JP6244862B2 - Laser radar equipment - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を空間に照射するとともに対象物からの散乱光を受信して、この受信光から、風速を計測したり、計測対象までの距離または形状を計測したりするレーザレーダ装置に関する。 The present invention relates to a laser radar device that irradiates a space with laser light, receives scattered light from an object, and measures the wind speed from this received light and measures the distance or shape to the measurement target. .
従来から、レーザ光を用いて風速または風向等を計測する技術として、コヒーレントドップラーライダ技術が知られている。コヒーレントドップラーライダ技術は、単一周波数のレーザ光を大気中に照射して、エアロゾル(大気中を浮遊する粒子状物質)からの後方散乱光を受信し、この受信光をヘテロダイン検波して送信時のレーザ光の周波数に対する受信光のドップラーシフト量を算出し、このドップラーシフト量から風速または風向等の風情報を求めるものであり、気象観測、気象予想、航空・航空安全のための乱気流の検出等への応用が期待できるものである。 Conventionally, a coherent Doppler lidar technique is known as a technique for measuring a wind speed or a wind direction using a laser beam. Coherent Doppler lidar technology irradiates a single-frequency laser beam into the atmosphere, receives backscattered light from aerosols (particulate matter suspended in the atmosphere), detects this received light heterodyne, and transmits it. It calculates the Doppler shift amount of the received light with respect to the frequency of the laser beam and obtains wind information such as wind speed or direction from this Doppler shift amount, and detects turbulence for weather observation, weather forecast, aviation / aviation safety Application to such as can be expected.
このコヒーレントドップラーライダ技術を利用したレーザレーダ装置は、前述のように計測対象をエアロゾルとすれば、風情報を計測できるが、計測対象を固体の移動体にすれば、前述のような風情報の計測と同様の測定原理によって当該移動体の移動速度や移動方向を計測できる。 The laser radar device using this coherent Doppler lidar technology can measure wind information if the measurement target is an aerosol as described above, but if the measurement target is a solid moving object, the above-described wind information can be measured. The moving speed and moving direction of the moving body can be measured by the same measurement principle as the measurement.
また、レーザレーダ装置は、空間に存在する物体または海面もしくは陸面にレーザ光を照射するとともに反射光を受信し、レーザ光の照射から受信までの所要時間を算出することで、当該物体または海面等のハードターゲットについて、レーザレーダ装置からの距離または計測対象の形状等の距離情報を計測することもできる。 In addition, the laser radar device irradiates an object existing in space or the sea surface or land surface with laser light and receives reflected light, and calculates the required time from the irradiation of the laser light to reception of the object or sea surface. It is also possible to measure distance information such as the distance from the laser radar device or the shape of the measurement target.
このように、レーザレーダ装置は、エアロゾルのようなソフトターゲットを計測対象とした場合には風情報を計測でき、固体等のハードターゲットを計測対象とした場合には移動速度に加え距離情報を計測することができる。 As described above, the laser radar device can measure wind information when a soft target such as an aerosol is a measurement target, and measures distance information in addition to the moving speed when a hard target such as a solid is a measurement target. can do.
特許文献1に記載されたレーザレーダ装置は、CWレーザ(Continuous Wave laser)光源から出力されるレーザ光を音響光学素子でパルス化するとともに周波数変調し、さらに所望のレベルに光増幅した後、光増幅処理されたレーザ光を大気中へ照射して、前述のコヒーレントドップラーライダ技術を用いて風速を演算するとともに、固体等のハードターゲットを計測対象として、当該ハードターゲットの移動速度や距離を計測している。
The laser radar device described in
前述のようなレーザレーダ装置においては、計測対象が混在する状況、即ち、風情報の計測と、ハードターゲットに関する距離情報の計測とを行う状況でも、風情報と距離情報とを同一の装置で同時にかつ高精度に計測したいという要求があった。 In the laser radar device as described above, even in a situation where measurement objects are mixed, that is, in a situation where measurement of wind information and measurement of distance information regarding a hard target are performed, the wind information and the distance information are simultaneously used by the same device. In addition, there was a demand for measurement with high accuracy.
その一方で、風情報の計測精度に関係する速度の分解能と、距離情報の計測精度に関係する距離の分解能とは相反する関係にある。
速度分解能は、FFT(Fast Fourier Transform。高速フーリエ変換)時の周波数分解能によって定まるものであり、この周波数分解能は受信信号の観測時間の逆数に比例する。即ち、受信信号の観測時間が長くなるとFFT時の周波数分解能が高くなる。但し、受信信号の観測時間の最大値は、送信信号の送信パルス幅となる。
これに対し、レーザレーダ装置から計測対象までの距離は、パルスレーザの送受信の時間差から計測されるため、距離分解能は送信パルス幅によって定まる。
このため、送信パルス幅が短ければ距離分解能は高くなるが、送信パルス幅を短くした分、受信信号の観測時間が短くなり、FFT時の周波数分解能、ひいては速度分解能が低くなってしまう。
On the other hand, the resolution of the speed related to the measurement accuracy of the wind information and the resolution of the distance related to the measurement accuracy of the distance information are contradictory.
The speed resolution is determined by the frequency resolution at the time of FFT (Fast Fourier Transform), and this frequency resolution is proportional to the reciprocal of the observation time of the received signal. That is, if the observation time of the received signal becomes longer, the frequency resolution at the time of FFT becomes higher. However, the maximum value of the observation time of the received signal is the transmission pulse width of the transmission signal.
On the other hand, since the distance from the laser radar device to the measurement target is measured from the time difference between transmission and reception of the pulse laser, the distance resolution is determined by the transmission pulse width.
For this reason, if the transmission pulse width is short, the distance resolution is high. However, since the transmission pulse width is shortened, the observation time of the received signal is shortened, and the frequency resolution and the speed resolution at the time of FFT are low.
このように、速度分解能と距離分解能とが相反するという問題を解決するため、レーザレーダ装置に、コヒーレントドップラーライダ装置と、測距およびイメージングを行うセンサとを組み合わせて搭載する方法が考えられる。
しかし、2種類の装置を用いることは、適用するレーザレーダ装置全体が大型化したり、構造や処理が複雑化したり、レーザレーダ装置が接続する上位装置や上位システムの付加も増大したりするという問題がある。
Thus, in order to solve the problem that the speed resolution and the distance resolution conflict, a method of mounting a coherent Doppler lidar device and a sensor for ranging and imaging on the laser radar device is conceivable.
However, the use of two types of devices increases the overall size of the applied laser radar device, complicates the structure and processing, and increases the addition of host devices and host systems to which the laser radar device is connected. There is.
本発明は、前述のような問題を解決するものであり、風速または風向等の風情報の計測と計測対象までの距離または当該計測対象の形状等の距離情報の計測とを、より簡易な構造で精度良く実現するレーザレーダ装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and has a simpler structure for measuring wind information such as wind speed or direction and measuring distance information such as the distance to the measurement object or the shape of the measurement object. An object of the present invention is to provide a laser radar device that can be realized with high accuracy.
本発明に係るレーザレーダ装置は、パルスレーザを生成する光送信部と、パルスレーザを送信光として出力し、光を受信する光アンテナ部と、光アンテナ部が受信した受信光から受信信号を生成する光受信部と、受信信号をアナログデジタル変換し、変換したデジタル信号を高速フーリエ変換して求めた周波数ピークと送信光の周波数とに基づき求めたドップラーシフト周波数から風情報を算出する風計測部と、受信信号に対応する受信光の送信から受信までの飛行時間に基づき計測対象の距離情報を算出する距離計測部と、を備えたものである。 The laser radar device according to the present invention generates a reception signal from an optical transmission unit that generates a pulse laser, an optical antenna unit that outputs the pulse laser as transmission light, receives the light, and received light received by the optical antenna unit And a wind measurement unit that calculates wind information from a Doppler shift frequency obtained based on a frequency peak obtained by performing analog-to-digital conversion of the received signal and fast Fourier transform of the converted digital signal and the frequency of the transmitted light And a distance measuring unit that calculates distance information of a measurement target based on a flight time from transmission to reception of received light corresponding to the received signal.
本発明によれば、風計測部および距離計測部のそれぞれに受信信号を入力して、風計測部および距離計測部のそれぞれにおいて受信信号に基づき独立して風情報または距離情報を算出するので、簡易な構成で風情報の計測と距離情報の計測とを実現することができる。 According to the present invention, the reception signal is input to each of the wind measurement unit and the distance measurement unit, and the wind information or the distance information is calculated independently based on the reception signal in each of the wind measurement unit and the distance measurement unit. Wind information and distance information can be measured with a simple configuration.
実施の形態1.
以降に、本発明に係るレーザレーダ装置の好適な実施の形態を説明する。
[レーザレーダ装置1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1におけるレーザレーダ装置1の構成図である。
このレーザレーダ装置1は、パルスレーザを生成して出力する光送信部10、光送信部10と後述の光アンテナ部30と後述の光受信部40との間に配置される光サーキュレータ20、光送信部10から受信したパルスレーザを送信光として外部に出力するとともに光を受信する光アンテナ部30、光アンテナ部30が受信した受信光から受信信号を生成する光受信部40、光受信部40が生成した受信信号を用いて風速または風向等の風情報を算出する風計測部50、光受信部40が生成した受信信号を用いて計測対象までの距離や計測対象の形状等の距離情報を算出する距離計測部60、および光送信部10や光アンテナ部30等のレーザレーダ装置1を構成する各構成部の動作を制御するとともに外部装置と通信する制御部70を備える。
なお、制御部70と通信する外部装置は、例えば、図1に示す上位装置80や図示しないユーザ端末などが挙げられる。制御部70と上位装置80等とは、両者を直接接続した構成でも良いし、ネットワークを介して接続する構成でも良い。
Hereinafter, preferred embodiments of the laser radar device according to the present invention will be described.
[Configuration of Laser Radar Device 1]
FIG. 1 is a configuration diagram of a
The
Examples of the external device that communicates with the
光送信部10は、所望のパルス幅および所望の出力のパルスレーザを生成して出力するもので、単一周波数のレーザ光を連続波として発振して出力する光源11、光源11からのレーザ光の光周波数を所定の周波数分シフトさせるとともに、レーザ光をパルス状に変調するパルス変調部(パルス変調器)12、パルス変調部12が変調して出力したパルスレーザを所望の出力レベルに増幅する光増幅部(光増幅器)13、および光源11が出力したレーザ光を2分岐させてパルス変調部12と光受信部40とに出力する光スプリッタ14を備える。
なお、光送信部10においては、前述のパルス変調部12のように、レーザ光の光周波数を所定の周波数分シフトさせる機能とレーザ光をパルス状に変調する機能とを一つの機器が有するような構成にしても良いし、それぞれの機能をそれぞれの機器で実現するような構成にしても良い。
The
Note that in the
光サーキュレータ20は、光送信部10が出力する送信光としてのパルスレーザと、光アンテナ部30が出力する受信光とに対して異なる偏光特性を与え、送信光と受信光との経路を切り分ける機能を有するものである。この光サーキュレータ20により、光送信部10が出力したパルスレーザは光アンテナ部30に入力され、光アンテナ部30が受信した受信光は光受信部40に入力されることになる。
The
光アンテナ部30は、送信光について所望のビーム拡がり角、ビーム径およびスキャン方向を調整するとともに、受信視野を調整する送受信光学系31、ならびに送信光および反射光をスキャンするスキャナ32を備える。
図1において、実線で示され、送受光学系31からスキャナ32を経由して外部に向かう矢印は送信光を示し、破線で示され、外部からスキャナ32に向かう矢印は受信光を示す。受信光は、図1では、便宜上、外部からスキャナ32に向かう様子のみ示されているが、実際はスキャナ32から送受光学系31に向かう。
The
In FIG. 1, an arrow directed from the transmission / reception
光受信部40は、光源11からのレーザ光と光アンテナ部30からの受信光とを合波する光カプラ41、およびゲート機能として動作するとともに、光カプラ41からの受信光を電気信号に変換し、さらに増倍して出力する受光処理部42を備える。
The
風計測部50は、光受信部40、特に受光処理部42から入力されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換するAD(アナログ-デジタル)変換部51、
AD変換部51が変換したデジタル信号群を時系列上で一定区間、即ち所定のレンジビンに分割して、レンジビンごとにデジタル信号群を周波数成分に分解するFFT(Fast Fourier Transform。高速フーリエ変換)処理部52、およびレンジビンごとに得られた周波数データからドップラー周波数を算出して風速を算出し、算出した風速とアンテナ部30の走査方向とに基づき風向を算出する風情報演算部53を備える。
The
The digital signal group converted by the
距離計測部60は、パルスレーザを送信および光を受信したタイミングから、送信されたパルスレーザが計測対象に到達して光アンテナ部30に戻るのに要した飛行時間を算出するTOF(Time Of Flight)計測部61、およびTOF計測部61が算出した飛行時間から、レーザレーダ装置1から計測対象までの距離を算出し、算出した距離の情報と光アンテナ部30の走査方向の情報とから計測対象の三次元座標情報を算出する距離情報演算部62を備える。
The
制御部70は、上位装置80と通信し、光送信部10、光アンテナ部30等のレーザレーダ装置1の各構成部の制御パラメータを調整したり、各構成部に関するデータまたはレーザレーダ装置1が算出した計測情報を上位装置80に出力する。
図1において、各構成部間を結ぶ実線は、風情報や距離情報の算出で実際に使用される送受信光や受信信号等に関する情報、または算出した計測情報を示し、制御部70と各構成部とを結ぶ破線は、両者間でやり取りする各構成部の制御に関する情報を示し、制御部70と上位装置80とを結ぶ一点鎖線は、レーダレーザ装置1が算出した計測情報およびレーザレーダ装置1の制御に関する情報を示す。
The
In FIG. 1, a solid line connecting each component indicates information related to transmission / reception light and reception signals actually used in calculation of wind information and distance information, or calculated measurement information. The
次に、レーザレーダ装置1の動作を説明する。
[送信時の動作]
光源11がレーザ光を出力すると、当該レーザ光は光スプリッタ14で2分岐され、一方はパルス変調部12に、他方は光カプラ41に入力される。
パルス変調部12は、入力されたレーザ光の光周波数f0を所定の周波数分シフトさせて周波数f1にし、制御部70から入力されるパルストリガに同期してレーザ光をパルス状に変調する。
光増幅部13は、パルス変調されたレーザ光を、制御部70によって設定されたレーザ出力レベルまで光増幅して出力する。
Next, the operation of the
[Operation when sending]
When the light source 11 outputs laser light, the laser light is branched into two by the
The pulse modulation unit 12 shifts the optical frequency f 0 of the input laser light by a predetermined frequency to the frequency f 1 and modulates the laser light in a pulse shape in synchronization with the pulse trigger input from the
The
光増幅部13が出力したパルスレーザは、光サーキュレータ20を経由して光アンテナ部30に入力される。
光アンテナ部30では、入力されたパルスレーザが、送受光学系31によって所望のビーム径およびビーム拡がり角に調整され、スキャナ32によってレーザ走査される。
また、制御部70は、パルスレーザの送信タイミングを光アンテナ部30から取り込む。
The pulse laser output from the
In the
Further, the
[受信時の動作]
光アンテナ部30から外部に出力されたレーザ光は、外部空間中を漂うエアロゾル等の粒子状物質やハードターゲットによって反射される。この反射光は、スキャナ32によって受信され、受信光として送受光学系31に入力される。
なお、送受光学系31の受信視野の調整およびスキャナ32の駆動制御等は、パルスレーザ送信時同様、制御部70から受信した制御信号に基づき実施される。
[Reception behavior]
The laser light output to the outside from the
Note that the reception visual field adjustment of the transmission / reception
送受信光学系31に入力された受信光は、光サーキュレータ20を経由して光カプラ41に入力される。
光カプラ41は、光スプリッタ14で分岐された光源11からのレーザ光と、光サーキュレータ20から送られてきた受信光とを合波し、高周波から低周波に変換、即ちダウンコンバージョン処理した後に受光処理部42に出力する。
The received light input to the transmission / reception
The optical coupler 41 combines the laser light from the light source 11 branched by the
受光処理部42は、ゲートを開放すべき旨の信号、即ちゲート開放信号を制御部70から受信すると、光カプラ41と受光処理部42との間のゲートを開放して光カプラ41からの受信光を取得する。
なお、制御部70は、パルスレーザの送信タイミングを光アンテナ部30から取得しており、このパルスレーザの送信タイミングに対して所定の遅延時間を与えたタイミングでゲート開放信号を受光処理部42に送信する。
これにより、受光処理部42は、パルスレーザの送信タイミングから所定の時間だけ遅延して受信光を取り込むことになるが、ゲート開放の遅延操作は、前述のように、制御部70がパルスレーザの送信タイミングから所定の遅延時間を経過してからゲート開放信号を送信する構成でも良いし、制御部70が受光処理部42に遅延時間の情報を付加したゲート開放信号を送信し、受光処理部42が当該ゲート開放信号を受信した後にこの命令信号に付加された遅延時間だけ待ってからゲートを開放する構成にしても良い。
When the light
The
As a result, the light receiving
受光処理部42は、次に、光カプラ41から取り込んだ受信光を所望の増倍度で電気信号に変換する。なお、増倍度は、制御部70によって調整される。
この光電変換された受信信号は、2つに分岐して風計測部50および距離計測部60に入力され、風計測部50では風情報の算出に、距離計測部60では計測対象までの距離や形状等の距離情報の算出に使用される。
Next, the light
This photoelectrically converted received signal is branched into two and input to the
[風計測部50による風情報算出処理]
次に、風計測部50による風情報の算出処理について説明する。
前述の通り、風計測部50には、受光処理部42からの受信信号が入力されている。
制御部70が、AD変換を開始すべき旨の信号、即ちAD変換開始信号をパルスレーザの送信タイミングに対して所定の遅延時間を与えたタイミングでAD変換部51に送信すると、AD変換部51は、制御部70から受信したAD変換開始信号に基づき、受信信号のAD変換を開始して、変換したデジタル受信信号をFFT処理部52に出力する。
AD変換部51は、AD変換を開始してから所定の時間が経過した後にAD変換を終了し、次のAD変換開始信号が制御部70から入力されるのを待つ。
[Wind Information Calculation Processing by Wind Measuring Unit 50]
Next, the calculation process of the wind information by the
As described above, the reception signal from the light
When the
The
図2は、FFT処理部52におけるFFT処理を説明するための図である。
FFT処理部52は、最初に、AD変換部51から入力された受信データ群を所定のレンジビンごとに分割する。
図2の(a)は、AD変換部51から入力されたアナログの受信信号の信号強度I(Intensity)を時系列に示したものであり、この受信信号を所定のレンジビンごとに分割した様子を示す。
FIG. 2 is a diagram for explaining the FFT processing in the FFT processing unit 52.
The FFT processing unit 52 first divides the received data group input from the
FIG. 2A shows the signal strength I (Intensity) of the analog reception signal input from the
受信信号には、ハードターゲットからの反射光およびソフトターゲットからの反射光が混在している。
エアロゾルなどのソフトターゲットは大気中に広く存在しているため、受信信号全域に渡ってソフトターゲットからの反射波が含まれ、図2(a)において一点鎖線の四角で囲んだ領域Sのように、ある程度の信号強度が常に現れている。
他方で、パルスレーザの送信経路上にハードターゲットが存在する場合、ハードターゲットからの反射波の受信強度は、ソフトターゲットの受信強度よりも高くなる。図2(a)において二点鎖線の四角で囲んだ領域Hの信号強度Iは、ハードターゲットからの反射波を示す。
図2(a)のように、FFT処理部52が受信データを所定のレンジビンごとに分割すると、レンジビンによっては、ソフトターゲットからの反射波に関する受信信号のみを含んだり、ハードターゲットおよびソフトターゲットからの反射波の両者に関する受信信号を含んだりすることになる。
In the received signal, the reflected light from the hard target and the reflected light from the soft target are mixed.
Since soft targets such as aerosols are widely present in the atmosphere, reflected waves from the soft target are included over the entire received signal, as shown in a region S surrounded by a dashed-dotted line in FIG. Some degree of signal strength always appears.
On the other hand, when a hard target is present on the pulse laser transmission path, the reception intensity of the reflected wave from the hard target is higher than the reception intensity of the soft target. In FIG. 2A, the signal intensity I in a region H surrounded by a two-dot chain square indicates a reflected wave from the hard target.
As shown in FIG. 2A, when the FFT processing unit 52 divides the received data for each predetermined range bin, depending on the range bin, only the received signal related to the reflected wave from the soft target may be included, or from the hard target and the soft target. In other words, the received signal concerning both reflected waves is included.
FFT処理部52は、次に、分割したレンジビンごとにFFTを行う。
図2(b)は、あるレンジビンにおける周波数スペクトルであり、レンジビンにおける受信信号についてFFT処理を行って周波数ごとの強度を示したものである。
FFT処理部52は、分割したレンジビンごとに、図2(b)のように周波数スペクトルとスペクトルのピーク周波数frを求める。
Next, the FFT processing unit 52 performs FFT for each divided range bin.
FIG. 2B shows a frequency spectrum in a certain range bin, and shows the intensity for each frequency by performing FFT processing on the received signal in the range bin.
FFT processing unit 52, for each divided range bin to determine the peak frequency f r of the frequency spectrum and spectrum as in FIG. 2 (b).
風情報演算部53は、FFT処理部52によってFFT処理されたデータに対し、背景光やシステム雑音の影響を考慮した信号処理を行って、最大強度の周波数成分frを抽出し、ドップラー周波数成分fdを算出する。
図3は、風情報演算部53におけるドップラー周波数成分fdの算出を説明するための図であって、図3(a)は、反射光がドップラーシフトを受けていない場合の周波数(f 1 −f 0 )とその強度を示したものであり、図3(b)は、反射光がドップラーシフトを受けている場合の最大強度の周波数成分(f 1 −f 0 )+f d とその強度を示したものである。
The wind
FIG. 3 is a diagram for explaining calculation of the Doppler frequency component f d in the wind
ドップラーシフトを受けていない周波数(f 1 −f 0 )が既知であれば、FFT処理で得られた最大強度の周波数成分(f 1 −f 0 )±f d とドップラーシフトを受けていない周波数(f 1 −f 0 )との差分を算出することにより、ドップラー周波数成分fdを得ることができる。
If the frequency not subjected to Doppler shift (f 1 −f 0 ) is known, the frequency component (f 1 −f 0 ) ± f d of the maximum intensity obtained by FFT processing and the frequency not subjected to Doppler shift ( By calculating the difference from f 1 −f 0 ) , the Doppler frequency component f d can be obtained.
また、ドップラー周波数成分fdと風速Vとは、式(1)の関係があり、風情報演算部53は、式(1)に基づき風速Vを算出する。
なお、式(1)において、cは光速、f0はドップラーシフトを受けていない場合、即ち元の周波数を示す。
Further, the Doppler frequency component fd and the wind speed V have the relationship of Expression (1), and the wind
In equation (1), c represents the speed of light, and f 0 represents the case where no Doppler shift is applied, that is, the original frequency.
また、風情報演算部53は、各パルスレーザの送信方向に対して前述のように算出された風速データを用いて風向を算出する。風向の演算方法の一例として、VAD(Velocity Azimuth Display)法が挙げられる。
Moreover, the wind
[距離計測部60による距離情報算出処理]
次に、距離計測部60による、レーザレーダ装置1から計測対象までの距離や計測対象の形状等の距離情報の算出処理について説明する。
制御部70が、時間計測を開始すべき旨の信号、即ち時間計測開始信号をパルスレーザの送信タイミングに対して所定の遅延時間を与えたタイミングでTOF計測部61に送信すると、TOF計測部61は、時間計測を開始するとともに、所定の閾値以上の強度を有する受信信号の検出を開始し、検出した受信信号に関して飛行時間の計測を行い、得られた飛行時間の情報を距離情報演算部62に出力する。
[Distance Information Calculation Processing by Distance Measuring Unit 60]
Next, a calculation process of distance information such as the distance from the
When the
TOF計測部61が受信信号の飛行時間の計測を実現する方法として、TAC(Time to Analog Converter)回路を用いる方法や、TDC(Time to Digital Converter)回路を用いる方法等がある。
TAC回路は、時間計測開始信号の立上りもしくは立下り、または立上りと立下りの両方を用いて時間計測開始信号の入力を検知して、この検知のタイミングから内部コンデンサに充電を行い、閾値以上の強度を有する受信信号の立上りもしくは立下り、または立上りおよび立下りの両方を用いて受信信号の入力を検知して、この検知のタイミングで充電を停止し、その時点の充電電圧値から時間情報を換算するものである。
また、TDC回路は、時間計測開始信号をゲートアレイに通過させ、閾値以上の強度を有する受信信号の立上りもしくは立下り、または立上りおよび立下りの両方を用いて受信信号の入力を検知したタイミングまでに時間計測開始信号が通過したゲート数から時間情報を得るものである。
As a method for realizing the measurement of the flight time of the received signal by the TOF measurement unit 61, there are a method using a TAC (Time to Analog Converter) circuit, a method using a TDC (Time to Digital Converter) circuit, and the like.
The TAC circuit detects the input of the time measurement start signal using the rise or fall of the time measurement start signal, or both the rise and fall, charges the internal capacitor from this detection timing, and exceeds the threshold value The input of the received signal is detected using the rising or falling edge of the received signal having strength, or both the rising and falling edges, charging is stopped at this detection timing, and time information is obtained from the charging voltage value at that time. It is to convert.
In addition, the TDC circuit passes the time measurement start signal through the gate array, and until the timing at which the input of the received signal is detected using the rising or falling edge of the received signal having the intensity equal to or higher than the threshold, or both the rising and falling edges. Time information is obtained from the number of gates through which the time measurement start signal passes.
距離情報演算部62は、TOF計測部61から入力された飛行時間に関する時間情報tに基づき、式(2)を用いて、レーザレーダ装置1から計測対象までの距離情報Rを算出する。
なお、式(2)において、cは光速、およびnはレーザレーダ装置1から計測対象までの間の媒質の屈折率を示す。
The distance
In equation (2), c represents the speed of light, and n represents the refractive index of the medium from the
また、距離情報演算部62は、光アンテナ部30が受信した反射光の飛来方向に関する情報と、式(2)で算出した距離情報とに基づき、計測対象の形状も求めることができる。
例えば、反射光の飛来方向に関する情報として、反射光を受信したときのスキャナ32のスキャン方向に関する2次元の座標と、反射光を受信した際に式(2)で算出した距離の情報とを、反射光の受信ごとに収集すれば、計測対象の3次元情報を求めることができ、計測対象の形状に関する情報も得ることができる。
Further, the distance
For example, as information on the reflected light flying direction, two-dimensional coordinates regarding the scanning direction of the scanner 32 when the reflected light is received, and information on the distance calculated by the equation (2) when the reflected light is received, By collecting each time the reflected light is received, three-dimensional information on the measurement target can be obtained, and information on the shape of the measurement target can also be obtained.
[風情報および距離情報の処理]
風計測部50が算出した風情報、および距離計測部60が算出した距離または計測対象の形状に関する距離情報は制御部70に出力され、制御部70はこれらの計測情報を上位装置80に送信する。この計測情報が上位装置80に接続する表示部に表示されることで、監視者が計測対象の状況を確認することができる。
[Processing of wind information and distance information]
The wind information calculated by the
以上の通り、この実施の形態1に係るレーザレーダ装置1では、光受信部40の受光処理部42が出力した受信信号を、2分岐して風計測部50および距離計測部60の両方に入力し、風計測部50および距離計測部60のそれぞれが独立して、入力された受信信号を用いて風情報または距離情報を算出する。
これにより、風計測を行う際に必要なFFT演算処理と、距離情報の計測を行う際に必要なTOF計測処理とにおいて、レンジビンの間隔を別々に設定できるため、風情報の計測の精度と距離情報の計測の精度とが互いに影響を与えずに、風計測と距離計測とを両立させることができる。
As described above, in the
As a result, the distance between the range bins can be set separately in the FFT calculation processing required when performing wind measurement and the TOF measurement processing required when measuring distance information. It is possible to achieve both wind measurement and distance measurement without affecting the accuracy of information measurement.
実施の形態1に係るレーザレーダ装置1の適用例として、海上に離着水する航空機が挙げられる。このような航空機は、海面付近の風の状況と海上の波浪とが離着水に安全な環境かどうか判断する必要がある。
従来のレーザレーダ装置では、前述の通り、距離の分解能の精度を高めると、速度の分解能が低くなり、風向や風速等の風情報の計測精度が低くなるという問題があった。しかし、実施の形態1に係るレーザレーダ装置1を用いれば、海面付近の風速や風向等の風情報の計測処理と、海面の波高の形状の計測処理(例えば数cmから数mレベルの分解能)とが独立しているため、風情報の計測精度および距離情報の計測精度のいずれも確保することができ、航空機の離着陸のための判断材料を豊富に得ることができる。
As an application example of the
In the conventional laser radar device, as described above, when the accuracy of the distance resolution is increased, the resolution of the velocity is lowered, and the measurement accuracy of the wind information such as the wind direction and the wind speed is lowered. However, if the
実施の形態2.
実施の形態1では、受光処理部42が光電変換した受信信号を風計測部50および距離計測部60に入力する構成であったが、この実施の形態2では、特定の受信信号だけを風計測部50および距離計測部60に入力させたり、距離情報の精度を調整したりする場合について説明する。
なお、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1と同様の構成および処理については説明を省略し、以降、実施の形態1と異なる構成および処理について説明する。
In the first embodiment, the reception signal photoelectrically converted by the light
Note that the description of the same configuration and processing as those of the
図4は、本発明の実施の形態2におけるレーザレーダ装置1の構成図であり、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1の光受信部40に受信信号峻別部43を加えたものである。
図4の光受信部40において、受光処理部42が光電変換した受信信号が受信信号峻別部43に入力され、受信信号峻別部43は、制御部70から設定された受信信号選別用のパラメータに基づき、入力された受信信号から特定の受信信号のみを選別して出力する。
また、受信信号峻別部43は、特定の受信信号を検出した場合には、受信信号を検出した旨を示す信号、即ち検知信号を制御部70に出力する。
さらに、受信信号峻別部43は、制御部70からの指令に基づき受信信号の出力先の切り替え、例えば受信信号を風計測部50および距離計測部60に出力するか、風計測部50または距離計測部60のいずれかに出力するかの切り替えを行う。
FIG. 4 is a configuration diagram of the
In the optical receiving
In addition, when a specific received signal is detected, the received
Further, the reception
受信信号選別用のパラメータは、計測対象となるハードターゲットの情報が既知であるか否かで設定方法が異なり、実施の形態2では、計測対象の情報が既知であって上位装置80が当該計測対象の情報を制御部70に設定する場合と、計測対象の情報が不明である場合とについて説明する。
The parameter for receiving signal selection is set differently depending on whether or not the information on the hard target to be measured is known. In the second embodiment, the information on the measurement target is known and the
[ハードターゲットの情報が既知である場合]
最初に、計測対象の情報が既知である場合について、図4および図5を用いて説明する。
図5は、計測対象の特性情報が予め分かっている場合であって、距離計測の精度を変更する処理を示すフローチャートである。
[When hard target information is known]
First, the case where the information to be measured is known will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
FIG. 5 is a flowchart showing a process for changing the accuracy of distance measurement in a case where the characteristic information of the measurement target is known in advance.
上位装置80は、計測に当たっての事前情報を制御部70に設定する(S101)。事前情報は、計測対象であるハードターゲットについてのレーザレーダ装置1からの大まかな距離もしくは反射率・光拡散率などの光特性、または天候条件やレーザレーダ装置1の高度等の運用環境に関する情報である。
The
制御部70は、上位装置80から設定された事前情報と予め記憶しているレーザレーダ装置1のシステム制御のための制御パラメータとに基づき、受信信号を選別するための受信信号選別用のパラメータを算出し、受信信号峻別部43に設定する(S102)。
受信信号峻別部43は、設定された受信信号選別用のパラメータに基づき、受光処理部42からの受信信号を処理する。ここでは、受信信号選別用のパラメータは、受光処理部42からの受信信号の電圧値に関する下限の閾値とする。この場合、受信信号峻別部43は、受光処理部42からの受信信号の電圧値が当該閾値より小さい場合には所望の受信信号を受信したと見なさず、受信信号の電圧値が当該閾値以上の場合には所望の信号を受信したと判断する。これにより、雑音レベルの受信信号を受信信号群から排除して、これ以降の風計測部50および距離計測部60における各情報の精度を高めるとともに、算出負荷を抑制することができる。
The
The reception
次に、レーザレーダ装置1は計測を開始する(S103)。パルスレーザ送信時の動作、および反射光受信時における受光処理部42の光電変換処理までは実施の形態1と同様である。
Next, the
受信信号峻別回路43は、受光処理部42から受信信号が入力されると、受信信号の電圧値が、受信信号選別用のパラメータとして設定された下限の閾値と比較し(S104)、受信信号の電圧値が閾値以上である場合には(S104のY)、所望の受信信号を検知したと判断して、制御部70に検知信号を送信して、受信信号を検知した旨を通知する(S105)。
また、受信信号峻別部43からの検知信号を受信した制御部70は、計測対象を検知したと見なして、上位装置80に、計測対象を検知した旨および距離または形状等の距離情報の計測の精度を向上させる必要があるか否かを問い合わせる。
Received
Further, the
ステップS104にて受信信号峻別回路43が閾値以上と判断した受信信号が複数ある場合は、検出された受信信号群のうち、最新のデータである最後の受信信号をハードターゲットからの信号を見なす。なお、受信信号群のうち、最初の受信信号をハードターゲットからの信号としても良い。
If there are a plurality of received signals that the received
また、ステップS104にて、受信信号峻別回路43が、所定時間経過しても閾値以上の電圧値を有する受信信号を検知しない場合(S104のN)、受信信号峻別回路43からの検知信号を受信しない制御部70は、計測対象を検知しない旨、または事前情報等を再設定すべき旨を示す警告メッセージを上位装置80に送信する(S106)。
In step S104, if the reception
警告メッセージを受信した上位装置80が、事前情報を制御部70に再設定すれば(S101)、制御部70が受信信号峻別回路43に受信信号選別用のパラメータを再設定し(S102)、レーザレーダ装置1が計測を再開し(S103)、受信信号峻別回路43は、新たに設定されたパラメータで受信信号の判別処理を行う(S104)。
When the
なお、ここでは受信信号選別用パラメータを受信信号の電圧値の下限の閾値としたが、受信信号選別用のパラメータを受信信号の電圧値の上限の閾値とするとともに、受信信号峻別部43は、受光処理部42からの受信信号の電圧値が当該上限値以下の場合には、所望の信号を受信したと判断するような構成にしても良い。この場合、計測対象よりもレーダレーザ装置1に近い他の物体から反射された受信信号を排除することになり、計測対象外からの影響を受けることなく、これ以降の風計測部50および距離計測部60における各情報の精度を高めるとともに、算出負荷を抑制することができる。
また、受信信号選別用のパラメータを、前述の電圧値の上限値や下限値などの一つの値ではなく、受信信号の電圧値の範囲を示すものとするとともに、受信信号峻別部43は、受光処理部42からの受信信号の電圧値が所定の範囲内に含まれる場合には、所望の信号を受信したと判断するような構成にしても良い。この場合には、前述のように、下限値を設けて雑音を排除するとともに、上限値を設けて計測対象外でレーダレーザ装置1の近くの物体からの影響を排除することができる。
Here, although the reception signal selection parameter is the lower threshold value of the voltage value of the reception signal, the reception signal selection parameter is the upper limit threshold value of the reception signal voltage. When the voltage value of the received signal from the light receiving
The received signal selection parameter is not a single value such as the upper limit value or the lower limit value of the voltage value described above, but indicates the range of the voltage value of the received signal. When the voltage value of the received signal from the
S105の受信信号峻別回路43が受信信号を検知した旨を制御部70に通知した場合の処理に戻る。制御部70が上位装置80に対して距離情報の計測の精度の向上が必要か否か問い合わせた結果、距離情報の計測の精度を向上させる必要がある場合(S107のY)、上位装置80は、制御部70に対して、距離情報の計測精度に関する情報を設定する(S108)。
The process returns to the case where the received
制御部70は、距離情報の計測に関する新たな精度に基づき、光送信部10における送信レーザのパルス幅およびパルスピーク値等の送信レーザのパラメータを算出する(S109)。
The
また、制御部70は、S109で新たに算出したレーザパラメータが、風計測部50による風情報算出の精度の下限値を確保しているか否かを判定する(S110)。
新たなレーザパラメータが風情報算出の精度の下限値を確保している場合(S110のY)、制御部70は、この新たなレーザパラメータを光送信部10に設定し(S111)、光送信部10は、設定された新たなレーザパラメータでレーザパルスを出力し、レーザレーダ装置1は計測を実施する(S112)。
Further, the
When the new laser parameter secures the lower limit of the accuracy of wind information calculation (Y in S110), the
新たなレーザパラメータが風情報算出の精度の下限値を確保していない場合(S110のN)、制御部70は、上位装置80に対して、新たなレーザパラメータが風情報算出の精度の下限値を下回っていても、新たなレーザパラメータで計測を実施するか、言い換えれば、風情報の計測の精度が低くなっても距離情報の計測の精度を優先するか否かを問い合わせる(S113)。
When the new laser parameter does not secure the lower limit value of the wind information calculation accuracy (N in S110), the
上位装置80からの応答が、風情報の計測よりも距離情報の計測を優先するものである場合(S114のY)、制御部70は、この新たなレーザパラメータを光送信部10に設定する(S112)。また、制御部70は、距離情報の計測のみを行うために、受信信号峻別部43に対して、受光処理部42からの受信信号を距離計測部60のTOF算出部61のみに出力させ、風計測部50内のAD変換部51およびFFT処理部52の動作を停止させて、風情報演算部53のこれまでの算出結果を上位装置80に提示させる。このようにすれば、風計測部50による精度の低い風情報の算出を行わず、距離情報の計測のみ実施させて、レーザレーダ装置1全体の算出負荷を抑制させることができる。
When the response from the
なお、上位装置80からの応答が、風情報の計測よりも距離情報の計測を優先するものであっても(S114のY)、受信信号峻別部43は、実施の形態1と同様、受光処理部42からの受信信号を、風計測部50のAD変換部51および距離計測部60のTOF算出部61の両方に出力するようにして、風計測部50の風情報算出結果を、参考情報として上位装置80に出力しても良い。
Even if the response from the
また、上位装置80からの応答が距離情報の計測を優先しないものである場合(S114のN)、制御部70は、風情報算出精度の下限値を確保するレーザパラメータを再度算出して光送信部10に設定し(S115)、計測を実施する(S112)。
If the response from the
制御部70は、計測開始(S103)から所定時間経過するまでか、上位装置80から終了の指示を受信するまでか、受信信号を検知しなくなるまで、例えば受信信号を検知しない時間が所定時間以上継続するまで、距離・形状計測の精度を変更させての計測を継続し(S116のN)、計測を継続する必要がなくなったり、前述の継続の条件に当てはまらなくなった場合には(S116のY)、計測を終了する。
The
[ハードターゲットの情報が未知である場合]
次に、計測対象の情報が不明である場合について、図4および図6を用いて説明する。この場合、計測を開始する際に、上位装置80が、受信信号峻別回路43が受信信号を検出するための閾値等を暫定的に設定する。
図6は、計測対象の特性情報が不明の場合であって、距離計測の精度を変更する処理を示すフローチャートである。
[When hard target information is unknown]
Next, the case where the measurement target information is unknown will be described with reference to FIGS. 4 and 6. In this case, when the measurement is started, the
FIG. 6 is a flowchart showing a process for changing the accuracy of distance measurement when the characteristic information of the measurement target is unknown.
図5では、上位装置80が、ハードターゲットに関する事前情報を制御部70に設定すれば(図5のS101)、制御部70が、受信信号選別用のパラメータ(閾値)を算出して、受信信号峻別部43に設定していた(図5のS102)。
図6では、ハードターゲットに関する事前情報が不明であるため、上位装置80は、受信信号選別用のパラメータを暫定的に決定して、制御部70を介して受信信号峻別部43に設定する(S201)。
In FIG. 5, if the
In FIG. 6, since the prior information regarding the hard target is unknown, the
次に、レーザレーダ装置1は計測を開始する(S202)。パルスレーザ送信時の動作、および反射光受信時における受光処理部42の光電変換処理までは実施の形態1と同様である。
Next, the
受信信号峻別回路43は、光電変換された受信信号が入力されると、受信信号の電圧値が、受信信号選別用のパラメータとして暫定的に設定された閾値と比較し(S203)、受信信号の電圧値が当該閾値以上である場合には(S203のY)、所望の受信信号を検知したと判断して、制御部70に検知信号を送信して、受信信号を検知した旨を通知する(S204)。
When a received signal subjected to photoelectric conversion is input, the received
また、ステップS203にて、受信信号峻別回路43が、所定時間経過しても閾値以上の電圧値を有する受信信号を検知しない場合(S203のN)、受信信号峻別回路43からの検知信号を受信しない制御部70は、計測対象を検知しない旨、または受信信号選別用のパラメータを再設定すべき旨を示す警告メッセージや警告信号を上位装置80に送信する(S205)。
警告メッセージを受信した上位装置80が、受信信号選別用のパラメータを制御部70経由で受信信号峻別回路43に再設定すれば(S201)、レーザレーダ装置1が計測を再開し(S202)、受信信号峻別回路43は、新たに設定されたパラメータで受信信号の判別処理を行う(S203)。
In step S203, when the reception
If the
また、制御部70は、受信信号峻別回路43からの検知信号(S204)の受信回数をカウントしており、所定時間内の受信回数が予め設定された基準の受信回数よりも小さいか否かを判定する(S206)。
所定時間内の受信回数が閾値よりも大きい場合には(S206のN)、ステップS203にて受信信号の電圧値と比較される閾値が低すぎるものとして、受信信号選別用のパラメータを再設定すべき旨を示す警告メッセージを上位装置80に通知する(S205)。
The
If the number of receptions within the predetermined time is greater than the threshold (N in S206), the threshold for comparison with the voltage value of the received signal is too low in step S203, and the received signal selection parameter is reset. A warning message indicating that it should be sent is notified to the host device 80 (S205).
所定時間内の受信信号検知信号の受信回数が閾値よりも小さい場合には(S206のY)、現在設定された閾値のままで処理を進める。
以降の距離情報の計測精度を向上させる処理については、図5のS107からS116までと同じである。
If the number of receptions of the received signal detection signal within the predetermined time is smaller than the threshold value (Y in S206), the process proceeds with the currently set threshold value.
The subsequent process for improving the measurement accuracy of the distance information is the same as S107 to S116 in FIG.
以上の通り、この実施の形態2に係るレーザレーダ装置1は、所望の受信信号の検出回路として受信信号峻別部43を備え、受信信号峻別部43および制御部70によって、受信信号の検知状況によって受信信号選別用のパラメータ(閾値)の再設定を上位装置80に促すので、所望の計測対象について、距離情報算出処理のために適切な受信信号のみを抽出することができる。
As described above, the
また、計測対象の情報が既知である場合には、制御部70が、入力された計測対象の情報に基づき受信信号の検出のための閾値を自動で算出して受信信号峻別部に43に設定するため、計測対象の情報を入力することで計測対象を適切に検出することができる。
また、計測対象の情報が未知であっても、上位装置80が制御部70に受信信号選別用のパラメータを暫定的に設定しておけば、制御部70が受信信号の受信状況、例えば受信信号の検出頻度に基づいて閾値の再設定を上位装置80に促すため、計測対象からの信号の受信精度を高めることができる。
Further, when the measurement target information is known, the
Even if the information to be measured is unknown, if the
さらに、距離情報の計測精度を高めるために送信レーザのパラメータを変更した場合、風情報の計測精度がどうなるかを算出した上で、距離情報算出の精度を高めるか否かの問合せを行い、その問合せの回答に応じて距離情報算出のためのパラメータ設定と距離情報等の計測処理を進めるので、風情報の算出精度を確保しながらも、距離情報の算出精度を向上させることができる。
また、距離情報の算出精度を高めるか否か、または風情報の算出精度を確保するか否か等について、上位装置80からの応答に応じて距離情報算出処理を進めるので、上位装置80の運用状況に応じて柔軟な計測装置を提供することができる。
Furthermore, when changing the parameters of the transmission laser to improve the measurement accuracy of distance information, after calculating what the measurement accuracy of wind information will be, we will inquire whether to increase the accuracy of distance information calculation, Since parameter setting for distance information calculation and measurement processing of distance information, etc. proceed according to the answer to the inquiry, it is possible to improve the distance information calculation accuracy while ensuring the wind information calculation accuracy.
In addition, since the distance information calculation process proceeds according to the response from the higher-
実施の形態3.
実施の形態1では、受信信号を風計測部50と距離計測部60とのそれぞれで処理をすることで、風情報の算出処理と距離情報の算出処理とを別個に行っていたが、この実施の形態3では、ハードターゲット近傍の風計測のみを実施する場合について説明する。
なお、この実施の形態3において、実施の形態1または2に係るレーザレーダ装置1と同様の構成および処理については説明を省略し、以降、実施の形態1または2と異なる構成および処理を中心に説明するものとする。
In the first embodiment, the wind signal calculation process and the distance information calculation process are separately performed by processing the received signal in each of the
In the third embodiment, the description of the same configuration and processing as those of the
図7は、本発明の実施の形態3におけるレーザレーダ装置1の受信信号峻別部43の構成図であり、実施の形態2における受信信号峻別部43について、ハードターゲットの近傍の風計測のみ実施するための構成を記載したものである。
受信信号峻別部43は、受信判定部431、スイッチング回路432、および遅延回路433を備えるものであり、受光処理部42から受信判定部431に入力された受信信号は、受信判定部431を通過した後、分岐して、一方はスイッチング回路432等を経由して風計測部50に、他方は距離計測部60に入力する。
FIG. 7 is a configuration diagram of the received
The reception
受信判定部431は、受光処理部42から入力された受信信号の電圧値が、予め設定された閾値以上であるか否かを判定し、受信信号の電圧値が当該閾値以上であると判断した場合には、閾値以上の電圧値を有する受信信号を受信した旨を制御部70に出力する。
The reception determination unit 431 determines whether or not the voltage value of the reception signal input from the light
また、スイッチング回路432は、制御部70からの切替信号に基づき、受信判定部431から入力された信号の出力先を風計測部50に出力するか遅延回路433に出力するかを切り替え、遅延回路433は、制御部70からの信号に基づき、スイッチング回路432からの入力信号を所定の時間だけ遅延させて出力する。
The switching circuit 432 switches whether to output the output destination of the signal input from the reception determination unit 431 to the
次に動作について説明する。
図8は、実施の形態3における距離計測対象であるハードターゲット周辺のみについて風計測を行う処理を説明するフローである。
Next, the operation will be described.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a process of performing wind measurement only on the periphery of a hard target that is a distance measurement target in the third embodiment.
レーザレーダ装置1の動作開始後、制御部70は、上位装置80から、ハードターゲットの周辺のみの風情報の算出処理を行うべき旨の指示がなければ(S301のN)、実施の形態1または2と同様の動作を継続する(S302)。
After starting the operation of the
一方で、制御部70は、上位装置80から、ハードターゲットの周辺のみの風情報の算出処理を行うべき旨の指示を受けると(S301のY)、受信判定部431からスイッチング回路432に入力した受信信号が、上位装置80から当該指示を受信するまでは風計測部50に直接入力される経路であったものから、スイッチング回路432から遅延回路433に入力される経路に切り替えるための指示をする(S303)。その後、遅延回路433から出力された受信信号は風計測部50に入力される。
On the other hand, when the
また、制御部70は、ハードターゲットの周辺についての風情報を計測するための計測範囲の定義付けのため、上位装置80から風情報の計測の範囲を受け付け(S304)、入力された風情報の計測範囲の情報に基づき、遅延回路433の信号伝播遅延量Tdelayを算出して遅延回路433に設定する(S305)。
なお、制御部70は、信号伝播遅延量Tdelayの算出のため、TOF算出部61が算出した受信信号の飛行時間から求めた計測対象までの距離に相当する時間量TTOF、およびTOF算出部61におけるハードターゲットの検知処理時間TdetをTOF算出部61から受信し、さらに制御部70が上位装置80から受け付けた風情報の計測範囲に基づき対応する時間量Trangeを求める。そして、これらTTOF、Tdet、およびTrangeと以下の式(3)を用いて信号伝播遅延量Tdelayを算出する。
In addition, the
Note that the
その後、制御部70は、計測を開始する(S306)。
このとき、制御部70は、指定されたハードターゲット周辺範囲のみの風情報の算出処理をすべく、AD変換部51によるAD変換処理の動作するタイミングを生成して、生成したタイミングでAD変換51にAD変換処理させる(S307)。具体的には以下の処理を行う。
Thereafter, the
At this time, the
図9は、ハードターゲットの周辺のみについて風計測を行う場合のアナログ信号処理を説明する図であり、AD変換処理部51がハードターゲット周辺範囲のみで動作することを説明する図であり、図2(a)と同様、AD変換部51から入力されたアナログの受信信号の信号強度I(Intensity)を時系列に示したものである。
図9において、一点鎖線の四角で囲んだ部分の信号強度Iは、点線の四角で囲んだ部分以外の信号強度Iよりも高く、ハードターゲットが存在することを示している。信号強度Iが高くなる時間帯よりも早い時間から当該時間帯より遅い時間までの信号強度Iを使用することで、ハードターゲット周辺の風情報を算出することができる。
FIG. 9 is a diagram illustrating analog signal processing when wind measurement is performed only around the hard target, and is a diagram illustrating that the AD
In FIG. 9, the signal intensity I in the portion surrounded by the dashed-dotted square is higher than the signal intensity I other than the portion enclosed by the dotted square, indicating that a hard target exists. The wind information around the hard target can be calculated by using the signal intensity I from the time earlier than the time zone in which the signal intensity I becomes higher to the time later than the time zone.
制御部70は、AD変換処理の開始タイミングTstart、および終了タイミングTstopを式(4)を用いて算出し、AD変換部51に対して、算出した開始タイミングTstartから終了タイミングTstopまで、受信信号のAD変換処理を行わせる。
The
前述のように算出した所定のタイミングでAD変換した後の処理は、実施の形態1と同じである。即ち、FFT処理部52および風情報演算部53が動作して、所定のタイミングでAD変換されたデジタル信号に基づき風情報を算出するとともに、受信信号が受信判定部431から入力された距離計測部60ではハードターゲットの距離情報の算出処理を行う。そして、制御部70が、風計測部50が算出したハードターゲット周辺のみの風情報および距離計測部60が算出した距離情報を上位装置80に送信する(S308)。
ハードターゲット周辺のみの風情報算出処理は、所定時間が経過するか、上位装置80からの処理終了指令を受信するまで継続する(S309)。
The processing after AD conversion at the predetermined timing calculated as described above is the same as in the first embodiment. That is, the FFT processing unit 52 and the wind
The wind information calculation process only around the hard target continues until a predetermined time elapses or a process end command is received from the host device 80 (S309).
以上の通り、この実施の形態3に係るレーザレーダ装置1は、ハードターゲット周辺のみの受信信号のAD変換を行って風情報の算出を行うので、ハードターゲットの周辺という最低限必要なエリアの風情報を計測しつつも、実施の形態1または2のように、取得した受信信号の全てをAD変換するよりも、AD変換の動作時間や変換処理のための負荷を低減することができる。また、AD変換で必要としていた消費電力を抑制することもできる。さらにAD変換したデータを保存するメモリ量も削減されるため、メモリ処理のための負荷も低減することができる。
As described above, since the
実施の形態4.
実施の形態1から3では、風計測部50が風情報を算出していたが、この実施の形態4では、距離計測部60が、算出した距離情報に基づき風速を推定する場合について説明する。
なお、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1と同様の構成および処理については説明を省略し、以降、実施の形態1と異なる構成および処理について説明するものとする。
In the first to third embodiments, the
The description of the same configuration and processing as those of the
図10は、本発明の実施の形態4におけるレーザレーダ装置1の構成図であり、実施の形態1におけるレーザレーダ装置1の距離計測部60に風情報推定部63を加えたものである。
実施の形態4では、風情報推定部63が、距離情報演算部62が算出した地形の形状から、予め定義されている地形の形状情報と風速との関係に基づき、算出した形状付近の風速を求めるものである。
ここでは、実施の形態4として、実施の形態1のレーザレーダ装置1に風情報推定部63を追加した構成について説明するが、実施の形態2または3におけるレーザレーダ装置1に風情報推定部63を追加しても良い。
FIG. 10 is a configuration diagram of the
In the fourth embodiment, the wind
Here, as the fourth embodiment, a configuration in which the wind
実施の形態1と同様、受光処理部42によって光電変換された受信信号は距離計測部60に入力され、距離計測部60は、TOF計測部61および距離情報演算部62を用いて距離情報を算出する。距離情報演算部62は、計測対象である計測エリアの地形の三次元座標から地形の形状情報を算出すると、風情報推定部63に出力する。
As in the first embodiment, the received signal photoelectrically converted by the light receiving
この実施の形態4では、制御部70、距離計測部60または風情報推定部63が、地形の形状と風速との関係に関するデータベースや関係式を記憶している。
風情報推定部63は、距離情報演算部62が算出した前述の地形情報から、風速の推定に必要な特徴量を抽出し、予め定義されていた地形の形状情報と風速との関係に基づき、当該エリアの風速値を求める。
In this
The wind
この風速推定の関係式として、例えばPierson−Moskowitz型スペクトルから算出される関係式がある。具体的には、海面をターゲットとして計測してその波高を把握している場合、有義波高と風速の関係が、式(5)として定義されることが知られている(R.Stewart著「Introduction to Physical Oceanography」参照)。 As a relational expression for this wind speed estimation, there is a relational expression calculated from, for example, a Pierson-Moskowitz type spectrum. Specifically, when the sea level is measured and the wave height is grasped, it is known that the relationship between the significant wave height and the wind speed is defined as equation (5) (R. Stewart “ “Introduction to Physical Oceanography”).
式(5)において、Hは有義波高、gは重力加速度、U19.5とU10はそれぞれ高度19.5m、10mの風速であり、この式(5)を用いて、算出した地形情報付近の風速を求めることができる。 In Equation (5), H is the significant wave height, g is the gravitational acceleration, U 19.5 and U 10 are the altitudes of 19.5 m and 10 m respectively, and the landform information calculated using this Equation (5) The wind speed in the vicinity can be obtained.
また、風情報推定部63は、算出した風速の推定情報に加えて、風情報演算部53が行ったように、VAD法を用いて風向も算出しても良い。
風情報を推定して算出した風情報推定部63は、推定した風速や風向等の風情報を制御部70に出力する。これにより、制御部70は、風計測部50が算出した風情報に加え、風速推定部63が推定した風情報も受信することになる。
In addition to the estimated wind speed information, the wind
The wind
エアロゾル等の粒子状物質のエコーが弱く、風計測部50が算出した風速値が十分な計測精度でなかった場合、制御部70は、風計測部50が算出した風速等の風情報の代わりに、風情報推定部63が算出した風情報を上位装置80に提供することで、風情報の計測精度を向上させることができる。
When the echo of the particulate matter such as aerosol is weak and the wind speed value calculated by the
また、制御部70は、風情報推定部63から入手した風速等の推定風情報を収集し、これらの推定風情報に基づき、レーザレーダ装置1のシステムパラメータの変更の必要があるか否かの判断を行ったり、システムパラメータの設定を行っても良い。
Further, the
以上のように、実施の形態4によれば、エアロゾル等からのエコーが弱いために風計測部50による風計測が困難な状況においても、形状から推測した風情報を提供することができる。
As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to provide wind information estimated from the shape even in a situation where wind measurement by the
また、風計測部50が風情報を算出できる場合でも、風計測部50がAD変換してFFT処理した結果から風情報を演算するのに時間を要するので、風計測部50が風情報を演算する間に、推定した風速情報を用いて次の計測におけるシステムパラメータを設定することが可能となり、運用時間の効率化を図ることができる。
Even when the
また、レーザレーダ装置1とターゲットとの距離が近距離になった場合で十分な演算精度のレンジビンが設定できず、風情報が十分な精度で算出できないような状況でも、それらの代替情報として風速値を上位装置80へ提供でき、計測状況に影響されず計測対象の距離情報の計測と風計測とを両立させることが可能となる。
Even when the distance between the
前述の実施の形態1から4において、光送信部10、光アンテナ部30、光受信部40、風計測部50、距離計測部60等、更には光源11、パルス変調器12等、レーザレーダ装置1の各構成部の処理や制御方法は、デジタル信号処理回路で実現しても良いし、マイクロコンピュータ等に実行させるソフトウェア処理によって実現しても良い。
In the above-described first to fourth embodiments, the
1 レーザレーダ装置、10 光送信部、30 光アンテナ部、40 光受信部、50 風算出部、60 位置算出部、70 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記パルスレーザを送信光として出力し、光を受信する光アンテナ部と、
前記光アンテナ部が受信した受信光から受信信号を生成する光受信部と、
前記受信信号をアナログデジタル変換し、変換したデジタル信号を高速フーリエ変換して求めた周波数ピークと前記受信光がドップラーシフトを受けていない場合の周波数とに基づき求めたドップラーシフト周波数から風情報を算出する風計測部と、
前記受信信号に対応する受信光の送信から受信までの飛行時間に基づき計測対象の距離情報を算出する距離計測部と、
前記光送信部において前記パルスレーザを生成するための送信パラメータを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記送信パラメータが前記風計測部における前記風情報の算出の精度の下限値を下回るか否かを判断し、
前記送信パラメータが前記下限値を下回り、かつ前記距離計測部による前記距離情報の算出の精度を前記風情報の算出の精度よりも優先する場合には、当該送信パラメータを前記光送信部に設定し、
前記送信パラメータが前記下限値を下回り、かつ前記風情報の算出の精度を確保すべき場合には、前記下限値を確保する範囲の前記送信パラメータを前記光送信部に設定する
ことを特徴とするレーザレーダ装置。 An optical transmitter for generating a pulsed laser;
An optical antenna unit that outputs the pulse laser as transmission light and receives light;
An optical receiver for generating a reception signal from the received light received by the optical antenna unit;
The received signal is converted from analog to digital, and wind information is calculated from the Doppler shift frequency obtained based on the frequency peak obtained by fast Fourier transform of the converted digital signal and the frequency when the received light is not subjected to Doppler shift. Wind measurement unit to
A distance measuring unit that calculates distance information of a measurement target based on a flight time from transmission to reception of received light corresponding to the received signal;
A control unit for controlling a transmission parameter for generating the pulse laser in the optical transmission unit;
The controller is
Determining whether or not the transmission parameter falls below a lower limit of accuracy of calculation of the wind information in the wind measurement unit;
When the transmission parameter is below the lower limit value and the accuracy of the distance information calculation by the distance measurement unit has priority over the accuracy of the wind information calculation, the transmission parameter is set in the optical transmission unit. ,
When the transmission parameter is below the lower limit value and the accuracy of calculation of the wind information is to be ensured, the transmission parameter within a range to ensure the lower limit value is set in the optical transmission unit. Laser radar device.
前記風計測部は、前記ドップラーシフト周波数に基づき前記風速を算出するとともに、前記風速と前記光アンテナ部の走査方向に関する情報とに基づき前記風向を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。 The wind information is information on wind speed and direction,
The said wind measurement part calculates the said wind direction based on the said wind speed and the information regarding the scanning direction of the said optical antenna part while calculating the said wind speed based on the said Doppler shift frequency, The said wind direction is characterized by the above-mentioned. Laser radar device.
前記距離計測部は、前記飛来時間に基づき前記距離を算出するとともに、前記距離と前記受信光の飛来方向に関する情報とに基づき前記三次元情報を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。 The distance information is a distance to the measurement object and three-dimensional information of the measurement object,
The distance measuring unit calculates the distance based on the flight time, and calculates the three-dimensional information based on the distance and information related to the flight direction of the received light. Laser radar device.
前記制御部は、前記受信信号峻別回路からの前記検知信号を受信した場合に、前記送信パラメータが前記風計測部における前記風情報の算出の精度の下限値を下回るか否かを判断する
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。 The optical receiver includes a received signal distinction circuit that outputs a detection signal notifying that the received signal exceeding the threshold is detected when the received signal exceeds the threshold;
When the control unit receives the detection signal from the reception signal distinction circuit, the control unit determines whether or not the transmission parameter is below a lower limit value of the calculation accuracy of the wind information in the wind measurement unit. The laser radar device according to claim 1, wherein
ことを特徴とする請求項4に記載のレーザレーダ装置。 5. The laser according to claim 4, wherein the control unit outputs a signal for prompting the resetting of the threshold when it is determined that the detection signal from the reception signal distinction circuit is not received. Radar device.
ことを特徴とする請求項4に記載のレーザレーダ装置。 The control unit measures the frequency of receiving the detection signal from the received signal distinction circuit, and when the frequency falls below a lower limit value related to the reception frequency or when the frequency exceeds an upper limit value related to the reception frequency 5. The laser radar device according to claim 4, wherein a message for prompting resetting of the threshold value is output.
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。 The laser radar apparatus according to claim 1, wherein the distance measurement unit includes a wind information estimation unit that estimates a wind direction of a predetermined range of the measurement target based on the calculated distance information.
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