レーザレーダ装置およびレーザ合成開口レーダ装置
【課題】レーザレーダ装置（ライダ装置）において、測定可能距離を長くすると共に、距離測定分解能を向上させることを目的とする。
【解決手段】時間変化に対し周波数が変化する検出用信号を生成する検出用信号生成部１２と、検出用信号によって発振光を変調するレーザ発振・変調部１４と、レーザ発振・変調部１４によって変調されたレーザ光を送信する送信光学系１７と、レーザ反射光を受信する受信光学系１８と、受信されたレーザ反射光に対し復調を行う復調部２０と、復調された復調信号とのタイミングを、レーザレーダ装置１０の位置に応じて調整する遅延時間設定部２４と、遅延時間設定部２４によってタイミングが調整された参照用信号を生成する参照用信号生成部１３、および参照用信号と復調信号との差異を示す差異信号を生成する差異信号生成部２２と、差異信号に基づいて、目標物の情報を取得する情報記録・処理部３０とを備える。
【解決手段】時間変化に対し周波数が変化する検出用信号を生成する検出用信号生成部１２と、検出用信号によって発振光を変調するレーザ発振・変調部１４と、レーザ発振・変調部１４によって変調されたレーザ光を送信する送信光学系１７と、レーザ反射光を受信する受信光学系１８と、受信されたレーザ反射光に対し復調を行う復調部２０と、復調された復調信号とのタイミングを、レーザレーダ装置１０の位置に応じて調整する遅延時間設定部２４と、遅延時間設定部２４によってタイミングが調整された参照用信号を生成する参照用信号生成部１３、および参照用信号と復調信号との差異を示す差異信号を生成する差異信号生成部２２と、差異信号に基づいて、目標物の情報を取得する情報記録・処理部３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の送信および受信によって目標物の情報を取得するレーザレーダ装置およびレーザ合成開口レーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星、飛行機等の飛翔体に搭載され、地形観測等を行うレーダ装置が広く用いられている。レーダ装置は、電磁波を送信し目標物からの反射電磁波を受信する。そして、送信電磁波および受信された反射電磁波との物理的関係に基づいて目標物までの距離、目標物の画像データ等を求める。
【０００３】
レーダ装置には、パルス信号によって振幅変調が施された一定周波数の電磁波を送受信するパルスレーダ装置がある。パルスレーダ装置では、送信電磁波および受信された反射電磁波との時間関係に基づいて目標物までの距離等を求める。パルスレーダ装置の距離測定分解能は、パルス信号のパルス幅時間に依存し、パルス幅時間を短くすることで距離測定分解能を向上させることができる。しかし、パルス幅時間を短くすると受信電力が低下するため、目標物の観測が困難となることがある。
【０００４】
そこで、送信する電磁波の周波数を予め定められた規則性を以て変化させる周波数変調波レーダ装置が考え出されている。周波数変調波レーダ装置は、送信している電磁波と、受信される反射電磁波との周波数差を信号周波数とする信号を求める。そして、そのような周波数差信号が目標物までの往復伝搬時間を示すことに基づき、目標物までの距離等を求める。
【０００５】
周波数変調波レーダ装置では、同一地点で反射した電磁波の全周波数成分が重ね合わされる。これにより、パルスレーダ装置においてパルス幅時間を短縮した場合と同様の効果（パルス圧縮法）を得ることができる。そのため、周波数変調波レーダ装置によれば、距離測定分解能を向上させることができる。
【０００６】
なお、図１（ａ）には、パルスレーダ装置について、送信パルス１００（送信電磁波）と、反射パルス１０２（反射電磁波）との時間関係が示されている。パルスレーダ装置は、送信パルス１００を送信してから時間Ｔｒ後に反射パルス１０２を受信する。そして、時間Ｔｒと電磁波の伝搬速度とに基づいて目標物までの距離を求める。図１（ｂ）には、周波数変調波レーダ装置の一つであるマイクロ波周波数変調（チャープ）レーダ装置において扱われる信号の時間関係が示されている。マイクロ波周波数変調レーダ装置は、パルス幅時間がＴｐであり、時間変化に対して周波数が線形に変化する送信チャープ信号１０４を送信すると共に、送信開始から時間Ｔｒ後に反射チャープ信号１０６を受信する。マイクロ波周波数変調レーダ装置は、送信チャープ信号１０４と反射チャープ信号１０６とが重なる時間帯Ｔｆにおいて、これらの周波数差信号である差異（デチャープ）信号を求める。マイクロ波周波数変調レーダ装置は、差異信号に基づいて目標物までの距離等を求める。
【０００７】
レーダ装置では、送受信用の電磁波として、赤外線（波長が０．７μｍ〜１ｍｍの電磁波）の波長よりも長い波長を有する電磁波（以下、電波とする。）や、赤外線波長以下の波長を有する電磁波（以下、光とする。）が用いられる。以下の特許文献１〜３には、電波を用いたレーダ装置について記載されている。また、特許文献４には、光を用いたレーダ装置について記載されている。なお、光を用いたレーダ装置は、レーザレーダ装置あるいはライダ装置とも称される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０９−１８４８８０号公報
【特許文献２】特開平１１−１２５６７３号公報
【特許文献３】特開平１０−０６８７７４号公報
【特許文献４】特開平０７−０３５８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
周波数変調レーダ装置は、電磁波の送信を開始してから反射電磁波を受信するまでの間、送信電磁波の周波数を変化させ続ける。そのため、送信電磁波の周波数を時間経過と共に単調増加または単調減少させる場合には、周波数変調レーダ装置から目標物までの距離が長い程、送信電磁波と反射電磁波との周波数差が大きくなり、周波数差信号の周波数が高くなる。これによって、例えば、周波数差信号に対する演算処理回路の処理可能周波数の上限が、周波数差信号の周波数よりも低い場合には、距離測定が困難となるという問題が生じる。すなわち、周波数変調レーダ装置には、測定可能な距離が演算処理回路の周波数特性によって制限されるという問題がある。
【００１０】
また、周波数変調レーダ装置は、送信電磁波の一定時間内での周波数変化幅を大きくする程、距離測定分解能が向上する。しかし、周波数変化幅を大きくする程、送信電磁波の占有周波数帯域幅が広くなる。従来の周波数変調レーダ装置では、その原理に基づく制約から、送信電磁波として電波を用いている。したがって、周波数変調レーダ装置には、送信電磁波の占有周波数帯域が他システムの使用周波数帯域に重ならないようにするため、送信電磁波の周波数変化幅が制限され、距離測定分解能が制限されるという問題がある。
【００１１】
本発明は、レーザレーダ装置において、測定可能距離を長くすると共に、距離測定分解能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、レーザ光の送信および受信によって目標物の情報を取得するレーザレーダ装置において、時間変化に対し周波数が変化する検出用信号を生成する検出用信号生成部と、前記検出用信号によってレーザ光を変調する変調部と、前記変調部によって変調されたレーザ光を送信する送信部と、レーザ反射光を受信する受信部と、前記受信部によって受信されたレーザ反射光に対し復調を行う復調部と、参照用信号と、前記復調部によって復調された復調信号とのタイミングを、前記レーダ装置の位置に応じて調整する遅延時間設定部と、前記遅延時間設定部によってタイミングが調整された前記参照用信号と前記復調信号との差異を示す差異(デチャープ)信号を生成する差異信号生成部と、前記差異信号に基づいて、目標物の情報を記録、処理する情報記録・処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、自らの位置を測定する測位部を備え、前記タイミング調整部は、前記測位部によって測定された位置と、予め定められた基準位置との間の距離に応じて、前記検出用信号を遅延させた参照用信号を生成する手段を備えることが好適である。
【００１４】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、前記検出用信号は、時間変化に対し周波数が線形に変化するチャープ変調信号であり、前記差異信号生成部は、前記タイミング調整部によってタイミングが調整された前記参照用信号と、前記復調信号との周波数差を信号周波数とする信号を、前記差異(デチャープ)信号として生成することが好適である。
【００１５】
また、本発明に係る、飛翔体に搭載されるレーザ合成開口レーダ装置においては、前記ビーム制御部は、前記目標物が存在する方向にレーザ光が送信されるよう、前記飛翔体の位置に応じてレーザ光の送信方向を調整する送信方向調整手段（ビーム制御部）と、前記目標物が占有する領域がレーザ光のビームスポット範囲に含まれるよう、レーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段（送信光学系）と、を備え、前記情報記録・処理部は、前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置情報または画像情報を記録し、生成する情報記録・生成手段、を備えることが好適である。
【００１６】
また、本発明に係る、飛翔体に搭載されるビームスキャン型レーザレーダ装置においては、前記ビーム制御部は、前記目標物が占有する領域よりもレーザ光のビームスポット範囲が狭くなるようレーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段（送信光学系）と、レーザ光のビームスポットが前記目標物が占有する領域内を走査するよう、レーザ光の送信方向を変化させるレーザビーム走査手段（ビーム制御部）と、を備え、前記情報記録・処理部は、前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置情報または画像を記録、生成する情報記録・生成手段と、を備えることが好適である。
【００１７】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、前記変調部は、前記検出用信号によってレーザ光を振幅変調する振幅変調回路を備え、前記復調部は、前記受信したレーザ光に対し包絡線検波を行う包絡線検波回路を備えることが好適である。
【００１８】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、前記情報記録・処理部は、前記差異信号の位相変化率に基づいて前記目標物の速度を求める速度算出手段を備えることが好適である。
【００１９】
本発明に係るレーザレーダ装置においては、一実施形態として、受信されたレーザ光から位相情報あるいは周波数スペクトラム情報を得ることで、動体の速度測定や合成開口測定が可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、レーザレーダ装置において、測定可能距離を長くすると共に、距離測定分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のパルスレーダ装置、周波数変調マイクロ波レーダ装置、および本発明の実施形態に係るレーザレーダ装置におけるタイムシーケンスの比較を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図３】検出用信号生成部から出力されるチャープ変調信号、復調部から出力される復調信号、およびタイミング調整部から出力されるチャープ変調信号の時間関係の例を示す図である。
【図４】レーザレーダ装置、観測領域、目標物、および基準位置の位置関係の例を示す図である。
【図５】レーザ合成開口レーダ装置の動作を説明する図である。
【図６】ビームスキャン型レーザレーダ装置の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図２に本発明の実施形態に係るレーザレーダ装置１０の構成を示す。このレーザレーダ装置１０は、目標物を検出するための検出用信号によってレーザ光に変調処理を施し、変調処理が施されたレーザ光の送受信に基づいて目標物の情報を取得する。目標物の情報の取得は、検出用信号に応じた参照用信号と受信されたレーザ反射光から得られる復調信号との差異に基づいて行われる。レーザレーダ装置１０は、後述のレーザ合成開口レーダ装置４６、またはビームスキャン型レーザレーダ装置５８としても用いられる。以下、具体的な構成および処理について説明する。
【００２３】
信号生成部１１における検出用信号生成部１２は、検出用信号としてチャープ変調信号をレーザ発振・変調部１４に出力する。ここで、チャープ変調信号は、パルス幅時間内において時間変化に対して線形に周波数が変化する周波数変調信号である。
【００２４】
レーザ発振・変調部１４はレーザ発振の原理に基づきレーザ光を生成すると共に、生成したレーザ光にチャープ変調信号によって振幅変調を施し、増幅部１６に出力する。レーザ発振・変調部１４は、波長が０．７μｍ〜１ｍｍの赤外線、波長が０．３８μｍ〜０．７μｍの可視光線、または可視光線の波長より短い波長を有するレーザ光を出力してもよい。増幅部１６は、レーザ発振・変調部１４から出力されたレーザ光を増幅し、送信光学系１７は増幅後のレーザ光のビーム発散角を制御し、観測対象の目標物に向けて送信する。
【００２５】
受信光学系１８は、送信光学系１７から送信され目標物で反射したレーザ光を受信する。そして、受信したレーザ光の強度が後段の処理に必要な強度となるよう受信レーザ光を増幅し、復調部２０に出力する。復調部２０は、受信光学系１８から出力されたレーザ光に対する復調処理を行う。復調部２０は、包絡線検波回路を備えていてもよい。包絡線検波回路は、受信光学系１８から出力されたレーザ光に対し包絡線検波を施し、それによって得られた復調信号を差異信号生成部２２に出力する。
【００２６】
信号生成部１１における参照用信号生成部１３は、レーザレーダ装置１０の位置に基づいて求められた遅延時間Ｔｄだけ遅れた参照用信号を発生させ、差異信号生成部２２に出力する。なお、遅延時間Ｔｄを求める処理については後述する。遅延時間Ｔｄを考慮した処理を情報記録・処理部３０が実行するため、遅延時間設定部２４から情報記録・処理部３０には、遅延時間Ｔｄを示す情報が出力される。
【００２７】
差異（デチャープ）信号生成部２２は、復調信号と参照用信号生成部１３から出力された参照用信号との周波数差を信号周波数とする周波数差信号を生成する。差異信号生成部２２は、２つの入力信号を掛け合わせるミキサ回路、および、ミキサ回路よって生じる差周波数成分を抽出するフィルタ回路を備えていてもよい。差異信号生成部２２は、周波数差信号を情報記録・処理部３０に出力する。
【００２８】
周波数差信号の周波数スペクトラムは、レーザ光の送受信方向に対し垂直の方向から見た目標物の像を示す。ただし、この周波数スペクトラムに基づく像は、遅延時間設定部２４における遅延時間Ｔｄに対応する周波数ｆｄだけレーザレーダ装置１０側に移動した像に相当する。この周波数ｆｄは、チャープ変調信号の周波数変化率に遅延時間Ｔｄを乗じたものである。そこで、情報記録・処理部３０は、周波数差信号に対しフーリエ変換処理を施し、周波数差信号の周波数スペクトラムデータを生成する。そして、遅延時間設定部２４から出力された遅延時間Ｔｄおよびチャープ変調信号の周波数変化率に基づいて、周波数スペクトラムデータから周波数ｆｄに基づく移動分を補正した目標物イメージデータを求める。情報記録・処理部３０は、目標物イメージデータに基づいて、目標物までの距離、または目標物の像を表示部３２に表示させる。また、周波数差信号の位相は目標物までの距離に比例して変化する。情報記録・処理部３０は、所定の時間間隔で周波数差信号の位相の変化率から、動体である目標物の速度を算出する。
【００２９】
図３は、（ａ）検出用信号生成部１２から出力されるチャープ変調信号、（ｂ）観測領域内の近い目標物からの反射波の復調信号、（ｃ）遠い目標物からの反射波の復調信号、および（ｄ）参照用信号生成部１３から出力されるチャープ変調信号の時間関係の例を示す。横軸は時間を示し縦軸は信号レベルを示す。ただし、説明の便宜上、時間波形は時間軸方向に引き延ばしたものとしている。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、検出用信号生成部１２からは、時刻ｔ１から時刻ｔ１＋Ｔｐ１の間チャープ変調信号が出力される（検出用信号Ｄｅｔ）。このチャープ変調信号は、パルス幅時間Ｔｐ１の間、時間変化に対し線形に周波数が増加する。また、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、それぞれ、時刻ｔ１から往復伝搬時間Ｔｒ２、Ｔｒ３が経過した時刻ｔ２、ｔ３に、復調部２０から復調信号が出力される（反射復調信号ＮおよびＦ）。ここで、往復伝搬時間Ｔｒ２およびＴｒ３は、レーザレーダ装置１０と、近い目標物および遠い目標物との間をレーザ光が往復する時間である。ただし、この往復伝搬時間Ｔｒ２およびＴｒ３には、検出用信号生成部１２から送信光学系１７に信号が到達するまでの時間、および受信光学系１８から差異信号生成部２２に信号が到達するまでの時間が含まれる。この復調信号は、目標物の位置および形状に応じてチャープ変調信号の波形が変形した信号となる。さらに、図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ１から遅延時間Ｔｄが経過した時刻ｔ４＝ｔ１＋Ｔｄに、参照用信号生成部１３からは遅延処理後のチャープ変調信号が出力される（参照用信号Ｒｅｆ）。このチャープ変調信号のパルス幅時間Ｔｐ２は、検出用信号生成部１２から出力されるチャープ変調信号と同じＴｐ１か、それ以上である（図１（ｃ）参照）。
【００３１】
復調信号および遅延処理後のチャープ変調信号が共に差異信号生成部２２に入力される同時入力時間帯Ｔｆ（図３（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）において、これらの信号が重なる時間帯）、すなわち、時刻ｔ３から時刻ｔ２＋Ｔｐ１までの間、差異信号生成部２２から情報記録・処理部３０に周波数差信号が出力される。
【００３２】
図３（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）から明らかなように、遅延処理後の参照用信号Ｒｅｆが、復調信号と重なる部分がない場合には、同時入力時間帯Ｔｆが生じない。この場合、情報記録・処理部３０は目標物の観測を行うことが困難となる。そこで、同時入力時間帯Ｔｆを生じさせるための設定項目について以下に説明する。
【００３３】
同時入力時間帯Ｔｆが生じるか否かは、復調部２０から復調信号が出力される時刻ｔ２、ｔ３、参照用信号Ｒｅｆが出力される時刻ｔ４、および参照用信号Ｒｅｆのパルス幅時間Ｔｐ２の時間関係に基づいて定まる。このうち、時刻ｔ２およびｔ３は、レーザレーダ装置１０と目標物との間の距離に応じて定まる時刻であり、観測状況に応じて変化する時刻である。そのため、本実施形態では、時刻ｔ２およびｔ３は同時入力時間帯Ｔｆを生じさせるための設定項目としないものとする。したがって、時刻ｔ４またはパルス幅時間Ｔｐ２が同時入力時間帯Ｔｆを生じさせるための設定項目となり得る。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、遅延時間設定部２４でレーザレーダ装置１０の位置に応じて遅延時間Ｔｄを求め、参照用信号生成部１３で遅延時間Ｔｄだけ遅延した参照用信号Ｒｅｆを生成する。
【００３５】
図４に、レーザレーダ装置１０、目標物３８、および基準位置４０の位置関係の例を示す。観測条件の一つの例として、目標物３８は地上に存在し、レーザレーダ装置１０は、一定の高度で直進飛行する飛翔体に搭載されるものとする。遅延時間Ｔｄの決定は、これらの位置関係に基づいて行うものとする。ここで、基準位置４０は、ユーザの操作等によって予め設定される仮想上の位置である。基準位置４０は、目標物３８の位置またはその付近に指定する。ここで、目標物３８の付近とは、以下の処理に基づいて同時入力時間帯Ｔｆを生じさせることが可能な範囲を指す。基準位置４０は、レーザレーダ装置１０と目標物３８との間の距離が長くなる程、レーザレーダ装置１０からの距離が長くなるよう決定することが好ましい。
【００３６】
遅延時間設定部２４は、レーザレーダ装置１０の位置と予め定められた基準位置４０との間の距離ＤＯを求め、求められた距離ＤＯの２倍の距離２・ＤＯをレーザ光が伝搬する時間だけ、チャープ変調信号を遅延させる。なお、参照用信号Ｒｅｆの時間幅Ｔｐ２は、図３のように、観測領域内の遠近すべての目標物からの反射信号パルスと重なるように、検出用信号パルス幅Ｔｐ１に比べて少し長くする。これは、図１（ｃ）に示すように、参照用信号Ｒｅｆの周波数チャープ幅を少し広くすることに対応する。
【００３７】
遅延時間Ｔｄを設定するための具体的な構成および処理について説明する。レーザレーダ装置１０は測位部２６および情報入力部２８を備える。測位部２６は、全地球測位システム（ＧＰＳ）と加速度と角度を検知する慣性センサ（ＩＭＵ）を備え、レーザレーダ装置１０の位置情報を取得する。測位部２６は、位置情報を遅延時間設定部２４に出力する。情報入力部２８は、基準位置を示す基準位置情報（デジタル空間位置情報）をユーザの操作に基づいて取得し、基準位置情報を遅延時間設定部２４に出力する。なお、情報入力部２８は、ユーザの操作に基づいて情報を取得する他、パーソナルコンピュータ等、他の情報処理装置から情報を取得してもよい。
【００３８】
遅延時間設定部２４は、レーザレーダ装置１０の位置情報および基準位置情報に基づいて、レーザレーダ装置１０の位置と基準位置との間の距離ＤＯを求め、遅延時間Ｔｄを求め、参照用信号生成部１３の遅延時間Ｔｄを設定する。参照用信号生成部１３は、検出用信号より遅延時間Ｔｄだけ遅延した参照用信号Ｒｅｆを生成し、差異信号生成部２２に出力する。なお、遅延時間設定部２４は、遅延時間Ｔｄを示す情報を情報記録・処理部３０に出力する。
【００３９】
図１（ｃ）には、レーザレーダ装置１０において扱われる信号の時間関係が示されている。レーザレーダ装置１０は、検出用信号Ｄｅｔを光として送信すると共に、送信開始から時間Ｔｒ後に反射復調信号（ＮまたはＦ）を受信する。また、レーザレーダ装置１０は、検出用信号Ｄｅｔの送信開始から時間Ｔｄ後に、参照用信号生成部１３から参照用信号Ｒｅｆを出力する。レーザレーダ装置１０は、反射復調信号と参照用信号Ｒｅｆとが重なる時間帯Ｔｆにおいて、これらの周波数差信号１１０を求める。レーザレーダ装置１０は、周波数差信号１１０に基づいて目標物に関する情報を取得する。
【００４０】
本実施形態によれば、移動するレーザレーダ装置と基準点との距離を時々刻々測定し、遅延時間Ｔｄを高精度に決定できる。このため、比較的短い時間幅Ｔｐ２を有する参照用信号Ｒｅｆでも、図１（ｄ）に示すように、遠距離の目標物からの反射信号との同時入力時間帯Ｔｆを正確に設定することができる。
【００４１】
したがって、検出用チャープ変調信号の周波数は高くても差異周波数を低く抑えることができ、デジタルサンプリング周波数が低くても高分解能の距離測定・画像生成が可能となる。
【００４２】
また、距離測定・画像生成に無効なデータを余分に記録する必要がなくなり、情報記録・処理部３０への負担を大幅に軽減できる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、送信ビームは電波ではなくレーザ光である。したがって、電波を用いる他システムとの干渉を回避することができ、チャープ変調信号の周波数変化幅を広げることで、距離測定分解能を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の応用例について説明する。レーザ合成開口レーダ装置４６は、図２に示すレーザレーダ装置１０と同様の構成を有する。レーザ合成開口レーダ装置４６は、ヘリコプター、飛行機等の飛翔体に搭載され、飛翔体と共に空中を移動しつつ、地上における一つの観測領域にレーザ光を照射し反射光を受信する。図５は、移動する飛翔体５２から送信されたレーザ光のビームスポット５４が、同一の観測領域５６（観測中心位置Ｃ、ビームスポット径Ｄ）に照射される様子を示す。レーザ合成開口レーダ装置４６は、同一の観測領域５６について、複数の異なる方向からレーザ光を照射して得られた情報を用い、その観測領域５６の２次元画像データを生成する。このような構成では、飛翔体５２の飛行軌跡４２上に複数の送信光学系１７を配列し、これによって受信される反射光を合成した場合と同様の結果が得られる。そのため、このようなレーザレーダ装置は、「合成開口」式のレーザレーダ、あるいはレーザ「合成開口」レーダ装置と称される。
【００４５】
レーザ合成開口レーダ装置４６の具体的な構成および処理について図２を参照して説明する。レーザ合成開口レーダ装置４６は、レーザ発振・変調部１４から出力されたレーザ光を増幅する増幅器１６とビーム発散角を制御する送信光学系１７、および、レーザ光の送信方向を制御するビーム制御部３４を備える。
【００４６】
情報入力部２８は、観測領域５６の中心位置を示す観測中心情報、および観測領域５６の直径を示す観測径情報をユーザの操作等に基づいて取得する。情報入力部２８は、観測中心情報および観測径情報をビーム制御部３４に出力する。測位部２６は、レーザ合成開口レーダ装置４６の位置情報をビーム制御部３４に出力する。
【００４７】
ビーム制御部３４は、レーザ光の送信方向を調整するジンバル機構を備える。ビーム制御部３４は、レーザ合成開口レーダ装置４６の位置情報および観測中心情報に基づいて、観測中心情報が示す位置にビームスポット５４の中心が近づくよう、レーザ光の方向を調整する。また、送信光学系１７は、レーザ合成開口レーダ装置４６の位置情報、観測中心情報および観測領域の広さ情報に基づいて、観測領域５６がビームスポット範囲に含まれるようレーザ光のビーム発散角を調整する。
【００４８】
情報入力部２８は、ビーム制御部３４の他、遅延時間設定部２４にも観測中心情報を出力する。遅延時間設定部２４は、観測中心情報で示される位置を上述の基準位置として遅延時間Ｔｄを求める。
【００４９】
レーザ合成開口レーダ装置４６を搭載する飛翔体５２が空中を移動し、ビーム制御部３４がこのような処理を実行している間、情報記録・処理部３０は、同一の観測領域５６について複数の目標物イメージデータを取得する。そして、その複数の目標物イメージデータを合成し、観測領域５６の２次元画像データを生成する。これによって、一つの観測領域５６について、複数の異なる方向からレーザ光を照射して得られた情報に基づく２次元画像データが生成される。情報記録・処理部３０は、２次元画像データに基づく画像を表示部３２に表示させる。また、情報記録・処理部３０は、２次元画像データを所定の時間間隔で生成し、観測領域５６の動画像データを生成してもよい。さらに、情報記録・処理部３０は、所定の時間間隔で周波数差信号の位相情報を取得し、観測領域５６内にある動体の速度を算出してもよい。
【００５０】
本応用例に係るレーザ合成開口レーダ装置４６によれば、飛翔体５２の進行方向に平行な方向（アジマス方向）については、飛翔体５２の飛行軌跡４２上に複数の送信光学系１７を配列した場合と同様の効果が得られる。これによって、アジマス方向についての距離測定分解能を向上させることができる。さらに、飛翔体５２の進行方向に垂直な方向（レンジ方向）については、図２に示したレーザレーダ装置と同様のパルス圧縮の原理により、レンジ方向の距離測定分解能を向上させることができる。
【００５１】
レーザ合成開口レーダ装置４６の具体例を以下に示す。チャープ変調信号としては、パルス幅時間が１０マイクロ秒で、周波数が３１ＧＨｚから３９ＧＨｚまで変化するマイクロ波信号を用いる。距離（レンジ）１ｋｍにある目標物を、飛翔体５２が２００ｍ飛行して観測すると、アジマス方向およびレンジ方向の空間分解能が、それぞれ、０．０２ｍおよび０．０２ｍとなる。
【００５２】
次に、第２の応用例に係るビームスキャン型レーザレーダ装置について説明する。図２のビーム制御部３４の構成を変更することで、図５に示すレーザ合成開口レーダ装置４６に基づき、図６に示すビームスキャン型レーザレーダ装置５８を構成することができる。
【００５３】
本応用例では、図６に示すように、観測領域６０に照射されるレーザ光のビームスポット径（Ｄ）を、観測領域６０よりも狭く絞る。そして、送信するレーザ光のビームが飛翔体５２の進行方向（トラック方向）に対して垂直な面内で走査されるよう、レーザ光の送信方向を変化させる。図６の矢印６２は、トラック方向を示し、矢印６４は、ビームスポット５４の走査方向を示す。遅延時間設定部２４が遅延時間Ｔｄを設定するために定められる基準位置は、例えば、ビームスキャン型レーザレーダ装置５８直下の地上の位置に設定する。
【００５４】
情報入力部２８は、レーザビームの走査角を示す走査角情報、ビームスポット５４の直径を示すスポット径情報をユーザの操作等に基づいて取得する。情報入力部２８は、走査角情報およびスポット径情報をビーム制御部３４に出力する。また、測位部２６は、ビームスキャン型レーザレーダ装置５８の位置情報をビーム制御部３４に出力する。
【００５５】
ビーム制御部３４は、走査角情報が示す角度範囲内で、飛翔体５２の進行方向に対して垂直な面内でビームが走査されるよう、送信するレーザビームの方向を変化させる。また、ビーム制御部３４は、ビームスキャン型レーザレーダ装置５８の位置情報およびスポット径情報に基づいて、地上におけるビームスポット５４の直径がスポット径情報で示される直径に近づくよう、送信光学系１７から送信されるレーザ光のビーム発散角を調整する。
【００５６】
ビームスキャン型レーザレーダ装置５８を搭載する飛翔体５２が空中を移動し、ビーム制御部３４が予め定められた回数だけビームスポット５４の走査を行う毎に、遅延時間設定部２４は、測位部２６から出力された位置情報と基準位置に基づいて遅延時間Ｔｄを求め、その遅延時間Ｔｄに基づいて参照用信号Ｒｅｆを発生する。
【００５７】
また、情報記録・処理部３０は、レーザ光が送受信される毎に目標物の３次元空間位置データを取得する。そして、その複数の目標物の３次元空間データを再構成し、観測領域６０の３次元画像データを生成する。情報記録・処理部３０は、３次元画像データに基づく画像を表示部３２に表示させる。
【００５８】
本応用例に係るビームスキャン型レーザレーダ装置５８によれば、距離測定分解能を向上させることができる。
【００５９】
本応用例に係るビームスキャン型レーザレーダ装置５８の具体例を以下に示す。チャープ変調に３１ＧＨｚから３９ＧＨｚまで変化するマイクロ波信号を用いると、高さ(レンジ)方向に０．０２ｍの分解能が得られる。また、レーザ発振・変調部１４において発振させるレーザ光の波長λは１．５μｍとする。直径ｄ＝０．０９ｍの集光系を用いた場合、距離（レンジ）Ｒ＝ ５００ｍにおけるレーザビームスポット５４径Ｄは回折限界から次のように決まる。
Ｄ＝２．４４・Ｒ・λ／ｄ
＝２．４４×５×１０2×１．５×１０-6／（９×１０-2）＝０．０２ｍ
したがって、飛翔体５２の進行方向に平行な方向（トラック方向）および垂直な方向（クロストラック方向）の空間分解能、および高さ(レンジ)方向の距離測定分解能が０．０２ｍとなる３次元空間データを得ることができる。
【００６０】
本装置は移動体の位置および速度検出装置としても使用できる。なお、上記の実施形態および応用例では、送信電磁波としてレーザ光を用いている。送信電磁波としては、光の代わりに電波を用いてもよい。この場合、レーザ発振・変調部１４を不使用にし、レーザ増幅器と送信光学系・受信光学系の代わりに、検出用信号を増幅する電波増幅器と送受信アンテナ系を用いればよい。ただし、電波のチャープ周波数幅は電波法の制限条件があるため、空間分解能はその制限条件に応じたものとなる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ レーザレーダ装置、１１ 信号生成部、１２ 検出用信号生成部、１３ 参照用信号生成部、１４ レーザ発振・変調部、１６ レーザ増幅器、１７ 送信光学系 １８ 受信光学系、２０ 復調部、２２ 差異信号生成部、２４ 遅延時間設定部、２６ 測位部、２８ 情報入力部、３０ 情報記録・処理部、３２ 表示部、３４ ビーム制御部、３８ 目標物、４０ 基準位置、４２ 飛行軌跡、４４ 仮想平面、４６ レーザ合成開口レーダ装置、５２ 飛翔体、５４ ビームスポット、５６，６０ 観測領域，５８ ビームスキャン型レーザレーダ装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の送信および受信によって目標物の情報を取得するレーザレーダ装置およびレーザ合成開口レーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星、飛行機等の飛翔体に搭載され、地形観測等を行うレーダ装置が広く用いられている。レーダ装置は、電磁波を送信し目標物からの反射電磁波を受信する。そして、送信電磁波および受信された反射電磁波との物理的関係に基づいて目標物までの距離、目標物の画像データ等を求める。
【０００３】
レーダ装置には、パルス信号によって振幅変調が施された一定周波数の電磁波を送受信するパルスレーダ装置がある。パルスレーダ装置では、送信電磁波および受信された反射電磁波との時間関係に基づいて目標物までの距離等を求める。パルスレーダ装置の距離測定分解能は、パルス信号のパルス幅時間に依存し、パルス幅時間を短くすることで距離測定分解能を向上させることができる。しかし、パルス幅時間を短くすると受信電力が低下するため、目標物の観測が困難となることがある。
【０００４】
そこで、送信する電磁波の周波数を予め定められた規則性を以て変化させる周波数変調波レーダ装置が考え出されている。周波数変調波レーダ装置は、送信している電磁波と、受信される反射電磁波との周波数差を信号周波数とする信号を求める。そして、そのような周波数差信号が目標物までの往復伝搬時間を示すことに基づき、目標物までの距離等を求める。
【０００５】
周波数変調波レーダ装置では、同一地点で反射した電磁波の全周波数成分が重ね合わされる。これにより、パルスレーダ装置においてパルス幅時間を短縮した場合と同様の効果（パルス圧縮法）を得ることができる。そのため、周波数変調波レーダ装置によれば、距離測定分解能を向上させることができる。
【０００６】
なお、図１（ａ）には、パルスレーダ装置について、送信パルス１００（送信電磁波）と、反射パルス１０２（反射電磁波）との時間関係が示されている。パルスレーダ装置は、送信パルス１００を送信してから時間Ｔｒ後に反射パルス１０２を受信する。そして、時間Ｔｒと電磁波の伝搬速度とに基づいて目標物までの距離を求める。図１（ｂ）には、周波数変調波レーダ装置の一つであるマイクロ波周波数変調（チャープ）レーダ装置において扱われる信号の時間関係が示されている。マイクロ波周波数変調レーダ装置は、パルス幅時間がＴｐであり、時間変化に対して周波数が線形に変化する送信チャープ信号１０４を送信すると共に、送信開始から時間Ｔｒ後に反射チャープ信号１０６を受信する。マイクロ波周波数変調レーダ装置は、送信チャープ信号１０４と反射チャープ信号１０６とが重なる時間帯Ｔｆにおいて、これらの周波数差信号である差異（デチャープ）信号を求める。マイクロ波周波数変調レーダ装置は、差異信号に基づいて目標物までの距離等を求める。
【０００７】
レーダ装置では、送受信用の電磁波として、赤外線（波長が０．７μｍ〜１ｍｍの電磁波）の波長よりも長い波長を有する電磁波（以下、電波とする。）や、赤外線波長以下の波長を有する電磁波（以下、光とする。）が用いられる。以下の特許文献１〜３には、電波を用いたレーダ装置について記載されている。また、特許文献４には、光を用いたレーダ装置について記載されている。なお、光を用いたレーダ装置は、レーザレーダ装置あるいはライダ装置とも称される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０９−１８４８８０号公報
【特許文献２】特開平１１−１２５６７３号公報
【特許文献３】特開平１０−０６８７７４号公報
【特許文献４】特開平０７−０３５８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
周波数変調レーダ装置は、電磁波の送信を開始してから反射電磁波を受信するまでの間、送信電磁波の周波数を変化させ続ける。そのため、送信電磁波の周波数を時間経過と共に単調増加または単調減少させる場合には、周波数変調レーダ装置から目標物までの距離が長い程、送信電磁波と反射電磁波との周波数差が大きくなり、周波数差信号の周波数が高くなる。これによって、例えば、周波数差信号に対する演算処理回路の処理可能周波数の上限が、周波数差信号の周波数よりも低い場合には、距離測定が困難となるという問題が生じる。すなわち、周波数変調レーダ装置には、測定可能な距離が演算処理回路の周波数特性によって制限されるという問題がある。
【００１０】
また、周波数変調レーダ装置は、送信電磁波の一定時間内での周波数変化幅を大きくする程、距離測定分解能が向上する。しかし、周波数変化幅を大きくする程、送信電磁波の占有周波数帯域幅が広くなる。従来の周波数変調レーダ装置では、その原理に基づく制約から、送信電磁波として電波を用いている。したがって、周波数変調レーダ装置には、送信電磁波の占有周波数帯域が他システムの使用周波数帯域に重ならないようにするため、送信電磁波の周波数変化幅が制限され、距離測定分解能が制限されるという問題がある。
【００１１】
本発明は、レーザレーダ装置において、測定可能距離を長くすると共に、距離測定分解能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、レーザ光の送信および受信によって目標物の情報を取得するレーザレーダ装置において、時間変化に対し周波数が変化する検出用信号を生成する検出用信号生成部と、前記検出用信号によってレーザ光を変調する変調部と、前記変調部によって変調されたレーザ光を送信する送信部と、レーザ反射光を受信する受信部と、前記受信部によって受信されたレーザ反射光に対し復調を行う復調部と、参照用信号と、前記復調部によって復調された復調信号とのタイミングを、前記レーダ装置の位置に応じて調整する遅延時間設定部と、前記遅延時間設定部によってタイミングが調整された前記参照用信号と前記復調信号との差異を示す差異(デチャープ)信号を生成する差異信号生成部と、前記差異信号に基づいて、目標物の情報を記録、処理する情報記録・処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、自らの位置を測定する測位部を備え、前記タイミング調整部は、前記測位部によって測定された位置と、予め定められた基準位置との間の距離に応じて、前記検出用信号を遅延させた参照用信号を生成する手段を備えることが好適である。
【００１４】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、前記検出用信号は、時間変化に対し周波数が線形に変化するチャープ変調信号であり、前記差異信号生成部は、前記タイミング調整部によってタイミングが調整された前記参照用信号と、前記復調信号との周波数差を信号周波数とする信号を、前記差異(デチャープ)信号として生成することが好適である。
【００１５】
また、本発明に係る、飛翔体に搭載されるレーザ合成開口レーダ装置においては、前記ビーム制御部は、前記目標物が存在する方向にレーザ光が送信されるよう、前記飛翔体の位置に応じてレーザ光の送信方向を調整する送信方向調整手段（ビーム制御部）と、前記目標物が占有する領域がレーザ光のビームスポット範囲に含まれるよう、レーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段（送信光学系）と、を備え、前記情報記録・処理部は、前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置情報または画像情報を記録し、生成する情報記録・生成手段、を備えることが好適である。
【００１６】
また、本発明に係る、飛翔体に搭載されるビームスキャン型レーザレーダ装置においては、前記ビーム制御部は、前記目標物が占有する領域よりもレーザ光のビームスポット範囲が狭くなるようレーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段（送信光学系）と、レーザ光のビームスポットが前記目標物が占有する領域内を走査するよう、レーザ光の送信方向を変化させるレーザビーム走査手段（ビーム制御部）と、を備え、前記情報記録・処理部は、前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置情報または画像を記録、生成する情報記録・生成手段と、を備えることが好適である。
【００１７】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、前記変調部は、前記検出用信号によってレーザ光を振幅変調する振幅変調回路を備え、前記復調部は、前記受信したレーザ光に対し包絡線検波を行う包絡線検波回路を備えることが好適である。
【００１８】
また、本発明に係るレーザレーダ装置においては、前記情報記録・処理部は、前記差異信号の位相変化率に基づいて前記目標物の速度を求める速度算出手段を備えることが好適である。
【００１９】
本発明に係るレーザレーダ装置においては、一実施形態として、受信されたレーザ光から位相情報あるいは周波数スペクトラム情報を得ることで、動体の速度測定や合成開口測定が可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、レーザレーダ装置において、測定可能距離を長くすると共に、距離測定分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のパルスレーダ装置、周波数変調マイクロ波レーダ装置、および本発明の実施形態に係るレーザレーダ装置におけるタイムシーケンスの比較を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図３】検出用信号生成部から出力されるチャープ変調信号、復調部から出力される復調信号、およびタイミング調整部から出力されるチャープ変調信号の時間関係の例を示す図である。
【図４】レーザレーダ装置、観測領域、目標物、および基準位置の位置関係の例を示す図である。
【図５】レーザ合成開口レーダ装置の動作を説明する図である。
【図６】ビームスキャン型レーザレーダ装置の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図２に本発明の実施形態に係るレーザレーダ装置１０の構成を示す。このレーザレーダ装置１０は、目標物を検出するための検出用信号によってレーザ光に変調処理を施し、変調処理が施されたレーザ光の送受信に基づいて目標物の情報を取得する。目標物の情報の取得は、検出用信号に応じた参照用信号と受信されたレーザ反射光から得られる復調信号との差異に基づいて行われる。レーザレーダ装置１０は、後述のレーザ合成開口レーダ装置４６、またはビームスキャン型レーザレーダ装置５８としても用いられる。以下、具体的な構成および処理について説明する。
【００２３】
信号生成部１１における検出用信号生成部１２は、検出用信号としてチャープ変調信号をレーザ発振・変調部１４に出力する。ここで、チャープ変調信号は、パルス幅時間内において時間変化に対して線形に周波数が変化する周波数変調信号である。
【００２４】
レーザ発振・変調部１４はレーザ発振の原理に基づきレーザ光を生成すると共に、生成したレーザ光にチャープ変調信号によって振幅変調を施し、増幅部１６に出力する。レーザ発振・変調部１４は、波長が０．７μｍ〜１ｍｍの赤外線、波長が０．３８μｍ〜０．７μｍの可視光線、または可視光線の波長より短い波長を有するレーザ光を出力してもよい。増幅部１６は、レーザ発振・変調部１４から出力されたレーザ光を増幅し、送信光学系１７は増幅後のレーザ光のビーム発散角を制御し、観測対象の目標物に向けて送信する。
【００２５】
受信光学系１８は、送信光学系１７から送信され目標物で反射したレーザ光を受信する。そして、受信したレーザ光の強度が後段の処理に必要な強度となるよう受信レーザ光を増幅し、復調部２０に出力する。復調部２０は、受信光学系１８から出力されたレーザ光に対する復調処理を行う。復調部２０は、包絡線検波回路を備えていてもよい。包絡線検波回路は、受信光学系１８から出力されたレーザ光に対し包絡線検波を施し、それによって得られた復調信号を差異信号生成部２２に出力する。
【００２６】
信号生成部１１における参照用信号生成部１３は、レーザレーダ装置１０の位置に基づいて求められた遅延時間Ｔｄだけ遅れた参照用信号を発生させ、差異信号生成部２２に出力する。なお、遅延時間Ｔｄを求める処理については後述する。遅延時間Ｔｄを考慮した処理を情報記録・処理部３０が実行するため、遅延時間設定部２４から情報記録・処理部３０には、遅延時間Ｔｄを示す情報が出力される。
【００２７】
差異（デチャープ）信号生成部２２は、復調信号と参照用信号生成部１３から出力された参照用信号との周波数差を信号周波数とする周波数差信号を生成する。差異信号生成部２２は、２つの入力信号を掛け合わせるミキサ回路、および、ミキサ回路よって生じる差周波数成分を抽出するフィルタ回路を備えていてもよい。差異信号生成部２２は、周波数差信号を情報記録・処理部３０に出力する。
【００２８】
周波数差信号の周波数スペクトラムは、レーザ光の送受信方向に対し垂直の方向から見た目標物の像を示す。ただし、この周波数スペクトラムに基づく像は、遅延時間設定部２４における遅延時間Ｔｄに対応する周波数ｆｄだけレーザレーダ装置１０側に移動した像に相当する。この周波数ｆｄは、チャープ変調信号の周波数変化率に遅延時間Ｔｄを乗じたものである。そこで、情報記録・処理部３０は、周波数差信号に対しフーリエ変換処理を施し、周波数差信号の周波数スペクトラムデータを生成する。そして、遅延時間設定部２４から出力された遅延時間Ｔｄおよびチャープ変調信号の周波数変化率に基づいて、周波数スペクトラムデータから周波数ｆｄに基づく移動分を補正した目標物イメージデータを求める。情報記録・処理部３０は、目標物イメージデータに基づいて、目標物までの距離、または目標物の像を表示部３２に表示させる。また、周波数差信号の位相は目標物までの距離に比例して変化する。情報記録・処理部３０は、所定の時間間隔で周波数差信号の位相の変化率から、動体である目標物の速度を算出する。
【００２９】
図３は、（ａ）検出用信号生成部１２から出力されるチャープ変調信号、（ｂ）観測領域内の近い目標物からの反射波の復調信号、（ｃ）遠い目標物からの反射波の復調信号、および（ｄ）参照用信号生成部１３から出力されるチャープ変調信号の時間関係の例を示す。横軸は時間を示し縦軸は信号レベルを示す。ただし、説明の便宜上、時間波形は時間軸方向に引き延ばしたものとしている。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、検出用信号生成部１２からは、時刻ｔ１から時刻ｔ１＋Ｔｐ１の間チャープ変調信号が出力される（検出用信号Ｄｅｔ）。このチャープ変調信号は、パルス幅時間Ｔｐ１の間、時間変化に対し線形に周波数が増加する。また、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、それぞれ、時刻ｔ１から往復伝搬時間Ｔｒ２、Ｔｒ３が経過した時刻ｔ２、ｔ３に、復調部２０から復調信号が出力される（反射復調信号ＮおよびＦ）。ここで、往復伝搬時間Ｔｒ２およびＴｒ３は、レーザレーダ装置１０と、近い目標物および遠い目標物との間をレーザ光が往復する時間である。ただし、この往復伝搬時間Ｔｒ２およびＴｒ３には、検出用信号生成部１２から送信光学系１７に信号が到達するまでの時間、および受信光学系１８から差異信号生成部２２に信号が到達するまでの時間が含まれる。この復調信号は、目標物の位置および形状に応じてチャープ変調信号の波形が変形した信号となる。さらに、図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ１から遅延時間Ｔｄが経過した時刻ｔ４＝ｔ１＋Ｔｄに、参照用信号生成部１３からは遅延処理後のチャープ変調信号が出力される（参照用信号Ｒｅｆ）。このチャープ変調信号のパルス幅時間Ｔｐ２は、検出用信号生成部１２から出力されるチャープ変調信号と同じＴｐ１か、それ以上である（図１（ｃ）参照）。
【００３１】
復調信号および遅延処理後のチャープ変調信号が共に差異信号生成部２２に入力される同時入力時間帯Ｔｆ（図３（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）において、これらの信号が重なる時間帯）、すなわち、時刻ｔ３から時刻ｔ２＋Ｔｐ１までの間、差異信号生成部２２から情報記録・処理部３０に周波数差信号が出力される。
【００３２】
図３（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）から明らかなように、遅延処理後の参照用信号Ｒｅｆが、復調信号と重なる部分がない場合には、同時入力時間帯Ｔｆが生じない。この場合、情報記録・処理部３０は目標物の観測を行うことが困難となる。そこで、同時入力時間帯Ｔｆを生じさせるための設定項目について以下に説明する。
【００３３】
同時入力時間帯Ｔｆが生じるか否かは、復調部２０から復調信号が出力される時刻ｔ２、ｔ３、参照用信号Ｒｅｆが出力される時刻ｔ４、および参照用信号Ｒｅｆのパルス幅時間Ｔｐ２の時間関係に基づいて定まる。このうち、時刻ｔ２およびｔ３は、レーザレーダ装置１０と目標物との間の距離に応じて定まる時刻であり、観測状況に応じて変化する時刻である。そのため、本実施形態では、時刻ｔ２およびｔ３は同時入力時間帯Ｔｆを生じさせるための設定項目としないものとする。したがって、時刻ｔ４またはパルス幅時間Ｔｐ２が同時入力時間帯Ｔｆを生じさせるための設定項目となり得る。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、遅延時間設定部２４でレーザレーダ装置１０の位置に応じて遅延時間Ｔｄを求め、参照用信号生成部１３で遅延時間Ｔｄだけ遅延した参照用信号Ｒｅｆを生成する。
【００３５】
図４に、レーザレーダ装置１０、目標物３８、および基準位置４０の位置関係の例を示す。観測条件の一つの例として、目標物３８は地上に存在し、レーザレーダ装置１０は、一定の高度で直進飛行する飛翔体に搭載されるものとする。遅延時間Ｔｄの決定は、これらの位置関係に基づいて行うものとする。ここで、基準位置４０は、ユーザの操作等によって予め設定される仮想上の位置である。基準位置４０は、目標物３８の位置またはその付近に指定する。ここで、目標物３８の付近とは、以下の処理に基づいて同時入力時間帯Ｔｆを生じさせることが可能な範囲を指す。基準位置４０は、レーザレーダ装置１０と目標物３８との間の距離が長くなる程、レーザレーダ装置１０からの距離が長くなるよう決定することが好ましい。
【００３６】
遅延時間設定部２４は、レーザレーダ装置１０の位置と予め定められた基準位置４０との間の距離ＤＯを求め、求められた距離ＤＯの２倍の距離２・ＤＯをレーザ光が伝搬する時間だけ、チャープ変調信号を遅延させる。なお、参照用信号Ｒｅｆの時間幅Ｔｐ２は、図３のように、観測領域内の遠近すべての目標物からの反射信号パルスと重なるように、検出用信号パルス幅Ｔｐ１に比べて少し長くする。これは、図１（ｃ）に示すように、参照用信号Ｒｅｆの周波数チャープ幅を少し広くすることに対応する。
【００３７】
遅延時間Ｔｄを設定するための具体的な構成および処理について説明する。レーザレーダ装置１０は測位部２６および情報入力部２８を備える。測位部２６は、全地球測位システム（ＧＰＳ）と加速度と角度を検知する慣性センサ（ＩＭＵ）を備え、レーザレーダ装置１０の位置情報を取得する。測位部２６は、位置情報を遅延時間設定部２４に出力する。情報入力部２８は、基準位置を示す基準位置情報（デジタル空間位置情報）をユーザの操作に基づいて取得し、基準位置情報を遅延時間設定部２４に出力する。なお、情報入力部２８は、ユーザの操作に基づいて情報を取得する他、パーソナルコンピュータ等、他の情報処理装置から情報を取得してもよい。
【００３８】
遅延時間設定部２４は、レーザレーダ装置１０の位置情報および基準位置情報に基づいて、レーザレーダ装置１０の位置と基準位置との間の距離ＤＯを求め、遅延時間Ｔｄを求め、参照用信号生成部１３の遅延時間Ｔｄを設定する。参照用信号生成部１３は、検出用信号より遅延時間Ｔｄだけ遅延した参照用信号Ｒｅｆを生成し、差異信号生成部２２に出力する。なお、遅延時間設定部２４は、遅延時間Ｔｄを示す情報を情報記録・処理部３０に出力する。
【００３９】
図１（ｃ）には、レーザレーダ装置１０において扱われる信号の時間関係が示されている。レーザレーダ装置１０は、検出用信号Ｄｅｔを光として送信すると共に、送信開始から時間Ｔｒ後に反射復調信号（ＮまたはＦ）を受信する。また、レーザレーダ装置１０は、検出用信号Ｄｅｔの送信開始から時間Ｔｄ後に、参照用信号生成部１３から参照用信号Ｒｅｆを出力する。レーザレーダ装置１０は、反射復調信号と参照用信号Ｒｅｆとが重なる時間帯Ｔｆにおいて、これらの周波数差信号１１０を求める。レーザレーダ装置１０は、周波数差信号１１０に基づいて目標物に関する情報を取得する。
【００４０】
本実施形態によれば、移動するレーザレーダ装置と基準点との距離を時々刻々測定し、遅延時間Ｔｄを高精度に決定できる。このため、比較的短い時間幅Ｔｐ２を有する参照用信号Ｒｅｆでも、図１（ｄ）に示すように、遠距離の目標物からの反射信号との同時入力時間帯Ｔｆを正確に設定することができる。
【００４１】
したがって、検出用チャープ変調信号の周波数は高くても差異周波数を低く抑えることができ、デジタルサンプリング周波数が低くても高分解能の距離測定・画像生成が可能となる。
【００４２】
また、距離測定・画像生成に無効なデータを余分に記録する必要がなくなり、情報記録・処理部３０への負担を大幅に軽減できる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、送信ビームは電波ではなくレーザ光である。したがって、電波を用いる他システムとの干渉を回避することができ、チャープ変調信号の周波数変化幅を広げることで、距離測定分解能を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の応用例について説明する。レーザ合成開口レーダ装置４６は、図２に示すレーザレーダ装置１０と同様の構成を有する。レーザ合成開口レーダ装置４６は、ヘリコプター、飛行機等の飛翔体に搭載され、飛翔体と共に空中を移動しつつ、地上における一つの観測領域にレーザ光を照射し反射光を受信する。図５は、移動する飛翔体５２から送信されたレーザ光のビームスポット５４が、同一の観測領域５６（観測中心位置Ｃ、ビームスポット径Ｄ）に照射される様子を示す。レーザ合成開口レーダ装置４６は、同一の観測領域５６について、複数の異なる方向からレーザ光を照射して得られた情報を用い、その観測領域５６の２次元画像データを生成する。このような構成では、飛翔体５２の飛行軌跡４２上に複数の送信光学系１７を配列し、これによって受信される反射光を合成した場合と同様の結果が得られる。そのため、このようなレーザレーダ装置は、「合成開口」式のレーザレーダ、あるいはレーザ「合成開口」レーダ装置と称される。
【００４５】
レーザ合成開口レーダ装置４６の具体的な構成および処理について図２を参照して説明する。レーザ合成開口レーダ装置４６は、レーザ発振・変調部１４から出力されたレーザ光を増幅する増幅器１６とビーム発散角を制御する送信光学系１７、および、レーザ光の送信方向を制御するビーム制御部３４を備える。
【００４６】
情報入力部２８は、観測領域５６の中心位置を示す観測中心情報、および観測領域５６の直径を示す観測径情報をユーザの操作等に基づいて取得する。情報入力部２８は、観測中心情報および観測径情報をビーム制御部３４に出力する。測位部２６は、レーザ合成開口レーダ装置４６の位置情報をビーム制御部３４に出力する。
【００４７】
ビーム制御部３４は、レーザ光の送信方向を調整するジンバル機構を備える。ビーム制御部３４は、レーザ合成開口レーダ装置４６の位置情報および観測中心情報に基づいて、観測中心情報が示す位置にビームスポット５４の中心が近づくよう、レーザ光の方向を調整する。また、送信光学系１７は、レーザ合成開口レーダ装置４６の位置情報、観測中心情報および観測領域の広さ情報に基づいて、観測領域５６がビームスポット範囲に含まれるようレーザ光のビーム発散角を調整する。
【００４８】
情報入力部２８は、ビーム制御部３４の他、遅延時間設定部２４にも観測中心情報を出力する。遅延時間設定部２４は、観測中心情報で示される位置を上述の基準位置として遅延時間Ｔｄを求める。
【００４９】
レーザ合成開口レーダ装置４６を搭載する飛翔体５２が空中を移動し、ビーム制御部３４がこのような処理を実行している間、情報記録・処理部３０は、同一の観測領域５６について複数の目標物イメージデータを取得する。そして、その複数の目標物イメージデータを合成し、観測領域５６の２次元画像データを生成する。これによって、一つの観測領域５６について、複数の異なる方向からレーザ光を照射して得られた情報に基づく２次元画像データが生成される。情報記録・処理部３０は、２次元画像データに基づく画像を表示部３２に表示させる。また、情報記録・処理部３０は、２次元画像データを所定の時間間隔で生成し、観測領域５６の動画像データを生成してもよい。さらに、情報記録・処理部３０は、所定の時間間隔で周波数差信号の位相情報を取得し、観測領域５６内にある動体の速度を算出してもよい。
【００５０】
本応用例に係るレーザ合成開口レーダ装置４６によれば、飛翔体５２の進行方向に平行な方向（アジマス方向）については、飛翔体５２の飛行軌跡４２上に複数の送信光学系１７を配列した場合と同様の効果が得られる。これによって、アジマス方向についての距離測定分解能を向上させることができる。さらに、飛翔体５２の進行方向に垂直な方向（レンジ方向）については、図２に示したレーザレーダ装置と同様のパルス圧縮の原理により、レンジ方向の距離測定分解能を向上させることができる。
【００５１】
レーザ合成開口レーダ装置４６の具体例を以下に示す。チャープ変調信号としては、パルス幅時間が１０マイクロ秒で、周波数が３１ＧＨｚから３９ＧＨｚまで変化するマイクロ波信号を用いる。距離（レンジ）１ｋｍにある目標物を、飛翔体５２が２００ｍ飛行して観測すると、アジマス方向およびレンジ方向の空間分解能が、それぞれ、０．０２ｍおよび０．０２ｍとなる。
【００５２】
次に、第２の応用例に係るビームスキャン型レーザレーダ装置について説明する。図２のビーム制御部３４の構成を変更することで、図５に示すレーザ合成開口レーダ装置４６に基づき、図６に示すビームスキャン型レーザレーダ装置５８を構成することができる。
【００５３】
本応用例では、図６に示すように、観測領域６０に照射されるレーザ光のビームスポット径（Ｄ）を、観測領域６０よりも狭く絞る。そして、送信するレーザ光のビームが飛翔体５２の進行方向（トラック方向）に対して垂直な面内で走査されるよう、レーザ光の送信方向を変化させる。図６の矢印６２は、トラック方向を示し、矢印６４は、ビームスポット５４の走査方向を示す。遅延時間設定部２４が遅延時間Ｔｄを設定するために定められる基準位置は、例えば、ビームスキャン型レーザレーダ装置５８直下の地上の位置に設定する。
【００５４】
情報入力部２８は、レーザビームの走査角を示す走査角情報、ビームスポット５４の直径を示すスポット径情報をユーザの操作等に基づいて取得する。情報入力部２８は、走査角情報およびスポット径情報をビーム制御部３４に出力する。また、測位部２６は、ビームスキャン型レーザレーダ装置５８の位置情報をビーム制御部３４に出力する。
【００５５】
ビーム制御部３４は、走査角情報が示す角度範囲内で、飛翔体５２の進行方向に対して垂直な面内でビームが走査されるよう、送信するレーザビームの方向を変化させる。また、ビーム制御部３４は、ビームスキャン型レーザレーダ装置５８の位置情報およびスポット径情報に基づいて、地上におけるビームスポット５４の直径がスポット径情報で示される直径に近づくよう、送信光学系１７から送信されるレーザ光のビーム発散角を調整する。
【００５６】
ビームスキャン型レーザレーダ装置５８を搭載する飛翔体５２が空中を移動し、ビーム制御部３４が予め定められた回数だけビームスポット５４の走査を行う毎に、遅延時間設定部２４は、測位部２６から出力された位置情報と基準位置に基づいて遅延時間Ｔｄを求め、その遅延時間Ｔｄに基づいて参照用信号Ｒｅｆを発生する。
【００５７】
また、情報記録・処理部３０は、レーザ光が送受信される毎に目標物の３次元空間位置データを取得する。そして、その複数の目標物の３次元空間データを再構成し、観測領域６０の３次元画像データを生成する。情報記録・処理部３０は、３次元画像データに基づく画像を表示部３２に表示させる。
【００５８】
本応用例に係るビームスキャン型レーザレーダ装置５８によれば、距離測定分解能を向上させることができる。
【００５９】
本応用例に係るビームスキャン型レーザレーダ装置５８の具体例を以下に示す。チャープ変調に３１ＧＨｚから３９ＧＨｚまで変化するマイクロ波信号を用いると、高さ(レンジ)方向に０．０２ｍの分解能が得られる。また、レーザ発振・変調部１４において発振させるレーザ光の波長λは１．５μｍとする。直径ｄ＝０．０９ｍの集光系を用いた場合、距離（レンジ）Ｒ＝ ５００ｍにおけるレーザビームスポット５４径Ｄは回折限界から次のように決まる。
Ｄ＝２．４４・Ｒ・λ／ｄ
＝２．４４×５×１０2×１．５×１０-6／（９×１０-2）＝０．０２ｍ
したがって、飛翔体５２の進行方向に平行な方向（トラック方向）および垂直な方向（クロストラック方向）の空間分解能、および高さ(レンジ)方向の距離測定分解能が０．０２ｍとなる３次元空間データを得ることができる。
【００６０】
本装置は移動体の位置および速度検出装置としても使用できる。なお、上記の実施形態および応用例では、送信電磁波としてレーザ光を用いている。送信電磁波としては、光の代わりに電波を用いてもよい。この場合、レーザ発振・変調部１４を不使用にし、レーザ増幅器と送信光学系・受信光学系の代わりに、検出用信号を増幅する電波増幅器と送受信アンテナ系を用いればよい。ただし、電波のチャープ周波数幅は電波法の制限条件があるため、空間分解能はその制限条件に応じたものとなる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ レーザレーダ装置、１１ 信号生成部、１２ 検出用信号生成部、１３ 参照用信号生成部、１４ レーザ発振・変調部、１６ レーザ増幅器、１７ 送信光学系 １８ 受信光学系、２０ 復調部、２２ 差異信号生成部、２４ 遅延時間設定部、２６ 測位部、２８ 情報入力部、３０ 情報記録・処理部、３２ 表示部、３４ ビーム制御部、３８ 目標物、４０ 基準位置、４２ 飛行軌跡、４４ 仮想平面、４６ レーザ合成開口レーダ装置、５２ 飛翔体、５４ ビームスポット、５６，６０ 観測領域，５８ ビームスキャン型レーザレーダ装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の送信および受信によって目標物の情報を取得するレーザレーダ装置において、
時間変化に対し周波数が変化する検出用信号を生成する検出用信号生成部と、
前記検出用信号によってレーザ光を変調する変調部と、
前記変調部によって変調されたレーザ光を送信する送信部と、
レーザ反射光を受信する受信部と、
前記受信部によって受信されたレーザ反射光に対し復調を行う復調部と、
参照用信号と、前記復調部によって復調された復調信号とのタイミングを、前記レーダ装置の位置に応じて設定する遅延時間設定部と、
前記遅延時間設定部によってタイミングが調整された前記参照用信号を生成する参照用信号生成部と、
前記参照用信号と前記復調信号との差異を示す差異信号を生成する差異信号生成部と、
前記差異信号に基づいて、目標物の情報を取得する情報記録・処理部と、
を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザレーダ装置において、
自らの位置を測定する測位部を備え、
前記遅延時間設定部は、
前記測位部によって測定された位置と、予め定められた基準位置との間の距離に応じて、前記参照用信号を遅延させる遅延手段を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のレーザレーダ装置において、
前記検出用信号は、
時間変化に対し周波数が線形に変化するチャープ変調信号であり、
前記差異信号生成部は、
前記遅延時間設定部によってタイミングが調整された前記参照用信号と、前記復調信号との周波数差を信号周波数とする信号を、前記差異信号として生成することを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項４】
飛翔体に搭載される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記送信部は、
前記目標物が存在する方向にレーザ光が送信されるよう、前記飛翔体の位置に応じてレーザ光の送信方向を調整する送信方向調整手段と、
前記目標物が占有する領域がレーザ光のビームスポット範囲に含まれるよう、レーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段と、
を備え、
前記情報記録・処理部は、
前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、
フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置情報または２次元画像情報を生成する情報生成手段と、
を備えることを特徴とする合成開口式のレーザレーダ装置。
【請求項５】
飛翔体に搭載される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記目標物が占有する領域よりもレーザ光のビームスポット範囲が狭くなるようレーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段と、
レーザ光のビームスポットが前記目標物が占有する領域内を走査するよう、レーザ光の送信方向を変化させるレーザビーム走査手段と、
を備え、
前記情報記録・処理部は、
前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、
フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置および距離情報、または３次元画像を生成する情報生成手段と、
を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記情報記録・処理部は、
前記差異信号の位相に基づいて前記目標物の速度を求める速度算出手段を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記変調部は、
前記検出用信号によってレーザ光を振幅変調する振幅変調回路を備え、
前記復調部は、
前記受信したレーザ光に対し包絡線検波を行う包絡線検波回路を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項１】
レーザ光の送信および受信によって目標物の情報を取得するレーザレーダ装置において、
時間変化に対し周波数が変化する検出用信号を生成する検出用信号生成部と、
前記検出用信号によってレーザ光を変調する変調部と、
前記変調部によって変調されたレーザ光を送信する送信部と、
レーザ反射光を受信する受信部と、
前記受信部によって受信されたレーザ反射光に対し復調を行う復調部と、
参照用信号と、前記復調部によって復調された復調信号とのタイミングを、前記レーダ装置の位置に応じて設定する遅延時間設定部と、
前記遅延時間設定部によってタイミングが調整された前記参照用信号を生成する参照用信号生成部と、
前記参照用信号と前記復調信号との差異を示す差異信号を生成する差異信号生成部と、
前記差異信号に基づいて、目標物の情報を取得する情報記録・処理部と、
を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザレーダ装置において、
自らの位置を測定する測位部を備え、
前記遅延時間設定部は、
前記測位部によって測定された位置と、予め定められた基準位置との間の距離に応じて、前記参照用信号を遅延させる遅延手段を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のレーザレーダ装置において、
前記検出用信号は、
時間変化に対し周波数が線形に変化するチャープ変調信号であり、
前記差異信号生成部は、
前記遅延時間設定部によってタイミングが調整された前記参照用信号と、前記復調信号との周波数差を信号周波数とする信号を、前記差異信号として生成することを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項４】
飛翔体に搭載される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記送信部は、
前記目標物が存在する方向にレーザ光が送信されるよう、前記飛翔体の位置に応じてレーザ光の送信方向を調整する送信方向調整手段と、
前記目標物が占有する領域がレーザ光のビームスポット範囲に含まれるよう、レーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段と、
を備え、
前記情報記録・処理部は、
前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、
フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置情報または２次元画像情報を生成する情報生成手段と、
を備えることを特徴とする合成開口式のレーザレーダ装置。
【請求項５】
飛翔体に搭載される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記目標物が占有する領域よりもレーザ光のビームスポット範囲が狭くなるようレーザ光のビーム発散角を調整するビーム発散角調整手段と、
レーザ光のビームスポットが前記目標物が占有する領域内を走査するよう、レーザ光の送信方向を変化させるレーザビーム走査手段と、
を備え、
前記情報記録・処理部は、
前記差異信号に対してフーリエ変換処理を施すフーリエ変換手段と、
フーリエ変換処理が施された前記差異信号に基づいて前記目標物の位置および距離情報、または３次元画像を生成する情報生成手段と、
を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記情報記録・処理部は、
前記差異信号の位相に基づいて前記目標物の速度を求める速度算出手段を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記変調部は、
前記検出用信号によってレーザ光を振幅変調する振幅変調回路を備え、
前記復調部は、
前記受信したレーザ光に対し包絡線検波を行う包絡線検波回路を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５４８６３（Ｐ２０１２−１５４８６３Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９１５（Ｐ２０１１−１５９１５）
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
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