(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブなヘテロダイン検波システムであって、
化学種を検出するための赤外線放射を放出する連続同調可能なレーザー光源と、
連続スペクトル範囲にわたるヘテロダイン検波のための検波器と、
前記赤外線放射を第１の部分と第２の部分とに分割する手段と、
前記第１の部分と前記第２の部分との間に周波数シフトを付与する手段と、
前記赤外線放射の前記第１の部分をターゲットに向ける手段であって、前記赤外線放射の前記第２の部分が局部発振光として提供される手段と、
前記ターゲットからの赤外光の前記第１の部分の拡散後方散乱成分を収集する手段と、
前記拡散後方散乱成分と前記局部発振光とを混合して、前記検波器に送る手段と、を含み、
前記周波数シフトを付与する手段が音響光学変調器である検波システム。
【請求項２】
前記レーザー光源が量子カスケードレーザーである請求項１に記載の検波システム。
【請求項３】
前記レーザー光源が、波長選択および同調のための回折格子を有する、外部共振器構成で提供される、請求項１又は２に記載の検波システム。
【請求項４】
前記音響光学変調器のゼロ次モードが、前記レーザー光源を監視するために使用される請求項１〜３の何れか一項に記載の検波システム。
【請求項５】
前記周波数シフトが、前記赤外線放射の前記第２の部分に適用され、前記音響光学変調器の一次モードが、前記局部発振光として使用され、
又は、
前記周波数シフトが、前記赤外線放射の前記第１の部分に適用され、前記音響光学変調器の一次モードが、前記ターゲットに向けられる請求項１〜４の何れか一項に記載の検波システム。
【請求項６】
前記レーザー光源の出力の監視が、前記レーザー光源と前記音響光学変調器との間の減衰器として機能する偏光器を制御するために使用される請求項１〜５の何れか一項に記載の検波システム。
【請求項７】
前記レーザー光源が、ペルチェ冷却器によって冷却される冷却板上に取り付けられ、前記ペルチェ冷却器が前記冷却板から吊るされている請求項１〜６の何れか一項に記載の検波システム。
【請求項８】
前記レーザー光源を冷却板に取付けるためのマウントは、１つ以上のファイバーグラスクランプを含む請求項１〜７の何れか一項に記載の検波システム。
【請求項９】
前記レーザー光源を前記冷却板に固定させるために複数の点接触を提供するように、前記１つ以上のファイバーグラスクランプ上に複数のセラミック要素が設けられている請求項８に記載の検波システム。
【請求項１０】
方向に向け、収集し、混合するための前記手段が反射型光学系を含む請求項１〜９の何れか一項に記載の検波システム。
【請求項１１】
前記反射型光学系が１つ以上のビームスプリッターを含む請求項１０に記載の検波システム。
【請求項１２】
アクティブなヘテロダイン検波の方法であって、
化学種を検出するために赤外線放射を放出して連続スペクトル範囲を走査するためにレーザー光源を同調する工程と、
前記赤外線放射を第１の部分と第２の部分とに分割する工程と、
音響光学変調器を用いて前記第１の部分と前記第２の部分との間に周波数シフトを付与する工程と、
前記赤外線放射の前記第１の部分をターゲットに向ける工程と、
前記赤外線放射の前記第２の部分を局部発振光として提供する工程と、
前記ターゲットからの赤外光の前記第１の部分の拡散後方散乱成分を収集する工程と、
前記拡散後方散乱成分と前記局部発振光とを混合して、ヘテロダイン検波のために検波器に送る工程と、
連続スペクトル範囲にわたって出力を提供するために検出された信号を処理する工程と、を含む、方法。
【請求項１３】
前記レーザー光源を同調することが、前記レーザー光源の注入電流を変調するために鋸歯状波形を提供することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記処理する工程が出力を提供するために、最適推定法を使用することを含む請求項１２または１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロダイン検波システムおよびヘテロダイン検波を使用する方法に関する。特定の実施形態では、本発明は、低濃度で存在する分子の遠隔検出を可能にする、かかる分子の振動スペクトルおよび回転スペクトルの測定に適した、赤外線の信号、詳細には、中波長および長波長の赤外線の信号の検出を提供する。
【背景技術】
【０００２】
回転振動スペクトルからの情報を使用して、大気中または大気成分を検出および測定するためのいくつかの技術が現在利用可能である。かかる成分を構成する小分子について対象となるスペクトル吸収線は、通常、赤外領域内にある。かかる技術は、その光が、太陽などの非コヒーレントな光源から生じるという点においてパッシブであるか、またはアクティブであり、その場合、光源からの光がターゲットを照射するために使用され、後方散乱光が関連した検波器によって検知される。
【０００３】
最も広く使用されるアクティブな技術は、ライダー（ＬＩＤＡＲ：光検出と測距）であり、この技術では、レーザーを使用して後方散乱放射の直接検波またはヘテロダイン検波のいずれかのためにターゲットをコヒーレント放射により照射する。かかる技術は、商業的に使用され、例えば非特許文献１，２においてなど、学術文献で広く説明されている。ＬＩＤＡＲシステムは、大気測定に、特にＮＡＳＡによって広く使用されている。ＣＯ２ガスレーザーは、対象のスペクトル範囲内で許容レベルの出力を供給し、照射源として広範囲に使用されている。連続レーザーまたはパルス状レーザーのいずれかが使用され得るが、それぞれ、利点と欠点とを有することが判明している。連続システムは、一般に、蒸気相ターゲットでは有効でなかったが、ヘテロダイン検波では有効である一方、パルス状システムは、蒸気相の直接検波に有効であった。
【０００４】
ヘテロダイン検波技術は、直接検波によって得られる感度より著しく高い感度を可能にするために、その信号が検出された光と結合される局部発振器の使用を伴う。実際には、局部発振器と検出された光との間のビートが対象の信号を増幅するために使用され、この信号は、次いで、適切な計算によって再構成できる。局部発振器は、２つのビームを形成するために、レーザー光源からの光（使用される技術は広範な電磁スペクトルに渡って採用され得るが、便宜上、用語「光（light）」は、以降、全てのかかるシステムに対して使用される）を分割することにより連続ＬＩＤＡＲシステム内で取得され得る。光の一部は、ターゲットを照射するために使用され、それにより評価される信号を提供するが、光の別の部分は、局部発振器として機能するために音響光学変調器（ＡＯＭ）などの構成要素により周波数においてシフトされ、その後、検出のために後方散乱信号と結合される。パルス状ＬＩＤＡＲヘテロダインシステムにおいて、このアプローチは有効ではなく、周波数がターゲットからの後方散乱放射と重なり合うことを確実にするために、周波数が一定に保たれる必要がある、別個の局部発振器が使用されてきた。既存のパルス状レーザーシステムのパルスプロファイルは、時間分解能にも影響を及ぼすことができ、比較的短距離の測定を達成困難にする。
【０００５】
ＣＯ２ガスレーザーを使用するアクティブなヘテロダイン検波システムが、広い範囲にわたって対象の分子の大気検出に使用されてきたが、これらのシステムは、特に、気体状のターゲットでの使用に関して、未だ重要な課題を有する。図２ａおよび図２ｂから分かるように、散乱事象は、主に光源に向かって広く後方散乱されるのではなく、広く分散された散乱スペースに渡ることがあるので、固体ターゲットからの後方散乱光は、エアロゾルターゲットからの後方散乱光よりもはるかに大きい。検出のための特定の有効なＬＩＤＡＲ技術は差分吸収ＬＩＤＡＲ（ＤＩＡＬ）であり、この技術は、ターゲットの気体種吸収とのオンおよびオフ共鳴を測定すること、ならびにその２つの間の差分吸収を測定することを伴う。この原理が、図３ａおよび図３ｂに示されている。図３ａは、オン共鳴とオフ共鳴との間での信号の違いを示し、図３ｂに示すように、受信された出力での差は、距離測定に対して有効である。このアプローチは、感度を高くする可能性があるが、使用されるレーザー線の非常に正確な制御を必要とする。ＣＯ２ガスレーザーの使用も、結果が大気のＣＯ２からの吸収によって影響を受けるので、高感度が要求される場合、問題がある。
【０００６】
特許文献１は、光景解析のために中赤外線または遠赤外線デバイスをチップ上に構築する方法を対象とする。デバイスは、好ましくは、同じ基板上で一緒にエピタキシャルに成長した、ＱＣＬおよびＱＣＤ（量子カスケード検出器）を含む。このデバイスは、ＱＣＬビームを分割することによりヘテロダイン検波を一部局部発振器として使用すること可能にするために構築され得ることが推奨される。ＱＣＬレーザーおよびＱＣＤ検波器は、各々が特定の周波数で動作するように（ＤＦＢ技術を使用して）構成される。複数の周波数を包含するために、各対が異なる周波数に対して最適化されている、ＱＣＬレーザーおよび検波器のマトリクスを使用することが推奨される。この構成では、各レーザー光源は、単一の振動を検出可能にするために、固定周波数範囲にアクセスするために使用されるパルス化技術で、周波数において注意深く固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００２９０２６号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Laser Remote Sensing(Optical Science and Engineering)”,Tetsuo Fukuchi(Editor)CRC Press(28 Jun 2005)
【非特許文献２】“Elastic Lidar”,V.A.Kovalev and W.E.Eichinger,Wiley-Interscience2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それ故、広範囲にわたって高い感度で、ターゲット分子の遠隔検出を検出するための使用に適したヘテロダイン検波システムを作製することが望ましい。かかるシステムは、例えば、直接検査するのが困難であるか、または安全でない物体から蒸気痕跡（vapour trace）の遠隔検出では、特定の有益性を有し、ガス漏れに対する遠隔検出または爆発物の遠隔検出を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、本発明は、赤外線放射を放出する連続同調可能なレーザー光源と、赤外線放射を第１の部分と第２の部分とに分割する手段と、第１の部分と第２の部分との間に周波数シフトを付与する手段と、赤外線放射の第１の部分をターゲットに向ける手段と、赤外線放射の第２の部分を局部発振器として提供する手段と、ターゲットからの赤外光の第１の部分の散乱成分を収集する手段と、散乱成分と局部発振器とを混合して、連続スペクトル範囲にわたるヘテロダイン検波のために検波器に送る手段とを含む、アクティブなヘテロダイン検波システムを提供する。
【００１１】
このアプローチは、ＤＩＡＬなどの従来型の方法に関して著しい改善を提供する。励起波長の１つまたは制限されたセットに限定するのではなく、ハイパースペクトル検出を提供するために、幅広い範囲にわたる強力なヘテロダイン検波技術の使用を可能にする。このアプローチは、従って、単一の走査で、様々な異なる物質を検出するために使用できる。
【００１２】
有利にも、連続同調可能なレーザー光源は、量子カスケードレーザーである。ＯＰＯおよびＤＦＧなどの他の連続同調可能な光源も使用され得る。ＯＰＯおよびＤＦＧは、本出願の文脈においてレーザー光源として考えられる。すなわち、用語レーザー光源の限定的ではなく、広い解釈が採用される。
【００１３】
有利にも、赤外光の波長を同調して、周波数を一定に保持するための温度制御手段および電流制御手段が提供される。
【００１４】
好ましくは、波長選択および同調のための回折格子を有するレーザー光源が、外部共振器構成で提供される。
【００１５】
好ましい実施形態では、周波数シフト手段は、音響光学変調器である。音響光学変調器のゼロ次モードが、次いで、レーザー光源を監視するために使用され得る。
【００１６】
一構成では、周波数シフトが、赤外線放射の第２の部分に適用され、音響光学変調器の一次モードが、局部発振器として使用される。別の構成では、周波数シフトが、赤外線放射の第１の部分に適用され、音響光学変調器の一次モードが、ターゲットに向けられる。
【００１７】
一実施形態では、レーザー光源出力の監視が、レーザー光源と音響光学変調器との間の減衰器を制御するために使用される。この減衰器は、偏光器であり得る。偏光器は、高速回転ステージ上に取り付けられ得、制御はＰＩＤ（比例・積分・微分）システムにより得る。
【００１８】
レーザー光源は、ペルチェ冷却器によって冷却される冷却板上に取り付けられ得、ペルチェ冷却器はその冷却板から吊るされている。これは、温度を一定に保持するための有効なペルチェ冷却を可能にしつつレーザー光源をペルチェ冷却器のいかなる移動からも切り離すことにより、良好な信号品質の達成において特に有効であると考えられる。ペルチェ冷却器は、熱交換器を含み得る。
【００１９】
有利にも、連続同調可能なレーザー光源のためのマウントに、高絶縁および低熱膨張の支持部が提供され得る。支持部は、１つ以上のファイバーグラスクランプを含み得る。複数のセラミック要素が、複数の点接触でマウントを支持するために、１つ以上のファイバーグラスクランプ上に提供され得る。
【００２０】
方向に向け、収集し、混合するための手段が、好ましくは、反射型光学系を含み得る。これは、１つ以上のビームスプリッターを含み得る。
【００２１】
さらなる態様では、本発明はアクティブなヘテロダイン検波の方法を提供し、その方法は、赤外線放射を放出して連続スペクトル範囲を走査するためにレーザー光源を同調する工程と、赤外線放射を第１の部分と第２の部分とに分割する工程と、第１の部分と第２の部分との間に周波数シフトを付与する工程と、赤外線放射の第１の部分をターゲットに向ける工程と、赤外線放射の第２の部分を局部発振器として提供する工程と、ターゲットからの赤外光の第１の部分の散乱成分を収集する工程と、散乱成分と局部発振器とを混合して、ヘテロダイン検波のために検波器に送る工程と、連続スペクトル範囲にわたって出力を提供するために検出された信号を処理する工程と、を含む。
【００２２】
有利にも、レーザー光源を同調することは、レーザー光源の注入電流を変調するために鋸歯状波形を提供することを含む。処理する工程は、出力を提供するために、最適推定法を使用することを含み得る。
【００２３】
本発明の特定の実施形態が、例として、添付の図を参照して、以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係るアクティブなヘテロダイン検波システムを概略的に示す図である。
【図２】（ａ）拡大面および（ｂ）エアロゾルターゲットからの散乱の間の比較を示す図である。
【図３】差分吸収ライダー（ＤＩＡＬ）の動作を示し、（ａ）はオン共鳴およびオフ共鳴波長の使用を示し、（ｂ）は後方散乱出力の進化を距離とともに示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるヘテロダイン検波システムの異なる機能要素を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態で使用されるような音響光学変調器の動作を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるアクティブなヘテロダイン検波システムでの使用に適したバイスタティック光学構成（ａ）およびモノスタティック光学構成（ｂ）を示す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係るヘテロダイン検波のため、ビーム混合での使用のための代替設計を示す図である。
【図８】本発明の実施形態での使用のための、局部発振器の周波数較正用の光学構成を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態によるアクティブなヘテロダイン検波システムのための完全に例示的な光学系を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態での使用のためのレーザーマウントを示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるアクティブなヘテロダイン検波システムのための代替の完全な光学系を示す図である。
【図１２】レーザー光源の出力を制御するためにフィードバックを提供するための例示的な制御システムを示す図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、気体セル内の気体試料の検出のための、本発明の実施形態に係る検出システムの実験結果を示す図である。
【図１４】（ａ）および（ｂ）は、大気試料の検出のための、本発明の実施形態に係る検出システムの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態に係るアクティブなヘテロダイン検波システムの基本的要素が図１に示される。
【００２６】
連続同調可能なレーザー光源１が赤外線放射を放出する。光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）、差周波発生装置（ＤＦＧ）を含む、かかる利用可能な光源がいくつか存在するが、好ましい選択肢は、外部共振器を有する量子カスケードレーザーを使用することである。外部共振器を有する量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）は、４〜２０μｍのスペクトル領域内でうまく開発された連続同調可能なレーザー光源である。市販のＱＣＬは、５０ｍＷまでの出力パワーで室温に近い連続波モードで動作する。中赤外線ＱＣＬは、現在、大規模な海外の仕入先とはるかに小規模な企業との両方から広く入手可能である。
【００２７】
放出された赤外線放射６は、２つの異なる目的で使用される。この放射を第１の部分と第２の部分とに分割する手段が提供される。この場合、当該手段は第１のビームスプリッター８によって提供される。この放射の第１の部分は、光学系（この場合、さらなるビームスプリッター８およびミラー９を含む）によって遠隔ターゲット２に向けられる。この放射の第２の部分は、ターゲットには一切送られない。
【００２８】
この放射の第２の部分は、赤外線放射の第２の部分の周波数をシフトさせる手段に送られる。この場合、周波数シフト手段は、音響光学変調器４である。これは、アクティブなヘテロダイン検波システムに対して局部発振器を提供する。
【００２９】
散乱は、ターゲット２で起こり、システムは、赤外線光の第１の部分のターゲット２からの散乱成分（実際には、後方散乱成分）を収集する手段も含む。この受光された光７は、上記と同様に、ミラー９およびビームスプリッター８ｂを通過するが、ビームスプリッター８ｂを通り異なる経路を辿り、混合板５に進む。
【００３０】
混合板５は、ヘテロダイン検波のための信号を提供するために、ターゲットから受け取った散乱成分と赤外線放射の周波数シフトされた第２の部分とを混合するための手段である。この混合された信号は、ヘテロダイン検波ならびに後続する計算および分析のために適切な関連した計算能力を備える、検波器３に送られる。
【００３１】
ここで理論的なアプローチ全体を簡潔に説明する。当業者は、さらなる詳細が、以下に示される引用文献ならびにライダー、ＤＩＡＬ、およびヘテロダイン検波の文献に提供されることを理解するであろう。ライダーおよびＤＩＡＬに関連した分析は、連続スペクトル範囲にわたる観察とともに、連続同調可能なレーザー光源を伴う構成に容易に適用され得、当業者が理解するように、光源波長の範囲および検出波長の範囲を考慮する必要性によって信号処理の複雑性が増加し得るが、根本的には分析を変更しない。
【００３２】
ライダーは、エアロゾルまたは拡大面を含み得る遠隔物体から検波器へのレーザー出力の後方散乱によって動作する。ライダーの基本動作は、以下の式１〜式５によって説明される。
【００３３】
【数１】
0006371706.tif 000002
【００３４】
ライダー式（式１）は、検波器Ｐ（Ｒ，λ）に後方散乱された出力の量を、機器の特定の形状および大気の組成を含む、様々なパラメータと関連付ける。この式は、受信機の開口部よりもはるかに大きな距離に対してのみ有効である。Ｅ（λ）は、透過出力ＰＴ（λ）および収集効率Ｋおよび受光素子の領域Ａを含むシステムパラメータである（式２）。式２は、パルス状レーザーおよび連続レーザーの両方に適用可能である。形状係数Ｇ（Ｒ）（式３）は、透過ビームと受信機視野Ｏ（Ｒ）との間の重なり、および送信器とターゲットとの間の距離Ｒへの二次従属性を含む（すなわち、光が半径Ｒの球面上に均一に散乱する）。
【００３５】
式２の項β（Ｒ，λ）および項Ｔ（Ｒ，λ）は、ターゲット（表面またはエアロゾル）の特性および大気に関連する。後方散乱項β（Ｒ，λ）は、後方散乱に対する項を含み、拡大面に対して、これは単にターゲットの拡散反射率である。拡大面による後方散乱は、一般に、エアロゾルターゲットよりもはるかに大きいため、この特定の場合、拡大面からの散乱のみが考慮される。大気エアロゾルのみによる散乱（ミー散乱）に対して、後方散乱係数は、特定の粒子タイプの数密度とその特定の粒子タイプに対する散乱定数の積の透過ビーム経路全体にわたる合計（または積分）である（式４で、Ｎ（Ｒ）は距離Ｒでの平均粒子濃度であり、ｄσ／ｄΩは単位立体角あたりの後方散乱断面である）。粒子の特定の分布を所与として、後方散乱項を計算することが可能である。赤外スペクトル領域において、ミー散乱（すなわち、粒子散乱）は分子散乱（レイリー散乱）より優勢であると仮定される。
【００３６】
大気減光項Ｔ（Ｒ，λ）は、積分がビーム経路全体にわたる、特定の波長（式５で、α（Ｒ，λ）が減衰係数である）における大気の透過の測定単位である。減衰係数は、大気経路に沿って存在する全ての種の影響を含み、分子による吸収ならびにエアロゾルおよび粒子の散乱／吸収の合計である（赤外線内の分子によるレイリー散乱は無視できる）。ビーム経路にわたって減衰係数の変動がない（すなわち、α（Ｒ，λ）＝α（λ））大気では、積分内の項がα（λ）．Ｒまで低下する。減衰係数の距離への依存が知られている場合、より複雑な大気組成（すなわち、煙流、雲層など）が考慮され得る。
【００３７】
エアロゾルからの散乱が考慮される場合、(B.N. WhitesideおよびR.M. Schotland、“Development of a 9.3μm CW lidarfor the study of atmospheric aerosol”、FinaltechnicalreportNASA NAG8-766 N93-29105 1993から導出される分析を用いて）以下のアプローチが使用される。レーザーは、検波器からウェストサイズｗ０までの距離で合焦され、レイリー距離ＺＲ（式６）が、ビームがほぼ視準される距離を定義する。この体積を超えると、ビームの強度が、ビームサイズが増加するのに伴い急速に低下し、その結果、後方散乱が減少する。さらに、ヘテロダイン検波に固有の視野制約が、その体積を超えて生じる後方散乱からの検出される信号を大幅に低減させる。実際には、レーザーの合焦（および焦点条件を変更する能力）により、連続レーザーでの距離分解能が実現される。式７は検波器における後方散乱出力を与え、ＰＴは透過レーザー出力（Ｗ）であり、βは体積後方散乱定数（ｍ−１ｓｒ−１）であり、ＺＲはレイリー長（ｍ）であり、ＡＲは受信機の領域で（ｍ２）あり、Ｋは光学系の収集効率であり、Ｒは中心までの距離（ｍ）であり、α（λ）は、レーザーの波長における波長依存大気減光係数（ｍ−１）である。システムパラメータ（Ｅ）がＰＴＡＲＫによって、形状パラメータＧ（Ｒ）が２ＺＲ／Ｒ２によって、後方散乱係数β（Ｒ）がβ（すなわち、距離を有する散乱定数）によって、大気減衰Ｔ（Ｒ）が均質大気の場合に対して有効なｅｘｐ（−２α（λ）Ｒ）によって定義される場合、式７は、式１から導出できる。
【００３８】
【数２】
0006371706.tif 000003
【００３９】
式７は、受信機における後方散乱出力を計算するために使用できる。しかし、ヘテロダイン検波システムの本質的に制約された視野（式９−ヘテロダイン検波器の視野（ラジアンで）が式９によって与えられ、式中、ＤＲは受光素子の直径であり、λはレーザー波長であり、これは、検出プロセスのコヒーレントな性質によって本質的に制限される）は、総後方散乱放射のわずか一部しか実際には検出されない（すなわち、Ｏ（Ｒ）＜１）ことを意味する。この影響は、ビームウェストが、全ての距離において視野に一致すべきであることであり、レイリー距離への対応する影響を有する（式６）。受信機の固定サイズに対して、視野が一定であり、抽出領域の空間広がりが距離に対応する。従って、ウェストサイズは、距離とともに直線的に増加し、他方、レイリー長は距離の二乗に対応する（式６）。これは、レイリー長および距離項を有効に取り消すので、検出された後方散乱出力は距離によらずほぼ一定である（式８）という結果をもたらす。同様に、受信機サイズＡＲへの依存も除去され、受信機の直径のみがレイリー長、従って、機器の距離分解能に影響を与える。波長が注意深く選ばれる場合、大気減衰（式７および式８における指数関数項）は、小さい減衰係数（約１０−４ｍ−１）で、比較的短距離（＜１００ｍ）にわたって最小の影響のみを及ぼす。
【００４０】
体積後方散乱定数βは、全ての散乱粒子にわたる総和である。ある限定する仮定（例えば、定義されたサイズ分布を有する球状粒子）の下、このパラメータを計算するか、または実験データをモデルに適合させることが可能である。適度に清浄な大気では、βは地表面でほぼ１０−７ｍ−１ｓｒ−１である。火山爆発または産業汚染は、局所または地域規模にわたり、この値を大幅に増大させることがある。大気減光係数α（λ）は、大気の透過の測定単位であり、大気気体による吸収（連続吸収を含む）およびエアロゾルによる減衰（散乱および吸収）を含む。
【００４１】
式８から、（所与の波長に対して）検波器に後方散乱した出力は、透過レーザー出力ＰＴ、後方散乱係数βおよび光学系の収集効率Ｋに比例し、大気の減光特性および距離への負の指数関数的依存性を示すことが明らかである。減衰係数を一桁のみ増加させると、検波器において後方散乱出力の量に大きく影響する。この差の検出は、対象の種の濃度に関する定量的情報の取得を可能にする。
【００４２】
拡大面からの後方散乱を、エアロゾル散乱と非常に類似した項で論理的に説明する。式１０は、ρの拡散反射率を有する距離Ｒにおける拡大面について、検波器での後方散乱出力を与える。他の項は、式７で定義されたものと同一である。表面反射率が、体積後方散乱定数（ρ／２π対２βＺＲ）に取って代わり、その結果、拡大面からの散乱が、ρおよびβの標準的な値（１０−７の体積後方散乱係数と比較して約０．０１〜０．１の反射率）に対して、検波器において著しく大きな出力を生成する。式１０は、ターゲット上に入射するレーザー放射の直径が、検波器の視野と同様（またはそれより小さい）（すなわち、Ｏ（Ｒ）＝１）であると仮定する。これは、ヘテロダイン検波の場合において完全に合理的な仮定である。拡大面は、エアロゾルターゲットよりもはるかに大きな出力を提供するが、減衰係数への同じ依存を有する。
【００４３】
【数３】
0006371706.tif 000004
【００４４】
検出に使用される基本アプローチは、差分吸収ライダー（ＤＩＡＬ）のものであり、基本原理を図３に示す。対象の化学種に属する強力な吸収線を有するオン共鳴およびオフ共鳴の、２つの波長が選択される。２つの波長は、他の種からの分光干渉を最小限にするように選択される。各波長に対する減衰係数は、検波器に後方散乱される出力を計算する（図３ｂ）ために、上の式７および式１０で使用できる。２つの波長において検出された信号における差（ΔＰ＝Ｐｏｆｆ−Ｐｏｎ）は、２つの波長における減衰係数Δαの間の差に関連する（それぞれ、エアロゾルおよび拡大面に対する式１１および式１２）。
【００４５】
【数４】
0006371706.tif 000005
【００４６】
図３から、バックグラウンド吸収が一定であり、α（νｏｆｆ）に等しいというさらなる仮定が行われ、それ故、２つの波長間の吸収係数における差が、オン共鳴波長における分子の吸収係数に等しい（Δα＝α（νａｂｓ））。オフ共鳴減衰係数は、存在する他の全ての種の合計である。この分析は、比較的弱い吸収項（すなわち、α（νｏｆｆ）およびα（νｏｎ））に依存し、そのため、指数関数項が、線系列（ｅｘｐ（−２αＲ）〜１−２αＲ）として表され得る。
【００４７】
式１１および式１２は、所望の実験量（対象の種の濃度に直接関連する減衰係数）を実験的に測定されたパラメータ、所与の距離における２つの波長間の後方散乱信号における差と同等とみなす。逆に、２つの波長間の後方散乱信号における差は、機器パラメータ（例えば、透過出力、収集効率、検波器領域、拡散反射率／エアロゾル後方散乱、レイリー長、減衰係数および距離）の項で表すことができる。最終的に、測定できるΔＰの最小値は、機器のノイズ水準である。この値は、実際には、測定できる最小の可能な減衰係数差および対象の分子に対する機器の限界感度を定義する。式１１および式１２は、適切なノイズ項が含まれる場合、直接検波およびヘテロダイン検波の両方に適用できる。アクティブなヘテロダイン検波に対して、ノイズは、スペックルノイズおよび局部発振器ショットノイズの組合せによって特徴付けられる。高い後方散乱出力に対しては、スペックルノイズが卓越し、低い後方散乱出力に対してはショットノイズが卓越する。
【００４８】
前述のように、ヘテロダイン検波の基本原理は、対象の信号が、わずかに異なる周波数において、局部発振器と非線形的に混合されることである。混合の結果として、異なる周波数で振動するが、高周波数信号の振幅および位相情報を含む、ビート信号を提供する。無線周波数において、この信号を回復するために電場が直接測定できるが、光領域では、光信号に起因する電気信号を生成するために光検出器を使用する必要がある（混合は非線形結晶の使用によりこの技術において達成されない）。この電気信号（光電流）は、総光強度に（従って、電場の二乗に）比例する。
【００４９】
前述のように、非線形結晶においては混合が起こらず、ビームがモードに一致するように、ビームアラインメントを必要とし、それは、波面が、均一な干渉で検波器にわたって整列されることを必要とし、それ自体はビームが空間的にコヒーレントであることを必要とする。
【００５０】
出力信号は、固定成分、高周波数成分およびビート周波数成分を含み、固定成分および高周波数成分は除去され得、分析のためにビート周波数成分が残る。一般論として、これは以下のように表すことができる。
受信された信号に対して  Ｅｓｉｇｃｏｓ（ωｓｉｇｔ＋φ）
および局部発振器信号    ＥＬＯｃｏｓ（ωＬＯｔ）
強度Ｉは、振幅の二乗に比例するが、以下のとおりである。
【００５１】
【数５】
0006371706.tif 000006
【００５２】
アクティブなヘテロダイン検波に適用することが判明している２つの主なノイズタイプは、スペックルノイズおよびショットノイズである。スペックルノイズは、散乱の粗度が関連する放射の波長と比較可能な場合、散乱光の波面間の干渉から生じる。それは、互いに相関しない、時間または空間において十分にうまく分離された事象にわたって平均化することによって低減させることができる。ショットノイズは、検波器上にランダムに到着する光の粒子に起因し、主なショットノイズ寄与は局部発振器からであろう。
【００５３】
ヘテロダイン検波は、直接検波に対して３つの明白な利点を有する。高スペクトル分解能は、スペクトル分解能が透過ビームのスペクトル幅（数ＭＨｚ）に一致することを確実にする。ヘテロダインシステムのスペクトル分解能が、電子フィルタリングによって決定されるという事実は、バックグラウンド放射の観察された信号に対する寄与を大きく低減させる。感度の観点から、ヘテロダイン検波は、特に、直接検波が、可視または紫外線におけるよりも著しく効率的ではない、中赤外線において、ヘテロダイン利得を提供するという特定の利点を有する。式１１および式１２は、最小限の検出可能な濃度を、オン共鳴およびオフ共鳴に対応する波長間の最小限の検出可能な出力差を含む、いくつかのパラメータに関連付ける。ΔＰは、ノイズ等価出力と同等である。ヘテロダイン検波では、これは局部発振器ショットノイズである一方、直接検波では、熱背景（ダークノイズ）である。受け取った出力の低レベルにおいて、ヘテロダイン検波におけるノイズは、検出制限に相当な影響を与える、直接検波におけるよりも数桁小さい。加えて、直接検波の制限された感度は、より高い信号レベルを必要とし、スペックルノイズが優勢になる状態をもたらす。さらに、より高い後方散乱信号レベルは、透過されるより高いレーザー出力を必要とし、それは、法律で禁止されるような、最大の考えられる暴露限度を超え得る。ヘテロダイン検波は、後方散乱信号の低レベルの検出を可能にし、それにより、相当に低い透過レーザー出力が実現可能になる。
【００５４】
システムの他の要素をここでより詳細に説明する。図４は、システム全体を、レーザー４０１１自体およびその較正システム４０１２を含む光源４０１と、音響光学変調器４０２１、光混合器４０２２、ならびに送信機および受信機光学系４０２３などの関連する光学要素を含み、異なる要素間に放射を送る光学要素４０２と、機器制御４０３１および処理４０３２（信号処理および分析を含む）の両方を含む電子サブシステム４０３の３つの別個のサブシステムに分ける。これらのサブシステムは、説明の便宜上、以下で別個に扱う。
【００５５】
前述のように、本発明の実施形態で使用される１つの光源は、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）である。これは、複数の量子井戸ヘテロ構造のスタックにおけるサブバンド間遷移の結果として、放射を放つ半導体レーザーである。ＱＣＬ操作は、良好に開発されて、４〜２０μｍを対象とするスペクトル領域内で容易に商業利用可能であり、供給業者は、Pranalytica、AlpesLasersおよびDaylight Solutionsを含む。それらは通常、最大５０ｍＷの出力パワーで、室温に近い連続波モードで動作する。
【００５６】
ＱＣＬ構造の光学利得は、本質的に広い（＞１００ｃｍ−１）。それ故、最も単純な構成では、量子カスケード材料が、利得媒体を形成するために、その端部が２つの平行なミラー、従って、ファブリーペロー共振器を形成するように開裂された、光導波路として作製されるファブリ・ペローレーザー−マルチモード動作が通常であり、それは、高分解能分光用途に対して適していない。
【００５７】
単一モード動作は、所望の波長以外での動作を阻止するために、分布ブラッグ反射器をレーザー活性領域の上に作ることにより達成され得る。これは、利用可能な出力を制限し、スペクトル同調を厳しく制限する。スペクトル同調は、通常、温度変化がかかる同調を利用可能にするために使用されるようにして、連続波使用に対して、中央レーザー周波数の１％未満に制限され、パルスがスペクトル領域の走査を可能にできる間、レーザー波長の「チャーピング（chirping）」として、より広い範囲の波長がパルスモードでアクセスできる。
【００５８】
好ましい解決方法は、外部共振器型レーザーを使用することである。量子カスケード装置は、ここでは、レーザー利得媒体として機能するが、導波路ファセットの一方または両方が、その導波路ファセットの共振器動作を無効にする反射防止コーティングを有する。装置の外部にあるミラーが光共振器を画定し、それは、現在、レーザーを単一モードで動作させて、広範なスペクトル範囲にわたって連続同調を可能にするために、回折格子などの周波数選択要素を含むことができる。かかる装置の同調範囲は、ＱＣＬの利得曲線によってのみ制限され、かかる装置は、中赤外線（すなわち、中央周波数の１０％）において１００ｃｍ−１を超えて走査可能にできる。
【００５９】
ＱＣＬは、本発明の実施形態のために非常に適切な選択であるが、対象の光領域内の他の連続同調可能なレーザーも使用できる。長波長および中波長赤外線において連続的に同調可能である、ＯＰＯおよびＤＦＧ光源も、取得できる。ＯＰＯ（光学パラメータ式発振器）光源は、ポンプレーザー波を低周波数の２つの波に変換するために、光共振器および非線形光学結晶を使用し、ＯＰＯはCoherent,IncおよびNKT.Photonicsなどの企業から市販されている。ＤＦＧ（差周波発生）も非線形結晶を使用するが、この場合は、異なる周波数で放射を生成するために、２つの近赤外線レーザーが非線形結晶に合焦され、市販のＤＦＧレーザーはNovaWaveなどの企業から入手可能である。
【００６０】
所望の感度および選択度を得るために、レーザー光源が対象の分子の吸収線／吸収帯全体にわたって連続的に同調可能であることが非常に好ましい。これは、特定の事前に定められた波長で動作する、従来型のＤＩＡＬシステムでは達成できない。通常の大気条件下での大気気体（例えば、ＣＯ２、Ｏ３など）に対して、吸収線は、海面位で、ほぼ０．１ｃｍ−１半値全幅（ＦＷＨＭ）である。その一方、さらに大きく、より複雑な種（爆発物を含む）は、１０ｃｍ−１以上の幅を有する吸収帯を有することができる。一般に、爆発物および関連する種の分光法は、帯域および幅の両方の観点から、あまり特性化されない。
【００６１】
量子カスケードレーザーは、電流変調および／または温度変調を通じて波長同調でき、放出された放射の周波数安定性を確実にするために、これら２つのパラメータを正確に制御することは非常に重要である。分光用途においてＱＣＬを操作するために必要な安定性を提供する、市販の温度および電流制御器が利用可能であり、温度制御については以下でさらに説明する。
【００６２】
ＱＣＬの小さいファセットサイズは、放射の幅広い発散放出（通常、６０×４０度の完全角度）という結果になる。従って、ＱＣＬ出力において放射の視準を効率的に合わせるために、高速で、高品質の光学部品（例えば、非球面メニスカス）が必要とされる。この光学部品は、視準が合ったレーザー光の最初のビームサイズ（通常、＜１０ｍｍ）を定義する。
【００６３】
ＱＣＬは、透過光学要素および検波器からの表面反射によって生じる光フィードバック（ＯＦ）に対して高感度である。これは、ＤＦＢおよび外部共振器装置の両方に適用する。比較的少量のＯＦ（＜６０ｄＢ）は、ＱＣＬ放出を混乱させて、ヘテロダイン感度に害を及ぼす、過剰ノイズを取り込み得る。屈折光学系ではなく反射光学系の使用は、この効果を大幅に縮小する。しかし、検波器表面からの反射によって生じたフィードバックは、それほど容易に除去できない。従って、４分の１波長板を使用し、レーザー放出の偏光特性を利用して、光学的に検波器からレーザーを分離することが必要である。４分の１波長板は、ＡＯＭの効率が偏光依存である（入力ビームは直線偏光される必要がある）ので、ＡＯＭ（後述）の後に挿入される必要がある。
【００６４】
開かれた経路に沿ったレーザー放射の透過は、法定曝露限度（中赤外線における眼曝露に対して１００ｍＷｃｍ−２）により、公共の場で制限される。従って、公共の場での配備に適した機器は、これらの制約に従う必要がある。５〜１０ｍＷの透過レーザー出力は、全ての距離にわたって眼曝露に対する安全基準を満足する。量子カスケードレーザーは、比較的低出力（平均で、単一モード装置に対して最大で１００ｍＷ）を有する傾向がある。これは、長距離（＞１ｋｍ）に達する観察が望ましい大気検出などの用途において問題があり得るが、短距離（＜１ｋｍ）では、これは利点になり得る。大気検出において一般に使用されるＣＯ２レーザーは、数ワットの電力を生成することができ、曝露限度を満足するため、比較的大直径ビームとして透過される必要がある。これは、その結果として、大型の光学要素を必要とし、物理サイズおよび費用の影響がある。対照的に、レーザー安全基準を満足するため、ＱＣＬに対して、比較的小型の光学要素のみが必要とされる。さらに、透過出力は、安全規制を満足するために低いままにする必要があるので、ヘテロダイン検波は、信号対ノイズ比の観点から、直接検波に対して勝利する。これは、重要な弁別子が後方散乱出力であるからであり、それは距離および透過レーザー出力の両方の関数である。ＱＣＬなどの、あまり強力ではないレーザーは、検波器に関連したノイズが優勢である状況下で測定されるために、短距離での後方散乱を可能にする。
【００６５】
ビームアラインメントは、最適なヘテロダイン混合効率にとって重要であるので、ＱＣＬ取付けを極めて安定したものにすることは望ましい。局部発振器からの波面と受信した信号場のサブ波長一致が必要とされる。不安定性の重要な原因が、熱電ペルチェ冷却器の使用であることが判明している。ペルチェ冷却器は、このタイプのレーザーに温度安定性を提供するための主な従来型の解決策である。本発明人は、この不安定性は、レーザー位置に影響を及ぼさないように、ペルチェ冷却器のどの移動も切り離すことにより対処され得ることを理解している。このアプローチは、この用途で要求される精度の達成に著しく寄与する。
【００６６】
好ましいレーザーモジュールは、以下の特徴を提供する。
−ペルチェの移動から切り離されたレーザー位置
−大気圧操作
−可能な低温度動作
−コンパクトなサイズ
−レーザーへの損傷のリスクの最小化
【００６７】
これらの特徴を有するモジュールの一実施態様を図１０に示す。レーザー光源１（この場合ではＱＣＬ）が、ペルチェ冷却器２０１によって冷却される冷却板２０３上に取り付けられている。上の第１の要件は、ペルチェ冷却器２０１の熱い側が自由に移動できる必要があり、他方、冷たい側はレーザーモジュールの本体に対して固定されたままの必要があることを意味する−この設計では、要件は、冷却板２０３から吊るされたペルチェ冷却器２０１を吊るすことによって達成されている。ペルチェ冷却器２０１で自由に移動できる熱を放散するコンパクトな方法も提供され、これは、適切に設計された熱交換器２０２であり得る。小型の液冷式熱交換器２０２がレーザー筐体内に置かれて、ペルチェ冷却器２０１の熱い側から熱を取り出す。レーザー冷却板２０３のレーザーモジュールの本体への取付けは、小さい円錐形ピンポイント接点２０５を取り付けられた断熱クランプ２０４を使用して、良好な断熱で行われる。レーザーを低温で操作中に結露が生じないことを確実にするために、モジュールは、分光的かつ化学的に不活性なガスでパージされるように設計されている。加えて、レーザーの最大限の安全のため、湿度水準および露点を連続して監視するために湿度センサーが筐体内部に設置されている。
【００６８】
レーザーモジュールシェルは、アルミニウム合金で作製されている。標準的なＯリングに適合する単一のシール面が、空気漏れの可能性を制限するために使用される。光学窓が、フッ化バリウムで作製され、エポキシでモジュールに接着されている。ハーメチックコネクタが、湿度センサーを受け入れるためにモジュールの背面に取り付けられている。
【００６９】
レーザーを取り付けるための材料を選択する際には、高断熱と低熱膨張との間のトレードオフが必要であった。クランプ２０４は、ファイバーグラス製で、レーザー冷却板２０３と取付けブラケットとの熱交換を制限するために、セラミックの円錐形ピンポイント接点２０５が取り付けられている。べスペル（Vespel）およびマコール（Macor）もこの目的で可能な材料であるが、ファイバーグラスは、より良い全体的なトレードオフを提供すると考えられる。
【００７０】
レーザー冷却板２０３および熱交換器２０２は、テルル銅から機械加工され、（他の合金も同様）純銅も使用され得るが、テルル銅は、わずかに低い熱伝導率を有し、純銅に対して機械加工の利点を有するので、テルル銅は、有効な選択である。表面が徐々に黒くなって熱的性能が失われることになる、酸化を防止するために、銅部品が、電気化学浴によって金メッキされ得る。
【００７１】
熱交換器は、好ましくは、複雑な機械加工を可能にするために２つの部分で作製され、それにより、冷却液と小型の冷却器ブロックとの間の表面交換が最大限にできる。折り畳まれたか、または入り組んだ流路が、各半分内に機械加工され得、例えば、ダウエルピンおよびスズはんだの使用により、その２つの半分が正確に結合される。
【００７２】
レーザー冷却板２０３、ペルチェ冷却器２０１および熱交換器２０２が、組み立てられて、熱伝導性エポキシを使用して接着され得る。冷却板２０３は、次いで、ファイバーグラスクランプ２０４を使用して、レーザーモジュールと統合できる。
【００７３】
冷却液回路（冷却入力２０６および冷却フィードスルー２０７のため）および乾性ガスパージの両方にミニチュア取付具（fitting）が使用され得る。前者は、熱交換器２０２上に取り付けられて、ノルプレンチューブと連結でき、それは、ペルチェ冷却器２０１が作動するときに、熱交換器の自由な移動を可能にするのに十分な可撓性がある。直角のミニチュアフィードスルー取付具は、モジュールのガスシールを損なうことなく、冷却液がレーザーモジュールの壁の中を通過するために使用され得る。セルフシールの急速継手入力弁２０９が、パージガスラインをモジュールに取り付けるために使用され得、排気ガスが除去されるのを可能にするために逆止弁２１０が設置され得る。この構成は、パージが迅速かつ容易に実行されるのを可能にする。
【００７４】
電気接点は、ペルチェ冷却器で必要とされる高定格電流にもかかわらずコンパクトなサイズを維持するために、ハイブリッドＤサブコネクタを使用して作製され得る。コネクタは、コネクタピンが電子ボード上にはんだ付けされた後、空気漏れを防止するために、エポキシでカプセル化され得る。ＱＣＬへの接触は、ばね式コンタクトパッド２０８によって提供される。温度調節のために、レーザー冷却板２０３、レーザーへの可能な最も近い点にサーミスタが取り付けられる。
【００７５】
レーザー光源は、前述のように、広範囲の波長にわたって連続的に同調可能である。原理上は、この同調は、温度の変化または電流の変化により得る。取るべき現実的なアプローチは、前述のように、ペルチェ冷却を使用して温度を実質的に一定に維持すること、およびレーザー電流を変化させることにより周波数範囲全体にわたって走査することである。これを達成する１つのアプローチは、鋸歯状信号をレーザー光源の注入電流に適用することであり、これは、レーザー周波数に、鋸歯状信号の両極値によって定義される周波数範囲にわたって走査させる。
【００７６】
レーザー光源に対する（従って局部発振器に対する）較正システムが必要とされる。これは、音響光学変調器からの出力のうちの１つによって提供され、それについてまず説明する。
【００７７】
効率的なヘテロダイン検波（ならびに後続の電子フィルタリングおよび処理）は、局部発振器および検出された放射の周波数が異なることを必要とする。これは、検出周波数を低周波数ノイズ源から離れてシフトさせる有益な効果も有する。音響光学変調器は、周波数シフトモードで使用されて、透過ビームに関して局部発振器周波数をオフセットする最も効率的な方法を提供する。周波数を１００ＭＨｚまでシフトすることは、現在の最新の当技術分野の商用システムで得ることができる。加えて、ＡＯＭ周波数シフトは、実験的に複雑な周波数安定化方式を必要とせずに、任意のレーザー周波数変動の効率的な解消を確保する。かかるシステムでの使用に適した例示的なＡＯＭとしては、IntraAction CorporationのモデルＡＧＭ−１００３Ａ１が挙げられ、他にIsometによって製造された１２０８−Ｇ８０−３が挙げられる。
【００７８】
図５は、周波数シフトモードで動作するＡＯＭの概略図を示す。結晶（例えば、ゲルマニウム）が、横軸の屈折率変調を通して回折格子を生成するために音波によって励起される。レーザー放射のこの回折格子との相互作用により、元の周波数からｎ．ｆのみ異なる周波数が生成され、ここで、ｎ＝０，１，２，…であり、ｆはシフト周波数（入力音波の周波数に対応する）である。ゼロ次（ｎ＝０）は、入力放射の元の周波数を保ち、他方、より高次の周波数（ｎ＞０）は、周波数においてシフトされ、角度分離されて結晶から出現する。この角度分離は、周波数シフトされた放射がシフトされていないビームから空間的に分離されることを可能にする。
【００７９】
市販の装置は、出力の大部分を１次ビーム内で提供するように最適化されている。標準的なＡＯＭは、１次ビームの生成に対して６０％の効率であり、残り（〜３９％）がゼロ次ビームとなる。ごくわずかな部分（＜１％）が、より大きな角度分離で放出される、より高次の放射（すなわち、２００ＭＨｚ、３００ＭＨｚなどによってシフトされた）から成る。ブラッグ角θＢは必要な入力角であり、他方、ゼロ次ビームおよび１次ビームは、θｓｅｐによって分離される。式１３および式１４は、これらの角度を、波長λ、ＡＯＭの周波数シフトｆ、およびＡＯＭの音速ｖに関連付ける。
【００８０】
【数６】
0006371706.tif 000007
【００８１】
１０．６ミクロンの波長、１００ＭＨｚのオフセット周波数およびゲルマニウムＡＯＭ（ｖ＝５５００ｍｓ−１）に対して、入力ブラッグ角が５．５度であり、分離角が１１．０度である。中赤外線で作動させると、可視または近赤外線放射に対して予期されるよりも大きな角度の分離を提供する。ゼロ次ビームおよび１次ビームは、光学要素（ミラーなど）が各個々のビーム経路内に挿入されるのを可能にするために十分に離れている必要があるので、分離角は、ＡＯＭモジュールの最小サイズに関する制約を表す。ゼロ次ビームは、ヘテロダイン検波に対しては要求されないが、出力ならびに絶対および相対波長の両方の観点から、レーザーに対して較正を提供するために使用される。
【００８２】
３ｍｍの開口サイズを有するＡＯＭのアクティブ領域に対して、ＱＣＬから出現するビームの直径（直径〜９−１０ｍｍ）を所与として、光学系は、ビームをＡＯＭ開口に一致させることを要求される。ＡＯＭの効率は、ほぼ６０％である。好ましくは、ＡＯＭは、ターゲットへの透過に利用可能な出力を最大限にするために、局部発振器ビーム経路内に置かれる。
【００８３】
検波器とレーザーとの間の光フィードバックは、ヘテロダイン機器における主なノイズ源であり得る。レーザーの偏光を利用することは、ある程度の分離を提供するために使用できるが、最大限の効率を得るために、ＡＯＭでの直線偏光を確実にするように取り計らう必要がある。光路内のＡＯＭの存在は、１次ビームが周波数においてレーザーのそれからシフトされているので、何らかの光学的分離も提供する。加えて、ＡＯＭの入力角は、検波器からレーザーに反射して戻される出力の量も低減させるであろう。
【００８４】
ここで、較正システムについて説明する。前述のように、これは、ＡＯＭからのゼロ次ビームを使用する。図８は、局部発振器ビームの出力監視およびスペクトル較正のために、このゼロ次ビームを使用する較正構成を示す。フリップマウント２３上に取り付けられた平面ミラーが、相対（エタロン２２）および絶対周波数（気体セル２１）較正のために別個のビーム経路を提供するために使用される。気体セル２１の内容物は、レーザーの波長によって決定されるであろう。低圧ガスは、ドップラー拡がり（およそ５０ＭＨｚ）によって特徴付けられる吸収線を示して、レーザーの周波数が絶対項で決定されるのを可能にする。ビームは、ペルチェ冷却フォトダイオード検波器２４上に合焦される。この検波器は、ヘテロダイン光混合に要求される仕様よりもかなり低い仕様を有し得る。フリップマウント２３は、基準気体セル（絶対周波数較正）またはエタロン（相対周波数較正）のいずれかを通って、放射を通過させるように構成できる。絶対出力測定は、ビームを基準セルおよびエタロンの周囲に迂回させるために追加のフリップマウントを組み込むことにより、または基準セルもしくはエタロンのいずれかを光路から物理的に除去することにより、実行できる。あるいは、入力を光混合器に提供するために使用されるビームスプリッターによって透過される、レーザー出力は、局部発振器の一部を使用して監視できるが、光混合器は追加の検波器を必要とし得る。
【００８５】
ＱＣＬは、連続同調を提供するが、レーザーの出力パワーは、スペクトル同調範囲にわたって大きく変動し得る。実験的に、レーザー同調中のレーザー出力の変動の知識は、ヘテロダイン信号が訂正されることを可能にする。しかし、光混合器において生じ得る飽和効果に起因して、ヘテロダイン受信機がショットノイズ検出制限近くで動作することを確実にするＬＯ出力の最適水準がある。ＬＯ出力の変動は、測定信号対ノイズ比における変化につながり、そのため、局部発振器出力を一定に保持することは有益である。
【００８６】
ＬＯ出力モニターからのフィードバックループが、ＱＣＬに供給される電流を制御するために使用され得る。しかし、レーザー注入電流を修正すると、レーザー周波数に影響を及ぼし、それ故、かかる方式は、ヘテロダイン検波に対して、または分光用途に対して、適切ではない。代替手段は、レーザーに対する出力の安定化を達成するために、レーザー光源の固有の偏光を利用することである。ＱＣＬビーム内に偏光器を挿入すると、偏光器の軸を回転することにより透過された出力の制御が可能になる。偏光器と出力モニターとの角度の間にフィードバックループを設置すると、レーザー出力を、スペクトル走査全体にわたって一定に保持することが可能になる。
【００８７】
このアプローチを図１２に示す。レーザー出力の安定化は、ＱＣＬ放射の偏光特性を利用する。偏光器３１を使用して、レーザー出力は、偏光器軸とレーザー偏光との間の角度の修正を通じて、制御された方法で減衰できる。論理上、透過出力は、この角度の余弦の二乗として変動する。レーザー注入電流に依存する安定化方式とは対照的に、偏光器の使用は、レーザー周波数に影響を及ぼさない。
【００８８】
偏光器３１は、電動回転ステージ３５上に設置されると、外部の電圧信号によって制御できる。指令電圧と偏光器減衰との間の関係は、電圧制御減衰器を作成することにより確立できる。かかるアプローチは、機械的な移動に依存するので、レーザー注入電流を通して達成可能な変調速度よりも遅い。しかし、それは、システムのこの態様を市販の容易に入手可能な構成要素で実装する、費用および時間効率が高い方法である。本発明人は、高速は、レーザーヘテロダインシステムに関する限り、必須要件ではないことを理解している。類似のアプローチが、中赤外線可飽和吸収体を使用して採用され得、これは、より迅速な応答を可能にし得るが、これらの構成要素は現在、妥当な費用で容易に入手可能でない。
【００８９】
ヘテロダイン検波では、高速検波器からのＡＣ結合された信号のみが、スペクトル情報を搬送する、中間周波数に関する情報を含む。飽和を下回る出力水準では、ＤＣ結合された成分が、ＬＯ出力に直線的に比例し、比例・積分・微分（ＰＩＤ）システムに対する出力モニター入力として使用できる。ＰＩＤシステムは、偏光状態をフィードバックし、それにより、高速検波器のＤＣ信号を、オペレータによって選択された設定点によって決定される、一定の水準で維持する。制御システムの原理を図１２に示す。
【００９０】
例示的な構成では、偏光器３１は、フッ化バリウム回路基板上のワイヤグリッドであり得、コンピュータ制御インタフェース３４に接続された高速電動回転ステージ３５上に取り付けられている。ＰＩＤコントローラ３３は、ヘテロダイン検波器３からのＤＣ結合された成分に応答する。ＰＩＤコントローラ３３は、容易に入手可能な市販の構成要素であり、フィードバック信号を電動ステージ制御インタフェースに提供するために使用される。このアプローチは、５０ｍｓの応答時間を達成でき、レーザーの注入電流に適用される鋸歯状信号によって駆動される周波数走査を追跡するために有効であると考えられる。
【００９１】
ＰＩＤコントローラは、システム上の外乱の影響を最小限にする比較的単純な方法を提供する。この方式では、ＰＩＤシステムの出力は、測定された値と必要な設定点との間の差を最小限にするような方法で、いくつかの物理的パラメータを変更する。基本的なＰＩＤ関係が式９で与えられる。Ｖｏｕｔはコントローラによって供給される出力電圧であり、Ｐは比例利得項であり、Ｉは積分利得項であり、Ｄは差動利得項であり、Ｖ０は定電圧オフセットである。項εは、測定された信号とユーザーによって選択された設定点との間の差に対応する誤り信号を表す。
【００９２】
【数７】
0006371706.tif 000008
【００９３】
最適制御は、式１５のＰ、Ｉ、およびＤパラメータを調整することにより達成される。比例項は、フィードバック電圧の振幅を誤差のそれに直線的にスケーリングする利得項である。積分利得項は、長時間にわたる誤差の任意のずれを補正し、通常、フィードバックの精度に影響を及ぼす。微分項は、誤り信号εの変化率の測定単位であり、迅速な変化を補正する。高水準の安定化が要求される場合、このパラメータは通常ゼロに設定される。
【００９４】
本明細書で説明される実施形態では、制御パラメータは検波器によって供給される電圧であり、それは、レーザー出力に直線的に比例する。フィードバックループは、ＰＩＤコントローラ出力を回転ステージのアナログ入力に連結することにより確立される。従って、誤り信号は、偏光器位置を決定し、従って、透過出力を制御する。バイポーラ制御を可能にするために、ＰＩＤ出力内にオフセットを取り込むことは必要であり得る。システムに対する最適なＰＩＤパラメータは、経験的に決定され得る。
【００９５】
図６に示すように、送信機／受信機組立体に対して２つの構造が可能である。使用された光学系は、９０度の軸外放物面ミラー（ＯＡＰＭ）である。バイスタティック構造は、透過および受信に対して別個の光学系を有する一方、モノスタティック構成では、単一の光学系が両方のタスクを実行する。これは、モノスタティック構成はより単純で、安価、さらにコンパクトな設計を提供することを示唆する。しかし、他の考慮事項があり、透過放射および後方散乱放射は、局部発振器ビームと混合する前に、空間的に分離される必要がある。モノスタティック構成でこれを達成するためには、追加の光学要素が必要になるだろう。バイスタティックの場合には、後方散乱放射が、光学構成によって透過放射から既に分離されている。２つのアプローチは、組み合され得るが、ビームの分離を可能にするために、構成要素を著しく大きくすることのみによる。
【００９６】
透過放射および後方散乱放射は、同じ波長であるので、それらを分離する（またはヘテロダイン混合のためにビームを結合する）主要な手段は、ビームスプリッター（一部、反射光学系）である。モノスタティックの場合には、ビームスプリッターは、両方のビームの経路内に置く必要があり、後方散乱放射のビームスプリッターを経由した透過を最大限にすることは、ターゲットに向かって透過できる出力の量を最小限にする（逆もまた同様）という複雑な関係がある。最適な状況は、５０％の透過／反射ビームスプリッターで達成され、検波器での後方散乱信号において、４の因子による減衰に対応する。減衰因子は、透過出力に、およびビームスプリッターの反射率に比例する。
【００９７】
代替構成は、透過／後方散乱放射を選択的に反射／透過するために、レーザーの偏光を利用する。レーザーの直線偏光が、４分の１波長板によって円偏光に変換され、ターゲットからの後方散乱がその円偏光を反転させる（すなわち、右円偏光から左円偏光へ）。４分の１波長板は、後方散乱放射を、透過ビームと垂直な直線偏光に変換する。偏光ビームスプリッター（通常、ブルースター角で設定する）は、透過ビームを反射して、後方散乱放射が通過できるようにするために使用できる（逆もまた同様）。この方式は、その大気の通過およびターゲットとの相互作用中に、偏光度を維持する、放射に依存する。偏光のスクランブルは、後方散乱放射のスループットを低下させることになり、偏光が完全にランダム化されている場合、偏光ビームスプリッターは、５０％のビームスプリッターとして効率的に機能する（非偏光の場合におけるように）。しかし、それは、主要なレーザービームの非常に効率的な透過を可能にするであろう。減衰因子は、散乱プロセスによって生じる偏光スクランブルの度合いに応じて、２以下である。
【００９８】
図６は、バイスタティックおよびモノスタティック構成を概略的に示す。システムに関する制約は、ＡＯＭの効率（〜６０％）およびＱＣＬの出力パワー（最大で４０ｍＷ）を含む。効率的なヘテロダイン検波のため、検波器での局部発振器出力は、好ましくはほぼ１ｍＷである。検波器での局部発振器ビームにおける出力が、２つのビームスプリッターの透過率およびＡＯＭの効率によって決定される。バイスタティックの場合には、透過ビームの出力が、第１のビームスプリッターの反射率によって決定される。モノスタティック構成では、第２のビームスプリッターの透過率に依存する、透過出力におけるさらなる減少がある。いずれのアプローチも採用できるが、分析は、バイスタティックシステムは、モノスタティック構成よりもはるかに高い、検波器に透過された後方散乱放射の割合を有することを示す。
【００９９】
バイスタティックシステムの欠点は、検波器の視野が透過されたレーザービームと完全には重なり合わない可能性があることである。最悪の場合、重なり合いの要因Ｏ（Ｒ）は、ターゲットからの距離に大きく依存する。この問題は、別個の送信機および受信機光学系のある、短距離において特に明らかである。特定の距離におけるレーザースポットサイズがヘテロダインの視野に一致する（すなわち、両方のスポットが円形で、同じ直径）と仮定して、重なり関数が容易に計算できる。実用的なシステムでは、重なりは、２００ｍ未満の距離で著しく減少され（５０ｍ未満で極めて著しく減少され）得るが、これは、送信機（または受信機）光学系をある程度傾斜させることを可能にすることにより対処できる。２つのビームを空間的に重なり合わせるために必要な傾斜角は、ターゲットへの距離Ｒおよび２つの光学系の分離Ｓによって決まる。１００ｍの距離および８ｃｍの分離で、必要な傾斜角は非常に小さい（約０．０４５度）。両方の光学系を同時に傾斜することは、各光学系がこの角度の半分のみ傾斜することを必要とする。かかる傾斜角は、光学台の手動アジャスタを使用して達成できる。代替手段は、傾斜角を（コンピュータを用いて）制御するために電動アクチュエータを使用することである。
【０１００】
連続波レーザー光源の使用は、距離分解情報が取得されるのを直ちに可能にしない。しかし、距離情報が透過放射の焦点位置を制御（および調整）することにより判断されるのを可能にするアプローチが開発されてきた。レーザー焦点状態は、それらの焦点距離の合計よりもわずかに長い距離によって分離された２つの光学系を使用して制御でき、焦点距離の合計に等しい分離は、出射ビームが視準される（すなわち、無限遠焦点で）共焦点構成となる。実際には、光学系の焦点距離は制限される。それ故、初期のスポットサイズの縮小は、最終的な焦点までの距離を増やす主要な手段である。しかし、小さいスポットサイズは、高度のビーム広がりを意味し、それは、光学系におけるビームがその光学系の直径を上回り得、レーザー出力の著しい無駄となることを意味する。小さいスポットサイズと長い焦点距離の組合せは、光学系に、それがビームを収容するために十分に大きなことを要求する。
【０１０１】
レーザーへの光フィードバックを削減する必要性は、反射光学系の排他的使用を要求する。非球面ミラー（軸外放物面ミラーを含む）は、共焦点構成においてのみ非点収差のままである。しかし、送信機の役割は、純粋にターゲットを照射することなので、撮像条件は、考慮に入れる必要がなく、波面の品質に関する制約はなく、ＯＡＰＭは、焦点の位置を設定するために自由に調整できる。
【０１０２】
反射光学系のみを使用する色収差補正光学構成は、屈折光学系（例えば、レンズ）に基づくものよりも配置が重要である。しかし、それには追加の利点があり、それは、反射光学系に対して、システム内での放射の挙動のほとんどが波長に依存しないので、システムが、可視放射を使用して、監視および調整できることである。反射光学系はまた、均等な屈折光学系よりも通常、費用がはるかに低い。
【０１０３】
ダイオードレーザーの可視出力（約６００ｎｍ）が、必要に応じてビームに対して挿入または除去できる、ダイクロイックミラーを使用することにより、または「フリップ」マウントを使用することにより、受信機／送信機モジュールに組み込むことができる。フリップマウントの方が安価で、ビームの経路から除去した場合に赤外線ビームの出力に影響しない。しかし、マウントを挿入および除去する動作は、赤外線に対する可視ビームのずれという結果に成り得る。ダイクロイックミラー（可視波長で完全に反射的で、赤外周波数で完全に透過）は、より高価な選択肢であるが、光学系の永続的な部分を形成し、経時的なずれに関して最小限の問題がある。
【０１０４】
ヘテロダイン構成は、局部発振器ビームの後方散乱信号ビームとの混合を必要とする。混合（位相面整合）の品質は、測定の信号対ノイズ比に直接影響を及ぼす。図７は、２つのビームが光検出器で混合される方法が異なる混合を実装する代替方法を示す（平行ビーム（図７ａ）または収束ビーム（図７ｂ））。
【０１０５】
異なる構成は、以下の主な類似点を有する。
−ＬＯ経路がＱＣＬから出現し、高開口数レンズによって視準されて、光混合器上で結像される。
−送信機経路もＱＣＬから出現し、レンズによって視準されて、無限焦点拡張器（afocal expander）を介してターゲットに向けられる。
−後方散乱放射が、無限焦点縮小望遠ミラー（afocal de-magnifying telescope）によって収集され、光混合器上に焦点を合される、受信機経路。
【０１０６】
平行構成は、ＬＯと透過放射を分離し、次いで、ＬＯ受信放射を再結合するために、同じビームスプリッターを使用する。これは、検波器において２つのビームを重ね合わせる最も明白な方法であるが、システムは、ＡＯＭも収容する必要がある。ＡＯＭは、ＬＯ経路内にある必要があるので、追加のビームスプリッターが必要とされる。ＡＯＭの入り口開口（〜３ｍｍ）を所与として、ビームはさらなる縮小（demagnification）を必要とする。これは、共焦点軸外パラボラ（confocal off-axis parabola）を有する反射無限焦点拡張器で達成できるが、コンパクトさのために低入射角で、特にずれに対して高耐性である。この無限焦点システムは、偏光分割も低減させる。
【０１０７】
収束混合は、平行構成よりも複雑な光学設計を伴う。しかし、共役中間画像（conjugated intermediate image）が存在するので、それは、さらなる可撓性および光学的配列の制御を提供する。赤外線ビームの品質も、ビームスプリッターの表面欠陥にさほど感度が高くない可能性がある。ビームの横方向シフト（ＺｎＳｅ板上での４５度の入射でビームスプリッターの厚さの５０％）に加えて、軸焦点外れ（axial defocus）が生じ、それは、球面収差および非点収差を引き起こし得る。これは、成分分離を再調整することにより、かつ／または、反対称的な位置に置かれるビームスプリッターと同じ特性を有する補正板を追加することにより補正できる。しかし、視野が狭い場合、補正からの利得は、追加の透過光学要素を取り入れたことによって生じた増加した光フィードバックに比べて、重要ではない。ＡＯＭを統合するには、平行混合の場合のように、同様の修正が必要である。検波器表面上に最終的に焦点を合わせるための楕円面ミラーの使用には、利点と欠点との両方がある。検波器の画像を、楕円面の物体空間内の２つの発散ビームと共に整列させることは本質的にさらに困難であるが、パラボラの連続および楕円面は、標準的なグレゴリー式軸外構成となり、それは、単一パラボラよりも耐性を有する。
【０１０８】
無限焦点受信機システムを熟慮することが望ましく、特に、ターゲットが有限距離（数１０〜数１００メートル）にあると予期され、受信機が平らな入射波面に対して最適化されている場合である。ターゲットが近過ぎる場合、焦点がずれる。近い（例えば、５００ｍより近い）ターゲットに対応するために、無限焦点望遠ミラーのミラー間の軸分離の調整の補正が、上述した送信機の可変測距機能に類似した方法で、行われるべきである。
【０１０９】
検波器の前の屈折平行板窓の存在により、軸焦点外れが引き起こされる。検波器組立体内で、検波器窓分離が修正され、従って、補正が検波器の設計に含まれ得ることが予期できる。厚さｔミリメートルのＺｎＳｅ窓に対して、焦点外れはほぼ０．５８５×ｔであろう。この焦点外れ距離は、光フィードバックを低減させるために、検波器傾斜が導入されている場合、大きくなるだろう。
【０１１０】
ヘテロダイン機器の感度は、ヘテロダイン信号を検出するために使用される光混合器（およびその関連した電子機器）の品質により最終的に決定される。光混合器によって記録されたノイズが局部発振器からのショットノイズによってのみ決定される場合、ヘテロダイン検波システム感度の基本的限界に達し、検波器およびその増幅器組立体に関連したノイズ源は、このショットノイズ水準よりも下に低下させる必要がある。今まで、液体窒素冷却水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）フォトダイオードが、ヘテロダイン検波に使用されてきた。いくつかの製造業者（Fermionics、Kolmar、JudsonおよびHamamatsu）は、ヘテロダイン検波に対して最適化されている高速ＭＣＴフォトダイオードを提供でき、Kolmarは、数百メガヘルツ帯域幅まで動作するフォトダイオードを提供する。中赤外線での高速検波のための代替技術も利用可能である。これらは、量子井戸型赤外検出器（ＱＷＩＰ）、量子カスケード検出器（ＱＣＤ）およびアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を含む。
【０１１１】
ここで、電子システムについて説明する。分光用途では、レーザー光源の周波数安定性は、最大限の感度および再現性にとって不可欠である。ＱＣＬの波長は、その温度および印加される電流によって決定される。従って、温度および電流は、高い精度で制御される必要がある。標準的な中赤外線ＱＣＬは、電流および温度に関して、それぞれ〜４ｃｍ−１Ａ−１および〜０．０５から０．１ｃｍ−１Ｋ−１のチューニング率を有する。１ＭＨｚ（０．００００３ｃｍ−１）の光周波数安定性は、０．００１％の電流安定性および０．０３％の温度安定性を必要とする。２７３Ｋおよび１Ａで、これは１０−５Ａ（１０μＡ）および０．０８Ｋ（８０ｍＫ）の安定性に対応する。従って、高精度の電流源および温度調節器がＱＣＬを操作するために必要である。
【０１１２】
レーザーは、電流ランピング（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒａｍｐｉｎｇ）を使用して高速で、または温度調整を使用してより低速で、周波数において走査できる。リアルタイム使用のための材料の痕跡検出に対して、高速同調が明らかに好ましい。同調ランプ（ｔｕｎｉｎｇ  ｒａｍｐ）に対する正確な形状を生成するために波形発生器が必要とされ、ランプの傾斜がレーザーの同調特性、必要なスペクトル範囲および捕捉時間によって決定される。同調ランプに加えて、レーザー波長変調が、正弦波電流変調をレーザー注入電流に適用することにより実行される。光学調整および同期化の両方を最適化するために、高速デジタルオシロスコープを使用して、信号が視覚化される。
【０１１３】
ＡＯＭは、ＲＦ合成器によって制御され、ＲＦ合成器は、固定周波数または調整可能のいずれかであり得る。固定周波数は、周波数シフトを生成するために十分であるが、可変周波数は、例えば、電力変調および高周波数変調に影響されない波長変調などのさらなる可撓性および追加の変調機能を提供できる。
【０１１４】
コンピュータとインタフェースするステッピングモーターおよび圧電アクチュエータによって機械制御が提供される。
【０１１５】
検波器信号の捕捉が、アナログおよびデジタル入力および出力を備えた、ＮＩ  ＤＡＱ−Ｃａｒｄ多機能カードを使用して行われる。振幅および／または波長復調のためにロックイン増幅器が使用される。
【０１１６】
光混合器からの信号が特に重要であり、処理工程の性質は、使用される光混合器のタイプによって決まる。一般に、光混合器の後端は、以下の要素を包含する。
−帯域幅を広げるために光混合器が逆バイアスできるようにする、バイアスティー。
−ＡＣ成分が増幅ステージに向けられている間に、ＤＣ電流が監視できるようにする、ＡＣ／ＤＣスプリッター。
−ヘテロダイン信号用の増幅器。最高の性能を与えるためにうまく合致した、トランスインピーダンス増幅器が報告される。５０〜６０ｄＢまでの利得をもたらすために、第２の電圧増幅ステージが必要であり得る。増幅に続いて、ヘテロダイン信号が位相および振幅を判断するために分析できる。
−低水準の信号に対して、ＬＯの周波数走査機能を使用する場合、増幅チェーンの出力において、固定帯域通過フィルター（機器分解能を定義する）とこれに続くショットキーＲＦ検出器が必要とされる。ＲＦ信号は、ロックイン増幅器によって復調される。
【０１１７】
信号の追加の処理は、スペックルノイズ、基準線補正、スペクトル較正などを低減させるために使用され得る。
【０１１８】
好ましいアプローチでは、最適推定法（ＯＥＭ）が使用される。公的に入手可能なアルゴリズムが、ノイズの多いデータから状態情報の回復にこのアプローチを取るために使用され得る。ＯＥＭは、“Inverse Methods for Atmosphere Sounding Theory and Practice, Series on Atmospheric, Oceanic and Planetary Phsics-Vol.2”,Clive D. Rodgers,World Scientific,2000に詳細に記載されている。基本的な論理的アプローチは、以下のとおりである。
【０１１９】
適合するパラメータが、次元ｎの状態ベクトルと呼ばれるベクトルｘ→に連結される。実験データが、次元ｍの測定ベクトルと呼ばれるベクトルｙ→を生成する。
【０１２０】
第１のステップは、順モデルを構築することから成り、それは、問題に関して既知である全ての物理特性を含む。順モデルは、以下に従って、状態ベクトルｘ→を、測定ベクトルｙ→に関連付ける。
【０１２１】
【数８】
0006371706.tif 000009
【０１２２】
式中、関数Ｆは、順モデルを表し、ベクトルε→は、モデルの結果と測定の間の不一致を吸収する誤りベクトルである。回復問題は、問題を逆にすること、およびベクトルｘ→の値を求めること、ベクトルｙ→を知ることから成る。
【０１２３】
前述のように、順モデルは、照射、散乱および検出を含む、プロセス全体の物理特性を含む。この物理的特性は、特定の実施形態の本記述で前述している。順モデルを開発する際には、機器の収集開口の視野内で利用可能な後方散乱出力が、最初に決定され、これは、検出シナリオとは無関係である。これは、受信機特性に依存する次のステージへの入力を提供し、ヘテロダイン信号がこれらの受信機特性からモデル化される。ノイズ源も、ノイズがどのようにシステムに影響を及ぼすかの定量決定を提供するために、モデル化され得る。順モデルの出力は、ノイズのあるモデル化されたヘテロダイン信号を含む。
【０１２４】
逆問題をさらに制約するために、適合するパラメータに関する先験的データ（priori data）の組が必要である。それらは、回復されているパラメータに関して有している先験的知識を全て含む。先験的データは先験的ベクトルベクトルｘａ→を生成、先験的データに関する不確実性が先験的共分散行列Ｓａに組み込まれる。加えて、測定の不完全性が、測定共分散行列Ｓεによって吸収される。
【０１２５】
測定の複雑さが、中心極限定理を適用するような場合と仮定すると、誤り統計はガウス分布を取り、この場合、問題はベイズ情報の定理に従い、問題を逆にすることにより、以下のように定義される費用関数χ２が最小化される。
【０１２６】
【数９】
0006371706.tif 000010
【０１２７】
χ２が最小化されるとき、ベクトルｘｎ→がベクトルｘ→の最良推定量である。
【０１２８】
適度に非線形の逆問題に関して、式１６の局所線形化は次のようになる。
【０１２９】
【数１０】
0006371706.tif 000011
【０１３０】
式中、Ｋはヤコビ行列であり、重み関数の組とも呼ばれる。反復Levenberg-Marquardアプローチが、最良推定値ベクトルｘｎ→に近づくために使用され、反復ｉ＋１に対する状態ベクトルを反復ｉからの１つに関連付ける以下のアルゴリズムに従って、χ２を最小化する。
【０１３１】
【数１１】
0006371706.tif 000012
【０１３２】
λはLevenberg-Marquard抑制（dampening）パラメータであり、収束速度と推定の精度との間の良いトレードオフを提供するために設定される。
【０１３３】
完全なシステムを図９に概略的に示す。概略図では、９０度の軸外光学系が便宜上使用されている。実際の機器では、３０度の光学系が、アライメント耐性を緩和して、機器の全体的な設置面積を削減するために使用され得る。機器は、ビームが視準される光学台の間隔を低減させることによりさらにコンパクトにできる。集束素子に関する物理的制約は残ったままである。スペースは、カスタム設計の光学系（例えば、Ｄ形のミラー）を使用することにより、ＡＯＭ出力に近い点でＡＯＭから出現するビームを分離することによっても獲得できる。機器は、有利にも、２つのデッキに分割され得、下部デッキは透過／受信光学系を含む一方、上部デッキは機器の残りを含む。サイズに関する究極的限界は、送信機／受信機セクションのミラーの有効な焦点距離である。３０°の軸外光学系の使用は、コンパクトな設計において、さらに長い焦点距離の使用を可能にする。
【０１３４】
代替光学構成を図１１に示す。この構成では、周波数シフトが、局部発振器にではなく、ターゲットを照射するための光に適用される。これは、局部発振器放射が直接、第１のビームスプリッターから光混合器に向けられて、音響光学変調器のゼロ次出力が較正のために使用されることを可能にする。局部発振器信号が主要なノイズ源であるので、これは、より少ないノイズが局部発振器経路に導入されるとき、機器の全体的な性能を向上できる。音響光学変調器の１次出力が、次いでターゲットへの透過に使用される。
【０１３５】
図１１に示すアプローチは、レーザースペックルを低減させるアプローチの使用に特に適切であり、それは、出願者の同時係属の、もとは２０１２年１１月３０日に出願された“Method and Apparatus for Reducing Speckle Noise in an Optical system”という名称の英国特許出願第１２２１６７７．６号において教示されている。このアプローチでは、光学要素は、ターゲットの照射の位置を変えるためにディザリングされる。図１１に示す構成では、ＡＯＭとターゲット（Ｍ２、Ｍ３、ＯＡＰＭ５またはＯＡＰＭ６）との間の任意の光学要素が、この方法でディザリングできる。この方法は、説明した他の構成において、最も一般的には、例えば、図１に示すミラー９をディザリングすることにより使用できる。英国特許出願公開第１２２１６７７．６号の開示は、適用法が最大限に許容する範囲で、本明細書で開示される。
【０１３６】
実験結果を図１３および図１４に示す。図１３ａおよび図１３ｂは、システムとターゲットとの間に配置された気体の既知の濃度を含む気体セル内の気体の遠隔検出からの結果を示す。図１４ａおよび図１４ｂは、除去された気体セルでの結果を示し、大気気体の検出を提供する。全ての測定値は、信号と１．６ＭＨｚの両側（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｄ）ヘテロダイン帯域幅を積分するために、１００ｍｓの積分時間で機械的チョッパーを使用して取得された。０．０１Ｈｚの周波数で１．８ｃｍ−１の周波数掃引を生じる２００ｍＡの鋸歯状ランプが、レーザー電流に適用された。局部発振器出力が、前述したアクティブな出力安定化システムを使用することにより、走査全体を通して最適水準で維持される。粗面化されたアルミニウムターゲットが５．５ｍの距離で使用された。
【０１３７】
金属製気体セルが、１気圧の乾燥窒素ガス内に第１にＮ２Ｏおよび次いでＣＨ４の混合物で充填された。公称濃度は１０００±２．５ｐｐｍであった。吸収スペクトルが、Ｎ２Ｏ（図１３ａ）およびＣＨ４（図１３ｂ）に対して取得される。選択されたスペクトル領域では、著しい水分吸収特性はない。上のパネルは、実験スペクトル（点）およびＯＥＭアルゴリズムを使用した適合スペクトル（実線）を示す。下のパネルは、実験スペクトルと適合スペクトルとの間の残差を示す。
【０１３８】
Ｎ２ＯおよびＣＨ４の両方が、それぞれ、０．３２ｐｐｍ（Ｎ２Ｏ）および１．８ｐｐｍ（ＣＨ４）の標準濃度で大気中に自然に存在する。これらの濃度は、セル内で使用されるものよりもかなり低いが、長い経路長（１２．９４ｍ）は、セルが除去される場合に天然存在比が観察されることを可能にする。経路長は、ターゲットへの距離およびターゲットからの距離ならびに透過ビームおよび後方散乱ビームが機器上を移動する距離を含む。加えて、実験室内の大気の相対湿度は、〜１０４ｐｐｍの水分濃度を示す。ＱＣＬ同調範囲は、強い水分吸収線を回避するために特に選択されたが、高水分濃度のためにアクセス可能ないくつかの弱い吸収特性がある。
【０１３９】
図１４ａおよび図１４ｂは、大気水、ＣＨ４およびＮ２Ｏを含む、２つのスペクトル領域における大気吸収スペクトルを示す。適合濃度は、３２９９ｐｐｍ（Ｈ２Ｏ）、０．１８８ｐｐｍ（Ｎ２Ｏ）および１．４４／１．４７ｐｐｍ（ＣＨ４）であった。最小検出可能濃度は、１８２３ｐｐｍ．ｍ（Ｈ２Ｏ）、３７９ｐｐｂ．ｍ（Ｎ２Ｏ）および２．５／１．１ｐｐｍ．ｍ（ＣＨ４）であった。これらの数は、対応する線の特定の吸収断面積によって決まる。上のパネルは、実験スペクトル（点）およびＯＥＭアルゴリズムを使用した適合スペクトル（実線）を示す。下のパネルは、実験スペクトルと適合スペクトルとの間の残差を示す。
【０１４０】
当業者は、前述の構成は例示であり、特許請求される本発明の範囲から逸脱することなく、代替の設計的選択事項を想到し得ることを理解するであろう。
【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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