本发明涉及进行风速测量的激光雷达装置。
背景技术：
现有的激光雷达装置所进行的风速测量中，以脉冲激光为发送光来向大气中进行照射，并以因悬浮微粒而产生的散射光(反射光)为接收光来进行接收。然后，通过对发送光的局部光即单一波长的连续光与接收光进行外差检波，求出因悬浮微粒的移动而产生的多普勒频移，从而对照射方向的风速进行测量。该多普勒频移根据对外差检波后的信号进行傅里叶变换而得到的频谱来进行计算。此外，风速测量方向通过切换发送光的照射方向来进行变更(例如，专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2000-046930号公报
技术实现要素：
发明所要解决的技术问题
此处，为了在激光雷达装置中提高风速测量率，需要使光束扫描高速化。另一方面，由于该光束扫描，在发送光和接收光之间产生光轴角度偏移。此外，光束扫描越是高速化，则特别是来自远处的接收光和发送光之间的光轴角度偏移将变得越大，从而导致接收信号强度下降。该光轴角度偏移可以通过使收发间的光轴对齐的光轴校正处理来校正，然而，专利文献1所记载的技术存在如下问题，即：在光轴角度偏移校正的过程中，在例如因历时变化而导致不进行光束扫描的状态下的接收信号强度发生了下降的情况下，可测风距离反而会下降。
本发明所涉及的激光雷达装置是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，在对因高速光束扫描而引起的收发信号光间的光轴角度偏移进行校正的过程中，即使在因历时变化而导致接收信号强度发生了下降的情况下，也能在高速光束扫描时将可测风距离维持为最长来进行风速测量。
解决技术问题的技术方案
本发明的激光雷达装置的特征在于，包括：扫描部，该扫描部能以第1角速度进行光束扫描，该扫描部将调制后的来自光源的光作为发送光来进行照射，并将反射后的光作为接收光来进行接收；可测量距离计算监视部，该可测量距离计算监视部基于包含通过扫描部的光束扫描而获取到的各测风方向的每个距离的接收信号强度在内的测风数据，计算并监视表示能对风速进行测量的距离的可测风距离；光轴角度校正量导出部，该光轴角度校正量导出部在可测量距离计算监视部检测到可测风距离下降的情况下，基于以比第1角速度要慢的第2角速度进行了光束扫描时所得到的测风数据和第1角速度，导出可测风距离为最长的光轴角度校正量；以及光轴校正部，该光轴校正部基于由光轴角度校正量导出部所导出的光轴角度校正量，对发送光与接收光之间的光轴角度偏移进行校正。
本发明的激光雷达装置的特征在于，光轴角度校正量导出部包括：最佳光轴校正距离导出部，该最佳光轴校正距离导出部基于以第2角速度进行了光束扫描时所得到的测风数据和第1角速度，从表示在发送光和接收光之间不产生光轴角度偏移的测风距离的光轴校正距离中导出可测风距离为最长的最佳光轴校正距离；以及控制方法计算部，该控制方法计算部基于由最佳光轴校正距离导出部所导出的最佳光轴校正距离来计算光轴角度校正量。
本发明的激光雷达装置的特征在于，具有光束扫描方法设定部，该光束扫描方法设定部根据从可测量距离计算监视部接收到的可测风距离的变化将光束扫描的角速度设为可变，在由可测量距离监视部检测到可测风距离低于规定的阈值的情况下，设定角速度，以使得扫描部以第2角速度进行光束扫描。
本发明的激光雷达装置的特征在于，光轴角度校正量导出部参照预先获取到的表格数据，从表格数据中提取出可测风距离为最长的光轴角度校正量。
本发明的激光雷达装置的特征在于，具有光束扫描计算部，该光束扫描计算部在可测量距离计算监视部检测到可测风距离下降的情况下，通过计算，从由第1角速度的光束扫描而得到的测风数据中，算出在以第2角速度进行扫描时所得到的测风数据。
本发明的激光雷达装置的特征在于，包括：可测量距离计算监视部，该可测量距离计算监视部基于包含通过光束扫描而获取到的各测风方向的每个距离的接收信号强度在内的测风数据，计算并监视表示能对风速进行测量的距离的可测风距离；光轴角度校正量导出部，该光轴角度校正量导出部在可测量距离计算监视部检测到可测风距离下降的情况下，基于以比光束扫描要慢的速度进行光束扫描时所得到的测风数据，导出可测风距离为最长的光轴角度校正量；以及光轴校正部，该光轴校正部基于由光轴角度校正量导出部所导出的光轴角度校正量，对发送光与接收光之间的光轴角度偏移进行校正。
发明效果
本发明所涉及的激光雷达装置采用了上述结构，因此，在对因高速光束扫描而引起的收发信号光间的光轴角度偏移进行校正的过程中，即使在因历时变化而导致接收信号强度下降了的情况下，也能在高速光束扫描时将可测风距离维持为最长来进行风速测量。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的激光雷达装置的结构图。
图2是实施方式1所涉及的光轴校正部的结构图。
图3是对实施方式1所涉及的可测风距离的计算进行说明的图。
图4是对实施方式1所涉及的可测风距离监视部的动作进行说明的图。
图5是对实施方式1所涉及的最佳光轴校正距离计算部的功能进行说明的图。
图6是示出实施方式1所涉及的激光雷达装置的整体动作的流程图。
图7是实施方式2所涉及的激光雷达装置的结构图。
图8是对实施方式2所涉及的数据表格参照部的功能进行说明的图。
图9是示出实施方式2所涉及的激光雷达装置的整体动作的流程图。
图10是实施方式3所涉及的激光雷达装置的结构图。
图11是对实施方式3所涉及的低速光束扫描计算部的功能进行说明的图。
图12是示出实施方式3所涉及的激光雷达装置的整体动作的流程图。
具体实施方式
实施方式1.
以下，使用图1对实施方式1所涉及的激光雷达装置进行说明。图1是实施方式1所涉及的激光雷达装置的结构图。另外，在以下所示的激光雷达装置中，将测量对象设为风(悬浮微粒)，但并不限于此，对于车辆、其他移动的物体等被检测物也能适用。
在图1中，激光雷达装置由光源1、光分配器2、脉冲调制器(调制器)3、发送侧光学系统4、收发分离部5、光束扫描光学系统6、光束扫描光学系统控制部7、光轴校正部8、接收侧光学系统9、光耦合器10、测风处理部11、可测风距离计算部12、可测风距离监视部13、光束扫描方法设定部14、最佳光轴校正距离计算部(最佳光轴校正距离导出部)15、以及控制方法计算部16构成。
光源1具有以下功能，即：产生能因大气中的尘埃、微粒子等悬浮微粒而发生散射(反射)的波段即单一波长的光(连续光)。由该光源1产生的光被输出至光分配器。
光分配器2具有将来自光源1的光一分为二的功能。由该光分配器2一分为二后而得到的光中，一个被输出至脉冲调制器3，另一个被输出至光耦合器10。
脉冲调制器3具有对来自光分配器2的光进行调制(脉冲调制)的功能、以及施加所希望的频移的功能。经该脉冲调制器3调制后而得到的光作为发送光被输出至发送侧光学系统4。
发送侧光学系统4具有将来自脉冲调制器3的发送光整形为所希望的光束直径及发散角的功能。经该发送侧光学系统4整形后的发送光被输出至收发分离部5。
收发分离部5具有根据输入光切换输出对象的功能。这里，收发分离部5在输入有来自发送侧光学系统4的发送光的情况下，将该发送光输出至光束扫描光学系统6(光束扫描部60)。此外，收发分离部5在输入有来自光束扫描光学系统6的接收光的情况下，将该接收光输出至光轴校正部8。该收发分离部5设置在发送光的光轴上。
光束扫描光学系统6具有如下功能：将来自收发分离部5的发送光(调制后的来自光源的光)照射到大气中、并接收因悬浮微粒而散射(反射)的光以作为接收光的功能；以及改变发送光的照射方向从而设为能进行光束扫描的功能。该光束扫描光学系统6设置在发送光的光轴上。
光束扫描光学系统控制部7具有如下功能：按照来自光束扫描方法设定部14的光束扫描角速度设定值，对光束扫描光学系统6的照射方向进行控制。此外，光束扫描光学系统控制部7还具有如下功能：将表示发送光的照射方向的信息作为光束扫描光学系统6的控制信息发送至光轴校正部控制系统8a及测风处理部11。
另外，由光束扫描光学系统6和光束扫描光学系统控制部7构成光束扫描部(扫描部)60。
光轴校正部8具有如下功能：基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)和来自控制方法计算部16的信息(根据光束扫描角速度和光轴校正距离而求出的光轴角度校正量)，对来自收发分离部5的接收光校正因光束扫描而导致的在发送光和接收光之间产生的光轴角度偏移。该光轴校正部8设置在成为基准的接收光(未进行光束扫描的状态下的接收光)的光轴上。该光轴校正部8的结构例将在后文中进行阐述。经该光轴校正部8校正后的接收光被输出至接收侧光学系统9。
接收侧光学系统9具有将来自光轴校正部8的接收光整形为所希望的光束直径及发散角的功能。该接收侧光学系统9设置在成为基准的接收光的光轴上。经该接收侧光学系统9整形后的接收光被输出至光耦合器10。
光耦合器10具有对来自光分配器2的光(连续光)与来自接收侧光学系统9的相对应的接收光进行合波的功能。经该光耦合器10合波后而得到的光被输出至测风处理部11。
测风处理部11具有如下功能：对来自光耦合器10的光进行外差检波来计算频移的功能；以及基于来自光束扫描光学系统控制部7的表示发送光的照射方向的控制信息、根据所计算出的频移来计算发送光照射方向的各距离上的风速的功能。此外，测风处理部11还具有将所计算出的各方向、各距离上的测风结果(接收信号强度及风速)发送至可测风距离计算部12的功能。
可测风距离计算部12具有如下功能：从测风处理部11接收通过光束扫描而获取到的各测风方向的每个距离上的接收信号强度数据，并利用相同数据来计算可测风距离。此外，可测风距离计算部12具有将计算结果发送至可测风距离监视部13的功能、以及将接收信号强度数据发送至最佳光轴校正距离计算部15的功能。
可测风距离监视部13具有如下功能：基于从可测风距离计算部12接收到的可测风距离数据，监视针对各测风方向的可测风距离，并检测可测风距离的下降。此外，还具有如下功能：检测可测风距离的检测，并将其结果发送至光束扫描方法设定部14。
另外，由可测风距离计算部12及可测风距离监视部13来构成可测量距离计算监视部30。可测量距离计算监视部30基于包含通过扫描部60的光束扫描而获取到的各测风方向的每个距离上的接收信号强度在内的测风数据，计算并监视表示能进行风速测量的距离的可测风距离。
光束扫描方法设定部14具有设定光束扫描角速度ω的功能、以及根据从可测风距离监视部13接收到的可测风距离的变化将光束扫描角速度设为可变的功能。此外，具有将由光束扫描方法设定部14所决定的光束扫描角速度的信息发送至光束扫描光学系统控制部7的功能。光束扫描部60设为能够以光束扫描方法设定部14所设定的角速度来进行光束扫描。
最佳光轴校正距离计算部15具有如下功能：从可测风距离计算部12接收各测风方向上进行光束扫描时的包含接收信号强度在内的测风数据，还从光束扫描方法设定部14获取光束扫描角速度的设定值，并基于这些信息，计算(导出)测风距离为最大的最佳光轴校正距离。此外，还具有将该结果发送至控制方法计算部16的功能。这里，光轴校正距离是指在收发光之间不产生光轴角度偏移(包含0、或在理想情况下与0相等的状态)的测风距离。另外，最佳光轴校正距离计算部15的详细情况将在后文中阐述。
控制方法计算部16具有如下功能：接收来自最佳光轴校正距离计算部15的最佳光轴校正距离计算结果的功能；基于该结果来计算光轴校正部光学系统8b的控制方法的功能；以及将该结果发送至光轴校正部控制系统8a的功能。另外，控制方法计算部16的详细情况将在后文中阐述。此外，由最佳光轴校正距离计算部15及控制方法计算部16来构成光轴角度校正量导出部40。
接着，使用图2对光轴校正部8的结构及功能进行说明。光轴校正部8如图2所示，由光学部(光学系统)8b以及控制部(控制系统)8a构成，上述光学部(光学系统)8b由两块楔角棱镜20、21构成。楔角棱镜20、21具有如下功能：对于来自收发分离部5的接收光，校正因光束扫描而导致的在收发光之间产生的光轴角度偏移。该楔角棱镜20、21设置为其平坦面相对于成为基准的接收光的光轴垂直(包含大致垂直的意思)且两块平坦面平行(包含大致平行的意思)。光轴校正部的控制部8a具有如下功能：基于从控制方法计算部16(光轴角度校正量导出部40)得到的、与由控制方法计算部16计算出的楔角棱镜相对角度差σ相关的光轴角度偏移量(光轴角度校正量)的信息，来分别独立地对楔角棱镜20、21进行旋转控制。此外，光轴校正部8的控制部8a具有如下功能：在维持这样设定后的两个楔角棱镜的相对角度差的状态下，接收来自光束扫描光学系统控制部7的发送光照射方向的信息，并与其同步地对两个楔状物进行旋转控制。
接着，使用该图2，对如下情况进行说明，即：相对于成为基准的接收光的光轴19，光束扫描即发送光的照射方向的变化将引起接收光产生怎样的光轴角度偏移。
如图2所示，伴随光束扫描而发送至接收侧光学系统9的接收光从光轴19偏移了光轴角度偏移量θ的角度。此外，伴随着光束扫描，接收光的前进方向发生变化。在图2中，用箭头a1表示成为基准的接收光的前进方向，用箭头a2表示因光束扫描所产生的接收光的前进方向。例如，在因光束扫描而使发送光的照射方向相对于方位角以0度到360度匀速旋转的情况下，在将光轴角度偏移量θ保持为恒定的状态下，接收光的光轴偏移方向也以光轴19为轴进行旋转。图2中，用变量ψ来表示以光轴19为轴的接收光的光轴偏移方向。然后，在楔角棱镜20、21中，对依赖于这两个角度θ、ψ的接收光的光轴角度偏移进行校正。
如上所述，在光束扫描期间，接收光的光轴偏移方向ψ始终在变化。因此，光轴校正部8中，始终需要一边接收由光束扫描光学系统控制部7提供的控制信息(表示发送光的照射方向γ(t)的信息)，一边对光轴偏移进行校正。这里，t是表示时间的变量。以下，关于θ、ψ，进行定量阐述。
光轴角度偏移量θ根据光束扫描角速度ω、风速测量距离l及光速c，通过下式(1)求出。
通过利用由两块楔角棱镜构成的光轴校正部8对两块楔状物施加规定的相对角度差，从而能对(1)式所示的光轴角度偏移θ进行校正。由(1)清楚可知，光轴角度偏移量θ因测风距离l而不同，通过设定进行光轴校正的距离(光轴校正距离)从而决定了光轴角度偏移量θ，因此，能决定两块楔状物的状态、即相对角度差。另外，该相对角度差由控制方法计算部16来计算，详细情况将在后文中阐述。
ψ由光束扫描方向γ(t)来决定(即ψ＝ψ(γ(t)))，利用该ψ，根据下式计算出楔状物旋转角φ1、φ2。
φ1＝φ2+σ(2)
φ2＝tan-1(tanψ(cosσ+1)-sinσ)/(cosσ+1+sinσtanψ)(3)
这里，σ是两块楔角棱镜的相对角度σ，由控制方法计算部16来进行计算。
接着，对可测风距离计算部12的功能进行说明。可测风距离计算部12(可测量距离计算监视部30)从测风处理部11获取通过光束扫描而获取到的各测风的每个距离的接收信号强度数据。图3表示某一方向的数据，这里，假设不存在对方向的依赖性(存在依赖性的情况将在后文阐述)。如图3所示，在远处接收信号强度下降。在将与检测阈值一致的距离定义为可测风距离llim的情况下，测风距离计算部12具有如下功能：根据该图求出该距离，从而计算可测风距离。可测风距离llim根据光束扫描角速度ω、测量时的大气条件而不同，但通过获取图3所示的数据，可导出测量时的可测风距离llim。
接着，使用图4对可测风距离监视部13的功能进行说明。可测风距离监视部13(可测量距离计算监视部30)逐次接收由可测风距离计算部12计算出的可测风距离，并监视时间变化。然后，在成为重新计算最佳光轴校正距离的基准的规定的阈值(光轴校正距离更新阈值)低于可测风距离的情况下，对其进行检测，并将该结果发送至光束扫描方法设定部14。
接着，使用图5对最佳光轴校正距离计算部15的功能进行说明。最佳光轴校正距离计算部15(光轴角度校正量导出部40)从可测风距离计算部12获取低速、或高速光束扫描时的测风数据即接收信号强度数据snro(r)(图5a)。这里，r是表示观测距离的变量。利用模型函数对该数据进行拟合(图5b)。对于拟合后的模型函数，在计算上，以光束扫描角速度的设定值进行光束扫描，计算将光轴校正距离从近距离向远处变化时的接收信号强度分布(图5c)。通过图5c的导出，得到与光轴校正距离l相对应的可测风距离llim。根据该计算结果，生成图5d所示的最佳光轴校正距离的计算用曲线。另外，关于模型函数，由于是公知技术，因此省略详细的说明。
如图5d所示，通过延长光轴校正距离l从而使可测风距离llim长距离化，但在光束扫描角速度为低速时的可测风距离附近，测风距离下降。观察图5c可知该变化的原因在于，由于将光轴校正距离设定在远处，近距离处的接收信号强度下降，直到下降至检测阈值水平为止。从该图中求出该变化点，并从光轴校正距离中计算出测风距离不下降且可测风距离llim成为最大的最佳光轴校正距离lbest。将该光轴校正距离计算结果lbest发送至控制方法计算部16。通过以该光轴校正距离lbest进行测风，从而能在使可测风距离最长化的状态下进行测风(图5e)。
对控制方法计算部16的功能进行详细说明。
控制方法计算部16(光轴角度校正量导出部40)从最佳光轴校正距离计算部15获取最佳光轴校正距离的计算结果lbest和光束扫描角速度ω，并根据(1)式计算光轴角度偏移θ。
利用θ，对两块楔角棱镜的相对角度σ
σ＝cos－1(θ2－2δ2)/2δ2(4)
进行计算。
另外，δ根据楔角棱镜20、21的折射率n和楔角棱镜20、21的倾斜角α，由下式(5)来求出，表示入射至1块楔角棱镜的光线所折射的角度。
δ＝(n-1)α(5)
控制方法计算部16具有如下功能：计算(4)式的相对角σ，并作为光轴角度校正量发送至光轴校正部控制系统8a。
接着，参照图6，对实施方式1所涉及的激光雷达装置的整体动作进行说明。激光雷达装置的整体动作中，在以高速开始光束扫描前，首先，光束扫描方法设定部14设定低速的光束扫描角速度，按照该光束扫描角速度设定值，光束扫描光学系统控制部7控制光束扫描光学系统6的照射，光束扫描光学系统6对方位角方向、仰角方向进行光束扫描或对两个方向同时进行光束扫描(步骤s10)。另外，这里所说的高速(也称为第1角速度)是指产生光轴角度偏移的程度的通常光束扫描时的速度(角速度)。另一方面，低速(也称为第2角速度)是指完全不进行光束扫描的状态的速度(角速度)、或者在进行了光束扫描的情况下小到不产生光轴角度偏移的程度的、比高速要慢的速度(角速度)。
接着，可测风距离计算部12从测风处理部11获取针对各测风方向的测风数据，并发送至最佳光轴校正距离计算部15(步骤s11)。此外，光束扫描方法设定部14设定高速光束扫描时的光束扫描角速度的设定值，并发送至最佳光轴校正距离计算部15(步骤s12)。最佳光轴校正距离计算部15利用模型函数对低速光束扫描时所得到的数据进行拟合，对于拟合后的模型函数，以光束扫描角速度的设定值按每个光轴校正距离对可测风距离进行数值计算(步骤s13)，并从该计算结果中提取(计算)出可测风距离为最长的最佳光轴校正距离lbest(步骤s14)。
然后，控制方法计算部16获取该最佳光轴校正距离lbest和光束角速度ω，并计算光轴角度偏移θ(步骤s15)。根据光轴角度偏移θ，计算两块楔角棱镜20、21的相对角σ(步骤s16)，并将结果发送至光轴校正部控制系统8。控制系统8a基于该计算结果，在保持使楔角棱镜20、21带有相对的角度差的状态不变的情况下使其旋转(步骤s17)。由此，能对可测风距离为最长的光轴角度偏移量θ进行校正。
此外，光束扫描方法设定部14设定高速光束扫描角速度ω，并将该信息发送至光束扫描光学系统控制部7，从而以高速光束扫描角速度开始风速测量(步骤s18)。即，光源1产生由单一波长构成的光(连续光)，光分配器2将该光一分为二。由该光分配器2一分为二后得到的光中，一个被输出至脉冲调制器3，另一个被输出至光耦合器10。
接着，脉冲调制器3对来自光分配器2的光进行脉冲调制，并施加所希望的频移。经该脉冲调制器3调制后而得到的光作为发送光被输出至发送侧光学系统4。
发送侧光学系统4将来自脉冲调制器3的发送光整形为所希望的光束直径及发散角。经该发送侧光学系统4整形后的发送光经由收发分离部5而被输出至光束扫描光学系统6。
光束扫描光学系统控制部7按照来自光束扫描方法设定部14的信息(光束扫描角速度ω)，对光束扫描光学系统6的照射方向进行控制。由此，光束扫描光学系统6向大气中规定的照射方向照射发送光。光束扫描光学系统控制部7将控制信息(表示发送光的照射方向的信息)发送至光轴校正部8的光轴校正部控制系统8a。
之后，照射至大气中的发送光因大气中的悬浮微粒等散射体而发生散射。光束扫描光学系统6将该散射光作为接收光来进行接收。该接收光中产生与风速相对应的多普勒频移。由该光束扫描光学系统6接收到的接收光经由收发分离部5而被输出至光轴校正部8。
然后，光轴校正部8的控制部系统8a基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(γ(t))和来自控制方法计算部16的信息(相对角度σ)(步骤s19)，根据ψ(γ(t))计算光轴偏移方向ψ，并通过式(2)、(3)计算楔角棱镜20、21的旋转角φ1、φ2(步骤s20)。此外，控制系统8a基于该计算结果，在维持了楔角棱镜20、21的相对角度差σ的状态下，同时对两块楔角棱镜20、21进行旋转控制(步骤s21)。经该光轴校正部8校正后的接收光被输出至接收侧光学系统9。
接收侧光学系统9将来自光轴校正部8的接收光整形为所希望的光束直径及发散角。经该接收侧光学系统9整形后的接收光被输出至光耦合器10。
光耦合器10对来自光分配器2的光(连续光)与来自接收侧光学系统9的接收光进行合波。经该光耦合器10合波后而得到的光被输出至测风处理部11。
测风处理部11对来自光耦合器10的光进行外差检波，根据接收信号导出频移，并基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)，根据所导出的频移来计算该照射方向上的风速。
此外，由光束扫描中γ(t)为时间的函数这一情况可知，旋转角φ1、φ2每时每刻都发生变化。因此，在光轴校正部8中，始终获取来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(γ(t))，并重复楔角棱镜20、21的旋转控制。
可测风距离计算部12适当从测风处理部11持续地获取各测风方向的每个距离上的接收信号强度数据，并计算表示能进行风速测量的距离的可测风距离(步骤s22)。然后，通过向可测风距离监视部13进行发送，从而可测风距离监视部13始终从可测风距离计算部12获取该数据，并逐次实施与光轴校正距离更新阈值之间的比较。在步骤s23中，若检测到低于光轴校正距离更新阈值的情况，则将该信息发送至光束扫描方法设定部14。若光束扫描方法设定部14接收到该信息，则返回步骤s10，光束扫描部60将光束扫描角速度设定为低速，以使得以低速(第2角速度)进行光束扫描，并再次获取低速扫描时的接收信号强度数据，利用最佳光轴校正距离计算部(最佳光轴校正距离导出部15)来计算最佳光轴校正距离。即，光轴角度校正量导出部40在可测量距离计算监视部30检测到可测风距离下降的情况下，基于以较低的速度(角速度)进行光束扫描时所得到的测风数据和高速光束扫描时的光束扫描角速度，导出可测风距离为最长的光轴角度校正量。另一方面，在步骤s23中，当没有低于光轴校正距离更新阈值时，返回步骤s19的处理。
通过重复上述动作或适当实施上述动作，从而能实现如下最优化，即：与伴随历时变化而产生的可测风距离的变化相对应地，始终将光轴校正距离设为最长。
由于以如上所述的方式构成，因此，在低速光束扫描时接收信号强度下降的情况下无法通过将光轴校正距离确保为恒定状态从而在近距离下进行测风这一问题可以根据本发明所涉及的激光雷达装置，通过适当获取低速光束扫描时的测风数据来设定最佳光轴校正距离并导出光轴角度校正量来避免，并能在高速扫描时始终将测风距离设为最佳、即可以进行将可测风距离设为最长的控制。
另外，上述光轴校正部8中，示出了使用两块楔角棱镜20、21来构成的情况。但并不限于此，也可以通过使用了两块以上的反射镜的反射光学系统来构成。此外，如上所述，设两块楔角棱镜20、21的折射率相等。但并不限于此，两块楔角棱镜也可以由折射率互不相同的材料来构成。
此外，图1中，示出了将光轴校正部8配置在收发分离部5与接收侧光学系统9之间的情况。但并不限于此，也可以将光轴校正部8配置在发送侧光学系统4与收发分离部5之间。
此外，在上述激光雷达装置中，将检测对象设为了风(悬浮微粒)，但并不限于此，也能适用于目标区域中的车辆、其他移动的物体等被检测物的速度检测。
至此，对于方位角方向，假设低速光束扫描时的接收信号强度分布(接收信号强度vs.距离)为恒定(对方位角方向没有依赖性)，但并不限于此，在对方位角方向存在依赖性时，例如低速光束扫描时的可测风距离在方位角方向上不同的情况下，可以通过如下所述的方式，来使可测风距离相对于各方位角方向最长化。
实施低速光束扫描，对于各方向进行最佳光轴校正距离的计算。即，至此，假设对于方位角方向没有依赖性，因此在最佳光轴校正距离的计算中，使用任意的方位角数据即可，然而，在低速光束扫描时的可测风距离根据方位角而不同的情况下，在各方向上能通过光轴校正来提高的可测风距离不同，因此，如上所述，需要对于各方向实施最佳光轴校正距离的计算。
在对各方向计算出最佳光轴校正距离后，同样地，计算各方向上要在两块楔状物间设定的相对角度差σ(该情况下，σ成为以方位角为变量的函数。即σ(γ(t))。
由光轴校正部控制系统8a获取σ(γ(t))，并由光束扫描光学系统控制部获取γ(t)，从而一边与光束扫描方向γ相匹配地变更两块楔状物的相对角度差一边进行光轴控制。
实施方式2.
实施方式1中，最佳光轴校正距离计算部15构成为通过计算来逐一计算(导出)最佳光轴校正距离。与此相对，实施方式2所涉及的激光雷达装置的特征在于，获取低速光束扫描时的数据，参照作为预见信息的表格数据，从而导出最佳光轴校正距离。以下，使用图7～图9，对实施方式2所涉及的激光雷达装置的结构及动作进行说明。首先，对实施方式2所涉及的激光雷达装置的结构进行说明。图7是示出本发明实施方式2所涉及的激光雷达装置的结构的图。该图7中所示的实施方式2所涉及的激光雷达装置将图1所示的实施方式1所涉及的激光雷达装置的最佳光轴校正距离计算部15变更为数据表格参照部17(也称为最佳光轴校正距离导出部。)。其他结构与实施方式1所涉及的激光雷达装置的结构相同，标注相同的标号并对不同的部分进行说明。
在图7中，光轴角度校正量导出部70由数据表格参照部17和控制方法计算部构成。数据表格参照部17具有如下功能：从可测风距离计算部12接收各测风方向上的光束扫描时的包含接收信号强度在内的测风数据，还从光束扫描方法设定部14获取光束扫描角速度的设定值，并基于上述信息，参照预见信息即表格数据，从表格数据中提取出测风距离为最大的最佳光轴校正距离。此外，还具有将该结果发送至控制方法计算部16的功能。
这里，使用图8对数据表格参照部17的功能及动作进行说明。数据表格参照部17利用可测风距离计算部12获取低速光束扫描时的数据、即通过低速光束扫描而获取到的各测风方向的每个距离上的接收信号强度数据(图8a)，并根据该结果整理为数据表格参照用的格式(图8b)。对于各测风距离ri，假设排列有相对应的snr的测定数据snro(ri)的数据格式。与此相对，图8c所述的数据表格是预先获取到的预见信息(数据)，同样具有各测风距离的每个测风距离的snr数据snrmi(ri)。低速光束扫描时的snr根据测风时间、测量时的大气的状态而不同，该数据表格图8c具有这样的多种多样的snr，以作为预见信息。图8c中，作为model(模型)，对不同的snr分布进行区分，并利用snrmi的i来区分这些模型。从图8c中提取出与图8b所示的实测数据snro(ri)最为一致的模型snrmi。作为示例，假设图8中modeli(模型i)最为一致。
数据表格参照部17同时具有以不同的光轴校正距离对各模型进行光轴校正时的接收信号强度分布数据，以作为预见信息，在图8d中示出该数据。如该图所示，对于模型i的情况，具有以光束扫描角速度ω改变光轴校正距离l时的接收信号强度数据(snr(r))，因此，对于各光轴校正距离l的数据li求出可测风距离llim。利用图8d的数据表格来导出llim为最大的光轴校正距离lbest，数据表格参照部17将其发送至控制方法计算部16。另外，图8d中，作为示例，示出了光轴校正距离l2处的可测风距离(l2；lim)为最长的情况。
接着，参照图9，对实施方式2所涉及的激光雷达装置的整体动作进行说明。本实施方式2所涉及的激光雷达装置的整体动作与图6所示的实施方式1所涉及的激光雷达装置的整体动作基本相同，适当省略相同的部分。激光雷达装置的整体动作中，在以高速开始光束扫描前，首先，光束扫描方法设定部14设定低速的光束扫描角速度，按照该光束扫描角速度设定值，光束扫描光学系统控制部7控制光束扫描光学系统6的照射，光束扫描光学系统6对方位角方向、仰角方向进行光束扫描或对两个方向同时进行光束扫描(步骤s30)。
接着，可测风距离计算部12从测风处理部11获取针对各测风方向的测风数据，并发送至数据表格参照表17(步骤s31)。此外，光束扫描方法设定部14设定高速光束扫描时的光束扫描角速度的设定值，并发送至数据表格参照表17(步骤s32)。数据表格参照部(最佳光轴校正距离导出部)17参照事先获取到的预见信息、即与低速光束扫描时的分布相一致的数据表格(步骤s33)，提取(导出)与光束扫描角速度相对应的可测风距离为最大的最佳光轴校正距离lbest(步骤s34)。
然后，控制方法计算部16获取该最佳光轴校正距离lbest和光束角速度ω，并计算光轴角度偏移θ(步骤s35)。根据光轴角度偏移θ，计算两块楔角棱镜20、21的相对角σ(步骤s36)，并将结果发送至光轴校正部控制系统8。控制系统8a基于该计算结果，在保持使楔角棱镜20、21带有相对的角度差的状态不变的情况下使其旋转(步骤s37)。由此，能对光轴角度偏移量θ进行校正。
此外，光束扫描方法设定部14设定高速光束扫描角速度ω，并将该信息发送至光束扫描光学系统控制部7，从而以高速光束扫描角速度开始风速测量(步骤s38)。即，光源1产生由单一波长构成的光(连续光)，光分配器2将该光一分为二。由该光分配器2一分为二后得到的光中，一个被输出至脉冲调制器3，另一个被输出至光耦合器10。
接着，脉冲调制器3对来自光分配器2的光进行脉冲调制，并施加所希望的频移。经该脉冲调制器3调制后而得到的光作为发送光被输出至发送侧光学系统4。
发送侧光学系统4将来自脉冲调制器3的发送光整形为所希望的光束直径及发散角。经该发送侧光学系统4整形后的发送光经由收发分离部5而被输出至光束扫描光学系统6。
光束扫描光学系统控制部7按照来自光束扫描方法设定部14的信息(光束扫描角速度ω)，对光束扫描光学系统6的照射方向进行控制。由此，光束扫描光学系统6向大气中规定的照射方向照射发送光。光束扫描光学系统控制部7将控制信息(表示发送光的照射方向的信息)发送至光轴校正部8的光轴校正部控制系统8a。
之后，照射至大气中的发送光因大气中的悬浮微粒等散射体而发生散射。光束扫描光学系统6将该散射光作为接收光来进行接收。该接收光中产生与风速相对应的多普勒频移。由该光束扫描光学系统6接收到的接收光经由收发分离部5而被输出至光轴校正部8。
然后，光轴校正部8的控制部系统8a基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(γ(t))和来自控制方法计算部16的信息(相对角度σ)(步骤s39)，根据ψ(γ(t))计算光轴偏移方向ψ，并通过式(2)、(3)计算楔角棱镜20、21的旋转角φ1、φ2(步骤s40)。此外，控制系统8a基于该计算结果，在维持了楔角棱镜20、21的相对角度差σ的状态下，同时对两块楔角棱镜20、21进行旋转控制(步骤s41)。经该光轴校正部8校正后的接收光被输出至接收侧光学系统9。
接收侧光学系统9将来自光轴校正部8的接收光整形为所希望的光束直径及发散角。经该接收侧光学系统9整形后的接收光被输出至光耦合器10。
光耦合器10对来自光分配器2的光(连续光)与来自接收侧光学系统9的接收光进行合波。经该光耦合器10合波后而得到的光被输出至测风处理部11。
测风处理部11对来自光耦合器10的光进行外差检波，根据接收信号导出频移，并基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)，根据所导出的频移来计算该照射方向上的风速。
此外，由光束扫描中γ(t)为时间的函数这一情况可知，旋转角φ1、φ2每时每刻都发生变化。因此，在光轴校正部8中，始终获取来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(γ(t))，并重复楔角棱镜20、21的旋转控制。
可测风距离计算部12适当从测风处理部11持续地获取各测风方向的每个距离上的接收信号强度数据，并计算表示能进行风速测量的距离的可测风距离(步骤s42)。然后，通过向可测风距离监视部13进行发送，从而可测风距离监视部13始终利用可测风距离计算部12获取该数据，并逐次实施与光轴校正距离更新阈值之间的比较。在步骤s43中，若检测到低于光轴校正距离更新阈值的情况，则将该信息发送至光束扫描方法设定部14。若光束扫描方法设定部14接收到该信息，则返回步骤s30，将光束扫描角速度设定为低速，并再次获取低速扫描时的接收信号强度数据，利用数据表格参照部17来提取出最佳光轴校正距离。即，光轴角度校正量导出部70在可测量距离计算监视部30检测到可测风距离下降的情况下，基于以较低的速度(角速度)进行光束扫描时所得到的测风数据和高速光束扫描时的光束扫描角速度，导出可测风距离为最长的光轴角度校正量。另一方面，在步骤s43中，当没有低于光轴校正距离更新阈值时，返回步骤s39的处理。
通过重复上述动作或适当实施上述动作，从而能实现如下最优化，即：与伴随历时变化的可测风距离的变化相对应地始终将光轴校正距离设为最长。
此外，通过获取低速光束扫描时的数据，并参照预先获取到的预见信息即表格数据，从而能缩短数值计算的时间，信号处理速度得以提高。
实施方式3.
实施方式1及2中，构成为获取测风的初始阶段、以及在通过snr历时变化的监视而检测到snr下降时进行的低速光束扫描时的数据，来计算最佳光轴校正距离。与此相对，实施方式3所涉及的激光雷达装置构成为能在保持高速光束扫描的状态下计算出最佳光轴校正距离，而不特别在测风过程中进行低速光束扫描。以下，使用图10～图12，对实施方式3所涉及的激光雷达装置的结构及动作进行说明。首先，对实施方式3所涉及的激光雷达装置的结构进行说明。图10是示出本发明实施方式3所涉及的激光雷达装置的结构的图。该图10中所示的实施方式3所涉及的激光雷达装置通过在实施方式1的结构上附加低速光束扫描计算部18来构成，该低速光束扫描计算部18假设地算出(数值计算)低速光束扫描时的snr分布。其他结构与实施方式1及2所涉及的激光雷达装置的结构相同，标注相同的标号并对不同的部分进行说明。
在图10中，低速光束扫描计算部(光束扫描计算部)18接收从可测风距离计算部12接收到的测风数据、以及与由可测风距离监视部13检测出的可测风距离的下降有关的信息。此外，低速光束扫描计算部18伴随着可测风距离的下降，接受来自可测风距离监视部13的指示，并通过计算，算出以低速(也称为第2角速度。)进行光束扫描时所得到的snr分布即测风数据(各测风方向上每个距离的接收信号强度数据)，并将其结果发送至最佳光轴校正距离计算部15。最佳光轴校正距离计算部15具有如下功能：基于从低速光束扫描计算部18接收到的低速光束扫描时的计算数据、以及从光束扫描方法设定部14接收到的光束扫描角度的设定值，来计算测风距离为最大的最佳光轴校正距离。此外，最佳光轴校正距离计算部15还具有将该结果发送至控制方法计算部16的功能。
接着，使用图11对低速光束扫描计算部18的功能及动作进行说明。图11表示从测风开始到低速光束扫描计算部18计算出低速光束扫描时的snr分布为止的过程。测风开始后，最佳光轴校正距离计算部15利用可测风距离计算部12获取由低速光束扫描进行一次光束扫描时的snr分布(图中，黑色粗线)。另外，此时，最佳光轴校正距离计算部15可以经由低速光束扫描计算部18获取snr分布，也可以从可测风距离计算部12直接获取snr分布。基于该数据，由最佳光轴校正距离计算部15计算最佳光轴校正距离，光束扫描部60利用该光轴校正距离来进行高速光束扫描。此时所获取的snr分布在该图中用黑色的细线来表示。
这里，假设因例如大气中的悬浮微粒浓度下降之类的历时变化而导致的snr下降。在该图中，用黑色的细虚线来表示因该历时变化而下降的snr分布。另外，由测风距离监视部13来检测因该snr的下降而导致的可测风距离的下降。若由测风距离监视部13检测出该可测风距离的下降，则低速光束扫描计算部18通过计算求出在进行无光轴校正的低速光束扫描时所得到的snr分布(图中，粗虚线)。最佳光轴校正距离计算部15获取由低速光束扫描计算部进行计算而得到的snr分布数据来作为最佳光轴校正距离计算所需的低速光束扫描时的数据，从而导出最佳光轴校正距离。
以下，对低速光束扫描计算部18的计算过程进行详细描述。这里，将计算过程所需的snr计算式简化表现为snr(r；ω，l，ρ)。关于具体的函数形式，由于是公知技术，因此这里省略详细说明。此处，r是测风距离，ω是光束扫描角速度，l是光轴校正距离，ρ是决定snr的历时变化的参数，例如与悬浮微粒浓度相对应。
低速光束扫描计算部18在高速光束扫描过程中，将扫描时的ω和l作为常数输入至上述函数，并将ρ分配为自由参数，由此导出对高速光束扫描时的snr分布进行最佳匹配的值(ρ)。将此时的ρ设为ρ’。使用该ρ’来导出snr(r；0，0，ρ’)。这与代入ω＝0、l＝0的情况相对应，相当于光束扫描角速度0(相当于低速光束扫描角速度)且光轴校正距离0时、即低速光束扫描时的snr分布。通过上述计算过程，能在高速光束扫描时，通过计算，从而计算出同时刻(即相同ρ’)下的低速光束扫描时的snr。
接着，参照图12，对实施方式3所涉及的激光雷达装置的整体动作进行说明。本实施方式3所涉及的激光雷达装置的整体动作与图6所示的实施方式1所涉及的激光雷达装置的整体动作基本相同，适当省略相同的部分。激光雷达装置的整体动作中，在以高速开始光束扫描前，首先，光束扫描方法设定部14设定低速的光束扫描角速度，按照该光束扫描角速度设定值，光束扫描光学系统控制部7控制光束扫描光学系统6的照射，光束扫描光学系统6对于方位角方向、仰角方向或两个方向同时进行一次低速光束扫描(步骤s50)。
接着，可测风距离计算部12从测风处理部11获取针对各测风方向的测风数据，并直接发送至最佳光轴校正距离计算部15，或经由低速光束扫描计算部18而发送至最佳光轴校正距离计算部15(步骤s51)。此外，光束扫描方法设定部14设定高速光束扫描时的光束扫描角速度的设定值，并发送至最佳光轴校正距离计算部15(步骤s52)。最佳光轴校正距离计算部15利用模型函数对所得到的数据进行拟合，对于拟合后的模型函数，以光束扫描角速度的设定值按每个光轴校正距离对可测风距离进行数值计算(步骤s53)，并从该计算结果中提取(计算)出可测风距离为最大的最佳光轴校正距离lbest(步骤s54)。
然后，控制方法计算部16获取该最佳光轴校正距离lbest和光束角速度ω，并计算光轴角度偏移θ(步骤s55)。根据光轴角度偏移θ，计算两块楔角棱镜20、21的相对角度差σ(步骤s56)，并将结果发送至光轴校正部控制系统8。控制系统8a基于该计算结果，在保持使楔角棱镜20、21带有相对的角度差的状态不变的情况下使其旋转(步骤s57)。由此，能对光轴角度偏移量θ进行校正。
此外，光束扫描方法设定部14设定高速光束扫描角速度ω，并将该信息发送至光束扫描光学系统控制部7，从而以高速光束扫描角速度开始风速测量(步骤s58)。即，光源1产生由单一波长构成的光(连续光)，光分配器2将该光一分为二。由该光分配器2一分为二后而得到的光中，一个被输出至脉冲调制器3，另一个被输出至光耦合器10。
接着，脉冲调制器3对来自光分配器2的光进行脉冲调制，并施加所希望的频移。经该脉冲调制器3调制后而得到的光作为发送光被输出至发送侧光学系统4。
发送侧光学系统4将来自脉冲调制器3的发送光整形为所希望的光束直径及发散角。经该发送侧光学系统4整形后的发送光经由收发分离部5而被输出至光束扫描光学系统6。
光束扫描光学系统控制部7按照来自光束扫描方法设定部14的信息(光束扫描角速度ω)，对光束扫描光学系统6的照射方向进行控制。由此，光束扫描光学系统6向大气中规定的照射方向照射发送光。光束扫描光学系统控制部7将控制信息(表示发送光的照射方向的信息)发送至光轴校正部8的光轴校正部控制系统8a。
之后，照射至大气中的发送光因大气中的悬浮微粒等散射体而发生散射。光束扫描光学系统6将该散射光作为接收光来进行接收。该接收光中产生与风速相对应的多普勒频移。由该光束扫描光学系统6接收到的接收光经由收发分离部5而被输出至光轴校正部8。
然后，光轴校正部8的控制部系统8a基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(γ(t))和来自控制方法计算部16的信息(相对角度σ)(步骤s59)，根据ψ(γ(t))计算光轴偏移方向ψ，并通过式(2)、(3)计算楔角棱镜20、21的旋转角φ1、φ2(步骤s60)。此外，控制系统8a基于该计算结果，在维持了楔角棱镜20、21的相对角度差σ的状态下，同时对两块楔角棱镜20、21进行旋转控制(步骤s61)。经该光轴校正部8校正后的接收光被输出至接收侧光学系统9。
接收侧光学系统9将来自光轴校正部8的接收光整形为所希望的光束直径及发散角。经该接收侧光学系统9整形后的接收光被输出至光耦合器10。
光耦合器10对来自光分配器2的光(连续光)与来自接收侧光学系统9的接收光进行合波。经该光耦合器10合波后而得到的光被输出至测风处理部11。
测风处理部11对来自光耦合器10的光进行外差检波，根据接收信号导出频移，并基于来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(表示发送光的照射方向的信息)，根据所导出的频移来计算该照射方向上的风速。
此外，由光束扫描中γ(t)为时间的函数这一情况可知，旋转角φ1、φ2每时每刻都发生变化。因此，在光轴校正部8中，始终获取来自光束扫描光学系统控制部7的控制信息(γ(t))，并重复楔角棱镜20、21的旋转控制。
可测风距离计算部12适当从测风处理部11持续地获取各测风方向的每个距离上的接收信号强度数据，并计算可测风距离(步骤s62)。然后，通过向可测风距离监视部13进行发送，从而可测风距离监视部13始终利用可测风距离计算部12获取该数据，并逐次实施与光轴校正距离更新阈值之间的比较。
然后，在步骤s63中，若可测风距离监视部13检测到低于光轴校正距离更新阈值的情况，则将该信息发送至低速光束扫描计算部18，并使计算处理开始。此外，低速光束扫描计算部18根据由高速(也称为第1角速度。)的光束扫描而得到的测风数据(snr分布)，通过计算，算出在进行无光轴校正的低速(也称为第2角速度。)的光束扫描时所得到的snr分布(步骤s64)，并将该结果发送至最佳光轴校正距离计算部15。最佳光轴校正距离计算部15通过重复步骤s53之后的动作，来与伴随历时变化的可测风距离的变化相对应，并且能一边持续进行高速光束扫描，一边实现将光轴校正距离设为最长的最优化。另一方面，在步骤s63中，当没有低于光轴校正距离更新阈值时，返回步骤s59的处理。
由于以如上所述的方式构成，因此，根据本实施方式所涉及的激光雷达装置，通过适当计算来获取低速光束扫描时所得到的测风数据从而设定最佳光轴校正距离，由此，能避免上述问题，并能在高速扫描时始终将测风距离设为最佳、即可以进行将可测风距离设为最长的控制。此外，在实施方式1和2中，在可进行风速测量的距离下降的情况下，实际上以低速来进行光束扫描，因此，在此期间有可能对风速测量造成妨碍，但根据本实施方式所涉及的激光雷达装置，通过计算来求出在进行低速光束扫描时所得到的snr分布，因而无需在测风过程中进行低速光束扫描，能实现在保持高速光束扫描的情况下将光轴校正距离设为最长的最优化，实时性得以提高。
另外，如上所述，低速光束扫描时计算部通过计算来导出低速光束扫描时的snr分布，但也可以通过参照表格数据来导出低速光束扫描时的snr分布。
标号说明
1光源
2光分配器
3脉冲调制器(调制器)
4发送侧光学系统
5收发分离部
6光束扫描光学系统
7光束扫描光学系统控制部
8光轴校正部
8a控制系统
8b光学系统
9接收侧光学系统
10光耦合器
11测风处理部
12测风距离计算部
13可测风距离监视部
14光束扫描方法设定部
15最佳光轴校正距离计算部(最佳光轴校正距离导出部)16控制方法计算部
17数据表格参照部(最佳光轴校正距离导出部)
18低速光束扫描计算部(光束扫描计算部)
30可测量距离计算监视部
40、70光轴角度校正量导出部
60光束扫描部(扫描部)