JP6223644B1 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

送信種光を分岐し、分岐した複数の送信種光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数の送信種光をパルス光に変調して出力、あるいは、送信種光をパルス光に変調して、パルス光を分岐し、分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数のパルス光を出力する変調器（８）と、光ヘテロダイン受信機（１３）により検波された複数のビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているバンドパスフィルタ（１４）と、バンドパスフィルタ（１４）を通過してきたビート信号をサンプリング周波数で標本化するＡＤＣ（１５）とを備える。

Description

この発明は、パルス光を空間に放射し、放射したパルス光の後方散乱光を受信するレーザレーダ装置に関するものである。

レーザレーダ装置では、一定以上の強度を有するパルス光が伝送路に入射されると、誘導ブリルアン散乱が発生することがある。
誘導ブリルアン散乱は、入射されたパルス光によって音響波であるフォノンが発生し、発生したフォノンによって伝送路である光ファイバの伝送方向に周期的な屈折率の変調が誘発される際に生じる現象である。
誘導ブリルアン散乱は、この屈折率の変調が、あたかも伝送路上に回折格子が設置された場合と同様の作用を施す結果、入射されたパルス光が伝搬方向に対して後方に散乱される現象である。

例えば、レーザレーダ装置がパルス光を増幅する光高出力増幅器を備えている場合、入射されたパルス光の光パワー、あるいは、光高出力増幅器によって増幅されたパルス光の光パワーが、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えると、発生閾値を超える光パワーが後方に散乱される。
このため、レーザレーダ装置の出力パワーが制限されることがある。

一般的なシングルモード光ファイバでは、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅が１０〜１００ＭＨｚ程度であることが知られている。
このため、周波数差が１００ＭＨｚよりも大きいＮ個のパルス光が同時に光高出力増幅器に入射される場合には、各々の波長のパルス光の光パワーを、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えない範囲で高めることができる。その結果、周波数差が１００ＭＨｚよりも大きいＮ個のパルス光が同時に光高出力増幅器に入射される場合、１つのパルス光が入射される場合と比べて、レーザレーダ装置の出力パワーをＮ倍にすることができる。
以下の特許文献１には、周波数差が１００ＭＨｚよりも大きいＮ個のパルス光が同時に光高出力増幅器に入射されるようにしているレーザレーダ装置が開示されている。

国際公開２０１３−０９４４３１

従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるが、信号成分と雑音成分との比であるＳＮＲが低下してしまうことがあるという課題があった。
具体的には、以下の通りである。
光ヘテロダイン受信機の飽和を回避するため、光ヘテロダイン受信機に入射される後方散乱光の最大パワーが規定されている。ＳＮＲを最大化するには、光ヘテロダイン受信機が光ヘテロダイン検波を実施する際に用いる局部発振光を規定されている最大パワーに近い値に設定する必要がある。ただし、誘導ブリルアン散乱の影響を回避するために、複数の波長のパルス光を用いる場合には、光ヘテロダイン受信機が、複数の波長の後方散乱光を光ヘテロダイン検波する際の飽和を避ける必要がある。このため、１波長当りの局部発振光の光パワーを波長数分の１に設定する必要がある。
この結果、１波長当りの局部発振光の光パワーが低下するため、１波長当りのＳＮＲが低下してしまう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、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるとともに、ＳＮＲを高めることができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、送信種光を分岐し、分岐した複数の送信種光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数の送信種光のそれぞれをパルス光に変調して出力、あるいは、送信種光をパルス光に変調して、パルス光を分岐し、分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数のパルス光を出力する変調器と、変調器から出力された複数のパルス光を増幅する光増幅器と、光増幅器により増幅された複数のパルス光を空間に放射し、放射した複数のパルス光の後方散乱光を受信する光アンテナと、光アンテナにより受信された複数の後方散乱光からビート信号をそれぞれ検波する受信機と、受信機により検波された複数のビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているフィルタと、フィルタを通過してきたビート信号をサンプリング周波数で標本化する変換器とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、送信種光を分岐し、分岐した複数の送信種光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数の送信種光のそれぞれをパルス光に変調して出力、あるいは、送信種光をパルス光に変調して、パルス光を分岐し、分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数のパルス光を出力する変調器と、受信機により検波された複数のビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているフィルタと、フィルタを通過してきたビート信号をサンプリング周波数で標本化する変換器とを備えるように構成したので、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるとともに、ＳＮＲを高めることができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 鋸波信号発生器４−１〜４−３から光位相変調器６−１〜６−３に出力される駆動信号である鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_３とオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿３}との関係を示す説明図である。 光アンテナユニット１１が有する光アンテナから放射されるパルス光のスペクトルを示す説明図である。 図４Ａは光ヘテロダイン受信機１３により検波されたビート信号のスペクトルを示す説明図、図４Ｂはバンドパスフィルタ１４に設定されている通過帯域及び遮断帯域を示す説明図、図４ＣはＡＤＣ１５によるアンダーサンプリング後のビート信号のスペクトルを示す説明図である。 図５Ａはオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}が付与されているスペクトルがＳＰ_ＲＸ１であるビート信号を示す説明図、図５Ｂはオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿２}が付与されているスペクトルがＳＰ_ＲＸ２であるビート信号を示す説明図、図５Ｃはオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿３}が付与されているスペクトルがＳＰ_ＲＸ３であるビート信号を示す説明図、図５ＤはＡＤＣ１５により周波数が変換された後のスペクトルがＳＰ_ＡＳ（周波数変換後のＳＰ_{ＲＸ１ＡＳ}，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３）であるビート信号を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図１において、基準光源１は単一周波数の送信種光を発振し、その送信種光を伝送路ＯＦ_１に出力する光源である。
伝送路ＯＦ_１は基準光源１から出力された送信種光を光路分岐カプラ２に伝送する光ファイバである。
光路分岐カプラ２は基準光源１から伝送路ＯＦ_１に出力された送信種光を２つに分岐して、分岐した一方の送信種光を伝送路ＯＦ_２に出力し、分岐した他方の送信種光を局部発振光として伝送路ＯＦ_３に出力する。
伝送路ＯＦ_２は光路分岐カプラ２から出力された送信種光をパラレル光位相変調器６に伝送する光ファイバである。伝送路ＯＦ_３は光路分岐カプラ２から出力された局部発振光を光路合波カプラ１２に伝送する光ファイバである。

同期信号発生器３は同期信号を第１の信号発生器４及び第２の信号発生器５に出力する信号発生器である。
第１の信号発生器４はＮ個の鋸波信号発生器４−１〜４−Ｎを備えており、同期信号発生器３から出力された同期信号に同期して、光位相変調器６−１〜６−Ｎを駆動する駆動信号として、鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_Ｎを発生する信号発生器である。
鋸波信号発生器４−ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）は信号波形ＷＦ０１のような鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_Ｎを光位相変調器３−ｎに出力する信号発生器である。
鋸波信号ｓｗ_ｎは、光強度変調器７から出力されるパルス光のＯＮ期間（振幅がゼロでない期間）では、周期が１／ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}、振幅が２×Ｖπの信号である。また、鋸波信号ｓｗ_ｎは、パルス光の振幅がゼロの期間であるＯＦＦ期間では、振幅がゼロの信号である。ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}はオフセット周波数である。Ｖπはパラレル光位相変調器６に１８０度の位相変化を付与するために必要な駆動電圧である。
鋸波信号発生器４−１〜４−Ｎには、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}の周波数間隔が、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きくなるようなオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}が設定されている。
第２の信号発生器５は同期信号発生器３から出力された同期信号に同期して、光強度変調器７を駆動する駆動信号を発生する信号発生器である。この駆動信号は、信号波形ＷＦ０２のような矩形波形の信号である。

パラレル光位相変調器６はＮ個の光位相変調器６−１〜６−Ｎを備えており、光路分岐カプラ２から伝送路ＯＦ_２に出力された送信種光をＮ分岐し、第１の信号発生器４から出力された鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_Ｎに基づいて、分岐したＮ個の送信種光に異なるオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}を付与する。
光位相変調器６−ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）は鋸波信号発生器４−ｎから出力された鋸波信号ｓｗ_ｎに基づいて、分岐された１つの送信種光にオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}を付与し、オフセット周波数付与後の送信種光を伝送路ＯＦ_４に出力する。
伝送路ＯＦ_４は光位相変調器６−１〜６−Ｎから出力されたオフセット周波数付与後の送信種光を光強度変調器７に伝送する光ファイバである。

光強度変調器７は第２の信号発生器５から出力された駆動信号で駆動され、パラレル光位相変調器６から伝送路ＯＦ_４に出力されたＮ個のオフセット周波数付与後の送信種光をパルス光に変調して伝送路ＯＦ_５に出力する。
光強度変調器７では、オフセット周波数付与後の送信種光が、パルス繰り返し周波数がｆ_ｐｒｆ［ｋＨｚ］、パルス幅がＯＮ期間Δｔであるパルス光に変調される。
伝送路ＯＦ_５は光強度変調器７から出力されたパルス光を光高出力増幅器９に伝送する光ファイバである。

この実施の形態１では、変調器８がパラレル光位相変調器６及び光強度変調器７を備えており、パラレル光位相変調器６が光強度変調器７の前段に配置されている例を示しているが、光強度変調器７がパラレル光位相変調器６の前段に配置されているものであってもよい。
この場合、光強度変調器７が基準光源１から出力された送信種光をパルス光に変調し、パラレル光位相変調器６が変調されたパルス光を分岐してから、分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与し、オフセット周波数付与後の複数のパルス光を光高出力増幅器９に出力する。

光高出力増幅器９は光強度変調器７から伝送路ＯＦ_５に出力されたオフセット周波数付与後の複数のパルス光を増幅し、増幅後の複数のパルス光を伝送路ＯＦ_６に出力する光増幅器である。
光高出力増幅器９は例えば希土類であるエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジウム（Ｎｄ）などが添加されている光ファイバ増幅器である。光ファイバ増幅器は、増幅媒体の蓄積作用を利用して、伝送路ＯＦ_６からのパルス光のＯＦＦ期間に蓄積したエネルギーをパルス光のＯＮ期間に開放することで、パルス光を増幅する。
伝送路ＯＦ_６は光高出力増幅器９から出力されたパルス光を光サーキュレータ１０に伝送する光ファイバである。

光サーキュレータ１０は光高出力増幅器９から伝送路ＯＦ_６に出力されたパルス光を伝送路ＯＦ_７に出力する一方、光アンテナユニット１１から伝送路ＯＦ_７に出力された後方散乱光を伝送路ＯＦ_８に出力する。
伝送路ＯＦ_７は光サーキュレータ１０から出力されたパルス光を光アンテナユニット１１に伝送する一方、光アンテナユニット１１からから出力された後方散乱光を光サーキュレータ１０に伝送する光ファイバである。
伝送路ＯＦ_８は光サーキュレータ１０から出力された後方散乱光を光路合波カプラ１２に伝送する光ファイバである。

光アンテナユニット１１は光サーキュレータ１０から伝送路ＯＦ_７に出力されたパルス光のビーム径を拡大して、パルス光を所定方向の空間に放射する光アンテナを有している。
また、光アンテナユニット１１は、パルス光を空間に放射した後、空間に存在している散乱対象によって後方散乱されたパルス光の後方散乱光を受信し、後方散乱光を伝送路ＯＦ_７に出力する光アンテナを有している。
パルス光を放射する光アンテナと、後方散乱光を受信する光アンテナとが光アンテナユニット１１内に別々に設けられていてもよいし、共通化されていてもよい。
散乱対象は、例えば、風速と同じ速度で移動するエアロゾルであり、後方散乱光は、散乱対象の移動速度に応じたドップラ周波数シフトｆ_Ｄｏｐを受ける。

光路合波カプラ１２は光サーキュレータ１０から伝送路ＯＦ_８に出力された後方散乱光に光路分岐カプラ２から伝送路ＯＦ_３に出力された局部発振光を合波することで、当該後方散乱光の周波数を変換する。
光ヘテロダイン受信機１３は光路合波カプラ１２により周波数が変換された後方散乱光を光ヘテロダイン検波することで、後方散乱光と局部発振光の差周波数を有するビート信号を出力する受信機である。
バンドパスフィルタ１４は光ヘテロダイン受信機１３から出力されたビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、その信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されている電気的なフィルタである。

ＡＤＣ１５はバンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号をサンプリング周波数でアンダーサンプリング（標本化）し、アンダーサンプリングしたビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する変換器である。
信号処理器１６はＡＤＣ１５によりデジタル信号に変換されたビート信号を分析する処理器である。

次に動作について説明する。
基準光源１は、単一周波数の送信種光を連続発振し、定偏光で送信種光を伝送路ＯＦ_１に出力する。
光路分岐カプラ２は、基準光源１から伝送路ＯＦ_１に出力された送信種光を受けると、送信種光の偏光状態を維持したまま、送信種光を２つに分岐する。
光路分岐カプラ２は、分岐した一方の送信種光を伝送路ＯＦ_２に出力し、分岐した他方の送信種光を局部発振光として伝送路ＯＦ_３に出力する。
光路分岐カプラ２から伝送路ＯＦ_２に出力された送信種光は、パラレル光位相変調器６の内部でＮ分岐され、Ｎ分岐された各々の送信種光が光位相変調器６−１〜６−Ｎに入力される。

同期信号発生器３は、同期信号を第１の信号発生器４及び第２の信号発生器５に出力する。
第１の信号発生器４の鋸波信号発生器４−１〜４−Ｎは、同期信号発生器３から同期信号を受けると、その同期信号に同期して、光位相変調器６−１〜６−Ｎを駆動する駆動信号として、鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_Ｎを発生する。
鋸波信号発生器４−ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）により発生される鋸波信号ｓｗ_ｎは、光強度変調器７から出力されるパルス光のＯＮ期間では、周期が１／ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}、振幅が２×Ｖπの信号である。また、鋸波信号ｓｗ_ｎは、光強度変調器７から出力されるパルス光のＯＦＦ期間では、振幅がゼロの信号である。ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}はオフセット周波数である。

鋸波信号発生器４−１〜４−Ｎには、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}の周波数間隔が、光高出力増幅器９又は伝送路ＯＦ_６，ＯＦ_７で発生する誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きくなるように、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}が設定されている。
光高出力増幅器９又は伝送路ＯＦ_６，ＯＦ_７で発生する誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅は、１０〜１００ＭＨｚ程度であることが知られている。光高出力増幅器９に入射される複数のパルス光の周波数間隔が１００ＭＨｚよりも大きければ、光高出力増幅器９において、各々の波長のパルス光の光パワーを誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えない範囲で高めることができる。
このため、この実施の形態１では、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}の周波数間隔が、２００ＭＨｚ以上確保されるように、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}が設定されている。
オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}の周波数間隔を１００ＭＨｚ以上確保すれば、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるが、ＳＮＲを高める目的で、１００ＭＨｚの通過帯域と１００ＭＨｚの遮断帯域とが交互に設定されているバンドパスフィルタ１４を設けているため、２００ＭＨｚ以上確保している。

オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）は、以下の式（１）のように表される。

式（１）において、ｆ_ｎｙｑはＡＤＣ１５による標本化におけるナイキスト周波数（＝サンプリング周波数／２）である。
例えば、パラレル光位相変調器６に実装されている光位相変調器６−１〜６−Ｎの個数Ｎが３であるとすれば、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿３}は、以下の式（２）のように表される。

図２は鋸波信号発生器４−１〜４−３から光位相変調器６−１〜６−３に出力される駆動信号である鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_３とオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿３}との関係を示す説明図である。
鋸波信号発生器４−１〜４−３から光位相変調器６−１〜６−３に出力される鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_３は、図２に示すように、初期位相が一致している。
オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}は鋸波信号ｓｗ_１に対応し、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿２}は鋸波信号ｓｗ_２に対応し、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿３}は鋸波信号ｓｗ_３に対応している。

パラレル光位相変調器６は、光路分岐カプラ２から伝送路ＯＦ_２に出力された送信種光をＮ分岐し、第１の信号発生器４から出力された鋸波信号ｓｗ_１〜ｓｗ_Ｎに基づいて、分岐したＮ個の送信種光に異なるオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}を付与する。
即ち、光位相変調器６−ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）は、鋸波信号発生器４−ｎから出力された鋸波信号ｓｗ_ｎに基づいて、分岐された１つの送信種光にオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿ｎ}を付与し、オフセット周波数付与後の送信種光を伝送路ＯＦ_４に出力する。
パラレル光位相変調器６から伝送路ＯＦ_４に出力されたＮ個の送信種光は、周波数間隔が２００ＭＨｚ以上のオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}が付与されているため、Ｎ個の送信種光の周波数間隔は、２００ＭＨｚ以上になっている。

第２の信号発生器５は、同期信号発生器３から同期信号を受けると、その同期信号に同期して、光強度変調器７を駆動する駆動信号を発生する。この駆動信号は、信号波形ＷＦ０２のような信号である。
光強度変調器７は、第２の信号発生器５から出力された駆動信号で駆動され、パラレル光位相変調器６から伝送路ＯＦ_４に出力されたＮ個のオフセット周波数付与後の送信種光をパルス光に変調して伝送路ＯＦ_５に出力する。
光強度変調器７では、Ｎ個のオフセット周波数付与後の送信種光を、パルス繰り返し周波数がｆ_ｐｒｆ［ｋＨｚ］、パルス幅がＯＮ期間Δｔであるパルス光に変調する。
なお、図１のレーザレーダ装置が、風計測ライダ装置として用いられる場合、例えば、光周波数νとして１９５ＴＨｚ、パルス繰り返し周波数ｆ_ｐｒｆとして数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ、パルス幅Δtとして数１００ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃが用いられる。また、オフセット周波数としてｆ_{ｏｆｓ＿１}＝１５０ＭＨｚ、ｆ_{ｏｆｓ＿２}＝３５０ＭＨｚ、ｆ_{ｏｆｓ＿３}＝５５０ＭＨｚが用いられ、ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑとして１００ＭＨｚが用いられる。

光高出力増幅器９は、光強度変調器７からＮ個のパルス光を受けると、Ｎ個のパルス光のそれぞれを増幅し、増幅後のＮ個のパルス光を伝送路ＯＦ_６に出力する
光高出力増幅器９は、例えば希土類であるエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジウム（Ｎｄ）などが添加されている光ファイバ増幅器である。このため、光高出力増幅器９は、増幅媒体の蓄積作用を利用して、伝送路ＯＦ_６からのパルス光のＯＦＦ期間に蓄積したエネルギーをＯＮ期間に開放することで、パルス光を増幅する。
この実施の形態１では、オフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}〜ｆ_{ｏｆｓ＿Ｎ}の周波数間隔が２００ＭＨｚ以上であるため、Ｎ個のパルス光の周波数間隔が、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅である１００ＭＨｚ以上の周波数差となっている。
このため、光高出力増幅器９の出力パワーをＮ倍に高めることが可能である。

光サーキュレータ１０は、光高出力増幅器９から伝送路ＯＦ_６に出力されたＮ個のパルス光を受けると、Ｎ個のパルス光を伝送路ＯＦ_７に出力する。
光アンテナユニット１１が有する光アンテナは、光サーキュレータ１０から伝送路ＯＦ_７に出力されたＮ個のパルス光のビーム径を拡大して、Ｎ個のパルス光を所定方向の空間に放射する。
光アンテナから空間に放射されたＮ個のパルス光は、空間に存在している散乱対象によって後方散乱される。散乱対象は、例えば、風速と同じ速度で移動するエアロゾルである。

図３は光アンテナユニット１１が有する光アンテナから放射されるパルス光のスペクトルを示す説明図である。
図３において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。
図３の横軸における目盛は、基準光源１の周波数νを起点にして、ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑを刻みとして記載している。
光位相変調器６−１によりオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}が付与されたパルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ１は、周波数（ｆ_ｎｙｑ＋ν）と周波数（２×ｆ_ｎｙｑ＋ν）との中間の周波数に位置している。
光位相変調器６−２によりオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿２}が付与されたパルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ２は、周波数（３×ｆ_ｎｙｑ＋ν）と周波数（４×ｆ_ｎｙｑ＋ν）との中間の周波数に位置している。
また、光位相変調器６−３によりオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿３}が付与されたパルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ３は、周波数（５×ｆ_ｎｙｑ＋ν）と周波数（６×ｆ_ｎｙｑ＋ν）との中間の周波数に位置している。
スペクトルＳＰ_ＴＸ１，ＳＰ_ＴＸ２，ＳＰ_ＴＸ３の周波数ｆ_ＴＸ１，ｆ_ＴＸ２，ｆ_ＴＸ３は、以下の式（３）のように表される。

スペクトルＳＰ_ＴＸ１を有するパルス光、ＳＰ_ＴＸ２を有するパルス光及びＳＰ_ＴＸ３を有するパルス光は、同一時間及び同一空間で伝搬されるため、散乱対象であるエアロゾルによって等しい量のドップラ周波数シフトｆ_Ｄｏｐを受ける。よって、パルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ１，ＳＰ_ＴＸ２，ＳＰ_ＴＸ３は、スペクトルＳＰ_ＴＸ１’，ＳＰ_ＴＸ２’，ＳＰ_ＴＸ３’の位置にシフトされる。
スペクトルＳＰ_ＴＸ１’，ＳＰ_ＴＸ２’，ＳＰ_ＴＸ３’の周波数ｆ_ＴＸ１’，ｆ_ＴＸ２’，ｆ_ＴＸ３’は、以下の式（４）のように表される。

図３では、光アンテナから放射されるパルス光の放射方向に対して向い風が吹いている状況を想定して、パルス光が正方向にシフトしている例を示しているが、パルス光の放射方向に対して追い風が吹いている状況では、パルス光が負方向にシフトする。

ドップラ周波数シフトｆ_Ｄｏｐは、以下の式（５）に示すように、ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑが計測可能な視線方向の最大風速±Ｖ_{ＬＯＳ＿ＭＡＸ}に基づいて設定されている場合、スペクトルＳＰ_ＴＸ１，ＳＰ_ＴＸ２，ＳＰ_ＴＸ３を中心スペクトルとする±（１／２）×ｆ_ｎｙｑの範囲内に収まる。
したがって、風速によって位置がシフトされているスペクトルＳＰ_ＴＸ１’，ＳＰ_ＴＸ２’，ＳＰ_ＴＸ３’の存在範囲は、それぞれ周波数軸上で限定された範囲ｆｗ_ＴＸ１，ｆｗ_ＴＸ２，ｆｗ_ＴＸ３になる。

式（５）において、ｃは光速である。
例えば、視線方向の最大風速±Ｖ_{ＬＯＳ＿ＭＡＸ}が３８ｍ／ｓ、基準光源１の周波数νが１９５ＴＨｚであれば、ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑ≧９８．８ＭＨｚのように計算されるため、ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑは約１００ＭＨｚに設定される。

光アンテナユニット１１が有する光アンテナは、Ｎ個のパルス光を空間に放射した後、空間に存在している散乱対象によって後方散乱されたパルス光の後方散乱光を受信し、後方散乱光を伝送路ＯＦ_７に出力する。
散乱対象によって後方散乱された後方散乱光は、光アンテナから放射されるパルス光のＯＦＦ期間に光アンテナによって連続的に受信される。
光アンテナから散乱対象までの距離Ｌ_ｍ（ｉ）に対応する後方散乱光の受信期間は時間幅Δｔであり、光アンテナからパルス光が放射されてから後方散乱光が受信されるまでの時間ｔ_ｍ（ｉ）は、以下の式（６）のように表される。ｉはｉ番目の距離レンジを示すパラメータである。

光サーキュレータ１０は、光アンテナユニット１１から伝送路ＯＦ_７に出力された後方散乱光を受けると、後方散乱光を伝送路ＯＦ_８に出力する。
光路合波カプラ１２は、光サーキュレータ１０から伝送路ＯＦ_８に出力された後方散乱光に光路分岐カプラ２から伝送路ＯＦ_３に出力された局部発振光を合波することで、当該後方散乱光の周波数を変換する。
光ヘテロダイン受信機１３は、光路合波カプラ１２により周波数が変換された後方散乱光を光ヘテロダイン検波することで、後方散乱光と局部発振光の差周波数を有するビート信号をバンドパスフィルタ１４に出力する。光ヘテロダイン受信機１３から出力されるビート信号は電気信号である。
この実施の形態１では、光ヘテロダイン受信機１３から連続的に出力されるビート信号のうち、ｉ番目の距離レンジに対応する後方散乱光の受信期間でのビート信号について説明するが、ｉ番目以外の距離レンジのビート信号についても同様に取り扱われる。

ここで、図４はビート信号のスペクトルなどを示す説明図である。
図４において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。
図４の横軸における目盛は、ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑを刻みとして記載している。
図４Ａは光ヘテロダイン受信機１３により検波されたビート信号のスペクトルを示し、図４Ｂはバンドパスフィルタ１４に設定されている通過帯域及び遮断帯域を示している。また、図４ＣはＡＤＣ１５によるアンダーサンプリング後のビート信号のスペクトルを示している。

光ヘテロダイン受信機１３から出力されるビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１は、パルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ１’に対応しており、光ヘテロダイン受信機１３から出力されるビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ２は、パルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ２’に対応している。
また、光ヘテロダイン受信機１３から出力されるビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ３は、パルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ３’に対応している。

図４Ａでは、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１の周波数がｆ_ＲＸ１、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ２の周波数がｆ_ＲＸ２、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ３の周波数がｆ_ＲＸ３であるとしている。
周波数ｆ_ＲＸ１，ｆ_ＲＸ２，ｆ_ＲＸ３は、以下の式（７）のように、パルス光のスペクトルＳＰ_ＴＸ１’，ＳＰ_ＴＸ２’，ＳＰ_ＴＸ３’の周波数から局部発振光の周波数νを減じた周波数となる。

ナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑが計測可能な視線方向の最大風速±Ｖ_{ＬＯＳ＿ＭＡＸ}に基づいて設定されているので、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３は、風速がゼロである場合のスペクトルＳＰ_{ＴＸ１，０}，ＳＰ_{ＴＸ２，０}，ＳＰ_{ＴＸ３，０}を中心スペクトルとする±（１／２）×ｆ_ｎｙｑの範囲内に収まる。
したがって、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３の存在範囲は、それぞれ周波数軸上で限定された範囲ｆｗ_ＲＸ１，ｆｗ_ＲＸ２，ｆｗ_ＲＸ３になる。

バンドパスフィルタ１４は、光ヘテロダイン受信機１３から出力されたビート信号に含まれている信号成分であるスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３の周波数ｆ_ＲＸ１，ｆ_ＲＸ２，ｆ_ＲＸ３を含む周波数帯域が通過帯域Ｐａｓｓ＃１，＃２，＃３に設定されている。
また。バンドパスフィルタ１４は、スペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３の周波数ｆ_ＲＸ１，ｆ_ＲＸ２，ｆ_ＲＸ３を含まない周波数帯域が遮断帯域Ｓｔｏｐに設定されている。
バンドパスフィルタ１４に設定されている通過帯域Ｐａｓｓ＃１，＃２，＃３及び遮断帯域Ｓｔｏｐは、例えば、図４Ｂのように設定されている。
Ｐａｓｓ＃１＝１×ｆ_ｎｙｑ〜２×ｆ_ｎｙｑ
Ｐａｓｓ＃２＝３×ｆ_ｎｙｑ〜４×ｆ_ｎｙｑ
Ｐａｓｓ＃３＝５×ｆ_ｎｙｑ〜６×ｆ_ｎｙｑ
図４には記載していないが、通過帯域Ｐａｓｓ＃Ｎは、以下の通りである。
Ｐａｓｓ＃Ｎ＝（２×Ｎ−１）×ｆ_ｎｙｑ〜（２×Ｎ）×ｆ_ｎｙｑ

光ヘテロダイン受信機１３から出力されたビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３は、バンドパスフィルタ１４の通過帯域Ｐａｓｓ＃１，＃２，＃３の範囲内に存在しているため、バンドパスフィルタ１４を通過してＡＤＣ１５に入力される。
一方、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３が存在していないバンドパスフィルタ１４の遮断帯域Ｓｔｏｐ内の雑音成分は、バンドパスフィルタ１４で遮断されるため、ＡＤＣ１５に入力されない。

ＡＤＣ１５は、バンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３をサンプリング周波数２×ｆ_ｎｙｑでアンダーサンプリングし、アンダーサンプリングしたスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
ＡＤＣ１５によるアンダーサンプリングによって、サンプリング周波数２×ｆ_ｎｙｑの２分の１であるナイキスト周波数ｆ_ｎｙｑ以上の信号は、周波軸上で折り返される。
例えば、バンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１は、ＡＤＣ１５によって周波軸上で１回折り返されるため、図４Ｃに示すように、スペクトルＳＰ_ＡＳに周波数変換される。スペクトルＳＰ_ＲＸ１の変換後の周波数ｆ_ＩＦ１であるスペクトルＳＰ_ＡＳの周波数ｆ_ＩＦは、以下の式（８）のように表される。

バンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ２は、ＡＤＣ１５によって周波軸上で３回折り返されるため、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１と同様に、スペクトルＳＰ_ＡＳに周波数変換される。スペクトルＳＰ_ＲＸ２の変換後の周波数ｆ_ＩＦ２であるスペクトルＳＰ_ＡＳの周波数ｆ_ＩＦは、以下の式（９）のように表される。

バンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ３は、ＡＤＣ１５によって周波軸上で５回折り返されるため、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１と同様に、スペクトルＳＰ_ＡＳに周波数変換される。スペクトルＳＰ_ＲＸ３の変換後の周波数ｆ_ＩＦ３であるスペクトルＳＰ_ＡＳの周波数ｆ_ＩＦは、以下の式（１０）のように表される。

なお、スペクトルＳＰ_ＡＳの存在範囲は、周波数軸上で周波数０〜ｆ_ｎｙｑの範囲に限定される。
図４Ｃにおいて、スペクトルＳＰ_ＡＳ，０は、風速がゼロである場合のビート信号のスペクトルＳＰ_{ＲＸ１，０}，ＳＰ_{ＲＸ２，０}，ＳＰ_{ＲＸ３，０}がＡＤＣ１５によって周波数変換されたスペクトルである。

ここでは、バンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３がスペクトルＳＰ_ＡＳに周波数変換される例を示したが、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）についても、スペクトルＳＰ_ＲＸ１と同じスペクトルＳＰ_ＡＳに周波数変換される。
なお、ビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）は、ＡＤＣ１５によって周波軸上で（２×Ｎ−１）回折り返される。

図５はＡＤＣ１５により周波数が変換される前後のビート信号を示す説明図である。
図５Ａはオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿１}が付与されているスペクトルがＳＰ_ＲＸ１であるビート信号を示し、実線が変換前のビート信号、破線が変換後のビート信号である。
図５Ｂはオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿２}が付与されているスペクトルがＳＰ_ＲＸ２であるビート信号を示し、実線が変換前のビート信号、破線が変換後のビート信号である。
図５Ｃはオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿３}が付与されているスペクトルがＳＰ_ＲＸ３であるビート信号を示し、実線が変換前のビート信号、破線が変換後のビート信号である。
図５ＤはＡＤＣ１５により周波数が変換された後のスペクトルがＳＰ_ＡＳ（周波数変換後のＳＰ_{ＲＸ１ＡＳ}，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３）であるビート信号を示している。

Ｎ個のパルス光は、位相は一致している状態で空間に放射される。
また、Ｎ個のパルス光は、同一の観測空間（方位、仰角及びビーム径が同一）を伝搬され、かつ、観測空間内の同一の観測対象であるエアロゾルに同時刻で散乱を受けるため、同一のドップラ周波数シフトｆ_Ｄｏｐを受ける。
同一のエアロゾルによって散乱された後方散乱光は、光アンテナユニット１１の光アンテナで同時刻に受信され、同一の伝送路ＯＦ_７，ＯＦ_８を伝送される。このため、光ヘテロダイン受信機１３からビート信号のスペクトルＳＰ_ＲＸ１，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３が、同位相で出力される。
したがって、ＡＤＣ１５により周波数が変換された後のスペクトルＳＰ_{ＲＸ１ＡＳ}，ＳＰ_ＲＸ２，ＳＰ_ＲＸ３（＝ＳＰ_ＡＳ）は、図５に示すように、同位相となる。

これにより、Ｎ個のスペクトルＳＰ_ＲＸｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）がＡＤＣ１５によってアンダーサンプリングされた場合、Ｎ個のスペクトルＳＰ_ＡＳが電気的に加算されることになるため、同位相でコヒーレントに加算される。
同位相でコヒーレントに加算されたＮ個のスペクトルＳＰ_ＡＳの振幅は、１つの波長のパルス光を放射する場合の振幅のＮ倍になる。
一方、バンドパスフィルタ１４の通過帯域Ｐａｓｓ＃１，＃２，＃３に含まれている雑音成分は、インコヒーレントに加算されるため、１つの波長のパルス光を放射する場合の振幅の√Ｎ倍になる。雑音成分はショット雑音が主な成分である。
したがって、ＳＮＲである信号成分／雑音成分は、１つの波長のパルス光を放射する場合と比べて、√Ｎ倍＝Ｎ／√Ｎに改善される。

信号処理器１６は、ＡＤＣ１５から出力されたデジタル信号である時系列のデジタルデータをパルス光のパルス幅Δｔに対応する時間ゲート幅で分割する。
信号処理器１６は、時間ゲート幅で分割した各々のデジタルデータを高速フーリエ変換することで、周波数領域の信号であるパワースペクトルを得る。
信号処理器１６は、事前に設定された回数Ｎ＿ＩＮＴだけパワースペクトルを得ると、それらのパワースペクトルにおける同一周波数の成分同士を加算することで、複数のパワースペクトルを積算する。
信号処理器１６は、複数のパワースペクトルを積算すると、積算後のパワースペクトルを分析する。
信号処理器１６は、積算後のパワースペクトルを分析する前に、パワースペクトルのフロアオフセット値を、事前に光アンテナを遮光した状態で測定しておいた雑音スペクトルフロアデータを用いて補正するようにしてもよい。

信号処理器１６によるパワースペクトルの分析処理として、例えば、パワースペクトルのピークを検出する処理、モーメント演算によってピークの重心周波数を特定する処理、スペクトル幅を算出する処理、ＳＮＲを算出する処理などが考えられる。
時系列のデジタルデータが分割された後の各々の時間ゲートのデジタルデータは、計測距離に対応するため、計測距離毎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。

通常の風計測ライダでは、スペクトル積分数であるＮ＿ＩＮＴとして１０００〜１００００回が設定されるため、パルス繰り返し周波数ｆ_ｐｒｆである数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚに対して、実効的なデータレートが０．１〜数ｓｅｃ程度となる。
なお、信号処理器１６が光アンテナユニット１１の光アンテナから放射されるパルス光の放射方向を切り替える機能を有する場合、信号処理器１６は、パルス光の放射方向を切り替えることで、各々の放射方向に対するエアロゾルまでの距離及び風速を計測することができる。また、信号処理器１６は、各々の放射方向に対する距離及び風速の計測値を用いるベクトル演算を行えば、風速の３次元分布の推定、計測距離毎の風向風速分布の算出などを行うことができる。
信号処理器１６によるパワースペクトルの分析結果は、信号処理器１６のデータ蓄積部に格納されるほか、図示せぬ表示器などに表示される。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、送信種光を分岐し、分岐した複数の送信種光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数の送信種光をパルス光に変調して出力、あるいは、送信種光をパルス光に変調して、パルス光を分岐し、分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与してから、複数のパルス光を出力する変調器８と、光ヘテロダイン受信機１３により検波された複数のビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているバンドパスフィルタ１４と、バンドパスフィルタ１４を通過してきたビート信号をサンプリング周波数で標本化するＡＤＣ１５とを備えるように構成したので、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるとともに、ＳＮＲを高めることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、単一周波数の送信種光を発振する基準光源１を備え、基準光源１により発振された送信種光が変調器８に出力されるように構成したので、誘導ブリルアン散乱の影響を回避するために、周波数が異なる複数のパルス光を光高出力増幅器９に与える場合でも、複数の光源を実装せずに済む効果が得られる。

この実施の形態１では、変調器８が、送信種光をパルス光に変調する光強度変調器７を備えている例を示したが、パルス幅が１００ｎｓｅｃ〜１ｕｓｅｃ、パルス繰り返し周波数ｆ_ｐｒｆが数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚに応答できるものであれば、光強度変調器７としてはどのようなものでもよい。
例えば、光強度変調器７として、マッハツェンダー（ＭＺ：Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ）型のＬＮ（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）変調器、ＥＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器などの強度変調器のほか、半導体光増幅器、光ファイバ増幅器などの光増幅器、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）光スイッチなどの光スイッチなどが考えられる。

この実施の形態１では、複数のパルス光を増幅する光高出力増幅器９を備えている例を示している。光高出力増幅器９としては、希土類が添加されたガラスやＹＡＧ結晶のような励起エネルギーの蓄積作用があり、パルス光におけるＯＮ期間とＯＦＦ期間のデューティ比の逆数に比例したパルス光の増幅作用がある光増幅器であれば、どのようなものでもよい。
例えば、光高出力増幅器９として、基準光源１から発生される送信種光の光周波数νが１９５ＴＨｚ（波長１．５μｍ）であれば、エルビウムなどの希土類が添加されている光ファイバ増幅器のほか、エルビウム及びガラスのロッド型、ディスク型、平面導波路型などの増幅器、ラマン増幅器などが考えられる。

この実施の形態１では、変調器８がパラレル光位相変調器６及び光強度変調器７を備えており、パラレル光位相変調器６が光強度変調器７の前段に配置されている例を示しているが、上述したように、光強度変調器７がパラレル光位相変調器６の前段に配置されているものであってもよい。
このとき、光強度変調器７として、半導体光増幅器を用いることで、基準光源１、光路分岐カプラ２及び半導体光増幅器である光強度変調器７が一体化されているデジタルコヒーレント通信用の集積可変波長レーザモジュール（ＩＴＬＡ：Ｉｎｔｅｇｒａｂｌｅ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いることができる。これにより、部品点数が低減されるため、小型化及び低コスト化を図ることができる。

この実施の形態１では、ビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、その信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているバンドパスフィルタ１４を備えている例を示している。バンドパスフィルタ１４としては、受動素子を備えているパッシブ型のバンドパスフィルタのほか、オペアンプなどの能動素子が組み合わされているアクティブフィルタを用いてもよい。
バンドパスフィルタ１４として、アクティブフィルタを用いる場合、ビート信号の信号レベルを、後段のＡＤＣ１５で必要な信号レベルまで増幅するようにしてもよい。

この実施の形態１では、信号波形ＷＦ０２のような矩形波形の信号を光強度変調器７の駆動信号を発生する第２の信号発生器５を備えている例を示している。
第２の信号発生器５が発生する駆動信号としては、信号波形ＷＦ０２のような矩形波形の信号に限るものではなく、例えば、立ち上がりが緩やかな鋸波状の波形の信号であってもよい。
第２の信号発生器５が発生する駆動信号が、立ち上がりが緩やかな鋸波状の波形の信号であれば、光高出力増幅器９による非線形光学効果の発生を抑えることができる。

図１のレーザレーダ装置では、光路分岐カプラ２、パラレル光位相変調器６、光路合波カプラ１２、光ヘテロダイン受信機１３及び伝送路ＯＦ_２，ＯＦ_３，ＯＦ_４，ＯＦ_８を同一の基板上に実装されているようにしてもよい。なお、変調器８の一部であるパラレル光位相変調器６だけでなく、光強度変調器７を含む変調器８の全部を当該基板上に実装されているようにしてもよい。
これらを実装する基板としては、シリコン、リン化インジウム（ＩｎＰ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ)、 有機ポリマなどが用いられている基板が考えられる。
同一の基板上に実装されることで、部品点数の低減による低コスト化、高信頼化のほかに、集積実装による小型化の効果が得られる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、パラレル光位相変調器６が光位相変調器６−１〜６−Ｎを備えている例を示したが、パラレル光位相変調器６が光路分岐カプラ２１、進行波形型光変調器であるデュアルＭＺ変調器２２−１〜２２−Ｍ及び光合波カプラ２３を備えるようにしてもよい。

図６はこの発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図６において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光路分岐カプラ２１は光路分岐カプラ２から伝送路ＯＦ_２に出力された送信種光をＮ分岐し、分岐した送信種光をデュアルＭＺ変調器２２−１〜２２−Ｍに出力する。
デュアルＭＺ変調器２２−ｍ（ｍ＝１，２，３，・・・，Ｍ）は鋸波信号発生器４−ｎから出力された鋸波信号に基づいて、分岐された１つの送信種光にオフセット周波数を付与し、オフセット周波数付与後の送信種光を伝送路ＯＦ_４に出力する。
ただし、Ｎ＝２×Ｍ（Ｍは自然数）である。このため、デュアルＭＺ変調器２２−ｍは、鋸波信号発生器４−（２×ｍ−１）から出力された鋸波信号ｓｗ_{（２×ｍ−１）}に基づいて、分岐された１つの送信種光にオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿（２×ｍ−１）}を付与する。また、デュアルＭＺ変調器２２−ｍは、鋸波信号発生器４−（２×ｍ）から出力された鋸波信号ｓｗ_{（２×ｍ）}に基づいて、分岐された１つの送信種光にオフセット周波数ｆ_{ｏｆｓ＿（２×ｍ）}を付与する。
光合波カプラ２３はデュアルＭＺ変調器２２−１〜２２−Ｍから出力されたオフセット周波数付与後の送信種光を合波する。

パラレル光位相変調器６の動作自体は、上記実施の形態１と同様である。このため、この実施の形態２でも、誘導ブリルアン散乱の影響を回避することができるとともに、ＳＮＲを高めることができる。
この実施の形態２では、光通信分野で広く利用されているデュアルＭＺ変調器２２−１〜２２−Ｍを用いているので、パラレル光位相変調器６の量産による低コスト化、入手性の向上、信頼性の向上の効果が得られる。

図６のレーザレーダ装置では、光路分岐カプラ２、パラレル光位相変調器６、光路合波カプラ１２、光ヘテロダイン受信機１３及び伝送路ＯＦ_２，ＯＦ_３，ＯＦ_４，ＯＦ_８を同一の基板上に実装されているようにしてもよい。なお、変調器８の一部であるパラレル光位相変調器６だけでなく、光強度変調器７を含む変調器８の全部を当該基板上に実装されているようにしてもよい。
これらを実装する基板としては、シリコン、リン化インジウム、 有機ポリマなどが用いられている基板が考えられる。
同一の基板上に実装されることで、部品点数の低減による低コスト化、高信頼化のほかに、集積実装による小型化の効果が得られる。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、１つの光アンテナユニット１１を備えている例を示したが、複数の光アンテナユニット１１を備えるようにしてもよい。

図７はこの発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図７において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
可変波長基準光源３１はＬ（Ｌは２以上の整数）個の波長のうち、波長切換器３２から出力される波長指定信号が示す波長の送信種光を発振する光源である。
Ｌ個の波長は、光高出力増幅器９における利得帯域範囲内の波長であり、また、波長分離器３４における入出力ポートを通過することが可能な帯域内の波長である。
波長切換器３２は信号処理器３３から出力される制御信号に基づいて可変波長基準光源３１により発振される送信種光の波長を切り換える切換器である。
信号処理器３３は図１の信号処理器１６と同様に、ＡＤＣ１５によりデジタル信号に変換されたビート信号を分析するほか、波長切換器３２の制御を行う。

波長分離器３４は光サーキュレータ１０から出力されたＮ個のパルス光の波長が光アンテナユニット１１−１に対応する波長であれば、Ｎ個のパルス光を光アンテナユニット１１−１に出力し、光サーキュレータ１０から出力されたＮ個のパルス光の波長が光アンテナユニット１１−２に対応する波長であれば、Ｎ個のパルス光を光アンテナユニット１１−２に出力する。
また、波長分離器３４は光サーキュレータ１０から出力されたＮ個のパルス光の波長が光アンテナユニット１１−Ｌに対応する波長であれば、Ｎ個のパルス光を光アンテナユニット１１−Ｌに出力する。

波長分離器３４は光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌから出力された後方散乱光を光サーキュレータ１０に出力する。
波長分離器３４としては、例えば、ＩＴＵ−ＴＧ.６９１勧告に準拠しているＩＴＵグリッドと呼ばれる波長の間隔で複数の入出力ポートが割り当てられている波長分離カプラ又はアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）を用いることができる。

光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌは、図１の光アンテナユニット１１と同様に、光アンテナを有しているユニットであるが、波長切換器３２により切り換えられる波長の数分用意されており、パルス光の放射方向である指向角度が互いに異なっている。

次に動作について説明する。
可変波長基準光源３１、波長切換器３２、信号処理器３３、波長分離器３４及び光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌ以外は、上記実施の形態１と同様であるため、ここでは、可変波長基準光源３１、波長切換器３２、信号処理器３３、波長分離器３４及び光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌの動作だけを説明する。

信号処理器３３は、風計測ライダ装置の実効的な計測レートである０．１〜数ｓｅｃよりも長い間隔で、波長の切換を指示する制御信号を波長切換器３２に出力する。
波長切換器３２は、信号処理器３３から出力される制御信号に基づいて可変波長基準光源３１により発振される送信種光の波長の切り換えを行う。
具体的には、波長切換器３２は、可変波長基準光源３１からＬ個の波長の送信種光が順番に発振されるように、送信種光の波長を指定する波長指定信号を可変波長基準光源３１に出力する。
可変波長基準光源３１は、Ｌ個の波長のうち、波長切換器３２から出力される波長指定信号が示す波長の送信種光を発振し、送信種光を光路分岐カプラ２に出力する。

波長分離器３４は、光サーキュレータ１０からＮ個のパルス光を受けると、Ｎ個のパルス光の波長が光アンテナユニット１１−１に対応する波長であれば、Ｎ個のパルス光を光アンテナユニット１１−１に出力する。
波長分離器３４は、Ｎ個のパルス光の波長が光アンテナユニット１１−２に対応する波長であれば、Ｎ個のパルス光を光アンテナユニット１１−２に出力し、Ｎ個のパルス光の波長が光アンテナユニット１１−Ｌに対応する波長であれば、Ｎ個のパルス光を光アンテナユニット１１−Ｌに出力する。

光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナは、波長分離器３４から出力されたＮ個のパルス光のビーム径を拡大して、Ｎ個のパルス光を所定方向の空間に放射する。
光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナは、Ｎ個のパルス光を空間に放射した後、空間に存在している散乱対象によって後方散乱されたパルス光の後方散乱光を受信して、後方散乱光を波長分離器３４に出力する。
波長分離器３４は、光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌから出力された後方散乱光を光サーキュレータ１０に出力する。
信号処理器３３は、図１の信号処理器１６と同様に、ＡＤＣ１５から出力されたデジタル信号を分析する。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、複数の波長のうち、いずれか１つの波長の送信種光を発振する可変波長基準光源３１と、可変波長基準光源３１により発振される送信種光の波長を切り換える波長切換器３２と、光高出力増幅器９により増幅された複数のパルス光の波長を分離する波長分離器３４とを備え、光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが、波長分離器３４により分離されたいずれか１つの波長のパルス光を空間に放射するように構成したので、機械駆動無しで、観測空間を切り換えることができる効果を奏する。

この実施の形態３では、光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナの指向角度が互いに異なるように、複数の光アンテナを設置している例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、以下の（ａ）〜（ｄ）のように、複数の光アンテナを設置してもよい。
（ａ）光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナの方位角が同一角度のまま、複数の光アンテナを離間して設置する。
（ｂ）光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナを近接配置しつつ、一定の仰角で方位角が等間隔となるように、複数の光アンテナを設置する。
（ｃ）光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナを近接配置しつつ、一定の方位角で仰角が等間隔となるように、複数の光アンテナを設置する。
（ｄ）光アンテナユニット１１−１〜１１−Ｌが有する光アンテナを近接配置しつつ、各々の出射指向角が円錐状になるように、複数の光アンテナを設置する。

複数の光アンテナを上記の（ａ）のように設置した場合、広域の面内における視線方向の風速分布を計測することが可能になる。
複数の光アンテナを上記の（ｂ）のように設置した場合、平面位置表示（ＰＰＩ：Ｐｌａｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）方式での風速分布を計測することが可能になる。
複数の光アンテナを上記の（ｃ）のように設置した場合、距離高度表示（ＲＨＩ：Ｒａｎｇｅ Ｈｅｉｇｈｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）方式での風速分布を計測することが可能になる。
複数の光アンテナを上記の（ｄ）のように設置した場合、ＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｚｉｍｕｔｈ Ｄｉｓｐｌａｙ）方式による３次元の風速ベクトル及び風向・風速・鉛直風を計測することが可能になる。

この実施の形態３では、可変波長基準光源３１を備える例を示しているが、可変波長基準光源３１として、デジタルコヒーレント光通信用の集積可変波長レーザ（ＩＴＬＡ：Ｉｎｔｅｇｒａｂｌｅ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）などを用いることができる。
また、可変波長基準光源３１の機能と、光路分岐カプラ２の機能とを備えている２出力型の集積可変波長レーザ（２出力ＩＴＬＡ）を用いるようにしてもよい。これにより、部品点数が低減するため、低コスト化と高信頼性化を図ることができる。

図７のレーザレーダ装置では、光路分岐カプラ２、パラレル光位相変調器６、光路合波カプラ１２、光ヘテロダイン受信機１３及び伝送路ＯＦ_２，ＯＦ_３，ＯＦ_４，ＯＦ_８を同一の基板上に実装されているようにしてもよい。なお、変調器８の一部であるパラレル光位相変調器６だけでなく、光強度変調器７を含む変調器８の全部を当該基板上に実装されているようにしてもよい。
これらを実装する基板としては、シリコン、リン化インジウム、 有機ポリマなどが用いられている基板が考えられる。
同一の基板上に実装されることで、部品点数の低減による低コスト化、高信頼化のほかに、集積実装による小型化の効果が得られる。

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。

この発明は、パルス光を空間に放射し、放射したパルス光の後方散乱光を受信するレーザレーダ装置に適している。

１ 基準光源、２ 光路分岐カプラ、３ 同期信号発生器、４ 第１の信号発生器、４−１〜４−Ｎ 鋸波信号発生器、５ 第２の信号発生器、６ パラレル光位相変調器、６−１〜６−Ｎ 光位相変調器、７ 光強度変調器、８ 変調器、９ 光高出力増幅器（光増幅器）、１０ 光サーキュレータ、１１，１１−１〜１１−Ｌ 光アンテナユニット、１２ 光路合波カプラ、１３ 光ヘテロダイン受信機（受信機）、１４ バンドパスフィルタ（フィルタ）、１５ ＡＤＣ（変換器）、１６ 信号処理器、２１ 光路分岐カプラ、２２−１〜２２−Ｍ デュアルＭＺ変調器（進行波形型光変調器）、２３ 光合波カプラ、３１ 可変波長基準光源、３２ 波長切換器、３３ 信号処理器、３４ 波長分離器。

Claims (8)

1. 送信種光を分岐し、前記分岐した複数の送信種光に異なるオフセット周波数を付与してから、前記複数の送信種光のそれぞれをパルス光に変調して出力、あるいは、送信種光をパルス光に変調して、当該パルス光を分岐し、前記分岐した複数のパルス光に異なるオフセット周波数を付与してから、前記複数のパルス光を出力する変調器と、
   前記変調器から出力された複数のパルス光を増幅する光増幅器と、
   前記光増幅器により増幅された複数のパルス光を空間に放射し、前記放射した複数のパルス光の後方散乱光を受信する光アンテナと、
   前記光アンテナにより受信された複数の後方散乱光からビート信号をそれぞれ検波する受信機と、
   前記受信機により検波された複数のビート信号に含まれている信号成分の周波数を含む周波数帯域が通過帯域に設定され、前記信号成分の周波数を含まない周波数帯域が遮断帯域に設定されているフィルタと、
   前記フィルタを通過してきたビート信号をサンプリング周波数で標本化する変換器と
   を備えたレーザレーダ装置。
2. 前記変調器は、前記光増幅器に出力する複数のパルス光の周波数間隔が、前記光増幅器又は前記光増幅器から前記光アンテナに至る伝送路で発生する誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅よりも大きくなるオフセット周波数を付与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. 前記変調器は、前記分岐した送信種光又は前記分岐したパルス光にオフセット周波数を付与する複数の光位相変調器を備えており、
   前記複数の光位相変調器は、互いに異なるオフセット周波数を付与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。
4. 前記変調器は、前記分岐した送信種光又は前記分岐したパルス光にオフセット周波数を付与する複数の進行波形型光変調器を備えており、
   前記複数の進行波形型光変調器は、互いに異なるオフセット周波数を付与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。
5. 単一周波数の送信種光を発振する基準光源を備え、
   前記基準光源により発振された送信種光が前記変調器に出力されることを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
6. 前記変換器により標本化されたビート信号を分析する信号処理器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。
7. 複数の波長のうち、いずれか１つの波長の送信種光を発振する可変波長基準光源と、
   前記可変波長基準光源により発振される送信種光の波長を切り換える波長切換器と、
   前記光増幅器により増幅された複数のパルス光の波長を分離する波長分離器とを備え、
   前記光アンテナは、前記波長切換器により切り換えられる波長の数分用意されており、各々の光アンテナは、前記波長分離器により分離されたいずれか１つの波長のパルス光を空間に放射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。
8. 前記変調器の一部又は全部と前記受信機とが同一の基板上に実装されて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。

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