DE112021007580T5

DE112021007580T5 - Laserradarvorrichtung

Info

Publication number: DE112021007580T5
Application number: DE112021007580.2T
Authority: DE
Inventors: Junia NOMURA; Yusuke Ito; Takayuki Yanagisawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2024-03-21
Also published as: JP7034398B1; CN117546049A; JPWO2023276018A1; US20240103150A1; WO2023276018A1

Abstract

Eine Laserradarvorrichtung enthält: eine Lichtquelleneinheit (60, 60A, 60B), die eine Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen durch periodische Intensitätsmodulation von Laserlicht unter Verwendung von Intensitätsmodulationssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgibt; ein Teleskop (9), das die Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen zu einem Ziel sendet und von dem Ziel reflektiertes Licht als Empfangslicht empfängt; eine Lichtempfangseinheit (11), die ein elektrisches Empfangssignal durch photoelektrische Umwandlung des Empfangslichts erzeugt; und eine Signalverarbeitungseinheit (12), die eine Entfernung und einen physikalischen Eigenschaftsparameter des Ziels auf der Grundlage des elektrischen Empfangssignals berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Laserradarvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Für die Entfernungsmessung mit einer Laserradarvorrichtung gibt es ein Verfahren, das als Intensitätsmodulationsimpuls-Laufzeit(ToF - time of flight)system bezeichnet wird. Das Intensitätsmodulationsimpuls-ToF-System bezieht sich auf ein Verfahren unter den Impuls-ToF-Systemen zur Ermittlung einer Entfernung zu einem Ziel aus einer Impulslaufzeit vom Beginn der Lichtemission bis zum Lichtempfang, um eine Position eines harten Ziels, HT - Hard Target, zu berechnen, das in einem Volumenziel, VT - Volume Target, mit starker Streuung vorhanden ist, indem ein Reflexionssignal (HT-Signal) von dem harten Ziel HT extrahiert wird, indem ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des HT-Signals durch Anwendung einer periodischen Intensitätsmodulation auf einen Lichtimpuls erhöht wird. Die Nicht-Patentliteratur 1 bezieht sich auf das Intensitätsmodulationsimpuls-ToF-System, und die Nicht-Patentliteratur 1 beschreibt eine Vorrichtung, die ein hartes Ziel HT in einem Volumenziel VT unter Verwendung eines Impulses identifiziert, der von einem Impulsmultiplex- und Impulsdeemultiplexsystem erzeugt und mit einer Pseudo-Einzelintensitätsmodulationsfrequenz intensitätsmoduliert wird.
REFERENZLISTE
NICHT-PATENTLITERATUR
Nicht-Patentliteratur 1: L. J. Mullen, A. J. C. Vieira, P. R. Herezfeld und V. M. Contarino, „Application of RADAR technology to aerial LIDAR systems for enhancement of shallow underwater target detection," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 43, no. 9, pp. 2370-2377, Sept. 1995, doi:10.1109/22.414591.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Bei der in der Nichtpatentliteratur 1 beschriebenen Technik kann zwar die Position eines Zielobjekts berechnet werden, doch besteht das Problem, dass ein Parameter einer physikalischen Eigenschaft, wie ein Extinktionskoeffizient des Zielobjekts, nicht berechnet werden kann.
Die vorliegende Offenbarung wurde gemacht, um ein solches Problem zu lösen, und ein Ziel derselben ist es, eine Laserradarvorrichtung eines Intensitätsmodulationsimpuls-ToF-Systems vorzusehen, das in der Lage ist, einen Parameter einer physikalischen Eigenschaft wie einen Extinktionskoeffizienten eines Ziels zu berechnen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Laserradarvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst: eine Lichtquelleneinheit, um eine Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen durch periodische Intensitätsmodulation von Laserlicht unter Verwendung von Intensitätsmodulationssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen auszugeben; ein Teleskop, um die Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen zu einem Ziel zu übertragen und um vom Ziel reflektiertes Licht als Empfangslicht zu empfangen; eine Lichtempfangseinheit, um ein elektrisches Empfangssignal durch photoelektrische Umwandlung des Empfangslichts zu erzeugen; und eine Signalverarbeitungseinheit, um eine Entfernung und einen physikalischen Eigenschaftsparameter des Ziels auf der Grundlage des elektrischen Empfangssignals zu berechnen.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Die Laserradarvorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann einen Parameter einer physikalischen Eigenschaft wie einen Extinktionskoeffizienten eines Ziels berechnen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Laserradarvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Signalverarbeitungseinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
3A ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Hardware der Signalverarbeitungseinheit zeigt.
3B ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel der Hardware der Signalverarbeitungseinheit zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise der Laserradarvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
5 ist eine schematische Darstellung einer Impulsfolge.
6A ist ein schematisches Diagramm, das die Wellenform eines Empfangssignals zeigt.
6B ist ein schematisches Diagramm einer Empfangssignalwellenform und Frequenzanalyse.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Beziehung zwischen einer Entfernung und einem SNR eines Empfangssignals.
8 ist ein schematisches Diagramm eines Signalverarbeitungsverfahrens durch eine Übertragungsfunktionsberechnungseinheit.
9A und 9B sind jeweils ein schematisches Diagramm einer ausgewerteten Übertragungsfunktion.
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Abstandscharakteristiken eines Parameters der physikalischen Eigenschaft veranschaulicht.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Laserradarvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
12 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Einheit zur Erzeugung eines Intensitätsmodulationssignals gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
13 ist ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise der Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
14A ist eine schematische Darstellung einer Impulsfolge. 14B ist ein schematisches Diagramm einer Übertragungsfunktion eines ausgewerteten harten Ziels HT. 14C ist ein schematisches Diagramm einer Übertragungsfunktion eines ausgewerteten Volumenziels VT.
15A ist eine schematische Darstellung einer Impulsfolge. 15B ist ein schematisches Diagramm einer Übertragungsfunktion eines ausgewerteten harten Ziels HT. 15C ist ein schematisches Diagramm einer Übertragungsfunktion eines ausgewerteten Volumenziels VT.
16 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Laserradarvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
17 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Laserradarvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
18 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Laserradarvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
19 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Signalverarbeitungseinheit gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
20 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die 1 bis 17 im Detail beschrieben. Es ist zu beachten, dass Bestandteile, die in den Zeichnungen mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind, die gleichen oder ähnlichen Konfigurationen oder Funktionen haben, und dass eine redundante Beschreibung solcher Bestandteile weggelassen wird.
Erstes Ausführungsbeispiel.
Zunächst wird eine Laserradarvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 beschrieben.
<Konfiguration>
Ein Konfigurationsbeispiel der Laserradarvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3B beschrieben. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Laserradarvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Lichtquelle 1, einen Intensitätsmodulator 2, eine Triggererzeugungsschaltungseinheit 3, eine Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, eine Impulssignalerzeugungseinheit 5, eine Impulsmodulationseinheit 6, ein sendeseitiges optisches System 7, einen Sende- und Empfangsseparator 8, ein Teleskop 9, ein empfangsseitiges optisches System 10, eine Lichtempfangseinheit 11, eine Signalverarbeitungseinheit 12 und einen Scanner 13. Die Lichtquelle 1, der Intensitätsmodulator 2, die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, die Impulssignalerzeugungseinheit 5 und die Impulsmodulationseinheit 6 bilden eine Lichtquelleneinheit 60. Das sendeseitige optische System 7 und das empfangsseitige optische System 10 sind selektive Komponenten. In 1 zeigen die schwarzen dicken Pfeile den Fluss des Sendelichts, die weißen dicken Pfeile den Fluss des Empfangslichts und die dünnen Pfeile den Fluss eines elektrischen Signals an. Einen optischen Pfad zwischen der Lichtquelle 1 und dem Intensitätsmodulator 2, einen optischen Pfad zwischen dem Intensitätsmodulator 2 und der Impulsmodulationseinheit 6, einen optischen Pfad zwischen der Impulsmodulationseinheit 6 und dem sendeseitigen optischen System 7, einen optischen Pfad zwischen dem sendeseitigen optischen System 7 und dem Sende- und Empfangsseparator 8, ein optischer Pfad zwischen dem Sende- und Empfangsseparator 8 und dem Teleskop 9, ein optischer Pfad zwischen dem Sende- und Empfangsseparator 8 und dem empfangsseitigen optischen System 10 und ein optischer Pfad zwischen dem empfangsseitigen optischen System 10 und der Lichtempfangseinheit 11 können beispielsweise durch eine optische Faser realisiert werden. Zwischen dem Teleskop 9 und dem Scanner 13 befindet sich ein freier Raum. Ein elektrischer Pfad, durch den ein elektrisches Signal fließt, wird durch eine elektrische Verdrahtung realisiert.
(Lichtquelle)
Die Lichtquelle 1 ist eine Lichtquelle, die Dauerstrichlaserlicht mit einer einzigen Frequenz aussendet. Die Lichtquelle 1 ist mit dem Intensitätsmodulator 2 verbunden und liefert das Dauerstrichlaserlicht an den Intensitätsmodulator 2.
(Triggererzeugungsschaltungseinheit)
Die Triggererzeugungsschaltungseinheit 3 ist mit der Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, der Impulssignalerzeugungseinheit 5 und der Signalverarbeitungseinheit 12 verbunden, erzeugt ein Triggersignal (Impulsbestrahlungstrigger) zur Ansteuerung dieser Komponenten und gibt das Triggersignal an die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, die Impulssignalerzeugungseinheit 5 und die Signalverarbeitungseinheit 12 aus. Als Triggererzeugungsschaltungseinheit 3 kann beispielsweise ein Impulsgenerator, ein Funktionsgenerator oder ein Field-Programmable Gate Array (FPGA) verwendet werden.
(Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals)
Die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals erzeugt auf der Grundlage des Triggersignals ein Intensitätsmodulationssignal mit einer Frequenz fk über der Zeit. k = 1 bis M (M ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2). Die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals ist mit dem Intensitätsmodulator 2 und der Signalverarbeitungseinheit 12 verbunden und gibt das erzeugte Intensitätsmodulationssignal mit einer Frequenz fk an den Intensitätsmodulator 2 und die Signalverarbeitungseinheit 12 aus. Die Frequenzen f1 bis fM sind so festgelegt, dass sie sich voneinander unterscheiden, so dass intensitätsmodulierte Signale verschiedener Frequenzen erzeugt werden. Beispiele für ein Verfahren zum Erzeugen unterschiedlicher Frequenzen von fk umfassen: ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals, bei dem eine Offset-Frequenz von δfk auf ein Frequenzsignal von f1 unter Verwendung eines Frequenzmischers angewendet wird; und ein Verfahren zum Erzeugen unterschiedlicher Frequenzen fk durch Multiplizieren einer Referenzfrequenz mit einem Multiplikator oder Teilen der Referenzfrequenz durch einen Frequenzteiler unter Verwendung einer Frequenz eines von einem Referenzsignalgenerator erzeugten Signals als Referenzfrequenz. Wenn Intensitätsmodulationsfrequenzsignalen erzeugt werden, müssen Referenzsignale nicht identisch sein, und für jede Intensitätsmodulationsfrequenz kann individuell ein Referenzsignal erstellt werden.
(Impulssignalerzeugungseinheit)
Die Impulssignalerzeugungseinheit 5 erzeugt ein Impulssignal auf der Grundlage des Triggersignals. Die Impulssignalerzeugungseinheit 5 ist mit der Impulsmodulationseinheit 6 verbunden und gibt das erzeugte Impulssignal an die Impulsmodulationseinheit 6 aus.
(Intensitätsmodulator)
Der Intensitätsmodulator 2 führt eine periodische Intensitätsmodulation des Dauerstrichlaserlichts der Lichtquelle 1 auf der Grundlage des Intensitätsmodulationssignals durch, das von der Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals ausgegeben wird. Als Intensitätsmodulator 2 kann beispielsweise ein optisches Dämpfungselement, ein optischer Halbleiterverstärker, ein akusto-optisches Element oder ein interferometrischer Intensitätsmodulator mit einem Phasenmodulator verwendet werden. Der Intensitätsmodulator 2 ist mit der Impulsmodulationseinheit 6 verbunden und gibt das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht an die Impulsmodulationseinheit 6 ab.
(Impulsmodulationseinheit)
Die Impulsmodulationseinheit 6 enthält einen Impulsmodulator und moduliert das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht aus dem Intensitätsmodulator 2 in einen Impuls mit einer Wiederholungsperiode Trep und einer Impulsbreite δT auf der Grundlage des von der Impulssignalerzeugungseinheit 5 ausgegebenen Impulssignals. Als Impulsmodulationseinheit 6 kann beispielsweise ein akusto-optisches Element oder ein Phasenmodulator verwendet werden. Um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erreichen, kann die Impulsmodulationseinheit 6 die optische Leistung des pulsmodulierten Laserlichts durch einen optischen Verstärker verstärken. Die Impulsmodulationseinheit 6 ist mit dem sendeseitigen optischen System 7 verbunden und gibt das verstärkte Laserlicht an das sendeseitige optische System 7 ab. Wie oben beschrieben, moduliert die Lichtquelleneinheit 60 periodisch die Intensität des Dauerstrichlaserlichts unter Verwendung von Intensitätsmodulationssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen und gibt eine Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen aus. „Periodische Intensitätsmodulation“ bedeutet, dass die Modulation so durchgeführt wird, dass sich die optische Leistung periodisch ändert. Der periodisch intensitätsmodulierte Impuls ist beispielsweise ein Impuls P1 oder ein Impuls P2 in 5. Der Impuls P1 zeigt einen Zustand an, in dem sich die optische Leistung periodisch mit einer Modulationsfrequenz f1 ändert, während ein Höchstwert der optischen Leistung konstant gehalten wird. Der Impuls P2 zeigt einen Zustand an, in dem sich die optische Leistung periodisch mit einer Modulationsfrequenz f2 ändert, während ein Höchstwert der optischen Leistung konstant gehalten wird.
(Sendeseitiges optisches System)
Das optische System 7 auf der Übertragungs- bzw. Sendeseite formt das impulsmodulierte oder verstärkte Laserlicht aus der Impulsmodulationseinheit 6 zu Laserlicht mit einem gewünschten Strahldurchmesser und Divergenzwinkel. Das sendeseitige optische System 7 umfasst eine Linsengruppe mit einer konkaven und einer konvexen Fläche. Das sendeseitige optische System 7 kann ein optisches System vom Typ Reflexion sein, das einen Spiegel verwendet. Da die Formung des Laserlichts durch das sendeseitige optische System 7 durchgeführt wird, um einen hohen SNR zu erzielen, muss das sendeseitige optische System 7 nicht in einem Fall angeordnet werden, in dem ein ausreichender SNR ohne das sendeseitige optische System 7 erzielt werden kann. Das sendeseitige optische System 7 ist mit dem Sende- und Empfangsseparator 8 verbunden und gibt das geformte Laserlicht an den Sende- und Empfangsseparator 8 ab.
(Sende- und Empfangsseparator)
Der Sende- und Empfangsseparator 8 ist ein Separator, der Sendelicht und Empfangslicht in vorgegebene Kanäle trennt. Wenn die Ausbreitung des Laserlichts zwischen dem Sende- und Empfangsseparator 8 und einer anderen Komponente durch räumliche Ausbreitung erfolgt, kann ein polarisierender Strahlteiler (PBS) als Sende- und Empfangsseparator 8 verwendet werden. In einem Fall, in dem die Ausbreitung des Laserlichts durch räumliche Ausbreitung erfolgt, ist der Sende- und Empfangsseparator 8 zwischen dem sendeseitigen optischen System 7 und dem Teleskop 9 und auf einer optischen Achse des Sendelichts angeordnet. Wenn der Sende- und Empfangsseparator 8 und ein anderes Bauteil durch eine Faser miteinander verbunden sind, kann ein Zirkulator als Sende- und Empfangsseparator 8 verwendet werden. Der Sende- und Empfangsseparator 8 gibt Sendelicht an das Teleskop 9 und Empfangslicht an das empfangsseitige optische System 10 ab.
(Teleskop; Scanner)
Das Teleskop 9 sendet Sendelicht in eine gewünschte Richtung über den Scanner 13 und empfängt Empfangslicht, das von einem Zielobjekt reflektiert wird, über den Scanner 13. Das Teleskop 9 umfasst eine Linsengruppe mit einer konkaven und einer konvexen Fläche. Das Teleskop 9 kann ein Spiegelteleskop sein, das einen Spiegel verwendet. Der Scanner 13 wird von einer Steuereinheit (nicht abgebildet) so gedreht, dass er in eine vorgegebene Richtung zeigt. Das Teleskop 9 gibt das Empfangslicht an den Sende- und Empfangsseparator 8 ab.
(Empfangsseitiges optisches System)
Das empfangsseitige optische System 10 formt das Empfangslicht aus dem Sende- und Empfangsseparator 8 in Licht mit einem gewünschten Strahldurchmesser und Divergenzwinkel. Das empfangsseitige optische System 10 umfasst eine Linsengruppe mit einer konkaven und einer konvexen Fläche. Das empfangsseitige optische System 10 kann ein optisches System vom Typ Reflexion sein, das einen Spiegel verwendet. Da die Formung durch das empfangsseitige optische System 10 durchgeführt wird, um ein hohes SNR zu erzielen, muss das empfangsseitige optische System 10 nicht in einem Fall angeordnet werden, in dem ein ausreichendes SNR ohne das empfangsseitige optische System 10 erzielt werden kann. Das empfangsseitige optische System 10 ist mit der Lichtempfangseinheit 11 verbunden und gibt das Empfangslicht an die Lichtempfangseinheit 11 ab.
(Lichtempfangseinheit)
Die Lichtempfangseinheit 11 erzeugt ein elektrisches Empfangssignal durch fotoelektrische Umwandlung des Empfangslichts. Die Lichtempfangseinheit 11 ist mit der Signalverarbeitungseinheit 12 verbunden und gibt das elektrische Empfangssignal an die Signalverarbeitungseinheit 12 aus.
(Signalverarbeitungseinheit)
Die Signalverarbeitungseinheit 12 führt eine Signalverarbeitung des empfangenen elektrischen Signals durch und berechnet eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft. Nachfolgend wird eine Konfiguration der Signalverarbeitungseinheit 12 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, umfasst die Signalverarbeitungseinheit 12 eine Filterverarbeitungseinheit 12-1, eine A/D-Wandlereinheit 12-2, eine Entfernungsbin-Teilungseinheit 12-3, eine Frequenzanalyseeinheit 12-4, eine Integrationsverarbeitungseinheit 12-5, eine SNR-Berechnungseinheit 12-6, eine Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7, eine Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8, eine Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft und eine Berechnungseinheit 12-10 für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft.
(Filterverarbeitungseinheit)
Die Filterverarbeitungseinheit 12-1 führt eine Frequenzfilterverarbeitung des elektrischen Empfangssignals von der Lichtempfangseinheit 11 auf der Grundlage des Intensitätsmodulationssignals mit einer Frequenz fk von der Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals durch. Die Filterverarbeitungseinheit 12-1 wird beispielsweise durch ein Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz fk (k = 1, 2, 3, ..., M) realisiert und bewirkt, dass das elektrische Empfangssignal von der Lichtempfangseinheit 11 innerhalb eines Durchlassbandes durchgelassen wird. Die Filterverarbeitungseinheit 12-1 ist mit der A/D-Wandlereinheit 12-2 verbunden und gibt das filterverarbeitete elektrische Signal an die A/D-Wandlereinheit 12-2 aus. Es ist zu beachten, dass die Filterverarbeitungseinheit 12-1 zwischen der A/D-Wandlereinheit 12-2 und der Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 angeordnet sein kann.
(A/D-Wandlereinheit)
Die A/D-Wandlereinheit 12-2 führt eine AD-Wandlung des gefilterten elektrischen Signals von der Filterverarbeitungseinheit 12-1 auf der Grundlage des Triggersignals (Impulsbestrahlungstrigger) von der Triggererzeugungsschaltungseinheit 3 durch. Die A/D-Wandlereinheit 12-2 ist mit der Entfernungsbin-Teilungseinheit 12-3 verbunden und gibt das AD-gewandelte digitale Signal an die Entfernungsbin-Teilungseinheit 12-3 aus.
(Entfernungsbin-Teilungseinheit)
Die Entfernungsbin-Teilungseinheit 12-3 teilt das AD-gewandelte digitale Signal in einer Zeitrichtung mit einer einer Impulsbreite entsprechenden Breite auf der Grundlage des Triggersignals (Impulsbestrahlungs-Trigger). Die Entfernungsbin-Teilungseinheit 12-3 ist mit der Frequenzanalyseeinheit 12-4 verbunden und gibt das geteilte Signal an die Frequenzanalyseeinheit 12-4 aus.
(Frequenzanalyseeinheit)
Durch Durchführen einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) an dem geteilten Signal für jedes Bin auf der Grundlage des Intensitätsmodulationssignals mit einer Frequenz fk von der Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals wandelt die Frequenzanalyseeinheit 12-4 das Signal für jedes Bin in ein Spektrum um. Die Frequenzanalyseeinheit 12-4 ist mit der Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 verbunden und gibt das Spektrum an die Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 aus.
(Integrationsverarbeitungseinheit)
Die Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 integriert eine Vielzahl von Spektren, die aus den Daten einer Vielzahl von Versuchen mit der gleichen Frequenz fk in einem Spektralraum gewonnen wurden. Die Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 ist mit der SNR-Berechnungseinheit 12-6 verbunden und gibt das integrierte Spektrum an die SNR-Berechnungseinheit 12-6 aus.
(SNR-Berechnungseinheit)
Die SNR-Berechnungseinheit 12-6 berechnet ein SNR eines Empfangssignals zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer bestimmten Intensitätsmodulationsfrequenz. Die SNR-Berechnungseinheit 12-6 ist mit der Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 verbunden und gibt das berechnete SNR an die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 aus.
(Entfernungscharakteristikberechnungseinheit)
Die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 errechnet eine Beziehung (Entfernungscharakteristik: A-Scope bzw. A-Display) zwischen einer Entfernung und einem SNR bei einer bestimmten Intensitätsmodulationsfrequenz. Die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 berechnet die A-Scopes für alle Intensitätsmodulationsfrequenzen f1 bis fM. Die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 ist mit der Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 verbunden und gibt die Mehrzahl der berechneten Entfernungscharakteristiken (A-Scopes) an die Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 aus.
(Berechnungseinheit für die Übertragungsfunktion)
Die Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 berechnet eine Übertragungsfunktion eines Ziels in einem bestimmten Entfernungsbereich aus der Vielzahl von Entfernungscharakteristiken (A-Scopes) der Vielzahl von Intensitätsmodulationsfrequenzen (f1 bis fM), die sich auf den Entfernungsbin beziehen. Auf diese Weise analysiert die Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 die Übertragungsfunktionscharakteristik des Ziels im gleichen Bereich anhand der Frequenzabhängigkeit eines SNR. Die Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 ist mit der Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft verbunden und gibt die berechnete Übertragungsfunktion an die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft aus.
(Berechnungseinheit für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft)
Die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft berechnet eine physikalische Eigenschaft eines Ziels, das sich in einem Entfernungsbin bzw. einer Entfernungsklasse n befindet, indem sie die Übertragungsfunktionscharakteristik, die aus der Übertragungsfunktion für jedes Entfernungsbin n ermittelt wurde, die von der Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 erhalten wurde, mit einer Übertragungsfunktionsgleichung gemäß Gleichung (4) oder Gleichung (6), die später beschrieben werden, oder mit einer Übertragungsfunktionsgleichung gemäß einer diesen Gleichungen ähnlichen Gleichung vergleicht. Darüber hinaus kann die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft eine physikalische Eigenschaft eines Ziels in einem Entfernungsbin n berechnen, indem sie das von der Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 ermittelte SNR in jedem Entfernungsbin n mit einem angenommenen SNR vergleicht. Die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalischen Eigenschaft ist mit der Berechnungseinheit 12-10 für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft verbunden und gibt die berechnete Chakteristik bzw. Kennlinie der physikalischen Eigenschaften an die Berechnungseinheit 12-10 für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft aus.
(Berechnungseinheit für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft)
Für die von der Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalischen Eigenschaft berechneten physikalischen Eigenschaftsparameterdaten, ähnlich wie die Entfernungseigenschaftberechnungseinheit 12-7, berechnet die Berechnungseinheit 12-10 für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft Δt = AD-Rate × Entfernungsbinbreite × (n - 1) aus Entfernungsbininformationen, einer AD-Umwandlungsrate und einer Entfernungsbinbreite, wie in 10 dargestellt, wandelt Δt in eine Entfernung durch L = v × Δt/2 um (v ist die Lichtgeschwindigkeit) und gibt ein Diagramm der physikalischen Eigenschaftsparameter für jede Entfernung aus.
Als Nächstes wird ein Konfigurationsbeispiel der Hardware der Signalverarbeitungseinheit 12 mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben. Wie in 3A dargestellt, wird die Signalverarbeitungseinheit 12 beispielsweise durch eine Verarbeitungsschaltung 100a realisiert. Beispiele für die Verarbeitungsschaltung 100a sind eine einzelne Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, ein programmierter Prozessor, ein parallel programmierter Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder eine Kombination davon. Die Funktionen der Komponenten der Signalverarbeitungseinheit 12 können von separaten Verarbeitungsschaltungen ausgeführt werden, oder die Funktionen der mehreren Komponenten können gemeinsam von einer Verarbeitungsschaltung ausgeführt werden.
Ein weiteres Beispiel, wie in 3B dargestellt, ist die Signalverarbeitungseinheit 12, die durch einen Prozessor 100b und einen Speicher 100c realisiert wird. Die Funktionen der in der Signalverarbeitungseinheit 12 enthaltenen Komponenten werden vom Prozessor 100b ausgeführt, der ein im Speicher 100c gespeichertes Programm liest und ausführt. Das Programm ist durch Software, Firmware oder eine Kombination von Software und Firmware implementiert. Beispiele für den Speicher 100c sind ein nichtflüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher wie ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festwertspeicher (ROM), ein Flash-Speicher, ein löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM) oder ein elektrischer EPROM (EEPROM), eine Magnetplatte, eine flexible Platte, eine optische Platte, eine Compact Disc, eine Mini-Disc und eine DVD.
<Funktionsweise>
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Laserradarvorrichtung des vorliegenden ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 4 bis 10 beschrieben.
In Schritt ST1 erzeugt die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals ein Intensitätsmodulationssignal mit einer Frequenz f1 auf der Grundlage eines Triggersignals und gibt das erzeugte Intensitätsmodulationssignal mit der Frequenz f1 an den Intensitätsmodulator 2 und die Signalverarbeitungseinheit 12 aus. Anschließend führt der Intensitätsmodulator 2 eine periodische Intensitätsmodulation von Dauerstrichlaserlicht mit einer einzigen Frequenz von der Lichtquelle 1 mit dem Intensitätsmodulationssignal mit der Frequenz f1 durch und gibt das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht an die Impulsmodulationseinheit 6 aus.
In Schritt ST2 moduliert die Impulsmodulationseinheit 6 das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht auf der Grundlage des Impulssignals von der Impulssignalerzeugungseinheit 5 in Impulslicht P1 mit einer vorgegebenen Wiederholungsperiode Trep und einer Impulsbreite δT (siehe Impuls P1 in 5) und gibt das Impulslicht P1 an das optische System 7 auf der Übertragungsseite aus. Im Folgenden wird ein k-tes Sendeimpulssignal als „Pk“ bezeichnet. Darüber hinaus werden eine Intensitätsmodulationsfrequenz und ein Empfangssignalimpuls von einem Ziel, der dem Sendeimpuls Pk entspricht, als fk bzw. Rk bezeichnet.
In Schritt ST3 sendet das Teleskop 9 das gepulste Licht P1, das durch das sendeseitige optische System 7 in Licht mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser und Strahldivergenzwinkel umgewandelt wurde, über den Scanner 13 auf das Ziel. Das Ziel wird mit dem in die Atmosphäre abgestrahlten Sendelicht P1 bestrahlt, und das Empfangslicht R1 wird erzeugt, wenn das Sendelicht P1 am Ziel gestreut wird.
In Schritt ST4 empfängt das Teleskop 9 das Empfangslicht R1 durch eine Öffnung und gibt das Empfangslicht R1 an den Sende- und Empfangsseparator 8 ab. Das Empfangslicht R1 wird über den Sende- und Empfangsseparator 8 an das empfangsseitige optische System 10 übertragen. Das Empfangslicht R1 wird durch das empfangsseitige optische System 10 in Licht mit einem vorgegebenen Strahldurchmesser und Divergenzwinkel umgewandelt und dann an die Lichtempfangseinheit 11 weitergeleitet. Das Empfangslicht R1 wird von der Lichtempfangseinheit 11 in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt, und das elektrische Empfangssignal wird an die Signalverarbeitungseinheit 12 übertragen.
Die Laserradarvorrichtung wiederholt die oben beschriebenen Sende- und Empfangsvorgänge in den Schritten ST2 bis ST4 ein a Mal. a ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 und ist ein Entwurfswert. Im Folgenden wird dieser Wert von a als die Anzahl der Impulsintegrationszeiten bezeichnet. Das heißt, a ist die Anzahl der Integrationszeiten in demselben Intensitätsmodulationsimpuls.
Wie in 5 dargestellt, erzeugt die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals in Schritt ST5, nachdem das Ziel mit dem Impuls P1 a mal bestrahlt wurde und die Wiederholungsperiode Trep verstrichen ist, ein Intensitätsmodulationssignal mit einer Frequenz f2 auf der Grundlage eines Triggersignals und gibt das erzeugte Intensitätsmodulationssignal mit der Frequenz f2 an den Intensitätsmodulator 2 und die Signalverarbeitungseinheit 12 aus. Anschließend führt der Intensitätsmodulator 2 eine periodische Intensitätsmodulation des Dauerstrichlaserlichts mit einer einzigen Frequenz von der Lichtquelle 1 mit dem Intensitätsmodulationssignal mit der Frequenz f2 durch und gibt das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht an die Impulsmodulationseinheit 6 aus.
In Schritt ST6 erzeugt die Impulsmodulationseinheit 6 Impulslicht P2, das sich von dem Impulslicht P1, durch Impulsmodulation des intensitätsmodulierten Dauerstrichlaserlichts auf der Grundlage des Impulssignals von der Impulssignalerzeugungseinheit 5 (siehe Impuls P2 in 5) unterscheidet, und gibt das erzeugte Impulslicht P2 an das sendeseitige optische System 7 aus.
In Schritt ST7 sendet das Teleskop 9 das gepulste Licht P2, das von dem sendeseitigen optischen System 7 in Licht mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser und Strahldivergenzwinkel umgewandelt wurde, über den Scanner 13 auf das Ziel. Das Ziel wird mit dem in die Atmosphäre abgestrahlten Sendelicht P2 bestrahlt, und das Empfangslicht R2 wird erzeugt, wenn das Sendelicht P2 am Ziel gestreut wird.
Im Schritt ST8 empfängt das Teleskop 9 das Empfangslicht R2 durch eine Öffnung und gibt das Empfangslicht R2 an den Sende- und Empfangsseparator 8 ab. Das Empfangslicht R2 wird über den Sende- und Empfangsseparator 8 an das empfangsseitige optische System 10 übertragen. Das Empfangslicht R2 wird durch das empfangsseitige optische System 10 in Licht mit einem vorgegebenen Strahldurchmesser und Divergenzwinkel umgewandelt und dann an die Lichtempfangseinheit 11 weitergeleitet. Das Empfangslicht R2 wird von der Lichtempfangseinheit 11 in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt, und das elektrische Empfangssignal wird an die Signalverarbeitungseinheit 12 übertragen.
Das Laserradarvorrichtung führt die Verarbeitung in Schritt ST5 durch, bis k = M erreicht, und wiederholt die Verarbeitung in den Schritten ST6 bis ST8 ein Mal für jeden Wert von k. Durch den obigen Vorgang wird jedes Empfangslicht R1 bis RM a Mal empfangen.
Als nächstes wird die Signalverarbeitung gemäß den Schritten ST9 bis ST14 beschrieben. Die Signalverarbeitung kann jedes Mal durchgeführt werden, wenn jedes Empfangslicht nach Schritt ST4 erhalten wird, oder sie kann durchgeführt werden, nachdem alle von Empfangslicht R1 bis Empfangslicht RM nach Schritt ST8 erhalten worden sind. Nachfolgend wird die Signalverarbeitung gemäß den Schritten ST9 bis ST14 auf der Grundlage eines Falles beschrieben, in dem die Signalverarbeitung durchgeführt wird, nachdem das gesamte Empfangslicht R1 bis Empfangslicht RM erhalten wurde.
In Schritt ST9 erhält die Filterverarbeitungseinheit 12-1 ein elektrisches Signal, das jeder Modulationsfrequenz entspricht, indem sie eine Frequenzfilterverarbeitung der Empfangssignale des gesamten Empfangslichts (R1 und Rk) auf der Grundlage des Intensitätsmodulationssignals mit einer Frequenz fk von der Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals durchführt.
In Schritt ST10 führt die A/D-Wandlereinheit 12-2 eine AD-Wandlung des Empfangssignals der Empfangslicht Rk durch. Die A/D-Wandlereinheit 12-2 verwendet das Triggersignal von der Triggererzeugungsschaltungseinheit 3 als Starttrigger für die AD-Wandlung. Daher fällt der Startzeitpunkt der AD-Wandlung im Wesentlichen mit dem Zeitpunkt zusammen, zu dem ein Sendeimpuls übertragen wird, und die AD-Wandlung wird für eine vorgegebene Zeitspanne oder bis zur Erzeugung des nächsten Sendeimpulses fortgesetzt. Ein Signal, das nach ΔT ab Beginn der AD-Wandlung eine AD-Wandlung durchläuft, entspricht einem Empfangssignal von einem Ziel, das sich im Raum in einer Entfernung L = v × ΔT/2 befindet (v ist die Lichtgeschwindigkeit). Das digitalisierte Empfangssignal entspricht einem Impuls.
In Schritt ST11 teilt die Entfernungsbin-Teilungseinheit 12-3 das digitalisierte Empfangssignal in Signale für entsprechende Entfernungsbins auf. Ein Entfernungsbin wird so unterteilt, dass es einer Impulsbreite entspricht, und die Impulsbreite wird durch das Design bestimmt. 6A zeigt eine zeitliche Änderung eines Empfangssignals, das durch den Empfang des Empfangslichts Rk von einem Ziel, das mit dem Impulssendelicht Pk für einen Impuls bestrahlt wird, erhalten wird. n stellt eine Kennzeichnung bzw. ein Label eines geteilten Entfernungsbins dar, und eine Kennzeichnung bzw. ein Label mit einem kleineren Wert von n zeigt ein Reflexionssignal aus einer näheren Umgebung an.
In Schritt ST12 wandelt die Frequenzanalyseeinheit 12-4 die für die jeweiligen Entfernungsbins unterteilten Empfangssignale in Spektrumsignale um, indem sie eine FFT an den Empfangssignalen durchführt, und gibt die erhaltenen Spektrumsignale an die Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 aus. Ein Spektrum, das durch FFT des Empfangssignals des Empfangslichts Rk, das dem Sendeimpuls Pk (Modulationsfrequenz fk) entspricht, erhalten wird, wird durch eine Frequenzverschiebung beeinflusst, die von einem Ziel oder einer Umgebung herrührt, aber im Wesentlichen mit einer Modulationsfrequenz innerhalb einer Empfangsbandbreite B übereinstimmt. Die Empfangsbandbreite B ist eine angenommene Frequenzverschiebungsbreite, die durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Ziels oder die Umgebungsbedingungen bestimmt wird.
In Schritt ST13, wie in 6B dargestellt, integriert die Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 das Spektrumsignal, das durch die Durchführung der FFT auf dem Signal jedes Entfernungsbins a Mal erhalten wurde.
In Schritt ST14 berechnet die SNR-Berechnungseinheit 12-6 ein SNR des Spektrums fm des Empfangssignals, indem sie ein Verhältnis zwischen einer Spitzenintensität und einem Außerbandrauschen berechnet. Die SNR-Berechnungseinheit 12-6 gibt das integrierte Spektrum fm und Informationen über ein SNR in jedem Entfernungsbin an die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 aus.
In Schritt ST15 berechnet die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 ein A-Scope, das ein Diagramm ist, das ein SNR für jede Entfernung anzeigt. Wie in 7 dargestellt, werden für die Spektren f1 bis fM Informationen über das SNR in einem beliebigen Entfernungsbin n gesammelt. Die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 berechnet Δt = AD-Rate × Entfernungsbinbreite × (n - 1) aus den Entfernungsbininformation, der AD-Umwandlungsrate und der Entfernungsbinbreite, wandelt Δt in eine Entfernung um, und zwar mit L = v × Δt/2 (v ist die Lichtgeschwindigkeit), und berechnet ein A-Scope. Im Folgenden wird ein SNR in einem Bereich n in einem Spektrum fm als SNRmn bezeichnet. Wie in 8 dargestellt, führt die Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 eine Datenverarbeitung der SNRs der Spektren f1 bis fM in jedem Entfernungsbin n (n = 1, 2, 3, ...) auf der Grundlage von Informationen eines SNRmn durch und erhält eine Übertragungsfunktion (Graph, in dem die vertikale Achse T und die horizontale Achse eine Spektralfrequenz f darstellt) für jedes Entfernungsbin. 8 zeigt ein spezielles Beispiel für die Ermittlung einer Übertragungsfunktion durch Anordnung der SNRs der Spektren f1 bis fM entlang der Frequenzachse für einen Bereich von n = 3.
In Schritt ST16 berechnet die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft eine physikalische Eigenschaft eines Ziels, das sich in einem Entfernungsbin n befindet. Insbesondere berechnet die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft eine physikalische Eigenschaft eines Ziels, das sich in einem Entfernungsbin n befindet, indem sie die Übertragungsfunktionscharakteristik, die aus der Übertragungsfunktion in jedem Entfernungsbin n bestimmt wird, die von der Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 erhalten wird, mit einer Übertragungsfunktionsgleichung gemäß Gleichung (4) oder Gleichung (6) unten oder einer Übertragungsfunktionsgleichung gemäß einer diesen Gleichungen ähnlichen Gleichung vergleicht. Darüber hinaus kann die Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft eine physikalische Eigenschaft eines Ziels in einem Entfernungsbin n berechnen, indem sie das von der Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7 ermittelte SNR in jedem Entfernungsbin n mit einem angenommenen SNR vergleicht. Hier ist die Charakteristik der Übertragungsfunktion eine ganze Form eines Graphen, wie in 9A oder 9B dargestellt, eine Steigung des Graphen, eine Grenzfrequenz fc, wenn der Graph als äquivalent zu einer Übertragungsfunktion eines Tiefpassfilters betrachtet wird, oder ähnliches.
In einem intensitätsmodulierten Impuls-TOF-System wird die Empfangssignalleistung Pr von einem Ziel (Extinktionskoeffizient c, Absorptionskoeffizient α, Rückstreukoeffizient β), das sich in einer Entfernung L (= vt/2) befindet, durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt. In Gleichung (1) steht v für die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Volumenziel VT, t für die Zeit, A für einen Systemkoeffizienten und Y für eine Normierungskonstante. Wenn die Fourier-Transformation der Gleichung (1) unter der Annahme der Gleichung (2) durchgeführt wird, wird die Gleichung (3) erhalten. $P_{r} (t) = A \times \frac{e^{- c v t}}{v^{2} t^{2}}$
$P_{r} (t) \sim Y e^{- c v t}$
$P r (ω) = \frac{Y}{c v + j ω}$
Wenn also ein Intensitätsmodulationsimpuls mit einer Intensitätsmodulationswinkelfrequenz ω = 2πf auf ein Ziel übertragen wird, wird eine Modulationsfrequenzkomponente ω_m eines erhaltenen Empfangssignals durch Gleichung (4) ausgedrückt. Eine Übertragungsfunktion T(ω) des Ziels wird durch Gleichung (4) unter der Annahme der Gleichung (2) ausgedrückt, was dem Fall eines Tiefpassfilters erster Ordnung (LPF) entspricht. $| T (ω) | = | \frac{Y}{c v + j ω} |$
Die Grenzfrequenz fc der Übertragungsfunktion wird durch Gleichung (5) unter Verwendung eines Extinktionskoeffizienten c und unter der Annahme von Gleichung (2) ausgedrückt. $f_{c} = \frac{c v}{2 π}$
Die Grenzfrequenz einer Übertragungsfunktion eines Streumediums (VT) mit c = 1 m^-1 und einem Brechungsindex n = 1,3 entspricht zum Beispiel fc = 37 MHz.
Genau genommen wird, da L(t) = vt/2 in Gleichung (1) ist, eine genauere Übertragungsfunktion des Ziels durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt. $| T (ω) | = | \int_{0}^{\infty} \frac{A e^{- c v t}}{v^{2} t^{2}} e^{- i ω t} d t |$
Ein physikalischer Eigenschaftsparameter (beispielsweise ein Extinktionskoeffizient c) kann durch Vergleich einer auf der Grundlage eines Messergebnisses berechneten Übertragungsfunktionscharakteristik des Zielobjekts (das untere rechte Diagramm in 8) mit der Übertragungsfunktionsgleichung der Gleichung (4) oder (6) oder einer der Gleichung (4) oder (6) ähnlichen Übertragungsfunktionsgleichung geschätzt werden. 9A zeigt die Anpassung durch die Übertragungsfunktionsgleichung der Gleichung (4) und 9B zeigt die Anpassung durch die Übertragungsfunktionsgleichung der Gleichung (6). So wird beispielsweise bei der Schätzung des Extinktionskoeffizienten c die Grenzfrequenz fc durch Vergleich der auf dem Messergebnis basierenden Übertragungsfunktionscharakteristik mit einer Übertragungsfunktionsgleichung wie Gleichung (4) ermittelt, und der Extinktionskoeffizient c wird aus Gleichung (5) berechnet.
Darüber hinaus berechnet die Berechnungseinheit 12-10 für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft für die von der Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft, ähnlich wie die Entfernungscharakteristikberechnungseinheit 12-7, berechneten Parameterdaten Δt = AD-Rate × Entfernungsbinbreite × (n - 1) aus Entfernungsbininformationen, einer AD-Umwandlungsrate und einer Entfernungsbinbreite, wie in 10 dargestellt, wandelt Δt in eine Entfernung durch L = v × Δt/2 um (v ist die Lichtgeschwindigkeit) und gibt ein physikalisches Eigenschaftsparameterdiagramm für jede Entfernung aus.
Der Extinktionskoeffizient c in Gleichung (1) wird durch die Verwendung eines Absorptionskoeffizienten α und eines Streukoeffizienten b (oder eines Rückstreukoeffizienten β) wie in der folgenden Gleichung (7) ausgedrückt. Es ist zu beachten, dass Ω ein Raumwinkel eines optischen Sende- und Empfangssystems ist. $c = α + b = α + \int β d Ω$
Wie in Gleichung (7) ausgedrückt, korreliert der Extinktionskoeffizient c mit zwei oder mehr Parametern der physikalischen Eigenschaften, weshalb in einem herkömmlichen Verfahren eine bestimmte Beziehung zwischen diesen Parametern angenommen wird. Bei der Entwicklung eines Lasersensors wird beispielsweise davon ausgegangen, dass der Rückstreukoeffizient β und der Extinktionskoeffizient c in einem linearen Verhältnis zueinander stehen, das Verhältnis zwischen ihnen wird durch ein Lidar-Verhältnis S₁ dargestellt, und es wird eine Beziehung der folgenden Gleichung (8) angenommen. $c = S_{1} β$
Das Lidar-Verhältnis S₁ wird durch die Partikelgröße, die Laserwellenlänge λ, die Partikelform und Ähnliches bestimmt. Durch Bestimmen eines Messziels und Verwenden des Lidar-Verhältnisses S₁, dessen numerischer Wert durch Simulation oder eine andere Messung bestimmt wird, und der Gleichungen (1) und (8) wird ein Rückstreukoeffizient eines Ziels berechnet.
Nach einem solchen konventionellen Verfahren besteht in einem Fall, in dem die Informationen über die physikalischen Eigenschaften eines Messobjekts unbekannt sind, oder in einem Fall, in dem die Messung in einer besonderen Umgebung wie dem Himmel oder dem Meer durchgeführt wird, das Problem, dass die Annahme der Gleichung (8) nicht verwendet werden kann oder die Genauigkeit eines berechneten Werts der physikalischen Eigenschaften abnimmt, wenn Gleichung (8) verwendet wird.
Im Gegensatz dazu kann nach dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung ein Parameter einer physikalischen Eigenschaft geschätzt werden, ohne dass eine Korrelation zwischen den Parametern der physikalischen Eigenschaft angenommen werden muss, wie sie bei der herkömmlichen Technik erforderlich ist.
<Auswirkungen>
Da die Übertragungsfunktion der Daten, die von der Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 ausgegeben werden, Informationen über einen Extinktionskoeffizienten enthält, und die SNR-Ausgabe von der SNR-Berechnungseinheit 12-6 Informationen über den Extinktionskoeffizienten und einen Streukoeffizienten enthält, ist es möglich, den Extinktionskoeffizienten und den Streukoeffizienten eines Ziels unabhängig voneinander zu erfassen, indem eine Übertragungsfunktionscharakteristik der Intensitätsmodulationsfrequenz fk zusätzlich zum SNR für das Impulsempfangssignal von dem Ziel, das sich in einem Abstand L befindet, wie oben beschrieben, berechnet wird.
Bei einem herkömmlichen Laserradarvorrichtung besteht das Problem, dass es nicht möglich ist, den Extinktionskoeffizienten und den Streukoeffizienten unabhängig voneinander zu berechnen, und normalerweise werden bekannte Zielinformationen verwendet, oder es wird eine Beziehung zwischen dem Extinktionskoeffizienten und dem Streukoeffizienten angenähert und auf der Grundlage der bekannten Zielinformationen formuliert und verwendet. Daher besteht das Problem, dass ein Messparameter einer physikalischen Eigenschaft in einem Fall falsch berechnet wird, bei dem die Genauigkeit eines gemessenen Wertes gering ist oder in einem Fall, bei dem das Ziel unterschiedlich zu einem angenommenen ist und unbekannt ist. Durch die Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung ist es nicht notwendig, die Beziehung zwischen dem Extinktionskoeffizienten und dem Streukoeffizienten zu formulieren, und das Problem der herkömmlichen Laserradarvorrichtung kann gelöst werden.
<Modifikation>
Nachfolgend wird eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Als Verfahren zur Erzeugung eines Impulslasers kann nicht nur ein Verfahren zum Pulsen eines Dauerstrichlasers, sondern auch ein beliebiges allgemeines Verfahren, wie ein Verfahren zur direkten Erzeugung eines Impulswellenlasers, wie ein gütegeschalteter Laser oder ein Modensynchronisationslaser, oder eine Kombination davon verwendet werden. Als ein Verfahren zum Erzeugen eines Intensitätsmodulationsimpulses kann ein Verfahren zum Erzeugen eines Intensitätsmodulationsimpulses unter Verwendung eines elektrolytischen Absorptionsmodulators, eines elektrooptischen Kristalls, eines optischen Blocks, von solchen, die diesen ähnlich sind, oder eines Intensitätsmodulators, der unter Verwendung derselben erzeugt wird, ein Verfahren zum Erzeugen eines Pseudointensitätsmodulationsimpulses durch direktes Anregen einer Lichtquelle mit einer elektrischen Signalimpulsfolge, ein Verfahren zum Erzeugen eines Pseudointensitätsmodulationsimpulses durch Teilen eines Impulslasers mit einem Strahlteiler, Verzögern eines Impulses und erneutes Multiplexen der Impulse, ein Verfahren zum Erzeugung eines Pseudointensitätsmodulationsimpulses durch Anordnen eines Wellenlängenkonversionskristalls in einem Resonator, in dem ein Reflexionsgrad nur auf einem Seitenspiegel verringert wird, und ähnliches verwendet werden.
Obwohl das direkte Detektionssystem in der Lichtdetektionseinheit vorausgesetzt wird, kann die Technologie der vorliegenden Offenbarung auf ein kohärentes Lidar, ein differentielles Absorptionslidar und ein Lidar mit doppelter Polarisation angewendet werden, solange ein Intensitätsmodulationsimpuls als Übertragungslicht verwendet wird. Im Falle der Anwendung des kohärenten Lidars ist es möglich, viele Parameter mit höherer Genauigkeit zu messen, da zusätzlich zu den Informationen der physikalischen Eigenschaft eines Ziels auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Ziels berechnet werden kann. Bei Anwendung auf das Differential-Absorptions-Lidar gibt die Lichtquelleneinheit einen Intensitätsmodulationsimpuls mit einer ersten Wellenlänge und einen Intensitätsmodulationsimpuls mit einer zweiten Wellenlänge, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, aus, und die Signalverarbeitungseinheit kann ferner eine Absorptionswellenlänge und eine Konzentration eines Ziels als physikalische Eigenschaftsinformation des Ziels aus einem Empfangssignalintensitätsverhältnis zwischen Empfangslicht mit der ersten Wellenlänge und Empfangslicht mit der zweiten Wellenlänge berechnen. Im Falle der Anwendung des Doppelpolarisations-Lidars gibt die Lichtquelleneinheit einen Intensitätsmodulationsimpuls mit zwei orthogonalen Polarisationszuständen aus, und die Signalverarbeitungseinheit kann ferner eine Partikelform eines Ziels als physikalische Eigenschaftsinformation des Ziels aus einem Empfangssignalintensitätsverhältnis der beiden Polarisationen berechnen. Das optische System basiert auf dem optischen Sende- und Empfangssystem, aber das optische System kann eine Konfiguration mit einer getrennten Sende- und Empfangsachse haben. Im Falle der getrennten Sende- und Empfangsachse ist ein anderes Teleskop (nicht dargestellt) als das Teleskop 9 mit dem empfangsseitigen optischen System 10 verbunden, und die Sende- und Empfangstrenneinheit 8 und das empfangsseitige optische System 10 sind nicht miteinander verbunden. Eine solche Konfiguration der getrennten Sende- und Empfangsachse ist allgemein und beeinträchtigt die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels nicht.
Zweites Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend wird ein Laserradarvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 11 bis 13 beschrieben.
<Konfiguration>
Wie in 11 dargestellt, ist die Gesamtkonfiguration der Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich der Konfiguration der Laserradarvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels, das in 1 dargestellt ist. Wie in 12 dargestellt, enthält die Laserradarvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels eine Lichtquelleneinheit 60A mit einer Lichtquelle 1, einem Intensitätsmodulator 2, einer Einheit 4A zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, einer Impulssignalerzeugungseinheit 5 und einer Impulsmodulationseinheit 6. In der Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Konfiguration der Einheit 4A zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, die in der Lichtquelleneinheit 60A enthalten ist, von derjenigen der Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals des ersten Ausführungsbeispiels.
Wie in 12 dargestellt, enthält die Einheit 4A zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals eine Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheitsgruppe 4-1, die M Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheiten enthält, und eine Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2, die mit der Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheitsgruppe 4-1 verbunden ist.
Die Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheitsgruppe 4-1, erzeugt M Intensitätsmodulationssignale mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheitsgruppe 4-1 umfasst einen Funktionsgenerator, ein FPGA, einen Referenzsignalgenerator und einen HF-Frequenzsignalgenerator wie einen Multiplizierer oder einen Teilungszyklus.
Die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 mischt die M Intensitätsmodulationssignale aus der Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheitsgruppe 4-1. Die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 umfasst beispielsweise einen HF-Frequenzmischer.
<Funktionsweise>
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Impuls durch intensitätsmoduliertes Laserlicht mit einer bestimmten Intensitätsmodulationsfrequenz fk erzeugt, und jede von M Arten von Impulsen wird zur Integration a Mal emittiert. Andererseits werden bei dem zweiten Ausführungsbeispiel M Intensitätsmodulationssignale mit unterschiedlichen Frequenzen (f1 bis fM) gleichzeitig auf einen Sendeimpuls angewandt, und der Sendeimpuls wird a Mal zur Integration ausgesendet. Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich in diesem Punkt von der des ersten Ausführungsbeispiels. In den anderen Punkten ist die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Der Punkt des Unterschieds wird unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
In Schritt ST21 erzeugt die Intensitätsmodulationssignal (f)-Erzeugungseinheitsgruppe 4-1 Intensitätsmodulationssignale mit Frequenzen von f1 bis fM auf der Grundlage eines Triggersignals und gibt die M Intensitätsmodulationssignale mit Frequenzen von f1 bis fM an die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 und die Signalverarbeitungseinheit 12 aus.
In Schritt ST22 mischt die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 die M Intensitätsmodulationssignale. Die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 gibt das gemischte Signal an den Intensitätsmodulator 2 aus. Die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 kann das gemischte Signal an die Signalverarbeitungseinheit 12 ausgeben. Nach der Arbeitsweise durch die Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit 4-2 moduliert der Intensitätsmodulator 2 das Dauerstrichlaserlicht mit einer einzigen Frequenz von der Lichtquelle 1 mit dem gemischten Intensitätsmodulationssignal und gibt das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht an die Impulsmodulationseinheit 6 aus.
In Schritt ST23 moduliert die Impulsmodulationseinheit 6 das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht auf der Grundlage des Impulssignals von der Impulssignalerzeugungseinheit 5 in Impulslicht P und gibt das Impulslicht P an das optische System der Übertragungsseite 7 aus.
In Schritt ST24 sendet das Teleskop 9 das gepulste Licht P, das von dem sendeseitigen optischen System 7 in Licht mit einem vorgegebenen Strahldurchmesser und Strahldivergenzwinkel umgewandelt wurde, über den Scanner 13 auf das Ziel. Das Ziel wird mit dem in die Atmosphäre abgestrahlten Sendelicht P bestrahlt, und das Empfangslicht R wird erzeugt, wenn das Sendelicht P am Ziel gestreut wird.
Im Schritt ST25 empfängt das Teleskop 9 das Empfangslicht R durch eine Öffnung und gibt das Empfangslicht R an den Sende- und Empfangsseparator 8 ab. Das Empfangslicht R wird über den Sende- und Empfangsseparator 8 an das optische System der Empfangsseite 10 übertragen. Das Empfangslicht R wird durch das empfangsseitige optische System 10 in Licht mit einem bestimmten Strahldurchmesser und einem bestimmten Divergenzwinkel umgewandelt und dann an die Lichtempfangseinheit 11 weitergeleitet. Das Empfangslicht R wird von der Lichtempfangseinheit 11 in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt, und das elektrische Empfangssignal wird an die Signalverarbeitungseinheit 12 übertragen.
Das Laserradarvorrichtung wiederholt die oben beschriebenen Sende- und Empfangsvorgänge in den Schritten ST23 bis ST25 a Mal.
Die Verarbeitung in den Schritten ST26 bis ST33 ist ähnlich wie die Verarbeitung in den Schritten ST9 bis ST16 in dem ersten Ausführungsbeispiel.
<Modifikation>
In der obigen Beschreibung sind M verschiedene Einheiten zur Erzeugung von Intensitätsmodulationssignalen vorgesehen. Darüber hinaus kann für X und Y, wobei M = XY ist, durch die Vorbereitung von X verschiedenen Intensitätsmodulationssignal-Erzeugungseinheiten, die Anwendung von X Intensitätsmodulationen auf einen Impuls und die Durchführung einer Bestrahlung mit einem Impuls Y-mal bei gleichzeitiger Änderung der Intensitätsmodulationsfrequenz eine Übertragungsfunktioncharakteristik eines Ziels für M verschiedene Intensitätsmodulationen mit dem Impuls Y berechnet werden. Die Anzahl der Signalgeneratoren und die Anzahl der Male der Impulsbestrahlungen kann entsprechend geändert werden.
Drittes Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend wird ein Laserradarvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 14 bis 17 beschrieben. In den Konfigurationen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels kann ein Fehler in einer berechneten Übertragungsfunktionscharakteristik aufgrund einer Ungleichmäßigkeit der Impulsleistung oder eines Intensitätsmodulationsgrads zwischen den Intensitätsmodulationsimpulsen auftreten, die erzeugt werden, wenn auf jeden Impuls Pk eine Intensitätsmodulation mit einer Frequenz fk angewendet wird. Die Beschreibung wird in einem anderen Absatz erfolgen.
In einem Fall, in dem ein Unterschied in einem Impulsparameter jedes Intensitätsmodulationsimpulses klein ist, wie in 14A dargestellt, stimmt eine Übertragungsfunktion (gepunktete Linie), die aus einem Empfangssignal SNR von einem Ziel ausgewertet wird, im Wesentlichen mit einem wahren Wert (durchgezogene Linie) überein, wie in 14B oder 14C dargestellt. Andererseits stimmt beispielsweise in einem Fall, in dem ein Unterschied in einem Impulsparameter jedes Intensitätsmodulationspulses groß ist, wie in 15A dargestellt, eine Übertragungsfunktion (gepunktete Linie), die aus einem Empfangssignal SNR von einem Ziel ausgewertet wird, nicht mit einem wahren Wert (durchgezogene Linie) überein, wie in 15B oder 15C dargestellt, was zu einer Fehlberechnung führt. In diesem Fall stellt der Impulsparameter eine Hüllkurvenform jedes Intensitätsmodulationspulses, eine Spitzenkomponente, die jeden Intensitätsmodulationspuls bildet, eine Intensitätsmodulationsfrequenz, die auf einen Lichtpuls angewendet wird, oder einen ähnlichen Parameter dar. Darüber hinaus stellt der Unterschied in einem Impulsparameter einen Unterschied in der Hüllkurvenform jedes Intensitätsmodulationsimpulses, einer Spitzenkomponente, die jeden Intensitätsmodulationsimpuls bildet, einer Intensitätsmodulationsfrequenz, die auf einen Lichtimpuls angewendet wird, oder einem ähnlichen Parameter in Bezug auf einen Idealwert dar.
Dementsprechend ist die Laserradarvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels konfiguriert, eine genauere Übertragungsfunktion aus einem erfassten SNR zu berechnen, indem es einige der Intensitätsmodulationsimpulssignale überwacht und die Steuerung so hinzufügt, dass ein Impulsparameter jedes der Impulse (P1 bis PM) optimiert wird.
<Konfiguration>
Die Laserradarvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Laserradarvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in den folgenden Punkten. Das heißt, wie in 16 dargestellt, enthält die Laserradarvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ferner eine Lichtimpulsverzweigungseinheit 14, eine Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 und eine Lichtimpulskorrektureinheit 16. Die Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 ist zwischen einer Impulsmodulationseinheit 6 und einem sendeseitigen optischen System 7 angeordnet. Die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 ist in einer nachfolgenden Stufe der Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 angeordnet. Die Lichtimpulskorrektureinheit 16 ist auf einer nachfolgenden Stufe der Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 angeordnet und ist mit einer Einheit 4B zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals und einer Impulssignalerzeugungseinheit 5B verbunden. Es ist zu beachten, dass eine Lichtquelle 1, ein Intensitätsmodulator 2, die Einheit 4B zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, die Impulssignalerzeugungseinheit 5B und die Impulsmodulationseinheit 6 eine Lichtquelleneinheit 60B bilden. Es ist zu beachten, dass die Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel so modifiziert werden kann, dass die Lichtimpulsverzweigungseinheit 14, die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 und die Lichtimpulskorrektureinheit 16 zu der Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hinzugefügt werden.
Die Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 verzweigt einige der von der Impulsmodulationseinheit 6 erzeugten Intensitätsmodulationsimpulse und gibt die verzweigten Impulse an die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 aus.
Die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 wandelt ein Lichtimpulssignal in ein elektrisches Signal um.
Die Lichtimpulskorrektureinheit 16 vergleicht das elektrische Signal von der Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 mit einer idealen Intensitätsmodulationsimpulswellenform, die im Voraus gehalten wird, und gibt ein Rückkopplungssignal an die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals und die Impulssignalerzeugungseinheit 5 aus, so dass die Wellenform des von der Impulsmodulationseinheit ausgegebenen Impulses ideal ist. Die Lichtimpulskorrektureinheit 16 gibt beispielsweise ein Rückkopplungssignal zur Steuerung der Impulsleistung und der Modulationsintensität eines Sendeimpulses aus.
<Funktionsweise>
Als nächstes wird die Funktionsweise der Laserradarvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 17 beschrieben. Der Betrieb der Laserradarvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Betrieb der Laserradarvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels dadurch, dass die Verarbeitung in den Schritten ST41, ST42, ST43 und ST44 hinzugefügt wird. Um redundante Beschreibungen zu vermeiden, werden nur die Punkte beschrieben, die sich von der Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels unterscheiden.
In Schritt ST41 empfängt die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 ein Lichtimpulssignal als Überwachungssignal, das von der Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 abgezweigt wurde, und wandelt das empfangene Lichtimpulssignal in ein elektrisches Signal um.
In Schritt ST42 vergleicht die Lichtimpulskorrektureinheit 16 eine Wellenform des elektrischen Signals von der Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 mit einer idealen Intensitätsmodulationsimpulswellenform, die im Voraus gehalten wird, und gibt ein Rückkopplungssignal an die Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals und die Impulssignalerzeugungseinheit 5 in einer solchen Weise aus, dass eine Abweichung zwischen diesen Wellenformen unterdrückt wird, d.h. die Wellenform des von der Impulsmodulationseinheit ausgegebenen Impulses ideal ist.
In Schritt ST1, nachdem das Rückkopplungssignal erzeugt wurde, erzeugt die Einheit 4B zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals ein Intensitätsmodulationssignal mit einer Frequenz f1 auf der Grundlage des Rückkopplungssignals und gibt das erzeugte Intensitätsmodulationssignal mit der Frequenz f1 an den Intensitätsmodulator 2 und die Signalverarbeitungseinheit 12 aus. Anschließend moduliert der Intensitätsmodulator 2 das Dauerstrichlaserlicht mit einer einzigen Frequenz von der Lichtquelle 1 mit dem Intensitätsmodulationssignal mit der Frequenz f1, das auf der Grundlage des Rückkopplungssignals erzeugt wird, und gibt das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht an die Impulsmodulationseinheit 6 aus.
In Schritt ST2, nachdem das Rückkopplungssignal erzeugt wurde, moduliert die Impulsmodulationseinheit 6 das intensitätsmodulierte Dauerstrichlaserlicht auf der Grundlage des Impulssignals, das auf der Basis des Rückkopplungssignals von der Impulssignalerzeugungseinheit 5 erzeugt wurde.
In ähnlicher Weise wird im Falle eines Impulses Pk (k = 2 bis M) in Schritt ST43 ein Überwachungssignal von der Lichtimpulsüberwachungseinheit 15 empfangen und in ST44 ein Rückmeldesignal erzeugt. Ein Intensitätsmodulationssignal mit einer Frequenz fk auf der Grundlage des Rückkopplungssignals wird erzeugt (Schritt ST5), und ein Impuls Pk auf der Grundlage des Rückkopplungssignals wird erzeugt.
<Auswirkungen>
Gemäß der Laserradarvorrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Differenz der Impulsleistung oder des Intensitätsmodulationsgrades jedes Intensitätsmodulationsimpulses, der erzeugt wird, wenn die Intensitätsmodulation mit einer Frequenz fk auf jeden Impuls Pk angewendet wird, in Bezug auf einen idealen Wert zu unterdrücken, und daher ist es möglich, das Auftreten eines Fehlers in einer berechneten Übertragungsfunktionscharakteristik zu verhindern.
Viertes Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend wird eine Laserradarvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 18 bis 20 beschrieben. Ähnlich wie bei der Laserradarvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel besteht ein Ziel der Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel darin, einen Fehler in einer Übertragungsfunktionscharakteristik zu korrigieren, der aus der Ungleichmäßigkeit der Impulsleistung oder des Intensitätsmodulationsgrads zwischen den Intensitätsmodulationsimpulsen berechnet wird, die erzeugt werden, wenn auf jeden Impuls Pk eine Intensitätsmodulation mit einer Frequenz fk angewendet wird. Ein Verfahren zum Erreichen dieses Ziels unterscheidet sich zwischen der Laserradarvorrichtung nach dem vierten Ausführungsbeispiel und der Laserradarvorrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel. Kurz gesagt ist die Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel so konfiguriert, dass sie einige der Intensitätsmodulationsimpulssignale überwacht, einen Parameter eines tatsächlichen Intensitätsmodulationsimpulses in Bezug auf einen idealen Intensitätsmodulationsimpulsparameter beobachtet, die Unsicherheit eines Empfangssignals, wie einen Fehler einer Übertragungsfunktion, der auf der Grundlage der Informationen auftreten kann, berechnet und eine genauere Übertragungsfunktion durch Korrektur eines erfassten SNR unter Verwendung der Informationen berechnet. Die Einzelheiten werden weiter unten beschrieben.
<Konfiguration>
Die Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Laserradarvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in den folgenden Punkten. Das heißt, wie in 18 dargestellt, enthält das Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ferner eine Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 und eine Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A. Die Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 ist zwischen einer Impulsmodulationseinheit 6 und einem sendeseitigen optischen System 7 angeordnet. Die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A ist in einer nachfolgenden Stufe der Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 angeordnet. Die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A ist elektrisch mit einer Signalverarbeitungseinheit 12A verbunden. Die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A wandelt ein Lichtimpulssignal in ein elektrisches Signal um und liefert das umgewandelte elektrische Signal als Lichtimpulsüberwachungssignal an die Signalverarbeitungseinheit 12A. Wie in 19 dargestellt, enthält die Signalverarbeitungseinheit 12A außerdem eine Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionsberechnung. Beispielsweise ist die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung zwischen einer Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8 und einer Berechnungseinheit 12-9 für eine Charakteristik einer physikalische Eigenschaft in der Signalverarbeitungseinheit 12 angeordnet. Es ist zu beachten, dass eine Lichtquelle 1, ein Intensitätsmodulator 2, eine Einheit 4 zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, eine Impulssignalerzeugungseinheit 5 und eine Impulsmodulationseinheit 6 eine Lichtquelleneinheit 60 bilden, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Es ist zu beachten, dass die Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel so modifiziert werden kann, dass die Lichtimpulsverzweigungseinheit 14, die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A und die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung zu der Laserradarvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hinzugefügt werden kann.
Die Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 verzweigt einige der von der Impulsmodulationseinheit 6 erzeugten Intensitätsmodulationsimpulse und gibt die verzweigten Impulse an die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A aus.
Die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A wandelt das Lichtimpulssignal in ein elektrisches Signal (Lichtimpulsüberwachungssignal) um.
Die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung vergleicht das elektrische Signal (Lichtimpulsüberwachungssignal) von der Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A mit Informationen bezüglich einer solchen optimalen Ansteuerungsbedingung eines Intensitätsmodulationsimpulses, dass eine spektrale Charakteristik eines Empfangssignals von einem Ziel mit einer einheitlichen Frequenzgangcharakteristik des Empfangssignals einheitlich ist, und korrigiert das Ausgangssignal von der Übertragungsfunktionsberechnungseinheit 12-8. Die Informationen umfassen eine ideale Intensitätsmodulationsimpulswellenform.
<Funktionsweise>
Als nächstes wird die Funktionsweise der Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 20 beschrieben. Die Funktionsweise der Laserradarvorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Funktionsweise der Laserradarvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels dadurch, dass die Verarbeitung im Schritt ST55 hinzugefügt wird, und die nach dem Schritt des Empfangs eines Überwachungssignals (ST41A) durchgeführte Verarbeitung die Verarbeitung im Schritt ST55 ist. Um redundante Beschreibungen zu vermeiden, werden nur die Punkte beschrieben, die sich von der Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiels unterscheiden.
Es ist zu beachten, dass die Schritte ST51 bis ST54 in 20 im Wesentlichen den Schritten ST1 bis ST8 in 17 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechen. Ein Grund, warum das Wort „im Wesentlichen“ verwendet wird, ist, dass sich die in 20 dargestellte Verarbeitung von der in 17 dargestellten Verarbeitung dadurch unterscheidet, dass die Verarbeitung der Erzeugung eines Rückkopplungssignals auf der Grundlage eines Monitorsignals (Schritte ST41 bis ST44) weggelassen wird. Es ist zu beachten, dass die Laserradarvorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels auch eine Verarbeitung zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals auf der Grundlage eines Überwachungssignals (Schritte ST41 bis ST44) ähnlich wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel durchführen kann.
In Schritt ST41A der 20 empfängt die Lichtimpulsüberwachungseinheit 15A ein Lichtimpulssignal als ein von der Lichtimpulsverzweigungseinheit 14 abgezweigtes Überwachungssignal, wandelt das empfangene Lichtimpulssignal in ein elektrisches Signal um und liefert das umgewandelte elektrische Signal als Lichtimpulsüberwachungssignal an die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung der Signalverarbeitungseinheit 12A.
In Schritt ST55 vergleicht die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung eine Wellenform des elektrischen Signals (Lichtimpulsüberwachungssignal) von der Lichtimpulsüberwachungseinheit 15, die in Schritt ST41A erfasst wurde, mit einer idealen Intensitätsmodulationsimpulswellenform, die im Voraus gehalten wird, sagt einen Fehler eines Übertragungsfunktionsberechnungsergebnisses voraus oder berechnet ihn, der durch eine Abweichung zwischen diesen Wellenformen verursacht werden kann, und korrigiert den Fehler, wodurch die Übertragungsfunktion korrigiert wird.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Korrektur durch die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionsberechnung nach der Integrationsverarbeitung und nach der SNR-Berechnung durchgeführt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann jedoch so modifiziert werden, dass die Korrektur durch die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionsberechnung vor der Integrationsverarbeitung oder vor der SNR-Berechnung erfolgt. In einem Fall, in dem die Korrektur durch die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung vor der Integrationsverarbeitung durchgeführt wird, ist die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung zwischen der Frequenzanalyseeinheit 12-4 und der Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 angeordnet, und die Verarbeitung in Schritt ST55 wird unmittelbar nach Schritt ST12 durchgeführt. In einem Fall, in dem die Korrektur durch die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung vor der SNR-Berechnung durchgeführt wird, ist die Einheit 12-11 zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung zwischen der Integrationsverarbeitungseinheit 12-5 und der SNR-Berechnungseinheit 12-6 angeordnet, und die Verarbeitung in Schritt ST55 wird unmittelbar nach Schritt ST13 durchgeführt.
<Auswirkungen>
Mit der Laserradarvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen Fehler einer Übertragungsfunktionscharakteristik zu korrigieren, der aus der Ungleichmäßigkeit der Impulsleistung oder des Intensitätsmodulationsgrads zwischen den Intensitätsmodulationsimpulsen berechnet wird, die erzeugt werden, wenn die Intensitätsmodulation mit einer Frequenz fk auf jeden Impuls Pk angewendet wird, und eine Charakteristik der physikalische Eigenschaft genauer zu berechnen.
Es ist zu beachten, dass die Ausführungsbeispiele kombiniert werden können und dass jedes der Ausführungsbeispiele in geeigneter Weise geändert oder weggelassen werden kann.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Laserradarvorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann als Laserradarvorrichtung zur Berechnung eines physikalischen Eigenschaftsparameters, wie z. B. eines Extinktionskoeffizienten eines Ziels, verwendet werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1: Lichtquelle, 2: Intensitätsmodulator, 3: Triggergenerator-Schaltungseinheit, 4: Einheit zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, 4-1: Intensitätsmodulationssignal-Erzeugungseinheitsgruppe, 4-2: Intensitätsmodulationssignal-Mischeinheit, 4A: Einheit zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, 4B: Einheit zur Erzeugung des Intensitätsmodulationssignals, 5: Impulssignalerzeugungseinheit, 5B: Impulssignalerzeugungseinheit, 6: Impulsmodulationseinheit, 7: sendeseitiges optisches System, 8: Sende- und Empfangstrenneinheit, 9: Teleskop, 10: empfangsseitiges optisches System, 11: Lichtempfangseinheit, 12: Signalverarbeitungseinheit, 12A: Signalverarbeitungseinheit, 12-1: Filterverarbeitungseinheit, 12-2: A/D-Wandlereinheit, 12-3: Entfernungsbin-Teilungseinheit, 12-4: Frequenzanalyseeinheit, 12-5: Integrationsverarbeitungseinheit, 12-6: SNR-Berechnungseinheit, 12-7: Entfernungscharakteristikberechnungseinheit, 12-8: Übertragungsfunktionsberechnungseinheit, 12-9: Berechnungseinheit für eine Charakteristik einer physikalischen Eigenschaft, 12-10: Berechnungseinheit für eine Entfernungscharakteristik einer physikalischen Eigenschaft, 12-11: Einheit zur Korrektur der Übertragungsfunktionberechnung 13: Scanner, 14: Lichtimpulsverzweigungseinheit, 15: Lichtimpulsüberwachungseinheit, 15A: Lichtimpulsüberwachungseinheit, 16: Lichtimpulskorrektureinheit, 60: Lichtquelleneinheit, 60A: Lichtquelleneinheit, 60B: Lichtquelleneinheit, 100a: Verarbeitungsschaltung, 100b: Prozessor, 100c: Speicher
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

L. J. Mullen, A. J. C. Vieira, P. R. Herezfeld und V. M. Contarino, „Application of RADAR technology to aerial LIDAR systems for enhancement of shallow underwater target detection,“ in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 43, no. 9, pp. 2370-2377 [0003]

Claims

Laserradarvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelleneinheit zur Ausgabe einer Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen durch periodische Intensitätsmodulation von Laserlicht unter Verwendung von Intensitätsmodulationssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen; ein Teleskop, um die Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen zu einem Ziel zu senden und das vom Ziel reflektierte Licht als Empfangslicht zu empfangen; eine Lichtempfangseinheit zur Erzeugung eines elektrischen Empfangssignals durch photoelektrische Umwandlung des Empfangslichts; und eine Signalverarbeitungseinheit zur Berechnung einer Entfernung und eines physikalischen Eigenschaftsparameters des Ziels auf der Grundlage des elektrischen Empfangssignals.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelleneinheit die Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen erzeugt, indem sie eine Vielzahl von Intensitätsmodulationssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen über die Zeit erzeugt oder gleichzeitig eine Vielzahl von Intensitätsmodulationssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt und mischt.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 2, wobei: die Lichtquelleneinheit die Intensitätsmodulationssignale mit unterschiedlichen Frequenzen an die Signalverarbeitungseinheit ausgibt und die Signalverarbeitungseinheit ein Spektrumsignal erzeugt, indem sie eine Frequenzanalyse des elektrischen Empfangssignals unter Verwendung von Informationen über eine Frequenz durchführt, die für die Erzeugung eines beliebigen der Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulse verwendet wird, und eine Frequenz und ein Signal-Rausch-Verhältnis des Spektrumsignals erfasst.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Signalverarbeitungseinheit eine Frequenzanalyse des elektrischen Empfangssignals unter Verwendung von Informationen über Frequenzen durchführt, die für die Erzeugung von zwei oder mehr Arten von Intensitätsmodulationsimpulsen aus der Vielzahl von Intensitätsmodulationsimpulsen verwendet werden, eine Vielzahl von Spektren erzeugt, die sich auf das vom Ziel reflektierte Empfangslicht beziehen, das im gleichen Bereich liegt, und die Frequenzabhängigkeit der Signal-Rausch-Verhältnisse der Vielzahl von Spektren analysiert.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Signalverarbeitungseinheit die Übertragungsfunktionscharakteristik des Ziels, das sich im selben Bereich befindet, anhand der Frequenzabhängigkeit der Signal-Rausch-Verhältnisse analysiert.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Parameter einer physikalischen Eigenschaft des Ziels, der im gleichen Bereich liegt, auf der Grundlage der Übertragungsfunktionscharakteristik bewertet wird.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die Lichtquelleneinheit einen Intensitätsmodulationsimpuls mit einer ersten Wellenlänge und einen Intensitätsmodulationsimpuls mit einer zweiten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wellenlänge ausgibt, und die Signalverarbeitungseinheit eine Absorptionswellenlänge und eine Konzentration des Ziels aus einem Empfangssignalintensitätsverhältnis zwischen Empfangslicht mit der ersten Wellenlänge und Empfangslicht mit der zweiten Wellenlänge berechnet.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die Lichtquelleneinheit einen Intensitätsmodulationsimpuls mit zwei orthogonalen Polarisationszuständen ausgibt, und die Signalverarbeitungseinheit eine Partikelform des Ziels aus dem Intensitätsverhältnis des Empfangssignals der beiden Polarisationen auswertet.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine Lichtimpulsüberwachungseinheit zur photoelektrischen Umwandlung des von der Lichtquelleneinheit erzeugten Intensitätsmodulationsimpulses; und eine Lichtimpulskorrektureinheit zur Ausgabe eines Rückkopplungssignals zur Steuerung der Impulsleistung und einer Modulationsintensität eines Sendeimpulses auf der Grundlage eines elektrischen Signals von der Lichtimpulsüberwachungseinheit.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Lichtimpulskorrektureinheit eine ideale Intensitätsmodulationsimpulswellenform hält, eine Abweichung durch Vergleichen einer Wellenform eines elektrischen Signals von der Lichtimpulsüberwachungseinheit mit der idealen Intensitätsmodulationsimpulswellenform berechnet und ein Rückkopplungssignal an die Lichtquelleneinheit ausgibt, um die Abweichung zu unterdrücken.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 6, das ferner eine Lichtimpulsüberwachungseinheit umfasst, um den von der Lichtquelleneinheit erzeugten Intensitätsmodulationsimpuls fotoelektrisch umzuwandeln, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner eine mit der Lichtimpulsüberwachungseinheit verbundene Einheit zur Korrektur der Übertragungsfunktionsberechnung enthält, um eine Korrektur auf der Grundlage eines elektrischen Signals von der Lichtimpulsüberwachungseinheit durchzuführen.
Laserradarvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einheit zur Korrektur der Übertragungsfunktionsberechnung im Voraus Informationen bezüglich einer solchen optimalen Ansteuerbedingung eines Intensitätsmodulationsimpulses hält, dass eine spektrale Charakteristik eines Empfangssignals von einem anderen Ziel mit einer einheitlichen Frequenzgangcharakteristik des Empfangssignals einheitlich ist, und die Unsicherheit des durch den Intensitätsmodulationssendeimpuls erzeugten Empfangssignals durch Vergleichen der Informationen mit einem elektrischen Signal von der Lichtimpulsüberwachungseinheit korrigiert.