(57)【要約】【課題】光軸の調整を容易に行うことができる可搬型気象観測ライダーを提供すること。【解決手段】可搬型気象観測ライダー１は、発光装置Ｌと、受光装置Ｐと、偏向部２と、調整部３と、から構成される。偏向部２は、レーザ光ＬＢの光軸を所定の方向に偏向させる手段である。調整部３は、偏向面２１の傾き角度を変更させる傾き調整機構３１と、偏向面２１の向きを回転させる回転機構３２とからなる。第２の光軸ＬＢ２により偏向面２１の傾き角度を調整した後は、偏向面２１を１８０°回転させ、光軸を上空に向かう第1の光軸ＬＢ１に変更させる。【選択図】図２
2016080540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射する発光装置と、
前記レーザ光の反射光を受信する受光装置と、
前記レーザ光の光軸を所定の方向に偏向させる偏向手段と、
前記偏向手段の偏向面の傾き角度及び向きを変更させる調整手段と、
を備え、
前記調整手段は、前記偏向面を、前記レーザ光の光軸が上空に向かう第１の光軸をなす位置と、前記レーザ光の光軸が前記受光装置の検知可能な第２の光軸をなす位置と、を変更させるものであり、前記第１の光軸と前記第２の光軸とは一致するように構成される、
可搬型気象観測ライダー。
【請求項２】
前記調整手段は、前記偏向面の傾き角度を変更させる傾き調整機構と、前記偏向面の向きを回転させる回転機構と、からなる請求項１の可搬型気象観測ライダー。
【請求項３】
請求項１又は２の可搬型気象観測ライダーを用いて行う光軸調整方法であって、
前記調整手段により、
前記偏向面の傾き角度を、前記レーザ光の光軸が前記受光装置の検知可能な第２の光軸をなす位置に設定するステップと、
前記偏向面の向きを、前記第２の光軸をなす位置から反転させて、前記レーザ光の光軸が上空に向かう第１の光軸をなす位置に変更させるステップと、
を実行する光軸調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気温度やエアロゾルの空間分布、大気密度、大気成分の濃度分布などの観測が可能な可搬型気象観測ライダー及び光軸調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ライダー（ＬＩＤＡＲ；Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）を用いて、観測領域の大気中に短いパルスのレーザ光を照射し、その散乱光をライダー信号として測定し、解析することにより、大気の状態を観測する技術が知られている。ライダー観測のためのレーザ光には、一般には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光の照射による散乱の種類には、エアロゾル（浮遊粒子状物質）によるミー散乱、大気構成分子によるレイリー散乱やラマン散乱などがあり、これらを利用して大気温度やエアロゾルの空間分布、大気密度、大気成分の濃度分布などの観測要素を解析することができる。このような解析は、具体的には、ライダー信号を表現したライダー方程式と呼ばれる式を解くことにより行われる。
【０００３】
例えば、特許文献１に示される気象観測装置は、ライダー観測に適した単一のパルスレーザ光を発生させて、観測対象である大気中に向けて発射する送信系と、送信系から発射されたレーザ光の反射光（散乱光）を応答信号として受信する受信系と、受信系により受信された応答信号を各種のライダー観測に必要な応答信号にそれぞれ分光し、検出する分光系と、分光系により検出した応答信号に基づいて観測領域の各観測要素についての解析処理を行う制御／処理系と、から構成されている。このような気象観測装置により、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルを観測対象として観測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００３／７３１２７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような従来の気象観測ライダーでは、上空に飛ばす送信系からのレーザ光の方向と受信系である望遠鏡の光軸が精度よく一致していなければ、散乱光の受信ができない。このため通常は各ミラーを精密に調整している。各ミラーの微小な動きによってライダーの計測が行えなくなるため、通常ライダーは、例えば気象予報を行う施設や研究施設など室内で固定場所に設置して使われる。
【０００６】
一方で、近年、局地的局な豪雨などの異常気象が続いており、異常気象が起こるのを早い段階で予測し、対策を取ることが望まれている。このためレーダによる上空の観測に加えて、上空の気温、水蒸気量、風速等を観測することが有効である。ライダーは、上空の気温、水蒸気等を測定することができ、これを各所に配置してネットワークを組むことが、気象予測の上で効果的である。すなわち、ライダーを可搬できる可搬型気象観測ライダーとして構成することができれば、例えば、５ｋｍ置きに観測することができるなど、より細かく密な気象観測が可能になる。
【０００７】
しかしながら、可搬型気象観測ライダーを構成するには次のような課題がある。すなわち、従来はレーザ光と望遠鏡の光軸合わせは、レーザ光を上空に飛ばして、戻ってきた散乱光強度を測定し、この強度が最大になるようレーザを上空に送信するためのミラーの傾き角度を調整していた。望遠鏡で一旦受信ができるようになると、次は光検知器を使って受信強度を測定しながら行うことができる。しかし、望遠鏡で光を受信できていない最初の段階では、上空から戻ってくる散乱光は非常に微弱で目には見えず、熟練者が感でミラーの傾き角度を動かしながら受信光を拾う調整作業となる。このようなミラーの調整は非常に手間と時間を要するものであり、可搬型気象観測ライダーを実現するには、運搬時の光部品の動きが非常に小さいこと、あるいは運搬時に動いても簡単に元の位置に調整できること必不可欠であり、これらが可搬型気象観測ライダーの実用化を実現できない課題になっていた。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光軸の調整を容易に行うことができる可搬型気象観測ライダー及び光軸調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る可搬型気象観測ライダーは、レーザ光を照射する発光装置と、前記レーザ光の反射光を受信する受光装置と、前記レーザ光の光軸を所定の方向に偏向させる偏向手段と、前記偏向手段の偏向面の傾き角度及び向きを変更させる調整手段と、を備え、前記調整手段は、前記偏向面を、前記レーザ光の光軸が上空に向かう第１の光軸をなす位置と、前記レーザ光の光軸が前記受光装置の検知可能な第２の光軸をなす位置と、を変更させるものであり、前記第１の光軸と前記第２の光軸とは一致するように構成される。
【００１０】
本発明は、上記の可搬型気象観測ライダーを用いて行う光軸調整方法として捉えることもでき、この光軸調整方法は、前記調整手段により、前記偏向面の傾き角度を、前記レーザ光の光軸が前記受光装置の検知可能な第２の光軸をなす位置に設定するステップと、前記偏向面の向きを、前記第２の光軸をなす位置から反転させて、前記レーザ光の光軸が上空に向かう第１の光軸をなす位置に変更させるステップと、を実行するものである。
【００１１】
以上の態様では、レーザ光の光軸が上空に向かう第１の光軸をなす位置と、レーザ光の光軸が受光装置の検知可能な第２の光軸をなす位置とを変更させ、第１の光軸と第２の光軸が一致するように構成されている。したがって、第２の光軸受光装置の光軸合わせを、目視可能な状態で行った後に、上空に向かう第１の光軸に変更させることができる。従来は、受光装置で光を受信できていない最初の段階において、目視できない上空からの反射光の光軸に、偏向面の傾きを合わせて受光させる作業が難しかったが、本態様によれば、受信光を拾う調整作業をレーザ光の第２の光軸を受光装置の光軸に合わせる作業により目視した状態で行うことができるので、この作業が格段に容易になる。
【００１２】
好ましい態様では、前記調整手段は、前記偏向面の傾き角度を変更させる傾き調整機構と、前記偏向面の向きを回転させる回転機構と、からなる。
【００１３】
この態様では、第２の光軸により偏向面の傾き角度を調整した後は、偏向面を例えば１８０°回転させるだけで、光軸を上空に向かう第1の光軸に変更させることができる。この際、第１の光軸の散乱光は、すでに受光装置で受光可能な角度に状態に偏向面の傾き角度は調整されている。したがって、受光角度の初期調整を簡易に済ませたうえで、光検知装置を使って受光装置の受信強度を測定しながら微調整を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光軸の調整を容易に行うことができる可搬型気象観測ライダー及び光軸調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る可搬型気象観測ライダーのシステム全体構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る可搬型気象観測ライダーの構成及び作用を示す模式図。
【図３】本発明の実施形態に係る可搬型気象観測ライダーの構成及び作用を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る可搬型気象観測ライダーが組み込まれたシステム全体を示す模式図である。また、図２及び図３は、本発明の一実施形態に係る可搬型気象観測ライダーの構成及び作用を示す模式図である。
【００１７】
図１に示す可搬型気象観測ライダーシステムは、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルを観測対象として観測するものであり、基本的構成は従来と同様である。すなわち、可搬型気象観測ライダーシステムＳは、発光装置Ｌと、受光装置Ｐと、光検知装置Ｆと、制御装置Ｃと、を備える。
【００１８】
発光装置Ｌは、ライダー観測に適した単一のパルスレーザ光を発生させて、観測領域の大気Ａ中（観測対象）に向けてこれを発射する手段である。発光装置Ｌの中核をなすレーザ装置Ｌ１は、シーダ光を供給するシーダＬ２を備えたＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザである。
【００１９】
本実施形態のレーザ装置Ｌ１の平均出力パワーの変動（出力パワーの許容値）は±５％に抑えられている。また、レーザ装置Ｌ１は、後述するように、シーダＬ２に対する外部からの印加電圧を制御するフィードバック制御を行うことで、安定的な発振周波数のレーザ光を生成することができるように構成されている。レーザ装置Ｌ１は、生成した高周波パルスのレーザ光の第３高調波成分（λ＝３５５ｎｍ）を、図示していない非線形光学素子により取り出して、出力エネルギーＥ０で外部に射出する。レーザ装置Ｌ１から射出されるレーザ光の光路上には、ビームスプリッタＢが配置されている。
【００２０】
ビームスプリッタＢは、ライダー観測のための主レーザ光と、生成しているレーザ光の発振周波数の安定化制御のためのレーザ光（以下「監視用レーザ光」という。）とに分光する。主レーザ光は、ビームエクスパンダＥを介して適宜の径に成形された後、所定の位置から大気に向けて発射される。一方、ビームスプリッタＢによって取り出された監視用レーザ光は、光ファイバＯ１により周波数モニタ装置Ｍに誘導される。周波数モニタ装置Ｍには、高分解能のフィルタが設けられている。周波数モニタ装置Ｍは、現に生成されているレーザ光の周波数スペクトルを監視するため、誘導された監視用レーザ光を２チャンネル（フィルタを通過したものとそうでないもの）に分けて、図示していない２つの光検出器によりそれぞれ検出し、その検出結果を制御装置Ｃに送出する。制御装置Ｃでは、制御装置Ｃが、周波数モニタ装置Ｍから送出される検出結果に基づいて、レーザ光の発振周波数が安定化するように、シーダＬ２に対する印加電圧を制御している。
【００２１】
受光装置Ｐは、発光装置Ｌから発射されたレーザ光の反射光（散乱光）を応答信号（ライダー信号）として受信する手段である。受光装置Ｐは、大気に向けて発射されたレーザ光の反射光（散乱光）を集光する反射望遠鏡である。本実施形態では、有効径２５０ｍｍ、焦点距離３０００ｍｍ、波長λ＝３５５ｎｍに対する反射率９０％以上の反射望遠鏡を用いている。この反射望遠鏡により集光された観測光（応答信号）は、光ファイバＯ２を介して光検知装置Ｆに誘導される。
【００２２】
光検知装置Ｆは、受光装置Ｐにより受信された応答信号を各種のライダー観測に必要な応答信号にそれぞれ分光し、検出する手段である。光検知装置Ｆは、受光装置Ｐから光ファイバＯ２を介して導入される応答信号を各種のライダー観測、すなわち、レイリー散乱ライダー、ラマン散乱ライダーおよびミー散乱ライダーの３種類のライダー観測に必要な信号にそれぞれ分光し、検出可能なように構成されている。光検知装置Ｆの各光検出手段（図示せず）によりそれぞれ検出された応答信号は、制御装置Ｃに送出され、解析処理される。これにより、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルの分布等が得られることになる。
【００２３】
制御装置Ｃは、各装置の動作を制御するとともに、光検知装置Ｆにより検出した応答信号に基づいて観測領域の各観測要素についての解析処理を行う手段である。制御装置Ｃは、入出力ポートを介して、各装置から送出される信号をそれぞれ受け取り、また、各装置に対して制御信号をそれぞれ出力する。制御装置Ｃの基本的な役割は、可搬型気象観測ライダーシステムＳに対する統括的な制御の下、周波数モニタ装置Ｍからの監視信号に基づいて、レーザ光の発振周波数が安定化されるように、シーダＬ２に対する印加電圧を制御すること、および光検知装置Ｆの各光検出手段からの応答信号に基づいて、大気の気温や水蒸気等の状態を解析することである。
【００２４】
続いて、図２及び図３を用いて、本実施形態の可搬型気象観測ライダー１の構成について詳しく説明する。可搬型気象観測ライダー１は、発光装置Ｌ（図２及び図３では不図示）と、受光装置Ｐと、偏向部２と、調整部３と、から構成される。
【００２５】
偏向部２は、レーザ光ＬＢの光軸を所定の方向に偏向させる手段である。偏向部２は、プリズムにより構成される。本実施形態において、偏向部２を構成するプリズムは、頂角が精密に４５°になるように作製されたものを用いるのが好ましい。また、ここで用いるプリズムは、１０-5ラジアンの調整を行うことが可能な程度のものを用いるのが好ましい。
【００２６】
調整部３は、偏向部２の偏向面２１の傾き角度及び向きを変更させる手段である。具体的には、調整部３は、偏向面２１を、レーザ光ＬＢの光軸が上空に向かう第１の光軸ＬＢ１をなす位置（図２参照）と、レーザ光ＬＢの光軸が受光装置Ｐの検知可能な第２の光軸ＬＢ２をなす位置（図３参照）と、を変更させるものである。この第１の光軸ＬＢ１と第２の光軸ＬＢ２とは図２及び図３からもわかるとおり、１８０°逆行する方向に軸を形成されており、軸が一致するものである。
【００２７】
調整部３は、偏向面２１の傾き角度を変更させる傾き調整機構３１と、偏向面２１の向きを回転させる回転機構３２とからなる。傾き調整機構３１は、例えば、あおり調整機構により構成することが可能である。一方、回転機構３２は、例えば、精密回転マウントなどの回転ステージからなり、好ましくは、１ａｒｃｍｉｎの精度で調整可能である。回転機構３２において、許容される回転精度は焦点距離３０００ｍｍの望遠鏡を使い、受光用ファイバＯ２として２ｍｍ径のバンドルファイバＢＦを使った際の回転精度が好ましい。
【００２８】
このような本実施形態の可搬型気象観測ライダー１は、発光装置Ｌのレーザ光の飛ばす方向と、受光装置Ｐの光軸を精密に一致させるため、次のように作用させる。すなわち、まず、図３に示すように、目視できる第２の光軸ＬＢ２が、受光装置Ｐの焦点に置いたバンドルファイバＢＦに入るよう、偏向部２の偏向面２１を調整する。具体的には、調整部３の傾き調整機構３１を用いて調整する。
【００２９】
目視での調整が終わった後、バンドルファイバＢＦの他端に設けられた光検知装置Ｆの出力が最大になるように調整部３を用いて、偏向部２のあおり調整を行う。なお、偏向部２のプリズムは、上述のとおり、頂角が精密に４５°になるように作製されている。
【００３０】
続いて、上記のように、傾き調整機構３１による偏向部２の偏向面２１の傾き調整が終わると、図２に示すように、回転機構３２を回して、偏向部２の偏向面２１を１８０°回転させる。これにより、レーザ光ＬＢは、図３の位置から１８０°異なった方向に向かい、光軸の調整は完了する。なお、さらに上空高くまで測定したい場合には、調整部３の傾き調整機構３１を用いて、偏向部２の傾き角度の調整を、精度を上げて調整するのが好ましい。
【００３１】
以上のような本実施形態の可搬型気象観測ライダー１によれば、調整部３を、偏向面２１の傾き角度を変更させる傾き調整機構３１と、偏向面２１の向きを回転させる回転機構３２とにより構成する。そして、レーザ光ＬＢの光軸が上空に向かう第１の光軸ＬＢ１をなす位置と、レーザ光ＬＢの光軸が受光装置Ｐの検知可能な第２の光軸ＬＢ２をなす位置とを変更させ、第１の光軸ＬＢ１と第２の光軸ＬＢ２が１８０°反転して光軸が一致するように構成されている。
【００３２】
これにより、第２の光軸ＬＢ２を目視した状態で、偏向面２１の傾き角度を調整しながら、受光装置Ｐに受光させることができる。したがって、第２の光軸ＬＢ２に対する受光装置Ｐの光軸合わせを目視可能な状態で行った後に、上空に向かう第１の光軸に変更させることができる。従来は、受光装置で光を受信できていない最初の段階において、目視できない上空からの反射光の光軸に、偏向面の傾きを合わせて受光させる作業が難しかったが、本実施形態によれば、受信光を拾う調整作業をレーザ光の第２の光軸ＬＢ２を受光装置Ｐの光軸に合わせる作業により目視した状態で行うことができるので、この作業が格段に容易になる。
【００３３】
また、第２の光軸ＬＢ２により偏向面２１の傾き角度を調整した後は、偏向面２１を１８０°回転させるだけで、光軸を上空に向かう第1の光軸ＬＢ１に変更させることができる。この際、第1の光軸ＬＢ１の散乱光は、すでに受光装置Ｐで受光可能な角度に状態に偏向面２１の傾き角度は調整されている。したがって、受光角度の初期調整を簡易に済ませたうえで、光検知装置Ｆを使って受光装置Ｐの受信強度を測定しながら微調整を行うことができる。
【００３４】
以上のような本実施形態の可搬型気象観測ライダー１では、上空に発射したレーザ光の反射光を受光装置Ｐに受光させる作業が格段に容易になる。したがって、可搬型気象観測ライダー１を運搬可能な小型で構成し、例えば車両に積んだ状態で所望の測定箇所に運搬した場合でも、移動先での利用が可能になる。このように本実施形態によれば、光軸の調整を容易に行うことができる可搬型気象観測ライダー１と、この可搬型気象観測ライダー１を用いた光軸調整方法を提供することができる。
【００３５】
そのほか、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなども、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３６】
１：可搬型気象観測ライダー
２：偏向部
２１：偏向面
３：調整部
３１：調整機構
３２：回転機構
Ａ：大気
Ｂ：ビームスプリッタ
ＢＦ：バンドルファイバ
Ｃ：制御装置
Ｅ：ビームエクスパンダ
Ｆ：光検知装置
Ｌ：発光装置
Ｌ１：レーザ装置
Ｌ２：シーダ
ＬＢ：光軸
ＬＢ１：第１の光軸
ＬＢ２：第２の光軸
Ｍ：周波数モニタ装置
Ｏ１，Ｏ２：光ファイバ
Ｐ：受光装置
Ｓ：可搬型気象観測ライダーシステム
【図１】
2016080540.tif 000003
【図２】
2016080540.tif 000004
【図３】
2016080540.tif 000005