特開 2024-93535 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】P2024093535

(43)【公開日】2024-07-09

(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 20200101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022209977

(22)【出願日】2022-12-27

(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

5J084AD08

5J084BA03

5J084BA36

5J084BA38

5J084BA45

5J084BB02

5J084BB14

5J084BB31

5J084BB40

5J084CA08

5J084CA31

5J084CA49

5J084DA01

5J084DA08

5J084DA09

5J084EA07

5J084EA14

(57)【要約】

【課題】本開示は、単一光源を用いた簡便な構成にも関わらず、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、前記参照光を周回伝送させることで、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させる光周回伝送路と、前記光周回伝送路から出力された複数の参照光のうち前記被測定物で反射されたプローブ光の遅延と最も近い遅延が付与された参照光と反射されたプローブ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、被測定物までの距離を求める主干渉計と、を備え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、
前記参照光を周回伝送させることで、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させる光周回伝送路と、
前記光周回伝送路から出力された複数の参照光のうち前記被測定物で反射されたプローブ光の遅延と最も近い遅延が付与された参照光と反射されたプローブ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、被測定物までの距離を求める主干渉計と、
を備える非接触型測距装置。

【請求項2】

前記光周回伝送路を伝搬する光の群速度をν_ｇ、前記周波数掃引光の掃引速度をγ、前記主干渉計の受信帯域をＢＷとすると、前記光周回伝送路の長さＬ_７が、
（２ν_ｇ×ＢＷ）／γ
より短い、
請求項１に記載の非接触型測距装置。

【請求項3】

前記周波数掃引光の一部を２分岐する光カプラと、
前記光カプラで２分岐された前記周波数掃引光の一部の一方に、前記周波数掃引光のコヒーレンス時間よりも短い遅延時間τ_ａｕｘの遅延を発生させる遅延器と、
前記遅延器で遅延させた前記一方と前記光カプラで２分岐された前記周波数掃引光の一部の他方との干渉によるビート信号の位相Ｘ（ｔ）を取得する補助干渉計と、をさらに備え、
前記補助干渉計により取得されたビート信号の前記位相Ｘ（ｔ）、整数Ｎ及び式（Ｃ１）を用いて、前記参照光と前記プローブ光との光経路差に相当する前記プローブ光の前記参照光に対する遅延時間τにおける前記周波数掃引光の位相Ｘ_Ｎ（τ）を求め、前記主干渉計で得られたビート信号における前記周波数掃引光の非線形性を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触型測距装置。

【数C1】

【請求項4】

前記遅延時間τをあらかじめ推定し、式（Ｃ２）を満足する前記整数Ｎを用いる
ことを特徴とする請求項３に記載の非接触型測距装置。
（数Ｃ２）
τ≒Ｎτ_ａｕｘ （Ｃ２）

【請求項5】

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、
前記参照光を光周回伝送路に周回伝送させることで、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させること、
前記光周回伝送路から出力された複数の参照光のうち前記被測定物で反射されたプローブ光の遅延と最も近い遅延が付与された参照光と反射されたプローブ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、被測定物までの距離を求めること、
を行う非接触型測距方法。

【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、周波数掃引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、光周波数を掃引し、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】Ｋ． Ｔｏｇｅ 他， “Ｏｖｅｒ １０，０００－ｋｍ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｃｏｄｅｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ＯＴＤＲ”， ＯＥＣＣ／ＡＣＯＦＴ ２０１４ （Ｊｕｌｙ ２０１４）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前記課題を解決するために、本開示は、単一光源を用いた簡便な構成にも関わらず、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を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本開示は、周波数掃引光から遅延時間の異なる複数の参照光を生成し、生成した複数の参照光を被測定物での反射光と干渉させる。

【0008】

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、
前記参照光を周回伝送させることで、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させる光周回伝送路と、
前記光周回伝送路から出力された複数の参照光のうち前記被測定物で反射されたプローブ光の遅延と最も近い遅延が付与された参照光と反射されたプローブ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、被測定物までの距離を求める主干渉計と、
を備える。

【0009】

本開示に係る非接触型測距装置は、前記光周回伝送路を伝搬する光の群速度をν_ｇ、前記周波数掃引光の掃引速度をγ、前記主干渉計の受信帯域をＢＷとすると、前記光周回伝送路の長さＬが、
（２ν_ｇ×ＢＷ）／（γ）
より短くてもよい。

【0010】

本開示に係る非接触型測距装置は、
前記周波数掃引光の一部を２分岐する光カプラと、
前記光カプラで２分岐された前記周波数掃引光の一部の一方に、前記周波数掃引光のコヒーレンス時間よりも短い遅延時間τ_ａｕｘの遅延を発生させる遅延器と、
前記遅延器で遅延させた前記一方と前記光カプラで２分岐された前記周波数掃引光の一部の他方との干渉によるビート信号の位相Ｘ（ｔ）を取得する補助干渉計と、をさらに備え、
前記補助干渉計により取得されたビート信号の前記位相Ｘ（ｔ）、整数Ｎ及び式（３）を用いて、前記参照光と前記プローブ光との光経路差に相当する前記プローブ光の前記参照光に対する遅延時間τにおける前記周波数掃引光の位相Ｘ_Ｎ（τ）を求め、前記主干渉計で得られたビート信号における前記周波数掃引光の非線形性を補正してもよい。

【0011】

前記遅延時間τをあらかじめ推定し、式（４）を満足する前記整数Ｎを用いてもよい。

【0012】

具体的には、本開示に係る非接触型測距方法は、
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方法において、
前記参照光を光周回伝送路に周回伝送させることで、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させること、
前記光周回伝送路から出力された複数の参照光のうち前記被測定物で反射されたプローブ光の遅延と最も近い遅延が付与された参照光と反射されたプローブ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、被測定物までの距離を求めること、
を行う。

【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、単一光源を用いた簡便な構成にも関わらず、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。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態１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】光周回伝送路の動作の一例を示す。

【図3】光周回伝送路で生成される参照光の一例を示す。

【図4】従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲにおける参照光及びプローブ光の周波数並びに干渉信号スペクトルを説明する図である。

【図5】主干渉計に入力されるプローブ光及び参照光の一例を示す。

【図6】実施形態１に係る非接触型測距装置における干渉信号スペクトルを説明する図である。

【図7】実施形態２に係る非接触型測距装置の構成の一例を示す図である。

【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】

（実施形態１）
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実施形態を示す。本実施形態は、周波数掃引光を被測定物５に照射し、前記被測定物５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５までの距離を求める非接触型測距装置である。

【0018】

本実施形態において、１は周波数掃引光源、２－１及び２－２は光を分波または合波する光カプラ、３は光サーキュレータ、４はレンズ、５は被測定物、７は光周回伝送路、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である。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。

【0019】

周波数掃引光源１は、周波数が線形に変調された周波数掃引光を出力する任意の装置であり、例えばレーザである。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。周波数掃引光源１から出力される周波数掃引光は、コヒーレント光であればレーザ光に限定されない。

【0020】

光カプラ２－１は、周波数掃引光源１から入力された周波数掃引光を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に入力する。光サーキュレータ３はプローブ光をレンズ４に入力し、レンズ４はプローブ光を平面波に変換する。この平面波のプローブ光が被測定物５で反射される。レンズ４は、被測定物５で反射されたプローブ光を集光する。集光された光は光サーキュレータ３に入力され、光サーキュレータ３から光９０度ハイブリッド８に入力される。

【0021】

光カプラ２－１で分岐されたもう一方の周波数掃引光は光周回伝送路７（参照光周回手段）に入力される。光周回伝送路７は、入力された周波数掃引光を周回伝送させることで、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させるものである。光周回伝送路の具体的な構成としては、例えば非特許文献１に記載がある。

【0022】

図２に、光周回伝送路７の動作の一例を示す。
ステップＳ１：光カプラ２－１にて分岐された周波数掃引光の他方は光カプラ２－２に入力され、一部は参照光として光カプラ２－２から出力される。
ステップＳ２：光カプラ２－２に入力された周波数掃引光の残りは、光増幅器７１を介して再度光カプラ２－２に入力される。
ステップＳ３：光カプラ２－２に再入力された周波数掃引光の一部は、ステップＳ１で出力された参照光よりも光周回伝送路７で生じる遅延時間τ_７だけ遅れて出力される。
上記の繰り返しにより、参照光として、図３に示すような遅延時間が異なる複数の周波数掃引光が生成される。

【0023】

本実施形態では、周波数掃引光源１が線形に周波数掃引するため、光カプラ２－２から出力される参照光も線形に周波数掃引される。これにより、本開示における光カプラ２－２からの参照光は、図３に示すような、線形に周波数掃引された参照光が光周回伝送路７から複数出力される。

【0024】

光周回伝送路７から出力された参照光は、光９０度ハイブリッド８に入射される。被測定物５により反射されたプローブ光は、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τを測定することができる。演算部１１は、この遅延時間τを用いて測距を行う。

【0025】

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てビート信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを生成し、それぞれをバランス型フォトデテクタ９－１及び９－２に入力する。バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２は、それぞれ、ビート信号の同相成分Ｉ及び直交成分ＱをＡＤコンバータ１０－１及び１０－２に入力する。ＡＤコンバータ１０－１及び１０－２は、それぞれ、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２から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。

【0026】

ここで、光周回伝送路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４を用いて説明する。従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは、図１の主干渉計において、光カプラ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、光カプラ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τに比例するため、測距ができる。

【0027】

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同相相成分Ｉおよび直交成分Ｑ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）

【0028】

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。

【0029】

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）

【0030】

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ＢＷ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４（Ｂ）に示すように、ビート周波数ＩＦが受信帯域ＢＷ外となるビート信号は検知できず、受信帯域ＢＷ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。

【0031】

本開示では、この受信帯域ＢＷ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、光カプラ２－１と光９０度ハイブリッド８との間に、前述した光周回伝送路７を導入する。

【0032】

図５に、本実施形態における主干渉計２０に入力されるプローブ光及び参照光の一例を示す。本実施形態に係る光周回伝送路７は、遅延時間が異なる複数の参照光を発生させる。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の後に、光周回伝送路７により生成した周波数掃引光が遅延間隔τ_７の間隔で生成される。遅延時間τ_７で生成される参照光Ｌ_ｒｅｆ２～Ｌ_ｒｅｆ５は、光周回伝送路７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７を伝搬する光の群速度である。

【0033】

図の例では、時間軸及び周波数軸において、参照光Ｌ_ｒｅｆ２～Ｌ_ｒｅｆ５のうちのプローブ光と最も近い遅延が付与された参照光はＬ_ｒｅｆ３である。本開示では、プローブ光と一番近い参照光Ｌ_ｒｅｆ３との間の干渉成分であるビート信号の周波数を測定・解析する。

【0034】

図６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。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、図５に示す参照光Ｌ_ｒｅｆ１～Ｌ_ｒｅｆ５のすべてと干渉し、ビート周波数ＩＦ１～ＩＦ５のビート信号が発生する。本開示では、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ＢＷが、観測されるビート周波数のうちの最小のビート周波数ＩＦ３のみにする。

【0035】

例えば、光周回伝送路７の遅延時間がτ_７の場合、プローブ光と参照光Ｌ_ｒｅｆ１～Ｌ_ｒｅｆ５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とすることが望ましい。

【0036】

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。

【0037】

以上のように、光周回伝送路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ＢＷによる測定距離の限界を排除することができる。受信帯域ＢＷによる測定距離の限界がなくなれば、ｋｍ級の測定距離が可能になる。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る。

【0038】

（実施形態２）
図７に、ＦＷＣＷ型ＬｉＤＡＲ方式をベースとした本開示の実施形態を示す。一般に周波数掃引光源は、その周波数掃引のトレースは完全に線形ではなく、一定レベルの不完全さ（非線形性）をもつ。この非線形性は、掃引速度γの揺らぎを意味するから、一定距離からのビート周波数が揺らぐことになり、式（２）で与えられた理論的な距離分解能は得られなくなる。

【0039】

そこで、この問題を解決するために、本実施形態に係る非接触型測距装置では、補助干渉計２１をさらに備える。補助干渉計２１は、光カプラ２－５、６は遅延器、バランス型フォトデテクタ９－３、ＡＤコンバータ１０－２及び演算部１１を備える。補助干渉計２１は、遅延なしの光と遅延器６による遅延時間τ_ａｕｘだけ遅延させた光との干渉によるビート信号の位相を取得する干渉計である。補助干渉計２１でのビート信号は遅延時間τ_ａｕｘに相当する距離にある被測定物５から反射されたプローブ光に基づくビート信号と同一である。

【0040】

光カプラ２－３は、周波数掃引光源１からの周波数掃引光を２分岐し、一方を主干渉計２０用の光として光カプラ２－１に入力し、他方を補助干渉計２１用の光カプラ２－４に入力する。これにより、周波数掃引光の一部が取り出される。なお、光カプラ２－１は、光カプラ２－３から入力された光に対して実施形態１と同様の動作を行う。

【0041】

補助干渉計２１では、光カプラ２－４は、光カプラ２－３から入力された光を２つに分岐し、一方を光カプラ２－５に入力し、他方を遅延器６に入力する。遅延器６は、光カプラ２－４から入力された光に遅延時間τ_ａｕｘの遅延を発生させて光カプラ２－５に入力する。光カプラ２－５は、光カプラ２－４から直接入力された光及び遅延器６から入力された光を合波してビート信号を生成し、さらにビート信号を２つに分岐してバランス型フォトデテクタ９－３に入力する。バランス型フォトデテクタ９－３は、光カプラ２－５からのビート信号をアナログ電気信号として取得し、ＡＤコンバータ１０－２に入力する。ＡＤコンバータ１０－２は、光カプラ９－３から入力されるビート信号をデジタル信号に変換し、演算部１１に入力する。

【0042】

演算部１１は、主干渉計２０からのビート信号を、補助干渉計２１からのビート信号でリサンプリングする。これにより、主干渉計２０で測定される距離が、遅延時間τ_ａｕｘに相当する距離で補正されるため、周波数掃引光源１における周波数掃引の非線形性を除去することができる。

【0043】

しかし、この方法は、補助干渉計２１の遅延時間τ_ａｕｘに相当する測定距離付近でしか通用しない。すなわち、周波数掃引光源１からの周波数掃引光の位相は、コヒーレンス時間と呼ばれる個々の周波数掃引光源１に固有の時間においてのみ相関的であり、その時間を経過すると位相の相関は消失する。このことは、被測定物５までの距離（遅延時間）が、補助干渉計２１の遅延時間τ_ａｕｘとコヒーレンス時間以上に異なってしまうと、補助干渉計２１のビート周波数と主干渉計２０のビート周波数はもはや相関を持たなくなり、機能しなくなってしまう。

【0044】

そこで、本開示では、演算部１１は、位相雑音補償アルゴリズムを内蔵する。この位相雑音補償アルゴリズムの原理は、非特許文献２に記載されている。演算部１１は、非特許文献２で開示された方法に従ってもよい。すなわち、演算部１１は、ＡＤコンバータ１０－２から入力されたビート信号を取得し、遅延時間τ_ａｕｘ毎の補助干渉計２１のビート信号の位相Ｘ（ｔ）を取得する。演算部１１は、補助干渉計２１のビート信号の位相Ｘ（ｔ）を用いて、式（３）に示す位相Ｘ_Ｎ（τ）を計算する。

【数3】

【0045】

ここで、Ｎは正の整数である。τは前述した遅延時間である。τ≒Ｎτ_ａｕｘが成立する。また、遅延時間τは周波数掃引光のコヒーレンス時間を超えてもよい。非特許文献２に記載されているように、時間τ_ａｕｘが周波数掃引光のコヒーレンス時間よりも短い場合には、遅延時間τを遅延時間τ_ａｕｘの整数Ｎ倍とし、遅延時間τにおける主干渉計２０のビート信号の位相を式（３）で計算できる。したがって、位相Ｘ_Ｎ（τ）が一定値増加するごとに主干渉計２０の信号をリサンプリングすれば、周波数掃引光のコヒーレンス時間を超える時間Ｎτ_ａｕｘ近傍の遅延時間τに相当する距離の測定が可能となる。その結果、前述のコヒーレンス時間の有限性の課題を克服することができる。また、非特許文献２に記載されているように、式（３）の位相Ｘ_Ｎ（τ）は遅延時間τにおける周波数掃引光の位相にも相当する。そのため、式（３）を用いれば、周波数掃引光の周波数掃引の非線形性を補正することができ、式（２）の分解能も実現することができる。前述したように、補助干渉計の遅延時間τ_ａｕｘは使用する周波数掃引光源１のコヒーレンス時間よりも短く設定する必要がある。

【0046】

本開示は、次に示す手順により、この位相雑音補償アルゴリズムを測距に適用する手法を開示する。まず、被測定物５までの距離を、補助干渉計の遅延τ_ａｕｘよりも高い精度で推定する。一般的に、周波数掃引光源１のコヒーレンス長は数十ｍ程度であり、遅延τ_ａｕｘも同程度のオーダーであるので、この推定は容易である。例えば、パルス法など公知の方法により、おおよその距離を事前に把握しておけばよい。

【0047】

次に、推定距離Ｌにある被測定物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τとして、式（４）を満足する整数Ｍを求める。
（数４）
τ≒Ｍτ_ｒｅｆ （４）

【0048】

さらに、式（３）を用いて位相Ｘ_Ｍ（τ）を計算し、これを用いて周波数掃引光の周波数掃引の非線形性を補正する。これにより、式（２）の原理的には理論分解能を達成することができる。

【0049】

なお、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、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理してもよい。また、本実施形態に係る補助干渉計２１では、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理する構成としたが、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してもよい。

【0050】

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。

【符号の説明】

【0051】

１：周波数掃引光源
２－１、２－２、２－３、２－４、２－５：光カプラ
３：光サーキュレータ
４：レンズ
５：被測定物
６：遅延器
７：光周回伝送路
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
１３：アンプ
２０：主干渉計
２１：補助干渉計
７１：光増幅器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】