(57)【要約】  レーザ光を大気中に照射して、レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信しヘテロダイン検波することで受信信号を得る光送受信部（１）と、光送受信部（１）により得られた受信信号を時間ゲートに分割する分割器（２０１）、受信信号を時間ゲートごとに周波数領域に変換して受信スペクトルを得る周波数領域変換器（２０２）、積算されたスペクトルの信号対雑音比を算出する信号対雑音比算出器（２０３）、積算された受信スペクトルから光送受信部１によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する風速算出器（２０７）を有する信号処理装置（１３）と、積算された受信スペクトル（２１２）、信号対雑音比（２１３）および風速（２１６）のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部（１）および信号処理装置（１３）のいずれか一つ以上の動作を制御する機器制御部（１４）を備えた。
2020026920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を大気中に照射し、レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信して、前記散乱光をヘテロダイン検波することで受信信号を得る光送受信部と、
前記光送受信部により得られた受信信号を時間ゲートに分割する分割器、前記分割器により分割されたそれぞれの前記時間ゲートの受信信号を周波数領域に変換することで、前記時間ゲートごとの受信スペクトルを得る周波数領域変換器、前記時間ゲートごとの受信スペクトルを積算する積算処理器、前記積算処理器により積算された受信スペクトルである積算後受信スペクトルの信号対雑音比を算出する信号対雑音比算出器、前記積算後受信スペクトルから、前記光送受信部により照射されたレーザ光に対する周波数シフトを算出する周波数シフト算出器、および、前記周波数シフトから、前記光送受信部によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する風速算出器を有する信号処理装置と、
前記積算後受信スペクトル、前記信号対雑音比および前記風速のうちのいずれか１つ以上に基づき、前記光送受信部および前記信号処理装置のいずれか一つ以上の動作を制御する機器制御部と
を備えたレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記光送受信部は、
レーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力されるレーザ光をパルス変調するパルス変調器と、
前記パルス変調器によりパルス変調されたレーザ光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅されたレーザ光の送信方向を切り替えるビームスキャナとを含んでおり、
前記機器制御部は、前記積算後受信スペクトル、前記信号対雑音比および前記風速のうち、いずれか１つ以上に基づき、前記分割器、前記積算処理器、前記光源、前記パルス変調器、前記光増幅器および前記ビームスキャナのそれぞれの動作のうちのいずれか１つ以上の動作を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】
前記信号対雑音比に基づいて、前記風速の算出が可能な距離である計測可能距離を求める計測可能距離算出器をさらに備え、
前記機器制御部は、前記計測可能距離に基づいて、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率を制御することを特徴とする請求項２記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記機器制御部は、前記計測可能距離が、前記計測可能距離の要求値と同じになるように、前記増幅率を制御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】
前記機器制御部は、前記風速の時間変化に基づいて、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率を制御するとともに、前記積算処理器において受信スペクトルを積算する積算時間を制御することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記機器制御部は、前記風速の時間変化に基づいて、前記ビームスキャナにおける送信方向の切替速度を制御することを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記機器制御部は、前記風速の空間分布に基づいて、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率を制御するとともに、前記積算処理器において受信スペクトルを積算する積算時間を制御することを特徴とする請求項２から請求項６のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項８】
前記機器制御部は、前記風速の空間分布に基づいて、前記ビームスキャナにおける送信方向の切替速度を制御することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項９】
前記機器制御部は、前記風速の空間分布に基づいて、前記パルス変調器によりパルス変調されるレーザ光のパルス幅、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率および前記時間ゲートの長さのそれぞれを制御することを特徴とする請求項２から請求項８のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項１０】
前記光送受信部からレーザ光が照射される方向の大気の状態を取得する外部情報取得部をさらに備え、
前記機器制御部は、前記大気の状態が前記光送受信部の停止条件に該当する場合、前記光送受信部の動作を停止させることを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項１１】
前記光増幅器は、レーザ媒質および励起用半導体レーザを有しており、
前記機器制御部は、前記励起用半導体レーザの駆動電流を制御することで、前記増幅率を制御することを特徴とする請求項３、請求項４、請求項５、請求項７および請求項９のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項１２】
前記光送受信部および前記信号処理装置における動作実績を記憶する動作実績記憶部と、
前記機器制御部が、前記積算後受信スペクトル、前記信号対雑音比および前記風速のうちのいずれか１つ以上に基づき、前記光送受信部および前記信号処理装置のいずれか１つ以上の動作を制御する動作変更条件を、前記動作実績記憶部に記憶された動作実績に基づいて調整する動作条件調整部とをさらに備えた請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項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、風速を算出するレーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下の非特許文献１には、風速を計測するレーザレーダ装置が開示されている。
レーザレーダ装置は、レーザ光を大気に送信したのち、大気中のエアロゾルに散乱された散乱光を受信し、散乱光の受信信号のドップラー周波数シフトを分析することで、エアロゾルの移動速度すなわち風速を計測している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】T. Ando et al., “All-fiber coherent Doppler technologies at Mitsubishi Electric Corporation,” IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 1, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザレーダ装置では、遠距離の位置の風速を計測する場合、光増幅器が、レーザ光の増幅率を上げて、レーザ光の出力を高める必要がある。また、広範囲かつリアルタイムに風速を計測する場合、ビームスキャナが、レーザ光を照射する方向（送信方向と呼ぶ）を例えば９０度程度の広範囲かつ高速（例えば２０度／秒）に切り替える必要がある。
ドップラーレーダ装置を長期間に亘って動作させる場合、光増幅器の製品寿命は、レーザ光の出力を高める動作条件で光増幅器を使用すると、レーザ光の出力が低い動作条件で光増幅器を使用するときよりも低下する。
また、ビームスキャナの製品寿命は、レーザ光の送信方向を広範囲かつ高速に切り替える動作条件でビームスキャナを使用すると、レーザ光の送信方向を狭範囲かつ低速に切り替える動作条件でビームスキャナを使用するときよりも低下する。
したがって、レーザレーダ装置では、製品性能の向上と製品寿命の向上との両立を図ることが困難であるという課題があった。【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製品性能を満足する動作条件の下で、従来よりも製品寿命を長く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、レーザ光を大気中に照射し、レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信して、散乱光をヘテロダイン検波することで受信信号を得る光送受信部と、光送受信部により得られた受信信号を時間ゲートで分割する分割器、分割器により分割されたそれぞれの受信信号を周波数領域に変換することで、時間ゲートごとの受信スペクトルを得る周波数領域変換器、時間ゲートごとの受信スペクトルを積算する積算処理器、積算処理器により積算された受信スペクトルである積算後受信スペクトルの信号対雑音比を算出する信号対雑音比算出器、積算後受信スペクトルから、光送受信部により照射されたレーザ光に対する周波数シフトを算出する周波数シフト算出器、および、周波数シフトから、光送受信部によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する風速演算器を有する信号処理装置と、積算後受信スペクトル、信号対雑音比および風速のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部および信号処理装置のいずれか一つ以上の動作を制御する機器制御部とを備えた。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係るレーザレーダ装置は、製品性能を満足する動作条件の下で、従来よりも製品寿命を長くすることができる。
【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図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザレーダ装置が有する信号処理装置１３の構成を示すブロック図である。
【図３】信号処理装置がソフトウェアまたはファームウェアなどで実現される場合の信号処理装置のハードウェア構成図である。
【図４】実施の形態１に係るレーザレーダ装置が有する機器制御部における第１の制御例を示すフローチャートである。
【図５】風速を計測する距離と受信スペクトルのＳＮ比の関係を説明する図である。
【図６】機器制御部における第２の制御例を示すフローチャートである。
【図７】機器制御部における第３の制御例を示すフローチャートである。
【図８】機器制御部における第４の制御例を示すフローチャートである。
【図９】機器制御部における第５の制御例を示すフローチャートである。
【図１０】機器制御部における第６の制御例を示すフローチャートである。
【図１１】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図である。
【図１２】実施の形態２に係るレーザレーダ装置が有する信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置が有する信号処理装置の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に、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。
【００１０】
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を示す構成図である。レーザレーダ装置は、大きく分けて、光送受信部１と信号処理部１１とを有する。
図１において、光送受信部１は、光源２、分配器３、パルス変調器４、光増幅器５、サーキュレータ６、送受光学系７、ビームスキャナ８、光合波器９および光受信機１０を備えている。
光送受信部１は、レーザ光を大気中に照射し、大気中のエアロゾルにより散乱されたレーザ光、すなわち、照射したレーザ光に対する大気中からの散乱光を受信する。
光送受信部１は、散乱光をヘテロダイン検波することで、電気のアナログ信号である受信信号を得る。
【００１１】
光源２は、光ファイバを介して、分配器３と接続されている。光源２は、レーザ光を発振して、レーザ光を分配器３に出力する。
分配器３は、光ファイバを介して、パルス変調器４と接続され、また、光ファイバを介して、光合波器９と接続されている。分配器３は、光源２から出力されるレーザ光を２つに分配し、分配後の一方のレーザ光をローカル光としてパルス変調器４に出力し、分配後の他方のレーザ光を光合波器９に出力する。
【００１２】
パルス変調器４は、光ファイバを介して、光増幅器５と接続されている。パルス変調器４は、分配器３から出力されるレーザ光をパルス変調し、パルス波形のレーザ光を光増幅器５に出力する。
光増幅器５は、光ファイバを介して、サーキュレータ６と接続されている。光増幅器５は、パルス変調器４から出力されるレーザ光を増幅し、増幅後のレーザ光をサーキュレータ６に出力する。
【００１３】
サーキュレータ６は、光ファイバを介して、送受光学系７と接続され、また、光ファイバを介して、光合波器９と接続されている。サーキュレータ６は、光増幅器５から出力されるレーザ光を送受光学系７に出力し、送受光学系７から出力される散乱光を光合波器９に出力する。
送受光学系７は、サーキュレータ６から出力されるレーザ光のビーム径を広げ、ビーム径を広げたレーザ光をビームスキャナ８に出力するコリメートレンズなどの光学系である。また、送受光学系７は、ビームスキャナ８から出力される散乱光をサーキュレータ６に集光する。
ビームスキャナ８は、送受光学系７から出力されるレーザ光の送信方向を切り替えながら、レーザ光を大気に向けて送信する。また、ビームスキャナ８は、大気中のエアロゾルに散乱されたレーザ光を散乱光として受信し、散乱光を送受光学系７に出力する。
【００１４】
光合波器９は、分配器３から出力されるローカル光とサーキュレータ６から出力される散乱光との合波光を光受信機１０に出力する。
光受信機１０は、光合波器９から出力される合波光をヘテロダイン検波することで電気信号に変換し、変換した電気信号であるアナログの受信信号を信号処理部１１に出力する。
【００１５】
信号処理部１１は、アナログデジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」と称する）１２および信号処理装置１３を備えている。信号処理部１１には、光受信機１０から出力される受信信号と、ビームスキャナ８が向く方向であるビーム方向とが入力される。
Ａ／Ｄ変換器１２は、光受信機１０から出力される受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタル受信信号を信号処理装置１３に出力する。信号処理装置１３は、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されるデジタル受信信号を処理して風速を計測する。また、信号処理装置１３は、光送受信部１を制御する。
【００１６】
図２は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置が有する信号処理装置１３の構成を示すブロック図である。
信号処理装置１３は、レンジビン分割器（分割器）２０１、周波数領域変換器（以下、「ＦＦＴ処理器」と称する）２０２、積算処理器２０３、信号対雑音比算出器（以下、「ＳＮ比算出器」と称する）２０４、計測可能距離算出器２０５、周波数シフト算出器２０６、風速算出器２０７、機器制御部１４およびデータ記憶部２０８を有する。
【００１７】
レンジビン分割器２０１は、Ａ／Ｄ変換器１２およびＦＦＴ処理器２０２と接続されている。レンジビン分割器２０１は、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されるデジタル受信信号を、任意に決められた個数のレンジビンに区切り、区切ったデジタル受信信号をＦＦＴ処理器２０２に出力する。レンジビンは、レーザレーダ装置からの距離に応じて区分された受信信号である。レンジビンに区切るということは、受信信号を一定時間で分割することである。レンジビンを時間ゲートとも呼ぶ。
【００１８】
ＦＦＴ処理器２０２は、レンジビン分割器２０１および積算処理器２０３と接続されている。ＦＦＴ処理器２０２は、レンジビン分割器２０１から出力されるそれぞれのレンジビンのデジタル受信信号を周波数領域に変換することで、レンジビンごとの受信スペクトルを得る。具体的には、ＦＦＴ処理器２０２は、それぞれのレンジビンのデジタル受信信号を高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ）することで、レンジビンごとの受信スペクトルを算出する。ＦＦＴ処理器２０２は、受信スペクトルを表すスペクトル信号を積算処理器２０３に出力する。受信スペクトルを単にスペクトルとも呼ぶ。
【００１９】
積算処理器２０３は、ＦＦＴ処理器２０２、ＳＮ比算出器２０４および周波数シフト算出器２０６と接続されている。積算処理器２０３は、ＦＦＴ処理器２０２から出力されるスペクトル信号を任意の回数だけ積算処理し、積算処理したスペクトル信号をＳＮ比算出器２０４に出力する。積算処理では、各パルスで得られるデジタル受信信号におけるレンジビンごとのスペクトル信号を、各パルスの同じレンジビンごとに積算する。積算処理器２０３により積算された受信スペクトルを積算後受信スペクトルと呼ぶ。
【００２０】
ＳＮ比算出器２０４は、積算処理器２０３、計測可能距離算出器２０５および風速算出器２０７と接続されている。ＳＮ比算出器２０４は、積算処理器２０３より出力されるそれぞれのレンジビンの積算後のスペクトル信号から、レンジビンごとの信号対雑音比（以下、「ＳＮ比」と称する）を算出する。
計測可能距離算出器２０５は、ＳＮ比算出器２０４と接続されている。計測可能距離算出器２０５は、それぞれのレンジビンのＳＮ比から、それぞれのレンジビンでの風速が計測可能であるか否かを判定し、風速を計測可能な最長の距離である計測可能距離を算出する。
【００２１】
周波数シフト算出器２０６は、積算処理器２０３および風速算出器２０７と接続されている。周波数シフト算出器２０６は、積算処理器２０３より出力されるそれぞれのレンジビンのスペクトル信号から、光送受信部１により照射されたレーザ光に対する周波数シフトを算出する。
風速算出器２０７は、周波数シフト算出器２０６と接続されている。風速算出器２０７は、周波数シフト算出器２０６により算出される周波数シフトから、光送受信部１によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する。算出される風速は、風ベクトルのレーザ光が照射された方向（視線方向とも呼ぶ）の成分である。また、風速算出器２０７は、複数の視線方向の風速（視線方向風速）から対象とする空間の風速ベクトルを算出する。
【００２２】
データ記憶部２０８は、受信信号２１１、受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３、計測可能距離２１４、周波数シフト２１５、風速２１６、増幅率２１７、積算時間２１８、スキャン速度２１９およびパルス幅２２０を記憶する。データ記憶部２０８に記憶されたデータは、信号処理装置１３の各構成部が参照することができる。受信信号２１１は、デジタル化されて、レンジビンごとに分割されたデジタル受信信号である。受信スペクトル２１２は、パルスごとに、レンジビンごとの受信信号２１１から算出される受信スペクトルと、複数のパルスで得られるレンジビンごとの受信スペクトルを積算して得た積算後受信スペクトルとがある。ＳＮ比２１３は、積算された受信スペクトル２１２のＳＮ比である。計測可能距離２１４は、計測可能距離算出器２０５により算出された計測可能距離である。周波数シフト２１５は、受信スペクトル２１２から検出された周波数シフトである。風速２１６は、周波数シフト２１５から算出される視線方向風速と、複数の視線方向風速から求めた空間ごとの風ベクトルとがある。風速２１６は、空間分布および時間分布が分るように記憶される。
【００２３】
増幅率２１７は、光増幅器５により参照される。光増幅器５は、レーザ光を増幅率２１７で増幅する。積算時間２１８は、積算処理器２０３により参照される。積算処理器２０３は、積算時間２１８だけスペクトル信号を積算する。スキャン速度２１９は、ビームスキャナ８により参照される。ビームスキャナ８は、スキャン速度２１９以下の速度でレーザ光の送信方向を変化させる。
【００２４】
機器制御部１４は、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３のいずれか一つ以上の動作を制御する。
すなわち、機器制御部１４は、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上を参照して、レンジビン分割器２０１、積算処理器２０３、光源２、パルス変調器４、光増幅器５およびビームスキャナ８の動作のうちのいずれか１つ以上の動作を制御する。
機器制御部１４は、信号処理装置１３と同じコンピュータで動作するが、機能としては信号処理装置１３の範囲外である。機器制御部１４が動作を制御する対象は、機器制御部１４を含まない信号処理装置１３である。機器制御部１４を、信号処理装置１３とは別の計算機で実行するようにしてもよい。
【００２５】
信号処理装置１３の各構成要素は、信号処理装置１３がソフトウェア、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で実現される。
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、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が該当する。
【００２６】
信号処理装置１３の各構成要素の何れかは、専用のハードウェアで実現されてもよい。
ここで、信号処理装置１３においてハードウェアで実現される構成要素は、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。
【００２７】
図３は、信号処理装置１３がソフトウェアまたはファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
信号処理装置１３がソフトウェアまたはファームウェアなどで実現される場合、信号処理装置１３の各構成要素の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ３１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ３２がメモリ３１に格納されているプログラムを実行する。
【００２８】
次に、図１に示すレーザレーダ装置の動作について説明する。
レーザレーダ装置は、ある特定の方向での距離に対する風速分布を計測するだけでなく、レーザ光の送信方向を切り替えることで、スキャンした領域全体における視線方向風速の分布（以下、「風速の空間分布」と称する）を計測する。
まず、光源２は、機器制御部１４からレーザ光の発振指令に応じて、レーザ光を発振して、レーザ光を分配器３に出力する。分配器３は、光源２からレーザ光が入力されると、レーザ光を２つに分配する。分配器３は、分配後の一方のレーザ光をパルス変調器４に出力し、分配後の他方のレーザ光をローカル光として光合波器９に出力する。
【００２９】
パルス変調器４は、機器制御部１４から出力される制御信号によってレーザ光のパルス幅などが設定される。パルス変調器４は、分配器３からレーザ光が入力されると、レーザ光をパルス変調し、設定されたパルス幅を有するパルス波形のレーザ光を光増幅器５に出力する。
図１に示すレーザレーダ装置では、光送受信部１が、パルス波形のレーザ光を光増幅器５に出力するパルス変調器４を備えている。しかし、これに限るものではなく、光送受信部１が、パルス変調器４の代わりに、連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅｓ）のレーザ光を光増幅器５に出力する変調器を備えるものであってもよい。ＣＷ方式の場合は、風速を測定する距離にビームを集光して、当該距離での風速を計測する。集光する距離を変えることで、距離ごとの風速を計測する。
【００３０】
光増幅器５は、機器制御部１４から出力される制御信号によって増幅率が設定される。光増幅器５は、パルス変調器４からレーザ光が入力されると、設定された増幅率でレーザ光を増幅し、増幅後のレーザ光をサーキュレータ６に出力する。サーキュレータ６は、光増幅器５からレーザ光が入力されると、レーザ光を送受光学系７に出力する。
送受光学系７は、サーキュレータ６から出力されるレーザ光のビーム径を広げ、ビーム径を広げたレーザ光をビームスキャナ８に出力する。
【００３１】
ビームスキャナ８は、機器制御部１４から出力される制御信号によってビームスキャン角度範囲、送信方向の切替時間およびスキャン速度（ビームスキャナ８における送信方向の切替速度）などが設定される。ビームスキャナ８は、送受光学系７から出力されるレーザ光の送信方向を、設定されたビームスキャン角度範囲で切り替えながら、レーザ光を大気に向けて送信する。ビームスキャナ８による送信方向の切り替えは、設定された切替時間が経過するごとに実施される場合もあれば、レーザ光を照射しながら送信方向を変更する場合もある。また、ビームスキャナ８によるレーザ光の送信方向は、設定されたスキャン速度で切り替えられる。
ビームスキャナ８から送信されたレーザ光は、大気中のエアロゾルに散乱される。このとき、大気中のエアロゾルは、移動しているので、エアロゾルに散乱されたレーザ光である散乱光の周波数は、エアロゾルの移動速度に相当する風速に応じてドップラーシフト（周波数シフト）を受ける。
ビームスキャナ８は、大気中のエアロゾルに散乱されたレーザ光である散乱光を受信し、散乱光を送受光学系７に出力する。
【００３２】
送受光学系７は、ビームスキャナ８から出力される散乱光をサーキュレータ６に集光する。サーキュレータ６は、送受光学系７から散乱光が入力されると、散乱光を光合波器９に出力する。光合波器９は、分配器３から出力されるローカル光とサーキュレータ６から出力される散乱光との合波光を光受信機１０に出力する。光受信機１０は、光合波器９から合波光が入力されると、合波光をコヒーレント検波し、検波して得られる電気信号であるアナログの受信信号を信号処理部１１に出力する。
【００３３】
信号処理部１１のＡ／Ｄ変換器１２は、光受信機１０から出力される受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタル受信信号を信号処理装置１３に出力する。信号処理装置１３は、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されるデジタル受信信号を複数のレンジビンに分割し、それぞれのレンジビンのデジタル受信信号をＦＦＴ処理器２０２に出力する。それぞれのレンジビンは、デジタル受信信号を時間で区切ったもので、レーザ光が散乱されるそれぞれのエアロゾルが存在する空間までの距離に対応している。レンジビンのことを時間ゲートとも呼ぶ。レンジビン（時間ゲート）の長さは、機器制御部１４から出力される制御信号により設定される。
【００３４】
ＦＦＴ処理器２０２は、レンジビン分割器２０１から出力されるそれぞれのレンジビンのデジタル受信信号を高速フーリエ変換することで、レンジビンごとの受信スペクトルを算出する。それぞれのレンジビンでのデジタル受信信号の受信スペクトルは、それぞれの距離での受信スペクトルに対応している。
【００３５】
また、積算処理器２０３は、ＳＮ比を高めるため、ＦＦＴ処理器２０２が受信スペクトルを算出するごとに、データ記憶部２０８に記憶されている積算時間２１８の間、それぞれの距離での受信スペクトルを積算する。なお、積算時間２１８においては、ビームスキャナ８によって、レーザ光の送信方向が切り替えられず、ビームスキャナ８から同じ送信方向にレーザ光が送信されるものとする。
【００３６】
周波数シフト算出器２０６は、積算時間２１８が経過すると、それぞれの距離での受信スペクトルから周波数シフトを算出する。風速算出器２０７は、周波数シフト算出器２０６により算出される周波数シフトからそれぞれの距離での風速を算出する。スペクトルの周波数シフトは、ドップラー周波数に対応しており、周波数シフトから風速を算出することができる。風速算出器２０７が算出する風速は、風ベクトルをレーザ光の送信方向（視線方向）に投影した風速（視線方向風速）である。風速算出器２０７は、少なくとも３方向の視線方向風速から指定された空間（風速計測空間と呼ぶ）の風ベクトルを算出する。風速計測空間では、風ベクトルが同じであると仮定する。風速計測空間を通る少なくとも３方向で、風速計測空間内に存在するレンジビンを設定する。設定したレンジビンで算出された少なくとも３個の視線方向速度から、風速計測空間の風ベクトルを算出する。
それぞれの距離での受信スペクトルから、それぞれの距離での風速を算出する処理、および視線方向速度から風ベクトルを算出する処理は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
風速算出器２０７は、ビームスキャナ８がレーザ光の送信方向を切り替えるため、距離方向の風速分布だけでなく、風速の空間分布を算出することができる。
【００３７】
機器制御部１４は、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３のいずれか一つ以上の動作を制御する。
以下、機器制御部１４における制御例を具体的に説明する。
【００３８】
（１）第１の制御例
図４は、機器制御部１４における第１の制御例を示すフローチャートである。図４の処理は、約１０秒の周期で繰り返し動作する。
第１の制御例では、説明の簡単化のため、風速算出器２０７が、距離方向の風速分布を算出しているものとする。
機器制御部１４は、信号処理部１１により算出され、決められた積算時間で積算された、それぞれの距離でのスペクトルを解析することで、それぞれの距離についてのＳＮ比を算出する（図４のステップＳＴ１）。スペクトルからＳＮ比を算出する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
【００３９】
ここで、図５は、それぞれの距離とＳＮ比の関係を示す説明図である。ＳＮ比は、図５に示すように、距離が長くなるほど、減少する。
ＳＮ比は、閾値Ｔｈ１以下の場合、風速算出器２０７による風速の算出精度が、所望の算出精度よりも低くなる。そのため、ＳＮ比が閾値Ｔｈ１よりも高い状態で、レーザレーダ装置を運用することが望ましい。ＳＮ比が閾値Ｔｈ１よりも高い状態での運用は、製品性能を満足する動作条件に相当する。
【００４０】
閾値Ｔｈ１は、事前に機器制御部１４の内部メモリに格納されていてもよいし、データ記憶部２０８に記憶させていてもよい。閾値Ｔｈ１は、外部から設定および変更が可能なものであってもよい。
要求距離は、風速算出器２０７によって風速の算出が可能な空間までの距離である計測可能距離の要求値である。計測可能距離の要求値は、事前に機器制御部１４の内部メモリに格納されていてもよいし、データ記憶部２０８に記憶させていてもよい。要求距離は、外部から設定および変更が可能なものであってもよい。
【００４１】
図５において、実線は、要求距離に対応するＳＮ比が閾値Ｔｈ１よりも高い状態を示している。要求距離に対応するＳＮ比が閾値Ｔｈ１よりも高ければ、風速算出器２０７によるその時点での計測可能距離が、計測可能距離の要求値よりも大きいことを示している。
点線は、要求距離に対応するＳＮ比が閾値Ｔｈ１よりも低い状態を示している。要求距離に対応するＳＮ比が閾値Ｔｈ１よりも低ければ、風速算出器２０７によるその時点での計測可能距離が、計測可能距離の要求値よりも小さいことを示している。
【００４２】
機器制御部１４は、それぞれの距離についてのＳＮ比を算出すると、それぞれの距離についてのＳＮ比の中で、閾値Ｔｈ１以上である最も遠い距離でのＳＮ比を決定する。
そして、機器制御部１４は、閾値Ｔｈ１以上であるＳＮ比の中で最も遠い距離を、風速算出器２０７によるその時点での計測可能距離として決定する（図４のステップＳＴ２）。
【００４３】
機器制御部１４は、その時点での計測可能距離と、計測可能距離の要求値とを比較する（図４のステップＳＴ３）。
機器制御部１４は、その時点での計測可能距離が計測可能距離の要求値よりも大きければ（図４のステップＳＴ３：ＹＥＳの場合）、その時点での計測可能距離が計測可能距離の要求値と同じになるように、光増幅器５においてレーザ光を増幅する増幅率を下げるように制御する。機器制御部１４が、光増幅器５においてレーザ光を増幅する増幅率を下げることで、光増幅器５におけるレーザ光の出力が低下する（図４のステップＳＴ４）。
具体的には、光増幅器５が、レーザ媒質および励起用半導体レーザを備える光増幅器であれば、機器制御部１４は、励起用半導体レーザの駆動電流を低下させることで、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を下げるように制御する。
【００４４】
機器制御部１４は、その時点での計測可能距離が計測可能距離の要求値以下であり（図４のステップＳＴ３：ＮＯの場合）、その時点での計測可能距離と、計測可能距離の要求値とが等しければ（図４のステップＳＴ５：ＹＥＳの場合）、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を維持する。機器制御部１４が、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を維持することで、光増幅器５におけるレーザ光の出力は維持される（図４のステップＳＴ６）。
機器制御部１４は、その時点での計測可能距離が計測可能距離の要求値と等しくない、すなわち要求値よりも小さい場合（図４のステップＳＴ５：ＮＯの場合）、光増幅器５におけるレーザ光のその時点での増幅率が、設定可能な最大の増幅率であれば（図４のステップＳＴ７：ＹＥＳの場合）、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を維持する。機器制御部１４が、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を維持することで、光増幅器５におけるレーザ光の出力は維持される（図４のステップＳＴ６）。
【００４５】
機器制御部１４は、光増幅器５におけるレーザ光のその時点での増幅率が、設定可能な最大の増幅率よりも小さければ（図４のステップＳＴ７：ＮＯの場合）、その時点での計測可能距離が計測可能距離の要求値と同じになるように、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を上げるように制御する。機器制御部１４が、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を上げることで、光増幅器５におけるレーザ光の出力を増加させる（図４のステップＳＴ８）。
具体的には、光増幅器５が、レーザ媒質および励起用半導体レーザを備える光増幅器であれば、機器制御部１４は、励起用半導体レーザの駆動電流を増加させることで、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を上げるように制御する。
ここで、設定可能な最大の増幅率が、例えば、励起用半導体レーザの駆動電流が定格値であるときの増幅率であれば、励起用半導体レーザの駆動電流が定格値以下の範囲で、光増幅器５を動作させることができる。
励起用半導体レーザの駆動電流が定格値以下の範囲で、光増幅器５を動作させる場合、励起用半導体レーザの駆動電流が定格値よりも大きい場合と比べて、光増幅器５の寿命が長くなり、消費電力も低下する。
【００４６】
（２）第２の制御例
図６は、機器制御部１４における第２の制御例を示すフローチャートである。
機器制御部１４は、風速算出器２０７が、距離方向の風速分布を算出するごとに、距離方向の風速分布を保存し、風速分布の時間変化を解析する。なお、通常時には、風速は例えば１秒周期で算出する。
機器制御部１４は、決められた周期で決められた時間範囲での風速値を読み込む（図６のステップＳＴ１０）。機器制御部１４は、風速分布の時間変化を表す指標として、例えば、決められた周期（例えば、２分）で、決められた時間範囲（例えば、至近の１０分）における風速の標準偏差を算出する（図６のステップＳＴ１１）。
標準偏差が小さければ、風速の時間変化が緩やかであるため、積算処理器２０３においてスペクトルを積算する積算時間を長くして、ＳＮ比を高めることが可能である。積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を長くして、ＳＮ比を高めれば、光増幅器５におけるレーザ光の出力を低下させても、風速算出器２０７における風速分布の算出精度を維持することが可能である。例えば、風速を計測する周期を１０秒にする。また、増幅率を例えば１／３に減少させる。
【００４７】
機器制御部１４は、標準偏差と閾値Ｔｈ２を比較する（図６のステップＳＴ１２）。
閾値Ｔｈ２は、事前に機器制御部１４の内部メモリに格納されていてもよいし、データ記憶部２０８に記憶させていてもよい。閾値Ｔｈ２は、外部から設定および変更が可能なものであってもよい。他の閾値に関しても同様である。
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ２よりも小さければ（図６のステップＳＴ１２：ＹＥＳの場合）、光出力が低下中であるか否かをチェックする（図６のステップＳＴ１３）。機器制御部１４は、光出力が低下中でない場合（図６のステップＳＴ１３：ＮＯの場合）、積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を長くするように制御し、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を下げることで、光増幅器５におけるレーザ光の出力を低下させる（図６のステップＳＴ１４）。このとき、機器制御部１４は、長くした積算時間が、ビームスキャナ８による送信方向の切替時間よりも長くなれば、送信方向の切替時間を長くするように制御する。光増幅器５におけるレーザ光の出力が低下することで、光増幅器５の寿命が長くなり、消費電力も低下する。機器制御部１４は、光出力が低下中である場合（図６のステップＳＴ１３：ＹＥＳの場合）、低下中を維持する。
【００４８】
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ２以上であれば（図６のステップＳＴ１２：ＮＯの場合）、光出力が低下中か否かをチェックする（図６のステップＳＴ１５）。機器制御部１４は、光出力が低下中である場合（図６のステップＳＴ１５：ＹＥＳの場合）、積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を通常の値に戻すように制御する。機器制御部１４は、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を通常の値に戻すと同時に、光増幅器５におけるレーザ光の出力を増加させる（図６のステップＳＴ１６）。機器制御部１４は、光出力が低下中でない場合（図６のステップＳＴ１５：ＹＥＳの場合）、光増幅器５および信号処理部１１におけるそれぞれの通常時の動作を維持する。
【００４９】
（３）第３の制御例
図７は、機器制御部１４における第３の制御例を示すフローチャートである。
機器制御部１４は、風速算出器２０７が、距離方向の風速分布を算出するごとに、距離方向の風速分布を保存し、風速分布の時間変化を解析する。
機器制御部１４は、決められた周期で決められた時間範囲での風速値を読み込む（図７のステップＳ２０）。機器制御部１４は、風速分布の時間変化を表す指標として、例えば、決められた周期（例えば、２分）で、決められた時間範囲（例えば、至近の１０分）における風速の標準偏差を算出する（図７のステップＳＴ２１）。
標準偏差が小さければ、風速の時間変化が緩やかであるため、ビームスキャナ８における送信方向の切替速度を遅くしても、風速算出器２０７における風速分布の算出精度を維持することが可能である。
【００５０】
機器制御部１４は、標準偏差と閾値Ｔｈ３を比較する（図７のステップＳＴ２２）。
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ３よりも小さければ（図７のステップＳＴ２２：ＹＥＳの場合）、スキャン速度が低下中か否かをチェックする（図７のステップＳＴ２３）。機器制御部１４は、スキャン速度が低下中でない場合（図７のステップＳＴ２３：ＮＯの場合）、ビームスキャナ８のスキャン速度を低下させるように制御する（図７のステップＳＴ２４）。例えば、通常時にはスキャン速度が１０度／秒であるのを、３度／秒に低下させる。
ビームスキャナ８が、例えば、モータ駆動式のウェッジスキャナまたはミラー型スキャナであれば、スキャン速度が低下することで、モータが故障に至るまでのビームスキャナ８の寿命を長くすることができる。
また、ビームスキャナ８が、例えば、スイッチ式のビームスキャナであれば、スイッチの切替速度を落とす（小さくする）ことで、スイッチが故障となる切替回数に至るまでの時間を長くして、スイッチとしての寿命を長くすることができる。
【００５１】
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ３以上であれば（図７のステップＳＴ２２：ＮＯの場合）、スキャン速度が低下中か否かをチェックする（図７のステップＳＴ２５）。機器制御部１４は、スキャン速度が低下中である場合（図７のステップＳＴ２５：ＹＥＳの場合）、ビームスキャナ８のスキャン速度を通常の値に戻す（図７のステップＳＴ２６）。機器制御部１４は、スキャン速度が低下中でない場合（図７のステップＳＴ２５：ＹＥＳの場合）、ビームスキャナ８における通常時のスキャン動作を維持する。
【００５２】
（４）第４の制御例
図８は、機器制御部１４における第４の制御例を示すフローチャートである。
機器制御部１４は、風速算出器２０７が距離方向の風速分布を算出するごとに、距離方向の風速分布を保存する。複数の方向での距離に対する風速分布を風速算出器２０７が算出すると、風速の空間分布の標準偏差を算出する。例えば、２方向で、例えば３個のレンジビンの風速が計算できたものとする。方向１でのレンジビンごとの風速を、近い方からｖ１、ｖ２、ｖ３のように計測できたとする。方向１とは異なる方向である方向２で、レンジビンごとの風速を、近い方からｖ４、ｖ５、ｖ６のように計測できたとする。風速ｖ１〜ｖ６の標準偏差を空間分布の大きさを表す指標として算出する。
【００５３】
機器制御部１４は、決められた個数（例えば３方向）のビーム方向の各距離の風速値（レンジビンの個数は例えば５個）を読み込む（図８のステップＳＴ３０）。ＳＴ３０は、例えば新たな１方向での各距離の風速が計測できた際に、実施される。
【００５４】
機器制御部１４は、読み込んだ各距離、各ビーム方向に含まれている複数の風速値の標準偏差を算出する（図８のステップＳＴ３１）。
標準偏差が小さければ、風速の空間変化が緩やかである。したがって、風速の急激な変化を生じる可能性が低いため、積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を長くして、ＳＮ比を高めることが可能である。積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を長くして、ＳＮ比を高めれば、光増幅器５におけるレーザ光の出力を低下させても、風速算出器２０７における空間分布の算出精度を維持することが可能である。
【００５５】
機器制御部１４は、標準偏差と閾値Ｔｈ４を比較する（図８のステップＳＴ３２）。
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ４よりも小さければ（図８のステップＳＴ３２：ＹＥＳの場合）、光出力が低下中か否かをチェックする（図８のステップＳＴ３３）。機器制御部１４は、光出力が低下中でない場合（図８のステップＳＴ３３：ＮＯの場合）、積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を長くするように制御し、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を下げることで、光増幅器５におけるレーザ光の出力を低下させる（図８のステップＳＴ３４）。このとき、機器制御部１４は、長くした積算時間が、ビームスキャナ８による送信方向の切替時間よりも長くなれば、送信方向の切替時間を長くするように制御する。光増幅器５におけるレーザ光の出力が低下することで、光増幅器５の寿命が長くなり、消費電力も低下する。
機器制御部１４は、光出力が低下中である場合（図８のステップＳＴ３３：ＹＥＳの場合）、光増幅器５および信号処理部１１におけるそれぞれの光出力を低下中での動作を維持する。
【００５６】
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ４以上であれば（図８のステップＳＴ３２：ＮＯの場合）、光出力が低下中か否かをチェックする（図８のステップＳＴ３５）。機器制御部１４は、光出力が低下中である場合（図８のステップＳＴ３５：ＹＥＳの場合）、積算処理器２０３におけるスペクトルの積算時間を通常の値に戻すように制御する。機器制御部１４は、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を通常の値に戻すと同時に、光増幅器５におけるレーザ光の出力を増加させる（図８のステップＳＴ３６）。機器制御部１４は、光出力が低下中でない場合（図８のステップＳＴ３５：ＹＥＳの場合）、光増幅器５および信号処理部１１におけるそれぞれの通常時の動作を維持する。
【００５７】
（５）第５の制御例
図９は、機器制御部１４における第５の制御例を示すフローチャートである。第５の制御例では、第４の制御例と同様に、風速の空間分布を算出する。第５の制御例では、風速の空間分布に応じてビームスキャナ８のスキャン速度を制御する。
機器制御部１４は、決められた個数（例えば３方向）のビーム方向の各距離の風速値（レンジビンの個数は例えば５個）を読み込む（図９のステップＳＴ４０）。ＳＴ４０は、例えば新たな１方向での各距離の風速が計測できた際に、実施される。
【００５８】
機器制御部１４は、読み込んだ各距離、各ビーム方向に含まれている複数の風速値の標準偏差を算出する（図９のステップＳＴ４１）。
標準偏差が小さければ、風速の空間変化が緩やかである。したがって、風速の急激な変化を生じる可能性が低いため、ビームスキャナ８における送信方向の切替速度を遅くしても、風速算出器２０７における空間分布の算出精度を維持することが可能である。
【００５９】
機器制御部１４は、標準偏差と閾値Ｔｈ５を比較する（図９のステップＳＴ４２）。
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ５よりも小さければ（図９のステップＳＴ４２：ＹＥＳの場合）、スキャン速度が低下中か否かをチェックする（図９のステップＳＴ４３）。機器制御部１４は、スキャン速度が低下中でない場合（図９のステップＳＴ４３：ＮＯの場合）、ビームスキャナ８のスキャン速度を低下させるように制御する（図９のステップＳＴ４４）。例えば、通常時にはスキャン速度が１０度／秒であるのを、３度／秒に低下させる。ビームスキャナ８のスキャン速度が低下することで、ビームスキャナ８の寿命が長くなる。
【００６０】
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ５以上であれば（図９のステップＳＴ４２：ＮＯの場合）、
スキャン速度が低下中か否かをチェックする（図９のステップＳＴ４５）。機器制御部１４は、スキャン速度が低下中である場合（図９のステップＳＴ４５：ＹＥＳの場合）、ビームスキャナ８のスキャン速度を通常の値に戻す（図９のステップＳＴ４６）。機器制御部１４は、スキャン速度が低下中でない場合（図９のステップＳＴ４５：ＹＥＳの場合）、ビームスキャナ８における通常時のスキャン動作を維持する。
【００６１】
（６）第６の制御例
図１０は、機器制御部１４における第６の制御例を示すフローチャートである。第６の制御例では、第４の制御例と同様に、風速の空間分布を算出する。第６の制御例では、風速の空間分布に応じてパルス幅および時間ゲートの長さを制御する。
機器制御部１４は、決められた個数（例えば３方向）のビーム方向の各距離の風速値（レンジビンの個数は例えば５個）を読み込む（図１０のステップＳＴ５０）。ＳＴ５０は、例えば新たな１方向での各距離の風速が計測できた際に、実施される。
【００６２】
機器制御部１４は、読み込んだ各距離、各ビーム方向に含まれている複数の風速値の標準偏差を算出する（図１０のステップＳＴ５１）。
標準偏差が小さければ、風速の空間変化が緩やかである。したがって、風速の急激な変化を生じる可能性が低いため、パルス変調器４によりパルス変調されるレーザ光のパルス幅を長くするとともに、信号処理部１１におけるレンジビン分割器２０１で使用する時間ゲートの長さを長くして距離分解能を粗くする。距離分解能を粗くすることで、ＳＮ比を高めることが可能である。
レーザ光のパルス幅を長くして、時間ゲートの長さを長くすることで、信号処理部１１により時間ゲート内のデジタル受信信号がフーリエ変換される際の周波数帯域絞込み効果が高くなるため、ＳＮ比が高くなる。周波数帯域は、時間ゲートの長さに逆比例する。
ＳＮ比が高くなれば、光増幅器５におけるレーザ光の出力を低下させても、風速算出器２０７における空間分布の算出精度を維持することが可能である。
【００６３】
機器制御部１４は、標準偏差と閾値Ｔｈ６を比較する（図１０のステップＳＴ５２）。
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ６よりも小さければ（図１０のステップＳＴ５２：ＹＥＳの場合）、光出力が低下中か否かをチェックする（図１０のステップＳＴ５３）。機器制御部１４は、光出力が低下中でない場合（図１０のステップＳＴ５３：ＮＯの場合）、パルス変調器４によりパルス変調されるレーザ光のパルス幅を長くし、時間ゲートの長さを長くするように制御する。同時に、機器制御部１４は、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を下げることで、光増幅器５におけるレーザ光の出力を低下させる（図１０のステップＳＴ５４）。光増幅器５におけるレーザ光の出力が低下することで、光増幅器５の寿命が長くなり、消費電力も低下する。
機器制御部１４は、光出力が低下中である場合（図１０のステップＳＴ５３：ＹＥＳの場合）、光増幅器５および信号処理部１１におけるそれぞれの光出力を低下中での動作を維持する。
【００６４】
機器制御部１４は、標準偏差が閾値Ｔｈ６以上であれば（図１０のステップＳＴ５２：ＮＯの場合）、光出力が低下中か否かをチェックする（図１０のステップＳＴ５５）。機器制御部１４は、光出力が低下中である場合（図１０のステップＳＴ５５：ＹＥＳの場合）、パルス変調器４のパルス幅、時間ゲートの長さおよび光増幅器５の増幅率を通常の値に戻すように制御する（図１０のステップＳＴ５６）。機器制御部１４は、光出力が低下中でない場合（図１０のステップＳＴ５５：ＮＯの場合）、光増幅器５および信号処理部１１におけるそれぞれの通常時の動作を維持する。
【００６５】
以上の実施の形態１は、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３のいずれか一つ以上の動作を制御する機器制御部１４を備えるように、レーザレーダ装置を構成した。したがって、レーザレーダ装置は、製品性能を満足する動作条件の下で、機器制御部１４を備えない場合よりも製品寿命を長くすることができる。
【００６６】
ＳＮ比とは異なる指標を使用して、受信スペクトルに対して風速が計測可能か否かを判断するようにしてもよい。その場合には、機器制御部１４は、受信スペクトルに基づき、光送受信部１および信号処理装置１３のいずれか一つ以上の動作を制御することになる。
以上のことは、以下の実施の形態でも同様である。
【００６７】
実施の形態２．
実施の形態２では、信号処理装置１３Ａが、外部から大気の状態を表す外部情報を取得し、大気の状態が光送受信部１の停止条件に該当すれば、光送受信部１の動作を停止させる機能を備えるように、実施の形態１のレーザレーダ装置を変更した構成について説明する。
【００６８】
図１１は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置を示す構成図である。図１２は、実施の形態２に係るレーザレーダ装置が有する信号処理装置１３Ａの構成を示すブロック図である。図１１および図１２において、図１および図２と同一符号は同一または相当部分を示し、説明を省略する。
【００６９】
信号処理装置１３Ａには、雨量計４１およびカメラ４２が接続され、気象情報４４が入力される。信号処理装置１３Ａは、外部情報を取得する外部情報取得部２０９を有する。外部情報取得部２０９は、雨量計４１およびカメラ４２と接続され、気象情報４４を取得する機能を有する。信号処理装置１３Ａは、外部情報により風速を計測することが不可能または適切でないと判断される場合、風速の計測を停止する。データ記憶部２０８Ａは、計測を停止する条件である計測停止条件２２１を記憶する。
雨量計４１は、レーザレーダ装置の近傍に設置されている。雨量計４１は、レーザレーダ装置の近傍の雨量を観測して、雨量の観測値を信号処理装置１３Ａに出力する。カメラ４２は、光送受信部１からレーザ光が送信される方向を撮像し、撮像結果であるカメラ画像を信号処理装置１３Ａに出力する。気象情報４４は、気象関連機関から有線または無線で送信されてくる情報である。
【００７０】
機器制御部１４Ａは、図１に示す機器制御部１４と同様に、信号処理部１１により算出されるスペクトルまたは風速算出器２０７により算出される風速に基づいて、光送受信部１の動作を制御する。
また、機器制御部１４Ａは、図１に示す機器制御部１４と同様に、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３のいずれか一つ以上の動作を制御する。
さらに、機器制御部１４Ａは、雨量計４１から出力される雨量の観測値、カメラ４２から出力されるカメラ画像または気象情報４４に基づいて、光送受信部１からレーザ光が送信される方向の大気の状態を監視する。
機器制御部１４Ａは、大気の状態が光送受信部１の動作を停止する条件である計測停止条件２２１に該当すれば、光送受信部１の動作を停止させる機能を有する。データ記憶部２０８Ａが計測停止条件２２１を記憶せずに、機器制御部１４Ａがその内部に光送受信部１の動作を停止する条件を記憶してもよい。
【００７１】
次に、図１１に示すレーザレーダ装置の動作について説明する。
ただし、雨量計４１、カメラ４２および信号処理装置１３Ａ以外は、図１に示すレーザレーダ装置と同様であるため、ここでは、雨量計４１、カメラ４２および信号処理装置１３Ａの動作のみを説明する。
機器制御部１４Ａは、雨量計４１から雨量の観測値が入力されると、雨量の観測値と計測停止条件２２１の一部として記憶された閾値Ｔｈ７を比較する。雨量が多い状態では、光送受信部１から出力されるレーザ光が多くの雨滴に散乱されるため、レーザ光の送信距離が短くなり、要求距離での風速の計測ができなくなることがある。閾値Ｔｈ７は、要求距離での風速の計測ができる最大の雨量に対応する値である。雨量の観測値が閾値Ｔｈ７よりも大きい場合は、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を最大に設定しても、要求距離での風速を計測することが不可能である。
【００７２】
機器制御部１４Ａは、雨量の観測値が閾値Ｔｈ７以下であれば、図１に示す機器制御部１４と同様に、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３Ａのいずれか一つ以上の動作を制御する。
【００７３】
機器制御部１４Ａは、雨量の観測値が閾値Ｔｈ７よりも大きい場合、計測停止条件に該当すると判断して、光増幅器５の動作を停止させる。このとき、機器制御部１４Ａは、ビームスキャナ８の動作を停止させるとともに、信号処理部１１Ａの動作も停止させる。
機器制御部１４Ａは、光増幅器５の動作を停止させたのち、雨量の観測値が閾値Ｔｈ４以下になれば、光増幅器５、ビームスキャナ８および信号処理部１１Ａにおけるそれぞれの動作を再開させる。
【００７４】
カメラ４２は、光送受信部１からレーザ光が送信される方向を撮像し、撮像結果であるカメラ画像を信号処理装置１３Ａに出力する。
機器制御部１４Ａは、カメラ４２からカメラ画像が入力されると、カメラ画像を解析して視程を求める。カメラ画像から視程を求める処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
【００７５】
機器制御部１４Ａは、視程と閾値Ｔｈ８を比較する。例えば、濃霧が発生している状態では、視程が小さくなり、要求距離での風速の計測ができなくなることがある。閾値Ｔｈ８は、光増幅器５におけるレーザ光の増幅率を最大に設定した場合に、要求距離での風速の計測ができる最小の視程に対応する値である。閾値Ｔｈ８は、計測停止条件２２１の一部として記憶される。
【００７６】
機器制御部１４Ａは、視程が閾値Ｔｈ８以上である場合、図１に示す機器制御部１４と同様に、積算された受信スペクトル２１２、ＳＮ比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３Ａのいずれか一つ以上の動作を制御する。
【００７７】
機器制御部１４Ａは、気象関連機関から送信されてきた気象情報４４を受信する。
機器制御部１４Ａは、気象情報４４が、光送受信部１からレーザ光が送信される方向の雨量が閾値Ｔｈ９よりも大きい旨を示している場合、計測停止条件に該当すると判断して、光増幅器５の動作を停止させる。閾値Ｔｈ９は、計測停止条件２２１の一部としてデータ記憶部２０８Ａ記憶されている。閾値Ｔｈ９は、雨量計４１で計測する雨量に対する閾値Ｔｈ７と同じでもよいし、異なってもよい。
【００７８】
機器制御部１４Ａは、気象情報４４が、その後、光送受信部１からレーザ光が送信される方向の雨量が閾値Ｔｈ９以下である旨を示せば、光増幅器５、ビームスキャナ８および信号処理部１１Ａにおけるそれぞれの動作を再開させる。
【００７９】
また、機器制御部１４Ａは、気象情報４４が、光送受信部１からレーザ光が送信される方向の視程が閾値Ｔｈ１０よりも小さい旨を示している場合、計測停止条件に該当すると判断して、光増幅器５の動作を停止させる。閾値Ｔｈ１０は、カメラ４２が撮像したカメラ画像から求める視程に対する閾値Ｔｈ８と同じでもよいし、異なってもよい。
【００８０】
機器制御部１４Ａは、気象情報４４が、その後、光送受信部１からレーザ光が送信される方向の視程が閾値Ｔｈ１０以上である旨を示せば、光増幅器５、ビームスキャナ８および信号処理部１１Ａにおけるそれぞれの動作を再開させる。
【００８１】
以上の実施の形態２は、信号処理装置１３Ａが、光送受信部１からレーザ光が送信される方向の大気の状態を監視し、大気の状態が光送受信部１の停止条件に該当すれば、光送受信部の動作を停止させるように、レーザレーダ装置を構成した。したがって、レーザレーダ装置は、要求距離での風速を計測することが不可能な状況において、無駄な動作を回避することができるようになり、従来よりもレーザレーダ装置の寿命が長くなる。
【００８２】
実施の形態３．
実施の形態３は、機器制御部１４の代わりに、機器制御部１４Ｂを備え、機器制御部１４Ｂが、光源２及びビームスキャナ８などの機器の動作を、長寿命になるように変更する条件（動作変更条件と呼ぶ）を、レーザレーダ装置の動作実績のデータに基づき調整する動作変更条件調整部２３０を有するように、実施の形態１のレーザレーダ装置を変更した構成について説明する。
【００８３】
図１３は、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置が有する信号処理装置１３Ｂの構成を示すブロック図である。実施の形態１の場合の図１Ａと異なる点を説明する。信号処理装置１３Ｂが有するデータ記憶部２０８Ｂは、機器制御部１４Ｂが光送受信部１および信号処理装置１３Ｂのいずれか一つ以上の動作を制御するための動作変更条件２２２を記憶する。動作変更条件２２２とは、例えば実施の形態１の第１の制御例において、ＳＮ比と比較される閾値Ｔｈ１などである。機器制御部１４Ｂは、動作変更条件２２２を参照して、実施の形態１の機器制御部と同様に動作する。データ記憶部２０８Ｂは、機器制御部１４Ｂが、積算された受信スペクトル２１２、信号対雑音比２１３および風速２１６のうちのいずれか１つ以上に基づき、光送受信部１および信号処理装置１３Ｂのいずれか１つ以上の動作を制御する動作変更条件２２２を記憶する動作変更条件記憶部である。動作変更条件は、動作変更条件を論理形式で記述するものでもよいし、動作条件を変更するかどうかを判断する閾値などを記憶するものでもよい。
【００８４】
信号処理装置１３Ｂは、レーザレーダ装置の動作実績を記憶する動作実績記憶部２２５と、動作実績に基づき動作変更条件２２２を調整する動作変更条件調整部２３０とを有する。動作実績とは、動作変更条件を変更した際の動作状況に関するデータ、動作条件を変更した内容、動作条件を変更した後の動作状況に関するデータを少なくとも含むデータである。
【００８５】
動作変更条件調整部２３０は、例えば１月ごとに動作して、過去の決められた期間（例えば６ヶ月）の動作実績のデータを処理して、動作変更条件２２２をより機器の長寿命化がもたらし得るような条件になるように調整する。例えば、風速の時間変化の標準偏差σＴに対する閾値Ｔｈ２が３ｍ／秒であり、計測されたσＴが閾値Ｔｈ２未満になり、スキャン速度を１０度／秒の通常値から３度／秒に変更したとする。変更後においてもσＴが閾値Ｔｈ２未満であることが、動作実績データから判明した場合に、動作変更条件調整部２３０はスキャン速度を低下させる時の値を例えば２度／秒に変更するように動作変更条件２２２を調整する。
【００８６】
信号処理装置１３Ｂが、動作変更条件調整部２３０を有することで、装置全体の長寿命化に向けた制御を随時改善することができる。なお、実施の形態２のレーザレーダ装置が、動作変更条件調整部２３０を有するように変更してもよい。
【００８７】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態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】
【００８８】
この発明は、例えば、遠距離の位置の風速を計測する機能、または、広範囲かつリアルタイムに風速を計測する機能といった製品性能を満足する動作条件の下で、従来よりも製品寿命を長くすることができるので、レーザレーダ装置に用いるのに適している。
【符号の説明】
【００８９】
１  光送受信部、２  光源、３  分配器、４  パルス変調器、５  光増幅器、６  サーキュレータ、７  送受光学系、８  ビームスキャナ、９  光合波器、１０  光受信機、１１  信号処理部、１２  Ａ／Ｄ変換器、１３，１３Ａ，１３Ｂ  信号処理装置、１４，１４Ａ  ，１４Ｂ  機器制御部、３１  メモリ、３２  プロセッサ、４１  雨量計、４２  カメラ、４４  気象情報、２０１  レンジビン分割器、２０２  ＦＦＴ処理器、２０３  積算処理器、２０４  ＳＮ比算出器、２０５  計測可能距離算出器、２０６  周波数シフト算出器、２０７  風速算出器、２０８，２０８Ａ，２０８Ｂ  データ記憶部、２０９  外部情報取得部、２１１  受信信号、２１２  受信スペクトル、２１３  ＳＮ比、２１４  計測可能距離、２１５  周波数シフト、２１６  風速、２１７  増幅率、２１８  積算時間、２１９  スキャン速度、２２０  パルス幅、２２１  計測停止条件、２２２  動作変更条件、２２５  動作実績記憶部、２３０  動作変更条件調整部。
【図１】
2020026920.tif 000003
【図２】
2020026920.tif 000004
【図３】
2020026920.tif 000005
【図４】
2020026920.tif 000006
【図５】
2020026920.tif 000007
【図６】
2020026920.tif 000008
【図７】
2020026920.tif 000009
【図８】
2020026920.tif 000010
【図９】
2020026920.tif 000011
【図１０】
2020026920.tif 000012
【図１１】
2020026920.tif 000013
【図１２】
2020026920.tif 000014
【図１３】
2020026920.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和2年7月14日(2020.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を大気中に照射し、レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信して、前記散乱光をヘテロダイン検波することで受信信号を得る光送受信部と、
前記光送受信部により得られた受信信号を時間ゲートに分割する分割器、前記分割器により分割されたそれぞれの前記時間ゲートの受信信号を周波数領域に変換することで、前記時間ゲートごとの受信スペクトルを得る周波数領域変換器、前記時間ゲートごとの受信スペクトルを積算する積算処理器、前記積算処理器により積算された受信スペクトルである積算後受信スペクトルの信号対雑音比を算出する信号対雑音比算出器、前記積算後受信スペクトルから、前記光送受信部により照射されたレーザ光に対する周波数シフトを算出する周波数シフト算出器、および、前記周波数シフトから、前記光送受信部によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する風速算出器を有する信号処理装置と、
前記風速に基づき、前記光送受信部および前記信号処理装置のいずれか一つ以上の動作を制御する機器制御部とを備えたレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記光送受信部は、
レーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力されるレーザ光をパルス変調するパルス変調器と、
前記パルス変調器によりパルス変調されたレーザ光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅されたレーザ光の送信方向を切り替えるビームスキャナとを含んでおり、
前記機器制御部は、前記風速に基づき、前記分割器、前記積算処理器、前記光源、前記パルス変調器、前記光増幅器および前記ビームスキャナのそれぞれの動作のうちのいずれか１つ以上の動作を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】
前記機器制御部は、前記風速の時間変化に基づいて、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率を制御するとともに、前記積算処理器において受信スペクトルを積算する積算時間を制御することを特徴とする請求項２記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記機器制御部は、前記風速の時間変化に基づいて、前記ビームスキャナにおける送信方向の切替速度を制御することを特徴とする請求項２または請求項３記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記機器制御部は、前記風速の空間分布に基づいて、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率を制御するとともに、前記積算処理器において受信スペクトルを積算する積算時間を制御することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記機器制御部は、前記風速の空間分布に基づいて、前記ビームスキャナにおける送信方向の切替速度を制御することを特徴とする請求項２記載のレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記機器制御部は、前記風速の空間分布に基づいて、前記パルス変調器によりパルス変調されるレーザ光のパルス幅、前記光増幅器においてレーザ光を増幅する増幅率および前記時間ゲートの長さのそれぞれを制御することを特徴とする請求項２から請求項６のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項８】
前記光送受信部からレーザ光が照射される方向の大気の状態を取得する外部情報取得部をさらに備え、
前記機器制御部は、前記大気の状態が前記光送受信部の停止条件に該当する場合、前記光送受信部の動作を停止させることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項９】
前記光増幅器は、レーザ媒質および励起用半導体レーザを有しており、
前記機器制御部は、前記励起用半導体レーザの駆動電流を制御することで、前記増幅率を制御することを特徴とする請求項３、請求項５および請求項７のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項１０】
前記光送受信部および前記信号処理装置における動作実績を記憶する動作実績記憶部と、
前記風速に基づき、前記光送受信部および前記信号処理装置のいずれか１つ以上の動作を制御する動作変更条件を、前記動作実績記憶部に記憶された動作実績に基づいて調整する動作条件調整部とをさらに備えた請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載のレーザレーダ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を大気中に照射し、レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信して、散乱光をヘテロダイン検波することで受信信号を得る光送受信部と、光送受信部により得られた受信信号を時間ゲートで分割する分割器、分割器により分割されたそれぞれの受信信号を周波数領域に変換することで、時間ゲートごとの受信スペクトルを得る周波数領域変換器、時間ゲートごとの受信スペクトルを積算する積算処理器、積算処理器により積算された受信スペクトルである積算後受信スペクトルの信号対雑音比を算出する信号対雑音比算出器、積算後受信スペクトルから、光送受信部により照射されたレーザ光に対する周波数シフトを算出する周波数シフト算出器、および、周波数シフトから、光送受信部によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する風速演算器を有する信号処理装置と、風速に基づき、光送受信部および信号処理装置のいずれか一つ以上の動作を制御する機器制御部とを備えた。
【国際調査報告】
2020026920.tif 000016
2020026920.tif 000017
2020026920.tif 000018
2020026920.tif 000019