(57)【要約】【課題】従来、ブリュリアン散乱などの非線形光学効果の為に送信パワーが制限されるという課題があった。【解決手段】波長の異なる複数のＣＷレーザ光を出力するＣＷ光源部１と、前記複数のＣＷレーザ光を波長毎に種光とローカル光に２分割する光分岐部２と、前記種光を増幅する光ファイバ増幅器４と、前記増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、この目標からの散乱光を受光する送受光学系６と、前記受信光を波長毎に分離し、前記光分岐部からのローカル光を対応する波長毎に前記分離した前記送受光学系からの受信光とそれぞれ混合する光混合部７と、前記混合光を波長毎に光コヒーレント検波する光受信部８と、前記光受信部からの受信信号に基き目標の情報を抽出する信号処理部９とが設けられている。【効果】高ＳＮ比あるいはより精度の高い測定が可能である。【選択図】        図１
2004219207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数のＣＷレーザ光を出力するＣＷ光源部と、前記ＣＷ光源部からの前記複数のＣＷレーザ光を波長毎に第１及び第２のＣＷレーザ光に２分割する光分岐部と、
前記第１のＣＷレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、この目標からの散乱光を受光する送受光学系と、
前記送受光学系からの受信光を波長毎に分離し、前記光分岐部からの第２のＣＷレーザ光を対応する波長毎に前記分離した前記送受光学系からの受信光とそれぞれ混合する光混合部と、
前記光混合部からの混合光を波長毎に光コヒーレント検波する光受信部と、
前記光受信部からの受信信号に基づいて前記目標の情報を抽出する信号処理部と
を備え
装置内の光の伝搬路が光ファイバから構成されている
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記光分岐部と前記光ファイバ増幅器との間に、前記光分岐部からの第１のＣＷレーザ光を変調する光変調部
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項３】
前記光変調部は、前記光分岐部からの第１のＣＷレーザ光を波長毎にパルス変調する複数のパルス変調器を含み、
前記複数のパルス変調器は、前記第１のＣＷレーザ光を互いにパルス出力時が時間的に重なりあわないように所定の時間差をつけたパルス変調を行う
ことを特徴とする請求項２記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記ＣＷ光源部は、それぞれ単一周波数で発振する複数のＣＷレーザ光源から構成されている
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記光分岐部は、
前記ＣＷ光源部からのＣＷレーザ光を波長毎に２分割する複数の光ファイバカプラを含む
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記光分岐部は、
前記ＣＷ光源部からの複数のＣＷレーザ光を２分割する光ファイバカプラと、前記光ファイバカプラにより２分割された一方を波長毎に分離する波長分離素子とを含む
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記光変調部は、前記複数のパルス変調器からのパルス光を１つに結合する光ファイバカプラをさらに含む
ことを特徴とする請求項３記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項８】
前記光混合部は、前記送受光学系からの受信光を波長毎に分離する波長分離素子と、
前記波長分離素子により分離された受信光を、波長毎にそれぞれ対応する波長の前記光分岐部からの第２のＣＷレーザ光と混合する複数の光ファイバカプラとを含む
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【請求項９】
前記光受信部は、前記送受光学系からの受信光と前記光分岐部からの第２のＣＷレーザ光のビート信号を波長毎に出力する複数の光受信器を含む
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、装置内の送信光の伝搬路に光ファイバを用い、目標の距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定するコヒーレントレーザレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザレーダ装置は、光変調器にパルス変調器としてパルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子を用いており、パルス型のコヒーレントレーザレーダ装置の構成となっている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｇ．  Ｎ．  Ｐｅａｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｅａｃｏｃｋ著「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  １１ｔｈ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｌａｓｅｒ  Ｒａｄａｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ」（Ｍａｌｖｅｒｎ，  Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ，  ＵＫ，  Ｊｕｌｙ  ２００１）、第１４４頁−第１４６頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置内の送信光の伝搬路に光ファイバを用いたコヒーレントライダでは、単一周波数の高いピークパワーの送信光をシングルモード光ファイバに伝搬させるため、ブリュリアン散乱といった非線形光学効果のために送信パワーが制限されるという問題点があった。
【０００５】
このことは、送信パワーを増すことにより高ＳＮ比の測定を行うことができず、ＳＮ比が制限されることを意味する。
【０００６】
さらに、従来例のように光ファイバ増幅器といった光増幅器をパルス光源に用いたコヒーレントライダでは、パルス間隔を最大測定距離のラウンドトリップ時間以上にする必要があることと、ブリュリアン散乱といった非線形光学効果のためピークパワーが制限されていた。このため、長距離測定になるほど以下の２つの問題点が発生した。
【０００７】
パルス間隔が長くなるため、光ファイバ増幅器に蓄積されたエネルギーがＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光として放出される量が多くなる。このため、光ファイバ増幅器の効率が低下し、また、ＡＳＥ光が光受信器に漏れ込むことによるＳＮ比の低下を引き起こしていた。
【０００８】
また、ライダ装置においては、必要なＳＮ比を得るために、多数回の測定データをインコヒーレント積分処理することが行われている。長距離測定になるほど、パルス繰返し数が小さくなるため、インコヒーレント積分によるデータ更新レートが小さくなる。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、送信パワーを増加させ、高ＳＮ比測定を可能にすることができるコヒーレントレーザレーダ装置を得るものである。
【００１０】
また、この発明は、第２の目的は、パルス送信数を増加させ、上記の課題を解決することができるコヒーレントレーザレーダ装置を得るものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、波長の異なる複数のＣＷレーザ光を出力するＣＷ光源部と、前記ＣＷ光源部からの前記複数のＣＷレーザ光を波長毎に第１及び第２のＣＷレーザ光に２分割する光分岐部と、前記第１のＣＷレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、この目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記送受光学系からの受信光を波長毎に分離し、前記光分岐部からの第２のＣＷレーザ光を対応する波長毎に前記分離した前記送受光学系からの受信光とそれぞれ混合する光混合部と、前記光混合部からの混合光を波長毎に光コヒーレント検波する光受信部と、前記光受信部からの受信信号に基づいて前記目標の情報を抽出する信号処理部とが設けられ、装置内の光の伝搬路が光ファイバから構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１３】
図１において、本コヒーレントレーザレーダ装置は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：連続波）レーザ光を発振するＣＷ光源部１と、ＣＷ光源部１からのＣＷレーザ光を分割する光分岐部２と、光分岐部２からのＣＷレーザ光の一方を変調する光変調部３と、光ファイバ増幅器４と、光サーキュレータ５と、光ファイバ増幅器４により増幅されたレーザ光を目標に向けて照射し、目標からの散乱光を受光する送受光学系６と、光分岐部２からのＣＷレーザ光と送受光学系６からの受信光を混合する光混合部７と、光混合部７からの混合光を光コヒーレント検波する光受信部８と、光受信部８からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理部９とから構成されている。なお、ＣＷ光源部１から光受信部８に至る各光学素子は光ファイバにより結合されている。
【００１４】
また、同図において、ＣＷ光源部１は、単一周波数で発振するＣＷレーザ光源１１およびＣＷレーザ光源１２の２台から構成されている。また、光分岐部２は、光ファイバカプラ２１と、光ファイバカプラ２２と、これらの光ファイバカプラ２１および２２からの分岐光を混合する光ファイバカプラ２３とから構成されている。さらに、光混合部７は、波長分離素子７１と、２台の光ファイバカプラ７２および７３から構成されている。またさらに、光受信部８は、２台の光受信器８１および８２から構成されている。
【００１５】
つぎに、この実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
レーザ光を用いたコヒーレントレーザレーダ装置は、大気中のエアロゾルでも十分な散乱強度が得られるため、晴天時でも風速や風速分布の測定ができる。このため、コヒーレントレーザレーダ装置は、空港設置や航空機搭載の乱気流を含む障害物検知装置として期待されている。
【００１７】
ＣＷ光源部１では、２つの波長のレーザ光を光ファイバに出力する機能を持つ。ＣＷレーザ光源１１およびＣＷレーザ光源１２は、各々波長の異なる単一波長で発振するＣＷレーザ光（周波数：ｆ１、ｆ２）を出力する。
【００１８】
光分岐部２では、ＣＷ光源部１からの出力光を波長毎に２つに分割する機能を有する。光ファイバカプラ２１および光ファイバカプラ２２は、それぞれＣＷレーザ光源１１およびＣＷレーザ光源１２と光ファイバで結合され、各々の出力光を２つに分割する。分割されたレーザ光の一方は送信光の種光として、他方は光コヒーレント検波のローカル光として用いられる。また、光ファイバカプラ２３において、ＣＷレーザ光源１１および１２からの上記分岐光の一方が混合され、混合された光が光変調部３に入力される。
【００１９】
光変調部３は、光分岐部２で分割されたレーザ光の一方を変調して光ファイバ増幅器４に送る機能を有する。この光変調部３に、音響光学（ＡＯ）変調器のように光の周波数をシフトする機能を持つ変調器を用いると、上記混合光に中間周波数ｆＩＦ分の周波数シフトを与えることができる。
【００２０】
光変調部３からの変調光は、光ファイバ増幅器４で増幅され、光サーキュレータ５を介して、送受光学系６により目標に向けて照射される。目標からの散乱光は、送信光とは逆の経路を経て受信される。このとき、受信光の周波数は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数：ｆｄ１、ｆｄ２）を受けている。受信光は、光サーキュレータ５において送信光と分離され、光混合部７に送られる。
【００２１】
光混合部７では、光分岐部２からの波長毎に２分されたＣＷレーザ光の他方を波長毎に、それぞれ上記ＣＷレーザ光の波長に対応する送受光学系６からの受信光と混合する機能を有する。波長分離素子７１において、受信光をＣＷレーザ光源１１および１２の発振波長近傍の波長毎に分離する。光ファイバカプラ７２および光ファイバカプラ７３において、上記分離された受信光は、それぞれ対応する波長の光分岐部２からのローカル光と混合される。
【００２２】
光受信部８では、光混合部７からの混合光を光コヒーレント検波し、受信光とローカル光のビート信号を出力する機能を持つ。光受信器８１と光受信器８２は、それぞれＣＷレーザ光源１１および１２を源にする受信光とローカル光の混合光を光コヒーレント検波し、受信光とローカル光のビート信号（周波数：ｆＩＦ＋ｆｄ１、ｆＩＦ＋ｆｄ２）を出力する。
【００２３】
信号処理部９は、上記複数のビート信号を信号処理し、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数から目標までの距離、目標の速度、密度分布、速度分布といった物理情報を測定する。ビート信号毎に上記物理情報を得ることができるので、積分処理により、高ＳＮ比あるいはより精度の高い測定が可能となる。
【００２４】
以上の構成において、ＣＷ光源部１から出力される２つの波長のレーザ光の波長は、光ファイバ増幅器４の利得波長帯域内にあるとともに、お互いにブリュリアン散乱といった非線形光学効果による寄生発振の閾値に影響を与えないほど離れた間隔を持つものとする。この光ファイバ増幅器４の飽和出力が充分に大きければ、それぞれの波長のレーザ光の送信パワーは従来のその波長単独で動作させた時と同程度にすることができる。これにより、送信パワーを合わせて従来の２倍程度と大きくすることができる。
【００２５】
以上より、本実施の形態においては、お互いにブリュリアン散乱といった非線形光学効果による寄生発振の閾値に影響を与えない波長間隔を持った複数の波長のレーザ光を光ファイバ増幅器４に入力することにより、合計の送信パワーを従来よりも大きくすることができる。これにより、上記複数の波長のレーザ光の数だけ、信号が得られるので、信号処理部９において積分処理を行うことにより、高ＳＮ比あるいはより高精度な測定が可能となる効果が有る。
【００２６】
光変調部３としてパルス変調器を用いれば、パルス型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。さらに、光変調部３を用いない、または固定周波数シフトを与える周波数シフタとした場合は、ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。また、光変調部３に強度、位相、周波数のいずれか、または複数を変調する変調器を用い、光変調部３を通過する上記ＣＷレーザ光を擬似ランダム系列（例えば、Ｍ系列）に従って変調し、信号処理部９において復調を行えば、擬似ランダム変調ＣＷ型のコヒーレントレーザレーダ装置となる。上記に示した構成において、目標までの距離、目標の速度、密度分布、速度分布といった物理情報のいずれか、または複数を測定することが可能である。
【００２７】
また、図１においては、ＣＷ光源部１が２つの波長のレーザ光を光ファイバに出力する機能を持つ例を示したが、もちろん３つ以上の波長のレーザ光を出力する構成とすることも可能である。光分岐部２、光変調部３、光混合部７および光受信部８が上記３つ以上の波長に対応するように構成すれば、合計の送信パワーを従来よりもさらに大きくすることができる。また、上記複数の波長のレーザ光の数だけ、信号が得られるので、信号処理部９において積分処理を行うことにより、高ＳＮ比あるいはより高精度な測定が可能となる効果がある。光ファイバ増幅器４の出力が十分にあるならば、合計の送信パワーが送信光路である光ファイバの出力端や送信光路上の光学部品のいずれかの破壊閾値となるまで、送信光の数を増やすことができる。
【００２８】
さらに、図１においては、ＣＷ光源部１が単一波長で発振する２つのＣＷレーザ光源１１、１２で構成された例を示しているが、複数の波長の発振ラインを持つレーザ光源で構成しても構わない。このような光源には、例えば、単一波長で発振するＣＷレーザ光源に光ＳＳＢ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｉｄｅｂａｎｄ）変調器を組み合わせた光源、あるいはモードロックレーザ光源などがある。
【００２９】
ＣＷ光源部１が２つの波長の発振ラインを持つＣＷレーザ光源で構成された例を図２に示す。この図２は、この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の別の構成を示す図である。
【００３０】
図２において、ＣＷ光源部１のＣＷレーザ光源１３は、２つの波長（周波数：ｆ１、ｆ２）で発振する。
【００３１】
ＣＷレーザ光源１３からのＣＷレーザ光は、光分岐部２の光ファイバカプラ２４において２分岐される。分岐光の一方は、送信光の種光として用いる。他方は波長分離素子２５により、波長毎に分離されて、光受信部８における光コヒーレント検波のローカル光として用いる。
【００３２】
上記のような構成により、図２における光分岐部２からの出力光は、図１の光分岐部２と同じになっており、動作原理およびそれにより得られる効果は図１のものと全く同様である。
【００３３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【００３４】
図３において、ＣＷ光源部１は、単一周波数で発振する２台のＣＷレーザ光源１１およびＣＷレーザ光源１２から構成されている。また、光分岐部２は、２つの光ファイバカプラ２１および光ファイバカプラ２２から構成されている。光変調部３は、２台の光変調器３１および光変調器３２と、これらの光変調器３１および３２からの変調光を混合する光ファイバカプラ３３とから構成されている。光混合部７は、波長分離素子７１と２台の光ファイバカプラ７２および７３とから構成されている。そして、光受信部８は、２台の光受信器８１および８２から構成されている。
【００３５】
つぎに、この実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図４は、この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の光変調部の動作を示すタイミングチャートである。
【００３７】
図４において、（ａ）及び（ｂ）は、光変調器３１および光変調器３２の変調波形である。これらの光変調器３１および３２は、パルス変調器である。
【００３８】
この実施の形態２において受信信号を得る基本的な構成および動作は、上記の実施の形態１と同様である。
【００３９】
光変調器３１および光変調器３２は、それぞれ光分岐器２からの分岐された２つの波長のＣＷレーザ光をパルス幅τ、パルス繰返し数ｆＲで変調している。パルス出力のタイミングを光変調器３１および光変調器３２で重ならないように時間差をつけている。図４は、半周期の時間差をつけた例を示している。
【００４０】
光変調器３１および光変調器３２からの出力光を、光ファイバカプラ３３により混合して光ファイバ増幅器４に入力する。したがって、この光ファイバ増幅器４に入力するパルス列は、パルス幅τ、パルス繰返し数２ｆＲとなる。
【００４１】
以上の構成により、光ファイバ増幅器４に入力するパルス列の周期を２倍にすることができる。従って、パルス間隔が短くなるため、この光ファイバ増幅器４に蓄積されたエネルギーがＡＳＥ光として放出される量を従来例より小さくすることができる。このため、光ファイバ増幅器４の効率の低下とＡＳＥ光が光受信器８１、８２に漏れ込むことによるＳＮ比の低下を従来例より小さくすることができる。また、平均出力が従来例にくらべて大きくできる効果がある。さらに、パルス繰返し数が大きくなるため、インコヒーレント積分によるデータ更新レートが大きくなる効果がある。
【００４２】
なお、図３においては、ＣＷ光源部１が２つの波長のレーザ光を光ファイバに出力する機能を持つ例を示したが、もちろん３つ以上の波長のレーザ光を出力する構成とすることも可能である。光分岐部２、光変調部３、光混合部７および光受信部８が上記３つ以上の波長に対応するように構成すれば、光ファイバ増幅器４に入力するパルス列のパルス繰返し数を従来例よりＣＷ光源部１が出力するレーザ光の波長数に対応した数倍にすることができる。同様に、上記に述べた効果もそれに比例して得ることができる。最大のレーザ光の波長数は１／ｆＲτ以下で最大の自然数である。
【００４３】
【発明の効果】
この発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、以上説明したとおり、ビート信号毎に、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数から目標までの距離、目標の速度、密度分布、速度分布といった物理情報を得ることができるので、積分処理により、高ＳＮ比あるいはより精度の高い測定が可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の別の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の光変調部の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  ＣＷ光源部、２  光分岐部、３  光変調部、４  光ファイバ増幅器、５  光サーキュレータ、６  送受光学系、７  光混合部、８  光受信部、９  信号処理部、１１、１２、１３  ＣＷレーザ光源、２１、２２、２３、２４  光ファイバカプラ、２５  波長分離素子、３１、３２  光変調器、３３  光ファイバカプラ、７１  波長分離素子、７２、７３  光ファイバカプラ、８１、８２  光受信器。
【図１】
2004219207.tif 000003
【図２】
2004219207.tif 000004
【図３】
2004219207.tif 000005
【図４】
2004219207.tif 000006