激光雷達裝置以及測定對象物的速度計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明例如涉及測定風速的激光雷達裝置以及測定對象物的速度計算方法。
【背景技術】
[0002] 作為計測存在于遠處的物體的位置的裝置，公知有雷達裝置。
[0003] 雷達裝置例如是如下裝置：向空間中放射電磁波和/或聲波等波動，接收由作為 測定對象的物體反射回來的波動，對該波動的接收信號進行分析，由此計測出從雷達裝置 到物體的距離和/或角度。
[0004] 特別是，在雷達裝置中，公知有如下的氣象雷達裝置：以大氣中漂浮的微小液體或 固體顆粒（以后，稱作"氣溶膠（aerosol)"）為測定對象，根據由氣溶膠反射回的波動的相 位旋轉量，計算氣溶膠的移動速度（風速）。
[0005] 此外，在氣象雷達裝置中，特別是在使用激光作為電磁波的激光雷達裝置中，由于 放射的波束的擴展極小，因此能夠以較高的角度分辨率來觀測物體，從而作為風向風速雷 達裝置來使用（例如，參照非專利文獻1)。
[0006] 在現有的激光雷達裝置中，在向大氣中放射激光后，接收由存在于大氣中的氣溶 膠反射回的激光（伴隨氣溶膠的移動受到與其移動速度對應的多普勒頻移影響的激光）， 通過進行該激光和本地光的外差（heterodyne)檢波，由此檢測出與氣溶膠的移動速度（風 速）對應的多普勒信號。
[0007] 此處，圖14是示出基于現有的激光雷達裝置進行的測定的概念的說明圖。
[0008] 在激光雷達裝置中，按時間對由各高度下的大氣中的氣溶膠反射回的激光（反射 光）進行劃分處理。通常，將各時間的反射光稱作"距離單元（range bin)"。
[0009] 激光雷達裝置針對各個距離單元實施微小間隔的相干累加，在距離單元內實施傅 立葉變換。
[0010] 然后，激光雷達裝置為了提高信噪比（以下，稱作SNR(Signal to Noise Ratio))， 如圖15所示，針對各個距離單元的每一個進行N次脈沖的不相干累加。
[0011] 已知，一般在進行N次不相干累加的情況下，SNR通常提高V N倍（例如，參照專 利文獻1)。
[0012] 此處，圖16是示出根據接收頻譜而導出的風速和風速幅度的概念的說明圖。
[0013] 在圖16中，示出了在放射高斯波束的情況下取得的風速的頻譜，并將該頻譜的峰 值定義為多普勒速度（風速）。
[0014] 作為計算該多普勒速度的方法，除了根據與SNR的峰值對應的頻率來計算多普勒 速度的峰值檢測法以外，還已知如下的重心運算法：計算SNR中的1個以上的峰值的重心， 根據與該重心對應的頻率，計算多普勒速度（例如，參照非專利文獻1)。
[0015] 此外，公知有如下的最大似然估計法：將預先準備的接收頻譜的波形模型的參數 設為可變，找出與接收信號的頻譜之間的相關性最高的參數，使用該參數來計算測定對象 物的速度（例如，參照專利文獻2)。
[0016] 此處，圖17是對基于峰值檢測法以及重心運算法進行的風速測定的優缺點進行 說明的說明圖。
[0017] 在設采樣頻率為fs、數據點數為p時，頻率分辨率Λ f由fs/p給出。
[0018] 在利用峰值檢測法進行風速測定的情況下，如圖17的（a)所示，在采樣頻率fs不 足時，有時不能準確地檢測出SNR的峰值。因此，由峰值檢測法得到的風速有時相對于真值 具有誤差。
[0019] 與此相對，在利用重心運算法進行風速測定的情況下，如圖17的（a)所示，能夠進 行頻率分辨率以上的風速測定。
[0020] 不過，如圖17的（b)所示，當存在雜波（clutter)、在接收信號中混入雨等導致的 噪聲的情況下或者在存在統計性波動的情況下，由于會將雜波成分附加到重心運算中，因 而由重心運算法得到的風速包含較大的誤差。在這樣的情況下，峰值檢測法能夠取得與真 正風速接近的值。此外，關于圖17的（a)、（b)的差異，可根據所取得的風速幅度來區別。
[0021] 在所述最大似然估計法中，通過反復計算求出與接收信號的頻譜之間的相關性最 高的波形模型的參數，因此，具有可求出高精度的風速的優點。
[0022] 此外，還具有如下效果：與峰值檢測法相比，具有能夠緩和用于風速測定的期望 SNR(例如，參照非專利文獻2)。
[0023] 此外，還具有如下優點：在同一距離單元內混入多個風的情況下，具有能夠測定出 各自的風速（例如，參照專利文獻2)。圖18是對使用最大似然估計法的多個風的風速測定 進行說明的說明圖。
[0024] 不過，由于需要進行反復計算，因此其計算速度慢于峰值檢測法以及重心運算法， 具有風速測定速率較慢的缺點。
[0025] 現有技術文獻
[0026] 專利文獻
[0027] 專利文獻1 :日本特開2006-284260號公報
[0028] 專利文獻2 :日本特開2010-271058號公報
[0029] 非專利文獻
[0030] 非專利文獻1:深尾昌一郎，浜津享助著「気象t大気? u-久'一 y ?-卜シ >夕」，京都大學學術出版社，2005年3月30日，Ρ. 112-113, ISBN 4-87698-653-3
[0031] 非專利文獻 2 :Kameyama et al.，"Performance of Discrete-Fourier-Transfo rm-Based Velocity Estimators for a Wind-Sensing Coherent Doppler Lidar System in the Kolmogorov Turbulence Regime"，IEEE，VOL 47, NO. 10, 2009.
【發明內容】
[0032] 發明要解決的問題
[0033] 現有的激光雷達裝置是如上述那樣構成的，因此，能夠按照峰值檢測法、重心運算 法或最大似然估計法等計算方法來計算多普勒速度（風速）。但是，例如，并沒有考慮是否 存在雜波等大氣中的氣溶膠的形態來選擇合適的計算方法，只是按照預先準備的單一的計 算手法來計算多普勒速度（風速）。因此，根據大氣中的氣溶膠的方式，多普勒速度（風速） 的計算精度有時會下降。此外，存在多普勒速度（風速）的計算處理需要較長時間的問題。
[0034] 本發明是為了解決上述那樣的問題而完成的，其目的在于得到一種激光雷達裝置 以及測定對象物的速度計算方法，能夠在短時間內高精度地計算出測定對象物的速度。
[0035] 用于解決問題的手段
[0036] 在本發明的激光雷達裝置中，設置有：激光收發單元，其向大氣中放射激光，接收 由存在于大氣中的測定對象物反射回的激光，輸出該激光的接收信號；相干累加單元，其對 從激光收發單元輸出的接收信號進行相干累加；頻譜計算單元，其對由相干累加單元相干 累加出的接收信號進行傅立葉變換，對傅立葉變換后的接收信號進行不相干累加，計算該 接收信號的頻譜；信噪比計算單元，其根據由頻譜計算單元計算出的接收信號的頻譜和噪 聲信號的頻譜來計算信噪比；以及峰值檢測單元，其檢測由信噪比計算單元計算出的信噪 比的峰值，其中，速度計算單元從計算測定對象物的速度的多個速度計算方法中，選擇與由 峰值檢測單元檢測出的信噪比的峰值對應的速度計算方法，并按照所述速度計算方法計算 測定對象物的速度。
[0037] 發明效果
[0038] 根據本發明，速度計算單元構成為從計算測定對象物的速度的多個速度計算方法 中，選擇與由峰值檢測單元檢測出的信噪比的峰值對應的速度計算方法，并按照該速度計 算方法計算測定對象物的速度，因此，具有能夠在短時間內高精度地計算出測定對象物的 速度的效果。
【附圖說明】
[0039] 圖1是示出本發明的實施方式1的激光雷達裝置的結構圖。
[0040] 圖2是示出本發明的實施方式1的激光雷達裝置的信號分析部6的結構圖。
[0041] 圖3是示出本發明的實施方式1的激光雷達裝置的信號分析部6的處理內容（測 定對象物的速度計算方法）的流程圖。
[0042] 圖4是示出信號分析部6內的速度計算部16的結構圖。
[0043] 圖5是示出使速度的計算速率優先于速度的計算精度的情況下的速度計算部16 的處理內容的流程圖。
[0044]圖6是示出使速度的計算精度優先于速度的計算速率的情況下的速度計算部16 的處理內容的流程圖。
[0045] 圖7是示出本發明的實施方式2的激光雷達裝置的信號分析部6的結構圖。
[0046] 圖8是示出信號分析部6內的速度計算部17的結構圖。
[0047] 圖9是示出使速度的計算速率優先于速度的計算精度的情況下的速度計算部17 的處理內容的一部分的流程圖。
[0048] 圖10是示出使速度的計算精度優先于速度的計算速率的情況下的速度計算部17 的處理內容的一部分的流程圖。
[0049] 圖11是示出SNR判定部31中的SNR判定的說明圖。
[0050] 圖12是示出本