WO2020246269A1 - コヒーレントライダ装置 - Google Patents

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optical
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combiner
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俊平 亀山
論季 小竹
裕 梶山
武司 崎村
幹夫 高林
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a coherent rider device that measures the wind speed in the atmosphere.
  • the coherent rider device described in Patent Document 1 transmits transmitted light, which is laser light, into the atmosphere, receives scattered light in which the transmitted light is scattered by an aerosol by coherent detection, and analyzes the spectrum of the received signal. By doing so, the Doppler frequency shift is measured. The Doppler frequency shift is converted to the Doppler velocity of the aerosol in the direction of transmission of the laser beam, i.e. the Doppler wind speed.
  • Distance calibration is to determine the position of the received signal on the time axis, where the distance from the coherent rider device corresponds to 0 meters, and Doppler wind speed calibration corresponds to a Doppler speed of 0 meters per second. , To determine the position of the received signal on the frequency axis.
  • the signal of the signal component (hereinafter referred to as the internal scattering component) received by scattering the transmitted light inside the device is scattered by the aerosol in the atmosphere. It is significantly larger than the signal of the signal component (hereinafter referred to as the scattering component from the atmosphere). Therefore, when the signals of both components are amplified, a "blind zone" occurs in which the signals of the internally scattered components are saturated and the wind speed cannot be measured.
  • the coherent rider device described in Patent Document 1 uses a microwave switch to divide a received signal into a signal of an internal scattering component and a signal of a scattering component from the atmosphere, and A / D converts the signal of the internal scattering component.
  • the signal processing system and the signal of the scattered component from the atmosphere are A / D converted and distributed to the signal processing system.
  • the signal of the internal scattering component is prevented from being saturated, but there is a problem that two A / D converters are required for signal processing.
  • the present disclosure solves the above-mentioned problems, and an object of the present disclosure is to obtain a coherent rider device capable of signal processing with a single A / D converter without saturating the signal of an internal scattering component.
  • the coherent rider device has two temporally, a transmission / reception unit that transmits an optical signal into the atmosphere and receives scattered light of the optical signal, and a reception signal generated from the scattered light received by the transmission / reception unit.
  • the first switch divided into two, the amplifier section that amplifies the two signals divided by the first switch with different amplification factors, and the two signals amplified by the amplifier section with different amplification factors are combined into one signal.
  • a control unit that controls the operation of the A / D converter.
  • the signal can be processed by one A / D converter without saturating the signal of the internal scattering component.
  • FIG. It is a block diagram which shows the structure of the coherent rider apparatus which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the example of the received signal input to a microwave switch. It is a figure which shows the signal which is input / output to the microwave switch, the microwave amplifier and the A / D converter. It is a figure which shows the signal of the internal scattering component, the signal of the scattering component from the atmosphere, and the time interval set for these signals.
  • FIG. It is a block diagram which shows the structure of the coherent rider apparatus which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a coherent rider device 100 according to a first embodiment.
  • the coherent rider device 100 shown in FIG. 1 transmits transmitted light into the atmosphere, receives scattered light in which the transmitted light is scattered by an aerosol by coherent detection, and a spectrum (received spectrum) of a received signal generated from the scattered light.
  • the Doppler wind velocity of the aerosol is measured by analyzing.
  • Coherent detection is homodyne detection or heterodyne detection.
  • the coherent rider device 100 includes a light source 1, an optical distributor 2, a pulse modulator 3, an optical amplifier 4, a circulator 5, a transmission / reception optical system 6, an optical combiner 7, and an optical receiver 8.
  • the unit 30 includes a microwave switch 9, a microwave amplifier and 10, a microwave switch 11, an A / D converter 12, a signal processing unit 13, and a control unit 14.
  • the control unit 14 is connected to each of the pulse modulator 3, the microwave switch 9, the microwave switch 11, and the A / D converter 12 by an electric signal line.
  • the principle of wind speed measurement of the coherent rider device 100 shown in FIG. 1 is a so-called coherent method.
  • the coherent wind speed measurement is described in, for example, Reference 1 shown below.
  • FIG. 1 shows a transmission / reception unit 30 in which the components are connected to each other by an optical fiber
  • the coherent rider device 100 is not limited to this configuration.
  • electrical wiring may be used between some components.
  • the transmitted light is amplified by using the optical amplifier 4 in order to measure the wind speed at a farther position, but the target region for measuring the wind speed may be a short distance region.
  • the optical amplifier 4 may be omitted.
  • Light source 1 generates an optical signal that is a continuous wave.
  • the optical distributor 2 distributes the optical signal output by the light source 1 to the pulse modulator 3 and the optical combiner 7.
  • the pulse modulator 3 pulse-modulates one of the optical signals distributed by the optical distributor 2.
  • the pulse modulation by the pulse modulator 3 is controlled by the control unit 14.
  • the optical amplifier 4 amplifies the optical signal pulse-modulated by the pulse modulator 3.
  • the circulator 5 sends the optical signal amplified by the optical amplifier 4 to the transmission / reception optical system 6, and sends the optical signal received from the atmosphere by the transmission / reception optical system 6 to the optical combiner 7.
  • the transmission / reception optical system 6 transmits the optical signal sent from the circulator 5 into the atmosphere, and receives the scattered light in which the optical signal is scattered by the aerosol in the atmosphere.
  • the optical combiner 7 combines the other optical signal distributed by the optical distributor 2 with the optical signal from the circulator 5.
  • the optical receiver 8 converts an optical signal output from the optical combiner 7 into an electric signal.
  • the microwave switch 9 is a first switch that supplies the received signal received by the transmission / reception unit 30 to the microwave amplifier 10 and the microwave switch 11 in time.
  • the microwave amplifier 10 amplifies the signal supplied from the microwave switch 9 at a predetermined amplification factor.
  • the microwave switch 11 is a second switch that connects the signal amplified by the microwave amplifier 10 and the signal supplied from the microwave switch 9 in time by switching according to the timing signal.
  • the microwave amplifier 10 is an amplifier unit that amplifies two signals distributed by the microwave switch 9 at different amplification factors.
  • the microwave switch 11 is a combiner that combines two signals amplified by the microwave amplifier 10 with different amplification factors into one signal.
  • the A / D converter 12 converts the signal combined by the microwave switch 11 into a digital signal.
  • the signal processing unit 13 processes the digital signal output from the A / D converter 12.
  • the control unit 14 controls the operations of the pulse modulator 3, the microwave switch 9, the microwave switch 11, and the A / D converter 12 of the transmission / reception unit 30.
  • the control unit 14 outputs the pulse modulation signal to the pulse modulator 3 and outputs the trigger signal synchronized with the pulse modulation signal to the microwave switch 9, the microwave switch 11, and the A / D converter 12, respectively. Further, the control unit 14 outputs a timing signal for cutting out a signal in the time range including the internal scattering component from the time waveform of the received signal to the microwave switch 9 and the microwave switch 11.
  • the time range in which the internal scattering component is included (received) can be roughly grasped from the pulse modulation signal, it is possible to cut out the signal in the time range in which the internal scattering component is included.
  • the length of the transmission line inside the coherent rider device 100 cannot be accurately grasped, the exact time when the internal scattering component is received cannot be grasped.
  • the optical distributor 2 distributes the continuous wave optical signal output by the light source 1 into the local light and the transmitted light, outputs the local light to the optical combiner 7, and outputs the transmitted light to the pulse modulator 3.
  • the pulse modulator 3 generates an intermediate frequency signal by applying an optical frequency shift to the transmitted light distributed by the optical distributor 2 together with pulse modulation.
  • the pulse modulator 3 is an AO (Acousto-Optic) frequency shifter.
  • the transmitted light pulse-modulated by the pulse modulator 3 is amplified by the optical amplifier 4 and then transmitted to the atmosphere through the circulator 5 and the transmission / reception optical system 6.
  • the scattered light in which the transmitted light is scattered by the aerosol in the atmosphere is received by the transmitting / receiving optical system 6, and the received light is transmitted to the optical combiner 7 by the circulator 5.
  • the optical combiner 7 combines the local light and the received light and outputs the light to the optical receiver 8.
  • the optical receiver 8 coherently detects an optical signal from the optical combiner 7, and outputs the detected signal as a reception signal to the microwave switch 9.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a received signal input to the microwave switch 9.
  • the received signal includes an internal scattering component A generated by scattering a part of the transmitted light by the transmitting / receiving optical system 6. Since the internal scattering component A is generated by being scattered inside the coherent rider device 100, it exists at a position on the time axis of the received signal corresponding to a distance of 0 meters from the coherent rider device 100. As shown in FIG. 2, the internal scattering component A is at an extremely higher level than the scattering component B from the atmosphere. The internal scattering component A exists in a substantially known time range in the received signal, but the scattering component B from the atmosphere has a different time range from the internal scattering component A because the coherent rider device 100 transmits and receives pulsed light. Exists in.
  • FIG. 3 is a diagram showing signals input / output to / from the microwave switches 9 and 11, the microwave amplifier 10 and the A / D converter 12.
  • the optical receiver 8 outputs the received signal shown in the balloon (1) of FIG. 3 to the microwave switch 9.
  • the microwave switch 9 Based on the timing signal from the control unit 14, the microwave switch 9 extracts a signal in the time range including the internal scattering component A shown in the blowout (2) of FIG. 3 from the received signal, and extracts the extracted signal. Output to the microwave switch 11.
  • the signal in the time range including the internal scattering component A is output to the microwave switch 11 without being amplified.
  • the microwave switch 9 is based on the timing signal from the control unit 14, and among the received signals, a signal in the time range (scattering from the atmosphere) that does not include the internal scattering component A shown in the balloon (3) of FIG.
  • the component B is output to the microwave amplifier 10.
  • the microwave amplifier 10 amplifies the signal of the scattering component B1 from the atmosphere shown in the blowout (4) of FIG. Output to.
  • the signal of the scattering component B1 from the atmosphere is a signal obtained by amplifying the signal of the scattering component B from the atmosphere by the microwave amplifier 10.
  • the amplification factor of the signal of the scattering component B from the atmosphere is larger than that of the signal in the time range including the internal scattering component A.
  • the microwave amplifier 10 amplifies the two signals time-divided by the microwave switch 9 at different amplification factors. It is considered that the internal scattering component A that is not amplified is amplified at an amplification factor of 1.
  • a timing signal is output from the control unit 14 to the microwave switch 11.
  • the microwave switch 11 synchronizes with the timing signal to obtain a signal in the time range including the unamplified internal scattering component A obtained from the same received signal, and the atmosphere amplified by the microwave amplifier 10.
  • the signal of the scattering component B1 from is input.
  • the microwave switch 11 generates the signal shown in the balloon (5) of FIG. 3 by arranging these signals on the time axis and matching them with the signals in one time domain, and the generated signals are used in the A / D converter 12 Output to.
  • the signal of the internal scattering component A having a high level is not amplified, and the signal of the scattering component B from the atmosphere having a low level is amplified. Signals are at the same level as each other.
  • the signal of the internal scattering component A has an extremely higher level than the signal of the scattering component B from the atmosphere. Therefore, it is important that the microwave amplifier 10 amplifies the signal of the internal scattering component A and the signal of the scattering component B from the atmosphere to the same level.
  • a microwave amplifier 10 is also provided between the microwave switch 9 and the microwave switch 11, and the microwave amplifier 10 has a smaller amplification factor than the scattering component B from the atmosphere with respect to the signal of the internal scattering component A. By amplifying with, the signal of the internal scattering component A and the signal of the scattering component B from the atmosphere may be at the same level.
  • a microwave attenuator may be provided between the microwave switch 9 and the microwave switch 11 to attenuate the signal of the internal scattering component A.
  • the amplifier section includes at least one amplifier.
  • the amplifier section may have an attenuator that attenuates the signal.
  • FIG. 4 is a diagram showing a signal of the internal scattering component A, a signal of the scattering component B1 from the atmosphere, and a time interval G0 to G5 set for these signals.
  • the A / D converter 12 converts the received signal into a digital signal by performing A / D conversion of the received signal shown in the blowout (5) of FIG. 3 in synchronization with the trigger signal from the control unit 14.
  • the time interval is an interval in which the received signal, which is a digital signal, is divided by time.
  • the signal processing unit 13 divides the received signal converted into a digital signal by the A / D converter 12 into time sections G0 to G5 set at positions on the time axis corresponding to each measurement distance. At this time, as shown in FIG. 4, the signal processing unit 13 sets the first time interval G0 in terms of time in the time range in which the internal scattering component A is included. Subsequently, the signal processing unit 13 sequentially sets the time intervals G1 to G5 with respect to the time range including the scattering component B1 from the atmosphere.
  • the signal processing unit 13 analyzes the time waveform of the signal of the internal scattering component A extracted by setting the time interval G0 in the digital signal, so that the distance from the coherent rider device 100 corresponds to 0 meter of the received signal. Determine the position on the time axis. For example, the absolute value of the time waveform of the signal of the internal scattering component A is obtained, and the position on the time axis where this absolute value is maximized is determined as the position where the distance from the coherent rider device 100 corresponds to 0 meter. ..
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of signal processing of the coherent rider device 100 according to the first embodiment, in which the process of determining the position of the received signal on the frequency axis corresponding to the Doppler speed of 0 meters per second is performed. Shown. As shown in FIG. 5, the signal processing unit 13 performs a Fourier transform (fast Fourier transform (FFT) in the example of FIG. 5) on the signal of the internal scattering component A extracted by setting the time interval G0. Find the spectrum.
  • FFT fast Fourier transform
  • the internal scattering component A is a signal component in which a part of the optical signal is scattered inside the coherent rider device 100 and received.
  • the internal scattering component A is a signal scattered at a scattering point having no moving speed.
  • the internal scattering component A does not have a Doppler frequency shift. Therefore, the frequency that peaks in the spectrum obtained by processing the signal of the internal scattering component A by FFT is the frequency that corresponds to the position of the received signal on the frequency axis, where the Doppler speed corresponds to 0 meters per second. ..
  • the signal processing unit 13 analyzes the spectrum of the signal of the internal scattering component A and calculates the frequency at which the peak is in the spectrum, so that the position of the received signal on the frequency axis corresponding to the Doppler speed of 0 meters per second. To determine.
  • the signal processing unit 13 processes each signal of the scattering component B1 from the atmosphere extracted by setting the time intervals G1 to G5 in the digital signal by FFT, and calculates the reception spectrum corresponding to each distance. ..
  • the coherent rider device 100 transmits a pulse of transmitted light to the atmosphere a predetermined number of times, and the signal processing unit 13 calculates a received spectrum each time and integrates the calculated spectrum to obtain an SN ratio. Improve.
  • the signal processing unit 13 obtains the Doppler frequency from the peak frequency of the integrated reception spectrum.
  • the Doppler frequency corresponding to the scattering component B1 from the atmosphere corresponds to the difference between the peak frequency of the reception spectrum and the frequency corresponding to the position of the received signal on the frequency axis, where the Doppler speed corresponds to 0 meters per second.
  • the Doppler frequency corresponding to the scattering component B1 from the atmosphere is fd
  • the wavelength of the transmitted light is ⁇ .
  • the moving speed of a scatterer (for example, an aerosol) in the atmosphere that is, the Doppler wind speed V is calculated using the formula (1) shown below.
  • V fd ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ (1)
  • the signal processing unit 13 calculates the distance D in the atmosphere corresponding to each signal extracted by setting the time intervals G1 to G5 in the digital signal according to the equation (2) shown below.
  • the position of the center of the section in Gj which is one of the time sections G1 to G5 on the time axis, is Tj, and the time axis at which the absolute value of the time waveform of the signal of the internal scattering component A peaks.
  • the position on the top is T0, and the speed of light is c.
  • the distance Dj in the atmosphere is the distance from the coherent rider device 100 to the position where the wind speed is measured.
  • Dj (Tj-T0) x c / 2 ... (2)
  • the signal processing unit 13 relatively detects the intensity of the transmitted light from the state of the transmitted light, for example, the amplitude of the time waveform, based on the time waveform of the signal of the internal scattering component A.
  • the signal processing unit 13 generates an optical signal (optical signal transmitted into the atmosphere) generated by the light source 1 when the amplitude of the time waveform of the signal of the internal scattering component A is smaller than a preset predetermined value. If the amplitude of the time waveform of the signal of the internal scattering component A is equal to or greater than the specified value, it is determined that the intensity of the optical signal is normal. It should be noted that the intensity of the above-mentioned optical signal can be detected by matching the signal of one time domain at the same level without saturating both the internal scattering component A and the scattering component B from the atmosphere in the received signal. It becomes.
  • the signal processing unit 13 detects whether or not the line width (coherency) of the optical signal generated by the light source 1 is normal from the spread of the spectrum obtained by applying the FFT to the signal of the internal scattering component A. To do.
  • the line width of the optical signal is an important factor in coherent detection. For example, the signal processing unit 13 determines that the line width of the optical signal is abnormal if the frequency width W of the spectrum is wider than the specified value as shown in FIG. 5, and the frequency width W is less than the specified value. If there is, it is determined that the line width of the optical signal is normal. It should be noted that the line width of the optical signal described above can be detected by matching the signal of one time domain at the same level without saturate both the internal scattering component A and the scattering component B from the atmosphere in the received signal. It will be possible.
  • the coherent rider device 100 measures the wind speed in the atmosphere while calibrating the distance and the Doppler speed.
  • the coherent rider device may be one that calibrates when the wind speed is not measured.
  • the coherent rider device 100 can calibrate the distance and the Doppler speed even when the emission end of the transmitted light of the transmitting / receiving optical system 6 is shielded by a shutter. That is, the coherent rider device 100 can accurately measure the wind speed by calibrating the distance and the Doppler speed at the manufacturing stage and setting the calibration value in the signal processing unit 13. Further, the coherent rider device 100 can determine whether or not the intensity and line width of the optical signal are normal at the manufacturing stage.
  • the coherent rider device 100 distributes the received signal into two, amplifies the two distributed signals with different amplification factors, and then combines them into one signal and combines the combined signals into one. Convert to a digital signal.
  • the signal can be processed by one system of A / D converters. That is, the coherent rider device 100 matches these signals with the signals in one time domain as signals of the same level without saturating both the internal scattering component and the scattering component from the atmosphere.
  • the signal in this time region is converted into a digital signal by one system of A / D converters, and the signal processing unit 13 analyzes this digital signal so that the distance from the coherent rider device 100 corresponds to 0 meter. , Determines the position of the received signal on the time axis and determines the position of the received signal on the frequency axis, where the Doppler speed corresponds to 0 meters per second.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the coherent rider device 100A according to the second embodiment.
  • the coherent rider device 100A shown in FIG. 6 transmits the transmitted light into the atmosphere, receives the scattered light in which the transmitted light is scattered by the aerosol by coherent detection, and analyzes the spectrum of the received signal to analyze the Doppler wind velocity of the aerosol. To measure.
  • the coherent rider device 100A has the same basic configuration as the coherent rider device 100 shown in FIG. 1, but differs in that it includes a microwave combiner 15 instead of the microwave switch 11.
  • the microwave switch 11 shown in FIG. 1 is synchronized with the timing signal from the control unit 14, so that the signal in the time range including the unamplified internal scattering component A obtained from the same received signal and the signal in the time range can be obtained.
  • the signal of the scattering component B1 from the atmosphere amplified by the microwave amplifier 10 was connected so as to be continuous on the time axis.
  • the microwave combiner 15 is a combiner that combines the input signal regardless of the timing signal from the control unit 14. Therefore, the control unit 14 and the microwave combiner 15 are not connected by an electric signal line. Combined wave is the superposition of two signals.
  • the coherent rider device 100A distributes the received signal into two, amplifies the two distributed signals with different amplification factors, and then combines them into one signal by the microwave combiner 15. Converts the combined signal into a digital signal. As a result, the same effect as that of the coherent rider device 100 can be obtained, and further, since the electric signal line for sending the timing signal from the control unit 14 to the microwave combiner 15 can be omitted, the device configuration can be changed to the coherent rider device. It can be simpler than 100.
  • the coherent rider device according to the present disclosure can be used, for example, for measuring the wind speed in the atmosphere.

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Abstract

コヒーレントライダ装置（１００）は、光信号を大気中に送信し、光信号の散乱光を受信する送受信部（３０）と、送受信部（３０）によって受信された散乱光から生成された受信信号を時間的に２つに分ける第１のスイッチ（９）と、第１のスイッチ（９）によって分けられた２つの信号を互いに異なる増幅率で増幅するマイクロ波アンプ（１０）と、マイクロ波アンプ（１０）によって異なる増幅率で増幅された２つの信号を１つの信号に合わせるマイクロ波スイッチ（１１）と、マイクロ波スイッチ（１１）によって１つに合わせられた信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（１２）と、デジタル信号を処理する信号処理部（１３）と、送受信部（３０）、第１のスイッチ（９）、マイクロ波スイッチ（１１）およびＡ／Ｄ変換器（１２）の動作を制御する制御部（１４）を備える。

Description

コヒーレントライダ装置
　本開示は、大気中の風速を計測するコヒーレントライダ装置に関する。
　例えば、特許文献１に記載されたコヒーレントライダ装置は、レーザ光である送信光を大気中に送信し、送信光がエアロゾルで散乱された散乱光をコヒーレント検波により受信し、受信信号のスペクトルを解析することで、ドップラー周波数シフトを計測する。ドップラー周波数シフトは、レーザ光の送信方向におけるエアロゾルのドップラー速度、すなわちドップラー風速に変換される。
国際公開第２００２／０９３１９３号
　なお、コヒーレントライダ装置においては、距離の校正とドップラー風速の校正が重要である。距離の校正とは、コヒーレントライダ装置からの距離が０メートルに相当する、受信信号の時間軸上での位置を決定することであり、ドップラー風速の校正は、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、受信信号の周波数軸上での位置を決定することである。
　通常、コヒーレントライダ装置に受信された信号のうち、装置内部で送信光が散乱して受信された信号成分（以下、内部散乱成分と記載する）の信号は、大気中のエアロゾルで送信光が散乱された信号成分（以下、大気からの散乱成分と記載する）の信号よりも顕著に大きい。このため、両方の成分の信号が増幅された場合に、内部散乱成分の信号が飽和して風速を計測できなくなる“ブラインドゾーン”が発生する。
　特許文献１に記載されたコヒーレントライダ装置は、マイクロ波スイッチを用いて受信信号を内部散乱成分の信号と大気からの散乱成分の信号に分割し、内部散乱成分の信号をＡ／Ｄ変換して信号処理する系統と、大気からの散乱成分の信号をＡ／Ｄ変換して信号処理する系統に分配している。これにより、内部散乱成分の信号が飽和することは回避されるが、信号処理に２つのＡ／Ｄ変換器が必要であるという課題があった。
　本開示は、上記課題を解決するものであり、内部散乱成分の信号を飽和させることなく１系統のＡ／Ｄ変換器で信号処理することができるコヒーレントライダ装置を得ることを目的とする。
　本開示に係るコヒーレントライダ装置は、光信号を大気中に送信し、光信号の散乱光を受信する送受信部と、送受信部によって受信された散乱光から生成された受信信号を時間的に２つに分ける第１のスイッチと、第１のスイッチによって分けられた２つの信号を互いに異なる増幅率で増幅するアンプ部と、アンプ部によって異なる増幅率で増幅された２つの信号を１つの信号に合わせる合波部と、合波部によって１つに合わせられた信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、デジタル信号を処理する信号処理部と、送受信部、第１のスイッチ、合波部およびＡ／Ｄ変換器の動作を制御する制御部を備える。
　本開示によれば、内部散乱成分の信号を飽和させることなく１系統のＡ／Ｄ変換器で信号を処理することができる。
実施の形態１に係るコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。 マイクロ波スイッチに入力される受信信号の例を示す図である。 マイクロ波スイッチ、マイクロ波アンプおよびＡ／Ｄ変換器に入出力される信号を示す図である。 内部散乱成分の信号および大気からの散乱成分の信号と、これらの信号に設定される時間区間を示す図である。 実施の形態１に係るコヒーレントライダ装置の信号処理の概要を示す概要図である。 実施の形態２に係るコヒーレントライダ装置の構成を示すブロック図である。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るコヒーレントライダ装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すコヒーレントライダ装置１００は、送信光を大気中に送信し、送信光がエアロゾルで散乱された散乱光をコヒーレント検波によって受信し、散乱光から生成される受信信号のスペクトル（受信スペクトル）を解析することで、エアロゾルのドップラー風速を計測する。コヒーレント検波は、ホモダイン検波またはヘテロダイン検波である。コヒーレントライダ装置１００は、図１に示すように、光源１、光分配器２、パルス変調器３、光増幅器４、サーキュレータ５、送受光学系６、光合波器７および光受信機８を有する送受信部３０と、マイクロ波スイッチ９と、マイクロ波アンプと１０と、マイクロ波スイッチ１１と、Ａ／Ｄ変換器１２と、信号処理部１３と、制御部１４を備える。
　また、図１において、光源１と光分配器２との間、光分配器２とパルス変調器３および光合波器７との間、パルス変調器３と光増幅器４との間、光増幅器４とサーキュレータ５との間、サーキュレータ５と送受光学系６との間、サーキュレータ５と光合波器７との間、光合波器７と光受信機８との間は、全て、光ファイバによって接続されている。さらに、制御部１４は、パルス変調器３、マイクロ波スイッチ９、マイクロ波スイッチ１１およびＡ／Ｄ変換器１２のそれぞれに電気信号線で接続されている。
　図１に示すコヒーレントライダ装置１００の風速計測の原理は、いわゆるコヒーレント方式である。コヒーレント方式の風速計測については、例えば、下に示す参考文献１に記載されている。なお、図１には、構成要素同士が光ファイバで接続された送受信部３０を示すが、コヒーレントライダ装置１００は、この構成に限定されるものではない。例えば、一部の構成要素の間は電気配線であってもよい。さらに、図１に示すコヒーレントライダ装置１００では、より遠くの位置で風速を計測するために光増幅器４を用いて送信光を増幅しているが、風速を計測する対象領域が近距離領域であれば、光増幅器４を省略してもよい。
（参考文献１）Ｔ．　Ａｎｄｏ　ｅｔ　ａｌ．，　“Ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｔ　Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ”，　ＩＯＰ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｓｅｒｉｅｓ：　Ｅａｒｔｈ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｖｏｌｕｍｅ　１，　２００８．
　光源１は、連続波である光信号を生成する。光分配器２は、光源１が出力する光信号を、パルス変調器３と光合波器７に分配する。パルス変調器３は、光分配器２によって分配された一方の光信号をパルス変調する。なお、パルス変調器３によるパルス変調は、制御部１４によって制御される。光増幅器４は、パルス変調器３によってパルス変調された光信号を増幅する。サーキュレータ５は、光増幅器４によって増幅された光信号を送受光学系６に送り、送受光学系６によって大気から受信された光信号を光合波器７に送る。送受光学系６は、サーキュレータ５から送られた光信号を大気中に送信して、光信号が大気中のエアロゾルで散乱された散乱光を受信する。光合波器７は、光分配器２によって分配された他方の光信号とサーキュレータ５からの光信号とを合波する。光受信機８は、光合波器７から出力される光信号を電気信号に変換する。
　マイクロ波スイッチ９は、送受信部３０が受信する受信信号を、時間的に２つに分けてマイクロ波アンプ１０とマイクロ波スイッチ１１とに供給する第１のスイッチである。マイクロ波アンプ１０は、マイクロ波スイッチ９から供給される信号を決められた増幅率で増幅する。マイクロ波スイッチ１１は、マイクロ波アンプ１０で増幅された信号と、マイクロ波スイッチ９から供給される信号とをタイミング信号に応じて切り替えることで時間的につなげる第２のスイッチである。マイクロ波アンプ１０は、マイクロ波スイッチ９によって分配された２つの信号を互いに異なる増幅率で増幅するアンプ部である。マイクロ波スイッチ１１は、マイクロ波アンプ１０によって異なる増幅率で増幅された２つの信号を１つの信号に合わせる合波部である。Ａ／Ｄ変換器１２は、マイクロ波スイッチ１１によって１つに合わせられた信号をデジタル信号に変換する。信号処理部１３は、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されるデジタル信号を処理する。制御部１４は、送受信部３０が有する、パルス変調器３、マイクロ波スイッチ９、マイクロ波スイッチ１１およびＡ／Ｄ変換器１２の動作を制御する。
　次に、図１に示すコヒーレントライダ装置１００による風速計測について詳細に説明する。制御部１４は、パルス変調器３にパルス変調信号を出力するとともに、パルス変調信号に同期したトリガ信号を、マイクロ波スイッチ９、マイクロ波スイッチ１１およびＡ／Ｄ変換器１２にそれぞれ出力する。また、制御部１４は、受信信号の時間波形のうち、内部散乱成分が含まれる時間の範囲の信号を切り出すタイミング信号を、マイクロ波スイッチ９およびマイクロ波スイッチ１１に出力する。
　内部散乱成分が含まれる（受信される）時間の範囲は、パルス変調信号から概ね把握できるので、内部散乱成分が含まれる時間の範囲の信号を切り出すことは可能である。ただし、コヒーレントライダ装置１００内部の伝送路の長さを正確に把握できていない場合、内部散乱成分が受信された正確な時間を把握できない。
　光分配器２は、光源１が出力する連続波の光信号を、ローカル光と送信光とに分配し、ローカル光を光合波器７に出力し、送信光をパルス変調器３に出力する。パルス変調器３は、光分配器２によって分配された送信光に対して、パルス変調とともに、光周波数シフトをかけることで、中間周波数の信号を生成する。例えば、パルス変調器３は、ＡＯ（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ）周波数シフタである。
　パルス変調器３によってパルス変調された送信光は、光増幅器４によって増幅された後に、サーキュレータ５および送受光学系６を通じて大気中に送信される。大気中のエアロゾルによって送信光が散乱された散乱光は、送受光学系６によって受信され、受信光は、サーキュレータ５によって光合波器７に送られる。光合波器７は、ローカル光と受信光を合波して光受信機８に出力する。光受信機８は、光合波器７からの光信号をコヒーレント検波し、検波された信号を受信信号としてマイクロ波スイッチ９に出力する。
　図２は、マイクロ波スイッチ９に入力される受信信号の例を示す図である。図２に示すように、受信信号には、送信光の一部が送受光学系６で散乱されて生じた内部散乱成分Ａが含まれる。内部散乱成分Ａは、コヒーレントライダ装置１００の内部で散乱されて生じるので、コヒーレントライダ装置１００からの距離が０メートルに相当する、受信信号の時間軸上での位置に存在する。内部散乱成分Ａは、図２に示すように、大気からの散乱成分Ｂよりも極めて大きいレベルである。内部散乱成分Ａは、受信信号においてほぼ既知の時間の範囲に存在するが、大気からの散乱成分Ｂは、コヒーレントライダ装置１００がパルス光を送受するため、内部散乱成分Ａとは異なる時間の範囲に存在する。
　ここで、マイクロ波スイッチ９に受信信号が入力されてから、信号がＡ／Ｄ変換器１２に入力されるまでの動作について詳細に説明する。
　図３は、マイクロ波スイッチ９，１１、マイクロ波アンプ１０およびＡ／Ｄ変換器１２に入出力される信号を示す図である。光受信機８は、図３の吹き出し（１）に示す受信信号を、マイクロ波スイッチ９に出力する。マイクロ波スイッチ９は、制御部１４からのタイミング信号に基づいて、当該受信信号から、図３の吹き出し（２）に示す内部散乱成分Ａを含む時間の範囲の信号を抽出し、抽出した信号をマイクロ波スイッチ１１に出力する。なお、内部散乱成分Ａを含む時間の範囲の信号は、増幅されずにマイクロ波スイッチ１１に出力される。
　さらに、マイクロ波スイッチ９は、制御部１４からのタイミング信号に基づいて、受信信号のうち、図３の吹き出し（３）に示す内部散乱成分Ａを含まない時間の範囲の信号（大気からの散乱成分Ｂ）を、マイクロ波アンプ１０に出力する。マイクロ波アンプ１０は、マイクロ波スイッチ９から入力される大気からの散乱成分Ｂの信号を増幅することで、図３の吹き出し（４）に示す大気からの散乱成分Ｂ１の信号をマイクロ波スイッチ１１に出力する。大気からの散乱成分Ｂ１の信号は、大気からの散乱成分Ｂの信号がマイクロ波アンプ１０によって増幅された信号である。すなわち、大気からの散乱成分Ｂの信号の増幅率は、内部散乱成分Ａを含む時間の範囲の信号よりも大きい。このように、マイクロ波アンプ１０は、マイクロ波スイッチ９によって時間的に分けられた２つの信号に対して互いに異なる増幅率で増幅する。なお、増幅しない内部散乱成分Ａは、増幅率＝１で増幅されていると考える。
　マイクロ波スイッチ１１には、制御部１４からタイミング信号が出力されている。マイクロ波スイッチ１１は、タイミング信号に同期することで、同一の受信信号からそれぞれ得られた、増幅されていない内部散乱成分Ａを含む時間の範囲の信号と、マイクロ波アンプ１０によって増幅された大気からの散乱成分Ｂ１の信号とを入力する。マイクロ波スイッチ１１は、これらの信号を時間軸上で並べて１つの時間領域の信号に合わせることによって図３の吹き出し（５）に示す信号を生成し、生成された信号をＡ／Ｄ変換器１２に出力する。図３の吹き出し（５）に示す信号において、レベルの大きい内部散乱成分Ａの信号は、増幅されておらず、レベルが小さい大気からの散乱成分Ｂの信号は増幅されているので、これらの成分の信号は互いに同等なレベルになっている。
　前述したように、内部散乱成分Ａの信号は、大気からの散乱成分Ｂの信号よりも極めてレベルが大きい。そのため、マイクロ波アンプ１０により、内部散乱成分Ａの信号と大気からの散乱成分Ｂの信号が同等のレベルになるように増幅することが重要である。例えば、マイクロ波スイッチ９とマイクロ波スイッチ１１との間にもマイクロ波アンプ１０を設けて、マイクロ波アンプ１０が、内部散乱成分Ａの信号に対して大気からの散乱成分Ｂよりも小さい増幅率で増幅することで、内部散乱成分Ａの信号と大気からの散乱成分Ｂの信号が同等のレベルになるようにしてもよい。また、内部散乱成分Ａの信号のレベルが極端に大きい場合は、マイクロ波スイッチ９とマイクロ波スイッチ１１との間にマイクロ波減衰器を設けて内部散乱成分Ａの信号を減衰させてもよい。アンプ部は、少なくとも１個の増幅器を有して構成される。アンプ部は、信号を減衰させる減衰器を有してもよい。
　続いて、Ａ／Ｄ変換器１２に信号が入力されてから、信号処理部１３が実行する信号処理までの処理を詳細に説明する。
　図４は、内部散乱成分Ａの信号および大気からの散乱成分Ｂ１の信号と、これらの信号に設定される時間区間Ｇ０～Ｇ５とを示す図である。Ａ／Ｄ変換器１２は、制御部１４からのトリガ信号に同期して、図３の吹き出し（５）に示す受信信号をＡ／Ｄ変換することで、受信信号をデジタル信号に変換する。時間区間は、デジタル信号である受信信号を時間で区分した区間である。
　信号処理部１３は、Ａ／Ｄ変換器１２によってデジタル信号に変換された受信信号を、各計測距離に相当する時間軸上での位置にそれぞれ設定された時間区間Ｇ０～Ｇ５に区切る。このとき、信号処理部１３は、図４に示すように、内部散乱成分Ａが含まれる時間の範囲に、時間的に最初の時間区間Ｇ０を設定する。続いて、信号処理部１３は、大気からの散乱成分Ｂ１を含んだ時間の範囲に対して時間区間Ｇ１～Ｇ５を順次設定する。
　信号処理部１３は、デジタル信号に時間区間Ｇ０を設定して抽出した内部散乱成分Ａの信号の時間波形を解析することで、コヒーレントライダ装置１００からの距離が０メートルに相当する、受信信号の時間軸上での位置を決定する。例えば、内部散乱成分Ａの信号の時間波形の絶対値を求めて、この絶対値が最大となる時間軸上での位置を、コヒーレントライダ装置１００からの距離が０メートルに相当する位置として決定する。
　図５は、実施の形態１に係るコヒーレントライダ装置１００の信号処理の概要を示す概要図であり、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、受信信号の周波数軸上での位置を決定する処理を示している。信号処理部１３は、図５に示すように、時間区間Ｇ０を設定して抽出した内部散乱成分Ａの信号に対して、フーリエ変換（図５の例では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ））してスペクトルを求める。
　内部散乱成分Ａは、光信号の一部がコヒーレントライダ装置１００の内部で散乱して受信された信号成分である。内部散乱成分Ａは、移動速度を持たない散乱点で散乱された信号である。内部散乱成分Ａは、ドップラー周波数シフトを有していない。従って、内部散乱成分Ａの信号をＦＦＴにより処理して求められたスペクトルでピークとなる周波数は、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、受信信号の周波数軸上での位置に相当する周波数となる。信号処理部１３は、内部散乱成分Ａの信号のスペクトルを解析して、スペクトルにおいてピークとなる周波数を算出することで、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、受信信号の周波数軸上での位置を決定する。
　次に、信号処理部１３は、デジタル信号に時間区間Ｇ１～Ｇ５を設定して抽出した、大気からの散乱成分Ｂ１の各信号をＦＦＴにより処理して、各距離に対応する受信スペクトルを算出する。例えば、コヒーレントライダ装置１００が、規定回数だけ送信光のパルスを大気中に送信して、その都度、信号処理部１３が、受信スペクトルを算出し、算出したスペクトルを積算することで、ＳＮ比が改善する。
　信号処理部１３は、積算された受信スペクトルのピーク周波数からドップラー周波数を求める。大気からの散乱成分Ｂ１に対応するドップラー周波数は、受信スペクトルのピーク周波数と、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、受信信号の周波数軸上での位置に相当する周波数との差に相当する。ここで、大気からの散乱成分Ｂ１に対応するドップラー周波数をｆｄとし、送信光の波長をλとする。大気中の散乱体（例えば、エアロゾル）の移動速度、すなわち、ドップラー風速Ｖは、下に示す式（１）を用いて算出される。
　Ｖ＝ｆｄ×λ÷２　　　　　　　　・・・（１）
　信号処理部１３は、デジタル信号に時間区間Ｇ１～Ｇ５を設定して抽出した各信号に対応する大気中の距離Ｄを、下に示す式（２）に従って算出する。式（２）において、時間軸上の各時間区間Ｇ１～Ｇ５のいずれかであるＧｊにおける区間の中心の位置をＴｊとし、内部散乱成分Ａの信号の時間波形の絶対値がピークとなる時間軸上での位置をＴ０とし、光速をｃとしている。大気中の距離Ｄｊは、コヒーレントライダ装置１００から風速が計測される位置までの距離である。
　Ｄｊ＝（Ｔｊ－Ｔ０）×ｃ÷２　　　・・・（２）
　信号処理部１３は、内部散乱成分Ａの信号の時間波形に基づいて、送信光の状態、例えば、時間波形の振幅から送信光の強度を、相対的に検出する。ここで、信号処理部１３は、内部散乱成分Ａの信号の時間波形の振幅が予め設定された規定値よりも小さい場合に、光源１が生成する光信号（大気中に送信される光信号）の強度が異常であると判定し、内部散乱成分Ａの信号の時間波形の振幅が規定値以上の場合には、光信号の強度が正常であると判定する。なお、受信信号における内部散乱成分Ａと大気からの散乱成分Ｂとの両方を飽和させることなく、同等のレベルで１つの時間領域の信号に合わせることにより、前述した光信号の強度の検出が可能となる。
　また、信号処理部１３は、内部散乱成分Ａの信号にＦＦＴを適用して得られたスペクトルの拡がりから、光源１が生成する光信号の線幅（コヒーレンシー）が正常であるか否かを検出する。光信号の線幅は、コヒーレント検波において重要な要素である。例えば、信号処理部１３は、図５に示すようにスペクトルの周波数幅Ｗが規定値以上に拡がっていれば、光信号の線幅が異常であると判定し、周波数幅Ｗが規定値未満である場合は、光信号の線幅は正常であると判定する。なお、受信信号における内部散乱成分Ａと大気からの散乱成分Ｂとの両方を飽和させることなく、同等のレベルで１つの時間領域の信号に合わせることにより、前述した光信号の線幅の検出が可能となる。
　コヒーレントライダ装置１００では、距離およびドップラー速度の校正を実施しながら、大気中の風速を計測する。コヒーレントライダ装置は、風速を計測しないときに、校正を行うものでもよい。例えば、コヒーレントライダ装置１００は、送受光学系６の送信光の出射端がシャッターで遮光された状態であっても、距離およびドップラー速度を校正することができる。すなわち、コヒーレントライダ装置１００は、製造段階で距離およびドップラー速度を校正して校正値を信号処理部１３に設定しておくことで、風速を正確に計測することが可能となる。さらに、コヒーレントライダ装置１００は、製造段階で光信号の強度および線幅が正常か否かを判定することができる。
　以上のように、コヒーレントライダ装置１００は、受信信号を２つに分配し、分配された２つの信号に互いに異なる増幅率で増幅してから１つの信号に合わせ、１つに合わせられた信号をデジタル信号に変換する。これにより、１系統のＡ／Ｄ変換器で信号を処理することができる。すなわち、コヒーレントライダ装置１００は、内部散乱成分と大気からの散乱成分のいずれも飽和させずに同等のレベルの信号として、これらの信号を１つの時間領域の信号に合わせる。この時間領域の信号は、１系統のＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換され、信号処理部１３は、このデジタル信号を解析することによって、コヒーレントライダ装置１００からの距離が０メートルに相当する、受信信号の時間軸上での位置を決定し、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、受信信号の周波数軸上での位置を決定する。
実施の形態２．
　図６は、実施の形態２に係るコヒーレントライダ装置１００Ａの構成を示すブロック図である。図６に示すコヒーレントライダ装置１００Ａは、送信光を大気中に送信し、送信光がエアロゾルで散乱された散乱光をコヒーレント検波によって受信し、受信信号のスペクトルを解析することにより、エアロゾルのドップラー風速を計測する。このコヒーレントライダ装置１００Ａは、図１に示すコヒーレントライダ装置１００と基本的な構成は共通しているが、マイクロ波スイッチ１１の替わりに、マイクロ波合波器１５を備える点で異なる。
　図１に示すマイクロ波スイッチ１１は、制御部１４からのタイミング信号に同期することで、同一の受信信号からそれぞれ得られた、増幅されていない内部散乱成分Ａを含む時間の範囲の信号と、マイクロ波アンプ１０によって増幅された大気からの散乱成分Ｂ１の信号とを、時間軸上で連続するようにつなげていた。これに対し、マイクロ波合波器１５は、制御部１４からのタイミング信号とは無関係に、入力された信号を合波する合波器である。従って、制御部１４とマイクロ波合波器１５との間は、電気信号線で接続されていない。合波とは、２つの信号を重ね合わせることである。
　以上のように、コヒーレントライダ装置１００Ａは、受信信号を２つに分配し、分配された２つの信号に互いに異なる増幅率で増幅してから、マイクロ波合波器１５によって１つの信号に合わせ、１つに合わせられた信号をデジタル信号に変換する。これにより、コヒーレントライダ装置１００と同様の効果が得られ、さらに、制御部１４からのタイミング信号をマイクロ波合波器１５に送る電気信号線を省略することができるので、装置構成をコヒーレントライダ装置１００よりも簡易にすることができる。
　なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。
　本開示に係るコヒーレントライダ装置は、例えば、大気中の風速の計測に利用可能である。
　１　光源、２　光分配器、３　パルス変調器、４　光増幅器、５　サーキュレータ、６　送受光学系、７　光合波器、８　光受信機、９　マイクロ波スイッチ、１０　マイクロ波アンプ、１１　マイクロ波スイッチ（合波部）、１２　Ａ／Ｄ変換器、１３　信号処理部、１４　制御部、１５　マイクロ波合波器（合波部）、３０　送受信部、１００，１００Ａ　コヒーレントライダ装置。

Claims (7)

  1. 　光信号を大気中に送信し、前記光信号の散乱光を受信する送受信部と、
    　前記送受信部によって受信された前記散乱光から生成された受信信号を時間的に２つに分ける第１のスイッチと、
    　前記第１のスイッチによって分けられた２つの信号を互いに異なる増幅率で増幅するアンプ部と、
    　前記アンプ部によって異なる増幅率で増幅された前記２つの信号を１つの信号に合わせる合波部と、
    　前記合波部によって１つに合わせられた信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
    　前記デジタル信号を処理する信号処理部と、
    　前記送受信部、前記第１のスイッチ、前記合波部および前記Ａ／Ｄ変換器の動作を制御する制御部と、
    　を備えたコヒーレントライダ装置。
  2. 　前記合波部は、時間的に分けられた前記２つの信号を時間的につなげる第２のスイッチである、請求項１に記載のコヒーレントライダ装置。
  3. 　前記合波部は、前記２つの信号を重ね合わせる合波器である、請求項１に記載のコヒーレントライダ装置。
  4. 　前記信号処理部は、前記デジタル信号を時間的に区分する時間区間によって、前記光信号の一部が装置内部で散乱して受信された内部散乱成分の信号を抽出すること
    　を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコヒーレントライダ装置。
  5. 　前記信号処理部は、前記内部散乱成分の信号を解析して、装置からの距離が０メートルに相当する、前記受信信号の時間軸上での位置を決定すること
    　を特徴とする請求項４に記載のコヒーレントライダ装置。
  6. 　前記信号処理部は、前記内部散乱成分の信号のスペクトルを解析して、ドップラー速度が０メートル毎秒に相当する、前記受信信号の周波数軸上での位置を決定すること
    　を特徴とする請求項４に記載のコヒーレントライダ装置。
  7. 　前記信号処理部は、前記内部散乱成分の信号を解析して、前記光信号の強度または線幅のいずれかまたは両方を検出すること
    　を特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のコヒーレントライダ装置。
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