WO2018011945A1 - レーザレーダ装置 - Google Patents

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WO2018011945A1
WO2018011945A1 PCT/JP2016/070841 JP2016070841W WO2018011945A1 WO 2018011945 A1 WO2018011945 A1 WO 2018011945A1 JP 2016070841 W JP2016070841 W JP 2016070841W WO 2018011945 A1 WO2018011945 A1 WO 2018011945A1
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light
optical
transmission
optical axis
unit
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PCT/JP2016/070841
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武司 ▲崎▼村
柳澤　隆行
洋次郎 渡辺
賢一 廣澤
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三菱電機株式会社
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    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Definitions

  • the present invention relates to a laser radar device that irradiates transmission light and receives reception light scattered by a target.
  • Non-Patent Document 1 In a conventional coherent laser radar device, transmission light is pulsed by an acousto-optic (AO) element, amplified by an EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), and then emitted from a fiber collimator (see Non-Patent Document 1, for example).
  • AO acousto-optic
  • EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier
  • Non-Patent Document 1 it is necessary to couple received light to an optical fiber in order to perform heterodyne detection. At this time, in order to perform a highly sensitive measurement while suppressing the loss of the received light, it is necessary to efficiently couple the received light to the optical fiber, and the optical axis of the receiving optical system with respect to the outgoing optical axis of the transmitted light. Need to match. When there is an optical axis angle shift, the coupling efficiency of received light to the optical fiber is greatly reduced, and therefore it is necessary to match the optical axes with an accuracy of ⁇ rad order. Therefore, it takes time to adjust the optical axis when assembling the apparatus. In addition, the optical axis is likely to be misaligned due to disturbance such as vibration, impact or temperature change, and it is difficult to improve the reliability of the apparatus.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a laser radar device capable of easily adjusting the optical axes of transmission light and reception optical system with respect to a conventional configuration. It is an object.
  • a laser radar device includes a transmission light emitting unit that emits transmission light, a reference light source that oscillates reference light having a wavelength different from that of the transmission light, and reference light oscillated by the reference light source at one end of the optical fiber.
  • the first optical multiplexing unit to be coupled, the transmission light incident on the incident end opposed to the output end of the transmission light emitting unit, and the reference incident on the first incident / exit end opposed to the other end of the optical fiber
  • a transmission / reception separating unit that emits light from the second incident / exit end, and a received light incident on the second incident / exit end, and the other end of the optical fiber and a transmission / reception separating unit.
  • An optical axis adjustment unit that adjusts an optical axis of light passing therethrough, and a transmission / reception separation between the first incident emission end of the transmission light or between the emission end of the transmission light emission unit and the incidence end of the transmission / reception separation unit
  • On the optical axis of the second input / output end A partial reflection mirror that transmits a part of the transmission light and at least a part of the reference light; and an optical axis angle deviation detection unit that detects an optical axis angle deviation amount between the transmission light and the reference light transmitted through the partial reflection mirror; And a control unit that controls an adjustment amount in the optical axis adjustment unit based on the optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit.
  • the present invention since it is configured as described above, it is possible to easily adjust the optical axes of the transmission light and the reception optical system as compared with the conventional configuration.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the laser radar device is a device that receives received light scattered by a target (for example, the atmosphere, fine particles or aerosol in the atmosphere, a flying object, a building, etc.) by radiating transmission light.
  • a coherent Doppler lidar device that measures wind speed by detecting Doppler shift using received light is used as the laser radar device. As shown in FIG.
  • the laser radar device includes a reference laser light source 101, an optical branching coupler (optical branching unit) 102, an optical modulator 103, an optical fiber amplifier 104, a laser amplifier 105, a transmission / reception separating unit 106, and a partial reflection mirror. 107, telescope (transmission / reception optical system) 108, optical axis adjustment mechanism (optical axis adjustment unit) 109, optical multiplexing coupler (second optical multiplexing unit) 110, photodetector 111, signal processing unit 112, reference light source 113, optical coupling A wave coupler (first optical multiplexing unit) 114, an optical axis angle deviation detection unit 115, and a control unit 116 are provided.
  • the output end of the reference laser light source 101 and the input end of the optical branching coupler 102 are connected by an optical fiber 201.
  • the first output end of the optical branching coupler 102 and the input end of the optical modulator 103 are connected by an optical fiber 202.
  • the second output terminal of the optical branching coupler 102 and the first input terminal of the optical multiplexing coupler 110 are connected by an optical fiber 203.
  • An output end of the optical modulator 103 and an input end of the optical fiber amplifier 104 are connected by an optical fiber 204.
  • One end of the optical fiber 205 is connected to the output end of the optical fiber amplifier 104.
  • One end of the optical fiber 206 is connected to the input / output end of the optical multiplexing coupler 114.
  • an output end of the optical multiplexing coupler 114 and a second input end of the optical multiplexing coupler 110 are connected by an optical fiber 207.
  • an output end of the optical multiplexing coupler 110 and an input end of the photodetector 111 are connected by an optical fiber 208.
  • the output end of the reference light source 113 and the input end of the optical multiplexing coupler 114 are connected by an optical fiber 209.
  • the reference laser light source 101 oscillates with a constant frequency CW (continuous wave) laser beam as a reference laser beam.
  • CW continuous wave
  • the reference laser light source 101 for example, a DFB (Distributed Feed-Back) fiber laser or a DFB-LD (Laser Diode) can be used.
  • the reference laser light oscillated by the reference laser light source 101 is coupled to the optical fiber 201 and propagates to the optical branching coupler 102.
  • the optical branching coupler 102 splits the reference laser light oscillated by the reference laser light source 101 into two branches.
  • One reference laser beam branched by the optical branching coupler 102 is coupled to the optical fiber 202 and propagates to the optical modulator 103.
  • the other reference laser beam branched by the optical branching coupler 102 is coupled to the optical fiber 203 and propagates to the optical multiplexing coupler 110.
  • the optical modulator 103 modulates one reference laser beam (transmission seed beam) branched by the optical branching coupler 102. At this time, the optical modulator 103 performs pulsing and frequency shifting on the transmission seed light.
  • this optical modulator 103 for example, an acousto-optic modulator (AOM) can be used. By using AOM, pulsing by cutting out transmission seed light with a time gate, frequency shift, and the like. Can be performed simultaneously.
  • the transmission seed light modulated by the optical modulator 103 is coupled to the optical fiber 204 and propagates to the optical fiber amplifier 104.
  • the optical fiber amplifier 104 amplifies the transmission seed light modulated by the optical modulator 103.
  • an amplifier suitable for the wavelength band of the transmission seed light is used.
  • the optical fiber amplifier 104 may be an amplifier using an Nd (Neodymium) -doped fiber or a Yb (Yterbium) -doped fiber.
  • an amplifier using an Er (Erbium) doped fiber can be used as the optical fiber amplifier 104.
  • the transmission seed light amplified by the optical fiber amplifier 104 is coupled to the optical fiber 205 and emitted to the laser amplifier 105 side.
  • the laser amplifier 105 is a spatial amplifier that amplifies the transmission seed light amplified by the optical fiber amplifier 104 with the incident end facing the other end (outgoing end) of the optical fiber 205.
  • a laser medium suitable for the wavelength band of the transmission seed light is used.
  • a crystal, glass, ceramic, or the like to which Nd or Yb is added can be used.
  • the wavelength of the transmitted seed light is in the 1.55 ⁇ m band
  • a crystal, glass, ceramic, or the like to which Er is added can be used.
  • a rod-type, disk-type or planar waveguide-type element can be used.
  • the laser amplifier 105 collimates the transmission seed light emitted from the optical fiber 205 with a collimator lens or the like, then condenses it with an optical system such as a lens and enters the element.
  • the laser amplifier 105 collimates the transmission seed light that has passed through the element with a collimator lens or the like, and then emits the transmitted light to the transmission / reception separating unit 106 side as transmission light.
  • the optical fiber amplifier 104 and the laser amplifier 105 constitute an amplifier 117 that amplifies the reference laser light modulated by the optical modulator 103 and uses it as transmission light.
  • the reference laser light source 101, the optical branching coupler 102, the optical modulator 103, the optical fiber amplifier 104, and the laser amplifier 105 constitute a transmission light emitting unit 118 that emits transmission light.
  • the transmission / reception separating unit 106 transmits the transmission light incident on the incident end opposed to the emission end of the laser amplifier 105 and the reference light incident on the first incident / exit end opposed to the other end of the optical fiber 206. The light is emitted from the two incident / exit ends. Further, the transmission / reception separating unit 106 emits the received light incident on the second incident / exit end from the first incident / exit end.
  • the transmission / reception separating unit 106 is constituted by a spatial optical element, and an optical circulator using a combination of a polarizer and a wave plate or a Faraday element can be used.
  • the partial reflection mirror 107 is disposed on the optical axis of the second incident / exit end in the transmission / reception separating unit 106 and transmits a part of the transmission light and at least a part of the reference light.
  • the partial reflection mirror 107 has a part (approximately several percent) transmittance with respect to the wavelength of the transmission light, and a part or all (several percent to 100%) of transmission with respect to the wavelength of the reference light. Have a rate. Note that the transmittance of the partial reflection mirror 107 with respect to the wavelength of the transmission light is desirably as small as possible in order to suppress loss of the transmission light and the reception light.
  • the telescope 108 irradiates the transmission light reflected by the partial reflection mirror 107 toward the atmosphere, and receives the reception light scattered by the target (aerosol) existing in the atmosphere with respect to the transmission light.
  • the telescope 108 for example, a collimator capable of making the transmitted light to be irradiated substantially parallel and adjusting the focal length can be used.
  • the telescope 108 preferably has a large aperture in order to reduce the divergence angle of the transmitted light to be irradiated and increase the reception efficiency.
  • the telescope 108 converts the received light received into substantially parallel light, and then emits it to the partial reflection mirror 107 side.
  • the optical axis adjustment mechanism 109 is disposed between the other end of the optical fiber 206 and the first incident / exit end of the transmission / reception separating unit 106, and adjusts the optical axis of the passing light (received light and reference light).
  • an optical element such as a wedge prism or a reflection mirror capable of changing the angle of the optical axis can be used.
  • a wedge prism is used as the optical axis adjustment mechanism 109, two optical prisms are used and rotated in the circumferential direction, so that the optical axis can be set at an arbitrary angle within the emission angle range determined by the deflection angle of the wedge prism. Can be changed.
  • a reflection mirror when used as the optical axis adjustment mechanism 109, one may be used to perform angle control in the biaxial direction, or two may be used to perform angle control in the uniaxial direction.
  • an actuator using a motor, a piezoelectric element, or the like can be used as a driving mechanism for the optical element.
  • the configuration in which two wedge prisms are rotated by a motor makes it easy to perform minute angle control with a simple configuration.
  • the deflection angle of the wedge prism or the step angle of the motor is set to a suitable value so that the required angular accuracy can be obtained.
  • the received light that has passed through the optical axis adjustment mechanism 109 is condensed by a condensing optical system (not shown) such as a fiber collimator, and then coupled to the optical fiber 206 via the optical multiplexing coupler 114 and the optical fiber 207. Propagated to the optical multiplexing coupler 110.
  • a condensing optical system such as a fiber collimator
  • the optical multiplexing coupler 110 combines the other reference laser light (local oscillation light) branched by the optical branching coupler 102 and the received light emitted from the transmission / reception separating unit 106 and passed through the optical axis adjusting mechanism 109 and the optical multiplexing coupler 114. Combine (mix). The light combined by the optical multiplexing coupler 110 is coupled to the optical fiber 208 and propagates to the photodetector 111.
  • the photodetector 111 receives the light combined by the optical combining coupler 110 and detects a beat signal between the received light and the local oscillation light.
  • the signal processing unit 112 extracts information on the target from the beat signal detected by the photodetector 111. Examples of the information on the target include information indicating received light intensity, round trip time, or Doppler frequency. In addition, the signal processing unit 112 calculates a motion specification of the target from the extracted information regarding the target. Examples of the target motion specifications include a distance to a target or a velocity distribution.
  • the reference light source 113 oscillates with laser light having a wavelength different from that of the transmission light emitted from the transmission light emitting unit 118 as reference light.
  • a semiconductor laser Laser Diode
  • a DFB fiber laser can be used as the reference light source 113.
  • the connection with the optical multiplexing coupler 114 is facilitated by optical connector connection or fusion connection of optical fibers.
  • the reference light oscillated by the reference light source 113 is coupled to the optical fiber 209 and propagates to the optical multiplexing coupler 114.
  • the optical multiplexing coupler 114 couples the reference light oscillated by the reference light source 113 to one end of the optical fiber 206.
  • the optical axis angle deviation detection unit 115 detects the amount of optical axis angle deviation between the transmission light transmitted through the partial reflection mirror 107 and the reference light.
  • the optical axis angle deviation detection unit 115 includes a lens 1151, a light detection element 1152, and a calculation unit 1153.
  • the lens 1151 condenses incident transmission light and reference light.
  • the light detection element 1152 is a two-dimensional light detection element that receives the transmission light and the reference light collected by the lens 1151. Note that the light detection element 1152 is arranged at a position away from the lens 1151 by the focal length f of the lens 1151.
  • As the light detection element 1152 for example, a four-quadrant light detector or a camera-type element such as a CCD can be used.
  • a four-quadrant light detector is used as the light detection element 1152, a small and simple configuration can be obtained.
  • the calculation unit 1153 calculates the optical axis angle deviation amount from the positions of the transmission light and the reference light received by the light detection element 1152.
  • the control unit 116 controls the adjustment amount in the optical axis adjustment mechanism 109 based on the optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit 115.
  • the reference laser light source 101 oscillates with CW laser light having a constant frequency as reference laser light.
  • the spectral width of the reference laser beam is preferably as narrow as possible, and for example, a laser beam of 100 kHz or less is suitable as the reference laser beam.
  • the reference laser light oscillated by the reference laser light source 101 is coupled to the optical fiber 201 and propagates to the optical branching coupler 102.
  • the optical branching coupler 102 splits the reference laser light oscillated by the reference laser light source 101 into two branches.
  • One reference laser beam branched by the optical branching coupler 102 is coupled to the optical fiber 202 and propagates to the optical modulator 103.
  • the other reference laser beam branched by the optical branching coupler 102 is coupled to the optical fiber 203 and propagates to the optical multiplexing coupler 110.
  • the optical modulator 103 modulates one reference laser beam (transmission seed beam) branched by the optical branching coupler 102. At this time, the optical modulator 103 performs pulsing and frequency shifting on the transmission seed light.
  • the intermediate frequency added by the frequency shift is usually a frequency of about several tens to several hundreds of MHz, and a value suitable for a laser radar device is selected.
  • the transmission seed light modulated by the optical modulator 103 is coupled to the optical fiber 204 and propagates to the optical fiber amplifier 104.
  • the optical fiber amplifier 104 amplifies the transmission seed light modulated by the optical modulator 103.
  • the transmission seed light amplified by the optical fiber amplifier 104 is coupled to the optical fiber 205 and emitted to the laser amplifier 105 side.
  • the intensity of the transmitted light is increased and the intensity of the received light can be increased, so that the measurement accuracy and the measurable distance are improved.
  • the optical fiber when a laser beam having an intensity of a certain value or more is incident, stimulated Brillouin scattering that is a nonlinear phenomenon occurs. Therefore, the intensity of the laser beam that can enter the optical fiber is limited.
  • a general optical fiber has a gain bandwidth of stimulated Brillouin scattering of about several tens to 100 MHz, and a coherent Doppler lidar apparatus using a narrow linewidth laser beam easily causes stimulated Brillouin scattering. Therefore, normally, the intensity of the laser beam to be output is adjusted by limiting the pumping power input to the optical fiber amplifier 104 so that stimulated Brillouin scattering does not occur.
  • the intensity of the transmission light is limited only by the optical fiber amplifier 104, the measurement accuracy and the measurable distance are not sufficiently improved by increasing the intensity of the transmission light. Therefore, in addition to the optical fiber amplifier 104, a laser amplifier 105 is used.
  • the laser amplifier 105 further amplifies the transmission seed light amplified by the optical fiber amplifier 104.
  • This laser amplifier 105 is a spatial amplifier, and by setting the power density appropriately, nonlinear phenomena can be suppressed and the intensity of transmitted light can be increased as compared with the optical fiber amplifier 104.
  • the intensity of the transmitted light is increased and the intensity of the received light can be increased, so that the measurement accuracy and the measurable distance are improved.
  • the transmission seed light amplified by the laser amplifier 105 is emitted to the transmission / reception separating unit 106 side.
  • the transmission / reception separating unit 106 emits the transmission seed light (transmission light) amplified by the laser amplifier 105 to the partial reflection mirror 107 side.
  • the partial reflection mirror 107 transmits a part of the transmission light emitted by the transmission / reception separating unit 106 and reflects the rest to the telescope 108 side.
  • the partial reflection mirror 107 has a transmittance of about several percent with respect to the wavelength of the transmission light, most of the transmission light incident on the partial reflection mirror 107 is reflected to the telescope 108 side. .
  • the telescope 108 irradiates the transmission light reflected by the partial reflection mirror 107 toward the atmosphere, and receives the reception light scattered by the target (aerosol) existing in the atmosphere with respect to the transmission light.
  • the received light received by the telescope 108 is converted into substantially parallel light and then emitted to the partial reflection mirror 107 side.
  • the partial reflection mirror 107 reflects the reception light emitted by the telescope 108 toward the transmission / reception separation unit 106 side. That is, since the received light coming from the telescope 108 has almost the same wavelength as the transmitted light, most of the reflected light is reflected to the transmission / reception separating unit 106 side.
  • the transmission / reception separating unit 106 emits the reception light reflected by the partial reflection mirror 107 to the optical axis adjustment mechanism 109 side.
  • the optical axis adjustment mechanism 109 adjusts the optical axis of the received light emitted by the transmission / reception separating unit 106.
  • the received light whose optical axis is adjusted by the optical axis adjusting mechanism 109 is condensed by a condensing optical system such as a fiber collimator and then coupled to the optical fiber 206 via the optical multiplexing coupler 114 and the optical fiber 207. Propagated to the optical multiplexing coupler 110.
  • the optical multiplexing coupler 110 receives the other reference laser beam (local oscillation light) branched by the optical branching coupler 102 and the received light that has been emitted by the transmission / reception separating unit 106 and passed through the optical axis adjusting mechanism 109 and the optical multiplexing coupler 114. Are combined (mixed).
  • the light combined by the optical multiplexing coupler 110 is coupled to the optical fiber 208 and propagates to the photodetector 111.
  • the photodetector 111 receives the light combined by the optical combining coupler 110 and detects a beat signal between the received light and the local oscillation light.
  • the received light is subjected to a frequency shift by the optical modulator 103 and a Doppler shift accompanying the movement of the aerosol. Therefore, the Doppler shift can be obtained by analyzing the frequency of the beat signal detected by the photodetector 111.
  • the signal processing unit 112 extracts information on the target from the beat signal detected by the photodetector 111. In addition, the signal processing unit 112 calculates a motion specification of the target from the extracted information regarding the target. In addition, since the process which calculates the motion specification of a target from the information regarding a target is a well-known technique, detailed description is abbreviate
  • the received light that has passed through the optical axis adjusting mechanism 109 to the optical fiber 206.
  • the received optical system The collected received light is not incident on the core of the optical fiber 206, and the coupling efficiency to the optical fiber 206 is reduced. As a result, the intensity of the received light decreases and the detection sensitivity of the laser radar device decreases. Since the received light is collected by the condensing optical system and enters the optical fiber 206, it is particularly necessary to accurately match the angle of the outgoing optical axis of the transmitted light with the optical axis of the receiving optical system. Although it depends on the beam diameter, it is usually necessary to match the optical axis angles with an accuracy of ⁇ rad order.
  • the outgoing optical axis of the transmitted light is the optical axis on the optical path from when the transmitted light emitted from the laser amplifier 105 is irradiated into the atmosphere via the transmission / reception separating unit 106, the partial reflection mirror 107, and the telescope 108.
  • the optical axis of the reception optical system is an optical axis of reception light that can be ideally coupled to the optical fiber 206.
  • the telescope 108, the partial reflection mirror 107, the transmission / reception separating unit 106, and the optical axis adjustment The optical axis on the optical path from the mechanism 109 to the optical fiber 206 is included.
  • the optical axis of the receiving optical system is an optical axis that can be ideally coupled to the optical fiber 206 as described above, it coincides with the optical axis when laser light is emitted from the optical fiber 206. Further, in order to make the outgoing optical axis of the transmission light coincide with the optical axis of the reception optical system, the optical axis of the transmission light and the optical fiber 206 on the path after the transmission / reception separating unit 106, the partial reflection mirror 107 and the telescope 108. What is necessary is just to make the optical axis of the laser beam radiate
  • the outgoing light axis of the transmission light and the optical axis of the reception optical system are matched using the reference light. That is, first, the reference light source 113 oscillates with laser light having a wavelength different from that of the transmission seed light (transmission light) emitted from the laser amplifier 105 as reference light. The reference light oscillated by the reference light source 113 is coupled to the optical fiber 209 and propagates to the optical multiplexing coupler 114.
  • the optical multiplexing coupler 114 couples the reference light oscillated by the reference light source 113 to one end of the optical fiber 206. Thereafter, since the reference light is emitted from the other end of the optical fiber 206, the optical axis of the reference light coincides with the optical axis of the reception optical system.
  • the wavelength of the reference light may be a different wavelength band from the frequency band detected by the photodetector 111.
  • the reference light can be used as guide light for the optical axis of the receiving optical system when the apparatus is assembled.
  • the optical axis adjustment mechanism 109 adjusts the optical axis of the reference light emitted from the optical fiber 206.
  • the transmission / reception separating unit 106 emits the reference light whose optical axis is adjusted by the optical axis adjusting mechanism 109 to the partial reflection mirror 107 side. That is, the transmission / reception separating unit 106 emits the reference light in the same direction as the transmission light.
  • the polarization direction of the reference light is set so that the reference light is reflected toward the partial reflection mirror 107 by the transmission / reception separating unit 106.
  • the loss of reference light can be reduced, and the output required for the reference light source 113 can be reduced.
  • the optical element used in the transmission / reception separating unit 106 may have wavelength selectivity.
  • the partial reflection mirror 107 transmits at least part of the reference light emitted by the transmission / reception separating unit 106.
  • the optical axis angle deviation detector 115 detects the amount of optical axis angle deviation between the transmitted light and the reference light transmitted through the partial reflection mirror 107.
  • the optical axis angle of the transmission light and the reception optical system is detected by detecting the amount of optical axis angle deviation between the transmission light and the reference light. The amount of deviation can be detected.
  • the lens 1151 condenses incident transmission light and reference light.
  • the light detection element 1152 receives the transmission light and the reference light collected by the lens 1151.
  • the calculation unit 1153 calculates the optical axis angle deviation amount from the positions of the transmission light and the reference light received by the light detection element 1152.
  • the center positions of the focused spots on the light detection element 1152 match.
  • a condensed spot appears at different positions.
  • the optical axis angle deviation amount between the transmission light and the reference light can be measured.
  • the center position of the focused spot can be obtained by calculating the center of gravity, and the angle deviation ⁇ of the optical axis is expressed by the following equation (1).
  • ⁇ d is the distance between the center positions of the condensing spots of the transmission light and the reference light on the light detection element 1152.
  • ⁇ arctan ( ⁇ d / f) (1)
  • the condensing spot between the transmission light and the reference light can be distinguished by, for example, a spatial separation method using a wavelength difference between the transmission light and the reference light.
  • a four-quadrant light detector is used as the light detection element 1152, and, for example, as shown in FIG. You may divide the light-receiving object inside and outside the four-quadrant light detector.
  • a reference light receiving region 301 is provided on the inner side to receive the reference light focusing spot 302, and a transmission light receiving region 303 is provided on the outer side to collect the transmitted light.
  • the light spot 304 is received.
  • This configuration is, for example, a method of providing a wavelength separation filter having a spatial distribution in the front stage of a four-quadrant photodetector, or forming a filter film having a wavelength characteristic on the surface of the four-quadrant photodetector. Can be realized. Further, by making the wavelength of the reference light shorter than the wavelength of the transmission light, the diameter of the condensing spot of the reference light can be made smaller than the diameter of the condensing spot of the transmission light. With this configuration, it is possible to detect the optical axis angle deviation between the transmission light and the reference light with a small and simple configuration.
  • the light detection element 1152 when the wavelength range of the transmission light and the reference light is greatly different, a combination of light receiving elements having different sensitivity wavelength ranges in the light receiving region 301 of the reference light and the light receiving region 303 of the transmission light is used as the light detection element 1152. It is also possible to use one having a different configuration.
  • a method in which the reference light is temporally separated from the transmission light by pulsing the reference light can be used. By emitting the reference light between the pulses of the transmission light, the transmission light condensing spot 304 and the reference light condensing spot 302 appear alternately on the light detection element 1152. Therefore, by dividing the light reception signal at the light detection element 1152 at time intervals, the condensing spot 304 of the transmission light and the condensing spot 302 of the reference light can be distinguished and detected.
  • a reduction optical system may be provided between the partial reflection mirror 107 and the optical axis angle deviation detector 115 or between the lens 1151 and the light detection element 1152 in the optical axis angle deviation detector 115.
  • the optical axis angle deviation becomes M times, so that the detection accuracy of the optical axis angle deviation amount can be improved.
  • the optical axis angle deviation detection unit 115 can be configured in a small size.
  • the optical axis angle deviation detection unit 115 is adapted to meet the conditions of the reception optical system so as to obtain the accuracy necessary for detecting the amount of angle deviation necessary for preventing the reduction of the coupling efficiency of the received light to the optical fiber 206. Composed.
  • control unit 116 controls the adjustment amount in the optical axis adjustment mechanism 109 based on the optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit 115. That is, the control unit 116 changes the optical axis of the reference light by the optical axis adjustment mechanism 109 so that the optical axis angle deviation amount between the transmission light and the reference light becomes small. In this way, by reducing the amount of optical axis angle deviation between the transmitted light and the reference light, it is possible to prevent a decrease in the coupling efficiency of the received light to the optical fiber 206 and to prevent a decrease in the intensity of the received light. A decrease in detection sensitivity of the laser radar device can be prevented.
  • the optical axes of the transmission light and the reception optical system can be adjusted according to the optical axis angle deviation detected by the optical axis angle deviation detector 115, the optical axis can be easily adjusted when the apparatus is assembled. Furthermore, by applying an automatic adjustment mechanism that uses feedback-type control, etc., even if an optical element is misaligned due to disturbances such as vibration, shock, or temperature change, the transmitted light and the received optical system light Since the axial angle deviation can be reduced, the reliability of the apparatus can be improved.
  • the transmission light emitting unit 118 that emits the transmission light
  • the reference light source 113 that oscillates the reference light having a wavelength different from that of the transmission light
  • the reference light source 113 oscillates.
  • An optical multiplexing coupler 114 that couples the reference light to one end of the optical fiber 206, a transmission light incident on an incident end opposite to the emission end of the transmission light emitting unit 118, and a first opposite to the other end of the optical fiber 206.
  • a transmission / reception separating unit 106 that emits the reference light input to the input / output end of the first light from the second input / output end and outputs the received light incident on the second input / output end from the first input / output end;
  • An optical axis adjustment mechanism 109 that adjusts the optical axis of the light passing therethrough and is arranged between the other end of the optical fiber 206 and the first incident / exit end of the transmission / reception separation unit 106;
  • Input / output The partial reflection mirror 107 that is disposed on the optical axis and transmits at least a part of the transmission light and the reference light, and detects the amount of optical axis angle deviation between the transmission light and the reference light transmitted through the partial reflection mirror 107
  • the optical axis angle deviation detecting unit 115 that controls the adjustment amount in the optical axis adjustment mechanism 109 based on the optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit 115.
  • the amount of deviation of the optical axis angle between the transmission light and the reception optical system can be reduced simply with respect to the configuration. As a result, it is possible to prevent a decrease in the coupling efficiency of the received light to the optical fiber 206, and it is possible to prevent a decrease in the intensity of the received light, thereby preventing a decrease in detection sensitivity of the laser radar device.
  • the adjustment for suppressing the optical axis angle shift amount between the transmission light and the reception optical system becomes easy, and the optical axis adjustment at the time of assembling the apparatus can be simplified.
  • the optical axis angular misalignment between the transmitted light and the receiving optical system can be reduced. Can improve the reliability.
  • the optical axis adjustment mechanism 109 is disposed between the other end (input / output end) of the optical fiber 206 and the first input / output end of the transmission / reception separating unit 106, and the optical axis of the reception optical system is transmitted light. It is changed to match the optical axis.
  • the present invention is not limited to this, and the optical axis adjustment mechanism 109 is disposed between the emission end of the laser amplifier 105 and the incident end of the transmission / reception separating unit 106 so that the optical axis of the transmission light coincides with the optical axis of the reception optical system. It may be changed as follows.
  • a spatial type is used as the optical axis adjusting mechanism 109, but a mechanism for directly changing the position or angle of the optical fiber 206 may be used. Further, when a lens or the like is used, a mechanism for changing the position of the lens may be used.
  • a coherent Doppler lidar device is used as the laser radar device.
  • the present invention is not limited to this, and the same applies to other laser radar devices that transmit laser light and receive scattered light from a target. Applicable.
  • FIG. 4A the processing circuit 51 is a CPU (Central Processing Unit, a central processing unit, a processing unit that executes a program stored in the memory 53, as shown in FIG. 4B, even if it is dedicated hardware.
  • the processing circuit 51 is a CPU (Central Processing Unit, a central processing unit, a processing unit that executes a program stored in the memory 53, as shown in FIG. 4B, even if it is dedicated hardware.
  • DSP Digital Signal Processor
  • the processing circuit 51 may be, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field Programmable Gate). Array) or a combination thereof.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • FPGA Field Programmable Gate
  • the function of the control unit 116 is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are described as programs and stored in the memory 53.
  • the processing circuit 51 implements the function of the control unit 116 by reading and executing the program stored in the memory 53. That is, the control unit 116 performs an operation of controlling the adjustment amount in the optical axis adjustment mechanism 109 based on the optical axis angle deviation amount detected by the optical axis angle deviation detection unit 115 when executed by the processing circuit 51.
  • a memory 53 is provided for storing a program to be executed as a result. These programs can also be said to cause a computer to execute the procedures and methods of the control unit 116.
  • the memory 53 is, for example, a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable ROM), an EEPROM (Electrically EPROM), or the like. And a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, a DVD (Digital Versatile Disc), and the like.
  • a RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • flash memory an EPROM (Erasable Programmable ROM), an EEPROM (Electrically EPROM), or the like.
  • EEPROM Electrically EPROM
  • a magnetic disk a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, a DVD (Digital Versatile Disc), and the like.
  • any component of the embodiment can be modified or any component of the embodiment can be omitted within the scope of the invention.
  • the laser radar device can easily adjust the optical axes of the transmission light and the reception optical system, and receives the reception light scattered by the target by irradiating the transmission light. Suitable for use in laser radar devices and the like.
  • 101 reference laser light source
  • 102 optical branching coupler (optical branching unit)
  • 103 optical modulator
  • 104 optical fiber amplifier
  • 105 laser amplifier
  • 106 transmission / reception separating unit
  • 107 partial reflection mirror
  • 108 telescope (transmission / reception optical system)
  • 109 optical axis Adjustment mechanism (optical axis adjustment unit)
  • 110 optical multiplexing coupler second optical multiplexing unit
  • 111 photodetector 112 signal processing unit
  • 113 reference light source 114 optical multiplexing coupler (first optical multiplexing unit)
  • 115 Optical axis angle deviation detection unit
  • 116 control unit 117 amplifier
  • 118 transmission light emission unit 201-209 optical fiber
  • 1151 lens 1152 photodetection element, 1153 calculation unit.

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Abstract

送信光と異なる波長の参照光を発振する参照光源（１１３）と、発振された参照光を光ファイバ（２０６）の一端に結合する光合波カプラ（１１４）と、送信光及び参照光を同じ方向から出射する送受分離部（１０６）と、光ファイバ（２０６）と送受分離部（１０６）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機構（１０９）と、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（１０８）と、部分反射ミラー（１０８）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（１１５）と、光軸角度ずれ検出部（１１５）により検出された光軸角度ずれ量に基づき、光軸調整機構（１０９）を制御する制御部（１１６）とを備えた。

Description

レーザレーダ装置
　この発明は、送信光を照射して目標により散乱された受信光を受信するレーザレーダ装置に関する。
　従来のコヒーレントレーザレーダ装置では、送信光を、音響光学（ＡＯ）素子でパルス化し、ＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ　Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅した後、ファイバコリメータから出射している（例えば非特許文献１参照）。
G. N. Pearson and J. Eacock著「Proceedings of 11th Coherent Laser Radar Conference」」 (Malvern、 Worcestershire、 UK、 July 2001)、第144頁-第146頁
　一方、非特許文献１に開示されるようなコヒーレントレーザレーダ装置では、ヘテロダイン検出を行うため、受信光を光ファイバに結合させる必要がある。このとき、受信光の損失を抑制して高感度な測定を行うためには、受信光を効率良く光ファイバに結合させる必要があり、送信光の出射光軸に対して受信光学系の光軸を一致させる必要がある。光軸角度ずれがある場合、受信光の光ファイバへの結合効率が大きく低下するため、μｒａｄオーダの精度で光軸を一致させる必要がある。よって、装置組立て時での光軸調整に手間がかかる。また、振動、衝撃又は温度変化等の外乱による光軸のアライメントずれが生じ易く、装置の信頼性を高めることが難しい。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸調整を行う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している。
　この発明に係るレーザレーダ装置は、送信光を出射する送信光出射部と、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、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、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、光ファイバにおける他端と送受分離部における第１の入射射端との間、又は送信光出射部における出射端と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、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、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、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、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ことを特徴とする。
　この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸調整を行うことができる。
この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における光軸角度ずれ検出部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における光検出素子の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における信号処理部及び制御部のハードウェア構成例を示す図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
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における出力端と光分岐カプラ１０２における入力端との間は、光ファイバ２０１により接続されている。また、光分岐カプラ１０２における第１の出力端と光変調器１０３における入力端との間は、光ファイバ２０２により接続されている。また、光分岐カプラ１０２における第２の出力端と光合波カプラ１１０における第１の入力端との間は、光ファイバ２０３により接続されている。また、光変調器１０３における出力端と光ファイバ増幅器１０４における入力端との間は、光ファイバ２０４により接続されている。また、光ファイバ増幅器１０４における出力端には、光ファイバ２０５における一端が接続されている。また、光合波カプラ１１４における入出力端には、光ファイバ２０６における一端が接続されている。また、光合波カプラ１１４における出力端と光合波カプラ１１０における第２の入力端との間は、光ファイバ２０７により接続されている。また、光合波カプラ１１０における出力端と光検出器１１１における入力端との間は、光ファイバ２０８により接続されている。また、参照光源１１３における出力端と光合波カプラ１１４における入力端との間は、光ファイバ２０９により接続されている。
　基準レーザ光源１０１は、一定周波数のＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ：連続波）レーザ光を基準レーザ光として発振する。この基準レーザ光源１０１としては、例えば、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ－Ｂａｃｋ）ファイバレーザ又はＤＦＢ－ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）を用いることができる。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。
　光分岐カプラ１０２は、基準レーザ光源１０１により発振された基準レーザ光を２分岐する。この光分岐カプラ１０２により分岐された一方の基準レーザ光は、光ファイバ２０２に結合されて光変調器１０３へ伝搬される。また、光分岐カプラ１０２により分岐された他方の基準レーザ光は、光ファイバ２０３に結合されて光合波カプラ１１０へ伝搬される。
　光変調器１０３は、光分岐カプラ１０２により分岐された一方の基準レーザ光（送信種光）を変調する。この際、光変調器１０３は、送信種光に対し、パルス化及び周波数シフトを行う。この光変調器１０３としては、例えば音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）を用いることができ、ＡＯＭを用いることで、送信種光を時間ゲートで切り出すことによるパルス化と、周波数シフトとを同時に行うことができる。この光変調器１０３により変調された送信種光は、光ファイバ２０４に結合されて光ファイバ増幅器１０４へ伝搬される。
　光ファイバ増幅器１０４は、光変調器１０３により変調された送信種光を増幅する。この光ファイバ増幅器１０４としては、送信種光の波長帯に見合う増幅器を用いる。例えば、送信種光の波長が１．０６μｍ帯である場合には、光ファイバ増幅器１０４として、Ｎｄ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）添加ファイバ又はＹｂ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ）添加ファイバを使用している増幅器を用いることができる。また、例えば、送信種光の波長が１．５５μｍ帯である場合には、光ファイバ増幅器１０４として、Ｅｒ（Ｅｒｂｉｕｍ）添加ファイバを使用している増幅器を用いることができる。この光ファイバ増幅器１０４により増幅された送信種光は、光ファイバ２０５に結合されてレーザ増幅器１０５側に出射される。
　レーザ増幅器１０５は、入射端が光ファイバ２０５における他端（出射端）に対向され、光ファイバ増幅器１０４により増幅された送信種光を増幅する空間型の増幅器である。このレーザ増幅器１０５としては、送信種光の波長帯に見合うレーザ媒質を用いる。例えば、送信種光の波長が１．０６μｍ帯である場合には、Ｎｄ又はＹｂを添加した結晶、ガラス又はセラミック等を用いることができる。また、送信種光の波長が１．５５μｍ帯である場合には、Ｅｒを添加した結晶、ガラス又はセラミック等を用いることができる。また、レーザ媒質の形状としては、ロッド型、ディスク型又は平面導波路型の素子を用いることができる。これらの素子を用いる場合、レーザ増幅器１０５は、光ファイバ２０５から出射された送信種光をコリメータレンズ等でコリメートした後、レンズ等の光学系で集光して当該素子に入射する。また、レーザ増幅器１０５は、素子を通過した送信種光をコリメータレンズ等でコリメートした後、送信光として送受分離部１０６側に出射する。
　なお、光ファイバ増幅器１０４及びレーザ増幅器１０５は、光変調器１０３により変調された基準レーザ光を増幅して送信光とする増幅器１１７を構成する。
　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。
　送受分離部１０６は、レーザ増幅器１０５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光ファイバ２０６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する。また、送受分離部１０６は、第２の入出射端に入射された受信光を、第１の入出射端から出射する。この送受分離部１０６は、空間型の光学素子により構成され、偏光子と波長板又はファラデー素子との組合わせ等による光サーキュレータを用いることができる。
　部分反射ミラー１０７は、送受分離部１０６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。この部分反射ミラー１０７は、送信光の波長に対して一部（数％程度）の透過率を有し、且つ、参照光の波長に対して一部又は全部（数％～１００％）の透過率を有する。なお、部分反射ミラー１０７の送信光の波長に対する透過率は、送信光及び受信光の損失を抑えるため、なるべく小さい方が望ましい。
　望遠鏡１０８は、部分反射ミラー１０７により反射された送信光を大気中に向けて照射し、当該送信光に対し大気中に存在する目標（エアロゾル）により散乱された受信光を受信する。この望遠鏡１０８としては、例えば、照射する送信光を略平行光化でき且つ焦点距離が調整可能なコリメータを用いることができる。また、望遠鏡１０８は、照射する送信光の発散角を小さくし且つ受信効率を上げるため、開口が大きい方が好適である。なお、望遠鏡１０８は、受信した受信光を略平行光化した後、部分反射ミラー１０７側へ出射する。
　光軸調整機構１０９は、光ファイバ２０６における他端と送受分離部１０６における第１の入出射端との間に配置され、通過する光（受信光及び参照光）の光軸を調整する。この光軸調整機構１０９としては、光軸の角度を変化させることが可能なウェッジプリズム又は反射ミラー等の光学素子を用いることができる。ここで、光軸調整機構１０９としてウェッジプリズムを用いる場合には、２個使用して、それぞれ周方向に回転させることで、ウェッジプリズムの偏角で決まる出射角度範囲内で任意の角度に光軸を変化させることができる。また、光軸調整機構１０９として反射ミラーを用いる場合には、１枚使用して２軸方向に角度制御を行ってもよいし、２枚使用してそれぞれ１軸方向に角度制御を行ってもよい。なお、光学素子の駆動機構としては、モータ又はピエゾ素子等を用いたアクチュエータを用いることができる。ここで、２個のウェッジプリズムを用いてモータにより回転させる構成は、簡易な構成で微小な角度制御が容易となる。また、ウェッジプリズムの偏角又はモータのステップ角は、必要な角度精度が得られるように、好適な値に設定される。この光軸調整機構１０９を通過した受信光は、ファイバコリメータ等の集光光学系（不図示）により集光された後、光ファイバ２０６に結合されて光合波カプラ１１４及び光ファイバ２０７を介して光合波カプラ１１０へ伝搬される。
　光合波カプラ１１０は、光分岐カプラ１０２により分岐された他方の基準レーザ光（局部発振光）と、送受分離部１０６により出射され光軸調整機構１０９及び光合波カプラ１１４を通過した受信光とを合波（混合）する。この光合波カプラ１１０により合波された光は、光ファイバ２０８に結合されて光検出器１１１へ伝搬される。
　光検出器１１１は、光合波カプラ１１０により合波された光を受光し、受信光と局部発振光とのビート信号を検出する。
　信号処理部１１２は、光検出器１１１により検出したビート信号から目標に関する情報を抽出する。目標に関する情報としては、例えば、受信光の強度、ラウンドトリップ時間又はドップラー周波数を示す情報が挙げられる。また、信号処理部１１２は、抽出した目標に関する情報から、目標の運動諸元を算出する。目標の運動諸元としては、例えば、目標までの距離又は速度分布が挙げられる。
　参照光源１１３は、送信光出射部１１８から出射される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としては、例えば、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）又はＤＦＢファイバレーザを用いることができる。ここで、参照光源１１３としてファイバ出力型のレーザを用いた場合には、光コネクタ接続又は光ファイバの融着接続により光合波カプラ１１４との接続が容易になる。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。
　光合波カプラ１１４は、参照光源１１３により発振された参照光を光ファイバ２０６における一端に結合する。
　光軸角度ずれ検出部１１５は、部分反射ミラー１０７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。この光軸角度ずれ検出部１１５は、例えば図２に示すように、レンズ１１５１、光検出素子１１５２及び演算部１１５３を有している。
　レンズ１１５１は、入射された送信光及び参照光を集光する。
　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。
　制御部１１６は、光軸角度ずれ検出部１１５により検出された光軸角度ずれ量に基づいて、光軸調整機構１０９における調整量を制御する。
　次に、実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作例について説明する。
　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。
　次いで、光分岐カプラ１０２は、基準レーザ光源１０１により発振された基準レーザ光を２分岐する。この光分岐カプラ１０２により分岐された一方の基準レーザ光は、光ファイバ２０２に結合されて光変調器１０３へ伝搬される。また、光分岐カプラ１０２により分岐された他方の基準レーザ光は、光ファイバ２０３に結合されて光合波カプラ１１０へ伝搬される。
　次いで、光変調器１０３は、光分岐カプラ１０２により分岐された一方の基準レーザ光（送信種光）を変調する。この際、光変調器１０３は、送信種光に対し、パルス化及び周波数シフトを行う。なお、周波数シフトで付加される中間周波数は、通常、数１０～数１００ＭＨｚ程度の周波数であり、レーザレーダ装置として好適な値が選定される。この光変調器１０３により変調された送信種光は、光ファイバ２０４に結合されて光ファイバ増幅器１０４へ伝搬される。
　次いで、光ファイバ増幅器１０４は、光変調器１０３により変調された送信種光を増幅する。この光ファイバ増幅器１０４により増幅された送信種光は、光ファイバ２０５に結合されてレーザ増幅器１０５側に出射される。このように、光ファイバ増幅器１０４を用いることで、送信光の強度が増大され、受信光の強度を高めることができるため、測定精度及び測定可能距離が向上する。
　一方、光ファイバでは、一定値以上の強度を有するレーザ光が入射されると、非線形現象である誘導ブリルアン散乱が発生する。よって、光ファイバに入射可能なレーザ光の強度は制限される。一般的な光ファイバでは誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅が数１０～１００ＭＨｚ程度であり、狭線幅のレーザ光を用いるコヒーレントドップラーライダ装置では誘導ブリルアン散乱が生じやすい。そのため、通常は、誘導ブリルアン散乱が発生しないように、光ファイバ増幅器１０４に投入する励起パワーを制限する等して、出力されるレーザ光の強度を調整している。このように、光ファイバ増幅器１０４だけでは、送信光の強度が制限されるため、送信光の強度の増強による測定精度及び測定可能距離の向上が不十分となっている。そこで、光ファイバ増幅器１０４に加え、レーザ増幅器１０５を用いる。
　レーザ増幅器１０５は、光ファイバ増幅器１０４により増幅された送信種光を更に増幅する。このレーザ増幅器１０５は空間型の増幅器であり、パワー密度を適切に設定することで非線形現象を抑制でき、光ファイバ増幅器１０４よりも送信光の強度を増大できる。このように、光ファイバ増幅器１０４とレーザ増幅器１０５を併用することで、送信光の強度が増大され、受信光の強度を高めることができるため、測定精度及び測定可能距離が向上する。このレーザ増幅器１０５により増幅された送信種光は、送受分離部１０６側に出射される。
　次いで、送受分離部１０６は、レーザ増幅器１０５により増幅された送信種光（送信光）を部分反射ミラー１０７側に出射する。
　次いで、部分反射ミラー１０７は、送受分離部１０６により出射された送信光のうちの一部を透過し、残りを望遠鏡１０８側へ反射する。ここで、部分反射ミラー１０７は、送信光の波長に対して数％程度の透過率を有しているため、部分反射ミラー１０７に入射された送信光の大部分は望遠鏡１０８側へ反射される。
　次いで、望遠鏡１０８は、部分反射ミラー１０７により反射された送信光を大気中に向けて照射し、当該送信光に対し大気中に存在する目標（エアロゾル）により散乱された受信光を受信する。この望遠鏡１０８により受信された受信光は、略平行光化された後、部分反射ミラー１０７側に出射される。
　次いで、部分反射ミラー１０７は、望遠鏡１０８により出射された受信光を送受分離部１０６側へ反射する。すなわち、望遠鏡１０８から到来する受信光は、送信光とほぼ同一波長であるため、大部分が送受分離部１０６側へ反射される。
　次いで、送受分離部１０６は、部分反射ミラー１０７により反射された受信光を光軸調整機構１０９側に出射する。
　次いで、光軸調整機構１０９は、送受分離部１０６により出射された受信光の光軸を調整する。この光軸調整機構１０９により光軸が調整された受信光は、ファイバコリメータ等の集光光学系により集光された後、光ファイバ２０６に結合されて光合波カプラ１１４及び光ファイバ２０７を介して光合波カプラ１１０へ伝搬される。
　次いで、光合波カプラ１１０は、光分岐カプラ１０２により分岐された他方の基準レーザ光（局部発振光）と、送受分離部１０６により出射され光軸調整機構１０９及び光合波カプラ１１４を通過した受信光とを合波（混合）する。この光合波カプラ１１０により合波された光は、光ファイバ２０８に結合されて光検出器１１１へ伝搬される。
　次いで、光検出器１１１は、光合波カプラ１１０により合波された光を受光し、受信光と局部発振光とのビート信号を検出する。ここで、受信光は、光変調器１０３による周波数シフト、及びエアロゾルの移動に伴うドップラーシフトを受けている。よって、光検出器１１１により検出されたビート信号の周波数を解析することで、ドップラーシフトを求めることができる。
　次いで、信号処理部１１２は、光検出器１１１により検出したビート信号から目標に関する情報を抽出する。また、信号処理部１１２は、抽出した目標に関する情報から、目標の運動諸元を算出する。なお、目標に関する情報から目標の運動諸元を算出する処理は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
　ここで、光軸調整機構１０９を通過した受信光を光ファイバ２０６に結合させる必要があるが、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸にずれがある場合には、受信光学系により集光された受信光が光ファイバ２０６のコアに入射されず、光ファイバ２０６への結合効率が低下する。その結果、受信光の強度が低下し、レーザレーダ装置の検出感度が低下する。
　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。
　なお、送信光の出射光軸とは、レーザ増幅器１０５から出射された送信光が、送受分離部１０６、部分反射ミラー１０７及び望遠鏡１０８を経て大気中に照射されるまでの光路上の光軸を指す。また、受信光学系の光軸とは、光ファイバ２０６へと理想的に結合可能な受信光の光軸であり、図１では、望遠鏡１０８、部分反射ミラー１０７、送受分離部１０６及び光軸調整機構１０９を経て光ファイバ２０６に至る光路上の光軸が含まれる。
　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。
　そこで、実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、参照光を用いて、送信光の出射光軸と受信光学系の光軸とを一致させる。
　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、光合波カプラ１１４は、参照光源１１３により発振された参照光を光ファイバ２０６における一端に結合する。その後、参照光は、光ファイバ２０６における他端から出射されるため、参照光の光軸は受信光学系の光軸と一致する。
　また、参照光を送信光と異なる波長とすることで、光学系による反射によって生じる参照光の受信光への混入を防ぐことができ、雑音を低下できる。よって、参照光の波長は、光検出器１１１で検出する周波数帯域と異なる波長帯とするとよい。また、参照光源１１３として可視のレーザ光源を用いた場合には、当該参照光を、装置組立て時の受信光学系の光軸に対するガイド光として利用することもできる。
　次いで、光軸調整機構１０９は、光ファイバ２０６から出射された参照光の光軸を調整する。
　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。
　次いで、部分反射ミラー１０７は、送受分離部１０６により出射された参照光のうちの少なくとも一部を透過する。
　次いで、光軸角度ずれ検出部１１５は、部分反射ミラー１０７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。ここで、参照光の光軸と受信光学系の光軸は一致しているため、送信光と参照光との光軸角度ずれ量を検出することで、送信光と受信光学系の光軸角度ずれ量を検出できる。
　以下に、光軸角度ずれ検出部１１５の詳細動作について説明する。
　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）
　なお、送信光と参照光の集光スポットの区別は、例えば、送信光と参照光の波長差を利用して空間的に分離する方法により実現できる。
　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。
　また、部分反射ミラー１０７と光軸角度ずれ検出部１１５との間、又は、光軸角度ずれ検出部１１５内のレンズ１１５１と光検出素子１１５２との間に、縮小光学系を設けてもよい。ここで、倍率Ｍ倍の縮小光学系を用いた場合には、光軸角度ずれがＭ倍となるため、光軸角度ずれ量の検出精度を高めることができる。また、一定の光軸角度ずれ量の検出精度を得るために必要なレンズ１１５１の焦点距離を短くできるため、光軸角度ずれ検出部１１５を小型に構成できる。
　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。
　次いで、制御部１１６は、光軸角度ずれ検出部１１５により検出された光軸角度ずれ量に基づいて、光軸調整機構１０９における調整量を制御する。すなわち、制御部１１６は、送信光と参照光の光軸角度ずれ量が小さくなるように、光軸調整機構１０９による参照光の光軸を変化させる。このようにして、送信光と参照光の光軸角度ずれ量を小さくすることで、受信光の光ファイバ２０６への結合効率の低下を防ぎ、受信光の強度の低下を防ぐことができるため、レーザレーダ装置の検出感度の低下を防ぐことができる。また、光軸角度ずれ検出部１１５により検出された光軸角度ずれ量に従って送信光と受信光学系の光軸調整を行うことができるため、装置組立て時の光軸調整が容易となる。更に、フィードバック型の制御等を利用した自動型の調整機構を適用することで、振動、衝撃又は温度変化等の外乱による光学素子のアライメントずれが生じた場合でも、送信光と受信光学系の光軸角度ずれを小さくできるため、装置の信頼性を高めることができる。
　以上のように、この実施の形態１によれば、送信光を出射する送信光出射部１１８と、送信光と異なる波長である参照光を発振する参照光源１１３と、参照光源１１３により発振された参照光を光ファイバ２０６における一端に結合する光合波カプラ１１４と、送信光出射部１１８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光ファイバ２０６における他端に対向された第１の入出射端に入力された参照光を第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１０６と、光ファイバ２０６における他端と送受分離部１０６における第１の入出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機構１０９と、送受分離部１０６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１０７と、部分反射ミラー１０７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１１５と、光軸角度ずれ検出部１１５により検出された光軸角度ずれ量に基づき、光軸調整機構１０９における調整量を制御する制御部１１６とを備えたので、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸角度ずれ量を小さくできる。これにより、受信光の光ファイバ２０６への結合効率の低下を防ぐことができ、受信光の強度の低下を防ぐことができるため、レーザレーダ装置の検出感度の低下を防ぐことができる。また、送信光と受信光学系との光軸角度ずれ量を抑えるための調整が容易となり、装置組立て時の光軸調整を簡易化できる。更に、自動制御等を利用することで、振動、衝撃又は温度変化等の外乱による光学素子のアライメントずれが生じた場合にも、送信光と受信光学系の光軸角度ずれを小さくできるため、装置の信頼性を高めることができる。
　なお上記では、光軸調整機構１０９を、光ファイバ２０６における他端（入出射端）と送受分離部１０６における第１の入出射端との間に配置し、受信光学系の光軸を送信光の光軸に一致させるように変化させている。しかしながら、これに限らず、光軸調整機構１０９を、レーザ増幅器１０５における出射端と送受分離部１０６における入射端との間に配置し、送信光の光軸を受信光学系の光軸に一致させるように変化させてもよい。
　また上記では、光軸調整機構１０９として、空間型のものを用いているが、直接、光ファイバ２０６の位置又は角度を変化させる機構としてもよい。また、レンズ等を用いている場合には、当該レンズの位置を変化させる機構としてもよい。
　また上記では、レーザレーダ装置として、コヒーレントドップラーライダ装置を用いた場合を示したが、これに限らず、レーザ光を送信して目標からの散乱光を受信するその他のレーザレーダ装置にも同様に適用できる。
　最後に、図４を参照して、実施の形態１における信号処理部１１２及び制御部１１６のハードウェア構成例を説明する。なお以下では制御部１１６のハードウェア構成例を説明するが、信号処理部１１２についても同様である。
　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。
　処理回路５１が専用のハードウェアである場合、処理回路５１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。
　処理回路５１がＣＰＵ５２の場合、制御部１１６の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５３に格納される。処理回路５１は、メモリ５３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御部１１６の機能を実現する。すなわち、制御部１１６は、処理回路５１により実行されるときに、光軸角度ずれ検出部１１５により検出された光軸角度ずれ量に基づいて、光軸調整機構１０９における調整量を制御する動作が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５３を備える。また、これらのプログラムは、制御部１１６の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ５３とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＥＰＲＯＭ）等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）等が該当する。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
　この発明に係るレーザレーダ装置は、従来構成に対して簡易に、送信光と受信光学系との光軸調整を行うことができ、送信光を照射して目標により散乱された受信光を受信するレーザレーダ装置等に用いるのに適している。
　１０１　基準レーザ光源、１０２　光分岐カプラ（光分岐部）、１０３　光変調器、１０４　光ファイバ増幅器、１０５　レーザ増幅器、１０６　送受分離部、１０７　部分反射ミラー、１０８　望遠鏡（送受信光学系）、１０９　光軸調整機構（光軸調整部）、１１０　光合波カプラ（第２の光合波部）、１１１　光検出器、１１２　信号処理部、１１３　参照光源、１１４　光合波カプラ（第１の光合波部）、１１５　光軸角度ずれ検出部、１１６　制御部、１１７　増幅器、１１８　送信光出射部、２０１～２０９　光ファイバ、１１５１　レンズ、１１５２　光検出素子、１１５３　演算部。

Claims (5)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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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