WO2026009541A1 - 風速検出装置、風速検出方法、及び飛行体制御装置 - Google Patents

Abstract

風速検出装置１は、測定光Ｌｍによる検出距離に基づいて、測定光学系７から出力する測定光Ｌｍの状態を制御する制御部１５を備え、制御部１５は、検出距離が第１閾値Ｔ１以下の近距離範囲Ｒ１に属する場合には、大気Ｍ中に出力される測定光Ｌｍが集光されるように測定光学系７を制御し、検出距離が第１閾値Ｔ１を超える遠距離範囲Ｒ２に属する場合には、大気Ｍ中に出力される測定光Ｌｍが平行光化されるように測定光学系７を制御する。

Description

風速検出装置、風速検出方法、及び飛行体制御装置

　本開示は、風速検出装置、風速検出方法、及び飛行体制御装置に関する。

　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、ドローンなどの無人飛行体、ＡＡＭ（Advanced Air Mobility）或いはＵＡＭ（Urban Air Mobility）などの有人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

S. Kameyama et al., "Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing" Applied Optics, Vol. 46, NO. 11, 10 April 2007, p.1953-1962

　ＬＩＤＡＲの方式には、測定光にパルス光を用いる方式がある（例えば非特許文献１参照）。現存のパルス光をコリメートして用いる方式では、距離分解能が検出距離には依存しない一方でパルス幅に依存すること、及び数十ｍ以下の近距離での測定の実現が技術的な課題となっている。また、ＬＩＤＡＲの方式には、測定光にＣＷ（Continuous Wave）光を用いる方式もある。現存のＣＷ光を集光して用いる方式では、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ことが技術的な課題となっている。

　本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、検出距離に応じた最適な風速検出を実施できる風速検出装置、風速検出方法、及び飛行体制御装置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］レーザ光を出力する出力部と、前記レーザ光を測定光及び参照光に分岐する分岐部と、前記測定光をパルス光に変換する変換部と、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、前記測定光による検出距離に基づいて、前記測定光学系から出力する前記測定光の状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出距離が第１閾値以下の近距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光が集光されるように前記測定光学系を制御し、前記検出距離が前記第１閾値を超える遠距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光が平行光化されるように前記測定光学系を制御する、風速検出装置。

　この風速検出装置では、検出距離が近距離範囲に属する場合には、パルス光である測定光を集光して大気中に出力する。パルス光を集光する場合、ＣＷ光を集光する場合に比べて、同一のエネルギー及び同一の集光状態で比較した際の信号光のＣＮＲ（Carrier to Noise ratio）を向上できる。したがって、近距離範囲において高速且つ精度良く風速検出を実施できる。また、この風速検出装置では、検出距離が遠距離範囲に属する場合には、パルス光である測定光を平行光化して大気中に出力する。パルス光を平行光化する場合、ＣＷ光を集光する場合とは異なり、距離分解能がパルス幅に依存する一方で、検出距離に依存せずに一定の距離分解能を維持できる。このように、この風速検出装置では、検出距離に基づいて測定光の状態を制御することで、検出距離に応じた最適な風速検出を実施できる。

　［２］前記制御部は、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値以下の超近距離範囲に属する場合には、前記レーザ光として周波数が変調された光が出力されるように前記出力部を制御する、［１］記載の風速検出装置。検出距離が超近距離範囲に属する場合、測定光学系などで生じる迷光成分が信号成分に対して大きくなり、かつ時間的に重なるため、参照光と信号光との干渉結果に基づく風速の解析が難しくなることが考えられる。これに対し、レーザ光として周波数が変調された光を用いることで、信号成分と迷光成分とを周波数軸上で分離することが可能となる。これにより、検出距離が超近距離範囲に属する場合であっても、風速検出を精度良く実施できる。

　［３］前記制御部は、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値を超える中近距離範囲に属する場合には、前記検出距離に応じて前記測定光のパルス幅が変化するように前記変換部を制御する、［１］又は［２］記載の風速検出装置。一般に、測定光のパルス幅が大きいほど信号光のＣＮＲが高くなる傾向がある。したがって、検出距離に応じて測定光のパルス幅を変化させることで、中近距離範囲において高速且つ精度良く風速検出を実施できる。

　［４］前記出力部は、前記レーザ光としてＣＷ光を出力し、前記検出部は、ＣＷ光である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、［１］～［３］のいずれか記載の風速検出装置。この風速検出装置では、近距離範囲から遠距離範囲にわたって広範囲に検出距離が設定される。参照光をＣＷ光とすることで、信号光がパルス光であっても、或いは複数のパルス光の時間的な重ね合わせの状態であっても、検出距離の設定に依らずに信号光と参照光との干渉信号を得ることができる。

　［５］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］～［４］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り、風向及び風速の情報を含む三次元風速ベクトルの測定が可能となる。

　［６］前記制御部は、前記検出距離が前記遠距離範囲に属する場合には、前記検出距離が前記近距離範囲に属する場合に比べて、前記測定光の出力方向の走査速度が小さくなるように前記偏向部を制御する、［５］記載の風速検出装置。パルス光である測定光を平行光化する遠距離範囲では、パルス光である測定光を集光する近距離範囲に比べて、信号光のＣＮＲが低下することが考えられる。偏向部による測定光の出力方向の走査速度を小さくすることで、信号の平均化回数を増やすことが可能となり、遠距離範囲における風速検出の精度を十分に担保できる。

　［７］少なくとも前記出力部、前記分岐部、及び前記検出部は、光集積回路によって構成されている、［１］～［６］のいずれか記載の風速検出装置。少なくとも出力部、分岐部、及び検出部を光集積回路で構成することで、装置の小型化を実現できる。

　［８］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］～［７］のいずれか記載の風速検出装置。この場合、レーザ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。

　［９］レーザ光を出力する出力ステップと、前記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、前記測定光をパルス光に変換する変換ステップと、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、前記測定ステップでは、前記測定光による検出距離が第１閾値以下の近距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光を集光し、前記測定光による前記検出距離が前記第１閾値を超える遠距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光を平行光化する、風速検出方法。

　この風速検出方法では、検出距離が近距離範囲に属する場合には、パルス光である測定光を集光して大気中に出力する。パルス光を集光する場合、ＣＷ光を集光する場合に比べて、同一のエネルギー及び同一の集光状態で比較した際の信号光のＣＮＲ（Carrier to Noise ratio）を向上できる。したがって、近距離範囲において高速且つ精度良く風速検出を実施できる。また、この風速検出方法では、検出距離が遠距離範囲に属する場合には、パルス光である測定光を平行光化して大気中に出力する。パルス光を平行光化する場合、ＣＷ光を集光する場合とは異なり、距離分解能がパルス幅に依存する一方で、検出距離に依存せずに一定の距離分解能を維持できる。このように、この風速検出方法では、検出距離に基づいて測定光の状態を制御することで、検出距離に応じた最適な風速検出を実施できる。

　［１０］前記出力ステップでは、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値以下の超近距離範囲に属する場合には、前記レーザ光として周波数が変調された光を出力する、［９］記載の風速検出方法。検出距離が超近距離範囲に属する場合、測定光学系などで生じる迷光成分が信号成分に対して大きくなり、かつ時間的に重なるため、参照光と信号光との干渉結果に基づく風速の解析が難しくなることが考えられる。これに対し、レーザ光として周波数が変調された光を用いることで、信号成分と迷光成分とを周波数軸上で分離することが可能となる。これにより、検出距離が超近距離範囲に属する場合であっても、風速検出を精度良く実施できる。

　［１１］前記変換ステップでは、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値を超える中近距離範囲に属する場合には、前記検出距離に応じて前記測定光のパルス幅を変化させる、［９］又は［１０］記載の風速検出方法。一般に、測定光のパルス幅が大きいほど信号光のＣＮＲが高くなる傾向がある。したがって、検出距離に応じて測定光のパルス幅を変化させることで、中近距離範囲において高速且つ精度良く風速検出を実施できる。

　［１２］前記出力ステップでは、前記レーザ光としてＣＷ光を出力し、前記検出ステップでは、ＣＷ光である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、［９］～［１１］のいずれか記載の風速検出方法。この風速検出方法では、近距離範囲から遠距離範囲にわたって広範囲に検出距離が設定される。参照光をＣＷ光とすることで、信号光がパルス光であっても、或いは複数のパルス光の時間的な重ね合わせの状態であっても、検出距離の設定に依らずに信号光と参照光との干渉信号を得ることができる。

　［１３］前記測定ステップは、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ステップを有する、［９］～［１２］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り、風向及び風速の情報を含む三次元風速ベクトルの測定が可能となる。

　［１４］前記偏向ステップでは、前記検出距離が前記遠距離範囲に属する場合には、前記検出距離が前記近距離範囲に属する場合に比べて、前記測定光の出力方向の走査速度を小さくする、［１３］記載の風速検出方法。パルス光である測定光を平行光化する遠距離範囲では、パルス光である測定光を集光する近距離範囲に比べて、信号光のＣＮＲが低下することが考えられる。偏向の際の測定光の出力方向の走査速度を小さくすることで、信号の平均化回数を増やすことが可能となり、遠距離範囲における風速検出の精度を十分に担保できる。

　［１５］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、［９］～［１４］のいずれか記載の風速検出方法。この場合、レーザ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。

　［１６］［１］～［８］のいずれか記載の風速検出装置と、前記風速検出装置から出力する前記検出信号に基づいて、飛行体の離発着に関する制御信号を生成する制御装置と、を備える、飛行体制御装置。この飛行体制御装置では、風速検出装置において検出距離に応じた最適な風速検出を実施することで、ドローン、ＡＡＭ、ＵＡＭなどの飛行体の安全な運行管理を実現できる。

　本開示によれば、検出距離に応じた最適な風速検出を実施できる。

（ａ）及び（ｂ）は、本開示の一実施形態に係る飛行体制御装置の模式図である。 ＬＩＤＡＲの方式と距離分解能の関係を示す図である。 パルス集光方式及びＣＷ集光方式のＣＮＲ比較結果を示す図である。 従来のパルス方式における近距離範囲での迷光成分と信号成分との関係を示す図である。 本開示の一実施形態に係る風速検出装置の模式図である。 （ａ）は、周波数シフタを用いない場合の信号光と参照光とのビートスペクトルの模式図であり、（ｂ）は、周波数シフタを用いた場合の信号光と参照光とのビートスペクトルの模式図である。 （ａ）は、測定光の強度の時間波形を示す模式図であり、（ｂ）は、測定光の周波数変調を示す模式図である。 検出距離毎の測定光の状態を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態における近距離範囲での迷光成分と信号成分との関係を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、チャープレートを変数とした場合の信号成分のピーク強度と迷光成分の裾から僅かにずれた周波数におけるスペクトル強度との関係を示す図である。 窓関数の一例を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、窓関数の位置に対する信号成分及び迷光成分の分離の様子を示す図である。 本実施形態における中近距離範囲での迷光成分と信号成分との関係を示す図である。 パルス幅とＣＮＲとの関係を示す図である。 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）～（ｃ）は、検出距離１０ｍでの風速検出の様子を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、検出距離１０ｍでの風速検出結果を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、検出距離３０ｍでの風速検出の様子を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、検出距離３０ｍでの風速検出結果を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、検出距離６０ｍ～９００ｍでの風速検出の様子を示す図である。 検出距離６０ｍ～９００ｍでの風速検出の様子を示す図である。 検出距離６０ｍ～９００ｍでの風速検出結果を示す図である。 検出距離６０ｍ～９００ｍでの風速検出結果を示す図である。 変形例に係る風速検出装置の模式図である。

　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、風速検出方法、及び飛行体制御装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

　図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本開示の一実施形態に係る飛行体制御装置を模式的に示す図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、飛行体制御装置１０１は、風速検出装置１と、風速検出装置１から出力する検出信号Ｄ（図５参照）に基づいて、飛行体Ｈの動作を制御する制御装置１０２とを備えて構成されている。飛行体Ｈとしては、例えばドローンなどの無人飛行体、ＡＡＭ（Advanced Air Mobility）或いはＵＡＭ（Urban Air Mobility）などの有人飛行体が挙げられる。

　飛行体制御装置１０１は、例えば地表面付近に設置される。飛行体制御装置１０１の設置高さとしては、例えば接地層と称される大気層が想定される。接地層は、地表面からの高さが１００ｍ以下で、風速や気温の鉛直勾配が特に大きい大気層を指す。飛行体制御装置１０１は、例えば図１（ａ）に示すように、地上面に設置されていてもよい。飛行体制御装置１０１は、図１（ｂ）に示すように、ビルなどの建物の屋上や屋根に設置されていてもよい。飛行体制御装置１０１は、飛行体Ｈを運行する管制塔内の装置として組み込まれていてもよい。

　風速検出装置１は、大気中の風速を検出する装置である。飛行体制御装置１０１においては、風速検出装置１は、特に地上付近の多くの構造物に起因して生じる複雑な乱流を検出し、検出信号Ｄを制御装置１０２に出力する。制御装置１０２は、飛行体Ｈの離発着に関する制御信号Ｑを生成する装置である。制御装置１０２は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部、ディスプレイ等の表示部を備えたコンピュータシステムである。制御装置１０２は、風速検出装置１からの検出信号Ｄに基づいて、例えば飛行体Ｈの離発着時の速度、走行経路、或いは離着陸の許可・禁止に関する制御信号Ｑを飛行体Ｈに出力する。

　風速検出装置１は、検出信号Ｄを気象情報提供者が所有するサーバに送信してもよい。この場合、例えば気象情報提供者は、サーバに送信された検出信号Ｄや気象データを元に気象予報を行い、生成した気象予報情報を端末装置等から管制塔内の飛行体制御装置１０１に送信してもよい。管制塔内の飛行体制御装置１０１は、気象予報情報に基づいて制御信号Ｑを生成してもよい。風速検出装置１は、検出信号Ｄを管制塔内の飛行体制御装置１０１に直接送信してもよい。

　次に、上述した風速検出装置１について説明する。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、レーザ光をパルス化した測定光Ｌｍを用い、信号光Ｌｓと参照光Ｌｒとによる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。

　従来のＬＩＤＡＲの方式としては、図２に示すように、平行光化したパルス光を測定光として大気中に出力するパルスコリメート方式と、ＣＷ光を測定光として大気中で集光するＣＷ集光方式とが挙げられる。パルスコリメート方式では、距離分解能がパルス幅に依存し、検出距離に対する依存性を持たないことが特徴的である。ＣＷ集光方式では、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ことが特徴的である。

　パルス光を測定光として大気中で集光するパルス集光方式は、ＣＷ集光方式と同様に、距離分解能が検出距離に対する依存性を有するが、同一のエネルギー及び同一の集光状態で比較した場合に、信号光のＣＮＲ（Carrier to Noise ratio）が高くなる傾向がある。図３は、パルス集光方式及びＣＷ集光方式のＣＮＲ比較結果を示す図である。図３では、パルス光及びＣＷ光の光エネルギーをいずれも８μＪとし、パルス光の場合のパルス幅を１００ｎｓとした場合の信号光のＣＮＲを検出距離６０ｍ～１８０ｍの範囲でプロットしたものである。

　図３に示す結果から、検出距離に関わらず、パルス集光方式の方がＣＷ集光方式に比べてＣＮＲが大きくなっていることが分かる。また、ＣＷ集光方式のＣＮＲに対するパルス集光方式のＣＮＲの比は、検出距離が小さい場合（特に１００ｍ以下である場合）ほど高くなっていることが分かる。ＣＮＲが高いほど、高速且つ精度良く風速検出できる。このことから、パルス集光方式は、近距離での複雑な乱流の検出に適していることが分かる。

　一方、パルス方式は、例えば検出距離が４０ｍ以下の近距離範囲では、風速検出が困難であるとされてきた。これは、検出距離が測定光のパルス幅に相当する距離以下である場合、図４に示すように、測定光学系などで生じる迷光成分（例えば光ファイバの端面や光学素子の表面で生じる反射成分など）Ｉｒが信号成分Ｉｓに対して大きくなり、かつ時間的に重なるため、信号成分Ｉｓが迷光成分Ｉｒに埋もれてしまうことが一因であると考えられる。

　本実施形態に係る風速検出装置１は、後述する周波数変調及びパルス幅変調により、近距離範囲でのパルス集光方式による風速検出を可能とする。そして、風速検出装置１は、近距離範囲と遠距離範囲とでパルス集光方式とパルスコリメート方式とを切り替えることで、検出距離に応じた最適な風速検出を実現する。以下、風速検出装置１の各構成要素について詳述する。

　図５は、本開示の一実施形態に係る風速検出装置の模式図である。出力部２と、分岐部３と、周波数シフタ４と、第１増幅部（変換部）５と、第２増幅部６と、測定光学系７と、合波部８と、検出部９と、デジタイザ１０と、解析部１１と、制御部１５とを含んで構成されている。本実施形態では、出力部２と分岐部３、分岐部３と周波数シフタ４、周波数シフタ４と第１増幅部５、第１増幅部５と第２増幅部６、第２増幅部６と測定光学系７、測定光学系７と合波部８、分岐部３と合波部８、合波部８と検出部９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。

　風速検出装置１では、少なくとも出力部２、分岐部３、及び検出部９は、光集積回路（ＰＩＣ：Photonic Integrated Circuit）１２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、第１増幅部５、第２増幅部６、合波部８、検出部９、及びこれらを接続する光ファイバＦが光集積回路１２によって構成されている。

　出力部２は、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、出力部２から出力されるレーザ光Ｌは、ＣＷ光となっている。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、例えば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１３が接続されている。信号生成部１３は、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１３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１３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１３で生成される変調信号Ｇは、出力部２の動作と解析部１１の動作との同期のため、デジタイザ１０にも出力される。

　分岐部３は、出力部２からのレーザ光Ｌを測定光Ｌｍ及び参照光Ｌｒ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８に出力される。参照光Ｌｒは、ＣＷ光のまま合波部８に入力される。

　本実施形態では、分岐部３と合波部８との間にディレイファイバ１６が接続されている。ディレイファイバ１６は、例えば偏波保持ファイバ、ファイバコイルなどによって構成されている。ディレイファイバ１６により、合波部８に入力される信号光Ｌｓと参照光Ｌｒとの間の光路長差を調整できる。信号光Ｌｓと参照光Ｌｒとの間の光路長差を小さくすることで、ＰＩＩＮ（Phase Induced Intensity Noise）の低減が図られる。

　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。

　周波数シフタ４によって測定光Ｌｍの周波数をシフトさせることで、測定光Ｌｍの光軸方向の風向の判別が可能となる。測定光Ｌｍの周波数をシフトさせない場合、後述の干渉光Ｌｄのビートスペクトルは、例えば図６（ａ）に示すように、風向に依らず、風速に応じて基準のビートスペクトル（風速が無い場合のビートスペクトル）に対して高周波数側にシフトする。一方、測定光Ｌｍの周波数をシフトさせる場合、後述の干渉光Ｌｄのビートスペクトルは、例えば図６（ｂ）に示すように、測定光Ｌｍの光軸に対して正の方向に吹く風（追い風）であれば、基準のビートスペクトルに対して低周波数側にシフトし、測定光Ｌｍの光軸に対して負の方向に吹く風（向かい風）であれば、基準のビートスペクトルに対して高周波数側にシフトする。したがって、周波数シフタ４によって測定光Ｌｍの周波数をシフトさせることで、測定光Ｌｍの光軸方向の風速及び風向の双方を好適に検出することができる。

　第１増幅部５は、分岐部３からの測定光Ｌｍをパルス光に変換する部分である。第１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。第１増幅部５は、測定光Ｌｍのうちの特定の成分を増幅することで、ＣＷ光である測定光Ｌｍをパルス光に変換する。第１増幅部５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、第１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、第１増幅部５での測定光Ｌｍの増幅率を制御する。温度制御部は、第１増幅部５を構成する増幅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、例えばサーミスタ及びペルチェ素子を含んで構成されており、増幅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、増幅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。なお、上述した周波数シフタ４によって、測定光Ｌｍのうちの特定の成分を周波数シフトすることで、ＣＷ光である測定光Ｌｍをパルス光に変換することも可能である。

　図７（ａ）は、測定光Ｌｍの強度の時間波形を示す模式図である。図７（ａ）に示すように、測定光Ｌｍは、出力部２から出力されるＣＷのレーザ光Ｌを周波数シフタ４、第１増幅部５、或いはその双方でパルス光に変換することによって生成されている。測定光Ｌｍは、パルス幅Δｔをもって時間軸上で間欠的に強度が立ち上がる光となる。出力部２において、周波数が変調された光をレーザ光Ｌとして出力する場合、図７（ｂ）に示すように、周波数が線形且つ周期的に変調する光を測定光Ｌｍとして用いることができる。図７（ｂ）の例では、測定光Ｌｍは、ランプ波形となるように周波数が変調され、周波数が徐々に線形に増大するＵＰランプと、周波数が徐々に線形に減少するＤＯＷＮランプとがパルス毎に交互に対応するようになっている。

　第２増幅部６は、パルス光となった測定光Ｌｍの強度を増幅する部分である。第２増幅部６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。第２増幅部６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、第２増幅部６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、第２増幅部６での測定光Ｌｍの増幅率を制御する。温度制御部は、第２増幅部６を構成する増幅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、例えばサーミスタ及びペルチェ素子を含んで構成されており、増幅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、増幅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７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７は、図５に示すように、空間光学系型のサーキュレータ２１と、可動ステージ２２と、レンズ（光学素子）２３と、ビーム偏向板２４が搭載された回転ステージ（偏向部）２５とを含んで構成されている。サーキュレータ２１は、偏光ビームスプリッタ２６と、λ／４波長板２７とによって構成されている。偏光ビームスプリッタ２６の前段には、レンズ２８が配置され、λ／４波長板２７の後段には、可動ステージ２２に搭載されたレンズ２９が配置されている。また、検出部９に接続される光ファイバＦの前段には、当該光ファイバＦへの信号光Ｌｓの光学的な結合に用いられるレンズ３０が配置されている。

　サーキュレータ２１の性能の安定化のため、温度制御部（不図示）によってサーキュレータ２１の全体の温度が一定となるように制御を行ってもよい。温度制御部は、例えばサーミスタ及びペルチェ素子を含んで構成されており、サーキュレータ２１に取り付けられたサーミスタの温度測定値に基づいて、サーキュレータ２１の全体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。

　可動ステージ２２は、少なくとも測定光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２２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２２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２２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２３は、測定光Ｌｍを平行光化して大気Ｍ中に出力する光学素子である。レンズ２３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。レンズ２３，２９は、望遠鏡を構成するレンズ対となっている。可動ステージ２２が測定光Ｌｍの光軸方向に変位することで、レンズ２３とレンズ２９との間の距離が調整される。これにより、レンズ２３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ることができる。

　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２５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２５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２２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Ｊを駆動素子に出力する。当該制御信号Ｊは、出力部２及び解析部１１の動作の同期のため、信号生成部１３に出力される。

　測定光学系７においては、第２増幅部６の出力側の光ファイバＦから出射した測定光Ｌｍは、レンズ２３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。測定光Ｌｍの出力方向は、回転ステージ２５によるビーム偏向板２４の回転角に基づいて変化する。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２３を介し、信号光Ｌｓとして測定光学系７に戻る。信号光Ｌｓは、サーキュレータ２１によって測定光Ｌｍと分離され、合波部８に出力される。

　合波部８は、分岐部３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８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８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８の出力ポートから検出部９に出力される。

　検出部９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。本実施形態では、測定光Ｌｍがパルス光であるため、特定の距離における測定光Ｌｍの散乱で生じる散乱光Ｌｆ（信号光Ｌｓ）もパルス光である。一方、参照光Ｌｒは、出力部２からのレーザ光Ｌの一部が分岐部３で分岐したものであり、ＣＷ光である。したがって、検出部９は、集光方式においては、ＣＷ光である参照光Ｌｒとパルス光である信号光Ｌｓとの干渉結果に基づく検出信号Ｄを出力する。また、検出部９は、コリメート方式においては、ＣＷ光である参照光Ｌｒと複数のパルス光の時間的な重ね合わせである信号光Ｌｓとの干渉結果に基づく検出信号Ｄを出力する。

　検出部９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９は、合波部８から入力された干渉光Ｌｄの強度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１０に出力する。デジタイザ１０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１０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１０は、アナログ電気信号である検出信号Ｄ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１１に出力する。

　解析部１１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１１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。当該コンピュータシステムは、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１１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１１は、デジタイザ１０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１１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。

　制御部１５は、測定光Ｌｍによる検出距離に基づいて、測定光学系７から出力する測定光Ｌｍの状態を制御する部分である。制御部１５は、解析部１１と同様に、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。当該コンピュータシステムは、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１１として機能する。解析部１１と制御部１５とは、同一のコンピュータシステムによって構成されていてもよい。

　制御部１５は、測定光Ｌｍによる検出距離の設定の入力を受け付ける。制御部１５は、図８に示すように、入力された検出距離の設定に基づいて、測定光学系７から出力する測定光Ｌｍの状態を制御する。本実施形態では、検出距離に対して第１閾値Ｔ１が設定されている。制御部１５は、検出距離が第１閾値Ｔ１以下の近距離範囲Ｒ１に属する場合には、大気Ｍ中に出力される測定光Ｌｍが集光されるように測定光学系７を制御する。制御部１５は、検出距離が第１閾値Ｔ１を超える遠距離範囲Ｒ２に属する場合には、大気Ｍ中に出力される測定光Ｌｍが平行光化されるように測定光学系７を制御する。

　本実施形態では、近距離範囲Ｒ１に対して第２閾値Ｔ２が設定されている。制御部１５は、検出距離が近距離範囲Ｒ１に設定された第２閾値Ｔ２以下の超近距離範囲Ｒ１ａに属する場合には、レーザ光Ｌとして周波数が変調された光が出力されるように出力部２を制御する。制御部１５は、検出距離が近距離範囲Ｒ１に設定された第２閾値Ｔ２を超える中近距離範囲Ｒ１ｂに属する場合には、検出距離に応じて測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが変化するように第１増幅部（変換部）５を制御する。また、本実施形態では、制御部１５は、検出距離が遠距離範囲Ｒ２に属する場合には、検出距離が近距離範囲Ｒ１に属する場合に比べて、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度が小さくなるようにビーム偏向板２４が搭載された回転ステージ（偏向部）２５を制御する。

　第１閾値Ｔ１は、例えば検出距離に依存する集光方式の距離分解能と、パルス幅に依存するコリメート方式の距離分解能とが等しくなる距離に基づいて決定される。一例では、第１閾値Ｔ１は、１００ｍ～３００ｍの範囲で設定される。第２閾値Ｔ２は、例えば測定光Ｌｍのパルス幅Δｔに相当する距離に基づいて決定される。一例では、第２閾値Ｔ２は、２０ｍ～６０ｍの範囲で設定される。

　図８は、検出距離毎の測定光の状態を示す図である。図８に示すように、本実施形態では、超近距離範囲Ｒ１ａ、中近距離範囲Ｒ１ｂ、遠距離範囲Ｒ２において、それぞれ状態の異なる測定光Ｌｍが大気Ｍ中に出力される。超近距離範囲Ｒ１ａでは、パルス光である測定光Ｌｍが集光された状態で大気Ｍ中に出力される。したがって、超近距離範囲Ｒ１ａでは、検出距離が小さいほど高い距離分解能で風速を検出することができる。

　超近距離範囲Ｒ１ａでは、距離分解能がパルス幅Δｔに依存しない。一般には、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが大きいほど信号光ＬｓのＣＮＲが高くなる傾向があることから、超近距離範囲Ｒ１ａにおける測定光Ｌｍのパルス幅Δｔは、中近距離範囲Ｒ１ｂ及び遠距離範囲Ｒ２における測定光Ｌｍのパルス幅Δｔに比べて大きく設定されることが好ましい。

　超近距離範囲Ｒ１ａでは、図７（ｂ）に示したように、周波数が線形且つ周期的に変調するパルス光が測定光Ｌｍとして用いられる。周波数が線形且つ周期的に変調するパルス光を測定光Ｌｍとして用いる場合、図９（ａ）に示すように、測定光学系などで生じる迷光成分Ｉｒと信号成分Ｉｓとが時間的には重なるものの、周波数が互いに異なるものとなる。このため、検出信号Ｄをフーリエ変換することにより、図９（ｂ）に示すように、信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとを周波数軸上で分離することができる。したがって、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを小さくすることなく、超近距離範囲Ｒ１ａでの風速の検出を実施できる。

　図８の例では、チャープレートγは、検出距離に応じて小さくなるように設定されている。このようなチャープレートγの設定により、高い信号レベルを維持したまま、迷光成分Ｉｒと信号成分Ｉｓとを分離できる。図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、チャープレートγを変数とした場合の信号成分のピーク強度と迷光成分の裾から僅かにずれた周波数におけるスペクトル強度との関係を示す図である。信号成分のピーク強度は、検出信号Ｄにおける干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク強度であり、迷光成分の裾から僅かにずれた周波数におけるスペクトル強度は、迷光成分Ｉｒの裾の周波数（ここでは７６ＭＨｚ）における干渉光Ｌｄのビートスペクトルの強度である。ここでは、レンズ２３の直径を５０ｍｍ、パルス幅Δｔを８００ｎｓ、パルス波形を矩形パルス、周波数シフタ４による周波数シフトを８０ＭＨｚとした。また、検出距離（集光位置）を１０ｍ、２０ｍ、３０ｍとし、信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとの分離に用いる閾値を０．０５に設定した。

　図１０（ａ）に示すように、検出距離が１０ｍの場合、迷光成分Ｉｒの裾の周波数である７６ＭＨｚでのスペクトル強度が閾値以下となるチャープレートは、９４ＴＨｚ／ｓであった。図１０（ｂ）に示すように、検出距離が２０ｍの場合、迷光成分Ｉｒの裾の周波数である７６ＭＨｚでのスペクトル強度が閾値以下となるチャープレートは、５０ＴＨｚ／ｓであった。図１０（ｃ）に示すように、検出距離が３０ｍの場合、迷光成分Ｉｒの裾の周波数である７６ＭＨｚでのスペクトル強度が閾値以下となるチャープレートは、３６ＴＨｚ／ｓであった。また、いずれの検出距離においても、チャープレートが大きくなるほど信号成分のピーク強度が小さくなった。この結果から、信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとを分離可能なチャープレートには検出距離依存性があり、チャープレートγを検出距離に応じて小さく設定することで、高い信号レベルを維持したまま信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとを分離できることが分かる。

　立下がりが急峻な矩形状のパルス、或いはパルス端に意図しないチャープを有するパルスを用いる場合、図１１に示すように、信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとの分離にあたって窓関数Ｉｗを用いることが好ましい。窓関数Ｉｗとしては、例えばHanning関数、Hamming関数、Blackman関数、Blackman-Nuttall関数などが挙げられる。窓関数Ｉｗの適用にあたっては、図１１に示すように、窓関数Ｉｗの始点及び終点を、信号成分Ｉｓの始点及び終点ではなく、迷光成分Ｉｒの始点及び終点に合わせることが好ましい。

　図１２（ａ）～図１２（ｃ）は、窓関数の位置に対する信号成分及び迷光成分の分離の様子を示す図である。ここでは、レンズ２３の直径を５０ｍｍ、パルス幅Δｔを８００ｎｓ、パルス波形を矩形パルス、チャープレートを５０ＴＨｚ／ｓ、周波数シフタ４による周波数シフトを８０ＭＨｚとした。また、検出距離（集光位置）を３０ｍとし、窓関数にBlackman関数を用いた。図１２（ａ）に示すように、窓関数Ｉｗの始点及び終点を迷光成分Ｉｒの始点及び終点に合わせた場合、信号成分Ｉｓのスペクトルと迷光成分Ｉｒのスペクトルとがほぼ完全に分離している。

　これに対し、図１２（ｂ）に示すように、窓関数Ｉｗの始点及び終点を信号成分Ｉｓの始点及び終点に合わせた場合、及び図１２（ｃ）に示すように、窓関数Ｉｗの始点及び終点を迷光成分の始点及び信号成分Ｉｓの終点に合わせた場合、信号成分Ｉｓのスペクトルの裾と迷光成分Ｉｒのスペクトルの裾とが重なり合っている。この結果から、信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとの分離の観点から、窓関数Ｉｗの始点及び終点を迷光成分Ｉｒの始点及び終点に合わせることが好適である。

　超近距離範囲Ｒ１ａでは、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ１は、遠距離範囲Ｒ２における測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ２よりも相対的に大きく設定される。図８の例では、超近距離範囲Ｒ１ａにおいては、検出距離に依らず、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ１は一定となっている。超近距離範囲Ｒ１ａでは、測定光Ｌｍが十分なパルス幅Δｔを有しており、かつ集光状態での測定となるため、信号光ＬｓのＣＮＲを十分に確保できると考えられる。このため、走査速度Ｓ１を十分に大きくすることで、高速な風速検出が可能となる。

　中近距離範囲Ｒ１ｂでは、超近距離範囲Ｒ１ａと同様に、パルス光である測定光Ｌｍが集光された状態で大気Ｍ中に出力される。中近距離範囲Ｒ１ｂにおいても、検出距離が小さいほど高い距離分解能で風速を検出することができる。中近距離範囲Ｒ１ｂでは、レーザ光Ｌの周波数を変調せず、これに代えて、検出距離に応じて測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを変化させる。図８の例では、検出距離に比例して測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが線形に増加する。測定光Ｌｍのパルス幅Δｔは、当該パルス幅Δｔに相当する距離が検出距離よりも小さくなる範囲で設定される。これにより、図１３に示すように、迷光成分Ｉｒと信号成分Ｉｓとを時間軸上で分離することができる。中近距離範囲Ｒ１ｂでは、距離分解能は、パルス幅Δｔではなく、集光状態によって決まるため、距離分解能を高めるためにパルス幅Δｔを小さくする必要はない。したがって、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを小さくすることなく、中近距離範囲Ｒ１ｂでの風速の検出を実施できる。

　超近距離範囲Ｒ１ａ及び中近距離範囲Ｒ１ｂの双方を含めた近距離範囲Ｒ１においても、図１４に示すように、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが大きいほど信号光ＬｓのＣＮＲが高くなる傾向がある。図１４は、異なるパルス幅の測定光で得られた信号光のＣＮＲを検出距離０ｍ～７０ｍの範囲でプロットしたものである。図１４では、パルス光の光エネルギーを１．１μＪ、レンズ２３の直径を５０ｍｍ、強度スペクトルの平均化回数を１０００回とし、ＣＮＲについては４００回測定の中央値及び最小値をプロットした。

　図１４に示すように、検出距離１０ｍでは、パルス幅５０ｎｓの場合のＣＮＲのみを示しているが、検出距離２０ｍでは、パルス幅５０ｎｓの場合のＣＮＲに比べて、パルス幅１００ｎｓのＣＮＲの方が高くなっている。また、検出距離３０ｍでは、パルス幅５０ｎｓ及び１００ｎｓの場合のＣＮＲに比べて、パルス幅２００ｎｓのＣＮＲの方が高くなっている。検出距離６０ｍでは、パルス幅５０ｎｓ、１００ｎｓ、２００ｎｓの場合のＣＮＲに比べて、パルス幅４００ｎｓのＣＮＲの方が高くなっている。この結果から、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが大きいほど信号光ＬｓのＣＮＲが高くなり、検出距離に応じて測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを変化させることで、高速且つ精度良く風速検出を実施できることが分かる。

　なお、パルス幅Δｔを過剰に小さくしてしまうと、干渉光Ｌｄのビートスペクトルが拡がり過ぎて風速分解能が低下してしまうことが考えられる。また、一般には、パルス幅が狭いほど光増幅に要するコストが増加する。本実施形態では、近距離範囲Ｒ１のうち第２閾値Ｔ２を超える中近距離範囲Ｒ１ｂにおいて、検出距離に応じて測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを変化させており、第２閾値Ｔ２以下の超近距離範囲Ｒ１ａでは、レーザ光Ｌの周波数の変調を行うことで、中近距離範囲Ｒ１ｂよりも測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを大きく設定している。これにより、パルス幅Δｔが過剰に小さくなることによる風速分解能の低下及び光増幅のコスト増加の問題を回避できる。

　中近距離範囲Ｒ１ｂでは、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ１は、遠距離範囲Ｒ２における測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ２よりも相対的に大きく設定される。図８の例では、中近距離範囲Ｒ１ｂにおける測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ１は、超近距離範囲Ｒ１ａにおける測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ１と同じであり、検出距離に依らず一定となっている。走査速度Ｓ１を十分に大きくすることで、高速な風速検出が可能となる。

　遠距離範囲Ｒ２では、パルス光である測定光Ｌｍが平行光化された状態で大気Ｍ中に出力される。遠距離範囲Ｒ２では、レーザ光Ｌの周波数の変調は行われず、検出距離に依らずに測定光Ｌｍのパルス幅Δｔは一定である。遠距離範囲Ｒ２におけるパルス幅Δｔは、ＣＮＲと距離分解能とのバランスが取れる範囲に設定される。一例として、遠距離範囲Ｒ２におけるパルス幅Δｔは、超近距離範囲Ｒ１ａにおけるパルス幅Δｔよりも小さい範囲に設定される。また、遠距離範囲Ｒ２におけるパルス幅Δｔは、中近距離範囲Ｒ１ｂで用いられる最小のパルス幅Δｔより大きく、最大のパルス幅Δｔより小さい範囲に設定される。遠距離範囲Ｒ２では、距離分解能が測定光Ｌｍのパルス幅Δｔによって定まり、検出距離に依存せずに一定の距離分解能が維持される。

　遠距離範囲Ｒ２では、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ２は、近距離範囲Ｒ１における測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ１よりも相対的に小さく設定される。図８の例では、遠距離範囲Ｒ２においては、検出距離に依らず、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度Ｓ２は一定となっている。パルス光である測定光Ｌｍを平行光化する遠距離範囲Ｒ２では、パルス光である測定光Ｌｍを集光する近距離範囲Ｒ１に比べて、信号光ＬｓのＣＮＲが低下することが考えられる。偏向の際の測定光Ｌｍの出力方向の走査速度を小さくすることで、信号の平均化回数を増やすことが可能となり、遠距離範囲Ｒ２における風速検出の精度を十分に担保できる。

　図１５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。本実施形態に係る風速検出方法は、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、図１５に示すように、設定ステップＳ０１と、出力ステップＳ０２と、分岐ステップＳ０３と、変換ステップＳ０４と、測定ステップＳ０５と、検出ステップＳ０６と、解析ステップＳ０７とを含んで構成されている。

　設定ステップＳ０１は、風速検出に用いる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、まず、検出距離に依存しないパラメータを設定する。検出距離に依存しないパラメータとしては、例えばレンズ２３の直径、測定光Ｌｍのパルス波形、周波数シフタ４による周波数シフト、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数などが挙げられる。次に、設定ステップＳ０１では、検出距離を設定し、設定した検出距離が超近距離範囲Ｒ１ａ、中近距離範囲Ｒ１ｂ、遠距離範囲Ｒ２のいずれに属するかに基づいて、出力部２から出力するレーザ光Ｌの周波数変調の有無、第１増幅部５において生成されるパルス光のパルス幅Δｔ、測定光学系７における可動ステージ２２の位置、ビーム偏向板２４が搭載された回転ステージ２５による測定光Ｌｍの走査速度などを設定する。

　出力ステップＳ０２は、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、出力部２からＣＷ光であるレーザ光Ｌを出力する。レーザ光Ｌの周波数を変調する場合は、信号生成部１３で生成した変調信号Ｇを出力部２に入力する。これにより、周波数が線形且つ周期的に変調するレーザ光Ｌを生成し、出力部２から出力する。

　分岐ステップＳ０３は、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から出力したレーザ光Ｌを分岐部３によって分岐し、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を経て第１増幅部５に入力され、参照光Ｌｒは、ディレイファイバ１６による遅延を経て合波部８に入力される。

　変換ステップＳ０４は、測定光Ｌｍをパルス光に変換するステップである。変換ステップＳ０４では、第１増幅部５で測定光Ｌｍのうちの特定の成分を増幅することで、ＣＷ光である測定光Ｌｍをパルス光に変換する。パルス光に変換された測定光Ｌｍは、第２増幅部６による強度の増幅を経て測定光学系７に入力される。

　測定ステップＳ０５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Ｓ０５では、測定光学系７を介し、測定光Ｌｍを平行光化した状態で大気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、測定光学系７に戻り、信号光Ｌｓとして合波部８に入力される。合波部８では、ＣＷ光である参照光Ｌｒと信号光Ｌｓとが合波し、干渉光Ｌｄが生成される。

　測定ステップＳ０５では、検出距離に応じて状態が異なる測定光Ｌｍを大気Ｍ中に出射する。検出距離が超近距離範囲Ｒ１ａに属する場合、周波数を変調したパルス光を測定光Ｌｍとして大気Ｍ中に集光する。また、検出距離が超近距離範囲Ｒ１ａに属する場合、遠距離範囲Ｒ２における走査速度Ｓ２よりも相対的に大きい走査速度Ｓ１で、ビーム偏向板２４による測定光Ｌｍの出力方向を走査する。検出距離が中近距離範囲Ｒ１ｂに属する場合、周波数を変調せず、検出距離に応じたパルス幅Δｔを有するパルス光を測定光Ｌｍとして大気Ｍに集光する。また、検出距離が中近距離範囲Ｒ１ｂに属する場合、遠距離範囲Ｒ２における走査速度Ｓ２よりも相対的に大きい走査速度Ｓ１で、ビーム偏向板２４による測定光Ｌｍの出力方向を走査する。

　検出距離が遠距離範囲Ｒ２に属する場合、周波数を変調せず、検出距離に依らず一定のパルス幅Δｔを有するパルス光を測定光Ｌｍとし、平行光化した状態で大気Ｍ中に出力する。また、検出距離が遠距離範囲Ｒ２に属する場合、超近距離範囲Ｒ１ａ及び中近距離範囲Ｒ１ｂにおける走査速度Ｓ１よりも相対的に小さい走査速度Ｓ２で、ビーム偏向板２４による測定光Ｌｍの出力方向を走査する。

　検出ステップＳ０６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Ｓ０６では、合波部８で生成された干渉光Ｌｄを検出部９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１０によってアナログ／デジタル変換され、解析部１１に出力される。

　解析ステップＳ０７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Ｓ０７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。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Ｓ０７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、検出距離が第１閾値Ｔ１以下の近距離範囲Ｒ１に属する場合には、パルス光である測定光Ｌｍを集光して大気Ｍ中に出力する。パルス光を集光する場合、ＣＷ光を集光する場合に比べて、同一のエネルギー及び同一の集光状態で比較した際の信号光ＬｓのＣＮＲを向上できる。したがって、近距離範囲Ｒ１において高速且つ精度良く風速検出を実施できる。また、風速検出装置１では、検出距離が第１閾値Ｔ１を超える遠距離範囲Ｒ２に属する場合には、パルス光である測定光Ｌｍを平行光化して大気中に出力する。パルス光を平行光化する場合、ＣＷ光を集光する場合とは異なり、距離分解能がパルス幅Δｔに依存する一方で、検出距離に依存せずに一定の距離分解能を維持できる。このように、風速検出装置１では、検出距離に基づいて測定光Ｌｍの状態を制御することで、検出距離に応じた最適な風速検出を実施できる。

　本実施形態では、制御部１５は、検出距離が近距離範囲Ｒ１に設定された第２閾値Ｔ２以下の超近距離範囲Ｒ１ａに属する場合には、レーザ光Ｌとして周波数が変調された光が出力されるように出力部２を制御する。検出距離が超近距離範囲Ｒ１ａに属する場合、測定光学系７などで生じる迷光成分が信号成分に対して大きくなり、かつ時間的に重なるため、参照光と信号光との干渉結果に基づく風速の解析が難しくなることが考えられる。これに対し、レーザ光として周波数が変調された光を用いることで、信号成分Ｉｓと迷光成分Ｉｒとを周波数軸上で分離することが可能となる。これにより、検出距離が超近距離範囲Ｒ１ａに属する場合であっても、風速検出を精度良く実施できる。

　本実施形態では、制御部１５は、検出距離が近距離範囲Ｒ１に設定された第２閾値Ｔ２を超える中近距離範囲Ｒ１ｂに属する場合には、検出距離に応じて測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが変化するように第１増幅部（変換部）５を制御する。上述したように、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔが大きいほど信号光ＬｓのＣＮＲが高くなる傾向がある。したがって、検出距離に応じて測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを変化させることで、中近距離範囲Ｒ１ｂにおいて高速且つ精度良く風速検出を実施できる。

　本実施形態では、出力部２は、レーザ光ＬとしてＣＷ光を出力し、検出部９は、ＣＷ光である参照光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。風速検出装置１では、近距離範囲Ｒ１から遠距離範囲Ｒ２にわたって広範囲に検出距離が設定される。参照光ＬｒをＣＷ光とすることで、信号光Ｌｓがパルス光であっても、或いは複数のパルス光の時間的な重ね合わせの状態であっても、検出距離の設定に依らずに信号光Ｌｓと参照光Ｌｒとの干渉信号を得ることができる。

　本実施形態では、測定光学系７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２５を有する。このような偏向部を用いることで、測定光Ｌｍの出力方向が可変となり、風向及び風速の情報を含む三次元風速ベクトルの測定が可能となる。

　本実施形態では、制御部１５は、検出距離が遠距離範囲Ｒ２に属する場合には、検出距離が近距離範囲Ｒ１に属する場合に比べて、測定光Ｌｍの出力方向の走査速度が小さくなるように偏向部を制御する。パルス光である測定光Ｌｍを平行光化する遠距離範囲Ｒ２では、パルス光である測定光Ｌｍを集光する近距離範囲Ｒ１に比べて、信号光ＬｓのＣＮＲが低下することが考えられる。偏向部による測定光Ｌｍの出力方向の走査速度を小さくすることで、信号の平均化回数を増やすことが可能となり、遠距離範囲Ｒ２における風速検出の精度を十分に担保できる。

　本実施形態では、風速検出装置１の構成要素のうち、少なくとも出力部２、分岐部３、及び検出部９が光集積回路１２によって構成されている。少なくとも出力部２、分岐部３、及び検出部９を光集積回路１２で構成することで、装置の小型化を実現できる。また、本実施形態では、検出信号Ｄに基づいて大気Ｍ中での風速を解析する解析部１１を更に備える。これにより、レーザ光Ｌ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。

　以下、本開示の実施例について説明する。本実施例では、上記実施形態に則り、検出距離１０ｍ（超近距離範囲）、検出距離３０ｍ（中近距離範囲）、検出距離６０ｍ～９００ｍ（遠距離範囲）での風速解析例を紹介する。

　検出距離１０ｍでの風速解析にあたっては、まず、可動ステージ２２により測定光Ｌｍの集光位置を１０ｍに調整した。また、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを８００ｎｓ、チャープレートγを９４ＴＨｚ／ｓ、偏向部の走査速度を１０ラウンド／ｓに設定した。検出距離に依存しないパラメータとして、レンズ２３の直径を５０ｍｍとした。また、図１６（ａ）に示すように、測定光Ｌｍのパルス波形を矩形、周波数シフタ４による周波数シフトを８０ＭＨｚ、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数を１００ｋＨｚ（＝パルス間隔Δｒ＝１０μｓ）とした。測定光Ｌｍの周波数は、ＵＰランプとＤＯＷＮランプとがパルス毎に交互に対応するように線形且つ周期的に変調した。

　大気Ｍ中への測定光Ｌｍの出力と同時に偏向部による測定光Ｌｍの走査を開始し、大気Ｍからの信号光Ｌｓをコヒーレント検波によって検出した。デジタイザ１０から出力される検出信号Ｄは、図１６（ｂ）に示すように、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数に応じた時間間隔のパルス信号となる。当該信号の各パルス成分には、検出距離１０ｍにおける干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク周波数の情報が含まれる。

　風速解析にあたっては、まず、得られた検出信号Ｄをパルス間隔（＝１０μｓ）毎のタイムスロットに区分する。次に、各タイムスロットにおいて、０ｎｓ～８００ｎｓの範囲の窓関数を乗算した後、フーリエ変換を行うことで、それぞれの強度スペクトルを算出する。ＵＰランプ及びＤＯＷＮランプのそれぞれについて、５００タイムスロット分の強度スペクトルを平均化することで、図１６（ｃ）に示すように、検出距離１０ｍにおけるＵＰランプの平均強度スペクトルＳ_ＵＰ及びＤＯＷＮランプの平均強度スペクトルＳ_ＤＯＷＮが得られる。得られたＵＰランプの平均強度スペクトルＳ_ＵＰ及びＤＯＷＮランプの平均強度スペクトルＳ_ＤＯＷＮに基づいて、それぞれの重心周波数ｆ_ＵＰ及びｆ_ＤＯＷＮを取得する。

　重心周波数ｆ_ＵＰ，ｆ_ＤＯＷＮに基づく視線風速Ｖ_ＬＯＳの算出式は、以下の式（１）及び式（２）のとおりである。視線風速Ｖ_ＬＯＳとは、大気Ｍ中に出射する測定光Ｌｍの出力方向における風速である。下記式（１）及び式（２）中、λは測定光Ｌｍの波長、ｆ_{ｓｈｉｆｔ}は周波数シフタ４による周波数シフト、ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}はドップラーシフトである。なお、風向や風速の状態により、重心周波数ｆ_ＵＰ，ｆ_ＤＯＷＮの一方のみしか得られない場合は、下記式（３）又は式（４）により、ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}を算出してもよい。下記式（３）及び式（４）中、γはチャープレート、Ｚは検出距離、ｃは光速である。
　　Ｖ_ＬＯＳ＝λ×（ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}／２）　　…（１）
　　ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}＝（（ｆ_ＵＰ＋ｆ_ＤＯＷＮ）／２）－ｆ_{ｓｈｉｆｔ}　　…（２）
　　ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}＝ｆ_ＵＰ＋（（２×γ×Ｚ）／ｃ）－ｆ_{ｓｈｉｆｔ}　　…（３）
　　ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}＝ｆ_ＤＯＷＮ－（（２×γ×Ｚ）／ｃ）－ｆ_{ｓｈｉｆｔ}　　…（４）

　上記手順を１０ｍｓ毎に繰り返すことで、図１７（ａ）に示すように、検出距離１０ｍでの１０ｍｓ毎の視線風速を検出できる。偏向部の走査１周分（＝１００ｍｓ）の視線風速の検出結果に基づいて、図１７（ｂ）に示すように、検出距離１０ｍでの１００ｍｓ毎の三次元風速ベクトルを求めることができる。風速ベクトルを一定時間にわたって求めることで、検出距離１０ｍでの平均風速、最大風速、平均風向、乱流強度（＝風速標準偏差／平均風速）などを算出できる。

　検出距離３０ｍでの風速解析にあたっては、まず、可動ステージ２２により測定光Ｌｍの集光位置を３０ｍに調整した。また、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを２００ｎｓ、チャープレートγを０ＴＨｚ／ｓ、偏向部の走査速度を１０ラウンド／ｓに設定した。検出距離に依存しないパラメータとして、レンズ２３の直径を５０ｍｍとした。また、図１８（ａ）に示すように、測定光Ｌｍのパルス波形を矩形、周波数シフタ４による周波数シフトを８０ＭＨｚ、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数を１００ｋＨｚ（＝パルス間隔Δｒ＝１０μｓ）とした。

　大気Ｍ中への測定光Ｌｍの出力と同時に偏向部による測定光Ｌｍの走査を開始し、大気Ｍからの信号光Ｌｓをコヒーレント検波によって検出した。デジタイザ１０から出力される検出信号Ｄは、図１８（ｂ）に示すように、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数に応じた時間間隔のパルス信号となる。当該信号の各パルス成分には、検出距離３０ｍにおける干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク周波数の情報が含まれる。

　風速解析にあたっては、まず、得られた検出信号Ｄをパルス間隔（＝１０μｓ）毎のタイムスロットに区分する。次に、各タイムスロットにおいて、２００ｎｓ～４００ｎｓの範囲の窓関数を乗算した後、フーリエ変換を行うことで、それぞれの強度スペクトルを算出する。１０００タイムスロット分の強度スペクトルを平均化することで、図１８（ｃ）に示すように、検出距離３０ｍにおける平均強度スペクトルＳ_３０が得られる。重心周波数ｆ_Ｃを取得する。重心周波数ｆ_Ｃに基づく視線風速Ｖ_ＬＯＳの算出式は、以下の式（５）及び式（６）のとおりである。
　　Ｖ_ＬＯＳ＝λ×（ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}／２）　　…（５）
　　ｆ_{ｄоｐｐｌｅｒ}＝ｆ_Ｃ－ｆ_{ｓｈｉｆｔ}　　…（６）

　上記手順を１０ｍｓ毎に繰り返すことで、図１９（ａ）に示すように、検出距離３０ｍでの１０ｍｓ毎の視線風速を検出できる。偏向部の走査１周分（＝１００ｍｓ）の視線風速の検出結果に基づいて、図１９（ｂ）に示すように、検出距離３０ｍでの１００ｍｓ毎の三次元風速ベクトルを求めることができる。風速ベクトルを一定時間にわたって求めることで、検出距離３０ｍでの平均風速、最大風速、平均風向、乱流強度（＝風速標準偏差／平均風速）などを算出できる。

　検出距離６０ｍ～９００ｍでの風速解析にあたっては、まず、可動ステージ２２により測定光Ｌｍが平行光となるように調整した。また、測定光Ｌｍのパルス幅Δｔを４００ｎｓ、チャープレートγを０ＴＨｚ／ｓ、偏向部の走査速度を１ラウンド／ｓに設定した。検出距離に依存しないパラメータとして、レンズ２３の直径を５０ｍｍとした。また、図２０（ａ）に示すように、測定光Ｌｍのパルス波形を矩形、周波数シフタ４による周波数シフトを８０ＭＨｚ、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数を１００ｋＨｚ（＝パルス間隔Δｒ＝１０μｓ）とした。

　大気Ｍ中への測定光Ｌｍの出力と同時に偏向部による測定光Ｌｍの走査を開始し、大気Ｍからの信号光Ｌｓをコヒーレント検波によって検出した。デジタイザ１０から出力される検出信号Ｄは、図２０（ｂ）に示すように、測定光Ｌｍのパルスの繰り返し周波数に応じた時間間隔の連続した信号となる。当該信号成分には、検出距離６０ｍ以上の距離での干渉光Ｌｄのビートスペクトルのピーク周波数の情報が含まれる。

　風速解析にあたっては、まず、得られた検出信号Ｄをパルス間隔（＝１０μｓ）毎のタイムスロットに区分する。さらに、各タイムスロットを４００ｎｓ毎のサブスロット♯１～♯１５に区分する。サブスロット＃１～＃１５の各データに対し、パルス幅Δｔに基づく４００ｎｓ幅の窓関数を乗算した後、フーリエ変換を行うことで、それぞれの強度スペクトルを算出する。それぞれの強度スペクトルについて、１００００タイムスロット分の強度を平均化することで、図２１に示すように、検出距離６０ｍ毎の平均強度スペクトルＳ_６０、Ｓ_１２０、…Ｓ_９００が得られる。得られた平均強度スペクトルＳ_６０、Ｓ_１２０、…Ｓ_９００に基づいて、重心周波数ｆ_６０、ｆ_１２０、…ｆ_９００を取得する。重心周波数ｆ_６０、ｆ_１２０、…ｆ_９００に基づく視線風速Ｖ_ＬＯＳの算出には、上述した式（５）及び式（６）を用いることができる。

　上記手順を１００ｍｓ毎に繰り返すことで、図２２に示すように、検出距離６０ｍの整数倍となる距離での１００ｍｓ毎の視線風速を検出できる。偏向部の走査１周分（＝１０００ｍｓ）の視線風速の検出結果に基づいて、図２３に示すように、検出距離６０ｍの整数倍となる距離での１０００ｍｓ毎の三次元風速ベクトルを求めることができる。風速ベクトルを一定時間にわたって求めることで、検出距離６０ｍの整数倍となる距離での平均風速、最大風速、平均風向、乱流強度（＝風速標準偏差／平均風速）などを算出できる。

　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、測定光学系７に空間光学系型のサーキュレータ２１を用いる構成を例示したが、図２４に示すように、測定光学系７に光ファイバデバイス型のサーキュレータ３１を用いてもよい。図２４の例では、光ファイバデバイス型のサーキュレータ３１の出力ポートに接続された光ファイバＦの端部Ｆａを可動ステージ３２に搭載している。可動ステージ３２が光ファイバＦの端部Ｆａからレンズ２３までの距離を変えることで、レンズ２３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ることができる。

　また、図５の例では、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２３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。図２４の例では、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。

　１…風速検出装置、２…出力部、３…分岐部、５…第１増幅部（変換部）、７…測定光学系、９…検出部、１１…解析部、１２…光集積回路、１５…制御部、２４…ビーム偏向板（偏向部）、２５…回転ステージ（偏向部）、Ｍ…大気、Ｌ…レーザ光、Ｌｍ…測定光、Ｌｆ…散乱光、Ｌｓ…信号光、Ｌｒ…参照光、Ｄ…検出信号、Ｔ１…第１閾値、Ｔ２…第２閾値、Ｒ１…近距離範囲、Ｒ１ａ…超近距離範囲、Ｒ１ｂ…中近距離範囲、Ｒ２…遠距離範囲、１０１…飛行体制御装置、１０２…制御装置、Ｈ…飛行体、Ｑ…制御信号。

Claims (16)

1. 　レーザ光を出力する出力部と、
   　前記レーザ光を測定光及び参照光に分岐する分岐部と、
   　前記測定光をパルス光に変換する変換部と、
   　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、
   　前記測定光による検出距離に基づいて、前記測定光学系から出力する前記測定光の状態を制御する制御部と、を備え、
   　前記制御部は、前記検出距離が第１閾値以下の近距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光が集光されるように前記測定光学系を制御し、前記検出距離が前記第１閾値を超える遠距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光が平行光化されるように前記測定光学系を制御する、風速検出装置。
2. 　前記制御部は、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値以下の超近距離範囲に属する場合には、前記レーザ光として周波数が変調された光が出力されるように前記出力部を制御する、請求項１記載の風速検出装置。
3. 　前記制御部は、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値を超える中近距離範囲に属する場合には、前記検出距離に応じて前記測定光のパルス幅が変化するように前記変換部を制御する、請求項１又は２記載の風速検出装置。
4. 　前記出力部は、前記レーザ光としてＣＷ光を出力し、
   　前記検出部は、ＣＷ光である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、請求項１～３のいずれか一項記載の風速検出装置。
5. 　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１～４のいずれか一項記載の風速検出装置。
6. 　前記制御部は、前記検出距離が前記遠距離範囲に属する場合には、前記検出距離が前記近距離範囲に属する場合に比べて、前記測定光の出力方向の走査速度が小さくなるように前記偏向部を制御する、請求項５記載の風速検出装置。
7. 　少なくとも前記出力部、前記分岐部、及び前記検出部は、光集積回路によって構成されている、請求項１～６のいずれか一項記載の風速検出装置。
8. 　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１～７のいずれか一項記載の風速検出装置。
9. 　レーザ光を出力する出力ステップと、
   　前記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、
   　前記測定光をパルス光に変換する変換ステップと、
   　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、
   　前記測定ステップでは、前記測定光による検出距離が第１閾値以下の近距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光を集光し、前記測定光による前記検出距離が前記第１閾値を超える遠距離範囲に属する場合には、前記大気中に出力される前記測定光を平行光化する、風速検出方法。
10. 　前記出力ステップでは、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値以下の超近距離範囲に属する場合には、前記レーザ光として周波数が変調された光を出力する、請求項９記載の風速検出方法。
11. 　前記変換ステップでは、前記検出距離が前記近距離範囲に設定された第２閾値を超える中近距離範囲に属する場合には、前記検出距離に応じて前記測定光のパルス幅を変化させる、請求項９又は１０記載の風速検出方法。
12. 　前記出力ステップでは、前記レーザ光としてＣＷ光を出力し、
    　前記検出ステップでは、ＣＷ光である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、請求項９～１１のいずれか一項記載の風速検出方法。
13. 　前記測定ステップは、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ステップを有する、請求項９～１２のいずれか一項記載の風速検出方法。
14. 　前記偏向ステップでは、前記検出距離が前記遠距離範囲に属する場合には、前記検出距離が前記近距離範囲に属する場合に比べて、前記測定光の出力方向の走査速度を小さくする、請求項１３記載の風速検出方法。
15. 　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９～１４のいずれか一項記載の風速検出方法。
16. 　請求項１～８のいずれか一項記載の風速検出装置と、
    　前記風速検出装置から出力する前記検出信号に基づいて、飛行体の離発着に関する制御信号を生成する制御装置と、を備える、飛行体制御装置。