(57)【要約】【課題】  レーザレーダ装置において、反射光の受信Ｓ／Ｎ比（信号対雑音電力比）の向上を目的としている。【解決手段】  レーザレーダ装置において、逆位相の周波数成分が含まれたパルス光信号を送信する送信部と、前記送信部で送信されてから反射されたパルス光信号を受信し、この受信したパルス光信号をパルス電気信号に変換する受信部と、前記受信部で変換されたパルス電気信号から前記逆位相の周波数成分に対応する周波数成分を除去するフィルタと、を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆位相の周波数成分が含まれたパルス光信号を送信する送信部と、
前記送信部で送信されてから反射されたパルス光信号を受信し、この受信したパルス光信号をパルス電気信号に変換する受信部と、
前記受信部で変換されたパルス電気信号から前記逆位相の周波数成分に対応する周波数成分を除去するフィルタと、
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記送信部は、パルス幅ｗを有する矩形パルスとしてのパルス光信号を送信し、
前記フィルタは、カットオフ周波数ｆｃを有するローパスフィルタであり、このカットオフ周波数ｆｃが、０．４／ｗ≦ｆｃ≦１．５／ｗを満たす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】
前記フィルタからのパルス電気信号に基づいてパルス光信号が反射された位置までの距離を求める信号処理部と、
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記送信部は、逆位相の周波数成分が含まれたパルス光信号を発生させるパルスレーザ光源と、このパルスレーザ光源からサーキュレータを介して入力したパルス光信号を空間に送信する送受光学系と、を含み、
前記受信部は、前記送信部で送信されてから反射されたパルス光信号を受信する前記送受光学系と、この送受光学系から前記サーキュレータを介して入力したパルス光信号をパルス電気信号に変換する光電気変換部と、を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記送信部は、逆位相の周波数成分が含まれたパルス光信号を発生させるパルスレーザ光源と、このパルスレーザ光源からのパルス光信号を空間に送信する送信光学系と、を含み、
前記受信部は、前記送信部で送信されてから反射されたパルス光信号を受信する受信光学系と、この受信光学系からのパルス光信号をパルス電気信号に変換する光電気変換部と、を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば測距装置として用いられるレーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザレーダ装置として、従来、被検出空間に光パルスとしてのレーザ光を照射し、その反射光のレベルに基づいて、空間内の目標物を検出するものが知られている（例えば特許文献１参照）。この従来のレーザレーダ装置においては、反射光のレベルを大きくするために、照射するレーザ光のレベルを大きくし、かつ、受光アンテナの径を大きくして受光する手段が用いられ、また、パルス幅を圧縮するようにした受信手段が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２６６８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された従来のレーザレーダ装置においては、反射光の信号レベルを大きくするための手段が用いられてはいるものの、雑音レベルにも依存する受信Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比（信号対雑音電力比）で目標物の検出性能が制限されるという問題点があった。
【０００５】
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、レーザレーダ装置において、反射光の受信Ｓ／Ｎ比の向上を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーザレーダ装置は、逆位相の周波数成分が含まれたパルス光信号を送信する送信部と、前記送信部で送信されてから反射されたパルス光信号を受信し、この受信したパルス光信号をパルス電気信号に変換する受信部と、前記受信部で変換されたパルス電気信号から前記逆位相の周波数成分に対応する周波数成分を除去するフィルタと、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、レーザレーダ装置において、反射光の受信Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置は、送信パルス光信号の波形を矩形状とすることにより、逆位相の周波数成分が含まれるようにし、反射光の受信パルス電気信号をローパスフィルタに通すことにより、逆位相の周波数成分に対応する周波数の信号成分と雑音成分を除去するようにしたので、信号レベルを大きくするのみならず雑音レベルを小さくすることができ、反射光の受信Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比（信号対雑音電力比）を向上させることができるものである。
【０００９】
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図１において、１はパルスレーザ光源、２はサーキュレータ、３は送受光学系、４は光電気変換部としての光受信機、５はローパスフィルタとしてのフィルタ、６は信号処理部、７は制御部、８はターゲット（目標物）である。この場合、パルスレーザ光源１、サーキュレータ２、および送受光学系３で送信部を構成し、サーキュレータ２、送受光学系３、および光受信機４で受信部を構成する。なお、送受光学系３に代えて送信光学系と受信光学系を配置し、サーキュレータ２を省略する構成としても良い。この場合には、パルスレーザ光源１と送信光学系で送信部を構成し、受信光学系と光受信機４で受信部を構成することになる。
【００１０】
次に図１において、パルスレーザ光源１はサーキュレータ２に接続され、サーキュレータ２は送受光学系３と光受信機４に接続されている。光受信機４はローパスフィルタ５に接続されている。ローパスフィルタ５は信号処理部６に接続されている。また、制御部７は、パルスレーザ光源１と信号処理部６に接続されている。
【００１１】
また図１において、パルスレーザ光源１とサーキュレータ２との間、サーキュレータ２と送受光学系３との間、およびサーキュレータ２と光受信機４との間は、光回路として接続されており、例えば光ファイバにより接続されている。また、光受信機４とローパスフィルタ５との間、ローパスフィルタ５と信号処理部６との間、信号処理部６と制御部７との間、および制御部７とパルスレーザ光源１との間は、電気回路として接続されており、同軸ケーブル等の電線ケーブルにより接続されている。
【００１２】
また図１において、制御部７は、パルスレーザ光源１に対し送信タイミング信号を、信号処理部６に対しトリガ信号を、各々送信する機能を有している。パルスレーザ光源１は、制御部７からの送信タイミング信号に基づいて、所望の時間幅を有する矩形の送信パルス光信号を発生させ、サーキュレータ２に送る機能を有している。サーキュレータ２は、パルスレーザ光源１からの送信パルス光信号を送受光学系３に送り、送受光学系３からの受信パルス光信号を光受信機４に送る機能を有している。送受光学系３は、サーキュレータ２からの送信パルス光信号を空間に送信し、ターゲット８からの受信パルス光信号をサーキュレータ２に送る機能を有している。光受信機４は、サーキュレータ２からの受信パルス光信号を直接検波（自乗検波）することによりパルス電気信号に変換し、ローパスフィルタ５に出力する機能を有している。ローパスフィルタ５は、光受信機４からのパルス電気信号から、所定のカットオフ周波数以下の周波数成分のみを抽出し、信号処理部６に出力する機能を有している。信号処理部６は、ローパスフィルタ５の出力信号に基づいてターゲット８を検出する機能として、制御部７からのトリガ信号の入力タイミングとローパスフィルタ５の出力信号の入力タイミングとの時間差から、パルス光信号が反射された位置までの往復時間を計測し、この往復時間と光速とから反射位置までの距離を求める機能を有している。
【００１３】
次に動作について説明する。まず制御部７は、パルスレーザ光源１に対して送信タイミング信号を送信するとともに、信号処理部６に対してトリガ信号を送信する。
【００１４】
次にパルスレーザ光源１は、制御部７からの送信タイミング信号に基づいて、所望の時間幅を有する矩形の送信パルス光信号を発生させ、サーキュレータ２と送受光学系３を介して大気中に送信する。
【００１５】
この送信パルス光信号は、大気中を伝搬してからターゲット８により散乱された後、再び大気中を伝搬して送受光学系３により受信される。
【００１６】
送受光学系３により受信された受信パルス光信号は、サーキュレータ２を介して光受信機４に送られる。光受信機４は、パルス光信号をパルス電気信号に変換し、ローパスフィルタ５に送る。このとき、ローパスフィルタ５に入力するパルス電気信号には、パルス光信号に対応する信号成分だけでなく、熱雑音やショット雑音といった雑音成分も重畳されている。
【００１７】
なお、以上の送受信動作においてパルス波形の変形は無視できる程度であり、ローパスフィルタ５に入力するパルス電気信号の波形は、パルスレーザ光源１で発生した送信パルス光信号の波形と実質的に同じである。
【００１８】
このパルス電気信号は、ローパスフィルタ５において、所定のカットオフ周波数以下の周波数成分のみが抽出され、信号処理部６に出力される。
【００１９】
信号処理部６は、制御部７からのトリガ信号の入力タイミングと、ローパスフィルタ５の出力信号の入力タイミングとの時間差から、パルス光信号のターゲット８までの往復時間を計測し、この往復時間と光速とからターゲット８までの距離を算出する。
【００２０】
上述の動作において、ローパスフィルタ５のカットオフ周波数をｆｃとし、パルス波形を矩形波とした送信パルス光信号の時間幅（パルス幅）をｗとするとき、０．４／ｗ≦ｆｃ≦１．５／ｗの範囲内にカットオフ周波数ｆｃを設定しておくことにより、従来のマッチドフィルタを用いる場合よりも高い受信Ｓ／Ｎを実現できる。なお、マッチドフィルタは、送受信するパルスの波形と同じ波形の信号に対して通過率を１とする通過特性をもつフィルタで、従来、マイクロ波レーダにおいて高い受信Ｓ／Ｎ比を得るために用いられるものである。以下、このようなマッチドフィルタよりも高い受信Ｓ／Ｎを可能とする動作について詳細に説明する。
【００２１】
図２に、送信パルス光信号を矩形波としたとき、ローパスフィルタ５に入力する矩形パルスとしてのパルス電気信号の波形と、この矩形パルスをローパスフィルタ５に通したときのフィルタ出力波形とを示す。なお、図２では、カットオフ周波数ｆｃが０．５／ｗ、０．８／ｗ、１．０／ｗの場合について示している。図２において、ローパスフィルタ５により通過周波数帯域に制限をかけることで、フィルタ出力波形のピーク値が、入力する矩形パルスのピーク値よりも高くなる場合があることが分かる。次に、このようにピーク値が向上する現象が生じるメカニズムについて説明する。
【００２２】
図３は、上述の矩形パルスの振幅スペクトルを示すものである。図３において、横軸は、パルス幅ｗの逆数で規格化した規格化周波数であり、縦軸は振幅である。図３において、周波数の値に応じて振幅はプラスとマイナスの値をとり、振幅がマイナスで逆位相となっている領域、つまり逆相領域が存在していることが分かる。言い換えれば、矩形パルスには逆位相の周波数成分が含まれているのである。矩形パルスの時間波形は、振幅を周波数成分毎に分解して足し合わせることで構成され、各周波数成分が互いに逆位相で足し合わされると、ピークを下げる方向に働く。つまり、ピーク値を大きくするという意味では、逆位相の周波数成分が含まれていることは逆効果となる。具体的には、図３において、規格化周波数の値が１と２の間と、３と４の間が逆相領域となっており、これらはピーク値を大きくするという意味では、不要な周波数成分となる。
【００２３】
そこで、この矩形パルスをカットオフ周波数ｆｃのローパスフィルタ５に通すことで、上述の不要な逆位相の周波数成分を除去することができ、ピーク値が向上する現象が生じる。例えば図３では、カットオフ周波数ｆｃを規格化周波数の値として１に設定することで、通過帯域における全ての周波数成分を同位相（振幅がプラスのみ）とすることができる。このとき、規格化周波数の値が２と３の間は同位相領域となっており、この成分を除去することはピーク値を下げる方向に働く。しかし、規格化周波数の値が１と２の間の逆相領域の方が振幅の絶対値が大きいため、この逆相領域を除去することによるピーク値の向上の方が大きく、結果として図２に示したようにピーク値が向上する。
【００２４】
次に、この信号ピークの向上に加え、受信Ｓ／Ｎ比の向上の効果を与える動作について説明する。受信Ｓ／Ｎ比は、ローパスフィルタ通過後のパルス電気信号のピーク値と雑音レベルの比として与えられる。そして、雑音レベルは、この雑音が含まれる周波数帯域に比例する。ローパスフィルタの場合には、カットオフ周波数以上の雑音成分が除去されるので、雑音レベルは、ローパスフィルタ５のカットオフ周波数ｆｃに比例する。従って、ローパスフィルタ５通過前後のパルス電気信号のピーク値の比をＰとし、比例係数をＣとするとき、受信Ｓ／Ｎ比は、Ｃ×Ｐ／ｆｃとなる。
【００２５】
一方、ローパスフィルタ５の代わりにマッチドフィルタを用いた場合、送信パルスと同じ信号に対しては透過率１で上記パルスを透過させるので、入出力波形は同じとなり、Ｐ＝１となる。このとき、マッチドフィルタを透過する雑音は、マッチドフィルタの通過周波数特性と同じ周波数特性をもつこととなり、入力されるパルスが矩形の場合、帯域幅１／ｗのフラットな周波数特性をもつ雑音と同じ振幅値標準偏差をもつ雑音となる。つまり、マッチドフィルタを用いた場合の受信Ｓ／Ｎ比は、Ｃｗとなる。
【００２６】
以上のことから、ローパスフィルタ５を用いた場合の受信Ｓ／Ｎ比と、マッチドフィルタを用いた場合の受信Ｓ／Ｎ比との比は、（Ｃ×Ｐ／ｆｃ）／（Ｃｗ）＝Ｐ／（ｗ×ｆｃ）となる。この比の値を、カットオフ周波数ｆｃを変えて計算した結果を図４に示す。なお、横軸は図３と同様、１／ｗで規格化した周波数である。図４において、カットオフ周波数ｆｃを０．４／ｗ≦ｆｃ≦１．５／ｗとすることにより、縦軸に対応する上述の比の値が０ｄＢを超え、マッチドフィルタを用いた場合よりも高い受信Ｓ／Ｎ比を実現できることが分かる。また、受信Ｓ／Ｎ比が最大となるのは、規格化カットオフ周波数（＝ｗ×ｆｃ）０．８の場合であり、そのときのマッチドフィルタに対する受信Ｓ／Ｎ比の改善度は、１．５ｄＢである。
【００２７】
なお、上述の説明では、ローパスフィルタ５のカットオフ周波数ｆｃの値を変えて受信Ｓ／Ｎ比を計算する条件として、光受信機４の感度を一定値とする場合を示した。しかし、ローパスフィルタ５のカットオフ周波数ｆｃの値に応じて、光受信機４の受信帯域の値を変えることにより、光受信機４のトランスインピーダンスゲイン、つまり感度を最適値に調整するようにすることも可能である。これにより、さらに高い受信Ｓ／Ｎ比を実現できることとなる。
【００２８】
以上のように、この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置においては、送信パルス光信号の波形を矩形状とすることにより、振幅スペクトルにおいて逆位相の周波数領域が存在するようにし、受信パルス電気信号をローパスフィルタに通すことにより、逆位相の周波数領域に対応する周波数の信号成分と雑音成分を除去するようにしたので、信号のピークレベルを大きくするとともに雑音レベルを小さくすることができ、反射光の受信Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。これにより、従来に対して、より高い精度、より高い検出確率で、距離の測定を行うことが可能となる。具体的には、送信パルスの波形を矩形波とし、ローパスフィルタのカットオフ周波数をパルス幅（時間幅）の逆数の０．４倍〜１．５倍の間とすることで、従来のマッチドフィルタを用いる場合よりも高い受信Ｓ／Ｎ比を得ることができる。さらに上記カットオフ周波数をパルス幅の逆数の０．８倍とすることで、マッチドフィルタを用いる場合に対して＋１．５ｄＢという最大の受信Ｓ／Ｎ比を実現することができる。
【００２９】
なお、上述のように、この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置においては、矩形パルスをローパスフィルタに通すことで信号のピークレベルと受信Ｓ／Ｎ比が向上する効果が得られることを説明したが、パルス波形は矩形波に限られるものではない。信号のピーク向上効果が得られるためには、振幅スペクトルにおいて、逆位相となる周波数領域が存在することが条件である。このような逆位相となる周波数領域が存在しないパルス波形、例えばガウシアン形状の場合は、上述のピーク向上効果は得られない。要するに逆位相の周波数成分をもつパルスであればどのようなパルス波形でも良いのであり、ローパスフィルタのカットオフ周波数を適当な値に設定することで、上述のピーク向上と同様の効果を奏するのである。さらに、フィルタはローパスフィルタに限られず、逆位相の周波数成分を除去するものであれば良く、上述のピーク向上と同様の効果を奏するとともに、雑音成分の除去による受信Ｓ／Ｎ比の向上と同様の効果を奏するのである。
【００３０】
また、上述の送受信動作においてパルス波形の変形は無視できる程度である場合を示したが、パルス波形の変形があっても、フィルタに入力するパルスが逆位相の周波数成分を含む場合には、同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を説明するための説明図
【図３】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を説明するための説明図
【図４】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を説明するための説明図
【符号の説明】
【００３２】
１  パルスレーザ光源
２  サーキュレータ
３  送受光学系
４  光受信機
５  ローパスフィルタ
６  信号処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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