CN113892038A

CN113892038A - 相干激光雷达装置

Info

Publication number: CN113892038A
Application number: CN202080039781.9A
Authority: CN
Inventors: 龟山俊平; 小竹论季; 梶山裕; 崎村武司; 高林干夫
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-01-04
Also published as: WO2020246269A1; EP3982158A1; JPWO2020246269A1; JP6847325B1; EP3982158A4

Abstract

本发明的相干激光雷达装置(100)包括：收发部(30)，其将光信号发送到大气中，并接收光信号的散射光；第1开关(9)，其将从由收发部(30)接收到的散射光所生成的接收信号在时间上分为2个；微波放大器(10)，其以彼此不同的放大率对第1开关(9)所分出的2个信号进行放大；微波开关(11)，其将由微波放大器(10)以不同的放大率放大后的2个信号合并为1个信号；A/D转换器(12)，其将由微波开关(11)合并为1个后的信号转换为数字信号；信号处理部(13)，其对数字信号进行处理；以及控制部(14)，其对收发部(30)、第1开关(9)、微波开关(11)和A/D转换器(12)的动作进行控制。

Description

相干激光雷达装置

技术领域

本公开涉及对大气中的风速进行测量的相干激光雷达装置。

背景技术

例如，专利文献1所记载的相干激光雷达装置将作为激光的发送光发送到大气中，通过相干检波接收发送光被悬浮微粒散射而得的散射光，并对接收信号的频谱进行分析，由此来测量多普勒频移。多普勒频移被转换成激光的发送方向上的悬浮微粒的多普勒速度、即多普勒风速。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2002/093193号

发明内容

另外，在相干激光雷达装置中，距离的校正和多普勒风速的校正很重要。距离的校正是指决定与相距相干激光雷达装置的距离为0米相当的、接收信号的时间轴上的位置，多普勒风速的校正是指决定与多普勒速度为0米每秒相当的、接收信号的频率轴上的位置。

通常，相干激光雷达装置所接收到的信号中，在装置内部发送光发生散射而被接收到的信号分量(以下，记载为内部散射分量)的信号显著大于发送光因大气中的悬浮微粒散射后的信号分量(以下，记载为来自大气的散射分量)的信号。因此，在双方的分量的信号被放大的情况下，内部散射分量的信号饱和，产生无法测量风速的“盲区”。

专利文献1所记载的相干激光雷达装置使用微波开关将接收信号分割为内部散射分量的信号和来自大气的散射分量的信号，并分配为对内部散射分量的信号进行A/D转换来进行信号处理的系统、以及对来自大气的散射分量的信号进行A/D转换来进行信号处理的系统。由此，避免了内部散射分量的信号发生饱和，但存在如下问题：对于信号处理需要2个A/D转换器。

本公开解决上述问题，其目的在于提供一种相干激光雷达装置，能利用1个系统的A/D转换器来进行信号处理，而不会使内部散射分量的信号饱和。

用于解决技术问题的技术手段

本公开所涉及的相干激光雷达装置包括：收发部，该收发部将光信号发送到大气中，并接收光信号的散射光；第1开关，该第1开关将从由收发部接收到的散射光所生成的接收信号在时间上分为2个；放大器部，该放大器部以彼此不同的放大率对第1开关所分出的2个信号进行放大；合波部，该合波部将由放大器部以不同的放大率放大后的2个信号合并为1个信号；A/D转换器，该A/D转换器将由合波部合并为1个后的信号转换为数字信号；信号处理部，该信号处理部对数字信号进行处理；以及控制部，该控制部对收发部、第1开关、合波部和A/D转换器的动作进行控制。

发明效果

根据本公开，能利用1个系统的A/D转换器来处理信号，而不会使内部散射分量的信号饱和。

附图说明

图1是示出实施方式1所涉及的相干激光雷达装置的结构的框图。

图2是示出输入到微波开关的接收信号的示例的图。

图3是示出输入输出到微波开关、微波放大器和A/D转换器的信号的图。

图4是示出内部散射分量的信号和来自大气的散射分量的信号、以及这些信号中所设定的时间区间的图。

图5是示出实施方式1所涉及的相干激光雷达装置的信号处理的概要的示意图。

图6是示出实施方式2所涉及的相干激光雷达装置的结构的框图。

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出实施方式1所涉及的相干激光雷达装置100的结构的框图。图1所示的相干激光雷达装置100将发送光发送到大气中，利用相干检波接收发送光被悬浮微粒散射后而得的散射光，并分析从散射光生成的接收信号的频谱(接收频谱)，由此来测量悬浮微粒的多普勒风速。相干检波是零差检波或外差检波。如图1所示，相干激光雷达装置100包括收发部30、微波开关9、微波放大器10、微波开关11、A/D转换器12、信号处理部13和控制部14，其中，收发部30具有光源1、光分配器2、脉冲调制器3、光放大器4、循环器5、收发光学系统6、光合波器7和光接收机8。

此外，在图1中，在光源1与光分配器2之间、光分配器2与脉冲调制器3和光合波器7之间、脉冲调制器3与光放大器4之间、光放大器4与循环器5之间、循环器5与收发光学系统6之间、循环器5与光合波器7之间、光合波器7与光接收机8之间均通过光纤相连接。此外，控制部14通过电气信号线分别连接到脉冲调制器3、微波开关9、微波开关11和A/D转换器12。

图1所示的相干激光雷达装置100的风速测量的原理是所谓的相干方式。关于相干方式的风速测量，例如记载在下面所示的参考文献1中。另外，图1中，示出结构要素彼此通过光纤连接的收发部30，但相干激光雷达装置100并不限于该结构。例如，一部分的结构要素之间可以是电气布线。此外，图1所示的相干激光雷达装置100中，为了在更远的位置测量风速，可以使用光放大器4来放大发送光，但如果测量风速的对象区域是近距离区域，则可以省略光放大器4。

(参考文献1)T.Ando等，“三菱电机公司的全光纤相干多普勒技术”，IOP会议系列：地球与环境科学，第1卷，2008。

光源1生成作为连续波的光信号。光分配器2将光源1输出的光信号分配给脉冲调制器3和光合波器7。脉冲调制器3对光分配器2所分配的一个光信号进行脉冲调制。另外，脉冲调制器3所进行的脉冲调制由控制部14来控制。光放大器4对由脉冲调制器3进行脉冲调制后的光信号进行放大。循环器5将由光放大器4放大后的光信号送到收发光学系统6，并将由收发光学系统6从大气接收到的光信号送到光合波器7。收发光学系统6将从循环器5发送来的光信号发送到大气中，并接收光信号被大气中的悬浮微粒散射后的散射光。光合波器7对光分配器2所分配的另一个光信号和来自循环器5的光信号进行合波。光接收机8将从光合波器7输出的光信号转换为电信号。

微波开关9是第1开关，其将收发部30接收的接收信号在时间上一分为二并提供给微波放大器10和微波开关11。微波放大器10以确定的放大率对微波开关9所提供的信号进行放大。微波开关11是第2开关，其根据定时信号切换被微波放大器10放大后的信号、以及从微波开关9提供的信号从而使其在时间上相连。微波放大器10是放大器部，其以彼此不同的放大率对微波开关9所分配的2个信号进行放大。微波开关11是合波部，其将由微波放大器10以不同的放大率放大后的2个信号合并为1个信号。A/D转换器12将由微波开关11合并为1个的信号转换为数字信号。信号处理部13对从A/D转换器12输出的数字信号进行处理。控制部14对收发部30所具有的脉冲调制器3、微波开关9、微波开关11和A/D转换器12的动作进行控制。

接着，对图1所示的相干激光雷达装置100所进行的风速测量进行详细说明。控制部14将脉冲调制信号输出到脉冲调制器3，并将与脉冲调制信号同步后的触发信号分别输出到微波开关9、微波开关11和A/D转换器12。此外，控制部14将接收信号的时间波形中、切分出包含内部散射分量的时间范围的信号的定时信号输出到微波开关9和微波开关11。

包含内部散射分量(接收)的时间范围能根据脉冲调制信号来大致掌握，因此，能切分出包含内部散射分量的时间范围的信号。然而，在无法准确掌握相干激光雷达装置100内部的传输路径的长度的情况下，无法掌握接收到内部散射分量的准确的时间。

光分配器2将光源1输出的连续波的光信号分配为本地光和发送光，将本地光输出到光合波器7，并将发送光输出到脉冲调制器3。脉冲调制器3对光分配器2所分配的发送光进行脉冲调制，并施加光频移，由此来生成中间频率的信号。例如，脉冲调制器3是AO(Acousto-Optic：声光)移频器。

由脉冲调制器3进行脉冲调制后的发送光被光放大器4所放大，之后通过循环器5和收发光学系统6被发送到大气中。发送光被大气中的悬浮微粒散射后的散射光由收发光学系统6接收，接收光通过循环器5被送到光合波器7。光合波器7将本地光和接收光合波并输出到光接收机8。光接收机8对来自光合波器7的光信号进行相干检波，并将检测出的信号作为接收信号输出到微波开关9。

图2是示出输入到微波开关9的接收信号的示例的图。如图2所示，接收信号中包含发送光的一部分在收发光学系统6中散射而产生的内部散射分量A。内部散射分量A在相干激光雷达装置100的内部发生散射而产生，因此，存在于与相距相干激光雷达装置100的距离为0米相当的、接收信号的时间轴上的位置。内部散射分量A如图2所示，是相比于来自大气的散射分量B为极大的水平。内部散射分量A在接收信号中存在于大致已知的时间范围内，但由于相干激光雷达装置100对脉冲光进行收发，因此来自大气的散射分量B存在于与内部散射分量A不同的时间范围内。

这里，对从接收信号被输入微波开关9到信号被输入到A/D转换器12为止的动作进行详细说明。

图3是示出输入输出到微波开关9、11、微波放大器10和A/D转换器12的信号的图。光接收机8将图3的图例(1)所示的接收信号输出到微波开关9。微波开关9基于来自控制部14的定时信号，从该接收信号中提取包含图3的图例(2)所示的内部散射分量A在内的时间范围的信号，并将提取出的信号输出到微波开关11。另外，包含内部散射分量A的时间范围的信号在不被放大的情况下输出到微波开关11。

此外，微波开关9基于来自控制部14的定时信号，将接收信号中不包含图3的图例(3)所示的内部散射分量A的时间范围的信号(来自大气的散射分量B)输出到微波放大器10。微波放大器10对从微波开关9输入的来自大气的散射分量B的信号进行放大，从而将图3的图例(4)所示的来自大气的散射分量B1的信号输出到微波开关11。来自大气的散射分量B1的信号是来自大气的散射分量B的信号被微波放大器10放大后而得的信号。即，来自大气的散射分量B的信号的放大率比包含内部散射分量A的时间范围的信号要大。由此，微波放大器10以彼此不同的放大率对由微波开关9在时间上分出的2个信号进行放大。另外，考虑为不进行放大的内部散射分量A以放大率＝1来放大。

定时信号从控制部14被输出到微波开关11。微波开关11与定时信号同步，由此来输入从同一接收信号分别得到的、包含不进行放大的内部散射分量A的时间范围的信号、以及由微波放大器10放大后的来自大气的散射分量B1的信号。微波开关11使这些信号排列在时间轴上并合并为1个时间区域的信号，由此来生成图3的图例(5)所示的信号，并将所生成的信号输出到A/D转换器12。在图3的图例(5)所示的信号中，水平较大的内部散射分量A的信号并未被放大，而水平较小的来自大气的散射分量B的信号被放大，因此，这些分量的信号成为彼此同等的水平。

如上述那样，内部散射分量A的信号的水平相比于来自大气的散射分量B的信号极大。因此，通过微波放大器10进行放大以使得内部散射分量A的信号与来自大气的散射分量B的信号变为相等的水平很重要。例如，可以在微波开关9与微波开关11之间也设置微波放大器10，并由微波放大器10以比来自大气的散射分量B要小的放大率对内部散射分量A的信号进行放大，由此来使内部散射分量A的信号与来自大气的散射分量B的信号成为相同的水平。此外，在内部散射分量A的信号的水平极大的情况下，可以在微波开关9与微波开关11之间设置微波衰减器来使内部散射分量A的信号衰减。放大器部构成为具有至少1个放大器。放大器部可以具有使信号衰减的衰减器。

接着，对从信号被输入A/D转换器12到信号处理部13执行的信号处理为止的处理进行详细说明。

图4是示出内部散射分量A的信号和来自大气的散射分量B1的信号、以及这些信号中所设定的时间区间G0～G5的图。A/D转换器12与来自控制部14的触发信号同步，并对图3的图例(5)所示的接收信号进行A/D转换，由此来将接收信号转换为数字信号。时间区间是按时间对作为数字信号的接收信号进行区分而得的区间。

信号处理部13将由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号划分为分别设定于相当于各测量距离的时间轴上的位置的时间区间G0～G5。此时，信号处理部13如图4所示，在包含内部散射分量A的时间范围内在时间上设定最开始的时间区间G0。接着，信号处理部13对包含来自大气的散射分量B1的时间范围依次设定时间区间G1～G5。

信号处理部13通过对数字信号设定时间区间G0而提取出的内部散射分量A的信号的时间波形进行分析，由此来决定与相距相干激光雷达装置100的距离为0米相当的、接收信号的时间轴上的位置。例如，求出内部散射分量A的信号的时间波形的绝对值，并将该绝对值为最大的时间轴上的位置决定作为与相距相干激光雷达装置100的距离为0米相当的位置。

图5是示出实施方式1所涉及的相干激光雷达装置100的信号处理的概要的示意图，示出决定与多普勒速度为0米每秒相当的、接收信号的频率轴上的位置的处理。信号处理部13如图5所示，对于设定时间区间G0而提取出的内部散射分量A的信号进行傅里叶变换(图5的示例中，高速傅里叶变换(FFT))来求出频谱。

内部散射分量A是光信号的一部分在相干激光雷达装置100的内部散射并接收到的信号分量。内部散射分量A是在不具有移动速度的散射点处散射后的信号。内部散射分量A不具有多普勒频移。因此，在通过FFT对内部散射分量A的信号进行处理而求出的频谱中成为峰值的频率为与多普勒速度为0米每秒相当的、相当于接收信号的频率轴上的位置的频率。信号处理部13分析内部散射分量A的信号的频谱，计算在频谱中成为峰值的频率，由此来决定与多普勒速度为0米每秒相当的接收信号的频率轴上的位置。

接着，信号处理部13通过FFT处理对数字信号设定时间区间G1～G5而提取出的来自大气的散射分量B1的各信号，来计算与各距离对应的接收频谱。例如，相干激光雷达装置100将发送光的脉冲发送到大气中达到规定次数，每次由信号处理部13计算接收频谱，并对计算出的频谱进行累积，从而SN比得到改善。

信号处理部13根据所累积的接收频谱的峰值频率来求出多普勒频率。与来自大气的散射分量B1对应的多普勒频率相当于接收频谱的峰值频率、与相当于多普勒速度为0米每秒且相当于接收信号的频率轴上的位置的频率之间的差。这里，将与来自大气的散射分量B1对应的多普勒频率设为fd，将发送光的波长设为λ。大气中的散射体(例如，悬浮微粒)的移动速度、即多普勒风速V使用以下所示的式(1)来计算。

V＝fd×λ÷2···(1)

信号处理部13按照以下所示的式(2)来计算对数字信号设定时间区间G1～G5而提取出的各信号所对应的大气中的距离D。式(2)中，将时间轴上的各时间区间G1～G5的任一个即Gj中的区间的中心的位置设为Tj，将内部散射分量A的信号的时间波形的绝对值为峰值的时间轴上的位置设为T0，将光速设为c。大气中的距离Dj是从相干激光雷达装置100到测量风速的位置的距离。

Dj＝(Tj－T0)×c÷2···(2)

信号处理部13基于内部散射分量A的信号的时间波形，根据发送光的状态、例如时间波形的振幅来对发送光的强度进行相对检测。这里，在内部散射分量A的信号的时间波形的振幅比预先设定的规定值要小的情况下，信号处理部13判定为光源1生成的光信号(发送到大气中的光信号)的强度为异常，在内部散射分量A的信号的时间波形的振幅在规定值以上的情况下，信号处理部13判定为光信号的强度为正常。另外，通过在不使接收信号中的内部散射分量A与来自大气的散射分量B双方饱和的情况下以同等的水平合并为1个时间区域的信号，从而能检测上述光信号的强度。

此外，信号处理部13根据对内部散射分量A的信号应用FFT而得到的频谱的扩展来检测光源1生成的光信号的线宽(相干性)是否正常。光信号的线宽是相干检波中重要的要素。例如，如图5所示，如果频谱的频率宽度W扩展到规定值以上，则信号处理部13判定为光信号的线宽为异常，在频率宽度W小于规定值的情况下，信号处理部13判定为光信号的线宽正常。另外，通过在不使接收信号中的内部散射分量A与来自大气的散射分量B双方饱和的情况下以同等的水平合并为1个时间区域的信号，从而能检测上述光信号的线宽。

相干激光雷达装置100中，实施距离和多普勒速度的校正，并测量大气中的风速。相干激光雷达装置可以在不测量风速时，进行校正。例如，即使在收发光学系统6的发送光的出射端被快门遮光的状态下，相干激光雷达装置100也可以校正距离和多普勒速度。即，相干激光雷达装置100通过在制造阶段校正距离和多普勒风速并将校正值设定于信号处理部13，从而能准确地测量风速。此外，相干激光雷达装置100能在制造阶段判定光信号的强度和线宽是否正常。

如上所述，相干激光雷达装置100将接收信号分配为2个，以彼此不同的放大率对所分配的2个信号进行放大后合并为1个信号，并将合并为1个的信号转换为数字信号。由此，能利用1个系统的A/D转换器来处理信号。即，相干激光雷达装置100使内部散射分量与来自大气的散射分量均不饱和而成为同等水平的信号，并将这些信号合并为1个时间区域的信号。该时间区域的信号通过1个系统的A/D转换器转换为数字信号，信号处理部13通过分析该数字信号，从而决定与相距相干激光雷达装置100的距离为0米相当的、接收信号的时间轴上的位置，并决定与多普勒速度为0米每秒相当的、接收信号的频率轴上的位置。

实施方式2.

图6是示出实施方式2所涉及的相干激光雷达装置100A的结构的框图。图6所示的相干激光雷达装置100A将发送光发送到大气中，利用相干检波接收发送光被悬浮微粒散射后而得的散射光，并分析接收信号的频谱，由此来测量悬浮微粒的多普勒风速。该相干激光雷达装置100A与图1所示的相干激光雷达装置100在基本结构上是共通的，但在具备微波合波器15来代替微波开关11这点上不同。

图1所示的微波开关11与来自控制部14的定时信号同步，由此将从同一接收信号分别得到的、包含不进行放大的内部散射分量A的时间范围的信号、以及由微波放大器10放大后的来自大气的散射分量B1的信号相连接，以使得在时间轴上连续。与此相对，微波合波器15是对所输入的信号进行合波的合波器，与来自控制部14的定时信号无关。因此，在控制部14与微波合波器15之间并未通过电气信号线相连接。合波是指将2个信号相叠加。

如上所述，相干激光雷达装置100A将接收信号分配为2个，以彼此不同的放大率对所分配的2个信号进行放大后，通过微波合波器15合并为1个信号，并将合并为1个的信号转换为数字信号。由此，可得到与相干激光雷达装置100同样的效果，此外，能省略将来自控制部14的定时信号送到微波合波器15的电气信号线，因此与相干激光雷达装置100相比能使装置结构简化。

另外，在各实施方式的组合、实施方式的各个任意构成要素的变形、或者实施方式的各个中，可以省略任意构成要素。

工业上的实用性

本公开所涉及的相干激光雷达装置例如能用于大气中的风速的测量。

标号说明

1 光源

2 光分配器

3 脉冲调制器

4 光放大器

5 循环器

6 收发光学系统

7 光合波器

8 光接收机

9 微波开关

10 微波放大器

11 微波开关(合波部)

12 A/D转换器

13 信号处理部

14 控制部

15 微波合波器(合波部)

30 收发部

100、100A 相干激光雷达装置。

Claims

1.一种相干激光雷达装置，其特征在于，包括：

收发部，该收发部将光信号发送到大气中，并接收所述光信号的散射光；

第1开关，该第1开关将从由所述收发部接收到的所述散射光所生成的接收信号在时间上分为2个；

放大器部，该放大器部以彼此不同的放大率对所述第1开关所分出的2个信号进行放大；

合波部，该合波部将由所述放大器部以不同的放大率放大后的所述2个信号合并为1个信号；

A/D转换器，该A/D转换器将由所述合波部合并为1个后的信号转换为数字信号；

信号处理部，该信号处理部对所述数字信号进行处理；以及

控制部，该控制部对所述收发部、所述第1开关、所述合波部和所述A/D转换器的动作进行控制。

2.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，

所述合波部是第2开关，该第2开关将在时间上分出的所述2个信号在时间上相连接。

3.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，

所述合波部是合波器，该合波器将所述2个信号相叠加。

4.如权利要求1至3中任一项所述的相干激光雷达装置，其特征在于，

所述信号处理部根据在时间上对所述数字信号进行区分的时间区间，提取所述光信号的一部分在装置内部散射并被接收的内部散射分量的信号。

5.如权利要求4所述的相干激光雷达装置，其特征在于，

所述信号处理部分析所述内部散射分量的信号，并决定与相距装置的距离为0米相当的、所述接收信号的时间轴上的位置。

6.如权利要求4所述的相干激光雷达装置，其特征在于，

所述信号处理部分析所述内部散射分量的信号的频谱，并决定与多普勒速度为0米每秒相当的、所述接收信号的频率轴上的位置。

7.如权利要求4至6中任一项所述的相干激光雷达装置，其特征在于，

所述信号处理部分析所述内部散射分量的信号，并检测所述光信号的强度和线宽中的任一方或双方。