(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射を制御可能にチャープするシステムであって、
光学キャビティを構成する少なくとも１つの光学要素と、
前記光学キャビティ内に配置された周波数シフタであって、前記光学キャビティから電磁放射を受け取り、前記受け取った電磁放射の一部分を装置に出力し、前記受け取った電磁放射の周波数シフトされた部分を前記光学キャビティに出力する周波数シフタと、
前記光学キャビティ内に配置された光スイッチであって、前記光学キャビティから電磁放射を受け取り、前記受け取った電磁放射を前記光学キャビティから外にダンプするかまたは前記受け取った電磁放射を前記光学キャビティに戻す光スイッチとを備えるシステム。
【請求項２】
前記光スイッチは、放射源から電磁放射を受け取り、前記放射源から受け取った前記電磁放射を前記光学キャビティから外にダンプするかまたは前記放射源から受け取った前記電磁放射を前記光学キャビティに導く請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
光増幅器を更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光増幅器は、前記光学キャビティの１つまたは複数のキャビティ損失に打ち勝つのに十分に大きな利得を有する請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記周波数シフタは、前記光学キャビティから前記電磁放射を受け取り、前記受け取った電磁放射を、前記光学キャビティから出力される前記電磁放射の一部分が前記周波数シフタによってゼロ次回折されるように回折させる請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記周波数シフタは、前記光学キャビティから電磁放射を受け取り、前記光学キャビティに戻された前記受け取った電磁放射の周波数シフトされた部分が、前記周波数シフタによって一次回折されるように前記受け取った電磁放射を回折させる請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記光学キャビティは、リングキャビティを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光学要素は、ミラー、レンズ、プリズムまたは光ファイバの少なくとも１つを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記光スイッチは、前記受け取った電磁放射を、前記光学キャビティの光学長と実質的に等しい期間、前記光学キャビティから外にダンプするように制御可能である請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記周波数シフタは、音響光学ブラッグセルを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
電磁放射を制御可能にチャープする方法であって、
光学キャビティを形成する段階と、
電磁放射を初期周波数で前記光学キャビティに導入する段階と、
前記光学キャビティ内の前記電磁放射の周波数を、実質的に線形のチャープレートで前記初期周波数からシフトする段階と、
前記光学キャビティ内に蓄えられた前記電磁放射の一部分を前記光学キャビティからダンプするように光スイッチを開く段階と、
電磁放射を前記初期周波数で光学キャビティに導入する段階とを含み、
前記電磁放射の一部分をダンプするためにスイッチを開く段階と、電磁放射を前記初期周波数で前記光学キャビティに導入する段階が実質的に同時に実行される方法。
【請求項１２】
前記光学キャビティ内の前記電磁放射を増幅する段階を更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記キャビティ内の前記電磁放射の一部分を装置に出力する段階を更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記光学キャビティ内の前記電磁放射の前記周波数をシフトする段階は、前記光学キャビティ内の前記電磁放射を回折させる段階を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記光学キャビティは、リングキャビティを備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記装置が、少なくとも２つのコヒーレントレーザレーダセクションを有するレーザレーダシステムを備え、
前記レーザレーダシステムは、前記周波数シフタから出力され、標的の表面に入射し、前記標的の表面から反射される電磁放射から、前記標的の表面に対する距離および瞬間速度を決定する請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射源に関し、より詳細にはチャープされた電磁放射を提供するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つまたは複数のレーザレーダを使用して直線距離を測定する様々な測定装置が知られている。そのような測定装置は、測定装置から標的の距離（即ち、レンジ）および／または測定装置に対する標的の速度（即ち、レンジレート）に関する情報を生成することができる。このレンジおよびレンジレート情報は、様々な設定に役立つことがある。本出願では、用語「レンジレート」は、標的と測定装置との間のレンジの変化率を指す。
【０００３】
典型的な測定装置は、例えば、周波数変調されたレーザレーダシステムを含むことがある。このシステムは、電磁放射ビームを放射するレーザ源を有する。ビームは、連続的に変更される、またはチャープされる周波数で放射される。いくつかの例では、周波数をチャープする処理は、下側周波数と上側周波数（またはその逆）との間で周波数を定期的に掃引する処理を含む（例えば、のこぎり波形、三角形波形など）。ビームは、標的ビームと参照ビームに分けられる。
【０００４】
従来の実施形態では、システムは、標的干渉計（target
interferometer）と参照干渉計（reference interferometer）を含む。標的干渉計は、標的ビームを受け取り、そして標的ビームの標的に導かれた部分または標的から反射された部分と、既知の経路長または他の方法で決められた経路長を有する経路にわたって導かれた標的ビームの別の部分との周波数差に対応する標的信号を生成する。この周波数差は、標的干渉計によって、標的ビームの２つの部分から導出された干渉信号に基づいて決定されてもよい。参照干渉計は、参照ビームを受け取り、既知の経路長差を有する２つの別々の一定経路で導かれた参照ビームの２つの部分の間の周波数差に対応する参照信号を生成することができる。この周波数差は、参照ビームの２つの部分から導出された干渉信号に基づいて、参照干渉計によって決定されてもよい。
【０００５】
一般に、システムは、プロセッサを含む。プロセッサは、標的信号と参照信号を受け取り、これらの信号を処理して標的干渉計と標的との間のレンジを決定することができる。標的信号と参照信号に基づいて決定されたレンジ情報を使用して、標的干渉計に対する標的のレンジレートを決定することができる。
【０００６】
従来のシステムは、例えば、「3-DIMENSIONAL VISION SYSTEM
UTILIZING COHERENT OPTICAL DETECTION」と題する米国特許第５，１１４，２２６号に記載されているように構成されてもよく、この特許は、参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【特許文献１】米国特許第５１１４２２６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のシステムは、一般に、様々な態様に制限がある。例えば、そのような従来のシステムは、標的信号と参照信号に基づいてレンジおよび／またはレンジレート情報を瞬時に提供したり、距離と速度を明確に決定したりすることができない。そのような従来のシステムは、他の点でも制限がある。そのような制限は、作動光学要素（例えば、ミラーまたはレンズ）を使用して標的を高速でスキャンする様々な動作条件（例えば、標的干渉計に近づくときや離れるときの標的加速度等）や、他の動作条件によって悪化する場合がある。
【０００８】
いくつかの構成では、参照ビームと標的ビームに分割することができる電磁放射ビームを提供するために、２つのレーザ源によって生成されたビームが組み合わされることがある。そのような構成では、２つのレーザ源の周波数は、逆方向にチャープされ、即ち換言すると、２つの周波数は、一方のレーザ源の周波数が上側周波数に高められ他方が下側周波数に低くされるように（およびその逆）チャープされることがある。そのような構成を利用するシステムには、単一レーザ源システムと関連したいくつかまたはすべての欠点と、２つのレーザ源システムに固有の他の欠点がある場合がある。更に、従来のシステムは、放射された電磁放射の周波数全体にわたって電磁放射のチャープレートを適切に操作するように十分に制御できなかったり、放射電磁放射の周波数を十分に線形にチャープすることができなかったり、または他の欠点を含むことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、放射源からの電磁放射を制御可能にチャープするシステムおよび方法に関する。このシステムおよび方法は、電磁放射を実質的に線形のチャープレートと設定可能な周期で生成することができる光学キャビティ構成を含んでもよい。電磁放射を光学キャビティに選択的に注入することによって、電磁放射は、実質的に線形のチャープレートで周波数シフトされた単一共振モードで生成されてもよい。単一共振モードの電磁放射を生成することにより、電磁放射のコヒーレンス長が大きくなり、電磁放射が様々な用途で実現されたときに有利なことがある。例えば、この光学キャビティ構成によって生成された電磁放射は、レーザレーダシステムのレンジ、速度、精度および／または他の態様を強化する。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態では、システムは、放射源、光学キャビティを構成する１つまたは複数の光学要素、周波数シフタ、光スイッチ、および光増幅器を含んでもよい。システムは、コヒーレントレーザレーダ装置、分光分析装置、干渉計、リモートセンシング装置、または別の装置にチャープされた電磁放射を提供するように実現されてもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態では、周波数シフタは、光学キャビティから電磁放射を受け取り、受け取った電磁放射の周波数シフトした部分を光学キャビティに出力するように光学キャビティ内に配置されてもよい。光スイッチは、光学キャビティから電磁放射を受け取るために光学キャビティ内に配置されてもよい。光スイッチは、受け取った電磁放射を光学キャビティからダンプするかまたは受け取った電磁放射を光学キャビティに戻すように制御可能である。いくつかの例では、光スイッチは、放射源からの放射を光学キャビティに結合し受け取った電磁放射を光学キャビティから外にダンプするように制御可能であり、放射源からの放射は、光スイッチに初期周波数で受け取られる。光学キャビティから受け取った電磁放射をダンプし同時に放射源からの放射を光学キャビティに結合することにより、光学キャビティ内の電磁放射の周波数が初期周波数に再設定されてもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、光学キャビティの品質因子は、光学キャビティ内の様々な損失によって低下することがある。例えば、光学キャビティから装置に出力される放射は、損失を構成することがある。光学要素内の欠陥による損失や他の寄生損など、他の損失も存在することがある。品質因子の低下をなくすために、キャビティ損失を減らすようにシステム構成要素を選択しかつ／またはシステム構成を設計することができる。また、キャビティ損失は、光学キャビティ内に蓄えられたエネルギーおよび／または光学キャビティから出力される出力を低下させることがある。キャビティ損失をなくすために、光学キャビティ内に光増幅器が配置されてもよい。光増幅器は、キャビティ損失の和に打ち勝つのに十分な利得を光学キャビティ内の放射に提供し、その結果、光学キャビティから出力される放射の強度が維持され、光発振器またはレーザが構成されるように選択されてもよい。また、光増幅器は、例えば、均一な線幅、利得帯域幅、または他の仕様など、１つまたは複数の他の仕様に基づいて選択されてもよい。
【００１３】
本発明の様々な実施形態のうちの１つの態様は、標的のレンジと標的がレーザレーダシステムに対して移動するレンジレートを明確に検出するレーザレーダシステムに関する。本発明の様々な実施形態のうちの別の態様は、複数のレーザレーダセクションを使用して複数の同時測定（または、実質的に同時測定）を行い、それにより単一レーザセクションを使用して一連の測定を行うシステムによって導入される様々な時間的影響なしにレンジおよびレンジレートの両方を決定することができるレーザレーダシステムに関する。更に、本発明の様々な実施形態のうちの他の態様は、標的のレンジとレートをより高速に決定し、標的のレンジとレートをより正確に決定し、かつ／または他の利点を提供することができる。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダシステムは、標的に第１の標的ビームと第２の標的ビームを放射することができる。第１の標的ビームと第２の標的ビームは、標的によってレーザレーダシステムの方に反射されてもよい。レーザレーダシステムは、反射された第１の標的ビームと第２の標的ビームを受け取り、レーザレーダシステムからの標的のレンジと標的のレンジレートの少なくとも一方を決定してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダシステムは、第１のレーザレーダセクション、第２のレーザレーダセクション、およびプロセッサを備えていてもよい。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザレーダセクションは、第１の標的ビームと第１の参照ビームを生成してもよい。第１の標的ビームと第１の参照ビームは、第１のレーザ源によって、第１のチャープレートで変調された第１の周波数で生成されてもよい。第１の標的ビームは、標的上の測定ポイントの方に導かれてもよい。第１のレーザレーダセクションは、標的の方に導かれまた標的から反射された第１の標的ビームの一部分を、既知の経路長または他の方法で決定された経路長を有する経路で導かれた第１の標的ビームの別の部分（局部発振器ビームと呼ばれる）と組み合わせてもよい。これにより、第１の複合標的ビームが得られる。
【００１６】
本発明の様々な実施形態によれば、第２のレーザレーダセクションは、第１のレーザレーダセクションに対して配列され固定されてもよい。より詳細には、それぞれのレーザビームを送り受け取るための関連した光学構成要素が配列され固定される。第２のレーザレーダセクションは、第２の標的ビームと第２の参照ビームを生成してもよい。第２の標的ビームと第２の参照ビームは、第２のレーザ源によって、第２のチャープレートで変調された第２の周波数で生成されてもよい。第２のチャープレートは、第１のチャープレートと異なってもよい。これにより、信号の弁別などの下流の処理の１つまたは複数の態様、または下流の処理の他の態様を容易にすることができる。第２の標的ビームは、第１の標的ビームと同じ標的上の測定ポイントの方に導かれてもよい。第２のレーザレーダセクションは、標的の方に導かれ標的から反射された第２の標的ビームの一部分と、既知の経路長または他の方法で決定された経路長を有する経路で導かれた第２の標的ビームの別の部分を組み合わせてもよい。これにより、第２の複合標的ビームが得られる。
【００１７】
本発明の様々な実施形態によれば、プロセッサは、第１と第２の複合標的ビームを受け取り、それぞれの反射標的ビームとそれに対応する局部発振器ビームの経路長差と、レーザレーダシステムに対する標的の動きによって生じた任意のドップラ周波数シフトによって生じるうなり周波数を測定する。次に、それぞれの局部発振器ビームとその反射標的ビームとの間のうなり周波数が、反射標的ビームの同時（または、実質的に同時）の時間的成分に対応する限り、うなり周波数が線形結合され、標的のレンジおよびレンジレートが明確に決定される。反射標的ビームの同時（または、実質的に同時）の時間的成分は、１）標的の実質的に同じ部分に入射し、２）類似の透過作用による影響を受け、３）実質的に同じ条件下で走査光学要素によって導かれ、かつ／または４）他の類似性を共有する標的ビームの時間的成分を含むことがある。線形結合のための反射標的ビームの同時の（または、実質的に同時の）時間的成分に対応するうなり周波数を利用することにより、環境的作用や他の作用（例えば、式（１）を参照）によってデータに導入されるノイズを有効に打ち消すことができる。
【００１８】
第１の局部発振器ビームと第２の局部発振器ビームを、異なる標的ビームまたは同一標的ビームの異なる部分と別々に組み合わせることによって複合標的ビームを作成することができるので、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームは、最終処理の直前に２つの別々であるが一致した、単一放射源周波数変調レーザレーダシステム内にある光学信号を表すことができる。例えば、複合標的ビームは、単一放射源システム内の標的干渉計によって生成される光学信号を表わす。
【００１９】
様々な実施形態によれば、標的ビームは、別々の光路上の標的に導かれかつ／またはその標的から受け取られてもよい。いくつかの実施形態では、これらの光路は、類似していてもよいが異なってもよい。他の実施形態では、第１の標的ビームと第２の標的ビームは、共通光路に沿って標的の方に導かれる複合標的ビームを作成するために放射前に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、標的ビームは、標的によって反射され、標的ビームを標的の方に導いた共通光路と別の受光路に沿ったレーザレーダシステムによって受け取られてもよい。そのような実施形態は、「バイスタティック（bistatic）」と呼ばれることがある。または、複合標的ビームは、共通光路に沿ったレーザレーダシステムによって受け取られてもよい。これらの後者の実施形態は、「モノスタティック（monostatic）」と呼ばれる。モノスタティック実施形態は、相補的な光学要素と共に動作するときにそのバイスタティック相当物よりも優れた利点を提供することができる。より詳細には、本発明のモノスタティック実施形態は、特に差分ドップラ効果とスペックルによるひずみによる影響を受けにくい。差分ドップラ効果は、例えば、標的上の異なる位置に標的ビームを導く走査ミラーによって作成される。ミラーの様々な部分が、様々な異なる速度で動いているので、標的ビームの様々な部分が、異なるドップラシフトを受け、これにより、レンジおよび／またはレンジレート測定値に誤差が生じることがある。これらの効果は、例えば、Digital
Signal Corporation, 8003 Forbes Place, Springfield, VA.22151によって提示されたNASA
Langley Contract No. NAS1-18890 (May 1991) Phase II Final Report, Appendix Kで、Anthony
Slotwinskiらによって研究分析されてきており、この論文は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００２０】
いくつかの例では、第１のレーザ源と第２のレーザ源はそれぞれ、第１の搬送周波数と第２の搬送周波数で電磁放射を生成してもよい。第１の搬送周波数は、実質的に第２の搬送周波数と同じでもよい。これにより、例えばスペックルによるひずみの最小化や他の強化などの様々な強化がレーザレーダシステムに提供される。
【００２１】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ源と第２のレーザ源は、高度に線形化された構成要素に依存するかまたはそのような構成要素を使用してそれぞれのレーザビームを生成することができる。このため、第１のレーザ源と第２のレーザ源は、頻繁に（例えば、各チャープごとに）線形化されてもよく、いくつかの実施形態では連続的に（または、実質的に連続的に）線形化されてもよい。この線形化は、オペレータがシステム性能の低下に気づいたとき、性能が低下した可能性に基づいて線形化を開始するようにオペレータが促されたとき、または１つまたは複数のシステムパラメータが許容範囲から外れたときなどに、起動時に線形化を行う従来のシステムよりも優れた高いレンジ測定精度や他の強化を提供することができる。頻繁でかつ／または自動化された線形化は、高速走査中のミラー差分ドップラノイズ効果を減少させ、またレンジ推定に対する以上その他のノイズ寄与を相殺するデュアルチャープ技術の有効性を最大にすることができる。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダシステムは、レーザレーダシステムからの標的のレンジが、最小レンジと最大レンジとの間の１組のレンジ内にあるときに標的のレンジおよびレンジレートを高い精度で決定することができる。標的のレンジが、１組のレンジ内にないときは、レーザレーダシステムの精度が低下することがある。この低下は、本質的に有限の第１のレーザ源と第２のレーザ源のコヒーレンス長によるものであることがある。例えば、最小レンジと最大レンジとの間の距離は、コヒーレンス長の関数である。第１のレーザ源と第２のレーザ源のコヒーレンス長が長いほど、最小レンジと最大レンジとの間の距離が大きくなる。従って、第１のレーザ源と第２のレーザ源のコヒーレンス長を大きくすると、強化された１組のレンジで決定を行う能力を提供することによって、レーザレーダシステムによるレンジおよびレンジレートの決定が強化されることがある。
【００２３】
本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザ源と第２のレーザ源の一方または両方は、本明細書に記載したように、放射源から電磁放射を制御可能にチャープするシステムおよび方法を実現することができる。このシステムと方法により、電磁放射を設定可能な周期の実質的に線形のチャープレートで生成することができる。いくつかの実施形態では、放射は、単一の周波数シフトされた共振モードを含むことができる。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、チャープレートのうちの１つがゼロに設定されてもよい。換言すると、レーザ源のうちの１つは、一定周波数の放射を放射してもよい。これにより、一定周波数で放射するレーザ源を単純な設計、小さな専有面積、より軽い重量、コスト削減、または他の強化で実現することができ、これによりシステム全体に利点を提供することができる。これらの実施形態では、ゼロに設定されたチャープレートを有するレーザレーダセクションを使用して、標的のレンジレートだけを決定してもよい。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態では、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームをデジタル的に線形結合してレンジ信号とレンジレート信号を生成してもよい。例えば、プロセッサは、第１の検出器と第２の検出器を含むことができる。第１の検出器は、第１の複合標的ビームを受け取り、第１の複合標的ビームに対応する第１のアナログ信号を生成してもよい。第１のアナログ信号は、第１のコンバータによって第１のデジタル信号に変換されてもよい。プロセッサは、第１のデジタル信号の１つまたは複数の周波数成分に対応する第１組の周波数データを決定する第１の周波数データモジュールを含んでもよい。
【００２６】
第２の検出器は、第２の複合標的ビームを受け取り、第２の複合標的ビームに対応する第２のアナログ信号を生成してもよい。第２のアナログ信号は、第２のコンバータによって第２のデジタル信号に変換されてもよい。プロセッサは、第２のデジタル信号の周波数成分の１つまたは複数の周波数成分に対応する第２組の周波数データを決定する第２の周波数データモジュールを含んでもよい。
【００２７】
第１組の周波数データと第２組の周波数データは、周波数データ複合モジュールによって受け取られてもよい。周波数データ複合モジュールは、第１組の周波数データと第２組の周波数データから導出されたレンジレート信号とレンジ信号を生成してもよい。
【００２８】
本発明の他の実施形態では、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームを電子的に混合してレンジ信号とレンジレート信号を生成してもよい。例えば、プロセッサは、変調器を含んでもよい。変調器は、第１の検出器によって生成された第１のアナログ信号と、第２の検出器によって生成された第２のアナログ信号を乗算して複合アナログ信号を生成してもよい。そのような実施形態では、プロセッサは、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタと第２のフィルタを含んでもよい。第１のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成してもよい。第１のフィルタ信号は、第１のコンバータによって変換されてレンジレート信号が生成されてもよい。第２のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィル信号を生成してもよい。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータによって変換されてレンジ信号が生成されてもよい。
【００２９】
本発明の他の実施形態によれば、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームを光学的に混合してレンジ信号とレンジレート信号を生成してもよい。例えば、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームを受け取り、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームの検出に基づいて複合アナログ信号を生成する検出器を含んでもよい。そのような実施形態では、プロセッサは、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタと第２のフィルタを含んでもよい。第１のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成してもよい。第１のフィルタ信号は、第１のコンバータによって変換されてレンジレート信号が生成されてもよい。第２のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタ信号を生成してもよい。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータによって変換されてレンジ信号が生成されてもよい。
【００３０】
本発明の以上その他の目的、特徴、利益および利点は、好ましい実施形態および添付図面により明らかになるであろう。また、前述の概要と以下の詳細な説明は、両方とも例示であり、本発明の範囲を限定しないことを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、実質的に線形のチャープレートでチャープされた周波数の電磁放射を生成する従来のシステム１１０を示す。システム１１０は、放射源１１２、１つまたは複数の光学要素１１４（光学要素１１４ａ〜１１４ｄとして示した）、および周波数シフタ１１６を含む。システム１１０は、チャープされた電磁放射を、コヒーレントレーザレーダ装置、分光分析装置、干渉計、リモートセンシング装置または別の装置に提供するように実現される。
【００３２】
様々な従来の実施形態では、放射源１１２は、コヒーレント電磁放射ビーム１１８をシステム１１０に提供する。光学要素１１４は、例えば、リングキャビティなどの光学キャビティ１２０を構成する。ビーム１１８は、ビーム１１８を形成する電磁放射を光学キャビティ１２０に導入するために光学キャビティ１２０に結合される。周波数シフタ１１６は、電磁放射を受け取るように光学キャビティ１２０内に配置されてもよく、また電磁放射を回折する回折要素を含む。周波数シフタ１１６によってゼロ次回折された電磁放射は、周波数シフトされることなく周波数シフタ１１６を通過し、前述の装置のうちの１つで使用されるために提供される電磁放射の出力ビーム１２２を形成する。ゼロ次以外の次数（例えば、一次）で回折された電磁放射は、電磁放射の周波数シフトビーム１２４を形成するために所定の（また、場合によっては調整可能な）量だけ周波数シフトされる。次に、ビーム１２４と１１８は、光学キャビティ１２０内で合波され、再び周波数シフタ１１６に導かれる。このように、周波数シフタ１１６は、周波数シフタ１１６を通過するたびに光学キャビティ１２０内の共振モードの電磁放射の周波数を増分的にシフトする。これらの増分的シフトによって、光学キャビティ１２０（および、出力ビーム１２２）内の電磁放射の周波数を実質的に線形のレートでチャープすることができる。
【００３３】
従来の実施形態では、光学キャビティ１２０の品質因子（キャビティ内で放散されたエネルギーに対する蓄積エネルギーの比として定義される）は、光学キャビティ１２０内の様々な損失によって低下することがある。例えば、出力ビーム１２２でシステム１１０から出力される放射は、損失を構成することがある。また、光学要素１１４内の欠陥による損失や他の寄生損など、他の損失もある場合がある。キャビティ損失をなくすために、光学キャビティ１２０内に光増幅器１２６が配置される。光増幅器１２６は、キャビティ損失の合計に打ち勝つのに十分な利得をビーム１２４に提供し、それにより出力ビーム１２２に含まれる共振モードの強度が維持されるように選択される。また、光増幅器１２６は、例えば、均一な線幅、利得帯域幅、他の仕様などの１つまたは複数の他の仕様に基づいて選択される。放射源１１２は、光増幅器１２６の利得帯域幅内にある周波数の電磁放射を放射するように選択される。
【００３４】
従来の実施形態では、出力ビーム１２２の周波数をチャープするチャープレートは、光学キャビティ１２０の長さによって制御され、この長さは、光学要素１１４の構成を調整することによって調整することができる。チャープレートを制御するための別の方法には、周波数シフタ１１６によって光学キャビティ１２０内の電磁放射に適用される周波数シフトの制御がある。いくつかの実施形態では、周波数シフタ１１６は、光学キャビティ１２０内の電磁放射に選択可能な周波数シフトを加えるように駆動される音響光学ブラッグセル（acousto-optic Bragg cell）を含む。光学キャビティと音響光学ブラッグセルを含む周波数シフタとを含む実質的に線形のチャープレートでチャープされた周波数の電磁放射を生成するシステムのいくつかの従来の実施形態の例は、Schmadelらによる米国特許第４，６９７，８８８号に見ることができ、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３５】
従来の実施形態では、光学キャビティ１２０内の電磁放射のモードは、周波数が光増幅器１２６の利得帯域幅から外れるほどシフトされるまでそのモードの周波数が線形的にチャープされる。モードの周波数が、光増幅器１２６の利得帯域幅から外れると、光増幅器１２６は、モードに利得を提供せず、それにより光学キャビティ１２０内の損失によってそのモードが消滅することがある。このようにモードが消滅したとき、ビーム１１４で光学キャビティ１２０内に導入される電磁放射は、そのようなモードが消滅するまで周波数が周波数シフタ１１６によって線形的にチャープされる新しいモードを形成する。
【００３６】
図２は、本発明のいくつかの実施形態による電磁放射を生成するシステム２１０の例示的な図である。電磁放射は、単一モードでシステム２１０によって放射され、その周波数は、実質的に線形のチャープレートでチャープされる。システム２１０は、図１のシステム１１０といくつかの点で類似した構成で示されており、類似した構成要素は、同じ参照番号で示される。例えば、システム２１０は、放射源１１２、光学キャビティ１２０を構成する１つまたは複数の光学要素１１４（光学要素１１４ａ〜１１４ｄとして示した）、周波数シフタ１１６、および光増幅器１２６を含む。システム１１０と同じように、システム２１０は、チャープされた電磁放射を、コヒーレントレーザレーダ装置、分光分析装置、干渉計、リモートセンシング装置、または別の装置に提供するように実現される。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態では、放射源１１２は、コヒーレント電磁放射ビーム１１８をシステム２１０に提供し、光学キャビティ１２０を構成する光学要素１１４、周波数シフタ１１６および光増幅器１２６は、放射源１１２からの電磁放射と相互作用する。ビーム１１８は、光学キャビティ１２０に結合される。周波数シフタ１１６は、電磁放射を受け取るように光学キャビティ１２０内に配置され、例えば、光学キャビティ１２０内の放射に対して設定可能な周波数シフトを加えるためにＲＦ源２１２によって駆動される音響光学ブラッグセルを含む。システム２１０では、システム１１０の場合と同じように、周波数シフタ１１６からのゼロ次回折された電磁放射は、周波数シフトされることなく周波数シフタ１１６を通過し、前述の装置のうちの１つの装置内に使用するために提供される電磁放射の出力ビーム１２２を形成する。ゼロ次以外の次数（例えば、一次）の回折電磁放射は、電磁放射の周波数シフトビーム１２４を形成するために所定の（場合によっては調整可能な）量だけ周波数シフトされる。次に、ビーム１２４は、周波数シフタ１１６に再び導かれる。このようにして、周波数シフタ１１６は、周波数シフタ１１６を通過するたびに光学キャビティ１２０内の電磁放射にある１つまたは複数の共振モードの周波数を増分的にシフトする。これらの増分的シフトにより、光学キャビティ１２０（および、出力ビーム１２２）内の電磁放射の周波数を実質的に線形のレートでチャープすることができる。光学キャビティ１２０の品質因子の低下をなくすために、光増幅器１２６を光学キャビティ１２０内に配置して光学キャビティ１２０内の電磁放射に利得を提供することができる。光増幅器１２６は、前に提供した基準の１つまたは複数に基づいて選択される。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態では、システム２１０は、光スイッチ２１４を含むことができる。光スイッチ２１４は、放射源１１２から光学キャビティ１２０内で電磁放射（例えば、ビーム１２４）を受け取るために光学キャビティ１２０内に配置され、またビーム１１８と１２４の一方が光学キャビティ１２０から外にダンプされ同時にビーム１１８と１２４の他方が光学キャビティ１２０に結合されるようにビーム１１８と１２４を導くように選択的に制御可能である。この構成により、単一モードの線形的にチャープされた電磁放射を光学キャビティ１２０内に蓄積し、光学キャビティ１２０から放射することができる。より詳細には、光スイッチ２１４によって、電磁放射を放射源１１２の放射周波数で放射源１１２から光学キャビティ１２０に導入することができる。例えば、光スイッチ２１４によって、光学キャビティ１２０の光学長に対応する時間期間だけビーム１１８を光学キャビティ１２０に結合する。この同じ期間に、スイッチ２１４は、キャビティからエネルギーをダンプし、それを放射源１１２からのエネルギーと交換する。適切な量の放射線を光学キャビティ１２０内に結合した後、光スイッチ２１４は、ビーム１１８を光学キャビティ１２０から外にダンプし、光学キャビティ１２０内の電磁放射（例えば、ビーム１２４に含まる電磁放射）を光学キャビティ１２０に戻す。放射源１１２から光学キャビティ１２０に放射を受け取った時間の長さが、光学キャビティ１２０の光学長と実質的に等しいかそれより短い場合は、これにより、光学キャビティ１２０により単一共振放射モードが作り出される。光学キャビティ１２０内に含まれる電磁放射のモードが、周波数シフタ１１６、光増幅器１２６および光スイッチ２１４を通って光学キャビティ１２０のまわりで循環するとき、モードの周波数は、周波数シフタ１１６によって増分的にシフトされ、その結果光学キャビティ１２０内のモードの周波数が線形にチャープされる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態では、光スイッチ２１４は、光学キャビティ１２０内の電磁放射の周波数をリセットすることができる。例えば、光学キャビティ１２０内で循環していた放射をダンプするように光スイッチ２１４を制御することによって、既存の放射モード（即ち、シフトされた周波数を有する既存の放射モード）を光学キャビティ１２０から有効に消滅させることができる。同時に（または、実質的に同時に）、既存の（または昔の）モード（ビーム１２４）がダンプされたときに放射源１１２からのビーム１１８を光学キャビティ１２０に結合するように光スイッチ２１４を制御することによって、新しい放射モードを開始することができる。これは、シフトされた周波数を有する昔のモードの電磁放射の光学キャビティ１２０を空にし、また光学キャビティ１２０に放射源１１２の放射周波数の新しいモードの電磁放射を導入するように概念化されることがある。放射源１１２からの電磁放射が、適切な長さの時間（例えば、光学キャビティ１２０の光学長）、光学キャビティ１２０に入ることを許可されたとき、再び光スイッチ２１４を制御して、放射源１１２からのビーム１１８に含まれる放射を光学キャビティ１２０から外にダンプし、光学キャビティ１２０内で新しいモードの放射を循環させることができる。
【００４０】
例証のために、図３Ａと図３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による光スイッチ３１０を示す。例えば、光スイッチ３１０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを含む。そのような実施形態では、光スイッチ３１０は、光スイッチ３１０が光学キャビティ１２０などの光学キャビティから電磁放射を受け取ることができるキャビティ入力３１２と、光スイッチ３１０が放射源１１２などの放射源から電磁放射を受け取ることができる放射入力３１４とを有する。光スイッチ３１０は、複数の可動式光学部材（例えば、マイクロミラー）３１６（３１６ａと３１６ｂとして示した）を含む。可動式光学部材３１６は、図３Ａと図３Ｂに示したように光スイッチ３１０内の光放射経路に出たり入ったりするよう制御可能に操作され、キャビティ入力３１２または放射入力３１４に受け取った電磁放射の一方または他方（または両方）を選択的にキャビティ出力３１８に導き、電磁放射は、光学キャビティ内に導かれる。可動式光学部材３１６によってキャビティ出力３１８に導かれない放射は、光スイッチ３１０によって光学キャビティから外にダンプされる。本発明の他の実施形態では、光スイッチ３１０（および２１４）には、非機械式スイッチ、固体スイッチ、光スイッチ、マッハ・ツェンダー干渉計スイッチ、光電気光スイッチまたは、他の光スイッチがある。
【００４１】
システム２１０の構成は単に例示のために示されており、本発明の範囲から逸脱しない様々な代替および／または代用が含まれることを理解されたい。例えば、周波数シフタ１１６は、回折音響光学ブラッグセルとして示されているが、いくつかの周波数シフト構成要素が実現されてもよい。同様に、図２にミラーとして示された光学部材１１４には、光ファイバ、ミラー、プリズム、または電磁放射を導くことができる任意の他の光学部材がある。いくつかの実施形態では、電磁放射は、周波数シフタ１１６以外のポイントでシステム２１０から出力される。例えば、光学要素１１４のうちの１つには、装置内で使用される光学キャビティ１２０からの放射の出力を可能にするハーフミラーがある。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態では、放射源１１２からの電磁放射は、光スイッチ２１４に受け取られることなく光学キャビティ１２０に結合され、また放射源１１２は、光スイッチ２１４が光学キャビティ１２０から受け取った電磁放射を光学キャビティ１２０からダンプするときに光学キャビティ１２０だけに放射を提供するように構成される。例えば、放射源１１２から放射された放射を適切な時間に光学キャビティ１２０だけに結合することができるブロッキング部材（即ち、光スイッチ２１４と別の光スイッチ）を介して、放射源１１２からの放射を光学キャビティ１２０に受け取る。他の実施形態では、放射源１１２は、光スイッチ２１４が光学キャビティ１２０から放射をダンプするときだけ放射を放出してもよい。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態では、システム２１０は、システムを更に強化する１つまたは複数の追加の要素および／または構成要素を含む。例えば、放射が光学キャビティ１２０内の単一方向に確実に伝搬するように、光学キャビティ１２０に光ダイオードを組み込む。いくつかの実施形態では、放射源１１２が動作できる縦モードの量を制限する光学フィルタ装置が追加される。また、システム２１０の光学安定性を高めるために、１つまたは複数の偏向要素が追加される。
【００４４】
図４は、周波数変調されたレーザレーダシステム４１０を示す。システム４１０は、一般に、電磁放射のビーム４１４を放射するレーザ源４１２を含む。ビーム４１４は、連続的に変更され即ちチャープされた周波数で放射される。いくつかの例では、周波数をチャープする処理は、下側周波数と上側周波数との間（またはこの逆）で周波数を周期的に掃引する処理を含む（例えば、のこぎり波形、三角形波形など）。ビーム４１４は、光カプラ４１６によって標的ビーム４１８と参照ビーム４２０に分けられてもよい。
【００４５】
本発明の様々な実施形態によれば、レーザ源４１２は、前述のシステム２１０を含む。レーザ源４１２内にシステム２１０を提供すると、レンジおよび／またはレンジレート情報を決定するためにレーザレーダシステム４１０によって使用される電磁放射のコヒーレンス長が大きくなり、レーザレーダシステム４１０の動作が強化される。例えば、電磁放射のコヒーレンス長を大きくすると、レーザレーダシステム４１０のレンジ、速度、精度および／または他の態様を強化することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、システム４１０は、標的干渉計４２２と参照干渉計４２４を含む。標的干渉計４２２は、標的ビーム４１８を受け取り、光カプラ４２６で標的ビームを分割することができる。標的干渉計４２２は、一般に、標的４３０の標的干渉計４２２からのレンジに依存する標的信号を生成するために使用される。標的干渉計は、一定の経路長を有する光路を介して、標的ビーム４１８の一部分４２８を標的４３０の方に導き、標的ビーム４１８の他方の部分４３２を標的周波数差モジュール４３４に導くことによってこれを達成することができる。標的ビーム４１８の一部分４２８は、標的４３０によって反射され、光カプラ４２６と光ファイバ４３６を介して標的周波数差モジュール４３４に送られる。標的周波数差モジュール４３４は、カプラ４４８の部分４３６，４３２との間の干渉に基づいて、その経路長の差により、標的ビーム４１８の部分４３６と４３２のうなり周波数に対応する標的信号を生成することができる。
【００４７】
本発明の様々な実施形態によれば、参照干渉計４２４は、参照ビーム４２０を受け取り、既知の経路長差を有する２つの別個の固定経路を介して導かれる参照ビーム４２４の２つの部分の間の周波数差に対応する参照信号を生成する。より詳細には、参照ビーム４２０は、光カプラ４４０によって第１の部分４４２と第２の部分４４４に分割される。第１の部分４４２は、第２の部分４４４に対して一定の光路長差を有する。カプラ４４６の部分４４２，４４４との間の干渉に基づいて、参照周波数差モジュール４５０は、参照ビーム４２０の部分４４２と４４４の経路長の一定の差によって生じる参照ビーム４２０の部分４４２と４４４のうなり周波数に対応する参照信号を生成する。
【００４８】
標的干渉計４２２と参照干渉計４２４は、マッハ・ツェンダー干渉計として示され説明されたことを理解されよう。しかしながら、他の干渉計構成も利用することができる。例えば、標的干渉計４２２と参照干渉計４２４は、マイケルソン・モーレー干渉計を構成する実施形態を含んでもよい。
【００４９】
いくつかの実施形態では、システム４１０は、プロセッサ４３８を含む。プロセッサ４３８は、標的信号と参照信号を受け取り、それらの信号を処理して標的４３０のレンジを決定することができる。標的信号と参照信号に基づいて決定されるレンジ情報を使用して、標的干渉計４２２に対する標的４３０のレンジレートを決定することができる。
【００５０】
図５は、２つ以上のレーザレーダセクションを使用するレーザレーダシステム５１０の例示的実施形態を示し、これらの各セクションが標的に標的ビームを放射する。例えば、第１のレーザレーダセクション５７４は、第１の標的ビーム５１２を放射し、第２のレーザレーダセクション５７６は、第２の標的ビーム５１４を標的５１６に放射する。本発明のいくつかの実施形態では、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４は、デュアルチャープシステムを作成するようにチャープされる。本発明の様々な実施形態によれば、レーザセクション５７４は、レーザ源コントローラ５３６、第１のレーザ源５１８、第１の光カプラ５２２、第１のビーム遅延機構５４４、第１の局部発振器光カプラ５３０、および／または他の構成要素を含む。第２のレーザレーダセクション５７６は、レーザ源コントローラ５３８、第２のレーザ源５２０、第２の光カプラ５２４、第２のビーム遅延機構５５０、第２の局部発振器光カプラ５３２、および／または他の構成要素を含む。例えば、レーザレーダセクション５７４と５７６それぞれの構成要素のいくつかまたはすべては、Metric Vision（登録商標）からのコヒーレントレーザレーダシステムとして得られる。Metric Vision（登録商標）からのコヒーレントレーザレーダシステムは、標的５１６のレンジおよびレンジレートを決定する際に、高い線形機能、高い位相漂遊補正機能（phase
wandering correction）、および他の利点をレーザレーダシステム５１０に提供することができる。
【００５１】
本発明の様々な実施形態によれば、第１と第２のレーザ源５１８と５２０の一方または両方が、前述のシステム２１０を含む。システム２１０を第１のレーザ源５１８および／または第２のレーザ源５２０内に提供することにより、レンジおよび／またはレンジレート情報を決定するためにレーザレーダシステム５１０によって使用される電磁放射のコヒーレンス長が大きくなり、レーザレーダシステム５１０の動作が強化される。例えば、電磁放射の大きなコヒーレンス長は、レーザレーダシステム５１０のレンジ、速度、精度および／または他の態様を強化することができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態では、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４は、標的５１６によってレーザレーダシステム５１０に反射される。レーザレーダシステム５１０は、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４を受け取り、レーザレーダシステム５１０からの標的５１６のレンジと、標的５１６のレンジレートの少なくとも一方を決定することができる。
【００５３】
本発明の様々な実施形態によれば、第１のレーザ源５１８は、第１の搬送周波数を有する。第１のレーザ源５１８は、第１の周波数の第１のレーザビーム５４０を放射する。第１の周波数は、第１のチャープレートで変調される。第１の周波数は、電気的、機械的、および音響光学的に変調され、または他の方法で変調されてもよいことは明らかである。第１のレーザビーム５４０は、第１の光カプラ５２２によって第１の標的ビーム５１２と第１の局部発振器ビーム５４２に分割される。第１の局部発振器ビーム５４２は、第１のビーム遅延機構５４４で第１の遅延期間保持されてもよい。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態では、第２のレーザ源５２０は、第２の周波数の第２のレーザビーム５４６を放射してもよい。第２の周波数は、第１のチャープレートと異なる第２のチャープレートで変調される。第２の周波数は、電気的、機械的、音響光学的に変調されてもよく、他の方法で変調されてもよい。第１のチャープレートと第２のチャープレートは、第１のレーザビーム５４０と第２のレーザビーム５４６との間に逆のチャープを作成してもよい。
【００５５】
いくつかの例では、第２の搬送周波数は、第１の搬送周波数と実質的に同じでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、第１のベースライン周波数と第２のベースライン周波数の比率との差は、０．０５％未満である。これにより、例えばスペックルによる歪みの最小化や他の強化などの様々な強化をレーザシステム５１０に提供することができる。第２のレーザビーム５４６は、第２の光カプラ５２４によって第２の標的ビーム５１４と第２の局部発振器ビーム５４８に分割されてもよい。第２の局部発振器ビーム５４８は、第２のビーム遅延機構５５０で第２の遅延期間保持されてもよい。第２の遅延期間は、第１の遅延期間と異なってもよい。
【００５６】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ源５１８および／または第２のレーザ源５２０（例えば、第１のレーザビーム５４０および／または第２のレーザビーム５４６）の出力は、例えばMETRICVISION（登録商標） Model MV200に提供されている機構を使って線形化されてもよい。第１のレーザ源５１８および／または第２のレーザ源５２０の出力の位相漂遊は、例えばMETRICVISION（登録商標）
Model MV200に提供されている機構を使って修正されてもよい。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダシステム５１０は、レーザレーダシステム５１０からの標的５１６のレンジが、最小レンジと最大レンジとの間の１組のレンジ内にあるときに、標的５１６のレンジおよびレンジレートを高精度で決定することができる。標的５１６のレンジが１組のレンジの範囲内にないときは、レーザレーダシステム５１０の精度が低下することがある。
【００５８】
本発明の様々な実施形態によれば、第１のビーム遅延機構５４４と第２のビーム遅延機構５５０は調整可能でもよい。第１のビーム遅延機構５４４と第２のビーム遅延機構５５０を調整することによって、より高精度の決定を行うことができる１組のレンジをレーザレーダシステム５１０に近づけるか遠ざけるようにレーザレーダシステム５１０を調整することができる。第１のビーム遅延機構５４４と第２のビーム遅延機構５５０を調整して、標的５１６のレンジレートが、最小レンジと最大レンジとの間の１組のレンジ内にあるようにし、それによりは標的５１６のレンジおよびレンジレートを正確に決定することができる。第１のビーム遅延機構５４４と第２のビーム遅延機構５５０は、ユーザによって調整されてもよく自動的に調整されてもよい。
【００５９】
標的５１６のレンジが１組のレンジの外にあるときのレンジおよびレンジレートの決定精度の低下は、第１のレーザ源５１８と第２のレーザ源５２０のコヒーレンス長が有限であることに起因することがある。例えば、最小レンジと最大レンジとの間の距離は、コヒーレンス長の関数である。第１のレーザ源５１８と第２のレーザ源５２０のコヒーレンス長が長いほど、最小レンジと最大レンジとの間の距離は大きくなる。従って、第１のレーザ源５１８と第２のレーザ源５２０のコヒーレンス長を大きくすることにより、強化された１組のレンジにわたる決定が可能になり、レーザレーダシステム５１０によるレンジおよびレンジレートの決定を強化することができる。
【００６０】
本発明のいくつかの実施形態では、第１の局部発振器ビーム５４２は、複数の第１の局部発振器ビームに分割され、第２の局部発振器ビーム５４８は、複数の第２の局部発振器ビームに分割される。そのような例では、レーザレーダシステム５１０は、複数の第１の局部発振器ビームと複数の第２の局部発振器ビームに異なる遅延期間の遅延を適用する複数のビーム遅延機構を含んでもよい。これにより、複数の第１の局部発振器ビームのうちの１つと複数の第２の局部発振器ビームのうちの１つが、標的のレンジおよびレンジレートの正確な決定を可能にする遅延期間だけ遅延される。
【００６１】
従って、本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザ源５１８と第２のレーザ源５２０は、大きいコヒーレンス長を有するチャープされた電磁放射を放射することができる。例えば、第１のレーザ源５１８および／または第２のレーザ源５２０は、図５に示し前に述べたようなシステム２１０を含むことができる。
【００６２】
様々な実施形態によれば、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４は、別の光路上の標的５１６に導かれかつ／またはその標的から受け取られる。いくつかの実施形態では、そのような光路は、類似しているが別個のものである。他の実施形態では、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４は、放射前に、標的光カプラ５２６によって、共通光路に沿って標的５１６に導かれる複合標的ビーム５５２に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、複合標的ビーム５５２（または、標的５１６の方に別々に導かれる場合は、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４）は、標的５１６によって反射され、複合標的ビーム５５２を標的５１６の方に導いた共通光路と別の受信光路に沿ってレーザレーダシステム５１０によって受け取られる。そのような実施形態は「バイスタティック（bistatic）」と呼ばれることがある。あるいは、複合標的ビーム５５２は、共通光路に沿って反射標的ビーム５５６としてレーザレーダシステム５１０によって受け取られる。このような後者の実施形態は、「モノスタティック（monostatic）」と呼ばれることがある。モノスタティック実施形態は、同等の光学要素と共に動作するときにそのバイスタティック相当物よりも優れた利点を提供することがある。モノスタティック実施形態では、共通光路は、複合標的ビーム５５２を放射し反射標的ビーム５５６を受け取るための共通ポートを提供する光学部材５２８を含む。光学部材５２８には、光サーキュレータ、光カプラ、または明らかな他の光学部材がある。
【００６３】
いくつかの実施形態では、共通光路は、走査要素５５７を含む。走査要素５５７には、例えば、複合標的ビーム５５２が標的５１６を走査できるように振動され、回転され、または他の方法で操作されるミラー、レンズ、アンテナ、または他の光学要素などの光学要素がある。いくつかの例では、走査要素５５７は、高速での走査を可能にする。従来のシステムでは、走査要素は、システムの精度を低下させることがあるスペックルや他の光学作用によるミラー差分ドップラノイズ作用の原因となることがある。しかしながら、レーザレーダシステム５１０の様々な実施形態は、同時測定（または、実質的な同時測定）を使用してレンジおよびレンジレートを明確に決定するので、高速走査によって通常生じる不正確さを回避することができる。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態では、標的光カプラ５５４は、反射された標的ビーム５５６を、第１の反射標的ビーム部分５５８と第２の反射標的ビーム部分５６０に分割する。第１の局部発振器光カプラ５３０は、第１の局部発振器ビーム５４２を第１の反射標的ビーム部分５５８と組み合わせて第１の複合標的ビーム５６２にする。第２の局部発振器光カプラ５３２は、第２の局部発振器ビーム５４８を第２の反射標的ビーム部分５６０と組み合わせて第２の複合標的ビーム５６４にする。図面に示していないいくつかの実施形態では、例えば、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４は別々に、標的５１６の方に導かれかつ／または標的５１６から受け取られ、第１の局部発振器光カプラ５３０は、反射された第１の標的ビーム５１２を第１の局部発振器ビーム５４２と組み合わせて第１の複合標的ビーム５６２を作成し、反射された第２の標的ビーム５１４は、第２の局部発振器ビーム５４８と組み合わされて第２の複合標的ビーム５６４が作成される。
【００６５】
第１の局部発振器ビーム５４２と第２の局部発振器ビーム５４８は、異なる標的ビーム、または同じ標的ビーム（例えば、反射標的ビーム５５６）の異なる部分と組み合わされるので、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４は、最終処理の直前に、２つの別個であるが一致した単一のレーザ源周波数で変調されたレーザレーダシステム内にある光学信号を提供することがある。例えば、レーザ源コントローラ５３６、第１のレーザ源５１８、第１の光カプラ５２２、第１のビーム遅延機構５４４および第１の局部発振器光カプラ５３０は、第２のレーザレーダセクション５７６によって生成される第２の複合標的ビーム５６４と別の第１の複合標的ビーム５６２を生成する第１のレーザレーダセクション５７４として見なされる。第２のレーザレーダセクション５７６は、レーザ源コントローラ５３８、第２のレーザ源５２０、第２の光カプラ５２４、第２のビーム遅延機構５５０、および第２の局部発振器光カプラ５３２を含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、レーザレーダシステム５１０は、プロセッサ５３４を含む。プロセッサ５３４は、検出モジュール５６６、混合モジュール５６８、処理モジュール５７０、および／または他のモジュールを含む。モジュールは、ハードウェア（光学構成要素と検出構成要素を含む）、ソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェア、ソフトウェアおよび／またはファームウェアの組み合わせで実現されてもよい。プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４を受け取ることができる。プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４に基づいて、レンジ信号とレンジレート信号を生成することができる。レンジ信号とレンジレート信号に基づいて、標的５１６のレンジおよびレンジレートを明確に決定することができる。
【００６７】
本発明のいくつかの実施形態では、プロセッサ５３４は、第１の複合局部発振器ビーム５６２の第１のうなり周波数を決定する。第１のうなり周波数は、第１の局部発振器ビーム５４２と、反射標的ビーム５５６の、標的５１６から反射された第１の標的ビーム５１２に対応する成分との周波数差（経路長の差に起因する）を含む。プロセッサ５３４は、第２の複合局部発振器ビーム５６４の第２のうなり周波数を決定する。第２のうなり周波数は、第２の局部発振器ビーム５４８と、反射標的ビーム５５６の、標的５１６から反射された第２の標的ビーム５１４に対応する成分の周波数差（経路長の差に起因する）を含む。第１のうなり周波数と第２のうなり周波数は、環境的作用や他の作用によって導入されるノイズを相殺するように同時に（または、実質的に同時に）決定される。第１のうなり周波数と第２のうなり周波数を、第１の複合標的ビーム５６２内の他の周波数成分、第２の複合標的ビーム５６４内の他の周波数成分、および／または互いに区別できるように１つまたは複数の段階を実行する。例えば、そのような方法は、第１のチャープレートと第２のチャープレートとして２つのチャープレートを使用して、第１の局部発振器ビーム５４２と第２の局部発振器ビーム５５０を、第１のビーム遅延機構５４４と第２のビーム遅延機構５５０で異なる遅延時間だけ遅延させる処理を含むことができ、または他の方法を実行してもよい。
【００６８】
図５は、主に光ファイバと光カプラを使用して実現された本発明の例示的実施形態を示し、この実施形態は、決して限定するものではない。本発明の範囲内の代替実施形態が存在し、そのような実施形態では、例えば、プリズム、ミラー、ハーフミラー、ビームスプリッタ、ダイクロック薄膜、ダイクロイックプリズム、レンズ、または他の光学要素などの他の光学要素を使用して、電磁放射を導き、組み合わせ、収束させ、拡散させ、増幅し、または他の方法で処理することができる。
【００６９】
本発明の様々な実施形態によれば、プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４を混合して混合信号を作成することができる。混合信号は、第１のうなり周波数と第２のうなり周波数の和に対応するうなり周波数和成分と、第１のうなり周波数と第２のうなり周波数との間の差に対応するうなり周波数差成分を含む。一定速度を有する標的の場合、第１のレーザビーム５４０と第２のレーザビーム５４６のうなり周波数はそれぞれ次のように表すことができる。
【００７０】
【数１】
0005579392.tif 000002
【００７１】
【数２】
0005579392.tif 000003
【００７２】
ここで、ｆ1(ｔ)は第１のうなり周波数を表し、ｆ2(ｔ)は第２のうなり周波数を表わし、λ１とλ２は２つの光波長であり、ｖは標的速度であり、γ1とγ2はそれぞれのチャープレートに比例し、Ｒは測定レンジであり、ＲＯ1とＲＯ2は、２つのレーザレーダのレンジオフセットを表わす。λ1＝λ2＝λと仮定し、式を減算して次の式を得ることができる。
【００７３】
【数３】
0005579392.tif 000004
【００７４】
式（３）を並べ変え、修正したレンジ測定値として次の式を得る。
【００７５】
【数４】
0005579392.tif 000005
【００７６】
同様に、式（１）と（２）を組み合わせて次の式を得ることができる。
【００７７】
【数５】
0005579392.tif 000006
【００７８】
この式から、標的速度の大きさが得られる。
【００７９】
本発明の様々な実施形態によれば、前述の式（４）に示したうなり周波数和成分を混合信号からフィルタリングしてレンジ信号を生成することができる。レンジ信号（例えば、f1(t) + f2(t)）に含まれるうなり周波数和成分から、レーザレーダシステム５１０から標的５１６までの距離を決定することができる。レンジ信号に基づく決定は明白なことがあり、ドップラ周波数シフト（例えば、ｖ／λ）の瞬間的挙動または平均的挙動のどちらにも依存しないことがある。
【００８０】
いくつかの実施形態では、前述の式（４）に示したうなり周波数差成分を混合信号からフィルタリングしてレンジレート信号を生成することができる。レンジレート信号に含まれるうなり周波数差成分から、標的５１６のレンジレートを明確に決定することができる。標的５１６のレンジレートを決定するために、f1(t) - (γ1/γ2)f2(t)が、第１のチャープレートと第２のチャープレートとのチャープレート差に比例する値として提供される。これにより、ドップラシフト情報を抽出することができ、この情報は、標的５１６の瞬間速度を表わすことがある。
【００８１】
本発明のいくつかの実施形態では、第２のチャープレートはゼロに設定される。換言すると、第２のレーザ源５１８は、一定周波数の放射を放射してもよい。これにより、第２のレーザ源５１８を、より単純な設計で、小さな専有面積で、より軽量で、低コストで、またはシステム全体に利点を提供する他の強化と共に実現することができる。そのような実施形態では、レーザレーダシステム５１０は、周波数シフト装置を含む。周波数シフト装置は、音響光学変調器５７２や他の装置を含む。音響光学変調器５７２は、第２の局部発振器ビーム５４８に周波数オフセットを提供し、これにより下流の処理が強化される。例えば、周波数オフセットによって、静止標的のレンジレートを表す第２の局部発振器ビーム５４８と第２の反射標的ビーム部分５６０間の静止標的うなり周波数をゼロからオフセットし、それによりうなり周波数から標的の動きの方向と動きの速さの大きさを決定することができる。本発明のこの実施形態は、チャープターンアラウンドまたはフライバックによって中断されない標的レンジレートの連続監視を可能にするという更に他の利点を有する。チャープターンアラウンドまたはフライバックによって、チャープレーザレーダセクションでは正確な測定が不可能な時間間隔が生じる場合がある。これらの実施形態では、レーザレーダセクション５７６は、標的５１６のレンジレートだけを決定し、レーザレーダシステム５１０は、レンジおよびレンジレートの両方を測定する能力を保持する。
【００８２】
図６は、本発明の一実施形態によるプロセッサ５３４を示す。プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４をデジタル的に混合する。例えば、プロセッサ５３４は、第１の検出器６１０と第２の検出器６１２を含む。第１の検出器６１０は、第１の複合標的ビーム５６２を受け取り、第１の複合標的ビーム５６２に対応する第１のアナログ信号を生成する。第１のアナログ信号は、第１のコンバータ６１４によって第１のデジタル信号に変換される。プロセッサ５３４は、第１のデジタル信号の１つまたは複数の周波数成分に対応する第１組の周波数データを決定することができる第１の周波数データモジュール６１６を含んでもよい。いくつかの例では、第１のデジタル信号は、第１のアベレージャモジュール（averager module）６１８で平均化される。そのような例では、平均化された第１のデジタル信号は、第１の周波数データモジュール６１６に送られる。
【００８３】
第２の検出器６１２は、第２の複合標的ビーム５６４を受け取り、第２の複合標的ビーム５６４に対応する第２のアナログ信号を生成する。第２のアナログ信号は、第２のコンバータ６２０によって第２のデジタル信号に変換される。プロセッサ５３４は、第２のデジタル信号の周波数成分の１つまたは複数に対応する第２組の周波数データを決定する第２の周波数データモジュール６２２を含む。いくつかの例では、第２のデジタル信号は、第２のアベレージャモジュール６２４で平均化される。そのような例では、次に、平均化された第２のデジタル信号は、第２の周波数データモジュール６２２に送られる。
【００８４】
第１組の周波数データと第２組の周波数データは、周波数データ複合モジュール６２６によって受け取られる。周波数データ複合モジュール６２６は、第１組の周波数データと第２組の周波数データを線形結合し、また混合周波数データから導出されたンジレート信号とレンジ信号を生成することができる。
【００８５】
図７は、本発明の別の実施形態によるプロセッサ５３４を示す。プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４をそれぞれ受け取る第１の検出器７１０と第２の検出器７１２を含む。第１の検出器７１０と第２の検出器７１２は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４とそれぞれ関連付けられた第１のアナログ信号と第２のアナログ信号を生成する。プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４を電子的に混合してレンジ信号とレンジレート信号を生成する。例えば、プロセッサ５３４は、変調器７１４を含む。変調器７１４は、第１の検出器７１０によって生成された第１のアナログ信号と、第２の検出器７１２によって生成された第２のアナログ信号を乗算して、複合アナログ信号を作成することができる。そのような実施形態では、プロセッサ５３４は、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタ７１６と第２のフィルタ７１８を含む。第１のフィルタ７１６は、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成することができる。いくつかの例では、第１のフィルタ７１６は、低域フィルタを含む。第１のフィルタ信号は、レンジレート信号を生成するために第１のコンバータ７２０によって変換される。第２のフィルタ７１８は、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタ信号を生成することができる。例えば、第２のフィルタ７１８は、高域フィルタを含む。第２のフィルタ信号を第２のコンバータ７２２によって変換してレンジ信号を生成することができる。
【００８６】
図８は、本発明の更に別の実施形態によるプロセッサ５３４を示す。プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４を光学的に混合してレンジ信号とレンジレート信号を生成することができる。例えば、プロセッサ５３４は、第１の複合標的ビーム５６２と第２の複合標的ビーム５６４を受け取り、検出に基づいて複合アナログ信号を生成する検出器８１０を含む。そのような実施形態では、プロセッサ５３４は、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタ８１２と第２のフィルタ８１４を含む。第１のフィルタ８１２は、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成することできる。第１のフィルタ８１２は、低域フィルタを含む。第１のフィルタ信号は、レンジレート信号を生成するために第１のコンバータ８１６によって変換される。第２のフィルタ８１４は、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタ信号を生成することができる。第２のフィルタ１４は、高域フィルタを含む。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータ８１８によって変換されてレンジ信号が生成される。
【００８７】
本発明は、本明細書において様々な実施形態について説明したが、そのような実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることは、当業者に明らからであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】電磁放射を提供する従来のシステムを示す図である。
【図２】本発明の１つまたは複数の実施形態による電磁放射を提供するシステムを示す図である。
【図３Ａ】本発明の１つまたは複数の実施形態による電磁放射を提供するシステムにおいて実施する光スイッチを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の１つまたは複数の実施形態による電磁放射を提供するシステムにおいて実施する光スイッチを示す図である。
【図４】従来のレーザレーダシステムを示す図である。
【図５】本発明の１つまたは複数の実施形態によるレーザレーダシステムを示す図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態による２つの複合標的ビームをデジタル的に混合するプロセッサを示す図である。
【図７】本発明の１つまたは複数の実施形態による２つの複合標的ビームを電気的に混合するプロセッサを示す図である。
【図８】本発明の１つまたは複数の実施形態による２つの複合標的ビームを光学的に混合するプロセッサを示す図である。
【図１】
0005579392.tif 000007
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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