JP4037310B2 - レーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法に関し、特に、風速計測に用いられるレーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風速の空間分布の観測は、気象監視や気象予測において重要な観測項目となっている。そのため、風速の空間分布を観測するための装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
浅香 公雄、外６名、“風速計測用光波レーダの開発”、２０００年７月、電子情報通信学会、信学技報ＳＡＮＥ２０００−３９、ｐ．１５−２０
【０００４】
非特許文献１においては、受信光とローカル光のビート信号をＡＤ変換器によりサンプリングし、時間ゲート（ゲート間隔τ）毎にＦＦＴを行い、そのスペクトルからドップラー周波数の抽出を行う。信号処理における時間基準（パルス発振時間）と周波数基準（０ドップラー周波数［速度０］）は、発振パルスレーザ光の一部を折り返しミラーからモニタ光として取り出し、このモニタ光とローカル光とのビート信号から得ている。
【０００５】
コヒーレントライダの光源には光ヘテロダイン検波を行うために単一周波数発振と高い周波数安定度が、さらに、速度分解能（周波数分解能）を小さくするためには、送信パルスのパルス幅を長くする必要がある。しかしながら、一方、距離分解能Δｒは送信パルス幅に比例するため、送信パルス幅を長くすると、距離分解能が低下する（Δｒが大きくなる）。
【０００６】
このように、非特許文献１の従来のレーザレーダでは、一定のレーザ波長では、周波数分解能と距離方向の空間分解能を同時に高くすることができないという問題点があった。
【０００７】
このような、問題を解決する技術として、バイスタティックレーザレーダの技術がある（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００８】
【非特許文献２】
E.P.MageeおよびT.J.Kane著、“Bistatic coherent laser radar signal-to-noise ratio”、２００２年３月２０日、Applied Optics，vol.41, no.9
【０００９】
この種のレーザレーダにおいては、送信波を放射する送信ビーム走査部と反射波を受信する受信ビーム走査部とは離れた位置に設置され、送信ビームと受信ビームの間が所定の角度となるように構成されている。
【００１０】
また、非特許文献１に示されるような従来のモノスタティックレーザレーダ技術では、距離分解能を得るために送信信号にパルス変調を施すことが多いが、非特許文献２に示されるような従来のバイスタティックレーザレーダでは、周波数分解能を得るのに十分な長さのパルス幅を持つ送信波形か、あるいは、連続波を送信することが多い。
【００１１】
非特許文献２に示されるような従来のバイスタティックレーザレーダにおいては、送信部で生成された送信信号は送信ビーム走査部から空間へ放射される。送信ビームは狭いビーム幅を持つペンシルビームとしておく。空間へ放射されたレーザ光は大気中のエアロゾルで散乱される。この散乱光のうち、受信ビーム走査部の方向に反射されたレーザ光を、受信ビーム走査部を用いて受光する。受信ビームも送信ビームと同様に、狭いビーム幅を持つペンシルビームである。このとき、受信ビーム走査部は、送信ビーム走査部の送信ビームと交差するように、受信ビームの方向を指向させるようにする。それにより、送信ビームと受信ビームの交差した体積部分（分解能体積）の大気で散乱されたレーザ光のみが受信ビーム走査部で受信されることになる。
【００１２】
高い空間分解能を得るためには、送信ビームと受信ビームの重なる体積を小さくする必要がある。そのため、送信波を放射する送信ビーム走査部と反射波を受信する受信ビーム走査部は出来るだけ離れた位置に設置し、送信ビームと受信ビームの間が一定以上の角度となるようにする。
【００１３】
このようにして、送信ビームと受信ビームの交わる１点でのドップラ速度が計測される。同様の測定を他の点で行う場合には、受信ビームあるいは送信ビームの方向を変えることにより実現される。例えば、送信ビームの方向を固定して、受信ビームを送信ビームに沿って、送信ビーム走査部に近い位置から遠い位置へと（あるいは遠い位置から近い位置へと）走査すれば、送信ビームに沿った一直線上での風を計測することができる。この計測を、送信ビーム方向を変えながら繰り返せば、３次元空間内の全ての点で風速計測を行うことができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、非特許文献１の従来のレーザレーダでは、一定のレーザ波長では、周波数分解能と距離方向の空間分解能を同時に高くすることができないという問題点があった。
【００１５】
非特許文献２に記載されたレーザレーダ装置では、非特許文献１における問題点は解決されているものの、いずれも送信ビームと受信ビームの両方が狭いビーム幅を持つペンシルビームであり、これら両ビームが交わるように、各ビームを指向させる必要がある。レーザレーダのビームは極めて細いため、ビーム方向を高い精度で設定しなければならないが、送信ビーム走査部および受信ビーム走査部の設置位置や設置姿勢の情報に誤差があると、各ビームの方向に誤差が生じるため、両ビームを交差させることが難しくなる。両ビームが交差しないと、大気エコーを受信することができず、風を計測することができないという問題点があった。
【００１６】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ビーム方向に誤差が生じる場合にも、ビームを交差させ、風計測を可能とするレーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、送信ビーム走査手段と、受信ビーム走査手段と、信号処理手段と、受信信号強度算出手段と、ビーム方向設定手段とを備え、大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射されたレーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信し、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置であって、前記送信ビーム走査手段は、大気中における所定の送信ビーム方向に対して、基準信号に同期するレーザ光を送信ビームとして放射し、前記受信ビーム走査手段は、前記送信ビーム走査手段が放射する前記送信ビームと交差する方向に受信ビームを形成し、前記送信ビームと当該受信ビームが交差する位置の大気で反射されたレーザ光を受信し、該レーザ光に増幅および周波数変換を施して、受信信号を生成し、前記信号処理手段は、前記受信信号に信号処理を施すことにより、前記受信信号から大気のドップラ速度を算出し、前記受信信号強度算出手段は、前記受信信号の強度を算出し、前記ビーム方向設定手段は、前記受信信号の前記強度と該受信信号取得時における前記所定の送信ビーム方向と該送信ビームに交差する受信ビームの方向とを取得して、前記受信信号の強度のうち略々最大強度となる受信信号に対応する前記送信ビーム方向と前記受信ビーム方向を求めて、前記送信ビーム走査手段および前記受信ビーム走査手段のビーム方向をそれらの方向に設定するレーザレーダ装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本実施の形態のレーザレーダ装置の構成を表す図である。この図において、１は基準信号を生成する基準信号発生部、２は当該基準信号が入力されて、それに同期する送信信号（レーザ光）を生成する送信部、３は送信部２で生成された送信信号（レーザ光）を狭いビーム幅で、かつ、設定された送信ビーム方向で、空間に放射する送信ビーム走査部である。なお、基準信号発生部１、送信部２および送信ビーム走査部３は、送信ビーム走査手段を構成している。４は、送信ビーム走査部３が放射する送信ビームと交差する方向で、かつ、狭いビーム幅を持つ受信ビームを形成して、空間へ放射された送信信号（レーザ光）が大気中のエアロゾルで散乱された散乱光のうち、送信ビームと受信ビームが交差する位置の大気で、自方向に反射されたレーザ光を受信する受信ビーム走査部、５は、受信ビーム走査部で受信されたレーザ光を増幅するとともに、基準信号発生部１で生成された基準信号を用いて、受信光を周波数変換し、受信信号として出力する受信部である。なお、受信ビーム走査部４と受信部５とは、受信ビーム走査手段を構成している。６は、当該受信信号に周波数解析等の信号処理を施すことにより、大気のドップラ速度を算出するとともに、当該受信信号の受信強度を算出する信号処理部、７は、受信強度が高くなる場合に送信ビームが検出されたと判定して、最も高い受信強度が得られた場合の送信ビーム方向と受信ビーム方向（方位角および仰角）を求め、当該ビーム方向において大気のドップラ速度を計測するように、当該ビーム方向を送信ビーム走査部３および受信ビーム走査部４に出力する送信ビーム検出部である。
【００１９】
次に動作を説明する。送信ビームまたは受信ビームの方向を、互いに交差する方向の近傍で変更しながら、大気で反射されるレーザ光を、受信ビーム走査部４、受信部５、信号処理部６を用いて観測する。
【００２０】
すなわち、送信部２は、基準信号発生部１で生成された基準信号を入力し、それに同期する送信信号を出力する。なお、送信信号として、周波数分解能を得るのに十分な長さのパルス幅を持つ送信波形か、あるいは連続波を送信する。送信部２で生成された送信信号は送信ビーム走査部３から空間へ放射される。送信ビームは狭いビーム幅を持つペンシルビームとしておく。空間へ放射されたレーザ光は大気中のエアロゾルで散乱される。この散乱光のうち、受信ビーム走査部４の方向に反射されたレーザ光を、受信ビーム走査部４を用いて受光する。受信ビームも送信ビームと同様に、狭いビーム幅を持つペンシルビームである。このとき、受信ビーム走査部４は、送信ビーム走査部３の送信ビームと交差するように、受信ビームの方向を指向させるようにする。それにより、送信ビームと受信ビームの交差した体積部分（分解能体積）の大気で散乱されたレーザ光のみが受信ビーム走査部４で受信されることになる。
【００２１】
受信ビーム走査部４で受光されたレーザ光は受信部５に入力される。受信部５では受信光を増幅するとともに、基準信号発生部１で生成された基準信号を用いて、受信光を周波数変換し、受信信号として信号処理部６へと出力する。信号処理部６では、受信信号に周波数解析を施すことにより、大気のドップラ速度を算出する。具体的には、受信信号をＡＤ変換器でディジタル信号へと変換し、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform; FFT）にドップラスペクトルを算出し、ドップラスペクトルのピークを検出し、そのピークの存在する周波数からドップラ速度を算出する。
【００２２】
信号処理部６では、同時に、受信信号の受信強度を算出し、送信ビーム検出部７へと渡す。送信ビーム検出部７では、受信強度およびその受信強度が得られたときの送信ビームと受信ビームの方向（方位角および仰角）を蓄積する。送信ビームまたは受信ビームの方向を互いに交差する方向の近傍で変更しながら、受信強度を順次蓄積し、最も高い受信強度が得られた場合の送信ビームおよび受信ビームの方向において、送信ビームが検出されたと判定し、当該送信ビームの方向を送信ビーム走査部３に出力するとともに、当該受信ビームの方向を受信ビーム走査部４に出力することにより、これらの方向に送信ビームまたは受信ビームを指向させて風観測を行うようにする。
【００２３】
風観測の方法について説明する。すなわち、以上のようにすることにより、送信ビームと受信ビームの交わる１点でのドップラ速度が計測されるが、受信ビームあるいは送信ビームの方向を変えることにより、同様の測定を他の点で行うことができるので、例えば、送信ビームの方向を固定して、受信ビームを送信ビームに沿って、送信ビーム走査部に近い位置から遠い位置へと（あるいは遠い位置から近い位置へと）走査すれば、送信ビームに沿った一直線上での風を計測することができる。この計測を、送信ビーム方向を変えながら繰り返せば、３次元空間内の全ての点で風速計測を行うことができる。
【００２４】
なお、図１では、受信系統は１つのみの構成であるが、複数の受信系を備える構成とし、複数の地点からドップラ速度を観測すれば、３次元風速ベクトルの異なる複数の成分が得られる。これら複数の成分を合成すれば、３次元風速ベクトルを求めることができる。
【００２５】
なお、高い空間分解能を得るためには、送信ビームと受信ビームの重なる体積を小さくする必要がある。そのため、送信波を放射する送信ビーム走査部３と反射波を受信する受信ビーム走査部４は離れた位置に設置し、送信ビームと受信ビームの間が一定以上の角度となるようにする。その他の構成要素の設置場所は特に制限されないが、例えば送信部２は送信ビーム走査部３と同じ場所に設置し、受信部５、信号処理部６および送信ビーム検出部７は受信ビーム走査部４と同じ場所に設置される。基準信号発生部１については、送信部２と同じ場所か、あるいは、受信部５と同じ場所に設置される。基準信号発生部１からは送信部２と受信部５との両方に基準信号を供給する必要があるが、送信部２と受信部５のいずれか一方は、基準信号発生部１と異なる場所に設置されることになる。離れた場所への基準信号の伝送には、例えば光ファイバなどの伝送線路を用いて伝送する。
【００２６】
図２は、以上の手順をフローチャートにしたものである。ただし、送信ビームの方向は固定し、受信ビームの方向を変更しながら、両ビームが交差する方向を調べる場合を示している。
【００２７】
まず、ステップｓｔ１では、風が計測される点を設定する。次にステップｓｔ２では、ステップｓｔ１で設定された点の方向に送信ビームを指向させて送信を開始する。ステップｓｔ３では、受信ビームを、ステップｓｔ１で設定された点の方向の近傍に指向させて、受信を開始する。
【００２８】
次に、ステップｓｔ４では、受信ビーム走査部４により、大気で反射されたレーザ光を受信する。ステップｓｔ５では、受信された受信波を、受信部５で増幅および周波数変換して受信信号を生成し、信号処理部６で受信信号から受信強度を算出する。
【００２９】
ステップｓｔ６では、予め設定した受信ビーム方向範囲内の全ての方向で、受信強度を収集したかどうかを確認する。受信強度の収集が未完了の場合は、ステップｓｔ７で受信ビーム方向を所定量だけ変化させた後に、ステップｓｔ４に戻る。受信強度の収集が完了した場合には、ステップｓｔ８に進む。ステップｓｔ８では、最大の受信強度を得た受信ビーム方向を、風観測で使用する受信ビーム方向として設定する。
【００３０】
図３は、受信ビームの方向は固定し、送信ビームの方向を調整しながら、送信ビームと受信ビームの交差する方向を探索する手順をフローチャートにしたものである。まず、ステップｓｔ１１では、風が計測される点を設定する。次にステップｓｔ１２では、ステップｓｔ１１で設定された点の方向に受信ビームを指向させて、受信を開始する。
【００３１】
ステップｓｔ１３では、送信ビームを、ステップｓｔ１１で設定された点の方向の近傍に指向させて、送信を開始する。
【００３２】
ステップｓｔ１４では、受信ビーム走査部４により、大気で反射されたレーザ光を受信する。ステップｓｔ１５では、受信された受信波を、受信部５で増幅および周波数変換して受信信号を生成し、信号処理部６で受信信号から受信強度を算出する。
【００３３】
ステップｓｔ１６では、予め設定した送信ビーム方向範囲内の全ての方向で、受信強度を収集したかどうかを確認する。受信強度の収集が未完了の場合は、ステップｓｔ１７で送信ビーム方向を所定量だけ変化させた後に、ステップｓｔ１４に戻る。受信強度の収集が完了した場合には、ステップｓｔ１８に進む。ステップｓｔ１８では、最大の受信強度を得た送信ビーム方向を、風観測で使用する送信ビーム方向として設定する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、送信ビーム検出部７により、最も高い受信強度が得られた場合の送信ビームおよび受信ビームを求めて（一方は固定していてもよい）、それらの方向に送信ビームおよび受信ビームを指向させて風観測を行うようにしたので、送信ビーム走査部および受信ビーム走査部の設置位置や設置姿勢の情報に誤差があるなどの理由で、送信あるいは受信ビームの指向方向に誤差がある場合にも、両ビームを交差させることができ、常に風観測が可能になるという利点がある。
【００３５】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、送信ビームおよび受信ビームの両方がペンシルビームであったが、送受いずれか一方のビームをファンビーム、すなわち方位角方向か仰角方向のいずれか１方向のビーム幅が広いようなビーム形状としても、空間分解能を損なわないようにすることができる。
【００３６】
図４は本実施の形態のレーザレーダ装置の原理を説明する図である。本実施の形態のレーザレーダ装置の構成は前述の図１と同様であるが、送信ビーム走査部３から放射される送信ビームの形状が前述の実施の形態１と異なっている。本実施の形態では、送信ビームが１つの角度方向（図４では垂直方向）に広がったファンビームの形状を持っている。一方、受信ビーム走査部４の受信ビームは、ペンシルビームとしている。送信ビームに広がりがあっても、その広がりの方向が受信ビームの方向と直交に近い方向であれば、両ビームの交差する体積は、ペンシルビーム同士が交わる場合と同程度になる。よって、空間分解能は低下しない。
【００３７】
送信ビーム幅が広がることの利点の一つは、送受の両方でペンシルビームを用いる場合に比べて、受信ビームの指向精度が低くても、両ビームが確実に交わることである。また、多点を観測する場合に、ペンシルビーム同士の場合には、送信ビームの方向を固定すると、その方向に沿った位置でしか観測ができない。それに対して、送信ビームがファンビームであれば、送信ビームの方向を固定していても、受信ビームの走査方向の制限が少ない。例えば図５のように、受信ビームを垂直に走査して、垂直方向に並ぶ複数点の観測データを、送信ビームを走査することなく、受信ビームの走査だけで得ることが可能となる。送受間でのビーム走査の同期をとらなくても良いため、ビーム走査の制御が容易になるという利点がある。
【００３８】
なお、図４または図５では、受信系統は１つのみの構成であるが、複数の受信系を備える構成とし、複数の地点からドップラ速度を観測すれば、３次元風速ベクトルの異なる複数の成分が得られる。これら複数の成分を合成すれば、３次元風速ベクトルを求めることができる。
【００３９】
また、図４または図５では、送信ビームをファンビーム、受信ビームをペンシルビームとするような場合を説明したが、逆に送信ビームをペンシルビームとし、受信ビームをファンビームとする構成でも同様の効果を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明は、送信ビーム走査手段と、受信ビーム走査手段と、信号処理手段と、受信信号強度算出手段と、ビーム方向設定手段とを備え、大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射されたレーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信し、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置であって、前記送信ビーム走査手段は、大気中における所定の送信ビーム方向に対して、基準信号に同期するレーザ光を送信ビームとして放射し、前記受信ビーム走査手段は、前記送信ビーム走査手段が放射する前記送信ビームと交差する方向に受信ビームを形成し、前記送信ビームと当該受信ビームが交差する位置の大気で反射されたレーザ光を受信し、該レーザ光に増幅および周波数変換を施して、受信信号を生成し、前記信号処理手段は、前記受信信号に信号処理を施すことにより、前記受信信号から大気のドップラ速度を算出し、前記受信信号強度算出手段は、前記受信信号の強度を算出し、前記ビーム方向設定手段は、前記受信信号の前記強度と該受信信号取得時における前記所定の送信ビーム方向と該送信ビームに交差する受信ビームの方向とを取得して、前記受信信号の強度のうち略々最大強度となる受信信号に対応する前記送信ビーム方向と前記受信ビーム方向を求めて、前記送信ビーム走査手段および前記受信ビーム走査手段のビーム方向をそれらの方向に設定するレーザレーダ装置であるので、前記ビーム方向設定手段により設定された送信ビーム方向および受信ビーム方向において前記レーザ光の送受信を行って、その結果得られる受信信号から前記信号処理手段が大気のドップラ速度の算出を行うので、たとえビーム方向に誤差が生じる場合にも、ビームを交差させて風計測を常に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置の受信ビーム方向設定手順の流れを示す流れ図である。
【図３】 この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置の送信ビーム方向設定手順の流れを示す流れ図である。
【図４】 この発明の実施の形態２のレーザレーダ装置の原理を説明する図である。
【図５】 この発明の実施の形態２のレーザレーダ装置の原理を説明する図である。
【符号の説明】
１ 基準信号発生部、２ 送信部、３ 送信ビーム走査部、４ 受信ビーム走査部、５ 受信部、６ 信号処理部、７ 送信ビーム検出部。
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法に関し、特に、風速計測に用いられるレーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風速の空間分布の観測は、気象監視や気象予測において重要な観測項目となっている。そのため、風速の空間分布を観測するための装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
浅香 公雄、外６名、“風速計測用光波レーダの開発”、２０００年７月、電子情報通信学会、信学技報ＳＡＮＥ２０００−３９、ｐ．１５−２０
【０００４】
非特許文献１においては、受信光とローカル光のビート信号をＡＤ変換器によりサンプリングし、時間ゲート（ゲート間隔τ）毎にＦＦＴを行い、そのスペクトルからドップラー周波数の抽出を行う。信号処理における時間基準（パルス発振時間）と周波数基準（０ドップラー周波数［速度０］）は、発振パルスレーザ光の一部を折り返しミラーからモニタ光として取り出し、このモニタ光とローカル光とのビート信号から得ている。
【０００５】
コヒーレントライダの光源には光ヘテロダイン検波を行うために単一周波数発振と高い周波数安定度が、さらに、速度分解能（周波数分解能）を小さくするためには、送信パルスのパルス幅を長くする必要がある。しかしながら、一方、距離分解能Δｒは送信パルス幅に比例するため、送信パルス幅を長くすると、距離分解能が低下する（Δｒが大きくなる）。
【０００６】
このように、非特許文献１の従来のレーザレーダでは、一定のレーザ波長では、周波数分解能と距離方向の空間分解能を同時に高くすることができないという問題点があった。
【０００７】
このような、問題を解決する技術として、バイスタティックレーザレーダの技術がある（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００８】
【非特許文献２】
E.P.MageeおよびT.J.Kane著、“Bistatic coherent laser radar signal-to-noise ratio”、２００２年３月２０日、Applied Optics，vol.41, no.9
【０００９】
この種のレーザレーダにおいては、送信波を放射する送信ビーム走査部と反射波を受信する受信ビーム走査部とは離れた位置に設置され、送信ビームと受信ビームの間が所定の角度となるように構成されている。
【００１０】
また、非特許文献１に示されるような従来のモノスタティックレーザレーダ技術では、距離分解能を得るために送信信号にパルス変調を施すことが多いが、非特許文献２に示されるような従来のバイスタティックレーザレーダでは、周波数分解能を得るのに十分な長さのパルス幅を持つ送信波形か、あるいは、連続波を送信することが多い。
【００１１】
非特許文献２に示されるような従来のバイスタティックレーザレーダにおいては、送信部で生成された送信信号は送信ビーム走査部から空間へ放射される。送信ビームは狭いビーム幅を持つペンシルビームとしておく。空間へ放射されたレーザ光は大気中のエアロゾルで散乱される。この散乱光のうち、受信ビーム走査部の方向に反射されたレーザ光を、受信ビーム走査部を用いて受光する。受信ビームも送信ビームと同様に、狭いビーム幅を持つペンシルビームである。このとき、受信ビーム走査部は、送信ビーム走査部の送信ビームと交差するように、受信ビームの方向を指向させるようにする。それにより、送信ビームと受信ビームの交差した体積部分（分解能体積）の大気で散乱されたレーザ光のみが受信ビーム走査部で受信されることになる。
【００１２】
高い空間分解能を得るためには、送信ビームと受信ビームの重なる体積を小さくする必要がある。そのため、送信波を放射する送信ビーム走査部と反射波を受信する受信ビーム走査部は出来るだけ離れた位置に設置し、送信ビームと受信ビームの間が一定以上の角度となるようにする。
【００１３】
このようにして、送信ビームと受信ビームの交わる１点でのドップラ速度が計測される。同様の測定を他の点で行う場合には、受信ビームあるいは送信ビームの方向を変えることにより実現される。例えば、送信ビームの方向を固定して、受信ビームを送信ビームに沿って、送信ビーム走査部に近い位置から遠い位置へと（あるいは遠い位置から近い位置へと）走査すれば、送信ビームに沿った一直線上での風を計測することができる。この計測を、送信ビーム方向を変えながら繰り返せば、３次元空間内の全ての点で風速計測を行うことができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、非特許文献１の従来のレーザレーダでは、一定のレーザ波長では、周波数分解能と距離方向の空間分解能を同時に高くすることができないという問題点があった。
【００１５】
非特許文献２に記載されたレーザレーダ装置では、非特許文献１における問題点は解決されているものの、いずれも送信ビームと受信ビームの両方が狭いビーム幅を持つペンシルビームであり、これら両ビームが交わるように、各ビームを指向させる必要がある。レーザレーダのビームは極めて細いため、ビーム方向を高い精度で設定しなければならないが、送信ビーム走査部および受信ビーム走査部の設置位置や設置姿勢の情報に誤差があると、各ビームの方向に誤差が生じるため、両ビームを交差させることが難しくなる。両ビームが交差しないと、大気エコーを受信することができず、風を計測することができないという問題点があった。
【００１６】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ビーム方向に誤差が生じる場合にも、ビームを交差させ、風計測を可能とするレーザレーダ装置およびそのビーム方向設定方法を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、送信ビーム走査手段と、受信ビーム走査手段と、信号処理手段と、受信信号強度算出手段と、ビーム方向設定手段とを備え、大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射されたレーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信し、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置であって、前記送信ビーム走査手段は、大気中における所定の送信ビーム方向に対して、基準信号に同期するレーザ光を送信ビームとして放射し、前記受信ビーム走査手段は、前記送信ビーム走査手段が放射する前記送信ビームと交差する方向に受信ビームを形成し、前記送信ビームと当該受信ビームが交差する位置の大気で反射されたレーザ光を受信し、該レーザ光に増幅および周波数変換を施して、受信信号を生成し、前記信号処理手段は、前記受信信号に信号処理を施すことにより、前記受信信号から大気のドップラ速度を算出し、前記受信信号強度算出手段は、前記受信信号の強度を算出し、前記ビーム方向設定手段は、前記受信信号の前記強度と該受信信号取得時における前記所定の送信ビーム方向と該送信ビームに交差する受信ビームの方向とを取得して、前記受信信号の強度のうち略々最大強度となる受信信号に対応する前記送信ビーム方向と前記受信ビーム方向を求めて、前記送信ビーム走査手段および前記受信ビーム走査手段のビーム方向をそれらの方向に設定するレーザレーダ装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本実施の形態のレーザレーダ装置の構成を表す図である。この図において、１は基準信号を生成する基準信号発生部、２は当該基準信号が入力されて、それに同期する送信信号（レーザ光）を生成する送信部、３は送信部２で生成された送信信号（レーザ光）を狭いビーム幅で、かつ、設定された送信ビーム方向で、空間に放射する送信ビーム走査部である。なお、基準信号発生部１、送信部２および送信ビーム走査部３は、送信ビーム走査手段を構成している。４は、送信ビーム走査部３が放射する送信ビームと交差する方向で、かつ、狭いビーム幅を持つ受信ビームを形成して、空間へ放射された送信信号（レーザ光）が大気中のエアロゾルで散乱された散乱光のうち、送信ビームと受信ビームが交差する位置の大気で、自方向に反射されたレーザ光を受信する受信ビーム走査部、５は、受信ビーム走査部で受信されたレーザ光を増幅するとともに、基準信号発生部１で生成された基準信号を用いて、受信光を周波数変換し、受信信号として出力する受信部である。なお、受信ビーム走査部４と受信部５とは、受信ビーム走査手段を構成している。６は、当該受信信号に周波数解析等の信号処理を施すことにより、大気のドップラ速度を算出するとともに、当該受信信号の受信強度を算出する信号処理部、７は、受信強度が高くなる場合に送信ビームが検出されたと判定して、最も高い受信強度が得られた場合の送信ビーム方向と受信ビーム方向（方位角および仰角）を求め、当該ビーム方向において大気のドップラ速度を計測するように、当該ビーム方向を送信ビーム走査部３および受信ビーム走査部４に出力する送信ビーム検出部である。
【００１９】
次に動作を説明する。送信ビームまたは受信ビームの方向を、互いに交差する方向の近傍で変更しながら、大気で反射されるレーザ光を、受信ビーム走査部４、受信部５、信号処理部６を用いて観測する。
【００２０】
すなわち、送信部２は、基準信号発生部１で生成された基準信号を入力し、それに同期する送信信号を出力する。なお、送信信号として、周波数分解能を得るのに十分な長さのパルス幅を持つ送信波形か、あるいは連続波を送信する。送信部２で生成された送信信号は送信ビーム走査部３から空間へ放射される。送信ビームは狭いビーム幅を持つペンシルビームとしておく。空間へ放射されたレーザ光は大気中のエアロゾルで散乱される。この散乱光のうち、受信ビーム走査部４の方向に反射されたレーザ光を、受信ビーム走査部４を用いて受光する。受信ビームも送信ビームと同様に、狭いビーム幅を持つペンシルビームである。このとき、受信ビーム走査部４は、送信ビーム走査部３の送信ビームと交差するように、受信ビームの方向を指向させるようにする。それにより、送信ビームと受信ビームの交差した体積部分（分解能体積）の大気で散乱されたレーザ光のみが受信ビーム走査部４で受信されることになる。
【００２１】
受信ビーム走査部４で受光されたレーザ光は受信部５に入力される。受信部５では受信光を増幅するとともに、基準信号発生部１で生成された基準信号を用いて、受信光を周波数変換し、受信信号として信号処理部６へと出力する。信号処理部６では、受信信号に周波数解析を施すことにより、大気のドップラ速度を算出する。具体的には、受信信号をＡＤ変換器でディジタル信号へと変換し、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform; FFT）にドップラスペクトルを算出し、ドップラスペクトルのピークを検出し、そのピークの存在する周波数からドップラ速度を算出する。
【００２２】
信号処理部６では、同時に、受信信号の受信強度を算出し、送信ビーム検出部７へと渡す。送信ビーム検出部７では、受信強度およびその受信強度が得られたときの送信ビームと受信ビームの方向（方位角および仰角）を蓄積する。送信ビームまたは受信ビームの方向を互いに交差する方向の近傍で変更しながら、受信強度を順次蓄積し、最も高い受信強度が得られた場合の送信ビームおよび受信ビームの方向において、送信ビームが検出されたと判定し、当該送信ビームの方向を送信ビーム走査部３に出力するとともに、当該受信ビームの方向を受信ビーム走査部４に出力することにより、これらの方向に送信ビームまたは受信ビームを指向させて風観測を行うようにする。
【００２３】
風観測の方法について説明する。すなわち、以上のようにすることにより、送信ビームと受信ビームの交わる１点でのドップラ速度が計測されるが、受信ビームあるいは送信ビームの方向を変えることにより、同様の測定を他の点で行うことができるので、例えば、送信ビームの方向を固定して、受信ビームを送信ビームに沿って、送信ビーム走査部に近い位置から遠い位置へと（あるいは遠い位置から近い位置へと）走査すれば、送信ビームに沿った一直線上での風を計測することができる。この計測を、送信ビーム方向を変えながら繰り返せば、３次元空間内の全ての点で風速計測を行うことができる。
【００２４】
なお、図１では、受信系統は１つのみの構成であるが、複数の受信系を備える構成とし、複数の地点からドップラ速度を観測すれば、３次元風速ベクトルの異なる複数の成分が得られる。これら複数の成分を合成すれば、３次元風速ベクトルを求めることができる。
【００２５】
なお、高い空間分解能を得るためには、送信ビームと受信ビームの重なる体積を小さくする必要がある。そのため、送信波を放射する送信ビーム走査部３と反射波を受信する受信ビーム走査部４は離れた位置に設置し、送信ビームと受信ビームの間が一定以上の角度となるようにする。その他の構成要素の設置場所は特に制限されないが、例えば送信部２は送信ビーム走査部３と同じ場所に設置し、受信部５、信号処理部６および送信ビーム検出部７は受信ビーム走査部４と同じ場所に設置される。基準信号発生部１については、送信部２と同じ場所か、あるいは、受信部５と同じ場所に設置される。基準信号発生部１からは送信部２と受信部５との両方に基準信号を供給する必要があるが、送信部２と受信部５のいずれか一方は、基準信号発生部１と異なる場所に設置されることになる。離れた場所への基準信号の伝送には、例えば光ファイバなどの伝送線路を用いて伝送する。
【００２６】
図２は、以上の手順をフローチャートにしたものである。ただし、送信ビームの方向は固定し、受信ビームの方向を変更しながら、両ビームが交差する方向を調べる場合を示している。
【００２７】
まず、ステップｓｔ１では、風が計測される点を設定する。次にステップｓｔ２では、ステップｓｔ１で設定された点の方向に送信ビームを指向させて送信を開始する。ステップｓｔ３では、受信ビームを、ステップｓｔ１で設定された点の方向の近傍に指向させて、受信を開始する。
【００２８】
次に、ステップｓｔ４では、受信ビーム走査部４により、大気で反射されたレーザ光を受信する。ステップｓｔ５では、受信された受信波を、受信部５で増幅および周波数変換して受信信号を生成し、信号処理部６で受信信号から受信強度を算出する。
【００２９】
ステップｓｔ６では、予め設定した受信ビーム方向範囲内の全ての方向で、受信強度を収集したかどうかを確認する。受信強度の収集が未完了の場合は、ステップｓｔ７で受信ビーム方向を所定量だけ変化させた後に、ステップｓｔ４に戻る。受信強度の収集が完了した場合には、ステップｓｔ８に進む。ステップｓｔ８では、最大の受信強度を得た受信ビーム方向を、風観測で使用する受信ビーム方向として設定する。
【００３０】
図３は、受信ビームの方向は固定し、送信ビームの方向を調整しながら、送信ビームと受信ビームの交差する方向を探索する手順をフローチャートにしたものである。まず、ステップｓｔ１１では、風が計測される点を設定する。次にステップｓｔ１２では、ステップｓｔ１１で設定された点の方向に受信ビームを指向させて、受信を開始する。
【００３１】
ステップｓｔ１３では、送信ビームを、ステップｓｔ１１で設定された点の方向の近傍に指向させて、送信を開始する。
【００３２】
ステップｓｔ１４では、受信ビーム走査部４により、大気で反射されたレーザ光を受信する。ステップｓｔ１５では、受信された受信波を、受信部５で増幅および周波数変換して受信信号を生成し、信号処理部６で受信信号から受信強度を算出する。
【００３３】
ステップｓｔ１６では、予め設定した送信ビーム方向範囲内の全ての方向で、受信強度を収集したかどうかを確認する。受信強度の収集が未完了の場合は、ステップｓｔ１７で送信ビーム方向を所定量だけ変化させた後に、ステップｓｔ１４に戻る。受信強度の収集が完了した場合には、ステップｓｔ１８に進む。ステップｓｔ１８では、最大の受信強度を得た送信ビーム方向を、風観測で使用する送信ビーム方向として設定する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、送信ビーム検出部７により、最も高い受信強度が得られた場合の送信ビームおよび受信ビームを求めて（一方は固定していてもよい）、それらの方向に送信ビームおよび受信ビームを指向させて風観測を行うようにしたので、送信ビーム走査部および受信ビーム走査部の設置位置や設置姿勢の情報に誤差があるなどの理由で、送信あるいは受信ビームの指向方向に誤差がある場合にも、両ビームを交差させることができ、常に風観測が可能になるという利点がある。
【００３５】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、送信ビームおよび受信ビームの両方がペンシルビームであったが、送受いずれか一方のビームをファンビーム、すなわち方位角方向か仰角方向のいずれか１方向のビーム幅が広いようなビーム形状としても、空間分解能を損なわないようにすることができる。
【００３６】
図４は本実施の形態のレーザレーダ装置の原理を説明する図である。本実施の形態のレーザレーダ装置の構成は前述の図１と同様であるが、送信ビーム走査部３から放射される送信ビームの形状が前述の実施の形態１と異なっている。本実施の形態では、送信ビームが１つの角度方向（図４では垂直方向）に広がったファンビームの形状を持っている。一方、受信ビーム走査部４の受信ビームは、ペンシルビームとしている。送信ビームに広がりがあっても、その広がりの方向が受信ビームの方向と直交に近い方向であれば、両ビームの交差する体積は、ペンシルビーム同士が交わる場合と同程度になる。よって、空間分解能は低下しない。
【００３７】
送信ビーム幅が広がることの利点の一つは、送受の両方でペンシルビームを用いる場合に比べて、受信ビームの指向精度が低くても、両ビームが確実に交わることである。また、多点を観測する場合に、ペンシルビーム同士の場合には、送信ビームの方向を固定すると、その方向に沿った位置でしか観測ができない。それに対して、送信ビームがファンビームであれば、送信ビームの方向を固定していても、受信ビームの走査方向の制限が少ない。例えば図５のように、受信ビームを垂直に走査して、垂直方向に並ぶ複数点の観測データを、送信ビームを走査することなく、受信ビームの走査だけで得ることが可能となる。送受間でのビーム走査の同期をとらなくても良いため、ビーム走査の制御が容易になるという利点がある。
【００３８】
なお、図４または図５では、受信系統は１つのみの構成であるが、複数の受信系を備える構成とし、複数の地点からドップラ速度を観測すれば、３次元風速ベクトルの異なる複数の成分が得られる。これら複数の成分を合成すれば、３次元風速ベクトルを求めることができる。
【００３９】
また、図４または図５では、送信ビームをファンビーム、受信ビームをペンシルビームとするような場合を説明したが、逆に送信ビームをペンシルビームとし、受信ビームをファンビームとする構成でも同様の効果を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明は、送信ビーム走査手段と、受信ビーム走査手段と、信号処理手段と、受信信号強度算出手段と、ビーム方向設定手段とを備え、大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射されたレーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信し、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置であって、前記送信ビーム走査手段は、大気中における所定の送信ビーム方向に対して、基準信号に同期するレーザ光を送信ビームとして放射し、前記受信ビーム走査手段は、前記送信ビーム走査手段が放射する前記送信ビームと交差する方向に受信ビームを形成し、前記送信ビームと当該受信ビームが交差する位置の大気で反射されたレーザ光を受信し、該レーザ光に増幅および周波数変換を施して、受信信号を生成し、前記信号処理手段は、前記受信信号に信号処理を施すことにより、前記受信信号から大気のドップラ速度を算出し、前記受信信号強度算出手段は、前記受信信号の強度を算出し、前記ビーム方向設定手段は、前記受信信号の前記強度と該受信信号取得時における前記所定の送信ビーム方向と該送信ビームに交差する受信ビームの方向とを取得して、前記受信信号の強度のうち略々最大強度となる受信信号に対応する前記送信ビーム方向と前記受信ビーム方向を求めて、前記送信ビーム走査手段および前記受信ビーム走査手段のビーム方向をそれらの方向に設定するレーザレーダ装置であるので、前記ビーム方向設定手段により設定された送信ビーム方向および受信ビーム方向において前記レーザ光の送受信を行って、その結果得られる受信信号から前記信号処理手段が大気のドップラ速度の算出を行うので、たとえビーム方向に誤差が生じる場合にも、ビームを交差させて風計測を常に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置の受信ビーム方向設定手順の流れを示す流れ図である。
【図３】 この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置の送信ビーム方向設定手順の流れを示す流れ図である。
【図４】 この発明の実施の形態２のレーザレーダ装置の原理を説明する図である。
【図５】 この発明の実施の形態２のレーザレーダ装置の原理を説明する図である。
【符号の説明】
１ 基準信号発生部、２ 送信部、３ 送信ビーム走査部、４ 受信ビーム走査部、５ 受信部、６ 信号処理部、７ 送信ビーム検出部。
Claims (6)
- 送信ビーム走査手段と、受信ビーム走査手段と、信号処理手段と、受信信号強度算出手段と、ビーム方向設定手段とを備え、大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射されたレーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信し、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置であって、
前記送信ビーム走査手段は、大気中における所定の送信ビーム方向に対して、基準信号に同期するレーザ光を送信ビームとして放射し、
前記受信ビーム走査手段は、前記送信ビーム走査手段が放射する前記送信ビームと交差する方向に受信ビームを形成し、前記送信ビームと当該受信ビームが交差する位置の大気で反射されたレーザ光を受信し、該レーザ光に増幅および周波数変換を施して、受信信号を生成し、
前記信号処理手段は、前記受信信号に信号処理を施すことにより、前記受信信号から大気のドップラ速度を算出し、
前記受信信号強度算出手段は、前記受信信号の強度を算出し、
前記ビーム方向設定手段は、前記受信信号の前記強度と該受信信号取得時における前記所定の送信ビーム方向と該送信ビームに交差する受信ビームの方向とを取得して、前記受信信号の強度のうち略々最大強度となる受信信号に対応する前記送信ビーム方向と前記受信ビーム方向を求めて、前記送信ビーム走査手段および前記受信ビーム走査手段のビーム方向をそれらの方向に設定する
ことを特徴とするレーザレーダ装置。 - 前記送信ビーム方向および前記受信ビーム方向のいずれか一方は固定し、他方を前記ビーム方向設定手段が変更する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。 - 前記送信ビーム走査手段は、送信ビームとしてファンビームを放射し、
前記受信ビーム走査手段は、受信ビームとしてペンシルビームを形成する
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。 - 前記送信ビーム走査手段は、送信ビームとしてペンシルビームを放射し、
前記受信ビーム走査手段は、受信ビームとしてファンビームを形成する
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。 - 大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射された前記レーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信して、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置の送信ビームおよび受信ビームの方向を設定するビーム方向設定方法であって、
風計測点を設定する第１のステップと、
前記風計測点の方向へ送信ビームを指向させ、送信を開始する第２のステップと、
前記風計測点の方向の近傍へ受信ビームを指向させ、受信を開始する第３のステップと、
前記送信ビームと前記受信ビームが交差する位置の大気で反射された前記レーザ光を反射波として受信する第４のステップと、
前記反射波を信号処理することにより、前記反射波の受信強度を得る第５のステップと、
予め設定した範囲内の方向の受信強度を全て算出し終えたか否かを判定し、し終えていない場合に前記受信ビームの方向を変化させ、算出し終えた場合に略々最大の受信強度を得た受信ビーム方向を実際の観測で使用する受信ビーム方向として設定する第６のステップと
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置のビーム方向設定方法。 - 大気中にレーザ光を送信ビームとして放射するとともに、送信ビームと交差する方向の受信ビームを形成して、それらが交差する位置の大気で反射された前記レーザ光をレーザ光放射位置から離れた位置で受信して、大気のドップラ速度を観測することにより風計測を行うレーザレーダ装置の送信ビームおよび受信ビームの方向を設定するビーム方向設定方法であって、
風計測点を設定する第１のステップと、
前記風計測点の方向へ受信ビームを指向させ、受信を開始する第２のステップと、
前記風計測点の方向の近傍へ送信ビームを指向させ、送信を開始する第３のステップと、
前記送信ビームと前記受信ビームが交差する位置の大気で反射された前記レーザ光を反射波として受信する第４のステップと、
前記反射波を信号処理することにより、前記反射波の受信強度を得る第５のステップと、
予め設定した範囲内の方向の受信強度を全て算出し終えたか否かを判定し、し終えていない場合に前記送信ビームの方向を変化させ、算出し終えた場合に略々最大の受信強度を得た送信ビーム方向を実際の観測で使用する送信ビーム方向として設定する第６のステップと、
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置のビーム方向設定方法。
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