JP6076541B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、風速計測を行うレーザレーダ装置に関するものである。

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

特開２０００−０４６９３０号公報

ここで、レーザレーダ装置において風速計測レートを上げるためには、ビーム走査の高速化が必要となる。一方、このビーム走査により送信光と受信光の間で光軸角度ずれが生じる。また、このビーム走査が高速である程、特に遠方からの受信光と送信光との間での光軸角度ずれが大きくなる。なお、ビーム走査を行わない場合、送受信光間での光軸角度ずれは無くなるが、この場合、風速計測方向が一方向のみに限定される。
上述の光軸角度ずれは受信光に対する結合効率の低下を導く。そのため、受信信号強度が低下し、ビーム走査の高速化（すなわち風速計測レートの高速化）が風速計測可能距離の低下を引き起こすという課題があった。

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、ビーム走査による送受信光間の光軸角度ずれを補正し、受信信号強度を低下させることなく風速計測を行うことができる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、単一波長の光を発生する光源と、光源により発生された光を変調して送信光とする変調器と、変調器により変調された送信光を照射し、反射された光を受信光として受信するビーム走査可能なビーム走査部と、ビーム走査部の照射方向を制御するビーム走査制御部と、光源により発生された光とビーム走査部により受信された対応する受信光とを用いてヘテロダイン検波を行い、風速計測を行う信号処理部と、ビーム走査部の照射方向、ビーム走査の角速度及び風速計測距離に基づいて、信号処理部で用いられる受信光又はビーム走査部で用いられる送信光に対し、当該ビーム走査に伴い送信光と受信光との間で生じる光軸角度ずれを補正する光軸補正部とを備え、光軸補正部は、基準となる光軸に対し平坦面が垂直に配置された２枚のウェッジプリズムと、ビーム走査の角速度及び光軸角度ずれを補正する特定の風速計測距離に基づいて、２枚のウェッジプリズム間に相対的な角度差をつけ、さらに、当該角度差を維持した状態で、ビーム走査制御部から逐次受信されるビーム走査部からの送信光照射方向の変化に追従するよう２枚のウェッジプリズムを同時に回転制御することで、光軸角度ずれを補正する回転制御部と、を有することを特徴とするものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、ビーム走査による送受信光間の光軸角度ずれを補正し、受信信号強度を低下させることなく風速計測を行うことができる。

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図である。 この発明の実施の形態１におけるビーム走査光学系の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における光軸補正部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の全体動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるビーム走査光学系の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるビーム走査光学系の光軸補正機能を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体動作を示すフローチャートである。

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図である。
レーザレーダ装置は、図１に示すように、光源１、光分配器２、パルス変調器（変調器）３、送信側光学系４、送受分離部５、折返しミラー６、ビーム走査光学系（ビーム走査部）７、ビーム走査制御部８、光軸補正部９、受信側光学系１０、光カプラ１１及び信号処理部１２から構成されている。

光源１は、大気中のエアロゾルにより散乱（反射）可能な波長帯である単一波長の光（連続光）を発生する機能を有するものである。この光源１により発生された光は光分配器２に出力される。

光分配器２は、光源１からの光を２分割する機能を有するものである。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１１に出力される。

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

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

送受分離部５は、入力光に応じて出力先を切替える機能を有するものである。ここで、送受分離部５は、送信側光学系４からの送信光が入力された場合には、当該送信光を折返しミラー６に出力する。また、折返しミラー６からの受信光が入力された場合には、当該受信光を光軸補正部９に出力する。この送受分離部５は、送信光の光軸上に設置される。

折返しミラー６は、送受分離部５からの送信光をビーム走査光学系７に送る機能と、ビーム走査光学系７からの受信光を送受分離部５に送る機能を有するものである。この折返しミラー６は、１枚のミラーで構成してもよいし、複数枚のミラーで構成してもよい。この折返しミラー６は、送信光の光軸上に設置される。

ビーム走査光学系７は、折返しミラー６からの送信光を大気中に照射し、エアロゾルにより散乱（反射）された光を受信光として受信する機能と、送信光の照射方向を変えることでビーム走査を可能とする機能を有するものである。このビーム走査光学系７は、送信光の光軸上に設置される。このビーム走査光学系７の構成例については後述する。

ビーム走査制御部８は、信号処理部１２からの情報（ビーム走査角速度及びビーム走査方法を示す情報）に従い、ビーム走査光学系７の照射方向を制御する機能を有するものである。すなわち、ビーム走査制御部８は、ビーム走査光学系７の後述する方位角変更用ミラー７１及び仰角変更用ミラー７２の回転角を制御する。これにより、送信光の照射方向（方位角及び仰角）を制御する。また、ビーム走査制御部８は、ビーム走査光学系７の制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を光軸補正部９及び信号処理部１２に送る機能も有している。このビーム走査制御部８は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。

光軸補正部９は、ビーム走査制御部８からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）及び信号処理部１２からの情報（ビーム走査角速度及び風速計測距離から求めた光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、送受分離部５からの受信光に対し、ビーム走査による送信光と受信光との間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。この光軸補正部９は、基準となる受信光（ビーム走査を行っていない状態での受信光）の光軸上に設置される。この光軸補正部９の構成例については後述する。この光軸補正部９により補正された受信光は受信側光学系１０に出力される。

受信側光学系１０は、光軸補正部９からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する機能を有するものである。この受信側光学系１０は、基準となる受信光の光軸上に設置される。この受信側光学系１０により整形された受信光は光カプラ１１に出力される。

光カプラ１１は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系１０からの対応する受信光とを合波する機能を有するものである。この光カプラ１１により合波された光は信号処理部１２に出力される。

信号処理部１２は、光カプラ１１からの光に対してヘテロダイン検波を行って周波数シフトを算出する機能と、ビーム走査制御部８からの制御情報に基づいて、算出した周波数シフトから風速を算出する機能とを有するものである。また、信号処理部１２は、ビーム走査角速度及びビーム走査方法を設定し、その情報をビーム走査制御部８に送る機能も有している。さらに、信号処理部１２は、ビーム走査角速度及び風速計測距離から光軸角度ずれ量を算出し、当該光軸角度ずれ量を示す情報を光軸補正部９に送る機能も有している。この信号処理部１２は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。

次に、ビーム走査光学系７の構成例について、図２を参照しながら説明する。
ビーム走査光学系７は、図２に示すように、方位角変更用ミラー７１及び仰角変更用ミラー７２から構成されている。

方位角変更用ミラー７１は、送信光の照射方向の方位角を変更する機能を有するものである。すなわち、方位角変更用ミラー７１は、独立な回転軸Ａ１を有し、ビーム走査制御部８による制御に従って回転軸Ａ１周りに回転することで、方位角を変更する。この方位角変更用ミラー７１は、送信光の光軸上に設置される。

仰角変更用ミラー７２は、送信光の照射方向の仰角を変更する機能を有するものである。すなわち、仰角変更用ミラー７２は、独立な回転軸Ａ２を有し、ビーム走査制御部８による制御に従って回転軸Ａ２周りに回転することで、仰角を変更する。なお仰角変更用ミラー７２は、方位角変更用ミラー７１の回転に伴って回転軸Ａ１を軸心にして回動する。この仰角変更用ミラー７２は、送信光の光軸上に設置される。

そして、例えば、仰角変更用ミラー７２の角度を固定した状態で、方位角変更用ミラー７１を回転軸Ａ１周りに回転させることで、送信光の出射方向を方位角方向に０度から３６０度の範囲で変えることができる。なお、方位角変更用ミラー７１を回転軸Ａ１周りに回転させる際、仰角変更用ミラー７２は同じ回転座標系に固定されている。この際、送信光の照射方向の仰角は、仰角変更用ミラー７２の角度によって決まる。
また、方位角変更用ミラー７１及び仰角変更用ミラー７２は、照射された送信光に対し大気中の散乱体により散乱された散乱光を受信光として受信し、当該受信光を折返しミラー６へと誘導する機能も有している。

次に、光軸補正部９の構成例について、図３を参照しながら説明する。
光軸補正部９は、図３に示すように、２枚のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂ及び回転制御部９２から構成されている。

ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂは、送受分離部５からの受信光に対し、ビーム走査による送受信光の間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。このウェッジプリズム９１ａ，９１ｂは、基準となる受信光の光軸に対し、その平坦面が垂直（略垂直の意味を含む）且つ２枚の平坦面が平行（略平行の意味を含む）となるよう設置される。

回転制御部９２は、ビーム走査制御部８からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）及び信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの回転角を算出する機能と、算出した回転角に従い、ウェッジプリズム９１ａとウェッジプリズム９１ｂをそれぞれ独立に回転制御する機能を有するものである。この回転制御部９２は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。

次に、光軸補正部９の動作について、図３を用いて説明する。
図３を用いて、基準となる受信光の光軸３０１に対し、ビーム走査（送信光の照射方向の変化）により受信光がどのような光軸角度ずれを起こすのか説明する。

図３に示すように、ビーム走査に伴い受信側光学系１０へと送られる受信光は光軸３０１から光軸角度ずれ量θだけ角度がずれる。
さらに、ビーム走査に伴い受信光の進行方向が変化する。図３において、基準となる受信光の進行方向を矢印３０２で示し、ビーム走査による受信光の進行方向を矢印３０３で示している。例えば、ビーム走査により送信光の照射方向を方位角に対し０度から３６０度等速で回転させた場合、受信光の光軸ずれ方向も光軸角度ずれ量θを一定に保った状態で光軸３０１を軸に回転をする。図３では、光軸３０１を軸とした受信光の光軸ずれ方向を、変数ψを用いて表している。
そして、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂでは、この２つの角度θ，ψに依存した受信光の光軸角度ずれを補正する。

上述の通り、ビーム走査の間、受信光の光軸ずれ方向ψは常に変化する。そのため、光軸補正部９では、常に、ビーム走査制御部８による制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を受信しながら、光軸ずれを補正する必要がある。以下では、光軸角度ずれ量θと光軸ずれ方向ψについて定量的に述べる。

まず、信号処理部１２は、光軸補正部９に対し、光軸角度ずれ量θを示す情報を送る。
なお、光軸角度ずれ量θは、ビーム走査角速度ω、送受信光間の光軸角度ずれ量を補正する風速計測距離Ｌ及び光速度ｃによって下式（１）により求められる。

次いで、光軸補正部９は、ビーム走査制御部８から制御情報（各ミラー７１，７２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ））を逐次受信する。ここで、ｔは時間の変数であり、γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）は時間とともに各ミラー７１，７２の回転角が変化することを表している。なお、送信光の照射方向は、γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）によって一意に定まる。

次いで、光軸補正部９は、光軸角度ずれ量θと各ミラー７１，７２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）に基づき、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの回転角Φ_１，Φ_２を決定する。

ここで、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの回転角Φ_１，Φ_２は、下式（２）〜（４）より求められる。
Φ_１＝Φ_２＋σ （２）

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

σ＝ｃｏｓ^−１（θ^２−２δ^２）／２δ^２ （４）

なお、δはウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの屈折率ｎとウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの傾斜角αから、下式（５）により求められ、１枚のウェッジプリズム９１に入射した光線が屈折する角度を表す。
δ＝（ｎ−１）α （５）
なお、式（２）〜（４）では、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの屈折率は等しいものと仮定している。

光軸ずれ方向ψは、各ミラー７１，７２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）と、折返しミラー６の反射面の方向余弦βによって決まる変数であり、送受分離部５から光軸補正部９のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂへ入射する受信光の光軸ずれ方向を表す。

この光軸ずれ方向ψは下式（６）により求められる。
ψ＝ψ（γ_１（ｔ），γ_２（ｔ），β） （６）

よって、光軸補正部９では、ψの計算を行い、その後、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの回転角Φ_１，Φ_２を計算する。そして、この結果に基づき、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂを回転制御する。

次に、上記のように構成したレーザレーダ装置の全体動作について、図４を参照しながら説明する。
レーザレーダ装置の全体動作では、図４に示すように、ビーム走査を開始する前に、まず、信号処理部１２は、ビーム走査角速度ωと、送受信光の間の光軸角度ずれを補正する風速計測距離Ｌとを設定する（ステップＳＴ４０１，４０２）。そして、これらから光軸角度ずれ量θを算出する（ステップＳＴ４０３）。この光軸角度ずれ量θを示す情報は光軸補正部９に送られる。なお、信号処理部１２ではビーム走査角度ω及び風速計測距離Ｌの設定を行い、光軸補正部９の回転制御部９２にて光軸角度ずれ量θを算出するようにしてもよい。
さらに、信号処理部１２は、ビーム走査角速度ω及びビーム走査方法（各ミラー７１，７２の回転制御方法）を示す情報を、ビーム走査制御部８に送る。

次いで、光軸補正部９の回転制御部９２は、信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量θを示す情報）に基づいて、式（２），（４），（５）よりウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの相対的な角度差を算出する（ステップＳＴ４０４）。そして、回転制御部９２は、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂに相対的な角度差をつける（ステップＳＴ４０５）。これにより、光軸角度ずれ量θを補正することができる。なお、ビーム走査過程において、ビーム走査角速度ωと送受信光の間の光軸角度ずれを補正する風速計測距離Ｌとを一定とした場合、同角度差は常に一定である。

次いで、風速計測を開始する（ステップＳＴ４０６）。すなわち、光源１は単一波長からなる光（連続光）を発生し、光分配器２はこの光を２分割する。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１１に出力される。

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

次に、送信側光学系４は、パルス変調器３からの送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この送信側光学系４により整形された送信光は送受分離部５及び折返しミラー６を介してビーム走査光学系７に出力される。

次いで、ビーム走査制御部８は、信号処理部１２からの情報（ビーム走査角速度ω及びビーム走査方法を示す情報）に従い、ビーム走査光学系７の照射方向を制御する（ステップＳＴ４０７）。これにより、ビーム走査光学系７は、折返しミラー６からの送信光を大気中の所定の照射方向に照射する。そして、ビーム走査制御部８は、制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を光軸補正部９の回転制御部９２及び信号処理部１２に送る。

その後、大気中に照射された送信光は、大気中のエアロゾル等の散乱体により散乱される。そして、ビーム走査光学系７は、この散乱光を受信光として受信する。この受信光には、風速に対応したドップラシフト周波数が生じている。このビーム走査光学系７により受信された受信光は折返しミラー６及び送受分離部５を介して光軸補正部９に出力される。

次いで、光軸補正部９の回転制御部９２は、ビーム走査制御部８からの制御情報（各ミラー７１，７２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ））及び信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量θを示す情報）に基づいて、式（６）より光軸ずれ方向ψを計算し、式（２），（３）よりウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの回転角Φ_１，Φ_２を算出する（ステップＳＴ４０８，４０９）。次いで、回転制御部９２は、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの相対的な角度差を維持した状態で、２枚のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂを同時に回転制御する（ステップＳＴ４１０）。この光軸補正部９により補正された受信光は受信側光学系１０に出力される。

次いで、受信側光学系１０は、光軸補正部９からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この受信側光学系１０により整形された受信光は光カプラ１１に出力される。
次いで、光カプラ１１は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系１０からの受信光とを合波する。この光カプラ１１により合波された光は信号処理部１２に出力される。
次いで、信号処理部１２は、光カプラ１１からの光に対してヘテロダイン検波を行い、受信信号から周波数シフトを導出し、ビーム走査制御部８からの制御情報（送信光の照射方向を示す情報）に基づいて、導出した周波数シフトから当該照射方向における風速を算出する。

また、ビーム走査ではγ_１（ｔ），γ_２（ｔ）が時間の関数であることからわかるように、回転角Φ_１，Φ_２は時々刻々と変化していく。そのため、光軸補正部９ではビーム走査制御部８からの制御情報（γ_１（ｔ），γ_２（ｔ））を常に取得し、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの回転制御を繰り返す。

以上のように、この実施の形態１によれば、送信光の照射方向、ビーム走査角速度及び風速計測距離に基づいて、ビーム走査光学系７により受信された受信光に対し、ビーム走査に伴い送信光と受信光との間で生じる光軸角度ずれを補正するように構成したので、ビーム走査による送受信光間の光軸角度ずれを補正し、受信信号強度を低下させることなく風速計測を行うことができる。よって、風速計測レートを上げるためにビーム走査角速度を高速化した場合においても、遠方の風速計測が可能となり、風速計測の長距離化及び高レート化が実現できる。また、光軸角度ずれ量を任意に調整できることから、任意のビーム走査角速度に対して光軸補正をすることができる。

なお上記の光軸補正部９では、２枚のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂを用いて構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、２つのミラーを用いた反射光学系により構成してもよい。
また上記では、２枚のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの屈折率は等しいものとした。しかしながら、これに限るものではなく、２枚のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂをそれぞれ異なる屈折率材料で構成してもよい。

また図１では、光軸補正部９を、送受分離部５と受信側光学系１０との間に配置した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、光軸補正部９を、送信側光学系４と送受分離部５との間に配置してもよい。この際、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂは、基準となる送信光の光軸に対し、その平坦面が垂直（略垂直の意味を含む）且つ２枚の平坦面が平行（略平行の意味を含む）となるよう設置される。
この場合、光軸補正部９を送受分離部５と受信側光学系１０との間に配置した場合と同様に、式（２），（４），（５）より２枚のウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの相対的な角度差を算出し、相対的な角度差をつける。そして、ビーム走査では、ビーム走査制御部８からの制御情報（γ_１（ｔ），γ_２（ｔ））を常に取得し、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂを回転させる。このようにして送信光に光軸角度ずれを与えることで、光軸補正部９を送受分離部５と受信側光学系１０との間に配置していた場合に受信側光学系１０で生じていた光軸角度ずれ量及び光軸ずれ方向(図１に示すθ，ψ)は０となり、受信側光学系１０へ進む受信光の光軸角度ずれが無くなる。
一方、光軸補正部９を送信側光学系４と送受分離部５との間に配置した場合には、上述の通り、送信光に対して光軸角度ずれを付けて大気中へ照射することになるが、例えば３６０度のビーム走査では、光軸角度ずれの有無に依らず３６０度の範囲に照射することになるため、ビーム走査への影響は無い。

また、ビーム走査の間、送受信光の間の光軸角度ずれを補正する風速計測距離Ｌを変更してもよい。この場合、式（１）より光軸角度ずれ量θが変わるため、光軸補正部９では、風速計測距離Ｌが変更された場合には、ウェッジプリズム９１ａ，９１ｂの相対的な角度差を変更させる必要がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、ビーム走査光学系７の回転系と光軸補正部９の回転系をそれぞれ独立に構成した場合について示した。それに対し、実施の形態２では、光軸補正部９の機能をビーム走査光学系７に内蔵し、当該ビーム走査光学系７でのビーム走査に用いる回転系を利用して光軸角度ずれを補正する場合について示す。
図５はこの発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成を示す図である。この図５に示す実施の形態２に係るレーザレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置から光軸補正部９を取除き、ビーム走査光学系７を光軸補正機能を有するビーム走査光学系（ビーム走査部）１３に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。なお、信号処理部１２は、光軸角度ずれ量を示す情報をビーム走査光学系１３（後述する回転制御部１３２８）に送る。

ビーム走査光学系１３は、実施の形態１におけるビーム走査光学系７の機能に加え、ビーム走査制御部８からの制御情報及び信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、受信した受信光に対し、ビーム走査による送受信光の間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。

次に、光軸補正機能を有するビーム走査光学系１３の構成例について、図６を参照しながら説明する。
ビーム走査光学系１３は、図６に示すように、方位角変更用ミラー１３１及び仰角変更部１３２から構成されている。

方位角変更用ミラー１３１は、送信光の照射方向の方位角を変更する機能を有するものである。すなわち、方位角変更用ミラー１３１は、独立な回転軸Ａ１を有し、ビーム走査制御部８による制御に従って回転軸Ａ１周りに回転することで、方位角を変更する。この方位角変更用ミラー１３１は、送信光の光軸上に設置される。

仰角変更部１３２は、送信光の照射方向の仰角を変更する機能と、ビーム走査制御部８からの制御情報及び信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、受信した受信光に対し、ビーム走査による送受信光の間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。この仰角変更部１３２は、偏光ビームスプリッタ１３２１、１／２波長板１３２２、偏光ビームスプリッタ１３２３、１／４波長板１３２４、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂ、ミラー１３２６ａ，１３２６ｂ、１／２波長板１３２７、回転制御部１３２８から構成されている。

偏光ビームスプリッタ１３２１は、方位角変更用ミラー１３１からの送信光を透過し、また、１／２波長板１３２７からの受信光を反射する機能を有するものである。この偏光ビームスプリッタ１３２１は、送信光の光軸上に設置される。この偏光ビームスプリッタ１３２１を透過した送信光は１／２波長板１３２２に出力され、反射された受信光は方位角変更用ミラー１３１に出力される。

１／２波長板１３２２は、偏光ビームスプリッタ１３２１からの送信光の偏光方向を９０度回転させる機能を有するものである。この１／２波長板１３２２は、送信光の光軸上に設置される。この１／２波長板１３２２により偏光方向が９０度回転された送信光は偏光ビームスプリッタ１３２３に出力される。

偏光ビームスプリッタ１３２３は、１／２波長板１３２２からの送信光を反射し、また、１／４波長板１３２４からの受信光を透過する機能を有するものである。この偏光ビームスプリッタ１３２３は、送信光の光軸上に設置される。この偏光ビームスプリッタ１３２３で反射された送信光は１／４波長板１３２４に出力され、透過した受信光はウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂに出力される。

１／４波長板１３２４は、偏光ビームスプリッタ１３２３からの送信光を大気中へ照射する機能と、大気からの散乱光を受信光として受信する機能を有するものである。この１／４波長板１３２４は、送信光の光軸上に設置される。この１／４波長板１３２４により受信された受信光は偏光ビームスプリッタ１３２３に出力される。

ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂは、偏光ビームスプリッタ１３２３からの受信光に対し、ビーム走査による送受信光の間で生じる光軸角度ずれを補正する機能を有するものである。このウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂは、基準となる受信光の光軸に対し、その平坦面が垂直（略垂直の意味を含む）且つ２枚の平坦面が平行（略平行の意味を含む）となるよう設置される。このウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂにより補正された受信光はミラー１３２６ａに出力される。

ミラー１３２６ａ，１３２６ｂは、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂからの受信光を反射して１／２波長板１３２７に送る機能を有するものである。このミラー１３２６ａ，１３２６ｂは、受信光の光軸上に設置される。

１／２波長板１３２７は、ミラー１３２６ａ，１３２６ｂからの受信光の偏光方向を９０度回転させる機能を有するものである。この１／２波長板１３２７は、受信光の光軸上に設置される。この１／２波長板１３２７により偏光方向が９０度回転された受信光は偏光ビームスプリッタ１３２１に出力される。

回転制御部１３２８は、ビーム走査制御部８からの制御情報及び信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、ウェッジプリズム１３２５ａ及びウェッジプリズム１３２５ｂの回転角を算出する機能と、算出した回転角に従い、ウェッジプリズム１３２５ａとウェッジプリズム１３２５ｂをそれぞれ独立に回転制御する機能を有するものである。回転制御部１３２８は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。

なお、仰角変更部１３２の図６中の点線で囲われた構成要素は、全て共通の回転軸を有し、方位角変更用ミラー１３１で反射された送信光（図６中の黒矢印）の光軸を回転軸として全て同時に回転する。これにより、送信光の照射方向に対し仰角方向の変更を可能にする。この回転軸は、図２中の回転軸Ａ２と同じ軸である。仰角変更部１３２の全ての構成要素を共通の回転軸上で同時に回転させる構成として、例えば、全構成要素を一つのボード上に配置した構成が挙げられる。

次に、光軸補正機能を有するビーム走査光学系１３の動作について、図７を用いて説明する。
まず、信号処理部１２は、ビーム走査光学系１３の回転制御部１３２８に対し、光軸角度ずれ量θを示す情報を送る。光軸角度ずれ量θは、実施の形態１と同様に、式（１）により求められる。

次いで、ビーム走査光学系１３の回転制御部１３２８は、光軸角度ずれ量θと、ビーム走査制御部８から制御情報（方位角変更用ミラー１３１及び仰角変更部１３２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ））に基づいて、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転角を決定する。

ここで、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転角Φ_１，Φ_２は、下式（７）〜（９）により求められる。
Φ_１＝Φ_２＋σ （７）

Φ_２＝ｔａｎ^−１（ｔａｎξ（ｃｏｓσ＋１）−ｓｉｎσ）
／（ｃｏｓσ＋１＋ｓｉｎσｔａｎξ） （８）

σ＝ｃｏｓ^−１（θ^２−２δ^２）／２δ^２ （９）

なお、δは式（５）によって与えられる変数である。また、式（７）〜（９）では、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの屈折率は等しいものと仮定している。
また、光軸ずれ方向ξは、方位角変更用ミラー１３１及び仰角変更部１３２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）によって決まる変数であり、偏光ビームスプリッタ１３２３からウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂへ入射する受信光の光軸ずれ方向を表す。

この光軸ずれ方向ξは下式（１０）により求められる。
ξ＝ξ（γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）） （１０）
ここで、実施の形態１と異なる点は、光軸ずれ方向ξが条件付きで定数となり、実施の形態１のようなビーム走査方向の変化に追従したウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転制御が必要ない条件が生じる点である。

光軸ずれ方向ξが一定となる条件は、例えば、回転軸Ａ１周りに方位角変更用ミラー１３１を回転させる際に、回転方向を一方向に限定する場合である。また、方位角変更用ミラー１３１の回転を固定し、仰角変更部１３２のみ一方方向に限定して回転させる場合にも、上記条件を満たす。
一方、順送と逆送がビーム走査過程で切替わる場合は、切替わる時点でウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転角をそれぞれ１８０度反転する必要がある。

よって、回転制御部１３２８では、ξの計算を行い、その後、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転角Φ_１，Φ_２を計算する。そして、この結果に基づき、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを回転制御する。

次に、実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体動作について、図８を参照しながら説明する。この実施の形態２に係るレーザレーダ装置の全体動作は、図４に示す実施の形態１の全体動作と基本的には同じである。ただし、光軸ずれ方向ξが一定の条件を満たすビーム走査方法の場合には、方位角変更用ミラー１３１及び仰角変更部１３２の回転角γ_１（ｔ），γ_２（ｔ）の情報を逐次取得しながらウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを回転制御する必要はない。

レーザレーダ装置の全体動作では、図８に示すように、ビーム走査を開始する前に、まず、信号処理部１２は、初期値として、ビーム走査角速度ωと、送受信光の間の光軸角度ずれを補正する風速計測距離Ｌとを設定する（ステップＳＴ８０１，８０２）。そして、これらから光軸角度ずれ量θを算出する（ステップＳＴ８０３）。この光軸角度ずれ量θを示す情報はビーム走査光学系１３に送られる。なお、信号処理部１２ではビーム走査角度ω及び風速計測距離Ｌの設定を行い、ビーム走査光学系１３の回転制御部１３２８にて光軸角度ずれ量θを算出するようにしてもよい。
さらに、信号処理部１２は、ビーム走査角速度ω及びビーム走査方法（方位角変更用ミラー１３１及び仰角変更部１３２の回転制御方法）を示す情報を、ビーム走査制御部８に送る。

次いで、ビーム走査光学系１３の回転制御部１３２８は、信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、式（７），（９），（５）よりウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの相対的な角度差を算出する（ステップＳＴ８０４）。そして、回転制御部１３２８は、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂに相対的な角度差をつける（ステップＳＴ８０５）。これにより、光軸角度ずれ量θを補正することができる。なお、ビーム走査過程において、ビーム走査角速度ωと送受信光の間の光軸角度ずれを補正する風速計測距離Ｌとを一定とした場合、同角度差は常に一定である。

次いで、風速計測を開始する（ステップＳＴ８０６）。すなわち、光源１は単一波長からなる光（連続光）を発生し、光分配器２はこの光を２分割する。この光分配器２により２分割された光のうち、一方はパルス変調器３に出力され、他方は光カプラ１１に出力される。

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

次に、送信側光学系４は、パルス変調器３からの送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この送信側光学系４により整形された送信光は送受分離部５及び折返しミラー６を介してビーム走査光学系１３に出力される。

次いで、ビーム走査制御部８は、信号処理部１２からの情報（ビーム走査角速度及びビーム走査方法（γ_１（ｔ），γ_２（ｔ））を示す情報）に従い、ビーム走査光学系１３の照射方向を制御する（ステップＳＴ８０７）。これにより、ビーム走査光学系１３は、折返しミラー６からの送信光を大気中の所定の照射方向に照射する。そして、ビーム走査制御部８は、制御情報（送信光の照射方向を示す情報）を信号処理部１２及びビーム走査光学系１３の回転制御部１３２８に送る。

次いで、ビーム走査光学系１３の回転制御部１３２８は、ビーム走査制御部８からの制御情報及び信号処理部１２からの情報（光軸角度ずれ量を示す情報）に基づいて、式（１０）よりξを計算し、式（７），（８）よりウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転角Φ_１，Φ_２を算出する（ステップＳＴ８０８，８０９）。次いで、回転制御部１３２８は、この算出結果に基づき、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの相対的な角度差を維持した状態で、２枚のウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを同時に回転制御する（ステップＳＴ８１０）。

その後、大気中に照射された送信光は、大気中のエアロゾル等の散乱体により散乱される。そして、ビーム走査光学系１３は、この散乱光を受信光として受信する。この受信光には、風速に対応したドップラシフト周波数が生じている。このビーム走査光学系１３により受信された受信光は折返しミラー６及び送受分離部５を介して受信側光学系１０に出力される。

次いで、受信側光学系１０は、送受分離部５からの受信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。この受信側光学系１０により整形された受信光は光カプラ１１に出力される。
次いで、光カプラ１１は、光分配器２からの光（連続光）と受信側光学系１０からの受信光とを合波する。この光カプラ１１により合波された光は信号処理部１２に出力される。
次いで、信号処理部１２は、光カプラ１１からの光に対してヘテロダイン検波を行い、受信信号から周波数シフトを導出し、ビーム走査制御部８からの制御情報に基づいて、導出した周波数シフトから風速を算出する。

なお、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂは回転制御された後は固定され、このビーム走査中にはウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転制御は実施されない。

以上のように、この実施の形態２によれば、光軸補正部９をビーム走査光学系７に内蔵し、当該ビーム走査光学系７でのビーム走査に用いる回転系を利用して光軸角度ずれを補正するように構成したので、実施の形態１における効果に加え、ビーム走査に伴う送信光照射方向の方位角及び仰角の変化に追従してウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを同期回転制御する必要がない。よって、装置の構成要素が低減され、信号処理の負担を軽減することが可能となる。

なお上記のビーム走査光学系１３では、２枚のウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを用いて構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、２つのミラーを用いた反射光学系により構成してもよい。
また上記では、実施の形態１の仰角変更用ミラー７２に光軸補正機能を付加した場合について示したが、方位角変更用ミラー７１に光軸補正機能を付加してもよい。

また図６では、光軸角度ずれを解消するウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを、偏光ビームスプリッタ１３２３とミラー１３２６ａとの間に配置した場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを、１／２波長板１３２２と偏光ビームスプリッタ１３２３との間、又は偏光ビームスプリッタ１３２１と１／２波長板１３２２との間に配置してもよい。この際、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂは、基準となる送信光の光軸に対し、その平坦面が垂直（略垂直の意味を含む）且つ２枚の平坦面が平行（略平行の意味を含む）となるよう設置される。
この場合、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを偏光ビームスプリッタ１３２３とミラー１３２６ａとの間に配置した場合と同様に、式（７），（９），（５）より２枚のウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの相対的な角度差を算出し、相対的な角度差をつける。そして、式（１０）より２枚のウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転角を算出し、回転制御する。実施の形態２では、上述した光軸ずれ方向ξが一定となる条件を満たす限り、この回転角を維持することでビーム走査に応じたウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの回転制御は不要となる。このようにして送信光に光軸角度ずれを与えることで、図５に示す受信光で生じていた光軸角度ずれ量及び光軸ずれ方向(図５に示すθ，ξ)は０となり、受信側光学系１０へ進む受信光の光軸角度ずれが無くなる。
一方、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂを送信側に配置した場合には、上述の通り、送信光に対して光軸角度ずれを付けて大気中へ照射することになるが、例えば３６０度のビーム走査では、光軸角度ずれの有無に依らず３６０度の範囲に照射することになるため、ビーム走査への影響は無い。

また、ビーム走査の間、送受信光の間の光軸角度ずれを補正する風速計測距離Ｌを変更してもよい。この場合、式（１）より光軸角度ずれ量θが変わるため、回転制御部１３２８では、風速計測距離Ｌが変更された場合には、ウェッジプリズム１３２５ａ，１３２５ｂの相対的な角度差を変更させる必要がある。

なお、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、ビーム走査による送受信光間の光軸角度ずれを補正して、受信信号強度の低下を防ぐことができるので、風速計測などに用いるのに適している。

１ 光源、２ 光分配器、３ パルス変調器（変調器）、４ 送信側光学系、５ 送受分離部、６ 折返しミラー、７ ビーム走査光学系（ビーム走査部）、８ ビーム走査制御部、９ 光軸補正部、１０ 受信側光学系、１１ 光カプラ、１２ 信号処理部、１３ ビーム走査光学系（ビーム走査部）、７１ 方位角変更用ミラー、７２ 仰角変更用ミラー、９１ａ，９１ｂ ウェッジプリズム、９２ 回転制御部、１３１ 方位角変更用ミラー、１３２ 仰角変更部、１３２１ 偏光ビームスプリッタ、１３２２ １／２波長板、１３２３ 偏光ビームスプリッタ、１３２４ １／４波長板、１３２５ａ，１３２５ｂ ウェッジプリズム、１３２６ａ，１３２６ｂ ミラー、１３２７ １／２波長板、１３２８ 回転制御部。

Claims (3)

1. 単一波長の光を発生する光源と、
   前記光源により発生された光を変調して送信光とする変調器と、
   前記変調器により変調された送信光を照射し、反射された光を受信光として受信するビーム走査可能なビーム走査部と、
   前記ビーム走査部の照射方向を制御するビーム走査制御部と、
   前記光源により発生された光と前記ビーム走査部により受信された対応する受信光とを用いてヘテロダイン検波を行い、風速計測を行う信号処理部と、
   前記ビーム走査制御部から逐次受信される前記ビーム走査部からの送信光照射方向、前記ビーム走査の角速度及び風速計測距離に基づいて、前記信号処理部で用いられる受信光又は前記ビーム走査部で用いられる送信光に対し、当該ビーム走査に伴い時間とともに変化する送信光と受信光との間で生じる光軸角度ずれを逐次補正する光軸補正部とを備え、
   前記光軸補正部は、
   基準となる光軸に対し平坦面が垂直に配置された２枚のウェッジプリズムと、
   前記ビーム走査の角速度及び前記光軸角度ずれを補正する特定の風速計測距離に基づいて、前記２枚のウェッジプリズム間に相対的な角度差をつけ、さらに、当該角度差を維持した状態で、前記ビーム走査制御部から逐次受信される前記ビーム走査部からの送信光照射方向の変化に追従するよう前記２枚のウェッジプリズムを同時に回転制御することで、前記光軸角度ずれを補正する回転制御部とを有する
   ことを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記光軸補正部は、前記ビーム走査部に内蔵され、当該ビーム走査部でのビーム走査に用いる回転系を利用して前記光軸角度ずれを補正する
   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２枚のウェッジプリズムは、送信光もしくは受信光のどちらか一方の光軸に対し平坦面が垂直に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。

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