CN108885261A - 激光雷达装置 - Google Patents

激光雷达装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108885261A
CN108885261A CN201680084317.5A CN201680084317A CN108885261A CN 108885261 A CN108885261 A CN 108885261A CN 201680084317 A CN201680084317 A CN 201680084317A CN 108885261 A CN108885261 A CN 108885261A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spectrum
optical
segmentation
light
signal
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.)
Granted
Application number
CN201680084317.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108885261B (zh
Inventor
小竹论季
龟山俊平
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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 Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of CN108885261A publication Critical patent/CN108885261A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108885261B publication Critical patent/CN108885261B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • 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
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • 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
    • G01S17/02—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
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S17/26—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency-modulated or phase-modulated carrier wave, e.g. for pulse compression of received signals
    • 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
    • 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/487—Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection
    • 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

现有的激光雷达装置存在不对时间门的宽度进行变更则无法提高风速测定精度这样的课题。本发明的激光雷达装置具有：光振荡器，其对激光进行振荡；光调制器，其对光振荡器振荡出的激光进行调制；光天线，其向大气辐射光调制器调制后的激光，接收来自被辐射物的散射光作为接收光；光接收器，其对光天线接收到的接收光进行外差检波；以及信号处理器，其计算光接收器进行外差检波而得到的接收信号的光谱，使用信噪比对光谱进行分割，根据分割后的光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
公知有如下的激光雷达装置：向空气中射出激光，接收在大气中浮游的微小液体或固体的粒子(气溶胶)反射后的散射光，由此能够得知风的速度。在该激光雷达装置的使用用途中，存在针对风况调查或风车评价等的使用。通过高分辨率、高精度地测定风车面内的风速值，能够进行详细的针对风车设计的反馈、风车的异常检测。在专利文献1所示的现有的激光雷达装置中，按照每个时间门(time gate)对来自大气中气溶胶的散射光进行傅里叶变换，求出每个时间的散射光的频谱。然后，对每个时间的频谱进行积分，根据积分后的频谱的峰值求出视线方向的风速值。然后，改变视线来汇集根据积分后的频谱求出的风速值，然后计算风向量。
现有技术文献
专利文献
日本特开2009-300133号公报
发明内容
发明要解决的课题
现有的激光雷达装置设时间门宽度固定，因此，在时间门内包含多种风速值的信号。
图11是使用现有的雷达装置的风车评价的结构图。在进行图11所示的风车评价的情况下，风车面内的风速值根据高度而变化。但是，存在如下课题：仅输出各距离库(时间门)的风速值的平均或最频的风速值，各距离库中得到的频谱较宽，风速测定精度没有改善。为了提高风速值的测定精度，需要缩窄空间上的测定范围、即缩窄时间门，但是，该情况下，所得到的信号量减少，相对于噪声的峰值(信噪比)即SNR(Signal to Noise Ratio)劣化，观测距离缩短。因此，在时间门宽度与风速测定精度之间存在相反关系，很难同时实现。
用于解决课题的手段
本发明的激光雷达装置具有：光振荡器，其对激光进行振荡；光调制器，其对光振荡器振荡出的激光进行调制；光天线，其向大气辐射光调制器调制后的激光，接收来自被辐射物的散射光作为接收光；光接收器，其对光天线接收到的接收光进行外差检波；以及信号处理器，其计算光接收器进行外差检波而得到的接收信号的光谱，使用信噪比对光谱进行分割，根据分割后的光谱计算被辐射物的速度。
发明效果
根据本发明，不对时间门的宽度进行变更，也能够提高激光雷达装置的风速测定精度。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
图2是示出本发明的实施方式1的信号处理器10的一个结构例的结构图。
图3是示出本发明的实施方式1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是示出本发明的实施方式1的积分器103的积分处理的概念图。
图5是本发明的实施方式1的SNR计算器104和光谱分割器105的处理内容的概念图。
图6是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置中的高度与测定风速值之间的关系的图。
图7是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
图8是示出本发明的实施方式2的信号处理器12的一个结构例的结构图。
图9是示出本发明的实施方式2的信号处理器12的另一个结构例的结构图。
图10是示出本发明的实施方式2的信号处理器12的另一个结构例的结构图。
图11是使用现有的雷达装置的风车评价的结构图。
具体实施方式
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
本激光雷达装置具有光振荡器1、光耦合器2、光调制器3、光环行器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10和显示器11。
光振荡器1是对激光进行振荡的光振荡器。光振荡器1与光耦合器2连接，将振荡出的激光输出到光耦合器2。例如，在光振荡器1中使用半导体激光器、固体激光器等。
光耦合器2是将光振荡器1输出的激光分支成本地光和发送光的光耦合器。本地光是指穿过从光耦合器2经由合波耦合器7到达光接收器8的路径的光，发送光是指穿过从光耦合器2经由光调制器3到达光天线5的路径的光。光耦合器2与光振荡器1、光调制器3和合波耦合器7连接，将本地光输出到合波耦合器7，将发送光输出到光调制器3。例如，在光耦合器中使用熔融光纤耦合器、使用电介质多层膜滤光器的滤光器型耦合器等。
光调制器3是使光耦合器2输出的发送光的频率偏移的调制器。光调制器3对发送光进行相位调制或频率调制，使发送光的频率偏移。光调制器3与光耦合器2和光环行器4连接。例如，在光调制器3中使用AO移频器(Acoust Optical Frequency Shifter)、光相位调制器等。
光环行器4是对光调制器3调制后的发送光以及经由扫描器6和光天线5得到的接收光进行分离的光环行器。这里，接收光是气溶胶针对发送光的散射光。光环行器4与光调制器3、光天线5和合波耦合器7连接，将发送光输出到光天线5，将接收光输出到合波耦合器7。例如，在光环行器4中采用使用波长板和分束器构成的环行器等空间传播型、光纤耦合型的光环行器。
光天线5是输出由光环行器4输出的发送光并接收来自气溶胶的散射光作为接收光的光天线。光天线5与光环行器4和扫描器6连接，将发送光输出到扫描器6，将接收光输出到光环行器4。例如，在光天线5中使用光学望远镜、照相机镜头。
扫描器6是对光天线5输出的发送光进行扫描并使朝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由楔形棱镜、使该楔形棱镜旋转的马达、编码器构成。例如，在马达中使用带编码器的步进马达。扫描器6使马达以任意速度旋转，使楔形棱镜的视线方向变化，并且，对信号处理器10输出被照射发送光的角度信息。例如，在扫描器6中使用楔形棱镜反射镜、电扫描器等。
合波耦合器7是对本地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、光环行器4和光接收器8连接。合波耦合器7对光耦合器2输出的本地光和光环行器4输出的接收光进行合波，将合波光输出到光接收器8。例如，在合波耦合器7中使用熔融光纤耦合器、使用电介质多层膜滤光器的滤光器型耦合器等。
光接收器8是对合波耦合器7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和A/D转换器9连接。光接收器8对合波耦合器7输出的合成光进行外差检波，将检波得到的光信号转换为电信号，并将其输出到A/D转换器9。例如，在光接收器8中使用平衡接收机等。
A/D转换器9是将光接收器8进行外差检波得到的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器(Analogue to Digital converter)。A/D转换器9与光接收器8、光调制器3和信号处理器10连接。A/D转换器9将光调制器3输出的激光脉冲触发信号作为触发而对光接收器8输出的模拟电信号进行采样，将模拟信号转换为数字信号，并将其输出到信号处理器10。例如，在A/D转换器9中使用双重积分型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器、并列比较型A/D转换器等。
信号处理器10是对A/D转换器9输出的数字信号进行信号处理来计算风向量的信号处理器。
图2是示出本发明的实施方式1的信号处理器10的一个结构例的结构图。
信号处理器10具有分割数设定器100、距离库分割器101、FFT处理器(傅里叶变换处理器)102、积分器103、SNR计算器104、光谱分割器105、风速计算器106、风向量计算器107和扫描器控制器108。
分割数设定器100设定各距离库中得到的光谱的分割数，与SNR计算器104、光谱分割器105连接，将与该分割数的设定值相当的数字信号输出到SNR计算器104、光谱分割器105。
距离库分割器101是将A/D转换器9输出的数字信号分割成任意个数的距离库的距离库分割器。距离库分割器101与A/D转换器9和FFT处理器102连接。距离库分割器101利用任意个数的距离库划分A/D转换器9输出的数字信号，将划分后的数字信号输出到FFT处理器102。利用距离库进行划分是指以固定时间分割信号。
FFT处理器102是对距离库分割器101输出的信号进行FFT(Fast FourierTransform)处理的FFT处理器。FFT处理器102与距离库分割器101和积分器103连接。FFT处理器102按照每个距离库对距离库分割器101输出的利用各距离库划分后的信号进行高速傅里叶变换，将变换后的光谱信号输出到SNR计算器104。
积分器103是对光谱信号进行积分的积分器。积分器103与FFT处理器102、SNR计算器104、光谱分割器105连接。积分器103对FFT处理器102输出的光谱进行任意次数的积分处理，将积分处理后的光谱信号输出到SNR计算器104、光谱分割器105。按照各发射(shot)的每个相同距离库对各发射中的每个距离库的光谱信号进行积分，由此进行积分处理。
SNR计算器104根据通过观测得到的各高度的SNR值导出SNR针对高度的函数，按照分割数设定器100中设定的分割数对距离库内的高度进行分割，将各高度的SNR输出到光谱分割器105。
光谱分割器105设为通过观测得到的各高度的光谱由分割数设定器100和SNR计算器104中设定的1个以上的高度的光谱形成，估计各高度的光谱，将其输出到风速计算器106。
风速计算器106是根据光谱数据计算风速的风速计算器。风速计算器与光谱分割器105连接。风速计算器106根据由光谱分割器105输出的光谱信号计算激光的多普勒频移量，根据多普勒频移量计算激光针对视线方向的风速值。风速计算器106将各视线方向的风速值输出到风向量计算器107。
风向量计算器107是根据视线方向的风速值和视线方向的角度信息计算风向量的风向量计算器。风向量计算器107与风速计算器106、扫描器6、扫描器控制器108连接。风向量计算器107根据风速计算器106输出的各视线方向的风速值、经由扫描器控制器108得到的扫描器6的棱镜的角度信息计算风向量，将其输出到扫描器控制器108。
扫描器控制器108是生成对扫描器6进行控制的控制信号的扫描器控制器。扫描器控制器108与风向量计算器107、扫描器6和显示器11连接。扫描器控制器108根据风向量计算器107计算出的风向量的结果生成视线方向切换用的控制信号，将所生成的控制信号输出到扫描器6。扫描器控制器108保持由扫描器6得到的角度信息，并且向风向量计算器107进行发送。并且，扫描器控制器108将风向量计算器107输出的风向量的计算结果输出到显示器11。
分割数设定器100、距离库分割器101、FFT处理器102、积分器103、SNR计算器104、光谱分割器105、风速计算器106、风向量计算器107和扫描器控制器108例如使用FPGA(Field Programmable Gate Array)的逻辑电路、微机(微计算机)等。
返回图2的激光雷达装置的结构的说明。
显示器11是显示信号处理器10计算出的视线方向风速值的显示器。显示器11与信号处理器10连接。显示器11显示信号处理器10计算出的数据、例如视线方向风速值、其SNR或风向量。例如，在显示器11中使用液晶显示器、有机EL(Electro Luminescence)显示器等。显示器11可以具有RAM(Random Access Memory)或硬盘等存储装置，针对时间存储有视线方向风速值、其SNR或风向量。
接着，对本发明的实施方式1的激光雷达装置的动作进行说明。
光振荡器1使激光进行振荡，将振荡出的激光输出到光耦合器2。
光耦合器2根据任意分支比将光振荡器1输出的激光分配为发送光和本地光，将发送光输出到光调制器3，将本地光输出到合波耦合器7。发送光是从光天线5向大气中输出的光，本地光是为了利用光接收器8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。
在系统设计用的线路计算中，例如使用以下式子。
【数学式1】
β、K、S0分别表示后方散射系数(m-1sr-1)、大气透射率、散射光的相干直径(m)，表示系统中不可控制的表示大气条件的参数。D、F、N、L分别表示波束直径(m)、聚光距离(m)、非相干积分数(次)、观测距离(m)，表示系统内能够变更的参数。h、λ、P、ηF、B分别是普朗克常数(Js)、波长(m)、发送光脉冲能量(J)、远场(Far Field)的发送接收效率、接收带宽(Hz)，Ac表示用于将由于光天线而渐晕的高斯波束(NGB：Nearest Gaussian Beam)置换为相关较高的衍射极限的高斯波束的近似系数，L表示观测距离(m)。渐晕表示要发送或接收的高斯波束被望远镜的有效开口直径遮断而对一部分进行限幅的状态。在利用高斯曲线对被限幅的高斯波束进行拟合的情况下，上述Ac相当于该高斯曲线的系数。
光调制器3对由光耦合器2分配的发送光进行频率调制和强度调制，将调制后的发送光输出到光环行器4。这里，光调制器3决定发送光的脉冲宽度、重复频率(PRF)。脉冲宽度还相当于距离分辨率值，因此，还能够在信号处理器10中设定与期望的距离分辨率值相当的脉冲宽度，信号处理器10在光调制器3中设定该脉冲宽度，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。并且，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将脉冲触发信号输出到A/D转换器9，该脉冲触发信号表示对发送光进行脉冲化时的脉冲定时。
光环行器4使光调制器3调制后的发送光穿过光天线5，将光天线接收到的接收光输出到合波耦合器7。光环行器4这样对发送光和接收光进行分离。
光天线5对发送光进行准直，照射到空气中。并且，光天线5汇集针对发送光的来自气溶胶的散射光，作为接收光进行接收。光天线5可以具有会聚调整功能。
扫描器6接受信号处理器10输出的控制信号，使楔形棱镜旋转，任意变更光天线5照射的光的方向。并且，扫描器6将与编码器信息相当的电信号输出到信号处理器10，传递角度信息。
合波耦合器7对光耦合器2输出的本地光和光环行器4输出的接收光进行合波，将合波后的光输出到光接收器8。
光接收器8对合波耦合器7输出的合波光进行光电转换，通过外差检波进行接收光的频率解调，将频率解调后的接收信号输出到A/D转换器9。
A/D转换器9接受光调制器3中产生的脉冲触发信号后，以采样频率fs进行光接收器8输出的接收信号的A/D转换，将其数字信号输出到信号处理器10。
这里，对信号处理器10的动作进行说明。
图3是示出本发明的实施方式1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。距离库分割器101利用任意的时间宽度划分来自各距离的接收信号。下面，将划分后的时间(时间门)称为距离库。各距离库的时间宽度对应于距离分辨率值。距离库分割器101利用任意个数的距离库划分接收波形，将距离库区间的接收波形的电压值输出到FFT处理器102。
例如，在将距离分辨率设定为Rres的情况下，对A/D转换后的时间波形进行划分的时间宽度(t)设定为t＝2Rres/c(c：光速)。因此，在总距离库数为M个的情况下，在将用于开始进行A/D的触发、这里为来自光调制器3的触发信号定时作为基准来表示利用各距离库划分的时间时，该式子如下所述。
【数学式2】
【数学式3】
【数学式4】
Tstart是各距离库的数据取得开始时间，Tend是各距离库的数据取得结束时间，m是距离库的编号，具有1～M的值域。Rmin是用于调整观测开始距离的值，即，利用距离值表示对脉冲触发信号进行A/D转换之前的延迟定时。在针对触发的A/D开始的延迟量为0的情况下，例如，在希望从40m进行测定的情况下，在Rmin中插入40等的值。
另外，这里，进行该时间间隔的距离库分割，但是不限于此，也可以由用户决定与Tstart相当的观测开始距离，也可以按照每个距离库进行设定，还可以使Tstart和Tend的范围重叠。
FFT处理器102以FFT点数(NFFT)对距离库分割器101取得的各距离库的时间波形进行FFT处理，得到接收信号光谱。NFFT表示进行FFT处理的点数，例如使用256等的值。
积分器103对各发射中得到的光谱进行由用户指定的次数(N)的非相干积分。针对各距离库的光谱数据，利用以下式子进行非相干积分。
图4是示出本发明的实施方式1的积分器103的积分处理的概念图。积分器103针对各发射中的各距离库的光谱数据，通过合并相同距离库编号的光谱数据来进行积分处理。利用数学式表示时，积分处理如下所述。
【数学式5】
SPC(i,n,R)是各发射的光谱数据。S(i,R)是积分处理后的光谱数据。i是频点的编号，n是发射的编号，R是距离库的编号。通过进行积分处理，能够针对噪声值增大光谱数据的峰值(信号值)。即，能够改善SNR。
图5是本发明的实施方式1的SNR计算器104和光谱分割器105的处理内容的概念图。在图5中，实线表示任意距离库中取得的光谱，该光谱是图5的虚线所示的S1～SM的光谱重叠而形成的。在本图中，示出对高度进行3分割的图像。在SNR计算器104中，导出图5的白色圆圈所示的高度的SNR。此时，可以利用使用通过观测得到的SNR(图5的黑色圆点)的多项式近似，也可以使用式(1)所示的线路计算式，例如将后方散射系数作为变量，导出与所得到的SNR分布最一致的该变量的值，使用(1)式的函数导出期望的高度的SNR。在根据测定值求出SNR的情况下，使光谱的峰值除以噪声基底的值来计算SNR。
在光谱分割器105中，进行上述分解后的光谱的估计。被分割的光谱Stotal利用S1、S2…SM之和表示时，能够利用以下式子表示。这里，Stotal对应于式(5)的S(i,R)。各个fi(多普勒频率)成为应该求出的变量。这里，还考虑进行最大似然估计的方法，但是，振幅、多普勒频率、光谱宽度σ这样的变量较多，计算量庞大。根据本结构，根据SNR分布导出振幅，因此，具有计算量减少的效果。
【数学式6】
【数学式7】
【数学式8】
这里，wt是发送光的线宽，wL是本地光的线宽，M是进行分割的高度数，f是频率，i是光谱分割编号(参照图5)，fi是各高度的光谱的中心(平均)。
如式(9)所示，光谱分割器105利用其最大值对Stotal进行归一化。并且，如式(10)所示，光谱分割器105对接收到的SNR进行归一化，计算各个高斯波形的振幅A。
【数学式9】
【数学式10】
将式(9)的S’total代入式(6)的Stotal中，将式(10)的Ai代入式(6)中，针对fi求解联立方程式(分割后的部分的联立方程式)。其结果，能够导出f1～fM的值。与最大似然估计这样的拟合不同，根据SNR分布求出振幅的项，求解联立方程式，由此能够计算多个高度的光谱，因此，如上所述，得到计算量减少的效果。这里，Stotal是通过任意频率分辨率而划分后的离散的数据。因此，对所取得的光谱进行高斯拟合或多项式近似，进行函数化。如果是多项式近似，则还能够应对复杂形状的光谱，能够提高风速测定精度。
图6是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置中的高度与测定风速值之间的关系的图。例如，一般而言，风速值的高度分布基于幂律，但是存在微细的变动。因此，各距离库内的风速不是呈线性增加。并且，在气溶胶量固定的情况下，所得到的光谱峰值在其最频值具有峰值。这里，模拟在比中心高度低的高度存在风速切变的状态。该情况下，针对中心高度的风速值产生测定误差。因此，即使利用高度进行线性补充而求出风速值，风速值的变动也不是线性的，因此，产生观测误差。针对这种问题，本结构对光谱进行分割，提高高度分辨率，使光谱宽度的变动极小，由此能够减少切变的影响，因此，得到测定精度提高的效果。
风速计算器106根据积分后的光谱计算视线方向的多普勒频率即风速值。利用以下式子计算视线方向风速值v(m/s)。λ表示波长。
【数学式11】
风向量计算器107使用向量合成或VAD(Velocity Azimuth Display)法计算风向量。在向量合成的情况下，例如，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)、铅直方向的风速(W)、仰角(θ)、以北为基准的方位角利用以下式子表示视线方向的风速(Vr)。
【数学式12】
使用本式，例如在得到3个方向的视线方向风速值的情况下，求解联立方程式，由此能够计算U、V、W。由此，得到三维的风向量。
扫描器控制器108生成用于使扫描器进行动作的控制信号，以切换视线方向。扫描器6根据来自扫描器控制器108的控制信号对扫描器内的步进马达进行驱动，使其进行期望的步进动作，由此进行朝向期望角度的动作。并且，扫描器6向扫描器控制器108发送基于所搭载的编码器的角度信号，在扫描器控制器108中保持动作后的角度信息。
显示器11在存储器中保存信号处理器10计算出的视线方向风速值、视线方向风速值的SNR或风向量等信息并进行显示。
如上所述，根据本发明的实施方式1，根据SNR决定时间门内的光谱的振幅值，使用该光谱的振幅值对时间门内的光谱进行分割，因此，能够改善风速测定精度。
另外，在本结构中，以脉冲型激光雷达装置为前提进行记载，但是，也可以使用CW(Continuous Wave)方式，不限于此。并且，在本结构中，基于光纤来记载光连接方法，但是，连接方法也可以设为空间传播型，而不使用光纤。
并且，本激光雷达装置也可以不是上述这种扫描器结构，而构成为在环行器与望远镜之间插入光开关并去除扫描器，不限于此。此时，例如，在光开关中使用通信中使用的机械光开关或MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)光开关等。
并且，信号处理器10的各结构要素的功能可以由FPGA等硬件执行，也可以由软件执行，以使得处理器读出并执行存储器中存储的表示各结构要素的功能的程序。
实施方式2
在实施方式2中，相对于实施方式1，对使要分割的光谱的数量动态变动的激光雷达装置进行说明。由此，得到减少由于SNR不足而引起的误检测的效果。一般而言，当分割光谱数增多时，分割光谱的峰值减小，嵌入噪声基底中，因此，SNR劣化。
图7是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的一个结构例的结构图。图7中与图2相同的标号表示相同或相当的部分，省略说明。信号处理器12的结构与实施方式1不同。
图8是示出本发明的实施方式2的信号处理器12的一个结构例的结构图。整体的装置结构与图2所示的结构相同。图8中与图3相同的标号表示相同或相当的部分，省略说明。
信号处理器12设置有距离库分割器101、FFT处理器102、积分器103、SNR计算器104、光谱分割器105、风速计算器106、风向量计算器107、扫描器控制器108，将积分器103中得到的光谱输入到分割数设定器109，分割数设定器109将能够进行光谱分割的最大个数输出到SNR计算器104和光谱分割器105。这点与信号处理器10不同。
接着，对本发明的实施方式2的激光雷达装置的动作进行说明。省略与实施方式1相同的动作的说明，对与实施方式1不同的动作进行说明。
光振荡器1～A/D转换器9的动作与实施方式1相同，因此省略说明。
信号处理器12中的分割数设定器109根据从积分器103得到的光谱数据，计算峰值强度即SNR。与此相对，在设信号检测用的SNR阈值为TH时，导出满足以下条件的分割数M。此时，M是自然数。
【数学式13】
此时的阈值设定成比通常的信号检测阈值高而具有余量，由此，能够确保风速测定精度。
图9是示出本发明的实施方式2的信号处理器12的另一个结构例的结构图。在M小于1的情况下，如图9所示，可以将使时间门宽度和发送光的脉冲宽度变化的信号输出到光调制器3。距离库分割器101根据来自光调制器3的控制信号对时间门宽度进行变更。由此，实现SNR的改善。
图10是示出本发明的实施方式2的信号处理器12的另一个结构例的结构图。在M小于1的情况下，如图10所示，可以对积分器输出增加积分次数的设定信号。这样，将所得到的SNR作为判断基准，以能够观测的方式设定系统参数，由此能够提高有效数据率。
如上所述，根据本发明的实施方式2，使要分割的光谱的数量动态变动，因此，能够减少由于SNR不足而引起的误检测。
标号说明
1：光振荡器；2：光耦合器；3：光调制器；4：光环行器；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：显示器；12：信号处理器；100：分割数设定器；101：距离库分割器；102：FFT处理器；103：积分器；104：SNR计算器；105：光谱分割器；106：风速计算器；107：风向量计算器；108：扫描器控制器；109：分割数设定器。

Claims (6)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置具有：
光振荡器，其对激光进行振荡；
光调制器，其对所述光振荡器振荡出的所述激光进行调制；
光天线，其向大气辐射所述光调制器调制后的所述激光，接收来自被辐射物的散射光作为接收光；
光接收器，其对所述光天线接收到的所述接收光进行外差检波；以及
信号处理器，其计算所述光接收器进行外差检波而得到的接收信号的光谱，使用信噪比对所述光谱进行分割，根据分割后的所述光谱计算所述被辐射物的速度。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述信号处理器具有：
距离库分割器，其以所设定的时间门宽度对所述接收信号进行分割；
傅里叶变换处理器，其对所述距离库分割器分割后的所述接收信号进行傅里叶变换，计算每个所述时间门宽度的所述接收信号的所述光谱；
积分器，其按照每个所述时间门宽度对所述傅里叶变换处理器计算出的所述光谱进行积分；
SNR计算器，其根据所述积分器进行积分后的所述光谱求出针对距离的所述信噪比；
分割数设定器，其设定所述积分器进行积分后的所述光谱的分割数；
光谱分割器，其使用所述分割数设定器设定的所述分割数和所述SNR计算器计算出的所述信噪比，对所述积分器进行积分后的所述光谱进行分割；以及
风速计算器，其根据所述光谱分割器分割后的光谱计算所述被辐射物的风速。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述分割数设定器使用所述信噪比的阈值决定所述光谱的分割数。
4.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述积分器根据所述分割数对所述光谱的积分次数进行变更。
5.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述距离库分割器根据所述分割数对计算所述光谱时的所述时间门宽度进行变更。
6.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述光调制器根据所述分割数对调制所述激光时的脉冲宽度进行变更。
CN201680084317.5A 2016-04-05 2016-04-05 激光雷达装置 Active CN108885261B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2016/061086 WO2017175297A1 (ja) 2016-04-05 2016-04-05 レーザレーダ装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108885261A true CN108885261A (zh) 2018-11-23
CN108885261B CN108885261B (zh) 2022-03-29

Family

ID=60001069

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680084317.5A Active CN108885261B (zh) 2016-04-05 2016-04-05 激光雷达装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11112502B2 (zh)
EP (1) EP3428685B1 (zh)
JP (1) JP6366880B2 (zh)
CN (1) CN108885261B (zh)
WO (1) WO2017175297A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109916852A (zh) * 2019-01-31 2019-06-21 上海禾赛光电科技有限公司 一种激光气体遥测仪信号采集方法和系统
CN112630746A (zh) * 2020-12-01 2021-04-09 北京遥感设备研究所 一种用于远距目标测量的脉冲多普勒激光雷达

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110050200B (zh) * 2016-11-10 2023-07-21 莱卡地球系统公开股份有限公司 激光扫描仪
DE102017106226A1 (de) * 2017-03-22 2018-09-27 Metek Meteorologische Messtechnik Gmbh LIDAR-Messeinrichtung
EP3754364B1 (en) * 2018-03-29 2023-01-11 Mitsubishi Electric Corporation Laser radar device
WO2019202676A1 (ja) * 2018-04-18 2019-10-24 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置
JP6793878B2 (ja) * 2018-04-26 2020-12-02 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置、風力発電装置および風計測方法
WO2020209279A1 (ja) * 2019-04-08 2020-10-15 三菱電機株式会社 風計測ライダ装置
JP7042975B2 (ja) * 2019-06-25 2022-03-28 三菱電機株式会社 信号処理装置、信号処理方法及びレーダ装置
KR102653404B1 (ko) * 2020-05-08 2024-04-02 주식회사 에이치엘클레무브 차량의 제어 장치 및 제어 방법

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1641377A (zh) * 2004-01-06 2005-07-20 中国海洋大学 非相干激光测风方法及激光雷达
CN1932553A (zh) * 2006-09-30 2007-03-21 中国海洋大学 微波测风激光雷达装置
JP2009162678A (ja) * 2008-01-09 2009-07-23 Mitsubishi Electric Corp レーザレーダ装置
JP2010271058A (ja) * 2009-05-19 2010-12-02 Mitsubishi Electric Corp 風計測装置
WO2014041852A1 (ja) * 2012-09-14 2014-03-20 三菱電機株式会社 レーザーレーダ装置及び測定対象物の速度算出方法
CN103823221A (zh) * 2013-12-31 2014-05-28 西南技术物理研究所 脉冲激光相干测风雷达
US20140300888A1 (en) * 2011-11-29 2014-10-09 Flidar Motion-stabilised lidar and method for wind speed measurement
CN104541181A (zh) * 2012-08-08 2015-04-22 三菱电机株式会社 雷达装置
CN104662440A (zh) * 2012-09-24 2015-05-27 三菱电机株式会社 相干激光雷达装置以及激光雷达装置
CN105204030A (zh) * 2015-09-22 2015-12-30 中国科学院上海技术物理研究所 光学正交解调的相干零差测速激光雷达的数据处理方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001174553A (ja) * 1999-12-16 2001-06-29 Mitsubishi Electric Corp レーダ装置
JP4806949B2 (ja) * 2005-03-31 2011-11-02 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置
JP5252696B2 (ja) 2008-06-11 2013-07-31 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 航空機搭載用光学式遠隔気流計測装置
JP5699404B2 (ja) 2010-06-11 2015-04-08 株式会社東芝 レーダ受信信号処理装置とその方法
JP5933245B2 (ja) 2011-12-15 2016-06-08 三菱電機株式会社 クラッタ抑圧装置
CN104335068B (zh) * 2012-06-25 2016-04-06 三菱电机株式会社 风测量相干雷达装置
JP2014044193A (ja) 2012-07-31 2014-03-13 Mitsubishi Electric Corp クラッタ抑圧装置
JP6037762B2 (ja) * 2012-10-18 2016-12-07 三菱電機株式会社 風計測装置
US10379136B2 (en) * 2015-12-10 2019-08-13 Mitsubishi Electric Corporation Laser radar device
WO2017130315A1 (ja) * 2016-01-27 2017-08-03 三菱電機株式会社 コヒーレントライダー装置
WO2018096665A1 (ja) * 2016-11-28 2018-05-31 三菱電機株式会社 データ処理装置、レーザレーダ装置、及び風測定システム
EP3564652B1 (en) * 2017-01-24 2021-09-01 Mitsubishi Electric Corporation Laser radar device
WO2019008670A1 (ja) * 2017-07-04 2019-01-10 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置
WO2019202676A1 (ja) * 2018-04-18 2019-10-24 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1641377A (zh) * 2004-01-06 2005-07-20 中国海洋大学 非相干激光测风方法及激光雷达
CN1932553A (zh) * 2006-09-30 2007-03-21 中国海洋大学 微波测风激光雷达装置
JP2009162678A (ja) * 2008-01-09 2009-07-23 Mitsubishi Electric Corp レーザレーダ装置
JP2010271058A (ja) * 2009-05-19 2010-12-02 Mitsubishi Electric Corp 風計測装置
US20140300888A1 (en) * 2011-11-29 2014-10-09 Flidar Motion-stabilised lidar and method for wind speed measurement
CN104541181A (zh) * 2012-08-08 2015-04-22 三菱电机株式会社 雷达装置
WO2014041852A1 (ja) * 2012-09-14 2014-03-20 三菱電機株式会社 レーザーレーダ装置及び測定対象物の速度算出方法
CN104603636A (zh) * 2012-09-14 2015-05-06 三菱电机株式会社 激光雷达装置以及测定对象物的速度计算方法
CN104662440A (zh) * 2012-09-24 2015-05-27 三菱电机株式会社 相干激光雷达装置以及激光雷达装置
CN103823221A (zh) * 2013-12-31 2014-05-28 西南技术物理研究所 脉冲激光相干测风雷达
CN105204030A (zh) * 2015-09-22 2015-12-30 中国科学院上海技术物理研究所 光学正交解调的相干零差测速激光雷达的数据处理方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109916852A (zh) * 2019-01-31 2019-06-21 上海禾赛光电科技有限公司 一种激光气体遥测仪信号采集方法和系统
CN112630746A (zh) * 2020-12-01 2021-04-09 北京遥感设备研究所 一种用于远距目标测量的脉冲多普勒激光雷达
CN112630746B (zh) * 2020-12-01 2023-09-15 北京遥感设备研究所 一种用于远距目标测量的脉冲多普勒激光雷达

Also Published As

Publication number Publication date
US20190064361A1 (en) 2019-02-28
WO2017175297A1 (ja) 2017-10-12
EP3428685B1 (en) 2020-09-09
EP3428685A1 (en) 2019-01-16
JP6366880B2 (ja) 2018-08-01
JPWO2017175297A1 (ja) 2018-09-20
CN108885261B (zh) 2022-03-29
EP3428685A4 (en) 2019-04-17
US11112502B2 (en) 2021-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108885261A (zh) 激光雷达装置
CN106707291B (zh) 一种双频线性调频相干测风激光雷达
KR102477195B1 (ko) 광 처프 거리 검출의 도플러 검출 및 도플러 보정을 위한 방법 및 장치
US20210011141A1 (en) Laser radar device
US11474256B2 (en) Data processing device, laser radar device, and wind measurement system
US7986397B1 (en) FMCW 3-D LADAR imaging systems and methods with reduced Doppler sensitivity
US7570347B2 (en) Chirped amplitude modulation ladar
CN105866795B (zh) 基于全光纤扫描f-p干涉仪的大动态风场探测激光雷达
CN108369276A (zh) 激光雷达装置
CN108387907A (zh) 闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统和方法
WO2018198225A1 (ja) Ａｉ装置、レーザレーダ装置、及びウインドファーム制御システム
CN106371108B (zh) 一种全光纤脉冲相干多普勒激光测风方法及雷达系统
US11726190B2 (en) System for emulating an environment for testing a frequency modulated continuous wave (FMCW) detection and ranging (LiDAR) system
CN112698356A (zh) 基于多孔径收发的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统
CN113702946A (zh) 同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法及装置
CN110865354A (zh) 闪光雷达和探测方法
WO2019178136A1 (en) Spectral-temporal lidar
De Pra et al. Optical emulation of inverse synthetic aperture radar

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant