JP6257845B2 - レーザレーダ装置及び風速観測方法 - Google Patents

Description

この発明は、大気中の風速を観測するレーザレーダ装置及び風速観測方法に関するものである。

遠隔点に存在する物体の位置を計測する装置として、レーダ装置が知られている。
レーダ装置は、電磁波や音波などの波動を空間に放射したのち、観測対象である物体に反射されて戻ってきた波動を受信し、その波動を解析することで、レーダ装置から物体までの距離や角度を計測するものである。
レーダ装置の中でも、大気中に浮遊する微小なエアロゾルを観測対象とし、エアロゾルに反射されて戻ってきた波動の位相回転量から、エアロゾルが動く速度を風速として計測する気象レーダ装置が知られている。
また、気象レーダ装置の中でも、特に電磁波として光を用いるレーザレーダ装置は、放射するビームの広がりが極めて小さく、高い角度分解能で物体を観測することが可能であるため、風向風速レーダとして使用されている（例えば、非特許文献１を参照）。

一般的なレーザレーダ装置では、レーザ光を大気中に放射したのち、大気中のエアロゾルに反射されて戻ってきたレーザ光、即ち、大気中のエアロゾルの移動速度に伴ってドップラー周波数シフトを受けているレーザ光を受信し、そのレーザ光とローカル光のヘテロダイン検波を行うことで、風速に相当するドップラー信号を検出するようにしている。
このようなレーザレーダ装置は、一般的にドップラーライダと呼ばれており、大気中における各高度のエアロゾルに反射されて戻ってきたレーザ光を時間毎に区切り、時間毎に区切ったレーザ光であるレンジビン内で、微小間隔のコヒーレント積分を行うようにしている。

レーザレーダ装置が、レンジビン内でコヒーレント積分を行う際、レーザ光を区切る時間は距離分解能に相当するため、風速の空間変動を詳細に把握するには、レーザ光を区切る時間を短くする必要があるが、コヒーレント積算の時間を短くすると、得られる信号量が低下するため、観測可能な距離が短くなるトレードオフの関係がある。
コヒーレント積分の時間を短くしても、観測可能な距離が短くならないようにするために、コヒーレント積分を実施したのち、レンジビン内でコヒーレント積分結果をフーリエ変換し、そのフーリエ変換結果をインコヒーレント積分することで、信号対雑音比（以降、「ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）」と称する）の向上を図る手法がある。一般的に、Ｎ回のインコヒーレント積分を実施した場合、ＳＮＲが、√Ｎだけ向上することが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
一般的なレーザレーダ装置では、レンジビン内でコヒーレント積分を行うことでスペクトル信号を得ると、そのスペクトル信号が最大になる周波数であるドップラーシフト量を特定し、そのドップラーシフト量から風速を算出するようにしている。

したがって、スペクトル信号が最大になる周波数であるドップラーシフト量を高精度に特定することができれば、風速の算出精度を高めることができるが、通常、ＳＮＲが高い距離の領域（高ＳＮＲ領域）と、ＳＮＲが低い距離の領域（低ＳＮＲ領域）とが混在している。
高ＳＮＲ領域では、雑音に対して、スペクトル信号のピークが高いことから、正確に風速を算出することが可能であるが、低ＳＮＲ領域では、スペクトル信号のピークより雑音のピークの方が高くなることがある。したがって、低ＳＮＲ領域では、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出して、誤った風速を算出することがある。

以下の特許文献３には、スペクトル信号のピークを探索する際、高ＳＮＲ領域と、高ＳＮＲ領域と隣接している低ＳＮＲ領域とのゲート（距離）間における風速の標準偏差を求め、その標準偏差を用いて、スペクトル信号のピークを探索するピークサーチ範囲を決定しているレーザレーダ装置が開示されている。
これにより、スペクトル信号のピークを探索する範囲が限定されるため、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率が減少する。

特開２００６−２８４２６０号公報（段落番号［００１３］） 特開２００２−１６８９４８号公報（段落番号［００２９］） 特開２００９−１６２６７８（段落番号［００２８］）

気象と大気のレーダーリモートセンシング ＩＳＢＮ ４−８７６９８−６５３−３

従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、スペクトル信号のピークを探索する範囲が限定されるが、スペクトル信号のピークが存在している可能性が高いサーチ範囲の探索中心は決定されない。このため、スペクトル信号のピークを探索する範囲を限定するにしても、スペクトル信号のピークを見逃さないようにするには、ある程度、大きなサーチ範囲を決定する必要がある。しかし、大きなサーチ範囲を決定すると、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率が高まってしまうという課題があった。

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、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率を低減して、高精度に風速を算出することができるレーザレーダ装置及び風速観測方法を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、パルスを大気に放射し、観測対象に反射されて戻ってきたパルスの反射光を受信する送受光学系と、送受光学系により受信された反射光から、レンジビン毎のスペクトル信号を算出するスペクトル算出部と、スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が第１の閾値以上のレンジビンのスペクトル信号であれば、当該スペクトル信号から当該レンジビンにおける観測対象の速度である風速を算出する風速算出部と、大気におけるレンジビンと風速の関係を示している複数の中から、風速算出部により算出された各レンジビンの風速に対応する風速モデルを選択する風速モデル選択部とを設け、風速探索部が、スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が第１の閾値未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、風速モデル選択部により選択された風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心を決定し、その探索中心を決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索するようにしたものである。

この発明によれば、風速探索部が、スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が第１の閾値未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、風速モデル選択部により選択された風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心を決定し、その探索中心を決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索するように構成したので、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率を低減して、高精度に風速を算出することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０を示す構成図である。 信号処理装置１０がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０の処理内容である風速観測方法を示すフローチャートである（その１）。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０の処理内容である風速観測方法を示すフローチャートである（その２）。 高ＳＮＲ領域のスペクトル信号と低ＳＮＲ領域のスペクトル信号を示す説明図である。 一部の周波数をピークサーチ範囲（探索範囲）に決定して、そのピークサーチ範囲内でスペクトル信号のピークを探索する例を示す説明図である。 ダウンバーストモデル、べき乗則及びウィンドシアーモデルを示す説明図である。 風速探索部３０により決定された探索中心ＩＦを示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０を示す構成図である。

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、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図１において、光発振部１はレーザ光を発振する光発振器である。
光カプラ２は光発振部１により発振されたレーザ光を送信光とローカル光に分配して、その送信光を光変調部４に出力するとともに、そのローカル光を受信カプラ８に出力する。
光変調ドライバ３は信号処理装置１０から出力される制御信号にしたがって光変調部４によるパルス変調を制御するとともに、光アンプ５の増幅率を制御する。

光変調部４は例えばＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などの光学変調器で構成されており、光変調ドライバ３の制御の下で、光カプラ２から出力された送信光をパルス変調することで、パルスを出力する。
光アンプ５は光変調ドライバ３によって増幅率が制御され、光変調部４から出力されたパルスを当該増幅率で増幅し、増幅後のパルスをサーキュレータ６に出力する。
サーキュレータ６は光アンプ５から出力されたパルスを送受光学系７に出力する一方、送受光学系７により受信されたパルスの反射光である受信光を受信カプラ８に出力する。

送受光学系７は視線方向切換部１１によりパルスの放射方向である視線方向が切り換えられ、サーキュレータ６から出力されたパルスを大気に放射したのち、観測対象であるエアロゾルに反射されて戻ってきたパルスの反射光を受信する。
受信カプラ８は光カプラ２から出力されたローカル光とサーキュレータ６から出力された受信光を合波することで、そのローカル光の周波数と受信光の周波数とを足し合わせた周波数を有する合波光を光検出器９に出力する。
光検出器９は例えばバランスドレシーバで構成されており、受信カプラ８から出力された合波光を電気信号に変換し、その電気信号を信号処理装置１０に出力する。

信号処理装置１０は光検出器９から出力された各々の視線方向に係る電気信号を解析することで、エアロゾルの移動速度である風速を算出するとともに、光変調ドライバ３及び視線方向切換部１１を制御する制御信号を出力する。
視線方向切換部１１は信号処理装置１０から出力される制御信号にしたがって送受光学系７から放射されるパルスの視線方向を切り換える装置である。

図２はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０を示す構成図である。
図２において、制御部２０は放射するパルスのパルス幅や、パルスの増幅率などを示す制御信号を光変調ドライバ３に出力するとともに、パルスの視線方向を示す制御信号を視線方向切換部１１に出力する。また、制御部２０はパルスの視線方向を示す制御信号をスペクトル算出部２２及び風速算出部２４に出力する。
Ａ／Ｄコンバータ２１は光検出器９から出力された電気信号をデジタル信号にそれぞれ変換するアナログデジタル変換器である。

スペクトル算出部２２は視線方向切換部１１により視線方向が切り換えられる毎に、Ａ／Ｄコンバータ２１により変換されたデジタル信号を時間毎に区切り、時間毎に区切ったデジタル信号、即ち、レンジビン毎のデジタル信号をフーリエ変換することで、当該視線方向におけるレンジビン毎のスペクトル信号を算出する処理を実施する。
また、スペクトル算出部２２はレンジビン毎のスペクトル信号を加算するインコヒーレント積分（積分処理）を実施することで、レンジビン毎のスペクトル信号のＳＮＲ（信号対雑音比）を改善する処理を実施する。
スペクトル保存部２３は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、スペクトル算出部２２により算出されたレンジビン毎のスペクトル信号を保存する。

風速算出部２４は視線方向風速算出部２５及び風ベクトル算出部２６から構成されており、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号が、信号強度が事前に設定された閾値Ｔｈ_１（第１の閾値）以上のレンジビンのスペクトル信号であれば、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号から当該レンジビンにおけるエアロゾルの移動速度である風速を算出する処理を実施する。
視線方向風速算出部２５はパルスの視線方向毎に、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号が、信号強度が事前に設定された閾値Ｔｈ_１以上のレンジビンのスペクトル信号であれば、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号から当該レンジビンの視線方向風速を算出する処理を実施する。
風ベクトル算出部２６は視線方向風速算出部２５により視線方向毎に算出された信号強度が閾値Ｔｈ_１以上のレンジビンの視線方向風速から、当該レンジビンの風速を算出する処理を実施する。

データ保存部２７は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、風ベクトル算出部２６により算出された風速を保存する。
風速モデル格納部２８は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、大気における高度（レンジビン）と風速の関係を示す風速モデルとして、例えば、「ダウンバーストモデル」、「べき乗則」、「ウィンドシアーモデル」などのモデルを格納している。
なお、季節（時間）や地域によって高度と風速の関係は大きく異なり、各風速モデルのパラメータは時間や地域によって大きく異なっている。
風速モデル選択部２９はデータ保存部２７に保存されている各レンジビンの風速から、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデルに対する適合度をそれぞれ算出して、複数の風速モデルに対する適合度を比較し、その適合度の比較結果に基づいて各レンジビンの風速に対応する風速モデルを選択する処理を実施する。
即ち、風速モデル選択部２９は各レンジビンの風速に対応する風速モデルとして、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデルの中から、適合度が最も高い風速モデルを選択する処理を実施する。

風速探索部３０はスペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号が、信号強度が事前に設定された閾値Ｔｈ_１未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、風速モデル選択部２９により選択された風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心を決定し、その探索中心を決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索する処理を実施する。
表示処理部３１はデータ保存部２７に保存されている各レンジビンの風速を表示する処理を実施する。

図２の例では、信号処理装置１０の構成要素である制御部２０、スペクトル算出部２２、風速算出部２４、風速モデル選択部２９、風速探索部３０及び表示処理部３１のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定している。専用のハードウェアとしては、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどが考えられる。
ただし、信号処理装置１０はコンピュータで構成されているものであってもよい。図３は信号処理装置１０がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。
例えば、Ａ／Ｄコンバータ２１を除く信号処理装置１０がコンピュータで構成される場合、スペクトル保存部２３、データ保存部２７及び風速モデル格納部２８をコンピュータのメモリ４１上に構成するとともに、制御部２０、スペクトル算出部２２、風速算出部２４、風速モデル選択部２９、風速探索部３０及び表示処理部３１の処理内容を記述しているプログラムをメモリ４１に格納し、コンピュータのプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図４及び図５はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０の処理内容である風速観測方法を示すフローチャートである。

図６は高ＳＮＲ領域のスペクトル信号と低ＳＮＲ領域のスペクトル信号を示す説明図である。
高ＳＮＲ領域では、雑音に対して、スペクトル信号のピークが高いことから、正確に風速を算出することが可能であるが、低ＳＮＲ領域では、スペクトル信号のピークより雑音のピークの方が高くなることがある。したがって、低ＳＮＲ領域では、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出して、誤った風速を算出することがある。
スペクトル信号のピークとして雑音のピークを誤検出するのを防止する手法として、全ての周波数をスペクトルピークの探索範囲とするのではなく、スペクトルピークの探索範囲を限定する手法が考えられる。
図７は一部の周波数をピークサーチ範囲（探索範囲）に決定して、そのピークサーチ範囲内でスペクトル信号のピークを探索する例を示す説明図である。
図７のように、スペクトルピークの探索範囲を限定することで、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率が減少する。

そこで、この実施の形態１では、スペクトルピークの探索範囲を限定するレーザレーダ装置について説明する。
ただし、スペクトルピークの探索範囲であるピークサーチ範囲の探索中心が、スペクトル信号のピークと大きくずれている可能性がある場合、スペクトル信号のピークを探索する範囲を限定するにしても、スペクトル信号のピークを見逃さないようにするには、ある程度、大きなサーチ範囲を決定する必要がある。大きなサーチ範囲を決定すると、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率が高まる。
このため、この実施の形態１のレーザレーダ装置では、ピークサーチ範囲の探索中心をスペクトル信号のピークの位置と近い位置に決定して、サーチ範囲を狭めことができるようにしている。

次に動作について説明する。
信号処理装置１０の制御部２０は、放射するパルスのパルス幅や、パルスの増幅率などを示す制御信号を光変調ドライバ３に出力するとともに、パルスの視線方向を示す制御信号を視線方向切換部１１に出力する。
また、制御部２０は、パルスの視線方向を示す制御信号をスペクトル算出部２２及び風速算出部２４に出力する。
この実施の形態１では、制御部２０が、視線方向ｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）を示す制御信号を出力するものとする。
ただし、視線方向を示す変数ｍは、最初は１に初期設定され、Ｍに到達するまで、順次インクリメントされるものとする。

光発振部１は、レーザ光を発振する。
光カプラ２は、光発振部１により発振されたレーザ光を送信光とローカル光に分配して、その送信光を光変調部４に出力するとともに、そのローカル光を受信カプラ８に出力する。
光変調ドライバ３は、信号処理装置１０の制御部２０から制御信号を受けると、その制御信号が示すパルス幅のパルスが得られる光変調部４のパルス変調を制御するとともに、光アンプ５の増幅率を制御信号が示す増幅率に設定する。

光変調部４は、光変調ドライバ３の制御の下で、光カプラ２から出力された送信光をパルス変調することで、パルスを光アンプ５出力する。
光アンプ５は、光変調部４からパルスを受けると、光変調ドライバ３によって設定された増幅率で当該パルスを増幅し、増幅後のパルスをサーキュレータ６に出力する。
サーキュレータ６は、光アンプ５からパルスを受けると、そのパルスを送受光学系７に出力する。

視線方向切換部１１は、信号処理装置１０の制御部２０から制御信号を受けると、その制御信号が示す視線方向ｍにパルスが放射されるように、送受光学系７を制御する。
送受光学系７は、サーキュレータ６から出力されたパルスを視線方向ｍに放射したのち、観測対象であるエアロゾルに反射されて戻ってきたパルスの反射光を受信する。
ここでは、視線方向切換部１１が、送受光学系７の方向を調整する駆動装置を制御することで、パルスの視線方向ｍをメカ的に切り換えるものを想定しているが、視線方向が異なっている複数の送受光学系７を設置するとともに、複数の送受光学系７とサーキュレータ６の間に光スイッチを設置し、光スイッチが、サーキュレータ６からパルスを受けると、複数の送受光学系７のうち、制御部２０から出力された制御信号が示す視線方向ｍに対応する送受光学系７に対して、そのパルスを出力し、視線方向ｍに対応する送受光学系７により受信されたパルスの反射光をサーキュレータ６に出力するようにしてもよい。

また、光発振部１から送受光学系７に至るテレスコープを複数台用意することで、複数の視線方向にパルスが放射されるようにしてもよい。また、パルスの視線方向ｍをメカ的に切り換えるものに限るものではなく、例えば、ウェッジスキャナなどを用いて、パルスの視線方向ｍを光学的に切り換えるものであってもよい。
この実施の形態１では、複数の視線方向風速からエアロゾルの移動速度である風速を算出するために、パルスの視線方向ｍを切り換える例を説明するが、１つの視線方向の風速をエアロゾルの移動速度とする場合には、パルスの視線方向を切り換える必要がなく、視線方向切換部１１は不要となる。

サーキュレータ６は、送受光学系７により受信されたパルスの反射光を受信光として受信カプラ８に出力する。
受信カプラ８は、光カプラ２から出力されたローカル光とサーキュレータ６から出力された受信光を合波することで、そのローカル光の周波数と受信光の周波数とを足し合わせた周波数を有する合波光を光検出器９に出力する。
光検出器９は、受信カプラ８から合波光を受けると、その合波光を電気信号に変換し、その電気信号を信号処理装置１０に出力する。
信号処理装置１０は、光検出器９から電気信号を受けると、その電気信号を解析することで、エアロゾルの移動速度である風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒを算出する。
以下、信号処理装置１０の処理内容を具体的に説明する。

信号処理装置１０のＡ／Ｄコンバータ２１は、光検出器９から電気信号を受けると、その電気信号をデジタル信号に変換する（図４のステップＳＴ１）。
スペクトル算出部２２は、視線方向切換部１１により視線方向ｍが切り換えられる毎に、視線方向ｍにおけるレンジビン毎のスペクトル信号を算出する（ステップＳＴ２）。
即ち、スペクトル算出部２２は、Ａ／Ｄコンバータ２１からデジタル信号を受けると、そのデジタル信号を時間毎に区切り、時間毎に区切ったデジタル信号、即ち、レンジビン毎のデジタル信号をフーリエ変換することで、視線方向ｍにおけるレンジビン毎のスペクトル信号を算出する。
この実施の形態１では、説明の便宜上、視線方向ｍにおけるレンジビンの個数がＮであるものとし、レンジビンを示す変数をｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）で表すものとする。ただし、レンジビンを示す変数ｎは、最初は１に初期設定され、Ｎに到達するまで、順次インクリメントされるものとする。
スペクトル算出部２２により算出された視線方向ｍにおける各レンジビンｎのスペクトル信号はスペクトル保存部２３に保存される。
ここでは、レンジビン毎のスペクトル信号がスペクトル保存部２３に保存されるものを想定しているが、レンジビン毎のスペクトル信号のＳＮＲを改善するために、スペクトル算出部２２がレンジビン毎のスペクトル信号を加算するインコヒーレント積分を実施し、インコヒーレント積分後のスペクトル信号がスペクトル保存部２３に保存されるようにしてもよい。

高ＳＮＲ領域では、スペクトル信号のピークを誤検出することなく、正確に風速を算出することができる一方、低ＳＮＲ領域では、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出して、誤った風速を算出することがあることは既に言及している。
風速算出部２４には、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号が、高ＳＮＲ領域に属するスペクトル信号であるのか、低ＳＮＲ領域に属するスペクトル信号であるのかを判別するための閾値Ｔｈ_１が事前に設定されている。
閾値Ｔｈ_１は、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号を高ＳＮＲ領域と低ＳＮＲ領域に切り分けるためのものであるが、例えば、コンピュータのシミュレーション計算を実施することで、正常な検出確率が９９．９９９９％以上の値を設定することが可能である。閾値Ｔｈ_１は、例えば、０．５ｄＢに設定される。

風速算出部２４の視線方向風速算出部２５は、スペクトル保存部２３に保存されている視線方向ｍにおけるレンジビン毎のスペクトル信号を読み出し、レンジビンｎのスペクトル信号の信号強度と閾値Ｔｈ_１を比較する（ステップＳＴ３）。
視線方向風速算出部２５は、信号強度が閾値Ｔｈ_１以上のレンジビンｎのスペクトル信号については（ステップＳＴ４：ＹＥＳの場合）、高ＳＮＲ領域に属するスペクトル信号であり、スペクトル信号のピークを誤検出する可能性が低いため、そのスペクトル信号のピーク値を探索し、そのピーク値をとる周波数をドップラーシフト量ｆ_ｄとして特定する（ステップＳＴ５）。

視線方向風速算出部２５は、ドップラーシフト量ｆ_ｄを特定すると、下記の式（１）に示すように、そのドップラーシフト量ｆ_ｄとパルスの波長λから、レンジビンｎの視線方向風速ｖ_ｄを算出する（ステップＳＴ６）。

視線方向ｍにおいて、全てのレンジビンに対して、ステップＳＴ３〜ＳＴ６の処理が実施されるまで、ステップＳＴ３〜ＳＴ６の処理が繰り返し実施される（ステップＳＴ７，ＳＴ８）。
また、全ての視線方向において、高ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄが算出されるまで、ステップＳＴ１〜ＳＴ８の処理が繰り返し実施される（ステップＳＴ９，ＳＴ１０）。
なお、視線方向風速算出部２５により算出される視線方向風速ｖ_ｄは、高ＳＮＲ領域のレンジビンでの視線方向風速であり、スペクトル信号の信号強度が閾値Ｔｈ_１未満のレンジビンである低ＳＮＲ領域のレンジビンでの視線方向風速については算出されない。低ＳＮＲ領域のレンジビンでの視線方向風速は、風速探索部３０によって算出される。

ここでは、視線方向風速算出部２５が、スペクトル信号のピーク値を探索し、そのピーク値をとる周波数をドップラーシフト量ｆ_ｄとして特定するものについて示しているが、これは一例に過ぎず、例えば、スペクトル信号の重心位置を計算する重心演算を実施し、重心位置をとる周波数をドップラーシフト量ｆ_ｄとして特定するようにしてもよい。
この実施の形態１では、視線方向風速算出部２５が、スペクトル信号のピーク値を探索するピークサーチ範囲は全域であるものとする。その理由は、スペクトル信号のピーク値を探索するピークサーチ範囲を全域ではなく、例えば、風速モデル格納部２８に格納されている風速モデルに依存しているピークサーチ範囲に限定してしまうと、各レンジビンの視線方向風速ｖ_ｄから得られる風速分布が風速モデルに沿う風速分布となり、現在発生している風速分布を得ることができなくなるためである。

風速算出部２４の風ベクトル算出部２６は、視線方向風速算出部２５が全ての視線方向における高ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄを算出すると、同一のレンジビン単位に、最大でＭ個の視線方向風速ｖ_ｄについてベクトル演算を実施することで、当該レンジビンの風速として水平方向風速Ｖ_Ｗを算出するとともに、風向Ｄｉｒを算出する（ステップＳＴ１１）。Ｍ個の視線方向における同一のレンジビンの全てが高ＳＮＲ領域に属していれば、Ｍ個の視線方向風速ｖ_ｄについてベクトル演算を実施することになるが、例えば、そのうちの２個の視線方向における同一のレンジビンが低ＳＮＲ領域に属していれば、（Ｍ−２）個の視線方向風速ｖ_ｄについてベクトル演算を実施することになる。
以下、風ベクトル算出部２６による高ＳＮＲ領域における各レンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒの算出処理を具体的に説明する。

視線方向風速算出部２５により算出された各レンジビンの視線方向風速ｖ_ｄは、下記の式（２）のように表される。

式（２）において、φは北を基準とする方位角、θは天頂角、Ｕは東西方向風速、Ｖは南北方向風速、Ｗは鉛直方向風速である。

ここでは、説明の便宜上、視線方向風速算出部２５により視線方向が異なる３つの視線方向風速ｖ_ｄ１，ｖ_ｄ２，ｖ_ｄ３が算出されているものとする。即ち、ｍ＝１，２，３の場合の視線方向風速ｖ_ｄ１，ｖ_ｄ２，ｖ_ｄ３が算出されているものとする。

式（３）〜（５）を行列式で書き直すと、下記の式（６）のように表される。

式（６）において、Ｕ，Ｖ，Ｗについて解くと、下記の式（７）のように表される。

風ベクトル算出部２６は、下記の式（８）（９）に示すように、東西方向風速Ｕ及び南北方向風速Ｖを用いて、高ＳＮＲ領域の当該レンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒを算出する。

式（８）において、αは仰角（レーザレーダ装置の正面方向と地面が成す角）を表している。
ここでは、風ベクトル算出部２６が東西方向風速Ｕ及び南北方向風速Ｖを用いて、水平方向風速Ｖ_Ｗを算出する例を示しているが、これは一例に過ぎず、他の方式で水平方向風速Ｖ_Ｗを算出するものであってもよい。
風ベクトル算出部２６により算出された高ＳＮＲ領域のレンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒはデータ保存部２７に保存される。

風速モデル格納部２８は、大気における高度と風速の関係を示す風速モデルとして、例えば、「ダウンバーストモデル」、「べき乗則」、「ウィンドシアーモデル」などのモデルを格納している。
図８はダウンバーストモデル、べき乗則及びウィンドシアーモデルを示す説明図である。

風速モデル選択部２９は、視線方向を示す変数ｍを１に初期化し、視線方向ｍにおける高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数、即ち、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出されたレンジビンの個数がＴｈ_３（第３の閾値）以上であれば（ステップＳＴ１２：ＹＥＳの場合）、データ保存部２７に保存されている高ＳＮＲ領域のレンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗから、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデルに対する適合度をそれぞれ算出する（ステップＳＴ１３）。
閾値Ｔｈ_３はユーザによって事前に設定される値であり、例えば、高度（距離）の分解能を考慮して、風速の変動を捉えるのに十分な値に設定されるものとする。閾値Ｔｈ_３は、例えば、１０個に設定される。

この実施の形態１では、風速モデルに対する適合度として、下記の式（１０）に示すＲＭＳＥを算出する例を説明する。ＲＭＳＥは、風速モデルに対する適合度が高い程、値が小さくなる評価値である。

式（１０）において、Ｖ_Ｗ（ｚ）は風ベクトル算出部２６により算出されたレンジビン（高度）がｚであるときの水平方向風速であり、ｆｍ（ｚ）はレンジビン（高度）がｚであるときの風速モデルから得られる水平方向風速である。
また、Ｎは風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された視線方向ｍにおけるレンジビンの個数である。
風速モデルから得られる水平方向風速ｆｍ（ｚ）は、当然風速モデル毎に異なるが、例えば、風速モデルがべき乗則であれば、下記の式（１１）のように表される。

式（１１）において、ｕは参考高度ｚ_０での風速であり、例えば、高ＳＮＲ領域のレンジビンの中で、最も高度が低いレンジビンの風速（風ベクトル算出部２６により算出された水平方向風速Ｖ_Ｗ（ｚ））を用いればよい。
ｐは風速モデルのパラメータ（変数）である。

風速モデル選択部２９は、風速モデル格納部２８に格納されている風速モデル毎に、風速モデルのパラメータｐを変えながら、式（１０）のＲＭＳＥを算出し、最小になるときのＲＭＳＥの値を特定する。以下、最小になるときのＲＭＳＥの値をＲＭＳＥの代表値とする。
風速モデル選択部２９は、風速モデル格納部２８に格納されている風速モデル毎に、ＲＭＳＥの代表値を特定すると、各風速モデルのＲＭＳＥの代表値を比較し、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデルの中から、ＲＭＳＥの代表値が最も小さい風速モデルを選択する（ステップＳＴ１４）。ＲＭＳＥの代表値が最も小さい風速モデルは、複数の風速モデルの中で、適合度が最も高い風速モデルである。

風速モデル選択部２９は、ＲＭＳＥの代表値が最も小さい風速モデルを選択すると、そのＲＭＳＥの代表値と事前に設定されている閾値Ｔｈ_２を比較し、そのＲＭＳＥの代表値が閾値Ｔｈ_２以下であれば（ステップＳＴ１５：ＹＥＳの場合）、その選択した風速モデルを風速探索部３０に出力する（ステップＳＴ１６）。ＲＭＳＥの代表値が閾値Ｔｈ_２以下であることは、当該風速モデルの適合度が第２の閾値以上であることを意味し、閾値Ｔｈ_２は、第２の閾値と対応している。
風速モデル選択部２９は、ＲＭＳＥの代表値が閾値Ｔｈ_２より大きい場合（ステップＳＴ１５：Ｎｏの場合）、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデル、即ち、標準で設定されている風速モデルには表されていない自然現象が発生している可能性があるため、新たな風速モデルを生成して、その風速モデルを風速探索部３０に出力する（ステップＳＴ１７）。
例えば、風ベクトル算出部２６により算出された高ＳＮＲ領域のレンジビンにおける水平方向風速Ｖ_Ｗを用いて、最小二乗法による近似多項式を作成することで、新たな風速モデルを生成する。即ち、高ＳＮＲ領域のレンジビンにおける水平方向風速Ｖ_Ｗを用いて、近似多項式で表される風速モデルを生成する。
ただし、風速モデル選択部２９は、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された視線方向ｍにおけるレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３より少ない場合（ステップＳＴ１２：Ｎｏの場合）、新たな風速モデルを高精度に生成することが困難であるため、過去に選択した風速モデルを風速探索部３０に出力する（ステップＳＴ１８）。過去に選択した風速モデルとして、例えば、前回選択した風速モデルを風速探索部３０に出力する。

風速探索部３０は、スペクトル算出部２２により算出された各レンジビンのスペクトル信号の中に、低ＳＮＲ領域のレンジビンのスペクトル信号、即ち、信号強度が閾値Ｔｈ_１未満のレンジビンのスペクトル信号が存在している場合、風速モデル選択部２９から出力された風速モデルを用いて、低ＳＮＲ領域のレンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心ＩＦを決定する（ステップＳＴ１９）。
即ち、風速探索部３０は、低ＳＮＲ領域のレンジビン（高度）がｚであるとすれば、風速モデル選択部２９より出力された風速モデルから、ｚに対応する水平方向風速ｆｍ（ｚ）及び風向Ｄｉｒ（ｚ）を取得し、その水平方向風速ｆｍ（ｚ）及び風向Ｄｉｒ（ｚ）を下記の式（１２）に代入することで、事前に設定されたサーチ範囲の探索中心ＩＦを算出する。

図９は風速探索部３０により決定された探索中心ＩＦを示す説明図である。
図９において、（ａ）は特許文献３に記載されている方式でサーチ範囲が決定される例を示している。即ち、風速の標準偏差を用いてサーチ範囲が決定される例を示している。ただし、サーチ範囲の探索中心ＩＦが決定されないため、サーチ範囲が限定されるにしても、ある程度、大きなサーチ範囲を決定する必要がある。したがって、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率が高まる。
（ｂ）は風速探索部３０により決定された探索中心ＩＦを示しており、サーチ範囲の中心が探索中心ＩＦと合っている。
図９（ｂ）に示しているサーチ範囲は、事前に設定された固定の大きさを想定している。
このサーチ範囲は、高ＳＮＲ領域のスペクトルの広がりなどを考慮し、風速モデルに依存せずに設定することが望ましい。この実施の形態１では、サーチ範囲の探索中心ＩＦが最適化されているため、サーチ範囲を広げることなく、スペクトル信号のピークを検出することが可能である。

風速探索部３０は、サーチ範囲の探索中心ＩＦを算出すると、その探索中心ＩＦを決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から低ＳＮＲ領域のレンジビンの風速を探索する（ステップＳＴ２０）。
即ち、風速探索部３０は、その探索中心ＩＦを決定したサーチ範囲内のスペクトル信号のピーク値を探索し、そのピーク値をとる周波数をドップラーシフト量ｆ_ｄとして特定する。
風速探索部３０は、ドップラーシフト量ｆ_ｄを特定すると、上記の式（１）に示すように、そのドップラーシフト量ｆ_ｄとパルスの波長λから、低ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄを算出し、その視線方向風速ｖ_ｄを風速算出部２４の風ベクトル算出部２６に出力する。

全ての視線方向において、低ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄが算出されるまで、ステップＳＴ１２〜ＳＴ２０の処理が繰り返し実施される（ステップＳＴ２１，ＳＴ２２）。

風ベクトル算出部２６は、風速探索部３０から低ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄを受けると、視線方向風速算出部２５から高ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄを受けた場合と同様に、同一のレンジビン単位に、最大でＭ個の視線方向風速ｖ_ｄについてベクトル演算を実施することで、当該レンジビンの風速として水平方向風速Ｖ_Ｗを算出するとともに、風向Ｄｉｒを算出する（ステップＳＴ２３）。Ｍ個の視線方向における同一のレンジビンの全てが低ＳＮＲ領域に属していれば、Ｍ個の視線方向風速ｖ_ｄについてベクトル演算を実施することになるが、例えば、そのうちの１個の視線方向における同一のレンジビンが高ＳＮＲ領域に属していれば、（Ｍ−１）個の視線方向風速ｖ_ｄについてベクトル演算を実施することになる。
風ベクトル算出部２６により算出された低ＳＮＲ領域のレンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒはデータ保存部２７に保存される。
表示処理部３１は、データ保存部２７に保存されている高ＳＮＲ領域及び低ＳＮＲ領域の各レンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒを読み出し、高ＳＮＲ領域及び低ＳＮＲ領域の各レンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒをディスプレイに表示する（ステップＳＴ２４）。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、風速探索部３０が、スペクトル算出部２２により算出されたスペクトル信号が、信号強度が閾値Ｔｈ_１未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、風速モデル選択部２９により選択された風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心ＩＦを決定し、その探索中心ＩＦを決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索するように構成したので、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率を低減して、高精度に風速を算出することができる効果を奏する。また、風速の測定可能距離を延伸することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３より少ない場合、新たな風速モデルを高精度に生成することが困難であるため、風速モデル選択部２９が、過去に選択した風速モデルを風速探索部３０に出力するものについて示したが、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が増加するように光変調ドライバ３やスペクトル算出部２２を制御した上で、風ベクトル算出部２６が高ＳＮＲ領域のレンジビンの水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒを算出することで、過去に選択した風速モデルを風速探索部３０に出力しないようにしてもよい。

図１０はこの発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置の信号処理装置１０を示す構成図であり、図１０おいて、図２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。
制御部５０は図２の制御部２０と同様に、放射するパルスのパルス幅や、パルスの増幅率などを示す制御信号を光変調ドライバ３に出力するとともに、パルスの視線方向を示す制御信号を視線方向切換部１１に出力する。また、制御部５０はパルスの視線方向を示す制御信号をスペクトル算出部２２及び風速算出部２４に出力する。
制御部５０は図２の制御部２０と異なり、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された視線方向ｍにおける高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３より少ない場合、送受光学系７から放射されるパルスのパルス幅の拡大を指示する制御信号を光変調ドライバ３に出力する。あるいは、レンジビン毎のスペクトル信号を加算するインコヒーレント積分の回数の増加を指示する制御信号をスペクトル算出部２２に出力する。

図１０の例では、信号処理装置１０の構成要素である制御部５０、スペクトル算出部２２、風速算出部２４、風速モデル選択部２９、風速探索部３０及び表示処理部３１のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定している。専用のハードウェアとしては、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどが考えられる。
ただし、信号処理装置１０はコンピュータで構成されているものであってもよい。
例えば、Ａ／Ｄコンバータ２１を除く信号処理装置１０がコンピュータで構成される場合、スペクトル保存部２３、データ保存部２７及び風速モデル格納部２８をコンピュータの図３に示すメモリ４１上に構成するとともに、制御部５０、スペクトル算出部２２、風速算出部２４、風速モデル選択部２９、風速探索部３０及び表示処理部３１の処理内容を記述しているプログラムをメモリ４１に格納し、コンピュータのプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。

次に動作について説明する。
上記実施の形態１では、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された視線方向ｍにおける高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３より少なければ、風速モデル選択部２９が過去に選択した風速モデルを風速探索部３０に出力するようにしている。
この場合、風速探索部３０は、過去に選択した風速モデルを用いて、低ＳＮＲ領域のレンジビンの視線方向風速ｖ_ｄを算出することになるが、過去に選択した風速モデルは、必ずしも現在の風速分布を表しているものではないため、視線方向風速ｖ_ｄの算出精度が低下する可能性がある。
一方、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が増加するように光変調ドライバ３やスペクトル算出部２２を制御することができれば、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗが算出される高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数を増やすことができる。高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が増えれば、風速モデル選択部２９が、高ＳＮＲ領域のレンジビンにおける水平方向風速Ｖ_Ｗを用いて、新たな風速モデルを高精度に生成することができる。あるいは、風速モデル選択部２９が、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデルの中から、適合度が最も高い風速モデルを選択することができる。

そこで、この実施の形態２では、制御部５０は、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された視線方向ｍにおける高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３より少ない場合、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が増加するように光変調ドライバ３やスペクトル算出部２２を制御する。
具体的には、制御部５０は、送受光学系７から放射されるパルスのパルス幅の拡大を指示する制御信号を光変調ドライバ３に出力する。
光変調ドライバ３は、制御部５０からパルス幅の拡大を指示する制御信号を受けると、パルス幅が拡大するように光変調部４のパルス変調を制御する。これにより、送受光学系７から放射されるパルスのパルス幅が拡大するため、反射光のＳＮＲが高くなる。パルス幅が拡大することで、距離分解能が低下するが、送受光学系７の集光位置を遠方に設定することで、風速測定可能な高度（距離）を延伸させることができる。なお、制御部５０は、パルス幅の拡大する際、光アンプ５の増幅率を同時に変更するようにしてもよい。

また、制御部５０は、レンジビン毎のスペクトル信号を加算するインコヒーレント積分の回数の増加を指示する制御信号をスペクトル算出部２２に出力するようにしてもよい。
スペクトル算出部２２では、インコヒーレント積分の回数の増加を指示する制御信号を受けると、レンジビン毎のスペクトル信号を加算するインコヒーレント積分の回数の増やすようにするが、インコヒーレント積分の回数を増やすことでも、ＳＮＲが高くなるため、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数を増やすことができる。
ただし、インコヒーレント積分の回数は無限に増やすことはできず、風が一様である前提が崩れない時間に応じて、インコヒーレント積分の上限回数が設定されるので、その上限回数を超えない範囲で、インコヒーレント積分の回数を増やすことができる。

信号処理装置１０は、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が増えた状態で、上記実施の形態１と同様に、水平方向風速Ｖ_Ｗを算出する処理を実施する。
このとき、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が増えることで、そのレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３以上になれば、過去に選択した風速モデルを風速探索部３０に出力せずに、風速モデル選択部２９が、高ＳＮＲ領域のレンジビンにおける水平方向風速Ｖ_Ｗを用いて、新たな風速モデルを高精度に生成し、新たな風速モデルを風速探索部３０に出力することができる。あるいは、風速モデル選択部２９が、風速モデル格納部２８に格納されている複数の風速モデルの中から、適合度が最も高い風速モデルを選択し、その風速モデルを風速探索部３０に出力することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、制御部５０が、風ベクトル算出部２６により水平方向風速Ｖ_Ｗ及び風向Ｄｉｒが算出された視線方向ｍにおける高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が閾値Ｔｈ_３より少ない場合、送受光学系７から放射されるパルスのパルス幅の拡大を指示する制御信号を光変調ドライバ３に出力、あるいは、レンジビン毎のスペクトル信号を加算するインコヒーレント積分の回数の増加を指示する制御信号をスペクトル算出部２２に出力するように構成したので、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数が少ない状況下では、高ＳＮＲ領域のレンジビンの個数を増やして、水平方向風速Ｖ_Ｗの算出精度を高めることができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るレーザレーダ装置は、大気中の風速を観測する際、雑音のピークをスペクトル信号のピークとして誤検出する確率を低減する必要があるものに適している。

１ 光発振部、２ 光カプラ、３ 光変調ドライバ、４ 光変調部、５ 光アンプ、６ サーキュレータ、７ 送受光学系、８ 受信カプラ、９ 光検出器、１０ 信号処理装置、１１ 視線方向切換部、２０ 制御部、２１ Ａ／Ｄコンバータ、２２ スペクトル算出部、２３ スペクトル保存部、２４ 風速算出部、２５ 視線方向風速算出部、２６ 風ベクトル算出部、２７ データ保存部、２８ 風速モデル格納部、２９ 風速モデル選択部、３０ 風速探索部、３１ 表示処理部、４１ メモリ、４２ プロセッサ、５０ 制御部。

Claims (6)

1. パルスを大気に放射し、観測対象に反射されて戻ってきた前記パルスの反射光を受信する送受光学系と、
   前記送受光学系により受信された反射光から、レンジビン毎のスペクトル信号を算出するスペクトル算出部と、
   前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が第１の閾値以上のレンジビンのスペクトル信号であれば、当該スペクトル信号から当該レンジビンにおける前記観測対象の速度である風速を算出する風速算出部と、
   大気におけるレンジビンと風速の関係を示している複数の風速モデルの中から、前記風速算出部により算出された各レンジビンの風速に対応する風速モデルを選択する風速モデル選択部と、
   前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が前記第１の閾値未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、前記風速モデル選択部により選択された風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心を決定し、前記探索中心を決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索する風速探索部と
   を備えたレーザレーダ装置。
2. 前記送受光学系から放射されるパルスの方向である視線方向を切り換える視線方向切換部を備え、
   前記スペクトル算出部は、前記視線方向切換部により視線方向が切り換えられる毎に、前記送受光学系により受信された反射光から、当該視線方向におけるレンジビン毎のスペクトル信号を算出し、
   前記風速算出部は、前記視線方向切換部により視線方向が切り換えられる毎に、前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が前記第１の閾値以上のレンジビンのスペクトル信号であれば、前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号から当該レンジビンの視線方向風速を算出し、各視線方向における当該レンジビンの視線方向風速から、当該レンジビンの風速を算出することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 前記風速モデル選択部は、前記風速算出部により算出された各レンジビンの風速から、前記複数の風速モデルに対する適合度をそれぞれ算出して、前記複数の風速モデルに対する適合度を比較し、前記適合度の比較結果に基づいて前記各レンジビンの風速に対応する風速モデルを選択することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
4. 前記風速モデル選択部は、前記複数の風速モデルに対する適合度の中に、第２の閾値以上の適合度がなければ、前記風速算出部により算出された各レンジビンの風速を用いて、新たな風速モデルを生成し、
   前記風速探索部は、前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が前記第１の閾値未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、前記風速モデル選択部により生成された新たな風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心を決定し、前記探索中心を決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索することを特徴とする請求項３記載のレーザレーダ装置。
5. 前記風速算出部により風速が算出されたレンジビンの個数が第３の閾値より少ない場合、前記送受光学系から放射されるパルスのパルス幅の拡大を指示又は前記スペクトル算出部により算出されるスペクトル信号の信号対雑音比を高めるための前記スペクトル信号の積分処理の回数を増やす指示を出力する制御部を備えたことを特徴とする請求項３記載のレーザレーダ装置。
6. 送受光学系が、パルスを大気に放射したのち、観測対象に反射されて戻ってきた前記パルスの反射光を受信し、
   スペクトル算出部が、前記送受光学系により受信された反射光から、レンジビン毎のスペクトル信号を算出し、
   風速算出部が、前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が第１の閾値以上のレンジビンのスペクトル信号であれば、当該スペクトル信号から当該レンジビンにおける前記観測対象の速度である風速を算出し、
   風速モデル選択部が、大気におけるレンジビンと風速の関係を示している複数の風速モデルの中から、前記風速算出部により算出された各レンジビンの風速に対応する風速モデルを選択し、
   風速探索部が、前記スペクトル算出部により算出されたスペクトル信号が、信号強度が前記第１の閾値未満のレンジビンのスペクトル信号であれば、前記風速モデル選択部により選択された風速モデルを用いて、当該レンジビンの風速に対応するドップラー周波数のサーチ範囲の探索中心を決定し、前記探索中心を決定したサーチ範囲内のスペクトル信号から当該レンジビンの風速を探索する
   風速観測方法。

Images