(57)【要約】マイクロ波帯の周波数からなる変調周波数により光信号を強度変調し、変調周波数に関するドップラ周波数を検出するレーザレーダ装置において、高い受信感度を実現する。  光源１からの光信号を送信ビームＬ１として大気中に送信する光送信部と、大気中からの受信ビームＬ２を受信光として受信する受信手段と、少なくとも１つの変調周波数をキャリア周波数とする変調信号を出力する発振器１０と、受信光に基づいて大気中の性状を検出する信号処理部１２とを備え、光送信部は、光源１からの光信号を変調信号により強度変調する光強度変調器２を含み、受信手段は、受信光の強度変調成分の周波数をベースバンド周波数に変換する光周波数変換手段９と、光周波数変換手段９からの出力信号を直接検波して電気信号に変換して信号処理部１２に入力する光検出手段１１とを含む。
2004074867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光信号を送信ビームとして大気中に送信する光送信部と、
前記大気中からの受信ビームを受信光として受信する光受信部と、
少なくとも１つの変調周波数をキャリア周波数とする変調信号を出力する発振器と、
前記受信光に基づいて前記大気中の性状を検出する信号処理部とを備え、
前記光送信部は、前記光源からの光信号を前記変調信号により強度変調する光強度変調器を含み、
前記受信手段は、
前記受信光の強度変調成分の周波数をベースバンド周波数に変換する光周波数変換手段と、
前記光周波数変換手段からの出力信号を直接検波して電気信号に変換して前記信号処理部に入力する光検出手段と
を含むことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記光周波数変換手段は、光ミクサにより構成され、
前記光ミクサは、前記変調信号のキャリア周波数とほぼ等しい変調周波数で、前記受信光の強度を変調することを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
【請求項３】
前記光ミクサは、前記変調信号のキャリア周波数とほぼ等しい変調周波数で、前記受信光の位相、偏光および振幅のいずれか１つを変調するための変調器を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、レーザ光を送受して散乱体の性状を測定するレーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】  従来より、この種のレーザレーダ装置においては、レーザ光を送信ビームとして大気中に出射し、ビーム焦点における散乱体の移動速度によってドップラ周波数シフトを受けた受信ビームを受信している。そして、受信ビームに基づく受信光とローカル光とのヘテロダイン検波を行うことによりドップラ信号を検出し、ドップラ周波数を求めることによって散乱体の移動速度を求めるようになっている。
上記従来装置においては、光のキャリア周波数に関するドップラシフト周波数を検出する方式が用いられているが、この方式によれば、ドップラ信号のコヒーレンシィが低く、ドップラシフトした光キャリアの位相が連続している時間（コヒーレント時間）が短いことが知られている。
たとえば、受信ビームが大気中のエアロゾルからの散乱光である場合、ドップラ信号のコヒーレント時間は、数μｓｅｃのオーダであることが知られている。したがって、ドップラ信号を長時間にわたって積分してＳ／Ｎ比を改善しようとしても、コヒーレント積分によるＳ／Ｎ比の改善を行うことはできない。
また、Ｓ／Ｎ比を改善するためには、ドップラ信号をインコヒーレントに積分しなければならず、結局、Ｓ／Ｎ比の改善効率を向上させることはできない。
上記従来装置においては、ドップラ信号のコヒーレント時間が短くなる原因の１つとして、光のキャリア周波数が高いことが挙げられる。
この場合、コヒーレント時間の長いドップラ信号を得るには、光信号よりも低い周波数（たとえば、マイクロ波帯の周波数）からなる変調周波数により光信号を強度変調し、この変調周波数に関するドップラ周波数を検出することが考えられる。
このように、光信号をマイクロ波帯の変調周波数により強度変調する方式を用いた従来装置としては、たとえば特許文献１（特開昭５１−２９０３２号公報）、特許文献２（特開昭５９−１５０２９９号公報）、および特許文献３（特開平２−２５７８６号公報）に示されているものが知られている。
上記特許文献１〜３に示されている従来技術においては、散乱体により散乱された受信ビームを電気信号に変換する方式として、フォトディテクタにより直接検波する方式が適用されている。
このような直接検波方式は、従来から多くのレーザレーダ装置で用いられているヘテロダイン検波方式と比べて、受信感度が受信ビームの偏波に依存することがなく、安定な受信感度が得られるというメリットがある反面で、受信感度が低いことが知られている。
特に、検出対象となる散乱体が大気中のエアロゾルであって、エアロゾルから散乱された微弱な受信ビームを受信してエアロゾルの移動速度（風速）を検出するような場合には、所望の受信感度を得ることが困難であった。
【発明の開示】
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、マイクロ波帯の周波数からなる変調周波数により光信号を強度変調し、変調周波数に関するドップラ周波数を検出するレーザレーダ装置において、受信ビームの偏波に依存することがなく、且つ、受信感度を十分に向上させることのできるレーザレーダ装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】  図１はこの発明の実施の形態１を示すブロック構成図である。
図２はこの発明の実施の形態１による動作を説明するための波形図であり、変調前の光信号を示している。
図３はこの発明の実施の形態１による動作を説明するための波形図であり、変調後の光信号を示している。
【発明を実施するための最良の形態】実施の形態１．
以下、図１を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態１を示すブロック構成図である。
図１において、レーザレーダ装置は、光送信系として、光源１と、光源１から出射される光の強度を変調する光強度変調器２と、変調後の光を送信レベルに増幅する光送信アンプ３と、増幅後の光を送信ビームにする送信光学部４と、走査光学部５を備えている。
走査光学部５は、送信用の走査光学部５１と、受信用の走査光学部５２とを並列に備えている。
送信用の走査光学部５１は送信ビームＬ１を出射し、受信用の走査光学部５２は、送信ビームＬ１が照射された焦点からの散乱ビームを受信ビームＬ２として受信する。
レーザレーダ装置の光受信系は、走査光学部５２を介して受信ビームＬ２を受信する受信光学部６と、受信信号を増幅する光受信アンプ７と、所望の受信周波数を選択する光フィルタ８と、受信周波数を所定の発振周波数と混合処理する光ミクサ９とを備えている。
送信系内の光強度変調器２および受信系内の光ミクサ９には、発振器１０からの発振周波数が入力されている。
レーザレーダ装置の検出処理系は、光ミクサ９からの出力信号を検出するためのフォトダイオードを含むフォトディテクタ１０と、フォトディテクタ１１からの検出信号を処理する信号処理部１２と、信号処理部１２を介した検出信号を最終処理する制御部とを備えている。
制御部１３は、信号処理部１２を制御して検出信号を取り込むとともに、検出信号に応じて走査光学部５１および５２をフィーバック制御する。
図１において、光源１は光強度変調器２に接続され、光強度変調器２は光送信アンプ３および発振器１０に接続され、光送信アンプ３は送信光学部４に接続されている。
受信光学部６は光受信アンプ７に接続され、光受信アンプ７は光フィルタ８に接続され、光フィルタ８は光ミクサ９に接続されている。
光ミクサ９は、フォトディテクタ１１および発振器１０に接続され、フォトディテクタ１１は信号処理部１２に接続されている。また、制御部１３は、信号処理部１２、走査光学部５１および５２に接続されている。
なお、図１には具体的に示されていないが、光源１と光強度変調器２との間、光強度変調器２と光送信アンプ３との間、光送信アンプ３と送信光学部４との間は、それぞれ、光ファイバケーブルにより接続されている。
同様に、受信光学部６と光受信アンプ７との間、光受信アンプ７と光フィルタ８との間、光フィルタ８と光ミクサ９との間、光ミクサ９とフォトディテクタ１１との間は、それぞれ、光ファイバケーブルにより接続されている。
このように、送信系および受信系の光伝搬において、光ファイバケーブルを使用することにより、光信号を空間的に伝搬させる場合と比べて、レーザレーダ装置内における各要素の配置自由度を向上させることができる。
一方、上記以外の他の要素間は、電線ケーブルにより接続されているものとする。
また、発振信号を出力する発振器１０は、少なくとも１つの変調周波数（後述する）をキャリア周波数として出力する。この場合、発振信号は、たとえば連続波であり、この発振信号が変調信号として用いられる。
ここで、発振器１０から出力される変調信号のキャリア周波数は、電磁波ドップラレーダで通常使用されているマイクロ波帯の周波数（たとえば、２ＧＨｚ）とする。このキャリア周波数は、光源１から送信される光信号の周波数（たとえば、２００テラＨｚ）と比べて、遥かに低い値である。
光強度変調器２は、発振器１０からの変調信号に基づいて、光源１からの光信号に強度変調を付加するようになっている。
送信光学部４および受信光学部６は、それぞれの走査光学部５１および５２により、大気中の同じ位置に焦点を有する構成となっている。
次に、図２および図３の波形図を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による動作について説明する。
なお、以下の説明において、図１に示すレーザレーダ装置は、散乱体を大気中のエアロゾルとし、風速検出（つまり、エアロゾルの移動速度検出）を目的として風速のドップラ周波数を求めるものとして説明する。ただし、この発明は、散乱体の移動速度を求める他の用途、たとえば、自動車の走行速度測定装置などにも適用できる。
また、「受信光」という用語は、ターゲット（焦点）により散乱された受信ビームＬ２に基づく光信号であり、ヘテロダイン検波または直接検波される前の光信号のことを意味する。また、「ドップラ信号」という用語は、キャリア周波数が散乱体の移動速度に関するドップラ周波数となる信号のことを意味する。
まず、光源１から連続波の光信号が送信されると、光強度変調器２は、この光信号を強度変調する。
図２および図３は、光強度変調器２による強度変調前と強度変調後との光信号波形をそれぞれ示している。
光強度変調器２により強度変調されるときの変調周波数ｆｍは、発振器１０からの変調信号のキャリア周波数である。
光強度変調器２により強度変調された光信号は、光送信アンプ３により増幅され、光送信アンプ３により増幅された光信号は、送信光学部４および走査光学部５１を介して、大気中に送信ビームＬ１として出射される。
大気中に出射された送信ビームＬ１は、エアロゾルにより散乱された後に、受信ビームＬ２として受信される。
このとき、受信ビームＬ２は、焦点における散乱体の移動速度、つまり、風速の影響により、ドップラ周波数シフトを受けている。
また、光のキャリア周波数からなる光信号に対して、マイクロ波帯の変調周波数ｆｍによる強度変調を与えているので、以下のように、２種類のドップラ周波数シフトが存在する。
すなわち、第１のドップラ周波数シフトは、光のキャリア周波数に関するものであり、第２のドップラ周波数シフトは、変調周波数ｆｍに関するものである。
ここで、光のキャリア周波数に関するドップラ周波数シフトｆｓｃは、光のキャリア周波数ｆｃ、光の伝搬速度ｃ、散乱体の移動速度ｖを用いて、以下の式（１）のように表される。
ｆｓｃ＝（２ｖ×ｆｃ）／ｃ      ・・・（１）
また、変調周波数ｆｍ（変調信号のキャリア周波数）に関するドップラ周波数シフトｆｓｍは、以下の式（２）のように表される。
ｆｓｃ＝（２ｖ×ｆｍ）／ｃ      ・・・（２）
また、送信光学部４および受信光学部６に関連する各ビームＬ１、Ｌ２の焦点は、前述した通り同一位置に設定されているので、受信ビームＬ２においては、焦点の近傍から散乱された成分が支配的である。
ドップラ周波数シフトｆｓｍを受けた受信ビームＬ２は、受信光学部６を介して受信光として光受信アンプ７に送られ、まず増幅される。
次に、光フィルタ８により不要な周波数成分が除去された後、光ミクサ９に送られる。
光ミクサ９は、発振器１０からの発振信号と光フィルタ８からの受信ビームとをミキシングする。すなわち、光ミクサ９は、発振器１０からの発振信号（送信光強度の変調周波数ｆｍ）を用いて、受信光の光強度を変調する。
このとき、光ミクサ９を通過した後の受信光の光強度Ｉｍｉｘは、受信光強度Ｉｉｎと、光ミクサ９での変調振幅Ａとを用いて、以下の式（３）のように表される。
Ｉｍｉｘ＝｛（Ｉｉｎ・ｃｏｓ（２π（ｆｍ＋ｆｓｃ））｝・Ａｃｏｓ（２πｆｍ）
＝Ａ・Ｉｉｎ／２｛ｃｏｓ（２π（２ｆｍ＋ｆｓｃ））＋ｃｏｓ（２πｆｓｃ）｝
・・・（３）
式（３）において、簡略化のために、たとえば位相項について考慮していないが、変調振幅Ａのみならず、必要に応じて、位相または偏光などを変調することもできる。
このように、光ミクサ９によるミキシングにより、光ミクサ９を通過した後の光強度Ｉｍｉｘには、発振器１０からの発振信号の周波数と、受信光の強度変調成分の周波数との差および和の周波数成分が生じる。特に、差の成分は、変調周波数ｆｍに関するドップラ周波数となる。
このとき、変調周波数ｆｍに関するドップラ周波数は、式（２）から明らかなように、変調周波数ｆｍの２ｖ／ｃ倍である。
ここで、光の伝搬速度ｃは、言うまでもなく、散乱体の移動速度ｖと比べて遥かに大きい値なので、変調周波数ｆｍに関するドップラ周波数シフトｆｓｃは、変調周波数ｆｍと比べて遥かに低いベースバンド周波数となる。
なお、「ベースバンド周波数」という用語は、変調周波数ｆｍと比べて十分に低い周波数という意味である。
たとえば、式（３）の右辺括弧内の第１項における周波数（２ｆｍ＋ｆｓｃ）は、ベースバンド周波数の帯域外であり、式（３）の右辺括弧内の第２項における周波数ｆｓｃはベースバンド周波数である。
式（３）から明らかなように、光ミクサ９としては、変調周波数ｆｍで通過光の強度を変調する動作原理を有していれば、どのような方式の変調器であっても適用可能である。
このような変調器としては、たとえば、入射光を２分岐した後に、変調周波数ｆｍで位相変調し、その後、分岐された２光路の光路長差を、電気光学結晶の電気光学効果（または、半導体のフランツ・ケルディッシュ効果、プラズマ効果など）を用いて合波させ、干渉により通過光強度を変調するマッハ・ツェンダー型変調器が挙げられる。
または、通過光波長近傍にバンドギャップを有する半導体を用い、フランツ・ケルディッシュ効果などで入力した変調周波数ｆｍによりバンドギャップの大きさを変化させて、光の透過時の吸収量を変調する電界吸収型変調器などが挙げられる。
逆に、光増幅器の増幅利得を変調周波数ｆｍで変化させる方式を用いれば、式（３）内の変調振幅Ａが「１」よりも大きくなり、受信光の増幅も同時に行うことができる。
また、通過光の偏光方向を、電気光学結晶の電気光学効果などを用いて、変調周波数ｆｍで偏光変調した後に、偏光子を通過させ強度変調に変換する方式が適用可能である。
さらに、電気光学結晶の電気光学効果、半導体のフランツ・ケルディッシュ効果、プラズマ効果などを用い、変調周波数ｆｍで通過光を位相変調（周波数変調）した後に、光周波数弁別フィルタを通過させることにより、強度変調に変換する方式なども適用することができる。
光ミクサ９からの出力信号は、フォトディテクタ１１に送られ、直接検波により電気信号に変換される。
このとき、フォトディテクタ１１の出力側におけるフロントエンド回路の周波数帯域をベースバンド周波数帯に設定しておけば、フォトディテクタ１１による直接検波により、光ミクサ９から出力される光信号のキャリア周波数が除去されるので、ドップラ周波数シフトｆｓｃからなる強度変調成分のみが抽出される。
したがって、フォトディテクタ１１からの電気信号の周波数は、変調周波数ｆｍに関するドップラ周波数シフトｆｓｃとなる。このドップラ周波数シフトｆｓｃは、送信光学部４および受信光学部６の焦点近傍における受信方向の風速成分に対応している。
前述したように、「ドップラ信号」という用語は、周波数が散乱体の移動速度に関するドップラ周波数となる信号を意味するので、以下では、フォトディテクタ１１からの電気信号をドップラ信号として説明する。
一般的に、ドップラ信号のコヒーレント時間は、送信信号の周波数に逆比例するので、光強度変調器２での変調周波数ｆｍに関するドップラ信号のコヒーレント時間は、光信号のキャリア周波数に関するドップラ信号のコヒーレント時間と比べて、はるかに長い時間となる。
たとえば、周波数２００テラヘルツ（波長１．５μｍ）の光信号に、２ギガヘルツの変調周波数ｆｍで強度変調を与えた場合、変調周波数ｆｍに関するドップラ信号のコヒーレント時間は、光信号のキャリア周波数に関するドップラ信号のコヒーレント時間と比べて１０万（１０５）倍程度長い時間となる。
なお、変調信号のキャリア周波数（変調周波数）ｆｍは、必要なコヒーレント時間τｒと、定数ｋを用いて、以下の式のように決定されればよい。
ｆｍ＝ｋ／τｒ
また、定数ｋの具体的な値としては、周波数２００テラＨｚの場合において、ドップラ信号のコヒーレント時間は１μｓｅｃ程度であることを考慮して、以下の式のように設定すればよい。
ｋ＝２×１０６
次に、信号処理部１２において、ドップラ信号が信号処理され、風速が検出される。
このとき、受信光の強度変調成分の検出方式として、フォトディテクタ１１による直接検波を用いてドップラ信号を検出しているので、各要素を接続している光ファイバ内を伝搬する光信号に偏波変動が生じても、受信感度に影響を与えることがなく、安定した受信感度で測定することができる。
なお、フォトディテクタ１１による直接検波において、フォトディテクタ１１から出力可能な周波数帯域は、フォトディテクタ１１のフロントエンド回路中におけるトランスインピーダンスゲインと、フォトディテクタ１１に含まれるフォトダイオードが持つ容量値とにより決定し、トランスインピーダンスゲインを大きく設定すると、出力可能な周波数帯域が低周波領域に制限される。
しかし、フォトディテクタ１１の出力信号における雑音電流ｉは、ボルツマン定数ｋ、フロントエンド回路の雑音指数Ｆ、出力信号の周波数帯域Ｂ、トランスインピーダンスゲインＲを用いて、以下の式（４）で表される。
ｉ＝（４ｋＴＦＢ／Ｒ）１／２      ・・・（４）
式（４）から明らかなように、雑音電流ｉは、熱雑音が支配的となるため、雑音電流ｉを小さくするためには、トランスインピーダンスゲインＲを大きく設定することが必要となる。
仮に、従来装置のように、受信光をフォトディテクタ１１により、光ミクサ９を用いることなく直接検波する場合には、フォトディテクタ１１からの出力信号に関して、変調周波数程度の周波数帯域が要求されるので、トランスインピーダンスゲインＲを高く設定することができず、雑音電流ｉを小さくすることは困難である。
しかし、図１のように、光ミクサ９を用いて受信光の強度変調成分の周波数をベースバンド周波数にダウンコンバートすることにより、フォトディテクタ１１の出力信号に関して要求される周波数帯域を、ベースバンド周波数帯に制限することができる。
したがって、フォトディテクタ１１のトランスインピーダンスゲインＲ（トランスインピーダンスにおける抵抗値）を高く設定することが可能となり、この結果、受信感度を高くすることができる。
また、図１の構成において、送信信号のキャリア周波数は、あくまでも光信号のキャリア周波数であるので、電磁波ドップラレーダ装置に対するレーザレーダ装置のメリット（たとえば空間分解能が高く局所的な測定が可能であること）を失うことはない。
また、上記説明では、光強度変調器２に入力する変調信号の周波数（変調周波数ｆｍ）と、光ミクサ９に入力する信号の周波数（変調周波数ｆｍ）とを同一に設定したが、光強度変調器２に入力する変調周波数と、光ミクサ９に入力する信号周波数との間に若干の差を与えて、ほぼ同一の周波数に設定すると、さらなる効果が生じる。
たとえば、ベースバンド周波数帯の或る周波数ｆｂを用いて、光強度変調器２に入力する変調周波数ｆｍに対して、光ミクサ９に入力する信号周波数を（ｆｍ＋ｆｂ）に設定すると、フォトディテクタ１１の出力周波数はｆｓｃ＋ｆｂとなる。
このように、ドップラ周波数に対して周波数オフセットを付加することにより、１／ｆ雑音の影響を回避して、さらに高いＳ／Ｎ比でドップラ周波数を検出することができる。
ここで、光強度変調器２に入力する変調周波数ｆｍと、光ミクサ９に入力する信号周波数（ｆｍ＋ｆｂ）との間に若干の差（周波数ｆｂ）を与えるためには、図示されていないが、発振器１０の数を２つに増設して、各発振器から光強度変調器２および光ミキサ９に対して、ほぼ同一周波数で且つ若干の差を有する異なる周波数信号を入力すればよい。
また、ここでは、送信光学部４および受信光学部６を個別に設けたが、送信光学部４および受信光学部６を一体構成して送受光学部とし、この送受光学部に光サーキュレータ機能を設ければ、送信ビームＬ１の送信時における焦点位置と、受信ビームＬ２の受信時における焦点位置とが自動的に一致するので、システムの構築がさらに容易となる効果がある。
また、図１においては、光送信アンプ３、光受信アンプ７および光フィルタ８を用いているが、これらの要素を備えていなくても十分な受信感度で計測可能であれば、上記要素を省略することもできる。
ただし、受信光に対する受信感度が不足する場合には、光送信アンプ３、光受信アンプ７および光フィルタ８のうちの少なくとも１つを設けることにより、受信感度を改善することができる。
【産業上の利用の可能性】
この発明では、マイクロ波帯の周波数に関するドップラ周波数を検出するものであり、マイクロ波帯の周波数を用いる電磁波レーダに関する全ての方式、たとえばパルス方式やＦＭＣＷ方式といった方式に適用することも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004074867.tif 000005
【国際調査報告】
2004074867.tif 000006
2004074867.tif 000007