JP6827603B1 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

レーザレーダ装置（１）は、測定対象空間に存在するＨＴ（１００）の計測および測定対象空間におけるＨＴ（１００）までの間に存在するＳＴ（１０１）の計測を行い、レーザ光の照射方向の距離とレーザ光の受信信号のＳＮＲとの対応関係を示すデータおよびＳＮＲの検出限界値に基づいて、受光されたレーザ光からＨＴ（１００）において反射されたレーザ光を判別し、判別されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御する。

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関する。

レーザ光を用いて風速を計測するレーザレーダ装置は、パルス状のレーザ光を大気中に照射し、大気中に存在するエアロゾルにおいて散乱したレーザ光の散乱光を受光することによって、エアロゾルの移動に伴った散乱光のドップラシフトを求め、散乱光のドップラシフトに基づいてレーザ照射方向の風速を計測する。

また、レーザレーダ装置には、エアロゾルのようなソフトターゲット（ＳＴ）以外に、ハードターゲット（ＨＴ）を計測するものがある。ＨＴは、エアロゾルよりも格段に大きくかつ光学的に厚く透過率が極めて低いターゲットである。ＨＴには、車両、航空機または船舶などの移動体がある。

ＨＴを計測するレーザレーダ装置において、遠距離に存在するＨＴの検出を基準としてレーザ光の強度を高くした場合、近距離に存在するＨＴの検出に際して、レーザ光の強度が過大となる。レーザレーダ装置は、近距離に存在するＨＴにおいて反射したレーザ光の反射光を受光すると、当該反射光の受信信号の強度が飽和することにより計測値に誤差が発生する。

例えば、特許文献１には、遠距離に照射するレーザ光の透過率を高くし、近距離に照射するレーザ光の透過率を低くするレーザレーダ装置が記載されている。当該レーザレーダ装置においては、遠距離に存在する物体（ＨＴ）の検出を基準として、レーザ光の強度が高くされた場合であっても、近距離に存在する物体（ＨＴ）を検出するためのレーザ光の強度は減衰される。

特開２０１３−１９７９０号公報

従来のレーザレーダ装置において、ＨＴまでの空間に照射されたレーザ光のエアロゾルにおける散乱光の強度は極めて小さく当該散乱光の受信信号の強度も極めて小さい。これに対して、ＨＴは光学的に厚く透過率が極めて低いターゲットであるので、ＨＴが遠距離に存在しても、ＨＴにおける散乱光の強度は、エアロゾルにおける散乱光に比べて格段に大きい。

特許文献１に記載されるレーザレーダ装置では、遠距離に照射するレーザ光の透過率が高く設定され、近距離に照射するレーザ光の透過率が低く設定される。このため、ＨＴの計測とＳＴの計測との両方を行う場合、遠方に存在するＨＴにおける散乱光の受信信号の強度が飽和することにより、ＨＴの計測精度が低下するという課題があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、ＨＴの計測精度の低下を抑制しつつ、ＨＴの計測とＳＴの計測の両方を行う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。

本発明に係るレーザレーダ装置は、周波数シフトされたレーザ光を測定対象空間へ照射し、測定対象空間で散乱または反射されたレーザ光を受光する光学系部と、散乱または反射されたレーザ光と、周波数シフトされていないローカル光とを合波する合波部と、合波部によって合波された光信号を入力し、入力した光信号を用いて、光学系部によって受光されたレーザ光の受信信号の強度を制御する強度制御部と、測定対象空間に存在するＨＴの計測および測定対象空間におけるＨＴまでの間に存在するＳＴの計測を行う信号処理部とを備え、信号処理部は、レーザ光の照射方向の距離とレーザ光の受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）との対応関係を示すデータおよびＳＮＲの検出限界値に基づいて、光学系部によって受光されたレーザ光からＨＴにおいて反射されたレーザ光を判別し、強度制御部が、信号処理部によって判別されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御することにより、信号処理部が、測定対象空間におけるＨＴまでの間に存在するＳＴの位置の計測、ＨＴの位置の計測、エアロゾルの移動速度の計測、および、ＨＴの移動速度の計測を行う。

本発明によれば、測定対象空間に存在するＨＴの計測および測定対象空間におけるＨＴまでの間に存在するＳＴの計測が行われる。レーザ光の照射方向の距離とレーザ光の受信信号のＳＮＲとの対応関係を示すデータおよびＳＮＲの検出限界値に基づいて、受光されたレーザ光から、ＨＴにおいて反射されたレーザ光を判別し、判別されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御される。これにより、本発明に係るレーザレーダ装置は、ＨＴの計測精度の低下を抑制しつつ、ＨＴの計測とＳＴの計測との両方を行うことができる。

実施の形態１に係るレーザレーダ装置から照射されたレーザ光の散乱光の発生の概要を示す説明図である。 ＨＴにおける反射光の受信信号の強度の飽和およびＨＴの計測誤差の概要を示す図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置によるＨＴの計測およびＳＴの計測の概要を示す説明図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置における受信ＳＮＲのＡ−スコープを示す図である。 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。 図５の距離特性算出部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１における受信信号の波形を示す波形図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 受信ＳＮＲのＡ−スコープを利用したＨＴ位置の特定処理の概要を示す図である。 図１０Ａは、アンプによって増幅された受信信号の波形を示す波形図であり、図１０Ｂは、アンプによって増幅されていない受信信号の波形を示す波形図であり、図１０Ｃは、飽和抑制処理が施された受信信号の波形を示す波形図である。 実施の形態２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。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１から照射されたレーザ光Ａの散乱光の発生の概要を示す説明図である。レーザレーダ装置１による風計測において、パルス状のレーザ光Ａが大気中に照射され、エアロゾルにおける散乱光ｓ１が受光される。レーザ光Ａのローカル光である単一周波数の連続光と散乱光ｓ１とのヘテロダイン検波によって、エアロゾルの移動によって生じるドップラシフトが算出され、レーザ光の照射方向（視線方向）に沿った風速が計測される。

レーザ光Ａは、ローカル光に対して周波数変調されている。このため、ヘテロダイン検波における散乱光ｓ１とローカル光との干渉によって、中間周波数であるビート周波数の信号が生成される。ビート周波数の信号はビート信号である。エアロゾルが移動すると、このビート周波数にドップラシフトが付加される。ドップラシフトは、ヘテロダイン検波が施された信号をフーリエ変換することで得られるスペクトルから算出される。風速を計測する方向は、レーザ光の出射方向を切り替えることによって変更される。

風計測において、ソフトターゲット（ＳＴ）であるエアロゾルが３次元的なボリュームターゲットとして扱われるのに対して、ハードターゲット（ＨＴ）１００の計測においては、ＨＴ１００が２次元的なターゲットとして扱われる。ＨＴ１００の移動によって生じるドップラシフトに基づいて、ＨＴ１００の移動速度が算出される。レーザレーダ装置１は、レーザレーダ装置１からＨＴ１００までの間に存在するＳＴであるエアロゾルを検出することによる風計測とＨＴ１００の計測とを同時に行う。ＨＴ１００は、例えば、海面であってもよい。

ＨＴ１００の計測とは、レーザレーダ装置１からＨＴ１００までの距離を測定しつつ、ＨＴ１００の移動速度を測定することを意味する。また、コヒーレント方式による風計測においては、図１に示すように、大気中のエアロゾルにおいてレーザ光Ａが散乱した散乱光ｓ１の受信信号が計測に用いられる。散乱光ｓ１の強度は、一般に極めて小さく、散乱光ｓ１の受信信号の強度も極めて小さい。さらに、散乱光ｓ１とローカル光を干渉させることで発生するビート信号の振幅も同様に小さい。

散乱光ｓ１の受信信号に対応するビート信号は、ＡＤ変換が行われる前に、雑音を抑制しつつ振幅を増加させることにより、ＳＮＲの向上を図ることができる。ＨＴ１００は、固体、液体もしくは光学的に厚く透過率の極めて低いボリュームターゲットであるため、ＨＴ１００においてレーザ光Ａが反射した反射光ｓ２の強度は大きく、反射光ｓ２の受信信号の強度も極めて大きい。これにより、エアロゾルの計測とＨＴ１００の計測とが同時に行われる場合、反射光ｓ２の受信信号が飽和する。

図２は、ＨＴにおける反射光の受信信号の強度の飽和およびＨＴの計測誤差の概要を示す図である。図２の上側図は、レーザレーダ装置１から照射されたレーザ光が、ＳＴであるエアロゾルにおいて散乱されＨＴにおいて反射され、レーザレーダ装置１によって散乱光および反射光が受信された受信信号の波形を示す波形図である。この波形図において、ＳＶ１は、受信信号電圧の下限値であり、ＳＶ２は、受信信号電圧の上限値である。すなわち、受信信号の電圧が上限値ＳＶ２を超えた場合には、受信信号の強度が飽和した状態となる。図２の下側図は、積算スペクトルＳａまたはＳｂを示す波形図である。積算スペクトルは、一定の時間のレンジビンごとの受信信号（ビート信号）に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施して得られた複数のスペクトルが積算されたものである。

ビート信号の電圧が上限値ＳＶ２を超えてビート信号が飽和している場合、ビート信号にＦＦＴを施したスペクトルＳａの周波数帯域内には、偽信号が重畳される。飽和がないビート信号にＦＦＴが実行されたスペクトルＳｂとスペクトルＳａとの間には、図２の下側図に示すように、周波数ずれが生じる。ターゲットの移動速度は、ドップラシフト量に基づいて算出され、ドップラシフト量は、ビート信号にＦＦＴが実行されたスペクトルのピーク周波数（中心周波数）のシフトである。このため、受信信号の強度が飽和すると、ドップラシフト量に誤差が生じ、ターゲットの移動速度にも誤差が生じる。

図３は、レーザレーダ装置１によるＨＴ１００の計測およびＳＴ１０１の計測の概要を示す説明図である。レーザレーダ装置１は、ＨＴ１００において反射したレーザ光に生じるコヒーレンシの低下を検出することによって、受光されたレーザ光のうち、ＨＴ１００において反射したレーザ光を判別する。ＨＴ１００が理想的な正反射面であると仮定した場合、レーザレーダ装置１から照射されたレーザ光Ａのうち、ＨＴ１００において正反射したレーザ光Ａ１は、大気中を伝搬してから、レーザレーダ装置１によって受光される。

ＨＴ１００において正反射したレーザ光Ａ２は、図３に示すように、ＳＴ１０１であるエアロゾルにおいて散乱されることによって散乱光Ｓｃとなる。ＨＴ１００において散乱光Ｓｃが正反射した反射光Ｓｄは、大気中を伝搬してから、レーザレーダ装置１によって受光される。しかしながら、ＨＴ１００の反射面は、理想的な正反射面とはならず、反射面の凹凸は、レーザ光Ａの波長に対して十分に大きい場合が多い。

図４は、レーザレーダ装置１における受信ＳＮＲのＡ−スコープを示す図である。図４において、受信ＳＮＲのＡ−スコープは、レーザレーダ装置１からのレーザ光Ａの照射方向の距離とレーザレーダ装置１によるレーザ光Ａの受信信号のＳＮＲとの対応関係を示すデータである。また、Ａ−スコープＤ１は、レーザレーダ装置１に近い距離にあるＨＴに関するＡ−スコープデータであり、Ａ−スコープＤ２は、レーザレーダ装置１から遠い距離にあるＨＴに関するＡ−スコープデータである。

ＨＴ１００の反射面の凹凸がレーザ光Ａの波長に対して十分に大きい場合、ＨＴ１００の反射面において反射されたレーザ光Ａは、その波面に乱れが生じてコヒーレンシが低下する。ＨＴ１００の反射面において反射された反射光のコヒーレンシが低下すると、ＳＴ１０１において散乱された散乱光Ｓｃのコヒーレンシも低下する。散乱光Ｓｃは、図３に示したように、ＨＴ１００よりもレーザレーダ装置１から遠い距離に存在するＳＴ１０１における散乱光である。

Ａ−スコープＤ１およびＡ−スコープＤ２において、符号Ｅで示すように、散乱光Ｓｃのコヒーレンシの低下に伴い、ＨＴ１００よりもレーザレーダ装置１から遠い距離に存在するＳＴ１０１における散乱光Ｓｃの受信ＳＮＲ（信号対雑音比）は、検出限界値ＳＮＲ１まで低下する。レーザレーダ装置１は、散乱光Ｓｃの受信ＳＮＲが検出限界値ＳＮＲ１まで低下するという特性を利用して、受光されたレーザ光から、ＨＴ１００において反射したレーザ光を判別する。

図５は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１の構成を示すブロック図である。図５において、レーザレーダ装置１は、光源２、光分配器３、パルス変調器４、光学系部５、テレスコープ６、光カプラ７、受光部８、強度制御部１０、ＡＤ変換部１１、信号処理部１２およびトリガ生成回路１３を備える。光学系部５は、送信側光学系５ａ、送受分離部５ｂおよび受信側光学系５ｃを備える。強度制御部１０は、スイッチ部９ａおよびアンプ９ｂを備える。信号処理部１２は、距離特性算出部１２ａ、信号処理切替部１２ｂ、移動速度算出部１２ｃ、ＨＴ位置特定部１２ｄおよびゲート位置設定部１２ｅを備える。

光源２は、単一周波数からなる連続光を出力する光源であり、光分配器３に接続されている。光分配器３は、光源２から出力された光を２分割し、分割された一方の光をパルス変調器４に出力し、他方の光を光カプラ７に出力する。光分配器３には、例えば、１：２ファイバカプラが用いられる。また、光分配器３には、ハーフミラーを用いて構成されるものもある。

パルス変調器４は、光分配器３を介して光源２から入力された光をパルス変調し、パルス変調された光信号を周波数シフトさせることで、送信光を生成する。送信光は、レーザレーダ装置１から測定対象空間へ照射されるパルス状のレーザ光である。送信光は、光学系部５に出力される。パルス変調器４には、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）が用いられる。

送信側光学系５ａは、パルス変調器４から入力した送信光のビーム径とビーム広がり角を整形し、ビーム径およびビーム広がり角が整形された送信光を、送受分離部５ｂへ出力する。送信側光学系５ａは、例えば、凹面レンズと凸面レンズを含むレンズ群を用いて構成される。また、送信側光学系５ａは、ミラーを用いた反射型の光学系であってもよい。

送受分離部５ｂは、送信側光学系５ａとテレスコープ６との間で、かつ送信光の光軸上に設けられ、送信光をテレスコープ６へ出力するとともに、テレスコープ６からの受信光を受信側光学系５ｃへ出力する。送受分離部５ｂには、サーキュレータまたは偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いることができる。

受信側光学系５ｃは、受信光のビーム径とビーム広がり角を整形し、ビーム径およびビーム広がり角が整形された受信光を、光カプラ７へ出力する。受信光は、測定対象空間において送信光が散乱または反射された散乱光または反射光である。受信側光学系５ｃは、例えば、凹面レンズと凸面レンズを含むレンズ群を用いて構成される。また、受信側光学系５ｃは、ミラーを用いた反射型の光学系であってもよい。

テレスコープ６は、送受分離部５ｂから入力した送信光を測定対象空間へ照射するとともに、測定対象空間からの受信光を受光する。テレスコープ６は、例えば、凹面レンズと凸面レンズを含むレンズ群を用いて構成される。また、テレスコープ６は、ミラーを用いた反射型の光学系であってもよい。

光カプラ７は、光分配器３から入力した光と、受信側光学系５ｃから入力した受信光とを合波し、合波した光を受光部８へ出力する。光カプラ７によって合波された光信号が、ビート信号である。光カプラ７には、ファイバ型のコンバイナが利用可能である。光カプラ７によって合波された光信号は、周波数シフトｆ_ＩＦ（中心周波数）に対応するビート信号である。受信光において、風速およびＨＴの移動に対応したドップラシフト周波数が生じている場合、ビート信号の周波数は中心周波数ｆ_ＩＦにドップラシフト周波数Δｆを加えた値となる。

受光部８は、例えば、バランスドレシーバであり、光カプラ７から入力したビート信号を電気信号に変換し、電気信号のビート信号（受信信号）をスイッチ部９ａへ出力する。強度制御部１０は、光学系部５によって受光された受信光の受信信号の強度を制御する。スイッチ部９ａは、ゲート位置設定部１２ｅによって設定されたゲート位置情報に基づいて、受光部８から入力した受信信号を、アンプ９ｂへ出力する経路と、ＡＤ変換部１１へ出力する経路とを切り替える。アンプ９ｂは、スイッチ部９ａを介して入力した受信信号の強度を増幅させる増幅部である。アンプ９ｂによって増幅された受信信号は、ＡＤ変換部１１へ出力される。

ＡＤ変換部１１は、強度制御部１０を介して受信信号を入力し、入力した受信信号を、デジタル信号へ変換する。ＡＤ変換部１１によってＡＤ変換された受信信号は、信号処理部１２へ出力される。図５に示すＡＤ変換部１１は、アンプ９ｂを通過した信号とアンプ９ｂを通過しない信号とを入力する、２チャンネルのＡＤ変換器である。ただし、アンプ９ｂを通過した信号とアンプ９ｂを通過しない信号を、アナログマルチプレクサによって束ねることで、ＡＤ変換部１１には、１チャンネルのＡＤ変換器を用いることができる。

信号処理部１２は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を用いて構成される。信号処理部１２において、距離特性算出部１２ａ、信号処理切替部１２ｂ、移動速度算出部１２ｃ、ＨＴ位置特定部１２ｄおよびゲート位置設定部１２ｅは、デジタル信号およびＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｌｏｇｉｃ）信号を用いて、指示またはデータのやり取りが行われる。

距離特性算出部１２ａは、レーザ光の受信信号のスペクトルデータおよびＡ−スコープデータを算出する。例えば、距離特性算出部１２ａは、ＡＤ変換部１１によってＡＤ変換された受信信号を、送信光のパルス幅に対応するレンジビンごとに分割し、各レンジビンの信号に対してＦＦＴ処理を実行することで、レンジビンごとのスペクトルデータを生成する。距離特性算出部１２ａは、レンジビンごとのスペクトルデータをスペクトル空間で積算し、各レンジビンのスペクトルデータからピーク値を算出することで、レーザレーダ装置１からの送信光の照射方向に沿った距離とピーク値との対応関係を示すＡ−スコープデータを算出する。距離特性算出部１２ａは、各レンジビンのスペクトルデータおよびＡ−スコープデータを信号処理切替部１２ｂへ出力する。

信号処理切替部１２ｂは、積算されたスペクトルデータおよびＡ−スコープデータを、移動速度算出部１２ｃまたはＨＴ位置特定部１２ｄのいずれかに出力することで、移動速度算出部１２ｃによる移動速度の算出処理とＨＴ位置特定部１２ｄによるＨＴ位置の特定処理とを切り替える。

移動速度算出部１２ｃは、各レンジビンのスペクトルデータのピーク周波数に基づいてドップラシフト量を算出し、ドップラシフト量に基づいてレンジビンごとのターゲットの移動速度を算出する。ＨＴ位置特定部１２ｄは、Ａ−スコープデータに基づいてＨＴ位置を特定し、特定したＨＴ位置に基づいて、テレスコープ６から送信光が送信されてから、ＨＴにおいて送信光が反射されるまでの時間Ｔ_ＨＴを算出する。ゲート位置設定部１２ｅは、ＨＴ位置特定部１２ｄによって算出された時間Ｔ_ＨＴに基づいて、受信信号をアンプ９ｂへ出力させる時間とＡＤ変換部１１へ出力させる時間とを示すゲートを生成し、生成したゲートをスイッチ部９ａに設定する。

トリガ生成回路１３は、光分配器３からパルス変調器４へ出力された光をパルス化するトリガ信号を生成し、生成したトリガ信号をゲート位置設定部１２ｅに設定することで、送信光をパルス化する時間を制御する。トリガ生成回路１３は、予め設定されたパルス幅およびパルス周期に基づいてトリガ信号を生成する。トリガ生成回路１３には、例えば、パルスジェネレータまたはファンクションジェネレータが用いられる。また、トリガ生成回路１３は、例えば、ＦＰＧＡを用いて構成される。

また、ＡＤ変換部１１による受信信号のＡＤ変換は、トリガ生成回路１３からのトリガ信号を開始トリガとして行われる。ＡＤ変換の開始時刻は、送信光のパルスが送信されたタイミングに一致し、送信光のパルスとパルスの間隔に対応する期間においてＡＤ変換が実行される。ＡＤ変換部１１によるＡＤ変換が開始されてから時間Δｔ（＝２Ｌ／ｃ）が経過した後にＡＤ変換された信号は、レーザレーダ装置１から距離Ｌだけ離れた位置に存在するターゲット（例えば、ＳＴ１０１またはＨＴ１００）において散乱または反射された送信光に対応する受信信号である。ｃは光速である。ＡＤ変換部１１は、１パルスごとの送信光に対応する受信信号（デジタル信号）を、距離特性算出部１２ａへ出力する。

図６は、距離特性算出部１２ａの構成を示すブロック図である。距離特性算出部１２ａは、図６に示すように、レンジビン分割処理部１２ａ−１、ＦＦＴ処理部１２ａ−２、積算処理部１２ａ−３、ＳＮＲ算出部１２ａ−４、およびＡ−スコープ算出部１２ａ−５を備える。

レンジビン分割処理部１２ａ−１は、ＡＤ変換部１１から入力した１パルスごとの送信光に対応する受信信号を、一定の時間幅ごとに分割する。ここで、分割とは、受信信号を一定の時間幅ごとの区間に対応付けることを意味する。また、送信光の１パルス分に対応する受信信号を一定の時間幅ごとに分割する処理は、レーザレーダ装置１から互いに異なる距離（レンジ）にそれぞれ存在するターゲットにおいて散乱または反射された送信光を分離する処理に相当する。レンジビンの幅は、送信光のパルス幅に相当し、パルス幅は、レーザレーダ装置１に予め設定された値である。

ＦＦＴ処理部１２ａ−２は、レンジビン分割処理部１２ａ−１によってレンジビンごとに分割された受信信号に対してＦＦＴ処理を行い、レンジビンごとのスペクトルデータを生成する。光学系部５によって、パルスごとに送信光が複数回送信され、複数のパルスのそれぞれに対応する受信光が受信される。ＦＦＴ処理部１２ａ−２は、複数の受信光のそれぞれに対応しかつレンジビンごとに分割された受信信号に対してＦＦＴ処理を行う。

積算処理部１２ａ−３は、ＦＦＴ処理部１２ａ−２によってレンジビンごとに算出されたスペクトルデータを積算する。ＳＮＲ算出部１２ａ−４は、各レンジビンの積算されたスペクトルのピーク強度を用いて、受信信号と使用周波数帯域外の雑音との比である受信ＳＮＲを算出する。なお、ピーク強度は、スペクトルにおけるピーク周波数の位置に対応するスペクトル強度である。また、ピーク強度は、スペクトルデータに重心演算を施して得られる重心周波数位置に対応するスペクトル強度であってもよい。

ＳＮＲ算出部１２ａ−４は、個々のレンジビンを特定するラベルの値を含むレンジビン情報と、積算処理部１２ａ−３によって積算されたスペクトルデータと、受信ＳＮＲを、Ａ−スコープ算出部１２ａ−５へ出力する。Ａ−スコープ算出部１２ａ−５は、ＳＮＲ算出部１２ａ−４によって算出された受信ＳＮＲを用いてＡ−スコープデータを算出する。Ａ−スコープデータは、受信ＳＮＲの距離特性を示すデータである。

図７は、実施の形態１における受信信号の波形を示す波形図であり、１パルス分の送信光に対応する受信信号の時間変化を示している。ｎは、受信信号が分割されたレンジビンのラベルを表している。ラベルｎの値が小さい受信信号は、レーザレーダ装置１の近傍に存在するターゲットにおいて送信光が散乱または反射された光に対応している。

符号Ｂで示す区間（ラベルｎ＝１〜４）の受信信号は、レーザレーダ装置１からＨＴまでの間に存在するエアロゾルにおいて送信光が散乱した光に対応している。また、符号Ｃで示す区間（ラベルｎ＝５）の受信信号は、ＨＴにおいて送信光が反射した光に対応している。ＨＴはレーザレーダ装置１から遠い位置に存在するが、ＨＴにおいて送信光が反射した光に対応する受信信号の強度は、図７に示すように、上限値ＳＶ２を超えて飽和している。

Ａ−スコープ算出部１２ａ−５は、レンジビン情報（ラベルｎを含む情報）、レンジビン幅Δｔおよび光速ｃを用いて、レーザレーダ装置１からターゲットが存在する位置までの距離Ｌ（＝ｃ×Δｔ／２）をレンジビンごとに算出し、算出した距離Ｌと受信ＳＮＲとの対応関係を示すＡ−スコープデータを算出する。これにより、図４に示したようなＡ−スコープデータが得られる。

図８は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１の動作を示すフローチャートである。レーザレーダ装置１によるターゲットの計測が開始されると、パラメータｉに値０が設定される（ステップＳＴ１）。トリガ生成回路１３に対してパルス幅が設定される（ステップＳＴ２）。これにより、前述したＡ−スコープデータの算出までの処理が実行される。次に、信号処理切替部１２ｂは、パラメータｉの値が０であるか１であるかを確認する（ステップＳＴ３）。

パラメータｉの値が０である場合（ステップＳＴ３；ｉ＝０）、レーザレーダ装置１によるターゲットの計測が開始されてＨＴ位置が特定される前の段階である。信号処理切替部１２ｂは、距離特性算出部１２ａによって算出されたＡ−スコープデータを、ＨＴ位置特定部１２ｄに出力する。

ＨＴ位置特定部１２ｄは、Ａ−スコープデータと受信ＳＮＲの検出限界値に基づいて、ＨＴ位置を特定する（ステップＳＴ４）。図９は、受信ＳＮＲのＡ−スコープを利用したＨＴ位置の特定処理の概要を示す図である。図９において、Ａ−スコープＤ１は、図４と同様に、レーザレーダ装置１に近い距離にあるＨＴに関するＡ−スコープデータであり、Ａ−スコープＤ２は、レーザレーダ装置１から遠い距離にあるＨＴに関するＡ−スコープデータである。

計測対象のＨＴの表面には送信光の波長以上の起伏（凹凸）があるので、送信光がＨＴにおいて反射することで、反射光のコヒーレンシは低下する。さらに、ＨＴにおいて送信光が反射した光が、ＨＴよりもレーザレーダ装置１から遠い距離に存在するエアロゾルにおいて散乱すると、この散乱光の受信ＳＮＲは検出限界値ＳＮＲ１まで低下する。

ＨＴ位置特定部１２ｄは、Ａ−スコープデータにおける受信ＳＮＲの値を、測定の最大レンジＲ_ＭＡＸからレーザレーダ装置１に近くなる方向へモニタすることで、受信ＳＮＲが検出限界値ＳＮＲ１よりも大きくなる距離（レンジビン）Ｌ_ＨＴを特定する。レーザレーダ装置１から送信光の照射方向に沿って距離Ｌ_ＨＴだけ離れた位置が、ＨＴ位置である。ＨＴ位置特定部１２ｄは、距離Ｌ_ＨＴおよび光速ｃを用いて、ＨＴにおいて送信光が反射された時間Ｔ_ＨＴ（＝２Ｌ_ＨＴ／ｃ）を算出する（ステップＳＴ５）。

例えば、Ａ−スコープＤ１において、距離Ｌ_ＨＴ１が特定され、時間Ｔ_ＨＴ１（＝２Ｌ_ＨＴ１／ｃ）が算出される。Ａ−スコープＤ２において、距離Ｌ_ＨＴ２が特定され、時間Ｔ_ＨＴ２（＝２Ｌ_ＨＴ２／ｃ）が算出される。これにより、光学系部５によって受光されたレーザ光から、ＨＴにおいて反射されたレーザ光が判別される。ＨＴ位置特定部１２ｄによって求められた距離Ｌ_ＨＴおよび時間Ｔ_ＨＴは、移動速度算出部１２ｃへ出力される。ＨＴ位置特定部１２ｄは、パラメータｉに値１を設定する。

ステップＳＴ５の処理が完了すると、図８に示す一連の処理は、ステップＳＴ３の処理に戻る。パラメータｉの値が１であるので（ステップＳＴ３；ｉ＝１）、信号処理切替部１２ｂは、レンジビン情報、積算されたスペクトルデータおよびＡ−スコープデータを、移動速度算出部１２ｃへ出力する。移動速度算出部１２ｃは、信号処理切替部１２ｂから入力した情報と、ＨＴ位置特定部１２ｄから入力した距離Ｌ_ＨＴおよび時間Ｔ_ＨＴに基づいて、エアロゾルの移動速度である風速とＨＴの移動速度を算出する（ステップＳＴ６）。

トリガ生成回路１３は、送信光をパルス化する時刻Ｔ_０およびパルス幅Δｔを、トリガ信号としてゲート位置設定部１２ｅに設定する。ゲート位置設定部１２ｅは、時刻Ｔ_０と時刻Ｔ_ＨＴとパルス幅Δｔをスイッチ部９ａへ出力する。スイッチ部９ａには、パルス幅Δｔに対応する時間幅のゲートが設定される。スイッチ部９ａは、時刻Ｔ_０から時間Ｔ_ＨＴが経過した時刻までの受信信号と、時間Ｔ_ＨＴにパルス幅Δｔ分の時間を加えた時刻以降の受信信号を、パルス幅Δｔごとにアンプ９ｂへ出力する。

図１０Ａは、アンプ９ｂによって増幅された受信信号の波形を示す波形図であり、アンプ９ｂによって増幅された受信信号がＡＤ変換されたデジタル信号の波形を示している。時刻Ｔ_０から時間Ｔ_ＨＴが経過した時刻までに対応する受信信号の強度が、アンプ９ｂによって増幅される。これにより、レーザレーダ装置１からＨＴまでの空間に存在するＳＴ（エアロゾル）における散乱光に対応する受信信号（ラベルｎ＝１〜４）の強度が飽和せずに増幅される。

また、時間Ｔ_ＨＴにパルス幅Δｔ分の時間を加えた時刻以降の受信信号の強度も同様に飽和せずに増幅されるが、符号Ｃで示すように、ＨＴにおける反射光に対応する受信信号（ラベルｎ＝５）の強度は飽和する。なお、時間Ｔ_ＨＴにパルス幅Δｔ分の時間を加えた時刻以降の受信信号は、レーザレーダ装置１からＨＴまでの空間における風計測に用いられないので、アンプ９ｂを通過させなくてもよい。

また、スイッチ部９ａは、時間Ｔ_ＨＴからパルス幅Δｔ分の時間が経過した時刻までに対応する受信信号を、アンプ９ｂを通過せずにＡＤ変換部１１へ出力する。図１０Ｂは、アンプ９ｂによって増幅されていない受信信号の波形を示す波形図である。時間Ｔ_ＨＴが経過した時刻からパルス幅Δｔ分の時間が経過した後の時刻までに対応する受信信号が、ＡＤ変換される。これにより、図１０Ｂに示すように、ＨＴにおける反射光に対応する、飽和していない受信信号（ラベルｎ＝５）がデジタル信号に変換される。

移動速度算出部１２ｃは、各レンジビンの積算後のスペクトルデータからピーク周波数ｆ_ｍを抽出し、抽出した周波数ｆ_ｍとビート信号の周波数ｆ_ＩＦとの差に基づいて、レンジビンごとのドップラシフト量Δｆ（ｎ）を算出する。移動速度算出部１２ｃは、送信光の波長λとドップラシフト量Δｆ（ｎ）とを用いて、ターゲットの移動速度ｖ（ｎ）（＝λ×Δｆ（ｎ）／２）をレンジビンごとに算出する。これにより、ラベルｎ＝１〜４に対応する受信信号に基づいて、レーザレーダ装置１からＨＴまでの空間に存在するエアロゾルの移動速度（風速）が算出され、ラベルｎ＝５に対応する受信信号に基づいて、ＨＴの移動速度が算出される。

ＡＤ変換部１１によってデジタル信号に変換された受信信号は、アンプ９ｂを通過させたものと、アンプ９ｂを通過させないものがある。このため、移動速度算出部１２ｃは、１つのレンジビンに対応する距離Ｌにおいて、アンプ９ｂを通過させた受信信号に基づいてＳＴの移動速度を算出し、アンプ９ｂを通過させない受信信号に基づいてＨＴの移動速度を算出する。すなわち、二系統の受信信号のそれぞれに応じた移動速度が算出される。

なお、レーザレーダ装置１からＨＴまでの空間に存在するエアロゾルの移動速度（風速）の算出処理において、アンプ９ｂを通過させない時間領域の受信信号は不要であり、ＨＴの移動速度の算出処理において、アンプ９ｂを通過させる時間領域の受信信号は不要である。そこで、距離特性算出部１２ａは、受信信号からＳＴの計測とＨＴの計測に用いられる時間領域の信号をトリミングして結合して生成された一系統の受信信号に基づいて、ターゲットの移動速度を算出してもよい。

図１０Ｃは、飽和抑制処理が施された受信信号の波形を示す波形図である。図１０Ｃに示す受信信号は、アンプ９ｂを通過させた受信信号における符号Ｆで示す時間領域の信号（ラベルｎ＝５）を、アンプ９ｂを通過させなかった受信信号における同一の時間領域の信号で置き換えたものである。例えば、距離特性算出部１２ａが、アンプ９ｂを通過させなかった受信信号におけるラベルｎ＝５に対応する時間領域の信号をトリミングし、トリミングした信号を、アンプ９ｂを通過させなかった受信信号における、同一の時間領域の信号に対して結合する。これにより、図１０Ｃに示す信号が生成される。

ラベルｎ＝５に対応する時間領域の信号は、ＨＴからの反射光に対応した信号であり、アンプ９ｂを通過すると強度が飽和する。これに対し、図１０Ｃに示す信号においては、ラベルｎ＝５に対応する時間領域の信号が、アンプ９ｂを通過させなかった受信信号における、飽和していない同一の時間領域の信号に置き換えられている。これにより、時間領域ごとの信号強度の飽和が抑制される。移動速度算出部１２ｃは、図１０Ｃに示す信号を用いることで、ＳＴの計測とＨＴの計測を行うことができる。

以上のように、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１において、測定対象空間に存在するＨＴの計測および測定対象空間におけるＨＴまでの間に存在するＳＴの計測が行われる。Ａ−スコープデータおよび受信ＳＮＲの検出限界値に基づいて、受光されたレーザ光から、ＨＴにおいて反射されたレーザ光が判別され、判別されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御される。これにより、レーザレーダ装置１は、ＨＴの計測精度の低下を抑制しつつ、ＨＴの計測とＳＴの計測との両方を行うことができる。

実施の形態１に係るレーザレーダ装置１において、強度制御部１０が、スイッチ部９ａとアンプ９ｂを備える。スイッチ部９ａは、ＨＴ１００において反射されたレーザ光の受信信号の強度をアンプ９ｂによって増幅させず、ＳＴ１０１において散乱されたレーザ光の受信信号の強度をアンプ９ｂによって増幅させる。これにより、ＨＴ１００において反射されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しない強度に変更される。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１Ａの構成を示すブロック図である。レーザレーダ装置１Ａは、光源２、光分配器３、パルス変調器４、光学系部５、テレスコープ６、光カプラ７、受光部８、強度制御部１０Ａ、ＡＤ変換部１１、信号処理部１２およびトリガ生成回路１３を備える。強度制御部１０Ａは、光可変アテネータ１４およびゲイン設定部１５を備える。図１１において、図５と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

強度制御部１０Ａは、ＨＴ１００において反射されたレーザ光の強度を減衰させることで、当該レーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御する。光可変アテネータ１４は、ゲイン設定部１５によって設定されたゲイン（減衰量）に応じて光信号の強度を減衰させる減衰部である。

光可変アテネータ１４は、ファイバ型であってもよいし、空間型であってもよい。例えば、空間型の光可変アテネータ１４は、異なる光学密度（ＯＤ）のフィルタが光軸上に配置されたものである。また、光可変アテネータ１４には、ウェッジプリズムを用いて、光カプラ７と受光部８の光軸位置または光軸角度をずらすものもある。

ゲイン設定部１５は、ゲート位置設定部１２ｅによって設定されたゲート位置に応じたゲイン（減衰量）を、光可変アテネータ１４に設定する設定部である。ゲート位置は、光信号の強度を減衰させる時間およびその時間幅を示す情報である。

受光部８は、光可変アテネータ１４によって強度が減衰されなかった受信光を電気信号に変換し、アンプ９ｂは、受光部８によって電気信号に変換された受信信号の強度を増幅する。ＡＤ変換部１１は、アンプ９ｂによって増幅された受信信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部１１によってＡＤ変換された受信信号のうち、ＨＴにおいて反射されたレーザ光に対応する時間領域の信号は、アンプ９ｂによって増幅されて飽和している。

距離特性算出部１２ａは、ＡＤ変換部１１によってＡＤ変換された受信信号を、送信光のパルス幅に対応するレンジビンごとに分割し、各レンジビンの信号に対してＦＦＴ処理を行うことで、レンジビンごとのスペクトルデータを生成する。そして、距離特性算出部１２ａは、レンジビンごとのスペクトルデータをスペクトル空間で積算し、各レンジビンのスペクトルデータからピーク値を算出することで、レーザレーダ装置１Ａからの送信光の照射方向に沿った距離とピーク値との対応関係を示すＡ−スコープデータを算出する。

ＨＴ位置特定部１２ｄは、距離特性算出部１２ａによって算出されたＡ−スコープデータにおける受信ＳＮＲの値を、測定の最大レンジＲ_ＭＡＸからレーザレーダ装置１に近くなる方向へモニタすることにより、受信ＳＮＲが検出限界値ＳＮＲ１よりも大きくなる距離Ｌ_ＨＴを特定する。レーザレーダ装置１Ａから送信光の照射方向に沿って距離Ｌ_ＨＴだけ離れた位置が、ＨＴ位置である。ＨＴ位置特定部１２ｄは、距離Ｌ_ＨＴおよび光速ｃを用いて、ＨＴにおいて送信光が反射された時間Ｔ_ＨＴ（＝２Ｌ_ＨＴ／ｃ）を算出する

トリガ生成回路１３は、送信光をパルス化する時刻Ｔ_０およびパルス幅Δｔを、トリガ信号としてゲート位置設定部１２ｅに設定する。ゲート位置設定部１２ｅは、時刻Ｔ_０と時刻Ｔ_ＨＴとパルス幅Δｔを、ゲイン設定部１５に設定する。

ゲイン設定部１５は、時刻Ｔ_０から時間Ｔ_ＨＴが経過した時刻までの受信信号に対応する光信号と時間Ｔ_ＨＴにパルス幅Δｔ分の時間を加えた時刻以降の受信信号に対応する光信号が減衰されないように、減衰量が０となるゲインを光可変アテネータ１４に設定する。また、ゲイン設定部１５は、時間Ｔ_ＨＴからパルス幅Δｔ分の時間が経過した時刻までに対応する受信信号に対応する光信号が減衰されるように、減衰量が０よりも大きいゲインを光可変アテネータ１４に設定する。これにより、図１０Ａおよび図１０Ｂに示したような波形の受信信号が得られる。

移動速度算出部１２ｃは、時刻Ｔ_０から時間Ｔ_ＨＴが経過した時刻までの受信信号に基づいて、レーザレーダ装置１からＨＴまでの空間に存在するエアロゾルの移動速度（風速）を算出し、時間Ｔ_ＨＴからパルス幅Δｔ分の時間が経過した時刻までに対応する受信信号に基づいて、ＨＴの移動速度を算出する。

以上のように、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１Ａにおいて、強度制御部１０Ａが、レーザ光の強度を減衰させる光可変アテネータ１４と、光可変アテネータ１４に減衰量を設定するゲイン設定部１５とを備える。光可変アテネータ１４は、ＳＴにおいて散乱されたレーザ光の強度を減衰せず、ＨＴにおいて反射されたレーザ光の強度を減衰する。ＨＴ１００において反射されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御されるので、レーザレーダ装置１Ａは、ＨＴの計測精度の低下を抑制しつつ、ＨＴの計測とＳＴの計測との両方を行うことができる。また、受光部８へ入力される前段階の受信光の強度が制御されるので、図１１に示すＡＤ変換部１１は１つの入力チャンネルを有していればよい。このため、レーザレーダ装置１Ａの構成が簡略化される。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係るレーザレーダ装置は、例えば、各種ターゲットの計測を行うレーザレーダ装置に利用可能である。

１，１Ａ レーザレーダ装置、２ 光源、３ 光分配器、４ パルス変調器、５ 光学系部、５ａ 送信側光学系、５ｂ 送受分離部、５ｃ 受信側光学系、６ テレスコープ、７ 光カプラ、８ 受光部、９ａ スイッチ部、９ｂ アンプ、１０，１０Ａ 強度制御部、１１ ＡＤ変換部、１２ 信号処理部、１２ａ 距離特性算出部、１２ａ−１ レンジビン分割処理部、１２ａ−２ ＦＦＴ処理部、１２ａ−３ 積算処理部、１２ａ−４ ＳＮＲ算出部、１２ａ−５ Ａ−スコープ算出部、１２ｂ 信号処理切替部、１２ｃ 移動速度算出部、１２ｄ ＨＴ位置特定部、１２ｅ ゲート位置設定部、１３ トリガ生成回路、１４ 光可変アテネータ、１５ ゲイン設定部。

Claims (4)

1. 周波数シフトされたレーザ光を測定対象空間へ照射し、前記測定対象空間で散乱または反射されたレーザ光を受光する光学系部と、
   前記光学系部によって受光されたレーザ光と、周波数シフトされていないローカル光とを合波する合波部と、
   前記合波部によって合波された光信号を入力し、入力した光信号を用いて、前記光学系部によって受光されたレーザ光の受信信号の強度を制御する強度制御部と、
   前記測定対象空間に存在するハードターゲットの計測および前記測定対象空間における前記ハードターゲットまでの間に存在するソフトターゲットの計測を行う信号処理部と、 を備え、
   前記信号処理部は、レーザ光の照射方向の距離とレーザ光の受信信号の信号対雑音比との対応関係を示すデータおよび前記信号対雑音比の検出限界値に基づいて、前記光学系部によって受光されたレーザ光から、前記ハードターゲットにおいて反射されたレーザ光を判別し、
   前記強度制御部が、前記信号処理部によって判別されたレーザ光の受信信号の強度が飽和しないように制御することにより、前記信号処理部が、前記測定対象空間における前記ハードターゲットまでの間に存在する前記ソフトターゲットの位置の計測、前記ハードターゲットの位置の計測、エアロゾルの移動速度の計測、および、前記ハードターゲットの移動速度の計測を行うこと
   を特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記信号処理部は、レーザ光の受信信号の前記信号対雑音比を、前記ハードターゲットよりもレーザレーダ装置から遠い距離に存在する前記エアロゾルで散乱したレーザ光の受信信号の前記信号対雑音比の検出限界値からレーザレーダ装置に近くなる方向へモニタすることで、レーザ光の受信信号の前記信号対雑音比が前記検出限界値よりも大きくなる距離だけレーザレーダ装置からレーザ光の照射方向に離れた位置を、前記ハードターゲットの位置として特定すること
   を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 前記強度制御部は、レーザ光の受信信号の強度を増幅させる増幅部と、レーザ光の受信信号が前記増幅部を通過する経路または前記増幅部を通過しない経路に切り換えるスイッチ部とを備え、
   前記スイッチ部は、前記ハードターゲットにおいて反射されたレーザ光の受信信号の強度を前記増幅部によって増幅させず、前記ソフトターゲットにおいて散乱されたレーザ光の受信信号の強度を前記増幅部によって増幅させること
   を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
4. 前記強度制御部は、レーザ光の強度を減衰させる減衰部と、前記減衰部に減衰量を設定する設定部とを備え、
   前記減衰部は、前記ソフトターゲットにおいて散乱されたレーザ光の強度を減衰せず、前記ハードターゲットにおいて反射されたレーザ光の強度を、前記設定部によって設定された減衰量で減衰すること
   を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。

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