JP4932378B2

JP4932378B2 - コヒーレントライダ装置

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Publication number: JP4932378B2
Application number: JP2006215887A
Authority: JP
Inventors: 将支水間; 俊平亀山; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: JP2008039640A

Description

この発明は、高い検出性能が得られるコヒーレントライダ装置に関するものである。

コヒーレントライダ装置は、レーザ光を大気中に発射し、大気、雲、エアロゾルからの散乱光を反射望遠鏡などの送受光学系を用いて集め、検出処理を行って、その強さとドップラー速度を測定することで大気微量成分や水蒸気、風、気温、エアロゾル、雲などの分布を測定するものである。この装置によれば、特に大気中のエアロゾルに対しても十分な散乱強度が得られるため、晴天時においても風速や風速分布を測定することができる。そのため、コヒーレントライダ装置を空港に設置したり、航空機に搭載して、乱気流などの障害物の検知に使用されるようになってきた。

従来のコヒーレントライダ装置としては、例えば非特許文献１に記載されたものがある。この装置は、図６に示すように、レーザ光源１０１、第１光カプラ１０２、光変調器１０３、光ファイバ増幅器１０４、光サーキュレータ１０５、送受光学系１０６、第２光カプラ１０７、光受信器１０８、ＡＤコンバータ１０９および信号処理器１１０で構成されている。また、各部の接続において、レーザ光源１０１と第１光カプラ１０２、第１光カプラ１０２と光変調器１０３、光変調器１０３と光ファイバ増幅器１０４、光ファイバ増幅器１０４と光サーキュレータ１０５、光サーキュレータ１０５と送受光学系１０６、第１光カプラ１０２と第２光カプラ１０７、光サーキュレータ１０５と第２光カプラ１０７、および第２光カプラ１０７と光受信器１０８との間は、いずれも光ファイバで接続されている。さらに、光受信器１０８とＡＤコンバータ１０９、およびＡＤコンバータ１０９と信号処理器１１０との間は、同軸ケーブル等の電線ケーブルにより接続されている。

次に、動作について説明する。
レーザ光源１０１から出力されたＣＷ（Continuous Wave）レーザ光は、第１光カプラ１０２において２つに分岐される。分岐された一方のレーザ光は送信光として、他方はヘテロダイン検波におけるローカル光として用いられる。光変調器１０３では、分岐された一方のレーザ光を変調する。この変調されたレーザ光は、光ファイバ増幅器１０４に送られ増幅される。増幅された変調光は、光サーキュレータ１０５を介して送受光学系１０６によりターゲットへ向けて照射される。その後、送受光学系１０６によりターゲットからの散乱光が受信される。このとき、受信光の周波数はターゲットの速度に応じたドップラーシフトを受けている。この受信光は、光サーキュレータ１０５により、第２光カプラ１０７に送られる。この第２光カプラ１０７では、この受信光と第１光カプラ１０２で分岐された他方のレーザ光（ローカル光）とを合波する。光受信器１０８では、第２光カプラ１０７からの合波光をヘテロダイン検波し、受信光とローカル光とのビート信号を出力する。さらにＡＤコンバータ１０９で、上記ビート信号をＡＤ変換し、信号処理部１１０で、ＡＤ変換したビート信号の信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の所望の情報を導出する。

浅香，他、「航空機搭載全光ファイバ型ドップラーライダの検討」、レーザー研究、社団法人レーザー学会論文誌、Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．６、２００１、Ｐ．３７１〜Ｐ．３７６

図６示したような送受光系を１つとしたモノスタティック構成を持つコヒーレントライダ装置では、光サーキュレータ１０５を介して送信光と受信光を分離しているため、光受信器１０８で得られる受信光成分には、所望の信号成分を含んだターゲットからの散乱光成分のほかに、主に光サーキュレータ１０５からの内部反射光が混入する。例えば、インライン型光ファイバサーキュレータを用いた場合の内部反射光レベルは、市販品で−６０ｄＢ程度である。これに対してターゲットからの散乱光は、この−６０ｄＢより小さいレベルの場合が多い。したがって、散乱光成分よるドップラーシフトのシフト量が非常に小さい場合、内部反射光レベルと重なってしまい、散乱光成分の検出ができなくなるという問題が起こる。また、移動しないターゲットからの散乱光成分を検出する場合、ドップラーシフトは０となるため、内部反射光成分と重なってしまい、上記同様検出できなくなる。さらに後述するが、音声等による微弱振動の検出を行う際、強度変動による雑音成分を除去し所望の周波数成分のみを取り出すためＦＭ変調を実施することがあるが、この場合、上記問題に加えて、復調信号の白色雑音に対するＳ／Ｎ比も劣化するという問題が生じる。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、高い検出性能を得ることを可能にするコヒーレントライダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るコヒーレントライダ装置は、単一周波数のＣＷレーザ光を出力する光源と、この光源が出力したレーザ光を２つに分岐する第１光カプラと、この第１光カプラで分岐された一方のレーザ光を増幅する光増幅器と、この光増幅器で増幅されたレーザ光を第１のポートに入力して第２のポートから出力し、受信したターゲットの散乱光を第２のポートに入力して第３のポートへ出力する光サーキュレータと、この光サーキュレータの出力レーザ光を送信側に伝送し、受信したターゲットからの散乱光のみを所望の周波数分シフトさせる周波数シフタと、この周波数シフタから伝送された出力レーザ光をターゲットへ向けて送信すると共に、ターゲットからの散乱光を受信する送受光学系と、第１光カプラにより分岐された他方のレーザ光と、光サーキュレータから出力される周波数シフトされたターゲットの散乱光とを合波させる第２光カプラと、第２光カプラで合波された光をヘテロダイン検波し、他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を取り出して電気信号に変換する光受信器と、この光受信器で変換された電気信号からビート信号成分のみを通過させるフィルタと、このフィルタを通過したビート信号成分について信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する信号処理部を備えたものである。

この発明によれば、光サーキュレータから第２光カプラ側に漏れこむ内部反射光の遮断力を高め、検出性能を向上させる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。
このコヒーレントライダ装置は、光源１、第１光カプラ２、光増幅器３、光サーキュレータ４、周波数シフタ５、送受光学系６、第２光カプラ７、光受信器８、フィルタ９および信号処理部１０を備えている。
図において、光源１は第１光カプラ２に接続されており、第１光カプラ２の２つの出力ポートのうち一方は光増幅器３に接続されている。他方の出力ポートは第２光カプラ７に接続されている。光増幅器３は光サーキュレータ４の入力ポートに接続されている。光サーキュレータ４の２つの出力ポートのうち、光増幅器３からの光を出力する方は周波数シフタ５に接続され、周波数シフタ５からの光を出力する方は第２光カプラ７に接続されている。周波数シフタ５は送受光学系６に接続されている。第２光カプラ７は光受信器８に接続されている。ここで、光源１と第１光カプラ２、第１光カプラ２と光増幅器３、光増幅器３と光サーキュレータ４、光サーキュレータ４と周波数シフタ５、周波数シフタ５と送受光学系６、第１光カプラ２と第２光カプラ７、光サーキュレータ４と第２光カプラ７、および第２光カプラ７と光受信器８との間の接続には、光回路、例えば光ファイバが用いられている。
また、光受信器８はフィルタ９に接続されている。フィルタ９は信号処理部１０に接続されている。これらの電気接続には、例えば同軸ケーブル等の電線ケーブルが用いられる。

光源１は、単一周波数のＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を出力する機能を有している。第１光カプラ２は、光源１から入力されるＣＷレーザ光を２つに分岐する機能を有している。光増幅器３は、第１光カプラ２で分岐された一方のレーザ光を増幅する機能を有している。光サーキュレータ４は、光増幅器３で増幅されたレーザ光を周波数シフタ５へ出力し、また周波数シフタ５側から入力されるターゲットの散乱光を第２光カプラ７へ出力する機能を有している。周波数シフタ５は、光サーキュレータ４の出力レーザ光を送信側に伝送し、送受光学系６で受信したターゲットの散乱光のみを所望の周波数分シフトさせる機能を有している。送受光学系６は、周波数シフタ５の出力レーザ光をターゲットへ向けて送信すると共に、ターゲットからの散乱光を受信する機能を有している。第２光カプラ７は、第１光カプラ２で分岐された他方のレーザ光と光サーキュレータ４からの出力される周波数シフトされたターゲットの散乱光とを合波させる機能を有している。光受信器８は、第２光カプラ７で合波された光をヘテロダイン検波し、ローカル光とターゲットの散乱光とのビート信号を電気信号に変換する機能を有している。フィルタ９は、光受信器８で変換された電気信号からビート信号成分のみを通過させる機能を有している。信号処理部１０は、フィルタ９を通過したビート信号成分について信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する機能を有している。

ここで、周波数シフタ５には、可逆でシフト可能となるもの、例えば音響光学素子に超音波を加えることで入力光の周波数をシフトさせるＡＯ変調器（Acoust Optic Modulator：ＡＯＭ）などを用いればよい。ただし、この発明における周波数シフタは、必ずしも可逆でシフト可能となる必要はなく、例えば片方の方向のみシフトさせる周波数シフタであっても、もう一方のシフトしない方向について、本装置の検出機能を十分満足するだけの透過率を持っているものであればよい。
また、この発明では、ヘテロダイン検波を行う際にショット雑音限界に達していれば、さらなる検波性能の向上が得られる。

次に、図１のコヒーレントライダ装置の動作について説明する。
光源１より単一周波数のＣＷレーザ光が出力されると、第１光カプラ２によってレーザ光は２つに分岐される。第１光カプラ２によって分岐された一方のレーザ光は、光増幅器３により増幅され、光サーキュレータ４を通過後、周波数シフタ５により所望の周波数分シフトされ、送受光学系６によりターゲットへ向けて送信される。また、第１光カプラ２によって分岐された他方のレーザ光は、後述するヘテロダイン検波で使用するローカル光として第２光カプラ７に出力される。
ここで、ターゲットが、例えば大気中に含まれるエアロゾルとした場合、ターゲットへ向けて送信された送信光はエアロゾルにより散乱され、その散乱光が戻ってきて送受光学系６により受信される。このときの散乱光のキャリア周波数は、送信光のキャリア周波数に対し、送信方向における風速のドップラー周波数だけシフトした値となる。

周波数シフタ５では、送受光学系６で受信されたターゲットからの散乱光に対してのみ所望の周波数分シフトさせる。周波数シフトされた散乱光は、光サーキュレータ４により第２光カプラ７に出力される。第２光カプラ７では、第１光カプラ２で分岐された他方のレーザ光（ローカル光）と光サーキュレータ４からの周波数分シフトされた散乱光とを合波し光受信器８に与える。光受信器８では、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を取り出し、電気信号に変換してフィルタ９に出力する。フィルタ９では、光受信器８の電気信号から検波成分、すなわちローカル光と散乱光によるビート信号成分のみを通過させ、光サーキュレータ４から第２光カプラ７へ漏れ込んだ内部反射光成分（ＤＣ信号成分）を遮断する。ここで用いるフィルタ９は、どんな種類のフィルタでも構わない。ただし、上記のように、ローカル光と散乱光によるビート信号成分のみを通過させるので、できるだけ帯域を絞って余分な有色雑音を遮断できる特性を持つものであることが好ましい。その後、信号処理部１０では、フィルタ９で取り出された上記ビート信号成分について、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）をはじめとするスペクトル解析等を用いた信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する。

図１に示すような送受光学系を１つとしたモノスタティック構成を持つコヒーレントライダ装置について考察すると、光サーキュレータ４を介して送信光と受信光を分離しているため、光受信器８で得られる受信光成分には、所望の信号成分を含んだターゲットからの散乱光成分の他に、主に光サーキュレータ４からの内部反射光が混入する。例えば、インライン型光ファイバサーキュレータを用いた場合の内部反射光レベルは、市販品で−６０ｄＢ程度である。これに対して、ターゲットからの散乱光は、この−６０ｄＢよりも小さいレベルの場合が多い。したがって、散乱光成分によるドップラーシフトのシフト量が非常に小さい場合、内部反射光成分と重なってしまい、散乱光成分の検出ができないという問題が起こる。また、移動しないターゲットからの散乱光成分を検出する場合、ドップラーシフトは０となるため、内部反射光成分と重なってしまい、上記同様検出できなくなる。
しかし、この実施の形態１によれば、周波数シフタ５を光サーキュレータ４の後方に設置してターゲットからの散乱光のみに周波数シフトを施しており、さらにフィルタ９を挿入することで、光受信器８で検波されたローカル光と散乱光のビート信号成分のみを通過させるようにしているので、内部反射光成分を実質的に遮断できる。
したがって、上記のような、内部反射光成分と重なってしまうぐらいにドップラーシフト周波数が小さい散乱光成分や、移動しないターゲットからの散乱光成分についても、図１の構成を用いれば検出が可能になる。
また、上記構成とすることで、内部反射光成分や、装置内の電源等が有する有色雑音成分も除去することが可能になる。

さらに、この実施の形態１において、光源１から光サーキュレータ４までの各部間の接続、第１光カプラ２から光受信器８までの各部間の接続、および光サーキュレータ４と第２光カプラ７間の接続に光ファイバを用いている場合、小型化、高い信頼性、取り扱いの容易性、配置の自由度等が得られる。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまる。
なお、光サーキュレータ４と周波数シフタ５の間、および周波数シフタ５と送受光学系６との間の光回路接続にも光ファイバを用いた場合、周波数シフタ５によりシフトしたレーザ光について、ファイバ端におけるフレネル反射や、ファイバ内部でのレーリー散乱が発生し、これらをフィルタ９で遮断できないことが考えられる。しかし、フィルタ９により上記フレネル反射光成分やレーリー散乱光成分を遮断できるか、もしくは本装置の検出性能にこれら反射光成分や散乱光成分はほとんど影響しない場合には、これらの接続に光ファイバを用いても構わない。

なお、一般に光サーキュレータとして、ファイバ型サーキュレータを用いた場合、ファイバ端において、空気とファイバ媒質との屈折率差で生じるフレネル反射や、ファイバ内部で生じるレーリー散乱が発生し、これらは物理的に回避することは不可能である。しかし、この実施の形態１の構成では、光サーキュレータ４にファイバ型サーキュレータを用いても、内部反射光を実質的に遮断できるため、光回路接続に光ファイバを用いることが可能となる。
また、光サーキュレータ４として空間型光サーキュレータを使用した場合でも、サーキュレータからの内部反射光は存在するため、この実施の形態１の構成を用いることで内部反射光を遮断でき、検出性能が向上するという効果が得られる。

なお、上記図１の構成では、周波数シフタ５は光サーキュレータ４と送受光学系６の間に設けられているが、この代わりに、送受光学系６とターゲットとの間に周波数シフタを設けてもよく、同様な効果が期待できる。
また、この実施の形態１のコヒーレントライダ装置は、ターゲットの移動、振動で生じるドップラー周波数を検出することができるので、大気中のエアロゾルにレーザ光を照射させて風速や風速分布を測定すること以外にも、自動車に照射して走行速度を測定すること、微小振動しているターゲットに照射させて振動変位あるいは振動周波数を検出すること等、各種の用途に適用できる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と同一の部分には同一の符号を付し、原則としてその説明は省略する。
この実施の形態２では、図１の構成の第１光カプラ２と光増幅器３の間に新たにパルス変調器２１を設けている点で実施の形態１と異なっている。第１光カプラ２とパルス変調器２１との間、およびパルス変調器２１と光増幅器３との間は光回路、例えば光ファイバにより接続されている。このパルス変調器２１は、第１光カプラ２で分岐された一方のレーザ光をパルス光に変調する機能を有している。
第１光カプラ２で分岐された２つのレーザ光のうち、ターゲットへ送信する方のレーザ光は、パルス変調器２１によりパルス光に変調され、その変調されたパルス光は光増幅器３で増幅され光サーキュレータ４に与えられる。以降の各部の動作は図１と同一である。

図２に示すコヒーレントライダ装置の場合、パルス変調器２１によりパルス光に変調し、その後光増幅器３により増幅しているため、パルス変調器２１からの出力光は、その平均パワーと同じＣＷ光を増幅したときの光パワーに対して、パルス化時のピークパワーは大きくなる。したがって、光受信器８におけるヘテロダイン検波時の受信タイミングを、あらかじめトリガ信号等を用いて受信パルス信号のピーク付近に調整しておくことで、ＣＷ光増幅の場合と比較してより高い受信パワーを得ることができ、測定限界距離が延長する等、検出性能の向上が図れる。

ここで、ターゲットまでの往復距離を送信光が伝搬する時間がパルス幅時間よりも長い場合、光受信器８で受信するタイミングは、まず内部反射光成分であるパルスを受信した後に、ターゲットからの散乱光成分の受信となる。したがって、従来のパルス出力のコヒーレントライダ装置でも、内部反射光成分とターゲットからの散乱光成分との切り分けが可能になる。一方、ターゲットまでの往復距離を送信光が伝搬する時間がパルス幅時間よりも短い場合、内部反射光成分であるパルス中にターゲットからの散乱光成分が含まれてしまう。したがって、従来のパルス出力のコヒーレントライダ装置では、内部反射光成分とターゲットからの散乱光成分との切り分けが不可能となる。しかし、実施の形態２によれば、実施の形態１で述べたと同じように内部反射光を実質的に遮断できるため、ターゲットからの散乱光成分の検出を可能にする。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と同一の部分には同一の符号を付し、原則としてその説明は省略する。
この実施の形態３では、第２光カプラ７は、合波させた光を２つに分岐して出力するようになっており、光受信器８に代えて、バランスドレシーバ３１を設けている点が実施の形態１の構成と異なっている。第２光カプラ７とバランスドレシーバ３１との間は、光回路、例えば光ファイバにより接続されている。また、バランスドレシーバ３１とフィルタ９との間は電気接続、例えば電線ケーブルにより接続されている。バランスドレシーバ３１は、第２光カプラ７による合波後の２つの出力光を用いてヘテロダイン検波し、第１光カプラ２からの他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を取り出して電気信号に変換して出力する機能を有している。

第２光カプラ７により第１光カプラ２からのローカル光と光サーキュレータ４からの散乱光とを合波するまでの動作は図１と同一である。その後、第２光カプラ７からの２つの出力光をバランスドレシーバ３１によりヘテロダイン検波する。この場合、第２光カプラ７からの２つの出力光に含まれるビート信号成分は、互いに位相が反転され出力される。これに対し、第２光カプラ７からの２つの出力光に含まれる光源１からの強度雑音成分については、共に同位相で出力される。したがって、バランスドレシーバ３１へ入力される２つのレーザ光の差信号を取り出すと、ビート信号成分は２倍となって出力されるのに対し、光源１からの強度雑音成分は相殺されることになる。なお、バランスドレシーバの動作原理については、例えば特開平９−９３２０６号公報に記載されている。以降の各部の動作は図１と同一である。

なお、光源１の強度雑音の除去をさらに高めるためには、図３の構成において、第２光カプラ７からバランスドレシーバ３１までの２つの光路の長さを等しく設定すればよい。また、これに加えて、第２光カプラ７による出力光の分岐比を１対１に設定することにより、バランスドレシーバ３１に入力する２つの光パワーを等しくすれば、光源１の強度雑音を実質的に除去することができる。
以上のように、この実施の形態３によれば、バランスドレシーバを用いてヘテロダイン検波を行うようにしたので、上記実施の形態１の効果に加えて、光源からの強度雑音成分の除去を行うことができる。

実施の形態４．
コヒーレントライダ装置の用途として、例えばターゲットを窓ガラスとし、音声等により微弱に振動している窓ガラスに送信光を照射する場合を想定する。この場合、コヒーレントライダ装置から照射した送信光は窓ガラスの振動により音声変調されることになるが、窓ガラスの反射光（散乱光）には、その周波数変調成分に加え、非常に大きい強度変動による雑音成分等が含まれる。この場合、所望の周波数成分のみを取り出す必要がある。この実施の形態４はそのための構成を与えるものである。
図４はこの発明の実施の形態４によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と同一の部分には同一の符号を付し、原則としてその説明は省略する。この実施の形態４では、図１の構成のフィルタ９と信号処理部１０の間に新たにＦＭ復調器４１を設けている点が実施の形態１と異なっている。フィルタ９とＦＭ復調器４１との間、およびＦＭ復調器４１と信号処理部１０との間は電気接続、例えば同軸ケーブル等の電線ケーブルにより接続されている。ＦＭ復調器４１は、フィルタ９を通過したビート信号成分に含まれる所望の周波数変調成分を復調する機能を有している。

フィルタ９を用いて、ローカル光と散乱光によるビート信号成分のみを通過させるまでの動作は実施の形態１と同一であるが、ここでは、さらに、ＦＭ復調器４１により、フィルタ９を通過したビート信号に含まれる微小振動である周波数変調成分を復調する。復調された周波数変調成分は信号処理部１０に与えられ、実施の形態１と同様にして処理される。

ＦＭ復調の方式は多数存在するが、その１つであるクオダラチャ（Quadrature）方式を適用した場合について説明する。クオダラチャ方式のＦＭ復調器は図５に示すような構成を持つ。ＩＦ周波数帯の主信号を分配器４１１で２つに分配し、その一方を位相器４１３で位相をずらし、両信号をミキサ４１２で乗算した値を積分器４１４で積分することで周波数変調された信号分を復調する。この場合、ＦＭ復調回路の復調信号は、信号同士の乗算により表模式的に（１）式のように表される。

ここで、Ｓはヘテロダイン検波信号におけるターゲットからの散乱光成分、Ｓ_i は内部反射光成分、Ｎは白色雑音成分を意味している。（１）式の右辺において、主信号成分は第１項のみであり、他の項は雑音成分となる。雑音成分の内、第２項、第３項は散乱光および内部反射光の周波数に依存する有色的な雑音、第４項〜第６項は白色的な雑音である。

（１）式を基に、復調信号の白色雑音に対するＳ／Ｎ比（ＳＮＲ）を求めると（２）式のように表される。

ここで、Ｓ_L、Ｓ_iL、Ｎ_Lはそれぞれターゲットからの散乱光成分電力、内部反射光成分電力、白色雑音電力である。
（２）式より、内部反射光成分電力が支配的な場合、有色雑音が大きくなるだけではなく、白色雑音に関しても散乱光成分電力と内部反射光成分電力の比に比例してＳ／Ｎ比劣化が生じる。したがって、この方式では内部反射光レベルを散乱光レベルに対して十分低減する必要があるが、そのため、ＦＭ復調器を、図４の構成のようにこの発明のコヒーレントライダ装置に適用することで、内部反射光を実質的に遮断できるので特に有効である。

以上のように、この実施の形態４によれば、音声振動等の微小振動の検出に用いるために、上記実施の形態１の構成のフィルタと信号処理部の間に所望の周波数変調成分を復調するＦＭ復調器を設けているので、光受信器で得られるビート信号に含まれる所望の周波数変調成分より非常に大きい強度変動による雑音成分、すなわち内部反射光成分は実質的に遮断できるため、所望の周波数変調成分である微小振動の検出精度を向上させる効果がある。

この発明の実施の形態１によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態４によるコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態４に係るクオダラチャ方式のＦＭ復調器の基本構成を示すブロック図である。従来のコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１光源、２第１光カプラ、３光増幅器、４光サーキュレータ、５周波数シフタ、６送受光学系、７第２光カプラ、８光受信器、９フィルタ、１０信号処理部、２１パルス変調器、３１バランスドレシーバ、４１ＦＭ復調器。

Claims

単一周波数のＣＷレーザ光を出力する光源と、
この光源が出力したレーザ光を２つに分岐する第１光カプラと、
この第１光カプラで分岐された一方のレーザ光を増幅する光増幅器と、
この光増幅器で増幅されたレーザ光を第１のポートに入力して第２のポートから出力し、受信したターゲットの散乱光を第２のポートに入力して第３のポートへ出力する光サーキュレータと、
この光サーキュレータの出力レーザ光を送信側に伝送し、受信したターゲットからの散乱光のみを所望の周波数分シフトさせる周波数シフタと、
この周波数シフタから伝送された出力レーザ光をターゲットへ向けて送信すると共に、ターゲットからの散乱光を受信する送受光学系と、
前記第１光カプラにより分岐された他方のレーザ光と、前記光サーキュレータから出力される周波数シフトされたターゲットの散乱光とを合波させる第２光カプラと、
第２光カプラで合波された光をヘテロダイン検波し、前記他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を取り出して電気信号に変換する光受信器と、
この光受信器で変換された電気信号からビート信号成分のみを通過させるフィルタと、
このフィルタを通過したビート信号成分について信号処理解析を行い、ドップラー周波数等の情報を導出する信号処理部を備えたことを特徴とするコヒーレントライダ装置。
周波数シフタを、光サーキュレータと送受光学系の間に設ける代わりに、送受光学系とターゲットの間に設けたことを特徴とする請求項１記載のコヒーレントライダ装置。
分岐された一方のレーザ光をパルス光に変調するパルス変調器を、光カプラと光増幅器との間に備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のコヒーレントライダ装置。
第２光カプラは、合波させた光を２つに分岐して出力し、
前記第２光カプラによる合波後の２つの出力光を用いてヘテロダイン検波し、第１光カプラからの他方のレーザ光とターゲットの散乱光とのビート信号を電気信号に変換して出力するバランスドレシーバを、光受信器の代わりに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のコヒーレントライダ装置。
第２光カプラからバランスドレシーバまでの２つの光路の長さを等しく設定したことを特徴とする請求項４記載のコヒーレントライダ装置。
第２光カプラによる出力光の分岐比を１対１に設定したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のコヒーレントライダ装置。
フィルタを通過したビート信号に所望の周波数変調成分が含まれている場合において、当該周波数変調成分を復調するＦＭ復調器を、前記フィルタと信号処理部との間に備えるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のコヒーレントライダ装置。
第１光カプラの分岐比は、光受信器またはバランスドレシーバでヘテロダイン検波を行う際にショット雑音限界に達するだけの他方のレーザ光が得られる値に設定されたことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のコヒーレントライダ装置。
光源から光サーキュレータまでの各部間の接続、第１光カプラから光受信器またはバランスドレシーバまでの各部間の接続、および前記光サーキュレータと第２光カプラ間の接続には、光ファイバを用いたことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載のコヒーレントライダ装置。