(57)【要約】【課題】超広帯域のテラヘルツ波のチャープ信号源を用いて距離分解能を大幅に改善した、超広帯域信号源を備えたレーダー装置を提案する。【解決手段】１ナノ秒以下のパルス光を繰り返し発するレーザー光源と、光学的異方性を備えた物質にパルス光を入射してミリ波からテラヘルツ波の所定の周波数帯域のチャープパルス波を発生する電波源と、送受信手段で、パルス光と上記チャープパルス波とを分離する分離手段と、分離された上記チャープパルス波を分岐する分岐手段と、分岐された一方の上記チャープパルス波を発射し対象物に照射する集光系と、該対象物からの反射波を入力する集光系と、分岐された他方の上記チャープパルス波と該反射波とを混合してビート波を発生する検出器と、を備えるものと、ビート波の周波数を計測して、対象物までの距離に換算可能な値を出力する制御器と、を備える。【選択図】図２
2017075786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ナノ秒以下のパルス光を繰り返し発するレーザー光源と、
光学的異方性を備えた物質に上記パルス光を入射してミリ波からテラヘルツ波の所定の周波数帯域のチャープパルス波を発生する電波源と、
上記パルス光と上記チャープパルス波とを分離する分離手段と、
分離された上記チャープパルス波を分岐する分岐手段と、分岐された一方の上記チャープパルス波を発射し対象物に照射する集光系と、該対象物からの反射波を入力する集光系と、分岐された他方の上記チャープパルス波と該反射波とを混合してビート波を発生する検出器と、を備える送受信手段と、
上記ビート波の周波数を計測して、対象物までの距離に換算可能な値を出力する制御器と、を備えることを特徴とする超広帯域信号源を備えたレーダー装置。
【請求項２】
上記電波源は、近赤外領域の短パルスレーザにより上記光学的異方性を備えた物質で構成された非線形光学素子を励起し、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚまでの所定の帯域の電波を発生するものであることを特徴とする請求項１に記載の超広帯域信号源を備えたレーダー装置。
【請求項３】
上記電波源は、分極方向が所定の方向とその反対方向に並んだ複数の領域をもった誘電体で構成されその並びの繰り返し周期が徐々に狭くあるいは広く変化する分極構造を持った分極構造体に、上記パルス光を入射して上記分極構造を横断させることでチャープパルス波を発生するものであることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超広帯域信号源を備えたレーダー装置。
【請求項４】
上記分離手段によって分離された上記チャープパルス波の時間的長さを拡張するパルス拡張器備え、
上記分岐手段は、拡張された上記チャープパルス波を分岐するものであることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の超広帯域信号源を備えたレーダー装置。
【請求項５】
上記パルス拡張器は、回折格子またはチャープファイバーブラッググレーティング（CFBG: Chirped Fiber Bragg Grating）を単一段でまたは複数段を直列にして用いるものであることを特徴とする請求項４に記載の超広帯域信号源を備えたレーダー装置。
【請求項６】
上記分極構造体は、（１）チャープＰＰＬＮ（Chirped Periodically Poled Lithium Niobate）、あるいは（２）ＺｎＴｅ、ＧａＰ、あるいはＤＡＳＴなどの非線形光学結晶、あるいは（３）アバランシェフォトダイオードあるいは単一走行キャリアフォトダイオードを利用した光−電波変換器、であることを特徴とする請求項３に記載の超広帯域信号源を備えたレーダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超広帯域のテラヘルツ波のチャープ信号源を用いて距離分解能を大幅に改善した、超広帯域信号源を備えたレーダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交通網などにおける路面上の遺物の発見や衝突防止システム、更には防衛セキュリティ分野など、測距の技術は非常に重要である。この測距技術において、電波を対象物に向けて発射し、その反射波を測定することにより、対象物までの距離や方向を明らかにするレーダーシステムでは、微小な対象物を特定するための距離や角度の分解能は重要な特性である。
【０００３】
これまでのレーダーシステでは、電波をある方向へ短時間に発射し、対象物で反射し検出器に戻ってくる時間から距離を計測するパルスレーダーや、発射電波の周波数を周期的に変化させ、対象物から戻ってきた際の検出電波と発射電波の周波数差を測定することにより距離を計測するＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダーがある。これは、初期に電波測距システム（Radio Distance Measuring System、特許文献１）として知られたものである。
前者のパルスレーダーは、その概念・動作原理は至って単純だが、電気的な短パルスの生成や受信段の回路に広帯域性が求められるため、システムが複雑になり、またパルス電波のスペクトル帯域も広がってしまうため電波法への対応も厳しくなるという難点がある。
一方、後者のＦＭ−ＣＷレーダーは、受信段などを含むシステムとしての構成が比較的単純であり、電波法への対応も易しいことから、様々な利用形態に適用されている。ＦＭ−ＣＷレーダーは、図１に示す様に、静止した対象物までの距離ｚを知りたい場合は、時間に線形に変化する周波数をもったチャープパルス波を対象物に向けて送信し、その対象物からの反射信号を受信して、送信信号とのビート周波数ｆＢを計測するものである。
その際のチャープパルス波の周波数偏移速度をｆＭ、光速度をｃとすると、よく知られている様に、次の関係がある。
【０００４】
【数１】
2017075786.tif 000003
【０００５】
また、その距離分解能Δｚは周波数の変化量、すなわち周波数帯域幅Δｆで決まっており、以下の式で表わされる。
【０００６】
【数２】
2017075786.tif 000004
【０００７】
すなわち、周波数帯域幅Δｆが大きいほど小さな対象物が識別可能になる。一方面内の分解能は、周波数が高いほど（つまり、波長が短いほど）高くなるため、面内分解能及び奥行（つまり距離）分解能の両次元で高分解能を得るには、高いキャリア周波数を用い、かつ周波数帯域幅の広いレーダー信号を用いればよいことになる。
【０００８】
これまで用いられてきたミリ波帯（例えば７６ＧＨｚ帯）では、帯域幅約１ＧＨｚで分解能は、１５ｃｍ程度に留まっており、最近の３００ＧＨｚ帯を用いたものでも、１０ＧＨｚの帯域幅で理論分解能は１．５ｃｍとなっている。一方、例えば空港の滑走路面上に存在する数ｃｍ程度の物質（デブリなど）を識別するにはより高い分解能が必要であるが、そのためには、より広い帯域幅が必要であり、また、発射電波の中心周波数を同時に高くする必要があるため、中心周波数と帯域幅のどちらの点についても、従来の電子デバイスで実現するのは極めて困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第２５２２３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、電波を対象物に向けて発射しその反射波を測定することにより対象物までの距離や方向を明らかにするレーダーシステムで、検出距離分解能を大幅に改善できる、超広帯域信号源を備えたレーダー装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の超広帯域信号源を備えたレーダー装置は、
１ナノ秒以下のパルス光を繰り返し発するレーザー光源と、
光学的異方性を備えた物質に上記パルス光を入射してミリ波からテラヘルツ波の所定の周波数帯域のチャープパルス波を発生する電波源と、
上記パルス光と上記チャープパルス波とを分離する分離手段と、
分離された上記チャープパルス波を分岐する分岐手段と、分岐された一方の上記チャープパルス波を発射し対象物に照射する集光系と、該対象物からの反射波を入力する集光系と、分岐された他方の上記チャープパルス波と該反射波とを混合してビート波を発生する検出器と、を備える送受信手段と、
上記ビート波の周波数を計測して、対象物までの距離に換算可能な値を出力する制御器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
上記電波源は、近赤外領域の短パルスレーザにより上記光学的異方性を備えた物質で構成された非線形光学素子を励起し、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚまでの所定の帯域の電波を発生するものである。
【００１３】
上記電波源は、分極方向が所定の方向とその反対方向に並んだ複数の領域をもった誘電体で構成されその並びの繰り返し周期が徐々に狭くあるいは広く変化する分極構造を持った分極構造体に、上記パルス光を入射して上記分極構造を横断させることでチャープパルス波を発生するものである。
【００１４】
また、上記分離手段によって分離された上記チャープパルス波の時間的長さを拡張するパルスストレッチャー（パルス拡張器）を備え、
上記分岐手段は、拡張された上記チャープパルス波を分岐するものであることを特徴とする。
【００１５】
上記パルスストレッチャーは、回折格子またはチャープファイバーブラッググレーティング（CFBG: Chirped Fiber Bragg Grating）を単一段でまたは複数段を直列にして用いることで、より遠距離までの測定ができる。
【００１６】
上記分極構造体は、例えばチャープＰＰＬＮ（Chirped Periodically Poled Lithium Niobate）である。
その他、ＺｎＴｅやＧａＰ、ＤＡＳＴなど非線形光学結晶、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）など実キャリア生成を利用した光−電波変換器などを適用することができる。
【００１７】
上記レーザー光源には、１μｍ帯のファイバーレーザー、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバーを用いた１．５５μｍ帯ファイバーレーザー、チタン−サファイア（Ti：sapphire）レーザー等の個体レーザー光源、半導体レーザー、外部光励起のパラトリック効果等非線形光学効果を利用したレーザー、などを用いることも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、簡便な手法で高いキャリア周波数と広い周波数帯域幅を有するＦＭ−ＣＷレーダー信号源を提供可能となり、面内および奥行ともに極めて高分解能なレーダーシステムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＦＭ−ＣＷレーダーの原理を示す図である。
【図２】本発明の構成の１つの実施例を示す図である。
【図３】（ａ）はチャープＰＰＬＮの分極構成を示す図であり、（ｂ）はレーザ光の入力方向とテラヘルツ波の出力方向とを示す図である。
【図４】図２の構成で得られたテラヘルツ波信号を示す図である。
【図５】図４のテラヘルツ波信号の瞬時周波数の時間推移を示す図である。
【図６】電波源の出力から分離されたチャープパルス波が用途目的に短すぎる場合、パルスストレッチャーでその時間的長さを拡張する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２１】
図２に本発明の構成の１つの実施例を示す。この実施例では、励起光源はレーザー光源１であり、イッテルビウムドープファイバーを用いた１μｍ帯ファイバーレーザーである。またテラヘルツ波の電波源２として、周期反転ニオブ酸リチウム素子（ＰＰＬＮ）の反転周期を図３（ａ）に示す様に徐々に変化させたチャープＰＰＬＮを用いている。ファイバーレーザーからのレーザー光は、中心波長１０３５ｎｍであり、パルス幅：約１２０ｆｓ、平均光出力：１Ｗである。また、ＦＭ−ＣＷレーダー信号源の変換器としてのチャープＰＰＬＮは、素子長：約１．８ｍｍ、反転周期は５３〜９５μｍであり、発生電波に周波数が線形に変化するようにチャープをかけている。図３（ｂ）に示す様に、このチャープＰＰＬＮの反転周期の短い方から長い方に上記レーザー光を通過させると、周波数が低い方から高い方へ変化するテラヘルツ波（以降は、チャープテラヘルツ波）が生成される。
【００２２】
この上記の構成で得られたテラヘルツ波信号を図４に示す。これは、ＰＰＬＮから放射された電波の電界波形を時間領域で観測したものである。ここに示す様に、励起光パルスが入射すると、ＰＰＬＮ周期に対応したテラヘルツ波が発生するが、その振動周期を見てみると、時間が経つにつれ、その周波数が上昇しているのがわかる。これを分かり易く、示したものが図５である。これは放射電波の瞬時周波数が時間と共にどの様に推移していくのかを表わしており、図から分かる様に、約１．３５ＴＨｚという高いキャリア周波数とともに、１．１〜１．６ＴＨｚという帯域幅０．５ＴＨｚで線形に周波数が推移するＦＭ−ＣＷ信号が得られていることが分かる。この値で見積もると、本実施例では、面内は数百μｍ、奥行は０．３ｍｍ程度の分解能が得られることに相当する。
図５において周波数が時間について線形に偏移する期間は１２ピコ秒程度であるが、この期間をより長くする場合は、ＰＰＬＮ素子として、より長い構造のものを用いる。
【００２３】
また、上記の場合は周波数が時間と共に増大するＦＭ−ＣＷレーダー信号を生成しているが、チャープＰＰＬＮの配置方向を反転すれば、周波数が時間と共に減少するチャープテラヘルツ波を生成することができる。
【００２４】
図２の電波源２からは、入力したレーザー光と生成されたテラヘルツ波が出力されるので、分波器３でテラヘルツ波を選択する。選択されたテラヘルツ波は、送受信機２０に入力されると、分岐器４で分岐され、その一方が、集光系５ａを通して位置測定の対象物６に照射される。その照射されたテラヘルツ波は、対象物６で一部が反射されるので、集光系５ｂを通して検出器７に入力される。検出器７には、分岐器４で分岐された他方のテラヘルツ波も遅延器１０で所定の遅延を受けた後、参照波として入力される。この遅延器１０は、検出器７上で、２系統のテラヘルツ波が時間的に重なるように調整されたものである。この検出器７では、上記反射波と参照波とが混合されそれらのビート信号が電気信号として出力される。このビート信号は、制御器で周波数ｆＢあるいはビート信号の持続時間ｔＢが計測され、対象物までの距離が算出される。ここで、上記の集光系は、反射器を用いた集光系の方が望ましい場合もある。また、レーザー光源１の繰り返し発信のタイミングを制御器８で制御することで、上記ビート信号の計測タイミングと一致させることが容易になる。
【００２５】
因みに、上記レーザー光源には、１μｍ帯のファイバーレーザー、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバーを用いた１．５５μｍ帯ファイバーレーザー、チタン−サファイア（Ti：sapphire）レーザー等の個体レーザー光源、半導体レーザー、外部光励起のパラトリック効果等非線形光学効果を利用したレーザー、などを用いることも可能である。
【００２６】
また、上記電波源には、上記チャープＰＰＬＮ（Chirped Periodically Poled Lithium Niobate）の他に、ＺｎＴｅやＧａＰ、ＤＡＳＴなど非線形光学結晶、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）など実キャリア生成を利用した光−電波変換器などを適用することもできる。
【実施例２】
【００２７】
図６は、上記分波器３によって電波源２の出力から分離されたチャープパルス波が用途目的には時間的に短すぎる場合、パルスストレッチャー（パルス拡張器）１２を用いてその時間的長さを拡張する例を示す。このパルスストレッチャー１２は、分波器３と分岐器４の間に設置する。
上記パルスストレッチャーには、回折格子またはチャープファイバーブラッググレーティング（CFBG: Chirped Fiber Bragg Grating）を単一段でまたは複数段を直列にして用いることでできる。この構成によりチャープ部分が拡張され、より距離測定の可能な範囲を拡張することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
上記の例においては、対象物までの距離を測定することを主眼に説明したが、一般に、ＦＭ−ＣＷレーダーの原理は、チャープ式レーダー探査装置にも共通である。本発明をこのチャープ式レーダー探査に適用することは容易であるが、次の様な問題点がある。つまり、本発明の場合、高い分解能を得ることができるが、適用できる測定距離が短い。例えば、深さ方向の探査に用いた場合、従来のチャープ式レーダー探査装置の様に、地中に埋められた水道管を探査できる程度の深さを期待することは難しい。
しかし、遅延器１０の遅延時間を調整することによって、観測する深さを指定することは容易である。
これを利用して、深さ方向の走査を行いつつ、表面に沿って走査を行うことにより、対象物の３次元の情報を得ることができることは明らかである。
【００２９】
また、チャープ式レーダー探査装置は、観測対象物に接触せずに観測することができるため、これを生体に適用することで、超音波診断装置とは異なり、センサヘッドを生体表面に密着させることなく、生体内部の情報を得ることができることが明らかであり、しかもＸ線被曝の問題は無い。
【符号の説明】
【００３０】
１  レーザー光源
２  電波源
３  分波器
４  分岐器
５ａ、５ｂ  集光系
６  対象物
７  検出器
８  制御器
１０  遅延器
１１  テラヘルツ波
１２  パルスストレッチャー
１３  サーキュレータ
２０  送受信器
【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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