CN107110958B - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

激光雷达装置具有：光源(1)，其产生单一波长的光；调制器(3)，其对所产生的光进行调制而成为发送光；能够进行射束扫描的射束扫描部(7)，其照射调制而成的发送光，接收被反射的接收光；射束扫描控制部(8)，其对照射方向进行控制；信号处理部(12)，其使用所产生的光和接收到的对应的接收光进行外差检波，从而进行风速计测；以及光轴校正部(9)，其根据射束扫描部(7)的照射方向、射束扫描的角速度和风速计测距离，针对信号处理部(12)中使用的接收光或射束扫描部(7)中使用的发送光，校正伴随该射束扫描而在发送光与接收光之间产生的光轴角度偏移。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及进行风速计测的激光雷达装置。
背景技术
在基于激光雷达装置的风速计测中，在大气中照射激光脉冲光作为发送光，接收悬浮微粒(aerosol)引起的散射光(反射光)作为接收光。而且，通过发送光的本地光即单一波长的连续光与接收光的外差检波，求出由于悬浮微粒的移动而产生的多普勒位移，计测照射方向的风速。根据对外差检波后的信号进行傅里叶变换而得到的谱来计算该多普勒位移。并且，通过切换发送光的照射方向来变更风速计测方向(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-046930号公报
发明内容
发明要解决的课题
这里，在激光雷达装置中，为了提高风速计测速率，需要实现射束扫描的高速化。另一方面，由于该射束扫描，在发送光与接收光之间产生光轴角度偏移。并且，该射束扫描越快，则特别是来自远方的接收光与发送光之间的光轴角度偏移越大。另外，在不进行射束扫描的情况下，不存在发送光接收光之间的光轴角度偏移，但是，该情况下，风速计测方向仅限于一个方向。
上述光轴角度偏移导致与接收光的耦合效率降低。因此，接收信号强度降低，存在射束扫描的高速化(即风速计测速率的高速化)引起能够进行风速计测的距离降低这样的课题。
本发明正是为了解决上述这种课题而完成的，其目的在于，提供如下的激光雷达装置：对由于射束扫描引起的发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正，从而能够进行风速计测而不降低接收信号强度。
用于解决课题的手段
本发明的激光雷达装置具有：光源，其产生单一波长的光；调制器，其对由光源产生的光进行调制而成为发送光；能够进行射束扫描的射束扫描部，其照射由调制器调制而成的发送光，接收被反射的光作为接收光；射束扫描控制部，其对射束扫描部的照射方向进行控制；信号处理部，其使用由光源产生的光和由射束扫描部接收到的对应的接收光进行外差检波，从而进行风速计测；以及光轴校正部，其根据射束扫描部的照射方向、射束扫描的角速度和风速计测距离，针对信号处理部中使用的接收光或射束扫描部中使用的发送光，校正伴随该射束扫描在发送光与接收光之间产生的光轴角度偏移，光轴校正部具有：2枚楔形棱镜，其被配置成平坦面与作为基准的光轴垂直；以及旋转控制部，其根据所述射束扫描部的照射方向、射束扫描的角速度和风速计测距离对楔形棱镜进行旋转控制，由此，校正光轴角度偏移。
发明效果
根据本发明，如上所述地构成，因此，对由于射束扫描引起的发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正，从而能够进行风速计测而不降低接收信号强度。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构的图。
图2是示出本发明的实施方式1中的射束扫描光学系统的结构的图。
图3是示出本发明的实施方式1中的光轴校正部的结构的图。
图4是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的整体动作的流程图。
图5是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构的图。
图6是示出本发明的实施方式2中的射束扫描光学系统的结构的图。
图7是说明本发明的实施方式2中的射束扫描光学系统的光轴校正功能的图。
图8是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的整体动作的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构的图。
如图1所示，激光雷达装置由光源1、光分配器2、脉冲调制器(调制器)3、发送侧光学系统4、发送接收分离部5、折返镜6、射束扫描光学系统(射束扫描部)7、射束扫描控制部8、光轴校正部9、接收侧光学系统10、光耦合器11和信号处理部12构成。
光源1具有产生作为能够被大气中的悬浮微粒散射(反射)的波段的单一波长的光(连续光)的功能。由该光源1产生的光被输出到光分配器2。
光分配器2具有对来自光源1的光进行二分割的功能。由该光分配器2二分割而成的光中的一方被输出到脉冲调制器3，另一方被输出到光耦合器11。
脉冲调制器3具有对来自光分配器2的光进行调制(脉冲调制)的功能和赋予期望的频移的功能。由该脉冲调制器3调制而成的光作为发送光被输出到发送侧光学系统4。
发送侧光学系统4具有将来自脉冲调制器3的发送光整形成期望的射束直径和发散角的功能。由该发送侧光学系统4整形后的发送光被输出到发送接收分离部5。
发送接收分离部5具有根据输入光来切换输出目的地的功能。这里，发送接收分离部5在被输入来自发送侧光学系统4的发送光的情况下，将该发送光输出到折返镜6。并且，在被输入来自折返镜6的接收光的情况下，将该接收光输出到光轴校正部9。该发送接收分离部5设置在发送光的光轴上。
折返镜6具有将来自发送接收分离部5的发送光送到射束扫描光学系统7的功能、以及将来自射束扫描光学系统7的接收光送到发送接收分离部5的功能。该折返镜6可以由1枚镜构成，也可以由多枚镜构成。该折返镜6设置在发送光的光轴上。
射束扫描光学系统7具有在大气中照射来自折返镜6的发送光并接收被悬浮微粒散射(反射)后的光作为接收光的功能、以及通过改变发送光的照射方向而能够进行射束扫描的功能。该射束扫描光学系统7设置在发送光的光轴上。该射束扫描光学系统7的结构例容后再述。
射束扫描控制部8具有根据来自信号处理部12的信息(表示射束扫描角速度和射束扫描方法的信息)对射束扫描光学系统7的照射方向进行控制的功能。即，射束扫描控制部8对射束扫描光学系统7的后述的方位角变更用镜71和仰角变更用镜72的旋转角进行控制。由此，对发送光的照射方向(方位角和仰角)进行控制。并且，射束扫描控制部8还具有将射束扫描光学系统7的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)送到光轴校正部9和信号处理部12的功能。通过基于软件的使用CPU的程序处理来执行该射束扫描控制部8。
光轴校正部9具有如下的功能：根据来自射束扫描控制部8的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)和来自信号处理部12的信息(表示根据射束扫描角速度和风速计测距离求出的光轴角度偏移量的信息)，针对来自发送接收分离部5的接收光，校正由于射束扫描引起的发送光与接收光之间产生的光轴角度偏移。该光轴校正部9设置在作为基准的接收光(未进行射束扫描的状态下的接收光)的光轴上。该光轴校正部9的结构例容后再述。由该光轴校正部9校正后的接收光被输出到接收侧光学系统10。
接收侧光学系统10具有将来自光轴校正部9的接收光整形成期望的射束直径和发散角的功能。该接收侧光学系统10设置在作为基准的接收光的光轴上。由该接收侧光学系统10整形后的接收光被输出到光耦合器11。
光耦合器11具有对来自光分配器2的光(连续光)和来自接收侧光学系统10的对应的接收光进行合波的功能。由该光耦合器11合波后的光被输出到信号处理部12。
信号处理部12具有对来自光耦合器11的光进行外差检波来计算频移的功能、以及基于来自射束扫描控制部8的控制信息根据计算出的频移来计算风速的功能。并且，信号处理部12还具有设定射束扫描角速度和射束扫描方法并将该信息送到射束扫描控制部8的功能。进而，信号处理部12还具有根据射束扫描角速度和风速计测距离计算光轴角度偏移量并将表示该光轴角度偏移量的信息送到光轴校正部9的功能。通过基于软件的使用CPU的程序处理来执行该信号处理部12。
接着，参照图2对射束扫描光学系统7的结构例进行说明。
如图2所示，射束扫描光学系统7由方位角变更用镜71和仰角变更用镜72构成。
方位角变更用镜71具有对发送光的照射方向的方位角进行变更的功能。即，方位角变更用镜71具有独立的旋转轴A1，根据射束扫描控制部8的控制而绕旋转轴A1旋转，由此变更方位角。该方位角变更用镜71设置在发送光的光轴上。
仰角变更用镜72具有对发送光的照射方向的仰角进行变更的功能。即，仰角变更用镜72具有独立的旋转轴A2，根据射束扫描控制部8的控制而绕旋转轴A2旋转，由此变更仰角。另外，仰角变更用镜72伴随方位角变更用镜71的旋转而以旋转轴A1为轴心转动。该仰角变更用镜72设置在发送光的光轴上。
而且，例如，在固定仰角变更用镜72的角度的状态下，使方位角变更用镜71绕旋转轴A1旋转，由此，能够在方位角方向上0度～360度的范围内改变发送光的出射方向。另外，在使方位角变更用镜71绕旋转轴A1旋转时，仰角变更用镜72固定于相同的旋转坐标系。此时，发送光的照射方向的仰角由仰角变更用镜72的角度决定。
并且，方位角变更用镜71和仰角变更用镜72还具有如下的功能：针对被照射的发送光，接收被大气中的散射体散射后的散射光作为接收光，并将该接收光引导至折返镜6。
接着，参照图3对光轴校正部9的结构例进行说明。
如图3所示，光轴校正部9由2枚楔形棱镜91a、91b和旋转控制部92构成。
楔形棱镜91a、91b具有针对来自发送接收分离部5的接收光校正由于射束扫描引起的发送光接收光之间产生的光轴角度偏移的功能。该楔形棱镜91a、91b被设置成其平坦面与作为基准的接收光的光轴垂直(包含大致垂直的意思)且2个平坦面平行(包含大致平行的意思)。
旋转控制部92具有根据来自射束扫描控制部8的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)和来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量的信息)计算楔形棱镜91a、91b的旋转角的功能、以及根据计算出的旋转角分别独立地对楔形棱镜91a和楔形棱镜91b进行旋转控制的功能。通过基于软件的使用CPU的程序处理来执行该旋转控制部92。
接着，使用图3对光轴校正部9的动作进行说明。
使用图3说明由于射束扫描(发送光的照射方向的变化)而使接收光相对于作为基准的接收光的光轴301引起什么样的光轴角度偏移。
如图3所示，伴随射束扫描被送到接收侧光学系统10的接收光的角度从光轴301偏移光轴角度偏移量θ。
进而，伴随射束扫描，接收光的行进方向变化。在图3中，利用箭头302表示作为基准的接收光的行进方向，利用箭头303表示基于射束扫描的接收光的行进方向。例如，在由于射束扫描而使发送光的照射方向相对于方位角在0度～360度内等速旋转的情况下，在使光轴角度偏移量θ保持恒定的状态下，接收光的光轴偏移方向也以光轴301为轴进行旋转。在图3中，使用变量ψ表示以光轴301为轴的接收光的光轴偏移方向。
然后，在楔形棱镜91a、91b中，校正依赖于这2个角度θ、ψ的接收光的光轴角度偏移。
如上所述，在射束扫描的期间内，接收光的光轴偏移方向ψ始终变化。因此，在光轴校正部9中，需要始终接收射束扫描控制部8的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)并校正光轴偏移。下面，定量地叙述光轴角度偏移量θ和光轴偏移方向ψ。
首先，信号处理部12对光轴校正部9发送表示光轴角度偏移量θ的信息。
另外，通过射束扫描角速度ω、对发送光接收光之间的光轴角度偏移量进行校正的风速计测距离L和光速度c，利用下式(1)求出光轴角度偏移量θ。
Figure GDA0002229631310000061
接着，光轴校正部9从射束扫描控制部8逐次接收控制信息(各镜71、72的旋转角γ1(t)、γ2(t))。这里，t是时间变量，γ1(t)、γ2(t)表示各镜71、72的旋转角随着时间而变化。另外，通过γ1(t)、γ2(t)唯一确定发送光的照射方向。
接着，光轴校正部9根据光轴角度偏移量θ和各镜71、72的旋转角γ1(t)、γ2(t)，决定楔形棱镜91a、91b的旋转角Φ1、Φ2。
这里，利用下式(2)～(4)求出楔形棱镜91a、91b的旋转角Φ1、Φ2。
Φ1＝Φ2+σ (2)
Φ2＝tan-1(tanψ(cosσ+1)-sinσ)/(cosσ+1+sinσtanψ) (3)
σ＝cos-1(θ2-2δ2)/2δ2 (4)
另外，根据楔形棱镜91a、91b的折射率n和楔形棱镜91a、91b的倾斜角α，利用下式(5)求出δ，该δ表示入射到1枚楔形棱镜91的光线折射的角度。
δ＝(n-1)α (5)
另外，在式(2)～(4)中，假设楔形棱镜91a、91b的折射率相等。
光轴偏移方向ψ是由各镜71、72的旋转角γ1(t)、γ2(t)和折返镜6的反射面的方向余弦β决定的变量，表示从发送接收分离部5入射到光轴校正部9的楔形棱镜91a、91b的接收光的光轴偏移方向。
利用下式(6)求出该光轴偏移方向ψ。
ψ＝ψ(γ1(t)，γ2(t)，β) (6)
由此，在光轴校正部9中进行ψ的计算，然后计算楔形棱镜91a、91b的旋转角Φ1、Φ2。然后，根据其结果对楔形棱镜91a、91b进行旋转控制。
接着，参照图4对如上所述构成的激光雷达装置的整体动作进行说明。
在激光雷达装置的整体动作中，如图4所示，在开始射束扫描之前，首先，信号处理部12设定射束扫描角速度ω以及对发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正的风速计测距离L(步骤ST401、402)。然后，根据它们计算光轴角度偏移量θ(步骤ST403)。表示该光轴角度偏移量θ的信息被送到光轴校正部9。另外，也可以在信号处理部12中进行射束扫描角度ω和风速计测距离L的设定，利用光轴校正部9的旋转控制部92计算光轴角度偏移量θ。
进而，信号处理部12将表示射束扫描角速度ω和射束扫描方法(各镜71、72的旋转控制方法)的信息送到射束扫描控制部8。
接着，光轴校正部9的旋转控制部92根据来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量θ的信息)，利用式(2)、(4)、(5)计算楔形棱镜91a、91b的相对的角度差(步骤ST404)。然后，旋转控制部92根据其计算结果，对楔形棱镜91a、91b赋予相对的角度差(步骤ST405)。由此，能够校正光轴角度偏移量θ。另外，在射束扫描过程中，设射束扫描角速度ω和对发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正的风速计测距离L恒定的情况下，该角度差始终恒定。
接着，开始风速计测(步骤ST406)。即，光源1产生由单一波长构成的光(连续光)，光分配器2对该光进行二分割。由该光分配器2二分割而成的光中的一方被输出到脉冲调制器3，另一方被输出到光耦合器11。
接着，脉冲调制器3对来自光分配器2的光进行脉冲调制，赋予期望的频移。由该脉冲调制器3调制而成的光作为发送光被输出到发送侧光学系统4。
接着，发送侧光学系统4将来自脉冲调制器3的发送光整形成期望的射束直径和发散角。由该发送侧光学系统4整形后的发送光经由发送接收分离部5和折返镜6被输出到射束扫描光学系统7。
接着，射束扫描控制部8根据来自信号处理部12的信息(表示射束扫描角速度ω和射束扫描方法的信息)，对射束扫描光学系统7的照射方向进行控制(步骤ST407)。由此，射束扫描光学系统7向大气中的规定的照射方向照射来自折返镜6的发送光。然后，射束扫描控制部8将控制信息(表示发送光的照射方向的信息)送到光轴校正部9的旋转控制部92和信号处理部12。
然后，被照射到大气中的发送光被大气中的悬浮微粒等散射体散射。然后，射束扫描光学系统7接收该散射光作为接收光。在该接收光中产生与风速对应的多普勒频移。由该射束扫描光学系统7接收到的接收光经由折返镜6和发送接收分离部5被输出到光轴校正部9。
接着，光轴校正部9的旋转控制部92根据来自射束扫描控制部8的控制信息(各镜71、72的旋转角γ1(t)、γ2(t))和来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量θ的信息)，利用式(6)计算光轴偏移方向ψ，利用式(2)、(3)计算楔形棱镜91a、91b的旋转角Φ1、Φ2(步骤ST408、409)。接着，旋转控制部92根据其计算结果，在维持着楔形棱镜91a、91b的相对的角度差的状态下，同时对2枚楔形棱镜91a、91b进行旋转控制(步骤ST410)。由该光轴校正部9校正后的接收光被输出到接收侧光学系统10。
接着，接收侧光学系统10将来自光轴校正部9的接收光整形成期望的射束直径和发散角。由该接收侧光学系统10整形后的接收光被输出到光耦合器11。
接着，光耦合器11对来自光分配器2的光(连续光)和来自接收侧光学系统10的接收光进行合波。由该光耦合器11合波后的光被输出到信号处理部12。
接着，信号处理部12对来自光耦合器11的光进行外差检波，从接收信号中导出频移，基于来自射束扫描控制部8的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)，根据导出的频移计算该照射方向上的风速。
并且，在射束扫描中γ1(t)、γ2(t)是时间函数，由此可知，旋转角Φ1、Φ2时时刻刻地变化。因此，在光轴校正部9中，始终取得来自射束扫描控制部8的控制信息(γ1(t)、γ2(t))，反复进行楔形棱镜91a、91b的旋转控制。
如上所述，根据本实施方式1，构成为根据发送光的照射方向、射束扫描角速度和风速计测距离，针对由射束扫描光学系统7接收到的接收光，校正伴随射束扫描而在发送光与接收光之间产生的光轴角度偏移。因此，校正由于射束扫描引起的发送光接收光之间的光轴角度偏移，能够进行风速计测而不降低接收信号强度。由此，在为了提高风速计测速率而使射束扫描角速度高速化的情况下，也能够进行远方的风速计测，能够实现风速计测的长距离化和高速率化。并且，能够任意调整光轴角度偏移量，因此，能够针对任意的射束扫描角速度进行光轴校正。
另外，在上述光轴校正部9中，示出了使用2枚楔形棱镜91a、91b构成的情况。但是不限于此，也可以由使用2个镜的反射光学系统构成。
并且，以上设2枚楔形棱镜91a、91b的折射率相等。但是不限于此，也可以利用折射率分别不同的材料构成2枚楔形棱镜91a、91b。
并且，在图1中，示出了将光轴校正部9配置在发送接收分离部5与接收侧光学系统10之间的情况。但是不限于此，也可以将光轴校正部9配置在发送侧光学系统4与发送接收分离部5之间。此时，楔形棱镜91a、91b被设置成其平坦面与作为基准的发送光的光轴垂直(包含大致垂直的意思)且2个平坦面平行(包含大致平行的意思)。
该情况下，与将光轴校正部9配置在发送接收分离部5与接收侧光学系统10之间的情况同样地，利用式(2)、(4)、(5)计算2枚楔形棱镜91a、91b的相对的角度差，赋予相对的角度差。然后，在射束扫描中，始终取得来自射束扫描控制部8的控制信息(γ1(t)、γ2(t))，使楔形棱镜91a、91b旋转。通过这样地对发送光赋予光轴角度偏移，在将光轴校正部9配置在发送接收分离部5与接收侧光学系统10之间的情况下，接收侧光学系统10中产生的光轴角度偏移量和光轴偏移方向(图1所示的θ、ψ)为0，不存在进入接收侧光学系统10的接收光的光轴角度偏移。
另一方面，在将光轴校正部9配置在发送侧光学系统4与发送接收分离部5之间的情况下，如上所述，对发送光赋予光轴角度偏移并向大气中照射，但是，例如在360度的射束扫描中，与有无光轴角度偏移无关地在360度的范围内进行照射，因此，不存在对射束扫描的影响。
并且，也可以在射束扫描的期间内，变更对发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正的风速计测距离L。该情况下，根据式(1)，光轴角度偏移量θ变化，因此，在光轴校正部9中，在变更了风速计测距离L的情况下，需要变更楔形棱镜91a、91b的相对的角度差。
实施方式2
在实施方式1中，示出了分别独立地构成射束扫描光学系统7的旋转系统和光轴校正部9的旋转系统的情况。与此相对，在实施方式2中，示出如下的情况：将光轴校正部9的功能内置于射束扫描光学系统7，利用该射束扫描光学系统7的射束扫描中使用的旋转系统校正光轴角度偏移。
图5是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的结构的图。该图5所示的实施方式2的激光雷达装置从图1所示的实施方式1的激光雷达装置中去除光轴校正部9，将射束扫描光学系统7变更成具有光轴校正功能的射束扫描光学系统(射束扫描部)13。其他结构相同，标注相同标号，仅对不同部分进行说明。另外，信号处理部12将表示光轴角度偏移量的信息送到射束扫描光学系统13(后述的旋转控制部1328)。
射束扫描光学系统13除了具有实施方式1中的射束扫描光学系统7的功能以外，还具有如下的功能：根据来自射束扫描控制部8的控制信息和来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量的信息)，针对接收到的接收光，校正由于射束扫描引起的发送光接收光之间产生的光轴角度偏移。
接着，参照图6对具有光轴校正功能的射束扫描光学系统13的结构例进行说明。
如图6所示，射束扫描光学系统13由方位角变更用镜131和仰角变更部132构成。
方位角变更用镜131具有对发送光的照射方向的方位角进行变更的功能。即，方位角变更用镜131具有独立的旋转轴A1，根据射束扫描控制部8的控制而绕旋转轴A1旋转，由此变更方位角。该方位角变更用镜131设置在发送光的光轴上。
仰角变更部132具有对发送光的照射方向的仰角进行变更的功能、以及根据来自射束扫描控制部8的控制信息和来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量的信息)针对接收到的接收光校正由于射束扫描引起的发送光接收光之间产生的光轴角度偏移的功能。该仰角变更部132由偏振射束分离器1321、1/2波长板1322、偏振射束分离器1323、1/4波长板1324、楔形棱镜1325a、1325b、镜1326a、1326b、1/2波长板1327、旋转控制部1328构成。
偏振射束分离器1321具有透过来自方位角变更用镜131的发送光并且反射来自1/2波长板1327的接收光的功能。该偏振射束分离器1321设置在发送光的光轴上。透过该偏振射束分离器1321后的发送光被输出到1/2波长板1322，被反射的接收光被输出到方位角变更用镜131。
1/2波长板1322具有使来自偏振射束分离器1321的发送光的偏振方向旋转90度的功能。该1/2波长板1322设置在发送光的光轴上。偏振方向被该1/2波长板1322旋转90度后的发送光被输出到偏振射束分离器1323。
偏振射束分离器1323具有反射来自1/2波长板1322的发送光并且透过来自1/4波长板1324的接收光的功能。该偏振射束分离器1323设置在发送光的光轴上。被该偏振射束分离器1323反射后的发送光被输出到1/4波长板1324，透过的接收光被输出到楔形棱镜1325a、1325b。
1/4波长板1324具有向大气中照射来自偏振射束分离器1323的发送光的功能、以及接收来自大气的散射光作为接收光的功能。该1/4波长板1324设置在发送光的光轴上。由该1/4波长板1324接收到的接收光被输出到偏振射束分离器1323。
楔形棱镜1325a、1325b具有针对来自偏振射束分离器1323的接收光校正由于射束扫描引起的发送光接收光之间产生的光轴角度偏移的功能。该楔形棱镜1325a、1325b被设置成其平坦面与作为基准的接收光的光轴垂直(包含大致垂直的意思)且2个平坦面平行(包含大致平行的意思)。由该楔形棱镜1325a、1325b校正后的接收光被输出到镜1326a。
镜1326a、1326b具有反射来自楔形棱镜1325a、1325b的接收光并将其送到1/2波长板1327的功能。该镜1326a、1326b设置在接收光的光轴上。
1/2波长板1327具有使来自镜1326a、1326b的接收光的偏振方向旋转90度的功能。该1/2波长板1327设置在接收光的光轴上。偏振方向被该1/2波长板1327旋转90度后的接收光被输出到偏振射束分离器1321。
旋转控制部1328具有根据来自射束扫描控制部8的控制信息和来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量的信息)计算楔形棱镜1325a和楔形棱镜1325b的旋转角的功能、以及根据计算出的旋转角分别独立地对楔形棱镜1325a和楔形棱镜1325b进行旋转控制的功能。通过基于软件的使用CPU的程序处理来执行旋转控制部1328。
另外，仰角变更部132的图6中的由虚线包围的结构要素全部具有共同的旋转轴，将被方位角变更用镜131反射后的发送光(图6中的黑箭头)的光轴作为旋转轴，全部同时旋转。由此，能够相对于发送光的照射方向变更仰角方向。该旋转轴是与图2中的旋转轴A2相同的轴。作为使仰角变更部132的全部结构要素在共同的旋转轴上同时旋转的结构，例如可举出将全部结构要素配置在一个板上的结构。
接着，使用图7对具有光轴校正功能的射束扫描光学系统13的动作进行说明。
首先，信号处理部12对射束扫描光学系统13的旋转控制部1328发送表示光轴角度偏移量θ的信息。与实施方式1同样地，利用式(1)求出光轴角度偏移量θ。
接着，射束扫描光学系统13的旋转控制部1328根据光轴角度偏移量θ和来自射束扫描控制部8的控制信息(方位角变更用镜131和仰角变更部132的旋转角γ1(t)、γ2(t))，决定楔形棱镜1325a、1325b的旋转角。
这里，利用下式(7)～(9)求出楔形棱镜1325a、1325b的旋转角Φ1、Φ2。
Φ1＝Φ2+σ (7)
Φ2＝tan-1(tanξ(cosσ+1)-sinσ)/(cosσ+1+sinσtanξ) (8)
σ＝cos-1(θ2-2δ2)/2δ2 (9)
另外，δ是由式(5)给出的变量。并且，在式(7)～(9)中，假设楔形棱镜1325a、1325b的折射率相等。
并且，光轴偏移方向ξ是由方位角变更用镜131和仰角变更部132的旋转角γ1(t)、γ2(t)决定的变量，表示从偏振射束分离器1323入射到楔形棱镜1325a、1325b的接收光的光轴偏移方向。
利用下式(10)求出该光轴偏移方向ξ。
ξ＝ξ(γ1(t)，γ2(t)) (10)
这里，与实施方式1的不同之处在于，光轴偏移方向ξ是带条件的常数，产生不需要进行实施方式1所示的追随于射束扫描方向的变化的楔形棱镜1325a、1325b的旋转控制的条件。
光轴偏移方向ξ恒定的条件例如是如下的情况：在使方位角变更用镜131绕旋转轴A1旋转时，将旋转方向限于一个方向。并且，在固定方位角变更用镜131的旋转而仅将仰角变更部132限于一个方向进行旋转的情况下，也满足上述条件。
另一方面，在射束扫描过程中切换顺送和逆送的情况下，需要在切换的时点使楔形棱镜1325a、1325b的旋转角分别反转180度。
由此，在旋转控制部1328中进行ξ的计算，然后计算楔形棱镜1325a、1325b的旋转角Φ1、Φ2。然后，根据其结果对楔形棱镜1325a、1325b进行旋转控制。
接着，参照图8对实施方式2的激光雷达装置的整体动作进行说明。该实施方式2的激光雷达装置的整体动作与图4所示的实施方式1的整体动作基本相同。但是，在满足光轴偏移方向ξ恒定的条件的射束扫描方法的情况下，不需要逐次取得方位角变更用镜131和仰角变更部132的旋转角γ1(t)、γ2(t)的信息并对楔形棱镜1325a、1325b进行旋转控制。
在激光雷达装置的整体动作中，如图8所示，在开始射束扫描之前，首先，信号处理部12设定射束扫描角速度ω以及对发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正的风速计测距离L作为初始值(步骤ST801、802)。然后，根据它们计算光轴角度偏移量θ(步骤ST803)。表示该光轴角度偏移量θ的信息被送到射束扫描光学系统13。另外，也可以在信号处理部12中进行射束扫描角度ω和风速计测距离L的设定，利用射束扫描光学系统13的旋转控制部1328计算光轴角度偏移量θ。
进而，信号处理部12将表示射束扫描角速度ω和射束扫描方法(方位角变更用镜131和仰角变更部132的旋转控制方法)的信息送到射束扫描控制部8。
接着，射束扫描光学系统13的旋转控制部1328根据来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量的信息)，利用式(7)、(9)、(5)计算楔形棱镜1325a、1325b的相对的角度差(步骤ST804)。然后，旋转控制部1328根据其计算结果，对楔形棱镜1325a、1325b赋予相对的角度差(步骤ST805)。由此，能够校正光轴角度偏移量θ。另外，在射束扫描过程中，设射束扫描角速度ω和对发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正的风速计测距离L恒定的情况下，该角度差始终恒定。
接着，开始风速计测(步骤ST806)。即，光源1产生由单一波长构成的光(连续光)，光分配器2对该光进行二分割。由该光分配器2二分割而成的光中的一方被输出到脉冲调制器3，另一方被输出到光耦合器11。
接着，脉冲调制器3对来自光分配器2的光进行脉冲调制，赋予期望的频移。由该脉冲调制器3调制而成的光作为发送光被输出到发送侧光学系统4。
接着，发送侧光学系统4将来自脉冲调制器3的发送光整形成期望的射束直径和发散角。由该发送侧光学系统4整形后的发送光经由发送接收分离部5和折返镜6被输出到射束扫描光学系统13。
接着，射束扫描控制部8根据来自信号处理部12的信息(表示射束扫描角速度和射束扫描方法(γ1(t)、γ2(t))的信息)，对射束扫描光学系统13的照射方向进行控制(步骤ST807)。由此，射束扫描光学系统13向大气中的规定的照射方向照射来自折返镜6的发送光。然后，射束扫描控制部8将控制信息(表示发送光的照射方向的信息)送到信号处理部12和射束扫描光学系统13的旋转控制部1328。
接着，射束扫描光学系统13的旋转控制部1328根据来自射束扫描控制部8的控制信息和来自信号处理部12的信息(表示光轴角度偏移量的信息)，利用式(10)计算ξ，利用式(7)、(8)计算楔形棱镜1325a、1325b的旋转角Φ1、Φ2(步骤ST808、809)。接着，旋转控制部1328根据其计算结果，在维持着楔形棱镜1325a、1325b的相对的角度差的状态下，同时对2枚楔形棱镜1325a、1325b进行旋转控制(步骤ST810)。
然后，被照射到大气中的发送光被大气中的悬浮微粒等散射体散射。然后，射束扫描光学系统13接收该散射光作为接收光。在该接收光中产生与风速对应的多普勒频移。由该射束扫描光学系统13接收到的接收光经由折返镜6和发送接收分离部5被输出到接收侧光学系统10。
接着，接收侧光学系统10将来自发送接收分离部5的接收光整形成期望的射束直径和发散角。由该接收侧光学系统10整形后的接收光被输出到光耦合器11。
接着，光耦合器11对来自光分配器2的光(连续光)和来自接收侧光学系统10的接收光进行合波。由该光耦合器11合波后的光被输出到信号处理部12。
接着，信号处理部12对来自光耦合器11的光进行外差检波，从接收信号中导出频移，基于来自射束扫描控制部8的控制信息，根据导出的频移来计算风速。
另外，楔形棱镜1325a、1325b在被旋转控制后固定，在该射束扫描中不实施楔形棱镜1325a、1325b的旋转控制。
如上所述，根据本实施方式2，构成为将光轴校正部9内置于射束扫描光学系统7，利用该射束扫描光学系统7的射束扫描中使用的旋转系统校正光轴角度偏移。因此，在实施方式1的效果的基础上，不需要追随于与射束扫描相伴的发送光照射方向的方位角和仰角的变化而对楔形棱镜1325a、1325b进行同步旋转控制。由此，可减少装置的结构要素，能够减轻信号处理的负担。
另外，在上述射束扫描光学系统13中，示出了使用2枚楔形棱镜1325a、1325b构成的情况。但是不限于此，也可以由使用2个镜的反射光学系统构成。
并且，以上示出了对实施方式1的仰角变更用镜72附加光轴校正功能的情况，但是，也可以对方位角变更用镜71附加光轴校正功能。
并且，在图6中，示出了将消除光轴角度偏移的楔形棱镜1325a、1325b配置在偏振射束分离器1323与镜1326a之间的情况。但是不限于此，也可以将楔形棱镜1325a、1325b配置在1/2波长板1322与偏振射束分离器1323之间、或偏振射束分离器1321与1/2波长板1322之间。此时，楔形棱镜1325a、1325b被设置成其平坦面与作为基准的发送光的光轴垂直(包含大致垂直的意思)且2个平坦面平行(包含大致平行的意思)。
该情况下，与将楔形棱镜1325a、1325b配置在偏振射束分离器1323与镜1326a之间的情况同样地，利用式(7)、(9)、(5)计算2枚楔形棱镜1325a、1325b的相对的角度差，赋予相对的角度差。然后，利用式(10)计算2枚楔形棱镜1325a、1325b的旋转角，进行旋转控制。在实施方式2中，只要满足上述光轴偏移方向ξ恒定的条件，则维持该旋转角，由此，不需要进行与射束扫描对应的楔形棱镜1325a、1325b的旋转控制。通过这样地对发送光赋予光轴角度偏移，图5所示的接收光中产生的光轴角度偏移量和光轴偏移方向(图5所示的θ、ξ)为0，不存在进入接收侧光学系统10的接收光的光轴角度偏移。
另一方面，在将楔形棱镜1325a、1325b配置在发送侧的情况下，如上所述，对发送光赋予光轴角度偏移并向大气中照射，但是，例如在360度的射束扫描中，与有无光轴角度偏移无关地在360度的范围内进行照射，因此，不存在对射束扫描的影响。
并且，也可以在射束扫描的期间内，变更对发送光接收光之间的光轴角度偏移进行校正的风速计测距离L。该情况下，根据式(1)，光轴角度偏移量θ变化，因此，在旋转控制部1328中，在变更了风速计测距离L的情况下，需要变更楔形棱镜1325a、1325b的相对的角度差。
另外，本发明能够在其发明的范围内进行各实施方式的自由组合、或各实施方式的任意结构要素的变形，或者在各实施方式中省略任意结构要素。
产业上的可利用性
本发明的激光雷达装置校正由于射束扫描引起的发送光接收光之间的光轴角度偏移，从而能够防止接收信号强度降低，因此，适合用于风速计测等。
标号说明
1：光源；2：光分配器；3：脉冲调制器(调制器)；4：发送侧光学系统；5：发送接收分离部；6：折返镜；7：射束扫描光学系统(射束扫描部)；8：射束扫描控制部；9：光轴校正部；10：接收侧光学系统；11：光耦合器；12：信号处理部；13：射束扫描光学系统(射束扫描部)；71：方位角变更用镜；72：仰角变更用镜；91a、91b：楔形棱镜；92：旋转控制部；131：方位角变更用镜；132：仰角变更部；1321：偏振射束分离器；1322：1/2波长板；1323：偏振射束分离器；1324：1/4波长板；1325a、1325b：楔形棱镜；1326a、1326b：镜；1327：1/2波长板；1328：旋转控制部。

Claims (2)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，该激光雷达装置具有：
光源，其产生单一波长的光；
调制器，其对由所述光源产生的光进行调制而成为发送光；
能够进行射束扫描的射束扫描部，其照射由所述调制器调制而成的发送光，接收被反射的光作为接收光；
射束扫描控制部，其对所述射束扫描部的照射方向进行控制；
信号处理部，其使用由所述光源产生的光和由所述射束扫描部接收到的对应的接收光进行外差检波，从而进行风速计测；以及
光轴校正部，其根据从所述射束扫描控制部逐次接收到的从所述射束扫描部照射发送光的发送光照射方向、从所述信号处理部逐次接收到的所述射束扫描的角速度和风速计测距离，针对所述信号处理部中使用的接收光或所述射束扫描部中使用的发送光，逐次校正伴随该射束扫描而随着时间变化的在发送光与接收光之间产生的光轴角度偏移，
所述光轴校正部具有：
2枚楔形棱镜，其被配置成平坦面与作为基准的光轴垂直；以及
旋转控制部，其根据所述射束扫描部的照射方向、所述射束扫描的角速度和风速计测距离对所述楔形棱镜进行旋转控制，由此，校正所述光轴角度偏移。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述光轴校正部内置于所述射束扫描部，利用该射束扫描部的射束扫描中使用的旋转系统校正所述光轴角度偏移。
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