JP5196962B2

JP5196962B2 - 光波レーダ装置

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Publication number: JP5196962B2
Application number: JP2007290835A
Authority: JP
Inventors: 武司崎村; 俊行安藤; 俊平亀山; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: JP2009115696A

Description

この発明は、レーザ光を空間に照射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。

単一周波数のレーザ光を光送受信部から大気中に照射してエアロゾル散乱光を受信し、光ヘテロダイン受信部で散乱光のドップラーシフトを検出することによって、風速の測定を行うコヒーレントドップラーライダ技術は、気象観測、気象予測、航空・交通安全のための乱気流検出等への応用が期待できる。
単一周波数のパルス光を送受信する光波レーダ装置において、連続光の基準レーザ光源を２分岐して一方を局部発振光とし、他方を音響光学変調素子によりパルス切り出し後に光増幅し、空間放出後にエアロゾル散乱光をミキシングする方式を用いた装置が実現されている（例えば、特許文献１参照）。
また、連続光の基準レーザ光源をパルス動作させた音響光学変調素子により２分岐し、一方を送信レーザ光のシード光とし、他方を局部発振光としてヘテロダイン検波に用いるシード光の注入方法が示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３８８１３１３号明細書特開平１１−１８３６１９号公報

しかし、送受信共用の光学系を用いた光波レーダ装置では、パルス光送信時に機器内部での反射光が受信光路へと導光され、この内部反射光と局部発振光とのビート信号レベルが大きいために受信器が飽和してしまい、近距離の測定が困難であるという問題があった。
これを回避するため特許文献１に示されているように、内部反射光に係るビート信号をマイクロ波スイッチや可変利得アンプを用いて時間的に増幅利得を切り替える方式が提案されている。
しかし、マイクロ波スイッチや可変利得アンプを用いて時間的に増幅利得を切り替える方式では、装置が複雑化し、高コスト化する問題がある。
また、受信器が飽和から回復するまでの間は測定が行えないという問題がある。

また、光ファイバ型の伝送路を用い、有限の長さを有する増幅器により送信光の増幅を行う場合には、送信光と局部発振光の伝送光路長に有意な差が生じる。特許文献２に示されているシード光の注入方法を用いると局部発振光がオフとなる期間が生じるが、内部反射光は基準レーザ光源の全パワーが局部発振光パワーとなっている間に現れるため、内部反射光と局部発振光の強いヘテロダインビート信号により受信器が飽和してしまうという問題が回避できない。

この発明の目的は、内部反射光と局部発振光とのビート信号が抑圧されて受信器が飽和せずに、近距離からの計測が可能であるとともにパルス光を送信しエアロゾルなどからの散乱光のドップラー周波数シフトを光ヘテロダイン検出する光波レーダ装置を提供することである。

この発明に係る光波レーダ装置は、レーザ光を連続発振する基準レーザ光源と、上記基準レーザ光源からのレーザ光をパルス駆動させて一部を局部発振光および残りを送信光としてそれぞれを２つの光路に出力する光スイッチと、一方の上記光路を伝播する送信光を大気中に送信するとともに大気中での散乱光を受信光として受信する望遠鏡と、上記送信光と上記受信光との光路を切り替える光サーキュレータと、上記受信光と上記局部発振光とを合波し合波光として出力する光合波器と、上記合波光を検波しビート信号を生成する光検波器と、上記ビート信号を周波数変換して風速または風向を検出する信号処理装置と、上記光サーキュレータまたは望遠鏡に送信光が入射した際に発生する内部反射光が上記光合波器に入力されている期間に、上記光合波器に入射される局部発振光の光パワーがオフレベルとなるように局部発振光を時間遅延する他方の上記光路に設けられた時間遅延手段を備える。

この発明に係る光波レーダ装置の効果は、局部発振光路上に設置した時間遅延手段により、光合波器に入力される局部発振光の光パワーが大きい期間がパルス光を送信する過程の機器内部で発生する内部反射光が光合波器に入力する期間と重ならないよう局部発振光が遅延されることにより、内部反射光と局部発振光とのビート信号を抑圧でき、受信器が飽和することを防ぐことができ、近距離からの計測が行えることである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置は、図１に示すように、波長１．５μｍ帯でスペクトル線幅が約１００ｋＨｚ以下のレーザ光を単一周波数で連続発振する基準レーザ光源１、基準レーザ光源１からのレーザ光の出力先を送信光路９または局部発振光路１０のいずれかに切り替える光スイッチ２、送信光路９を伝播する送信光の光パワーを増幅する増幅器３、送信光と受信光を分離する光サーキュレータ４、および送信光を大気中に送信し且つ散乱光を受信光として受信する望遠鏡５を備える。

また、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置は、局部発振光路１０を伝播する局部発振光を時間遅延する時間遅延手段１２、受信光路１１を伝播して到達した光と局部発振光とを合波する光合波器６、光合波器６で合波された合波光を検波してビート信号を得る光検波器７、および光検波器７からのビート信号の周波数成分の解析を行う信号処理装置８を備える。

送信光路９、局部発振光路１０、受信光路１１、基準レーザ光源１と光スイッチ２との間の光路、増幅器３と光サーキュレータ４との間の光路、光サーキュレータ４と望遠鏡５との間の光路、時間遅延手段１２と光合波器６との間、光合波器６と光検波器７との間の光路は、シングルモードの光ファイバまたは偏波保持機能を有するシングルモードの光ファイバで構成されている。

図２（ａ）に基準レーザ光源１から出力されるレーザ光の光パワー、図２（ｂ）に光スイッチ２の動作、図２（ｃ）に送信光路９を伝播する送信光の光パワー、図２（ｄ）に局部発振光路１０を伝播する局部発振光の光パワーのそれぞれの時間変化を示す。

次に、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の動作について説明する。
基準レーザ光源１は、図２（ａ）に示すように所定の光パワーのレーザ光を連続発振する。そして、基準レーザ光源１からの連続発振されたレーザ光は光スイッチ２に入力される。
光スイッチ２は、図２（ｂ）に示すように入力された連続発振のレーザ光の出力先を、時間的に送信光路９または局部発振光路１０のいずれかに切り替えて出力する。時間的に出力先の光路が切り替わることにより、送信光路９と局部発振光路１０とをそれぞれ伝播する図２（ｃ）に示す送信光と図２（ｄ）に示す局部発振光はパルス光となる。

送信光路９を伝播した送信光は、増幅器３で光パワーが増幅され、増幅された送信光は、光サーキュレータ４を介して望遠鏡５へと伝播し、望遠鏡５から大気中へと照射する。
大気中に照射された送信光が大気中のエアロゾルにより散乱され、送信光が散乱された散乱光を望遠鏡５により受信する。
望遠鏡５により受信された散乱光からなる受信光は、光サーキュレータ４を介して受信光路１１に導光され、受信光路１１を伝播し光合波器６に入力される。

局部発振光路１０を伝播した局部発振光は、時間遅延手段１２により所定の時間遅延量時間遅延され、時間遅延された局部発振光は光合波器６に入力される。
光合波器６は、入力された受信光と局部発振光とを合波し合波光として出力する。
受信光と局部発振光との合波光は、光検波器７に入力され、光検波器７は、入力された合波光を検波しビート信号を出力する。
信号処理装置８は、ビート信号を周波数解析してドップラーシフト量を検出し風速を求める。

なお、基準レーザ光源１の発振するレーザ光の波長を１．５μｍ帯とするのは目に対する安全性を考慮しているからで、他の波長帯でも同様の構成で用いることができる。また、線幅はコヒーレント検出を行うためになるべく狭線幅のものが適している。

光スイッチ２は、ナノ秒からマイクロ秒程度の応答特性を有し、オン・オフ消光比が大きい物を用いる。なお、入出力端がファイバに結合されているものが、取り扱いが容易で他素子との接続が容易となり好ましい。
光スイッチ２のオン・オフ時間およびオン・オフの繰返し周期は光波レーダ装置の性能に応じて適宜設定する。

光波レーダ装置の測定距離は送信光の光パワーに比例して大きくなるため、送信光の光パワーを増幅するための増幅器３を用いている。増幅器３は、基準レーザ光源１の波長および必要とされる利得を考慮して最適なものを用いる。
望遠鏡５は、光波レーダ装置の測定距離を大きくするためには開口の大きいものが望ましいが、コリメータのようなもので置き換えることもできる。

時間遅延手段１２による局部発振光の時間遅延量の調整について図２を用いて説明する。
図２（ｅ）に光合波器６に入力する内部反射光の光パワー、図２（ｆ）に光合波器６に入力する時間遅延を与えない場合の局部発振光の光パワー、図２（ｇ）に光合波器６に入力する時間遅延を与えた場合の局部発振光の光パワー、図２（ｈ）に局部発振光に時間遅延を与えない場合のヘテロダインビート信号、図２（ｉ）に局部発振光に時間遅延を与えた場合のヘテロダインビート信号のそれぞれの時間変化を示す。
なお、図２（ｇ）の符号２１３は局部発振光を時間遅延したときの時間遅延量、図２（ｈ）の符号２１４は内部反射光とのビート信号、符号２１５は受信光とのビート信号を示している。

タイミング２１６ａで光スイッチ２が局部発振光路１０から送信光路９にレーザ光の出力先を切り替えると、レーザ光が送信光として送信光路９を伝播し、局部発振光路１０を伝播する局部発振光の光パワーは零となる。
次に、タイミング２１６ｂで光スイッチ２が送信光路９から局部発振光路１０にレーザ光の出力先を切り替えると、レーザ光が局部発振光として局部発振光路１０を伝播し、送信光路９を伝播する送信光の光パワーは零となる。このタイミング２１６ａとタイミング２１６ｂでの一対の動作を、タイミング２１６ｃ、２１６ｄ、２１６ｅ、２１６ｆの所定の周期で繰り返すことにより、送信光および局部発振光がパルス化される。

送信光路９を伝播した送信光は、増幅器３により増幅され、増幅された送信光は光サーキュレータ４を介して望遠鏡５へ伝播する。そして、望遠鏡５に伝播した送信光は、大気中へと照射される。
このとき光サーキュレータ４の内部または望遠鏡５を構成する部品などからの反射光（以下、内部反射光と称す）が受信光路１１へと混入し光合波器６に到達する。内部反射光は、受信光よりも早く現れ、また強度が受信光よりも大きいため、受信器の飽和の原因となる。

内部反射光は、送信光が有限の長さを有する増幅器３を通過したのちに発生するため、内部反射光が光合波器６に到達するまでの時間に遅延が生じる。
一方、局部発振光にも局部発振光路１０を伝播して光合波器６へ到達するまでに要する時間の遅延が生じるが、増幅器３を通過する送信光に比べると一般的に時間遅延量は小さい。

局部発振光に時間遅延手段１２による遅延を与えない場合、図２（ｅ）に示すように内部反射光が光合波器６に入力されている期間に、図２（ｆ）に示すように局部発振光の光パワーがオンレベルとなり、図２（ｈ）に示すように受信光とのビート信号２１５に比べて強度の大きい内部反射光とのビート信号２１４が発生する。

一方、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置のように、局部発振光に時間遅延手段１２により時間遅延２１３を与えると、図２（ｅ）に示すように内部反射光が光合波器６に入力されている期間に、図２（ｇ）に示すように局部発振光の光パワーがオフレベルとなり、図２（ｉ）に示すように内部反射光とのビート信号が発生せずに受信光とのビート信号２１５だけを得ることができる。

なお、時間遅延手段１２により局部発振光に与える時間遅延量は、受信信号をモニタするなどして内部反射光とのビート信号が最小になるように調整する。
時間遅延を与えるための方法としては、ファイバ長を変化させる方法や空間型の光学系を用いて光路長を変化させる方法が考えられる。ファイバ長を変化させる場合、ファイバの屈折率を１．５とし真空中の光速を３×１０^８ｍ／ｓｅｃとすると、１ｍのファイバ長が時間遅延量５ｎｓｅｃに相当する。なお、送信光が伝播する光路長と局部発振光が伝播する光路長がほぼ一致するように予めファイバ長を調整することが好ましい。

この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置は、時間遅延手段１２を用いて局部発振光に時間遅延を与えることより、エアロゾル散乱光とのビート信号よりも時間遅延を与えないときに発生する振幅が大きな内部反射光とのビート信号を効果的に抑圧することができ、受信器の飽和を防ぐことができる。

また、内部反射光とのビート信号をスイッチを用いて切り替えたり、可変利得アンプを用いて時間的に増幅利得を変化させたりする必要がなくなり、局部発振光路分岐用の光カプラおよび送信光をパルス化するための装置が不要となるため、装置の簡略化、低コスト化が行える。

また、送信光の光パワーが零の期間には基準レーザ光源１からのレーザ光をすべて局部発振光として利用できるため、ショット雑音限界測定に必要な局部発振光を基準レーザ光源１からのレーザ光で実現できる。

なお、上記の構成はミラーやレンズを用いて空間型の構成とすることもできるが、装置の小型化、安定性および取り扱いの容易さを考慮して光ファイバ型による構成とし、構成部品についても光ファイバ型のものを用いて装置全体を光ファイバで接続する。
また、全光路を偏波保持機能を持つファイバで接続する方が望ましい。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の光スイッチ２がマッハツェンダー型光導波路３１で構成されていることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
光スイッチ２は、基準レーザ光源１からのレーザ光の出力先を送信光路９または局部発振光路１０のいずれかに切り替えて送信光と局部発振光とをパルス化している。そして、位相変化を動作原理とした光スイッチ２として一般的によく知られているマッハツェンダー型光導波路３１を用いることができる。

マッハツェンダー型光導波路３１は、光通信用の光スイッチとしても一般的であり、ここでは導波路型光スイッチの代表例として示した。
この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置は、光スイッチ２がマッハツェンダー型光導波路３１であるので、小型で光ファイバとの接続性が良いため、全光ファイバ型の光波レーダ装置の構成に適する。

なお、マッハツェンダー型光導波路３１と増幅器３の間に音響光学変調器などの周波数シフタを設置することにより、送信光に既知の周波数シフトを与えることで光ヘテロダイン検出を行い、風速だけでなく風向の測定も行うことができるようになる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置は、この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置のマッハツェンダー型光導波路３１の代わりに音響光学変調器（以下、ＡＯＭと称す）３２およびパルスジェネレータ３３を備えていることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置では、マッハツェンダー型光導波路３１により基準レーザ光源１からのレーザ光の出力先を送信光路９または局部発振光路１０のいずれかに切り替えて送信光と局部発振光とをパルス化しているが、ＡＯＭ３２を用いることによりパルス化と周波数シフトの機能を同時に果たすことができる。

ＡＯＭ３２の１次出力光を送信光路９に出力し、０次出力光を局部発振光路１０に出力する。
ＡＯＭ３２にはパルスジェネレータ３３から信号を入力し、パルス駆動させる。ＡＯＭ３２のパルス駆動により、基準レーザ光源１からのレーザ光が時間的に切り出されてパルス光となって送信光路９と局部発振光路１０へと出力される。

通常のＡＯＭ３２のオン・オフ消光比は０次側で１０ｄＢ程度、１次側で４０〜５０ｄＢであり、パルス駆動した際のパルスオフ時における０次側透過損失は１ｄＢ程度である。従って、パルスオフ時には、基準レーザ光源１からのレーザ光の８０％程度の出力を局部発振光として利用でき、パルスオン時には局部発振光を数％以下のパワーに消光させられる。内部反射光は受信光内のパルスＯＮ期間に現れるので、内部反射光強度と局発光強度の積に比例した振幅となる内部反射光ビートを効果的に抑圧できる。

また、ＡＯＭ３２により送信光には数十ＭＨｚ程度の周波数シフトが起こるため、光ヘテロダイン検出を行うことができる。
また、光スイッチとしてパルス駆動したＡＯＭ３２を用いることにより、送信光のパルス化と周波数シフトを同時に与えることができ、装置構成の簡略化および部品点数の削減を行うことができる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置と、波長が時間的に異なるレーザ光を発生する基準レーザ光源１Ｂおよび異なる波長のレーザ光を反射または透過するフィルタ３４を用いることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
そして、基準レーザ光源１Ｂの波長を変化させるための変調ドライバ３５と、一方の波長のレーザ光を反射し且つ他方の波長のレーザ光を透過する波長特性を有するフィルタ３４を用いることに関連して基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光をフィルタ３４に導く光路に導光するとともにフィルタ３４で反射したレーザ光を送信光路９に導光する第２光サーキュレータ３６を備えている。

この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置において基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光を送信光路９または局部発振光路１０のいずれかに導光することを説明する。
基準レーザ光源１Ｂは、連続発振されるレーザ光の波長が変調ドライバ３５により制御される。そして、基準レーザ光源１Ｂの波長は、パルスオン期間とオフ期間とでそれぞれλＴＸとλＲＸとなる。但し、λＴＸとλＲＸの差は、フィルタ３４のフィルタ幅に依存して決めるが、周波数差を考慮しできるだけ接近させる。

狭線幅の基準レーザ光源１ＢとしてはＤＦＢ−ＬＤ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄ−ＢａｃｋＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）やＤＦＢファイバレーザなどを用いることができる。
ＤＦＢ−ＬＤの場合には、温度を制御することにより共振器長を変化させて発振波長を制御する方法、または駆動電流を変化させて発振波長を変化させる方法などにより発振波長の制御を行う。
また、ＤＦＢファイバレーザの場合には、ファイバグレーティング部の温度を変化させて波長を制御する方法、またはピエゾ素子などを用いて機械的にファイバグレーティング部を伸縮させて波長を変化させる方法などがある。
なお、発振波長の制御方法は、基準レーザ光源１Ｂの種類および周波数特性などを考慮し、適宜適した方法を選択する。

基準レーザ光源１Ｂからの連続発振レーザ光を、第２光サーキュレータ３６を介してフィルタ３４に導光する。
フィルタ３４は、中心波長をλＴＸとしたＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）やエタロンなどの狭帯域フィルタである。フィルタ３４は、レーザ光の波長がλＴＸのときは反射し、それ以外の場合は透過する。

レーザ光の波長がλＴＸの場合、基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光はフィルタ３４により反射され、第２光サーキュレータ３６を介して送信光路９へと導光される。
レーザ光の波長がλＲＸの場合、基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光はフィルタ３４を透過して局部発振光路１０へと導光される。
このように２つの波長λＴＸとλＲＸに時間的に制御された基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光の波長がλＴＸのときフィルタ３４で反射されて送信光路９に導光され、波長がλＲＸのときフィルタ３４を透過して局部発振光路１０に導光される。

受信光と局部発振光とのビート信号に現れる波長差に相当する周波数と、風測定に必要となる帯域（中心周波数±５０ＭＨｚ）を考慮し、これをカバーできる光受信器で受信する。

この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置は、基準レーザ光源１Ｂの波長制御とフィルタ３４の反射・透過特性とを利用してレーザ光を送信光路９または局部発振光路のいずれかに導光することにより、パルス光の送信光を得ることができるとともに、波長差による周波数差を光ヘテロダイン検波に利用できる。
また、従来周波数シフトを与えるために必要であった変調器が不要となり、低消費電力化、機器構成の簡略化、低コスト化できる。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置では、フィルタ３４からの反射光を第２光サーキュレータ３６で送信光路９に導光しているが、この発明の実施の形態５に係る光波レーダ装置では、フィルタ３４Ｂからの反射光を第２光サーキュレータ３６で局部発振光路１０に導光している。

基準レーザ光源１Ｃは、連続発振されるレーザ光の波長が変調ドライバ３５により制御される。そして、基準レーザ光源１Ｃからのレーザ光の波長は、パルスオン期間とオフ期間とでそれぞれλＲＸとλＴＸとなる。
フィルタ３４Ｂは、実施の形態４に係るフィルタ３４と同様に、レーザ光の波長がλＴＸのときは反射し、それ以外の場合は透過する。
基準レーザ光源１Ｃからのレーザ光の波長がλＴＸの場合、基準レーザ光源１Ｃからのレーザ光はフィルタ３４Ｂにより反射され、第２光サーキュレータ３６を介して局部発振光路１０へと導光される。
基準レーザ光源１Ｃからのレーザ光の波長がλＲＸの場合、基準レーザ光源１Ｃからのレーザ光はフィルタ３４Ｂを透過して送信光路９へと導光される。
このように２つの波長λＴＸとλＲＸに時間的に制御された基準レーザ光源１Ｃからのレーザ光の波長がλＴＸのときフィルタ３４Ｂで反射されて局部発振光路１０に導光され、波長がλＲＸのときフィルタ３４Ｂを透過して送信光路９に導光される。

この発明の実施の形態５に係る光波レーダ装置は、基準レーザ光源１Ｃの波長変化により送信光と局部発振光の光路を切り替えることができる。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６に係る光波レーダ装置のフィルタの中心波長を制御する部分を示す構成図である。
この発明の実施形態４に係る光波レーダ装置では、フィルタ３４の中心波長が一定で変化しないとして説明しているが、周囲の温度変化などにより、フィルタ３４の中心波長が変動することが考えられる。
この発明の実施の形態６に係る光波レーダ装置は、フィルタ３４の中心波長を変化させる。以下、フィルタ３４の中心波長を変化する方法について説明する。
この発明の実施の形態６に係る光波レーダ装置は、この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置に光分岐器３７、受光器３８および制御器３９を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
光分岐器３７は、フィルタ３４と局部発振光路１０の間に配置され、フィルタ３４を通過したレーザ光をモニタするためにレーザ光を分岐する。
受光器３８は、光分岐器３７で分岐されたレーザ光の強度を電気信号に変換する。
制御器３９は、局部発振光を分岐したモニタ光の強度を参照しながら波長λＲＸでのフィルタ３４の透過率が最大になるようフィルタ３４の中心波長を制御する。

次に、この発明の実施の形態６に係る光波レーダ装置においてフィルタ３４の中心波長を制御する動作について説明する。
モニタ用の光分岐器３７により、一定の所定の割合（例えば、約１％程度）のパワーの局部発振光をモニタ光として分岐する。
モニタ用の光分岐器３７により分岐したモニタ光を受光器３８でモニタ光の光パワーに比例する電気信号に変換する。
受光器３８からの電気信号を制御器３９へ入力し、フィルタ３４の中心波長を制御する。

制御器３９によるフィルタ３４の中心波長の制御方法としては、フィルタ３４の中心波長を変化させたときにモニタ光のパワーが最大となるように制御する方法を用いる。この様子を図８を用いて説明する。
図８において、透過率が最大になる波長がλ１の場合のフィルタ３４の透過率の波長特性８１、透過率が最大になる波長をλ１から＋Δλだけ変化させたときのフィルタ３４の透過率の波長特性８２、透過率が最大になる波長をλ１から−Δλだけ変化させたときのフィルタ３４の透過率の波長特性８３、透過率が最大になる波長が（λ１＋Δλ）のフィルタ３４を透過した波長がλＲＸの局部発振光の透過パワー８４、透過率が最大になる波長がλ１のフィルタ３４を透過した波長がλＲＸの局部発振光の透過パワー８５、透過率が最大になる波長が（λ１−Δλ）のフィルタ３４を透過した波長がλＲＸの局部発振光の透過パワー８６を示している。

フィルタ３４の中心波長がずれてフィルタ３４の透過率が最大になる波長がλ１となっているとき、波長λＲＸのレーザ光に対するフィルタ３４の透過率は最大の場合よりも小さくなっており、このときの透過パワー８５も最大の場合よりも小さくなっている。この状態からフィルタ３４の中心波長を＋Δλ変化させると、フィルタ３４の透過率はさらに小さくなり、このときの透過パワー８４もさらに小さくなる。
一方、フィルタ３４の中心波長を−Δλ変化させた場合にはフィルタ３４の透過率は大きくなり、このときの透過パワー８６も大きくなる。
そこで、透過パワーが大きい波長（λ１−Δλ）をλ１に置き換えて、上述のようにフィルタ３４の中心波長を＋Δλ、−Δλ変化させて同様の動作を繰り返すことにより、フィルタ３４を透過した波長λＲＸのレーザ光の光パワーが最大になるようフィルタ３４の中心波長を制御する。

なお、フィルタ３４の中心波長を変化させる場合、フィルタ３４の透過帯域が送信光波長λＴＸにかからないよう波長λＴＸと波長λＲＸを選択しておかなければならない。
また、中心波長の変化量Δλはできる限り小さくすることが好ましい。

図９（ａ）に基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光の光パワー、図９（ｂ）に基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光の波長、図９（ｃ）に送信光の光パワー、図９（ｄ）に局部発振光の光パワー、図９（ｅ）にヘテロダインビート信号、図９（ｆ）に制御器７３の動作、図９（ｇ）にフィルタ３４の最大の透過率となる波長のそれぞれの時間変化を示す。
また、図９（ｈ）にパルス光である送信光の繰り返し周波数を１ｋＨｚ、パルス幅を５００ｎｓ、計測距離を１０ｋｍとした場合の光波レーダ装置の計測期間を示している。

フィルタ３４の中心波長の制御は送信光のオフ期間（基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光の波長がλＲＸで、基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光が局部発振光路１０に導光されている期間）に行う。送信光のオン期間（基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光の波長がλＴＸで、基準レーザ光源１Ｂからのレーザ光が送信光路９に導光されている期間）には局部発振光がオフとなり、局部発振光のモニタおよび中心波長の制御が不可能となるため、この期間には中心波長は一定値で固定しておく。

フィルタ３４の波長はずれにより測定不能となることを回避するために以下のように期間を限定してフィルタ３４の中心波長の制御を行う方法がある。
図９（ｆ）に示すように、送信光の繰り返し周波数を１ｋＨｚとすると局部発振光のパルス幅は９９９．５μｓとなる。光波レーダ装置の測定においては、送信光を送信してから１μｓ後に受信した信号が１５０ｍ前方の風速を表すため、１０ｋｍまでの測定を行うためには約６６μｓ後の信号までを受信すればよく、６６μｓ後から次の送信光を送信するまでの期間は測定に全く関与しない期間となる。この期間にだけフィルタ３４の中心波長を変化させて局部発振光の光パワーが最大となるようにフィルタ３４の中心波長を制御し、それ以外の期間は調整した中心波長で固定しておく。このようにして、測定期間中は透過率が最大となる波長がλＲＸとなるようフィルタ３４の中心波長が固定されるため、送信光および局部発振光の光パワーの変動がなくなり、安定な測定が行える。

なお、この発明の実施の形態５に係る光波レーダ装置でも、フィルタ３４Ｂの中心波長の制御を行うことができるが、その場合第２光サーキュレータ３６と局部発振光路１０の間にモニタ用の光分岐器３７を配置する。

実施の形態７．
図１０は、この発明の実施の形態７に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態１乃至６に係る光波レーダ装置では、局部発振光路１０にだけ時間遅延手段１２を配置していたが、この発明の実施の形態７に係る光波レーダ装置では、送信光路９にも第２時間遅延手段４０を配置している。
この発明の実施の形態７に係る光波レーダ装置は、この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置に第２時間遅延手段４０を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
第２時間遅延手段４０は、時間遅延手段１２が局部発振光を時間遅延する時間遅延量と独立に時間遅延量を設定するとともに設定した時間遅延量だけ送信光を時間遅延する。そして、光検波器７において内部反射光が到達する時間に、局部発振光の立下りの開始時間が一致するようそれぞれの時間遅延量を調整する。

この発明の実施の形態７に係る光波レーダ装置は、時間遅延量が独立して設定し得る２つの時間遅延手段により送信光と局部発振光とを独立に時間遅延できるので、内部反射光と局部発振光との微小の到達時間差をより精度良く解消でき、内部反射光のビート信号を効果的に抑圧できる。
なお、実施の形態２乃至６に係る光波レーダ装置にも、送信光を時間遅延する第２時間遅延手段４０を備えることにより、内部反射光と局部発振光との微小の到達時間差をより精度良く解消でき、内部反射光のビート信号を効果的に抑圧できる。

この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１に係る光波レーダ装置での信号の時間変化を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態２に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態３に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態４に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態５に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態６に係る光波レーダ装置のフィルタの中心波長を制御する部分を示す構成図である。中心波長が変化されたフィルタの透過率の波長特性を示すグラフである。この発明の実施の形態６に係る光波レーダ装置での信号の時間変化を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態７に係る光波レーダ装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１、１Ｂ、１Ｃ基準レーザ光源、２光スイッチ、３増幅器、４光サーキュレータ、５望遠鏡、６光合波器、７光検波器、８信号処理装置、９送信光路、１０局部発振光路、１１受信光路、１２時間遅延手段、３１マッハツェンダー型光導波路、３２音響光学変調器（ＡＯＭ）、３３パルスジェネレータ、３４、３４Ｂフィルタ、３５変調ドライバ、３６第２光サーキュレータ、３７光分岐器、３８受光器、３９制御器、４０第２時間遅延手段。

Claims

レーザ光を連続発振する基準レーザ光源と、上記基準レーザ光源からのレーザ光をパルス駆動させて一部を局部発振光および残りを送信光としてそれぞれを２つの光路に出力する光スイッチと、一方の上記光路を伝播する送信光を大気中に送信するとともに大気中での散乱光を受信光として受信する望遠鏡と、上記送信光と上記受信光との光路を切り替える光サーキュレータと、上記受信光と上記局部発振光とを合波し合波光として出力する光合波器と、上記合波光を検波しビート信号を生成する光検波器と、上記ビート信号を周波数変換して風速または風向を検出する信号処理装置と、上記光サーキュレータまたは望遠鏡に送信光が入射した際に発生する内部反射光が上記光合波器に入力されている期間に、上記光合波器に入射される局部発振光の光パワーがオフレベルとなるように局部発振光を時間遅延する他方の上記光路に設けられた時間遅延手段と、を備えることを特徴とする光波レーダ装置。
上記光スイッチは、マッハツェンダー型導波路を有することを特徴とする請求項１に記載の光波レーダ装置。
上記光スイッチは、出力光の１次光成分を上記送信光、且つ出力光の０次光成分を上記局部発振光として出力するとともにパルス駆動させた音響光学変調器であることを特徴とする請求項１に記載の光波レーダ装置。
上記基準レーザ光源は、異なる波長が時間的に変化するレーザ光を連続発振し、
波長が一方のとき上記レーザ光を反射し、また波長が他方のとき上記レーザ光を透過して上記局部発振光として出力するフィルタと、
上記基準レーザ光源からのレーザ光を上記フィルタに導光するとともに上記フィルタで反射したレーザ光を上記一方の光路に送信光として導光する第２光サーキュレータと、を備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。
上記基準レーザ光源は、異なる波長が時間的に変化するレーザ光を連続発振し、
波長が一方のとき上記レーザ光を反射し、また波長が他方のとき上記レーザ光を透過して上記送信光として出力するフィルタと、
上記基準レーザ光源からのレーザ光を上記フィルタに導光するとともに上記フィルタで反射したレーザ光を上記時間遅延手段に繋がる光路に局部発振光として導光する第２光サーキュレータとを備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。
上記送信光を伝播する光路に配置されるとともに上記時間遅延手段に設定された時間遅延量と独立に設定された時間遅延量だけ上記送信光を時間遅延する第２時間遅延手段を備え、上記時間遅延手段と第２時間遅延手段の時間遅延量が、上記光サーキュレータまたは望遠鏡に送信光が入射した際に発生する内部反射光が上記光合波器に入力されている期間に、上記光合波器に入射される局部発振光の光パワーがオフレベルとなるように調整されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光波レーダ装置。
上記フィルタの中心波長を制御するための手段を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の光波レーダ装置。