CN104335068A - 风测量相干雷达装置 - Google Patents

Abstract

噪声谱差分装置(10)记录无接收信号的状态下的噪声谱，从接收信号的谱减去噪声谱。偏置校正装置(11)针对由噪声谱差分装置(10)减去了噪声谱的信号谱，进行与从接收信号的频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正。频移解析装置(12)对偏置校正后的信号谱进行信号处理，测定频移。风速换算装置(13)根据由频移解析装置(12)测定了的频移量，进行风速检测。

Description

风测量相干雷达装置

技术领域

本发明涉及相对于大气中收发由单一频率构成的激光并根据通过外差检波所得到的接收信号进行风速检测的风测量相干雷达装置，特别是涉及即使在由于温度变化、局部光的功率的变化等而接收系统的噪声水平变动了的情况下也能够正确地测定接收谱的峰值频率、宽度的风测量相干雷达装置。

背景技术

在风测量用相干雷达装置中，向大气中照射脉冲光，接收来自悬浮微粒的散射光。通过发送脉冲光的种子光(Seed light)和散射光的外差检波，求出由于悬浮微粒的移动而产生的多普勒频移，测量激光照射方向的风。关于多普勒频移，对外差检波后的信号进行FFT处理，根据其峰值频率来导出，进而根据频宽来导出风速宽度(风速场的紊乱程度)。

作为以往的风测量用的雷达装置，例如，已知专利文献1记载的装置。在该装置中，利用风速场的预见信息，高精度地进行低SN比下的风速测定。

专利文献1：日本特开2009-162678号公报

发明内容

在一般的风测量用相干雷达装置中，接收称为局部光的单一频率的连续波光和来自在大气中漂浮的悬浮微粒等的散射光而进行外差检波，通过重心运算来导出该接收信号的频域中的峰值，根据该频移量来测定大气中的风速。此时，由于因连续波光的功率变动、光接收机的温度变动所致的增益变化，频率解析时的噪声谱的水平发生变动。在上述以往的专利文献1记载的雷达装置中，存在如下问题：在产生了噪声谱的水平变动的情况下，在频域中的重心运算时，所检测的峰值频率位置产生误差，作为偏置误差对风速测定值有影响。

本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于得到一种即使在产生了噪声谱的水平变动的情况下也能够高精度地进行风速测定的风测量相干雷达装置。

本发明的风测量相干雷达装置，相对于大气中收发由单一频率构成的激光，并根据通过外差检波所得到的接收信号进行风速检测，所述风测量相干雷达装置具备：噪声谱记录单元，记录无接收信号的状态下的噪声谱；噪声谱差分单元，从接收信号的谱减去噪声谱；偏置校正单元，针对减去了噪声谱的信号谱，进行与从接收信号的频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正；频移解析单元，对偏置校正后的信号谱进行信号处理，测定频移；以及风速换算单元，根据频移量来进行风速检测。

本发明的风测量相干雷达装置记录无接收信号的状态下的噪声谱，从接收信号的谱减去该噪声谱，并且针对该信号谱，进行与从频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正，所以即使在产生了噪声谱的水平变动的情况下，也能够高精度地进行风速测定。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的风测量相干雷达装置的结构图。

图2是示出本发明的实施方式1的风测量相干雷达装置的噪声谱的相减至偏置校正的动作的说明图(之1)。

图3是示出本发明的实施方式1的风测量相干雷达装置的噪声谱的相减至偏置校正的动作的说明图(之2)。

图4是示出本发明的实施方式1的风测量相干雷达装置的偏置值的导出和偏置的校正的说明图。

(符号说明)

1：光源；2：光分配器；3：脉冲调制器；4：光循环器；5：光天线；6：光耦合器；7：光接收机；8：A/D变换器；9：FFT装置；10：噪声谱差分装置；11：偏置校正装置；12：频移解析装置；13：风速换算装置。

具体实施方式

以下，为了更详细地说明本发明，依照附图，说明用于实施本发明的方式。

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1的风测量相干雷达装置的结构图。

在图1所示的风测量相干雷达装置中，光源1与光分配器2连接，光分配器2连接到脉冲调制器3和光耦合器6。脉冲调制器3与光循环器4连接，光循环器4连接到光天线5和光耦合器6。光耦合器6还与光接收机7连接。光接收机7与模拟-数字变换器(以下称为A/D变换器)8连接，A/D变换器8与快速傅立叶解析装置(以下称为FFT装置)9连接。FFT装置9与噪声谱差分装置10连接，噪声谱差分装置10与偏置校正装置11连接。偏置校正装置11与频移解析装置12连接，频移解析装置12与风速换算装置13连接。

另外，在图1中，如粗线所示，光源1与光分配器2之间、光分配器2与脉冲调制器3之间、光分配器2与光耦合器6之间、脉冲调制器3与光循环器4之间、光循环器4与光天线5之间、光循环器4与光耦合器6之间、光耦合器6与光接收机7之间通过光纤电缆那样的光线路来连接。

另一方面，在图1中，如细线所示，光接收机7与A/D变换器8之间、A/D变换器8与FFT装置9之间、FFT装置9与噪声谱差分装置10之间、噪声谱差分装置10与偏置校正装置11之间、偏置校正装置11与频移解析装置12之间、频移解析装置12与风速换算装置13之间通过电信号电缆那样的电气电路来连接。

光源1具有发送由单一频率构成的连续波光的功能，光分配器2是用于对来自光源1的光进行二分支并将一方送到脉冲调制器3、将另一方送到光耦合器6的分配器。脉冲调制器3是针对所输入的光提供规定的频移、而且施加脉冲调制的调制器。光循环器4具有如下功能：将来自脉冲调制器3的光信号送到光天线5，并且将来自光天线5的光信号送到光耦合器6。光天线5是用于将来自光循环器4的光信号发送到大气中、并且将来自大气中的散射光作为接收光而送到光循环器4的发送接收天线。光耦合器6是用于对来自光分配器2和光循环器4的光信号进行合波并送到光接收机7的光合波器。光接收机7是用于将来自光耦合器6的光信号通过外差检波而变换为电信号、并送到A/D变换器8的接收机。

A/D变换器8是对光接收机7的接收电信号进行模拟/数字变换的电路，FFT装置9是通过快速傅立叶变换进行接收电信号的频率解析的装置。噪声谱差分装置10是构成对无接收信号的状态下的噪声谱进行记录的噪声谱记录单元、和从接收信号的谱减去噪声谱的噪声谱差分单元的装置。在该噪声谱差分装置10中构成为如下：将未接收散射光的状态的接收谱作为噪声谱来预先记录，从接收了光的状态的接收谱减去噪声谱。偏置校正装置11是构成偏置校正单元的装置，其中，该偏置校正单元对于减去了噪声谱的信号谱，进行与从接收信号的频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正。该偏置校正装置11构成为如下：对于减去了噪声谱的信号谱进行偏置校正，使得从频率峰值位置充分离开了的频率位置处的噪声水平成为零。频移解析装置12是构成针对偏置校正后的信号谱进行信号处理而测定频移的频移解析单元的装置。该频移解析装置12构成为如下：针对偏置校正后的信号谱进行峰值检测处理、重心运算处理等，测定频移量。风速换算装置13构成根据频移量进行风速检测的风速换算单元，构成为从频移量变换为风速值而输出。

接下来，说明实施方式1的风测量相干雷达装置的动作。

从光源1发送由单一频率构成的连续波光，通过光分配器2对该光信号进行了分配之后，将一方发送到脉冲调制器3，将另一方发送到光耦合器6。在脉冲调制器3中，针对所输入的光提供规定的频移，进而根据具有规定的脉宽和重复周期的调制信号进行脉冲化。将该脉冲化了的光信号经由光循环器4、光天线5发送到大气中。发送到大气中的光信号由于大气中漂浮的悬浮微粒等散射体而被散射，将该散射光通过光天线5作为接收光来接收。此时，悬浮微粒等散射体随风移动，所以在接收光中产生与风速相当的多普勒偏移频率。将上述接收光经由光天线5、光循环器4送到光耦合器6。在光耦合器6中，对来自光分配器2的连续波光和上述接收光进行合波，送到光接收机7。

此处，示出了针对通过脉冲调制器3所输入的光提供规定的频移、进而根据具有规定的脉宽和重复周期的调制信号进行脉冲化的方法，但也可以构成为如下：根据具有规定的脉宽和重复周期的调制信号进行脉冲化，在光分配器2与光耦合器6之间插入提供规定的频移的音响光学元件等。

在光接收机7中，对上述连续波光和上述接收光进行外差检波而变换为作为电信号区域的接收信号。此时，接收信号的频率成为与和风速相当的多普勒频移相同的值。接下来，在A/D变换器8中，进行来自光接收机7的接收信号的A/D变换，将该数字信号送到FFT装置9。在FFT装置9中，对接收数字信号进行FFT，求出接收谱。

在噪声谱差分装置10中，在从上述光源1发送连续波光并在FFT装置9中求出接收谱的过程中，例如不照射激光，而将未接收散射光的状态下的接收谱作为噪声谱来预先记录，在dB区域中实施与接收了散射光时的接收谱的相减，求出信号谱。而且，将强度水平变换到线性区域。

此处，关于预先记录的噪声谱，既可以是与激光脉冲的1个触发(one shot)相当的时间分辨率下的测定，也可以累计n次来测定。

图2以及图3是示出噪声谱的相减至偏置校正时的动作的说明图。另外，图2中的右端的图和图3中的左端的图表示线性变换后的相同的图。

图2中的左端的图示出未接收散射光时的接收谱(噪声谱)和接收了散射光时的接收谱的例子。另外，在图2以及图3中，(a)是相对于预先记录了的噪声谱而接收谱的噪声水平是大致相同水平的情况、(b)是相对于预先记录了的噪声谱而接收谱的噪声水平更大的情况、(c)是相对于预先记录了的噪声谱而接收谱的噪声水平更小的情况的例子。由于温度变化、光源的功率变化而产生这些变动。

如果通过噪声谱差分装置10从接收谱减去噪声谱，则噪声谱的“形状”被校正，能够得到在相对强度0dB上重叠了偏置的信号谱。由此，能够防止在噪声谱的强度高于信号谱的情况下在后述的偏置校正装置11、频移解析装置12中的峰值频率位置的测定中误检测噪声谱的峰值频率。

由噪声谱差分装置10所得到的线性区域中的信号谱具有偏置，而且在噪声谱的强度水平相对预先记录了的噪声谱发生了变动的情况下，所述偏置量发生变动。在偏置校正装置11中，针对所述线性区域中的信号谱，设置信号谱形状的相关滤波器来测定大致的峰值频率位置，在从该频率位置充分离开了的频率位置处求出偏置量，从信号谱减去该偏置量。由此，得到进行了偏置校正的信号谱。

图4是示出偏置校正装置11中的峰值频率、偏置量的导出原理、以及偏置校正的图，(a)、(b)、(c)示出与图2以及图3同样的情况。在偏置量的导出中，首先，使用适合信号谱形状的滤波器来计算相关值。此时，将相关值成为最大的频率设为大致的峰值频率。接下来，根据此时的相关波形的频宽Δν，将从频率峰值位置离开了Δν×n(n是1以上的整数)倍的频率作为偏置值来参照并进行校正。

此处，关于从频率峰值位置充分离开了的频率位置处的偏置量的导出，既可以根据单点的时间平均值来求出，也可以根据一定的频宽的平均值来求出。另外，关于从频率峰值位置充分离开了的频率位置，既可以在预先确定的频带中计算偏置量，也可以在从所测定的频率峰值位置离开了规定的频率的位置处计算偏置量。另外，还有时根据所测定的频率峰值位置，选择是测定向高频侧离开了的频率位置的偏置量、还是测定向低频侧离开了的频率位置的偏置量。

接下来，在频移解析装置12中，针对上述偏置校正后的信号谱，通过重心运算来求出信号峰值频率，进而通过风速换算装置13，根据激光频率和所述峰值频率来计算风速值。

此处，关于进行重心运算的频率范围，既可以在整个频域中实施，也可以为了减轻信号处理负荷，仅在由偏置校正装置11求出了的频率峰值位置周边实施。

此处，噪声谱具有频率特性，对未减去噪声谱的接收谱进行线性变换，在通过重心运算检测到频率峰值的情况下，重心运算受到噪声的影响，导致在相对频率峰值位置的真正值(true value)进行了偏移的位置处检测频率峰值。即，在测定的频移量中产生误差，无法进行正确的风速测定。

另外，即使从接收谱减去噪声谱而导出信号谱，在噪声谱的强度水平中有变动的情况下，在线性区域中的所述信号谱中产生偏置。此处，关于信号峰值位置的重心，一般根据利用

$f_g=\frac{\mathrm{\Σx}\left(f\right)\·f}{\mathrm{\Σx}\left(f\right)}$

来定义的信号谱的1次力矩来导出。此处，fg是重心位置、f是频率、x是各频率中的振幅。因此，在相对于信号谱的振幅而所述偏置更大的情况下，无法正确地导出重心位置。即，在测定的频移量中产生误差，无法进行正确的风速测定。

相对于此，在实施方式1的风测量用相干雷达装置中，即使在噪声谱中有频率特性、并且在噪声谱的强度水平中有变动的情况下，通过从接收谱减去噪声谱而导出信号谱，进而对线性区域中的信号谱进行偏置校正，从而能够通过重心运算来高精度地检测信号谱的频率峰值位置。即，能够正确地测定频移量，能够进行高精度的风速测定。

而且，即使在噪声谱中有频率特性、并且在噪声谱的强度水平中有变动的情况下，通过从接收谱减去噪声谱而导出信号谱，进而对线性区域中的信号谱进行偏置校正，从而能够根据利用

$f^2=\frac{\mathrm{\Σx}\left(f\right)\·f^2}{\mathrm{\Σx}\left(f\right)}$

来定义的2次力矩，正确地检测信号谱的频宽。由此，能够推测要测定的风速场的紊乱。

另外，在实施方式1的风测量用相干雷达装置中，针对每个测定，记录噪声水平和信号水平(接收信号的频率峰值水平)，所以即使在噪声水平变动了的情况下，也能够正确地导出测定时的接收信号相对噪声的比(以下记载为接收SN比)。一般，在噪声是白色噪声的情况下，如果接收SN比低，则信号强度的偏差变大，在频率峰值位置的检测精度中也产生偏差。因此，能够得到与针对根据接收SN比而检测出的频率峰值位置(风速值)的可靠性、精度有关的指标。

如以上说明，根据实施方式1的风测量相干雷达装置，在相对于大气中收发由单一频率构成的激光并根据通过外差检波所得到的接收信号进行风速检测的风测量相干雷达装置中，具备：噪声谱记录单元，记录无接收信号的状态下的噪声谱；噪声谱差分单元，从接收信号的谱减去噪声谱；偏置校正单元，针对减去了噪声谱的信号谱，进行与从接收信号的频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正；频移解析单元，对偏置校正后的信号谱进行信号处理，测定频移；以及风速换算单元，根据频移量来进行风速检测，所以即使在产生了噪声谱的水平变动的情况下，也能够高精度地测定风速。

另外，本申请发明能够在本发明的范围内实现实施方式的任意的构成要素的变形、或者实施方式的任意的构成要素的省略。

产业上的可利用性

本发明的风测量相干雷达装置构成为记录无接收信号的状态下的噪声谱，从接收信号的谱减去该噪声谱，并且针对该信号谱，进行与从频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正，即使在产生了噪声谱的水平变动的情况下，也能够高精度地进行风速测定，所以适用于测定大气中的风速的风测量相干雷达装置。

Claims (1)

1.一种风测量相干雷达装置，相对于大气中收发由单一频率构成的激光，并根据通过外差检波所得到的接收信号进行风速检测，所述风测量相干雷达装置的特征在于，具备：

噪声谱记录单元，记录无所述接收信号的状态下的噪声谱；

噪声谱差分单元，从所述接收信号的谱减去所述噪声谱；

偏置校正单元，针对减去了所述噪声谱的信号谱，进行与从所述接收信号的频率峰值位置离开了规定的值的频率的噪声水平对应的偏置校正；

频移解析单元，对所述偏置校正后的信号谱进行信号处理，测定频移；以及

风速换算单元，根据所述频移量来进行风速检测。