(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一周波数からなるレーザ光を大気中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号を信号処理して風速検出を行うレーザレーダ装置において、
受信信号を信号処理して風速検出を行う信号処理部が、
受信信号にレーザレーダ装置からの距離に従って分割するようにゲートをかけて分割し、分割した各々の受信信号に対してＦＦＴを行って得られた受信スペクトルから受信Ｓ／Ｎ比の距離依存性を求める手段と、
前記受信Ｓ／Ｎ比の距離依存性に基づき検出対象領域を高Ｓ／Ｎ比領域と低Ｓ／Ｎ比領域に区別する手段と、
前記高Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルから求めた風速の距離依存性に基づいて前記高Ｓ／Ｎ比領域と低Ｓ／Ｎ比領域の風速差の標準偏差である先見情報を得て、この先見情報を用いて前記低Ｓ／Ｎ比領域の受信スペクトルにおいては、前記高Ｓ／Ｎ比領域の風速検出値を中心として前記標準偏差の幅の範囲にピーク検出範囲を限定してピーク検出を行い、ピーク検出結果に従って前記低Ｓ／Ｎ比領域での風速検出を行う手段と、
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
単一周波数からなるレーザ光を大気中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号を信号処理して風速検出を行うレーザレーダ装置において、
受信信号を信号処理して風速検出を行う信号処理部が、
受信信号にレーザレーダ装置からの距離に従って分割するようにゲートをかけて分割し、分割した各々の受信信号に対してＦＦＴを行って得られた受信スペクトルから受信Ｓ／Ｎ比の距離依存性を求める手段と、
前記受信Ｓ／Ｎ比の距離依存性に基づき検出対象領域を高Ｓ／Ｎ比領域と低Ｓ／Ｎ比領域に区別する手段と、
前記高Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルの１つ以上の受信スペクトルに着目し、この受信スペクトルまたは複数の受信スペクトルを積算したスペクトルから生成した参照スペクトルである先見情報を得て、この先見情報を用いて前記低Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルと前記参照スペクトルとの相関演算を行うマッチング処理を行い、前記マッチング処理を行った結果に対しピーク検出を行い、ピーク検出結果に従って前記低Ｓ／Ｎ比領域での風速検出を行う手段と、
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光からなる送信信号を大気中に送信して大気からの散乱信号を受信し、散乱信号のドップラー周波数シフトを検出することから、大気中の風速を計測するレーザレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のレーザレーダ装置としては、例えば特許文献１や非特許文献１に記載されているものが知られている。このレーザレーダ装置では、パルスレーザ光を大気中に送信して、大気中のエアロゾルからの散乱光をヘテロダイン検波により電気信号領域に変換し、受信信号を得る。受信信号にゲートをかけて各距離からの信号に分割した後、分割後の各信号にＦＦＴ(Fast Fourier Transform)をかけて受信スペクトルを得る。受信Ｓ／Ｎ比が高い場合、この信号のピーク周波数がドップラー周波数シフトに対応するため、ピーク周波数を検出することから風速を計測することが可能となる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８５７５８号公報
【非特許文献１】S. Kameyama et al., Applied Optics, Vol. 46, No. 11, pp. 1953-1962, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなレーザレーダ装置の信号処理では、受信スペクトルのピーク周波数を検出して風速計測を行う。このピーク周波数の検出は、受信Ｓ／Ｎ比が高い場合においては問題ないが、受信Ｓ／Ｎ比が低い場合、一般的に、誤検出が生じることが知られている。図９は受信Ｓ／Ｎ比が高い場合(図９の(ａ))と低い場合(図９の(ｂ))の受信スペクトルの模式図である。図９の(ａ)の場合では、図に示されている全周波数領域におけるピークを検出すれば、信号成分を正しく検出できるのに対し、図９の(ｂ)の場合では、信号成分の強度が低いため、単純にピークを検出すると雑音成分を検出する、つまり誤検出してしまうという課題が存在していた。
【０００５】
この発明は上記した課題を鑑みてなされたもので、従来とは異なり、受信スペクトルを求めた後の信号処理において、受信Ｓ／Ｎ比が高い領域における計測結果から受信スペクトルや風速に関する先見情報を求め、この先見情報を利用することで、受信Ｓ／Ｎ比が低い領域において上記誤検出を低減できるレーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、単一周波数からなるレーザ光を大気中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号を信号処理して風速検出を行うレーザレーダ装置において、受信信号を信号処理して風速検出を行う信号処理部が、受信信号にレーザレーダ装置からの距離に従って分割するようにゲートをかけて分割し、分割した各々の受信信号に対してＦＦＴを行って得られた受信スペクトルから受信Ｓ／Ｎ比の距離依存性を求める手段と、前記受信Ｓ／Ｎ比の距離依存性に基づき検出対象領域を高Ｓ／Ｎ比領域と低Ｓ／Ｎ比領域に区別する手段と、前記高Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルから求めた風速の距離依存性に基づいて前記高Ｓ／Ｎ比領域と低Ｓ／Ｎ比領域の風速差の標準偏差である先見情報を得て、この先見情報を用いて前記低Ｓ／Ｎ比領域の受信スペクトルにおいては、前記高Ｓ／Ｎ比領域の風速検出値を中心として前記標準偏差の幅の範囲にピーク検出範囲を限定してピーク検出を行い、ピーク検出結果に従って前記低Ｓ／Ｎ比領域での風速検出を行う手段と、を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置等にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、受信Ｓ／Ｎ比が高い領域における計測結果から受信スペクトルや風速に関する先見情報を求め、この先見情報を利用して受信Ｓ／Ｎ比が低い領域での風速を求めることで、受信Ｓ／Ｎ比が低い領域での誤検出を低減できるレーザレーダ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係わるレーザレーダ装置について、図１〜図６を用いて説明する。図１は、本発明に係わるレーザレーダ装置の構成を模式的に示す図である。
【０００９】
図１において、光源１は光分配器２に接続され、光分配器２はパルス変調器３と周波数シフタ６に接続されている。パルス変調器３は光サーキュレータ４に接続されている。光サーキュレータ４は送受光学系５と光カプラ７に接続されている。光カプラ７は周波数シフタ６と光受信機８に接続されている。光受信機８はＡ／Ｄ変換器９に接続されている。Ａ／Ｄ変換器９は信号処理部１０に接続されている。制御部１１は、Ａ／Ｄ変換器９、信号処理部１０およびパルス変調器３に接続されている。
【００１０】
また図１において、光源１と光分配器２との間、光分配器２とパルス変調器３との間、パルス変調器３と光サーキュレータ４との間、光サーキュレータ４と送受光学系５との間、光サーキュレータ４と光カプラ７との間、光分配器２と周波数シフタ６との間、周波数シフタ６と光カプラ７との間、および光カプラ７と光受信機８との間は、全て光回路接続されており(太線で示す)、たとえば光ファイバにより接続されている。また、光受信機８とＡ／Ｄ変換器９との間、Ａ／Ｄ変換器９と信号処理部１０との間、制御部１１とＡ／Ｄ変換器９との間、制御部１１と信号処理部１０との間、制御部１１とパルス変調器３との間は、全て電気回路により接続されている(細線で示す)。
【００１１】
制御部１１は、パルス変調器３に対し変調信号を、Ａ／Ｄ変換器９と信号処理部１０に対しトリガ信号を、各々送信する。光源１は、単一周波数からなるＣＷ光を送信する。光分配器２は、光源からの光を２分して一方をパルス変調器３に、他の一方を周波数シフタ６に、各々送る。パルス変調器３は、入力された光信号に対し制御部１１からの変調信号に基づいてパルス変調をかける。周波数シフタ６は、入力された光信号に所定の周波数シフトを与える。
【００１２】
光サーキュレータ４は、パルス変調器３からの光信号を送受光学系５に送り、送受光学系５からの光信号を光カプラ７に送る。送受光学系５は、光サーキュレータ４からの光信号を大気中に送信し、大気中からの散乱光を受信光として受信して光サーキュレータ４に送る。光カプラ７は、周波数シフタ６および光サーキュレータ４からの光信号を合波して光受信機８に送る。光受信機８は光カプラ７からの光信号をヘテロダイン検波により電気信号に変換して、受信信号としてＡ／Ｄ変換器９に送る。
【００１３】
Ａ／Ｄ変換器９は、制御部１１からのトリガ信号が入力されると同時に上記受信信号をＡ／Ｄ変換し、信号処理部１０に送る。信号処理部１０は制御部１１からのトリガ信号に同期してＡ／Ｄ変換器９からの受信信号を信号処理し、風速のレーザビーム送受信方向における距離依存性を計測する。
【００１４】
なお、図１において、上記周波数シフタ６による周波数シフトは、ヘテロダイン検波して得られる電気信号にＩＦ周波数を乗せ、ドップラー周波数シフトの正負を識別することを目的として配置されているが、周波数シフタ６を図１に示した位置から除き、パルス変調器３に周波数シフタ６を用いてこれに変調信号を送ることで、周波数シフタ６をパルス変調器３として機能させることもできる。上記非特許文献１では、この構成をとっている。
【００１５】
次に、図１のレーザレーダ装置の動作について説明する。まず、制御部１１は、パルス変調器３に対し、所定のパルス幅と繰り返し周期からなる変調信号を送信するとともに、Ａ／Ｄ変換器９および信号処理部１０に対し、上記変調信号に同期したトリガ信号を送信する。これと並行し、光源１からは単一周波数からなるＣＷ光信号を送信し、この光信号を光分配器２により分配した後、一方をパルス変調器３に、他の一方を周波数シフタ６に送る。
【００１６】
次に、パルス変調器３において、制御部１１からの変調信号に基づいて入力されたＣＷ光信号をパルス化する。このパルス化された光信号を光サーキュレータ４、送受光学系５を介し大気中に送信する。大気中に送信された光信号は、大気中に浮遊するエアロゾル等の散乱体により散乱され、この散乱光が送受光学系５により受信光として受信される。この際、エアロゾル等の散乱体が風に乗って移動しているため、受信光には風速に相当するドップラー周波数シフトが生じている。上記受信光は、送受光学系５、光サーキュレータ４を介し光カプラ７に送られる。光カプラ７では、周波数シフタ６からのローカル光と上記受信光とを合波した後、光受信機８に送る。
【００１７】
光受信機８では、上記ローカル光と上記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号領域である受信信号に変換する。このとき、受信信号の周波数は、風速に相当するドップラー周波数シフトと同じ値となる。次に、Ａ／Ｄ変換器９において、トリガ信号を受けると同時に光受信機８からの受信信号のＡ／Ｄ変換を開始し、このデジタル信号を信号処理部１０に送る。
【００１８】
信号処理部１０では、トリガ信号を受けとるのに同期して信号処理を開始する。この信号処理について以降において説明する。図２は、信号処理において距離ごとのドップラースペクトルを求める動作の模式図を示すものである。信号処理ではまず、受信したデジタル信号に対し、距離分解能に相当する時間幅でゲートをかけ、分割する((ａ)の時間サンプル)。距離分解能をΔＬ、ゲート番号をｎ(＝1,2,・・・N)とすると、各ゲートは距離ΔＬ×ｎに相当する。
【００１９】
次に、分割した各々のゲートのデジタル信号に対しＦＦＴをかけ、距離ごとの受信スペクトルを求める((ｂ)の受信スペクトル)。次に、各受信スペクトルに関し、ピーク強度の検出を行い、この強度から、受信Ｓ／Ｎ比を求める。この受信Ｓ／Ｎ比に関しては、受信光がない場合の雑音のみのスペクトルにおける周波数軸上における強度の標準偏差を求めておき、この標準偏差に対する上記ピーク強度の比として求めればよい。
【００２０】
上記受信Ｓ／Ｎ比導出を各距離(各ゲート)に関し行い、横軸を距離、縦軸を受信Ｓ／Ｎ比とした、受信Ｓ／Ｎ比距離依存性を求める。この受信Ｓ／Ｎ比距離依存性を図３に模式的に示す。このとき、図３に示すように一般的に、近距離領域では受信Ｓ／Ｎ比が高く、遠距離領域になるにつれ受信Ｓ／Ｎ比が低下していく傾向となる。
【００２１】
次に、予め設定した受信Ｓ／Ｎ比に関する閾値と、上記受信Ｓ／Ｎ比距離依存性とを比較し、上記閾値よりも受信Ｓ／Ｎ比が高い領域を高Ｓ／Ｎ比領域、上記閾値よりも受信Ｓ／Ｎ比が低い領域を低Ｓ／Ｎ比領域、として区別する。
【００２２】
次に、上述の高Ｓ／Ｎ比領域に関し、風速検出を行う。この検出は従来と同じく、受信スペクトル上における予め設定した固定の風速検出範囲全体においてピーク検出を行い、このピークの周辺に関する重心演算を行う等、このピークを利用して風速検出を行う。この風速検出処理を行うのは、受信Ｓ／Ｎ比が高いゲートに対してのみ行っているので、ピーク検出における検出範囲を、受信スペクトル上における予め設定した固定の風速検出範囲全体として広くとったとしても、信号ピークを正確に検出することができる。
【００２３】
次に、高Ｓ／Ｎ比領域に関する風速検出結果から、この領域における風速の距離依存性を求める。風速の距離依存性を模式的に示したものを図４に示す。このとき、風速の距離に対する変動は、一般的に連続的なものであるが、風速場全体の乱れの程度に応じて、図４に示すように不規則な値をとる。
【００２４】
次に、図４の風速の距離依存性を分析し、隣り合うゲート(距離)間における風速の標準偏差を求める。この標準偏差は、風速場全体の乱れの程度に相当するパラメータであり、高Ｓ／Ｎ比領域における最も遠距離に相当するゲートと、これと隣り合う低Ｓ／Ｎ比領域に相当するゲートとの間において、現在の風の乱れの状態では統計的にどれだけの風速差が生じうるか、ということを示す値となる。この値を後述の低Ｓ／Ｎ比領域での信号処理において、先見情報として利用する。
【００２５】
次に、上述の低Ｓ／Ｎ比領域に関し、風速検出を行う。この検出では、まず、高Ｓ／Ｎ比領域における最も遠距離に相当するゲートと、これと隣り合う低Ｓ／Ｎ比領域のゲートに着目する。後者の受信スペクトルにおいては、前者の風速検出値を中心として、上記標準偏差の幅の範囲に、ピーク検出範囲を限定し、この限定された範囲の中でピーク検出を行う。ピーク検出した後は、重心演算等高Ｓ／Ｎ比領域でのものと同じ方法で風速を検出する。
【００２６】
この低Ｓ／Ｎ比領域のゲートよりもさらに遠距離に相当する低Ｓ／Ｎ比領域のゲートに関しては、隣り合うゲートの内、近距離側のゲートにおける風速検出結果と上記標準偏差に基づいて、順次遠距離側に風速検出を行っていけばよい。
【００２７】
以上に述べた本発明の実施の形態１に係わるレーザレーダ装置では、信号処理において従来とは異なり、受信Ｓ／Ｎ比を高Ｓ／Ｎ比領域と低Ｓ／Ｎ比領域に区別して異なる処理により風速検出を行っている。特に、低Ｓ／Ｎ比領域の信号処理において、高Ｓ／Ｎ比領域での確度の高い風速検出値と、その距離依存性から求めた乱れの程度とを先見情報として、受信スペクトルにおける検出範囲に限定をかけることで、受信スペクトルにおける誤検出を回避する確率を上げることができる。
【００２８】
図５は、この誤検出の回避に関する効果を示す図であり、高Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルと、それと隣り合う低Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルとを、模式的に示している。実線が高Ｓ／Ｎ比レンジの受信スペクトル、破線が隣接する低Ｓ／Ｎ比レンジの受信スペクトルを示す。この図において、低Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトルでは(破線で示す)、信号ピークよりも高い雑音ピークが生じており、受信スペクトル上の全風速検出範囲についてピーク検出を行うと、この雑音ピークを検出してしまうこととなる。しかし、本発明の実施の形態１に示した信号処理を行えば、図５に示す限定された範囲についてのみピーク検出を行うので、信号ピークを正しく検出することが可能となる。
【００２９】
なお、以上に述べた本発明の実施の形態１に係わるレーザレーダ装置では、高Ｓ／Ｎ比領域において、隣り合うゲート(距離)間における風速の標準偏差を求め、これを先見情報として、低Ｓ／Ｎ比領域での処理に利用していた。この先見情報は、上記とは別の処理により求めても良い。これについて次に説明する。
【００３０】
高Ｓ／Ｎ比領域における風速の距離依存性をさらに詳細に分析し、横軸をゲート間の距離差、縦軸をゲート間の風速差の標準偏差としたグラフを作成する。次に、このグラフに対しモデル式を用いてフィッティングをかける。モデル式には、例えば、大気中の乱れに関する一般式であるコルモゴロフ風速場に基づいた次式(１)を用いればよい。
【００３１】
σ１＝√(９／２０)・ε１／３・Ｄ１／３                      (１)
【００３２】
ここで、εは渦消散係数(m２/s３)、Ｄはゲート間の距離差、である。εが風速場の乱れの程度を示すパラメータである。式(１)を上記グラフに対しフィッティングした模式図を図６に示す。図６のフィッティング結果から、隣り合うゲート間における風速差の標準偏差を、次式(２)により求めればよい。
【００３３】
σ２＝√(９／２０)・ε１／３・ΔＬ１／３                    (２)
【００３４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係わるレーザレーダ装置について、図７〜図８を用いて説明する。実施の形態１においては、風速場の乱れの程度を、高Ｓ／Ｎ比領域における風速の距離依存性から求めた。これに対し本実施の形態２においては、上記乱れの程度を、高Ｓ／Ｎ比領域における受信スペクトルの形状から求める。
【００３５】
図７は、高Ｓ／Ｎ比領域における受信スペクトルの模式図である。実線が乱流弱、破線が乱流中、一点鎖線が乱流強の状態を示す。図７から分かるように、受信スペクトルは、風速場の乱れの程度に応じて拡がりを持ち、乱れが強くなるにつれて拡がりが大きくなる。
【００３６】
次に、本発明の実施の形態２に係わるレーザレーダ装置の動作について説明する。高Ｓ／Ｎ比領域における風速検出までの動作に関しては、本発明の実施の形態１に係わるものと同じである。
【００３７】
次に、本実施の形態２のレーザレーダ装置では、高Ｓ／Ｎ比領域における１つ以上の受信スペクトルに着目し、この受信スペクトルもしくはこれらを積算したスペクトルから、参照スペクトルを生成する。
【００３８】
次に、低Ｓ／Ｎ比領域における信号処理について説明する。低Ｓ／Ｎ比領域に関する受信スペクトルに対しては、まず、上記参照スペクトルとの相関演算を行うマッチング処理を行う。このマッチング処理により、受信スペクトル上から、上記参照スペクトルと最も類似の特徴を持つ成分を浮き上がらせる。このマッチング処理を行った結果に対しピーク検出を行い、このピークを利用して風速検出を行う。
【００３９】
図８は、このマッチング処理の効果について模式的に示したものである。図８の(ａ)は高Ｓ／Ｎ比領域でのスペクトルから生成した参照スペクトル、(ｂ)は低Ｓ／Ｎ比領域での受信スペクトル、(ｃ)にマッチング処理後のスペクトルを示す。図８において、元の受信スペクトルでは信号ピークよりも大きい雑音ピークが生じているため、このままピーク検出を行うと誤検出となるが、マッチング処理後のスペクトルでは信号成分が浮かび上がっており、ピーク検出により信号を正しく検出できることとなる。
【００４０】
なお、上述した本発明の実施の形態２に係わるレーザレーダ装置では、参照スペクトルを高Ｓ／Ｎ比領域における受信スペクトルから求めていたが、このスペクトルの幅を計測してこの幅をもつ左右対称なスペクトルを別途参照用として生成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるレーザレーダ装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置での信号処理動作を説明するための図である。
【図９】従来の受信Ｓ／Ｎ比が低い場合の誤検出を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  光源、２  光分配器、３  パルス変調器、４  光サーキュレータ、５  送受光学系、６  周波数シフタ、７  光カプラ、８  光受信機、９  Ａ／Ｄ変換器、１０  信号処理部、１１  制御部。
【図１】
0005197023.tif 000002
【図２】
0005197023.tif 000003
【図３】
0005197023.tif 000004
【図４】
0005197023.tif 000005
【図５】
0005197023.tif 000006
【図６】
0005197023.tif 000007
【図７】
0005197023.tif 000008
【図８】
0005197023.tif 000009
【図９】
0005197023.tif 000010