レーザレーダ装置

この発明は、単一周波数のレーザ光を空間に放射することで、空間内の観測対象の移動速度を測定するレーザレーダ装置に関し、特に航空機など移動体に搭載されるレーザレーダ装置に関するものである。

空間内の観測対象の移動に伴う散乱光(観測対象に散乱されたレーザ光の散乱光)のドップラシフトから観測対象の移動速度を測定するレーザレーダ装置のうち、例えば、風速などの空間分布を遠隔から観測することができるレーザレーダ装置は、気象観測や気象予測の用途でニーズがある。また、航空の交通安全に寄与する乱気流の検出や、風力利用の適地調査など、多岐の応用観点からニーズがある。 特に、レーザレーダ装置を航空機に搭載することで、航空機の前方に存在する晴天乱気流を検出することができるため、乱気流への突入を回避することが可能になり、航空機の交通安全に寄与する。

風速の計測に用いるレーザレーダ装置は、コヒーレントドップラライダ(CDL)と呼ばれ、単一の周波数のレーザ光を大気中に放射したのち、大気中の観測対象(風計測では、エアロゾルが観測対象になる)に後方散乱されたレーザ光の後方散乱光を光ヘテロダイン検出することで、ドップラシフトから観測対象の移動速度を求めることができる。 CDLにおいて、十分な速度計測範囲を確保するには、広い帯域幅の受信信号を周波数分析する必要がある。例えば、波長1.5um帯で風速±30m/sの範囲を計測するために必要な周波数分析範囲は100MHzである。 よく知られているサンプリング定理によると、信号を所望の帯域まで再生するには、必要な帯域の2倍以上のサンプリング周波数で、信号をA/D(アナログ/デジタル)変換する必要があるとされており、従来のCDLでは、200MSamples/s程度のサンプリング周波数で動作するA/D変換器が用いられている。

また、航空機などの移動体にCDLを搭載する場合、移動体の飛行速度に対応するドップラシフト周波数が風速の風計測値に加わるため、更に高い周波数範囲の検出が必要になる。 このため、更に高速なサンプリング周波数で動作するA/D変換器を用いる必要があるため、レーザレーダ装置がコスト高になる。

以下の特許文献1には、高速なサンプリング周波数で動作するA/D変換器を不要にするために、光ヘテロダイン受信機の受信信号に含まれている移動体の飛行速度に対応するドップラシフト周波数と等しい周波数の信号を発生する電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)を備え、ミキサがVCOにより発生された信号と光ヘテロダイン受信機の受信信号とをミキシングして、それらの信号の差周波成分を検出することで、移動体の飛行速度に対応するドップラシフト周波数を相殺しているレーザレーダ装置が開示されている。 これにより、高速なサンプリング周波数で動作するA/D変換器を用いることなく、観測対象の移動速度を検出することができる。

また、以下の特許文献2には、VCOの実現性と入手性を考慮し、比帯域が狭いVCOを用いた構成で、移動体の飛行速度の成分を補正する技術が提案されている。

特開平1−114774号公報(図1)

特開2003−240852号公報(段落番号[0006]、図1)

従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、移動体の飛行速度に対応するドップラシフト周波数と等しい周波数の信号を発生するVCOを備えれば、高速なサンプリング周波数で動作するA/D変換器が不要になる。しかし、VCOにより発生された信号の基本波及び高調波信号がミキサの出力側に漏洩して、光ヘテロダイン受信機の受信信号から得られる周波数スペクトル上にスパイクノイズが現れてしまうため、観測対象の移動速度の測定精度が劣化してしまう課題があった。 また、VCOの高調波信号の成分と光ヘテロダイン受信機の受信信号との差周波数の成分が周波数スペクトル上に偽ピークとして現れる場合があり、このような偽ピークが現れると、更に観測対象の移動速度の測定精度が劣化してしまう課題があった。

なお、スパイクノイズや偽ピークなどの不要信号は、観測対象の移動速度の測定精度の劣化要因になるため、従来のレーザレーダ装置では、VCOの出力、ミキサのダイナミックレンジや帯域透過フィルタの特性に注意して設計されることが想定される。しかし、一般にレーダレーダ装置の受信信号の信号レベルは小さいため、設計に注意を払ったとしても、スパイクノイズや偽ピークの影響を完全に除去することは困難である。このため、例えば、速度検出範囲の限定処理や固定雑音ピーク周波数の除外処理などの周波数分析後の信号処理が必要になる。よって、レーダレーダ装置の複雑化や高コスト化を招くとともに、データの信頼性が低下することが考えられる。

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、VCOを搭載することなく、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数を相殺できるようにして、観測対象の移動速度の測定精度を高めることができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、送信種光を発振する光源と、光源により発振された送信種光の周波数から自装置を搭載している移動体の速度に対応するドップラシフト周波数を減算し、ドップラシフト周波数減算後の送信種光をパルス変調してパルス光を出力するパルス光出力手段と、パルス光出力手段から出力されたパルス光を空間に放射したのち、空間に存在している観測対象に後方散乱されたパルス光の後方散乱光を受信する光アンテナと、光アンテナにより受信された後方散乱光と光源により発振された送信種光とを合波して、その後方散乱光と送信種光の差周波数のビート信号を出力する光ヘテロダイン受信機とを設け、移動速度算出手段が、光ヘテロダイン受信機から出力されたビート信号から観測対象の移動速度を算出するようにしたものである。

この発明によれば、光源により発振された送信種光の周波数から自装置を搭載している移動体の速度に対応するドップラシフト周波数を減算し、ドップラシフト周波数減算後の送信種光をパルス変調してパルス光を光アンテナに出力するパルス光出力手段を設け、光ヘテロダイン受信機が、光アンテナにより受信された後方散乱光と光源により発振された送信種光とを合波して、その後方散乱光と送信種光の差周波数のビート信号を移動速度算出手段に出力するように構成したので、VCOを搭載することなく、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数を相殺することができるようになり、その結果、観測対象の移動速度の測定精度を高めることができる効果がある。

この発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。

この発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置の光送信ユニット1を示す構成図である。

図2の鋸波発生ユニット21における自機速度情報出力部22の詳細を示す構成図である。

光位相変調部24に対する制御信号である駆動信号(周期Tの鋸波WF02)と光ヘテロダイン受信機8により得られるビート信号の波形例を示す説明図である。

この発明の実施の形態1における送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。

この発明の実施の形態2によるレーザレーダ装置の光送信ユニット1を示す構成図である。

光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性が理想的でない場合の送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。

光強度変調部26,27が同期駆動された場合の送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。

この発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置の光送信ユニット1を示す構成図である。

この発明の実施の形態3における送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。実施の形態1. 図1はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この実施の形態1では、図1のレーザレーダ装置が例えば航空機などの移動体に搭載されているものとする。 図1において、光送信ユニット1は基準光源2、光路分岐カプラ3及び変調ユニット4から構成されており、パルス光及び局部発振光を出力するユニットである。 基準光源2は単一周波数ν(単一波長)の送信種光を連続発振し、その送信種光を定偏光で光路OF(1)に出力する。

光路分岐カプラ3は基準光源2から出力された周波数νの送信種光を2分岐して、一方の送信種光を光路OF(2)に出力し、他方の送信種光を周波数νの局部発振光として光路OF(3)に出力する光学部品である。 変調ユニット4は光路分岐カプラ3から出力された送信種光の周波数νに対して、予め設定された周波数であるオフセット周波数f_ofsから移動体(レーザレーダ装置を搭載している移動体)の速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを差し引いた周波数(f_ofs−f_move)を付与し、周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光をパルス変調してパルス光を光路OF(4)に出力する。なお、変調ユニット4はパルス光出力手段を構成している。

光増幅器5は変調ユニット4から出力されたパルス光を増幅し、増幅後のパルス光を光路OF(5)に出力する。 光サーキュレータ6は光増幅器5により増幅されたパルス光を光路OF(6)を介して光アンテナ7に出力する一方、光アンテナ7により受信された後方散乱光を光路OF(7)に出力する。 光アンテナ7は光サーキュレータ6から出力されたパルス光を空間に放射する一方、空間に存在している観測対象(例えば、図1のレーザレーダ装置が風計測ライダとして用いられる場合、風速と同じ速度で移動するエアロゾルが観測対象となる)に後方散乱された前記パルス光の後方散乱光を受信する。 なお、後方散乱光の周波数は、光アンテナ7から放射されたパルス光の周波数(ν+f_ofs−f_move)に対して、観測対象の移動速度(例えば、風速)に対応するドップラシフト周波数f_dopと、移動体の速度に対応するドップラシフト周波数f_moveとが加わっている周波数となる。

光ヘテロダイン受信機8は光アンテナ7により受信された周波数(ν+f_ofs+f_dop)の後方散乱光と光路分岐カプラ3から出力された周波数νの局部発振光とを光学的に合波して、その後方散乱光と局部発振光の差周波数(f_ofs+f_dop)のビート信号を求め、そのビート信号を光電変換して、電気信号であるビート信号を信号処理ユニット9に出力する。 信号処理ユニット9は例えばCPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、光ヘテロダイン受信機8から出力されたビート信号の周波数を分析することで、観測対象の移動速度を算出する処理を実施する。信号処理ユニット9は移動速度算出手段構成している。

即ち、信号処理ユニット9は光ヘテロダイン受信機8から出力されたビート信号を所定のサンプリングレートでAD変換して、デジタル信号であるビート信号を変調ユニット4から出力されたパルス光のパルス幅に対応する受信ゲート幅毎に分割し、分割後のビート信号をそれぞれ高速フーリエ変換してパワースペクトルを算出する処理を実施する。 また、信号処理ユニット9は受信ゲート幅毎のビート信号のパワースペクトルにおけるピーク値、スペクトル幅、SNR(Signal Noise Ratio)などを算出するとともに、そのパワースペクトルのピーク値から観測対象の移動速度を算出する処理を実施する。 なお、信号処理ユニット9は視線方向(パルス光の放射方向)に対する指令値を光アンテナ7に出力する機能を有している。この指令値に従って得られた各視線方向に対する観測対象までの距離や風速の計測値を格納しておくことで、ベクトル演算によって風速の3次元分布の推定や、観測距離毎の風向風速分布の算出が可能になる。 計測結果表示部10は例えばGPU(Graphics Processing Unit)や液晶ディスプレイなどから構成されており、例えば、信号処理ユニット9により推定された観測対象の移動速度や、風速の3次元分布などを表示する。

図2はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置の光送信ユニット1を示す構成図である。 鋸波発生ユニット21は自機速度情報出力部22及び直線位相変調信号発生部23から構成されており、自装置を搭載している移動体の速度に対応する周期の鋸波を発生する装置である。 自機速度情報出力部22は自装置を搭載している移動体の速度に対応する鋸波の周期Tを出力する処理を実施する。 直線位相変調信号発生部23はファンクションジェネレータあるいは任意波形発生装置などで構成されており、自機速度情報出力部22から出力された周期Tの鋸波WF02を発生する処理を実施する。即ち、直線位相変調信号発生部23は光位相変調部24で変調位相2π(360度)を実現するために、周期Tの鋸波WF02で光位相変調部24を駆動する処理を実施する。 ここで、周期Tの鋸波WF02は、光位相変調部24で変調位相2π(360度)を実現するために必要な駆動電圧2Vπの整数倍(m倍)に相当する2mVπの振幅を有している。 なお、直線位相変調信号発生部23は鋸波発生手段を構成している。

光位相変調部24は直線位相変調信号発生部23により発生された鋸波WF02にしたがって光路分岐カプラ3から出力された周波数νの送信種光を位相変調して、その送信種光の周波数をシフトし、周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光を光強度変調部26に出力する処理を実施する。なお、光位相変調部24は位相変調手段を構成している。 パルス信号発生部25はパルス型のレーザレーダ装置の送信光に必要となるパルス位相変調駆動信号WF01を発生(パルス信号を繰り返し発生)する処理を実施する。なお、パルス信号発生部25はパルス信号発生手段を構成している。

光強度変調部26は例えばMach−Zehnder型LN変調器やEA(Electro Absorption)変調器などの強度変調器、あるいは、半導体光増幅器や光ファイバ増幅器などの光増幅器、あるいは、MEMS光スイッチなどの光スイッチなどから構成されており、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01にしたがって光位相変調部24から出力された周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光をパルス変調してパルス光を光路OF(4)に出力する処理を実施する。なお、光強度変調部26はパルス変調手段を構成している。 ここでは、光強度変調部26がMach−Zehnder型LN変調器などから構成されている例を示しているが、レーザレーダ装置に必要となるパルス幅数として100nsec〜1usec、繰り返し周波数として数kHz〜数10kHz程度で応答することができる手段であれば何でもよい。

図3は図2の鋸波発生ユニット21における自機速度情報出力部22の詳細を示す構成図である。 図3において、自機速度計測部22aは自装置を搭載している移動体の速度を計測する処理を実施する。自機速度計測部22aは移動体の速度(3000km/h程度)を数値的に十分に計測可能な計器であればよく、例えば、航空機に搭載される対気速度計などが考えられる。なお、自機速度計測部22aは速度計測手段を構成している。 速度−鋸波周期情報変換部22bは自機速度計測部22aにより計測された移動体の速度に対応する鋸波の周期Tを出力する処理を実施する。

次に動作について説明する。 基準光源2は、単一周波数νの送信種光を連続発振し、その送信種光を定偏光で光路OF(1)に出力する。 光路分岐カプラ3は、基準光源2から周波数νの送信種光を受けると、その送信種光の偏光状態を維持したまま、その送信種光を2分岐して、一方の送信種光を光路OF(2)に出力し、他方の送信種光を周波数νの局部発振光として光路OF(3)に出力する。

変調ユニット4は、光路分岐カプラ3から周波数νの送信種光を受けると、その送信種光の周波数νに対して、予め設定された周波数であるオフセット周波数f_ofsから移動体(レーザレーダ装置を搭載している移動体)の速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを差し引いた周波数(f_ofs−f_move)を付与し、周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光をパルス変調してパルス光を光路OF(4)に出力する。 レーザレーダ装置が風計測ライダ装置として用いられる場合、例えば、送信種光の周波数νは195THz、オフセット周波数f_ofsは10MHz〜数100MHz、パルス光のパルス幅は数100nsec〜1μsec程度に設定される。

以下、変調ユニット4の処理内容を具体的に説明する。 鋸波発生ユニット21の自機速度計測部22aは、自装置を搭載している移動体の速度を計測し、その移動体の速度を速度−鋸波周期情報変換部22bに出力する。 速度−鋸波周期情報変換部22bは、予め移動体の速度と鋸波の周期Tとの対応関係を示すテーブルを保持しており、自機速度計測部22aから移動体の速度を受けると、そのテーブルを参照して、その移動体の速度に対応する鋸波の周期Tを把握し、その鋸波の周期Tを直線位相変調信号発生部23に出力する。 ここでは、速度−鋸波周期情報変換部22bが、予め移動体の速度と鋸波の周期Tとの対応関係を示すテーブルを保持している例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、移動体の速度と鋸波の周期Tとの対応関係を示す関数を用いて、移動体の速度から鋸波の周期Tを算出するようにしてもよい。

直線位相変調信号発生部23は、速度−鋸波周期情報変換部22bから鋸波の周期Tを受けると、後段の光位相変調部24で変調位相2π(360度)を実現するために、光位相変調部24の駆動電圧2Vπの整数倍(m倍)に相当する2mVπの振幅を有する周期Tの鋸波WF02を発生する。 光位相変調部24は、直線位相変調信号発生部23が鋸波WF02を発生すると、その鋸波WF02にしたがって光路分岐カプラ3から出力された周波数νの送信種光を位相変調して、その送信種光の周波数をシフトし、周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光を光強度変調部26に出力する。

ここで、光位相変調部24から出力される周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光の位相φ(t)は、下記の式(1)に示すように、時間tに対して一定の変化率2mπ/T[rad/s]で変化するものとなる。 式(1)において、mod(t,T)は時間tを鋸波の周期Tで除算した際の剰余を表している。

位相φ(t)に対する周波数fは、下記の式(2)に示すように、位相φの時間微分で定義することができる。 位相φ(t)の時間変化率は、2mπ/T[rad/s]であるため、光位相変調部24によって、鋸波の周期Tの逆数に比例する周波数シフト(f_ofs−f_move)を実現することができる。

図4は光位相変調部24に対する制御信号である駆動信号(周期Tの鋸波WF02)と光ヘテロダイン受信機8により得られるビート信号の波形例を示す説明図である。 図4の例では、1kHzの周波数シフト(f_ofs−f_move)を実現するための駆動信号を示しており、その駆動信号は、振幅が7V(2Vπ電圧(360度))で、周期Tが1msecの鋸波である。 この場合、光ヘテロダイン受信機8により得られるビート信号は、図4に示すように、一定周期1msecの正弦波となり、1kHzの周波数シフトが得られていることが分かる。 したがって、光位相変調部24によって、例えば、50MHz(=1kHzの50000倍)の周波数シフト(f_ofs−f_move)を実現するには、鋸波発生ユニット21が、振幅が7Vで周期Tが20nsec(=1msec/50000)の鋸波を発生すればよいことが分かる。

パルス信号発生部25は、光強度変調部26をON/OFF制御するパルス位相変調駆動信号WF01を発生する。 光強度変調部26は、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01にしたがって光位相変調部24から出力された周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光をパルス変調してパルス光を光路OF(4)に出力する。 このパルス光は、パルス幅が数100nsec〜1usecで、繰り返し周波数が数kHz〜数10kHz程度である。

光増幅器5は、変調ユニット4の光強度変調部26からパルス光を受けると、そのパルス光を増幅し、増幅後のパルス光を光路OF(5)に出力する。 即ち、光増幅器5は、増幅媒体の蓄積作用を利用して、光強度変調部26から出力されたパルス光のOFF期間(パルス光の信号レベルがLレベルの期間)に蓄積されるエネルギーをパルス光のON期間(パルス光の信号レベルがHレベルの期間)に解放することで、パルス光を光増幅する。 光サーキュレータ6は、光増幅器5から増幅後のパルス光を受けると、そのパルス光を光路OF(6)を介して光アンテナ7に出力する。

光アンテナ7は、光サーキュレータ6からパルス光を受けると、そのパルス光のビーム径を所定のビーム径に拡大してから、そのパルス光を信号処理ユニット9が指示する方向の空間に放射する。 光アンテナ7から放射されたパルス光は、空間に存在している観測対象(レーザレーダ装置が風計測ライダとして用いられる場合、風速と同じ速度で移動するエアロゾルが観測対象となる)に後方散乱される。観測対象に後方散乱されたパルス光の後方散乱光は光アンテナ7により受信されるが、この後方散乱光は、観測対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトを受けている。 したがって、後方散乱光の周波数は、下記の式(3)に示すように、光アンテナ7から放射されたパルス光の周波数(ν+f_ofs−f_move)に対して、観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopと、移動体の速度に対応するドップラシフト周波数f_moveとが加わっている周波数となる。 (ν+f_ofs−f_move)+(f_dop+f_move) =ν+f_ofs+f_dop (3)

光サーキュレータ6は、光アンテナ7により受信された後方散乱光を光路OF(7)に出力する。 光ヘテロダイン受信機8は、光サーキュレータ6から光アンテナ7により受信された周波数(ν+f_ofs+f_dop)の後方散乱光を受けると、その後方散乱光と光路分岐カプラ3から出力された周波数νの局部発振光とを光学的に合波して、その後方散乱光と局部発振光の差周波数(f_ofs+f_dop)のビート信号を求め、そのビート信号を光電変換して、電気信号であるビート信号を信号処理ユニット9に出力する。 光ヘテロダイン受信機8で得られるビート信号の周波数fは、下記の式(4)のように表される。 f=f_ofs+f_dop (4) したがって、ビート信号の周波数fは、例えば、オフセット周波数f_ofsが50MHzで、観測対象の移動速度(例えば、風速)に対応するドップラシフト周波数f_dopが−50〜+50MHzの範囲である仮定すると、100MHz以下の中間周波数になる。

ここで、図5はこの発明の実施の形態1における送信光(光アンテナ7から放射されるパルス光)と、受信光(光アンテナ7により受信される後方散乱光)と、光ヘテロダイン信号スペクトル(光ヘテロダイン受信機8により得られるビート信号のスペクトル)との関係を示す説明図である。 光アンテナ7から放射されるパルス光である送信光101の周波数は(ν+f_ofs−f_move)であり、所定のパルス幅で繰り返し放射されている。なお、変調ユニット4により付与された周波数シフトは(f_ofs−f_move)である。 光アンテナ7の受信光102は、観測対象に後方散乱された送信光101の後方散乱光であり、送信光101のパルスOFF期間に連続的に収集される。 図5では、説明の簡単化のために、特定の距離レンジに対応している受信光102だけを記載しているが、実際には送信光101のパルスOFF期間に連続的に収集される。 受信光102の周波数は、観測対象の移動速度(例えば、風速)に対応するドップラシフト周波数f_dopと、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_moveとが加わるため、(ν+f_ofs+f_dop)で表される。

一方、光路分岐カプラ3から出力される局部発振光103は時間的に連続して出力され、局部発振光103の周波数は、基準光源2から発振される送信種光の周波数νと一致している。 光ヘテロダイン受信機8は、上述したように、受信光102と局部発振光103を光学的に合波して、受信光102と局部発振光103の差周波数のビート信号(周波数(f_ofs+f_dop)のビート信号)を得るものである。 したがって、ビート信号のスペクトルである光ヘテロダイン信号スペクトルの時系列データは、中心周波数であるオフセット周波数f_ofsから観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopだけ離調したスペクトルとして得られる。 図5において、104は特定の距離レンジにおける風速ドップラの存在帯域(風速ドップラが存在している周波数の範囲)を示し、105は観測対象の移動速度(風速)に対応するドップラシフト周波数f_dopがゼロ以外(風速≠0)のときに観測されるピーク周波数を示し、106は観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopがゼロ(風速=0)のときに観測されるピーク周波数を示している。

風速=0の場合には、ビート信号の中心周波数が、中間周波数であるオフセット周波数f_ofsと一致する。 図5の例では、送信光101が理想的にON/OFFされ、パルスOFF時に漏洩光がない場合を想定しているため、光ヘテロダイン受信機8により得られるビート信号には、漏洩光に伴う不要ビート成分が存在していない。 したがって、後段の信号処理ユニット9では、風速ドップラの存在帯域104だけをフィルタで切り出して信号処理を行うようにすればよい。

信号処理ユニット9は、光ヘテロダイン受信機8からビート信号を受けると、下記の式(5)に示すように、光アンテナ7からパルス光が放射された時刻t1と、光ヘテロダイン受信機8からビート信号(時刻t1に放射されたパルス光の後方散乱光から得られたビート信号)が出力された時刻t2との時刻差である到来時間Δt(=t2−t1)から、観測対象までの距離Lを算出する。 式(5)において、cは光速である。

また、信号処理ユニット9は、光ヘテロダイン受信機8から出力されたビート信号を所定のサンプリングレートでAD変換して、デジタル信号であるビート信号を変調ユニット4から出力されたパルス光のパルス幅に対応する受信ゲート幅毎に分割し、分割後のビート信号をそれぞれ高速フーリエ変換してパワースペクトルを算出する。 信号処理ユニット9は、受信ゲート幅毎に、ビート信号のパワースペクトルを算出すると、そのパワースペクトルのピーク値、スペクトル幅、SNR(Signal Noise Ratio)などを算出するとともに、そのパワースペクトルのピーク値から観測対象の移動速度を算出する。 なお、各々の受信ゲート幅(時間ゲート)は、光アンテナ7からパルス光が放射されてから、後方散乱光が受信されるまでの時間に対応し、観測対象までの距離Lに対応している。このため、観測対象までの距離L毎に、視線方向(パルス光の放射方向)の風速によるドップラシフト周波数f_dopの分布を得ることができる。

信号処理ユニット9は、視線方向に対する指令値を光アンテナ7に出力する機能を有しており、光アンテナ7を制御することで、例えば、パルス光を1次元あるいは2次元に走査する。 信号処理ユニット9は、この指令値に従って得られた各視線方向に対する観測対象までの距離Lや風速(風速はパワースペクトルのピーク値から得られる)の計測値を格納しておくことで、ベクトル演算によって風速の3次元分布の推定や、観測距離毎の風向風速分布の算出を行うことができる。 信号処理ユニット9は、各種の算出結果を内部のデータ蓄積部であるメモリに格納するほか、必要な情報(例えば、観測対象の移動速度(風速)や、風速の3次元分布など)を計測結果表示部10に表示する。

以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、基準光源2により発振された送信種光の周波数νに対して、予め設定された周波数であるオフセット周波数f_ofsから移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを差し引いた周波数(f_ofs−f_move)を付与し、周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光をパルス変調してパルス光を出力する変調ユニット4を設け、光ヘテロダイン受信機8が、光アンテナ7により受信された周波数(ν+f_ofs+f_dop)の後方散乱光と周波数νの局部発振光とを光学的に合波して、その後方散乱光と局部発振光の差周波数(f_ofs+f_dop)のビート信号を求め、そのビート信号を光電変換して、電気信号であるビート信号を信号処理ユニット9に出力するように構成したので、VCOを搭載することなく、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを相殺することができるようになり、その結果、観測対象の移動速度の測定精度を高めることができる効果を奏する。

即ち、この実施の形態1では、VCOを搭載することなく、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを相殺することができるため、VCOにより発生された信号の基本波及び高調波信号が光ヘテロダイン受信機8の出力側に漏洩することがない。このため、光ヘテロダイン受信機8から得られるビート信号の周波数スペクトル上にスパイクノイズが現れることがないため、観測対象の移動速度の測定精度を高めることができる。 また、VCOの高調波信号の成分と光ヘテロダイン受信機8から得られるビート信号との差周波数の成分が周波数スペクトル上に偽ピークとして現れることもないため、偽ピークが現れることに伴う観測対象の移動速度の測定精度の劣化を防止することができる。

また、この実施の形態1によれば、光ヘテロダイン受信機8の後段の電気信号を扱う領域に、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを相殺するための補正回路を搭載する必要がないため、レーザレーダ装置の構成の簡素化や小型化を図ることができる効果を奏する。

この実施の形態1によれば、移動体の移動速度が変化しても、鋸波発生ユニット21から発生される鋸波の振幅を一定にすることができるため、省電力化を図ることができる。 なお、鋸波発生ユニット21から発生される鋸波の傾きを反転させることで、移動体の進行方向が負方向であっても、移動体の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_moveを相殺することができる。

実施の形態2. 上記実施の形態1では、光強度変調部26で理想的なパルス変調が行われることで(光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性が理想的である)、パルスOFF期間の漏洩光が存在していないものを示しているが、この実施の形態2では、光強度変調部26でのパルス変調が必ずしも理想的でないために(光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性が理想的でない)、パルスOFF期間の漏洩光が存在していても、観測対象の移動速度の測定精度を高めることができるレーザレーダ装置について説明する。

図6はこの発明の実施の形態2によるレーザレーダ装置の光送信ユニット1を示す構成図であり、図6において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。 この実施の形態2では、2つの光強度変調部26,27を縦続に接続し、2つの光強度変調部26,27がパルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01によって同期駆動されるように構成されている。

次に動作について説明する。 ただし、2つの光強度変調部26と光強度変調部27が縦続に接続されている点以外は上記実施の形態1と同様であるため、上記実施の形態1と相違している部分を説明する。 図7は光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性が理想的でない場合の送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。

光アンテナ7から放射されるパルス光である送信光101の周波数は(ν+f_ofs−f_move)であり、上記実施の形態1と同様に、所定のパルス幅で繰り返し放射されている。 この送信光101は、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01のON期間(パルス信号発生部25からパルス信号が出力されている期間であり、以下、「パルスON期間」と称する)中に放射されるが、パルス位相変調駆動信号WF01のOFF期間(パルス信号発生部25からパルス信号が出力されていない期間であり、以下、「パルスOFF期間」と称する)中には、光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性が理想的でないために、光強度変調部26から漏洩光の成分111が出力される。 漏洩光の成分111は、後段の光増幅器5によって増幅されたのち、光サーキュレータ6に出力される。 その結果、光サーキュレータ6における光路OF(5)から光路OF(7)へのクロストーク成分が光ヘテロダイン受信機8に入射されるとともに、パルスON期間においては、光アンテナ7の内部部品の反射による送信光101の受信光路へのクロストーク成分112が光ヘテロダイン受信機8に入射され、パルスOFF期間においては、漏洩光の成分111による受信光路への漏洩光として漏洩光113が光ヘテロダイン受信機8に入射される。

受信光路への漏洩光113の周波数は、パルスON期間の送信光101と同じ周波数(ν+f_ofs−f_move)である。 このため、光ヘテロダイン受信機8の内で、受信光路への漏洩光113と局部発振光103が干渉して、不要なビート信号114が発生する。 この不要なビート信号114の周波数は、受信光路への漏洩光113と局部発振光103との差周波数(f_ofs−f_move)であり、不要なビート信号114が時間的に常に存在する。

一方、光ヘテロダイン受信機8により得られるビート信号のスペクトルである光ヘテロダイン信号スペクトルでは、観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopのピーク周波数105,106と、不要なビート信号114とが重なるため、直接的に観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopのピーク周波数105,106だけを検出することが困難になる。 不要なビート信号114の周波数(f_ofs−f_move)は、中間周波数であるため、レーザレーダ装置を搭載している移動体と同等の速度計測は困難である。

そこで、この実施の形態2では、2つの光強度変調部26,27を縦続に接続し、2つの光強度変調部26,27がパルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01によって同期駆動されるように構成することで、光強度変調部26によるパルスOFF期間での漏洩光113を抑圧している。 光強度変調部26,27が同期駆動されることで、光強度変調部26によるパルスOFF期間と光強度変調部27によるパルスOFF期間が一致するため、光強度変調部26が1つだけ搭載されている場合よりも、パルスOFF期間の消光特性を高めることができる。

図8は光強度変調部26,27が同期駆動された場合の送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。 光強度変調部27が光強度変調部26によるパルスOFF期間での漏洩光113を抑圧するため(図8では、パルスOFF期間での漏洩光113が抑圧されている)、受信光として、パルスON期間における送信光101の受信光路へのクロストーク成分112と、観測対象の移動速度によるドップラシフトを受けた受信光成分(受信光102)とが得られる。

これにより、光ヘテロダイン受信機8で受信光が局部発振光103と合成される結果、信号スペクトルには、パルスON期間における送信光101のクロストーク成分112と局部発振光103とのビート成分(不要なビート信号115)と、観測対象の移動速度によるドップラ成分(ドップラシフト周波数f_dopのピーク周波数105,106、風速ドップラの存在帯域104)だけがスペクトル上に現れる。 パルスON期間における送信光101のクロストーク成分112と局部発振光103とのビート成分(不要なビート信号115)は、レーザレーダ装置での観測において不要な距離0mでの信号に対応するため、時間的に棄却すればよい。 観測対象を観測したいパルスOFF期間において、光ヘテロダイン信号スペクトル内から、不要なビート信号115を抑圧することができるため、正確に観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopを検出することが可能になる。

この実施の形態2では、2つの光強度変調部26,27を縦続に接続している例を示したが、3つ以上の光強度変調部を縦続に接続して、3つ以上の光強度変調部がパルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01によって同期駆動されるように構成してもよく、更にパルスOFF期間の消光特性を高めることができる。

光強度変調部27は、光強度変調部26と同様に、レーザレーダ装置に必要となるパルス幅数として100nsec〜1usec、繰り返し周波数として数kHz〜数10kHz程度で応答することができる手段であればよく、例えば、Mach−Zehnder型LN変調器やEA変調器などの強度変調器、あるいは、半導体光増幅器や光ファイバ増幅器などの光増幅器、あるいは、MEMS光スイッチなどの光スイッチなどを用いることができる。 上記のうち、半導体光増幅器や光ファイバ増幅器を用いる場合には、多段接続によって増加したパルスON期間の挿入損失を、光増幅による利得で補填することも可能になる。

実施の形態3. 図9はこの発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置の光送信ユニット1を示す構成図であり、図9において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。 信号乗算部28は鋸波発生ユニット21により発生された鋸波に対して、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01を乗算することで、パルス位相変調駆動信号WF01がON期間(パルス信号が出力されている期間)であるときだけ、鋸波発生ユニット21により発生された鋸波を光位相変調部24に与える処理を実施する。なお、信号乗算部28は鋸波切出し手段を構成している。

上記実施の形態1では、鋸波発生ユニット21の直線位相変調信号発生部23が、連続的な鋸波WF02を光位相変調部24に出力しているものを示しているが、信号乗算部28が、鋸波発生ユニット21により発生された鋸波WF02に対して、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01を乗算することで、連続的な鋸波WF02をバースト鋸波WF03(離散的な鋸波)に変換し、そのバースト鋸波WF03を光位相変調部24に出力するようにしてもよい。 これにより、光位相変調部24は、バースト鋸波WF03によって駆動されて、光路分岐カプラ3から出力された周波数νの送信種光を位相変調することになるため、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01がON期間であるときだけ、送信種光の周波数をシフトして、周波数(ν+f_ofs−f_move)の送信種光を光強度変調部26に出力することなる。 したがって、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01がOFF期間では、送信種光の周波数をシフトしないため、周波数νの送信種光を光強度変調部26に出力することなる。

このように、パルス位相変調駆動信号WF01がOFF期間では、送信種光の周波数シフト(f_ofs−f_move)が行われないが、パルス信号のOFF期間に存在する漏洩光にも周波数シフト(f_ofs−f_move)が行われなくなるため、パルスOFF期間の消光特性を高めることができる。 図10はこの発明の実施の形態3における送信光と受信光と光ヘテロダイン信号スペクトルとの関係を示す説明図である。

パルス光である送信光101は、図10に示すように、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01がON期間であるときに、光強度変調部26から光路OF(4)に出力されるが、パルス位相変調駆動信号WF01がOFF期間であるときには出力されず、漏洩光の成分200が光路OF(4)に出力される。 漏洩光の成分200は、後段の光増幅器5によって増幅されたのち、光サーキュレータ6に出力される。 その結果、光サーキュレータ6における光路OF(5)から光路OF(7)へのクロストーク成分が光ヘテロダイン受信機8に入射されるとともに、パルスON期間においては、光アンテナ7の内部部品の反射による送信光101の受信光路へのクロストーク成分201が光ヘテロダイン受信機8に入射され、パルスOFF期間においては、漏洩光の成分200による受信光路への漏洩光として漏洩光202が光ヘテロダイン受信機8に入射される。

パルスON期間の受信光路へのクロストーク成分201の周波数は、パルスON期間における送信光101の周波数と同じ周波数(ν+f_ofs−f_move)であるが、パルスOFF期間の受信光路への漏洩光202は、パルスOFF期間中に周波数シフト(f_ofs−f_move)が行われていないため、漏洩光202の周波数はνである。 このため、光ヘテロダイン受信機8内で、パルスON期間の受信光路へのクロストーク成分201と局部発振光103が干渉して、不要なビート信号211が発生する。 この不要なビート信号211は、パルスON期間のときだけ中間周波数である(f_ofs−f_move)に現れる。

一方、観測対象の移動速度に対応するドップラシフト周波数f_dopを観測する時間帯(パルスOFF期間)では、観測対象の移動速度に対応するドップラ成分(ドップラシフト周波数f_dopのピーク周波数105,106、風速ドップラの存在帯域104)の周波数(f_ofs+f_dop)が、不要なビート信号212とスペクトル上で離れて存在するため、電気的に観測対象の移動速度に対応するドップラ成分と不要なビート信号212の分離が可能になる。

以上で明らかなように、この実施の形態3によれば、信号乗算部28が、パルス信号発生部25により発生されたパルス位相変調駆動信号WF01がON期間であるときだけ、鋸波発生ユニット21により発生された鋸波を光位相変調部24に与えるように構成したので、光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性が理想的でない場合(パルスON/OFFが不完全な場合)でも、観測対象の移動速度に対応するドップラ成分を不要なビート信号211,212とスペクトル上で容易に分離することができる効果を奏する。 また、光強度変調部26によるパルスOFF期間の消光特性に対する性能要求を緩和することができるため、低コスト化を図ることができる効果を奏する。

また、この実施の形態3によれば、上記実施の形態2のように、複数の光強度変調部を縦続に接続する必要がないため、複数の光強度変調部を縦続に接続することに伴う挿入損失の増加を回避することができるため、低消費電力化に寄与する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において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、空間内の観測対象(例えば、エアロゾル)の移動速度を高精度に測定する必要がある風計測ライダなどに適している。

1 光送信ユニット、2 基準光源、3 光路分岐カプラ、4 変調ユニット(パルス光出力手段)、5 光増幅器、6 光サーキュレータ、7 光アンテナ、8 光ヘテロダイン受信機、9 信号処理ユニット(移動速度算出手段)、10 計測結果表示部、21 鋸波発生ユニット、22 自機速度情報出力部、22a 自機速度計測部(速度計測手段)、22b 速度−鋸波周期情報変換部、23 直線位相変調信号発生部(鋸波発生手段)、24 光位相変調部(位相変調手段)、25 パルス信号発生部(パルス信号発生手段)、26,27 光強度変調部(パルス変調手段)、28 信号乗算部(鋸波切出し手段)、101 送信光(パルス光)、102 受信光(後方散乱光)、103 局部発振光、104 風速ドップラの存在帯域、105 風速≠0のときに観測されるピーク周波数、106 風速=0のときに観測されるピーク周波数、111 漏洩光の成分、112 受信光路へのクロストーク成分、113 受信光路への漏洩光、114,115 不要なビート信号、201 受信光路へのクロストーク成分、202 受信光路への漏洩光、211,212 不要なビート信号。