WO2004074867A1

WO2004074867A1 - レーザレーダ装置

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Publication number: WO2004074867A1
Application number: PCT/JP2003/001802
Authority: WO
Inventors: Shumpei Kameyama; Yoshihito Hirano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2005-08-19
Also published as: JPWO2004074867A1; JP4107603B2; DE60333037D1; EP1596222B1; EP1596222A1; US20050162637A1; EP1596222A4; US7274437B2

Abstract

　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。

Description

明細書

レーザレーダ装置技術分野

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ブ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へテ口ダイン検波を行うことによりドッブラ信号を検出し、ドップラ周波数を求めることによつ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、光のキヤリァ周波数に関するドッブ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、ドッブラ信号のコヒーレンシィが低く、ドッブラシフトした光キャリアの位相が連続している時問（コヒーレント時問) 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口ゾルからの散乱光である場合、ドッブラ信号のコヒーレント時間は、数 μ s e cのオーダであることが知られている。したがって、ドッブ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、ドップラ信号をィンコヒ一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、ドッブ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、光のキヤリァ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ブラ信号を得るには、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ブラ周波数を検出することが考えられる。

このように、光信号をマイク口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 5 1 - 2 9 0 3 2号公報）、特許文献 2 (特開昭 5 9 - 1 5 0 2 9 9号公報）、および特許文献 3 (特開平 2 - 2 5 7 8 6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へ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口ゾルであつて、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ブ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を示すプ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 Φ畐する光送信アンプ 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 5 1と、受信用の走査光学部 5 2とを並列に備えている。

送信用の走査光学部 5 1は送信ビーム L 1を出射し、受信用の走査光学部 5 2 は、送信ビーム L 1が照射された焦点からの散乱ビームを受信ビーム L 2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 5 2を介して受信ビーム L 2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 1 0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ォードを含むフォトディテクタ 1 0と、フォトディテクタ 1 1からの検出信号を処理する信号処理部 1 2と、信号処理部 1 2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 1 3は、信号処理部 1 2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 5 1および 5 2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 1 0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は光受信ァンプ 7に接続され、光受信ァンプ 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 1 1および発振器 1 0に接続され、フォトディテクタ 1 1は信号処理部 1 2に接続されている。また、制御部 1 3は、信号処理部 1 2、走査光学部 5 1および 5 2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 1 1との問は、それぞれ、光ファイバケープ、ノレ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、光ファイバケープ'ノレ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 1 0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 1 0から出力される変調信号のキャリア周波数は、電磁波ドッブラレーダで通常使用されているマイク口波帯の周波数 (たとえば、 2 G H z ) 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、 2 0 0テラ I- I z ) と比べて、遥かに低い値である。

光強度変調器 2は、発振器 1 0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 5 1および 5 2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ブ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 L 2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、「ドッブラ信号」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ブ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 f mは、発振器 1 0からの変調信号のキヤリァ周波数である。

光強度変調器 2により強度変調された光信号は、光送信ァンプ 3により増幅され、光送信ァンプ 3により増幅された光信号は、送信光学部 4およぴ走査光学部 5 1を介して、大気中に送信ビーム L 1として出射される。

大気中に出射された送信ビーム L 1は、エア口ゾルにより散乱された後に、受信ビーム L 2として受信される。

このとき、受信ビーム L 2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、ドッブラ周波数シフトを受けている。

また、光のキヤリァ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 f mによる強度変調を与えているので、以下のように、 2種類のドッブラ周波数シフトが存在する。

すなわち、第 1のドッブラ周波数シフトは、光のキャリア周波数に関するものであり、第 2のドッブラ周波数シフトは、変調周波数 f m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ブラ周波数シフト f s cは、光のキャリァ周波数 f c、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。

f s c = (2 v X f c) /c · · · (1)

また、変調周波数 i m (変調信号のキャリア周波数）に関するドッブラ周波数シフト i smは、以下の式（2) のように表される。

f s c = ( 2 V X f m) /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 L 1、 L 2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 L 2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 f s mを受けた受信ビーム L 2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 1 0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 1 0からの発振信号 (送信光強度の変調周波数 f m) 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 I m i xは、受信光強度 I i n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。

I m 1 X = { ( 1 1 n ■ c o s (2 π \ ί τα-l· i s c ))} · A c o s ( 2 π f m)

=Α· I i n / 2 { c o s ( 2 π ( 2 f m+ f s c )) + c o s ( 2 π f s c ) }

• · · (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力変調振幅 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 I m i Xには、発振器 1 0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 f mに関するドッブラ周波数となる。

このとき、変調周波数 f mに関するドッブラ周波数は、式（2) 力ら明らかなように、変調周波数 f mの 2 v Z 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 f mに関するドッブラ周波数シフト ί s cは、変調周波数 f m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 f mと比べて十分に低、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（2 i m+ f s c ) 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 f s c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 f m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 f m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 f mによりバンドギヤ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 f m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 f m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 f m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 1 1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 1 1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 1 1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ヤリァ周波数が除去されるので、ドッブラ周波数シフト f s c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 1 1からの電気信号の周波数は、変調周波数 f mに関するドッブラ周波数シフト f s cとなる。このドッブラ周波数シフト f s c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、「ドッブラ信号」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 1 1からの電気信号をドッブラ信号として説明する。

一般的に、ドッブ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 f mに関するドッブラ信号のコヒーレント時間は、光信号のキヤリァ周波数に関するドッブ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 2 0 0テラへルツ（波長 1 . 5 μ τη) の光信号に、 2ギガへルツの変調周波数 f mで強度変調を与えた場合、変調周波数 f mに関するドッブラ信号のコヒーレント時問は、光信号のキヤリァ周波数に関するドッブラ信号のコヒーレント時間と比べて 1 0万（1 0 ⁵ ) 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） f mは、必要なコヒーレント時間 τ rと、定数 kを用いて、以下の式のように決定されればよい。

f m= k / τ r

また、定数 kの具体的な値としては、周波数 2 0 0テラ H zの場合において、ドッブラ信号のコヒーレント時間は 1 /i s e c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 X 1 0 ⁶

次に、信号処理部 1 2において、ドッブ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 1 1による直接検波を用いてドッブ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 1 1による直接検波において、フォトディテクタ 1 1 から出力可能な周波数帯域は、フォトディテクタ 1 1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 1 1に含まれるフォトダイォ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 1 1の出力信号における雑音電流 iは、ボルツマン定数 k、フロントェ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 = ( 4 k T F B /R) ^{1 / 2} · · · ( 4 )

式（4 ) 力^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 1 1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 1 1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。

し力し、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パ一トすることにより、フォトディテクタ 1 1 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 1 1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ヤリァ周波数であるので、電磁波ドッブ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 f m) と、光ミクサ 9に入力する信号の周波数 (変調周波数 f m) 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 f bを用いて、光強度変調器 2 に入力する変調周波数 f mに対して、光ミクサ 9に入力する信号周波数を ( f m + f b ) に設定すると、フォトディテクタ 1 1の出力周波数は f s c + f b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 ZN比でドッブ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 f mと、光ミクサ 9に入力する信号周波数（f m+ f b ) との問に若干の差 (周波数 f b ) を与えるためには、図示されていないが、発振器 1 0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 V、。

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ユレータ機能を設ければ、送信ビーム L 1の送信時における焦点位置と、受信ビーム L 2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 +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ブ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。

Claims

請求の範囲

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ヤリァ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。

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、前記変調信号のキヤリァ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。

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レ、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。