JP7403028B2 - 動的補償風計測ライダシステムおよびその風計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、ライダ分野に関し、具体的には、動的補償風計測ライダシステムおよびその風計測方法に関する。

現在、市販の風計測ライダシステムは、動的環境で風を計測する場合、通常、サンプリング毎にレーダの姿勢補償を行う。レーダのサンプリング周波数は通常１Ｈｚであるので、レーダの姿勢補償の周波数も１Ｈｚになる。浮標、車両搭載、航空機搭載などの複雑な動的環境では、レーダの姿勢変化周波数が１Ｈｚを超える場合が多く、１Ｈｚの姿勢補償周波数は、明らかに風計測の要求を満たすことができない。

レーダは、複数の高度層の風場（ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ）情報を同時に計測する必要がある。現在、市販のパルスレーダは、主に一定時間の戻り光信号を収集し、レーダの姿勢に応じてリアルタイムに計測距離を調整することができない。レーダの姿勢が変化する場合、計測する高度層も変化する。従来の方法は、設定された高度層の風速場情報を後期において指数関数で補間する方法であるが、この方法は、目標高度層を直接計測するほど正確ではない。

本発明は、背景技術に説明した課題に鑑みて、動的補償風計測ライダシステムおよびその風計測方法を提出する。

本発明に係る動的補償風計測ライダシステムの風計測方法は、
マルチビームレーザから生成された光信号が、固定の周波数でマルチビームの間で周期的に切り替えるステップＳ１と、
光信号が大気エアロゾルによって散乱された後、光アンテナに受信されて種光信号とビート周波数を行うステップＳ２と、
ビート周波数信号に対してバランス検出およびＡ／Ｄ変換を実行し、信号処理装置に送信して、信号のパワースペクトルを取得すると同時に、動きセンサが、レーダの動きおよび姿勢データをリアルタイムに出力し、
単一ビーム周期で放射される光パルスをｎつの段に分割して積算し、各段の積算に、動きセンサによって収集されたリアルタイムの動きおよび姿勢データを追加し、複数の周期のパルス信号のパワースペクトル密度を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させるステップＳ３と、
信号のパワースペクトルと、レーダのリアルタイムの動きおよび姿勢データとをパッケージ化し、データ処理装置に送信して、ビーム径方向風速を取得するステップＳ４と、
前の１周期のビーム径方向風速の逆算と組み合わせて、レーダ上方の風速および風向を得るステップＳ５と、
を有する。

好ましくは、ステップＳ３において、Ａ／Ｄサンプリング信号を演算することにより、パルス信号のパワースペクトルを得る。

好ましくは、ステップＳ３において、レーダの姿勢および高度の変化に基づいて、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング間隔時間である

をリアルタイムに調整する。
ただし、ｔ’は、変化後のサンプリング間隔時間であり、

は、変化後のビームの慣性座標軸中のベクトルであり、ｃは、真空中の光速であり、Ｌ’は、変化後のビームから高度層までの片道距離であり、Ｈは、変化前のレーダから高度層までの垂直距離であり、ΔＨは、レーダの高さの変化である。

好ましくは、ステップＳ３において、レーダの単一ビーム周期のパルスは、ｎつの段に分割される。

ただし、ｔは、単一ビームの滞留時間であり、レーザの繰り返し周波数は、ＦｋＨｚであり、Ｍは、パルス積算回数である。

本発明に係る動的補償風計測ライダシステムは、
マルチビーム光信号を放射するレーザと、
大気エアロゾルによって散乱された光信号を受信し、種光信号とビート周波数を行う光アンテナと、
ビート周波数信号のサンプリング、バランス検出、Ａ／Ｄ変換を行って、信号処理装置に送信するＡ／Ｄコンバータと、
信号のパワースペクトルを取得するパワースペクトル計算モジュールと、レーダの動きと姿勢データをリアルタイムに出力する動きセンサと、単一ビーム周期に放射される光パルスをｎつの段に分割して積算し、各段の積算に、動きセンサによって収集されたリアルタイムの動きおよび姿勢データを追加し、複数の周期のパルス信号のパワースペクトル密度を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させるパルス積算モジュールを備える信号処理装置と、
信号のパワースペクトルと、レーダの動きおよび姿勢データとに基づいて、データ処理を実行し、ビーム径方向風速を取得し、前の１周期のビーム径方向風速の逆算と組み合わせて、レーダ上方の風速および風向を得るデータ処理装置と、
を備える。

好ましくは、パワースペクトル計算モジュールは、Ａ／Ｄサンプリング信号を演算することにより、パルス信号のパワースペクトルを得る。

好ましくは、信号処理装置は、レーダの姿勢および高度の変化に基づいて、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング間隔時間である

をリアルタイムに調整する高度補償システムをさらに備える。
ただし、ｔ’は、変化後のサンプリング間隔時間であり、

は、変化後のビームの慣性座標軸中のベクトルであり、ｃは、真空中の光速であり、Ｌ’は、変化後のビームから高度層までの片道距離であり、Ｈは、変化前のレーダから高度層までの垂直距離であり、ΔＨは、レーダの高さの変化であり、前記レーダの姿勢および高さの変化は、動きセンサから取得するものである。

好ましくは、レーダの単一ビーム周期のパルスは、ｎつの段に分割される。

ただし、ｔは、単一ビームの滞留時間であり、レーザの繰り返し周波数は、ＦｋＨｚであり、Ｍは、パルス積算回数である。

本発明は、単一ビームの滞留時間内の光パルスを分割し、姿勢を積算して重ねる方法を使用して、姿勢補償周波数を大幅に増加し、調整可能な姿勢補償周波数を実現することができる。背景技術に説明した「浮標と、車両搭載や航空機搭載などの複雑な動的環境では、レーダの姿勢変化周波数が１Ｈｚを超える場合が多く、１Ｈｚの姿勢補償周波数は、明らかに風計測の要求を満たすことができない」という課題を解決する。

本発明は、収集された姿勢情報に基づいて、ＡＤリアルタイム調整収集時間を、リアルタイムに計算し、フィードバックにして、レーダが常に目標高度層の風速場情報を計測することを保証する。背景技術に説明した「レーダの姿勢が変化する場合、計測する高度層も変化する」という課題を解決する。

本発明に係るレーダシステムの概略図である。 本発明に係る分段姿勢および動き補償のシーケンス図である。 本発明に係る高度補償システムの概略図である。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに説明するが、本発明の保護範囲はこれに限定されない。

図１を参照すると、本発明に係る動的補償風計測ライダシステムは、
マルチビーム光信号を放射するレーザと、
大気エアロゾルによって散乱された光信号を受信して、種光信号とビート周波数を行う光アンテナと、
ビート周波数信号のサンプリング、バランス検出、Ａ／Ｄ変換を行って、信号処理装置に送信するＡ／Ｄコンバータと、
信号のパワースペクトルを取得するパワースペクトル計算モジュールと、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の角度、ｇ値、角速度などを含むレーダの動きおよび姿勢データをリアルタイムに出力する動きセンサと、単一ビーム周期で放射される光パルスをｎつの段に分割して積算し、各段の積算に、動きセンサによって収集されたリアルタイムの動きおよび姿勢データを追加し、複数の周期のパルス信号のパワースペクトル密度を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させるパルス積算モジュールを備える信号処理装置と、
信号のパワースペクトルと、レーダの動きおよび姿勢データとに基づいて、データ処理を実行し、ビーム径方向風速を取得し、前の１周期のビーム径方向風速の逆算と組み合わせて、レーダ上方の風速および風向を得るデータ処理装置と、
を備える。

本願における「信号のパワースペクトルと、レーダの動きおよび姿勢データとに基づいて、データ処理を実行し、ビーム径方向風速を取得し」こと、および「ビーム径方向風速、レーダ上方の風速および風向を得る」ことは、いずれも現有技術であり、具体的には、竹孝鵬の論文『コヒーレントドップラー風計測ライダの要素技術に関する研究』を参照されたい。本願の創新的な点は、パルス積算モジュールは、単一ビームパルスを分割して積算し、姿勢補償周波数を高めることである。

レーダは、繰り返し周波数の高いレーザを使用しているため、繰り返し周波数は、数十ｋＨｚに達することができる。レーザの繰り返し周波数がＦｋＨｚであり、ビーム１とビーム２の単一ビームの滞留時間がｔ秒であると仮定すると、単一ビーム周期で放出される光パルスの数は１０００＊Ｆ＊ｔである。

図２に示すように、この１０００Ｆｔのパルスをｎつの段に分割して積算し、各段の積算に、動きセンサによって収集されたリアルタイムの動きおよび姿勢データを追加することができる。風の計測要求を満たすために、Ｓ／Ｎ比ＣＮＲ＞Ｔｄｂのことを確保する必要があるので、１つの最小パルス積算回数Ｍを確認することができる。これにより、レーダの単一ビーム周期のパルスは、最大

に分割されることができる。
ただし、ｔは、単一ビームの滞留時間であり、レーザの繰り返し周波数は、ＦｋＨｚであり、Ｍは、パルス積算回数である。

以上により、レーダの最大姿勢補償周波数は、
に達することができる。

実際の状況に応じて、Ｍ以上のパルス積算回数を任意に選択して、姿勢補償周波数を合理的に調整することができる。同時に、レーザの繰り返し周波数を増加することにより、最大姿勢補償補償周波数をさらに増加することができる。

また、背景技術で説明した「レーダの姿勢が変化する場合、計測する高度層も変化する」という課題を解決するために、本願の信号処理装置は、レーダの姿勢および高度の変化により、Ａ／Ｄのサンプリング間隔時間をリアルタイムに調整する高度補償システムをさらに備える。

図３に示すように、レーダが初期姿勢にあるとき、慣性座標軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）におけるビームの単位ベクトルは、
である。

以上により、Ａ／Ｄのサンプリング間隔時間は、
である。
ただし、ｃは、真空中の光速であり、Ｈは、変化前のレーダから高度層までの垂直距離であり、

は、慣性座標軸におけるビームのベクトルである。

レーダが姿勢をリアルタイムに変化する場合、レーダ座標軸（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）および慣性座標軸各自の３つの夾角は、それぞれΔα、Δβ、Δγになる（回転角度について、回転軸に沿った負の方向から観察する場合、時計回りが正の方向であり、反時計回りが負の方向である）。これにより、慣性座標軸中のベクトルは、

になる。
ただし、

である。

以上により、Ａ／Ｄのサンプリング間隔時間は、

になる。
ただし、ｔ’は、変化後のサンプリング間隔時間であり、

は、変化後のビームの慣性座標軸におけるベクトルであり、ｃは、真空中の光速であり、Ｌ’は、変化後のビームから高度層までの片道距離であり、Ｈは、変化前のレーダから高度層までの垂直距離であり、ΔＨは、レーダの高さの変化である。前記レーダの姿勢および高さの変化は、動きセンサから取得されるものである。

この方案は、収集間隔時間をリアルタイムに調整することにより、レーダが計測するものは、設定された高度層での風速および風向のデータであることを保証し、風の計測精度が高度誤差の影響を受けないようにする。

本明細書に記載の具体的な実施例は、本発明の主旨を例示するものにすぎない。当業者が、記載された具体的な実施例に対して様々な修正または補足または類似の方法での替わりを行うことができるが、これらは本発明の主旨から逸脱したり、添付の特許請求の範囲に定義された範囲を超えたりすることはない。

Claims (6)

1. マルチビームレーザから生成された光信号が、固定の周波数でマルチビームにおけるビーム同士を周期的に切り替えるステップＳ１と、
   光信号が大気エアロゾルによって散乱された後、光アンテナに受信されて種光信号と干渉してビート信号を得るステップＳ２と、
   ビート信号に対してバランス検出およびＡ／Ｄ変換を実行し、信号処理装置に送信して、信号のパワースペクトルを取得すると同時に、動きセンサが、レーダの動きおよび姿勢データを出力し、
   単一ビーム周期で放射される光パルスをｎつの段に分割して積算し、各段の積算に、動きセンサによって収集されたリアルタイムの動きおよび姿勢データを追加し、複数の周期のパルス信号のパワースペクトル密度を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させ、
   レーダの姿勢および高度の変化に基づいて、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング間隔時間である
   

   

   をリアルタイムに調整するステップＳ３であって、ｔ’は、変化後のサンプリング間隔時間であり、
   

   

   は、変化後のビームの慣性座標軸におけるベクトルであり、ｃは、真空中の光速であり、Ｌ’は、変化後のビームから高度層までの片道距離であり、Ｈは、変化前のレーダから高度層までの垂直距離あり、ΔＨは、レーダの高さの変化であるステップＳ３と、
   信号のパワースペクトル、レーダのリアルタイムの動きおよび姿勢データをパッケージ化し、データ処理装置に送信して、ビーム径方向風速を取得するステップＳ４と、
   前の１周期のビーム径方向風速の逆算と組み合わせて、レーダ上方の風速および風向を得るステップＳ５と、
   を有することを特徴とする動的補償風計測ライダの風計測方法。
2. ステップＳ３において、Ａ／Ｄサンプリング信号を演算することにより、パルス信号のパワースペクトルを得ることを特徴とする請求項１に記載の動的補償風計測ライダの風計測方法。
3. ステップＳ３において、レーダの単一ビーム周期のパルスは、ｎつの段に分割され、
   

   

   ただし、ｔは、単一ビームの滞留時間であり、レーザの繰り返し周波数は、ＦｋＨｚであり、Ｍは、パルス積算回数であることを特徴とする請求項１に記載の動的補償風計測ライダの風計測方法。
4. マルチビーム光信号を放射するレーザと、
   大気エアロゾルによって散乱された光信号を受信して、種光信号と干渉させてビート信号を得る光アンテナと、
   ビート信号のサンプリング、バランス検出、Ａ／Ｄ変換を行って、信号処理装置に送信するＡ／Ｄコンバータと、
   パワースペクトル計算モジュールと、動きセンサと、パルス積算モジュールと、高度補償システムとを備える信号処理装置と、
   信号のパワースペクトルと、レーダの動きおよび姿勢データとに基づいて、データ処理を実行し、ビーム径方向風速を取得し、前の周期のビーム径方向風速と組み合わせて、レーダ上方の風速および風向を得るデータ処理装置と、を備え、
   パワースペクトル計算モジュールは、信号のパワースペクトルを取得し、
   動きセンサは、レーダの動きと姿勢データをリアルタイムで出力し、
   パルス積算モジュールは、単一ビーム周期で放射される光パルスをｎつの段に分割して積算し、各段の積算に、動きセンサによって収集されるリアルタイムの動きおよび姿勢データを追加し、複数の周期のパルス信号のパワースペクトル密度を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させ、
   高度補償システムは、レーダの姿勢および高度の変化に基づいて、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング間隔時間である
   

   

   をリアルタイムに調整し、
   ただし、ｔ’は、変化後のサンプリング間隔時間であり、
   

   

   は、変化後のビームの慣性座標軸中のベクトルであり、ｃは、真空中の光速であり、Ｌ’は、変化後のビームから高度層までの片道距離であり、Ｈは、変化前のレーダから高度層までの垂直距離であり、ΔＨは、レーダの高さの変化であり、前記レーダの姿勢および高さの変化は、動きセンサから取得するものであることを特徴とする動的補償風計測ライダシステム。
5. パワースペクトル計算モジュールは、Ａ／Ｄサンプリング信号を演算することにより、パルス信号のパワースペクトルを得るすることを特徴とする請求項４に記載の動的補償風計測ライダの風計測システム。
6. レーダの単一ビーム周期のパルスは、ｎつの段に分割され、
   

   

   ただし、ｔは単一ビームの滞留時間であり、レーザの繰り返し周波数は、ＦｋＨｚであり、Ｍは、パルス積算回数であることを特徴とする請求項４に記載の動的補償風計測ライダの風計測システム。