特開 2024-144992 非接触型測距装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024144992

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】非接触型測距装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/34 20200101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023057204

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504155293

【氏名又は名称】国立大学法人島根大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】中村 篤志

(72)【発明者】

【氏名】古敷谷 優介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 文彦

(72)【発明者】

【氏名】張 超

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA05

5J084BA45

5J084BA51

5J084CA08

5J084DA09

5J084EA07

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本開示は、ビート信号の検出時においてビート信号を発生させた周波数が、複製された複数の周波数のうちのどの周波数であるかを特定可能にすることを目的とする。
【解決手段】本開示は、周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、前記参照光を、遅延間隔が非一様な複数の光に複製する光複製部を備える、ことを特徴とする非接触型測距装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、
前記参照光を、遅延間隔が非一様な複数の光に複製する光複製部を備える、
ことを特徴とする非接触型測距装置。

【請求項2】

前記光複製部で複製された複数の光を前記プローブ光と合波することで、複数のビート信号を発生させ、
前記複数のビート信号のうちの２以上の周波数を検出することで、前記被測定物までの距離を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触型測距装置。

【請求項3】

前記光複製部は、長さの異なる複数の周回伝送路が並列に接続されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の非接触型測距装置。

【請求項4】

前記複数の周回伝送路の一つの長さＬ_７が、前記複数の周回伝送路の長さの差ΔＬ_７の整数倍と異なる、
ことを特徴とする請求項３に記載の非接触型測距装置。

【請求項5】

前記複数の周回伝送路に含まれる各周回伝送路を伝搬する時間に変化する前記周波数掃引光の周波数が、前記ビート信号の周波数を検出する主干渉計の受信帯域の２倍よりも大きい、
ことを特徴とする請求項３に記載の非接触型測距装置。

【請求項6】

前記複数の周回伝送路に、増幅率の異なる光増幅器が挿入されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の非接触型測距装置。

【請求項7】

周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距方法において、
光複製部が、前記参照光を、遅延間隔が非一様な複数の光に複製する手順を備える、
非接触型測距方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、周波数掃引光を用いた非接触型測距装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

正確な測距技術は大規模構造物の形状測定のような計測において重要な技術である。このような応用は多数存在し、パラボラアンテナや建築物のような人工物の形状測定、氷床の厚み計測や森林の高さ測定に代表される自然形成物の測定、等がある。特に、建物等のヘルスモニタリングや防災を目的とした大規模構造物の計測では、遠方の測定物の位置や形状を高精細に測定する需要が存在する。

【0003】

ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：光による検知と測距）は、レーザ光を使って被測定物までの光路長を計測する非接触型測距技術である。このような技術において、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）型ＬｉＤＡＲは単一光源で測距を行い、速度・振動検知の能力がある。ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、周波数を掃引し、戻り光との干渉により生じる周波数差（ビート周波数、ＩＦ）を距離に換算する。１００ｎｍの掃引帯域を有する光源を用いれば約１２μｍの分解能が実現できる。

【0004】

しかしながら、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、測定距離は光源のコヒーレンス長により数十ｍに限定されている。また、得られるビート周波数が受信帯域を上回る計測はできない。これは、受信帯域が一定である限り、周波数の掃引速度と測定距離の積に上限が生じることを意味する。すなわち、受信帯域が一定ならば、測定距離又は周波数の掃引速度のいずれかを犠牲にしなければならないという課題がある。なお、測定の繰り返し周波数（リフレッシュレート）は周波数の掃引速度に比例するため、周波数の掃引速度を犠牲にすることは、リフレッシュレートを犠牲することになる。以上２つの要因により、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは専ら数十ｍ程度以内の比較的短距離の測距に限定されていた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】永田崇弘 他，“波長掃引型光周波数コムを用いた周波数変調連続波型光距離計”，２０２２年度（第７３回）電気・情報関連学会中国支部連合大会，Ｒ２２－１１－０４．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現するための技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。非特許文献１では、参照光又はプローブ光の一方を異なる複数の周波数の光に複製し、参照光又はプローブ光の他方と合波する。これにより、複数の周波数のビート信号を発生させ、そのうちの受信帯域に入ったビート周波数を検出する。

【0007】

しかし、非特許文献１では、複数の周波数の光が生成され、ビート信号の検出時においてビート信号を発生させた周波数がどの周波数であるかを特定することができなかった。そこで、本開示は、ビート信号の検出時においてビート信号を発生させた周波数が、複製された複数の周波数のうちのどの周波数であるかを特定可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本開示は、参照光を複製し、複製した参照光とプローブ光を干渉させる。この複製の際に、各時刻（各瞬時）における光周波数間隔が非一様となるように、入射された光を異なる遅延が付与された複数の光に複製する。

【0009】

具体的には、本開示に係る非接触型測距装置は、周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、本開示に係る非接触型測距方法を実行する。

【0010】

本開示に係る非接触型測距装置は、
前記参照光を、遅延間隔が非一様な複数の光に複製する光複製部を備え、
前記光複製部で複製された複数の光を前記プローブ光と合波することで、複数のビート信号を発生させ、
前記複数のビート信号のうちの２以上の周波数を検出することで、前記被測定物までの距離を求める。

【0011】

本開示に係る非接触型測距方法は、
光複製部が、前記参照光を、遅延間隔が非一様な複数の光に複製する手順を備え、
前記光複製部で複製された複数の光を前記プローブ光と合波することで、複数のビート信号を発生させ、
前記複数のビート信号のうちの２以上の周波数を検出することで、前記被測定物までの距離を求める。

【0012】

前記光複製部は、前記光複製部は、長さの異なる複数の周回伝送路が並列に接続されて態様を採用しうる。
ここで、前記複数の周回伝送路の一つの長さＬ_７が、前記複数の周回伝送路の長さの差ΔＬ_７の整数倍と異なっていてもよい。
また、前記複数の周回伝送路に含まれる各周回伝送路を伝搬する時間に変化する前記周波数掃引光の周波数が、前記ビート信号の周波数を検出する主干渉計の受信帯域の２倍よりも小さくてもよい。
また、前記複数の周回伝送路に、増幅率の異なる光増幅器が挿入されていてもよい。

【0013】

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、ビート信号の検出時においてビート信号を発生させた周波数が、複製された複数の周波数のうちのどの周波数であるかを特定可能にすることができる。このため、本開示は、単一光源を用いた簡便な構成にも関わらず、測定速度を低下させることなく、ｋｍ級の測定距離と数十μｍ級の分解能とを実現することができ、さらに、測距結果の周期的な曖昧さを緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本開示に係る非接触型測距装置の構成の一例を示す図である。

【図2】従来の参照光及びプローブ光を説明する図であり、（ａ）は参照光及びプローブ光の周波数を示し、（ｂ）は干渉信号スペクトルを示す。

【図3】参照光及びプローブ光の周波数を説明する図である。

【図4】ビート周波数の一例を示す。

【図5】本開示の光複製部の構成例を示す。

【図6】本開示の参照光の周波数を説明する図である。

【図7】本開示の参照光の周波数を説明する図である。

【図8】本開示の参照光及び試験光の周波数を説明する図である。

【図9】本開示のビート周波数の一例を示す。

【図10】本開示の参照光の周波数を説明する図である。

【図11】本開示のビート周波数の一例を示す。

【図12】測定対象の距離を算出するフローの一例を示す。

【図13】本開示の参照光の周波数を説明する図である。

【図14】本開示のビート周波数の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0017】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１にＦＷＣＷ型ＬｉＤＡＲ方式をベースとした本開示の非接触型測距装置の実施形態を示す。１は周波数掃引光源、２は光を分波または合波するカプラ、３は光サーキュレータ、４はレンズ、５は被測定物、６は遅延器、７は光複製部、８は光９０度ハイブリッド、９はバランス型フォトデテクタ、１０はＡＤコンバータ、１１はコンピュータ等の演算部、１２はＲＦシンセサイザである。

【0018】

光複製部７は、参照光を異なる複数の周波数の光に複製する。光９０度ハイブリッド８、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２、ＡＤコンバータ１０－１は、本開示の光検出部として機能する主干渉計２０を構成する。以下、「光検出部の受信帯域」を「受信帯域」と略記する。

【0019】

周波数掃引光源１は、周波数が線形に変調されたレーザ光を発振する。その周波数は、一定の掃引速度γ［Ｈｚ／ｓ］で、一定の周波数掃引時間ΔＴに、周波数掃引幅ΔＦにわたり掃引される。本実施形態では、周波数掃引光源１から出力される光をレーザ光として説明するが、コヒーレント光であればこれに限定されない。

【0020】

カプラ２－１は、周波数掃引光源１から入力された光を２つに分岐し、一方をプローブ光として光サーキュレータ３に入力し、他方を参照光として光複製部７に入力する。光サーキュレータ３は、カプラ２－１からのプローブ光をレンズ４に入力する。また、光サーキュレータ３は、レンズ４からの光を光９０度ハイブリッド８に入力する。レンズ４は、周波数掃引光源１からのプローブ光を平面波に変換する。また、レンズ４は、被測定物５からの反射されたプローブ光を集光して光サーキュレータ３に入力する。本開示では、被測定物５で反射されたプローブ光を試験光と称する場合がある。

【0021】

光複製部７は、参照光を異なる複数の周波数の光に複製する。光複製部７は、生成した複数の参照光を、主干渉計２０の参照光として光９０度ハイブリッド８に入力する。被測定物５により反射されたプローブ光は、レーザ光（参照光）と光９０度ハイブリッド８において干渉する（主干渉計）。主干渉計２０では、被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間を測定することができる。演算部１１は、この遅延時間を用いて測距を行う。図１では、演算部１１を主干渉計２０に含まれる構成としているが、主干渉計２０と演算部１１は別々でもよい。

【0022】

具体的には、光９０度ハイブリッド８は、参照光と被測定物５からの反射光とを合波したビート信号の同相成分Ｉを生成し、バランス型フォトデテクタ９－１に入力する。また、光９０度ハイブリッド８は、９０度位相シフトさせた参照光と被測定物からの反射光とを合波したビート信号の直交成分Ｑを生成し、バランス型フォトデテクタ９－２に入力する。

【0023】

バランス型フォトデテクタ９－１は、光９０度ハイブリッド８からの入力に基づき、ビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号を取得し、ＡＤコンバータ１０－１に入力する。バランス型フォトデテクタ９－２は、光９０度ハイブリッド８からの入力に基づき、ビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号を取得し、ＡＤコンバータ１０－１に入力する。ＡＤコンバータ１０－１は、バランス型フォトデテクタ９－１から入力されるビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号及びバランス型フォトデテクタ９－２から入力されるビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、演算部１１に入力する。

【0024】

ここで、光複製部７を備えない従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲにおける参照光とプローブ光の干渉について図２を用いて説明する。すなわち、従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは、図１の主干渉計において、カプラ２－１からの参照光が光９０度ハイブリッド８に直接入力される構成である。従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、カプラ２－１からの参照光と、参照光に対して被測定物５までの距離を往復した分だけ遅延したプローブ光とが到着し、その周波数差に相当する周波数を持つビート信号が発生する。以下、ビート信号の周波数をビート周波数ＩＦとする。このビート周波数ＩＦは、被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間に比例するため、測距ができる。

【0025】

ビート信号は、具体的には、光９０度ハイブリッド８から出力されるビート信号のＩ相成分およびＱ相成分を用いて複素数表示で式（１）のように表される。
（数１）
Ｉ＋ｊＱ＝ｅｘｐ（ｊγτｔ） （１）

【0026】

演算部１１は、ＡＤコンバータ１０－１から入力されるハイブリッド信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑに基づき、式（１）からビート信号の位相を求める。ここで、τは、参照光とプローブ光との光経路差に相当するプローブ光の参照光に対する遅延時間であり、γτがビート周波数ＩＦである。

【0027】

一般に、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲの距離分解能Δｚは、周波数掃引幅ΔＦを用いて以下のように表される。
（数２）
Δｚ＝ｃ／（２ΔＦ） （２）

【0028】

つまり、距離分解能Δｚを向上するには、周波数掃引幅ΔＦを大きくする必要がある。かつ、ビート周波数ＩＦは被測定物５までの距離により変動する遅延時間τと掃引速度γに比例する。そのため、仮に受信帯域が一定であるならば、掃引速度γと距離との積に対して限界が生じることになる。具体的には、従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、図２（Ｂ）に示すように、ビート周波数ＩＦが受信帯域外となるビート信号は検知できず、受信帯域による測定距離の限界が生じる。なお、繰り返し周波数（リフレッシュレート）は、掃引速度γに比例するため、掃引速度γが制限されれば、リフレッシュレートも制限されることになる。

【0029】

本開示では、この受信帯域による測定距離の限界を排除するため、参照光経路に、すなわち、カプラ２－１と光９０度ハイブリッド８との間に、前述した光複製部７を導入する。

【0030】

本実施形態の非接触型測距方法は、光複製部７が、参照光を、遅延間隔が非一様な複数の光に複製する手順を備え、前記光複製部７で複製された複数の光を前記プローブ光と合波することで、複数のビート信号を発生させ、前記複数のビート信号のうちの２以上の周波数を検出することで、前記被測定物５までの距離を求める。

【0031】

図３に、光複製部７で生成される参照光の一例を示す。本実施形態に係る光複製部７は、カプラ２－１から入力された参照光の周波数Ｌ_ｒｅｆ１を含み、複数の異なる周波数Ｌ_ｒｅｆ１～Ｌ_ｒｅｆ５で構成される光周波数コムを生成する。本実施形態に係る光周波数コムは一例であり、周波数の数はこれに限定されない。また、光周波数コムの周波数間隔ｆは等間隔ではなく、異なっていてもよい。

【0032】

本実施形態では、カプラ２－１から入力された参照光が周波数掃引光源１によって線形に掃引されるため、光周波数コムも線形に掃引される。これにより、本開示におけるカプラ２－１からの参照光は、図３に示す周波数掃引された光周波数コムとなって光９０度ハイブリッド８に入射する。

【0033】

図４に、本実施形態の主干渉計２０が検出するビート周波数の一例を示す。遅延時間τにおける光周波数コムを構成する参照光Ｌ_ｒｅｆ１～Ｌ_ｒｅｆ５とプローブ光Ｌ_ｐとのビート周波数ＩＦ１～ＩＦ５について示す。図４に示すように、被測定物５までの伝搬により遅延を受けたプローブ光は、光周波数コムを構成する参照光のすべてと干渉し、ビート周波数ＩＦ１～ＩＦ５の複数のビート信号が発生する。

【0034】

周波数が等間隔である図３に示す光周波数コムの周波数間隔をｆとすると最小のビート周波数はｆ／２以下となる。そのため、主干渉計２０は少なくともｆ／２以下を受信帯域とすることが望ましい。光周波数コムの周波数間隔ｆを狭めると、最小のビート周波数の最大値ｆ／２が低くなるので、受信帯域が狭い主干渉計２０でも最小のビート周波数を検出可能となる。なお、周波数間隔が等間隔ではない光周波数コムの場合は、周波数間隔が最大の周波数間隔をｆとすれば等間隔の場合と同様に説明できる。

【0035】

図３では、参照光及びプローブ光の一部分を記載しているだけであり、参照光及びプローブ光はさらに高い周波数帯域側にも線形に掃引されているものとする。光複製部７において周波数掃引光源１の周波数掃引幅ΔＦよりも十分に広い周波数帯域の光周波数コムを発生すれば、被測定物５が遠方にある場合でも、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２などの受信帯域を拡張することなく、いずれかの光周波数コム成分との干渉を観測することができる。

【0036】

ここで、本開示では、図４に示す複数のビート周波数は、光複製部７により生成した周波数掃引光の周波数に依存する。光複製部７より生成した周波数掃引光は、元の周波数掃引光を時間方向にシフトした光である。光複製部７では複数の周波数掃引光が生成されるため、ビート周波数ＩＦ２を生成させた周波数掃引光に周期的なあいまいさが残る。そこで、本開示では、光複製部７が、各時刻（各瞬時）における光周波数間隔が非一様となるように、入射された光を異なる遅延が付与された複数の光に複製する。演算部１１は、ビート周波数ＩＦ２及びＩＦ３の周波数差やビート周波数ＩＦ３及びＩＦ１の周波数差に基づいて、ビート周波数ＩＦ２を発生させた参照光の周波数がＬ_ｒｅｆ２の周波数であることを判定する。

【0037】

図５に、光複製部７の構成例を示す。本実施形態の光複製部７は、並列に接続されている複数の周回伝送路７１Ａ及び７１Ｂを備える。周回伝送路７１Ａ及び７１Ｂの長さは異なり、周回伝送路７１Ａの長さはＬ_７であり、周回伝送路７１Ｂの長さはＬ_７＋ΔＬ_７である。長さＬ_７はΔＬ_７の整数倍と異なる。

【0038】

図６及び図７に、試験光と参照光の関係の一例を示す。測定対象５との距離がゼロの場合、図６に示すように、周波数掃引光源１から出力された元の周波数掃引光Ｌ_ｒｅｆ１が時間ｔ＝０から周波数掃引光源１の周波数掃引速度に応じて周波数変化する。測定対象５が遠くにあるほど、図７に示すように、試験光の時間τが右側にシフトしていく。

【0039】

光周回伝送路７１Ａにより生成した周波数掃引光は、周波数掃引光Ｌ_ｒｅｆ１の後に、遅延間隔τ_７の間隔で生成される。光周回伝送路７１Ａで生成される参照光Ｌ_ｒｅｆＡ１～Ｌ_ｒｅｆＡ４は、光周回伝送路７１Ａの長さＬ_７に対し、元の周波数掃引光を時間方向にτ_７＝Ｌ_７／ν_ｇシフトした光となっている。ここで、ν_ｇは光周回伝送路７１Ａを伝搬する光の群速度である。光周回伝送路７１Ｂで生成される参照光Ｌ_ｒｅｆＢ１～Ｌ_ｒｅｆＢ４は、参照光Ｌ_ｒｅｆＡ１～Ｌ_ｒｅｆＡ４に対し、時間方向にΔτ_７＝ΔＬ_７／ｖ_ｇシフトした光となっている。

【0040】

周回伝送路７１Ｂの長さはＬ_７＋ΔＬ_７である。このため、光周回伝送路７１Ａにより生成した周波数掃引光と光周回伝送路７１Ｂにより生成した周波数掃引光との時間間隔は、Δτ_７、２Δτ_７、３Δτ_７、４Δτ_７、・・・ｎΔτ_７のように、元の周波数掃引光Ｌ_ｒｅｆ１から離れるにしたがって大きくなる。

【0041】

図８は、図６に示す時間Ｔにおける参照光の光周波数の一例である。周波数掃引光源１は周波数掃引光であるため、光周回伝送路７１Ａにより生成した周波数掃引光が周波数間隔ｆであるとき、光周回伝送路７１Ｂにより生成した周波数掃引光にはΔＬ_７に相当する周波数差Δｆが生じ、その周波数間隔はｆ＋Δｆとなる。このため、光周回伝送路７１Ｂにより生成した周波数掃引光は、Δｆ、２Δｆ、３Δｆ、４Δｆ、・・・ｎΔｆのように、周波数掃引光源１の周波数ｆ_０から離れるにしたがって大きくなる。

【0042】

また、遅延時間τ_７は、光周回伝送路７を伝搬する光の群速度ν_ｇとτ_７＝Ｌ_７／ν_ｇの関係にある。このため、光周回伝送路７の長さＬ_７を短くすると、最小のビート周波数の最大値τ_７γ／２が低くなるので、受信帯域ＢＷが狭い主干渉計２０でも最小のビート周波数を検出可能となる。例えば、主干渉計２０の受信帯域をＢＷとすると、光周回伝送路７の長さＬ_７は２ν_ｇ×ＢＷ／γより短くする。これにより、任意の受信帯域ＢＷに対し、最小のビート周波数を検出可能になる。

【0043】

周波数掃引光源１の周波数掃引速度がγ（Ｈｚ／ｓ）であるとき、遅延時間τは、試験光と参照光の周波数差ｆ_ｂを用いて以下で表される。
τ＝ｆ_ｂ／γ （３）
試験光と参照光との間の最小のビート周波数はτ_７γ／２以下となる。そのため、主干渉計２０は少なくともτ_７γ／２以下の受信帯域ＢＷとする。

【0044】

測定対象までの距離ｚ（ｍ）は次式を用いて求めることができる。
ｚ＝ｃｆ_ｂ／２γ （４）
ただし、ｃは光速 （ｍ／ｓ）である。

【0045】

図９に、測定されるビート周波数の一例を示す。ビート周波数の受信帯域幅がＢＷのとき、ｆ＋Δｆは受信帯域幅ＢＷの２倍より小さくする。すなわち以下が成立するようにする。
（ｆ＋Δｆ）／２＜ＢＷ （５）

【0046】

図１０及び図１１に、ビート周波数の測定例を示す。図１１に示す（１）～（４）は、試験光が図１０に示す（１）～（４）の周波数シフト量である場合のビート周波数のパターンを示す。また周波数ｎｆよりも大きい周波数シフト量の光は、フィルタで除去する。ここで、ｎは次式を満たす整数とする。
ｎ＜ｆ／Δｆ＋１ （６）

【0047】

本実施形態では、試験光のビート周波数に応じて、図１１（１）～図１１（４）に示すように、一つ又は二つのビート周波数ν_１又はν_２が測定される。例えば測定されるビート周波数を小さいものから順にν_１、ν_２と定義する。測定されるビート周波数の関係は４パターンである。そこで、本実施形態では、図１２に示すフローに基づいて、測定対象の距離ｚを算出する。

【0048】

ビート周波数が１つであるかを判定し（Ｓ１０１）、１つである場合は図１１（１）に示すパターン１であると判定する。なお、測定レンジぎりぎりの遠方にある場合もビート周波数が１つしか測定されないが、この場合は測定レンジ外として扱うことができる。

【0049】

ビート周波数が２つ測定されると、それらの周波数差Δνを算出する。
Δν＝ｆのとき、図１１（２）に示すパターン２であると判定する。
ΔνがΔｆの整数倍のとき、図１１（４）に示すパターン４であると判定する。
ΔνがΔｆの整数倍でないとき、図１１（３）に示すパターン３であると判定する。

【0050】

測定対象までの距離ｚ（ｍ）を算出する際、周波数差ｆ_ｂを以下のように設定する。
パターン１又は２のとき、測定されたビート周波数ν_１をｆ_ｂに設定する（Ｓ１１１）。
パターン４のとき、次式を用いてｆ_ｂを設定する（Ｓ１１２）。
ｆ_ｂ＝（Δν／Δｆ）・ｆ－ν_１ （７）
パターン３のとき、次式を用いてｆ_ｂを設定する（Ｓ１１３）。
ｆ_ｂ＝｛（ｆ－Δν）／Δｆ＋１｝・ｆ－ν_２ （８）

【0051】

図１３及び図１４に、ｆ＝１５ＭＨｚ、Δｆ＝２ＭＨｚ、ＢＷ＝１０ＭＨｚとした場合の具体的な算出例を示す。本実施形態では、ｎ・ｆ＝１０５であり、これより大きい周波数シフト量の光は、フィルタで除去する。
試験光の周波数シフト量が図１３に示す（１）の位置にあるとき、パターン１に相当するため、ステップＳ１１１を実行し、ｆ_ｂを設定する。
試験光の周波数シフト量が図１３に示す（２）の位置にあるとき、Δν＝４＝２Δｆであり、パターン４に相当する。このため、ステップＳ１１２を実行し、ｆ_ｂ＝３０－ν_１を設定する。
試験光の周波数シフト量が図１３に示す（３）の位置にあるとき、Δν＝７であり、パターン３に相当するため、ステップＳ１１３を実行し、ｆ_ｂ＝７５－ν_２を設定する。

【0052】

ビート周波数が２つ見える限界は、１０２＋１０＝１１２ＭＨｚである。このとき、測定できる最大の距離は、
ｃ／２γ×１１２×１０^６
＝５６ｃ／γ×１０^６ （ｍ） （９）
である。ΔＴ＝２ｍｓ、ΔＦ＝５ＧＨｚである場合、分解能は３ｃｍ、測定距離は６７２０ｍになる。

【0053】

以上のように、光複製部７の導入により、周波数の掃引速度を低下させることなく、受信帯域による測定距離の限界を排除することができる。また光、強度が周波数に対して非一様となるように、増幅率の異なる光増幅器７４Ａ及び７４Ｂを用いて増幅することで、測距結果の周期的な曖昧さを緩和することができる。

【0054】

また、本実施形態に係る主干渉計２０では、光９０度ハイブリッド８を用いてハードウェアベースで処理する構成としたが、ソフトウェアベースで処理してもよい。

【0055】

本実施形態に係る演算部１１はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本開示に係る非接触型測距装置及び方法は、情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0057】

１：周波数掃引光源
２：カプラ
３：光サーキュレータ
４：レンズ
５：被測定物
６：遅延器
７：光複製部
８：光９０度ハイブリッド
９：バランス型フォトデテクタ
１０：ＡＤコンバータ
１１：演算部
１２、１２Ａ、１２Ｂ：ＲＦシンセサイザ
１３、１３Ａ、１３Ｂ：アンプ
２０：主干渉計
７１Ａ、７１Ｂ：周回伝送路
７２Ａ、７２Ｂ、７３Ａ、７３Ｂ：カプラ
７４Ａ、７４Ｂ：増幅器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】