JPWO2018011945A1 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るレーザレーダ装置の構成例を示す図である。
レーザレーダ装置は、送信光を照射して目標(例えば、大気、大気中の微粒子又はエアロゾル、飛翔体、建築物等)により散乱された受信光を受信する装置である。なお以下では、レーザレーダ装置として、受信光を用いてドップラーシフトを検出することで風速計測を行うコヒーレントドップラーライダ装置を用いる。このレーザレーダ装置は、図1に示すように、基準レーザ光源101、光分岐カプラ(光分岐部)102、光変調器103、光ファイバ増幅器104、レーザ増幅器105、送受分離部106、部分反射ミラー107、望遠鏡(送受信光学系)108、光軸調整機構(光軸調整部)109、光合波カプラ(第2の光合波部)110、光検出器111、信号処理部112、参照光源113、光合波カプラ(第1の光合波部)114、光軸角度ずれ検出部115及び制御部116を備えている。
また、基準レーザ光源101、光分岐カプラ102、光変調器103、光ファイバ増幅器104及びレーザ増幅器105は、送信光を出射する送信光出射部118を構成する。
光検出素子1152は、レンズ1151により集光された送信光及び参照光を受光する2次元の光検出素子である。なお、光検出素子1152は、レンズ1151に対し、当該レンズ1151の焦点距離fだけ離れた位置に配置される。この光検出素子1152としては、例えば、4象限光検出器又はCCD等のカメラ型素子を用いることができる。ここで、光検出素子1152として4象限光検出器を用いた場合には、小型で簡易な構成とすることができる。
演算部1153は、光検出素子1152により受光された送信光及び参照光の位置から上記光軸角度ずれ量を演算する。
レーザレーダ装置の動作例では、まず、基準レーザ光源101は、一定周波数のCWレーザ光を基準レーザ光として発振する。なお、コヒーレント検出の精度を高めるため、基準レーザ光のスペクトル幅はできるだけ狭線幅であることが好ましく、基準レーザ光としては例えば100kHz以下のレーザ光が好適である。この基準レーザ光源101により発振された基準レーザ光は、光ファイバ201に結合されて光分岐カプラ102へ伝搬される。
受信光は集光光学系により集光されて光ファイバ206へと入射されるため、特に、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸の角度を精度よく一致させる必要がある。ビーム径にも依存するが、通常、μradオーダの精度で光軸角度を一致させる必要がある。
ここで、受信光学系の光軸は、上記の通り、光ファイバ206へと理想的に結合可能な光軸であるため、光ファイバ206からレーザ光を出射させた場合の光軸と一致する。また、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸とを一致させるためには、送受分離部106、部分反射ミラー107及び望遠鏡108以降の経路上で、送信光の光軸と光ファイバ206から出射させたレーザ光の光軸とを一致させればよい。
すなわち、まず、参照光源113は、レーザ増幅器105から出射された送信種光(送信光)と異なる波長であるレーザ光を参照光として発振する。この参照光源113により発振された参照光は、光ファイバ209に結合されて光合波カプラ114へ伝搬される。
次いで、送受分離部106は、光軸調整機構109により光軸が調整された参照光を部分反射ミラー107側に出射する。すなわち、送受分離部106は、参照光を送信光と同じ方向へ出射する。
なお、送受分離部106として偏光分離型の光学系を用いている場合には、送受分離部106で参照光が部分反射ミラー107側へ反射されるように参照光の偏光方向を設定しておくと、参照光の損失を低下でき、参照光源113に必要な出力を低減できる。また、送信光と参照光の波長帯域が大きく異なる場合には、送受分離部106に用いる光学素子に波長選択性を持たせてもよい。
図2に示すように、まず、レンズ1151は、入射された送信光及び参照光を集光する。次いで、光検出素子1152は、レンズ1151により集光された送信光及び参照光を受光する。次いで、演算部1153は、光検出素子1152により受光された送信光及び参照光の位置から上記光軸角度ずれ量を演算する。
ここで、送信光と参照光の光軸が一致している場合には、光検出素子1152上での集光スポットの中心位置は一致する。一方、送信光と参照光の光軸に角度ずれがある場合には、異なる位置に集光スポットが現れる。そのため、光検出素子1152上で送信光及び参照光の集光スポットの中心位置を測定することで、送信光と参照光の光軸角度ずれ量を測定できる。集光スポットの中心位置については、重心演算等により求めることができ、光軸の角度ずれ量Δθは下式(1)で表される。式(1)において、Δdは光検出素子1152上での送信光と参照光の集光スポットの中心位置の距離である。
Δθ=arctan(Δd/f) (1)
送信光と参照光の波長差を利用する方法では、光検出素子1152として4象限光検出器を用い、例えば図3に示すように、当該波長差による集光スポット径の差を利用して、4象限光検出器の内側と外側でそれぞれ受光する対象を分けてもよい。図3の構成では、4象限光検出器において、内側に参照光の受光領域301を設けて参照光の集光スポット302を受光し、外側に送信光の受光領域303を設けて送信光の集光スポット304を受光する。この構成は、例えば、4象限光検出器の前段に空間分布を持たせた波長分離フィルタを設ける方法、又は、4象限光検出器の表面に波長特性を持たせたフィルタ膜を製膜することで実現できる。また、参照光の波長を送信光の波長よりも短くすることで、参照光の集光スポット径を送信光の集光スポット径よりも小さくできる。この構成では、小型且つ簡単な構成で送信光と参照光の光軸角度ずれを検出できる。また、送信光と参照光の波長域が大きく異なる場合等には、光検出素子1152として、参照光の受光領域301と送信光の受光領域303とで感度を有する波長域が異なる受光素子を組み合わせた構成のものを用いることもできる。
また、送信光と参照光の集光スポットを空間的に分離することが難しい場合には、参照光をパルス動作させて送信光と時間的に分離する方法を用いることもできる。送信光のパルス間に参照光を出射させることにより、光検出素子1152には送信光の集光スポット304と参照光の集光スポット302が交互に現れることとなる。よって、光検出素子1152での受光信号を時間間隔で区切ることにより、送信光の集光スポット304と参照光の集光スポット302を区別して検出できる。
光軸角度ずれ検出部115は、受信光学系の条件に合わせ、受信光の光ファイバ206への結合効率の低下を防ぐために必要な角度ずれ量を検出するために必要な精度が得られるように構成される。
制御部116における機能は、処理回路51により実現される。処理回路51は、図4Aに示すように、専用のハードウェアであっても、図4Bに示すように、メモリ53に格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)52であってもよい。
Claims (5)
- 送信光を出射する送信光出射部と、
前記送信光と異なる波長である参照光を発振する参照光源と、
前記参照光源により発振された参照光を光ファイバにおける一端に結合する第1の光合波部と、
前記送信光出射部における出射端に対向された入射端に入射された送信光及び前記光ファイバにおける他端に対向された第1の入出射端に入射された参照光を第2の入出射端から出射し、当該第2の入出射端に入射された受信光を当該第1の入出射端から出射する送受分離部と、
前記光ファイバにおける他端と前記送受分離部における第1の入出射端との間、又は前記送信光出射部における出射端と前記送受分離部における入射端との間に配置され、通過する光の光軸を調整する光軸調整部と、
前記送受分離部における第2の入出射端の光軸上に配置され、送信光の一部及び参照光の少なくとも一部を透過する部分反射ミラーと、
前記部分反射ミラーを透過した送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出する光軸角度ずれ検出部と、
前記光軸角度ずれ検出部により検出された光軸角度ずれ量に基づき、前記光軸調整部における調整量を制御する制御部と
を備えたレーザレーダ装置。 - 前記光軸角度ずれ検出部は、
入射された送信光及び参照光を集光するレンズと、
前記レンズにより集光された送信光及び参照光を受光する光検出素子と、
前記光検出素子により受光された送信光及び参照光の位置から前記光軸角度ずれ量を演算する演算部とを有する
ことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記光検出素子は、送信光に対する受光領域と参照光に対する受光領域が異なる
ことを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。 - 前記参照光源は、可視のレーザ光源である
ことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記送信光出射部は、
基準レーザ光を発振する基準レーザ光源と、
前記基準レーザ光源により発振された基準レーザ光を2分岐する光分岐部と、
前記光分岐部により分岐された一方の基準レーザ光を変調する光変調器と、
前記光変調器により変調された基準レーザ光を増幅して前記送信光とする増幅器とを有し、
前記部分反射ミラーにより反射された送信光を照射し、当該送信光に対し目標により散乱された受信光を受信する送受信光学系と、
前記光分岐部により分岐された他方の基準レーザ光と前記光ファイバの一端から出力された受信光とを合波する第2の光合波部と、
前記第2の光合波部により合波された光を受光してビート信号を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出されたビート信号から前記目標に関する情報を抽出する信号処理部とを備えた
ことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
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