特許 7654246 距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-24

(45)【発行日】2025-04-01

(54)【発明の名称】距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/34 20200101AFI20250325BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2021046608

(22)【出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2022145268

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2024-02-06

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「マイクロ光周波数コムの新規制御技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】304020292

【氏名又は名称】国立大学法人徳島大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】弁理士法人白坂

(72)【発明者】

【氏名】久世 直也

【審査官】安井 英己

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１１１１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０１８８０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１０－５０５０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１６６４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１８７５１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０３３３４４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３７７０８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１２３７２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第３５８１９６２（ＥＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／０２０２４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－３１７６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００５１１４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３３１７９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１，

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続波である励起光を照射するレーザ光源装置と、
前記励起光の発振周波数を制御するための電流コントローラと
前記電流コントローラを制御する第１制御装置と、
変調周波数で変調信号を発振するＲＦ発振器と、
前記励起光から得られるキャリア光源が入力され、前記ＲＦ発振器の前記変調信号によって駆動され、前記キャリア光源を抑制し、前記キャリア光源の高周波側に前記変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及び前記キャリア光源の低周波側に前記変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を参照光として出力する電気光学変調器と、
前記ＲＦ発振器の前記変調周波数を制御する第２制御装置と、
前記参照光を対象体に照射したときの散乱光と前記参照光との干渉信号を計測する光検出器と、
前記光検出器によって検出された前記干渉信号から前記対象体までの距離及び前記対象体の速度を計算する計算装置と
を備え、前記第１制御装置による前記電流コントローラの制御によって前記参照光の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引し、前記第２制御装置による前記ＲＦ発振器の制御によって、前記ＲＦ発振器の前記発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引し、
前記第１制御装置による前記電流コントローラの制御及び前記第２制御装置による前記ＲＦ発振器の制御は、互いに同期をとりながら実行され、
前記計算装置は前記干渉信号から前記上側サイドバンドのビート信号の周波数ｆ_{ｂｅａｔ＋}、及び前記下側サイドバンドのビート信号の周波数ｆ_{ｂｅａｔ－}を以下の式

【数1】

【数2】

より算出し、さらに

【数3】

【数4】

の式（ｃは光速、Ｔは前記参照光の周波数のν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまでの掃引時間、Δは周波数変化量の最大値）により前記対象体までの距離τ及び前記対象体の速度Ｖを算出することを特徴とする距離・速度測定装置。

【請求項2】

前記対象体に照射する前記参照光の角度を掃引する角度掃引機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の距離・速度測定装置。

【請求項3】

前記励起光と前記キャリア光源とは互いに同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の距離・速度測定装置。

【請求項4】

前記参照光の周波数の掃引量と前記ＲＦ発振器の前記発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の距離・速度測定装置。

【請求項5】

前記参照光の周波数の掃引量と前記ＲＦ発振器の前記発振周波数の掃引量とを干渉用ＣＷレーザを用いて測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の距離・速度測定装置。

【請求項6】

前記励起光から前記キャリア光源として光周波数コムを生成する光周波数コム発生器と、
前記第１制御装置による前記電流コントローラの制御による前記光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定する周波数変化測定部と、
前記光周波数コムを前記電気光学変調器に入力し、前記光周波数コムの各コムモードについて生成された前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を、前記各コムモードのモード毎に分離し、前記モード毎に分離された前記混合光のそれぞれを前記各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するための第１波長分割多重伝送装置と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の距離・速度測定装置。

【請求項7】

前記光周波数コム発生器は、電気光学変調器から構成されることを特徴とする請求項６に記載の距離・速度測定装置。

【請求項8】

前記光周波数コム発生器は、微小共振器から構成されることを特徴とする請求項６に記載の距離・速度測定装置。

【請求項9】

前記周波数変化測定部はアンバランスマッハツェンダ―干渉計から構成されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の距離・速度測定装置。

【請求項10】

前記周波数変化測定部は前記光周波数コムと干渉用ＣＷレーザとの干渉計から構成されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の距離・速度測定装置。

【請求項11】

前記電気光学変調器は、強度変調器であり、直流バイアス電圧を調整することによってキャリア抑制両側サイドバンド変調するように調整されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の距離・速度測定装置。

【請求項12】

連続波である励起光を照射するステップと、
前記励起光からキャリア光源を得るステップと、
変調周波数で変調信号を発振するＲＦ発振器によって駆動される電気光学変調器に入力し、前記キャリア光源が抑制され、前記キャリア光源の高周波側に前記変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及び前記キャリア光源の低周波側に前記変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を参照光として出力するステップと、
前記参照光を対象体に照射したときの散乱光と前記参照光との干渉信号を計測するステップと、
前記参照光の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引し、前記ＲＦ発振器の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引するステップと、
前記干渉信号から前記上側サイドバンドのビート信号の周波数ｆ_{ｂｅａｔ＋}、及び前記下側サイドバンドのビート信号の周波数ｆ_{ｂｅａｔ－}を以下の式

【数5】

【数6】

より算出するステップと、

【数7】

【数8】

上式（ｃは光速、Ｔは前記参照光の周波数のν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまでの掃引時間、Δは周波数変化量の最大値）により前記対象体までの距離τ及び前記対象体の速度Ｖを算出するステップと
を備えることを特徴とする距離・速度測定方法。

【請求項13】

前記対象体に照射する前記参照光の角度を掃引するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１２に記載の距離・速度測定方法。

【請求項14】

前記励起光と前記キャリア光源とは互いに同一であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の距離・速度測定方法。

【請求項15】

前記参照光の周波数の掃引量と前記ＲＦ発振器の前記発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の距離・速度測定方法。

【請求項16】

前記参照光の周波数の掃引量と前記ＲＦ発振器の前記発振周波数の掃引量とを干渉用ＣＷレーザを用いて測定するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の距離・速度測定方法。

【請求項17】

前記励起光から前記キャリア光源として光周波数コムを生成するステップと、
前記参照光の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引し、前記ＲＦ発振器の前記発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引するステップにおいて、前記光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定するステップと、
前記光周波数コムの各コムモードについて生成された前記上側サイドバンドと前記下側サイドバンドの混合光を、前記各コムモードのモード毎に分離し、前記モード毎に分離された前記混合光のそれぞれを前記各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するステップと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の距離・速度測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法に関し、特に、ＦＭＣＷライダーによる距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

「光検出と測距（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ、ＬｉＤＡＲ）」は、レーザを対象体に照射して散乱光を検出し、対象体までの距離を計測する技術である。その手法の１つに周波数変調ＣＷライダー（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｃｗ ＬｉＤＡＲ、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ）がある。ＦＭＣＷライダーは、周波数変調したＣＷレーザを対象体に照射し、参照光と散乱光の干渉によって生じるビート信号の周波数を測定することによって対象体までの距離及び速度を検出する方法である。

【0003】

図１０、図１１及び図１１を参照して、ＦＭＣＷライダーにより対象体までの距離及び対象体の速度を検出する方法を説明する。図１０に、従来のＦＭＣＷライダーによる距離測定装置１００の構成の一例を示す。ＣＷレーザ光源装置１００１から照射されたＣＷレーザ１００９は、光方向性結合器１００２において参照光１０１０と参照光１０１６とに分離される。参照光１０１０は、サーキュレータ１００３を介して角度掃引機構１００４に入射し、角度掃引機構１００４によって角度αの方向へ照射される。照射された参照光１０１２は角度αの方向に位置する対象体１００５によって散乱し、散乱光１０１３が角度掃引機構１００４に入射する。角度掃引機構１００４に入射した散乱光１０１３は、そのまま散乱光１０１４としてサーキュレータに入力され、散乱光１０１５として出力される。散乱光１０１５は、光方向性結合器１００６によって、参照光１０１６と合流し出力光１０１７として出力される。出力光１０１７の干渉信号を光検出器１００７によって検出し、検出された干渉信号１０１８は計算装置１００８に入力される。角度掃引機構１００４が参照光１０１２を角度αの方向へ照射する状態を保ったまま、ＣＷレーザ光源装置１００１によってＣＷレーザ１００９の周波数を掃引することにより、対象体１００５までの距離が算出される。

【0004】

ＣＷレーザ１００９の周波数掃引の一例として、図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示すように、ＣＷレーザ１００９の周波数を三角波形で時間変化させるとする。対象体１００５が静止しているとき、散乱光１０１５は、参照光１０１６に対して遅れて伝搬するため、出力光１０１７の周波数を掃引したときの周波数変化量は図１１（ｂ）のように表される。散乱光１０１５と参照光１０１６の干渉によりビート信号が生じ、光検出器１００７によって図１１（ｃ）に示すような、ビート信号の周波数ｆ_ｂｅａｔを検出することが出来る。ビート信号の周波数は次式

【0005】

【数1】

のように表されることから、対象体１００５までの距離Ｌを算出することが出来る。ここで、ｃは光速、Ｔは図１１及び図１２に示す三角波形の半周期、Δは図１１及び図１２に示す周波数変化量の最大値である。

【0006】

対象体１００５が移動しているとき、散乱光１０１５は、参照光１０１６に対して遅れて伝搬するが、ドップラーシフトにより、周波数も変化する。図１２（ｂ）に示す例では、周波数が高周波側にシフトしている。ビート信号の周波数は図１２（ｃ）のように表され、次式により対象体１００５までの距離Ｌ及び対象体の速度Ｖを算出することが出来る。

【0007】

【数2】

【0008】

【数3】

【0009】

こういったＦＭＣＷライダーにより対象体までの距離及び速度を検出する方法は、ＣＷレーザの照射角度を掃引しながら、掃引する全ての照射角度においてＣＷレーザの周波数を掃引する必要があるため、測定時間が長くなる。これに対して、ＦＭＣＷライダーにより対象体までの距離及び速度を検出する際の測定時間を短縮する方法が、例えば非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。

【0010】

非特許文献１には、光源としてマイクロコムを使用し、マイクロコムの各コムモードをＣＷレーザ光源とすることにより角度掃引時間を短縮する方法が開示されている。非特許文献１に開示された方法によれば、マイクロコムの各コムモードを、回折光学素子等により各コムモードのコムモード周波数に応じた角度方向に照射し、励起ＣＷレーザ光の周波数と、マイクロコムの共鳴周波数を同時に掃引することによりマイクロコムの周波数掃引を行うことによって、角度掃引時間を短縮することが出来る。

【0011】

図１２を参照しながら説明した方法によれば、移動する対象体の距離及び速度を算出するためには、図１２（ａ）に示すような三角波形状に周波数掃引する場合、図１２では、時間０からＴまで周波数を増加させた後、時間Ｔから２Ｔまで周波数を減少させることによって距離と速度を算出することが出来る。非特許文献２に開示された方法によれば、光源としてキャリア抑制両側サイドバンド変調を使用することにより距離と速度を同時刻に測定することが出来、よって掃引時間を短縮することが出来る。

【0012】

図１３に、非特許文献２に開示された方法による距離、速度測定装置１３０の構成の一例を示す。図１３に示す速度測定装置１３０は、ＣＷレーザ光源装置１００１に電気光学変調器１３０１を接続する点を除き、図１０に示すＦＭＣＷライダーによる距離測定装置１００の構成と同様である。電気光学変調器１３０１は、キャリア、即ちＣＷレーザ１００９を抑制して両側のサイドバンドのみを出力するように調整されるとし、かつ変調周波数がｆ_ｍであるＲＦ発振器１３０２によって駆動されるとする。

【0013】

ＣＷレーザ光源装置１００１から照射された周波数ν_ｃのＣＷレーザ１００９は、電気光学変調器１３０１によって変調を受け、ＣＷレーザ１００９は抑制され、周波数がν_ｃ＋ｆ_ｍとν_ｃ―ｆ_ｍの２つのサイドバンドが生成される。ＲＦ発振器１３０２の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δまでシフトさせることにより、図１４（ａ）に示すように、上側サイドバンド（Ａ）の周波数をν_ｃ＋ｆ_ｍからν_ｃ＋ｆ_ｍ＋Δまで、下側サイドバンド（Ｂ）の周波数をν_ｃ―ｆ_ｍからν_ｃ―（ｆ_ｍ＋Δ）までシフトさせることが出来る。

【0014】

上側サイドバンド（Ａ）及び下側サイドバンド（Ｂ）を静止している対象体に照射したときの散乱光は、図１４（ｂ）の散乱光（Ｃ）及び散乱光（Ｄ）のように、上側サイドバンド（Ａ）及び下側サイドバンド（Ｂ）に対して遅れて伝搬する。上側サイドバンド（Ａ）及び下側サイドバンド（Ｂ）を移動している対象体に照射すると、散乱光は、図１４（ｂ）の散乱光（Ｅ）及び散乱光（Ｆ）のように、ドップラーシフトによって周波数がシフトする。光検出器９０７によって、図１４（ｃ）に示すように、上側サイドバンド（Ａ）と散乱光（Ｅ）とのビート周波数（Ｇ）、及び下側サイドバンド（Ｂ）と散乱光（Ｆ）とのビート周波数（Ｈ）を検出することにより、距離と速度を同時に算出することが出来る。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0015】

【文献】Ｊ．Ｒｉｅｍｅｎｓｂｅｒｇｅｒ，ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，５８１，１６４（２０２０）

【文献】Ｚ．Ｘｕ，ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．２４，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １５，ｐｐ．２２５４－２２５７（２０１７）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

非特許文献２に開示されている方法によると、上側サイドバンド（Ａ）及び下側サイドバンド（Ｂ）を移動している対象体に照射すると、図１３（ｃ）に示すように、ビート周波数（Ｇ）とビート周波数（Ｈ）が互いに異なる値であるため、距離と速度を算出することが出来る。しかしながら、静止している対象体に対しては、上側サイドバンド（Ａ）と散乱光（Ｃ）とのビート周波数と下側サイドバンド（Ｂ）と散乱光（Ｄ）とのビート周波数とが同じ値となり、上側サイドバンド（Ａ）による散乱光と下側サイドバンド（Ｂ）による散乱光が干渉し打ち消しあうことで、光検出器によって信号を検出することが出来ず、距離を算出することが出来なくなる状況が存在する。

【0017】

上記問題点を鑑み、本発明は、静止している対象体、移動している対象体の距離、速度測定のいずれにおいても、計測時間を短縮する、ＦＭＣＷライダーによる距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明の第１の態様は、距離、速度測定装置であって、連続波である励起光を照射するレーザ光源装置と、励起光の発振周波数を制御するための電流コントローラと電流コントローラを制御する第１制御装置と、変調周波数で変調信号を発振するＲＦ発振器と、励起光から得られるキャリア光源が入力され、ＲＦ発振器の変調信号によって駆動され、キャリア光源を抑制し、キャリア光源の高周波側に変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及びキャリア光源の低周波側に変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を参照光として出力する電気光学変調器と、ＲＦ発振器の変調周波数を制御する第２制御装置と、参照光を対象体に照射したときの散乱光と参照光との干渉信号を計測する光検出器と、光検出器によって検出された干渉信号から対象体までの距離及び対象体の速度を計算する計算装置とを備え、第１制御装置による電流コントローラの制御によって参照光の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引し、第２制御装置によるＲＦ発振器の制御によって、ＲＦ発振器の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引し、第１制御装置による電流コントローラの制御及び第２制御装置によるＲＦ発振器の制御は、互いに同期をとりながら実行され、計算装置は干渉信号からビート信号ｆ_{ｂｅａｔ＋}、ｆ_{ｂｅａｔ－}を算出し、さらに

【0019】

【数4】

【0020】

【数5】

の式により対象体までの距離τ及び対象体の速度Ｖを算出することを要旨とする。

【0021】

本発明の第１の態様において、対象体に照射する参照光の角度を掃引する角度掃引機構をさらに備えてもよい。

【0022】

本発明の第１の態様において、励起光と前記キャリア光源とは互いに同一であってもよい。

【0023】

本発明の第１の態様において、参照光の周波数の掃引量とＲＦ発振器の発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定してもよい。

【0024】

本発明の第１の態様において、参照光の周波数の掃引量とＲＦ発振器の発振周波数の掃引量とを干渉用ＣＷレーザを用いて測定してもよい。

【0025】

本発明の第１の態様において、励起光からキャリア光源として光周波数コムを生成する光周波数コム発生器と、第１制御装置による電流コントローラの制御による光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定する周波数変化測定部と、光周波数コムを電気光学変調器に入力し、光周波数コムの各コムモードについて生成された上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を、各コムモードのモード毎に分離し、モード毎に分離された混合光のそれぞれを各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するための第１波長分割多重伝送装置とをさらに備えてもよい。

【0026】

本発明の第１の態様において、光周波数コム発生器は、電気光学変調器から構成されてもよい。

【0027】

本発明の第１の態様において、光周波数コム発生器は、微小共振器から構成されてもよい。

【0028】

本発明の第１の態様において、周波数変化測定部はアンバランスマッハツェンダ―干渉計から構成されてもよい。

【0029】

本発明の第１の態様において、周波数変化測定部は光周波数コムと干渉用ＣＷレーザとの干渉計から構成されてもよい。

【0030】

本発明の第１の態様において、強度変調器であり、直流バイアス電圧を調整することによってキャリア抑制両側サイドバンド変調するように調整されてもよい。

【0031】

本発明の第２の態様は、距離、速度測定方法であって、連続波である励起光を照射するステップと、励起光からキャリア光源を得るステップと、変調周波数で変調信号を発振するＲＦ発振器によって駆動される電気光学変調器に入力し、キャリア光源が抑制され、キャリア光源の高周波側に変調周波数だけシフトした上側サイドバンド及びキャリア光源の低周波側に変調周波数だけシフトした下側サイドバンドを生成し、上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を参照光として出力するステップと、参照光を対象体に照射したときの散乱光と参照光との干渉信号を計測するステップと、参照光の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引し、ＲＦ発振器の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引するステップと、干渉信号からビート信号ｆ_{ｂｅａｔ＋}、ｆ_{ｂｅａｔ－}を算出するステップと、

【0032】

【数6】

【0033】

【数7】

上式により対象体までの距離τ及び対象体の速度Ｖを算出するステップとを備えることを要旨とする。

【0034】

本発明の第２の態様において、対象体に照射する参照光の角度を掃引するステップをさらに備えてもよい。

【0035】

本発明の第２の態様において、励起光とキャリア光源とは互いに同一であってもよい。

【0036】

参照光の周波数の掃引量とＲＦ発振器の発振周波数の掃引量とをアンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて測定するステップをさらに備えてもよい。

【0037】

参照光の周波数の掃引量とＲＦ発振器の発振周波数の掃引量とを干渉用ＣＷレーザを用いて測定するステップをさらに備えてもよい。

【0038】

本発明の第２の態様において、励起光から前記キャリア光源として光周波数コムを生成するステップと、参照光の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引し、ＲＦ発振器の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引するステップにおいて、光周波数コムのコムモード周波数の掃引量を測定するステップと、光周波数コムの各コムモードについて生成された上側サイドバンドと下側サイドバンドの混合光を、各コムモードのモード毎に分離し、モード毎に分離された混合光のそれぞれを各コムモードのモード周波数に応じた角度で照射するステップとをさらに備えてもよい。

【発明の効果】

【0039】

本発明によれば、静止している対象体、移動している対象体の距離、速度測定のいずれにおいても、短時間での計測を可能とする、ＦＭＣＷライダーによる距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】第１の実施形態に係る距離、速度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係る距離、速度測定装置による参照光、散乱光の上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数及びビート周波数の時間変化を示すグラフであり、（ａ）及び（ｂ）は上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数、（ｃ）はビート周波数に対するグラフである。

【図3】第２の実施形態に係る距離、速度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図4】第２の実施形態に係る距離、速度測定装置のライダー部の構成の一例を示すブロック図である。

【図5】光周波数コム発生器として電気光学変調器を使用する場合の、周波数変化測定部の構成の一例を示すブロック図である。

【図6】光周波数コム発生器として微小共振器を使用する場合の、周波数変化測定部の構成の一例を示すブロック図である。

【図7】実験を行った距離、速度測定装置の構成を示すブロック図である。

【図8】観測された上側サイドバンドと下側サイドバンドの周波数の時間変化を示すグラフである。

【図9】観測されたビート信号を示すグラフである。

【図10】従来のＦＭＣＷライダーによる距離測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図11】対象体が静止しているときの従来のＦＭＣＷライダーによる参照光、散乱光及びビート周波数の変化量を示すグラフであり、（ａ）は参照光、（ｂ）は参照光と散乱光、（ｃ）はビート周波数に対するグラフである。

【図12】対象体が移動しているときの従来のＦＭＣＷライダーによる参照光、散乱光及びビート周波数の変化量を示すグラフであり、（ａ）は参照光、（ｂ）は参照光と散乱光、（ｃ）はビート周波数に対するグラフである。

【図13】非特許文献２に開示された方法による距離、速度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図14】非特許文献２に開示された方法による距離、速度測定装置の参照光、散乱光の上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数及びビート周波数の時間変化を示すグラフであり、（ａ）及び（ｂ）は上側サイドバンド周波数、下側サイドバンド周波数、（ｃ）はビート周波数に対するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0041】

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。実施形態に係る図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

【0042】

又、実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、各構成要素の構成や配置、レイアウト等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

【0043】

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法を図１を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態に係る距離、速度測定装置１０は、ＣＷレーザ光源装置１０１と、電気光学変調器１０２と、ＲＦ発振器１０３と、電流コントローラ１０４と、第１制御装置１０５と、第２制御装置１０６と、第１光方向性結合器１０７と、サーキュレータ１０８と、角度掃引機構１０９と、第２光方向性結合器１１０と、光検出器１１１と、計算装置１１２とから構成される。

【0044】

ＣＷレーザ光源装置１０１から、周波数がν_ｃであるＣＷレーザ１１３をキャリア抑制両側サイドバンド変調するように設定された電気光学変調器１０２に入射する。電気光学変調器１０２は、変調周波数がｆ_ｍであるＲＦ発振器１０３によって駆動される。キャリア抑制両側サイドバンド変調とは、キャリア光源を入力すると、キャリア光源は抑制し、キャリア光源の周波数から高周波側及び低周波側に変調周波数分シフトした周波数を有する２つのサイドバンドを生成し、出力する変調である。電気光学変調器１０２としては、特に強度変調器が好適であり、この場合、直流バイアス電圧を調整することによってキャリア抑制両側サイドバンド変調するように調整される。電気光学変調器１０２によって、キャリア光源であるＣＷレーザ１１３は抑制され、ＣＷレーザ１１３の周波数ν_ｃの高周波側及び低周波側にｆ_ｍだけシフトした周波数を有する２つのサイドバンドが生成される。

【0045】

電気光学変調器１０２によって生成された２つのサイドバンドの混合光１１４を、２つの参照光１１５、１１６に分け、参照光１１５を対象体１２４に照射し、散乱光と参照光の干渉を光検出器によって検出して対象体までの距離を算出する点は、以下に述べるように、従来のＦＭＣＷライダーと同様である。

【0046】

２つのサイドバンドの混合光１１４は、第１光方向性結合器１０７において参照光１１５と参照光１１６とに分離される。参照光１１５はサーキュレータ１０８に入力され、参照光１１７として出力される。角度掃引機構１０９に入力された参照光１１７は、角度掃引機構１０９の出力孔から見て角度αの方向へ照射され、照射された参照光１１８は角度αの方向に位置する対象体１２４によって散乱し、散乱光１１９が角度掃引機構１０９に入射する。入射した散乱光１２０はサーキュレータ１０８及び第２光方向性結合器１１０によって、参照光１１６と合流し、出力光１２２として出力される。出力光１２２の干渉信号を光検出器１１１によって検出し、干渉信号１２３は計算装置１１２に入力される。

【0047】

非特許文献２に開示されている方法では、ＲＦ発振器１２０２の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δまで掃引し、図１３（ｃ）に示すように、上側サイドバンド（Ａ）と散乱光（Ｅ）とのビート周波数（Ｇ）、及び下側サイドバンド（Ｂ）と散乱光（Ｆ）とのビート周波数（Ｈ）を検出し、距離と速度を同時に算出する。この方法によれば、静止している対象体に対して、上側サイドバンド（Ａ）と散乱光（Ｃ）とのビート周波数と下側サイドバンド（Ｂ）と散乱光（Ｄ）とのビート周波数とが同じ値となり、距離を算出することが出来ない状況が存在する。

【0048】

本実施形態においては、ＲＦ発振器１０３の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引すると同時に、ＣＷレーザ光源装置１０１から照射するＣＷレーザ１１３の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引する。図２（ａ）に示すように、電気光学変調器１０２によって生成された上側サイドバンド（Ｉ）の周波数はν_ｃ＋ｆ_ｍからν_ｃ＋ｆ_ｍ＋Δ＋Δ_ＣＷまで、下側サイドバンド（Ｊ）の周波数はν_ｃ―ｆ_ｍからν_ｃ―（ｆ_ｍ＋Δ）＋Δ_ＣＷまで変化する。上側サイドバンド（Ｉ）及び下側サイドバンド（Ｊ）を静止している対象体に照射したときの散乱光は、図２（ｂ）の散乱光（Ｋ）及び散乱光（Ｌ）、移動している対象体に照射したときの散乱光は、図２（ｂ）の散乱光（Ｍ）及び散乱光（Ｎ）となる。

【0049】

非特許文献２に開示されている方法では、上側サイドバンド（Ａ）と散乱光（Ｃ）とのビート周波数と下側サイドバンド（Ｂ）と散乱光（Ｄ）とのビート周波数とが同じ値となり、距離を算出することが出来ない場合があるのに対して、本実施形態では、上側サイドバンド（Ｉ）と下側サイドバンド（Ｊ）のビート周波数が互いに異なるため、対象体が静止している場合においても、距離を算出することが出来る。

【0050】

図２（ｃ）に示すように、対象体が静止しているとき、移動しているときのいずれにおいても、上側サイドバンドのビート周波数（Ｏ）と下側サイドバンドのビート周波数（Ｐ）が互いに異なり、次式のように表すことが出来る。

【0051】

【数8】

【0052】

【数9】

したがって、対象体が静止しているときは対象体までの距離を、対象体が移動しているときは対象体までの距離及び対象体の速度を次式より算出することが出来る。

【0053】

【数10】

【0054】

【数11】

【0055】

上式により得られる距離及び速度は、角度掃引機構１０９によって参照光１１５を所定の角度の方向へ照射した際に、角度掃引機構１０９から所定の角度方向に位置する対象体までの距離及び対象体の速度である。本実施形態における一連の距離、速度測定は、角度掃引機構１０９によって参照光１１５の照射角の角度掃引を行い、各角度において、上式による距離及び速度測定を行う。

【0056】

本実施形態において、電気光学変調器１０２としては、特に強度変調器を使用し、キャリア抑制両側サイドバンド変調が可能となるように直流バイアス電圧を調整する。ＲＦ発振器１０３としては、例えば電圧制御発振器を使用する。第２制御装置１０６によってＲＦ発振器１０３が発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引するように制御する。ＣＷレーザ光源装置１０１には電流コントローラ１０４を接続し、さらに電流コントローラ１０４に第１制御装置１０５を接続する。第１制御装置１０５によって電流コントローラ１０４を制御し、ＣＷレーザ光源装置１０１から照射するＣＷレーザ１１３の周波数をν_ｃからν_ｃ＋Δ_ＣＷまで掃引する。

【0057】

ＣＷレーザの周波数掃引量と、ＲＦ発振器の周波数掃引量の測定方法としては、例えば、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用する方法や、ＣＷレーザ及び上側サイドバンドと干渉させるための干渉用ＣＷレーザを用意し、干渉用ＣＷレーザとＣＷレーザとの干渉と、干渉用ＣＷレーザと上側サイドバンドとの干渉をそれぞれ光検出器によって検出し、その周波数差を測定する方法が挙げられる。

【0058】

ＣＷレーザの周波数掃引量とＲＦ発振器の周波数掃引量の測定を、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて行う場合、本実施形態においては、ＣＷレーザ１１３を図示しない周波数掃引量測定用アンバランスマッハツェンダ―干渉計を用いて２つに分岐させ、光路長の異なる２つの光路を伝搬させたのち重ね合わせ、干渉による干渉信号を光検出器によって検出し、ＣＷレーザ１１３の周波数変化による干渉信号の位相の変化を測定することによりＣＷレーザの周波数掃引量を測定する。ＲＦ発振器の周波数掃引量の測定についても同様に、２つのサイドバンドの混合光１１４のうちのいずれかのサイドバンドの、図示しないアンバランスマッハツェンダ―干渉計によって生じる干渉の干渉信号を光検出器によって検出することによりＲＦ発振器の周波数掃引量を測定する。なお、ＣＷレーザの周波数掃引量を測定するための図示しないアンバランスマッハツェンダ―干渉計と、ＲＦ発振器の周波数掃引量を測定するための図示しないアンバランスマッハツェンダ―干渉計とは、互いに異なる干渉計であってもよく、また、互いに同一の干渉計であってもよい。互いに同一の干渉計である場合は、ＣＷレーザ１１３と、２つのサイドバンドの混合光１１４のうちのいずれかのサイドバンドとを、それぞれ、周波数掃引量測定用アンバランスマッハツェンダ―干渉計の対抗する入力端子から入力させる。

【0059】

ＣＷレーザの周波数掃引量とＲＦ発振器の周波数掃引量の測定を、干渉用ＣＷレーザを用いて行う場合、本実施形態においては、ＣＷレーザ１１３とは別の、ＣＷレーザ１１３と干渉させるための図示しない干渉用ＣＷレーザを用意し、ＣＷレーザ１１３と干渉用ＣＷレーザとの干渉による干渉信号を光検出器によって検出し、ＣＷレーザ１１３の周波数変化による干渉信号の位相の変化を測定することによりＣＷレーザの周波数掃引量を測定する。ＲＦ発振器の周波数掃引量の測定についても同様に、２つのサイドバンドの混合光１１４のうちのいずれかのサイドバンドと、図示しない干渉用ＣＷレーザとの干渉の干渉信号を光検出器によって検出することによりＲＦ発振器の周波数掃引量を測定する。なお、ＣＷレーザ１１３と干渉させるための図示しない干渉用ＣＷレーザと、２つのサイドバンドの混合光１１４のうちのいずれかのサイドバンドと干渉させるための図示しない干渉用ＣＷレーザとは、互いに異なるレーザであってもよく、また、互いに同一のレーザであってもよい。互いに同一のレーザである場合は、図示しない干渉用ＣＷレーザを２つに分岐させ、一方をＣＷレーザ１１３と干渉させ、もう一方をサイドバンドと干渉させる。

【0060】

図２（ａ）に示すように、ＲＦ発振器１０３の発振周波数の掃引とＣＷレーザ１１３の周波数の掃引は同じ周期で行う必要があるため、第１制御装置１０５と第２制御装置１０６による制御は、互いに同期をとりながら実行される。第１制御装置１０５による電流コントローラ１０４の制御及び第２制御装置１０６によるＲＦ発振器１０３の制御は、ＣＷレーザ１１３の周波数及びＲＦ発振器１１０２の発振周波数が、例えばのこぎり波形状となるように、実行される。

【0061】

以上述べたように、本実施形態に係る距離、速度測定装置及び距離、速度測定方法によれば、対象体が静止しているときは対象体までの距離を、対象体が移動しているときは対象体までの距離及び対象体の速度を測定する時間を短縮することが出来る。

【0062】

（第２の実施形態）
第１の実施形態において、ＣＷレーザ光源装置からＣＷレーザを電気光学変調器に入射した。本実施形態では、電気光学変調器に、ＣＷレーザの代わりに光周波数コムを入射することにより、距離及び速度の測定時間をさらに短縮する。

【0063】

本実施形態に係る距離、速度測定装置３０の構成の一例を図３に示す。図３に示すように、本実施形態に係る距離、速度測定装置３０は、ＣＷレーザ光源装置３０１と、光周波数コム発生器３０２と、電気光学変調器３０３と、ＲＦ発振器３０４と、電流コントローラ３０５と、第１制御装置３０６と、第２制御装置３０７と、第１光方向性結合器３０８と、第２光方向性結合器３０９と、ライダー部３１０と、周波数変化測定部３１１とから構成される。

【0064】

光周波数コム発生器３０２としては、例えば電気光学変調器や微小共振器が挙げられる。光周波数コム発生器３０２として電気光学変調器を用いる場合、ＣＷレーザ光源装置３０１からＣＷレーザを電気光学変調器に入力し、変調を加えることによってサイドバンド、即ち光周波数コムを発生させる。光周波数コム発生器３０２として微小共振器を用いる場合、ＣＷレーザ光源装置３０１からＣＷレーザを導波路を介して導波路に光結合された微小共振器に入力し、光周波数コムを発生させる。

【0065】

電気光学変調器や微小共振器による光周波数コムは、コムモード周波数の間隔が１０ＧＨｚ－１ＴＨｚ程度と、モードロックファイバレーザ等の従来の光周波数コムのコム間隔が１００ＭＨｚ－１ＧＨｚ程度であるのと比較して広い。本実施形態においては、後述するように、光周波数コムの各コムモードは互いに分離して、各コムモードを複数のＣＷレーザとして使用し、更に各コムモードのコムモード周波数を掃引することから、光周波数コムのコム間隔が広いほうが望ましく、コム間隔の観点からは、光周波数コム発生器３０２として電気光学変調器や微小共振器を使用するのが望ましい。

【0066】

ＣＷレーザ光源装置３０１からＣＷレーザ３１２を光周波数コム発生器３０２に入力させ、光周波数コム３１３を生成させる。光周波数コム発生器３０２において生成された光周波数コム３１３は、第１光方向性結合器３０８によって光周波数コム３１４と光周波数コム３１７に分離され、光周波数コム３１４が電気光学変調器３０３に入力される。電気光学変調器３０３は、第１の実施形態と同様、変調周波数がｆ_ｍであるＲＦ発振器３０４によって駆動され、かつキャリア抑制両側サイドバンド変調するように設定されている。光周波数コム３１４を電気光学変調器３０３に入力すると、キャリア光源である光周波数コム３１４は抑制され、光周波数コム３１４の複数のコムモードのそれぞれに対して、各コムモードのコムモード周波数の高周波側及び低周波側にｆ_ｍだけシフトした周波数を有する２つのサイドバンドが生成される。光周波数コム３１４がｎ個のコムモードから構成されるとすると、電気光学変調器３０３によってｎ個のコムモードは抑制され、ｎ個のコムモードのそれぞれに対して２個ずつ、即ち２ｎ個のサイドバンドが生成される。電気光学変調器３０３によって生成された２ｎ個のサイドバンドは、参照光３１５として第２光方向性結合器３０９に入力され、参照光３１６と参照光３１８に分離され、参照光３１６はライダー部３１０に入力される。

【0067】

ライダー部３１０の構成の一例を図４に示す。図４に示すライダー部３１０は、第３光方向性結合器４０１と、サーキュレータ４０２と、第１波長分割多重伝送（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＷＤＭ）装置４０３と、第４光方向性結合器４０４と、第２波長分割多重伝送（ＷＤＭ）装置４０５と、第１～第ｎ光検出器４０６１～４０６ｎと、計算装置４０７とから構成される。

【0068】

参照光３１６は、第３光方向性結合器４０１において参照光４０８と参照光４０９とに分離される。参照光４０８は、サーキュレータ４０２を介して第１波長分割多重伝送装置４０３に入力される。第１波長分割多重伝送装置４０３において、２ｎ個のサイドバンドは、各コムモードの上側サイドバンド及び下側サイドバンドを１組として、ｎ個のサイドバンドの組に分離され、各サイドバンドの周波数に応じた角度方向に照射される。

【0069】

各サイドバンドは、それぞれの周波数に応じた角度方向に位置する対象体４１０によって散乱される。各サイドバンドの散乱光は、第１波長分割多重伝送装置４０３によって散乱光４１１として合流し、サーキュレータ４０２及び第４光方向性結合器４０４によって参照光４０９と合流し、出力光４１２として出力される。出力光４１２は第２波長分割多重伝送装置４０５によって再度ｎ個のサイドバンドの組に分離される。それぞれのサイドバンドの組の干渉信号４１３１～４１３ｎは第１～第ｎ光検出器４０６１～４０６ｎによって検出され、計算装置４０７に入力される。

【0070】

本実施形態においては、ＲＦ発振器３０４の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引すると同時に、光周波数コム３１３の各コムモード周波数をν_ｐからν_ｐ＋Δ_ｐまで掃引する。ここで、ν_ｐはｐ番目のコムモードのコムモード周波数とする。ＲＦ発振器３０４の発振周波数の掃引と光周波数コム３１３の各コムモード周波数の掃引が同じ周期である必要があるため、第１制御装置３０６と第２制御装置３０７による制御は、互いに同期をとりながら実行される。

【0071】

光周波数コム３１３の周波数掃引は、光周波数コム発生器３０２として電気光学変調器を使用する場合、第１制御装置３０６によって電流コントローラ３０５を制御することにより、電流コントローラ３０５に接続されたＣＷレーザ光源装置３０１から電気光学変調器に入力されるＣＷレーザの周波数を掃引することによって行う。光周波数コム発生器３０２として微小共振器を使用する場合、微小共振器の共鳴周波数をマイクロヒータ、圧電素子等により制御し、微小共振器の共鳴周波数の制御に同期して、第１制御装置３０６によって電流コントローラ３０５を制御することでＣＷレーザの周波数を制御し、光周波数コム３１３の周波数掃引を行う。ただし、周波数掃引範囲が小さい場合は電流コントローラ３０５を制御することで、ＣＷレーザーの周波数を制御するだけでよい。

【0072】

光周波数コム３１３の周波数掃引量は、周波数変化測定部３１１を用いて測定する。各コムモードをＦＭＣＷライダーの光キャリアとして使用するため、周波数掃引されている全てのコムモードの周波数掃引量を同時に測定する必要がある。

【0073】

掃引されるコムモードの周波数掃引量の測定は、例えば、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用する方法や、コムモードと干渉させるための干渉用ＣＷレーザを使用する方法が挙げられる。掃引されるコムモードの周波数掃引量の測定を、干渉用ＣＷレーザを用いて行う場合、コムモードと干渉させるための干渉用ＣＷレーザを用意し、干渉用ＣＷレーザとコムモードを干渉させて、干渉信号を光検出器によって検出し、コムモードの周波数の周波数変化による干渉信号の位相の変化量を測定することにより周波数掃引量を測定する。本実施形態においては、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用してコムモードの周波数掃引量の測定を行う。

【0074】

本実施形態において、アンバランスマッハツェンダ―干渉計を使用してコムモードの周波数掃引量の測定を行う際、光周波数コム発生器３０２として電気光学変調器を使用する場合と、微小共振器を使用する場合とでは、測定方法が互いに異なる。

【0075】

光周波数コム発生器３０２として電気光学変調器を使用する場合の、本実施形態に係る周波数変化測定部３１１を周波数変化測定部３１１１として、その一例を図５に示す。図５に示す周波数変化測定部３１１は２波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計５０１と、第１光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５０２、第２光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５０３、第１光検出器５０４、第２光検出器５０５とから構成される。２波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計５０１は、互いに光路長の異なる第１導波路５０６と、第２導波路５０７と、第５光方向性結合器５０８と、第６光方向性結合器５０９とから構成される。

【0076】

光周波数コム発生器３０２において生成された光周波数コム３１３は、第１光方向性結合器３０８に入力され、光周波数コム３１４と光周波数コム３１７に分離され、光周波数コム３１７は周波数変化測定部３１１に入力される。光周波数コム３１７は、参照光５１０として第１導波路５０６を、参照光５１１として第２導波路５０７を伝搬し、第６光方向性結合器５０９において合流し、出力光５１２が出力される。第１光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５０２によって出力光５１２のｐ番目のコムモードのみを出力光５１３として透過させ、第１光検出器５０４によって出力光５１３の干渉信号が検出される。

【0077】

電気光学変調器３０３によって生成された２ｎ個のサイドバンドは、参照光３１５として第２光方向性結合器３０９に入力され、参照光３１６と参照光３１８に分離され、参照光３１８は周波数変化測定部３１１に入力される。参照光３１８は、光周波数コム３１７と同様、第１導波路５０６及び第２導波路５０７を伝搬し、第１光方向性結合器３０８から出力光５１６として出力される。第２光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５０３によって出力光５１６のｑ番目のコムモードの上側サイドバンドのみを出力光５１７として透過させ、第２光検出器５０５によって出力光５１７の干渉信号が検出される。第２光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５０３は、出力光５１６のｑ番目のコムモードの上側サイドバンドのみを透過させるように設定されるものとしたが、出力光５１６のｑ番目のコムモードの下 側サイドバンドを透過させるように設定されるものとしてもかまわない。

【0078】

光周波数コム３１３がｎ個のコムから構成されるとして、光周波数コム３１３が電気光学変調器３０３に入力されることによって生成された２ｎ個のサイドバンドのうち、光周波数コム３１３のＣＷレーザ３１２から数えてｑ番目のコムから生成されたサイドバンドの、上側サイドバンドの周波数ν_ｑ＋及び下側サイドバンドの周波数ν_ｑ―は、

【0079】

【数12】

【0080】

【数13】

で表すことが出来る。Δ_ＣＷとΔ_ｍを求めることによって、電気光学変調器３０３によって生成された２ｎ個のサイドバンドのうち、全てのサイドバンドの周波数を算出することが出来る。

【0081】

図５に示す周波数変化測定部３１１１を用いた場合、光周波数コム３１７のｓ番目のコムモードの周波数は、

【0082】

【数14】

で表される。光周波数コム３１７の周波数変化量Δν_ｓと、第１光検出器５０４によって検出された出力光５１３の干渉信号の位相の変化量Δφは、

【0083】

【数15】

で表されることから、出力光５１３の干渉信号の位相の変化量Δφを計測することで、光周波数コム３１７の周波数変化量Δν_ｓ、即ちΔ_ＣＷを求めることが出来る。ここで、τは、２波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計５０１による、参照光３１８の光周波数コム３１７に対する遅延時間である。

【0084】

参照光３１８のＣＷレーザ３１２から数えてｑ番目のコムから生成されたサイドバンドの、上側サイドバンドの周波数ν_ｑ＋は（式１２）のように表されることから、光周波数コム３１７の周波数変化量Δν_ｓ、即ちΔ_ＣＷを求める手順と同様の手順で、参照光３１８の周波数変化量Δ_ＣＷ＋Δ_ｍ、即ちΔ_ｍを求めることが出来る。

【0085】

光周波数コム発生器３０２として微小共振器を使用する場合の、本実施形態に係る周波数変化測定部３１１を周波数変化測定部３１１２として、その一例を図６に示す。図６に示す周波数変化測定部３１１２は、図５に示す周波数変化測定部３１１１と比較すると、第５光方向性結合器５０８には第５光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０３及び第５光検出器６０６が、第６光方向性結合器５０９には第３光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０１、第４光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０２、第３光検出器６０４及び第４光検出器６０５が接続されている点が異なっている。

【0086】

光周波数コム３１７は第５光方向性結合器５０８によって参照光５１０と参照光５１１とに分離され、参照光５１０は第１導波路５０６を、参照光５１１は第２導波路５０７を伝搬し、第６光方向性結合器５０９において合流し、出力光６０６及び出力光６０７が出力され、出力光６０６が第３光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０１に、出力光６０７が第４光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０２に入力される。第３光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０１によって出力光６０６のｐ番目のコムモードのみを出力光６０９として透過させ、第３光検出器６０４によって出力光６０９の干渉信号が検出される。第４光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０２によって出力光６０７のｑ番目のコムモードのみを出力光６１０として透過させ、第４光検出器６０５によって出力光６１０の干渉信号が検出される。ただし、ｐ≠ｑである。

【0087】

参照光３１８についても、光周波数コム３１７と同様、第５光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０３によって出力光６０８のｒ番目のコムモードの上側サイドバンドのみを出力光６１１として透過させ、第５光検出器６０６によって出力光６１１の干渉信号が検出される。

【0088】

光周波数コム３１３が電気光学変調器３０３に入力されることによって生成された２ｎ個のサイドバンドのうち、光周波数コム３１３のＣＷレーザ３１２から数えてｒ番目のコムから生成されたサイドバンドの、上側サイドバンドの周波数ν_ｒ＋及び下側サイドバンドの周波数ν_ｒ―は、

【0089】

【数16】

【0090】

【数17】

で表すことが出来る。ただし、Δ_ｒｅｐはＣＷレーザ３１２の変化に伴って生じるコムモード間隔の変化量である。Δ_ＣＷ、Δ_ｍ、及びΔ_ｒｅｐを求めることによって、電気光学変調器３０３によって生成された２ｎ個のサイドバンドのうち、全てのサイドバンドの周波数を算出することが出来る。

【0091】

図６に示す周波数変化測定部３１１２を用いた場合、出力光６０９及び出力光６１０の干渉信号から、Δ_ＣＷ及びΔ_ｒｅｐを求めることが出来る。さらに、出力光６１１の干渉信号から、Δ_ｍを求めることが出来る。

【0092】

ＲＦ発振器３０４の発振周波数をｆ_ｍからｆ_ｍ＋Δ_ｍまで掃引すると同時に、光周波数コム３１３の各コムモード周波数をν_ｐからν_ｐ＋Δ_ｐまで掃引し、ライダー部３１０の第１～第ｎ光検出器４０６１～４０６ｎによって検出された干渉信号４１３１～４１３ｎから、第１の実施形態と同様、第１波長分割多重伝送装置４０３から光周波数コム３１３の各サイドバンドの周波数に応じた角度方向に位置する対象体までの距離と対象体の速度を算出することが出来る。

【0093】

以上により得られる距離及び速度は、光周波数コム３１３の各サイドバンドの周波数に応じた角度方向に位置する対象体までの距離及び対象体の速度である。本実施形態における一連の距離、速度測定は、光周波数コム３１３のコムモード周波数を掃引することによって、参照光４０８の照射角の角度掃引を行い、各角度において、上式による距離及び速度測定を行う。

【0094】

本実施形態の距離、速度測定装置を使用して、静止している対象体、移動している対象体の距離と速度の算出を実際に行った。この実験の構成の一部を図７に示す。本実験では、図３に示す光周波数コム発生器３０２として微小共振器７０２を使用した。また、簡単のために、光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７１１によって、微小共振器７０２において生成された光周波数コム７１５のｎ本のコムモードのうち１本のコムモード７１６のみを取り出して、コムモード６１６に対してのみ距離と速度の算出を行った。図７には、図３に示すライダー部３１０と周波数変化測定部３１１は示していない。また、微小共振器７０２の共鳴周波数を変えるための、例えばマイクロヒータ等の機構は図７には図示されていない。

【0095】

図８に、観測された上側サイドバンドと下側サイドバンドの周波数の時間変化を示す。また、図９に、静止している対象体、移動している対象体に対する観測されたビート信号を示す。図９に示すように、静止している対象体、移動している対象体のいずれに対してもビート周波数を観測出来た。また、図８に示すように、上側サイドバンドと下側サイドバンドとで互いに異なる周波数変化が観測された。

【0096】

静止している対象体、移動している対象体のビート周波数を使用して算出した距離と速度を次の表に示す。静止している対象体、移動している対象体のそれぞれの距離はほぼ同じ値を示し、速度の値は５０倍程度の差となった。従って、本実施形態の距離、速度測定装置によって、静止している対象体が静止状態であり、移動している対象体は動作している状態であると認識することが出来た。また、定量的に値を算出することが出来た。

【0097】

【表1】

【0098】

以上、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0099】

１０、３０、９０、１３０ 距離、速度測定装置
１０１、３０１、７０１、１００１ ＣＷレーザ光源装置
１０２、３０３、７０３、１３０１ 電気光学変調器
１０３、３０４、７０４、１３０２ ＲＦ発振器
１０４、３０５、７０５ 電流コントローラ
１０５、３０６、７０６ 第１制御装置
１０６、３０７、７０７ 第２制御装置
１０７、３０８ 第１光方向性結合器
１０８、４０２、１００３ サーキュレータ
１０９、１００４ 角度掃引機構
１１０、３０９ 第２光方向性結合器
１１１、７１２、１００７ 光検出器
１１２、４０７、７１３、１００８ 計算装置
１１３、３１２、７１４、１００９ ＣＷレーザ
１１４ 混合光
１１５～１１８、３１５、３１６、３１８、４０８、４０９、５１０、５１１、１０１０～１０１２、１０１６ 参照光
１１９～１２１、４１１、１０１３、１０１４ 散乱光
１２２、４１２、５１２、５１３、５１６、５１７、６０６～６１１、１０１７ 出力光
１２３、４１３１～４１３ｎ、１０１８ 干渉信号
１２４、４１０、１００５ 対象体
３０２ 光周波数コム発生器
３１０ ライダー部
３１１、３１１１、３１１２ 周波数変化測定部
３１３、３１４、３１７、６１５ 光周波数コム
４０１ 第３光方向性結合器
４０３ 第１波長分割多重伝送装置
４０４ 第４光方向性結合器
４０５ 第２波長分割多重伝送装置
４０６１～４０６ｎ 第１～第ｎ光検出器
５０１ ２波長アンバランスマッハツェンダ―干渉計
５０２ 第１光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
５０３ 第２光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
５０４ 第１光検出器
５０５ 第２光検出器
５０６ 第１導波路
５０７ 第２導波路
５０８ 第５光方向性結合器
５０９ 第６光方向性結合器
６０１ 第３光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
６０２ 第４光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
６０３ 第５光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
６０４ 第３光検出器
６０５ 第４光検出器
６０６ 第５光検出器
７０２ 微小共振器
７１１ コムモード
１００２、１００６ 光方向性結合器

【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】