JPH0439039B2

JPH0439039B2 -

Info

Publication number: JPH0439039B2
Application number: JP61141289A
Authority: JP
Priority date: 1986-06-19
Filing date: 1986-06-19
Publication date: 1992-06-26
Also published as: JPS62298789A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、差分吸収方式のガス探知を目的と
した赤外線FM−CWレーザ・レーダに関し、特
に受信光の周波数のみならず振幅の検出が必要と
なるガス濃度検出のためのレーザ・レーダ用ヘテ
ロダイン受信機の改良に関するものである。

（概要）この発明は、差分吸収方式のガス探知を目的と
した赤外線FM−CWレーザ・レーダにおいて、
ヘテロダイン受信機の性能向上を図るため、アナ
ログ掛算器を利用して特定期間の受信信号を周期
的に検出し、かつ反射対象物までの距離を算出す
る期間と、ガス塊の濃度を算出する期間とで、信
号検出経路に挿入したろ波器のモードを走査モー
ドと固定モードに帯域幅を切り換えて、高安定、
高感度の受信動作を達成するようにしたものであ
る。

（従来の技術）大気中の対象物、殊に特定のガス塊を探知する
方式として、赤外線レーザ・レーダを用いた差分
吸収方式の計測式が周知である。このレーザ．レ
ーダには、レーザ光をパルス状に出射して目標ガ
ス塊までの距離を測定するやり方と、周波数変調
したレーザ光を連続的に出射して受信光と送信光
とのビート周波数から反射物体までの距離を測定
するとともにその間のレーザ光の吸収量からガス
塊の濃度を知るFM−CW方式である。

第３図は、上記FM−CW（周波数変調した連続
波）形式の赤外線レーザ光を用いた差分吸収式レ
ーザ・レーダの動作原理を説明する図であつて、
レーザ・レーダ本体１より送信パワーPtで異な
る波長λ₀，λ₁の赤外線レーザ光を所定時間毎に交
互に切り換えて目標ガス塊２を含む空間に出射し
ている。各波長のレーザ光は、それぞれ所定の周
波数幅内を上下に掃引する形で周波数変調されて
おり、かつ本体１内ではこの送信光の一部をロー
カル光として分岐して反射物体３からの反射によ
る受信光（受信パワーPr）と混合することによ
りヘテロダイン方式でビート周波数を得るように
している。

第４図は、送信光と受信光と周波数関係を示す
図であつて、それらの差として取り出されるビー
ト周波数frが、第３図に示した反射物体３までの
距離d₁の関数となる。すなわち、ローカル光とし
ての送信光と、反射物体３からの散乱反射による
受信光との周波数偏差は、送信光の反射位置が遠
くなるほど大きくなる関係にあるので、ビート周
波数frの受信信号のパワースペクトラムを解析す
ることにより、反射物体３までの距離d₁を識別す
ることができる。

ここで、探知すべきガス（例えばCO₂）塊２の
赤外線透過（吸収）特性は、一般に第５図のよう
に特定の波長で透過率が急激に低下する特性を持
つ。従つて、その吸収波長λ₁とその近辺の非吸収
波長λ₀の２派をそれぞれ周波数変調して時分割で
交互に目標とするガス塊２に向け放射すると、各
波長について得られるビート周波数frの受信信号
のパワースペクトラムは第６図のようになる。つ
まり、波長λ₀による計測時には、ビート周波数
fr₁に対応した距離d₁の位置で反射物体３による
レーザ光の反射が起こり、それが受信パワースペ
クトルのピークPrpとして観測される。ところ
が、波長λ₁の吸収波長による計測時には、当該波
長が目標ガスで吸収されて反射分が減少し、距離
d₁点での受信パワーのスペクトルのレベルは低下
する。かくして、ビート周波数fr₁を解析識別す
ることによつて目標とするガス塊をはさんだ反射
物体までの距離を算出することができ、またレー
ザ・レーダからの送信光の波長をλ₀に設定した時
のビート周波数fr₁の受信信号パワーと送信光の
波長をλ₁に設定した時のビート周波数fr₁の受信
信号パワーとを比較演算することにより、当該ガ
ス塊による吸収量の差からガス塊の濃度を測定す
ることができる。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、上記のようなFM−CW方式のレー
ザ・レーダにおいては、第４図のように完全にリ
ニアなFM変調が実際には困難であり、実調特性
の直線性が悪いので、変調周期の特定期間（比較
的直線性の良い部分）を切り出してその間での受
信周波数のパワースペクトラムを計測するのが一
般的である。このために従来はアナログスイツチ
を用いて有効期間を切り出した後、ろ波・検波を
行う方式や、有効期間内のみＡ／Ｄ変換を実施し
てそのデータを離散フーリエ変換してパワースペ
クトラムを算出するやり方をとつていた。しかし
アナログスイツチを用いる方法は、サイドローブ
が大きくなる不都合があるほか、スイツチのオ
ン・オフに伴うスパイク雑音がろ波器を通過して
Ｓ／Ｎが劣化する問題があつた。またＡ／Ｄ変換
方式は、Ａ／Ｄ変換器の分解能によりダイナミツ
クレンジが制限される問題があつた。

一方、上記のような送信光と受信光のビート周
波数frの受信パワースペクトラムを解析するレー
ザ・レーダ用のヘテロダイン受信機としては、広
い帯域にわたつて高い感度が要求されるけれど
も、通常受信機の感度と帯域とは逆比例の関係に
あつて両立し難い問題である。

そこでこの発明は、差分吸収方式による大気中
のガス探知を目的としたFM−CWレーザ・レー
ダにおいて高精度で目標ガス塊の情報を含んだ反
射信号光を受信・解析することのできるレーザ・
レーダ用ヘテロダイン受信機の提供を目的とする
ものである。

（問題点を解決するための手段）簡単に述べるとこの発明は、レーザ光に対する
FMの変調周期に同期した所定パターンの窓関数
を発生させ、その窓関数パターンをゲート信号と
して受信光と送信光より得たビート周波数信号の
通過期間を制限する点と、その信号経路に挿入し
た帯域ろ波器の中心周波数を走査モードと固定モ
ードに切り換えて受信光のパワースペクトルの計
測を行うようにした点を特徴とするものである。

（作用）すなわち、受信光と送信光とのビート周波数信
号の受信経路にアナログ掛算器を挿入して、所定
の窓関数パターンを持つたゲート信号との積をと
ることにより、変調周期の特定期間の信号のみを
雑音の発生なしに周期的に取り出すことができ
る。そして、まず目標ガス塊と探知と、反射物体
までの距離を識別するため特定期間で通過した受
信信号のビート周波数frを帯域ろ波器の通過帯域
を走査することによつて解析し、２波長間での受
信パワーの差が最も大きく現われる点に、当該ろ
波器の中心周波数を固定する。ついでこの固定モ
ードにおいて２波長間の受信パワーの差を積算す
ることにより高精度の計測を実施することができ
る。

（実施例）第１図は、この発明によるFM−CWレーザ・
レーダ用へテロダイン受信機の１実施例構成を示
す要部ブロツク図である。

炭酸ガスレーザのような赤外線レーザ光源１０
の光軸上に、変調用発振源１１に連なる光学変調
器１２が設けられ、変調されたレーザ光である送
信光Ltがビームスプリツタ１３を通して目標空
間へ放射されるようになつている。ビームスピリ
ツタ１３で分岐された送信光の一部はローカル光
として光合成ミラー１４で目標空間からの反射に
よる受信光Lrと混合されて、赤外線検知器１５
に入り、両光信号の周波数差に相当するビート周
波数成分をもつた電気信号である受信信号Risに
変換される。この受信信号Risは増幅器１６で増
幅された後、この発明の特徴とするアナログ掛算
器１７の一方の入力Ｘに加えられる。アナログ掛
算器１７の他方の入力Ｙには、上記受信信号Ris
の通過タイミングを規制する所定パターンのゲー
ト信号Gsを発生するための回路１８が接続され
ている。そしてこのゲート信号発生回路１８は、
上記変調用発振源１１と変調周期に同期したタイ
ミングで所定のアドレスを発生するためのタイミ
ング・アドレス発生回路１９と、指定されたアド
レスごとに複数の窓関数のパターンを記憶した
ROM（読みだし専用メモリ）２０、およびPOM
２０からの読みだしデータを逐次アナログ電圧に
変換してROMの記憶内容に応じた所定の窓関数
パターンのアナログゲート信号Gsを発生する
Ｄ／Ａ変換器２１を含んでいる。

ここで第２図は、上記送信光Ltの周波数変調
の模様とアナログゲート信号Gsとの関係を示す
タイミングチヤートで、送信光の光周波数はレー
ザ光の波長λ₀又はλ₁に対応する周波数f₀又はf₁を
中心として所定の変調幅内での線ftのように周期
的に変化している。この変調周期の中で最も変調
特性の安定した中心周波数付近の特定期間τを取
り出して信号処理をするため、この発明では前述
のようなゲート信号発生回路１８を設けて第２図
のGsで示すようなゲート信号を作つている。

各部の同期をとるためのクロツク信号CLは前
記タイミング・アドレス発生回路１９で作成され
て前記変調用発振源１１に加えられていて、ゲー
ト信号の発生タイミングはレーザ光に対する変調
周期と同期をとられており、またゲート信号のパ
ターンはROM２０に対するアドレス指定を変更
することにより任意に（例えばサイドローブが最
小となるように）変更できるようになつている。
かくして、掛算器１７の出力にはビート周波数成
分の受信信号Risと所定の窓関数パターンのゲー
ト信号Gsとの積の信号Ris′が特定のタイミングで
出力される形となる。

再び第１図を参照すると、掛算器１７の出力側
には中心周波数可変型の帯域ろ波器２２が接続さ
れている。この帯域ろ波器２２にはモード制御回
路２３が接続され、その通過帯域の中心周波数を
信号処理回路２６からの制御信号に基づいて走査
モードと固定モードに切り換えできるようになつ
ている。すなわち、走査モードにおいては受信信
号のビート周波数frを距離分解可能な範囲にわた
つてろ波器２２の通過帯域の中心周波数を走査す
る。そして、その間の受信パワーを周波数対応で
測定すべく、ろ波器の出力を次の検波回路２４と
Ａ／Ｄ変換器２５を通して信号処理回路２６に入
れ、第６図について先に説明したような受信信号
のパワースペクトラムの関係から、反射物体まで
の距離を算出する。なお、ろ波器２２の出力以降
は信号処理回路２６を含めて通常のスペクトルア
ナライザで構成しても良い。なお、前記クロツク
信号CLはモード制御回路２３及びＡ／Ｄ変換器
２５にも加えられている。

走査モードでの数回のデータ取り込みで反射物
体までの距離を算出した後、その距離識別信号を
制御信号としてモード制御回路２３に与えてろ波
器２２の中心周波数を反射物体までの距離に対応
したビート周波数fr₁に固定する。このような制
御は電子同調型のろ波器を用い、距離識別信号を
制御電圧に変換して供給することにより容易に実
現できる。ろ波器２２を固定モードに切り換えた
後その出力には、レーザ光の周波数変調周期に同
期した上記ゲート信号Gsとタイミング毎に反射
物体からの反射に基づくビート周波数fr₁の信号
のみがとり出される。かくしてレーザ光の波長を
λ₀，λ₁と交互に切り換えて、それぞれの波長での
目標ガス塊により吸収量を示す受信パワー（受信
信号の振幅）のデータを多数回（100〜1000回）
取り込み、このデータを信号処理回路２６で積算
して目標ガス塊の濃度を求めることができる。

（効果）一般に、この発明の対象とするようなFM−
CWレーザ・レーダを用いて特定ガス塊の濃度を
実施するには、受信パワーを精密に測定すればよ
いのであるが、反射物体との間に介在するガス塊
は不安定であつて受信パワーは原理的にスペクト
ルゆらぎを有している。従つて測定精度を上げる
には多数回のデータ取得と積算が不可決である
が、受信周波数（ビート周波数）を走査すると同
時に、受信信号の積算を実施することは、測定に
長時間を要することとなつて現実的でない。この
点この発明では、数回の走査で反射物体までの距
離（ビート周波数）を識別した後、その周波数に
帯域ろ波器の中心周波数を固定することによつて
濃度測定のためのデータを狭い帯域で取り込むよ
うにしているので、信号の処理を高感度かつ高速
度で実行することができる。またこの発明によれ
ば、ゲート信号のパターンを与える窓関数を
ROMの記憶内容から任意に選択することができ
るので、サイドローブの発生を低くおさえること
ができる他、スパイク雑音の障害もないので、精
度の高い計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるFM−CWレーザ・レ
ーダ用ヘテロダイン受信機の１実施例構成を示す
ブロツク図、第２図はレーザ光の周波数変調の模
様とゲート信号の関係を示すタイムチヤート、第
３図はFM−CWレーザ・レーダの動作原理を説
明するための説明図、第４図は周波数変調された
送信光周波数と受信光周波数の関係を示すタイム
チヤート、第５図はレーザ波長とガスに対するレ
ーザ光の透過率の関係を示す線図、第６図は受信
信号のビート周波数と受信信号のパワースペクト
ラムの関係を示す線図である。１……レーザ・レーダ本体、２……目標ガス
塊、３……反射物体、１０……赤外線レーザ光
源、１１……変調用発振源、１２……光学変調
器、１３……ビームスプリツタ、１４……光合成
ミラー、１５……赤外線検知器、１６……増幅
器、１７……アナログ掛算器、１８……ゲート信
号発生回路、２２……帯域ろ波器、２３……モー
ド制御回路、２４……検波回路、２５……Ａ／Ｄ
変換器、２６……信号処理回路、Lt……送信光、
Lr……受信光。

Claims

【特許請求の範囲】

１周波数変調されたレーザ光を送信光として連
続的に出射し、その反射光を受信して送信光と混
合することにより送信光と受信光とのビート周波
数を検出するレーザ・レーダ用ヘテロダイン受信
機において、前記ビート周波数信号の信号経路中
に、当該ビート周波数信号を一方の入力とするア
ナログ掛算器と、この出力を受ける周波数可変型
の帯域ろ波器を挿入し、かつ前記アナログ掛算器
の他方の入力に上記周波数変調の繰り返し周期に
同期した所定のパターンのゲート信号を供給する
回路を接続するとともに、前記帯域ろ波器の中心
周波数を走査モードと固定モードに切り換える制
御回路を付設し、走査モードで検出された反射対
象物までの距離に応じたビート周波数の検出信号
を前記制御回路に与えて前記帯域ろ波器の中心周
波数を当該ビート周波数に固定することにより固
定モードに切り換えることを特徴とするレーザ・
レーダ用ヘテロダイン受信機。