JPWO2020188676A1 - ライダ装置及び空気調和機 - Google Patents

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Abstract

ライダ装置（１）は、マルチモードレーザ光源（１１）と、マルチモードレーザ光源（１１）の出力レーザ光を狭帯域レーザ光に変換する狭帯域フィルタ（２０ｅ）と、外部空間内の対象物（Ｔｇｔ）が狭帯域レーザ光を後方散乱したときに発生した後方散乱光を入力とするエッジフィルタ（２０ｆ）と、エッジフィルタ（２０ｆ）により出力された透過光信号を検出して電気信号を出力する光検出回路（５０）と、当該電気信号に基づいて少なくとも対象物（Ｔｇｔ）の相対速度を計測する信号処理部（７０）とを備える。狭帯域フィルタ（２０ｅ）の光透過特性は、あらかじめ定められた光透過周波数にて光透過率のピークを形成する第１の狭帯域スペクトルを有し、エッジフィルタ（２０ｆ）の光透過特性は、当該光透過周波数にて光透過率の正または負の勾配を形成するエッジ部分を持つ第２の狭帯域スペクトルを有することを特徴とする。

Description

本発明は、対象物で後方散乱されたレーザ光を用いたライダ技術に関する。
レーザ光を用いたレーダ（ＬＡＤＡＲ：ＬＡｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）技術は、対象物にレーザ光を照射し、当該対象物で後方散乱されたレーザ光を用いて当該対象物を観測する技術である。レーザ光を用いたレーダは、ライダ（ＬＩＤＡＲ：ＬＩｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）とも呼ばれ、風計測、距離計測及び３次元計測などの種々の技術分野で広く使用されている。ドップラーライダと呼ばれるライダは、ドップラー効果に基づき、対象物で後方散乱されたレーザ光を用いて当該対象物の相対移動速度を計測することができる。ドップラー効果の検出法としては、光ヘテロダイン検波を用いるコヒーレント方式と、光学フィルタを用いるインコヒーレント方式（直接検波方式）とが知られている。インコヒーレント方式の一種であるエッジ法（ｅｄｇｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）は、光周波数に対して狭帯域の光透過特性を有する光学フィルタを使用し、この光学フィルタの透過スペクトルの立ち上がり部分または立ち下がり部分であるエッジ部分を用いてドップラー効果を検出する方法である。
下記の非特許文献１には、エッジ法に基づき、大気中のアエロゾルまたは分子などの対象物の相対移動速度を検出するドップラーライダが開示されている（非特許文献１の図１参照）。このドップラーライダは、レーザ光ビームを出力する狭帯域レーザ光源と、当該レーザ光ビームの一部を検出する第１の検出器と、当該レーザ光ビームの他の一部を大気中に送信した後に後方散乱光を受信する望遠鏡と、当該後方散乱光を透過させる光学フィルタ（エッジフィルタ）と、当該光学フィルタから出力された光信号を検出する第２の検出器と、第１及び第２の検出器がそれぞれ出力する電気信号に基づいて当該対象物の相対移動速度を算出する演算器とを備えている。
C. Laurence Korb, Bruce M. Gentry, and Chi Y. Weng: "Edge technique: theory and application to the lidar measurement of atmospheric wind", Appl. Opt. vol.31, pp.4202-4213.
従来のドップラーライダでは、計測精度を確保するためには、狭スペクトル線幅で高出力のレーザ光が要求されるので、シングルモードで動作するシングルモードレーザ光源が使用されていた。また、光パルスを用いて対象物までの距離を計測するライダ装置の場合、高い距離分解能を得るためには、レーザ光のパルス幅が短いことが要求される。しかしながら、短パルス幅、狭スペクトル線幅及び高出力という条件を満たすシングルモードレーザ光源を半導体レーザダイオードで実現することが難しいという課題がある。また、そのような条件を満たすシングルモードレーザ光源を固体レーザ光源で実現することができたとしても、当該固体レーザ光源のサイズが大きいので、ライダ装置の小型化が難しいという課題がある。
上記に鑑みて本発明の目的は、シングルモードレーザ光源を使用せずに、ドップラー効果に基づいて対象物の相対速度を高精度に計測することができるライダ装置、及び当該ライダ装置を有する空気調和機を提供することである。
本発明の一態様によるライダ装置は、マルチモードレーザ光源と、前記マルチモードレーザ光源の出力レーザ光を狭帯域レーザ光に変換する狭帯域フィルタと、前記狭帯域レーザ光が外部空間に送信された後に、前記外部空間内の対象物が前記狭帯域レーザ光を後方散乱したときに発生した後方散乱光を入力とするエッジフィルタと、前記エッジフィルタにより出力された透過光信号を検出して、当該透過光信号に対応する電気信号を生成する光検出回路と、前記電気信号に基づいて少なくとも前記対象物の相対速度を計測する信号処理部とを備え、前記狭帯域フィルタの光透過特性は、あらかじめ定められた光透過周波数にて光透過率のピークを形成する第１の狭帯域スペクトルを有し、前記エッジフィルタの光透過特性は、前記光透過周波数にて光透過率の正または負の勾配を形成するエッジ部分を持つ第２の狭帯域スペクトルを有することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、シングルモードレーザ光源を使用せずに、対象物の相対速度を高精度に計測することができる。
本発明に係る実施の形態１のライダ装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 ファブリ・ペロー干渉計型の光学フィルタの構成例を概略的に示す図である。 図３Ａ，図３Ｃ及び図３Ｄは、光パワースペクトルの例を概略的に表すグラフであり、図３Ｂは、実施の形態１の光学フィルタの光透過特性の例を概略的に表すグラフである。 実施の形態１のライダ装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１の信号処理部のハードウェア構成例を示す機能ブロック図である。 本発明に係る実施の形態２の空気調和機の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明に係る実施の形態３の車載用周辺監視システムの概略構成を示す図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１のライダ装置１の概略構成を示す機能ブロック図である。図１に示されるライダ装置１は、縦マルチモードで動作するマルチモードレーザ光源１１と、マルチモードレーザ光源１１を駆動して当該マルチモードレーザ光源１１からパルスレーザ光ＭＭを出力させる光源駆動部１０と、当該パルスレーザ光ＭＭを平行光ＣＬに変換するコリメート光学系１２と、当該平行光ＣＬを狭帯域レーザ光ＮＬに変換する光学フィルタ２０と、当該狭帯域レーザ光ＮＬを外部空間に送信する光アンテナ（光送受信部）３０とを備えている。
マルチモードレーザ光源１１は、広い光周波数帯で高出力のレーザ光を発振することができる半導体レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）で構成することができる。縦シングルモードで動作するシングルモードレーザ光源と比べると、マルチモードレーザ光源１１は、比較的安価に入手することができる高出力レーザ光源である。
光アンテナ３０は、光学フィルタ２０から入力された狭帯域レーザ光ＮＬを所望のビーム径及び拡がり角の送信光に変換し、当該送信光を外部空間内の所望の視線方向に向けて送信する機能を有する。また、光アンテナ３０は、外部空間に送信された狭帯域レーザ光ＮＬが被計測領域の対象物Ｔｇｔで後方散乱されたときに発生する後方散乱光を受信光ＲＬとして受信することができる。さらに、光アンテナ３０は、送信光で外部空間の所定範囲を走査する光走査機能を有している。このような光走査機能を実現する素子としては、たとえば、単数または複数のウェッジプリズム、ガルバノミラー及びポリゴンミラーなどの部品群の中から選択された１つ、または、当該部品群の中から選択された２つ以上の部品の組合せが使用可能である。
図１を参照すると、ライダ装置１は、光アンテナ３０から入射した受信光ＲＬを集光させる集光ミラー３１と、集光ミラー３１から入射した受信光ＲＬを分岐光信号ＳＬａ，ＳＬｒ（第１及び第２の分岐光信号）に分配する光分配器３２と、分岐光信号ＳＬｒを導光する導光部３４とを備えている。
集光ミラー３１は、光アンテナ３０から入射した受信光ＲＬを光分配器３２の光入力端に集光させる機能を有する。光分配器３２は、当該受信光ＲＬを分岐光信号ＳＬａ，ＳＬｒに分配し、分岐光信号ＳＬａを光学フィルタ２０のエッジフィルタ２０ｆに出力すると同時に、分岐光信号ＳＬｒを基準光信号として導光部３４に出力する。導光部３４は、光分配器３２から入射した基準光信号ＳＬｒを集光光学系４２に導光することができる。導光部３４は、たとえば、光学レンズ及び反射ミラーで構成されればよいが、これに限定されるものではない。
光学フィルタ２０は、光分配器３２から入力された分岐光信号ＳＬａを、後方散乱光のドップラー偏移量に応じた透過光強度を持つ透過光信号ＳＤｆに変換することができる。ここで、ドップラー偏移量は、外部空間に送信された狭帯域レーザ光ＮＬと受信光ＲＬとの間の、ドップラー効果により生じた光周波数偏移量である。光学フィルタ２０の詳細な構成については後述する。
図１を参照すると、ライダ装置１は、さらに、光学フィルタ２０から入力された透過光信号ＳＤｆを集光させる集光光学系４１と、導光部３４から入射した基準光信号ＳＬｒを集光させる集光光学系４２と、集光光学系４１，４２から入射した透過光信号ＳＤｆ及び基準光信号ＳＬｒを検出してその検出結果である電気信号Ｓ１，Ｓ２を出力する光検出回路５０と、光検出回路５０から出力された電気信号Ｓ１，Ｓ２をディジタル検出信号Ｄ１，Ｄ２に変換するＡ／Ｄ変換回路６０と、ディジタル検出信号Ｄ１，Ｄ２に基づいて、視線方向における対象物Ｔｇｔの相対速度（視線速度）及び対象物Ｔｇｔまでの距離を計測する信号処理部７０とを備える。
光学フィルタ２０は、２種類の光透過フィルタを有する。一方の光透過フィルタは、所定の光周波数帯の平行光ＣＬを、より狭い光周波数帯の狭帯域レーザ光ＮＬに変換する狭帯域フィルタ２０ｅである。他方の光透過フィルタは、光分配器３２から入力された分岐光信号ＳＬａを、ドップラー偏移量に応じた透過光強度を持つ透過光信号ＳＤｆに変換するエッジフィルタ２０ｆである。このような光学フィルタ２０は、ファブリ・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計、マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計、フィゾー（Ｆｉｚｅａｕ）干渉計またはマッハーツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計といった光学干渉計で実現することができる。
ここで、狭帯域フィルタ２０ｅ及びエッジフィルタ２０ｆは、同一の製造工程において、同一の構成材料を用いて一体的に形成されることが望ましい。これにより、周辺環境の変化（たとえば、温度変化）または光学フィルタ２０の経年劣化に起因して狭帯域フィルタ２０ｅ及びエッジフィルタ２０ｆのそれぞれの特性が変化しても、狭帯域フィルタ２０ｅの特性変化とエッジフィルタ２０ｆの特性変化との間の差が小さいので、計測精度の劣化を抑制することができる。
光学フィルタ２０のサイズを小型化する観点からは、光学フィルタ２０は、ファブリ・ペロー干渉計（ファブリ・ペロー・エタロン：Ｆａｂｒｙ Ｐｅｒｏｔ Ｅｔａｌｏｎ）で実現されることが望ましい。図２は、ファブリ・ペロー干渉計型の光学フィルタ２０の構成例を概略的に示す図である。
図２に示されるように光学フィルタ２０は、入力された平行光ＣＬを透過させる狭帯域フィルタ２０ｅと、入力された分岐光信号ＳＬａを透過させるエッジフィルタ２０ｆとを含む。狭帯域フィルタ２０ｅは、互いに対向する一対の光反射面２０ｅａ，２０ｅｂを有し、これら光反射面２０ｅａ，２０ｅｂ間で入力光の多重反射を発生させる光共振器構造を有する。同様に、エッジフィルタ２０ｆは、互いに対向する一対の光反射面２０ｆａ，２０ｆｂを有し、これら光反射面２０ｆａ，２０ｆｂ間で入力光の多重反射を発生させる光共振器構造を有している。
ファブリ・ペロー干渉計型の光学フィルタ２０の製造工程は、たとえば以下のとおりである。先ず、石英ガラスなどの光透過基材の表面を研磨加工することにより光透過基板を形成する。次に、誘電体材料を用いて、光透過基板のおもて面と裏面とに、それぞれ所定の光透過率及び光反射率を有する光反射膜を成膜する。狭帯域フィルタ２０ｅの形成領域の基板の厚みと、エッジフィルタ２０ｆの形成領域の基板の厚みとを個別に制御することにより、狭帯域フィルタ２０ｅ及びエッジフィルタ２０ｆの光透過特性を個別に調整することができる。あるいは、狭帯域フィルタ２０ｅの形成領域の光反射膜の膜厚と、エッジフィルタ２０ｆの形成領域の光反射膜の膜厚とを個別に制御することにより、狭帯域フィルタ２０ｅ及びエッジフィルタ２０ｆの光透過特性を個別に調整することも可能である。
図３Ａ，図３Ｃ及び図３Ｄは、光パワースペクトルの例を概略的に表すグラフであり、図３Ｂは、光学フィルタ２０の光透過特性の例を概略的に表すグラフである。図３Ａ，図３Ｃ及び図３Ｄにおいて、横軸は光周波数νを示し、縦軸は光パワーを示している。図３Ａは、マルチモードレーザ光源１１から出力されるパルスレーザ光ＭＭの光パワースペクトルの例を表している。図３Ｂにおいては、横軸は光周波数νを示し、縦軸は光透過率を示し、点線は狭帯域フィルタ２０ｅの透過スペクトル分布を表し、実線はエッジフィルタ２０ｆの透過スペクトル分布を表している。図３Ｃは、送信光すなわち狭帯域レーザ光ＮＬの光パワースペクトルの例を表し、図３Ｄは、ドップラー偏移量Δνが零の場合とドップラー偏移量Δνが正の場合とにおける受信光ＲＬの光パワースペクトルの例を表している。
図３Ａに例示されるようにパルスレーザ光ＭＭの光周波数帯は、広帯域に分布している。これに対し、図３Ｂの点線で示されるように、狭帯域フィルタ２０ｅの光透過特性は、光学フィルタ２０の設計段階であらかじめ定められた光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにて光透過率の鋭いピーク（透過ピーク）を形成する狭帯域スペクトルＥ１，Ｅ２，…，ＥＮを有する。ここで、下付き添え字Ｎは正整数である。光透過周波数ν１，ν２，…，νＮは、それぞれ、狭帯域スペクトルＥ１，Ｅ２，…，ＥＮの中心周波数である。図３Ｃに示されるように、狭帯域レーザ光ＮＬのスペクトル線幅は、パルスレーザ光ＭＭのスペクトル線幅よりも狭く、たとえば数十ＭＨｚ程度の半値全幅に設定することができる。このため、狭帯域フィルタ２０ｅは、広帯域の平行光ＣＬを、図３Ｃに示した光パワースペクトルを有する狭帯域レーザ光ＮＬに変換することができる。また、狭帯域レーザ光ＮＬの光パワースペクトルは、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮと一致する光周波数にてそれぞれ鋭い強度ピークを形成している。
図３Ｂに示されるように、エッジフィルタ２０ｆの光透過特性は、狭帯域スペクトルＥ１，Ｅ２，…，ＥＮの中心周波数である光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにて光透過率の正の勾配を形成するエッジ部分をそれぞれ持つ狭帯域スペクトルＦ１，Ｆ２，…，ＦＮを有している。また、狭帯域フィルタ２０ｅの光透過特性は、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮが、狭帯域スペクトルＦ１，Ｆ２，…，ＦＮの立ち上がり分布の半値Ｔ０での光周波数とほぼ一致するように設計されている。ここで、半値Ｔ０は、狭帯域スペクトルＦ１，Ｆ２，…，ＦＮの最大ピーク値の１／２の値である。
なお、本実施の形態では、狭帯域スペクトルＦ１，Ｆ２，…，ＦＮは、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにて光透過率の正の勾配を形成するエッジ部分を持つが、これに限定されるものではない。光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにて光透過率の負の勾配を形成するエッジ部分を持つ狭帯域スペクトルを有するエッジフィルタが採用されてもよい。この場合には、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮは、当該エッジフィルタが有する狭帯域スペクトルの立ち下がり分布の半値Ｔ０における光周波数とほぼ一致するように設計されることが望ましい。
図３Ｄには、ドップラー偏移量Δνが零の場合における受信光ＲＬの狭帯域スペクトルＰ１，Ｐ２，…，ＰＮと、ドップラー偏移量Δνが正の場合における受信光ＲＬの狭帯域スペクトルＱ１，Ｑ２，…，ＱＮとが示されている。狭帯域スペクトルＰ１〜ＰＮ，Ｑ１〜ＱＮの各々は、レイリー散乱（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）に起因する広いスペクトル線幅の散乱光成分と、ミー散乱（Ｍｉｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）に起因する狭いスペクトル線幅の散乱光成分とを含んでいる。本実施の形態では、ミー散乱に起因する狭いスペクトル線幅の散乱光成分が使用される。
ドップラー偏移量Δνが零の場合には、図３Ｄに示されるように、受信光ＲＬの狭帯域スペクトルＰ１，Ｐ２，…，ＰＮのピーク光周波数は、それぞれ、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮとほぼ一致する。この場合、エッジフィルタ２０ｆは、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにおける半値Ｔ０の光透過率に応じた透過光強度の透過光信号ＳＤｆを出力する。
今、光周波数νを有する透過光信号ＳＤｆの光強度または光振幅をΦ１（ν）で表し、基準光信号ＳＬｒの光強度または光振幅をΦ２（ν）で表すものとする。また、透過光信号ＳＤｆと基準光信号ＳＬｒとの間の信号比Φ（ν）を次式（１）に示すように定義する。
Φ（ν）＝Φ１（ν）／Φ２（ν） （１）
信号比Φ（ν）は、透過光信号ＳＤｆの正規化光強度または正規化光振幅を示すものである。送信光の光周波数ν０に対してドップラー偏移量Δνが生じた場合の信号比Φ（ν０＋Δν）は、次式（２）に示すとおりである。
Φ（ν０＋Δν）＝Φ１（ν０＋Δν）／Φ２（ν０＋Δν） （２）
ドップラー偏移量Δνが正の場合には、図３Ｄに示されるように、受信光ＲＬの狭帯域スペクトルＱ１，Ｑ２，…，ＱＮのピーク光周波数は、それぞれ、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮから正側にシフトした光周波数ν１＋Δν，ν２＋Δν，…，νＮ＋Δνと一致する。この場合、エッジフィルタ２０ｆは、半値Ｔ０よりも大きい値Ｔｆの光透過率に応じた透過光強度の透過光信号ＳＤｆを出力する。よって、ドップラー偏移量Δνが正の場合に得られる信号比Φ（ν０＋Δν）は、ドップラー偏移量Δνが零の場合に得られる信号比Φ（ν０）よりも大きい。
ドップラー偏移量Δνが負の場合には、受信光ＲＬの狭帯域スペクトルのピーク光周波数は、それぞれ、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮから負側にシフトした光周波数と一致する。この場合、エッジフィルタ２０ｆは、半値Ｔ０よりも小さい値の光透過率に応じた透過光強度の透過光信号ＳＤｆを出力することとなる。よって、ドップラー偏移量Δνが負の場合に得られる信号比Φ（ν０＋Δν）は、ドップラー偏移量Δνが零の場合に得られる信号比Φ（ν０）よりも小さい。
図１を参照すると、光検出回路５０は、光検出器５１，５２で構成されている。光検出器５１は、集光光学系４１から入射した透過光信号ＳＤｆを電気信号Ｓ１に変換する光電変換素子であり、光検出器５２は、集光光学系４２から入射した基準光信号ＳＬｒを電気信号Ｓ２に変換する光電変換素子である。このような光検出器５１，５２としては、たとえば、ＰＩＮ（Ｐ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）ダイオードまたはアバランシェ・フォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）が使用可能である。光検出器５１，５２の各々は、入力された光信号の光強度に応じた電圧値を有する電気信号を出力するように構成可能である。
Ａ／Ｄ変換回路６０は、所定のサンプリング周期で電気信号Ｓ１をサンプリングすることでディジタル検出信号Ｄ１を生成するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）６１と、所定のサンプリング周期で電気信号Ｓ２をサンプリングすることでディジタル検出信号Ｄ２を生成するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）６２とを有する。
信号処理部７０は、ディジタル検出信号Ｄ１の信号波形及びディジタル検出信号Ｄ２の信号波形を検出する波形検出部７２と、ライダ装置１に対する対象物Ｔｇｔの相対速度及び対象物Ｔｇｔまでの距離といった観測値を算出する観測量算出部７４と、光源駆動部１０及び観測量算出部７４のそれぞれの動作を制御する制御部７６とを有する。制御部７６は、外部から供給された指令信号ＣＤに応じた制御を実行する機能を有している。
波形検出部７２は、ディジタル検出信号Ｄ１の信号波形を検出して、当該検出された信号波形を示すデータを観測量算出部７４に供給し、ディジタル検出信号Ｄ２の信号波形を検出して、当該検出された信号波形を示すデータを観測量算出部７４に供給する。観測量算出部７４は、波形検出部７２から供給されたデータに基づき、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式により、被計測領域の対象物Ｔｇｔまでの距離を計測することができる。
また、観測量算出部７４は、ディジタル検出信号Ｄ１の信号強度または信号振幅と、ディジタル検出信号Ｄ２の信号強度または信号振幅とを検出し、当該検出結果に基づいて被計測領域の対象物Ｔｇｔの相対速度を検出することができる。
今、光周波数νを有する透過光信号ＳＤｆに対応するディジタル検出信号Ｄ１の信号強度または信号振幅をＩ１（ν）で表し、基準光信号ＳＬｒに対応するディジタル検出信号Ｄ２の信号強度または信号振幅をＩ２（ν）で表すものとする。また、ディジタル検出信号Ｄ１，Ｄ２間の信号比Ｉ（ν）を次式（３）に示すように定義する。
Ｉ（ν）＝Ｉ１（ν）／Ｉ２（ν） （３）
信号比Ｉ（ν）は、ディジタル検出信号Ｄ１の正規化信号強度または正規化信号振幅を示すものである。送信光の光周波数ν０に対してドップラー偏移量Δνが生じた場合、信号比Ｉ（ν０＋Δν）は、次式（４）で表される。
Ｉ（ν０＋Δν）＝Ｉ１（ν０＋Δν）／Ｉ２（ν０＋Δν） （４）
ドップラー偏移量Δνが正の場合には、信号比Ｉ（ν０＋Δν）は、ドップラー偏移量Δνが零の場合に得られる信号比Ｉ（ν０）よりも大きい。逆に、ドップラー偏移量Δνが負の場合には、信号比Ｉ（ν０＋Δν）は、信号比Ｉ（ν０）よりも小さい。よって、ドップラー偏移量Δνは、次式（５）で示される信号比間の差分ΔＩに依存していることが分かる。
ΔＩ＝Ｉ（ν０＋Δν）−Ｉ（ν０） （５）
ここで、ドップラー偏移量Δνが零の場合の信号比Ｉ（ν０）は、信号比Ｉ（ν０＋Δν）が算出される前に、あらかじめ測定しておくことが可能である。
対象物Ｔｇｔの相対速度（視線速度）ｖは、次式（６）に示されるようにドップラー偏移量Δνに依存することが知られている。
Δν＝（２ｖ／ｃ）×ν０ （６）
ここで、ｃは、光の伝搬速度である。
したがって、ドップラー偏移量Δνと差分ΔＩとの間の関係を表す変換関数または変換テーブル（ルックアップテーブル）があらかじめ用意されることにより、観測量算出部７４は、その変換関数または変換テーブルと式（６）とを用いて対象物Ｔｇｔの相対速度ｖを算出することができる。
ドップラー偏移量Δνと差分ΔＩとの間に比例関係（線形関係）が成立する場合には、観測量算出部７４は、たとえば、次式（７）を用いて対象物Ｔｇｔの相対速度ｖを近似的に算出することが可能である。
ｖ＝（１／Θ）×ΔＩ／Ｉ（ν０） （７）
ここで、Θは、ドップラー感度と呼ばれるパラメータである。
次に、図４を参照しつつ、上記したライダ装置１の観測動作の手順について説明する。図４は、ライダ装置１の観測動作の一例を説明するためのフローチャートである。
図４を参照すると、光源駆動部１０は、信号処理部７０の制御部７６による制御に従い、マルチモードレーザ光源１１を駆動して当該マルチモードレーザ光源１１からパルスレーザ光ＭＭを出力させる（ステップＳＴ１０）。このとき、上記のとおり、コリメート光学系１２は、パルスレーザ光ＭＭを平行光ＣＬに変換し、狭帯域フィルタ２０ｅは、広帯域の平行光ＣＬを狭帯域レーザ光ＮＬに変換する。また、光アンテナ３０は、狭帯域レーザ光ＮＬを所望のビーム径及び拡がり角の送信光に変換し、当該送信光を外部空間内の所望の視線方向に向けて送信する。対象物Ｔｇｔから後方散乱光を受信すると、光アンテナ３０は受信光ＲＬを集光ミラー３１に出力し、光分配器３２は、集光ミラー３１を介して入力された受信光ＲＬを分岐光信号ＳＬａ，ＳＬｒに分配する。エッジフィルタ２０ｆは、入力された分岐光信号ＳＬａを透過光信号ＳＤｆに変換し、集光光学系４１は、透過光信号ＳＤｆを光検出器５１の受光領域に集光させる。また、導光部３４は、分岐光信号ＳＬｒを基準光信号として集光光学系４２に導光し、集光光学系４２は、当該基準光信号ＳＬｒを光検出器５２の受光領域に集光させる。
そして、光検出器５１，５２は、透過光信号ＳＤｆ及び基準光信号ＳＬｒを検出して電気信号Ｓ１，Ｓ２を出力する（ステップＳＴ１１）。次いで、Ａ／Ｄ変換回路６０は、電気信号Ｓ１，Ｓ２をディジタル検出信号Ｄ１，Ｄ２に変換する（ステップＳＴ１２）。
その後、波形検出部７２は、ディジタル検出信号Ｄ１，Ｄ２の信号波形を検出してその検出結果を観測量算出部７４に供給する（ステップＳＴ１３）。観測量算出部７４は、上記のとおり、ステップＳＴ１３で得られた検出結果に基づいて、被計測領域の対象物Ｔｇｔまでの距離と当該対象物Ｔｇｔの相対速度とを計測する（ステップＳＴ１４）。その計測結果を示す計測データＭＤは外部に出力される。
以上に説明したように実施の形態１のライダ装置１においては、図３Ｂに例示したように、狭帯域フィルタ２０ｅの光透過特性は、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにて光透過率の鋭いピークを形成する狭帯域スペクトル（第１の狭帯域スペクトル）Ｅ１，Ｅ２，…，ＥＮを有しており、また、エッジフィルタ２０ｆの光透過特性は、光透過周波数ν１，ν２，…，νＮにて光透過率の正の勾配を形成するエッジ部分をそれぞれ持つ狭帯域スペクトル（第２の狭帯域スペクトル）Ｆ１，Ｆ２，…，ＦＮを有している。ドップラー偏移量Δνが発生すると、これに応じて、エッジフィルタ２０ｆから出力される透過光信号ＳＤｆの光透過強度がドップラー偏移量Δνに応じて変化するので、信号処理部７０は、透過光信号ＳＤｆに対応するディジタル検出信号Ｄ１の信号波形に基づいて対象物Ｔｇｔの相対速度を計測することができる。したがって、実施の形態１のライダ装置１は、シングルモードレーザ光源を使用せずに、マルチモードレーザ光源１１を使用してドップラー効果に基づいて対象物Ｔｇｔ相対速度を高精度に計測することができる。短パルス幅で高出力のレーザ光を発振可能なマルチモードレーザ光源１１を使用することにより、高い距離分解能を確保することもできる。
また、比較的低価格のマルチモードレーザ光源１１が使用されるので、ライダ装置１の製造コストを低コストに抑えることができる。さらに、マルチモードレーザ光源１１として半導体レーザダイオードを使用することにより、小型で低価格なライダ装置１を提供することが可能である。
なお、上記した信号処理部７０の機能の全部または一部は、たとえば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの半導体集積回路を有する単数または複数のプロセッサにより実現可能である。あるいは、信号処理部７０の機能の全部または一部は、ソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置を含む単数または複数のプロセッサで実現されてもよい。あるいは、ＤＳＰ，ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどの半導体集積回路と、ＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置との組み合わせを含む単数または複数のプロセッサによって信号処理部７０の機能の全部または一部を実現することも可能である。
図５は、実施の形態１の信号処理部７０のハードウェア構成例である信号処理回路８０の概略構成を示す機能ブロック図である。図５に示される信号処理回路８０は、プロセッサ８１、入出力インタフェース８４、メモリ８２、記憶装置８３及び信号路８５を備えている。信号路８５は、プロセッサ８１、入出力インタフェース８４、メモリ８２及び記憶装置８３を相互に接続するためのバスである。入出力インタフェース８４は、Ａ／Ｄ変換回路６０から入力されたディジタル検出信号Ｄ１，Ｄ２をプロセッサ８１に転送する機能を有するとともに、プロセッサ８１から転送された計測データＭＤを外部に出力する機能を有している。
メモリ８２は、プロセッサ８１がディジタル信号処理を実行する際に使用されるワークメモリと、当該ディジタル信号処理で使用されるデータが展開される一時記憶メモリとを含む。たとえば、メモリ８２は、フラッシュメモリ及びＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの半導体メモリで構成されればよい。また、記憶装置８３は、プロセッサ８１がＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置を含む場合には、当該演算装置で実行されるべきソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを格納する記憶領域として利用可能である。たとえば、記憶装置８３は、フラッシュメモリまたはＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性の半導体メモリで構成されればよい。
なお、図５の例では、プロセッサ８１の個数は１つであるが、これに限定されるものではない。互いに連携して動作する複数個のプロセッサを用いて信号処理部７０のハードウェア構成が実現されてもよい。
実施の形態２．
上記したライダ装置１は、航空機、車両、気象観測システム、風力発電システム並びに空気調和（空調）システムに適用されることが可能である。図６は、本発明に係る実施の形態２の空気調和機１００の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。この空気調和機１００には、実施の形態１のライダ装置１が組み込まれている。
図６に示される空気調和機１００は、外部空間における被計測領域の気流、気温、湿度並びに物体の状態を観測するセンサ部１０１と、外部空間において温度調整された気流を発生させる送風機構１０４と、送風機構１０４を駆動する駆動部１０３と、センサ部１０１及び駆動部１０３の動作を制御する空気調和制御部１０２と、空気調和制御部１０２とリモートコントローラ１１０との間の赤外線通信または無線通信を制御する通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１０６と、操作入力部１０５とを備えて構成されている。操作入力部１０５は、空気調和機１００の動作状態を表示するディスプレイ、及び、ユーザが操作するためのボタン，スイッチまたはタッチパネルなどの入力装置を含んで構成されている。
送風機構１０４は、送風機、熱交換器、送風ファン及び風向板などの空調用部品（図示せず）に加えて、これら空調用部品を駆動するための各種の駆動モータ１０４１〜１０４Ｋを有している（Ｋは２以上の整数）。駆動部１０３は、駆動モータ１０４１〜１０４Ｋをそれぞれ駆動するためのモータ制御部１０３１〜１０３Ｋを有する。
センサ部１０１は、外部空間における被計測領域の気流の状態（たとえば、風速及び風向き）を検出するライダ装置１と、外部空間の気温を計測する気温センサ２と、外部空間の湿度を計測する湿度センサ３と、外部空間における人間などの物体の有無を検知する光センサ４とを備えている。空気調和制御部１０２は、センサ部１０１による検出結果に基づいて駆動部１０３の動作を制御することにより送風機構１０４を制御することができる。たとえば、センサ部１０１が被計測領域の風向きを検出した場合、空気調和制御部１０２は、当該風向きの検出値（風向値）に基づき、送風機構１０４を制御して送風方向を制御することができる。
以上に説明したように実施の形態２の空気調和機１００は、実施の形態１のライダ装置１を備えているので、センサ部１０１のサイズを小型化することができる。また、空気調和制御部１０２は、ライダ装置１による検出結果に基づき、外部空間における気流の状態を高精度に検知し制御することができる。
実施の形態３．
図７は、本発明に係る実施の形態３の車載用周辺監視システムの概略構成を示す図である。図７に示される車載用周辺監視システムは、車両２００の周辺領域ＦＡ１，ＦＡ２，ＲＡ１，ＲＡ２を走査する４個のライダ装置１，１，１，１と、これらライダ装置１，１，１，１による検出結果を用いて周辺領域ＦＡ１，ＦＡ２，ＲＡ１，ＲＡ２を監視する監視用ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０１とを含んで構成されている。図７の例では、車両２００の本体のコーナー部にライダ装置１，１，１，１が搭載されているが、ライダ装置１の搭載位置は、図７に示した位置に限定されるものではない。
実施の形態１のライダ装置１のサイズは小さく、ライダ装置１の低価格化が実現可能であるため、多数のライダ装置１を車両２００に搭載させることが容易であり、車載用周辺監視システムの低コスト化が可能である。
以上、図面を参照して本発明に係る実施の形態１〜３について述べたが、実施の形態１〜４は本発明の例示であり、実施の形態１〜３以外の様々な実施の形態がありうる。本発明の範囲内において、実施の形態１〜３の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
たとえば、実施の形態１のライダ装置１は、ドップラー効果を検出するために１個のエッジフィルタ２０ｆを使用するエッジ法に基づく計測を実行するが、これに限定されるものではない。１個のエッジフィルタ２０ｆの代わりに、複数個のエッジフィルタを使用してドップラー効果が検出されてもよい。
本発明に係るライダ装置は、マルチモードレーザ光源を使用した高精度計測を可能とするので、たとえば、航空機、移動車両、気象観測システム、風力発電システム並びに空気調和（空調）システムに使用されることに適している。
１ ライダ装置、２ 気温センサ、３ 湿度センサ、４ 光センサ、１０ 光源駆動部、１１ マルチモードレーザ光源、１２ コリメート光学系、２０ 光学フィルタ、
２０ｅ 狭帯域フィルタ、２０ｆ エッジフィルタ、３０ 光アンテナ（光送受信部）、３１ 集光ミラー、３２ 光分配器、３４ 導光部、４１，４２ 集光光学系、５０ 光検出回路、５１，５２ 光検出器、６０ Ａ／Ｄ変換回路、６１，６２ Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、７０ 信号処理部、７２ 波形検出部、７４ 観測量算出部、７６ 制御部、８０ 信号処理回路、８１ プロセッサ、８２ メモリ、８３ 記憶装置、８４ 入出力インタフェース、８５ 信号路、１００ 空気調和機、１０１ センサ部、１０２ 空気調和制御部、１０３ 駆動部、１０３１〜１０３Ｋ モータ制御部、１０４ 送風機構、１０４１〜１０４Ｋ 駆動モータ、１０５ 操作入力部、１０６ 通信インタフェース部、１１０ リモートコントローラ、２００ 車両、２０１ 監視用ＥＣＵ、Ｔｇｔ 対象物。
本発明の一態様によるライダ装置は、マルチモードレーザ光源と、前記マルチモードレーザ光源の出力レーザ光を狭帯域レーザ光に変換する狭帯域フィルタと、前記狭帯域レーザ光が外部空間に送信された後に、前記外部空間内の対象物が前記狭帯域レーザ光を後方散乱したときに発生した後方散乱光を入力とするエッジフィルタと、前記エッジフィルタにより出力された透過光信号を検出して、当該透過光信号に対応する電気信号を生成する光検出回路と、前記電気信号に基づいて少なくとも前記対象物の相対速度を計測する信号処理部とを備え、前記狭帯域フィルタの光透過特性は、あらかじめ定められた光透過周波数にて光透過率のピークを形成する第１の狭帯域スペクトルを有し、前記エッジフィルタの光透過特性は、前記光透過周波数にて光透過率の正または負の勾配を形成するエッジ部分を持つ第２の狭帯域スペクトルを有し、前記狭帯域フィルタと前記エッジフィルタとは一体的に形成されていることを特徴とする。

Claims (10)

  1. マルチモードレーザ光源と、
    前記マルチモードレーザ光源の出力レーザ光を狭帯域レーザ光に変換する狭帯域フィルタと、
    前記狭帯域レーザ光が外部空間に送信された後に、前記外部空間内の対象物が前記狭帯域レーザ光を後方散乱したときに発生した後方散乱光を入力とするエッジフィルタと、
    前記エッジフィルタにより出力された透過光信号を検出して、当該透過光信号に対応する電気信号を生成する光検出回路と、
    前記電気信号に基づいて少なくとも前記対象物の相対速度を計測する信号処理部と
    を備え、
    前記狭帯域フィルタの光透過特性は、あらかじめ定められた光透過周波数にて光透過率のピークを形成する第１の狭帯域スペクトルを有し、
    前記エッジフィルタの光透過特性は、前記光透過周波数にて光透過率の正または負の勾配を形成するエッジ部分を持つ第２の狭帯域スペクトルを有する、
    ことを特徴とするライダ装置。
  2. 請求項１に記載のライダ装置であって、前記狭帯域レーザ光のスペクトル線幅は、前記出力レーザ光のスペクトル線幅よりも狭いことを特徴とするライダ装置。
  3. 請求項１または２に記載のライダ装置であって、
    前記後方散乱光を第１分岐光信号及び第２分岐光信号に分配し、前記第１分岐光信号を前記エッジフィルタに出力する光分配器をさらに備え、
    前記エッジフィルタは、前記第１分岐光信号を前記透過光信号に変換し、
    前記光検出回路は、前記第２分岐光信号を検出して当該第２分岐光信号に対応する電気信号を生成し、
    前記信号処理部は、前記透過光信号に対応する当該電気信号と前記第２分岐光信号に対応する当該電気信号とに基づいて少なくとも前記対象物の相対速度を計測する、
    ことを特徴とするライダ装置。
  4. 請求項１から３のうちのいずれか１項に記載のライダ装置であって、前記光透過周波数は、前記第２の狭帯域スペクトルの最大ピーク値の半値での光周波数と一致することを特徴とするライダ装置。
  5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のライダ装置であって、前記狭帯域フィルタと前記エッジフィルタとは一体的に形成されていることを特徴とするライダ装置。
  6. 請求項１から５のうちのいずれか１項に記載のライダ装置であって、前記狭帯域フィルタ及び前記エッジフィルタの各々は、光学干渉計からなることを特徴とするライダ装置。
  7. 請求項６に記載のライダ装置であって、前記光学干渉計はファブリ・ペロー干渉計であることを特徴とするライダ装置。
  8. 請求項７に記載のライダ装置であって、前記ファブリ・ペロー干渉計は、互いに対向する一対の光反射面を有し、前記一対の光反射面間で多重反射を発生させる共振構造を有することを特徴とするライダ装置。
  9. 請求項１から８のうちのいずれか１項に記載のライダ装置であって、
    前記マルチモードレーザ光源は、前記出力レーザ光として光パルスを出力し、
    前記信号処理部は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式により前記電気信号に基づいて前記対象物までの距離を計測する、
    ことを特徴とするライダ装置。
  10. 請求項１から９のうちのいずれか１項に記載のライダ装置を含むセンサ部と、
    前記外部空間における気流を制御する送風機構を駆動する駆動部と、
    前記信号処理部による計測結果を用いて前記駆動部の動作を制御する空気調和制御部と
    を備えることを特徴とする空気調和機。
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