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WO2025115273A1 - 風速検出装置及び風速検出方法 - Google Patents

風速検出装置及び風速検出方法 Download PDF

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Publication number
WO2025115273A1
WO2025115273A1 PCT/JP2024/024495 JP2024024495W WO2025115273A1 WO 2025115273 A1 WO2025115273 A1 WO 2025115273A1 JP 2024024495 W JP2024024495 W JP 2024024495W WO 2025115273 A1 WO2025115273 A1 WO 2025115273A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
measurement
wind speed
atmosphere
speed detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/024495
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
考二 高橋
共則 中村
大岳 福岡
賢一郎 池村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Publication of WO2025115273A1 publication Critical patent/WO2025115273A1/ja
Pending legal-status Critical Current
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use

Definitions

  • This disclosure relates to a wind speed detection device and a wind speed detection method.
  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • WindLIDAR Wind Detection and Ranging
  • WindLIDAR Wind Detection and Ranging
  • Coherent detection is used to detect wind speed with LIDAR.
  • the laser light output from the light source is split into measurement light and reference light, and the measurement light is modulated and amplified before being emitted into the atmosphere.
  • the signal source in WindLIDAR is the scattered light generated when the measurement light is scattered by countless aerosols in the atmosphere. When the wind blows, the aerosols move with the wind, causing a change in the frequency of the scattered light (Doppler shift). Therefore, the scattered light from the atmosphere is used as signal light to interfere with the reference light, and the amount of shift in the peak frequency in the beat spectrum of the interference light can be found to detect wind speed in the atmosphere (see, for example, Patent Document 1).
  • LIDAR There are two types of LIDAR: those that use pulsed light and those that use CW (Continuous Wave) light.
  • pulsed light the distance resolution depends on the pulse width and not on the detection distance, but there is a problem with the high cost required to optically amplify the measurement light.
  • CW light the cost required to optically amplify the measurement light is low, but because measurements are taken while changing the focal position of the measurement light, there is a problem with the distance resolution depending on the focal depth of the measurement light and therefore depending on the detection distance.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a wind speed detection device and a wind speed detection method that can detect wind speed at low cost and with high distance resolution independent of the detection distance.
  • the gist of this disclosure is as follows:
  • a wind speed detection device comprising an output section that outputs a CW laser light whose frequency is nonlinearly and periodically modulated, a branching section that branches the CW laser light into a measurement light and a reference light, a measurement optical system that outputs the measurement light into the atmosphere and receives the scattered light of the measurement light in the atmosphere as a signal light, and a detection section that outputs a detection signal based on the interference result between the reference light and the signal light.
  • the CW laser light used as the measurement light and reference light is modulated so that its frequency is nonlinear and periodic.
  • the cost required for optical amplification of the measurement light can be reduced compared to using pulsed light.
  • coherent detection conforming to optical correlation-domain reflectometry (OCDR) can be performed.
  • the distance resolution depends on the frequency modulation width, eliminating dependency on the detection distance. Therefore, with this wind speed detection device, wind speed detection can be performed at low cost and with high distance resolution independent of the detection distance.
  • the frequency of the CW laser light is modulated into a sinusoidal shape, in the wind speed detection device described in [1].
  • coherent detection based on the OCDR method can be suitably performed.
  • the frequency of the CW laser light is modulated so that a linear change is superimposed on a nonlinear and periodic modulation, and the measurement optical system has an optical element that collimates the measurement light and outputs it into the atmosphere.
  • the measurement optical system has an optical element that collimates the measurement light and outputs it into the atmosphere.
  • a single measurement point can be extracted from the multiple measurement points by separating multiple measurement points for a certain modulation frequency on the frequency axis.
  • At least the output section, the branching section, and the detection section are configured using optical integrated circuits in the wind speed detection device according to any one of [1] to [7]. This allows the device to be made smaller.
  • the wind speed detection device according to any one of [1] to [8], further comprising a signal generating unit that generates a modulation signal for the CW laser light. This makes it possible to easily modulate the CW laser light.
  • the wind speed detection device according to any one of [1] to [9], further comprising an analysis unit that analyzes the wind speed in the atmosphere based on the detection signal.
  • an analysis unit that analyzes the wind speed in the atmosphere based on the detection signal.
  • a wind speed detection method comprising: an output step of outputting a CW laser light whose frequency is nonlinearly and periodically modulated; a branching step of branching the CW laser light into a measurement light and a reference light; a measurement step of outputting the measurement light into the atmosphere and receiving the scattered light of the measurement light in the atmosphere as a signal light; and a detection step of outputting a detection signal based on the interference result between the reference light and the signal light.
  • the CW laser light used as the measurement light and reference light is modulated so that its frequency is nonlinear and periodic.
  • the cost required for optical amplification of the measurement light can be reduced compared to the case of using pulsed light.
  • coherent detection conforming to optical correlation-domain reflectometry (OCDR) can be performed.
  • OCDR optical correlation-domain reflectometry
  • wind speed detection can be performed at low cost and with high distance resolution independent of the detection distance.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a wind speed detection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1A and 1B are diagrams showing an example of a frequency-modulated CW laser beam.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a relationship between a modulation rate and a measurement point.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a first measurement method.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of calculation of RWF under collimation conditions.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a second measurement method.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a third measurement method.
  • 1 is a flowchart illustrating an example of a wind speed detection method according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams showing an example of a frequency-modulated CW laser beam.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a relationship between a modulation rate and a measurement point.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing
  • FIG. 13A is a diagram showing simulation conditions for wind speed detection using a measurement method according to a comparative example
  • FIG. 13B is a diagram showing the results of the simulation.
  • 11A to 11D are diagrams showing fluctuations in the peak frequency of the beat spectrum of interference light in a comparative example.
  • FIG. 4A is a diagram showing simulation conditions for wind speed detection using the measurement method according to Example 1 (first measurement method)
  • FIG. 4B is a diagram showing the results of the simulation.
  • FIG. 4 is a diagram showing the waveform of a beat spectrum of interference light in Example 1.
  • FIG. 13A is a diagram showing simulation conditions for wind speed detection using a measurement method according to Example 2 (second measurement method)
  • FIG. 13B is a diagram showing the results of the simulation.
  • FIG. 13A to 13D are diagrams showing fluctuations in the peak frequency of the beat spectrum of interference light in Example 2.
  • FIG. 13A is a diagram showing simulation conditions for wind speed detection using a measurement method according to Example 3 (third measurement method), and
  • FIG. 13B is a diagram showing the results of the simulation.
  • 13A to 13D are diagrams showing fluctuations in the peak frequency of the beat spectrum of interference light in Example 3.
  • FIG. 13 is a diagram showing a beat spectrum of interference light in a wide range in the third embodiment.
  • FIG. 13A is a diagram showing simulation conditions for wind speed detection using a measurement method according to Example 4 (a combination of the second measurement method and the third measurement method), and
  • FIG. 13B is a diagram showing the results of the simulation.
  • 13A to 13D are diagrams showing fluctuations in the peak frequency of the beat spectrum of interference light in Example 4.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a wind speed detection device according to a modified example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a wind speed detection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the wind speed detection device 1 shown in FIG. 1 is a device that detects wind speed in the atmosphere M by LIDAR (Light Detection and Ranging).
  • the wind speed detection device 1 employs a frequency modulation method using a CW laser light L.
  • the wind speed detection device 1 detects the wind speed in the atmosphere M by modulating the CW laser light L so that the frequency is nonlinear and periodic, and performing coherent detection in accordance with Optical Correlation-Domain Reflectometry (OCDR) between the signal light Ls and the reference light Lr.
  • OCDR Optical Correlation-Domain Reflectometry
  • the wind speed detection device 1 includes an output section 2, a branching section 3, a frequency shifter 4, an amplifier section 5, a measurement optical system 6, a multiplexing section 7, a detection section 8, a digitizer 9, and an analysis section 10.
  • the output section 2 and the frequency shifter 4, the frequency shifter 4 and the amplifier section 5, the amplifier section 5 and the measurement optical system 6, the output section 2 and the detection section 8, and the measurement optical system 6 and the detection section 8 are all optically connected by optical fiber F.
  • At least the output unit 2, the branching unit 3, and the detection unit 8 are configured with a photonic integrated circuit (PIC) 11.
  • PIC photonic integrated circuit
  • the output unit 2, the branching unit 3, the frequency shifter 4, the amplifier unit 5, the multiplexing unit 7, the detection unit 8, and the optical fiber F that connects them are configured with the photonic integrated circuit 11.
  • the output section 2 is a section that outputs CW laser light L whose frequency is nonlinear and periodically modulated.
  • laser devices that constitute the output section 2 include distributed feedback (DFB) laser devices, distributed Bragg reflector (DBR) laser devices, and external cavity laser devices.
  • DFB distributed feedback
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the CW laser light L is not light like diffused light, but is beam-like light with a certain directionality.
  • a current control unit and a temperature control unit are connected to the output unit 2.
  • the current control unit is a controller that supplies a drive current to the laser device that constitutes the output unit 2.
  • the current control unit modulates the frequency of the CW laser light L output from the output unit 2 by modulating the drive current.
  • the temperature control unit is a controller that maintains a constant temperature of the laser device that constitutes the output unit 2.
  • the temperature control unit is configured to include, for example, a thermistor and a Peltier element, and drives the Peltier element so that the temperature of the laser device is maintained constant based on the temperature measurement value of the thermistor attached to the laser device.
  • the signal generating unit 12 is connected to the output unit 2.
  • the signal generating unit 12 is a part that generates a modulation signal G for the CW laser light L.
  • the signal generating unit 12 is composed of, for example, a waveform generator, a function generator, etc.
  • the signal generating unit 12 generates a voltage signal for modulating the current waveform output from the current control unit connected to the output unit 2 into an arbitrary shape.
  • the modulation signal G generated by the signal generating unit 12 is also output to the digitizer 9 in order to synchronize the operation of the output unit 2 with the operation of the analysis unit 10.
  • FIG. 2(a) and 2(b) are diagrams showing an example of a frequency-modulated CW laser light L.
  • the frequency of the CW laser light L output from the output unit 2 is modulated nonlinearly and periodically based on the modulation signal G from the signal generating unit 12.
  • the frequency of the CW laser light L is modulated into a sine wave.
  • the frequency of the CW laser light L may be modulated into a cosine wave whose phase is advanced by 90° with respect to the sine wave.
  • FIG. 2(b) a linear change is superimposed in addition to the modulation in FIG. 2(a).
  • FIG. 2(b) a linear change is superimposed in addition to the modulation in FIG. 2(a).
  • the frequency of the CW laser light L is modulated into a sine wave, and further, the amplitude is modulated so as to decrease linearly with time.
  • the superposition of a linear change as in FIG. 2(b) is performed, for example, by modulating the drive current described above.
  • the branching unit 3 is a section that branches the CW laser light L, whose frequency is nonlinearly and periodically modulated, into measurement light Lm and reference light Lr.
  • the branching unit 3 is formed, for example, of an optical fiber coupler.
  • the measurement light Lm is output from one output port of the branching unit 3 to the frequency shifter 4, and the reference light Lr is output from another output port of the branching unit 3 to the multiplexing unit 7.
  • the frequency shifter 4 is a part that shifts the frequency of the measurement light Lm.
  • the frequency shifter 4 is composed of, for example, an acousto-optical element, an electro-optical element, an IQ modulator, a phase modulator, an intensity modulator, etc.
  • the frequency shifter 4 may have a signal generating unit (not shown) that generates a voltage signal for driving the frequency shifter 4.
  • the signal generating unit may be composed of, for example, a waveform generator, a function generator, etc.
  • the amplifier 5 is a part that amplifies the intensity of the measurement light Lm.
  • the amplifier 5 is composed of, for example, a semiconductor optical amplifier, an optical fiber amplifier, etc.
  • a current control unit and a temperature control unit (not shown) are connected to the amplifier.
  • the current control unit is a controller that supplies a drive current to the amplifier device that constitutes the amplifier 5.
  • the current control unit controls the multiplication factor of the measurement light Lm in the amplifier 5 by modulating the drive current.
  • the temperature control unit is a controller that maintains the temperature of the multiplication device that constitutes the amplifier 5 constant.
  • the temperature control unit is composed of, for example, a thermistor and a Peltier element, and drives the Peltier element so that the temperature of the multiplication device is maintained constant based on the temperature measurement value of the thermistor attached to the multiplication device.
  • the measurement optical system 6 outputs the measurement light Lm into the atmosphere M and receives the scattered light Lf of the measurement light Lm in the atmosphere M as the signal light Ls.
  • the measurement optical system 6 includes a movable stage (scanning unit) 21, a lens (optical element) 22, and a rotating stage (deflection unit) 23 on which a beam deflector 24 is mounted.
  • the movable stage 21 is a stage having a movable axis in the optical axis direction of the measurement light Lm output from at least the end Fa of the optical fiber F connected to the output port of the amplifier unit 5.
  • a driving element such as a stepping motor or a piezoelectric element is used to drive the movable stage 21.
  • a stage controller (not shown) is connected to the movable stage 21. The stage controller outputs a control signal to the driving element to control the position of the movable stage.
  • the movable stage 21 is displaced in the optical axis direction of the measurement light Lm output from the end Fa of the optical fiber F, thereby changing the distance from the end Fa of the optical fiber F to the lens 22. This makes it possible to displace the focal position of the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22 in the optical axis direction of the measurement light Lm, and to collimate the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22.
  • the beam deflector 24 is a part that deflects the output direction of the measurement light Lm heading toward the atmosphere M in any direction.
  • a wedge substrate can be used as the beam deflector 24.
  • the rotating stage 23 is a stage that rotates the beam deflector 24 around the optical axis of the measurement light Lm.
  • the rotating stage 23 is driven by a driving element such as a stepping motor or a piezoelectric element.
  • a stage controller (not shown) is connected to the movable stage 21. The stage controller outputs a control signal to the driving element to control the position of the rotating stage.
  • the lens 22 is an optical element that focuses or collimates the measurement light Lm.
  • the lens 22 include a convex lens, an achromatic lens, an aspheric lens, and a combination lens formed by combining multiple lenses.
  • the measurement light Lm output from the end Fa of the optical fiber F is emitted into the atmosphere M as a beam-like light having a certain directivity through the lens 22 in a direction based on the rotation angle of the beam deflector 24.
  • the signal source in this wind speed detection device 1 is the scattered light Lf generated when the measurement light Lm is scattered by countless aerosols P in the atmosphere M. A part of the scattered light Lf returns to the end Fa of the optical fiber F as the signal light Ls through the lens 22.
  • the signal light Ls is separated from the measurement light Lm by the circulator 25 and output to the multiplexer 7.
  • the multiplexing unit 7 is a section that multiplexes the reference light Lr from the output unit 2 with the signal light Ls that has returned from the atmosphere M.
  • the multiplexing unit 7 is composed of, for example, an optical fiber coupler.
  • the multiplexing unit 7 generates interference light Ld between the reference light Lr and the signal light Ls.
  • the interference light Ld is output from the output port of the multiplexing unit 7 to the detection unit 8.
  • the detection unit 8 is a part that outputs a detection signal D based on the result of interference between the reference light Lr and the signal light Ls.
  • the detection unit 8 is composed of, for example, a photodetector, an avalanche photodiode, a balanced detector, etc.
  • the detection unit 8 outputs an analog electrical signal based on the interference light Ld input from the multiplexer 7 to the digitizer 9 as the detection signal D.
  • the digitizer 9 is a device that converts an analog electrical signal into a digital signal.
  • the digitizer 9 is composed of, for example, an A/D converter.
  • the digitizer 9 converts the analog electrical signal, which is the detection signal D, into a digital signal, and outputs the converted digital signal to the analysis unit 10.
  • the analysis unit 10 is a part that analyzes the wind speed in the atmosphere M based on the detection signal D.
  • the analysis unit 10 is a computer system equipped with memories such as RAM and ROM, processors such as a CPU and GPU, a communication interface, and a storage unit such as a hard disk. Examples of such computer systems include personal computers, cloud servers, smart devices (smartphones, tablet terminals, etc.), microcomputers, and FPGAs (field-programmable gate arrays).
  • the analysis unit functions as the analysis unit 10 by executing a program stored in the memory with the CPU or GPU.
  • the signal source in the wind speed detection device 1 is the scattered light Lf generated when the measurement light Lm is scattered by countless aerosols P in the atmosphere M.
  • the aerosols P move with the wind, causing a change in frequency of the scattered light Lf (Doppler shift).
  • the analysis unit 10 receives the detection signal D output from the digitizer 9, it refers to the peak frequency of the beat spectrum of the interference light Ld based on the detection signal D.
  • the analysis unit 10 detects the wind speed in the atmosphere M by determining the amount of shift in the peak frequency of the beat spectrum of the interference light Ld.
  • the distance resolution and detection distance for wind speed detection can be calculated based on the distance resolution and detection distance in the optical correlation-domain reflectometry (OCDR) method used in optical fiber sensing.
  • OCDR optical correlation-domain reflectometry
  • the distance resolution ⁇ Zr 0.48 x (c/B).
  • the modulation rate of the CW laser light L modulated as shown in Figure 2(a) or 2(b) is fm and the speed of light is c
  • the object to be measured is the atmosphere M, and the measurement light is emitted into free space (i.e., there is no FUT), so it is not possible to unify the measurement point by adjusting the length of the FUT. Also, from the perspective of miniaturizing the device, it is difficult to place a long delay fiber in the optical path of the reference light Lr. Therefore, in the wind speed detection device 1, one of the following three measurement methods is applied to achieve unification of the measurement point for one modulation rate fm.
  • the first measurement method is a method in which the measurement optical system 6 is set to a collimated condition under which the detection distance is the widest, and a weighting function (RWF: Range Weighting Function) under the collimated condition is used to reduce the influence of the secondary and subsequent peaks in the beat spectrum of the interference light Ld, thereby unifying the measurement points.
  • RWF Range Weighting Function
  • the distance from the end Fa of the optical fiber F to the lens 22 is adjusted by the movable stage 21, and the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22 is made into a parallel light.
  • the RWF under collimated conditions is not constant, but is a function that decreases as the distance from the lens 22 increases.
  • This behavior of the RWF is due to the fact that the laser beam diameter expands with propagation due to the diffraction phenomenon in free space, and the amount of scattered light Lf taken in (i.e., the amount of scattered light Lf that returns to the lens 22) decreases with propagation.
  • RWF under collimated conditions takes a substantially constant first value when the distance from the lens 22 is in a certain range from 0, and then gradually decreases as the distance increases, converging to a second value smaller than the first value. Therefore, by adjusting the modulation rate fm or RWF so that the first peak of the beat spectrum of the interference light Ld is located in the range where RWF takes the first value, and the second peak of the beat spectrum of the interference light Ld is located in the range where RWF takes the second value, it is possible to unify the measurement points for wind speed detection.
  • Figure 5 shows an example of calculating RWF under collimated conditions.
  • Figure 5 shows the simulation results of RWF versus distance when the lens diameter is 50 mm, the lens focal length is 237 mm, the distance between the end of the optical fiber and the lens is 237 mm, and the wavelength of the measurement light is 1550 nm.
  • the first peak of the beat spectrum of the interference light appears at a position of 1000 m
  • the second and third peaks of the beat spectrum of the interference light appear at positions of 2000 m and 3000 m, which are integer multiples of the first peak.
  • the RWF at a distance of 1000 m exceeds 0.4
  • the RWF at distances of 2000 m and beyond is less than 0.2, so the influence of the second and subsequent peaks can be reduced when detecting wind speed based on the first peak.
  • a delay fiber may be introduced into the optical path of the reference light Lr.
  • the influence of the zeroth peak can be reduced when detecting wind speed based on the first peak.
  • a CW laser light L whose frequency is modulated sinusoidally is used as the measurement light Lm.
  • the distance from the end Fa of the optical fiber F to the lens 22 is adjusted by the movable stage 21, and the measurement light Lm emitted through the lens 22 is focused in the atmosphere M.
  • the RWF under the focusing condition is a Lorentz-type function whose peak is the focusing position C of the measurement light Lm, as shown in FIG. 6, for example.
  • the modulation rate fm or the full width at half maximum of the RWF so that the first peak of the beat spectrum of the interference light Ld is located at the focusing position C of the measurement light Lm (peak position of the RWF), and the zeroth and second and subsequent peaks of the beat spectrum of the interference light Ld are located at positions other than the focusing position C of the measurement light Lm (peak position of the RWF), it is possible to unify the measurement points for wind speed detection.
  • the third measurement method for example, a CW laser light L whose frequency is modulated to a sine wave and whose amplitude is further modulated so as to decrease linearly with time is used as the measurement light Lm. Also, as shown in FIG. 7, the distance from the end Fa of the optical fiber F to the lens 22 is adjusted by the movable stage 21, and the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22 is made into a parallel light. In the third measurement method, since the frequency of the measurement light Lm decreases linearly with time, each order peak of the beat spectrum of the interference light Ld can be separated on the frequency axis according to the distance. Therefore, it is possible to unify the measurement point for wind speed detection without setting the RWF.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of a wind speed detection method according to an embodiment of the present disclosure.
  • the wind speed detection method is performed using the wind speed detection device 1 described above.
  • This wind speed detection method includes a setting step (step S01), an output step (step S02), a branching step (step S03), a measurement step (step S04), a detection step (step S05), and an analysis step (step S06).
  • the setting step S01 is a step for setting various measurement conditions for wind speed detection.
  • the detection distance is set, and the modulation rate fm of the frequency of the measurement light Lm is set according to the set detection distance.
  • the distance between the end Fa of the optical fiber F and the lens 22 is set so that the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22 becomes parallel light.
  • the focusing position C of the measurement light Lm is set according to the set detection distance, and the distance between the end Fa of the optical fiber F and the lens 22 is set according to the set focusing position C.
  • the intensity of the CW laser light L output from the output unit 2, the multiplication factor of the signal light Ls in the amplifier unit 5, the output direction of the measurement light Lm by the beam deflector 24, etc. are set.
  • the output step S02 is a step of outputting a CW laser light L whose frequency is nonlinearly and periodically modulated.
  • the modulation signal G generated by the signal generating unit 12 is input to the output unit 2, and the frequency of the CW laser light L is modulated.
  • the CW laser light L whose frequency is modulated sinusoidally is output from the output unit 2 as shown in FIG. 2(a).
  • the CW laser light L whose frequency is modulated sinusoidally and whose amplitude is further modulated so as to decrease linearly with time is output from the output unit 2 as shown in FIG. 2(b).
  • the branching step S03 is a step in which the CW laser light L is branched into measurement light Lm and reference light Lr.
  • the CW laser light L output from the output unit 2 is branched, one of which is the measurement light Lm and the other is the reference light Lr.
  • the measurement light Lm is guided to the measurement optical system 6 via the frequency shifter 4 and the amplifier unit 5.
  • the reference light Lr is guided directly to the multiplexer 7 without passing through these components.
  • the measurement step S04 is a step in which the measurement light Lm is output into the atmosphere M, and the scattered light Lf of the measurement light Lm in the atmosphere M is received as signal light Ls.
  • the measurement light Lm output from the end Fa of the optical fiber F is emitted into the atmosphere M via the lens 22.
  • the measurement light Lm is scattered by countless aerosols P in the atmosphere M, and becomes scattered light Lf.
  • a portion of the scattered light Lf returns to the end Fa of the optical fiber F again as signal light Ls via the lens 22, and is combined with the reference light Lr by the combining unit 7 to generate interference light Ld.
  • the detection step S05 is a step of outputting a detection signal based on the result of interference between the reference light Lr and the signal light Ls.
  • the interference light Ld generated in the multiplexer 7 is detected by the detector 8, and an analog electrical signal based on the interference light Ld is generated as the detection signal D.
  • the generated detection signal D is analog-to-digital converted by the digitizer 9 and output to the analysis unit 10.
  • Analysis step S06 is a step for analyzing the wind speed in the atmosphere M based on the detection signal D.
  • the peak frequency of the beat spectrum of the interference light Ld is referenced based on the detection signal D.
  • the wind speed in the atmosphere M is detected by determining the amount of shift in the peak frequency in the beat spectrum of the interference light Ld. Thereafter, if detection is to be performed at a different distance, the detection distance etc. is reset in step S01, and steps S02 to S08 are executed again. After wind speed detection has been performed within the desired distance range, the process ends.
  • the CW laser light L used as the measurement light Lm and reference light Lr is modulated so that its frequency is nonlinear and periodic.
  • the cost required for optical amplification of the measurement light Lm can be reduced compared to the case of using pulsed light.
  • coherent detection conforming to optical correlation-domain reflectometry (OCDR) can be performed.
  • OCDR optical correlation-domain reflectometry
  • the distance resolution depends on the frequency modulation width, and dependency on the detection distance can be eliminated. Therefore, in this wind speed detection device 1, wind speed detection can be performed at low cost and with high distance resolution independent of the detection distance.
  • the frequency of the CW laser light L is modulated into a sinusoidal wave. This type of modulation makes it possible to perform coherent detection in accordance with the OCDR method.
  • the measurement optical system 6 has a lens 22 that focuses the measurement light Lm in the atmosphere M.
  • the OCDR method multiple measurement points exist for a certain modulation frequency, but by focusing the measurement light Lm in the atmosphere M and aligning the weighting function RWF for the detection distance to the focusing position C of the measurement light Lm, a single measurement point can be extracted from the multiple measurement points (second measurement method).
  • the measurement optical system 6 has a movable stage 21 to which the end Fa of the optical fiber F is fixed, as a scanning unit that scans the focusing position C of the measurement light Lm in the atmosphere M in the optical axis direction of the measurement light Lm.
  • This movable stage 21 scans a single measurement point extracted by the weighting function RWF in the optical axis direction of the measurement light Lm, thereby making it possible to detect wind speed over a wide range.
  • the measurement optical system 6 has a lens 22 that collimates the measurement light Lm and outputs it into the atmosphere M. Even when the measurement light Lm is collimated, a single measurement point can be extracted by the weighting function RWF under collimated conditions (first measurement method).
  • the frequency of the CW laser light L is modulated so that a linear change is superimposed on the nonlinear and periodic modulation
  • the measurement optical system 6 includes a configuration in which the measurement light Lm is collimated and output into the atmosphere M (third measurement method).
  • the measurement light Lm is collimated, a single measurement point can be extracted from the multiple measurement points by separating multiple measurement points for a certain modulation frequency on the frequency axis.
  • the measurement optical system 6 has a rotating stage 23 on which a beam deflector 24 is mounted as a deflection section that deflects the output direction of the measurement light Lm toward the atmosphere M. This makes it possible to vary the output direction of the measurement light Lm, allowing wind speed detection to be performed over a wide range.
  • At least the output section 2, the branching section 3, and the detection section 8 are configured with an optical integrated circuit 11. This allows the device to be made more compact.
  • this embodiment further includes a signal generating section 12 that generates a modulation signal G for the CW laser light L. This allows modulation of the CW laser light L to be easily performed.
  • FIG. 9(a) shows the simulation conditions for wind speed detection using the measurement method according to the comparative example.
  • FIG. 9(b) shows the results.
  • the simulation conditions were a lens diameter of 50 mm, a detection distance of 100 m, a Lorentzian RWF, and a full width at half maximum of the RWF of 34 m.
  • the measurement target constant wind speed
  • the peak position of the RWF generated by the concentration of the measurement light was changed in 1 m increments, and the shift amount of the peak frequency in the beat spectrum of the interference light was obtained.
  • FIG. 11(a) shows the simulation conditions for wind speed detection using the measurement method according to Example 1 (first measurement method), and FIG. 11(b) shows the results.
  • the measurement target constant wind speed
  • the beat spectrum of the interference light was obtained while changing the modulation rate fm between 148.4 kHz and 152.8 kHz in 0.4 kHz increments, and the peak frequency was extracted.
  • Example 1 when the modulation rate fm is 148.4 kHz, the detection distance ZR is equivalent to 1010 m, and when the modulation rate fm is 152.8 kHz, the detection distance ZR is equivalent to 981 m.
  • the modulation width B is 100 MHz. In this case, the distance resolution ⁇ Zr is 1.4 m.
  • the RWF under the collimation condition is the same as that shown in Figure 5.
  • Example 1 in Example 1, as shown in Figure 11 (b), in the range of a distance of 995 ⁇ 5 m, the peak frequency shifts by about 10 MHz, and it can be seen that a constant wind speed, which is the measurement target, is detected.
  • Figure 12 is a diagram showing the waveform of the beat spectrum of the interference light at a distance of 995.3 m in Example 1. As shown in Figure 12, in the beat spectrum at a distance of 995.3 m, although a weak secondary peak appears at a frequency of 80 MHz, it can be confirmed that the peak at a frequency of 90 MHz is dominant. From this, it can be seen that in Example 1, wind speed detection can be performed by extracting one measurement point from multiple measurement points for a certain modulation frequency.
  • FIG. 13(a) shows the simulation conditions for wind speed detection using the measurement method of Example 2 (second measurement method), and FIG. 13(b) shows the results.
  • the simulation conditions were a lens diameter of 50 mm, a detection distance of 100 m, a Lorentzian RWF, and a full width at half maximum of the RWF of 34 m.
  • the modulation width B of the measurement light was 100 MHz.
  • the distance resolution ⁇ Zr in this case was 1.4 m.
  • Example 2 as shown in FIG. 13(a), the measurement target (constant wind speed) was set within a distance range of 100 m ⁇ 2 m.
  • the peak position of the RWF generated by the focusing of the measurement light was fixed at a position of 100 m, and the beat spectrum of the interference light was obtained while changing the modulation rate fm between 1.37 MHz and 1.66 MHz in 10 kHz increments, and the peak frequency was extracted.
  • Example 2 As shown in FIG. 13(b), the peak frequency shifts by about 10 MHz in the range of a distance of 100 ⁇ 2 m, and it can be seen that a constant wind speed, which is the measurement target, is detected. Also, in Example 2, as shown in FIG. 14(a) to FIG. 14(d), in the beat spectrum at distances of 90.3 m and 97.3 m, a peak appears at a frequency of 80 MHz, in the beat spectrum at a distance of 98.0 m, peaks appear at frequencies of 79 MHz and 90 MHz, and in the beat spectrum at a distance of 99.9 m, a peak appears at a frequency of 90 MHz. From these results, it can be seen that in Example 2 as well, as in Example 1, it is possible to extract one measurement point from multiple measurement points for a certain modulation frequency and perform wind speed detection.
  • FIG. 15(a) shows the simulation conditions for wind speed detection using the measurement method according to Example 3 (third measurement method), and (b) shows the results.
  • the simulation conditions were a lens diameter of 50 mm and a detection distance of 100 m.
  • the modulation width B of the measurement light was set to 100 MHz. In this case, the distance resolution ⁇ Zr was 1.4 m.
  • the chirp rate of the measurement light (the slope of the linear change superimposed on the sinusoidal modulation) was set to 160 THz/sec.
  • Example 3 as shown in FIG. 15(a), the measurement target (constant wind speed) was set within a distance range of 100 m ⁇ 2 m.
  • the RWF generated by the focusing of the measurement light was kept constant regardless of the distance, and the beat spectrum of the interference light was obtained while changing the modulation rate fm between 1.37 MHz and 1.66 MHz in 10 kHz increments, and the peak frequency was extracted.
  • Example 3 as shown in Figure 15(b), the peak frequency shifts by about 10 MHz within a distance range of 100 ⁇ 2 m, and it can be seen that a constant wind speed, which is the measurement target, is detected.
  • the peak frequency increases linearly with respect to distance with a slope based on the chirp rate of the measurement light, but by correcting the linear increase in peak frequency based on the chirp rate of the measurement light, it is possible to detect the wind speed in the same way as in Example 2.
  • Example 3 in the beat spectrum at a distance of 90.3 m, a peak appears at a frequency of 176 MHz, and in the beat spectrum at a distance of 97.3 m, a peak appears at a frequency of 184 MHz. In addition, in the beat spectrum at a distance of 98.0 m, peaks appear at frequencies of 184 MHz and 195 MHz, and in the beat spectrum at a distance of 99.9 m, a peak appears at a frequency of 196 MHz.
  • FIG. 17 shows the beat spectrum of the interference light in Example 3 in the range of 0 MHz to 500 MHz.
  • the zeroth to third peak frequencies of the beat spectrum are separated on the frequency axis at intervals of about 100 MHz. From these results, it can be seen that in Example 3 as well, as in Examples 1 and 2, it is possible to perform wind speed detection by extracting one measurement point from multiple measurement points for a certain modulation frequency.
  • FIG. 18(a) shows the simulation conditions for wind speed detection using the measurement method according to Example 4 (combination of the second and third measurement methods), and (b) shows the results.
  • the simulation conditions were a lens diameter of 50 mm, a detection distance of 100 m, a Lorentzian RWF, and a full width at half maximum of the RWF of 34 m.
  • the modulation width B of the measurement light was set to 100 MHz. In this case, the distance resolution ⁇ Zr was 1.4 m.
  • the chirp rate of the measurement light (the slope of the linear change superimposed on the sinusoidal modulation) was set to 160 THz/sec.
  • Example 4 as shown in FIG. 18(a), the measurement target (constant wind speed) was set within a distance range of 100 m ⁇ 2 m.
  • the peak position of the RWF generated by the focusing of the measurement light was fixed at a position of 100 m, and the beat spectrum of the interference light was obtained while changing the modulation rate fm between 1.37 MHz and 1.66 MHz in 10 kHz increments, and the peak frequency was extracted.
  • Example 4 as shown in Figure 18(b), the peak frequency shifts by about 10 MHz within a distance range of 100 ⁇ 2 m, and it can be seen that a constant wind speed, which is the measurement target, is detected.
  • the peak frequency increases linearly with respect to distance with a slope based on the chirp rate of the measurement light, but by correcting the linear increase in peak frequency based on the chirp rate of the measurement light, it is possible to detect the wind speed in the same way as in Example 2.
  • Example 4 in the beat spectrum at a distance of 90.3 m, a peak appears at a frequency of 176 MHz, and in the beat spectrum at a distance of 97.3 m, a peak appears at a frequency of 184 MHz. In addition, in the beat spectrum at a distance of 98.0 m, peaks appear at frequencies of 184 MHz and 195 MHz, and in the beat spectrum at a distance of 99.9 m, a peak appears at a frequency of 196 MHz. From these results, it can be seen that in Example 4 as well, as in Examples 1 to 3, wind speed detection can be performed by extracting one measurement point from multiple measurement points for a certain modulation frequency.
  • the output direction of the measurement light Lm heading into the atmosphere M is deflected in an arbitrary direction using the beam deflector 24, but the deflection of the output direction of the measurement light Lm may be achieved using other configurations.
  • the output direction of the measurement light Lm heading into the atmosphere M may be deflected in an arbitrary direction.
  • the output direction of the measurement light Lm heading into the atmosphere M may be deflected in an arbitrary direction by moving the orientation of the end Fa of the optical fiber F up, down, left, or right.
  • an optical fiber device type circulator 25 is exemplified, but a spatial optical system type circulator 31 as shown in FIG. 20 may also be used.
  • the spatial optical system type circulator 31 is composed of a polarizing beam splitter 32 and a ⁇ /4 wave plate 33.
  • a lens 34 is disposed in front of the polarizing beam splitter 32, and a lens 35 mounted on the movable stage 21 is disposed in the rear of the ⁇ /4 wave plate 33.
  • the lenses 34 and 35 may be either convex lenses or concave lenses.
  • the distance between the lens 35 and the lens 22 can be adjusted by displacing the movable stage 21 in the optical axis direction of the measurement light Lm. This makes it possible to displace the focal position of the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22 in the optical axis direction of the measurement light Lm, and to collimate the measurement light Lm emitted into the atmosphere M via the lens 22.
  • 1...wind speed detection device 2...output section, 3...branching section, 6...measurement optical system, 8...detection section, 10...analysis section, 11...optical integrated circuit, 12...signal generation section, 21...movable stage (scanning section), 22...lens (optical element), 23...rotating stage (deflection section), 24...beam deflection plate (deflection section), L...CW laser light, Lm...measurement light, Lr...reference light, Lf...scattered light, Ls...signal light, C...focus position, D...detection signal, G...modulation signal, M...atmosphere.

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Abstract

風速検出装置１は、周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光Ｌを出力する出力部２と、ＣＷレーザ光Ｌを測定光Ｌｍ及び参照光Ｌｒに分岐する分岐部３と、測定光Ｌｍを大気中に出力し、大気中での測定光Ｌｍの散乱光Ｌｆを信号光Ｌｓとして受光する測定光学系６と、参照光Ｌｒと信号光Ｌｓとの干渉結果に基づく検出信号Ｄを出力する検出部８とを備える。

Description

風速検出装置及び風速検出方法
　本開示は、風速検出装置及び風速検出方法に関する。
　光を用いたセンシング技術の一つとして、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）が知られている。ＬＩＤＡＲは、近年では自動運転の分野での応用が進展しているが、元々は気象などの分野で広く用いられている技術である。気象の分野で用いられるＬＩＤＡＲとしては、風速を検出する、いわゆるＷｉｎｄＬＩＤＡＲが知られている。ＷｉｎｄＬＩＤＡＲは、例えば風力発電機の設置場所を選定するための風況調査などに利用されているほか、近年ではドローンなどの飛行体の安全な運行管理への応用が期待されている。
　ＬＩＤＡＲでの風速検出には、コヒーレント検波が用いられている。この手法では、光源から出力したレーザ光を測定光及び参照光に分岐し、測定光に変調及び増幅を加えた後、大気中に出射する。ＷｉｎｄＬＩＤＡＲでの信号源は、測定光が大気中の無数のエアロゾルで散乱して生じる散乱光である。風が吹くと、風に乗ってエアロゾルが移動し、散乱光の周波数が変化（ドップラーシフト）する。したがって、大気からの散乱光を信号光として参照光と干渉させ、干渉光のビートスペクトルにおけるピーク周波数のシフト量を求めることで、大気中の風速を検出できる（例えば特許文献1参照）。
米国特許出願公開第２０２１／０１０９２１８号明細書
　ＬＩＤＡＲの方式には、パルス光を用いた方式と、ＣＷ（Continuous Wave）光を用いた方式とがある。パルス光を用いた方式では、距離分解能がパルス幅に依存し、検出距離には依存しないが、測定光の光増幅に要するコストが高いという問題がある。これに対し、ＣＷ光を用いた方式では、測定光の光増幅に要するコストが低い反面、測定光の焦点位置を変えながら計測を行うため、距離分解能が測定光の焦点深度に依存し、検出距離に対する依存性を有するという問題がある。
　本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、低コストで且つ検出距離に依存せずに高い距離分解能で風速検出を実施できる風速検出装置及び風速検出方法を提供することを目的とする。
　本開示の要旨は、以下に示すとおりである。
　［１］周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光を出力する出力部と、前記ＣＷレーザ光を測定光及び参照光に分岐する分岐部と、前記測定光を大気中に出力し、前記大気中での前記測定光の散乱光を信号光として受光する測定光学系と、前記参照光と前記信号光との干渉結果に基づく検出信号を出力する検出部と、を備える風速検出装置。
　この風速検出装置では、測定光及び参照光として用いるＣＷレーザ光を周波数が非直線形且つ周期的となるように変調する。ＣＷレーザ光を用いることで、パルス光を用いる場合に比べて測定光の光増幅に要するコストを低減できる。また、ＣＷレーザ光を周波数が非直線形且つ周期的となるように変調することで、光相関領域反射計測法（ＯＣＤＲ法：Optical Correlation-Domain Reflectometry）に準じたコヒーレント検波を実施できる。当該コヒーレント検波では、距離分解能が周波数変調幅に依存し、検出距離に対する依存性を解消できる。したがって、この風速検出装置では、低コストで且つ検出距離に依存せずに高い距離分解能で風速検出を実施できる。
　［２］前記ＣＷレーザ光の周波数は、正弦波状に変調されている、［１］記載の風速検出装置。この場合、ＯＣＤＲ法に準じたコヒーレント検波を好適に実施できる。
　［３］前記測定光学系は、前記測定光を前記大気中に集光する光学素子を有する、［２］記載の風速検出装置。ＯＣＤＲ法では、ある変調周波数に対して複数の測定点が存在するが、測定光を大気中に集光し、検出距離に対する重み付け関数（ＲＷＦ：Range Weighting Function）を測定光の焦点位置に合わせることで、複数の測定点の中から単一の測定点を抽出できる。
　［４］前記測定光学系は、前記大気中での前記測定光の集光位置を前記測定光の光軸方向に走査する走査部を有する、［３］記載の風速検出装置。この場合、重み付け関数ＲＷＦによって抽出された単一の測定点を測定光の光軸方向に走査することで、風速検出を広範囲に実施できる。
　［５］前記測定光学系は、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する光学素子を有する、［１］又は［２］記載の風速検出装置。測定光を平行光化した状態においても、コリメート条件における重み付け関数ＲＷＦによって単一の測定点を抽出できる。
　［６］前記ＣＷレーザ光の周波数は、非直線形且つ周期的な変調に線形な変化が重畳するように変調され、前記測定光学系は、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する光学素子を有する、［１］又は［２］記載の風速検出装置。この場合、測定光を平行光化した状態においても、ある変調周波数に対する複数の測定点を周波数軸上で分離することで、複数の測定点の中から単一の測定点を抽出できる。
　［７］前記測定光学系は、前記大気中に向かう前記測定光の出力方向を偏向する偏向部を有する、［１］～［６］のいずれか記載の風速検出装置。
この場合、測定光の出力方向が可変となるので、風速検出を広範囲に実施できる。
　［８］少なくとも前記出力部、前記分岐部、及び検出部は、光集積回路によって構成されている、［１］～［７］のいずれか記載の風速検出装置。これにより、装置の小型化が図られる。
　［９］前記ＣＷレーザ光に対する変調信号を生成する信号生成部を更に備える、［１］～［８］のいずれか記載の風速検出装置。これにより、ＣＷレーザ光の変調を簡便に実施できる。
　［１０］前記検出信号に基づいて前記大気中での風速を解析する解析部を更に備える、［１］～［９］のいずれか記載の風速検出装置。この場合、測定光の出力から風速の解析までの一連の処理を一つの装置内で実施できる。
　［１１］周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光を出力する出力ステップと、前記ＣＷレーザ光を測定光及び参照光に分岐する分岐ステップと、前記測定光を大気中に出力し、前記大気中での前記測定光の散乱光を信号光として受光する測定ステップと、前記参照光と前記信号光との干渉結果に基づく検出信号を出力する検出ステップと、を備える風速検出方法。
　この風速検出方法では、測定光及び参照光として用いるＣＷレーザ光を周波数が非直線形且つ周期的となるように変調する。ＣＷレーザ光を用いることで、パルス光を用いる場合に比べて測定光の光増幅に要するコストを低減できる。また、ＣＷレーザ光を周波数が非直線形且つ周期的となるように変調することで、光相関領域反射計測法（ＯＣＤＲ法：Optical Correlation-Domain Reflectometry）に準じたコヒーレント検波を実施できる。当該コヒーレント検波では、距離分解能が周波数変調幅に依存し、検出距離に対する依存性を解消できる。したがって、この風速検出方法では、低コストで且つ検出距離に依存せずに高い距離分解能で風速検出を実施できる。
　［１２］前記出力ステップでは、前記ＣＷレーザ光の周波数を正弦波状に変調する、［１１］記載の風速検出方法。この場合、ＯＣＤＲ法に準じたコヒーレント検波を好適に実施できる。
　［１３］前記測定ステップでは、前記測定光を前記大気中に集光する、［１２］記載の風速検出方法。ＯＣＤＲ法では、ある変調周波数に対して複数の測定点が存在するが、測定光を大気中に集光し、検出距離に対する重み付け関数ＲＷＦを測定光の焦点位置に合わせることで、複数の測定点の中から単一の測定点を抽出できる。
　［１４］前記測定ステップでは、前記大気中での前記測定光の集光位置を前記測定光の光軸方向に走査する、［１３］記載の風速検出方法。この場合、重み付け関数ＲＷＦによって抽出された単一の測定点を測定光の光軸方向に走査することで、風速検出を広範囲に実施できる。
　［１５］前記測定ステップでは、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する、［１１］又は［１２］記載の風速検出方法。測定光を平行光化した状態においても、コリメート条件における重み付け関数ＲＷＦによって単一の測定点を抽出できる。
　［１６］前記出力ステップでは、前記ＣＷレーザ光の周波数を非直線形且つ周期的な変調に線形な変化が重畳するように変調し、前記測定ステップでは、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する、［１１］又は「１２」記載の風速検出方法。この場合、測定光を平行光化した状態においても、ある変調周波数に対する複数の測定点を周波数軸上で分離することで、複数の測定点の中から単一の測定点を抽出できる。
　［１７］前記測定ステップでは、前記大気中に向かう前記測定光の出力方向を偏向する、［１１］～［１６］のいずれか記載の風速検出方法。この場合、測定光の出力方向が可変となるので、風速検出を広範囲に実施できる。
　［１８］前記検出信号に基づいて前記大気中での風速を解析する解析ステップを更に備える、［１１］～［１７］のいずれか記載の風速検出方法。この場合、測定光の出力から風速の解析までの一連の処理を実施できる。
　本開示によれば、低コストで且つ検出距離に依存せずに高い距離分解能で風速検出を実施できる。
本開示の一実施形態に係る風速検出装置の構成を示す模式的な図である。 （ａ）及び（ｂ）は、周波数変調されたＣＷレーザ光の一例を示す図である。 変調レートと測定点との関係の一例を示す図である。 第１の測定方式を示す模式的な図である。 コリメート条件におけるＲＷＦの算出例を示す図である。 第２の測定方式を示す模式的な図である。 第３の測定方式を示す模式的な図である。 本開示の一実施形態に係る風速検出方法の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は、比較例に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）は、その結果を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、比較例における干渉光のビートスペクトルのピーク周波数の変動の様子を示す図である。 （ａ）は、実施例１（第１の測定方式）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）は、その結果を示す図である。 実施例１における干渉光のビートスペクトルの波形を示す図である。 （ａ）は、実施例２（第２の測定方式）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）はその結果を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、実施例２における干渉光のビートスペクトルのピーク周波数の変動の様子を示す図である。 （ａ）は、実施例３（第３の測定方式）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）はその結果を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、実施例３における干渉光のビートスペクトルのピーク周波数の変動の様子を示す図である。 実施例３における干渉光のビートスペクトルを広域に示す図である。 （ａ）は、実施例４（第２の測定方式と第３の測定方式との組み合わせ）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）はその結果を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、実施例４における干渉光のビートスペクトルのピーク周波数の変動の様子を示す図である。 変形例に係る風速検出装置の構成を示す模式的な図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る風速検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
　図１は、本開示の一実施形態に係る風速検出装置の構成を示す模式的な図である。図１に示す風速検出装置１は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）によって大気Ｍ中の風速を検出する装置である。風速検出装置１では、ＣＷレーザ光Ｌを用いた周波数変調方式が採用されている。風速検出装置１では、ＣＷレーザ光Ｌを周波数が非直線形且つ周期的となるように変調し、信号光Ｌｓと参照光Ｌｒとの間で光相関領域反射計測法（ＯＣＤＲ法：Optical Correlation-Domain Reflectometry）に準じたコヒーレント検波を実施することで、大気Ｍ中の風速を検出する。
　図１に示すように、風速検出装置１は、出力部２と、分岐部３と、周波数シフタ４と、増幅部５と、測定光学系６と、合波部７と、検出部８と、デジタイザ９と、解析部１０とを含んで構成されている。本実施形態では、出力部２と周波数シフタ４、周波数シフタ４と増幅部５、増幅部５と測定光学系６、出力部２と検出部８、測定光学系６と検出部８とは、いずれも光ファイバＦによって光学的に接続されている。
　また、本実施形態では、少なくとも出力部２、分岐部３、及び検出部８は、光集積回路（ＰＩＣ：Photonic Integrated Circuit）１１によって構成されている。本実施形態では、出力部２、分岐部３、周波数シフタ４、増幅部５、合波部７、検出部８、及びこれらを接続する光ファイバＦが光集積回路１１によって構成されている。
　出力部２は、周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光Ｌを出力する部分である。出力部２を構成するレーザ装置としては、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ装置、分散型ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザ装置、外部共振型レーザ装置などが挙げられる。ここでは、ＣＷレーザ光Ｌは、拡散光のような光ではなく、一定の指向性を有するビーム状の光となっている。
　出力部２には、不図示の電流制御部及び温度制御部が接続されている。電流制御部は、出力部２を構成するレーザ装置に駆動電流を供給する制御器である。電流制御部は、駆動電流を変調することにより、出力部２から出力されるＣＷレーザ光Ｌの周波数を変調する。温度制御部は、出力部２を構成するレーザ装置の温度を一定に維持する制御器である。温度制御部は、例えサーミスタ及びペルチェ素子を含んで構成されており、レーザ装置に取り付けられたサーミスタの温度測定値に基づいて、レーザ装置の温度が一定に維持されるようにペルチェ素子を駆動する。
　出力部２には、信号生成部１２が接続されている。信号生成部１２は、ＣＷレーザ光Ｌに対する変調信号Ｇを生成する部分である。信号生成部１２は、例えば波形生成器、ファンクションジェネレータなどによって構成されている。信号生成部１２は、出力部２に接続される電流制御部から出力される電流波形を任意の形状に変調するための電圧信号を生成する。信号生成部１２で生成される変調信号Ｇは、出力部２の動作と解析部１０の動作との同期のため、デジタイザ９にも出力される。
　図２（ａ）及び図２（ｂ）は、周波数変調されたＣＷレーザ光Ｌの一例を示す図である。本実施形態では、信号生成部１２からの変調信号Ｇに基づいて、出力部２から出力するＣＷレーザ光Ｌの周波数が非直線形且つ周期的に変調する。図２（ａ）では、非直線形且つ周期的な変調の一例として、ＣＷレーザ光Ｌの周波数が正弦波状に変調されている。ＣＷレーザ光Ｌの周波数は、正弦波に対して位相が９０°進んだ余弦波状に変調されていてもよい。図２（ｂ）では、図２（ａ）の変調に加えて線形な変化が重畳されている。図２（ｂ）の例では、ＣＷレーザ光Ｌの周波数が正弦波状に変調され、さらに、その振幅が時間と共に線形に減少するように変調されている。図２（ｂ）のような線形な変化の重畳は、例えば上述の駆動電流の変調によって行われる。
　分岐部３は、周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光Ｌを測定光Ｌｍと参照光Ｌｒとに分岐する部分である。分岐部３は、例えば光ファイバカプラによって構成されている。測定光Ｌｍは、分岐部３の一の出力ポートから周波数シフタ４に出力され、参照光Ｌｒは、分岐部３の別の出力ポートから合波部７に出力される。
　周波数シフタ４は、測定光Ｌｍの周波数をシフトさせる部分である。周波数シフタ４は、例えば音響光学素子、電気光学素子、ＩＱ変調器、位相変調器、強度変調器などによって構成されている。周波数シフタ４は、当該周波数シフタ４を駆動するための電圧信号を生成する信号生成部（不図示）を有していてもよい。当該信号生成部は、例えば波形生成器、ファンクションジェネレータなどによって構成され得る。
　増幅部５は、測定光Ｌｍの強度を増幅する部分である。増幅部５は、例えば半導体光増幅器、光ファイバ増幅器などによって構成されている。増幅部には、不図示の電流制御部及び温度制御部が接続されている。電流制御部は、増幅部５を構成する増幅装置に駆動電流を供給する制御器である。電流制御部は、駆動電流を変調することにより、増幅部５での測定光Ｌｍの増倍率を制御する。温度制御部は、増幅部５を構成する増倍装置の温度を一定に維持する制御器である。温度制御部は、例えサーミスタ及びペルチェ素子を含んで構成されており、増倍装置に取り付けられたサーミスタの温度測定値に基づいて、増倍装置の温度が一定に維持されるようにペルチェ素子を駆動する。
　測定光学系６は、測定光Ｌｍを大気Ｍ中に出力し、大気Ｍ中での測定光Ｌｍの散乱光Ｌｆを信号光Ｌｓとして受光する部分である。測定光学系６は、可動ステージ（走査部）２１と、レンズ（光学素子）２２と、ビーム偏向板２４が搭載された回転ステージ（偏向部）２３とを含んで構成されている。可動ステージ２１は、少なくとも増幅部５の出力ポートに接続された光ファイバＦの端部Ｆａから出力する測定光Ｌｍの光軸方向に可動軸を有するステージである。可動ステージ２１の駆動には、例えばステッピングモータ、ピエゾ素子などの駆動素子が用いられる。可動ステージ２１には、不図示のステージコントローラが接続されている。ステージコントローラは、可動ステージの位置を制御する制御信号を駆動素子に出力する。
　可動ステージ２１が光ファイバＦの端部Ｆａから出力する測定光Ｌｍの光軸方向に変位することで、光ファイバＦの端部Ｆａからレンズ２２までの距離を変えることができる。これにより、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍの焦点位置を測定光Ｌｍの光軸方向に変位させたり、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍを平行光化したりすることが可能となる。
　ビーム偏向板２４は、大気Ｍ中に向かう測定光Ｌｍの出力方向を任意の方向に偏向する部分である。ビーム偏向板２４としては、例えばウェッジ基板などを用いることができる。回転ステージ２３は、ビーム偏向板２４を測定光Ｌｍの光軸回りに回転させるステージである。回転ステージ２３の駆動には、可動ステージ２１の駆動と同様に、例えばステッピングモータ、ピエゾ素子などの駆動素子が用いられる。可動ステージ２１には、不図示のステージコントローラが接続されている。ステージコントローラは、回転ステージの位置を制御する制御信号を駆動素子に出力する。
　レンズ２２は、測定光Ｌｍを集光或いは平行光化する光学素子である。レンズ２２としては、例えば凸レンズ、アクロマティックレンズ、非球面レンズ、複数のレンズを組み合わせてなる組み合わせレンズなどが用いられる。測定光学系６において、光ファイバＦの端部Ｆａから出力した測定光Ｌｍは、ビーム偏向板２４の回転角に基づく方向にレンズ２２を介し、一定の指向性を有するビーム状の光として大気Ｍ中に出射する。この風速検出装置１での信号源は、測定光Ｌｍが大気Ｍ中の無数のエアロゾルＰで散乱して生じる散乱光Ｌｆである。散乱光Ｌｆの一部は、レンズ２２を介し、信号光Ｌｓとして再び光ファイバＦの端部Ｆａに戻る。信号光Ｌｓは、サーキュレータ２５によって測定光Ｌｍと分離され、合波部７に出力される。
　合波部７は、出力部２からの参照光Ｌｒと、大気Ｍから戻った信号光Ｌｓとを合波する部分である。合波部７は、例えば光ファイバカプラによって構成されている。合波部７により、参照光Ｌｒと信号光Ｌｓとの干渉光Ｌｄが生成される。干渉光Ｌｄは、合波部７の出力ポートから検出部８に出力される。
　検出部８は、参照光Ｌｒと信号光Ｌｓとの干渉結果に基づく検出信号Ｄを出力する部分である。検出部８は、例えばフォトディテクタ、アバランシェフォトダイオード、バランス検出器などによって構成されている。検出部８は、合波部７から入力された干渉光Ｌｄに基づくアナログ電気信号を検出信号Ｄとしてデジタイザ９に出力する。
　デジタイザ９は、アナログ電気信号をデジタル信号に変換する装置である。デジタイザ９は、例えばＡ／Ｄ変換器などによって構成されている。デジタイザ９は、検出信号Ｄであるアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を解析部１０に出力する。
　解析部１０は、検出信号Ｄに基づいて大気Ｍ中での風速を解析する部分である。解析部１０は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ、ＧＰＵ等のプロセッサ、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えたコンピュータシステムである。かかるコンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などが挙げられる。解析部は、メモリに格納されるプログラムをＣＰＵ或いはＧＰＵで実行することにより、解析部１０として機能する。
　上述したように、風速検出装置１での信号源は、測定光Ｌｍが大気Ｍ中の無数のエアロゾルＰで散乱して生じる散乱光Ｌｆである。大気Ｍで風が吹くと、風に乗ってエアロゾルＰが移動し、散乱光Ｌｆの周波数が変化（ドップラーシフト）する。解析部１０は、デジタイザ９から出力される検出信号Ｄを受け取ると、検出信号Ｄに基づいて干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク周波数を参照する。解析部１０は、干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク周波数のシフト量を求めることで、大気Ｍ中の風速を検出する。
　図２（ａ）或いは図２（ｂ）に示したように、周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光Ｌを用いてコヒーレント検波を行う場合、風速検出の距離分解能及び検出距離は、光ファイバセンシングに用いられている光相関領域反射計測法（ＯＣＤＲ法：Optical Correlation-Domain Reflectometry）における距離分解能及び検出距離に準じて算出できる。
　図２（ａ）或いは図２（ｂ）のように変調されたＣＷレーザ光Ｌの変調幅をＢ、光速をｃとすると、距離分解能ΔＺｒは、ΔＺｒ＝０．４８×（ｃ／Ｂ）で表される。また、図２（ａ）或いは図２（ｂ）のように変調されたＣＷレーザ光Ｌの変調レートをｆｍ、光速をｃとすると、検出距離ＺＲは、ＺＲ＝ｃ／（２×ｆｍ）で表される。例えば変調幅Ｂを１００ＭＨｚとし、変調レートｆｍを２１４ｋＨｚとすると、距離分解能ΔＺｒは１．４ｍ、検出距離ＺＲは７００ｍと見積もられる。
　ＯＤＣＲ法による光ファイバセンシングでは、測定点をＮとした場合、ＺＮ＝（ｃ／（２×ｆｍ））×Ｎが成立する。このため、例えば図３に示すように、一の変調レートｆｍに対して複数の測定点が存在する。光ファイバセンシングの例では、被測定ファイバ（ＦＵＴ：Fiber Under Test）上に単一の測定点が存在するように、参照光を導光する遅延ファイバの長さとＦＵＴの長さとが調整される。例えば図３において、変調レートｆｍを４５７．４ｋＨｚ～４５８．４ｋＨｚ、遅延ファイバの長さを２ｋｍ、ＦＵＴの長さを１００ｍとした場合、干渉光のビートスペクトルの７次のピークが位置する２３５０ｍ付近を単一の測定点として抽出できる。
　一方、風速検出装置１では、被測定対象が大気Ｍであり、自由空間に測定光を出射する（すなわち、ＦＵＴが存在しない）ため、ＦＵＴの長さの調整による測定点の単一化は不可能である。また、装置の小型化の観点から、参照光Ｌｒの光路に長尺の遅延ファイバを配置することも困難である。そこで、風速検出装置１では、以下の３つの測定方式のいずれかを適用することで、一の変調レートｆｍに対する測定点の単一化を実現している。
　第１の測定方式は、測定光学系６を検出距離が最も広くなる条件であるコリメート条件に設定し、当該コリメート条件における重み付け関数（ＲＷＦ：Range Weighting Function）を用いることで、干渉光Ｌｄのビートスペクトルの２次以降のピークの影響を低減して測定点の単一化を図る方式である。
　第１の測定方式では、例えば図２（ａ）に示したように、周波数が正弦波状に変調されたＣＷレーザ光Ｌを測定光Ｌｍとして用いる。また、図４に示すように、可動ステージ２１によって光ファイバＦの端部Ｆａからレンズ２２までの距離を調整し、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍを平行光とする。コリメート条件におけるＲＷＦは、一定にはならず、レンズ２２からの距離が長くなるほど減少するような関数となる。このようなＲＷＦの挙動は、自由空間中の回折現象によってレーザビーム径が伝搬に伴って拡大すること、及び散乱光Ｌｆの取り込み量（すなわち、散乱光Ｌｆのうちレンズ２２に戻ってくる量）が伝搬に伴って減少することに起因する。
　コリメート条件におけるＲＷＦは、例えば図４に示すように、レンズ２２からの距離が０から一定の範囲では略一定の第１の値を取り、その後は距離が大きくなるにつれて徐々に減少して第１の値よりも小さい第２の値に集束する。したがって、例えばＲＷＦが第１の値を取る範囲に干渉光Ｌｄのビートスペクトルの１次のピークが位置し、ＲＷＦが第２の値を取る範囲に干渉光Ｌｄのビートスペクトルの２次のピークが位置するように変調レートｆｍ或いはＲＷＦを調整することで、風速検出の測定点の単一化が可能となる。
　図５は、コリメート条件におけるＲＷＦの算出例を示す図である。図５では、レンズ径を５０ｍｍ、レンズ焦点距離を２３７ｍｍ、光ファイバの端部－レンズ間距離を２３７ｍｍ、測定光の波長を１５５０ｎｍとした場合の、距離に対するＲＷＦのシミュレーション結果を示している。この結果によれば、例えば１０００ｍの位置に干渉光のビートスペクトルの１次のピークが出現し、その整数倍である２０００ｍ及び３０００ｍの位置に干渉光のビートスペクトルの２次及び３次のピークがそれぞれ出現している。距離１０００ｍでのＲＷＦは０．４を超えており、距離２０００ｍ以降のＲＷＦは０．２未満であるため、１次のピークに基づく風速検出にあたって、２次以降のピークの影響を低減できる。
　なお、第１の測定方式において、１次のピークに基づく風速検出にあたって、０次のピークの影響を低減する場合には、参照光Ｌｒの光路に遅延ファイバを導入してもよい。この場合、当該遅延ファイバの長さを調整し、０次のピークを検出範囲外に設定することで、１次のピークに基づく風速検出にあたって、０次のピークの影響を低減できる。
　第２の測定方式では、例えば図２（ａ）に示したように、周波数が正弦波状に変調されたＣＷレーザ光Ｌを測定光Ｌｍとして用いる。また、図６に示すように、可動ステージ２１によって光ファイバＦの端部Ｆａからレンズ２２までの距離を調整し、レンズ２２を介して出射する測定光Ｌｍを大気Ｍ中に集光する。集光条件におけるＲＷＦは、例えば図６に示すように、測定光Ｌｍの集光位置Ｃをピークとするローレンツ型の関数となっている。したがって、測定光Ｌｍの集光位置Ｃ（ＲＷＦのピーク位置）に干渉光Ｌｄのビートスペクトルの１次のピークが位置し、測定光Ｌｍの集光位置Ｃ（ＲＷＦのピーク位置）を除く位置に干渉光Ｌｄのビートスペクトルの０次及び２次以降のピークが位置するように変調レートｆｍ或いはＲＷＦの半値全幅を調整することで、風速検出の測定点の単一化が可能となる。
　第３の測定方式では、例えば図２（ｂ）に示したように、周波数が正弦波状に変調され、さらに、その振幅が時間と共に線形に減少するように変調されたＣＷレーザ光Ｌを測定光Ｌｍとして用いる。また、図７に示すように、可動ステージ２１によって光ファイバＦの端部Ｆａからレンズ２２までの距離を調整し、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍを平行光とする。第３の測定方式では、測定光Ｌｍの周波数が時間と共に線形に減少するため、干渉光Ｌｄのビートスペクトルの各次のピークを距離に応じて周波数軸上で分離することができる。したがって、ＲＷＦを設定せずとも風速検出の測定点の単一化が可能となる。
　図８は、本開示の一実施形態に係る風速検出方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態では、風速検出方法は、上述した風速検出装置１を用いて実施される。この風速検出方法は、設定ステップ（ステップＳ０１）と、出力ステップ（ステップＳ０２）と、分岐ステップ（ステップＳ０３）と、測定ステップ（ステップＳ０４）と、検出ステップ（ステップＳ０５）と、解析ステップ（ステップＳ０６）とを含んで構成されている。
　設定ステップＳ０１は、風速検出の各種の測定条件を設定するステップである。設定ステップＳ０１では、例えば検出距離の設定を行い、設定した検出距離に応じて測定光Ｌｍの周波数の変調レートｆｍを設定する。第１の測定方式或いは第３の測定方式を用いる場合は、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射される測定光Ｌｍが平行光となるように光ファイバＦの端部Ｆａとレンズ２２との間隔を設定する。第２の測定方式を用いる場合は、設定した検出距離に応じて測定光Ｌｍの集光位置Ｃを設定し、設定した集光位置Ｃに応じて光ファイバＦの端部Ｆａとレンズ２２との間隔を設定する。その他、設定ステップＳ０１では、出力部２から出力されるＣＷレーザ光Ｌの強度、増幅部５における信号光Ｌｓの増倍率、ビーム偏向板２４による測定光Ｌｍの出力方向などを設定する。
　出力ステップＳ０２は、周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光Ｌを出力するステップである。出力ステップＳ０２では、信号生成部１２で生成した変調信号Ｇを出力部２に入力し、ＣＷレーザ光Ｌの周波数を変調する。第１の測定方式或いは第２の測定方式を用いる場合は、図２（ａ）に示したように、周波数が正弦波状に変調されたＣＷレーザ光Ｌを出力部２から出力する。第３の測定方式を用いる場合は、図２（ｂ）に示したように、周波数が正弦波状に変調され、さらに、その振幅が時間と共に線形に減少するように変調されたＣＷレーザ光Ｌを出力部２から出力する。
　分岐ステップＳ０３は、ＣＷレーザ光Ｌを測定光Ｌｍ及び参照光Ｌｒに分岐するステップである。分岐ステップＳ０３では、出力部２から出力したＣＷレーザ光Ｌを分岐し、一方を測定光Ｌｍとし、他方を参照光Ｌｒとする。測定光Ｌｍは、周波数シフタ４及び増幅部５を経て測定光学系６に導光される。参照光Ｌｒは、これらの構成要素を経ず、合波部７に直に導光される。
　測定ステップＳ０４は、測定光Ｌｍを大気Ｍ中に出力し、大気Ｍ中での測定光Ｌｍの散乱光Ｌｆを信号光Ｌｓとして受光するステップである。測定ステップＳ０４では、光ファイバＦの端部Ｆａから出力した測定光Ｌｍをレンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する。測定光Ｌｍは、大気Ｍ中の無数のエアロゾルＰで散乱し、散乱光Ｌｆとなる。散乱光Ｌｆの一部は、レンズ２２を介し、信号光Ｌｓとして再び光ファイバＦの端部Ｆａに戻り、合波部７によって参照光Ｌｒと合波することで、干渉光Ｌｄが生成される。
　検出ステップＳ０５は、参照光Ｌｒと信号光Ｌｓとの干渉結果に基づく検出信号を出力するステップである。検出ステップＳ０５では、合波部７で生成された干渉光Ｌｄを検出部８で検出し、干渉光Ｌｄに基づくアナログ電気信号を検出信号Ｄとして生成する。生成された検出信号Ｄは、デジタイザ９によってアナログ／デジタル変換され、解析部１０に出力される。
　解析ステップＳ０６は、検出信号Ｄに基づいて大気Ｍ中での風速を解析するステップである。解析ステップＳ０６では、検出信号Ｄに基づいて干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク周波数を参照する。そして、干渉光Ｌｄのビートスペクトルにおけるピーク周波数のシフト量を求めることで、大気Ｍ中の風速を検出する。この後、異なる距離で検出を行う場合には、ステップＳ０１にて検出距離などを再設定し、ステップＳ０２～ステップＳ０８を再実行する。所望の距離の範囲で風速の検出を実施した後、処理を終了する。
　以上説明したように、風速検出装置１では、測定光Ｌｍ及び参照光Ｌｒとして用いるＣＷレーザ光Ｌを周波数が非直線形且つ周期的となるように変調する。ＣＷレーザ光Ｌを用いることで、パルス光を用いる場合に比べて測定光Ｌｍの光増幅に要するコストを低減できる。また、ＣＷレーザ光Ｌを周波数が非直線形且つ周期的となるように変調することで、光相関領域反射計測法（ＯＣＤＲ法：Optical Correlation-Domain Reflectometry）に準じたコヒーレント検波を実施できる。当該コヒーレント検波では、距離分解能が周波数変調幅に依存し、検出距離に対する依存性を解消できる。したがって、この風速検出装置１では、低コストで且つ検出距離に依存せずに高い距離分解能で風速検出を実施できる。
　本実施形態では、ＣＷレーザ光Ｌの周波数が正弦波状に変調されている。このような変調により、ＯＣＤＲ法に準じたコヒーレント検波を好適に実施できる。
　本実施形態では、測定光学系６は、測定光Ｌｍを大気Ｍ中に集光するレンズ２２を有している。ＯＣＤＲ法では、ある変調周波数に対して複数の測定点が存在するが、測定光Ｌｍを大気Ｍ中に集光し、検出距離に対する重み付け関数ＲＷＦを測定光Ｌｍの集光位置Ｃに合わせることで、複数の測定点の中から単一の測定点を抽出できる（第２の測定方式）。
　本実施形態では、測定光学系６は、大気Ｍ中での測定光Ｌｍの集光位置Ｃを測定光Ｌｍの光軸方向に走査する走査部として、光ファイバＦの端部Ｆａが固定された可動ステージ２１を有している。この可動ステージ２１により、重み付け関数ＲＷＦによって抽出された単一の測定点を測定光Ｌｍの光軸方向に走査することで、風速検出を広範囲に実施できる。
　本実施形態では、測定光学系６は、測定光Ｌｍを平行光化して大気Ｍ中に出力するレンズ２２を有している。測定光Ｌｍを平行光化した状態においても、コリメート条件における重み付け関数ＲＷＦによって単一の測定点を抽出できる（第1の測定方式）。
　本実施形態では、非直線形且つ周期的な変調に線形な変化が重畳するようにＣＷレーザ光Ｌの周波数が変調され、測定光学系６は、測定光Ｌｍを平行光化して大気Ｍ中に出力する態様を含む（第３の測定方式）。この場合、測定光Ｌｍを平行光化した状態においても、ある変調周波数に対する複数の測定点を周波数軸上で分離することで、複数の測定点の中から単一の測定点を抽出できる。
　本実施形態では、測定光学系６は、大気Ｍ中に向かう測定光Ｌｍの出力方向を偏向する偏向部として、ビーム偏向板２４が搭載された回転ステージ２３を有している。これにより、測定光Ｌｍの出力方向が可変となるので、風速検出を広範囲に実施できる。
　本実施形態では、少なくとも出力部２、分岐部３、及び検出部８が光集積回路１１によって構成されている。これにより、装置の小型化が図られる。また、本実施形態では、ＣＷレーザ光Ｌに対する変調信号Ｇを生成する信号生成部１２を更に備えている。これにより、ＣＷレーザ光Ｌの変調を簡便に実施できる。
　以下、本開示の実施例について説明する。
　図９（ａ）は、比較例に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図である。また、図９（ｂ）はその結果を示す図である。比較例では、シミュレーション条件として、レンズ径を５０ｍｍ、検出距離を１００ｍ、ＲＷＦをローレンツ型、ＲＷＦの半値全幅を３４ｍとした。また、比較例では、図９（ａ）に示すように、距離１００ｍ±２ｍの範囲に測定対象（一定の風速）を設定した。そして、測定光の集光によって生じるＲＷＦのピーク位置を１ｍ刻みで変動させながら、干渉光のビートスペクトルにおけるピーク周波数のシフト量を取得した。
　比較例では、図９（ｂ）に示すように、距離１００ｍ±２ｍの範囲においてもピーク周波数のシフトが見られず、測定対象である一定の風速が検出されなかった。これは、測定対象が４ｍの範囲であるのに対し、ＲＷＦの半値全幅が３４ｍとなっているため、測定対象以外の範囲の検出信号の影響が大きくなり、ピーク周波数のシフトが生じなかったものと考えられる。このことは、図１０（ａ）～図１０（ｄ）に示すように、距離９０ｍ、９５ｍ、１００ｍ、１０５ｍでのそれぞれのビートスペクトルにおいて、周波数９０ＭＨｚの位置にピークが出現しているものの、周波数８０ＭＨｚの位置のピークが支配的になっていることからも確認できる。
　図１１（ａ）は、実施例１（第１の測定方式）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、図１１（ｂ）は、その結果を示す図である。実施例１では、図１１（ａ）に示すように、距離９９５ｍ±５ｍの範囲に測定対象（一定の風速）を設定した。そして、変調レートｆｍを１４８．４ｋＨｚ～１５２．８ｋＨｚの間で０．４ｋＨｚ刻みで変えながら干渉光のビートスペクトルを取得し、そのピーク周波数を抽出した。
　実施例１において、変調レートｆｍを１４８．４ｋＨｚとした場合の検出距離ＺＲは１０１０ｍに相当し、変調レートｆｍを１５２．８ｋＨｚとした場合の検出距離ＺＲは９８１ｍに相当する。また、変調幅Ｂは、１００ＭＨｚとした。この場合の距離分解能ΔＺｒは、１．４ｍとなる。コリメート条件におけるＲＷＦは、図５で示したものと同じものとした。
　実施例１では、図１１（ｂ）に示すように、距離９９５±５ｍの範囲において、ピーク周波数が１０ＭＨｚ程度シフトしており、測定対象である一定の風速が検出されていることが分かる。図１２は、実施例１における距離９９５．３ｍでの干渉光のビートスペクトルの波形を示す図である。図１２に示すように、距離９９５．３ｍのビートスペクトルには、周波数８０ＭＨｚの位置に２次のピークが弱く出現しているものの、周波数９０ＭＨｚの位置のピークが支配的になっていることが確認できる。このことから、実施例１では、ある変調周波数に対する複数の測定点の中から一の測定点を抽出して風速検出を実施できることが分かる。
　図１３（ａ）は、実施例２（第２の測定方式）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、図１３（ｂ）は、その結果を示す図である。実施例２では、シミュレーション条件として、レンズ径を５０ｍｍ、検出距離を１００ｍ、ＲＷＦをローレンツ型、ＲＷＦの半値全幅を３４ｍとした。測定光の変調幅Ｂは、１００ＭＨｚとした。この場合の距離分解能ΔＺｒは、１．４ｍとなる。
　また、実施例２では、図１３（ａ）に示すように、距離１００ｍ±２ｍの範囲に測定対象（一定の風速）を設定した。そして、測定光の集光によって生じるＲＷＦのピーク位置を１００ｍの位置に固定し、変調レートｆｍを１．３７ＭＨｚ～１．６６ＭＨｚの間で１０ｋＨｚ刻みで変えながら干渉光のビートスペクトルを取得し、そのピーク周波数を抽出した。
　実施例２では、図１３（ｂ）に示すように、距離１００±２ｍの範囲において、ピーク周波数が１０ＭＨｚ程度シフトしており、測定対象である一定の風速が検出されていることが分かる。また、実施例２において、図１４（ａ）～図１４（ｄ）に示すように、距離９０．３ｍ及び９７．３ｍのビートスペクトルでは、周波数８０ＭＨｚの位置にピークが出現し、距離９８．０ｍのビートスペクトルでは、周波数７９ＭＨｚ及び９０ＭＨｚの位置にピークが出現し、距離９９．９ｍのビートスペクトルでは、周波数９０ＭＨｚの位置にピークが出現している。これらの結果から、実施例２においても、実施例１と同様に、ある変調周波数に対する複数の測定点の中から一の測定点を抽出して風速検出を実施できることが分かる。
　図１５（ａ）は、実施例３（第３の測定方式）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）はその結果を示す図である。実施例３では、シミュレーション条件として、レンズ径を５０ｍｍ、検出距離を１００ｍとした。測定光の変調幅Ｂは、１００ＭＨｚとした。この場合の距離分解能ΔＺｒは、１．４ｍとなる。また、測定光のチャープレート（正弦波状の変調に重畳する線形な変化の傾き）は、１６０ＴＨｚ／秒とした。
　また、実施例３では、図１５（ａ）に示すように、距離１００ｍ±２ｍの範囲に測定対象（一定の風速）を設定した。そして、測定光の集光によって生じるＲＷＦを距離に依らず常に一定とし、変調レートｆｍを１．３７ＭＨｚ～１．６６ＭＨｚの間で１０ｋＨｚ刻みで変えながら干渉光のビートスペクトルを取得し、そのピーク周波数を抽出した。
　実施例３では、図１５（ｂ）に示すように、距離１００±２ｍの範囲において、ピーク周波数が１０ＭＨｚ程度シフトしており、測定対象である一定の風速が検出されていることが分かる。図１５（ｂ）では、距離に対するピーク周波数が測定光のチャープレートに基づく傾きで線形に増加しているが、測定光のチャープレートに基づいてピーク周波数の線形の増加を補正することで、実施例２の場合と同様に風速の検出を行うことができる。
　実施例３において、図１６（ａ）～図１６（ｄ）に示すように、距離９０．３ｍのビートスペクトルでは、周波数１７６ＭＨｚの位置にピークが出現し、距離９７．３ｍのビートスペクトルでは、周波数１８４ＭＨｚの位置にピークが出現している。また、距離９８．０ｍのビートスペクトルでは、周波数１８４ＭＨｚ及び周波数１９５ＭＨｚの位置にピークが出現し、距離９９．９ｍのビートスペクトルでは、周波数１９６ＭＨｚの位置にピークが出現している。
　図１７は、実施例３における干渉光のビートスペクトルを０ＭＨｚ～５００ＭＨｚの範囲で示したものである。図１７に示す例では、ビートスペクトルの０次～３次のピーク周波数が周波数軸上で１００ＭＨｚ程度の間隔をもって分離されていることが分かる。これらの結果から、実施例３においても、実施例１，２と同様に、ある変調周波数に対する複数の測定点の中から一の測定点を抽出して風速検出を実施できることが分かる。
　図１８（ａ）は、実施例４（第２の測定方式と第３の測定方式との組み合わせ）に係る測定方式による風速検出のシミュレーション条件を示す図であり、（ｂ）はその結果を示す図である。実施例４では、シミュレーション条件として、レンズ径を５０ｍｍ、検出距離を１００ｍ、ＲＷＦをローレンツ型、ＲＷＦの半値全幅を３４ｍとした。測定光の変調幅Ｂは、１００ＭＨｚとした。この場合の距離分解能ΔＺｒは、１．４ｍとなる。測定光のチャープレート（正弦波状の変調に重畳する線形な変化の傾き）は、１６０ＴＨｚ／秒とした。
　また、実施例４では、図１８（ａ）に示すように、距離１００ｍ±２ｍの範囲に測定対象（一定の風速）を設定した。そして、測定光の集光によって生じるＲＷＦのピーク位置を１００ｍの位置で固定し、変調レートｆｍを１．３７ＭＨｚ～１．６６ＭＨｚの間で１０ｋＨｚ刻みで変えながら干渉光のビートスペクトルを取得し、そのピーク周波数を抽出した。
　実施例４では、図１８（ｂ）に示すように、距離１００±２ｍの範囲において、ピーク周波数が１０ＭＨｚ程度シフトしており、測定対象である一定の風速が検出されていることが分かる。図１８（ｂ）では、距離に対するピーク周波数が測定光のチャープレートに基づく傾きで線形に増加しているが、測定光のチャープレートに基づいてピーク周波数の線形の増加を補正することで、実施例２の場合と同様に風速の検出を行うことができる。
　実施例４において、図１９（ａ）～図１６（ｄ）に示すように、距離９０．３ｍのビートスペクトルでは、周波数１７６ＭＨｚの位置にピークが出現し、距離９７．３ｍのビートスペクトルでは、周波数１８４ＭＨｚの位置にピークが出現している。また、距離９８．０ｍのビートスペクトルでは、周波数１８４ＭＨｚ及び周波数１９５ＭＨｚの位置にピークが出現し、距離９９．９ｍのビートスペクトルでは、周波数１９６ＭＨｚの位置にピークが出現している。これらの結果から、実施例４においても、実施例１～３と同様に、ある変調周波数に対する複数の測定点の中から一の測定点を抽出して風速検出を実施できることが分かる。
　本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、ビーム偏向板２４を用いて大気Ｍ中に向かう測定光Ｌｍの出力方向を任意の方向に偏向させているが、測定光Ｌｍの出力方向の偏向は、他の構成を用いて実現してもよい。例えばレンズ２２の外側にミラーを配置し、当該ミラーの角度を調整することで、大気Ｍ中に向かう測定光Ｌｍの出力方向を任意の方向に偏向させてもよい。また、光ファイバＦの端部Ｆａの向きを上下左右に動かすことで、大気Ｍ中に向かう測定光Ｌｍの出力方向を任意の方向に偏向させてもよい。
　また、上記実施形態では、光ファイバデバイス型のサーキュレータ２５を例示したが、図２０に示すような空間光学系型のサーキュレータ３１を用いてもよい。図２０の例では、空間光学系型のサーキュレータ３１は、偏光ビームスプリッタ３２と、λ／４波長板３３とによって構成されている。偏光ビームスプリッタ３２の前段には、レンズ３４が配置され、λ／４波長板３３の後段には、可動ステージ２１に搭載されたレンズ３５が配置されている。レンズ３４，３５は、凸レンズ及び凹レンズのいずれであってもよい。
　このような構成によれば、可動ステージ２１を測定光Ｌｍの光軸方向に変位させることで、レンズ３５とレンズ２２との間の距離を調整できる。これにより、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍの焦点位置を測定光Ｌｍの光軸方向に変位させたり、レンズ２２を介して大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍを平行光化したりすることが可能となる。
　１…風速検出装置、２…出力部、３…分岐部、６…測定光学系、８…検出部、１０…解析部、１１…光集積回路、１２…信号生成部、２１…可動ステージ（走査部）、２２…レンズ（光学素子）、２３…回転ステージ（偏向部）、２４…ビーム偏向板（偏向部）、Ｌ…ＣＷレーザ光、Ｌｍ…測定光、Ｌｒ…参照光、Ｌｆ…散乱光、Ｌｓ…信号光、Ｃ…集光位置、Ｄ…検出信号、Ｇ…変調信号、Ｍ…大気。

Claims (18)

  1. 　周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光を出力する出力部と、
    　前記ＣＷレーザ光を測定光及び参照光に分岐する分岐部と、
    　前記測定光を大気中に出力し、前記大気中での前記測定光の散乱光を信号光として受光する測定光学系と、
    　前記参照光と前記信号光との干渉結果に基づく検出信号を出力する検出部と、を備える風速検出装置。
  2. 　前記ＣＷレーザ光の周波数は、正弦波状に変調されている、請求項１記載の風速検出装置。
  3. 　前記測定光学系は、前記測定光を前記大気中に集光する光学素子を有する、請求項２記載の風速検出装置。
  4. 　前記測定光学系は、前記大気中での前記測定光の集光位置を前記測定光の光軸方向に走査する走査部を有する、請求項３記載の風速検出装置。
  5. 　前記測定光学系は、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する光学素子を有する、請求項１又は２記載の風速検出装置。
  6. 　前記ＣＷレーザ光の周波数は、非直線形且つ周期的な変調に線形な変化が重畳するように変調され、
    　前記測定光学系は、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する光学素子を有する、請求項１又は２記載の風速検出装置。
  7. 　前記測定光学系は、前記大気中に向かう前記測定光の出力方向を偏向する偏向部を有する、請求項１～６のいずれか一項記載の風速検出装置。
  8. 　少なくとも前記出力部、前記分岐部、及び検出部は、光集積回路によって構成されている、請求項１～７のいずれか一項記載の風速検出装置。
  9. 　前記ＣＷレーザ光に対する変調信号を生成する信号生成部を更に備える、請求項１～８のいずれか一項記載の風速検出装置。
  10. 　前記検出信号に基づいて前記大気中での風速を解析する解析部を更に備える、請求項１～９のいずれか一項記載の風速検出装置。
  11. 　周波数が非直線形且つ周期的に変調するＣＷレーザ光を出力する出力ステップと、
    　前記ＣＷレーザ光を測定光及び参照光に分岐する分岐ステップと、
    　前記測定光を大気中に出力し、前記大気中での前記測定光の散乱光を信号光として受光する測定ステップと、
    　前記参照光と前記信号光との干渉結果に基づく検出信号を出力する検出ステップと、を備える風速検出方法。
  12. 　前記出力ステップでは、前記ＣＷレーザ光の周波数を正弦波状に変調する、請求項１１記載の風速検出方法。
  13. 　前記測定ステップでは、前記測定光を前記大気中に集光する、請求項１２記載の風速検出方法。
  14. 　前記測定ステップでは、前記大気中での前記測定光の集光位置を前記測定光の光軸方向に走査する、請求項１３記載の風速検出方法。
  15. 　前記測定ステップでは、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する、請求項１１又は１２記載の風速検出方法。
  16. 　前記出力ステップでは、前記ＣＷレーザ光の周波数を非直線形且つ周期的な変調に線形な変化が重畳するように変調し、
    　前記測定ステップでは、前記測定光を平行光化して前記大気中に出力する、請求項１１又は１２記載の風速検出方法。
  17. 　前記測定ステップでは、前記大気中に向かう前記測定光の出力方向を偏向する、請求項１１～１６のいずれか一項記載の風速検出方法。
  18. 　前記検出信号に基づいて前記大気中での風速を解析する解析ステップを更に備える、請求項１１～１７のいずれか一項記載の風速検出方法。
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