(57)【要約】  放射源からの電磁波を制御可能にチャープするためのシステム及び方法は、光共振器配列を含む。光共振器配列により、電磁波を実質的に線形のチャープレートで設定変更可能な周期で生成することができる。電磁波を光共振器に選択的に導入することにより、実質的に線形のチャープレートで周波数シフトされた信号共鳴モードを有して電磁波が生成される。単一共鳴モードを有する電磁波を生成することにより、電磁波のコヒーレンス長が増加する。これは、電磁波を種々のアプリケーションで実現する場合に有利となる。例えば、光共振器配列により生成された電磁波は、レンジ、速度、精度、及び／またはレーザレーダシステムの他の側面を向上させる。
2008536096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射源からの電磁波を制御可能にチャープするシステムであって、
光共振器を形成する少なくとも１つの光学素子と、
前記光共振器内部に配置され、前記光共振器から電磁波を受け取って、該受け取った電磁波のうち周波数シフトされた部分を前記光共振器に戻す周波数シフタと、
前記光共振器内部に配置され、前記光共振器から電磁波を受け取って、該受け取った電磁波を前記光共振器から放出するように、または、前記受け取った電磁波を前記光共振器に戻すように制御できる光スイッチとを備えるシステム。
【請求項２】
前記光スイッチが、前記放射源から電磁波を受け取り、前記放射源から受け取った前記電磁波を前記光共振器から放出するように、または、前記放射源から受け取った前記電磁波を前記光共振器内へと指向させるように制御できる請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光スイッチが、前記光共振器から受け取った前記電磁波を前記光共振器へと戻す際に、前記光スイッチが前記放射源から受け取った前記電磁波を放出する請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
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５】
前記光増幅器が、前記光共振器の１つまたは複数の共振器損失を克服するのに十分な大きさのゲインを有する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記光共振器内の一部の前記電磁波が、前記光共振器から装置へと出力される請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記光共振器から出力される前記光共振器内の前記一部の電磁波が、周波数シフタから前記装置へと出力される請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記周波数シフタが、前記光共振器から電磁波を受け取り、前記光共振器から出力される前記一部の電磁波が前記周波数シフタによってゼロ次回折されるように、前記受け取った電磁波を回折させる請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記周波数シフタが、前記光共振器から電磁波を受け取り、前記光共振器に戻すように出力された前記受け取った電磁波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波を回折させる請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記光共振器が、リング共振器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光学素子が、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つを含む請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記光スイッチが、前記光共振器の光路長と実質的に等しい時間周期で、前記受け取った電磁波を前記光共振器から放出するように制御できる請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記周波数シフタが、音響光学ブラッグセルを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
電磁波を制御可能にチャープする方法であって、
光共振器を形成し、
電磁波を初期周波数で前記共振器内に導入し、
前記電磁波の前記周波数を、光共振器内において前記初期周波数から実質的に線形のチャープレートでシフトさせ、
前記光共振器内に蓄積された前記電磁波の一部を前記光共振器の外に放出するように光スイッチを開放し、
電磁波を前記初期周波数で前記光共振器の中へ導入する方法。
【請求項１５】
更に、前記光共振器内において前記電磁波を増幅する請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
更に、前記光共振器内の前記電磁波の一部を、装置へと出力する請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記光共振器内における前記電磁波の前記周波数をシフトする工程が、前記光共振器内において前記電磁波を回折させることを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記光共振器が、リング共振器を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記電磁波の一部を放出するように光スイッチを開放する工程と、電磁波を前記初期周波数で前記光共振器内へ導入する工程とが、同時に行われる請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
第１のレーザビームを発生させるレーザ源と、前記第１のレーザビームを第１の標的ビームと第１のローカル発振ビームとに分割し、前記第１の標的ビームの第１の反射部と前記第１のローカル発振ビームとから第１の合波された標的ビームを発生させる干渉計とを備える第１のコヒーレントレーザレーダ部と、
第２のレーザビームを発生させるレーザ源と、前記第２のレーザビームを前記第１の標的ビームと同一位置で標的に入射する第２の標的ビームと第２のローカル発振ビームとに分割し、前記第２の標的ビームの第２の反射部と前記第２のローカル発振ビームとから第２の合波された標的ビームを発生させる干渉計とを備える第２のコヒーレントレーザレーダ部と、
前記第１の合波された標的ビームと前記第２の合波された標的ビームとから、前記標的のレンジ及びレンジレートを明確に決定する処理装置とを備えるレーザレーダシステム。
【請求項２１】
前記第１のチャープレートが、前記第２のチャープレートと反対方向である請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
出射前に前記第１の標的ビームと前記第２の標的ビームとから合波された標的ビームを発生させる結合器と、
前記合波された標的ビームを前記標的に指向させ、該標的から反射された反射電磁波を受け取り、共通光路の一部を形成する入出力ポートとを更に備える請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記入出力ポートが、サーキュレータ、光カプラ、及び光ファイバの一つまたは複数によって提供される請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記共通光路が、前記第１の標的ビームと前記第２の標的ビームを標的全体で走査可能にする走査素子を含む請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１のレーザ源と前記第２のレーザ源が、実質的に同一の光周波数を有する請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記処理装置が、前記第１の合波された標的ビームに関連する第１のうなり信号と前記第２の合波された標的ビームに関連する第２のうなり信号とを電気的に混合する請求項２０に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１のローカル発振ビームが複数の第１のローカル発振ビームに分割され、前記第２のローカル発振ビームが複数の第２のローカル発振ビームに分割され、前記複数の第１のローカル発振ビーム及び前記複数の第２のローカル発振ビームが、前記システムによってレンジ及びレンジレートが正確に決定されるレンジセットの範囲内に、前記標的の前記レンジが確実に収まるように遅延時間を変化させるために遅延される請求項２０に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第１のレーザ源及び前記第２のレーザ源の少なくとも一方が、
電磁波が循環する光共振器を形成する１つまたは複数の光学素子と、
前記光共振器を循環する前記電磁波に周波数シフトを与える周波数シフト装置とを含む請求項２０のシステム。
【請求項２９】
前記周波数シフト装置が、前記光共振器を循環する前記電磁波に一定の周波数シフトを与える請求項２８のシステム。
【請求項３０】
前記周波数シフト装置が、音響光学ブラッグセルである請求項２８のシステム。
【請求項３１】
前記第１のレーザ源と前記第２のレーザ源の少なくとも一方が、周期的且つ自動的に線形化される請求項２０のシステム。
【請求項３２】
前記第１のレーザ源と前記第２のレーザ源の少なくとも一方が、チャープ毎に一度自動的に線形化される請求項３１のシステム。
【請求項３３】
前記第１の標的ビームと前記第２の標的ビームが、共通の測定点に合焦される請求項２０に記載のシステム。
【請求項３４】
第１のチャープレートで第１のレーザビームを発生させるレーザ源と、前記第１のレーザビームを第１の標的ビームと第１のローカル発振ビームとに分割し、前記第１の標的ビームの第１の反射部と前記第１のローカル発振ビームとから第１の合波された標的ビームを発生させる干渉計とを備える第１のコヒーレントレーザレーザ部と、
固定周波数で第２のレーザビームを発生させる第２のレーザ源と、前記第２のレーザビームを、前記第１の標的ビームと同一位置で標的に入射する第２の標的ビームと第２のローカル発振ビームとに分割し、前記第２の標的ビームの第２の反射部と前記第２のローカル発振ビームとから第２の合波された標的ビームを発生させる干渉計とを備える第２のコヒーレントレーザレーダ部と、
前記第１の合波された標的ビームと前記第２の合波された標的ビームとから、前記標的のレンジ及びレンジレートを明確に決定する処理装置とを備えるレーザレーダシステム。  
【請求項３５】
前記第２のレーザレーダ部が、前記第２のローカル発振ビームに周波数シフトを与える周波数シフト装置を更に含む請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
発射前の前記第１の標的ビームと前記第２の標的ビームとから合波された標的ビームを発生させる結合器と、
前記合波された標的ビームを前記標的に指向させ、前記標的から反射された反射電磁波を受け取り、共通光路の一部を形成する入出力ポートとを更に備える請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記入出力ポートが、サーキュレータ、光カプラ、及び光ファイバの一つまたは複数によって提供される請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記入出力ポートから前記合波された標的ビームを受け取り、前記第１の標的ビームと前記第２の標的ビームとを標的全体で走査する、前記結合された光路に含まれる走査素子を更に備える請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記第１のレーザ源と前記第２のレーザ源が、実質的に同一の光周波数を有する請求項３６に記載のシステム。
【請求項４０】
前記第１のローカル発振ビームが複数の第１のローカル発振ビームに分割され、前記第２のローカル発振ビームが複数の第２のローカル発振ビームに分割され、前記複数の第１のローカル発振ビームと前記複数の第２のローカル発振ビームが、前記システムによってレンジ及びレンジレートが正確に決定されるレンジセットの範囲内に前記標的の前記レンジが確実に収まるように、遅延時間を変化させるために遅延される請求項３４に記載のシステム。
【請求項４１】
前記第１のレーザ源が、
電磁波が循環する光共振器を形成する１つまたは複数の光学素子と、
前記光共振器を循環する前記電磁波に周波数シフトを与える周波数シフト装置とを含む請求項３４のシステム。
【請求項４２】
前記周波数シフト装置が、前記光共振器を循環する前記電磁波に一定の周波数シフトを与える請求項４１のシステム。
【請求項４３】
前記周波数シフト装置が、音響光学ブラッグセルである請求項４１のシステム。
【請求項４４】
前記第１のレーザ源が、自動的且つ周期的に線形化される請求項３４のシステム。
【請求項４５】
前記第１のレーザ源が、チャープ毎に一度自動的に線形化される請求項４４のシステム。
【請求項４６】
前記第１の標的ビームと前記第２の標的ビームが、共通の測定点に合焦される請求項３４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年２月１４日出願の「チャープされたコヒーレントレーザレーダシステム及び方法」と題された米国仮出願番号第６０／６５１，９８９号からの優先権を主張し、２００６年２月１４日出願の「チャープされた電磁波を提供するシステム及び方法」と題された米国特許出願（代理人整理番号０２１６３６−０３１６７４０）に関連する。
【０００２】
本発明は、電磁波源に関し、より具体的には、チャープされた電磁波を提供するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
１つまたは複数のレーザレーダを用いて直線距離を測定するための種々の測定装置が知られている。このような測定装置は、測定装置からの標的の距離またはレンジ、及び／または、測定装置に対し相対的な標的の速度またはレンジレートに関する情報を発生させる。このレンジやレンジレートの情報は、様々な場で有用となる。この出願の目的のために、レンジレートという用語は、標的と測定装置とのレンジの変化率のことを言う。
【０００４】
典型的な測定装置は、例えば、周波数変調レーザレーダシステムを備える。このシステムは、電磁波ビームを出射するレーザ源を含む。ビームは、連続的変化する、または、チャープする周波数で出射される。場合によっては、周波数をチャープすることは、下側周波数と上側周波数との間（あるいはその逆）で周波数を周期的に掃引すること（例えば、のこぎり波、三角波など）を含む。ビームは、標的ビームと参照ビームとに分割される。
【０００５】
従来の実施形態では、システムは標的干渉計と参照干渉計とを備える。標的干渉計は標的ビームを受け取り、標的に指向され標的から反射される標的ビームの一部分と、既知または固定の光路長を有する経路で指向される標的ビームの別部分との周波数差に対応する標的信号を発生させる。周波数差は、標的ビームの２つの部分から導出される干渉信号に基づいて、標的干渉計によって決定される。参照干渉計は、参照ビームを受け取り、既知の光路長差を有する２つの異なる固定経路で指向される参照ビームの２つの部分の間の周波数差に対応する参照信号を発生させる。周波数差は、参照ビームの２つの部分から導出される干渉信号に基づいて、参照干渉計によって決定される。
【０００６】
一般に、システムは処理装置を備える。処理装置は標的信号と参照信号とを受信し、これらの信号を加工して標的干渉計及び標的のレンジを決定する。標的信号と参照信号とに基づいて決定されるレンジ情報は、標的干渉計に対する標的のレンジレートを決定するのに用いられる。
【０００７】
従来のシステムは、例えば「コヒーレント光検波を用いた三次元視覚システム」と題された米国特許第５，１１４，２２６号に記載されているように構築される。米国特許第５，１１４，２２６号は、全体を参照することにより本明細書中に組み込まれる。
【０００８】
従来のシステムは、通常、種々の動作状態に制限される。例えば、従来のシステムは、標的信号と参照信号とに基づいてレンジ情報及び／またはレンジレート情報を瞬時に提供することができない、または、距離及び速度を明確に決定することができない。従来のシステムは、他の面においても制限される。このような制限は、例えば、標的を高速で走査する駆動光学素子（例えばミラーまたはレンズ）を用いて、標的干渉計に向かって、または、標的干渉計から離れて標的を加速させるなどの種々の動作条件により、悪影響を受ける。
【０００９】
いくつかの構成では、２つのレーザ源によって発生したビームが合波されて、後に参照ビームと標的ビームとに分割される電磁波ビームを提供する。この構成では、２つのレーザ源の周波数は逆にチャープされる。言い換えれば、一方のレーザ源の周波数が上側周波数に向かって上昇するが、他方のレーザ源の周波数が下側周波数に向かって下降するように、またその逆の場合も同様に、２つの周波数がチャープされる。このような構成を用いたシステムは、単一レーザ源システムに関連する不利益のいくつかあるいは全てのみならず、レーザ源が２つあるシステムに特有の不利益を被る。更に、従来のシステムは、出射された電磁波の周波数を十分に制御して電磁波のチャープレートを適切に操作することができず、あるいは、出射された電磁波の周波数を十分に線形となるようにチャープすることができず、あるいは、他の欠点を有する。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の一態様は、放射源からの電磁波を制御可能にチャープするシステム及び方法に関する。本発明のシステム及び方法は、実質的に線形のチャープレートと設定変更可能な周期で電磁波を生成できる光共振器配列を含む。電磁波を光共振器に選択的に導入することによって、実質的に線形のチャープレートで周波数シフトされる単一共振モードで電磁波が生成される。単一共振モードを有する電磁波を生成すると、電磁波のコヒーレンス長が増加する。これは種々の用途で電磁波を実施するときに有利である。例えば、光共振器配列により生成された電磁波は、レーザレーダシステムのレンジ、速度、精度、及び／または他の側面を向上させる。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態では、システムは、放射源と、光共振器を形成する１つまたは複数の光学素子と、周波数シフタと、光スイッチと、光増幅器とを含む。このシステムは、コヒーレントレーザレーダ装置、スペクトル解析装置、干渉計、遠隔計測装置などに、チャープされた電磁波を提供して実現される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、周波数シフタは光共振器内に配置され、光共振器から電磁波を受け取り、受け取った電磁波の周波数シフトされた部分を光共振器に出力して戻す。光スイッチは光共振器内に配置され、光共振器から電磁波を受け取る。光スイッチは、受け取った電磁波を光共振器から放出するように、または、受け取った電磁波を前記光共振器に戻すように制御できる。場合によっては、受け取った電磁波を光共振器から放出しながら、放射源からの電磁波を初期光周波数で光スイッチで受け取り、放射源からの電磁波を光共振器に入射するように、光スイッチを制御できる。放射源からの電磁波を光共振器に入射しながら光共振器から受け取った電磁波を放出することにより、光共振器内の電磁波の周波数を初期周波数に戻す。
【００１３】
いくつかの実施形態では、光共振器内の種々の損失によって、光共振器の品質因子が低下する。例えば、光共振器から装置へと出力される電磁波は損失となる。光学素子中の欠陥に対する損失、または他の寄生損失などの損失も存在する。品質因子の低下に対処するために、共振器損失を減少させるように、システムの構成部品を選択する、及び／または、システムの構成を設計する。共振器損失はまた、光共振器内に蓄積されたエネルギー、及び／または、光共振器から出力されたパワーを減少させる。共振器損失に対処するために、光増幅器を光共振器内に配置する。光増幅器は、光共振器から出力される電磁波の強度を維持するように、共振器損失の合計を克服するのに十分なゲインを光共振器内の電磁波に提供し、光共振器またはレーザを形成するように選択される。光増幅器はまた、例えば均一線幅、利得帯域幅などの、１つまたは複数の仕様に基づいて選択される。
【００１４】
本発明の種々の実施形態の一態様は、標的のレンジ及び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。本発明の種々の実施形態の別の態様は、多重同時測定(あるいは実質的に多重同時測定)を得るために複数のレーザレーダ部を用いるレーザレーダシステムに関する。これにより、連続測定を行う単一レーザ部を採用するシステムによりもたらされる種々の時間効果がなくても、レンジ及びレンジレートの両方を決定できる。更に、本発明の種々の実施形態の他の態様は、標的のレンジ及びレンジレートをより迅速に決定し、標的のレンジ及びレンジレートをより正確に決定し、及び／または他の利点を提供する。
【００１５】
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、標的に向かって第１の標的ビームと第２の標的ビームを出射する。第１の標的ビームと第２の標的ビームは、標的によって反射されレーザレーダシステムに戻る。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及び標的のレンジレートの少なくとも一方を決定する。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のレーザレーダ部と、第２のレーザレーダ部と、処理装置とを含む。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザレーダ部は、第１の標的ビームと第１の参照ビームを発生させる。第１の標的ビームと第１の参照ビームは、第１のチャープレートで変調される第１の周波数で、第１のレーザ源によって発生する。第１の標的ビームは、標的上の測定点に指向される。第１のレーザレーダ部は、標的に指向され標的から反射される第１の標的ビームの一部分と、ローカル発振ビームと呼ばれる既知または固定の光路長を有する経路で指向する第１の標的ビームの別部分とを合波する。これが第１の合波された標的ビームとなる。
【００１７】
本発明の種々の実施形態によると、第２のレーザレーダ部は、第１のレーザレーダ部に対して配置され固定される。具体的には、各レーザビームの透過と受信に関連する光学部品が配置され固定される。第２のレーザレーダ部は、第２の標的ビームと第２の参照ビームとを発生させる。第２の標的ビームと第２の参照ビームは、第２のチャープレートで変調される第２の周波数で、第２のレーザ源により発生する。第２のチャープレートは第１のチャープレートと異なる。これにより、例えば信号識別などの１つまたは複数の後処理プロセスの側面が容易となる。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点に指向される。第２のレーザレーダ部は、標的に指向され標的から反射される第２の標的ビームの一部分と、既知または固定の光路長を有する経路に指向される第２の標的ビームの他の部分とを合波する。これが第２の合波された標的ビームとなる。
【００１８】
本発明の種々の実施形態によると、処理装置が第１と第２の合波された標的ビームを受け取り、各反射標的ビームとそれに対応するローカル発振ビームの各々の光路長差によって、及び、レーザレーダシステムに対する標的の移動により生成されるドップラー周波数シフトによって生じるうなり周波数を測定する。ローカル発振ビームとその反射標的ビームの各々とのうなり周波数が、反射標的ビームの同時（または実質的に同時）時間成分に対応する限り、次いでうなり周波数は線形に結合され、標的のレンジ及びレンジレートを明確に決定する。反射標的ビームの同時
(または実質的に同時)時間成分は、１）標的と実質的に同一部分に入射している、２）同様の透過効果により影響を受けている、３）実質的に同一の条件で走査光学素子によって指向されている、及び／または、４）他の類似点を共有するという、標的ビームの時間成分を含む。線形に結合させるために反射標的ビームの同時(または実質的に同時)時間成分に対応するうなり周波数を使用することで、環境やその他の効果によりデータに導入されたノイズを効果的にキャンセルする（例えば式（１）参照）。
【００１９】
合波された標的ビームは、第１のローカル発振ビームと第２のローカル発振ビームを、異なる標的ビームまたは同一標的ビームの別の部分と別々に合波することによって生成されるので、第１の合波された標的ビームと第２の合波された標的ビームは、最終プロセスの直前に、２つの別々であるが一致する単一源周波数変調レーザレーダシステム中に存在する光信号を示す。例えば、合波された標的ビームは、単一源システムにおける標的干渉計によって生成される光信号を表す。
【００２０】
種々の実施形態によると、標的ビームは、別々の光路上の標的に指向される、及び／または、別々の光路上の標的から受け取られる。いくつかの実施形態では、これらの光路は類似であるが明確に区別できるものである。他の実施形態では、第１の標的ビームと第２の標的ビームが、出射前に合波され、共通光路に沿って標的に指向する合波された標的ビームを生成する。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、標的ビームを標的に指向させる共通光路とは別の受光光路に沿ってレーザレーダシステムに受け取られる。このような実施形態は「バイスタティック」と称される。あるいは、合波された標的ビームは、共通光路に沿って、レーザレーダシステムに受け取られる。後者の実施形態は、「モノスタティック」と称される。モノスタティックの実施形態は、レプロシカル光学で作動する場合に、バイスタティックの実施形態よりも有利である。具体的には、本発明のモノスタティックの実施形態は、とりわけ、差分ドップラー効果やスペックルに起因する歪曲による影響が少ない。差分ドップラー効果は、例えば、標的ビームを標的上の別の場所に指向される走査ミラーによって生成される。ミラーの様々な部分が異なる速度で移動するので、標的ビームの様々な部分が異なるドップラーシフトをし、これによりレンジ測定及びレンジレート測定に誤差が生じる。これらの効果は、例えば、デジタル  シグナル  コーポレイション（ヴァージニア  ２２１５１  スプリングフィールド  フォーブスプレース  ８００３）によって提出された、アンソニー  スロットウィンスキ（Ａｎｔｈｏｎｙ  Ｓｌｏｔｗｉｎｓｋｉ）らによるＮＡＳＡラングレー契約番号ＮＡＳ１−１８８９０（１９９１年５月）、第２段階最終報告（Ｐｈａｓｅ  II  Ｆｉｎａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ）付属書３にて調査され分析されており、全体を参照として本明細書に組み入れる。
【００２１】
場合によっては、第１のレーザ源と第２のレーザ源は、それぞれ、第１の搬送周波数及び第２の搬送周波数で電磁波を発生させる。第１の搬送周波数は、第２の搬送周波数と実質的に同じである。これにより、例えばスペックルに起因する歪曲を最小限に抑えるなど、種々のエンハンスメントをレーザレーダシステムに与えることができる。
【００２２】
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、各レーザビームを発生させるために高線形構成要素に依存する、あるいは採用する。この目的のために、第１のレーザ源と第２のレーザ源は、頻繁に（例えばチャープ毎に）、または、いくつかの実施形態では連続的に（あるいは実質的に連続的に）線形化される。この線形化により、オペレータがシステム性能低下に気づいた時、または性能低下の恐れにより線形化を開始するようオペレータが指示された時、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外になる時などに、線形化が起動時に起こる従来のシステムよりもレンジ測定精度が高まる。頻繁な、及び／または、自動的な線形化により、高速スキャン中のミラー差分ドップラーノイズ効果を低減させ、レンジ推定へのこれらと他のノイズ貢献を相殺するための二重チャープ技術の効果を最大限に発揮させる。
【００２３】
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からの標的のレンジが最小レンジと最大レンジのとの間のレンジセットの範囲内にある場合に、レーザレーダシステムは標的のレンジ及びレンジレートを高精度で決定する。標的のレンジがこのレンジセットの範囲内に無い場合、レーザレーダシステムの精度は低下する。この低下は、第１のレーザ源と第２のレーザ源のコヒーレンス長の結果であり、コヒーレンス長は有限の性質となる。例えば、最小レンジと最大レンジの距離はコヒーレンス長の関数となる。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くなるほど、最小レンジと最大レンジと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増加させることで、拡張したレンジセットで決定できるようにすることによって、レーザレーダシステムによるレンジ及びレンジレートの決定を向上させる。
【００２４】
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が、本明細書中に記載されるように、放射源からの電磁波を制御可能にチャープするためのシステム及び方法を実現する。このシステム及び方法により、電磁波を実質的に線形のチャープレートで設定変更可能な周期で発生させることが出来る。いくつかの実施形態では、電磁波は単一の周波数シフトされた共鳴モードを含む。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態では、チャープレートの１つがゼロに設定される。言い換えると、レーザ源の１つが一定の周波数で電磁波を出射する。これにより、一定の周波数で出射するレーザ源を、より簡素な設計で、小さい設置面積で、より軽量にコストを削減させて、あるいはシステム全体に有利となるエンハンスメントで、実現することができる。これらの実施形態では、ゼロにセットされたチャープレートを有するレーザレーダ部が、標的のレンジレートのみを決定するために用いられる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態では、処理装置は、第１の合波された標的ビームと第２の合波された標的ビームとを線形に合波し、レンジ信号及びレンジレート信号をデジタル的に発生させる。例えば、処理機は第１の検出器と第２の検出器とを含む。第１の検出器は第１の合波された標的ビームを受け取り、第１の合波された標的ビームに対応する第１のアナログ信号を発生させる。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る。処理装置は、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の周波数データセットを決定する第１の周波数データモジュールを含む。
【００２７】
第２の検出器は第２の合波された標的ビームを受け取り、第２の合波された標的ビームに対応する第２のアナログ信号を発生させる。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る。処理装置は、第２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２の周波数データセットを決定する第２の周波数データモジュールを含む。
【００２８】
第１の周波数データセットと第２の周波数データセットとが、周波数データ結合モジュールに受信される。周波数データ結合モジュールは、第１の周波数データセットと第２の周波数データセットとから導出されるレンジレート信号とレンジ信号とを発生させる。
【００２９】
本発明の別の実施形態では、処理装置は第１の合波された標的ビームと第２の合波された標的ビームとを電気的に混合し、レンジ信号とレンジレート信号とを発生させる。例えば、処理装置は変調器を含む。変調器は、第１の検出器によって発生した第１のアナログ信号と、第２の検出器によって発生した第２のアナログ信号とを逓倍し、結合アナログ信号を生成する。このような実施形態では、処理装置は、結合アナログ信号を受信する第１のフィルタと第２のフィルタとを含む。第１のフィルタは、結合アナログ信号をフィルタにかけ、第１のフィルタ信号を発生させる。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、レンジレート信号を発生させる。第２のフィルタは、結合アナログ信号をフィルタにかけ、第２のフィルタ信号を発生させる。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、レンジ信号を発生させる。
【００３０】
本発明の他の実施形態によると、処理装置は第１の合波された標的ビームと第２の合波された標的ビームとを光学的に混合し、レンジ信号とレンジレート信号を発生させる。例えば、処理装置は、第１の合波された標的ビームと第２の合波された標的ビームとを受け取り、第１の合波された標的ビームと第２の合波された標的ビームとを検出することにより結合アナログ信号を発生させる検出器を含む。このような実施形態では、処理装置は、結合アナログ信号を受信する第１のフィルタと第２のフィルタとを含む。第１のフィルタは結合アナログ信号をフィルタにかけ、第１のフィルタ信号を発生させる。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、第１のレンジレート信号を発生させる。第２のフィルタは結合アナログ信号をフィルタにかけ、第２のフィルタ信号を発生させる。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、レンジ信号を発生させる。
【００３１】
本発明のこれらと他の目的、特徴、利益、効果は、好適な実施形態の詳細な説明及び添付の図面から明らかとなるだろう。前述の概要及び後述の詳細な説明は両方とも例示的であり、本発明の範囲を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１に、実質的に線形のチャープレートでチャープさせた周波数で電磁波を発生させるためのシステム１１０を示す。システム１１０は、放射源１１２と、１つまたは複数の光学素子１１４（光学素子１１４ａ−１１４ｄとして示される）と、周波数シフタ１１６とを含む。システム１１０は、チャープされた電磁波を、コヒーレントレーザレーダ装置、スペクトル解析装置、干渉計、遠隔計測装置、などに提供して実現される。
【００３３】
図１に示すように、放射源１１２は、コヒーレント電磁波ビーム１１８をシステム１１０に提供する。光学素子１１４は、例えばリング共振器などの光共振器１２０を形成する。ビーム１１８は、ビーム１１８を形成する電磁波を光共振器１２０中に導入するように光共振器１２０に入射される。周波数シフタ１１６は、光共振器１２０内に配置されて電磁波を受け取り、電磁波を回折する１つの回折素子（あるいは複数の回折素子）を含む。周波数シフタ１１６によってゼロ次回折された電磁波は、周波数シフトされることなく周波数シフタ１１６を通過し、上記に列挙した装置の１つで使用するために提供される電磁波の出力ビーム１２２を形成する。ゼロ次以外の次数（例えば一次）の回折電磁波は、所定の（場合によっては調節可能な）量で周波数シフトされ、周波数シフトされた電磁波ビーム１２４を形成する。その後、ビーム１２４及び１１８は光共振器１２０内で合波され、再び周波数シフタ１１６に指向する。このように、周波数シフタ１１６は、周波数シフタ１１６を通過する毎に光共振器１２０内の電磁波の共振モードの周波数を徐々にシフトさせる。このように徐々にシフトさせることにより、光共振器１２０内の電磁波(及び出力ビーム１２２)の周波数が、実質的に線形のレートでチャープされる。
【００３４】
光共振器１２０の品質因子（共振器内の蓄積エネルギーと消散エネルギーとの比で定義される）は、光共振器１２０内の種々の損失により低下する。例えば、出力ビーム１２２中のシステム１１０から出力される電磁波は損失となる。光学素子１１４の欠陥に対する損失または他の寄生損失などの損失も存在する。共振器損失に対処するために、光増幅器１２６が光共振器１２０内部に配置されている。光増幅器１２６は、出力ビーム１２２内に含まれる共振モードの強度を維持するように、共振器損失の合計を解消するのに十分なゲインをビーム１２４に提供するように選択される。光増幅器１２６はまた、例えば均一線幅、利得帯域幅などの１つまたは複数の仕様に基づいて選択される。放射源１１２は、光増幅器１２６の利得帯域幅の範囲に入る周波数で電磁波を出射するように選択される。
【００３５】
システム１１０を実現する際に、出力ビーム１２２の周波数がチャープされるチャープレートが、光共振器１２０の共振器長によって制御され、光共振器１２０の共振器長は光学素子１１４の構成を調整することによって調整される。チャープレートを制御するための別の機構は、周波数シフタ１１６によって光共振器１２０内の電磁波に与えられる周波数シフトを制御することを含む。いくつかの実施形態では、周波数シフタ１１６は、光共振器１２０内の電磁波を選択可能に周波数シフトさせるように駆動される音響光学ブラッグセルを含む。光共振器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る周波数で電磁波を生成するためのシステムの従来の実施形態の例は、シュマデルらによる米国特許第４，６９７，８８８号に見られ、参照として本明細書に組み入れる。
【００３６】
システム１１０では、モードの周波数がシフトされ、周波数が光増幅器１２６の利得帯域幅の範囲に入らなくなるまで、光共振器１２０内の電磁波のモードが線形にチャープされる。モードの周波数が、一旦光増幅器１２６の利得帯域幅の外側になると、光共振器１２６はゲインをモードに提供しなくなり、その結果光共振器１２０内の損失によりモードが消滅する。このようにモードが消滅すると、ビーム１１４中の光共振器１２０内に導入される電磁波が、その周波数が周波数シフタ１１６によって後に線形にチャープされる新しいモードを、このモードもまた消滅するまで形成する。
【００３７】
図２は、本発明のいくつかの実施形態に係る電磁波を生成するためのシステム２１０を例示的に説明する。電磁波がシステム２１０によって単一モードで出射され、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する構造で説明され、類似の構成には同一の参照番号を付ける。例えば、システム２１０は、放射源１１２と、光共振器１２０を形成する１つまたは複数の光学素子１１４（光学素子１１４ａ−１１４ｄとして示される）と、周波数シフタ１１６と、光増幅器１２６とを含む。システム１１０と同様に、システム２１０は、チャープされた電磁波を、コヒーレントレーザレーダ装置、スペクトル解析装置、干渉計、遠隔計測装置などに提供して実現される。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態では、放射源１１２は、コヒーレント電磁波ビーム１１８をシステム２１０に提供し、光共振器を形成する光学素子１１４と、周波数シフタ１１６と、光増幅器１２６とが、そこからの電磁波に相互作用する。ビーム１１８は光共振器１２０に入射する。周波数シフタ１１６は光共振器１２０内に配置されて電磁波を受け取り、例えば、ＲＦ源２１２で駆動されて光共振器１２０内の電磁波に設定可能な周波数シフトを与える音響光学ブラッグセルなどを含む。システム１１０と同様に、システム２１０において、周波数シフタ１１６からゼロ次回折された電磁波が、周波数シフトされることなく周波数シフタ１１６を通過し、上記で列挙した装置の１つで使用されるために提供される電磁波の出力ビーム１１２を形成する。ゼロ次以外の次数（例えば１次）の回折電磁波は、所定の（場合によっては調節可能な）量で周波数シフトされ、周波数シフト電磁波ビーム１２４を形成する。その後、ビーム１２４は、再び周波数シフタ１１６に指向する。このようにして、周波数シフタ１１６は、周波数シフタ１１６を通過する毎に、光共振器１２０内の電磁波に存在する１つまたは複数の共振モードの周波数を徐々にシフトさせる。このように徐々にシフトさせることにより、光共振器１２０内の電磁波(及び出力ビーム１２２)の周波数が、実質的に線形のレートでチャープされる。光共振器１２０の品質因子の低下に対処するために、光増幅器１２６が光共振器１２０内に配置され、ゲインを光共振器１２０内の電磁波に提供する。光増幅器１２６は、上記の１つまたは複数の仕様に基づいて選択される。
【００３９】
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。光スイッチ２１４は光共振器１２０内に配置されて光共振器１２０内の電磁波（例えばビーム１２４）及び放射源１１２からの電磁波を受け取り、ビーム１１８及び１２４の一方が光共振器１２０に入射されるが、ビーム１１８及び１２４の他方が光共振器１２０から放出されるように、ビーム１１８及び１２４を指向させるように選択的に制御できる。この構成により、線形にチャープされた単一モードの電磁波を、光共振器１２０内に蓄積したり、光共振器１２０から出射したりすることができる。具体的には、光スイッチ２１４は、放射源１１２の出射周波数で、電磁波を放射源１１２から光共振器１２０に導入できる。例えば、光スイッチ２１４は、光共振器１２０の光路に対応する周期でビーム１１８を光共振器１２０に入射させることができる。これと同一の時間周期の間、スイッチ２１４は光共振器からエネルギーを放出し、これを放射源１１２からのエネルギーと置換する。適切な量の電磁波が光共振器１２０に入射されると、光スイッチ２１４はビーム１１８を光共振器１２０から放出し、光共振器１２０内の電磁波（例えばビーム１２４に含まれる電磁波）を光共振器内に戻して入射する。ただし、電磁波を放射源１１２から光共振器１２０に受け取られる時間量が光共振器１２０の光路と実質的に等しいか少ない場合、これにより光共振器１２０で単一共振モードの電磁波が生成される。光共振器１２０内に含まれる電磁波モードが、周波数シフタ１１６と光増幅器１２６と光スイッチ２１４とを通過して光共振器１２０を循環するに従い、周波数モードが周波数シフタ１１６によって徐々にシフトされ、光共振器１２０内の周波数モードが線形にチャープされる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態では、光スイッチ２１４は、光共振器１２０内の電磁波の周波数を初期化することができる。例えば、光スイッチ２１４を制御して光共振器１２０内を循環している電磁波を放出することにより、電磁波の現在のモードを効果的に消滅させる、あるいは、シフトした周波数を有する電磁波の現在のモードを光共振器１２０の外に放出させる。同時に（または実質的に同時に）、現存の、あるいは古いモード（ビーム１２４）が放出されると、光スイッチ２１４を制御してビーム１１８を放射源１１２から光共振器１２０内に入射されることにより、新しい電磁波モードが開始される。これは、シフトされた周波数を有する古い電磁波モードを取り除いて共振器１２０を空にし、放射源１１２の出射周波数で新しい電磁波モードを光共振器内に導入するとして概念化される。放射源１１２からの電磁波が、適切な時間量（例えば光共振器１２０の光路）で光共振器１２０に入ることができると、光スイッチ２１４が再び制御されて放射源１１２からのビーム１１８に含まれる電磁波を光共振器１２０から放出し、新しい電磁波モードが光共振器１２０を循環することができる。
【００４１】
例として、図３Ａ及び図３Ｂに、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。この実施形態では、光スイッチ３１０は、光スイッチ３１０が光共振器１２０などの光共振器から電磁波を受け取る共振器入力３１２と、光スイッチ３１０が放射源１１２などの放射源から電磁波を受け取る放射源入力３１４とを含む。光スイッチ３１０は複数の移動可能な光学部材（例えば微小ミラー）３１６（３１６ａ及び３１６ｂとして示される）を含む。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、共振器入力３１２あるいは放射源入力３１４で受け取った電磁波のいずれか一方（あるいは両方)を共振器出力３１８に選択的に導き、そこで電磁波を光共振器へと導く方法で、移動可能な光学部材３１６が、光スイッチ３１０内の電磁波の光路内及び光路外へと、制御可能に作動する。可動光学部材３１６によって共振器出力３１８へと導かれない電磁波は、光スイッチ３１０によって光共振器から放出される。本発明の別の実施形態では、光スイッチ３１４（及び２１４）は、非機械的なスイッチ、固体スイッチ、光スイッチ、マッハツェンダー干渉計型スイッチ、光―電気―光スイッチなどを含む。
【００４２】
システム２１０の構成は例示目的のみであり、種々の代替及び／または置換が本発明の範囲から逸脱することなく含まれることが理解されよう。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るが、多くの周波数シフト構成部品が実現される。同様に、図２にミラーとして示される光学部材１１４は、光ファイバ、ミラー、プリズムまたはその他の電磁波を導くことができる光学部材を含む。いくつかの実施形態では、電磁波は周波数シフタ１１６以外の地点でシステム２１０から出力される。例えば、光学部材１１４の１つが、装置で用いるために、光共振器１２０から電磁波を出力できるハーフミラーを含む。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態では、放射源１１２からの電磁波が光スイッチ２１４で受け取られることなく光共振器１２０に入射され、光スイッチ２１４が光共振器１２０から受け取った電磁波を光共振器１２０の外へ放出する際に、電磁波を光共振器１２０に提供のみするように、放射源１１２が構成される。例えば、遮断部材、または、放射源１１２から出射された電磁波を適切な回数で光共振器１２０に入射できるのみの光スイッチ２１４と異なる光スイッチを経由して、電磁波を放射源１１２から光共振器１２０内に受け取られる。他の実施形態では、光スイッチ２１４が電磁波を光共振器１２０の外へ放出する際に、放射源１１２は電磁波を出射するだけである。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態によると、システム２１０は、システムに更なるエンハンスメントを与えるために、１つまたは複数の追加の素子及び／または部品を含む。例えば、光ダイオードを光共振器１２０内に内蔵して、電磁波が光共振器１２０内で単一方向に伝播するのを確実にする。いくつかの実施形態では、放射源１１２が作動する縦モードの量を制限する光フィルタ装置が追加される。１つまたは複数の偏光素子もまた、システム２１０の光学的安定性を向上させるために追加される。
【００４５】
図４に、周波数変調レーザレーダシステム４１０を示す。システム４１０は、通常、電磁波ビーム４１４を出射するレーザ源４１２を含む。ビーム４１４は、連続的に変更される、あるいはチャープされる周波数で出射される。場合によっては、周波数をチャープすることは、周期的に下側周波数と上側周波数（またはその逆）との間を掃引すること（例えば、のこぎり波、三角波など）を含む。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とに分割される。
【００４６】
本発明の種々の実施形態によると、レーザ源４１２は上述のシステム２１０を含む。レーザ源４１２中にシステム２１０を備えると、レンジ情報及び／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に用いられる電磁波のコヒーレンス長を増加させることにより、レーザレーダシステム４１０の動作が向上する。例えば、電磁波のコヒーレンス長を増加させると、レーザレーダシステム４１０のレンジ、速度、精度及び／または他の側面が向上する。
【００４７】
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とを含む。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。標的干渉計４２２は、通常、標的干渉計４２２からの標的４３０のレンジに依存する標的信号を発生させるために使用される。標的干渉計は、標的ビーム４１８の一部分４２８を標的４３０に指向させ、標的ビーム４１８の別の部分４３２を固定の光路長を有する光路で標的周波数差モジュール４３４に指向させることによって、これを達成する。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を経由して標的周波数差モジュール４３４に伝送される。光カプラ４４８での部分４３６と部分４３２との干渉により、標的周波数差モジュール４３４は、光路長差に起因する標的ビーム４１８の部分４３６及び４３２のうなり周波数に対応する標的信号を発生させる。
【００４８】
本発明の種々の実施形態によると、参照干渉計４２４は、参照ビーム４２０を受け取り、既知の光路長差を有する２つの別々の固定経路で指向される参照ビーム４２４の２つの部分の周波数差に対応する参照信号を発生させる。具体的には、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とに分割される。第１の部分４４２は、第２の部分４４４に対し固定の光路長差を有する。光カプラ４４６での部分４４２と４４４との干渉により、参照周波数差モジュール４５０は、固定の光路長差に起因する参照ビーム４２０の部分４４２と４４４のうなり周波数に対応する参照信号を発生させる。
【００４９】
明らかであるように、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説明され記載されている。しかしながら、他の干渉計構成を用いても良い。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形成する実施形態を含む。
【００５０】
いくつかの実施形態では、システム４１０は処理装置４３８を含む。処理装置４３８は標的信号と参照信号とを受信し、これらの信号を加工して標的４３０のレンジを決定する。標的信号と参照信号とに基づいて決定されるレンジ情報は、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ために用いられる。
【００５１】
２つまたはそれ以上のレーザレーダ部を採用し、その各々が標的に向かって標的ビームを出射するレーザレーダシステム５１０の例示的実施形態を図５に示す。例えば、第１のレーザレーダ部５７４は第１の標的ビーム５１２を出射し、第２のレーザレーダ部５７６は、標的５１６に向かう第２の標的ビーム５１４を出射する。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とがチャープされ、二重チャープシステムを構築する。本発明の種々の実施形態によると、レーザ部５７４は、レーザ源制御装置５３６、第１のレーザ源５１８、第１の光カプラ５２２、第１のビームディレイ５４４、第１のローカル発振光カプラ５３０、及び／または他の構成部品を含む。第２のレーザレーダ部５７６は、レーザ源制御装置５３８、第２のレーザ源５２０、第２の光カプラ５２４、第２のビームディレイ５５０、第２のローカル発振光カプラ５３２、及び／または他の構成部品を含む。例えば、各レーザレーダ部５７４及び５７６のいくつかまたは全ての構成部品を、ＭｅｔｒｉｃＶｉｓｉｏｎ（登録商標）製のコヒーレントレーザレーダシステムとして入手することができる。ＭｅｔｒｉｃＶｉｓｉｏｎ（登録商標）製のコヒーレントレーザレーダシステムは、例えば高線形機能、高位相移動補正、及び、標的５１６のレンジ及びレンジレートを決定する際のレーザレーダシステム５１０の他の利点などの、種々の利点を提供する。
【００５２】
本発明の種々の実施形態によると、第１のレーザ源５１８及び第２のレーザ源５２０の一方または両方が、上記のシステム２１０を含む。第１のレーザ源５１８及び／または第２のレーザ源５２０中にシステム２１０を備えると、レンジ情報及び／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波のコヒーレンス長が増加することによって、レーザレーダシステム５１０の動作を向上させる。例えば、電磁波のコヒーレンス長が増加されることにより、レーザレーダシステム５１０のレンジ、速度、精度、及び／または他の側面が向上する。しかしながら、他の実施形態では、レーザ源５１８及び５２０の両方とも、上記のシステム２１０を含まないことが理解されるべきである。これらの実施形態はシステム２１０によって提供される更なるエンハンスメント（上記で列挙）を含まないが、レーザレーダシステム５１０は、２つまたはそれ以上の分離された共同設置レーザレーダ部の実現に関して本明細書中に記載したいくつかのまたは全ての利益、及び／または、他の利益を提供する。
【００５３】
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によって反射され、レーザレーダシステム５１０に戻る。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とを受け取り、レーザレーダシステム５１０からの標的５１６のレンジ及び標的５１６のレンジレートの少なくとも一方を決定する。
【００５４】
本発明の種々の実施形態によると、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の周波数で第１のレーザビーム５４０を出射する。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、明らかであるように、電気的に、機械的に、音響光学的に、または他の方法で変調される。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のローカル発振ビーム５４２とに分割される。第１のローカル発振ビーム５４２は第１のビームディレイ５４４で第１の遅延期間保持される
【００５５】
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の周波数で第２のレーザビーム５４６を出射する。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、電気的に、機械的に、音響光学的に、または他の方法で変調される。第１のチャープレート及び第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とで逆のチャープを生成する。
【００５６】
場合によっては、第２の搬送周波数は第１の搬送周波数と実質的に同一である。例えば、いくつかの実施形態では、第１の基本周波数と第２の基本周波数との百分率差は０．０５％未満である。これにより、例えば、スペックルに起因する歪曲を最小にするなど、レーザレーダシステム５１０に種々のエンハンスメントを与える。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のローカル発振ビーム５４８とに分割される。第２のローカル発振ビーム５４８は、第２のビームディレイ５５０で第２の遅延時間保持される。第２の遅延時間は第１の遅延時間と異なる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ源５１８及び／または第２のレーザ源５２０の出力（例えば、第１のレーザビーム５４０及び／または第２のレーザビーム５４６）は、例えばＭＥＴＲＩＣＶＩＳＩＯＮ（登録商標）ＭｏｄｅｌＭＶ２００で提供される機構を用いて線形化される。第１のレーザ源５１８及び／または第２のレーザ源５２０の出力の位相移動は、例えばＭＥＴＲＩＣＶＩＳＩＯＮ（登録商標）ＭｏｄｅｌＭＶ２００で提供される機構を用いて補正される。
【００５８】
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からの標的５１６のレンジが、最小レンジと最大レンジのレンジセットの範囲内にある場合に、レーザレーダシステム５１０は標的５１６のレンジ及びレンジレートを高精度で決定する。標的５１６のレンジが、レンジセットの範囲内に無い場合は、レーザレーダシステム５１０の精度は低下する。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態によると、第１のビームディレイ５４４と第２のビームディレイ５５０は調整可能である。第１のビームディレイ５４４と第２のビームディレイ５５０とを調整することで、レーザレーダシステム５１０のより近くで、またはレーザレーダシステム５１０からより離れて、正確な決定がなされるレンジセットとな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。標的５１６のレンジ及びレンジレートが正確に決定されるように、最小レンジと最大レンジのレンジセットの範囲内に標的５１６のレンジが確実に入るように、第１のビームディレイ５４４及び第２のビームディレイ５５０を調整する。第１のビームディレイ５４４及び第２のビームディレイ５５０は、ユーザにより、あるいは自動化して、調整する。
【００６０】
標的５１６のレンジがレンジセットの外側にある場合にレンジ及びレンジレートの決定精度が低下することは、第１のレーザ源５１８及び第２のレーザ源５２０のコヒーレンス長の有限性によるものである。例えば、最小レンジと最大レンジとの差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くなるほど、最小レンジと最大レンジとの差は大きくなる。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増加させると、拡張したレンジセットで決定できるようにすることにより、レーザレーダシステム５１０によるレンジ及びレンジレートの決定精度を向上させる。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態では、第１のローカル発振ビーム５４２が複数の第１のローカル発振ビームに分割され、第２のローカル発振ビーム５４８が複数の第２のローカル発振ビームに分割される。この場合、レーザレーダシステム５１０は、種々の遅延周期の遅延を複数の第１のローカル発振ビームと複数の第２のローカル発振ビームとに適用する、複数のビームディレイを含む。これにより、複数の第１のローカル発振ビームの１つと、数の第２のローカル発振ビームの１つとが、標的のレンジ及びレンジレートを高精度で決定できる遅延周期で確実に遅延されている。
【００６２】
種々の実施形態によると、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４が、別々の光路で標的５１６に指向され、及び／または、標的５１６から受け取られる。いくつかの実施形態では、この光路は類似しているが明確に区別できるとされる。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が、共通光路に沿って標的５１６へと指向される出射の前に、標的光カプラ５２６によって合波された標的ビーム５５２へと合波される。いくつかの実施形態では、合波された標的ビーム５５２（または、別々に標的５１６に指向される場合は、第１の標的ビーム５１２と第２の標的ビーム５１４）が標的５１６によって反射され、合波された標的ビーム５５２を標的５１６に指向させる共通光路とは別の受光光路に沿って、レーザレーダシステム５１０によって受け取られる。このような実施形態は、「バイスタティック」と称される。あるいは、合波された標的ビーム５５２が、共通光路に沿った反射標的ビーム５５６としてレーザレーダシステム５１０に受け取られる。後者の実施形態は、「モノスタティック」と称される。モノスタティックの実施形態は、レプロシカル光学で作動する場合に、バイスタティックの実施形態よりも有利である。モノスタティックの実施形態では、共通光路は、合波された標的ビーム５５２を出射し反射標的ビーム５５６を受け取るための共通のポートを提供する光学部材５２８を含む。明らかであるように、光学部材５２８は、光サーキュレータ、光カプラ、または他の光学部材を含む。
【００６３】
いくつかの実施形態では、共通光路は走査素子５５７を含む。走査素子５５７は、例えばミラー、レンズ、アンテナ、または、合波された標的ビーム５５２が標的５１６を走査できるように、振動、回転など作動される光学素子を含む。場合によっては、走査素子５５７は高速で走査できる。従来のシステムでは、走査素子は、スペックルに起因するミラー差分ドップラーノイズ効果などのシステムの精度を低下させる光学効果の原因となる。しかしながら、レーザレーダシステム５１０の種々の実施形態は、レンジ及びレンジレートを明確に決定するために同時測定（あるいは実質的に同時測定）を用いるので、高速スキャンによって引き起こされる以外の誤差が除外される。
【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とに分割する。第１のローカル発振光カプラ５３０は、第１のローカル発振ビーム５４２と第１の反射標的ビーム部分５５８とを合波して、第１の合波された標的ビーム５６２とする。第２のローカル発振光カプラ５３２は、第２のローカル発振ビーム５４８と第２の反射標的ビーム部分５６０とを合波して、第２の合波された標的ビーム５６４とする。不図示の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とが別々に標的に指向され、及び／または、標的から受け取られており、第１のローカル発振光カプラ５３０が、反射された第１の標的ビーム５１２と第１のローカル発振ビーム５４２とを合波して第１の合波された標的ビーム５６２を生成し、反射された第２の標的ビーム５１４が第２のローカル発振ビーム５４８と合波され、第２の合波された標的ビーム５６４を生成する。
【００６５】
第１のローカル発振ビーム５４２と第２のローカル発振ビーム５４８とが、異なる標的ビーム、または、同一標的ビームの異なる部分（例えば反射標的ビーム５５６）と合波されるので、第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４は、最終処理の直前に、２つの別々であるが一致する単一レーザ源周波数変調レーザレーダシステム内に存在することになる光信号を与える。例えば、レーザ源制御装置５３６、第１のレーザ源５１８、第１の光カプラ５２２、第１のビームディレイ５４４、及び第１のローカル発振光カプラ５３０が、第２のレーザレーダ部５７６によって発生する第２の合波された標的ビーム５６４と異なる第１の合波された標的ビーム５６２を発生させる第１のレーザレーダ部５７４として表される。第２のレーザレーダ部５７６は、レーザ源制御装置５３８と、第２のレーザ源５２０と、第２の光カプラ５２４と、第２のビームディレイ５５０と、第２のローカル発振光カプラ５３２とを含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、レーザレーダシステム５１０は処理装置５３４を含む。処理装置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、及び／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（光学部品及び検出部品を含む）、ソフトウェア、ファームウェア、または、ハードウェア、ソフトウェア及び／またはファームウェアの組合せにより実現される。処理装置５３４は、第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とを受け取る。第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４に基づき、処理装置５３４は、レンジ信号とレンジレート信号とを発生させる。レンジ信号とレンジレート信号とに基づき、標的５１６のレンジ及びレンジレートを明確に決定する。
【００６７】
本発明のいくつかの実施形態では、処理装置５３４は、第１の合波されたローカル発振ビーム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のローカル発振ビーム５４２と、標的５１６から反射されている第１の標的ビーム５１２に対応する反射標的ビーム５５６の成分との光路差に起因する周波数差を含む。処理装置５３４は、第２の合波されたローカル発振ビーム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のローカル発振ビーム５４８と、標的５１６から反射されている第２の標的ビーム５１４に対応する反射標的ビーム５５６の成分との光路差に起因する周波数差を含む。第１のうなり周波数と第２のうなり周波数は同時に（あるいは実質的に同時に）決定され、環境の影響または他の影響により導入されるノイズをキャンセルする。第１のうなり周波数と第２のうなり周波数とを、第１の合波された標的ビーム５６２中の他の周波数成分と、第２の合波された標的ビーム５６４中の他の周波数成分と、及び／または、互いと区別できるようにするために、１つまたは複数の工程が行われる。例えば、この測定方法は、２つの異なるチャープレートを第１のチャープレートと第２のチャープレートとして用い、第１のローカル発振ビーム５４２と第２のローカル発振ビーム５５０を、第１のビームディレイ５４４と第２のビームディレイ５５０のそれぞれで、異なる遅延時間で遅延させることを含み、あるいは他の測定方法が行われる。
【００６８】
図５は、主として光ファイバと光カプラを用いて実施された本発明の例示的実施形態を説明するが、この実施形態に限定されるものではないことが理解されよう。本発明の範囲内での代替の実施形態では、例えばプリズム、ミラー、ハーフミラー、ビームスプリッタ、干渉フィルタ、ダイクロイックプリズムなどの他の光学構成部品が、電磁波を指向させる、合波させる、指向させる、合焦させる、拡散させる、増幅させる、あるいは他の処理を行うために用いられる。
【００６９】
本発明の種々の実施形態によると、処理装置５３４は第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とを混合し、混合信号を生成する。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差に対応するうなり周波数差成分とを含む。標的が一定の速度を有するので、第１のレーザビーム５４０のうなり周波数と第２のレーザビーム５４６のうなり周波数は、以下のようになる。各々、
【数１】
2008536096.tif 000003
及び、
【数２】
2008536096.tif 000004
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し、λ１及びλ２は２つの光波長であり、ｖは標的の速度であり、γ１及びγ２は各チャープレートに比例し、Ｒは測定したレンジであり、ＲＯ１及びＲＯ２は２つのレーザレーダのレンジオフセットを表す。λ１＝λ２＝λと仮定すると、式を差し引いて
【数３】
2008536096.tif 000005
となる。（３）を整理して、修正したレンジ測定値として、
【数４】
2008536096.tif 000006
を得る。同様に、（１）と（２）を組み合わせて、式
【数５】
2008536096.tif 000007
を得る。これは標的の速度の大きさとなる。
【００７０】
本発明の種々の実施形態によると、式４で上述したうなり周波数和成分が、混合信号からフィルタされ、レンジ信号を生成する。レンジ信号に含まれるうなり周波数和成分（例えばｆ１（ｔ）＋ｆ２（ｔ））から、レーザレーダシステム５１０から標的５１６までの距離が決定される。レンジ信号に基づく決定は一義的であり、ドップラー周波数シフト（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。
【００７１】
いくつかの実施形態では、式４で上述したうなり周波数差成分が、混合信号からフィルタされ、レンジレート信号を生成する。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できる。標的５１６のレンジレートを決定するために、
【数６】
2008536096.tif 000008
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表される。これにより、ドップラーシフト情報を引き出すことができ、これは標的５１６の瞬間速度を表す。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態では、第２のチャープレートがゼロに設定される。言い換えれば、第２のレーザ源５１８が一定の周波数で電磁波を出射する。これにより、第２のレーザ源５１８を、より簡素な設計で、小さい設置面積で、より軽量に、コストを減少させて、あるいはシステム全体に有利となるエンハンスメントで、実現することができる。このような実施形態において、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などを含む。音響光学変調器５７２は、第２のローカル発振ビーム５４８に周波数オフセットを与え、これにより後処理プロセスを向上させる。例えば、標的の運動の方向及び運動レートの大きさをうなり周波数から決定できるように、周波数オフセットによって、第２のローカル発振ビーム５４８と静止した標的のレンジレートを代表する第２の反射標的ビーム部分５６０との静止標的うなり周波数をゼロからオフセットさせることができる。本発明の実施形態は、チャープの転回や帰線に妨害されずに標的のレンジレートを連続的に監視できるという更なる利点を有する。チャープの転回や帰線により時間間隔が発生し、この間はチャープされたレーザレーダ部で高精度の測定は不可能となる。これらの実施形態では、レーザレーダシステム５１０はレンジとレンジレートの両方を測定できる能力を保持する一方で、レーザレーダ部５７６は標的５１６のレンジレートのみ決定する。
【００７３】
図６に本発明の一実施形態による処理装置５３４を示す。処理装置５３４は第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とをデジタル的に混合する。例えば、処理装置５３４は第１の検出器６１０と第２の検出器６１２とを含む。第１の検出器６１０は第１の合波された標的ビーム５６２を受け取り、第１の合波された標的ビーム５６２に対応する第１のアナログ信号を発生させる。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。処理装置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の周波数データセットを決定する第１の周波数データモジュール６１６を含む。場合によっては、第１のデジタル信号は、第１のアベレージャモジュール６１８で平均化される。この場合、平均化された第１のデジタル信号は、次いで第１の周波数データモジュール６１６に送信される。
【００７４】
第２の検出器６１２は第２の合波された標的ビーム５６４を受け取り、第２の合波された標的ビーム５６４に対応する第２のアナログ信号を発生させる。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。処理装置５３４は、第２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２の周波数データセットを決定する第２の周波数データモジュール６２２を含む。場合によっては、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。この場合、平均化された第２のデジタル信号は、次いで第２の周波数データモジュール６２２に送信される。
【００７５】
第１の周波数データセットと第２の周波数データセットは、周波数データ結合モジュール６２６によって受け取られる。周波数データ結合モジュール６２６は、第１の周波数データセットと第２の周波数データセットとを線形に結合し、混合された周波数データから導出されるレンジレート信号とレンジ信号とを発生させる。
【００７６】
図７に、本発明の別の実施形態による処理装置５３４を示す。処理装置５３４は、それぞれ第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とを受け取る、第１の検出器７１０と第２の検出器７１２とを含む。第１の検出器７１０と第２の検出器７１２は、それぞれ第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とに関連する第１のアナログ信号と第２のアナログ信号とを発生させる。処理装置５３４は、第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とを電気的に混合し、レンジ信号とレンジレート信号とを発生させる。例えば、処理装置５３４は変調器７１４を含む。変調器７１４は、第１の検出器７１０によって発生した第１のアナログ信号と、第２の検出器７１２によって発生した第２のアナログ信号とを逓倍し、結合アナログ信号を生成する。このような実施形態では、処理装置５３４は、結合アナログ信号を受信する第１のフィルタ７１６と第２のフィルタ７１８とを含む。第１のフィルタ７１６は、結合アナログ信号をフィルタにかけ、第１のフィルタ信号を発生させる。場合によっては、第１のフィルタ７１６はローパスフィルタを含む。第１のフィルタ信号は第１のコンバータ７２０によって変換され、レンジレート信号を発生させる。第２のフィルタ７１８は、結合アナログ信号をフィルタにかけ、第２のフィルタ信号を発生させる。例えば、第２のフィルタ７１８はハイパスフィルタを含む。第２のフィルタ信号は第２のコンバータ７２２によって変換され、レンジ信号を発生させる。
【００７７】
図８に、本発明の別の実施形態による処理装置５３４を示す。処理装置５３４は第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とを光学的に混合し、レンジ信号とレンジレート信号とを発生させる。例えば、処理装置５３４は第１の合波された標的ビーム５６２と第２の合波された標的ビーム５６４とを受け取り、検波に基づいて結合アナログ信号を発生させる検出器８１０を含む。このような実施形態では、処理装置５３４は結合アナログ信号を受信する第１のフィルタ８１２と第２のフィルタ８１４とを含む。第１のフィルタ８１２は結合アナログ信号をフィルタにかけ、第１のフィルタ信号を発生させる。第１のフィルタ８１２はローパスフィルタを含む。第１のフィルタ信号は第１のコンバータ８１６によって変換され、レンジレート信号を発生させる。第２のフィルタ８１４は結合アナログ信号をフィルタにかけ、第２のフィルタ信号を発生させる。第２のフィルタ１４はハイパスフィルタを含む。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、レンジ信号を発生させる。
本発明は、種々の実施形態の観点で本明細書中に記載されているが、当業者にとって明らかであるように、これに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】電磁波を提供するための従来のシステムを示す。
【図２】本発明の１つまたは複数の実施形態に係る電磁波を提供するためのシステムを示す。
【図３Ａ】本発明の１つまたは複数の実施形態に係る電磁波を提供するシステムで実現される光スイッチを示す。
【図３Ｂ】本発明の１つまたは複数の実施形態に係る電磁波を提供するシステムで実現される光スイッチを示す。
【図４】従来のレーザレーダシステムを示す。
【図５】本発明の１つまたは複数の実施形態に係るレーザレーダシステムを示す。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態に係る２つの結合標的ビームをデジタル的に混合する処理装置を示す。
【図７】本発明の１つまたは複数の実施形態に係る２つの結合標的ビームを電気的に混合する処理装置を示す。
【図８】本発明の１つまたは複数の実施形態に係る２つの結合標的ビームを光学的に混合する処理装置を示す。
【符号の説明】
【００７９】
１１０，２１０  システム
１１４  光学素子
１２０  光共振器
３１２  共振器入力
３１４  放射源入力
３１６  光学部材
３１８  共振器出力
５１０  レーザレーダシステム
５１６  標的
５２２，５２４  光カプラ
５２６，５５４  標的光カプラ
５２８  光学部材
５３０，５３２  ローカル発振光カプラ
５７４，５７６  レーザレーダ部
【図１】
2008536096.tif 000009
【図２】
2008536096.tif 000010
【図３Ａ】
2008536096.tif 000011
【図３Ｂ】
2008536096.tif 000012
【図４】
2008536096.tif 000013
【図５】
2008536096.tif 000014
【図６】
2008536096.tif 000015
【図７】
2008536096.tif 000016
【図８】
2008536096.tif 000017
【国際調査報告】
2008536096.tif 000018