CN111971582B - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

现有的激光雷达装置存在如下技术课题：由于根据测量距离事先更改距离分辨率，因此在更改距离分辨率后需要重新测量。本发明的激光雷达装置具备：光振荡器，振荡出激光；光调制器，对光振荡器振荡出的激光进行调制；光天线，将光调制器调制后的激光向大气辐射，接收来自被辐射物的散射光作为接收光；光接收器，对光天线接收到的接收光进行外差检波；以及信号处理器，针对每个距离单元计算光接收器进行外差检波而得到的接收信号的光谱，计算距离单元的信噪比，在信噪比为阈值以下的情况下，对距离单元的光谱和与距离单元相邻的1个以上的距离单元的光谱进行积分。

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
已知一种激光雷达装置，该激光雷达装置能够通过将激光出射到空气中并接收由在大气中漂浮的微小液体或固体颗粒(气溶胶)反射的散射光来获知风速。在现有的激光雷达装置中，针对每个时间门(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。之后，对每个时间的频谱进行积分(integrate)，根据积分得到的频谱的峰值求出视线方向的风速值。对此，在专利文献1所示的激光雷达装置中，事先根据观测距离来更改距离分辨率，即，在必然得到高SNR的近距离处提高距离分辨率，另一方面，在远距离处将距离分辨率设定得低以提高SNR。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-300133号公报
发明内容
发明所要解决的技术课题
在激光雷达装置中，各距离的信噪比(SNR：Signal to Noise Ratio，信噪比)取决于大气环境的状况(气溶胶密度)而变化。在大气环境良好的情况下，即使设定为高距离分辨率，直到远处也能够进行测量，但在上述大气环境恶劣的情况下，可能需要设定更低的距离分辨率，更改为得到SNR的设定。但是，为了高精度的风速测量或测量如阵风(gust，骤风)这样的局部变动，必须以高距离分辨率进行测量。
对此，在专利文献1中存在如下技术课题：由于事先根据测量距离来更改距离分辨率，因此在更改距离分辨率之后需要重新测量，无法跟随大气环境的变动。
用于解决技术课题的技术方案
本发明的激光雷达装置具备：光振荡器，振荡出激光；光调制器，对光振荡器振荡出的激光进行调制；光天线，将光调制器调制后的激光向大气辐射，接收来自被辐射物的散射光作为接收光；光接收器，对光天线接收到的接收光进行外差检波；以及信号处理器，针对每个距离单元(range bin)计算光接收器进行外差检波而得到的接收信号的光谱，计算距离单元的信噪比，在信噪比为阈值以下的情况下，对距离单元的光谱和与距离单元相邻的1个以上的距离单元的光谱进行积分。所述信号处理器具备：距离单元分割器，以设定的固定时间门宽度的距离单元对所述接收信号进行分割；快速傅里叶变换处理器，以设定的固定采样点数对所述距离单元分割器分割后的所述接收信号进行傅里叶变换，计算所述距离单元分割器分割后的每个距离单元的所述接收信号的光谱；SNR计算器，根据所述快速傅里叶变换处理器计算出的光谱求出针对距离的所述信噪比；分辨率更改器，在所述SNR计算器针对所述距离单元分割器分割后的距离单元计算出的所述信噪比为所述阈值以下的情况下，在保持所述时间门宽度的状态下对所述距离单元分割器分割后的所述距离单元的光谱和与所述距离单元分割器分割后的所述距离单元相邻的1个以上的距离单元的光谱进行积分；风速计算器，根据所述分辨率更改器积分得到的光谱来计算所述被辐射物的风速；风向量计算器，根据所述风速计算器计算出的风速值来计算风向量；SNR模型计算器，根据所述SNR计算器计算出的信噪比和利用线路计算式推定出的信噪比来计算应积分的距离单元的个数；以及风速模型计算器，使用由所述风速计算器根据所述快速傅里叶变换处理器计算出的光谱而计算出的风速值来计算风速梯度，在计算出的所述风速梯度为阈值以上的情况下，根据局部风模型推定风速值。所述分辨率更改器根据所述SNR模型计算器计算出的应积分的距离单元的个数，并且以使得所述风速模型计算器推定出的风速值彼此一致的方式对距离单元的光谱进行积分。
发明效果
根据本发明，基于观测得到的接收SNR在信号处理上更改距离分辨率，从而能够在测量后改善SNR，能够对高SNR区域设定高距离分辨率，对低SNR区域设定低距离分辨率。
附图说明
图1为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为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为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的关系的图。
图4为示出本发明的实施方式1的分辨率更改器105的处理内容的流程图。
图5为说明本发明的实施方式1的分辨率更改器105的步骤S104中的改善SNR的处理的概念图。
图6为说明本发明的实施方式1的分辨率更改器105的步骤S104中的前提条件的概念图。
图7为示出本发明的实施方式2的信号处理器10B的1个结构例的结构图。
图8为说明本发明的实施方式2的信号处理器10B的处理内容的概念图。
图9为示出本发明的实施方式2的分辨率更改器105B的处理内容的流程图。
图10为示出本发明的实施方式3的信号处理器10C的一个结构例的结构图。
图11为说明本发明的实施方式3的信号处理器10C的处理内容的概念图。
图12为示出本发明的实施方式3的风速模型计算器110的处理的流程图。
图13为示出本发明的实施方式3的分辨率更改器105C的处理内容的流程图。
图14为说明本发明的实施方式3的步骤S403的处理内容的概念图。
附图标记
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：扫描仪；7：合波耦合器；8：光接收器；9：A/D变换器；10、10B、10C：信号处理器；11：显示器；101：距离单元分割器；102：FFT处理器；103：积分器；104：SNR计算器；105、105B、105C：分辨率更改器；106：风速计算器；107：风向量计算器；108：扫描仪控制器；109：SNR模型计算器；110：风速模型计算器。
具体实施方式
实施方式1.
图1为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。
本激光雷达装置具备光振荡器1(光振荡器的一例)、光耦合器2、光调制器3(光调制器的一例)、光环行器4、光天线5(光天线的一例)、扫描仪6、合波耦合器7、光接收器8(光接收器的一例)、A/D变换器9、信号处理器10(信号处理器的一例)以及显示器11。
光振荡器1为振荡出激光的光振荡器。光振荡器1与光耦合器2连接，将振荡出的激光输出至光耦合器2。例如，使用半导体激光器、固体激光器等作为光振荡器1。
光耦合器2为将光振荡器1输出的激光分支为本地光和发送光的光耦合器。本地光是指通过从光耦合器2经由合波耦合器7到达光接收器8的路径的光，发送光是指通过从光耦合器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及合波耦合器7连接，将本地光输出至合波耦合器7，将发送光输出至光调制器3。例如，使用熔融光纤耦合器、利用介电多层膜滤波器的滤波器型耦合器等作为光耦合器。
光调制器3为使光耦合器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及光环行器4连接。例如，使用AO移频器(Acoust Optical Frequency Shifter，声光移频器)、光相位调制器等作为光调制器3。
光环行器4为将光调制器3调制后的发送光和经由扫描仪6及光天线5得到的接收光进行分离的光环行器。在此，接收光为气溶胶对发送光的散射光。光环行器4与光调制器3、光天线5及合波耦合器7连接，将发送光输出至光天线5，将接收光输出至合波耦合器7。例如，使用利用波长板和分束器构成的环行器等空间传播型、光纤耦合型光环行器作为光环行器4。
光天线5为输出光环行器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及扫描仪6连接，将发送光输出至扫描仪6，将接收光输出至光环行器4。例如，使用光学望远镜、相机镜头作为光天线5。
扫描仪6为对光天线5输出的发送光进行扫描并使向大气中的照射方向(也称为视线方向)改变的扫描仪。扫描仪6包括楔形棱镜及使该楔形棱镜旋转的马达、编码器。例如，使用带编码器的步进马达作为马达。扫描仪6使马达以任意速度旋转，使楔形棱镜的视线方向改变，并且对信号处理器10输出发送光被照射的角度信息。例如使用楔形棱镜反光镜、流电扫描仪等作为扫描仪6。在此虽然记载了使从光学系统输出的光进行扫描的方式，但也可以采用如下方式：在光学系统的前级准备切换光路的光开关，通过将分支目的地连接到1个以上向着不同方向的光学系统来更改视线方向。
合波耦合器7为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及光接收器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，将合波光输出至光接收器8。例如，使用熔融光纤耦合器、利用介电多层膜滤波器的滤波器型耦合器等作为合波耦合器7。
光接收器8为对合波耦合器7输出的合成光进行外差检波的光接收器。光接收器8连接于合波耦合器7和A/D变换器9。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变换为电信号，并输出至A/D变换器9。例如，使用平衡接收器等作为光接收器8。
A/D变换器9为将光接收器8进行外差检波得到的模拟信号变换为数字信号的A/D变换器(Analogue to Digital converter，模数变换器)。A/D变换器9与光接收器8、光调制器3及信号处理器10连接。A/D变换器9以光调制器3输出的激光脉冲触发信号为触发对光接收器8输出的模拟电信号进行采样，将模拟信号变换为数字信号并输出至信号处理器10。例如，使用双重积分型A/D变换器、逐次比较型A/D变换器、并列比较型A/D变换器等作为A/D变换器9。
信号处理器10为对A/D变换器9输出的数字信号进行信号处理来计算风速值及风向量的信号处理器。
图2为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具备距离单元分割器101(距离单元分割器的一例)、FFT处理器102(快速傅里叶变换处理器的一例)、积分器103、SNR计算器104(SNR计算器的一例)、分辨率更改器105(分辨率更改器的一例)、风速计算器106(风速计算器的一例)、风向量计算器107(风向量计算器的一例)和扫描仪控制器108。
距离单元分割器101为将A/D变换器9输出的数字信号分割到任意个数的距离单元的距离单元分割器。距离单元分割器101与A/D变换器9及FFT处理器102连接。距离单元分割器101以任意个数的距离单元对A/D变换器9输出的数字信号进行划分，将划分后的数字信号输出至FFT处理器102。以距离单元进行划分是指以固定时间(时间门宽度)来分割信号。
FFT处理器102为对距离单元分割器101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与距离单元分割器101及积分器103连接。FFT处理器102针对每个距离单元以固定的采样点数对距离单元分割器101输出的以各距离单元划分后的信号进行快速傅里叶变换，将变换后的光谱信号输出至SNR计算器104。在以固定的时间门宽度及固定的采样点数进行傅里叶变换的情况下，傅里叶变换后的光谱的数据点数(相当于频率分辨率)变为固定。
积分器103为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、分辨率更改器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至SNR计算器104、分辨率更改器105。通过针对各发射(shot)的每个相同距离单元对各发射中每个距离单元的光谱信号进行积分来进行积分处理。
SNR计算器104根据通过观测得到的各距离的SNR值导出SNR关于距离的函数，将从积分器103输出的光谱信号作为输入，将各距离的SNR和光谱输出至分辨率更改器105。
分辨率更改器105根据SNR计算器104输出的SNR，进行将与SNR低的距离单元相邻的距离单元的光谱积分至SNR低的距离单元的光谱的处理，将进行积分处理后的光谱输出至风速计算器106。
风速计算器106为根据分辨率更改器105积分得到的光谱数据计算风速的风速计算器。风速计算器与分辨率更改器105连接。风速计算器106根据由分辨率更改器105输出的光谱信号来计算激光的多普勒频移量，根据多普勒频移量计算对于激光的视线方向的风速值。风速计算器106将各视线方向的风速值输出至风向量计算器107。
风向量计算器107为根据风速计算器106输出的视线方向的风速值及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、扫描仪6、扫描仪控制器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和经由扫描仪控制器108得到的扫描仪6的棱镜的角度信息来计算风向量，并输出至扫描仪控制器108。
扫描仪控制器108为生成控制扫描仪6的控制信号的扫描仪控制器。扫描仪控制器108与风向量计算器107、扫描仪6及显示器11连接。扫描仪控制器108根据风向量计算器107计算出的风向量的结果，生成用于切换视线方向的控制信号，将生成的控制信号输出至扫描仪6。扫描仪控制器108保持由扫描仪6得到的角度信息，并且发送至风向量计算器107。另外，扫描仪控制器108将风向量计算器107输出的风向量的计算结果输出至显示器11。
作为距离单元分割器101、FFT处理器102、积分器103、SNR计算器104、分辨率更改器105、风速计算器106、风向量计算器107及扫描仪控制器108，例如使用FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)的逻辑电路、微机(微计算机)等。
返回图1的激光雷达装置的结构的说明。
显示器11为显示信号处理器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，使用液晶显示器、有机EL(Electro Luminescence，电致发光)显示器等作为显示器11。显示器11也可以具有RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)或硬盘等存储装置，针对时间存储视线方向风速值、其SNR或风向量。
接下来，对本发明的实施方式1的激光雷达装置的工作进行说明。
光振荡器1使激光振荡，将振荡出的激光输出至光耦合器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，将发送光输出至光调制器3，将本地光输出至合波耦合器7。发送光为从光天线5输出至大气中的光，本地光为为了在光接收器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。
在用于系统设计的线路计算中，例如使用以下式子。
[数学式1]
β、K、S0分别表示后向散射系数(m-1sr-1)、大气透射率、散射光的相干直径(m)，代表表示不可由系统控制的大气条件的参数。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)，表示在系统内能够更改的参数。h、λ、P、ηF、B分别为普朗克常数(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，最近高斯波束)置换为相关性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截断而一部分被限幅的状态。在使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对光耦合器2分配的发送光进行频率调制及强度调制，将调制后的发送光输出至光环行器4。在此，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对光调制器3设定该脉冲宽度，也可以设为光调制器3输出设计时设定出的固定的脉冲宽度、PRF。另外，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将脉冲触发信号输出到A/D变换器9，其中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调制后的发送光通过光天线5，将光天线接收到的接收光输出至合波耦合器7。光环行器4以这种方式将发送光和接收光进行分离。
光天线5使发送光准直，并照射到空气中。另外，光天线5汇集来自气溶胶的对发送光的散射光，作为接收光来接收。光天线5可以具有聚光调整功能。
扫描仪6接受信号处理器10输出的控制信号，使楔形棱镜旋转，任意更改光天线5照射的光的方向。另外，扫描仪6将与编码器信息相当的电信号输出至信号处理器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，将合波后的光输出至光接收器8。
光接收器8对合波耦合器7输出的合波光进行光电变换，利用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至A/D变换器9。
A/D变换器9在接受到光调制器3中产生的脉冲触发信号后，以采样频率fs进行对光接收器8输出的接收信号的A/D变换，将其数字信号输出至信号处理器10。
以下对信号处理器10的工作进行说明。
图3为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的关系的图。距离单元分割器101以任意时间宽度划分来自各距离的接收信号。以下将划分出的时间(时间门)称为距离单元。各距离单元的时间宽度(时间门宽度)与距离分辨率值对应。距离单元分割器101以任意个数的距离单元划分接收波形，将距离单元区间的接收波形的电压值输出至FFT处理器102。
例如，在将距离分辨率设定为Rres时，对A/D变换后的时间波形进行划分的时间宽度(t)被设为t＝2Rres/c(c：光速)。因此，在总距离单元数为M个时，在将用于开始A/D的触发、在此为来自光调制器3的触发信号定时作为基准来表示以各距离单元划分的时间时，该式如以下所示。
[数学式2]
[数学式3]
[数学式4]
Tstart为各距离单元的数据获取开始时间，Tend为各距离单元的数据获取结束时间，m为距离单元的编号，具有1～M的值域。Rmin为用于调整观测开始距离的值，即，以距离值表示针对脉冲触发信号到进行A/D变换为止的延迟定时。在针对触发开始进行A/D的延迟量为0时，在希望从例如40m开始测量的情况下，对Rmin插入40等的值。
此外，在此进行该时间间隔的距离单元分割，但不限于此，也可以由用户决定与Tstart相当的观测开始距离，也可以针对每个距离单元进行其设定，还可以使Tstart与Tend的范围重叠。
FFT处理器102以FFT点数(NFFT)对距离单元分割器101获取的各距离单元的时间波形进行FFT处理，得到接收信号光谱。NFFT表示进行FFT处理的点数(采样点数(也称为样本点数))，使用例如256等值。
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。针对各距离单元的光谱数据，通过以下式子进行非相干积分。
积分器103针对各发射中的各距离单元的光谱数据，通过对相同距离单元编号的光谱数据相加来进行积分处理。当用数学式表示时，积分处理如以下所示。
[数学式5]
SPC(i，n，R)为各发射的光谱数据。S(i，R)为积分处理后的光谱数据。i为频率单元(frequency bin)的编号，n为发射的编号，R为距离单元的编号。通过进行积分处理，能够相对于噪声值增大光谱数据的峰值(信号值)。也就是说，能够改善SNR。
图4为示出本发明的实施方式1的分辨率更改器105的处理内容的流程图。在此设为距离单元为以相等时间间隔来分隔。
分辨率更改器105从R＝1至R＝Rmax重复步骤S101至步骤S105的处理。
在步骤S102中，分辨率更改器105通过以下式子对距离单元R的光谱的SNR进行判定。
[数学式6]
SNR(R)≥THSNR……(6)
在此，Rres表示在根据光谱得到风速值时能够确保风速测量精度的分辨率。在使用FFT的情况下，当距离分辨率高时，时间门宽度变小，因此样本点数变少而频率分辨率变低。因此，风速测量精度变差。因此，例如设定Rres＝20m等的值。THSNR为针对系统中规定的SNR的阈值，根据系统的噪声级别而事先决定。在为该阈值以上时，认为能够检测信号而进入步骤S105，结束针对距离单元R的处理，进行下一距离单元的计算。
另一方面，在SNR为阈值以下时，分辨率更改器105判断为由于SNR低而难以查出信号，进入步骤S103。
在步骤S103中，分辨率更改器105判别距离分辨率Rres(R)是否大于预先设定的针对距离分辨率的上限值THRres。在Rres(R)大于THRres时，由于超过了距离分辨率的上限值，因此进入步骤S105，结束针对本距离单元的处理，进入下一循环处理。
在Rres(R)小于THRres时，由于距离分辨率Rres(R)未超过上限值THRres，因此分辨率更改器105判断为距离分辨率具有余量，进入步骤S104。
在步骤S104中，分辨率更改器105利用以下式子对关注的距离单元(R)的光谱(SPC(R))和下一距离单元的光谱(SPC(R+1))进行积分。积分后，进入步骤S102，判别由步骤S104的积分处理得到的SNR是否为阈值以下。
[数学式7]
此时的距离分辨率为以下式子。
[数学式8]
Rres(R)＝Rres(R)+Rres(R+1)……(8)
也就是说，步骤S104的处理意味着牺牲距离分辨率来改善SNR。
图5为说明本发明的实施方式1的分辨率更改器105的步骤S104中的改善SNR的处理的概念图。分辨率更改器105通过将在SPC(R)和SPC(R+1)中相互对应的频率单元编号的光谱值相加，从而得到新的SPC(R)。在计算出各距离单元的光谱后，不更改光谱的数据点数及时间门宽度，将频率单元编号彼此相同的光谱值原样进行相加处理，因此计算量小，能够高速地进行处理。
分辨率更改器105以这种方式提高SNR，重复基于阈值THSNR的判定，从而能够以最小距离分辨率进行测量。然而，作为实现这一目标的条件，存在着风为均匀的这样的条件。
图6为说明本发明的实施方式1的分辨率更改器105的步骤S104中的前提条件的概念图。在风为均匀时，其信号分量存在于相同频率，因此信号累积，但在湍流或骤风时，由于风不均匀，因此信号分量不累积。因此，即使重复进行积分也难以超过THSNR，此外，由于使距离分辨率过于劣化而导致漏看湍流、骤风的概率上升。
作为用于抑制漏看湍流、骤风的策略，在步骤S103中设定针对距离分辨率的阈值THRres。通过使距离分辨率劣化、设定累积信号的上限，从而解决上述问题。
关于该THRres，将想要查出的湍流的大小或骤风的持续距离设定于该阈值。另外，该上限值也可以如以下方式由用户决定，也可以使用AI(Artificial Intelligence，人工智能)来设定。这是因为对骤风等自然现象期望采用遵循经验法则的方法。输入气温、气压、湿度、日期和时间、地形、那里产生的骤风的相干长度、骤风风速值作为AI学习数据。然后，输入日期和时间·地形、气温等信息，推断可能产生的骤风的相干长度，将其设定为上限值。作为现有的骤风的信息，可以使用例如气象局等已有的数据库，也可以使用由该激光雷达装置观测到的实测值，不限于此。此外，在此示出了对R的距离单元的光谱和R+1的距离单元的光谱进行积分的方法，但也可以对R－1和R的光谱，或者R－1、R和R+1的光谱进行积分，只要是频率单元编号的数量彼此相同、频率单元编号对应的距离单元彼此之间即可进行积分。
分辨率更改器105在从R＝1到R＝Rmax重复步骤S101到步骤S105的循环后，结束本流程的处理。
风向量计算器107使用向量合成或VAD(Velocity Azimuth Display，速度方位角显示)法来计算风向量。在向量合成时，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)、垂直方向的风速(W)、仰角(θ)、以北为基准的方位角(φ)，通过以下式子来表示视线方向的风速(Vr)。
[数学式9]
Vr＝Usinφsinθ+Vcosφsinθ+Wcosθ……(9)
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，能够通过求解联立方程式来计算U、V、W。据此，得到三维的风向量。
为了切换视线方向，扫描仪控制器108生成用于使扫描仪工作的控制信号。扫描仪6根据来自扫描仪控制器108的控制信号来驱动扫描仪内的步进马达，使其以期望步长工作从而进行向期望角度的动作。另外，扫描仪6将来自搭载的编码器的角度信号发送至扫描仪控制器108，在扫描仪控制器108中保持动作后的角度信息。
显示器11将信号处理器10计算出的视线方向风速值、视线方向风速值的SNR或风向量等信息保存于存储器并显示。
如以上所述，根据本发明的实施方式1，根据SNR来对相邻的距离单元的光谱进行积分以提高SNR，从而即使在设定距离分辨率之后也能够扩展测量距离。
此外，在本结构中，以脉冲型的激光雷达装置为前提进行了记载，但也可以使用CW(Continuous Wave，连续波)方式，不限于此。另外，在本结构中，基于光纤对光连接方法进行了记载，但是连接方法也可以不使用光纤而采用空间传播型。
另外，本激光雷达装置也可以不是上述那样的扫描仪结构，而是在环行器与望远镜之间插入光开关并去掉扫描仪的结构，不限于此。此时，例如，使用通信中所使用的机械光开关、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)光开关等作为光开关。
另外，信号处理器10的各构成要素的功能可以通过FPGA等硬件来执行，也可以以处理器读取并执行存储器中存储的表示各构成要素的功能的程序的方式通过软件来执行。
根据本实施方式，针对通过一次测量得到的各距离单元的光谱进行基于SNR的判定，在SNR不足时，通过对相邻距离单元的光谱进行积分来使距离分辨率劣化，从而提高SNR。由此，不增加测量次数(不使帧速率劣化)，牺牲SNR不足的区域的分辨率，改善SNR，因此能够抑制不必要的测量精度劣化。
实施方式2.
在实施方式2中，相对于实施方式1，在信号处理器10B的处理内容、信号处理器10B内追加SNR模型计算器109(SNR模型计算器的一例)以及分辨率更改器105B的处理内容这些方面不同，通过根据线路计算式来导出应积分的距离单元的数量，从而改善计算试验次数。
图7为示出本发明的实施方式2的信号处理器10B的1个结构例的结构图。
SNR模型计算器109将从SNR计算器104得到的各距离(距离单元)的SNR值作为输入，针对各距离单元计算SNR的推定值。然后，计算为了将SNR改善至计算出的SNR的推定值所需的距离单元的个数，将计算出的距离单元的个数及SNR的推定值输出至分辨率更改器105B。
分辨率更改器105B根据SNR模型计算器109输出的要相加的距离单元的个数来更改距离分辨率，将对该结果进行妥当性判定而得到的结果的标志和相加后的结果的光谱输出至风速计算器106。
在信号处理器10B中，作为其它结构的距离单元分割器101、FFT处理器102、积分器103、SNR计算器104、风速计算器106、风向量计算器107、扫描仪控制器108与实施方式1相同，因此省略说明。
图8为说明本发明的实施方式2的信号处理器10B的处理内容的概念图。SNR模型计算器109使用式(1)和比最大观测距离(Lobs)短的距离处的SNR值来推定式(1)的β的值。当将能够观测的区域(图8内0(m)～Lobs的距离)的最大观测距离单元设为M时，以使以下Q的值变得最小的方式来计算式(1)的β的值。在以下式子中SNRtheory为利用式(1)求出的SNR。
[数学式10]
在此，关于表示大气环境的K、S0的典型值，例如K为4.2×10-5(/m)，利用以下式子来计算S0。Cn表示大气结构系数，使用1.7×10-14(m-2/3)等值。L表示距离，λ表示波长。
[数学式11]
输入这些值，对系统参数D、F、N、L、Ac输入已知值。在此为了减轻计算负担，用β这1个变量来计算Q的最小值，但也可以用β、K、So这3个变量来计算Q的最小值。
SNR模型计算器109针对Lobs以后的距离单元，将实测的SNR与根据式(1)和β推定出的SNR进行比较，计算在各个距离单元中不足的SNR。
在对1个相邻的距离单元进行积分的情况下，关于提高的SNR，在风为均匀的情况下，SNR改善倍(M为包含自身在内的、要积分的距离单元的总数)。由此计算应积分的距离单元数。例如，使用推定出的SNRtheory和想要达到的SNR阈值THSNR来计算满足以下式子的自然数M。M(R)表示要相加的距离单元的数量。SNR模型计算器109将计算出的距离单元的个数(M)及SNR的推定值(SNRtheory)输出至分辨率更改器105B。
[数学式12]
在此，将要达到的SNR设定为THSNR，但考虑到推定误差，也可以设定包含推定误差的阈值THSNRup(例如THSNRUP＞THSNR)。
图9为示出本发明的实施方式2的分辨率更改器105B的处理内容的流程图。
分辨率更改器105B从R＝1至R＝Rmax重复步骤S201至步骤S207的处理。
在步骤S202中，分辨率更改器105B用式(6)对距离单元R的光谱的SNR进行判定。在测量结果的SNR为该阈值以上时认为能够检测信号而进入步骤S207，结束针对距离单元R的处理，进行下一距离单元的计算。
另一方面，在测量结果的SNR为阈值以下时，分辨率更改器105B判断为由于SNR低而难以查出信号，进入步骤S203。
在步骤S203中，分辨率更改器105B将距离分辨率Rres(R)和SNR模型计算器109计算出的M相乘，判别该相乘结果是否大于预先设定的针对距离分辨率的上限值THRres。在Rres(R)×M大于THRres时，由于超过了距离分辨率的上限值，因此进入步骤S207，针对本距离单元编号的处理结束，进入下一循环处理。
在Rres(R)×M小于THRres时，由于距离分辨率Rres(R)×M未超过上限值THRres，因此分辨率更改器105B判断为距离分辨率具有余量，进入步骤S204。
在步骤S204中，分辨率更改器105B使用SNR模型计算器109输出的M，通过以下式子来对距离单元的光谱进行积分。积分后，处理进入步骤S205，判别通过步骤S204的积分处理得到的SNR是否为阈值以下。
[数学式13]
通过上述处理，距离分辨率变为如下。另外，SNR(R)＝peak(SPC(R))。
[数学式14]
Rres(R)＝Rres(R)·M……(14)
在步骤S205中，分辨率更改器105B用以下式子判别与用式(1)推定出的SNR相比较，步骤S204中更改距离分辨率而得到的SNR是否为阈值以下。据此，分辨率更改器105B判别在该距离单元是否产生了阵风。
[数学式15]
abs(SNR(R)-SNRtheory(R))＜THerror……(15)
在上述式子中，SNR(R)为在步骤S204中得到的SNR，SNRtheory(R)为SNR模型计算器109用式(1)推定出的SNR，作为式(1)中的β，使用SNR模型计算器109决定的β。
当步骤S204中求出的SNR与用式(1)推定出的SNR(R)之差小于THerror时，认为在该距离单元风为均匀的、没有阵风，将步骤S204中求出的光谱SPC(R)输出至风速计算器106，进入步骤S207。
当步骤S204中求出的SNR与用式(1)推定出的SNR(R)之差为THerror以上时，认为在该距离单元可能包含阵风(骤风)，进入步骤S206，建立标志。
在步骤S206中，分辨率更改器105B针对该距离单元R，将与骤风有关的标志(Flag_gust＝1)及步骤S204中求出的光谱SPC(R)输出至风速计算器106。本处理与抑制骤风漏检的效果相当。此外，本处理也可以采用不使用SNR的偏离而使用接收光谱宽度的处理。在该情况下，利用以下式子，根据接收信号的光谱SPC计算光谱宽度Sw。f表示频率。
[数学式16]
理论上的接收光谱宽度SW_theory由以下式子表示。wL表示本地光的线宽，wT表示发送光的线宽，ww表示由于风导致的多普勒变动量。
[数学式17]
在风为均匀的情况下，ww为0，wL、wT为固定值，利用这一情况，使用阈值THsw，能够使用以下式子来代替式(15)。
[数学式18]
但是，在此通过设定SNR的偏离来降低计算光谱宽度的处理负担。
如以上所述，根据本发明的实施方式2，能够通过推定为了改善使用线路计算式导出的不足的SNR的量所需的距离分辨率的量及积分距离单元的数量，来减少光谱SPC及SNR的计算试验次数。另外，能够根据线路计算式与改善SNR的偏离状态来检测阵风等急剧的风速变化。
实施方式3.
在实施方式3中，相对于实施方式1、2，在信号处理器10C的处理内容这方面不同。在实施方式3的信号处理器10C中，加上骤风检测处理，创建骤风的模型。根据创建的模型，导出各距离的风速，当叠加光谱时，将中心频率挪移至各距离的推定风速值后进行积分。据此，能够将光谱宽度保持为恒定，因此能够使SNR提高至更接近理论值。另一方面，在得到的SNR小于推定值时，意味着骤风模型不适合、即没有骤风或模型自身不匹配，因此判断为无法测量。
图10为示出本发明的实施方式3的信号处理器10C的一个结构例的结构图。
以下主要对与实施方式2不同的方面进行说明。
风速模型计算器110(风速模型计算器的一例)将从风速计算器106输出的各距离单元的风速值作为输入，输出无法测量的距离单元的风速值的推定值。
分辨率更改器105C将SNR模型计算器109输出的各距离单元的SNR的推定值和风速模型计算器110输出的各距离单元的风速推定值作为输入，输出各距离单元的光谱和骤风产生的标志。
在信号处理器10C中，作为风速模型计算器110以外的结构的距离单元分割器101、FFT处理器102、积分器103、SNR计算器104、风速计算器106、风向量计算器107、扫描仪控制器108、SNR模型计算器109与实施方式2相同，因此省略说明。
图11为说明本发明的实施方式3的信号处理器10C的处理内容的概念图。
图11的(1)示出SNR计算器104输出的、测量出的距离-SNR特性。将具有阈值THSNR以上的SNR的距离单元处的光谱输出给风速计算器106。
图11的(2)示出风速模型计算器110基于风速计算器106输出的风速值在具有阈值THSNR以下的SNR的距离单元推定出的风速值。风速模型计算器110将使用风速计算器106输出的风速值而推定出的风速值输出至分辨率更改器105C。
图11的(3)示出由于分辨率更改器105C使用由风速模型计算器110推定出的风速值进行距离分辨率的更改及光谱的积分处理从而改善的SNR和由SNR模型计算器109推定出的SNR。通过对由分辨率更改器105C改善的SNR与由SNR模型计算器109推定出的SNR进行比较，验证风速模型计算器110的风速推定并且判断是否存在骤风。
图12为示出本发明的实施方式3的风速模型计算器110的处理的流程图。
风速模型计算器110从R＝1至R＝Rmax重复步骤S301至步骤S306的处理。
在步骤S302中，风速模型计算器110使用距离单元的风速值和距离值用以下式子来计算风速梯度。
[数学式19]
Grad(R)＝(v(R+1)-v(R))/(Tcen(R+1)-Tcen(R))……(19)
在此，v(R)为距离单元R的风速值，Tcen(R)为距离单元R的距离值。
在步骤S303中，风速模型计算器110判别在步骤S203中计算出的风速梯度Grad(R)是否小于阈值THgrad。
在Grad(R)小于THgrad时，因为为阈值以下，因此判断为未产生骤风，进入步骤S306，针对本距离单元编号的处理结束。然后进入下一距离单元的循环处理。
在Grad(R)大于THgrad时，风速模型计算器110判断为产生了骤风，提取在该距离单元以后且SNR为THSNR以上的风速值(v(R)……v(Rk))，进入步骤S304。在此，Rk为在图11中到Lobs为止的距离单元编号，为SNR高于THSNR且能够计算风速值的最大的距离单元编号。
在步骤S304中，风速模型计算器110使用以下式子通过最小二乘法对在步骤S303中输出的风速值(v(R)……v(Rk))进行拟合。
[数学式20]
ve(L)＝Asin(2π·fr·L)……(20)
ve表示推定风速值，与图11(2)的虚线相当。fr表示空间变动频率，L表示距离，A表示风速振幅。使用通过拟合决定出的fr、L、A来推定比Lobs更远处的ve。也就是说，推定ve(Rk)……V(Rmax)。
在步骤S305中，风速模型计算器110将ve(Rk)……V(Rmax)及标志(Flag_gust＝1)输出至分辨率更改器105C，退出步骤S301至步骤S306的循环，结束。
接下来对分辨率更改器105C的处理内容进行说明。
图13为示出本发明的实施方式3的分辨率更改器105C的处理内容的流程图。
分辨率更改器105C从R＝1至R＝Rmax重复步骤S401至步骤S406的处理。
在步骤S402中，分辨率更改器105C用式(6)对距离单元R的光谱的SNR进行判定。在测量结果的SNR为该阈值以上的情况下认为能够检测信号，进入步骤S406。因此，分辨率更改器105C对具有小于THSNR的SNR的距离单元进行步骤S403的处理。
在步骤S403中，分辨率更改器105C使用风速模型计算器110推定出的风速值(Ve(Rk)……Ve(Rmax))，使用式(12)及式(13)来更改距离分辨率，对光谱进行积分。此时，以使与风速模型计算器110推定出的风速值对应的多普勒频移分量fd彼此一致的方式进行积分。fd(R)＝2ve(R)/λ。另外，SNR(R)＝peak(SPC(R))。上述SPC(R)为用式(12)进行积分后的光谱。
图14为说明本发明的实施方式3的步骤S403的处理内容的概念图。
图14的(1)表示在距离单元R测量出的光谱。在此fd(R)对应于ve(R)。
图14的(2)表示在距离单元R+1测量出的光谱。在此fd(R+1)对应于ve(R+1)。
图14的(3)为以使fd(R)与fd(R+1)一致的方式挪移频率距离单元编号而进行积分得到的光谱。具体而言，在将fd(R)的频率单元编号设为7、将fd(R+1)的频率单元编号设为11时，对R+1的频率单元编号－4而进行积分。在－4而变为负的情况下，加上频率单元编号的最大值。在频率单元编号的最大值为16时，如以下方式对R的频率单元编号的光谱值和R+1的频率单元编号的光谱值进行积分。
在步骤S404中，分辨率更改器105C利用式(15)判别在步骤S403中更改距离分辨率、对光谱进行积分而得到的SNR与用式(1)推定出的SNR相比较是否为阈值以下。据此，分辨率更改器105C判别在更改了距离分辨率的距离单元是否发生了阵风。
在式(15)的左边小于THerror时，判断为风速推定正确，将步骤S403中求出的光谱SPC(R)输出至风速计算器106，进入步骤S406，针对本距离单元的循环处理结束。然后进入针对下一距离单元R+1的处理。
在式(15)的左边为THerror以上时，表示推定出风速的骤风模型不同，或没有骤风，进入步骤S405，建立误检测标志。
在步骤S405中，分辨率更改器105C针对更改了距离分辨率的距离单元R，将与骤风有关的误检测标志(Flag_pre_gust＝1)及步骤S403中求出的光谱SPC(R)输出至风速计算器106。然后进入步骤S406，针对本距离单元的循环处理结束。然后进入针对下一距离单元R+1的处理。
如以上所述，根据本发明的实施方式3，加上风速值的推定处理，使用推定出的风速值使光谱的波峰匹配之后进行积分处理，从而能够更高效地提高SNR。

Claims (1)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，具备：
光振荡器，振荡出激光；
光调制器，对所述光振荡器振荡出的激光进行调制；
光天线，将所述光调制器调制后的激光向大气辐射，接收来自被辐射物的散射光作为接收光；
扫描仪，对所述光天线输出的发送光进行扫描并使向大气中的照射方向即视线方向改变，并且输出所述发送光被照射的角度信息；
光接收器，对所述光天线接收到的接收光进行外差检波；以及
信号处理器，针对每个距离单元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，计算所述距离单元的信噪比，在所述信噪比为阈值以下的情况下，对所述距离单元的光谱和与所述距离单元相邻的1个以上的距离单元的光谱进行积分，
所述信号处理器具备：
距离单元分割器，以设定的固定时间门宽度的距离单元对所述接收信号进行分割；
快速傅里叶变换处理器，以设定的固定采样点数对所述距离单元分割器分割后的所述接收信号进行傅里叶变换，计算所述距离单元分割器分割后的每个距离单元的所述接收信号的光谱；
SNR计算器，根据所述快速傅里叶变换处理器计算出的光谱求出针对距离的所述信噪比；
分辨率更改器，在所述SNR计算器针对所述距离单元分割器分割后的距离单元计算出的所述信噪比为所述阈值以下的情况下，在保持所述时间门宽度的状态下对所述距离单元分割器分割后的所述距离单元的光谱和与所述距离单元分割器分割后的所述距离单元相邻的1个以上的距离单元的光谱进行积分；
风速计算器，根据所述分辨率更改器积分得到的光谱来计算所述被辐射物的风速；
风向量计算器，根据所述风速计算器计算出的视线方向的风速值及来自所述扫描仪的视线方向的角度信息来计算风向量；
SNR模型计算器，根据所述SNR计算器计算出的信噪比和利用线路计算式推定出的信噪比来计算应积分的距离单元的个数；以及
风速模型计算器，使用由所述风速计算器根据所述快速傅里叶变换处理器计算出的光谱而计算出的风速值和距离值来计算风速梯度，在计算出的所述风速梯度为阈值以上的情况下，根据局部风模型推定风速值，
其中，所述分辨率更改器根据所述SNR模型计算器计算出的应积分的距离单元的个数，并且以使得与所述风速模型计算器推定出的风速值对应的多普勒频移分量彼此一致的方式对距离单元的光谱进行积分，
所述线路计算式为如下式(1)：
其中β表示后向散射系数，其单位为m-1sr-1，
K表示大气透射率，
S0表示散射光的相干直径，其单位为m，
D表示波束直径，其单位为m，
F表示聚光距离，其单位为m，
N表示非相干积分数，其单位为次，
L表示观测距离，其单位为m，
h为普朗克常数，其单位为Js，
λ为波长，其单位为m，
P为发送光脉冲能量，其单位为J，
ηF为远场的发送接收效率，
B为接收带宽，其单位为Hz，
Ac表示用于将由于所述光天线而渐晕的高斯波束置换为相关性高的衍射极限的高斯波束的近似系数。
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