(57)【要約】【課題】移動しながらの計測によりドップラー周波数シフトが生じる時でも受信光を検出できる差分吸収ライダ装置を得る。【解決手段】第１及び第２のＣＷ送信光信号、ＣＷローカル光信号を発生する光信号発生手段１〜３と、第２のＣＷ送信光信号に第１の周波数シフト、第１のＣＷ送信光信号に第２の周波数シフトを与える周波数シフト手段４ａ、４ｂ、５ａと、２波長の光信号を空間中に放射する放射手段６〜９と、ターゲットからの散乱光を受信光として受信する光受信手段９、１０と、送信ビームのターゲット上の照射スポットが受信視野内に入るように光受信手段を逐次制御するビーム照射スポットトレーサー１１と、第１、第２のＣＷローカル光信号と受信光とをヘテロダイン検波して電気信号に変換し、第２、第１の周波数シフト成分を抽出してそれらの強度の差異からターゲットの濃度を検出する濃度検出手段５ｂ、５ｃ、１２、１３とを設けた。【選択図】図１
2007333518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットに関する吸収係数が大きい第１の波長、及び前記第１の波長に対応する第１の周波数を持つ第１のＣＷ送信光信号及び第１のＣＷローカル光信号を発生するとともに、前記ターゲットに関する吸収係数が小さい第２の波長、及び前記第２の波長に対応する第２の周波数を持つ第２のＣＷ送信光信号及び第２のＣＷローカル光信号を発生する光信号発生手段と、
前記第２のＣＷ送信光信号に第１の周波数シフトを与えるとともに、前記第１のＣＷ送信光信号及び前記第１の周波数シフトを与えた第２のＣＷ送信光信号に第２の周波数シフトを与える周波数シフト手段と、
前記周波数シフト手段から出力された２波長の光信号を所定のビーム形状に成形して空間中に放射する放射手段と、
前記空間中に存在する前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信する光受信手段と、
送信ビームのターゲット上の照射スポットが受信視野内に入るように前記光受信手段を逐次制御するビーム照射スポットトレーサーと、
前記光信号発生手段から出力された前記第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記光受信手段から出力された前記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号に変換し、前記電気信号から前記第１及び第２の周波数に対応する前記第２及び第１の周波数シフト成分を抽出し、前記第２及び第１の周波数シフト成分の強度の差異から前記ターゲットの濃度を検出する濃度検出手段と
を備えたことを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項２】
前記光信号発生手段は、
ターゲットに関する吸収係数が大きい第１の波長を持つ第１のＣＷ光信号を発生する第１の光源と、
前記ターゲットに関する吸収係数が小さい第２の波長を持つ第２のＣＷ光信号を発生する第２の光源と、
前記第１の光源から出力される前記第１のＣＷ光信号を波長モニタ用第１のＣＷ光信号、第１のＣＷ送信光信号及び第１のＣＷローカル光信号に分配する第１の光分配器と、
前記第２の光源から出力される前記第２のＣＷ光信号を波長モニタ用第２のＣＷ光信号、第２のＣＷ送信光信号及び第２のＣＷローカル光信号に分配する第２の光分配器と、
前記第１及び第２の光分配器から出力される前記波長モニタ用第１及び第２のＣＷ光信号の波長を監視し、前記第１及び第２の波長に保持されるように、前記第１及び第２の光源を制御する波長ロック回路とを含み、
前記放射手段は、
前記周波数シフト手段から出力された２波長の光信号を増幅する光アンプと、
前記光アンプから出力された２波長の光信号を送受分離部へ送る送信光学系と、
前記送受分離部から出力された２波長の光信号を所定のビーム形状に成形して空間中に放射するビームエクスパンダーとを含み、
前記光受信手段は、
前記空間中に存在する前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信して前記送受分離部へ送る前記ビームエクスパンダーと、
前記送受分離部から出力された前記受信光を前記濃度検出手段へ送る受信光学系とを含み、
前記濃度検出手段は、
前記光信号発生手段から出力された前記第１及び第２のＣＷローカル光信号を合波する第２の光合波器と、
前記第２の光合波器から出力され合波された第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記光受信手段から出力された前記受信光とを合波する第３の光合波器と、
前記第３の光合波器から出力された前記第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号に変換する光受信機と、
前記電気信号から前記第１及び第２の周波数に対応する前記第２及び第１の周波数シフト成分を抽出し、前記第２及び第１の周波数シフト成分の強度の差異から前記ターゲットの濃度を検出する信号処理器とを含む
ことを特徴とする請求項１記載の差分吸収ライダ装置。
【請求項３】
前記周波数シフト手段は、
前記光信号発生手段から出力された前記第２のＣＷ送信光信号に第１の周波数シフトを与える第１の周波数シフタと、
前記光信号発生手段から出力された前記第１のＣＷ送信光信号と前記第１の周波数シフタから出力され前記第１の周波数シフトを与えた第２のＣＷ送信光信号とを合波する第１の光合波器と、
前記第１の光合波器から出力され合波された光信号に第２の周波数シフトを与える第２の周波数シフタとを含む
ことを特徴とする請求項１又は２記載の差分吸収ライダ装置。
【請求項４】
前記周波数シフト手段は、
前記第２の周波数シフタをパルス駆動するパルス駆動手段をさらに含む
ことを特徴とする請求項３記載の差分吸収ライダ装置。
【請求項５】
ターゲットに関する吸収係数が大きい第１の波長、及び前記第１の波長に対応する第１の周波数を持つ第１のＣＷ送信光信号及び第１のＣＷローカル光信号を発生するとともに、前記ターゲットに関する吸収係数が小さい第２の波長、及び前記第２の波長に対応する第２の周波数を持つ第２のＣＷ送信光信号及び第２のＣＷローカル光信号を発生する光信号発生手段と、
前記光信号発生手段から出力された２波長の光信号を所定のビーム形状に成形して空間中に放射する放射手段と、
前記空間中に存在する前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信する光受信手段と、
送信ビームのターゲット上の照射スポットが受信視野内に入るように前記光受信手段を逐次制御するビーム照射スポットトレーサーと、
前記第２のＣＷローカル光信号に第１の周波数シフトを与えるとともに、前記第１のＣＷローカル光信号及び前記第１の周波数シフトを与えた第２のＣＷローカル光信号に第２の周波数シフトを与える周波数シフト手段と、
前記周波数シフト手段から出力された前記第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記光受信手段から出力された前記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号に変換し、前記電気信号から前記第１及び第２の周波数に対応する前記第２及び第１の周波数シフト成分を抽出し、前記第２及び第１の周波数シフト成分の強度の差異から前記ターゲットの濃度を検出する濃度検出手段と
を備えたことを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項６】
前記光信号発生手段は、
ターゲットに関する吸収係数が大きい第１の波長を持つ第１のＣＷ光信号を発生する第１の光源と、
前記ターゲットに関する吸収係数が小さい第２の波長を持つ第２のＣＷ光信号を発生する第２の光源と、
前記第１の光源から出力される前記第１のＣＷ光信号を波長モニタ用第１のＣＷ光信号、第１のＣＷ送信光信号及び第１のＣＷローカル光信号に分配する第１の光分配器と、
前記第２の光源から出力される前記第２のＣＷ光信号を波長モニタ用第２のＣＷ光信号、第２のＣＷ送信光信号及び第２のＣＷローカル光信号に分配する第２の光分配器と、
前記第１及び第２の光分配器から出力される前記波長モニタ用第１及び第２のＣＷ光信号の波長を監視し、前記第１及び第２の波長に保持されるように、前記第１及び第２の光源を制御する波長ロック回路とを含み、
前記放射手段は、
前記光信号発生手段から出力された前記第１のＣＷ送信光信号と前記第２のＣＷ送信光信号とを合波する第１の光合波器と、
前記第１の光合波器から出力された２波長の光信号を増幅する光アンプと、
前記光アンプから出力された２波長の光信号を送受分離部へ送る送信光学系と、
前記送受分離部から出力された２波長の光信号を所定のビーム形状に成形して空間中に放射するビームエクスパンダーとを含み、
前記光受信手段は、
前記空間中に存在する前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信して前記送受分離部へ送る前記ビームエクスパンダーと、
前記送受分離部から出力された前記受信光を前記濃度検出手段へ送る受信光学系とを含み、
前記濃度検出手段は、
前記周波数シフト手段から出力された第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記光受信手段から出力された前記受信光とを合波する第３の光合波器と、
前記第３の光合波器から出力された前記第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号に変換する光受信機と、
前記電気信号から前記第１及び第２の周波数に対応する前記第２及び第１の周波数シフト成分を抽出し、前記第２及び第１の周波数シフト成分の強度の差異から前記ターゲットの濃度を検出する信号処理器とを含む
ことを特徴とする請求項５記載の差分吸収ライダ装置。
【請求項７】
前記周波数シフト手段は、
前記光信号発生手段から出力された前記第２のＣＷローカル光信号に第１の周波数シフトを与える第１の周波数シフタと、
前記光信号発生手段から出力された前記第１のＣＷローカル光信号と前記第１の周波数シフタから出力され前記第１の周波数シフトを与えた第２のＣＷローカル光信号とを合波する第２の光合波器と、
前記第２の光合波器から出力され合波された光信号に第２の周波数シフトを与える第２の周波数シフタとを含む
ことを特徴とする請求項５又は６記載の差分吸収ライダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つ以上の波長のレーザ光を空間中に送信して反射体からの散乱光を受信し、各波長に関する受信光強度の差分から、空間中における計測対象となる気体、例えば炭酸ガス、オゾン、水蒸気といったものの濃度を計測する差分吸収ライダ装置（differential absorption lidar）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の差分吸収ライダ装置では、２波長のレーザ光を空間中に送信し、ターゲットとなる地面やエアロゾルからの散乱光を受信して、受信光とローカル光をヘテロダイン検波する（例えば、非特許文献１及び２参照）。ヘテロダイン検波して得られた信号の周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルから、上記２波長の各々について上記受信光の検出を行っている。このとき、上記２波長の内、一つの波長を、計測対象となる気体に関する吸収係数が大きい波長に設定し、他の一つの波長を、上記吸収係数が小さい波長に設定している。このように設定しておくことで、受信光量において、装置−ターゲット間の上記計測対象となる気体濃度に応じた差分が生じることとなり、この差分から、上記気体濃度、具体的には炭酸ガス濃度を計測している。
【０００３】
非特許文献１及び２に記載されたタイプのライダ装置は、いわゆるコヒーレントライダと呼ばれるものの１種である。この種のライダでは、理想的な光受信状態であるショット雑音限界を実現しやすいヘテロダイン検波方式を用いており、受信の観点から見ると高いＳ／Ｎ比が得やすいというメリットがある。
【０００４】
【非特許文献１】G. J. Koch他著、「Coherent differential absorption lidar measurements of CO2」Applied Optics, Vol. 43, No. 26, pp. 5092-5099, 2004
【非特許文献２】M. W. Phillips他著、「Coherent Laser Radar Transceiver for the NASA CO2 Laser Absorption Spectrometer Instrument」Proceedings of 13th Coherent Laser Radar Conference, pp. 118-121, 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コヒーレントライダを例えば航空機のような移動体に搭載して計測を行うと、移動体自身の移動速度により、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、例えば光波長１．５μｍの場合において、移動速度１ｍ／ｓに対して１．３ＭＨｚ生じる。つまり、例えば航空機の移動速度を２００ｍ／ｓとして考えると、最大で２６０ＭＨｚ程度のドップラー周波数シフトが生じることが考えられる。また、装置を地上に固定設置して計測を行う場合においても、ターゲットが空間中のエアロゾルの場合、このエアロゾルが風に乗って移動し、この移動速度によりドップラー周波数シフトが生じる。これらの移動速度によるドップラー周波数シフトを逐次把握することは難しい。したがって、ヘテロダイン検波して得られた信号から、未知の周波数シフトを受けた成分を、広範囲の周波数範囲中から検出する必要があり、信号の検出が難しかった。
【０００６】
また、従来の差分吸収ライダ装置では、２つの波長のレーザ光を、非特許文献１のように時間的に分離して送受するか、非特許文献２のように異なる光アンテナにより送受する構成であった。このような構成では、航空機等の移動体に搭載して移動しながらの計測を行う場合や、レーザ光を送受する方向を走査しながら計測を行う場合において、次のような問題があった。
【０００７】
移動しながら、もしくは走査しながらの計測の場合、非特許文献１や非特許文献２に示された構成では、２波長成分間においてターゲットに関する照射位置に差異が生じることとなる。通常、ターゲットの反射率は、位置毎に異なっていると考えられる。差分吸収ライダ装置では、２波長間の受信光量の差分から気体濃度計測を行うが、高い精度で計測を行うには、上記差分が２波長間の空間中における吸収量の差のみに依存するということが前提条件として必要である。各波長での受信光量計測において、上記反射率の差異が生じると、上記前提条件が成立しなくなり、計測精度が劣化することが考えられる。
【０００８】
また、移動しながら、もしくは走査しながらの計測の場合、非特許文献１や非特許文献２に示された構成では、別の問題もあった。このような計測の場合、送信ビーム方向と、受信視野方向とには角度のずれが生じる。これにともなって、ターゲット上における送信ビーム照射スポットが受信視野からはずれ、受信効率が低下することが考えられる。特に衛星に搭載して地表からの散乱光を計測するような場合、衛星の移動速度が高速で、かつ衛星の高度が１００ｋｍ以上の高高度であり光信号の往復時間が長くるため、上記角度のずれ量が大きくなり、この影響による受信効率の低下が無視できない。
【０００９】
以上のような理由から、従来では、移動しながらの計測で光周波数にドップラー周波数シフトが生じる場合における受信光の検出が難しく、かつ２波長間で同じ位置にレーザ光を照射することができなかったため、高い精度で気体濃度を計測することができなかった。また、移動しながらの計測で送受の角度ずれが生じる場合において受信効率の低下を回避できなかった。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、移動しながらの計測によりドップラー周波数シフトが生じる場合においても容易に受信光を検出でき、かつ２波長間で同じ位置にレーザ光を照射して高い精度で気体濃度を計測することができ、かつ送受の角度ずれによる受信効率の低下も回避できる差分吸収ライダ装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る差分吸収ライダ装置は、ターゲットに関する吸収係数が大きい第１の波長、及び前記第１の波長に対応する第１の周波数を持つ第１のＣＷ送信光信号及び第１のＣＷローカル光信号を発生するとともに、前記ターゲットに関する吸収係数が小さい第２の波長、及び前記第２の波長に対応する第２の周波数を持つ第２のＣＷ送信光信号及び第２のＣＷローカル光信号を発生する光信号発生手段と、前記第２のＣＷ送信光信号に第１の周波数シフトを与えるとともに、前記第１のＣＷ送信光信号及び前記第１の周波数シフトを与えた第２のＣＷ送信光信号に第２の周波数シフトを与える周波数シフト手段と、前記周波数シフト手段から出力された２波長の光信号を所定のビーム形状に成形して空間中に放射する放射手段と、前記空間中に存在する前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信する光受信手段と、送信ビームのターゲット上の照射スポットが受信視野内に入るように前記光受信手段を逐次制御するビーム照射スポットトレーサーと、前記光信号発生手段から出力された前記第１及び第２のＣＷローカル光信号と前記光受信手段から出力された前記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号に変換し、前記電気信号から前記第１及び第２の周波数に対応する前記第２及び第１の周波数シフト成分を抽出し、前記第２及び第１の周波数シフト成分の強度の差異から前記ターゲットの濃度を検出する濃度検出手段とを設けたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る差分吸収ライダ装置は、移動しながらの計測によりドップラー周波数シフトが生じる場合においても容易に受信光を検出でき、かつ２波長間で同じ位置にレーザ光を照射して高い精度で気体濃度を計測することができ、かつ送受の角度ずれによる受信効率の低下も回避できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の構成を示す図である。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の別の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１４】
図１において、この実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置は、２つの光源（第１及び第２の光源）１ａ、１ｂと、波長ロック回路２と、２つの光分配器（第１及び第２の光分配器）３ａ、３ｂと、２つの周波数シフタ（第１及び第２の周波数シフタ）４ａ、４ｂと、３つの光合波器（第１、第２及び第３の光合波器）５ａ、５ｂ、５ｃと、光アンプ６と、送信光学系７と、送受分離部８と、ビームエクスパンダー９と、受信光学系１０と、ビーム照射スポットトレーサー１１と、光受信機１２と、信号処理器１３とが設けられている。
【００１５】
なお、光源１ａと、光源１ｂと、波長ロック回路２と、光分配器３ａと、光分配器３ｂとから光信号発生手段が構成されている。また、光アンプ６と、送信光学系７と、送受分離部８と、ビームエクスパンダー９とから放射手段が構成されている。また、ビームエクスパンダー９と、送受分離部８と、受信光学系１０とから光受信手段が構成されている。
また、周波数シフタ４ａと、光合波器５ａと、周波数シフタ４ｂとから周波数シフト手段が構成されている。さらに、光合波器５ｂと、光合波器５ｃと、光受信機１２と、信号処理器１３とから濃度検出手段が構成されている。
【００１６】
また、図１において、光源１ａと光分配器３ａとの間、光源１ｂと光分配器３ｂとの間、光分配器３ａと波長ロック回路２、光合波器５ａ、および光合波器５ｂとの間、光分配器３ｂと波長ロック回路２、周波数シフタ４ａ、および光合波器５ｂとの間、光合波器５ａと周波数シフタ４ｂとの間、周波数シフタ４ａと光合波器５ａとの間、周波数シフタ４ｂと光アンプ６との間、光アンプ６と送信光学系７との間、受信光学系１０と光合波器５ｃとの間、光合波器５ｂと光合波器５ｃとの間、光合波器５ｃと光受信機１２との間は、それぞれ光ファイバにより接続されている。
【００１７】
また、図１において、波長ロック回路２と光源１ａおよび１ｂとの間、光受信機１２と信号処理器１３との間は、全て電線ケーブルにより接続されている。
【００１８】
光源１ａと１ｂはＣＷ（Continuous Wave）レーザ光信号を送信する機能を有している。このとき、送信する光波長は光源１ａと１ｂとで異なっている。ここでは、光源１ａの送信波長をλＯＮ、光源１ｂの送信波長をλＯＦＦとする。このとき、送信波長λＯＮは、計測対象となる気体に関する吸収係数が大きい波長に設定する。また、送信波長λＯＦＦは、上記吸収係数が小さい波長に設定する。以下では、波長λＯＮおよびλＯＦＦに対応する光周波数をｆＯＮおよびｆＯＦＦとして説明する。
【００１９】
また、光分配器３ａと３ｂとは、光源１ａおよび１ｂからの光信号を各々３つに分配して、一つを波長モニタ用として波長ロック回路２に、一つをローカル光として光合波器５ｂに、残りの一つを、光分配器３ａについては送信光として光合波器５ａに、光分配器３ｂについては送信光として周波数シフタ４ａに、各々送る機能を有している。
【００２０】
波長ロック回路２は、光分配器３ａおよび３ｂからの光信号の波長をモニタし、光源１ａおよび１ｂの送信光波長が所望の値、つまりλＯＮおよびλＯＦＦに保持されるように、光源１ａおよび１ｂに対して制御をかける機能を有している。
【００２１】
光合波器５ａは、光分配器３ａおよび周波数シフタ４ａからの光信号を合波して周波数シフタ４ｂに送る機能を有している。また、光合波器５ｂは、光分配器３ａおよび３ｂからの光信号を合波して、光合波器５ｃに送る機能を有している。光合波器５ｃは、光合波器５ｂおよび受信光学系１０からの光信号を合波して、光受信機１２に送る機能を有している。
【００２２】
周波数シフタ４ａは、光分配器３ｂからの光信号に対して、ある所定の周波数シフトを与え、光合波器５ａに送る機能を有している。また、周波数シフタ４ｂは、光合波器５ａからの光信号にある所定の周波数シフトを与え、光アンプ６に送る機能を有している。光アンプ６は、周波数シフタ４ｂからの光信号を増幅して、送信光学系７に送る機能を有している。送信光学系７は、光アンプ６からの光信号を増幅して、送受分離部８を介してビームエクスパンダー９に送る機能を有している。
【００２３】
受信光学系１０は、ビームエクスパンダー９からの光信号を、送受分離部８を介して受信し、光合波器５ｃに送る機能を有している。このビームエクスパンダー９は、送受分離部８からの光信号を空間中に放射し、空間中のターゲットからの散乱光を受信して、受信した受信光を送受分離部８に送る機能を有している。光受信機１２は、光合波器５ｃからの光信号、つまり光分配器３ａおよび３ｂからのローカル光と、受信光学系１０からの受信光とを、ヘテロダイン検波し、電気信号に変換する機能を有している。信号処理器１３は、光受信機１２からの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機能を有している。
【００２４】
ここで、ビーム照射スポットトレーサー１１の機能について説明する。例えば、本発明に係る差分吸収ライダ装置を人工衛星に搭載し、地表を散乱ターゲットとした計測を行う場合、レーザ光を送信してから受信するまでの時間における人工衛星の移動により、送信ビームのターゲット上の照射スポットが、受信視野からはずれ、受信Ｓ／Ｎ比が劣化することが考えられる。このビーム照射スポットトレーサー１１は、受信光学系１０における受信視野を、送信ビームのターゲット上の照射スポットにトレースさせ、照射スポットが常に受信視野内に入るように受信光学系１０を制御する機能を有している。図１では、受信光学系１０全体をビーム照射スポットトレーサー１１により受信視野制御する構成となっているが、ポリゴンミラー方式やチップチルト方式により受信視野を制御する方式を採用してもよい。また、制御においては、人工衛星の飛行姿勢や飛行速度が既知である場合には、これらの情報を先見情報として利用した制御を行うことができる。これらの先見情報がない場合は、別途モニタ用カメラを用意し、このカメラ画像をもとに制御を行っても良い。
【００２５】
つぎに、この実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の信号処理器において得られる周波数スペクトルを示す図である。
【００２６】
まず、光源１ａと１ｂとから、ＣＷ光信号を送信する。このとき、上述したように、送信する光周波数は、光源１ａについてはｆＯＮ、光源１ｂについてはｆＯＦＦであり、各々異なっている。
【００２７】
次に、光分配器３ａと３ｂとにより、光源１ａおよび１ｂからの光信号を各々３つに分配して、一つを波長モニタ用として波長ロック回路２に、一つをローカル光として光合波器５ｂに、残りの一つを、光分配器３ａについては光合波器５ａに、光分配器３ｂについては周波数シフタ４ａに各々送る。このとき、波長ロック回路２は、光分配器３ａおよび３ｂからの光信号の波長をモニタし、光源１ａおよび１ｂの送信光波長が所望の値、つまりλＯＮおよび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１ａおよび１ｂに対して制御をかける。
【００２８】
次に、光合波器５ｂにより、光分配器３ａおよび３ｂからのローカル光信号を合波して、光合波器５ｃに送る。これにより、光合波器５ｃに入力されるローカル光信号には、光周波数ｆＯＮおよびｆＯＦＦの２成分が含まれることとなる。
【００２９】
次に、周波数シフタ４ａにより、光分配器３ｂからの光信号に対し、ある所定の周波数シフトｆ１を与えて周波数をｆＯＦＦ＋ｆ１とした後、光合波器５ａにこの光信号を送る。
【００３０】
次に、光合波器５ａにより、光分配器３ａからの光信号と周波数シフタ４ａからの光信号を合波し、周波数シフタ４ｂに送る。周波数シフタ４ｂにより、光合波器５ａからの光信号に対し、ある所定の周波数シフトｆ２を与える。これにより周波数シフタ４ｂからの出力には、周波数ｆＯＮ＋ｆ２、およびｆＯＦＦ＋ｆ１＋ｆ２の、２つの光周波数の光信号が含まれている。
【００３１】
次に、周波数シフトを与えた後の光信号を、光アンプ６に送る。光アンプ６により、入力された光信号を増幅し、送信光学系７に送る。この送信光学系７は、送受分離部８を介してビームエクスパンダー９に光信号を送る。次に、ビームエクスパンダー９により、送受分離部８からの光信号を所定のビーム形状に成形して空間中に放射する。
【００３２】
以上の動作により、空間中には、光周波数ｆＯＮ＋ｆ２、およびｆＯＦＦ＋ｆ１＋ｆ２の２つの光周波数の光信号を放射することとなる。なお、空間中に放射する２波長の光信号の送信パワーは、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。
【００３３】
空間中に放射された２波長の光信号間には、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、上記２波長、つまり２周波数の光信号間では、当該装置からターゲットまでの伝搬過程、ターゲットで散乱された後、当該装置で受信されるまでの伝搬過程の各々において上記減衰量の差が生じる。つまり、同じ送信パワーで２波長、つまり２周波数成分を送信した場合でも、受信光量においても、２成分間で差が生じる。
【００３４】
さらに、当該装置が人工衛星等の移動体に搭載されていて当該装置が移動する場合や、ターゲットが風に乗って移動するような場合においては、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、同じ移動速度においても、光周波数に依存して異なる値となる。しかし、ｆＯＮおよびｆＯＦＦの値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。ここではこのように、ｆＯＮおよびｆＯＦＦの値を非常に近い値に選択するものとし、ある移動速度に対し同じドップラー周波数シフトｆｄが生じるものとする。
【００３５】
ビームエクスパンダー９により、ターゲットからの散乱光を受信して、送受分離部８および受信光学系１０を介して光ファイバに結合させ、受信光を光合波器５ｃに送る。このとき、ビーム照射スポットトレーサー１１により受信光学系１０を逐次制御して、送信ビームの照射スポットが受信視野内に入るようにし、受信効率を高い値に保持しておく。
【００３６】
次に、光合波器５ｃにより、光合波器５ｂからのローカル光と上記受信光とを合波した後、光受信機１２に送る。
【００３７】
次に、光受信機１２により、光合波器５ｃからの光信号、つまり、ローカル光と受信光とを、ヘテロダイン検波する。このとき、ローカル光には、光周波数ｆＯＮおよびｆＯＦＦの成分が含まれており、受信光には、光周波数ｆＯＮ＋ｆ２＋ｆｄおよび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には、受信光の周波数とローカル光の周波数の差周波成分が含まれることとなる。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、ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ、ｆＯＦＦ−ｆＯＮ＋ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ、およびｆＯＮ−ｆＯＦＦ＋ｆ２＋ｆｄの４成分が含まれることとなる。
【００３８】
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、上記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１２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をｆｄ’とし、ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ’以下に制限することで、光受信機１２から出力される電気信号には、周波数ｆ２＋ｆｄおよびｆ１＋ｆ２＋ｆｄの２つの周波数成分のみが含まれることとなる。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。
【００３９】
なお、通常、光周波数ｆＯＮおよびｆＯＦＦは光キャリア周波数のオーダーで、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ＧＨｚ以上である。それに対し周波数シフタ４ａ、４ｂのシフト周波数ｆ１およびｆ２は１０〜１００ＭＨｚ程度、ドップラー周波数シフトは１ｍ／ｓあたり数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１２の受信周波数帯域に上記制限を与えることで、周波数ｆＯＦＦ−ｆＯＮ＋ｆ１＋ｆ２＋ｆｄ、およびｆＯＮ−ｆＯＦＦ＋ｆ２＋ｆｄの成分を除去することが可能となる。
【００４０】
そして、信号処理器１３により、光受信機１２からのヘテロダイン検波後の電気信号を信号処理する。具体的には、まず、上記電気信号を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２を用いて説明する。
【００４１】
図２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に関する成分である周波数ｆ２＋ｆｄ、および光周波数ｆＯＦＦに関する成分であるｆ１＋ｆ２＋ｆｄの２成分が含まれる。
【００４２】
当該装置−ターゲット間の空間に、計測対象となる気体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、上記周波数スペクトルにおいて、上記２成分の強度はほぼ同じとなる。それに対し、当該装置−ターゲット間の空間に、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く、これに伴い、上記スペクトルにおける２成分の強度にも大きな差が生じる。具体的には、波長λＯＮ、つまり光周波数ｆＯＮに対応する周波数ｆ２＋ｆｄの成分の強度が、波長λＯＦＦ、つまり光周波数ｆＯＦＦに対応する周波数ｆ１＋ｆ２＋ｆｄの成分の強度と比較して、顕著に小さくなる。この強度の差異は、２波長の受信光量の差異と対応づけることができ、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、さらに、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、上記強度の差異から、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可能となる。
【００４３】
以上に説明したこの実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置では、２つの波長λＯＮおよびλＯＦＦ、つまり光周波数ｆＯＮおよびｆＯＦＦの光信号を同時に送受する。したがって、例えばこの差分吸収ライダ装置が航空機等の移動体に搭載されており、放射された光信号のターゲット上での照射スポットが逐次変化し、ターゲットの反射率が逐次変化してしまう場合においても、常に２波長成分が同じスポット、つまり同じ反射率の位置に照射されるので、移動体に搭載された場合においても高い精度で計測対象となる気体濃度を検出できる。
【００４４】
さらに、この実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置では、信号処理器１３において求めた周波数スペクトルにおいて、波長λＯＮおよびλＯＦＦに関する２成分の周波数差が、ドップラー周波数シフトｆｄの値に関係なく、常にｆ２であり、常に波長λＯＦＦに関する成分の方が大きい値となる。したがって、このような関係を先見情報として用いることにより、特に未知のドップラー周波数シフトが発生する場合において周波数スペクトルにおける各成分の検出のしやすさが向上し、より正確な濃度検出が可能となる。例えば、上記周波数スペクトルにおいて雑音レベルが高く、上記２波長の成分を検出しにくいような場合においても、上記周波数スペクトルにおける上記２波長成分の差周波が既知であれば、この情報を利用することで周波数スペクトルにおける各成分の検出のしやすさが向上する。
【００４５】
なお、上述した実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置では、周波数シフタ４ａおよび４ｂが、送信光側に配置されているが、これらが送信光側ではなく、図３に示すように、ローカル光側に配置されていても、同じ動作原理により、同様の効果を有することとなる。
【００４６】
また、この実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置では、ＣＷのレーザ光信号を送受しているため、ターゲットの距離を特定する機能を有していないが、周波数シフタ４ａおよび４ｂを図１に示すように送信光側に配置しておき、図示しないパルス駆動回路（パルス駆動手段）により周波数シフタ４ｂを駆動する際にパルス的な駆動を行い、パルス光信号を送受するようにすれば、距離特定機能を兼ね備えることも可能となる。
【００４７】
さらに、この実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置では、ビーム照射スポットトレーサー１１を有しているので、例えば人工衛星に当該装置を搭載して高速に移動しながらの計測となる場合においても、送受信間に送信ビームの照射スポットが受信視野内に保持され、受信効率が低下することがない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の信号処理器において得られる周波数スペクトルを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る差分吸収ライダ装置の別の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ａ、１ｂ  光源、２  波長ロック回路、３ａ、３ｂ  光分配器、４ａ、４ｂ  周波数シフタ、５ａ、５ｂ、５ｃ  光合波器、６  光アンプ、７  送信光学系、８  送受分離部、９  ビームエクスパンダー、１０  受信光学系、１１  ビーム照射スポットトレーサー、１２  光受信機、１３  信号処理器。
【図１】
2007333518.tif 000003
【図２】
2007333518.tif 000004
【図３】
2007333518.tif 000005