JPWO2017085799A1 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

本発明のレーザレーダ装置は、第１の角速度でビーム走査可能な走査部６０と、走査部のビーム走査によって取得された風計測データに基づいて、風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部３０と、計測可能距離算出監視部が風計測可能距離の低下を検出した場合、第１の角速度よりも遅い第２の角速度でビーム走査した場合に得られる風計測データと第１の角速度とに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部４０と、光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部８とを備えた。

Description

本発明は、風速計測を行うレーザレーダ装置に関する。

従来のレーザレーダ装置による風速計測では、レーザパルス光を送信光として大気中に照射して、エアロゾルによる散乱光（反射光）を受信光として受信する。そして、送信光のローカル光である単一波長の連続光と受信光とのヘテロダイン検波により、エアロゾルの移動によって生じるドップラシフトを求め、照射方向の風速を計測する。このドップラシフトは、ヘテロダイン検波後の信号をフーリエ変換して得られるスペクトルから算出する。また、風速計測方向は、送信光の照射方向を切替えることにより変更する（例えば、特許文献１）。

特開２０００−０４６９３０号公報

ここで、レーザレーダ装置において風速計測レートを上げるためには、ビーム走査の高速化が必要となる。一方、このビーム走査により送信光と受信光の間で光軸角度ずれが生じる。また、ビーム走査が高速である程、特に遠方からの受信光と送信光との間での光軸角度ずれが大きくなり、受信信号強度の低下を引き起こす。この光軸角度ずれは送受信間の光軸を合わせる光軸補正処理により可能となるが、特許文献１に記載の技術は、光軸角度ずれ補正の過程において、例えば経時変化に起因してビーム走査を行わない状態での受信信号強度が低下した場合に、風計測可能距離を逆に低下させてしまうといった課題があった。

本発明に係るレーザレーダ装置は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、高速ビーム走査による送受信光間の光軸角度ずれを補正する過程において、経時変化に起因して受信信号強度が低下した場合であっても、高速ビーム走査時において風計測可能距離を最長に維持して風速計測を行うことを目的とする。

本発明のレーザレーダ装置は、変調された光源からの光を送信光として照射し、反射された光を受信光として受信する、第１の角速度でビーム走査可能な走査部と、走査部のビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部と、計測可能距離算出監視部が風計測可能距離の低下を検出した場合、第１の角速度よりも遅い第２の角速度でビーム走査した場合に得られる風計測データと第１の角速度とに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部と、光軸角度補正量導出部で導出された光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部と、を備えることを特徴とする。

本発明のレーザレーダ装置は、光軸角度補正量導出部は、第２の角速度でビーム走査した場合に得られる風計測データと第１の角速度とに基づいて、送受信光の間で光軸角度ずれが生じない風計測距離を示す光軸補正距離の中から風計測可能距離が最長となる最適な光軸補正距離を導出する最適光軸補正距離導出部と、最適光軸補正距離導出部で導出された最適な光軸補正距離に基づいて光軸角度補正量を算出する制御方法算出部と、を有することを特徴とする。

本発明のレーザレーダ装置は、計測可能距離算出監視部から受信した風計測可能距離の変化に応じてビーム走査の角速度を可変とし、計測可能距離監視部が風計測可能距離の所定の閾値を下回った事を検出した場合、走査部が第２の角速度でビーム走査を行うよう角速度を設定するビーム走査方法設定部と、を有することを特徴とする。

本発明のレーザレーダ装置は、光軸角度補正量導出部は、予め取得したテーブルデータを参照し、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量をテーブルデータから抽出することを特徴とする。

本発明のレーザレーダ装置は、計測可能距離算出監視部が風計測可能距離の低下を検出した場合、第１の角速度のビーム走査により得られた風計測データから、第２の角速度で走査した場合に得られる風計測データを計算により算出するビーム走査計算部と、を有することを特徴とする。

本発明のレーザレーダ装置は、ビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部と、計測可能距離算出監視部が風計測可能距離の低下を検出した場合、ビーム走査よりも遅い速度でビーム走査した場合に得られる風計測データに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部と、光軸角度補正量導出部で導出された光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係るレーザレーダ装置は、上記のように構成したので、高速ビーム走査による送受信光間の光軸角度ずれを補正する過程において、経時変化に起因して受信信号強度が低下した場合であっても、高速ビーム走査時において風計測可能距離を最長に維持して風速計測を行うことができる。

実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成図である。 実施の形態１に係る光軸補正部の構成図である。 実施の形態１に係る風計測可能距離の算出を説明する図である。 実施の形態１に係る風計測可能距離監視部の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る最適光軸補正距離計算部の機能を説明する図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成図である。 実施の形態２に係るデータテーブル参照部の機能を説明する図である。 実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体動作を示すフローチャートである。 実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成図である。 実施の形態３に係る低速ビーム走査計算部の機能を説明する図である。 実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、図１を用いて実施の形態１に係るレーザレーダ装置について説明する。図１は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成図である。なお、以下に示すレーザレーダ装置においては、計測対象を風（エアロゾル）としているが、必ずしもこれに限られるものではなく、車両やその他移動する物体等の被検出物にも適用可能である。

図１において、レーザレーダ装置は、光源１、光分配器２、パルス変調器（変調器）３、送信側光学系４、送受分離部５、ビーム走査光学系６、ビーム走査光学系制御部７、光軸補正部８、受信側光学系９、光カプラ１０、風計測処理部１１、風計測可能距離算出部１２、風計測可能距離監視部１３、ビーム走査方法設定部１４、最適光軸補正距離計算部（最適光軸補正距離導出部）１５、制御方法算出部１６、から構成されている。

光源1は、大気中の塵や微粒子等のエアロゾルにより散乱（反射）可能な波長帯である単一波長の光（連続光）を発生する機能を有するものである。この光源１により発生された光は光分配器に出力される。

光分配器２は、光源1からの光を２分割する機能を有するものである。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１０に出力される。

パルス変調器３は、光分配器２からの光に対して変調（パルス変調）を行う機能と、所望の周波数シフトを与える機能を有するものである。このパルス変調器３により変調された光は送信光として送信側光学系４に出力される。

送信側光学系４は、パルス変調器３からの送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する機能を有するものである。この送信側光学系４により整形された送信光は送受分離部５に出力される。

送受分離部５は、入力光に応じて出力先を切替える機能を有するものである。ここで、送受分離部５は、送信側光学系４からの送信光が入力された場合には、当該送信光をビーム走査光学系６（ビーム走査部６０）に出力する。また、送受分離部５は、ビーム走査光学系６からの受信光が入力された場合には、当該受信光を光軸補正部８に出力する。この送受分離部５は、送信光の光軸上に設置される。

ビーム走査光学系６は、送受分離部５からの送信光（変調された光源からの光）を大気中に照射し、エアロゾルにより散乱（反射）された光を受信光として受信する機能と、送信光の照射方向を変えることでビーム走査を可能とする機能を有するものである。このビーム走査光学系６は、送信光の光軸上に設置される。

ビーム走査光学系制御部７は、ビーム走査方法設定部１４からのビーム走査角速度設定値に従い、ビーム走査光学系６の照射方向を制御する機能を有するものである。また、ビーム走査光学系制御部７は、ビーム走査光学系６の制御情報として、送信光の照射方向を示す情報を光軸補正部制御系８ａ及び風計測処理部１１に送る機能も有している。
なお、ビーム走査光学系６とビーム走査光学系制御部７からビーム走査部（走査部）６０が構成される。

光軸補正部８は、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）及び制御方法算出部１６からの情報（ビーム走査角速度及び光軸補正距離とから求めた光軸角度補正量)に基づいて、送受分離部５からの受信光に対し、ビーム走査による送信光と受信光との間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。この光軸補正部８は、基準となる受信光（ビーム走査を行っていない状態での受信光）の光軸上に設置される。この光軸補正部８の構成例については後述する。この光軸補正部８により補正された受信光は受信側光学系９に出力される。

受信側光学系９は、光軸補正部８からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する機能を有するものである。この受信側光学系９は、基準となる受信光の光軸上に設置される。この受信側光学系９により整形された受信光は光カプラ１０に出力される。

光カプラ１０は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系９からの対応する受信光とを合波する機能を有するものである。この光カプラ１０により合波された光は風計測処理部１１に出力される。

風計測処理部１１は、光カプラ１０からの光に対してヘテロダイン検波を行って周波数シフトを算出する機能と、ビーム走査光学系制御部７からの送信光の照射方向を示す制御情報に基づいて、算出した周波数シフトから送信光照射方向の各距離における風速を算出する機能と、を有するものである。また、風計測処理部１１は、算出した各方向、各距離における風計測結果(受信信号強度及び風速)を風計測可能距離算出部１２に送る機能も有している。

風計測可能距離算出部１２は、風計測処理部１１から、ビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度データを受信し、同データより風計測可能距離を算出する機能を有している。また、風計測可能距離算出部１２は、算出結果を風計測可能距離監視部１３に送る機能と、受信信号強度データを最適光軸補正距離計算部１５へ送る機能を有する。

風計測可能距離監視部１３は、風計測可能距離算出部１２から受信した風計測可能距離データを基に、各風計測方向に対する風計測可能距離を監視し、風計測可能距離の低下を検出する機能を有している。また、風計測可能距離の検出を検出し、その結果をビーム走査方法設定部１４に送る機能も有している。
なお、風計測可能距離算出部１２及び風計測可能距離監視部１３から計測可能距離算出監視部３０が構成される。計測可能距離算出監視部３０は、走査部６０のビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する。

ビーム走査方法設定部１４は、ビーム走査角速度ωを設定する機能を有し、風計測可能距離監視部１３から受信した風計測可能距離の変化に応じてビーム走査角速度を可変とする機能を有する。また、ビーム走査方法設定部１４で決定したビーム走査角速度の情報をビーム走査光学系制御部７へ送る機能を有する。ビーム走査部６０は、ビーム走査方法設定部１４で設定された角速度でビーム走査を可能とする。

最適光軸補正距離計算部１５は、各風計測方向におけるビーム走査時の、受信信号強度を含む風計測データを風計測可能距離算出部１２から受信し、さらにビーム走査方法設定部１４からビーム走査角速度の設定値を取得し、これらの情報を基に風計測距離が最大となる最適な光軸補正距離を計算（導出）する機能を有する。また、この結果を制御方法算出部１６に送る機能も有する。ここで、光軸補正距離とは、送受信光の間で光軸角度ずれが生じない（０または理想的には０に等しい状態を含む。）風計測距離を指す。なお、最適光軸補正距離計算部１５の詳細は後述する。

制御方法算出部１６は、最適光軸補正距離計算部１５からの最適光軸補正距離算出結果を受信する機能と、この結果を基に、光軸補正部光学系８ｂの制御方法を算出する機能と、この結果を光軸補正部制御系８ａに送る機能を有する。なお、制御方法算出部１６の詳細は後述する。また、最適光軸補正距離計算部１５及び制御方法算出部１６から光軸角度補正量導出部４０が構成される。

次に、図２を用いて光軸補正部８の構成及び機能について説明する。光軸補正部８は、図２に示すように、２枚のウェッジプリズム２０、２１から成る光学部（光学系）８ｂ及び制御部（制御系）８ａから構成されている。ウェッジプリズム２０、２１は、送受分離部５からの受信光に対し、ビーム走査による送受信光の間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。このウェッジプリズム２０、２１は、基準となる受信光の光軸に対し、その平坦面が垂直（略垂直の意味を含む）且つ２枚の平坦面が平行（略平行の意味を含む）となるよう設置される。光軸補正部の制御部８ａは、制御方法算出部１６（光軸角度補正量導出部４０）から得た、制御方法算出部１６により算出されたウェッジプリズム相対角度差σに関する光軸角度ずれ量（光軸角度補正量）の情報に基づいて、ウェッジプリズム２０、２１をそれぞれ独立に回転制御する機能を有するものである。また、光軸補正部８の制御部８ａは、このようにして設定された両ウェッジプリズムの相対角度差を維持した状態で、ビーム走査光学系制御部７からの送信光照射方向の情報を受信し、これに同期して両ウェッジを回転制御する機能を有する。

次に、同図２を用いて、基準となる受信光の光軸１９に対し、ビーム走査すなわち送信光の照射方向の変化により受信光がどのような光軸角度ずれを起こすのか説明する。

図２に示すように、ビーム走査に伴い受信側光学系９へと送られる受信光は光軸１９から光軸角度ずれ量θだけ角度がずれる。さらに、ビーム走査に伴い受信光の進行方向が変化する。図２において、基準となる受信光の進行方向を矢印Ａ１で示し、ビーム走査による受信光の進行方向を矢印Ａ２で示している。例えば、ビーム走査により送信光の照射方向を方位角に対し０度から３６０度等速で回転させた場合、受信光の光軸ずれ方向も光軸角度ずれ量θを一定に保った状態で光軸１９を軸に回転をする。図２では、光軸１９を軸とした受信光の光軸ずれ方向を、変数ψを用いて表している。そして、ウェッジプリズム２０、２１では、この２つの角度θ，ψに依存した受信光の光軸角度ずれを補正する。

上述の通り、ビーム走査の間、受信光の光軸ずれ方向ψは常に変化する。そのため、光軸補正部８では、常に、ビーム走査光学系制御部７による制御情報（送信光の照射方向γ（ｔ）を示す情報）を受信しながら、光軸ずれを補正する必要がある。ここでｔは時間を表す変数である。以下では、θ、ψについて定量的に述べる。

光軸角度ずれ量θは、ビーム走査角速度ω、風速計測距離Ｌ及び光速度ｃによって下式（１）により求められる。

２枚のウェッジプリズムにより構成した光軸補正部８により、２枚のウェッジに所定の相対角度差を与える事で、（１）式に示す光軸角度ずれθを補正する事が可能となる。（１）から明らかなように、光軸角度ずれ量θは風計測距離Ｌによって異なり、光軸補正を行う距離（光軸補正距離）を設定する事で光軸角度ずれ量θが決まり、従って２枚のウェッジの状態、すなわち相対角度差を決定する事ができる。なお、この相対角度差は制御方法算出部１６によって算出し、詳細は後述する。

ψはビーム走査方向γ(t)によって決まり(すなわちψ=ψ(γ(t)))、このψによって以下の式から、ウェッジ回転角Φ_１、Φ_２が算出される。

Φ_１＝Φ_２＋σ （２）
Φ_２＝tan^−１（tanψ（cosσ＋１）−sinσ）/（cosσ＋１＋sinσtanψ） （３）

ここでσは２枚のウェッジプリズムの相対角度σであり、制御方法算出部１６によって算出される。

次に、風計測可能距離算出部１２の機能について説明する。風計測可能距離算出部１２（計測可能距離算出監視部３０）は、風計測処理部１１からビーム走査により取得した各風計測の距離毎の受信信号強度データを取得する。図３はある一方向のデータを表し、ここでは方向への依存性はないものと仮定する（依存性がある場合については後述する）。図３に示す様に、遠方では受信信号強度が低下する。検出闘値に一致する距離を風計測可能距離Ｌ_limとして定義した場合、風計測距離算出部１２は、この距離を同図から求める事で、風計測可能距離を算出する機能を有する。風計測可能距離Ｌ_limはビーム走査角速度ωや、計測時の大気条件によって異なるが、図３に示すデータを取得する事で、計測時の風計測可能距離Ｌ_limを導出する。

続いて、風計測可能距離監視部１３の機能について図４を用いて説明する。風計測可能距離監視部１３（計測可能距離算出監視部３０）は、風計測可能距離算出部１２で計算された風計測可能距離を逐次受信し、時間変化を監視する。そして、最適光軸補正距離を算出し直す基準となる所定の閾値（光軸補正距離更新闘値）を風計測可能距離が下回った場合、これを検出し、ビーム走査方法設定部１４へこの結果を送る。

次に最適光軸補正距離計算部１５の機能について図５を用いて説明する。最適光軸補正距離計算部１５（光軸角度補正量導出部４０）は、風計測可能距離算出部１２から低速、もしくは高速ビーム走査時の風計測データすなわち受信信号強度データSNRo(R)を取得する（図５ａ）。ここでRは観測距離を表す変数である。このデータをモデル関数によりフィッティングする（図５ｂ）。フィッティング後のモデル関数に対し、計算上、ビーム走査角速度の設定値でビーム走査を行い、光軸補正距離を近距離から遠方まで変えた場合の受信信号強度プロファイルを計算する（図５ｃ）。図５ｃの導出により光軸補正距離Ｌに対応した風計測可能距離Ｌ_limが得られる。この計算結果から、図５ｄに示す最適光軸補正距離の算出用グラフを作成する。なお、モデル関数に関しては公知の技術であるため詳細な説明は省略する。

図５ｄに示すように、光軸補正距離Ｌを延ばす事で風計測可能距離Ｌ_limは長距離化していくが、ビーム走査角速度低速時での風計測可能距離付近において、風計測距離が低下する。この振る舞いは、図５ｃを見るとわかるように、光軸補正距離を遠方に設定する事により、近距離での受信信号強度が低下し、検出闘値レベルまで低下してしまう事に起因する。この変化点を同図から求め、光軸補正距離の中から、風計測距離が低下せず、かつ風計測可能距離Ｌ_limが最大となる、最適な光軸補正距離Ｌ_bestを算出する。この光軸補正距離計算結果Ｌ_bestを、制御方法算出部１６へ送る。この光軸補正距離Ｌ_bestで風計測を行う事により、風計測可能距離が最長化された状態で風計測が可能となる（図５ｅ）。

制御方法算出部１６の機能について詳細に説明する。
制御方法算出部１６（光軸角度補正量導出部４０）は、最適光軸補正距離計算部１５から最適光軸補正距離の計算結果Ｌ_bestとビーム走査角速度ωを取得し、（１）式から光軸角度ずれθを計算する。
θより、２枚のウェッジプリズムの相対角度σ

σ＝ｃｏｓ−１（θ２−２δ２）／２δ２ （４）

を計算する。

なお、δは、ウェッジプリズム２０、２１の屈折率ｎと、ウェッジプリズム２０、２１の傾斜角αから、下式（５）により求められ、１枚のウェッジプリズムに入射した光線が屈折する角度を表す。

δ＝（ｎ−１）α （５）

制御方法算出部１６は（４）式の相対角σを計算し、光軸角度補正量として光軸補正部制御系８ａへ送る機能を有する。

次に、実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体動作について、図６を参照しながら説明する。レーザレーダ装置の全体動作では、高速でビーム走査を開始する前に、まず、ビーム走査方法設定部１４は、低速なビーム走査角速度を設定し、当該ビーム走査角速度設定値に従い、ビーム走査光学系制御部７はビーム走査光学系６の照射を制御し、ビーム走査光学系６が方位角方向、仰角方向、もしくは両方向に対し同時にビーム走査を行う（ステップＳ１０）。なお、ここでいう高速（第１の角速度ともいう。）とは、光軸角度ずれが起きる程度の通常のビーム走査時の速度（角速度）速度を指す。一方、低速（第２の角速度ともいう。）とは、ビーム走査を全くしない状態の速度（角速度）、あるいはビーム走査を行った場合に、光軸角度ずれが起きない程度に小さく、高速よりも遅い速度（角速度）を指す。

次いで、風計測可能距離算出部１２は、風計測処理部１１から各風計測方向に対する風計測データを取得し、最適光軸補正距離計算部１５へ送る（ステップＳ１１）。また、ビーム走査方法設定部１４は、高速ビーム走査時のビーム走査角速度の設定値を設定し、最適光軸補正距離計算部１５へ送る（ステップＳ１２）。最適光軸補正距離計算部１５は、低速ビーム走査時に得られたデータをモデル関数によりフィッティングし、フィッティング後のモデル関数に対し、ビーム走査角速度の設定値で光軸補正距離毎に風計測可能距離を数値計算し、（ステップＳ１３）、この計算結果から、風計測可能距離が最長となる最適な光軸補正距離Ｌ_bestを抽出（算出）する（ステップＳ１４）。

そして、制御方法算出部１６はこの最適な光軸補正距離Ｌ_bestとビーム角速度ωを取得し、光軸角度ずれθを計算する（ステップＳ１５）。そして、光軸角度ずれθから、２枚のウェッジプリズム２０、２１の相対角σを算出し（ステップＳ１６）、結果を光軸補正部制御系８へ送る。そして、制御系８ａは、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム２０、２１に相対的な角度差をつけた状態を保持したまま回転させる（ステップＳ１７）。これにより、風計測可能距離が最長となる光軸角度ずれ量θを補正することができる。

さらに、ビーム走査方法設定部１４は高速ビーム走査角速度ωを設定し、ビーム走査光学系制御部７へこの情報を送り、高速ビーム走査角速度にて風速計測を開始する（ステップＳ１８）。すなわち、光源１は単一波長からなる光（連続光）を発生し、光分配器２はこの光を２分割する。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１０に出力される。

次に、パルス変調器３は、光分配器２からの光に対してパルス変調を行い、所望の周波数シフトを与える。このパルス変調器３により変調された光は送信光として送信側光学系４に出力される。

送信側光学系４は、パルス変調器３からの送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この送信側光学系４により整形された送信光は送受分離部５を介してビーム走査光学系６に出力される。

ビーム走査光学系制御部７は、ビーム走査方法設定部１４からの情報（ビーム走査角速度ω）に従い、ビーム走査光学系６の照射方向を制御する。これにより、ビーム走査光学系６は、送信光を大気中の所定の照射方向に照射する。そして、ビーム走査光学系制御部７は、制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を光軸補正部８の光軸補正部制御系８ａに送る。

その後、大気中に照射された送信光は、大気中のエアロゾル等の散乱体により散乱される。そして、ビーム走査光学系６は、この散乱光を受信光として受信する。この受信光には、風速に対応したドップラシフト周波数が生じている。このビーム走査光学系６により受信された受信光は送受分離部５を介して光軸補正部８に出力される。

そして、光軸補正部８の制御部系８ａは、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報(γ(t))及び制御方法算出部１６からの情報（相対角度σ）（ステップＳ１９）に基づいて、ψ(γ(t))より光軸ずれ方向ψを計算し、式（２）、（３）よりウェッジプリズム２０，２１の回転角Φ_１，Φ_２を算出する（ステップＳ２０）。さらに、制御系８ａは、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム２０，２１の相対的な角度差σを維持した状態で、２枚のウェッジプリズム２０，２１を同時に回転制御する（ステップＳ２１）。この光軸補正部８により補正された受信光は受信側光学系９に出力される。

受信側光学系９は、光軸補正部８からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この受信側光学系９により整形された受信光は光カプラ１０に出力される。

光カプラ１０は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系９からの受信光とを合波する。この光カプラ１０により合波された光は風計測処理部１１に出力される。

風計測処理部１１は、光カプラ１０からの光に対してヘテロダイン検波を行い、受信信号から周波数シフトを導出し、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）に基づいて、導出した周波数シフトから当該照射方向における風速を算出する。

また、ビーム走査ではγ(ｔ)が時間の関数であることからわかるように、回転角Φ_１、Φ_２は時々刻々と変化していく。そのため、光軸補正部８ではビーム走査光学系制御部７からの制御情報(γ(ｔ))を常に取得し、ウェッジプリズム２０，２１の回転制御を繰り返す。

風計測可能距離算出部１２は、適宜、風計測処理部１１から各風計測方向の距離毎の受信信号強度データを継続的に取得し、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出する（ステップＳ２２）。そして、風計測可能距離監視部１３へ送信することにより、風計測可能距離監視部１３は、風計測可能距離算出部１２よりこのデータを常に取得し、光軸補正距離更新闘値との比較を逐次実施する。そして、ステップＳ２３において、光軸補正距離更新闘値を下回った事を検出すると、ビーム走査方法設定部１４にこの情報を送る。そして、ビーム走査方法設定部１４がこの情報を受信すると、ステップＳ１０に戻り、ビーム走査部６０が低速（第２の角速度）でビーム走査を行うようビーム走査角速度を低速に設定し、再度、低速スキャン時の受信信号強度データを取得し、最適光軸補正距離計算部（最適光軸補正距離導出部）１５にて、最適光軸補正距離を算出する。すなわち、光軸角度補正量導出部４０は、計測可能距離算出監視部３０が風計測可能距離の低下を検出した場合、低速の速度（角速度）でビーム走査した場合に得られる風計測データと高速ビーム走査時のビーム走査角速度とに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する。他方で、ステップＳ２３において、光軸補正距離更新闘値を下回っていない場合は、ステップＳ１９の処理に戻る。

上記動作を繰り返す事もしくは適宜実施する事により、経時変化に伴う風計測可能距離の変化に対応し、常に光軸補正距離を最長とする最適化が可能となる。

以上のように構成したので、低速ビーム走査時に受信信号強度が低下した場合、光軸補正距離を一定状態に保つことで近距離において風計測が出来なくなるが、本発明に係るレーザレーダ装置によれば、低速ビーム走査時の風計測データを適宜取得する事により最適な光軸補正距離を設定して光軸角度補正量を導出する事で、上記課題が回避でき、高速走査時において常に風計測距離を最適とする、すなわち風計測可能距離を最長とする制御が可能となる。

なお、上記の光軸補正部８では、２枚のウェッジプリズム２０，２１を用いて構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、２以上のミラーを用いた反射光学系により構成してもよい。また上記では、２枚のウェッジプリズム２０，２１の屈折率は等しいものとした。しかしながら、これに限るものではなく、２枚のウェッジプリズムをそれぞれ異なる屈折率材料で構成してもよい。

また図１では、光軸補正部８を、送受分離部５と受信側光学系９との間に配置した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、光軸補正部８を、送信側光学系４と送受分離部５との間に配置してもよい。

また、上記のレーザレーダ装置においては、検出対象を風（エアロゾル）としているが、必ずしもこれに限られるものではなく、目標エリアにおける車両やその他移動する物体等の被検出物の速度検出にも適用可能である。

ここまでは、方位角方向に対し、低速ビーム走査時の受信信号強度プロファイル(受信信号強度 ｖｓ. 距離)が一定（方位角方向への依存性は無い）であることを仮定していたが、これに限るものではなく、方位角方向への依存性がある場合、例えば低速ビーム走査時の風計測可能距離が方位角方向で異なる場合、次にようにする事で、各方位角方向に対し風計測可能距離を最長化する事が可能である。

低速ビーム走査を実施し、各方向に対して最適な光軸補正距離の算出を行う。つまり、ここまでは、方位角方向に対して依存性が無い事を仮定していたため、最適な光軸補正距離の算出には、任意の方位角データを用いれば良いが、方位角によって低速ビーム走査時の風計測可能距離が異なる場合においては、各方向に対して光軸補正により向上可能な風計測可能距離が異なるため、上記の通り、各方向に対して最適な光軸補正距離の算出を実施する必要がある。

各方向に対して最適な光軸補正距離を算出した後、同様に、各方向に対して２枚のウェッジ間に設定すべき相対角度差σ(この場合σは方位角を変数とする関数になる。すなわちσ(γ(t))を算出する。

光軸補正部制御系８ａはσ(γ(t))を取得し、ビーム走査光学系制御部よりγ(t)を取得し、２枚のウェッジの相対角度差をビーム走査方向γに合わせて変更しながら光軸制御を行う。

実施の形態２．
実施の形態１では、最適光軸補正距離計算部１５は最適光軸補正距離を計算により逐一算出（導出）するように構成した。これに対し、実施の形態２に係るレーザレーダ装置は、低速ビーム走査時のデータを取得し、先見情報であるテーブルデータを参照する事で、最適な光軸補正距離を導出することを特徴とする。以下、図７〜図９を用いて、実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成及び動作について説明する。まず、実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成について説明する。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構成を示す図である。この図７に示す実施の形態２に係るレーザレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置の最適光軸補正距離計算部１５に代わり、データテーブル参照部１７（最適光軸補正距離導出部ともいう。）に変更したものである。その他の構成は実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成と同様であり、同一の符号を付して異なる部分について説明を行う。

図７において、光軸角度補正量導出部７０は、データテーブル参照部１７と制御方法算出部から構成される。データテーブル参照部１７は、各風計測方向におけるビーム走査時の、受信信号強度を含む風計測データを風計測可能距離算出部１２から受信し、さらにビーム走査方法設定部１４からビーム走査角速度の設定値を取得し、これらの情報を基に、先見情報であるテーブルデータを参照し、風計測距離が最大となる最適な光軸補正距離をテーブルデータから抽出する機能を有する。また、この結果を制御方法算出部１６に送る機能も有する。

ここで、データテーブル参照部１７の機能及び動作について図８を用いて説明する。データテーブル参照部１７は、風計測可能距離算出部１２より、低速ビーム走査時のデータ、すなわち低速ビーム走査により取得した各風計測方向における距離毎の受信信号強度データを取得し（図８ａ）、この結果からデータテーブル参照用のフォーマットに整理する（図８ｂ）。各風計測距離R_ｉに対し、対応するSNRの測定データSNRo(R_ｉ)が配列されたデータフォーマットを想定する。これに対し、図８ｃに示すデータテーブルは予め取得した先見情報（データ）であり、同様に各風計測距離毎のSNRデータSNR^mi(R_ｉ)を有している。低速ビーム走査時のSNRは、風計測時間や計測時の大気の状態に応じて異なり、このデータテーブル図８ｃはこうした多種多様なSNRを先見情報として有している。異なるSNRプロファイルを図８ｃではModelとして区別しており、SNR^miのiによりこれらモデルを区別する。図８ｂに示す実測データSNRo(R_ｉ)と最も良く一致するモデルSNR^miを図８ｃから抽出する。例として、図８では、Model iが最も良く一致したと仮定する。

データテーブル参照部１７は同時に、各モデルについて異なる光軸補正距離で光軸補正を行った場合の受信信号強度プロファイルデータを先見情報として有しており、これを図８ｄに示す。同図に示すように、Model iのケースに対し、ビーム走査角速度ωで、光軸補正距離Ｌを変えた場合の受信信号強度データ(SNR(R))を有しており、従って風計測可能距離Ｌ_limが各光軸補正距離ＬのデータＬ_ｉに対して求められている。図８ｄのデータテーブルより、Ｌ_limが最大となる光軸補正距離Ｌ_bestが導出され、データテーブル参照部１７は、これを制御方法算出部１６へ送る。なお、図８ｄでは例として、光軸補正距離Ｌ_２での風計測可能距離(Ｌ_２;_lim)が最長であった場合を示している。

次に、実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体動作について、図９を参照しながら説明する。この実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体動作は、図６に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体動作と基本的には同一であり、同一部分については、適宜省略する。レーザレーダ装置の全体動作では、高速でビーム走査を開始する前に、まず、ビーム走査方法設定部１４は、低速なビーム走査角速度を設定し、当該ビーム走査角速度設定値に従い、ビーム走査光学系制御部７はビーム走査光学系６の照射を制御し、ビーム走査光学系６が方位角方向、仰角方向、もしくは両方向に対し同時にビーム走査を行う（ステップＳ３０）。

次いで、風計測可能距離算出部１２は、風計測処理部１１から各風計測方向に対する風計測データを取得し、データテーブル参照部１７へ送る（ステップＳ３１）。また、ビーム走査方法設定部１４は、高速ビーム走査時のビーム走査角速度の設定値を設定し、データテーブル参照部１７へ送る（ステップＳ３２）。データテーブル参照部（最適光軸補正距離導出部）１７は、事前に取得した先見情報である、低速ビーム走査時のプロファイルに一致するデータテーブルを参照し（ステップＳ３３）、ビーム走査角速度に対応した風計測可能距離が最大となる最適な光軸補正距離Ｌ_bestを抽出（導出）する（ステップＳ３４）。

そして、制御方法算出部１６はこの最適な光軸補正距離Ｌ_bestとビーム角速度ωを取得し、光軸角度ずれθを計算する（ステップＳ３５）。そして、光軸角度ずれθから、２枚のウェッジプリズム２０，２１の相対角σを算出し（ステップＳ３６）、結果を光軸補正部制御系８へ送る。そして、制御系８ａは、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム２０，２１に相対的な角度差をつけた状態を保持したまま回転させる（ステップＳ３７）。これにより、光軸角度ずれ量θを補正することができる。

さらに、ビーム走査方法設定部１４は高速ビーム走査角速度ωを設定し、ビーム走査光学系制御部７へこの情報を送り、高速ビーム走査角速度にて風速計測を開始する（ステップＳ３８）。すなわち、光源１は単一波長からなる光（連続光）を発生し、光分配器２はこの光を２分割する。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１０に出力される。

次に、パルス変調器３は、光分配器２からの光に対してパルス変調を行い、所望の周波数シフトを与える。このパルス変調器３により変調された光は送信光として送信側光学系４に出力される。

送信側光学系４は、パルス変調器３からの送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この送信側光学系４により整形された送信光は送受分離部５を介してビーム走査光学系６に出力される。

ビーム走査光学系制御部７は、ビーム走査方法設定部１４からの情報（ビーム走査角速度ω）に従い、ビーム走査光学系６の照射方向を制御する。これにより、ビーム走査光学系６は、送信光を大気中の所定の照射方向に照射する。そして、ビーム走査光学系制御部７は、制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を光軸補正部８の光軸補正部制御系８ａに送る。

その後、大気中に照射された送信光は、大気中のエアロゾル等の散乱体により散乱される。そして、ビーム走査光学系６は、この散乱光を受信光として受信する。この受信光には、風速に対応したドップラシフト周波数が生じている。このビーム走査光学系６により受信された受信光は送受分離部５を介して光軸補正部８に出力される。

そして、光軸補正部８の制御部系８ａは、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報(γ(t))及び制御方法算出部１６からの情報（相対角度σ）（ステップＳ３９）に基づいて、ψ(γ(t))より光軸ずれ方向ψを計算し、式（２）、（３）よりウェッジプリズム２０，２１の回転角Φ_１，Φ_２を算出する（ステップＳ４０）。さらに、制御系８ａは、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム２０，２１の相対的な角度差σを維持した状態で、２枚のウェッジプリズム２０，２１を同時に回転制御する（ステップＳ４１）。この光軸補正部８により補正された受信光は受信側光学系９に出力される。

受信側光学系９は、光軸補正部８からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この受信側光学系９により整形された受信光は光カプラ１０に出力される。

光カプラ１０は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系９からの受信光とを合波する。この光カプラ１０により合波された光は風計測処理部１１に出力される。

風計測処理部１１は、光カプラ１０からの光に対してヘテロダイン検波を行い、受信信号から周波数シフトを導出し、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）に基づいて、導出した周波数シフトから当該照射方向における風速を算出する。

また、ビーム走査ではγ(ｔ)が時間の関数であることからわかるように、回転角Φ_１、Φ_２は時々刻々と変化していく。そのため、光軸補正部８ではビーム走査光学系制御部７からの制御情報(γ(ｔ))を常に取得し、ウェッジプリズム２０，２１の回転制御を繰り返す。

風計測可能距離算出部１２は、適宜、風計測処理部１１から各風計測方向の距離毎の受信信号強度データを継続的に取得し、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出する（ステップＳ４２）。そして、風計測可能距離監視部１３へ送信することにより、風計測可能距離監視部１３は、風計測可能距離算出部１２よりこのデータを常に取得し、光軸補正距離更新闘値との比較を逐次実施する。そして、ステップＳ４３において、光軸補正距離更新闘値を下回った事を検出すると、ビーム走査方法設定部１４にこの情報を送る。そして、ビーム走査方法設定部１４がこの情報を受信すると、ステップＳ３０に戻り、ビーム走査角速度を低速に設定し、再度、低速スキャン時の受信信号強度データを取得し、データテーブル参照部１７にて、最適光軸補正距離を抽出する。すなわち、光軸角度補正量導出部７０は、計測可能距離算出監視部３０が風計測可能距離の低下を検出した場合、低速の速度（角速度）でビーム走査した場合に得られる風計測データと高速ビーム走査時のビーム走査角速度とに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する。他方で、ステップＳ４３において、光軸補正距離更新闘値を下回っていない場合は、ステップＳ３９の処理に戻る。

上記動作を繰り返す事もしくは適宜実施する事により、経時変化に伴う風計測可能距離の変化に対応し、常に光軸補正距離を最長とする最適化が可能となる。

また、低速ビーム走査時のデータを取得し、予め取得した先見情報であるテーブルデータを参照ことにより、数値計算の時間を短縮することができ、信号処理速度が向上する。

実施の形態３．
実施の形態１及び２では、風計測の初期段階と、SNR経時変化の監視によるSNRの低下を検出した際に行う低速ビーム走査時のデータを取得する事で最適な光軸補正距離を算出するよう構成した。これに対し、実施の形態３に係るレーザレーダ装置は、特に風計測中に低速ビーム走査を行わず、高速ビーム走査したままの状態で最適な光軸補正距離を算出する事が可能となるよう構成する。以下、図１０〜図１２を用いて、実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成及び動作について説明する。まず、実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成について説明する。図１０はこの発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。この図１０に示す実施の形態３に係るレーザレーダ装置は、実施の形態１の構成に、低速ビーム走査時のSNRプロファイルを仮想的に算出(数値計算)する低速ビーム走査計算部１８を付加する事で構成する。その他の構成は実施の形態１及び２に係るレーザレーダ装置の構成と同様であり、同一の符号を付して異なる部分について説明を行う。

図１０において、低速ビーム走査計算部（ビーム走査計算部）１８は、風計測可能距離算出部１２から受信した、風計測データと、風計測可能距離監視部１３が検出した風計測可能距離の低下に関する情報とを受信する。また、低速ビーム走査計算部１８は、風計測可能距離が低下したことに伴い、風計測可能距離監視部１３からの指示を受け、低速（第２の角速度ともいう。）でビーム走査を行った場合に得られるSNRプロファイルすなわち風計測データ（各風計測方向における距離毎の受信信号強度データ）を計算により算出し、その結果を最適光軸補正距離計算部１５へ送信する。最適光軸補正距離計算部１５は、低速ビーム走査計算部１８から受信した低速ビーム走査時の計算データと、ビーム走査方法設定部１４から受信したビーム走査角度の設定値とを基に、風計測距離が最大となる最適な光軸補正距離を計算する機能を有する。また、最適光軸補正距離計算部１５は、この結果を制御方法算出部１６に送る機能も有する。

次に、低速ビーム走査計算部１８の機能及び動作について図１１を用いて説明する。図１１は、風計測開始から、低速ビーム走査計算部１８が低速ビーム走査時のSNRプロファイルを計算するまでの過程を表す。風計測開始後、最適光軸補正距離計算部１５は、低速ビーム走査により一度ビーム走査した時のSNRプロファイル（図中、黒太線）を風計測可能距離算出部１２より取得する。なお、この時、最適光軸補正距離計算部１５は、低速ビーム走査計算部１８を介してSNRプロファイルを取得しても構わないし、風計測可能距離算出部１２から直接取得しても構わない。このデータを基に、最適光軸補正距離計算部１５により最適光軸補正距離を算出し、ビーム走査部６０は、この光軸補正距離を利用して高速ビーム走査を行う。この時取得されるSNRプロファイルを同図に対し黒の細線で示す。

ここで、例えば大気中のエアロゾル濃度の低下といった、経時変化によるSNRの低下を想定する。この経時変化によって低下したSNRプロファイルを同図において、黒の細点線で示す。なお、このSNRの低下による風計測可能距離の低下は、風計測距離監視部１３によって検出される。この風計測可能距離の低下を風計測距離監視部１３が検出すると、低速ビーム走査計算部１８は、計算により光軸補正無しで低速ビーム走査を行った場合に得られるSNRプロファイル（図中、太点線）を求める。最適光軸補正距離計算部１５は、最適光軸補正距離算出に必要となる低速ビーム走査時のデータとして、低速ビーム走査計算部により計算で得られたSNRプロファイルデータを取得する事で、最適光軸補正距離を導出する。

低速ビーム走査計算部１８の計算過程を以下に詳細化する。ここで計算過程に必要とするSNR計算式をSNR（R; ω, Ｌ, ρ）の様に簡略化して表現する。具体的な関数形に関しては公知の技術であるためここでは詳細については省略する。ここでRは風計測距離であり、ωはビーム走査角速度、Ｌは光軸補正距離、ρはSNRの経時変化を決めるパラメータであり、例えばエアロゾル濃度に対応する。

低速ビーム走査計算部１８は、高速ビーム走査過程において、走査時のωとＬを定数として上記関数に入力し、ρをフリーパラメータとして振る事により、高速ビーム走査時のSNRプロファイルをベストフィットする値（ρ）を導出する。この時のρをρ'とする。このρ'を用いてSNR（R; ０, ０, ρ'）を導出する。これはω＝０、Ｌ＝０を代入している事に対応し、ビーム走査角速度０（低速ビーム走査角速度に相当）かつ光軸補正距離０の場合、すなわち低速ビーム走査時のSNRプロファイルに相当する。上記計算過程により、高速ビーム走査時において、同時刻（つまり同じρ'）における低速ビーム走査時のSNRを計算により算出する事が可能となる。

次に、実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体動作について、図１２を参照しながら説明する。この実施の形態３に係るレーザレーダ装置の全体動作は、図６に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体動作と基本的には同一であり、同一部分については、適宜省略する。レーザレーダ装置の全体動作では、高速でビーム走査を開始する前に、まず、ビーム走査方法設定部１４は、低速なビーム走査角速度を設定し、当該ビーム走査角速度設定値に従い、ビーム走査光学系制御部７はビーム走査光学系６の照射を制御し、ビーム走査光学系６が方位角方向、仰角方向、もしくは両方向に対し同時に低速ビーム走査を一度行う（ステップＳ５０）。

次いで、風計測可能距離算出部１２は、風計測処理部１１から各風計測方向に対する風計測データを取得し、最適光軸補正距離計算部１５へ直接あるいは低速ビーム走査計算部１８を介して送る（ステップＳ５１）。また、ビーム走査方法設定部１４は、高速ビーム走査時のビーム走査角速度の設定値を設定し、最適光軸補正距離計算部１５へ送る（ステップＳ５２）。最適光軸補正距離計算部１５は、得られたデータをモデル関数によりフィッティングし、フィッティング後のモデル関数に対し、ビーム走査角速度の設定値で光軸補正距離毎に風計測可能距離を数値計算し、（ステップＳ５３）、この計算結果から、風計測可能距離が最大となる最適な光軸補正距離Ｌ_bestを抽出（算出）する（ステップＳ５４）。

そして、制御方法算出部１６はこの最適な光軸補正距離Ｌ_bestとビーム角速度ωを取得し、光軸角度ずれθを計算する（ステップＳ５５）。そして、光軸角度ずれθから、２枚のウェッジプリズム２０、２１の相対角度差σを算出し（ステップＳ５６）、結果を光軸補正部制御系８へ送る。そして、制御系８ａは、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム２０、２１に相対的な角度差をつけた状態を保持したまま回転させる（ステップＳ５７）。これにより、光軸角度ずれ量θを補正することができる。

さらに、ビーム走査方法設定部１４は高速ビーム走査角速度ωを設定し、ビーム走査光学系制御部７へこの情報を送り、高速ビーム走査角速度にて風速計測を開始する（ステップＳ５８）。すなわち、光源１は単一波長からなる光（連続光）を発生し、光分配器２はこの光を２分割する。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１０に出力される。

次に、パルス変調器３は、光分配器２からの光に対してパルス変調を行い、所望の周波数シフトを与える。このパルス変調器３により変調された光は送信光として送信側光学系４に出力される。

送信側光学系４は、パルス変調器３からの送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この送信側光学系４により整形された送信光は送受分離部５を介してビーム走査光学系６に出力される。

ビーム走査光学系制御部７は、ビーム走査方法設定部１４からの情報（ビーム走査角速度ω）に従い、ビーム走査光学系６の照射方向を制御する。これにより、ビーム走査光学系６は、送信光を大気中の所定の照射方向に照射する。そして、ビーム走査光学系制御部７は、制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を光軸補正部８の光軸補正部制御系８ａに送る。

その後、大気中に照射された送信光は、大気中のエアロゾル等の散乱体により散乱される。そして、ビーム走査光学系６は、この散乱光を受信光として受信する。この受信光には、風速に対応したドップラシフト周波数が生じている。このビーム走査光学系６により受信された受信光は送受分離部５を介して光軸補正部８に出力される。

そして、光軸補正部８の制御部系８ａは、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報(γ(t))及び制御方法算出部１６からの情報（相対角度σ）（ステップＳ５９）に基づいて、ψ(γ(t))より光軸ずれ方向ψを計算し、式（２）、（３）よりウェッジプリズム２０、２１の回転角Φ_１，Φ_２を算出する（ステップＳ６０）。さらに、制御系８ａは、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム２０、２１の相対的な角度差σを維持した状態で、２枚のウェッジプリズム２０、２１を同時に回転制御する（ステップＳ６１）。この光軸補正部８により補正された受信光は受信側光学系９に出力される。

受信側光学系９は、光軸補正部８からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この受信側光学系９により整形された受信光は光カプラ１０に出力される。

光カプラ１０は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系９からの受信光とを合波する。この光カプラ１０により合波された光は風計測処理部１１に出力される。

風計測処理部１１は、光カプラ１０からの光に対してヘテロダイン検波を行い、受信信号から周波数シフトを導出し、ビーム走査光学系制御部７からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）に基づいて、導出した周波数シフトから当該照射方向における風速を算出する。

また、ビーム走査ではγ(ｔ)が時間の関数であることからわかるように、回転角Φ_１、Φ_２は時々刻々と変化していく。そのため、光軸補正部８ではビーム走査光学系制御部７からの制御情報(γ(ｔ))を常に取得し、ウェッジプリズム２０、２１の回転制御を繰り返す。

風計測可能距離算出部１２は、適宜、風計測処理部１１から各風計測方向の距離毎の受信信号強度データを継続的に取得し、風計測可能距離を算出する（ステップＳ６２）。そして、風計測可能距離監視部１３へ送信することにより、風計測可能距離監視部１３は、風計測可能距離算出部１２よりこのデータを常に取得し、光軸補正距離更新闘値との比較を逐次実施する。

そして、ステップＳ６３において、風計測可能距離監視部１３は、光軸補正距離更新闘値を下回った事を検出すると、低速ビーム走査計算部１８にこの情報を送信し、計算処理を開始させる。また、低速ビーム走査計算部１８は、高速（第１の角速度ともいう。）のビーム走査によって得られた風計測データ（SNRプロファイル）から、光軸補正無しで低速（第２の角速度ともいう。）のビーム走査を行った場合に得られるSNRプロファイルを計算により算出し（ステップＳ６４）、この結果を最適光軸補正距離計算部１５へ送る。最適光軸補正距離計算部１５はステップＳ５３以降の動作を繰り返す事で、経時変化に伴う風計測可能距離の変化に対応し、かつ高速ビーム走査を継続的に行いながら、光軸補正距離を最長とする最適化が可能となる。他方で、ステップＳ６３において、光軸補正距離更新闘値を下回っていない場合は、ステップＳ５９の処理に戻る。

以上のように構成したので、本実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、低速ビーム走査した場合に得られる風計測データを適宜計算により取得する事によって最適な光軸補正距離を設定する事で、上記課題が回避でき、高速走査時において常に風計測距離を最適とする、すなわち風計測可能距離を最長とする制御が可能となる。また、実施の形態１及び２においては、風速計測可能距離が低下した場合に、実際に低速でビーム走査を行うため、その間は風速計測に支障をきたす恐れが生じるが、本実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、低速ビーム走査を行った場合に得られるSNRプロファイルを計算上求めるので、風計測中に低速ビーム走査を行う必要がなく、高速ビーム走査を行ったまま光軸補正距離を最長とする最適化が可能となり、リアルタイム性が向上する。

なお、上記では、低速ビーム走査時計算部は計算により低速ビーム走査時のSNRプロファイルを導出したが、テーブルデータを参照する事により低速ビーム走査時のSNRプロファイルを導出しても良い。

１ 光源、２ 光分配器、３ パルス変調器（変調器）、４ 送信側光学系、５ 送受分離部、６ ビーム走査光学系、７ ビーム走査光学系制御部 、８ 光軸補正部、８ａ 制御系、８ｂ 光学系、９ 受信側光学系、１０ 光カプラ、１１ 風計測処理部、１２ 風計測距離算出部、１３ 風計測可能距離監視部、１４ ビーム走査方法設定部、１５ 最適光軸補正距離計算部（最適光軸補正距離導出部）、１６ 制御方法算出部、１７ データテーブル参照部（最適光軸補正距離導出部）、１８ 低速ビーム走査計算部（ビーム走査計算部）、３０ 計測可能距離算出監視部、４０、７０ 光軸角度補正量導出部、６０ ビーム走査部（走査部）。

本発明のレーザレーダ装置は、変調された光源からの光を送信光として照射し、反射された光を受信光として受信する、第１の角速度でビーム走査可能な走査部と、走査部のビーム走査によって取得された各風計測方向における距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部と、計測可能距離算出監視部が風計測可能距離の低下を検出した場合、第１の角速度よりも遅い第２の角速度でビーム走査した場合に得られる風計測データと第１の角速度とに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部と、光軸角度補正量導出部で導出された光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部と、を備えたことを特徴とする。

本発明のレーザレーダ装置は、ビーム走査によって取得された各風計測方向における距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部と、計測可能距離算出監視部が風計測可能距離の低下を検出した場合、ビーム走査よりも遅い速度でビーム走査した場合に得られる風計測データに基づいて、風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部と、光軸角度補正量導出部で導出された光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部と、を備えたことを特徴とする。

風計測可能距離監視部１３は、風計測可能距離算出部１２から受信した風計測可能距離データを基に、各風計測方向に対する風計測可能距離を監視し、風計測可能距離の低下を検出する機能を有している。また、風計測可能距離の低下を検出し、その結果をビーム走査方法設定部１４に送る機能も有している。
なお、風計測可能距離算出部１２及び風計測可能距離監視部１３から計測可能距離算出監視部３０が構成される。計測可能距離算出監視部３０は、走査部６０のビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する。

最適光軸補正距離計算部１５は、各風計測方向におけるビーム走査時の、受信信号強度を含む風計測データを風計測可能距離算出部１２から受信し、さらにビーム走査方法設定部１４からビーム走査角速度の設定値を取得し、これらの情報を基に風計測可能距離が最大となる最適な光軸補正距離を計算（導出）する機能を有する。また、この結果を制御方法算出部１６に送る機能も有する。ここで、光軸補正距離とは、送受信光の間で光軸角度ずれが生じない（０または理想的には０に等しい状態を含む。）風計測距離を指す。なお、最適光軸補正距離計算部１５の詳細は後述する。

次に、風計測可能距離算出部１２の機能について説明する。風計測可能距離算出部１２（計測可能距離算出監視部３０）は、風計測処理部１１からビーム走査により取得した各風計測の距離毎の受信信号強度データを取得する。図３はある一方向のデータを表し、ここでは方向への依存性はないものと仮定する（依存性がある場合については後述する）。図３に示す様に、遠方では受信信号強度が低下する。検出闘値に一致する距離を風計測可能距離Ｌ_limとして定義した場合、風計測可能距離算出部１２は、この距離を同図から求める事で、風計測可能距離を算出する機能を有する。風計測可能距離Ｌ_limはビーム走査角速度ωや、計測時の大気条件によって異なるが、図３に示すデータを取得する事で、計測時の風計測可能距離Ｌ_limを導出する。

図５ｄに示すように、光軸補正距離Ｌを延ばす事で風計測可能距離Ｌ_limは長距離化していくが、ビーム走査角速度低速時での風計測可能距離付近において、風計測可能距離が低下する。この振る舞いは、図５ｃを見るとわかるように、光軸補正距離を遠方に設定する事により、近距離での受信信号強度が低下し、検出闘値レベルまで低下してしまう事に起因する。この変化点を同図から求め、光軸補正距離の中から、風計測可能距離Ｌ_limが最大となる、最適な光軸補正距離Ｌ_bestを算出する。この光軸補正距離計算結果Ｌ_bestを、制御方法算出部１６へ送る。この光軸補正距離Ｌ_bestで風計測を行う事により、風計測可能距離が最長化された状態で風計測が可能となる（図５ｅ）。

制御方法算出部１６の機能について詳細に説明する。
制御方法算出部１６（光軸角度補正量導出部４０）は、最適光軸補正距離計算部１５から最適光軸補正距離の計算結果Ｌ_bestとビーム走査角速度ωを取得し、（１）式から光軸角度ずれθを計算する。
θより、２枚のウェッジプリズムの相対角度σ
σ＝ｃｏｓ ^−１ （θ ^２ −２δ ^２ ）／２δ ^２ （４）
を計算する。

図７において、光軸角度補正量導出部７０は、データテーブル参照部１７と制御方法算出部から構成される。データテーブル参照部１７は、各風計測方向におけるビーム走査時の、受信信号強度を含む風計測データを風計測可能距離算出部１２から受信し、さらにビーム走査方法設定部１４からビーム走査角速度の設定値を取得し、これらの情報を基に、先見情報であるテーブルデータを参照し、風計測可能距離が最大となる最適な光軸補正距離をテーブルデータから抽出する機能を有する。また、この結果を制御方法算出部１６に送る機能も有する。

図１０において、低速ビーム走査計算部（ビーム走査計算部）１８は、風計測可能距離算出部１２から受信した、風計測データと、風計測可能距離監視部１３が検出した風計測可能距離の低下に関する情報とを受信する。また、低速ビーム走査計算部１８は、風計測可能距離が低下したことに伴い、風計測可能距離監視部１３からの指示を受け、低速（第２の角速度ともいう。）でビーム走査を行った場合に得られるSNRプロファイルすなわち風計測データ（各風計測方向における距離毎の受信信号強度データ）を計算により算出し、その結果を最適光軸補正距離計算部１５へ送信する。最適光軸補正距離計算部１５は、低速ビーム走査計算部１８から受信した低速ビーム走査時の計算データと、ビーム走査方法設定部１４から受信したビーム走査角度の設定値とを基に、風計測可能距離が最大となる最適な光軸補正距離を計算する機能を有する。また、最適光軸補正距離計算部１５は、この結果を制御方法算出部１６に送る機能も有する。

ここで、例えば大気中のエアロゾル濃度の低下といった、経時変化によるSNRの低下を想定する。この経時変化によって低下したSNRプロファイルを同図において、黒の細点線で示す。なお、このSNRの低下による風計測可能距離の低下は、風計測可能距離監視部１３によって検出される。この風計測可能距離の低下を風計測可能距離監視部１３が検出すると、低速ビーム走査計算部１８は、計算により光軸補正無しで低速ビーム走査を行った場合に得られるSNRプロファイル（図中、太点線）を求める。最適光軸補正距離計算部１５は、最適光軸補正距離算出に必要となる低速ビーム走査時のデータとして、低速ビーム走査計算部により計算で得られたSNRプロファイルデータを取得する事で、最適光軸補正距離を導出する。

１ 光源、２ 光分配器、３ パルス変調器（変調器）、４ 送信側光学系、５ 送受分離部、６ ビーム走査光学系、７ ビーム走査光学系制御部 、８ 光軸補正部、８ａ 制御系、８ｂ 光学系、９ 受信側光学系、１０ 光カプラ、１１ 風計測処理部、１２ 風計測可能距離算出部、１３ 風計測可能距離監視部、１４ ビーム走査方法設定部、１５ 最適光軸補正距離計算部（最適光軸補正距離導出部）、１６ 制御方法算出部、１７ データテーブル参照部（最適光軸補正距離導出部）、１８ 低速ビーム走査計算部（ビーム走査計算部）、３０ 計測可能距離算出監視部、４０、７０ 光軸角度補正量導出部、６０ ビーム走査部（走査部）。

Claims (6)

1. 変調された光源からの光を送信光として照射し、反射された光を受信光として受信する、第１の角速度でビーム走査可能な走査部と、
   前記走査部のビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部と、
   前記計測可能距離算出監視部が前記風計測可能距離の低下を検出した場合、前記第１の角速度よりも遅い第２の角速度でビーム走査した場合に得られる前記風計測データと前記第１の角速度とに基づいて、前記風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部と、
   前記光軸角度補正量導出部で導出された光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部と、を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記光軸角度補正量導出部は、
   前記第２の角速度でビーム走査した場合に得られる前記風計測データと前記第１の角速度とに基づいて、送受信光の間で光軸角度ずれが生じない風計測距離を示す光軸補正距離の中から風計測可能距離が最長となる最適な光軸補正距離を導出する最適光軸補正距離導出部と、
   前記最適光軸補正距離導出部で導出された前記最適な光軸補正距離に基づいて前記光軸角度補正量を算出する制御方法算出部と、を有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. 前記計測可能距離算出監視部から受信した前記風計測可能距離の変化に応じて前記ビーム走査の角速度を可変とし、前記計測可能距離算出監視部が前記風計測可能距離の所定の閾値を下回った事を検出した場合、前記走査部が前記第２の角速度でビーム走査を行うよう角速度を設定するビーム走査方法設定部と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザレーダ装置。
4. 前記光軸角度補正量導出部は、予め取得したテーブルデータを参照し、前記風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を前記テーブルデータから抽出することを特徴とする請求項１または３に記載のレーザレーダ装置。
5. 前記計測可能距離算出監視部が前記風計測可能距離の低下を検出した場合、前記第１の角速度のビーム走査により得られた前記風計測データから、前記第２の角速度で走査した場合に得られる前記風計測データを計算により算出するビーム走査計算部と、を有することを特徴とする請求項１または３に記載のレーザレーダ装置。
6. ビーム走査によって取得された各風計測方向の距離毎の受信信号強度を含む風計測データに基づいて、風速の計測が可能な距離を示す風計測可能距離を算出して監視する計測可能距離算出監視部と、
   前記計測可能距離算出監視部が前記風計測可能距離の低下を検出した場合、前記ビーム走査よりも遅い速度でビーム走査した場合に得られる前記風計測データに基づいて、前記風計測可能距離が最長となる光軸角度補正量を導出する光軸角度補正量導出部と、
   前記光軸角度補正量導出部で導出された光軸角度補正量に基づいて、送信光と受信光の間の光軸角度ずれを補正する光軸補正部と、を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。

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