JP4794250B2 - 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。この分析回路は、ドップラ周波数電気信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路からのディジタル出力を高速フーリエ変換するフーリエ変換手段を用いて、走査光軸に対応するドップラスペクトラムデータを得るように構成される。

特開２００１−２０１５７３号公報

しかし、従来のこの種のレーザレーダでは、分析回路がＡＤ変換回路のディジタル出力を高速フーリエ変換する特殊なフーリエ変換手段を含むため、分析回路は、１つの専用回路基板を用いて構成され、高価であるとともに、走査光軸を表わす信号が、制御の初期段階からデータ量の大きなアジマス角度信号およびエレベーション角度信号とされ、これらのアジマス角度信号とエレベーション角度信号がドップラスペクトラムデータと関連付けされて使用されるため、このアジマス角度信号およびエレベーション角度信号の取り扱いが複雑となっている。

この発明は、この分析回路を低価格化に向けて改良し、また走査光軸を表わす信号の処理を簡単化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、走査光軸に沿って、送信レーザ光を光強度変調した送信パルス光を所定の周期で繰返し送信するとともに、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、前記光走査板の回転角度に対応した回転角度パルスを出力するエンコーダ、および前記走査光軸の方位の変化に対応して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前記走査光軸の方向の複数のレンジ毎に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、前記分析回路ブロックは、第１回路基板と第２回路基板とこれらを接続するインターフェイスバスを有し、前記第１回路基板は、前記ドップラ周波数電気信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換回路と、このアナログディジタル変換回路のディジタル出力を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段と、この高速フーリエ変換手段からのフーリエ変換出力を絶対値演算して前記各レンジ毎にドップラスペクトルデータを出力する絶対値演算手段と、前記エンコーダの回転角度パルスをカウントして角度カウント値を出力するカウンタと、前記角度カウント値を連続するＮ個の前記送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化角度積算値と、この平均化角度積算値に対応し前記各レンジ毎に前記ドップラスペクトルデータを前記Ｎ個の送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化ドップラスペクトラルデータとを互いに関連付けしてメモリするデータメモリとを有し、また、前記第２回路基板は、前記インターフェイスバスを通じて前記第１回路基板のデータメモリに接続され、このデータメモリから、関連付けされた前記平均化角度積算値と前記平均化ドップラスペクトルデータを抽出する抽出手段と、この抽出手段からの前記平均化ドップラスペクトラルデータに基づいて前記各レンジ毎にドップラ速度データを出力するドップラ信号処理手段と、前記抽出手段からの前記平均化角度積算値に基づいてそのアジマス角度信号とエレベーション角度信号を出力する角度信号変換手段と、前記アジマス角度信号とエレベーション角度信号に対応して前記ドップラ速度データを出力する出力演算手段とを有し、前記第２回路基板における前記抽出手段とドップラ信号処理手段と角度信号変換手段と出力演算手段は、汎用のパーソナルコンピュータで構成されたことを特徴とする。

この発明のレーザレーダ装置では、分析回路ブロックを、第１、第２回路基板に分けて構成し、第１回路基板には、レーザレーダに特有の信号処理を行なうためのアナログディジタル変換回路と、高速フーリエ変換手段と、絶対値演算手段と、データメモリとを搭載し、また第２回路基板には、汎用の信号処理を行なうための抽出手段と、ドップラ信号処理手段と、角度信号変換手段と、出力演算手段とを搭載し、これらの第２回路基板における抽出手段とドップラ信号処理手段と角度信号変換手段と出力演算手段を汎用のパーソナルコンピュータで構成したので、これらの各回路基板を安価に構成することができ、また各回路基板を、それぞれに適した動作速度で動作させることができ、効率的な動作を行なわせることができる。また、第１回路基板では、エンコーダからの角度パルス信号をカウンタによりカウントした角度カウント値を用い、この角度カウント値を連続するＮ個の送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化角度積算値と、この平均化角度積算値に対応する平均化ドップラスペクトラルデータと関連付けしてデータメモリにメモリするようにしており、この角度カウント値は、第２回路基板で使用されるアジマス角度信号およびエレベーション角度信号に比べて、データ容量が小さく、このデータ容量の小さな角度カウント値を用いて、信号処理を簡単化することができる。

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における角度パルス信号を示す動作説明図、図４は、実施の形態１におけるデータメモリのメモリテーブルを示す図表、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演算手段の出力信号とを示す動作説明図である。

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、光強度変調手段１６と、それに結合されたパルス化変調信号源１７を有する。光強度変調手段１６は、送信レーザ光ＴＬをパルス化変調信号源１７によりパルス化して送信パルス光ＰＬを出力する。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、それぞれ送信レーザ光ＴＬがパルス化され、光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐが出力される。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、送信パルス光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。

パルス化変調信号源１７は、パルス化された変調周波数ｆｍの信号源であり、その変調周波数はｆｍとされる。各オン期間Ｔｏｎにおける各光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐでは、送信レーザ光ＴＬがパルス化変調信号源１７からの変調信号により周波数変調される。各光パルスＰＬ１、ＰＬ２、・・・、ＰＬｐは、基準レーザ光ＳＬの周波数ｆ０の光成分と変調周波数ｆｍの光成分を含む。変調周波数ｆｍは、例えば２４０（ＭＨｚ）とされる。

光強度変調手段１６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。

光結合手段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散乱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〜Ｍレンジに存在するエアロゾルで散乱され、受信される。

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、各光パルス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、・・・、ＰＬｐ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ＬＲ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、その外周部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。

なお、この実施の形態１では、［００１８］で直流モータ３９を等速駆動させた場合の動作について記述しているが、［００２２］で述べたように、エンコーダユニット４７により光走査板３３の回転角度位置を表わす角度信号パルスＰＡを発生することが可能であるので、直流モータ３９を非等速駆動してもよい。この直流モータ３９を非等速駆動する場合には、走査制御電源４２において等速駆動のための制御回路等が不要となり、走査制御電源４２を簡便に構成できる利点がある。

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３（ａ）（ｂ）に示される。図３（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３（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１６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Ｓｏ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Ｓｏは、周波数変換手段２７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と、これらを接続するインターフェイスバス７７を有する。第１回路基板５１は、分析回路ブロック５０の第１処理回路を構成し、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処理回路を構成する第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の角度カウント値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、連続する測定回数１〜Ｎについて、各測定回数１〜Ｎの角度カウント値ＰＢを積算し、角度積算値を演算し、また同じ連続する測定回数１〜Ｎ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。この積算される測定回数Ｎは、例えば１０００とされる。

平均演算手段６５は、積算手段６４による角度積算値と、１レンジから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と、互いに関連付けしてメモリする。

図４は、データメモリ６３のメモリテーブルを示す。このメモリテーブルは、縦方向に区切られた５つのメモリ区分Ａ１〜Ａ５を有する。一番左のメモリ区分Ａ１は、測定回数Ｎをメモリする区分であり、１〜Ｎの連続した測定回数がメモリされる。左から２番目のメモリ区分Ａ２は、角度カウント値ＰＢをメモリする区分であり、測定回数１〜Ｎのそれぞれに対応した角度カウント値ＰＢ、具体的には、角度カウント値ＡＮＧ．１〜ＡＮＧ．Ｎが、対応する測定回数１〜Ｎの横に並ぶようにメモリされる。左から３番目のメモリ区分Ａ３は、１レンジ〜Ｍレンジの各レンジのドップラスペクトラルデータＤｓがメモリされる区分であり、各角度カウント値ＰＢのそれぞれに対応するドップラスペクトラルデータＤｓが、対応する角度カウント値ＡＮＧ．１〜ＡＮＧ．Ｎの横に並ぶようにメモリされる。具体的には、１レンジには、Ｓｐｃ１．１〜Ｓｐｅｃ１．Ｎが、２レンジには、Ｓｐｃ．２．１〜Ｓｐｃ２．Ｎが、またＭレンジには、ＳｐｃＭ．１〜ＳｐｃＭ．Ｎがそれぞれメモリされる。メモリ区分Ａ２の角度カウント値ＰＢ、およびＡ３のドップラスペクトラルデータＤｓは、測定値である。

左から４番目のメモリ区域Ａ４は、角度積算値がメモリされる区分である。この区分Ａ４には、測定回数１〜Ｎのそれぞれに対応して、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１、Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２、・・・、Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎがメモリされる。Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１は、角度カウント値ＡＮＧ．１に対応する角度積算値を示し、Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２は、角度カウント値ＡＮＧ．１とＡＮＧ．２の積算値を示し、Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎは、角度カウント値ＡＮＧ．１〜ＡＮＧ．Ｎの積算値を示す。

一番右のメモリ区分Ａ５は、ドップラスペクトラルデータＤｓの積算値がレンジ毎にメモリされる区分である。このメモリ区分Ａ５には、１レンジ〜Ｍレンジの各レンジの積算値が角度積算値に対応してメモリされる。具体的には、１レンジには、ドップラスペクトラルデータＣｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜１、Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜２、・・・、Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜Ｎがメモリされる。Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜１は、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１に対応するドップラスペクトラルデータＤｓの積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃ１．１の積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１の横に並んでメモリされる。Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜２は、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２に対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃ１．１とＳｐｃ１．２の積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２の横に並んでメモリされる。Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜Ｎは、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎに対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃ１．１〜Ｓｐｃ１．Ｎの積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎの横に並んでメモリされる。

メモリ区分Ａ５の２レンジには、Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜１、Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜２、・・・、Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜Ｎがメモリされる。Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜１は、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１に対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃ２．１の積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１の横に並んでメモリされる。Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜２は、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２に対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃ２．１とＳｐｃ２．２の積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２の横に並んでメモリされる。Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜Ｎは、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎに対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃ２．１〜Ｓｐｃ２．Ｎの積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎの横に並んでメモリされる。

メモリ区分Ａ５のＭレンジには、Ｃｕｍ．ＳｐｃＭ．１〜１、Ｃｕｍ．ＳｐｃＭ．１〜２、・・・、Ｃｕｍ．ＳｐｃＭ．１〜Ｎがメモリされる。Ｃｕｍ．ＳｐｃＭ．１〜１は、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１に対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃＭ．１の積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜１の横に並んでメモリされる。Ｃｕｍ．ＳｐｃＭ．１〜２は、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２に対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃＭ．１とＳｐｃＭ．２の積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜２の横に並んでメモリされる。Ｃｕｍ．ＳｐｃＭ．１〜Ｎは、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎに対応する積算値であり、ドップラスペクトラルデータＳｐｃＭ．１〜ＳｐｃＭ．Ｎの積算値を示し、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎの横に並んでメモリされる。

メモリ区分Ａ１の一番下に、平均値が設定され、メモリ区分Ａ４には、角度積算値Ｃｕｍ．ａｎｇ１〜Ｎの平均化角度積算値ＥＰＢ、すなわち（Ｃｕｍ．ａｍｇ１〜Ｎ）／Ｎがメモリされる。メモリ区分Ａ５の１レンジからＭレンジの各レンジには、平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓがメモリされる。具体的には、１レンジには、１レンジのドップラスペクトラルデータＤｓの積算値（Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜Ｎ）の平均値（Ｃｕｍ．Ｓｐｃ１．１〜Ｎ）／Ｎがメモリされ、２レンジには、２レンジのドップラスペクトラルデータＤｓの積算値（Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜Ｎ）の平均値（Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜Ｎ）／Ｎがメモリされ、Ｍレンジには、ＭレンジのドップラスペクトラルデータＤｓの積算値（Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜Ｎ）の平均値（Ｃｕｍ．Ｓｐｃ２．１〜Ｎ）／Ｎがメモリされる。

第２回路基板７１は、分析回路ブロック５０の第２処理回路を構成し、第２データ抽出手段７２と、ドップラ信号処理手段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、ドップラ信号処理手段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処理回路を構成する第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ＥＰＢ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、ドップラ信号処理手段７３へ、また平均化角度積算値ＥＰＢは、角度信号変換手段７４へそれぞれ供給される。

ドップラ信号処理手段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、角度信号変換回路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、分析回路ブロック５０が、第１回路基板５１と第２回路基板７１を有し、第１回路基板５１が、ドップラ周波数電気信号Ｓｄをディジタル信号に変換するＡＤ変換回路５４と、このＡＤ変換回路５４のディジタル出力を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段５５と、この高速フーリエ変換手段５５からのフーリエ変換出力を絶対値演算して各レンジ毎にドップラスペクトルデータＤｓを出力する絶対値演算手段５６と、エンコーダ４７の回転角度パルスＰＡをカウントして角度カウント値ＰＢを出力するカウンタ５８と、角度カウント値ＰＢを連続するＮ個の送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化角度積算値ＥＰＢと、この平均化角度積算値ＥＰＢに対応し各レンジ毎にドップラスペクトルデータＤｓをＮ個の送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓとを互いに関連付けして記憶するデータメモリ６３を有し、また、第２回路基板７１は、第１回路基板５１のデータメモリ６３から、関連付けされた平均化角度積算値ＥＰＢと平均化ドップラスペクトルデータＥＤｓを抽出する抽出手段７２と、この抽出手段７２からの平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓに基づいてドップラ速度データＤＶを出力するドップラ信号処理手段７３と、抽出手段７１からの平均化角度積算値ＥＰＢに基づいてそのアジマス角度信号ΦＡとエレベーション角度信号ΦＥを出力する角度信号変換手段７４と、アジマス角度信号ΦＡとエレベーション角度信号ΦＥに対応してドップラ速度データＤＶを出力する出力演算手段７５とを有している。

この実施の形態１のレーザレーダ装置では、分析回路ブロック５０を、第１、第２回路基板５１、７１に分けて構成し、第１回路基板５１には、レーザレーダに特有の信号処理を行なうためのＡＤ変換手段５４と、高速フーリエ変換手段５５と、絶対値演算手段５６と、データメモリ６３とを搭載し、また第２回路基板７１には、汎用の信号処理を行なうための抽出手段７２と、ドップラ信号処理手段７３と、角度信号変換手段７４と、出力演算手段７５とを搭載したので、これらの各回路基板５１、７１を安価に構成することができ、また各回路基板５１、７１を、それぞれに適した動作速度で動作させることができ、効率的な動作を行なわせることができる。

また、第１回路基板５１では、エンコーダ４７からの角度パルス信号ＰＡをパルスカウンタ５８によりパルスカウントした角度カウント値ＰＢを用い、この角度カウント値ＰＢの平均化角度積算値ＥＰＢと平均化ドップラスペクトラルデータＥＤｓと関連付けしてデータメモリ６３にメモリするようにしており、この角度カウント値ＰＢは、第２回路基板で使用されるアジマス角度信号およびエレベーション角度信号に比べて、データ容量が小さく、このデータ容量の小さな角度カウント値ＰＢを用いて、信号処理を簡単化することができる。また角度カウント値ＰＢは、第２回路基板７１で使用されるアジマス角度信号ΦＡ、エレベーション角度信号ΦＥに比べて、信号伝送に用いる伝送線数を１系統に集約することが可能であり、機器間の信号ケーブルの系統数削減によるケーブル太さの最小化、コスト低減の効果がある。

なお、実施の形態１では、［００１４］に記載した変調周波数に関して、送信パルス光ＰＬのオン期間に周波数ｆｍの変調を加えるようにしているが、気象空間での風の向きが常に送受信望遠鏡ユニット３０に対して向かい風方向（あるいは追い風方向）の場合には、ドップラ周波数ｆｄの符号は常に正（あるいは負）となる。例えば、一定方向に進行する移動体にレーザレーダ装置を搭載し、その送信パルス光ＰＬの出射方位を、その移動方向とした場合などが、これに相当する。この場合、周波数変調ｆｍを加える必要がなく、装置の簡略化による高信頼性化、低コスト化の効果がある。

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における角度パルス信号を示す動作説明図。 図４は、実施の形態１におけるデータメモリのメモリテーブルを示す図表。 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。

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、
１６：光強度変調手段、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、
５４：アナログディジタル変換回路、５５：高速フーリエ変換手段、
５６：絶対値演算手段、５８：カウンタ、６３：データメモリ、
７１：第２回路基板、７２：抽出手段、７３：信号処理回路、
７４：角度信号変換手段、
７５：出力演算手段。

Claims (3)

1. 走査光軸に沿って、送信レーザ光を光強度変調した送信パルス光を所定の周期で繰返し送信するとともに、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、前記光走査板の回転角度に対応した回転角度パルスを出力するエンコーダ、および前記走査光軸の方位の変化に対応して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前記走査光軸の方向の複数のレンジ毎に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、
   前記分析回路ブロックは、第１回路基板と第２回路基板とこれらを接続するインターフェイスバスを有し、
   前記第１回路基板は、前記ドップラ周波数電気信号をディジタル信号に変換するアナルグディジタル変換回路と、
   このアナログディジタル変換回路のディジタル出力を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段と、
   この高速フーリエ変換手段からのフーリエ変換出力を絶対値演算して前記各レンジ毎にドップラスペクトルデータを出力する絶対値演算手段と、
   前記エンコーダの回転角度パルスをカウントして角度カウント値を出力するカウンタと、
   前記角度カウント値を連続するＮ個の前記送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化角度積算値と、この平均化角度積算値に対応し前記各レンジ毎に前記ドップラスペクトルデータを前記Ｎ個の送信パルス光に亘り積算し平均化した平均化ドップラスペクトラルデータとを互いに関連付けしてメモリするデータメモリとを有し、
   また、前記第２回路基板は、前記インターフェイスバスを通じて前記第１回路基板のデータメモリに接続され、このデータメモリから、関連付けされた前記平均化角度積算値と前記平均化ドップラスペクトルデータを抽出する抽出手段と、
   この抽出手段からの前記平均化ドップラスペクトラルデータに基づいて前記各レンジ毎にドップラ速度データを出力するドップラ信号処理手段と、
   前記抽出手段からの前記平均化角度積算値に基づいてそのアジマス角度信号とエレベーション角度信号を出力する角度信号変換手段と、
   前記アジマス角度信号とエレベーション角度信号に対応して前記ドップラ速度データを
   出力する出力演算手段とを有し、
   前記第２回路基板における前記抽出手段とドップラ信号処理手段と角度信号変換手段と出力演算手段は、汎用のパーソナルコンピュータで構成された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、前記抽出手段が、インターフェイスバスを介して、前記データメモリに接続された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、前記走査機構が、前記分析回路ブロックと独立して前記光走査板を回転駆動することを特徴とするレーザレーダ装置。

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