(57)【要約】【課題】集光効果を利用した高いＳ／Ｎ比での計測を行うとともに、複数の集光距離に送信光を高速に集光するコヒーレントライダ装置を提供する。【解決手段】コヒーレントライダ装置は、１つまたは２つの波長を有する光信号の一部からなる送信光を空間中に放射し該空間中の散乱ターゲットからの散乱光を受信する光アンテナと、上記光信号の一部からなるローカル光と上記散乱光とをヘテロダイン検波する光受信機と、を備えるコヒーレントライダ装置において、上記光アンテナは、上記送信光を集光ポイントに集光する集光レンズと、上記送信光が放射される出射端と上記集光レンズとの間に配置され、回転するとき円周上を上記送信光が通過し、該円周上の厚さが場所により異なる回転板と、を有する。【選択図】図２
2007315758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは２つの波長を有する光信号の一部からなる送信光を空間中に放射し該空間中の散乱ターゲットからの散乱光を受信する光アンテナと、上記光信号の一部からなるローカル光と上記散乱光とをヘテロダイン検波する光受信機と、を備えるコヒーレントライダ装置において、
上記光アンテナは、
上記送信光を集光ポイントに集光する集光レンズと、
上記送信光が放射される出射端と上記集光レンズとの間に配置され、回転するとき円周上を上記送信光が通過し、該円周上の厚さが場所により異なる回転板と、
を有することを特徴とするコヒーレントライダ装置。
【請求項２】
上記回転板の円周が複数の円弧に分割され、
上記円弧毎の厚さが離散的に異なっていることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントライダ装置。
【請求項３】
離散的に厚さが異なっている上記円弧の長さが互いに異なっていることを特徴とする請求項２に記載のコヒーレントライダ装置。
【請求項４】
上記回転板の円周上の厚さが、連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントライダ装置。
【請求項５】
上記光アンテナは、２つの波長を有する光信号の一部の送信光を空間中に放射し該空間中の散乱ターゲットからの２つの波長を有する散乱光を受信し、
上記光受信機は、上記２つの波長の散乱光の強度から計測範囲における計測対象となる気体の濃度を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコヒーレントライダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を空間中に出射して散乱ターゲットからの散乱光を受信してヘテロダイン検波し、散乱光強度やターゲット移動速度といった散乱ターゲットの性状を検出するコヒーレントライダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、コヒーレントライダ装置では、大気中の散乱ターゲットからの散乱光とローカル光とをヘテロダイン検波し、両光信号の差周波数を検出することから、ドップラー周波数に相当するターゲット移動速度を検出している（例えば、非特許文献１参照）。
しかし、例えば、大気中の散乱体が微小なエアロゾル（大気中に浮遊する塵）のような散乱係数が非常に小さい場合には、ドップラー信号において十分なＳ／Ｎ比が得られない状態が頻繁に生じる。このようなとき、Ｓ／Ｎ比を向上させる有効な手段として、レーザビームを集光すると、集光距離からの散乱光の受信効率が向上し、高いＳ／Ｎ比を実現できるようになる。レーザ光の出射部にワーキングディスタンス可変部材を着脱することでワーキングディスタンスを変化させている（例えば、特許文献１参照）。
また、別の集光距離を可変させる方式として、光出射端の位置を送信光の光軸方向に前後させることによっても可能である。
【０００３】
【特許文献１】特許第３０８２５３３号公報
【非特許文献１】安藤俊行、他３名、「コンパクト全光ファイバ型パルスコヒーレントライダ」、第２２回レーザセンシングシンポジウム予稿集、レーザレーダ研究会、２００３年６月、ｐ．５７−６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ワーキングディスタンス可変部材を着脱して集光距離を可変することは、ワーキングディスタンス可変部材を一旦取り外し別のワーキングディスタンス可変部材を取り付けなければならず、集光距離を迅速に変えることは難しい。
また、集光距離を高速に可変するために光出射端の位置を高速に前後移動させると、光出射端を移動する機構に大きな機械的負荷が加わるので、集光効果を利用し、且つ、複数の位置の散乱ターゲットの性状を計測することは困難である。
【０００５】
この発明の目的は、集光効果を利用した高いＳ／Ｎ比での計測を行うとともに、複数の集光距離に送信光を高速に集光するコヒーレントライダ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わるコヒーレントライダ装置は、１つまたは２つの波長を有する光信号の一部からなる送信光を空間中に放射し該空間中の散乱ターゲットからの散乱光を受信する光アンテナと、上記光信号の一部からなるローカル光と上記散乱光とをヘテロダイン検波する光受信機と、を備えるコヒーレントライダ装置において、上記光アンテナは、上記送信光を集光ポイントに集光する集光レンズと、上記送信光が放射される出射端と上記集光レンズとの間に配置され、回転するとき円周上を上記送信光が通過し、該円周上の厚さが場所により異なる回転板と、を有する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わるコヒーレントライダ装置は、回転板を一方方向に回転させるだけで計測距離を可変させることができるので、回転機構に加わる機械的負荷を小さく抑えられるとともに、集光効果を利用した高いＳ／Ｎ比の信号を得られ、且つ、複数の計測距離離れた位置での風速を高速に計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置の構成図である。
この発明の実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置は、図１に示すように、光源１、光分配器２、周波数シフタ３、光アンプ４、光サーキュレータ５、光アンテナ６、光合波器７、光受信機８、信号処理部９、制御部１０を備える。
【０００９】
また、光源１と光分配器２との間、光分配器２と周波数シフタ３との間、周波数シフタ３と光アンプ４との間、光アンプ４と光サーキュレータ５との間、光サーキュレータ５と光アンテナ６との間、光サーキュレータ５と光合波器７との間、光分配器２と光合波器７との間、および光合波器７と光受信機８との間は、全て光ファイバケーブルにより接続されている。
このように光回路の接続に全て光ファイバケーブルを用いることで、小型・軽量、且つ、配置自由度の高い装置構成が実現容易となる。
【００１０】
また、光受信機８と信号処理部９との間、制御部１０と信号処理部９との間、制御部１０と周波数シフタ３との間、制御部１０と光アンテナ６との間、信号処理部９と光アンテナ６との間は、全て電線ケーブルにより接続されている。
【００１１】
光源１は、単一波長のＣＷ光信号を送信する。また、光分配器２は、入力されたＣＷ光信号を送信光とローカル光に２分する。また、周波数シフタ３は、制御部１０からの制御電圧信号に基づいて、入力された送信光の周波数を所定の周波数シフト量だけ周波数シフトする。このとき、制御電圧信号がＤＣ電圧信号であれば、周波数シフタ３からＣＷ光の送信光、制御電圧信号がパルス電圧信号であれば、周波数シフタ３からパルス光の送信光が出力される。
【００１２】
また、光アンプ４は、周波数シフタ３からの送信光の光強度を増幅して光サーキュレータ５に送る。また、光サーキュレータ５は、光アンプ４からの送信光を光アンテナ６に送るとともに、光アンテナ６からの散乱光を光合波器７に送る。また、光合波器７は、光サーキュレータ５からの散乱光と光分配器２からのローカル光とを合波して、光受信機８に送る。また、光受信機８は、光合波器７からの合波を電気信号に変換して、信号処理部９に送る。
【００１３】
また、信号処理部９は、光受信機８からの電気信号を信号処理し、散乱ターゲットの性状を検出するとともに、光アンテナ６からの情報をもとに、信号処理した信号が、どの集光距離からの信号であるかを認識する。また、制御部１０は、周波数シフタ３、信号処理部９、および光アンテナ６に対して、制御信号を送信したり、またはモニタ信号を受信したり、これらの動作条件および動作タイミングを制御する。
【００１４】
図２は、光アンテナ６の全体構成を示す模式図である。図３は、送信光の光軸方向の光出射端、回転板、集光レンズの重なり具合を示す図である。図４は、送信光の光軸が交わる回転板の円周上の厚さの分布を示す図である。
次に、光アンテナ６の構成について図２、図３を参照して説明する。
光アンテナ６は、図２と図３に示すように、光出射端１１、集光距離調整用の回転板１２、集光レンズ１３、回転板制御部１４、エンコーダ１５を備える。
光出射端１１は、光ファイバの一端であり、光サーキュレータ５からの送信光をある所定の拡がり角度で空間中に放射するとともに、集光ポイント１６からの散乱光を光ファイバに結合させて光サーキュレータ５に送る。
【００１５】
回転板１２は、円板であり、光出射端１１と集光レンズ１３との間の光学的離間距離Ｌ’を調整する。そして、回転板１２の回転中心軸２２は、光出射端１１から放射される送信光の光軸２１と平行である。そこで、送信光の光軸２１は、回転板１２の回転中心軸２２からずれており、回転板１２の回転中心軸２２を中心とした回転板１２の半径以下の半径の回転板１２の円周２３上で交わっている。
また、回転板１２は、半円毎に厚さが異なっており、送信光の光軸２１が交わる回転板１２の円周２３上の厚さは、図４に示すように、円周２３の半分が厚く（ｔ１）、残りの半分が薄く（ｔ２）なっている。
【００１６】
集光レンズ１３は、光出射端１１から回転板１２を通過して入射した送信光を集光ポイント１６に集光するとともに、集光ポイント１６から入射した散乱光を回転板１２を通過して光出射端１１に集光する。
回転板制御部１４は、制御部１０からの制御信号に基づいて回転板１２を回転させるとともに、回転板１２の動作状態をモニタし、この情報をモニタ信号として制御部１０に送る。
エンコーダ１５は、回転板１２の回転角θを逐次読み取ってこの情報を信号処理部９に送る。
【００１７】
次に、回転板１２を用いた集光距離の調整に関し詳しく説明する。
光出射端１１と集光レンズ１３との間の光学的離間距離Ｌ’は、光出射端１１と集光レンズ１３との間の物理的離間距離をＬ１、送信光が透過する回転板１２の円周２３上の厚さをＬ２（θ）、回転板１２の回転角をθ、回転板１２の比屈折率をｎとして、式（１）により求められる。式（１）の第１項は、光出射端１１と集光レンズ１３との間の回転板１２以外に関する物理的離間距離を表し、第２項は、回転板１２に関する光学的厚さを表している。
そして、送信光が集光レンズ１３により集光される位置である集光ポイント１６と集光レンズ１３との間の集光距離Ｌは、集光レンズ１３の焦点距離をＦとして、式（２）により求められる。
【００１８】
【数１】
2007315758.tif 000003
【００１９】
式（１）および式（２）から分かるように、光が透過する回転板１２の円周２３上の厚さＬ２（θ）が図４に示すように変わるので、集光距離Ｌも変化する。すなわち、回転板１２を回転させると、光が透過する回転板１２の円周２３上の厚さが厚くなったり、薄くなったりするので、集光する位置も近い位置と遠い位置で変化し、集光距離Ｌも２値で変化する。このように、送信光を回転板１２に通過させることにより、光出射端１１と集光レンズ１３との間の光学的離間距離Ｌ’を変えることで、集光距離Ｌを変える。
【００２０】
次に、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置の動作について説明する。
まず、制御部１０は、指定された計測条件に基づいて、周波数シフタ３に制御電圧信号を送る。以下の説明では周波数シフタ３をＣＷ動作させることを想定し、ＤＣ電圧信号を送ることとする。また、制御部１０は、信号処理部９に信号処理条件、回転板制御部１４に回転条件を送信する。回転板制御部１４は、制御部１０からの回転条件に基づいて回転板１２を回転するとともに、回転角θの情報を逐次信号処理部９に送る。
【００２１】
次に、光源１は、単一周波数ｆｃのＣＷ光信号を送信する。
次に、光分配器２は、このＣＷ光信号を送信光とローカル光とに分け、ローカル光を光合波器７に送り、送信光を周波数シフタ３に送る。
次に、周波数シフタ３は、制御部１０からのＤＣ電圧信号に基づいて、入力された送信光を所定の周波数シフト量ｆｓだけ周波数シフトし、この周波数シフトされた送信光を光アンプ４に送る。この時点での送信光の周波数は、ｆｃ＋ｆｓである。
次に、光アンプ４は、入力された送信光を所定の光強度まで増幅し、光サーキュレータ５を介して光アンテナ６に送る。
【００２２】
光アンテナ６では、光サーキュレータ５からの送信光を光出射端１１から空間中に放射する。放射された送信光は、回転板１２と集光レンズ１３とを透過し、集光ポイント１６に集光される。
このとき、集光レンズ１３から集光ポイント１６までの集光距離Ｌは、上述したように、回転板１２の回転角θに依存して決まる。このときの回転角θをエンコーダ１５により読み取り、信号処理部９に送る。
【００２３】
集光ポイント１６に集光された送信光は、集光ポイント１６に存在する散乱ターゲットにより散乱され、散乱光となる。この散乱光は、ドップラー周波数シフトを受けている。送信光の波長をλ、散乱ターゲットの移動速度をｖとすると、このドップラー周波数シフト量ｆｄは、式（３）により与えられる。したがって、この時点での散乱光の周波数は、ｆｃ＋ｆｓ＋ｆｄである。
【００２４】
【数２】
2007315758.tif 000004
【００２５】
この散乱光は、集光レンズ１３、回転板１２を透過して光出射端１１に集光され、光ファイバに結合された後、光サーキュレータ５により光合波器７に送られる。
【００２６】
次に、光合波器７は、光分配器２からのローカル光と光サーキュレータ５からの散乱光とを合波する。
次に、光受信機８は、この合波された２つの光信号をヘテロダイン検波し、ドップラー信号として電気信号に変換し、信号処理部９に送る。このとき、ドップラー信号の周波数は、ローカル光と散乱光との差周波数、つまり、ｆｓ＋ｆｄである。
【００２７】
次に、制御部１０は、設定された信号処理条件に基づいて、ＦＦＴをはじめとしたスペクトル解析手段を用いて信号処理し、ドップラースペクトルを求める。このとき、ドップラースペクトルのピーク周波数は、ｆｓ＋ｆｄである。ここで、周波数シフタ３の周波数シフト量ｆｓは既知であるので、このピーク周波数（ｆｓ＋ｆｄ）から周波数シフト量ｆｓを減算してドップラー周波数ｆｄを求める。このドップラー周波数ｆｄとＣＷ光信号の波長λとを用いて式（３）に従って散乱ターゲットの移動速度ｖを検出する。散乱ターゲットを大気中のエアロゾルとすると、この移動速度ｖは風速と同じであり、風速が検出されることとなる。さらに、ピーク周波数における信号強度から、散乱光の強度を検出することも可能である。
【００２８】
このとき、信号処理部９は、光アンテナ６のエンコーダ１５で逐次読み取った回転角θの値をモニタしており、散乱光の送受信タイミングにおける集光距離Ｌ、つまり計測距離を逐次把握し、上述の処理により求めた散乱光強度または風速が、どの計測距離に対応したものかを記録する。
【００２９】
上述の動作を繰り返し行うと、時間の経過とともに回転板１２が回転して集光距離Ｌ、つまり計測距離が２値に変化し、２つの計測距離での風速を計測することができる。このとき、計測距離がいずれであるかについては、上述したように光アンテナ６のエンコーダ１５からの回転板１２の回転角θを逐次把握することにより可能である。
【００３０】
このような実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、送信光の集光効果を利用することで集光ポイント１６付近以外の距離からの散乱光がほとんど受信されなくなるので、ドップラー信号のＳ／Ｎ比向上だけでなく、距離分解能改善効果も生じている。
【００３１】
また、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、回転板１２の回転により、集光距離Ｌ、つまり計測距離を変えているので、一方方向に回転板１２を回転させるだけでよく、計測距離を可変させることができ、回転機構に必要な機械的負荷を小さく抑えられる。つまり、従来よりも高速に計測距離を可変でき、集光効果を利用した高いＳ／Ｎ比を得つつ、かつ複数距離を高速に計測できる。
【００３２】
また、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、回転板１２が厚い部分と薄い部分との２つの厚さを有しているので、遠く離れた２つの計測距離での風速計測が瞬時に行える。
また、送信光の光軸２１と交差する回転板１２の円周２３を図５に示すように、４個の円弧に分割し、各円弧での厚さが異なる回転板１２を備えることにより、４個の計測距離での風速を高速に計測することができる。このように、３個以上の円弧に分割し、各円弧での厚さが異なる回転板１２を備えることにより、３個以上の計測距離での風速を高速に切り換えながら計測することができる。
また、分割した３個以上の円弧の長さを互いに異なる値とすることで、各計測距離での計測時間を個別に設定することもできる。
【００３３】
また、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、回転板１２の厚さを離散的に変化させていたので、風速が計測できる計測距離も離散的であったが、図６に示すように、送信光の光軸２１と交差する回転板１２の円周２３上の厚さが連続的に変化するようにすれば、風速を計測できる計測距離を連続的に設定することができる。
【００３４】
なお、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、送信光をＣＷ光で動作していたが、制御部１０から周波数シフタ３に送る制御電圧信号をパルス電圧信号として、送信光をパルス光で動作させても２つの計測距離における風速を高速に計測することができる。そして、パルス幅を狭くすることで、さらに高い距離分解能が得られる。
【００３５】
また、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、周波数シフタ３を光分配器２と光アンプ４との間に配置していたが、周波数シフタ３を、光分配器２と光合波器７との間に配置しても良い。この場合、パルス方式で動作させることは困難となり、ＣＷ方式のみでの動作となる。このとき、ヘテロダイン検波においてローカル光の光強度が十分に強ければ、周波数シフタ３により多少のローカル光の光強度が低下しても、受信における効率の劣化にはつながらない。したがって、周波数シフタ３の挿入損失が大きい場合、周波数シフタ３をローカル光側に配置することで、周波数シフタ３での挿入損失による送信パワーの劣化を回避できる。
【００３６】
また、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置では、ドップラー周波数の＋と−、つまり移動方向を識別する目的で周波数シフタ３を使用していたが、この識別の必要がなければ、周波数シフタ３は特に必要ない。
【００３７】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置の構成図である。
この発明の実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置は、いわゆる差分吸収ライダと呼ばれる種類のコヒーレントライダ装置である。差分吸収ライダ装置は、計測対象となる気体が吸収する吸収率が大きい波長と小さい波長との送信光を送信するものであり、散乱ターゲットからの２つの波長の散乱光の光強度を検出し、２つの波長の散乱光の光強度の差分から、計測対象となる気体の濃度を計測するものである
【００３８】
この発明の実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置は、差分吸収ライダ装置を構成するために、図７に示すように、実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置に以下が追加され、また、光分配器２Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置に追加されているものは、光源１と周波数が異なるＣＷ光信号を送信する第２の光源１ｂ、第２の光源１ｂが送信するＣＷ光信号を第２の送信光、第２のローカル光および第２の波長モニタ光に分配する第２の光分配器２Ｂｂ、第２の送信光を周波数シフトする第２の周波数シフタ３ｂ、送信光と第２の送信光とを合波する第２の光合波器７ｂ、ローカル光と第２のローカル光とを合波する第３の光合波器７ｃ、波長ロック回路１７である。
また、光分配器２Ｂは、光源１が送信するＣＷ光信号を送信光、ローカル光および波長モニタ光に分配する。
【００３９】
また、第２の光源１ｂと第２の光分配器２Ｂｂとの間、第２の光分配器２Ｂｂと第２の周波数シフタ３ｂとの間、第２の光分配器２Ｂｂと第３の光合波器７ｃとの間、第２の光分配器２Ｂｂと波長ロック回路１７との間、第２の周波数シフタ３ｂと第２の光合波器７ｂとの間、光分配器２Ｂと波長ロック回路１７との間、光分配器２Ｂと第２の光合波器７ｂ、光分配器２Ｂと第３の光合波器７ｃとの間、第２の光合波器７ｂと周波数シフタ３との間、第３の光合波器７ｃと光合波器７との間、周波数シフタ３と光アンプ４との間、光アンプ４と光サーキュレータ５との間、光サーキュレータ５と光アンテナ６との間、光サーキュレータ５と光合波器７との間、および光合波器７と光受信機８との間は、全て光ファイバにより接続されている。
【００４０】
また、波長ロック回路１７と光源１との間、波長ロック回路１７と第２の光源１ｂとの間、制御部１０と周波数シフタ３との間、制御部１０と第２の周波数シフタ３ｂとの間、光受信機８と信号処理部９との間、制御部１０と信号処理部９との間、制御部１０と光アンテナ６との間、信号処理部９と光アンテナ６との間は、全て電線ケーブルにより接続されている。
【００４１】
第２の光源１ｂは、送信する光波長が光源１と異なるＣＷ光信号を送信する。ここで、光源１の送信波長をλＯＮ、第２の光源１ｂの送信波長をλＯＦＦとする。そして、波長λＯＮとして、計測対象となる気体に関する吸収係数が大きい波長とする。また、波長λＯＦＦとして、計測対象となる気体に関する吸収係数が小さい波長とする。以下では、波長λＯＮおよび波長λＯＦＦに対応する光周波数をｆＯＮおよびｆＯＦＦとして説明する。
【００４２】
また、光分配器２Ｂは、光源１からのＣＷ光信号を送信光、ローカル光、波長モニタ光の３つに分配し、送信光を第２の光合波器７ｂに、ローカル光を第３の光合波器７ｃに、波長モニタ光を波長ロック回路１７に送る。
また、第２の光分配器２Ｂｂは、第２の光源１ｂからのＣＷ光信号を第２の送信光、第２のローカル光、第２の波長モニタ光の３つに分配し、第２の送信光を第２の周波数シフタ３ｂに、第２のローカル光を第３の光合波器７ｃに、第２の波長モニタ光を波長ロック回路１７に送る。
波長ロック回路１７は、光分配器２Ｂおよび第２の光分配器２Ｂｂからの波長モニタ光および第２の波長モニタ光の波長をモニタし、光源１および第２の光源１ｂの送信光の波長が所望の値、つまり波長λＯＮおよび波長λＯＦＦに保持されるように、光源１および第２の光源１ｂに対して制御する。
【００４３】
第２の光合波器７ｂは、光分配器２Ｂおよび第２の周波数シフタ３ｂからの送信光と第２の送信光とを合波して周波数シフタ３に送る。
第３の光合波器７ｃは、光分配器２Ｂからのローカル光と第２の光分配器２Ｂｂからの第２のローカル光とを合波して、合成ローカル光を光合波器７に送る。
光合波器７は、第３の光合波器７ｃからの合成ローカル光と光サーキュレータ５からの散乱光を合波して、光受信機８に送る。
周波数シフタ３ｂは、第２の光分配器２Ｂｂからの送信光に対して所定の周波数シフトを与え、第２の光合波器７ｂに送る。
周波数シフタ３は、第２の光合波器７ｂからの合波送信光に所定の周波数シフトを与え、光アンプ４に送る。
光アンプ４は、周波数シフタ３からの合成送信光を増幅して、光サーキュレータ５に送る。
光サーキュレータ５は、光アンプ４からの合成送信光を光アンテナ６に送るとともに、光アンテナ６からの散乱波を光合波器７に送る。
光アンテナ６は、光サーキュレータ５からの合成送信光を空間中に放射するとともに、空間中の散乱ターゲットからの散乱光を受信して、受信した散乱光を光サーキュレータ５に送る。
光受信機８は、光合波器７からの光信号、つまり光分配器２Ｂおよび第２の光分配器２Ｂｂからのローカル光および第２のローカル光と、光サーキュレータ５からの散乱光とを、ヘテロダイン検波し、ドップラー信号に変換する。
信号処理部９は、光受信機８からのドプラー信号を信号処理することにより、大気中に存在する計測対象となる気体濃度を求める。
なお、制御部１０および光アンテナ６の機能については、実施の形態１に記載したものと同じである。
【００４４】
次に、実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置の動作について説明する。
まず、光源１と第２の光源１ｂとから、光周波数の異なるＣＷ光信号を送信する。このとき、上述したように、光源１から送信する光の周波数はｆＯＮ、光源１ｂから送信される光の周波数はｆＯＦＦである。
【００４５】
次に、光分配器２Ｂは、光源１からのＣＷ光信号を送信光、ローカル光、波長モニタ光の３つに分配し、送信光を第２の光合波器７ｂに、ローカル光を第３の光合波器７ｃに、波長モニタ光を波長ロック回路１７に送る。また、第２の光分配器２Ｂｂは、第２の光源１ｂからのＣＷ光信号を第２の送信光、第２のローカル光、第２の波長モニタ光の３つに分配し、第２の送信光を第２の周波数シフタ３ｂに、第２のローカル光を第３の光合波器７ｃに、第２の波長モニタ光を波長ロック回路１７に送る。
【００４６】
このとき、波長ロック回路１７は、光分配器２Ｂおよび第２の光分配器２Ｂｂからの波長モニタ光および第２の波長モニタ光の波長をモニタし、光源１および第２の光源１ｂのＣＷ光信号の波長が所望の値、つまり波長λＯＮおよび波長λＯＦＦに保持されるように、つまり光周波数がｆＯＮおよびｆＯＦＦに保持されるように、光源１および第２の光源１ｂに対して制御をかける。
【００４７】
次に、第３の光合波器７ｃは、光分配器２Ｂおよび第２の光分配器２Ｂｂからのローカル光および第２のローカル光を合波して、合波ローカル光を光合波器７に送る。これにより、光合波器７に入力される合波ローカル光には、光周波数ｆＯＮおよび光周波数ｆＯＦＦの２成分が含まれる。
次に、第２の周波数シフタ３ｂは、第２の光分配器２Ｂｂからの第２の送信光に対して、所定の周波数シフト量ｆ１だけ周波数シフトする。周波数シフトされた第２の送信光の周波数は、ｆＯＦＦ＋ｆ１となり、これを、第２の光合波器７ｂに送る。
【００４８】
次に、第２の光合波器７ｂは、光分配器２Ｂからの送信光と第２の周波数シフタ３ｂからの第２の送信光とを合波し、合波送信光として周波数シフタ３に送る。
次に、周波数シフタ３は、第２の光合波器７ｂからの合波送信光に対して、所定の周波数シフト量ｆ２だけ周波数シフトする。周波数シフタ３からの合成送信光には、周波数（ｆＯＮ＋ｆ２）と周波数（ｆＯＦＦ＋ｆ１＋ｆ２）の２つの光周波数の送信光が含まれている。そして、周波数シフト後の合成送信光を、光アンプ４に送る。
次に、光アンプ４は、入力された合成送信光を増幅し、光サーキュレータ５に送る。
次に、光サーキュレータ５は、光アンプ４で増幅されて送られてきた合成送信光を光アンテナ６に送る。
次に、光アンテナ６は、光サーキュレータ５からの合成送信光を集光ポイント１６に集光する。
【００４９】
上述の動作により、空間中に、光周波数（ｆＯＮ＋ｆ２）と光周波数（ｆＯＦＦ＋ｆ１＋ｆ２）の２つの送信光が放射される。なお、空間中に放射される２つの送信光の送信パワーは、必ずしも同一である必要はないが、以下説明を簡単にするため、同一の送信パワーで放射するものとして説明を行う。
【００５０】
空間中に放射された２つの波長の送信光の間には、計測対象となる気体に関する吸収係数が異なるため、空間中を伝搬する過程における減衰量に差が生じる。したがって、２つの波長、つまり２つの光周波数の送信光の間では、光出射端１１から散乱ターゲットまでの伝搬過程、散乱ターゲットで散乱された後、光出射端１１で受信されるまでの伝搬過程の各々において減衰量の差が生じる。つまり、同じ送信パワーで２つの波長、つまり２つの光周波数の送信波を送信した場合でも、受信された散乱光の光量においては、２つの波長の散乱光の間で差が生じる。
【００５１】
また、コヒーレントライダ装置が航空機等の移動体に搭載されていて、コヒーレントライダ装置が移動する場合や、散乱ターゲットがエアロゾルであり風に乗って移動するような場合においては、これらの移動に伴って光周波数にドップラー周波数シフトが生じる。このドップラー周波数シフトは、同じ移動速度であっても、光周波数に依存して異なる値となる。しかし、光周波数ｆＯＮと光周波数ｆＯＦＦとを非常に近い値に選択しておくことで、各波長に関するドップラー周波数シフトはほぼ同じ値となる。ここでは、光周波数ｆＯＮと光周波数ｆＯＦＦとを非常に近い値に選択するものとし、移動速度に対して同じドップラー周波数シフト量ｆｄが生じるものとする。
【００５２】
次に、光アンテナ６は、集光ポイント１６に存在する散乱ターゲットからの散乱光を受信して光ファイバに結合させ、散乱光を光サーキュレータ５に送る。
次に、光サーキュレータ５は、光アンテナ６で受信した散乱光を光合波器７に送る。
次に、光合波器７は、第３の光合波器７ｃからの合波ローカル光と受信した散乱光とを合波した後、光受信機８に送る。
【００５３】
次に、光受信機８は、光合波器７からの光信号、つまり、合波ローカル光と受信した散乱光とを、ヘテロダイン検波する。このとき、合波ローカル光には、光周波数ｆＯＮおよび光周波数ｆＯＦＦの成分が含まれており、受信した散乱光には、光周波数（ｆＯＮ＋ｆ２＋ｆｄ）および光周波数（ｆＯＦＦ＋ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）の成分が含まれている。
ヘテロダイン検波して得られた電気信号、つまりドップラー信号には、受信した散乱光の周波数と合波ローカル光の周波数の差周波成分が含まれる。つまり、ヘテロダイン検波して得られた電気信号には、周波数（ｆ２＋ｆｄ）、周波数（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）、周波数（ｆＯＦＦ−ｆＯＮ＋ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）、および周波数（ｆＯＮ−ｆＯＦＦ＋ｆ２＋ｆｄ）の４成分が含まれることとなる。
【００５４】
このとき、（ｆＯＮ−ｆＯＦＦ）の絶対値に対し、ｆ１、ｆ２、ｆｄ、および（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）の値が十分小さい場合においては、前記４成分中、前半の２成分と後半の２成分の値は大きく異なる。光受信機８の受信周波数帯域を、想定される最大のドップラー周波数シフト量がｆｄ’のとき、（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ’）以下に制限することで、光受信機８から出力される電気信号には、周波数（ｆ２＋ｆｄ）および周波数（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）の２つの成分のみが含まれる。この内、周波数（ｆ２＋ｆｄ）の成分は、光周波数ｆＯＮの成分についてヘテロダイン検波して得られた信号であり、周波数（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）の成分は、光周波数ｆＯＦＦの成分についてヘテロダイン検波して得られた信号である。
【００５５】
なお、通常、光周波数ｆＯＮおよび光周波数ｆＯＦＦは、光キャリア周波数のオーダー、すなわち、百テラヘルツのオーダーであり、差分吸収ライダ装置で使用する２周波数の周波数差は、小さくとも１ＧＨｚ以上である。それに対して、周波数シフタ３、３ｂの周波数シフト量ｆ１およびｆ２は、１０〜１００ＭＨｚ程度、ドップラー周波数シフト量は１ｍ／ｓ当たり数ＭＨｚ程度であるので、（ｆＯＮ−ｆＯＦＦ）の絶対値に対し、ｆ１、ｆ２、ｆｄ、および（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）の値は、十分に小さいと考えて差し支えない。  したがって、光受信機８の受信周波数帯域を上述のように制限すると、周波数（ｆＯＦＦ−ｆＯＮ＋ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）および周波数（ｆＯＮ−ｆＯＦＦ＋ｆ２＋ｆｄ）の成分を除去することができる。
【００５６】
図８は、この発明の実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置の信号処理部９において得られる周波数スペクトルの模式図である。
次に、信号処理部９は、光受信機８からのヘテロダイン検波後のドップラー信号を信号処理する。
具体的にはまず、電気信号をＡ／Ｄ変換し、ＦＦＴをはじめとしたスペクトル解析手段により周波数スペクトルを求める。このときに得られる周波数スペクトルについて、図８を用いて説明する。図８から分かるように、この周波数スペクトルには、光周波数ｆＯＮに関する周波数（ｆ２＋ｆｄ）の成分および光周波数ｆＯＦＦに関する周波数（ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ）の成分が含まれる。
そして、上記２つの周波数の成分の信号強度を光周波数ｆＯＮおよび光周波数ｆＯＦＦの散乱光強度に対応する値として検出する。
【００５７】
上述した動作を繰り返し行うと、時間の経過とともに光アンテナ６の回転板１２が回転して集光距離、つまり計測距離が変化し、複数の計測距離について計測することができる。このとき、計測距離の値については、光アンテナ６のエンコーダ１５からの回転板１２の回転角情報により逐次把握することができる。
この繰り返し動作により、複数の計測距離において、上記光周波数ｆＯＮおよび光周波数ｆＯＦＦの成分に関する散乱光強度に対応した信号強度を検出することができる。
【００５８】
変化させた集光距離、つまり計測距離の範囲において、計測対象となる気体がほとんど存在しない場合、２波長が空間中の伝搬過程において受ける吸収の影響はいずれも殆どないので、複数の計測距離において検出した前記２波長成分の信号強度はほぼ同じとなる。  それに対し、変化させた計測距離の範囲において、計測対象となる気体が高濃度で存在する場合、２波長が空間中の伝搬過程において受ける吸収の影響は大きい。具体的には、周波数スペクトルにおける光周波数ｆＯＦＦに関連する成分については、計測距離が大きくなっても信号強度がさほど変わらないのに対し、光周波数ｆＯＮに関連する成分については、計測距離が大きくなるにつれて信号強度が急激に低下する。この信号強度の差異は、２波長の受信光量の差異と対応づけることができる。この受信光量の差異は、２波長の空間中における計測対象となる気体に関する吸収量の差異に対応づけることができる。この吸収量の差異は、空間中における気体濃度と対応づけることができる。
したがって、信号強度の計測距離の変化に対する劣化の度合いの差異から、計測範囲内の空間中における計測対象となる気体の濃度を検出することができる。
【００５９】
なお、以上に記載した、「計測範囲」は、光アンテナ６により送信光が集光された集光距離の最小距離および最大距離の間の空間範囲のことをいう。
【００６０】
このような実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置は、いわゆる差分吸収ライダ装置と呼ばれるものであり、複数の計測距離における散乱光の信号強度から、計測範囲内における計測対象の濃度を検出するので、高速に集光距離を可変することができるとともに、高い精度で計測対象の濃度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１に係わるコヒーレントライダ装置の構成図である。
【図２】この実施の形態１に係わる光アンテナの構成図である。
【図３】この実施の形態１に係わる送信光の光軸方向の光出射端、回転板、集光レンズの重なり具合を示す図である。
【図４】送信光の光軸が交わる実施の形態１に係わる回転板の円周上の厚さの分布を示す図である。
【図５】実施の形態１に係わる他の例の回転板に関する送信光の光軸が交わる回転板の円周上の厚さの分布を示す図である。
【図６】実施の形態１に係わる他の例の回転板に関する送信光の光軸が交わる回転板の円周上の厚さの分布を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係わるコヒーレントライダ装置の信号処理部において得られる周波数スペクトルの模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ｂ  光源、２、２Ｂ、２Ｂｂ  光分配器、３、３ｂ  周波数シフタ、４  光アンプ、５  光サーキュレータ、６  光アンテナ、７、７ｂ、７ｃ  光合波器、８  光受信機、９  信号処理部、１０  制御部、１１  光出射端、１２  回転板、１３  集光レンズ、１４  回転板制御部、１５  エンコーダ、１６  集光ポイント、１７  波長ロック回路、２１  送信光の光軸、２２  回転板の回転中心軸、２３  円周。
【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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