JP2006258484A

JP2006258484A - レーザレーダ装置

Info

Publication number: JP2006258484A
Application number: JP2005073373A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kiyosue; 英敬清末
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP4794876B2

Abstract

【課題】簡単な構成で送受信機能の故障診断を行うことのできるレーザレーダ装置を提供する。
【解決手段】サーキュレータ５から送られてくる送信光を空中に放射し、該放射した送信光の反射光を受信して受信光としてサーキュレータ５に送るスキャナ６と、送信光を生成してサーキュレータ５に送るとともに、サーキュレータ５から送られてくる受信光と送信光がサーキュレータを通過する際に反射された戻り光とに基づき受信ビデオ信号を生成する光送受信機４と、光送受信機４から送られてくる受信ビデオ信号に戻り光の信号が含まれるかどうかによってレーダ送受信機能の故障の有無を判定する故障診断を実行する信号処理器２とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、空中に放射したレーザ光が空気中のエアロゾルに衝突して反射される散乱光を受信して風向や風速を計測するレーザレーダ装置に関する。

従来、レーザ光を使用して風向や風速を測定するレーザレーダ装置が知られている。このレーザレーダ装置は、スキャナから空中に向けて放射したレーザ光が、空気中に浮遊する微小な液体または固体の粒子といったエアロゾルに衝突して跳ね返ってくる散乱光をスキャナで受信し、このスキャナで受信された受信光を信号処理することによりドップラ周波数を求め、そのドップラ周波数に基づいて風向や風速を算出する。

このような従来のレーザレーダ装置では、空気中のエアロゾルの量やエアロゾル粒子の性状等が不明であるため、受信光の振幅値がどれぐらいあればレーダ送受信機能としては正常であるかという判断を適格に行うことができないという問題があった。

また、送信光を放射してから受信光が得られるまでの時間には、レーザレーダ装置の内部の電気回路の電気的線路長に起因する遅延時間が含まれる。そのため、従来のレーザレーダ装置においては、目標までの距離を正確に求めるために、電気的線路長によって生じる遅延量を試験段階で予め測定し、この測定値を用いて目標までの距離を算出する際に補正する必要があった。その結果、試験が複雑になり、また、経時変化や温度等の影響を受けてレーザレーダ装置の内部の電気回路の電気的線路長が変化した場合は目標までの距離を正確に算出できないという問題があった。

このような問題を解消するレーザレーダ装置として、特許文献１は、動作中であっても測距に関する全機能の点検を可能にする技術を開示している。この特許文献１に開示されたレーザレーダ装置は、レーザ発振部で発振された光ビームを走査する光ビーム走査部と、反射光を受光するストップ光検出部と、光ビーム走査部で走査された光を光ファイバに結合させる鏡および結合光学系と、結合したレーザ光にあらかじめ定めた減衰を与える減衰器と、減衰されたレーザ光をストップ光検出部に結合させる放射光学系および受光光学系とを備え、光ファイバで遅延された時間に基づいて送受信系における動作状態の自己確認を行うようにしている。

特開２００１−２１５２７５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のレーザレーダ装置は、送受信系における動作状態の自己確認を行うためには、鏡、結合光学系、光ファイバ、減衰器、放射光学系といった特別のハードウェアが必要になる。その結果、レーザレーダ装置の構成が複雑になるという問題がある。

また、レーザレーダ装置の内部の電気回路の電気的線路長によって生じる遅延時間の補正は考慮されていないため、経時変化、温度変化などの影響を大きく受け、目標までの距離を正確に算出できないという問題がある。

この発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その第１の目的は、簡単な構成で送受信機能の故障診断を行うことのできるレーザレーダ装置を提供することにある。

また、この発明の第２の目的は、経時変化や温度変化などの影響を受けずに、目標までの距離を正確に算出できるレーザレーダ装置を提供することにある。

この発明に係るレーザレーダ装置は、上記第１目的を達成するために、サーキュレータから送られてくる送信光を空中に放射し、該放射した送信光の反射光を受信して受信光としてサーキュレータに送るスキャナと、送信光を生成してサーキュレータに送るとともに、サーキュレータから送られてくる受信光と送信光がサーキュレータを通過する際に反射された戻り光とに基づき受信ビデオ信号を生成する光送受信機と、光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号に戻り光の信号が含まれるかどうかによってレーダ送受信機能の故障の有無を判定する故障診断を実行する信号処理器とを備えている。

この発明に係るレーザレーダ装置は、上記第２目的を達成するために、サーキュレータから送られてくる送信光を空中に放射し、該放射した送信光の反射光を受信して受信光としてサーキュレータに送るスキャナと、送信光を生成してサーキュレータに送るとともに、サーキュレータから送られてくる受信光と送信光がサーキュレータを通過する際に反射された戻り光とに基づき受信ビデオ信号を生成する光送受信機と、光送受信機に対して送信光の生成を指示してから、該光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号中に戻り光の信号が検出されるまでの時間を求めて電気的遅延量とし、光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号中に含まれる受信光の信号を電気的遅延量に基づいて補正した後に、目標捜索を実行する信号処理器を備えている。

この発明によれば、光送受信機から送出された送信光がサーキュレータを通過する際に反射されて発生する戻り光を受信できるかどうかによって、レーダ送受信機能の故障の有無を判定するように構成したので、特別なハードウェアを必要とせず、レーダ送受信機能が正常であるかの故障診断を簡単な構成で実施できる。

この発明によれば、光送受信機から送出された送信光がサーキュレータを通過する際に反射されて発生する戻り光が受信されるまでの時間に基づいて電気的遅延量を求めるように構成したので、特別なハードウェアを必要とせず、電気的遅延量の測定を簡単に行うことができる。その結果、経時変化や温度変化などの影響を受けずに、目標までの距離を正確に算出できる。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーザレーダ装置は、制御部１、信号処理器２、スキャナ制御部３、光送受信機４、サーキュレータ５、スキャナ６、操作部７および出力部８から構成されている。

制御部１は、このレーザレーダ装置の全体を制御する。すなわち、制御部１は、自己の内部処理の結果に従って、または、操作部７から送られてくる操作コマンドに応答して、レーザレーダ装置を制御するための種々の制御コマンドを生成する。制御コマンドの詳細は後述する。この制御部１で生成された制御コマンドは信号処理器２に送られる。また、制御部１は、信号処理器２から送られてくる信号処理の結果に従って、例えば風向および風速を表すメッセージを生成し、出力部８に送る。これにより、出力部８において、例えば風向および風速を表す情報が表示や音声によって出力される。

信号処理器２は、制御部１から送られてくる制御コマンドに応答して、スキャナ６を制御するためのスキャナ制御コマンドを生成する。この生成されたスキャナ制御コマンドは、スキャナ制御部３に送られる。また、信号処理器２は、制御部１から送られてくる制御コマンドに応答して、送信光を出力するタイミングを規定する送信タイミング信号を生成する。この生成された送信タイミング信号は、光送受信機４に送られる。

また、信号処理器２は、光送受信機４から送られてくる受信ビデオ信号に対して信号処理を施すことにより、該受信ビデオ信号からドップラ周波数および遅延時間（送信光を放射してから受信光が得られるまでの時間）を抽出し、これらに基づいて風向および風速を検出する。この信号処理器２は、何れも図示を省略するが、周波数分析装置、目標検出部および風向・風速算出処理部を備えている。

周波数分析装置は、光送受信機４から送られてくるデジタルの受信ビデオ信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数スペクトルを求め、目標検出部に送る。目標検出部は、周波数分析装置から送られてきた周波数スペクトルの周波数分布と所定の閾値とを比較し、閾値を越えた周波数のなかで極大となる周波数を目標物として検出する。この目標検出部において検出された目標物の周波数は、風向・風速算出処理部に送られる。風向・風速算出処理部では、目標検出部から受け取った目標物の周波数と受信ビデオ信号から抽出した遅延時間とに基づき風向および風速を求める。この信号処理器２で求められた風向および風速は、信号処理の結果として制御部１に送られる。

スキャナ制御部３は、信号処理器２から送られてくるスキャナ制御コマンドに従って、ビームスキャンパターンを指示するビーム制御コマンドを生成する。このスキャナ制御部３で生成されたビーム制御コマンドは、スキャナ６に送られる。光送受信機４は、信号処理器２から送られてくる送信タイミング信号に基づき送信光を生成し、サーキュレータ５に送る。また、光送受信機４は、サーキュレータ５から送られてくる受信光を取り込み、送信光との差分を算出する。そして、この算出した差分をＡ／Ｄ変換器（図示しない）を用いてデジタル信号に変換し、受信ビデオ信号として信号処理器２に送る。

サーキュレータ５は、光送受信機４から送られてくる送信光をスキャナ６に送るとともに、スキャナ６から送られてくる受信光を光送受信機４に送る。スキャナ６は、スキャナ制御部３から送られてくるビーム制御コマンドに従ったビームスキャンパターンで、サーキュレータ５から送られてくる送信光を空中に放射する。また、スキャナ６は、送信光が空気中のエアロゾルに衝突して跳ね返ってくる散乱光を受信し、受信光としてサーキュレータ５に送る。

操作部７は、ユーザがレーザレーダ装置に各種の動作、例えば故障診断の実行を指示するために用いられる。この操作部７の操作により発生された操作コマンドは制御部１に送られる。出力部８は、例えば表示器や音声出力装置から構成されており、制御部１から送られてくるメッセージに従って、例えば風向および風速を表す情報を表示器に表示し、また、音声出力装置から音声によって出力する。

次に、上記のように構成される、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作を説明する。まず、送信光を空中に放射し、この送信光と送信光がエアロゾルで反射することにより得られる受信光とに基づいて、風速Ｖおよび目標までの距離Ｒを算出する通常の目標捜索の動作について説明する。なお、この目標捜索は、所定時間毎に間欠的に実行される。

制御部１は、レーザレーダ装置の通常の動作として風向・風速算出処理が実施される場合、まず、信号処理器２に風向・風速算出実施コマンドを送る。この風向・風速算出実施コマンドを受信した信号処理器２は、風向・風速算出処理を実行すべき旨を認識し、受信ビデオ信号の取り込み位置（受信開始位置）を「レンジゼロ点」に設定する（図２参照）。また、信号処理器２は、送信タイミング信号を生成して光送受信機４に送る。さらに、信号処理器２は、スキャナ制御コマンドを生成してスキャナ制御部３に送る。

信号処理器２から送信タイミング信号を受け取った光送受信機４は、送信光を生成してサーキュレータ５に送る。サーキュレータ５は、光送受信機４から受け取った送信光をスキャナ６に送る。スキャナ６は、スキャナ制御部３から供給されるビーム制御コマンドに従ったビームパターンでサーキュレータ５から送られてくる送信光を空中に放射する。

また、スキャナ６は、送信光が空気中のエアロゾルに衝突して跳ね返ってくる散乱光を受信し、受信光としてサーキュレータ５に送る。サーキュレータ５は、スキャナ６から送出される受信光を光送受信機４に送る。光送受信機４は、サーキュレータ５から送られてくる受信光と送信光との差分である受信ビデオ信号を生成して信号処理器２に送る。

信号処理器２は、光送受信機４から送られてくる受信ビデオ信号に対して信号処理を実施する。図２は、信号処理によって得られる目標信号と時間との関係を示し、図３は、信号処理によって得られる目標信号とドップラ周波数との関係を示したものである。

信号処理器２は、信号処理によって求められる距離Ｒに相当する遅れ時間ｔおよび風速Ｖに相当するドップラ周波数ｆｄなどに基づいて、下式（１）および（２）に従って目標までの距離Ｒおよび風速Ｖを算出する。そして、算出された目標までの距離Ｒおよび風速Ｖを表すデータを制御部１に送る。制御部１は、信号処理器２から受け取ったデータに基づき目標までの距離Ｒおよび風速Ｖを表すメッセージを生成し、出力部８に送る。これにより、目標までの距離Ｒおよび風速Ｖが表示や音声によってオペレータに報知される。

Ｒ＝Ｃ×ｔ／２ …（１）
Ｖ＝（Ｃ／（２＊ｆ₀））＊ｆｄ …（２）
ここで、
ｔ：目標までの距離に相当する遅れ時間
fｄ：風速に相当するドップラ周波数
Ｒ：目標までの距離
Ｖ：風速
Ｃ：光速
ｆ₀：送信光の中心周波数
である。

次に、故障診断の動作について、図４に示す説明図を参照しながら説明する。故障診断では、上述した間欠的に実行される通常の目標捜索の空き時間、または、オペレータによる操作部７からの指示に従って、レーザレーダ装置のレーダ送受信機能が正常であるかどうかが判定される。

故障診断を実施する場合、制御部１は、まず、信号処理器２に故障診断実施コマンドを送る。この故障診断実施コマンドを受け取った信号処理器２は、故障診断を実行すべき旨を認識し、受信ビデオ信号の取り込み位置（受信開始位置）を「送信光の漏れ位置」に設定する。また、信号処理器２は、送信タイミング信号を生成して光送受信機４に送る。さらに、信号処理器２は、特定方向（例えば正面）にビームを指向させるスキャナ制御コマンドを生成してスキャナ制御部３に送る。

信号処理器２から送信タイミング信号を受け取った光送受信機４は、送信光を生成してサーキュレータ５に送る。サーキュレータ５は、光送受信機４から受け取った送信光をスキャナ６に送る。スキャナ６は、スキャナ制御部３から受け取ったビーム制御コマンドに従ったビームパターンでサーキュレータ５から送られてくる送信光を空中に放射する。

また、スキャナ６は、送信光が空気中のエアロゾルに衝突して跳ね返ってくる散乱光を受信し、受信光としてサーキュレータ５に送る。サーキュレータ５は、スキャナ６から受け取った受信光を光送受信機４に送る。光送受信機４は、サーキュレータ５から送られてくる受信光および送信光がサーキュレータ５を通過する際に反射されて発生する戻り光と、送信光との差分である受信ビデオ信号を生成して信号処理器２に送る。

信号処理器２は、光送受信機４から送られてくる受信ビデオ信号に対して、先に設定された「送信光の漏れ位置」からΔＴだけ遅れた位置の信号レベルを求める。そして、この求めた信号レベルがノイズレベルよりも高い場合、換言すれば、図４に示すように、受信開始位置からΔＴだけ遅れたところにノイズレベルよりも高い振幅値を持った戻り光が検出された場合は、信号処理器２は、レーダ送受信機能が正常に動作していると判断し、そうでなければレーダ送受信機能に異常が発生していると判断する。そして、この判断結果を表すデータを制御部１に送る。制御部１は、信号処理器２から受け取ったデータに基づきレーダ送受信機能の正常または異常を表すメッセージを生成し、出力部８に送る。これにより、レーダ送受信機能の異常の有無が表示や音声によってオペレータに報知される。

次に、レーザレーダ装置の内部の電気回路の電気的線路長による遅延量計測の動作について、図５に示す説明図を参照しながら説明する。遅延量計測は、上述した間欠的に実行される通常の目標捜索の空き時間、または、オペレータによる操作部７からの指示に従って実施される。

遅延量計測を実施する場合、制御部１は、まず、信号処理器２に遅延量計測実施コマンドを送る。この遅延量計測実施コマンドを受け取った信号処理器２は、遅延量計測を実行すべき旨を認識し、受信ビデオ信号の取り込み位置（受信開始位置）を「送信光の漏れ位置」に設定する。また、信号処理器２は、送信タイミング信号を生成して光送受信機４に送る。さらに、信号処理器２は、特定方向（例えば正面）にビームを指向させるスキャナ制御コマンドを生成してスキャナ制御部３に送る。

信号処理器２は、光送受信機４から送られてくる受信ビデオ信号に対して、先に設定された「送信光の漏れ位置」から受信ゲート幅Ｌ内にノイズレベルよりも高い振幅値を持った信号が存在するかどうかを調べる。そして、送信光の漏れ位置から受信ゲート幅Ｌ内にノイズレベルよりも高い振幅値を持った信号が存在する場合、換言すれば、図５に示すように、受信開始位置からΔＴだけ遅れた位置にノイズレベルよりも高い振幅値を持った戻り光の信号が検出された場合は、レーザレーダ装置の内部の電気回路の電気的線路長によって生じる電気的遅延量をΔＴとする。そして、通常の目標捜索時は、送信光の漏れ位置からΔＴだけ遅れた位置を受信開始位置としてデータの取り込みが開始される。これにより、真の目標までの距離を算出できる。

以上説明したように、この実施の形態１に係るレーザレーダ装置によれば、光送受信機４から送出された送信光がサーキュレータ５を通過する際に反射されて発生する戻り光を受信できるかどうかによってレーザレーダ装置のレーダ送受信機能の故障の有無を判定するように構成したので、空気中のエアロゾルの量やエアロゾル粒子の性状等とは無関係に、しかも、特別なハードウェアを必要としない簡単な構成により、レーダ送受信機能が正常であるかどうかの故障診断を実施できる。

また、故障診断を、間欠的に実行される通常の目標捜索の空き時間で実行するように構成したので、通常の目標捜索と並行して故障診断を常時行うことができる。その結果、レーザレーダ装置の性能を落とすことなく信頼性を高く維持することができる。また、故障診断は、オペレータによる操作部７からの指示に従って任意のタイミングでも実行できるように構成したので、保守性を向上させることができる。

また、この実施の形態１に係るレーザレーダ装置によれば、光送受信機４から送出された送信光がサーキュレータ５を通過する際に反射されて発生する戻り光が受信されるまでの時間遅れΔＴに基づいてレーザレーダ装置の内部の電気回路の電気的遅延量を求めるように構成したので、特別なハードウェアを必要としない簡単な構成によって、電気的遅延量の測定を行うことができる。従って、試験段階で予め電気的遅延量を測定する必要はないので、試験が簡単になる。

また、電気的遅延量の測定を、間欠的に実行される通常の目標捜索の空き時間で実行するように構成したので、通常の目標捜索と並行して電気的遅延量の測定を常時行うことができる。その結果、レーザレーダ装置の性能を落とすことなく、経時変化や温度変化などの影響を受けずに、目標までの距離を正確に算出できるので、信頼性を高く維持することができる。また、電気的遅延量の測定は、オペレータによる操作部７からの指示に従って任意のタイミングでも実行できるように構成したので、保守性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における信号処理によって得られる目標信号と時間との関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における信号処理によって得られる目標信号とドップラ周波数との関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における故障診断時の信号処理を説明するための図である。この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における電気的遅延量測定時の信号処理を説明するための図である。

符号の説明

１制御部、２信号処理器、３スキャナ制御部、４光送受信機、５サーキュレータ、６スキャナ、７操作部、８出力部。

Claims

サーキュレータから送られてくる送信光を空中に放射し、該放射した送信光の反射光を受信して受信光として前記サーキュレータに送るスキャナと、
送信光を生成してサーキュレータに送るとともに、前記サーキュレータから送られてくる受信光と前記送信光が前記サーキュレータを通過する際に反射されて発生する戻り光とに基づき受信ビデオ信号を生成する光送受信機と、
前記光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号に前記戻り光の信号が含まれるかどうかによってレーダ送受信機能の故障の有無を判定する故障診断を実行する信号処理器
とを備えたレーザレーダ装置。
信号処理器は、光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号に含まれる受信光の信号に基づき目標捜索を間欠的に実行し、該目標捜索を実行していない時間に故障診断を実行することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
故障診断の実行を指示する操作部を備え、
信号処理器は、前記操作部の操作に応答して故障診断を実行することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
サーキュレータから送られてくる送信光を空中に放射し、該放射した送信光の反射光を受信して受信光として前記サーキュレータに送るスキャナと、
送信光を生成してサーキュレータに送るとともに、前記サーキュレータから送られてくる受信光と前記送信光が前記サーキュレータを通過する際に反射されて発生する戻り光とに基づき受信ビデオ信号を生成する光送受信機と、
前記光送受信機に対して送信光の生成を指示してから、該光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号中に戻り光の信号が検出されるまでの時間を求めて電気的遅延量とし、前記光送受信機から送られてくる受信ビデオ信号中に含まれる受信光の信号を前記電気的遅延量に基づいて補正した後に、目標捜索を実行する信号処理器
を備えたレーザレーダ装置。
信号処理器は、目標捜索を間欠的に実行し、該目標捜索を実行していない時間に電気的遅延量を求めることを特徴とする請求項４記載のレーザレーダ装置。
故障診断の実行を指示する操作部を備え、
信号処理器は、前記操作部の操作に応答して電気的遅延量を求めることを特徴とする請求項４記載のレーザレーダ装置。