JP5332103B2 - 光波レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、パルス光を空間に放出し、空間内のエアロゾル移動に伴うパルス光の散乱光のドップラシフトによる風速を測定する光波レーダ装置に関するものである。

従来の光波レーダ装置は、光信号を発光する光源と、その光源により発光された光信号を変調してパルス光を出力する光強度変調器と、その光強度変調器により変調されたパルス光を増幅する光増幅器と、その光増幅器により増幅されたパルス光を空間に放出する一方、その空間で散乱されたパルス光の散乱光を収集する光送受信系と、その光源により発光された光信号のローカル部と光送受信系により収集された散乱光をヘテロダイン検波して、風速のドップラ周波数を求めるドップラレーダ用受信回路とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。
これにより、光波レーダ装置が例えば飛行機に搭載されれば、飛行機の飛行速度のドップラ周波数をキャンセルして、風速のドップラ周波数を求めることができる。

ただし、光増幅器により増幅されたパルス光が光ファイバ型の導波路を通じて光送受信系まで伝搬される場合、ファイバコア媒質の非線形効果によってパルス光の強度変化に比例した屈折率変化が生じる。この屈折率変化が発生すると、伝搬中のパルス光の位相が変化する（自己位相変調）。この位相変化はパルス光の強度に比例することが知られている（Ｋｅｒｒ効果）。
また、パルス光は時間的に強度が変化するため、その位相が時間的に変化する。時間変化する位相の変化率は周波数変化に対応するので、送信するパルス光の周波数が偏移する。

さらに、送信するパルス光の周波数が偏移すると、ドップラレーダ用受信回路が測定する風速のドップラ速度（ドップラ周波数に相当）にオフセットが発生する。
例えば、波長１．５μｍのパルス光を送信する場合において、１．３ＭＨｚの周波数偏移が発生すると、その周波数偏移は、ドップラ速度１ｍ／ｓのオフセット誤差に対応する。

特開２００３−２４０８５２号公報（段落番号［００１６］から［００２４］、図１）

従来の光波レーダ装置は以上のように構成されているので、送信するパルス光の周波数が偏移すると、ドップラレーダ用受信回路が測定する風速のドップラ速度にオフセットが発生する。このため、視線方向の風速を高精度に測定することができないなどの課題があった。

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、送信するパルス光に対する周波数偏移を検出して、風速の高精度な測定を可能にする光波レーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る光波レーダ装置は、発光手段により発光された光信号に対する周波数偏移を検出する周波数偏移検出手段を設けるようにしたものである。また、光導波手段における伝送路の伝搬長が、光信号に対する周波数偏移の許容誤差と、その伝送路の有効コア面積及び非線形屈折率と、その光信号の振動数及び強度とから特定される基準値より小さく、あるいは、光導波手段における伝送路の有効コア面積が、その伝送路の非線形屈折率と、光信号の振動数及び強度と、その光信号に対する周波数偏移の許容誤差とから特定される基準値より大きくものであって、周波数偏移検出手段により検出された周波数偏移に応じて風速算出手段により算出された風速を補正する風速補正手段を設けるようにしたものである。
加えて、上記周波数偏移検出手段は、発光手段により発光された光信号の一部と、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点であって、反射率が一定かつ反射位置が時間的に移動しない点に反射された光信号とを合成し、その合成光から当該光信号に対する周波数偏移を検出し、上記周波数偏移検出手段は、上記発光手段の光信号の発光直後に、上記発光手段により発光された光信号の一部と、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点であって、反射率が一定かつ反射位置が時間的に移動しない点に反射された光信号とを合成し、上記風速算出手段は、上記発光手段の光信号の発光から、上記散乱光を生じさせたエアロゾルとの距離をＺ［ｍ］とする、２×（Ｚ［ｍ］／光速）秒後に、上記発光手段により発光された光信号の一部と上記光送受信手段により収集された散乱光とを合成することで、上記周波数偏移検出手段及び上記風速算出手段による光信号の合成を時分割で行うようにしたもの、
又は、上記風速補正手段は、上記周波数偏移検出手段が、予め、パルス光のパルス出射条件毎にパルス光の周波数偏移を、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点であって、反射率が一定かつ反射位置が時間的に移動しない点に反射された光信号から、測定してテーブルに格納しておき、そのテーブルから光導波手段により伝搬された光信号に係るパルス光に対応する周波数偏移を読み出し、読み出された周波数偏移に応じて上記風速算出手段により算出された風速を補正するようにしたものである。

このことによって、光波レーダ装置の送信光路内の挿入損失を低減しつつ、風速を補正することができ、高精度な風速の測定結果が得られる効果がある。また、伝送路に使用する光ファイバの選定や設計検討に効果的な指針を与えることができる効果がある。

この発明の実施の形態１による光波レーダ装置を示す構成図である。 波長λ＝１．５μｍのパルス光を例にして、各送信パルス幅（０．２５μｓｅｃ，０．５μｓｅｃ，１．０μｓｅｃ）に対する周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}と、式（２）に基づいて計算された速度オフセットであるΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}の一例を示す説明図である。 風速オフセット補正の検証実験に用いた装置を示すレイアウト図である。 風速オフセット補正の検証実験結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による光波レーダ装置を示す構成図である。 全光ファイバ形光波レーダ装置における送信光の周波数偏移評価系を示すブロック図である。 内部反射光のヘテロダイン検出信号の時系列データ（左）と周波数解析結果（右）を示す説明図である。 この発明の実施の形態３による光波レーダ装置を示す構成図である。 周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の推定手順を示すフローチャートである。 送信光の出力パルス強度波形を示す説明図である。 自己位相変調に基づく送信光周波数偏移の算出結果を示す説明図である。

実施の形態１．
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光波レーダ装置を示す構成図であり、図において、基準光源１は周波数νの光信号を発振し、その光信号を光ファイバ２に出力する。なお、基準光源１は発光手段を構成している。
光ファイバ２は各構成部の間に挿入され、各構成部の出力光を伝搬する光導波手段を構成している。

光路分岐部３は基準光源１により発振された光信号を分岐し、その光信号の一部をパルス変調器４に出力する一方、その光信号の一部を局部発振光として光路分岐部９に出力する。
パルス変調器４は光路分岐部３により分岐された光信号を強度変調してパルス光を出力する。
光ファイバ増幅器５はパルス変調器４から出力されたパルス光を増幅する。

光方向性結合部６は光ファイバ増幅器５により増幅されたパルス光を光路分岐部７に出力する一方、送受信望遠鏡８により収集された散乱光を光路分岐部９に出力する。
光路分岐部７は光方向性結合部６から出力されたパルス光を分岐し、そのパルス光の大部分を送受信望遠鏡８に出力する一方、そのパルス光の一部を周波数偏移検出部１２に出力する。
送受信望遠鏡８は光方向性結合部６により分岐されたパルス光のビーム径を拡大してから、そのパルス光を空間に放出する一方、その空間で散乱されたパルス光の散乱光を収集する。なお、送受信望遠鏡８は光送受信手段を構成している。

光路分岐部９は光路分岐部３から出力された局部発振光と光方向性結合部６から出力された散乱光とを合成し、その合成光をヘテロダイン受信器１０に出力する。
ヘテロダイン受信器１０は光路分岐部９から出力された局部発振光と散乱光の合成光をヘテロダイン検波して、局部発振光と散乱光の差周波数成分を示す信号を出力する。
ドップラ信号処理部１１はヘテロダイン受信器１０の出力信号が示す差周波数成分から視線方向の風速を算出する。
なお、光路分岐部３、光方向性結合部６、光路分岐部９、ヘテロダイン受信器１０及びドップラ信号処理部１１から風速算出手段が構成されている。

周波数偏移検出部１２は光路分岐部７から出力されたパルス光の一部から、その光信号に対する周波数偏移を検出する。
荷重平均処理部１３は周波数偏移検出部１２の検出結果の荷重平均を求め、荷重平均後の周波数偏移から系統誤差を求める。
なお、光路分岐部７、周波数偏移検出部１２及び荷重平均処理部１３から周波数偏移検出手段が構成されている。
減算器１４はドップラ信号処理部１１により算出された風速から、荷重平均処理部１３により求められた系統誤差を減算して、その風速から系統誤差を除去する。なお、減算器１４は風速補正手段を構成している。

次に動作について説明する。
基準光源１は、周波数νの光信号を発振し、その光信号を光ファイバ２に出力する。
光路分岐部３は、光ファイバ２を介して、基準光源１により発振された光信号を受けると、その光信号の一部をパルス変調器４に出力する一方、その光信号の一部を局部発振光として光路分岐部９に出力する。

パルス変調器４は、光ファイバ２を介して、光路分岐部３により分岐された光信号を受けると、その光信号を強度変調してパルス光を出力する。
光ファイバ増幅器５は、光ファイバ２を介して、パルス変調器４から出力されたパルス光を受けると、そのパルス光を増幅する。
光方向性結合部６は、光ファイバ２を介して、光ファイバ増幅器５により増幅されたパルス光を受けると、そのパルス光を光路分岐部７に出力する。
光路分岐部７は、光ファイバ２を介して、光方向性結合部６から出力されたパルス光を受けると、そのパルス光を分岐し、そのパルス光の大部分を送受信望遠鏡８に出力する。また、そのパルス光の一部を周波数偏移検出部１２に出力する。

送受信望遠鏡８は、光ファイバ２を介して、光方向性結合部６により分岐されたパルス光を受けると、そのパルス光のビーム径を拡大してから、そのパルス光を空間に放出する。
送受信望遠鏡８から空間に放出されたパルス光は、空間中の微小塵（エアロゾル）により散乱される。エアロゾルは風速と同速度で移動する性質を有するので、そのパルス光の散乱光は、エアロゾルの移動によりドップラシフトΔｆ_Ｄを受けて、その周波数がν＋Δｆ_Ｄとなる。
送受信望遠鏡８は、空間で散乱されたパルス光の散乱光を収集する。

光方向性結合部６は、光ファイバ２を介して、送受信望遠鏡８により収集された散乱光を受けると、その散乱光を光路分岐部９に出力する。
光路分岐部９は、光路分岐部３から周波数νの局部発振光を受け、光方向性結合部６から周波数（ν＋Δｆ_Ｄ）の散乱光を受けると、その局部発振光と散乱光を合成し、その合成光をヘテロダイン受信器１０に出力する。
ヘテロダイン受信器１０は、光路分岐部９から合成光を受けると、その合成光をヘテロダイン検波して、その合成光の強度の交流成分を検出する。合成光の強度信号には両者の和の周波数成分（２ν＋Δｆ_Ｄ）と差の周波数成分Δｆ_Ｄが含まれているので、ヘテロダイン受信器１０は、差の周波数成分Δｆ_Ｄのみを電気信号に変換する。

ドップラ信号処理部１１は、ヘテロダイン受信器１０から周波数成分Δｆ_Ｄを示す電気信号を受けると、その電気信号をアナログ／デジタル変換したのち、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を実施して、スペクトルのピーク値を取る周波数を推定することにより、ドップラ周波数Δｆ_Ｄを検出する。
そして、ドップラ信号処理部１１は、そのドップラ周波数Δｆ_Ｄを下記の式（１）に代入して、視線方向の風速Ｖ_Ｗを算出する。
Ｖ_Ｗ＝λ・Δｆ_Ｄ／２ （１）
ただし、λはパルス光の波長である。

周波数偏移検出部１２は、光路分岐部７からパルス光の一部を受けると、例えば、その光信号の周波数を検波することにより、その光信号に対する周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出する。
荷重平均処理部１３は、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の検出精度を高めるため、周波数偏移検出部１２の検出結果の荷重平均を求める。
なお、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}によって、ドップラ信号処理部１１により算出される風速Ｖ_Ｗには、ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}だけ系統誤差が含まれるので、荷重平均後の周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}から系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を求める。
ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝λ・ｆ_{ｃｈｉｒｐ}／２ （２）
減算器１４は、荷重平均処理部１３が系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を求めると、ドップラ信号処理部１１により算出された風速Ｖ_Ｗから系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を減算する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、光信号に対する周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出する周波数偏移検出部１２と、その周波数偏移検出部１２により検出された周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}から系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を求める荷重平均処理部１３とを設け、ドップラ信号処理部１１により算出された風速Ｖ_Ｗから系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を減算するように構成したので、風速Ｖ_Ｗの高精度な測定を実施することができる効果を奏する。

これにより、視線方向の風速Ｖ_Ｗを正確に測定することができるが、以下、視線方向の風速Ｖ_Ｗを正しく補正できていることを検証する。
図２は波長λ＝１．５μｍのパルス光を例にして、各送信パルス幅（０．２５μｓｅｃ，０．５μｓｅｃ，１．０μｓｅｃ）に対する周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}と、式（２）に基づいて計算された速度オフセットであるΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}の一例を示している。

図３は風速オフセット補正の検証実験に用いた装置のレイアウトを示しており、図３の例では、風杯式風向風速計１０２を測定風速の基準として用い、光波レーダ１０１と同時に測定を行っている。
ただし、滑らかでない地表付近で生じる風速場の空間的乱れを避けるため、風杯式風向風速計１０２を地上３０ｍのタワー上に設置し、そのタワーから１８４ｍ離れた高さ１０ｍの建物屋上に光波レーダ１０１を設置して、送信レーザを風杯式風向風速計１０２の設置点とほぼ同一の観測空間１０３に照射して風速を測定している。光波レーダ１０１の測定距離分解能は３７．５ｍ、このときのパルス幅は０．２５μｓ、オフセット補正量は０．７７ｍ／ｓである。

また、風杯式風向風速計１０２の風速と風向の測定値から、光波レーダ１０１の送信レーザの照射方向（視線方向）に対応する風速成分を算出して、速度オフセットの補正後の光波レーダ測定値と比較している。
図４は風速オフセット補正の検証実験結果を示している。
図４（ａ）は両測器の測定風速の時系列データ１１１，１１２（５秒平均、３９８点）を示し、図４（ａ）から風速の時間的変動の傾向がよく一致している事がわかる。
図４（ｂ）は両測器の測定値の差分を示し、両測器の差分の平均値と標準偏差は各々０．０３５ｍ／ｓ，０．３３２ｍ／ｓであり、差分の平均値０．０３５ｍ／ｓはオフセット補正値０．７７ｍ／ｓに比べて一桁小さい。
このことから、速度オフセット補正が正しく行われていることが分かる。

以上の速度オフセットの発生原因が、後述する実施の形態３で述べる自己位相変調による送信光周波数偏移である場合には、オフセット補正量は、パルス光の通過するファイバの特性、パルス光の形状及びパワーから一意に決まる。
この状況下で、特定の送信パルス条件に固定して風速測定を行う場合、予め図２のようにパルス光のパルス出射条件（パルス波形、パルスパワー）毎にパルス光の周波数偏移を測定してテーブルに格納し、そのテーブルから送信対象のパルス光に対応する周波数偏移を読み出し、その周波数偏移に対応する系統誤差を風速から減算するようにしてもよい。
この場合、光波レーダの送信光路上にパルス光の周波数偏移を推定する手段（例えば、周波数偏移検出部１２、荷重平均処理部１３）が不要となるため、送信光路の損失を低減することができるとともに、部品点数削減による低コスト化や、製作性と信頼性を高めることができる効果を奏する。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による光波レーダ装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光路分岐部２１は光路分岐部３から出力された周波数νの局部発振光と光路分岐部７から出力された周波数（ν＋ｆ_{ｃｈｉｒｐ}）のパルス光とを合成し、その合成光をヘテロダイン受信器２２に出力する。
ヘテロダイン受信器２２は光路分岐部２１から出力された合成光の強度の交流成分を検出する。また、ヘテロダイン受信器２２は、その合成光の強度信号には両者の和周波数成分（２ν＋ｆ_{ｃｈｉｒｐ}）と差周波数成分ｆ_{ｃｈｉｒｐ}とが含まれているので、差周波数成分のみを電気信号に変換し、その電気信号から周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出する。
なお、光路分岐部７，２１、ヘテロダイン受信器２２及び荷重平均処理部１３から周波数偏移検出手段が構成されている。

上記実施の形態１では、周波数偏移検出部１２が光路分岐部７から出力されたパルス光の一部から周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出するものについて示したが、光路分岐部２１が光路分岐部３から出力された局部発振光と、光路分岐部７から出力されたパルス光とを合成し、ヘテロダイン受信器２２がその合成光から周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出するようにしてもよい。

以下、局部発振光とパルス光を合成し、その合成光から周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出する場合の実験例について説明する。
図６は全光ファイバ形光波レーダ装置における送信光の周波数偏移評価系を示すブロック図である。
光路分岐部２０２が、基準光源であるＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ）−ファイバレーザ２０１から出力されたスペクトル幅２４．８ｋＨｚの連続光を分岐し、その連続光の大部分をパルス変調器であるＡＯＭｓ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２０３に出力する。
ＡＯＭｓ２０３は、スペクトル幅２４．８ｋＨｚの連続光を受けると、その連続光からパルス幅が１μｓ、ピークパワーが１ｍＷのパルス光を切り出すと同時に、そのパルス光の周波数に＋１００ＭＨｚの周波数シフトを与える。

光ファイバ増幅器であるＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２０５は、ＡＯＭｓ２０３から出力されたパルス光のピーク出力を１４Ｗに増幅し、方向性結合部である光ファイバ形のサーキュレータ２０６を介して、そのパルス光を送受信望遠鏡２０７に出力する。
この実験例では、送信光であるパルス光の周波数偏移を、送受信望遠鏡２０７の直前の光ファイバ端２０８に反射される内部反射光を光ヘテロダイン検出することにより評価している。

即ち、ヘテロダイン受信器２１０が光路分岐部２０９を介して、ＤＦＢ−ファイバレーザ２０１から出力された連続光の一部と、光ファイバ端２０８に反射された内部反射光とを受けると、その連続光の一部と内部反射光をヘテロダイン検波し、そのヘテロダイン検出信号をデジタルストレージオシロスコープであるＤＳＯ２１１に出力する。
ＤＳＯ２１１は、ヘテロダイン受信器２１０からヘテロダイン検出信号を受けると、サンプリングレート１ＧＳ／ｓで内部反射光ビート信号付近の１２８０点の時系列データを取得する。
次に、２５６点ずつオフラインでＦＦＴ処理を実施してスペクトルを抽出する。
そして、ＤＳＯ２１１は、各スペクトルのピーク周囲で重心演算を実施して、それぞれのＦＦＴ期間毎に中心周波数を算出する。

図７は内部反射光のヘテロダイン検出信号の時系列データ（左）と周波数解析結果（右）を示す説明図である。
特に（ａ）は送信光をＥＤＦＡを用いてパルス光を出力した場合の結果であり、時系列期間Ａ，Ｂ，Ｃに対応する中心周波数を見ると、時系列期間Ｂ付近の周波数が時系列期間Ａ，Ｃの周波数よりも１．５ＭＨｚ程度低いことがわかる。
これに対して、（ｂ）は送信光をＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）出力させた場合の結果であり、評価期間内で有意な周波数偏移がないことが確認できる。

さらに（ａ）の周波数偏移の原因がＥＤＦＡ以降で発生しているか否かを確認するため、ＡＯＭｓの出力パルス光（ピークパワー１ｍＷ）に適当な減衰をかけてヘテロダイン検出を行っている（（ｃ）を参照）。
その結果、（ａ）で周波数偏移が生じていた時系列期間Ｂにおいても有意な周波数偏移がないことがわかる。
以上のことから，ＥＤＦＡにより増幅されたパルス光に限り、系統的に発生する周波数偏移を検出できていることがわかる。

この評価実験では、送信光の一部を取り出す方法として、光路分岐部７の代わりに、光ファイバ端面２０８からの反射光を用いているが、これに限るものではなく、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点からの反射光を用いればよい。
例えば、サーキュレータ２０６の内面反射、送受信望遠鏡２０７の内面反射など、反射率が一定でかつ、反射位置が時間的に移動しない場合であれば、適用可能である。
この場合、光路分岐部７を取り去ることができるため、送信光路の損失を低減できるとともに、部品点数削減による低コスト化や、製作性と信頼性を高めることができる効果を奏する。
また、内部反射点からの反射光と、測定対象である距離Ｚ［ｍ］のエアロゾルによる散乱光とはヘテロダイン検出信号の時系列データ内で異なる時刻に現れるので、解析する時系列期間をパルス出力直後とパルス出力から２Ｚ／ｃ秒後の各信号を時分割で解析してもよい。但し、ｃは光速を表す。この場合、内部反射光とエアロゾル散乱光の周波数解析を同一のヘテロダイン受信器で行うことができる。
従って、ヘテロダイン受信器１０，２２を共用することができるため、部品点数削減による低コスト化や製作性と信頼性を高める効果を奏する。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３による光波レーダ装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
強度検出部２３は光路分岐部７から出力された光信号の強度を検出する。
ゼロドップラ周波数補正値算出部２４は強度検出部２３により検出された強度の時間変化から周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出し、その周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}から系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を求める。

上記実施の形態２では、光路分岐部２１が光路分岐部３から出力された局部発振光と光路分岐部７から出力されたパルス光を合成し、ヘテロダイン受信器２２がその合成光をヘテロダイン検波して、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を検出するものについて示したが、送信パルス光の周波数偏移の原因が伝送路内での自己位相変調によることを先験情報として用いることで、送信光強度の時間変化から周波数偏移を推定するようにしてもよい。
具体的には、下記の通りである。

パルス光を光学媒質に入射するとＫｅｒｒ効果により、光強度に応じて屈折率が時間的に変化する。
自己位相変調の一般式は、光の電場Ａが光ファイバの伝搬方向に対してゆっくりと変化する場合（Ｓｌｏｗｌｙ ｖａｒｙｉｎｇ 近似）、次の伝搬方程式から導き出せる。

ただし、αは光ファイバでの減衰、λは波長、β₂は屈折率分散によるパルス幅増加因子を示している。

式（３）の右辺第三項は、次の式（４）で表される非線形光学係数γを含む非線形光学効果を示している。

ただし、ｃは光速、Ａ_ｅｆｆは光ファイバ有効コア面積、Ｐ_０はパルス光のピークパワー、ω_０は光の周波数、ｎ_２は３次非線形分極に関する非線形屈折率を示している。

自己位相変調を考えるためβ_２＝０（ゼロ分散）を仮定し、さらに光の電場Ａを次の式（５）の規格化振幅Ｕで表すと、規格化振幅Ｕの解は式（６）で表される。

ここで、Ｕ（０，Ｔ）は伝搬距離ｚ＝０おける規格化振幅を示し、φ_ＮＬは次の式（７）で表される非線形位相偏移を示している。

また、Ｌ_ｅｆｆは実効的伝搬距離、Ｌ_ＮＬは非線形長を示し、それぞれ下記の式（８）、式（９）で表される。

一方、非線形位相偏移φ_ＮＬの時間変化は光の周波数偏移（チャープ）として現れる。

これにより、送信パルス光の立ち上がり部分（｜Ｕ（０，Ｔ）|^２の微係数が正の期間）では光の周波数は減少方向に偏移し、パルス立下り部分では増加方向に変移する。
波長１．５μｍで考えると、通常のシングルモード光ファイバの損失αは−０．２ｄＢ／ｋｍ程度であり、数１０ｍ程度のファイバ長に対しては無視でき、Ｌ_ｅｆｆは光ファイバ長Ｌに近似できる。
このため、周波数偏移は、パルス光のピークパワーＰ_０、ファイバ長Ｌ、非線形屈折率ｎ_２のパルスの時間変化率ｄ｜Ｕ｜^２／ｄｔに比例し、光ファイバの有効コア面積Ａ_ｅｆｆに反比例する特性を有することが分かる。

以上の特性を先験情報として用いることにより、送信光の周波数偏移を推定する。図９は周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の推定手順を示すフローチャートである。
まず、ゼロドップラ周波数補正値算出部２４は、対象とする光の波長λを設定し、光周波数ω₀を算出する（ステップＳＴ１）。
ω_０＝ｃ／λ （１１）
また、ゼロドップラ周波数補正値算出部２４は、使用する光ファイバ２のパラメータである実効的コア面積Ａ_ｅｆｆ、ファイバ長Ｌ、非線形屈折率ｎ_２を設定する（ステップＳＴ２）。

ゼロドップラ周波数補正値算出部２４は、強度検出部２３により検出された光パルスの強度、即ち、送信パルス光のピークパワーＰ_０と規格化強度時間波形｜Ｕ（０，Ｔ）|^２を取得する（ステップＳＴ３）。
そして、ゼロドップラ周波数補正値算出部２４は、ステップＳＴ１で算出した光周波数ω_０、ステップＳＴ２で設定したパラメータ、ステップＳＴ３で取得したピークパワーＰ_０と規格化強度時間波形｜Ｕ（０，Ｔ）|^２を式（４）、（８）〜（１０）に代入することにより、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を算出する（ステップＳＴ４）。
ゼロドップラ周波数補正値算出部２４は、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}を算出すると、図１の荷重平均処理部１３と同様に、その周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の荷重平均を求め、荷重平均後の周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}から系統誤差ΔＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を求める。

上記の関係式の妥当性を実験により検証している。実験に用いた光波長はλ＝１５４０ｎｍであり、伝送用のファイバパラメータとしてＥｒ添加光ファイバ（Ａ_ｅｆｆ＝６５μｍ^２、Ｌ＝１２ｍ）と、伝送用のコア拡大光ファイバ（Ａ_ｅｆｆ＝１３０μｍ^２、Ｌ＝１２ｍ）とを接続している。
非線形屈折率は標準的なシングルモード光ファイバの値（ｎ_２〜２．６×１０^−２０ｍ^２／Ｗ）を仮定して用いている。

図１０は送信光の出力パルス強度波形を示している。
ピークパワーＰ_０は１４Ｗである。強度時間微分を数値的に行って｜Ｕ（０，Ｔ）|^２を算出し、上記のパラメータＰ_０、Ａ_ｅｆｆ、Ｌ、ｎ_２を式（４）、（８）〜（１０）に代入して算出した結果を図１１の実線で示している。図１１の点線で表した光ヘテロダイン検出による周波数偏移の実測値（実施の形態２における図７（ａ）右で説明した実測結果）とよく一致していることが分かる。
以上の評価結果から、この実施の形態３により周波数偏移が正しく推定できていることが分かる。

この実施の形態３による周波数偏移の推定方法では、ヘテロダイン受信器２２が不要となり、初期パラメータの設定と光強度の時間波形測定のみにより、周波数偏移の推定が行えるため、装置が簡便になる効果を奏する。
また、この実施の形態３では、光強度信号を検出する際、送信光路に光路分岐部７を用いることを想定しているが、送信用光ファイバの出射端面の近傍にある光学部品による反射光、例えば、出射ファイバ端面や光方向性結合部６での内面反射など、反射率が一定となる場所からの内部反射光を用いてもよい。この内部反射光のレベルを予め校正しておくことで送信光強度信号をモニタすることができる。
このように、内部反射光を利用する場合、送信光路内の光路分岐部７が不要となり、装置構成が簡便になるだけではなく、送信光路の挿入損失を低減することができる効果を奏する。

実施の形態４．
上記実施の形態３では、送信パルス光の周波数偏移の原因が伝送路内での自己位相変調によることを先験情報として用いて、周波数偏移を推定するものについて示したが、送信光自己位相変調に伴う周波数偏移を低減する方法について述べる。
即ち、上記実施の形態３で説明した送信光の自己位相変調に伴う周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}は、式（４）、（８）〜（１０）を見ると、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}がパルス光のピークパワーＰ_０、ファイバ長Ｌ、パルスの時間変化率ｄ｜Ｕ｜^２／ｄｔに比例し、光ファイバの実効的コア面積Ａ_ｅｆｆに反比例する特性を有している。
そこで、この実施の形態４では、光ファイバ長Ｌを短くすることで周波数偏移自体を小さくするようにしている。

送信光の周波数偏移量の上限を｜Δｆｃ｜とするための光ファイバ長Ｌは次の式（１２）の範囲で与えられる。即ち、光ファイバ長Ｌを式（１２）の右辺が示す基準値より小さくする。

この実施の形態４によれば、使用する光パルスの時間特性と、使用する光ファイバの材料パラメータとから所望の周波数偏移範囲に応じた最大の光ファイバ長を見積ることができ、ファイバ長により機器配置検討に効果的な指針を与えることができる効果を奏する。

実施の形態５．
上記実施の形態４では、送信パルス光の周波数偏移の原因が伝送路内での自己位相変調によることを先験情報として用いて、送信光ファイバ長を短縮することにより周波数偏移を小さくするものについて示したが、実効的コア面積を増大することにより周波数偏移を小さくするようにしてもよい。
即ち、上記実施の形態３で説明した送信光の自己位相変調に伴う周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}は、式（４）、（８）〜（１０）を見ると、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}がパルス光のピークパワーＰ₀、ファイバ長Ｌ、パルスの時間変化率ｄ｜Ｕ｜^２／ｄｔに比例し、光ファイバの実効的コア面積Ａ_ｅｆｆに反比例する特性を有している。
そこで、この実施の形態５では、光ファイバの実効的コア面積Ａ_ｅｆｆを大きくすることで周波数偏移自体を小さくするようにしている。

送信光の周波数偏移量の上限を｜Δｆｃ｜とするための光ファイバの実効的コア面積Ａ_ｅｆｆは次の式（１３）の範囲で与えられる。即ち、光ファイバの実効的コア面積Ａ_ｅｆｆを式（１３）の右辺が示す基準値より大きくする。

あるいは、式（１３）を変形して、光ファイバの非線形定数ｎ_２／Ａ_ｅｆｆを次の式（１４）の範囲となるように光ファイバの特性を選定、あるいは、設計すればよい。

この実施の形態５によれば、使用する光パルスの時間特性と、使用する光ファイバの材料パラメータとから所望の周波数偏移範囲に応じた最小の光ファイバ実効的コア面積Ａ_ｅｆｆあるいは非線形定数ｎ_２／Ａ_ｅｆｆを見積ることができ、送信光路に使用する光ファイバの選定や設計検討に効果的な指針を与えることができる効果を奏する。

以上のように、この発明に係る光波レーダ装置は、パルス光を空間に放出し、空間内のエアロゾル移動に伴うパルス光の散乱光のドップラシフトによる風速を測定するに際して、その風速を高精度に測定する必要があるものに適している。

Claims (2)

1. 光信号を発光する発光手段と、上記発光手段により発光された光信号を伝搬する光導波手段と、上記光導波手段により伝搬された光信号を空間に放出する一方、その空間で散乱された当該光信号の散乱光を収集する光送受信手段と、上記発光手段により発光された光信号の一部と上記光送受信手段により収集された散乱光を合成し、その合成光から視線方向の風速を算出する風速算出手段と、上記発光手段により発光された光信号に対する周波数偏移を検出する周波数偏移検出手段とを備えた光波レーダ装置において、
   上記光導波手段における伝送路の伝搬長は、光信号に対する周波数偏移の許容誤差と、上記伝送路の有効コア面積及び非線形屈折率と、その光信号の振動数及び強度とから特定される基準値より小さい、あるいは、上記光導波手段における伝送路の有効コア面積が、上記伝送路の非線形屈折率と、光信号の振動数及び強度と、その光信号に対する周波数偏移の許容誤差とから特定される基準値より大きいものであって、
   上記周波数偏移検出手段により検出された周波数偏移に応じて上記風速算出手段により算出された風速を補正する風速補正手段を設け、
   上記周波数偏移検出手段は、発光手段により発光された光信号の一部と、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点であって、反射率が一定かつ反射位置が時間的に移動しない点に反射された光信号とを合成し、その合成光から当該光信号に対する周波数偏移を検出し、
   上記周波数偏移検出手段は、上記発光手段の光信号の発光直後に、上記発光手段により発光された光信号の一部と、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点であって、反射率が一定かつ反射位置が時間的に移動しない点に反射された光信号とを合成し、
   上記風速算出手段は、上記発光手段の光信号の発光から、上記散乱光を生じさせたエアロゾルとの距離をＺ［ｍ］とする、２×（Ｚ［ｍ］／光速）秒後に、上記発光手段により発光された光信号の一部と上記光送受信手段により収集された散乱光とを合成することで、上記周波数偏移検出手段及び上記風速算出手段による光信号の合成を時分割で行うことを特徴とする光波レーダ装置。
2. 光信号を発光する発光手段と、上記発光手段により発光された光信号を伝搬する光導波手段と、上記光導波手段により伝搬された光信号を空間に放出する一方、その空間で散乱された当該光信号の散乱光を収集する光送受信手段と、上記発光手段により発光された光信号の一部と上記光送受信手段により収集された散乱光を合成し、その合成光から視線方向の風速を算出する風速算出手段と、上記発光手段により発光された光信号に対する周波数偏移を検出する周波数偏移検出手段とを備えた光波レーダ装置において、
   上記光導波手段における伝送路の伝搬長は、光信号に対する周波数偏移の許容誤差と、上記伝送路の有効コア面積及び非線形屈折率と、その光信号の振動数及び強度とから特定される基準値より小さい、あるいは、上記光導波手段における伝送路の有効コア面積が、上記伝送路の非線形屈折率と、光信号の振動数及び強度と、その光信号に対する周波数偏移の許容誤差とから特定される基準値より大きいものであって、
   上記周波数偏移検出手段が、予め、パルス光のパルス出射条件毎にパルス光の周波数偏移を、光導波手段と光送受信手段間の内部反射点であって、反射率が一定かつ反射位置が時間的に移動しない点に反射された光信号から、測定してテーブルに格納しておき、そのテーブルから光導波手段により伝搬された光信号に係るパルス光に対応する周波数偏移を読み出し、読み出された周波数偏移に応じて上記風速算出手段により算出された風速を補正する風速補正手段を設けたことを特徴とする光波レーダ装置。

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