CN117546049A - 激光雷达装置 - Google Patents

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伊藤优佑
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Abstract

激光雷达装置具有：光源部(60；60A；60B)，其通过频率彼此不同的强度调制信号，周期性地对激光进行强度调制，输出多个强度调制脉冲；望远镜(9)，其将多个强度调制脉冲发送到目标，接收目标的反射光作为接收光；受光部(11)，其对接收光进行光电转换，生成接收电信号；以及信号处理部(12)，其根据接收电信号计算目标的距离和物性参数。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及激光雷达装置。
背景技术
作为基于激光雷达装置的距离计测的方法，存在被称作强度调制脉冲ToF(Timeof Flight：飞行时间)方式的方法。强度调制脉冲ToF方式是指如下方法：在根据从发光开始到受光为止的脉冲飞行时间求出到目标为止的距离的脉冲ToF方式中，通过对光脉冲施加周期性的强度调制，提高来自存在于散射强的体积目标VT中的硬目标HT的反射信号(HT信号)的信噪比(SNR：Signal-to-noise ratio)来提取HT信号，计算硬目标HT的位置。非专利文献1是与强度调制脉冲ToF方式有关的文献，在非专利文献1中记载有一种装置，该装置使用通过脉冲的合波分波方式生成的、模拟地以单一强度调制频率进行强度调制后的脉冲，识别体积目标VT(volume target)中的硬目标HT(hard target)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：L.J.Mullen,A.J.C.Vieira,P.R.Herezfeld and V.M.Contarino,“Application of RADAR technology to aerial LIDAR systems for enhancement ofshallow underwater target detection,”in IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,vol.43,no.9,pp.2370-2377,Sept.1995,doi：10.1109/22.414591.
发明内容
发明要解决的课题
根据非专利文献1记载的技术，虽然能够计算目标的位置，但是，存在无法计算目标的消光系数等物性参数这样的课题。
本发明正是为了解决这种课题而完成的，其目的在于，提供能够计算目标的消光系数等物性参数的强度调制脉冲ToF方式的激光雷达装置。
用于解决课题的手段
本发明的实施方式的激光雷达装置具有：光源部，其通过频率彼此不同的强度调制信号，周期性地对激光进行强度调制，输出多个强度调制脉冲；望远镜，其将所述多个强度调制脉冲发送到目标，接收所述目标的反射光作为接收光；受光部，其对所述接收光进行光电转换，生成接收电信号；以及信号处理部，其根据所述接收电信号计算所述目标的距离和物性参数。
发明效果
本发明的实施方式的激光雷达装置能够计算目标的消光系数等物性参数。
附图说明
[图1]是示出实施方式1的激光雷达装置的结构例的框图。
[图2]是示出实施方式1的信号处理部的结构例的框图。
[图3A]是示出信号处理部的硬件的结构例的图。
[图3B]是示出信号处理部的硬件的结构例的图。
[图4]是示出实施方式1的激光雷达装置的动作的流程图。
[图5]是脉冲串的示意图。
[图6A]是示出接收信号的波形的示意图。
[图6B]是接收信号波形和频率分析的示意图。
[图7]是距离与接收信号的SNR之间的关系的示意图。
[图8]是传递函数计算部的信号处理方法的示意图。
[图9]图9A和图9B分别是评价出的传递函数的示意图。
[图10]是示出物性参数的距离特性的示意图。
[图11]是示出实施方式2的激光雷达装置的结构例的框图。
[图12]是示出实施方式2的强度调制信号生成部的结构例的框图。
[图13]是示出实施方式2的激光雷达装置的动作的流程图。
[图14]图14A是脉冲串的示意图。图14B是评价出的硬目标HT的传递函数的示意图。图14C是评价出的体积目标VT的传递函数的示意图。
[图15]图15A是脉冲串的示意图。图15B是评价出的硬目标HT的传递函数的示意图。图15C是评价出的体积目标VT的传递函数的示意图。
[图16]是示出实施方式3的激光雷达装置的结构例的框图。
[图17]是示出实施方式3的激光雷达装置的动作的流程图。
[图18]是示出实施方式4的激光雷达装置的结构例的框图。
[图19]是示出实施方式4的信号处理部的结构例的框图。
[图20]是示出实施方式4的激光雷达装置的动作的流程图。
具体实施方式
下面，参照图1～图17对本发明中的各种实施方式进行详细说明。另外，附图中标注有相同或相似的标号的结构要素具有相同或相似的结构或功能，省略与这种结构要素有关的重复说明。
实施方式1
首先，参照图1～图10对实施方式1的激光雷达装置进行说明。
<结构>
参照图1～图3B对本发明的实施方式1的激光雷达装置的结构例进行说明。如图1所示，作为一例，实施方式1的激光雷达装置具有光源1、强度调制器2、触发生成电路部3、强度调制信号生成部4、脉冲信号生成部5、脉冲调制部6、发送侧光学***7、收发分离器8、望远镜9、接收侧光学***10、受光部11、信号处理部12和扫描仪13。光源1、强度调制器2、强度调制信号生成部4、脉冲信号生成部5和脉冲调制部6构成光源部60。发送侧光学***7和接收侧光学***10是选择性结构部。在图1中，黑色粗箭头表示发送光的流，白色粗箭头表示接收光的流，细箭头表示电信号的流。光源1与强度调制器2之间、强度调制器2与脉冲调制部6之间、脉冲调制部6与发送侧光学***7之间、发送侧光学***7与收发分离器8之间、收发分离器8与望远镜9之间、收发分离器8与接收侧光学***10之间、接收侧光学***10与受光部11之间的光路例如能够通过光纤来实现。望远镜9与扫描仪13之间是自由空间。电信号流过的电气路径通过电气布线来实现。
(光源)
光源1是射出单一频率的连续波激光的光源。光源1与强度调制器2连接，将连续波激光供给到强度调制器2。
(触发生成电路部)
触发生成电路部3与强度调制信号生成部4、脉冲信号生成部5和信号处理部12连接，生成用于对这些结构部进行驱动的触发信号(脉冲照射触发)，将触发信号输出到强度调制信号生成部4、脉冲信号生成部5和信号处理部12。作为触发生成电路部3，例如能够使用脉冲发生器、函数发生器或FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)。
(强度调制信号生成部4)
强度调制信号生成部4根据触发信号，经时地生成频率fk的强度调制信号。k＝1～M(M为2以上的整数)。强度调制信号生成部4与强度调制器2和信号处理部12连接，将生成的频率fk的强度调制信号输出到强度调制器2和信号处理部12。频率f1～fM被设定为彼此不同，以生成以不同的频率进行强度调制后的信号。作为不同的频率fk的生成方法，例如存在如下两个方法：第一个方法是，生成使用频率混合器对f1的频率信号赋予δfk的偏移频率而得到的信号，第二个方法是，将由基准信号发生器发生的信号的频率作为基准频率，利用倍增器对基准频率进行倍增或利用分频器进行分频而生成。生成强度调制频率信号时的基准信号不需要相同，也可以针对各强度调制频率单独准备基准信号。
(脉冲信号生成部)
脉冲信号生成部5根据触发信号生成脉冲信号。脉冲信号生成部5与脉冲调制部6连接，将生成的脉冲信号输出到脉冲调制部6。
(强度调制器)
强度调制器2根据从强度调制信号生成部4输出的强度调制信号，周期性地对来自光源1的连续波激光进行强度调制。作为强度调制器2，例如能够使用干涉仪型强度调制器，该干涉仪型强度调制器使用了光衰减器、半导体光放大器、声光元件和相位调制器。强度调制器2与脉冲调制部6连接，将强度调制后的连续波激光输出到脉冲调制部6。
(脉冲调制部)
脉冲调制部6具有脉冲调制器，根据从脉冲信号生成部5输出的脉冲信号，将来自强度调制器2的强度调制后的连续波激光脉冲调制成重复周期Trep和脉宽δT的脉冲。作为脉冲调制部6，例如能够使用声光元件或相位调制器。为了得到高SNR(信噪比)，脉冲调制部6也可以具有光放大器，对脉冲调制后的激光的光功率进行放大。脉冲调制部6与发送侧光学***7连接，将放大后的激光输出到发送侧光学***7。如上所述，光源部60通过频率彼此不同的强度调制信号，周期性地对连续波激光进行强度调制，输出调制频率不同的多个强度调制脉冲。另外，“周期性地进行强度调制”意味着以光功率周期性地变化的方式进行调制。周期性地进行强度调制后的脉冲的例子例如是图5的脉冲P1或脉冲P2。脉冲P1示出在使光功率的最大值保持恒定的状态下使光功率以调制频率f1周期性地变化的状况。脉冲P2示出在使光功率的最大值保持恒定的状态下使光功率以调制频率f2周期性地变化的状况。
(发送侧光学***)
发送侧光学***7将来自脉冲调制部6的脉冲调制或放大后的激光整形成期望的波束直径和扩展角。发送侧光学***7由凹面和凸面组成的透镜组构成。发送侧光学***7也可以是利用反射镜的反射型光学***。发送侧光学***7进行的激光整形是为了得到高SNR而进行的，因此，在即使没有发送侧光学***7也能得到充分的SNR的情况下，也可以不设置发送侧光学***7。发送侧光学***7与收发分离器8连接，将整形后的激光输出到收发分离器8。
(收发分离器)
收发分离器8是将发送光和接收光分离到规定的端口的分离器。在通过空间传播来进行收发分离器8与其他结构部之间的激光传播的情况下，作为收发分离器8，能够利用偏振分束器(PBS：polarizing beam splitter)。在通过空间传播来进行激光传播的情况下，收发分离器8设置于发送侧光学***7与望远镜9之间，且设置于发送光的光轴上。在收发分离器8和其他结构部通过光纤来连接的情况下，作为收发分离器8，能够利用循环器。收发分离器8将发送光输出到望远镜9，将接收光输出到接收侧光学***10。
(望远镜；扫描仪)
望远镜9经由扫描仪13向期望的方向发送发送光，并且经由扫描仪13接收来自目标的反射光即接收光。望远镜9由凹面和凸面组成的透镜组构成。望远镜9也可以是利用反射镜的反射型望远镜。扫描仪13通过未图示的控制部进行旋转，以朝向规定的方向。望远镜9将接收光输出到收发分离器8。
(接收侧光学***)
接收侧光学***10将来自收发分离器8的接收光整形成期望的波束直径和扩展角。接收侧光学***10由凹面和凸面组成的透镜组构成。接收侧光学***10也可以是利用反射镜的反射型光学***。接收侧光学***10进行的整形是为了得到高SNR而进行的，因此，在即使没有接收侧光学***10也能得到充分的SNR的情况下，也可以不设置接收侧光学***10。接收侧光学***10与受光部11连接，将接收光输出到受光部11。
(受光部)
受光部11对接收光进行光电转换，生成接收电信号。受光部11与信号处理部12连接，将接收电信号输出到信号处理部12。
(信号处理部)
信号处理部12对接收电信号进行信号处理，计算物性距离特性。下面，参照图2对信号处理部12的结构进行说明。如图2所示，信号处理部12具有滤波处理部12-1、A/D转换部12-2、距离仓分割部12-3、频率分析部12-4、累计处理部12-5、SNR计算部12-6、距离特性计算部12-7、传递函数计算部12-8、物性特性计算部12-9和物性距离特性计算部12-10。
(滤波处理部)
滤波处理部12-1根据来自强度调制信号生成部4的频率fk的强度调制信号，对来自受光部11的接收电信号进行频率滤波处理。滤波处理部12-1例如通过中心频率fk(k＝1、2、3、…、M)的带通滤波器来实现，使位于通带内的来自受光部11的接收电信号通过。滤波处理部12-1与A/D转换部12-2连接，将滤波处理后的电信号输出到A/D转换部12-2。另外，滤波处理部12-1也可以位于从A/D转换部12-2到累计处理部12-5之间。
(A/D转换部)
A/D转换部12-2根据来自触发生成电路部3的触发信号(脉冲照射触发)，对来自滤波处理部12-1的滤波处理后的电信号进行AD转换。A/D转换部12-2与距离仓分割部12-3连接，将AD转换后的数字信号输出到距离仓分割部12-3。
(距离仓分割部)
距离仓分割部12-3根据触发信号(脉冲照射触发)，以与脉宽相当的宽度在时间方向上对AD转换后的数字信号进行分割。距离仓分割部12-3与频率分析部12-4连接，将分割后的信号输出到频率分析部12-4。
(频率分析部)
频率分析部12-4根据来自强度调制信号生成部4的频率fk的强度调制信号，对分割后的每个距离仓的信号进行高速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)处理，由此将每个距离仓的信号转换为谱。频率分析部12-4与累计处理部12-5连接，将谱输出到累计处理部12-5。
(累计处理部)
累计处理部12-5在谱空间中对根据同一频率fk的多次发射的数据得到的多个谱进行累计。累计处理部12-5与SNR计算部12-6连接，将累计后的谱输出到SNR计算部12-6。
(SNR计算部)
SNR计算部12-6计算某个时刻且某个强度调制频率下的接收信号的SNR。SNR计算部12-6与距离特性计算部12-7连接，将计算出的SNR输出到距离特性计算部12-7。
(距离特性计算部)
距离特性计算部12-7计算某个强度调制频率下的距离与SNR之间的关系(距离特性：A-scope)。距离特性计算部12-7针对全部强度调制频率f1～fM计算A-scope。距离特性计算部12-7与传递函数计算部12-8连接，将计算出的多个距离特性(A-scope)输出到传递函数计算部12-8。
(传递函数计算部)
传递函数计算部12-8根据与某个距离仓有关的多个强度调制频率(f1～fM)的多个距离特性(A-scope)，计算该距离仓中的目标的传递函数。这样，传递函数计算部12-8根据SNR的频率依赖性，对同一距离的目标的传递函数特性进行分析。传递函数计算部12-8与物性特性计算部12-9连接，将计算出的传递函数输出到物性特性计算部12-9。
(物性特性计算部)
物性特性计算部12-9对根据由传递函数计算部12-8求出的各距离仓n中的传递函数判明的传递函数特性和基于后述的式(4)或式(6)的传递函数式或基于与这些式子相似的式子的传递函数式进行比较，由此计算存在于距离仓n的目标的物性特性。此外，物性特性计算部12-9也可以对由距离特性计算部12-7求出的各距离仓n中的SNR和设想的SNR进行比较，由此计算存在于距离仓n的目标的物性特性。物性特性计算部12-9与物性距离特性计算部12-10连接，将计算出的物性特性输出到物性距离特性计算部12-10。
(物性距离特性计算部)
物性距离特性计算部12-10针对由物性特性计算部12-9计算出的物性参数数据，与距离特性计算部12-7同样，如图10所示，根据距离仓信息、AD转换速率和距离仓宽度计算Δt＝AD速率×距离仓宽度×(n-1)，通过L＝v×Δt/2(v为光速)将Δt转换为距离，输出每个距离的物性参数曲线。
接着，参照图3A和图3B对信号处理部12的硬件结构例进行说明。作为一例，如图3A所示，信号处理部12通过处理电路100a来实现。处理电路100a例如是单一电路、复合电路、程序化的处理器、并行程序化的处理器、ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)或它们的组合。可以利用独立的处理电路实现信号处理部12具有的结构部的功能，也可以统一利用1个处理电路实现多个结构部的功能。
作为另一例，如图3B所示，信号处理部12通过处理器100b和存储器100c来实现。存储器100c中存储的程序被处理器100b读出并执行，由此实现信号处理部12具有的结构部的功能。程序作为软件、固件或软件和固件的组合来实现。在存储器100c的例子中，例如包含RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory：可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically-EPROM：电可擦除可编程只读存储器)等非易失性或易失性半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、高密度盘、迷你盘、DVD。
<动作>
接着，参照图4～图10对本实施方式1的激光雷达装置的动作进行说明。
在步骤ST1中，强度调制信号生成部4根据触发信号生成频率f1的强度调制信号，将生成的频率f1的强度调制信号输出到强度调制器2和信号处理部12。接着，强度调制器2利用频率f1的强度调制信号，周期性地对来自光源1的单一频率的连续波激光进行强度调制，将强度调制后的连续波激光输出到脉冲调制部6。
在步骤ST2中，脉冲调制部6根据来自脉冲信号生成部5的脉冲信号，将强度调制后的连续波激光脉冲调制成规定的重复周期Trep、脉宽δT的脉冲光P1(参照图5的脉冲P1)，将脉冲光P1输出到发送侧光学***7。下面，将第k个发送脉冲信号表记为“Pk”。此外，将与发送脉冲Pk对应的强度调制频率和来自目标的接收信号脉冲分别表记为fk和Rk。
在步骤ST3中，望远镜9经由扫描仪13朝向目标照射由发送侧光学***7转换为规定的波束直径和波束扩展角后的脉冲光P1。照射到大气中的发送光P1被照射到目标，发送光P1被目标散射时产生接收光R1。
在步骤ST4中，望远镜9在开口接收接收光R1，将接收光R1输出到收发分离器8。接收光R1经由收发分离器8被送至接收侧光学***10。接收光R1被接收侧光学***10转换为规定的波束直径和波束扩展角后，被送至受光部11。接收光R1被受光部11转换为接收电信号，接收电信号被送至信号处理部12。
激光雷达装置反复进行a次以上的步骤ST2～ST4的收发处理。a为1以上的整数，是设计值。下面，将该a称作脉冲累计次数。即，a是同一强度调制脉冲中的累计次数。
如图5那样，在a次将脉冲P1照射到目标并经过了重复周期Trep后，在步骤ST5中，强度调制信号生成部4根据触发信号生成频率f2的强度调制信号，将生成的频率f2的强度调制信号输出到强度调制器2和信号处理部12。接着，强度调制器2利用频率f2的强度调制信号，周期性地对来自光源1的单一频率的连续波激光进行强度调制，将强度调制后的连续波激光输出到脉冲调制部6。
在步骤ST6中，脉冲调制部6根据来自脉冲信号生成部5的脉冲信号对强度调制后的连续波激光进行脉冲调制，生成与脉冲光P1不同的脉冲光P2(参照图5的脉冲P2)，将生成的脉冲光P2输出到发送侧光学***7。
在步骤ST7中，望远镜9经由扫描仪13朝向目标照射由发送侧光学***7转换为规定的波束直径和波束扩展角后的脉冲光P2。照射到大气中的发送光P2被照射到目标，发送光P2被目标散射时产生接收光R2。
在步骤ST8中，望远镜9在开口接收接收光R2，将接收光R2输出到收发分离器8。接收光R2经由收发分离器8被送至接收侧光学***10。接收光R2被接收侧光学***10转换为规定的波束直径和波束扩展角后，被送至受光部11。接收光R2被受光部11转换为接收电信号，接收电信号被送至信号处理部12。
激光雷达装置进行步骤ST5的处理，直到达到k＝M为止，关于k的各值的情况，各反复进行a次的步骤ST6～步骤ST8的处理。通过以上的动作，接收光R1～RM分别进行a次受光。
接着，对步骤ST9～ST14的信号处理进行说明。可以接着步骤ST4在每当得到各接收光时进行信号处理，也可以接着步骤ST8在得到全部接收光R1～RM后进行信号处理。下面，结合在得到全部接收光R1～RM后进行步骤ST9～ST14的信号处理的情况来进行说明。
在步骤ST9中，滤波处理部12-1根据来自强度调制信号生成部4的频率fk的强度调制信号，针对全部接收光(R1和Rk)的接收信号进行频率滤波处理，得到与各调制频率对应的电信号。
在步骤ST10中，A/D转换部12-2对接收光Rk的接收信号进行AD转换。A/D转换部12-2将来自触发生成电路部3的触发信号设为AD转换的开始触发。因此，AD转换的开始时刻与发送脉冲被发送的定时大致一致，在规定期间或产生下一个发送脉冲为止的期间内持续进行AD转换。从开始进行AD转换起的ΔT后进行AD转换的信号相当于来自位于分开距离L＝v×ΔT/2(v为光速)的空间的目标的接收信号。数字化的接收信号相当于1个脉冲。
在步骤ST11中，距离仓分割部12-3将数字化的接收信号分割成每个距离仓的信号。距离仓宽度被划分成与脉宽相当，脉宽通过设计来确定。图6A示出通过接收来自被照射了1个脉冲的脉冲发送光Pk的目标的接收光Rk而得到的接收信号的时间变化。n表示分割后的距离仓的标签，n的值小的标签表示是来自更近位置的反射信号。
在步骤ST12中，频率分析部12-4按照每个距离仓对按照每个距离仓分割后的接收信号进行FFT，将其转换为谱信号，将得到的谱信号输出到累计处理部12-5。对与发送脉冲Pk(调制频率fk)对应的接收光Rk的接收信号进行FFT而得到的谱受到来自于目标、环境的频移，但是，在接收带宽B内与调制频率大致一致。下面，将与调制频率fk对应的接收谱表记为fm。接收带宽B是由目标移动速度、周围环境决定的设想的频移宽度。
在步骤ST13中，如图6B所示，累计处理部12-5对通过对各距离仓的信号进行FFT而得到的谱信号进行a次累计。
在步骤ST14中，SNR计算部12-6计算峰值强度与带外噪声之比，由此计算接收信号的谱fm的SNR。SNR计算部12-6将累计后的谱fm和各距离仓中的SNR的信息输出到距离特性计算部12-7。
在步骤ST15中，距离特性计算部12-7计算表示每个距离的SNR的曲线即A-scope。如图7所示，关于谱f1～fM，收集任意的距离仓n中的SNR的信息。距离特性计算部12-7根据距离仓信息、AD转换速率和距离仓宽度计算Δt＝AD速率×距离仓宽度×(n-1)，通过L＝v×Δt/2(v为光速)将Δt转换为距离，计算A-scope。下面，将谱fm且距离仓n中的SNR表记为SNRmn。此外，如图8所示，传递函数计算部12-8根据SNRmn的信息对各距离仓n(n＝1、2、3、…)中的谱f1～fM的SNR进行数据处理，求出各距离仓的传递函数(纵轴T、横轴谱频率f的曲线)。另外，在图8中，关于n＝3的距离仓，示出沿着频率轴排列谱f1～fM的SNR而求出传递函数的具体例。
在步骤ST16中，物性特性计算部12-9计算存在于距离仓n的目标的物性特性。具体而言，物性特性计算部12-9对根据由传递函数计算部12-8求出的各距离仓n中的传递函数判明的传递函数特性和基于下述的式(4)或式(6)的传递函数式或基于与这些式子相似的式子的传递函数式进行比较，由此计算存在于距离仓n的目标的物性特性。此外，物性特性计算部12-9也可以对由距离特性计算部12-7求出的各距离仓n中的SNR和设想的SNR进行比较，由此计算存在于距离仓n的目标的物性特性。这里，传递函数特性是图9A或图9B所示的曲线的整体形状、曲线的斜率或视为曲线与低通滤波器的传递函数相同时的截止频率fc等。
在强度调制脉冲ToF方式中，来自存在于距离L(＝vt/2)处的目标(消光系数c、吸收系数α、后向散射系数β)的接收信号功率Pr用下面的式(1)来表现。在式(1)中，v是体积目标VT内的传播速度，t是时间，A是***系数，Y是归一化常数。当在式(2)的假设下对式(1)进行傅里叶变换时，成为式(3)。
P(t)～Ye-cut(2)
因此，在将强度调制角频率ω＝2πf的强度调制脉冲发送到目标时，得到的接收信号的调制频率ωm分量用式(4)表示。在式(2)的假设下，目标的传递函数T(ω)用式(4)表示，这与1次的低通滤波器(LPF)的情况等效。
传递函数的截止频率fc在式(2)的假设下，使用消光系数c，用式(5)表示。
例如，c＝1m-1、折射率n＝1.3的散射介质(VT)的传递函数的截止频率相当于fc＝37MHz。
另外，严格地讲，在式(1)中，L(t)＝vt/2，因此，更加准确的目标的传递函数用下面的式(6)表示。
对根据测定结果计算出的目标的传递函数特性(图8的右下图)和式(4)或式(6)的传递函数式或者与式(4)或式(6)相似的传递函数式进行比较，由此能够估计物性参数(例如消光系数c)。图9A示出基于式(4)的传递函数式的拟合，图9B示出基于式(6)的传递函数式的拟合。例如，如果是估计消光系数c的情况，则对基于测定结果的传递函数特性和式(4)等传递函数式进行比较，求出截止频率fc，根据式(5)计算消光系数c。
此外，关于由物性特性计算部12-9计算出的物性参数数据，与距离特性计算部12-7同样，如图10所示，物性距离特性计算部12-10根据距离仓信息、AD转换速率和距离仓宽度计算Δt＝AD速率×距离仓宽度×(n-1)，通过L＝v×Δt/2(v为光速)将Δt转换为距离，输出每个距离的物性参数曲线。
如下式(7)那样，式(1)的消光系数c使用吸收系数α和散射系数b(或后向散射系数β)来表示。另外，Ω是收发光学***的立体角。
c＝α+b＝α+∫βdΩ (7)
如式(7)所示，消光系数c与2个以上的物性参数存在相关关系，因此，在现有技术中，在这些参数间假设一定的关系。例如，在激光传感器的设计中，假设后向散射系数β和消光系数c为线性关系，将它们之比设为激光雷达比S1，假设下式(8)的关系。
c＝S1β (8)
激光雷达比S1由粒子尺寸、激光波长λ、粒子形状等决定。确定测定对象，使用通过仿真或其他测定而确定了数值的激光雷达比S1以及式(1)和(8)，由此计算目标的后向散射系数。
根据这种现有方法，存在如下课题：在测定目标的物性信息未知的情况下，或者在上空或海中等特殊环境下进行测定的情况下，无法利用式(8)的假设，或者在使用式(8)时计算出的物性值的精度降低。
与此相对，根据本发明的方法，不用具体地假设现有技术中需要的物性参数间的相关关系，就能够估计物性参数。
<效果>
从传递函数计算部12-8输出的数据的传递函数具有消光系数的信息，从SNR计算部12-6输出的SNR具有消光系数和散射系数的信息，因此，如上所述，关于来自存在于距离L处的目标的脉冲接收信号，除了SNR以外，还计算强度调制频率fk的传递函数特性，由此能够独立地检测目标的消光系数和散射系数。
在现有的激光雷达装置中，存在不能独立地计算消光系数和散射系数这样的课题，通常，利用已知的目标信息，或者根据已知的目标信息对消光系数与散射系数之间的关系性进行近似后进行公式化来利用，因此，存在如下课题：测定值的精度低，或者在目标与设想不同的未知的情况下误计算测定物性参数。通过使用本发明的方法，不需要使消光系数与散射系数之间的关系性公式化，能够解决现有的激光雷达装置的课题。
<变形例>
下面，对实施方式1的变形例进行说明。作为脉冲激光的产生方法，不仅可以使用对连续波激光进行脉冲化的方法，还可以使用直接产生Q开关激光、锁模激光等脉冲波激光的方法等一般方法中的任意一方或其组合。作为强度调制脉冲的生成方法，也可以利用使用电解吸收调制器、电光晶体或光块、或与它们相似的结构、或使用它们制作的强度调制器生成强度调制脉冲的方法；直接利用电信号脉冲串对光源进行激励而生成模拟的强度调制脉冲的方法；利用分束器分割脉冲激光而使1个脉冲延迟并再次进行合波来生成模拟的强度调制脉冲的方法；在仅一侧的反射镜降低了反射率的谐振器内设置波长转换晶体来生成模拟的强度调制脉冲的方法等。
在光检测部中假设了直接检波方式，但是，如果利用强度调制脉冲作为发送光，则可以将本发明的技术应用于相干激光雷达、差分吸收激光雷达、双重偏振型激光雷达。在应用于相干激光雷达的情况下，除了目标的物性信息以外，还能够计算目标移动速度，因此，能够实施更高精度且更多数量的参数计测。在应用于差分吸收激光雷达的情况下，光源部输出第1波长的强度调制脉冲和与第1波长不同的第2波长的强度调制脉冲，信号处理部能够根据第1波长的接收光与第2波长的接收光的接收信号强度比，进一步计算目标的吸收波长和浓度作为目标的物性信息。在应用于双重偏振型激光雷达的情况下，光源部输出具有2个正交的偏振态的强度调制脉冲，信号处理部能够根据基于2个偏振的接收信号强度比，进一步计算目标的粒形作为目标的物性信息。此外，在光学***中，以收发光学***为前提，但是，也可以是收发不同轴的结构。在收发不同轴的情况下，与望远镜9不同的未图示的望远镜与接收侧光学***10连接，收发分离部8和接收侧光学***10不连接。这种收发不同轴的结构是一般的结构，在实施方式1的动作中不会造成影响。
实施方式2
下面，参照图11～图13对实施方式2的激光雷达装置进行说明。
<结构>
如图11所示，实施方式2的激光雷达装置的整体结构与图1所示的实施方式1的激光雷达装置的结构相同。如图12所示，在实施方式2的激光雷达装置中，光源部60A具有光源1、强度调制器2、强度调制信号生成部4A、脉冲信号生成部5和脉冲调制部6。在实施方式2的激光雷达装置中，光源部60A具有的强度调制信号生成部4A的结构与实施方式1的强度调制信号生成部4不同。
如图12所示，强度调制信号生成部4A具有由M个强度调制信号(f)生成部构成的强度调制信号(f)生成部组4-1、以及与强度调制信号(f)生成部组4-1连接的强度调制信号混合部4-2。
强度调制信号(f)生成部组4-1生成M个不同频率的强度调制信号。强度调制信号(f)生成部组4-1由函数发生器、FPGA、基准信号发生器和倍增器或分周期等RF频率信号发生器构成。
强度调制信号混合部4-2对来自强度调制信号(f)生成部组4-1的M个强度调制信号进行混合。强度调制信号混合部4-2例如由RF频率的混频器构成。
<动作>
在实施方式1中，利用某个强度调制频率fk对激光进行强度调制而生成脉冲，为了分别对M种脉冲进行累计而各照射了a次。与此相对，在实施方式2中，同时向发送脉冲赋予M个具有不同频率(f1～fM)的强度调制信号，为了对发送脉冲进行累计而进行a次照射。关于这点，实施方式2的动作与实施方式1的情况不同。关于其他方面，实施方式2的动作与实施方式1的动作相同。关于不同之处，参照图13进行说明。
在步骤ST21中，强度调制信号(f)生成部组4-1根据触发信号生成频率f1～fM的强度调制信号，将频率f1～fM的M个强度调制信号输出到强度调制信号混合部4-2和信号处理部12。
在步骤ST22中，强度调制信号混合部4-2对M个强度调制信号进行混合。强度调制信号混合部4-2将混合后的信号输出到强度调制器2。强度调制信号混合部4-2也可以将混合后的信号输出到信号处理部12。接着强度调制信号混合部4-2的动作，强度调制器2利用混合后的强度调制信号对来自光源1的单一频率的连续波激光进行强度调制，将强度调制后的连续波激光输出到脉冲调制部6。
在步骤ST23中，脉冲调制部6根据来自脉冲信号生成部5的脉冲信号，将强度调制后的连续波激光脉冲调制成脉冲光P，将脉冲光P输出到发送侧光学***7。
在步骤ST24中，望远镜9经由扫描仪13朝向目标照射由发送侧光学***7转换为规定的波束直径和波束扩展角后的脉冲光P。照射到大气中的发送光P被照射到目标，发送光P被目标散射时产生接收光R。
在步骤ST25中，望远镜9在开口接收接收光R，将接收光R输出到收发分离器8。接收光R经由收发分离器8被送至接收侧光学***10。接收光R被接收侧光学***10转换为规定的波束直径和波束扩展角后，被送至受光部11。接收光R被受光部11转换为接收电信号，接收电信号被送至信号处理部12。
激光雷达装置反复进行a次以上的步骤ST23～ST25的收发处理。
步骤ST26～步骤ST33的处理与实施方式1中的步骤ST9～步骤ST16的处理相同。
<变形例>
在以上的说明中，准备了M个不同的强度调制信号生成部，但是，在M＝XY这样的X和Y中，准备X个不同的强度调制信号生成部，对1个脉冲赋予X个强度调制，一边使强度调制频率变化一边照射Y次脉冲，由此能够利用Y个脉冲计算针对M个不同的强度调制的目标的传递函数特性。可以适当地进行这种信号发生器的个数和脉冲照射次数的变更。
实施方式3
下面，参照图14～图17对实施方式3的激光雷达装置进行说明。在实施方式1和2的结构中，由于对各脉冲Pk赋予了频率fk的强度调制时产生的各强度调制脉冲间的脉冲功率或进行强度调制的程度的不均匀性，要计算的传递函数特性有时产生误差。改变段落来进行说明。
如图14A那样，在各强度调制脉冲的脉冲参数之差小的情况下，如图14B或图14C那样，根据来自目标的接收信号SNR评价出的传递函数(点划线)与真实值(实线)大致一致。另一方面，例如如图15A那样，在各强度调制脉冲的脉冲参数之差大的情况下，如图15B或图15C那样，根据来自目标的接收信号SNR评价出的传递函数(点划线)与真实值(实线)不一致，成为误计算的要因。这里，脉冲参数表示各强度调制脉冲的包络线形状、构成各强度调制脉冲的峰值分量、对光脉冲赋予的强度调制频率、与其相似的参数。此外，脉冲参数之差表示各强度调制脉冲的包络线形状、构成各强度调制脉冲的峰值分量、对光脉冲赋予的强度调制频率、与其相似的参数相对于理想值之差。
因此，实施方式3的激光雷达装置构成为，对强度调制脉冲信号的一部分进行监视，施加使各脉冲(P1～PM)的脉冲参数最佳的控制，由此，根据检测到的SNR计算更加准确的传递函数。
<结构>
实施方式3的激光雷达装置相对于实施方式1的激光雷达装置，在以下方面不同。即，如图16所示，实施方式3的激光雷达装置还具有光脉冲分支部14、光脉冲监视部15和光脉冲校正部16。光脉冲分支部14设置于脉冲调制部6与发送侧光学***7之间。光脉冲监视部15设置于光脉冲分支部14的后级。光脉冲校正部16设置于光脉冲监视部15的后级，与强度调制信号生成部4B和脉冲信号生成部5B连接。另外，光源1、强度调制器2、强度调制信号生成部4B、脉冲信号生成部5B和脉冲调制部6构成光源部60B。另外，也可以以对实施方式2的激光雷达装置追加光脉冲分支部14、光脉冲监视部15和光脉冲校正部16的方式，对实施方式2的激光雷达装置进行变形。
光脉冲分支部14使由脉冲调制部6生成的强度调制脉冲的一部分分支，将分支后的一部分脉冲输出到光脉冲监视部15。
光脉冲监视部15将光脉冲信号转换为电信号。
光脉冲校正部16对来自光脉冲监视部15的电信号和预先保有的理想的强度调制脉冲波形进行比较，向强度调制信号生成部4和脉冲信号生成部5输出反馈信号，以使从脉冲调制部输出的脉冲的波形成为理想的波形。例如，光脉冲校正部16输出用于对发送脉冲的脉冲功率和调制强度进行控制的反馈信号。
<动作>
接着，参照图17对实施方式3的激光雷达装置的动作进行说明。实施方式3的激光雷达装置的动作相对于实施方式3的激光雷达装置的动作，不同之处在于追加了步骤ST41、ST42、ST43和ST44的处理。省略重复的说明，因此，仅对与实施方式1的动作不同之处进行说明。
在步骤ST41中，光脉冲监视部15接收从光脉冲分支部14分支后的作为监视信号的光脉冲信号，将接收的光脉冲信号转换为电信号。
在步骤ST42中，光脉冲校正部16对来自光脉冲监视部15的电信号的波形和预先保有的理想的强度调制脉冲波形进行比较，向强度调制信号生成部4和脉冲信号生成部5输出反馈信号，以抑制这些波形的偏差，即以使从脉冲调制部输出的脉冲的波形成为理想的波形。
在生成反馈信号后的步骤ST1中，强度调制信号生成部4B根据反馈信号生成频率f1的强度调制信号，将生成的频率f1的强度调制信号输出到强度调制器2和信号处理部12。接着，强度调制器2利用根据反馈信号生成的频率f1的强度调制信号对来自光源1的单一频率的连续波激光进行强度调制，将强度调制后的连续波激光输出到脉冲调制部6。
在生成反馈信号后的步骤ST2中，脉冲调制部6根据基于来自脉冲信号生成部5的反馈信号生成的脉冲信号，对强度调制后的连续波激光进行脉冲调制。
脉冲Pk(k＝2～M)的情况也同样，在步骤ST43中，通过光脉冲监视部15接收监视信号，在ST44中，生成反馈信号。生成基于反馈信号的频率fk的强度调制信号(步骤ST5)，生成基于反馈信号的脉冲Pk。
<效果>
根据实施方式3的激光雷达装置，能够抑制对各脉冲Pk赋予了频率fk的强度调制时产生的各强度调制脉冲间的脉冲功率、强度调制度相对于理想值之差，因此，能够防止要计算的传递函数特性产生误差。
实施方式4
下面，参照图18～图20对实施方式4的激光雷达装置进行说明。与实施方式3的激光雷达装置同样，实施方式4的激光雷达装置的目的在于，对根据对各脉冲Pk赋予了频率fk的强度调制时产生的各强度调制脉冲间的脉冲功率、强度调制度的不均匀性计算的传递函数特性的误差进行校正。在实施方式4的激光雷达装置和实施方式3的激光雷达装置中，实现该目的的方法不同。显然，实施方式4的激光雷达装置构成为，对强度调制脉冲信号的一部分进行监视，观测相对于理想的强度调制脉冲参数而言的实际的强度调制脉冲的参数，根据这些信息计算可能产生的传递函数的误差等接收信号的不确定性，使用这些信息对检测到的SNR进行校正，由此计算更加准确的传递函数。下面详细进行说明。
<结构>
实施方式4的激光雷达装置相对于实施方式1的激光雷达装置，在以下方面不同。即，如图18所示，实施方式4的激光雷达装置还具有光脉冲分支部14和光脉冲监视部15A。光脉冲分支部14设置于脉冲调制部6与发送侧光学***7之间。光脉冲监视部15A设置于光脉冲分支部14的后级。光脉冲监视部15A与信号处理部12A电连接。光脉冲监视部15A将光脉冲信号转换为电信号，将转换后的电信号作为光脉冲监视信号供给到信号处理部12A。此外，如图19所示，信号处理部12A还具有传递函数计算校正部12-11。作为一例，传递函数计算校正部12-11在信号处理部12中设置于传递函数计算部12-8与物性特性计算部12-9之间。另外，与实施方式1的情况同样，光源1、强度调制器2、强度调制信号生成部4、脉冲信号生成部5和脉冲调制部6构成光源部60。另外，也可以以对实施方式2的激光雷达装置追加光脉冲分支部14、光脉冲监视部15A和传递函数计算校正部12-11的方式，对实施方式2的激光雷达装置进行变形。
光脉冲分支部14使由脉冲调制部6生成的强度调制脉冲的一部分分支，将分支后的一部分脉冲输出到光脉冲监视部15A。
光脉冲监视部15A将光脉冲信号转换为电信号(光脉冲监视信号)。
传递函数计算校正部12-11对来自光脉冲监视部15A的电信号(光脉冲监视信号)和与如下这样的强度调制脉冲的最佳驱动条件有关的信息进行比较：关于所述强度调制脉冲，来自目标的接收信号的谱特性是一致的，关于所述目标，接收信号的频率响应特性是一致的，传递函数计算校正部12-11对来自传递函数计算部12-8的输出进行校正。在该信息中包含理想的强度调制脉冲波形。
<动作>
接着，参照图20对实施方式4的激光雷达装置的动作进行说明。实施方式4的激光雷达装置的动作相对于实施方式3的激光雷达装置的动作的不同之处在于，追加了步骤ST55的处理，并且，在接收监视信号的步骤(ST41A)之后进行的处理是步骤ST55的处理。省略重复的说明，因此，仅对与实施方式3的动作不同之处进行说明。
另外，图20中的步骤ST51～ST54与实施方式3的图17的步骤ST1～ST8实质上相同。“实质上”是由于，关于省略了根据监视信号生成反馈信号的处理(步骤ST41～ST44)这点，图20所示的处理与图17所示的处理不同。另外，与实施方式3同样，实施方式4的激光雷达装置也可以进行根据监视信号生成反馈信号的处理(步骤ST41～ST44)。
在图20的步骤ST41A中，光脉冲监视部15A接收从光脉冲分支部14分支后的作为监视信号的光脉冲信号，将接收到的光脉冲信号转换为电信号，将转换后的电信号作为光脉冲监视信号供给到信号处理部12A的传递函数计算校正部12-11。
在步骤ST55中，传递函数计算校正部12-11对在步骤ST41A中取得的来自光脉冲监视部15的电信号(光脉冲监视信号)的波形和预先保有的理想的强度调制脉冲波形进行比较，预测或计算可能由于这些波形的偏差而产生的传递函数计算结果的误差，对该误差进行纠正，由此进行传递函数的校正。
在本实施方式中，在累计处理后且SNR计算后由传递函数计算校正部12-11实施校正，但是，本实施方式也可以变形为，在累计处理前或SNR计算前由传递函数计算校正部12-11实施校正。当在累计处理前由传递函数计算校正部12-11进行校正的情况下，传递函数计算校正部12-11设置于频率分析部12-4与累计处理部12-5之间，在步骤ST12紧后实施步骤ST55中的处理。当在SNR计算前由传递函数计算校正部12-11进行校正的情况下，传递函数计算校正部12-11设置于累计处理部12-5与SNR计算部12-6之间，在步骤ST13紧后实施步骤ST55中的处理。
<效果>
根据实施方式4的激光雷达装置，对根据对各脉冲Pk赋予了频率fk的强度调制时产生的各强度调制脉冲间的脉冲功率、强度调制度的不均匀性计算的传递函数特性的误差进行校正，能够进行更加准确的物性特性计算。
另外，能够对实施方式进行组合，或者适当地对各实施方式进行变形、省略。
产业上的可利用性
本发明的激光雷达装置能够用作用于计算目标的消光系数等物性参数的激光雷达装置。
标号说明
1：光源；2：强度调制器；3：触发生成电路部；4：强度调制信号生成部；4-1：强度调制信号生成部组；4-2：强度调制信号混合部；4A：强度调制信号生成部；4B：强度调制信号生成部；5：脉冲信号生成部；5B：脉冲信号生成部；6：脉冲调制部；7：发送侧光学***；8：收发分离器；9：望远镜；10：接收侧光学***；11：受光部；12：信号处理部；12A：信号处理部；12-1：滤波处理部；12-2：A/D转换部；12-3：距离仓分割部；12-4：频率分析部；12-5：累计处理部；12-6：SNR计算部；12-7：距离特性计算部；12-8：传递函数计算部；12-9：物性特性计算部；12-10：物性距离特性计算部；12-11：传递函数计算校正部；13：扫描仪；14：光脉冲分支部；15：光脉冲监视部；15A：光脉冲监视部；16：光脉冲校正部；60：光源部；60A：光源部；60B：光源部；100a：处理电路；100b：处理器；100c：存储器。

Claims (12)

1.一种激光雷达装置，该激光雷达装置具有：
光源部，其通过频率彼此不同的强度调制信号，周期性地对激光进行强度调制，输出多个强度调制脉冲；
望远镜，其将所述多个强度调制脉冲发送到目标，接收所述目标的反射光作为接收光；
受光部，其对所述接收光进行光电转换，生成接收电信号；以及
信号处理部，其根据所述接收电信号计算所述目标的距离和物性参数。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其中，
所述光源部经时地产生频率彼此不同的多个强度调制信号，或者同时产生频率彼此不同的多个强度调制信号并进行混合，由此生成所述多个强度调制脉冲。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其中，
所述光源部将所述频率彼此不同的强度调制信号输出到所述信号处理部，
所述信号处理部使用在所述多个强度调制脉冲中的任意1个强度调制脉冲的生成中使用的频率的信息，对所述接收电信号进行频率分析而生成谱信号，检测所述谱信号的频率和信噪比。
4.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其中，
所述信号处理部使用在所述多个强度调制脉冲中的2种以上的强度调制脉冲的生成中使用的频率的信息，对所述接收电信号进行频率分析，生成从同一距离的目标反射后的接收光的多个谱，对所述多个谱的信噪比的频率依赖性进行分析。
5.根据权利要求4所述的激光雷达装置，其中，
所述信号处理部根据所述信噪比的频率依赖性，对所述同一距离的目标的传递函数特性进行分析。
6.根据权利要求5所述的激光雷达装置，其中，
所述激光雷达装置根据所述传递函数特性对所述同一距离的目标的物性参数进行评价。
7.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其中，
所述光源部输出第1波长的强度调制脉冲和与所述第1波长不同的第2波长的强度调制脉冲，
所述信号处理部根据所述第1波长的接收光与所述第2波长的接收光的接收信号强度比计算目标的吸收波长和浓度。
8.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其中，
所述光源部输出具有2个正交的偏振态的强度调制脉冲，
所述信号处理部根据基于所述2个偏振的接收信号强度比对目标的粒形进行评价。
9.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其中，
所述激光雷达装置还具有：
光脉冲监视部，其对由所述光源部生成的强度调制脉冲进行光电转换；以及
光脉冲校正部，其根据来自所述光脉冲监视部的电信号，输出用于对发送脉冲的脉冲功率和调制强度进行控制的反馈信号。
10.根据权利要求9所述的激光雷达装置，其中，
所述光脉冲校正部保持理想的强度调制脉冲波形，对来自光脉冲监视部的电信号的波形和所述理想的强度调制脉冲波形进行比较来计算偏差，对所述光源部输出反馈信号，以抑制所述偏差。
11.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其中，
所述激光雷达装置还具有光脉冲监视部，该光脉冲监视部对由所述光源部生成的强度调制脉冲进行光电转换，
所述信号处理部还具有传递函数计算校正部，该传递函数计算校正部与所述光脉冲监视部连接，根据来自所述光脉冲监视部的电信号进行校正。
12.根据权利要求11所述的激光雷达装置，其中，
所述传递函数计算校正部预先保有与如下这样的强度调制脉冲的最佳驱动条件有关的信息：关于所述强度调制脉冲，来自目标的接收信号的谱特性是一致的，关于所述目标，接收信号的频率响应特性是一致的，
所述传递函数计算校正部对来自所述光脉冲监视部的电信号和所述信息进行比较，由此，校正由于所述强度调制发送脉冲而产生的接收信号的不确定性。
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