JP6395958B1 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

レーザレーダ装置（１）は、複数の光出射端から複数のレーザ光を同時に出射する光源アレイ（１０）と、これら複数のレーザ光から分離された送信光を変調して変調送信光を生成する光変調器（１２）と、変調送信光で外部空間を走査しつつ、ターゲットで反射された当該変調送信光を受信光として受信する送受信光学系（１４，１５）と、複数のレーザ光から分離された複数のローカル光成分と当該受信光とを合波することにより複数の干渉光成分を生成する光合波器（１６）と、これら干渉光成分を検波することで複数の検波信号を生成する光受信器アレイ（１７）と、外部空間に対する走査速度に応じて、複数の検波信号の中から検波信号を選択するスイッチ回路（１８）と、当該選択された検波信号に基づいてターゲットの状態を示す観測量を算出する信号処理部（２０）とを備える。

Description

本発明は、レーダ技術に関し、特に、レーザ光を用いて粒子状物質（たとえば、エアロゾル）などのターゲットの状態を観測するレーザレーダ技術に関するものである。

大気中のエアロゾル（当該大気に浮遊する、液体または固体からなる微粒子）、雲粒または大気分子などの粒子状物質をターゲットとしてレーザ光を大気中に照射し、当該ターゲットで反射された散乱光を受信し、その受信散乱光に基づいて風速などの大気状態を示す情報を計測することができるレーザレーダ装置が知られている。この種のレーザレーダ装置は、たとえば特許文献１（特開２００９−１６２６７８号公報）に開示されている。

特許文献１に開示されている従来のレーザレーダ装置は、レーザビームの送信光で大気を走査するとともに当該大気で反射された散乱光を受信光として受信するビーム走査光学系と、２枚のウェッジプリズムで当該受信光を屈折させて送信光と受信光との間の角度差（光軸角度ずれ）を補償する光軸補正部と、この光軸補正部の出力光と当該送信光から分岐されたローカル光とを合波する光カプラと、この光カプラの出力光に対してヘテロダイン検波を行う信号処理部とを備えている。この従来のレーザレーダ装置では、光軸補正部は、ビーム走査に伴い送信光と受信光との間で生じる角度差を光学的に補償することができるので、信号受信部は、受信信号強度を低下させることなく風速計測を行うことができる。

国際公開第２０１６／１１７１５９号（たとえば、図１及び図３）

上記した従来のレーザレーダ装置では、光軸補正部は、２枚のウェッジプリズムの回転状態を制御することによって上記角度差を補償する。しかしながら、この光軸補正部は、２枚のウェッジプリズムと、これらウェッジプリズムに受信光を導光する光学部品と、それらウェッジプリズムを機械的に回転させる機構とで構成されるため、応答性が低いという課題がある。たとえば、ターゲットとの距離が１００ｍの場合、当該ターゲットに向けて送信光が出射された時点から当該ターゲットで反射された散乱光が受信される時点までの光伝搬時間は、約０．６６μ秒となるので、当該角度差の補償に必要な応答時間は、受信視野と走査速度とに依存するものの、数十ｎ秒（ナノ秒）のオーダである。上記した従来のレーザレーダ装置では、そのような短い応答時間で当該角度差を正確に補償することが難しい。

また、上記した従来のレーザレーダ装置では、２枚のウェッジプリズム及び光学部品の各々の加工精度あるいは組み込み精度が低いと、送信光と受信光との間の角度差を正確に補償することができないおそれがある。この場合、信号受信部における受信信号強度が低下し、信号対雑音電力比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ，ＳＮＲ）が劣化する。

上記に鑑みて本発明の目的は、送信光と受信光との間に角度差が生じた場合であっても、高い応答性で当該角度差を補償することができ、高ＳＮＲを得ることもできるレーザレーダ装置を提供することである。

本発明の一態様によるレーダ装置は、基準レーザ光を出力する単一の基準光源、前記基準レーザ光を複数のレーザ光に分配する光分配素子及び複数の光出射端を有し、前記複数の光出射端からそれぞれ複数のレーザ光を同時に出射する光源アレイと、前記複数のレーザ光から複数の送信光成分をそれぞれ分離し、かつ前記複数のレーザ光からそれぞれ複数のローカル光成分を分離する光分配器と、前記複数の送信光成分のうちの１つの送信光成分を変調して変調送信光を生成する光変調器と、前記変調送信光で外部空間を走査しつつ、当該外部空間に存在するターゲットで反射された当該変調送信光を受信光として受信する送受信光学系と、前記受信光と前記複数のローカル光成分とを合波することにより複数の干渉光成分を生成する光合波器と、前記送受信光学系の互いに異なる複数の受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置され、前記複数の干渉光成分を検波することで複数の検波信号を生成する複数の光受信器を含む光受信器アレイと、前記外部空間に対する前記送受信光学系の走査速度に応じて、前記複数の検波信号の中から検波信号を選択するスイッチ回路と、当該選択された検波信号の信号スペクトルを算出し、前記信号スペクトルに基づいて前記ターゲットの速度ベクトルを含む観測量を算出する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記スイッチ回路で選択された検波信号を、複数のゲート時間領域の信号波形をそれぞれ表す複数の時間領域信号に分割する信号分割器と、前記複数の時間領域信号を複数の周波数領域信号にそれぞれ変換する領域変換器と、前記複数の周波数領域信号から前記複数の時間領域信号それぞれの複数のスペクトルを算出し、前記複数のスペクトルを積算することにより前記信号スペクトルを算出する積算器と、前記信号スペクトルに基づいて前記観測量を算出する観測量算出器とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、外部空間に対する送受信光学系の走査速度に応じて、複数の受信視野に対応する複数の検波信号の中から、信号強度の高い高ＳＮＲの検波信号を選択することができる。よって、変調送信光と受信光との間に角度差が生じた場合であっても、当該選択された検波信号に基づいてターゲットの状態を示す観測量を高い精度で算出することができる。また、光学的に当該角度差を補償する機構的な構造を必要とせずに当該位相差が補償されることから、高い応答性を実現することができる。

本発明に係る実施の形態１のレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１のレーザレーダ装置の主要部の具体的な構成例を示す図である。 実施の形態１のレーザレーダ装置の光スキャナの構成例を概略的に示す図である。 実施の形態１における光アンテナの複数の受信視野の例を示す図である。 実施の形態１のレーザレーダ装置における信号処理部の構成を概略的に示す図である。 実施の形態１における信号処理部のハードウェア構成例を示すブロック図である。 変調送信光及び受信光の信号強度分布の例を概略的に示すグラフである。 実施の形態１に係る受信チャンネルの選択方法の例を説明するための図である。 実施の形態１に係る積分処理を説明するための図である。 本発明に係る実施の形態２のレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態２のレーザレーダ装置における信号処理部の構成を概略的に示すブロック図である。 実施の形態２に係る受信チャンネルの選択方法の例を説明するための図である。 本発明に係る実施の形態３のレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る実施の形態４のレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１であるレーザレーダ装置１の概略構成を示すブロック図である。図２は、レーザレーダ装置１の主要部の具体的な構成例を示す図である。図１に示されるようにレーザレーダ装置１は、光源アレイ１０、光分配器１１、光変調器１２、光サーキュレータ１３、光アンテナ１４、光スキャナ１５、光合波器１６、光受信器アレイ１７、スイッチ回路１８、Ａ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１９及び信号処理部２０を備えている。光サーキュレータ１３、光アンテナ１４及び光スキャナ１５の組合せによって本実施の形態の送受信光学系が構成される。

光源アレイ１０は、空間的（２次元的または３次元的）に配列されたＫ個の光出射端（Ｋは３以上の整数）を有し、これらＫ個の光出射端からＫ本のレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_Ｋを光分配器１１に向けて出射する。後述するように光アンテナ１４は、互いに異なるＫ個の受信視野を有し、これらＫ個の受信視野を通じてそれぞれＫ個の受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２，…，ＣＨ_Ｋの散乱光を受信することができる。レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_Ｋの本数は、受信チャンネルＣＨ_１〜ＣＨ_Ｋの数と同じである。なお、本実施の形態では、受信チャンネル数は３以上であるが、これに限定されずに受信チャンネル数が２であってもよい。

図２の例では、光源アレイ１０は、基準レーザ光を出力する基準光源１０１と、この基準光源１０１から光導波路を介して入力された１本の基準レーザ光を３本のレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_３に分配する光分配素子１０２と、この光分配素子１０２から入力された３本のレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_３を光分配器１１に向けてそれぞれ出力する光出射端Ｅ１〜Ｅ３とを有している。基準光源１０１としては、半導体レーザまたは固体レーザが使用されればよい。基準レーザ光の偏光状態は、１つの方向に偏光する線偏光状態となるように保持されている。光分配素子１０２としては、たとえば、溶融型の光ファイバ分岐カプラまたはフィルタ型分岐カプラ（誘電体多層膜フィルタを使用して光を分岐する光学部品）が使用されればよい。なお、光源アレイ１０として複数の発光面をもつアレイレーザが採用されてもよい。

図１を参照すると、光分配器１１は、入力されたレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_Ｋからそれぞれ送信光成分ＴＬ_１〜ＴＬ_Ｋを分離し、かつレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_Ｋからそれぞれローカル光成分ＬＬ_１〜ＬＬ_Ｋを分離する。光分配器１１は、送信光成分ＴＬ_１〜ＴＬ_Ｋを含む送信光ＴＬを光変調器１２に出力し、ローカル光成分ＬＬ_１〜ＬＬ_Ｋを含むローカル光ＬＬを光合波器１６に出力する。光分配器１１としては、たとえば、誘電体多層膜フィルタを有する分岐ミラーあるいはビームスプリッタが使用されればよい。

図２の例では、光分配器１１は、導光光学系１１１とビームスプリッタ１１２とで構成されている。導光光学系１１１は、光源アレイ１０から入力されたレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_３をビームスプリッタ１１２の光入射面に導光する光学部品である。ビームスプリッタ１１２は、導光光学系１１１から入力されたレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_３の一部を送信光成分ＴＬ_１〜ＴＬ_３として透過させ、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_Ｋから所定の分岐比で分離されたローカル光成分ＬＬ_１〜ＬＬ_３を光合波器１６の方向に反射させる。所定の分岐比は、システム設計により決定されればよい。

図１を参照すると、光変調器１２は、光分配器１１から入力された送信光成分ＴＬ_１〜ＴＬ_Ｋのうちの一部の送信光成分ＴＬ_ｋにのみ周波数変調及び強度変調を実行することにより、送信光成分ＴＬ_ｋの周波数をシフトさせ、かつ送信光成分ＴＬ_ｋをパルス化する変調器である。光変調器１２は、周波数変調及び強度変調により、所定のパルス繰り返し周波数（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＰＲＦ）で所定のパルス幅Ｔを有する変調送信光ＭＬ_ｋ（一連のパルス光）を生成し、変調送信光ＭＬ_ｋを光サーキュレータ１３に出力する。また、光変調器１２は、送信光成分ＴＬ_ｋのパルス化のために生成されたパルストリガ信号ＴＳを信号処理部２０に出力する。パルストリガ信号ＴＳは、送信光成分ＴＬ_ｋのパルス化のタイミングを表す信号である。

ここで、パルス幅Ｔは、距離分解能値に相当する。所望の距離分解能値に相当するパルス幅Ｔをあらかじめ設定しておくことが可能である。また、光変調器１２においては、設計時に設定された固定のパルス幅Ｔ及びＰＲＦが使用されてもよい。更に、光変調器１２の出力光強度が不足している場合には、光変調器１２の後段に、光変調器１２の出力光を増幅する光増幅器が設けられてもよい。光変調器１２は、周波数シフト機能を有する位相変調器を使用して送信光の周波数をシフトさせてもよい。

このような光変調器１２としては、たとえば、ＡＯ周波数シフタ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｅｒ）または公知の光位相変調器が使用されればよい。パルストリガ信号ＴＳとしては、たとえば、５ボルトのＴＴＬレベルを有するＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｏｇｉｃ）信号が使用可能である。

光サーキュレータ１３は、３ポートを有する非相反型の光デバイスである。すなわち、光サーキュレータ１３は、光変調器１２から光が入射される光入力ポートと、光アンテナ１４から光が入射され、かつ光アンテナ１４に光を出射する光入出力ポートと、光合波器１６に光を出射する光出力ポートとを有する。光サーキュレータ１３は、光変調器１２から光入力ポートに入力された変調送信光ＭＬ_ｋと、光アンテナ１４から光入出力ポートに入力された光とを光学的に互いに分離する。そして、光サーキュレータ１３は、光変調器１２から入力された変調送信光ＭＬ_ｋを光入出力ポートから光アンテナ１４に出力し、同時に、光アンテナ１４からの入力光を光出力ポートから光合波器１６に出力する。

光アンテナ１４は、光サーキュレータ１３から入力された変調送信光ＭＬ_ｋを平行光に変換して光スキャナ１５に出力する。光スキャナ１５は、光アンテナ１４から入力された変調送信光ＭＬ_ｋの外部空間への照射方向（すなわち視線方向）を変化させる機能を有している。また、光スキャナ１５は、光アンテナ１４から入力された変調送信光ＭＬ_ｋで外部空間の所定範囲を繰り返し走査することができる。このような光スキャナ１５は、たとえば、ウェッジプリズム、ガルバノミラーもしくはポリゴンミラー、またはこれら光学部品の組合せで構成されればよい。

図３は、実施の形態１の光スキャナ１５の構成例を概略的に示す図である。図３に示されるように、光スキャナ１５は、ウェッジプリズム１５２を含む回転子１５１と、この回転子１５１を光軸ＯＡの回りに任意速度で回転駆動させる回転駆動部１５３とを有する。回転駆動部１５３は、ステッピングモータなどの回転モータ及びロータリエンコーダ（図示せず。）を含んで構成されている。ウェッジプリズム１５２の光アンテナ１４側の光学面は、光軸ＯＡに対して垂直であり、ウェッジプリズム１５２の外部空間側の光学面は、光軸ＯＡに対して傾斜している。このため、回転駆動部１５３は、ウェッジプリズム１５２を光軸ＯＡの回りに回転させることで、レーザビームで外部空間を走査させることができる。回転駆動部１５３は、内蔵するロータリエンコーダで検出された、光スキャナ１５の走査角度の現在値を示す角度情報ＡＤを信号処理部２０に出力する。

なお、光スキャナ１５の走査速度は、設計時にあらかじめ設定された値でよい。また、本実施の形態では、回転子１５１の回転を制御する制御信号は、回転駆動部１５３で生成されるが、これに限定されるものではない。この代わりに、回転子１５１の回転を制御する制御信号を生成するように信号処理部２０の構成が変更されてもよい。

光アンテナ１４は、外部空間におけるエアロゾル（大気中に浮遊する、液体または固体からなる微粒子）、雲粒もしくは大気分子などのターゲットで反射されて戻ってきた散乱光、または、構造物もしくは地形物などのハードターゲットで反射されて戻ってきた散乱光（拡散光）を、光スキャナ１５を介して受信する。図１に示される光サーキュレータ１３は、光アンテナ１４から入力された散乱光すなわち受信光ＲＬを光合波器１６に出力する。このような光アンテナ１４は、たとえば、光学望遠鏡またはカメラレンズを用いて構成可能である。なお、光アンテナ１４は、集光調整機能を有していてもよい。

図２の例では、光サーキュレータ１３は、偏光ビームスプリッタ１３１と波長板１３２とを有する空間伝搬型の光デバイスとして構成されている。この例では、波長板１３２は、光変調器１２から偏光ビームスプリッタ１３１を介して入力された直線偏光を円偏光に変換し、光アンテナ１４から入力された円偏光を直線偏光（水平偏光）に変換する１／４波長板である。偏光ビームスプリッタ１３１は、光変調器１２から入力された直線偏光を通過させ、光アンテナ１４から入力された円偏光を光合波器１６の方向に反射させる。

図１に示される光アンテナ１４は、ターゲットから到来する散乱光に対して互いに異なるＫ個の受信視野を有している。光サーキュレータ１３は、これら受信視野を通じて入力された、Ｋ個の受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２，…，ＣＨ_Ｋの受信光成分ＲＬ_１，ＲＬ_２，…，ＲＬ_Ｋを含む受信光ＲＬを光合波器１６に出力する。図４は、光アンテナ１４の３つの受信視野（第１〜第３受信視野）の例を示す図である。図４の例では、１つの受信チャンネル当たりの受信視野角θは、送信レーザビーム（変調送信光ＭＬ_ｋのレーザビーム）の拡がり角θと同一となるように設定されている。また、これら受信視野は、θの角度オフセットで互いに異なる角度方向を観測できるように設定されている。ただし、この例の代わりに、隣接する受信視野が互いにオーバラップするように角度オフセットの値（たとえば、θ／２）が設定されてもよい。

次に、図１を参照すると、光合波器１６は、光分配器１１から入力されたローカル光ＬＬと光サーキュレータ１３から入力された受信光ＲＬとを合波して、Ｋ個の干渉光成分ＣＬ_１，…，ＣＬ_Ｋを含む干渉光ＣＬを生成し、この干渉光ＣＬすなわち光ビート信号を光受信器アレイ１７に出力する。光合波器１６は、たとえば、誘電体多層膜フィルタを有する分岐ミラーまたはビームスプリッタを用いて構成可能である。

光受信器アレイ１７は、光アンテナ１４のＫ個の受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置されたＫ個の光受信器を有する。これらＫ個の光受信器は、Ｋ個の干渉光成分ＣＬ_１，ＣＬ_２，…，ＣＬ_Ｋをそれぞれヘテロダイン検波（周波数復調）することで、Ｋ個のアナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋを含むアナログ検波信号群ＣＳを生成することができる。ｋ番目の干渉光成分ＣＬ_ｋは、ｋ番目のローカル光成分ＬＬ_ｋとｋ番目の受信光成分ＲＬ_ｋとの合波により生じた干渉光成分である。

なお、バランスド検出ができるように光合波器１６及び光受信器アレイ１７が構成されてもよい。バランスド検出により、ヘテロダイン検波後の位相雑音の低減が可能となる。

スイッチ回路１８は、光スキャナ１５の走査速度に応じて、アナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋの中からアナログ検波信号ＳＳを選択し、選択されたアナログ検波信号ＳＳをＡ／Ｄ変換器１９に出力することができる。

後述するように信号処理部２０は、角度情報ＡＤに基づいて光スキャナ１５の走査速度を示す速度情報ＳＤを逐次算出し、当該速度情報ＳＤをスイッチ回路１８に供給している。スイッチ回路１８は、当該走査速度に基づいて、レーザビームの送信時から散乱光の受信時までの遅延時間τに対応する角度ずれθ_ｄを算出する。ここで、角度ずれθ_ｄとは、レーザビーム（変調送信光ＭＬ_ｋのレーザビーム）の送信方向と、光アンテナ１４への散乱光の到来方向との間の角度差である。

そして、スイッチ回路１８は、角度ずれθ_ｄの値に基づき、当該散乱光の到来方向に対応する受信チャンネルＣＨ_ｐを選択し、アナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋの中から受信チャンネルＣＨ_ｐに対応するアナログ検波信号ＳＳを選択する。これにより、スイッチ回路１８は、当該散乱光の到来方向を示す受信視野と光学的に対応する光受信器の出力信号（アナログ検波信号）ＳＳを選択することができる。

仮に、アナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋがすべて加算されるとすれば、当該散乱光が到来しない受信チャンネル（受信視野）のアナログ検波信号も加算されるため、加算信号のＳＮＲは劣化してしまう。これに対し、本実施の形態のスイッチ回路１８は、当該散乱光が到来する受信チャンネル（受信視野）のアナログ検波信号ＳＳを選択するので、角度ずれθ_ｄに起因するＳＮＲの劣化を回避することができる。

光スキャナ１５によるビーム走査が所定の走査速度Ｖ_ｓｃａｎ（単位：ラジアン／秒）で或る方向に行われた場合、レーザビームの送信時から散乱光の受信時までの遅延時間τ（単位：秒）に対応する角度ずれθ_ｄは、τ×Ｖ_ｓｃａｎ（単位：ラジアン）で与えられる。よって、スイッチ回路１８は、角度ずれθ_ｄに基づき、遅延時間τに対して、どの受信チャンネルを選択するのかを事前に決定することができる。たとえば、スイッチ回路１８は、受信チャンネルを切り替えるタイミングを、ｔ_ｃｈ＝（θ_ｄ／θ）の小数点切り上げ時の整数値で決めることができる。ここで、θは、１つの受信チャンネル当たりの受信視野角である。このとき、選択すべき受信チャンネルは１つのみでもよいが、これに限定されない。オーバーラップさせるために２つ以上の受信チャンネルが選択されてもよい。この場合、スイッチ回路１８は、選択された２つ以上の受信チャンネルのアナログ検波信号を加算し、その加算信号をＡ／Ｄ変換器１９に出力すればよい。これにより、広い受信視野を確保しつつ高ＳＮＲの信号を生成することができる。

図２の例では、光合波器１６は、ビームスプリッタ１６１、反射ミラー１６２及び集光光学系１６３，１６４を含んで構成されている。また、図１の光受信器アレイ１７は、光受信器Ｄａ１〜Ｄａ３と光受信器Ｄｂ１〜Ｄｂ３とで構成されている。光受信器Ｄａ１，Ｄｂ１の出力信号の和がアナログ検波信号ＣＬ_１に相当し、光受信器Ｄａ２，Ｄｂ２の出力信号の和がアナログ検波信号ＣＬ_２に相当し、光受信器Ｄａ３，Ｄｂ３の出力信号の和がアナログ検波信号ＣＬ_３に相当する。更に、図１のスイッチ回路１８は、第１スイッチ１８１、第２スイッチ１８２、加算器１８３及びチャンネル選択回路１８４で構成されている。

図２に示されるように、反射ミラー１６２は、偏光ビームスプリッタ１３１から入力された受信光ＲＬをビームスプリッタ１６１の方向に反射させる。ビームスプリッタ１６１は、偏光ビームスプリッタ１３１から反射ミラー１６２を経て入射された受信光ＲＬの一部を一方の集光光学系１６３の方向に透過させ、当該受信光ＲＬの残部を他方の集光光学系１６４の方向に反射させる。同時に、ビームスプリッタ１６１は、光分配器１１から入射されたローカル光ＬＬの一部を一方の集光光学系１６３の方向に反射させ、当該ローカル光ＬＬの残部を他方の集光光学系１６４の方向に透過させる。結果として、ビームスプリッタ１６１は、受信光ＲＬの一部とローカル光ＬＬの一部との合波により生成された干渉光を一方の集光光学系１６３に出力し、同時に、受信光ＲＬの残部とローカル光ＬＬの残部との合波により生成された干渉光を他方の集光光学系１６４に出力する。

図２に示されるように、集光光学系１６３は、ビームスプリッタ１６１から入射された干渉光を光受信器Ｄａ１〜Ｄａ３に集光させ、集光光学系１６４は、ビームスプリッタ１６１から入射された干渉光を光受信器Ｄｂ１〜Ｄｂ３に集光させる。

光受信器Ｄａ１，Ｄａ２，Ｄａ３は、図４の第１受信視野、第２受信視野及び第３受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置されている。このため、光受信器Ｄａ１，Ｄａ２，Ｄａ３は、第１受信視野、第２受信視野及び第３受信視野からそれぞれ伝搬した３つの散乱光成分を含む３つの干渉光成分をそれぞれ検出して３本のアナログ検波信号を出力することができる。一方、光受信器Ｄｂ１，Ｄｂ２，Ｄｂ３も、図４の第１受信視野、第２受信視野及び第３受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置されている。このため、光受信器Ｄｂ１，Ｄｂ２，Ｄｂ３は、第１受信視野、第２受信視野及び第３受信視野からそれぞれ伝搬した３つの散乱光成分を含む３つの干渉光成分をそれぞれ検出して３本のアナログ検波信号を出力することができる。

チャンネル選択回路１８４は、信号処理部２０から逐次供給される速度情報ＳＤに基づいて、レーザビームの送信時から散乱光の受信時までの遅延時間τに対応する角度ずれθ_ｄを算出し、当該算出された角度ずれθ_ｄに基づき、当該散乱光の到来方向に対応する受信チャンネルＣＨ_ｐを選択する。次に、チャンネル選択回路１８４は、受信チャンネルＣＨ_ｐのアナログ検波信号ＣＳ_ｐを表す出力を選択させる選択制御信号ＣＳを第１スイッチ１８１及び第２スイッチ１８２に供給する。第１スイッチ１８１及び第２スイッチ１８２は、光受信器Ｄａ１〜Ｄａ３，Ｄｂ１〜Ｄｂ３の出力の中から、選択制御信号ＣＳで指定された出力Ｓｓ１，Ｓｓ２を選択し、当該選択された出力Ｓｓ１，Ｓｓ２を加算器１８３に供給する。加算器１８３は、供給された出力Ｓｓ１，Ｓｓ２を加算してアナログ検波信号ＳＳ（＝ＣＳ_ｐ）を生成し、アナログ検波信号ＳＳをＡ／Ｄ変換器１９に出力する。

Ａ／Ｄ変換器１９は、サンプリング周波数ｆｓでアナログ検波信号ＳＳをサンプリングすることでディジタル検波信号ＤＳを生成し、このディジタル検波信号ＤＳを信号処理部２０に出力する。Ａ／Ｄ変換器１９としては、たとえば、二重積分型Ａ／Ｄ変換器、逐次比較形Ａ／Ｄ変換器または並列比較型Ａ／Ｄ変換器が使用可能である。なお、Ａ／Ｄ変換器１９は、パルストリガ信号ＴＳをトリガとし、パルストリガ信号ＴＳと同期してアナログ検波信号ＳＳをサンプリングすることにより、ディジタル検波信号ＤＳを生成してもよい。

図１に示される信号処理部２０は、ディジタル検波信号ＤＳに基づいてターゲットの状態を示す観測量を算出する機能を有する。後述するように信号処理部２０は、大気中に浮遊する粒子状物質（たとえば、エアロゾル、雲粒または大気分子）などのターゲットの状態を示す観測量として当該ターゲットの視線速度及び速度ベクトルを算出するように構成可能であるが、算出される観測量は、視線速度及び速度ベクトルに限定されるものではない。たとえば、ディジタル検波信号ＤＳに基づいてレーザレーダ装置１とターゲットとの間の光伝搬時間を測定し、光伝搬時間の測定値に基づいて当該ターゲットとの距離（測距値）を算出できるように信号処理部２０が構成されてもよい。光スキャナ１５が変調送信光ＭＬ_ｋでターゲットの表面を走査し、信号処理部２０が当該ターゲットとの距離分布を計測するようにレーザレーダ装置１を構成してもよい。これにより、移動体（たとえば、車両、人体もしくは動物）、地形物または構造物といったターゲットの３次元形状の計測が可能となる。

図５は、本実施の形態における信号処理部２０の構成例を概略的に示すブロック図である。図５に示される信号処理部２０は、ディジタル検波信号ＤＳの信号スペクトル（振幅スペクトルまたは電力スペクトル）を算出し、当該信号スペクトルに基づき、ターゲットの移動状態を示す視線速度及び速度ベクトルを算出することができる。図５に示されるように信号処理部２０は、ディジタル検波信号ＤＳを、連続するＭ個のゲート時間領域（Ｍは３以上の正整数）の信号波形をそれぞれ表すＭ個のレンジビン信号（時間領域信号）Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍに分割する信号分割器２１と、これらレンジビン信号Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍを周波数領域信号Ｆ_１，Ｆ_２，…，Ｆ_Ｍにそれぞれ変換する領域変換部２２と、周波数領域信号Ｆ_１，Ｆ_２，…，Ｆ_Ｍに基づき、ディジタル検波信号ＤＳの信号スペクトルとして積算スペクトルＩＳを算出する積算器２３と、積算スペクトルＩＳに基づいてターゲットの視線速度Ｖｒを算出する速度算出器２６と、ターゲットの速度ベクトルｖを算出するベクトル算出器２７と、光スキャナ１５から逐次供給された角度情報ＡＤに基づいて光スキャナ１５の走査速度を示す速度情報ＳＤを算出する走査速度算出器２８とを含む。速度算出器２６及びベクトル算出器２７によって本実施の形態の観測量算出器が構成される。

このような信号処理部２０のハードウェア構成は、たとえば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの半導体集積回路を有するプロセッサで実現されればよい。あるいは、信号処理部２０のハードウェア構成は、メモリから読み出されたソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置を含むプロセッサで実現されてもよい。

図６は、信号処理部２０の機能を実現するハードウェア構成例である信号処理装置４０を概略的に示すブロック図である。信号処理装置４０は、プロセッサ４１、メモリ４２、入力インタフェース部４３、出力インタフェース部４４及び信号路４５を含んで構成されている。信号路４５は、プロセッサ４１、メモリ４２、入力インタフェース部４３及び出力インタフェース部４４を相互に接続するためのバスである。入力インタフェース部４３は、外部から入力されたディジタル検波信号ＤＳと角度情報ＡＤ（図示せず。）とを信号路４５を介してプロセッサ４１に転送する機能を有する。プロセッサ４１は、転送されたディジタル検波信号ＤＳにディジタル信号処理を施してターゲットの速度ベクトルｖを算出し、転送された角度情報ＡＤに基づいて速度情報ＳＤを算出する。プロセッサ４１は、速度ベクトルｖを示すデータを、信号路４５及び出力インタフェース部４４を介して外部機器（たとえば、表示装置）に出力することができる。また、プロセッサ４１は、速度情報ＳＤを信号路４５及び出力インタフェース部４４を介してスイッチ回路１８に出力することもできる。

メモリ４２は、プロセッサ４１がディジタル信号処理を実行する際に使用されるデータ記憶領域である。プロセッサ４１がＣＰＵなどの演算装置を内蔵する場合には、メモリ４２は、プロセッサ４１により実行されるソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを記憶するデータ記憶領域を有していればよい。メモリ４２としては、たとえば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの半導体メモリを使用することが可能である。

以下、図５に示される信号処理部２０の構成及び動作を詳細に説明する。

走査速度算出器２８は、光スキャナ１５から逐次供給された角度情報ＡＤに基づいて光スキャナ１５の走査速度を示す速度情報ＳＤを逐次算出し、この速度情報ＳＤをスイッチ回路１８に供給する。

信号分割器２１は、スイッチ回路１８で選択されたディジタル検波信号ＤＳを入力とし、ディジタル検波信号ＤＳを、連続するＭ個のゲート時間領域の信号波形をそれぞれ表すＭ個のレンジビン信号（時間領域信号）Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍに分割する。図７は、レンジビンの概念を説明するためのグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間を、縦軸は信号強度を示している。図７に示されるように、変調送信光ＭＬ_ｋを示す送信パルスＴｗが１／ＰＲＦの周期で繰り返し送信される。送信パルスＴｗの送信（ショット）ごとに、ターゲットで反射された散乱光の受信信号Ｒｗが観測される。時刻ｔ_ｓは、送信パルスＴｗの送信（ショット）ごとの計測開始時刻である。受信信号Ｒｗは、Ｍ個のゲート時間領域上のレンジビンＲｂ_１，Ｒｂ_２，…，Ｒｂ_Ｍに分割される。レンジビン信号Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍは、これらレンジビンＲｂ_１，Ｒｂ_２，…，Ｒｂ_Ｍにそれぞれ対応するものである。

たとえば、３０ｍ程度に設定された距離分解能Ｒ_ｒｅｓについて、各レンジビンを定めるゲート時間（時間幅）を２Ｒ_ｒｅｓ／ｃ（ｃ：光速）と設定することができる。また、観測開始距離を調整するための値として、Ａ／Ｄ変換器１９がパルストリガ信号ＴＳに応じてＡ／Ｄ変換を開始するまでのディレイタイミングに相当する距離値がＲ_ｍｉｎで表されるものとする。このとき、パルストリガ信号ＴＳに対するＡ／Ｄ変換開始のための遅延量が０の場合であって、たとえば４０ｍから測定開始する場合は、距離値Ｒ_ｍｉｎとして４０の値を設定することができ、各ディジタル検波信号の時間波形に対する計測開始時間を、ｔ_{ｓｔａｒｔ}＝２Ｒ_ｍｉｎ／ｃと設定することができる。

ところで、スイッチ回路１８では、図８に例示されるように、受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２，…，ＣＨ_Ｋのアナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋが入力される。レーザビームの送信時から散乱光の受信時までの遅延時間τ＝τ_１またはτ_２の場合には、スイッチ回路１８は、遅延時間τ_１またはτ_２に相当する角度ずれを補償するために受信チャンネルＣＨ_１を選択し、この受信チャンネルＣＨ_１のアナログ検波信号ＣＳ_１をアナログ検波信号ＳＳとして選択する。一方、遅延時間τ＝τ_３またはτ_４の場合には、スイッチ回路１８は、遅延時間τ_３またはτ_４に相当する角度ずれを補償するために受信チャンネルＣＨ_２を選択し、受信チャンネルＣＨ_２のアナログ検波信号ＣＳ_２をアナログ検波信号ＳＳとして選択する。このようにスイッチ回路１８で選択されたアナログ検波信号ＳＳが入力されると、信号分割器２１は、アナログ検波信号ＳＳをＭ個のレンジビン信号Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍに分割する。

図５に示される領域変換部２２は、各ショットについて得られたレンジビン信号Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍをそれぞれ周波数領域信号Ｆ_１，Ｆ_２，…，Ｆ_Ｍに変換する。具体的には、領域変換部２２は、レンジビン信号Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_Ｍの各々に対して離散フーリエ変換を実行することにより、周波数領域信号Ｆ_１，Ｆ_２，…，Ｆ_Ｍを算出することができる。離散フーリエ変換としては、ＦＦＴビン数Ｎ_ＦＦＴ（たとえば、２５６点）での高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）が使用可能である。

積算器２３は、各ショットについて、周波数領域信号Ｆ_１，Ｆ_２，…，Ｆ_Ｍに基づいてレンジビン信号Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_ＭそれぞれのスペクトルＳ（ｍ，ｎ）を算出する。ここで、ｍはレンジビン番号を示す正整数（ｍ＝１〜Ｍ）、ｎはショット番号を示す正整数（ｎ＝１〜Ｎ）である。Ｎは、あらかじめユーザによって指定された積分回数である。スペクトルＳ（ｍ，ｎ）は、周波数と信号振幅との関係を表す振幅スペクトル、または周波数と電力との関係を表す電力スペクトルであればよい。

また、積算器２３は、各レンジビン（レンジビン番号ｍ）について、スペクトルＳ（ｍ，１）〜Ｓ（ｍ，Ｎ）をショット番号の方向に積分して（インコヒーレント積分して）高ＳＮＲの積分信号スペクトルＩＳ（ｍ）を算出する。図９は、積算器２３における積分処理の概要を示す図である。たとえば、レンジビンＲｂ_１については、積算器２３は、スペクトルＳ（１，１）〜Ｓ（１，Ｎ）を積分することで高ＳＮＲの積分信号スペクトルＩＳ（１）を算出することができる。この積分結果を積分回数Ｎで平均化した場合、ＳＮＲは積分回数Ｎに対してＮ^１／２倍で改善する。なお、積算器２３では、インコヒーレント積分が採用されているが、当該インコヒーレント積分に代えてコヒーレント積分が採用されてもよい。

更に、積算器２３は、積分信号スペクトルＩＳ（１）〜ＩＳ（Ｍ）を積算することで積算スペクトルＩＳを算出し、この積算スペクトルＩＳを速度算出器２６に出力する。

速度算出器２６は、積算スペクトルＩＳのピーク位置または重心位置の周波数をドップラ周波数ｆ_ｄとして検出する。そして、速度算出器２６は、ドップラ周波数ｆ_ｄを用いて、角度情報ＡＤに対応する視線方向におけるターゲットの速度成分すなわち視線速度Ｖｒ（単位：ｍ／ｓ）を算出する。視線速度Ｖｒは、次式（１）に従って算出可能である。ここで、λは、レーザビームの波長である。
Ｖｒ＝λ×ｆ_ｄ／２ （１）

ベクトル算出器２７は、視線速度Ｖｒに基づき、公知のベクトル合成法もしくはＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｚｉｍｕｔｈ Ｄｉｓｐｌａｙ）法を用いてターゲットの速度ベクトルを算出することができる。ベクトル合成法を採用する場合、たとえば、視線速度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）、及び、北を基準とした方位角（φ）を用いて、以下の式（２）で表される。
Ｖｒ＝Ｕｓｉｎφｓｉｎθ＋Ｖｃｏｓφｓｉｎθ＋Ｗｃｏｓθ （２）

ベクトル算出器２７は、たとえば、少なくとも３方向の視線方向の視線速度に基づいて連立方程式を解くことで、ターゲットの速度ベクトルｖ＝（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を風速ベクトルとして算出することができる。

以上に説明した実施の形態１のレーザレーダ装置１の効果は以下のとおりである。光受信器アレイ１７は、光アンテナ１４のＫ個の受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置されたＫ個の光受信器を有し、これら光受信器は、Ｋ個の干渉光成分をそれぞれ検波することでアナログ検波信号ＣＳ_１〜ＣＳ_Ｋを生成する。スイッチ回路１８は、光スキャナ１５の走査速度に応じて、Ｋ個の受信視野にそれぞれ対応するアナログ検波信号ＣＳ_１〜ＣＳ_Ｋの中から、信号強度の高い高ＳＮＲのアナログ検波信号ＳＳを選択することができる。よって、変調送信光ＭＬ_ｋの送信方向と光アンテナ１４への散乱光の到来方向との間に遅延時間に起因する角度差（角度ずれ）が生じたとしても、信号処理部２０は、高ＳＮＲのアナログ検波信号ＳＳから得られたディジタル検波信号ＤＳに基づいてターゲットの状態を示す観測量を高い精度で算出することができる。

また、本実施の形態のレーザレーダ装置１は、上記特許文献１に開示されているような当該角度差を補償する機構的な構造を必要とせずに、短い応答時間で角度ずれを補償することができる。よって、ターゲットとの距離が近くても、高ＳＮＲのディジタル検波信号ＤＳが得られるため、高精度で観測量を算出することが可能である。

実施の形態２．
図１０は、本発明に係る実施の形態２であるレーザレーダ装置２の概略構成を示すブロック図である。図１０に示されるようにレーザレーダ装置２は、上記実施の形態１と同様に、光源アレイ１０、光分配器１１、光変調器１２、光サーキュレータ１３、光アンテナ１４、光スキャナ１５、光合波器１６及び光受信器アレイ１７を備えている。本実施の形態のレーザレーダ装置２の構成は、上記実施の形態１のスイッチ回路１８、Ａ／Ｄ変換器１９及び信号処理部２０に代えて、図１０のＡ／Ｄ変換器１９Ａ及び信号処理部２０Ａを有する点を除き、実施の形態１のレーザレーダ装置１の構成と同じである。

Ａ／Ｄ変換器１９Ａは、所定のサンプリング周波数で、アナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋの各々をサンプリングすることで、アナログ検波信号ＣＳ_１，ＣＳ_２，…，ＣＳ_Ｋ（受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２，…，ＣＨ_Ｋ）にそれぞれ対応するディジタル検波信号ＤＳ_１，ＤＳ_２，…，ＤＳ_Ｋを生成し、これらディジタル検波信号ＤＳ_１，ＤＳ_２，…，ＤＳ_Ｋを信号処理部２０Ａに出力する。Ａ／Ｄ変換器１９Ａとしては、たとえば、二重積分型Ａ／Ｄ変換器、逐次比較形Ａ／Ｄ変換器または並列比較型Ａ／Ｄ変換器が使用可能である。なお、Ａ／Ｄ変換器１９Ａは、パルストリガ信号ＴＳをトリガとし、パルストリガ信号ＴＳと同期してアナログ検波信号群ＣＳをサンプリングすることにより、ディジタル検波信号ＤＳ_１，ＤＳ_２，…，ＤＳ_Ｋを生成してもよい。

信号処理部２０Ａは、ディジタル検波信号ＤＳ_１，ＤＳ_２，…，ＤＳ_Ｋそれぞれの信号スペクトル（積算スペクトル）ＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋを算出し、これら信号スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋに基づいてディジタル検波信号ＤＳ_１，ＤＳ_２，…，ＤＳ_Ｋそれぞれの信号対雑音電力比Ｒ_１，Ｒ_２，…，Ｒ_Ｋを算出する。そして、信号処理部２０Ａは、信号対雑音電力比Ｒ_１，Ｒ_２，…，Ｒ_Ｋを用いて、これら信号スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋの中から少なくとも１つの信号スペクトルを選択し、当該選択された少なくとも１つの信号スペクトルに基づいてターゲットの状態を示す観測量を算出する機能を有している。

図１１は、実施の形態２における信号処理部２０Ａの構成例を概略的に示すブロック図である。図１１に示されるように信号処理部２０Ａは、信号分割器２１Ａ、領域変換部２２Ａ、積算器２３Ａ、ＳＮＲ算出器２４、選択器２５、速度算出器２６及びベクトル算出器２７を備えて構成されている。信号処理部２０Ａの構成は、実施の形態１の信号分割器２１、領域変換部２２及び積算器２３に代えて、図１１の信号分割器２１Ａ、領域変換部２２Ａ、積算器２３Ａ、ＳＮＲ算出器２４及び選択器２５を有する点を除き、実施の形態１の信号処理部２０の構成と同じである。

信号分割器２１Ａは、各ショットについて得られたディジタル検波信号ＤＳ_１，ＤＳ_２，…，ＤＳ_Ｋのうちの各ディジタル検波信号ＤＳ_ｋを、Ｍ個のゲート時間領域の信号波形をそれぞれ表すＭ個のレンジビン信号（時間領域信号）Ｂ_ｋ，１，Ｂ_ｋ，２，…，Ｂ_ｋ，Ｍに分割する。信号分割器２１Ａは、受信チャンネルＣＨ_ｋごとに、Ｍ個のレンジビン信号Ｂ_ｋ，１，Ｂ_ｋ，２，…，Ｂ_ｋ，Ｍを含むレンジビン信号群ＲＢ_ｋを領域変換部２２Ａに出力する。

領域変換部２２Ａは、各ショットについて、レンジビン信号群ＲＦ_１，ＲＦ_２，…，ＲＦ_Ｋのうちの各レンジビン信号群ＲＦ_ｋを、Ｍ個の周波数領域信号Ｆ_ｋ，１，…，Ｆ_ｋ，Ｍを含む周波数領域信号群ＲＦ_ｋに変換し、この周波数領域信号群ＲＦ_ｋを積算器２３Ａに出力する。すなわち、領域変換部２２Ａは、レンジビン信号Ｂ_ｋ，１，Ｂ_ｋ，２，…，Ｂ_ｋ，Ｍの各々に対して離散フーリエ変換を実行することにより、周波数領域信号Ｆ_ｋ，１，Ｆ_ｋ，２，…，Ｆ_ｋ，Ｍを算出することができる。離散フーリエ変換としては、ＦＦＴビン数Ｎ_ＦＦＴ（たとえば、２５６点）での高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）が使用可能である。

積算器２３Ａは、各ショットについて、各周波数領域信号群ＲＦ_ｋに基づいて積算スペクトルＩＳ_ｋを算出し、この積算スペクトルＩＳ_ｋをＳＮＲ算出器２４及び選択器２５に出力する。

具体的には、積算器２３Ａは、各ショットについて、周波数領域信号Ｆ_ｋ，１，Ｆ_ｋ，２，…，Ｆ_ｋ，Ｍに基づいてレンジビン信号Ｂ_ｋ，１，Ｂ_ｋ，２，…，Ｂ_ｋ，ＭそれぞれのスペクトルＳ_ｋ（ｍ，ｎ）を算出する。ここで、ｋは受信チャンネル番号（ｋ＝１〜Ｋ）、ｍはレンジビン番号（ｍ＝１〜Ｍ）、ｎはショット番号（ｎ＝１〜Ｎ）である。Ｎは、あらかじめユーザによって指定された積分回数である。スペクトルＳ（ｋ，ｍ，ｎ）は、振幅スペクトルまたは電力スペクトルであればよい。

また、積算器２３Ａは、各レンジビン（レンジビン番号ｍ）について、スペクトルＳ_ｋ（ｍ，１）〜Ｓ_ｋ（ｍ，Ｎ）をショット番号の方向に積分して（インコヒーレント積分して）高ＳＮＲの積分信号スペクトルＩＳ_ｋ（ｍ）を算出する。たとえば、レンジビンＲｂ_１については、積算器２３Ａは、スペクトルＳ_ｋ（１，１）〜Ｓ_ｋ（１，Ｎ）を積分することで高ＳＮＲの積分信号スペクトルＩＳ_ｋ（１）を算出することができる。この積分結果を積分回数Ｎで平均化した場合、ＳＮＲは積分回数Ｎに対してＮ^１／２倍で改善する。なお、積算器２３では、インコヒーレント積分が採用されているが、当該インコヒーレント積分に代えてコヒーレント積分が採用されてもよい。

更に、積算器２３Ａは、積分信号スペクトルＩＳ_ｋ（１）〜ＩＳ_ｋ（Ｍ）を積算することで積算スペクトルＩＳ_ｋを算出し、この積算スペクトルＩＳ_ｋをＳＮＲ算出器２４及び選択器２５に出力する。

ＳＮＲ算出器２４は、積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋから信号対雑音電力比Ｒ_１，Ｒ_２，…，Ｒ_Ｋを算出する。信号対雑音電力比Ｒ_ｋの算出方法には公知の方法が使用されればよく、特に限定されるものではない。ＳＮＲ算出器２４は、たとえば、積算スペクトルＩＳ_ｋのピーク値を検出し、当該ピーク値とあらかじめ計測された雑音レベルとの比率を信号対雑音電力比Ｒ_ｋとして算出可能である。

選択器２５は、信号対雑音電力比Ｒ_１，Ｒ_２，…，Ｒ_Ｋを用いて積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋの中から少なくとも１つの高ＳＮＲの積算スペクトルを選択する。積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋの中から１つの積算スペクトルを選択したとき、選択器２５は、当該選択された積算スペクトルをそのまま積分スペクトルＩＳとして出力する。一方、積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋの中から複数の積算スペクトルを選択したとき、選択器２５は、当該選択された積分スペクトルを加算または平均化して１つの積算スペクトルＩＳを算出し、当該積算スペクトルＩＳを速度算出器２６に出力する。選択器２５においては、図１２に例示されるように、受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２，…，ＣＨ_Ｋの積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋが入力される。選択器２５は、遅延時間に相当する角度ずれを補償するために、信号対雑音電力比Ｒ_１，Ｒ_２，…，Ｒ_Ｋを用いて、閾値ＴＨを超える周波数成分を含む積算スペクトルを与える受信チャンネルを選択する。図１２の例では、選択器２５は、遅延時間τ_１またはτ_２に相当する角度ずれを補償するために受信チャンネルＣＨ_１を選択し、この受信チャンネルＣＨ_１の積算スペクトルＩＳ_１を積算スペクトルＩＳとして出力することができる。また、選択器２５は、遅延時間τ_３に相当する角度ずれを補償するために受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２を選択し、これら受信チャンネルＣＨ_１，ＣＨ_２の積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２を加算または平均化してノイズ低減スペクトルを算出し、このノイズ低減スペクトルを積算スペクトルＩＳとして出力することができる。更に、選択器２５は、遅延時間τ_４に相当する角度ずれを補償するために受信チャンネルＣＨ_２を選択し、この受信チャンネルＣＨ_２の積算スペクトルＩＳ_２を積算スペクトルＩＳとして選択することができる。

前述のとおり、遅延時間τ_３の場合には、選択器２５は、選択された複数の積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２を加算または平均化することでノイズ低減スペクトルを算出し、このノイズ低減スペクトルを積算スペクトルＩＳとして速度算出器２６に出力する。これにより、ＳＮＲを改善することができる。

速度算出器２６は、積算スペクトルＩＳのピーク位置または重心位置の周波数をドップラ周波数ｆ_ｄとして検出し、このドップラ周波数ｆ_ｄを用いて、角度情報ＡＤに対応する視線速度Ｖｒを算出することができる。また、ベクトル算出器２７は、視線速度Ｖｒに基づき、公知のベクトル合成法もしくはＶＡＤ法を用いてターゲットの速度ベクトルｖを算出することができる。

なお、本実施の形態では、ターゲットの状態を示す観測量として当該ターゲットの視線速度Ｖｒ及び速度ベクトルｖが算出されているが、算出される観測量は、視線速度Ｖｒ及び速度ベクトルｖに限定されるものではない。たとえば、積算スペクトルＩＳに基づいてレーザレーダ装置２とターゲットとの間の距離（測距値）を算出できる機能ブロックを有するように信号処理部２０Ａが構成されてもよい。

上記した信号処理部２０Ａのハードウェア構成は、たとえば、ＤＳＰ，ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどの半導体集積回路を有するプロセッサで実現されればよい。あるいは、信号処理部２０Ａのハードウェア構成は、メモリから読み出されたソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置を含むプロセッサで実現されてもよい。実施の形態１の場合と同様に、図６に示した信号処理装置４０を用いて信号処理部２０Ａの機能が実現されてもよい。

以上に説明した実施の形態２のレーザレーダ装置２では、選択器２５は、信号対雑音電力比Ｒ_１，Ｒ_２，…，Ｒ_Ｋを用いて積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋの中から少なくとも１つの高ＳＮＲの積算スペクトルを選択することができる。また、選択器２５は、積算スペクトルＩＳ_１，ＩＳ_２，…，ＩＳ_Ｋの中から複数の積算スペクトルが選択された場合には、これら複数の積算スペクトルを加算または平均化することでノイズ低減スペクトルを生成することができる。よって、変調送信光ＭＬ_ｋの送信方向と光アンテナ１４への散乱光の到来方向との間に遅延時間に起因する角度差（角度ずれ）が生じたとしても、選択器２５から出力された積算スペクトルまたはノイズ低減スペクトルに基づいてターゲットの状態を示す観測量を高い精度で算出することができる。本実施の形態では、角度差（角度ずれ）を把握することが困難な状況下でも、観測量の高精度な算出が可能である。

また、上記実施の形態１の場合と同様に、本実施の形態のレーザレーダ装置２は、上記特許文献１に開示されているような当該角度差を補償する機構的な構造を必要とせずに、短い応答時間で角度ずれを補償することができる。よって、ターゲットとの距離が近くても、高ＳＮＲの積算スペクトルＩＳが得られるため、高精度で観測量を算出することができる。

実施の形態３．
図１３は、本発明に係る実施の形態３のレーザレーダ装置３の概略構成を示すブロック図である。図１３に示されるレーザレーダ装置３の構成は、上記実施の形態１の光変調器１２に代えて、図１３の光変調器１２Ａを有する点を除いて、上記実施の形態１のレーザレーダ装置１の構成と同じである。

本実施の形態の光変調器１２Ａは、光分配器１１から入力された送信光ＴＬに対して周波数変調及び強度変調を実行することにより、送信光ＴＬの周波数をシフトさせ、かつ送信光ＴＬをパルス化する変調器である。光変調器１２Ａは、周波数変調及び強度変調により、複数の変調光成分ＭＬ_１〜ＭＬ_Ｋを含み、所定のＰＲＦで所定のパルス幅Ｔを有する変調送信光ＭＬ（一連のパルス光）を生成し、変調送信光ＭＬを光サーキュレータ１３に出力する。また、光変調器１２Ａは、送信光ＴＬのパルス化のために生成されたパルストリガ信号ＴＳを信号処理部２０に出力する。パルストリガ信号ＴＳは、送信光ＴＬのパルス化のタイミングを表す信号である。

以上に説明したように本実施の形態では、光分配器１１は、複数の送信光成分ＴＬ_１〜ＴＬ_Ｋを光変調器１２Ａに出力し、光変調器１２Ａは、これら送信光成分ＴＬ_１〜ＴＬ_Ｋに周波数変調及び強度変調を施すことで、複数の変調光成分ＭＬ_１〜ＭＬ_Ｋを含む変調送信光ＭＬを生成する。よって、光アンテナ１４は、広いビーム径と広いビーム拡がり角を有する変調送信光ＭＬを光スキャナ１５を介して送信することができる。このため、以下に説明するように、光アンテナ１４の受信口径Ｄを改善することができ、受信信号のＳＮＲをも改善することができる。

すなわち、受信信号（アナログ検波信号ＣＳ）のＳＮＲは、非特許文献（S. Kameyama et al., Applied Optics, Vol. 46, No. 11, pp. 1953-1962, 2007.）に記載のとおり、受信口径Ｄに対して二乗（＝Ｄ^２）で改善される。受信口径Ｄは、レンズの焦点距離をｆ、受光素子の開口数をＮＡとすると、Ｄ＝ＮＡ×ｆで定義される。ｆが大きい方が受信口径Ｄは大きくなる。一方、受信視野αは、受信機の素子口径をｄとすると、簡易的に、α＝ｄ／ｆで定義されるため、ｄが一定のままで、ｆを大きくすると受信視野αが小さくなる。

本実施の形態では、光受信器アレイ１７によって光アンテナ１４の受信口径Ｄと受信視野α（アレイ数をＮ_ａとすると、素子口径はｄ_ａ＝ｄ×Ｎ_ａ）の双方の値の改善ができる。本実施の形態では、光アンテナ１４の受信視野とほぼ同等のビーム径とビーム拡がり角を有する変調送信光ＭＬを送信することができる。したがって、光アンテナ１４の受信口径Ｄを改善することができ、受信信号（アナログ検波信号ＣＳ）のＳＮＲをも改善することができる。

また、光受信器アレイ１７が、シングルモードのレーザ光しか受信できないヘテロダイン検波法を採用する場合でも、広い受信視野と広い受信口径とを確保することができるため、ＳＮＲを改善することができる。

実施の形態４．
図１４は、本発明に係る実施の形態４であるレーザレーダ装置４の概略構成を示すブロック図である。図１４に示されるレーザレーダ装置４の構成は、上記実施の形態２の光変調器１２に代えて、図１４の光変調器１２Ａを有する点を除いて、上記実施の形態２のレーザレーダ装置２の構成と同じである。

本実施の形態の光変調器１２Ａは、上記実施の形態３の場合と同様に、光分配器１１から入力された送信光ＴＬに対して周波数変調及び強度変調を実行することにより、複数の変調光成分ＭＬ_１〜ＭＬ_Ｋを含む変調送信光ＭＬ（一連のパルス光）を光サーキュレータ１３に出力する。また、光変調器１２Ａはパルストリガ信号ＴＳを信号処理部２０に出力する。

したがって、上記実施の形態３の場合と同様に、光アンテナ１４の受信視野とほぼ同等のビーム径とビーム拡がり角を有する変調送信光ＭＬを送信することができる。よって、光アンテナ１４の受信口径Ｄを改善することができ、受信信号（アナログ検波信号ＣＳ）のＳＮＲをも改善することができる。

実施の形態１〜４の変形例．
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記実施の形態１〜４では、パルス波を送信光として使用するパルス型のレーザレーダ装置１〜４であったが、本発明はパルス型に限定されるものではない。連続波レーザ光を送信光として使用するＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式が上記レーザレーダ装置１〜４に適用されてもよい。

また、上記実施の形態１〜４では、図２に示したように光学部品間の光接続手段として空間伝搬構造が記載されていたが、これに限定されるものではない。空間伝搬構造に代えて、光ファイバを使用した光導波路構造が採用されてもよい。

また、上記実施の形態１〜４は、速度ベクトルｖを観測量として計測しているが、観測量は、速度ベクトルｖに限定されるものではない。たとえば、積算スペクトルＩＳを用いて、構造物または地形物などのハードターゲットの移動速度または測距値を算出することができるように信号処理部２０，２０Ａの構成が適宜変更されてもよい。

また、上記実施の形態１〜４は、光スキャナ１５を用いて外部空間を走査しているが、外部空間を走査する方法は、光スキャナ１５を使用する方法に限定されるものではない。たとえば、航空機または自動車などの移動体の移動に伴い、この移動体から出射されるレーザビームで外部空間を走査する方法が採用されてもよい。この場合、角度情報ＡＤに代えて、外部空間に対する移動体の相対移動速度を用いて観測量を算出するように信号処理部２０，２０Ａの構成が適宜変更されればよい。

なお、本発明の範囲内において、上記実施の形態１〜４の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を用いて大気状態を観測する観測システムをはじめとする、観測対象物の形状を計測する３次元計測システムなどのレーザセンサシステムに用いられるのに適している。

１〜４ レーザレーダ装置、１０ 光源アレイ、１０１ 基準光源、１０２ 光分配素子、１１ 光分配器、１１１ 導光光学系、１１２ ビームスプリッタ、１２，１２Ａ 光変調器、１３ 光サーキュレータ、１３１ ビームスプリッタ、１３２ 波長板、１４ 光アンテナ、１５ 光スキャナ、１５１ 回転子、１５２ ウェッジプリズム、１５３ 回転駆動部、１６ 光合波器、１６１ ビームスプリッタ、１６２ 反射ミラー、１６３，１６４ 集光光学系、１７ 光受信器アレイ、１８ スイッチ回路、１８１ 第１スイッチ、１８２ 第２スイッチ、１８３ 加算器、１８４ チャンネル選択回路、１９，１９Ａ Ａ／Ｄ変換器、２０，２０Ａ 信号処理部、２１，２１Ａ 信号分割器、２２，２２Ａ 領域変換部、２３，２３Ａ 積算器、２４ ＳＮＲ算出器、２５ 選択器（セレクタ）、２６ 速度算出器、２７ ベクトル算出器、２８ 走査速度算出器、４０ 信号処理装置、４１ プロセッサ、４２ メモリ、４３ 入力インタフェース部、４４ 出力インタフェース部、４５ 信号路、Ｄａ１〜Ｄａ３，Ｄｂ１〜Ｄｂ３ 受光素子、Ｅ１〜Ｅ３ 光出射端。

Claims (2)

1. 基準レーザ光を出力する単一の基準光源、前記基準レーザ光を複数のレーザ光に分配する光分配素子及び複数の光出射端を有し、前記複数の光出射端からそれぞれ前記複数のレーザ光を同時に出射する光源アレイと、
   前記複数のレーザ光から複数の送信光成分をそれぞれ分離し、かつ前記複数のレーザ光からそれぞれ複数のローカル光成分を分離する光分配器と、
   前記複数の送信光成分のうちの１つの送信光成分を変調して変調送信光を生成する光変調器と、
   前記変調送信光で外部空間を走査しつつ、当該外部空間に存在するターゲットで反射された当該変調送信光を受信光として受信する送受信光学系と、
   前記受信光と前記複数のローカル光成分とを合波することにより複数の干渉光成分を生成する光合波器と、
   前記送受信光学系の互いに異なる複数の受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置され、前記複数の干渉光成分を検波することで複数の検波信号を生成する複数の光受信器を含む光受信器アレイと、
   前記外部空間に対する前記送受信光学系の走査速度に応じて、前記複数の検波信号の中から検波信号を選択するスイッチ回路と、
   当該選択された検波信号の信号スペクトルを算出し、前記信号スペクトルに基づいて前記ターゲットの速度ベクトルを含む観測量を算出する信号処理部と
   を備え、
   前記信号処理部は、
   前記スイッチ回路で選択された検波信号を、複数のゲート時間領域の信号波形をそれぞれ表す複数の時間領域信号に分割する信号分割器と、
   前記複数の時間領域信号を複数の周波数領域信号にそれぞれ変換する領域変換器と、
   前記複数の周波数領域信号から前記複数の時間領域信号それぞれの複数のスペクトルを算出し、前記複数のスペクトルを積算することにより前記信号スペクトルを算出する積算器と、
   前記信号スペクトルに基づいて前記観測量を算出する観測量算出器と
   を含むことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 基準レーザ光を出力する単一の基準光源、前記基準レーザ光を複数のレーザ光に分配する光分配素子及び複数の光出射端を有し、前記複数の光出射端からそれぞれ前記複数のレーザ光を同時に出射する光源アレイと、
   前記複数のレーザ光から複数の送信光成分をそれぞれ分離し、かつ前記複数のレーザ光からそれぞれ複数のローカル光成分を分離する光分配器と、
   前記複数の送信光成分のうちの１つの送信光成分を変調して変調送信光を生成する光変調器と、
   前記変調送信光で外部空間を走査しつつ、当該外部空間に存在するターゲットで反射された当該変調送信光を受信光として受信する送受信光学系と、
   前記受信光と前記複数のローカル光成分とを合波することにより複数の干渉光成分を生成する光合波器と、
   前記送受信光学系の互いに異なる複数の受信視野と光学的に対応する位置にそれぞれ配置され、前記複数の干渉光成分を検波することで複数の検波信号を生成する複数の光受信器を含む光受信器アレイと、
   前記複数の検波信号それぞれの複数の信号スペクトルを算出し、前記複数の検波信号それぞれの複数の信号対雑音電力比を算出する信号処理部と
   を備え、
   前記信号処理部は、
   前記複数の検波信号の各々を、複数のゲート時間領域の信号波形をそれぞれ表す複数の時間領域信号に分割する信号分割器と、
   前記複数の検波信号の各々について、前記複数の時間領域信号を複数の周波数領域信号にそれぞれ変換する領域変換器と、
   前記複数の検波信号の各々について、前記複数の周波数領域信号から前記複数の時間領域信号それぞれの複数のスペクトルを算出し、当該算出された複数のスペクトルを積算することにより前記複数の検波信号にそれぞれ対応する複数の積算スペクトルを前記複数の信号スペクトルとして算出する積算器と、
   前記複数の積算スペクトルから前記複数の信号対雑音電力比をそれぞれ算出するＳＮＲ算出器と、
   前記複数の信号対雑音電力比を用いて前記複数の積算スペクトルの中から少なくとも２つの積算スペクトルを選択し、当該少なくとも２つの積算スペクトルを加算または平均化することでノイズ低減スペクトルを算出する選択器と、
   前記ノイズ低減スペクトルに基づいて前記ターゲットの速度ベクトルを含む観測量を算出する観測量算出器と
   を含むことを特徴とするレーザレーダ装置。

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