CN116601529A - 激光雷达装置和风计测方法 - Google Patents

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CN116601529A CN202080107961.6A CN202080107961A CN116601529A CN 116601529 A CN116601529 A CN 116601529A CN 202080107961 A CN202080107961 A CN 202080107961A CN 116601529 A CN116601529 A CN 116601529A
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Abstract

在本公开技术的激光雷达装置中照射的激光的频率采用了按照频率差(F)分散的离散值。因此，相当于物标的距离的TOF每隔时间(T)以频率差(F)的单位呈现，相当于物标的速度的多普勒频率呈现为比频率差(F)细微的变化。这样，本公开技术提供具备以简单的方法区分由物标的距离引起的频率信息和由物标的速度引起的频率信息的结构的激光雷达装置。

Description

激光雷达装置和风计测方法
技术领域
本公开技术涉及激光雷达装置和使用了激光雷达装置的风计测方法。
背景技术
也被称为光雷达装置、LiDAR(Light Detection and Ranging：光探测和测距)的激光雷达装置是长期被用于地质学和气象学的领域、并且近年来例如在汽车的自动驾驶的领域也受到关注的装置。
激光雷达装置的动作原理为，通过照射激光并对碰到物标而返回的光进行解析，从而得到关于物标的距离和速度的信息。如名称所示，激光雷达装置可以认为是使用了激光的雷达装置。在想要知道物标的距离的情况下，能够计测从照射激光时到反射回来为止的时间(Time of Flight：飞行时间，以下称为“TOF”)并对激光的速度乘以TOF而求出。此外，在想要知道物标的速度的情况下，能够对反射后的光的频率进行解析求出多普勒频率，根据所照射的激光的频率与多普勒频率之间的关系而得到物标的速度。
在要同时求出物标的距离和速度的用途的情况下，如上所述，同时求出TOF和多普勒频率。在要直接求出它们的情况下，激光雷达装置需要与时间和频率这2个状态对应的传感器。对此，公开了一种使用Frequency Modulated Continuous Wave(以下称为“FMCW”；调频连续波)将TOF转换成频率的信息的技术。尤其是在非专利文献1中公开了如下的技术：通过组合上啁啾的FMCW与下啁啾的FMCW，分别区分地求出由物标的距离引起的照射光与接收光之间的频率差、以及由物标的速度引起的照射光与接收光之间的频率差(非专利文献1的图1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：D.Pierrottet等“Flight test performance of a highprecision navigation Doppler Lidar，”Proceedings of SPIE Vol.7323，732311(2009)
发明内容
发明要解决的课题
在非专利文献1所公开的技术中，照射光的频率不断地变化，在解析中使用上啁啾和下啁啾的信息。非专利文献1作为月球表面探查移动体的导航的用途而公开了技术，针对这样的位于某一固定距离的物标(称为硬目标)没有问题。
然而，在风计测的情况下，通常，在激光的照射方向的多个部位存在气溶胶，由多个部位的气溶胶散射的光被重叠接收，因此，接收光的波形变得复杂。激光雷达装置在风计测的用途中要求以更加简单的方法区分由物标的距离引起的频率信息和由物标的速度引起的频率信息的结构。
本公开技术以解决上述课题为目的，提供一种激光雷达装置，具备以简单的方法区分由物标的距离引起的频率信息和由物标的速度引起的频率信息的结构。
用于解决课题的手段
本公开技术的激光雷达装置具备：基准光源，其通过连续振荡方式或准连续振荡方式振荡激光；频率调制器，其对从所述基准光源振荡出的激光赋予频率调制；分束器，其将由所述频率调制器赋予了调制的激光分离成发送光和局部振荡光；收发光学系统，其发送所述发送光，并接收从物标反射的光；接收器，其接收由所述收发光学系统接收到的接收光和所述局部振荡光，将各个光转换成电信号；以及接收电路，其对由所述接收器转换后的所述电信号进行处理，计算物标的距离信息和速度信息，其特征在于，由所述频率调制器赋予的频率调制是如下调制，该调制进行至少1级的按照每个时间宽度(T)增加或减少频率差(F)的阶梯状的变化，所述接收电路将所述局部振荡光与所述接收光之间的频率差除以所述频率差(F)，将与余数或差额相当的频率差判断为多普勒频率。
发明的效果
本公开技术的激光雷达装置由于具备上述的结构，因此，所照射的激光的频率成为按照频率差F分散的离散值。因此，与物标的距离相当的TOF每隔时间T以频率差F的单位呈现，与物标的速度相当的多普勒频率呈现为比频率差F细微的变化。这样，本公开技术提供具备以简单的方法区分由物标的距离引起的频率信息和由物标的速度引起的频率信息的结构的激光雷达装置。
附图说明
图1是示出实施方式1的激光雷达装置的结构的结构图。
图2是示出实施方式1和实施方式2的激光雷达装置的接收电路210的结构例的结构图。
图3是表示本公开技术的激光雷达装置的相位调制器或频率调制器所赋予的频率调制的图表。
图4是将图3所示的频率调制表示为相位调制的图表。
图5是将本公开技术的激光雷达装置中的局部振荡光与接收光分别作为频率的时间变化进行比较而表示的图表。
图6是示出实施方式2和实施方式3的激光雷达装置的结构的结构图。
图7是示出实施方式3的激光雷达装置的接收电路210的结构例的结构图。
图8是示出实施方式4的激光雷达装置的结构的结构图。
图9是示出实施方式4的激光雷达装置的接收电路211的结构例的结构图。
图10是表示实施方式4的激光雷达装置的第1频率调制器23和第2频率调制器24分别赋予的频率调制的图表。
图11是示出实施方式4的激光雷达装置的结构的变化例的结构图。
图12是示出实施方式5的激光雷达装置的结构的结构图。
图13是示出实施方式5的激光雷达装置的接收电路211的结构例的结构图。
具体实施方式
本公开技术的实施方式通过按照以下附图进行的说明而变得清楚。
实施方式1.
图1是示出实施方式1的激光雷达装置的结构的结构图。实施方式1的激光雷达装置由基准光源10、频率调制器20或相位调制器20B、第1分束器30、放大器40、环形器50、收发光学系统60、第2分束器70、平衡检测器80、控制信号电路200、接收电路210构成。
基准光源10使用窄线宽的激光源。从对眼睛的安全性的观点出发，1.5μm波段的光源是合适的。但是，基准光源10即便是除此以外的波段的光源也没有问题。激光的线宽最好是窄线宽，但越窄则越趋向于价格高。激光的线宽通过适当设计来决定。基准光源10最好是连续振荡方式即CW(Continuous Wave：连续波)光源，但考虑到由于安全上的问题而进行间歇动作这样的情况等，也可以是准连续振荡方式即进行QCW(Quasi CW)动作的光源。
频率调制器20或相位调制器20B可以是任意的，但对基准光源10发出的激光赋予频率调制。为了简单，实施方式1的说明以频率调制器20为前提进行说明。此外，频率调制器20由控制信号电路200控制。另外，关于频率调制器20和相位调制器20B可以是任意的，其原因在于，由以下的数式(1)所示的关系式成立。
dθ/dt＝2πf … (1)
这里，θ表示相位，f表示频率，π表示圆周率，t表示时间。
第1分束器30将由频率调制器20调制出的激光分离为发送光和局部振荡光。通常，局部振荡光不需要那么强的功率，因此，大多使用9：1等非对称的分支比的分束器。但是，第1分束器30也可以是5：5的分束器。通常，激光雷达装置所使用的分束器有时使用光纤，也有时利用光纤耦合器等其他名称来称呼该构成部件。
放大器40将由第1分束器30分离出的激光中的发送光放大。放大器40可以为1级结构也可以为多级结构。对于放大器40，经常使用光纤放大器，但也可以为光纤放大器以外的光放大器。在多级结构的情况下，也可以将光纤放大器与光纤放大器以外的光放大器组合。此外，在多级结构的情况下，为了将放大自发射光(Amplified Spontaneous Emission，以下称为“ASE”)去除，也可以在放大器与放大器之间插入滤波器或者用于防止返回光的隔离器。
由放大器40放大后的发送光经由环形器50被送至收发光学系统60。通常，环形器是指如下装置：将从光路A输入的光送至光路B，但是，从B输入的光不从A输出而是从其他的光路C输出。此外，狭义的环形器是指使用了法拉第元件的环形器，环形器50也可以简单地是组合了偏振分束器与1/4波片的环形器。
收发光学系统60起到如下作用：调整发送光的光束直径并将其发射到大气中，并且收集从大气中的气溶胶散射而返回的接收光。收发光学系统60具备望远镜和扩束器。此外，收发光学系统60为了能够观测多个视线，也可以使用扫描仪。
第2分束器70对由收发光学系统60收集到的接收光和所述局部振荡光进行干涉，将干涉得到的2个干涉光发送到平衡检测器80。
平衡检测器80具有2个受光部，将入射到各个受光部的光转换成电信号，输出转换后的2个电信号的差分。平衡检测器80可以是一体化的受光元件，也可以另外具备使用2个光电二极管而获得分别从2个光电二极管获得的光电流的差分的电路。平衡检测器80作为接收器发挥功能，因此，有时简称为接收器。
第2分束器70的作用目的在于，求出从局部振荡光的频率减去接收光的频率而得到的频率差。即，该结构利用了如下性质：当频率接近的2个光发生干涉时，作为振幅调制而产生2个光的频率差的拍频。另外，平衡检测器80用于去除DC成分。这里，关于从局部振荡光的频率减去接收光的频率而得到的频率差，即便针对局部振荡光和接收光分别求出频率成分，之后再求出频率差，也没有任何问题。此外，各时刻的局部振荡光的频率是已知的，因此，也可以简单地通过局部振荡光的频率为固定的时间窗来求出接收光的频率成分，计算频率差。
另外，以后的段落以具备第2分束器70和平衡检测器80的结构为前提来进行说明。
接收电路210对由平衡检测器转换后的电信号进行处理，计算物标的距离信息和速度信息。更具体而言，接收电路210对从平衡检测器80输出的差分信号进行处理，计算每个距离的风速信息。接收电路210由电滤波器、放大器、模数转换器、计算机等构成。
图2是接收电路210的结构例。接收电路210由前置滤波器300、放大器310、频率滤波器320、接收机331～333、计算机340构成。另外，放大器310可以使用电放大器。
从平衡检测器80输出的差分信号被前置滤波器300去除了不需要的频率，之后由放大器310进行放大。放大后的信号由频率滤波器320按照每个频域进行分配，根据频域发送到接收机331～333。通常，放大器具有频带特性，因此，放大器310也可以兼具前置滤波器300的功能。此外，为了在频率滤波器320之后限制频带，也可以将放大器310配置到频率滤波器320之后。在该情况下，前置滤波器300与频率滤波器320也可以共同化，放大器需要与接收机为相同数量。在图2所示的结构例中描绘了3个接收机，但通过适当设计来决定个数。具体而言，接收机331～333是模数转换器。接收机331～333将接收信号发送到计算机340。计算机340对从接收机331～333发送的信号进行Fourier变换等信号处理，计算与距离和风况相关的信息。计算机340在进行信号处理时，根据需要从控制信号电路200收取定时信号等而使用。计算机340也可以是所谓电脑这样的通用计算机，还可以是ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit：专用集成电路)这样的专用集成电路。此外，计算机340也可以组合多种计算机。
实施方式1的激光雷达装置的动作和风计测方法通过按照图3进行的以下的说明而变得清楚。
图3是表示频率调制器20向发送光赋予的频率调制的图表。即，频率调制器20所赋予的频率调制是如下调制：进行至少1级的按照每个时间宽度T增加或减少频率差F的阶梯状变化。其结果是，本公开技术的激光雷达装置的发送光具有图3所示的阶梯状的频率特性。
该阶梯状的变化中的频率差F与空气中的气溶胶的移动所产生的多普勒频率相比足够大。在设光的频率为ν0、设多普勒频率为fd、设风速为V、设光速为c时，空气中的气溶胶的移动所产生的多普勒频率fd由以下的数式(2)给出。
fd＝-2ν0V/c … (2)
另外，关于距离，以激光雷达装置为原点将较远的一方定义为正。这样，关于速度，也将远离激光雷达装置的一方认为是正。这样，风速在为顺风时取正值，在为逆风时取负值。与此对应，多普勒频率fd也可以取正负中的任意值。例如当光的频率为2[THz](≈波长1.5[μm])时，多普勒频率fd在风速1[m/s]附近成为-1.33[MHz]。因此，如图3所示，如果频率差F为100[MHz]，则可以说与通常风况下的多普勒频率fd相比足够大。另外，频率差F不限定于100[MHz]，可以是更小的频率，也可以是较大的频率。例如在气象术语中，超过30m/s的风被定义为“强烈的风”，但超过30m/s的风况在地面上不怎么发生，即便在发生的情况下也成为暴风雨，因此，大多由于雨滴或灰尘的影响而难以进行光雷达计测。因此，即便将频率差F设为相当于区分风速约+30[m/s]和-30[m/s]的80[MHz]，实用上也没有问题。
在图3中，根据频率的观点而表示出本公开技术中的激光雷达装置的发送光的性质，但根据式(1)和式(2)，也能够根据相位的观点来表示发送光的性质。图4是将图3所示的频率调制表示为相位调制的图表。另外，通常，在相位调制器中，无法施加无限大的相位调制，在大多情况下以2π折返，这样处理也没有问题。由控制信号电路200对相位调制器20B进行控制并赋予图4所示的相位调制与本公开技术中的频率调制实质上相同。图4的图表由折线构成，可知相位连续地变化。根据图3的图表，在切换频率的时间点不能读取相位的信息，但在频率调制中，如图4所示，相位连续且频率变化。
本公开技术的效果通过以下的具体例而变得清楚。
具有图3所示的频率特性的激光雷达装置的发送光通过大气中的气溶胶发生散射，作为接收光被测定。接收光受到与作为大气风况的气溶胶的速度相应的多普勒频移的影响，并在经过与散射后的气溶胶的位置相应的TOF即时间τ之后被接收到。
图5是针对以下所示的具体例、将本公开技术的激光雷达装置中的局部振荡光与接收光分别作为频率的时间变化进行比较而表示的图表。
例如从位于距激光雷达装置600[m]的位置的气溶胶散射的光在经过了光在往复1200[m]的距离中飞行的时间即4[μs]之后被接收。这是因为，光速为秒速30万公里。由平衡检测器80接收到的局部振荡光和接收光具有图5所示的频率特性。在该具体例中，在频率调制器20中的频率调制中，赋予每隔2[μs]的时间宽度T改变100[MHz]的频率差F而进行阶梯状变化的调制频率。
这里，从位于600[m]的位置处的气溶胶散射的光在经过TOF为4[μs]的时间之后，以时移的形式被接收。由于本公开技术的激光雷达装置使用阶梯状的频率调制，因此，该TOF的信息被转换为与局部振荡光相比低200[MHz]的频率差这样的信息。此外，接收光受到多普勒频移的影响，因此，接收光的频率与局部振荡光的频率之间的关系能够由以下的数式(3)表示。
(接收光的频率)＝(局部振荡光的频率)-200[MHz]-fd … (3)
通过以下的具体例来说明多普勒频移的影响。光的频率为2[THz](≈波长1.5[μm])时的多普勒频率fd在风速1[m/s]附近为-1.33[MHz]。因此，可知在接收光的频率与局部振荡光的频率相比低了202.66[MHz]的情况下，距离600[m]的风况为+2[m/s]，即顺风的2[m/s]。
如以上那样，本公开技术的激光雷达装置用局部振荡光与接收光之间的频率差除以频率差F，将相当于余数的频率差判断为多普勒频率fd。针对上述的具体例，本公开技术用局部振荡光与接收光之间的频率差202.66[MHz]除以频率差F＝100[MHz]，将相当于余数的2.66[MHz]判断为是多普勒频率fd。
此外，在接收光与局部振荡光的频率差为197.34[MHz]的情况下，除以频率差F＝100[MHz]而得到的余数不被认为是97.34[MHz]。认为基准的频率是接近197.34[MHz]的200[MHz]，即认为是2.66[MHz]的差额(不足)，距离600[m]的风况为-2[m/s]，即认为是逆风的2[m/s]。
图5示出了TOF＝4[μs]是时间宽度T＝2[μs]的正好整数倍的例子。当TOF为时间宽度T的整数倍时，局部振荡光的阶梯状的频率与接收光的阶梯状的频率在相同的定时发生变化。即，在局部振荡光的频率固定的定时观测到接收光的情况下，例如在通过局部振荡光的频率为400[MHz]的12[μs]～14[μs]的时间窗观测到接收光的情况下，接收光的频率在全部区间是200[MHz]的固定值。
在本公开技术中，即便TOF未正好成为时间宽度T的整数倍，也没有特别的问题。在以下的具体例中，说明使TOF未正好成为时间宽度T的整数倍的情况的考虑方法。
考虑TOF为3.5[μs]的情况。同样，在通过局部振荡光的频率为400[MHz]的12[μs]～14[μs]的时间窗观测接收光时，在12[μs]～13.5[μs]时为200[MHz]，在13.5[μs]～14[μs]时为300[MHz]。即，频率差F在12[μs]～13.5[μs]时为200[MHz]，在13.5[μs]～14[μs]时为100[MHz]。
还考虑TOF为4.5[μs]的情况。同样，在通过局部振荡光的频率为400[MHz]的12[μs]～14[μs]的时间窗观测接收光时，在12[μs]～12.5[μs]时为100[MHz]，在12.5[μs]～14[μs]时为200[MHz]。即，频率差F在12[μs]～12.5[μs]时为300[MHz]，在12.5[μs]～14[μs]时为200[MHz]。
如以上那样，本公开技术能够通过局部振荡光的频率固定的时间窗来观测接收光，根据观测到接收光的2个频率的信息和接收光的频率切换的定时的信息来求出TOF。接收光的频率的信息通过基于计算机340进行的Fourier变换而求出。
激光雷达装置也可以为构成为按照每个距离范围(以下称为“范围”)而求出风况。在实施方式1中，频率滤波器320、接收机331～333与此对应。
以下是实施方式1的频率滤波器320的具体例。例如，频率滤波器320具备3种带通滤波器。具体而言，频率滤波器320是50～150[MHz]、150～250[MHz]及250～350[MHz]的带通滤波器。此外，频率滤波器320被配置为将50～150MHz的频率成分送至接收机331，将150～250MHz的频率成分送至接收机332，将250～350MHz的频率成分送至接收机333。
当如以上那样具备频率滤波器320和接收机331～333时，能够通过接收机331来计测距离为300[m]附近的风况的信息，通过接收机332来计测距离为600[m]附近的风况的信息，通过接收机333来计测距离为900[m]附近的风况的信息。计算机340对由各个接收机计测出的电信号进行Fourier变换，能够通过求出峰值频率来计算各范围内的风况。
图2示出在接收电路210中通过频率滤波器320将信号分离之后再对各个信号进行Fourier变换的结构，但不限于此。本公开技术的激光雷达装置也可以不使用频率滤波器320而利用1个接收机进行AD转换，转换成数字信号之后进行Fourier变换并进行范围分解。
此外，在包含相当于零距离的50MHz以下的频率成分的信号中，存在从环形器50通过收发光学系统60发射到大气中为止的期间内由光学系统散射的光被平衡检测器80接收从而产生的信号。这样的在装置内部产生的散射光通常比由大气中的气溶胶产生的散射光强。为了解决该问题，具备防止放大器310的饱和的前置滤波器300，能够去除在装置内部产生的散射光。其结果是，能够提高接收电路210中的SN。
由于实施方式1的激光雷达装置具备上述的结构，因此，具备以简单的方法区分由物标的距离引起的频率信息和由物标的速度引起的频率信息的结构。
实施方式2.
在实施方式1中，说明了对激光进行了频率调制之后分离成发送光和局部振荡光的结构，但本公开技术不限于该结构。实施方式2的激光雷达装置在分离发送光和局部振荡光之后进行频率调制或相位调制。针对与实施方式1共同的结构要素使用相同的标号，省略重复的说明。
图6是示出实施方式2的激光雷达装置的结构的结构图。实施方式2的激光雷达装置在第1分束器30的前级不具有频率调制器20或相位调制器20B。取而代之，实施方式2的激光雷达装置在第1分束器30的后级并联地具有第1频率调制器21和第2频率调制器22。
从基准光源10发出的激光由第1分束器30分离成发送光和局部振荡光。发送光被发送到第1频率调制器21，局部振荡光被发送到第2频率调制器22，分别被赋予频率调制。在实施方式1中也进行了说明，可以代替频率调制器而使用相位调制器。即，也可以是，发送光由第1相位调制器21B赋予相位调制，局部振荡光由第2相位调制器22B赋予相位调制。第1频率调制器21和第2频率调制器22均被控制信号电路200控制，同步地实施调制。在使用第1相位调制器21B和第2相位调制器22B的情况下，也同样同步地实施调制。
使用分别用于发送光和局部振荡光的调制器的优点通过以下的具体例而变得清楚。在具体例中，使用第1相位调制器21B和第2相位调制器22B。设第1相位调制器21B所赋予的相位调制为θ(t)，设第2相位调制器22B所赋予的相位调制为如果如实施方式1那样对发送光和局部振荡光赋予相同的相位调制，则θ(t)和/>满足以下的数式(4)。
实施方式2的激光雷达装置通过发送光的相位调制θ(t)和局部振荡光的相位调制而赋予了时移的调制。θ(t)与/>的关系满足以下的数式(5)。
式(5)是指，发送光的相位调制θ与局部振荡光的相位调制相比延迟了时间t1。
这里，发送光的相位调制θ是与图3所示的频率调制对应的相位调制。此外，发送光的相位调制θ具有t1＝1[μs]的时间延迟。这样，在TOF为3[μs]时，接收光的响应与图5相同。
与实施方式1同样，频率滤波器320是50～150[MHz]、150～250[MHz]及250～350[MHz]的带通滤波器。此外，带通滤波器配置为将50～150MHz的频率成分送至接收机331，将150～250MHz的频率成分送至接收机332，将250～350MHz的频率成分送至接收机333。其结果是，距离150[m]附近的风况的信息能够由接收机331计测，距离450[m]附近的风况的信息能够由接收机332计测，距离750[m]附近的风况的信息能够由接收机333计测。
如上所述，由于在装置内部产生的散射光而使噪声较大，因此难以观测包含零距离的范围。但是，根据实施方式2的激光雷达装置，也能够计测接近零距离的范围的风况。实施方式2的激光雷达装置除了实施方式1所记载的效果之外，还起到上述的效果。另外，第1频率调制器21和第2频率调制器24各自的位置不限于图6所示的位置。第1频率调制器21和第2频率调制器24各自的位置只要示出数式(5)所示的关系即可。例如第1频率调制器21也可以位于基准光源10与第1分束器30之间。
实施方式3.
实施方式3的激光雷达装置的结构除了接收电路210之外与实施方式2的结构相同。针对与实施方式1或实施方式2共同的结构要素使用相同的标号，省略重复的说明。
图7是示出实施方式3的激光雷达装置的接收电路210的结构例的结构图。实施方式3的激光雷达装置具备1台接收机330，仅对由前置滤波器300选择的频率范围进行计测。前置滤波器300具有如下作用：去除相当于零距离的频率，使相当于某个特定的范围的频率透过。前置滤波器300可以由1个滤波器构成，也可以组合2种以上的滤波器而构成。此外，实施方式3的激光雷达装置也可以使用放大器310的频率特性，由放大器兼作滤波器。
实施方式3的激光雷达装置的动作通过以下的具体例变得清楚。实施方式3的激光雷达装置所具备的第2相位调制器22B赋予下式所示的相位调制
式(5)与实施方式2的式(4)相比，注意到偏移时间的正负不同。式(5)意味着发送光的相位调制θ与局部振荡光的相位调制相比提前了时间t2。
这里还是设为发送光的相位调制θ是与图3所示的频率调制对应的相位调制。此外，发送光的相位调制θ存在t2＝2[μs]的时间提前。这样，当TOF为6[μs]时，接收光的响应与图5相同。
实施方式3的激光雷达装置的前置滤波器300为50～150[MHz]的带通滤波器，在其后级具备接收机330。在该具体例中，接收机330能够计测600[m]的范围。能够通过改变t2来变更要计测的范围。实施方式3的激光雷达装置集中地计测可变的1个范围。
根据图5可知，在将频率调制选择为上啁啾的情况下，局部振荡光的频率向比延迟而来接收光的频率高的一侧偏移。另一方面，在该具体例中，相当于零距离的接收光的响应与t2＝2[μs]的时间提前对应地，位于接收光的频率变高100MHz的一侧。
通常，在光的干涉中，负频率和正频率在利用平衡检测器计测干涉条纹并对电信号进行处理这样的处理系统中被计测为相位反转的相同频率。因此，零距离的较强的散射光会混入到想要测定的范围的信息中。为了防止这种情况，通过对附加于局部振荡光或接收光的频率施加偏置，能够防止上述所示的由于负频率的折返而引起的其他范围的信息的混入。即通过对式(5)的左边追加偏置频率的项而成为以下的式(6)，能够防止负频率的折返。
其中，fo是偏置频率。对频率施加偏置在图5中无非是局部振荡光的绘制或接收光的绘制沿纵轴方向的移动。
通过具备以上的结构，实施方式3的激光雷达装置能够利用1个接收机切换调制频率的延迟时间而计测多个范围。此外，越是远距离的范围则越需要以高频率进行计测，但通过像这样构成实施方式3的激光雷达装置，也能够期待降低计测频率的效果。通常，频率越高则电路的设计越难，但本公开技术能够降低频率而进行同样的计测，能够期待成本的降低。
实施方式4.
实施方式1至实施方式3所示的具体例清楚地说明了设时间宽度T＝2[μs]且在300[m]以及作为其倍数的距离的600[m]、900[m]…的地点处的风况的检测原理，其中，300[m]是光在时间宽度T＝2[μs]中移动的距离的一半。实施方式4的激光雷达装置具备如下结构：不仅容易求出由时间宽度T决定的分散的距离的地点处的风况，还容易求出该分散的距离之间的地点处的风况。
实施方式4的激光雷达装置所解决的课题通过以下的说明变得清楚，在以下的说明中，设为与上述实施方式所示的具体例相同的时间宽度T＝2[μs]。如图3所示，频率调制为上啁啾的信号，频率差F＝100[MHz]。例如，从距离450[m]的气溶胶散射的光在从装置照射后在3[μs]之后被接收。这里，将局部振荡光的频率固定的期间作为观测窗，观测与接收光的频率相关的信息。例如，考虑局部振荡光的频率在4[μs]至6[μs]固定为300[MHz]时的观测窗。在观测窗的前一半的时间内，接收光的频率大约为100[MHz]，附加了多普勒频率的部分。在观测窗的后一半的时间内，接收光的频率为200[MHz]，附加了多普勒频率的部分。即，混合了接收光的频率比局部振荡光的频率低大约200[MHz]的时间和低大约100[MHz]的时间。这样，当通过1个周期以上的宽时间窗对在中途切换频率的信号进行Fourier变换时，在该中间的频率产生峰值。因此，仅通过实施方式1至3所示结构难以对上述的观测对象区分位置信息和速度信息。
实施方式4的激光雷达装置以系统地求出接近范围与范围的边界的地点处的风况作为课题。
实施方式4的激光雷达装置为了解决上述课题，具有2个的离散调制的光雷达系统，具备向所述2个系统分别赋予反向的频率调制的结构。此外，构成为所述2个系统的激光分别向大气中照射，被气溶胶反射后的接收光在激光雷达装置的接收电路中进行混合。
图8是示出实施方式4的激光雷达装置的结构的结构图。如图8所示，实施方式4的激光雷达装置具备第1基准光源11、第2基准光源12、第1频率调制器23、第2频率调制器24、第1分束器31、第2分束器32、放大器40、环形器50、收发光学系统60、第3分束器71、第4分束器72、第1平衡检测器81、第2平衡检测器82、信道合波器91、信道分波器92、控制信号电路201、以及接收电路211。
另外，实施方式4的技术的说明针对与上述实施方式共同的结构要素尽可能地使用相同的标号，适当省略重复的说明。
第1基准光源11与实施方式1至实施方式3的激光雷达装置中的基准光源10相同。第2基准光源12是具有与第1基准光源11不同的波长的基准光源。使第2基准光源12的波长与第1基准光源11的波长不同是为了容易耦合及分离各个激光。代替使波长与第1基准光源11的波长不同，第2基准光源12也可以设为不同的偏振光而使模式不同。
第1频率调制器23和第2频率调制器24以与实施方式1至3的激光雷达装置的频率调制器20相同的方式发挥功能。第1频率调制器23和第2频率调制器24分别可以由第1相位调制器23B和第2相位调制器24B代替。由第1频率调制器23和第2频率调制器24附加的调制的同时性是重要的。因此，实施方式4的激光雷达装置具备控制信号电路201，通过控制信号电路201来控制第1频率调制器23和第2频率调制器24。
第1分束器31和第2分束器32以与实施方式1至3的激光雷达装置的第1分束器30相同的方式发挥功能。从第1基准光源11和第2基准光源12输出的激光分别由第1频率调制器23和第2频率调制器24进行调制，分别通过第1分束器31和第2分束器32分离成发送光和局部振荡光。第1分束器31和第2分束器32的分支比分别通过设计来决定。
由1分束器31分离出的发送光和由第2分束器32分离出的发送光通过信道合波器91进行合波。在第2基准光源12发射与第1基准光源11不同的波长的激光的情况下，由透射第1基准光源11的波长并反射第2基准光源12的波长的波长滤波器形成信道合波器91即可。通常，由光纤构成的波长滤波器有时被称为WDM耦合器。在第2基准光源12的偏振光与第1基准光源11不同的情况下，信道合波器91也可以是偏振分束器。此外，偏振分束器有时被称为偏振耦合器或偏振组合器。
由信道合波器91合波后的发送光被放大器40放大。放大器40与实施方式1至实施方式3的激光雷达装置的放大器相同。在图8所示的结构例中，在放大器40的前级对2个信道进行合波，在放大器40以后将光路共同化，实现了构造的简化。本公开技术的激光雷达装置不限于此，也可以准备2个信道并按照每个信道而具备放大器40。放大器40的输出的上限被非线性效应限制，因此具备信道数量的放大器能够高强度地放大每个信道的光强度。在放大器40为多级结构的情况下，也可以在第1级放大器40与第2级放大器40之间配置信道合波器91。
来自放大器40的输出通过环形器50被送至收发光学系统60。该动作与实施方式1至实施方式3的激光雷达装置相同。应当注意，在第1基准光源11和第2基准光源12中使用不同波长的激光的情况下，收发光学系统60为降低了色差的光学系统。
照射到大气中的激光被大气中的气溶胶反射，作为接收光向收发光学系统60入射。入射后的接收光通过环形器50而与发送光分离并向信道分波器92入射。信道分波器92是起到与信道合波器91相反的作用的结构要素。即，信道分波器92向第3分束器71出射接收光中的与第1基准光源11的波长相当的成分，向第4分束器72出射接收光中的与第2基准光源12的波长相当的成分。另外，即便第2基准光源12的波长对第3分束器71产生干扰、第1基准光源11的波长对第4分束器72产生干扰，也没有问题。信道分波器92也可以由分束器构成。但是，在由分束器构成的情况下，光强度损失3[db]。
从信道分波器92出射的与第1基准光源11的波长相当的成分和由第1分束器31分离出的局部振荡光在第3分束器71中发生干涉。由第3分束器71得到的2个干涉光被出射到第1平衡检测器81。另外，从第2基准光源12起的系统也相同，因此这里省略说明。
接收电路211对从第1平衡检测器81和第2平衡检测器82得到的信号进行处理，计算每个距离的风速信息。接收电路211具有电滤波器、放大器、模数转换器、以及计算机。图9是示出接收电路211的结构的结构图。如图9所示，接收电路211具备第1前置滤波器301、第2前置滤波器302、第1放大器311、第2放大器312、第1频率滤波器321、第2频率滤波器322、第1混频器351、第2混频器352、第3混频器353、接收机330(331、332、333)、以及计算机340。
实施方式4的激光雷达装置的接收电路211的处理流程到第1前置滤波器301、第1放大器311、第1频率滤波器321为止与实施方式1相同。此外，接收电路211也对来自第2平衡检测器82的信号进行处理，因此，并联地具备第2前置滤波器302、第2放大器312以及第2频率滤波器322。第1频率滤波器321按照每个频率将从第1放大器311出射的信号向第1混频器351、第2混频器352及第3混频器353分配并出射。图9示出具有3个混频器的结构，但不限于此，可以配置任意个数。第2频率滤波器322也同样地按照每个频率将从第2放大器312输出的信号向第1混频器351、第2混频器352及第3混频器353分配并输出。
第1混频器351、第2混频器352及第3混频器353将收到的信号相乘从而将成为和频或差频的信号输出到接收机330(331、332、333)。通常，由输入的2个信号的相位来决定通过混频器得到和频信号还是得到差频信号。因此，第1混频器351、第2混频器352及第3混频器353也可以分别具备相位调整机构。从接收机330(331、332、333)向计算机340的处理流程与实施方式1相同。
实施方式4的激光雷达装置的动作原理通过按照以下的图说明的具体例而变得清楚。图10是表示实施方式4的激光雷达装置的第1频率调制器23和第2频率调制器24分别赋予的频率调制的图表。另外，如在上述实施方式的说明中叙述，第1频率调制器23和第2频率调制器24可以分别被第1相位调制器23B和第2相位调制器24B代替。
第1频率调制器23和第2频率调制器24分别是如下调制，该调制进行至少1级的按照每个时间宽度T增加或减少频率差F的阶梯状的变化。实施方式4的激光雷达装置的发送光分别具有图10所例示的阶梯状的频率特性。图10的例子示出时间宽度T＝2[μs]、频率差F＝100[MHz]的5级的阶梯状的频率调制。第1频率调制器23采用了上啁啾的阶梯状的频率调制，第2频率调制器24采用了下啁啾的阶梯状的频率调制。在本公开技术中，频率差F是与多普勒频移频率相比足够大的值。
实施方式4的激光雷达装置的特征在于，生成2个系统的发送光，将一方设为上啁啾，将另一方设为下啁啾。2个系统的发送光分别被发射到大气中，被大气中的气溶胶散射，作为接收光进行测定。接收光与局部振荡光发生干涉，由平衡检测器接收。
实施方式4的激光雷达装置的效果通过以下的具体例变得清楚。具体例考虑在距离为600[m]的地点存在气溶胶的情况。在该具体例中，接收光与局部振荡光相比延迟4[μs]。上啁啾的阶梯状的局部振荡光所对应的接收光与局部振荡光的频率相比具有-200[MHz]+多普勒频率fd的频率。相反，下啁啾的阶梯状的局部振荡光所对应的接收光与局部振荡光的频率相比具有+200[MHz]+多普勒频率fd的频率。
实施方式4的激光雷达装置具备第1频率滤波器321和第2频率滤波器322，使得能够进行2个系统的处理。第1频率滤波器321和第2频率滤波器322将50[MHz]至150[MHz]的频率成分输出到第1混频器351，将150[MHz]至250[MHz]的频率成分输出到第2混频器352，将250[MHz]至350[MHz]的频率成分输出到第3混频器353。其结果是，在实施方式4的激光雷达装置中，也意图由接收机331计测距离为300[m]附近的风况的信息，由接收机332计测距离为600[m]附近的风况的信息，由接收机333计测距离为900[m]附近的风况的信息。
混频器350(351、352、353)的目的在于，通过将输入的2个信号相乘而得到和频。在位于距离为600[m]的地点的气溶胶的具体例中，“-200[MHz]+多普勒频率fd”的信号和“200[MHz]+多普勒频率fd”的信号被输入到第2混频器352。第2混频器352将具有多普勒频率fd的2倍频率的和频的信号输出到接收机333。
接着，考虑由实施方式4的激光雷达装置作为为课题的位于距离为450[m]的地点的气溶胶的具体例。上啁啾的系统的接收光在观测窗的前半部分被观测为“-200[MHz]+多普勒频率fd”，在观测窗的后半部分被观测为“-100[MHz]+多普勒频率fd”。对应的下啁啾的系统的接收光在观测窗的前半部分被观测为“+200[MHz]+多普勒频率fd”，在观测窗的后半部分被观测为“+100[MHz]+多普勒频率fd”。在该具体例中，混频器350(351、352、353)也输出具有多普勒频率fd的2倍频率的和频的信号。
图11是示出实施方式4的激光雷达装置的结构的变化例的结构图。如图11所示，也可以向2个系统中的任意的系统插入局部振荡光用频率调制器25。以下的具体例使插入局部振荡光用频率调制器25的效果变得清楚。例如局部振荡光用频率调制器25将第1局部振荡光的频率减小100[MHz]。从距离450[m]的气溶胶散射的光在从装置照射后在3[μs]之后被接收。第1系统的接收信号在观测窗的前半部分成为“-300[MHz]+多普勒频率fd”，在观测窗的后半部分成为“-200MHz+fd频率”。另一方面，第2系统的接收信号在观测窗的前半部分成为“+200[MHz]+多普勒频率fd”，在观测窗的后半部分成为“+100MHz+fd频率”。
该情况下的混频器350(351、352、353)输出对-100MHz加上2倍的多普勒频率fd而得到的值。通过这种方式，图11所示的变形例的结构能够防止多普勒信号来到噪声大的DC成分附近，能够期待SN的提高。这里，局部振荡光用频率调制器25也可以由局部振荡光用相位调制器25B代替。此外，局部振荡光用频率调制器25也可以为将声光调制器(Acousto-Optic Modulator：AOM)用作移频器的结构。此外，局部振荡光用频率调制器25可以插入到第2局部振荡光侧，也可以插入到第1分束器31与信道合波器91之间，使第1信号光的频率偏移。或者，局部振荡光用频率调制器25也可以是使第2信号光的频率偏移的结构。
换言之，实施方式4的激光雷达装置具备：第1平衡检测器81，其接收接收光和第1局部振荡光，并将各个光转换成第1电信号；第2平衡检测器82，其接收接收光和第2局部振荡光，并将各个光转换成第2电信号；以及接收电路，其对由第1平衡检测器81和第2平衡检测器82转换后的第1电信号和第2电信号进行处理，计算物标的距离信息和速度信息，其特征在于，第1频率调制器23所赋予的频率调制是如下调制，该调制进行至少1级的按照每个时间宽度T增加或减少频率差F的阶梯状的变化，第2频率调制器24所赋予的频率调制是按照每个时间宽度T减少或增加所述频率差F的与所述第1频率调制器23相反的调制，通过针对第1发送光的所述接收光和针对所述第2发送光的所述接收光的频率混合而求出多普勒频率fd。
通过具备以上的结构，实施方式4的激光雷达装置除了具有上述实施方式的激光雷达装置的效果之外，还能够与范围的获取方法无关地高精度地测定任何位置的风况。
实施方式5.
实施方式5的激光雷达装置是对实施方式4的激光雷达装置的结构追加了新的结构而得到的。实施方式5的激光雷达装置使第1基准光源11与气体的吸收线匹配而使用第1基准光源11。这里，气体是指大气中的气体、工厂的废气、或者从配管泄漏的气体等。实施方式5的技术的说明针对与上述实施方式共同的结构要素尽可能地使用相同的标号，适当省略重复的说明。
图12是示出实施方式5的激光雷达装置的结构的结构图。如图12所示，实施方式5的激光雷达装置具备对第1基准光源11进行控制的控制装置220。控制装置220将第1基准光源11锁定到气体的吸收线。实施方式5的激光雷达装置通过将第2基准光源12设定为上述气体的吸收少的波长，能够计测大气中的气体的浓度分布。在第1基准光源11是激光二极管的情况下，能够利用温度或电流值进行波长的微调。通常，气体的吸收线较窄，因此，控制装置220所进行的控制考虑是使用了气室的反馈控制。在气体的吸收线比较粗的情况下，控制装置220能够通过开环对第1基准光源11的温度或电流值进行控制，将第1基准光源11的波长锁定到气体的吸收线。
图13是示出实施方式5的激光雷达装置的接收电路211的结构例的结构图。如图13所示，接收电路211具备第1频率滤波器321和第2频率滤波器322。由第1频率滤波器321和第2频率滤波器322按照每个频率而分配的信号被第1信号分离器361和第2信号分离器362分别分割为2个系统。另外，为了容易观察，在图13中仅示出第1信号分离器361和第2信号分离器362，但需要设置距离范围的数量的信号分离器360。通过第1气体浓度计测用接收机371和第2气体浓度计测用接收机372分别计测由信号分离器360(361、362)分割后的信号。由第1气体浓度计测用接收机371计测的信号强度由于气体的吸收，弱于由第2气体浓度计测用接收机372计测的信号强度。实施方式5的激光雷达装置根据该信号强度比来计测气体的浓度分布。
在实施方式5的激光雷达装置中，换言之，第1基准光源11辐射第1激光，该第1激光的波长被控制为与要计测的气体成分的吸收线匹配，第2基准光源12辐射与第1基准光源11不同的波长的第2激光，还具备接收接收光中的与第1激光对应的成分的第1气体浓度计测用接收机371、以及接收接收光中的与第2激光对应的成分的第2气体浓度计测用接收机372，能够按照每个距离来分解计测大气中的气体成分的浓度。
实施方式5的激光雷达装置能够通过与实施方式4所示的方法进行组合来计测风况。关于风况的计测，将由第1信号分离器361和第2信号分离器362分割后的信号输入到第1混频器351。第1混频器351能够将和频输出到接收机331并计算多普勒频率fd。
由于实施方式5的激光雷达装置具备上述的结构，因此，能够同时计测大气中的气体的分布和风况。
产业上的可利用性
本公开技术的激光雷达装置能够用于计测大气中的风况和气体的分布的装置。
附图标记说明
基准光源10，第1基准光源11，第2基准光源12，频率调制器20，相位调制器20B，第1频率调制器21，23，第1相位调制器21B，23B，第2频率调制器22，24，第2相位调制器22B，24B，局部振荡光用频率调制器25，局部振荡光用相位调制器25B，第1分束器30，31，第2分束器32，放大器40，环形器50，收发光学系统60，第2分束器70，第3分束器71，第4分束器72，平衡检测器80，第1平衡检测器81，第2平衡检测器82，信道合波器91，信道分波器92，控制信号电路200，201，接收电路210，211，控制装置220，前置滤波器300，第1前置滤波器301，第2前置滤波器302，放大器310，第1放大器311，第2放大器312，频率滤波器320，第1频率滤波器321，第2频率滤波器322，接收机330，331，332，333，计算机340，混频器350，第1混频器351，第2混频器352，第3混频器353，信号分离器360，第1信号分离器361，第2信号分离器362，第1气体浓度计测用接收机371，第2气体浓度计测用接收机372。

Claims (7)

1.一种激光雷达装置，其具备：
基准光源，其通过连续振荡方式或准连续振荡方式振荡激光；
频率调制器，其对从所述基准光源振荡出的激光赋予频率调制；
分束器，其将由所述频率调制器赋予了调制的激光分离成发送光和局部振荡光；
收发光学系统，其发送所述发送光，并接收从物标反射的光；
接收器，其接收由所述收发光学系统接收到的接收光和所述局部振荡光，将各个光转换成电信号；以及
接收电路，其对由所述接收器转换后的所述电信号进行处理，计算物标的距离信息和速度信息，
其特征在于，
由所述频率调制器赋予的频率调制是如下调制，该调制进行至少1级的按照每个时间宽度(T)增加或减少频率差(F)的阶梯状的变化，
所述接收电路将所述局部振荡光与所述接收光之间的频率差除以所述频率差(F)，将与余数或差额相当的频率差判断为多普勒频率(fd)。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述频率差(F)大于与风速30[m/s]相当的多普勒频率的2倍。
3.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
能够赋予在所述发送光和所述局部振荡光中进行了时移的调制。
4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
能够对附加于所述局部振荡光或所述接收光的频率施加偏置。
5.一种激光雷达装置，其具备：
第1基准光源，其通过连续振荡方式或准连续振荡方式振荡激光；
第2基准光源，其通过连续振荡方式或准连续振荡方式振荡激光；
第1频率调制器，其对从所述第1基准光源振荡出的激光赋予频率调制；
第2频率调制器，其对从所述第2基准光源振荡出的激光赋予频率调制；
第1分束器，其将由所述第1频率调制器赋予了调制的激光分离成第1发送光和第1局部振荡光；
第2分束器，其将由所述第2频率调制器赋予了调制的激光分离成第2发送光和第2局部振荡光；
放大器，其放大所述第1发送光和所述第2发送光；
收发光学系统，其发送被放大后的所述第1发送光和所述第2发送光，接收从物标反射的光作为接收光；
第1平衡检测器，其接收所述接收光和所述第1局部振荡光，将各个光转换成第1电信号；
第2平衡检测器，其接收所述接收光和所述第2局部振荡光，将各个光转换成第2电信号；以及
接收电路，其对由所述第1平衡检测器和所述第2平衡检测器转换后的所述第1电信号和所述第2电信号进行处理，计算物标的距离信息和速度信息，
其特征在于，
由所述第1频率调制器赋予的频率调制是如下调制，该调制进行至少1级的按照每个时间宽度(T)增加或减少频率差(F)的阶梯状的变化，
由所述第2频率调制器赋予的频率调制是按照每个时间宽度(T)减少或增加所述频率差(F)的与所述第1频率调制器相反的调制，
通过混合针对所述第1发送光的所述接收光的频率与针对所述第2发送光的所述接收光的频率而求出多普勒频率(fd)。
6.根据权利要求5所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述第1基准光源辐射第1激光，该第1激光的波长被控制为与要计测的气体成分的吸收线匹配，
所述第2基准光源辐射第2激光，该第2激光的波长与所述第1基准光源不同，
所述激光雷达装置还具备：
第1气体浓度计测用接收机，其接收所述接收光中的与所述第1激光对应的成分；以及
第2气体浓度计测用接收机，其接收所述接收光中的与所述第2激光对应的成分，按照每个距离来分解并计测所述气体成分的浓度。
7.一种风计测方法，在该风计测方法中，
通过连续振荡方式或准连续振荡方式振荡激光，
对从基准光源振荡出的激光赋予频率调制，
将被赋予了调制的激光分离成发送光和局部振荡光，
将所述发送光放大，
发送被放大的所述发送光，接收从物标反射的光作为接收光，
进一步接收所接收到的所述接收光和所述局部振荡光，将各个光转换成电信号，
对转换后的所述电信号进行处理，计算物标的距离信息和速度信息，
其特征在于，
频率调制进行以下调制：进行至少1级的按照每个时间宽度(T)增加或减少频率差(F)的阶梯状的变化，
将所述局部振荡光与所述接收光之间的频率差除以所述频率差(F)，将与余数或差额相当的频率差判断为多普勒频率(fd)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003163634A (ja) * 2001-11-27 2003-06-06 Hitachi Kokusai Electric Inc 副搬送波多重光伝送装置の光送信装置及び光受信装置
EP1596222B1 (en) * 2003-02-19 2010-06-16 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Laser radar
US9140783B2 (en) * 2010-06-17 2015-09-22 Mitsubishi Electric Corporation Radar device
EP2720026B1 (en) * 2011-06-07 2023-09-20 Nanophoton Corporation Raman microscope and raman spectrometric method
US11125870B2 (en) * 2016-08-26 2021-09-21 Nec Corporation Moving-target detection system and moving-target detection method
US11333760B2 (en) * 2017-07-13 2022-05-17 Texas Instruments Incorporated Frequency modulation for interference free optical time of flight system
DE102019001275A1 (de) * 2019-02-22 2020-08-27 OptoMET GmbH lnterferometrische Distanzmessung auf Basis von Laufzeitunterschieden

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