(57)【要約】バイスタティックレーザレーダ（ライダ）デバイスが開示される。本デバイスは、集束された送信ビームを形成する送信チャネル（６０）と、集束された受信ビームを形成する受信チャネル（６２）とを含む。デバイスは、デバイスの動作可能な距離範囲内の距離に集束されている時には、送信ビームの焦点と受信ビームの焦点とが共通軸上に位置するように配列されている。デバイスは、振動計測、風速測定等に使用することができる。光ファイバをベースとする構成要素を使用して、このようなデバイスを実現することが開示される。
2006502401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイスタティックレーザレーダデバイスであって、
集束された送信ビームを形成する送信チャネルと、
集束された受信ビームを形成する受信チャネルと、
を含み、
前記デバイスは、前記デバイスの動作可能な距離範囲内の距離に集束された時に、前記送信ビームの焦点と前記受信ビームの焦点とが共通軸上に位置するように配列されていることを特徴とするバイスタティックレーザレーダデバイス。
【請求項２】
前記送信チャネルは、前記集束された送信ビームを形成するように構成され且つ少なくとも１つのレンズを有する第１の光学配列を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記レーザ放射は、送信光ファイバケーブルを介して前記第１の光学配列に引き渡されることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記送信ビームの焦点は、前記送信光ファイバケーブルの出口開口に対する前記第１の光学配列の相対位置を変化させることによって調整可能であることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記出口開口は、前記第１の光学配列に対して線形に並進運動可能であることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記受信チャネルは、前記集束された受信ビームを形成するように構成され且つ少なくとも１つのレンズを有する第２の光学配列を含むことを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の光学配列は、受信した放射を受信光ファイバケーブルへ結合するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記受信ビームの焦点は、前記受信光ファイバケーブルの入口開口に対する前記第２の光学配列の相対位置を変化させることによって調整可能であることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記入口開口は、前記第２の光学配列に対して線形に並進運動可能であることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記請求項５に依存する時に、
前記送信光ファイバの出口開口が、前記第１の光学配列の光軸に沿って線形に並進運動可能であり、
前記受信光ファイバの入口開口が、前記第２の光学配列の光軸に対して所定の角度に配列されている軸に沿って線形に並進運動可能である、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
前記所定の角度は、前記光学配列の焦点距離に対する前記送信チャネル及び受信チャネルの分離の比の逆正接から計算されることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
少なくとも１つの付加的な受信チャネルを更に含むことを特徴とする先行請求項の何れかに記載のデバイス。
【請求項１３】
少なくとも１つの付加的な受信ビームを発生する少なくとも１つの付加的な受信チャネルを含み、前記少なくとも１つの付加的な受信ビームの焦点は、前記デバイスの動作可能な距離範囲内の前記送信ビームの焦点と交叉するように配列されていることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスは、軟目標と相互作用するように構成されていることを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記デバイスは、分布した目標と相互作用するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１つに記載のデバイス。
【請求項１６】
前記送信ビームは、1.55μｍの領域内の波長を有する放射から形成されることを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載のデバイス。
【請求項１７】
図４を参照して詳細に記載したデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザレーダ（ライダ）装置に関し、特定的には、バイスタティックコヒーレントレーザレーダ（ＣＬＲ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ライダ（lidar）デバイスは公知であり、多年にわたって種々の目的のために使用されてきた。ライダの基本的原理は、レーザビームを遠隔目標に導き、戻り信号を検出することである。送信されるレーザビームの振幅を変調することによって、簡単な距離情報を決定することができる。更に、コヒーレントレーザレーダ（ＣＬＲ）を使用することによって戻り信号の周波数内の何等かのドップラシフトを測定することができ、それによって目標の相対速度に関する情報を測定することが可能になる。２つの波長のレーザ光を目標に向けて送信し、第１及び第２の波長の吸収の差を使用して特定ガス種の分子濃度を測定する示差吸収ライダ（ＤＩＡＬ）デバイスも公知である。
【０００３】
ＣＬＲデバイスは、ソフト及びハードの両目標の速度測定のために使用されてきた。例えば、ＣＬＲ速度測定は、機関ケーシングのようなハードな目標の振動特性を測定するために使用されている。また、ＣＬＲは、ドップラ風速測定にも使用されている。風速測定の場合には、戻り信号は、送信されたレーザビームが塵または水滴のような小さい粒子（エアロゾル）によって後方散乱させられることによって発生する。ドップラ風速測定は、気象、航空機の真の対気速度、及び航空機の航跡渦の検出を含む広範囲の応用に有用であることが分かっている。
【０００４】
ドップラ周波数シフトの高精度測定は、典型的にはＣＬＲデバイス内において、戻り信号と安定した局部発振器ビーム（通常は、送信ビームと同一のレーザから導出する）とのビートを取る（ヘテロダインする）ことによって達成される。光ファイバをベースとするＣＬＲシステムの例が、2000年７月20日付Applied Optics, Vol.39, No.21に所載のKarlssonらの論文に記述されている。
【０００５】
ライダシステムは、モノスタティックまたはバイスタティックに大別することが可能である。モノスタテッィクライダシステムは、それらが共通の送信及び受信オプティックスを有していることからそのように呼ばれるのである。バイスタティックライダシステムは、送信及び受信オプティックスが分離していることからその名前が付けられたのである。
【０００６】
モノスタティックシステムにおいては、空間分解能は、送信／受信組合わせビームを目標に集束させることによって達成される。実際には、モノスタティックＣＬＲシステムの動作は、回折によって数百メートルの範囲内に制限されることが知られている。更に、焦点から離れた感度のドロップオフが緩やかであるために、プローブボリュームの限定が貧弱になり得る。プローブボリュームから離れた風速測定、雲、煙その他の対象の場合には、スプリアス反射が生成される可能性がある。モノスタティックＣＬＲシステムの場合は、共通の送信／受信オプティックスからの内部寄生反射がシステムの性能を重大に劣化させ、検出される戻り信号の強度が低くなるような若干の長距離応用（例えば、振動計側）に対してこれらのシステムを不適当にすることも知られている。
【０００７】
モノスタティックシステムに対して、バイスタティックＣＬＲシステムは長距離振動計測及び風速測定に良好に適していることが知られている。ある点において送信ビームと受信ビームとが交叉するようにこれらのビームを非平行に配列し、それによってプローブボリュームを正確に限定する（例えば、空間内に、またはハード目標の表面上に）することができる。プローブボリュームを局限すると、分布した目標の場合に戻り信号の強度を低下させるようになるが、スプリアス反射によって生成される雑音はモノスタティックシステムに比して大幅に減少する。
【０００８】
バイスタティックシステムから最適性能を得るためには、送信及び受信ビームの焦点をビーム交叉の位置に一致させなければならない。これは、送信及び受信オプティックスを別々に集束させ、また集束された受信及び送信ビームを所望の距離において交叉させるような角度に調整（即ち、“スクィント”）しなければならないからである。本明細書において使用する受信ビームという用語は、何等かの戻り光が検出器に導かれるような領域を表していることに注目されたい。換言すれば、受信ビームとは、光子のビームではなく、システムが光を受信する領域を限定する擬似または仮想ビームのことである。
【０００９】
測定を行う前にバイスタティックＣＬＲを位置合わせする方法が、WO01/35117に開示されている。しかしながら、機器の距離を変更した場合に、この位置合わせ方法を使用してシステムの位置合わせを再較正する必要があることが理解されよう。システムの距離を変更する度に較正ステップを遂行する必要があることは、ライダシステムの柔軟性及びユーザフレンドリネスを大幅に低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述したバイスタティックライダデバイスの欠陥の少なくとも若干を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、バイスタティックレーザレーダデバイスは、集束された送信ビームを形成するための送信チャネルと、集束された受信ビームを形成するための受信チャネルとを含む。本デバイスは、デバイスの動作可能な距離範囲内のある距離に集束された時に、送信ビームの焦点及び受信ビームの焦点が共通軸上に結ばれるように配列されている。
【００１２】
以上のように、本発明は、送信及び受信ビームの焦点を変化させた時に、所定の手法でスクィントを調整するようなバイスタティックライダデバイスを提供する。これにより、デバイスが動作する所要の距離範囲にわたって、送信及び受信ビームの焦点を交叉させることが可能になる。
【００１３】
換言すれば、送信ビームが合焦する位置は、デバイスの動作可能な距離にわたって第１の軸を辿る。受信ビームが合焦する位置は、その焦点位置がデバイスの動作可能な距離範囲内において変化するにつれて第２の軸を辿る。本発明は、デバイスの動作範囲内において第１の軸と第２の軸とを実質的に一致させる、即ち、送信ビームの焦点と受信ビームの焦点とを１つの共通軸に沿って位置させる。この共通軸は、使用する正確なジオメトリに依存して、直線であることも、または直線でないこともできる。
【００１４】
上述したように、デバイスの性能は、送信及び受信ビームの焦点が所望の遠隔目標において交叉する時に最適化される。従って、従来技術のバイスタティックライダデバイスに優る本発明の長所は、送信及び受信ビームの焦点が変更された時に、別のスクィント調整ステップを遂行する必要性を排除したことである。
【００１５】
送信チャネルが、集束された送信ビームを形成するように構成され且つ少なくとも１つのレンズを有する第１の光学配列を含むと好都合である。第１の光学配列は、単一のレンズであることも、または望遠鏡レンズシステムを含むこともできる。
【００１６】
レーザ放射を、送信光ファイバケーブルを介して第１の光学配列へ供給することが好ましい。従って、送信ビームの焦点は、送信光ファイバケーブルの出口開口に対する第１の光学配列の相対位置を変化させることによって調整可能である。
【００１７】
ファイバ出口開口を、第１の光学配列に対して線形に並進運動できるようにすると有利である。例えば、光ファイバケーブルの端（即ち、出口開口）を線形並進運動ステージ上に取付け、固定された第１の光学配列（例えば、レンズ）に対して運動させることができる。
【００１８】
受信チャネルが、集束された受信ビームを形成するように構成され且つ少なくとも１つのレンズを有する第２の光学配列を含むと好都合である。第２の光学配列は、受信した放射を受信光ファイバケーブルへ結合するように構成されていることが好ましい。
【００１９】
受信ビームの集束を、受信光ファイバの入口開口に対する第２の光学配列の相対位置を変化させることによって調整可能にすることが好ましい。
【００２０】
ファイバ入口開口は、第２の光学配列に対して線形に並進運動できるようにすると有利である。例えば、光ファイバケーブルの端（即ち、入口開口）を線形並進運動ステージ上に取付け、固定された第２の光学配列（例えば、レンズ）に対して運動させることができる。
【００２１】
ファイバ端が第２の光学配列に対して線形に並進運動できる受信チャネルと、ファイバ端が第１の光学配列に対して線形に並進運動できる受信チャネルとを有するデバイスの場合には、送信光ファイバの出口開口が第１の光学配列の光軸に沿って線形に並進運動でき且つ受信光ファイバの入口開口が第２の光学配列の光軸に対して所定の角度に配列された軸に沿って線形に並進運動できるようにすると好都合である。
【００２２】
１対の線形並進運動ステージ（即ち、送信ビームを集束させる１つのステージ、及びスクィント補正を用いて受信ビームを集束させる第２のステージ）を用いて本発明を実現する能力は、典型的な従来技術デバイスに優る長所を提供する。
【００２３】
前記所定の角度は、光学配列の焦点距離に対する送信チャネル及び受信チャネルの分離の比の逆正接から計算すると有利である。この所定の角度の計算方法に関しては、図３を参照して後に詳述する。
【００２４】
好ましくは、デバイスは更に、少なくとも１つの付加的な受信チャネルを含むことができる。
【００２５】
若干の環境においては、２またはそれ以上の受信チャネルを有するライダシステムが提供されることが望ましい。例えば、ハードな反射性または光散乱表面（例えば、窓または壁）から振動測定を行う場合には、レーザスペックルパターンによって、振動の角度に伴って大きく変化する強度を有する反射を発生させることができる。従って、単一受信チャネルを空白領域内に配置し、小さい戻り信号だけを受信させることができる。付加的な受信チャネルを設け、戻り信号を２またはそれ以上の空間的に離間した受信チャネルの各々によって検出することによってこの問題は解消される。２またはそれ以上の戻り信号を組合わせる（例えば、ある方法によって平均化する）ことも、またはより高強度の信号を使用して所要の情報を得ることもできる。
【００２６】
前記少なくとも１つの受信チャネルが付加的な受信ビームを提供し、この少なくとも１つの受信ビームの焦点がデバイスの動作可能な距離内で送信ビームの焦点と交叉するように配列すると有利である。
【００２７】
好ましくは、デバイスが分布した（ソフト）目標と相互作用するように構成する。例えば、目標はある体積の空気であることができ、また風速測定をデバイスから抽出することができる。
【００２８】
代替として、デバイスがハード目標と相互作用するように構成することが有利であり得る。デバイスは、例えば、振動計測に使用することができる。例えば、機械の振動を監視して故障が発生したこと識別することができる。
【００２９】
好ましくは、送信ビームは、1.55μｍの領域の波長を有する放射から形成する。勿論、デバイスはどのような波長の放射（例えば、赤外、可視、ＵＶ等）を使用して動作させることもできる。
【００３０】
以下に、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１ａを参照する。バイスタティックライダデバイスの送信機２及び受信機４が図示されている。送信機はレーザビーム６を送信するように構成され、レーザビーム６はプローブボリューム８上に集束される。同様に、受信機は同一プローブボリューム８上に集束されるように構成されている。換言すれば、受信機のいわゆる受信ビーム１０も、プローブボリューム８上に集束されるのである。更に、受信機４は、受信ビーム１０の焦点がプローブボリューム８においてレーザビーム６の焦点と交叉するように、ｚ方向に角度θだけ傾けてある。
【００３２】
図１ａのシステムは、適切に位置合わせされたバイスタティックライダを示している。送信機及び受信機からのビームの焦点が、プローブボリューム８に同時に入射する。
【００３３】
図１ｂは、図１ａのライダシステムの送信機及び受信機の焦点距離だけを変更した場合の効果を示している。送信機及び受信機の焦点距離（Ｒ）は短くされているが、戻り信号は交叉の領域１２だけから導出できることが分かる。これは、システムの感度を低下させる。
【００３４】
図１ｃを参照する。図１ａのシステムの送信機と受信機との間の相対角度だけを変更した場合の効果が示されている。戻り信号が、送信機及び受信機の焦点よりも短距離の交叉の領域１４から正確に導出されることが理解されよう。この場合も、これがシステムの感度を低下させる。
【００３５】
図１は、所要のプローブボリュームを限定するために、何故バイスタティックシステムの集束及びスクィントの両者を注意深く調整しなければならないのかを示している。前記WO01/35117は、送信機及び受信機ビームを所望のプローブボリュームに正確に位置合わせすることができるように開発された技術を記載している。WO01/35117の方法は、受信機オプティックスの一部分を切り離すステップと、受信機によって検出するために、光を散乱させなければならない空間光モードと精密に一致する“実”受信ビームが形成されるように、レーザビームを受信機に導くステップとを含む。次いで“実”受信ビームと送信ビームとが交叉するように受信機及び送信機を集束させ、スクィントさせてそれらを所望のプローブボリューム上に集束させる。
【００３６】
図２を参照する。ファイバをベースとするバイスタティックライダ装置の集束及びスクィントを変化させるための典型的な従来技術の方法が示されている。
【００３７】
図２ａは、ファイバ端２２から放出されたレーザ光のビーム２０を、どのようにレンズによって点２４に合焦させることができるかを示している。図２ｂは、レンズに向かうファイバの軸方向（即ち、図２のｚ軸に沿う）運動によって、どのようにレーザビームの焦点距離を増加させることができるかを示している。図２ｃは、レンズに対するファイバの横方向運動によって、どのように焦点の横方向運動を得ることができるかを示している。このような横方向運動を制御することによって、所要量のスクィントを導入することができる。所要の横方向及び軸方向並進運動は、分離した手動（例えば、マイクロメータ）または自動化（例えば、電動並進運動ステージ）手段によって遂行させることができる。
【００３８】
上述したように、目標上に送信ビーム及び受信ビームを最適に重畳させることを保証するためのシステムの集束及びスクィントを別々に調整する必要性は、システムに複雑さを付加する。
【００３９】
図３を参照する。ファイバをベースとするライダシステムを実現する本発明が、どのようにしてスクィント及び集束調整を単一の線形並進運動に統合し、集束が調整された時にスクィントを精密に補償するかを示している。
【００４０】
送信レンズ４０が、受信レンズ４２から距離Ｓだけ横方向に離間しているものとする。送信及び受信レンズの光軸は、共にｚ軸に心合わせされている。各レンズは焦点距離Ｆを有しており、遠隔目標Ｔはレンズから距離Ｒに位置している。
【００４１】
第１のファイバ端４４は送信レンズ４０から距離Ｆ＋Ｚに位置し、第２のファイバ端４６は受信レンズ４２から距離Ｆ＋Ｚに位置している。スクィントさせるために、第２のファイバ端４６は受信レンズ４２の光軸から距離Ｘだけ離れて位置している。
【００４２】
従って、システムの集束条件は次式を使用して表すことができる。
【数１】
2006502401.tif 000003
この式は、次のように書き換えることができる。
【数２】
2006502401.tif 000004
近似として、
【数３】
2006502401.tif 000005
であることは理解されよう。軸方向運動がＺ＝15ｍｍであり、焦点距離が15ｃｍであるとすれば、システムの最小距離は1.5ｍである。
【００４３】
距離の関数としてのスクィントの所要量は、次式によって与えられる。
【数４】
2006502401.tif 000006
従って、
【数５】
2006502401.tif 000007
であることが理解されよう。1.5ｍの距離（即ち、上式３から導出されるシステムの最小距離）の場合、８ｍｍの所要横方向運動（Ｘ）が必要である。
【００４４】
本発明は、Ｘ及びＺの両者を、距離（Ｒ）の逆数を用いて変化させることを実現する。換言すれば、受信機オプティックスのファイバ端だけを線形調整することによって、集束及びスクィントを達成できることを見出したのである。ファイバ端を線形調整することによって所望の集束及びスクィント変化の両者がもたらされる角度（θ）は、次式によって計算することができる。
【数６】
2006502401.tif 000008
従って、Ｓ＝８ｃｍで、Ｆ＝15ｃｍの場合には、約28°の角度（θ）が必要になる。
【００４５】
式（６）を使用して計算される角度（θ）は、距離Ｒがレンズの焦点距離Ｆよりも十分に大きいことを想定していることに注目されたい。従って、ビームが集束される距離が焦点距離と同等程度になると、式（６）は適用できなくなる。
【００４６】
光の波長がλであり、出口開口における半径がｒである場合には、３ｄＢ損を導入するのに要する横方向変位（ΔＬ）誤差は、次式によって与えられる。
【数７】
2006502401.tif 000009
従って、システムの動作の最小距離（即ち、損失が３ｄＢよりも大きくなる距離）は、次式によって与えられる。
【数８】
2006502401.tif 000010
従って、出口開口における半径が1.8ｃｍであり、波長が1.55μｍであるビームは、約10ｍより大きい全ての距離に対して３ｄＢより小さいスクィント誤差を与える。
【００４７】
従って、本発明が、振動計測のようなより長い距離（即ち、約20ｍを越える）応用に対して、位置合わせを最適に接近させ続けることが理解されよう。しかしながら、短距離（即ち、約10ｍ以下）においては、集束計算における高次項の重要性が増すために、感度が若干低下するようになる。
【００４８】
通常のスキームは、送信ビームのスクィントが０であり、また受信レンズの光軸に対して対角線状に位置合わせされている並進運動ステージ上に取付けられた受信ファイバを用いて実現される。代替として、Ｔ及びＲモードを、先行バージョンにおける量の半分だけ反対方向に等しくスクィントさせることができる。これらの各モードにおいては、並進運動ステージの数が３（２つの集束、及び１つのスクィント）から、２（１つの集束及び１つの集束／スクィント、または２つの集束／スクィント）に減少する。
【００４９】
本発明の有利性は、例えばデュアル受信機または多重受信機システムのように、１より多くの受信機装置を使用した場合に増加する。
【００５０】
図４を参照する。ファイバーをベースとする本発明によるライダシステムが図示されている。このバイスタティックライダシステムは、送信チャネル６０及び受信チャネル６２を含む。送信チャネル６０は、第１の線形並進運動ステージ６６上に取付けられている第１のファイバ端６４を含む。第１のファイバ端６４を出て遠隔目標７０に向かう光を集束させるために、第１のレンズ６８が設けられている。受信チャネル６２は、第２の線形並進運動ステージ７４上に取付けられている第２のファイバ端７２を含む。第２の線形並進運動ステージ７４の軸は、遠隔目標から戻る光を収集するために設けられている第２のレンズ７６の光軸に対して角度θに配向されている。
【００５１】
図４ａは第１の目標ボリューム７８に質問するように構成されているライダシステムを示しており、一方図４ｂは第２の目標ボリューム８０に質問するように構成された時のライダシステムを示している。角度θは、送信及び受信チャネルの焦点を変化させるために使用される線形並進運動が本質的にシステムのスクィントを変化させるように、図３を参照して説明した基準を使用して選択される。これは、所与の範囲の目標距離の場合に、送信及び受信ビームが共に集束され、所要の遠隔目標において交叉するように配列されることを保証する。
【００５２】
上述したように、受信チャネル及び送信チャネルの一方だけを調整してシステムの集束及びスクィントの両者を変化させる能力は全く有利である。本発明によれば、送信及び受信ビームを交叉させ続けながら、システムの距離を変化させることが可能である。従って、従来技術のデバイスにおけるようにライダを使用する各距離毎にビームの集束及び交叉を較正することは不要になる。
【００５３】
ケーブルをベースとしていないライダシステムにおいては、集束効果は、送信機及び受信機望遠鏡の光軸に沿ってレンズを運動させることによって達成することができる。望遠鏡の光軸から遠去かるレンズの並進運動も、その望遠鏡が発生するビームのスクィントを調整するために使用することができる。当業者ならば、本発明を自由空間オプティックスをベースとする（即ち、ファイバをベースとしない）システムにも適用できることは理解されよう。換言すれば、望遠鏡の光軸に対して所与の角度の通路に沿って望遠鏡レンズを線形に並進運動させることによって、ファイバーをベースとするデバイスに関して上述した手法と類似の手法で、スクィント及び集束を統合的に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】バイスタティックライダの集束及びスクィント特性を示す図である。
【図２】全てのファイバライダを集束及びスクィントする技術を示す図である。
【図３】バイスタティックライダのジオメトリを示す図である。
【図４】本発明によるバイスタティックライダを示す図である。
2006502401.tif 000011
2006502401.tif 000012
【図３】
2006502401.tif 000013
2006502401.tif 000014
【国際調査報告】
2006502401.tif 000015
2006502401.tif 000016
2006502401.tif 000017