JP6072301B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ光を大気中に出射し、目標による当該レーザ光の散乱光を受信して、その散乱光から目標に関する情報を抽出するレーザレーダ装置に関するものである。

従来のレーザレーダ装置として、光変調器にパルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子を用いて、送信光をパルス化したコヒーレントレーザレーダ装置がある（例えば非特許文献１参照）。
また、送信光（レーザ光）の伝送路に光ファイバを用いたコヒーレントレーザレーダ装置では、光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱と呼ばれる非線形光学効果によって、送信光のピークパワーが制限される。そこで、互いに周波数の異なる複数のＣＷレーザ光源を用いて送信パワーを増すことにより、高ＳＮ比の計測を行うという方式が発明されている（例えば特許文献１参照）。

G．N．Pearson and J．Eacock著「Proceedings of 11th Coherent Laser Radar Conference」（Malvern、Worcestershire、UK、July 2001)、第144頁-第146頁

特開２００４-２１９２０７号公報

非特許文献１、特許文献１に開示された従来のコヒーレントレーザレーダ装置では、レーザ光の送受信に用いる送受光学系の視線方向についてのみ測定のみを行うことができる。
このため、異なる視線方向の測定を行う場合や、より広い範囲を測定し演算等により分布を求める場合には、レーザ光を走査する必要がある。そのため、角度調整が可能な反射ミラー、回転ウェッジ板等を用いたスキャナー装置と組み合わせて用いることがある。また、多視線方向の測定を同時に行うために、複数台のレーザレーダ装置を配置する場合がある。

ここで、スキャナー装置を用いた方式では、装置が大型化し、複雑になるという課題があった。また、反射ミラー、ウェッジ板を機械的に回転駆動させるスキャナー装置では、装置の寿命や信頼性が低下するという課題があった。
また、レーザ光を走査する方式では、１視線方向当たりの測定時間が短くなるため、受信信号強度が低下し、測定可能な距離や精度が低下するという課題があった。

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、単純で安価な構成で、機械的に駆動するスキャナー装置を用いることなく、多視線方向を同時に測定することが可能なレーザレーダ装置を提供することを目的としている。

この発明に係るレーザレーダ装置は、互いに異なる周波数のレーザ光を発振する複数の基準光源と、基準光源に対応して設けられ、当該対応する基準光源により発振されたレーザ光を分岐する複数の光分岐器と、光分岐器に対応して設けられ、当該対応する光分岐器により分岐された一方のレーザ光を変調する複数の光変調器と、各光変調器により変調されたレーザ光を混合して第１の混合光を出力する第１の光合波器と、各光分岐器により分岐された他方のレーザ光を混合して第２の混合光を出力する第２の光合波器と、第１の光合波器により出力された第１の混合光を出射し、目標による当該第１の混合光の散乱光を受信する送受信光学系と、送受信光学系により受信された散乱光と第２の光合波器により出力された第２の混合光とを混合して第３の混合光を出力する第３の光合波器と、第３の光合波器により出力された第３の混合光からビート信号を検出する光検出器と、光検出器により検出されたビート信号から目標に関する情報を抽出する情報抽出器と、送受信光学系の前方または後方に配置され、入射光の角度および周波数に応じて当該入射光を特定方向に出射する分散素子とを備えたものである。

また、この発明に係るレーザレーダ装置は、互いに異なる周波数のレーザ光を発振する複数の基準光源と、基準光源により発振されたレーザ光を混合して第４の混合光を出力する第４の光合波器と、第４の光合波器により出力された第４の混合光を分岐する光分岐器と、光分岐器により分岐された一方の第４の混合光を変調する光変調器と、光変調器により変調された第４の混合光を出射し、目標による当該第４の混合光の散乱光を受信する送受信光学系と、送受信光学系により受信された散乱光と光分岐器により分岐された他方の第４の混合光とを混合して第５の混合光を出力する第５の光合波器と、第５の光合波器により出力された第５の混合光からビート信号を検出する光検出器と、光検出器により検出されたビート信号から目標に関する情報を抽出する情報抽出器と、送受信光学系の前方または後方に配置され、入射光の角度および周波数に応じて当該入射光を特定方向に出射する分散素子とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、単純で安価な構成で、機械的に駆動するスキャナー装置を用いることなく、多視線方向を同時に測定することが可能となる。

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。 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。 この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態７に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態７に係るレーザレーダ装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態７に係るレーザレーダ装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態８に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態８に係るレーザレーダ装置の別の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施の形態で同一もしくは相当する部分は同一符号で示し重複する説明は省略する。
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の構成を示す図である。
レーザレーダ装置は、レーザ光を大気中に照射してエアロゾル（大気中を浮遊する塵等の粒子）からの散乱光を受信し、この散乱光のドップラーシフトを検出することによって風速の計測を行うコヒーレントドップラーライダ装置である。このレーザレーダ装置は、図１に示すように、複数のＣＷレーザ光源（基準光源）１、複数の光分岐カプラ２、複数の光変調器３、光合波カプラ（第１の光合波器）４、光合波カプラ（第２の光合波器）５、光ファイバ増幅器６、光サーキュレータ７、送受信光学系８、回折格子（分散素子）９、光合波カプラ（第３の光合波器）１０、光検出器１１および信号処理装置（情報抽出器）１２から構成されている。なお、装置内のレーザ光の伝搬光路は光ファイバにより構成されている。また図１では、２つのＣＷレーザ光源１ａ，１ｂ、２つの光分岐カプラ２ａ，２ｂ、２つ光変調器３ａ，３ｂを備えた場合を示している。

ＣＷレーザ光源１ａは、特定周波数のＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：連続波）レーザ光を発振するものである。このＣＷレーザ光源１ａにより発振されたＣＷレーザ光は光ファイバに結合されて光分岐カプラ２ａに出力される。
ＣＷレーザ光源１ｂは、特定周波数のＣＷレーザ光を発振するものである。このＣＷレーザ光源１ｂにより発振されたＣＷレーザ光は光ファイバに結合されて光分岐カプラ２ｂに出力される。

なお、ＣＷレーザ光源１ａ，１ｂにより発振されるＣＷレーザ光の周波数は、互いに異なり、また光ファイバ増幅器６の利得帯域内にある。また、その周波数差は、光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅より大きくなるよう設定される。

また、各ＣＷレーザ光のスペクトル幅は、コヒーレント検出の精度を高めるにはできるだけ狭線幅であることが好ましく、例えば１００ｋＨｚ以下のものを用いることが好適である。このようなＣＷレーザ光源１ａ，１ｂとして、例えばＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）ファイバレーザや、ＤＦＢ−ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等を利用することができる。

光分岐カプラ２ａは、ＣＷレーザ光源１ａに対応して設けられ、ＣＷレーザ光源１ａからのＣＷレーザ光を２分岐するものである。この光分岐カプラ２ａにより２分岐された一方のＣＷレーザ光は送信種光として光変調器３ａに出力され、他方のＣＷレーザ光はコヒーレント検出用の局部発振光として光合波カプラ５に出力される。
光分岐カプラ２ｂは、ＣＷレーザ光源１ｂに対応して設けられ、ＣＷレーザ光源１ｂからのＣＷレーザ光を２分岐するものである。この光分岐カプラ２ｂにより２分岐された一方のＣＷレーザ光は送信種光として光変調器３ｂに出力され、他方のＣＷレーザ光はコヒーレント検出用の局部発振光として光合波カプラ５に出力される。
なお、光分岐カプラ２ａ，２ｂにおける光パワーの分岐比は、ＣＷレーザ光の周波数に対する依存性が小さいものが好適である。

光変調器３ａは、光分岐カプラ２ａに対応して設けられ、光分岐カプラ２ａからの送信種光をパルス化して、周波数の変調を付加（コヒーレント検出を行う際の中間周波数を付加）するものである。この光変調器３ａにより変調された送信種光は光合波カプラ４に出力される。
光変調器３ｂは、光分岐カプラ２ｂに対応して設けられ、光分岐カプラ２ｂからの送信種光をパルス化して、周波数の変調を付加（コヒーレント検出を行う際の中間周波数を付加）するものである。この光変調器３ｂにより変調された送信種光は光合波カプラ４に出力される。
なお、光変調器３ａ，３ｂによる中間周波数は互いに異なる値に設定され、光変調器３ａ，３ｂによる変調後の周波数が互いに異なる値となるように設定されている。

また、光変調器３ａ，３ｂとして、例えば音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）を用いることにより、ＣＷレーザ光を時間ゲートで切り出すことによるパルス化と、周波数シフトの付加を同時に行うことができる。
また、中間周波数は、通常、数１０〜数１００ＭＨｚ程度の周波数であり、システムに好適な値が選定される。

光合波カプラ４は、光変調器３ａにより変調された送信種光と、光変調器３ｂにより変調された送信種光とを混合するものである。この光合波カプラ４により混合された送信種光（第１の混合光）は光ファイバ増幅器６に出力される。

光合波カプラ５は、光分岐カプラ２ａからの局部発振光と、光分岐カプラ２ｂからの局部発振光とを混合するものである。この光合波カプラ５により混合された局部発振光（第２の混合光）は光合波カプラ１０に出力される。

光ファイバ増幅器６は、送信側の伝搬光路上に少なくとも１つ以上設けられ、光合波カプラ４からの第１の混合光の光パワーを増幅するものである。この光ファイバ増幅器６により光パワーが増幅された第１の混合光は光サーキュレータ７に出力される。
なお、光ファイバ増幅器６として、使用するレーザ光の波長帯に見合う増幅器を使用する。例えばレーザ光の波長が１μｍ帯であれば、Ｎｄ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）添加ファイバ、Ｙｂ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ）添加ファイバを用いている光ファイバ増幅器を使用することができる。また、レーザ光の波長が１．５５μｍ帯であれば、Ｅｒ（Ｅｒｂｉｕｍ）添加ファイバを用いている光ファイバ増幅器を使用することができる。これらの光ファイバ増幅器では、数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の利得帯域幅を有し、利得帯域内であれば、複数の波長のレーザ光を同時に増幅させることが可能である。

光サーキュレータ７は、入力光に応じて出力先を選択するものである。ここで、光サーキュレータ７は、光ファイバ増幅器６から第１の混合光を入力した場合には、当該送信種光を送受信光学系８に出力する。一方、送受信光学系８から散乱光を入力した場合には、当該散乱光を光合波カプラ１０に出力する。

送受信光学系８は、光サーキュレータ７を通過した第１の混合光を送信光として回折格子９を介して目標（エアロゾル）に向けて出射し、目標による当該送信光の散乱光を回折格子９を介して受信するものである。この送受信光学系８により受信された散乱光は光ファイバに結合されて光サーキュレータ７に出力される。
なお、送受信光学系８としては、出射するレーザ光を略平行光化することができ、また、焦点距離の調整が可能な望遠鏡等を用いることができる。また、送受信光学系８としては、ファイバコリメータ等を用いてもよいが、出射するレーザ光の発散角を小さくし、さらに受信効率を上げるには開口が大きいものが好適である。

回折格子９は、入射されたレーザ光の角度および周波数に応じて当該レーザ光を特定方向に出射するよう回折させる光学素子である。ここで、送受信光学系８からの送信光は、異なる周波数の送信種光が混合されたものであり、回折格子９による回折光はそれぞれ異なる角度（送信光１０１ａ，１０１ｂの方向）に出射される。なお、エアロゾルは、大気の流れ（風）に従って移動しているため、散乱光はドップラーシフトを受ける。

光合波カプラ１０は、光サーキュレータ７からの散乱光と、光合波カプラ５からの第２の混合光とを混合するものである。この光合波カプラ１０により混合された混合光（第３の混合光）は光検出器１１に出力される。

光検出器１１は、光合波カプラ１０からの第３の混合光を受光して、その散乱光と局部発振光とのビート信号を検出するものである。この光検出器１１により検出されたビート信号は信号処理装置１２に出力される。

信号処理装置１２は、光検出器１１からのビート信号を処理し、目標に関する情報（例えば、散乱光の受信信号強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数等の情報）を抽出し、当該抽出した目標に関する情報から目標の運動諸元（例えば、目標までの距離、速度分布）を算出するものである。

次に、上記のように構成されたレーザレーダ装置の動作について説明する。
レーザレーダ装置の動作では、まず、ＣＷレーザ光源１ａは、特定周波数ｆ１のＣＷレーザ光を発振し、光分岐カプラ２ａに出力する。また、ＣＷレーザ光源１ｂは、特定周波数ｆ２のＣＷレーザ光を発振し、光分岐カプラ２ｂに出力する。
ここで、ＣＷレーザ光源１ａ，１ｂにより発振されるＣＷレーザ光の周波数ｆ１，ｆ２は、互いに異なり、光ファイバ増幅器６の利得帯域内にあり、かつ、周波数ｆ１と周波数ｆ２との差が、光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅より大きいものとする。

次いで、光分岐カプラ２ａは、ＣＷレーザ光源１ａからの周波数ｆ１のＣＷレーザ光を２分岐し、一方を送信種光として光変調器３ａに出力し、他方をコヒーレント検出用の局部発振光として光合波カプラ５に出力する。また、光分岐カプラ２ｂは、ＣＷレーザ光源１ｂからの周波数ｆ２のＣＷレーザ光を２分岐し、一方を送信種光として光変調器３ｂに出力し、他方をコヒーレント検出用の局部発振光として光合波カプラ５に出力する。

次いで、光変調器３ａは、光分岐カプラ２ａからの周波数ｆ１の送信種光をパルス化して、周波数の変調を付加（コヒーレント検出を行う際の中間周波数ｆＭ１を付加）する。
この光変調器３ａにより変調された周波数ｆ１＋ｆＭ１の送信種光は光合波カプラ４に出力される。また、光変調器３ｂは、光分岐カプラ２ｂからの周波数ｆ２の送信種光をパルス化して、周波数の変調を付加（コヒーレント検出を行う際の中間周波数ｆＭ２を付加）する。この光変調器３ｂにより変調された周波数ｆ２＋ｆＭ２の送信種光は光合波カプラ４に出力される。

ここで、中間周波数ｆＭ１，ｆＭ２は互いに異なる値に設定され、（ｆＭ１＋ｆｄ１）＜（ｆＭ２＋ｆｄ２）、または、（ｆＭ１＋ｆｄ１）＞（ｆＭ２＋ｆｄ２）の条件が成立するように設定されている。これにより、後段の信号処理装置１２では、光検出器１１により検出されるビート信号の２つの周波数成分（ｆＭ１＋ｆｄ１、ｆＭ２＋ｆｄ２）を識別することができ、各周波数成分の信号強度を個別に計測することが可能になる。これにより、送信光の周波数に対応したドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２をそれぞれ測定することができるため、送信光の周波数に対応した視線方向の風速分布をそれぞれ測定することができる。

次いで、光合波カプラ４は、光変調器３ａにより変調された周波数ｆ１＋ｆＭ１の送信種光と、光変調器３ｂにより変調された周波数ｆ２＋ｆＭ２の送信種光とを混合する。この光合波カプラ４により混合された送信種光（周波数ｆ１＋ｆＭ１，ｆ２＋ｆＭ２の第１の混合光）は光ファイバ増幅器６に出力される。

また、光合波カプラ５は、光分岐カプラ２ａからの周波数ｆ１の局部発振光と、光分岐カプラ２ｂからの周波数ｆ２の局部発振光とを混合する。この光合波カプラ５により混合された局部発振光（周波数ｆ１，ｆ２の第２の混合光）は光合波カプラ１０に出力される。

次いで、光ファイバ増幅器６は、光合波カプラ４からの第１の混合光の光パワーを増幅する。この光ファイバ増幅器６により光パワーが増幅された第１の混合光は光サーキュレータ７に出力される。この光ファイバ増幅器６を用いることにより、送信するレーザ光の光パワーを増加させることができ、受信光の強度を高め、測定の精度や測定可能な距離を高めることができる。

ここで、一定値以上の光パワーを有するレーザ光が光ファイバ中に入射されると、誘導ブリルアン散乱が発生するため、光ファイバに入射可能なレーザ光の光パワーが制限される。一般的な光ファイバでは、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅が数１０〜１００ＭＨｚ程度であることが知られている。
このため、例えば周波数差が１００ＭＨｚ（例えば、レーザ光の波長が１５５０ｎｍであれば、約０.８ｐｍの波長差に相当する）よりも大きい２つのレーザ光を光ファイバに入射させると、当該２つのレーザ光に対する誘導ブリルアン散乱の利得を異なるものとすることができる。そのため、当該２つのレーザ光は、それぞれが誘導ブリルアン散乱の発生しきい値となる入射パワーまで光パワーを入力することができる。
また、複数のレーザ光を入力する場合も同様であり、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きい周波数差を有する複数のレーザ光を用いることにより、光ファイバに入射可能なレーザ光のパワーを大きくすることが可能である。

光ファイバ増幅器６では、レーザ光の光パワーが増強される過程で誘導ブリルアン散乱のしきい値を超えてしまう場合があり、特にパルス光の増幅を行う場合にはピーク出力が大きくなり易いために誘導ブリルアン散乱が発生し易い。このため、通常は、誘導ブリルアン散乱が発生しないように、光ファイバ増幅器６に投入する励起パワーを制限する等して、出力光パワーを調整して用いている。

この実施の形態１では、上述したように、ＣＷレーザ光源１ａ，１ｂにより発振されるＣＷレーザ光の周波数ｆ１，ｆ２の差が、光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅より大きい。そのため、これらのレーザ光は、それぞれの誘導ブリルアン散乱しきい値ＰＳＢＳ１，ＰＳＢＳ２まで出力パルス光のピークパワーを大きくすることができる。
これにより、各レーザ光の平均出力パワー（平均出力パワーは、パルス光のピークパワーとパルス幅とパルス繰り返し周波数の積で表される）をＰＳ１，ＰＳ２とすると、光ファイバ増幅器６の出力光の平均パワーをＰＳ１＋ＰＳ２とすることができ、送信光の光パワーを単一の光源（例えば、ＣＷレーザ光源１ａまたはＣＷレーザ光源１ｂのどちらか一方のみ）を用いる場合よりも、大きくすることができる。これにより、ＰＳ１＝ＰＳ２となる場合には、２つのＣＷレーザ光源１ａ，１ｂを用いることで、送信光の光パワーを２倍にすることができる。
また、複数のＣＷレーザ光源１ａ，１ｂを用いることにより、光ファイバ増幅器６では、入力パワーが増加する。そのため、エネルギーの抜き出し効率を向上させることができ、レーザ光の増幅時のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：自然放出光増幅）成分の発生を減少させることができる。よって、光ファイバ増幅器６の効率改善効果と、光検出器１１での雑音成分の低減効果がある。

次いで、光サーキュレータ７は、光ファイバ増幅器６からの送信種光を送受信光学系８に出力する。

次いで、送受信光学系８は、光サーキュレータ７を通過した送信種光を送信光として回折格子９を介して目標に向けて出射する。ここで、図１の構成では、送受信光学系８から出射される送信光は、周波数ｆ１＋ｆＭ１と周波数ｆ２＋ｆＭ２のレーザ光が混合されたものであり、これらのレーザ光は周波数が異なっている。そのため、回折格子９による回折光はそれぞれ異なる角度（ここでは、回折格子９に入射された周波数ｆ１＋ｆＭ１のレーザ光は送信光１０１ａの方向に伝搬し、周波数ｆ２＋ｆＭ２のレーザ光は送信光１０１ｂの方向に伝搬するものとする）に出射される。これにより、大気中に向けて異なる２つの視線方向へとレーザ光を照射することができる。
また、回折格子９によるレーザ光の回折角度は、回折格子９の構造パラメータとレーザ光の波長（周波数）および入射角によって決まるため、これらの値を把握しておけば送信光１０１ａ，１０１ｂの出射方向をそれぞれ求めることができる。

そして、送受信光学系８により回折格子９を介して放射された送信光１０１ａ，１０１ｂは、大気中に存在しているエアロゾルによって散乱される。そして、このエアロゾルによる散乱光は回折格子９に入射すると、可逆的に送受信光学系８の方へと戻り、送受信光学系８はこの散乱光を受信して光サーキュレータ７に出力する。
上記のように、回折格子９を用いることにより、周波数に応じてレーザ光の伝搬角度を変えることができ、異なる２つの視線方向へとレーザ光の送受信を行うことができる。

なお、エアロゾルは、大気の流れ（風）に従って移動しているため、散乱光はドップラーシフトを受ける。
このため、送信光である周波数ｆ１＋ｆＭ１，ｆ２＋ｆＭ２のレーザ光が受けるドップラーシフトがそれぞれｆｄ１，ｆｄ２であるとすると、散乱光の周波数はそれぞれｆ１＋ｆＭ１＋ｆｄ１，ｆ２＋ｆＭ２＋ｆｄ２になる。

次いで、光サーキュレータ７は、送受信光学系８からの散乱光を光合波カプラ１０に出力する。

次いで、光合波カプラ１０は、光サーキュレータ７からの散乱光と、光合波カプラ５からの周波数ｆ１，ｆ２の第２の混合光とを混合する。この光合波カプラ１０により混合された混合光（第３の混合光）は光検出器１１に出力される。

次いで、光検出器１１は、光合波カプラ１０からの第３の混合光を受光して、その散乱光と局部発振光とのビート信号を検出する。ここで、光検出器１１が受光する第３の混合光に含まれている散乱光は、光変調器３ａ，３ｂによる周波数シフトと、エアロゾルの移動に伴うドップラーシフトを受けている。そのため、光検出器１１により検出されるビート信号の周波数はｆＭ１＋ｆｄ１，ｆＭ２＋ｆｄ２になる。この光検出器１１により検出されたビート信号は信号処理装置１２に出力される。

信号処理装置１２は、光検出器１１からのビート信号を処理し、目標に関する情報（例えば、散乱光の受信信号強度、ラウンドトリップ時間、ドップラー周波数等の情報）を抽出し、当該抽出した目標に関する情報から目標の運動諸元（例えば、目標までの距離、速度分布）を算出する。なお、目標に関する情報から目標の運動諸元を算出する処理は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

ここで、図１に示すレーザレーダ装置では、中間周波数ｆＭ１，ｆＭ２は互いに異なる値に設定され、（ｆＭ１＋ｆｄ１）＜（ｆＭ２＋ｆｄ２）、または、（ｆＭ１＋ｆｄ１）＞（ｆＭ２＋ｆｄ２）の条件が成立するように設定されている。そのため、信号処理装置１２では、光検出器１１により検出されるビート信号の２つの周波数成分（ｆＭ１＋ｆｄ１，ｆＭ２＋ｆｄ２）を識別することができ、各周波数成分の信号を個別に計測することができる。中間周波数ｆＭ１，ｆＭ２は、光変調器３ａ，３ｂにより与えられる既知の値であるため、演算によりｆｄ１，ｆｄ２をそれぞれ求めることができる。
ここで、ｆｄ１は周波数ｆ１＋ｆＭ１の送信光が受けたドップラーシフトであり、ｆｄ２は周波数ｆ２＋ｆＭ２の送信光が受けたドップラーシフトである。そして、当該２つの送信光は回折格子９により異なる方向へと出射されているため、異なる２つの視線方向についてのドップラーシフトを同時に測定することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、１つの送受信光学系８で２つのＣＷレーザ光源１ａ，１ｂに基づくレーザ光の送受信を行い、回折格子９により異なる２つの視線方向について観測を行い、１つの光検出器１１で受信信号の検出を行うよう構成したので、装置構成を単純化することが可能となり、装置の小型化や低価格化を図ることができる。
また、スキャナー装置を用いることなく２つの視線方向の測定を行うことができるため、装置構成を単純化することができ、装置の小型化や低価格化を図ることができる。さらに、機械駆動系が必要ないため、装置の長寿命化することができ、信頼性を高めることができる。

また上記の構成では、異なる２つの視線方向について風速分布を測定することができるため、近似的な処理や演算を行うことにより２つの視線方向を含む領域の風向および風速の２次元分布を求めることもできる。また上記の構成では、同時に異なる２つの視線方向の風速を測定することが可能なため、より実時間に即した風向および風速の２次元分布を求めることができる。これにより、図１のレーザレーダ装置は、風向および風速の２次元分布の測定や瞬時的な風向および風速分布の変化の測定に利用することができる。

また、光検出器１１で、局部発振光と受信光である散乱光の偏波面を一致させることにより、効率がよいコヒーレント検出を行うことができる。なお、局部発振光と散乱光の偏波面は、図示せぬ偏波面コントローラ等を用いて一致させることができる。
さらには、各光学素子間を結合する光ファイバに偏波面保存型の光ファイバを用い、かつ、各光学素子に偏波面保存型の光ファイバ部品を用いると、偏波面コントローラ等を使用しなくとも、局部発振光と散乱光の偏波面を一致させることができる。これにより、装置構成を簡単化することができる。
なお図１の構成のように、光ファイバ部品を用い、レーザ光の伝搬光路に光ファイバを用いることにより、レーザ光の光路の取り回しが容易になり装置を小型化することができ、光ファイバの接続により装置を簡単に構成することができる。また、光軸のアライメントが不要なため装置の安定性が増し、信頼性の高い装置構成が可能となる。さらには、上述のように偏波面保存型の光ファイバおよび光学素子光ファイバ部品を用いることにより、偏波面の調整が不要なため、装置構成を簡単化でき、小型で信頼性の高い装置を構成が可能となる。

また、光変調器３ａおよび光変調器３ｂでは、図示せぬ信号発生器等を用いてレーザ光のパルス化タイミングを同期させてもよい。これにより、光合波カプラ４によって混合されるパルスレーザ光の立ち上がり時間を一致させることができ、各周波数の送信光出射タイミングを一致させることができるため、信号処理装置１２における送信光ラウンドトリップ時間の計測等の処理を簡単化することができる。

また図１の構成では、２つのＣＷレーザ光源１ａ，１ｂを用いているが、さらに多数のＣＷレーザ光源１を用いてもよい。この場合には、ＣＷレーザ光源１の数量分だけ光分岐カプラ２および光変調器３を追加し、光合波カプラ４ですべての送信種光が混合され、光合波カプラ５ですべての送信種光が混合されるようにする。また、ＣＷレーザ光源１の周波数は、互いに異なり、光ファイバ増幅器６の利得帯域内にあり、かつ、それぞれの周波数の差が、光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅（約１００ＭＨｚ）より大きくなるように設定する。さらに、光変調器３により付与される中間周波数は、信号処理装置１２でそれぞれの受信信号を個別に識別可能な大きさに設定する。
これにより、回折格子９では、レーザ光の周波数に応じて回折が生じ、ＣＷレーザ光源１の数量分の方向へとレーザ光の出射させることができるため、レーザ光源の数量分の視線方向の風速を同時に測定することができる。これにより、風向および風速の２次元分布をより精度よく求めることができる。

また、図１に示す回折格子９は、回折光が反射される反射型の回折格子の構成となっているが、レーザ光を透過させて回折を生じさせる透過型の回折格子を用いてもよい。また、回折格子９は、レーザ光の波長帯に対して回折効率が高くなるように設計したものを用いると、送受信を行うレーザ光の損失を少なくすることができ、装置の効率を高めることができる。また、回折格子９により生じる高次の回折光については、図示せぬ開口等を用いて遮断してもよい。また、回折格子９は、レーザ光の波長に応じて伝搬角度を変えるが可能な分散素子であればよく、回折格子の代わりにプリズムを用いてもよい。

実施の形態２．
図２は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２に示す実施の形態２に係るレーザレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置のＣＷレーザ光源１ａ，１ｂをＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

ＣＷレーザ光源１３ａは、発振周波数をｆ１〜ｆ１´の範囲で変化させることが可能であり、設定した特定周波数のＣＷレーザ光を発振するものである。このＣＷレーザ光源１３ａにより発振されたＣＷレーザ光は光ファイバに結合されて光分岐カプラ２ａに出力される。
ＣＷレーザ光源１３ｂは、発振周波数をｆ２〜ｆ２´の範囲で変化させることが可能であり、設定した特定周波数のＣＷレーザ光を発振するものである。このＣＷレーザ光源１３ｂにより発振されたＣＷレーザ光は光ファイバに結合されて光分岐カプラ２ｂに出力される。

なお、ＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂにより発振されるＣＷレーザ光の周波数ｆ１〜ｆ１´，ｆ２〜ｆ２´は、互いに異なり、光ファイバ増幅器６の利得帯域内にある。また、その周波数差は、光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅より大きくなるよう設定される。

また、各ＣＷレーザ光のスペクトル幅は、コヒーレント検出の精度を高めるにはできるだけ狭線幅であることが好ましく、例えば１００ｋＨｚ以下のものを用いることが好適である。このようなＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂとして、例えばＤＦＢファイバレーザ、ＤＦＢ−ＬＤ等を利用することができる。そして、これらのレーザ光源を温度変調すること等により、発振周波数を変化させることができる。

また図２において、ＣＷレーザ光源１３ａの発振周波数をｆ１、かつＣＷレーザ光源１３ｂの発振周波数をｆ２とした場合には、図１と同様の構成になり、実施の形態１と同様の効果が得られる。

図２において、ＣＷレーザ光源１３ａの発振周波数をｆ１から変化させてｆ１´とすると、ＣＷレーザ光源１３ａに基づく送信光の周波数はｆ１´＋ｆＭ１となり、図１の構成のｆ１＋ｆＭ１とは異なる周波数になる。よって、回折格子９による回折角が異なることになり、送信光１０２ａの方向へと出射される。これにより、ＣＷレーザ光源１３ａの発振周波数がｆ１の場合と異なる方向（送信光１０２ａが出射される方向）の視線方向の風速分布を測定することができる。

上記と同様に、ＣＷレーザ光源１３ｂの発振周波数をｆ２から変化させてｆ２´とすると、ＣＷレーザ光源１３ｂに基づく送信レーザ光の周波数はｆ２´＋ｆＭ２となり、図１の構成のｆ２＋ｆＭ２とは異なる周波数になる。よって、回折格子９による回折角が異なることになり、送信光１０２ｂの方向へと出射される。これにより、ＣＷレーザ光源１３ｂの周波数がｆ２の場合と異なる方向（送信光１０２ｂが出射される方向）の視線方向の風速分布を測定することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、ＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂの発振周波数を変化させるように構成したので、実施の形態１における効果に加え、回折格子９による回折角を変化させることができ、レーザ光の出射方向を変化させ、測定を行う視線方向を変えることができる。
また、回折格子９の回折角は、入射するレーザ光の周波数に依存するため、ＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂの発振周波数を適切に設定することにより、所望の方向へとレーザ光を送信することができる。このようにして、図２の構成では、２つの異なる視線方向を同時に測定しつつ、視線方向を変化させることができる。

また、ＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂの発振周波数を連続的または段階的に変化させると、レーザ光の出射方向を連続的または段階的に変化させることができ、測定を行う視線方向を連続的または段階的に変えることができる。これにより、レーザ光を走査することができる。
この構成では、簡単な構成でレーザ光を走査することができ、装置の小型化や低価格化を図ることができる。さらに、機械駆動系が必要ないため、装置の長寿命化することができ、信頼性を高めることができる。

また、ＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂはそれぞれＣＷレーザ光を発振しているため、２つの異なる視線方向を同時に測定することができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また図２の構成では、２つのＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂを用いているが、さらに多数のＣＷレーザ光源１３を用いてもよい。この場合、ＣＷレーザ光源１３の個数に応じてより広い範囲でレーザ光を走査することが可能となる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。図３に示す実施の形態３に係るレーザレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置から光分岐カプラ２ｂ、光変調器３ｂおよび光合波カプラ４，５を削除し、駆動回路１４ａ，１４ｂ、制御器１５および光合波カプラ１６を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

駆動回路１４ａは、ＣＷレーザ光源１ａに対応して設けられ、ＣＷレーザ光源１ａを動作させるものである。
駆動回路１４ｂは、ＣＷレーザ光源１ｂに対応して設けられ、ＣＷレーザ光源１ｂを動作させるものである。

制御器１５は、信号処理装置１２による処理結果（ＣＷレーザ光源１ａ，１ｂの動作状態）に基づいて、一方の駆動回路１４ａ，１４ｂを動作させることで、動作するＣＷレーザ光源１ａ，１ｂを交互に切替えるものである。

光合波カプラ１６は、ＣＷレーザ光源１ａからのＣＷレーザ光が通過する経路と、ＣＷレーザ光源１ｂからのＣＷレーザ光が通過する経路とを合流するものである。
また、実施の形態３における光合波カプラ１６は、本発明の「前記基準光源により発振されたレーザ光を混合して第４の混合光を出力する第４の光合波器」に相当する。
なお、光分岐カプラ２ａは、光合波カプラ１６からのＣＷレーザ光を２分岐し、一方のＣＷレーザ光を送信種光として光変調器３ａに出力し、他方のＣＷレーザ光をコヒーレント検出用の局部発振光として光合波カプラ１０に出力する。
また、実施の形態３における光合波カプラ１０は、本発明の「前記送受信光学系により受信された散乱光と前記光分岐器により分岐された他方の第４の混合光とを混合して第５の混合光を出力する第５の光合波器」に相当する。

図３において、ＣＷレーザ光源１ａが動作している場合、ＣＷレーザ光源１ａから出力されたレーザ光は光合波カプラ１６を通過する。そして、光合波カプラ１６を通過した後は実施の形態１と同様の過程により、送信光１０１ａの方向へと出射される。このとき、受信光は送信光１０１ａの視線方向に対応するものになり、信号処理装置１２では送信光１０１ａの視線方向の風速を求めることができる。

また図３において、ＣＷレーザ光源１ｂが動作している場合、ＣＷレーザ光源１ｂから出力されたレーザ光は光合波カプラ１６を通過する。そして、光合波カプラ１６を通過後はＣＷレーザ光源１ａからのレーザ光と同様の過程を経るが、光変調器３ａを通過した後のレーザ光の周波数はｆ２＋ｆＭ１であり、送信光１０３ｂの方向へと出射される。このとき、受信光は送信光１０３ｂの視線方向に対応するものになり、信号処理装置１２では送信光１０３ｂの視線方向の風速を求めることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、ＣＷレーザ光源１ａとＣＷレーザ光源１ｂを交互に切替えて動作させるように構成したので、視線方向を２方向に切替えて測定を行うことができる。
なおこの構成では、異なる２つの視線方向についてのドップラーシフトを完全に同時に測定することはできない。しかしながら、動作させるＣＷレーザ光源１ａ，１ｂの切替え間隔を短くすることにより、時間差を少なくして２つの視線方向の測定を行うことができ、演算等の処理により、より実時間の状況に近い風向および風速の２次元分布を求めることもできる。

またこの構成では、光検出器１１に入力される局部発信光が、送信光を発生させているＣＷレーザ光源１ａ，１ｂに基づく成分のみとなる。そのため、光検出器１１での雑音成分が低下し、高感度で高精度な検出を行うことができる。
また、動作させているＣＷレーザ光源１ａ，１ｂに対応する受信信号のみが検出されるため、光変調器３ａは１個のみでよく、装置を簡単化することができる。さらに、図１の場合、必要となる受信信号を区別するための光変調器３ａでの中間周波数の制限が無くなるため、部品の選定が容易になる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。図４に示す実施の形態４に係るレーザレーダ装置は、図２に示す実施の形態２に係るレーザレーダ装置からＣＷレーザ光源１３ｂ、光分岐カプラ２ｂ、光変調器３ｂおよび光合波カプラ４，５を削除し、駆動回路１４ａおよび制御器１７を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

駆動回路１４ａは、ＣＷレーザ光源１３ａに対応して設けられ、ＣＷレーザ光源１３ａを動作させるものである。
制御器１７は、信号処理装置１２による処理結果（ＣＷレーザ光源１３ａの動作状態）に基づいて、駆動回路１４ａを動作させることで、動作するＣＷレーザ光源１３ａの発振周波数を変化させるものである。

なお、光分岐カプラ２ａは、ＣＷレーザ光源１３ａからのＣＷレーザ光を２分岐し、一方のＣＷレーザ光を送信種光として光変調器３ａに出力し、他方のＣＷレーザ光をコヒーレント検出用の局部発振光として光合波カプラ１０に出力する。

この構成では、瞬時的に測定可能な視線方向は１方向のみとなるが、ＣＷレーザ光源１３ａの発振周波数を変化させることにより、送信光１０１ａから送信光１０２ａの範囲でレーザ光の出射方向を変化させ、レーザ光を走査することができる。これにより、演算等の処理により、風向および風速の２次元分布を求めることもできる。

またこの構成では、光検出器１１に入力される局部発信光が、送信光を発生させているＣＷレーザ光源１３ａに基づく成分のみとなる。そのため、光検出器１１での雑音成分が低下し、高感度で高精度な検出を行うことができる。
また、動作させているＣＷレーザ光源１３ａに対応する受信信号のみが検出されるため、光変調器３ａは１個のみでよく、装置を簡単化することができる。さらに、図１の場合に必要となる受信信号を区別するための光変調器３ａでの中間周波数の制限が無くなるため、部品の選定が容易になる。

なお、実施の形態３では複数のＣＷレーザ光源１ａ，１ｂの動作切替えを行い、実施の形態４では単一のＣＷレーザ光源１３ａの周波数制御を行う場合について示した。これに対し、複数のＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂを設けて、当該複数のＣＷレーザ光源１３ａ，１３ｂの動作切替えおよび周波数制御を行うように構成してもよい。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。図５に示す実施の形態５に係るレーザレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置の送受信光学系８の位置を回折格子９の後段に変更し、コリメータ１８を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

コリメータ１８は、光サーキュレータ７を通過した送信光を略平行光化するものである。
このコリメータ１８により略平行光化された送信光は回折格子９に入射される。その後、回折格子９により生じる回折光は、送信光の周波数によって分離され、送信光１０１ａ、１０１ｂの方向へと伝搬して送受信光学系８へと入射される。そして、送受信光学系８を通過後は、それぞれ送信光１０４ａ，１０４ｂの方向へと出射される。

ここで、送受信光学系８を通過後の送信光１０４ａ，１０４ｂの出射方向は、送受信光学系８の倍率とレーザ光の入射角度によって決まる。そのため、これらの値が分かっていれば送信光１０４ａ．１０４ｂの出射方向を知ることができる。これにより、実施の形態１の場合と同様に、２つの異なる視線方向を同時に測定することができる。

この構成では、コリメータ１８により略平行光化した際のビーム径を小さくすることで、回折格子９を小型化することができ、回折格子９の製造が容易となり、部品の選定が容易となるため、装置の低コスト化を行うことができる。また、装置の小型化を行うことができる。
なお、送受信光学系８は、送信光１０１ａ，１０１ｂが入射開口に入射できるようにする。また、所望の視線方向の測定を行うために、送受信光学系８の倍率を考慮して、回折格子９の回折角は好適な値に設計させる。

また、回折格子９による回折光を送受信光学系８に通過させる構成は、上記すべての実施の形態に適用可能である。

実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。図６に示す実施の形態６に係るレーザレーダ装置は、図５に示す実施の形態５に係るレーザレーダ装置に駆動装置１９と追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

図６の構成では、回折格子９に駆動装置１９を設けている。駆動装置１９が無い場合、図面に記入した座標系を用いると、送信光１０４ａ，１０４ｂはｘ−ｙ平面内に放射される。
駆動装置１９は、回折格子９の設置角度を変化させる装置であり、回折格子９の入射面がｚ軸に対して傾きを持つように、回折格子９の設置角度を変化させることができる。これにより、送信光１０４ａ，１０４ｂはｘ−ｙ平面に対して傾きを持って放射されようになる。このようにして、回折格子９の入射面のｚ軸に対する傾きを変化させることにより、送信光をｚ軸方向に走査することができる。よって、レーザ光の出射方向を２次元の方向に拡張でき、３次元の風向および風速分布を測定することができる。なお、駆動装置１９には、モーターやピエゾ素子等を用いた可動ステージ等が利用できる。

また、駆動装置１９は、回折格子９をｚ軸を中心に回転させてもよい。駆動装置１９によって回折格子９を回転させることで、回折格子９に対するレーザ光の入射角度を変化させることができ、送信光をｘ−ｙ平面内でも走査することができ、測定可能な視線方向の範囲を広げることができる。

なお、回折格子９に駆動装置１９を設ける構成は、上記すべての実施の形態に適用可能である。

なお上記実施の形態１〜６では、光ファイバ増幅器６を用いているが、所望する装置性能に対して必要となる送信光の光パワーを、ＣＷレーザ光源１，１３の出力のみで得ることができる場合には光ファイバ増幅器６は必要ではない。
光ファイバ増幅器６を用いた場合には、送信するレーザ光の光パワーをより増加させることができ、受信光の強度を高め、測定の精度や測定可能な距離を高めることができる。
また、光ファイバ増幅器６により増幅されたレーザ光をさらに増幅する場合には、空間型のレーザ光増幅器を用いてもよい。空間型のレーザ光増幅器では、非線形現象が発生しにくいため、光ファイバ増幅器６よりも出力光のピークパワーを大きくすることができる。
ただし、空間型のレーザ光増幅器を用いる場合には、空間型の送受信光分離器が必要となる。このように、増幅器を用いて送信するレーザ光の光パワーを大きくすることにより、受信光の強度を高め、測定の精度や測定可能な距離を高めることができる。

実施の形態７．
実施の形態１〜６では、光ファイバ部品を用いて装置内のレーザ光の伝搬光路を構成しているが、図７〜９に示すように、空間型の光部品を用いレーザ光を空間伝搬させる構成であってもよい。

この場合、光カプラ類はレーザ光を反射させるミラー等の光学素子により置き換えることができる。例えば図１に示す構成を空間伝搬型の構成とする場合、図７に示すように、光分岐カプラ２ａ，２ｂとしては部分反射ミラーやビームスプリッタ等（図７ではミラー２０ａ〜２０ｄ）が利用でき、光合波カプラ４，５，１０としては部分反射ミラー、ビームスプリッタ、帯域通過または帯域反射ミラー等（図７ではミラー２０ｅ〜２０ｉ）が利用できる。これらの光学素子は、レーザ光の分岐比や波長に合わせて、反射する波長帯域や反射率を適切に選択して用いる。また、光変調器３ａ，３ｂ、光ファイバ増幅器６、光サーキュレータ７は空間型の素子（光変調器２１ａ，２１ｂ、レーザ増幅器２２、光サーキュレータ２３）にそれぞれ置き換えられる。また、レーザ光の光路は反射ミラー等を用いることにより、適宜変更することが可能である。さらに、偏光の制御が必要な場合には波長板を用いて偏光を制御してもよい。

以上のように、この実施の形態７によれば、レーザ光の空間伝搬させる構成としたので、空間型の光素子を用いることで、部品が小型であり高密度に実装することができるため、装置を小型化することができる。また、空間伝搬型の構成では、上述の誘導ブリルアン散乱のような非線形効果の発生を抑えることができ、レーザ増幅器２２で非線形効果の制限を受けずに送信光のピークパワーを大きくできる。

なお図７〜９において、装置の一部に光ファイバ部品を用いるようにしてもよい。特に、レーザ光の分岐や合波を行うミラーに光ファイバカプラを用いると、アライメント調整が必要なくなるため、容易に装置を構成することができるようになる。また、例えばレーザ増幅器２２の部分だけを空間型にすることで、非線形効果の制限を受けずに送信光のピークパワーを大きくして送信光の光パワーを増加させることもできる。

また図７〜９のように、空間型の光素子を用いた構成は、実施の形態６に示した回折格子９に駆動装置１９を設けた構成にも適用することができる。

また、上記実施の形態１〜７に係るレーザレーダ装置では、目標としてエアロゾルを検出する場合について示したが、これに限るものではなく、目標として、例えば大気、飛翔体、建築物等を検出する場合についても同様に本発明を適用できる。

実施の形態８．
図１０はこの発明の実施の形態８に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。図１０に示す実施の形態８に係るレーザレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置の回折格子９を回折格子（分散素子）２６に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

回折格子２６は、複屈折材料を用いた透過型の回折格子である。この回折格子２６は、入射する送信光に対して複屈折が生じるように、光学軸が所定の方向に配置されている。なお、複屈折材料としては、水晶（ＳｉＯ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、カルサイト（ＣａＣＯ３）などの１軸性の複屈折結晶のほか、ＫＹＷ、ＬＢＯ、ＫＴＰなどの２軸性結晶を使用することができる。また、複屈折結晶では、レーザ光の入射光の軸に対して結晶の光学軸が垂直になるように配置すると、通常光線と異常光線の屈折率差を最大にすることができる。

ここで、複屈折材料に入射したレーザ光は、偏光の状態により通常光線と異常光線に分かれて伝搬する。また、通常光線に対する屈折率と異常光線に対する屈折率はそれぞれ異なる値となる。
このため、回折格子２６に入射したＣＷレーザ光源１ａに基づく送信光と、ＣＷレーザ光源１ｂに基づく送信光は、それぞれ通常光線と異常光線に分かれて伝搬する。

そして、回折格子２６を伝搬した送信光は、回折格子２６と空気の界面で屈折して空気中へと出射される。ここで、通常光線と異常光線の屈折率が異なるため、通常光線と異常光線はそれぞれ異なる屈折角で出射される。
また、ＣＷレーザ光源１ａに基づく送信光とＣＷレーザ光源１ｂに基づく送信光は、周波数が異なるため、それぞれ異なる回折角で出射される。

これにより、図１０に示す送信光１０５ａ，１０５ｂ，１０６ａ，１０６ｂのように、送信光は異なる４つの方向へと出射されることとなり、図１０に示すレーザレーダ装置では異なる４つの視線方向について風速を測定することが可能となる。
なお、図１０において、送信光１０５ａは、ＣＷレーザ光源１ａに基づく送信光のうち通常光線に対応する送信光を示している。また、送信光１０６ａは、ＣＷレーザ光源１ａに基づく送信光のうち異常光線に対応する送信光を示している。また、送信光１０５ｂは、ＣＷレーザ光源１ｂに基づく送信光のうち通常光線に対応する送信光を示している。また、送信光１０６ｂは、ＣＷレーザ光源１ｂに基づく送信光のうち異常光線に対応する送信光を示している。

また図１０の構成では、紙面に平行な平面内に通常光線と異常光線が出射されているが、通常光線と異常光線が紙面に垂直な平面内で角度を持つようにしてもよい。この場合、レーザ光の出射方向を２次元の方向に拡張でき、３次元の風向および風速分布を測定することができる。

また図１０の構成において、図示せぬ偏光制御手段を用いて、ＣＷレーザ光源１ａに基づく送信光の偏光方向とＣＷレーザ光源１ｂに基づく送信光の偏光方向の一方または両方が、複屈折材料の光学軸と送信光の入射光軸のなす平面に対して平行または垂直となるように、送信光の偏光方向を切替えて変化させてもよい。この場合、複屈折材料で生じる通常光線と異常光線を選択でき、送信光の出射角度を選択できるため、所望の方向だけへと送信光を出射でき観測を行うことができるようになる。
なお、偏光制御手段による送信光の偏光方向の切替えについては、ＣＷレーザ光源１ａおよびＣＷレーザ光源１ｂの出力偏光状態を直接制御するか、波長板や偏光コントローラなどの偏光素子を用いることにより、制御を行うことができる。

また図１０の構成において、図示せぬ偏光制御手段を用いて、受信光と局部発信光の偏光方向を一致させるようにしてもよい。この受信光と局部発信光の偏光方向を一致させることにより、効率よく光ヘテロダイン検出を行うことができる。

また図１１に示すように、偏光分離素子（偏光分離手段）２７により受信光を偏光方向ごとに分離し、偏光スイッチ（切替え手段）２８により局部発信光を偏光方向ごとに経路を切替えて出力し、受信光と局部発信光の偏光方向がそれぞれ一致するようにして合波を行い光ヘテロダイン検出を行うようにしてもよい。
このように、局部発信光の偏光方向に応じて経路を切替えることにより、局部発信光に必要となる光パワーを少なくすることができ、さらに光ヘテロダイン検出を行うことができるのは受信光のうち一方の偏光方向性分のみである。そのため、１つの光検出器１１のみで所望の方向の観測を行うことができるようになる。

なお、複屈折材料を用いた透過型の回折格子２６を用いた構成は、実施の形態２〜７までのすべてに適用することができる。

また、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。

この発明に係るレーザレーダ装置は、単純で安価な構成で、機械的に駆動するスキャナー装置を用いることなく、多視線方向を同時に測定することが可能となり、レーザ光を大気中に出射し、目標による当該レーザ光の散乱光を受信して、その散乱光から目標に関する情報を抽出するレーザレーダ装置等に用いるのに適している。

１，１ａ，１ｂ，１３，１３ａ，１３ｂ ＣＷレーザ光源（基準光源）、２，２ａ，２ｂ 光分岐カプラ、３，３ａ，３ｂ，２１ａ，２１ｂ 光変調器、４ 光合波カプラ（第１の光合波器）、５ 光合波カプラ（第２の光合波器）、６ 光ファイバ増幅器、７，２３ 光サーキュレータ、８ 送受信光学系、９ 回折格子（分散素子）、１０ 光合波カプラ（第３，５の光合波器）、１１ 光検出器、１２ 信号処理装置（情報抽出器）、１４，１４ａ，１４ｂ 駆動回路、１５，１７ 制御器、１６ 光合波カプラ（第４の光合波器）、１８ コリメータ、１９ 駆動装置、２０ａ〜２０ｉ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ〜２５ｃ ミラー、２２ レーザ増幅器、２６ 回折格子（分散素子）、２７ 偏光分離素子（偏光分離手段）、２８ 偏光スイッチ（切替え手段）、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂ，１０６ａ，１０６ｂ 送信光。

Claims (10)

1. 互いに異なる周波数のレーザ光を発振する複数の基準光源と、
   前記基準光源に対応して設けられ、当該対応する基準光源により発振されたレーザ光を分岐する複数の光分岐器と、
   前記光分岐器に対応して設けられ、当該対応する光分岐器により分岐された一方のレーザ光を変調する複数の光変調器と、
   前記各光変調器により変調されたレーザ光を混合して第１の混合光を出力する第１の光合波器と、
   前記各光分岐器により分岐された他方のレーザ光を混合して第２の混合光を出力する第２の光合波器と、
   前記第１の光合波器により出力された第１の混合光を出射し、目標による当該第１の混合光の散乱光を受信する送受信光学系と、
   前記送受信光学系により受信された散乱光と前記第２の光合波器により出力された第２の混合光とを混合して第３の混合光を出力する第３の光合波器と、
   前記第３の光合波器により出力された第３の混合光からビート信号を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出されたビート信号から前記目標に関する情報を抽出する情報抽出器と、
   前記送受信光学系の前方または後方に配置され、入射光の角度および周波数に応じて当該入射光を特定方向に出射する分散素子とを備えた
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記基準光源は、発振するレーザ光の周波数が可変である
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 装置内の光の伝搬光路は光ファイバにより構成され、
   装置内の送信側の伝搬光路上に少なくとも１つ以上設けられ、入力光の光パワーを増幅する光ファイバ増幅器を備え、
   前記各基準光源により発振されたレーザ光の周波数差は、前記光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
4. 前記分散素子は、反射型または透過型の回折格子である
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
5. 前記分散素子は、１軸性または２軸性の複屈折材料を用いた透過型の回折格子である
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
6. 互いに異なる周波数のレーザ光を発振する複数の基準光源と、
   前記基準光源により発振されたレーザ光を混合して第４の混合光を出力する第４の光合波器と、
   前記第４の光合波器により出力された第４の混合光を分岐する光分岐器と、
   前記光分岐器により分岐された一方の第４の混合光を変調する光変調器と、
   前記光変調器により変調された第４の混合光を出射し、目標による当該第４の混合光の散乱光を受信する送受信光学系と、
   前記送受信光学系により受信された散乱光と前記光分岐器により分岐された他方の第４の混合光とを混合して第５の混合光を出力する第５の光合波器と、
   前記第５の光合波器により出力された第５の混合光からビート信号を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出されたビート信号から前記目標に関する情報を抽出する情報抽出器と、
   前記送受信光学系の前方または後方に配置され、入射光の角度および周波数に応じて当該入射光を特定方向に出射する分散素子とを備えた
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
7. 前記基準光源は、発振するレーザ光の周波数が可変である
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザレーダ装置。
8. 装置内の光の伝搬光路は光ファイバにより構成され、
   装置内の送信側の伝搬光路上に少なくとも１つ以上設けられ、入力光の光パワーを増幅する光ファイバ増幅器を備え、
   前記各基準光源により発振されたレーザ光の周波数差は、前記光ファイバで生じる誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きい
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザレーダ装置。
9. 前記分散素子は、反射型または透過型の回折格子である
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザレーダ装置。
10. 前記分散素子は、１軸性または２軸性の複屈折材料を用いた透過型の回折格子である
    ことを特徴とする請求項６記載のレーザレーダ装置。

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