JP6366880B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関するものである。

レーザ光を空気中に出射し、大気中に浮遊する微小な液体または固体の粒子（エアロゾル）に反射した散乱光を受信することで、風の速度を知ることができるレーザレーダ装置が知られている。このレーザレーダ装置の使用用途には、風況調査や風車評価などへの使用がある。風車面内の風速値を高分解能・高精度で測定することによって、詳細な風車設計へのフィードバックや、風車の異常検知が可能となる。特許文献１に示される従来のレーザレーダ装置では、大気中エアロゾルからの散乱光を時間ゲートごとにフーリエ変換して、時間ごとの散乱光の周波数スペクトルを求める。その後、時間ごとの周波数スペクトルを積算し、積算した周波数スペクトルのピーク値から視線方向の風速値を求める。そして、積算した周波数スペクトルから求めた風速値を視線を変えて集め、これから風ベクトルを算出する。

特開 ２００９−３００１３３号公報

従来のレーザレーダ装置は、時間ゲート幅を一定としているため、時間ゲート内には多種の風速値の信号が内包されている。
図１１は、従来のレーダ装置を用いた風車評価の構成図である。図１１に示すような風車評価を行う場合、風車面内の風速値は高度によって変化する。しかし、各レンジビン（時間ゲート）の風速値はその平均、もしくは最頻の風速値しか出力されず、各レンジビンにおいて得られる周波数スペクトルは広がり、風速測定精度は改善されない課題があった。風速値の測定精度を向上させるためには空間的な測定範囲を狭くする、すなわち時間ゲートを狭くする必要があるが、その場合、得られる信号量が減少し、雑音に対するピーク値（信号対雑音比）、つまりＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が劣化して観測距離が短くなる。ゆえに、時間ゲート幅と風速測定精度の間には相補的な関係があり、両立することが困難であった。

本発明のレーザレーダ装置は、レーザ光を発振する光発振器と、光発振器が発振したレーザ光を変調する光変調器と、光変調器が変調したレーザ光を大気へ放射し、被放射物からの散乱光を受信光として受信する光アンテナと、光アンテナが受信した受信光をヘテロダイン検波する光受信器と、光受信器がヘテロダイン検波することにより得られた受信信号のスペクトルを算出し、信号対雑音比を用いてスペクトルを分割し、分割したスペクトルから被放射物の速度を算出する信号処理器とを備え、信号処理器は、設定された時間ゲート幅で受信信号を分割するレンジビン分割器と、レンジビン分割器が分割した受信信号をフーリエ変換し、時間ゲート幅ごとの受信信号のスペクトルを算出するフーリエ変換処理器と、時間ゲート幅ごとに、フーリエ変換処理器が算出したスペクトルを積算する積算器と、積算器が積算したスペクトルから距離に対する信号対雑音比を求めるＳＮＲ算出器と、積算器が積算したスペクトルの分割数を設定する分割数設定器と、分割数設定器が設定した分割数及びＳＮＲ算出器が算出した信号対雑音比を用いて、積算器が積算したスペクトルを分割するスペクトル分割器と、スペクトル分割器が分割したスペクトルから被放射物の風速を算出する風速算出器とを備える。

本発明によれば、時間ゲートの幅を変更しなくてもレーザレーダ装置の風速測定精度を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る信号処理器１０の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における観測距離と受信時間との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る積算器１０３の積算処理を表す概念図である。 この発明の実施の形態１に係るＳＮＲ算出器１０４及びスペクトル分割器１０５に係る処理内容の概念図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における高度と測定風速値との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係る信号処理器１２の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係る信号処理器１２の他の構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係る信号処理器１２の他の構成例を示す構成図である。 従来のレーダ装置を用いた風車評価の構成図である。

実施の形態１.
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
本レーザレーダ装置は、光発振器１、光カプラ２、光変調器３、光サーキュレータ４、光アンテナ５、スキャナ６、合波カプラ７、光受信器８、Ａ／Ｄ変換器９、信号処理器１０、及び表示器１１を備える。

光発振器１は、レーザ光を発振する光発振器である。光発振器１は、光カプラ２に接続され、発振したレーザ光を光カプラ２に出力する。例えば、光発振器１には半導体レーザ、固体レーザなどが用いられる。

光カプラ２は、光発振器１が出力したレーザ光をローカル光と送信光とに分岐する光カプラである。ローカル光とは、光カプラ２から合波カプラ７を介して光受信器８に繋がる経路を通る光をいい、送信光とは、光カプラ２から光変調器３を介して光アンテナ５に繋がる経路を通る光をいう。光カプラ２は、光発振器１、光変調器３、及び合波カプラ７に接続され、ローカル光を合波カプラ７に出力し、送信光を光変調器３に出力する。例えば、光カプラには、溶融ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタを用いたフィルタ型カプラなどが用いられる。

光変調器３は、光カプラ２が出力した送信光の周波数をシフトさせる変調器である。光変調器３は、送信光に対して位相変調又は周波数変調を行い、送信光の周波数をシフトさせる。光変調器３は、光カプラ２及び光サーキュレータ４に接続される。例えば、光変調器３にはＡＯ周波数シフタ（Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔｅｒ）、光位相変調器などが用いられる。

光サーキュレータ４は、光変調器３が変調した送信光と、スキャナ６及び光アンテナ５を介して得られる受信光とを分離する光サーキュレータである。ここで受信光は、送信光に対するエアロゾルの散乱光である。光サーキュレータ４は、光変調器３、光アンテナ５、及び合波カプラ７に接続され、送信光を光アンテナ５に出力し、受信光を合波カプラ７に出力する。例えば、光サーキュレータ４には、波長板とビームスプリッタを用いて構成されるサーキュレータなどで、空間伝搬型、ファイバ結合型のものが用いられる。

光アンテナ５は、光サーキュレータ４が出力した送信光を出力し、エアロゾルからの散乱光を受信光として受信する光アンテナである。光アンテナ５は、光サーキュレータ４及びスキャナ６に接続され、送信光をスキャナ６に出力し、受信光を光サーキュレータ４に出力する。例えば、光アンテナ５には光学望遠鏡、カメラレンズが用いられる。

スキャナ６は、光アンテナ５が出力した送信光を走査し、大気中への照射方向（視線方向ともいう）を変化させるスキャナである。スキャナ６は、ウェッジプリズムとそれを回転させるモータ、エンコーダから構成される。例えば、モータにはエンコーダ付ステッピングモータが使用される。スキャナ６は、モータを任意速度で回転させ、ウェッジプリズムの視線方向を変化させるとともに、信号処理器１０に送信光が照射される角度情報を出力する。例えば、スキャナ６には、ウェッジプリズムミラー、ガルバノスキャナーなどが用いられる。

合波カプラ７は、ローカル光と受信光とを合波する合波カプラである。合波カプラ７は、光カプラ２、光サーキュレータ４、及び光受信器８に接続される。合波カプラ７は、光カプラ２が出力したローカル光と光サーキュレータ４が出力した受信光とを合波し、合波光を光受信器８に出力する。例えば、合波カプラ７には、溶融ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタを用いたフィルタ型カプラなどが用いられる。

光受信器８は、合波カプラ７が出力した合成光をヘテロダイン検波する光受信器である。光受信器８は、合波カプラ７とＡ／Ｄ変換器９に接続される。光受信器８は、合波カプラ７が出力した合成光をヘテロダイン検波し、検波した光信号を電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器９に出力する。例えば、光受信器８には、バランスドレシーバなどが用いられる。

Ａ／Ｄ変換器９は、光受信器８がヘテロダイン検波したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇｕｅ tｏ Ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）である。Ａ／Ｄ変換器９は、光受信器８、光変調器３、及び信号処理器１０に接続される。Ａ／Ｄ変換器９は、光受信器８が出力したアナログ電気信号を、光変調器３が出力したレーザパルストリガ信号をトリガとしてサンプリングし、アナログ信号をデジタル信号へ変換して信号処理器１０に出力する。例えば、Ａ／Ｄ変換器９には、二重積分型Ａ／Ｄ変換器、逐次比較形Ａ／Ｄ変換器、並列比較型Ａ／Ｄ変換器などが用いられる。

信号処理器１０は、Ａ／Ｄ変換器９が出力したデジタル信号を信号処理し、風ベクトルを算出する信号処理器である。
図２は、この発明の実施の形態１に係る信号処理器１０の一構成例を示す構成図である。
信号処理器１０は、分割数設定器１００、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器（フーリエ変換処理器）１０２、積算器１０３、ＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５、風速算出器１０６、風ベクトル算出器１０７、及びスキャナ制御器１０８を備える。

分割数設定器１００は、各レンジビンで得られたスペクトルの分割数を設定するものであり、ＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５に接続され、当該分割数の設定値に相当するデジタル信号をＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５に出力する。

レンジビン分割器１０１は、Ａ／Ｄ変換器９が出力するデジタル信号を任意個数のレンジビンに分割するレンジビン分割器である。レンジビン分割器１０１は、Ａ／Ｄ変換器９及びＦＦＴ処理器１０２に接続される。レンジビン分割器１０１は、Ａ／Ｄ変換器９が出力したデジタル信号を、任意個数のレンジビンで区切り、区切ったデジタル信号をＦＦＴ処理器１０２に出力する。レンジビンで区切るということは、信号を一定時間で分割することをいう。

ＦＦＴ処理器１０２は、レンジビン分割器１０１が出力した信号をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ）処理するＦＦＴ処理器である。ＦＦＴ処理器１０２は、レンジビン分割器１０１及び積算器１０３に接続される。ＦＦＴ処理器１０２は、レンジビン分割器１０１が出力する各レンジビンで区切られた信号を、レンジビンごとに高速フーリエ変換し、変換したスペクトル信号をＳＮＲ算出器１０４に出力する。

積算器１０３は、スペクトル信号を積算する積算器である。積算器１０３は、ＦＦＴ処理器１０２、ＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５に接続される。積算器１０３は、ＦＦＴ処理器１０２が出力したスペクトルを任意回数積算処理し、積算処理したスペクトル信号をＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５に出力する。積算処理は、各ショットにおけるレンジビンごとのスペクトル信号を、各ショットの同じレンジビンごとに積算することで行う。

ＳＮＲ算出器１０４は、観測によって得られた各高度のＳＮＲ値からＳＮＲの高度に対する関数を導出し、分割数設定器１００において設定された分割数に従い、レンジビン内の高度を分割し、各高度のＳＮＲをスペクトル分割器１０５に出力する。

スペクトル分割器１０５は、観測によって得られた各高度のスペクトルが、分割数設定器１００及びＳＮＲ算出器１０４において設定された１個以上の高度のスペクトルによって形成されているものとし、各高度のスペクトルを推定し、風速算出器１０６に出力する。

風速算出器１０６は、スペクトルデータから風速を算出する風速算出器である。風速算出器は、スペクトル分割器１０５に接続される。風速算出器１０６は、スペクトル分割器１０５によって出力されたスペクトル信号から、レーザ光のドップラーシフト量を算出し、ドップラーシフト量からレーザ光の視線方向に対する風速値を算出する。風速算出器１０６は、各視線方向の風速値を風ベクトル算出器１０７に出力する。

風ベクトル算出器１０７は、視線方向の風速値及び視線方向の角度情報から風ベクトルを算出する風ベクトル算出器である。風ベクトル算出器１０７は、風速算出器１０６、スキャナ６、スキャナ制御器１０８に接続される。風ベクトル算出器１０７は、風速算出器１０６が出力した各視線方向の風速値と、スキャナ制御器１０８を介して得られるスキャナ６のプリズムの角度情報とから風ベクトルを算出し、スキャナ制御器１０８に出力する。

スキャナ制御器１０８は、スキャナ６を制御する制御信号を生成するスキャナ制御器である。スキャナ制御器１０８は、風ベクトル算出器１０７、スキャナ６、及び表示器１１に接続される。スキャナ制御器１０８は、風ベクトル算出器１０７が算出した風ベクトルの結果から、視線方向切換のための制御信号を生成し、生成した制御信号をスキャナ６に出力する。スキャナ制御器１０８は、スキャナ６より得た角度情報を保持すると共に、風ベクトル算出器１０７に送信する。また、スキャナ制御器１０８は、風ベクトル算出器１０７が出力した風ベクトルの算出結果を表示器１１に出力する。

分割数設定器１００、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器１０２、積算器１０３、ＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５、風速算出器１０６、風ベクトル算出器１０７、及びスキャナ制御器１０８は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）の論理回路、マイコン（マイクロコンピュータ）などが用いられる。

図２のレーザレーダ装置の構成の説明に戻る。

表示器１１は、信号処理器１０が算出した視線方向風速値を表示する表示器である。表示器１１は、信号処理器１０に接続される。表示器１１は、信号処理器１０が算出したデータ、例えば、視線方向風速値、そのＳＮＲ、または風ベクトルを表示する。例えば、表示器１１には、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどが用いられる。表示器１１は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）またはハードディスクなどの記憶装置を有し、時間に対して、視線方向風速値、そのＳＮＲ、または風ベクトルを記憶するようにしても良い。

次に、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。

光発振器１は、レーザ光を発振させ、発振したレーザ光を光カプラ２に出力する。

光カプラ２は、光発振器１が出力したレーザ光を送信光とローカル光とに任意分岐比により分配し、送信光を光変調器３に、ローカル光を合波カプラ７に出力する。送信光は、光アンテナ５から大気中に出力する光であり、ローカル光は、光受信器８でヘテロダイン検波するために、合波カプラ７において受信光と合波する光である。光カプラ２の分岐比は、システム設計により決定される。

システム設計のための回線計算には、例えば、以下の式が用いられる。

β、Ｋ、Ｓ_０は、それぞれ、後方散乱係数(ｍ^−１ｓｒ^−１)、大気透過率、散乱光のコヒーレンス径(ｍ)を表し、システムで制御不可な大気条件を表すパラメータを表す。Ｄ、Ｆ、Ｎ、Ｌはそれぞれ、ビーム径（ｍ）、集光距離（ｍ）、インコヒーレント積算数（回）、観測距離（ｍ）を表し、システム内において変更可能なパラメータを表す。ｈ、λ、Ｐ、η_Ｆ、Ｂは、それぞれ、プランク定数(Ｊ_ｓ)、波長(ｍ)、送信光パルスエネルギー(Ｊ)、Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄの送受信効率、受信帯域幅(Ｈｚ)であり、Ａｃは、光アンテナによってケラレたガウシアンビーム（ＮＧＢ:Ｎｅａｒｅｓｔ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅａｍ）を相関の高い回折限界のガウシアンビームに置き換えるための近似係数を表し、Ｌは観測距離(ｍ)を表す。ケラレとは送信もしくは受信するガウシアンビームが望遠鏡の有効開口径によって遮断され、一部をクリッピングされた状態を表す。上記Ａ_ｃはクリッピングされたガウシアンビームに対しガウシアン曲線でフィッティングを行った場合に、当該ガウシアン曲線に係る係数に相当する。

光変調器３は、光カプラ２が分配した送信光を周波数変調及び強度変調し、変調した送信光を光サーキュレータ４に出力する。ここで、光変調器３は、送信光のパルス幅、繰り返し周波数(ＰＲＦ)を決定している。パルス幅は距離分解能値にも相当するため、所望する距離分解能値に相当するパルス幅を信号処理器１０において設定し、信号処理器１０が光変調器３にそのパルス幅を設定することも可能であるし、光変調器３は、設計時に設定された固定のパルス幅、ＰＲＦを出力するようにしても良い。また、光変調器３の出力光が不足している場合、光変調器３の後段に光増幅器を追加しても良い。光変調器３は、送信光をパルス化するときのパルスタイミングを示すパルストリガ信号をＡ／Ｄ変換器９に出力する。

光サーキュレータ４は、光変調器３が変調した送信光を光アンテナ５に通過させ、光アンテナが受信した受信光を合波カプラ７に出力する。光サーキュレータ４は、このように送信光と受信光とを分離する。

光アンテナ５は、送信光をコリメートにし、空気中に照射する。また、光アンテナ５は、送信光に対するエアロゾルからの散乱光を集め、受信光として受信する。光アンテナ５は、集光調整機能を有するものでも良い。

スキャナ６は、信号処理器１０が出力した制御信号を受け、ウェッジプリズムを回転させ、光アンテナ５が照射する光の方向を任意に変更する。また、スキャナ６は、エンコーダ情報に相当する電気信号を信号処理器１０に出力し、角度情報を伝達する。

合波カプラ７は、光カプラ２が出力したローカル光と光サーキュレータ４が出力した受信光とを合波し、合波した光を光受信器８に出力する。

光受信器８は、合波カプラ７が出力した合波光を光電変換し、ヘテロダイン検波により受信光の周波数復調を行い、周波数復調した受信信号をＡ／Ｄ変換器９に出力する。

Ａ／Ｄ変換器９は、光変調器３において発生するパルストリガ信号を受けた後、サンプリング周波数ｆｓで光受信器８が出力した受信信号のＡ／Ｄ変換を行い、そのデジタル信号を信号処理器１０に出力する。

ここで、信号処理器１０の動作について説明する。
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における観測距離と受信時間との関係を示す図である。レンジビン分割器１０１は、各距離からの受信信号を任意時間幅で区切る。以降では、区切られた時間（時間ゲート）をレンジビンと呼ぶ。各レンジビンの時間幅は、距離分解能値に対応する。レンジビン分割器１０１は、任意個数のレンジビンで受信波形を区切り、レンジビン区間の受信波形の電圧値をＦＦＴ処理器１０２に出力する。
例えば、距離分解能をＲｒｅｓと設定した場合、Ａ／Ｄ変換された時間波形を区切る時間幅（ｔ）は、ｔ ＝ ２Ｒｒｅｓ／ｃ （ｃ：光速）で設定される。ゆえに、総レンジビン数がＭ個であった場合、Ａ／Ｄを開始するためのトリガ、ここでは光変調器３からのトリガ信号タイミングを基準にして、各レンジビンで区切られる時間を表すと、その式は以下のようになる。

Ｔｓｔａｒｔは、各レンジビンのデータ取得開始時間、Ｔｅｎｄは、各レンジビンのデータ取得終了時間、ｍは、レンジビンの番号であり、１〜Ｍの値域を持つ。Ｒｍｉｎは、観測開始距離を調整するための値、すなわち、パルストリガ信号に対しＡ/Ｄ変換を行うまでのディレイタイミングを距離値で表したものである。トリガに対するＡ/Ｄ開始の遅延量が０の場合、例えば、４０ｍから測定したい場合は、Ｒｍｉｎに４０などの値が挿入される。

なお、ここでは、当時間間隔のレンジビン分割を行っているが、これに限らず、Ｔｓｔａｒｔに相当する観測開始距離をユーザによって決定してもよいし、それをレンジビンごとに設定しても良いし、ＴｓｔａｒｔとＴｅｎｄの範囲をオーバーラップさせても良い。

ＦＦＴ処理器１０２は、レンジビン分割器１０１が取得した各レンジビンの時間波形をＦＦＴビン数（ＮＦＦＴ）でＦＦＴ処理し、受信信号スペクトルを得る。ＮＦＦＴはＦＦＴ処理を行う点数を表し、例えば２５６等の値が用いられる。

積算器１０３は、各ショットで得られたスペクトルに対して、ユーザによって指定された回数（Ｎ）のインコヒーレント積算を行う。インコヒーレント積算は、各レンジビンのスペクトルデータに対して以下の式で行う。

図４は、この発明の実施の形態１に係る積算器１０３の積算処理を表す概念図である。積算器１０３は、各ショットにおける各レンジビンのスペクトルデータについて、同じレンジビン番号のスペクトルデータを足し合わせることで積算処理を行う。積算処理は、数式で表すと以下のようになる。

ＳＰＣ（ｉ，ｎ，Ｒ）は、各ショットのスペクトルデータである。Ｓ（ｉ，Ｒ）は、積算処理したスペクトルデータである。ｉは周波数ビンの番号、ｎはショットの番号、Ｒはレンジビンの番号である。積算処理を行うことにより、雑音値に対してスペクトルデータのピーク値（信号値）を大きくすることができる。つまり、ＳＮＲを改善することができる。

図５は、この発明の実施の形態１に係るＳＮＲ算出器１０４及びスペクトル分割器１０５に係る処理内容の概念図である。図５において、実線は任意レンジビンにおいて取得されるスペクトルを表し、そのスペクトルは、図５の点線で表されるＳ１〜ＳＭのスペクトルが重畳して形成されているものとする。本図では高度を３分割するイメージを示した。ＳＮＲ算出器１０４では、図５の白丸で示された高度のＳＮＲを導出する。その際は、観測によって得られたＳＮＲ（図５の黒丸）を用いた多項式近似を用いても良いし、式（１）に示した回線計算式を用いて、例えば後方散乱係数を変数として、得られたＳＮＲプロファイルと最も一致する当該変数の値を導出し、（１）式の関数を用いて所望となる高度のＳＮＲを導出しても良い。測定値からＳＮＲを求める場合は、スペクトルのピーク値をノイズフロアの値で除算してＳＮＲを算出する。

スペクトル分割器１０５では、上述の分解されたスペクトルの推定を行う。被分割のスペクトルＳｔｏｔａｌがＳ１、Ｓ２・・・ＳＭの和で表されるとすると、以下式で表される。ここで、Ｓｔｏｔａｌは、式（５）のＳ（ｉ，Ｒ）に対応する。それぞれのｆｉ(ドップラ周波数)が、求めるべき変数となる。ここで、最尤推定を行う手法も考えられるが、振幅、ドップラー周波数、スペクトル幅σと変数が多く、計算量が膨大になる。本構成によれば、振幅をＳＮＲプロファイルから導出するため、計算量低減の効果がある。

ここで、ｗｔは送信光の線幅、ｗＬはローカル光の線幅、Ｍは分割する高度数、ｆは周波数、ｉはスペクトル分割番号（図５参照）、ｆｉは各高度のスペクトルの中心（平均）である。

スペクトル分割器１０５は、式（９）に示すように、Ｓｔｏｔａｌをその最大値で規格化する。また、スペクトル分割器１０５は、式（１０）に示すように、受信されたＳＮＲを規格化して、それぞれのガウシアン波形の振幅Ａを計算する。

式（９）のＳ’ｔｏｔａｌを式（６）のＳｔｏｔａｌに、式（１０）のＡｉを式（６）に代入し、ｆｉについて連立方程式(分割した分だけの連立方程式)を解く。その結果、ｆ１〜ｆＭの値が導出できる。最尤推定のようなフィッティングとは異なり、ＳＮＲプロファイルから振幅の項を求め、連立方程式を解くことで複数高度のスペクトルを算出できることから、上述したように、計算量低減の効果が得られる。ここで、Ｓｔｏｔａｌは、任意周波数分解能によって区切られた離散的なデータである。そのため、取得されたスペクトルをガウシアンフィッティングもしくは多項式近似し、関数化する。多項式近似であれば複雑な形状のスペクトルにも対応ができ、風速測定精度を向上できる。

図６は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における高度と測定風速値との関係を示す図である。例えば、一般的に風速値の高度分布は、べき乗則に従うが、微細な変動が存在する。したがって、各レンジビン内の風速は線形に増加するものではない。また、エアロゾル量が一定の場合、得られるスペクトルピークは、その最頻値にピークを持つ。ここでは中心高度よりも低い高度に風速シアがある状態を模擬している。この場合、中心高度の風速値に対して測定誤差が発生する。したがって、風速値を高度で線形補完して求めたとしても、風速値の変動が線形ではないため観測誤差が発生する。このような問題に対して、本構成は、スペクトルを分割し、高度分解能を向上させ、スペクトル幅の変動を極小とすることでシアの影響を低減できるので、測定精度向上の効果が得られる。

風速算出器１０６は、積算されたスペクトルから視線方向のドップラー周波数、すなわち、風速値を算出する。視線方向風速値ｖ（ｍ/ｓ）は、以下の式で算出する。λは波長を表す。

風ベクトル算出器１０７は、ベクトル合成もしくは、ＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｚｉｍｕｔｈ Ｄｉｓｐｌａｙ）法を用いて風ベクトルを算出する。ベクトル合成の場合、例えば、視線方向の風速（Ｖｒ）は、東西方向の水平方向風速（Ｕ）、南北方向の水平方向風速（Ｖ）、鉛直方向の風速（Ｗ）、仰角（θ）、北を基準とした方位角（φ）を用いて、以下の式で表される。

本式を用いて、例えば、３方向の視線方向風速値が得られた場合、連立方程式を解くことによって、Ｕ、Ｖ、Ｗを算出することができる。これにより、３次元の風ベクトルを得る。

スキャナ制御器１０８は、視線方向を切り替えるために、スキャナを動作させるための制御信号を生成する。スキャナ６は、スキャナ制御器１０８からの制御信号によってスキャナ内ステッピングモータを駆動し、所望ステップ動作させることによって所望角度への動作を行う。また、スキャナ６は、搭載されるエンコーダによる角度信号をスキャナ制御器１０８に送信し、スキャナ制御器１０８では動作後の角度情報を保持する。

表示器１１は、信号処理器１０が算出した視線方向風速値、視線方向風速値のＳＮＲ、または風ベクトルなどの情報をメモリに保存し、表示する。

以上の通り、この発明の実施の形態１によれば、ＳＮＲに応じて時間ゲート内のスペクトルの振幅値を決定し、このスペクトルの振幅値を用いて、時間ゲート内のスペクトルを分割するので、風速測定精度を改善することができる。

なお、本構成では、パルス型のレーザレーダ装置を前提に記載しているが、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式を用いても良く、これに限るものではない。また、本構成では、光接続方法について光ファイバをベースに記載しているが、接続方法は、光ファイバを用いずに空間伝搬型としても良い。

また、本レーザレーダ装置は、上述したようなスキャナ構成ではなく、サーキュレータとテレスコープの間に光スイッチ入れ、スキャナを取り除いた構成でも良く、これに限るものではない。この際、例えば、光スイッチには、通信で用いられるメカニカル光スイッチやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）光スイッチ等が用いられる。

また、信号処理器１０の各構成要素の機能は、ＦＰＧＡなどのハードウェアで実行されても良いし、メモリに記憶された各構成要素の機能を表すプログラムをプロセッサが読みだして実行するように、ソフトウェアで実行されても良い。

実施の形態２.
実施の形態２では、実施の形態１に対して、分割するスペクトルの数を動的に変動させるレーザレーダ装置について説明する。これにより、ＳＮＲ不足による誤検知を低減する効果が得られる。一般的に、分割スペクトル数が多くなると、分割スペクトルのピーク値が小さくなり、ノイズフロアに埋もれるため、ＳＮＲが劣化する。

図７は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。図７において図２と同一の符号は、同一または相当の部分を示し、説明を省略する。実施の形態１に対して、信号処理器１２の構成が異なる。

図８は、この発明の実施の形態２に係る信号処理器１２の一構成例を示す構成図である。全体の装置構成については図２に示したものと同じである。図８において図３と同一の符号は、同一または相当の部分を示し、説明を省略する。

信号処理器１２は、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器１０２、積算器１０３、ＳＮＲ算出器１０４、スペクトル分割器１０５、風速算出器１０６、風ベクトル算出器１０７、スキャナ制御器１０８が設けられており、積算器１０３において得られたスペクトルを分割数設定器１０９に入力し、分割数設定器１０９が、スペクトル分割可能な最大個数をＳＮＲ算出器１０４及びスペクトル分割器１０５に出力する。この点が、信号処理器１０と異なる。

次に、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。実施の形態１と同じ動作については説明を省略し、実施の形態１と異なる動作を説明する。

光発振器１からＡ／Ｄ変換器９までの動作は、実施の形態１と同じであるので、説明を省略する。

信号処理器１２における分割数設定器１０９は、積算器１０３から得られたスペクトルデータより、ピーク強度であるＳＮＲを算出する。これに対し、信号検出のためのＳＮＲ閾値をＴＨとしたとき、以下を満たす分割数Ｍを導出する。この時Ｍは自然数である。

この際の閾値は通常の信号検出閾値よりも高くマージンを持たせて設定することにより、風速測定精度の担保が可能となる。

図９は、この発明の実施の形態２に係る信号処理器１２の他の構成例を示す構成図である。Ｍが１未満となった場合、図９に示すように、時間ゲート幅及び送信光のパルス幅を変化させる信号を光変調器３に出力しても良い。レンジビン分割器１０１は、光変調器３からの制御信号に従い、時間ゲート幅を変更する。これにより、ＳＮＲの改善を図る。

図１０は、この発明の実施の形態２に係る信号処理器１２の他の構成例を示す構成図である。Ｍが１未満となった場合、図１０に示すように、積算器に積算回数を増加させる設定信号を出力しても良い。このように、得られたＳＮＲを判断基準として、観測可能となるようにシステムパラメータを設定することで、有効データ率の向上が可能となる。

以上の通り、この発明の実施の形態２によれば、分割するスペクトルの数を動的に変動させるので、ＳＮＲ不足による誤検知を低減することができる。

１ 光発振器、２ 光カプラ、３ 光変調器、４ 光サーキュレータ、５ 光アンテナ、６ スキャナ、７ 合波カプラ、８ 光受信器、９ Ａ／Ｄ変換器、１０ 信号処理器、１１ 表示器、１２ 信号処理器、１００ 分割数設定器、１０１ レンジビン分割器
１０２ ＦＦＴ処理器、１０３ 積算器、１０４ ＳＮＲ算出器、１０５ スペクトル分割器、１０６ 風速算出器、１０７ 風ベクトル算出器、１０８ スキャナ制御器、１０９ 分割数設定器。

Claims (5)

1. レーザ光を発振する光発振器と、
   前記光発振器が発振した前記レーザ光を変調する光変調器と、
   前記光変調器が変調した前記レーザ光を大気へ放射し、被放射物からの散乱光を受信光として受信する光アンテナと、
   前記光アンテナが受信した前記受信光をヘテロダイン検波する光受信器と、
   前記光受信器がヘテロダイン検波することにより得られた受信信号のスペクトルを算出し、信号対雑音比を用いて前記スペクトルを分割し、分割した前記スペクトルから前記被放射物の速度を算出する信号処理器と、
   を備え、
   前記信号処理器は、
   設定された時間ゲート幅で前記受信信号を分割するレンジビン分割器と、
   前記レンジビン分割器が分割した前記受信信号をフーリエ変換し、前記時間ゲート幅ごとの前記受信信号の前記スペクトルを算出するフーリエ変換処理器と、
   前記時間ゲート幅ごとに、前記フーリエ変換処理器が算出した前記スペクトルを積算する積算器と、
   前記積算器が積算した前記スペクトルから距離に対する前記信号対雑音比を求めるＳＮＲ算出器と、
   前記積算器が積算した前記スペクトルの分割数を設定する分割数設定器と、
   前記分割数設定器が設定した前記分割数及び前記ＳＮＲ算出器が算出した前記信号対雑音比を用いて、前記積算器が積算した前記スペクトルを分割するスペクトル分割器と、
   前記スペクトル分割器が分割したスペクトルから前記被放射物の風速を算出する風速算出器と、
   を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記分割数設定器は、前記信号対雑音比の閾値を用いて、前記スペクトルの分割数を決定することを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
3. 前記積算器は、前記分割数に応じて、前記スペクトルの積算回数を変更することを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。
4. 前記レンジビン分割器は、前記分割数に応じて、前記スペクトルを算出する際の前記時間ゲート幅を変更することを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。
5. 前記光変調器は、前記分割数に応じて、前記レーザ光を変調する際のパルス幅を変更することを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。

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