JP2016166816A - コヒーレントレーザレーダ装置および目標測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標の物理量の測定精度を向上させる。【解決手段】送受光学系１６は、光周波数変換器１３で周波数をシフトされた送信信号光を所定の光ビームに変換した後、光ビームを空間に放射すると共に、目標からの反射光を受信し、受信信号光を生成する。補償回路２が有する光遅延回路１７は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて出力する。光混合器１８は、遅延されたローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部１９は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第１のビート信号を生成する。信号処理部２０は、第１のビート信号から目標の物理量を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレントレーザレーダ装置および目標測定方法に関する。

コヒーレントレーザレーダ装置には、単一周波数のパルスレーザ光を発振するパルスレーザを光源にしたものと、単一周波数の連続光を発振するＣＷ（Continuous Wave：連続波）レーザを光源にしたものとがある。

特許文献１には、パルスレーザを光源とするコヒーレントレーザレーダ装置が開示されている。該コヒーレントレーザレーダ装置は、レーザ光を二分し、一方のレーザ光を送信光として空間に放射し、他方のレーザ光をローカル光として遅延線路で所定の時間だけ遅延させる。該コヒーレントレーザレーダ装置は、空間に存在するエアロゾルなどの目標からの反射光と遅延させられたローカル光とをコヒーレント検波することで、目標の速度を含む物理量を測定する。

特許文献２には、ＣＷレーザを光源とするコヒーレントレーザレーダが開示されている。該コヒーレントレーザレーダ装置は、レーザ光を二分し、一方のレーザ光の周波数をシフトさせて、周波数の異なる２つのレーザ光である信号光とローカル光を生成する。該コヒーレントレーザレーダ装置は、信号光のみをパルス変調し、パルス変調された信号光を空間に放射し、空間に存在する目標からの反射光とローカル光とをヘテロダイン検波することで、目標の速度を含む物理量を測定する。

特開２００１−２０１５７３号公報 特開２０００−３３８２４６号公報

特許文献１に開示されるコヒーレントレーザレーダ装置は、ローカル光の遅延時間に相当する距離に位置する観測対象のデータしか取得できないため、距離分布データを取得するためには、複数の遅延回路が必要となり、装置規模が大きくなるという課題がある。

特許文献２に開示されるコヒーレントレーザレーダ装置は、光源としてＣＷレーザを用いるため、ローカル光を遅延させなくても、目標からの反射光とローカル光とのヘテロダイン検波を行うことが可能である。しかし、信号光が目標までの距離を往復する間に、レーザ光源の発振周波数が変動すると、信号光とローカル光の相関度が低くなり、ヘテロダイン検波をして得られるビート信号のＳ／Ｎ（Signal-to-Noise：信号対雑音）比が劣化してしまい、目標の物理量の測定値に誤差が生じる。

ビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制するために、光スペクトル純度の高い単一モード発振レーザが必要となる。特許文献２に開示されるコヒーレントレーザレーダ装置は、線幅１００Ｈｚ以下の高スペクトル純度のＣＷレーザ光源を用いる。このようなレーザ光源を実現するためには、共振器長を長くする必要があるが、温度または振動などの環境変動によって共振器長が変動すると、周波数変動および線幅拡大が生じる。また共振器長を長くするために、レーザ光源が大型化され、重量の増大、価格の上昇、安定性の低下、および耐環境性能の低下などの課題が生じる。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、光分岐器と、光周波数変換器と、送受光学系と、測定部と、補償回路とを備える。光分岐器は、レーザ光源から出力された連続波であるレーザ光を二分して送信信号光およびローカル光を出力する。光周波数変換器は、送信信号光およびローカル光の一方の周波数をシフトさせる。送受光学系は、送信信号光を空間へ放射し、空間に存在する目標で反射された送信信号光である反射光を受信し、受信信号光を生成する。測定部は、連続光であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第１のビート信号を生成し、第１のビート信号から目標の速度を含む物理量を測定する。補償回路は、送信信号光が目標まで往復する時間に生じるレーザ光源の発振周波数の変動を補償する。

本発明によれば、送信信号光が目標まで往復する時間に生じるレーザ光源の発振周波数の変動を補償することで、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置が行う目標測定の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置が行う周波数変動抑制の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。コヒーレントレーザレーダ装置１（以下、レーザレーダ装置１という）は、ＣＷ（Continuous Wave：連続波）レーザである光源１１が出力するレーザ光を二分して一方の周波数をシフトし、周波数の異なる２つのレーザ光の一方である送信信号光を空間に放射する。レーザレーダ装置１は、空間に存在する目標で反射された送信信号光である反射光から受信信号光を生成し、該２つのレーザ光の他方であって、連続波であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第１のビート信号を生成し、第１のビート信号に対して必要に応じて周波数変換などの信号処理を行った後に、第１のビート信号から目標の物理量を測定する。目標の物理量は、目標の速度、および目標までの距離などである。レーザレーダ装置１は、送信信号光が目標まで往復する時間に生じる光源１１の発振周波数の変動を補償する。

レーザレーダ装置１は、ＣＷレーザである光源１１、光源１１が出力するレーザ光を二分して送信信号光とローカル光とを生成する光分岐器１２と、送信信号光の周波数を定められた量だけシフトさせる光周波数変換器１３と、光周波数変換器１３での周波数のシフトに用いられる基準信号を出力する信号発生器１４とを備える。レーザレーダ装置１は、送信信号光を送受光学系１６に送り、送受光学系１６から送られた受信信号光を測定部３に送る光サーキュレータ１５と、送信信号光を送信し、目標で反射された送信信号光である反射光を受信して受信信号光を生成する送受光学系１６とを備える。またレーザレーダ装置１は、送信信号光が目標まで往復する時間に生じる光源１１の発振周波数の変動を補償する補償回路２と、目標の物理量の測定を行う測定部３とを備える。補償回路２は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させる光遅延回路１７を備える。測定部３は、遅延させられたローカル光と、受信信号光とを混合する光混合器１８と、遅延させられたローカル光と受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第１のビート信号を出力する光電変換部１９と、第１のビート信号に対して必要に応じて信号処理を行った後に目標の物理量を測定する信号処理部２０とを備える。

図１において、実線の矢印は光信号を示し、実線の矢印で接続されるレーザレーダ装置１の各部の間は、全て光回路接続されており、例えば光ファイバまたは空間光ビームなどにより接続されている。レーザレーダ装置１の各部を接続する光ファイバは、偏波面保存光ファイバを用いることが望ましいが、偏波変動を許容できる場合または偏波変動を補償する手段を別途設ける場合には、シングルモードの光ファイバを用いてもよい。図１において、点線の矢印は電気信号を示し、点線の矢印で接続されるレーザレーダ装置１の各部の間は、全て電気回路により接続されている。

光源１１は、単一周波数からなるＣＷ光を出力する。光分岐器１２は、光源１１からのレーザ光を二分して、一方のレーザ光である送信信号光を光周波数変換器１３に、他方のレーザ光であるローカル光を光遅延回路１７に送る。光周波数変換器１３は、信号発生器１４が出力するＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）信号である基準信号の周波数に相当する量だけ、送信信号光の周波数をシフトさせ、周波数をシフトさせた送信信号光を光サーキュレータ１５に送る。また基準信号の強度に応じて、光周波数変換器１３が出力する送信信号光の強度も変化する。光周波数変換器１３として、ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator：音響光学変調器）を用いることができる。光サーキュレータ１５は、送信信号光を送受光学系１６に送る。送受光学系１６は、送信信号光を所定の光ビームに変換した後、光ビームを空間に放射する。

空間に放射された光ビームは、例えば空間中に浮遊するエアロゾルなどの目標（散乱体）により反射され、この反射光（後方散乱光）が送受光学系１６で受信される。送受光学系１６は、反射光を受信して、必要に応じて周波数変換などを行い、受信信号光を生成する。送受光学系１６は、受信信号光を光サーキュレータ１５に送り、光サーキュレータ１５は、受信信号光を測定部３が備える光混合器１８に送る。光サーキュレータ１５の代わりに、偏光ビームスプリッタおよび偏光ビームスプリッタと送受光学系１６との間に設けられた偏波回転手段などの、送信信号光と受信信号光とを分離する任意の手段を用いることができる。

光遅延回路１７は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて、光混合器１８に送る。シングルモードの光ファイバの伝送損失は、波長１．３μｍ，１．５μｍ帯において、０．１〜０．２ｄＢ／ｋｍである。したがって、光遅延回路１７を、例えば長尺の光ファイバなどで実現する場合、光ファイバは低損失であり、かつ、細線であるため、長尺でも低損失かつコンパクトな光遅延回路１７を実現することができる。光ファイバの屈折率を１．５とすると、１ｋｍの光ファイバで光学長１．５ｋｍ相当である５μ秒の遅延を実現できる。

光遅延回路１７には、目標の推定位置に対応する遅延時間、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定されている。閾値は任意に定めることができる。閾値を十分に小さくすることで、光遅延回路１７に設定される遅延時間は、送受光学系１６から放射された送信信号光が目標までの距離を往復するのに要する時間に一致するとみなすことができる。

光混合器１８は、遅延させられたローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部１９に送る。光電変換部１９は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第１のビート信号を生成し、信号処理部２０に送る。第１のビート信号の周波数は、光周波数変換器１３で与えられた周波数のシフト量に目標の速度に対応するドップラー周波数シフト量が重畳されたものである。光電変換部１９は、１つのフォトダイオードで構成されてもよいし、光混合器１８の出力を二分して、光電変換部１９を構成する２つのフォトダイオードで、二分された光混合器１８の出力をそれぞれ受信してもよい。２つのフォトダイオードでバランスドレシーバを形成することで、光源１１に起因するＲＩＮ（Relative Intensity Noise：相対強度雑音）を抑制することが可能となる。信号処理部２０は、第１のビート信号に対して必要に応じて周波数変換などの信号処理を行い、第１のビート信号から目標の物理量を測定する。

送信信号光が目標を往復するまでの時間、すなわち送受光学系１６が送信信号光を放射してから反射光を受信するまでの間に、光源１１の発振周波数が変動する場合がある。一般的なコヒーレントレーザレーダ装置においては、ヘテロダイン検波および光電変換を行うことで得られる電気信号のＳ／Ｎ（Signal-to-Noise：信号対雑音）比が、レーザ光源の発振周波数の変動によって劣化することがある。しかし、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１においては、光源１１としてＣＷレーザを用い、補償回路２によって目標の推定位置に対応する遅延時間だけ遅延された連続波であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波を行うため、光源１１の発振周波数が変動した場合であっても第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化が抑制される。

パルスレーザをレーザ光源として用いる一般的なコヒーレントレーザレーダ装置では、ローカル光と受信信号光とのコヒーレント検波を行うために、送信信号光が目標まで往復する時間だけ、ローカル光を遅延させている。該コヒーレントレーザレーダ装置におけるローカル光の遅延はコヒーレント検波を可能にするためのものであり、該コヒーレントレーザレーダ装置は、送信信号光が目標まで往復する時間において生じるレーザ光源の発振周波数の変動を補償することができない。一方、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１は、光源１１としてＣＷレーザを用いるため、遅延させられた連続波であるローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波を行うことで、光源１１の発振周波数の変動を補償し、第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することができる。

図２は、実施の形態１に係るコヒーレントレーザレーダ装置が行う目標測定の動作の一例を示すフローチャートである。光分岐器１２は、光源１１からのレーザ光を二分して一方を光周波数変換器１３に、他方を光遅延回路１７に送る（ステップＳ１１）。光周波数変換器１３は、信号発生器１４が出力する基準信号の周波数に相当する量だけ、送信信号光の周波数をシフトさせる（ステップＳ１２）。送受光学系１６は、送信信号光を所定の光ビームに変換した後、光ビームを空間に放射すると共に、目標からの反射光を受信する（ステップＳ１３）。光遅延回路１７は、定められた遅延時間だけローカル光を遅延させる（ステップＳ１４）。光混合器１８は、遅延させられたローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成する（ステップＳ１５）。光電変換部１９は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第１のビート信号を生成する（ステップＳ１６）。信号処理部２０は、第１のビート信号に対して必要に応じて周波数変換などの信号処理を行い、第１のビート信号から目標の物理量を測定する（ステップＳ１７）。

信号発生器１４が出力する基準信号にパルス変調信号を用いると、光周波数変換器１３が出力する送信信号光はパルス信号となる。パルス信号である送信信号光を用いて、パルス往復時間を測定することで、目標の距離を測定することが可能となる。なお送信信号光のパルス化を、例えば光周波数変換器１３と光サーキュレータ１５の間などの、送信信号光の経路に設けられた光強度変調器によって行ってもよい。

目標の推定位置に対応する遅延時間だけローカル光を遅延させることで、例えば目標の推定位置よりも送受光学系１６の近傍に位置する他の目標（散乱体）で反射された反射光から生成される受信信号光と、ローカル光との相関度は低下するが、該受信信号光の光強度は高いため、第１のビート信号のＳ／Ｎ比が著しく劣化することはない。したがって、本実施の形態１に係るレーザレーダ装置１によれば、ＣＷレーザをレーザ光源に用いるコヒーレントレーザレーダ装置に比べて、測定可能距離を延伸することが可能となる。

以上説明した通り、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１によれば、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。またレーザレーダ装置１は狭線幅レーザを必要としないため、装置の小型化、安定性および耐環境性の向上、およびコストの削減が可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係るレーザレーダ装置１は実施の形態１と異なり、補償回路２が光遅延回路１７＿１，１７＿２，・・・，１７＿ｎを備える。ここで光遅延回路１７は、光遅延回路１７＿１，１７＿２，・・・，１７＿ｎの内、任意の光遅延回路を意味する。補償回路２はｎ個の光遅延回路１７を備え、ｎは任意の２以上の自然数である。補償回路２は、さらに、ローカル光が通過する光遅延回路１７を決定する第１の選択部２１および第２の選択部２２とを備える。各光遅延回路１７に設定される遅延時間は互いに異なる。例えば、観測範囲に含まれる複数の目標の推定位置に対応する遅延時間が各光遅延回路１７に設定されている。

第１の選択部２１および第２の選択部２２は、少なくとも１つの光遅延回路１７を選択する。レーザレーダ装置１は、外部から光遅延回路１７の選択を指示する制御信号を取得する。該制御信号によって第１の選択部２１および第２の選択部２２が制御され、目標の推定位置に応じて、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間に基づいて、少なくとも１つの光遅延回路１７が選択される。光分岐器１２が出力するローカル光は第１の選択部２１を介して、選択された少なくとも１つの光遅延回路１７を通過し、第２の選択部２２を介して光混合器１８に送られる。

制御信号によって第１の選択部２１および第２の選択部２２が制御され、目標の推定位置に応じて、例えば、送信信号光が目標まで往復する時間との差が最も小さい遅延時間が設定されている、１つの光遅延回路１７が選択される。１つの光遅延回路１７が選択される場合は、光混合器１８は、選択された光遅延回路１７を通過したローカル光と、受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部１９に送る。光電変換部１９および信号処理部２０の処理は実施の形態１と同様である。複数の光遅延回路１７の内、送信信号光が目標まで往復する時間に最も近い遅延時間が設定された光遅延回路１７を通過したローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで、第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

また、観測範囲に対応して複数の距離レンジが予め定められており、各距離レンジに対応する、互いに異なる遅延時間が複数の光遅延回路１７のそれぞれに設定されている場合を例に説明する。距離レンジに対応する遅延時間とは、距離レンジに含まれる目標まで送信信号光が往復するのに要する時間との差が閾値以下である遅延時間である。制御信号によって第１の選択部２１および第２の選択部２２が制御され、目標の推定位置が属する距離レンジに対応する遅延時間が設定された複数の光遅延回路１７が選択される。

複数の光遅延回路１７が選択される場合は、光混合器１８は、選択された複数の光遅延回路１７のそれぞれについて、該光遅延回路１７を通過したローカル光と、受信信号光とを混合し、複数の混合光を生成して光電変換部１９に送る。光電変換部１９は複数の混合光のそれぞれについて、ヘテロダイン検波および光電変換を行い、複数の第１のビート信号を生成して信号処理部２０に送る。

ｋ個の光遅延回路１７が選択された場合を例にして説明する。信号処理部２０は、例えば、ｋ個の第１のビート信号それぞれに基づいて目標までの距離および目標の速度を測定する。信号処理部２０は、ｋ個の第１のビート信号それぞれのＳ／Ｎ比を算出する。測定した目標までの距離が上記距離レンジに属する第１のビート信号の内、最もＳ／Ｎ比の高い第１のビート信号に基づいて測定された目標の速度を、該距離レンジにおける目標の速度として検出する。

また例えば、信号処理部２０は、ｋ個の第１のビート信号それぞれに基づいて目標までの距離を測定する。信号処理部２０は、ｋ個の第１のビート信号のそれぞれのＳ／Ｎ比を算出する。測定した目標までの距離が上記距離レンジに属する第１のビート信号の内、最もＳ／Ｎ比の高い第１のビート信号に基づいて目標の速度を測定し、測定された目標の速度を、上記距離レンジにおける目標の速度として検出する。

また例えば、信号処理部２０は、ｋ個の第１のビート信号の全てを合成し、合成された第１のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を、上記距離レンジにおける目標の速度として検出してもよい。また信号処理部２０は、ｋ個の第１のビート信号のそれぞれのＳ／Ｎ比を算出し、Ｓ／Ｎ比が閾値以上である第１のビート信号を合成し、合成された第１のビート信号に基づいて、目標の速度を測定してもよい。

互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路１７を備える補償回路２を用いて、目標の推定位置に応じて選択された光遅延回路１７を通過したローカル光と、受信信号光との混合光のヘテロダイン検波を行うことで、光源１１の発振周波数の変動を補償し、広範囲の距離において第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

以上説明した通り、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１によれば、広範囲の距離において目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係るレーザレーダ装置１が備える補償回路２は、実施の形態２と同様に複数の光遅延回路１７を備える。補償回路２は、実施の形態２と異なり、第１の選択部２１および第２の選択部２２の代わりに、光分岐器２３を備える。レーザレーダ装置１は、光分岐器２４を備え、測定部３は、光混合器１８＿１，１８＿２，・・・，１８＿ｎと、光電変換部１９＿１，１９＿２，・・・，１９＿ｎとを備える。

実施の形態２と同様に、レーザレーダ装置１はｎ個の光遅延回路１７を備え、ｎは任意の２以上の自然数である。光分岐器２３は、光分岐器１２が出力したローカル光をｎ個のレーザ光に分けて、光遅延回路１７＿１，１７＿２，・・・，１７＿ｎに送る。光分岐器２４は、光サーキュレータ１５が出力した受信信号光をｎ個のレーザ光に分けて、光混合器１８＿１，１８＿２，・・・，１８＿ｎのそれぞれに送る。光遅延回路１７＿１は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて、光混合器１８＿１に送る。同様に、光遅延回路１７＿２は、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて光混合器１８＿２に送り、光遅延回路１７＿ｎは、ローカル光を定められた遅延時間だけ遅延させて光混合器１８＿ｎに送る。

光混合器１８＿１は、光遅延回路１７＿１が出力したローカル光と光分岐器２４が出力した受信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部１９＿１に送る。同様に、光混合器１８＿２は、光遅延回路１７＿２が出力したローカル光と光分岐器２４が出力した受信信号光とを混合して混合光を生成して光電変換部１９＿２に送り、光混合器１８＿ｎは、光遅延回路１７＿ｎが出力したローカル光と光分岐器２４が出力した受信信号光とを混合して混合光を生成して光電変換部１９＿ｎに送る。

光電変換部１９＿１，１９＿２，１９＿ｎはそれぞれ、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第１のビート信号を生成し、信号処理部２０に送る。レーザレーダ装置１の観測範囲に対応して複数の距離レンジが予め定められている。信号処理部２０は、例えば、ｎ個の第１のビート信号それぞれに基づいて、目標の物理量を測定する。信号処理部２０は、目標の物理量として、目標までの距離および目標の速度を測定する。信号処理部２０は、ｎ個の第１のビート信号のそれぞれのＳ／Ｎ比を算出する。距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第１のビート信号の内、最もＳ／Ｎ比の高い第１のビート信号に基づいて測定された目標の速度を、該距離レンジにおける目標の速度として検出する。

また例えば、信号処理部２０は、ｎ個の第１のビート信号のそれぞれに基づいて目標までの距離を測定する。信号処理部２０は、ｎ個の第１のビート信号のそれぞれのＳ／Ｎ比を算出する。距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第１のビート信号の内、最もＳ／Ｎ比の高い第１のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を、該距離レンジにおける目標の速度として検出する。

信号処理部２０は、第１のビート信号の全てを合成し、合成された第１のビート信号に基づいて、目標の速度を測定してもよい。信号処理部２０は、例えば、ｎ個の第１のビート信号それぞれに基づいて、目標までの距離を算出し、距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第１のビート信号を合成する。信号処理部２０は、合成された第１のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を該距離レンジにおける目標の速度として検出する。

また例えば、信号処理部２０は、ｎ個の第１のビート信号それぞれに基づいて、目標までの距離を算出する。信号処理部２０は、ｎ個の第１のビート信号のそれぞれのＳ／Ｎ比を算出する。信号処理部２０は、距離レンジごとに、測定した目標までの距離が該距離レンジに属する第１のビート信号の内、Ｓ／Ｎ比が閾値以上である第１のビート信号を合成する。閾値は任意に定めることができる。信号処理部２０は、合成された第１のビート信号に基づいて、目標の速度を測定し、測定された目標の速度を該距離レンジにおける目標の速度として検出する。

互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路１７を備える補償回路２を用い、信号処理部２０において、複数の第１のビート信号に基づいて目標の物理量を測定することで、光源１１の発振周波数の変動を補償し、広範囲の距離において第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

以上説明した通り、実施の形態３に係るレーザレーダ装置１によれば、広範囲の距離において目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となり、複数の目標の物理量を測定する場合でも測定精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態４に係るレーザレーダ装置１は、実施の形態１から３において説明したレーザレーダ装置１とは異なり、送信信号光とローカル光との周波数の差の変動を補正することで、光源１１の発振周波数の変動を補償し、第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制する。レーザレーダ装置１は、ローカル光と定められた遅延時間だけ遅延された送信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第２のビート信号と、光周波数変換器１３における周波数のシフトに用いられる基準信号との位相差に基づいて、光周波数変換器１３における周波数のシフト量を調節する。

光源１１、光分岐器１２、光周波数変換器１３、信号発生器１４、光サーキュレータ１５、送受光学系１６、および測定部３の構成および動作は実施の形態１と同様である。実施の形態４に係るレーザレーダ装置１は、光周波数変換器１３が出力するローカル光を二分して出力する光分岐器２３、光分岐器１２が出力する送信信号光を二分して出力する光分岐器２４を備える。補償回路２は、光分岐器２４が出力する送信信号光を遅延させる光遅延回路２５、光分岐器２３が出力するローカル光と光遅延回路２５が出力する送信信号光を混合する光混合器２６、光混合器２６が出力する混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第２のビート信号を生成する光電変換部２７、基準信号と第２のビート信号の位相を比較して誤差信号を出力する位相比較器２８、ループフィルタ２９、およびＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator：電圧制御発振器）３０を備える。

光分岐器１２は、光源１１からのレーザ光を二分して、一方のレーザ光である送信信号光を光分岐器２４に、他方のレーザ光であるローカル光を光周波数変換器１３に送る。実施の形態４に係るレーザレーダ装置１においては、光周波数変換器１３はローカル光の周波数をシフトさせ、周波数をシフトさせたローカル光を光分岐器２３に送る。光分岐器２３は、周波数がシフトされたローカル光を二分して一方を光混合器１８に、他方を光混合器２６に送る。光分岐器２４は、光分岐器１２が出力した送信信号光を二分して一方を光サーキュレータ１５に、他方を光遅延回路２５に送る。

光遅延回路２５は、送信信号光を定められた遅延時間だけ遅延させて、光混合器２６に送る。光遅延回路２５には、目標の推定位置に対応する遅延時間、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定されている。閾値は任意に定めることができる。閾値を十分に小さくすることで、光遅延回路２５に設定される遅延時間は、送受光学系１６から放射された送信信号光が目標までの距離を往復するのに要する時間に一致するとみなすことができる。

光混合器２６は、光分岐器２３が出力するローカル光と光遅延回路２５が出力する送信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部２７に送る。光電変換部２７は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第２のビート信号を生成し、位相比較器２８に送る。位相比較器２８は、信号発生器１４が出力するＲＦ信号である基準信号の位相と、第２のビート信号の位相を比較し、位相差に応じた誤差信号を出力する。誤差信号はループフィルタ２９を介してＶＣＯ３０に入力され、ＶＣＯ３０は、誤差信号に基づいて出力するＲＦ信号の周波数を調節する。ＶＣＯ３０が出力するＲＦ信号の周波数を調節することで、光周波数変換器１３における周波数のシフト量が調節される。

光周波数変換器１３、光分岐器２３、光遅延回路２５、光混合器２６、光電変換部２７、位相比較器２８、ループフィルタ２９、およびＶＣＯ３０が協働して位相同期回路として動作し、光遅延回路２５に設定されている遅延時間の間に生じる光源１１の発振周波数の変動を打ち消すように、光周波数変換器１３における周波数のシフト量が調節される。したがって、光源１１の発振周波数の変動による第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

実施の形態４に係るレーザレーダ装置１が行う目標測定の動作は、図２に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置１が行う目標測定方法の動作からステップＳ１４の処理を除いた動作と同じである。実施の形態４に係るレーザレーダ装置１は、目標測定の動作とは独立したタイミングで、周波数変動抑制の動作を行う。

図６は、実施の形態４に係るコヒーレントレーザレーダ装置が行う周波数変動抑制の動作の一例を示すフローチャートである。光遅延回路２５は、定められた遅延時間だけ送信信号光を遅延させる（ステップＳ２１）。光混合器２６は、光分岐器２３が出力するローカル光と光遅延回路２５が出力する送信信号光とを混合して混合光を生成する（ステップＳ２２）。光電変換部２７は、混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って、第２のビート信号を生成する（ステップＳ２３）。位相比較器２８は、信号発生器１４が出力するＲＦ信号である基準信号の位相と、第２のビート信号の位相を比較し、位相差に応じた誤差信号を出力する（ステップＳ２４）。ＶＣＯ３０は、ループフィルタ２９を介して入力された誤差信号に基づいて出力するＲＦ信号の周波数を調節する（ステップＳ２５）。

以上説明した通り、実施の形態４に係るレーザレーダ装置１によれば、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。また補償回路２を用いて光周波数変換器１３における周波数シフト量を調節するため、レーザレーダ装置１は狭線幅レーザを必要とせず、装置の小型化、安定性および耐環境性の向上、およびコストの削減が可能となる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態５に係るレーザレーダ装置１は、実施の形態４と異なり、補償回路２が光遅延回路２５＿１，２５＿２，・・・，２５＿ｎを備える。ここで光遅延回路２５は、光遅延回路２５＿１，２５＿２，・・・，２５＿ｎの内、任意の光遅延回路を意味する。補償回路２はｎ個の光遅延回路２５を備え、ｎは任意の２以上の自然数である。補償回路２は、さらに、送信信号光が通過する光遅延回路２５を決定する第１の選択部２１および第２の選択部２２とを備える。各光遅延回路２５に設定される遅延時間は互いに異なる。例えば、観測範囲に含まれる目標の推定位置に対応する遅延時間が各光遅延回路２５に設定されている。

レーザレーダ装置１は、実施の形態２と同様に、外部から光遅延回路２５の選択を指示する制御信号を取得する。該制御信号によって第１の選択部２１および第２の選択部２２が制御され、目標の推定位置に応じて、すなわち、送信信号光が目標まで往復する時間に基づいて、１つの光遅延回路２５が選択される。光分岐器２４が出力する送信信号光は第１の選択部２１を介して、選択された光遅延回路２５を通過し、第２の選択部２２を介して光混合器２６に送られる。

制御信号によって第１の選択部２１および第２の選択部２２が制御され、目標の推定位置に応じて、例えば、送信信号光が目標まで往復する時間との差が最も小さい遅延時間が設定されている、１つの光遅延回路２５が選択される。光混合器２６は、光分岐器２３が出力するローカル光と、選択された光遅延回路２５を通過した送信信号光とを混合して混合光を生成し、光電変換部２７に送る。光電変換部２７、位相比較器２８、ループフィルタ２９、ＶＣＯ３０の動作は実施の形態４と同様である。

ローカル光と、複数の光遅延回路２５の内、送信信号光が目標まで往復する時間に最も近い遅延時間が設定された光遅延回路２５を通過した送信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第２のビート信号に基づいて、周波数変換器１３における周波数のシフト量を調整することで、第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路２５を備える補償回路２を用いて、目標の推定位置に応じて選択された光遅延回路２５を通過した送信信号光とローカル光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第２のビート信号に基づいて、周波数変換器１３における周波数のシフト量を調整することで、光源１１の発振周波数の変動を補償し、広範囲の距離において第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

以上説明した通り、実施の形態５に係るレーザレーダ装置１によれば、広範囲の距離において目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６に係るコヒーレントレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態６に係るレーザレーダ装置１が備える補償回路２は、光源１１の発振周波数を調節することで、第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制する。

光源１１、光分岐器１２、光周波数変換器１３、信号発生器１４、光サーキュレータ１５、送受光学系１６、測定部３、光分岐器２３，２４、光遅延回路２５、光混合器２６、光電変換部２７、位相比較器２８、およびループフィルタ２９の構成および動作は実施の形態４と同様である。実施の形態６に係るレーザレーダ装置１が備える補償回路２は、光源１１の発振周波数を調節する波長制御部３１を備える。

波長制御部３１は、ループフィルタ２９を介して入力される誤差信号に基づいて、光源１１の発振周波数を調節する。波長制御部３１は、光源１１への駆動電流の制御、レーザ共振器の実長の制御、またはレーザ共振器の屈折率の制御に基づくレーザ共振器の光学長の制御などによって、光源１１の発振周波数を調節する。

光周波数変換器１３、光分岐器２４、光遅延回路２５、光混合器２６、光電変換部２７、位相比較器２８、ループフィルタ２９、および波長制御部３１が協働して位相同期回路として動作し、光源１１の発振周波数が調節される。したがって、光源１１からのレーザ光の周波数の変動が抑制され、第１のビート信号のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することが可能となる。

実施の形態６に係るレーザレーダ装置１が行う周波数変動抑制の動作は、図６に示す実施の形態４に係るレーザレーダ装置１が行う周波数変動抑制の動作と同様である。ただし、ステップＳ２５の処理は、波長制御部３１が光源１１の発振周波数を調節することにより、実現される。

以上説明した通り、実施の形態６に係るレーザレーダ装置１によれば、より簡易な構成で目標の物理量の測定精度を向上させることが可能となる。また補償回路２を用いて光源１１の発振周波数を調節するため、レーザレーダ装置１は狭線幅レーザを必要とせず、装置の小型化、安定性および耐環境性の向上、およびコストの削減が可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。光周波数変換器１３は送信信号光およびローカル光のいずれの周波数のシフトを行ってもよい。図１の例では、光周波数変換器１３を光分岐器１２と光サーキュレータ１５の間に設ける代わりに、光分岐器１２と光遅延回路１７の間に設けてもよい。

１ コヒーレントレーザレーダ装置、２ 補償回路、３ 測定部、１１ 光源、１２，２３，２４ 光分岐器、１３ 光周波数変換器、１４ 信号発生器、１５ 光サーキュレータ、１６ 送受光学系、１７，１７＿１，１７＿２，１７＿ｎ，２５，２５＿１，２５＿２，２５＿ｎ 光遅延回路、１８，１８＿１，１８＿２，１８＿ｎ，２６ 光混合器、１９，１９＿１，１９＿２，１９＿ｎ，２７ 光電変換部、２０ 信号処理部、２１ 第１の選択部、２２ 第２の選択部、２８ 位相比較器、２９ ループフィルタ、３０ ＶＣＯ、３１ 波長制御部。

Claims (10)

1. レーザ光源から出力された連続波であるレーザ光を二分して送信信号光およびローカル光を出力する光分岐器と、
   前記送信信号光および前記ローカル光の一方の周波数をシフトさせる光周波数変換器と、
   前記送信信号光を空間へ放射し、前記空間に存在する目標で反射された前記送信信号光である反射光を受信し、受信信号光を生成する送受光学系と、
   連続波である前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って第１のビート信号を生成し、前記第１のビート信号から前記目標の速度を含む物理量を測定する測定部と、
   前記送信信号光が前記目標まで往復する時間に生じる前記レーザ光源の発振周波数の変動を補償する補償回路と、
   を備えるコヒーレントレーザレーダ装置。
2. 前記補償回路は、定められた遅延時間だけ前記ローカル光を遅延させて出力する光遅延回路を備え、
   前記測定部は、前記光遅延回路を通過した前記定められた遅延時間だけ遅延させられた前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って前記第１のビート信号を生成する、
   請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
3. 前記光遅延回路には、前記送信信号光が前記目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定される、請求項２に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
4. 前記補償回路は、
   互いに異なる遅延時間が設定された複数の前記光遅延回路と、
   前記送信信号光が前記目標まで往復する時間に基づいて、前記複数の光遅延回路の少なくとも１つを選択する選択部と、
   を備え、
   前記測定部は、前記選択部により選択された少なくとも１つの前記光遅延回路のそれぞれについて、前記光遅延回路を通過した前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って少なくとも１つの前記第１のビート信号を生成し、前記少なくとも１つの第１のビート信号の内、定められた基準に合致する第１のビート信号から、または、前記少なくとも１つの第１のビート信号の内、定められた基準に合致する第１のビート信号を合成した信号から、前記目標の速度を含む物理量を測定する請求項２に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
5. 前記補償回路は、互いに異なる遅延時間が設定された複数の光遅延回路を備え、
   前記測定部は、前記複数の光遅延回路のそれぞれについて、前記光遅延回路を通過した前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行って複数の前記第１のビート信号を生成し、前記複数の第１のビート信号の内、定められた基準に合致する第１のビート信号から、または、前記複数の第１のビート信号の内、定められた基準に合致する第１のビート信号を合成した信号から、前記目標の速度を含む物理量を測定する請求項２に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
6. 前記補償回路は、定められた遅延時間だけ前記送信信号光を遅延させて出力する光遅延回路を備え、
   前記補償回路は、前記ローカル光と前記光遅延回路を通過した前記定められた遅延時間だけ遅延させられた前記送信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことで生成される第２のビート信号と、前記光周波数変換器において周波数のシフトに用いられる基準信号との位相差を用いて、前記レーザ光源の発振周波数の変動を補償する、
   請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
7. 前記光遅延回路には、前記送信信号光が前記目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定され、
   前記補償回路は、前記ローカル光と前記光遅延回路を通過した前記送信信号光とに基づき生成される前記第２のビート信号と、前記基準信号との位相差に基づいて、前記光周波数変換器における周波数のシフト量を調節する、
   請求項６に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
8. 前記補償回路は、
   互いに異なる遅延時間が設定された複数の前記光遅延回路と、
   前記送信信号光が前記目標まで往復する時間に基づいて、前記複数の光遅延回路のいずれかを選択する選択部と、
   を備え、
   前記補償回路は、前記ローカル光と前記選択部により選択された前記光遅延回路を通過した前記送信信号光とに基づき生成される前記第２のビート信号と、前記基準信号との位相差に基づいて、前記光周波数変換器における周波数のシフト量を調節する、
   請求項６に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
9. 前記光遅延回路には、前記送信信号光が前記目標まで往復する時間との差が閾値以下である遅延時間が設定され、
   前記補償回路は、前記ローカル光と前記光遅延回路を通過した前記送信信号光とに基づき生成される前記第２のビート信号と、前記基準信号との位相差に基づいて、前記レーザ光源の発振周波数を調節する、
   請求項６に記載のコヒーレントレーザレーダ装置。
10. 連続波であるレーザ光を二分して一方の周波数を偏移することにより生成された送信信号光とローカル光の内、前記送信信号光を空間へ放射し、前記空間に存在する目標で反射された前記送信信号光である反射光を受信し、受信信号光を生成する送受信ステップと、
    連続波である前記ローカル光と、前記受信信号光との混合光のヘテロダイン検波および光電変換を行うことにより得られる第１のビート信号から前記目標の速度を含む物理量を測定する測定ステップと、
    前記送信信号光が目標まで往復する時間に生じる前記レーザ光の周波数の変動を補償する補償ステップと、
    を備える目標測定方法。

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