JP6305662B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
例えば、プラットフォームに搭載する従来のレーザレーダ装置が特許文献1に開示されている。従来のレーザレーダ装置では、大気中エアロゾルからの散乱光を時間ごとにフーリエ変換して、時間ごとの散乱光の周波数スペクトルを求める。その後、時間ごとの周波数スペクトルを積算し、積算した周波数スペクトルのピーク値から視線方向の風速値を求める。そして、積算した周波数スペクトルから求めた風速値に対して動揺値を補正し、動揺の影響を取り除いた風速値を求めている。このように、従来のレーザレーダ装置は動揺補正を行っていた。ここで、補正に用いる動揺値は、積算した時間における動揺の平均値である。
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一構成例を示す構成図である。
本レーザレーダ装置は、光発振器1(光発振器の一例)、光カプラ2、光変調器3(光変調器の一例)、光サーキュレータ4、光アンテナ5(光アンテナの一例)、スキャナ6(スキャナの一例)、合波カプラ7、光受信器8(光受信機の一例)、A/D(Analogue to Digital converter)変換器9(アナログデジタル変換器の一例)、信号処理器10、動揺センサ11(センサの一例)、及び表示器12を備える。
図2は、この発明の実施の形態1に係る信号処理器10の一構成例を示す構成図である。
信号処理器10は、レンジビン分割器101(レンジビン分割器の一例)、FFT処理器102(高速フーリエ変換処理器の一例)、補正係数算出器103(補正係数算出器の一例)、スペクトル補正器104(スペクトル補正器の一例)、積算器105(積算器の一例)、風速算出器106(風速算出器の一例)、風ベクトル算出器107(風ベクトル算出器の一例)、及びスキャナ制御器108を備える。
動揺センサ11は、本レーザレーダ装置の動揺値を測定する動揺センサである。動揺センサ11は、信号処理器10に接続される。動揺センサ11は、本レーザレーダ装置が搭載されるプラットフォームの動揺値を取得し、取得した動揺値を信号処理器10に出力する。動揺値とは、プラットフォームのロール、ピッチ、及びヨー方向の角度を表す値、又は東西南北鉛直方向の並進速度を表す値である。例えば、動揺センサ11には、加速度計を用いたジャイロセンサ、GPS(Global Positioning System)ジャイロセンサが用いられる。
信号処理器10の構成図を図2に示す。上述したように、本レーザレーダ装置はパルス方式を用いている。
図3は、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観測距離と受信時間との関係を示す図である。レンジビン分割器101は、各距離からの受信信号を任意時間幅で区切る。以降では、区切られた時間、すなわち距離を区切ったものをレンジビンと呼ぶ。レンジビン分割器101は、任意個数のレンジビンで受信波形を区切り、レンジビン区間の受信波形の電圧値をFFT処理器102に出力する。
例えば、距離分解能Rresを30mと設定した場合、A/D変換された時間波形を区切る時間幅t = 2Rres/c (c:光速)のように設定できる。ゆえに、総レンジビン数がM個であった場合、A/D変換を開始するためのトリガ、ここでは光変調器3からのトリガ信号タイミングを基準にして、各レンジビンで区切られる時間を表すと、その式は以下のようになる。
なお、補正係数算出器103は、光変調器3からのパルストリガを基準として動揺センサ11に動揺値取得をリクエストすることで動揺値を取得しても良いが、以降の実施の形態では固定周期での動揺値取得での動揺補正手法を記載する。
動揺値抽出器301は、動揺補正量を算出するために、動揺値を動揺センサ11から取得し、取得した動揺値を補正量算出器302に出力する。動揺センサ11は、ロール、ピッチ、ヨー方向の揺れや東西南北鉛直方向といった6軸自由度における動揺値、仰角(EL)、北からの方位角(AZ)、及び東西南北鉛直の並進速度を動揺値抽出器301に出力する。
まず、ステップS101において、動揺値抽出器301は、上述したように動揺センサ11から動揺値を取得する。取得した動揺値にはタイムスタンプを含むものとする。
次に、ステップS102において、動揺値抽出器301は、光変調器3において出力されるパルストリガ信号のタイムスタンプと、動揺値のタイムスタンプとを比較し、その時間差異が閾値(Tth)以内か否かを判断する。
次に、その時間差異が閾値(Tth)以内の場合、ステップS103において、動揺値抽出器301は、取得した動揺値をそのまま補正量の算出に使用することとし、取得した動揺値を補正量算出器302に出力し、フローを終了する。
次に、その時間差異が閾値(Tth)より大きい場合、ステップS104において、動揺値抽出器301は、例えば、カルマンフィルタにより求めた動揺値の推測値を用いる。動揺値抽出器301は、動揺値の推測値を補正量算出器302に出力し、フローを終了する。なお、動揺値抽出器301は、直前の動揺値をそのまま用いる手法の他、スペクトルデータを保存しておき、動揺値が得られた時点で、過去の動揺値を用いて線形補完し、その線形補完した動揺値を、光変調器3のパルストリガ信号出力時の動揺値として抽出しても良い。
リサンプリング処理器401は、周波数ビンの大きさを変更することで周波数分解能を擬似的に変更し、また、総周波数ビンを増やす。
図7は、この発明の実施の形態1に係るリサンプリング処理器401の処理を表す概念図である。
リサンプリング処理器401は、補正量算出器302が出力した射影係数を用いて、各周波数ビンの値に対して射影係数Pcをかけて、射影係数を補正したスペクトルデータを算出し、そのスペクトルデータを周波数ビンに格納する。しかし、Pcの値によっては、1つの周波数ビンに2つのデータが格納されることもあり得る。各周波数ビンに複数個のデータが格納される場合は、平均値を用いる方法もあるが、これでは、周波数分解能が低下する問題が発生する。そのため、リサンプリング処理器401は、図7のように周波数ビンの大きさを変更し、スペクトルデータのリサンプルを行うことによって、周波数分解能の劣化を低減する。以下、リサンプリングの方法について詳しく説明する。
総FFT点数を変更する場合、リサンプリング処理器401は、事前に設定された固定値を用いて総FFT点数を変更することで周波数ビンの大きさを変更しても良いし、また、視線方向風速値を取得する1ショット目の動揺値を用い、Nfftb=Nffta×1/cos(|θa−θb|)倍にするといったように動的に変化させても良い。ここで、Nfftaは元の総周波数ビン数であり、Nfftbは、変更後の総周波数ビンである。
一方、周波数ビンの大きさを変更する場合、リサンプリング処理器401は、例えば、元の周波数ビンの大きさをΔfaとすると、Δfb=Δf×cos(|θa−θb|)のように、周波数ビンを変更する。本処理により、余剰なFFTビン数の確保を抑圧し、メモリ容量の低減に寄与できる。
なお、周波数ビンを変更する係数の決定は、積算数Nの中で1ショット目に行い、その後は固定としても良い。また、1ショット目に比べ動揺値が時間的に大きくなる可能性があるプラットフォームの場合であって、メモリ量が十分確保できる場合は、1~(N−1)ショット目までのスペクトルを保存し、Nショット目までの最大射影係数値の時の動揺値(θbmax)を用いて、1/cos(|θa−θbmax|)倍のようにNfftbを決定しても良い。
例えば、スペクトルデータ(SPC(i,n,R))は、射影係数Pcを用いて、SPCb(i,n,R)=Pc(n)×SPC(i,n,R)のように変換され、リサンプリング処理器401が作成した各周波数ビンの配列に格納される。ここで、SPCb(i,n,R)は、射影角度を補正したスペクトルデータである。i=1,2,・・・(Nffta)×1/cos(|θa−θb|)である。
図8は、この発明の実施の形態1に係る積算器105の積算処理を表す概念図である。積算器105は、各ショットにおける各レンジビンのスペクトルデータについて、同じレンジビン番号のスペクトルデータを足し合わせることで積算処理を行う。積算処理は、数式で表すと以下のようになる。
図9は、この発明の実施の形態1に係る積算器105の積算結果の概念図である。
実線が、本方式のスペクトルであり、点線が、従来方式のスペクトルである。 各ショットでは、信号値が小さく、SNRが低い。また、各ショットに対して射影係数を補正していない場合、信号値の周波数は、各ショットに対して異なるので、各ショットのスペクトルデータを積算しても、信号値は、分散してしまう。しかし、射影係数を補正した場合、エアロゾルのドップラー周波数は一定であるので、各ショットに対して、信号値の周波数は一致する。したがって、積算処理をすることにより、雑音値は、平均化されるが、信号値は、積算されるので、SNRを改善することができる。
図10は、この発明の実施の形態1に係るレーザレーダ装置の動揺による照射角度のずれと風速との関係を示す関係図である。
Vは、水平方向の真の風速であり、θ1〜θ3は、レーザ光の照射角度である。v1〜v3は、それぞれ、θ1〜θ3方向の測定結果から求めた風速である。
レーザレーダ装置は、送信光と空気中のエアロゾルからの散乱光とのドップラーシフトを算出することで風速を算出する。したがって、エアロゾルを含む風とレーザ光との角度によって風に対するレーザ光の相対速度は変化するから、ドップラーシフトは変化する。
図10の例では、角度補正(動揺補正)をしない場合、θ1>θ2>θ3であるから、v3>v2>v1となり、真の風速Vに対して、様々な値をとることになる。よって、風速値は、角度によって異なる値をとり、時間によって角度が変わるとすると、真の風速が一定であっても、時間によって風速は異なる値をとる。したがって、時間に対して積算処理を行っても、ピークの位置は各時間で一致せず、ピークが拡がってしまう。
上述したように、従来方式では積算した後に動揺補正を行うため、積算するスペクトルは、動揺補正前のスペクトルである。このため、積算したスペクトル結果のピークは拡がってしまう。これに対して、本方式では動揺補正を行った後に積算するため、スペクトル結果のピークの拡がりは小さく、ピーク値は大きくなる。
さらに、本レーザレーダ装置は、上述したようなスキャナ構成ではなく、光スイッチを用いた構成でも良い。
図13は、この発明の実施の形態1に係る他の構成例を示す構成図である。
光スイッチ13が、送信光の光路を切り替え、それぞれ後段の異なる視線方向を持った光アンテナ5に接続されることで、多視線方向の風速値を得ることができる。例えば、光スイッチ13には、通信で用いられるメカニカル光スイッチやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)光スイッチ等が用いられる。
実施の形態2では、動揺値に応じてレンジビンをずらし、受信信号に対してレンジビンが切り取る領域を変化させるレーザレーダ装置について説明する。これにより、動揺による観測高度の誤差を抑制でき、風速測定精度を向上させることができる。
図14において図1と同一の符号は、同一または相当の部分を示している。本レーザレーダ装置は、光発振器1、光カプラ2、光変調器3、光サーキュレータ4、光アンテナ5、スキャナ6、合波カプラ7、光受信器8、A/D変換器9、信号処理器14、動揺センサ11、及び表示器12を備える。信号処理器10の代わりに信号処理器14を用いており、A/D変換器9と信号処理器14との接続関係が、実施の形態1と異なる。後述するが、信号処理器14が出力した信号がA/D変換器9に一度に入り、A/D変換器9が出力した信号が再度、信号処理器14に入力される。
図15において図3と同一の符号は、同一または相当の部分を示している。
信号処理器14は、補正係数算出器103、レンジビン分割器109、FFT処理器102、スペクトル補正器104、積算器105、風速算出器106、風ベクトル算出器107、及びスキャナ制御器108を備える。レンジビン分割器109の前に補正係数算出器103が設けられており、動揺値に対する補正係数を算出した後にレンジビンを分割し、分割したレンジビンをA/D変換器9に出力し、そのレンジビンに基づいてA/D変換された信号がFFT処理器102に入力されている点が、信号処理器10と異なる。
A/D変換器9は、光受信器8が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するが、その際にレンジビン分割器109が出力するトリガ信号ごとに変換を行なう。
θaは、動揺がない理想的な状態の仰角値であり、θbは動揺後の仰角値である。仰角方向(EL方向)の動揺を考えると、図16のレーダレーダ装置は、θaの方向にレーザ光を照射するが、そのときに動揺が存在した場合、実際にはθbの方向にレーザ光を照射することになる。設定した角度と実際に照射した角度が異なるため、観測距離が同じでも観測高度にずれが生じる。観測高度にずれが生じると、後述するが、観測する風速に誤差が生じる。
一般的に、水平方向風速値と高度との関係は、図17のように、べき乗則で表される。そのため、観測高度差の発生は、風速測定誤差に対応する。
EL方向でθa>θbの揺れを考えると、動揺による高度差を補正するためには、例えば、レンジビンの開始時間(Tstart)及び終了時間(Tend)は、以下の式で表される。
Claims (7)
- レーザ光を発振する光発振器と、
前記光発振器が発振した前記レーザ光を変調する光変調器と、
前記光変調器が変調した前記レーザ光を大気へ放射し、被放射物からの散乱光を受信光として受信する光アンテナと、
前記光アンテナが受信した前記受信光をヘテロダイン検波する光受信器と、
前記光アンテナの動揺値を検出するセンサと、
前記光受信器がヘテロダイン検波することにより得られた受信信号のスペクトルを算出し、前記センサが検出した前記動揺値を用いて前記スペクトルを補正し、補正した前記スペクトルを積算し、積算した前記スペクトルから前記被放射物の速度を算出する信号処理器と
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。 - 前記信号処理器は、
設定されたレンジビンで前記受信信号を分割するレンジビン分割器と、
前記レンジビン分割器が分割した前記受信信号をフーリエ変換し、前記レンジビンごとの前記受信信号のスペクトルを算出する高速フーリエ変換処理器と、
前記センサが検出した前記動揺値を用いて、動揺した状態での前記レーザ光の放射方向を、動揺がない状態の放射方向に射影するパラメータを算出する補正係数算出器と、
前記補正係数算出器が算出した前記パラメータを用いて、前記高速フーリエ変換処理器が算出した前記スペクトルを補正するスペクトル補正器と、
前記レンジビン分割器が分割したレンジビンごとに、前記スペクトル補正器が補正した前記スペクトルを積算する積算器と、
前記積算器が積算した前記スペクトルから前記被放射物のドップラーシフト成分を算出し、前記ドップラーシフト成分から前記被放射物の風速を算出する風速算出器と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のレーザレーダ装置。 - 前記光アンテナが放射した前記レーザ光の視線方向を切り替えるスキャナを備え、
前記信号処理器は、
前記風速算出器が算出した複数の視線方向の風速値から風ベクトルを算出する風ベクトル算出器と、
を備えたことを特徴とする請求項2に記載のレーザレーダ装置。 - 前記レンジビン分割器は、前記センサが検出した前記動揺値を用いて、動揺による観測高度誤差を補正するように、前記受信信号のレンジビンを決定することを特徴とする請求項2に記載のレーザレーダ装置。
- 前記光受信器がヘテロダイン検波することにより得られた受信信号を、前記レンジビン分割器が決定したレンジビンを用いて、デジタル信号に変換するアナログデジタル変換器を備えたことを特徴とする請求項4に記載のレーザレーダ装置。
- 前記光変調器は、前記光発振器が発振した前記レーザ光をパルス化するときのパルスタイミングを示すパルストリガ信号を出力し、
前記センサが検出した前記動揺値は、タイムスタンプを含み、
前記信号処理器は、前記光変調器が出力した前記パルストリガ信号と前記動揺値のタイムスタンプとを比較し、前記受信信号のスペクトルの補正に用いる前記動揺値を決定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。 - 前記信号処理器は、前記光変調器が出力した前記パルストリガ信号と前記動揺値のタイムスタンプとの時間的差異が設定された閾値より大きい場合、前記受信信号のスペクトルの補正において前記動揺値の推測値を用いることを特徴とする請求項6に記載のレーザレーダ装置。
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