JP6226108B1 - 風計測ライダ装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、風速計測光の一部を戻り光として取り出し監視及び制御することで、誘導ブリルアン散乱を起こさずに風速計測光と散乱光のスペクトル強度を向上することを目的とする。この発明に係る風計測ライダ装置は、光源９から出力されたレーザー光を風速計測光として大気中に出射する光出射部４と、大気中の微粒子により散乱された風速計測光を散乱光として受信する散乱光受信部１３と、散乱光受信部１３が受信した散乱光のスペクトル強度が十分であるか判定する散乱光強度判定部１５と、光源９から出力された風速計測光を光出射部４から出射する前にモニタ光として受信するモニタ光受信部１８と、モニタ光のスペクトル強度が誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光の強度増幅が可能かを判定するモニタ光強度判定部２０と、を備えたことを特徴とする。

Description

本発明は、空気中の微粒子量の変化等によらず、受信される散乱光強度を一定以上に保つ風計測ライダ装置に関する。

風計測ライダは光源により出力されたレーザー光から風速計測光を生成し、大気中に出射する。そして、大気中に出射された風計測光は、大気中の微粒子であるエアロゾルによって散乱される。散乱光の周波数はドップラーシフトによって風速に相当する周波数シフトを受けるため、散乱光の周波数を計測することで、風速を検出することができる。

しかし、大気中の微粒子の量は大気の状況等により大きく変化するため、受信する散乱光が環境により大きく影響を受けてしまい、受信する散乱光のスペクトル強度が低下してしまう可能性があった。このように、散乱光のスペクトル強度が低下してしまうと風速を正確に測定できなくなってしまう。大気の状況の変化によって風計測ライダで受信できる散乱光のスペクトル強度を低下させないためには、元の風速計測光の強度を上げることが考えられるが、その際、誘導ブリルアン散乱の閾値が問題となる。

誘導ブリルアン散乱とは、周波数あたりの閾値を超えたスペクトル強度の光が入力されたとき、光ファイバ上で、入射方向とは逆向きにレーザー光が散乱される現象である。この誘導ブリルアン散乱が起こると、風計測ライダから出射する風速計測光の強度が著しく低下するため、風計測ライダで受信できる散乱光のスペクトル強度が著しく低下するという問題があった。

特開２０１０―１２７８４０号公報

特許文献１では、誘導ブリルアン散乱光を用いて、風速測定光の測定精度を上げる方法については開示されていたが、誘導ブリルアン散乱光による風速測定光の強度の低下を防ぐ技術に関しては開示されていなかった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、風速計測光の一部を戻り光として取り出し監視及び制御することで、誘導ブリルアン散乱を起こさずに散乱光のスペクトル強度を向上することを目的とする。

この発明に係る風計測ライダ装置は、光源から出力されたレーザー光を風速計測光として大気中に出射する光出射部と、大気中の微粒子により散乱された前記風速計測光を散乱光として受信する散乱光受信部と、前記散乱光受信部が受信した散乱光のスペクトル強度を判定する散乱光強度判定部と、前記光源から出力された前記風速計測光を前記光出射部から出射する前にモニタ光として受信するモニタ光受信部と前記モニタ光のスペクトル強度が誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度増幅が可能かを判定するモニタ光強度判定部と、前記モニタ光強度判定部の判定結果に基づいて前記風速計測光を制御する光制御部と、を備え、前記モニタ光強度判定部により誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度の増幅ができないと判断された場合、前記光制御部は、高調波を発生させることで前記風速計測光の周波数帯域を広域化させることを特徴とする。

この発明に係る風計測ライダ装置は、散乱光受信部が受信した散乱光のスペクトル強度が十分であるか判定する散乱光強度判定部と、前記光源から出力された前記風速計測光を前記光出射部から出射する前にモニタ光として受信するモニタ光受信部と、前記モニタ光のスペクトル強度が誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度増幅が可能かを判定するモニタ光強度判定部と、を備えたため、誘導ブリルアン散乱を起こさずに散乱光のスペクトル強度を向上することが可能となる。

実施の形態１係る風計測ライダ装置の機能構成を示す図である。 実施の形態１に係る風計測ライダ装置における自己診断の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２係る風計測ライダ装置の機能構成を示す図である。 実施の形態２に係る光受信部での受信タイミング例を示す図である。 実施の形態２に係る風計測ライダ装置における自己診断の動作を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る風計測ライダ装置の光周波数変調部の機能構成を示す図である。 実施の形態３に係る光位相変調器の理想的な電圧の入力を示す図である。 実施の形態３に係る光位相変調器が理想的な電圧の入力をした場合の周波数成分を示す図である。 実施の形態３に係る光位相変調器が風速計測光の周波数帯域を広げるために必要な電圧入力を示す図である。 実施の形態３に係る光位相変調器が風速計測光の周波数帯域を広げるために必要な電圧を入力した場合の周波数成分を示す図である。 本発明に係る風計測ライダ装置のハードウェア構成を示す図である。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る風計測ライダ装置の構成について図１、図２を用いて説明する。図１は実施の形態１係る風計測ライダ装置の機能構成を示す図であり、図２は実施の形態１に係る風計測ライダ装置における自己診断の動作を示すフローチャートである。

図１に示すように、実施の形態１に係る風計測ライダ装置１は、風速計測光生成部２、光サーキュレータ３、光出射部４、散乱光計測部５、モニタ光計測部６、光制御部７、光合分波器８ａ〜８ｅで構成される。

風速計測光生成部２から出力された風速計測光は、光サーキュレータ３を介して光出射部４に入力され、光出射部４から大気中に出射される。出射された風速計測光は大気中の微粒子であるエアロゾルに照射され、散乱される。この時、散乱光の周波数はドップラーシフトによって風速に相当する周波数シフトをうける。その後、散乱光は光出射部４から風速ライダ装置１内に入力される。この散乱光を散乱光計測部５の風速演算部１７（後述する）で演算することで風速を検出することが出来る。

風速計測光生成部２では、風速計測光を生成する機能を有する。風速計測光生成部２は、連続発振波のレーザー光を出力する光源９と、レーザー光を風速計測光と参照光に分波する第１の光合分波器８ａと、第１の光合分波器８ａで分波された風速計測光の光周波数変調を行う光周波数変調部１０と、光周波数変調部１０で変調された風速計測光をパルス化するパルス化部１１と、パルス化部１１でパルス化された風速計測光の強度を増幅する光増幅部１２から構成される。

光周波数変調部１０は、連続発振波のレーザー光の周波数シフトを行うことが可能であり、例えば、音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、以下「ＡＯＭ」と記載）である。パルス化部１１は、連続発振波のレーザー光をパルス化することが可能であり、例えば、半導体増幅器やＡＯＭである。光増幅部１２は、風速計測光の強度を増強することが可能であり、例えば、光増幅器である。

第２の光合分波器８ｂは、風速計測光生成部２と光サーキュレータ３の間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。風速計測光生成部２から出力された風速計測光は、第２の光合分波器８ｂで、風速計測光とモニタ光に分波される。第２の光合分波器８ｂで分波された風速計測光は光サーキュレータ３に入力され、モニタ光は第４の光合分波器８ｄに入力される。

第３の光合分波器８ｃは、第１の光合分波器８ａと第４の光合分波器８ｄ、第５の光合分波器８ｅの間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。第１の光合分波器８ａから出力された参照光は、第３の光合分波器８ｃで分波され、それぞれ参照光として第４の光合分波器８ｄ、第５の光合分波器８ｅに入力される。

第４の光合分波器８ｄは、第２の光合分波器８ｂ、第３の光合分波器８ｃ、モニタ光計測部６の間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。第４の光合分波器８ｄは、第３の光合分波器８ｃからの参照光と、第２の光合分波器８ｂからのモニタ光を合波し、干渉光としてモニタ光計測部６に出力する。

第５の光合分波器８ｅは、光サーキュレータ３、第３の光合分波器８ｃ、散乱光計測部５の間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。第５の光合分波器８ｅは、第３の光合分波器８ｃからの参照光と、光サーキュレータ３からの散乱光を合波し、干渉光として散乱光計測部５に出力する。

光サーキュレータ３は、第２の光合分波器８ｂ、光出射部４、第５の光合分波器８ｅの間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。光サーキュレータ３は、光の入力方向によって出力方向が異なる素子であり、風速計測光と散乱光の光路を変える役割を果たしている。さらに、光サーキュレータ３は、第２の光合分波器８ｂから入力される風速測定光は光出射部４に出力され、光出射部４から入力される散乱光は第５の光合分波器８ｅに出力される。光出射部４は、例えば、レーザー光の送受信を行う送受信用望遠鏡である。

散乱光計測部５は、第５の光合分波器８ｅで合波された散乱光と参照光が干渉光として入力され、散乱光のスペクトル強度や風速を算出する機能を有する。散乱光計測部５は、散乱光受信部１３、散乱光処理部１４、散乱光強度判定部１５、散乱光強度判定基準選択部１６、風速演算部１７を備えている。

散乱光受信部１３は、第５の光合分波器８ｅで合波された散乱光と参照光を干渉光として受信する。そして、散乱光処理部１４は、散乱光受信部１３で受信した干渉光の強度を高速フーリエ変換等で散乱光スペクトル情報に変換する。散乱光強度判定部１５は、散乱光処理部１４から散乱光スペクトル情報が入力されると、散乱光のスペクトル強度が十分であるかを判定する。散乱光強度判定部１５は、風速の計測において散乱光の強度が十分か不十分を見分けるための閾値である散乱光強度判定基準値をメモリなどに予め保有している。また、散乱光強度判定基準値は風速の測定のモード等に応じて切り替えられることが望ましい。例えば、測定モードの基準としては測定周期が早いモードや、測定周期が遅いができるだけ高調波の少ない測定モードなどが考えられる。この場合、散乱光強度判定部１５の散乱光強度判定基準値を書き換える散乱光強度判定基準選択部１６を持つ構成がよい。そして、散乱光強度判定部１５は、散乱光強度が不十分であると判断した場合、後述するモニタ光計測部６のモニタ光受信部１８又はモニタ光強度判定部２０にその通知を行う。風速演算部１７は散乱光強度判定部１５から入力された散乱光スペクトル情報から風速を演算する機能を有する。この演算方法は、例えば、散乱光スペクトル情報の中から風速ピークを抽出し、このピークの周波数から求めることができる。

モニタ光計測部６は、第４の光合分波器８ｄで合波されモニタ光と参照光の干渉光が入力され、誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光の強度増幅が可能か判定する機能を有する。モニタ光計測部６は、モニタ光受信部１８、モニタ光信号処理部１９、モニタ光強度判定部２０、モニタ光判定基準選択部２１を備えている。

モニタ光受信部１８は、散乱光強度判定部１５から散乱光強度が不十分である旨の通知を受けると、第４の光合分波器８ｄからモニタ光と参照光の干渉光を受信する。そして、モニタ光信号処理部１９は、モニタ光受信部１８で受信した干渉光の強度を高速フーリエ変換等でモニタ光スペクトル情報に変換する。モニタ光強度判定部２０は、モニタ光スペクトル情報を、あらかじめメモリなどに保有していたモニタ光判定情報 (誘導ブリルアン散乱の閾値情報)に従って誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光強度増幅が可能かどうかを判定する。このモニタ光判定情報には、実際の誘導ブリルアン散乱の閾値およびどの程度余裕を持った強度まで光増幅をして良いかという情報が含まれる。閾値からどの程度余裕を持った強度まで光増幅をして良いかという設定情報であるモニタ光判定情報は測定モードに合わせて選択できると良い。この場合、モニタ光強度判定部２０に加えてモニタ光判定基準選択部２１を用いる。モニタ光判定基準選択部２１から選択された設定情報であるモニタ光判定基準をもとに、光制御部７は光周波数変調部１０及び光増幅部１２に制御情報を指示する。なお、上記では、モニタ光受信部１８が散乱光強度判定部１５から通知を受ける場合を説明したが、モニタ光受信部１８が常に第４の光合分波器８ｄから干渉光を受けている場合は、この通知を直接、モニタ光強度判定部２０に通知してもよい。

つづいて、風計測ライダ装置１の動作を、フローチャートを用いて説明する。図２は実施の形態１に係る風計測ライダ装置１における自己診断の動作を示すフローチャートである。

風計測ライダ装置１の自己診断が開始されると、第５の光合分波器８ｅから散乱光と参照光の干渉光が散乱光受信部１３で受信される（ＳＴ１）。散乱光処理部１４は、受信した干渉光の強度を高速フーリエ変換等で散乱光スペクトル情報に変換する（ＳＴ２）。続いて、風速演算部１７は、散乱光処理部１４で変換した散乱光スペクトル情報から風速を算出する（ＳＴ３）。この演算方法は、散乱光スペクトル情報の中から風速ピークを抽出し、このピークの周波数から風速を求める。さらに、散乱光強度判定部１５は、散乱光処理部１４から入力された散乱光スペクトル情報から、スペクトル強度が十分であるかを判定する（ＳＴ４）。散乱光強度判定部１５は、風速計測において散乱光の強度が十分か不十分かを見分けるための、散乱光強度判定基準値をメモリなどに予め保有している。散乱光強度判定部１５は散乱光スペクトル情報と散乱光強度判定基準値を比較し、散乱光スペクトル情報が散乱光強度判定基準値よりも大きい場合は強度が十分と判断され（ＳＴ４のＹｓｅ）、散乱光スペクトル情報が散乱光強度判定基準値よりも小さい場合は強度が不十分と判断される（ＳＴ４のＮｏ）。

散乱光強度判定部１５で散乱光スペクトル情報が散乱光強度判定基準値よりも大きい場合（ＳＴ４のＹｅｓ）は、ＳＴ５に進み、自己診断を終了するか否かを判断する。自己診断を終了するか否かは、はじめのモード選択等で、１回のみ自己診断を行うモード選択した時は１回のみを行い、自己診断を終了する（ＳＴ５のＹｅｓ）。その他にも、風速計測中ずっと自己診断を行うモードを選択した場合には風速計測中ずっと自己診断を繰り返し（ＳＴ１〜ＳＴ５）、風速計測が終了したときに、自己診断も終了する（ＳＴ５のＹｅｓ）。このように、自己診断をどれだけ繰り返すかは利用者等がモード選択によって選択するものであり、この限りではない。

散乱光強度判定部１５で散乱光スペクトル情報が散乱光強度判定基準値よりも小さい場合は強度が不十分と判断された（ＳＴ４のＮｏ）場合、ＳＴ４１に進み、自己診断を継続する。

モニタ光受信部１８は、散乱光強度判定部１５から強度が不十分である旨の通知を受けると、第４の光合分波器８ｄでモニタ光と参照光が合波された干渉光を受信する（ＳＴ４１）。モニタ光信号処理部１９は、受信した干渉光の強度を高速フーリエ変換等でモニタ光スペクトル情報に変換する（ＳＴ４２）。

続いて、モニタ光強度判定部２０は、モニタ光信号処理部１９から入力されたモニタ光スペクトル情報を、あらかじめメモリなどに保有していたモニタ光判定情報 (誘導ブリルアン散乱の閾値情報)に従って誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光強度増幅が可能かどうかを判定する（ＳＴ４３）。具体的には、モニタ光スペクトル情報と誘導ブリルアン散乱の閾値情報を比較し、その大小関係により判断する。そして、モニタ光強度判定部２０により、誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光強度増幅が可能と判断された場合（ＳＴ４３のＹｅｓ）、光制御部７は、風速計測光生成部２の光増幅部１２を制御し、風速計測光の強度を増強する制御を行う（ＳＴ４４−１）。一方、モニタ光強度判定部２０により、誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光強度増幅が不可能と判断された場合（ＳＴ４３のＮｏ）、すなわち、風速計測光の強度を上げたときに誘導ブリルアン散乱が発生する恐れがある場合は、光制御部７は、風速計測光生成部２の光周波数変調部１０を制御し、風速計測光の周波数を広域化する制御を行う（ＳＴ４４−２）。誘導ブリルアン散乱は、光の周波数が広いほど発生しにくくなるため、風速計測光の周波数を広げることにより風速計測光の強度を増幅することが可能となる。

光制御部７が、光増幅部１２を制御（ＳＴ４４−１）する又は、光周波数変調部１０を制御（ＳＴ４４−２）する処理を行った後、ＳＴ５に進み、自己診断を終了するか否かを判断する。上述したように、自己診断を終了するか否かは、はじめのモード選択等で、１回のみ自己診断を行うモード選択した時は１回のみを行い、自己診断を終了する（ＳＴ５のＹｅｓ）。その他にも、風速計測中ずっと自己診断を行うモードを選択した場合には風速計測中ずっと自己診断を繰り返し（ＳＴ１〜ＳＴ５）、風速計測が終了したときに、自己診断も終了する（ＳＴ５のＹｅｓ）。このように、自己診断をどれだけ繰り返すかは利用者等がモード選択によって選択するものであり、この限りではない。

このように、本発明に係る風計測ライダ装置は、散乱光のスペクトル強度が不十分である場合に、モニタ光のスペクトル強度から、誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光の強度増幅が可能かを判定し、その判定結果に基づいて、風速計測光を制御するため、誘導ブリルアン散乱を起こさずに散乱光のスペクトル強度を向上させることが可能となる。

実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る風計測ライダ装置の構成について図３から図５を用いて説明する。図３は、実施の形態２係る風計測ライダ装置の機能構成を示す図である。図４は、実施の形態２に係る光受信部での受信タイミング例を示す図である。図５は、実施の形態２に係る風計測ライダ装置における自己診断の動作を示すフローチャートである。なお、本実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同様の構成及び効果については省略する。また、実施の形態１と同一の構成については同一の符号を用いる。

なお、実施の形態１では、モニタ光と散乱光は別々の受信部で受信していたが、実施の形態２では、モニタ光と散乱光を共通の受信部で受信するため、受信素子の数を減らすことが出来る。したがって、実施の形態２に係る風計測ライダ装置は、実施の形態１に係る風計測ライダ装置よりも、小型化、省エネ化することが可能となる。

図３に示すように、実施の形態２に係る風計測ライダ装置１ａは、風速計測光生成部２、光サーキュレータ３ａ、光出射部４、散乱光計測部５ａ、モニタ光計測部６ａ、光制御部７、光合分波器８ａ、８ｆで構成される。

光サーキュレータ３ａは、風速計測光生成部２、光出射部４、第６の光合分波器８ｆの間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。光サーキュレータ３ａは、光の入力方向によって出力方向が異なる素子であり、風速計測光と散乱光の光路を変える役割を果たしている。風速計測光生成部２から入力される風速測定光は光出射部４に出力され、光出射部４から入力される散乱光は第５の光合分波器８ｅに出力される。一般的に、光サーキュレータはその消光比に応じて、出力すべきポート以外のポートから漏れ出してしまう漏れ光が発生する。この漏れ光は風速計測光と同じ周波数を持ち、風速計測光の強度を反映しているため、モニタ光として使用することができる。本実施の形態２では、この漏れ光をモニタ光として利用する構成である。すなわち、風速計測光生成部２から入力され光出射部４に出力する風速測定光において、光サーキュレータ３a内で漏れ出した漏れ光をモニタ光として、第６の光合分波器８ｆに出力する。

第６の光合分波器８ｆは、光サーキュレータ３ａ、第１の光合分波器８ａ、散乱光計測部５ａの間に配置され、それぞれと光ファイバで接続されている。第６の光合分波器８ｆは、第１の光合分波器８ａからの参照光と光サーキュレータ３ａからの散乱光、及び、第１の光合分波器８ａからの参照光と光サーキュレータ３ａからのモニタ光を合波し、それぞれ干渉光として散乱光計測部５ａに出力する。

散乱光計測部５ａは、第６の光合分波器８ｆで合波された参照光と散乱光による干渉光（以下「干渉光Ａ」と記載。）及び参照光とモニタ光による干渉光（以下「干渉光Ｂ」と記載。）が入力され、散乱光のスペクトル強度や風速を算出する機能を有する。散乱光計測部５ａは、光受信部２３、受信光処理部２４、時間分割部２５、散乱光強度判定部１５、散乱光強度藩地基準選択部１６、風速演算部１７を備えている。

光受信部２３は、第６の光合分波器８ｆから干渉光Ａ、干渉光Ｂを受信する。光受信部２３がこれらの干渉光Ａ、干渉光Ｂを受信するタイミングは、モニタ光が直ちに光サーキュレータ３ａを通過後、８ｆにただちに入力する場合に比べ、散乱光は大気中を経由してきているため、図４に示すように時間的にずれが生じる。この時間的なずれを活かして後述する時間分割部２５で干渉光Ａの散乱光スペクトル情報と干渉光Ｂのモニタ光スペクトル情報を分類する。そして、受信光処理部２４は、光受信部２３で受信した干渉光Ａ及び干渉光Ｂの強度を高速フーリエ変換等で散乱光スペクトル情報に変換する。時間分割部２５は、得られたスペクトル情報がモニタ光スペクトル情報であるか、散乱光スペクトル情報であるかを受信するタイミングで区別する機能を持つ。時間分割部２５は、モニタ光スペクトル情報はモニタ光強度判定部２０に、散乱光スペクトル情報は散乱光強度判定部１５に通知する。散乱光強度判定部１５は、時間分割部２５から散乱光スペクトル情報が入力されると、散乱光のスペクトル強度が十分であるかを判定する。散乱光強度判定部１５は、風速計測において散乱光のスペクトル強度が十分であるかを見分けるための、散乱光強度判定基準値をメモリなどに予め保有している。散乱光強度判定基準値は測定のモード等に応じて切り替えられることが望ましい。例えば、測定周期が早いモードや、測定周期が遅いができるだけ高調波の少ない測定モード等が考えられる。この場合、散乱光強度判定部１５の散乱光強度判定基準を書き換える散乱光強度判定基準選択部１６を持つ構成がよい。そして、散乱光強度判定部１５は、散乱光のスペクトル強度が不十分であると判断した場合、後述するモニタ光強度判定部２０にその通知を行う。風速演算部１７は散乱光強度判定部１５から入力された散乱光スペクトル情報から風速を演算する機能を有する。この演算方法は、例えば、散乱光スペクトル情報の中から風速ピークを抽出し、このピークの周波数から求めることができる。

モニタ光計測部６ａは、時間分割部２５から通知されたモニタ光スペクトル情報が入力され、モニタ光のスペクトル強度を算出し、誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光の強度増幅が可能か判定する機能を有する。モニタ光計測部６ａは、モニタ光強度判定部２０、モニタ光判定基準選択部２１を備えている。

モニタ光強度判定部２０は、散乱光強度判定部１５から散乱光のスペクトル強度が不十分である旨の通知を受けると、あらかじめ時間分割部２５から受信していたモニタ光スペクトル情報を用いてモニタ光のスペクトル強度を判定する。モニタ光強度判定部２０は、モニタ光スペクトル情報を、あらかじめメモリなどに保有していたモニタ光判定情報 (誘導ブリルアン散乱の閾値情報)に従って誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光強度増幅が可能かどうかを判定する。このモニタ光判定情報には、実際の誘導ブリルアン散乱の閾値及びどの程度余裕を持った強度まで光増幅をして良いかという情報が含まれる。閾値からどの程度余裕を持った強度まで光増幅をして良いかという設定情報であるモニタ光判定情報は測定モードに合わせて選択できると良い。この場合、モニタ光強度判定部２０に加えてモニタ光判定基準選択部２１を用いる。モニタ光判定基準選択部２１から選択された設定情報であるモニタ光判定基準をもとに、光制御部７は光周波数変調部１０及び光増幅部１２に制御情報を指示する。

続いて、実施の形態２に係る風計測ライダ装置１ａの動作を、フローチャートを用いて説明する。図５は実施の形態２に係る風計測ライダ装置１ａにおける自己診断の動作を示すフローチャートである。

風計測ライダ装置１ａの自己診断が開始されると、光受信部２３は、第６の光合分波器８ｆから干渉光Ｂを受信する（ＳＴ１ａ）。そして、受信光処理部２４は、受信した干渉光Ｂの強度を高速フーリエ変換等でモニタ光スペクトル情報に変換する（ＳＴ２ａ）。続いて、第６の光合分波器８ｆから干渉光Ａを受信する（ＳＴ３ａ）。そして、受信光処理部２４は、受信した干渉光Ａの強度を高速フーリエ変換等で散乱光スペクトル情報に変換する（ＳＴ４ａ）。続いて、風速演算部１７は、散乱光処理部１４で変換した散乱光スペクトル情報から風速を算出する（ＳＴ５ａ）この演算方法は、散乱光スペクトル情報の中から風速ピークを抽出し、このピークの周波数から風速を求める。

散乱光強度判定部１５は、時間分割部２５より入力された散乱光スペクトル情報から、散乱光のスペクトル強度を算出し、スペクトル強度が十分であるかを判定する（ＳＴ６ａ）。散乱光強度判定部１５は、風速計測において散乱光の強度が十分であるかを見分けるための、散乱光強度判定基準値をメモリなどに予め保有している。散乱光強度判定部１５で算出された算出値が散乱光強度判定基準値よりも大きい場合はスペクトル強度が十分と判断され（ＳＴ６ａのＹｅｓ）、散乱光強度判定部１５で算出された算出値が散乱光強度判定基準値よりも小さい場合はスペクトル強度が不十分と判断される（ＳＴ６ａのＮｏ）。なお、散乱光強度判定部１５で算出された算出値が散乱光強度判定基準値よりも大きい場合のアルゴリズムは実施の形態１と同じためここでは省略する。

散乱光強度判定部１５で算出された算出値が散乱光強度判定基準値よりも小さい場合は強度が不十分と判断される（ＳＴ６ａのＮｏ）。この場合、ＳＴ６１ａに進み、自己診断を継続する。

モニタ光強度判定部２０は、散乱光強度判定部１５から散乱光のスペクトル強度が不十分である旨の通知を受けると、あらかじめ時間分割部２５から受信していたモニタ光スペクトル情報を用いてモニタ光のスペクトル強度を判定する。そして、モニタ光強度判定部２０は、時間分割部２５から入力されたモニタ光スペクトル情報を、あらかじめメモリなどに保有していたモニタ光判定情報 (誘導ブリルアン散乱の閾値情報)に従って誘導ブリルアン散乱せずに風速計測光強度増幅が可能かどうかを判定する（ＳＴ６１ａ）。なお、モニタ光強度判定部２０、光制御部７のアルゴリズムは実施の形態１と同じためここでは省略する。

このように、本発明の実施の形態２に係る風計測ライダ装置は、干渉光Ａと干渉光Ｂを共通の光受信部で受信するため、受信素子の数を減らすことができる。よって、実施の形態２に係る風計測ライダ装置は、実施の形態１の効果に加え、さらに、小型化、省エネ化することが可能となる。

実施の形態３
本発明の実施の形態３に係る風計測ライダ装置の構成について図６から図１０を用いて説明する。図６は、実施の形態３に係る風計測ライダ装置の光周波数変調部の機能構成を示す図である。図７は、実施の形態３に係る光位相変調器の理想的な電圧の入力を示す図である。図８は、実施の形態３に係る光位相変調器が理想的な電圧の入力をした場合の周波数成分を示す図である。図９は、実施の形態３に係る光位相変調器が風速計測光の周波数帯域を広げるために必要な電圧入力を示す図である。なお、本実施の形態３では実施の形態１、２との相違点を中心に説明し、実施の形態１、２と同様の構成及び効果については省略する。また、実施の形態１、２と同一の構成については同一の符号を用いる。

実施の形態１、２に係る風計測ライダ装置の光周波数変調部はＡＯＭを用いた構成であったが、実施の形態３に係る風計測ライダ装置の光周波数変調部は、ＡＯＭよりも低コストである光位相変調器を用いた構成となっている。

図６に示すように、実施の形態３に係る光周波数変調部１０ａは、入力された光の位相を変調する光位相変調器２６と、光位相変調器２６に入力する鋸波形電圧を生成する鋸波形電圧生成部２７と、を備えている。鋸波形電圧生成部２７は、光位相変調器２６の半波長電圧（Ｖπ）の２倍の振幅に相当する鋸波形の電圧を入力することが出来る。鋸波形電圧生成部２７はデジタルアナログコンバーターと電気増幅器とで構成されており、任意の振幅の鋸波形電圧を生成することが出来る。

光周波数変調を行う場合、理想的には、図７に示すような、２Ｖπの振幅を入れることで、図８に示すような基本周波数成分のみで構成される出力光を得ることができる。一方、図９に示したように理想的な２Ｖπから意図的にずらした電圧振幅２Ｖπ＋Δを入力することで、図１０に示すような基本周波数成分に加えて高調波成分を持つ光が得られる。高調波成分が得られるということは実質的には周波数帯域が広がることを意味する。このように、光周波数変調部１０ａは光位相変調器２６と鋸波形電圧生成部２７とで構成され、光制御部７から風速計測光の周波数帯域を広げるよう指示がなされると、鋸波形電圧生成部２７の振幅を制御し、高調波を発生させることで周波数帯域を広げることが可能となる。

このように、光周波数変調部を光位相変調器と鋸波形電圧生成部で構成することで、実施の形態１、２の効果に加えて、さらに、実施の形態１、２よりも低コスト化することが可能となる。

続いて、図１１を用いて、本発明に係る風計測ライダ装置１、１ａのハードウェア構成を説明する。図１１に示す処理回路３０は専用のハードウェアであり、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。散乱光受信部１３、散乱光処理部１４、散乱光強度判定部１５、散乱光強度判定基準選択部１６、風速演算部１７、モニタ光受信部１８、モニタ光信号処理部１９、モニタ光強度判定部２０、モニタ光判定基準選択部２１、光制御部７の各部の機能各々を処理回路３０で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路３０で実現してもよい。さらに、散乱光強度判定基準選択部１６とモニタ光判定基準選択部２１はそれぞれ、基準値、閾値情報をメモリ３１に記憶している。

１ 風計測ライダ装置、１ａ 風計測ライダ装置、２ 風速計測光生成部、３ 光サーキュレータ、３ａ 光サーキュレータ、４ 光出射部、５ 散乱光計測部、５ａ 散乱光計測部、６ モニタ光計測部、６ａ モニタ光計測部、７ 光制御部、８ａ 第１の光合分波器、８ｂ 第２の光合分波器、８ｃ 第３の光合分波器、８ｄ 第４の光合分波器、８ｅ 第５の光合分波器、８ｆ 第６の光合分波器、９ 光源、１０ 光周波数変調部、１０ａ 光周波数変調部、１１ パルス化部、１２ 光増幅部、１３ 散乱光受信部、１４ 散乱光処理部、１５ 散乱光強度判定部、１６ 散乱光強度判定基準選択部、１７ 風速演算部、１８ モニタ光受信部、１９ モニタ光信号処理部、２０ モニタ光強度判定部、２１ モニタ光判定基準選択部 、２３ 光受信部、２４ 受信光処理部、２５ 時間分割部、２６ 光位相変調器、２７ 鋸波形電圧生成部、３０ 処理回路、３１ メモリ

Claims (6)

1. 光源から出力されたレーザー光を風速計測光として大気中に出射する光出射部と、
   大気中の微粒子により散乱された前記風速計測光を散乱光として受信する散乱光受信部と、
   前記散乱光受信部が受信した散乱光のスペクトル強度を判定する散乱光強度判定部と、
   前記光源から出力された前記風速計測光を前記光出射部から出射する前にモニタ光として受信するモニタ光受信部と
   前記モニタ光のスペクトル強度が誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度増幅が可能かを判定するモニタ光強度判定部と、
   前記モニタ光強度判定部の判定結果に基づいて前記風速計測光を制御する光制御部と、
   を備え
   前記モニタ光強度判定部により誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度の増幅ができないと判断された場合、前記光制御部は、高調波を発生させることで前記風速計測光の周波数帯域を広域化させることを特徴とする風計測ライダ装置。
2. 前記モニタ光強度判定部により誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度の増幅が可能と判断された場合、
   前記光制御部は、前記風速計測光の強度を増幅させることを特徴とする請求項１に記載の風計測ライダ装置。
3. 光源から出力されたレーザー光を、光サーキュレータを介して風速計測光として大気中に出射する光出射部と、
   大気中の微粒子により散乱された前記風速計測光を散乱光として受信し、かつ前記光サーキュレータからの漏れ光をモニタ光として受信する光受信部と、
   前記光受信部が受信した散乱光のスペクトル強度を判定する散乱光強度判定部と、
   前記モニタ光のスペクトル強度が誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度増幅が可能かを判定するモニタ光強度判定部と、
   前記モニタ光強度判定部の判定結果に基づいて前記風速計測光を制御する光制御部と、を備え
   前記モニタ光強度判定部により誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度の増幅ができないと判断された場合、前記光制御部は、高調波を発生させることで前記風速計測光の周波数帯域を広域化させることを特徴とする風計測ライダ装置。
4. 前記モニタ光強度判定部により誘導ブリルアン散乱せずに前記風速計測光の強度の増幅が可能と判断された場合、
   前記光制御部は、前記風速計測光の強度を増幅させることを特徴とする請求項３に記載の風計測ライダ装置。
5. 前記光受信部が受信した光がモニタ光か散乱光かを判断する時間分割部を備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の風計測ライダ装置。
6. 前記時間分割部は、
   受信した光が散乱光であると判断した場合、スペクトル情報を前記散乱光強度判定部に通知し、
   受信した光がモニタ光であると判断した場合、スペクトル情報を前記モニタ光強度判定部に通知することを特徴とする請求項５に記載の風計測ライダ装置。

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