CN110234979A - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

设置有：频移校正部(25)，其校正同一时间范围内的多个第1信号频谱的频率相对于第1激光的频率的偏移，并且校正同一时间范围内的多个第2信号频谱的频率相对于第2激光的频率的偏移；以及频谱累积部(26)，其对由频移校正部(25)校正后的多个第1信号频谱进行累积，并且对由频移校正部(25)校正后的多个第2信号频谱进行累积，分子浓度计算部(27)根据由频谱累积部(26)累积后的第1信号频谱和第2信号频谱计算大气中的分子的浓度。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及计算大气中的分子的浓度的激光雷达装置。
背景技术
在以下的非专利文献1中，公开了计算大气中的分子的浓度的激光雷达装置。
该激光雷达装置具有产生如下激光的光源：吸收波长的激光，该吸收波长是被大气中的分子吸收的波长；以及非吸收波长的激光，该非吸收波长的激光是不被大气中的分子吸收的波长。大气中的分子具有固有的吸收谱，吸收波长的激光的波长与大气中的分子的吸收谱的波长相对应。
另外，该激光雷达装置具有光天线，该光天线将从光源产生的吸收波长的激光以及非吸收波长的激光放射到大气中，并接收由大气中的气溶胶散射的吸收波长的激光的散射光和非吸收波长的激光的散射光。
以下，将吸收波长的激光的散射光称为“吸收波长散射光”，将非吸收波长的激光的散射光称为“非吸收波长散射光”。
进而，该激光雷达装置具有光耦合器，该光耦合器对由光天线接收到的吸收波长散射光和吸收波长的激光进行合波，并且对光天线所接收到的非吸收波长散射光和非吸收波长的激光进行合波。
该光耦合器输出吸收波长散射光和吸收波长的激光的合波光并且输出非吸收波长散射光和非吸收波长的激光的合波光。
以下，将吸收波长散射光和吸收波长的激光的合波光称为“吸收波长合波光”，将非吸收波长散射光和非吸收波长的激光的合波光称为“非吸收波长合波光”。
该激光雷达装置具有光接收机，该光接收机对从光耦合器输出的吸收波长合波光进行检波，输出吸收波长合波光的接收信号，并且，对从光耦合器输出的非吸收波长合波光进行检波，输出非吸收波长合波光的接收信号。
该激光雷达装置具有信号处理器，该信号处理器根据从光接收机输出的吸收波长合波光的接收信号和非吸收波长合波光的接收信号计算大气中的分子的浓度。
当从光接收机输出吸收波长合波光的接收信号时，信号处理器通过对吸收波长合波光的接收信号进行高速傅立叶转换，从而计算每个时间范围的多个吸收波长合波光的信号频谱。
为了提高信噪比即SN比，信号处理器通过对同一时间范围内的多个信号频谱中的同一频率的信号成分彼此进行累积，从而对多个信号频谱进行累积。
信号处理器在对多个信号频谱进行累积后，对累积后的信号频谱中的多个信号成分进行比较，将多个信号成分中的最大的信号成分确定为吸收波长合波光的峰值强度。
当从光接收机输出非吸收波长合波光的接收信号时，信号处理器通过对非吸收波长合波光的接收信号进行高速傅立叶转换，从而计算每个时间范围的多个非吸收波长合波光的信号频谱。
为了提高SN比，信号处理器通过对同一时间范围内的多个信号频谱中的同一频率的信号成分彼此进行累积，从而对多个信号频谱进行累积。
信号处理器在对多个信号频谱进行累积后，对累积后的信号频谱中的多个信号成分进行比较，将多个信号成分中的最大的信号成分确定为非吸收波长合波光的峰值强度。
信号处理器根据吸收波长合波光的峰值强度和非吸收波长合波光的峰值强度计算光学厚度，并根据光学厚度计算大气中的分子的浓度。
光学厚度是各个时间范围内的吸收波长合波光的峰值强度与非吸收波长合波光的峰值强度之比。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Applied Optics vol.49 P1809-1817(2010).
发明内容
发明要解决的课题
现有的激光雷达装置如上述那样构成，因此，如果大气中的散射体(例如，气溶胶或大气分子)的位置没有变化，则通过对多个信号频谱进行累积，来提高SN比。其结果是，吸收波长合波光的峰值强度的确定精度以及非吸收波长合波光的峰值强度的确定精度提高，因此分子浓度的计算精度也提高。
但是，在大气中的散射体的位置随着风速或风向的变化而变化的环境下，激光的散射光产生多普勒频移。
若产生多普勒频移，则作为与峰值强度对应的频率的峰值位置发生变化，因此即使对多个信号频谱中的同一频率的信号成分彼此进行累积，SN比也不会提高。其结果是，吸收波长合波光的峰值强度的确定精度和非吸收波长合波光的峰值强度的确定精度变差，因此存在分子浓度的计算精度变差的课题。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于得到如下激光雷达装置：即使在大气中的散射体的位置发生变化的情况下，也能够防止分子浓度的计算精度变差。
用于解决课题的手段
本发明的激光雷达装置设置有：频谱计算部，其计算同一时间范围内的多个第1信号频谱作为第1合波光的信号频谱，并且计算同一时间范围内的多个第2信号频谱作为第2合波光的信号频谱，其中，该第1合波光是被大气中的分子吸收的波长的第1激光被大气中的散射体散射的第1散射光与第1激光的合波光，该第2合波光是不被分子吸收的波长的第2激光被散射体散射的第2散射光与第2激光的合波光；频移校正部，其校正多个第1信号频谱的频率相对于第1激光的频率的偏移，并且校正多个第2信号频谱的频率相对于第2激光的频率的偏移；频谱累积部，其对由频移校正部校正后的多个第1信号频谱进行累积并且对由频移校正部校正后的多个第2信号频谱进行累积，分子浓度计算部根据由频谱累积部累积后的第1信号频谱和由频谱累积部累积后第2信号频谱计算大气中的分子的浓度。
发明效果
根据本发明，由于设置有：频移校正部，其校正同一时间范围内的多个第1信号频谱的频率相对于第1激光的频率的偏移，并且校正同一时间范围内的多个第2信号频谱的频率相对于第2激光的频率的偏移；以及频谱累积部，其对由频移校正部校正后的多个第1信号频谱进行累积，并且对由频移校正部校正后的多个第2信号频谱进行累积，分子浓度计算部构成为根据由频谱累积部累积的第1和第2信号频谱来计算大气中的分子的浓度，因此具有如下效果：即使在大气中的散射体的位置变化的情况下，也能够防止分子浓度的计算精度变差。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
图2是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理器11的结构图。
图3是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理器11的硬件结构图。
图4是通过软件或固件来实现信号处理器11的情况下的计算机的硬件结构图。
图5是表示通过软件或固件来实现信号处理器11的情况下的处理步骤的流程图。
图6是表示通过软件或固件来实现信号处理器11的情况下的处理步骤的流程图。
图7A是表示第1接收信号R1的波形例的说明图，图7B是表示第2接收信号R2的波形例的说明图。
图8A是示出由傅立叶转换部22计算的第1时间范围段(range bin)和第2时间范围段的第1信号频谱SP1的说明图，图8B是示出由傅立叶转换部22计算的第1时间范围段和第2时间范围段的第2信号频谱SP2的说明图。
图9是表示在大气中的气溶胶的位置因风的影响而变化的状况下，由傅立叶转换部22计算的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的例子的说明图。
图10A是表示由噪声去除部24进行噪声成分的去除处理之前的信号频谱以及噪声频谱的说明图，图10B是表示由噪声去除部24进行了噪声成分的去除处理后的信号频谱的说明图。
图11是表示频移校正部25进行的信号频谱的频率的偏移校正的说明图。
图12是表示本发明的实施方式2的激光雷达装置的信号处理器11的结构图。
图13是表示频移校正部30进行的信号频谱的频率的偏移校正的说明图。
图14是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图。
图15是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的信号处理器11的结构图。
图16是表示本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
在图1中，基准光源1是当从波长切换器2接收到表示输出被大气中的分子吸收的波长的激光即第1激光Lb1的意思的波长切换信号时，将第1激光Lb1输出到光分配器3的光源。
另外，当基准光源1从波长切换器2接收到表示输出不被大气中的分子吸收的波长的激光即第2激光Lb2的意思的波长切换信号时，将第2激光Lb2被输出到光分配器3。
大气中的分子具有固有的吸收谱，作为被分子吸收的波长的激光的第1激光Lb1对应于大气中的分子的吸收谱。如果观测对象的分子不同，则分子的吸收谱发生变化，因此根据观测对象的分子来设定从基准光源1输出的第1激光Lb1和第2Lb2的波长。
例如，如果观测对象的分子是二氧化碳，则吸收波长被设定为1572.192nm，非吸收波长被设定为1573.193nm等。
另外，作为基准光源1，例如使用输出线宽为几MHz以下的激光的半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、或者使用这些激光器的组合。
波长切换器2在要从基准光源1输出第1激光Lb1的情况下，将表示输出第1激光Lb1的意思的波长切换信号输出到基准光源1，在要从基准光源1输出第2激光Lb2的情况下，将表示输出第2激光Lb2的意思的波长切换信号输出到基准光源1。
这里，示出了基准光源1根据从波长切换器2输出的波长切换信号输出第1激光Lb1或第2激光Lb2的例子，但作为基准光源1，也可以使用能够同时输出第1激光Lb1和第2激光Lb2的光源。
光分配器3通过光纤缆线与基准光源1连接，例如由分束器构成。
光分配器3将从基准光源1输出的第1激光Lb1和第2激光Lb2以规定的比率分配给脉冲调制器4和光耦合器8。
脉冲调制器4通过光纤缆线与光分配器3连接，例如由声光元件或使用了铌酸锂晶体的调制元件构成。
脉冲调制器4进行由光分配器3分配的第1激光Lb1和第2激光Lb2的脉冲调制。
光放大器5通过光纤缆线与脉冲调制器4连接，例如由光纤放大器或波导型放大器构成。
光放大器5放大从脉冲调制器4输出的第1激光Lb1和第2激光Lb2的强度，将强度放大后的第1激光Lb1和强度放大后的第2激光Lb2输出到光环行器6。
光环行器6通过光纤缆线与光放大器5连接，例如由偏振分束器和波长板构成。
光环行器6将从光放大器5输出的强度放大后的第1激光Lb1和强度放大后的第2激光Lb2输出到光天线7，将从光天线7输出的第1激光Lb1的散射光即第1散射光Sb1及第2激光Lb2的散射光即第2散射光Sb2输出到光耦合器8。
光天线7通过光纤缆线与光环行器6连接，例如由多个折射透镜或多个反射镜构成。
光天线7增大从光环行器6输出的第1激光Lb1和第2激光Lb2的光束直径，并将第1激光Lb1和第2激光Lb2放射到大气中。
此外，光天线7接收由大气中的气溶胶(散射体)或硬靶散射的第1激光Lb1的散射光即第1散射光Sb1和第2激光Lb2的散射光即第2散射光Sb2，将第1散射光Sb1及第2散射光Sb2输出到光环行器6。
光耦合器8通过光纤缆线与光分配器3及光环行器6连接，例如由分束器构成。
光耦合器8在从光环行器6输出第1散射光Sb1时，将第1散射光Sb1和由光分配器3分配的第1激光Lb1合波，将作为第1散射光Sb1和第1激光Lb1的合波光的第1合波光Cb1以50比50的比率分支为2部分，并输出到光接收机9。
光耦合器8在从光环行器6输出第2散射光Sb2时，将第2散射光Sb2和由光分配器3分配的第2激光Lb2合波，将作为第2散射光Sb2和第2激光Lb2的合波光的第2合波光Cb2以50比50的比率分支为2部分，并输出到光接收机9。
光接收机9通过两根光纤缆线与光耦合器8连接，例如由使用2个光电二极管来减轻同相噪声的平衡接收器构成。
光接收机9对从光耦合器8输出的两个第1合波光Cb1进行外差检波，将作为第1合波光Cb1的接收信号的第1接收信号R1输出到作为模数转换器的A/D转换器10。
另外，光接收机9对从光耦合器8输出的两个第2合波光Cb2进行外差检波，将作为第2合波光Cb2的接收信号的第2接收信号R2输出到A/D转换器10。
第1接收信号R1和第2接收信号R2是电信号。
A/D转换器10通过电信号缆线与光接收机9连接，将从光接收机9输出的模拟的第1接收信号R1和第2接收信号R2转换为数字信号，将作为数字信号的接收数据DR1、DR2输出到信号处理器11。
信号处理器11通过电信号缆线与A/D转换器10连接，控制从波长切换器2输出的波长切换信号。
另外，信号处理器11基于从A/D转换器10输出的接收数据DR1、DR2计算大气中的分子的浓度C。
图2是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理器11的结构图。
图3是表示本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理器11的硬件结构图。
在图2和图3中，频谱计算部21包括傅立叶转换部22、频谱累积处理部23和噪声去除部24。
频谱计算部21计算作为从A/D转换器10输出的接收数据DR1的信号频谱的第1信号频谱SP1，并且计算作为从A/D转换器10输出的接收数据DR2的信号频谱的第2信号频谱SP2。
傅立叶转换部22例如通过图3所示的傅立叶转换电路41来实现。
傅立叶转换部22对从A/D转换器10输出的接收数据DR1实施高速傅立叶转换处理即FFT，从而计算每个时间范围的多个第1信号频谱SP1作为接收数据DR1的频域的信号。
另外，傅立叶转换部22对从A/D转换器10输出的接收数据DR2实施FFT，从而计算每个时间范围的多个第2信号频谱SP2作为接收数据DR2的频域的信号。
频谱累积处理部23例如由图3所示的频谱累积电路42实现。
频谱累积处理部23实施如下处理：对由傅立叶转换部22计算的同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1进行累积，并将累积后的第1信号频谱SP1输出到噪声去除部24。
另外，频谱累积处理部23实施如下处理：对由傅立叶转换部22计算的同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2进行累积，并将累积后的第2信号频谱SP2输出到噪声去除部24。
噪声去除部24例如由图3所示的噪声去除电路43来实现。
噪声去除部24实施如下处理：去除由频谱累积处理部23累积后的第1信号频谱SP1中包含的噪声成分，并将去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1输出到频移校正部25。
另外，噪声去除部24实施如下处理：去除由频谱累积处理部23累积后的第2信号频谱SP2中包含的噪声成分，并将去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2输出到频移校正部25。
频移校正部25例如通过图3所示的频移校正电路44来实现。
频移校正部25实施如下处理：校正由噪声去除部24去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1的频率相对于从光天线7放射的第1激光Lb1的频率的偏移。
此外，频移校正部25实施如下处理：校正由噪声去除部24去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2的频率相对于从光天线7放射的第2激光Lb2的频率的偏移。
频谱累积部26例如由图3所示的频谱累积电路45实现。
频谱累积部26实施如下处理：对由频移校正部25校正了频率的偏移的多个第1信号频谱SP1进行累积，并将累积后的第1信号频谱SP1输出到峰值强度计算部28。
由频移校正部25校正了频率的偏移的多个第1信号频谱SP1是对同一时间范围内的多个时刻的信号频谱进行累积而得到的校正后的信号频谱。
另外，频谱累积部26通过对由频移校正部25校正了频率的偏移的多个第1信号频谱SP1中的同一频率的信号成分彼此进行累积，从而对多个第1信号频谱SP1进行累积。
频谱累积部26实施如下处理：对由频移校正部25校正了频率的偏移的多个第2信号频谱SP2进行累积，并将累积后的第2信号频谱SP2输出到峰值强度计算部28。
由频移校正部25校正了频率的偏移的多个第2信号频谱SP2是对同一时间范围内的多个时刻的信号频谱进行累积而得到的校正后的信号频谱。
另外，频谱累积部26通过对由频移校正部25校正了频率的偏移的多个第2信号频谱SP2中的同一频率的信号成分彼此进行累积，从而对多个第2信号频谱SP2进行累积。
分子浓度计算部27具有峰值强度计算部28和分子浓度计算处理部29。
分子浓度计算部27根据由频谱累积部26累积后的第1信号频谱SP1和由频谱累积部26累积后的第2信号频谱SP2计算大空气中的分子的浓度C。
峰值强度计算部28例如由图3所示的峰值强度计算电路46实现。
峰值强度计算部28实施如下处理：计算由频谱累积部26累积后的第1信号频谱SP1的峰值强度即第1峰值强度Pon。
此外，峰值强度计算部28实施如下处理：计算作为由频谱累积部26累积后的第2信号频谱SP2的峰值强度的第2峰值强度Poff。
分子浓度计算处理部29例如由图3所示的分子浓度计算电路47实现。
分子浓度计算处理部29实施如下处理：根据由峰值强度计算部28计算的第1峰值强度Pon和由峰值强度计算部28计算的第2峰值强度Poff计算大气中的分子的浓度C。
在图2中，假定作为信号处理器11的结构要素的傅立叶转换部22、频谱累积处理部23、噪声去除部24、频移校正部25、频谱累积部26、峰值强度计算部28和分子浓度计算处理部29分别由图3所示的专用硬件实现。具体地，假定信号处理器11由傅立叶转换电路41、频谱累积电路42、噪声去除电路43、频移校正电路44、频谱累积电路45、峰值强度计算电路46和分子浓度计算电路47实现。
傅立叶转换电路41、频谱累积电路42、噪声去除电路43、频移校正电路44、频谱累积电路45、峰值强度计算电路46和分子浓度计算电路47例如是单一电路、复合电路、程序化的处理器、并行程序化的处理器、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)或它们的组合。
但是，信号处理器11的结构要素不限于通过专用的硬件来实现，信号处理器11也可以通过软件、固件或软件和固件的组合来实现。
软件或固件作为程序存储在计算机的存储器中。计算机是指执行程序的硬件，例如是CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、处理器、DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)等。
计算机的存储器例如是RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、ROM(ReadOnly Memory：只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory：可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read OnlyMemory：带电可擦除可编程只读存储器)等非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、紧凑型光盘、迷你盘、DVD(Digital Versatile Disc：数字多功能光盘)等。
图4是信号处理器11由软件或固件实现的情况下的计算机的硬件结构图。
在信号处理器11由软件或固件实现的情况下，只要将用于使计算机执行傅立叶转换部22、频谱累积处理部23、噪声去除部24、频移校正部25、频谱累积部26、峰值强度计算部28以及分子浓度计算处理部29的处理步骤的程序存储在存储器51中，并由计算机的处理器52执行存储在存储器51中的程序即可。
图5和图6是表示信号处理器11由软件或固件实现的情况下的处理步骤的流程图。
此外，在图3中，示出了通过专用硬件来实现信号处理器11的各个结构要素的例子，在图4中，示出了通过软件或固件来实现信号处理器11的例子，但也可以通过专用的硬件来实现信号处理器11中的一部分的结构要素，并通过软件或固件来实现其余的结构要素。
接着，对动作进行说明。
基准光源1当从波长切换器2接收到表示输出被大气中的分子吸收的波长的激光即第1激光Lb1的意思的波长切换信号时，将第1激光Lb1输出到光分配器3。
另外，基准光源1当从波长切换器2接收到表示输出不被大气中的分子吸收的波长的激光即第2激光Lb2的意思的波长切换信号时，将第2激光Lb2被输出到光分配器3。
在该实施方式1中，基准光源1交替地输出第1激光Lb1和第2激光Lb2，但基准光源1也可以同时输出第1激光Lb1和第2激光Lb2。
光分配器3在从基准光源1接收第1激光Lb1时，将第1激光Lb1以规定的比率分配给脉冲调制器4和光耦合器8。
光分配器3在从基准光源1接收到第2激光Lb2时，将第2激光Lb2以规定的比率分配给脉冲调制器4和光耦合器8。
脉冲调制器4在从光分配器3接收到第1激光Lb1时，进行第1激光Lb1的脉冲调制。
脉冲调制器4在从光分配器3接收到第2激光Lb2时，进行第2激光Lb2的脉冲调制。
例如，脉冲调制器4进行使得第1激光Lb1和第2激光Lb2的光强度的形状成为高斯形状或矩形形状的第1激光Lb1和第2激光Lb2的强度调制，作为第1激光Lb1和第2激光Lb2的脉冲调制。
另外，脉冲调制器4进行使第1激光Lb1及第2激光Lb2的频率发生偏移的频率偏移作为第1激光Lb1和第2激光Lb2的脉冲调制。作为第1激光Lb1和第2激光Lb2的频移量，例如为20MHz～200MHz的范围。
由此，从脉冲调制器4向光放大器5输出脉冲调制后的第1激光Lb1和脉冲调制后的第2激光Lb2。
光放大器5如果从脉冲调制器4接收到脉冲调制后的第1激光Lb1，则放大脉冲调制后的第1激光Lb1的强度，将强度放大后的第1激光Lb1输出到光环行器6。
光放大器5如果从脉冲调制器4接收到脉冲调制后的第2激光Lb2，则放大脉冲调制后的第2激光Lb2的强度，将强度放大后的第2激光Lb2输出到光环行器6。
光环行器6如果从光放大器5接收到强度放大后的第1激光Lb1，则将强度放大后的第1激光Lb1输出到光天线7。
光环行器6如果从光放大器5接收到强度放大后的第2激光Lb2，则将强度放大后的第2激光Lb2输出到光天线7。
光天线7如果从光环行器6接收到强度放大后的第1激光Lb1，则增大强度放大后的第1激光Lb1的光束直径，将强度放大后的第1激光Lb1放射到大气中。
光天线7如果从光环行器6接收到强度放大后的第2激光Lb2，则增大强度放大后的第2激光Lb2的光束直径，将强度放大后的第2激光Lb2放射到大气中。
光天线7在将强度放大后的第1激光Lb1放射到大气中后，接收由大气中的气溶胶或硬靶散射的第1激光Lb1的散射光即第1散射光Sb1，并将第1散射光Sb1输出到光环行器6。
光天线7在将强度放大后的第2激光Lb2放射到大气中后，接收由大气中的气溶胶或硬靶散射的第2激光Lb2的散射光即第2散射光Sb2，并将第2散射光Sb2输出到光环行器6。
光环行器6在从光天线7接收到第1散射光Sb1时，将第1散射光Sb1输出到光耦合器8，当从光天线7接收到第2散射光Sb2时，将第2散射光Sb2输出到光学耦合器8。
光耦合器8在从光环行器6接收到第1散射光Sb1时，将第1散射光Sb1和从光分配器3输出的第1激光Lb1合波，将作为第1散射光Sb1和第1激光Lb1的合波光的第1合波光Cb1以50比50的比率分支为2部分，并输出到光接收机9。
光耦合器8在从光环行器6接收到第2散射光Sb2时，将第2散射光Sb2和从光分配器3输出的第2激光Lb2合波，将作为第2散射光Sb2和第2激光Lb2的合波光的第2合波光Cb2以50比50的比率分支为2部分，并输出到光接收机9。
光接收机9在从光耦合器8接收到以50比50的比率被分支的2个第1合波光Cb1时，对2个第1合波光Cb1进行外差检波，将作为第1合波光Cb1的接收信号的第1接收信号R1输出到A/D转换器10。
光接收机9在从光耦合器8接收到以50比50的比率被分支的2个第2合波光Cb2时，对2个第2合波光Cb2进行外差检波，将作为第2合波光Cb2的接收信号的第2接收信号R2输出到A/D转换器10。
光接收机9对第1合波光Cb1和第2合波光Cb2进行的外差检波是能够减轻同相噪声的平衡检测。
这里，图7是表示从光接收机9输出的第1接收信号R1和第2接收信号R2的波形例的说明图。
图7A表示第1接收信号R1的波形例，图7B表示第2接收信号R2的波形例。
在图7中，横轴是时间，纵轴是接收信号的信号强度。
在图7中，将时间范围分为N个，表示第1时间范围段～第N时间范围段的信号强度。
当A/D转换器10从光接收机9接收到模拟的第1接收信号R1和第2接收信号R2时，将模拟的第1接收信号R1和第2接收信号R2转换为数字信号，将作为数字信号的接收数据DR1、DR2输出到信号处理器11。
信号处理器11控制从波长切换器2输出的波长切换信号。
在该实施方式1中，如上所述，信号处理器11控制从波长切换器2输出的波长切换信号，以使得基准光源1交替地输出第1激光Lb1和第2激光Lb2。
当信号处理器11从A/D转换器10接收到作为数字信号的接收数据DR1、DR2时，基于接收数据DR1、DR2计算大气中分子的浓度C。
以下，具体说明由信号处理器11进行的分子浓度C的计算处理。
信号处理器11的傅立叶转换部22在从A/D转换器10输出接收数据DR1时(图5的步骤ST1为“是”的情况)，通过对该接收数据DR1实施FFT，计算每个时间范围的多个第1信号频谱SP1作为该接收数据DR1的频域的信号(图5的步骤ST2)。
另外，傅立叶转换部22在从A/D转换器10输出接收数据DR2时(图5的步骤ST3为“是”的情况)，通过对该接收数据DR2实施FFT，计算每个时间范围的多个第2信号频谱SP2作为该接收数据DR2的频域的信号(图5的步骤ST4)。
在该实施方式1中，傅立叶转换部22通过对第1时间范围段～第N时间范围段的接收数据DR1、DR2实施FFT，计算第1时间范围段～第N时间范围段中的多个第1信号频谱SP1和多个第2信号频谱SP2。
另外，傅立叶转换部22在没有从A/D转换器10输出接收数据DR1、DR2时(图5的步骤ST1、ST3为“否”的情况下)，进行等待，直到从A/D转换器10输出接收数据DR1或接收数据DR2。
图8是表示由傅立叶转换部22进行的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的计算例的说明图。
图8A示出由傅立叶转换部22计算的第1时间范围段和第2时间范围段的第1信号频谱SP1，图8B示出由傅立叶转换部22计算的第1时间范围段和第2时间范围段的第2信号频谱SP2。
在图8中，横轴是频率，纵轴是信号强度。
图8表示大气中的气溶胶的位置没有变化的例子。
在大气中的气溶胶的位置没有变化的情况下，作为与同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的峰值强度Pon对应的频率的峰值位置成为相同的位置。另外，即使时间范围不同，如图8A所示，作为与第1信号频谱SP1的峰值强度Pon对应的频率的峰值位置也成为相同的位置。
另外，在大气中的气溶胶的位置没有变化的情况下，作为与同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的峰值强度Poff对应的频率的峰值位置成为相同的位置。另外，即使时间范围不同，如图8B所示，作为与第2信号频谱SP2的峰值强度Poff对应的频率的峰值位置也成为相同的位置。
在图8A和图8B的例子中，无论第1时间范围段还是第2时间范围段，第1信号频谱SP1的峰值强度Pon和第2信号频谱SP2的峰值强度Poff都全部存在于第6频率范围段中。
图9是表示在大气中的气溶胶的位置因风的影响而变化的状况下，由傅立叶转换部22计算的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的例子的说明图。
如图9所示，与第1时间范围段内的多个第1信号频谱SP1的峰值强度Pon对应的频率不同，与第1时间范围段内的多个第2信号频谱SP2的峰值强度Poff对应的频率不同。
即，与第1时间范围段内的时刻t1的第1信号频谱SP1(t1)的峰值强度Pon对应的频率和与时刻t2的第1信号频谱SP1(t2)的峰值强度Pon对应的频率不同。另外，与第1时间范围段内的时刻t1的第2信号频谱SP2(t1)的峰值强度Poff对应的频率和与时刻t2的第2信号频谱SP2(t2)的峰值强度Poff对应的频率不同。
在图9中，仅例示了第1时间范围段，但实际上还存在第2时间范围段～第N时间范围段。N是3以上整数。
在大气中的气溶胶的位置没有变化的情况下，如上所述，作为与多个第1信号频谱SP1的峰值强度对应的频率的峰值位置成为相同的位置。另外，与多个第2信号频谱SP2的峰值强度对应的频率即峰值位置为相同位置。因此，后级的频谱累积处理部23通过对同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1进行累积，并且对同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2进行累积，由此，作为期望的信号成分的与气溶胶对应的信号成分累积，SN比提高。
另一方面，在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，如图9所示，即使在同一时间范围内，作为与峰值强度对应的频率的峰值位置也成为不同的位置。因此，即使后级的频谱累积处理部23分别对同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1和多个第2信号频谱SP2进行累积，期望的信号成分也不累积，SN比不会提高。
因此，在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，即使频谱累积处理部23对同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1及多个第2信号频谱SP2分别进行长时间累积(例如1分钟以上)，也难以提高基于后级的峰值强度计算部28的第1峰值强度Pon和第2峰值强度Poff的确定精度。在图9的例子中，在累积后的第1信号频谱SP1和累积后的第2信号频谱SP2中，不是仅期望的信号成分，而是多个信号成分变大，因此，难以确定与期望的信号成分对应的第1峰值强度Pon和第2峰值强度Poff。
但是，即使在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，通过对多个第1信号频谱SP1和多个第2信号频谱SP2分别进行短时间累积(例如4秒)，SN比提高能够在后级的频移校正部25中计算第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的频率的偏移量fd1、fd2的程度。
如果仅是一个时间范围的信号频谱，则信号强度小，因此在后级的频移校正部25中，难以计算第1信号频谱SP1的频率的偏移量fd1和第2信号频谱SP2的频率的偏移量fd2。
频谱累积处理部23在傅立叶转换部22计算出每个时间范围的多个第1信号频谱SP1后，对同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1进行累积，将累积后的第1信号频谱SP1输出到噪声去除部24(图5的步骤ST5)。
另外，频谱累积处理部23在傅立叶转换部22计算出每个时间范围的多个第2信号频谱SP2后，对同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2进行累积，将累积后的第2信号频谱SP2输出到噪声去除部24(图5的步骤ST6)。
同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的累积处理是对同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1中的同一频率的信号成分彼此进行累积的处理。
另外，同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的累积处理是对同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2中的同一频率的信号成分彼此进行累积的处理。
频谱累积处理部23重复实施第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的累积处理，知道第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的累积次数达到事先设定的次数、或者SN比达到事先设定的SN比。
另外，在大气中的气溶胶的位置因风的影响而变化的情况下，即使频谱累积处理部23对同一频率的信号成分彼此进行累积，SN比也不会大幅提高，但是，SN比提高到后级的频移校正部25能够计算频率的偏移量fd1、fd2的程度。
噪声去除部24在从频谱累积处理部23接收到累积后的第1信号频谱SP1时，去除累积后的第1信号频谱SP1中包含的噪声成分，将去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1输出到频移校正部25(图5的步骤ST7)。
另外，噪声去除部24在从频谱累积处理部23接收到累积后的第2信号频谱SP2时，去除累积后的第2信号频谱SP2中包含的噪声成分，将去除噪声成分后的第2信号频谱SP2输出到频移校正部25(图5的步骤ST8)。
图10是表示由噪声去除部24进行噪声成分的去除处理前后的信号频谱的说明图。
图10A表示由噪声去除部24进行噪声成分的去除处理之前的信号频谱及噪声频谱，图10B表示由噪声去除部24进行了噪声成分的去除处理后的信号频谱。
以下，具体说明由噪声去除部24进行的噪声成分的去除处理。
如图10A所示，由噪声去除部24进行噪声成分的去除处理之前的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2除了包含与使第1激光Lb1和第2激光Lb2散射的气溶胶对应的信号成分以外，还包含光接收机9的热噪声和从光放大器5放射的放大光噪声等噪声成分。
噪声去除部24在进行噪声成分的去除处理之前，观测光接收机9的热噪声和从光放大器5放射的放大光噪声等噪声成分，并记录表示该噪声成分噪声频谱。
噪声去除部24通过从由频谱累积处理部23累积后的第1信号频谱SP1中减去所记录的噪声频谱，来去除第1信号频谱SP1中包含的噪声成分，并将图10B所示的第1信号频谱SP1输出到频移校正部25。
另外，噪声去除部24通过从由频谱累积处理部23累积后的第2信号频谱SP2中减去所记录的噪声频谱，来去除第2信号频谱SP2中包含的噪声成分，并将图10B所示的第2信号频谱SP2输出到频移校正部25。
当频移校正部25从噪声去除部24接收到去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1时，计算去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1的频率相对于从光天线7放射的第1激光Lb1的频率的偏移量fd1。
该频率的偏移量fd1相当于伴随着大气中的气溶胶的位置的变化的第1散射光Sb1的多普勒频移量。
多普勒频移量的计算处理本身是公知的技术，因此省略详细的说明，但也可以根据从光天线7放射的第1激光Lb1的频率与第1散射光Sb1的频率的差分来求出多普勒频移量。
频移校正部25在计算出频率的偏移量fd1后，使去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1的频率偏移偏移量fd1，由此进行使去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1的频率与没有多普勒频移时的频率一致的校正(图5的步骤ST9)。
另外，当频移校正部25从噪声去除部24接收到去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2时，计算去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2的频率相对于从光天线7放射的第2激光Lb2的频率的偏移量fd2。关于偏移量fd2的计算，可以根据从光天线7放射的第2激光Lb2的频率与第2散射光Sb2的频率的差分来求出。
频移校正部25在计算出频率的偏移量fd2后，使去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2的频率偏移偏移量fd2，由此进行使去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2的频率与没有多普勒频移时的频率一致的校正(图5的步骤ST10)。
图11是表示由频移校正部25进行的信号频谱的频率的偏移校正的说明图。
图11示出如下情况：通过频移校正部25使同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的频率偏移、并且使同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的频率偏移，由此，与气溶胶对应的信号成分的频率存在于相同频率范围段中。
在图11的例子中，偏移校正后的多个第1信号频谱SP1中包含的与气溶胶对应的信号成分的频率为f1。另外，偏移校正后的多个第2信号频谱SP2所包含的与气溶胶对应的信号成分的频率为f2。
在图11中，仅例示了第1时间范围段，但实际上还存在第2时间范围段～第M时间范围段。M是3以上整数。
但是，由于由前级的频谱累积处理部23进行累积处理，所以图11中的一个第1信号频谱SP1对应于图9中的多个第1信号频谱SP1。另外，图11中的一个第2信号频谱SP2对应于图9中的多个第2信号频谱SP2。
例如，如果频谱累积处理部23中的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的累积次数为5次，则图11中的第1信号频谱SP1(t1)与图9中的同一时间范围内的5个时刻t＝1～5的第1信号频谱SP1(t1)～SP1(t5)对应。图11中的第2信号频谱SP2(t1)与图9中的同一时间范围内的5个时刻t＝1～5的第2信号频谱SP2(t1)～SP2(t5)对应。
另外，图11中的第1信号频谱SP1(t2)与图9中的同一时间范围内的5个时刻t＝6～10的第1信号频谱SP(t6)～SP1(t10)1对应。图11中的第2信号频谱SP2(t2)与图9中的同一时间范围内的5个时刻t＝6～10的第2信号频谱SP2(t6)～SP2(t10)对应。
在此，示出了如下例子：频移校正部25进行使第1信号频谱SP1的频率与第1激光Lb1的频率一致的校正，并且进行使第2信号频谱SP2的频率与第2激光Lb2的频率一致的校正。
第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的频率的校正方法不限于上述例子。
例如，频移校正部25可以以使同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的频率成为相同的多普勒频移量的方式，对多个第1信号频谱SP1的频率进行校正。另外，频移校正部25也可以以使同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的频率成为相同的多普勒频移量的方式，对多个第2信号频谱SP2的频率进行校正。
具体而言，考虑如下例子：频移校正部25以使同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的多普勒频移量与作为同一时间范围内的基准的第1信号频谱SP1的多普勒频移量相同的方式，对同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的频率进行校正。作为同一时间范围内的基准的第1信号频谱SP1例如可以考虑时刻t1的第1信号频谱SP1。
另外，考虑如下例子：频移校正部25以使同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的多普勒频移量与作为同一时间范围内的基准的第2信号频谱SP2的多普勒频移量相同的方式，对同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的频率进行校正。
反复实施步骤ST1～ST10的处理，直到从信号处理器11开始处理起的时间经过事先设定的观测时间(步骤ST11中为“否”的情况)。
当从信号处理器11开始处理起的时间经过了观测时间时(步骤ST11中为“是”的情况)，结束步骤ST1～ST10的重复处理。
另外，在观测时间中，在通过频移校正部25校正了第1时间范围段～第M时间范围段中的多个第1信号频谱SP1和多个第2信号频谱SP2的频率的偏移的情况下，将第1时间范围段～第M时间范围段中的校正了频率的偏移的多个第1信号频谱SP1和多个第2信号频谱SP2存储在频谱累积部26中。
频谱累积部26在第1时间范围段～第M时间范围段内累积所存储的同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1，并将累积后的第1信号频谱SP1输出到峰值强度计算部28(图6的步骤ST21)。
另外，频谱累积部26对所存储的同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2进行累积，并将累积后的第2信号频谱SP2输出到峰值强度计算部28(图6的步骤ST22)。
同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的累积处理是对各个第1信号频谱SP1中的同一频率的信号成分彼此进行累积的处理。
另外，同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的累积处理是对各个第2信号频谱SP2中的同一频率的信号成分彼此进行累积的处理。
由于对通过频移校正部25使频率发生偏移的多个第1信号频谱SP1进行累积并且对通过频移校正部25使频率发生偏移的多个第2信号频谱SP2进行累积，因此即使在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，作为期望的信号成分的与气溶胶对应的信号成分累积，SN比提高。
峰值强度计算部28对由频谱累积部26累积后的第1信号频谱SP1中的各个信号成分进行比较，确定作为最大信号成分的第1峰值强度Pon(图6的步骤ST23)。
另外，峰值强度计算部28对由频谱累积部26累积后的第2信号频谱SP2中的各个信号成分进行比较，确定作为最大信号成分的第2峰值强度Poff(图6的步骤ST24)。
分子浓度计算处理部29根据由峰值强度计算部28确定的第1峰值强度Pon和由峰值强度计算部28确定的第2峰值强度Poff计算大气中的分子的浓度C。
以下，具体说明由分子浓度计算处理部29进行的分子浓度C的计算处理。
首先，分子浓度计算处理部29在进行第m(m＝2，3，…，M)时间范围段中的分子浓度C的计算处理时，取得作为第m时间范围段的第1峰值强度Pon的峰值强度Pon(m)以及作为第m时间范围段的第2峰值强度Poff的峰值强度Poff(m)。
此外，分子浓度计算处理部29取得作为第(m-1)时间范围段的第1峰值强度Pon的峰值强度Pon(m-1)以及作为第(m-1)时间范围段的第2峰值强度Poff的峰值强度Poff(m-1)。
接着，分子浓度计算处理部29如下式(1)那样使用第m时间范围段的峰值强度Pon(m)和峰值强度Poff(m)以及第(m-1)时间范围段的峰值强度Pon(m-1)和峰值强度Poff(m-1)来计算光学厚度OD(图6的步骤ST25)。
光学厚度OD是第m时间范围段中的峰值强度Pon(m)与峰值强度Poff(m)之比。
在式(1)中，为了使光学厚度OD标准化，将Poff(m-1)/Pon(m-1)乘以Pon(m)/Poff(m)。
接着，分子浓度计算处理部29如下式(2)那样使用光学厚度OD、与第m时间范围段对应的气溶胶的位置与光天线7之间的距离z、吸收波长的吸收系数kon和非吸收波长的吸收系数koff来计算大气中的分子的浓度C(图6的步骤ST26)。吸收系数kon和吸收系数koff是已知的系数。
如以上所明确的那样，根据该实施方式1，设置有：频移校正部25，其校正同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1的频率相对于第1激光Lb1的频率的偏移、并且校正同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的频率相对于第2激光Lb2的频率的偏移；以及频谱累积部26，其对由频移校正部25校正后的多个第1信号频谱SP1进行累积、并且对由频移校正部25校正后的多个第2信号频谱SP2进行累积，分子浓度计算部27构成为根据由频谱累积部26累积后的第1信号频谱SP1和由频谱累积部26累积后的第2信号频谱SP2计算大气中的分子的浓度C，因此，起到了即使在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，也能够防止分子浓度C的计算精度变差的效果。
特别是在大气分子为水蒸汽且波长为1.5um波段内的吸收谱强度较小时，提高分子浓度测量的精度的情况下，需要以高SN比来测量吸收波长和非吸收波长的峰值强度，计算差分。此时，需要几分钟至几十分钟这样较长时间的累积，但通过该实施方式1，起到了即使在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，也能够防止分子浓度计算精度变差的效果。
实施方式2
在上述实施方式1中，作为同一时间范围内的多个第1信号频谱SP1以及同一时间范围内的多个第2信号频谱SP2的累积处理，示出了频谱累积处理部23对多个第1信号频谱SP1及多个第2信号频谱SP2中的同一频率的信号成分彼此进行累积的例子。
在该实施方式2中，说明频谱累积处理部23对多个第1信号频谱SP1及多个第2信号频谱SP2中的不同频率的信号成分彼此进行累积的例子。
具体如下。
在此，对频谱累积处理部23中的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的累积次数为6次的例子进行说明。
在频谱累积处理部23中，事先准备多个进行同一时间范围内的时刻t1～t6的第1信号频谱SP1及第2信号频谱SP2中的信号成分的累积的频率的组合。
例如，作为针对进行同一时间范围内的时刻t1～t6的信号频谱的累积时的频率的组合的类型，例示了组合类型A、组合类型B和组合类型C。
[组合类型A]
累积后的信号频谱的第m频率范围段中的信号成分
＝时刻t1的第m频率范围段中的信号成分
+时刻t2的第m频率范围段中的信号成分
+时刻t3的第m频率范围段中的信号成分
+时刻t4的第(m+1)频率范围段中的信号成分
+时刻t5的第(m+1)频率范围段中的信号成分
+时刻t6的第(m+1)频率范围段中的信号成分
[组合类型B]
累积后的信号频谱的第m频率范围段中的信号成分
＝时刻t1的第m频率范围段中的信号成分
+时刻t2的第m频率范围段中的信号成分
+时刻t3的第(m+1)频率范围段中的信号成分
+时刻t4的第(m+1)频率范围段中的信号成分
+时刻t5的第(m+2)频率范围段中的信号成分
+时刻t6的第(m+2)频率范围段中的信号成分
[组合类型C]
累积后的信号频谱的第m频率范围段中的信号成分
＝时刻t1的第m频率范围段中的信号成分
+时刻t2的第(m+1)频率范围段中的信号成分
+时刻t3的第(m+2)频率范围段中的信号成分
+时刻t4的第(m+3)频率范围段中的信号成分
+时刻t5的第(m+4)频率范围段中的信号成分
+时刻t6的第(m+5)频率范围段中的信号成分
频谱累积处理部23按照组合类型A而分别累积时刻t1～时刻t6的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2，并且按照组合类型B而分别累积时刻t1～时刻t6的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2。
另外，频谱累积处理部23按照组合类型C而分别累积时刻t1～时刻t6的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2。
频谱累积处理部23对按照组合类型A、B、C而分别累积的第1信号频谱SP1中的最大的信号成分进行比较，从累积后的3个第1信号频谱SP1中选择最大的信号最大的第1信号频谱SP1。
频谱累积处理部23将所选择的第1信号频谱SP1作为累积后的第1信号频谱SP1而输出到峰值强度计算部28。
另外，频谱累积处理部23对按照组合类型A、B、C而分别累积的第2信号频谱SP2中的最大的信号成分进行比较，从累积后的3个第2信号频谱SP2中选择最大的信号最大的第2信号频谱SP2。
频谱累积处理部23将所选择的第2信号频谱SP2作为累积后的第2信号频谱SP2而输出到峰值强度计算部28。
根据以上内容可知，根据本实施方式2，频谱累积处理部23构成为从与多个组合对应的累积后的信号频谱中选择任意一个信号频谱作为累积后的信号频谱，因此，与上述实施方式1相比，能够进一步提高SN比。
实施方式3
在上述实施方式1中，对如下例子进行了说明：频移校正部25校正第1信号频谱SP1的频率相对于第1激光Lb1的频率的偏移，并且校正第2信号频谱SP2的频率相对于第2激光Lb2的频率的偏移。
由此，即使在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，也能够防止分子浓度C的计算精度变差。
但是，在如湍流那样风速或风向随时间变化的环境下，由傅立叶转换部22计算的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2中包含的与气溶胶对应的信号成分的频带有时会变宽。
由于与气溶胶对应的信号成分的频带变宽，因此与气溶胶对应的信号成分存在于多个频率范围段中，第1峰值强度Pon的确定精度和第2峰值强度Poff的确定精度可能变差。
在该实施方式3中，对如下的例子进行说明：即使在风速或风向随时间变化的环境下，也防止第1峰值强度Pon的确定精度及第2峰值强度Poff的确定精度变差，从而防止分子浓度的计算精度变差。
该实施方式3的激光雷达装置的结构图与上述实施方式1同样，是图1的结构图。
图12是表示本发明的实施方式3的激光雷达装置的信号处理器11的结构图。在图12中，与图2相同的标号表示相同或相当的部分，因此省略说明。
频移校正部30与图2的频移校正部25同样，例如通过图3所示的频移校正电路44来实现。
频移校正部30与图2的频移校正部25同样，实施如下处理：校正去除了噪声成分后的多个第1信号频谱SP1的频率相对于第1激光Lb1的频率的偏移，并且校正去除了噪声成分后的多个第2信号频谱SP2的频率相对于第2激光Lb2的频率的偏移。
但是，频移校正部30与图2的频移校正部25不同，在实施校正第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的频率的偏移的处理之前，实施以下所示的校正第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2的波形的处理。
频移校正部30进行如下的波形的校正处理：在由噪声去除部24去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2中，分别从具有阈值Th以上的信号成分的一个以上的频率中选择任意一个频率，并使未选择的剩余的频率的信号成分移动到所选择的频率，由此，将所选择的频率的信号成分设为阈值Th以上的信号成分的总和。
以下，具体说明由频移校正部30进行的波形的校正处理。
图13是表示由频移校正部30进行的信号频谱的频率的偏移校正的说明图。
在图13中，在第1时间范围段和第2时间范围段中，分别代表性地仅图示出了1个第1信号频谱SP1。另外，在第1时间范围段和第2时间范围段中，分别代表性地仅图示出了1个第2信号频谱SP2。
频移校正部30对由噪声去除部24去除了噪声成分后的第1信号频谱SP1及去除了噪声成分后的第2信号频谱SP2中的各个信号成分与事先设定的阈值Th进行比较，确定具有阈值Th以上的信号成分的频率。将与气溶胶对应的信号成分的假定的信号强度的一半左右的值作为事先设定的阈值Th而设定于频移校正部30中。
在图13的例子中，对于第2时间范围段中的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2，具有阈值Th以上的信号成分的频率为1个。因此，对于第2时间范围段中的第1信号频谱SP1和第2信号频谱SP2，频移校正部30不进行波形的校正处理。
另一方面，对于第1时间范围段中的第1信号频谱SP1，具有阈值Th以上的信号成分的频率为4个。因此，对于第1时间范围段中的第1信号频谱SP1，通过频移校正部30进行波形的校正处理。
另外，对于第1时间范围段中的第2信号频谱SP2，具有阈值Th以上的信号成分的频率为3个。因此，对于第1时间范围段中的第2信号频谱SP2，通过频移校正部30进行波形的校正处理。
频移校正部30在第1时间范围段中的第1信号频谱SP1中，从具有阈值Th以上的信号成分的4个频率fa、fb、fc、fd中例如选择一个频率fc。
频移校正部30例如在选择1个频率fc后，使剩余3个频率fa、fb、fd的信号成分移动到频率fc，由此，将频率fc信号成分设为4个频率fa、fb、fc、fd的信号成分的总和。
在此，选择了频率fc，但这只是一个例子，也可以选择频率fa、fb、fd中的任意一个。
另外，也可以是，对频率fa～fd的范围内的频率进行选择，并使4个频率fa、fb、fc、fd的信号成分移动到该选择的频率，由此将该选择的频率的信号成分设为4个频率fa、fb、fc、fd的信号成分的总和。
频移校正部30在第1时间范围段中的第2信号频谱SP2中，从具有阈值Th以上的信号成分的3个频率fe、ff、fg中例如选择一个频率ff。
频移校正部30例如在选择1个频率ff后，使剩余2个频率fe、fg的信号成分移动到频率ff，由此，将频率ff信号成分设为3个频率fe、ff、fg的信号成分的总和。
这里，选择了频率ff，但这只是一个例子，也可以选择频率fe或频率fg中的任一个。
另外，也可以是，对频率fe～fg的范围内的频率进行选择，并使3个频率fe、ff、fg的信号成分移动到该选择的频率，由此将该选择的频率的信号成分作为3个频率fe、ff、fg的信号成分的总和。
频移校正部30进行波形的校正处理，由此，使得与气溶胶对应的信号成分仅存在于一个频率范围段，因此，第1峰值强度Pon的确定精度以及第2峰值强度Poff的确定精度提高。
频移校正部30在实施了波形的校正处理后，与图2的频移校正部25同样地，实施校正多个第1信号频谱SP1的频率的偏移的处理和校正多个第2信号频谱SP2的频率的偏移的处理。
在该实施方式3中，即使在如湍流那样风速或风向随时间变化的环境下，第1峰值强度Pon的确定精度以及第2峰值强度Poff的确定精度也提高，因此，能够防止分子浓度的计算精度变差。
实施方式4
在上述实施方式1～3中，示出了分子浓度计算部27计算大气中的分子的浓度C的例子，但在该实施方式4中，对分子浓度计算部27求出分子浓度C的分布的例子进行说明。
图14是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的结构图。在图14中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分，因此省略说明。
方向切换器12例如具备反射镜等，是按照从信号处理器11输出的控制信号来切换从光天线7放射激光的方向的切换器。
图15是表示本发明的实施方式4的激光雷达装置的信号处理器11的结构图。在图15中，与图2相同的标号表示相同或相当的部分，因此省略说明。
分子浓度计算部31具有峰值强度计算部28和分子浓度计算处理部32。
分子浓度计算部31与图2的分子浓度计算部27同样，实施如下处理：根据由频谱累积部26累积后的第1信号频谱SP1和由频谱累积部26累积后的第2信号频谱SP2来计算大气中的分子的浓度C。
分子浓度计算部31与图2的分子浓度计算部27不同，实施如下处理：向方向切换器12输出表示切换从光天线7放射激光的方向的意思的控制信号，每当通过方向切换器12切换放射激光的方向时，计算大气中的分子的浓度C，由此求出分子浓度C的分布。
分子浓度计算处理部32与图2的分子浓度计算处理部29同样，例如通过图3所示的分子浓度计算电路47来实现。
分子浓度计算处理部32与图2的分子浓度计算处理部29同样，实施如下处理：根据由峰值强度计算部28计算的第1峰值强度Pon和由峰值强度计算部28计算的第2峰值强度Poff计算大气中的分子的浓度C。
分子浓度计算处理部32与图2的分子浓度计算处理部29不同，向方向切换器12输出表示切换从光天线7放射激光的方向的意思的控制信号。
另外，分子浓度计算处理部32实施如下处理：每当通过方向切换器12切换放射激光的方向时，计算大气中的分子的浓度C，由此求出分子浓度C的分布。
接着，对动作进行说明。
除了方向切换器12及分子浓度计算处理部32以外，与上述实施方式1相同，因此，这里仅说明方向切换器12及分子浓度计算处理部32的动作。
分子浓度计算处理部32向方向切换器12输出表示从光天线7放射激光的方向的控制信号。
方向切换器12将从光天线7放射的激光设定为从分子浓度计算处理部32输出的控制信号所表示的方向。
分子浓度计算处理部32与图2的分子浓度计算处理部29同样，根据由峰值强度计算部28计算的第1峰值强度Pon和由峰值强度计算部28计算的第2峰值强度Poff来计算大气中的分子的浓度C。
分子浓度计算处理部32在计算出大气中的分子的浓度C后，向方向切换器12输出表示切换从光天线7放射激光的方向的意思的控制信号。
方向切换器12按照从分子浓度计算处理部32输出的控制信号切换从光天线7放射激光的方向。
方向切换器12和分子浓度计算处理部32反复实施上述处理，由此，分子浓度计算处理部32计算与多个放射方向对应的分子的浓度C。由此，求出大气中的分子浓度C的分布。
实施方式5
在上述实施方式1～4中，示出了基准光源1具有输出第1激光Lb1和第2激光Lb2的功能，但也可以分别设置输出第1激光Lb1的基准光源1a和输出第2激光Lb2的基准光源1b。
图16是表示本发明的实施方式5的激光雷达装置的结构图。在图16中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分，因此省略说明。
基准光源1a是输出第1激光Lb1的光源。
基准光源1b是输出第2激光Lb2的光源。
光开关驱动器13在从波长切换器2接收到表示输出第1激光Lb1的意思的波长切换信号时，将表示连接基准光源1a和光分配器3的意思的控制信号输出到光开关14。
另外，光开关驱动器13在从波长切换器2接收到表示输出第2激光Lb2的意思的波长切换信号时，将表示连接基准光源1b和光分配器3的意思的控制信号输出到光开关14。
光开关14在从光开关驱动器13接收到表示连接基准光源1a和光分配器3的意思的控制信号时，将基准光源1a和光分配器3连接。
另外，光开关14在从光开关驱动器13接收到表示连接基准光源1b和光分配器3的意思的控制信号时，将基准光源1b和光分配器3连接。
图16表示将基准光源1a、1b、光开关驱动器13及光开关14应用于图1的激光雷达装置的例子，但也可以将基准光源1a、1b、光开关驱动器13及光开关14应用于图14的激光雷达装置。
在该实施方式5中，与上述实施方式1～4的不同在于：分别设置输出第1激光Lb1的基准光源1a和输出第2激光Lb2的基准光源1b，通过光开关驱动器13和光开关14将第1激光Lb1或第2激光Lb2选择性地放射到大气中。
其他方面与上述实施方式1～4相同，因此省略详细说明。
在该实施方式5中，与上述实施方式1同样，也起到了即使在大气中的气溶胶的位置发生变化的情况下，也能够防止分子浓度C的计算精度变差的效果。
另外，本申请发明能够在其发明的范围内，自由组合各实施方式、或者对各实施方式的任意结构要素进行变形、或者在各实施方式中省略任意的结构要素。
产业上的可利用性
本发明适用于计算大气中的分子的浓度的激光雷达装置。
标号说明
1、1a、1b：基准光源；2：波长切换器；3：光分配器；4：脉冲调制器；5：光放大器；6：光环行器；7：光天线；8：光耦合器；9：光接收机；10：A/D转换器；11：信号处理器；12：方向切换器；13：光开关驱动器；14：光开关；21：频谱计算部；22：傅立叶转换部；23：频谱累积处理部；24：噪声去除部；25、30：频移校正部；26：频谱累积部；27、31：分子浓度计算部；28：峰值强度计算部；29、32：分子浓度计算处理部；41：傅立叶转换电路；42：频谱累积电路；43：噪声去除电路；44：频移校正电路；45：频谱累积电路；46：峰值强度计算电路；47：分子浓度计算电路；51：存储器；52：处理器。

Claims (10)

1.一种激光雷达装置，其具有：
频谱计算部，其计算同一时间范围内的多个第1信号频谱作为第1合波光的信号频谱，并且计算同一时间范围内的多个第2信号频谱作为第2合波光的信号频谱，其中，该第1合波光是被大气中的分子吸收的波长的第1激光被大气中的散射体散射的第1散射光与所述第1激光的合波光，该第2合波光是不被所述分子吸收的波长的第2激光被所述散射体散射的第2散射光与所述第2激光的合波光；
频移校正部，其校正所述多个第1信号频谱的频率相对于所述第1激光的频率的偏移，并且校正所述多个第2信号频谱的频率相对于所述第2激光的频率的偏移；
频谱累积部，其对由所述频移校正部校正后的多个第1信号频谱进行累积，并且对由所述频移校正部校正后的多个第2信号频谱进行累积；以及
分子浓度计算部，其根据由所述频谱累积部累积后的第1信号频谱和由所述频谱累积部累积后第2信号频谱计算大气中的分子的浓度。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述频谱计算部具有：
傅立叶转换部，其对来自光接收机的所述第1合波光的接收信号即第1接收信号进行傅立叶转换，从而计算所述第1接收信号中的每个时间范围的多个第1信号频谱，并且对来自所述光接收机的所述第2合波光的接收信号即第2接收信号进行傅立叶转换，从而计算所述第2接收信号中的每个时间范围的多个第2信号频谱，其中，该光接收机对所述第1合波光和所述第2合波光进行检波；以及
频谱累积处理部，其对由所述傅立叶转换部计算出的同一时间范围内的多个第1信号频谱进行累积，并且对由所述傅立叶转换部计算出的同一时间范围内的多个第2信号频谱进行累积，
所述频移校正部校正由所述频谱累积处理部累积后的第1信号频谱的频率相对于所述第1激光的频率的偏移，并且校正由所述频谱累积处理部累积后的第2信号频谱的频率相对于所述第2激光的频率的偏移。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述频谱计算部具有噪声去除部，该噪声去除部去除由所述频谱累积处理部累积后的第1信号频谱中包含的噪声成分，将去除了噪声成分后的第1信号频谱输出到所述频移校正部，并且去除由所述频谱累积处理部累积后的第2信号频谱中包含的噪声成分，将去除了噪声成分后的第2信号频谱输出到所述频移校正部。
4.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述频谱累积处理部对由所述傅立叶转换部计算出的同一时间范围内的多个第1信号频谱中的同一频率的信号成分彼此进行累积，从而对所述多个第1信号频谱进行累积，并且对由所述傅立叶转换部计算出的同一时间范围内的多个第2信号频谱中的同一频率的信号成分彼此进行累积，从而对所述多个第2信号频谱进行累积。
5.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
准备多个进行多个信号频谱中的信号成分的累积的频率的组合，
所述频谱累积处理部按照所准备的每个频率的组合，对由所述傅立叶转换部计算出的同一时间范围内的多个第1信号频谱中的该组合所表示的频率的信号成分进行累积，从与多个组合对应的累积后的信号频谱中选择任意一个信号频谱作为累积后的第1信号频谱，并且按照所准备的每个频率的组合，对由所述傅立叶转换部计算出的同一时间范围内的多个第2信号频谱中的该组合所表示的频率的信号成分进行累积，从与多个组合对应的累积后的信号频谱中选择任意一个信号频谱作为累积后的第2信号频谱。
6.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述分子浓度计算部具有：
峰值强度计算部，其计算由所述频谱累积部累积后的第1信号频谱的峰值强度即第1峰值强度，并且计算由所述频谱累积部累积后的第2信号频谱的峰值强度即第2峰值强度；以及
分子浓度计算处理部，其根据由所述峰值强度计算部计算出的第1峰值强度和由所述峰值强度计算部计算出的第2峰值强度计算大气中的分子的浓度。
7.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述分子浓度计算处理部计算由所述峰值强度计算部计算出的第1峰值强度与由所述峰值强度计算部计算出的第2峰值强度之比，根据所述第1峰值强度与所述第2峰值强度之比计算大气中的分子的浓度。
8.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述频移校正部在校正所述第1信号频谱的频率的偏移和所述第2信号频谱的频率的偏移之前，进行如下校正处理：在所述第1信号频谱和所述第2信号频谱中，分别从信号成分为阈值以上的一个以上的频率中选择任意一个频率，并将未选择的频率的信号成分移动到所选择的所述频率，从而将所选择的所述频率的信号成分设为所述一个以上的频率的信号成分的总和。
9.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，该激光雷达装置具有：
光源，其输出所述第1激光和所述第2激光；
光天线，其将从所述光源输出的第1激光和第2激光分别放射到大气中，并且分别接收第1散射光和第2散射光，该第1散射光是被所述散射体散射的所述第1激光的散射光，该第2散射光是被所述散射体散射的所述第2激光的散射光；
光耦合器，其对所述第1激光和由所述光天线接收到的第1散射光进行合波，输出作为所述第1散射光和所述第1激光的合波光的第1合波光，并且，对所述第2激光和由所述光天线接收到的第2散射光进行合波，输出作为所述第2散射光和所述第2激光的合波光的第2合波光；以及
光接收机，其对从所述光耦合器输出的第1合波光进行检波，将所述第1合波光输出到所述频谱计算部，并且对从所述光耦合器输出的第2合波光进行检波，将所述第2合波光输出到所述频谱计算部。
10.根据权利要求9所述的激光雷达装置，其特征在于，
该激光雷达装置具备方向切换器，该方向切换器切换从所述光天线放射所述第1激光及所述第2激光的方向，
所述分子浓度计算部在每次由所述方向切换器切换放射第1激光和第2激光的方向时计算大气中的分子的浓度，从而求出分子浓度的分布。
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