JP2017198514A - 計測装置及び信号処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化、軽量化及び低消費電力化を実現すること。
【解決手段】ライダ１は、低ピーク電力・長時間パルスで、かつ、所定の変調が施された送信信号を送信する送信ユニット１０と、送信信号に応じた参照信号に所定のドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成するドップラーシフト参照信号作成部３０と、送信信号に対する対象物からの受信信号を受信する受信ユニット４０と、受信信号と参照信号及びドップラーシフト参照信号との間で距離推定信号処理を実施する信号処理部５０とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機や衛星、自動車などの様々な技術分野に用いられる計測装置及び信号処理方法に関するものであり、典型的にはライダ及びその信号処理方法に関するものである。
これまでレーダにおいて、高ピーク電力・短時間パルス送信に対して、低ピーク電力・長時間パルス送信を利用した高効率化が成されてきた。これは、長時間パルスに対し任意の変調を施して広周波数帯域化した信号を送信し、対象物からの受信信号に対し距離推定信号処理を適用することで、高効率化（空間的に詳細な情報を高い信号対雑音比で得る）を実現するものである。
距離推定信号処理方式としては、既知の送信信号（参照信号）の類似性に基づくパルス圧縮方式、参照信号の変調に基づき受信信号の周波数成分から距離推定を行うＦＭＣＷ （Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式、の二つが主に用いられてきた（特許文献１〜４、非特許文献１参照）。
米国特許８，９７４，３９０ 米国特許８，５８１，７７８ 米国特許７，３９１，３６２ 米国特許７，１７０，４４０
Ｍｅｒｒｉｌｌ Ｓｋｏｌｎｉｃ,"Ｒａｄｅｒ Ｈａｎｄｂｏｏｋ, Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ"ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ, Ｃｈａｐｔｅｒ ８．
この種のシステムにおいては、受信信号には対象物との間の相対速度に対応したドップラー周波数シフトが付加されるため、これにより参照信号との間に差異が生まれ、効率が劣化する問題がある。ドップラー周波数シフトは送信周波数に比例するため、特に光を送信するライダにおいては、上記高効率化技術の適用そのものが困難であった。
一方、高ピーク電力・短時間パルス送信の場合には、特に光を送信するライダにおいては、パワーアンプやこれを冷却するシステムのサイズが大きくなり、かつ、重量も重くなり、更には消費電力が大きくなる、という問題がある。
また、レーダにおいても同様の理由で受信信号の劣化の問題があり、更なる低ピーク電力・長時間パルス送信の妨げとなっている。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、小型化、軽量化及び低消費電力化を実現することができる計測装置及び信号処理方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る計測装置は、低ピーク電力・長時間パルス（連続波含む）で、かつ、所定の変調が施された送信信号を対象物に送信する送信ユニットと、前記送信信号に応じた参照信号に所定のドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成するドップラーシフト参照信号作成部と、前記送信信号に対する前記対象物からの受信信号を受信する受信ユニットと、前記受信信号と前記参照信号及び前記ドップラーシフト参照信号との間で距離推定信号処理を実施する信号処理部とを具備する。計測装置としては、典型的にはライダであるが、本発明はレーダにも適用可能である。
本発明により、ライダにおいては低ピーク電力・長時間パルス送信を利用した高効率化が可能となり、システムの小型化、軽量化及び低消費電力化を実現することができる。また、レーダにおいては受信信号の劣化を防ぐことができ、更なる低ピーク電力・長時間パルス送信が可能となる。
本発明の一形態に係る計測装置では、前記ドップラーシフト参照信号作成部は、前記参照信号に前記対象物との間の相対速度に基づき任意に設定した前記ドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成するものである。
本発明の一実施形態に係る計測装置では、前記ドップラーシフト参照信号作成部は、１以上のドップラーシフト参照信号を作成するものである。２つ以上の異なるドップラーシフト参照信号を作成するものであってもよい。
本発明の一形態に係る計測装置では、前記信号処理部による独立した処理結果を用いて、任意の距離におけるドップラースペクトルとして、前記対象物の情報を出力するものである。
本発明の一形態に係る信号処理方法は、低ピーク電力・長時間パルス（連続波含む）で、かつ、所定の変調が施された送信信号を対象物に送信し、前記送信信号に応じた参照信号に所定のドップラー周波数シフトを施した複数のドップラーシフト参照信号を作成し、前記送信信号に対する対象物からの受信信号を受信し、前記受信信号と前記参照信号及び各前記ドップラーシフト参照信号との間で距離推定信号処理を実施し、前記実施された独立した処理結果を用いて前記対象物の情報を出力するものである。
本発明により、小型化・軽量化・低消費電力化を実現することができる。
本発明の一実施形態に係るライダの構成を示すブロック図である。 高ピーク電力・短時間パルス及び低ピーク電力・長時間パルスの例を示すグラフである。 受信強度の距離プロファイルの一例を示すグラフである。 受信電力の速度プロファイルの一例を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るライダの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、ライダ１は、典型的には、パルス状のレーザ光（送信信号）を遠距離にある対象物２、例えば風等の粒子状散乱体に向けて照射し、粒子状散乱体からの散乱光を受信する。ライダ１は、受信した受信信号に基づき、遠距離にある対象物２までの距離やその対象物２の性質（例えば、反射強度、相対速度など）に関する情報３を出力する。なお、対象物２としては、風等の粒子状散乱体の他、航空機等の単一の物体、或いは複数の航空機などであってもよい。
ライダ１は、送信ユニット１０と、記憶部２０と、ドップラーシフト参照信号作成部３０と、受信ユニット４０と、信号処理部５０と、出力部６０とを有する。
送信ユニット１０は、パルス状のレーザ光からなる送信信号を送信する。例えば、送信ユニット１０は、光変調器において、外部共振器型レーザダイオード（ＥＣＬＤ）より出力された長時間パルスを、パルス圧縮方式の場合には発信器が発信したチャープ信号で変調し、その信号を増幅器及び望遠鏡を介して送信する。なお、このようなパルスに対する所定の変調は、ＡＭ変調、ＦＭ変調、位相変調などのいずれであっても構わない。例えば、ＦＭＣＷ （Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式などを用いることができる。
送信ユニット１０は、典型的には図２に示すように、送信信号として低ピーク電力・長時間パルス（連続波含む）で、かつ、所定の変調が施された繰り返しパルス２０１を送信する。図２において、符号２０２は高ピーク電力・短時間パルスの一例を示している。航空機に搭載されるライダ１の場合には、例えば高ピーク電力・短時間パルスのピーク電力が数十Ｗ程度以上でパルス幅が１μｓｅｃ程度、パルスの繰り返し間隔が１００μｓｅｃ程度であるのに対して、低ピーク電力・長時間パルス（連続波含む）とは、典型的には、ピーク電力が１Ｗ程度でパルス幅が数十μｓｅｃ程度、パルスの繰り返し間隔が１００μｓｅｃ程度である。ただし、これらのピーク電力やパルス幅などは用途によって様々である。
記憶部２０は、送信信号に応じた参照信号として、パルスに対する変調信号を保存する。
ドップラーシフト参照信号作成部３０は、記憶部２０に記憶された参照信号に所定のドップラー周波数シフトを施した複数のドップラーシフト参照信号を作成する。
ドップラーシフト参照信号作成部３０は、典型的には、参照信号に、対象物２との間の相対速度、例えば対象物２である粒子状散乱体に対して任意に設定した風速に応じたドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成する。
例えば、ドップラーシフト参照信号作成部３０は、参照信号に風速を１ｍ／ｓとしたときのドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号、参照信号に２ｍ／ｓとしたときのドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号、参照信号に３ｍ／ｓとしたときのドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号などを作成する。このような風速値や作成するドップラーシフト参照信号の数は適宜設定すれば良い。また、この実施形態では、参照信号に風速に応じたドップラー周波数シフトを施すものであるが、風速以外の他のパラメータ、例えば航空機がこのライダ１を搭載する場合には任意に設定した航速に応じたドップラー周波数シフトを、参照信号に施すものであってもよい。更に、例えばこのような航速及び上記のような風速の両方を加味したものに応じたドップラー周波数シフトを、参照信号に施すものであってもよい。
受信ユニット４０は、送信信号に対する対象物２からの受信信号（散乱光）を受信する。例えば、受信ユニット４０は、望遠鏡を介して散乱光を入光し、上記の外部共振器型レーザダイオード（ＥＣＬＤ）の出力であるＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）信号と重畳して光電変換する。
信号処理部５０は、光電変換された受信信号と記憶部２０に保存された参照信号及びドップラーシフト参照信号作成部３０により作成された各ドップラーシフト参照信号との間で距離推定信号処理を実施する。
ここで、距離推定信号処理とは、受信信号が既知の信号（参照信号）パターンに基づいて形成されることを利用して、受信信号と参照信号又はドップラーシフト参照信号を入力に含む計算から、受信強度の距離プロファイルを算出することで距離推定を行うものである。非特許文献１に記載されたマッチドフィルタを例にとると、これは受信信号と参照信号（ドップラーシフト参照信号）との相互相関を計算する。
例えば、受信信号をｓｒｅｃ（ｔ）、参照信号（ドップラーシフト参照信号）をｓｒｅｆ（ｔ）とすると、相互相関Ｃ（τ）は以下のように算出する。
Ｃ（τ）＝∫ｓｒｅｆ（ｔ−τ）ｓｒｅｃ（ｔ）ｄｔ
相互相関の計算の結果、伝搬経路上の対象物２は、例えば図３に示すように、受信強度の距離プロファイル上相対距離に対応する位置に、対象物２からの受信強度を有し、かつ、参照信号の周波数帯域幅に逆比例する不確定性を有して現れる。ここで、図３は受信強度の距離プロファイルの一例であり、単一の対象物２が相対距離約７５ｍに存在した場合の例である。距離プロファイルは、典型的には、デルタ関数ではなく、図のような幅（不確定性）を持った関数で現れる。
出力部６０は、得られた複数の独立サンプルを用いて、観測対象の情報（ドップラースペクトル）を任意の距離で出力する。ドップラースペクトルとは、例えば図４に示すように、任意の距離における、受信強度のドップラー速度プロファイルである。ここで、図４は受信電力の速度プロファイルの一例であり、対象物２の相対速度が０ｍ／ｓｅｃの場合の例を示している。なお、図４では速度が正の側しか表示していないが、通常速度の定義域は−ｘｘ〜ｘｘ ｍ/ｓｅｃのように正負に渡る。
このように本実施形態に係るライダ１では、上記の全ての参照信号及びドップラーシフト参照信号（それぞれが任意の速度に対応）による距離推定信号処理結果から、任意の距離を取り出すことで、図４に例示したドップラースペクトル（受信強度のドップラー速度プロファイル）が構成される。
本実施形態に係るライダ１では、受信信号には対象物２との間の相対速度、例えば風等の粒子状散乱体の風速に応じたドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成し、受信信号と参照信号だけでなくドップラーシフト参照信号との間でも距離推定信号処理を実施している。従って、ドップラー周波数シフトのレベルが大きくなっても低ピーク電力・長時間パルス送信を利用した高効率化が実現できる。よって、送信ユニットのパワーアンプやこれを冷却するシステムを小規模化できる。つまり、本実施形態に係るライダ１は、観測における空間情報の詳細さ及び信号対雑音比に関して高ピーク電力・短時間パルス送信と同等の性能を有した上で、小型化、軽量化及び低消費電力化を実現することができる
本技術に係るライダは、以下の示す様々な技術分野に適用可能である。
・航空機メーカ
航空機という搭載物に対してサイズ・重量・消費電力に厳しい制限があるプラットフォームにおいて、本技術を適用した小型・軽量・低消費電力のライダを搭載する。風速の検知結果等を用いて、気流の乱れの回避飛行や航空機制御による安定飛行等を実現する。小型化・軽量化・低消費電力化により、現時点での最新技術で想定されている大型の航空機だけでなく、中型以下の航空機への搭載が可能となり、適用範囲が広がる。
・衛星メーカ
人工衛星という搭載物に対してサイズ・重量・消費電力に厳しい制限があるプラットフォームにおいて、本技術を適用した小型・軽量・低消費電力のライダを搭載する。風速や微小粒子の濃度等の地球環境計測を行い、気候変動に関する知見等の科学的貢献を行う。同ミッションを目的とした人工衛星のプラットフォームとしての要求を下げることが可能となる。
・自動車メーカ
航空機同様、本技術を適用した小型・軽量・低消費電力のライダを搭載することで、自動車運転の安全性を高めることが可能となる。
・風資源調査
風力発電設備の設置場所選定のために、本技術を適用した小型・軽量・低消費電力のライダを利用する。小型化・軽量化・低消費電力化により運用が容易となることで、より優れた設置場所確保の実現及び調査費の削減が期待される。なお、風資源調査における風観測ライダの市場は欧州において大きい。
・大気汚染調査
風資源調査に同じである。
・空港の安全運航
本技術を適用した小型・軽量・低消費電力のライダを地上設置し、得られた風データを空港の安全運航及び運航効率の向上のために利用する。大空港における運航効率の向上の手段の代表として新たな滑走路の建設が挙げられるが、風観測ライダの情報による運航効率の向上は、これに比して経済性のメリットが大きいという試算が出ており、国内外の大空港では既に設置が進んでいる。本技術はこの経済性のメリットを大幅に向上するものである。一方地方空港に目を向けると、風の影響が大きい空港が多いものの、現在のライダを設置運用することに負担が大きく、現状配備の計画はない。本技術によりもたらされる経済性のメリットは、地方空港への風観測ライダの配備を進めることが期待できる。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、様々に変形して実施が可能であり、その実施も本発明の技術思想の範囲内にある。
例えば、上記の実施形態では、本発明をライダに適用したものであるが、本発明はレーダにも適用できる。
また、上記の実施形態では、複数のドップラーシフト参照信号を前提に説明したが、ドップラーシフト参照信号は１つであっても構わない。
更に、送信ユニットや受信ユニットの構成は上記の実施形態に限定されず、様々な形態が考えられる。例えば、送受信ユニットで望遠鏡等を共有しても良い。
１ ライダ
２ 対象物
３ 対象物の情報
１０ 送信ユニット
２０ 記憶部
３０ ドップラーシフト参照信号作成部
４０ 受信ユニット
５０ 信号処理部
６０ 出力部

Claims (5)

  1. 低ピーク電力・長時間パルス（連続波含む）で、かつ、所定の変調が施された送信信号を対象部に送信する送信ユニットと、
    前記送信信号に応じた参照信号に所定のドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成するドップラーシフト参照信号作成部と、
    前記送信信号に対する前記対象物からの受信信号を受信する受信ユニットと、
    前記受信信号と前記参照信号及び前記ドップラーシフト参照信号との間で距離推定信号処理を実施する信号処理部と
    を具備する計測装置。
  2. 請求項１に記載の計測装置であって、
    前記ドップラーシフト参照信号作成部は、前記参照信号に前記対象物との間の相対速度に基づき任意に設定した前記ドップラー周波数シフトを施したドップラーシフト参照信号を作成する
    計測装置。
  3. 請求項１又は２に記載の計測装置であって、
    前記ドップラーシフト参照信号作成部は、１以上のドップラーシフト参照信号を作成する
    計測装置。
  4. 請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の計測装置であって、
    前記信号処理部による独立した処理結果を用いて、任意の距離におけるドップラースペクトルとして、前記対象物の情報を出力する
    計測装置。
  5. 低ピーク電力・長時間パルス（連続波含む）で、かつ、所定の変調が施された送信信号を対象物に送信し、
    前記送信信号に応じた参照信号に所定のドップラー周波数シフトを施した複数のドップラーシフト参照信号を作成し、
    前記送信信号に対する前記対象物からの受信信号を受信し、
    前記受信信号と前記参照信号及び各前記ドップラーシフト参照信号との間で距離推定信号処理を実施し、
    前記実施された独立した処理結果を用いて前記対象物の情報を出力する
    信号処理方法。
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