激光雷达装置 |
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| 申请号 | CN201480067099.5 | 申请日 | 2014-05-23 | 公开(公告)号 | CN105814451A | 公开(公告)日 | 2016-07-27 |
| 申请人 | 三菱电机株式会社; | 发明人 | 崎村武司; 柳泽隆行; 三轮佳史; | ||||
| 摘要 | 激光雷达 装置具有：多个CW激光 光源 (1)，其振荡出 频率 不同的激光；多个分光 耦合器 (2)，其对振荡出的激光进行分支；多个光 调制器 (3)，其对分支出的一个激光进行调制；合光耦合器(4)，其对调制后的激光进行混合；合光耦合器(5)，其对分支出的另一个激光进行混合；发送接收光学系统(8)，其射出由合光耦合器(4)输出的混合光，并接收目标引起的散射光；合光耦合器(10)，其对接收到的散射光和由合光耦合器(5)输出的混合光进行混合；光检测器(11)，其从由合光耦合器(10)输出的混合光中检测差频 信号 ；信息处理装置(12)，其从检测出的差频信号中提取与目标有关的信息；以及衍射光栅(9)，其配置在发送接收光学系统(8)的前方/后方，根据入射光的 角 度和频率，向特定方向射出该入射光。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种激光雷达装置，其特征在于，该激光雷达装置具有： |
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| 说明书全文 | 激光雷达装置技术领域[0001] 本发明涉及激光雷达装置，该激光雷达装置向大气中射出激光并接收目标引起的该激光的散射光，从该散射光中提取与目标有关的信息。 背景技术[0003] 并且，在发送光(激光)的传播路径采用光纤的相干激光雷达装置中，通过在光纤产生的被称作受激布里渊散射的非线性光学效应来限制发送光的峰值功率。因此，发明出使用频率彼此不同的多个CW激光光源来增大发送功率，由此进行高SN比的计测的方式(例如，参照专利文献1)。 [0004] 现有技术文献 [0005] 非专利文献 [0006] 非专利文献1：G.N.Pearson and J.Eacock著“Proceedings of 11thCoherent Laser Radar Conference”(Malvern、Worcestershire、UK、July 2001)、第144页～第146页[0007] 专利文献 [0008] 专利文献1：日本特开2004-219207号公报 发明内容[0009] 发明要解决的问题 [0010] 在非专利文献1、专利文献1公开的以往的相干激光雷达装置中，能够仅在激光的发送接收中使用的发送接收光学系统的视线方向上仅进行测定。 [0011] 因此，在进行不同的视线方向的测定的情况下或测定更宽的范围并通过运算等求出分布的情况下，需要扫描激光。因此，有时组合使用能够进行角度调整的反射镜、使用旋转楔形板等的扫描装置。另外，为了同时进行多视线方向的测定，有时配置多台激光雷达装置。 [0012] 其中，使用扫描装置的方式存在装置大型化且变得复杂的问题。另外，机械地驱动反射镜、楔形板旋转的扫描装置存在装置的寿命和可靠性降低的问题。 [0014] 本发明正是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于，提供一种激光雷达装置，能够利用简洁廉价的结构同时测定多视线方向而不需使用机械地进行驱动的扫描装置。 [0015] 用于解决问题的手段 [0016] 本发明的激光雷达装置具有：多个基准光源，其振荡出频率彼此不同的激光；多个分光器，其与基准光源对应地设置，对由该对应的基准光源振荡出的激光进行分支；多个光调制器，其与分光器对应地设置，对由该对应的分光器分支出的一个激光进行调制；第1合光器，其对由各光调制器调制后的激光进行混合而输出第1混合光；第2合光器，其对由各分光器分支出的另一个激光进行混合而输出第2混合光；发送接收光学系统，其射出由第1合光器输出的第1混合光，并接收目标引起的该第1混合光的散射光；第3合光器，其对由发送接收光学系统接收到的散射光和由第2合光器输出的第2混合光进行混合而输出第3混合光；光检测器，其从由第3合光器输出的第3混合光中检测差频信号；信息提取器，其从由光检测器检测出的差频信号中提取与目标有关的信息；以及色散元件，其配置在发送接收光学系统的前方或者后方，根据入射光的角度和频率，向特定方向射出该入射光。 [0017] 并且，本发明的激光雷达装置具有：基准光源，其振荡出特定频率的激光，而且该频率是可变的；分光器，其对由基准光源振荡出的激光进行分支；光调制器，其对由分光器分支出的一个激光进行调制；发送接收光学系统，其射出由光调制器调制后的激光，并接收目标引起的该激光的散射光；第4合光器，其对由发送接收光学系统接收到的散射光和由分光器分支出的另一个激光进行混合而输出第4混合光；光检测器，其从由第4合光器输出的第4混合光中检测差频信号；信息提取器，其从由光检测器检测出的差频信号中提取与目标有关的信息；以及色散元件，其配置在发送接收光学系统的前方或者后方，根据入射光的角度和频率，向特定方向射出该入射光。 [0018] 发明效果 [0020] 图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构的图。 [0021] 图2是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构的图。 [0022] 图3是示出本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构的图。 [0023] 图4是示出本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构的图。 [0024] 图5是示出本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构的图。 [0025] 图6是示出本发明的实施方式6的激光雷达装置的结构的图。 [0026] 图7是示出本发明的实施方式7的激光雷达装置的结构的图。 [0027] 图8是示出本发明的实施方式7的激光雷达装置的另一结构的图。 [0028] 图9是示出本发明的实施方式7的激光雷达装置的另一结构的图。 [0029] 图10是示出本发明的实施方式8的激光雷达装置的结构的图。 [0030] 图11是示出本发明的实施方式8的激光雷达装置的另一结构的图。 具体实施方式[0031] 下面，参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外，在各个实施方式中相同或者相当的部分用相同的标号示出，并省略重复说明。 [0032] 实施方式1 [0033] 图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构的图。 [0034] 激光雷达装置是向大气中照射激光并接收来自悬浮微粒(在大气中悬浮的尘埃等的微粒)的散射光，通过检测该散射光的多普勒频移进行风速计测的相干多普勒雷达装置。该激光雷达装置如图1所示由多个CW激光光源(基准光源)1、多个分光耦合器2、多个光调制器3、合光耦合器(第1合光器)4、合光耦合器(第2合光器)5、光纤放大器6、光循环器7、发送接收光学系统8、衍射光栅(色散元件)9、合光耦合器(第3合光器)10、光检测器11以及信号处理装置(信息提取器)12构成。另外，装置内的激光的传播光路由光纤构成。并且，在图1中示出具有2个CW激光光源1a、1b、2个分光耦合器2a、2b、2个光调制器3a、3b的情况。 [0035] CW激光光源1a是振荡出特定频率的CW(Continuous Wave：连续波)激光的光源。将由该CW激光光源1a振荡出的CW激光耦合在光纤中输出给分光耦合器2a。 [0036] CW激光光源1b是振荡出特定频率的CW激光的光源。将由该CW激光光源1b振荡出的CW激光耦合在光纤中输出给分光耦合器2b。 [0037] 另外，由CW激光光源1a、1b振荡出的CW激光的频率彼此不同，并且位于光纤放大器6的增益频带内。并且，将其频率差设定成大于在光纤产生的受激布里渊散射的增益带宽。 [0038] 并且，优选各CW激光的谱宽度是尽可能窄的线宽，以便提高相干检测的精度，例如适合采用100kHz以下的谱宽度。作为这样的CW激光光源1a、1b，例如能够使用DFB(Distributed Feed-Back：分布反馈)光纤激光器、DFB-LD(Laser Diode：激光二极管)等。 [0039] 分光耦合器2a与CW激光光源1a对应地设置，将来自CW激光光源1a的CW激光分支成两部分。将由该分光耦合器2a分支成两部分的一个CW激光作为发送种子光输出给光调制器3a，将另一个CW激光作为相干检测用的局部振荡光输出给合光耦合器5。 [0040] 分光耦合器2b与CW激光光源1b对应地设置，将来自CW激光光源1b的CW激光分支成两部分。将由该分光耦合器2b分支成两部分的一个CW激光作为发送种子光输出给光调制器3b，将另一个CW激光作为相干检测用的局部振荡光输出给合光耦合器5。 [0041] 另外，关于分光耦合器2a、2b的光功率的分支比，对CW激光的频率的依存性较小的分支比比较适合。 [0042] 光调制器3a与分光耦合器2a对应地设置，将来自分光耦合器2a的发送种子光脉冲化并附加频率的调制(附加进行相干检测时的中间频率)。将由该光调制器3a调制后的发送种子光输出给合光耦合器4。 [0043] 光调制器3b与分光耦合器2b对应地设置，将来自分光耦合器2b的发送种子光脉冲化并附加频率的调制(附加进行相干检测时的中间频率)。将由该光调制器3b调制后的发送种子光输出给合光耦合器4。 [0044] 另外，将光调制器3a、3b的中间频率设定成彼此不同的值，将由光调制器3a、3b调制后的频率设定成彼此不同的值。 [0045] 并且，光调制器3a、3b例如使用声光调制器(Acousto-Optic Modulator：AOM)，由此，能够同时进行由按照时间门切取CW激光而实现的脉冲化和频率移动的附加。 [0047] 合光耦合器4对由光调制器3a调制后的发送种子光和由光调制器3b调制后的发送种子光进行混合。将由该合光耦合器4混合的发送种子光(第1混合光)输出给光纤放大器6。 [0048] 合光耦合器5对来自分光耦合器2a的局部振荡光和来自分光耦合器2b的局部振荡光进行混合。将由该合光耦合器5混合的局部振荡光(第2混合光)输出给合光耦合器10。 [0049] 光纤放大器6在发送侧的传播光路上设有至少一个以上，对来自合光耦合器4的第1混合光的光功率进行放大。将由该光纤放大器6放大光功率后的第1混合光输出给光循环器7。 [0050] 另外，光纤放大器6使用与要使用的激光的波长带相符的放大器。例如，如果激光的波长是1μm带，则能够采用使用添加Nd(Neodymium：钕)光纤、添加Yb(Ytterbium：镱)光纤的光纤放大器。并且，如果激光的波长是1.55μm带，则能够采用使用添加Er(Erbium：铒)光纤的光纤放大器。在这些光纤放大器中具有数nm～数十nm左右的增益带宽，如果是在增益频带内，则能够同时放大多个波长的激光。 [0051] 光循环器7根据输入光选择输出目的地。其中，光循环器7在从光纤放大器6输入了第1混合光的情况下，将该发送种子光输出给发送接收光学系统8。另一方面，在从发送接收光学系统8输入了散射光的情况下，将该散射光输出给合光耦合器10。 [0052] 发送接收光学系统8将通过光循环器7后的第1混合光作为发送光，经由衍射光栅9朝向目标(悬浮微粒)射出，经由衍射光栅9接收目标引起的该发送光的散射光。将由该发送接收光学系统8接收到的散射光耦合在光纤中输出给光循环器7。 [0053] 另外，发送接收光学系统8能够采用可使射出的激光成为大致平行的光，并且可进行焦距调整的望远镜等。并且，发送接收光学系统8也可以使用光纤准直器等，但是，为了减小射出的激光的发散角进而提高接收效率，开口较大的比较适合。 [0054] 衍射光栅9是根据所入射的激光的角度和频率以向特定方向射出该激光的方式进行衍射的光学元件。其中，来自发送接收光学系统8的发送光是混合不同频率的发送种子光而成的，衍射光栅9的衍射光分别以不同的角度(发送光101a、101b的方向)射出。另外，悬浮微粒随着大气的流动(风)而移动，因而散射光受到多普勒频移。 [0055] 合光耦合器10对来自光循环器7的散射光和来自合光耦合器5的第2混合光进行混合。将由该合光耦合器10混合的混合光(第3混合光)输出给光检测器11。 [0056] 光检测器11接受来自合光耦合器10的第3混合光，检测该散射光和局部振荡光的差频信号(beat signal)。将由该光检测器11检测出的差频信号输出给信号处理装置12。 [0057] 信号处理装置12对来自光检测器11的差频信号进行处理，提取与目标有关的信息(例如散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等的信息)，根据该提取出的与目标有关的信息计算目标的运动诸元(例如到目标的距离、速度分布)。 [0058] 下面，对如上所述构成的激光雷达装置的动作进行说明。 [0059] 在激光雷达装置的动作中，首先，CW激光光源1a振荡出特定频率f1的CW激光并输出给分光耦合器2a。并且，CW激光光源1b振荡出特定频率f2的CW激光并输出给分光耦合器2b。 [0060] 其中，由CW激光光源1a、1b振荡出的CW激光的频率f1、f2彼此不同且位于光纤放大器6的增益频带内，而且频率f1与频率f2之差大于在光纤产生的受激布里渊散射的增益带宽。 [0061] 然后，分光耦合器2a将来自CW激光光源1a的频率f1的CW激光分支成两部分，将一方作为发送种子光输出给光调制器3a，将另一方作为相干检测用的局部振荡光输出给合光耦合器5。并且，分光耦合器2b将来自CW激光光源1b的频率f2的CW激光分支成两部分，将一方作为发送种子光输出给光调制器3b，将另一方作为相干检测用的局部振荡光输出给合光耦合器5。 [0062] 然后，光调制器3a将来自分光耦合器2a的频率f1的发送种子光脉冲化并附加频率的调制(附加进行相干检测时的中间频率fM1)。 [0063] 将由该光调制器3a调制后的频率f1+fM1的发送种子光输出给合光耦合器4。并且，光调制器3b将来自分光耦合器2b的频率f2的发送种子光脉冲化并附加频率的调制(附加进行相干检测时的中间频率fM2)。将由该光调制器3b调制后的频率f2+fM2的发送种子光输出给合光耦合器4。 [0064] 其中，将中间频率fM1、fM2设定成彼此不同的值，并且设定成使(fM1+fd1)<(fM2+fd2)或者(fM1+fd1)>(fM2+fd2)的条件成立。由此，在后级的信号处理装置12中能够识别由光检测器11检测出的差频信号的2个频率成分(fM1+fd1、fM2+fd2)，能够单独地计测各频率成分的信号强度。由此，能够分别测定与发送光的频率对应的多普勒频移量fd1、fd2，因而能够分别测定与发送光的频率对应的视线方向的风速分布。 [0065] 然后，合光耦合器4对由光调制器3a调制后的频率f1+fM1的发送种子光和由光调制器3b调制后的频率f2+fM2的发送种子光进行混合。将由该合光耦合器4混合的发送种子光(频率f1+fM1、f2+fM2的第1混合光)输出给光纤放大器6。 [0066] 并且，合光耦合器5对来自分光耦合器2a的频率f1的局部振荡光和来自分光耦合器2b的频率f2的局部振荡光进行混合。将由该合光耦合器5混合的局部振荡光(频率f1、f2的第2混合光)输出给合光耦合器10。 [0067] 然后，光纤放大器6对来自合光耦合器4的第1混合光的光功率进行放大。将由该光纤放大器6放大光功率后的第1混合光输出给光循环器7。通过使用该光纤放大器6，能够增加要发送的激光的光功率，能够提高接收光的强度，提高测定的精度和能够测定的距离。 [0068] 其中，在具有一定值以上的光功率的激光入射到光纤中时产生受激布里渊散射，因而能够入射到光纤的激光的光功率受到限制。已知在一般的光纤中受激布里渊散射的增益带宽在数十～100MHz左右。 [0069] 因此，例如在使频率差大于100MHz(例如，如果激光的波长是1550nm，则相当于约0.8pm的波长差)的2个激光入射至光纤时，能够使针对这2个激光的受激布里渊散射的增益不同。因此，这2个激光能够输入光功率直到分别达到受激布里渊散射的产生阈值的入射功率为止。 [0070] 另外，在输入多个激光时也是同样的，通过使用具有大于受激布里渊散射的增益带宽的频率差的多个激光，能够增大可入射到光纤的激光的功率。 [0071] 在光纤放大器6中，有时激光的光功率在被增强的过程中超过受激布里渊散射的阈值，特别是在进行脉冲光放大的情况下峰值输出容易增大，因而容易产生受激布里渊散射。因此，通常以不产生受激布里渊散射的方式限制对光纤放大器6投入的振荡功率等，从而调整输出光功率进行使用。 [0072] 在该实施方式1中，如上所述，由CW激光光源1a、1b振荡出的CW激光的频率f1、f2之差大于在光纤产生的受激布里渊散射的增益带宽。因此，这些激光能够将输出脉冲光的峰值功率增大至各自的受激布里渊散射阈值PSBS1、PSBS2。 [0073] 由此，在设各激光的平均输出功率(平均输出功率用脉冲光的峰值功率、脉宽和脉冲反复频率之积表示)为PS1、PS2时，能够将光纤放大器6的输出光的平均功率设为PS1+PS2，能够使发送光的光功率大于使用单一光源(例如，仅CW激光光源1a和CW激光光源1b中的任意一方)时。由此，在PS1＝PS2的情况下，通过使用2个CW激光光源1a、1b，能够使发送光的光功率成为2倍。 [0074] 并且，通过使用多个CW激光光源1a、1b，在光纤放大器6中输入功率增加。因此，能够提高能量的选通效率，能够减少激光放大时的ASE(Amplified Spontaneous Emission：放大自发辐射)成分的产生。因此，具有光纤放大器6的效率改善效果和光检测器11中的噪声成分的降低效果。 [0075] 然后，光循环器7将来自光纤放大器6的发送种子光输出给发送接收光学系统8。 [0076] 然后，发送接收光学系统8将通过光循环器7后的发送种子光作为发送光经由衍射光栅9朝向目标射出。其中，在图1的结构中，从发送接收光学系统8射出的发送光是混合频率f1+fM1和频率f2+fM2的激光而成的，这些激光的频率不同。因此，衍射光栅9的衍射光分别以不同的角度(其中，入射到衍射光栅9的频率f1+fM1的激光在发送光101a的方向上传播，频率f2+fM2的激光在发送光101b的方向上传播)射出。由此，能够朝向大气中向不同的2个视线方向照射激光。 [0077] 并且，衍射光栅9的激光的衍射角度是由衍射光栅9的构造参数以及激光的波长(频率)和入射角决定的，因而如果掌握了这些值，则能够分别求出发送光101a、101b的射出方向。 [0078] 并且，由发送接收光学系统8经由衍射光栅9放射的发送光101a、101b由于存在于大气中的悬浮微粒而散射。并且，在该悬浮微粒引起的散射光入射到衍射光栅9时可逆地向发送接收光学系统8返回，发送接收光学系统8接收该散射光并输出给光循环器7。 [0079] 如上所述，通过使用衍射光栅9，能够根据频率改变激光的传播角度，能够向不同的2个视线方向进行激光的发送接收。 [0080] 另外，悬浮微粒随着大气的流动(风)而移动，因而散射光受到多普勒频移。 [0081] 因此，在设作为发送光的频率f1+fM1、f2+fM2的激光受到的多普勒频移分别为fd1、fd2时，散射光的频率分别成为f1+fM1+fd1、f2+fM2+fd2。 [0082] 然后，光循环器7将来自发送接收光学系统8的散射光输出给合光耦合器10。 [0083] 然后，合光耦合器10对来自光循环器7的散射光和来自合光耦合器5的频率f1、f2的第2混合光进行混合。将由该合光耦合器10混合的混合光(第3混合光)输出给光检测器11。 [0084] 然后，光检测器11接受来自合光耦合器10的第3混合光，检测该散射光和局部振荡光的差频信号。其中，光检测器11接受的第3混合光中包含的散射光受到光调制器3a、3b的频率移动和随着悬浮微粒的移动而形成的多普勒频移。因此，由光检测器11检测出的差频信号的频率成为fM1+fd1、fM2+fd2。将由该光检测器11检测出的差频信号输出给信号处理装置12。 [0085] 信号处理装置12对来自光检测器11的差频信号进行处理，提取与目标有关的信息(例如散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等的信息)，根据该提取出的与目标有关的信息计算目标的运动诸元(例如到目标的距离、速度分布)。另外，根据与目标有关的信息计算目标的运动诸元的处理是公知的技术，因而省略详细说明。 [0086] 这里，在图1所示的激光雷达装置中，将中间频率fM1、fM2设定成彼此不同的值，并且设定成使(fM1+fd1)<(fM2+fd2)或者(fM1+fd1)>(fM2+fd2)的条件成立。由此，在信号处理装置12中能够识别由光检测器11检测出的差频信号的2个频率成分(fM1+fd1、fM2+fd2)，能够单独地计测各频率成分的信号。中间频率fM1、fM2是由光调制器3a、3b赋予的已知的值，因而能够通过运算分别求出fd1、fd2。 [0087] 其中，fd1表示频率f1+fM1的发送光受到的多普勒频移，fd2表示频率f2+fM2的发送光受到的多普勒频移。并且，这2个发送光由衍射光栅9向不同方向射出，因而能够同时测定与不同的2个视线方向有关的多普勒频移。 [0088] 如上所述，根据该实施方式1，构成为在一个发送接收光学系统8中进行基于2个CW激光光源1a、1b的激光的发送接收，由衍射光栅9对于不同的2个视线方向进行观测，由一个光检测器11进行接收信号的检测，因而能够简化装置结构，能够实现装置的小型化和低价化。 [0089] 并且，不需使用扫描装置即可进行2个视线方向的测定，因而能够简化装置结构，能够实现装置的小型化和低价化。另外，由于不需要机械驱动系统，因而能够实现装置的长寿命化，能够提高可靠性。 [0090] 并且，在上述的结构中能够对于不同的2个视线方向测定风速分布，因而能够通过进行近似处理或运算而求出包含2个视线方向的区域的风向和风速的二维分布。并且，在上述的结构中能够同时测定不同的2个视线方向的风速，因而能够求出更符合实际时间的风向和风速的二维分布。由此，图1的激光雷达装置能够用于风向和风速的二维分布的测定、瞬时的风向和风速分布的变化的测定。 [0091] 并且，在光检测器11中使局部振荡光和作为接收光的散射光的偏振波面一致，由此，能够进行高效率的相干检测。另外，能够使用未图示的偏振波面控制器等使局部振荡光和散射光的偏振波面一致。 [0092] 另外，在将各光学元件之间耦合的光纤使用偏振波面保存型的光纤，而且各光学元件使用偏振波面保存型的光纤部件时，即使不使用偏振波面控制器等，也能够使局部振荡光和散射光的偏振波面一致。由此，能够简化装置结构。 [0093] 另外，通过如图1的结构所示使用光纤部件，激光的传播光路使用光纤，由此，能够容易地进行激光光路的处理并使装置小型化，能够通过光纤的连接而容易地构成装置。并且，由于不需要光轴的校准，因而装置的稳定性增大，能够实现可靠性较高的装置结构。另外，通过如上所述使用偏振波面保存型的光纤和光学元件光纤部件，将不需要偏振波面的调整，因而能够简化装置结构，能够构成小型且可靠性较高的装置。 [0094] 另外，在光调制器3a和光调制器3b中，也可以使用未图示的信号产生器等使激光的脉冲化定时同步。由此，能够使由合光耦合器4混合的脉冲激光的上升时间一致，能够使各频率的发送光射出定时一致，因而能够简化信号处理装置12中的发送光往返时间的计测等处理。 [0095] 另外，在图1的结构中使用2个CW激光光源1a、1b，但是，也可以使用更多的CW激光光源1。在这种情况下，按照CW激光光源1的数量追加分光耦合器2和光调制器3，由合光耦合器4将全部发送种子光混合，由合光耦合器5将全部发送种子光混合。并且，将CW激光光源1的频率设定成彼此不同且处于光纤放大器6的增益频带内，而且各个频率之差大于在光纤产生的受激布里渊散射的增益带宽(约100MHz)。另外，将由光调制器3赋予的中间频率设定成能够由信号处理装置12单独识别各个接收信号的大小。 [0096] 由此，在衍射光栅9中，能够根据激光的频率产生衍射，并向与CW激光光源1的数量对应的方向射出激光，因而能够同时测定与激光光源的数量对应的视线方向的风速。由此，能够更高精度地求出风向和风速的二维分布。 [0097] 并且，图1所示的衍射光栅9成为反射衍射光的反射型的衍射光栅的结构，但是，也可以采用使激光透过而产生衍射的透射型的衍射光栅。另外，在衍射光栅9采用设计成相对于激光的波长带提高衍射效率的衍射光栅时，能够减少进行发送接收的激光的损耗，能够提高装置的效率。并且，对于由衍射光栅9产生的高次的衍射光，也可以使用未图示的开口等将其遮挡。并且，衍射光栅9只要是能够根据激光的波长改变传播角度的色散元件即可，也可以使用棱镜以取代衍射光栅。 [0098] 实施方式2 [0099] 图2是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构的图。图2所示的实施方式2的激光雷达装置是将图1所示的实施方式1的激光雷达装置的CW激光光源1a、1b变更成CW激光光源13a、13b而成的。其它的结构相同而标注相同的标号，仅对不同的部分进行说明。 [0100] CW激光光源13a能够使振荡频率在f1～f1’的范围内变化，振荡出所设定的特定频率的CW激光。将由该CW激光光源13a振荡出的CW激光耦合于光纤中输出给分光耦合器2a。 [0101] CW激光光源13b能够使振荡频率在f2～f2’的范围内变化，振荡出所设定的特定频率的CW激光。将由该CW激光光源13b振荡出的CW激光耦合于光纤中输出给分光耦合器2b。 [0102] 另外，由CW激光光源13a、13b振荡出的CW激光的频率f1～f1’、f2～f2’彼此不同且处于光纤放大器6的增益频带内。并且，将其频率差设定成大于在光纤产生的受激布里渊散射的增益带宽。 [0103] 并且，优选各CW激光的谱宽度是尽可能窄的线宽，以便提高相干检测的精度，例如适合采用100kHz以下的谱宽度。作为这样的CW激光光源13a、13b，例如能够使用DFB光纤激光器、DFB-LD等。并且，通过对这些激光光源进行温度调制等，能够改变振荡频率。 [0104] 并且，在图2中，在设CW激光光源13a的振荡频率为f1，并且设CW激光光源13b的振荡频率为f2的情况下，成为与图1相同的结构，能够得到与实施方式1相同的效果。 [0105] 在图2中，在使CW激光光源13a的振荡频率从f1变化成f1’时，基于CW激光光源13a的发送光的频率成为f1’+fM1，成为与图1的结构的f1+fM1不同的频率。由此，衍射光栅9的衍射角不同，朝向发送光102a的方向射出。由此，能够测定与CW激光光源13a的振荡频率为f1时不同的方向(射出发送光102a的方向)的视线方向的风速分布。 [0106] 与上述情况同样地，在使CW激光光源13b的振荡频率从f2变化成f2’时，基于CW激光光源13b的发送激光的频率成为f2’+fM2，成为与图1的结构的f2+fM2不同的频率。由此，衍射光栅9的衍射角不同，朝向发送光102b的方向射出。由此，能够测定与CW激光光源13b的振荡频率为f2时不同的方向(射出发送光102b的方向)的视线方向的风速分布。 [0107] 如上所述，根据该实施方式2，构成为使CW激光光源13a、13b的振荡频率变化，因此，除了实施方式1的效果以外，还能够使衍射光栅9的衍射角变化，能够使激光的射出方向变化，改变进行测定的视线方向。 [0108] 并且，衍射光栅9的衍射角依赖于要入射的激光的频率，因而通过适当设定CW激光光源13a、13b的振荡频率，能够向期望的方向发送激光。这样，在图2的结构中，能够同时测定2个不同的视线方向，并且使视线方向变化。 [0109] 另外，在使CW激光光源13a、13b的振荡频率连续地或者分阶段地变化时，能够使激光的射出方向连续地或者分阶段地变化，能够连续地或者分阶段地改变进行测定的视线方向。由此，能够扫描激光。 [0110] 在该结构中，能够利用简单的结构扫描激光，能够实现装置的小型化和低价化。另外，由于不需要机械驱动系统，因而能够实现装置的长寿命化，能够提高可靠性。 [0111] 并且，CW激光光源13a、13b分别振荡出CW激光，因而能够同时测定2个不同的视线方向，能够得到与实施方式1相同的效果。 [0112] 并且，在图2的结构中使用了2个CW激光光源13a、13b，但是，也可以使用更多的CW激光光源13。在这种情况下，能够按照CW激光光源13的个数在更宽的范围内扫描激光。 [0113] 实施方式3 [0114] 图3是示出本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构的图。图3所示的实施方式3的激光雷达装置从图1所示的实施方式1的激光雷达装置中删除了分光耦合器2b、光调制器3b以及合光耦合器4、5，追加了驱动电路14a、14b、控制器15以及合光耦合器16。其它的结构相同并标注相同的标号，仅对不同的部分进行说明。 [0115] 驱动电路14a与CW激光光源1a对应地设置，用于使CW激光光源1a进行动作。 [0116] 驱动电路14b与CW激光光源1b对应地设置，用于使CW激光光源1b进行动作。 [0117] 控制器15根据信号处理装置12的处理结果(CW激光光源1a、1b动作状态)，使一个驱动电路14a、14b进行动作，由此交替地切换进行动作的CW激光光源1a、1b。 [0118] 合光耦合器16使来自CW激光光源1a的CW激光通过的路径和来自CW激光光源1b的CW激光通过的路径合流。 [0119] 另外，分光耦合器2a将来自合光耦合器16的CW激光分支成两部分，将一个CW激光作为发送种子光输出给光调制器3a，将另一个CW激光作为相干检测用的局部振荡光输出给合光耦合器10。 [0120] 在图3中，在CW激光光源1a进行动作的情况下，从CW激光光源1a输出的激光通过合光耦合器16。并且，在通过合光耦合器16后，按照与实施方式1相同的过程朝向发送光101a的方向射出。此时，接收光对应于发送光101a的视线方向，能够在信号处理装置12中求出发送光101a的视线方向的风速。 [0121] 并且，在图3中，在CW激光光源1b进行动作的情况下，从CW激光光源1b输出的激光通过合光耦合器16。并且，在通过合光耦合器16后，经过与来自CW激光光源1a的激光相同的过程，但是，通过光调制器3a后的激光的频率是f2+fM1，并朝向发送光103b的方向射出。此时，接收光对应于发送光103b的视线方向，能够在信号处理装置12中求出发送光103b的视线方向的风速。 [0122] 如上所述，根据该实施方式3，构成为交替地切换CW激光光源1a和CW激光光源1b使其进行动作，因而能够将视线方向切换成2个方向进行测定。 [0123] 另外，在该结构中，不能完全同时地测定与不同的2个视线方向有关的多普勒频移。但是，通过缩短进行动作的CW激光光源1a、1b的切换间隔，能够减少时间差地进行2个视线方向的测定，能够通过运算等处理，求出与实际时间的状况更加接近的风向和风速的二维分布。 [0124] 并且，在该结构中，输入到光检测器11的局部振荡光仅是基于产生发送光的CW激光光源1a、1b的成分。因此，光检测器11中的噪声成分降低，能够进行高灵敏度且高精度的检测。 [0125] 另外，仅检测与进行动作的CW激光光源1a、1b对应的接收信号，因而光调制器3a仅一个即可，能够简化装置。另外，在图1的情况下，不存在用于区分所需要的接收信号的光调制器3a的中间频率的限制，因而容易进行部件的选定。 [0126] 实施方式4 [0127] 图4是示出本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构的图。图4所示的实施方式4的激光雷达装置从图2所示的实施方式2的激光雷达装置中删除了CW激光光源13b、分光耦合器2b、光调制器3b以及合光耦合器4、5，追加了驱动电路14a和控制器17。其它的结构相同并标注相同的标号，仅对不同的部分进行说明。 [0128] 驱动电路14a与CW激光光源13a对应地设置，用于使CW激光光源13a进行动作。 [0129] 控制器17根据信号处理装置12的处理结果(CW激光光源13a的动作状态)，使驱动电路14a进行动作，由此使进行动作的CW激光光源13a的振荡频率变化。 [0130] 另外，分光耦合器2a将来自CW激光光源13a的CW激光分支成两部分，将一个CW激光作为发送种子光输出给光调制器3a，将另一个CW激光作为相干检测用的局部振荡光输出给合光耦合器10。 [0131] 另外，实施方式4的合光耦合器10相当于本发明的“第4合光器，其对由所述发送接收光学系统接收到的散射光和由所述分光器分支出的另一个激光进行混合而输出第4混合光”。 [0132] 在该结构中，能够瞬时测定的视线方向只有一个方向，但是，通过使CW激光光源13a的振荡频率变化，能够使激光的射出方向在从发送光101a到发送光102a的范围内变化并扫描激光。由此，能够透过运算等处理求出风向和风速的二维分布。 [0133] 并且，在该结构中，输入到光检测器11的局部振荡光仅是基于产生发送光的CW激光光源13a的成分。因此，光检测器11中的噪声成分降低，能够进行高灵敏度且高精度的检测。 [0134] 另外，仅检测与进行动作的CW激光光源13a对应的接收信号，因而光调制器3a仅一个即可，能够简化装置。另外，在图1的情况下，不存在用于区分所需要的接收信号的光调制器3a的中间频率的限制，因而容易进行部件的选定。 [0135] 另外，在实施方式3中示出了进行多个CW激光光源1a、1b的动作切换，在实施方式4中示出了进行单一CW激光光源13a的频率控制的情况。与此相对，也可以构成为，设置多个CW激光光源13a、13b，进行该多个CW激光光源13a、13b的动作切换以及频率控制。 [0136] 实施方式5 [0137] 图5是示出本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构的图。图5所示的实施方式5的激光雷达装置将图1所示的实施方式1的激光雷达装置的发送接收光学系统8的位置变更到衍射光栅9之后，并追加了准直器18。其它的结构相同并标注相同的标号，仅对不同的部分进行说明。 [0138] 准直器18用于使通过光循环器7后的发送光成为大致平行的光。 [0139] 通过该准直器18成为大致平行的光的发送光入射到衍射光栅9。然后，由衍射光栅9产生的衍射光根据发送光的频率被分离，朝向发送光101a、101b的方向传播并入射到发送接收光学系统8。并且，在通过发送接收光学系统8后分别朝向发送光104a、104b的方向射出。 [0140] 其中，通过发送接收光学系统8后的发送光104a、104b的射出方向是根据发送接收光学系统8的倍率和激光的入射角度决定的。因此，如果得知它们的值，则能够知道发送光104a、104b的射出方向。由此，能够与实施方式1的情况同样地同时测定2个不同的视线方向。 [0141] 在该结构中，减小通过准直器18成为大致平行的光时的光束直径，由此能够使衍射光栅9小型化，衍射光栅9的制造变得容易，容易进行部件的选定，因而能够实现装置的低成本化。并且，能够实现装置的小型化。 [0142] 另外，发送接收光学系统8能够使发送光101a、101b入射到入射开口。并且，为了进行期望的视线方向的测定，考虑发送接收光学系统8的倍率将衍射光栅9的衍射角设计成合适的值。 [0143] 另外，使衍射光栅9的衍射光通过发送接收光学系统8的结构也能够适用于上述全部的实施方式。 [0144] 实施方式6 [0145] 图6是示出本发明的实施方式6的激光雷达装置的结构的图。图6所示的实施方式6的激光雷达装置对图5所示的实施方式5的激光雷达装置追加了驱动装置19。其它的结构相同并标注相同的标号，仅对不同的部分进行说明。 [0146] 在图6的结构中，在衍射光栅9设置有驱动装置19。在没有驱动装置19的情况下，在使用附图中记述的坐标系时，发送光104a、104b放射到x-y平面内。 [0147] 驱动装置19是使衍射光栅9的设置角度变化的装置，能够以使衍射光栅9的入射面相对于z轴倾斜的方式改变衍射光栅9的设置角度。由此，发送光104a、104b相对于x-y平面倾斜放射。这样，通过改变衍射光栅9的入射面相对于z轴的倾斜，能够在z轴方向扫描发送光。因此，能够将激光的射出方向扩展至二维的方向上，能够测定三维的风向和风速分布。另外，驱动装置19能够利用使用电机、压电元件等的可动台等。 [0148] 并且，驱动装置19也可以使衍射光栅9以z轴为中心旋转。通过利用驱动装置19使衍射光栅9旋转，能够改变激光相对于衍射光栅9的入射角度，在x-y平面内也能够扫描发送光，能够扩大可测定的视线方向的范围。 [0149] 另外，在衍射光栅9设置驱动装置19的结构能够适用于上述全部的实施方式。 [0150] 另外，在上述实施方式1～6中使用了光纤放大器6，但是，在仅依靠CW激光光源1、13的输出即可得到期望的装置性能所需要的发送光的光功率的情况下，将不需要光纤放大器6。 [0151] 在使用了光纤放大器6的情况下，能够进一步增加要发送的激光的光功率，能够提高接收光的强度，提高测定的精度和可测定的距离。 [0152] 另外，在将由光纤放大器6放大后的激光进一步放大的情况下，也可以使用空间型的激光放大器。在空间型的激光放大器中，不易产生非线性现象，因而与光纤放大器6相比能够增大输出光的峰值功率。 [0153] 但是，在使用空间型的激光放大器的情况下，需要空间型的发送接收光分离器。这样，通过使用放大器增大要发送的激光的光功率，能够提高接收光的强度，提高测定的精度和可测定的距离。 [0154] 实施方式7 [0155] 在实施方式1～6中使用光纤部件构成装置内的激光的传播光路，但是，也可以是如图7～图9所示使用空间型的光学部件对激光进行空间传播的结构。 [0156] 在这种情况下，光耦合器类能够用反射激光的镜等光学元件替换。例如，在将图1所示的结构设为空间传播型的结构的情况下，如图7所示，分光耦合器2a、2b能够采用部分反射镜、光束分离器等(在图7中指镜20a～20d)，合光耦合器4、5、10能够采用部分反射镜、光束分离器、频带通过或者频带反射镜等(在图7中指镜20e～20i)。这些光学元件按照激光的分支比或波长适当选择使用要反射的波长带或反射率。并且，光调制器3a、3b、光纤放大器6、光循环器7分别被置换成空间型的元件(光调制器21a、21b、激光放大器22、光循环器23)。并且，能够通过使用反射镜等适当变更激光的光路。另外，在需要偏振控制的情况下，也可以使用波长板控制偏振。 [0157] 如上所述，根据该实施方式7，构成为对激光进行空间传播，因而能够通过使用空间型的光学元件，使部件小型化且高密度地安装，因而能够使装置小型化。并且，在空间传播型的结构中，能够抑制上述的受激布里渊散射那样的非线性效应的产生，在激光放大器22中能够不受非线性效应的限制地增大发送光的峰值功率。 [0158] 另外，在图7～图9中，装置的一部分也可以使用光纤部件。特别是在进行激光的分支或合成的镜使用光纤耦合器时，将不需要校准调整，因而能够容易构成装置。并且，例如还能够通过仅将激光放大器22的部分设为空间型，从而不受非线性效应的限制地增大发送光的峰值功率，增加发送光的光功率。 [0159] 另外，如图7～图9所示，使用空间型的光学元件的结构还能够适用于实施方式6所示的在衍射光栅9设置有驱动装置19的结构。 [0160] 并且，在上述实施方式1～7的激光雷达装置中，示出了检测作为目标的悬浮微粒的情况，但不限于此，本发明同样能够适用于检测作为目标的例如大气、飞翔体、建筑物等的情况。 [0161] 实施方式8 [0162] 图10是示出本发明的实施方式8的激光雷达装置的结构的图。图10所示的实施方式8的激光雷达装置将图1所示的实施方式1的激光雷达装置的衍射光栅9变更为衍射光栅(色散元件)26。其它的结构相同并标注相同的标号，仅对不同的部分进行说明。 [0163] 衍射光栅26是使用双折射材料的透射型的衍射光栅。该衍射光栅26的光学轴被配置在规定的方向，使得相对于入射的发送光产生双折射。另外，作为双折射材料，能够使用石英(SiO2)、蓝宝石(Al2O3)、碳酸钙(CaCO3)等单轴性的双折射晶体以及KYW、LBO、KTP等双轴性晶体。并且，在双折射晶体中，如果以晶体的光学轴与激光的入射光的轴垂直的方式进行配置，则能够使通常光线与异常光线的折射率差为最大。 [0164] 其中，入射到双折射材料的激光根据偏振的状态被划分成通常光线和异常光线进行传播。并且，对通常光线的折射率和对异常光线的折射率分别是不同的值。 [0165] 因此，将入射到衍射光栅26的基于CW激光光源1a的发送光和基于CW激光光源1b的发送光分别划分成通常光线和异常光线进行传播。 [0166] 并且，在衍射光栅26中传播的发送光在衍射光栅26与空气的界面处折射而向空气中射出。其中，通常光线和异常光线的折射率不同，因而通常光线和异常光线分别以不同的折射角射出。 [0167] 并且，基于CW激光光源1a的发送光和基于CW激光光源1b的发送光的频率不同，因而分别以不同的衍射角射出。 [0168] 由此，如图10所示的发送光105a、105b、106a、106b那样，发送光向不同的4个方向射出，在图10所示的激光雷达装置中能够测定不同的4个视线方向的风速。 [0169] 另外，在图10中，发送光105a表示基于CW激光光源1a的发送光中的对应于通常光线的发送光。并且，发送光106a表示基于CW激光光源1a的发送光中的对应于异常光线的发送光。并且，发送光105b表示基于CW激光光源1b的发送光中的对应于通常光线的发送光。并且，发送光106b表示基于CW激光光源1b的发送光中的对应于异常光线的发送光。 [0170] 并且，在图10的结构中，通常光线和异常光线射出到与纸面平行的平面内，但是，通常光线和异常光线也可以在与纸面垂直的平面内具有角度。在这种情况下，能够将激光的射出方向扩展成二维的方向，能够测定三维的风向和风速分布。 [0171] 并且，在图10的结构中，也可以使用未图示的偏振控制单元切换改变发送光的偏振方向，使得基于CW激光光源1a的发送光的偏振方向和基于CW激光光源1b的发送光的偏振方向中的一方或者双方，与由双折射材料的光学轴和发送光的入射光轴形成的平面平行或者垂直。在这种情况下，能够选择在双折射材料产生的通常光线和异常光线，能够选择发送光的射出角度，因而能够仅朝向期望的方向射出发送光进行观测。 [0172] 另外，关于偏振控制单元对发送光的偏振方向的切换，能够通过直接控制CW激光光源1a和CW激光光源1b的输出偏振状态或者使用波长板、偏振控制器等偏振元件来进行控制。 [0173] 并且，在图10的结构中，也可以使用未图示的偏振控制单元使接收光和局部振荡光的偏振方向一致。通过使该接收光和局部振荡光的偏振方向一致，能够高效地进行光外差检测。 [0174] 并且，也可以如图11所示，由偏振分离元件(偏振分离单元)27按照偏振方向将接收光分离，由偏振开关(切换单元)28按照偏振方向切换路径来输出局部振荡光，使接收光和局部振荡光的偏振方向分别一致并进行合成，进行光外差检测。 [0175] 这样，通过按照局部振荡光的偏振方向切换路径，能够减少局部振荡光所需要的光功率并能够进行光外差检测的仅仅是接收光中的一个偏振方向部分。因此，能够仅由1个光检测器11进行期望方向的观测。 [0176] 另外，采用使用双折射材料的透射型的衍射光栅26的结构能够适用于实施方式2～7的全部方式。 [0178] 产业上的可利用性 [0179] 本发明的激光雷达装置适合用于如下的激光雷达装置等，该激光雷达装置利用简洁廉价的结构，不需使用机械地进行驱动的扫描装置，即可同时测定多视线方向，向大气中射出激光，接收目标引起的该激光的散射光，从该散射光中提取与目标相关的信息。 [0180] 标号说明 [0181] 1、1a、1b、13、13a、13b CW激光光源(基准光源)；2、2a、2b分光耦合器；3、3a、3b、21a、21b光调制器；4合光耦合器(第1合光器)；5合光耦合器(第2合光器)；6光纤放大器；7、 23光循环器；8发送接收光学系统；9衍射光栅(色散元件)；10合光耦合器(第3、第4合光器)； 11光检测器；12信号处理装置(信息提取器)；14、14a、14b驱动电路；15、17控制器；16合光耦合器；18准直器；19驱动装置；20a～20i、24a、24b、25a～25c镜；22激光放大器；26衍射光栅(色散元件)；27偏振分离元件(偏振分离单元)；28偏振开关(切换单元)；101a、101b、102a、 102b、103b、104a、104b、105a、105b、106a、106b发送光。 |
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