CN108369276A - 激光雷达装置 - Google Patents

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CN108369276A CN201580085101.6A CN201580085101A CN108369276A CN 108369276 A CN108369276 A CN 108369276A CN 201580085101 A CN201580085101 A CN 201580085101A CN 108369276 A CN108369276 A CN 108369276A
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Abstract

现有的激光雷达装置存在因晃动而导致风速值的SNR变差的问题。本发明的激光雷达装置包括：光振荡器，该光振荡器使激光振荡；光调制器，该光调制器对由光振荡器振荡后得到的激光进行调制；光天线，该光天线将由光调制器调制后的激光向大气辐射，并接收来自被辐射物的散射光以作为接收光；光接收器，该光接收器对光天线所接收到的接收光进行外差检波；传感器，该传感器对光天线的晃动值进行检测；以及信号处理器，该信号处理器计算由光接收器进行外差检波而得到的接收信号的频谱，使用传感器所检测到的晃动值来校正频谱，对校正后的频谱进行积算，并根据积算后的频谱计算被辐射物的速度。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及激光雷达装置。
背景技术
已知有激光雷达装置，能通过向空气中射出激光，并接收反射到漂浮在大气中的微小液体或固体的粒子(悬浮微粒)而得到的散射光，来获知风的速度。该激光雷达装置具有如下使用用途，即：搭载于发生晃动的飞机、海上漂浮体等之类的平台。这样的平台一般由于风、波浪等外部原因而导致发生晃动。
例如，专利文献1中公开了搭载于平台的现有的激光雷达装置。现有的激光雷达装置中，按每一时刻对大气中来自悬浮微粒的散射光进行傅里叶变换，从而求出每一时刻的散射光的频谱。之后，对每一时刻的频谱进行积算，并根据积算后得到的频谱的峰值求出视线方向的风速值。然后，对于根据积算后的频谱而求出的风速值校正晃动值，从而求出去除了晃动的影响的风速值。由此，现有的激光雷达装置进行了晃动校正。这里，校正中所使用的晃动值是进行积算的时间内的晃动的平均值。
现有技术文献
专利文献
日本专利特开2013-253910号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，由于现有的激光雷达装置在进行晃动值的校正前对每一时刻的频谱进行积算，因此存在积算后得到的频谱的峰值扩散的问题。频谱的峰值扩散的理由如下：由于晃动值在每一时刻不同，受到其影响的频谱的峰值在每一时刻发生变化，因此峰值不同的频谱被积算。由此，由于现有的激光雷达装置的频谱发生了扩散，因此相对于噪音的峰值、即SNR(Signal to Noise Ratio：信噪比)变差。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的激光雷达装置包括：光振荡器，该光振荡器使激光振荡；光调制器，该光调制器对由光振荡器振荡后得到的激光进行调制；光天线，该光天线将由光调制器调制后的激光向大气辐射，并接收来自被辐射物的散射光以作为接收光；光接收器，该光接收器对光天线所接收到的接收光进行外差检波；传感器，该传感器对光天线的晃动值进行检测；以及信号处理器，该信号处理器计算由光接收器进行外差检波而得到的接收信号的频谱，使用传感器所检测到的晃动值来校正频谱，对校正后的频谱进行积算，并根据积算后的频谱计算被辐射物的速度。
发明效果
根据本发明，具有如下效果：能抑制因激光雷达装置发生晃动而导致的SNR的变差。
附图说明
图1是示出本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
图2是示出本发明实施方式1所涉及的信号处理器10的一个结构例的结构图。
图3是示出本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置中的观测距离与接收时间之间的关系的图。
图4是示出本发明实施方式1所涉及的校正系数计算器103的一个结构例的图。
图5是示出本发明实施方式1所涉及的晃动值提取器301的动作的一个示例的流程图。
图6是示出本发明实施方式1所涉及的频谱校正器104的一个结构例的结构图。
图7是表示本发明实施方式1所涉及的重采样处理器401的处理的示意图。
图8是表示本发明实施方式1所涉及的积算器105的积算处理的示意图。
图9是本发明实施方式1所涉及的积算器105的积算结果的示意图。
图10是示出因本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置的晃动而导致的照射角度的偏移与风速之间的关系的关系图。
图11是示出现有方式的积算结果与本方式的积算结果之间的比较的比较图。
图12是示出因视线方向而导致悬浮微粒不同时的频谱的图。
图13是示出本发明实施方式1所涉及的实施方式1的其他结构例的结构图。
图14是示出本发明实施方式2的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
图15是示出本发明实施方式2的信号处理器14的一个结构例的结构图。
图16是示出因晃动而导致观测高度发生偏移的情况的模拟图。
图17是示出观测高度与风速值之间的关系的关系图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是示出本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
本激光雷达装置包括：光振荡器1(光振荡器的一个示例)、光耦合器2、光调制器3(光调制器的一个示例)、光循环器4、光天线5(光天线的一个示例)、扫描器6(扫描器的一个示例)、合波耦合器7、光接收器8(光接收机的一个示例)、A/D(Analogue to Digitalconverter：模数转换器)转换器9(模数转换器的一个示例)、信号处理器10、晃动传感器11(传感器的一个示例)、以及显示器12。
光振荡器1是使激光振荡的光振荡器。光振荡器1与光耦合器2相连接，并将振荡后的激光输出至光耦合器2。例如，光振荡器1使用半导体激光、固体激光等。
光耦合器2是将光振荡器1所输出的激光分支为局部光和发送光的光耦合器。局部光是指从光耦合器2经由合波耦合器7而通过与光接收器8相连接的路径的光，发送光是指从光耦合器2经由光调制器3而通过与光天线5相连接的路径的光。光耦合器2与光振荡器1、光调制器3、以及合波耦合器7相连接，将局部光输出至合波耦合器7，并将发送光输出至光调制器3。例如，光耦合器2使用熔接式光纤耦合器、使用了介质多层膜滤波器的滤波器型耦合器等。
光调制器3是使光耦合器2所输出的发送光的频率偏移的调制器。光调制器3与光耦合器2、光循环器4、A/D转换器9、以及信号处理器10相连接。光调制器3对发送光进行频率调制与强度调制，来使发送光的频率偏移，并使发送光脉冲化。此外，光调制器3将表示使发送光脉冲化时的脉冲定时的脉冲触发信号输出至A/D转换器9及信号处理器10。脉冲触发信号例如相当于5V的TTL(Transistor-Transistor Logic：晶体管-晶体管逻辑)信号。例如，光调制器3使用AO移频器(Acoustic Optical Frequency Shifter：声光移频器)、光相位调制器等。
光循环器4是将由光调制器调制后的发送光、以及经由扫描器6和光天线5而得到的接收光分离的光循环器。这里，接收光是对于发送光的悬浮微粒的散射光。光循环器4与光调制器3、光天线5、以及合波耦合器7相连接，将发送光输出至光天线5，并将接收光输出至合波耦合器7。例如，光循环器4使用利用波长板和分束器来构成的循环器等中的空间传播型、光纤耦合型的循环器。
光天线5是输出光循环器4所输出的发送光、并将来自悬浮微粒的散射光作为接收光来进行接收的光天线。光天线5与光循环器4及扫描器6相连接，将发送光输出至扫描器6，并将接收光输出至光循环器4。例如，光天线5使用光学望远镜、摄像机镜头。
扫描器6是对光天线5所输出的发送光进行扫描、并使照射向大气中的照射方向(也称为视线方向)变化的扫描器。扫描器6由楔角棱镜以及使其旋转的电动机、编码器构成。电动机例如使用带编码器的步进电动机。扫描器6使电动机以任意速度旋转，使楔角棱镜的视线方向改变，并向信号处理器10输出照射发送光的角度信息。例如，扫描器6使用楔角棱镜反射镜、电扫描器等。
合波耦合器7是对局部光和接收光进行合波的合波耦合器。合波耦合器7与光耦合器2、光循环器4、以及光接收器8相连接。合波耦合器7对光耦合器2所输出的局部光与光循环器4所输出的接收光进行合波，并将合波光输出至光接收器8。例如，合波耦合器7使用熔接式光纤耦合器、使用了介质多层膜滤波器的滤波器型耦合器等。
光接收器8是对合波耦合器7所输出的合成光进行外差检波的光接收器。光接收器8与合波耦合器7及A/D转换器9相连接。光接收器8对合波耦合器7所输出的合成光进行外差检波，将检波后得到的光信号转换成电信号，并输出至A/D转换器9。例如，光接收器8使用平衡接收机等。
A/D转换器9是将由光接收器8进行了外差检波后得到的模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。A/D转换器9与光接收器8、光调制器3、以及信号处理器10相连接。A/D转换器9以光调制器3所输出的激光脉冲触发信号为触发，来对光接收器8所输出的模拟电信号进行采样，从而将模拟信号转换成数字信号并输出至信号处理器10。例如，A/D转换器9使用双重积分型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器、并行比较型A/D转换器等。
信号处理器10是对A/D转换器9所输出的数字信号进行信号处理、并计算进行了晃动校正的风矢量的信号处理器。
图2是示出本发明实施方式1所涉及的信号处理器10的一个结构例的结构图。
信号处理器10包括：范围箱分割器(range bin divider)101(范围箱分割器的一个示例)、FFT处理器102(快速傅里叶变换处理器的一个示例)、校正系数计算器103(校正系数计算器的一个示例)、频谱校正器104(频谱校正器的一个示例)、积算器105(积算器的一个示例)、风速计算器106(风速计算器的一个示例)、风矢量计算器107(风矢量计算器的一个示例)、以及扫描控制器108。
范围箱分割器101是将A/D转换器9输出的数字信号分割成任意个数的范围箱的范围箱分割器。范围箱分割器101与A/D转换器9及FFT处理器102相连接。范围箱分割器101以任意个数的范围箱对A/D转换器9所输出的数字信号进行划分，并将划分后得到的数字信号输出至FFT处理器102。以范围箱进行划分是指在规定时间内对信号进行分割。例如，范围箱分割器101使用FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)的逻辑电路、微机(微型计算机)等。
FFT处理器102是对范围箱分割器101所输出的信号进行FFT(Fast FourierTransform：快速傅里叶变换)处理的FFT处理器。FFT处理器102与范围箱分割器101及校正系数计算器103相连接。FFT处理器102按每个范围箱对范围箱分割器101输出的按各范围箱进行划分后得到的信号进行快速傅里叶变换，并将变换后得到的频谱信号输出至频谱校正器104。例如，FFT处理器102使用FPGA的逻辑电路、微机等。
校正系数计算器103是获取由晃动传感器11得到的晃动值、并计算对晃动进行校正的校正系数的校正系数计算器。校正系数计算器103与光调制器3、晃动传感器11、频谱校正器104及扫描器6相连接。校正系数计算器103通过USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)等接口与晃动传感器11相连接，来获取晃动传感器11所输出的晃动值。或者，也可以以来自光调制器3的脉冲触发为基准来请求获取当前的晃动值，由此来获取晃动值。此外，校正系数计算器103获取扫描器6的编码器所输出的角度信息的信号。校正系数计算器103根据所获取到的晃动值及角度信息，计算用于将晃动状态下的光束射出角度投影到理想的射出光束方向、即没有晃动的状态的射出光束方向的参数、以及对平台的平移速度的影响进行校正的参数，并将计算出的参数输出至频谱校正器104。这里，校正参数为校正系数计算器103输出的投影系数及偏移系数。例如，校正系数计算器103使用FPGA的逻辑电路、微机等。
频谱校正器104是使用校正系数计算器103所计算出的参数来对FFT处理器102所输出的频谱信号进行校正的频谱校正器。频谱校正器104与FFT处理器102、校正系数计算器103、积算器105相连接。频谱校正器104使用校正系数计算器103所计算出的校正系数，来对FFT处理器102所输出的每个范围箱的频谱信号进行校正，从而按每个范围箱进行频谱信号的晃动校正，并将校正后的频谱数据输出至积算器105。例如，频谱校正器104使用FPGA的逻辑电路、微机等。
积算器105是对频谱信号进行积算的积算器。积算器105与频谱校正器104及风速计算器106相连接。积算器105对频谱校正器104所输出的频谱进行任意次积算处理，并将积算处理后的频谱信号输出至风速计算器106。积算处理通过按各发射(shot)的每个相同范围箱对各发射中的每个范围箱的频谱信号进行积算来进行。例如，积算器105使用FPGA的逻辑电路、微机等。
风速计算器106是根据积算后得到的频谱数据来计算风速的风速计算器。风速计算器与积算器105及风矢量计算器107相连接。风速计算器106根据由积算器105积算后得到的频谱信号，计算激光的多普勒频移量，并根据多普勒频移量计算激光相对于视线方向的风速值。风速计算器106将各视线方向的风速值输出至风矢量计算器107。例如，风速计算器106使用FPGA的逻辑电路、微机等。
风矢量计算器107是根据视线方向的风速值及视线方向的角度信息来计算风矢量的风矢量计算器。风矢量计算器107与风速计算器106、扫描控制器108相连接。风矢量计算器107根据风速计算器106所输出的各视线方向的风速值与由扫描控制器108读取出的棱镜的角度信息来计算风矢量，并将其输出至扫描控制器108。例如，风矢量计算器107使用FPGA的逻辑电路、微机等。
扫描控制器108是生成控制扫描器6的控制信号的扫描控制器。扫描控制器108与风矢量计算器107、校正系数计算器103、扫描器6、及显示器12相连接。扫描控制器108根据风矢量计算器107所计算出的风矢量的结果，生成用于视线方向切换的控制信号，并将所生成的控制信号输出至扫描器6。扫描控制器108对扫描器6所得到的角度信息进行保持，并将该角度信息发送至校正系数计算器103。此外，扫描控制器108将风矢量计算器107所输出的风矢量的计算结果输出至显示器12。例如，扫描控制器108使用FPGA的逻辑电路、微机等。
返回图1的激光雷达装置的结构的说明。
晃动传感器11是对本激光雷达装置的晃动值进行测定的晃动传感器。晃动传感器11与信号处理器10相连接。晃动传感器11获取搭载了本激光雷达装置的平台的晃动值，并将所获取到的晃动值输出至信号处理器10。晃动值是表示平台的翻滚、俯仰及偏航方向的角度的值，或是表示东西南北垂直方向的平移速度的值。例如，晃动传感器11使用利用了加速度计的陀螺传感器、GPS(Global Positioning System：全球定位系统)陀螺传感器。
显示器12是对信号处理器10所计算出的视线方向风速值进行显示的显示器。显示器12与信号处理器10相连接。显示器12对信号处理器10所计算出的数据、例如视线方向风速值、其SNR、或风矢量进行显示。例如，显示器12使用液晶显示器、有机EL(ElectroLuminescence：电致发光)显示器等。显示器12也可以具有RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)或硬盘等存储装置，来随时间存储视线方向风速值、其SNR、或风矢量。
接着，对本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置的动作进行说明。
光振荡器1使激光振荡，并将振荡后的激光输出至光耦合器2。
光耦合器2以任意分支比将光振荡器1所输出的激光分配为发送光和局部光，并将发送光输出至光调制器3，将局部光输出至合波耦合器7。发送光是从光天线5向大气中输出的光，局部光是为了在光接收器8中进行外差检波而在合波耦合器7中与接收光进行合波的光。光耦合器2的分支比由系统设计来决定。
用于系统设计的回路计算例如使用以下数学式。
【数学式1】
β、K、S0分别表示后方散射系数(m－1sr－1)、大气透过率、散射光的相干直径(m)，代表表示无法用系统来进行控制的大气条件的参数。D、F、N分别表示光束直径(m)、聚焦距离(m)、非相干积算数(次)，表示能在系统内进行变更的参数。h、λ、P、ηF、B分别表示普朗克常数(Js)、波长(m)、发送光脉冲能量(J)、Far Field(远场)的收发效率、接收带宽(Hz)，Ac表示近似系数，该近似系数用于置换为与因光天线而导致光学渐晕的最近高斯光束(NGB：Nearest Gaussian Beam)具有较高相关性的衍射极限的高斯光束，L表示观测距离(m)。光学渐晕表示发送或接收的高斯光束被望远镜的有效开口直径所遮断、一部分被剪取的状态。上述Ac在用高斯曲线对被剪取的高斯光束进行了拟合的情况下，相当于该高斯曲线所涉及的系数。
光调制器3对光耦合器2所分配的发送光进行频率调制及强度调制，并将调制后的发送光输出至光循环器4。这里，光调制器3决定发送光的脉冲宽度、重复频率(PRF)。由于脉冲宽度也相当于距离分辨率值，因此可以在信号处理器10中设定与所希望的距离分辨率值相当的脉冲宽度，也可以由信号处理器10对光调制器3设定其脉冲宽度，光调制器3也可以输出设计时所设定的固定的脉冲宽度、PRF。此外，在光调制器3的输出光不足的情况下，可以在光调制器3的后级追加光放大器。光调制器3也可以通过对发送光进行相位调制，来使发送光的频率发生偏移。光调制器3将表示使发送光脉冲化时的脉冲定时的脉冲触发信号输出至A/D转换器9及信号处理器10。
光循环器4使光调制器3调制后的发送光通过光天线5，并将光天线所接收到的接收光输出至合波耦合器7。光循环器4以这种方式使发送光和接收光分离。
光天线5对发送光进行校准，并照射向大气中。此外，光天线5收集对于发送光的来自悬浮微粒的散射光，并作为接收光来接收。光天线5也可以具有聚焦调整功能。
扫描器6接收信号处理器10所输出的控制信号，来使楔角棱镜旋转，并任意变更光天线5所照射的光的方向。此外，扫描器6将相当于编码器信息的电信号输出至信号处理器10，以传输角度信息。
合波耦合器7对光耦合器2所输出的局部光与光循环器4所输出的接收光进行合波，并将合波后而得到的光输出至光接收器8。
光接收器8对合波耦合器7所输出的合波光进行光电转换，通过外差检波对接收光进行频率解调，并将频率解调后得到的接收信号输出至A/D转换器9。
A/D转换器9在接收到光调制器3中产生的脉冲触发信号之后，以采样频率fs对光接收器8所输出的接收信号进行A/D转换，并将该数字信号输出至信号处理器10。
对信号处理器10的动作进行说明。
图2中示出信号处理器10的结构图。如上所述，本激光雷达装置使用了脉冲方式。
图3是示出本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置中的观测距离与接收时间之间的关系的图。范围箱分割器101以任意时间宽度对来自各距离的接收信号进行划分。以下，将所划分出的时间、即对距离进行划分而得到的范围称为范围箱。范围箱分割器101以任意个数的范围箱对接收波形进行划分，并将范围箱区间的接收波形的电压值输出至FFT处理器102。
例如，在将距离分辨率Rres设定为30m的情况下，能设定为对A/D转换后的时间波形进行划分的时间宽度t＝2Rres/c(c：光速)。因此，在总范围箱数为M个的情况下，若以用于开始A/D转换的触发、这里以来自光调制器3的触发信号定时为基准，来表示以各范围箱进行划分的时间，则该式如下所示。
【数学式2】
【数学式3】
【数学式4】
Tstart是各范围箱的数据获取开始时间，Tend是各范围箱的数据获取结束时间，Tcen是各范围箱的数据获取中心时间，m是范围箱，具有1～M的值域。Rmin是用于调整观测开始距离的值，即用距离值来表示对脉冲触发信号进行A/D转换为止的延迟时间。在针对触发的A/D开始的延迟量为0时，例如在想要从40m开始测定的情况下，对Rmin插入40等值。
另外，这里，进行了该时间间隔范围箱分割，但并不限于此，可以由用户来决定相当于Tstart的观测开始距离，可以按每个范围箱对其进行设定，也可以使Tstart和Tend的范围重叠。
FFT处理器102以FFT箱数(Number of FFT bins：NFFT)对范围箱分割器101所获取到的各范围箱的时间波形进行FFT处理，从而得到接收信号频谱。NFFT表示进行FFT处理的数量，例如使用256等值。这里的接收信号频谱与后述的SPC(i、n、R)相对应。
校正系数计算器103获取由晃动传感器11以固定周期输出的晃动值。此外，校正系数计算器103从扫描控制器108获取角度信息。校正系数计算器103根据所获取到的晃动值及角度信息来计算在后级的频谱校正中使用的校正系数。
另外，校正系数计算器103可以通过以来自光调制器3的脉冲触发为基准向晃动传感器11请求获取晃动值来获取晃动值，然而在以下的实施方式中，记载了固定周期下的晃动值获取中的晃动校正方法。
图4是示出本发明实施方式1所涉及的校正系数计算器103的一个结构例的图。
为了计算晃动校正量，晃动值提取器301从晃动传感器11获取晃动值，并将所获取到的晃动值输出至校正量计算器302。晃动传感器11将翻滚、俯仰、偏航方向的摇晃及东西南北垂直方向这6轴自由度下的晃动值、仰角(EL)、从北起的方位角(AZ)、以及东西南北垂直的平移速度输出至晃动值提取器301。
图5是示出本发明实施方式1所涉及的晃动值提取器301的动作的一个示例的流程图。
首先，在步骤S101中，晃动值提取器301如上述那样从晃动传感器11获取晃动值。设所获取到的晃动值中包含时间戳。
接着，在步骤S102中，晃动值提取器301将光调制器3中输出的脉冲触发信号的时间戳同晃动值的时间戳进行比较，并判断其时间差异是否在阈值(Tth)以内。
接着，在该时间差异在阈值(Tth)以内的情况下，在步骤S103中，晃动值提取器301将所获取到的晃动值直接使用在校正量的计算中，并将所获取到的晃动值输出至校正量计算器302，从而结束流程。
接着，在该时间差异比阈值(Tth)要大的情况下，在步骤S104中，晃动值提取器301例如使用由卡尔曼滤波器求出的晃动值的推测值。晃动值提取器301将晃动值的推测值输出至校正量计算器302，并结束流程。另外，晃动值提取器301中，除了直接使用之前的晃动值的方法以外，也可以预先保存频谱数据，在得到了晃动值的时刻，使用过去的晃动值来进行线性插值，并提取该线性插值后得到的晃动值，以作为光调制器3的脉冲触发信号输出时的晃动值。
Tth的值由所期望的晃动校正精度来确定，除了由用户设定为固定值以外，也可以同时设置PRF间的允许光束角度差(Ath)，并以Tth＝Ath÷由晃动传感器得到的前次角速度ω(deg/sec)等来动态地决定。例如，在海洋等中进行使用的情况下，角速度的变动周期为1Hz量级，与PRF相比较慢，因此即使使用了前次的角速度，对精度造成的影响也较小。关于Ath的值，存在根据晃动传感器所具有的频谱来决定等方法。由此，能在不使用高采样下的晃动传感器的情况下获取精度相对较高的晃动值，能降低晃动传感器所花费的成本。
校正量计算器302使用所获取到的晃动值如下所示那样来计算校正量。进行校正的参数为投影系数Pc及偏移量T(Hz)。在考虑仰角方向的晃动的情况下，若将没有晃动的理想状态的仰角值设为θa，并将晃动后的仰角值设为θb，则投影系数Pc由以下数学式来表示。
【数学式5】
偏移量T使用从晃动传感器11得到的平移速度Vs，由以下数学式来表示。这里，为了简化说明，示出在单一轴向上平移的情况。λ是发送光的波长。
【数学式6】
T＝Vs/λ·····(6)
投影系数或偏移量的导出方法并不限于此，能获得使用晃动值来完成到不晃动时的校正的公式或变量即可。
频谱校正器104对于各晃动值准备存储频谱的排列，并对所准备的排列存储与各晃动值相对应的频谱。这里，所存储的频谱是各视线方向的频谱数据。
图6是示出本发明实施方式1所涉及的频谱校正器104的一个结构例的结构图。
重采样处理器401通过变更频率箱的大小来疑似地变更频率分辨率，或者使总频率箱增加。
图7是表示本发明实施方式1所涉及的重采样处理器401的处理的示意图。
重采样处理器401使用校正量计算器302所输出的投影系数，对各频率箱的值乘以投影系数Pc，来计算对投影系数进行校正后得到频谱数据，并将该频谱数据存储于频率箱。然而，根据Pc的值，1个频率箱中也可能存储有2个数据。在各频率箱中存储有多个数据的情况下，也存在使用平均值的方法，然而在这种情况下，将产生频率分辨率下降的问题。因此，重采样处理器401如图7所示对频率箱的大小进行变更，并进行频谱数据的重采样，从而减少频率分辨率的劣化。以下，对重采样的方法进行详细说明。
频率箱的变更可以通过变更总FFT数来进行，也可以直接变更频率箱的大小。
在变更总FFT数时，重采样处理器401可以使用事先设定的固定值来变更总FFT数，从而对频率箱的大小进行变更，此外，也可以使用获取视线方向风速值的第一次发射的晃动值，来使其动态地变化为Nfftb＝Nffta×1/cos(|θa－θb|)倍。这里，Nffta是原先的总频率箱数，Nfftb是变更后的总频率箱。
另一方面，在变更频率箱的大小时，在重采样处理器401例如将原先的频率箱的大小设为Δfa的情况下，以Δfb＝Δf×cos(|θa－θb|)的方式变更频率箱。根据本处理，能对剩余的FFT箱数的确保进行压制，有助于减少存储器容量。
另外，变更频率箱的系数的决定可以在积算数N中第一次发射时进行，并在之后设为固定。此外，在是与第一次发射相比晃动值有可能随着时间而变大的平台的情况下，在存储量得能到充分确保的情况下，可以保存第1～(N-1)次发射为止的频谱，并使用第N次发射为止的最大投影系数值时的晃动值(θbmax)，来以1/cos(|θa－θbmax|)倍的方式决定Nfftb。
频谱插入器402进行以下计算，将频谱数据(SPC(i、n、R))的值存储于重采样处理器401所生成的各频率箱的排列。i是频率箱的编号，即是表示在按频率顺序排列的数据中是第几个数据的编号，n是发射编号，R是范围箱的编号。例如，SPC(i，2)意味着针对第2次照射的频谱数据。
例如，频谱数据(SPC(i、n、R))使用投影系数Pc，来变换为SPCb(i、n、R)＝PC(n)×SPC(i、n、R)，并存储于重采样处理器401所生成的各频率箱的排列。这里，SPCb(i、n、R)是对投影角度进行校正后得到的频谱数据。i＝1，2，……(Nffta)×1/cos(|θa－θb|)。
积算器105对在各发射中得到的频谱进行由用户指定的次数(N)的非相干积算。用下式对各范围箱的频谱数据进行非相干积算。
图8是表示本发明实施方式1所涉及的积算器105的积算处理的示意图。积算器105对于各发射中的各范围箱的频谱数据，将相同范围箱编号的频谱数据相加来进行积算处理。若用数学式来进行表示，则积算处理如下所示。
【数学式7】
i是频率箱的编号，n是发射的编号，R是范围箱的编号。SPCb是校正了投影角度后的频谱数据。通过像这样进行积算处理，从而能使频谱数据的峰值(信号值)相对于噪音值变大。即，能改善SNR。
图9是本发明实施方式1所涉及的积算器105的积算结果的示意图。
实线是本方式的频谱，虚线是现有方式的频谱。各发射中，信号值较小，SNR较低。此外，在未对各发射校正投影系数的情况下，信号值的频率相对于各发射不同，因此，即使对各发射的频谱数据进行积算，信号值也会分散。然而，在校正了投影系数的情况下，悬浮微粒的多普勒频率固定，因而对于各发射，信号值的频率一致。因此，通过进行积算处理，从而噪音值被平均化，信号值被积算，因而能改善SNR。
对于SNR通过上述所说明的处理而得到改善的情况做进一步说明。
图10是示出因本发明实施方式1所涉及的激光雷达装置的晃动而导致的照射角度的偏移与风速之间的关系的关系图。
V是水平方向的真正的风速，θ1～θ3是激光的照射角度。v1～v3是分别根据θ1～θ3方向的测定结果而求出的风速。
激光雷达装置通过计算发送光与空气中的来自悬浮微粒的散射光的多普勒频移来计算风速。因此，由于激光相对于风的相对速度根据包含悬浮微粒的风与激光之间的角度而变化，因而多普勒频移发生变化。
图10的示例中，在不进行角度校正(晃动校正)的情况下，由于θ1＞θ2＞θ3，因此成为v3＞v2＞v1，相对于真正的风速V取各种值。由此，若风速值根据角度而取不同的值，角度根据时间而改变，则即使真正的风速固定，风速也根据时间而取不同的值。因此，即使针对时间进行积算处理，峰值的位置在各时间下也不一致，峰值将扩大。
图11是示出现有方式的积算结果与本方式的积算结果之间的比较的比较图。
如上所述，现有方式中在积算之后进行晃动校正，因而进行积算的频谱是晃动校正前的频谱。因次，积算后得到的频谱结果的峰值扩大。与此相对，本方式中在进行了晃动校正后再进行积算，因此频谱结果的峰值的扩大较小，峰值变大。
图12是示出因视线方向而导致悬浮微粒不同时的频谱的图。一般情况下，存在频谱强度∝接收SNR∝大气悬浮微粒量的关系。在大气悬浮微粒量与光束指向方向不存在依赖性的情况下，频谱强度成为频度的指标，如图12的上图所示，具有峰值的频率相当于取频度的平均值。该情况下，在现有结构中，使用进行频谱积算期间的晃动平均值，因此通过进行使用了平均风速值和晃动平均值的校正，能实现具有较高精度的校正。
然而，实际情况则不同，由于悬浮微粒量因光束指向方向而不同，因此，因频率、即风速值而导致接收强度不同，成为图12的下图所示那样，但晃动值并不考虑其影响。因此，存在峰值的频率被拖向悬浮微粒量较多、即接收强度较高的一方，其成为晃动校正后的风速误差。这是因在积算后进行晃动校正而出现的现象。根据本结构，由于将扩大了的频谱汇集到一处并进行积算，因此具有以下特点：能大幅减小因大气悬浮微粒量的光束指向方向依赖而导致的校正误差。
风速计算器106根据积算后得到的频谱计算视线方向的多普勒频率、即风速值。多普勒频率的导出除了使用基于频谱的峰值检测的检测以外，也可以使用重心运算。基于重心运算的多普勒频率fd的计算由下式来表示。
【数学式8】
S(f)是接收信号相对于某一范围箱(R)的频谱，S(f)＝S(i，R)。此外，f是与各频率箱的编号(i)相对应的频率。用频率f对接收频谱进行加权。由此，能计算出在统计上最有意义的频率值。
风矢量计算器107使用矢量合成法或VAD(Velocity Azimuth Display：速度方位显示)法来计算风矢量。矢量合成的情况下，例如，视线方向的风速(Vr)使用东西方向的水平方向风速(U)、南北方向的水平方向风速(V)、垂直方向的风速(W)、仰角(θ)、以北为基准的方位角(φ)，以下式来表示。
【数学式9】
例如在使用本式得到了三个方向的视线方向风速值的情况下，通过求解联立方程式，从而能计算出U、V、W。由此，得到三维的风矢量。
为了切换视线方向，扫描控制器108生成用于使扫描器动作的控制信号。扫描器6根据来自扫描控制器108的控制信号驱动扫描器内步进电动机，来使其进行所期望的步进动作，从而进行朝向所期望角度的动作。此外，扫描器6将由所搭载的编码器产生的角度信号发送至扫描控制器108，并在扫描控制器108中保持动作后的角度信息。该角度信息相当于上述理想的仰角值θ。
显示器12将信号处理器10所计算出的视线方向风速值、视线方向风速值的SNR、或风矢量等信息保存在存储器中，并进行显示。
如上所述，根据本发明的实施方式1，在进行积算处理前进行晃动校正，并对晃动校正后的频谱进行积算处理，因此，即使晃动值相对于时间变化，也能抑制SNR的变差。其结果是，能改善风测量的精度。
另外，本结构中，以脉冲型的激光雷达装置为前提进行了阐述，但也可以使用CW(Continuous Wave：连续波)方式，并不局限于此。另外，本结构中，关于光连接方法，基于光纤进行了阐述，但连接方法中，也可以不使用光纤，而采用空间传播型。
此外，本激光雷达装置也可以不采用上述那样的扫描器结构，而采用利用了光开关的结构。
图13是示出本发明实施方式1所涉及的其他结构例的结构图。
通过由光开关13切换发送光的光路，并分别连接至后级的具有不同视线方向的光天线5，从而能得到多视线方向的风速值。例如，光开关13采用在通信中使用的机械光开关、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统)光开关等。
此外，信号处理器10的各结构要素的功能可以由FPGA等硬件来执行，也可以由软件来执行，使得处理器读出存储于存储器的表示各结构要素的功能的程序并执行。
实施方式2.
实施方式2中，对以下激光雷达装置进行说明：根据晃动值使范围箱发生偏移，来使范围箱对于接收信号剪取的区域发生变化。由此，能抑制因晃动而引起的观测高度的误差，能使风速测定精度提高。
图14是示出本发明实施方式2的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
在图14中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。本激光雷达装置包括：光振荡器1、光耦合器2、光调制器3、光循环器4、光天线5、扫描器6、合波耦合器7、光接收器8、A/D转换器9、信号处理器14、晃动传感器11、以及显示器12。使用信号处理器14来代替信号处理器10，A/D转换器9与信号处理器14之间的连接关系与实施方式1不同。后文将进行阐述，信号处理器14所输出的信号将进入A/D转换器9一次，而A/D转换器9所输出的信号将再次输入至信号处理器14。
图15是示出本发明实施方式2的信号处理器14的一个结构例的结构图。
在图15中，与图3相同的标号表示相同或相当的部分。
信号处理器14包括：校正系数计算器103、范围箱分割器109、FFT处理器102、频谱校正器104、积算器105、风速计算器106、风矢量计算器107、以及扫描控制器108。与信号处理器10的不同点在于：在范围箱分割器109之前设置有校正系数计算器103，在计算出针对晃动值的校正系数之后对范围箱进行分割，将分割后的范围箱输出至A/D转换器9，并将基于该范围箱进行A/D转换而得到的信号输入至FFT处理器102。
范围箱分割器109是根据晃动值对范围箱的大小进行变更的范围箱分割器。范围箱分割器109与光调制器3、校正系数计算器103及FFT处理器102相连接。范围箱分割器109根据经由校正系数计算器103而得到的晃动值，将各范围箱的A/D转换开始定时输出至A/D转换器9。A/D转换器9与范围箱分割器109、FFT处理器102相连接，将A/D转换后的各范围箱的数字信号输出至FFT处理器102。例如，范围箱分割器109使用FPGA、微机等。
接着，对本发明实施方式2所涉及的激光雷达装置的动作进行说明。对于与实施方式1相同的动作省略说明，而对与实施方式1不同的动作进行说明。
光振荡器1到光接收器8的动作与实施方式1相同，因此省略说明。
A/D转换器9将光接收器8所输出的模拟信号转换为数字信号，但此时按范围箱分割器109输出的每个触发信号进行转换。
范围箱分割器109从晃动传感器11经由校正系数计算器103获取晃动值。然后，范围箱分割器109通过进行以下处理，来进行使接收信号的剪取的区域偏移相当于因晃动而导致从所期望的观测高度偏移的高度量的处理。
图16是示出因晃动而导致观测高度发生偏移的情况的模拟图。
θa是没有晃动的理想状态的仰角值，θb是晃动后的仰角值。若将仰角方向(EL方向)的晃动考虑在内，则图16的激光雷达装置虽然向θa的方向照射激光，但在此时存在晃动的情况下，实际上成为向θb的方向照射激光。由于所设定的角度与实际照射的角度不同，因此即使观测距离相同，观测高度也会产生偏移。若观测高度产生偏移，后文中将进行阐述，所观测的风速将产生误差。
图17是示出观测高度与风速值之间的关系的关系图。
一般情况下，水平方向风速值与高度的关系如图17所示，由幂次法则来表示。因此，观测高度差的产生与风速测定误差相对应。
若将EL方向上θa＞θb的晃动考虑在内，则为了校正因晃动而引起的高度差，例如，用下式来表示范围箱的开始时间(Tstart)及结束时间(Tend)。
【数学式10】
【数学式11】
【数学式12】
【数学式13】
【数学式14】
如图16所示，c是光速，Hdiff是没有晃动时与有晃动时的观测高度之差，Rres是时间门的大小、即范围箱的宽度。Rmin是有晃动时相当于时间门开始的时间的距离(门开始距离)，R是有晃动时到校正前的观测中心为止的距离(校正前观测中心距离)，m是范围箱编号。Rstart是在校正了观测高度后相当于时间门开始的时间的距离(校正后门开始距离)，Rend是在校正了观测高度后相当于时间门结束的时间的距离(校正后门结束距离)。
本激光雷达装置使用晃动值来校正范围箱的开始时间及结束时间，从而校正观测高度的偏移，并在与没有晃动的情况相同的观测高度下对风速进行测定。由此，即使产生晃动，也能将观测高度确保为固定，能降低因观测高度的差异而引起的风速测定的误差。
实施方式1的激光雷达装置对于接收时间决定范围箱，而实施方式2的激光雷达装置的不同点在于对于观测高度决定范围箱。
范围箱分割器109如上述所说明的那样，将与校正了观测高度后的范围箱相对应的A/D开始信号输出至A/D转换器9。
A/D转换器9按照从范围箱分割器109输入的范围箱的区间，对从光接收器8输入的接收信号进行A/D转换，并将转换后得到的接收信号输出至FFT处理器102。
FFT处理器102之后的动作与实施方式1相同，因此省略说明。
如上所述，根据本发明的实施方式2，本激光雷达装置根据晃动值使范围箱剪取接收信号的区域发生变化，因此能使观测高度一致，具有能提高风速测定精度的效果。
标号说明
1 光振荡器
2 光耦合器
3 光调制器
4 光循环器
5 光天线
6 扫描器
7 合波耦合器
8 光接收器
9 A/D转换器
10 信号处理器
11 晃动传感器
12 显示器
13 光开关
14 信号处理器
101 范围箱分割器
102 FFT处理器
103 校正系数计算器
104 频谱校正器
105 积算器
106 风速计算器
107 风矢量计算器
108 扫描控制器
109 范围箱分割器
301 晃动值提取器
302 校正量计算器
401 重采样处理器
402 频谱插入器

Claims (7)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，包括：
光振荡器，该光振荡器使激光振荡；
光调制器，该光调制器对由所述光振荡器振荡后得到的所述激光进行调制；
光天线，该光天线将由所述光调制器调制后的所述激光向大气辐射，并接收来自被辐射物的散射光以作为接收光；
光接收器，该光接收器对所述光天线所接收到的所述接收光进行外差检波；
传感器，该传感器对所述光天线的晃动值进行检测；以及
信号处理器，该信号处理器计算由所述光接收器进行外差检波而得到的接收信号的频谱，使用所述传感器所检测到的所述晃动值来校正所述频谱，对校正后的所述频谱进行积算，并根据积算后的所述频谱计算所述被辐射物的速度。
2.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述信号处理器包括：
范围箱分割器，该范围箱分割器以所设定的范围箱对所述接收信号进行分割；
快速傅里叶变换处理器，该快速傅里叶变换处理器对所述范围箱分割器分割后的所述接收信号进行傅里叶变换，并计算每个所述范围箱的所述接收信号的频谱；
校正系数计算器，该校正系数计算器使用所述传感器所检测出的所述晃动值，来计算将晃动状态下的所述激光的辐射方向投影到不晃动的状态的辐射方向的参数；
频谱校正器，该频谱校正器使用由所述校正系数计算器计算出的所述参数，对所述快速傅里叶变换处理器所计算出的所述频谱进行校正；
积算器，该积算器按所述范围箱分割器分割后的每个范围箱，对由所述频谱校正器校正后的所述频谱进行积算；以及
风速计算器，该风速计算器根据所述积算器积算得到的所述频谱计算所述被辐射物的多普勒频移分量，并根据所述多普勒频移分量来计算所述被辐射物的风速。
3.如权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述激光雷达装置包括扫描器，该扫描器切换所述光天线所辐射的所述激光的视线方向，
所述信号处理器包括风矢量计算器，该风矢量计算器根据所述风速计算器所计算出的多个视线方向的风速值来计算风矢量。
4.如权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述范围箱分割器使用由所述传感器检测出的所述晃动值来决定所述接收信号的范围箱，以校正因晃动而引起的观测高度误差。
5.如权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于，
包括模数转换器，该模数转换器使用由所述范围箱分割器决定的范围箱，将通过所述光接收器进行外差检波而得到的接收信号转换成数字信号。
6.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述光调制器输出表示对所述光振荡器振荡后得到的所述激光进行脉冲化时的脉冲定时的脉冲触发信号，
所述传感器所检测出的所述晃动值包含时间戳，
所述信号处理器对所述光调制器所输出的所述脉冲触发信号与所述晃动值的时间戳进行比较，来决定在所述接收信号的频谱校正中使用的所述晃动值。
7.如权利要求6所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述信号处理器在所述光调制器所输出的所述脉冲触发信号与所述晃动值的时间戳之间的时间差异比所设定的阈值要大的情况下，在所述接收信号的频谱校正中使用所述晃动值的推测值。
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