WO2023276018A1 - レーザレーダ装置 - Google Patents

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WO2023276018A1
WO2023276018A1 PCT/JP2021/024659 JP2021024659W WO2023276018A1 WO 2023276018 A1 WO2023276018 A1 WO 2023276018A1 JP 2021024659 W JP2021024659 W JP 2021024659W WO 2023276018 A1 WO2023276018 A1 WO 2023276018A1
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modulated
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寿仁亜 野邑
優佑 伊藤
隆行 柳澤
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a laser radar device.
  • Non-Patent Document 1 is a document related to the intensity-modulated pulse ToF method. An apparatus for identifying a hard target HT (hard target) in a target VT (volume target) is described.
  • the position of the target can be calculated, but there is a problem that the physical parameters such as the extinction coefficient of the target cannot be calculated.
  • the present disclosure has been made to solve such problems, and aims to provide an intensity-modulated pulse ToF laser radar device capable of calculating physical parameters such as the extinction coefficient of a target.
  • a laser radar device includes a light source unit that periodically intensity-modulates laser light with intensity-modulated signals of mutually different frequencies and outputs a plurality of intensity-modulated pulses, and a light source unit that outputs a plurality of intensity-modulated pulses.
  • a telescope for transmitting and receiving light reflected by the target as received light; a light receiving unit for photoelectrically converting the received light to generate a received electrical signal; and distance and physical property parameters of the target based on the received electrical signal.
  • a signal processing unit that calculates
  • the laser radar device can calculate physical parameters such as the extinction coefficient of the target.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a laser radar device according to Embodiment 1;
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a signal processing unit according to Embodiment 1;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware configuration example of a signal processing unit;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware configuration example of a signal processing unit;
  • 4 is a flow chart showing the operation of the laser radar device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a pulse train;
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the waveform of a received signal;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a received signal waveform and frequency analysis;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the relationship between the distance and the SNR of the received signal; It is a schematic diagram of the signal processing method by a transfer function calculation part.
  • 9A and 9B are schematic diagrams of the estimated transfer functions, respectively.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing distance characteristics of physical parameters;
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of a laser radar device according to Embodiment 2;
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of an intensity-modulated signal generator according to Embodiment 2; 9 is a flow chart showing the operation of the laser radar device according to Embodiment 2;
  • FIG. 14A is a schematic diagram of a pulse train.
  • FIG. 14B is a schematic diagram of the transfer function of the evaluated hard target HT.
  • FIG. 14C is a schematic diagram of the transfer function of the evaluated volumetric target VT.
  • FIG. 15A is a schematic diagram of a pulse train.
  • FIG. 15B is a schematic diagram of the transfer function of the evaluated hard target HT.
  • FIG. 15C is a schematic diagram of the transfer function of the evaluated volumetric target VT.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of a laser radar device according to Embodiment 3; 10 is a flow chart showing the operation of the laser radar device according to Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of a laser radar device according to Embodiment 4;
  • Embodiment 1 First, a laser radar device according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
  • FIG. ⁇ Configuration> A configuration example of a laser radar device according to Embodiment 1 of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 3B. As shown in FIG.
  • the laser radar device includes, as an example, a light source 1, an intensity modulator 2, a trigger generation circuit section 3, an intensity modulated signal generation section 4, a pulse signal generation section 5, a pulse modulation section 6 , a transmission side optical system 7 , a transmission/reception separator 8 , a telescope 9 , a reception side optical system 10 , a light receiving section 11 , a signal processing section 12 , and a scanner 13 .
  • Light source 1 , intensity modulator 2 , intensity modulated signal generator 4 , pulse signal generator 5 , and pulse modulator 6 constitute light source section 60 .
  • the transmitting optical system 7 and the receiving optical system 10 are optional components. In FIG.
  • a light source 1 is a light source that emits continuous-wave laser light having a single frequency.
  • a light source 1 is connected to an intensity modulator 2 and supplies continuous wave laser light to the intensity modulator 2 .
  • the trigger generation circuit unit 3 is connected to the intensity modulated signal generation unit 4, the pulse signal generation unit 5, and the signal processing unit 12, generates a trigger signal (pulse irradiation trigger) for driving these components, and generates a trigger.
  • the signal is output to the intensity-modulated signal generator 4 , pulse signal generator 5 and signal processor 12 .
  • a pulse generator, a function generator, or an FPGA (field-programmable gate array) can be used as the trigger generation circuit section 3 .
  • the intensity-modulated signal generator 4 is connected to the intensity modulator 2 and the signal processor 12 and outputs the generated intensity-modulated signal of frequency fk to the intensity modulator 2 and the signal processor 12 .
  • the frequencies f1 to fM are set differently so that signals intensity-modulated at different frequencies are generated.
  • Methods of generating different frequencies fk include, for example, a method of generating a signal by giving an offset frequency of ⁇ fk to the frequency signal of f1 using a frequency mixer, and a method of generating a signal with a frequency of a signal generated by a reference signal generator.
  • the reference frequency can be generated by multiplying the reference frequency with a multiplier or by dividing it with a frequency divider.
  • the reference signals used to generate the intensity-modulated frequency signals need not be the same, and individual reference signals may be prepared for each intensity-modulated frequency.
  • a pulse signal generator 5 generates a pulse signal based on the trigger signal.
  • the pulse signal generator 5 is connected to the pulse modulator 6 and outputs the generated pulse signal to the pulse modulator 6 .
  • the intensity modulator 2 periodically intensity-modulates the continuous wave laser light from the light source 1 based on the intensity-modulated signal output from the intensity-modulated signal generator 4 .
  • the intensity modulator 2 for example, an interferometer intensity modulator using an optical attenuator, a semiconductor optical amplifier, an acoustooptic device, or a phase modulator can be used.
  • the intensity modulator 2 is connected to the pulse modulating section 6 and outputs an intensity-modulated continuous wave laser beam to the pulse modulating section 6 .
  • the pulse modulating section 6 has a pulse modulator, and modulates the intensity-modulated continuous-wave laser light from the intensity modulator 2 based on the pulse signal output from the pulse signal generating section 5, with a repetition period Trep and a pulse width ⁇ T. Pulse modulate to pulse.
  • the pulse modulating section 6 for example, an acoustooptic device or a phase modulator can be used.
  • the pulse modulating section 6 may include an optical amplifier to amplify the optical power of the pulse-modulated laser light.
  • the pulse modulation section 6 is connected to the transmission side optical system 7 and outputs the amplified laser light to the transmission side optical system 7 .
  • the light source unit 60 periodically intensity-modulates the continuous-wave laser light with intensity-modulated signals having different frequencies, and outputs a plurality of intensity-modulated pulses with different modulation frequencies.
  • periodicically modulating the intensity means that the optical power is modulated so as to change periodically.
  • Examples of periodically intensity-modulated pulses are, for example, pulse P1 or pulse P2 in FIG.
  • a pulse P1 shows how the optical power changes periodically at the modulation frequency f1 while the maximum value of the optical power is kept constant.
  • a pulse P2 shows how the optical power changes periodically at the modulation frequency f2 while the maximum value of the optical power is kept constant.
  • the transmission-side optical system 7 shapes the pulse-modulated or amplified laser light from the pulse modulation section 6 into a desired beam diameter and spread angle.
  • the transmission-side optical system 7 is composed of a lens group having concave and convex surfaces.
  • the transmission-side optical system 7 may be a reflective optical system using a mirror. Since the laser beam is shaped by the transmission-side optical system 7 in order to obtain a high SNR, the transmission-side optical system 7 is not provided if a sufficient SNR can be obtained without the transmission-side optical system 7.
  • the transmission-side optical system 7 is connected to the transmission/reception separator 8 and outputs the shaped laser light to the transmission/reception separator 8 .
  • the transmission/reception splitter 8 is a splitter that separates transmission light and reception light into predetermined ports.
  • a polarizing beam splitter (PBS) can be used as the transmission/reception separator 8 when the laser beam is propagated between the transmission/reception separator 8 and other components by spatial propagation.
  • PBS polarizing beam splitter
  • the transmission/reception separator 8 is installed between the transmission side optical system 7 and the telescope 9 and on the optical axis of the transmission light.
  • a circulator can be used as the transmission/reception separator 8 when the transmission/reception separator 8 and other components are connected by a fiber.
  • the transmission/reception splitter 8 outputs transmission light to the telescope 9 and outputs reception light to the reception side optical system 10 .
  • the telescope 9 transmits transmitted light in a desired direction via the scanner 13 and receives received light, which is reflected light from the target, via the scanner 13 .
  • the telescope 9 is composed of a lens group having concave and convex surfaces.
  • the telescope 9 may be a reflective telescope using mirrors.
  • the scanner 13 is rotated to face a predetermined direction by a control unit (not shown). Telescope 9 outputs the received light to transmission/reception separator 8 .
  • the receiving optical system 10 shapes the received light from the transmission/reception separator 8 into a desired beam diameter and divergence angle.
  • the receiving optical system 10 is composed of a lens group having concave and convex surfaces.
  • the receiving optical system 10 may be a reflective optical system using a mirror. Since the shaping by the receiving side optical system 10 is to obtain a high SNR, the receiving side optical system 10 may not be provided if a sufficient SNR can be obtained without the receiving side optical system 10 .
  • the receiving optical system 10 is connected to the light receiving section 11 and outputs received light to the light receiving section 11 .
  • the light receiving unit 11 photoelectrically converts the received light to generate a received electrical signal.
  • the light receiving section 11 is connected to the signal processing section 12 and outputs the received electrical signal to the signal processing section 12 .
  • the signal processing unit 12 performs signal processing on the received electric signal to calculate the physical distance characteristic.
  • the configuration of the signal processing unit 12 will be described below with reference to FIG.
  • the signal processing unit 12 includes a filter processing unit 12-1, an A/D conversion unit 12-2, a range bin division unit 12-3, a frequency analysis unit 12-4, an integration processing unit 12 -5, an SNR calculator 12-6, a distance characteristic calculator 12-7, a transfer function calculator 12-8, a physical characteristic calculator 12-9, and a physical distance characteristic calculator 12-10.
  • Filter processing section 12 - 1 frequency-filters the received electrical signal from light receiving section 11 based on the intensity-modulated signal of frequency fk from intensity-modulated signal generation section 4 .
  • the A/D conversion section 12-2 AD-converts the filtered electrical signal from the filtering section 12-1.
  • the A/D conversion section 12-2 is connected to the range bin division section 12-3, and outputs the AD-converted digital signal to the range bin division section 12-3.
  • the range bin division unit 12-3 Based on a trigger signal (pulse irradiation trigger), the range bin division unit 12-3 divides the AD-converted digital signal in the time direction by a width corresponding to the pulse width.
  • the range bin division unit 12-3 is connected to the frequency analysis unit 12-4 and outputs the divided signal to the frequency analysis unit 12-4.
  • the frequency analysis unit 12-4 Based on the intensity-modulated signal of frequency fk from the intensity-modulated signal generator 4, the frequency analysis unit 12-4 performs Fast Fourier Transform (FFT) processing on the divided signals for each bin. convert the binned signal to a spectrum with .
  • the frequency analysis section 12-4 is connected to the integration processing section 12-5 and outputs the spectrum to the integration processing section 12-5.
  • the integration processing unit 12-5 integrates a plurality of spectra obtained from a plurality of shots of data of the same frequency fk in the spectral space. Integration processing section 12-5 is connected to SNR calculation section 12-6 and outputs the spectrum after integration to SNR calculation section 12-6.
  • the SNR calculator 12-6 calculates the SNR of the received signal at a certain time and a certain intensity modulation frequency.
  • the SNR calculator 12-6 is connected to the distance characteristic calculator 12-7 and outputs the calculated SNR to the distance characteristic calculator 12-7.
  • the distance characteristic calculator 12-7 calculates the relationship between distance and SNR (distance characteristic: A-scope) at a certain intensity modulation frequency.
  • the distance characteristic calculator 12-7 calculates the A-scope for all of the intensity modulation frequencies f1 to fM.
  • the distance characteristic calculator 12-7 is connected to the transfer function calculator 12-8, and outputs the calculated plurality of distance characteristics (A-scope) to the transfer function calculator 12-8.
  • the transfer function calculator 12-8 calculates a target transfer function in a certain range bin from a plurality of distance characteristics (A-scope) of a plurality of intensity modulated frequencies (f1 to fM) for that range bin. In this manner, the transfer function calculator 12-8 analyzes the transfer function characteristics of targets in the same range from the frequency dependence of SNR.
  • the transfer function calculator 12-8 is connected to the physical property calculator 12-9, and outputs the calculated transfer function to the physical property calculator 12-9.
  • the physical property calculation unit 12-9 calculates the transfer function characteristics found from the transfer function in each range bin n obtained by the transfer function calculation unit 12-8, and the transfer function expression by equation (4) or equation (6) described later, or By comparing the transfer function formula with formulas similar to these formulas, the physical properties of the target existing in the range bin n are calculated. Further, the physical property calculation unit 12-9 compares the SNR in each range bin n obtained by the distance property calculation unit 12-7 with the assumed SNR, thereby calculating the physical property of the target existing in the range bin n. can be calculated. The physical property calculator 12-9 is connected to the physical distance property calculator 12-10, and outputs the calculated physical property to the physical property distance property calculator 12-10.
  • the signal processor 12 is implemented by a processing circuit 100a.
  • the processing circuit 100a is, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the functions of the components included in the signal processing unit 12 may be realized by separate processing circuits, or the functions of a plurality of components may be collectively realized by one processing circuit.
  • the signal processing unit 12 is realized by a processor 100b and a memory 100c.
  • a program stored in the memory 100c is read out by the processor 100b and executed, thereby realizing the functions of the components included in the signal processing unit 12.
  • FIG. Programs may be implemented as software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Examples of the memory 100c include non-volatile or volatile semiconductors such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), and EEPROM (Electrically-EPROM). Memory, magnetic disk, flexible disk, optical disk, compact disk, mini disk, DVD are included.
  • step ST1 the intensity-modulated signal generator 4 generates an intensity-modulated signal of frequency f1 based on the trigger signal, and outputs the generated intensity-modulated signal of frequency f1 to the intensity modulator 2 and the signal processor 12. Subsequently, the intensity modulator 2 periodically intensity-modulates the single-frequency continuous-wave laser beam from the light source 1 with an intensity-modulated signal of frequency f1, and converts the intensity-modulated continuous-wave laser beam to a pulse modulating section. Output to 6.
  • step ST2 the pulse modulating section 6 pulse-modulates the intensity-modulated continuous wave laser light into pulsed light P1 having a predetermined repetition period Trep and a pulse width .delta.T based on the pulse signal from the pulse signal generating section 5.
  • pulsed light P1 is output to the transmission side optical system 7 .
  • the k-th transmission pulse signal is written as "Pk”.
  • the intensity-modulated frequency corresponding to the transmitted pulse Pk and the received signal pulse from the target are denoted by fk and Rk, respectively.
  • step ST3 the telescope 9 irradiates the target through the scanner 13 with the pulsed light P1 that has been converted into a predetermined beam diameter and beam divergence angle by the transmitting optical system 7.
  • a target is irradiated with the transmitted light P1 irradiated into the atmosphere, and a received light R1 is generated when the transmitted light P1 is scattered by the target.
  • step ST4 the telescope 9 receives the received light R1 through the aperture and outputs the received light R1 to the transmission/reception separator 8.
  • the received light R1 is sent to the receiving side optical system 10 via the transmitting/receiving separator 8 .
  • the received light R1 is converted into a predetermined beam diameter and beam divergence angle by the receiving optical system 10 and then sent to the light receiving section 11 .
  • the received light R1 is converted into a received electrical signal by the light receiving section 11 and the received electrical signal is sent to the signal processing section 12 .
  • the laser radar device repeats the above transmission/reception processing from steps ST2 to ST4 a times.
  • a is an integer greater than or equal to 1 and is a designed value.
  • this a will be referred to as the number of pulse integrations. That is, a is the number of integration times for the same intensity-modulated pulse.
  • the intensity-modulated signal generator 4 generates an intensity-modulated signal of frequency f2 based on the trigger signal. , and outputs the generated intensity-modulated signal of frequency f2 to the intensity modulator 2 and the signal processing unit 12 .
  • the intensity modulator 2 periodically intensity-modulates the single-frequency continuous-wave laser beam from the light source 1 with an intensity-modulated signal of frequency f2, and converts the intensity-modulated continuous-wave laser beam to a pulse modulating section. Output to 6.
  • step ST6 the pulse modulating section 6 pulse-modulates the intensity-modulated continuous wave laser light based on the pulse signal from the pulse signal generating section 5 to generate pulsed light P2 different from the pulsed light P1 (see FIG. 5). pulse P2), and outputs the generated pulsed light P2 to the transmission side optical system 7.
  • step ST7 the telescope 9 irradiates the target through the scanner 13 with the pulsed light P2 that has been converted into a predetermined beam diameter and beam divergence angle by the transmission-side optical system 7.
  • a target is irradiated with the transmitted light P2 irradiated into the atmosphere, and a received light R2 is generated when the transmitted light P2 is scattered by the target.
  • step ST8 the telescope 9 receives the received light R2 through the aperture and outputs the received light R2 to the transmission/reception separator 8.
  • the received light R2 is sent to the receiving side optical system 10 via the transmitting/receiving separator 8 .
  • the received light R2 is converted into a predetermined beam diameter and beam divergence angle by the receiving optical system 10 and then sent to the light receiving section 11 .
  • the received light R 2 is converted into a received electrical signal by the light receiving section 11 and the received electrical signal is sent to the signal processing section 12 .
  • each of the received lights R1 to RM is received a times.
  • step ST4 signal processing related to steps ST9 to ST14 will be described.
  • the signal processing may be performed each time each received light is obtained following step ST4, or may be performed after all the received lights R1 to RM are obtained following step ST8.
  • the signal processing in steps ST9 to ST14 will be described below assuming that it is performed after all the received lights R1 to RM are obtained.
  • step ST9 the filter processing unit 12-1 frequency-filters the received signals of all the received lights (R1 and Rk) based on the intensity-modulated signal of frequency fk from the intensity-modulated signal generator 4. An electrical signal corresponding to the modulation frequency is obtained.
  • the A/D converter 12-2 AD-converts the received signal of the received light Rk.
  • the A/D conversion section 12-2 uses the trigger signal from the trigger generation circuit section 3 as a start trigger for AD conversion. Therefore, the start time of AD conversion substantially coincides with the timing at which the transmission pulse is transmitted, and AD conversion is continued for a predetermined period or until the next transmission pulse occurs.
  • the digitized received signal corresponds to one pulse.
  • step ST11 the range bin dividing section 12-3 divides the digitized received signal into signals for each range bin. Range bin widths are delimited to correspond to pulse widths, which are determined by design.
  • FIG. 6A shows the time variation of the received signal obtained by receiving the received light Rk from the target irradiated with one pulse of the pulsed transmission light Pk.
  • n represents the label of the divided range bin, and a label with a small value of n indicates a reflected signal from a closer neighborhood.
  • the frequency analysis section 12-4 converts the received signal divided for each range bin into a spectrum signal by FFT for each range bin, and outputs the obtained spectrum signal to the integration processing section 12-5.
  • the spectrum obtained by FFTing the received signal of the received light Rk corresponding to the transmission pulse Pk (modulation frequency fk) is subject to frequency shift due to the target and the environment, but substantially matches the modulation frequency within the reception bandwidth B.
  • the reception spectrum corresponding to the modulation frequency fk is written as fm.
  • the reception bandwidth B is an assumed frequency shift width determined by the moving speed of the target and the surrounding environment.
  • step ST13 the integration processing unit 12-5 integrates the spectrum signal obtained by FFT for the signal of each range bin a times, as shown in FIG. 6B.
  • step ST14 the SNR calculator 12-6 calculates the SNR of the received signal spectrum fm by calculating the ratio of the peak intensity to the out-of-band noise.
  • the SNR calculator 12-6 outputs the spectrum fm after integration and SNR information in each range bin to the distance characteristic calculator 12-7.
  • the physical property calculation unit 12-9 calculates the physical property of the target existing in the range bin n. Specifically, the physical property calculation unit 12-9 calculates the transfer function characteristics found from the transfer function in each range bin n obtained by the transfer function calculation unit 12-8, and the following formula (4) or formula (6) By comparing the transfer function equations by or similar equations to these equations, the physical properties of the target present in the range bin n are calculated. Further, the physical property calculation unit 12-9 compares the SNR in each range bin n obtained by the distance property calculation unit 12-7 with the assumed SNR, thereby calculating the physical property of the target existing in the range bin n. can be calculated.
  • the transfer function characteristic is the full shape of the graph as shown in FIG. 9A or FIG. 9B, the slope of the graph, or the cutoff frequency fc when the graph is regarded as equivalent to the transfer function of the low-pass filter. is.
  • v is the propagation velocity within the volume target VT
  • t is time
  • A is a system coefficient
  • Y is a normalization constant.
  • Equation (4) the modulation frequency ⁇ m component of the received signal obtained is expressed by Equation (4).
  • the target transfer function T( ⁇ ) is given by equation (4), which is equivalent to the case of a first-order low-pass filter (LPF).
  • the cutoff frequency fc of the transfer function is expressed by Equation (5) using the extinction coefficient c under the assumption of Equation (2).
  • a physical parameter eg, extinction coefficient c
  • FIG. 9A shows fitting by the transfer function formula of formula (4)
  • FIG. 9B shows fitting by the transfer function formula of formula (6).
  • the cutoff frequency fc is obtained by comparing the transfer function characteristics based on the measurement results with a transfer function formula such as formula (4), and the extinction coefficient c from formula (5) Calculate
  • the extinction coefficient c in equation (1) is expressed using the absorption coefficient ⁇ and the scattering coefficient b (or the backscattering coefficient ⁇ ) as in the following equation (7). Note that ⁇ is the solid angle of the transmission/reception optical system.
  • Equation (7) Since the extinction coefficient c is correlated with two or more physical parameters, as expressed by Equation (7), the prior art assumes a certain relationship between these parameters. For example, in designing a laser sensor, a linear relationship was assumed between the backscattering coefficient ⁇ and the extinction coefficient c, and the ratio of them was defined as the lidar ratio S1, and the following equation (8) was assumed.
  • the lidar ratio S1 is determined by the particle size, laser wavelength ⁇ , particle shape, and the like. A target to be measured is determined, and the backscattering coefficient of the target is calculated by using the lidar ratio S1, which has been determined by simulation or other measurements, and equations ( 1 ) and (8).
  • the transfer function of the data output from the transfer function calculator 12-8 has extinction coefficient information
  • the SNR output from the SNR calculator 12-6 has extinction coefficient and scattering coefficient information
  • a problem with conventional laser radar equipment is that it is impossible to calculate the extinction coefficient and the scattering coefficient independently. Since the relationship between the coefficients was formulated after approximation, there was a problem that the measured physical property parameters were incorrectly calculated when the accuracy of the measured value was low or when the target was different from the assumption and unknown. Using the technique of the present disclosure eliminates the need to formulate the relationship between the extinction coefficient and the scattering coefficient, thus solving the problems of conventional laser radar devices.
  • a pulse laser generation method not only the method of making a continuous wave laser pulse, but also general methods such as the method of directly generating a pulse wave laser such as a Q-switched laser or a mode-locked laser, or a combination thereof. may be used.
  • Methods for generating intensity-modulated pulses include an electro-absorption modulator, an electro-optic crystal, an optical block, or the like, or a method of generating intensity-modulated pulses using an intensity modulator created using them, a light source is directly excited by an electric signal pulse train to generate a pseudo intensity-modulated pulse, and a pulsed laser is split by a beam splitter, and one of the pulses is delayed and combined again to generate a pseudo intensity-modulated pulse.
  • a method of generating a pulse, or a method of generating a pseudo intensity-modulated pulse by installing a wavelength conversion crystal in a resonator in which the reflectance of only one side of the mirror is lowered may be used.
  • the technology of the present disclosure may be applied to a coherent lidar, a differential absorption lidar, and a dual polarization lidar as long as an intensity-modulated pulse is used as transmitted light.
  • a coherent lidar the moving speed of the target can be calculated in addition to the physical property information of the target, so it is possible to measure many parameters with higher accuracy.
  • the light source section outputs an intensity-modulated pulse of a first wavelength and an intensity-modulated pulse of a second wavelength different from the first wavelength
  • the signal processing section outputs an intensity-modulated pulse of the first wavelength.
  • the absorption wavelength and concentration of the target can be further calculated as the physical property information of the target.
  • the light source unit When applied to a double-polarized lidar, the light source unit outputs intensity-modulated pulses with two orthogonal polarization states, and the signal processing unit uses the received signal intensity ratio of the two polarizations to obtain target physical property information. Particle shape can be further calculated. Also, in the optical system, although it is assumed that the optical system is a transmission/reception optical system, it may be configured with separate transmission/reception shafts.
  • a telescope (not shown) different from the telescope 9 is connected to the reception side optical system 10, and the transmission/reception separating section 8 and the reception side optical system 10 are not connected.
  • Such a configuration of separate transmission and reception shafts is common and does not affect the operation of the first embodiment.
  • Embodiment 2 The laser radar device according to the second embodiment will be described below with reference to FIGS. 11 to 13. FIG.
  • the overall configuration of the laser radar device according to the second embodiment is similar to that of the laser radar device according to the first embodiment shown in FIG.
  • the light source unit 60A includes a light source 1, an intensity modulator 2, an intensity modulated signal generator 4A, a pulse signal generator 5, and a pulse modulator.
  • a part 6 is provided in the laser radar apparatus according to the second embodiment.
  • the configuration of the intensity modulated signal generator 4A included in the light source section 60A is different from that of the intensity modulated signal generator 4 of the first embodiment.
  • the intensity-modulated signal generation unit 4A includes an intensity-modulated signal (f) generation unit group 4-1 consisting of M intensity-modulated signal (f) generation units, and an intensity-modulated signal (f) generation unit group 4-1. ) An intensity modulated signal mixer 4-2 connected to the generator group 4-1.
  • the intensity-modulated signal (f) generator group 4-1 generates intensity-modulated signals of M different frequencies.
  • the intensity-modulated signal (f) generator group 4-1 is composed of a function generator, an FPGA, a reference signal generator, a multiplier, or an RF frequency signal generator such as a frequency divider.
  • the intensity-modulated signal mixer 4-2 mixes the M intensity-modulated signals from the intensity-modulated signal (f) generator group 4-1.
  • the intensity-modulated signal mixer 4-2 is composed of, for example, an RF frequency mixer.
  • Embodiment 1 pulses were generated by intensity-modulating a laser beam with a certain intensity modulation frequency fk, and each of M kinds of pulses was irradiated a times for integration.
  • intensity-modulated signals having M different frequencies (f1 to fM) are applied to the transmission pulse at the same time, and the transmission pulse is irradiated a times for integration.
  • the operation of the second embodiment differs from that of the first embodiment in this respect. Otherwise, the operation of the second embodiment is the same as the operation of the first embodiment. Differences will be described with reference to FIG. 13 . be.
  • the intensity-modulated signal (f) generation unit group 4-1 generates intensity-modulated signals of frequencies f1 to fM based on the trigger signal, and converts M intensity-modulated signals of frequencies f1 to fM into intensity-modulated signals. It outputs to the mixer 4-2 and the signal processor 12.
  • FIG. 1 the intensity-modulated signal (f) generation unit group 4-1 generates intensity-modulated signals of frequencies f1 to fM based on the trigger signal, and converts M intensity-modulated signals of frequencies f1 to fM into intensity-modulated signals. It outputs to the mixer 4-2 and the signal processor 12.
  • the intensity-modulated signal mixer 4-2 mixes M intensity-modulated signals.
  • the intensity modulated signal mixer 4 - 2 outputs the mixed signal to the intensity modulator 2 .
  • the intensity modulated signal mixer 4-2 may output the mixed signal to the signal processor 12.
  • FIG. Following the operation of the intensity-modulated signal mixer 4-2, the intensity modulator 2 intensity-modulates the single-frequency continuous-wave laser light from the light source 1 with the mixed intensity-modulated signal, producing an intensity-modulated continuous wave A laser beam is output to the pulse modulation unit 6 .
  • step ST23 the pulse modulating section 6 pulse-modulates the intensity-modulated continuous wave laser light into pulsed light P based on the pulse signal from the pulse signal generating section 5, and transmits the pulsed light P to the transmitting side optical system 7. Output.
  • step ST24 the telescope 9 irradiates the target through the scanner 13 with the pulsed light P converted into a predetermined beam diameter and beam divergence angle by the transmitting optical system 7.
  • a target is irradiated with the transmitted light P irradiated into the atmosphere, and received light R is generated when the transmitted light P is scattered by the target.
  • the telescope 9 receives the received light R through the aperture and outputs the received light R to the transmission/reception separator 8.
  • the received light R is sent to the receiving side optical system 10 via the transmitting/receiving separator 8 .
  • the received light R is converted into a predetermined beam diameter and beam divergence angle by the receiving optical system 10 , and then sent to the light receiving section 11 .
  • the received light R is converted into a received electrical signal by the light receiving section 11 and the received electrical signal is sent to the signal processing section 12 .
  • the laser radar device repeats the transmission/reception processing from steps ST23 to ST25 a times.
  • step ST26 to step ST33 is the same as the processing from step ST9 to step ST16 in the first embodiment.
  • Embodiment 3 The laser radar device according to the third embodiment will be described below with reference to FIGS. 14 to 17.
  • FIG. 1 the non-uniformity of the pulse power or the degree of intensity modulation between the intensity-modulated pulses that occurs when each pulse Pk is intensity-modulated with the frequency fk causes the transfer function characteristics to be calculated. error may occur. Change paragraphs to explain.
  • the pulse parameter represents the envelope shape of each intensity-modulated pulse, the peak component forming each intensity-modulated pulse, the intensity-modulated frequency given to the light pulse, and similar parameters.
  • the difference in the pulse parameters refers to the envelope shape of each intensity-modulated pulse, the peak component that constitutes each intensity-modulated pulse, the intensity-modulated frequency given to the light pulse, and the difference from the ideal values of such parameters. show.
  • the laser radar apparatus monitors part of the intensity-modulated pulse signal and performs control to optimize the pulse parameters of each pulse (P1 to PM). It is configured to calculate a more accurate transfer function.
  • the laser radar device according to Embodiment 3 differs from the laser radar device according to Embodiment 1 in the following points. That is, as shown in FIG. 16, the laser radar device according to the third embodiment further includes an optical pulse splitter 14, an optical pulse monitor 15, and an optical pulse corrector 16.
  • FIG. The optical pulse splitter 14 is provided between the pulse modulator 6 and the transmission-side optical system 7 .
  • the optical pulse monitor section 15 is provided after the optical pulse branching section 14 .
  • the optical pulse correction section 16 is provided in the subsequent stage of the optical pulse monitor section 15, and is connected to the intensity modulated signal generation section 4B and the pulse signal generation section 5B.
  • the light source 1, the intensity modulator 2, the intensity modulated signal generator 4B, the pulse signal generator 5B, and the pulse modulator 6 constitute a light source section 60B.
  • the laser radar apparatus according to the second embodiment may be modified so as to add the optical pulse branching unit 14, the optical pulse monitor unit 15, and the optical pulse correction unit 16 to the laser radar apparatus according to the second embodiment. good.
  • the optical pulse splitter 14 splits a part of the intensity-modulated pulse generated by the pulse modulator 6 and outputs the split pulse to the optical pulse monitor 15 .
  • the optical pulse monitor unit 15 converts the optical pulse signal into an electrical signal.
  • the optical pulse correction unit 16 compares the electrical signal from the optical pulse monitor unit 15 with an ideal intensity-modulated pulse waveform held in advance, and the pulse waveform output from the pulse modulation unit becomes ideal.
  • a feedback signal is output to the intensity modulated signal generator 4 and the pulse signal generator 5 .
  • the optical pulse corrector 16 outputs a feedback signal for controlling the pulse power and modulation intensity of the transmission pulse.
  • the optical pulse monitor section 15 receives the optical pulse signal as the monitor signal branched from the optical pulse branch section 14, and converts the received optical pulse signal into an electrical signal.
  • step ST42 the optical pulse correction unit 16 compares the waveform of the electrical signal from the optical pulse monitor unit 15 with an ideal intensity-modulated pulse waveform held in advance, and the deviation of these waveforms is suppressed.
  • the feedback signal is output to the intensity modulated signal generator 4 and the pulse signal generator 5 so that the waveform of the pulse output from the pulse modulator becomes ideal.
  • step ST1 after the feedback signal is generated, the intensity-modulated signal generator 4B generates an intensity-modulated signal of frequency f1 based on the feedback signal, and transmits the generated intensity-modulated signal of frequency f1 to the intensity modulator 2 and the signal Output to the processing unit 12 .
  • the intensity modulator 2 intensity-modulates the single-frequency continuous-wave laser beam from the light source 1 with an intensity-modulated signal of frequency f1 generated based on the feedback signal, and the intensity-modulated continuous-wave laser beam The light is output to the pulse modulating section 6 .
  • step ST2 after the feedback signal is generated, the pulse modulating section 6 pulse-modulates the intensity-modulated continuous wave laser light based on the pulse signal generated based on the feedback signal from the pulse signal generating section 5. do.
  • a monitor signal is received by the optical pulse monitor unit 15 in step ST43, and a feedback signal is generated in ST44.
  • An intensity-modulated signal of frequency fk is generated based on the feedback signal (step ST5), and a pulse Pk is generated based on the feedback signal.
  • the laser radar device According to the laser radar device according to the third embodiment, it is possible to suppress the difference from the ideal values of the pulse power and the degree of intensity modulation between the intensity-modulated pulses that occurs when each pulse Pk is intensity-modulated with the frequency fk. Therefore, it is possible to prevent errors from occurring in the calculated transfer function characteristics.
  • Embodiment 4 the laser radar device according to Embodiment 4 will be described with reference to FIGS. 18 to 20.
  • FIG. In the laser radar system according to the fourth embodiment, similarly to the laser radar system according to the third embodiment, the pulse power and the degree of intensity modulation between the intensity-modulated pulses generated when each pulse Pk is intensity-modulated with the frequency fk are determined. The purpose is to correct errors in transfer function characteristics calculated from non-uniformity. The method of achieving this object differs between the laser radar device according to the fourth embodiment and the laser radar device according to the third embodiment.
  • the laser radar device of the fourth embodiment monitors a part of the intensity-modulated pulse signal to observe the actual intensity-modulated pulse parameters with respect to the ideal intensity-modulated pulse parameters, and based on the information, It is configured to calculate the uncertainty of the received signal, such as the error of the transfer function that may occur in the transmission function, and correct the detected SNR using that information to calculate a more accurate transfer function. Details will be described below.
  • the laser radar device according to Embodiment 4 differs from the laser radar device according to Embodiment 1 in the following points. That is, as shown in FIG. 18, the laser radar device according to the fourth embodiment further includes an optical pulse splitter 14 and an optical pulse monitor 15A.
  • the optical pulse splitter 14 is provided between the pulse modulator 6 and the transmission-side optical system 7 .
  • the optical pulse monitor section 15A is provided after the optical pulse branching section 14 .
  • the optical pulse monitor section 15A is electrically connected to the signal processing section 12A.
  • the optical pulse monitor section 15A converts the optical pulse signal into an electrical signal and supplies the converted electrical signal to the signal processing section 12A as an optical pulse monitor signal. Further, as shown in FIG.
  • the signal processing section 12A further includes a transfer function calculation correction section 12-11.
  • the transfer function calculation correction unit 12-11 is provided in the signal processing unit 12 between the transfer function calculation unit 12-8 and the physical property calculation unit 12-9.
  • the light source 1, the intensity modulator 2, the intensity modulated signal generator 4, the pulse signal generator 5, and the pulse modulator 6 constitute the light source section 60 as in the first embodiment.
  • the laser radar device according to the second embodiment is modified so that the optical pulse branching unit 14, the optical pulse monitor unit 15A, and the transfer function calculation correction unit 12-11 are added to the laser radar device according to the second embodiment. You may
  • the optical pulse splitter 14 splits a part of the intensity-modulated pulse generated by the pulse modulator 6, and outputs the split pulse to the optical pulse monitor 15A.
  • the optical pulse monitor unit 15A converts the optical pulse signal into an electrical signal (optical pulse monitor signal).
  • the transfer function calculation correction unit 12-11 makes the spectral characteristics of the electric signal (optical pulse monitor signal) from the optical pulse monitor unit 15A and the received signal from the target having the same frequency response characteristics uniform.
  • the output from the transfer function calculator 12-8 is corrected by comparing with the information on the optimum driving condition of the intensity modulated pulse.
  • the information includes an ideal intensity-modulated pulse waveform.
  • the operation of the laser radar system of the fourth embodiment is different from the operation of the laser radar system of the third embodiment in that the process of step ST55 is added and the process performed after the step of receiving the monitor signal (ST41A). is the processing of step ST55.
  • the process of step ST55 is added and the process performed after the step of receiving the monitor signal (ST41A). is the processing of step ST55.
  • steps ST51 to ST54 in FIG. 20 are substantially the same as steps ST1 to ST8 in FIG. 17 according to the third embodiment. 20 is different from the process shown in FIG. 17 in that the process of generating a feedback signal based on the monitor signal (steps ST41 to ST44) is omitted. Because it does.
  • the laser radar device of the fourth embodiment may also perform processing (steps ST41 to ST44) of generating a feedback signal based on the monitor signal, as in the third embodiment.
  • the optical pulse monitor unit 15A receives the optical pulse signal as the monitor signal branched from the optical pulse branch unit 14, converts the received optical pulse signal into an electrical signal, and converts the electrical signal into an electrical signal.
  • the signal is supplied as an optical pulse monitor signal to the transfer function calculation correction section 12-11 of the signal processing section 12A.
  • the transfer function calculation correction unit 12-11 combines the waveform of the electrical signal (optical pulse monitor signal) from the optical pulse monitor unit 15 acquired in step ST41A with the previously held ideal intensity modulated pulse.
  • the transfer function is corrected by comparing the waveforms, predicting or calculating the error in the transfer function calculation result that may arise from the deviation of these waveforms, and correcting the error.
  • the correction by the transfer function calculation correction unit 12-11 is performed after the integration process and after the SNR calculation. You may modify
  • the transfer function calculation correction unit 12-11 is provided between the frequency analysis unit 12-4 and the integration processing unit 12-5, and step ST55 is performed immediately after step ST12.
  • the transfer function calculation correction unit 12-11 is provided between the integration processing unit 12-5 and the SNR calculation unit 12-6, and step ST55. is performed immediately after step ST13.
  • the transfer function characteristic calculated from the non-uniformity of the pulse power and the degree of intensity modulation between the intensity-modulated pulses generated when each pulse Pk is intensity-modulated with the frequency fk. error can be corrected, and more accurate physical properties can be calculated.
  • the laser radar device of the present disclosure can be used as a laser radar device for calculating physical property parameters such as the extinction coefficient of a target.

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Abstract

レーザレーダ装置は、レーザ光を互いに異なる周波数の強度変調信号により周期的に強度変調して複数の強度変調パルスを出力する光源部（６０；６０Ａ；６０Ｂ）と、複数の強度変調パルスをターゲットに送信し、ターゲットによる反射光を受信光として受信するテレスコープ（９）と、受信光を光電変換して受信電気信号を生成する受光部（１１）と、受信電気信号に基づいてターゲットの距離および物性パラメータを算出する信号処理部（１２）と、を備える。

Description

レーザレーダ装置
　本開示はレーザレーダ装置に関する。
　レーザレーダ装置による距離計測の手法として、強度変調パルスＴｏＦ（Time　of　Flight）方式と呼ばれる手法がある。強度変調パルスＴｏＦ方式とは、発光開始から受光までのパルス飛行時間からターゲットまでの距離を求めるパルスＴｏＦ方式のうち、光パルスに対して周期的な強度変調を加えることで、散乱の強いボリュームターゲットＶＴ中に存在するハードターゲットＨＴからの反射信号（ＨＴ信号）の信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal-to-noise　ratio）を上げてＨＴ信号を抽出し、ハードターゲットＨＴの位置を算出する手法のことをいう。非特許文献１は強度変調パルスＴｏＦ方式に関する文献であり、非特許文献１にはパルスの合分波方式により生成された、疑似的に単一強度変調周波数で強度変調したパルスを用いて、ボリュームターゲットＶＴ（volume　target）中のハードターゲットＨＴ（hard　target）を識別する装置に関する記載がなされている。
L.　J.　Mullen,　A.　J.　C.　Vieira,　P.　R.　Herezfeld　and　V.　M.　Contarino,　"Application　of　RADAR　technology　to　aerial　LIDAR　systems　for　enhancement　of　shallow　underwater　target　detection,"　in　IEEE　Transactions　on　Microwave　Theory　and　Techniques,　vol.　43,　no.　9,　pp.　2370-2377,　Sept.　1995,　doi:　10.1109/22.414591.
　非特許文献１に記載の技術によれば、ターゲットの位置を算出できるが、ターゲットの消光係数などの物性パラメータを算出できないという課題がある。
　本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、ターゲットの消光係数などの物性パラメータを算出できる強度変調パルスＴｏＦ方式のレーザレーダ装置を提供することを目的とする。
　本開示の実施形態によるレーザレーダ装置は、レーザ光を互いに異なる周波数の強度変調信号により周期的に強度変調して複数の強度変調パルスを出力する光源部と、前記複数の強度変調パルスをターゲットに送信し、前記ターゲットによる反射光を受信光として受信するテレスコープと、前記受信光を光電変換して受信電気信号を生成する受光部と、前記受信電気信号に基づいて前記ターゲットの距離および物性パラメータを算出する信号処理部と、を備える。
　本開示の実施形態によるレーザレーダ装置は、ターゲットの消光係数などの物性パラメータを算出できる。
実施の形態１によるレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１による信号処理部の構成例を示すブロック図である。 信号処理部のハードウェアの構成例を示す図である。 信号処理部のハードウェアの構成例を示す図である。 実施の形態１によるレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 パルス列の模式図である。 受信信号の波形を示す模式図である。 受信信号波形と周波数解析の模式図である。 距離と受信信号のＳＮＲとの関係の模式図である。 伝達関数算出部による信号処理方法の模式図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ評価された伝達関数の模式図である。 物性パラメータの距離特性を示す模式図である。 実施の形態２によるレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態２による強度変調信号生成部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態２によるレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図１４Ａは、パルス列の模式図である。図１４Ｂは、評価されたハードターゲットＨＴの伝達関数の模式図である。図１４Ｃは、評価されたボリュームターゲットＶＴの伝達関数の模式図である。 図１５Ａは、パルス列の模式図である。図１５Ｂは、評価されたハードターゲットＨＴの伝達関数の模式図である。図１５Ｃは、評価されたボリュームターゲットＶＴの伝達関数の模式図である。 実施の形態３によるレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態３によるレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態４によるレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態４による信号処理部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態４によるレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
　以下、図１から図１７を参照して、本開示における種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において同一または類似の符号を付された構成要素は、同一または類似の構成または機能を有するものであり、そのような構成要素についての重複する説明は省略する。
実施の形態１．
　まず、図１から図１０を参照して、実施の形態１によるレーザレーダ装置について説明する。
＜構成＞
　図１から図３Ｂを参照して、本開示の実施の形態１によるレーザレーダ装置の構成例について説明する。図１に示すとおり、実施の形態１によるレーザレーダ装置は、一例として、光源１、強度変調器２、トリガ生成回路部３、強度変調信号生成部４、パルス信号生成部５、パルス変調部６、送信側光学系７、送受分離器８、テレスコープ９、受信側光学系１０、受光部１１、信号処理部１２、およびスキャナ１３を備える。光源１、強度変調器２、強度変調信号生成部４、パルス信号生成部５、およびパルス変調部６は、光源部６０を構成する。送信側光学系７および受信側光学系１０は、選択的な構成部である。図１において、黒太矢印は送信光の流れを示し、白太矢印は受信光の流れを示し、細矢印は電気信号の流れを示す。光源１と強度変調器２の間、強度変調器２とパルス変調部６の間、パルス変調部６と送信側光学系７の間、送信側光学系７と送受分離器８の間、送受分離器８とテレスコープ９の間、送受分離器８と受信側光学系１０の間、受信側光学系１０と受光部１１の間の光路は、例えば光ファイバにより実現できる。テレスコープ９とスキャナ１３の間は自由空間である。電気信号が流れる電気経路は電気配線により実現される。
（光源）
　光源１は単一周波数からなる連続波レーザ光を出射する光源である。光源１は強度変調器２に接続され、連続波レーザ光を強度変調器２に供給する。
（トリガ生成回路部）
　トリガ生成回路部３は、強度変調信号生成部４、パルス信号生成部５および信号処理部１２に接続され、これらの構成部を駆動するためのトリガ信号（パルス照射トリガ）を生成して、トリガ信号を強度変調信号生成部４、パルス信号生成部５および信号処理部１２へ出力する。トリガ生成回路部３として、例えば、パルスジェネレータ、ファンクションジェネレータ、またはＦＰＧＡ（field-programmable　gate　array）を用いることができる。
（強度変調信号生成部４）
　強度変調信号生成部４は、トリガ信号に基づいて周波数ｆｋの強度変調信号を経時的に生成する。ｋ＝１～Ｍ（Ｍは２以上の整数）である。強度変調信号生成部４は、強度変調器２および信号処理部１２に接続され、生成した周波数ｆｋの強度変調信号を強度変調器２および信号処理部１２へ出力する。異なる周波数で強度変調された信号が生成されるように、周波数ｆ１～ｆＭは互いに異なるように設定される。異なる周波数ｆｋの生成法としては、例えば、周波数混合器を用いてｆ１の周波数信号に対してδｆｋだけのオフセット周波数を与えた信号を生成する方法、および基準信号発生器で発生する信号の周波数を基準周波数として、基準周波数を逓倍器で逓倍しまたは分周器で分周して生成する方法がある。強度変調周波数信号を生成する際の基準信号は同一である必要はなく、各強度変調周波数に対して個別に基準信号を用意してもよい。
（パルス信号生成部）
　パルス信号生成部５は、トリガ信号に基づいてパルス信号を生成する。パルス信号生成部５は、パルス変調部６に接続され、生成したパルス信号をパルス変調部６へ出力する。
（強度変調器）
　強度変調器２は、強度変調信号生成部４から出力された強度変調信号に基づいて光源１からの連続波レーザ光を周期的に強度変調する。強度変調器２として、例えば、光アッテネータ、半導体光増幅器、音響光学素子、位相変調器を用いた干渉計型強度変調器を用いることができる。強度変調器２は、パルス変調部６に接続され、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調部６へ出力する。
（パルス変調部）
　パルス変調部６は、パルス変調器を備え、パルス信号生成部５から出力されたパルス信号に基づいて強度変調器２からの強度変調された連続波レーザ光を、繰返し周期Ｔｒｅｐおよびパルス幅δＴのパルスにパルス変調する。パルス変調部６として、例えば、音響光学素子または位相変調器を用いることができる。パルス変調部６は、高いＳＮＲ（信号対雑音比）を得るために、光増幅器を備え、パルス変調されたレーザ光の光パワーを増幅してもよい。パルス変調部６は、送信側光学系７に接続され、増幅されたレーザ光を送信側光学系７へ出力する。以上のようにして、光源部６０は、連続波レーザ光を互いに異なる周波数の強度変調信号により周期的に強度変調して、変調周波数が異なる複数の強度変調パルスを出力する。なお、「周期的に強度変調する」とは、光パワーが周期的に変化するように変調を行うことを意味する。周期的に強度変調されたパルスの例は、例えば図５のパルスＰ１またはパルスＰ２である。パルスＰ１は、光パワーの最大値を一定に保ったまま、光パワーが変調周波数ｆ１で周期的に変化する様子を示す。パルスＰ２は、光パワーの最大値を一定に保ったまま、光パワーが変調周波数ｆ２で周期的に変化する様子を示す。
（送信側光学系）
　送信側光学系７は、パルス変調部６からのパルス変調され又は増幅されたレーザ光を所望のビーム径且つ広がり角に整形する。送信側光学系７は、凹面および凸面からなるレンズ群で構成される。送信側光学系７は、ミラーを利用する反射型の光学系であってもよい。送信側光学系７によるレーザ光の整形は高ＳＮＲを得るためになされるものであるので、送信側光学系７が無くても十分なＳＮＲが得られる場合には送信側光学系７を設けなくてもよい。送信側光学系７は、送受分離器８に接続され、整形後のレーザ光を送受分離器８へ出力する。
（送受分離器）
　送受分離器８は、送信光と受信光を所定のポートに分離する分離器である。送受分離器８と他の構成部との間のレーザ光の伝搬を空間伝搬により行う場合、送受分離器８として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：polarizing　beam　splitter）が利用できる。レーザ光の伝搬を空間伝搬により行う場合、送受分離器８は、送信側光学系７とテレスコープ９の間であって、かつ送信光の光軸上に設置される。送受分離器８と他の構成部がファイバで接続されている場合、送受分離器８としてサーキュレータを利用することができる。送受分離器８は、送信光をテレスコープ９へ出力し、受信光を受信側光学系１０へ出力する。
（テレスコープ；スキャナ）
　テレスコープ９は、送信光をスキャナ１３を介して所望の方向へ送信するとともに、ターゲットからの反射光である受信光をスキャナ１３を介して受信する。テレスコープ９は、凹面および凸面からなるレンズ群で構成される。テレスコープ９は、ミラー利用による反射型のテレスコープであってもよい。スキャナ１３は、不図示の制御部により所定の方向を向くように回転される。テレスコープ９は、受信光を送受分離器８へ出力する。
（受信側光学系）
　受信側光学系１０は、送受分離器８からの受信光を所望のビーム径且つ広がり角に整形する。受信側光学系１０は、凹面および凸面からなるレンズ群で構成される。受信側光学系１０は、ミラー利用による反射型の光学系であってもよい。受信側光学系１０による整形は高ＳＮＲを得るためであるので、受信側光学系１０が無くても十分なＳＮＲが得られる場合には受信側光学系１０を設けなくてもよい。受信側光学系１０は、受光部１１に接続され、受信光を受光部１１へ出力する。
（受光部）
　受光部１１は、受信光を光電変換して受信電気信号を生成する。受光部１１は、信号処理部１２に接続され、受信電気信号を信号処理部１２へ出力する。
（信号処理部）
　信号処理部１２は、受信電気信号に対して信号処理を行って物性距離特性を算出する。以下、図２を参照して、信号処理部１２の構成について説明する。図２に示されているように、信号処理部１２は、フィルタ処理部１２－１、Ａ／Ｄ変換部１２－２、レンジビン分割部１２－３、周波数解析部１２－４、積算処理部１２－５、ＳＮＲ算出部１２－６、距離特性算出部１２－７、伝達関数算出部１２－８、物性特性算出部１２－９、および物性距離特性算出部１２－１０を備える。
（フィルタ処理部）
　フィルタ処理部１２-１は、強度変調信号生成部４からの周波数ｆｋの強度変調信号に基づいて、受光部１１からの受信電気信号を周波数フィルタ処理する。フィルタ処理部１２-１は、例えば中心周波数ｆｋ（ｋ＝１、２、３，・・・、Ｍ）のバンドパスフィルタにより実現され、通過帯域内にある受光部１１からの受信電気信号を通過させる。フィルタ処理部１２－１は、Ａ／Ｄ変換部１２－２に接続され、フィルタ処理後の電気信号をＡ／Ｄ変換部１２－２へ出力する。なお、フィルタ処理部１２－１は、Ａ／Ｄ変換部１２－２から積算処理部１２－５までの間にあってもよい。
（Ａ／Ｄ変換部）
　Ａ／Ｄ変換部１２－２は、トリガ生成回路部３からのトリガ信号（パルス照射トリガ）に基づいて、フィルタ処理部１２-１からのフィルタ処理後の電気信号をＡＤ変換する。Ａ／Ｄ変換部１２－２は、レンジビン分割部１２－３に接続され、ＡＤ変換後のデジタル信号をレンジビン分割部１２－３へ出力する。
（レンジビン分割部）
　レンジビン分割部１２－３は、トリガ信号（パルス照射トリガ）に基づいて、ＡＤ変換後のデジタル信号をパルス幅相当の幅で時間方向に分割する。レンジビン分割部１２－３は、周波数解析部１２－４に接続され、分割後の信号を周波数解析部１２－４へ出力する。
（周波数解析部）
　周波数解析部１２－４は、強度変調信号生成部４からの周波数ｆｋの強度変調信号に基づいて、分割されたビン毎の信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast　Fourier　Transform）処理を行うことでビン毎の信号をスペクトルに変換する。周波数解析部１２－４は、積算処理部１２－５に接続され、スペクトルを積算処理部１２－５へ出力する。
（積算処理部）
　積算処理部１２－５は、同一周波数ｆｋの複数ショットのデータから得られる複数のスペクトルをスペクトル空間で積算する。積算処理部１２－５は、ＳＮＲ算出部１２－６に接続され、積算後のスペクトルをＳＮＲ算出部１２－６へ出力する。
（ＳＮＲ算出部）
　ＳＮＲ算出部１２－６は、ある時刻且つある強度変調周波数での受信信号のＳＮＲを算出する。ＳＮＲ算出部１２－６は、距離特性算出部１２－７に接続され、算出したＳＮＲを距離特性算出部１２－７へ出力する。
（距離特性算出部）
　距離特性算出部１２－７は、ある強度変調周波数での距離とＳＮＲの関係（距離特性：Ａ－ｓｃｏｐｅ）を算出する。距離特性算出部１２－７は、強度変調周波数ｆ１～ｆＭの全てについてＡ－ｓｃｏｐｅを算出する。距離特性算出部１２－７は、伝達関数算出部１２－８に接続され、算出した複数の距離特性（Ａ－ｓｃｏｐｅ）を伝達関数算出部１２－８へ出力する。
（伝達関数算出部）
　伝達関数算出部１２－８は、あるレンジビンに関する複数の強度変調周波数（ｆ１～ｆＭ）の複数の距離特性（Ａ－ｓｃｏｐｅ）から、そのレンジビンにおけるターゲットの伝達関数を算出する。このようにして、伝達関数算出部１２－８は、ＳＮＲの周波数依存性から、同一レンジのターゲットの伝達関数特性を解析する。伝達関数算出部１２－８は、物性特性算出部１２－９に接続され、算出した伝達関数を物性特性算出部１２－９へ出力する。
（物性特性算出部）
　物性特性算出部１２－９は、伝達関数算出部１２－８により求められた各レンジビンｎにおける伝達関数から判明した伝達関数特性と、後述する式（４）若しくは式（６）による伝達関数式またはこれらの式に類似する式による伝達関数式とを比較することにより、レンジビンｎに存在するターゲットの物性特性を算出する。また、物性特性算出部１２－９は、距離特性算出部１２－７により求められた各レンジビンｎにおけるＳＮＲと、想定されるＳＮＲとを比較することで、レンジビンｎに存在するターゲットの物性特性を算出してもよい。物性特性算出部１２－９は、物性距離特性算出部１２－１０に接続され、算出した物性特性を物性距離特性算出部１２－１０へ出力する。
（物性距離特性算出部）
　物性距離特性算出部１２－１０は、物性特性算出部１２－９により算出された物性パラメータデータについて、距離特性算出部１２－７と同様に、図１０に示すようにレンジビン情報とＡＤ変換レートとレンジビン幅からΔｔ＝ＡＤレート×レンジビン幅×（ｎ－１）を計算し、Ｌ＝ｖ×Δｔ／２（ｖは光速）によりΔｔを距離に変換し、距離ごとの物性パラメータグラフを出力する。
　次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、信号処理部１２のハードウェア構成例について説明する。一例として、図３Ａに示されているように、信号処理部１２は処理回路１００ａにより実現される。処理回路１００ａ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、これらの組合せである。信号処理部１２が備える構成部の機能を別個の処理回路で実現してもよく、複数の構成部の機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。
　別の例として、図３Ｂに示されているように、信号処理部１２は、プロセッサ１００ｂと、メモリ１００ｃとにより実現される。メモリ１００ｃに格納されたプログラムがプロセッサ１００ｂに読み出されて実行されることにより、信号処理部１２が備える構成部の機能が実現される。プログラムは、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合せとして実現される。メモリ１００ｃの例には、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、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が含まれる。
＜動作＞
　次に、図４～図１０を参照して、本実施の形態１のレーザレーダ装置の動作について説明する。
　ステップＳＴ１において、強度変調信号生成部４は、トリガ信号に基づいて周波数ｆ１の強度変調信号を生成し、生成した周波数ｆ１の強度変調信号を強度変調器２および信号処理部１２へ出力する。これに引き続き、強度変調器２は、光源１からの単一周波数の連続波レーザ光を、周波数ｆ１の強度変調信号で周期的に強度変調し、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調部６へ出力する。
　ステップＳＴ２において、パルス変調部６は、パルス信号生成部５からのパルス信号に基づいて、強度変調された連続波レーザ光を所定の繰り返し周期Ｔｒｅｐ、パルス幅δＴからなるパルス光Ｐ１にパルス変調し（図５のパルスＰ１を参照）、パルス光Ｐ１を送信側光学系７へ出力する。以下、ｋ番目の送信パルス信号を「Ｐｋ」と表記する。また、送信パルスＰｋに対応する強度変調周波数およびターゲットからの受信信号パルスを、それぞれｆｋおよびＲｋと表記する。
　ステップＳＴ３において、テレスコープ９は、送信側光学系７により所定のビーム径とビーム拡がり角に変換されたパルス光Ｐ１を、スキャナ１３を介してターゲットに向かって照射する。大気中に照射された送信光Ｐ１はターゲットに照射され、送信光Ｐ１がターゲットによって散乱された際に受信光Ｒ１が生じる。
　ステップＳＴ４において、テレスコープ９は、受信光Ｒ１を開口で受信し、受信光Ｒ１を送受分離器８へ出力する。受信光Ｒ１は送受分離器８を介して受信側光学系１０へと送られる。受信光Ｒ１は受信側光学系１０で所定のビーム径及びビーム拡がり角に変換された後、受光部１１へと送られる。受信光Ｒ１は受光部１１により受信電気信号に変換され、受信電気信号は信号処理部１２へ送られる。
　レーザレーダ装置は、以上のステップＳＴ２からＳＴ４の送受信処理をａ回繰り返す。ａは１以上の整数であり、設計値である。以下、このａをパルス積算回数と称する。すなわち、ａは同一強度変調パルスにおける積算回数である。
　図５のように、パルスＰ１をａ回ターゲットに照射して繰返し周期Ｔｒｅｐだけ経過した後、ステップＳＴ５において、強度変調信号生成部４は、トリガ信号に基づいて周波数ｆ２の強度変調信号を生成し、生成した周波数ｆ２の強度変調信号を強度変調器２および信号処理部１２へ出力する。これに引き続き、強度変調器２は、光源１からの単一周波数の連続波レーザ光を、周波数ｆ２の強度変調信号で周期的に強度変調し、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調部６へ出力する。
　ステップＳＴ６において、パルス変調部６は、強度変調された連続波レーザ光をパルス信号生成部５からのパルス信号に基づいてパルス変調してパルス光Ｐ１と異なるパルス光Ｐ２を生成し（図５のパルスＰ２を参照）、生成したパルス光Ｐ２を送信側光学系７へ出力する。
　ステップＳＴ７において、テレスコープ９は、送信側光学系７により所定のビーム径とビーム拡がり角に変換されたパルス光Ｐ２を、スキャナ１３を介してターゲットに向かって照射する。大気中に照射された送信光Ｐ２はターゲットに照射され、送信光Ｐ２がターゲットによって散乱された際に受信光Ｒ２が生じる。
　ステップＳＴ８において、テレスコープ９は、受信光Ｒ２を開口で受信し、受信光Ｒ２を送受分離器８へ出力する。受信光Ｒ２は送受分離器８を介して受信側光学系１０へと送られる。受信光Ｒ２は受信側光学系１０で所定のビーム径及びビーム拡がり角に変換された後、受光部１１へと送られる。受信光Ｒ２は受光部１１により受信電気信号に変換され、受信電気信号は信号処理部１２へ送られる。
　レーザレーダ装置は、ｋ＝Ｍに達するまでステップＳＴ５の処理を行い、ステップＳＴ６～ステップＳＴ８の処理をｋの各値の場合についてａ回ずつ繰り返す。以上の動作により、受信光Ｒ１～ＲＭが、それぞれａ回受光される。
　次に、ステップＳＴ９～ＳＴ１４に係る信号処理について説明する。信号処理は、ステップＳＴ４に引き続いて各受信光が得られる毎に行ってもよいし、ステップＳＴ８に引き続いてすべての受信光Ｒ１～ＲＭが得られた後に行ってもよい。以下では、ステップＳＴ９～ＳＴ１４に係る信号処理は、すべての受信光Ｒ１～ＲＭが得られた後に行われる場合に即して説明する。
　ステップＳＴ９において、フィルタ処理部１２－１は、強度変調信号生成部４からの周波数ｆｋの強度変調信号に基づいて、すべての受信光（Ｒ１およびＲｋ）の受信信号について周波数フィルタ処理して、各変調周波数に対応した電気信号を得る。
　ステップＳＴ１０において、Ａ／Ｄ変換部１２－２は、受信光Ｒｋの受信信号をＡＤ変換する。Ａ／Ｄ変換部１２－２は、トリガ生成回路部３からのトリガ信号をＡＤ変換の開始トリガとする。したがって、ＡＤ変換の開始時刻は送信パルスが送信されたタイミングに略一致し、所定期間あるいは次の送信パルスが生じるまでの間ＡＤ変換を続ける。ＡＤ変換を開始してからΔＴ後にＡＤ変換している信号は、距離Ｌ＝ｖ×ΔＴ／２（ｖは光速）離れた空間に位置するターゲットからの受信信号に相当する。デジタル化された受信信号は１パルス分に相当する。
　ステップＳＴ１１において、レンジビン分割部１２―３は、デジタル化された受信信号をレンジビン毎の信号に分割する。レンジビン幅はパルス幅に相当するように区切られ、パルス幅は設計により定められる。図６Ａは、１パルス分のパルス送信光Ｐｋが照射されたターゲットからの受信光Ｒｋを受信することで得られる、受信信号の時間変化を示す。ｎは分割したレンジビンのラベルを表し、ｎの値が小さいラベルはより近傍からの反射信号であることを示す。
　ステップＳＴ１２において、周波数解析部１２－４は、レンジビン毎に分割された受信信号を、レンジビン毎にＦＦＴしてスペクトル信号に変換し、得られたスペクトル信号を積算処理部１２－５へ出力する。送信パルスＰｋ（変調周波数ｆｋ）に対応する受信光Ｒｋの受信信号をＦＦＴして得られるスペクトルは、ターゲットや環境由来の周波数シフトを受けるが、受信帯域幅Ｂ内で変調周波数に略一致する。以下では、変調周波数ｆｋに対応する受信スペクトルをｆｍと表記する。受信帯域幅Ｂはターゲット移動速度や周囲環境で決定される、想定される周波数シフト幅である。
　ステップＳＴ１３において、積算処理部１２－５は、図６Ｂに示すように、各レンジビンの信号に対するＦＦＴにより得られたスペクトル信号をａ回積算する。
　ステップＳＴ１４において、ＳＮＲ算出部１２－６は、ピーク強度と帯域外雑音との比を計算することで、受信信号のスペクトルｆｍのＳＮＲを計算する。ＳＮＲ算出部１２－６は、積算後のスペクトルｆｍと各レンジビンにおけるＳＮＲの情報を、距離特性算出部１２－７へ出力する。
　ステップＳＴ１５において、距離特性算出部１２－７は、距離ごとのＳＮＲを表すグラフであるＡ－ｓｃｏｐｅを算出する。図７に示すように、スペクトルｆ１～ｆＭについて、任意のレンジビンｎにおけるＳＮＲの情報が集まる。距離特性算出部１２－７は、レンジビン情報とＡＤ変換レートとレンジビン幅からΔｔ＝ＡＤレート×レンジビン幅×（ｎ－１）を計算し、Ｌ＝ｖ×Δｔ／２（ｖは光速）によりΔｔを距離に変換し、Ａ－ｓｃｏｐｅを算出する。以下では、スペクトルｆｍでレンジビンｎでのＳＮＲを、ＳＮＲｍｎと表記する。また、伝達関数算出部１２－８は、図８に示すように、ＳＮＲｍｎの情報をもとに、各レンジビンｎ（ｎ＝１、２、３、・・・）における、スペクトルｆ１～ｆＭのＳＮＲをデータ処理し、各レンジビンの伝達関数（縦軸Ｔ、横軸スペクトル周波数ｆのグラフ）を求める。なお、図８では、ｎ＝３のレンジビンについて、スペクトルｆ１～ｆＭのＳＮＲを周波数軸に沿って並べて伝達関数を求める具体例を示している。
　ステップＳＴ１６において、物性特性算出部１２－９は、レンジビンｎに存在するターゲットの物性特性を算出する。具体的には、物性特性算出部１２－９は、伝達関数算出部１２－８により求められた各レンジビンｎにおける伝達関数から判明した伝達関数特性と、下記の式（４）若しくは式（６）による伝達関数式またはこれらの式に類似する式による伝達関数式とを比較することにより、レンジビンｎに存在するターゲットの物性特性を算出する。また、物性特性算出部１２－９は、距離特性算出部１２－７により求められた各レンジビンｎにおけるＳＮＲと、想定されるＳＮＲとを比較することで、レンジビンｎに存在するターゲットの物性特性を算出してもよい。ここで、伝達関数特性とは、図９Ａまたは図９Ｂに示されているようなグラフの全形、グラフの傾き、またはグラフをローパスフィルタの伝達関数と同等とみなしたときのカットオフ周波数ｆｃなどである。
　強度変調パルスＴｏＦ方式において、距離Ｌ（＝ｖｔ／２）に存在するターゲット（消光係数ｃ、吸収係数α、後方散乱係数β）からの受信信号パワーＰｒは、次の式（１）で表現される。式（１）において、ｖはボリュームターゲットＶＴ内での伝搬速度、ｔは時間、Aはシステム係数であり、Yは規格化定数である。式（１）を式（２）の仮定のもとでフーリエ変換すると、式（３）となる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　したがって、強度変調角周波数ω＝２πｆの強度変調パルスをターゲットに送信したとき、得られる受信信号の変調周波数ωｍ成分は式（４）で表される。式（２）の仮定の下でターゲットの伝達関数Ｔ（ω）は式（４）で表され、これは１次のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の場合と等価である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　伝達関数のカットオフ周波数ｆｃは、式（２）の仮定の下では消光係数ｃを用いて式（５）で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　例えば、ｃ＝１ｍ－１、屈折率ｎ＝１．３の散乱媒質（ＶＴ）の伝達関数のカットオフ周波数はｆｃ＝３７ＭＨｚに相当する。
　なお厳密には、式（１）においてＬ（ｔ）＝ｖｔ／２であるので、より正確なターゲットの伝達関数は次の式（６）で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　測定結果をもとに算出されたターゲットの伝達関数特性（図８の右下図）と、式（４）若しくは式（６）の伝達関数式又は式（４）若しくは式（６）に類する伝達関数式とを比較することにより、物性パラメータ（例えば消光係数ｃ）を推定することができる。図９Ａは式（４）の伝達関数式によるフィッテングを表し、図９Ｂは式（６）の伝達関数式によるフィッテングを表す。例えば、消光係数ｃを推定する場合であれば、測定結果に基づく伝達関数特性と式（４）などの伝達関数式とを比較してカットオフ周波数ｆｃを求め、式（５）から消光係数ｃを算出する。
　また、物性距離特性算出部１２－１０は、物性特性算出部１２－９により算出された物性パラメータデータについて、距離特性算出部１２－７と同様に、図１０に示すようにレンジビン情報とＡＤ変換レートとレンジビン幅からΔｔ＝ＡＤレート×レンジビン幅×（ｎ－１）を計算し、Ｌ＝ｖ×Δｔ／２（ｖは光速）によりΔｔを距離に変換し、距離ごとの物性パラメータグラフを出力する。
　式（１）の消光係数ｃは、次式（７）のように、吸収係数αと散乱係数ｂ（あるいは後方散乱係数β）を用いて表される。なお、Ωは送受信光学系の立体角である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　式（７）で表されるように、消光係数ｃは２つ以上の物性パラメータと相関関係があるため、従来技術では、これらのパラメータ間に一定の関係を仮定していた。例えば、レーザセンサの設計においては、後方散乱係数βと消光係数ｃを線形な関係と仮定し、これらの比をライダ比Ｓ１とおき、次式（８）の関係を仮定していた。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　ライダ比Ｓ１は、粒子サイズ、レーザ波長λ、粒子形状等で決定される。測定対象を定め、シミュレーションやその他の測定で数値が定まったライダ比Ｓ１と、式（１）および（８）を用いることで、ターゲットの後方散乱係数を算出する。
　このような従来の手法によれば、測定ターゲットの物性情報が未知である場合、または上空若しくは海中等の特殊な環境で測定する場合では、式（８）の仮定を利用できない、あるいは式（８）を用いると算出された物性値の精度が下がるという課題があった。
　これに対して、本開示の手法によれば、従来技術で必要であった物性パラメータ間の相関関係を具体的に仮定することなく、物性パラメータを推定することができる。
＜効果＞
　伝達関数算出部１２－８から出力されるデータの伝達関数は消光係数の情報を有し、ＳＮＲ算出部１２－６から出力されるＳＮＲは消光係数および散乱係数の情報を有するので、上記のように距離Ｌに存在するターゲットからのパルス受信信号について、ＳＮＲに加えて強度変調周波数ｆｋの伝達関数特性を算出することで、ターゲットの消光係数と散乱係数を独立して検出することが可能となる。
　従来のレーザレーダ装置では消光係数と散乱係数を独立に算出することが不可能であるという課題があり、通常は既知のターゲット情報を利用し、または既知のターゲット情報をもとに消光係数と散乱係数の関係性を近似のうえ定式化して利用していたため、測定値の精度が低い、あるいはターゲットが想定と異なる未知の場合は測定物性パラメータを誤算出するという課題があった。本開示の手法を使用することで、消光係数と散乱係数の関係性を定式化する必要がなくなり、従来のレーザレーダ装置の課題を解決することができる。
＜変形例＞
　以下、実施の形態１の変形例について説明する。パルスレーザの発生手法としては、連続波レーザをパルス化する手法のみでなく、Qスイッチレーザやモード同期レーザなどのパルス波レーザを直接発生する手法等の一般的手法のいずれか、あるいはその組み合わせを用いてもよい。強度変調パルスの生成方法としては、電解吸収変調器、電気光学結晶若しくは光ブロック、若しくはそれらに類するもの、またはそれらを用いて作成された強度変調器を用いて強度変調パルスを生成する手法、光源を直接電気信号パルス列で励起することで疑似的な強度変調パルスを生成する手法、パルスレーザをビームスプリッタで分割させて片方のパルスを遅延させて再び合波することで疑似的な強度変調パルスを生成する手法、片側のミラーのみ反射率を下げた共振器内に波長変換結晶を設置し疑似的な強度変調パルスを生成する手法などを利用してもよい。
　光検出部において直接検波方式を仮定したが、強度変調パルスを送信光として利用していれば、本開示の技術をコヒーレントライダ、差分吸収ライダ、二重偏光型ライダに適用してもよい。コヒーレントライダに適用する場合、ターゲットの物性情報に加えてターゲット移動速度を算出することができるので、より高精度かつ多数のパラメータ計測を実施することが可能となる。差分吸収ライダに適用する場合、光源部は、第１の波長の強度変調パルスと、第１の波長と異なる第２の波長の強度変調パルスとを出力し、信号処理部は、第１の波長の受信光と第２の波長の受信光の受信信号強度比から、ターゲットの物性情報として、ターゲットの吸収波長および濃度をさらに算出することができる。二重偏光型ライダに適用する場合、光源部は２つの直交する偏光状態を持つ強度変調パルスを出力し、信号処理部は２つの偏光による受信信号強度比から、ターゲットの物性情報として、ターゲットの粒形をさらに算出することができる。また、光学系において、送受光学系を前提としたが、送受別軸の構成であってもよい。送受別軸の場合、テレスコープ９とは異なる不図示のテレスコープが受信側光学系１０と接続され、送受分離部８と受信側光学系１０とが接続されない。このような送受別軸の構成は一般的であり、実施の形態１の動作において影響を及ぼさない。
実施の形態２．
　以下、図１１から図１３を参照して、実施の形態２によるレーザレーダ装置について説明する。
＜構成＞
　図１１に示されているように、実施の形態２によるレーザレーダ装置の全体的な構成は、図１に示した実施の形態１のレーザレーダ装置の構成と同様である。図１２に示されているように、実施の形態２のレーザレーダ装置においては、光源部６０Ａは、光源１、強度変調器２、強度変調信号生成部４Ａ、パルス信号生成部５、およびパルス変調部６を備える。実施の形態２によるレーザレーダ装置においては、光源部６０Ａが備える強度変調信号生成部４Ａの構成が実施の形態１の強度変調信号生成部４と異なる。
　図１２に示されているように、強度変調信号生成部４Ａは、Ｍ個の強度変調信号（ｆ）生成部からなる強度変調信号（ｆ）生成部群４－１と、強度変調信号（ｆ）生成部群４－１に接続された強度変調信号混合部４－２を備える。
　強度変調信号（ｆ）生成部群４－１は、Ｍ個の異なる周波数の強度変調信号を生成する。強度変調信号（ｆ）生成部群４－１は、ファンクションジェネレータ、ＦＰＧＡ、基準信号発生器と逓倍機あるいは分周期等のＲＦ周波数信号発生器で構成される。
　強度変調信号混合部４－２は、強度変調信号（ｆ）生成部群４－１からのＭ個の強度変調信号を混合する。強度変調信号混合部４－２は、例えばＲＦ周波数のミキサで構成される。
＜動作＞
　実施の形態１においては、ある強度変調周波数ｆｋでレーザ光を強度変調してパルスを生成し、Ｍ種のパルスのそれぞれを積算のためにａ回ずつ照射した。これに対し、実施の形態２では、Ｍ個の異なる周波数（ｆ１～ｆＭ）をもつ強度変調信号を同時に送信パルスに付与し、送信パルスを積算のためにａ回照射する。実施の形態２の動作は、この点について実施の形態１の場合と相違する。その他については、実施の形態２の動作は実施の形態１の動作と同様である。相違点について、図１３を参照して説明する。
る。
　ステップＳＴ２１において、強度変調信号（ｆ）生成部群４－１は、トリガ信号に基づいて周波数ｆ１～ｆＭの強度変調信号を生成し、周波数ｆ１～ｆＭのＭ個の強度変調信号を強度変調信号混合部４－２および信号処理部１２へ出力する。
　ステップＳＴ２２において、強度変調信号混合部４－２は、Ｍ個の強度変調信号を混合する。強度変調信号混合部４－２は、混合した信号を、強度変調器２へ出力する。強度変調信号混合部４－２は、混合した信号を信号処理部１２へ出力してもよい。強度変調信号混合部４－２による動作に引き続き、強度変調器２は、光源１からの単一周波数の連続波レーザ光を、混合された強度変調信号で強度変調し、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調部６へ出力する。
　ステップＳＴ２３において、パルス変調部６は、パルス信号生成部５からのパルス信号に基づいて、強度変調された連続波レーザ光をパルス光Ｐにパルス変調し、パルス光Ｐを送信側光学系７へ出力する。
　ステップＳＴ２４において、テレスコープ９は、送信側光学系７により所定のビーム径とビーム拡がり角に変換されたパルス光Ｐを、スキャナ１３を介してターゲットに向かって照射する。大気中に照射された送信光Ｐはターゲットに照射され、送信光Ｐがターゲットによって散乱された際に受信光Ｒが生じる。
　ステップＳＴ２５において、テレスコープ９は、受信光Ｒを開口で受信し、受信光Ｒを送受分離器８へ出力する。受信光Ｒは送受分離器８を介して受信側光学系１０へと送られる。受信光Ｒは受信側光学系１０で所定のビーム径及びビーム拡がり角に変換された後、受光部１１へと送られる。受信光Ｒは受光部１１により受信電気信号に変換され、受信電気信号は信号処理部１２へ送られる。
　レーザレーダ装置は、以上のステップＳＴ２３からＳＴ２５の送受信処理をａ回繰り返す。
　ステップＳＴ２６からステップＳＴ３３の処理は、実施の形態１におけるステップＳＴ９からステップＳＴ１６の処理と同様である。
＜変形例＞
　以上の説明では、Ｍ個の異なる強度変調信号生成部を用意したが、Ｍ＝ＸＹとなるようなＸとＹにおいて、Ｘ個の異なる強度変調信号生成部を用意し、１パルスにＸ個の強度変調を付与し、強度変調周波数を変化させながらＹ回パルスを照射することでＹパルスでＭ個の異なる強度変調に対するターゲットの伝達関数特性を算出することができる。このような信号発生器の個数とパルス照射回数の変更は適宜行ってよい。
実施の形態３．
　以下、図１４～図１７を参照して、実施の形態３によるレーザレーダ装置について説明する。実施の形態１および２の構成では、各パルスＰｋに周波数ｆｋの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーまたは強度変調する度合いの不均一性により、算出される伝達関数特性に誤差が生じる場合がある。段落を変えて説明する。
　図１４Ａのように、各強度変調パルスのパルスパラメータの差が小さい場合、図１４Ｂまたは図１４Ｃのように、ターゲットからの受信信号ＳＮＲから評価された伝達関数（点線）は真値（実線）とほぼ一致する。その一方で、例えば図１５Ａのように、各強度変調パルスのパルスパラメータの差が大きい場合、図１５Ｂまたは図１５Ｃのように、ターゲットからの受信信号ＳＮＲから評価された伝達関数（点線）は真値（実線）と一致せず、誤算出の要因となる。ここで、パルスパラメータとは、各強度変調パルスの包絡線形状や、各強度変調パルスを構成するピーク成分や、光パルスに付与された強度変調周波数や、それに類するパラメータを表す。また、パルスパラメータの差とは、各強度変調パルスの包絡線形状や、各強度変調パルスを構成するピーク成分や、光パルスに付与された強度変調周波数や、それに類するパラメータの理想値に対する差を表す。
　そこで、実施の形態３のレーザレーダ装置は、強度変調パルス信号の一部をモニタして各パルス（Ｐ１～ＰＭ）のパルスパラメータが最適になるような制御を加えることで、検出されたＳＮＲからより正確な伝達関数を算出するように構成される。
＜構成＞
　実施の形態３によるレーザレーダ装置は、実施の形態１のレーザレーダ装置に対して、次の点で異なる。すなわち、図１６に示されているように、実施の形態３によるレーザレーダ装置は、光パルス分岐部１４、光パルスモニタ部１５、および光パルス補正部１６を更に備える。光パルス分岐部１４は、パルス変調部６と送信側光学系７の間に備えられる。光パルスモニタ部１５は、光パルス分岐部１４の後段に備えられる。光パルス補正部１６は、光パルスモニタ部１５の後段に備えられ、強度変調信号生成部４Ｂおよびパルス信号生成部５Ｂに接続される。なお、光源１、強度変調器２、強度変調信号生成部４Ｂ、パルス信号生成部５Ｂ、およびパルス変調部６は、光源部６０Ｂを構成する。なお、光パルス分岐部１４、光パルスモニタ部１５、および光パルス補正部１６を実施の形態２によるレーザレーダ装置に対して追加するように、実施の形態２によるレーザレーダ装置を変形してもよい。
　光パルス分岐部１４は、パルス変調部６で生成された強度変調パルスの一部を分岐し、分岐された一部のパルスを光パルスモニタ部１５へ出力する。
　光パルスモニタ部１５は、光パルス信号を電気信号に変換する。
　光パルス補正部１６は、光パルスモニタ部１５からの電気信号と、あらかじめ保有している理想的な強度変調パルス波形とを比較し、パルス変調部から出力されるパルスの波形が理想的になるよう強度変調信号生成部４およびパルス信号生成部５へフィードバック信号を出力する。例えば、光パルス補正部１６は、送信パルスのパルスパワーと変調強度を制御するためのフィードバック信号を出力する。
＜動作＞
　次に、図１７を参照して、実施の形態３のレーザレーダ装置の動作について説明する。実施の形態３のレーザレーダ装置の動作は、実施の形態３のレーザレーダ装置の動作に対してステップＳＴ４１、ＳＴ４２、ＳＴ４３およびＳＴ４４の処理が追加された点で異なる。重複する説明を省略するため、実施の形態１の動作と相違する点についてのみ説明する。
　ステップＳＴ４１において、光パルスモニタ部１５は、光パルス分岐部１４から分岐されたモニタ信号としての光パルス信号を受光し、受光した光パルス信号を電気信号に変換する。
　ステップＳＴ４２において、光パルス補正部１６は、光パルスモニタ部１５からの電気信号の波形と、あらかじめ保有している理想的な強度変調パルス波形とを比較し、これらの波形の偏差が抑制されるように、即ちパルス変調部から出力されたパルスの波形が理想的になるように、強度変調信号生成部４およびパルス信号生成部５へフィードバック信号を出力する。
　フィードバック信号が生成された後のステップＳＴ１において、強度変調信号生成部４Ｂは、フィードバック信号に基づいて周波数ｆ１の強度変調信号を生成し、生成した周波数ｆ１の強度変調信号を強度変調器２および信号処理部１２へ出力する。これに引き続き、強度変調器２は、光源１からの単一周波数の連続波レーザ光を、フィードバック信号に基づいて生成された周波数ｆ１の強度変調信号で強度変調し、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調部６へ出力する。
　フィードバック信号が生成された後のステップＳＴ２において、パルス変調部６は、パルス信号生成部５からのフィードバック信号に基づいて生成されたパルス信号に基づいて、強度変調された連続波レーザ光をパルス変調する。
　パルスＰｋ（ｋ＝２～Ｍ）の場合についても同様に、ステップＳＴ４３において光パルスモニタ部１５によりモニタ信号が受光され、ＳＴ４４においてフィードバック信号が生成される。フィードバック信号に基づいた周波数ｆｋの強度変調信号が生成され（ステップＳＴ５）、フィードバック信号に基づいたパルスＰｋが生成される。
＜効果＞
　実施の形態３によるレーザレーダ装置によれば、各パルスＰｋに周波数ｆｋの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーや強度変調度の理想値に対する差を抑制することができるので、算出される伝達関数特性に誤差が生じることを防止できる。
実施の形態４．
　以下、図１８～図２０を参照して、実施の形態４によるレーザレーダ装置について説明する。実施の形態４によるレーザレーダ装置は、実施の形態３によるレーザレーダ装置と同様に、各パルスＰｋに周波数ｆｋの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーや強度変調度の不均一性から算出される伝達関数特性の誤差を補正することを目的とする。この目的を達成する手法が、実施の形態４によるレーザレーダ装置と実施の形態３によるレーザレーダ装置とでは異なる。端的には、実施の形態４のレーザレーダ装置は、強度変調パルス信号の一部をモニタして理想的な強度変調パルスパラメータに対する実際の強度変調パルスのパラメータを観測し、それらの情報をもとに発生しうる伝達関数の誤差などの受信信号の不確定性を算出し、それらの情報を用いて検出されたＳＮＲを補正することでより正確な伝達関数を算出するように構成される。以下にて、詳しく説明する。
＜構成＞
　実施の形態４によるレーザレーダ装置は、実施の形態１のレーザレーダ装置に対して、次の点で異なる。すなわち、図１８に示されているように、実施の形態４によるレーザレーダ装置は、光パルス分岐部１４、および光パルスモニタ部１５Ａを更に備える。光パルス分岐部１４は、パルス変調部６と送信側光学系７の間に備えられる。光パルスモニタ部１５Ａは、光パルス分岐部１４の後段に備えられる。光パルスモニタ部１５Ａは信号処理部１２Ａに電気的に接続される。光パルスモニタ部１５Ａは光パルス信号を電気信号に変換して変換後の電気信号を光パルスモニタ信号として信号処理部１２Ａへ供給する。また、図１９に示されているように、信号処理部１２Ａは、伝達関数算出補正部１２－１１を更に備える。伝達関数算出補正部１２－１１は、一例として、信号処理部１２において伝達関数算出部１２－８と物性特性算出部１２－９の間に備えられる。なお、光源１、強度変調器２、強度変調信号生成部４、パルス信号生成部５、およびパルス変調部６は、実施の形態１の場合と同様に光源部６０を構成する。なお、光パルス分岐部１４、光パルスモニタ部１５Ａ、および伝達関数算出補正部１２－１１を実施の形態２によるレーザレーダ装置に対して追加するように、実施の形態２によるレーザレーダ装置を変形してもよい。
　光パルス分岐部１４は、パルス変調部６で生成された強度変調パルスの一部を分岐し、分岐された一部のパルスを光パルスモニタ部１５Ａへ出力する。
　光パルスモニタ部１５Ａは、光パルス信号を電気信号（光パルスモニタ信号）に変換する。
　伝達関数算出補正部１２－１１は、光パルスモニタ部１５Ａからの電気信号（光パルスモニタ信号）と、受信信号の周波数応答特性が一様なターゲットからの受信信号のスペクトル特性が一様となるような強度変調パルスの最適駆動条件に関する情報とを比較し、伝達関数算出部１２－８からの出力を補正する。その情報には、理想的な強度変調パルス波形が含まれる。
＜動作＞
　次に、図２０を参照して、実施の形態４のレーザレーダ装置の動作について説明する。実施の形態４のレーザレーダ装置の動作は、実施の形態３のレーザレーダ装置の動作に対してステップＳＴ５５の処理が追加された点、およびモニタ信号を受光するステップ（ST４１A）の後に行われる処理がステップＳＴ５５の処理である点で異なる。重複する説明を省略するため、実施の形態３の動作と相違する点についてのみ説明する。
　なお、図２０におけるステップＳＴ５１～ＳＴ５４は、実施の形態３に係る図１７のステップＳＴ１～ＳＴ８と実質的に同様である。「実質的に」とは、モニタ信号に基づいてフィードバック信号を生成する処理（ステップＳＴ４１～ＳＴ４４）を省略している点で、図２０に示された処理は図１７に示された処理と相違するからである。なお、実施の形態４のレーザレーダ装置も、実施の形態３と同様に、モニタ信号に基づいてフィードバック信号を生成する処理（ステップＳＴ４１～ＳＴ４４）を行ってもよい。
　図２０のステップＳＴ４１Aにおいて、光パルスモニタ部１５Ａは、光パルス分岐部１４から分岐されたモニタ信号としての光パルス信号を受光し、受光した光パルス信号を電気信号に変換し、変換後の電気信号を光パルスモニタ信号として信号処理部１２Ａの伝達関数算出補正部１２－１１へ供給する。
　ステップＳＴ５５において、伝達関数算出補正部１２－１１は、ステップＳＴ４１Ａにおいて取得された光パルスモニタ部１５からの電気信号（光パルスモニタ信号）の波形と、あらかじめ保有している理想的な強度変調パルス波形とを比較し、これらの波形の偏差から生じうる伝達関数算出結果の誤差を予測あるいは計算し、その誤差を訂正することで伝達関数の補正を行う。
　本実施の形態では、伝達関数算出補正部１２－１１による補正を積算処理後かつＳＮＲ算出後に実施したが、伝達関数算出補正部１２－１１による補正を積算処理前またはＳＮＲ算出前に実施するように本実施の形態を変形してもよい。伝達関数算出補正部１２－１１による補正を積算処理前に補正を行う場合、伝達関数算出補正部１２－１１は周波数解析部１２－４と積算処理部１２－５の間に備えられ、ステップＳＴ５５における処理はステップＳＴ１２の直後に実施される。伝達関数算出補正部１２－１１による補正をＳＮＲ算出前に補正を行う場合、伝達関数算出補正部１２－１１は積算処理部１２－５とＳＮＲ算出部１２－６の間に備えられ、ステップＳＴ５５における処理はステップＳＴ１３の直後に実施される。
＜効果＞
　実施の形態４によるレーザレーダ装置によれば、各パルスＰｋに周波数ｆｋの強度変調を付与した際に生じる各強度変調パルス間のパルスパワーや強度変調度の不均一性から算出される伝達関数特性の誤差を補正し、より正確な物性特性算出ができる。
　なお、実施形態を組み合わせたり、各実施形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
　本開示のレーザレーダ装置は、ターゲットの消光係数などの物性パラメータを算出するためのレーザレーダ装置として用いることができる。
　１　光源、２　強度変調器、３　トリガ生成回路部、４　強度変調信号生成部、４－１　強度変調信号生成部群、４－２　強度変調信号混合部、４Ａ　強度変調信号生成部、４Ｂ　強度変調信号生成部、５　パルス信号生成部、５Ｂ　パルス信号生成部、６　パルス変調部、７　送信側光学系、８　送受分離器、９　テレスコープ、１０　受信側光学系、１１　受光部、１２　信号処理部、１２Ａ　信号処理部、１２－１　フィルタ処理部、１２－２　Ａ／Ｄ変換部、１２－３　レンジビン分割部、１２－４　周波数解析部、１２－５　積算処理部、１２－６　ＳＮＲ算出部、１２－７　距離特性算出部、１２－８　伝達関数算出部、１２－９　物性特性算出部、１２－１０　物性距離特性算出部、１２－１１　伝達関数算出補正部、１３　スキャナ、１４　光パルス分岐部、１５　光パルスモニタ部、１５Ａ　光パルスモニタ部、１６　光パルス補正部、６０　光源部、６０Ａ　光源部、６０Ｂ　光源部、１００ａ　処理回路、１００ｂ　プロセッサ、１００ｃ　メモリ。

Claims (12)

  1. 　レーザ光を互いに異なる周波数の強度変調信号により周期的に強度変調して複数の強度変調パルスを出力する光源部と、
    　前記複数の強度変調パルスをターゲットに送信し、前記ターゲットによる反射光を受信光として受信するテレスコープと、
    　前記受信光を光電変換して受信電気信号を生成する受光部と、
    　前記受信電気信号に基づいて前記ターゲットの距離および物性パラメータを算出する信号処理部と、
    を備えるレーザレーダ装置。
  2. 　前記光源部は、互いに異なる周波数の複数の強度変調信号を経時的に発生し、または互いに異なる周波数の複数の強度変調信号を同時に発生させて混合することにより、前記複数の強度変調パルスを生成する、
    請求項１に記載のレーザレーダ装置。
  3. 　前記光源部は、前記互いに異なる周波数の強度変調信号を、前記信号処理部へ出力し、
    　前記信号処理部は、前記複数の強度変調パルスの何れか１つの強度変調パルスの生成に用いられた周波数の情報を用いて、前記受信電気信号を周波数解析してスペクトル信号を生成して前記スペクトル信号の周波数と信号対雑音比を検出する、
    請求項２に記載のレーザレーダ装置。
  4. 　前記信号処理部は、前記複数の強度変調パルスの２種以上の強度変調パルスの生成に用いられた周波数の情報を用いて、前記受信電気信号を周波数解析して同一レンジのターゲットから反射された受信光に係る複数のスペクトルを生成し、前記複数のスペクトルの信号対雑音比の周波数依存性を解析する、
    請求項３に記載のレーザレーダ装置。
  5. 　前記信号処理部は、前記信号対雑音比の周波数依存性から、前記同一レンジのターゲットの伝達関数特性を解析する、
    請求項４に記載のレーザレーダ装置。
  6. 　前記伝達関数特性に基づいて、前記同一レンジのターゲットの物性パラメータを評価する、
    請求項５に記載のレーザレーダ装置。
  7. 　前記光源部は、第１の波長の強度変調パルスと、前記第１の波長と異なる第２の波長の強度変調パルスとを出力し、
    　前記信号処理部は、前記第１の波長の受信光と前記第２の波長の受信光の受信信号強度比からターゲットの吸収波長と濃度を算出する、
    請求項６に記載のレーザレーダ装置。
  8. 　前記光源部は、２つの直交する偏光状態を持つ強度変調パルスを出力し、
    　前記信号処理部は、前記２つの偏光による受信信号強度比からターゲットの粒形を評価する、
    請求項６に記載のレーザレーダ装置。
  9. 　前記光源部で生成された強度変調パルスを光電変換する光パルスモニタ部と、
    　前記光パルスモニタ部からの電気信号に基づいて、送信パルスのパルスパワーと変調強度を制御するためのフィードバック信号を出力する光パルス補正部と、
    を更に備える、
    請求項６に記載のレーザレーダ装置。
  10. 　前記光パルス補正部は、理想的な強度変調パルス波形を保持し、光パルスモニタ部からの電気信号の波形と前記理想的な強度変調パルス波形とを比較して偏差を算出し、前記偏差を抑制するように前記光源部に対してフィードバック信号を出力する、
    請求項９に記載のレーザレーダ装置。
  11. 　前記光源部で生成された強度変調パルスを光電変換する光パルスモニタ部を更に備え、
    　前記信号処理部は、前記光パルスモニタ部に接続され、前記光パルスモニタ部からの電気信号に基づいて補正を行う伝達関数算出補正部を更に備える、
    請求項６に記載のレーザレーダ装置。
  12. 　前記伝達関数算出補正部は、受信信号の周波数応答特性が一様なターゲットからの受信信号のスペクトル特性が一様となるような強度変調パルスの最適駆動条件に関する情報を予め保有し、前記光パルスモニタ部からの電気信号と前記情報を比較することで前記強度変調送信パルスにより生じる受信信号の不確定性を補正する、
    請求項１１に記載のレーザレーダ装置。
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