激光雷达装置制造方法

激光雷达装置制造方法
【专利摘要】本发明具备：振荡出互相不同的波长的CW激光的CW激光光源(1、2)；使CW激光光源(1、2)振荡出的CW激光混合的光合波耦合器(3)；使由光合波耦合器(3)混合了的CW激光分支的光分支耦合器(4)；调制由光分支耦合器4分支了的一方的CW激光的光调制器(5)；放大由光调制器(5)调制了的激光的光纤放大器(6)，其中，收发光学系统(8)向目标照射由光纤放大器(6)放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光。
【专利说明】激光雷达装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用光纤作为装置内的光的传播光路，向大气中照射激光，接收由目标(例如，大气、大气中的微粒子、气溶胶、飞行物、建筑物等)导致的激光的散射光，检测该散射光受到的多普勒偏移，从而测量目标的位置、速度的激光雷达装置。
【背景技术】
[0002]在以下的非专利文献I中，公开了通过使用脉冲驱动的声光学(AO)元件作为光调制器而使发送光脉冲化的激光雷达装置。
[0003]另外，在以下的专利文献I中，公开了使用光纤作为装置内的光的传播光路的激光雷达装置，在该激光雷达装置中，考虑由于在光纤中产生的被称为受激布里渊散射的非线性光学效应而发送光的峰值功率受到限制的情况，采用波长不同的多个CW激光光源，增加发送功率,从而实现高SN比的测量。
[0004]另外，在该激光雷达装置中，采用波长分离元件，实施将接收光分离为每个波长的信号分离处理，并且，将每个波长的接收光和每个波长的本机(local)振荡光合波，实施相干检测处理，对各相干检测信号进行积分处理，从而获得高SN比。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2004-219207号公报(段落编号[0011]，图1)
[0008]非专利文献
[0009]非专利文献1:G.N.Pearson and J.Eacock 著"Proceedings ofIlth CoherentLaser Radar Conference" (Malvern, Worcestershire, UK, July2001),第 144 页-第 146页

【发明内容】

[0010]以往的激光雷达装置如以上那样构成，因此可以实现高SN比的测量，但是存在如下问题:针对每个信号光波长需要光检测器，所以结构复杂，并且装置大型化而变得昂贵。
[0011]另外，存在如下问题:如果信号光波长增加，则在波长分离元件中需要分离多个波长，因此构造变得复杂，并且对于接收光的损耗增加而接收光功率衰减，每个波长的相干检测信号发生低SN化。
[0012]本发明是为解决上述问题而作出的，目的在于获得不会导致结构的复杂化而可以以简单的结构实现高SN比的测量的激光雷达装置。
[0013]本发明的激光雷达装置，具备:多个CW激光光源，振荡出互相不同的波长的CW激光；第I光合波器，使由多个CW激光光源振荡出的CW激光混合；光分支器，使由第I光合波器混合了的CW激光分支；光调制器，调制由光分支器分支的一方的CW激光；光纤放大器，放大由光调制器调制了的激光；收发光学系统，向目标照射由光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光；第2光合波器，混合由收发光学系统接收到的散射光和由光分支器分支了的另一方的CW激光，输出该散射光和CW激光的混合光；光检测器，接受从第2光合波器输出的混合光，检测上述散射光和上述CW激光的差拍信号的；以及信息抽出器，从光检测器检测出的差拍信号抽出与目标相关的信息，装置内的光的传播光路由光纤构成。
[0014]根据本发明，构成为设置有:振荡出相互不同的波长的CW激光的多个CW激光光源；使由多个CW激光光源振荡出的CW激光混合的第I光合波器；使由第I光合波器混合了的CW激光分支的光分支器；调制由光分支器分支后的一方的CW激光的光调制器；以及放大由光调制器调制后的激光的光纤放大器，收发光学系统向目标照射由光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由目标导致的激光的散射光，因此，具有不会导致结构的复杂化而可以以简单的结构实现高SN比的测量的效果。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1是表示本发明的实施方式I的激光雷达装置的结构图。
[0016]图2是表示本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构图。
[0017]图3是表示本发明的实施方式3的激光雷达装置的结构图。
[0018]图4是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图。
[0019]图5是表示 本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图。
[0020]图6是表示本发明的实施方式6的激光雷达装置的结构图。
[0021](符号的说明)
[0022]1、2、20、30:Cff激光光源;3、3i~3n_!:光合波稱合器(第I光合波器)；4:光分支率禹合器(光分支器)；5:光调制器；6:光纤放大器；7:光环行器；8:收发光学系统；9:光合波率禹合器(第2光合波器)；10:光检测器；11:信号处理装置(信息抽出器)；21、22:光分支率禹合器(光分支器)；23、24:光调制器；25:光合波稱合器(第I光合波器)；26:光合波耦合器(第2光合波器)；27:光合波耦合器(第3光合波器)；41:空间型光放大器(激光放大器)；42:收发光分离器；43:收发光学系统；51、52:Cff激光光源；53:控制器。
【具体实施方式】
[0023]以下，为了进一步详细说明本发明，按照【专利附图】

【附图说明】用于实施本发明的方式。
[0024]实施方式1.[0025]图1是表示本发明的实施方式I的激光雷达装置的结构图。
[0026]在图1中，CW激光光源I是振荡出频率的CW(Continuous Wave:连续波)激光的光源。
[0027]Cff激光光源2是振荡出频率f2的CW激光的光源。
[0028]其中，设为由CW激光光源1、2振荡出的CW激光的频率f\、f2处于光纤放大器6的增益频带内，并且，频率和频率f2之差比由光纤产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
[0029]光合波耦合器3是使由CW激光光源I振荡出的频率f i的CW激光和由CW激光光源2振荡出的频率f2的CW激光混合的光学元件。另外，光合波耦合器3构成第I光合波器。[0030]光分支耦合器4是使由光合波耦合器3混合后的CW激光分支为两路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器5输出，将另一方的CW激光作为本机振荡光向光合波I禹合器9输出的光学兀件。另外，光分支稱合器4构成光分支器。
[0031]光调制器5使从光分支耦合器4输出的发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM)，从而实施将频率为fi+fM、f2+fM的调制后的发送种光向光纤放大器6输出的处理。
[0032]光纤放大器6是放大作为从光调制器5输出的调制后的发送种光的激光的光学兀件。
[0033]光环行器7是使由光纤放大器6放大的激光通过收发光学系统8侧，另一方面将与该激光逆向传播的激光(由收发光学系统8接收到的散射光)的光路切换到光合波耦合器9侧，使该激光向光合波耦合器9传播的光学元件。
[0034]收发光学系统8实施使通过光环行器7而来的激光向目标(例如，大气、大气中的微粒子、气溶胶、飞行物、建筑物等)照射，另一方面接收目标导致的上述激光的散射光的处理。
[0035]光合波耦合器9是使由收发光学系统8接收并通过光环行器7而来的散射光和从光分支I禹合器4输出的本机振荡光混合,并输出该散射光和本机振荡光的混合光的光学兀件。另外，光合波稱合器9构成第2光合波器。
[0036]光检测器10实施接受从光合波稱合器9输出的混合光,并检测该散射光和本机振荡光的差拍(beat)信号的处理。
[0037]作为信息抽出器的信号处理装置11实施从由光检测器10检测到的差拍信号抽出与目标相关的信息(例如，散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等信息)，并从与目标相关的信息算出目标的各种运动因素(例如，到目标的距离、速度分布)的处理。
[0038]另外，在图1的激光雷达装置中，光检测器10和信号处理装置11用电线连接，而其他结构要素间用光纤连接。
[0039]接着说明动作。
[0040]在该实施方式I中，说明设为目标为气溶胶(在大气中悬浮的尘埃等粒子)，检测由气溶胶引起的激光的散射光的多普勒偏移，从而测量风速的例子。
[0041]首先，Cff激光光源I振荡出频率的CW激光。该CW激光被耦合到光纤，向光合波率禹合器3传播。
[0042]另外，Cff激光光源2振荡出频率f2的CW激光。该CW激光被耦合到光纤，向光合波率禹合器3传播。
[0043]为了提高相干的检测精度，各激光的频谱宽度优选为尽可能窄的线宽度，例如，优选采用IOOkHz以下的频谱宽度。
[0044]作为这样的激光光源,例如,可以采用DFB (Distributed Feed-Back,分布式反馈)光纤激光器、DFB-LD (Laser Diode，激光二极管)等。
[0045]光合波耦合器3从CW激光光源I接受频率的CW激光，从CW激光光源2接受频率f2的CW激光时，使频率的CW激光和频率f2的CW激光混合，使混合后的CW激光向光分支I禹合器4输出。
[0046]光分支耦合器4从光合波耦合器3接受到混合后的CW激光时，将该CW激光的光功率按规定比例分支为2个光路，将一方的CW激光作为发送种光向光调制器5输出，将另一方的CW激光作为相干检测用的本机振荡光向光合波I禹合器9输出。
[0047]光分支耦合器4中的光功率的分支比优选对CW激光的频率的依赖性小。
[0048]光调制器5从光分支耦合器4接受到频率4+4、f2+fM的发送种光时，使该发送种光脉冲化，施加频率的调制(施加进行相干检测时的中间频率fM)，从而向光纤放大器6输出频率f1+fM、f2+fM的发送种光。
[0049]这里,例如,通过采用声光学调制器(Acousto-Optic Modulator:Α0Μ)作为光调制器5，可以同时进行通过将CW激光用定时门切出而进行的脉冲化和频率偏移的施加。
[0050]通常，中间频率fM为数十?数百MHz左右的频率，选定适用于系统的值。
[0051]光纤放大器6接受到作为从光调制器5输出的调制后的发送种光的激光时，将该激光放大并向光环行器7输出。
[0052]光环行器7接受到由光纤放大器6放大后的激光时，使该激光通过收发光学系统侧8。
[0053]收发光学系统8使通过光环行器7而来的激光向大气中出射，接收由存在于大气中的气溶胶散射的上述激光的散射光。
[0054]作为收发光学系统8，可以采用能够使出射的激光近似平行光化并能够进行焦点距离的调整的望远镜等。
[0055]另外，作为收发光学系统8，也可以采用光纤准直器等，但是，为了使出射的激光产生的衍射降低且提高接收效率，优选开口大的。
[0056]另外，由收发光学系统8接收到的散射光与光纤耦合。
[0057]气溶胶随着大气的流动(风)而移动，因此散射光受到多普勒偏移。
[0058]由此，如果将作为发送光的频率4+4、f2+fM的激光所受到的多普勒偏移设为fdl、fd2，则散射光的频率成为4+4+4、f2+fM+fd2。
[0059]光环行器7将由收发光学系统8接收到的散射光的光路切换到光合波耦合器9侦牝使该散射光向光合波耦合器9传播。
[0060]光合波耦合器9在由收发光学系统8接收到的散射光通过光环行器7而来时，使该散射光和从光分支稱合器4输出的频率的本机振荡光混合,将该散射光和本机振荡光的混合光向光检测器10输出。
[0061]光检测器10接受从光合波稱合器9输出的混合光,检测该散射光和本机振荡光的
差拍号。
[0062]光检测器10所接受的混合光中包含的散射光接受到由光调制器5进行的偏移和伴随气溶胶的移动的多普勒偏移，因此，由光检测器10检测的差拍信号的频率成为fM+fdl、
f M+f d2。
[0063]在光检测器10检测差到拍信号时，信号处理装置11从该差拍信号抽出与目标相关的信息(例如，散射光的接收信号强度、往返时间、多普勒频率等信息)，根据与目标相关的信息算出目标的各种运动因素(例如，到目标为止的距离、速度分布)。
[0064]根据与目标相关的信息算出目标的各种运动因素的处理为公知的技术，因此省略详细的说明。
[0065]在该实施方式I中，作为光纤放大器6，采用与所使用的激光的波带相符的放大器，但是，例如，如果激光的波长为1.06μπι波段，则可以使用采用了 Nd (Neodymium:钕)掺杂光纤、Yb (Ytterbium:镱)掺杂光纤的光纤放大器。
[0066]另外，如果激光的波长为1.55 μ m波段，则可以使用采用了 Er (Erbium，铒)掺杂光纤的光纤放大器。
[0067]在这些光纤放大器中，具有数nm?数IOnm左右的增益频带宽度，如果处于增益频带内，则可以同时放大多个波长的激光。
[0068]此处，具有一定值以上的强度的激光入射到光纤中时，发生受激布里渊散射。
[0069]受激布里渊散射是如下的现象:通过由入射的激光所发生的声栅波产生折射率的周期性的调制，该折射率的周期性的调制起到衍射栅的作用，从而使入射激光向后方散射。
[0070]受激布里渊散射发生时，入射的激光的功率中的、超过受激布里渊散射的发生阈值的部分向光纤的后方散射，因此可向光纤入射的激光的功率被限制。
[0071]已知在一般的光纤中，受激布里渊散射的增益频带宽度为数十?IOOMHz左右。
[0072]由此，例如，频率差比IOOMHz (例如，如果激光的波长为1550nm，则与约0.8pm的波长差相当)大的2个激光入射到光纤时，可以使对2个激光的受激布里渊散射的增益不同，因此，2个激光可以输入光功率直到各自成为受激布里渊散射的发生阈值的入射功率为止。
[0073]另外，与在输入多个激光的情况下也同样地，使所输入的各激光的频率差分别比IOOMHz大,从而可以使对各激光的受激布里渊散射的增益互异,各激光可以输入光功率直到各自成为受激布里渊散射的发生阈值的入射功率为止，因此，可以增大能够向光纤入射的激光的功率。
[0074]这样，通过采用具有比受激布里渊散射的增益频带宽度大的频率差的多个激光，可以增大能够向光纤入射的激光的功率。
[0075]在光纤放大器中，存在在激光的功率增强的过程中超过受激布里渊散射的阈值的情况，尤其是在进行脉冲光的放大时峰值输出容易变大，因此容易发生受激布里渊散射。由此，通常为了避免发生受激布里渊散射，限制向光纤放大器投入的激励功率等，调整输出光功率而进行使用。
[0076]在该实施方式I中，如上所述，由CW激光光源1、2振荡出的CW激光的频率f\、f2之差比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大，因此，这些激光可以将输出脉冲光的峰值功率增大到各自的受激布里渊散射阈值PSBSl、PSBS2为止。
[0077]由此，如果将各激光的平均输出功率(平均输出功率用脉冲光的峰值功率和脉冲宽度和脉冲重复频率的积来表示)设为PS1、PS2，则可以将光纤放大器6的输出光的平均功率设为PS1+PS2，与采用单一光源(例如，仅CW激光光源I或CW激光光源2中的某一方)的情况相比，可以增大发送光功率。
[0078]由此，在PSl = PS2时，通过采用2个CW激光光源，可以使发送光的功率成为2倍。
[0079]如上所述，通过采用具有比受激布里渊散射的增益频带宽度大的频率差的多个激光光源，可以比采用单一光源时增大发送光的功率，并且可以由后述的接收信号的累加来提闻SN比，因此，可以以闻灵敏度进行闻精度的测量。
[0080]另外，通过采用多个激光光源，在光纤放大器6中输入功率增加，因此可以提高能量的提取效率，减少激光放大时的ASE(Amplified Spontaneous Emission:放大的自发发射)分量的发生，因此具有光纤放大器6的效率改善效果和光检测器10中的噪声分量的降低效果。
[0081]在图1的激光雷达装置中，从收发光学系统8向大气中出射的激光受到的多普勒偏移fdl、fd2如下记的式⑴⑵所表示。
[0082]fdl = 2VX (fi+^/c (I)
[0083]fd2 = 2VX (f2+fM)/c (2)
[0084]其中，V是风速(气溶胶的移动速度)，c是光速(这里，设为3X 108m/s)。
[0085]从式(I) (2)，频率fdl和频率fd2之差可以求出为fdl — fd2 = 2VX (f\ — f2)/c。
[0086]例如，将由CW激光光源I振荡出的CW激光的波长λ设为1550nm、将由CW激光光源2振荡出的CW激光的波长λ设为1549nm时，Cff激光的频率f通过f = c/ λ求出，频率和频率f2之差为约125GHz。
[0087]这满足比上述受激布里渊散射的增益频带宽度大的条件。另外，在将风速V设为lm/s时，多普勒偏移fdl和fd2之差成为约8kHz。
[0088]作为接收光的散射光的频谱宽度因测定范围内的风速的偏差等而扩大，因此，变得比激光光源的线宽度大，通常为IMHz左右。
[0089]与之相对，多普勒偏移fdl和fd2之差在上述的情况下成为约8kHz，与散射光的频谱宽度相比足够小，因此，由光检测器10检测的差拍信号成为fM+fdl和fM+fd2这两个频谱分量重合的信号。
[0090]但是，这些频率分量相位不一致，因此可能相互增强或者削弱，在fdl、fd2的单一频率分量中的强度为Sfdl、sfd2的情况下，将由信号处理装置11测定的fdl和fd2的分量合成后
的信号强度成为
【权利要求】
1.一种激光雷达装置，其特征在于，具备: 多个CW激光光源，振荡出互相不同的波长的CW激光； 第I光合波器，使由所述多个CW激光光源振荡出的CW激光混合； 光分支器，使由所述第I光合波器混合的CW激光分支； 光调制器，调制由所述光分支器分支了的一方的CW激光； 光纤放大器，放大由所述光调制器调制了的激光； 收发光学系统，向目标照射由所述光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由所述目标导致的所述激光的散射光； 第2光合波器，使由所述收发光学系统接收到的散射光和由所述光分支器分支了的另一方的CW激光混合，输出所述散射光和所述CW激光的混合光； 光检测器，接受从所述第2光合波器输出的混合光，检测所述散射光和所述CW激光的差拍信号；以及 信息抽出器， 从由所述光检测器检测到的差拍信号抽出与所述目标相关的信息， 装置内的光的传播光路由光纤构成。
2.一种激光雷达装置，其特征在于，具备: 多个CW激光光源，振荡出互相不同的波长的CW激光； 多个光分支器，使由所述CW激光光源振荡出的CW激光分支； 多个光调制器，以互相不同的频率调制由所述光分支器分支的一方的CW激光； 第I光合波器，混合由所述多个光调制器调制的激光； 第2光合波器，混合由所述多个光分支器分支的另一方的CW激光； 光纤放大器，放大由所述第I光合波器混合了的激光； 收发光学系统，向目标照射由所述光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由所述目标导致的所述激光的散射光； 第3光合波器，混合由所述收发光学系统接收到的散射光和由所述第2光合波器混合了的CW激光，输出所述散射光和所述CW激光的混合光； 光检测器，接受从所述第3光合波器输出的混合光，检测由所述散射光和所述CW激光的差拍信号；以及 信息抽出器，从由所述光检测器检测到的差拍信号抽出与所述目标相关的信息， 装置内的光的传播光路由光纤构成。
3.一种激光雷达装置，其特征在于，具备: CW激光光源，振荡出波长不同的多个CW激光； 光分支器，使由所述CW激光光源振荡出的CW激光分支； 光调制器，调制由所述光分支器分支了的一方的CW激光； 光纤放大器，放大由所述光调制器调制了的激光； 收发光学系统，向目标照射由所述光纤放大器放大了的激光，另一方面接收由所述目标导致的所述激光的散射光； 光合波器，混合由所述收发光学系统接收到的散射光和所述光分支器分支了的另一方的CW激光，输出所述散射光和所述CW激光的混合光； 光检测器，接受从所述光合波器输出的混合光，检测所述散射光和所述CW激光的差拍信号；以及 信息抽出器，从所述光检测器检测到的差拍信号抽出与所述目标相关的信息， 装置内的光的传播光路由光纤构成。
4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，具备: 激光放大器，进一步放大由光纤放大器放大了的激光； 收发光分离器，使由所述激光放大器放大了的激光通过收发光学系统侧，另一方面使由所述收发光学系统接收到的散射光向第2光合波器传播。
5.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，具备: 激光放大器，进一步放大由光纤放大器放大了的激光； 收发光分离器，使由所述激光放大器放大了的激光通过收发光学系统侧，另一方面使由所述收发光学系统接收到的散射光向第3光合波器传播。
6.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，具备: 激光放大器，进一步放大由光纤放大器放大了的激光； 收发光分离器，使由所述激光放大器放大了的激光通过收发光学系统侧，另一方面使由所述收发光学系统接收到的散射光向光合波器传播。
7.根据权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于， 激光放大器是空间型的固体激光放大器。
8.根据权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于， 激光放大器是具有平面波导型构造的固体激光放大器。
9.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于， 多个CW激光的波长差比在光纤中产生的受激布里渊散射的增益频带宽度大。
10.根据权利要求9所述的激光雷达装置，其特征在于， 多个CW激光的波长差大于等于100MHz。
11.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于， 所述激光雷达装置具备控制器，该控制器按照由信息抽出器抽出的与目标相关的信息，控制由CW激光光源振荡出的CW激光的波长。
12.根据权利要求11所述的激光雷达装置，其特征在于， Cff激光光源由半导体激光器构成。
【文档编号】G01S17/42GK103946716SQ201280056335
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】崎村武司, 柳泽隆行, 龟山俊平, 安藤俊行, 平野嘉仁 申请人:三菱电机株式会社