(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の分子に吸収される波長の第１のレーザ光が大気中の散乱体によって散乱された第１の散乱光と前記第１のレーザ光との合波光である第１の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルを算出するとともに、前記分子に吸収されない波長の第２のレーザ光が前記散乱体によって散乱された第２の散乱光と前記第２のレーザ光との合波光である第２の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルを算出するスペクトル算出部と、
前記第１のレーザ光の周波数に対する前記複数の第１の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、前記第２のレーザ光の周波数に対する前記複数の第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、
前記周波数シフト補正部により補正された複数の第１の信号スペクトルを積算するとともに、前記周波数シフト補正部により補正された複数の第２の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部と、
前記スペクトル積算部により積算された第１及び第２の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出する分子濃度算出部と、を備え、
前記スペクトル算出部は、
前記第１及び第２の合波光を検波する光受信機から前記第１の合波光の受信信号である第１の受信信号をフーリエ変換することで、前記第１の受信信号における時間レンジ毎の複数の第１の信号スペクトルを算出するとともに、前記光受信機から前記第２の合波光の受信信号である第２の受信信号をフーリエ変換することで、前記第２の受信信号における時間レンジ毎の複数の第２の信号スペクトルを算出するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルを積算するとともに、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルを積算するスペクトル積算処理部とを備え、
前記周波数シフト補正部は、前記第１のレーザ光の周波数に対する前記スペクトル積算処理部により積算された第１の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、前記第２のレーザ光の周波数に対する前記スペクトル積算処理部により積算された第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正し、
複数の信号スペクトルにおける信号成分の積算を行う周波数の組み合わせが複数用意されており、
前記スペクトル積算処理部は、用意されている周波数の組み合わせ毎に、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルにおける当該組み合わせが示す周波数の信号成分を積算し、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか１つの信号スペクトルを積算後の第１の信号スペクトルとして選択し、用意されている周波数の組み合わせ毎に、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルにおける当該組み合わせが示す周波数の信号成分を積算し、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか１つの信号スペクトルを積算後の第２の信号スペクトルとして選択する、レーザレーダ装置。
【請求項２】
大気中の分子に吸収される波長の第１のレーザ光が大気中の散乱体によって散乱された第１の散乱光と前記第１のレーザ光との合波光である第１の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルを算出するとともに、前記分子に吸収されない波長の第２のレーザ光が前記散乱体によって散乱された第２の散乱光と前記第２のレーザ光との合波光である第２の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルを算出するスペクトル算出部と、
前記第１のレーザ光の周波数に対する前記複数の第１の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、前記第２のレーザ光の周波数に対する前記複数の第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、
前記周波数シフト補正部により補正された複数の第１の信号スペクトルを積算するとともに、前記周波数シフト補正部により補正された複数の第２の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部と、
前記スペクトル積算部により積算された第１及び第２の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出する分子濃度算出部と
を備え、
前記周波数シフト補正部は、
前記第１及び第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する前に、
前記第１及び第２の信号スペクトルのそれぞれにおいて、信号成分が閾値以上である１つ以上の周波数の中から、いずれか１つの周波数を選択し、前記選択した周波数の信号成分を、前記１つ以上の周波数の信号成分の総和とする補正処理を行う、レーザレーダ装置。
【請求項３】
前記スペクトル算出部は、
前記スペクトル積算処理部により積算された第１の信号スペクトルに含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第１の信号スペクトルを前記周波数シフト補正部に出力するとともに、前記スペクトル積算処理部により積算された第２の信号スペクトルに含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第２の信号スペクトルを前記周波数シフト補正部に出力する雑音除去部を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記周波数シフト補正部は、
選択していない周波数の信号成分を前記選択した周波数に移動させることで、前記選択した周波数の信号成分を、前記１つ以上の周波数の信号成分の総和とする補正処理を行う請求項２に記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記分子濃度算出部は、
前記スペクトル積算部により積算された第１の信号スペクトルのピーク強度である第１のピーク強度を算出するとともに、前記スペクトル積算部により積算された第２の信号スペクトルのピーク強度である第２のピーク強度を算出するピーク強度算出部と、
前記ピーク強度算出部により算出された第１のピーク強度と前記ピーク強度算出部により算出された第２のピーク強度とから大気中の分子の濃度を算出する分子濃度算出処理部とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記分子濃度算出処理部は、前記ピーク強度算出部により算出された第１のピーク強度と前記ピーク強度算出部により算出された第２のピーク強度との比を算出し、前記第１のピーク強度と前記第２のピーク強度との比から大気中の分子の濃度を算出することを特徴とする請求項５記載のレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力された第１及び第２のレーザ光を大気中にそれぞれ放射し、前記散乱体により散乱された前記第１及び第２のレーザ光の散乱光である第１及び第２の散乱光をそれぞれ受信する光アンテナと、
前記光アンテナにより受信された第１の散乱光と前記第１のレーザ光を合波して、前記第１の散乱光と前記第１のレーザ光との合波光である第１の合波光を出力するとともに、前記光アンテナにより受信された第２の散乱光と前記第２のレーザ光を合波して、前記第２の散乱光と前記第２のレーザ光との合波光である第２の合波光を出力する光カプラと、
前記光カプラから出力された第１の合波光を検波して、前記第１の合波光を前記スペクトル算出部に出力するとともに、前記光カプラから出力された第２の合波光を検波して、前記第２の合波光を前記スペクトル算出部に出力する光受信機とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項８】
前記光アンテナから前記第１及び第２のレーザ光が放射される方向を切り替える方向切替器を備え、
前記分子濃度算出部は、前記方向切替器により第１及び第２のレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度を算出することで、分子濃度の分布を求めることを特徴とする請求項７記載のレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大気中の分子の濃度を算出するレーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下の非特許文献１には、大気中の分子の濃度を算出するレーザレーダ装置が開示されている。
このレーザレーダ装置は、大気中の分子に吸収される波長である吸収波長のレーザ光と、大気中の分子に吸収されない波長である非吸収波長のレーザ光とを発生させる光源を有している。大気中の分子は、固有の吸収スペクトルを有しており、吸収波長のレーザ光の波長は、大気中の分子の吸収スペクトルの波長に対応している。
また、このレーザレーダ装置は、光源から発生された吸収波長のレーザ光及び非吸収波長のレーザ光を大気中に放射し、大気中のエアロゾルにより散乱された吸収波長のレーザ光の散乱光及び非吸収波長のレーザ光の散乱光を受信する光アンテナを有している。
以下、吸収波長のレーザ光の散乱光を「吸収波長散乱光」と称し、非吸収波長のレーザ光の散乱光を「非吸収波長散乱光」と称する。【０００３】
さらに、このレーザレーダ装置は、光アンテナにより受信された吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光とを合波するとともに、光アンテナにより受信された非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光とを合波する光カプラを有している。
この光カプラは、吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光との合波光を出力するとともに、非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光との合波光を出力する。
以下、吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光との合波光を「吸収波長合波光」と称し、非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光との合波光を「非吸収波長合波光」と称する。【０００４】
このレーザレーダ装置は、光カプラから出力された吸収波長合波光を検波して、吸収波長合波光の受信信号を出力するとともに、光カプラから出力された非吸収波長合波光を検波して、非吸収波長合波光の受信信号を出力する光受信機を有している。
このレーザレーダ装置は、光受信機から出力された吸収波長合波光の受信信号と非吸収波長合波光の受信信号とから大気中の分子の濃度を算出する信号処理器を有している。【０００５】
信号処理器は、光受信機から吸収波長合波光の受信信号が出力されると、吸収波長合波光の受信信号を高速フーリエ変換することで、時間レンジ毎の複数の吸収波長合波光の信号スペクトルを算出する。
信号処理器は、信号対雑音比であるＳＮ比を高めるために、同一時間レンジ内の複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の信号スペクトルを積算する。
信号処理器は、複数の信号スペクトルを積算すると、積算後の信号スペクトルにおける複数の信号成分を比較し、複数の信号成分の中で、最も大きな信号成分を吸収波長合波光のピーク強度として特定する。【０００６】
信号処理器は、光受信機から非吸収波長合波光の受信信号が出力されると、非吸収波長合波光の受信信号を高速フーリエ変換することで、時間レンジ毎の複数の非吸収波長合波光の信号スペクトルを算出する。
信号処理器は、ＳＮ比を高めるために、同一時間レンジ内の複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の信号スペクトルを積算する。
信号処理器は、複数の信号スペクトルを積算すると、積算後の信号スペクトルにおける複数の信号成分を比較し、複数の信号成分の中で、最も大きな信号成分を非吸収波長合波光のピーク強度として特定する。【０００７】
信号処理器は、吸収波長合波光のピーク強度と非吸収波長合波光のピーク強度とから光学的厚さを算出し、光学的厚さから大気中の分子の濃度を算出する。
光学的厚さは、各々の時間レンジにおける吸収波長合波光のピーク強度と非吸収波長合波光のピーク強度との比である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Applied Optics vol.49 p1809-1817 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、大気中における散乱体（例えば、エアロゾルや大気分子）の位置に変化がなければ、複数の信号スペクトルを積算することでＳＮ比が高められる。その結果、吸収波長合波光のピーク強度の特定精度及び非吸収波長合波光のピーク強度の特定精度が向上するため、分子濃度の算出精度も向上する。
しかし、風速あるいは風向の変化に伴って大気中の散乱体の位置が変化している環境下では、レーザ光の散乱光にドップラーシフトが生じる。
ドップラーシフトが生じると、ピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が変化するため、複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算しても、ＳＮ比が高まらなくなる。その結果、吸収波長合波光のピーク強度の特定精度及び非吸収波長合波光のピーク強度の特定精度が劣化するため、分子濃度の算出精度が劣化してしまうという課題があった。【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、大気中の散乱体の位置が変化している場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るレーザレーダ装置は、大気中の分子に吸収される波長の第１のレーザ光が大気中の散乱体によって散乱された第１の散乱光と第１のレーザ光との合波光である第１の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルを算出するとともに、分子に吸収されない波長の第２のレーザ光が散乱体によって散乱された第２の散乱光と第２のレーザ光との合波光である第２の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルを算出するスペクトル算出部と、第１のレーザ光の周波数に対する複数の第１の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、第２のレーザ光の周波数に対する複数の第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、周波数シフト補正部により補正された複数の第１の信号スペクトルを積算するとともに、周波数シフト補正部により補正された複数の第２の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部と、スペクトル積算部により積算された第１及び第２の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出する分子濃度算出部とを備え、スペクトル算出部は、第１及び第２の合波光を検波する光受信機から第１の合波光の受信信号である第１の受信信号をフーリエ変換することで、第１の受信信号における時間レンジ毎の複数の第１の信号スペクトルを算出するとともに、光受信機から第２の合波光の受信信号である第２の受信信号をフーリエ変換することで、第２の受信信号における時間レンジ毎の複数の第２の信号スペクトルを算出するフーリエ変換部と、フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルを積算するとともに、フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルを積算するスペクトル積算処理部とを備え、周波数シフト補正部は、第１のレーザ光の周波数に対するスペクトル積算処理部により積算された第１の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、第２のレーザ光の周波数に対するスペクトル積算処理部により積算された第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正し、複数の信号スペクトルにおける信号成分の積算を行う周波数の組み合わせが複数用意されており、スペクトル積算処理部は、用意されている周波数の組み合わせ毎に、フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルにおける当該組み合わせが示す周波数の信号成分を積算し、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか１つの信号スペクトルを積算後の第１の信号スペクトルとして選択し、用意されている周波数の組み合わせ毎に、フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルにおける当該組み合わせが示す周波数の信号成分を積算し、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか１つの信号スペクトルを積算後の第２の信号スペクトルとして選択するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、第１のレーザ光の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、第２のレーザ光の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、周波数シフト補正部により補正された複数の第１の信号スペクトルを積算するとともに、周波数シフト補正部により補正された複数の第２の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部とを設け、分子濃度算出部が、スペクトル積算部により積算された第１及び第２の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出するように構成したので、大気中の散乱体の位置が変化している場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示すハードウェア構成図である。
【図４】信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
【図５】信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図７Ａは第１の受信信号Ｒ１の波形例を示す説明図、図７Ｂは第２の受信信号Ｒ２の波形例を示す説明図である。
【図８】図８Ａはフーリエ変換部２２により算出された第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンの第１の信号スペクトルＳＰ１を示す説明図、図８Ｂはフーリエ変換部２２により算出された第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンの第２の信号スペクトルＳＰ２を示す説明図である。
【図９】大気中のエアロゾルの位置が風の影響で変化している状況下で、フーリエ変換部２２により算出された第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の例を示す説明図である。
【図１０】図１０Ａは雑音除去部２４により雑音成分の除去処理が行われる前の信号スペクトル及び雑音スペクトルを示す説明図、図１０Ｂは雑音除去部２４により雑音成分の除去処理が行われた後の信号スペクトルを示す説明図である。
【図１１】周波数シフト補正部２５による信号スペクトルの周波数のシフト補正を示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示す構成図である。
【図１３】周波数シフト補正部３０による信号スペクトルの周波数のシフト補正を示す説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態４によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
【図１５】この発明の実施の形態４によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示す構成図である。
【図１６】この発明の実施の形態５によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図１において、基準光源１は波長切替器２から大気中の分子に吸収される波長のレーザ光である第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第１のレーザ光Ｌｂ１を光分配器３に出力する光源である。
また、基準光源１は波長切替器２から大気中の分子に吸収されない波長のレーザ光である第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第２のレーザ光Ｌｂ２を光分配器３に出力する。
【００１６】
大気中の分子は、固有の吸収スペクトルを有しており、分子に吸収される波長のレーザ光である第１のレーザ光Ｌｂ１は、大気中の分子の吸収スペクトルに対応している。観測対象の分子が異なれば、分子の吸収スペクトルが変わるため、基準光源１から出力される第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のＬｂ２の波長は、観測対象の分子によって設定される。
例えば、観測対象の分子が二酸化炭素であれば、吸収波長は１５７２．１９２ｎｍ、非吸収波長は１５７３．１９３ｎｍなどに設定される。
なお、基準光源１としては、例えば、線幅が数ＭＨｚ以下のレーザ光を出力する半導体レーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、あるいは、これらのレーザの組み合わせが用いられる。
【００１７】
波長切替器２は基準光源１から第１のレーザ光Ｌｂ１を出力させる場合、第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する旨を示す波長切替信号を基準光源１に出力し、基準光源１から第２のレーザ光Ｌｂ２を出力させる場合、第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する旨を示す波長切替信号を基準光源１に出力する。
ここでは、波長切替器２から出力される波長切替信号に従って基準光源１が第１のレーザ光Ｌｂ１又は第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する例を示しているが、基準光源１として、第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２を同時に出力可能な光源を用いるようにしてもよい。
【００１８】
光分配器３は基準光源１と光ファイバケーブルで接続されており、例えばビームスプリッタで構成されている。
光分配器３は基準光源１から出力された第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２を所定の比率でパルス変調器４と光カプラ８に分配する。
パルス変調器４は光分配器３と光ファイバケーブルで接続されており、例えば音響光学素子又はニオブ酸リチウム結晶を用いた変調素子で構成されている。
パルス変調器４は光分配器３により分配された第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２のパルス変調を行う。
【００１９】
光増幅器５はパルス変調器４と光ファイバケーブルで接続されており、例えば光ファイバ増幅器又は導波路型増幅器で構成されている。
光増幅器５はパルス変調器４から出力された第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の強度を増幅し、強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１及び強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を光サーキュレータ６に出力する。
光サーキュレータ６は光増幅器５と光ファイバケーブルで接続されており、例えば偏光ビームスプリッタ及び波長板で構成されている。
光サーキュレータ６は光増幅器５から出力された強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１及び強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を光アンテナ７に出力し、光アンテナ７から出力された第１のレーザ光Ｌｂ１の散乱光である第１の散乱光Ｓｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の散乱光である第２の散乱光Ｓｂ２を光カプラ８に出力する。
【００２０】
光アンテナ７は光サーキュレータ６と光ファイバケーブルで接続されており、例えば複数の屈折レンズ又は複数のミラーで構成されている。
光アンテナ７は光サーキュレータ６から出力された第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２のビーム径を大きくして第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２を大気中に放射する。
また、光アンテナ７は大気中のエアロゾル（散乱体）又はハードターゲットにより散乱された第１のレーザ光Ｌｂ１の散乱光である第１の散乱光Ｓｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の散乱光である第２の散乱光Ｓｂ２を受信して、第１の散乱光Ｓｂ１及び第２の散乱光Ｓｂ２を光サーキュレータ６に出力する。
【００２１】
光カプラ８は光分配器３及び光サーキュレータ６と光ファイバケーブルで接続されており、例えばビームスプリッタで構成されている。
光カプラ８は光サーキュレータ６から第１の散乱光Ｓｂ１が出力されると、第１の散乱光Ｓｂ１と光分配器３により分配された第１のレーザ光Ｌｂ１とを合波し、第１の散乱光Ｓｂ１と第１のレーザ光Ｌｂ１との合波光である第１の合波光Ｃｂ１を５０対５０の比率で２つに分岐して光受信機９に出力する。
光カプラ８は光サーキュレータ６から第２の散乱光Ｓｂ２が出力されると、第２の散乱光Ｓｂ２と光分配器３により分配された第２のレーザ光Ｌｂ２とを合波し、第２の散乱光Ｓｂ２と第２のレーザ光Ｌｂ２との合波光である第２の合波光Ｃｂ２を５０対５０の比率で２つに分岐して光受信機９に出力する。
【００２２】
光受信機９は光カプラ８と２本の光ファイバケーブルで接続されており、例えば２つのフォトダイオードを用いて同相雑音を軽減するようなバランスドレシーバで構成されている。
光受信機９は光カプラ８から出力された２つの第１の合波光Ｃｂ１をヘテロダイン検波して、第１の合波光Ｃｂ１の受信信号である第１の受信信号Ｒ１をアナログデジタル変換器であるＡ／Ｄ変換器１０に出力する。
また、光受信機９は光カプラ８から出力された２つの第２の合波光Ｃｂ２をヘテロダイン検波して、第２の合波光Ｃｂ２の受信信号である第２の受信信号Ｒ２をＡ／Ｄ変換器１０に出力する。
第１の受信信号Ｒ１及び第２の受信信号Ｒ２は電気信号である。
【００２３】
Ａ／Ｄ変換器１０は光受信機９と電気信号ケーブルで接続されており、光受信機９から出力されたアナログの第１の受信信号Ｒ１及び第２の受信信号Ｒ２をデジタル信号に変換し、デジタル信号である受信データＤＲ１，ＤＲ２を信号処理器１１に出力する。
信号処理器１１はＡ／Ｄ変換器１０と電気信号ケーブルで接続されており、波長切替器２から出力される波長切替信号を制御する。
また、信号処理器１１はＡ／Ｄ変換器１０から出力された受信データＤＲ１，ＤＲ２に基づいて大気中の分子の濃度Ｃを算出する。
【００２４】
図２はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示す構成図である。
図３はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示すハードウェア構成図である。
図２及び図３において、スペクトル算出部２１はフーリエ変換部２２、スペクトル積算処理部２３及び雑音除去部２４を備えている。
スペクトル算出部２１はＡ／Ｄ変換器１０から出力された受信データＤＲ１の信号スペクトルである第１の信号スペクトルＳＰ１を算出するとともに、Ａ／Ｄ変換器１０から出力された受信データＤＲ２の信号スペクトルである第２の信号スペクトルＳＰ２を算出する。
【００２５】
フーリエ変換部２２は例えば図３に示すフーリエ変換回路４１によって実現されるものである。
フーリエ変換部２２はＡ／Ｄ変換器１０から出力された受信データＤＲ１に対する高速フーリエ変換処理であるＦＦＴを実施することで、受信データＤＲ１の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を算出する。
また、フーリエ変換部２２はＡ／Ｄ変換器１０から出力された受信データＤＲ２に対するＦＦＴを実施することで、受信データＤＲ２の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を算出する。
【００２６】
スペクトル積算処理部２３は例えば図３に示すスペクトル積算回路４２によって実現されるものである。
スペクトル積算処理部２３はフーリエ変換部２２により算出された同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算して、積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１を雑音除去部２４に出力する処理を実施する。
また、スペクトル積算処理部２３はフーリエ変換部２２により算出された同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算して、積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２を雑音除去部２４に出力する処理を実施する。
【００２７】
雑音除去部２４は例えば図３に示す雑音除去回路４３によって実現されるものである。
雑音除去部２４はスペクトル積算処理部２３による積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１に含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１を周波数シフト補正部２５に出力する処理を実施する。
また、雑音除去部２４はスペクトル積算処理部２３による積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２に含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２を周波数シフト補正部２５に出力する処理を実施する。
【００２８】
周波数シフト補正部２５は例えば図３に示す周波数シフト補正回路４４によって実現されるものである。
周波数シフト補正部２５は光アンテナ７から放射された第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数に対する雑音除去部２４による雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
また、周波数シフト補正部２５は光アンテナ７から放射された第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数に対する雑音除去部２４による雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
【００２９】
スペクトル積算部２６は例えば図３に示すスペクトル積算回路４５によって実現されるものである。
スペクトル積算部２６は周波数シフト補正部２５により周波数のシフトが補正された複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算して、積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１をピーク強度算出部２８に出力する処理を実施する。
周波数シフト補正部２５により周波数のシフトが補正された複数の第１の信号スペクトルＳＰ１は、同一時間レンジ内の複数の時刻の信号スペクトルが積算された補正後の信号スペクトルである。
なお、スペクトル積算部２６は、周波数シフト補正部２５により周波数のシフトが補正された複数の第１の信号スペクトルＳＰ１における同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算する。
【００３０】
スペクトル積算部２６は周波数シフト補正部２５により周波数のシフトが補正された複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算して、積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２をピーク強度算出部２８に出力する処理を実施する。
周波数シフト補正部２５により周波数のシフトが補正された複数の第２の信号スペクトルＳＰ２は、同一時間レンジ内の複数の時刻の信号スペクトルが積算された補正後の信号スペクトルである。
なお、スペクトル積算部２６は、周波数シフト補正部２５により周波数のシフトが補正された複数の第２の信号スペクトルＳＰ２における同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算する。
【００３１】
分子濃度算出部２７はピーク強度算出部２８及び分子濃度算出処理部２９を備えている。
分子濃度算出部２７はスペクトル積算部２６により積算された第１の信号スペクトルＳＰ１とスペクトル積算部２６により積算された第２の信号スペクトルＳＰ２とから大気中の分子の濃度Ｃを算出する。
ピーク強度算出部２８は例えば図３に示すピーク強度算出回路４６によって実現されるものである。
ピーク強度算出部２８はスペクトル積算部２６による積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１のピーク強度である第１のピーク強度Ｐｏｎを算出する処理を実施する。
また、ピーク強度算出部２８はスペクトル積算部２６による積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２のピーク強度である第２のピーク強度Ｐｏｆｆを算出する処理を実施する。
【００３２】
分子濃度算出処理部２９は例えば図３に示す分子濃度算出回路４７によって実現されるものである。
分子濃度算出処理部２９はピーク強度算出部２８により算出された第１のピーク強度Ｐｏｎとピーク強度算出部２８により算出された第２のピーク強度Ｐｏｆｆとから大気中の分子の濃度Ｃを算出する処理を実施する。
【００３３】
図２では、信号処理器１１の構成要素であるフーリエ変換部２２、スペクトル積算処理部２３、雑音除去部２４、周波数シフト補正部２５、スペクトル積算部２６、ピーク強度算出部２８及び分子濃度算出処理部２９のそれぞれが、図３に示すような専用のハードウェアで実現されるものを想定している。具体的には、信号処理器１１が、フーリエ変換回路４１、スペクトル積算回路４２、雑音除去回路４３、周波数シフト補正回路４４、スペクトル積算回路４５、ピーク強度算出回路４６及び分子濃度算出回路４７で実現されるものを想定している。
【００３４】
フーリエ変換回路４１、スペクトル積算回路４２、雑音除去回路４３、周波数シフト補正回路４４、スペクトル積算回路４５、ピーク強度算出回路４６及び分子濃度算出回路４７は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、または、これらを組み合わせたものが該当する。
ただし、信号処理器１１の構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、信号処理器１１がソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
【００３５】
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などが該当する。
コンピュータのメモリは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などが該当する。
【００３６】
図４は信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合、フーリエ変換部２２、スペクトル積算処理部２３、雑音除去部２４、周波数シフト補正部２５、スペクトル積算部２６、ピーク強度算出部２８及び分子濃度算出処理部２９の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムをメモリ５１に格納し、コンピュータのプロセッサ５２がメモリ５１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図５及び図６は信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合の処理手順を示すフローチャートである。
また、図３では、信号処理器１１の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図４では、信号処理器１１がソフトウェア又はファームウェアで実現される例を示しているが、信号処理器１１における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェアで実現されるものであってもよい。
【００３７】
次に動作について説明する。
基準光源１は、波長切替器２から大気中の分子に吸収される波長のレーザ光である第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第１のレーザ光Ｌｂ１を光分配器３に出力する。
また、基準光源１は、波長切替器２から大気中の分子に吸収されない波長のレーザ光である第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第２のレーザ光Ｌｂ２を光分配器３に出力する。
この実施の形態１では、基準光源１が、第１のレーザ光Ｌｂ１と第２のレーザ光Ｌｂ２を交互に出力するものとするが、基準光源１が、第１のレーザ光Ｌｂ１と第２のレーザ光Ｌｂ２を同時に出力するものであってもよい。
【００３８】
光分配器３は、基準光源１から第１のレーザ光Ｌｂ１を受けると、第１のレーザ光Ｌｂ１を所定の比率でパルス変調器４と光カプラ８に分配する。
光分配器３は、基準光源１から第２のレーザ光Ｌｂ２を受けると、第２のレーザ光Ｌｂ２を所定の比率でパルス変調器４と光カプラ８に分配する。
【００３９】
パルス変調器４は、光分配器３から第１のレーザ光Ｌｂ１を受けると、第１のレーザ光Ｌｂ１のパルス変調を行う。
パルス変調器４は、光分配器３から第２のレーザ光Ｌｂ２を受けると、第２のレーザ光Ｌｂ２のパルス変調を行う。
例えば、パルス変調器４は、第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２のパルス変調として、第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の光強度の形状がガウス形状又は矩形形状になるような第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の強度変調を行う。
また、パルス変調器４は、第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２のパルス変調として、第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数をシフトさせる周波数シフトを行う。第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数シフト量としては、例えば、２０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの範囲である。
これにより、パルス変調器４からパルス変調後の第１のレーザ光Ｌｂ１及びパルス変調後の第２のレーザ光Ｌｂ２が光増幅器５に出力される。
【００４０】
光増幅器５は、パルス変調器４からパルス変調後の第１のレーザ光Ｌｂ１を受けると、パルス変調後の第１のレーザ光Ｌｂ１の強度を増幅し、強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１を光サーキュレータ６に出力する。
光増幅器５は、パルス変調器４からパルス変調後の第２のレーザ光Ｌｂ２を受けると、パルス変調後の第２のレーザ光Ｌｂ２の強度を増幅し、強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を光サーキュレータ６に出力する。
光サーキュレータ６は、光増幅器５から強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１を受けると、強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１を光アンテナ７に出力する。
光サーキュレータ６は、光増幅器５から強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を受けると、強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を光アンテナ７に出力する。
【００４１】
光アンテナ７は、光サーキュレータ６から強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１を受けると、強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１のビーム径を大きくして、強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１を大気中に放射する。
光アンテナ７は、光サーキュレータ６から強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を受けると、強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２のビーム径を大きくして、強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を大気中に放射する。
光アンテナ７は、強度増幅後の第１のレーザ光Ｌｂ１を大気中に放射した後、大気中のエアロゾル又はハードターゲットにより散乱された第１のレーザ光Ｌｂ１の散乱光である第１の散乱光Ｓｂ１を受信して、第１の散乱光Ｓｂ１を光サーキュレータ６に出力する。
光アンテナ７は、強度増幅後の第２のレーザ光Ｌｂ２を大気中に放射した後、大気中のエアロゾル又はハードターゲットにより散乱された第２のレーザ光Ｌｂ２の散乱光である第２の散乱光Ｓｂ２を受信して、第２の散乱光Ｓｂ２を光サーキュレータ６に出力する。
【００４２】
光サーキュレータ６は、光アンテナ７から第１の散乱光Ｓｂ１を受けると、第１の散乱光Ｓｂ１を光カプラ８に出力し、光アンテナ７から第２の散乱光Ｓｂ２を受けると、第２の散乱光Ｓｂ２を光カプラ８に出力する。
光カプラ８は、光サーキュレータ６から第１の散乱光Ｓｂ１を受けると、第１の散乱光Ｓｂ１と光分配器３から出力された第１のレーザ光Ｌｂ１とを合波し、第１の散乱光Ｓｂ１と第１のレーザ光Ｌｂ１との合波光である第１の合波光Ｃｂ１を５０対５０の比率で２つに分岐して光受信機９に出力する。
光カプラ８は、光サーキュレータ６から第２の散乱光Ｓｂ２を受けると、第２の散乱光Ｓｂ２と光分配器３から出力された第２のレーザ光Ｌｂ２とを合波し、第２の散乱光Ｓｂ２と第２のレーザ光Ｌｂ２との合波光である第２の合波光Ｃｂ２を５０対５０の比率で２つに分岐して光受信機９に出力する。
【００４３】
光受信機９は、光カプラ８から５０対５０の比率で分岐された２つの第１の合波光Ｃｂ１を受けると、２つの第１の合波光Ｃｂ１をヘテロダイン検波して、第１の合波光Ｃｂ１の受信信号である第１の受信信号Ｒ１をＡ／Ｄ変換器１０に出力する。
光受信機９は、光カプラ８から５０対５０の比率で分岐された２つの第２の合波光Ｃｂ２を受けると、２つの第２の合波光Ｃｂ２をヘテロダイン検波して、第２の合波光Ｃｂ２の受信信号である第２の受信信号Ｒ２をＡ／Ｄ変換器１０に出力する。
光受信機９による第１の合波光Ｃｂ１及び第２の合波光Ｃｂ２のヘテロダイン検波は、同相雑音を軽減することが可能なバランスド検出である。
ここで、図７は光受信機９から出力される第１の受信信号Ｒ１及び第２の受信信号Ｒ２の波形例を示す説明図である。
図７Ａは第１の受信信号Ｒ１の波形例を示し、図７Ｂは第２の受信信号Ｒ２の波形例を示している。
図７において、横軸は時間、縦軸は受信信号の信号強度である。
図７では、時間レンジをＮに分けて、第１時間レンジビン〜第Ｎ時間レンジビンの信号強度を示している。
【００４４】
Ａ／Ｄ変換器１０は、光受信機９からアナログの第１の受信信号Ｒ１及び第２の受信信号Ｒ２を受けると、アナログの第１の受信信号Ｒ１及び第２の受信信号Ｒ２をデジタル信号に変換し、デジタル信号である受信データＤＲ１，ＤＲ２を信号処理器１１に出力する。
信号処理器１１は、波長切替器２から出力される波長切替信号を制御する。
この実施の形態１では、上述したように、基準光源１が、第１のレーザ光Ｌｂ１と第２のレーザ光Ｌｂ２を交互に出力するように、信号処理器１１が波長切替器２から出力される波長切替信号を制御している。
信号処理器１１は、Ａ／Ｄ変換器１０からデジタル信号である受信データＤＲ１，ＤＲ２を受けると、受信データＤＲ１，ＤＲ２に基づいて大気中の分子の濃度Ｃを算出する。
以下、信号処理器１１による分子濃度Ｃの算出処理を具体的に説明する。
【００４５】
信号処理器１１のフーリエ変換部２２は、Ａ／Ｄ変換器１０から受信データＤＲ１が出力されると（図５のステップＳＴ１：ＹＥＳの場合）、当該受信データＤＲ１に対するＦＦＴを実施することで、当該受信データＤＲ１の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を算出する（図５のステップＳＴ２）。
また、フーリエ変換部２２は、Ａ／Ｄ変換器１０から受信データＤＲ２が出力されると（図５のステップＳＴ３：ＹＥＳの場合）、当該受信データＤＲ２に対するＦＦＴを実施することで、当該受信データＤＲ２の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を算出する（図５のステップＳＴ４）。
この実施の形態１では、フーリエ変換部２２は、第１時間レンジビン〜第Ｎ時間レンジビンの受信データＤＲ１，ＤＲ２に対するＦＦＴを実施することで、第１時間レンジビン〜第Ｎ時間レンジビンにおける複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を算出している。
なお、フーリエ変換部２２は、Ａ／Ｄ変換器１０から受信データＤＲ１，ＤＲ２が出力されていないときは（図５のステップＳＴ１，ＳＴ３：ＮＯの場合）、Ａ／Ｄ変換器１０から受信データＤＲ１又は受信データＤＲ２が出力されるまで待機する。
【００４６】
図８はフーリエ変換部２２による第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の算出例を示す説明図である。
図８Ａはフーリエ変換部２２により算出された第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンの第１の信号スペクトルＳＰ１を示し、図８Ｂはフーリエ変換部２２により算出された第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンの第２の信号スペクトルＳＰ２を示している。
図８において、横軸は周波数、縦軸は信号強度である。
図８は、大気中のエアロゾルの位置に変化がない例を示している。
大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１のピーク強度Ｐｏｎに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置になる。また、時間レンジが異なっていても、図８Ａに示すように、第１の信号スペクトルＳＰ１のピーク強度Ｐｏｎに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置となる。
また、大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２のピーク強度Ｐｏｆｆに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置になる。また、時間レンジが異なっていても、図８Ｂに示すように、第２の信号スペクトルＳＰ２のピーク強度Ｐｏｆｆに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置となる。
図８Ａ及び図８Ｂの例では、第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンのいずれであっても、第１の信号スペクトルＳＰ１のピーク強度Ｐｏｎ及び第２の信号スペクトルＳＰ２のピーク強度Ｐｏｆｆが、全て第６周波数レンジビンに存在している。
【００４７】
図９は大気中のエアロゾルの位置が風の影響で変化している状況下で、フーリエ変換部２２により算出された第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の例を示す説明図である。
図９に示すように、第１時間レンジビン内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１のピーク強度Ｐｏｎに対応する周波数が異なっており、第１時間レンジビン内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２のピーク強度Ｐｏｆｆに対応する周波数とが異なっている。
即ち、第１時間レンジビン内の時刻ｔ１の第１の信号スペクトルＳＰ１（ｔ１）のピーク強度Ｐｏｎに対応する周波数と、時刻ｔ２の第１の信号スペクトルＳＰ１（ｔ２）のピーク強度Ｐｏｎに対応する周波数とが異なっている。また、第１時間レンジビン内の時刻ｔ１の第２の信号スペクトルＳＰ２（ｔ１）のピーク強度Ｐｏｆｆに対応する周波数と、時刻ｔ２の第２の信号スペクトルＳＰ２（ｔ２）のピーク強度Ｐｏｆｆに対応する周波数とが異なっている。
図９では、第１時間レンジビンだけを例示しているが、実際には、第２時間レンジビン〜第Ｎ時間レンジビンも存在している。Ｎは３以上の整数である。
【００４８】
大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、上述したように、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１のピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が同じ位置となる。また、複数の第２の信号スペクトルＳＰ２のピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が同じ位置となる。このため、後段のスペクトル積算処理部２３が、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算するとともに、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算することで、所望の信号成分であるエアロゾルに対応する信号成分が積み上がり、ＳＮ比が高まる。
一方、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合、図９に示すように、同一時間レンジ内であっても、ピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が異なる位置となる。このため、後段のスペクトル積算処理部２３が、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２をそれぞれ積算しても、所望の信号成分が積み上がらず、ＳＮ比が高まらない。
【００４９】
したがって、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合、スペクトル積算処理部２３が、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２をそれぞれ長時間積算（例えば１分以上）しても、後段のピーク強度算出部２８による第１のピーク強度Ｐｏｎ及び第２のピーク強度Ｐｏｆｆの特定精度を高めることは困難である。図９の例では、積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１及び積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２において、所望の信号成分だけでなく、複数の信号成分が大きくなっているため、所望の信号成分に対応する第１のピーク強度Ｐｏｎ及び第２のピーク強度Ｐｏｆｆの特定が困難になっている。
ただし、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合でも、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２をそれぞれ短時間積算（例えば４秒）することで、後段の周波数シフト補正部２５において、第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフト量ｆｄ１，ｆｄ２を算出することが可能になる程度にはＳＮ比が高まる。
１つの時間レンジの信号スペクトルのみでは、信号強度が小さいため、後段の周波数シフト補正部２５において、第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフト量ｆｄ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフト量ｆｄ２を算出することは困難である。
【００５０】
スペクトル積算処理部２３は、フーリエ変換部２２が時間レンジ毎の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を算出すると、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算し、積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１を雑音除去部２４に出力する（図５のステップＳＴ５）。
また、スペクトル積算処理部２３は、フーリエ変換部２２が時間レンジ毎の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を算出すると、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算し、積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２を雑音除去部２４に出力する（図５のステップＳＴ６）。
同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の積算処理は、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の積算処理は、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
【００５１】
スペクトル積算処理部２３は、第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の積算回数が事前に設定された回数に到達するまで、あるいは、ＳＮ比が事前に設定されたＳＮ比に到達するまで、第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の積算処理を繰り返し実施する。
なお、大気中のエアロゾルの位置が風の影響で変化している場合、スペクトル積算処理部２３が、同一周波数の信号成分同士を積算しても、ＳＮ比が大きく高まることはないが、後段の周波数シフト補正部２５が、周波数のシフト量ｆｄ１，ｆｄ２を算出することが可能になる程度にはＳＮ比が高まる。
【００５２】
雑音除去部２４は、スペクトル積算処理部２３から積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１を受けると、積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１に含まれている雑音成分を除去し、雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１を周波数シフト補正部２５に出力する（図５のステップＳＴ７）。
また、雑音除去部２４は、スペクトル積算処理部２３から積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２を受けると、積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２に含まれている雑音成分を除去し、雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２を周波数シフト補正部２５に出力する（図５のステップＳＴ８）。
【００５３】
図１０は雑音除去部２４により雑音成分の除去処理が行われる前後の信号スペクトルを示す説明図である。
図１０Ａは雑音除去部２４により雑音成分の除去処理が行われる前の信号スペクトル及び雑音スペクトルを示し、図１０Ｂは雑音除去部２４により雑音成分の除去処理が行われた後の信号スペクトルを示している。
以下、雑音除去部２４による雑音成分の除去処理を具体的に説明する。
【００５４】
雑音除去部２４により雑音成分の除去処理が行われる前の第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２は、図１０Ａに示すように、第１のレーザ光Ｌｂ１及び第２のレーザ光Ｌｂ２を散乱させるエアロゾルに対応する信号成分の他に、光受信機９の熱雑音及び光増幅器５から放射される増幅光雑音などの雑音成分を含んでいる。
雑音除去部２４は、雑音成分の除去処理を行う前に、光受信機９の熱雑音及び光増幅器５から放射される増幅光雑音などの雑音成分を観測して、その雑音成分を示す雑音スペクトルを記録する。
雑音除去部２４は、スペクトル積算処理部２３による積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１から記録している雑音スペクトルを減算することで、第１の信号スペクトルＳＰ１に含まれている雑音成分を除去し、図１０Ｂに示すような第１の信号スペクトルＳＰ１を周波数シフト補正部２５に出力する。
また、雑音除去部２４は、スペクトル積算処理部２３による積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２から記録している雑音スペクトルを減算することで、第２の信号スペクトルＳＰ２に含まれている雑音成分を除去し、図１０Ｂに示すような第２の信号スペクトルＳＰ２を周波数シフト補正部２５に出力する。
【００５５】
周波数シフト補正部２５は、雑音除去部２４から雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１を受けると、光アンテナ７から放射された第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数に対する雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフト量ｆｄ１を算出する。
この周波数のシフト量ｆｄ１は、大気中のエアロゾルの位置の変化に伴う第１の散乱光Ｓｂ１のドップラーシフト量に相当する。
ドップラーシフト量の算出処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、光アンテナ７から放射された第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数と、第１の散乱光Ｓｂ１の周波数との差分からドップラーシフト量を求めることができる。
周波数シフト補正部２５は、周波数のシフト量ｆｄ１を算出すると、雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数をシフト量ｆｄ１だけシフトすることで、雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数をドップラーシフトのないときの周波数と一致させる補正を行う（図５のステップＳＴ９）。
【００５６】
また、周波数シフト補正部２５は、雑音除去部２４から雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２を受けると、光アンテナ７から放射された第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数に対する雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフト量ｆｄ２を算出する。シフト量ｆｄ２の算出は、光アンテナ７から放射された第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数と、第２の散乱光Ｓｂ２の周波数との差分から求めることができる。
周波数シフト補正部２５は、周波数のシフト量ｆｄ２を算出すると、雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数をシフト量ｆｄ２だけシフトすることで、雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数をドップラーシフトのないときの周波数と一致させる補正を行う（図５のステップＳＴ１０）。
【００５７】
図１１は周波数シフト補正部２５による信号スペクトルの周波数のシフト補正を示す説明図である。
図１１は、周波数シフト補正部２５によって同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数がシフトされるとともに、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数がシフトされることで、エアロゾルに対応する信号成分の周波数が、同じ周波数レンジビンに存在するようになることを表している。
図１１の例では、シフト補正後の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数はｆ１になっている。また、シフト補正後の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数はｆ２になっている。
【００５８】
図１１では、第１時間レンジビンだけを例示しているが、実際には、第２時間レンジビン〜第Ｍ時間レンジビンも存在している。Ｍは３以上の整数である。
ただし、前段のスペクトル積算処理部２３によって積算処理が行われているため、図１１における１つの第１の信号スペクトルＳＰ１は、図９における複数の第１の信号スペクトルＳＰ１と対応している。また、図１１における１つの第２の信号スペクトルＳＰ２は、図９における複数の第２の信号スペクトルＳＰ２と対応している。
例えば、スペクトル積算処理部２３における第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の積算回数が５回であれば、図１１における第１の信号スペクトルＳＰ１（ｔ１）は、図９における同一時間レンジ内の５つの時刻ｔ＝１〜５の第１の信号スペクトルＳＰ１（ｔ１）〜ＳＰ１（ｔ５）と対応している。図１１における第２の信号スペクトルＳＰ２（ｔ１）は、図９における同一時間レンジ内の５つの時刻ｔ＝１〜５の第２の信号スペクトルＳＰ２（ｔ１）〜ＳＰ２（ｔ５）と対応している。
また、図１１における第１の信号スペクトルＳＰ１（ｔ２）は、図９における同一時間レンジ内の５つの時刻ｔ＝６〜１０の第１の信号スペクトルＳＰ（ｔ６）〜ＳＰ１（ｔ１０）１と対応している。図１１における第２の信号スペクトルＳＰ２（ｔ２）は、図９における同一時間レンジ内の５つの時刻ｔ＝６〜１０の第２の信号スペクトルＳＰ２（ｔ６）〜ＳＰ２（ｔ１０）と対応している。
【００５９】
ここでは、周波数シフト補正部２５が、第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数を第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数と一致させる補正を行うとともに、第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数を第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数と一致させる補正を行う例を示している。
第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数の補正方法は、上記の例に限るものではない。
例えば、周波数シフト補正部２５が、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数が同じドップラーシフト量となるように、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数を補正するようにしてもよい。また、周波数シフト補正部２５が、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数が同じドップラーシフト量となるように、複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数を補正するようにしてもよい。
具体的には、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１のドップラーシフト量が、同一時間レンジ内の基準とする第１の信号スペクトルＳＰ１のドップラーシフト量と同じになるように、周波数シフト補正部２５が、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数を補正する例が考えられる。同一時間レンジ内の基準とする第１の信号スペクトルＳＰ１としては、例えば、時刻ｔ１の第１の信号スペクトルＳＰ１が考えられる。
また、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２のドップラーシフト量が、同一時間レンジ内の基準とする第２の信号スペクトルＳＰ２のドップラーシフト量と同じになるように、周波数シフト補正部２５が、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数を補正する例が考えられる。
【００６０】
ステップＳＴ１〜ＳＴ１０の処理は、信号処理器１１が処理を開始してからの時間が、事前に設定された観測時間を経過するまで間、繰り返し実施される（ステップＳＴ１１：ＮＯの場合）。
信号処理器１１が処理を開始してからの時間が観測時間を経過すると（ステップＳＴ１１：ＹＥＳの場合）、ステップＳＴ１〜ＳＴ１０の繰り返し処理は終了する。
なお、観測時間中、周波数シフト補正部２５によって第１時間レンジビン〜第Ｍ時間レンジビンにおける複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトが補正された場合、周波数のシフトが補正された第１時間レンジビン〜第Ｍ時間レンジビンにおける複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２が、スペクトル積算部２６に記憶される。
【００６１】
スペクトル積算部２６は、第１時間レンジビン〜第Ｍ時間レンジビンにおいて、記憶している同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算し、積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１をピーク強度算出部２８に出力する（図６のステップＳＴ２１）。
また、スペクトル積算部２６は、記憶している同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算し、積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２をピーク強度算出部２８に出力する（図６のステップＳＴ２２）。
同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の積算処理は、各々の第１の信号スペクトルＳＰ１における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の積算処理は、各々の第２の信号スペクトルＳＰ２における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
周波数シフト補正部２５によって周波数がシフトされている複数の第１の信号スペクトルＳＰ１が積算されるとともに、周波数シフト補正部２５によって周波数がシフトされている複数の第２の信号スペクトルＳＰ２が積算されているので、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合でも、所望の信号成分であるエアロゾルに対応する信号成分が積み上がり、ＳＮ比が高まる。
【００６２】
ピーク強度算出部２８は、スペクトル積算部２６による積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１における各々の信号成分を比較して、最も大きな信号成分である第１のピーク強度Ｐｏｎを特定する（図６のステップＳＴ２３）。
また、ピーク強度算出部２８は、スペクトル積算部２６による積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２における各々の信号成分を比較して、最も大きな信号成分である第２のピーク強度Ｐｏｆｆを特定する（図６のステップＳＴ２４）。
【００６３】
分子濃度算出処理部２９は、ピーク強度算出部２８により特定された第１のピーク強度Ｐｏｎとピーク強度算出部２８により特定された第２のピーク強度Ｐｏｆｆとから大気中の分子の濃度Ｃを算出する。
以下、分子濃度算出処理部２９による分子濃度Ｃの算出処理を具体的に説明する。
【００６４】
まず、分子濃度算出処理部２９は、第ｍ（ｍ＝２，３，・・・，Ｍ）時間レンジビンにおける分子濃度Ｃの算出処理を行う場合、第ｍ時間レンジビンの第１のピーク強度Ｐｏｎであるピーク強度Ｐｏｎ（ｍ）と、第ｍ時間レンジビンの第２のピーク強度Ｐｏｆｆであるピーク強度Ｐｏｆｆ（ｍ）とを取得する。
また、分子濃度算出処理部２９は、第（ｍ−１）時間レンジビンの第１のピーク強度Ｐｏｎであるピーク強度Ｐｏｎ（ｍ−１）と、第（ｍ−１）時間レンジビンの第２のピーク強度Ｐｏｆｆであるピーク強度Ｐｏｆｆ（ｍ−１）とを取得する。
【００６５】
次に、分子濃度算出処理部２９は、以下の式（１）に示すように、第ｍ時間レンジビンのピーク強度Ｐｏｎ（ｍ）及びピーク強度Ｐｏｆｆ（ｍ）と、第（ｍ−１）時間レンジビンのピーク強度Ｐｏｎ（ｍ−１）及びピーク強度Ｐｏｆｆ（ｍ−１）とを用いて、光学的厚さＯＤを算出する（図６のステップＳＴ２５）。
0006505343.tif 000002
光学的厚さＯＤは、第ｍ時間レンジビンにおけるピーク強度Ｐｏｎ（ｍ）とピーク強度Ｐｏｆｆ（ｍ）との比である。
式（１）において、Ｐｏｆｆ（ｍ−１）／Ｐｏｎ（ｍ−１）は、光学的厚さＯＤを規格化するために、Ｐｏｎ（ｍ）／Ｐｏｆｆ（ｍ）に乗算している。
【００６６】
次に、分子濃度算出処理部２９は、以下の式（２）に示すように、光学的厚さＯＤと、第ｍ時間レンジビンに対応するエアロゾルの位置と光アンテナ７との間の距離ｚと、吸収波長の吸収係数ｋｏｎと、非吸収波長の吸収係数ｋｏｆｆとを用いて、大気中の分子の濃度Ｃを算出する（図６のステップＳＴ２６）。吸収係数ｋｏｎ及び吸収係数ｋｏｆｆは既知の係数である。
0006505343.tif 000003
【００６７】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフトを補正するとともに、第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部２５と、周波数シフト補正部２５により補正された複数の第１の信号スペクトルＳＰ１を積算するとともに、周波数シフト補正部２５により補正された複数の第２の信号スペクトルＳＰ２を積算するスペクトル積算部２６とを設け、分子濃度算出部２７が、スペクトル積算部２６により積算された第１の信号スペクトルＳＰ１とスペクトル積算部２６により積算された第２の信号スペクトルＳＰ２とから大気中の分子の濃度Ｃを算出するように構成したので、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Ｃの算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
特に、大気分子が水蒸気で、波長１．５ｕｍ帯での吸収スペクトル強度が小さい場合において分子濃度計測の精度を上げる場合には、吸収波長と非吸収波長のピーク強度を高いＳＮ比で計測して、差分を算出する必要がある。この場合、数分から数十分といった長時間の積算が必要となるが、この実施の形態１によって、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
【００６８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、同一時間レンジ内の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び同一時間レンジ内の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の積算処理として、スペクトル積算処理部２３が、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２における同一周波数の信号成分同士を積算する例を示している。
この実施の形態２では、スペクトル積算処理部２３が、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２における異なる周波数の信号成分同士を積算する例を説明する。
具体的には、以下の通りである。
【００６９】
ここでは、スペクトル積算処理部２３における第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の積算回数が６回である例を説明する。
スペクトル積算処理部２３には、予め、同一時間レンジ内の時刻ｔ１〜ｔ６の第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２における信号成分の積算を行う周波数の組み合わせが複数用意されている。
例えば、同一時間レンジ内の時刻ｔ１〜ｔ６の信号スペクトルの積算を行う際の周波数の組み合わせについてのパターンとして、組み合わせパターンＡと、組み合わせパターンＢと、組み合わせパターンＣとを例示する。
【００７０】
［組み合わせパターンＡ］
積算後の信号スペクトルの第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＝時刻ｔ１の第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ２の第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ３の第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ４の第（ｍ＋１）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ５の第（ｍ＋１）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ６の第（ｍ＋１）周波数レンジビンにおける信号成分
【００７１】
［組み合わせパターンＢ］
積算後の信号スペクトルの第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＝時刻ｔ１の第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ２の第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ３の第（ｍ＋１）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ４の第（ｍ＋１）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ５の第（ｍ＋２）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ６の第（ｍ＋２）周波数レンジビンにおける信号成分
【００７２】
［組み合わせパターンＣ］
積算後の信号スペクトルの第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＝時刻ｔ１の第ｍ周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ２の第（ｍ＋１）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ３の第（ｍ＋２）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ４の第（ｍ＋３）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ５の第（ｍ＋４）周波数レンジビンにおける信号成分
＋時刻ｔ６の第（ｍ＋５）周波数レンジビンにおける信号成分
【００７３】
スペクトル積算処理部２３は、組み合わせパターンＡに従って時刻ｔ１〜時刻ｔ６における第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２をそれぞれ積算し、組み合わせパターンＢに従って時刻ｔ１〜時刻ｔ６における第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２をそれぞれ積算する。
また、スペクトル積算処理部２３は、組み合わせパターンＣに従って時刻ｔ１〜時刻ｔ６における第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２をそれぞれ積算する。
【００７４】
スペクトル積算処理部２３は、組み合わせパターンＡ，Ｂ，Ｃに従ってそれぞれ積算した第１の信号スペクトルＳＰ１における最大の信号成分を比較し、積算後の３つの第１の信号スペクトルＳＰ１の中から、最大の信号成分が最も大きい第１の信号スペクトルＳＰ１を選択する。
スペクトル積算処理部２３は、選択した第１の信号スペクトルＳＰ１を積算後の第１の信号スペクトルＳＰ１として、ピーク強度算出部２８に出力する。
また、スペクトル積算処理部２３は、組み合わせパターンＡ，Ｂ，Ｃに従ってそれぞれ積算した第２の信号スペクトルＳＰ２における最大の信号成分を比較し、積算後の３つの第２の信号スペクトルＳＰ２の中から、最大の信号成分が最も大きい第２の信号スペクトルＳＰ２を選択する。
スペクトル積算処理部２３は、選択した第２の信号スペクトルＳＰ２を積算後の第２の信号スペクトルＳＰ２として、ピーク強度算出部２８に出力する。
【００７５】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、スペクトル積算処理部２３が、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか１つの信号スペクトルを積算後の信号スペクトルとして選択するように構成したので、上記実施の形態１よりも更にＳＮ比を高めることができる。
【００７６】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、周波数シフト補正部２５が、第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数に対する第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフトを補正するとともに、第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数に対する第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトを補正する例を説明している。
これにより、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Ｃの算出精度の劣化を防止することができる。
しかし、乱流のように時間的に風速又は風向が変化する環境下では、フーリエ変換部２２により算出される第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数帯域が広がることがある。
エアロゾルに対応する信号成分の周波数帯域が広がることで、エアロゾルに対応する信号成分が複数の周波数レンジビンに存在し、第１のピーク強度Ｐｏｎの特定精度及び第２のピーク強度Ｐｏｆｆの特定精度が劣化することがある。
この実施の形態３では、時間的に風速又は風向が変化する環境下でも、第１のピーク強度Ｐｏｎの特定精度及び第２のピーク強度Ｐｏｆｆの特定精度の劣化を防止して、分子濃度の算出精度の劣化を防止する例を説明する。
【００７７】
この実施の形態３におけるレーザレーダ装置の構成図は、上記実施の形態１と同様に、図１の構成図である。
図１２はこの発明の実施の形態３によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示す構成図である。図１２において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
周波数シフト補正部３０は、図２の周波数シフト補正部２５と同様に、例えば図３に示す周波数シフト補正回路４４によって実現されるものである。
周波数シフト補正部３０は、図２の周波数シフト補正部２５と同様に、第１のレーザ光Ｌｂ１の周波数に対する雑音成分除去後の複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフトを補正するとともに、第２のレーザ光Ｌｂ２の周波数に対する雑音成分除去後の複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
【００７８】
ただし、周波数シフト補正部３０は、図２の周波数シフト補正部２５と異なり、第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトを補正する処理を実施する前に、以下に示す第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２の波形を補正する処理を実施する。
周波数シフト補正部３０は雑音除去部２４による雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２のそれぞれにおいて、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する１つ以上の周波数の中から、いずれか１つの周波数を選択し、選択していない残りの周波数の信号成分を選択した周波数に移動させることで、選択した周波数の信号成分を閾値Ｔｈ以上の信号成分の総和とする波形の補正処理を行う。
以下、周波数シフト補正部３０による波形の補正処理を具体的に説明する。
【００７９】
図１３は周波数シフト補正部３０による信号スペクトルの周波数のシフト補正を示す説明図である。
図１３では、第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンのそれぞれにおいて、１つの第１の信号スペクトルＳＰ１だけを代表的に図示している。また、第１時間レンジビン及び第２時間レンジビンのそれぞれにおいて、１つの第２の信号スペクトルＳＰ２だけを代表的に図示している。
周波数シフト補正部３０は、雑音除去部２４による雑音成分除去後の第１の信号スペクトルＳＰ１及び雑音成分除去後の第２の信号スペクトルＳＰ２における各々の信号成分と事前に設定された閾値Ｔｈとを比較して、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する周波数を特定する。事前に設定された閾値Ｔｈとして、エアロゾルに対応する信号成分の想定される信号強度の半分程度の値が周波数シフト補正部３０に設定されている。
【００８０】
図１３の例では、第２時間レンジビンにおける第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２については、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する周波数は１つである。このため、第２時間レンジビンにおける第１の信号スペクトルＳＰ１及び第２の信号スペクトルＳＰ２については、周波数シフト補正部３０による波形の補正処理は行われない。
一方、第１時間レンジビンにおける第１の信号スペクトルＳＰ１については、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する周波数は４つである。このため、第１時間レンジビンにおける第１の信号スペクトルＳＰ１については、周波数シフト補正部３０によって波形の補正処理が行われる。
また、第１時間レンジビンにおける第２の信号スペクトルＳＰ２については、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する周波数は３つである。このため、第１時間レンジビンにおける第２の信号スペクトルＳＰ２については、周波数シフト補正部３０によって波形の補正処理が行われる。
【００８１】
周波数シフト補正部３０は、第１時間レンジビンにおける第１の信号スペクトルＳＰ１において、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する４つの周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄの中から、例えば、１つの周波数ｆｃを選択する。
周波数シフト補正部３０は、例えば、１つの周波数ｆｃを選択すると、残り３つの周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｄの信号成分を周波数ｆｃに移動させることで、周波数ｆｃの信号成分を４つの周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄの信号成分の総和とする。
ここでは、周波数ｆｃを選択しているが、これは一例に過ぎず、周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｄのいずれかを選択してもよい。
また、周波数ｆａ〜ｆｄの範囲内の周波数を選択し、その選択した周波数に４つの周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄの信号成分を移動させることで、その選択した周波数の信号成分を４つの周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄの信号成分の総和とするようにしてもよい。
【００８２】
周波数シフト補正部３０は、第１時間レンジビンにおける第２の信号スペクトルＳＰ２において、閾値Ｔｈ以上の信号成分を有する３つの周波数ｆｅ，ｆｆ，ｆｇの中から、例えば、１つの周波数ｆｆを選択する。
周波数シフト補正部３０は、例えば、１つの周波数ｆｆを選択すると、残り２つの周波数ｆｅ，ｆｇの信号成分を周波数ｆｆに移動させることで、周波数ｆｆの信号成分を３つの周波数ｆｅ，ｆｆ，ｆｇの信号成分の総和とする。
ここでは、周波数ｆｆを選択しているが、これは一例に過ぎず、周波数ｆｅ又は周波数ｆｇのいずれかを選択してもよい。
また、周波数ｆｅ〜ｆｇの範囲内の周波数を選択し、その選択した周波数に３つの周波数ｆｅ，ｆｆ，ｆｇの信号成分を移動させることで、その選択した周波数の信号成分を３つの周波数ｆｅ，ｆｆ，ｆｇの信号成分の総和とするようにしてもよい。
【００８３】
周波数シフト補正部３０が波形の補正処理を行うことで、エアロゾルに対応する信号成分が１つの周波数レンジビンだけに存在するようになるため、第１のピーク強度Ｐｏｎの特定精度及び第２のピーク強度Ｐｏｆｆの特定精度が向上する。
周波数シフト補正部３０は、波形の補正処理を実施した後、図２の周波数シフト補正部２５と同様に、複数の第１の信号スペクトルＳＰ１の周波数のシフトを補正する処理及び複数の第２の信号スペクトルＳＰ２の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
この実施の形態３では、乱流のように時間的に風速又は風向が変化する環境下でも、第１のピーク強度Ｐｏｎの特定精度及び第２のピーク強度Ｐｏｆｆの特定精度が向上するため、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる。
【００８４】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、分子濃度算出部２７が、大気中の分子の濃度Ｃを算出する例を示しているが、この実施の形態４では、分子濃度算出部２７が、分子濃度Ｃの分布を求める例を説明する。
【００８５】
図１４はこの発明の実施の形態４によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図１４において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
方向切替器１２は例えばミラーなどを備えており、信号処理器１１から出力される制御信号に従って光アンテナ７からレーザ光が放射される方向を切り替える切替器である。
【００８６】
図１５はこの発明の実施の形態４によるレーザレーダ装置の信号処理器１１を示す構成図である。図１５において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
分子濃度算出部３１はピーク強度算出部２８及び分子濃度算出処理部３２を備えている。
分子濃度算出部３１は、図２の分子濃度算出部２７と同様に、スペクトル積算部２６により積算された第１の信号スペクトルＳＰ１とスペクトル積算部２６により積算された第２の信号スペクトルＳＰ２とから大気中の分子の濃度Ｃを算出する処理を実施する。
分子濃度算出部３１は、図２の分子濃度算出部２７と異なり、光アンテナ７からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器１２に出力し、方向切替器１２によりレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度Ｃを算出することで、分子濃度Ｃの分布を求める処理を実施する。
【００８７】
分子濃度算出処理部３２は、図２の分子濃度算出処理部２９と同様に、例えば図３に示す分子濃度算出回路４７によって実現されるものである。
分子濃度算出処理部３２は、図２の分子濃度算出処理部２９と同様に、ピーク強度算出部２８により算出された第１のピーク強度Ｐｏｎとピーク強度算出部２８により算出された第２のピーク強度Ｐｏｆｆとから大気中の分子の濃度Ｃを算出する処理を実施する。
分子濃度算出処理部３２は、図２の分子濃度算出処理部２９と異なり、光アンテナ７からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器１２に出力する。
また、分子濃度算出処理部３２は、方向切替器１２によりレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度Ｃを算出することで、分子濃度Ｃの分布を求める処理を実施する。
【００８８】
次に動作について説明する。
方向切替器１２及び分子濃度算出処理部３２以外は、上記実施の形態１と同様であるため、ここでは方向切替器１２及び分子濃度算出処理部３２の動作だけを説明する。
分子濃度算出処理部３２は、光アンテナ７からレーザ光が放射される方向を示す制御信号を方向切替器１２に出力する。
方向切替器１２は、光アンテナ７から放射されたレーザ光を分子濃度算出処理部３２から出力された制御信号が示す方向に設定する。
【００８９】
分子濃度算出処理部３２は、図２の分子濃度算出処理部２９と同様に、ピーク強度算出部２８により算出された第１のピーク強度Ｐｏｎとピーク強度算出部２８により算出された第２のピーク強度Ｐｏｆｆとから大気中の分子の濃度Ｃを算出する。
分子濃度算出処理部３２は、大気中の分子の濃度Ｃを算出すると、光アンテナ７からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器１２に出力する。
方向切替器１２は、分子濃度算出処理部３２から出力された制御信号に従って光アンテナ７からレーザ光が放射される方向を切り替える。
方向切替器１２と分子濃度算出処理部３２が、上記の処理を繰り返し実施することで、分子濃度算出処理部３２は、複数の放射方向に対応する分子の濃度Ｃを算出する。これにより、大気中の分子濃度Ｃの分布が求められる。
【００９０】
実施の形態５．
上記実施の形態１〜４では、基準光源１が、第１のレーザ光Ｌｂ１と第２のレーザ光Ｌｂ２とを出力する機能を有するものについて示したが、第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する基準光源１ａと、第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する基準光源１ｂとを別個に設けるようにしてもよい。
【００９１】
図１６はこの発明の実施の形態５によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図１６において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
基準光源１ａは第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する光源である。
基準光源１ｂは第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する光源である。
光スイッチドライバ１３は波長切替器２から第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、基準光源１ａと光分配器３を接続する旨を示す制御信号を光スイッチ１４に出力する。
また、光スイッチドライバ１３は波長切替器２から第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、基準光源１ｂと光分配器３を接続する旨を示す制御信号を光スイッチ１４に出力する。
【００９２】
光スイッチ１４は光スイッチドライバ１３から基準光源１ａと光分配器３を接続する旨を示す制御信号を受けると、基準光源１ａと光分配器３を接続する。
また、光スイッチ１４は光スイッチドライバ１３から基準光源１ｂと光分配器３を接続する旨を示す制御信号を受けると、基準光源１ｂと光分配器３を接続する。
図１６は、基準光源１ａ，１ｂ、光スイッチドライバ１３及び光スイッチ１４を図１のレーザレーダ装置に適用している例を示しているが、基準光源１ａ，１ｂ、光スイッチドライバ１３及び光スイッチ１４を図１４のレーザレーダ装置に適用するようにしてもよい。
【００９３】
この実施の形態５では、第１のレーザ光Ｌｂ１を出力する基準光源１ａと、第２のレーザ光Ｌｂ２を出力する基準光源１ｂとを別個に設け、光スイッチドライバ１３及び光スイッチ１４によって、第１のレーザ光Ｌｂ１又は第２のレーザ光Ｌｂ２を選択的に大気中に放射する点で、上記実施の形態１〜４と相違している。
その他の点では、上記実施の形態１〜４と同様であるため詳細な説明を省略する。
この実施の形態５でも、上記実施の形態１と同様に、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Ｃの算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
【００９４】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
この発明は、大気中の分子の濃度を算出するレーザレーダ装置に適している。
【符号の説明】
【００９６】
１，１ａ，１ｂ  基準光源、２  波長切替器、３  光分配器、４  パルス変調器、５  光増幅器、６  光サーキュレータ、７  光アンテナ、８  光カプラ、９  光受信機、１０  Ａ／Ｄ変換器、１１  信号処理器、１２  方向切替器、１３  光スイッチドライバ、１４  光スイッチ、２１  スペクトル算出部、２２  フーリエ変換部、２３  スペクトル積算処理部、２４  雑音除去部、２５，３０  周波数シフト補正部、２６  スペクトル積算部、２７，３１  分子濃度算出部、２８  ピーク強度算出部、２９，３２  分子濃度算出処理部、４１  フーリエ変換回路、４２  スペクトル積算回路、４３  雑音除去回路、４４  周波数シフト補正回路、４５  スペクトル積算回路、４６  ピーク強度算出回路、４７  分子濃度算出回路、５１  メモリ、５２  プロセッサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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