Ｄ変換を開始するタイミングは、符号系列発生器４からのトリガ信号を受信してから、時間τｒだけ遅延したタイミングとする。Ａ／Ｄ変換をストップするタイミングは、Ａ／Ｄ変換を開始したタイミングから、光変調器３からの出力信号のパルス幅τｐだけ遅延した時間とする。Ａ／Ｄ変換する時間帯を、図４に模式的に示す。図４（ａ）は、光変調器３の出力信号の模式図、図４（ｂ）は、Ａ／Ｄ変換器１２の動作タイミングを示す模式図である。なお、光変調器３から計測レンジＲ０までの光信号の往復時間は、レーザードップラーレーダ装置１４から計測レンジＲ０までの光信号の往復時間をτｒに、レーザードップラーレーダ装置１４内における光信号の伝搬時間を足した値であるが、レーザードップラーレーダ装置１４内における光信号の伝搬時間は、τｒの値と比較して無視出来る程度の小さな値であるので、図４においてもレーザードップラーレーダ装置１４内における光信号の伝搬時間は考慮していない。
Ａ／Ｄ変換された信号は、信号処理部１２に逐次送られ、図には示さないが信号処理部１３内のメモリに保存される。
以上に述べた動作は、符号系列発生器４において発生する符号が符号系列１の場合についてのものであった。符号系列発生器４において符号系列２を発生する場合についても、符号系列１を発生する場合と同じ動作を行う。Ａ／Ｄ変換された信号は、信号処理部１２に逐次送られ、信号処理部１３内の図示しないメモリに保存される。
次に、信号処理部１３の動作について説明する。まず、符号系列１と符号系列２の各々の符号を用いて送受信を行った各々の場合のＡ／Ｄ変換した信号について、符号系列の１ビットに対応する時間幅τ毎に符号系列のビット数のゲートに分割する（処理１）。ここでは、符号系列のビット数が４であるので、４つのゲートに分割してこれらのゲートをｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４とする。符号系列１と符号系列２の各々の符号を用いて送受信を行う場合において、Ａ／Ｄ変換器１２によりＡ／Ｄ変換する時間帯の信号には、レンジＲ−３、Ｒ−２、Ｒ−１、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の７つのレンジからの信号成分が含まれる。
例えば、符号系列１（＋＋＋−）を用いて送受信を行った場合において、
ゲートｇ１に含まれる信号には、
レンジＲ−３からの符号−に対応した信号成分と、
レンジＲ−２からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ−１からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ０からの符号＋に対応した信号成分
が含まれている。
また、符号系列１（＋＋＋−）を用いて送受信を行った場合において、
ゲートｇ４に含まれる信号には、
レンジＲ０からの符号−に対応した信号成分と、
レンジＲ１からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ２からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ３からの符号＋に対応した信号成分
が含まれている。
処理１を行った後の分割された各ゲートにおいて、前記７つのレンジからの信号成分が符号系列発生器４において発生した符号系列の＋と−のいずれの符号に対応した信号であるかの一覧を示したものを図５に示す。図５（ａ）は、符号系列１に関するものであり、図５（ｂ）は、符号系列２に関するものである。図５において、各ゲート中に関し対応する信号成分が含まれないレンジについては０を記入している。
次に、各分割されたゲートｇ１〜ｇ４に含まれる信号を、ＦＦＴもしくはＤＦＴといったスペクトル解析手段を用いてスペクトル解析することからパワースペクトルが求められる（処理２）。このとき、符号＋に対応したスペクトルは、−ｆｄに信号強度を持つ関数となり、符号−に対応したスペクトルは、＋ｆｄに信号強度を持つ関数となる。図６は、符号＋と−に対応したパワースペクトルを模式的に示した図であり、図６（ａ）は、符号＋に対応したパワースペクトル、図６（ｂ）は、符号−に対応したパワースペクトルである。図６においてはドップラー周波数ｆｄの値が正の値の場合について示されている。
図７は、符号系列１を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行って求めたパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図である。図７（ａ）はゲートｇ１、図７（ｂ）はゲートｇ２、図７（ｃ）はゲートｇ３、図７（ｄ）はゲートｇ４に関する図である。また、図８は、符号系列２を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行ってパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図である。図８（ａ）はゲートｇ１、図８（ｂ）はゲートｇ２、図８（ｃ）はゲートｇ３、図８（ｄ）はゲートｇ４に関する図である。図７および図８においては、各レンジにおけるドップラー周波数ｆｄ−３〜ｆｄ３が全て正の値の場合について示しているが、これらの値は必ずしも正の値である必要はない。また、図７においては、レンジＲ−３からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−３で、レンジＲ−２からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−２で、レンジＲ−１からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−１で、レンジＲ−０からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−０で、レンジＲ１からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ１で、レンジＲ２からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ２で、レンジＲ３からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ３で、それぞれ表している。
次に、各ゲートのスペクトルに対し、送信時に用いた符号系列に対応した処理が行われる（処理３）。処理３は、この発明の実施の形態１において具体的には次のように行われる。符号系列１に関する信号については４つのゲートｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４のパワースペクトルに対し符号＋、＋、＋、−に対応した処理が行われ、符号系列２に関する信号については４つのゲートｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４のスペクトルに対し符号＋、＋、−、＋に対応した処理が行われる。この処理において、＋の符号に対応するゲートについては、パワースペクトルはそのままとし、−の符号に対応するゲートについては、周波数０を対称にパワースペクトルを反転する。図７および図８に示した符号系列１および符号系列２を用いた場合の各ゲートのパワースペクトルに対し、処理３を行った結果を図９および図１０に示す。
次に、処理３が施された各ゲートのパワースペクトルをゲート間および符号系列間にわたって積算する（処理４）。図９および図１０の処理３を施されたパワースペクトルに対し、処理４の積算を行った結果を図１１に示す。図１１では、積算結果を各レンジからの成分毎に分割して示している。
次に、処理４の結果における負の周波数領域の信号強度に−１を乗じ、絶対値が等しい正の周波数の信号強度に前記−１を乗じた信号強度を足し合わせる、つまり、周波数０を境に負の周波数領域を正の周波数領域に折り返して信号強度を足し合わせる（処理５）。この処理５を図１１に示したスペクトルに対して行い、正の周波数領域のみに着目して表示した結果を図１２に示す。
図１２から、計測レンジＲ０からの成分、つまり、ドップラー周波数ｆｄ０のパワースペクトルの成分のみが残り、他のレンジに関するパワースペクトルは捕相殺されることが分かる。これにより、計測レンジＲ０におけるドップラー周波数ｆｄ０の検出、つまり、計測レンジＲ０における風速の検出を行うことができる。
以上に述べた信号処理部１３の動作において、計測レンジＲ０以外のレンジからの信号成分を相殺して０にすることができるのは、相補系列が持つ、２つの系列の自己相関関数の和において、レンジサイドローブが相殺されて０になるという性質によるものである。
なお、図１２においては、足しあわされた信号強度が負の値となっている。信号強度が負の値となることはアナログ領域ではありえない。しかし、デジタル領域において処理５の演算を行うことで演算結果としては負の値となりうる。
また、処理５の結果において着目するのは正の周波数領域のみであり、負の周波数領域を見ることはない。しかし、計測レンジＲ０におけるドップラー周波数ｆｄ０が正の値であれば、図１２に示したように処理５による信号強度の計算結果が負の値となり、ｆｄ０が負の値であれば、処理５による信号強度の計算結果は正の値となる。したがって、処理５の結果において、信号強度の絶対値がピークとなるピーク周波数と、ピーク周波数における信号強度の正負の値とから、計測レンジＲ０におけるドップラー周波数ｆｄ０の絶対値だけでなく、ドップラー周波数ｆｄ０が正負いずれの値であるのかも検出することができる。
以上述べたように、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置によれば、反射体が大気中のエアロゾルのようないわゆるソフトターゲットであり、計測レンジだけでなく、計測レンジ以外の他のレンジからの信号が重畳して受信される場合であっても、他のレンジからの信号成分をキャンセルし、計測レンジからの信号成分に関するドップラー周波数の検出を行うことができる。つまり、反射体が大気中のエアロゾルである場合には、風速の検出を行うことができる。
さらに、この発明の実施の形態１においては、信号処理部１２の動作中、処理４および処理５において、「符号系列のビット数（＝４）」×「符号系列数（＝２）」＝８回の積算処理を行っている。このことは、処理５の結果である図１２において、信号強度の絶対値が８Ｐ０であることからも分かる。つまり、この発明は、送信光のピーク強度に対して８倍のピーク強度を持つ送信光を等価的に送信する効果、別の言い方をすると、パルス圧縮効果を有していることが分かる。したがって、同じピーク強度で１ビットの単一周波数パルスを送受する場合と比較して高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
この発明の実施の形態１においては、ビット数４で符号系列数２の相補系列を用いた場合について説明を行ったが、ビット数をさらに大きくすれば処理４における積算によるＳ／Ｎ比改善効果がさらに向上する。
また、この発明の実施の形態１においては、変調方式としてＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を用いている。この発明では、大気中からの受信光の位相がランダムに揺らぐ場合においても、ドップラー周波数と各レンジにおける反射率が計測時間において一定であれば所望の効果を実現できる。何故なら、信号処理部１３の動作中処理２において位相情報を除去したパワースペクトルを求めてこの関数をその後の処理（処理３〜処理５）に用いており、大気中からの受信光の位相がランダムに揺らぎ、処理１において分割して得た各ゲートの信号の位相がゲート間でランダムに変動する場合においても、その後の処理には関係ないからである。
この発明の実施の形態１においては、符号系列として相補系列を用いたが、文献［１］に示されている「鋭い相関関数を持つ系列」における他の系列、例えば、ｎを整数として、２ｎ−１ビットのＭ系列を用いてもよい。Ｍ系列の自己相関関数においては、レンジサイドローブの高さが０とはならないが、メインローブの高さと比較して１／ｎの値まで低減される。したがって、符号系列としてｎの値を大きくしたＭ系列を用い、符号系列発生器４からＡ／Ｄ変換器１２へのトリガ信号の送信タイミングを符号系列発生器４の動作開始時、つまり、符号系列発生器４から光変調器３に対する送信開始時とし、Ａ／Ｄ変換器におけるＡ／Ｄ変換開始時をトリガ信号が入力されてから計測レンジＲ０までの往復時間τｒだけ遅延した時間とし、Ａ／Ｄ変換ストップ時を計測終了時とし、信号処理部１３において同様の処理を行えば、処理結果においては計測レンジＲ０からの信号が支配的となる。この場合、無限に繰り返すＭ系列にしたがって変調された連続波的な送信光を送信するので、光変調器３がパルス変調機能を有する必要がなくなるという効果が生じる。
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置について図１３から図１４を用いて説明する。図１３は、この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１３においては、図１におけるミキサ８２および８３と、発振器９２と、０°分配器１０と、９０°分配器１１とが除去され、単一のミキサ８と発振器９を用い、ミキサ８がＡ／Ｄ変換器１２に直接接続され、ミキサ８の出力信号がＡ／Ｄ変換される構成となっている。
この発明の実施の形態１においては、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するミキサ８からの出力信号の周波数は、
｜ｆ１＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２−ｆｄ
となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する前記ミキサ８からの出力信号の周波数は、
｜ｆ２＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２＋ｆｄ
となっていた。そして、これらの周波数から（ｆ２−ｆ１）／２の値をアナログ段階で差し引くために、図１に示す実施の形態１では、ミキサ８２および８３によるミキシングを行っていたが、この実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置は、この（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引くという動作を、アナログ段階でなく、信号処理部１３における動作として行うものである。この信号処理部１３の動作について次に説明する。
信号処理部１３においては、まず、実施の形態１と同様の処理１が行われる。次に、実施の形態１に示したのと同様の処理２が行われる。次に、処理２により求めたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引く（処理２ｄ）。この処理２ｄを行う前後のパワースペクトルの模式図を図１４に示す。図１４（ａ）は符号＋に対応した模式図であり、図１４（ｂ）は符号−に対応した模式図である。
この処理２ｄを行うことにより、実施の形態１で行った、ミキサ８２および８３によるミキシングと等価な処理を行ったこととなる。したがって、この処理２ｄを行った段階における、符号＋と−に対応したパワースペクトルを模式的に示した図は図６と同じとなり、符号系列１を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行って求めたパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図は図７と同じとなる。したがって、この処理２ｄを行った後に処理３〜処理５を行うことにより、実施の形態１に示したのと同じ効果を得ることができる。
実施の形態２に示したレーザードップラーレーダ装置は、実施の形態１に示したレーザードップラーレーダ装置と比較して、ミキサ８２および８３と、発振器９２と、０°分配器１０と、９０°分配器１１とを用いる必要がないので、構成部品が少なく、システム全体を廉価にするという効果が生じる。
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置について図１５から図１７を用いて説明する。図１５は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１５においては、図１３におけるミキサ８と、発振器９とが除去され、ヘテロダインレシーバ７がＡ／Ｄ変換器１２に直接接続され、ヘテロダインレシーバ７からのビート信号がＡ／Ｄ変換される構成となっている。
この発明の実施の形態１および実施の形態２においては、符号＋に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ１となり、符号−に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ２となっていた。そして、これらの周波数からｆ１およびｆ２の値をアナログ段階で差し引くために、ミキサ８１、８２および８３によるミキシングを行っていたが、この実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置では、このｆ１およびｆ２の値を差し引くという動作を、アナログ段階でなく、信号処理部１３における動作として行うものである。この信号処理部１３の動作について次に説明する。
信号処理部１３においては、まず、実施の形態１と同様の処理１が行われる。次に、実施の形態１に示したのと同様の処理２が行われる。次に、処理２により求めたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２＋ｆ１）／２の値を差し引く（処理２ｄｄ）。この処理２ｄｄを行う前後のパワースペクトルの模式図を図１６に示す。図１６（ａ）は符号＋に対応した模式図であり、図１６（ｂ）は符号−に対応した模式図である。次に、処理２ｄｄの処理結果において、正の周波数領域については周波数に関しては−（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせる。また、負の周波数領域については周波数に関して（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせ、さらに周波数に関する符号を反転する（処理２ｄｄｄ）。この処理２ｄｄを行う前後のパワースペクトルの模式図を図１７に示す。図１７（ａ）は符号＋に対応した模式図であり、図１７（ｂ）は符号−に対応した模式図である。この処理２ｄｄおよび処理２ｄｄｄを行うことにより、実施の形態１で行った、ミキサ８１、８２および８３によるミキシングと等価な処理を行ったこととなる。したがって、この処理２ｄｄｄを行った段階における、符号＋と−に対応したパワースペクトルを模式的に示した図は図６と同じとなり、符号系列１を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行って求めたパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図は図７と同じとなる。したがって、この処理２ｄを行った後に処理３〜処理５を行うことにより、実施の形態１に示したのと同じ効果を得ることができる。
実施の形態３に示したレーザードップラーレーダ装置は、実施の形態１に示したレーザードップラーレーダ装置と比較して、ミキサ８１、８２および８３と、発振器９１および９２と、０°分配器１０と、９０°分配器１１とを用いる必要がないので、構成部品が少ない。また、実施の形態２に示したレーザードップラーレーダ装置と比較して、ミキサ８１と、発振器９１を用いる必要がないので、構成部品が少ない。したがって、システム全体を廉価にするという効果が生じる。
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置について図１８から図２０を用いて説明する。図１８は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１８においては、２つの光源が示されており、それぞれ光源１ａ、１ｂとして示されている。また、３つの光分配器が示されており、それぞれ光分配器２１、２２、２３として示されている。なお、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。さらに、新たな符号として、１５は光周波数管理器、１６は光スイッチである。
図１８において、光源１ａは光分配器２１に接続されており、光源１ｂは光分配器２２に接続されている。光分配器２１の２つの出力の内の一方は光周波数管理器１５に接続されており、他の一方は光スイッチ１６に接続されている。光分配器２２の２つの出力の内の一方は光周波数管理器１５に接続されており、他の一方は光分配器２３に接続されている。光分配器２３の２つの出力の内の一方は光スイッチ１６に接続されており、他の一方はヘテロダインレシーバ７に接続されている。光周波数管理器１５の出力は光源１ａに接続されている。光スイッチ１６は光増幅器５と符号系列発生器４とに接続されている。
図１８において、光源１ａは、連続波で周波数ｆ２の光信号を発生する。光源１ｂは連続波で周波数ｆ０の光信号を発生する。
符号系列発生器４は、符号系列に基づいた変調信号を発生して光スイッチ１６に送信する。また、変調信号の送信タイミングを知らせるトリガ信号をＡ／Ｄ変換器１２に送信する。
光スイッチ１６は、符号系列発生器４からの変調信号に基づいて２つの光信号の一方を選択して出力する。したがって、光変調器３の出力信号の周波数はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）され、符号系列の＋と−に対応して、ｆ０とｆ２となる。
光周波数管理器１５は、２つの光源１ａおよび１ｂからの光信号の周波数差を管理し、周波数差が一定値（ｆ２−ｆ０）を保持するよう、光源１ａに対し制御をかける。これにより、光源１ａから発生する光信号の周波数が不安定で時間的に変動する場合においても、この変動を自動補償できるという効果が生じる。
光源１ｂからの光信号の一部（光分配器２３からの２つの出力の一方）は、ローカル光としてヘテロダインレシーバ７に送られる。
以上の動作により、周波数ｆ０とｆ２でＦＳＫされた送信光および周波数ｆ０のローカル光が生成された。
実施の形態４における以後の動作については、実施の形態１における、ｆ１＝０とした場合の動作と同じ動作を行う。これにより、実施の形態１で得られたのと同じ効果を得ることができる。
周波数ｆ０とｆ２でＦＳＫされた送信光および周波数ｆ０のローカル光を生成することができれば、装置構成を図１９および図２０とし、以後の動作を実施の形態２および実施の形態３と同じにすることによって、実施の形態２および実施の形態３で得られたのと同じ効果を得ることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、この発明によれば、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式を用いて受信光の位相揺らぎがある場合においてもパルス圧縮効果による高いＳ／Ｎ比での計測を可能とし、且つ、受信光に複数のレンジからの信号成分が重畳する場合においても所望の計測レンジからの成分を抽出して計測レンジにおける風速の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図６は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図７は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図８は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図９は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１０は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１１は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１２は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１３は、この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１４は、この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１５は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１６は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１７は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１８は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１９は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２０は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２１は、従来のレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２２は、従来のレーザードップラーレーダ装置を説明するための図である。
この発明は、レーザー光を大気中に送信して反射体の移動速度を検出するレーザードップラーレーダ装置に関するものであり、特に、反射体が例えば大気中に散在するエアロゾルであり、大気中の複数のレンジからの信号が重畳されて受信される場合に、所望の計測レンジからの信号成分のみを抽出し、計測レンジにおける風速を、高いＳ／Ｎ比で計測するものに関する。
背景技術
従来のこの種の技術としては、所望の距離分解能に相当する時間幅を持つパルス光を大気中に送信し、計測レンジからの受信光が受信される時間帯に時間ゲートをかけ、この時間ゲートにおけるスペクトル解析を行うことで風速のドップラー周波数を検出するものが広く知られている。
この方法を用いて高いＳ／Ｎ比での計測を行うには、高いピークパワーを持つパルス光を送受することが考えられる。しかし、現存のレーザー装置により送信可能なパルス光のピークパワーには制限がある。より高いＳ／Ｎ比での計測を行うには、変調された光信号を大気中に送信し、受信信号を復調する際のパルス圧縮効果によりＳ／Ｎ比を改善する方法を用いることが考えられる。
このような方法を用いたレーザードップラーレーダ装置の一例として、特開２０００−３３８２４６号公報に示されたものが知られている。図２１は、特開２０００−３３８２４６号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図２１において、１は光源、２は光分配器、３は光変調器、４は符号系列発生器、５は光増幅器、６は送受光学部、７はヘテロダインレシーバ、１３は信号処理部、１７は相関器、１８は可変遅延器である。
次に、図２１に示すレーザードップラーレーダ装置の動作について説明する。光源１からの光信号は、光分配器２により２分配され、一方は光変調器３に、他方はヘテロダインレシーバ７に送られる。光変調器３に送られた信号は、符号系列発生器４からの符号系列に基づいた変調信号により位相変調される。符号系列発生器４からの変調信号は、可変遅延器１８により、光信号の計測レンジまでの往復時間に相当する時間だけ遅延された後、相関器１８に送られる。
符号系列変調された信号は、光増幅器５により増幅された後、送受光学部６を介して大気中に送信される。例えばエアロゾルのような大気中の反射体からの受信光は、送受光学部６を介して受信され、ヘテロダインレシーバ７によりヘテロダイン検波される。
ヘテロダイン検波された信号は、相関器１８に送られ、時間遅延が施された変調信号と積算されることにより、相関がとられる。このとき、計測レンジからの受信光信号成分のみが前記変調信号と相関を有するので、相関器１７からの相関信号の周波数は、計測レンジにおけるドップラー周波数となる。次に、信号処理部１３により相関器１７からの相関信号の周波数解析を行い、ドップラー周波数の検出を行う。
以上の動作より、受信光に複数のレンジからの信号が重畳する場合でも、計測レンジからの成分を抽出し、計測レンジにおけるドップラー周波数を検出するとしている。
しかしながら、大気中からの受信光は、実際にはランダムな位相揺らぎを持つため、位相変調を施した光信号を送信しても、受信光においては変調位相が保存されない。したがって、相関器１７において相関がとられた際に、計測レンジからの信号成分を抽出することができないという問題があった。
なお、特開２０００−３３８２４６号公報では、変調方式は、位相変調でなくとも、周波数変調でもよいと記載されている。しかし、前記動作における復調動作、つまり、相関器１７でのかけ算により計測レンジからの信号成分のみを抽出するには、変調方式は位相変調である必要があった。特開２０００−３３８２４６号公報では、変調方式が周波数変調である場合の具体的な復調方法を持ち合わせていなかった。
また、周波数変調された光信号を大気中に送信するレーザードップラーレーダ装置としては、特開平３−７５５８１号公報に示されたものが知られている。図２２は、特開平３−７５５８１号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図２２において、図２１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、１ａおよび１ｂは光源、２１および２２は光分配器、１５は光周波数管理器、１９はバンドパスフィルタ、２０はハイパスフィルタである。図示はしないが、特開平３−７５５８１号公報では、大気中の１箇所からの受信光が受信される場合、つまり、反射体が航空機、自動車等のハードターゲットである場合について記載されている。
次に、図２２に示すレーザードップラーレーダ装置の動作について説明する。符号系列発生器４からの符号系列に基づいた変調信号にしたがって、光源１ａからＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）された光信号が送信光として送信される。前記変調信号は、可変遅延器１８により、光信号の計測レンジまでの往復時間に相当する時間だけ遅延された後、光源１ｂに送られ、光源１ｂから、ＦＳＫされた光信号がローカル光として生じる。
光分配器２１と２２を介した送信光の一部とローカル光の一部は、光周波数管理器１５に送られ、光源１ａと光源１ｂから発生する光信号の周波数差が一定となるように光源１ｂから発生する光信号の周波数が管理される。
送信光は、送受光学部６を介して大気中に送信される。大気中の反射体からの受信光は、送受光学部６を介して受信される。受信光とローカル光は、ヘテロダインレシーバ７によりヘテロダイン検波される。ヘテロダインレシーバ７からの信号は２分され、バンドパスフィルタ１９とハイパスフィルタ２０にそれぞれ送られる。
以上の動作を可変遅延器１８における遅延時間を変化させながら行い、ハイパスフィルタ２０の出力が最大となる遅延時間からターゲットまでの距離を検出する。また、バンドパスフィルタ１９の出力信号を周波数解析することから、ターゲットの移動速度を検出する。
しかしながら、特開平３−７５５８１号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置は、上述したように、反射体が航空機、自動車等のハードターゲットである場合に、その移動速度を検出するものであった。特開平３−７５５８１号公報に示されたレーザードップラーレーダ装置では、反射体が例えば大気中のエアロゾルであり、受信光に複数のレンジからの信号が重畳する場合において、所望の計測レンジからの信号成分のみを抽出し、計測レンジにおける風速を検出することはできなかった。
この発明は前記事情に鑑みてなされたもので、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式を用いて受信光の位相揺らぎがある場合においてもパルス圧縮効果による高いＳ／Ｎ比での計測を可能とし、且つ、受信光に複数のレンジからの信号成分が重畳する場合においても所望の計測レンジからの成分を抽出して計測レンジにおける風速の検出を行うものである。
発明の開示
この発明に係るレーザードップラーレーダ装置は、光源と、＋もしくは−の符号からなる符号系列に基づいた変調信号を発生する符号系列発生器と、前記光源からの光信号を、前記符号系列発生器からの変調信号に基づいて２つの周波数によりＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調する光変調器と、前記光変調器によりＦＳＫ変調された光信号を大気中に送信すると共に、大気中からの複数のレンジからの受信光を受信する送受光学部と、前記光源からの光信号を分配してローカル光を発生する光分配器と、前記送受光学部からの受信光と前記光分配器からのローカル光とのヘテロダイン検波を行うことにより光信号を電気信号に変換するヘテロダインレシーバと、前記ヘテロダインレシーバからの電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換した信号を信号処理する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、大気中における１つの計測レンジ以外の他のレンジからの信号成分をキャンセルし、計測レンジにおけるドップラー周波数の検出を行う機能を有する。
また、前記光変調器は、変調信号の＋と−に対応して２つの周波数ｆ１とｆ２だけ前記光源からの光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる。
また、前記光源の数を２つとし、前記光変調器は、前記符号系列発生器からの変調信号に基づいて２つの光源からの光信号の一方を選択して出力する光スイッチでなる。
また、前記符号系列は、Ｍ系列である。
また、前記符号系列は、相補系列であり、前記光変調器は、パルス変調機能を有する。
また、前記信号処理部は、前記Ａ／Ｄ変換機によりＡ／Ｄ変換した信号を符号系列の１ビットに対応する時間幅毎にゲート分割するゲート分割機能と、前記ゲート分割機能により分割された各ゲートに含まれる信号のパワースペクトルを求めるスペクトル解析機能と、前記スペクトル解析機能により求められた各ゲートのスペクトルに対し、送信時に用いた符号系列に対応した処理を行う処理機能と、符号系列に対応した前記処理機能により処理が施された各ゲートの処理結果をゲート間および符号系列間にわたって積算する積算機能と、前記積算機能による積算結果における負の周波数領域の信号強度に−１を乗じ、絶対値が等しい正の周波数の信号強度に前記−１を乗じた信号強度を足し合わせる機能とを有し、風速のドップラー周波数をｆｄとし、前記パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとする。
また、周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２の発振信号を出力する第１の発振器と、前記ヘテロダインレシーバからの出力信号と前記第１の発振器からの発振信号とをミキシングする第１のミキサと、前記第１のミキサの出力を２分配する０°分配器と、周波数が（ｆ１−ｆ２）／２の発振信号を出力する第２の発振器と、前記第２の発振器からの発振信号を２分配する９０°分配器と、前記０°分配器からの一方の出力と前記９０°分配器からの一方の出力とをミキシングする第２のミキサと、前記０°分配器からの他方の出力と前記９０°分配器からの他方の出力とをミキシングする第３のミキサとを備え、前記第２と第３のミキサの出力により、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する。
また、周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２の発振信号を出力する第１の発振器と、前記ヘテロダインレシーバからの出力信号と前記第１の発振器からの発振信号とをミキシングする第１のミキサとを備えると共に、前記信号処理部は、求められたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引く機能を有し、前記第１のミキサの出力と前記信号処理部により、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する。
さらに、前記信号処理部は、前記パワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２＋ｆ１）／２の値を差し引く機能と、正の周波数領域について周波数に関して−（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせる機能と、負の周波数領域について周波数に関して（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせ、さらに周波数に関する符号を反転する機能とを有し、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置について図１から図１２を用いて説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１において、１は光源、２は光分配器、３は光変調器、４は符号系列発生器、５は光増幅器である。６は光サーキュレータとしての機能を有する送受光学部であり、この送受光学部６を介して送信光が大気中に対して送信される。７はヘテロダインレシーバ、８１、８２および８３はミキサ、９１と９２は発振器、１０は０°分配器、１１は９０°分配器である。また、１２はＡ／Ｄ変換器、１３は信号処理部である。
図１において、光源１は、光分配器２に接続されており、光分配器２の２つの出力の内の一方はヘテロダインレシーバ７に接続されている。他の一方は光変調器３に接続されている。光変調器３は、符号系列発生器４と光増幅器５とに接続されている。符号系列発生器４は、Ａ／Ｄ変換器１２に接続されている。光増幅器５は、送受光学部６に接続されている。送受光学部６は、ヘテロダインレシーバ７に接続されている。ヘテロダインレシーバ７は、０°分配器１０に接続されている。０°分配器１０の入力はミキサ８１に接続されている。ミキサ８１は、発振器９１と０°分配器１０に接続されている。０°分配器１０の２つの出力は、ミキサ８２と８３にそれぞれ接続されている。発振器９２は、９０°分配器１１に接続されている。９０°分配器１１の２つの出力は、ミキサ８２と８３にそれぞれ接続されている。ミキサ８２と８３は、Ａ／Ｄ変換器１２に接続されている。Ａ／Ｄ変換器１２は、信号処理部１３に接続されている。
図１において、光源１と光分配器２との間、光分配器２とヘテロダインレシーバ７との間、光分配器２と光変調器３との間、光変調器３と光増幅器５との間、光増幅器５と送受光学部６との間、送受光学部６とヘテロダインレシーバ７との間は光ファイバケーブルにより接続されている。他の部品間は電線ケーブルにより接続されている。
また、光源１は、連続波で周波数ｆ０の光信号を発生する機能を有している。符号系列発生器４は、符号系列に基づいた変調信号を発生して光変調器３に送信する機能を有している。また、変調信号の送信タイミングを知らせるトリガ信号をＡ／Ｄ変換器１２に送信する機能を有している。符号系列の１ビットに対応する時間幅τは、光の伝搬速度をｃとし、計測における所望の距離分解能をｄとすると、τ＝２ｄ／ｃとなる。
光変調器３は、符号系列発生器４からの変調信号に基づいて光信号を変調する機能を有している。光変調器３は、変調信号の＋と−に対応して、２つの周波数ｆ１とｆ２だけ光源１から発生した光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる。したがって、光変調器３の出力信号の周波数はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）され、符号系列の＋と−に対応して、ｆ０＋ｆ１とｆ０＋ｆ２となる。また、光変調器３は、変調信号が入力されている時間のみ出力がＯＮとなる、パルス変調機能も有している。１例として、符号系列が＋、−、＋、−の場合における光変調器３からの出力信号の模式図を図２に示す。
この発明において、符号系列発生器４で発生する符号系列は、文献［１］（宮川他著、符号理論、昭晃堂発行、第５版、ｐｐ．４７６−４９９）に示されている、「鋭い相関関数を持つ系列」を用いる。文献［１］に示されている「鋭い相関関数を持つ系列」の例としては、相補系列、Ｍ系列等が存在するが、この発明の実施の形態１においては、符号系列発生器４で発生する符号系列が、相補系列の場合について述べる。以下では、相補系列の具体的１例として、
＋＋＋−（符号系列１）
＋＋−＋（符号系列２）
の２つの系列を用いる場合について述べる。
さらに、この発明におけるミキサ８１、８２、８３は、入力信号の周波数と発振器９１，９２から発振信号の周波数との差の絶対値に相当する周波数の信号を出力する機能を有する。
次に、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置の動作を説明する。まず、光源１から連続波で周波数ｆ０の光信号を送信し、光分配器２によりこの信号を分割する。分割した２つの信号の内、一方はローカル光としてヘテロダインレシーバ７に送られる。
この発明の実施の形態１においては、相補系列である２つの系列、符号系列１および符号系列２を用いるが、まず、符号系列１が選択され、符号系列発生器４から、この符号系列に基づいた変調信号が光変調器３に送信される。また、変調信号の送信タイミングを知らせるトリガ信号をＡ／Ｄ変換器１２に送信する。
光分配器２の２つの出力の一方は、光変調器３に送られる。光変調器３は、符号系列発生器４からの変調信号の＋と−に対応して、２つの周波数ｆ１とｆ２だけ光源１から発生した光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる。ここで、０≦ｆ１＜ｆ２とする。また、変調信号が入力されている時間のみ光変調器３の出力がＯＮとなり、パルス変調される。光変調器３の出力信号の周波数はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）され、符号系列の＋と−に対応して、ｆ０＋ｆ１とｆ０＋ｆ２となる。また、光変調器３からの出力信号のパルス幅τｐは、変調信号の時間幅となる。つまり、符号系列の１ビットに対応する時間幅τと、符号系列のビット数Ｎとから、τｐ＝τ×Ｎで表される値となる。
光変調器３からの出力信号は、光増幅器５により増幅される。光増幅器５からの信号は、送受光学部６を介して大気中に送信光として送信される。
大気中に送信された送信光は、例えばエアロゾルといった大気中の反射体により反射された後に受信される。このとき、受信光の周波数は、送信光の周波数に対し、送信方向における風速のドップラー周波数だけシフトした値となる。ここで、風速のドップラー周波数をｆｄとすると、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関する反射光の周波数はｆ０＋ｆ１＋ｆｄとなり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する反射光の周波数はｆ０＋ｆ２＋ｆｄとなる。
ここで、大気中からの受信光について図３を用いて説明する。図３は、大気中からの受信光について説明を行うための図である。図３において、１４はレーザードップラーレーダ装置である。また、Ｒ−３〜Ｒ３は大気中のレンジの一部であり、ここではＲ０を計測レンジとする。各レンジの距離幅は、計測における所望の距離分解能ｄとする。図３中、ｄ１はレーザードップラーレーダ装置１４から計測レンジＲ０までの距離である。大気中に送信された送信光は、計測レンジＲ０だけでなく、計測レンジ以外の他のレンジ、例えばＲ−３〜Ｒ−１、Ｒ１〜Ｒ３からも反射される。したがって、受信光には、大気中における計測レンジからの反射光だけでなく、計測レンジ以外の他のレンジからの反射光が重畳している。
ここで、レンジＲ−３、Ｒ−２、Ｒ−１、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３における風速のドップラー周波数ｆｄを、ｆｄ−３、ｆｄ−２、ｆｄ−１、ｆｄ０、ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３とする。つまり、受信光は、送信光の周波数に対しこれらのドップラー周波数だけシフトした周波数を持つ信号が重畳している。本明細書において、記号ｆｄとは、各レンジにおいて異なる値を持つ風速のドップラー周波数を総称するものとする。なお、この発明において、各レンジにおける風速のドップラー周波数ｆｄと、各レンジにおける送信光に対する反射率は、計測時間内において一定であるとする。
受信光は、送受光学部６を介してヘテロダインレシーバに送られる。ヘテロダインレシーバ７においては、ローカル光と受信光とがヘテロダイン検波されて光信号が電気信号に変換され、２つの信号のビート信号が出力される。符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ１となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ２となる。
前記ビート信号は、ミキサ８１に送られ、発振器９１からの発振信号とミキシングされる。発振器９１からの発振信号の周波数は（ｆ１＋ｆ２）／２としておく。なお、ｆ１およびｆ２の値は、風速のドップラー周波数ｆｄの取りうる値全てについて、
（ｆ２−ｆ１）／２＞ｆｄ
を満足するように設定しておく。このとき、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するミキサ８１からの出力信号の周波数は、
｜ｆ１＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２−ｆｄ
となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する前記ミキサからの出力信号の周波数は、
｜ｆ２＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２＋ｆｄ
となる。
前記ミキサ８１からの出力信号は、０°分配器１０により２分された後、２つのミキサ８２と８３に送られる。発振器９２からは周波数（ｆ２−ｆ１）／２の発振信号が発振され、９０°分配器１１に送られる。９０°分配器１１の出力は、２つのミキサ８２と８３に送信され、０°分配器１０からの２つの出力信号とミキシングされる。ミキサ８２と８３によるミキシングは、ＩＱ検波に対応し、２つのミキサ８２と８３からの信号は、例えばミキサ８２からの出力信号をＩ信号、ミキサ８３からの出力信号をＱ信号としたＩＱ信号と見なせる。このとき、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するミキサ８２および８３からのＩＱ信号の周波数は、
（ｆ２−ｆ１）／２−ｆｄ−（ｆ２−ｆ１）／２＝−ｆｄ
となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する前記ミキサからの出力信号の周波数は、
（ｆ２−ｆ１）／２＋ｆｄ−（ｆ２−ｆ１）／２＝＋ｆｄ
となる。ここで、周波数の＋と−を識別できるのは、ＩＱ検波を行ったことにより生じた効果である。
以上のように、ミキサ８２および８３からのＩＱ信号の周波数は、変調符号の＋と−に対応して、−ｆｄおよび＋ｆｄとなる。２つのミキサ８２および８３からのＩＱ信号は、Ａ／Ｄ変換器１２に送られる。
Ａ／Ｄ変換器１２は、ミキサ８２および８３からのＩＱ信号をＡ／Ｄ変換する。ここで、レーザードップラーレーダ装置１４から距離ｄ１に存在する計測レンジＲ０までの光信号の往復時間をτｒとする。Ａ／Ｄ変換を開始するタイミングは、符号系列発生器４からのトリガ信号を受信してから、時間τｒだけ遅延したタイミングとする。Ａ／Ｄ変換をストップするタイミングは、Ａ／Ｄ変換を開始したタイミングから、光変調器３からの出力信号のパルス幅τｐだけ遅延した時間とする。Ａ／Ｄ変換する時間帯を、図４に模式的に示す。図４（ａ）は、光変調器３の出力信号の模式図、図４（ｂ）は、Ａ／Ｄ変換器１２の動作タイミングを示す模式図である。なお、光変調器３から計測レンジＲ０までの光信号の往復時間は、レーザードップラーレーダ装置１４から計測レンジＲ０までの光信号の往復時間をτｒに、レーザードップラーレーダ装置１４内における光信号の伝搬時間を足した値であるが、レーザードップラーレーダ装置１４内における光信号の伝搬時間は、τｒの値と比較して無視出来る程度の小さな値であるので、図４においてもレーザードップラーレーダ装置１４内における光信号の伝搬時間は考慮していない。
Ａ／Ｄ変換された信号は、信号処理部１２に逐次送られ、図には示さないが信号処理部１３内のメモリに保存される。
以上に述べた動作は、符号系列発生器４において発生する符号が符号系列１の場合についてのものであった。符号系列発生器４において符号系列２を発生する場合についても、符号系列１を発生する場合と同じ動作を行う。Ａ／Ｄ変換された信号は、信号処理部１２に逐次送られ、信号処理部１３内の図示しないメモリに保存される。
次に、信号処理部１３の動作について説明する。まず、符号系列１と符号系列２の各々の符号を用いて送受信を行った各々の場合のＡ／Ｄ変換した信号について、符号系列の１ビットに対応する時間幅τ毎に符号系列のビット数のゲートに分割する（処理１）。ここでは、符号系列のビット数が４であるので、４つのゲートに分割してこれらのゲートをｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４とする。符号系列１と符号系列２の各々の符号を用いて送受信を行う場合において、Ａ／Ｄ変換器１２によりＡ／Ｄ変換する時間帯の信号には、レンジＲ−３、Ｒ−２、Ｒ−１、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の７つのレンジからの信号成分が含まれる。
例えば、符号系列１（＋＋＋−）を用いて送受信を行った場合において、
ゲートｇ１に含まれる信号には、
レンジＲ−３からの符号−に対応した信号成分と、
レンジＲ−２からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ−１からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ０からの符号＋に対応した信号成分
が含まれている。
また、符号系列１（＋＋＋−）を用いて送受信を行った場合において、
ゲートｇ４に含まれる信号には、
レンジＲ０からの符号−に対応した信号成分と、
レンジＲ１からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ２からの符号＋に対応した信号成分と、
レンジＲ３からの符号＋に対応した信号成分
が含まれている。
処理１を行った後の分割された各ゲートにおいて、前記７つのレンジからの信号成分が符号系列発生器４において発生した符号系列の＋と−のいずれの符号に対応した信号であるかの一覧を示したものを図５に示す。図５（ａ）は、符号系列１に関するものであり、図５（ｂ）は、符号系列２に関するものである。図５において、各ゲート中に関し対応する信号成分が含まれないレンジについては０を記入している。
次に、各分割されたゲートｇ１〜ｇ４に含まれる信号を、ＦＦＴもしくはＤＦＴといったスペクトル解析手段を用いてスペクトル解析することからパワースペクトルが求められる（処理２）。このとき、符号＋に対応したスペクトルは、−ｆｄに信号強度を持つ関数となり、符号−に対応したスペクトルは、＋ｆｄに信号強度を持つ関数となる。図６は、符号＋と−に対応したパワースペクトルを模式的に示した図であり、図６（ａ）は、符号＋に対応したパワースペクトル、図６（ｂ）は、符号−に対応したパワースペクトルである。図６においてはドップラー周波数ｆｄの値が正の値の場合について示されている。
図７は、符号系列１を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行って求めたパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図である。図７（ａ）はゲートｇ１、図７（ｂ）はゲートｇ２、図７（ｃ）はゲートｇ３、図７（ｄ）はゲートｇ４に関する図である。また、図８は、符号系列２を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行ってパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図である。図８（ａ）はゲートｇ１、図８（ｂ）はゲートｇ２、図８（ｃ）はゲートｇ３、図８（ｄ）はゲートｇ４に関する図である。図７および図８においては、各レンジにおけるドップラー周波数ｆｄ−３〜ｆｄ３が全て正の値の場合について示しているが、これらの値は必ずしも正の値である必要はない。また、図７においては、レンジＲ−３からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−３で、レンジＲ−２からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−２で、レンジＲ−１からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−１で、レンジＲ−０からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ−０で、レンジＲ１からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ１で、レンジＲ２からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ２で、レンジＲ３からの信号成分のパワースペクトル信号強度をＰ３で、それぞれ表している。
次に、各ゲートのスペクトルに対し、送信時に用いた符号系列に対応した処理が行われる（処理３）。処理３は、この発明の実施の形態１において具体的には次のように行われる。符号系列１に関する信号については４つのゲートｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４のパワースペクトルに対し符号＋、＋、＋、−に対応した処理が行われ、符号系列２に関する信号については４つのゲートｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４のスペクトルに対し符号＋、＋、−、＋に対応した処理が行われる。この処理において、＋の符号に対応するゲートについては、パワースペクトルはそのままとし、−の符号に対応するゲートについては、周波数０を対称にパワースペクトルを反転する。図７および図８に示した符号系列１および符号系列２を用いた場合の各ゲートのパワースペクトルに対し、処理３を行った結果を図９および図１０に示す。
次に、処理３が施された各ゲートのパワースペクトルをゲート間および符号系列間にわたって積算する（処理４）。図９および図１０の処理３を施されたパワースペクトルに対し、処理４の積算を行った結果を図１１に示す。図１１では、積算結果を各レンジからの成分毎に分割して示している。
次に、処理４の結果における負の周波数領域の信号強度に−１を乗じ、絶対値が等しい正の周波数の信号強度に前記−１を乗じた信号強度を足し合わせる、つまり、周波数０を境に負の周波数領域を正の周波数領域に折り返して信号強度を足し合わせる（処理５）。この処理５を図１１に示したスペクトルに対して行い、正の周波数領域のみに着目して表示した結果を図１２に示す。
図１２から、計測レンジＲ０からの成分、つまり、ドップラー周波数ｆｄ０のパワースペクトルの成分のみが残り、他のレンジに関するパワースペクトルは捕相殺されることが分かる。これにより、計測レンジＲ０におけるドップラー周波数ｆｄ０の検出、つまり、計測レンジＲ０における風速の検出を行うことができる。
以上に述べた信号処理部１３の動作において、計測レンジＲ０以外のレンジからの信号成分を相殺して０にすることができるのは、相補系列が持つ、２つの系列の自己相関関数の和において、レンジサイドローブが相殺されて０になるという性質によるものである。
なお、図１２においては、足しあわされた信号強度が負の値となっている。信号強度が負の値となることはアナログ領域ではありえない。しかし、デジタル領域において処理５の演算を行うことで演算結果としては負の値となりうる。
また、処理５の結果において着目するのは正の周波数領域のみであり、負の周波数領域を見ることはない。しかし、計測レンジＲ０におけるドップラー周波数ｆｄ０が正の値であれば、図１２に示したように処理５による信号強度の計算結果が負の値となり、ｆｄ０が負の値であれば、処理５による信号強度の計算結果は正の値となる。したがって、処理５の結果において、信号強度の絶対値がピークとなるピーク周波数と、ピーク周波数における信号強度の正負の値とから、計測レンジＲ０におけるドップラー周波数ｆｄ０の絶対値だけでなく、ドップラー周波数ｆｄ０が正負いずれの値であるのかも検出することができる。
以上述べたように、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置によれば、反射体が大気中のエアロゾルのようないわゆるソフトターゲットであり、計測レンジだけでなく、計測レンジ以外の他のレンジからの信号が重畳して受信される場合であっても、他のレンジからの信号成分をキャンセルし、計測レンジからの信号成分に関するドップラー周波数の検出を行うことができる。つまり、反射体が大気中のエアロゾルである場合には、風速の検出を行うことができる。
さらに、この発明の実施の形態１においては、信号処理部１２の動作中、処理４および処理５において、「符号系列のビット数（＝４）」×「符号系列数（＝２）」＝８回の積算処理を行っている。このことは、処理５の結果である図１２において、信号強度の絶対値が８Ｐ０であることからも分かる。つまり、この発明は、送信光のピーク強度に対して８倍のピーク強度を持つ送信光を等価的に送信する効果、別の言い方をすると、パルス圧縮効果を有していることが分かる。したがって、同じピーク強度で１ビットの単一周波数パルスを送受する場合と比較して高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
この発明の実施の形態１においては、ビット数４で符号系列数２の相補系列を用いた場合について説明を行ったが、ビット数をさらに大きくすれば処理４における積算によるＳ／Ｎ比改善効果がさらに向上する。
また、この発明の実施の形態１においては、変調方式としてＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を用いている。この発明では、大気中からの受信光の位相がランダムに揺らぐ場合においても、ドップラー周波数と各レンジにおける反射率が計測時間において一定であれば所望の効果を実現できる。何故なら、信号処理部１３の動作中処理２において位相情報を除去したパワースペクトルを求めてこの関数をその後の処理（処理３〜処理５）に用いており、大気中からの受信光の位相がランダムに揺らぎ、処理１において分割して得た各ゲートの信号の位相がゲート間でランダムに変動する場合においても、その後の処理には関係ないからである。
この発明の実施の形態１においては、符号系列として相補系列を用いたが、文献［１］に示されている「鋭い相関関数を持つ系列」における他の系列、例えば、ｎを整数として、２ｎ−１ビットのＭ系列を用いてもよい。Ｍ系列の自己相関関数においては、レンジサイドローブの高さが０とはならないが、メインローブの高さと比較して１／ｎの値まで低減される。したがって、符号系列としてｎの値を大きくしたＭ系列を用い、符号系列発生器４からＡ／Ｄ変換器１２へのトリガ信号の送信タイミングを符号系列発生器４の動作開始時、つまり、符号系列発生器４から光変調器３に対する送信開始時とし、Ａ／Ｄ変換器におけるＡ／Ｄ変換開始時をトリガ信号が入力されてから計測レンジＲ０までの往復時間τｒだけ遅延した時間とし、Ａ／Ｄ変換ストップ時を計測終了時とし、信号処理部１３において同様の処理を行えば、処理結果においては計測レンジＲ０からの信号が支配的となる。この場合、無限に繰り返すＭ系列にしたがって変調された連続波的な送信光を送信するので、光変調器３がパルス変調機能を有する必要がなくなるという効果が生じる。
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置について図１３から図１４を用いて説明する。図１３は、この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１３においては、図１におけるミキサ８２および８３と、発振器９２と、０°分配器１０と、９０°分配器１１とが除去され、単一のミキサ８と発振器９を用い、ミキサ８がＡ／Ｄ変換器１２に直接接続され、ミキサ８の出力信号がＡ／Ｄ変換される構成となっている。
この発明の実施の形態１においては、符号＋（シフト周波数ｆ１）に対応する送信光に関するミキサ８からの出力信号の周波数は、
｜ｆ１＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２−ｆｄ
となり、符号−（シフト周波数ｆ２）に対応する送信光に関する前記ミキサ８からの出力信号の周波数は、
｜ｆ２＋ｆｄ−（ｆ１＋ｆ２）／２｜＝（ｆ２−ｆ１）／２＋ｆｄ
となっていた。そして、これらの周波数から（ｆ２−ｆ１）／２の値をアナログ段階で差し引くために、図１に示す実施の形態１では、ミキサ８２および８３によるミキシングを行っていたが、この実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置は、この（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引くという動作を、アナログ段階でなく、信号処理部１３における動作として行うものである。この信号処理部１３の動作について次に説明する。
信号処理部１３においては、まず、実施の形態１と同様の処理１が行われる。次に、実施の形態１に示したのと同様の処理２が行われる。次に、処理２により求めたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引く（処理２ｄ）。この処理２ｄを行う前後のパワースペクトルの模式図を図１４に示す。図１４（ａ）は符号＋に対応した模式図であり、図１４（ｂ）は符号−に対応した模式図である。
この処理２ｄを行うことにより、実施の形態１で行った、ミキサ８２および８３によるミキシングと等価な処理を行ったこととなる。したがって、この処理２ｄを行った段階における、符号＋と−に対応したパワースペクトルを模式的に示した図は図６と同じとなり、符号系列１を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行って求めたパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図は図７と同じとなる。したがって、この処理２ｄを行った後に処理３〜処理５を行うことにより、実施の形態１に示したのと同じ効果を得ることができる。
実施の形態２に示したレーザードップラーレーダ装置は、実施の形態１に示したレーザードップラーレーダ装置と比較して、ミキサ８２および８３と、発振器９２と、０°分配器１０と、９０°分配器１１とを用いる必要がないので、構成部品が少なく、システム全体を廉価にするという効果が生じる。
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置について図１５から図１７を用いて説明する。図１５は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１５においては、図１３におけるミキサ８と、発振器９とが除去され、ヘテロダインレシーバ７がＡ／Ｄ変換器１２に直接接続され、ヘテロダインレシーバ７からのビート信号がＡ／Ｄ変換される構成となっている。
この発明の実施の形態１および実施の形態２においては、符号＋に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ１となり、符号−に対応する送信光に関するビート信号の周波数はｆｄ＋ｆ２となっていた。そして、これらの周波数からｆ１およびｆ２の値をアナログ段階で差し引くために、ミキサ８１、８２および８３によるミキシングを行っていたが、この実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置では、このｆ１およびｆ２の値を差し引くという動作を、アナログ段階でなく、信号処理部１３における動作として行うものである。この信号処理部１３の動作について次に説明する。
信号処理部１３においては、まず、実施の形態１と同様の処理１が行われる。次に、実施の形態１に示したのと同様の処理２が行われる。次に、処理２により求めたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２＋ｆ１）／２の値を差し引く（処理２ｄｄ）。この処理２ｄｄを行う前後のパワースペクトルの模式図を図１６に示す。図１６（ａ）は符号＋に対応した模式図であり、図１６（ｂ）は符号−に対応した模式図である。次に、処理２ｄｄの処理結果において、正の周波数領域については周波数に関しては−（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせる。また、負の周波数領域については周波数に関して（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせ、さらに周波数に関する符号を反転する（処理２ｄｄｄ）。この処理２ｄｄを行う前後のパワースペクトルの模式図を図１７に示す。図１７（ａ）は符号＋に対応した模式図であり、図１７（ｂ）は符号−に対応した模式図である。この処理２ｄｄおよび処理２ｄｄｄを行うことにより、実施の形態１で行った、ミキサ８１、８２および８３によるミキシングと等価な処理を行ったこととなる。したがって、この処理２ｄｄｄを行った段階における、符号＋と−に対応したパワースペクトルを模式的に示した図は図６と同じとなり、符号系列１を用いて送受信を行った場合についてｇ１〜ｇ４の各ゲートに対して処理２を行って求めたパワースペクトルを、各レンジからの成分に分割して模式的に示した図は図７と同じとなる。したがって、この処理２ｄを行った後に処理３〜処理５を行うことにより、実施の形態１に示したのと同じ効果を得ることができる。
実施の形態３に示したレーザードップラーレーダ装置は、実施の形態１に示したレーザードップラーレーダ装置と比較して、ミキサ８１、８２および８３と、発振器９１および９２と、０°分配器１０と、９０°分配器１１とを用いる必要がないので、構成部品が少ない。また、実施の形態２に示したレーザードップラーレーダ装置と比較して、ミキサ８１と、発振器９１を用いる必要がないので、構成部品が少ない。したがって、システム全体を廉価にするという効果が生じる。
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置について図１８から図２０を用いて説明する。図１８は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置の構成図である。図１８においては、２つの光源が示されており、それぞれ光源１ａ、１ｂとして示されている。また、３つの光分配器が示されており、それぞれ光分配器２１、２２、２３として示されている。なお、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。さらに、新たな符号として、１５は光周波数管理器、１６は光スイッチである。
図１８において、光源１ａは光分配器２１に接続されており、光源１ｂは光分配器２２に接続されている。光分配器２１の２つの出力の内の一方は光周波数管理器１５に接続されており、他の一方は光スイッチ１６に接続されている。光分配器２２の２つの出力の内の一方は光周波数管理器１５に接続されており、他の一方は光分配器２３に接続されている。光分配器２３の２つの出力の内の一方は光スイッチ１６に接続されており、他の一方はヘテロダインレシーバ７に接続されている。光周波数管理器１５の出力は光源１ａに接続されている。光スイッチ１６は光増幅器５と符号系列発生器４とに接続されている。
図１８において、光源１ａは、連続波で周波数ｆ２の光信号を発生する。光源１ｂは連続波で周波数ｆ０の光信号を発生する。
符号系列発生器４は、符号系列に基づいた変調信号を発生して光スイッチ１６に送信する。また、変調信号の送信タイミングを知らせるトリガ信号をＡ／Ｄ変換器１２に送信する。
光スイッチ１６は、符号系列発生器４からの変調信号に基づいて２つの光信号の一方を選択して出力する。したがって、光変調器３の出力信号の周波数はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）され、符号系列の＋と−に対応して、ｆ０とｆ２となる。
光周波数管理器１５は、２つの光源１ａおよび１ｂからの光信号の周波数差を管理し、周波数差が一定値（ｆ２−ｆ０）を保持するよう、光源１ａに対し制御をかける。これにより、光源１ａから発生する光信号の周波数が不安定で時間的に変動する場合においても、この変動を自動補償できるという効果が生じる。
光源１ｂからの光信号の一部（光分配器２３からの２つの出力の一方）は、ローカル光としてヘテロダインレシーバ７に送られる。
以上の動作により、周波数ｆ０とｆ２でＦＳＫされた送信光および周波数ｆ０のローカル光が生成された。
実施の形態４における以後の動作については、実施の形態１における、ｆ１＝０とした場合の動作と同じ動作を行う。これにより、実施の形態１で得られたのと同じ効果を得ることができる。
周波数ｆ０とｆ２でＦＳＫされた送信光および周波数ｆ０のローカル光を生成することができれば、装置構成を図１９および図２０とし、以後の動作を実施の形態２および実施の形態３と同じにすることによって、実施の形態２および実施の形態３で得られたのと同じ効果を得ることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、この発明によれば、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式を用いて受信光の位相揺らぎがある場合においてもパルス圧縮効果による高いＳ／Ｎ比での計測を可能とし、且つ、受信光に複数のレンジからの信号成分が重畳する場合においても所望の計測レンジからの成分を抽出して計測レンジにおける風速の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図６は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図７は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図８は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図９は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１０は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１１は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１２は、この発明の実施の形態１に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１３は、この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１４は、この発明の実施の形態２に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１５は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１６は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１７は、この発明の実施の形態３に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１８は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図１９は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２０は、この発明の実施の形態４に係るレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２１は、従来のレーザードップラーレーダ装置を説明するための図、
図２２は、従来のレーザードップラーレーダ装置を説明するための図である。
Claims (9)
- 光源と、
＋もしくは−の符号からなる符号系列に基づいた変調信号を発生する符号系列発生器と、
前記光源からの光信号を、前記符号系列発生器からの変調信号に基づいて２つの周波数によりＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調する光変調器と、
前記光変調器によりＦＳＫ変調された光信号を大気中に送信すると共に、大気中からの複数のレンジからの受信光を受信する送受光学部と、
前記光源からの光信号を分配してローカル光を発生する光分配器と、
前記送受光学部からの受信光と前記光分配器からのローカル光とのヘテロダイン検波を行うことにより光信号を電気信号に変換するヘテロダインレシーバと、
前記ヘテロダインレシーバからの電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換した信号を信号処理する信号処理部と
を備え、
前記信号処理部は、大気中における１つの計測レンジ以外の他のレンジからの信号成分をキャンセルし、計測レンジにおけるドップラー周波数の検出を行う機能を有する
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項１に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
前記光変調器は、変調信号の＋と−に対応して２つの周波数ｆ１とｆ２だけ前記光源からの光信号の周波数ｆ０に対して周波数シフトさせる
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項１に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
前記光源の数を２つとし、
前記光変調器は、前記符号系列発生器からの変調信号に基づいて２つの光源からの光信号の一方を選択して出力する光スイッチでなる
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項１に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
前記符号系列は、Ｍ系列である
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項１に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
前記符号系列は、相補系列であり、
前記光変調器は、パルス変調機能を有する
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
前記信号処理部は、
前記Ａ／Ｄ変換機によりＡ／Ｄ変換した信号を符号系列の１ビットに対応する時間幅毎にゲート分割するゲート分割機能と、
前記ゲート分割機能により分割された各ゲートに含まれる信号のパワースペクトルを求めるスペクトル解析機能と、
前記スペクトル解析機能により求められた各ゲートのスペクトルに対し、送信時に用いた符号系列に対応した処理を行う処理機能と、
符号系列に対応した前記処理機能により処理が施された各ゲートの処理結果をゲート間および符号系列間にわたって積算する積算機能と、
前記積算機能による積算結果における負の周波数領域の信号強度に−１を乗じ、絶対値が等しい正の周波数の信号強度に前記−１を乗じた信号強度を足し合わせる機能と
を有し、
風速のドップラー周波数をｆｄとし、前記パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとする
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項６に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２の発振信号を出力する第１の発振器と、
前記ヘテロダインレシーバからの出力信号と前記第１の発振器からの発振信号とをミキシングする第１のミキサと、
前記第１のミキサの出力を２分配する０°分配器と、
周波数が（ｆ１−ｆ２）／２の発振信号を出力する第２の発振器と、
前記第２の発振器からの発振信号を２分配する９０°分配器と、
前記０°分配器からの一方の出力と前記９０°分配器からの一方の出力とをミキシングする第２のミキサと、
前記０°分配器からの他方の出力と前記９０°分配器からの他方の出力とをミキシングする第３のミキサと
を備え、
前記第２と第３のミキサの出力により、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項６に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２の発振信号を出力する第１の発振器と、
前記ヘテロダインレシーバからの出力信号と前記第１の発振器からの発振信号とをミキシングする第１のミキサと
を備えると共に、
前記信号処理部は、求められたパワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２−ｆ１）／２の値を差し引く機能を有し、
前記第１のミキサの出力と前記信号処理部により、パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。 - 請求項６に記載のレーザードップラーレーダ装置において、
前記信号処理部は、
前記パワースペクトルの周波数軸の値から（ｆ２＋ｆ１）／２の値を差し引く機能と、
正の周波数領域について周波数に関して−（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせる機能と、
負の周波数領域について周波数に関して（ｆ２−ｆ１）／２だけシフトさせ、さらに周波数に関する符号を反転する機能と
を有し、
パワースペクトルにおいて、大気中からの信号成分の信号強度が存在する周波数を、符号系列の＋と−に対応して周波数−ｆｄと周波数＋ｆｄ、もしくは符号系列の＋と−に対応して周波数＋ｆｄと周波数−ｆｄとすることを実現する
ことを特徴とするレーザードップラーレーダ装置。
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