JP2019105577A - ドップラーライダー装置、及び乱気流警報システム - Google Patents

Abstract

【課題】高速スキャン可能なドップラーライダー装置、及び乱気流警報システムを提供する。【解決手段】レーザ光を生成するレーザ光源２と、前記レーザ光源２が射出する前記レーザ光を大気中に放射（送信）する送信部３と、放射された前記レーザ光が大気中に浮遊する計測対象粒子により散乱された散乱光を受光（受信）する受信部４とを備え、前記散乱光のドップラーシフトに基づいて前記計測対象粒子の移動速度を計測するドップラーライダー装置１であって、前記送信部３の後段及び前記受信部４の前段に設けられ、入射する光の位相を変調して光の進行方向を変化させる光位相変更手段７２を備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、ドップラーライダー装置、及びドップラーライダー装置を用いた乱気流警報システムに関する。

近年、気流を検知するための装置として、レーザ光を用いたドップラーライダー装置が提案されている。このドップラーライダー装置は、地上設備として提案されたものだが、航空機に搭載するマルチライダーシステムも提案されている（特許文献１参照）。

この特許文献１のマルチライダーシステムは、従来のライダーシステムよりも広範囲の計測を可能とし、更には乱気流の突入時に使用する機体の動揺低減用気流情報を短い周期で計測して、航空機の乱気流事故防止に供することを目的としている。

ここで、レーザ光の照射方向を機械的に変更して様々な方向の気流情報を計測する場合、計測周期に機械的な限界がある。また、駆動機構により重量が増加するという問題もある。

これに対して、特許文献１のマルチライダーシステムは、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置を相対位置固定の関係で二組以上装備し、各装置から同波長のレーザを放射させると共に散乱光を各装置で受信する機能を備えている。これにより、計測領域の拡大または計測周期短縮を実現できるとされている。

しかしながら、上述のマルチライダーシステムは、単に光学式遠隔気流計測装置を二組以上装備して計測領域を拡大したものである。このため、必要な計測領域に応じて必要な光学式遠隔気流計測装置が増加するという問題点が残っていた。

特開２０１２−８３２６７号公報

この発明は、上述の問題に鑑みて、高速スキャン可能なドップラーライダー装置、及び乱気流警報システムを提供することを目的とする。

この発明は、レーザ光を生成するレーザ光源と、前記レーザ光源が射出する前記レーザ光を大気中に放射する放射部と、放射された前記レーザ光が大気中に浮遊する計測対象粒子により散乱された散乱光を受光する受光部とを備え、前記散乱光のドップラーシフトに基づいて前記計測対象粒子の移動速度を計測するドップラーライダー装置であって、前記放射部の後段に、入射する前記レーザ光の位相を変化させて光の進行方向を変化させる光位相変更手段を備えたドップラーライダー装置であることを特徴とする。

この発明により、高速スキャン可能なドップラーライダー装置、及び乱気流警報システムを提供できる。

ドップラーライダー装置の構成を示す構成図。 反射型光位相変調器の構造を説明する説明図。 光位相変調の仕組みを説明する説明図。 光位相変調制御例を説明する説明図。 ドップラーライダー装置を搭載した航空機の説明図。 表示器の画面構成図。

以下、この発明の一実施形態を図面と共に説明する。

図１は、ドップラーライダー装置１の構成を示す構成図である。

レーザ光を大気中に放射（送信）する送信部３と、放射されたレーザ光が大気中に浮遊する計測対象粒子により散乱された散乱光を受光（受信）する受信部４と、散乱光のドップラーシフトに基づいて前記計測対象粒子の移動速度（気流の風速）を計測する信号処理部５と、風速の計測結果を表示する表示器６と、送信部３の後段及び受信部４の前段に設けられた光学ヘッド部７とを備えている。

＜送信部＞
送信部３は、レーザ光を生成するレーザ光源２を備えている。レーザ光源２は、例えば、波長が１．５μｍ帯の近赤外線域レーザ光を連続的に生成する半導体レーザにより構成することができる。当該レーザ光の出力は、レーザ光源２に接続されたレーザ光出力制御部２１によって制御される。

レーザ光源２が生成したレーザ光は、小径光ファイバ３０を通じて送信部３に出力される。ここで、小径光ファイバ３０は、コア径の小さな、例えば、コア径が１０μｍの光ファイバが用いられる。

送信部３は、前記レーザ光源２の後段に、光アイソレータ３１、光分岐カプラ３３、パルス生成器３５、光アイソレータ３６、ＡＭＰ３８、及びサーキュレータ３９を備え、この順に直列にそれぞれ光ファイバで接続されている。用いられる光ファイバは、ＡＭＰ３８とサーキュレータ３９とを接続するもの以外は、上述の小径光ファイバである。一方、ＡＭＰ３８とサーキュレータ３９とを接続する光ファイバは、コア径の大きな、例えば、コア径が３０μｍの大径光ファイバが用いられる。

レーザ光源２から放射されるレーザ光は、まず光アイソレータ３１に入力する。
光アイソレータ３１は、レーザ光の進行方向側から反射して戻ってくる光を除去する。

光アイソレータ３１は光分岐カプラ３３と小径光ファイバ３０ａで接続されている。小径光ファイバ３０ａには、光分岐カプラ３２ａと光合成カプラ３２ｂとが、それぞれ光アイソレータ３１側と光分岐カプラ３３側とに設けられている。

光分岐カプラ３２ａは、光分岐出力端子を備え、モニタ（図示せず）の光入力端子に接続されている。また、光合成カプラ３２ｂは、光合成入力端子を備え、モニタ（図示せず）の光出力端子に接続されている。

光分岐カプラ３２ａは、光アイソレータ３１を通過したレーザ光を分岐し、ここでは１％を光分岐出力端子からモニタに出力し、残りの９９％を光ファイバ３０ａを通じて光合成カプラ３２ｂに出力する。

モニタに出力された分岐レーザ光は、モニタを通過後、光合成入力端子から光合成カプラ３２ｂに入力される。そして、光合成カプラ３２ｂで、モニタを通過して入力された分岐レーザ光と、小径光ファイバ３０ａを通過してきた残りのレーザ光とが合流する。合流後のレーザ光は、小径光ファイバ３０ａを通じて、光分岐カプラ３３に出力される。

モニタは、モニタを通過する分岐レーザ光をモニタすることで、小径光ファイバ３０ａを通過するレーザ光の状態を間接的に監視する。このように、光分岐カプラ３２ａと光合成カプラ３２ｂとは、モニタ用の分岐レーザ光の出力ポート及び入力ポートとして機能している。

光分岐カプラ３３は、入力されたレーザ光を分岐する。ここでは、１％を参照光として小径光ファイバ３０ｃを通じて受信部４の光合成カプラ４４に出力し、残りの９９％を小径光ファイバ３０ｂを通じてパルス生成器３５に出力する。

パルス生成器３５は、例えば、音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ‐ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）を用いて、レーザ光の短パルスを生成する。生成する短パルスのパルス幅や時間間隔は、パルス生成器３５に接続されたＡＯＭドライバ３４が制御する。

パルス生成器３５とＡＭＰ３８とは、小径光ファイバ３０ｄで接続されており、小径光ファイバ３０ｄには、光アイソレータ３６、モニタ用分岐レーザ光の出力ポート及び入力ポートとして機能する光分岐カプラ３７ａ、及び光合成カプラ３７ｂがこの順で設けられている。

パルス生成器３５が生成したパルスレーザ光は、小径光ファイバ３０ｄを介して、光アイソレータ３６、光分岐カプラ３７ａ、及び光合成カプラ３７ｂを通過後、ＡＭＰ３８に出力される。

尚、光アイソレータ３６は、パルスレーザ光の進行方向側から反射して戻ってくる光を除去する。また、光分岐カプラ３７ａの光分岐出力端子と光合成カプラ３７ｂの光合成入力端子とは、それぞれモニタ（図示せず）の光入力端子と光出力端子とに接続されており、モニタは、通過する分岐レーザ光をモニタすることにより、小径光ファイバ３０ｄを通過するパルスレーザ光の状態を間接的に監視する。

ＡＭＰ３８は、例えば、エルビウムドープトファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）等の増幅器であり、パルスレーザ光を増幅する。パルスレーザ光の出力制御は、ＡＭＰ３８に接続されたレーザ光出力制御部２１により行われる。

増幅されたパルスレーザ光は、ＡＭＰ３８から、大径光ファイバ４０を通じて、送受信光の分離を行う光サーキュレータ３９のポートＰ１に出力される。

光サーキュレータ３９のポートＰ２には、大径光ファイバ４０ａを介して、光学ヘッド部７が接続されており、また、光サーキュレータ３９のポートＰ３には、同じく大径光ファイバ４０ｂを介して、受信部３が接続されている。

光サーキュレータ３９にポートＰ１から入力されたパルスレーザ光（送信光）は、ポートＰ２から出力される。そして、大径光ファイバ４０ａを通じて光学ヘッド部７に出力される。その後、パルスレーザ光（送信光）は、光学ヘッド部７でスキャンされ大気中に放射される。

また、このように構成された送信部３には、信号処理部５が接続されている。この信号処理部５の制御により、送信部３から送信するレーザ光の照射タイミングが制御される。

＜受信部＞
受信部４は、光変換アダプタ４１、光合成カプラ４４、及び光検出器４５を備え、光変換アダプタ４１と光合成カプラ４４とは、小径光ファイバ３０ｅで接続され、光合成カプラ４４と光検出器４５とは、小径光ファイバ３０ｆで接続されている。

光変換アダプタ４１は、大径光ファイバ４０ｂを介して、光サーキュレータ３９のポートＰ３に接続されている。

光学ヘッド部７から大気中に放射されたパルスレーザ光は、大気中に浮遊する計測対象粒子により散乱され散乱光となる。そして、パルスレーザ光を放射後、その態勢で待機中の光学ヘッド部７に、その散乱光の一部が入射する。光学ヘッド部７に入射した散乱光は、大径光ファイバ４０ａを通じて、サーキュレータ３９のポートＰ２に受信光として入力される。そして、ポートＰ２に入力された受信光は、ポートＰ３から出力され、大径光ファイバ４０ｂを通じて光変換アダプタ４１に出力される。

光変換アダプタ４１は、コア径の異なる光ファイバを接続するアダプタであり、ここでは、大径光ファイバ４０ｂを通じて入力された受信光を、コア径の小さな小径光ファイバ３０ｅに出力している。

小径光ファイバ３０ｅには、光アイソレータ４２、モニタ用分岐レーザ光の出力ポート及び入力ポートとして機能する光分岐カプラ４３ａ、及び光合成カプラ４３ｂがこの順で設けられている。

光変換アダプタ４１で光変換された受信光は、小径光ファイバ３０ｅを介して、光アイソレータ４２、光分岐カプラ４３ａ、及び光合成カプラ４３ｂを通過後、光合成カプラ４４に出力される。

尚、光アイソレータ４２は、受信光の進行方向側から反射して戻ってくる光を除去する。また、光分岐カプラ４３ａの光分岐出力端子と光合成カプラ４３ｂの光合成入力端子とは、それぞれモニタ（図示せず）の光入力端子と光出力端子とに接続されており、モニタは、通過する分岐レーザ光をモニタすることにより、小径光ファイバ３０ｅを通過する受信光の状態を間接的に監視する。

光合成カプラ４４は、送信部３の光分岐カプラ３３から入力された参照光と受信光とを合成し、合成光を小径光ファイバ３０ｆを通じて光検出器４５に出力する。

受信光は、大気中に浮遊する計測対象粒子の移動速度に応じてドップラー効果に基づく波長の変化が生じている。そのため、光検出器４５は、光ヘテロダイン検出により、参照光と受信光とが合成された合成光からビート信号を検出する。

＜信号処理部＞
信号処理部５は、光検出器４５で検出されたビート信号から、ビート信号の強度、パルスレーザ光（送信光）を送信してから散乱光（受信光）を受信するまでの往復遅延時間、及びドップラー周波数シフトを抽出し、それぞれ計測対象粒子の量（濃度）、計測対象粒子までの距離、及び計測対象粒子の移動速度を算出する。尚、これらの算出は、光学ヘッド部７でスキャンされて大気中に放射されたパルスレーザ光（送信光）の放射方向（視線方向）ごとに行われる。

信号処理部５は、さらに、これら算出した計測対象粒子の量（濃度）、計測対象粒子までの距離、及び計測対象粒子の移動速度の変化量から、計測対象粒子を運んでいる気流の変化、すなわち乱気流の詳細を算出する。

＜表示器＞
表示器６は、信号処理部５から受信する表示信号に従って、乱気流の発生、及びその詳細を表示し、警報を発する。

＜光学ヘッド部＞
光学ヘッド部７は、送信部３の後段で、且つ受信部４の前段に設けられている。

光学ヘッド部７は、ビームエキスパンダ７１と、反射型光位相変調器７２と、これらを支持する支持体７３とを備えている。そして、ビームエキスパンダ７１の中心線上に反射型光位相変調器７２の中央が来るように、配置されている。反射型光位相変調器７２には、反射型光位相変調器７２に印加する電圧を細かく制御する信号処理部５が接続されている。この信号処理部５により、送信部３から送信するレーザ光の照射タイミングと、反射型光位相変調器７２による反射方向が制御され、所望の方向へレーザ光を照射してその反射光を受信部４で受信することを実現している。

支持体７３は、温度変化に伴う寸法変化（熱変形）が非常に小さい材料を使用することが好ましい。この実施例では、熱膨張係数が０±０．１９ｐｐｍ／Ｋ（２０〜２５度）で、室温付近ではほとんど変形しない「ＬＥＸ−ＺＥＲＯ」（登録商標）を使用する。

ビームエキスパンダ７１は、大径光ファイバ４０ａを介して、送信部３のサーキュレータ３９のポートＰ２に接続されており、光サーキュレータ３９のポートＰ２から出力されたパルスレーザ光（送信光）が、大径光ファイバ４０ａを介して、ビームエキスパンダ７１に入力されるようになっている。

ビームエキスパンダ７１は、入力されたパルスレーザ光（送信光）をコリメート光（平行光線束）のままで一定の倍率に拡大するためのレンズ系であり、ここでは、コア径が３０μｍの大径光ファイバ４０ａを介して入力されたパルスレーザ光を、ビーム径が約３ｃｍのコリメート光に拡大している。

そして、ビームエキスパンダ７１で拡径されたコリメート光は、反射型光位相変調器７２に向けて照射するようになっている。

≪反射型光位相変調器≫
図２は、反射型光位相変調器７２の説明図であり、図２（Ａ）は、反射型光位相変調器７２の断面構造を示す断面図、図２（Ｂ）は、反射型光位相変調器７２の外観を示す正面図である。図３は、反射型光位相変調器７２の素子７２ａ毎の配置の説明図であり、図３（Ａ）は、反射型光位相変調器７２の素子７２ａの配置を説明する斜視図であり、図３（Ｂ）は、反射型光位相変調器７２の液晶分子７２ｂの配向を説明する縦断面図である。

反射型光位相変調器７２は、全体の大きさが直径３ｃｍ程度に形成され、Ｓｉｌｉｃｏｎ（シリコン）基板７４ａ上に液晶層７５ａを配置した構造で、アドレス部７４と光変調部７５とを備えている。

より具体的には、アドレス部７４は、シリコン基板７４ａにＣＭＯＳによるマトリクス回路７４ｂが形成され、その最上層には、複数の素子電極７４ｃが平面状に等間隔で配置されている。素子電極７４ｃの配置は、例えば、縦横に格子状に規則正しく並べたマトリクス状、あるいは正六角形を隙間なく並べたハニカム状となっている。各素子電極７４ｃ間の間隔は、レーザ光の波長より短く、レーザ光の波長の１／２以下がより好ましい。素子電極７４ｃの材料は、レーザ光を高効率で反射するアルミ等が用いられる。

光変調部７５は、アドレス部７４のシリコン基板７４ａの上方に配置され、上下が液晶配向膜７５ｄ、７５ｅで挟まれ周囲がスペーサ７５ｆを含むシール材料７５ｇで囲まれた液晶層７５ａと、当該液晶層７５ａの上方に配置され下面に透明電極７５ｂが形成されたガラス基板（透明基板）７５ｃとで積層されている。液晶配向膜７５ｄ、７５ｅは、液晶層７５ａ内の液晶分子７２ｂ（図３（Ｂ）参照）を基板（ガラス基板７５ｃ及びシリコン基板７４ａ）に平行に配向させるためのものである。また、スペーサ７５ｆは、液晶層７５ａの上下方向の幅を一定にするためのものである。また、この液晶層７５ａは、それぞれの素子電極７４ｃに対応する領域（素子電極７４ｃの上部領域）がそれぞれ素子７２ａを構成している。すなわち、液晶層７５ａに存在する液晶は、素子電極７４ｃごとに素子７２ａ単位で駆動される。

尚、ペルチェ素子を用いたペルチェクーラ７６が、シリコン基板７４ａの下部に設けられており、反射型光位相変調器７２全体の温度制御を行っている。

素子電極７４ｃの電圧は当該素子電極７４ｃに対応する各素子７２ａごとに独立して制御することができ、これにより、透明電極７５ｂとの間の電圧を各素子７２ａごとに制御できる。ここで、素子電極７４ｃに電圧を徐々に印加していくと、ある閾値電圧を境にして、図３（Ｂ）に示すように液晶層７５ａ内の素子電極７４ｃ直上の液晶分子７２ｂ（図３（Ｂ）参照）は基板７５ｃ、７４ａに対して図３（Ｂ）の右側に示す水平状態から徐々に立ち上がり始める。そして、さらに電圧を印加すると、遂には、当該液晶分子７２ｂは図３（Ｂ）の左側に示すように基板７５ｃ、７４ａに対して垂直になる。液晶分子７２ｂが基板７５ｃ、７４ａに対して平行な状態と垂直な状態とでは、液晶層７５ａの屈折率に差が生じる。このため、液晶層７５ａを通過するレーザ光は、光路長が変化して位相に差が生じる。別の言い方をすれば、液晶分子７２ｂが基板７５ｃ、７４ａに対して平行な状態と垂直な状態では、レーザ光が液晶分子７２ｂ中を通過する通過距離が変化して位相に差が生じる。すなわち、素子７２ａは、対応する素子電極７４ｃに印加する電圧を制御することにより、入射するレーザ光の位相を変調することができる。尚、素子電極７４ｃに印加する電圧の制御は、素子電極７４ｃに接続されたマトリクス回路７４ｂを介して、ＦＰＧＡ等による制御ＩＣ（図示せず）により行われる。また、マトリクス回路７４ｂにはＰａｄ７４ｄが設けられている。

素子電極７４ｃは、レーザ光を反射する反射部材が用いられており、レーザ光の反射層としても機能する。このため、ガラス基板７５ｃ側から入射したレーザ光は、液晶層７５ａを通過後、液晶層７５ａの背面側に配置された素子電極７４ｃで反射され、再度液晶層７５ａを逆方向に通過し、その後、ガラス基板７５ｃ側から出射する。このように、素子７２ａに入射したレーザ光は、素子電極７４ｃに反射され、液晶層７５ａを往復通過することにより、位相変調が２回（約２倍）行われる。

図２（Ｂ）に示すように、反射型光位相変調器７２は、複数の素子７２ａで構成され、素子電極７４ｃに対応して素子７２ａが平面状に等間隔で配置されている。素子電極７４ｃ間の間隔はレーザ光の波長より短いため、素子７２ａ間の間隔も同様にレーザ光の波長より短くなっている。

反射型光位相変調器７２に入射したコリメート光（平行光線束）は、平面状に等間隔で配置された複数の素子７２ａにより位相変調され反射される。より具体的には、コリメート光（平行光線束）の各平行光線は、それぞれが入射した各素子７２ａにより位相変調され反射される。ここで、信号処理部５（図１参照）の制御により、隣接する素子７２ａの各素子電極７４ｃに印加する電圧を素子電極７４ｃの配置方向へ少しずつ系統的に変化させる（連続的に変化させる）と（例えば少しずつ電圧を上げる、あるいは少しずつ電圧を下げるなど）、隣接する各素子７２ａが反射後に出射する各平行光線の位相は少しずつ系統的に変化（連続的に変化）する。すなわち、平面状に配置された素子７２ａにより、各平行光線の位相は２次元的に変調される。そして、少しずつ系統的に位相の変化した反射後の各平行光線は、ホイヘンスの原理により、全体として平行光線束となり、各平行光線の通常の反射方向（鏡により反射する方向）とは異なる所定の方向に全体として放射される。すなわち、少しずつ位相の異なる平行光線が相互に干渉し、通常の直進方向よりも位相の進んでいる方（若しくは遅れている方）へ全体としての平行光線束が傾斜した方向へ放射される。また、この印加する電圧の系統的な変化量を変化させることで、通常の反射方向に対して平行光線束の方向を変化させることができる。この変化の範囲は、通常の反射方向を中心として平行光線束の角度を１５°から−１５°程度の範囲とし、通常の反射方向を軸心として全周方向とするなど、適宜の範囲とすることができる。

図４（Ａ）に示すように、例えば、反射型光位相変調器７２の各素子７２ａの素子電極７４ｃに印加する電圧を右から左にかけて下げると、反射型光位相変調器７２に入射し反射後に放射される放射平行光線束の放射方向は左方向に向けられる。逆に、各素子電極７４ｃに印加する電圧を左から右にかけて下げると、放射平行光線束の放射方向は右方向に向けられる（図４（Ｂ）参照）。同様に、各素子電極７４ｃに印加する電圧を上から下にかけて下げると、放射平行光線束の放射方向は下方向に向けられ（図４（Ｃ）参照）、各素子電極７４ｃに印加する電圧を下から上にかけて下げると、放射平行光線束の放射方向は上方向に向けられる（図４（Ｄ）参照）。

以上の構成により、素子７２ａの素子電極７４ｃに印加する電圧を信号処理部５で系統的に制御でき、反射型光位相変調器７２に入射し反射後に放射される放射平行光線束の放射方向の制御が可能となる。この放射平行光線束の放射方向は、連続的、且つ任意に変更することができる。また、電気的な制御により、放射平行光線束の放射方向の制御がなされるため、機械的に照射方向を変更するよりも高速で放射方向を変更すること（高速スキャン）が可能である。例えば、１秒間に１０００回程度の放射方向の変更が可能である。さらに、機械的な機構がないため故障の起きる恐れが少なく、航空機に搭載したような場合でも振動により精度に狂いが生じることを防止できる。尚、放射平行光線束の放射方向の制御は、位相制御のされていない各平行光線の反射方向とのなす角が１５度以内で可能である。

また、反射型光位相変調器７２は、大気中に浮遊する計測対象粒子により散乱された散乱光を受光するためにも用いられる。反射型光位相変調器７２は、放射平行光線束を放射後、暫くその状態を保持し（放射方向（視線方向）を向いたまま）、散乱光が戻ってくるのを待機して待つ。その後、反射型光位相変調器７２が散乱光を受光すると、受光した散乱光は、上述した光の経路を逆に辿って、ビームエキスパンダ７１に送られるようになっている（図１〜４参照）。このため、大気中に浮遊する計測対象粒子の動きを素早く検知することができる。

光学ヘッド部７の支持体７３に、温度変化に伴う寸法変化（熱変形）が非常に小さい材料を使用し、且つ反射型光位相変調器７２全体の温度制御に、ペルチェ素子を用いたペルチェクーラ７６を使用しているため、航空機等の温度変化の激しい環境下に光学ヘッド部７が設置されても、その性能は害されにくい。

＜航空機搭載型ドップラーライダー装置＞
次に航空機搭載型ドップラーライダー装置と、これを備えた航空機について説明する。
図５（Ａ）は、ドップラーライダー装置１を搭載した航空機１０の説明図の光学ヘッド部の配置を説明する構成図であり、図５（Ｂ）は、対気速度補正を説明する説明図である。

≪マルチ光学ヘッド部≫
航空機に搭載されたドップラーライダー装置１（図１参照）は、図５（Ａ）に示すように、ビームエキスパンダ７１と、反射型光位相変調器７２と、これらを支持する支持体７３とを備えた光学ヘッド部７が、航空機１０の先端部のレドーム１１内に２セット設置される。

これら２セットの光学ヘッド部７は、左右対称に配置され、これら光学ヘッド部７の各反射型光位相変調器７２は、前方あるいは斜め前方を向いている。そして、ビームエキスパンダ７１に対する反射型光位相変調器７２の向く方向は、これら２セットの光学ヘッド部７で一致しないようになっている。このため、これら２セットの光学ヘッド部７が放射する放射平行光線束は、異なる方向に放射される。

ここで、ビームエキスパンダ７１から反射型光位相変調器７２に入射し反射後に放射される放射平行光線束は、ビームエキスパンダ７１が障害物となって、ビームエキスパンダ７１の後方には放射することができない。このため、光学ヘッド部７には、ビームエキスパンダ７１の後方に、乱気流の発生や詳細の観測ができない観測不可領域８７が存在する。

しかし、上述の構成にすることで、それぞれの光学ヘッド７に存在する観測不可領域８７は、他方側の光学ヘッド７により観測することが可能になる。これにより、航空機１０の進行方向観測範囲８５に加えて、進行方向側の広い範囲８６で乱気流の観測が可能になる。

尚、これら２セットの光学ヘッド部７は、上下対称に配置してもよく、また、光学ヘッド部７を３セット以上設置してもよい。

≪対気速度補正≫
図５（Ｂ）に示すように、航空機１０は、較正対気速度を取得する対気速度取得手段（速度計）８３と、演算手段（信号処理部５（図１参照））と、計測手段（信号処理部５（図１参照））を備えている。
航空機と大気との相対速度である対気速度は、航空機に搭載されたピトー管と静圧孔の圧力から求めることができる。ピトー管により測定される全圧をＰｔ、静圧孔から測定される静圧をＰｓ、空気の密度をρ、対気速度をＶとすると、Ｖは、下記の［数１］によって求まる。

［数１］
Ｖ＝（２（Ｐｔ−Ｐｓ）／ρ）^１／２
対気速度取得手段８３は、上記のＶの値に対して、ピトー管の取り付け位置誤差や計測誤差の補正を行って、較正対気速度を取得する。

演算手段として機能する信号処理部５は、航空機１０の対気速度取得手段８３が取得した航空機の進行方向の較正対気速度を取得する。そして、図５（Ｂ）に示すように、反射型光位相変調器７２から放射される放射平行光線束の放射方向（視線方向）８１（８１ａ〜８１ｄ）と航空機１０の進行方向８２とのなす角θに基づいて、較正対気速度の視線方向成分を導出する。

計測手段として機能する信号処理部５は、上述した乱気流の詳細を算出する演算により、視線方向からの散乱光のドップラーシフトに基づいて、風に乗って移動する計測対象粒子の移動速度の視線方向成分を計測する。

演算手段として機能する信号処理部５は、風に乗って移動する計測対象粒子の移動速度の視線方向成分から、較正対気速度の視線方向成分を差し引く補正を行って、風の視線方向の風速を導出する。

尚、航空機に搭載されるドップラーライダー装置１に使用されるレーザ光源２（図１参照）の出力には限界がある。このため、計測対象粒子からの散乱光を計測することが可能な観測範囲（レンジ）は一定の範囲に限定され、風の視線方向の風速もこの観測範囲（レンジ）に存在する風に関するものに限定される（図５（Ｂ）参照）。そこで、航空機に搭載されるドップラーライダー装置１は、航空機の進行方向に沿って、観測範囲（レンジ）を更新しながら一定周期で繰り返し計測を行う。

以上の構成により、航空機に搭載されたドップラーライダー装置１は、観測範囲（レンジ）を更新しながら、航空機の対気速度の補正がなされた風の視線方向の風速を取得することができる。

≪乱気流警報≫
航空機に搭載されたドップラーライダー装置１は、複数の異なる視線方向の風速に基づいて乱気流の発生を検知する検知手段（信号処理部５（図１参照））と、検知された乱気流の発生した方位、乱気流までの距離、及び乱気流の規模並びに強さを含む乱気流の詳細を算出する算出手段（信号処理部５（図１参照））と、乱気流の詳細を航空機のコックピット内に設置された表示器６（図１参照）に表示させるために出力する出力手段（信号処理部５（図１参照））とを備えている。

検知手段が乱気流の発生を検知すると、表示器６には乱気流の発生を知らせる警報が表示される。その後、算出手段が算出した乱気流の詳細が、表示器６に続けて表示される。

図６は、表示器６に表示する画面９０を示す画面構成図である。画面９０には、航空機１０の操縦に必要な様々な表示が行われている。そのうち、航空機の前方を表示する前方表示領域９１に、乱気流が存在する領域を示す乱気流領域画像９２を表示する。乱気流領域画像９２は、半透明又は不透明な塗りつぶし表示とし、このままの方向へ飛行すると乱気流に突入するのか、あるいはどの程度乱気流から離れるのかを視覚的に認識できるようにしている。また、右下の警告表示領域に警告表示画像９３を表示する。この警告表示画像９３は、警告文に加えて、乱気流の存在する位置までの距離や角度、および乱気流の危険レベル等を表示する。このようにして、乱気流の存在と乱気流の状況を航空機１０の操縦士に明確に通知する。

以上の構成により、航空機のコックピット内の操縦士は、表示器６を通して、乱気流の発生、及びその詳細を知ることができ、回避行動に早急に着手でき、事故防止に繋がる。

また、航空機１０が着陸する際に、先に着陸した航空機１０による後方乱気流（Ｗａｋｅ）が着陸行路上に残っているか否かをリアルタイムに把握できる。従って、後方乱気流の存在を確認しつつ着陸行路へ進み、前の航空機１０による後方乱気流が十分に弱まる前に後方乱気流に到達しそうであれば一旦上昇して着陸を見合わせるといったことができる。これにより、前の航空機１０により生じた後方乱気流によって着陸寸前に意図しない気体の揺れが生じることを防止でき、着陸時の事故をより着実に防止することができる。

また、このようにして前の航空機１０による後方乱気流の有無を操縦士が直接確認できることにより、後方乱気流が生じて無ければすぐに着陸するといったことができるため、一般的に後方乱気流が消滅するのに十分な時間を空けてから次機の着陸を管制官から案内することで生じる着陸インターバルを短くすることができ、一滑走路での航空機１０の離着陸数を増加させることができる。

尚、この発明は本実施形態に限られず他の様々な実施形態とすることができる。

この発明は、ドップラーライダー装置に関連する産業に利用することができる。

１…ドップラーライダー装置
２…レーザ光源
３…送信部
４…受信部
５…信号処理部
６…表示器
７…光学ヘッド部
７１…ビームエキスパンダ
７２…反射型光位相変調器

Claims (8)

1. レーザ光を生成するレーザ光源と、前記レーザ光源が射出する前記レーザ光を大気中に放射する放射部と、放射された前記レーザ光が大気中に浮遊する計測対象粒子により散乱された散乱光を受光する受光部とを備え、
   前記散乱光のドップラーシフトに基づいて前記計測対象粒子の移動速度を計測するドップラーライダー装置であって、
   前記放射部の後段に、入射した前記レーザ光の位相を変化させて光の進行方向を変化させる光位相変更手段を備えた
   ドップラーライダー装置。
2. 前記光位相変更手段は、
   光の位相を変化させる複数の素子により構成され、
   前記複数の素子は、入射する前記レーザ光の光面方向に配置されている
   請求項１記載のドップラーライダー装置。
3. 前記光位相変更手段は、
   液晶が２次元的に配置された液晶層と、
   複数の電極がマトリクス状に配置された電極層とを備え、
   前記電極に印加する電圧を前記電極の配置方向へ徐々に異ならせるように制御する印加電圧制御手段を備え、
   前記各電極に対応する領域の前記液晶を前記素子とし、
   前記電極毎に徐々に異なる電圧により前記液晶層の各液晶の分子配向を徐々に異ならせ、この分子配向によって前記入射した前記レーザ光に対する屈折率を前記素子毎に徐々に異ならせ、この屈折率の異なりによって前記レーザ光の位相を前記素子毎に徐々に異ならせ、この位相の異なりによって隣接するレーザ光を干渉させて前記レーザ光の全体の進行方向を変化させる構成である。
   請求項１または２記載のドップラーライダー装置。
4. 前記光位相変更手段は、前記液晶層の背面側に積層され、前記液晶層に入射した光を反射する反射層を備えた
   請求項３記載のドップラーライダー装置。
5. 前記光位相変更手段を２以上備え、
   少なくとも１つの前記光位相変更手段は、他の一つの前記光位相変更手段による前記レーザ光の放射可能範囲以外の少なくとも一部に向けて前記レーザ光を放射する構成である
   請求項４記載のドップラーライダー装置。
6. 前記素子は、前記レーザ光の波長未満の間隔で配置されている
   請求項１から５の何れかに記載のドップラーライダー装置。
7. 較正対気速度を取得する対気速度取得手段を備えた航空機に搭載され、
   風に乗って移動する前記計測対象粒子の移動速度の視線方向成分を、前記視線方向からの散乱光のドップラーシフトに基づいて計測する計測手段と、
   前記移動速度の視線方向成分から前記較正対気速度の視線方向成分を差し引いて、前記風の視線方向の風速を導出する演算手段と
   をさらに備えた
   請求項１から６の何れかに記載のドップラーライダー装置。
8. 複数の異なる視線方向の前記風速に基づいて乱気流の発生を検知する検知手段と、
   検知された乱気流の発生した方位、乱気流までの距離、及び乱気流の規模並びに強さを含む乱気流の詳細を算出する算出手段と、
   前記乱気流の詳細を前記航空機のコックピット内の表示器に表示可能なように出力する出力手段と
   をさらに備えた
   請求項７記載のドップラーライダー装置。

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