(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御パラメータを基に周波数変調が施された変調レーザ光を生成する変調光生成部と、
前記変調レーザ光を送信光とローカル光とに分配する光分配器と、
前記送信光を外部空間に向けて送信し、前記外部空間に存在するターゲットで反射された当該送信光を受信光として受信する送受信光学系と、
前記受信光と前記ローカル光とを合波して干渉光を生成する光合波器と、
前記干渉光を検出して電気信号を出力する光検出器と、
前記光検出器から出力された電気信号に復調処理を施す復調回路と、
前記復調回路に対して並列に設けられ、前記光検出器から出力された電気信号を、当該電気信号の周波数に応じた信号電圧を有する電圧信号に変換する周波数−電圧変換器と、
前記周波数変調における周波数の掃引時間と当該掃引時間に対応する前記信号電圧との間の関係を示す傾きを前記電圧信号の特性値として計測する特性算出部と、
前記特性値が、前記復調回路の復調帯域に対応する許容範囲内か否かを判定する判定部と、
前記判定部により前記特性値が前記許容範囲外であると判定されたとき、前記制御パラメータを変更するパラメータ設定部と
を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザレーダ装置であって、
前記変調光生成部は、前記変調レーザ光の周波数を指定された掃引速度で変化させることで前記周波数変調を実行し、
前記パラメータ設定部は、前記判定部により前記特性値が前記許容範囲外であると判定されたとき、前記掃引速度を変更させる制御値を前記制御パラメータとして生成する、
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項３】
請求項２記載のレーザレーダ装置であって、前記制御値は、前記周波数の掃引時間を指定する値であることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項４】
請求項１記載のレーザレーダ装置であって、前記復調回路の出力に基づいて、前記ターゲットの振動数及び変位量のうちの少なくとも一方を算出する信号処理部を更に備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項５】
請求項１記載のレーザレーダ装置であって、互いに異なる光路長を有する複数の光ファイバ線路を含み、かつ前記光分配器と前記光合波器との間の光経路に介在する光遅延回路を更に備え、
前記特性算出部は、前記電圧信号に基づいて前記ターゲットまでの距離を計測し、
前記光遅延回路は、前記複数の光ファイバ線路の中から当該距離の計測値に応じた光ファイバ線路を選択し、当該選択された光ファイバ線路で前記光分配器と前記光合波器との間を接続する、
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項６】
請求項５記載のレーザレーダ装置であって、前記光遅延回路は、前記複数の光ファイバ線路の中から、前記光分配器から前記ターゲットを経由して前記光合波器に至る光路の長さと、前記光分配器から前記光遅延回路を経由して前記光合波器に至る光路の長さとを互いに等しくする光ファイバ線路を選択することを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項７】
請求項５記載のレーザレーダ装置であって、
前記光遅延回路は、
前記複数の光ファイバ線路の中から当該距離の計測値に応じた光ファイバ線路を指定するドライバ回路と、
当該指定された光ファイバ線路のみに光を通過させ、前記複数の光ファイバ線路のうち当該指定された光ファイバ線路以外の光ファイバ線路に光を通過させない光スイッチと
を含むことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項８】
制御パラメータを基に周波数変調が施された変調レーザ光を生成する変調光生成部と、前記変調レーザ光を送信光とローカル光とに分配する光分配器と、前記送信光を外部空間に向けて送信し、前記外部空間に存在するターゲットで反射された当該送信光を受信光として受信する送受信光学系と、前記受信光と前記ローカル光とを合波して干渉光を生成する光合波器と、前記干渉光を検出して電気信号を出力する光検出器と、前記光検出器から出力された電気信号に復調処理を施す復調回路と、前記復調回路に対して並列に設けられ、前記光検出器から出力された電気信号を、当該電気信号の周波数に応じた信号電圧を有する電圧信号に変換する周波数−電圧変換器とを備えるレーザレーダ装置において実行される周波数変調制御方法であって、
前記周波数変調における周波数の掃引時間と前記信号電圧との間の関係を示す傾きを前記電圧信号の特性値として計測するステップと、
前記特性値が、前記復調回路の復調帯域に対応する許容範囲内か否かを判定するステップと、
前記特性値が前記許容範囲外であると判定されたとき、前記制御パラメータを変更するステップと
を備えることを特徴とする周波数変調制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーダ技術に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いて測距値などのターゲット情報を測定することができるレーザレーダ技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）方式のレーダ装置は、周波数変調された連続波（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ，ＦＭＣＷ）である送信波を外部空間に放射し、当該外部空間内に存在するターゲットで反射された当該送信波を受信する。この種のレーダ装置は、その受信波と送信波との間の周波数差を測定し、その周波数差を基にターゲットまでの距離などの目標情報を検出することができる。特許文献１（特開２００８−０３９６４０号公報）には、周波数変調された連続波レーザ光を送信波として使用してターゲットを検出するＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置（コヒーレントライダ装置）が開示されている。【０００３】
特許文献１に開示されている従来のレーザレーダ装置は、ターゲットからの受信散乱光のみを周波数シフトする周波数シフタと、この周波数シフタの出力光とローカル光とを合波する光カプラと、この光カプラから出力された合波光をヘテロダイン検波する光受信器と、この光受信器の電気出力信号のうちビート信号成分のみを通過させるフィルタと、このフィルタの出力に復調処理を施すＦＭ復調器とを備えている。この従来のレーザレーダ装置では、フィルタが内部反射光成分を実質的に遮断し、反射信号成分（ドップラーシフト周波数が小さい受信散乱光成分または移動しないターゲットからの受信散乱光成分）を通過させるので、ＦＭ復調器は、内部反射光成分から分離された反射信号成分に対して復調処理を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０３９６４０号公報（たとえば、図４及び段落００２５〜００２９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ターゲットからの反射信号成分の周波数は、ターゲットの状態（たとえば、ターゲットの加速度運動または振動）に応じて変化し得る。このため、上記した従来のレーザレーダ装置では、ＦＭ復調器の復調帯域（復調できる周波数帯域）の性能限界により、ターゲットからの反射信号成分の周波数がＦＭ復調器の復調帯域に収まらない状態が生ずることがある。このような状態では、ＦＭ復調器は反射信号成分に対して復調処理を行うことができず、レーザレーダ装置はターゲット情報の測定に失敗するという課題がある。【０００６】
上記に鑑みて本発明の目的は、復調帯域に性能限界がある場合でも、ターゲット情報の高精度測定を可能にするレーザレーダ装置及び周波数変調制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によるレーザレーダ装置は、制御パラメータを基に周波数変調が施された変調レーザ光を生成する変調光生成部と、前記変調レーザ光を送信光とローカル光とに分配する光分配器と、前記送信光を外部空間に向けて送信し、前記外部空間に存在するターゲットで反射された当該送信光を受信光として受信する送受信光学系と、前記受信光と前記ローカル光とを合波して干渉光を生成する光合波器と、前記干渉光を検出して電気信号を出力する光検出器と、前記光検出器から出力された電気信号に復調処理を施す復調回路と、前記復調回路に対して並列に設けられ、前記光検出器から出力された電気信号を、当該電気信号の周波数に応じた信号電圧を有する電圧信号に変換する周波数−電圧変換器と、前記周波数変調における周波数の掃引時間と当該掃引時間に対応する前記信号電圧との間の関係を示す傾きを前記電圧信号の特性値として計測する特性算出部と、前記特性値が、前記復調回路の復調帯域に対応する許容範囲内か否かを判定する判定部と、前記判定部により前記特性値が前記許容範囲外であると判定されたとき、前記制御パラメータを変更するパラメータ設定部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、制御パラメータの変更により、ターゲットからの反射信号成分の中心周波数を復調帯域に収めることができるので、復調回路の復調帯域に性能限界がある場合でも、ターゲット情報を高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る実施の形態１のレーザレーダ装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】実施の形態１における送信波の周波数と受信波の周波数との間の関係を例示するグラフである。
【図３】実施の形態１に係る測定処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、実施の形態１に係る周波数変調制御を説明するためのグラフである。
【図５】実施の形態１のレーザレーダ装置のハードウェア構成例を概略的に示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態２のレーザレーダ装置の構成を概略的に示す図である。
【図７】実施の形態２における光遅延回路の構成例を概略的に示す図である。
【図８】実施の形態２に係る測定処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１であるレーザレーダ装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示されるようにレーザレーダ装置１は、レーザ光源１０及び周波数変調器１１からなる変調光生成部と、周波数変調器１１から出力されたＦＭＣＷレーザ光（周波数変調された連続波レーザ光）を送信光と参照光（ローカル光）とに分配する光分配器１２と、光分配器１２から光サーキュレータ１３を介して入力された送信光Ｔｗを外部空間に向けて送信する送受信光学系である光アンテナ（送受信光学系）１４と、光アンテナ１４から入力された受信反射光を光合波器１５に出力する光サーキュレータ１３と、受信反射光と参照光とを合波する光合波器１５と、光合波器１５から出力された干渉光を検出して電気信号を生成する光検出器２０とを備えている。光分配器１２としては、たとえば光カプラが使用されればよく、光合波器１５としては、たとえば４ポート光カプラが使用されればよい。
【００１２】
図１に示されるように、レーザ光源１０の光出力端と周波数変調器１１の光入力端との間は光経路Ｐ０で接続されている。また、周波数変調器１１の光出力端と光分配器１２の光入力端との間は光経路Ｐ１で接続され、光分配器１２の光出力端と光サーキュレータ１３の光入力端との間は光経路Ｐ２で接続され、光サーキュレータ１３の光入出力ポートと光アンテナ１４の光入力端との間は光経路Ｐ３で接続されている。更に、光分配器１２の他の光出力端と光合波器１５の光入力端との間は光経路Ｐ４で接続され、光サーキュレータ１３の光出力ポートと光合波器１５の他の光入力端との間は光経路Ｐ５で接続され、光合波器１５の光出力端と光検出器２０の光入力端との間は光経路Ｐ６で接続されている。光経路Ｐ０〜Ｐ６は、たとえば、光ファイバ線路などの光伝送媒体で構成されていればよい。
【００１３】
レーザ光源１０は、たとえば、波長可変レーザアセンブリ（Ｉｎｔｅｇｒａｂｌｅ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｌａｓｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＩＴＬＡ）またはレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）を用いて構成されればよい。周波数変調器１１は、後述する変調制御部３０によって指定された制御パラメータに基づいて、レーザ光源１０の出力レーザ光を周波数変調することでＦＭＣＷレーザ光を生成することができる。なお、本実施の形態の変調光生成部は、レーザ光源１０と周波数変調器１１との組合せで構成されているが、これに限定されるものではない。レーザ光源１０と周波数変調器１１との組合せに代えて、レーザ光源の駆動電流を直接制御することでＦＭＣＷレーザ光を生成する変調光生成回路が使用されてもよい。
【００１４】
光アンテナ（送受信光学系）１４は、光サーキュレータ１３から入力された送信光を所望のビーム径と拡がり角にてターゲットＴｇｔに照射することができる。また、光アンテナ１４は、外部空間に存在するターゲットＴｇｔで反射されて戻ってきた送信光Ｔｗを反射光Ｒｗとして受信し、その受信反射光を光サーキュレータ１３に出力する。光アンテナ１４としては、たとえば、コリメートレンズ及び集光レンズなどの光学部品が使用されればよい。
【００１５】
光サーキュレータ１３は、３ポートを有する非相反型の光デバイスである。すなわち、光サーキュレータ１３は、光経路Ｐ２を介して光分配器１２に結合された光入力ポートと、光経路Ｐ３を介して光アンテナ１４に結合された光入出力ポートと、光経路Ｐ５を介して光合波器１５に結合された光出力ポートとを有している。光サーキュレータ１３は、光経路Ｐ２側の光入力ポートに入射された送信光を光経路Ｐ３側の光入出力ポートから出力し、当該送信光を光経路Ｐ５側の光出力ポートからは出力しない。また、光サーキュレータ１３は、光経路Ｐ３側の光入出力ポートに入射された受信反射光を光経路Ｐ５側の光出力ポートから出力し、当該受信反射光を光経路Ｐ２側の光入力ポートからは出力しない。
【００１６】
光検出器２０は、光合波器１５から入力された干渉光を電気信号（ビート信号）に変換し、この電気信号を変調制御部３０及び復調回路２１にそれぞれ出力する。光検出器２０は、たとえば、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ，ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）、または、光電変換素子を内蔵するバランスドレシーバを用いて構成することが可能である。
【００１７】
図１に示されるように、レーザレーダ装置１は、光検出器２０の出力信号に復調処理を施して復調信号を生成する復調回路２１と、当該復調信号に基づいてターゲット情報を算出する信号処理部２２と、周波数変調器１１における周波数変調を制御する変調制御部３０とを備えている。信号処理部２２は、復調回路２１から入力された復調信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換し、当該ディジタル信号にディジタル信号処理を施すことで、ターゲットＴｇｔまでの距離、並びにターゲットＴｇｔの相対速度、振動数及び変位量などのターゲット情報を算出することができる。
【００１８】
復調回路２１としては、たとえば、クワドラチャ検波回路（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、レシオ検波回路（Ｒａｔｉｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）またはフォスター・シーレー型弁別回路（Ｆｏｓｔｅｒ−Ｓｅｅｌｅｙ  Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）などのＦＭ検波回路が使用可能である。
【００１９】
信号処理部２２のハードウェア構成は、たとえば、ワンチップマイコン、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などの半導体集積回路で実現されればよい。あるいは、信号処理部２２のハードウェア構成は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を含む半導体集積回路で実現されてもよい。
【００２０】
次に、変調制御部３０の構成について説明する。図１に示されるように、変調制御部３０は、Ｆ−Ｖ変換器（周波数−電圧変換器）３１、特性算出部３２、比較部（判定部）３３、パラメータ設定部３４、及び信号発生器３５を含んで構成されている。
【００２１】
Ｆ−Ｖ変換器３１は、光検出器２０から出力された電気信号を、当該電気信号の周波数に応じた信号電圧を有するアナログ電圧信号に変換する回路である。Ｆ−Ｖ変換器３１は、或る瞬間にビート周波数ｆｂ（単位：Ｈｚ）を有する電気信号が入力されると、そのビート周波数ｆｂに比例した信号電圧Ｖｍ（単位：ボルト）を有するアナログ電圧信号を出力することができる。
【００２２】
特性算出部３２は、Ｆ−Ｖ変換器３１から入力されたアナログ電圧信号をディジタル電圧信号（以下「電圧信号」という。）にＡ／Ｄ変換し、このディジタル電圧信号の特性値を計測する。具体的には、特性算出部３２は、受信反射波の周波数の掃引時間ｔｓ（単位：秒）とこれに対応する信号電圧Ｖｍとを検出し、掃引時間ｔｓと信号電圧Ｖｍとの間の関係を示す傾きａを特性値として算出することができる。特性算出部３２は、電圧信号に基づき、次式（１）で表現される傾きａ（単位：秒／ボルト）を算出することが可能である。
ａ＝ｔｓ／Ｖｍ                      （１）
【００２３】
図２は、送信波の周波数Ｔｆとこれに対応する受信反射波の周波数Ｒｆとの間の関係の例を示すグラフである。周波数変調器１１は、周波数掃引モードで動作し、図２の実線で示されるように、送信波の周波数Ｔｆを、下限周波数と上限周波数との間の範囲内で指定された掃引速度（＝＋ｆｗ／ｔｓまたは−ｆｗ／ｔｓ）で変化させる。ｆｗは、掃引時間ｔｓにおける周波数変化幅すなわち掃引周波数幅である。受信反射波の周波数Ｒｆは、図２の破線で示されるように変化する。ｔｄは、送信波と受信反射波との間の遅延時間であり、ｆｂは、送信波と受信反射波との間の周波数差を示すビート周波数である。また、ｆｄは、ドップラ周波数（すなわち、送信波の平均周波数と、ドップラー効果により変化した受信反射波の平均周波数との間の周波数シフト量）である。
【００２４】
遅延時間ｔｄは、次式（２）に従って算出することができる。
ｔｄ＝（ｔｓ／ｆｗ）×ｆｂ            （２）
【００２５】
Ｆ−Ｖ変換器３１で設定されている周波数−電圧変換係数がａＦＶ（単位：ボルト／Ｈｚ）で表され、ビート周波数ｆｂに相当する電圧がＶｂ（単位：ボルト）で表されるとき、ビート周波数ｆｂは、次式（３）で与えられる。
ｆｂ＝Ｖｂ／ａＦＶ                    （３）
【００２６】
光速をｃで表すとき、ターゲットＴｇｔまでの距離Ｌ（単位：メートル）は、次式（４）で表現される。
Ｌ＝ｃ×ｔｄ／２                      （４）
【００２７】
特性算出部３２は、式（２）〜（４）に従って、ターゲットＴｇｔまでの距離Ｌを算出することが可能である。
【００２８】
比較部３３は、上記した傾きａなどの特性値に基づいて、光検出器２０の出力信号に含まれる反射信号成分のスペクトルの中心周波数が復調回路２１の復調帯域（復調できる周波数帯域）の範囲内であるか否かを判定し、その判定結果をパラメータ設定部３４に与える。具体的には、比較部３３は、特性値が復調帯域に対応する所定の数値範囲内であるか否かを判定することにより、当該中心周波数が復調帯域の範囲内にあるか否かを判定することができる。たとえば、比較部３３は、傾きａを次式（５）で示される許容範囲と比較し、傾きａが当該許容範囲に含まれる場合には、当該中心周波数が復調帯域の範囲内にあると判定することができ、そうでない場合には、当該中心周波数が復調帯域の範囲外にあると判定することができる。
ｔｓ／ＶＡ≦ａ≦ｔｓ／ＶＣ              （５）
【００２９】
式（５）において、ＶＡ，ＶＣは、復調回路２１の復調帯域に対応する、電圧の組である。
【００３０】
パラメータ設定部３４は、周波数変調器１１における周波数変調を制御するための制御パラメータを信号発生器３５に供給する。パラメータ設定部３４は、たとえば、周波数の掃引速度を定める掃引時間ｔｓを指定する制御値を制御パラメータとして信号発生器３５に供給することができる。パラメータ設定部３４の内部メモリには、制御パラメータのデフォルト値（初期設定値）が記憶されている。ユーザは、あらかじめこのデフォルト値を設定しておくことができる。
【００３１】
信号発生器３５は、当該制御パラメータに基づいて、周波数変調器１１における周波数変調を制御する制御信号を生成し、この制御信号を周波数変調器１１に供給する。信号発生器３５としては、たとえば、公知のシグナル・ジェネレータまたはファンクション・ジェネレータを使用することができる。
【００３２】
比較部３３において前記中心周波数が前記復調帯域の範囲内にあると判定されたとき、パラメータ設定部３４は、制御パラメータの設定値を変更しない。一方、比較部３３において前記中心周波数が前記復調帯域の範囲外にあると判定されたとき、パラメータ設定部３４は、前記中心周波数が前記復調帯域の範囲内に収まるように制御パラメータの設定値を変更する。具体的には、パラメータ設定部３４は、送信波周波数の掃引速度を変更させる制御値を制御パラメータの設定値として生成することができる。
【００３３】
次に、図３を参照しつつ、本実施の形態に係る周波数変調制御方法を含む測定処理の手順について説明する。図３は、実施の形態１に係る測定処理の手順の例を概略的に示すフローチャートである。
【００３４】
図３を参照すると、先ず、周波数変調器１１は、レーザ光源１０の出力レーザ光を周波数変調することで変調光（ＦＭＣＷレーザ光）を生成する（ステップＳＴ１１）。上述のとおり、この変調光の一部が光アンテナ１４からターゲットＴｇｔに向けて送信される。その後、ターゲットＴｇｔから伝播した受信光（反射光）が光合波器１５に入力される。
【００３５】
光合波器１５は、光サーキュレータ１３から入力された受信光と光分配器１２から入力された参照光とを合波して干渉光を発生させる（ステップＳＴ１２）。光検出器２０は、光合波器１５から光経路Ｐ６を介して入力された干渉光を検出して電気信号（ビート信号）を生成する（ステップＳＴ１３）。
【００３６】
その後、復調が開始される場合には（ステップＳＴ１４のＹＥＳ）、復調回路２１は、上記復調処理を実行し（ステップＳＴ３０）、信号処理部２２は、復調信号に基づいてターゲット情報を算出する（ステップＳＴ３１）。復調が開始されるタイミングは、各反射光Ｒｗが受信されたタイミングでもよいし、または、ステップＳＴ１５，ＳＴ１６，ＳＴ２１〜ＳＴ２３が一定回数だけ実行された後のタイミングでもよい。あるいは、ユーザによって指定されたタイミングに復調が開始されてもよい。
【００３７】
復調が開始されない場合（ステップＳＴ１４のＮＯ）、Ｆ−Ｖ変換器３１は、光検出器２０から出力された電気信号を、当該電気信号の周波数に応じた信号電圧を有する電圧信号に変換する（ステップＳＴ１５）。次いで、特性算出部３２は、上記のとおり、電圧信号の特性値及び距離Ｌを計測する（ステップＳＴ１６）。
【００３８】
次に、レーザレーダ装置１の内部で反射された内部反射成分に基づく周波数変調制御を回避させるために、比較部３３は、計測距離Ｌが所定範囲ΔＲ内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ２０）。たとえば、計測距離Ｌが所定の閾値以上のとき、あるいは、計測距離Ｌが所定の下限閾値以上でかつ所定の上限閾値以下のときに、比較部３３は、計測距離Ｌが所定範囲ΔＲ内にあると判定することができる。計測距離Ｌが所定範囲ΔＲ内にあると判定した場合（ステップＳＴ２０のＹＥＳ）、比較部３３は、更に、傾きａなどの特性値が許容範囲内にあるか否かを判定することにより、光検出器２０の出力信号に含まれる反射信号成分のスペクトルの中心周波数が復調回路２１の復調帯域の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳＴ２１）。特性値が当該許容範囲に含まれると判定された場合には（ステップＳＴ２１のＹＥＳ）、周波数変調器１１は、現在の制御パラメータ（変更されない制御パラメータ）に基づいた周波数変調処理を実行する（ステップＳＴ２３）。このとき、パラメータ設定部３４は、現在の制御パラメータの設定値を変更せず、信号発生器３５は、その現在の制御パラメータに応じた制御信号を周波数変調器１１に供給する。ステップＳＴ２３の後は、ステップＳＴ１１が再度実行される。
【００３９】
一方、特性値が当該許容範囲に含まれないと判定された場合には（ステップＳＴ２１のＮＯ）、周波数変調器１１は、変更された制御パラメータに基づいた周波数変調処理を実行する（ステップＳＴ２２，ＳＴ２３）。このとき、パラメータ設定部３４は、特性値が当該許容範囲内に収まるように制御パラメータを変更する（ステップＳＴ２２）。信号発生器３５は、その変更された制御パラメータに応じた制御信号を周波数変調器１１に供給する。
【００４０】
ステップＳＴ２０で計測距離Ｌが所定範囲ΔＲ内にないと判定した場合（たとえば、計測距離Ｌが閾値未満の場合）、比較部３３は、内部反射成分に基づく周波数変調制御を回避させるために、処理手順をステップＳＴ２３に移行させる。これにより、比較部３３は、内部反射成分に基づく判定処理（ステップＳＴ２１）を回避することができる。次のステップＳＴ２３では、比較部３３は、傾きａなどの特性値が許容範囲内にあるか否かを判定する。その後は、ステップＳＴ１１が再度実行される。
【００４１】
図４Ａ及び図４Ｂは、ビート信号のスペクトルと掃引周波数との間の関係の例を示すグラフである。図４Ａは、ビート信号のスペクトル（横軸は周波数、縦軸は信号振幅を示す。）を表し、図４Ｂは、送信波の掃引周波数の変化（横軸は周波数、縦軸は時間を示す。）を実線及び破線で表している。この例では、内部反射成分ＩＲＣの中心周波数ｆ０は、復調帯域の下限周波数よりも下の周波数領域に存在する。
【００４２】
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、復調回路２１の復調帯域の下限周波数ｆＡ及び上限周波数ｆＣが存在する。この場合、上式（５）に示したように、周波数ｆＡ，ｆＣにそれぞれ対応する電圧ＶＡ，ＶＣで定められる許容範囲を設定することができる。傾きａが式（５）の許容範囲内のとき、図４Ａに示されるように、反射信号成分ＲＣｂの中心周波数ｆＢは、復調帯域内に収まる。一方、傾きａが式（５）の許容範囲外のときは、図４Ａに示されるように、反射信号成分ＲＣｍの中心周波数ｆｍは、復調帯域から外れている。このような場合、パラメータ設定部３４は、たとえば、掃引周波数幅ｆｗを固定値とし、かつ遅延時間ｔｄを変更する制御パラメータを生成することで、傾きａを許容範囲内に収めることができる。
【００４３】
その後、復調回路２１において復調が開始されると（ステップＳＴ１４のＹＥＳ及びステップＳＴ３０）、信号処理部２２は、復調信号に基づいて、振動するターゲットＴｇｔの運動周波数（振動数）及び変位量といったターゲット情報を算出する（ステップＳＴ３１）。
【００４４】
具体的には、信号処理部２２は、時間領域の復調信号に対して、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）などの離散フーリエ変換を実行することにより周波数領域信号を算出し、この周波数領域信号のスペクトル（振幅スペクトルまたは電力スペクトル）に現れるピークに対応する周波数（ピーク周波数）を検出することができる。信号処理部２２は、当該ピーク周波数をターゲットＴｇｔの運動周波数ｆＳ（単位：Ｈｚ）として算出することができる。
【００４５】
また、振動するターゲットＴｇｔの変位量をｄ（単位：メートル）、このターゲットＴｇｔの相対速度をｖ（単位：メートル毎秒）とすると、信号処理部２２は、次式（６）に従い、ターゲットＴｇｔの変位量ｄを算出することができる。
ｄ＝ｖ／（２πｆＳ）                      （６）
【００４６】
また、周波数シフト量（ドップラ周波数）をｆｄ（単位：Ｈｚ）とし、レーザ波長をλ（単位：メートル）とすれば、信号処理部２２は、次式（７）に従い、振動するターゲットＴｇｔの相対速度ｖを算出することができる。
ｖ＝ｆｄ×λ／２                          （７）
【００４７】
ここで、信号処理部２２は、復調回路２１の出力電圧をＶｏｕｔ（単位：ボルト）とすれば、次式（８）に従い、周波数シフト量ｆｄを算出することが可能である。
ｆｄ＝Ｖｏｕｔ／ａＦＶ                    （８）
【００４８】
上記したステップＳＴ３１の後、測定を終了する場合（ステップＳＴ３２のＹＥＳ）、信号処理部２２は、レーザレーダ装置２の動作を停止させる。一方、測定を終了しない場合（ステップＳＴ３２のＮＯ）、信号処理部２２は、ステップＳＴ１１以後のステップを再度実行させる。
【００４９】
以上に説明した変調制御部３０のハードウェア構成は、たとえば、ワンチップマイコン、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどの半導体集積回路で実現されればよい。あるいは、変調制御部３０のハードウェア構成は、ＣＰＵまたはＧＰＵを含む半導体集積回路で実現されてもよい。
【００５０】
図５は、特性算出部３２、比較部３３及びパラメータ設定部３４の機能を実現するハードウェア構成例を示すブロック図である。図５に示される信号処理装置４０は、半導体集積回路で構成されたプロセッサ４１、メモリ４２、入力インタフェース部４３、出力インタフェース部４４及び信号路４５を含んで構成されている。信号路４５は、プロセッサ４１、メモリ４２、入力インタフェース部４３及び出力インタフェース部４４を相互に接続するためのバスである。入力インタフェース部４３は、Ｆ−Ｖ変換器３１から入力されたアナログ電圧信号をディジタル電圧信号にＡ／Ｄ変換し、このディジタル電圧信号を信号路４５を介してプロセッサ４１に転送する機能を有する。プロセッサ４１は、制御パラメータを、信号路４５及び出力インタフェース部４４を介して信号発生器３５に出力することができる。
【００５１】
メモリ４２は、プロセッサ４１が周波数変調制御処理を実行する際に使用されるデータ記憶領域である。プロセッサ４１がＣＰＵまたはＧＰＵを含む場合には、メモリ４２は、ＣＰＵまたはＧＰＵで実行される周波数変調制御用のソフトウェアプログラムまたはファームウェアプログラムを格納する領域として使用される。このようなメモリ４２としては、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）及びＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの複数の半導体メモリが使用されればよい。
【００５２】
以上で説明したように実施の形態１のレーザレーダ装置１では、変調制御部３０は、光検出器２０の出力信号を電圧信号に変換し、この電圧信号の特性値に基づいて、反射信号成分のスペクトルの中心周波数が復調回路２１の復調帯域の範囲内にあるか否かを判定することができる。変調制御部３０は、前記中心周波数が前記復調帯域の範囲外にあると判定されたとき、制御パラメータを変更する。これにより、ターゲットからの反射信号成分の周波数を復調帯域に収めることができるので、復調回路２１の復調帯域に性能限界がある場合でも、信号処理部２２は、ターゲット情報を高い精度で測定することができる。特に、振動するターゲットＴｇｔの振動数及び変位量を高い精度で測定することが可能である。
【００５３】
また、本実施の形態では、上記した従来のレーザレーダ装置のように光アンテナと光サーキュレータとの間に周波数シフタを設ける必要がない。よって、本実施の形態では、光アンテナ１４と光サーキュレータ１３との間を、直接、光ファイバ線路などの光経路で接続することができるので、耐振動性の高いレーザレーダ装置１を提供することができる。
【００５４】
更に、比較部３３は、計測距離Ｌが所定範囲内にある場合にのみ（ステップＳＴ２０のＹＥＳ）、判定処理（ステップＳＴ２１）を実行するので、光アンテナ１４の端面などの内部からの内部反射信号に基づく周波数変調制御を回避することができる。これにより、ターゲットＴｇｔからの反射信号成分のみに基づく周波数変調制御が可能となる。
【００５５】
実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図６は、本発明に係る実施の形態２であるレーザレーダ装置２の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態のレーザレーダ装置２は、図６に示すように変調制御部３０Ａ及び光遅延回路２３を備えている。変調制御部３０Ａは、Ｆ−Ｖ変換器３１、特性算出部３２Ａ、比較部３３、パラメータ設定部３４及び信号発生器３５を有する。
【００５６】
本実施の形態のレーザレーダ装置２の構成は、実施の形態１の特性算出部３２に代えて特性算出部３２Ａを有し、かつ光遅延回路２３を有する点を除いて、上記実施の形態１のレーザレーダ装置１の構成と同じである。
【００５７】
光遅延回路２３は、光分配器１２と光合波器１５との間の光経路Ｐ４ａ，Ｐ４ｂに介在し、互いに異なる光路長を有する複数の光ファイバ線路を有している。光遅延回路２３は、特性算出部３２Ａからの切替制御信号ＳＣに応じて、これら光ファイバ線路の中から、光分配器１２からターゲットＴｇｔを経由して光合波器１５に至る光路の長さΔＬ１と、光分配器１２から光遅延回路２３を経由して光合波器１５に至る別の光路の長さΔＬ２とを互いに等しくする光ファイバ線路を選択し、当該選択された光ファイバ線路で光分配器１２と光合波器１５との間を接続するスイッチ機能を有している。
【００５８】
特性算出部３２Ａは、実施の形態１の特性算出部３２と同じ機能を有し、更に、計測距離Ｌの値に基づいて、２つの光路の長さΔＬ１，ΔＬ２を互いに等しくする光ファイバ線路を選択させる切替制御信号ＳＣを生成する。
【００５９】
図７は、光遅延回路２３の構成を概略的に示す図である。図７に示されるように、光遅延回路２３は、光経路Ｐ４ａの端部に結合された光スイッチ２３１と、光経路Ｐ４ｂの端部に結合された光スイッチ２３２と、これら光スイッチ２３１，２３２間に並列に配置された５本の光ファイバ線路ＦＶ１〜ＦＶ５と、光スイッチ２３１，２３２のスイッチ動作を制御するドライバ回路２３３とを有している。光ファイバ線路ＦＶ１〜ＦＶ５は、互いに異なる光路長を有している。図７の例では、光ファイバ線路ＦＶ１〜ＦＶ５の本数は５本であるが、この本数に限定されるものではない。２本〜４本の光ファイバ線路または６本以上の光ファイバ線路を有するように光遅延回路２３の構成を適宜変更することが可能である。ドライバ回路２３３は、切替制御信号ＳＣに応じて、光ファイバ線路ＦＶ１〜ＦＶ５の中から１つの光ファイバ線路ＦＶｋを指定し、当該光ファイバ線路ＦＶｋで光経路Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ間を接続するように光スイッチ２３１，２３２のスイッチ動作を制御する。光スイッチ２３１，２３２は、光ファイバ線路ＦＶｋのみに光を通過させ、他の光ファイバ線路に光を通過させないように動作する。ユーザは、あらかじめ既定の光ファイバ線路を選択することができる。
【００６０】
次に、図８を参照しつつ、本実施の形態に係る周波数変調制御方法を含む測定処理の手順について説明する。図８は、実施の形態２に係る測定処理の手順の例を概略的に示すフローチャートである。図８のフローチャートの処理内容は、ステップＳＴ１７，ＳＴ１８を除いて、図３のフローチャートの処理内容と同じである。
【００６１】
ステップＳＴ１６で電圧信号の特性値及び距離Ｌが計測された後は、特性算出部３２Ａは、計測距離Ｌの値に基づいて光遅延回路２３における光経路を変更するか否かを判定する（ステップＳＴ１７）。特性算出部３２Ａは、たとえば、ターゲットＴｇｔを含む光路の長さΔＬ１と、光遅延回路２３を含む別の光路の長さΔＬ２との差が予め設定された許容範囲内にあるときは、光経路を変更しないと判定することができ（ステップＳＴ１７のＮＯ）、光路の長さΔＬ１，ΔＬ２間の差が当該許容範囲内にないときは、光経路を変更すると判定することができる（ステップＳＴ１７のＹＥＳ）。光経路を変更しないとの判定がなされたときは（ステップＳＴ１７のＮＯ）、ステップＳＴ２０が実行される。
【００６２】
一方、光経路を変更するとの判定がなされたとき（ステップＳＴ１７のＹＥＳ）、特性算出部３２Ａは、光路の長さΔＬ１，ΔＬ２を実質的に互いに等しくする、すなわち、光路の長さΔＬ１，ΔＬ２間の光路差を許容範囲内に収める光ファイバ線路ＦＶｋを選択させる切替制御信号ＳＣを出力する（ステップＳＴ１８）。その後、ステップＳＴ１１が実行される。
【００６３】
特性算出部３２Ａは、計測距離Ｌに基づいて、この計測距離Ｌの値に最も近い光路長ΔＬ２を実現する光ファイバ線路ＦＶｋを選択することができる。ここで、光ファイバ線路ＦＶｋの実長Ｌｅ（単位：メートル）、光路長ΔＬ２、及び、レーザ波長に対する光経路の屈折率ｎｆの間の関係は、次式（９）で表現することができる。
Ｌｅ＝ΔＬ２／ｎｆ                        （９）
【００６４】
長距離計測が実行される場合は、受信反射光と参照光とが互いに干渉しにくい状況が生じ得る。このような状況でも、本実施の形態のレーザレーダ装置２は、計測距離Ｌの値に応じて、参照光の伝送路長を切り替えることができる。これにより、あらかじめターゲットＴｇｔまでの距離が把握されていない場合でも、信号処理部２２は、ターゲット情報を高い精度で測定することができる。更に、コヒーレンシーの低い光源が使用される場合でも、長距離離れて配置されたターゲットＴｇｔの振動計測が可能である。
【００６５】
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。
本発明の範囲内において、上記実施の形態１，２の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係るレーザレーダ装置は、周波数変調されたレーザ光を用いてターゲットまでの距離及び振動数などのターゲット情報を測定するレーダシステムに用いられるのに適している。
【符号の説明】
【００６７】
１，２  レーザレーダ装置、１０  レーザ光源、１１  周波数変調器、１２  光分配器、１３  光サーキュレータ、１４  光アンテナ、１５  光合波器、２０  光検出器、２１  復調回路、２２  信号処理部、２３  光遅延回路、２３１，２３２  光スイッチ、２３３  ドライバ回路、３０，３０Ａ  変調制御部、３１  Ｆ−Ｖ変換器（周波数−電圧変換器）、３２，３２Ａ  特性算出部、３３  比較部（判定部）、３４  パラメータ設定部、３５  信号発生器、４０  信号処理装置、４１  プロセッサ、４２  メモリ、４３  入力インタフェース部、４４  出力インタフェース部、４５  信号路、Ｔｇｔ  ターゲット、Ｐ０〜Ｐ６，Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ  光経路、ＦＶ１〜ＦＶ５  光経路（光ファイバ線路）。
【要約】
レーザレーダ装置（１）は、制御パラメータを基に周波数変調が施された変調レーザ光を生成する変調光生成部（１０，１１）と、受信光とローカル光とを合波して干渉光を生成する光合波器（１５）と、干渉光を検出して電気信号を出力する光検出器（２０）と、前記電気信号を電圧信号に変換する周波数−電圧変換器（３１）と、前記電圧信号の特性値を計測する特性算出部（３２）と、前記特性値に基づいて、反射信号成分のスペクトルの中心周波数が復調回路（２１）の復調帯域の範囲内か否かを判定する判定部（３３）と、前記中心周波数が前記復調帯域の範囲外であると判定されたとき、前記制御パラメータを変更するパラメータ設定部（３４）とを備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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