(57)【要約】【課題】機器内の偏光変動の影響を抑制し大気の偏光解消と非解消成分を独立測定可能な光波レーダ装置を提供する。【解決手段】単一周波数で直線偏波光を発生する光源部、直線偏波光を伝送する光ファイバ型の光伝送路、直線偏波光を局部発振光と送信光に分配するカプラ、光伝送路の送信光を空中放出し散乱光を受信光として光伝送路に結合するコリメータ光学系、送信光と受信光の光路を切替える切替部、受信光を局部発振光と合成するカプラ、受信光と局部発振光の合成時の差周波数光の強度信号を電気信号変換し、周波数変換して視線方向風速、複数視線方向風速から風向風速を演算する信号処理部を備え、切替部が偏光分離素子と４５°ファラデーローテータを含み、全ての光伝送路を偏波保持型光ファイバとし、コリメータ光学系の光軸を中心として光ファイバ接続インターフェイス部を回転可能に構成した。【選択図】図１
2008309562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一周波数で直線偏波光を発生する光源部と、
前記光源部により発生させた直線偏波光を伝送する光ファイバ型の光伝送路と、
直線偏波光を一方を局部発振光に他方を送信光に分配する光路分岐手段と、
前記光伝送路を伝送された送信光を空中に放出するとともに、大気中の微小塵による散乱光を受信光として前記光伝送路に結合するための送受信共用の光ファイバコリメータ光学系と、
前記光路分岐手段と光ファイバコリメータ光学系の間に設けられ、送信光と受信光の光路を切替える送受信光路切替部と、
前記光路分岐手段と送受信光路切替部の間に設けられ、前記受信光と局部発振光とを合成する光路合成手段と、
前記受信光を局部発振光と合成した際の差周波数光の強度信号を電気信号に変換する光ヘテロダイン受信部と、
前記電気信号を周波数変換して視線方向風速、複数視線方向風速から風向風速を演算する信号処理部と、
から構成される光波レーダ装置において、
前記送受信光路切替部が、前記送信光を透過させ透過させた方向から戻ってくる受信光を別の方向に反射する偏光分離素子と前記偏光分離素子を透過した送信光と戻ってくる受信光が通る４５°ファラデーローテータを含み、
前記送信光、受信光、局部発振光が通る全ての前記光伝送路を偏波保持型の光ファイバで構成し、
前記光ファイバコリメータ光学系の光軸を中心として光ファイバコリメータ光学系への光ファイバ接続インターフェイス部を回転可能にする機構を備えたことを特徴とする光波レーダ装置。
【請求項２】
送受信光路切替部において、偏光分離素子と光ファイバコリメータ光学系との間に２つの送受信の光伝送路を設け、４５°ファラデーローテータを一方の光伝送路に挿入し、２つの光伝送路を切替える光伝送路切替機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光波レーダ装置。
【請求項３】
光伝送路切替機構が、２つの光伝送路の両端側に設けられた第１，第２の光路切替スイッチからなる請求項２に記載の光波レーダ装置。
【請求項４】
光伝送路切替機構が、２つの光伝送路の一端側に設けられた光路分岐手段と、他端側に設けられた光路切替スイッチからなる請求項２に記載の光波レーダ装置。
【請求項５】
送受信光路切替部の４５°ファラデーローテータと光ファイバコリメータ光学系との間に設けられた偏光分離素子からなる第２の送受信光路切替部と、
前記光路分岐手段と第２の送受信光路切替部の間に設けられ、前記受信光と局部発振光とを合成する第２の光路合成手段と、
前記第２の光路合成手段での受信光を局部発振光と合成した際の差周波数光の強度信号を電気信号に変換する第２の光ヘテロダイン受信部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光波レーダ装置。
【請求項６】
送受信光路切替部が、偏光分離素子と光ファイバコリメータ光学系との間に可変ファラデー回転子および磁界発生装置を設け、前記可変ファラデー回転子での偏光回転量を４５°と０°に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の光波レーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を空間に放出して空間内のエアロゾル移動に伴う散乱光のドップラーシフトによる風速を測定する光波レーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風速の空間分布を遠隔から観測できるコヒーレントドップラライダ(ＣＤＬ)技術は気象観測、気象予測、航空・交通安全のための乱気流検出、風力利用の適地調査など多岐の応用観点からニーズがある。特に最大測定距離よりも可搬性が要求される小型ＣＤＬにおいて、光送受信部を光ファイバと光ファイバ部品とから構成した全光ファイバ型ＣＤＬ技術が装置の小型化、高信頼性化に適しており、いくつかの先行技術がある(例えば、下記特許文献１〜３参照)。一方近年では、風速分布に加え、遠隔の浮遊物質の種類を同時に識別する潜在的ニーズも存在する。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分割する偏波保存型の光学素子である光分岐部と、前記光分岐部からのレーザ光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、前記光変調器からのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器からのレーザ光の偏光面を４５°回転させる４５°ファラデーローテータと、前記光ファイバ増幅器により増幅されたレーザ光を、前記４５°ファラデーローテータを介して、目標に向けて照射し、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記光変調器からの送信光と前記光ファイバ増幅器からの受信光を分離する送受信光分離部と、前記光分岐部からのレーザ光と前記送受信光分離部からの受信光を混合する偏波保存型の光学素子である光混合部と、前記光混合部からの混合光を光ヘテロダイン検波する光受信器と、前記光受信器からの受信信号から目標の情報を抽出する信号処理器と、前記レーザ光源から前記光分岐部及び前記光変調器を経て前記送受信光分離部までの光路、前記光分岐部から前記光混合部までの光路、及び前記送受信光分離部から前記光混合部を経て前記光受信器までの光路を結合する偏波保存型シングルモード光ファイバと、前記送受信光分離部から前記光ファイバ増幅器及び前記４５°ファラデーローテータを経て前記送受光学系までの光路を結合するシングルモード光ファイバとを備えたことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０７５６７号公報
【特許文献２】再公表ＷＯ２００４／１０６９７１号公報
【特許文献３】特開２００３−２４０８５３号公報
【非特許文献１】Appl.Opt. 25, 2109- (1986)「Short-time forecasting of snowfall by lidar」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記の構成では、４５°ファラデーローテータを通過した際の送信光の偏波状態は、送信光がファイバ増幅器内部およびファイバ増幅器から４５°ファラデーローテータまでファイバ光路で変動を受ける。これにより直交成分を取り出すための手段(例えば偏光ビームスプリッタ)の偏光軸を正確に設定できず２偏波を分離することができない等の問題があった。
【０００６】
この発明は、全光路を光ファイバで接続し、送受信光路切替部に４５°ファラデーローテータを用いる風計測用のコヒーレントドップラライダである光波レーダ装置において、機器内の偏光変動の影響を抑制し、大気の偏光解消成分と非解消成分とを独立に測定可能なものを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、単一周波数で直線偏波光を発生する光源部と、前記光源部により発生させた直線偏波光を伝送する光ファイバ型の光伝送路と、直線偏波光を一方を局部発振光に他方を送信光に分配する光路分岐手段と、前記光伝送路を伝送された送信光を空中に放出するとともに、大気中の微小塵による散乱光を受信光として前記光伝送路に結合するための送受信共用の光ファイバコリメータ光学系と、前記光路分岐手段と光ファイバコリメータ光学系の間に設けられ、送信光と受信光の光路を切替える送受信光路切替部と、前記光路分岐手段と送受信光路切替部の間に設けられ、前記受信光と局部発振光とを合成する光路合成手段と、前記受信光を局部発振光と合成した際の差周波数光の強度信号を電気信号に変換する光ヘテロダイン受信部と、前記電気信号を周波数変換して視線方向風速、複数視線方向風速から風向風速を演算する信号処理部と、から構成される光波レーダ装置において、前記送受信光路切替部が、前記送信光を透過させ透過させた方向から戻ってくる受信光を別の方向に反射する偏光分離素子と前記偏光分離素子を透過した送信光と戻ってくる受信光が通る４５°ファラデーローテータを含み、前記送信光、受信光、局部発振光が通る全ての前記光伝送路を偏波保持型の光ファイバで構成し、前記光ファイバコリメータ光学系の光軸を中心として光ファイバコリメータ光学系への光ファイバ接続インターフェイス部を回転可能にする機構を備えたことを特徴とする光波レーダ装置にある。
【発明の効果】
【０００８】
この発明では、大気の偏光解消成分と非解消成分とを独立に測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に従来のＣＤＬ装置について図面を用いて説明する。図１１は、上記特許文献１に示された全光ファイバ型のＣＤＬ装置の構成図である。図１１においてＣＤＬ装置は、単一波長で発振したレーザ光を光ファイバ出力するレーザ光源１２、光ファイバ型の第１の光分岐カプラ(第１カプラ)１３、光変調器１４、送受信光分離部１５、光ファイバ増幅器１６、送受信望遠鏡(送受信光学系)１７、４５度ファラデーローテータ１８、光ファイバ型の第２の光分岐カプラ(第２カプラ)１９、光受信器２０、信号処理器２１を備える。
【００１０】
図１１において、レーザ光源１２、第１の光分岐カプラ１３、光変調器１４、第２の光分岐カプラ１９は偏波保持型の光学素子を用い、レーザ光源１２、第１の光分岐カプラ１３、光変調器１４、送受信光分離部１５を結ぶ光ファイバおよび、第１の光分岐カプラ１３と第２の光分岐カプラ１９、送受信光分離部１５と第２の光分岐カプラ１９、第２の光分岐カプラ１９と光受信器２０を結ぶ光ファイバには、偏波保持型のシングルモード光ファイバを用いている。
【００１１】
図１１において、レーザ光源１２から紙面に対して平行な偏波状態で出力した光は、第１の光分岐カプラ１３により偏波を保持したまま分岐され、一方は送信光の種光として、他方は光ヘテロダイン検出における局部発振光として用いられる。光変調器１４は第１の光分岐カプラ１３の出力のうち送信光種光に対して偏波を保持したまま変調する。光変調器１４の出力である変調光は、送受信光分離部１５を介して光ファイバ増幅器１６で増幅され、４５°ファラデーローテータ１８を通過させた後、送受信光学系１７により大気中の観測空間に向けて照射される。
【００１２】
大気中に照射された光は、観測空間における散乱対象(たとえば風速と同じ速度で移動するエアロゾル)により後方散乱され、散乱対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトを受ける。
【００１３】
大気中の散乱対象からの後方散乱光を送受信光学系１７により収集し、４５°ファラデーローテータ１８を再度通過させた後、送受信光分離部１５を介して紙面に対して垂直な直線偏光として第２の光分岐カプラ１９に伝送し、第１の光分岐カプラ１３の局部発振側出力光を９０°回転させて紙面に対して垂直な直線偏光とし、第２の光分岐カプラ１９で光合波した後、光受信器２０でビート信号を受信する。
【００１４】
光受信器２０において得られたビート信号を信号処理器２１により、ビート信号の強度、ラウンドトリップ時間、ドップラ周波数シフトを抽出し、それぞれ散乱対象の量(密度)、散乱対象までの距離、散乱対象の移動速度を算出する。
【００１５】
このとき、送受信光学系１７の直前に４５°ファラデーローテータ１８を通過させることで、送受信光分離部１５から４５°ファラデーローテータ１８の光路内で送信光と受信光をともに直線偏光で且つ偏波状態を９０°直交させて伝送するため、光ファイバ増幅器１６内部および光ファイバ増幅器１６から４５°ファラデーローテータ１８までファイバ光路で受ける複屈折変動にともなう偏波状態の変動を送受信往復光路で補償でき、光受信器２０での偏波面不一致に伴う信号変動を最小化できる特徴を有していて、光ファイバ増幅器１６として安価な非偏波保持型の使用を許容できる利点があった。
【００１６】
しかしながら、４５°ファラデーローテータ１８を通過した際の送信光の偏波状態は、送信光がファイバ増幅器１６内部およびファイバ増幅器１６から４５°ファラデーローテータ１８までファイバ光路で変動を受ける。これにより直交成分を取り出すための手段(例えば偏光ビームスプリッタ)の偏光軸を正確に設定できず２偏波を分離することができないという問題があった。
【００１７】
一方、図１１の構成では、偏波状態変動の補償のため光ファイバ増幅器１６を送受信光分離部１５よりも下流側に設置する必要があった。しかしながら、この構成では光ファイバ増幅器１６の内部で計測に用いない自然放出光が発生した際に次のような問題が引き起こされる。
【００１８】
すなわち自然放出光は無偏波状態で発生し光ファイバの前方(送信光と同方向)だけでなく後方(受信光と同じ方向)に伝播するため自然放出光のうち受信光の偏光方向(送信光と偏光状態が９０°回転)と同じ成分が、送受信光分離部１５を介して、光受信器側に伝播する。
【００１９】
伝播した自然放出光成分は、局部発振光とミキシングされる結果、白色雑音を増加させ受信信号の信号対雑音比を悪化させ、計測性能を低下させる問題があった。
【００２０】
さらに、図１１の構成では、４５°ファラデーローテータ１６より下流にある送受信光学系１７の内部において偏光状態が変化した場合には、その変化分を補償する手段がなく偏光解消のない散乱対象の場合には、受信効率の低下を引き起こす問題があった。
【００２１】
また偏光解消が存在する散乱対象の場合には、送受信光学系１７による偏光変動と散乱対象による偏波変動量の切り分けが困難となり、正確な偏光解消度の測定が困難となる問題があった。
【００２２】
上記ＣＤＬ装置(ライダ)では、散乱対象物の距離と移動速度の測定を主な目的としているため、送信光の偏光状態に一致する偏光成分を受信光として検出する方式となっている。一方、散乱対象の球形度の推定を目的として散乱光の偏光解消を測定したいというニーズがある。
【００２３】
偏光解消の検出のためには、例えば図１２に示す上記非特許文献１に記載された装置のように、散乱対象に対して直線偏光で照射した際の散乱光における直線偏光の直交２成分を独立に受信できる受信器を追加する必要がある。
【００２４】
図１２の構成に適用するためには、受信光の伝播路のうち送受信光学系１７と４５°ファラデーローテータ１８との間において、送信光の偏光方向と直交する成分を取り出す必要がある。もし、この偏光分離ができれば、図１２のように、光の送受信に別々の望遠鏡を用いる必要がなく、送受信光路一致調整が不要となるだけでなく、装置簡略化による小型化、コスト低減化に寄与できる可能性がある。
【００２５】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による光波レーダ装置の構成を示す図である。図１において光波レーダ装置は、単一波長で発振したレーザ光等の光(単一周波数の直線偏波光)を光ファイバケーブルに出力する基準光源１１２、光ファイバ型の光分岐カプラ１１３、光変調器１１４、送受信光分離部１１５、光ファイバ増幅器１１６、送受信光望遠鏡である送受信共用の光ファイバコリメータ光学系１１７、４５°ファラデーローテータ１１８、光ファイバ型の光合成カプラ１１９、光ヘテロダイン受信器１２０、受信信号のアナログ信号処理回路１２１、ディジタル信号処理回路１２２、信号処理、表示用の汎用計算機(ＰＣ)１２３、ビーム走査機構１２４、光ファイバコネクタ１３０、９０°偏光回転機構１３１、光ファイバの端面方位回転機構１１１７を含む。
【００２６】
図１において、基準光源(基準レーザ光源)１１２、光分岐カプラ１１３、光変調器１１４、送受信光分離部１１５、４５°ファラデーローテータ１１８、光合成カプラ１１９は偏波保持型の光学素子で構成される。送受信光分離部１１５と光合成カプラ１１９間には９０°偏光回転機構１３１を設置する。
【００２７】
基準光源１１２から光分岐カプラ１１３、光変調器１１４、光ファイバ増幅器１１６を経由して送受信光分離部１１５までの光路(光送信光路)、送受信光分離部１１５から４５°ファラデーローテータ１１８を経て光ファイバコネクタ１３０までの光路(光送受信光路)、送受信光分離部１１５から９０°偏光回転機構１３１、光合成カプラ１１９を経由して光ヘテロダイン受信器１２０までの光路(光受信光路)、及び光分岐カプラ１１３から光合成カプラ１１９までの光路(局部発振光路)、における各素子間の光路接続(光伝送路)には偏波保持型のシングルモード光ファイバ(ＰＭＦ)を用いる(図１の太線部分)。
【００２８】
光ファイバコリメータ光学系１１７の接続インターフェイスには端面からの反射光がファイバ内に再結合するのを防ぐため、端面法線方向が光ファイバの長手方向と角度αとして、球面研磨又は平面研磨した光ファイバ端面を有する光ファイバコネクタ１３０とする。通常α＝８°とする場合が多い。
【００２９】
光ファイバコリメータ光学系１１７の光ファイバコネクタ１３０の取り付け部の例を図６に示す。この例ではコリメートレンズ１１７ａと、光ファイバコネクタ１３０のソケットとなる光ファイバレセプタクル１１７ｂ、コリメートレンズ１１７ａを保持固定したコリメートレンズ保持鏡筒１１７ｃ、光ファイバレセプタクル１１７ｂが固定されると共にコリメートレンズ保持鏡筒１１７ｃに対して光軸を軸として回転可能な光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄ、光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄをコリメートレンズ保持鏡筒１１７ｃに対して固定するための光ファイバレセプタクル固定ねじ１７７ｅから構成する。
【００３０】
コリメートレンズ保持鏡筒１１７ｃと光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄとはコリメートレンズ１７７ａの光軸を中心とした回転対称形とする。
【００３１】
光ファイバレセプタクル１１７ｂは光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄに対して、次式で表される取り付け角βで設置する。
【００３２】
β＝sin-1(ｎ・sinα)−α
【００３３】
ここで、ｎは光ファイバの屈折率、αは光ファイバコネクタ１３０の端面の研磨角度である。
【００３４】
これにより光ファイバコネクタ１３０の端面からのビームの出射方向はコリメートレンズ１１７ａの光軸と一致する。また光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄの回転対称性により光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄを回転させた場合でも光軸一致は保たれる。
【００３５】
図６の(ａ)は光ファイバレセプタクル保持鏡筒１１７ｄのコリメートレンズ保持鏡筒１１７ｃに対する方位が０°の場合、(ｂ)は１８０°の場合、(ｃ)は９０°の場合を示す。
【００３６】
これによりコリメートレンズ１１７ａと光ファイバレセプタクル１１７ｂとの間隔を保持したまま、光ファイバコネクタ１３０の設置方位のみを独立に変更できる。
【００３７】
なお図１において、光ファイバの端面方位回転機構１１１７が電気信号線によりディジタル信号処理回路１２２を介して汎用計算機１２３に接続され、汎用計算機１２３により端面方位回転機構１１１７の回転位置制御を行うようにしているが、端面方位の回転に高速性が要求されない場合には、端面方位回転機構１１１７が設定方位を表示する表示部を有し、これを読み取ることができれば、手動調整して設定方位を読み取るようにしてもよい。
【００３８】
また、基準光源１１２が単一周波数で直線偏波光を発生する光源部に含まれ、上述の各光路が光ファイバ型の光伝送路に含まれ、光分岐カプラ１１３が直線偏波光を一方を局部発振光に他方を送信光に分配する光路分岐手段に含まれ、光ファイバコリメータ光学系１１７が光伝送路を伝送された送信光を空中に放出するとともに、大気中の微小塵による散乱光を受信光として前記光伝送路に結合するための送受信共用の光ファイバコリメータ光学系に含まれ、送受信光分離部１１５と４５°ファラデーローテータ１１８が光路分岐手段と光ファイバコリメータ光学系の間に設けられ、送信光と受信光の光路を切替える送受信光路切替部に含まれ、光合成カプラ１１９が光路分岐手段と送受信光路切替部の間に設けられ、受信光と局部発振光とを合成する光路合成手段に含まれ、光ヘテロダイン受信器１２０が受信光を局部発振光と合成した際の差周波数光の強度信号を電気信号に変換する光ヘテロダイン受信部に含まれ、アナログ信号処理回路１２１、ディジタル信号処理回路１２２、汎用計算機１２３が電気信号を周波数変換して視線方向風速、複数視線方向風速から風向風速を演算する信号処理部に含まれる。また、図６に示す構成が、光ファイバコリメータ光学系１１７の光軸を中心として光ファイバコリメータ光学系１１７への光ファイバレセプタクル１１７ｂからなる光ファイバ接続インターフェイス部を回転可能にする機構を示す。
【００３９】
図１において、基準光源１１２から紙面に対して平行な偏波状態(Ｐ偏波)で出力した光が、ＰＭＦの複屈折軸のfast軸(速軸)又はslwo軸(遅軸)のいずれか一方に平行となるように、ＰＭＦの面内方位を設定する。以降ではslwo軸に平行の場合を想定して説明する。基準光源１１２の出力光は光分岐カプラ１１３により偏波を保持したまま分岐され、一方は送信光の種光として、他方は光ヘテロダイン検出における局部発振光(局発光)として用いられる。光変調器１１４は光分岐カプラ１１３の出力のうち送信光種光に対して偏波を保持したまま変調する。光変調器１１４の出力である変調光は光ファイバ増幅器１１６で所定のパワーに増幅され、送受信光分離部１１５、４５°ファラデーローテータ１１８の順に伝送され、送受信望遠鏡である光ファイバコリメータ光学系１１７により大気中の観測空間に向けて照射される。
【００４０】
ここで４５°ファラデーローテータ１１８下流(光ファイバコリメータ光学系１１７側)へのＰＭＦ接続については、４５°ファラデーローテータ１１８の通過前後で偏波面が４５°回転するため、４５°ファラデーローテータ１１８下流側の偏波面がＰＭＦのslwo軸と平行となるようにＰＭＦの面内方位を４５°回転させて設置する。
【００４１】
大気中に照射された光は、観測空間における散乱対象(たとえば風速と同じ速度で移動するエアロゾル)により後方散乱され、散乱対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトを受ける。
【００４２】
大気中の散乱対象からの後方散乱光を光ファイバコリメータ光学系１１７により収集し、４５°ファラデーローテータ１１８を再度通過させた後、送受信光分離部１１５に伝送する。４５°ファラデーローテータ１１８により送信光の偏光状態から９０°回転した直線偏光成分(紙面に対して垂直な直線偏光)を持つ散乱光が送受信光分離部１１５に再入射する。
【００４３】
図２に送受信光分離部１１５の一構成例を示す。図２において光ファイバコネクタ２０１，２０２，２０３は球面研磨又は平面研磨した光ファイバ端面を持つ光ファイバコネクタであり、各々送信光入力ポート、送信光出力(散乱光入力)ポート、受信光出力ポートを示し、ともに偏波保持型シングルモード光ファイバが接続されている。コリメート光学系２０４〜２０６は光ファイバ出力光を平行光に変換する。２０７は偏光ビームスプリッタ(偏光分離素子)を示す。
【００４４】
送信光入力ポートから伝送されたＰ偏光の入射光はＰＭＦのslwo軸に平行な状態で光ファイバコネクタ２０１からコリメート光学系２０４に伝送され、平行光に変換されて偏光ビームスプリッタ２０７に入射する。偏光ビームスプリッタ２０７はＰ偏光が送信光出力ポート側のコリメート光学系２０５に透過する位置関係で固定する。コリメート光学系２０５に入射した平行光は光ファイバコネクタ２０２上で集光して、送信光出力ポート側の偏波保持型シングルモード光ファイバに伝送される。ここで光ファイバコネクタ２０２の取り付け方位として、Ｐ偏波の偏光方向が偏波保持型光ファイバのslwo軸と平行となるように設定する。
【００４５】
一方、送信光出力ポート側下流に接続された４５°ファラデーローテータ１１８から送受信光分離部１１５へと再入射した散乱光成分は、４５°ファラデーローテータ１１８を往復伝播した結果、偏光状態が送信光に対して９０°変化する。したがって、光ファイバコネクタ２０２でslwo軸に平行なＰ偏光で送信光を出射した場合、散乱光成分はｓ成分として光ファイバコネクタ２０２のfast軸に平行な状態となる。
【００４６】
光ファイバコネクタ２０２から入射したｓ偏光の散乱光成分はコリメート光学系２０５により平行光に変換されて偏光ビームスプリッタ２０７により受信光出力ポート側へ光路を変え伝送される。
【００４７】
受信光出力ポート側に伝送された散乱光成分はコリメート光学系２０６により光ファイバコネクタ２０３上に集光され、受信光出力ポート側の偏波保持型シングルモード光ファイバに伝送される。ここで光ファイバコネクタ203の取り付け方位として、Ｐ偏波の偏光方向が偏波保持型光ファイバのslwo軸と平行となるように設定することで、ｓ偏光の偏光状態を持つ散乱光成分は偏波保持型光ファイバのfast軸に平行な状態を保持したまま伝送される。
【００４８】
散乱光は光受信光路側の下流にある９０°偏光回転機構１３１に伝送され、偏波保持型光ファイバのslwo軸に平行な直線偏光に戻す。これにより９０°偏光回転機構１３１の出力側の偏波保持型光ファイバに伝送される散乱光成分と、光分岐カプラ１１３から出力された局部発振光はともに偏波保持型光ファイバのslwo軸に平行な状態で伝送される。
【００４９】
９０°偏光回転機構１３１を出た散乱光は光合成カプラ１１９に伝送されて、光合成カプラ１１９で光分岐カプラ１１３の局部発振側出力光と合成されて光合波にされた後、光ヘテロダイン受信器１２０でビート信号として電気信号に変換される。
【００５０】
送受信光分離部１１５には、図３で示すように偏光ビームスプリッタ２０７とコリメート光学系２０５との間に４５°ファラデーローテータ１１８を設置しても良い。この場合、光ファイバコネクタ２０２の取り付け方位をＰ偏波の偏光方向が偏波保持型光ファイバのslwo軸と平行となるように光ファイバコネクタ２０１に対して４５°回転させて設定する。これにより図１の配置における４５°ファラデーローテータ１１８において入出力ポート各１個ずつ必要となるコリメートレンズ、光ファイバコネクタが不要となる。
【００５１】
さらに図４で示した構成において、受信光出力ポート側のコリメート光学系２０６と光ファイバコネクタ２０３との間に９０°偏光回転機構１３１を設置してもよい。ここで９０°偏光回転機構１３１は図１の構成でＰ偏波の偏光方向がslwo軸と平行となるように設定していた偏波保持型光ファイバの光ファイバコネクタ２０３をＰ偏波の偏光方向がfast軸と平行となるように設定することで実現でき、構成の簡略化が可能となる。
【００５２】
光受信器である光ヘテロダイン受信器１２０により得られたビート信号は、光ヘテロダイン受信器１２０により、光電変換される。光ヘテロダイン受信器２１の出力は、アナログ信号処理回路１２１に入力され、所定のアナログ処理、例えばビート信号における中心周波数の変更や、不要周波数成分の抑圧処理、および信号増幅などを行う。
【００５３】
アナログ信号処理回路１２１の出力は、ディジタル信号処理回路１２２に入力され、所定のディジタル信号処理が行われる。
【００５４】
ディジタル信号処理回路１２２の処理内容として例えば、ドップラスペクトル算出処理、送信光の走査機構の角度パルスカウント処理、各算出データの同期・蓄積処理、汎用計算機(ＰＣ)１２３との通信インターフェイス処理等がある。
【００５５】
図５にディジタル信号処理回路の一例の機能ブロック図を示す。ディジタル信号処理回路１２２は、Ａ／Ｄ変換部(ＡＤＣ)３０１、高速フーリエ変換機能部(ＦＦＴ)３０２、信号積分機能部３０３、カウンタ３０４、バッファ３０５、通信インターフェイス(ＩＦ)部３０６、同期処理機能部３０７を備える。
【００５６】
ドップラスペクトル処理として例えば以下のような演算を行う。まずアナログ信号処理回路１２１の出力信号を所定の同期信号に同期してＡＤ(アナログ/ディジタル)変換し、得られた時系列データを所定サンプル点数毎に複数ゲートで切り出し、演算モード毎に異なる点数のゼロデータ挿入と窓関数乗算を行った後、各々ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)処理を行い、各レンジ毎のＦＦＴ演算結果を所定回数くり返して積算平均する。
【００５７】
送信光の走査機構であるビーム走査機構１２４の角度パルスカウント処理としては例えば次のような処理を行う。ビーム走査機構１２４を運転して送信光の出射方位を連続的に変化させた際に、ビーム走査機構１２４に設置された仰角、方位角あるいはウェッジプリズムの回転角や走査鏡の回転角などの各回転軸に対応したロータリエンコーダからの出力パルス(所定の角度範囲を等分割した角度ごとに出力されるパルス)の数を所定角度範囲に達した時に出力されるリセットパルスが来るまで加算する。パルスカウントの結果は前記ＡＤ変換における同期信号に同期して読み出す。
【００５８】
各算出データ(ドップラスペクトル、角度パルスカウント)の同期処理としては、ドップラスペクトルの積算平均結果と同スペクトル積算開始から積算終了までの角度パルスカウント値の平均値を関連付けてバッファ３０５に蓄積・格納する。
【００５９】
通信インターフェイス部３０６としては、汎用計算機１２３に対して、バッファ３０５内に格納したドップラスペクトル＋角度パルスカウント値の関連付けデータを伝送する機能と、汎用計算機１２３からディジタル演算の開始・停止や、演算モード設定などの制御コマンドを受信する機能を有する。
【００６０】
汎用計算機１２３では、ディジタル信号処理回路１２２により算出されたドップラスペクトル＋角度パルスカウント値の関連付けデータから、まず送信光出射方位毎にスペクトルの強度、ラウンドトリップ時間、ドップラ周波数シフトを抽出しそれぞれ散乱対象の量(密度)、散乱対象までの距離、散乱対象の移動速度を算出する。
【００６１】
送信光の出射方位は、角度パルスカウント値に１パルス当たりの角度刻み値を乗算して角度に変換して求める。
【００６２】
次に、上記の方法で算出した送信光出射方位ごとに、散乱対象の量(密度)、散乱対象までの距離、散乱対象の移動速度を求め、送信光出射方位に関連付けた散乱対象の移動速度をデータとして蓄積する。
【００６３】
上記の蓄積データに対して、観測空間における散乱対象の移動速度が一様であると仮定しＶＡＤ(Velocity Azimuth Display)法により移動速度の３次元ベクトルを算出する。
【００６４】
次に、大気散乱による偏光解消の測定方法について説明する。偏光解消度はＤ(r)、受信される大気散乱光パワーのうち、送信光の偏光面に対して平行成分Ｐrx_p(r)と垂直性分Ｐrx_s(r)を用いて次式で表される。
【００６５】
Ｄ(r)＝Ｐrx_s(r)／Ｐrx_p(r)
【００６６】
Ｄ(r)の値により大気散乱体の球形度により値が変化し、通常、硫酸塩などの球形エアロゾルでは５％以下で、鉱物粒子である黄砂では１０〜３０％となることが知られている。
【００６７】
上記の偏光解消度の変化はＰrx_p(r)成分とＰrx_s(r)成分の比により決定される。偏光解消は観測空間にある複数の非球形散乱対象がそれぞれ持つ偏光回転の主軸をベクトル和した平均的な主軸に対する偏光回転で与えられる。今、直線偏光光が散乱対象により後方散乱される際に受ける平均的な偏光の回転量をφbackscatとする。
【００６８】
次に、送信光の偏光面を上記の観測空間における平均的な偏光面主軸に対して変化させながら、散乱光のパワーを測定することを考える。送信光の偏光面が観測空間における平均的な偏光面主軸に対して平行な場合には送信光は散乱対象により偏光解消を受けずに後方散乱されるが、偏光主軸に対して平行以外の場合には、後方散乱される際に最大でφbackscatの偏光回転を受ける。
【００６９】
偏光回転を受けた受信光は、偏光回転を受けていない場合に比べ、送信光の偏光面に直交する成分が増加するため、散乱光パワーが一定である場合には、散乱光パワーの送信偏光面に平行な成分が減少する。
【００７０】
一方、光ファイバコリメータ光学系１１７への光ファイバ入力インターフェイスである光ファイバコネクタ１３０において、偏波保持型の光ファイバの遅軸に沿った方向に直線偏光が伝送されるため、光ファイバの端面方位回転機構１１１７を駆動させることで、送信光の偏波面を回転させることができる。
【００７１】
従って、送信光の視線方向を固定した状態で、光ファイバの端面方位回転機構１１１７をある角度(端面方位１とする)で固定して視線方向風速の測定を行い、散乱対象の量(密度)に比例した信号強度を算出してデータを蓄積する。
【００７２】
次に送信光の視線方向を固定したまま、端面方位１と異なる方位角に設定(端面方位２)して同様の測定を行い、データを蓄積する。
【００７３】
上記のデータ測定を端面方位０度から３６０度の範囲で所定数くり返し行い、得られた信号強度を端面方位角度ごとに積算平均する。
【００７４】
さらに積算平均した端面方位角度毎の信号強度データより信号強度の最大値Ｐrx_MAXと平均値Ｐrx_meanを算出する。
【００７５】
ここで、通常の全光ファイバ型ライダにおける１回の視線方向風速測定に要する時間は１秒以下(送信パルス光のくり返し周波数：数kHz〜数10kHz、インコヒーレント積分数：数回〜数1000回)であり、観測空間内における平均的な偏波状態の変化に比べ十分に早い。
【００７６】
また通常、観測空間における平均的な偏波状態の変化は、送信光の出射方位を固定して(視線方向を固定)、送信光の偏波面を回転させながら風速測定を行うために要する時間に比較しても十分に遅く、複数の送信偏波面に対して観測空間における平均的な偏波状態は固定して考えることができる。
【００７７】
受信信号の最大値Ｐrx_MAXは、送信偏波面が観測空間における平均的な偏波主軸に一致している場合に近似できる。このとき、散乱光に偏光解消は発生しない。一方で受信信号が最大値Ｐrx_MAX以外の場合は散乱光に偏光解消は発生していると考えられる。
【００７８】
このことから、Ｐrx_MAXとＰrx_meanとの差の成分が偏光解消時に発生する送信光偏波面に垂直な偏光成分であると考えられる。
【００７９】
従って偏光解消度は次式のような比例関係により推定することができる。
【００８０】
【数１】
2008309562.tif 000003
【００８１】
以上の測定とデータ処理により、１系統の光ヘテロダイン受信系で偏光解消の有無の簡易的な判別が可能となる。
【００８２】
また、偏光解消測定に対して、図１１に示した従来の構成における課題点、すなわち光ファイバ増幅器１６及び光ファイバ増幅器１６から４５°ファラデーローテータ１８までのファイバ光路で偏波変動を受けることに関して、本実施の形態１では、図１に示すように送受信光分離部１１５より下流側の４５°ファラデーローテータ１１８、光ファイバコネクタ１３０のファイバ部品および接続ファイバに偏波保持型のシングルモード光ファイバを用いて、且つ偏波保持型シングルモード光ファイバのfast軸あるいはslwo軸に直線偏光の偏光面を合わせて伝送している。
【００８３】
従って光ファイバ増幅器１１６や光ファイバ光路における偏光状態は一定に保たれたまま伝送できる効果がある。
【００８４】
また、光ファイバ増幅器１１６を送受信光分離部１１５よりも上流側に設置できるため、光ファイバ増幅器１１６で発生した自然放出光(ＡＳＥ)が受信側へ漏れこむのを低減できる効果がある。
【００８５】
この発明によれば送信光を偏波面保存のシングルモード光ファイバを用いて送受信共用の光ファイバコリメータ光学系に伝送しているため、偏光面の回転を光ファイバコネクタ端面方位の回転により簡易に実現できる。
【００８６】
また運用時において、観測空間における平均的な偏波状態の時間的変化が遅く、送信光の偏波面変更に要する時間に高速性が要求されない場合には、偏光面の回転を手動で行い、設定角度のみ読み取れればよい。この場合、ディジタル信号処理回路と光ファイバの端面方位回転機構との間の信号線接続は不要となる。
【００８７】
実施の形態２．
実施の形態１では、光ファイバ増幅器以降の光路に偏波保持型のシングルモード光ファイバを用いた構成に、望遠鏡(光ファイバコリメータ光学系)入力時の直線偏光調整手段を加えることで、単一の光ヘテロダイン受信系により偏光解消度の測定を行う例を示したが、この実施の形態では光ヘテロダイン受信系を２系統用いて、大気散乱における偏光保存成分と偏光解消成分とを同時に検出する装置の実現例ついて説明する。送受信光分離部を含む送受信光路切り替え部の上流、下流についての説明は実施の形態１と共通であるため省略する。
【００８８】
図７はこの発明の実施の形態２による光波レーダ装置の構成を示す図である。上記実施の形態のものと同一もしくは相当部分は同一符号で示し、説明は省略する。図７において、上記実施の形態における、４５°ファラデーローテータ１１８と光ファイバコネクタ１３０の間に第２の送受信光分離部１５０を設置し、第２の送受信光分離部１５０の光受信光路側に第２の９０°偏光回転機構１５１を設置し、さらに第２の光合成カプラ１５２を用いて局部発振光と合波し、第２の光ヘテロダイン受信器１５３でビート信号を検出する。なお、第２の送受信光分離部１５０が第２の送受信光路切替部に含まれ、第２の光合成カプラ１５２が第２の光路合成手段に含まれ、第２の光ヘテロダイン受信器１５３が第２の光ヘテロダイン受信部に含まれる。
【００８９】
第２の送受信光分離部１５０も上記実施の形態と同様に、図２の構成をとるものとする。また、上記実施の形態において光分岐カプラ１１３は１入力を２分岐する機能を有したが、この実施の形態の光分岐カプラ１１３は１入力を３分岐して、局部発振光を導く局部発振光路を２系統持たせる。
【００９０】
基準光源１１２から光分岐カプラ１１３、光変調器１１４、光ファイバ増幅器１１６を経由して第１の送受信光分離部１１５までの光路(光送信光路)、第１の送受信光分離部１１５から４５°ファラデーローテータ１１８、第２の送受信光分離部１５０を経由して光ファイバコネクタ１３０までの光路(光送受信光路)、第１の送受信光分離部１１５から第１の９０°偏光回転機構１３１、第１の光合成カプラ１１９を経由して第１の光ヘテロダイン受信器１２０までの光路(第１の光受信光路)、光分岐カプラ１１３から光合成カプラ１１９までの光路(第１の局部発振光路)、第２の送受信光分離部１５０から第２の９０°偏光回転機構１５１、第２の光合成カプラ１５２を経由して第２の光ヘテロダイン受信器１５３までの光路(第２の光受信光路)、光分岐カプラ１１３から第２の光合成カプラ１５２までの光路(第２の局部発振光路)、における各素子間の光路接続(光伝送路)には偏波保持型のシングルモード光ファイバ(ＰＭＦ)を用いる(図７の太線部分)。
【００９１】
今、大気散乱の過程で偏光が変化しない場合を考える。この場合、散乱光の偏光面は光ファイバコネクタ１３０からの送信光の偏光面と一致する。従って第２の送受信光分離部１５０において、散乱光は図２の偏光ビームスプリッタ２０７を透過し送信光入力側の光ファイバコネクタ２０１へと伝送され、受信光出力側の光ファイバコネクタ２０３には伝送されない。
【００９２】
第２の送受信光分離部１５０の送信光入力側に逆伝搬した散乱光成分は、４５°ファラデーローテータ１１８で偏光状態を送信光の偏光面に対して９０°変化させ第１の送受信光分離部１１５の送信光出力側に伝送される。
【００９３】
第１の送受信光分離部１１５の内部では、散乱光の偏光が９０°回転しているため、図２の偏光ビームスプリッタ２０７で反射され、受信光出力側の光ファイバコネクタ２０３に伝送され、第１の９０°偏光回転機構１３１により局部発信光側の光ファイバのslwo軸に偏光面を一致させた後、第２の光合成カプラ１１９により合波され、第１の光ヘテロダイン受信器１２０を用いて受信光ビートとして検出される。
【００９４】
従ってこの場合、第１の光ヘテロダイン受信器１２０のみに信号が検出され、第２の光ヘテロダイン受信器１５３では検出されない。第１の光ヘテロダイン受信器１２０での受信信号成分は、送信光の偏光面に対して平行成分であり、Ｐrx_p(r)とする。
【００９５】
一方、散乱光の偏光状態が送信光の偏光状態と直交の場合には、散乱光は第２の送受信光分離部１５０の偏光ビームスプリッタ２０７で反射されて受信光出力側の光ファイバコネクタ２０３に伝送され、第２の９０°偏光回転機構１５１により局部発信光側の光ファイバのslwo軸に偏光面を一致させた後、第２の光合成カプラ１５２により合波され、第２の光ヘテロダイン受信器１５３を用いて受信光ビートとして検出される。
【００９６】
従ってこの場合、第２の光ヘテロダイン受信器１５３のみに信号が検出され、第１の光ヘテロダイン受信器１２０では検出されない。第２の光ヘテロダイン受信器１５３での受信信号成分は、送信光の偏光面に対して垂直成分であり、Ｐrx_s(r)とする。
【００９７】
偏光解消度Ｄ(r)は受信される大気散乱光パワーのうち、送信光の偏光面に対して平行性分Ｐrx_p(r)と垂直性分Ｐrx_s(r)とを用いて次式であらわされる。
【００９８】
Ｄ(r)＝Ｐrx_s(r)／Ｐrx_p(r)
【００９９】
図７におけるディジタル信号処理回路１２２において、Ｐrx_p(r)とＰrx_s(r)の両成分が同時に測定できるため、上式により偏光解消度Ｄ(r)を直接に算出することができる。
【０１００】
上記実施の形態１において、偏光解消度の測定において送信光の偏光方向を変化させた状態での複数の受信信号の測定が必要であったのに対し、本実施の形態２においては送信光の偏光状態を変化させる必要がなく、測定に要する時間を短縮できる利点がある。
【０１０１】
実施の形態３．
上記実施の形態１では図１の光ファイバ増幅器１１６以降の光路に偏波保持型のシングルモード光ファイバに直線偏光調整手段を加えることで、単一の光ヘテロダイン受信系により偏光解消度の測定を行う例を、実施の形態２では光ヘテロダイン受信系を２系統用いて、大気散乱における偏光保存成分と偏光解消成分とを同時検出する例ついて説明した。本実施の形態３では、送受信光分離部の下流側にスイッチ手段を設けて光路を切り替えることにより大気散乱における偏光保存成分と偏光解消成分とを同時検出する例を示す。送受信光分離部の上流と送受信望遠鏡である光ファイバコリメータ光学系、９０°偏光回転機構以降の処理部分については実施の形態１と基本的に共通であるため説明を省略する。
【０１０２】
図８はこの発明の実施の形態３による光波レーダ装置の送受信光分離部付近の構成を示す図である。図８において上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図８においては、実施の形態１の送受信光分離部１１５の下流に第１の光路切替スイッチ５０１と第２の光路切替スイッチ５０２を設ける。第１の光路切替スイッチ５０１の下流側の第２の光路切替スイッチ５０２との間に２光路を設け、２光路のうち一方に４５°ファラデーローテータ１１８を挿入して第２の光路切替スイッチ５０２に接続し、他方を第２の光路切替スイッチ５０２に直接接続する。
【０１０３】
第１，第２の光路切替スイッチ５０１、５０２(光伝送路切替機構)はディジタル信号処理回路１２２から駆動信号を与えて同期させる。直線偏光で送受信望遠鏡である光ファイバコリメータ光学系１１７により送信された光が、大気中で後方散乱され、その散乱光が再び光ファイバコリメータ光学系１１７により収集され、光ファイバコネクタ１３０に結合されて、ファイバ内を上流側に伝搬する。
【０１０４】
まず、第１、第２の光路切替スイッチ５０１，５０２が４５°ファラデーローテータ１１８が挿入された光路側(第１光伝送路)に接続されている場合、４５°ファラデーローテータ１１８の入力−出力の間で直線偏光が９０°回転する。このため大気中で偏光解消されずに散乱された散乱光成分に関して、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態は送信光の偏光面に対して垂直となる。一方、大気中で偏光解消を受けて散乱された散乱光成分については、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態が送信光の偏光面に対して平行となる。
【０１０５】
送受信光分離部１１５においては、送信光の偏光と垂直な成分のみ受信光出力側の光路に伝送するように設計している。このため大気中で偏光解消を受けない成分のみが受信光出力側の光路へと伝送され、ヘテロダイン検出が行われる。
【０１０６】
一方、第１、第２の光路切替スイッチ５０１，５０２が互いに直接接続された光路側(第２光伝送路５０３)にスイッチを設定した場合、大気中で偏光解消を受けた成分は送信光の偏光状態に対して直交状態で、大気中で偏光解消を受けない成分は送信光の偏光状態に対して平行状態で送受信光分離部１１５に入力する。
【０１０７】
この場合、送受信光分離部１１５では大気中で偏光解消を受けた成分のみが受信光出力側の光路へと伝送され、ヘテロダイン検出が行われる。
【０１０８】
従って、第１、第２の光路切替スイッチ５０１，５０２の切り替えにより、大気中で偏光解消を受けない成分と、大気中で偏光解消を受けた成分とを、時間的に切り替えて計測することができる。
【０１０９】
これにより送受信光分離部１１５、９０°偏光回転機構１３１、光合成カプラ１１９、光ヘテロダイン受信器１２０までを共通化できるため、実施の形態２で必要だった２系統の光ヘテロダイン受信系(検出部)が１系統で実現できるだけでなく、大気偏光解消／偏光非解消成分を検出する際に光路損失や検出器感度が等しくなり、第１、第２の光路切替スイッチ５０１，５０２の間の光路損失のみ校正すればよく、感度校正が簡易になる効果がある。
【０１１０】
実施の形態４．
上記実施の形態３では、送受信光分離部の下流側に光路切替スイッチ２個を設け、これらを同期させて光路を切り替えることにより、大気散乱における偏光保存成分と偏光解消成分とを検出する例を示した。本実施の形態４では、スイッチ手段である光路切替スイッチを１個を用いて偏光保存成分と偏光解消成分とを検出する例を示す。ここで送受信光分離部の上流と送受信望遠鏡である光ファイバコリメータ光学系、９０°偏光回転機構以降の処理部分については実施の形態１と基本的に共通であるため説明を省略する。
【０１１１】
図９はこの発明の実施の形態４による光波レーダ装置の送受信光分離部付近の構成を示す図である。図９において上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図９においては、実施の形態１の送受信光分離部１１５の下流に第２の光分岐カプラ６０１と第３の光路切替スイッチ６０２(光伝送路切替機構)を設ける。そして第２の光分岐カプラ６０１の下流側における２光路のうち一方に４５°ファラデーローテータ１１８を挿入して第３の光路切替スイッチ６０２に接続し、他方を第３の光路切替スイッチ６０２に直接接続する。
【０１１２】
送受信光分離部１１５の上流から下流側に出力された直線偏光光は、光分岐カプラ６０１(第２の光路分岐手段)により２分岐され、一方は、４５°ファラデーローテータ１１８を通過させて光路切替スイッチ６０２に、他方は直接に光路切替スイッチ６０２へ接続する。ここで光分岐カプラ６０１は偏波保存型のシングルモード光ファイバにより偏波状態を保持したまま分岐する。
【０１１３】
光路切替スイッチ６０２を通過した直線偏光光は上述の実施の形態１〜３と同様に、送受信望遠鏡である光ファイバコリメータ光学系１１７により送信され、大気中で後方散乱を受けて散乱光が再び光ファイバコリメータ光学系１１７により収集される。
【０１１４】
光ファイバコリメータ光学系１１７により収集された散乱光は、光ファイバコネクタ１３０に結合されファイバ内を上流側に伝搬する。
【０１１５】
光路切替スイッチ６０２が４５°ファラデーローテータ１１８側(第１光伝送路)の場合は、４５°ファラデーローテータ１１８の入力−出力の間で直線偏光が９０°回転する。このため大気中で偏光解消されずに散乱された散乱光成分に関して、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態は送信光の偏光面に対して垂直となる。一方、大気中で偏光解消を受けて散乱された散乱光成分については、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態が送信光の偏光面に対して平行となる。
【０１１６】
送受信光分離部１１５においては、送信光の偏光と垂直な成分のみ受信光出力側の光路に伝送するように設計している。このため大気中で偏光解消を受けない成分のみが受信光出力側の光路へと伝送され、ヘテロダイン検出が行われる。
【０１１７】
一方、光路切替スイッチ６０２が４５°ファラデーローテータ１１８の無い光路側(第２光伝送路５０３)にスイッチを設定する場合、大気中で偏光解消を受けた成分は送信光の偏光状態に対して直交状態で、大気中で偏光解消を受けない成分は送信光の偏光状態に対して平行状態で送受信光分離部１１５に入力される。
【０１１８】
この場合、送受信光分離部１１５では大気中で偏光解消を受けた成分のみが受信光出力側光路へと伝送され、ヘテロダイン検出が行われる。
【０１１９】
従って、光路切替スイッチ６０２の切り替えにより、大気中で偏光解消を受けない成分と、大気中で偏光解消を受けた成分とを、時間的に切り替えて計測することができる。
【０１２０】
これにより送受信光分離部１１５、９０°偏光回転機構１３１、光合成カプラ１１９、光ヘテロダイン受信器１２０までを共通化できるため、実施の形態２で必要だった２系統の光ヘテロダイン受信系(検出部)が１系統で実現できるだけでなく、大気偏光解消／偏光非解消成分を検出する際に光路損失や検出器感度が等しくなり、第２の光分岐カプラ６０１と第３の光路切替スイッチ６０２の間の光路損失のみ校正すればよく、感度校正が簡易になる効果がある。
【０１２１】
また実施の形態３では２個の光路分岐スイッチにより実現していた大気偏光解消／偏光非解消成分の切り替え機能を、光路分岐スイッチを１個で実現でき、２個のスイッチの同期駆動が不要となり構成を簡素化できる。
【０１２２】
さらに、第２の光分岐カプラ６０１と第３の光路切替スイッチ６０２との間の２光路における光路損失の差を相殺するように第２の光分岐カプラ６０１の分岐比を設計して製作することもできる。これにより第２の光分岐カプラ６０１と第３の光路切替スイッチ６０２との間における光路損失の校正は不要となる。
【０１２３】
実施の形態５．
上記実施の形態２〜４では、直線偏光光を４５°ファラデーローテータに通過／非通過による偏光回転／非回転の違いを用いて大気散乱光の偏光解消成分／非解消成分の分離測定を行っていた。この実施の形態５では、４５°ファラデーローテータの代わりに、電気入力でファラデー回転角を制御できるファラデー回転子を用いる構成について説明する。
【０１２４】
図１０はこの発明の実施の形態５による光波レーダ装置の送受信光分離部付近の構成を示す図である。図１０において上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。また、送受信光分離部１１５の上流および受信光出力側の光路以降は図１と共通であるため説明を省略する。送受信光分離部１１５の下流側には、可変ファラデー回転子７０１、磁界発生部７０２と駆動部７０３からなる磁界発生装置を設ける。駆動部７０３はディジタル信号処理回路１２２を介して汎用計算機１２３で制御される。
【０１２５】
可変ファラデー回転子７０１は、鉄−ガーネット結晶に代表される磁光結晶内に光路を設け、磁界発生部７０２による外部磁界Ｈを駆動部７０３で電気的に変化させることによりファラデー回転角θを変化させることができる。ファラデー回転角θと磁界Ｈとは次式で現される関係にある。
【０１２６】
θ＝Ｖ(Ｈ・Ｋ)
【０１２７】
ここで、Ｖは材料固有のベルデ係数、Ｋは光波数ベクトルである。
従って、θ＝４５°になるような磁界すなわち
【０１２８】
Ｈ・Ｋ＝π／(４Ｖ)
【０１２９】
とすることで、可変ファラデー回転子７０１を往復する光の偏光状態を９０°回転させることができる。
【０１３０】
可変ファラデー回転子７０１に外部磁界をゼロとした場合(磁界発生部７０２による信号をゼロ)、送受信光分離部１１５から光ファイバコネクタ１３０の間での往復光路で、直線偏光の回転はない。
【０１３１】
このため大気中で偏光解消されずに散乱された散乱光成分に関して、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態は送信光の偏光面に対して平行となる。一方、大気中で偏光解消を受けて散乱された散乱光成分については、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態が送信光の偏光面に対して垂直となる。
【０１３２】
送受信光分離部１１５においては、送信光の偏光と垂直な成分のみ受信光出力側の光路に伝送するように設計している。このため大気中で偏光解消を受けた成分のみが受信光出力側の光路へと伝送され、ヘテロダイン検出が行われる。
【０１３３】
一方、可変ファラデー回転子７０１に外部磁界をπ／(４Ｖ)とした場合、送受信光分離部１１５から光ファイバコネクタ１３０の間での往復光路で、直線偏光は９０°回転する。
【０１３４】
このため大気中で偏光解消されずに散乱された散乱光成分に関して、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態は送信光の偏光面に対して垂直となる。一方、大気中で偏光解消を受けて散乱された散乱光成分については、送受信光分離部１１５の直前での偏光状態が送信光の偏光面に対して平行となる。
【０１３５】
従って、可変ファラデー回転子７０１への外部磁界の切り替えにより、大気中で偏光解消を受けない成分と、大気中で偏光解消を受けた成分とを、時間的に切り替えて計測することができる。
【０１３６】
送受信光分離部１１５、可変ファラデー回転子７０１、光ファイバコネクタ１３０、光ファイバコリメータ光学系(送受信望遠鏡)１１７までの送受信往復光路と、送受信光分離部１１５、９０°偏光回転機構１３１、光合成カプラ１１９、光ヘテロダイン受信器１２０までの受信光路を共通化できるため、実施の形態２で必要だった２系統の光ヘテロダイン受信系(検出部)が１系統で実現できるだけでなく、大気偏光解消／偏光非解消成分を検出する際に光路損失や検出器感度が等しくなり、光路損失の校正が不要となる効果がある。
【０１３７】
また、実施の形態３，４で用いた光路切替スイッチや、実施の形態４で用いた光路分岐手段である光分岐カプラが不要となり、これらによる光路損失が低減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】この発明の実施の形態１による光波レーダ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明による光波レーダ装置の送受信光分離部の一構成例を示す図である。
【図３】この発明による光波レーダ装置の送受信光分離部の別の構成例を示す図である。
【図４】この発明による光波レーダ装置の送受信光分離部のさらに別の構成例を示す図である。
【図５】この発明による光波レーダ装置のディジタル信号処理回路の一構成例を示す図である。
【図６】この発明による光波レーダ装置の光ファイバコリメータ光学系の光ファイバコネクタの取り付け部の構造を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態２による光波レーダ装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による光波レーダ装置の送受信光分離部周辺の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態４による光波レーダ装置の送受信光分離部周辺の構成を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態５による光波レーダ装置の送受信光分離部周辺の構成を示す図である。
【図１１】従来のコヒーレントドップラライダの構成を示す図である。
【図１２】従来の偏光解消度測定用ライダ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１１２  基準光源、１１３  光分岐カプラ、１１４  光変調器、１１５  送受信光分離部、１１６  光ファイバ増幅器、１１７  光ファイバコリメータ光学系、１１７ａ  コリメートレンズ、１１７ｂ  光ファイバレセプタクル、１１７ｃ  コリメートレンズ保持鏡筒、１１７ｄ  光ファイバレセプタクル保持鏡筒、１１７ｅ  光ファイバレセプタクル固定ねじ、１１８  ４５°ファラデーローテータ、１１９  光合成カプラ、１２０  光ヘテロダイン受信器、１２１  アナログ信号処理回路、１２２  ディジタル信号処理回路、１２３  汎用計算機、１２４  ビーム走査機構、１３０  光ファイバコネクタ、１３１  ９０°偏光回転機構、１５０  第２の送受信光分離部、１５１  第２の９０°偏光回転機構、１５２  第２の光合成カプラ、１５３  第２の光ヘテロダイン受信器、２０１〜２０３  光ファイバコネクタ、２０４〜２０６  コリメート光学系、２０７  偏光ビームスプリッタ、３０１  Ａ／Ｄ変換部、３０２  高速フーリエ変換機能部、３０３  信号積分機能部、３０４  カウンタ、３０５  バッファ、３０６  通信インターフェイス部、３０７  同期処理機能部、５０１  第１の光路切替スイッチ、５０２  第２の光路切替スイッチ、５０３  光伝送路、６０１  第２の光分岐カプラ、６０２  第３の光路切替スイッチ、７０１  可変ファラデー回転子、７０２  磁界発生部、７０３  駆動部。
【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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