CN111886513B - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

光发送部(3)送出具有被设定为脉冲的低电平成分的光强度的光信号。光部分反射器(6)设置在从环行器(5)到向大气中送出发送光为止的路径中，并反射光信号。检波部(11)将被光部分反射器(6)反射后的光信号中的低电平区间的信号作为本地光，进行接收光的相干检波。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及一种使用相干检波的激光雷达装置。
背景技术
作为对风进行计测的激光雷达装置，使用能够进行多普勒频率计测且能够实现高灵敏度接收的相干检波的方式为主流。在该激光雷达装置中，在同时计测距离方向的分布时，需要脉冲方式，一直以来使用该脉冲方式(例如参照非专利文献1)。
以往的激光雷达装置将来自光源的CW(Continuous Waves：连续波)光分波为发送系和本地系，对发送系实施脉冲调制，通过光放大器进行放大，经由光环行器和收发光学系统相对于大气中的气溶胶收发脉冲光，通过光合波器对接收光和本地光进行合波，利用受光元件和电流电压转换器进行相干检波。具有如下功能：在信号处理器中对检波后的信号进行频率解析，由此，求出与每个距离的多普勒频移相当的风速。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：T.Ando et al.，“All-fiber coherent Doppler technologies atMitsubishi Electric Corporation，”IOP Conference Series：Earth andEnvironmental Science，Volume 1，2008.
发明内容
发明要解决的问题
但是，在上述以往的尤其是使用相干方式及脉冲方式求出距离方向的风速分布的激光雷达装置中，存在如下问题。即，在激光雷达装置中，在对来自大气中的气溶胶的散射光与本地光进行合波并进行相干检波时，为了将检波效率保持得较高，需要使两者的偏振一致。因此，在以往的激光雷达装置中，需要在光部件、光传输系统中使用高成本的偏振保持部件。此外，需要设置将光源的输出分波为发送系和本地系的分波器以及对本地系统与接收系统进行合波的合波器，这也成为高成本化的原因。
本发明是为了解决上述的问题而完成的，其目的在于，提供一种能够简化结构且实现低成本化的激光雷达装置。
用于解决问题的手段
本发明的激光雷达装置具备：光发送部，其送出被脉冲调制且具有被设定为脉冲的低电平成分的光强度的光信号；环行器，其将光信号作为发送光送出，并且取得来自大气中的目标物的反射光作为接收光；光部分反射部，其设置在从环行器到向大气中送出发送光为止的路径中，并反射光信号；以及检波部，其将被光部分反射部反射后的光信号的低电平区间的信号作为本地光，进行接收光的相干检波。
发明的效果
本发明的激光雷达装置通过光部分反射部对脉冲调制后的光信号进行反射，将该光信号的低(Low)电平区间的反射光用作本地光。由此，能够简化结构且实现低成本化。
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和动作的说明图。
图2是本发明的实施方式1的激光雷达装置的脉冲调制后的光信号的说明图。
图3A及图3B是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的部分反射光与接收光的时间方向的定时偏移的说明图。
图4是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的电流电压转换器的一例的结构图。
图5A及图5B是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的光源的例子的结构图。
图6是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的电流电压转换器的另一例的结构图。
图7是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的光源的另一例的结构图。
具体实施方式
以下，为了更加详细地说明本发明，按照附图对其具体实施方式进行说明。
实施方式1.
图1是示出本实施方式的激光雷达装置的结构和动作的说明图。
图1所示的激光雷达装置具备由光源1和光源驱动器2构成的光发送部3、光放大器4、环行器5、光部分反射器6、收发光学系统7、以及由受光元件8、电流电压转换器9及信号处理器10构成的检波部11。光发送部3是将被脉冲调制且具有被设定为脉冲的低(Low)电平成分的光强度的光信号送出的处理部。光发送部3的光源1是放射光的电路或元件，光源驱动器2是用于对从光源1输出的光信号进行脉冲调制的装置。光放大器4是将从光发送部3送出的光信号放大的电路。环行器5是将光信号作为发送光而送出并且取得来自大气中的目标物的反射光作为接收光的装置。从环行器5的发送输出端开始存在空间，在该空间的前方配置有收发光学系统7。在该空间及收发光学系统7中，保持光的偏振。
此外，光部分反射器6是设置在从环行器5的发送输出端到向大气中送出发送光为止的路径中的光部分反射部。在图示例中，作为光部分反射部，在环行器5的发送输出端与收发光学系统7之间设置有光部分反射器6。收发光学系统7是用于将来自环行器5的发送光向大气中放出且取得来自目标物的反射光的光学系统。检波部11是将由光部分反射器6反射后的低电平区间的信号作为本地光而进行来自环行器5的接收光的相干检波的处理部。检波部11的受光元件8是用于对本地光与接收光进行相干检波并转换成电流信号的元件。电流电压转换器9是将来自受光元件8的电流信号转换成电压信号的装置。信号处理器10是对来自电流电压转换器9的电压信号进行频率分析的装置。
在这些结构中，如图中的虚线所示，光源1与光放大器4之间、光放大器4与环行器5之间、环行器5与光部分反射器6之间、环行器5与受光元件8之间是光传输路，但无需是偏振保持光纤等偏振保持系统。具体而言，利用不保持偏振的单模光纤进行连接。此外，光源驱动器2与光源1之间、光源驱动器2与信号处理器10之间、受光元件8与电流电压转换器9之间、电流电压转换器9与信号处理器10之间的传输路通过电信号线而连接。用实线表示这些信号线。并且，距离101、102、103、…分别表示大气中的气溶胶距收发光学系统7的距离。此外，箭头100表示从环行器5输出的发送光，箭头200表示向环行器5输入的本地光，箭头300表示向环行器5输入的接收光。
光放大器4和收发光学系统7用于利用较大的功率来发送光，并且利用较大的接收开口来接收光，是为了确保接收中的信噪功率比而使用的。但是，例如如果为仅以非常近的距离进行计测的情况，光发送功率较小，进而也不需要较大的接收开口，也有时即便不存在光放大器4和收发光学系统7也能够确保足够的信噪功率比，因此，实施方式1的激光雷达装置并不一定是必须的结构。
此外，在图1中，光源1、光放大器4、环行器5、受光元件8为不是偏振保持型的带光纤尾纤的部件，光放大器4为不是偏振保持型的光纤放大器。
接着，对实施方式1的激光雷达装置的动作进行说明。
利用来自光源驱动器2的调制信号对光源1实施脉冲调制。此时，对消光比(脉冲调制中的High(高)时间带与Low(低)时间带的光强度比)进行调整，在Low的时间带也输出某一电平的CW(Continuous Waves，连续波)光。图2示出脉冲调制后的光的示意图。如图2所示，通过调整消光比并使其稍微泄漏，从而得到低电平的信号。此外，与该脉冲调制同步地从光源驱动器2向信号处理器10发送触发信号。
来自光源1的光信号被光放大器4放大后送至环行器5。在来自光放大器4的输出中，光信号也成为与图2的示意图相同的形状。来自光放大器4的光信号经由环行器5被送至光部分反射器6。在光部分反射器6中，在保持着从环行器5输送的光信号的在向光部分反射器6入射紧前的偏振的状态下，反射该光信号的一部分。在以后的说明中，将该反射光称为部分反射光。将该部分反射光用作相干检波中的本地光，对此后述。
通过了光部分反射器6的光信号经由收发光学系统7作为发送光被发送到大气中。经由收发光学系统7接收来自大气中的气溶胶的散射光作为接收光。此时，不仅是脉冲High时的信号，脉冲Low时的信号也被发送到大气中或者从大气中接收，但仅利用脉冲High时的光信号。对于脉冲Low时的信号的接收光成为妨碍光，但针对相对于所希望的脉冲High成分的发送的接收光，适当地调整脉冲调制中的消光比，使得该妨碍光的电平充分低即可。
由收发光学系统7接收到的散射光作为接收信号通过光部分反射器6而送至环行器5。在该时间点，上述部分反射光与接收光被合波。此时，在光信号从光部分反射器6经由收发光学系统7被大气中的回波散射并作为接收光而与部分反射光合波为止的过程中，偏振被保持。因此，上述部分反射光与接收光能够在偏振一致的状态下合波。关于部分反射光与接收光的合波，产生光信号在大气中往复的时间的时间偏移而进行合波。因此，如果在该往复时间的期间，激光雷达装置内的偏振状态变化，则在上述合波中，在部分反射光与接收光之间，偏振的一致度下降，检波效率下降。但是，光的往复时间非常短，例如即便往复距离15km，也只有0.1ms。对此，偏振的变动是以1秒级的周期产生的。因此，可以认为能够忽略光的往复时间内的偏振的变动。
图3示出部分反射光与接收光的时间方向的定时偏移。图3A示出发送光，图3B示出接收光。图3A所示的脉冲High成分201的光频率为f0，对接收检测没有帮助。另一方面，脉冲Low成分202的光频率为f0，用于接收检测。此外，图3B所示的来自距离101的接收光301的光频率为f0+fd1，来自距离102的接收光302的光频率为f0+fd2，来自距离103的接收光303的光频率为f0+fd3。fd1、fd2、fd3为多普勒频移，接收光受到与气溶胶随风移动时的风速的量相当的多普勒频移。此外，接收光与部分反射光内的脉冲调制Low的时间带的成分合波。
上述接收光及部分反射光在合波的状态下经由环行器5被送至受光元件8。在受光元件8中，对上述接收光及部分反射光进行相干检波，并转换成电流信号。此时，由于上述接收光与部分反射光的偏振一致，因此，能够将相干检波效率保持得较高。
来自受光元件8的电流信号具有与对应于风速的光的频差相当的多普勒频率。该电流信号由电流电压转换器9转换成电压信号并送至信号处理器10。信号处理器10通过从光源驱动器2接收触发信号，能够知晓光往复时间，即与计测距离相关的原点。因此，在电压信号的时间轴上，能够掌握直至接收光被散射的大气范围为止的距离。在信号处理器10中，将上述电压信号转换成数字信号，与非专利文献1所记载的处理同样地，对相当于各距离的时间带施加时间门，分别进行频率解析，由此，求出多普勒频移，进而求出风速。由此，能够通过1次脉冲发送而求出风速的距离方向分布。作为频率解析的手段，使用高速傅里叶变换等即可。在1次脉冲发送中无法以足够的信噪比进行接收的情况下，进行多次上述脉冲发送及接收动作，通过非相干累积等信号处理而得到足够的信噪比即可。
这样，在实施方式1的激光雷达装置中，能够不将光传输路作为偏振保持系统而将光接收中的相干检波效率保持得较高。并且，具有脉冲调制功能，能够同时求出距离方向的风的分布。
此外，不需要在光传输路中使用偏振保持系统，由此能够使用非偏振保持的光部件。作为这样的光部件，例如为不保持偏振的单模光纤、使用了该光纤的光纤放大器、使用了该光纤的光环行器、带该光纤的尾纤的半导体激光二极管等。以往，为了将相干检波效率保持得较高，这些光部件需要为高成本的偏振保持型部件，但通过不需要这些光部件而能够兼具低成本和高相干检波效率。
并且，不需要以往需要的用于分离发送光与本地光的光分配器、用于对本地光与散射光进行合波的光合波器，在这一点也产生装置的低成本化的效果。
另外，在上述例子中，将光部分反射器6配置在环行器5的发送输出端的前端，但如果环行器5是带光纤尾纤的部件，则也能够对其发送输出端施加部分反射涂层而作为光部分反射器6。此外，在环行器5的发送输出端，由于光纤与空气的折射率的差异而必定产生一定量的部分反射，因此，能够将其用作部分反射功能。因此，虽然光部分反射的功能自身在本发明的激光雷达装置中是必须的，但作为实现该功能的手段，也可以使用光部分反射器6以外的结构。
此外，如果将光部分反射器6的部分反射功能配置在收发光学系统7的输出侧，即大气侧，则环行器5与收发光学系统7之间的空间、进而收发光学系统7也不需要保持偏振。即，虽然上述部分反射功能需要存在于环行器5的输出侧，但如果在从其前方到向大气发送发送光为止的过程中，偏振的变化较小，则无论存在于哪里，都有效地发挥功能。
此外，在本发明的实施方式1中，当将光部分反射器6的反射率设定得较高时，相当于提高相干检波中的本地光的电平，因此，容易使接收状态接近相干检波中的理想检波状态即散粒噪声极限，但在该情况下，峰值高的脉冲光也以较高的反射率反射，因此，当其被输入到受光元件8时，受光元件8可能会破损。因此，也有时需要将光部分反射器6的反射率设定得较低。在这样的情况下，部分反射光的电平也下降，难以接近散粒噪声极限，但在该情况下，作为电流电压转换器9，使用图4所示的负反馈型的跨阻放大器。在该例中，示出在运算放大器9a上连接了负反馈电阻9b的结构。由此，在部分反射光的电平下降的情况下，也能够实现接近散粒噪声极限的状态。
另外，在上述实施方式1中，如果在脉冲调制中的High与Low的时间带不存在频率变化，则相干检波成为零差，因此，无法识别多普勒频率的正和负，即风速的正和负。但是，例如，将该激光雷达装置搭载于风车或者配置在风车的附近而用于计测风车的前方风的用途。具体而言，在基于前方风计测的风车控制、风车发电量评价这样的用途中，在风车朝向逆风方向的状态下运用，因此，风速的正和负是已知的，无需进行识别。即，在将激光雷达装置设置于风车的情况下，预先知晓风速的正和负，因此，不会产生问题。另外，“将激光雷达装置设置于风车”包括配置在风车的附近。
此外，在上述实施方式1中，对光源1实施了脉冲调制，图5示出该方法的具体例。图5A所示的结构是将光源1作为半导体激光二极管进行针对其驱动电流的直接调制的例子。此外，图5B所示的结构是通过脉冲调制器1b对来自半导体激光二极管1a等CW光源的输出进行调制的形式。作为脉冲调制器1b，考虑光半导体放大器、马赫曾德型光调制器、声光(AO：Acousto-Optic)调制器等。在它们之内，尤其是在对半导体激光二极管1a的直接调制、使用光半导体放大器及声光调制器的调制中，频移伴随着脉冲调制，因此，如果适当地调整该频移量，则频率成为相干检波中的中间频率，能够识别多普勒频移的正和负，即风速的正和负，也能够实现进一步的高功能化。
此外，在上述实施方式1中，将激光雷达装置设为是计测风的相干激光雷达而进行了说明，但计测对象不限于风，例如能够应用于对直至硬目标为止的脉冲光的往复时间进行计测的激光测距仪等利用脉冲方式且采用相干检波的全部的激光雷达。
在上述实施方式1中，也考虑部分反射光的电平不稳定、由于信号处理中的噪声电平变动等而对多普勒频移和风速检测处理造成障碍的情况。但是，在该情况下，通过将电流电压转换器9中的转换增益设为可变，与接收状态配合地控制该增益，由此能够实现噪声电平的稳定化。具体而言，如图6所示，考虑准备多个负反馈型跨阻增益的反馈电阻并进行切换这样的手段。图示的结构是使用与3个负反馈电阻9b-1、9b-2、9b-3分别对应而设置的开关9c-1、9c-2、9c-3来切换3个负反馈电阻9b-1、9b-2、9b-3的例子。另外，在该结构中，虽然未图示，但设置有从信号处理器10向电流电压转换器9输送针对开关9c-1、9c-2、9c-3的控制信号的功能。
此外，在产生了上述的部分反射光的不稳定的情况下，如果新设置对来自光源驱动器2的调制信号进行调整的功能，则能够使部分反射光恒定化。在该情况下，虽然未图示，但设置从信号处理器10向光源驱动器2输送控制信号的功能。
此外，在产生了上述的部分反射光的不稳定的情况下，如果新设置对光部分反射器6的反射率进行调整的功能，则能够使部分反射光恒定化。在该情况下，虽然未图示，但设置从信号处理器10向光部分反射器6输送控制信号的功能。作为反射率的调整手段，考虑改变光部分反射器的倾斜等的手段。
在上述实施方式1中，设为全部的光部件为非偏振保持而进行了说明，但即便其一部分或全部为偏振保持型部件，当然也可以毫无问题地发挥功能。即便其一部分能够成为非偏振保持部件，则与此相应地带来低成本化，此外，即便全部为偏振保持部件，在以往使用脉冲方式且相干检波的激光雷达中，不再需要所需的光分波器及合波器，也具有能够实现低成本化这样的效果。
在上述实施方式1中，示出了光源1为1个的情况，但如图7所示，如果采用设置多个输出不同波长的光源且对它们的输出进行合波的结构，则新产生其他的效果。在图7中，示出了由分别输出不同波长的半导体激光二极管1a-1、1a-2、1a-3和波长合成型光合波器1c构成的例子。通过采样这样的结构，尤其是在光放大器4为光纤放大器且光输出中的脉冲峰值被光纤内的非线性现象限制的情况下等，也能够对多个波长赋予差而避免脉冲峰值的限制，使得能够避免非线性现状。
如以上说明的那样，根据实施方式1的激光雷达装置，具备：光发送部，其送出被脉冲调制且具有被设定为脉冲的低电平成分的光强度的光信号；环行器，其将光信号作为发送光而送出，并且取得来自大气中的目标物的反射光作为接收光；光部分反射部，其设置在从环行器到向大气中送出发送光为止的路径中，并反射光信号；以及检波部，其将被光部分反射部反射后的光信号的低电平区间的信号作为本地光，进行接收光的相干检波，因此，能够简化结构，实现低成本化。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，检波部具备：受光元件，其对本地光和接收光进行相干检波，并转换成电流信号；电流电压转换器，其将来自受光元件的电流信号转换成电压信号；以及信号处理器，其对来自电流电压转换器的电压信号进行频率分析，因此，能够容易地实现作为相干检波部的结构。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，电流电压转换器为负反馈型跨阻放大器，因此，即便在部分反射光的电平下降的情况下，也能够实现接近散粒噪声极限的状态。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，由于设置在风向为逆风方向的位置，因此，即便在脉冲调制中的High和Low的时间带不存在频率变化的情况下，也能够进行风速的计测。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，风向为逆风方向的位置是风车，因此，即便在脉冲调制中的High和Low的时间带不存在频率变化的情况下，也能够进行风速的计测。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，光发送部使用半导体激光二极管作为放射光的光源，并且，对半导体激光二极管的驱动电流实施脉冲调制，因此，能够容易地送出具有被设定为脉冲的低电平成分的光强度的光信号。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，光发送部具备输出连续波的光源和脉冲调制器，使用单个或多个半导体放大器或者单个或多个声光调制器作为脉冲调制器，因此，通过适当地调整频移量，能够识别风速的正和负，还能够实现进一步的高功能化。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，电流电压转换器的转换增益是可变，并且，通过信号处理器来控制转换增益，因此，能够根据接收光的接收状态来控制增益，实现噪声电平的稳定化。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，通过信号处理器来控制从光发送部输出的光信号的脉冲的High(高)电平与低电平之比即消光比，因此，能够使部分反射光恒定化。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，通过信号处理器来控制光部分反射部中的反射率，因此，能够使部分反射光恒定化。
此外，根据实施方式1的激光雷达装置，光发送部具备多个光源，对来自这些光源的多个光信号进行合波并作为光信号而输出，因此，通过对多个波长赋予差而能够避免脉冲峰值的限制。
另外，本申请发明在该发明的范围内能够进行实施方式的任意的结构要素的变形、或者实施方式的任意的结构要素的省略。
产业利用性
如以上那样，本发明的激光雷达装置涉及使用相干检波的结构，适合用于对风进行计测的激光雷达装置。
标号说明
1光源，1a，1a-1，1a-2，1a-3半导体激光二极管，1b脉冲调制器，1c波长合成型光合波器，2光源驱动器，3光发送部，4光放大器，5环行器，6光部分反射器，7收发光学系统，8受光元件，9电流电压转换器，9a运算放大器，9b，9b-1，9b-2，9b-3，负反馈电阻，9c-1，9c-2，9c-3，开关，10信号处理器，11检波部。

Claims (11)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，
所述激光雷达装置具备：
光发送部，其送出被脉冲调制且具有被设定为脉冲的低电平成分的光强度的光信号；
环行器，其将所述光信号作为发送光送出，并且取得来自大气中的目标物的反射光作为接收光；
光部分反射部，其设置在从所述环行器到向大气中送出发送光为止的路径中，并反射所述光信号；以及
检波部，其将被所述光部分反射部反射后的所述光信号的低电平区间的信号作为本地光，进行所述接收光的相干检波。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述检波部具备：
受光元件，其对所述本地光和所述接收光进行相干检波，转换成电流信号；
电流电压转换器，其将来自所述受光元件的电流信号转换成电压信号；以及
信号处理器，其对来自所述电流电压转换器的电压信号进行频率分析。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述电流电压转换器是负反馈型跨阻放大器。
4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述激光雷达装置设置在风向为逆风方向的位置。
5.根据权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述风向为逆风方向的位置是风车。
6.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述光发送部使用半导体激光二极管作为放射光的光源，并且，对该半导体激光二极管的驱动电流实施脉冲调制。
7.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述光发送部具备输出连续波的光源和脉冲调制器，使用单个或多个半导体放大器、或者单个或多个声光调制器作为所述脉冲调制器。
8.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述电流电压转换器的转换增益是可变的，并且，通过所述信号处理器来控制该转换增益。
9.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
通过所述信号处理器来控制从所述光发送部输出的光信号的脉冲的高电平与低电平之比即消光比。
10.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
通过所述信号处理器来控制所述光部分反射部中的反射率。
11.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述光发送部具备多个光源，对来自这些光源的多个光信号进行合波并作为所述光信号而输出。
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