特許 7693140 レーザレーダ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-06

(45)【発行日】2025-06-16

(54)【発明の名称】レーザレーダ装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/95 20060101AFI20250609BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20250609BHJP

【ＦＩ】

G01S17/95

G01S7/481 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2024571990

(86)(22)【出願日】2023-07-04

(86)【国際出願番号】 JP2023024701

(87)【国際公開番号】W WO2025009044

(87)【国際公開日】2025-01-09

【審査請求日】2024-12-06

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003166

【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 優佑

(72)【発明者】

【氏名】小竹 論季

(72)【発明者】

【氏名】今城 勝治

【審査官】佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０６９９７０５１（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０１２１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０９５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／０７９５１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１２３４６０８２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力されたレーザ光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させる偏光方向回転部と、
前記偏光方向回転部により偏光方向が回転されたレーザ光を、第１の方向と、当該第１の方向とは異なる第２の方向とに分岐させる偏光ビームスプリッタと、
前記偏光方向回転部と前記偏光ビームスプリッタとを、互いに異なる回転角速度で回転させることにより、前記第１の方向に分岐されたレーザ光による円形状のスキャンと、前記第２の方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンとを実現する回転制御部と、
前記それぞれのスキャンにおいてレーザ光の照射対象により反射された反射光を用いて、風速場を算出する信号処理部と、
を備え、
前記第１の方向は水平方向であり、
前記第２の方向は鉛直方向であり、
前記偏光方向回転部はλ／２波長板で構成され、
前記回転制御部は、前記λ／２波長板の回転角度に対し、前記偏光ビームスプリッタの光学軸に対するオフセット角が付与された状態で、前記偏光ビームスプリッタの回転角速度が前記λ／２波長板の回転角速度の２倍になるように前記偏光ビームスプリッタと前記λ／２波長板とを回転させるものである、
ことを特徴とするレーザレーダ装置。

【請求項2】

前記鉛直方向における前記偏光ビームスプリッタの後段に偏向光学素子を備え、
前記偏光ビームスプリッタにより前記鉛直方向に分岐された前記レーザ光に対して、前記偏向光学素子により所定の角度だけ偏角を与えることにより、前記鉛直方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンを実現する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。

【請求項3】

前記回転制御部は、
前記λ／２波長板の光学軸に対応するベクトルと、前記偏光ビームスプリッタの反射面の法線ベクトルを前記λ／２波長板へ射影したベクトルとが平行ではない状態を維持しながら、前記λ／２波長板と前記偏光ビームスプリッタとを回転させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。

【請求項4】

前記オフセット角の大きさは任意に設定可能であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。

【請求項5】

レーザ光の照射対象が反射可能な波長帯を有し、直線偏光特性を有するレーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力されたレーザ光を分岐する分岐部と、
前記分岐部により分岐されたレーザ光の一方をパルス変調する変調部と、
前記変調部によりパルス変調されたレーザ光のパワーを増幅する増幅部と、
前記増幅部により増幅されたレーザ光を整形する送信側光学系と、
前記送信側光学系により整形されたレーザ光と、当該レーザ光の前記照射対象による反射光とを分離する送受分離部と、
前記送受分離部により分離された反射光を受信する受信側光学系と、
前記受信側光学系により受信された反射光と、前記分岐部により分岐されたレーザ光の他方とを合波することにより、所定の干渉信号を得る検波器と、
を備え、
前記偏光方向回転部は、前記送受分離部により分離されたレーザ光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させ、
前記信号処理部は、前記検波器により得られた干渉信号に基づいて風速場を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。

【請求項6】

前記受信側光学系の光学軸は、前記送信側光学系の光学軸に対して４５度傾けて配置されていることを特徴とする請求項５記載のレーザレーダ装置。

【請求項7】

前記信号処理部は、前記水平方向における風速場の算出により得られた１高度複数地点の風速場を示すデータと、前記鉛直方向における風速場の算出により得られた複数高度１地点の風速場を示すデータとに基づき、複数高度複数地点の風速場を示すデータを生成し、当該生成したデータから、複数高度複数地点の風速場を算出すること
を特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。

【請求項8】

前記信号処理部は、
前記鉛直方向における高度０の地点の風速場を示すデータを仮想的に生成し、
当該生成したデータを基準とした、前記複数高度１地点の風速場を示すデータの比を算出し、当該算出した比を、前記水平方向における風速場の算出により得られた１高度複数地点の風速場を示すデータに乗算することにより、複数高度複数地点の風速場を示すデータを生成する
ことを特徴とする請求項７記載のレーザレーダ装置。

【請求項9】

入力されたレーザ光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させる偏光方向回転部と、
前記偏光方向回転部により偏光方向が回転されたレーザ光を、第１の方向と、当該第１の方向とは異なる第２の方向とに分岐させるとともに、前記第２の方向に分岐させたレーザ光に対して所定の角度だけ偏角を与えることが可能な偏向出力偏光ビームスプリッタと、
前記偏光方向回転部と前記偏向出力偏光ビームスプリッタとを、互いに異なる回転角速度で回転させることにより、前記第１の方向に分岐されたレーザ光による円形状のスキャンと、前記第２の方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンとを実現する回転制御部と、
前記それぞれのスキャンにおいてレーザ光の照射対象により反射された反射光を用いて、風速場を算出する信号処理部と、
を備え、
前記第１の方向は水平方向であり、
前記第２の方向は鉛直方向であり、
前記偏光方向回転部はλ／２波長板で構成され、
前記回転制御部は、前記λ／２波長板の回転角度に対し、前記偏向出力偏光ビームスプリッタの光学軸に対するオフセット角が付与された状態で、前記偏向出力偏光ビームスプリッタの回転角速度が前記λ／２波長板の回転角速度の２倍になるように前記偏向出力偏光ビームスプリッタと前記λ／２波長板とを回転させるものである、
ことを特徴とするレーザレーダ装置。

【請求項10】

前記水平方向に対するスキャンを行う際の仰角が変更可能となるように前記偏向出力偏光ビームスプリッタを回転可能に固定する回転部を備えた
ことを特徴とする請求項９記載のレーザレーダ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザレーダ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

本開示に関し、レーザレーダ装置を用いた風（風速）計測の技術が知られている。例えば、レーザレーダ装置は、レーザパルス光（以下、単に「レーザ光」ともいう。）を大気中に照射してエアロゾルからの散乱光を受光し、照射したレーザ光のローカル光である単一周波数の連続光と散乱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ーシフトを求め、レーザ光の照射方向における風速を計測する。なお、ドップラーシフトは、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される（例えば非特許文献１）。

【0003】

上記レーザレーダ装置にて計測される風速は、レーザ光の照射方向に平行な方向の風速であり、この風速は通常「視線風速」と呼称される。一方で、３次元的な風向風速（以下、この風向風速を「風速場」又は「風速ベクトル」ともいう。）を求める場合には、複数視線観測、あるいはスキャニング観測を行うことにより、レーザ光の照射方向を切り替え、ベクトル演算及びＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｚｉｍｕｔｈ Ｄｉｓｐｌａｙ）法に基づく処理など、従来知られた計算方法によって３次元的な風速場を算出する。

【0004】

このような風速場を算出可能なレーザレーダ装置としては、例えば、大気中の異なる方向にレーザ光が照射されるように複数の光学系を構築することで、複数視線観測を行う鉛直型のレーザレーダ装置、あるいは、複数の可動ミラーを走査することでレーザ光を屈折させ、大気中の候となる方向にレーザ光が照射されるようにスキャンするスキャニング型のレーザレーダ装置が知られている。なお、以下の説明では、大気中に照射するレーザ光を、送信光、レーザパルス光、送信ビーム、送信レーザビーム等という場合があるが、いずれも同義とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】気象と大気のレーダーリモートセンシング、ISBN 4-87698-653-3

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来、風計測を行うレーザレーダ装置（以下、「風計測ライダ」又は単に「ライダ」ともいう。）は、空港、風力発電、及び気象観測用途などの様々な分野で利用されるが、本開示に係るレーザレーダ装置は、空飛ぶクルマをはじめとした空中プラットフォームへの適用を想定するものである。空中プラットフォームへのレーザレーダ装置の利活用に向けては、空中プラットフォームの航行路における風速場の把握が極めて重要となり、当該把握結果を基にした突風アラート、及び最適航路提案などの航行支援が必要となる。そのため、レーザレーダ装置では、地上半球空間における風速場の計測が必要となり、かつ、その計測にはリアルタイム性が求められる。

【0007】

例えば、従来の天頂方向のみを観測する鉛直型のライダでは、短時間での風速場の計測が可能であるが、その場合の計測結果は、高度方向にのみ距離分解された計測結果であり、ライダを設置した１地点での風速場の情報のみしか得られない。これに対し、スキャニング型のライダでは、方位角方向（ＡＺ；azimuth）及び仰角方向（ＥＬ；elevation）にレーザ光をスキャンすることで、３次元的に風速場を計測することが可能となり、複数地点及び複数高度の半球空間全域の風速場の計測が可能となる。しかしながら、このライダは半球空間の全方向をスキャンするために時間を要し、リアルタイム性を欠く。

【0008】

例えば、スキャニング型のライダでは、北方向の観測データと南方向の観測データとの間には観測時間のずれが生じる。つまり、スキャニング型のライダでは、半球空間の全方向をスキャンした観測データの中で、風速場の同一時刻性が担保されていない。一方で、この計測を短時間で行うことは困難である。

【0009】

前提とする風計測ライダをパルス型、すなわちＴｉｍｅ ｏｆ ｆｉｇｈｔ（ＴＯＦ）で距離を分解する方式を用いた風計測ライダを例にして、上記計測に時間を要する理由を説明する。パルス型の場合、風計測ライダが大気中に送信するレーザ光は所定の繰り返し周波数であるパルス光となるが、十分な信号対雑音比（ＳＮＲ）を得るためには積算を要する。繰り返し周波数をＰＲＦとし、積算回数をＮとした場合、積算が完了する時間はＰＲＦ×Ｎとなる。したがって、この積算に要する時間では、風計測ライダは所定の方向でスキャンを止めるか、もしくは低速でスキャンすることで近似的に同一方向を指向する必要がある。そのため、風計測ライダでは、地上半球空間全域をスキャンすることに時間を要する。このように、従来の風計測ライダは、短時間で地上半球空間の風速場を計測することは困難であり、空中プラットフォームへ適用するには課題がある。

【0010】

本開示は上記のような課題を解決するためになされたもので、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能なレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示に係るレーザレーダ装置は、入力されたレーザ光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させる偏光方向回転部と、偏光方向回転部により偏光方向が回転されたレーザ光を、第１の方向と、当該第１の方向とは異なる第２の方向とに分岐させる偏光ビームスプリッタと、偏光方向回転部と偏光ビームスプリッタとを、互いに異なる回転角速度で回転させることにより、第１の方向に分岐されたレーザ光による円形状のスキャンと、第２の方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンとを実現する回転制御部と、それぞれのスキャンにおいてレーザ光の照射対象により反射された反射光を用いて、風速場を算出する信号処理部と、を備えたものである。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成例を示す図である。

【図2】実施の形態１におけるλ／２波長板へ入力された送信光の偏光方向の変化を説明する図である。

【図3】実施の形態１において大気中への送信光の伝搬方向が変化していく様子を説明する図である。

【図4】実施の形態１におけるスキャン側の領域のうちのある一領域の風速場を説明する図である。

【図5】実施の形態１に係る信号処理部により計算された鉛直側及びスキャン側の風速場の様子を説明する図である。

【図6】実施の形態１に係る信号処理部により計算された複数高度かつ複数地点の風速場の様子を説明する図である。

【図7】実施の形態２に係るレーザレーダ装置におけるスキャン部の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示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．

【0015】

図１は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の構成例を示す図である。レーザレーダ装置１００は、例えば図１に示すように、光源１と、分岐部２と、変調部３と、増幅部４と、送信側光学系５と、送受分離部６と、偏光方向回転部７と、受信側光学系１１と、受信側偏光ビームスプリッタ１２と、光ＩＱ検波器１３と、信号処理部１４と、回転制御部１５（１５ａ、１５ｂ）と、スキャン部１７（偏光ビームスプリッタ８、偏向光学素子９、ウィンドウ１０、及びウィンドウ１６）とを含んで構成される。

【0016】

光源１は、略単一周波数からなる連続光であるレーザ光を出力する。このレーザ光は、例えば大気中のエアロゾルなどの照射対象が反射可能な波長帯を有し、かつ直線偏光特性を有するレーザ光である。光源１は、例えば半導体レーザ及び固体レーザで構成され、分岐部２に接続される。

【0017】

分岐部２は、光源１から入力されたレーザ光を送信光信号と局発光信号とに分配し、送信光信号を変調部３へ、局発光信号を光ＩＱ検波器１３へ、それぞれ出力する。分岐部２は、例えば１：２光カプラ、及びハーフミラーで構成される。ここでは、分岐部２はファイバ型であるものとして説明するが、分岐部２はこれに限らず空間型でもよい。分岐部２は、送信光信号の出力端が変調部３に接続され、局発光信号の出力端が光ＩＱ検波器１３に接続される。

【0018】

変調部３は、分岐部２から入力された送信光信号に対してパルス変調を行うとともに、所望の周波数シフトを与えてパルス光を生成する機能を有する。変調部３は、例えばＬＮ（LiNbO3）変調器、ＡＯＭ（Acousto-Optics modulator）、及びＳＯＡ（semiconductor optical amplifier）で構成され、増幅部４に接続される。

【0019】

増幅部４は、変調部３から入力されたパルス光のピークパワーを増幅して送信光を生成する機能を有する。増幅部４は、例えば光ファイバアンプで構成され、送信側光学系５に接続される。

【0020】

送信側光学系５は、増幅部４から入力された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。送信側光学系５は、例えば凸レンズ、凹レンズ、非球面レンズ及びそれらの組み合わせで構成される。ただし、送信側光学系５はこれらに限らず、例えばミラーで構成されてもよい。

【0021】

送信側光学系５は、送受分離部６と光学的に接続される。ここで、「光学的に接続される」とは、電気的又は物理的な接続ではないが、光が伝搬する経路として接続されているということを意味する。

【0022】

なお、実施の形態１では、光源１から送信側光学系５までの経路は光ファイバにより構成される例を説明する。具体的には、実施の形態１では、光源１がレーザ光を出力してから、送信光が送信側光学系５を出射するまで、送信光の偏光方向は光源１で定められる偏光方向に維持されている。そのため、実施の形態１では、偏波保持の光ファイバで上記経路を構成する。ただし、上記経路は必ずしも光ファイバで構成される必要はなく、例えば空間光学系で構成されてもよい。なお、実施の形態１では、送信側光学系５から出射された位置での送信光の偏光方向を基準光学軸として定義する。

【0023】

送受分離部６は、送信側光学系５と、偏光方向回転部７と、受信側光学系１１とに光学的に接続される。送受分離部６は、例えば偏光無依存型のビームスプリッタで構成される。送受分離部６は、送信側光学系５から順方向に入力された送信光を偏光方向回転部７に出力する機能を有する。このとき、送受分離部６は、当該送信光を受信側光学系１１には出力しない。また、送受分離部６は、偏光方向回転部７から逆方向に入力された受信光を受信側光学系１１に出力する機能を有する。このとき、送受分離部６は、当該受信光を送信側光学系５には出力しない。

【0024】

偏光方向回転部７は、送受分離部６及び偏光ビームスプリッタ８に光学的に接続される。偏光方向回転部７は、送受分離部６から入力された、特定の偏光方向を有する送信光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させる処理を施し、当該回転後の送信光を偏光ビームスプリッタ８へ出力する機能を有する。偏光方向回転部７は、例えばλ／２波長板で構成される。また、偏光方向回転部７は、回転制御部１５に接続され、当該回転制御部１５による制御を受けて回転する。

【0025】

偏光ビームスプリッタ８は、偏向光学素子９及びウィンドウ１６に光学的に接続される。偏光ビームスプリッタ８は、偏光方向回転部７から入力された上記回転後の送信光の偏光方向に応じて、Ｓ偏光成分を第１の方向側へ、Ｐ偏光成分を第２の方向側へ、それぞれ誘導する機能を有する。ここで、第１の方向は例えば水平方向（スキャン方向）であり、第２の方向は鉛直方向である。

【0026】

なお、以下の説明では、第１の方向は水平方向（スキャン方向）であり、第２の方向は鉛直方向である場合について説明する。また、以下の説明では、水平方向（スキャン方向）側のことを単に「スキャン側」ともいい、鉛直方向側のことを単に「鉛直側」ともいう。

【0027】

偏向光学素子９は、偏光ビームスプリッタ８及びウィンドウ１０に光学的に接続される。偏向光学素子９は、上記鉛直側へ誘導された送信光（Ｐ偏光成分）に対し、所定の角度だけ偏角を与え、ウィンドウ１０に出力する機能を有する。

【0028】

ウィンドウ１０は、偏向光学素子９に光学的に接続される。ウィンドウ１０は、偏向光学素子９から出力された送信光を透過させて大気中へ誘導（照射）する機能を有する。

【0029】

ウィンドウ１６は、偏光ビームスプリッタ８に光学的に接続される。ウィンドウ１６は、偏光ビームスプリッタ８から上記スキャン側へ誘導された送信光（Ｓ偏光成分）を透過させて大気中へ誘導する機能を有する。

【0030】

なお、実施の形態１では、偏光ビームスプリッタ８、偏向光学素子９、ウィンドウ１０、及びウィンドウ１６によりスキャン部１７が構成される。また、スキャン部１７は、回転制御部１５に接続され、当該回転制御部１５による制御を受けて回転する。

【0031】

受信側光学系１１は、送受分離部６に光学的に接続される。受信側光学系１１は、上記鉛直側及び上記スキャン側に照射された送信光が照射対象にあたって散乱した反射光を受信光として受信する機能を有する。なお、受信側光学系１１の光学軸は、受信した受信光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分を、ｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸とで区別して受信するように、送信側光学系５の光学軸に対して４５度傾けられている。これにより、受信側光学系１１は、それぞれの偏光成分を常に同じ光学軸で受信することができる。

【0032】

受信側偏光ビームスプリッタ１２は、受信側光学系１１及び光ＩＱ検波器１３に接続される。受信側偏光ビームスプリッタ１２は、受信側光学系１１により受信された上記受信光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離し、当該分離したそれぞれの成分を光ＩＱ検波器１３に出力する機能を有する。

【0033】

光ＩＱ検波器１３は、分岐部２、受信側偏光ビームスプリッタ１２、及び信号処理部１４に接続される。光ＩＱ検波器１３の機能は、従来技術として知られているため、その内部構成及び機能については詳細な説明を省略するが、ここでは概要のみ説明する。

【0034】

上述した構成及び機能から、鉛直側とスキャン側には送信光のＰ偏光成分とＳ偏光成分を割り当て、受信側光学系１１のｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸との光学軸には、大気から受信された受信光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが固定して割り当てられている。光ＩＱ検波器１３は、分岐部２から出力された局発光信号を受信すると、受信した信号を２つに分岐し、一方の信号に対してはπ／２だけ位相シフトを与える。そして、当該分岐した信号のそれぞれを、受信側偏光ビームスプリッタ１２で分岐されたＰ偏光成分とＳ偏光成分に対し合波させる。この合波により得られた光を、例えば２：２カプラ及びハーフミラーと同等の機能によって分岐し、分岐した光（干渉光）をバランスドレシーバもしくは差動増幅検出器へ入力することにより、受信光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分から、変調部３で与えた周波数シフトによって定まるビート信号（Ｐ側ＲＦ信号及びＳ側ＲＦ信号）を生成する。光ＩＱ検波器１３は、生成したビート信号を信号処理部１４へ出力する。なお、光ＩＱ検波器１３の内部構成は、ファイバ系で構築されていてもよい。

【0035】

信号処理部１４は、光ＩＱ検波器１３及び回転制御部１５に接続される。信号処理部１４は、ＡＤ変換器、フーリエ変換器など、風計測ライダにおいて従来知られる信号処理において必要な構成を備えており、フーリエ変換後のスペクトルから風速を計算する処理を行う。また、信号処理部１４は、回転制御部１５を制御する。

【0036】

例えば、信号処理部１４は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とによって生成された上記２つのビート信号を、当該各ビート信号用に構成されたＡＤ変換器によってＡＤ変換し、デジタル化されたそれぞれの信号に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、周波数スペクトルを生成する。そして、信号処理部１４は、当該生成した周波数スペクトルに基づき、鉛直方向及びスキャン方向における距離毎の風速場を計算する。なお、信号処理部１４は、上記高速フーリエ変換後の風速場の計算処理のため、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）により構成される。

【0037】

回転制御部１５は、偏光方向回転部７、信号処理部１４、及びスキャン部１７に接続され、信号処理部１４による制御を受けて、偏光方向回転部７及びスキャン部１７をそれぞれ独立に回転させる。具体的には、回転制御部１５は、回転制御部１５ａ及び１５ｂからなり、回転制御部１５ａは偏光方向回転部７を、回転制御部１５ｂはスキャン部１７を、それぞれ所定の回転角速度で回転させる機能を有する。

【0038】

回転制御部１５ｂは、スキャン部１７を回転させることにより、偏光ビームスプリッタ８からスキャン側へ誘導された送信光の照射方向を、方位角方向に対して０～３６０度の範囲で変化させる。また、回転制御部１５ｂは、スキャン部１７を回転させることにより、偏光ビームスプリッタ８から鉛直側へ誘導され、偏向光学素子９によって偏角を加えられた鉛直側の送信光の照射方向を変化させる。

【0039】

回転制御部１５ａは、偏光方向回転部７を回転させる機能を有するが、この機能には以下の２つの機能が含まれる。１つは、偏光ビームスプリッタ８の光学軸に対して、偏光方向回転部７の回転角度にオフセット角を与える機能であり、もう１つは、スキャン部１７の回転角速度とは異なる回転角速度で偏光方向回転部７を回転させる機能である。

【0040】

一例として、偏光方向回転部７の回転角度に与えるオフセット角をα、偏光方向回転部７の回転角速度をω２、スキャン部１７の回転角速度をωｓとした場合、ω２及びωｓには次式（１）の関係が成り立つ。
ωｓ＝２×ω２ （１）

【0041】

また、時刻ｔにおける偏光方向回転部７の回転角θ_２（ｔ）は次式（２）により、時刻ｔにおけるスキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）は次式（３）により求められる。
θ_２（ｔ）＝（ωｓ／２）×ｔ＋α （２）
θ_Ｓ（ｔ）＝ωｓ×ｔ （３）

【0042】

なお、偏光ビームスプリッタ８の光学軸に対して、偏光方向回転部７の回転角度にオフセット角αを与えることは、例えば偏光方向回転部７を構成するλ／２波長板（７）の光学軸に対応するベクトルと、偏光ビームスプリッタ（８）の反射面の法線ベクトルをλ／２波長板（７）へ射影したベクトルとが平行ではない状態とすることと同義である。

【0043】

上記のような構成及び機能を備えることで、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００では、送信側光学系５から出力される送信光は、スキャン側と鉛直側との２方向に分離されるだけでなく、送信光のＰ偏光成分が常に鉛直側、送信光のＳ偏光成分が常にスキャン側へ誘導される。また、レーザレーダ装置１００では、上記のような構成及び機能を備えることで、スキャン側へ誘導された送信光のＳ偏光成分による円形状のスキャンと、鉛直側へ誘導された送信光のＰ偏光成分による円錐状のスキャンとが実現される。

【0044】

また、レーザレーダ装置１００では、鉛直方向及びスキャン方向のそれぞれの方向に位置する大気中の照射対象（エアロゾル等）によって散乱された光、すなわち反射光は再び偏光ビームスプリッタ８へ受信光として入射され、偏光方向回転部７を通過する。このとき、それぞれの方向からの受信光の偏光方向は、送信光の偏光方向とは異なる角度となるが、上記受信光の合成成分の偏光方向は、常に同一方向に固定される。

【0045】

次に、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の動作例について説明する。なお、以下の説明では、偏光方向回転部７がλ／２波長板で構成された場合を例に説明する。

【0046】

まず、光源１は、略単一周波数からなる連続光であるレーザ光を出力する。分岐部２は、光源１から入力されたレーザ光を送信光信号と局発光信号とに分配し、送信光信号を変調部３へ、局発光信号を光ＩＱ検波器１３へ、それぞれ出力する。変調部３は、分岐部２から入力された送信光信号に対してパルス変調を行うとともに、所望の周波数シフトを与えて、パルス光を生成する。

【0047】

増幅部４は、変調部３から入力されたパルス光のピークパワーを増幅して送信光を生成する。送信側光学系５は、増幅部４から入力された送信光を所望のビーム径及び広がり角に整形する。送信側光学系５から出射された送信光は、偏波無依存型のビームスプリッタである送受分離部６へ入力され、さらに送受分離部６から偏光方向回転部７を構成するλ／２波長板へ入力される。

【0048】

λ／２波長板へ入力された送信光の偏光方向の変化について、図２を用いて詳細に説明する。図２では、左図にて時刻ｔ＝０秒、右図にて時刻ｔ＝１秒時の偏光方向の変化を説明する。なお、ここでは、説明を具体的にするため、スキャン部１７の回転角速度ωｓを９０度／秒とし、偏光方向回転部７の回転角度に与えるオフセット角αを２２．５度とする。したがって、偏光方向回転部７であるλ／２波長板の回転角速度ω２は４５度／秒である。

【0049】

また、上記式（２）及び（３）から、時刻ｔ＝０においては、λ／２波長板の回転角θ_２（ｔ）は２２．５度であり、スキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）は０度である。
なお、λ／２波長板の回転角θ_２（ｔ）は、当該λ／２波長板の光学軸に対応する。また、スキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）は、偏光ビームスプリッタ８で反射するＳ偏光成分の方向として定義する。また、このスキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）は、上述した基準光学軸と一致する。

【0050】

時刻ｔ＝０においては、λ／２波長板の回転角θ_２（ｔ）が２２．５度であることから、λ／２波長板を通過した送信光は、基準光学軸に対して４５度だけ偏光方向が回転する。なお、λ／２波長板を通過する送信光は紙面に対して垂直方向、すなわち紙面奥側から紙面手前側へ伝搬している。

【0051】

４５度だけ偏光方向が回転した送信光は、基準光学軸とθ_Ｓ（ｔ）が一致しているスキャン部１７の偏光ビームスプリッタ８へ入射することで、偏光ビームスプリッタ８で分岐し、偏光ビームスプリッタ８で反射されるＳ偏光成分が抽出される。抽出されたＳ偏光成分は、図２に示すＸ－Ｙ平面内に折り曲げられ、紙面に対して水平方向で伝搬する送信光に変換される。したがって、例えば図２に示すＸ軸方向を北と定義した場合、抽出されたＳ偏光成分は北方向へスキャンする送信光となる。このとき、Ｓ偏光成分のスキャン方向はスキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）と一致しているが、これはλ／２波長板にオフセット角αを与えているためである。

【0052】

一方、４５度だけ偏光方向が回転した送信光は、基準光学軸とθ_Ｓ（ｔ）が一致しているスキャン部１７の偏光ビームスプリッタ８へ入射することで、偏光ビームスプリッタ８で分岐し、偏光ビームスプリッタ８を透過するＰ偏光成分が抽出される。抽出されたＰ偏光成分は、図２に示すＸ－Ｙ平面内に折り曲げられず、紙面に対して垂直方向手前に伝搬する送信光となる。したがって、例えば図２に示すＺ軸方向の正方向を天頂方向と定義した場合、抽出されたＰ偏光成分は天頂方向（鉛直側）へ伝搬する送信光となる。

【0053】

偏向光学素子９は、鉛直側へ伝播した送信光に対し、所定の角度だけ偏角を与え、ウィンドウ１０に出力する。ウィンドウ１０は、偏角された鉛直側の送信光を大気中へ照射する。また、ウィンドウ１６は、スキャン側へ伝播した送信光を大気中へ照射する。その後、大気中の照射対象（エアロゾル等）によって散乱された各々の送信光は、反射光となって、再び各々のウィンドウ１０及び１６へ到達する。この時、それぞれの反射光の偏光方向は維持されている。

【0054】

ウィンドウ１０へ到達した鉛直側の反射光は、受信光として再び偏向光学素子９を通過する。偏向光学素子９は、送信時に偏角を印加する前の送信光の光軸と一致するよう、鉛直側の受信光に対して再度偏角を付与する。その後、鉛直側の受信光は、送信時と同じ経路で再び偏光方向回転部７であるλ／２波長板へ再帰する。同様に、ウィンドウ１６へ到達したスキャン側の反射光は受信光として、送信時と同じ経路で再び偏光方向回転部７であるλ／２波長板へ再帰する。λ／２波長板へ再帰した各々の受信光がλ／２波長板を再び通過することで、各受信光にはλ／２波長板の光学軸に対して偏光方向の回転が生じる。

【0055】

このとき、例えばスキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）は、スキャン側の送信光（Ｓ偏光成分）に対し、偏光方向がＸ－Ｙ平面で紙面反時計周りに４５度回転する。また、鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）は、鉛直側の送信光（Ｐ偏光成分）に対し、偏光方向がＸ－Ｙ平面で紙面時計周りに１３５度回転する（図２参照）。なお、これらスキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）と鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）との合波成分は、送信時、送信側光学系５を出射した時点での送信光の偏光方向に一致している。

【0056】

次に、t＝１の様子を説明する。上記式（２）及び（３）から、時刻ｔ＝１においては、λ／２波長板の回転角θ_２（ｔ）は６７．５度であり、スキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）は９０度である。

【0057】

時刻ｔ＝１においては、λ／２波長板の回転角θ_２（ｔ）は６７．５度であることから、λ／２波長板を通過した送信光は、基準光学軸に対して１３５度だけ偏光方向が回転する。１３５度だけ偏光方向が回転した送信光が、基準光学軸からθ_Ｓ（ｔ）が９０度回転したスキャン部１７の偏光ビームスプリッタ８へ入射することで、偏光ビームスプリッタ８で分岐し、偏光ビームスプリッタ８で反射されるＳ偏光成分が抽出される。抽出されたＳ偏光成分は、図２に示すＸ－Ｙ平面内に折り曲げられ、紙面に対して水平方向で伝搬する送信光に変換される。

【0058】

したがって、ｔ＝1の場合、抽出されたＳ偏光成分は、例えばＸ軸方向を北と定義した場合、西方向へスキャンする送信光となる。また、これは、Ｓ偏光成分のスキャン方向がスキャン部１７の回転角θ_Ｓ（ｔ）に一致していることを意味している。これは、上述の通り、上記双方が一致するようにλ／２波長板にオフセット角αを与えているためである。

【0059】

また、ｔ＝０のときと同様に、偏光ビームスプリッタ８を透過したＰ偏光成分はＸ－Ｙ平面内に折り曲げられず、紙面に対して垂直方向手前に伝搬する送信光となる。したがって、例えばＺ軸方向の正方向を天頂方向と定義した場合、Ｐ偏光成分は天頂方向（鉛直側）へ伝搬する送信光となる。

【0060】

以下、ｔ＝０のときと同様に、偏向光学素子９は、鉛直側へ伝播した送信光に対し、所定の角度だけ偏角を与え、ウィンドウ１０に出力する。ウィンドウ１０は、偏角された鉛直側の送信光を大気中へ照射する。また、ウィンドウ１６は、スキャン側へ伝播した送信光を大気中へ照射する。その後、大気中の照射対象（エアロゾル等）によって散乱された各々の送信光は、反射光となって、再び各々のウィンドウ１０及び１６へ到達する。この時、それぞれの反射光の偏光方向は維持されている。

【0061】

ウィンドウ１０へ到達した鉛直側の反射光は、受信光として再び偏向光学素子９を通過する。偏向光学素子９は、送信時に偏角を印加する前の送信光の光軸と一致するよう、鉛直側の受信光に対して再度偏角を付与する。その後、鉛直側の受信光は、送信時と同じ経路で再び偏光方向回転部７であるλ／２波長板へ再帰する。同様に、ウィンドウ１６へ到達したスキャン側の反射光は受信光として、送信時と同じ経路で再び偏光方向回転部７であるλ／２波長板へ再帰する。λ／２波長板へ再帰した各々の受信光がλ／２波長板を再び通過することで、各受信光にはλ／２波長板の光学軸に対して偏光方向の回転が生じる。

【0062】

このとき、例えばスキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）は、スキャン側の送信光（Ｓ偏光成分）に対し、偏光方向がＸ－Ｙ平面で紙面時計周りに４５度回転する。また、鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）は、鉛直側の送信光（Ｐ偏光成分）に対し、偏光方向がＸ－Ｙ平面で紙面時計周りに２２５度回転する（図２参照）。なお、これらスキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）と鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）との合波成分は、送信時、送信側光学系５を出射した時点での送信光の偏光方向に一致している。また、ｔ＝０とｔ＝１とでは、λ／２波長板を透過した後の、スキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）の偏光方向と、鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）の偏光方向とが一致している。

【0063】

なお、上記の説明では、ｔ＝０とｔ＝１の場合を例に説明したが、上記の内容は任意の時間で成立する。つまり、λ／２波長板を透過した後の、鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）とスキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）の偏光方向は、常に、前者は基準光学軸から＋４５度、後者は－４５度に傾いており、固定されている。

【0064】

すなわち、実施の形態１では、λ／２波長板の回転角度に対しオフセット角αを加え、λ／２波長板の回転角速度を偏光ビームスプリッタ８の回転角速度の１／２として回転制御することにより、鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）とスキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）の偏光方向を基準光学軸に対して常に固定した状態とすることが可能となる。

【0065】

したがって、実施の形態１では、受信側光学系１１の光学軸（ｆａｓｔ軸及びｓｌｏｗ軸）を、鉛直側の受信光（Ｐ偏光成分）の偏光方向（基準光学軸から＋４５度）と、スキャン側の受信光（Ｓ偏光成分）の偏光方向（基準光学軸から－４５度）とに一致するよう、基準光学軸に対して４５度傾けて（回転させて）固定することにより、受信側光学系１１のｆａｓｔ軸にはＰ偏光成分、ｓｌｏｗ軸にはＳ偏光成分を常に結合させることが可能となる。したがって、実施の形態１では、受信側光学系１１のｆａｓｔ軸には常に鉛直側から受信した受信光が、受信側光学系１１のｓｌｏｗ軸には常にスキャン側から受信した受信光が、それぞれ伝搬するように、受信側光学系１１の光学軸を固定することが可能となる。

【0066】

以下、受信側偏光ビームスプリッタ１２は、受信側光学系１１により受信された上記受信光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離し、当該分離したそれぞれの成分を光ＩＱ検波器１３に出力する。

【0067】

光ＩＱ検波器１３は、分岐部２から受信した局発光信号を用いて、受信側偏光ビームスプリッタ１２で分岐されたＰ偏光成分とＳ偏光成分に対する上記合波を行い、上述したビート信号（Ｐ側ＲＦ信号及びＳ側ＲＦ信号）を生成する。光ＩＱ検波器１３は、生成したビート信号を信号処理部１４へ出力する。信号処理部１４は、上記２つのビート信号を用いて上述した処理を行うことにより、鉛直方向及びスキャン方向における距離毎の風速場を算出する。

【0068】

次に、上記のような動作例により、レーザレーダ装置１００から照射される鉛直側及びスキャン側の送信光がスキャンされることで、大気中への送信光の伝搬方向が変化していく様子について、図３を参照しながら説明する。

【0069】

＜鉛直側＞
鉛直側では、上述の通り、偏向光学素子９により送信光に所定の偏角が生じるため、天頂方向から当該偏角分の傾きを有したスキャン、すなわち円錐状のスキャンとなる。鉛直側では、スキャン部１７が０度から３６０度まで１回転したとき、所定の円状の領域における風速場が計算される。したがって、鉛直側では、例えば南方向と北方向、あるいは西方向と東方向など、相反する方向に偏角した送信光の間で、送信光の照射方向の角度差が最大となる。

【0070】

このようにして、レーザレーダ装置１００では、鉛直側でスキャンされた１周分の視線方向の風速値（風速場の絶対値）を示すデータ（以下、単に「風速値データ」ともいう。）から、図３中の斜線で塗りつぶした領域の３次元風速場を計算することができる。なお、この計算処理は、既存の手法を用いてなされる。例えば、ベクトル演算及びＶＡＤ（Velocity Azimuth Display）法を用いることができる。

【0071】

なお、図３では一高度のみを例にして、計算により求められる３次元風速場を斜線で示しているが、風速場は高度毎に取得することが可能である。例えば、実施の形態１では、送信光をパルス化しているため、ＴＯＦ方式であり、距離方向を分解することが可能である。一方、送信光を連続光（ＣＷ光）としても距離分解を行うことは可能である。この場合は、送信側光学系５で形成するビーム拡がり角を変更し、集光位置を走査することで集光位置での風計測がなされる。この場合は、レーザレーダ装置１００では、変調部３でのパルス化は不要であり、集光位置を可変とすればよい。

【0072】

＜スキャン側＞
スキャン側では、送信光は天頂（鉛直）方向に対して垂直方向に折り曲げられることで、地上面に対して水平方向に照射される。スキャン側におけるスキャンは、スキャン部１７が０度から３６０度まで１回転したとき１周する。すなわち、PPI（Plan-position indicator）スキャンとなる。

【0073】

スキャン側では、高度略０ｍの一高度計測が行われるが、レーザレーダ装置１００からの水平方向の距離が異なる複数の箇所で計測することが可能であり、一高度でも複数地点の風速場を求めることが可能となる。例えば、図４で示すように、PPIスキャンにより計算した０度から３６０度までの視線方向における風速値データから、異なる視線方向の風速値を用いることで、とある一領域の風速場を計算により求める。この手法は既存の手法を用いればよく、例えばベクトル演算及びＶＡＤ法などを用いることができる。

【0074】

次に、ベクトル演算及びＶＡＤ法によって計算された、鉛直側及びスキャン側の風速場の様子について、図５を参照しながら説明する。

【0075】

図５では、風速場を太線の矢印で示している。また、図５では、鉛直側については一地点で複数高度、スキャン側については一高度で複数地点の風速場が得られる様子を示している。

【0076】

ここで、これらの風速場を変数として定義する。例えば、鉛直側で取得した水平方向の風速場をＵ_Ｖ（Ｕ_ＶＸ,Ｕ_ＶＹ；ｘ＝０,ｙ＝０,ｚ_ｉ）と定義する。ここで、ｚ_ｉは高度を表し、添え字のｉを用いて高度を区別する。また、Ｕ_Ｖは水平方向の風速ベクトルであり、そのｘ方向成分とｙ方向成分とをそれぞれＵ_ＶＸ、Ｕ_ＶＹと定義する。

【0077】

鉛直側では、レーザレーダ装置１００を設置した位置をｘ＝０、ｙ＝０と定義すると、それ以外のｘ、ｙの位置では風速場を示すデータ（以下、単に「風速場データ」ともいう。）を有さないが、高度方向については複数高度の風速場データを有する。したがって、鉛直側におけるｘ＝０、ｙ＝０での高度方向の風速場データはｚ_ｉの関数となる。

【0078】

一方、スキャン側で取得した水平方向の風速場をＵ_Ｓ（Ｕ_ＳＸ,Ｕ_ＳＹ；ｘ,ｙ,ｚ_０）と定義する。スキャン側では、レーザレーダ装置１００を設置した箇所の高度をｚ_０と定義すると、それ以外の高度では風速場データを有さないが、高度ｚ_０では複数地点の風速場データを有する。したがって、スキャン側における高度ｚ_０での複数地点の風速場データはｘ及びｙの関数となる。

【0079】

次に、レーザレーダ装置１００の信号処理部１４が、上記風速場Ｕ_Ｖ及びＵ_Ｓを用いて、複数地点かつ複数高度の風速場を計算によって近似的に求める一例について説明する。
なお、以下では、説明を簡単にするため、上記風速場Ｕ_Ｖを「１地点複数高度の風速場」ともいい、上記風速場Ｕ_Ｓを「複数地点１高度の風速場」ともいう。

【0080】

信号処理部１４は、例えば以下の手順（１）～（３）により、鉛直側で取得された１地点複数高度の風速場と、スキャン側で取得された複数地点１高度の風速場データから、複数地点かつ複数高度の風速場を計算する。

【0081】

（１）信号処理部１４は、鉛直側の風速場データには含まれない、高度ｚ_０のデータを仮想的に生成する。例えば、信号処理部１４は、スキャン側で得られた風速場データから、ｘ＝０、ｙ＝０を中心とした半径Ｒの円を定義し、この範囲の風速場データを平均する。そして、信号処理部１４は、当該平均して得られたデータを、鉛直側の風速場データには含まれない高度ｚ_０での風速場データとする。上記の処理は例えば以下の式（４）で表される。

【0082】

（２）次に、信号処理部１４は、鉛直側の風速場データから、高度ｚ_０の風速場データを基準とした風速場の比Ｒ_ｉを求める。上記の処理は例えば以下の式（５）で表される。

【0083】

（３）次に、信号処理部１４は、風速場の比Ｒ_ｉを用いて、以下の式（６）により、複数高度かつ複数地点の風速場Ｕ_Ｃを計算する。

【0084】

上記の計算では、信号処理部１４は、ｘ＝０、ｙ＝０の１地点における高度方向の風速場の変化について、高度ｚ_０での風速場データを基準として各高度の風速場データの比Ｒ_ｉを求め、この比Ｒ_ｉが異なる地点（任意のｘ，ｙ）でも保たれるという仮定に基づいて、この比Ｒ_ｉを各高度の風速場データに乗算することで、この比Ｒ_ｉを複数高度へ拡張するという計算を行っている。このようにして計算された風速場Ｕ_Ｃの様子を図６に示す。

【0085】

なお、上記の例では、信号処理部１４は、風速場の絶対値、すなわち風速値に対して計算を行うことが可能であるが、風向についても同様に計算が可能である。すなわち、信号処理部１４は、ｘ＝０、ｙ＝０の１地点における高度方向の風向の変化について、高度ｚ_０における風向を基準として変化角を求める。そして、高度ｉの風速場を計算で求める場合には、その変化角の分だけ風速場Ｕ_Ｓ（Ｕ_ＳＸ,Ｕ_ＳＹ；ｘ,ｙ,ｚ_０）を回転させればよい。

【0086】

したがって、信号処理部１４は、風速値及び風向のそれぞれに対して、ｘ＝０、ｙ＝０の１地点における高度ｚ_０での値に対する高度方向の変化を求め、この変化の傾向がｘ＝０、ｙ＝０以外でも成立する、と仮定する。そして、信号処理部１４は、この仮定のもとに、高度ｚ_０でしかデータを保有しないが、ｘ＝０、ｙ＝０以外のデータを有するスキャン側のデータに対して、上記変化の傾向を適用することにより、複数高度かつ複数地点の風速値及び風向を求める、ということに対応する。なお、ここでいう「変化の傾向」とは、比あるいは変化角のことであり、「適用する」とは、乗算あるいは加算することである。

【0087】

次に、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の効果について説明する。実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、上記のような構成を備えることにより、鉛直方向及びスキャン方向の双方について、送信光のスキャンを１周させるのに要する時間で地上半球空間の風速場を計算することが可能となる。これは、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することと同義である。そして、これにより、地上半球空間の風速場の計算におけるリアルタイム性も向上する。また、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、複数台のライダ装置を用いるのではなく、１台の装置として上記の効果を得ることが可能となる。

【0088】

また、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、例えば偏光方向回転部７を構成するλ／２波長板に加えるオフセット角αを適宜調整することで、鉛直ライダのみの機能、もしくはスキャニングライダのみの機能へ変更することが可能である。

【0089】

例えば、上記の例では、λ／２波長板に加えるオフセット角αとして２２．５度を設定する例を説明した。これは、鉛直側及びスキャン側の双方に送信光（送信パワー）を等分配することを意図したものであった。すなわち、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００では、オフセット角αの値を適宜調整することで、常時鉛直側のみに送信光（送信パワー）を誘導することも可能となるし、常時スキャン側のみに送信光（送信パワー）を誘導することも可能となる。

【0090】

したがって、レーザレーダ装置１００の利用者及び運用方法の違いに合わせて、上記オフセット角αを適宜調整することで、本開示で目的とする地上半球空間全域の風速場を計測するモードを選択することも可能であるし、鉛直方向のみを観測するモード、ないしはスキャン方向のみを観測するモードを選択することも可能である。また、例えば鉛直方向のみを観測するモードを選択した場合には、送信光（送信パワー）のすべてが鉛直側へ誘導されることから、ＳＮＲが増加して観測可能距離が延伸し、従来の鉛直型ライダの性能を維持することが可能となる。

【0091】

つまり、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、１台のライダ装置として、従来の鉛直型のライダで得られる性能を示すことも可能であるし、スキャニング型のライダで得られる性能を示すことも可能であるし、本開示で目的とする、地上半球空間全域の風速場を従来よりも短時間で計測することも可能となる。

【0092】

また、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００によるその他の効果として、地上半球空間の風速場の計算におけるリアルタイム性が向上することで、例えば航空機及びドローン等の空中移動体プラットフォームに向けた航行支援及び最適航路の設定にレーザレーダ装置１００の機能を利活用できる。

【0093】

例えば、空中移動体プラットフォームの最適航路を設定する場合、始点から終点に至る経路として複数経路が候補となる場合がある。このとき、レーザレーダ装置１００により得られた風速場を考慮して、所要電力及び所要時間を最小化する経路を抽出することで、最適航路の抽出及び提示を行えば、効果的な航路選択支援を行うことが可能となる。また、このとき、航路選択支援にはリアルタイム性が必要となるが、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００によればこの問題も解消される。

【0094】

以上のように、実施の形態１によれば、レーザレーダ装置１００は、入力されたレーザ光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させる偏光方向回転部７と、偏光方向回転部７により偏光方向が回転されたレーザ光を、第１の方向と、当該第１の方向とは異なる第２の方向とに分岐させる偏光ビームスプリッタ８と、偏光方向回転部７と偏光ビームスプリッタ８とを、互いに異なる回転角速度で回転させることにより、第１の方向に分岐されたレーザ光による円形状のスキャンと、第２の方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンとを実現する回転制御部１５と、それぞれのスキャンにおいてレーザ光の照射対象により反射された反射光を用いて、風速場を算出する信号処理部１４とを備えた。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能となる。

【0095】

また、第１の方向は水平方向であり、第２の方向は鉛直方向である。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能となる。

【0096】

また、鉛直方向における偏光ビームスプリッタ８の後段に偏向光学素子９を備え、偏光ビームスプリッタ８により鉛直方向に分岐されたレーザ光に対して、偏向光学素子９により所定の角度だけ偏角を与えることにより、鉛直方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンを実現する。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、鉛直方向に分岐されたレーザ光による円錐状のスキャンを実現することができる。

【0097】

また、偏光方向回転部７は、λ／２波長板で構成され、回転制御部１５は、λ／２波長板の光学軸に対応するベクトルと、偏光ビームスプリッタ８の反射面の法線ベクトルをλ／２波長板へ射影したベクトルとが平行ではない状態を維持しながら、λ／２波長板と偏光ビームスプリッタ８とを互いに異なる回転角速度で回転させる。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、第１の方向を偏光ビームスプリッタ８を含むスキャン部の回転角θ_Ｓ（ｔ）と一致させることができる。

【0098】

また、偏光方向回転部７は、λ／２波長板で構成され、回転制御部１５は、λ／２波長板の回転角度に対し、偏光ビームスプリッタ（８）の光学軸に対するオフセット角が付与された状態で、λ／２波長板と偏光ビームスプリッタ８とを互いに異なる回転角速度で回転させる。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、第１の方向を偏光ビームスプリッタ８を含むスキャン部の回転角θ_Ｓ（ｔ）と一致させることができる。

【0099】

また、オフセット角の大きさは任意に設定可能である。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、常時第１の方向側のみに送信光を誘導することも可能となるし、常時第２の方向側のみに送信光を誘導することも可能となる。

【0100】

また、レーザレーダ装置１００は、レーザ光の照射対象が反射可能な波長帯を有し、直線偏光特性を有するレーザ光を出力する光源１と、光源１から出力されたレーザ光を分岐する分岐部２と、分岐部２により分岐されたレーザ光の一方をパルス変調する変調部３と、変調部３によりパルス変調されたレーザ光のパワーを増幅する増幅部４と、増幅部４により増幅されたレーザ光を整形する送信側光学系５と、送信側光学系５により整形されたレーザ光と、当該レーザ光の照射対象による反射光とを分離する送受分離部６と、送受分離部６により分離された反射光を受信する受信側光学系１１と、受信側光学系１１により受信された反射光と、分岐部２により分岐されたレーザ光の他方とを合波することにより、所定の干渉信号を得る検波器１３とを備え、偏光方向回転部７は、送受分離部６により分離されたレーザ光に対し、所定の角度だけ偏光方向を回転させ、信号処理部１４は、検波器１３により得られた干渉信号に基づいて風速場を算出する。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能となる。

【0101】

また、受信側光学系１１の光学軸は、送信側光学系５の光学軸に対して４５度傾けて配置されている。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、受信側光学系１１のｆａｓｔ軸には常に第２の方向（鉛直方向）側から受信した受信光が、受信側光学系１１のｓｌｏｗ軸には常に第１の方向（水平方向）側から受信した受信光が、それぞれ伝搬するように、受信側光学系１１の光学軸を固定することが可能となる。

【0102】

また、第１の方向は水平方向であり、第２の方向は鉛直方向であり、信号処理部１４は、水平方向における風速場の算出により得られた１高度複数地点の風速場を示すデータと、鉛直方向における風速場の算出により得られた複数高度１地点の風速場を示すデータとに基づき、複数高度複数地点の風速場を示すデータを生成し、当該生成したデータから、複数高度複数地点の風速場を算出する。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能となる。

【0103】

また、信号処理部１４は、鉛直方向における高度０の地点の風速場を示すデータを仮想的に生成し、当該生成したデータを基準とした、複数高度１地点の風速場を示すデータの比を算出し、当該算出した比を、水平方向における風速場の算出により得られた１高度複数地点の風速場を示すデータに乗算することにより、複数高度複数地点の風速場を示すデータを生成する。これにより、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能となる。

【0104】

実施の形態２．
実施の形態１では、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能なレーザレーダ装置１００について説明した。実施の形態２では、実施の形態１よりも構成部品の点数が少なく、かつスキャン側の送信光をスキャンする際の仰角（ＥＬ）を可変とすることが可能なレーザレーダ装置１００ｂについて説明する。

【0105】

図７は、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂにおけるスキャン部１７ｂの構成例を示す図である。実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂは、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００に対し、スキャン部１７がスキャン部１７ｂに変更されている点が異なっている。実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂのその他の構成は、図１に示す実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００と同一であるため、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0106】

スキャン部１７ｂは、偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部１８と、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９と、ウィンドウ１０と、ウィンドウ１６とにより構成される。すなわち、スキャン部１７ｂでは、実施の形態１におけるスキャン部１７を構成していた偏光ビームスプリッタ８が偏向出力偏光ビームスプリッタ１９に置き換えられている。また、これにより、スキャン部１７ｂでは、実施の形態１におけるスキャン部１７を構成していた偏向光光学素子９が不要となる。なお、スキャン部１７ｂは、実施の形態１におけるスキャン部１７と同様に、回転制御部１５ｂにより回転される。

【0107】

偏向出力偏光ビームスプリッタ１９は、偏光方向回転部７、ウィンドウ１０及び１６に光学的に接続される。偏向出力偏光ビームスプリッタ１９は、Ｐ偏光成分、すなわち鉛直側へ誘導される送信光側の面に傾斜が設けられている。例えば、キューブ型の偏光ビームスプリッタは立方体形状であり、対向する面は水平であるところ、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９は、この対向する面の一方が、偏光方向回転部７からの送信光の入射面を考慮し、水平ではなく、所定の角度を有した傾斜面として構成されている。

【0108】

このように構成することで、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９の屈折率に応じて、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９からの出射光、すなわち鉛直側へ誘導される送信光に偏角が生じる。これにより、スキャン部１７ｂでは、実施の形態１で用いられた偏向光学素子９が不要となる。

【0109】

なお、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９は、Ｓ偏光成分、すなわちスキャン側へ誘導される送信光側の面には傾斜が設けられていない。したがって、スキャン側へ誘導される送信光は、実施の形態１と同様に照射される。

【0110】

偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部１８は、例えば回転ステージで構成される。偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部１８は、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９を回転及び固定する。偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部１８は、信号処理部１４と電気的に接続され、信号処理部１４による制御を受けて回転する。

【0111】

次に、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂの動作例及び効果について説明する。なお、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂの動作例は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の動作例に対し、スキャン部１７ｂの動作例のみが異なるため、ここではスキャン部１７ｂの動作例について説明する。

【0112】

例えば、実施の形態１では、スキャン部１７を構成する偏光ビームスプリッタ８により、Ｐ偏光成分、すなわち鉛直側へ誘導される送信光は、スキャン側に対して進行方向が略９０度異なる。したがって、例えば偏光方向回転部７から出力される送信光が天頂方向（地面に対し９０度の方向）であった場合、スキャン側の送信光は地面と水平方向に照射され、鉛直側の送信光は天頂方向に照射される。また、実施の形態１では、鉛直側では、偏光ビームスプリッタ８の後段に偏向光学素子９が設けられていることにより、鉛直側の送信光は天頂方向から傾きを持った送信光となる。そして、実施の形態１では、この送信光をスキャンすることで円錐状のスキャンとなり、上述の通り、例えばＶＡＤ処理などによって風速場を得ることができる。

【0113】

一方、実施の形態２では、上述の通り、Ｐ偏光成分、すなわち鉛直側へ誘導される送信光側の面に傾斜が設けられた偏向出力偏光ビームスプリッタ１９が、偏光ビームスプリッタ８に代えて設けられている。これにより、実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９からの出射光、すなわち鉛直側へ誘導される送信光に偏角を付与することができる。また、このとき実施の形態２では、実施の形態１で用いられた偏向光学素子９が不要となり、実施の形態１よりも部品点数が低減する。

【0114】

また、実施の形態２では、例えばユーザからの指示により、信号処理部１４を介して偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部１８を制御することで、偏向出力偏光ビームスプリッタ１９を回転させ、所定の位置で固定すれば、スキャン側の送信光の仰角を所定の仰角に変化させることができる。

【0115】

例えば、実施の形態１では、上述の通り、スキャン側の送信光は地面と水平方向となるため、スキャン側では仰角が０度のＰＰＩスキャンが行われる。しかし、例えば構造物などの障害物を避けてスキャンしたい場合には、仰角を変えた方がよい場合がある。この点、実施の形態２では上述の通り、偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部１８により偏向出力偏光ビームスプリッタ１９を回転させることで、スキャン側の送信光の仰角を所定の仰角に変化させることができる。この機能は、スキャン側において上記構造物などの障害物を避けてスキャンしたい場合に便宜である。

【0116】

以上のように、実施の形態２によれば、レーザレーダ装置１００ｂは、偏光ビームスプリッタ８に代えて、偏光方向回転部７により偏光方向が回転されたレーザ光を、第１の方向と第２の方向とに分岐させるとともに、第２の方向に分岐させたレーザ光に対して所定の角度だけ偏角を与えることが可能な偏向出力偏光ビームスプリッタ１９を備え、回転制御部１５は、偏光方向回転部７と偏向出力偏光ビームスプリッタ１９とを、互いに異なる回転角速度で回転させる。これにより、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂは、実施の形態１の効果に加え、実施の形態１よりも部品点数が低減する。

【0117】

また、第１の方向は水平方向であり、第２の方向は鉛直方向であり、水平方向に対するスキャンを行う際の仰角が変更可能となるように偏向出力偏光ビームスプリッタ１９を回転可能に固定する回転部１８を備えた。これにより、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１００ｂは、水平方向側の送信光の仰角を所定の仰角に変化させることができる。

【0118】

なお、本開示は、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは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。

【産業上の利用可能性】

【0119】

本開示は、地上半球空間の風速場を従来よりも短時間で計測することが可能となり、レーザレーダ装置に用いるのに適している。

【符号の説明】

【0120】

１ 光源、２ 分岐部、３ 変調部、４ 増幅部、５ 送信側光学系、６ 送受分離部、７ 偏光方向回転部、８ 偏光ビームスプリッタ、９ 偏向光学素子、１０ ウィンドウ、１１ 受信側光学系、１２ 受信側偏光ビームスプリッタ、１３ 光ＩＱ検波器（検波器）、１４ 信号処理部、１５ 回転制御部、１５ａ 回転制御部、１５ｂ 回転制御部、１６ ウィンドウ、１７ スキャン部、１７ｂ スキャン部、１８ 偏向出力偏光ビームスプリッタ回転部（回転部）、１９ 偏向出力偏光ビームスプリッタ、１００ レーザレーダ装置、１００ｂ レーザレーダ装置、Ｕ_Ｃ 風速場、Ｕ_Ｓ 風速場、Ｕ_Ｖ 風速場、θ_２ λ／２波長板の回転角、θ_Ｓ スキャン部の回転角。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】