JP6005302B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば気象空間における風向風速を遠隔計測するレーザレーダ装置に関するものである。

特許文献１には、走査光軸に沿ってパルス状の送信光を送信し、この送信光に基づく受信光に含まれるドップラ周波数光信号を分析して、走査光軸の方位における風速等を計測するレーザレーダ装置が開示されている。このレーザレーダ装置は、ドップラ周波数光信号をドップラ周波数電気信号に変換し、このドップラ周波数電気信号を分析する分析回路を備えている。

また、風向風速を計測するレーザレーダ装置では、送信光をパルス化するため、送信器内に光強度変調ユニットを用いている。しかしながら、この光強度変調ユニットに用いる音響光学変調器（ＡＯ（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ）変調器）では、変調用の超音波信号が残響することに起因するキャリアリーク光が発生する。そして、このキャリアリーク光が光ヘテロダイン受信機で不要なビート信号を誘発する。
この不要なビート信号は計測したいドップラ信号と周波数領域で重なるため、ドップラ周波数を正しく推定できなくなるという不都合がある。

その対策として、特許文献１では、光強度変調ユニットの入力端の前段に光サーキュレータを設置し、光強度変調ユニットの出力端の後段に全反射ミラーを設置している。これにより、光強度変調ユニットを往復伝搬させて、パルスＯＦＦ期間のキャリアリーク光を低減することができる。

特開２００７−８５７５６号公報

従来の風向風速を計測するレーザレーダ装置では、パルスＯＦＦ期間のキャリアリーク光を低減するために、光強度変調ユニットを往復伝搬させるための光サーキュレータおよび全反射ミラーが必要である。そのため、部品点数が増加し、また光軸調整点数も増加する結果、コスト低減や信頼性において課題があった。

また、光強度変調ユニットを往復伝搬させると、挿入損失が増加する。そのため、この挿入損失を補てんするために、前段の基準光源のパワーを増強するか、後段の光増幅器の利得を増加させる等の対策が必要である。よって、消費電力の低減とコスト低減において課題があった。

さらに、従来の風向風速を計測するレーザレーダ装置では、走査光軸に沿った方位における風速の正負（向かい風および追い風）を検出するため、パルスＯＮ期間に送信光にオフセット周波数を付加する必要がある。そのため、光強度変調ユニットには周波数シフト機能のあるＡＯ変調器が用いられている。

このＡＯ変調器は、ガラス基板や音響光学結晶の端面に取り付けたピエゾ等のトランスデューサに高周波電圧を印加することで、媒質内に超音波を励起伝搬させる。媒体内を超音波で振動させると屈折率の粗密の周期構造が生成され、超音波の速度で伝搬する。媒質のトランスデューサの対向端面を超音波吸収帯で無反射終端することで、あたかも位相格子が超音波の速度で一定方向に移動する。

ＡＯ変調器に光を入射すると、出射光は媒体内に生じた位相格子でのブラッグ回折により進行方向が変化するだけでなく、位相格子の移動に伴いドップラシフトを受ける。トランスデューサに印加する高周波信号をＯＮおよびＯＦＦすることでパルス光に切り出すと同時に、パルスＯＮ期間に一定の周波数シフトを付加することができる。

音響光学素子のブラッグ角θは、光の波長λ、オフセット周波数ｆ_ｏｆｓ、音響光学素子内での超音波の進行速度ｖ_ａにより次式で表される。

典型的なＡＯ変調器の例として、λ＝１．５５［μｍ］，ｆ_ｏｆｓ＝８０［ＭＨｚ］，ｖ_ａ＝３．６３［ｍｍ／μｓ］の場合には、ブラッグ角θは１７［ｍｒａｄ］であり約１度に相当する。

しかしながら上記のレーザレーダ装置に用いられるＡＯ変調器では、ブラッグ回折角が１度以下と小さい。そのため、０次透過光と１次回折光とを光学的に分離するためには少なくとも、３０［ｍｍ］程度以上は伝搬距離が必要であり、小型集積化には適していなかった。
また、音響光学結晶と入射光および出射光の光軸をブラッグ回折角に一致するように、各６軸（並進位置、角度）を精密調整する必要があり、組み立て調整費用の低減が困難であった。

さらに、ブラッグ角θが光波長λに依存して変化する。そして、ブラッグ角変化による入出力端での光軸ずれ（およびそれに伴う挿入損失の増加）を低減するためには、基準光源の中心波長を一定に制御する必要があり、コストがかかっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＡＯ変調器を用いずに送信側に必要な周波数シフトとパルス化を実施することで、装置の小型・集積化、部品点数低減による信頼性向上とコスト低減を図ることができるレーザレーダ装置を提供することを目的としている。

この発明に係るレーザレーダ装置は、連続発振光である局部発振光および送信光を出力する光送信ユニットと、光送信ユニットにより出力された送信光を空間に放射し、当該送信光に対する後方散乱光を受信光として受信する光アンテナと、光送信ユニットにより出力された局部発振光および光アンテナにより受信された受信光を用いて光ヘテロダイン検出を行う光ヘテロダイン受信機と、光ヘテロダイン受信機による検出結果を周波数分析する信号処理ユニットとを備えたレーザレーダ装置であって、光送信ユニットは、連続発振光に対して位相変調を行う光位相変調器と、光位相変調器により位相変調された光に対してパルス変調を行い送信光とする光強度変調部と、周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号を発生して光強度変調部を駆動する第１の信号発生部と、光位相変調器の変調位相２πを得るために必要な駆動電圧の整数倍に相当する振幅および一定周期を持つ鋸波駆動信号を発生して光位相変調器を駆動する第２の信号発生部と、第２の信号発生部により発生された鋸波駆動信号のうち、第１の信号発生部により発生されたパルス変調駆動信号のパルスＯＮ期間に相当する部分を切り出したバースト状の鋸波駆動信号を出力して、第２の信号発生部に代えて光位相変調器を駆動する第３の信号発生部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、ＡＯ変調器を用いずに送信側に必要な周波数シフトとパルス化を実施することで、装置の小型・集積化、部品点数低減による信頼性向上とコスト低減を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の光送信ユニットの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る光位相変調器への鋸波駆動信号と、位相変調特性（ビート信号）を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の光送信ユニットの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置において、光強度変調器が不十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比であり、かつ、第２の光強度変調器がない場合での各光のタイミングダイヤグラムを示す図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置において、光強度変調器が不十分なＯＮ／ＯＦＦ消光比であり、かつ、第２の光強度変調器がある場合での各光のタイミングダイヤグラムを示す図である。 この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の光送信ユニットの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す図である。 この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の光送信ユニットの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す図である。 この発明の実施の形態５に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５に係るレーザレーダ装置において、波長切替えの際に光遮断時間がある場合を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態５に係るレーザレーダ装置において、波長切替えの際に光遮断時間をなくすよう制御した場合を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置の光送信ユニットの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置における第１の周波数偏移補償方法を説明する図である。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す図である（周波数偏移補償なしの場合）。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す図である（第１の周波数偏移補償方法を適用した場合）。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置における第２の周波数偏移補償方法を説明する図である。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す図である（第２の周波数偏移補償方法を適用した場合）。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置の信号演算部による周波数偏移推定を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置における周波数偏移の時間波形を示す図である。 この発明の実施の形態７に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態７に係るレーザレーダ装置において、波長切替えの際に光遮断時間をなくすよう制御した場合を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態８に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態８に係るレーザレーダ装置において、波長切替えの際に光遮断時間をなくすよう制御した場合を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態９に係るレーザレーダ装置の光送信ユニットの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態９に係るレーザレーダ装置のデュアルパラレル位相変調器の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の光位相変調器の動作を説明する図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
レーザレーダ装置は、図１に示すように、光送信ユニット１、光増幅器２、光サーキュレータ３、光アンテナユニット（光アンテナ）４、光ヘテロダイン受信機５、信号処理ユニット６および表示部７から構成されている。なお図１において、太線ＯＦ１〜ＯＦ７は光信号の伝送路を示し、細線は電気信号の伝送路を示している。

光送信ユニット１は、連続発振・定偏光（連続発振光）である局部発振光と、周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰り返したパルス変調を行った送信光とを出力するものである。この光送信ユニット１は、基準光源１１、光路分岐カプラ１２および光周波数・強度変調ユニット１３から構成されている。

基準光源１１は、単一波長（単一周波数）の連続発振かつ定偏光である光を発生するものである。この基準光源１１により発生された光は伝送路ＯＦ１を介して光路分岐カプラ１２に伝送される。

光路分岐カプラ１２は、基準光源１１からの光を偏光状態を維持したまま２分岐するものである。この光路分岐カプラ１２により２分岐された一方の光は局部発振光として伝送路ＯＦ３を介して光ヘテロダイン受信機５に伝送され、他方の光は送信用の種光として伝送路ＯＦ２を介して光周波数・強度変調ユニット１３に伝送される。

光周波数・強度変調ユニット１３は、光路分岐カプラ１２からの光に対して、オフセット周波数を付与し、かつ、周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰り返したパルス変調を行うものである。この光周波数・強度変調ユニット１３の構成については後述する。この光周波数・強度変調ユニット１３により周波数・強度変調された光は送信光として伝送路ＯＦ４を介して光増幅器２に伝送される。

光増幅器２は、光送信ユニット１の光周波数・強度変調ユニット１３からの送信光を光増幅するものである。この際、光増幅器２は、増幅媒体の蓄積作用を利用して送信光のパルスＯＦＦ期間に蓄積したエネルギーをパルスＯＮ期間に開放することで、光増幅を行う。この光増幅器２により光増幅された送信光は伝送路ＯＦ５を介して光サーキュレータ３に伝送される。

光サーキュレータ３は、入力光（送信光または受信光）に応じて、出力先の伝送路を切替えるものである。ここで、光サーキュレータ３は、光増幅器２から送信光が伝送された場合には、当該送信光を伝送路ＯＦ６を介して光アンテナユニット４に伝送する。一方、光サーキュレータ３は、光アンテナユニット４から受信光が伝送された場合には、当該受信光を伝送路ＯＦ７を介して光ヘテロダイン受信機５に伝送する。

光アンテナユニット４は、光サーキュレータ３により伝送された送信光を空間（観測空間）に放出し、かつ、当該送信光に対する空間からの後方散乱光を受信光として受信するものである。なお、光アンテナユニット４は、送信光を放出する際、当該送信光を特定のビーム径に拡大しつつビームの射出方向を特定方向に設定して空間に放出する。また、光アンテナユニット４により空間に放出された送信光は、観測空間における散乱対象（例えば風速と同じ速度で移動するエアロゾル）により後方散乱され、散乱対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトを受ける。そして、散乱対象からの後方散乱光を光アンテナユニット４により受信する。この光アンテナユニット４により受信された受信光は伝送路ＯＦ６を介して光サーキュレータ３に伝送される。

光ヘテロダイン受信機５は、光送信ユニット１の光路分岐カプラ１２からの局部発振光および光サーキュレータ３を介した光アンテナユニット４からの受信光を用いて、光ヘテロダイン検出を行うものである。すなわち、光ヘテロダイン受信機５は、局部発振光と受信光（後方散乱光）とを光学的に合波して光電変換を行うことで、後方散乱光と局部発振光との差周波数のビート信号を出力する。この光ヘテロダイン受信機５により出力されたビート信号は信号処理ユニット６に伝送される。

信号処理ユニット６は、光ヘテロダイン受信機５からのビート信号を周波数分析するものである。この際、信号処理ユニット６は、まず、ビート信号を特定のサンプリングレートでＡＤ変換する。そして、ＡＤ変換したビート信号を送信光のパルス幅に対応した受信ゲート（時間ゲート）幅ごとに分割する。そして、分割したビート信号を受信ゲートごとに高速フーリエ変換することで、受信ゲートごとに得られたパワースペクトルのビーク値、スペクトル幅、ＳＮＲ等を算出する。ここで、各受信ゲートは計測距離に対応するため、上記の演算により観測距離ごとの視線方向の風速に対応したドップラ周波数の分布を得ることができる。
また、信号処理ユニット６は、観測視線に対する指令値を光アンテナユニット４に出力する機能を持つ。したがって、この指令値にしたがって得られた各視線方向に対する観測距離、風速の計測値を格納することで、ベクトル演算により風速の３次元分布の推定や観測距離ごとの風向風速分布を得ることができる。この信号処理ユニット６による分析結果は表示部７に伝送される。

表示部７は、信号処理ユニット６による分析結果を表示するものである。

次に、光周波数・強度変調ユニット１３の構成について、図２を参照しながら説明する。
光周波数・強度変調ユニット１３は、図２に示すように、光位相変調器１３１、光強度変調部１３２、第１の信号発生部１３３および第２の信号発生部１３４から構成されている。そして、第１の信号発生部１３３は光強度変調部１３２に接続され、第２の信号発生部１３４は光位相変調器１３１に接続されている。

光位相変調器１３１は、第２の信号発生部１３４により発生された鋸波駆動信号ＷＦ０２に従い、光路分岐カプラ１２からの光に対して位相変調を行いオフセット周波数を付与するものである。この光位相変調器１３１により位相変調された送信光は伝送路ＯＦ８を介して光強度変調部１３２に伝送される。

光強度変調部１３２は、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１に従い、光位相変調器１３１からの光に対してパルス変調を行い送信光とするものである。なお、光強度変調部１３２は、レーザレーダ装置に必要となるパルス幅（数１００［ｎｓ］〜１［μｓ］）および繰り返し周波数（数［ｋＨｚ］〜数１０［ｋＨｚ］程度）に応答する手段であれば何でもよい。例えば、Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ型のＬＮ変調器、ＥＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器等の強度変調器のほか、半導体光増幅器、光ファイバ増幅器等の光増幅器、また、ＭＥＭＳ光スイッチ等の光スイッチ等が考えられる。

第１の信号発生部１３３は、パルス型のレーザレーダ装置の送信光に必要となる周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号ＷＦ０１を発生して光強度変調部１３２を駆動するものである。

第２の信号発生部１３４は、光位相変調器１３１の変調位相２π（３６０度）を得るために必要な駆動電圧２Ｖπの整数倍（ｍ倍）に相当する振幅２ｍＶπと、一定周期Ｔとを持つ鋸波駆動信号ＷＦ０２を発生して光位相変調器１３１を駆動するものである。

次に、上記のように構成された風計測用のレーザレーダ装置の動作について説明する。
レーザレーダ装置の動作では、図１，２に示すように、まず、基準光源１１は、単一波長の連続発振かつ定偏光である光を発生し、光路分岐カプラ１２は、当該光を偏光状態を維持したまま２分岐して一方を局部発振光として光ヘテロダイン受信機５に伝送し、他方を送信用の種光として光周波数・強度変調ユニット１３に伝送する。

次いで、光周波数・強度変調ユニット１３は、光路分岐カプラ１２からの光に対して、オフセット周波数ｆ_ｏｆｓを付与し、かつ、周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰り返したパルス変調を行うことで送信光とする。ここで、代表的なレーザレーダ装置では、光路分岐カプラ１２からの光の周波数νとして１９５［ＴＨｚ］、オフセット周波数ｆ_ｏｆｓとして数１０［ＭＨｚ］〜数１００［ＭＨｚ］、パルス幅として数１００［ｎｓ］〜１［μｓ］程度が用いられる。この光周波数・強度変調ユニット１３の動作の詳細については後述する。

次いで、光増幅器２は光周波数・強度変調ユニット１３からの光を光増幅し、光アンテナユニット４は、当該光を送信光として、特定のビーム径に拡大しつつビームの射出方向を特定方向に設定して空間に放出する。
この光アンテナユニット４により放出された送信光は、観測空間における散乱対象により後方散乱され、散乱対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトを受ける。そして、光アンテナユニット４は、当該後方散乱光を受信光として受信する。

次いで、光ヘテロダイン受信機５は、光送信ユニット１からの局部発振光および光サーキュレータ３を介した光アンテナユニット４からの受信光を用いて、光ヘテロダイン検出を行う。すなわち、光ヘテロダイン受信機５は、局部発振光と受信光（後方散乱光）とを光学的に合波して光電変換を行うことで、後方散乱光と局部発振光との差周波数のビート信号を出力する。

ここで、光ヘテロダイン受信機５で得られるビート信号の周波数ｆは、次式（１）で表される。

ここで、ｆ_ｏｆｓは光周波数・強度変調ユニット１３のオフセット周波数、ｆ_ＤＯＰは風速によるドップラ周波数を示している。

このビート信号は、例えばオフセット周波数ｆ_ｏｆｓを５０［ＭＨｚ］、風速によるドップラ周波数ｆ_ＤＯＰを±５０［ＭＨｚ］と仮定すると、１００［ＭＨｚ］以下の中心周波数となる。このビート信号は、送信光が放射された直後から連続的に得られる。また、送信光を放射した後、受信光が受信されるまでの到来時間Δｔから、次式（２）のように散乱対象までの距離Ｌを算出することができる。

ここで、ｃは光速を示している。

次いで、信号処理ユニット６は、光ヘテロダイン受信機５からのビート信号を周波数分析する。そして、この信号処理ユニット６による分析結果は、レーザレーダ装置内のデータ蓄積部（不図示）に格納されるほか、表示部７により必要な情報がユーザに表示提供される。

次に、光周波数・強度変調ユニット１３の動作について説明する。
光周波数・強度変調ユニット１３の動作では、まず、第２の信号発生部１３４は、光位相変調器１３１の変調位相２π（３６０度）を得るために必要な駆動電圧２Ｖπの整数倍（ｍ倍）に相当する振幅２ｍＶπと、一定周期Ｔとを持つ鋸波駆動信号ＷＦ０２を発生する。そして、光位相変調器１３１は、この鋸波駆動信号ＷＦ０２に従い、光路分岐カプラ１２からの送信光に対して位相変調を行いオフセット周波数を付与する。

これにより光位相変調器１３１からは、次式（３）のように、時間ｔに対して一定の変化率２ｍπ／Ｔ［ｒａｄ／ｓ］の位相φ（ｔ）が出力される。

ここで、ｍｏｄ（ｔ，Ｔ）は時間ｔを周期Ｔで割った際の剰余を示している。

また、周波数ｆは次式（４）のように、位相φの時間微分で定義できる。

そして、位相φ（ｔ）の時間変化率は２ｍπ／Ｔ［ｒａｄ／ｓ］であるため、次式（５）のように、光位相変調器１３１により鋸波駆動信号ＷＦ０２の周期Ｔの逆数に比例したオフセット周波数ｆ_ｏｆｓを得ることができる。

図３に、１［ｋＨｚ］の周波数シフトを実現するために光位相変調器１３１に入力される鋸波駆動信号ＷＦ０２と、これにより光ヘテロダイン受信機５で得られたビート信号の実測例を示す。図３において、下段の細線が鋸波駆動信号ＷＦ０２の波形を示し、上段の太線がビート信号の波形を示している。
図３において、鋸波駆動信号ＷＦ０２の振幅は、光位相変調器１３１の２Ｖπ電圧（３６０度）である７［Ｖ］に設定し、周期Ｔは１［ｍｓ］に設定した。この場合、ビート信号として一定周期１［ｍｓ］の正弦波が得られており、所望の１［ｋＨｚ］の周波数シフトが得られていることがわかる。

このように、第２の信号発生部１３４により発生された鋸波駆動信号ＷＦ０２で光位相変調器１３１を駆動することで、送信光に所望のオフセット周波数を付与することができる。例えば図３において、光位相変調器１３１により５０［ＭＨｚ］の周波数シフトを実現するためには、振幅７［Ｖ］かつ周期２０［ｎｓ］を持つ鋸波駆動信号ＷＦ０２を発生させればよい。

次いで、第１の信号発生部１３３は、パルス型のレーザレーダ装置の送信光に必要となる周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号ＷＦ０１を発生する。そして、光強度変調部１３２は、このパルス変調駆動信号ＷＦ０１に従い、光位相変調器１３１からの光に対してパルス変調を行い送信光とする。

ここで、図４に、実施の形態１に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す。
図４に示すように、実施の形態１に係るレーザレーダ装置では、まず、光位相変調器１３１および光強度変調部１３２により、特定のパルス幅と繰り返し周期を持つ送信光１０１が出力される。この送信光１０１の周波数は、基準光源１１の出力周波数をν、光位相変調器１３１によるオフセット周波数をｆ_ｏｆｓとして、ν＋ｆ_ｏｆｓで表される。

次に、受信光１０２は、大気中を風に乗って移動するエアロゾルからの後方散乱光であり、送信光１０１のパルスＯＦＦ期間に連続的に収集される。図４は、説明のため特定の距離レンジに対応した受信光１０２を記載しているが、実際には送信光１０１のパルスＯＦＦ期間に連続的に収集される。この受信光１０２の周波数は、風速によるドップラ周波数ｆ_ｗが加わるため、ν＋ｆ_ｏｆｓ＋ｆ_ｗで表される。

一方、局部発振光１０３は時間的に連続波で出力され、その周波数は基準光源１１の周波数νと一致している。
そして、光ヘテロダイン受信機５では、受信光１０２と局部発振光１０３とを光学的に合波した後、光電変換して、受信光１０２と局部発振光１０３との差周波数のビート信号ｆ_ｏｆｓ＋ｆ_ｗを出力する。

したがって、光ヘテロダイン信号（ビート信号）スペクトルの時系列データは、中心周波数ｆ_ｏｆｓからドップラ周波数ｆ_ｗだけ離調したスペクトルとして得られる。
以上の構成により、従来のレーザレーダ装置で必要だったＡＯ変調器を用いない構成で、所望のオフセット周波数の付与と、パルス変調を実現することができる。

なお、本発明で用いる光位相変調器１３１は、ＬＮ結晶の電気光学効果による伝搬光路の屈折率変化を利用している。そのため、ＡＯ変調器のような回折効果と回折光の空間分離のための伝搬長が不要であり、小型化、低消費電力化に寄与することができる。また、伝搬長の短縮により、基準光源１１に隣接させて集積化することも可能となる。

また、光位相変調器１３１および光強度変調部１３２は、光通信用として高速応答（カットオフ周波数≧数１０［ＧＨｚ］）のものを市販品として入手できる。そのため、光通信用として普及していないＡＯ変調器、変調駆動装置を使用する従来構成に比べて、信頼性向上と低コスト化に寄与することができる。

また、ＡＯ変調器を用いた場合には、基準光源１１の周波数（中心波長）に依存して回折角度が変化する結果、挿入損失が変化して回線ペナルティが発生する。一方、本発明の構成では、波長依存性を有する素子が存在しないため、基準光源１１の波長変動、波長設定範囲に対する許容範囲を拡大することができる。これにより、基準光源１１の波長選定、試験、安定化のための機器が不要となり、低コスト化に寄与することができる。

また、光送信ユニット１内部のブロックを光ファイバ接続なしで、バットジョイント接続して１モジュールに集積化することも可能である。
また、従来では、パルスＯＦＦ期間のキャリアリーク光を低減するために、光強度変調ユニットを往復伝搬させるための光サーキュレータおよび全反射ミラーが必要であった。それに対して、本発明では、上記光サーキュレータや全反射ミラーが不要となるため、部品点数が低減し、低コスト化に寄与することができる。

なお図４では、光ヘテロダイン信号スペクトルとして、特定の距離レンジにおける風速によるドップラ周波数ｆ_ｗの存在範囲を符号１０４に示し、ドップラ周波数ｆ_ｗがゼロ以外の場合（風速≠０）に観測されるピーク周波数を符号１０５に示し、ドップラ周波数ｆ_ｗがゼロの場合（風速＝０）に観測されるピーク周波数を符号１０６に示している。

ここで、符号１０６に示すように、風速＝０の場合には、観測信号の中心周波数は中心周波数であるｆ_ｏｆｓに一致する。図４の例では、送信光１０１が理想的にＯＮおよびＯＦＦされ、パルスＯＦＦ期間に漏えい光がない場合を想定している。そのため、光ヘテロダイン信号には、漏えい光に伴う不要なビート信号が存在しない。
したがって、信号処理ユニット６では、ドップラ周波数ｆ_ｗの存在範囲１０４のみをフィルタで切り出して信号処理するだけでよい。なお、送信光１０１にパルスＯＦＦ期間の漏えい光が存在する場合の構成については、実施の形態２以降で詳述する。

以上のように、この実施の形態１によれば、レーザレーダ装置の送信側の機能として必要なオフセット周波数の付加とパルス変調とを実現する手段として、光位相変調器１３１と光強度変調部１３２との組合せで実現するように構成したので、ＡＯ変調器を用いずに送信側に必要な周波数シフトとパルス化を実施することで、装置の小型・集積化、部品点数低減による信頼性向上とコスト低減を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、送信光特性として理想的なパルス変調を仮定した場合について示した。それに対して、実施の形態２では、送信光のパルスＯＦＦ期間に漏えい光が存在する場合について示す。図５はこの発明の実施の形態２に係る光送信ユニット１の構成を示すブロック図である。図５に示す実施の形態２に係る光送信ユニット１は、図２に示す実施の形態１に係る光送信ユニット１の光周波数・強度変調ユニット１３に、光強度変調部１３２に従属接続された第２の光強度変調部１３５を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

なお、第１の信号発生部１３３は、パルス型のレーザレーダ装置の送信光に必要となる周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号ＷＦ０１を発生して光強度変調部１３２および第２の光強度変調部１３５を駆動する。

第２の光強度変調部１３５は、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１に従い、光強度変調部１３２からの送信光に対してパルス変調を行い送信光とするものである。この際、第２の光強度変調部１３５は、光強度変調部１３２と共に同期変調を行うことで、送信光のパルスＯＦＦ期間の漏えい光を抑圧する。なお、第２の光強度変調部１３５は、レーザレーダ装置に必要となるパルス幅（数１００［ｎｓ］〜１［μｓ］）および繰り返し周波数（数［ｋＨｚ］〜数１０［ｋＨｚ］程度）に応答する手段であれば何でもよい。例えば、Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ型のＬＮ変調器、ＥＡ変調器等の強度変調器のほか、半導体光増幅器、光ファイバ増幅器等の光増幅器、また、ＭＥＭＳ光スイッチ等の光スイッチ等が考えられる。

図６に、実施の形態２における光強度変調器２３によるパルスＯＦＦ期間の消光特性が理想的でない場合での各光のタイミングダイヤフラムを示す。
図６に示すように、実施の形態２に係るレーザレーダ装置では、特定のパルス幅と繰り返し周期を持つ送信光１０１がパルスＯＮ期間に出力される一方、パルスＯＦＦ期間に漏えい光２０１が出力される。

この漏えい光２０１は、その後、光増幅器２により増幅される。そして、光サーキュレータ３の伝送路ＯＦ５から伝送路ＯＦ７へのクロストーク、および伝送路ＯＦ６の後段の光アンテナユニット４の内部部品の反射により、送信光１０１（パルスＯＮ期間）の受信光路へのクロストーク２０２、および漏えい光２０１（パルスＯＦＦ期間）の受信光路への漏えい光２０３として、光ヘテロダイン受信機５に入射する。

この受信光路への漏えい光２０３は、送信光１０１の直接光の漏えい分や、固定物からの反射であるため、周波数として送信光１０１（パルスＯＮ期間）と同じ周波数ν＋ｆ_ｏｆｓを持つ。
このため、光ヘテロダイン受信機５内で、受信光路への漏えい光２０３と局部発振光１０３とが干渉して不要なビート信号２０４を発生する。この不要なビート信号２０４は、受信光路への漏えい光２０３と局部発振光１０３との差周波数であるｆ_ｏｆｓを持ち、これが時間的に常に存在する。

一方、図６において、光ヘテロダイン信号スペクトルとして、特定の距離レンジにおける風速によるドップラ周波数ｆ_ｗの存在範囲を符号１０４に示し、ドップラ周波数ｆ_ｗがゼロ以外の場合（風速≠０）に観測されるピーク周波数を符号１０５に示し、ドップラ周波数ｆ_ｗがゼロの場合（風速＝０）に観測されるピーク周波数を符号１０６に示す。

図６では、風速によるドップラ周波数ｆ_ｗのピーク周波数１０５，１０６と不要なビート信号２０４とがスペクトル上で重なる。そのため、直接的に風速によるドップラ周波数ｆ_ｗのピーク周波数１０５，１０６のみを検出することが困難となる。
なお、不要なビート信号２０４は中心周波数ｆ_ｏｆｓの固定値であるため、これを信号処理的に棄却すれば、風速≠０については検出可能となる。しかしながら、風速＝０の場合での計測は依然として困難である。

そこで、第２の光強度変調部１３５を用いて光強度変調部１３２と共に同期変調させることで、パルスＯＦＦ期間の漏えい光２０１を抑圧する。

図７に、実施の形態２における第２の光強度変調部１３５を光強度変調部１３２と共に同期変調させた場合での各光のタイミングダイヤフラムを示す。
図７に示すように、実施の形態２に係るレーザレーダ装置では、第２の光強度変調部１３５を光強度変調部１３２と共に同期変調させることで、パルスＯＦＦ期間の送信光１０１の漏えい光２０１が抑圧される。これにより、受信光としては、送信光１０１（パルスＯＮ期間）の受信光路へのクロストーク２０２と、風速ドップラによる受信光１０２が得られる。

そして、光ヘテロダイン受信機５において、局部発振光１０３と合成される結果、光ヘテロダイン信号スペクトルには送信光１０１（パルスＯＮ期間）のクロストーク２０２と局部発振光１０３とのビート信号２０５と、風速によるドップラ周波数ｆ_ｗ（ピーク周波数１０５，１０６、存在範囲１０４）のみがスペクトル上に現れる。

ここで、送信光１０１（パルスＯＮ期間）のクロストーク２０２と局部発振光１０３とのビート信号２０５は、レーザレーダ装置で不要な距離０ｍでの信号に対応するため、時間的に棄却すればよい。これにより、風速観測したいパルスＯＦＦ期間において、光ヘテロダイン信号スペクトル内から、不要なビート信号２０５が抑圧できるため、正確な風速ドップラの検出が可能となる。

なお実施の形態２では、光強度変調部１３２，１３５を２段用いる場合を説明したが、これに限るものではなく、必要な抑圧レベルに応じて２段以上従属接続してもよい。

ここで、従来のＡＯ変調器を多段接続する場合、段数増加に伴って中心周波数が増加する。そのため、光ヘテロダイン受信機５の使用部品を高周波化したり、信号処理ユニット６での信号サンプリングレートを増加させる必要があった。それに対し、実施の形態２における光強度変調部１３２，１３５の多段接続では、中心周波数は変化しないため、後段の信号処理を変更なく使用できる。

また、光強度変調部１３２，１３５において、その全てまたはその一部に半導体光増幅器、光ファイバ増幅器等の光増幅器を用いてもよい。この場合、光位相変調器１３１、光強度変調部１３２，１３５の多段接続により増加したパルスＯＮ期間の挿入損失（光路損失）を、光増幅による利得で補てんすることが可能となる。

以上のように、この実施の形態２によれば、光強度変調部１３２，１３５を複数従属接続させて同期変調を行うように構成したので、実施の形態１における効果に加え、レーザレーダ装置の送信側の性能として必要な高いパルスＯＮ／ＯＦＦ消光比の実現が可能となる。また、光強度変調部１３２および第２の光強度変調部１３５はともに波長依存性がないため、従来のＡＯ変調器を用いた構成に比べて、基準光源１１の波長変動や波長設定範囲に対する許容範囲を拡大することができる。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、連続的な鋸波駆動信号ＷＦ０２で位相変調を行う場合について示した。それに対し、実施の形態３では、送信光に同期したバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３で位相変調を行う場合について示す。図８はこの発明の実施の形態３に係る光送信ユニット１の構成を示すブロック図である。図８に示す実施の形態３に係る光送信ユニット１は、図２に示す実施の形態１に係る光送信ユニット１の光周波数・強度変調ユニット１３に信号乗算部（第３の信号発生部）１３６を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についての説明を行う。

信号乗算部１３６は、第２の信号発生部１３４により発生された鋸波駆動信号ＷＦ０２のうち、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ期間に相当する部分を切り出したバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３を出力して、第２の信号発生部１３４に代えて光位相変調器１３１を駆動するものである。

なお、光位相変調器１３１は、信号乗算部１３６により出力されたバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３に従い、光路分岐カプラ１２からの光に対して位相変調を行いオフセット周波数を付与する。
これにより、伝送路ＯＦ０４から出力される送信光は、パルスＯＮ期間にはオフセット周波数ｆ_ｏｆｓが付加され、パルスＯＦＦ期間にはオフセット周波数が付加されない。

ここで、光強度変調部１３２のパルスＯＦＦ期間に漏えい光が存在する場合、実施の形態１の構成では、漏えい光にオフセット周波数が付加されていた。それに対して、実施の形態３では、漏えい光にオフセット周波数が付加されない。

図９に、実施の形態３に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す。
図９に示すように、実施の形態３に係るレーザレーダ装置では、特定のパルス幅と繰り返し周期を持つ送信光１０１がパルスＯＮ期間に出力される一方、パルスＯＦＦ期間に漏えい光３０１が出力される。

この漏えい光３０１は、その後、光増幅器２により増幅される。そして、光サーキュレータ３の伝送路ＯＦ５から伝送路ＯＦ７へのクロストーク、および伝送路ＯＦ６の後段の光アンテナユニット４の内部部品の反射により、送信光１０１（パルスＯＮ期間）の受信光路へのクロストーク３０２、および漏えい光３０１（パルスＯＦＦ期間）の受信光路への漏えい光３０３として、光ヘテロダイン受信機５に入射する。

パルスＯＮ期間のクロストーク３０２の周波数がν＋ｆ_ｏｆｓであるのに対し、漏えい光３０１（パルスＯＦＦ期間）の受信光路への漏えい光３０３の周波数は、パルスＯＦＦ期間にオフセット周波数が付加されないためνである。

このため、光ヘテロダイン受信機５内で、パルスＯＮ期間のクロストーク３０２と局部発振光１０３とにより発生する不要なビート信号３０４は、パルスＯＮ期間のみ中心周波数であるｆ_ｏｆｓに現れる。

一方、パルスＯＦＦ期間の漏えい光３０３と局部発振光１０３とにより発生する不要なビート信号３０５は、ベースバンド（周波数０）に現れる。

したがって、風速によるドップラ信号を観測する時間帯（パルスＯＦＦ期間）で、ドップラ信号（ピーク周波数１０５、１０６、存在範囲１０４）の周波数ｆ_ｏｆｓ＋ｆ_ｗが不要なビート信号３０４，３０５とスペクトル上で離れて存在するため、電気的に両者の分離が可能となる。

以上のように、この実施の形態３によれば、第２の信号発生部１３４により発生された鋸波駆動信号ＷＦ０２のうち、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ期間に相当する部分を切り出したバースト状の鋸波駆動信号を出力して、第２の信号発生部１３４に代えて光位相変調器１３１を駆動する信号乗算部１３６を備えたので、実施の形態１における効果に加え、光強度変調部１３２によるパルスＯＮおよびＯＦＦが不完全な場合でも、風速によるドップラ信号を不要なビート信号３０４，３０５からスペクトル上で容易に分離できるため、光強度変調部１３２のＯＮ／ＯＦＦ消光比に対する性能要求を緩和することができ、低コスト化に寄与することができる。

なお、実施の形態３におけるバースト的な周波数シフトとパルス変調との組み合わせは、従来のＡＯ変調器では、周波数シフトが付加された出力光と付加されていない出力光との出力ポートとが空間的に異なるため、そのまま実現することはできない。すなわち、ＡＯ変調器の０次光出力ポート（周波数シフトなし）と１次光出力ポート（周波数シフトあり）とをパルス出力と同期して切替える手段が別途必要であり、挿入損失の増加や同期ずれといった技術課題があるのに加え、素子の大型化と消費電力増加を誘発しデメリットが大きい。また、従来例のような光強度変調ユニットの多段化にともなう挿入損失の増加を防ぐことができ、低消費電力化に寄与する。

また、実施の形態１，２と同様に、光強度変調部１３２および第２の光強度変調部１３５は共に波長依存性がないため、従来のＡＯを用いた構成に比べて、基準光源１１の波長変動や、波長設定範囲に対する許容範囲を拡大することができる。

実施の形態４．
実施の形態３では、送信光に同期したバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３による位相変調を送信光に対してのみ行う場合について示した。それに対し、実施の形態４では局部発振光に対しても行う場合について示す。図１０はこの発明の実施の形態４に係る光送信ユニット１の構成を示すブロック図である。図１０に示す実施の形態４に係る光送信ユニット１は、図８に示す実施の形態３に係る光送信ユニット１の光位相変調器１３１の位置を、基準光源１１と光路分岐カプラ１２との間に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

光位相変調器１３１は、信号乗算部１３６により出力されたバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３に従い、基準光源１１からの光に対して位相変調を行いオフセット周波数を付与するものである。この光位相変調器１３１により位相変調された光は伝送路ＯＦ１１を介して光路分岐カプラ１２に伝送される。

なお、光路分岐カプラ１２は、光位相変調器１３１からの光を偏光状態を維持したまま２分岐する。
また、光強度変調部１３２は、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１に従い、光路分岐カプラ１２からの光に対してパルス変調を行い送信光とする。
これにより、局部発振光にも、パルスＯＮおよびＯＦＦ期間に対応したオフセット周波数の有無変化が付加される。

図１１に、実施の形態４に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す。
図１１に示すように、実施の形態４に係るレーザレーダ装置では、特定のパルス幅と繰り返し周期を持つ送信光１０１がパルスＯＮ期間に出力される一方、パルスＯＦＦ期間に漏えい光３０１が出力される。

この漏えい光３０１は、その後、光増幅器２により増幅される。そして、光サーキュレータ３の伝送路ＯＦ５から伝送路ＯＦ７へのクロストーク、および伝送路ＯＦ６の後段の光アンテナユニット４の内部部品の反射により、送信光１０１（パルスＯＮ期間）の受信光路へのクロストーク３０２、および漏えい光３０１（パルスＯＦＦ期間）の受信光路への漏えい光３０３として、光ヘテロダイン受信機５に入射する。

パルスＯＮ期間のクロストーク３０２の周波数がν＋ｆ_ｏｆｓであるのに対し、漏えい光３０１（パルスＯＦＦ期間）の受信光路への漏えい光３０３の周波数は、パルスＯＦＦ期間にオフセット周波数が付加されないためνである。
一方、実施の形態３と異なり、局部発振光１０３の周波数は、送信光１０１と同様に、パルスＯＮ期間にν＋ｆ_ｏｆｓ（パルスＯＮ期間４０１）となり、パルスＯＦＦ期間にνとなる（パルスＯＦＦ期間４０２）。

このため、光ヘテロダイン受信機５内で、パルスＯＮ期間のクロストーク３０２と局部発振光１０３のパルスＯＮ期間４０１とにより発生する不要なビート信号４０３および、パルスＯＦＦ期間の漏えい光３０３と局部発振光１０３のパルスＯＦＦ期間４０２とにより発生する不要なビート信号４０４は、いずれもベースバンド（周波数０）に現れる。

一方、風速によるドップラ信号（ピーク周波数１０５，１０６、存在範囲１０４）は、中心周波数付近に存在する。そのため、不要なビート信号４０３，４０４とスペクトル上で離れて存在するため、電気的に両者の分離が可能となる。

以上のように、この実施の形態４によれば、送信光に同期したバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３による位相変調を送信光および局部発振光に対して行うように構成したので、実施の形態１における効果に加え、光強度変調部１３２によるパルスＯＮおよびＯＦＦが不完全な場合でも、風速によるドップラ信号を不要なビート信号４０３，４０４からスペクトル上で容易に分離できるため、光強度変調部１３２のＯＮ／ＯＦＦ消光比に対する性能要求を緩和することができ、低コスト化に寄与することができる。

また、実施の形態４の構成をとることで、実施の形態３の構成に比較して、パルスＯＮ期間における不要なビート信号４０３もベースバンドにシフトさせることが可能である。そのため、パルスタイミングに時間的なジッタ誤差が存在する場合での、パルスＯＦＦ期間直後（最近接の距離レンジ）における漏えい光の混入を避けることができる。
このため、最近接の距離レンジにおける風速推定における誤検出を回避することができ、風速計測精度を高めることができる。

さらに、実施の形態４の構成をとることで、光通信の用途において適用対象の多い基準光源１１と光位相変調器１３１とを一体化したモジュールを活用し、後段に汎用の光路分岐カプラ１２、光強度変調部１３２を接続する構成が取れる。このため、光通信用用途で信頼性と低コスト化が進んだ部品を利活用できる利点がある。

また、実施の形態１〜３と同様に、光強度変調部１３２および第２の光強度変調部１３５は共に波長依存性がないため、従来のＡＯ変調器を用いた構成に比べて、基準光源１１の波長変動、波長設定範囲に対する許容範囲を拡大することができる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４では、１個の基準光源１１および１個の光アンテナユニット４を用いた場合について示した。それに対し、実施の形態５では、波長の異なる複数の基準光源１１ａ，１１ｂと、各波長に対応した複数の光アンテナユニット４ａ，４ｂとを用いて、観測空間を切替る場合について示す。図１２はこの発明の実施の形態５に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１２に示す実施の形態５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基準光源１１および光アンテナユニット４を第１，２の基準光源１１ａ，１１ｂおよび第１，２の光アンテナユニット４ａ，４ｂに変更し、波長分岐カプラ８および波長多重カプラ１４を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

第１の基準光源１１ａは、中心波長（周波数）λ１の連続発振かつ定偏光である光を発生するものである。この第１の基準光源１１ａにより発生された光は伝送路ＯＦ１３を介して波長多重カプラ１４に伝送される。
第２の基準光源１１ｂは、中心波長（周波数）λ２の連続発振かつ定偏光である光を発生するものである。この第２の基準光源１１ｂにより発生された光は伝送路ＯＦ１４を介して波長多重カプラ１４に伝送される。

波長多重カプラ１４は、第１，２の基準光源１１ａ，１１ｂからの光を波長多重するものである。この波長多重カプラ１４により波長多重された光は伝送路ＯＦ１５を介して光路分岐カプラ１２に伝送される。
なお、光路分岐カプラ１２は、波長多重カプラ１４からの光を偏光状態を維持したまま２分岐する。

波長分岐カプラ８は、光サーキュレータ３からの送信光を波長ごとに分岐するものである。この波長分岐カプラ８により波長ごとに分岐された送信光は伝送路ＯＦ１７，ＯＦ１８を介して対応する第１，２の光アンテナユニット４ａ，４ｂに伝送される。

第１の光アンテナユニット４ａは、第１の基準光源１１ａに対応し、波長分岐カプラ８からの中心波長λ１の送信光を空間に放出し、かつ、当該送信光に対する空間からの後方散乱光を受信光として受信するものである。この第１の光アンテナユニット４ａにより受信された受信光は伝送路ＯＦ１６，１７を介して光サーキュレータ３に伝送される。
第２の光アンテナユニット４ｂは、第２の基準光源１１ｂに対応し、波長分岐カプラ８からの中心波長λ２の送信光を空間に放出し、かつ、当該送信光に対する空間からの後方散乱光を受信光として受信するものである。この第２の光アンテナユニット４ｂにより受信された受信光は伝送路ＯＦ１６，１７を介して光サーキュレータ３に伝送される。

なお図１２では、光路分岐カプラ１２の位置を光周波数・強度変調ユニット１３の手前とし、局部発振光に周波数シフトを与えない構成を例として示している。しかしながら、これに限るものではなく、実施の形態４のように光周波数・強度変調ユニット１３の内部において、光路分岐カプラ１２を鋸波駆動信号ＷＦ０３で駆動した光位相変調器１３１の後段に設置して、局部発振光にもパルスＯＮ期間に周波数シフトを付加する構成をとってもよい。これにより、光周波数・強度変調ユニット１３の内部に設置した光強度変調部１３２のＯＮ／ＯＦＦ消光比が不十分であっても、光ヘテロダイン受信機５に混入する不要なビート信号４０３と風速によるドップラ信号（ピーク周波数１０５，１０６、存在範囲１０４）とを周波数領域で分離することができる。

図１２に示す構成において、光送信ユニット１から伝送路ＯＦ４を介して出力された送信光は、実施の形態１における図１の構成と同様に光増幅器２で増幅されて光サーキュレータ３を介して伝送路ＯＦ１６に伝送される。

そして、送信光は、伝送路ＯＦ６から波長分岐カプラ８に伝送され、第１，２の基準光源１１ａ，１１ｂの波長ごとに光路が切り変えられ、第１の基準光源１１ａからの波長λ１に対応した光は第１の光アンテナユニット４ａに伝送され、第２の基準光源１１ｂからの波長λ２に対応した光は第２の光アンテナユニット４ｂに伝送される。
ここで、第１の光アンテナユニット４ａと第２の光アンテナユニット４ｂとを、異なる観測空間に向けて設置することで、波長切替えにより観測空間を切替えて計測することが可能となる。

また、信号処理ユニット６からは、各時間で第１の基準光源１１ａあるいは第２の基準光源１１ｂのうちどちらの基準光源を選択したかを示す、波長選択用の時系列信号が光送信ユニット１に送信される。
同時に信号処理ユニット６において、上記の波長選択用の時系列信号が計測したドップラ信号の時系列データと共に記録格納される。このデータは、ドップラ信号の分析において、第１の光アンテナユニット４ａあるいは第２の光アンテナユニット４ｂのどちらを選択したかを識別する際に用いられる。

以上のように、この実施の形態５によれば、波長の異なる複数の基準光源１１ａ，１１ｂと、各波長に対応した複数の光アンテナユニット４ａ，４ｂとを用い、観測空間を切替るように構成したので、複数の光アンテナユニット４ａ，４ｂを予め異なる観測空間に向けて設置固定し、波長を電気的に切替えることで観測空間を切替え可能となる。これにより、観測空間の切替えを高速に行うことができる。

また、光アンテナユニット４ａ，４ｂを、天頂方向を視野中心として異なる地上位置に固定して、波長切替えにより光アンテナユニット４ａ，４ｂを切替えることで２地点の風向風速の高度分布を１台のレーザレーダ装置で計測することができる。

また、従来のＡＯ変調器を用いた構成では、変調器に波長依存性があるため波長ごとに光アンテナユニット４ａ，４ｂを切替える構成を構築するためには、光周波数・強度変調ユニット１３を波長ごとに設置する必要があった。それに対して実施の形態５では、１つの光周波数・強度変調ユニット１３を共通して使用することができる。したがって、部品点数が減少し低コスト化に寄与することができる。

さらに、近年の光通信機器において、実用化されている可変波長レーザアレイでは、すでに１２アレイ以上の基準光源と波長多重カプラとが一体化されたモジュールとして市販されている。そこで、この光通信用の可変波長レーザアレイを用いることで、素子を小型化できるだけでなく、通信用の部品として信頼性試験され、量産効果によるコスト低減効果がある部品を流用できる。そのため、開発費を含めた費用を低減できる。

一方で、上記可変波長レーザアレイでは、光出力の際の波長が安定せず、波長安定化までに時間を要する。そのため、不安定な波長での出力を避けるため、図１３に示すように、波長切替えの際に光遮断時間がある場合がある。図１３では、波長λ１に対応する基準光源１１ａから光を出力して第１視野を計測している状態で、信号処理ユニット６からの指示に応じ、波長λ２に対応する基準光源１１ｂからの光に切替えて第２視野を計測する場合を示している。
ここで、波長が不安定な状態では、レーザレーダ装置の計測結果として、ヘテロダイン受信した信号の周波数が波長変動に対して変動し、測定誤差となる。しかしながら、光遮断時間がある場合には、光遮断時間において、レーザレーダ装置中の光増幅器２を空焚きすることになり、故障の原因となる。

そこで、実施の形態５において、上記のような波長切替えでの問題を解消するため、以下のように制御してもよい。すなわち、光送信ユニット１が、波長を切替える前に、まず、切替え対象の基準光源１１ａ，１１ｂを共に点灯し、切替え後の波長に対応する基準光源１１ｂ（１１ａ）での波長が安定状態となる時間待機する。そして、この波長が安定状態となった後に、切替え前の波長に対応する基準光源１１ａ（１１ｂ）を消灯する。

例えば、図１４に示すように、波長λ１に対応する基準光源１１ａから光を出力して第１視野を計測しているとき、信号処理ユニット６から波長λ１から波長λ２へ選択波長の切替え信号（波長選択用の時系列信号）が光送信ユニット１に入力されたとする。この場合、まず、波長λ１に対応する基準光源１１ａを点灯したまま、波長λ２に対応する基準光源１１ｂを点灯する。その後、事前に取得した波長λ２に対応する基準光源１１ｂの波長安定化までの時間Ｔｓｔ２だけ待機した後、波長λ１に対応する基準光源１１ａを消灯する。波長λ２から波長λ１に波長切替えを行う際も同様の制御を行う。上記制御方法により、光増幅器２の空焚きを回避することができ、耐故障性が向上する。

なお上記では、使用する波長を２波長とした場合について示したが、これに限るものではなく、Ｎ個の波長を用いるようにしてもよい。

実施の形態６．
実施の形態６では、実施の形態３，４で示したパルス変調駆動信号ＷＦ０１に同期したバースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０３で位相変調を行う構成に対し、鋸波周期を可変させる機能を付加した場合について示す。図１５はこの発明の実施の形態６に係るレーザレーダ装置の光送信ユニット１の構成を示すブロック図である。図１５に示す実施の形態６に係る光送信ユニット１は、図８に示す実施の形態３に係る光送信ユニット１に信号演算部１３７を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

信号演算部１３７は、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１からパルスＯＮ期間の周波数偏移を推定し、送信光への当該周波数偏移による影響を補償するよう第２の信号発生部１３４の駆動を制御するものである。
そして、第２の信号発生部１３４は、信号演算部１３７による制御に従って鋸波駆動信号を発生し、信号乗算部１３６は、パルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ区間に相当する部分を切り出す。これにより、バースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０４が光位相変調器１３１に出力される。

次に、周波数偏移の推定について説明する。
パルス光が光学媒質に入射すると、非線形光学効果により、光強度に応じて屈折率が変化する。そして、パルス光入射後の媒質中での伝搬は、伝搬方向に対して光の電場がゆっくりと変化する仮定の下（ｓｌｏｗｌｙ ｖａｒｙｉｎｇ近似）、次式（６）に示す伝搬方程式を満足する。

ここで、Ａは光の電場、αは伝送路での減衰、λは波長、β_２は屈折率分散によるパルス幅増加因子を示している。

そして、式（６）の右辺第３項は、次式（７）の非線形光学係数γによる非線形光学効果を示している。

ここで、ｃは光速、Ａ_ｅｆｆは伝送路の有効面積、ω_０は光周波数、ｎ_２は３次非線形分極に関する非線形屈折率を示している。

そして、本発明で使用する光強度変調部１３２における非線形光学効果の中でも支配的な自己位相変調を想定し、ゼロ分散（β_２＝０）と仮定して、さらに、光の電場Ａを次式（８）の規格化振幅Ｕで表す。

また、規格化振幅Ｕの解は次式（９）で表される。

ここで、Ｕ（０，ｔ）は伝搬距離ｚ＝０における規格化振幅を、Φ_ＮＬは非線形位相偏移を示している。

また、非線形位相偏移Φ_ＮＬは次式（１０）で表される。

ここで、Ｌ_ｅｆｆは実行的伝搬距離、Ｌ_ＮＬは非線形長を示している。

また、実効的伝搬距離Ｌ_ｅｆｆおよび非線形長Ｌ_ＮＬは各々次式（１１），（１２）で表される。

一方、非線形位相偏移Φ_ＮＬの時間変化は、パルス光の周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）として次式（１３）のように表される。

上式によれば、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）は、パルス光の強度の時間変化率に比例した量として算出することが可能である。

また、上記の周波数偏移の符号は、通常の伝送路または光ファイバ増幅器等では負符号である。一方、半導体光増幅器または半導体光スイッチ等のように、キャリア注入量によって式（７）の屈折率が変化する素子においては、式（１３）の符号を正符号に設定することもできる。
すなわち、半導体光増幅器を利得飽和動作させる場合は負符号であり、非飽和領域で動作させる場合には正符号に設定可能である。

以上の特性を先遣情報として用いることにより、送信光の周波数が偏移する期間およびその偏移量を周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）をとして推定できる。

ここで、送信光の周波数偏移による影響を排除する方法としては、周波数偏移が存在する期間のオフセット周波数をゼロにする方法（第１の周波数偏移補償方法）と、オフセット周波数ｆ_ｏｆｓから周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）を減算する方法（第２の周波数偏移補償方法）の、２つの方法が考えられる。

まず、周波数偏移が存在する期間のオフセット周波数をゼロにする方法（第１の周波数偏移補償方法）について、図１６を参照しながら説明する。図１６は実施の形態６に係るレーザレーダ装置において、周波数偏移による影響を補償するための変調波形を示す図である。
ここで、パルス変調駆動信号ＷＦ０１は、図１６（ａ）に示すように、ｔ０≦ｔ＜ｔ１の期間で正の傾きを持って立上がり、ｔ１≦ｔ＜ｔ２の期間で一定値をとり、ｔ２≦ｔ＜ｔ３の期間で負の傾きを持って立下がる台形形状であるとする。

図１６（ａ）に示すパルス変調駆動信号ＷＦ０１において周波数偏移が発生するのは、パルス変調駆動信号ＷＦ０１の強度の時間変化率が非ゼロの期間であるｔ０≦ｔ＜ｔ１およびｔ２≦ｔ＜ｔ３である。そこで、信号演算部１３７は、上記強度の時間変化率が非ゼロの期間では第２の信号発生部１３４を駆動せず、上記強度の時間変化率がゼロの期間であるｔ１≦ｔ＜ｔ２でのみ鋸波駆動信号を発生させるよう第２の信号発生部１３４を駆動する。そして、信号乗算部１３６にて、この第２の信号発生部１３４により得られた鋸波駆動信号から、パルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ区間に相当する部分を切り出すことで、バースト状態の鋸波駆動信号ＷＦ０４ａを取得し、光位相変調器１３１に出力する。

これにより、図１６（ｂ）に示すように、実効的なオフセット周波数として、ｔ０≦ｔ＜ｔ１の期間では＋ｆ_{ｃｈｉｒｐ}、ｔ１≦ｔ＜ｔ２の期間ではｆ_ｏｆｓ、ｔ２≦ｔ＜ｔ３の期間では−ｆ_{ｃｈｉｒｐ}が得られる。その結果、周波数偏移が発生しないｔ１≦t＜ｔ２のみが中間周波数として現れ、周波数偏移が発生する期間での影響は、ベースバンド上に現れる。

図１７に、実施の形態６に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す（周波数偏移補償なしの場合）。
図１７に示すように、実施の形態６に係るレーザレーダ装置において周波数偏移補償を行わない場合、送信光１０１のパルスＯＮ期間において周波数偏移を受けるため、送信光１０１の周波数は、ν＋ｆ_ｏｆｓ＋ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）と表せる。このため、光ヘテロダイン信号のターゲットレンジでは、符号１０５ｃ，１０６ｃに示すように、周波数偏移の影響が風速によるドップラ信号に重畳する。
このターゲットレンジ内での周波数偏移は、風速分散が生じた場合と同様な影響として現れ、識別が困難であり、計測精度が低下する。

次に、図１８に、実施の形態に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す（第１の周波数偏移補償方法を適用した場合）。
実施の形態６における第１の周波数偏移補償方法では、送信光１０１のパルスＯＮ期間において、周波数偏移が生じない期間にのみ鋸波駆動信号ＷＦ０４ａを出力する。そのため、光ヘテロダイン信号のターゲットレンジにおいては、符号１０５ａ，１０６ａに示すように、周波数偏移の影響が含まれない期間での風速によるドップラ信号のみを取得することができる。

これにより、周波数偏移補償なしの場合に生じていたドップラ信号に重畳し、風速分散と見分けがつかない周波数偏移による影響を、風速によるドップラ周波数ｆ_ｗの存在範囲１０４の外側に除外することができる。この場合、周波数偏移の影響は、ベースバンド上において、送信光１０１のパルスＯＦＦ期間の漏えい光３０３と局部発振光１０３との合成で発生する不要なビート信号３０６として現れる。

次に、オフセット周波数ｆ_ｏｆｓから周波数偏移推定量ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）を減算する方法（第２の周波数偏移補償方法）について、図１９を参照しながら説明する。図１９は実施の形態６に係るレーザレーダ装置において、周波数偏移による影響を補償するための変調波形を示す図である。
ここで、パルス変調駆動信号ＷＦ０１は、図１９に示すように、ｔ０≦ｔ＜ｔ１の期間で正の傾きを持って立上がり、ｔ１≦ｔ＜ｔ２の期間で一定値をとり、ｔ２≦ｔ＜ｔ３の期間で負の傾きを持って立下がる台形形状であるとする。

送信光における周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）の影響は、式（１３）で表されるパルス変調駆動信号ＷＦ０１の強度の時間変化率に比例した量として推定できる。したがって、オフセット周波数ｆ_ｆｏｆｓから上記周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）を減算することで、送信光のパルスＯＮ期間内の周波数偏移を補償できる。

そこで、信号演算部１３７は、送信光に付与するオフセット周波数ｆ_ｆｏｆｓから、パルス変調駆動信号ＷＦ０１の強度の時間変化率に比例した周波数（周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ））を減算した周期を持つ鋸波駆動信号を発生するよう第２の信号発生部１３４の駆動を制御する。すなわち、次式（１４）のように、鋸波駆動信号の周期Ｔ’（ｔ）を時間的に変化させる。そして、信号乗算部１３６にて、この第２の信号発生部１３４により得られた鋸波駆動信号から、パルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ区間に相当する部分を切り出すことで、バースト状態の鋸波駆動信号ＷＦ０４ｂを取得し、光位相変調器１３１に出力する。

次に、図２０に、実施の形態６に係るレーザレーダ装置における各光のタイミングダイヤグラムを示す（第２の周波数偏移補償を適用した場合）。
実施の形態６における第２の周波数偏移補償方法では、送信光１０１のパルスＯＮ期間において、推定した周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）を用いて、式（１４）により算出した周期Ｔ’（ｔ）で鋸波駆動信号を発生し、鋸波駆動信号ＷＦ０４ｂを得る。そのため、光ヘテロダイン信号のターゲットレンジにおいては、符号１０５ｂ，１０６ｂに示すように、周波数偏移の影響が含まれない風速によるドップラ信号を取得することができる。

これにより、周波数偏移補償なしの場合に生じていたドップラ信号に重畳し、風速分散と見分けがつかない周波数偏移による影響を補正することができる。この場合、第１の周波数偏移補償方法と異なり、周波数偏移の影響は補償され、ベースバンド上の不要なビート信号３０５にも表れない。

次に、信号演算部１３７による周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）の推定動作について、図２１を参照しながら説明する。
信号演算部１３７による周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）の推定動作では、図２１に示すように、まず、対象とする送信光の波長λを設定し、ω_０＝ｃ／λより光周波数ω_０を算出する（ステップＳＴ２１０１）。

次いで、使用する伝送路のパラメータである有効面積Ａ_ｅｆｆ、伝送路長Ｌ、非線形屈折率ｎ_２を設定する（ステップＳＴ２１０２）

次いで、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１から、送信光のピークパワーＰ０と規格化強度のパルス時間波形｜Ｕ（０，ｔ）｜^２を取得する（ステップＳＴ２１０３）ここで、規格化強度の時間波形については、パルス繰り返し毎に再現性が確保できる場合は、予め計測した時系列データを格納して、それを読み出すようにしてもよい。
次いで、式（１３）を用いて、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）を推定する（ステップＳＴ２１０４）。

図２２に、光強度変調部１３２として半導体光増幅器を使用し、この増幅器を非飽和領域で用いた場合の周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の時間波形の実測値を示す。
図２２に示すように、送信光の立上がり期間で正符号の１０［ＭＨｚ］の周波数偏移、立下がり期間で負符号の１０［ＭＨｚ］の周波数偏移が現れていることがわかる。

また、半導体光増幅器を飽和領域で用いた場合には、周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の送信光の時間変化に対する符号は逆転する。
したがって、周波数偏移量をモニタしながら半導体光増幅器の励起状態を飽和領域と非飽和領域との間に制御して、周波数偏移を最小化することも可能である。

さらに、図１に示すように、レーザレーダ装置には、通常、光周波数・強度変調ユニット１３の後段に出力増幅用の光増幅器２を接続する。この光増幅器２としては、テーパ型半導体光増幅器、希土類添加光ファイバ増幅器、レーザ媒質を導波路状に加工した導波路型光増幅器等が使用される。
これらの増幅器においても、パワー密度が高い場合には伝送路において、Ｋａｒｒ効果にともなう周波数偏移が生じる。この周波数偏移の符号は送信光の時間変化率に対して負符号である。したがって、前段の光周波数・強度変調ユニット１３において生じる偏移周波数を、半導体光増幅器の励起状態の最適設定または鋸波駆動信号の最適設定により、最小化することが可能である。
これにより、従来困難であった、光増幅器２における周波数偏移の影響を含めて補正できる。

以上のように、この実施の形態６によれば、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１からパルスＯＮ期間における周波数偏移を推定し、送信光への当該周波数偏移による影響を補償するよう第２の信号発生部１３４の駆動を制御する信号演算部１３７を設けたので、実施の形態３における効果に加え、光強度変調部１３２として半導体光増幅器等を用いる場合や、後段の光増幅器２、伝送路等において、信号光の自己位相変調効果により誘発されるパルスＯＮ期間での周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}の影響を抑制することができる。

また、信号演算部１３７により、パルス変調駆動信号ＷＦ０１の強度の時間変化率が非ゼロの期間では、第２の信号発生部１３４を駆動しないように制御することで、信号光の自己位相変調効果により誘発されるパルスＯＮ期間での周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}による不要周波数成分を、風速によるドップラ周波数の存在範囲外に移動でき、風速によるドップラ信号への重畳を回避できるため、計測精度を向上できる。

また、信号演算部１３７により、送信光に付与するオフセット周波数ｆ_ｆｏｆｓから周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}（ｔ）を減算した周期を持つ鋸波駆動信号を発生するよう第２の信号発生部１３４を制御することで、信号光の自己位相変調効果により誘発されるパルスＯＮ期間での周波数偏移ｆ_{ｃｈｉｒｐ}による不要周波数成分を補償でき、風速によるドップラ信号への重畳を回避できるため、計測精度を向上できる。

なお図１５では、図８に示す実施の形態３に係る光送信ユニット１に信号演算部１３７を追加した構成について示した。それに対して、図１０に示す実施の形態４に係る光送信ユニット１に信号演算部１３７を追加してもよく、同様の効果を得ることができる。

実施の形態７．
図１２に示す実施の形態５において、波長切替えの際の基準光源１１ａ，１１ｂの波長不安定性の問題がある場合、波長不安定性による誤差分の波長シフトを、光周波数・強度変調ユニット１３の鋸波駆動信号により制御することでも解決可能である。
図２３はこの発明の実施の形態７に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図２３に示す実施の形態７に係るレーザレーダ装置は、図１２に示す実施の形態５に係るレーザレーダ装置において、信号処理ユニット６と光周波数・強度変調ユニット１３間を接続線で接続したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

信号処理ユニット６は、図１２に示す実施の形態５の機能に加え、波長選択用の時系列信号を光送信ユニット１の基準光源１１ａ，１１ｂのみではなく、光周波数・強度変調ユニット１３にも出力する。
そして、光送信ユニット１では、信号処理ユニット６からの波長選択用の時系列信号に応じて、波長切替えの際に、切替え前の波長に対応する基準光源１１ａ（１１ｂ）を消灯し、かつ切替え後の波長に対応する基準光源１１ｂ（１１ａ）を点灯する。
また、光周波数・強度変調ユニット１３の第２の信号発生部１３４では、信号処理ユニット６からの波長選択用の時系列信号に応じて、波長切替えの際に、切替え後の波長に対応する基準光源１１ｂ（１１ａ）における波長の不安定状態による周波数時間変動に相当する周期を持つ鋸波駆動信号を発生する。

この場合、例えば図２４に示すように、光送信ユニット１は、波長切替えの際に、波長λ１に対応する基準光源１１ａを消灯し、同時に波長λ２に対応する基準光源１１ｂを点灯する。
一方、光周波数・強度変調ユニット１３では、波長λ２の基準光源１１ｂでの波長不安定による、安定波長からの周波数時間変動Δｆ２（ｔ）を事前に取得する。そして、第２の信号発生部１３４では、波長切替えの際に、鋸波駆動信号の周期Ｔを、上記安定波長からの周波数時間変動Δｆ２（ｔ）＝ｍ／Ｔ（ｔ）により変動させる。これにより、波長不安定による周波数シフト分を補償することが可能となる。

実施の形態８．
図１２に示す実施の形態５において、波長切替えの際の基準光源１１ａ，１１ｂの波長不安定性の問題がある場合、図２５に示す構成とすることでも解決可能である。
図２５はこの発明の実施の形態８に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図２５に示す実施の形態８に係るレーザレーダ装置は、図１２に示す実施の形態５に係るレーザレーダ装置の波長多重カプラ１４を光スイッチ１５に変更し、信号処理ユニット６と光スイッチ１５間を接続線で接続したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

信号処理ユニット６は、図１２に示す実施の形態５の機能に加え、波長選択用の時系列信号を光送信ユニット１の基準光源１１ａ，１１ｂのみではなく、光スイッチ１５にも出力する。
光スイッチ１５は、各基準光源１１ａ，１１ｂにより発生された連続発振光を選択的に出力するものである。この光スイッチ１５は、信号処理ユニット６からの波長選択用の時系列信号に応じて、対応する波長の連続発振光を出力する。

この場合、図２６に示すように、基準光源１１ａ，１１ｂはともに常時出力状態となっている。この状態において、光スイッチ１５は、信号処理ユニット６から波長選択用の時系列信号に応じ、入力ポートの点灯および消灯を切替える。これにより、対応する波長のみを出力することが可能となる。

なお、光スイッチ１５としては、ＭＥＭＳ等を用いた機械的な光スイッチの他に、光導波路型スイッチ等どのような光スイッチでもよい。例えば、ＬｉＮｂＯ３の電気光学効果を利用した導波路型光スイッチであればサブピコ秒オーダの高速スイッチングが可能であり、光遮断による光増幅器２の空焚き問題を解消する効果がある。さらに、波長多重カプラ１４に比べて、より集積化、小型化が可能であるため、小型化に寄与する。また、半導体材料を用いた電気光学効果による光スイッチを用いれば、複数波長の半導体レーザアレイと出力増幅用の半導体光増幅器との一体集積も可能であり、さらなる小型化に寄与する。

実施の形態９．
図２７にこの発明の実施の形態９に係る光送信ユニット１の構成を示すブロック図である。図２７に示す実施の形態９に係る光送信ユニット１は、図８に示す実施の形態３に係る光送信ユニット１の光強度変調部１３２を取り除き、光位相変調器１３１をデュアルパラレル光位相変調器（光位相振幅変調器）１３８に変更し、第２の信号発生部１３４を第４〜７の信号発生部１３９ａ〜１３９ｄに変更し、信号乗算部１３６を第４〜７の信号発生部１３９ａ〜１３９ｄに対応させて複数設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付し異なる部分についてのみ説明を行う。

なお、第１の信号発生部１３３は、パルス型のレーザレーダ装置の送信光に必要となる周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号ＷＦ０１を発生する。

第４〜７の信号発生部１３９ａ〜１３９ｄは、デュアルパラレル光位相変調器１３８の変調位相π（１８０度）を得るために必要な駆動電圧Ｖπに相当する振幅Ｖπと一定周期Ｔを持つ正弦波駆動信号を、互いに９０度位相差の関係を維持して発生するものである。この際、第４，５の信号発生部１３９ａ，１３９ｂは、互いの位相差が１８０度である正弦波駆動信号を発生する。また、第６，７の信号発生部１３９ｃ，１３９ｄは、互いの位相差が１８０度である正弦波駆動信号を発生する。

信号乗算部１３６ａ〜１３６ｄは、対応する第４〜７の信号発生部１３９ａ〜１３９ｄにより発生された正弦波駆動信号のうち、第１の信号発生部１３３により発生されたパルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ期間に相当する部分を切り出したバースト状の正弦波駆動信号（駆動信号）を出力して、デュアルパラレル光位相変調器１３８を駆動するものである。

デュアルパラレル光位相変調器１３８は、各信号乗算部１３６ａ〜１３６ｄにより乗算されたバースト状の正弦波駆動信号Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ），Ｑ１（ｔ），Ｑ２（ｔ）により、光路分岐カプラ１２からの光に対して位相変調を行ってオフセット周波数を付与し、送信光とするものである。

次に、デュアルパラレル光位相変調器１３８の構成および動作について、図２８を参照しながら説明する。
デュアルパラレル光位相変調器１３８は、図２８（ａ）に示すように、分波カプラ１３８１、第１，２のＭＺ（ＭａｃｈＺｅｈｎｄｅｒ）変調器１３８２ａ，１３８２ｂ、９０度位相シフタ１３８３および合波カプラ１３８４から構成されている。

デュアルパラレル光位相変調器１３８の動作では、まず、分波カプラ１３８１は、光路分岐カプラ１２からの光を分波する。
そして、第１のＭＺ変調器１３８２ａの２系統の信号入力端に、振幅がＶπ電圧（第１のＭＺ変調器１３８２ａの位相変化が１８０度となる電圧）で、位相差が１８０度である駆動信号Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ）を加える。これにより、第１のＭＺ変調器１３８２ａは駆動し、分波カプラ１３８１により分波された一方の光を変調する。このとき、第１のＭＺ変調器１３８２ａの出力は、図２８（ｂ）上段の複素平面において、横軸Ｉ上を±１の範囲で振動的に変化する。

また、第２のＭＺ変調器１３８２ｂの２系統の信号入力端に、振幅がＶπ電圧（第２のＭＺ変調器１３８２ｂの位相変化が１８０度となる電圧）で、位相差が１８０度である駆動信号Ｑ１（ｔ），Ｑ２（ｔ）を加える。これにより、第２のＭＺ変調器１３８２ｂは駆動し、分波カプラ１３８１により分波された他方の光を変調する。このとき、第２のＭＺ変調器１３８２ｂの後段に接続された９０度位相シフタ１３８３の出力は、図２８（ｂ）上段の複素平面において、縦軸Ｑ上を±１の範囲で振動的に変化する。

その後、９０度位相シフタ１３８３は、第２のＭＺ変調器１３８２ｂにより変調された光の位相を９０度シフトし、合波カプラ１３８４は、第１のＭＺ変調器１３８２ａにより変調された光と９０度位相シフタ１３８３により位相が９０度シフトされた光とを合波して、送信光として出力する。

ここで、駆動信号Ｉ１（ｔ）と駆動信号Ｑ１（ｔ）との位相差、および駆動信号Ｉ２（ｔ）と駆動信号Ｑ２（ｔ）との位相差を９０度に設定して、第１，２のＭＺ変調器１３８２ａ，１３８２ｂを駆動する。そして、合波カプラ１３８４での合波出力の複素振幅を、図２８（ｂ）上段に示す複素平面の規格化円の円周状において、正弦波信号の周期で１周する角速度で等角速度運動させる。

この際、駆動信号Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ），Ｑ１（ｔ），Ｑ２（ｔ）の正弦波の周波数を、レーザレーダ装置に必要な周波数シフト量と一致させる。これにより、出力光信号に所望の周波数シフトを与えることができる。

また、第１の信号発生部１３３からのパルス変調駆動信号ＷＦ０１と、第４〜７の信号発生部１３９ａ〜１３９ｄからの正弦波駆動信号とを信号乗算部１３６ａ〜１３６ｄにより乗算すると、図２８（ｂ）下段に示す時系列波形が得られる。すなわち、パルスＯＮ期間において、所望のシフト周波数と一致し、かつ９０度毎の相対位相差を維持した４系統の正弦波駆動信号波形により、デュアルパラレル光位相変調器１３８を駆動する。また、パルスＯＦＦ期間は、４系統の信号ともに出力をゼロに固定する。

これにより、デュアルパラレル光位相変調器１３８の出力の複素振幅は、図２８（ｂ）上段の複素平面において、所望のパルス変調を実現できる。すなわち、パルスＯＮ期間では振幅一定かつ角速度一定（強度一定かつオフセット周波数一定）となり、パルスＯＦＦ期間では振幅０かつ角速度０（強度０かつオフセット周波数０）となる。

その結果、実施の形態３，４に係るレーザレーダ装置において必要であった第２の信号発生部１３４および後段の光強度変調部（半導体光増幅器、ＬＮ強度変調器）１３２が、不要となる。よって、駆動回路および光回路構成が簡素になり、低コスト化に寄与する。

また、光通信の分野において多値変調（ＱＰＳＫ，ＱＡＭ）のニーズが高まり、今後、シングル光位相変調器（光位相変調器１３１）よりもデュアルパラレル光位相変調器１３８の流通数の増加が予想される。よって、量産効果による低コスト化の効果が見込まれる。

さらに、近い将来に、基準光源１１、光路分岐カプラ１２およびデュアルパラレル光位相変調器１３８までを同一パッケージに収納したモジュールが（標準化を含めて）開発される可能性が高い。これにより、小型化、低コスト化に寄与する効果が見込まれる。

また、将来技術として、シリコンウェハ上に電子回路と光回路とを同一プロセスで作成するシリコンフォトニクスにも、本発明が適用される可能性がある。これにより、より一層、小型化、低消費電力化、低コスト化に寄与する効果がある。

以下に、参照例として、実施の形態３における光位相変調器１３１の動作について、図２９の複素平面上で説明を補足する。図２９（ａ）は、実施の形態３の構成から、光位相変調器１３１および光強度変調部（ＳＯＡ）１３２のみを抜粋したものである。
この図２９（ａ）に示すように、光位相変調器１３１には、バースト状の鋸波駆動信号ＷＦ０４である信号Ｉ＿ＰＭ（ｔ）が入力され、光強度変調部１３２には、パルス変調駆動信号ＷＦ０１である信号Ｉ＿ＩＭ（ｔ）が入力される。

そして、パルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＮ期間において、鋸波駆動信号ＷＦ０４の振幅を、２Ｖπ電圧（光位相変調器１３１の位相変化が１８０度となる電圧）の整数倍に設定する。この場合、光位相変調器１３１の出力端での複素振幅は、図２９（ｂ）上段の複素平面上において、図２８と同様に規格化円の円周状を等角速度運動する。位相の時間変化が一定であるため、一定値の周波数シフトを発生できることがわかる。

一方、パルス変調駆動信号ＷＦ０１のパルスＯＦＦ期間においては、鋸波駆動信号ＷＦ０４の波形はゼロに保持される。この場合、光位相変調器１３１の出力端での複素振幅は、図２９（ｂ）上段の複素平面上において、規格化円と横軸（正値）との交点で保持される。

したがって、光位相変調器１３１の出力端での複素振幅は、パルスＯＮ期間では一定角速度の複素振幅（強度一定かつオフセット周波数一定）となり、パルスＯＦＦ期間では位相０（ただし強度≠０）となり、これを時間的に繰り返す。
このため、実施の形態３では、パルスＯＦＦ期間において振幅を強制的にゼロにする必要があり、後段の強度変調部１３２を用いる必要があった。

なお上記では、図８に示す実施の形態３に係る光送信ユニット１の構成をもとに、デュアルパラレル光位相変調器１３８を追加した構成について示した。それに対して、図１０に示す実施の形態４に係る光送信ユニット１の構成をもと、デュアルパラレル光位相変調器１３８を追加してもよく、同様の効果を得ることができる。

また上記では、デュアルパラレル光位相変調器１３８を用いた場合について示したが、光路分岐カプラ１２からの光に対して位相および振幅を同時に変調して送信光とする光位相振幅変調器であれば同様に適用可能である。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るレーザレーダ装置は、ＡＯ変調器を用いずに送信側に必要な周波数シフトとパルス化を実施することで、装置の小型・集積化、部品点数低減による信頼性向上とコスト低減を図ることができ、例えば気象空間における風向風速を遠隔計測するレーザレーダ装置等に用いるのに適している。

１ 光送信ユニット、２ 光増幅器、３ 光サーキュレータ、４，４ａ，４ｂ 光アンテナユニット（光アンテナ）、５ 光ヘテロダイン受信機、６ 信号処理ユニット、７ 表示部、８ 波長分岐カプラ、１１，１１ａ，１１ｂ 基準光源、１２ 光路分岐カプラ、１３ 光周波数・強度変調ユニット、１４ 波長多重カプラ、１５ 光スイッチ、１３１ 光位相変調器、１３２ 光強度変調部、１３３ 第１の信号発生部、１３４ 第２の信号発生部、１３５ 第２の光強度変調部、１３６，１３６ａ〜１３６ｄ 信号乗算部（第３の信号発生部）、１３７ 信号演算部、１３８ デュアルパラレル光位相変調器（光位相振幅変調器）、１３９ａ〜１３９ｄ 第４〜７の信号発生部、１３８１ 分波カプラ、１３８２ａ、１３８２ｂ 第１，２のＭＺ変調器、１３８３ ９０度位相シフタ、１３８４ 合波カプラ。

Claims (11)

1. 連続発振光である局部発振光および送信光を出力する光送信ユニットと、前記光送信ユニットにより出力された送信光を空間に放射し、当該送信光に対する後方散乱光を受信光として受信する光アンテナと、前記光送信ユニットにより出力された局部発振光および前記光アンテナにより受信された受信光を用いて光ヘテロダイン検出を行う光ヘテロダイン受信機と、前記光ヘテロダイン受信機による検出結果を周波数分析する信号処理ユニットとを備えたレーザレーダ装置であって、
   前記光送信ユニットは、
   前記連続発振光に対して位相変調を行う光位相変調器と、
   前記光位相変調器により位相変調された光に対してパルス変調を行い前記送信光とする光強度変調部と、
   周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号を発生して前記光強度変調部を駆動する第１の信号発生部と、
   前記光位相変調器の変調位相２πを得るために必要な駆動電圧の整数倍に相当する振幅および一定周期を持つ鋸波駆動信号を発生して前記光位相変調器を駆動する第２の信号発生部と、
   前記第２の信号発生部により発生された鋸波駆動信号のうち、前記第１の信号発生部により発生されたパルス変調駆動信号のパルスＯＮ期間に相当する部分を切り出したバースト状の鋸波駆動信号を出力して、前記第２の信号発生部に代えて前記光位相変調器を駆動する第３の信号発生部を備えた
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記光位相変調器により位相変調された連続発振光を２分岐して一方を前記局部発振光とし、他方を前記送信光用の光とする光路分岐カプラを備え、
   前記光強度変調部は、前記光路分岐カプラからの前記送信光用の光に対してパルス変調を行う
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 前記第１の信号発生部により発生されたパルス変調駆動信号からパルスＯＮ期間における周波数偏移を推定し、前記送信光への当該周波数偏移による影響を補償するよう前記第２の信号発生部の駆動を制御する信号演算部を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
4. 前記信号演算部は、前記パルス変調駆動信号の強度の時間変化率が非ゼロの期間では、前記第２の信号発生部を駆動しない
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザレーダ装置。
5. 前記信号演算部は、前記送信光に付与するオフセット周波数から前記周波数偏移を減算した周期を持つ鋸波駆動信号を発生するよう、前記第２の信号発生部を制御する
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザレーダ装置。
6. 前記光送信ユニットは、
   各々異なる波長の連続発振光を発生する複数の基準光源と、
   前記各基準光源により発生された連続発振光を波長多重する波長多重カプラとを備え、
   前記光位相変調器は、前記波長多重カプラにより波長多重された連続発振光に対して位相変調を行い、
   前記光送信ユニットにより出力された送信光を波長ごとに分岐する波長分岐カプラを備え、
   前記光アンテナは、前記基準光源に対応して複数設けられ、前記波長分岐カプラにより分岐された対応する波長の送信光を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
7. 前記光送信ユニットは、波長を切替える前に、切替え対象の前記基準光源を共に点灯し、切替え後の波長に対応する前記基準光源での波長が安定状態となる時間待機し、当該波長が安定状態となった後に、切替え前の波長に対応する前記基準光源を消灯する
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザレーダ装置。
8. 前記光送信ユニットは、波長切替えの際に、切替え前の波長に対応する前記基準光源を消灯し、かつ切替え後の波長に対応する前記基準光源を点灯し、
   前記第２の信号発生部は、前記波長切替えの際に、切替え後の波長に対応する前記基準光源における波長の不安定状態による周波数時間変動に相当する周期を持つ鋸波駆動信号を発生する
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザレーダ装置。
9. 前記光送信ユニットは、
   各々異なる波長の連続発振光を発生する複数の基準光源と、
   前記各基準光源により発生された連続発振光を選択的に出力する光スイッチとを備え、
   前記光位相変調器は、前記光スイッチにより出力された連続発振光に対して位相変調を行い、
   前記光送信ユニットにより出力された送信光を波長ごとに分岐する波長分岐カプラを備え、
   前記光アンテナは、前記基準光源に対応して複数設けられ、前記波長分岐カプラにより分岐された対応する波長の送信光を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
10. 連続発振光である局部発振光および送信光を出力する光送信ユニットと、前記光送信ユニットにより出力された送信光を空間に放射し、当該送信光に対する後方散乱光を受信光として受信する光アンテナと、前記光送信ユニットにより出力された局部発振光および前記光アンテナにより受信された受信光を用いて光ヘテロダイン検出を行う光ヘテロダイン受信機と、前記光ヘテロダイン受信機による検出結果を周波数分析する信号処理ユニットとを備えたレーザレーダ装置であって、
    前記光送信ユニットは、
    前記連続発振光に対して位相および振幅を同時に変調して前記送信光とする光位相振幅変調器と、
    周期的にＯＮおよびＯＦＦ期間を繰返すパルス変調駆動信号を発生する第１の信号発生部と、
    前記光位相振幅変調器の変調位相１８０度を得るために必要な駆動電圧に相当する振幅および一定周期を持つ正弦波駆動信号を、互いに９０度位相差の関係を維持して発生する第４〜７の信号発生部と、
    前記第４〜７の信号発生部により発生された正弦波駆動信号のうち、前記第１の信号発生部により発生されたパルス変調駆動信号のパルスＯＮ期間に相当する部分を切り出したバースト状の正弦波駆動信号を出力して、前記光位相振幅変調器を駆動する第３の信号発生部とを備えた
    ことを特徴とするレーザレーダ装置。
11. 前記光位相振幅変調器はデュアルパラレル光位相変調器であり、
    前記第４，５の信号発生部により発生された正弦波駆動信号は、互いの位相差が１８０度であり、
    前記第６，７の信号発生部により発生された正弦波駆動信号は、互いの位相差が１８０度であり、
    前記デュアルパラレル光位相変調器は、
    前記連続発振光を分波する分波カプラと、
    前記第４，５の信号発生部により発生され前記第３の信号発生部により処理された正弦波駆動信号により駆動し、前記分波カプラにより分波された一方の連続発振光を変調する第１のＭＺ（ＭａｃｈＺｅｈｎｄｅｒ）変調器と、
    前記第６，７の信号発生部により発生され前記第３の信号発生部により処理された正弦波駆動信号により駆動し、前記分波カプラにより分波された他方の連続発振光を変調する第２のＭＺ（ＭａｃｈＺｅｈｎｄｅｒ）変調器と、
    前記第２のＭＺ変調器により変調された連続発振光の位相を９０度シフトする９０度位相シフタと、
    前記第１のＭＺ変調器により変調された連続発振光と前記９０度位相シフタにより位相が９０度シフトされた連続発振光とを合波する合波カプラとを有する
    ことを特徴とする請求項１０記載のレーザレーダ装置。

Images