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CN107615094B - 激光雷达装置和风速观测方法 - Google Patents

激光雷达装置和风速观测方法 Download PDF

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CN107615094B CN201580079790.XA CN201580079790A CN107615094B CN 107615094 B CN107615094 B CN 107615094B CN 201580079790 A CN201580079790 A CN 201580079790A CN 107615094 B CN107615094 B CN 107615094B
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Abstract

构成为如果由谱计算部(22)计算出的谱信号是信号强度小于阈值(Th1)的距离单元的谱信号，则风速搜索部(30)使用由风速模型选择部(29)选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心(IF)，根据决定了该搜索中心(IF)的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。由此，将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率降低。

Description

激光雷达装置和风速观测方法
技术领域
本发明涉及观测大气中的风速的激光雷达装置和风速观测方法。
背景技术
作为计测存在于远处的物体的位置的装置，公知有雷达装置。
雷达装置在将电磁波或声波等的波动放射到空间之后，接收由作为观测对象的物体反射回来的波动，对该波动进行分析，由此，计测从雷达装置到物体的距离或角度。
在雷达装置中还公知有如下的气象雷达装置：将大气中浮游的微小气溶胶(aerosol)作为观测对象，根据由气溶胶反射回来的波动的相位旋转量，计测气溶胶运动的速度作为风速。
并且，在气象雷达装置中，特别是使用光作为电磁波的激光雷达装置放射的波束的扩展极小，能够以较高的角度分辨率观测物体，因此被用作风向风速雷达(例如，参照非专利文献1)。
在通常的激光雷达装置中，在将激光放射到大气中之后，接收由大气中的气溶胶反射回来的激光，即伴随着大气中的气溶胶的移动速度而受到多普勒频移的激光，通过进行该激光与本地光的外差式检波而检测与风速相当的多普勒信号。
这样的激光雷达装置通常被称作多普勒雷达，按照时间区分由大气中的各高度的气溶胶反射回来的激光，在作为按照时间区分出的激光的距离单元(range bin)内，进行微小间隔的相干积分。
当激光雷达装置在距离单元内进行相干积分时，存在如下的此消彼长的关系：由于区分激光的时间相当于距离分辨率，因此要想详细地掌握风速的空间变动，就需要缩短区分激光的时间，但若缩短相干积分的时间，则得到的信号量降低，因此，能够观测的距离变短。
要想即使缩短相干积分的时间也不会缩短能够观测的距离，存在如下的方法：通过在实施相干积分之后，在距离单元内对相干积分结果进行傅里叶变换，并对该傅里叶变换结果进行非相干积分，从而实现信噪比(以下称作“SNR(Signal to Noise Ratio)”)的提高。通常情况下，公知在实施了N次非相干积分的情况下，SNR提高√N(例如，参照专利文献1、2)。
在通常的激光雷达装置中，若通过在距离单元内进行相干积分而得到谱信号，则可确定作为该谱信号最大的频率的多普勒频移量，根据该多普勒频移量计算风速。
因此，只要能够高精度地确定作为谱信号最大的频率的多普勒频移量，就能够提高风速的计算精度，但通常情况下，SNR较高的距离的区域(高SNR区域)与SNR较低的距离的区域(低SNR区域)混合存在。
在高SNR区域中，相对于噪声，谱信号的峰较高，因此能够准确地计算风速；在低SNR区域中，有时噪声的峰比谱信号的峰高。因此，在低SNR区域中，有时将噪声的峰误检测为谱信号的峰而计算错误的风速。
在以下的专利文献3中公开有如下的激光雷达装置：在搜索谱信号的峰时，求出高SNR区域和与高SNR区域相邻的低SNR区域的门(gate：距离)间的风速的标准偏差，使用该标准偏差来决定搜索谱信号的峰的峰查找范围。
由此，搜索谱信号的峰的范围受到限定，因此，将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率减小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-284260号公报(段落号[0013])
专利文献2：日本特开2002-168948号公报(段落号[0029])
专利文献3：日本特开2009-162678(段落号[0028])
非专利文献
非专利文献1：気象と大気のレーダーリモートセンシング(气象和大气的雷达遥感)ISBN 4-87698-653-3
发明内容
发明要解决的课题
由于以往的激光雷达装置如上所述构成，因此搜索谱信号的峰的范围受到限定，但存在谱信号的峰的可能性较高的查找范围的搜索中心没有决定。因此，即使限定搜索谱信号的峰的范围，要想不遗漏谱信号的峰，需要决定大到一定程度的查找范围。但是，存在若决定较大的查找范围则将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率变高这样的课题。
本发明正是为了解决上述课题而完成的，其目的在于，得到能够降低将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率而高精度地计算风速的激光雷达装置和风速观测方法。
用于解决课题的手段
本发明的激光雷达装置设置有：发送接收光学系统，其向大气放射脉冲，接收由观测对象反射回来的脉冲的反射光；谱计算部，其根据由发送接收光学系统接收到的反射光计算每个距离单元的谱信号；风速计算部，如果由谱计算部计算出的谱信号是信号强度为第1阈值以上的距离单元的谱信号，则该风速计算部根据该谱信号计算该距离单元中的作为观测对象的速度的风速；以及风速模型选择部，其从表示大气中的距离单元与风速的关系的多个风速模型中，选择与由风速计算部计算出的各距离单元的风速对应的风速模型，如果由谱计算部计算出的谱信号是信号强度小于第1阈值的距离单元的谱信号，则风速搜索部使用由风速模型选择部选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心，根据决定了该搜索中心的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。
发明效果
根据本发明，构成为如果由谱计算部计算出的谱信号是信号强度小于第1阈值的距离单元的谱信号，则风速搜索部使用由风速模型选择部选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心，根据决定了该搜索中心的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。因此，具有如下的效果：能够降低将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率而高精度地计算风速。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
图2是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理装置10的结构图。
图3是信号处理装置10由计算机构成时的硬件结构图。
图4是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理装置10的处理内容即风速观测方法的流程图(其一)。
图5是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理装置10的处理内容即风速观测方法的流程图(其二)。
图6是示出高SNR区域的谱信号和低SNR区域的谱信号的说明图。
图7是示出将一部分频率决定为峰查找范围(搜索范围)而在该峰查找范围内搜索谱信号的峰的例子的说明图。
图8是示出下击暴流模式、幂律以及风切变模式的说明图。
图9是示出由风速搜索部30决定的搜索中心IF的说明图。
图10是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的信号处理装置10的结构图。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构图。
在图1中，光振荡部1是对激光进行振荡的光振荡器。
光耦合器2将由光振荡部1振荡出的激光分配成发送光和本地光，将该发送光输出给光调制部4，并且将该本地光输出给接收耦合器8。
光调制驱动器3根据从信号处理装置10输出的控制信号而对光调制部4的脉冲调制进行控制，并且对光放大器5的放大率进行控制。
光调制部4由例如AOM(Acousto-Optic Modulator：声光调制器)等光学调制器构成，在光调制驱动器3的控制下，对从光耦合器2输出的发送光进行脉冲调制而输出脉冲。
由光调制驱动器3对光放大器5的放大率进行控制，按照该放大率对从光调制部4输出的脉冲进行放大，将放大后的脉冲输出给环行器6。
环行器6将从光放大器5输出的脉冲输出给发送接收光学系统7，另一方面，将由发送接收光学系统7接收到的作为脉冲的反射光的接收光输出给接收耦合器8。
由视线方向切换部11对作为脉冲放射方向的视线方向进行切换，在将从环行器6输出的脉冲放射到大气之后，发送接收光学系统7接收由作为观测对象的气溶胶反射回来的脉冲的反射光。
接收耦合器8通过对从光耦合器2输出的本地光和从环行器6输出的接收光进行合波，将具有使该本地光的频率和接收光的频率相加得到的频率的合波光输出给光检测器9。
光检测器9由例如平衡接收机构成，将从接收耦合器8输出的合波光变换成电信号，将该电信号输出给信号处理装置10。
信号处理装置10通过对从光检测器9输出的各个视线方向的电信号进行分析，计算作为气溶胶的移动速度的风速，并且输出对光调制驱动器3和视线方向切换部11进行控制的控制信号。
视线方向切换部11是根据从信号处理装置10输出的控制信号而对从发送接收光学系统7放射的脉冲的视线方向进行切换的装置。
图2是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理装置10的结构图。
在图2中，控制部20将表示要放射的脉冲的脉冲宽度或脉冲的放大率等的控制信号输出给光调制驱动器3，并且将表示脉冲的视线方向的控制信号输出给视线方向切换部11。并且，控制部20将表示脉冲的视线方向的控制信号输出给谱计算部22和风速计算部24。
A/D转换器21是将从光检测器9输出的电信号分别变换成数字信号的模拟数字变换器。
谱计算部22实施如下的处理：每当由视线方向切换部11切换视线方向时，按照时间区分由A/D转换器21变换出的数字信号，对按照时间区分出的数字信号即每个距离单元的数字信号进行傅里叶变换，由此计算该视线方向上的每个距离单元的谱信号。
并且，谱计算部22实施如下的处理：通过实施将每个距离单元的谱信号相加的非相干积分(积分处理)，改善每个距离单元的谱信号的SNR(信噪比)。
谱保存部23由例如RAM或硬盘等存储装置构成，保存由谱计算部22计算出的每个距离单元的谱信号。
风速计算部24由视线方向风速计算部25和风向量计算部26构成，实施如下的处理：如果由谱计算部22计算出的谱信号是信号强度为事先设定的阈值Th1(第1阈值)以上的距离单元的谱信号，则根据由谱计算部22计算出的谱信号计算该距离单元中的作为气溶胶的移动速度的风速。
视线方向风速计算部25实施如下的处理：如果按照每个脉冲的视线方向，由谱计算部22计算出的谱信号是信号强度为事先设定的阈值Th1以上的距离单元的谱信号，则根据由谱计算部22计算出的谱信号计算该距离单元的视线方向风速。
风向量计算部26实施如下的处理：根据由视线方向风速计算部25按照每个视线方向计算出的信号强度为阈值Th1以上的距离单元的视线方向风速计算该距离单元的风速。
数据保存部27由例如RAM或硬盘等存储装置构成，保存由风向量计算部26计算出的风速。
风速模型存储部28由例如RAM或硬盘等存储装置构成，作为表示大气中的高度(距离单元)与风速的关系的风速模型，例如存储有“下击暴流模式”、“幂律”、“风切变模式”等模型。
另外，高度与风速的关系因季节(时间)或地域而大幅不同，各风速模型的参数因时间或地域而大幅不同。
风速模型选择部29实施如下的处理：根据数据保存部27中保存的各距离单元的风速，分别计算相对于风速模型存储部28中存储的多个风速模型的适合度，比较相对于多个风速模型的适合度，根据该适合度的比较结果而选择与各距离单元的风速对应的风速模型。
即，风速模型选择部29实施如下的处理：从风速模型存储部28中存储的多个风速模型中选择适合度最高的风速模型，作为与各距离单元的风速对应的风速模型。
风速搜索部30实施如下的处理：如果由谱计算部22计算出的谱信号是信号强度小于事先设定的阈值Th1的距离单元的谱信号，则使用由风速模型选择部29选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心，根据决定了该搜索中心的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。
显示处理部31实施如下的处理：显示数据保存部27中保存的各距离单元的风速。
在图2的例子中，假定作为信号处理装置10的结构要素的控制部20、谱计算部22、风速计算部24、风速模型选择部29、风速搜索部30和显示处理部31分别由专用硬件构成。作为专用硬件，例如可考虑安装有CPU的半导体集成电路或单片微型计算机等。
但是，信号处理装置10也可以由计算机构成。图3是信号处理装置10由计算机构成时的硬件结构图。
例如，在除了A/D转换器21之外的信号处理装置10由计算机构成的情况下，只要在计算机的存储器41上构成谱保存部23、数据保存部27和风速模型存储部28，并且在存储器41中存储记述有控制部20、谱计算部22、风速计算部24、风速模型选择部29、风速搜索部30和显示处理部31的处理内容的程序，计算机的处理器42执行存储器41中存储的程序即可。
图4和图5是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的信号处理装置10的处理内容即风速观测方法的流程图。
图6是示出高SNR区域的谱信号和低SNR区域的谱信号的说明图。
在高SNR区域中，相对于噪声，谱信号的峰较高，因此能够准确地计算风速；在低SNR区域中，有时噪声的峰比谱信号的峰高。因此，在低SNR区域中，有时将噪声的峰误检测为谱信号的峰而计算错误的风速。
作为防止将噪声的峰误检测为谱信号的峰的方法，可考虑不将全部频率设为谱峰的搜索范围而是限定谱峰的搜索范围的方法。
图7是示出将一部分频率决定为峰查找范围(搜索范围)而在该峰查找范围内搜索谱信号的峰的例子的说明图。
通过如图7所示限定谱峰的搜索范围，将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率减小。
因此，在本实施方式1中，说明限定谱峰的搜索范围的激光雷达装置。
但是，在作为谱峰的搜索范围的峰查找范围的搜索中心有可能与谱信号的峰大幅偏移的情况下，要想即使限定搜索谱信号的峰的范围也不会遗漏谱信号的峰，需要决定大到一定程度的查找范围。若决定较大的查找范围，则将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率变高。
因此，在本实施方式1的激光雷达装置中，将峰查找范围的搜索中心决定为与谱信号的峰的位置接近的位置，从而能够使查找范围变窄。
接着，对动作进行说明。
信号处理装置10的控制部20将表示要放射的脉冲的脉冲宽度或脉冲的放大率等的控制信号输出给光调制驱动器3，并且将表示脉冲的视线方向的控制信号输出给视线方向切换部11。
并且，控制部20将表示脉冲的视线方向的控制信号输出给谱计算部22和风速计算部24。
在本实施方式1中，控制部20输出表示视线方向m(m＝1、2、···、M)的控制信号。
其中，表示视线方向的变量m最初被初始设定成1，依次增加1直到达到M为止。
光振荡部1振荡出激光。
光耦合器2将由光振荡部1振荡出的激光分配成发送光和本地光，将该发送光输出给光调制部4，并且将该本地光输出给接收耦合器8。
光调制驱动器3在从信号处理装置10的控制部20接收到控制信号时，对能够得到该控制信号所示的脉冲宽度的脉冲的光调制部4的脉冲调制进行控制，并且将光放大器5的放大率设定成控制信号所示的放大率。
光调制部4在光调制驱动器3的控制下，对从光耦合器2输出的发送光进行脉冲调制，将脉冲输出给光放大器5。
光放大器5在从光调制部4接收到脉冲时，按照由光调制驱动器3设定的放大率对该脉冲进行放大，将放大后的脉冲输出给环行器6。
环行器6在从光放大器5接收到脉冲时，将该脉冲输出给发送接收光学系统7。
视线方向切换部11在从信号处理装置10的控制部20接收到控制信号时，对发送接收光学系统7进行控制，使得向该控制信号所示的视线方向m放射脉冲。
发送接收光学系统7在向视线方向m放射从环行器6输出的脉冲之后，接收由作为观测对象的气溶胶反射回来的脉冲的反射光。
这里，假定视线方向切换部11控制对发送接收光学系统7的方向进行调整的驱动装置而机械性地切换脉冲的视线方向m，但也可以设置视线方向不同的多个发送接收光学系统7，并且在多个发送接收光学系统7与环行器6之间设置光开关，在光开关从环行器6接收到脉冲时，对多个发送接收光学系统7中的与从控制部20输出的控制信号所示的视线方向m对应的发送接收光学系统7输出该脉冲，将由与视线方向m对应的发送接收光学系统7接收到的脉冲的反射光输出给环行器6。
并且，也可以通过准备多台从光振荡部1到发送接收光学系统7的望远镜而向多个视线方向放射脉冲。并且，不限于机械性地切换脉冲的视线方向m，例如也可以使用楔形扫描器等而在光学上切换脉冲的视线方向m。
在本实施方式1中，对为了根据多个视线方向风速计算作为气溶胶的移动速度的风速而切换脉冲的视线方向m的例子进行了说明，但在将1个视线方向的风速设为气溶胶的移动速度的情况下，不需要切换脉冲的视线方向，不需要视线方向切换部11。
环行器6将由发送接收光学系统7接收到的脉冲的反射光作为接收光输出给接收耦合器8。
接收耦合器8通过对从光耦合器2输出的本地光和从环行器6输出的接收光进行合波，向光检测器9输出具有将该本地光的频率和接收光的频率相加得到的频率的合波光。
光检测器9在从接收耦合器8接收到合波光时，将该合波光变换成电信号，并将该电信号输出给信号处理装置10。
信号处理装置10在从光检测器9接收到电信号时，通过分析该电信号而计算作为气溶胶的移动速度的风速VW和风向Dir。
以下，具体地说明信号处理装置10的处理内容。
信号处理装置10的A/D转换器21在从光检测器9接收到电信号时，将该电信号变换成数字信号(图4的步骤ST1)。
每当由视线方向切换部11切换视线方向m时，谱计算部22计算视线方向m上的每个距离单元的谱信号(步骤ST2)。
即，谱计算部22在从A/D转换器21接收到数字信号时，按照时间区分该数字信号，对按照时间区分出的数字信号即每个距离单元的数字信号进行傅里叶变换，由此计算视线方向m上的每个距离单元的谱信号。
在本实施方式1中，为了方便说明，假设视线方向m上的距离单元的个数为N，用n(n＝1、2、···、N)示出表示距离单元的变量。其中，表示距离单元的变量n最初被初始设定成1，依次增加1直到达到N为止。
由谱计算部22计算出的视线方向m上的各距离单元n的谱信号被保存在谱保存部23中。
这里，假定每个距离单元的谱信号被保存在谱保存部23中，但也可以为了改善每个距离单元的谱信号的SNR而由谱计算部22实施将每个距离单元的谱信号相加的非相干积分，将非相干积分后的谱信号保存在谱保存部23中。
已经说过，在高SNR区域中，不会误检测谱信号的峰而能够准确地计算风速，另一方面，在低SNR区域中，有时将噪声的峰误检测为谱信号的峰而计算错误的风速。
在风速计算部24中，事先设定有用于判别由谱计算部22计算出的谱信号是属于高SNR区域的谱信号还是属于低SNR区域的谱信号的阈值Th1。
阈值Th1用于将由谱计算部22计算出的谱信号区分成高SNR区域和低SNR区域，例如通过实施计算机的仿真计算，能够设定正常的检测概率为99.9999％以上的值。阈值Th1例如被设定成0.5dB。
风速计算部24的视线方向风速计算部25读出谱保存部23中保存的视线方向m上的每个距离单元的谱信号，对距离单元n的谱信号的信号强度和阈值Th1进行比较(步骤ST3)。
由于信号强度为阈值Th1以上的距离单元n的谱信号(步骤ST4：“是”的情况)是属于高SNR区域的谱信号，误检测谱信号的峰的可能性较低，因此，视线方向风速计算部25搜索该谱信号的峰值，将取该峰值的频率确定为多普勒频移量fd(步骤ST5)。
视线方向风速计算部25在确定多普勒频移量fd时，如下述的式子(1)所示，根据该多普勒频移量fd和脉冲的波长λ计算距离单元n的视线方向风速vd(步骤ST6)。
vd＝fdλ (1)
在视线方向m上，反复实施步骤ST3～ST6的处理，直到对全部距离单元实施步骤ST3～ST6的处理为止(步骤ST7、ST8)。
并且，在全部视线方向上，反复实施步骤ST1～ST8的处理，直到计算出高SNR区域的距离单元的视线方向风速vd为止(步骤ST9、ST10)。
另外，由视线方向风速计算部25计算出的视线方向风速vd是高SNR区域的距离单元中的视线方向风速，不计算谱信号的信号强度小于阈值Th1的距离单元即低SNR区域的距离单元中的视线方向风速。低SNR区域的距离单元中的视线方向风速由风速搜索部30计算。
这里，示出视线方向风速计算部25搜索谱信号的峰值并将取该峰值的频率确定为多普勒频移量fd的情况，但这仅仅是一例，例如也可以实施计算谱信号的重心位置的重心运算，将取重心位置的频率确定为多普勒频移量fd。
在本实施方式1中，假设视线方向风速计算部25搜索谱信号的峰值的峰查找范围是整个区域。其理由是，如果搜索谱信号的峰值的峰查找范围限定不是整个区域，而是例如限定在依赖于风速模型存储部28中存储的风速模型的峰查找范围，则根据各距离单元的视线方向风速vd而得到的风速分布是沿着风速模型的风速分布，无法得到当前产生的风速分布。
在视线方向风速计算部25计算全部视线方向上的高SNR区域的距离单元的视线方向风速vd时，风速计算部24的风向量计算部26按照相同的距离单元单位，对最大M个视线方向风速vd实施向量运算，由此，计算水平方向风速VW作为该距离单元的风速，并且计算风向Dir(步骤ST11)。如果M个视线方向上的相同距离单元全部属于高SNR区域，则对M个视线方向风速vd实施向量运算，但例如其中的2个线方向上的相同距离单元属于低SNR区域，则对(M-2)个视线方向风速vd实施向量运算。
以下，具体地说明风向量计算部26对高SNR区域内的各距离单元的水平方向风速VW和风向Dir的计算处理。
由视线方向风速计算部25计算出的各距离单元的视线方向风速vd如下述的式子(2)所示。
在式子(2)中，φ是以北为基准的方位角，θ是天顶角，U是东西方向风速，V是南北方向风速，W是铅直方向风速。
这里，为了方便说明，假设由视线方向风速计算部25计算视线方向不同的3个视线方向风速vd1、vd2、vd3。即，假设计算出m＝1、2、3时的视线方向风速vd1、vd2、vd3。
在用行列式来重写式子(3)～(5)时，如下述的式子(6)所示。
|A|＝A11A22A33+A12A23A31+A13A21A32-A13A22A13-A11A23A32-A12A21A33
在式子(6)中，在求解U、V、W时，如下述的式子(7)所示。
风向量计算部26如下述的式子(8)、(9)所示，使用东西方向风速U和南北方向风速V计算高SNR区域的该距离单元的水平方向风速VW和风向Dir。
在式子(8)中，α表示仰角(激光雷达装置的正面方向与地面所成的角)。
这里，示出风向量计算部26使用东西方向风速U和南北方向风速V计算水平方向风速VW的例子，但这仅仅是一例，也可以采用其他的方式计算水平方向风速VW。
由风向量计算部26计算出的高SNR区域的距离单元的水平方向风速VW和风向Dir被保存在数据保存部27中。
风速模型存储部28例如存储有“下击暴流模式”、“幂律”、“风切变模式”等模型，作为表示大气中的高度与风速的关系的风速模型。
图8是示出下击暴流模式、幂律以及风切变模式的说明图。
如果将表示视线方向的变量m初始化成1，视线方向m上的高SNR区域的距离单元的个数即由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的距离单元的个数为Th3(第3阈值)以上(步骤ST12：“是”的情况下)，则风速模型选择部29根据数据保存部27中保存的高SNR区域的距离单元的水平方向风速VW，分别计算相对于风速模型存储部28中存储的多个风速模型的适合度(步骤ST13)。
阈值Th3是由用户事先设定的值，例如考虑高度(距离)的分辨率而设定成足以捕捉风速变动的值。阈值Th3例如被设定成10个。
在本实施方式1中对如下的例子进行说明：作为相对于风速模型的适合度，计算下述的式子(10)所示的RMSE。RMSE是相对于风速模型的适合度越高则值越小的评价值。
在式子(10)中，VW(z)是由风向量计算部26计算出的距离单元(高度)为z时的水平方向风速，fm(z)是根据距离单元(高度)为z时的风速模型而得到的水平方向风速。
并且，N是由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的视线方向m上的距离单元的个数。
根据风速模型而得到的水平方向风速fm(z)当然按照风速模型而不同，例如如果风速模型是幂律，则如下述的式子(11)所示。
在式子(11)中，u是参考高度z0时的风速，例如只要使用在高SNR区域的距离单元中高度最低的距离单元的风速(由风向量计算部26计算出的水平方向风速VW(z))即可。
P是风速模型的参数(变量)。
风速模型选择部29按照风速模型存储部28中存储的每个风速模型而改变风速模型的参数p，并且计算式子(10)的RMSE，确定最小时的RMSE的值。以下，将最小时的RMSE的值作为RMSE的代表值。
风速模型选择部29在按照风速模型存储部28中存储的每个风速模型来确定RMSE的代表值时，比较各风速模型的RMSE的代表值，从风速模型存储部28中存储的多个风速模型中选择RMSE的代表值最小的风速模型(步骤ST14)。RMSE的代表值最小的风速模型是在多个风速模型中适合度最高的风速模型。
风速模型选择部29在选择RMSE的代表值最小的风速模型时，比较该RMSE的代表值与事先设定的阈值Th2，如果该RMSE的代表值为阈值Th2以下(步骤ST15：“是”的情况下)，则将该选择出的风速模型输出给风速搜索部30(步骤ST16)。RMSE的代表值为阈值Th2以下是指该风速模型的适合度为第2阈值以上，阈值Th2与第2阈值对应。
在RMSE的代表值比阈值Th2大的情况下(步骤ST15：“否”的情况下)，有可能产生无法由风速模型存储部28中存储的多个风速模型即按标准设定的风速模型表示出的自然现象，因此，风速模型选择部29生成新的风速模型，并将该风速模型输出给风速搜索部30(步骤ST17)。
例如，通过使用由风向量计算部26计算出的高SNR区域的距离单元中的水平方向风速VW，生成基于最小二乘法的近似多项式，由此生成新的风速模型。即，使用高SNR区域的距离单元中的水平方向风速VW生成用近似多项式表示的风速模型。
但是，在由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的视线方向m上的距离单元的个数比阈值Th3少的情况下(步骤ST12：“否”的情况下)，风速模型选择部29难以高精度地生成新的风速模型，因此，将过去选择的风速模型输出给风速搜索部30(步骤ST18)。例如将上次选择的风速模型输出给风速搜索部30，作为过去选择的风速模型。
当在由谱计算部22计算出的各距离单元的谱信号中存在低SNR区域的距离单元的谱信号即信号强度小于阈值Th1的距离单元的谱信号的情况下，风速搜索部30使用从风速模型选择部29输出的风速模型，决定与低SNR区域的距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心IF(步骤ST19)。
即，如果低SNR区域的距离单元(高度)为z，则风速搜索部30从风速模型选择部29输出的风速模型中取得与z对应的水平方向风速fm(z)和风向Dir(z)，将该水平方向风速fm(z)和风向Dir(z)代入下述的式子(12)，由此，计算事先设定的查找范围的搜索中心IF。
图9是示出由风速搜索部30决定的搜索中心IF的说明图。
在图9中，(a)示出采用专利文献3中记载的方式来决定查找范围的例子。即，示出使用风速的标准偏差来确定查找范围的例子。但是，由于没有决定查找范围的搜索中心IF，因此，即使限定查找范围也需要决定大到一定程度的查找范围。因此，将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率变高。
(b)示出由风速搜索部30决定的搜索中心IF，查找范围的中心与搜索中心IF对准。
假定图9的(b)所示的查找范围为事先设定的固定大小。
优选考虑高SNR区域的谱的扩展等而以不依赖风速模型的方式设定该查找范围。在本实施方式1中，由于查找范围的搜索中心IF已最优化，因此，能够不扩大查找范围地检测谱信号的峰。
风速搜索部30在计算查找范围的搜索中心IF时，根据决定了该搜索中心IF的查找范围内的谱信号来搜索低SNR区域的距离单元的风速(步骤ST20)。
即，风速搜索部30搜索决定了该搜索中心IF的查找范围内的谱信号的峰值，将取该峰值的频率确定为多普勒频移量fd。
风速搜索部30在确定多普勒频移量fd时，如上述的式子(1)所示，根据该多普勒频移量fd和脉冲的波长λ，计算低SNR区域的距离单元的视线方向风速vd，将该视线方向风速vd输出给风速计算部24的风向量计算部26。
在全部视线方向中，反复实施步骤ST12～ST20的处理，直到计算出低SNR区域的距离单元的视线方向风速vd为止(步骤ST21、ST22)。
风向量计算部26在从风速搜索部30接收到低SNR区域的距离单元的视线方向风速vd时，与从视线方向风速计算部25接收到高SNR区域的距离单元的视线方向风速vd时同样地，通过按照相同的距离单元单位对最大M个视线方向风速vd实施向量运算，计算水平方向风速VW作为该距离单元的风速，并且计算风向Dir(步骤ST23)。如果M个视线方向上的相同距离单元全部属于低SNR区域，则对M个视线方向风速vd实施向量运算，但例如其中的1个视线方向上的相同距离单元属于高SNR区域，则对(M-1)个视线方向风速vd实施向量运算。
由风向量计算部26计算出的低SNR区域的距离单元的水平方向风速VW和风向Dir被保存在数据保存部27中。
显示处理部31读出数据保存部27中保存的高SNR区域和低SNR区域的各距离单元的水平方向风速VW和风向Dir，将高SNR区域和低SNR区域的各距离单元的水平方向风速VW和风向Dir显示于显示器(步骤ST24)。
以上可知，根据本实施方式1，构成为如果由谱计算部22计算出的谱信号是信号强度小于阈值Th1的距离单元的谱信号，则风速搜索部30使用由风速模型选择部29选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心IF，根据决定了该搜索中心IF的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。因此，实现如下的效果：能够降低将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率而高精度地计算风速。并且，实现能够使风速的可测定距离延伸的效果。
实施方式2
在上述实施方式1中示出了如下的情况：在由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的高SNR区域的距离单元的个数比阈值Th3少的情况下，难以高精度地生成新的风速模型，因此，风速模型选择部29将过去选择的风速模型输出给风速搜索部30。但也可以在对光调制驱动器3或谱计算部22进行控制以使高SNR区域的距离单元的个数增加之后，风向量计算部26计算高SNR区域的距离单元的水平方向风速VW和风向Dir，由此，不将过去选择的风速模型输出给风速搜索部30。
图10是示出本发明的实施方式2的激光雷达装置的信号处理装置10的结构图，在图10中，与图2相同的符号表示相同或者相当的部分，因此省略说明。
控制部50与图2的控制部20同样地，将表示要放射的脉冲的脉冲宽度或脉冲的放大率等的控制信号输出给光调制驱动器3，并且将表示脉冲的视线方向的控制信号输出给视线方向切换部11。并且，控制部50将表示脉冲的视线方向的控制信号输出给谱计算部22和风速计算部24。
控制部50与图2的控制部20不同，在由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的视线方向m上的高SNR区域的距离单元的个数比阈值Th3少的情况下，向光调制驱动器3输出指示扩大从发送接收光学系统7放射的脉冲的脉冲宽度的控制信号。或者，向谱计算部22输出指示增加将每个距离单元的谱信号相加的非相干积分次数的控制信号。
在图10的例子中，假定作为信号处理装置10的结构要素的控制部50、谱计算部22、风速计算部24、风速模型选择部29、风速搜索部30和显示处理部31分别由专用硬件构成。作为专用硬件，例如可考虑安装有CPU的半导体集成电路或单片微型计算机等。
但是，信号处理装置10也可以由计算机构成。
例如，在除了A/D转换器21之外的信号处理装置10由计算机构成的情况下，只要在计算机的图3所示的存储器41上构成谱保存部23、数据保存部27和风速模型存储部28，并且在存储器41中存储记述有控制部50、谱计算部22、风速计算部24、风速模型选择部29、风速搜索部30和显示处理部31的处理内容的程序，计算机的处理器42执行存储器41中存储的程序即可。
接着，对动作进行说明。
在上述实施方式1中，如果由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的视线方向m上的高SNR区域的距离单元的个数比阈值Th3少，则风速模型选择部29将过去选择的风速模型输出给风速搜索部30。
在该情况下，风速搜索部30使用过去选择的风速模型计算低SNR区域的距离单元的视线方向风速vd，但过去选择的风速模型未必表示当前的风速分布，因此，视线方向风速vd的计算精度有可能降低。
另一方面，如果能够对光调制驱动器3或谱计算部22进行控制以使高SNR区域的距离单元的个数增加，则能够增加由风向量计算部26计算水平方向风速VW的高SNR区域的距离单元的个数。如果高SNR区域的距离单元的个数增加，则风速模型选择部29能够使用高SNR区域的距离单元中的水平方向风速VW高精度地生成新的风速模型。或者，风速模型选择部29能够从风速模型存储部28中存储的多个风速模型中选择适合度最高的风速模型。
因此，在本实施方式2中，在由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的视线方向m上的高SNR区域的距离单元的个数比阈值Th3少的情况下，控制部50对光调制驱动器3或谱计算部22进行控制以使高SNR区域的距离单元的个数增加。
具体而言，控制部50向光调制驱动器3输出指示扩大从发送接收光学系统7放射的脉冲的脉冲宽度的控制信号。
光调制驱动器3在从控制部50接收到指示扩大脉冲宽度的控制信号时，对光调制部4的脉冲调制进行控制以扩大脉冲宽度。由此，从发送接收光学系统7放射的脉冲的脉冲宽度扩大，因此反射光的SNR变高。虽然通过扩大脉冲宽度而使距离分辨率降低，但是，通过将发送接收光学系统7的聚光位置设定在远方，能够使可测定风速的高度(距离)延伸。另外，控制部50也可以在扩大脉冲宽度时，同时变更光放大器5的放大率。
并且，控制部50也可以向谱计算部22输出指示增加将每个距离单元的谱信号相加的非相干积分次数的控制信号。
在谱计算部22中，在接收到指示增加非相干积分次数的控制信号时，增加将每个距离单元的谱信号相加的非相干积分次数，但是，即使增加非相干积分次数，SNR也会变高，因此能够增加高SNR区域的距离单元的个数。
但是，非相干积分次数无法无限增加，根据风是一样的前提未被破坏的时间而设定非相干积分的上限次数，因此，能够在不超过该上限次数的范围内增加非相干积分次数。
信号处理装置10在高SNR区域的距离单元的个数增加的状态下，与上述实施方式1同样地实施计算水平方向风速VW的处理。
此时，通过增加高SNR区域的距离单元的个数，如果该距离单元的个数为阈值Th3以上，则不向风速搜索部30输出过去选择的风速模型，风速模型选择部29能够使用高SNR区域的距离单元中的水平方向风速VW高精度地生成新的风速模型，向风速搜索部30输出新的风速模型。或者，风速模型选择部29能够从风速模型存储部28中存储的多个风速模型中选择适合度最高的风速模型，向风速搜索部30输出该风速模型。
以上可知，根据本实施方式2，构成为在由风向量计算部26计算出水平方向风速VW和风向Dir的视线方向m上的高SNR区域的距离单元的个数比阈值Th3少的情况下，控制部50向光调制驱动器3输出指示扩大从发送接收光学系统7放射的脉冲的脉冲宽度的控制信号，或者向谱计算部22输出指示增加将每个距离单元的谱信号相加的非相干积分次数的控制信号。因此，实现如下的效果：能够在高SNR区域的距离单元的个数较少的状况下，增加高SNR区域的距离单元的个数，从而提高水平方向风速VW的计算精度。
另外，本发明能够在本发明的范围内进行各实施方式的自由组合、或各实施方式的任意结构要素的变形、或省略各实施方式中的任意结构要素。
产业上的可利用性
本发明的激光雷达装置适合在观测大气中的风速时需要降低将噪声的峰误检测为谱信号的峰的概率的情况。
标号说明
1：光振荡部；2：光耦合器；3：光调制驱动器；4：光调制部；5：光放大器；6：环行器；7：发送接收光学系统；8：接收耦合器；9：光检测器；10：信号处理装置；11：视线方向切换部；20：控制部；21：A/D转换器；22：谱计算部；23：谱保存部；24：风速计算部；25：视线方向风速计算部；26：风向量计算部；27：数据保存部；28：风速模型存储部；29：风速模型选择部；30：风速搜索部；31：显示处理部；41：存储器；42：处理器；50：控制部。

Claims (6)

1.一种激光雷达装置，该激光雷达装置具有：
发送接收光学系统，其向大气放射脉冲，接收由观测对象反射回来的所述脉冲的反射光；
谱计算部，其根据由所述发送接收光学系统接收到的反射光计算每个距离单元的谱信号，
其特征在于，该激光雷达装置还具有：
风速计算部，如果由所述谱计算部计算出的谱信号是信号强度为第1阈值以上的距离单元的谱信号，则该风速计算部根据该谱信号计算该距离单元中的作为所述观测对象的速度的风速；
风速模型选择部，其从表示大气中的距离单元与风速的关系的多个风速模型中，选择与由所述风速计算部计算出的各距离单元的风速对应的风速模型；以及
风速搜索部，如果由所述谱计算部计算出的谱信号是信号强度小于所述第1阈值的距离单元的谱信号，则该风速搜索部使用由所述风速模型选择部选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心，根据决定了所述搜索中心的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
该激光雷达装置具有视线方向切换部，该视线方向切换部切换作为从所述发送接收光学系统放射的脉冲的方向的视线方向，
每当由所述视线方向切换部切换视线方向时，所述谱计算部根据由所述发送接收光学系统接收到的反射光计算该视线方向上的每个距离单元的谱信号，
每当由所述视线方向切换部切换视线方向时，如果由所述谱计算部计算出的谱信号是信号强度为所述第1阈值以上的距离单元的谱信号，则所述风速计算部根据由所述谱计算部计算出的谱信号计算该距离单元的视线方向风速，根据该距离单元在各视线方向上的视线方向风速计算该距离单元的风速。
3.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述风速模型选择部根据由所述风速计算部计算出的各距离单元的风速，分别计算相对于所述多个风速模型的适合度，比较相对于所述多个风速模型的适合度，根据所述适合度的比较结果来选择与所述各距离单元的风速对应的风速模型。
4.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
如果在相对于所述多个风速模型的适合度中不存在第2阈值以上的适合度，则所述风速模型选择部使用由所述风速计算部计算出的各距离单元的风速生成新的风速模型，
如果由所述谱计算部计算出的谱信号是信号强度小于所述第1阈值的距离单元的谱信号，则所述风速搜索部使用由所述风速模型选择部生成的新的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心，根据决定了所述搜索中心的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。
5.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
该激光雷达装置具有控制部，在由所述风速计算部计算出风速的距离单元的个数比第3阈值少的情况下，该控制部输出扩大从所述发送接收光学系统放射的脉冲的脉冲宽度的指示、或者增加用于提高由所述谱计算部计算出的谱信号的信噪比的所述谱信号的积分处理次数的指示。
6.一种风速观测方法，其中，该方法包括：
发送接收光学系统在向大气放射脉冲之后，接收由观测对象反射回来的所述脉冲的反射光，
谱计算部根据由所述发送接收光学系统接收到的反射光计算每个距离单元的谱信号，
其特征在于，该方法还包括：
如果由所述谱计算部计算出的谱信号是信号强度为第1阈值以上的距离单元的谱信号，则风速计算部根据该谱信号计算该距离单元中的作为所述观测对象的速度的风速，
风速模型选择部从表示大气中的距离单元与风速的关系的多个风速模型中，选择与由所述风速计算部计算出的各距离单元的风速对应的风速模型，
如果由所述谱计算部计算出的谱信号是信号强度小于所述第1阈值的距离单元的谱信号，则风速搜索部使用由所述风速模型选择部选择出的风速模型，决定与该距离单元的风速对应的多普勒频率的查找范围的搜索中心，根据决定了所述搜索中心的查找范围内的谱信号来搜索该距离单元的风速。
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