(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントビームを生成するように構成されたコヒーレント光源；
前記コヒーレントビームを連続的に変調して変調ビームを生成するように構成された第１および第２の変調器；
前記変調ビームを増幅するように構成された光増幅器；
第１の光ファイバーを介して前記増幅されたビームを受信するように構成されたトランシーバであって、前記増幅されたビームをさらに増幅するように構成された増幅器を含み、および前記さらに増幅された光をターゲット領域に送信しかつ前記ターゲット領域からの反射光を受信するように構成されているトランシーバ；および
前記トランシーバに第２の光ファイバーを介して結合され、かつ前記コヒーレント光源に第３の光ファイバーを介して結合された受信器であって、
前記トランシーバからの前記反射光を受信し、
前記コヒーレント光源からの参照光を受信し、そして
前記反射光および前記参照光に基づいてドップラーシフトを求める
ように構成された受信器
を含む速度計。
【請求項２】
さらに、前記コヒーレント光源と前記トランシーバとの間に配置されかつ前記コヒーレント光源からの光に周波数シフトを加えるように構成された周波数シフターを含む、請求項１に記載の速度計。
【請求項３】
さらに、
前記光増幅器からの光をｎ個のビーム（ｎは正の整数である）に分割するように構成されたスプリッタ；および
ｎ個の前記トランシーバおよびｎ個の前記第１の光ファイバー
を含み、前記ｎ個のトランシーバが、前記ｎ個の光ファイバーを介して前記ｎ個の増幅されたビームのそれぞれを受信して前記ｎ個の増幅されたビームをさらに増幅し、かつ前記ｎ個のさらに増幅されたビームを前記ターゲット領域に対して送受信するように構成されている、請求項１または２に記載の速度計。
【請求項４】
前記光増幅器および前記増幅器の少なくとも一方が、希土類ドープトファイバーで構成されている、請求項１、２または３に記載の速度計。
【請求項５】
前記受信器が、前記ドップラーシフトを求めるように構成された信号プロセッサを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項６】
受信器がさらに、前記求めたドップラーシフトに基づいて、前記ターゲット領域における１つ以上の物体の速度を求めるように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項７】
前記受信器がさらに、前記トランシーバの動きを計算することによって前記求めた速度を調整するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項８】
前記受信器がさらに、前記動きを求めるように構成された、高度および機首方位基準装置、慣性測定装置、全地球測位システム、または対地速度検出装置を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項９】
前記トランシーバがさらに、前記さらに増幅された光を送信位置においてレンズを通して送信することを可能にしかつ受信位置において前記レンズを通して前記反射光を受信することを可能にするように構成されたスイッチを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項１０】
前記速度計およびトランシーバの少なくとも一方が携帯端末として配置されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項１１】
前記コヒーレント光源が、受信した前記トランシーバの運転状態に基づいて動作するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項１２】
前記トランシーバが、前記さらに増幅された光の連続光を前記トランシーバから異なる範囲に連続的に送信するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項１３】
前記ドップラーシフトを使用して風力タービンを制御し、より効率的に再生可能エネルギーを発生させる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の速度計。
【請求項１４】
ターゲット領域の散乱体の速度を求める方法であって、
コヒーレントビームを発生させること；
コヒーレントビームを連続的に変調すること；
前記連続的に変調されたビームを連続的に増幅すること；
前記連続的に増幅されたビームを前記トランシーバから前記ターゲット領域に向けて送信すること；
前記ターゲット領域からの反射放射線を前記トランシーバにおいて受信することであって、
それにより、光ファイバーを使用して、前記連続的な変調の少なくとも１つと、前記連続的な増幅と、前記受信との間に前記コヒーレントビームを伝えること；および
前記受信した反射放射線を参照放射線ビームと一緒にして、前記一緒にされた受信および参照ビームに基づいて前記ターゲット領域における前記散乱体の速度を求めること
を含む、方法。
【請求項１５】
前記連続的な増幅間で前記コヒーレントビームを分割し、複数の前記送信器を利用して前記連続的に増幅されたビームを複数の前記ターゲット領域に送信しかつ前記反射放射線を複数の前記ターゲット領域から受信するようにすることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本発明は、レーザードップラー速度計に関し、特に、レーザードップラー速度計のプラットフォームの運動を補償する一方で、風速または固体の速度を測定するためのレーザードップラー速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザードップラー速度計（「ＬＤＶ」）は、ターゲット領域まで（例えば、大気中に）光を送信し、光がターゲット領域またはターゲット領域中の散乱体から散乱もしくは反射した後で、その光の一部分を受信する。この受信した光をＬＤＶによって処理して、ドップラー周波数シフトｆＤを得る。次いでＬＤＶは、ｖ＝（０．５）ｃｆＤ／ｆｔ（式中ｆｔは送信する光の周波数であり、ｃは、ＬＤＶとターゲットとの間の媒質における光の速度である）の関係により、ＬＤＶに対するターゲットの速度ｖを与える。
【０００３】
ＬＤＶは極めて役に立ち、限定はされないが以下のような幅広い用途がある：血流測定、速度制限取締まり、宇宙船ナビゲーション、発射体追跡、および対気速度測定。後者の場合には、ターゲットはエアロゾル（ミー散乱をもたらす）か、または空気分子自体（レイリー散乱をもたらす）からなる。
【０００４】
従来の対気速度ＬＤＶ１０の例を図１に示し、それは、米国特許第５，２７２，５１３号において説明されている（その開示を本願明細書に援用する）。ＬＤＶ１０は、必要に応じて偏光し得るコヒーレント光の光源２０を含む。光源２０は、ビーム整形器４０に光の第１のコヒーレントビーム３０を投射する。ビーム整形器４０はビーム３０を拡大してコリメートし、その後ビーム３０は望遠鏡６０に入射する。望遠鏡６０はビーム３０をほぼコリメートした状態でターゲット領域４５に投射する。
【０００５】
コリメートされたビームはターゲット領域４５において空中の散乱体（または空気分子）に当たり、後方反射されたまたは後方散乱されたビーム５０を生じる。後方散乱されたビーム５０の一部が、ビーム３０を送信した同じ望遠鏡６０で集められるか、または隣接する受信望遠鏡（図示せず）に集められる。同一の望遠鏡で光を送信しかつ受信する場合は、モノスタティック構成として知られている一方、送信望遠鏡と受信望遠鏡が別個の場合には、バイスタティック構成として知られている。モノスタティック構成は後方散乱した光のみを受けることができる。バイスタティック構成は、実質的に後方散乱された光を受信するかまたは送信ビーム３０に対して他のいずれかの角度において光を受信するように配置できる。
【０００６】
次に、望遠鏡６０で集められた光５０は、光混合器８０において別の光の参照ビーム７０と一緒にされる。理想的な光混合器は、同じ偏りを有しかつ同じ空間を占有するように２つのビームを一緒にし、そのように一緒にしたものを、測定されたドップラー周波数シフトを検出するのに十分な帯域幅を備える光検出器上に向ける。光検出器は、周波数が参照ビーム７０の周波数と後方散乱されたビーム５０の周波数との間の数学的な差である成分を含む電流８５を発生さる。次に、電流８５を信号プロセッサ９０（例えば電気的スペクトルアナライザまたは周波数カウンタ）によって分析して周波数差を求め、かつＬＤＶ１０とターゲット領域４５との間の望遠鏡６０の軸に沿って相対速度成分を計算する。
【０００７】
測定された相対周波数が正または負のいずれであるかに関する不明瞭性を、当該技術分野で公知の「同相および直角位相」検出方法を使用して解決できる。これらの不明瞭性を解決する別の手法は、（例えば音響光学セルを使用することによって）安定した一定の周波数シフトを送信ビーム３０または参照ビーム７０のいずれかに適用することである。これにより、電気信号８５に、一定の周波数シフトとドップラー周波数シフトとの和が周波数である交流電流成分が発生し、方向性の不明瞭性を除去する。送信ビーム３０の周波数と参照ビーム７０の周波数が同一であるＬＤＶはホモダイン検波を使用すると言われている。送信ビーム３０の周波数と参照ビーム７０の周波数が異なるときにはヘテロダイン検波を使用する。
【０００８】
参照ビーム７０を、送信ビーム３０との定位相関係を有する明確かつ安定した光周波数を有するように選択する。これはコヒーレンスとして公知である。コヒーレンスの条件は、レーザーを光源２０として使用し、かつ光学スプリッタ（図示せず）によって光源２０をタッピングして参照ビーム７０を発生させることによって簡単に達成される。
【０００９】
光源２０をＣＯ２、Ｎｄ：ＹＡＧ、またはアルゴンイオンレーザーのいずれかとし得る（好ましくは基本横モードおよび単一縦モードでレーザー発振させる）。しかしながら、対気速度ターゲット（エアロゾルおよび／または分子）は、固体と比較して非常に弱いリターン信号を発生させる。それゆえ、数千または数十メートルの範囲で動作するこれらのレーザー光源を組み込む対気速度ＬＤＶは大量のレーザーパワーを必要とし、それゆえ大きすぎ、嵩張り、重く、もろく、かつヘリコプターに対する対気速度決定のような多くの所望の用途で使用するのに危険である可能性がある。
【００１０】
しかしながら、光源２０をまた軽量、低コスト、高効率の希土類ドープトガラスファイバーともし得る（以下ファイバーレーザーと称す）。ファイバーレーザーは、他のレーザー光源に優るいくつかの大きな利点を有する。ファイバーレーザーを、希土類ドーパントを励起するために放射波長が最適にされたレーザーダイオードによって効果的にポンピングすることができる。これにより、ファイバーレーザーを非常にエネルギー効率のよい状態にし、かつ小型にし、冷却装置、フラッシュランプ、および大電流電源の必要性を除去する。さらに、ガラスファイバーは、光のための可撓導波管としての働きをし、厳しいアライメント許容誤差で直線的に堅固に機械的なマウントを行う必要のあるミラーおよびレンズのような、嵩張る光学部品を必要としなくする。ファイバーレーザーはまた、固体レーザーよりも適応可能である：ファイバーレーザーのパルス繰り返し周波数（「ＰＲＦ」）およびパルス幅は「空中で」変化し得る一方、固体レーザーのＰＲＦおよびパルス幅は狭い範囲に留まるかまたは固定されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来のＬＤＶは進歩しているものの、依然として改良が必要である。光源レーザー２０を、望遠鏡６０よりもアクセス可能な異なる位置に配置することが望ましいこともある。例えば、風力発電機（「ＷＴＧ」）の応用では、望遠鏡をタービンに配置できる一方、その光源レーザーおよび制御電子回路は、ナセルに、またはＷＴＧを支持する塔の基部に配置してメンテナンスを容易にすることが最良である。航行での応用では、光源を好ましくは、構成要素への暴露から保護される船体内に配置する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらのリモート構成は、光源レーザー２０と望遠鏡６０を接続するために光ファイバーを使用することによって好都合にも行うことができる。しかしながら、対気速度測定に必要とされる大きな光パワーが、誘導ブリルアン散乱（「ＳＢＳ」）として公知の、光ファイバーに発生する非線形効果によって制限されるようになるという問題が発生する。実際、光ファイバーが長いほど、この制限は小さくなる。ＳＢＳパワー限界値は、当業者に公知の他の因子にも依存するが、これは、透明な媒質を通して伝わる光の基本的な物理的特性であり、無視することはできない。
【００１３】
上述のファイバーレーザーに関連した欠点に加えて、２つ以上の望遠鏡、好ましくは３つ以上の望遠鏡を有し、全ての望遠鏡がターゲット領域または領域内に光のビームを同時に送信するＬＤＶを使用することも望ましい。複数の望遠鏡はそれぞれターゲット領域の異なるエリアに狙いを定めており、複数の異なる軸に沿って同時に速度測定することを可能にし、それゆえ、多次元の速度決定を可能にする。気象学的測定または応用のための従来のＬＤＶは一般的に単一モータ式の望遠鏡を組み込んでおり、それは、異なる軸に沿って連続して測定を行うか、または３つの望遠鏡を使用し、あるものから次のものへと切り替えて、異なる軸に沿った順次的な測定を可能にする。ターゲット領域の異なるエリアに光を同時に送信することによって、読み取りの精度は非常に改善される一方、いかなる可動部も必要とせずに、測定の適時性が改善される。従来のＬＤＶに対するそのようないずれかの改善が、依然として目に安全な放射源の使用を、好ましくは１．４〜１．６ミクロン範囲においてもたらすことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
図面の簡単な説明
【図１】従来のレーザードップラー速度計のブロック図を示す。
【図２】レーザードップラー速度計の実施形態のブロック図を示す。
【図３】図２に示すレーザードップラー速度計の放射源モジュールの実施形態のブロック図を示す。
【図４】図２に示すレーザードップラー速度計のトランシーバモジュールの実施形態のブロック図を示す。
【図５】図２に示すレーザードップラー速度計の受信モジュールの実施形態のブロック図を示す。
【図６】図２に示すレーザードップラー速度計の運動補償スキームのベクトル図を示す。
【図７】レーザードップラー速度計の実施形態のブロック図を示す。
【図８】レーザードップラー速度計の実施形態のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細な説明
開示の速度計測システムは、上記で特定されたニーズに対処しており、かつＬＤＶに可動部を設けておらず、ＬＤＶは十分軽量であるため、これまでＬＤＶには実際的ではなかった多くの異なる用途で使用できる。開示のＬＤＶは、アクティブなレーザー媒質、例えば、コヒーレントな光エネルギーのビームを発生して増幅するエルビウムドープトガラスファイバー増幅器など、および、ビームを放射エネルギーの散乱体に予め定められた距離向けるための、ビームに結合された光学系を含む。反射ビームを、散乱体の速度を求めるためにビームの参照部分と混合する。
【００１６】
望遠鏡のフォーカル・ボリューム（focal volume）における風速を測定するためにこの装置を使用する場合、測定される速度成分は、望遠鏡の軸に沿った成分である。それゆえ、速度の「ｎ」個の成分を測定する場合、ｎ個の非共線的な軸に沿ってｎ個の単独の測定を行う必要がある（ここでｎは整数である）。この作業を成し遂げるために、ｎ個の二重トランシーバを説明する。ｎ個の二重トランシーバは、それぞれ連続波（「ＣＷ」）ビームを送信するか、または共通のシードレーザーによって同時にパルス化されるかのどちらかである。ｎ個のトランシーバによって同時にパルス化および送信を行うことは、各速度測定が順次に行われるのではなく、同時に行われるという利点を有する。それゆえ、順次的な送信の代わりに同時にパルス化および送信を行う結果、得られる速度決定はより正確となる。
【００１７】
レーザーエネルギーの発生およびエネルギーの導波の双方に光ファイバーを使用することによって、本発明は、単一の、機械的に柔軟な光の導管を提供する。この構成によって、システムを本質的に振動および温度変化に影響されないようにできる。光が光ファイバーシステムから出射する唯一の点は、個々の望遠鏡からの投射のための点である。送信望遠鏡のそれぞれはまた受信望遠鏡でもあるので、エアロゾル散乱されたリターンビームが自動的に個々の望遠鏡−光ファイバー集光システムと整列される。
【００１８】
例えば、エルビウムドープト光ファイバーなどのファイバーレーザーを使用することも、システムの全体的なエネルギー効率に関して利点を有する。エルビウムドープトガラスの最適なポンプ波長において今ではダイオードレーザーが利用可能であるため、エルビウム導波路までポンピング放射を励起することによってこのエルビウム導波路を効果的にポンピングすることができる。それゆえ、システムは冷却条件を非常に低減し、かつ低電圧電池供給から動作できる。
【００１９】
開示の速度計システムはまた、目に安全で、軽量、かつパルスまたはＣＷ動作毎のエネルギーを高くするように容易に拡大できる。上述のように、速度計は「ｎ」個の視線を有する。それゆえ、１つ以上のターゲット領域において物体の速度または風速を求めるためにｎ個の望遠鏡を使用し、そのそれぞれが同時に異なる軸に沿って光のビームを投射する。３次元の速度を求めるために、風速と同様に、３個の望遠鏡を使用する。例えば、平面上をまたは直線上を移動する車またはボートのために２次元または１次元の速度を求めるためには、それよりも少数の望遠鏡を使用してもよい。ｎ個の望遠鏡から投射されるレーザービームはそれぞれ同時にポンピングされ、かつ単一のレーザー光源から生じている。光源はｎ個の望遠鏡と同一の場所に配置されてもよいし、またはｎ個の望遠鏡に対して離れた場所に配置されてもよい。レーザー光源が離れた場所に配置される場合、発生した光ビームを各望遠鏡まで光ファイバーケーブルを使用して伝える。下記で詳細に説明するように、光源からのシードレーザーを増幅し、所望であれば、パルス化および周波数オフセットを行ってから、ｎ個の光源ビームに分割する。ｎ個の光源ビームをそれぞれ、ｎ個のトランシーバモジュール内に配置される増幅器アセンブリまで送る。ｎ個の各トランシーバモジュールもまた望遠鏡を含む。ｎ個の光源ビームの増幅は、ｎ個のビームが望遠鏡のレンズを通って１つ以上のターゲット領域まで送信される直前に、トランシーバモジュールで行われる。それゆえ、個々のトランシーバモジュール内でｎ個の光源ビームがレーザー光源からｎ個の望遠鏡のそれぞれまで接続ファイバーを介して伝えられるとき、ｎ個の光源ビームのそれぞれのパワーは十分に低いため、光ファイバーから非線形のふるまいは伝わらない。その代わりに、パワー増幅が、望遠鏡からの送信の直前にトランシーバモジュールにおいて行われる。従って、ファイバーの非線形効果はシステムには伝わらない。
【００２０】
レンズを通したレーザービームの投射直前の、トランシーバモジュール内へのパワー増幅器の配置は、パワー増幅器とレンズとの間の伝播距離が長くなるときに通常観察される非線形のファイバーのふるまいの効果を低減させる。このように、開示の速度計は単一のシードレーザー、およびパワー増幅器から離れている増幅器アセンブリを使用することができる。シードレーザーは、必要な場合には、ビームが分割されかつ離れたパワー増幅器に向けられる前に、増幅、パルス化、および周波数シフトが行われ得るビームを発生させる。パワー増幅は、光源ビームがレンズを透過する直前にのみ発生する。それゆえ、増幅されたビームが依然として、ファイバーの離れた増幅器までの線形の動作領域内にある限り、開示の速度計は、非線形のファイバー動作に付随する問題を回避する。
【００２１】
開示の速度計を使用することによって、物体の速度または風速を高精度に測定することができる。光源レーザーをｎ個のビームに分割するため、ｎ個の軸の全てに沿って行われる測定は同時である。加えて、光源ビームをｎ個のビームに分割することは、必ずしも、光源レーザーが必要な送信パワーのｎ倍の１つのレーザーを送信することを必要とはしない。なぜなら、その後、ｎ個のビームのそれぞれは、送信前にパワーの増幅が行われるためである。ｎ個のビームはそれぞれ同じターゲット領域に向けられてもよいし、または複数のターゲット領域に向けられてもよい。単一のビームを使用して、複数の点におけるまたは単一の軸に沿った範囲で速度を同時に測定してもよい。さらに、開示の速度計には可動部がなく、それゆえサイズが低減され、耐久性が向上している。以下説明するように、開示の速度計は、例えば、慣性測定装置（「ＩＭＵ」）や全地球測位衛星（「ＧＰＳ」）装置などのプラットフォーム運動感知装置と併用してもよく、その結果、測定された速度の計算中に速度計プラットフォームの運動を補償し得る。それゆえ、速度計の軽量で嵩張らない性質のために、およびプラットフォームの運動を補償する速度計の能力のために、開示のＬＤＶを、いずれの移動中のプラットフォーム（例えば、ヘリコプター、ボートなど）に装着することもでき、それでも高精度な読み取りを行うことができる。
【００２２】
ここで図２を参照すると、ｎ−軸のレーザードップラー速度計システム１００のブロック図が示されている。システム１００は、放射源モジュール２００、ｎ個のトランシーバモジュール３００、および受信モジュール４００を含む。各モジュールを以下詳細に説明する。放射源モジュール２００は「ｎ」個の光源ビーム１２５を「ｎ」個のトランシーバモジュール３００に向かって発生させる。ｎ個のトランシーバモジュール３００は、ｎ個の光ビーム１５０を送信し、かつｎ個の散乱されたまたは反射した光ビーム１６０を受信するためのものである。トランシーバモジュール３００を放射源２００および受信モジュール４００とは物理的に分離された場所に配置し得る。あるいは、用途に依存して、全てのモジュールを同じ場所に配置してもよい。放射源モジュール２００はまた参照ビーム２５５を受信モジュール４００に出力する。受信モジュール４００は参照ビーム２５５を、ｎ個のトランシーバモジュール３００によって受信されかつ光ファイバー４０５を介して受信モジュール４００に伝えられる散乱／反射ビーム１６０のそれぞれと結合する。ドップラーシフト、ひいては速度を、得られた結合信号から計算する。
【００２３】
放射源モジュール２００を図３に示す。放射源モジュール２００はレーザー光源２１０、光増幅器２５０（例えば、光ファイバー増幅器など）および光学スプリッタ２７０を含む。放射源モジュール２００はまた、周波数シフター（例えば、音響光学変調器など）２２０および光変調器（例えば、半導体光変調器など）２３０を含み得る。放射源モジュール２００のこれらの構成部品の各々は連結され、それらについて以下詳細に説明する。
【００２４】
レーザー光源２１０および関連のドライバおよびコントローラは、光増幅器２５０に供給される初期のレーザーエネルギーをもたらす。レーザー光源の出力が増幅器と組み合わされる場合、高パワーのレーザー出力がもたらされる。典型的なレーザー光源２１０は小さなレーザーダイオード（単一周波数または利得切換え）、短空洞ファイバーレーザー、および小型の固体レーザー、例えば、非プレーナー型リング発振器（「ＮＰＲＯ」）やハイブリッドシリコンレーザーなどである。シードレーザー源２１０からの出力は光増幅器２５０に向けられるが、周波数シフティングが望ましい場合には、出力は周波数シフター２２０に向けられる。参照レーザー信号２５５もまたレーザー光源２１０からの出力である。
【００２５】
周波数シフター（音響光学変調器（「ＡＯＭ」）など）２２０および関連のＲＦドライバがレーザー光源の出力に無線周波数（「ＲＦ」）のオフセットをもたらす。このオフセットによって、いずれかの検出された運動の方向を信号プロセッサによって後に決定することを容易にする。オフセットは、音響光学効果を用いることによって、すなわち、音波の機械的な振動圧力による屈折率の変化によってもたらされる。ＡＯＭでは、入射レーザービームが透明な結晶またはガラスを通過する。結晶に取り付けられた圧電変換器を使用して、高周波数の音波を励起する（１００ＭＨｚ程度の周波数）。入射光は、音波によって発生した周期的な屈折率格子においてブラッグ回折される。散乱ビームの光周波数はわずかに変調されている（音波の周波数によって増減されている）。散乱ビームの周波数を音波の周波数によって制御できる一方、音響パワーは光パワーを制御する。このように、周波数シフター２２０を使用してレーザー光源出力に周波数オフセットをもたらす。ＡＯＭをまた光変調器２３０として使用して、光源レーザー２１０からのレーザー信号を変調し、パルスライダ測定を得るようにする。
【００２６】
シードレーザー出力の追加的な変調は光変調器２３０（例えば、半導体光変調器（「ＳＯＡ」）など）を使用してもたらすことができる。ＳＯＡはシステム１００が機能するためには必要ではないが、ＳＯＡが誘発したパルス化を使用してパルスの消光比を最適にし得る。ＳＯＡは、シードレーザー源の一次的なおよび二次的な変調をもたらすことが可能である。ＳＯＡをまた、レーザー光源信号の光増幅にも使用し得る。
【００２７】
光増幅器２５０は、半導体ベースのブースター光増幅器（「ＢＯＡ」）または光ファイバー増幅器のいずれかとし得る。光ファイバー増幅器は、希土類元素、例えばエルビウム（Ｅｒ）、エルビウム−イッテルビウム（Ｅｒ：Ｙｂ）などによってドープされたある長さのファイバーを含む。単一モード（「ＳＭ」）またはマルチモード（「ＭＭ」）ポンプダイオードを使用して、ドープトファイバー内のドーパント材料を励起する。ＳＯＡからの光信号を波長分割多重化装置（「ＷＤＭ」）またはテーパードファイバーバンドル（「ＴＦＢ」）によってポンピング信号と組み合わせてもよい。光増幅器２５０では、光源光を、光損傷およびファイバーの非線形効果によって決められたパワー限界値未満のレベルまで増幅する。光増幅器２５０からの増幅自然放射を、狭帯域バルクファイバーまたはファイバーブラッググレーティング（「ＦＢＧ」）ベースのフィルタを使用することによって管理する。
【００２８】
フィルタリングされたら、増幅光を光学スプリッタ２７０に通過させる。光学スプリッタ２７０は、異なるトランシーバモジュール３００に光を分割する。以下説明するように、放射源モジュール２００からの光を、個々の各トランシーバモジュール３００内に配置された光増幅器３３０へ送信する。スイッチまたはマルチプレクサの代わりに光学スプリッタを使用することによって、可動部の全くない放射源モジュール２００を設計することができる。言い換えると、モータまたはスイッチを使用する必要がない。
【００２９】
光学スプリッタ２７０、ひいては放射源モジュール２００から出力された光を、ｎ個の接続ファイバー１２５によってｎ個のトランシーバモジュール３００に向ける。接続ファイバー１２５は、放射源モジュール２００をｎ個のトランシーバモジュール３００から離れて配置することを可能にする（所望であれば）。上述のように、接続ファイバーバンドル１２５によって伝えられたレーザーはそれぞれ、十分低いパワーにあって、ファイバーの非線形効果を導入しないようにする。ファイバーバンドル１２５は様々なコアサイズの複数のファイバーからなって、放射源モジュール２００とｎ個のトランシーバモジュール３００との間で異なる光信号を伝える。これらの光信号は、増幅された光源レーザー信号、およびｎ個のトランシーバモジュール３００の各々において増幅器をポンピングするためのポンプレーザー２４０からのマルチモードポンプレーザー信号を含む。さらに、トランシーバモジュール３００からの光監視信号を含む光信号は、放射源モジュール２００に戻される。光監視信号は、トランシーバモジュール３００において誤動作またはエラーがある場合に、放射源モジュール２００の停止をトリガできる。
【００３０】
ｎ個のトランシーバモジュール３００のうちの１つを図４に示す。トランシーバモジュール３００の各々は光増幅器３３０（光ファイバー増幅器など）、光スイッチ３４０（例えば、光ファイバーサーキュレータなど）、および（図２の）ターゲット領域４５からの光信号を送信および受信するために使用されたトランシーバレンズ３６０を含む。
【００３１】
光ファイバー１２５を介して各トランシーバモジュール３００に伝えられた放射源モジュール２００からの増幅された光源レーザー信号は、光増幅器３３０を介して各トランシーバモジュール３００内でさらに増幅される。光増幅器３３０は、希土類ドープトファイバー（例えば、Ｅｒ：Ｙｂダブルクラッドファイバーなど）を含む。ポンピング光を、放射源モジュール２００からのシードレーザー信号に対して前方または後方励起式に、テーパードファイバーバンドル（「ＴＦＢ」）を介して希土類ドープトファイバーに差し込ませることができる。それゆえ、光源レーザー信号をトランシーバモジュール３００内でさらに増幅する。次いで、光増幅器３３０からの出力を光スイッチ３４０の方へ向ける。
【００３２】
光スイッチ３４０（例えば、光ファイバーサーキュレータなど）によって単一のレンズ３６０を使用して光を送信および受信することが可能となるので、センサをモノスタティックジオメトリで動作させることが可能となる。複数のレンズを使用する場合（光ビームの送信用に少なくとも１つおよび反射光ビームの受信用に少なくとも１つ、例えば、バイスタティックジオメトリ）、光スイッチ３４０は必要ではないかもしれない。光スイッチ３４０を、増幅された自然放射フィルタと併用し得る。そのようなフィルタをバルク光フィルタまたはＦＢＧベースのフィルタとし得る。そのようなフィルタを、必要に応じて、目に安全なレーザーを維持するために設置し得る。これらのフィルタは、増幅誘導放出（「ＡＳＥ」）を別の光ファイバーにそらすことが多い。このそらされたレーザーを使用して、増幅器のパワーを調整するために、または離れてポンピングされた用途における安全機能として、光増幅器３３０の動作を監視できる。安全機能として、そらされたＡＳＥにおけるかなりの低下は、ファイバーケーブルが過酷な状況にあったこと、およびポンピングをすぐに停止する必要があることを意味する。あるいは、パルス化された用途においてＡＳＥを低減するためには、ポンプレーザー自体を同期してパルス化し得る。ポンプレーザーのパルス化はまた、電力消費量を削減するので、電池式のシステムの使用を容易にする。
【００３３】
トランシーバレンズ３６０に到達する光源光は、（図２の）ターゲット物体または領域４５上に投射される。散乱光または反射光はトランシーバモジュール３００に戻される。トランシーバレンズ３６０は、散乱光を集めてファイバーに戻す。モノスタティック動作の場合、トランシーバレンズ３６０は光を集中させて送信ファイバーに戻し、そこで散乱光は光スイッチ３４０によって送信ビームから分離される。そうでなければ、例えばバイスタティック動作の場合には、散乱光を異なるファイバーに集中させる。集められた散乱光はファイバー４０５を介して図２の受信モジュール４００まで伝えられる。
【００３４】
図５を参照して受信モジュール４００について詳細に説明する。受信モジュール４００は、受信信号４０５を参照レーザー信号２５５と同じ空間（例えば、出力光ファイバー）で一緒にする光混合器４２０（例えば光ファイバー結合器）を含む。次いでこの結合信号４２５を、混合光信号を電気信号に変換する電気光学受信器４３０（例えばフォトダイオード）に向ける。次いでこの信号を、ドップラー周波数シフトを抽出するための好都合な信号処理のために（デジタイザ４５０によって）、デジタル化する（信号プロセッサ４４０を介して）。ｎ個のトランシーバモジュール３００を使用する場合、参照レーザー信号２５５をスプリッタ４１０によってｎ個のビームに分割して、ｎ個の受信モジュール４００と混合する必要がある。ｎが大きい場合、分割前に、参照ビーム２５５のパワーを増大させるために光増幅器が必要となり得る。
【００３５】
混合器４２０などの光混合器（例えば、３ｄＢの光ファイバー結合器）は一般的に、位相が反対である２つの出力ビーム４２５、４２６をもたらす。上述のようにビーム４２５は結合信号である。米国特許第４，７１８，１２１号（その開示を本願明細書に援用する）に記載のように、ビーム４２６を第２の電気光学受信器に使用および適用して、バランスの取れた受信器を作製してもよい。バランスの取れた受信器は混合信号の全てを使用し、参照レーザービーム２５５の強度雑音を相殺するため、それら受信器を好ましくは使用する。
【００３６】
効果的な光混合もまた、受信信号４０５の偏りと参照レーザー信号２５５の偏りとが適合することを必要とする。米国特許第５，３０７，１９７号（その開示を本願明細書に援用する）に記載のように、制御されない偏りによる混合効率の損失を軽減させることは、図５に示す（偏波ダイバーシティ受信器など）よりも複雑な光混合回路を必要とする。
【００３７】
信号プロセッサ４４０は、デジタイザ４５０から信号を受信して信号を周波数空間に変換し、各視線に沿った（すなわち、ｎ個のトランシーバ３１０の各々からの）ドップラーシフトから視線速度を計算し、かつこれらの速度を組み合わせて、測定されたターゲット物体または領域の単一の速度を求める。加えて、信号プロセッサ４４０は、運動センサ（好ましくは姿勢方位基準装置またはＩＭＵおよびＧＰＳまたは対地速度検出装置）からの入力を使用して、トランシーバ３１０が装着されているプラットフォームが動いているかどうか決定してもよい。図６に関連して説明するように、プラットフォーム運動が全て検出されて、測定された速度を調整または補正するために使用される。
【００３８】
開示のＬＤＶ１００の全ての用途がプラットフォーム運動の補償を必要とするわけではないが、開示のＬＤＶ１００（またはＬＤＶ１００の少なくともトランシーバモジュール３００）は携帯できるものであり、ボート、地上車両または航空機などの移動中のプラットフォームに容易に配置し得る。上述のように、ＬＤＶ１００は、ドップラー周波数シフトを検出することによって空気散乱体のトランシーバモジュール３００に対する相対運動を直接測定する。ＬＤＶ１００を地面に固定する場合、それは風速および風の向きを測定する。しかしながら、直線運動を行うＬＤＶ１００は相対的な風速および風の向きを測定する。移動中のプラットフォームの線速度および方向が分かっている場合、相対風測定値から風速を抽出できる。加えてＬＤＶ１００は、浮遊中のプラットフォームに直面すると直線運動と回転運動の双方を行う。回転運動は、光学的なフォーカル・ボリュームが空気中を迅速に動いているため、追加的な周波数シフトを導入する。この周波数シフトは、以下に対して必ずしも有用ではない速度測定を生じる。１）風を表すわけではないため、気象学者、または２）相対風を表すわけではないため、操縦者。この回転成分は、有用な風のデータを報告するために分離されて補償される必要がある。
【００３９】
図６を参照すると、開示のＬＤＶの運動補償スキームのベクトル図が示されている。プラットフォーム１のプラットフォーム運動は、プラットフォームの重心２の線形並進運動および重心２を中心とした回転で構成される。プラットフォーム１には、ｎ個のトランシーバモジュール３００を備えるＬＤＶ１００が装着されている。ｎ個のトランシーバモジュール３００の少なくとも１つ（例えば、ｉ番目のトランシーバモジュール３００）がプラットフォーム１上でＬＤＶ１００と同じ場所に配置されている。ｉ番目のフォーカル・ボリュームまたはターゲット領域４５の速度が以下の式１によって与えられる：
【数１】
0005475755.tif 000002
式中、
【数２】
0005475755.tif 000003
はプラットフォーム１（それゆえＬＤＶ１００）の重心２の線速度であり、
【数３】
0005475755.tif 000004
はプラットフォーム１の角速度であり、および
【数４】
0005475755.tif 000005
は、プラットフォーム１の重心２からｉ番目のフォーカル・ボリュームまたはターゲット領域４５までの変位ベクトルである。変位ベクトルは、
【数５】
0005475755.tif 000006
であり、式中
【数６】
0005475755.tif 000007
は、プラットフォーム１の重心２からトランシーバモジュール３００までのベクトルであり、および
【数７】
0005475755.tif 000008
であり、ｉ番目のトランシーバモジュール３００からｉ番目のフォーカル・ボリュームまたはターゲット領域４５までのベクトルである。大きさの因子
【数８】
0005475755.tif 000009
は、焦点システムの焦点距離または距離ゲートシステムの範囲のいずれかである。この速度によって生じたドップラー周波数シフトは、レーザー視線
【数９】
0005475755.tif 000010
に沿ったその成分（δｉ）に比例する：ｉ番目のドップラー周波数シフトは２δｉ／λに等しく、式中、λはレーザーの波長であり、
【数１０】
0005475755.tif 000011
である。
【００４０】
式２の第１の項
【数１１】
0005475755.tif 000012
は、ｉ番目のターゲット領域４５と移動中のプラットフォーム１との間の相対直線運動による所望のシフトである。式２の第２の項
【数１２】
0005475755.tif 000013
は回転運動を表し、
【数１３】
0005475755.tif 000014
であるというクロス積の規則を使用して
【数１４】
0005475755.tif 000015
と書くことができる。３次元システムにおける運動補償の手順は、ＩＭＵによって、３つの加工していないドップラーシフトおよび角速度を測定してから、
【数１５】
0005475755.tif 000016
を減じるというものである。この補正された周波数シフトを使用して、ｉ番目のターゲット領域４５における３次元の相対風を計算する。
【００４１】
移動中のプラットフォームの角速度および姿勢（ピッチ角／ロール角）は、時間と共に急激に変化し得る。状態運動が停止していると仮定できるように、ドップラーシフトを短時間で測定することが重要である（それゆえ、角速度および姿勢の１つの値を、測定された各ドップラー周波数シフトに割り当てることができる）。従って、レーザーのパルス繰り返し周波数（「ＰＲＦ」）およびパルス数Ｎａｃｃを、例えばデータ収集に費やされた合計時間（すなわち、Ｎａｃｃ／ＰＲＦ）が２００ミリ秒未満であるように選択する。Ｎａｃｃ個のパルスが収集される前後に角速度が測定され、かつ平均値を
【数１６】
0005475755.tif 000017
の補償計算に使用する。
【００４２】
図２〜図５に示すシステムおよびモジュールアーキテクチャを参照してＬＤＶ１００を説明したが、これらのアーキテクチャは例示であり、限定を意図するものではない。例えば図７は、ＬＤＶ７００の形態の追加的なＬＤＶアーキテクチャを示す。（図２の）ＬＤＶ１００のように、ＬＤＶ７００は、光源モジュール７２０、トランシーバモジュール７３０および受信モジュール７４０を含む。しかしながらＬＤＶ７００では、光源モジュール７２０はスプリッタを含まない。代わりに、光源モジュール７２０において発生した放射線はトランシーバモジュール７３０まで伝えられ、そこで、発生した放射線は増幅器７３２によって増幅され、その後スプリッタ７３４によって分割されて、トランシーバモジュール７３０のｎ個のトランシーバ７３６によって使用される。ＬＤＶ７００ではｎ個のリモート増幅器の代わりにリモート増幅器７３２を１つのみ使用する。
【００４３】
図８に、ＬＤＶ８００の形態の追加的なＬＤＶアーキテクチャを示す。ここで、ＬＤＶ８００は光源モジュール８２０、１個以上のトランシーバモジュール８３０および受信モジュール８４０を含む。光源モジュール８２０はスプリッタを含まない。同様に、トランシーバモジュール８３０は増幅器を含まない。代わりに、外部の増幅器８３２およびスプリッタ８３４を使用する。光源モジュール８２０において発生した放射線はリモート増幅器８３２に伝えられ、そこで増幅されてからスプリッタ８３４を介して分割され、トランシーバ８３６をそれぞれ含むｎ個のトランシーバモジュール８３０に届けられる。（図７の）ＬＤＶ７００のように、ＬＤＶ８００ではリモート増幅器８３２が１つのみ使用される。
【００４４】
開示のＬＤＶの実施形態を、トランシーバモジュール３００、７３０、８３０および光増幅器３３０、７３２、８３２を放射源モジュール２００、７２０、８２０から離れて配置することを可能にする状態で、光ファイバーで接続されたモジュールとの関連で説明した。トランシーバモジュール３００、７３０、８３０はいずれのエレクトロニクスも含む必要はなく、純粋に光学的なモジュールとし得る。運動補償、レーザー光源、および信号処理は放射源モジュール２００、７２０、８２０および受信モジュール４００、７４０、８４０において発生する。それゆえ、トランシーバ３００、７３０、８３０の動作は、放射源モジュール２００、７２０、８２０および受信モジュール４００、７４０、８４０からの雑音が少ないこと、装着安定性が高いことおよびメンテナンスが簡単であることにより、著しく改善する。しかしながら、ＬＤＶ１００、７００、８００の上述の説明は純粋に例示であり、限定を意図するものではないことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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