(57)【要約】  レーザレーダ装置（１）が、発振光の波長が互いに異なる複数のレーザ光源（２ａ〜２ｃ）を切り換えることにより、光アンテナ（９ａ〜９ｃ）の集光位置を保持したまま送信光の放出方向を切り換え、かつ測定距離に応じて発振光の波長を変化させて送信光の集光距離が測定距離に合うように制御する。
2019180924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる波長の発振光を出力する複数のレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力された発振光の周波数および強度を変調する変調部と、
前記変調部によって変調された発振光を、集光距離だけ離れた位置で集光する送信光として放出し、前記送信光の放出先に存在する対象物で前記送信光が反射された反射光を、受信光として受信する複数の光アンテナと、
前記レーザ光源から出力された発振光と前記光アンテナによって受信された前記受信光とに基づいて前記対象物の速度を算出する速度算出部と、
複数の前記レーザ光源を制御する制御部とを備え、
複数の前記光アンテナは、各々に入力される光の波長の差異に依存した集光点のずれがオフセット補正されており、
前記レーザ光源から出力された発振光は、複数の前記光アンテナのうち、当該レーザ光源に対応付けられた前記光アンテナから放出され、
前記制御部は、複数の前記レーザ光源を切り換えることにより、前記光アンテナの集光位置を保持したまま前記送信光の放出方向を切り換え、かつ測定距離に応じて発振光の波長を変化させて前記集光距離が前記測定距離に合うように制御すること
を特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記測定距離の設定を受け付け、受け付けた前記測定距離を前記制御部に設定する設定部を備え、
前記制御部は、前記集光距離が前記設定部から設定された前記測定距離に合うように制御すること
を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項３】
複数の前記レーザ光源は、温度に応じた波長の発振光を出力し、
前記制御部は、前記レーザ光源の温度を調整して発振光の波長を変化させること
を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記制御部は、複数の前記レーザ光源を一括して同一の温度に調整すること
を特徴とする請求項３記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記光アンテナは、回折レンズを備え、
前記レーザ光源から出力された発振光は、前記回折レンズを通って放出されること
を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記光アンテナの内部の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、前記温度センサによって測定された温度に基づいて前記集光距離が前記測定距離に合うように制御すること
を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記光アンテナの内部の気圧を測定する気圧センサを備え、
前記制御部は、前記気圧センサによって測定された気圧に基づいて前記集光距離が前記測定距離に合うように制御すること
を特徴とする請求項１または請求項６記載のレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザレーダ装置は、光アンテナから空間に発振光を放出して、空間を移動する物体で反射または散乱された発振光を光アンテナで受信し、受信した発振光のドップラーシフトを測定した結果に基づいて物体の移動速度を測定する。例えば、特許文献１に記載された風計測ライダー装置には、レーザレーダ装置が用いられている。この装置は、光アンテナから対象物までの距離である測定距離を動的に変化させることを目的として、光アンテナから放出された発振光が測定距離だけ離れた位置で集光するように、光アンテナが備える一部のレンズを、測定距離に応じた位置に移動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３３８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光アンテナが備える一部のレンズを光軸方向に移動させて発振光の集光距離を制御する場合、レンズの位置を高精度に調整する必要がある。例えば、レンズの典型的な位置決め分解能として１μｍ単位の分解能が要求される。このため、従来のレーザレーダ装置は、レンズの位置を機械的に調整する駆動機構を光アンテナが備えており、光アンテナの寸法または重量が増大するという課題があった。【０００５】
この発明は上記課題を解決するものであり、光アンテナが備えるレンズの位置を機械的に調整する駆動機構を用いずに、送信光の集光距離を動的に制御することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーザレーダ装置は、複数のレーザ光源、変調部、複数の光アンテナ、速度算出部および制御部を備える。複数のレーザ光源は、互いに異なる波長の発振光を出力する。変調部は、レーザ光源から出力された発振光の周波数および強度を変調する。複数の光アンテナは、変調部によって変調された発振光を、集光距離だけ離れた位置で集光する送信光として放出し、送信光の放出先に存在する対象物で送信光が反射された反射光を、受信光として受信する。速度算出部は、レーザ光源から出力された発振光と光アンテナによって受信された受信光とに基づいて対象物の速度を算出する。制御部は、複数のレーザ光源を制御する。この構成において、複数の光アンテナは、各々に入力される光の波長の差異に依存した集光点のずれがオフセット補正されており、レーザ光源から出力された発振光は、複数の光アンテナのうち、当該レーザ光源に対応付けられた光アンテナから放出される。制御部は、複数のレーザ光源を切り換えることにより、光アンテナの集光位置を保持したまま送信光の放出方向を切り換え、かつ測定距離に応じて発振光の波長を変化させて集光距離が測定距離に合うように制御する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、レーザレーダ装置が、発振光の波長が互いに異なる複数のレーザ光源を切り換えることにより、光アンテナの集光位置を保持したまま送信光の放出方向を切り換え、かつ測定距離に応じて発振光の波長を変化させて送信光の集光距離が測定距離に合うように制御することで、光アンテナが備えるレンズの位置を機械的に調整する駆動機構を用いずに、発振光の集光距離を動的に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における光合波部が備える入力ポートごとの発振光の波長に対する透過特性を示す図である。
【図３】図３Ａは、第１のレーザ光源からの発振光が入力された光アンテナの光学系を示す断面図である。図３Ｂは、第２のレーザ光源からの発振光が入力された光アンテナの光学系を示す断面図である。図３Ｃは、第３のレーザ光源からの発振光が入力された光アンテナの光学系を示す断面図である。
【図４】光アンテナ装置に入力された発振光の波長と光ファイバの出力端のオフセット位置との関係を示すグラフである。
【図５】光アンテナ装置に入力された発振光の波長と集光距離との関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態１における集光距離制御部の動作を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態１における方向切換部の動作を示すフローチャートである。
【図９】回折レンズの断面を示す概念図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】実施の形態２に係るレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１２】図１２Ａは、実施の形態１または実施の形態２に係るレーザレーダ装置において信号処理を行う構成要素の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図１２Ｂは、実施の形態１または実施の形態２に係るレーザレーダ装置において信号処理を行う構成要素の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置１の構成を示すブロック図であり、風向風速計として機能するレーザレーダ装置１を示している。図１において、実線の矢印は光信号の伝送路を示しており、例えば、光ファイバである。また、破線の矢印は電気信号の伝送路を示している。レーザレーダ装置１は、大気中のエアロゾルの移動速度を測定した結果に基づいて風速を計測する。エアロゾルとは、大気中の微小な液体または固体の粒子である。
【００１０】
レーザレーダ装置１は、風速の測定を行いたい位置に対応する測定距離に応じてレーザ装置２が出力する発振光の波長を変化させて、発振光の集光距離が測定距離に合うように制御する。測定距離とは、光アンテナ装置９から測定を行いたい位置までの距離である。発振光の集光距離とは、光アンテナ装置９から発振光の集光位置までの距離である。これにより、レーザレーダ装置１は、光アンテナ装置９が備えるレンズを機械的に移動させる駆動機構を用いなくても、発振光の集光距離を動的に制御することができる。
【００１１】
レーザレーダ装置１は、レーザ装置２、光合波部３、発振光分岐部４、変調部５、光増幅器６、サーキュレータ７、光アンテナ装置９、速度算出部１０、表示部１１、制御部１２および設定部１３を備える。レーザ装置２は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃを備えている。光アンテナ装置９は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃを備えている。速度算出部１０は、ヘテロダイン検出部１０ａおよび処理部１０ｂを備えており、制御部１２は、集光距離制御部１２ａおよび方向切換部１２ｂを備えている。
【００１２】
レーザ装置２は、制御部１２からの制御信号に基づいて、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから、発振光を出力するレーザ光源を切り換え、切り換えたレーザ光源から出力された発振光を光合波部３に出力する。第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれは、集光距離制御部１２ａによって一括して同一の温度に調整されて、調整された温度に応じた波長の発振光を出力する。発振光は連続発振かつ定偏光である。例えば、集光距離制御部１２ａは、熱電クーラー（以下、ＴＥＣと記載する）を備えており、ＴＥＣが温度調整を行う。
【００１３】
以降では、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれがレーザダイオード（以下、ＬＤと記載する）モジュールであるものとして説明する。ＬＤモジュールには、例えば、波長が温度に対して線形で変化する波長多重光通信用の複数の分布帰還形のレーザダイオードが１つのパッケージに収められた、粗波長分割多重（以下、ＣＷＤＭと記載する）用ＬＤモジュールが使用される。
【００１４】
第１のレーザ光源２ａが出力する発振光の波長は１５２０ｎｍであり、第２のレーザ光源２ｂが出力する発振光の波長は１５４０ｎｍであり、第３のレーザ光源２ｃが出力する発振光の波長は１５６０ｎｍであるものとする。第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのうち、使用するレーダ光源は、方向切換部１２ｂによって切り換えられる。また、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれから出力された発振光は、光ファイバを通って光合波部３に伝送される。
【００１５】
第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃは、同一の温度に対して互いに異なる波長の発振光を出力するレーザ光源であればよく、発振光の波長は、前述した波長の値に限定されるものではない。第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃは必ずしも一体のＬＤモジュールである必要はなく、それぞれが独立したレーザ装置に備えられてもよい。すなわち、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃは、集光距離制御部１２ａが備えるＴＥＣによって温度調整が可能であれば、一体であってもよく、別個に設けられてもよい。
【００１６】
光合波部３は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから出力された発振光を、光ファイバを通して入力し、入力した発振光を合波する。光合波部３によって合波された発振光は、光ファイバを通して発振光分岐部４に出力される。
【００１７】
光合波部３は、例えば、光通信器に用いられている波長分割多重（以下、ＷＤＭと記載する）光カプラと同等の機能を有しており、第１の入力ポート、第２の入力ポート、第３の入力ポート、および出力ポートを備える。第１の入力ポート、第２の入力ポートおよび第３の入力ポートは、互いに異なる波長帯域の光を透過する。出力ポートは、光合波部３に入力された全ての波長の光を透過する。
【００１８】
第１の入力ポート、第２の入力ポートおよび第３の入力ポートには、光ファイバを通して伝送されてきた、第１のレーザ光源２ａからの発振光、第２のレーザ光源２ｂからの発振光、および第３のレーザ光源２ｃからの発振光が入力される。光合波部３は、入力した３つの発振光を合波して出力ポートから出力する。
【００１９】
図２は、光合波部３が備える入力ポートごとの発振光の波長に対する透過特性を示す図であり、横軸は発振光の波長、縦軸は発振光の透過率である。透過特性ａ１は、第１の入力ポートに入力された発振光の波長ごとの透過率の特性を示している。透過特性ｂ１は、第２の入力ポートに入力された発振光の波長ごとの透過率の特性を示している。透過特性ｃ１は、第３の入力ポートに入力された発振光の波長ごとの透過率の特性を示している。
【００２０】
第１の入力ポート、第２の入力ポートおよび第３の入力ポートのそれぞれで光の透過率の波長依存性が異なる。第１のレーザ光源２ａからの波長１５２０ｎｍの発振光、第２のレーザ光源２ｂからの波長１５４０ｎｍの発振光および第３のレーザ光源２ｃからの波長１５６０ｎｍの発振光は、それぞれの波長の光を透過する入力ポートに入力される。
【００２１】
図２において、斜線で示す領域ａ２は、第１のレーザ光源２ａが出力する発振光の波長可変範囲であり、波長１５２０ｎｍを中心とした±３ｎｍの領域である。斜線で示す領域ｂ２は、第２のレーザ光源２ｂが出力する発振光の波長可変範囲であって、波長１５４０ｎｍを中心とした±３ｎｍの領域である。斜線で示す領域ｃ２は、第３のレーザ光源２ｃが出力する発振光の波長可変範囲であり、波長１５６０ｎｍを中心とした±３ｎｍの領域である。第１の入力ポート、第２の入力ポートおよび第３の入力ポートのそれぞれでは、図２に示すように、領域ａ２、領域ｂ２および領域ｃ２において波長ごとの光の透過率がほぼ一定で透過特性が平坦になっている。このため、入力ポートに入力される光の波長が領域ａ２、領域ｂ２および領域ｃ２で変化しても、入力ポートを透過する光の強度は維持される。
【００２２】
図１の説明に戻る。
発振光分岐部４は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから出力された発振光の偏光を維持しつつ光合波部３から出力された発振光を、送信光と局部発振光とに分岐する。送信光は、光ファイバを通して変調部５に伝送され、局部発振光は、光ファイバを通してヘテロダイン検出部１０ａに伝送される。光合波部３から出力された発振光を送信光と局部発振光とに分岐するときの強度の割合は、発振光の波長に依存しない。すなわち、発振光分岐部４は、光合波部３から出力された発振光を、全ての波長について等しい割合で分岐する。
【００２３】
変調部５は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから出力され、光合波部３と発振光分岐部４とを通して入力した発振光（送信光）の周波数および強度を変調する。例えば、変調部５は、発振光分岐部４から入力した送信光に対してオフセット周波数を付与し、かつ周波数的にオンとオフの期間を繰り返したパルス変調を行う。パルス変調によって強度が変調されると、発振周波数も変調される。変調部５によって変調された送信光は、光ファイバを通して光増幅器６に伝送される。
【００２４】
光増幅器６は、変調部５から入力した送信光の振幅を光増幅する。光増幅器６によって光増幅された送信光は、光ファイバを通してサーキュレータ７に伝送される。
【００２５】
サーキュレータ７は、光増幅器６、光分岐合波部８およびヘテロダイン検出部１０ａのそれぞれとの間の３つの光ファイバに対応した入出力ポートを有しており、入力した光を決められた方向に伝送する。サーキュレータ７は、図１の左方向の入出力ポートから入力した光を右方向の入出力ポートのみに出力し、右方向の入出力ポートから入力された光を下方向の入出力ポートのみに出力する。
【００２６】
例えば、サーキュレータ７は、光増幅器６との間の光ファイバにつながる入出力ポートから入力した送信光を、光分岐合波部８との間の光ファイバにつながる入出力ポートのみに出力する。サーキュレータ７は、光分岐合波部８との間の光ファイバにつながる入出力ポートから入力した受信光を、ヘテロダイン検出部１０ａとの間の光ファイバにつながる入出力ポートのみに出力する。
【００２７】
光分岐合波部８は、例えば、光通信器に用いられているＷＤＭ光カプラと同等の機能を有している。光分岐合波部８は、サーキュレータ７から伝送されてきた送信光を分岐して光アンテナ装置９に向けて出力するとともに、光アンテナ装置９から入力した３つの受信光を合波してサーキュレータ７に向けて出力する。光分岐合波部８は、サーキュレータ７との間の光ファイバにつながる入出力ポートと、光アンテナ装置９との間の光ファイバにつながる入出力ポートを有している。
【００２８】
サーキュレータ７から光分岐合波部８に入力された送信光は、その波長に応じて異なる入出力ポートに分岐されて出力される。例えば、第１のレーザ光源２ａが出力した波長の送信光は、光分岐合波部８によって第１の光アンテナ９ａにつながる入出力ポートに分岐されて出力される。同様に、第２のレーザ光源２ｂが出力した波長の送信光は、光分岐合波部８によって第２の光アンテナ９ｂにつながる入出力ポートに分岐されて出力される。第３のレーザ光源２ｃが出力した波長の送信光は、光分岐合波部８によって第３の光アンテナ９ｃにつながる入出力ポートに分岐されて出力される。
また、光分岐合波部８は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃから入力した３つの受信光を合波してサーキュレータ７につながる入出力ポートに出力する。
【００２９】
光分岐合波部８における入出力ポートごとの波長に対する光の透過率の特性は、図２に示した光合波部３の特性と同様である。図２に示した透過特性ａ１は、第１の光アンテナ９ａにつながる入出力ポートに入力された光の波長ごとの透過率の特性となる。透過特性ｂ１は、第２の光アンテナ９ｂにつながる入出力ポートに入力された光の波長ごとの透過率の特性となる。透過特性ｃ１は、第３の光アンテナ９ｃにつながる入出力ポートに入力された光の波長ごとの透過率の特性となる。サーキュレータ７につながる入出力ポートは波長に依らずに光を透過する。すなわち、サーキュレータ７につながる入出力ポートでは光アンテナ装置９から入力した全ての波長の光を透過可能である。
光合波部３と光分岐合波部８とには、同等に機能するＷＤＭ光カプラを用いてもよい。
【００３０】
光アンテナ装置９は、光アンテナから集光距離だけ離れた位置で集光する送信光を放出し、送信光の放出先に存在する対象物で送信光が反射された反射光を、受信光として受信する。光アンテナ装置９は、例えば、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃを備えて構成される。
第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれは、透過型のレンズで構成されたファイバコリメータを有しており、互いに異なる方向に送信光を放出するように構成されている。
【００３１】
第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれによって受信された受信光は、送信光が伝送されてきた光ファイバを、送信光とは逆方向に伝搬させて光分岐合波部８に伝送される。
第１のレーザ光源２ａが出力する波長の送信光は第１の光アンテナ９ａから放出され、第２のレーザ光源２ｂが出力する波長の送信光は第２の光アンテナ９ｂから放出され、第３のレーザ光源２ｃが出力する波長の送信光は第３の光アンテナ９ｃから放出される。
【００３２】
第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれは、互いに異なる方向に送信光を放出する。このため、レーザレーダ装置１は、送信光を出力するレーザ光源を切り換えることで、送信光の放出方向を切り換えることができる。例えば、送信光を出力するレーザ光源が第１のレーザ光源２ａから第２のレーザ光源２ｂに切りかわると、送信光を放出する光アンテナが第１の光アンテナ９ａから第２の光アンテナ９ｂに切りかわり、送信光の放出方向が切りかわる。送信光を出力するレーザ光源が第２のレーザ光源２ｂから第３のレーザ光源２ｃに切りかわった場合、送信光を放出する光アンテナが第２の光アンテナ９ｂから第３の光アンテナ９ｃに切りかわって、送信光の放出方向が切りかわる。
【００３３】
ここで、光アンテナの光学系について詳細に説明する。
図３Ａは、第１のレーザ光源２ａからの発振光が入力された光アンテナの光学系を示す断面図であって、光ファイバの出射端９０の位置、光アンテナの光学部品の配置と発振光の光線の軌跡Ａが記載されている。図３Ｂは、第２のレーザ光源２ｂからの発振光が入力された光アンテナの光学系を示す断面図であり、光ファイバの出射端９０の位置、光アンテナの光学部品の配置と発振光の光線の軌跡Ａ，Ｂが記載されている。図３Ｃは、第３のレーザ光源２ｃからの発振光が入力された光アンテナの光学系を示す断面図であって、光ファイバの出射端９０の位置、光アンテナの光学部品の配置と発振光の光線の軌跡Ａ，Ｃが記載されている。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｂにおいて、光ファイバの出射端９０の位置はオフセットされている。
【００３４】
図３Ａに示すように、光ファイバの出射端９０から出射された送信光は、レンズ９１、レンズ９２およびレンズ９３の順に屈折しながら透過することにより、一定のビーム径と拡がり角とを有した光線に変換されて空間に放出される。レンズ９１、レンズ９２およびレンズ９３は、これらを構成するガラスの屈折率が波長分散を有することで、光ファイバから異なる波長の送信光を入力すると、これらの送信光を異なる集光距離で集光する特性を有する。図３Ａに示した光アンテナでは、送信光の光線の軌跡Ａが平行光で放出されるように光ファイバの出射端９０とレンズ９１との間隔が調整されている。光ファイバの出射端９０とレンズ９１との間隔を増加させると、送信光は集光するように放出され、光ファイバの出射端９０とレンズ９１との間隔を減少させると、送信光は発散するように放出される。
【００３５】
第２のレーザ光源２ｂから出力された発振光が、第１のレーザ光源２ａから出力される発振光の波長に比べて長い場合、図３Ｂに示すように、光アンテナから放出される送信光の軌跡は、発散状の軌跡Ｂとなる。光アンテナが、第２のレーザ光源２ｂから出力された発振光を入力した状態で、光ファイバの出射端９０を図３Ｂに示す位置から図３Ｃに示す位置（左側の位置）にオフセットさせると、送信光の光線は、発散状の軌跡Ｂから平行光の軌跡Ｃになる。このように、光アンテナには、送信光を平行光にする光ファイバの出射端９０のオフセット位置が存在する。
【００３６】
図４は、光アンテナ装置９に入力された発振光の波長と、光ファイバの出力端のオフセット位置との関係を示すグラフである。図４に示すように、光アンテナ装置９に入力される発振光の波長に対して同一の集光位置が維持される、発振光の波長と光ファイバの出力端のオフセット位置との間には、直線Ｄの関係がある。直線Ｄの関係は、例えば発振光の波長と光アンテナ装置９の光学系部品およびその位置とから事前に算出することができ、算出結果の関係をテーブル化することができる。テーブル化された直線Ｄの関係を用いることにより、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃに互いに異なる波長の光が入力された場合に、これらの光が互いに等しい距離に集光するオフセット位置を設定することができる。このように、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃは、各々に入力される光の波長の差異に依存した集光点のずれが事前にオフセット補正されている。
【００３７】
図５は、光アンテナ装置９に入力された発振光の波長と集光距離との関係を示すグラフである。図５に示すように、レーザレーダ装置１は、光アンテナ装置９に入力される発振光の波長とその波長の光の集光距離とが直線Ｅの関係になるように設計することが可能である。このため、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれから出力される発振光の波長を同じ変化率で変化させることで、同じ割合で集光距離が変化する。
【００３８】
例えば、集光距離制御部１２ａが備えるＴＥＣが、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃの温度を調整することにより、これらが出力する発振光の波長を同じ変化率で変化させる。これにより、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれから放出される送信光の集光距離を同じ割合で変化させることができる。
【００３９】
レーザレーダ装置１は、光アンテナに入力される送信光の波長が変化すると、光アンテナから放出される送信光の集光距離が変化するという特性を利用して、送信光の集光距離を制御している。これにより、レーザレーダ装置１は、光アンテナが備えるレンズの位置を機械的に調整する駆動機構を用いず、集光距離を動的に制御することが可能である。
【００４０】
例えば、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示した光アンテナにおいて、光ファイバの出射端９０から出射された送信光のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が０．１であり、光アンテナから放出された送信光のビームの直径が６０ｍｍであるものとする。さらに、光アンテナの光学系は、送信光の集光距離が１９００ｍに初期調整されている。このとき、レーザレーダ装置１は、レーザ光源が出力する発振光の波長を基準の波長から±３ｎｍの範囲で変化させることにより、光アンテナから放出される送信光の集光距離を∞から９７０ｍまでの間で任意に変化させることが可能となる。
【００４１】
また、光合波部３および光分岐合波部８は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから出力される発振光の波長が±３ｎｍの範囲で変化しても、発振光が入力されるポートの光の透過率が変化しないように構成されている。
第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃには、温度に応じて発振光の波長が変化する特性を有したレーザ光源が使用される。
第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃは、発振光の波長が事前に決められた値で安定するように一定の温度に制御される。
レーザレーダ装置１は、集光距離制御部１２ａが備えるＴＥＣを用いて、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃの温度が、出力させたい発振光の波長に対応した温度になるように制御する。
【００４２】
図１の説明に戻る。
速度算出部１０は、レーザ装置２から出力された発振光（送信光）と光アンテナ装置９によって受信された受信光とに基づいて対象物の速度を算出する。例えば、レーザレーダ装置１が風向風速計として機能する場合、速度が算出される対象物はエアロゾルである。速度算出部１０は、発振光分岐部４から入力した局部発振光とサーキュレータ７から入力した受信光とを用いて送信光の放出先にあるエアロゾルの速度を算出し、この算出結果に基づいて送信光の放出先における風向風速分布を求める。
【００４３】
ヘテロダイン検出部１０ａは、図示しない光電変換部を有しており、この光電変換部に局部発振光と受信光が合波されて入力される。光電変換部には、例えばフォトダイオードが用いられる。ヘテロダイン検出部１０ａは、光電変換部によって電気信号に変換された局部発振光と受信光との合波信号を用いて、局部発振光と受信光との差周波数で振動する光強度が電気信号に変換されたビート信号を生成して処理部１０ｂに出力する。
【００４４】
処理部１０ｂは、事前に設定されたサンプリングレートで、ヘテロダイン検出部１０ａから入力したビート信号をアナログデジタル変換し、デジタル信号に変換したビート信号を送信光のパルス幅に対応した長さに区切って、複数のビート信号列を生成する。複数のビート信号列は、処理部１０ｂによって、図示しないメモリの記憶領域に格納される。
ビート信号を送信光のパルス幅ごとに区切る処理を“受信ゲート処理”と呼ぶ。
さらに、処理部１０ｂは、設定部１３から設定された測定距離を示す情報に基づいて、受信ゲート処理におけるビート信号の区切りの長さを含む処理内容を判断し決定する。
【００４５】
処理部１０ｂは、ビート信号に受信ゲート処理を施して得られた複数のビート信号列のそれぞれに高速フーリエ変換を施し、ビート信号列ごとにパワースペクトルのピーク値、スペクトル値およびＳＮ比を算出する。なお、複数のビート信号列のそれぞれは、時系列順に近距離から遠距離の順となる互いに異なる測定距離で測定された物体の速度に影響を受けた戻り光（受信光）に対応している。戻り光の周波数は、上記物体の速度に比例してドップラー周波数シフトする。例えば、処理部１０ｂは、ビート信号列を用いて任意の測定距離で測定された風速に比例したドップラー周波数を算出し、算出したドップラー周波数を用いて風速を算出する。
【００４６】
処理部１０ｂは、設定部１３から設定された送信光の放出先の方向に対応する測定距離と、算出した風速の算出値とを、上記メモリに格納する。第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれが互いに異なる方向を指向しているので、処理部１０ｂは、３つの方向の風速を算出することができる。処理部１０ｂは、上記メモリに格納した情報を用いたベクトル演算によって距離方向の風向風速分布を分析する。処理部１０ｂによる風向風速分布の分析結果は表示部１１に伝送される。
また、処理部１０ｂが、測定距離および測定方向を制御部１２に設定してもよい。
【００４７】
表示部１１は、液晶モニタといった表示装置によって実現されて、速度算出部１０から入力した処理結果を表示する。例えば、処理結果は、速度算出部１０による風向風速分布の分析結果である。
【００４８】
制御部１２は、レーザ装置２が出力する発振光の波長を測定距離に応じて変化させて、光アンテナ装置９から放出された送信光の集光距離を制御し、光アンテナ装置９から放出された送信光の放出方向を制御する。
集光距離制御部１２ａは、設定部１３によって設定された測定距離に基づいて、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃが出力する発振光の波長を変化させて、光アンテナ装置９から放出される送信光の集光距離を制御する。
【００４９】
集光距離制御部１２ａは、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃの温度を制御するＴＥＣを有しており、ＴＥＣを用いて任意の温度に変化させることができる。例えば、集光距離制御部１２ａには、送信光の集光距離と送信光の波長との関係および送信光の波長とレーザ光源の温度との関係がテーブル化されたデータが設定されている。集光距離制御部１２ａは、設定部１３から測定距離が設定されると、このテーブル化されたデータを参照して、送信光の集光距離が設定部１３によって設定された測定距離となる送信光の波長に対応するレーザ光源の温度を特定する。そして、集光距離制御部１２ａは、ＴＥＣを用いて、特定した温度を目標としたレーザ光源の温度制御を行う。
【００５０】
方向切換部１２ｂは、設定部１３から設定された切換要求に応じて、光アンテナ装置９から放出される送信光の指向方向を切り換える。例えば、方向切換部１２ｂは、切換要求で指定された測定方向が送信光の指向方向となるように、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから、送信光を放出させるレーザ光源を選択して駆動させる。
【００５１】
なお、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃは、放出した送信光が互いに異なる方向を指向するように支持固定されている。
第１のレーザ光源２ａから出力された送信光は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのうち、事前に対応付けられた光アンテナから放出される。第２のレーザ光源２ｂから出力された送信光は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのうち、第１のレーザ光源２ａおよび第３のレーザ光源２ｃに対応付けられた光アンテナ以外の光アンテナから放出される。同様に、第３のレーザ光源２ｃから出力された送信光は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのうち、第１のレーザ光源２ａおよび第２のレーザ光源２ｂに対応付けられた光アンテナ以外の光アンテナから放出される。
従って、方向切換部１２ｂが、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのうち、送信光を放出させるレーザ光源を切り換えることによって、光アンテナ装置９から放出される送信光の指向方向が切りかわる。
【００５２】
設定部１３は、測定距離および測定方向の入力を受け付け、受け付けた測定距離を集光距離制御部１２ａに設定し、測定方向を方向切換部１２ｂに設定する。例えば、風向風速計の使用者が、図示しない入力装置を用いて風速の測定を行いたい位置および方向を入力する。設定部１３は、入力装置を用いて入力された位置と光アンテナ装置９の位置との間の距離である測定距離を特定し、特定した測定距離を示す情報を制御部１２に設定する。さらに、設定部１３は、入力装置を用いて入力された方向である測定方向を特定し、特定した測定方向を示す情報を制御部１２に設定する。なお、設定部１３が、レーザレーダ装置１の外部にある装置から位置および方向を定期的に受け付けて、受け付けた位置および方向から特定した測定距離および測定方向を示す情報を制御部１２に設定してもよい。
また、測定距離を示す情報は、設定部１３によって処理部１０ｂにも設定される。
【００５３】
次に動作について説明する。
図６は、レーザレーダ装置１の動作を示すフローチャートである。
設定部１３が、使用者から受け付けた測定距離を集光距離制御部１２ａに設定し、測定方向を方向切換部１２ｂに設定する。さらに、設定部１３は、測定距離を処理部１０ｂに設定する。処理部１０ｂは、設定部１３から設定された測定距離を示す情報に基づいて、受信ゲート処理におけるビート信号の区切りの長さを含む処理内容を判断し決定する。
【００５４】
集光距離制御部１２ａは、設定部１３から設定された測定距離に応じて、レーザ装置２から出力される発振光の波長を変化させることにより、送信光の集光距離が上記測定距離に合うように制御する（ステップＳＴ１）。例えば、集光距離制御部１２ａは、送信光の集光距離と送信光の波長との関係および送信光の波長とレーザ光源の温度との関係がテーブル化されたデータを参照して、送信光の集光距離が上記測定距離となる送信光の波長に対応するレーザ光源の温度を特定する。そして、集光距離制御部１２ａは、ＴＥＣを用いて、特定した温度を目標としたレーザ光源の温度制御を行う。これによって、測定距離に応じて、レーザ装置２から出力される発振光の波長が変化する。
【００５５】
方向切換部１２ｂは、設定部１３から設定された測定方向に応じて、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから使用するレーザ光源を選択して、選択したレーザ光源を駆動させる（ステップＳＴ２）。例えば、方向切換部１２ｂは、設定部１３から入力した切換要求で指定された測定方向が送信光の指向方向となるように、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから、送信光を放出させるレーザ光源を選択して駆動させる。
【００５６】
制御部１２により駆動されたレーザ光源は、連続発振かつ定偏光の発振光を出力する。レーザ光源から出力された発振光は、光合波部３を通して発振光分岐部４に伝送される。発振光分岐部４は、光合波部３から伝送された発振光について、偏光状態を維持したままで送信光と局部発振光に分岐する。送信光は、変調部５に伝送され、局部発振光は、速度算出部１０に伝送される。
【００５７】
変調部５は、発振光分岐部４から伝送された送信光の周波数および強度を変調する。変調部５によって変調された送信光は、光増幅器６によって光増幅され、サーキュレータ７によって光分岐合波部８に伝送される。光分岐合波部８は、サーキュレータ７から伝送された送信光を光アンテナ装置９に伝送する。光アンテナ装置９は、光アンテナから送信光を放出する。集光距離制御部１２ａによって送信光の集光距離が上記測定距離に合うように制御されるので、送信光は、測定距離で集光する。
【００５８】
光アンテナ装置９から放出された送信光は、観測空間の対象物によって後方散乱され、対象物の移動速度に応じてドップラー周波数シフトする。光アンテナ装置９は、後方散乱した光、すなわち、対象物で反射された送信光である受信光を受信する。送信光は、測定距離で集光するように制御されるので、光アンテナ装置９から測定距離だけ離れた位置で送信光の強度が最も高くなる。これにより、様々な位置の物体で送信光が反射されて受信光となっても、測定距離だけ離れた位置で反射されてきた受信光の割合が最も多くなる。このため、測定距離だけ離れた位置で反射されてきた受信光のＳＮ比が高くなる。
【００５９】
光アンテナ装置９によって受信された受信光は、光分岐合波部８に伝送され、光分岐合波部８は、サーキュレータ７に伝送する。サーキュレータ７は、受信光を速度算出部１０に伝送する。速度算出部１０は、ステップＳＴ２において選択されたレーザ光源から出力された発振光と光アンテナ装置９によって受信された受信光とに基づいて、対象物の速度を算出する（ステップＳＴ３）。
【００６０】
ヘテロダイン検出部１０ａが、発振光分岐部４から入力した局部発振光およびサーキュレータ７から入力した受信光を用いて、ヘテロダイン検出を行う。例えば、ヘテロダイン検出部１０ａは、局部発振光と受信光とを光学的に合波して光電変換することによって、局部発振光と受信光との差周波数のビート信号を生成する。処理部１０ｂは、ヘテロダイン検出部１０ａにより生成されたビート信号を周波数分析し、測定位置における送信光の放出方向の風速を算出する。処理部１０ｂによって算出された風速を示す情報は、レーザレーダ装置１が備えるメモリに格納される。
【００６１】
レーザレーダ装置１を用いた風速測定は、１つの方向に関する風速だけでなく、３次元風速を測定できた方が、利用範囲が広く利便性が高い。３次元風速は、３点測位法によって得ることができる。例えば、方向切換部１２ｂが、使用するレーザ光源を切り換えることで、送信光を放出する光アンテナを順次切り換え、速度算出部１０が、測定位置の近傍で異なる３つの方向についての風速を算出する。速度算出部１０は、３方向の風速を用いたベクトル演算で風速の３次元風速分布を推定することができ、さらに測定距離ごとの風速分布を算出することができる。
【００６２】
次に、送信光の集光距離の制御について詳細に説明する。
図７は、集光距離制御部１２ａの動作を示すフローチャートであって、図６のステップＳＴ１の詳細な処理を示している。
集光距離制御部１２ａは、設定部１３から測定距離が設定されると（ステップＳＴ１ａ）、光アンテナから放出される送信光の集光距離と設定部１３から設定された測定距離とが一致する送信光の波長を決定する（ステップＳＴ２ａ）。
例えば、集光距離制御部１２ａは、送信光の集光距離と送信光の波長との関係および送信光の波長とレーザ光源の温度との関係がテーブル化されたデータを参照して、送信光の集光距離が上記測定距離となる送信光の波長を決定する。
【００６３】
次に、集光距離制御部１２ａは、決定した波長の送信光をレーザ光源が出力する温度Ｔを決定する（ステップＳＴ３ａ）。例えば、集光距離制御部１２ａは、上記テーブルデータを参照することにより、ステップＳＴ２ａで決定した波長の光をレーザ光源が出力する温度Ｔを決定する。
【００６４】
集光距離制御部１２ａは、ＴＥＣを用いて、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれの温度がステップＳＴ３ａで決定した温度Ｔになるように温度調整する（ステップＳＴ４ａ）。温度Ｔに温度調整された第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのうち、送信光を放出する光アンテナに対応するレーザ光源が、ステップＳＴ２ａで決定された波長の発振光を出力する。これにより、光アンテナから放出される送信光の集光距離と、設定部１３から設定された測定距離とが一致するように制御される。
【００６５】
この後、集光距離制御部１２ａは、設定部１３から新たな測定距離が設定されたか否かを判定する（ステップＳＴ５ａ）。ここで、新たな測定距離が設定されなければ（ステップＳＴ５ａ；ＮＯ）、集光距離制御部１２ａは、ステップＳＴ４ａの処理に戻り、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれの温度を一括して温度Ｔに維持する。
【００６６】
設定部１３から新たな測定距離が設定された場合（ステップＳＴ５ａ；ＹＥＳ）、集光距離制御部１２ａは、ステップＳＴ２ａの処理に戻り、新たに設定された測定距離と送信光の集光距離とが一致するように、前述した一連の処理を繰り返す。
このように第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれの温度が一括して制御されるので、送信光の波長が、送信光の集光距離と測定距離とが一致する波長に制御される。
【００６７】
次に、送信光の放出方向の切り換え処理について詳細に説明する。
図８は、方向切換部１２ｂの動作を示すフローチャートであって、図６のステップＳＴ２の詳細な処理を示している。
方向切換部１２ｂは、設定部１３から測定方向が設定されると（ステップＳＴ１ｂ）、送信光の放出方向が設定部１３から設定された測定方向に一致する光アンテナを決定する（ステップＳＴ２ｂ）。前述したように、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれは、互いに異なる方向に送信光を放出する。設定部１３は、これらの光アンテナが送信光を放出する３つの方向から測定方向を選択して、選択した測定方向を方向切換部１２ｂに設定する。測定方向の選択は、使用者が入力装置を用いて設定部１３に指定してもよい。
【００６８】
方向切換部１２ｂは、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのうち、ステップＳＴ２ｂで決定した光アンテナに対応するレーザ光源を選択して駆動させる（ステップＳＴ３ｂ）。例えば、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのうち、ステップＳＴ２ｂで決定した光アンテナに対応付けられたレーザ光源が第３のレーザ光源２ｃである場合、方向切換部１２ｂは、このレーザ光源を選択する。レーザレーダ装置１は、光アンテナから放出される送信光の指向方向と設定部１３から設定された測定方向とに基づいて、使用する光アンテナを決定し、決定した光アンテナに対応付けられたレーザ光源を駆動させることで、送信光の放出方向を切り換えることができる。
【００６９】
なお、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃ内の光ファイバの出射端は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃに順次切り換えられて、光アンテナに入力される発振光の波長が変化しても、送信光が等しい距離で集光するオフセット位置に配置されている。これにより、レーザ光源が切り換えられて発振光の光路が切りかわっても、同一の集光距離で、かつ光合波部３および光分岐合波部８の光の透過率が同一の条件で測定が可能となり、機械的に光路走査する構成と同等の測定を、機械走査機構を用いずに実現できる。
【００７０】
さらに、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃが備える光学系には、波長分散特性を有する回折レンズを用いてもよい。回折レンズを通して送信光を放出することにより、波長の変化に対する送信光の集光距離の可変幅を大きくすることができる。
【００７１】
図９は、回折レンズ９１Ａの断面を示す概念図である。回折レンズ９１Ａは、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示した光アンテナの光学系が備えるレンズ９１の代わりに使用される。図９において破線で示すカーブは、回折レンズ９１Ａの表面と比較するために記載した上記レンズ９１の表面である。回折レンズ９１Ａの表面は、入射光を回折するために、図９に示すような複数の段差を有する形状で構成されている。これらの段差は、フレネルレンズのように外周側ほど段差面の間隔が狭くなっている。回折レンズ９１Ａを段差面が入射光の波長の整数倍となるように構成することでレンズ効果を生じる。
【００７２】
回折レンズ９１Ａは、入射光の波長オーダーの微少な構造によってレンズ効果を生じるため、光アンテナの光学系の小型化が可能である。また、回折レンズ９１Ａは、大きな波長分散特性を有しており、入射光の波長に応じて出射光の集光距離が変化する。
上記レンズ９１を回折レンズ９１Ａに置き換えることによって集光距離の波長分散特性を大きくできるので、回折レンズ９１Ａでは、レンズ９１に比べて、入射光の波長の変化に対して出射光の集光距離の可変範囲が大きくなる。
【００７３】
なお、回折レンズ９１Ａは、図９に示した形状に限定されるものではない。
入射光の波長に対して出射光の集光距離の可変距離を大きくすることができれば、独立した回折レンズを用いてもよいし、回折レンズを複数用いてもよい。
【００７４】
これまで、レーザレーダ装置１がレーザ光源と光アンテナのペアを３ペア備える構成を示したが、４つ以上のペアを設けてもよく、あるいは２つのペアであってもよい。例えば、３次元風速を測定するためには、レーザ光源と光アンテナのペアが最低３つ必要であるが、１次元または２次元の風速測定であれば１ペアまたは２ペアで測定が可能である。この場合であっても、光アンテナが、レンズを機械的に移動させる駆動機構が不要であり、光アンテナの重量および寸法の増大を抑制できる。
また、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃと、集光距離制御部１２ａが備えるＴＥＣは、これらが一体となったレーザモジュールで実現してもよい。
【００７５】
以上のように、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１は、発振光の波長が互いに異なる複数のレーザ光源を切り換えることにより、光アンテナの集光位置を保持したまま送信光の放出方向を切り換え、かつ測定距離に応じて発振光の波長を変化させて送信光の集光距離が測定距離に合うように制御する。これにより、レーザレーダ装置１は、光アンテナが備えるレンズの位置を機械的に調整する駆動機構を用いずに、発振光の集光距離を動的に制御することができる。なお、レンズを機械的に移動させる駆動機構が不要であるため、光アンテナ装置９の重量および寸法の増加を抑制することが可能である。
【００７６】
実施の形態１に係るレーザレーダ装置１は、測定距離を受け付け、受け付けた測定距離を制御部１２に設定する設定部１３を備える。制御部１２は、送信光の集光距離が、設定部１３から設定された測定距離に合うように制御する。この構成を有することで、使用者は、設定部１３を用いて測定距離を制御部１２に設定する。
【００７７】
実施の形態１に係るレーザレーダ装置１において、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれは、温度に応じた波長の発振光を出力する。制御部１２は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃの温度を調整して発振光の波長を変化させる。例えば、制御部は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれを一括して同一の温度に調整することで、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃから、調整した温度に応じた波長の発振光を出力させる。これにより、レーザレーダ装置１は、３つの送信光の集光距離を同時に調整することができる。
【００７８】
実施の形態１に係るレーザレーダ装置１において、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃは、回折レンズ９１Ａを備える。第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃのそれぞれから出力された発振光は、回折レンズ９１Ａを通って放出される。この構成とすることで、光アンテナ装置９から放出される送信光の集光距離の可変幅を大きくすることができる。
【００７９】
実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置１Ａの構成を示すブロック図であり、風向風速計として機能するレーザレーダ装置１Ａを示している。図１０において、実線の矢印は光信号の伝送路を示しており、例えば、光ファイバである。また、破線の矢印は電気信号の伝送路を示している。また、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。レーザレーダ装置１Ａは、風速の測定を行いたい位置に対応する測定距離に応じてレーザ装置２が出力する発振光の波長を変化させて、発振光の集光距離が測定距離に合うように制御する。
【００８０】
レーザレーダ装置１Ａは、レーザ装置２、光合波部３、発振光分岐部４、変調部５、光増幅器６、サーキュレータ７、光アンテナ装置９Ａ、速度算出部１０、表示部１１、制御部１２Ａおよび設定部１３を備える。レーザ装置２は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃを備える。光アンテナ装置９Ａは、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂ、第３の光アンテナ９ｃ、温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅを備える。速度算出部１０は、ヘテロダイン検出部１０ａおよび処理部１０ｂを備え、制御部１２Ａは、集光距離制御部１２ａ１および方向切換部１２ｂを備える。
【００８１】
光アンテナ装置９Ａは、送信光を集光して放出するとともに、送信光の放出先に存在する対象物で反射された送信光である受信光を受信する。第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃは、波長分散特性を有するコリメータレンズを備えて構成される。コリメータレンズにおいて、このレンズを構成するガラスの屈折率と大気の屈折率とが温度に依存し、レンズ形状が線膨張で変化する。
【００８２】
コリメータレンズの焦点距離は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの温度に依存して変化する。また、雰囲気の大気圧が変化して大気の屈折率が変化することで、コリメータレンズの焦点距離も大気圧に依存して変化する。レーザレーダ装置１Ａは、光アンテナ装置９Ａの温度と気圧を測定して、測定した温度と気圧に応じたコリメータレンズの屈折率に基づいて送信光の波長を制御することにより、送信光の集光距離が目標とする測定位置に合うように制御することができる。
【００８３】
温度センサ９ｄは、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの内部の温度を測定する。例えば、温度センサ９ｄは、光アンテナの内部に設けられたコリメータレンズの温度を測定する。気圧センサ９ｅは、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの内部の気圧を測定する。例えば、気圧センサ９ｅは、光アンテナの内部において、光ファイバの出射端から出射された発振光がコリメータレンズを通って放出されるまでに伝搬する空間の気圧を測定する。
なお、温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅのそれぞれが測定した測定値の電気信号は制御部１２Ａに出力される。
【００８４】
制御部１２Ａは、温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅのそれぞれによって測定された第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの内部の温度および気圧に応じたコリメータレンズの屈折率に基づいて、送信光の波長を制御する。
集光距離制御部１２ａ１は、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの内部の温度および気圧に応じて送信光の波長を制御する。
【００８５】
集光距離制御部１２ａ１には、光アンテナの温度および気圧に応じたコリメータレンズの屈折率の変化と、レーザ光源の温度に応じた発振光の波長の変化とに対応する、送信光の光路差の変化が事前に設定されている。
例えば、光アンテナの温度および気圧に応じたコリメータレンズの屈折率の変化に対応した送信光の光路差の変化としては、温度センサ９ｄと気圧センサ９ｅの測定値に対する送信光の光路差の変化を事前に計測または算出する。この計測値または算出値が集光距離制御部１２ａ１に設定される。
また、レーザ光源の温度に応じた発振光の波長の変化に対応した送信光の光路差の変化としては、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃの温度に対する送信光の光路差の変化を事前に計測または算出する。この計測値または算出値が集光距離制御部１２ａ１に設定される。
光アンテナの内部の温度および気圧、およびレーザ光源の温度に応じた送信光の光路差の変化を示すデータは、数式またはテーブルで表すことができる。以下、これらのデータが、テーブルデータの形式で集光距離制御部１２ａ１に設定されているものとする。
【００８６】
集光距離制御部１２ａ１は、設定部１３から測定距離が設定され、温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅの測定値が入力されると、上記テーブルデータを参照し、送信光の集光距離が測定距離に合う送信光の波長に対応したレーザ光源の温度を特定する。集光距離制御部１２ａ１は、特定した温度にレーザ光源の温度を制御してレーザ装置２から出力される発振光の波長を変化させることによって、送信光の集光距離が上記測定距離に合うように制御する。
【００８７】
次に動作について説明する。
図１１は、レーザレーダ装置１Ａの動作を示すフローチャートである。
図１１のステップＳＴ２ｃからステップＳＴ３ｃまでの処理は、図６のステップＳＴ２からステップＳＴ３までと同一であるので説明を省略する。温度センサ９ｄが、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの内部の温度を測定する。気圧センサ９ｅが、第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃの内部の気圧を測定する。温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅは、電気信号の伝送路を通して測定値の電気信号を制御部１２Ａに出力する。
【００８８】
集光距離制御部１２ａ１は、光アンテナの内部の温度および気圧と設定部１３から設定された測定距離とに応じて発振光の波長を変化させることで、集光距離が測定距離に合うように制御する（ステップＳＴ１ｃ）。
例えば、集光距離制御部１２ａ１は、温度センサ９ｄが測定した温度の測定情報と、気圧センサ９ｅが測定した気圧の測定情報とに基づいて、上記テーブルデータを参照して光アンテナが放出する送信光の光路差を求める。そして、集光距離制御部１２ａ１は、設定部１３から設定された測定距離に基づいて上記テーブルデータを参照し、求めた送信光の光路差を考慮して集光距離が測定距離となる、送信光の波長に対応するレーザ光源の温度を特定する。続いて、集光距離制御部１２ａ１は、ＴＥＣを用いて、特定した温度を目標としたレーザ光源の温度制御を行う。これにより、測定距離に応じて、レーザ装置２から出力される発振光の波長が変化する。
【００８９】
なお、光アンテナ装置９Ａが温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅの両方を備えた場合を説明したが、光アンテナ装置９Ａは、温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅのいずれか一方を備えた構成であってもよい。例えば、集光距離制御部１２ａ１には、光アンテナの内部の温度または気圧に応じた送信光の光路差の変化とレーザ光源の温度に応じた送信光の波長の変化を示すテーブルデータが設定される。集光距離制御部１２ａ１は、設定部１３から設定された測定距離に基づいて上記テーブルデータを参照して、送信光の光路差を求める。この後、集光距離制御部１２ａ１は、求めた送信光の光路差を考慮して集光距離が上記測定距離となるレーザ光源の温度を特定し、特定した温度となるようにレーザ光源を温度制御する。
【００９０】
さらに、温度センサ９ｄおよび気圧センサ９ｅは、光アンテナ装置９Ａ全体の雰囲気の温度および気圧を測定してもよい。光アンテナ装置９Ａ全体の雰囲気の温度および気圧を測定する場合、集光距離制御部１２ａ１は、第１のレーザ光源２ａ、第２のレーザ光源２ｂおよび第３のレーザ光源２ｃの温度を一括して制御する。第１の光アンテナ９ａ、第２の光アンテナ９ｂおよび第３の光アンテナ９ｃのそれぞれの内部の温度および気圧を測定する場合、集光距離制御部１２ａ１は、これらの光アンテナのそれぞれに対応したレーザ光源ごとの温度を制御する。
【００９１】
以上のように、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１Ａは、光アンテナの内部の温度を測定する温度センサ９ｄを備える。制御部１２Ａは、温度センサ９ｄによって測定された温度に基づいて集光距離が測定距離に合うように制御する。
また、レーザレーダ装置１Ａは、光アンテナの内部の気圧を測定する気圧センサ９ｅを備える。制御部１２Ａは、気圧センサ９ｅによって測定された気圧に基づいて集光距離が測定距離に合うように制御する。制御部１２Ａは、光アンテナの内部の温度および気圧によって光アンテナが備えるコリメータレンズの屈折率が変化しても、光アンテナの内部の温度および気圧に応じた集光距離の変化の影響が低減されるように、送信光の波長を変化させる。これにより、レーザレーダ装置１Ａは、送信光の集光距離を目標とする測定位置に合うように制御することができる。
【００９２】
実施の形態１および実施の形態２における集光距離制御部が、設定部１３から設定された測定距離に応じて、レーザ光源から出力される発振光の波長を変化させることにより、光アンテナから放出される送信光の集光距離を上記測定距離に合うように制御する。
この場合、設定部１３から設定された上記測定距離は、測定を行いたい位置までの距離に完全に一致させる必要はない。測定を行いたい位置における対象物の測定精度（例えば、測定結果のＳＮ比）が許容範囲であれば、測定を行いたい位置の近傍に送信光を集光させてもよい。
【００９３】
実施の形態１および実施の形態２における集光距離制御部が、レーザ光源の温度を変化させることにより、レーザ光源から出力される発振光の波長を変化させたが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ光源の素子に物理的に圧力を加えることで、レーザ光源から出力される発振光の波長を変化させてもよい。
【００９４】
実施の形態３．
レーザレーダ装置１における、速度算出部１０および制御部１２の機能は、処理回路により実現される。すなわち、レーザレーダ装置１は、図６に示したステップＳＴ１からステップＳＴ３までの処理を実行するための処理回路を備える。同様に、レーザレーダ装置１Ａにおける、速度算出部１０および制御部１２Ａの機能は、処理回路により実現され、この処理回路は、図１１に示したステップＳＴ１ｃからステップＳＴ４ｃまでの処理を実行するためのものである。これらの処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）であってもよい。
【００９５】
図１２Ａは、レーザレーダ装置１またはレーザレーダ装置１Ａにおいて信号処理を行う構成要素の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図１２Ｂは、レーザレーダ装置１またはレーザレーダ装置１Ａにおいて信号処理を行う構成要素の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて、信号処理を行う構成要素は、レーザレーダ装置１では、速度算出部１０および制御部１２であり、レーザレーダ装置１Ａでは、速度算出部１０および制御部１２Ａである。
【００９６】
表示装置１００は、図１および図１０に示した表示部１１であり、例えば、速度算出部１０による風向風速分布の分析結果を表示する。入力装置１０１は、使用者からの入力を受け付ける装置であり、タッチパネル、ハードウェアキーおよびマウスなどによって実現される。設定部１３は、入力装置１０１を用いた情報の入力を受け付け、受け付けた情報に基づいて測定距離および測定方向を特定して、特定した測定距離および測定方向を制御部１２に設定する。
【００９７】
上記処理回路が図１２Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１０２である場合、処理回路１０２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）またはこれらを組み合わせたものが該当する。
レーザレーダ装置１における、速度算出部１０および制御部１２の機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。
また、レーザレーダ装置１Ａにおける、速度算出部１０および制御部１２Ａの機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。
【００９８】
上記処理回路が図１２Ｂに示すプロセッサ１０３である場合、レーザレーダ装置１における、速度算出部１０および制御部１２の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。
レーザレーダ装置１Ａにおける、速度算出部１０および制御部１２のＡの機能についても、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１０４に記憶される。
【００９９】
プロセッサ１０３は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、レーザレーダ装置１における速度算出部１０および制御部１２の機能を実現する。
すなわち、レーザレーダ装置１は、プロセッサ１０３によって実行されるときに、図６に示したステップＳＴ１からステップＳＴ３までの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１０４を備える。
同様に、レーザレーダ装置１Ａは、プロセッサ１０３によって実行されるときに、図１１に示したステップＳＴ１ｃからステップＳＴ４ｃまでの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１０４を備える。これらのプログラムは、速度算出部１０および制御部１２の手順または方法をコンピュータに実行させる。メモリ１０４は、コンピュータを速度算出部１０および制御部１２として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。これは、レーザレーダ装置１Ａにおいても同様である。
【０１００】
メモリ１０４には、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。
【０１０１】
速度算出部１０および制御部１２の機能について一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。
例えば、速度算出部１０は、専用のハードウェアである処理回路で機能を実現し、制御部１２は、プロセッサ１０３がメモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより機能を実現してもよい。これは、レーザレーダ装置１Ａにおける速度算出部１０および制御部１２Ａにおいても同様である。
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせにより上記機能を実現することができる。
【０１０２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
この発明に係るレーザレーダ装置は、光アンテナが備えるレンズの位置を機械的に調整する駆動機構を用いずに発振光の集光距離を動的に制御することができるので、例えば、移動体に搭載される風向風速計に利用可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１，１Ａ  レーザレーダ装置、２  レーザ装置、２ａ  第１のレーザ光源、２ｂ  第２のレーザ光源、２ｃ  第３のレーザ光源、３  光合波部、４  発振光分岐部、５  変調部、６  光増幅器、７  サーキュレータ、８  光分岐合波部、９，９Ａ  光アンテナ装置、９ａ  第１の光アンテナ、９ｂ  第２の光アンテナ、９ｃ  第３の光アンテナ、９ｄ  温度センサ、９ｅ  気圧センサ、１０  速度算出部、１０ａ  ヘテロダイン検出部、１０ｂ  処理部、１１  表示部、１２，１２Ａ  制御部、１２ａ，１２ａ１  集光距離制御部、１２ｂ  方向切換部、１３  設定部、９０  出射端、９１  レンズ、９１Ａ  回折レンズ、９２  レンズ、９３  レンズ、１００  表示装置、１０１  入力装置、１０２  処理回路、１０３  プロセッサ、１０４  メモリ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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