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CN109073755A - 相干激光雷达装置 - Google Patents

相干激光雷达装置 Download PDF

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CN109073755A
CN109073755A CN201680079067.6A CN201680079067A CN109073755A CN 109073755 A CN109073755 A CN 109073755A CN 201680079067 A CN201680079067 A CN 201680079067A CN 109073755 A CN109073755 A CN 109073755A
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laser
signal
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light
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CN201680079067.6A
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今城胜治
小竹论季
龟山俊平
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

本发明包括：在每一个时间门对接收信号进行高速傅里叶变换来获得每一个该时间门的接收频谱的高速傅里叶分析部(1301)；在每一个时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部(1301)获得的接收频谱进行累计的信号累计判别部(1302)；根据信号累计判别部(1302)所得出的判别结果对由高速傅里叶分析部(1303)获得的接收频谱进行累计的频谱累计部(1304)；根据频谱累计部(1304)累计得到的接收频谱计算出相对于光收发部(11)所照射的激光的频移量的频移计算部(1306)；以及根据频移计算部(1306)计算出的频移量来计算光收发部(11)照射激光的方向上的风速的风速运算部(1307)。

Description

相干激光雷达装置
技术领域
本发明涉及对大气中的风速进行测量的相干激光雷达装置。
背景技术
以往，已知有对大气中的风速进行测量的相干激光雷达装置(例如参照专利文献1)。在该相干激光雷达装置中，通过向大气中照射激光，接收对于该激光的来自大气中的散射光并进行外差检波，从而获得接收信号。于是，通过对该接收信号进行傅里叶变换来获得接收频谱。另外，在该接收频谱中除了信号频谱之外还包含有噪声频谱。因此，通过多次进行接收频谱的获取并对它们进行累计来提高接收SN比(信号噪声比)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2014/002564号
发明内容
发明所要解决的技术问题
另一方面，在从相干激光雷达装置照射出的激光被遮光的情况下，会无法接收来自大气中的信号，而成为仅包含噪声的数据。然而，在现有的相干激光雷达装置中，无论激光有无未预料到的遮光，在照射了激光时均进行接收频谱的累计。因此，如上述那样在存在激光被遮光的期间的情况下，存在接收SN比恶化的问题。
此外，为了确保风速的测量精度，需要获得规定的接收SN比。在将信号频谱的电平设为S、噪声频谱的电平设为N、累计次数设为n的情况下，接收SN比可表示为下式(1)。
图16是说明现有的相干激光雷达装置所进行的接收频谱的累计动作的图。图16A示出激光在没有被遮光的情况下照射到大气中时每一时间门的接收频谱、以及累计后的接收频谱。此外，图16B示出在第2、第3(n＝2、3)个获取到的接收频谱所对应的期间激光被遮光时每一时间门的接收频谱、以及累计后的接收频谱。
根据该图16可知，关于累计后的接收频谱，噪声频谱相同，但与图16A的情况相比，图16B的情况下的信号频谱更低。即，在图16B的情况下接收SN比恶化。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种相干激光雷达装置，即使在存在激光被遮光的期间的情况下也能够防止接收SN比的恶化。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的相干激光雷达装置包括：光收发部，该光收发部向大气中照射单一频率的激光，接收针对该激光的来自大气中的散射光并进行外差检波，由此来获得接收信号；A/D转换器，该A/D转换器将由光收发部获得的接收信号转换成数字信号；高速傅里叶分析部，该高速傅里叶分析部在每一个时间门对由A/D转换器转换为数字信号的接收信号进行高速傅里叶变换，从而获得每一个该时间门的接收频谱；信号累计判别部，该信号累计判别部在每一个时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计；频谱累计部，该频谱累计部根据由信号累计判别部得出的判别结果，对由高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计；频移计算部，该频移计算部根据频谱累计部累计得到的接收频谱，计算出相对于光收发部所照射的激光的频移量；以及风速运算部，该风速运算部根据频移计算部计算出的频移量，计算由光收发部照射激光的方向上的风速。
发明效果
根据本发明，由于具有上述结构，因此即使在存在激光被遮光的期间的情况下，也能够防止接收SN比的恶化。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1所涉及的相干激光雷达装置的结构例的框图。
图2是表示本发明实施方式1中的信号处理器的功能结构例的框图。
图3A是表示本发明实施方式1中的信号处理器的动作例的流程图。
图3B是表示本发明实施方式1中的信号处理器的动作例的流程图。
图4中的图4A、图4B是说明本发明实施方式1中的信号累计判别部的动作的图，是示出激光在没有被遮光时照射到大气中的情况、以及在刚照射激光后就被遮光的情况的图。
图5是说明本发明实施方式1中的频谱累计部的动作的图，是表示在存在激光被遮光的期间时每一时间门的接收频谱和累计后的接收频谱的图。
图6中的图6A、图6B是说明本发明实施方式1中的噪声电平校正部的动作的图，是表示接收频谱和噪声频谱的图、以及表示噪声电平校正后的接收频谱的图。
图7A是表示本发明实施方式1中的信号处理器的其他动作例的流程图。
图7B是表示本发明实施方式1中的信号处理器的其他动作例的流程图。
图8A是表示本发明实施方式1中的信号处理器的其他动作例的流程图。
图8B是表示本发明实施方式1中的信号处理器的其他动作例的流程图。
图9中的图9A～图9C是表示本发明实施方式1所涉及的相干激光雷达装置搭载于风力发电机的情况的图，是侧视图、主视图、俯视图。
图10中的图10A～图10C是说明图9所示的结构中的信号累计判别部的动作的图，是表示仅接收到来自悬浮微粒的散射光的情况的图、表示接收到来自悬浮微粒的散射光及来自叶片的反射光的情况的图、以及仅接收到来自叶片的反射光的情况的图。
图11是表示本发明实施方式2中的信号处理器的功能结构例的框图。
图12A是表示本发明实施方式2中的信号处理器的动作例的流程图。
图12B是表示本发明实施方式2中的信号处理器的动作例的流程图。
图13是表示本发明实施方式2所涉及的相干激光雷达装置搭载于风力发电机的情况下的激光的照射图案的一个示例的图。
图14中的图14A～图14D是表示图13所示的结构中各时刻下的激光的遮光的一个示例的图。
图15是表示图13所示的结构中的累计判别信号的一个示例的图。
图16中的图16A、图16B是说明现有的相干激光雷达装置所进行的接收频谱的累计动作的图，是表示激光在没有被遮光的情况下照射到大气中时每一时间门的接收频谱和累计后的接收频谱的图、以及表示在存在激光被遮光的期间的情况下每一时间门的接收频谱和累计后的接收频谱的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1所涉及的相干激光雷达装置1的结构例的框图。
实施方式1所涉及的相干激光雷达装置1如图1所示，包括光收发部11、A/D转换器12、信号处理器13、光开关驱动器14及显示器15。另外，图1中，较粗的连接线表示光纤电缆，较细的连接线表示电信号电缆。
光收发部11向大气中照射单一频率的激光，接收对于该激光的来自大气中的散射光并进行外差检波，由此来获得接收信号。该光收发部11具有基准光源(光源)16、光分配器17、脉冲调制器18、光放大器19、光循环器20、光开关21、多个光天线22、光耦合器23及光接收机24。
基准光源16发出单一频率的连续波即激光。另外，激光的发光频谱的线宽设为数MHz(例如10MHz)以下。该基准光源16例如由半导体激光器、光纤激光器或固体激光器中的任一个或它们的组合构成。由该基准光源16发出的激光被输出到光分配器17。
光分配器17对由基准光源16发出的激光进行分割。此时的分割比例如将照射到大气中的信号光用的激光的比例设为9成，将外差检波中使用的参照光用的激光的比例设为1成。该光分配器17例如由分束器构成。由该光分配器17分割得到的一束激光(信号光)被输出至脉冲调制器18，另一束激光(参照光)被输出至光耦合器23。
脉冲调制器18对由光分配器17分割得到的一束激光进行脉冲强度调制和频移。此时，脉冲调制器18以使激光的光强度成为高斯形状或矩形的方式进行脉冲强度调制，来使激光脉冲化。此外，脉冲调制器18根据从外部输入的触发信号，使激光频移规定的值(例如20MHz以上且200MHz以下)。该脉冲调制器18例如由声光元件或使用了铌酸锂晶体的调制元件构成。由该脉冲调制器18进行了脉冲强度调制和频移的激光被输出至光放大器19。
光放大器19对经脉冲调制器18进行了脉冲强度调制及频移的激光的强度进行放大。该光放大器19例如由光纤放大器、波导式放大器、板型放大器等固体激光放大器、半导体光放大器构成。经该光放大器19放大了强度后的激光被输出至光循环器20。
光循环器20根据所输入的激光的路径切换输出的路径。此处，光循环器20在从光放大器19输出了激光的情况下，将该激光输出至光开关21。另一方面，光循环器20在经由光开关21从光天线22输出了激光的情况下，将该激光输出至光耦合器23。该光循环器20例如由偏振分束器及波长板构成。
光开关21切换从光循环器20输出的激光的照射方向。该光开关21根据光开关驱动器14的控制来切换激光的照射方向，向对应于该照射方向的光天线22输出来自光循环器20的激光。该光开关21例如由偏振分束器及波长板构成。
光天线22对从光开关21输出的激光的射束直径进行扩大，然后将其照射到大气中。由该光天线22照射到大气中的激光因浮游于大气中的悬浮微粒而发生散射，或者被硬目标反射。于是，光天线22接收上述所照射的激光中的来自大气中的散射光(反射光)。该光天线22例如由多个折射透镜或多个反射镜构成。由该光天线22接收的散射光经由光开关21被输出至光循环器20。
光耦合器23对由光分配器17分割得到的另一束激光(参照光)、以及从光循环器20输出的散射光进行合波和分割。此时，光耦合器23以同一比率进行分割。由该光耦合器23进行了合波和分割后的光被输出至光接收机24。
光接收机24通过对由光耦合器23进行了合波及分割后的光进行外差检波来获得接收信号。即，光接收机24提取出来自光分配器17的参照光与来自光循环器20的散射光的差拍信号，并转换成电信号。该光接收机24例如由使用两个光电二极管来减少同相噪声的平衡接收机构成。由该光接收机24获得的接收信号被输入至A/D转换器12。
A/D转换器12将由光接收机24获得的接收信号(模拟信号)转换成数字信号。由该A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号被输出至信号处理器13。
信号处理器13使用由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号，来测量大气中的风速。此外，信号处理器13在规定的定时将指定激光的下一次照射方向的控制信号输出至光开关驱动器14。表示该信号处理器13所得出的测量结果的数据被输出至显示器15。
另外，信号处理器13例如通过执行存储于存储器26的程序的CPU(也称为CentralProcessing Unit：中央处理单元、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、处理器、DSP)25、或CPU25与FPGA(未图示)的并用来实现。在信号处理器13由CPU26构成的情况下，信号处理器13的各功能由软件、固件、或软件和固件的组合来实现。软件、固件被记述为程序，并存储于存储器26。信号处理器13通过读取存储于存储器26的程序并执行，来实现各功能。即，信号处理器13具备用于存储成为最终执行各功能的程序的存储器26。另外，也可以认为这些程序是使计算机执行信号处理器13的步骤或方法的程序。此处，存储器26例如相当于RAM、ROM、闪存、EPROM、EEPROM等非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、CD、小型磁盘、以及DVD等。
光开关驱动器14根据从信号处理器13输出的控制信号，使光开关21切换激光的照射方向。实施方式1中，光开关驱动器14使光开关21将激光的照射方向切换成由上述控制信号指定的照射方向。该光开关驱动器14例如由微机或D/A转换器等构成。
显示器15显示表示由信号处理器13得出的测量结果的数据。另外，在图1中，示出了相干激光雷达装置1中设有显示器15的情况，但相干激光雷达装置1也可以不设置显示器15，而使用单独的显示器。
接着，使用图2说明信号处理器13的功能结构例。
信号处理器13如图2所示，包括高速傅里叶分析部1301、信号累计判别部1302、频谱累计部1303、照射方向指定部1304、噪声电平修正部1305、频移计算部1306及风速运算部1307。
高速傅里叶分析部1301在每个规定的时间门对由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号进行高速傅里叶变换，由此来获得每个该时间门的接收频谱。表示由该高速傅里叶分析部1301获得的每个时间门的接收频谱的数据被输出至频谱累计部1303。
信号累计判别部1302在每一个时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计。在图2所示的结构中，信号累计判别部1302在每一个时间门对由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号进行分割，并判断每一个该时间门的接收信号的振幅是否超过振幅阈值。另外，对在每一个时间门分割得到的接收信号分别设定振幅阈值。接着，信号累计判别部1302对超过振幅阈值的接收信号设置标记，并在每一个时间门生成用于识别是否要对对应的接收频谱进行累计的累计判别信号。即，在接收信号的振幅超过振幅阈值的情况下，将对应的接收频谱设为不要累计，在接收信号的振幅不超过振幅阈值的情况下，将对应的接收频谱设为要累计。由该信号累计判别部1302生成的累计判别信号被输出至频谱累计部1303。
频谱累计部1303根据由信号累计判别部1302生成的累计判别信号，对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计。
此外，频谱累计部1303判断在同一照射方向上接收频谱的累计次数是否达到基准累计次数。接着，频谱累计部1303在判断为上述累计次数达到了基准累计次数的情况下，向照射方向指定部1304输出触发信号。另一方面，频谱累计部1303在判断为上述累计次数没有达到基准累计次数的情况下，反复进行上述接收频谱的累计。另外，预先设定基准累计次数。
此外，频谱累计部1303判断累计后的接收频谱的接收SN比是否低于接收SN比基准值。于是，频谱累计部1303在判断为上述接收SN比低于接收SN比基准值的情况下，将该接收频谱保存于存储器26，并将该接收频谱与存储器26中所保存的上一次获得的相同照射方向的接收频谱进行累计。另一方面，在判断为上述接收SN比不低于接收SN比基准值的情况下，不执行该接收频谱向存储器26的保存、以及向该接收频谱进行的上一次获得的相同照射方向的接收频谱的累计。另外，预先设定接收SN比基准值。
表示由该频谱累计部1303累计得到的接收频谱的数据被输出至噪声电平修正部1305。
照射方向指定部1304根据从频谱累计部1303输出的触发信号，来指定激光的下一次照射方向。接着，照射方向指定部1304生成表示所指定的照射方向的控制信号，并输出至光开关驱动器14。
噪声电平修正部1305从由频谱累计部1303累计得到的接收频谱中减去噪声频谱，由此来去除噪声。另外，噪声电平修正部1305在事前(噪声获取模式时)，将激光没有照射到大气中的状态下由频谱累计部1303所累计得到的接收频谱设为噪声频谱，并保存于存储器26。表示由该噪声电平修正部1305去除了噪声后的接收频谱的数据被输出至频移计算部1306。
频移计算部1306使用由噪声电平修正部1305去除了噪声后的接收频谱，来计算与光收发部11所照射的激光间的频移量。表示由该频移计算部1306计算得到的频移量的数据被输出至风速运算部1307。
风速运算部1307根据由频移计算部1306计算得到的频移量，计算出光收发部11所照射的激光的照射方向即视线方向上的风速。此外，风速运算部1307还根据计算得到的多个视线方向上的风速，进行水平方向的风向及风速的矢量运算。表示该风速运算部1307所得出的运算结果的数据作为表示信号处理器13所得出的测量结果的数据被输出至显示器15。
接着，使用图3A、3B、4～6来说明实施方式1中的信号处理器13的动作例。
实施方式1中的信号处理器13的动作例中，如图3A、3B所示，首先，高速傅里叶分析部1301在每一个规定的时间门对由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号进行高速傅里叶变换(步骤ST301)。由此，能够获得每一个时间门的接收频谱。
此外，信号累计判别部1302将由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号的每一个时间门的振幅与振幅阈值进行比较，从而在每一个该时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计(步骤ST302)。此时，信号累计判别部1302首先在每一个时间门对由A/D转换器12转换为数字信号后的接收信号进行分割，并判断每一个该时间门的接收信号的振幅是否超过振幅阈值。接着，信号累计判别部1302对超过振幅阈值的接收信号设置标记，并生成用于识别是否要对对应的接收频谱进行累计的累计判别信号。
图4是说明信号累计判别部1302的动作的图。此处，图4上部的波形是由光收发部11照射的激光的时间波形，示出了相当于数十ms的发送脉冲作为激光被照射到大气中的情况。此外，图4A左侧的波形是在激光没有被遮光的情况下照射到大气中时的接收信号的时间波形。另外，标号401表示基于相干激光雷达装置1的内部反射光得到的接收信号，标号402表示基于来自悬浮微粒的散射光得到的接收信号。此外，图4B左侧的波形是在刚照射激光后就被遮光的情况下的接收信号的时间波形。另外，标号403表示基于来自硬目标的反射光得到的接收信号。此外，由图中的虚线包围的期间表示是否要进行累计的判别对象即时间门，标号404表示针对该时间门的接收信号的振幅阈值。
此处，在提取出由虚线包围的期间即时间门的接收信号的情况下，图4A中接收信号的振幅不超过振幅阈值，图4B中接收信号的振幅超过振幅阈值。于是，在信号累计判别部1302中，例如在超过振幅阈值的情况下，将累计判别信号设为0(不要累计)，在不超过振幅阈值的情况下将累计判别信号设为1(要累计)。
另外，如上所述，对在每一个时间门分割得到的接收信号设定振幅阈值。该振幅阈值在外部设定，其值通过设想对激光进行遮光的硬目标的反射率来决定。
例如，设想下述情况，即：激光的一部分被硬目标遮光，剩余部分被照射到该硬目标的后方的大气中。该情况下，光天线22中，能够接收来自悬浮微粒的散射光。但是，由于一部分被硬目标遮光，因此，根据该被遮光的比例，来决定由频谱累计部1303累计得到的接收频谱的接收SN比是提高了还是恶化了。因此，将基于来自悬浮微粒的散射光得到的接收信号的电平变为装置噪声的电平时的、基于来自硬目标的反射光得到的接收信号的电平设定为振幅阈值。另外，装置噪声中包含有光接收机24的热噪声以及由光放大器19产生的自然辐射放大光噪声等。
接着，频谱累计部1303根据由信号累计判别部1302生成的累计判别信号，对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计(步骤ST303)。即，频谱累计部1303基于累计判别信号，在每一个时间门控制是否对接收频谱进行累计。在上述的示例中，在累计判别信号为1(要累计)的情况下对符合的接收频谱进行累计，在累计判别信号为0(不累计)的情况下不对符合的接收频谱进行累计。
图5是说明频谱累计部1303的动作的图。图5示出在由高速傅里叶分析部1301获得的第2、第3(n＝2、3)个接收频谱所对应的期间激光被遮光时每一时间门的接收频谱、以及累计后的接收频谱。此外，关于累计后的接收频谱，虚线表示现有的相干激光雷达装置的情况(相当于图16B)，实线表示实施方式1的相干激光雷达装置1的情况。
该情况下，在实施方式1的频谱累计部1303中，与无法接收来自悬浮微粒的散射光的期间相对应的第2、第3个接收频谱不进行累计。由此，关于图5的累计后的接收频谱，相对于虚线所示的现有的相干激光雷达装置，实施方式1的相干激光雷达装置1中，信号频谱的振幅相同，但噪声频谱的振幅变小。即可知，实施方式1的相干激光雷达装置1的接收SN比得以提高。
此外，频谱累计部1303判断在同一照射方向上接收频谱的累计次数是否达到基准累计次数(步骤ST304)。在该步骤ST304中，在频谱累计部1303判断为接收频谱的累计次数没有达到基准累计次数的情况下，流程返回至步骤ST301。
另一方面，在步骤ST304中，频谱累计部1303在判断为接收频谱的累计次数达到了基准累次次数的情况下，向照射方向指定部1304输出触发信号。接着，照射方向指定部1304根据该触发信号，指定激光的下一次照射方向，并将表示该照射方向的控制信号输出至光开关驱动器14(步骤ST305)。接着，光开关驱动器14根据该控制信号，使光开关21将激光的照射方向切换为该控制信号所指定的照射方向。由此，能够转移至针对下一次照射方向(视线方向)的风速测量。
接着，频谱累计部1303判断累计后的接收频谱的接收SN比是否低于接收SN比基准值(步骤ST306)。
在该步骤ST306中，频谱累计部1303在判断为累计后的接收频谱的接收SN比低于接收SN比基准值的情况下，将该接收频谱保存于存储器26，并将该接收频谱与存储器26中所保存的上一次获得的相同照射方向的接收频谱进行累计(步骤ST307、308)。另外，存储器26中所保存的接收频谱被用于下一次在相同照射方向上的累计处理中累计后的接收频谱的接收SN比低于接收SN比基准值的情况。
另一方面，在步骤ST306中，在频谱累计部1303判断为累计后的接收频谱的接收SN比在接收SN比基准值以上的情况下，跳过步骤ST307、308的处理。
接着，噪声电平修正部1305判断相干激光雷达装置1是否处于噪声获取模式(步骤ST309)。
在该步骤ST309中，噪声电平修正部1305在判断为相干激光雷达装置1处于噪声获取模式的情况下，将激光没有照射到大气中的状态下频谱累计部1303累计得到的接收频谱设为噪声频谱，并保存于存储器26(步骤ST310)。即，在噪声电平修正部1305中，预先获取因光接收机24的热噪声和由光放大器19产生的自然辐射放大光噪声等装置噪声而失真的接收频谱的形状来作为噪声频谱。
另一方面，在步骤ST309中，在噪声电平修正部1305判断为相干激光雷达装置1不处于噪声获取模式的情况下，噪声电平修正部1305从频谱累计部1303累计得到的接收频谱中减去噪声频谱，由此来去除噪声(步骤ST311)。即，在相干激光雷达装置1处于风速测量模式的情况下，通过从接收频谱中减去存储器26所保存的噪声频谱，从而进行将基线设为一定的修正。
图6是说明噪声电平修正部1305的动作的图。
由频谱累计部1303累计得到的接收频谱如图6A所示那样，是信号频谱与噪声频谱相加而得到的频谱。另外，在图6A中，实线表示接收频谱(信号频谱+噪声频谱)，虚线表示噪声频谱。
这里，由于使用单一频率的激光，因此信号频谱仅出现在特定的频率范围。另一方面，噪声频谱具有光接收机24的热噪声和由光放大器19产生的自然辐射放大光噪声等的频率特性。因此，通过仅预先获取噪声频谱，并从频谱累计部1303累计得到的接收频谱中减去该噪声频谱，从而能够如图6B所示那样，修正为准确的信号频谱的形状。
接着，频移计算部1306使用由噪声电平修正部1305去除了噪声后的接收频谱，来计算与光收发部11所照射的激光间的频移量(步骤ST312)。此时，频移计算部1306对由噪声电平修正部1305去除了噪声后的接收频谱进行峰值检测来计算峰值频率，并根据该峰值频率，计算出与光收发部11所照射的激光的频率间的移位量。
接着，风速运算部1307根据频移计算部1306计算出的频移量，来计算视线方向上的风速(步骤ST313)。此外，风速运算部1307还根据计算得到的多个照射方向上的风速，进行水平方向的风向及风速的矢量运算。表示该风速运算部1307所得出的运算结果的数据作为表示信号处理器13所得出的测量结果的数据被输出至显示器15并进行显示。
另外，在上述内容中，信号累计判别部1302将来自A/D转换器12的接收信号的每一个时间门的振幅与振幅阈值进行比较，从而在每一个该时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计(步骤ST302)。然而，信号累计判别部1302的动作例并不限于此。
例如，如图7A、7B所示那样，信号累计判别部1302可以将由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱的每一个时间门的振幅与振幅阈值进行比较，从而在每一个该时间门判别是否要对该接收频谱进行累计(步骤ST701)。
此外，如图8A、8B所示，信号累计判别部1302首先在每一个时间门对来自A/D转换器12的接收信号进行高速傅里叶变换，来获得每一个该时间门的接收频谱(步骤ST801)。接着，可以通过将所获得的接收频谱的每一个时间门的振幅与振幅阈值进行比较，从而在每一个该时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计(步骤ST802)。
另外，关于图7A、7B、8A、8B的情况下的振幅阈值，也与上述同样地，将基于来自悬浮微粒的散射光的接收信号的电平变为装置噪声的电平时的、基于来自硬目标的反射光得到的接收信号的电平设定为振幅阈值。
此外，在刚照射激光后就被遮光的情况下，由于接收信号与基于相干激光雷达装置1的内部反射光得到的信号相重叠，因此，难以根据该接收信号或接收频谱的振幅值来判断遮光状态。但是，通过在每一个时间门提取出与基于内部反射光得到的信号重叠的期间之后的信号，从而也能够识别在刚照射激光后的遮光状态。
此外，在上述内容中，示出了信号累计判别部1302使用振幅阈值来生成累计判别信号的情况。但并不限于此，信号累计判别部1302也可以基于表示光收发部11所照射的激光被遮光的定时的外部信号，在每一个时间门判别是否要对由高速傅里叶分析部1301获得的接收频谱进行累计，由此来生成累计判别信号。例如，在相干激光雷达装置1搭载于风力发电机2的机舱201的情况下，也可以使用表示叶片202的位置的编码器数据、另外安装的激光传感器或摄像头等用于检测叶片202的位置的传感器等所得出的数据等的外部信号，来生成累计判别信号。
接着，作为激光被遮光的示例，对下述情况进行说明，即：相干激光雷达装置1搭载于风力发电机2的机舱201，激光被叶片202遮光。
图9是表示相干激光雷达装置1搭载于机舱201的情况的图。
如图9所示那样，相干激光雷达装置1设置于叶片202的后方，对流入叶片202的流入风进行测量。该情况下，风力发电机2进行风力发电时、即叶片202旋转时，存在从相干激光雷达装置1照射出的激光被叶片202遮光的期间。
例如，设想将叶片202的转速设为6rpm，将叶片202的宽度设为4m，将相干激光雷达装置1的设置高度设为距离叶片202的旋转中心5m。该情况下，叶片202旋转一周的时间为10s，激光被叶片202遮光的时间约为1.28s×叶片202的片数。一般情况下叶片202为3片，因此，在叶片202旋转一周的期间，激光被遮光的时间为1.28s×3。
另一方面，将相干激光雷达装置1所发出的激光的重复频率设为1kHz，将接收频谱的累计次数设为5000次。该情况下，对接收频谱进行5000次累计所需的时间为5s。在该测量时间的期间，作为由相干激光雷达装置1获得的接收信号有三种。即，(1)仅基于来自悬浮微粒的散射光得到的接收信号，(2)基于来自悬浮微粒的散射光和来自叶片202的反射光得到的接收信号，(3)仅基于来自叶片202的反射光得到的接收信号。
图10是说明图9所示的结构中的信号累计判别部1302的动作的图。此处，图10上部的波形是由光收发部11照射的激光的时间波形，示出了相当于数十ms的发送脉冲作为激光被照射到大气中的情况。图10A左侧的波形是上述(1)的情况的接收信号的时间波形。另外，标号1001表示基于相干激光雷达装置1的内部反射光得到的接收信号，标号1002表示基于来自悬浮微粒的散射光得到的接收信号。此外，图10B左侧的波形是上述(2)的情况的接收信号的时间波形。另外，标号1003表示基于来自悬浮微粒的散射光及来自叶片202的反射光得到的接收信号。此外，图10C左侧的波形是上述(3)的情况的接收信号的时间波形。另外，标号1004表示基于来自叶片202的反射光得到的接收信号。此外，由图中的虚线包围的期间表示是否要进行累计的判别对象即时间门，标号1005表示针对该时间门的接收信号的振幅阈值。
此处，关于图10A和图10C的接收信号，与图4A和图4B的接收信号的情况相同，省略它们的说明。另一方面，图10B的接收信号表示从相干激光雷达装置1照射的激光中，一部分被叶片202遮光，剩余部分被照射到叶片202后方的大气中的情况。在该图10B的接收信号中，信号累计判别部1302例如在按每一个时间门提取出的接收信号振幅超过振幅阈值的情况下，将累计判别信号设为0(不要累计)，在不超过振幅阈值的情况下将累计判别信号设为1(要累计)。接着，在频谱累计部1303中，根据该累计判别信号进行动作，以使得接收SN比恶化的接收频谱不进行累计。
此外，为了获得用于确保风速的测量精度的接收SN比，需要将接收频谱的累计次数设为5000次。该情况下，在现有的相干激光雷达装置中，连续的测量时间需要5s。然而，在测量过程中存在激光被叶片202等被硬目标遮光的期间的情况下，接收SN比会恶化。因此，为了将激光被遮光的期间考虑在内来获得所希望的接收SN比，需要通过接收频谱的进一步累计来改善像上述那样发生恶化的接收SN比，这部分需要花费测量时间(需要花费比后述的本发明的测量时间7.56s更长的时间)。
与此相对地，实施方式1所涉及的相干激光雷达装置1中，在存在激光被叶片202等硬目标遮光的期间的情况下，对与该期间相对应的接收频谱不进行累计。由此，在上述的示例中，最短能够在测量时间7.56s内获得所希望的接收SN比，该测量时间7.56s是激光没有被遮光的净剩期间5s和该期间之间激光被两片叶片202遮光的期间1.28s×2之和。由此，相对于现有结构，能够以较短的测量时间获得所希望的接收SN比。
此外，相对于现有的相干激光雷达装置，在实施方式1所涉及的相干激光雷达装置1中，风速测量的时间分辨率得以提高。此外，在测量时间受限的情况下，也能获得较高的接收SN比，因而可得到较高的风速的测量精度，获得较高的数据获得率。另外，数据获得率是指相对于测量时间中获得的接收频谱的数据数，超过所需的接收SN比的数据数。
如上所述，根据本实施方式1，构成为不对与激光被遮光的期间相对应的接收频谱进行累计，因此，即使在存在激光被遮光的期间的情况下，也能够防止接收SN比的恶化。其结果是，与现有结构相比，能够在短时间内获得所要求的风速的测量精度所需的接收SN比。
另外，在上述内容中，示出了使用光开关21来切换激光的照射方向的情况。但并不限于此，也可以构成为不使用光开关21，而利用单一的光天线22来将从光循环器20输出的激光照射到大气中。该情况下，不需要光开关驱动器14和照射方向指定部1304。
实施方式2.
图11是表示本发明实施方式2中的信号处理器13的功能结构例的框图。该图11所示的实施方式2的信号处理器13向图2所示的实施方式1的信号处理器13增加了遮光定时运算部1308。其他结构相同，标注相同标号，仅对不同部分进行说明。
实施方式2的信号累计判别部1302中，除了实施方式1的功能之外，还具有将所生成的累计判别信号输出给遮光定时运算部1308的功能。
遮光定时运算部1308计算由光收发部11照射的激光被遮光的定时。在图11所示的结构中，遮光定时运算部1308根据信号累计判别部1302生成的累计判别信号，计算光收发部11所照射的激光被遮光的定时。另外，遮光定时运算部1308例如计算出激光被遮光的周期或期间等来作为上述定时。表示由该遮光定时运算部1308计算出的定时的数据被输出至照射方向指定部1304。
实施方式2的照射方向指定部1304中，除了实施方式1的功能之外，还具有指定在遮光定时运算部1308计算出的定时处激光不被遮光的照射方向的功能。于是，照射方向指定部1304生成表示由遮光定时运算部1308计算出的定时、以及自身所指定的照射方向的控制信号，并输出至光开关驱动器14。
在实施方式2的光开关驱动器14中，除了实施方式1的功能之外，还具有下述功能，即：在接收到表示激光被遮光的定时以及此时激光不会被遮光的照射方向的控制信号的情况下，使光开关21在上述定时将激光的照射方向切换为上述照射方向。
接着，对实施方式2中的信号处理器13的动作例进行说明。另外，在图12A、12B所示的实施方式2的信号处理器13的动作例中，相对于图3A、3B所示的实施方式1的信号处理器13的动作例，增加了步骤ST1201，并将步骤ST305变更为步骤ST1202。其他动作相同，省略它们的说明。
在实施方式2的信号处理器13的动作例中，在步骤ST1201中，遮光定时运算部1308根据信号累计判别部1302生成的累计判别信号，计算光收发部11所照射的激光被遮光的定时。即，在遮光定时运算部1308中，逐个地将信号累计判别部1302生成的累计判别信号保存到存储器26。接着，根据该保存的累计判别信号的时间序列数据，计算出光收发部11所照射的激光被遮光的定时。此时，遮光定时运算部1308例如计算出激光被遮光的周期或时间等来作为激光被遮光的定时。
接着，照射方向指定部1304指定在遮光定时运算部1308计算出的定时处激光不会被遮光的照射方向，并将表示该定时和照射方向的控制信号输出给光开关驱动器14(步骤ST1202)。即，在照射方向指定部1304中，根据激光被遮光的定时，来预测激光不会被硬目标遮光的定时。接着，对于由光开关21和光天线22的设置角度所决定的激光的照射方向，计算出激光不会被硬目标遮光的照射方向。于是，光开关驱动器14根据来自照射方向指定部1304的控制信号，使光开关21在该控制信号所表示的定时，将激光的照射方向切换为该控制信号所指定的照射方向。由此，能够避免激光被硬目标遮光的情况。
另外，在上述内容中，示出了对图3A、3B所示的信号处理器13的动作例增加了步骤ST1201，并将步骤ST305变更为步骤ST1202的情况。但并不限于此，例如也可以对图7A、7B、8A、8B所示的信号处理器13的动作例增加步骤ST1201，并将步骤ST305变更为步骤ST1202。
此外，在上述内容中，示出了遮光定时运算部1308使用来自信号累计判别部1302的累计判别信号来计算激光被遮光的定时的情况。但并不限于此，遮光定时运算部1308也可以使用外部信号来计算激光被遮光的定时。例如，在相干激光雷达装置1搭载于风力发电机2的机舱201的情况下，也可以使用表示叶片202的位置的编码器数据、另外安装的激光传感器或摄像头等用于检测叶片202的位置的传感器等所得出的数据等的外部信号，来计算激光被遮光的定时。
接着，作为激光被遮光的示例，对下述情况进行说明，即：相干激光雷达装置1搭载于风力发电机2的机舱201，激光被叶片202遮光。
图13是表示相干激光雷达装置1搭载于机舱201的情况下激光的照射图案的一个示例的图。此外，图14是表示在叶片202旋转时的各时刻下的激光的遮光的一个示例的图。另外，图中的圆表示激光的照射方向，圆中的数字表示照射顺序。
该相干激光雷达装置1与实施方式1的情况相同，设置在叶片202的后方，对流入叶片202的流入风进行测量。该情况下，如图13、14所示，风力发电机2进行风力发电时、即叶片202旋转时，存在从相干激光雷达装置1照射出的激光被叶片202遮光的照射方向。
图15示出图13所示的结构中的累计判别信号的时间变化例。图15中，设为在接收频谱不进行累计的情况下累计判别信号为0，在接收频谱要进行累计的情况下累计判别信号为1。
此处，在现有的相干激光雷达装置中，设为在时刻t0、t1，激光的照射方向为7号，在时刻t2、t3，激光的照射方向为8号。该情况下，如图14、15所示那样，在时刻t1，7号的照射方向被遮光，在时刻t2、t3，8号的照射方向被遮光。
与此相对地，在实施方式2的相干激光雷达装置1中，基于由遮光定时运算部1308计算出的激光被遮光的定时，例如在时刻t0、t1将激光的照射方向变更为8号，在时刻t2、t3将激光的照射方向变更为7号。由此，能够消除因遮光而导致的测量时间的损失，能够高效地测量多个视线方向上的风速。
如上所述，根据本实施方式2，构成为计算激光被遮光的定时，并在该定时切换为激光不会被遮光的照射方向，因此，除了实施方式1的效果之外，还能够高效地测量多个视线方向上的风速。
另外，在实施方式1、2中，示出了信号处理器13中设有噪声电平修正部1305的情况，但并不限于此，也可以不设置噪声电平修正部1305。
另外，本申请发明可以在其发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形、或省略各实施方式中的任意的构成要素。
工业上的实用性
本发明所涉及的相干激光雷达装置在存在激光被遮光的期间的情况下，也能够防止接收SN比的恶化，适用于对大气中的风速进行测量的相干激光雷达装置等。
标号说明
1相干激光雷达装置，2风力发电机，11光收发部，12 A/D转换器，13信号处理器，14光开关驱动器，15显示器，16基准光源(光源)，17光分配器，18脉冲调制器，19光放大器，20光循环器，21光开关，22光天线，23光耦合器，24光接收机，25 CPU，26存储器，201机舱，202叶片，1301高速傅里叶分析部，1302信号累计判别部，1303频谱累计部，1304照射方向指定部，1305噪声电平修正部，1306频移计算部，1307风速运算部，1308遮光定时运算部。

Claims (7)

1.一种相干激光雷达装置，其特征在于，包括：
光收发部，该光收发部向大气中照射单一频率的激光，接收针对该激光的来自大气中的散射光并进行外差检波，由此来获得接收信号；
A/D转换器，该A/D转换器将由所述光收发部获得的接收信号转换成数字信号；
高速傅里叶分析部，该高速傅里叶分析部在每一个时间门对由所述A/D转换器转换为数字信号后的接收信号进行高速傅里叶变换，从而获得每一个该时间门的接收频谱；
信号累计判别部，该信号累计判别部在每一个所述时间门判别是否要对由所述高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计；
频谱累计部，该频谱累计部根据由所述信号累计判别部得出的判别结果，对由所述高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计；
频移计算部，该频移计算部根据所述频谱累计部累计得到的接收频谱，计算出相对于所述光收发部所照射的激光的频移量；以及
风速运算部，该风速运算部根据所述频移计算部计算出的频移量，计算由所述光收发部照射激光的方向上的风速。
2.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，
所述信号累计判别部基于由所述A/D转换器转换成数字信号后的接收信号的每一个所述时间门的振幅，在每一个该时间门判别是否要对由所述高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计。
3.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，
所述信号累计判别部基于由所述高速傅里叶分析部获得的接收频谱的每一个所述时间门的振幅，在每一个该时间门判别是否要对该接收频谱进行累计。
4.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，
所述信号累计判别部在每一个所述时间门对由所述A/D转换器转换成数字信号后的接收信号进行高速傅里叶变换来获得每一个该时间门的接收频谱，并基于该接收频谱的每一个该时间门的振幅，在每一个该时间门判别是否要对由所述高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计。
5.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，
所述信号累计判别部基于表示所述光收发部所照射的激光被遮光的定时的外部信号，在每一个所述时间门判别是否要对由所述高速傅里叶分析部获得的接收频谱进行累计。
6.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，
所述光收发部具有切换激光的照射方向的光开关，
所述相干激光雷达装置包括：遮光定时运算部，该遮光定时运算部计算所述光收发部所照射的激光被遮光的定时；
照射方向指定部，该照射方向指定部指定在所述遮光定时运算部计算出的定时激光不会被遮光的照射方向；以及
光开关驱动器，该光开关驱动器在所述遮光定时运算部计算出的定时，使所述光开关将激光的照射方向切换成由所述照射方向指定部所指定的照射方向。
7.如权利要求1所述的相干激光雷达装置，其特征在于，
所述光收发部包括：
光源，该光源发出单一频率的连续波即激光；
光分配器，该光分配器对所述光源发出的激光进行分割；
脉冲调制器，该脉冲调制器对由所述光分配器分割得到的一束激光进行脉冲强度调制及频移；
光放大器，该光放大器对由所述脉冲调制器进行了脉冲强度调制及频移的激光进行放大；
光天线，该光天线将经由所述光放大器放大后的激光照射到大气中，并接收针对该激光的来自大气中的散射光；
光耦合器，该光耦合器对由所述光分配器分割得到的另一束激光和所述光天线接收到的散射光进行合波及分割；以及
光接收机，该光接收机通过对经由所述光耦合器进行了合波及分割的光进行外差检波来获得所述接收信号。
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