JP4785475B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば気象空間における風速を計測するレーザレーダ装置に関するものである。

特開２００１−２０１５７３号公報には、走査光軸に沿って送信パルス光を送信し、この送信パルス光に基づく受信レーザ光に含まれるドップラ周波数光信号を分析して、走査光軸の方位における風速などを計測するレーザレーダが開示されており、このレーザレーダは、ドップラ周波数光信号をドップラ周波数電気信号に変換し、このドップラ周波数電気信号を分析する分析回路を備えている。

特開２００１−２０１５７３号公報

従来のこの種のレーザレーダとして、光強度変調ユニットを用い、送信レーザ光をパルス化周波数変調して、送信パルス光を発生するものが使用される。この光強度変調ユニットでは、送信レーザ光の変調のために使用する光伝搬部材に、変調用の超音波信号が残響することに起因したキャリアリークが発生し、このキャリアリークが受信レーザ光に重なり、受信レーザ光に含まれるドップラ周波数の光成分を変化させる不都合がある。

この発明は、簡単な構成でキャリアリークを低減することのできるレーザレーダ装置を提案するものである。

この発明によるレーザレーダ装置は、周期的にオン期間とオフ期間を繰返し、入力された送信レーザ光をパルス化周波数変調した送信パルス光を、前記各オン期間で出力する光強度変調ユニット、前記光強度変調ユニットからの前記送信パルス光を走査光軸に沿って前記各オン期間に送信するとともに、前記送信パルス光に基づく受信レーザ光を受信する送受信望遠鏡、光走査板を回転駆動して前記走査光軸の方位を周期的に変化させる走査機構、および前記走査光軸の方位の変化に対応して、前記各オフ期間で受信された前記受信レーザ光に含まれたドップラ周波数の光信号を変換したドップラ周波数電気信号を分析する分析回路ブロックを備えたレーザレーダ装置であって、前記光強度変調ユニットは、一対の第１、第２側面とこれらの各側面に交差し互いに対向する第１、第２端面を有する光伝搬部材と、前記光伝搬部材の第１端面に形成された励振電極と、前記オン期間とオフ期間を決定するパルス信号と変調信号とに基づいて、前記励振電極にパルス化周波数変調のための励振信号を供給する変調ドライバと、全反射手段とを有し、前記光伝搬部材は、前記第１側面に入力された前記送信レーザ光を、前記励振信号に基づく超音波によりパルス化周波数変調して光パルスを発生し、この光パルスを前記第２側面から前記全反射手段に送り、前記全反射手段は、前記第２側面から送られた前記光パルスを、再び前記光伝搬部材の第２側面に送り返し、また、前記光伝搬部材は、前記全反射部材から前記第２側面に送り返された前記光パルスを前記送信パルス光として、前記第１側面から前記送受信望遠鏡に向けて送るように構成され、前記光強度変調ユニットは、さらに、前記超音波が前記第２端面で反射し前記各オフ期間で前記光伝搬部材に発生する残響超音波に基づく光パルスを、前記全反射手段により前記光伝搬部材に送り返し、前記残響超音波によるキャリアリークを減衰させることを特徴とする。

この発明のレーザレーダ装置において、光強度変調ユニットの光伝搬部材では、超音波が第２端面で反射し、オフ期間で光伝搬部材に発生する残響超音波によるキャリアリークを、全反射手段により光伝搬部材に送り返すことにより低減するので、結果として１つの光伝搬部材を用いながら、２度に亘り、キャリアリークの低減を図ることができ、１つの光伝搬部材を用いる簡単な構成で、キャリアリークをより大きく低減することができる。

以下この発明のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明によるレーザレーダ装置の実施の形態１を示すブロック回路図、図２は、実施の形態１における送信パルス光と受信レーザ光とドップラスペクトラルデータを示す動作説明図、図３は、実施の形態１における光強度変調ユニットを示す構成図、図４は、実施の形態１における角度パルス信号を示す動作説明図、図５は、実施の形態１における送受信望遠鏡ユニットの走査と出力手段の出力信号とを示す動作説明図、図６は、キャリアリークの説明図である。

この実施の形態１のレーザレーダ装置は、気象空間における風速、風向などの風に関する物理量を計測するレーザレーダ装置である。この実施の形態１のレーザレーダ装置は、図１に示すように、送受信光ユニット１０と、送受信望遠鏡ユニット３０と、分析回路ブロック５０を備えている。

送受信光ユニット１０は、基準レーザ１１と、光分岐手段１３と、光強度変調ユニット１５と、光増幅器１９と、光サーキュレータ２１と、光合波手段２３と、電気信号変換手段２５を含んでいる。

基準レーザ１１は、例えば分布帰還型の半導体レーザであり、基準レーザ光ＳＬを発生する。この基準レーザ光ＳＬは、コヒーレントレーザ光の連続波である。この基準レーザ光ＳＬの周波数ｆ０は、例えば１９５（ＴＨｚ）とされ、その波長λ０は、１．５（μｍ）である。この基準レーザ光ＳＬは、光ファイバＯＦ１を通じて光分岐手段１３に送られる。光分岐手段１３は、基準レーザ光ＳＬを、送信レーザ光ＴＬと局発レーザ光ＬＬとに分岐する。送信レーザ光ＴＬは、光ファイバＯＦ２を通じて光強度変調ユニット１５に送られ、また、局部レーザ光ＬＬは光ファイバＯＦ３を通じて光合波手段２３に送られる。

光強度変調ユニット１５は、光入力部分１５ａと光出力部分１５ｂを有する。光入力部分１５ａには、送信レーザ光ＴＬが供給される。光強度変調ユニット１５は、光入力部分１５ａに供給された送信レーザ光ＴＬを所定の変調周波数ｆｍでパルス化周波数変調した送信パルス光ＰＬを発生し、この送信パルス光ＰＬを光出力部分１５ｂに出力する。

この送信パルス光ＰＬは、図２（ａ）に示されように、非常に短い周期で、周期的にオン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆを繰り返す。各オン期間Ｔｏｎでは、光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐが出力される。これらの光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐでは、送信レーザ光ＴＬが、パルス化変調周波数ｆｍにより周波数変調される。図２（ａ）には、単に２つの光パルスＰＬ１、ＰＬ２だけが例示される。各オフ期間Ｔｏｆｆでは、送信レーザ光ＴＬはオフとなり、出力されない。オン期間Ｔｏｎは、例えば２００〜１０００（ｎｓｅｃ）、オフ期間Ｔｏｆｆは、オン期間Ｔｏｎに比べて充分に大きくされ、例えば２０〜１０００（μｓｅｃ）とされる。

光強度変調ユニット１５は、図３に示すように構成される。この光強度変調ユニット１５は、光コネクタ１５１、１５２と、光サーキュレータ１５３と、光強度変調素子１５４と、変調ドライバ１５５と、パルス信号源１５８と、全反射手段１５９を有する。光コネクタ１５１、１５２は、それぞれ光強度変調ユニット１５の光入力部分１５ａ、光出力部分１５ｂを構成する。

光サーキュレータ１５３は、第1ポートＰ１、第２ポートＰ２、および第３ポートＰ３を有する。第１ポートＰ１は光ファイバＯＦ１１により光コネクタ１５１に結合され、第３ポートＰ３は、光ファイバＯＦ１２により光コネクタ１５２に結合される。光強度変調素子１５４は、ケース１と、光伝搬部材３と、ファイバコリメータレンズ５、６を有する。ケース１は、内部空間２の内壁面を無反射として、内部空間２を外部から光遮断する。光伝搬部材３は、光を伝搬するガラス、モリブデン酸鉛単結晶、二酸化テルル単結晶、ゲルマニウム単結晶などの材料で直方体形状に作られ、ケース１の内部空間２に配置される。この光伝搬部材３は、互いに平行な一対の側面３ａ、３ｂと、端面３ｃ、３ｄを有する。端面３ｃは側面３ａ、３ｂに直交しており、端面３ｄは、端面３ｃと対向している。端面３ｃには励振電極４が形成される。

ファイバコリメータレンズ５は、光伝搬部材３の側面３ａと対向するように内部空間２に配置される。ファイバコリメータレンズ５の光軸は、側面３ａに対し所定傾斜角θだけ傾斜している。このファイバコリメータレンズ５は、光ファイバＯＦ１３により光サーキュレータ１５３の第２ポートＰ２に結合される。ファイバコリメータレンズ６は、光伝搬部材３の側面３ｂと対向するように内部空間２に配置される。ファイバコリメータレンズ６の光軸は、光伝導部材３に関して、ファイバコリメータレンズ５の光軸と対称に、側面３ｂに対し所定傾斜角θだけ傾斜している。このファイバコリメータレンズ６は光ファイバＯＦ１４により全反射手段１５９に結合される。全反射手段１５９は、円柱状の光伝搬部材７と、その一端面に配置されたファイバコリメータレンズ９と、その他端に配置された全反射部材８を有する。

変調ドライバ１５５は、掛算器１５６と変調信号源１５７を有する。掛算器１５６は励振電極４とパルス信号源１５８と変調信号源１５７に電気的に接続される。変調信号源１５７は、変調周波数ｆａの変調信号Ｓａを発生する。この変調信号源１５７の変調信号Ｓａは連続波であり、その変調周波数ｆａは例えば１２０（ＭＨｚ）である。パルス信号源１５８は、パルス信号Ｓｐを発生する。このパルス信号源１５８のパルス信号Ｓｐは、そのパルス信号Ｓｐのオン、オフ期間により、送信パルス光ＰＬのオン期間Ｔｏｎ、オフ期間Ｔｏｆｆを決定する。掛算器１５６は、パルス信号源１５８のパルス信号Ｓｐと変調信号源１５７の変調信号Ｓａを掛算し、励振信号Ｓｅを発生する。この励振信号Ｓｅは、パルス信号Ｓｐがオン、すなわちハイレベルのときに変調信号Ｓａとなり、励振電極４は、この変調信号Ｓａの変調周波数ｆａと同じ周波数ｆａの超音波信号を光伝搬部材３に与える。パルス信号Ｓｐがオフ、すなわちロウレベルのときには、励振信号Ｓｅは０となる。

光強度変調ユニット１５において、光入力部分１５ａを構成する光コネクタ１５１に供給された送信レーザ光ＴＬは、光サーキュレータ１５３の第１ポートＰ１から第２ポートＰ２を通り、ファイバコリメータレンズ５で平行光とされ、光伝搬部材３の側面３ａに所定傾斜角θで入射する。パルス信号Ｓｐがオン、すなわちハイレベルのときには、励振電極４から光伝搬部材３に周波数ｆａの超音波ＳＳが与えられ、この超音波ＳＳは、光伝搬部材３の端面３ｃから端面３ｄに向かう回析格子を発生する。側面３ａに入射した送信レーザ光ＴＬは、この回析格子の移動に基づくドップラ効果により変調されるとともに、ファイバコリメータレンズ６の光軸方向に屈曲され、結果として、送信レーザ光ＴＬは、その超音波ＳＳの回析格子に基づき変調され、（ｆ０＋ｆａ）の周波数を持った光パルスとなって、側面３ｂからファイバコリメータレンズ６に向かって放射される。

側面３ｂから放射された光パルスは、ファイバコリメータレンズ６で集光され、光ファイバＯＦ１４、ファイバコリメータレンズ９、光伝達部材７を通過して、全反射部材８で全反射される。全反射部材８で反射された光パルスは、光伝達部材７、ファイバコリメータレンズ９、光ファイバＯＦ１４、ファイバコリメータレンズ６を逆方向に通って、光伝達部材３の側面３ｂに所定傾斜角θで入射する。

この側面３ｂに入射した光パルスは、端面３ｃから端面３ｄに向かう超音波ＳＳの回析格子により再び変調され、（ｆ０＋２ｆａ）の周波数を持った光パルスとして、側面３ａに向かって、送信レーザ光ＴＬと逆方向に光伝搬部材３を通過し、側面３ａからファイバコリメータレンズ５に向かって放射される。側面３ａから放射された光パルスは、ファイバコリメータレンズ５で集光され、光ファイバＯＦ１３、光サーキュレータ１５３の第２ポートＰ２、第３ポートＰ３を通じて、光出力部分１５ｂに出力される。光強度変調ユニット１５は、パルス信号Ｓｐの各オン期間、すなわち送信パルス光ＰＬの各オン期間Ｔｏｎにおいて、このような変調動作を繰返し、送信パルス光ＰＬの各光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐを出力する。各光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐは、基準レーザ光ＳＬの周波数ｆ０＝１９５（ＴＨｚ）の光成分と、変調信号Ｓａの周波数ｆａの２倍の周波数２ｆａの光変調成分を含む。この光変調成分の周波数をｆｍ＝２ｆａとすると、この周波数ｆｍは２４０（ＭＨｚ）の周波数となる。

なお、パルス信号Ｓｐのオフ期間、すなわち送信パルス光ＰＬのオフ期間Ｔｏｆｆでは、励振電極４が超音波信号を発生しないので、ファイバコリメータレンズ５から光伝搬部材３の側面３ａに入射した送信レーザ光ＴＬは、光伝搬部材３を直進するように通過し、ファイバコリメータレンズ６に入射されることはない。

光強度変調ユニット１５からの送信パルス光ＰＬは、光ファイバＯＦ４を通じて光増幅器１９に送られ、この光増幅器１９で増幅される。この光増幅器１９で増幅された送信パルス光ＰＬは、光ファイバＯＦ５により光サーキュレータ２１に送られ、この光サーキュレータ２１は光ファイバＯＦ６を通じて、送信パルス光ＰＬを送受信望遠鏡ユニット３０に供給する。光サーキュレータ２１は、また光ファイバＯＦ７により光合波手段２３に結合され、送受信望遠鏡ユニット３０からの受信レーザ光ＲＬを光合波手段２３に供給する。

光合波手段２３は、光サーキュレータ２１からの受信レーザ光ＲＬと、光分岐手段１３からの局部レーザ光ＬＬとを混合する。光合波手段２３からの光出力は、光ファイバＯＦ８を通じて電気信号変換手段２５に供給される。この電気信号変換手段２５は、ホトダイオードなどの光強度検出手段で構成される。

送受信望遠鏡ユニット３０は、送受信望遠鏡３１と、光走査板３３と、走査機構３５と、エンコーダユニット４５とを有する。送受信望遠鏡３１は、光サーキュレータ２１から送信パルス光ＰＬを受け、この送信パルス光ＰＬを走査光軸Φに沿って、光走査板３３を通り、気象空間に向かって送信する。この送信パルス光ＰＬが、気象空間に存在するエアロゾルに当って反射される受信レーザ光ＲＬも、送受信望遠鏡３１により受信される。この受信レーザ光ＲＬも、走査光軸Φに沿って光走査板３３を通過し、送受信望遠鏡３１に受信される。光走査板３３は、送受信望遠鏡３１の前面に、走査光軸Φを横切るように配置される。この光走査板３３は、その中心軸の周りに回転することにより、走査光軸Φの方位をアジマス方向およびエレベーション方向に周期的に変化させるように成形されている。この光走査板３３は、走査機構３５により、回転駆動される。

走査機構３５は、駆動円板３７と、直流モータ３９と、走査制御電源４２を有する。駆動円板３７は、環状の円板で構成され、その中心孔には、光走査板３３が固着される。直流モータ３９は、歯車４１を介して駆動円板３７を駆動し、光走査板３３をその中心軸の周りに回転駆動する。走査制御電源４２は、モータドライバ４３を含み、このモータドライバ４３は、分析回路ブロック５０と独立して、直流モータ３９を等速駆動し、光走査板３３を、例えば毎分当り１回転の低速度で等速駆動する。

受信レーザ光ＲＬは、送受信望遠鏡３１から光ファイバＯＦ６を通じて光サーキュレータ２１に送られ、この光サーキュレータ２１から光ファイバＯＦ７を通じて光合波手段２３に送られる。受信レーザ光ＲＬは、送信パルス光ＰＬの各光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐに基づいて、気象空間のエアロゾルで散乱され、受信される。詳しくは、この気象空間において、光送受信望遠鏡ユニット３０からの距離の異なる多数の１レンジからＭレンジに存在するエアロゾルで散乱される。

受信レーザ光ＲＬが、図２（ｂ）に示される。この受信レーザ光ＲＬは、図２（ｂ）に示すように、光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐの送信後に連続的に受信される。送信パルス光ＰＬのオフ期間Ｔｏｆｆに受信された受信レーザ光を、M個の複数のゲート時間Ｔ１、Ｔ２、・・・Ｔｍに分割する。各ゲート時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｍにおける受信レーザ光ＲＬは、それぞれ光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｎを送信したのとほぼ同じ走査光軸Φの方位に沿って、送受信望遠鏡ユニット３０からの距離が異なるＭ個の１レンジ〜Ｍレンジから反射された受信レーザ光ＲＬに相当する。

各ゲート時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｍの時間幅を例えば２００（ｎｓｅｃ）とすれば、この時間幅は、気象空間では、３０（ｍ）の距離に相当する。言い換えれば、気象空間における１レンジ〜Ｍレンジの各レンジの距離は３０（ｍ）となる。これらの各レンジから反射された受信レーザ光ＲＬが受信される。

エンコーダユニット４５は、エンコーダ４７を有する。駆動円板３７は、その外周面に等しい角度間隔で形成された多数の光通過孔を有する。エンコーダ４７は、駆動円板３７に形成された多数の光透過孔を通じて光走査板３３の回転角度位置を表わす角度パルス信号ＰＡを発生する。この角度パルス信号ＰＡは電気信号である。

このエンコーダ４７からの角度パルス信号ＰＡは、第１、第２の２つの角度パルスＰＡ１、ＰＡ２を含む。これらの第１、第２の角度パルスＰＡ１、ＰＡ２が、図４（ａ）（ｂ）に示される。図４（ａ）に示す第１角度パルスＰＡ１は、例えば光走査板３３の１回転について、光走査板３３の所定の回転角度で１個だけ発生される。図４（ｂ）に示す第２角度パルスＰＡ２は、光走査板３３の１回転について、各角度位置のそれぞれで発生される。これらの第２角度パルスは、光走査板３３の回転に伴ない、互いに等しい角度間隔で発生される。言い換えれば、これらの第２角度パルスＰＡ２は、相隣接する２つの第１角度パルスＰＡ１の間を等分した各角度位置でそれぞれ発生される。第１角度パルスＰＡ１は、光走査板３３の回転番号を表わし、第２角度パルスＰＡ２は、その回転角度を表わす。

ゲート時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｍにおける各受信レーザ光ＲＬは、各光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐの反射波であり、それらの変調周波数ｆｍの光成分が、気象空間の１レンジ〜Ｍレンジの風速に応じて、変化したドップラ周波数ｆｄの光成分を含む。このドップラ周波数ｆｄは、風速に比例して変化する。具体的には、ドップラ周波数ｆｄは、風速に比例して、例えば±５０（ＭＨｚ）の範囲で変化する。結果として、受信レーザ光ＲＬには、基準レーザ光ＳＬの周波数ｆ０の光成分と、光強度変調手段１５による変調周波数ｆｍの光成分と、ドップラ周波数ｆｄの光成分が含まれる。

光合波手段２３では、受信レーザ光ＲＬに、周波数ｆ０の局部レーザ光ＬＬが混合されるので、電気信号変換手段２５では、周波数ｆ０の信号成分がキャンセルされる。この電気信号変換手段２５は、変調周波数ｆｍの信号成分とドップラ周波数ｆｄの信号成分が互いにプラスされた電気信号Ｓ０を出力する。この電気信号変換手段２５から出力された電気信号Ｓ０は、周波数変換手段２６に供給される。

電気信号変換手段２５からの電気信号Ｓ０は、周波数変換手段２７において、局部発振信号と混合される。電気信号Ｓ０に含まれる周波数ｆｍの信号成分は、周波数が一定であるので、周波数変換手段２７の局部発振信号の周波数を周波数ｆｍと等しくすることにより、キャンセルすることができ、結果としてドップラ周波数ｆｄの信号成分が周波数変換手段２７から出力される。この周波数変換手段２７から出力されるドップラ周波数ｆｄの信号成分をドップラ周波数電気信号Ｓｄという。このドップラ周波数電気信号Ｓｄは、例えば中心周波数５０（ＭＨｚ）にドップラ周波数ｆｄ（例えば±５０ＭＨｚ）が加わった周波数であり、この場合、１００（ＭＨｚ）以下の中間周波信号である。ドップラ周波数ｆｄは、気象空間における１レンジ〜Ｍレンジの風速に応じて変化する。

分析回路ブロック５０は、第１、第２の２つの回路基板５１、７１を有する。第１回路基板５１は、ドップラ周波数電気信号Ｓｄを電気的に処理するドップラ処理回路５３と、エンコーダ４７からの角度パルス信号ＰＡを電気的に処理する角度パルス処理回路５７と、これらのドップラ処理回路５３と角度パルス処理回路５７に共通する共通処理回路６１を含む。これらの各処理回路５３、５７、６１は、この実施の形態１によるレーザレーダ装置に専用の処理回路として作られる。第１回路基板５１は、これらの専用の処理回路５３、５７、６１を搭載したレーザレーダ装置の専用の回路基板である。

ドップラ処理回路５３は、アナログディジタル変換回路（ＡＤ変換回路）５４と、高速フーリエ変換手段５５と、絶対値演算手段５６を含む。ＡＤ変換回路５４には、周波数変換手段２７からのドップラ周波数電気信号Ｓｄが供給される。このＡＤ変換回路５４は、このドップラ周波数電気信号Ｓｄのディジタル変換出力を出力する。高速フーリエ変換手段５５は、ＡＤ変換回路５４からのディジタル変換出力を高速フーリエ変換し、フーリエ変換出力を出力する。絶対値演算手段５６は、高速フーリエ変換手段５５からのフーリエ変換出力を受けて絶対値演算を行ない、１レンジ〜ＭレンジのドップラスペクトルデータＤｓを出力する。

ドップラスペクトラルデータＤｓが、図２（ｃ）に例示される。複数のドップラスペクトラルデータＤｓは、図２（ａ）に示す各光パルスＰＬ１〜ＰＬｐのそれぞれに対応し、また図２（ｂ）に示すゲート時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｍのそれぞれに対応して算出される。言い換えれば、この複数の各ドップラスペクトラルデータＤｓは、それぞれ光走査板３３の回転により変化する走査光軸Φの方位、すなわちエンコーダ４７からの角度パルス信号ＰＡに対応するものであり、送信パルス光ＰＬの光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐのそれぞれに対応し、また各時間ゲートＴ１、Ｔ２、・・・、Ｔｍのそれぞれに対応して演算される。この複数の各ドップラスペクトラルデータＤｓは、横軸をドップラ周波数ｆｄ、縦軸を受信強度とするデータであり、風速ピークＷＳＰを含んでいる。

角度パルス処理回路５７は、パルスカウンタ５８を含む。このパルスカウンタ５８には、エンコーダ４７からの角度パルス信号ＰＡが供給される。このパルスカウンタ５８は、角度パルス信号ＰＡに含まれる第１、第２の角度パルスＰＡ１、ＰＡ２のそれぞれについて、そのパルス数をカウントし、角度カウント値ＰＢを出力する。この角度カウント値ＰＢは、第１、第２の角度カウント出力ＰＢ１、ＰＢ２を含む。これらの第１、第２の角度カウント値ＰＢ１、ＰＢ２は、それぞれ第１、第２の角度パルスＰＡ１、ＰＡ２のパルスカウント出力である。

共通処理回路６１は、同期処理回路６２と、データメモリ６３と、積算手段６４と、平均演算手段６５を含む。同期処理回路６２は、絶対値演算手段５６からのドップラスペクトラルデータＤｓと、パルスカウンタ５８からの角度カウント値ＰＢとを、互いに同期して出力するように同期処理を行なう。

積算手段６４は、連続するＮ回の測定回数について、各測定回数の角度カウント値ＰＢを積算し、角度積算値を演算し、また同じ連続するＮ回の測定回数について、１レンジ〜Ｍレンジのそれぞれに対応するドップラスペクトラルデータＤｓの測定値を積算し、それらをデータメモリ６３にメモリする。測定回数Ｎは、例えば１０００とされる。

平均演算回路６５は、積算手段６４による角度積算値と、１レンジ〜Ｍレンジの各ドップラスペクトラルデータＤｓの積算値を、それぞれ積算数Ｎで除した平均値、すなわち平均化角度積算値ＥＰＢと、平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓを演算し、データメモリ６３にメモリする。データメモリ６３は、平均化角度積算値ＥＰＢと、平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓを、互いに関連付けしてメモリする。

第２回路基板７１は、データ抽出手段７２と、ドップラ信号処理回路７３と、角度信号変換手段７４と、出力演算手段７５を有する。これらのデータ抽出手段７２、ドップラ信号処理回路７３、角度信号変換手段７４、出力演算手段７５は、ともに汎用のパーソナルコンピュータで構成される。第２回路基板７１は、この汎用のパーソナルコンピュータの回路基板である。

データ抽出手段７２は、インターフェイスバス７７を通じて、第１回路基板５１のデータメモリ５３に接続されている。このデータ抽出手段７２は、第１回路基板５１の動作速度に関係なく、第２回路基板７１に搭載されるパーソナルコンピュータに適した動作速度で、データメモリ５３から、平均化角度積算値ＰＢとそれに対応する平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓを抽出する。平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓは、ドップラ信号処理回路７３へ、また平均化角度積算値ＥＰＢは、角度信号変換回路７４へそれぞれ供給される。

ドップラ信号処理回路７３は、平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓに基づいて、走査光軸Φの各方位に対応する方向のドップラ速度データＤＶを演算し、このドップラ速度データＤＶを出力する。また、角度信号変換手段７４は、平均化角度積算値ＥＰＢに基づき、その走査光軸Φのアジマス角度信号ΦＡと、そのエレベーション角度信号ΦＥを演算し、これらのアジマス角度信号ΦAおよびエレベーション角度信号ΦＥを出力する。

出力演算手段７５は、ドップラ速度データＤＶと、アジマス角度信号ΦＡと、エレベーション角度信号ΦＥとを受けて、気象空間における風速、風向を表示する出力信号を出力する。図５は、送受信望遠鏡ユニット３０の走査と、出力演算手段７５からの出力信号の説明図である。図５（ａ）は、送受信望遠鏡ユニット３０における走査光軸Φの走査状況の説明図であり、図５（ｂ）はアジマス角度信号ΦＡとドップラ速度ＤＶとの変化を示す。

気象空間における風向を一定とした場合、所定の走査光軸Φに方向におけるドップラ速度ＤＶは図５（ｂ）に示すように、アジマス角度ΦＡの変化に伴ない、正弦波形Ａで変化する。図５（ｂ）において、水平風速Ｖは、サイン波形Ａの振幅から求められる。正弦波形Ａの振幅は、２×ＶｃｏｓΦＥであり、この振幅から水平風速Ｖが求められる。垂直風速は、正弦波形ＡのオフセットＶｏｆｆとして求められる。水平風向は、正弦波形Ａの位相から求められる。

以上のように実施の形態１では、光強度変調ユニット１５が、光伝搬部材３と、この光伝搬部材３に形成された制御電極４と、この制御電極４にパルス化周波数変調のための変調信号Ｓａを供給する変調ドライバ１５５と、全反射手段１５９とを有し、光伝搬部材３は、入力された送信レーザ光ＴＬを、パルス化周波数変調して送信パルス光ＰＬを発生し、この送信パルス光ＰＬを全反射手段１５９に送り、全反射手段１５９は、光伝搬部材３から送られた送信パルス光ＰＬを、再び光伝搬部材３に送り返し、光伝搬部材３は、全反射部材１５９から送り返された送信パルス光を、送受信望遠鏡３１に向けて送るように構成される。実施の形態１における光強度変調ユニット１５は、光伝搬部材３における残響超音波によるキャリアリークを簡単に低減するのに有効である。

実施の形態１における光強度変調ユニット１５によるキャリアリークの低減について説明する前に、キャリアリークについて、一般的に説明する。励振電極４から光伝搬部材３の端面３ｃに与えられた超音波ＳＳが光伝搬部材３の端面３ｄで反射され、その後、端面３ｃ、３ｄで順次反射される現象が起こる。励振電極４により端面３ｃに与えられた超音波をＳＳ１とし、この超音波ＳＳ１が端面３ｄに反射した超音波を第１残響超音波ＳＳ２、その後、端面３ｃで反射した超音波を、第２残響超音波ＳＳ３とする。第１残響超音波ＳＳ２は、超音波ＳＳ１に比べて減衰しており、第２残響超音波ＳＳ３は、さらに減衰している。

図６は、このキャリアリークの説明図である。図６（ａ）は、キャリアリークＣＬ１、ＣＬ２を含む送信パルス光ＰＬを示す。キャリアリークＣＬ１は、第１残響超音波ＳＳ２によるキャリアリークであり、キャリアリークＣＬ２は、第２残響超音波ＳＳ３によるキャリアリークである。

図６（ｂ）は、光伝搬部材３の内部における超音波ＳＳを示し、超音波ＳＳ１は、光パルスＰＬ１、ＰＬ２と同期する超音波である。この超音波ＳＳ１は、光パルスＰＬ１、ＰＬ２を発生するのに使用される。超音波ＳＳ２、ＳＳ３は、それぞれ第１、第２残響超音波を示す。第１残響超音波ＳＳ２は、キャリアリークＣＬ１を発生させる原因となり、第２残響超音波ＳＳ３はキャリアリークＣＬ２の原因となる。これらのキャリアリークＣＬ１、ＣＬ２は、第１、第２残響超音波ＳＳ２、ＳＳ３が、超音波ＳＳ１に比べて順次減衰しているため、減衰されたレベルにあるが、送信パルス光ＰＬのオフ期間Ｔｏｆｆで発生するので、光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐに基づく受信レーザ光ＲＬと重なり、ドップラ周波数電気信号Ｓｄの分析を阻害する。光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐが気象空間内のエアロゾル散乱を受けて受信される受信レーザ光ＲＬの信号レベルと、キャリアリークＣＬ１、ＣＬ２が機器内の光部品、例えば光サーキュレータ２１、望遠鏡３１の内面で反射されて受信光路に漏れ込む信号レベルとが、オーダ的に近くなり、その結果、ドップラスペクトラルのピークレベルが同等あるいは、キャリアリークＣＬ１、ＣＬ２から漏れ込んだ信号の方が高くなるため、ドップラ周波数電気信号Ｓｄの分析を阻害する。

図６（ｃ）には、２つのドップラスペクトラルデータＤｓを示す。図６（ｃ）の左側のドップラスペクトラルデータＤｓは、光パルスＰＬ１と超音波ＳＳ２との間に位置するゲート時間に対応しており、キャリアリークＣＬ１の影響はない。図６（ｃ）の右側のドップラスペクトラルデータＤｓには、キャリアリークＣＬ２による雑音ピークＮＰが現われている。

さて、キャリアリークＣＬ１、ＣＬ２は、第１、第２残響超音波ＳＳ２、ＳＳ３が、光伝搬部材３の側面３ａに入射した送信レーザ光ＴＬを、ファイバコリメータレンズ６に向かって回析するために起こるが、実施の形態１における光強度変調ユニット１５では、全反射手段１５９を用い、この全反射手段１５９により、光伝搬部材３の側面３ｂから放射された光パルスを、再び光伝搬部材３に送り返すことにより、キャリアリークを低減する。

具体的には、第１残響超音波ＳＳ２により、ファイバコリメータレンズ６を通り、全反射手段１５９に入射した光パルスは、全反射手段１５９により、そのまま光伝搬部材３に送り返され、再度第１残響超音波ＳＳ２により減衰された後、ファイバコリメータレンズ５、光サーキュレータ１５３を通り、出力部分１５ｂに出力されるので、キャリアリーク
ＣＬ１は、大きく低減される。同様に、第２残響超音波ＳＳ３により、ファイバコリメータレンズ６を通り、全反射手段１５９に入射した光パルスは、全反射手段１５９により、そのまま光伝搬部材３に送り返され、再度第２残響超音波ＳＳ２により減衰された後、ファイバコリメータレンズ５、光サーキュレータ１５３を通り、出力部分１５ｂに出力されるので、キャリアリークＣＬ２も大きく低減される。

このようにキャリアリークＣＬ１、ＣＬ２は、光パルスが、光伝搬部材３内を伝搬する第１、第２残響超音波により、それぞれ２度の減衰を受けるので、大きく減衰される結果になる。実施の形態１では、全反射手段１５９により、１つの光伝搬部材３の中で、２度のキャリアリークの減衰を行なうので、簡単な構成で、キャリアリークを効果的に減衰することができる。

この発明によるレーザレーダ装置は、例えば気象空間における風速、風向を計測する計測装置として利用することができる。

図１は、この発明によるレーザレーダ装置の実施の形態１を示すブロック回路図。 図２は、実施の形態１における送信パルス光と受信レーザ光とドップラスペクトラルデータを示す動作説明図。 図３は、実施の形態１における光強度変調ユニットの構成図。 図４は、実施の形態１における角度パルス信号を示す動作説明図。 図５は、実施の形態１における送受信望遠鏡ユニットの走査と出力手段の出力信号とを示す動作説明図。 図６は、キャリアリークの説明図である。

符号の説明

１０：送受信光ユニット、１１：基準レーザ、１５：光強度変調ユニット、
３：光伝搬部材、４：励振電極、１５５：変調ドライバ、１５８：パルス信号源、
１５７：変調信号源、１５９：全反射手段、３０：送受信望遠鏡ユニット、
３１：送受信望遠鏡、３３：光走査板、３５：走査機構、３９：直流モータ、
４５：エンコーダユニット、４７：エンコーダ、５０：分析回路ブロック、
５１：第１回路基板、７１：第２回路基板。

Claims (3)

1. 周期的にオン期間とオフ期間を繰返し、入力された送信レーザ光をパルス化周波数変調した送信パルス光を、前記各オン期間で出力する光強度変調ユニット、
   前記光強度変調ユニットからの前記送信パルス光を走査光軸に沿って前記各オン期間に送信するとともに、前記送信パルス光に基づく受信レーザ光を受信する送受信望遠鏡、
   光走査板を回転駆動して前記走査光軸の方位を周期的に変化させる走査機構、および
   前記走査光軸の方位の変化に対応して、前記各オフ期間で受信された前記受信レーザ光に含まれたドップラ周波数の光信号を変換したドップラ周波数電気信号を分析する分析回路ブロックを備えたレーザレーダ装置であって、
   前記光強度変調ユニットは、
   一対の第１、第２側面とこれらの各側面に交差し互いに対向する第１、第２端面を有する光伝搬部材と、
   前記光伝搬部材の第１端面に形成された励振電極と、
   前記オン期間とオフ期間を決定するパルス信号と変調信号とに基づいて、前記励振電極にパルス化周波数変調のための励振信号を供給する変調ドライバと、
   全反射手段とを有し、
   前記光伝搬部材は、前記第1側面に入力された前記送信レーザ光を、前記励振信号に基
   づく超音波によりパルス化周波数変調して光パルスを発生し、この光パルスを前記第２側面から前記全反射手段に送り、
   前記全反射手段は、前記第２側面から送られた前記光パルスを、再び前記光伝搬部材の第２側面に送り返し、
   また、前記光伝搬部材は、前記全反射部材から前記第２側面に送り返された前記光パルスを、前記送信パルス光として、前記第１側面から前記送受信望遠鏡に向けて送るように構成され、
   前記光強度変調ユニットは、さらに、前記超音波が前記第２端面で反射し前記各オフ期間で前記光伝搬部材に発生する残響超音波に基づく光パルスを、前記全反射手段により前記光伝搬部材に送り返し、前記残響超音波によるキャリアリークを減衰させることを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 請求項１記載のレーザレーダ装置であって、前記全反射手段から送り返された前記送信
   パルス光は、前記送信レーザ光と逆方向に前記光伝搬部材を通過することを特徴とするレーザレーダ装置。
3. 請求項１記載のレーザレーダ装置であって、前記光強度変調ユニットは、さらに光サーキュレータを有し、この光サーキュレータは、第1、第２、第３ポートを有し、前記第１
   ポートに供給された前記送信レーザ光が、前記第２ポートを通じて前記光伝搬部材に入力され、前記全反射手段から送り返された前記送信パルス光は、前記第２ポートから前記第３ポートを通じて、前記送受信望遠鏡に向けて送られることを特徴とするレーザレーダ装置。

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