JPWO2014024508A1 - レーダ装置 - Google Patents
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Abstract
最適位置解析部24が、設置位置が異なる光検出器6の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・風速演算部23により算出された各々のスペクトルを用いて、光検出器6における最適な設置位置を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整を制御して、光検出器6の設置位置を最適化する。
Description
この発明は、例えば、大気中に浮遊する微小な液体又は固体の粒子(エアロゾル)などの速度などを計測するレーダ装置に関するものである。
遠隔点に存在する物体の位置を計測するものとして、レーダ装置が知られている。
レーダ装置は、電磁波や音波などの波動を空間に放射して、観測対象となる物体に反射して戻ってきた波動を受信し、その波動を解析することにより、レーダ装置から物体までの距離や角度を計測するものである。
レーダ装置の中でも、大気中に浮遊する微小なエアロゾルを観測対象とし、エアロゾルに反射された波動の位相回転量からエアロゾルの動く速度(風速)を計測する気象レーダ装置が知られている。
また、気象レーダ装置の中でも、特に電磁波として光を用いるレーザレーダ装置は、放射するビームの広がりが極めて小さく、高い角度分解能で物体を観測することが可能であるため、風向風速レーダとして使用されている(例えば、非特許文献1を参照)。
レーダ装置は、電磁波や音波などの波動を空間に放射して、観測対象となる物体に反射して戻ってきた波動を受信し、その波動を解析することにより、レーダ装置から物体までの距離や角度を計測するものである。
レーダ装置の中でも、大気中に浮遊する微小なエアロゾルを観測対象とし、エアロゾルに反射された波動の位相回転量からエアロゾルの動く速度(風速)を計測する気象レーダ装置が知られている。
また、気象レーダ装置の中でも、特に電磁波として光を用いるレーザレーダ装置は、放射するビームの広がりが極めて小さく、高い角度分解能で物体を観測することが可能であるため、風向風速レーダとして使用されている(例えば、非特許文献1を参照)。
従来のレーザレーダ装置は、レーザ光を大気中に放射した後、大気中のエアロゾルの移動速度に伴うドップラー周波数シフトを受けているレーザ光を受信し、そのレーザ光とローカル光のヘテロダイン検波を行うことで、風速に相当するドップラー信号を検出するようにしている。
一般的に、各高度における大気中のエアロゾルから反射されたレーザ光を時間毎に区切り(時間毎に区切ったレーザ光を「レンジビン」と称する)、図15に示すように、各レンジビン内で、微小間隔でのコヒーレント積分を行う。
一般的に、各高度における大気中のエアロゾルから反射されたレーザ光を時間毎に区切り(時間毎に区切ったレーザ光を「レンジビン」と称する)、図15に示すように、各レンジビン内で、微小間隔でのコヒーレント積分を行う。
その後、レンジビン内でのフーリエ変換を実施した後、図16に示すように、N回のパルスのインコヒーレント積分を行うことで、信号対雑音比(以降、SNR(Signal to Noise Ratio)と称する)の向上を図るようにする。
一般的に、N回のインコヒーレント積分を実施した場合、そのSNRが√Nだけ向上することが知られている(例えば、特許文献1,2を参照)。
その結果、図17に示すようなパワーエンベロップを得ることができる。
一般的に、N回のインコヒーレント積分を実施した場合、そのSNRが√Nだけ向上することが知られている(例えば、特許文献1,2を参照)。
その結果、図17に示すようなパワーエンベロップを得ることができる。
ただし、上記のような風速の測定においては、ドップラー信号のコヒーレンシーが弱いことが知られている。即ち、ドップラー信号のコヒーレント時間が短いことが知られている。
例えば、レーダ装置の受信光が大気中のエアロゾルから反射された散乱光である場合、ドップラー信号のコヒーレント時間はマイクロ秒(μs)のオーダーであることが知られている。
例えば、レーダ装置の受信光が大気中のエアロゾルから反射された散乱光である場合、ドップラー信号のコヒーレント時間はマイクロ秒(μs)のオーダーであることが知られている。
そこで、従来のレーザレーダ装置では、上述したように、N回のパルスのインコヒーレント積分を行うことで、SNRの向上を図っている。
例えば、特許文献1,2には、高精度な風速測定を可能にするために、最適な積分回数を導出する方法が開示されている。
この積分処理の結果、図17に示すように、エアロゾルの密度が高密度であれば、高精度な風速測定が可能になる。
例えば、特許文献1,2には、高精度な風速測定を可能にするために、最適な積分回数を導出する方法が開示されている。
この積分処理の結果、図17に示すように、エアロゾルの密度が高密度であれば、高精度な風速測定が可能になる。
「気象と大気のレーダーリモートセンシング」 ISBN 4−87698−653−3
Syumpei Kameyama et al., "Semianalytic pulsed coherent laser radar equation for coaxial and apertured systems using nearest Gaussian approximation, " Appl. Opt., Vol49, No.27,pp 5169-5174, 2010.
従来のレーダ装置は以上のように構成されているので、エアロゾルの密度が高密度であれば、高精度な風速測定が可能になるが、エアロゾルの密度が低密度である場合、更なる積分処理を行わなければ、高精度な風速測定を行うことができない課題があった。
また、観測対象である大気中のエアロゾルから反射光が得られなければ、積分処理を行っても、検出強度閾値まで受信SNRが向上しないため、風速を得ることができない課題があった。
また、ユーザから高速なデータ取得速度で比較的近距離に位置する観測対象の風速を得る要求を受けた場合、積分回数を下げることは可能であるが、積分回数を下げることで信号強度が低下するため、高い信号強度を維持したままデータ取得速度を高めることは困難である課題があった。
さらに、送受信ビームを高速走査する場合や遠方の風速測定を行う場合、受信結合効率が低下して、高精度な風速測定を行うことができない課題があった。
また、観測対象である大気中のエアロゾルから反射光が得られなければ、積分処理を行っても、検出強度閾値まで受信SNRが向上しないため、風速を得ることができない課題があった。
また、ユーザから高速なデータ取得速度で比較的近距離に位置する観測対象の風速を得る要求を受けた場合、積分回数を下げることは可能であるが、積分回数を下げることで信号強度が低下するため、高い信号強度を維持したままデータ取得速度を高めることは困難である課題があった。
さらに、送受信ビームを高速走査する場合や遠方の風速測定を行う場合、受信結合効率が低下して、高精度な風速測定を行うことができない課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、所望の距離に位置する観測対象の速度を短時間で高精度に測定することができるレーダ装置を得ることを目的とする。
この発明に係るレーダ装置は、光を発振する光発振手段と、光発振手段により発振された光を大気中に放射する一方、大気中に存在する観測対象に反射して戻ってきた上記光を受光する光学系を有し、その光学系により受光された光の信号強度を示すデータを出力する光送受信手段と、光送受信手段から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、観測対象の速度を算出するスペクトル・速度算出手段と、光送受信手段の光学条件を調整する光学条件調整手段とを設け、光学条件最適化手段が、光学条件が異なる光送受信手段の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・速度算出手段により算出された各々のスペクトルを用いて、光送受信手段における最適な光学条件を特定し、光学条件調整手段による光学条件調整を制御して、光送受信手段の光学条件を最適化するようにしたものである。
この発明によれば、光学条件最適化手段が、光学条件が異なる光送受信手段の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・速度算出手段により算出された各々のスペクトルを用いて、光送受信手段における最適な光学条件を特定し、光学条件調整手段による光学条件調整を制御して、光送受信手段の光学条件を最適化するように構成したので、所望の距離に位置する観測対象の速度を短時間で高精度に測定することができる効果がある。
以下、この発明の実施の形態について、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によるレーダ装置を示す構成図である。
図1において、エアロゾル1は観測対象であり、大気中に浮遊する微小な液体又は固体の粒子である。
光送受信部2は光を送受信する装置であり、光発振装置3、光学部4及び光学部調整駆動部7から構成されている。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置を示す構成図である。
図1において、エアロゾル1は観測対象であり、大気中に浮遊する微小な液体又は固体の粒子である。
光送受信部2は光を送受信する装置であり、光発振装置3、光学部4及び光学部調整駆動部7から構成されている。
光送受信部2の光発振装置3は例えばレーザ光を発振するレーザ光源であり、光発振装置3は光発振手段を構成している。
光送受信部2の光学部4は例えばレンズなどの光学系5と光検出器6から構成されており、光発振装置3により発振されたレーザ光を大気中に放射する一方、大気中に存在するエアロゾル1に反射して戻ってきたレーザ光を受光し、そのレーザ光の信号強度を示すデータを信号解析部9に出力する処理を実施する。なお、光学部4は光送受信手段を構成している。
光送受信部2の光学部調整駆動部7は信号解析部9の指示の下で、光学部4が設置されている位置を調整することで、光送受信部2の光学条件を調整するアクチュエータである。
なお、光学部4は、単レンズの場合もあれば、複数枚のレンズから構成される場合もある。複数枚のレンズから構成される場合、例えば、後述するビームエクスパンダーなどの集光光学系などを用いる。
光送受信部2の光学部4は例えばレンズなどの光学系5と光検出器6から構成されており、光発振装置3により発振されたレーザ光を大気中に放射する一方、大気中に存在するエアロゾル1に反射して戻ってきたレーザ光を受光し、そのレーザ光の信号強度を示すデータを信号解析部9に出力する処理を実施する。なお、光学部4は光送受信手段を構成している。
光送受信部2の光学部調整駆動部7は信号解析部9の指示の下で、光学部4が設置されている位置を調整することで、光送受信部2の光学条件を調整するアクチュエータである。
なお、光学部4は、単レンズの場合もあれば、複数枚のレンズから構成される場合もある。複数枚のレンズから構成される場合、例えば、後述するビームエクスパンダーなどの集光光学系などを用いる。
図18は簡易的に示している図1の光送受信部2の詳細を示す構成図である。
図18において、光源101は例えばレーザ光を発振するレーザ光源である。
光分配器102は光源101により発振されたレーザ光を一定比率で分配する光学部品である。
アンプ103は光分配器102により分配されたレーザ光を増幅する増幅器である。
パルス変調器104は例えば音響光学素子等などから構成されており、アンプ103により増幅されたレーザ光のパルス変調を行う。
図18において、光源101は例えばレーザ光を発振するレーザ光源である。
光分配器102は光源101により発振されたレーザ光を一定比率で分配する光学部品である。
アンプ103は光分配器102により分配されたレーザ光を増幅する増幅器である。
パルス変調器104は例えば音響光学素子等などから構成されており、アンプ103により増幅されたレーザ光のパルス変調を行う。
光サーキュレータ105はパルス変調器104によりパルス変調されたレーザ光をファイバ端106に出力する一方、ファイバ端106から入射されたレーザ光(受信光)を光カプラ107に出力する光学部品である。
光カプラ107は光分配器102により分配されたレーザ光の周波数と光サーキュレータ105から出力されたレーザ光(受信光)の周波数の差分である光ビートを検出する光学部品である。
光受信機108は光カプラ107により検出された光ビートに対するヘテロダイン検波を実施して光信号を電気信号に変換し、その電気信号からレーザ光(受信光)の信号強度を求めて、その信号強度を示すデータを信号解析部9に出力する処理を実施する。
また、光受信機108はバランスドレシーバを備えることで、DCのゆらぎによる測定誤差を低減することもでき、本機能を満たすものであれば、これに限るものではない。
光カプラ107は光分配器102により分配されたレーザ光の周波数と光サーキュレータ105から出力されたレーザ光(受信光)の周波数の差分である光ビートを検出する光学部品である。
光受信機108は光カプラ107により検出された光ビートに対するヘテロダイン検波を実施して光信号を電気信号に変換し、その電気信号からレーザ光(受信光)の信号強度を求めて、その信号強度を示すデータを信号解析部9に出力する処理を実施する。
また、光受信機108はバランスドレシーバを備えることで、DCのゆらぎによる測定誤差を低減することもでき、本機能を満たすものであれば、これに限るものではない。
図18の例では、光学部調整駆動部7が、ファイバ端106を移動させて、光の集光位置を変化させるようにしている。ここでは、送信ビームと受信ビームが、同じ一本の光ファイバから生成される理想的な送受同軸の構成としている。
図18の例では、ファイバ端106の移動により、送信ビームと受信ビームの集光位置を一緒に動かすものを示しているが、送信ビームと受信ビームの集光位置を個別に移動させるようにしても、本発明を適用することが可能であり、その構成については後述する。
図18の例では、光サーキュレータ105、ファイバ端106、光カプラ107及び光受信機108から光検出器6が構成されている。
図18の例では、ファイバ端106の移動により、送信ビームと受信ビームの集光位置を一緒に動かすものを示しているが、送信ビームと受信ビームの集光位置を個別に移動させるようにしても、本発明を適用することが可能であり、その構成については後述する。
図18の例では、光サーキュレータ105、ファイバ端106、光カプラ107及び光受信機108から光検出器6が構成されている。
以降、「光検出器6を移動する」という文言は、図18の構成において、光検出器6の全体を移動させるという意味だけでなく、光検出器6の一部(例えば、ファイバ端106)を移動させるという意味も含むものとする。
また、図18に示す光送受信部2では、全ての光部品の間が光ファイバで接続されているが、必ずしも光ファイバで接続されている必要はない。例えば、全ての光部品の間が空間になっていてもよく、その場合には、集光距離可変機能を光学系5に持たせて、光学部調整駆動部7が制御する対象をファイバ端106ではなく、光学系5としてもよい。
集光距離可変機能を持つ具体例としては、例えば、ビームエクスパンダーがあり、光学部調整駆動部7が、ビームエクスパンダーを制御することで、集光距離を可変する構成が考えられる。
以下、「集光距離」という文言と、「焦点距離」という文言が存在するが、これらは同じ意味を持っており、送信ビーム、もしくは受信ビームを集光する距離という意味を持っている。
また、図18に示す光送受信部2では、全ての光部品の間が光ファイバで接続されているが、必ずしも光ファイバで接続されている必要はない。例えば、全ての光部品の間が空間になっていてもよく、その場合には、集光距離可変機能を光学系5に持たせて、光学部調整駆動部7が制御する対象をファイバ端106ではなく、光学系5としてもよい。
集光距離可変機能を持つ具体例としては、例えば、ビームエクスパンダーがあり、光学部調整駆動部7が、ビームエクスパンダーを制御することで、集光距離を可変する構成が考えられる。
以下、「集光距離」という文言と、「焦点距離」という文言が存在するが、これらは同じ意味を持っており、送信ビーム、もしくは受信ビームを集光する距離という意味を持っている。
信号処理部8は信号解析部9及び表示・保存部10から構成されている。
信号処理部8の信号解析部9は例えばCPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、光学部4から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する処理を実施する。
また、信号解析部9は設置位置(光学条件)が異なる光学部4の出力データをそれぞれ解析することで算出した各々のスペクトルを用いて、光学部4における最適な設置位置(最適な光学条件)を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整(光学条件調整)を制御して、光学部4の設置位置(光学条件)を最適化する処理を実施する。
信号処理部8の信号解析部9は例えばCPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、光学部4から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する処理を実施する。
また、信号解析部9は設置位置(光学条件)が異なる光学部4の出力データをそれぞれ解析することで算出した各々のスペクトルを用いて、光学部4における最適な設置位置(最適な光学条件)を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整(光学条件調整)を制御して、光学部4の設置位置(光学条件)を最適化する処理を実施する。
信号処理部8の表示・保存部10は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置、GPU(Graphics Processing Unit)及びディスプレイなどから構成されており、信号解析部9により算出された風速等を保存するとともに、その風速等を表示する処理を実施する。なお、表示・保存部10は観測結果出力手段を構成している。
図1の例では、レーダ装置の構成要素である光送受信部2及び信号処理部8のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、レーダ装置の全部又は一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、レーダ装置の一部である信号処理部8がコンピュータで構成されている場合、信号処理部8の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
例えば、レーダ装置の一部である信号処理部8がコンピュータで構成されている場合、信号処理部8の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図2はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図である。
図2において、光学条件設定・設定信号出力部21は光学部4の光検出器6が設置されている位置、あるいは、光学部4の光学系5が設置されている位置を調整させる設定信号(光学条件を調整する設定信号)を光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
例えば、光学部4の光検出器6が設置されている位置を調整する場合、図4に示すように、光学系5から光検出器6までの距離(バックフォーカス)がKであるとき、一定間隔のステップ又は事前に作成しているテーブルを参照しながら、光検出器6が光学系5に最も近い初期位置K0から位置KMまで順番に移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させる設定信号を光学部調整駆動部7に出力する。
なお、光学部調整駆動部7及び光学条件設定・設定信号出力部21から光学条件調整手段が構成されている。
図2において、光学条件設定・設定信号出力部21は光学部4の光検出器6が設置されている位置、あるいは、光学部4の光学系5が設置されている位置を調整させる設定信号(光学条件を調整する設定信号)を光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
例えば、光学部4の光検出器6が設置されている位置を調整する場合、図4に示すように、光学系5から光検出器6までの距離(バックフォーカス)がKであるとき、一定間隔のステップ又は事前に作成しているテーブルを参照しながら、光検出器6が光学系5に最も近い初期位置K0から位置KMまで順番に移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させる設定信号を光学部調整駆動部7に出力する。
なお、光学部調整駆動部7及び光学条件設定・設定信号出力部21から光学条件調整手段が構成されている。
データ取得部22は光学部4の光検出器6から出力されたデータを取得する処理を実施する。
スペクトル・風速演算部23はデータ取得部22により取得されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する処理を実施する。
なお、データ取得部22及びスペクトル・風速演算部23からスペクトル・速度算出手段が構成されている。
スペクトル・風速演算部23はデータ取得部22により取得されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する処理を実施する。
なお、データ取得部22及びスペクトル・風速演算部23からスペクトル・速度算出手段が構成されている。
最適位置解析部24は光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置(光学条件)を調整する毎に、スペクトル・風速演算部23がスペクトルを算出すると、各々の設置位置に対応するスペクトルを用いて、光学系5により受光されているレーザ光の信号強度が所望の信号強度以上になる光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を特定することで、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置(最適な光学条件)を探索する処理を実施する。
また、最適位置解析部24は光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を最適な設置位置に移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
なお、最適位置解析部24は光学条件最適化手段を構成している。
また、最適位置解析部24は光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を最適な設置位置に移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
なお、最適位置解析部24は光学条件最適化手段を構成している。
データ自己解析部25はスペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルを用いて、光学系5により受光されているレーザ光の信号強度が所望の信号強度以上であるか否かを判定し、所望の信号強度以上でなければ、設置位置の調整指令を光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
図3はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置の信号解析部9の処理内容を示すフローチャートである。
図3はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置の信号解析部9の処理内容を示すフローチャートである。
次に動作について説明する。
この実施の形態1では、エアロゾル1の密度などの環境に応じて、光検出器6の設置位置を動的に変化させることで、図5に示すように、スペクトルのエンベロップの形状を変えるようにしている。
エンベロップの形状を変えることで、レーダ装置から所望の距離に位置しているエアロゾル1から反射されるレーザ光の受信強度を動的に変化させることが可能になる。これにより、高速なデータ取得速度で比較的近距離における風速を高い受信強度で測定することが可能になる。
この実施の形態1では、エアロゾル1の密度などの環境に応じて、光検出器6の設置位置を動的に変化させることで、図5に示すように、スペクトルのエンベロップの形状を変えるようにしている。
エンベロップの形状を変えることで、レーダ装置から所望の距離に位置しているエアロゾル1から反射されるレーザ光の受信強度を動的に変化させることが可能になる。これにより、高速なデータ取得速度で比較的近距離における風速を高い受信強度で測定することが可能になる。
式(A)(B)において、hはプランク定数(Js)、νは光周波数(Hz)、λは光波長(m)、Bは受信帯域幅(Hz)であり、Wideband SNRを計算する場合には全アナログ受信帯域幅である。
また、Rは測定を行う観測対象までの距離であるターゲット距離(m)、zは集光距離(m)、Dは光学系有効開口径(m)、Eは送信パルスエネルギー(J)、βは大気後方散乱係数(/m/sr)、Katmは大気透過率(/km)である。
式(B)において、分母大括弧内は、受信結合効率の距離依存性を決める項であり、括弧内第2項は光学系曲率(焦点距離設定)、第3項は大気ゆらぎに関係する項である。
また、S0は横方向コヒーレンス長である。ηFは送信ビームのケラレの影響を考慮するための係数であり、AcDはビーム直径である。
この式からも分かるように、あるターゲット距離Rの測定を行う場合、集光距離をターゲット距離Rと一致させることで、受信SNRが最大になる。
また、Rは測定を行う観測対象までの距離であるターゲット距離(m)、zは集光距離(m)、Dは光学系有効開口径(m)、Eは送信パルスエネルギー(J)、βは大気後方散乱係数(/m/sr)、Katmは大気透過率(/km)である。
式(B)において、分母大括弧内は、受信結合効率の距離依存性を決める項であり、括弧内第2項は光学系曲率(焦点距離設定)、第3項は大気ゆらぎに関係する項である。
また、S0は横方向コヒーレンス長である。ηFは送信ビームのケラレの影響を考慮するための係数であり、AcDはビーム直径である。
この式からも分かるように、あるターゲット距離Rの測定を行う場合、集光距離をターゲット距離Rと一致させることで、受信SNRが最大になる。
光送受信部2の光発振装置3は、レーザ光を発振して、そのレーザ光を光学部4の光学系5に出力する。
これにより、光発振装置3から発振されたレーザ光が光学系5を通じて大気中に放射される。
大気中に放射されたレーザ光の一部は、大気中に存在するエアロゾル1に反射して、レーダ装置に戻ってくる。
光学部4の光学系5は、大気中に存在するエアロゾル1に反射して戻ってきたレーザ光を受光する。
光学部4の光検出器6は、光学系5により受光されたレーザ光を検出し、そのレーザ光の信号強度に相当する電気信号であるデータを信号処理部8の信号解析部9に出力する。
これにより、光発振装置3から発振されたレーザ光が光学系5を通じて大気中に放射される。
大気中に放射されたレーザ光の一部は、大気中に存在するエアロゾル1に反射して、レーダ装置に戻ってくる。
光学部4の光学系5は、大気中に存在するエアロゾル1に反射して戻ってきたレーザ光を受光する。
光学部4の光検出器6は、光学系5により受光されたレーザ光を検出し、そのレーザ光の信号強度に相当する電気信号であるデータを信号処理部8の信号解析部9に出力する。
信号処理部8の信号解析部9は、光学部4の光検出器6からデータを受けると、そのデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する。
また、信号解析部9は、設置位置が異なる光学部4の出力データをそれぞれ解析することで算出した各々のスペクトルを用いて、光学部4における最適な設置位置を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整を制御して、光学部4の設置位置を最適化する。
以下、信号解析部9の処理内容を具体的に説明する。
また、信号解析部9は、設置位置が異なる光学部4の出力データをそれぞれ解析することで算出した各々のスペクトルを用いて、光学部4における最適な設置位置を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整を制御して、光学部4の設置位置を最適化する。
以下、信号解析部9の処理内容を具体的に説明する。
ユーザが図示せぬマンマシンインタフェース(例えば、キーボード、マウスなど)を操作して、光検出器6の設置位置の変更要求を入力している場合、あるいは、後述するデータ自己解析部25が設置位置の調整指令を出力している場合、位置変更トリガが「ON」になる。
信号解析部9の光学条件設定・設定信号出力部21は、位置変更トリガが「ON」である場合(図3のステップST1)、光学部4の光検出器6が設置されている位置を調整させる設定信号Esiを光学部調整駆動部7に出力する。
信号解析部9の光学条件設定・設定信号出力部21は、位置変更トリガが「ON」である場合(図3のステップST1)、光学部4の光検出器6が設置されている位置を調整させる設定信号Esiを光学部調整駆動部7に出力する。
例えば、光学部4の光検出器6が設置されている位置を調整する場合、図4に示すように、光学系5から光検出器6までの距離(バックフォーカス)がKであるとき、一定間隔のステップ又は事前に作成しているテーブルを参照しながら、光検出器6が光学系5に最も近い初期位置K0から位置KMまで順番に移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させる設定信号Esiを光学部調整駆動部7に出力する。i=0,1,2,・・・,Mである。
光学部調整駆動部7は、光学条件設定・設定信号出力部21から設定信号Esiを受けると、光検出器6の設置位置をKiの位置まで移動させる(ステップST2)。
光学部調整駆動部7は、光学条件設定・設定信号出力部21から設定信号Esiを受けると、光検出器6の設置位置をKiの位置まで移動させる(ステップST2)。
信号解析部9のデータ取得部22は、光学部調整駆動部7が光検出器6の設置位置をKi−1→Kiに調整すると、光学部4の光検出器6から出力されたデータを取得する(ステップST3)。
ここで、光検出器6から出力されたデータは、光学系5により受光されたレーザ光の信号強度に相当する電気信号であるが、光学系5により受光されたレーザ光は、エアロゾル1における反射位置の速度(風速)に応じてドップラー効果が生じている。
データ取得部22は、光検出器6からデータが出力される毎に、各々のデータが示すレーザ光の信号強度を保存する。
ここで、光検出器6から出力されたデータは、光学系5により受光されたレーザ光の信号強度に相当する電気信号であるが、光学系5により受光されたレーザ光は、エアロゾル1における反射位置の速度(風速)に応じてドップラー効果が生じている。
データ取得部22は、光検出器6からデータが出力される毎に、各々のデータが示すレーザ光の信号強度を保存する。
信号解析部9のスペクトル・風速演算部23は、データ取得部22により保存されている時系列のデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する(ステップST4)。
ここで、風速の算出手法の一例を説明する。
ここで、風速の算出手法の一例を説明する。
まず、スペクトル・風速演算部23は、図15に示すように、データ取得部22により保存されている時系列のデータが示すレーザ光の信号強度(各高度における大気中のエアロゾル1から反射されたレーザ光)を時間毎に区切り(時間毎に区切ったレーザ光を「レンジビン」と称する)、各レンジビン内で、微小間隔でのコヒーレント積分を行う。
スペクトル・風速演算部23は、各レンジビン内でコヒーレント積分を行うと、レンジビン内でフーリエ変換を実施し、図16に示すように、N回のパルスのインコヒーレント積分を行う。
コヒーレント積分及びインコヒーレント積分における積分回数については後述する。
スペクトル・風速演算部23は、各レンジビン内でコヒーレント積分を行うと、レンジビン内でフーリエ変換を実施し、図16に示すように、N回のパルスのインコヒーレント積分を行う。
コヒーレント積分及びインコヒーレント積分における積分回数については後述する。
また、スペクトル・風速演算部23は、信号が混ざっていない雑音のみの信号(以下、「ノイズ信号」と称する)に対しても、上記のレンジビン内での積分と同様の積分回数によるコヒーレント積分及びインコヒーレント積分を事前に実施して取得する。あるいは、リアルタイムに雑音成分であるノイズ信号を取得する。
そして、スペクトル・風速演算部23は、N回のパルスのインコヒーレント積分結果をノイズ信号で除算することでSNRを算出する。
次に、スペクトル・風速演算部23は、各レンジビンにおける所定のSNR(所定の検出強度閾値以上のパワースペクトル)を持つドップラー速度(風速)を算出し、そのSNRをスペクトル強度として保持する。
なお、検出強度閾値は、ユーザが設定するようにしてもよいし、センサ固有のもので決定される値を用いるようにしてもよい。
次に、スペクトル・風速演算部23は、各レンジビンにおける所定のSNR(所定の検出強度閾値以上のパワースペクトル)を持つドップラー速度(風速)を算出し、そのSNRをスペクトル強度として保持する。
なお、検出強度閾値は、ユーザが設定するようにしてもよいし、センサ固有のもので決定される値を用いるようにしてもよい。
信号解析部9の最適位置解析部24は、光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置を調整する毎に(光検出器6の設置位置をKi−1→Kiに調整する毎に)、スペクトル・風速演算部23がスペクトルを算出すると、調整後の設置位置Kiに対応するスペクトルを用いて、調整後の設置位置Kiが最適な設置位置であるか否かを判定する。
最適位置解析部24は、調整後の設置位置Kiが最適な設置位置であると判定すると、光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5)を最適な設置位置に移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する(ステップST5)。
以下、最適位置解析部24の処理内容を具体的に説明する。
最適位置解析部24は、調整後の設置位置Kiが最適な設置位置であると判定すると、光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5)を最適な設置位置に移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する(ステップST5)。
以下、最適位置解析部24の処理内容を具体的に説明する。
図6は光検出器6の設置位置がKi(i=0,1,2,・・・,M)であるときの距離値ZとSNRの関係を示す説明図である。
例えば、ユーザにより設定された所望の強度値がTSNR、所望の距離値がZn以上である場合、所望強度値TSNR以上の強度を持つ測定可能距離が最低距離Zmin以上であって、測定可能距離が所望距離値Zn以上となる光検出器6の設置位置Kiを探索する。
即ち、最適位置解析部24は、光検出器6の設置位置Kiにおいて、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較し、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、その設置位置Kiを最適な設置位置に決定する。
図6の例では、光検出器6の設置位置Kiが位置K2に移動されたとき、距離値Zkが所望距離値Zn以上となり、設置位置K2が最適な設置位置に決定される。
最適位置解析部24は、設置位置Kiを最適な設置位置に決定すると、光検出器6の設置位置を最適な設置位置Kiに移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する。
例えば、ユーザにより設定された所望の強度値がTSNR、所望の距離値がZn以上である場合、所望強度値TSNR以上の強度を持つ測定可能距離が最低距離Zmin以上であって、測定可能距離が所望距離値Zn以上となる光検出器6の設置位置Kiを探索する。
即ち、最適位置解析部24は、光検出器6の設置位置Kiにおいて、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較し、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、その設置位置Kiを最適な設置位置に決定する。
図6の例では、光検出器6の設置位置Kiが位置K2に移動されたとき、距離値Zkが所望距離値Zn以上となり、設置位置K2が最適な設置位置に決定される。
最適位置解析部24は、設置位置Kiを最適な設置位置に決定すると、光検出器6の設置位置を最適な設置位置Kiに移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する。
光学部調整駆動部7は、最適位置解析部24から光検出器6の設置位置を最適な設置位置Kiに移動させる制御信号Cを受けると、光検出器6の設置位置を制御信号Cが示す最適な設置位置Kiまで移動させる。
例えば、大気中に雲などのクラッタが存在する場合、光検出器6から図7に示すようなパワーエンベロップが得られる。
例えば、大気中に雲などのクラッタが存在する場合、光検出器6から図7に示すようなパワーエンベロップが得られる。
図7において、仮に、SNRの最大値が所望強度値TSNRを超える距離値を判断基準とする場合、黒丸の位置であるZk’を測定可能な距離として判断してしまうことになるが、実際の測定可能な距離はZkである。
一般的に、大気中のエアロゾル1のみで得られるパワーエンベロップは緩やかな曲線となるため、SNRの最大値が所望強度値TSNRを超える距離値を判断基準とすると、位置Zk’を測定可能な距離とするような誤検知が発生する。
この実施の形態1では、最低距離Zminを設定し、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値Zkが所望距離値Zn以上であるという条件を加えているため、上記のような誤検知の発生を防止することができる。
一般的に、大気中のエアロゾル1のみで得られるパワーエンベロップは緩やかな曲線となるため、SNRの最大値が所望強度値TSNRを超える距離値を判断基準とすると、位置Zk’を測定可能な距離とするような誤検知が発生する。
この実施の形態1では、最低距離Zminを設定し、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値Zkが所望距離値Zn以上であるという条件を加えているため、上記のような誤検知の発生を防止することができる。
この実施の形態1では、光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置をKi−1→Kiに調整したとき、光検出器6の設置位置Kiにおいて、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、その設置位置Kiを最適な設置位置に決定する方式(以下、方式Aと称する)を用いるものを示したが、最初に、光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置を初期位置K0から位置KMまで順番に移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させたのち、最適位置解析部24が、各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)に対応するスペクトルを用いて、光学系5により受光されているレーザ光の信号強度が所望の信号強度以上になる光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を特定し、レーザ光の信号強度が所望の信号強度以上になる光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)の中から、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索する方式(以下、方式Bと称する)を用いるようにしてもよい(詳細は、実施の形態3で説明する)。
ただし、方式Aを用いる場合、最適な設置位置が初期位置K0と近い位置にあれば、初期位置K0から遠い位置での光検出器6の出力データを解析する必要がないため、方式Bを用いる場合よりも、速やかに最適な設置位置を決定することができる。
一方、方式Bを用いる場合、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値Zkが所望距離値Zn以上となる光検出器6の設置位置が複数存在する場合、距離値が長い方の設置位置を最適な設置位置に決定することができるメリットなどがある。
一方、方式Bを用いる場合、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値Zkが所望距離値Zn以上となる光検出器6の設置位置が複数存在する場合、距離値が長い方の設置位置を最適な設置位置に決定することができるメリットなどがある。
最適位置解析部24は、光検出器6(あるいは、光学系5)の設置位置を最適な設置位置に移動させると、位置変更トリガを「OFF」にする(ステップST6)。
データ取得部22は、位置変更トリガが「OFF」になると、最適な位置に設置されている光検出器6から出力されたデータを取得する(ステップST7)。
スペクトル・風速演算部23は、データ取得部22により取得されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する(ステップST8)。
スペクトル及び風速の算出方法は、位置変更トリガが「ON」である場合と同様であるが、光検出器6が最適な位置に設置されているので、スペクトル及び風速を高精度に算出することが可能である。
信号処理部8の表示・保存部10は、信号解析部9により算出されたスペクトル及び風速を保存するとともに、そのスペクトル及び風速を表示する。
データ取得部22は、位置変更トリガが「OFF」になると、最適な位置に設置されている光検出器6から出力されたデータを取得する(ステップST7)。
スペクトル・風速演算部23は、データ取得部22により取得されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、エアロゾル1の速度として風速を算出する(ステップST8)。
スペクトル及び風速の算出方法は、位置変更トリガが「ON」である場合と同様であるが、光検出器6が最適な位置に設置されているので、スペクトル及び風速を高精度に算出することが可能である。
信号処理部8の表示・保存部10は、信号解析部9により算出されたスペクトル及び風速を保存するとともに、そのスペクトル及び風速を表示する。
データ自己解析部25は、スペクトル・風速演算部23がスペクトルを算出すると、そのスペクトルを用いて、光学系5により受光されているレーザ光の信号強度が所望の信号強度以上であるか否かを判定(光検出器6の設置位置が、最適な設置位置であるか否かを判定)し、所望の信号強度以上でなければ、設置位置の調整指令を光学部調整駆動部7に出力する。
即ち、データ自己解析部25は、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルからSNRを算出し(SNRの算出方法は、スペクトル・風速演算部23によるSNRの算出方法を参照)、そのSNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較する。
そして、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、光検出器6の設置位置が、現在も最適な設置位置であるため、「OFF」の位置変更トリガを維持する。
一方、その距離値Zkが所望距離値Zn未満であれば、光検出器6の設置位置が、最適な設置位置でなくなっているため、位置変更トリガを「ON」に変更する。これにより、光検出器6の設置位置の位置調整が再開される。
即ち、データ自己解析部25は、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルからSNRを算出し(SNRの算出方法は、スペクトル・風速演算部23によるSNRの算出方法を参照)、そのSNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較する。
そして、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、光検出器6の設置位置が、現在も最適な設置位置であるため、「OFF」の位置変更トリガを維持する。
一方、その距離値Zkが所望距離値Zn未満であれば、光検出器6の設置位置が、最適な設置位置でなくなっているため、位置変更トリガを「ON」に変更する。これにより、光検出器6の設置位置の位置調整が再開される。
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、最適位置解析部24が、設置位置が異なる光検出器6の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・風速演算部23により算出された各々のスペクトルを用いて、光検出器6における最適な設置位置を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整を制御して、光検出器6の設置位置を最適化するように構成したので、所望の距離に位置するエアロゾル1の速度を短時間で高精度に測定することができる効果を奏する。
即ち、この実施の形態1によれば、SNRを高めるために積分回数の変更を行うものではないため、光検出器6の出力データのレートを劣化させず、ユーザが見たい所望の距離において、高いSNRの風速測定が可能になる。
即ち、この実施の形態1によれば、SNRを高めるために積分回数の変更を行うものではないため、光検出器6の出力データのレートを劣化させず、ユーザが見たい所望の距離において、高いSNRの風速測定が可能になる。
この実施の形態1では、光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置を初期位置K0から位置KMまで移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させるものを示したが、Mの値については、ユーザによる定義としてもよいし、当該センサの機構で決定する距離間隔と光学部調整駆動部7における最小駆動距離などを用いて算出するようにしてもよい。
この実施の形態1では、最低距離Zminが設定されているものを示したが、最低距離Zminについては、ユーザによる定義としてもよいが、例えば、デフォーカス位置で決定される効率のピーク位置を用いるなど、理論的に決定される値を用いるようにしてもよい。
この実施の形態1では、光送受信部2が、光発振装置3と光学部4などから構成されているものを示したが、風速などのドップラー速度を測定することができる装置であればよく、光送受信部2が他の構成であってもよい。例えば、特許文献1に開示されているような構成でもよい。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、信号解析部9の指示の下で、光学部4が設置されている位置を調整する光学部調整駆動部7を設け、最適位置解析部24が、設置位置が異なる光検出器6の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・風速演算部23により算出された各々のスペクトルを用いて、光検出器6における最適な設置位置を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整を制御して、光検出器6の設置位置を最適化するものを示したが、光学系5のフォーカス(光学条件)を調整する光学条件調整手段を設け、最適位置解析部24が、光学系5のフォーカス(光学条件)が異なる光検出器6の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・風速演算部23により算出された各々のスペクトルを用いて、光学系5における最適なフォーカス(最適な光学条件)を特定し、上記光学条件調整手段によるフォーカス調整(光学条件調整)を制御して、光学系5のフォーカス(光学条件)を最適化するようにしてもよい。
上記実施の形態1では、信号解析部9の指示の下で、光学部4が設置されている位置を調整する光学部調整駆動部7を設け、最適位置解析部24が、設置位置が異なる光検出器6の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・風速演算部23により算出された各々のスペクトルを用いて、光検出器6における最適な設置位置を特定し、光学部調整駆動部7による位置調整を制御して、光検出器6の設置位置を最適化するものを示したが、光学系5のフォーカス(光学条件)を調整する光学条件調整手段を設け、最適位置解析部24が、光学系5のフォーカス(光学条件)が異なる光検出器6の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・風速演算部23により算出された各々のスペクトルを用いて、光学系5における最適なフォーカス(最適な光学条件)を特定し、上記光学条件調整手段によるフォーカス調整(光学条件調整)を制御して、光学系5のフォーカス(光学条件)を最適化するようにしてもよい。
例えば、光学系5が複数のレンズ群から構成されている場合、光学条件調整手段としては、レンズ群におけるフォーカスレンズの繰り出しを行う機構が考えられる。
この実施の形態2における最適位置解析部24は、上記実施の形態1における最適位置解析部24と基本的には同じである。
即ち、上記実施の形態1における最適位置解析部24では、光学部調整駆動部7が光学条件設定・設定信号出力部21の指示の下で、光検出器6の設置位置をKi−1→Kiに調整する毎に、調整後の設置位置Kiに対応するスペクトルを用いて、調整後の設置位置Kiが最適な設置位置であるか否かを判定しているが、この実施の形態2における最適位置解析部24では、光学条件調整手段が光学条件設定・設定信号出力部21の指示の下で、光学系5のフォーカスをFi−1→Fiに調整する毎に、調整後のフォーカスFiに対応するスペクトルを用いて、調整後のフォーカスFiが最適なフォーカスであるか否かを判定している点でだけ相違している。
この実施の形態2における最適位置解析部24は、上記実施の形態1における最適位置解析部24と基本的には同じである。
即ち、上記実施の形態1における最適位置解析部24では、光学部調整駆動部7が光学条件設定・設定信号出力部21の指示の下で、光検出器6の設置位置をKi−1→Kiに調整する毎に、調整後の設置位置Kiに対応するスペクトルを用いて、調整後の設置位置Kiが最適な設置位置であるか否かを判定しているが、この実施の形態2における最適位置解析部24では、光学条件調整手段が光学条件設定・設定信号出力部21の指示の下で、光学系5のフォーカスをFi−1→Fiに調整する毎に、調整後のフォーカスFiに対応するスペクトルを用いて、調整後のフォーカスFiが最適なフォーカスであるか否かを判定している点でだけ相違している。
調整後のフォーカスが最適なフォーカスであるか否かの判定は、例えば、以下のように行われる。
最適位置解析部24は、光学系5のフォーカスFiにおいて、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較し、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、そのフォーカスFiを最適なフォーカスに決定する。
最適位置解析部24は、フォーカスFiを最適なフォーカスに決定すると、光学系5のフォーカスを最適なフォーカスFiに調整させる制御信号Cを光学条件調整手段に出力する。
これにより、光学条件調整手段は、光学系5のフォーカスを最適なフォーカスFiに調整する。
この結果、上記実施の形態1と同様に、所望の距離に位置するエアロゾル1の速度を短時間で高精度に測定することができる効果を奏する。
最適位置解析部24は、光学系5のフォーカスFiにおいて、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較し、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であれば、そのフォーカスFiを最適なフォーカスに決定する。
最適位置解析部24は、フォーカスFiを最適なフォーカスに決定すると、光学系5のフォーカスを最適なフォーカスFiに調整させる制御信号Cを光学条件調整手段に出力する。
これにより、光学条件調整手段は、光学系5のフォーカスを最適なフォーカスFiに調整する。
この結果、上記実施の形態1と同様に、所望の距離に位置するエアロゾル1の速度を短時間で高精度に測定することができる効果を奏する。
なお、この実施の形態2では、光学部調整駆動部7が光検出器6の設置位置を調整する代わりに、光学条件調整手段が光学系5のフォーカスを調整するものを示したが、光学部調整駆動部7が光検出器6の設置位置を調整するとともに、光学条件調整手段が光学系5のフォーカスを調整するようにしてもよい。
実施の形態3.
図8はこの発明の実施の形態3によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
一時保存部31は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、光学部調整駆動部7が光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を調整する毎に、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルを記憶するとともに、そのスペクトルが算出された際の光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を記憶する。なお、一時保存部31は記憶手段を構成している。
図8はこの発明の実施の形態3によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
一時保存部31は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、光学部調整駆動部7が光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を調整する毎に、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルを記憶するとともに、そのスペクトルが算出された際の光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を記憶する。なお、一時保存部31は記憶手段を構成している。
最適位置解析部32は一時保存部31により記憶されている1以上のスペクトルを用いて、一時保存部31により記憶されている1以上の光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)の中から、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索する処理を実施する。
また、最適位置解析部32は光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を最適な設置位置に移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
なお、最適位置解析部32は設置位置最適化手段を構成している。
また、最適位置解析部32は光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を最適な設置位置に移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する処理を実施する。
なお、最適位置解析部32は設置位置最適化手段を構成している。
次に動作について説明する。
一時保存部31及び最適位置解析部32以外は、上記実施の形態1と同様であるため、一時保存部31及び最適位置解析部32の処理内容を主に説明する。
上記実施の形態1では、光検出器6の設置位置を1回移動させる毎に、最適位置解析部24が、移動後の光検出器6の設置位置が最適な設置位置であるか否かを判定するものを示したが、この実施の形態3では、最初に、光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置を初期位置K0から位置KMまで順番に移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させるようにして、スペクトル・風速演算部23が各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)での光検出器6の出力データからスペクトルをそれぞれ算出し、各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)でのスペクトルを一時保存部31に格納する。
一時保存部31及び最適位置解析部32以外は、上記実施の形態1と同様であるため、一時保存部31及び最適位置解析部32の処理内容を主に説明する。
上記実施の形態1では、光検出器6の設置位置を1回移動させる毎に、最適位置解析部24が、移動後の光検出器6の設置位置が最適な設置位置であるか否かを判定するものを示したが、この実施の形態3では、最初に、光学条件設定・設定信号出力部21が光検出器6の設置位置を初期位置K0から位置KMまで順番に移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させるようにして、スペクトル・風速演算部23が各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)での光検出器6の出力データからスペクトルをそれぞれ算出し、各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)でのスペクトルを一時保存部31に格納する。
最適位置解析部32は、一時保存部31に記憶されている各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)に対応するスペクトルを用いて、光学系5により受光されているレーザ光の信号強度が所望の信号強度以上になる光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)を特定し、レーザ光の信号強度が所望の信号強度以上になる光検出器6の設置位置(あるいは、光学系5の設置位置)の中から、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索する。
即ち、最適位置解析部32は、各々の設置位置(K0,K1,K2,・・・,KM)において、SNRに対応する距離値Zが、最低距離Zminを超えたのち、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値をZkとして、その距離値Zkと所望距離値Znを比較し、その距離値Zkが所望距離値Zn以上であるか否かを判定する。
最適位置解析部32は、距離値Zkが所望距離値Zn以上である設置位置が1以上存在する場合、1以上の設置位置の中で、距離値Zkが最大の設置位置Kiを最適な設置位置に決定する。
最適位置解析部32は、設置位置Kiを最適な設置位置に決定すると、光検出器6の設置位置を最適な設置位置Kiに移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する。
最適位置解析部32は、距離値Zkが所望距離値Zn以上である設置位置が1以上存在する場合、1以上の設置位置の中で、距離値Zkが最大の設置位置Kiを最適な設置位置に決定する。
最適位置解析部32は、設置位置Kiを最適な設置位置に決定すると、光検出器6の設置位置を最適な設置位置Kiに移動させる制御信号Cを光学部調整駆動部7に出力する。
以下、図8の構成を最大限に活かせる形態として、図9に示すように、振動などの外乱によって、光検出器6がz軸からずれてしまっている場合でも、光検出器6の設置位置Kiを最適な設置位置に決定することができることが挙げられる。
レーダ装置の光送受信部2が図10(a)のような構成である場合、ファイバ送受のファイバが同一のため、振動などの外乱を受けても、z軸方向にだけずれる。このため、上記実施の形態1のように、z軸方向への調整処理で、最適化が可能になる。
しかし、レーダ装置の光送受信部2が図10(b)のように、送受一体型でない構成である場合、振動などの外乱によって、z軸方向だけでなく、x,y軸方向にも受信面がずれることが知られている。
レーダ装置の光送受信部2が図10(a)のような構成である場合、ファイバ送受のファイバが同一のため、振動などの外乱を受けても、z軸方向にだけずれる。このため、上記実施の形態1のように、z軸方向への調整処理で、最適化が可能になる。
しかし、レーダ装置の光送受信部2が図10(b)のように、送受一体型でない構成である場合、振動などの外乱によって、z軸方向だけでなく、x,y軸方向にも受信面がずれることが知られている。
また、光送信部2における光サーキュレータ5の構成が図24のような場合も、振動などの外乱によって、z軸方向だけでなく、x,y軸方向にも受信面がずれることが知られている。
そこで、上記実施の形態1では、光検出器6の設置位置Kiの変数がiだけであったが、この実施の形態3では、光検出器6の設置位置の変数として、x,y,z軸に対応する変数(p,q,r)を使用し、x,y,z軸に対して、(P,Q,R)回ずつずらしながら、データ取得部22が光検出器6の出力データを取得して、スペクトル・風速演算部23がデータ取得部22により取得されたデータを解析して、変数(p,q,r)に対応するスペクトルを算出するようにする。
(P,Q,R)の回数については、変数iの定義と同様に、ユーザによる決定でもよいし、例えば、光学部調整駆動部7の最小駆動距離と装置構成で決定される回数を用いるようにしてもよい。
(P,Q,R)の回数については、変数iの定義と同様に、ユーザによる決定でもよいし、例えば、光学部調整駆動部7の最小駆動距離と装置構成で決定される回数を用いるようにしてもよい。
最適位置解析部32は、一時保存部31に記憶されている変数(p,q,r)に対応するスペクトルのSNRを算出して、変数(p,q,r)に対応するSNR及びユーザにより設定された所望距離値におけるSNRの4次元マップを作成し、SNRが最も高いときの変数(p,q,r)に対応する設置位置を最適な設置位置として光学部調整駆動部7に出力する。
あるいは、変数(p,q,r)及びユーザにより設定された検出強度閾値を超える最大測定距離の4次元マップを作成し、それを満たす最大測定距離が最も長いときの変数(p,q,r)に対応する設置位置を最適な設置位置として光学部調整駆動部7に出力する。
これにより、振動などの外乱によって、光検出器6がz軸からずれてしまっている場合でも、光検出器6の設置位置Kiを最適な設置位置に決定することができるため、より安定した風速測定が可能になる効果が得られる。
あるいは、変数(p,q,r)及びユーザにより設定された検出強度閾値を超える最大測定距離の4次元マップを作成し、それを満たす最大測定距離が最も長いときの変数(p,q,r)に対応する設置位置を最適な設置位置として光学部調整駆動部7に出力する。
これにより、振動などの外乱によって、光検出器6がz軸からずれてしまっている場合でも、光検出器6の設置位置Kiを最適な設置位置に決定することができるため、より安定した風速測定が可能になる効果が得られる。
この実施の形態3では、光学部調整駆動部7が光検出器6の設置位置を調整する毎に、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルを記憶するとともに、そのスペクトルが算出された際の光検出器6の設置位置を記憶する一時保存部31を設け、最適位置解析部32が、一時保存部31により記憶されている1以上のスペクトルを用いて、一時保存部31により記憶されている1以上の光検出器6の設置位置の中から、光検出器6の最適な設置位置を探索し、光検出器6の設置位置を最適な設置位置に移動させる制御信号を光学部調整駆動部7に出力するものを示したが、上述した光学条件調整手段が光学系5のフォーカスを調整する毎に、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルを記憶するとともに、そのスペクトルが算出された際の光学系5のフォーカスを記憶する一時保存部を設け、最適位置解析部が、その一時保存部により記憶されている1以上のスペクトルを用いて、その一時保存部により記憶されている1以上の光学系5のフォーカスの中から、光学系5の最適なフォーカスを探索するようにしてもよい。
実施の形態4.
図11はこの発明の実施の形態4によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
積分回数設定部41はスペクトル・風速演算部23が光検出器6から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施して風速を算出する際、各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する処理を実施する。なお、積分回数設定部41は積分回数設定手段を構成している。
図11はこの発明の実施の形態4によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
積分回数設定部41はスペクトル・風速演算部23が光検出器6から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施して風速を算出する際、各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する処理を実施する。なお、積分回数設定部41は積分回数設定手段を構成している。
最適位置解析部42は図2の最適位置解析部24(あるいは、図8の最適位置解析部32)と同様の方法で、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索するが、その際、光検出器6(あるいは、光学系5)の設置位置だけでなく、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御しながら、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索する処理を実施する。なお、最適位置解析部42は設置位置最適化手段を構成している。
上記実施の形態1,3では、光検出器6(あるいは、光学系5)の設置位置を移動させながら、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索するものを示したが、光検出器6の設置位置を初期位置K0から位置KMまで移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させても、最適な設置位置が見つからない場合がある。即ち、受信SNRが所望強度値TSNRを超える光検出器6の設置位置が見つからない場合もあり、また、受信SNRが所望強度値TSNRを超えても、最初に所望強度値TSNRとクロスするポイントの距離値Zkが所望距離値Zn以上になる光検出器6の設置位置が見つからない場合もある。
そこで、この実施の形態4では、スペクトル・風速演算部23における積分処理の積分回数を設定する積分回数設定部41を設け、光検出器6の設置位置を初期位置K0から位置KMまで移動(K0→K1→K2→・・・→KM)させても、最適な設置位置が見つからなければ、最適位置解析部42が、その積分回数を増やす指示を積分回数設定部41に出力することで、その積分回数を徐々に増やすようにする。
スペクトル・風速演算部23における積分処理の積分回数が増えることで受信SNRが向上するため、受信SNRが所望強度値TSNRを超えるようになり、その結果、最適な設置位置が見つかる可能性が高まる。
なお、積分回数の上限に関しては、ユーザが設定するようにしてもよいし、センサ内において上限値を保持しておくようにしてもよい。また、その上限値は、データを保持するメモリ量で決定してもよく、これに限るものではない。
スペクトル・風速演算部23における積分処理の積分回数が増えることで受信SNRが向上するため、受信SNRが所望強度値TSNRを超えるようになり、その結果、最適な設置位置が見つかる可能性が高まる。
なお、積分回数の上限に関しては、ユーザが設定するようにしてもよいし、センサ内において上限値を保持しておくようにしてもよい。また、その上限値は、データを保持するメモリ量で決定してもよく、これに限るものではない。
上記実施の形態3で記述したように、上記実施の形態1,2の場合、送受同軸構成である状態で、ファイバ端106の移動によって、送信ビームと受信ビームの集光位置を一緒に動かすことにより集光距離を変化させて、閾値以上のSNRが取得可能な距離が、最も遠方になるようなファイバ端106の位置を設定している。
しかし、光サーキュレータ105が、図19に示すような構成の場合、送信ビームと受信ビームの集光距離を個別に動かすことも可能になる。
図19の例では、光発振装置3のパルス変調器104からレザー光が空間に出力される形態になっている。
また、光サーキュレータ105は、送信ビーム調整光学系111、偏光ビームスプリッターであるPBS112、光学レンズ113及びλ/4板114から構成されている。
しかし、光サーキュレータ105が、図19に示すような構成の場合、送信ビームと受信ビームの集光距離を個別に動かすことも可能になる。
図19の例では、光発振装置3のパルス変調器104からレザー光が空間に出力される形態になっている。
また、光サーキュレータ105は、送信ビーム調整光学系111、偏光ビームスプリッターであるPBS112、光学レンズ113及びλ/4板114から構成されている。
ここで、送信ビーム調整光学系111としては、例えば、ズームビームエクスパンダーがあり、このビームエクスパンダーに外部機構を付加して、光学部調整駆動部7がビームエクスパンダーを制御することで、集光距離を可変する構成が考えられる。
この構成は、パルス変調器104からの光出力が大きい場合に一般的に用いられるものである。
この構成の場合、送信ビーム調整光学系111又はファイバ端106の一方、もしくは両方を動作させて、上記と同様に、閾値以上のSNRが取得可能な距離が最も遠くなる送信ビーム調整光学系111の調整状態及びファイバ端106の位置を探索する。
例えば、パルス変調器104からの光出力が大きい場合、送受両者の間で、温度などの光学条件に影響を与えるパラメータが大きく異なるため、送信ビームと受信ビームの集光距離が異なり、受信SNRが低下することも考えられる。しかしながら、上述のように、送信ビーム調整光学系111の調整状態と、ファイバ端106の位置を個別に調整する機能を持たせておくことで、送信ビームと受信ビームの両方を意図した距離に集光することが可能になる。また、この状態から、上記実施の形態1,2と同じように集光距離を変化させれば、上記実施の形態1,2と同じ効果が得られる。
この構成は、パルス変調器104からの光出力が大きい場合に一般的に用いられるものである。
この構成の場合、送信ビーム調整光学系111又はファイバ端106の一方、もしくは両方を動作させて、上記と同様に、閾値以上のSNRが取得可能な距離が最も遠くなる送信ビーム調整光学系111の調整状態及びファイバ端106の位置を探索する。
例えば、パルス変調器104からの光出力が大きい場合、送受両者の間で、温度などの光学条件に影響を与えるパラメータが大きく異なるため、送信ビームと受信ビームの集光距離が異なり、受信SNRが低下することも考えられる。しかしながら、上述のように、送信ビーム調整光学系111の調整状態と、ファイバ端106の位置を個別に調整する機能を持たせておくことで、送信ビームと受信ビームの両方を意図した距離に集光することが可能になる。また、この状態から、上記実施の形態1,2と同じように集光距離を変化させれば、上記実施の形態1,2と同じ効果が得られる。
この実施の形態4によれば、光検出器6(あるいは、光学系5)の設置位置を移動させるだけでは、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索することができない場合でも、最適な設置位置を探索して、所望の距離に位置するエアロゾル1の速度を短時間で高精度に測定することができる効果を奏する。
ただし、スペクトル・風速演算部23における積分処理の積分回数を増やしても、最適な設置位置を探索することができない場合には、例えば、所望のSNR等を下げるなどの条件変更を要求するメッセージを表示・保存部10に表示するようにしてもよい。
ユーザが、このメッセージを見ることで、条件を変更すれば、最適な設置位置を探索することができる場合がある。したがって、ユーザのパラメータチューニングの効率を上げることができる。
ただし、スペクトル・風速演算部23における積分処理の積分回数を増やしても、最適な設置位置を探索することができない場合には、例えば、所望のSNR等を下げるなどの条件変更を要求するメッセージを表示・保存部10に表示するようにしてもよい。
ユーザが、このメッセージを見ることで、条件を変更すれば、最適な設置位置を探索することができる場合がある。したがって、ユーザのパラメータチューニングの効率を上げることができる。
この実施の形態4では、最適位置解析部42が、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御しながら、光検出器6(あるいは、光学系5)の最適な設置位置を探索するものを示したが、最適位置解析部42が、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御しながら、上記実施の形態2と同様の方法で、光学系5のフォーカスの最適なフォーカスを探索するようにしてもよい。
実施の形態5.
図12はこの発明の実施の形態5によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
モデル保存部51は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、スペクトルにおけるエンベロップ関数のモデルを保存している。なお、モデル保存部51はモデル保存手段を構成している。
図12はこの発明の実施の形態5によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
モデル保存部51は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、スペクトルにおけるエンベロップ関数のモデルを保存している。なお、モデル保存部51はモデル保存手段を構成している。
最適位置解析部52はスペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルのエンベロップとモデル保存部51により保存されているモデルから得られるエンベロップを比較して、エアロゾル1が存在している現在の環境下でのモデルを再構築し、そのモデルを用いて、光学部調整駆動部7による位置調整を制御する処理を実施する。なお、最適位置解析部52は設置位置最適化手段を構成している。
図12の信号解析部9は、図2の信号解析部9に対して、モデル保存部51及び最適位置解析部52を追加している構成を示しているが、図8又は図11の信号解析部9に対して、モデル保存部51及び最適位置解析部52を追加している構成であってもよい。
次に動作について説明する。
モデル保存部51及び最適位置解析部52以外は、上記実施の形態1等と同様であるため、ここでは、モデル保存部51及び最適位置解析部52の処理内容を主に説明する。
まず、光検出器6(あるいは、光学系5)の任意の設置位置で、光検出器6の出力データを取得することで、スペクトル・風速演算部23がスペクトルを算出する。任意の設置位置については、受信強度スペクトルが取得可能な位置であればどこでもよく、デフォルトで焦点距離としてもよい。
最適位置解析部52には、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルのエンベロップ(パワーエンベロップ)と、モデル保存部51により保存されているモデルが与えられる。
モデル保存部51及び最適位置解析部52以外は、上記実施の形態1等と同様であるため、ここでは、モデル保存部51及び最適位置解析部52の処理内容を主に説明する。
まず、光検出器6(あるいは、光学系5)の任意の設置位置で、光検出器6の出力データを取得することで、スペクトル・風速演算部23がスペクトルを算出する。任意の設置位置については、受信強度スペクトルが取得可能な位置であればどこでもよく、デフォルトで焦点距離としてもよい。
最適位置解析部52には、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルのエンベロップ(パワーエンベロップ)と、モデル保存部51により保存されているモデルが与えられる。
ここで、図13はスペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルのエンベロップと、モデル保存部51により保存されているモデルから得られるエンベロップとを示す説明図である。
図13において、スペクトル・風速演算部23により算出されたエンベロップはf(K,z)’で表され、実線で表記している。
また、モデル保存部51により保存されているモデルから得られるエンベロップはfα(K,z)で表され、破線で表記している。
ただし、ここでは、以下の(1)(2)を前提としている。
(1)エアロゾル1の濃度が一定である
(2)パワーエンベロップがエアロゾル1の濃度に対して線形に変化する
図13において、スペクトル・風速演算部23により算出されたエンベロップはf(K,z)’で表され、実線で表記している。
また、モデル保存部51により保存されているモデルから得られるエンベロップはfα(K,z)で表され、破線で表記している。
ただし、ここでは、以下の(1)(2)を前提としている。
(1)エアロゾル1の濃度が一定である
(2)パワーエンベロップがエアロゾル1の濃度に対して線形に変化する
上記の式(1)は光学系の公式を表し、式(2)は幾何により決定されるデフォーカス時の受光面積である。
また、式(3)はデフォーカスに関する関係式であり、式(4)はバックフォーカスと測定距離によって決定される効率である。
また、式(5)は距離による減衰とエアロゾル濃度を加えたパワーエンベロップに関する式である。
また、式(3)はデフォーカスに関する関係式であり、式(4)はバックフォーカスと測定距離によって決定される効率である。
また、式(5)は距離による減衰とエアロゾル濃度を加えたパワーエンベロップに関する式である。
最適位置解析部52は、αを導出したのち、ユーザにより定義される値である所望最大距離計測値をz=UR、所望SNRをUSNRとして、下記の条件式(7)を満足する(受信SNRが所望強度値TSNR以上であって、距離値Zkが所望距離値Zn以上であることを満足する)最小のバックフォーカス値Kを、上記式(1)〜(5)より導出される下記の式(8)を用いて算出する。
最適位置解析部52は、式(8)を用いて、最小のバックフォーカス値Kを算出すると、そのバックフォーカス値Kに光検出器6(あるいは、光学系5)の位置を制御することで、所望の距離を所望のSNRで取得することができる。
この実施の形態5によれば、上記実施の形態1〜4のように、複数回の位置変更を行う制御を実施する必要がなくなり、比較的短時間で、最適な設置位置を設定することが可能になるメリットが挙げられる。
この実施の形態5によれば、上記実施の形態1〜4のように、複数回の位置変更を行う制御を実施する必要がなくなり、比較的短時間で、最適な設置位置を設定することが可能になるメリットが挙げられる。
なお、この実施の形態5では、最適位置解析部52が、スペクトル・風速演算部23により算出されたスペクトルのエンベロップとモデル保存部51により保存されているモデルから得られるエンベロップを比較して、エアロゾル1が存在している現在の環境下でのモデルを再構築し、そのモデルを用いて、光学部調整駆動部7による位置調整を制御するものを示したが、上記と同様に再構築したモデルを用いて、光学条件調整手段によるフォーカス調整を制御するようにしてもよい。
上記モデルの代わりに、下記の式(9)を用いて、最小のバックフォーカス値Kを算出するようにしてもよい。
SNRが最大となるようなバックフォーカス値Kを求めることで、最適な設置位置を設定することが可能になる。また、ビーム径を可変としている場合には、ビーム直径AcD,バックフォーカス値Kを可変として導出することで、最適なビーム径と最適な設置位置を設定することが可能になる。
SNRが最大となるようなバックフォーカス値Kを求めることで、最適な設置位置を設定することが可能になる。また、ビーム径を可変としている場合には、ビーム直径AcD,バックフォーカス値Kを可変として導出することで、最適なビーム径と最適な設置位置を設定することが可能になる。
実施の形態6.
上記実施の形態1等では、光送受信部2の光学系5から放射されるレーザ光と光学系5により受光されるレーザ光とが同軸である場合について示したが、非同軸である場合には、最適位置解析部24(あるいは、最適位置解析部32,42,52)が、光学条件(設置位置、あるいは、フォーカス)を最適化する前に、光学系5から放射されるレーザ光と光学系5により受光されるレーザ光との角度差と、ターゲット距離R(測定を行う観測対象までの距離)とに基づいて、光検出器6の設置位置を算出し、光学部調整駆動部7が、光検出器6の設置位置が、最適位置解析部24等の算出結果と一致するように、光検出器6の設置位置を調整するようにしてもよい。
上記実施の形態1等では、光送受信部2の光学系5から放射されるレーザ光と光学系5により受光されるレーザ光とが同軸である場合について示したが、非同軸である場合には、最適位置解析部24(あるいは、最適位置解析部32,42,52)が、光学条件(設置位置、あるいは、フォーカス)を最適化する前に、光学系5から放射されるレーザ光と光学系5により受光されるレーザ光との角度差と、ターゲット距離R(測定を行う観測対象までの距離)とに基づいて、光検出器6の設置位置を算出し、光学部調整駆動部7が、光検出器6の設置位置が、最適位置解析部24等の算出結果と一致するように、光検出器6の設置位置を調整するようにしてもよい。
具体的には、以下の通りである。
この実施の形態6のレーダ装置は、上記実施の形態1,2,3によるレーダ装置の構成である図2、あるいは図8,11,12の構成を有している。
また、図10(b)や図24に示すように、送信ビームと受信ビームが同じ一本のファイバから生成されない場合(非同軸である場合)の光検出器6の構成を持つレーダ装置である。
上記実施の形態1,2と上記実施の形態3の一部では、送受信ビームの走査速度が遅く、送信ビームと受信ビームがほぼ一体と近似できる場合に適応可能な形態を示したが、図10(b)や図24に示すように非同軸である構成で、送受信ビームの走査速度が速い場合や、遠方の測定を行う場合、図20に示すように、ビーム送信時のミラーの角度(スキャナの角度)と、ビーム受信時のミラーの角度とが変化することにより、送受同軸である場合の受信視野(受信ビームの方向)と散乱方向(ビーム到来方向)との間にずれが発生する。
これにより、受信効率が低下するため、この実施の形態6では、ファイバ端106を調整することで、光送受信部2による光の受信視野と、ビーム到来方向とのずれを補正するようにする。
この実施の形態6のレーダ装置は、上記実施の形態1,2,3によるレーダ装置の構成である図2、あるいは図8,11,12の構成を有している。
また、図10(b)や図24に示すように、送信ビームと受信ビームが同じ一本のファイバから生成されない場合(非同軸である場合)の光検出器6の構成を持つレーダ装置である。
上記実施の形態1,2と上記実施の形態3の一部では、送受信ビームの走査速度が遅く、送信ビームと受信ビームがほぼ一体と近似できる場合に適応可能な形態を示したが、図10(b)や図24に示すように非同軸である構成で、送受信ビームの走査速度が速い場合や、遠方の測定を行う場合、図20に示すように、ビーム送信時のミラーの角度(スキャナの角度)と、ビーム受信時のミラーの角度とが変化することにより、送受同軸である場合の受信視野(受信ビームの方向)と散乱方向(ビーム到来方向)との間にずれが発生する。
これにより、受信効率が低下するため、この実施の形態6では、ファイバ端106を調整することで、光送受信部2による光の受信視野と、ビーム到来方向とのずれを補正するようにする。
光学部調整駆動部7は、図21に示すように、走査しない時のファイバ端106の位置を移動させて受信視野をずらすことで、走査によって発生する受信視野と散乱方向のずれを補正する。
例えば、送受の間に回転するミラーの走査角度がθ、光学系5(例えば、ビームエクスパンダー)の倍率がA、光学レンズ113と走査しない時のファイバ端106との距離がDFであるとすると、ファイバ端106の移動距離Drは、下記の式(11)で表される。
また、ミラーの走査角速度がω(rad/sec)、ターゲット距離がRであるとすると、ミラーの走査角度θは、下記の式(12)で表される。
式(12)において、cは光速を表している。
なお、ターゲット距離Rは、例えば、ユーザにより設定される目標距離であってもよいし、センサが測定可能な最大距離などであってもよい。
例えば、送受の間に回転するミラーの走査角度がθ、光学系5(例えば、ビームエクスパンダー)の倍率がA、光学レンズ113と走査しない時のファイバ端106との距離がDFであるとすると、ファイバ端106の移動距離Drは、下記の式(11)で表される。
また、ミラーの走査角速度がω(rad/sec)、ターゲット距離がRであるとすると、ミラーの走査角度θは、下記の式(12)で表される。
式(12)において、cは光速を表している。
なお、ターゲット距離Rは、例えば、ユーザにより設定される目標距離であってもよいし、センサが測定可能な最大距離などであってもよい。
ファイバ端106の移動距離Drは、最適位置解析部24等が算出し、最適位置解析部24等が、光検出器6の設置位置として、現在の設置位置からの移動距離Drを光学部調整駆動部7に出力する。
光学部調整駆動部7は、最適位置解析部24等から移動距離Drを受けると、その移動距離Drだけ、ファイバ端106の位置を移動させることで、走査によって発生する受信視野と散乱方向のずれを補正する。
このように、受信視野と散乱方向のずれを補正することで、受信光の効率を上げることができるためSNRが向上し、上記実施の形態1等よりも更に遠距離の測定が可能になる効果を奏する。
光学部調整駆動部7は、最適位置解析部24等から移動距離Drを受けると、その移動距離Drだけ、ファイバ端106の位置を移動させることで、走査によって発生する受信視野と散乱方向のずれを補正する。
このように、受信視野と散乱方向のずれを補正することで、受信光の効率を上げることができるためSNRが向上し、上記実施の形態1等よりも更に遠距離の測定が可能になる効果を奏する。
この実施の形態6では、1次元走査の場合を説明したが、二次元走査の場合には、同様の概念で、ファイバ端106の左右方向の移動距離Drと、ファイバ端106の垂直方向の移動距離Dr’とを算出して、ファイバ端106の左右方向の移動と垂直方向の移動とを行えばよい。
また、この実施の形態6では、ファイバ端106の移動距離Drを式(11)で算出するものを示したが、これに限るものではない。
例えば、光学部調整駆動部7の調整精度が低い場合、所望の位置への移動ができない場合が考えられる。このような場合には、移動距離Drを可変パラメータとするSNR−距離特性を示すテーブルを事前に取得(あるいは、観測中に取得)し、そのテーブルから強度閾値TSNRを越える最も遠方の測定が可能な移動距離Drを読み出して、その移動距離Drを設定値として採用するようにしてもよい。また、同等の効果が得られるモデルを用いるようにしてもよい。
例えば、光学部調整駆動部7の調整精度が低い場合、所望の位置への移動ができない場合が考えられる。このような場合には、移動距離Drを可変パラメータとするSNR−距離特性を示すテーブルを事前に取得(あるいは、観測中に取得)し、そのテーブルから強度閾値TSNRを越える最も遠方の測定が可能な移動距離Drを読み出して、その移動距離Drを設定値として採用するようにしてもよい。また、同等の効果が得られるモデルを用いるようにしてもよい。
この実施の形態6では、光学部調整駆動部7が移動距離Drだけファイバ端106の位置を移動させるものを示したが、更に、光学部調整駆動部7が、光学系5の倍率Aとミラーの走査角度θに基づいて、ファイバ端106をビーム到来方向に傾けるようにしてもよい。
即ち、ミラーの走査角度θが大きい場合、ファイバ端106への入射角度が大きくなり、ファイバ端106が受信可能な面積が小さくなり、SNRが低下する。
そこで、ファイバ端106が受信可能な面積を大きくしてSNRを高めるため、光学系5の倍率Aとミラーの走査角度θに基づいてファイバ端106を傾けるようにする。
即ち、ミラーの走査角度θが大きい場合、ファイバ端106への入射角度が大きくなり、ファイバ端106が受信可能な面積が小さくなり、SNRが低下する。
そこで、ファイバ端106が受信可能な面積を大きくしてSNRを高めるため、光学系5の倍率Aとミラーの走査角度θに基づいてファイバ端106を傾けるようにする。
なお、式(12)のターゲット距離Rが遠方になるほど、移動距離Drの値が大きくなる。
一方、ターゲット距離Rの値が大きいほど、近距離のSNRが低下する場合がある。
そのため、ターゲット距離Rが所定の閾値よりも大きい場合、そのターゲット距離Rの中央値(R/2)、または、ユーザにより決定されるオフセット距離Roffsだけターゲット距離Rを小さくした値R’をターゲット距離Rとして用いるようにしてもよい。
R’=R−Roffs (13)
これにより、近距離から遠距離に亘って、より安定な測定が可能になる。
一方、ターゲット距離Rの値が大きいほど、近距離のSNRが低下する場合がある。
そのため、ターゲット距離Rが所定の閾値よりも大きい場合、そのターゲット距離Rの中央値(R/2)、または、ユーザにより決定されるオフセット距離Roffsだけターゲット距離Rを小さくした値R’をターゲット距離Rとして用いるようにしてもよい。
R’=R−Roffs (13)
これにより、近距離から遠距離に亘って、より安定な測定が可能になる。
実施の形態7.
この実施の形態7のレーダ装置は、図11に示すように、信号解析部9が積分回数設定部41を備えている。
また、図10(b)や図24に示すように、送信ビームと受信ビームが同じ一本のファイバから生成されない場合(非同軸である場合)の光検出器6の構成を持つレーダ装置である。
上記実施の形態6と同様に、ビームを高速に走査すると、遠方のレンジビンのデータに関しては、受信SNRが低下する。
そこで、この実施の形態7では、最適位置解析部42が、各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御するようにする。
この実施の形態7のレーダ装置は、図11に示すように、信号解析部9が積分回数設定部41を備えている。
また、図10(b)や図24に示すように、送信ビームと受信ビームが同じ一本のファイバから生成されない場合(非同軸である場合)の光検出器6の構成を持つレーダ装置である。
上記実施の形態6と同様に、ビームを高速に走査すると、遠方のレンジビンのデータに関しては、受信SNRが低下する。
そこで、この実施の形態7では、最適位置解析部42が、各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御するようにする。
このように、各レンジビンのSNRが閾値以上になるように積分回数を設定することは、各レンジビンに異なる角度分解能を設定することと等価であり、遠・近距離のSNRを確保しながら、高速のスキャン速度での測定が可能になる。
また、積算回数を増やす代わりにSN比の低下を認識して、ビームの走査速度を落とすことによっても、遠・近距離のSNRを確保しながら、最適なスキャン速度での測定が可能になる。
また、積算回数を増やす代わりにSN比の低下を認識して、ビームの走査速度を落とすことによっても、遠・近距離のSNRを確保しながら、最適なスキャン速度での測定が可能になる。
実施の形態8.
図22はこの発明の実施の形態8によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図22において、図11と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ビーム径設定部61は光送受信部2の光学系5から放射されるレーザ光のビーム径を設定する処理を実施する。なお、ビーム径設定部61はビーム径設定手段を構成している。
最適位置解析部62は図11の最適位置解析部42と同様の処理を実施するほか、ビーム径設定部61により設定されたビーム径での各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御する処理を実施する。
あるいは、積分回数設定部41により設定された積分回数での各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、ビーム径設定部61により設定されるビーム径を制御する処理を実施する。
なお、最適位置解析部62は光学条件調整手段を構成している。
図22はこの発明の実施の形態8によるレーダ装置の信号解析部9を示す構成図であり、図22において、図11と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ビーム径設定部61は光送受信部2の光学系5から放射されるレーザ光のビーム径を設定する処理を実施する。なお、ビーム径設定部61はビーム径設定手段を構成している。
最適位置解析部62は図11の最適位置解析部42と同様の処理を実施するほか、ビーム径設定部61により設定されたビーム径での各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御する処理を実施する。
あるいは、積分回数設定部41により設定された積分回数での各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、ビーム径設定部61により設定されるビーム径を制御する処理を実施する。
なお、最適位置解析部62は光学条件調整手段を構成している。
この実施の形態8のレーダ装置では、集光距離に加え、ビーム径を可変としている。
図23はビーム径と集光距離を組み合わせた場合のSNR−距離特性を示す模式図である。
集光距離を無限遠として、ビーム径を大きくすることで、低いSNRながらも遠方まで測定することが可能になる。また、ビーム径を小さくして、集光距離を小さくすることで、高いSNRでの集光距離以下の風速測定が可能になる。
以下、この実施の形態8のレーダ装置の処理内容を具体的に説明する。ここでは、説明の便宜上、上記実施の形態4の構成に新たな機能を付加しているレーダ装置を説明するが、上記実施の形態1〜7の構成に新たな機能を付加することができる。
図23はビーム径と集光距離を組み合わせた場合のSNR−距離特性を示す模式図である。
集光距離を無限遠として、ビーム径を大きくすることで、低いSNRながらも遠方まで測定することが可能になる。また、ビーム径を小さくして、集光距離を小さくすることで、高いSNRでの集光距離以下の風速測定が可能になる。
以下、この実施の形態8のレーダ装置の処理内容を具体的に説明する。ここでは、説明の便宜上、上記実施の形態4の構成に新たな機能を付加しているレーダ装置を説明するが、上記実施の形態1〜7の構成に新たな機能を付加することができる。
ビーム径設定部61は、事前に、ビーム径と集光距離を組み合わせた場合のSNR−距離特性(図23を参照)を示すテーブルを備え、そのテーブルからユーザが設定する測定可能距離及び所望のSNRに対応するビーム径を読み出し、光学系5から放射されるレーザ光のビーム径が、読み出したビーム径となるように光学系5を制御する。
ここでは、テーブルからビーム径を読み出す例を示したが、以下のモデルを用いて、光学系5から放射されるレーザ光のビーム径AcDを算出するようにしてもよい。
ここでは、テーブルからビーム径を読み出す例を示したが、以下のモデルを用いて、光学系5から放射されるレーザ光のビーム径AcDを算出するようにしてもよい。
式(13)(14)において、hはプランク定数(Js)、νは光周波数(Hz)、λは光波長(m)、Bは受信帯域幅(Hz)であり、Wideband SNRを計算する場合には全アナログ受信帯域幅である。
また、Rはターゲット距離(m)、zは集光距離(m)、Dは光学系有効開口径(m)、Eは送信パルスエネルギー(J)、βは大気後方散乱係数(/m/sr)、Katmは大気透過率(/km)である。
式(14)において、分母大括弧内は、受信結合効率の距離依存性を決める項であり、括弧内第2項は光学系曲率(焦点距離設定)、第3項は大気ゆらぎに関係する項である。
また、S0は横方向コヒーレンス長である。ηFは送信ビームのケラレの影響を考慮するための係数であり、AcDはビーム直径である。
この式からも分かるように、あるターゲット距離Rの測定を行う場合、集光距離をターゲット距離Rと一致させることで、受信SNRが最大になる。
また、Rはターゲット距離(m)、zは集光距離(m)、Dは光学系有効開口径(m)、Eは送信パルスエネルギー(J)、βは大気後方散乱係数(/m/sr)、Katmは大気透過率(/km)である。
式(14)において、分母大括弧内は、受信結合効率の距離依存性を決める項であり、括弧内第2項は光学系曲率(焦点距離設定)、第3項は大気ゆらぎに関係する項である。
また、S0は横方向コヒーレンス長である。ηFは送信ビームのケラレの影響を考慮するための係数であり、AcDはビーム直径である。
この式からも分かるように、あるターゲット距離Rの測定を行う場合、集光距離をターゲット距離Rと一致させることで、受信SNRが最大になる。
最適位置解析部62は、ビーム径設定部61がビーム径AcDを設定すると、そのビーム径AcDでの各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、積分回数設定部41により設定される積分回数を制御する。
ここでは、ビーム径設定部61がビーム径AcDを設定してから、最適位置解析部62が積分回数設定部41により設定される積分回数を制御するものを示したが、積分回数設定部41が積分回数を設定してから、最適位置解析部62が、その積分回数での各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、ビーム径設定部61により設定されるビーム径を制御するようにしてもよい。
ここでは、ビーム径設定部61がビーム径AcDを設定してから、最適位置解析部62が積分回数設定部41により設定される積分回数を制御するものを示したが、積分回数設定部41が積分回数を設定してから、最適位置解析部62が、その積分回数での各レンジビンのSNRが閾値以上になるように、ビーム径設定部61により設定されるビーム径を制御するようにしてもよい。
上記実施の形態1〜8における集光距離の調整やビーム径の調整方法については、一点の風速を観測するpoint観測のほか、一次元走査を行ってLOS(Line Of Sight)方向の風速断面を取得するPPI(Plane Position Indicator)測定や、方位角方向に走査を行って走査空間内の風速・風向値を算出するVAD(Velocity AZIMUTH Display)法などに適用することができる。
なお、最適位置、ビーム径、積算回数及び走査速度の変更については、リアルタイムに行うほか、PPI走査やVAD走査の場合、一度ある走査速度で各方向のSN比距離依存性を計測し、その結果に基づいて、信号解析部9が、各方向での走査速度、光検出器6に対応するファイバ端106の最適位置、ビーム径、積算回数を決定するという方法を用いると、計測する方向に応じて最適な計測を実現することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
この発明に係るレーダ装置は、例えば、大気中に浮遊する微小な液体又は固体の粒子などの速度等を計測する際、短時間で高精度に測定する必要があるものに適している。
1 エアロゾル(観測対象)、2 光送受信部、3 光発振装置(光発振手段)、4 光学部(光送受信手段)、5 光学系、6 光検出器、7 光学部調整駆動部(光学条件調整手段)、8 信号処理部、9 信号解析部、10 表示・保存部(観測結果出力手段)、21 光学条件設定・設定信号出力部(光学条件調整手段)、22 データ取得部(スペクトル・速度算出手段)、23 スペクトル・風速演算部(スペクトル・速度算出手段)、24 最適位置解析部(光学条件最適化手段)、25 データ自己解析部、31 一時保存部(記憶手段)、32 最適位置解析部(光学条件最適化手段)、41 積分回数設定部(積分回数設定手段)、42 最適位置解析部(光学条件最適化手段)、51 モデル保存部(モデル保存手段)、52 最適位置解析部(光学条件最適化手段)、61 ビーム径設定部(ビーム径設定手段)、62 最適位置解析部(光学条件調整手段)、101 光源、102 光分配器、103 アンプ、104 パルス変調器、105 光サーキュレータ、106 ファイバ端、107 光カプラ、108 光受信機、111 送信ビーム調整光学系、112 PBS、113 光学レンズ、114 λ/4板。
この発明に係るレーダ装置は、光を発振する光発振手段と、光発振手段により発振された光を大気中に放射する一方、大気中に存在する観測対象に反射して戻ってきた上記光を受光する光学系を有し、その光学系により受光された光の信号強度を示すデータを出力する光送受信手段と、光送受信手段から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、スペクトルから観測対象の速度及び信号対雑音比を、観測対象との距離ごとに算出するスペクトル・速度算出手段と、光送受信手段の光学条件を調整する光学条件調整手段とを設け、光学条件最適化手段が、スペクトル・速度算出手段により算出された信号対雑音比が閾値を超えて再度、閾値と交差する距離から、光学条件を決定するようにしたものである。
この発明によれば、光学条件最適化手段が、スペクトル・速度算出手段により算出された信号対雑音比が閾値を超えて再度、閾値と交差する距離から、光学条件を決定するように構成したので、所望の距離に位置する観測対象の速度を短時間で高精度に測定することができる効果がある。
この発明に係るレーダ装置は、光を発振する光発振手段と、光発振手段により発振された光を大気中に放射する一方、大気中に存在する観測対象に反射して戻ってきた上記光を受光する光学系を有し、その光学系により受光された光の信号強度を示すデータを出力する光送受信手段と、光送受信手段から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、スペクトルから観測対象の速度及び信号対雑音比を、観測対象との距離ごとに算出するスペクトル・速度算出手段と、光送受信手段の光学条件を調整する光学条件調整手段とを設け、光学条件最適化手段が、スペクトル・速度算出手段により算出された信号対雑音比に対応する距離値が最低距離以上になったのち、スペクトル・速度算出手段により算出された信号対雑音比が最初に設定強度値になったときの当該信号対雑音比に対応する距離値が設定距離値以上となる光学条件を決定するようにしたものである。
この発明によれば、光学条件最適化手段が、スペクトル・速度算出手段により算出された信号対雑音比に対応する距離値が最低距離以上になったのち、スペクトル・速度算出手段により算出された信号対雑音比が最初に設定強度値になったときの当該信号対雑音比に対応する距離値が設定距離値以上となる光学条件を決定するように構成したので、所望の距離に位置する観測対象の速度を短時間で高精度に測定することができる効果がある。
Claims (18)
- 光を発振する光発振手段と、
上記光発振手段により発振された光を大気中に放射する一方、大気中に存在する観測対象に反射して戻ってきた上記光を受光する光学系を有し、上記光学系により受光された光の信号強度を示すデータを出力する光送受信手段と、
上記光送受信手段から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、上記観測対象の速度を算出するスペクトル・速度算出手段と、
上記光送受信手段の光学条件を調整する光学条件調整手段と、
光学条件が異なる上記光送受信手段の出力データをそれぞれ解析することで上記スペクトル・速度算出手段により算出された各々のスペクトルを用いて、上記光送受信手段における最適な光学条件を特定し、上記光学条件調整手段による光学条件調整を制御して、上記光送受信手段の光学条件を最適化する光学条件最適化手段と
を備えたレーダ装置。 - 光学条件調整手段は、光送受信手段の光学条件として、上記光送受信手段が設置されている位置を調整し、
光学条件最適化手段は、設置位置が異なる上記光送受信手段の出力データをそれぞれ解析することでスペクトル・速度算出手段により算出された各々のスペクトルを用いて、上記光送受信手段における最適な設置位置を特定し、上記光学条件調整手段による位置調整を制御して、上記光送受信手段の光学条件である上記光送受信手段の設置位置を最適化する
ことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - 光学条件調整手段は、光送受信手段の光学条件として、光学系のフォーカスを調整し、
光学条件最適化手段は、フォーカスが異なる上記光送受信手段の出力データをそれぞれ解析することで上記スペクトル・速度算出手段により算出された各々のスペクトルを用いて、上記光学系における最適なフォーカスを特定し、上記光学条件調整手段によるフォーカス調整を制御して、上記光送受信手段の光学条件である上記光学系のフォーカスを最適化する
ことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段により算出された観測対象の速度を保存するとともに、観測対象の速度を表示する観測結果出力手段を設けたことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- スペクトル・速度算出手段により算出されたスペクトルを記憶するとともに、上記スペクトルが算出された際の光送受信手段の設置位置を記憶する記憶手段を設け、
光学条件最適化手段は、上記記憶手段により記憶されている1以上のスペクトルを用いて、上記記憶手段により記憶されている1以上の上記光送受信手段の設置位置の中から、上記光送受信手段の最適な設置位置を探索することを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段により算出されたスペクトルを記憶するとともに、上記スペクトルが算出された際の光学系のフォーカスを記憶する記憶手段を設け、
光学条件最適化手段は、上記記憶手段により記憶されている1以上のスペクトルを用いて、上記記憶手段により記憶されている1以上の上記光学系のフォーカスの中から、上記光学系の最適なフォーカスを探索することを特徴とする請求項3記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段が、光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、
各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段が、光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、
各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段を備え、
光学条件最適化手段は、上記積分回数設定手段により設定される積分回数を制御しながら、上記光送受信手段における最適な設置位置を探索することを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段が、光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、
各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段を備え、
光学条件最適化手段は、上記積分回数設定手段により設定される積分回数を制御しながら、光学系における最適なフォーカスを探索することを特徴とする請求項3記載のレーダ装置。 - スペクトルにおけるエンベロップ関数のモデルを保存するモデル保存手段を設け、
光学条件最適化手段は、スペクトル・速度算出手段により算出されたスペクトルのエンベロップと上記モデル保存手段により保存されているモデルから得られるエンベロップを比較して、観測対象が存在している現在の環境下でのモデルを再構築し、上記モデルを用いて、光学条件調整手段による位置調整を制御する
ことを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。 - スペクトルにおけるエンベロップ関数のモデルを保存するモデル保存手段を設け、
光学条件最適化手段は、スペクトル・速度算出手段により算出されたスペクトルのエンベロップと上記モデル保存手段により保存されているモデルから得られるエンベロップを比較して、観測対象が存在している現在の環境下でのモデルを再構築し、上記モデルを用いて、光学条件調整手段によるフォーカス調整を制御する
ことを特徴とする請求項3記載のレーダ装置。 - 光学条件最適化手段は、光送受信手段の光学系から放射される光と上記光学系により受光される光とが非同軸である場合、上記光送受信手段の光学条件を最適化する前に、上記光学系から放射される光と上記光学系により受光される光との角度差と、測定を行う観測対象までの距離とに基づいて、上記光送受信手段の設置位置を算出し、
光学条件調整手段は、上記光送受信手段の設置位置が上記光学条件最適化手段の算出結果と一致するように、上記光送受信手段の設置位置を調整することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - 光学条件調整手段は、光を受光する光送受信手段におけるファイバ端の位置を調整することで、上記光送受信手段による光の受信視野と、光の到来方向とのずれを補正することを特徴とする請求項12記載のレーダ装置。
- スペクトル・速度算出手段が、光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段を備え、
光学条件最適化手段は、各レンジビンの信号対雑音比が閾値以上になるように、上記積分回数設定手段により設定される積分回数を制御することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段が、光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段と、上記光送受信手段の光学系から放射される光のビーム径を設定するビーム径設定手段とを備え、
光学条件最適化手段は、上記ビーム径設定手段により設定されたビーム径での各レンジビンの信号対雑音比が閾値以上になるように、上記積分回数設定手段により設定される積分回数を制御することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - スペクトル・速度算出手段が、光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段と、上記光送受信手段の光学系から放射される光のビーム径を設定するビーム径設定手段とを備え、
光学条件最適化手段は、上記積分回数設定手段により設定された積分回数での各レンジビンの信号対雑音比が閾値以上になるように、上記ビーム径設定手段により設定されるビーム径を制御することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - 光を発振する光発振手段と、
上記光発振手段により発振された光を大気中に放射する一方、大気中に存在する観測対象に反射して戻ってきた上記光を受光する光学系を有し、上記光学系により受光された光の信号強度を示すデータを出力する光送受信手段と、
上記光送受信手段から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、上記観測対象の速度を算出するスペクトル・速度算出手段と、
上記スペクトル・速度算出手段が、上記光送受信手段から出力された時系列のデータをレンジビンに分割し、各レンジビン内で積分処理を実施することで、観測対象の速度を算出する手法を用いる場合、各レンジビン内での積分処理における積分回数を設定する積分回数設定手段と
を備えたレーダ装置。 - 光を発振する光発振手段と、
上記光発振手段により発振された光を大気中に放射する一方、大気中に存在する観測対象に反射して戻ってきた上記光を受光する光学系を有し、上記光学系により受光された光の信号強度を示すデータを出力する光送受信手段と、
上記光送受信手段から出力されたデータを解析してスペクトルを算出するとともに、上記観測対象の速度を算出するスペクトル・速度算出手段と、
上記光送受信手段の光学系から放射される光のビーム径を設定するビーム径設定手段と
を備えたレーダ装置。
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JP6429733B2 (ja) * | 2015-06-12 | 2018-11-28 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
GB2541669A (en) * | 2015-08-24 | 2017-03-01 | Sgurrenergy Ltd | Remote sensing device |
US10802150B2 (en) * | 2015-11-18 | 2020-10-13 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser radar apparatus |
CN105487083B (zh) * | 2015-12-01 | 2017-11-21 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种多光谱影像气溶胶像元气溶胶厚度的检测与提取方法 |
JP6366880B2 (ja) * | 2016-04-05 | 2018-08-01 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
CN105929407A (zh) * | 2016-04-24 | 2016-09-07 | 西南技术物理研究所 | 激光测风雷达光学天线焦距的自适应调节方法 |
EP3264135B1 (en) * | 2016-06-28 | 2021-04-28 | Leica Geosystems AG | Long range lidar system and method for compensating the effect of scanner motion |
JPWO2018061106A1 (ja) * | 2016-09-28 | 2018-09-27 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
JP2018071988A (ja) * | 2016-10-24 | 2018-05-10 | パイオニア株式会社 | センサ装置、センシング方法、プログラム及び記憶媒体 |
JP2018071989A (ja) * | 2016-10-24 | 2018-05-10 | パイオニア株式会社 | センサ装置、センシング方法、プログラム及び記憶媒体 |
CN106680834B (zh) * | 2017-01-04 | 2019-06-04 | 江西省智成测控技术研究所有限责任公司 | 相干测风激光雷达中一种数据处理装置及方法 |
JP6832167B2 (ja) * | 2017-01-17 | 2021-02-24 | 株式会社デンソーテン | レーダ装置および物標検出方法 |
US9983112B1 (en) * | 2017-01-20 | 2018-05-29 | Rosemount Aerospace Inc. | Controlled sampling volume of clouds for measuring cloud parameters |
JP6505343B2 (ja) * | 2017-01-24 | 2019-04-24 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
US11899112B2 (en) * | 2017-07-04 | 2024-02-13 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser radar device |
WO2019017379A1 (ja) * | 2017-07-19 | 2019-01-24 | パイオニア株式会社 | センサ装置及びセンシング方法 |
CN108152822B (zh) * | 2017-12-14 | 2023-11-03 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 激光雷达及激光雷达控制方法 |
JP2019174162A (ja) * | 2018-03-27 | 2019-10-10 | パイオニア株式会社 | 走査装置及び測距装置 |
JP2019174163A (ja) * | 2018-03-27 | 2019-10-10 | パイオニア株式会社 | 走査装置及び測距装置 |
CN109061671A (zh) * | 2018-05-24 | 2018-12-21 | 远景能源(江苏)有限公司 | 一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置和方法 |
CN109916852B (zh) * | 2019-01-31 | 2020-11-03 | 上海禾赛科技股份有限公司 | 一种激光气体遥测仪信号采集方法和系统 |
WO2020209279A1 (ja) | 2019-04-08 | 2020-10-15 | 三菱電機株式会社 | 風計測ライダ装置 |
JP7164613B2 (ja) * | 2019-04-08 | 2022-11-01 | 三菱電機株式会社 | 風計測ライダ装置 |
US11428820B1 (en) * | 2019-09-16 | 2022-08-30 | Lockheed Martin Corporation | Method to determine airborne lidar installation angles using ground returns and INS/GPS data |
CN110572577B (zh) * | 2019-09-24 | 2021-04-16 | 浙江大华技术股份有限公司 | 一种跟踪聚焦的方法、装置、设备及介质 |
JP7378670B1 (ja) | 2022-11-17 | 2023-11-13 | 三菱電機株式会社 | 光測定装置、取得方法、取得プログラム、及び記録媒体 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006502401A (ja) * | 2002-10-10 | 2006-01-19 | キネティック リミテッド | バイスタティックレーザレーダ装置 |
JP2007315758A (ja) * | 2006-05-23 | 2007-12-06 | Mitsubishi Electric Corp | コヒーレントライダ装置 |
JP2009162678A (ja) * | 2008-01-09 | 2009-07-23 | Mitsubishi Electric Corp | レーザレーダ装置 |
JP2009300133A (ja) * | 2008-06-11 | 2009-12-24 | Japan Aerospace Exploration Agency | 航空機搭載用光学式遠隔気流計測装置 |
JP2010127918A (ja) * | 2008-12-01 | 2010-06-10 | Mitsubishi Electric Corp | 光波レーダ装置 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4589070A (en) * | 1982-10-25 | 1986-05-13 | R & D Associates | Airborne wind shear response system |
JP3626089B2 (ja) | 2000-11-30 | 2005-03-02 | 三菱電機株式会社 | ウィンドプロファイラにおける信号処理装置および信号処理方法 |
JP4806949B2 (ja) | 2005-03-31 | 2011-11-02 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
US7827861B2 (en) * | 2007-06-01 | 2010-11-09 | Second Wind, Inc. | Position correction in sodar and meteorological lidar systems |
-
2013
- 2013-03-04 CN CN201380041945.1A patent/CN104541181B/zh active Active
- 2013-03-04 US US14/404,294 patent/US9804265B2/en active Active
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006502401A (ja) * | 2002-10-10 | 2006-01-19 | キネティック リミテッド | バイスタティックレーザレーダ装置 |
JP2007315758A (ja) * | 2006-05-23 | 2007-12-06 | Mitsubishi Electric Corp | コヒーレントライダ装置 |
JP2009162678A (ja) * | 2008-01-09 | 2009-07-23 | Mitsubishi Electric Corp | レーザレーダ装置 |
JP2009300133A (ja) * | 2008-06-11 | 2009-12-24 | Japan Aerospace Exploration Agency | 航空機搭載用光学式遠隔気流計測装置 |
JP2010127918A (ja) * | 2008-12-01 | 2010-06-10 | Mitsubishi Electric Corp | 光波レーダ装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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