差分吸収ライダ装置
【課題】エアロゾル等の微粒子からの散乱光と、所望のハードターゲットからの散乱光とを分別し、より高い精度で計測対象となる気体の濃度を計測することを可能にする差分吸収ライダ装置を提供する。
【解決手段】計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長からなる光信号に与える強度変調の変調信号にチャープ信号を用い、２つのチャープ信号のチャープ範囲が重ならないようにすることで、２波長を同時に送受した場合でも両者を分別できるようにする。
【解決手段】計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長からなる光信号に与える強度変調の変調信号にチャープ信号を用い、２つのチャープ信号のチャープ範囲が重ならないようにすることで、２波長を同時に送受した場合でも両者を分別できるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２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比から、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としては、例えば特許文献１に開示されるものが知られている。この特許文献１に開示される差分吸収ライダ装置では、２波長のレーザ光に異なる周波数で強度変調をかけた後、このレーザ光を空間中に送信し、ハードターゲットとなる地面からの散乱光を受信して、この受信光を直接検波する。直接検波することにより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に生じる２つの変調周波数成分の信号強度から、２波長の各々を分別し、この２波長について受信光の検出を行っている。
【０００３】
このとき、空間中に送信される２波長のうち、一方の波長を計測対象となる気体に関する光吸収係数が大きい波長に設定し、他方の波長を計測対象となる気体に関する光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、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間で計測対象となる気体濃度に応じた比が生じることとなり、この比から気体濃度を計測している。
【０００４】
この特許文献１に開示されるタイプの差分吸収ライダ装置は、他の差分吸収ライダ装置に対し、２波長のレーザ光を同時に送受信しつつ、受信において２波長の受信光を分別することができるという点において優位性があり、具体的には二酸化炭素濃度の計測における高精度・リアルタイム計測性の向上において効果がある。これは、非特許文献１において実証されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４８１２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. Kameyama et al.、Development of 1.6 micron CW modulation ground-based DIAL system for CO2 monitoring, Proceedings of SPIE, Vol. 7153, 71530L-1, 2008
【非特許文献２】日野幹雄著、スペクトル解析、朝倉書店、初版第26刷、pp. 86-89.
【非特許文献３】日野幹雄著、スペクトル解析、朝倉書店、初版第26刷、pp. 93.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示される従来の差分吸収ライダ装置では、より高精度な気体濃度計測を行ううえで、次のような課題があった。
【０００８】
まず、上記特許文献１の実施の形態１において示される差分吸収ライダ装置を用いて理想的な計測を実現するためには、１つの前提条件を満足している必要がある。それは、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間においてレーザ光を散乱する媒質が全く存在しない、もしくはこの媒質からの散乱が無視できるというものである。
【０００９】
しかし実際には、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間には、エアロゾル、花粉等の微粒子が存在し、これらの微粒子によっても微弱ながらもレーザ光に対する散乱光が生じる。これらの微粒子による微弱な散乱光が所望の散乱光であるハードターゲットからの受信光に重畳されると、検出した２波長の受光量に微弱なオフセットが生じ、このオフセットが乗った状態で受光量の比をとると、結果として気体濃度計測値に微小ながらも誤差が生じる。以上のような理由から、気体濃度の計測に対する要求が厳しい場合、この要求を実現することはできないという課題があった。
【００１０】
また、上記特許文献１の実施の形態２において、特定距離からの信号のみを抽出できる差分吸収ライダ装置について開示されているが、これを実現するには光ミキサを設ける必要がある。しかしながら、この光ミキサは光挿入損失が非常に大きく、十分なＳＮ（Signal to Noise）比での計測が困難であるため、高精度計測が困難であるという課題があった。
【００１１】
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、光ミキサを設けることなく、エアロゾル等の微粒子からの散乱光と、所望のハードターゲットからの散乱光とを分別し、より高い精度で計測対象となる気体の濃度を計測することを可能にする差分吸収ライダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る差分吸収ライダ装置は、計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長からなるレーザ光を発生する光源と、互いに異なるチャープ範囲を持つチャープ信号を発生するチャープ信号発生器と、光源により発生されたレーザ光の各波長に対し、チャープ信号発生器により発生された各チャープ信号で強度変調をかける光強度変調器と、光強度変調器により強度変調をかけられたレーザ光を合波する光合波器と、光合波器により合波されたレーザ光を空間中に送信する送信光学系と、送信光学系により送信されたレーザ光に対して、空間中に存在するハードターゲットから生じる散乱光を受信する受信光学系と、受信光学系により受信された散乱光を直接検波により電気信号に変換する光受信機と、受信機により変換された電気信号を分配する電気信号分配器と、電気信号分配器により分配された電気信号と、チャープ信号発生器により発生されたチャープ信号とをミキシングするミキサと、ミキサによりミキシングされた信号においてダウンコンバート成分のみの信号を抽出するフィルタと、フィルタにより抽出されたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲットからの散乱光成分のみを抽出して、ピーク周波数における信号強度の比から計測対象となる気体の濃度を検出する信号処理器とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、上記のように構成したので、光ミキサを設けることなく、気体濃度を高精度に計測する上で妨害となる、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間に存在する微粒子からの散乱光の影響を除去することが可能となり、高精度な計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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における使用波長を説明するための図である。
【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における信号の周波数スペクトルを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
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。
差分吸収ライダ装置は、図１に示すように、光源１、チャープ信号発生器２、電気信号分配器３，１０、光強度変調器４、光合波器５、光アンプ６、送信光学系７、受信光学系８、光受信機９、ミキサ１１、フィルタ１２及び信号処理器１３により構成される。
【００１６】
光源１は２つの異なる波長からなるＣＷ光（レーザ光）信号を発生させる機能を有しており、図１に示すように、光源１ａ及び光源１ｂにより構成される。この光源１ａ及び光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号は光強度変調器４に送られる。ここで、光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の波長はλＯＮであり、光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長はλＯＦＦである。
【００１７】
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において使用波長を説明するための図である。ここで、図２の横軸は光源１が発生させるＣＷ光信号の波長であり、縦軸は計測対象となる気体の光吸収量である。
図２に示すように、光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＮは、計測対象となる気体（炭酸ガス、オゾン、水蒸気等）での光吸収量が大きい波長に設定する。また光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＦＦは、計測対象となる気体の光吸収量が小さい波長に設定する。
【００１８】
ここで図２では、光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＮは、計測対象となる気体の光吸収量が最大となる波長に設定されているが、光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＦＦに対し光吸収量が大きくなるような波長であればよく、特に計測対象となる気体の光吸収量が最大となる波長に制限されるものではない。
【００１９】
また、図１では示していないが、光源１ａ及び光源１ｂの少なくともいずれか１つから発生されるＣＷ光信号を分配して、一部を不図示の光制御回路に送り、この光制御回路と光源１ａ及び光源１ｂの少なくともいずれか１つを接続して制御するように構成する。このように構成して、光源１ａ及び光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長を所望の値、つまりλＯＮ及びλＯＦＦに保持されるように、光源１ａ及び光源１ｂの少なくともいずれか１つに対して制御をかけることにより、気体濃度計測の精度改善に寄与することができる。
【００２０】
チャープ信号発生器２は、２つの互いに異なるチャープ範囲を持つチャープ信号を発生する機能を有しており、図１に示すように、チャープ信号発生器２ａ及びチャープ信号発生器２ｂにより構成される。
【００２１】
具体的には、光源１ａにより発生される波長λＯＮのＣＷ光信号に対してチャープ信号発生器２ａにより発生されるチャープ信号は、スタート周波数：ｆ１、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔとする。同様に、光源１ｂにより発生される波長λＯＦＦのＣＷ光信号に対してチャープ信号発生器２ｂが発生するチャープ信号は、スタート周波数：ｆ２、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔとする。このとき、ｆ２＞ｆ１＋ｆｗとなるようにして、チャープする２つの周波数範囲が重ならないように設定する。
【００２２】
このチャープ信号発生器２ａ及びチャープ信号発生器２ｂにより発生されるチャープ信号は電気信号分配器３に送られる。
【００２３】
電気信号分配器３は、チャープ信号発生器２により発生されるチャープ信号を２つに分配する機能を有しており、図１に示すように、電気信号分配器３ａ及び電気信号分配器３ｂにより構成される。電気信号分配器３ａはチャープ信号発生器２ａからのチャープ信号を２つに分割し、電気信号分配器３ｂはチャープ信号発生器２ｂからのチャープ信号を２つに分割する。この電気信号分配器３ａ及び電気信号分配器３ｂにより２つに分割されたチャープ信号は光強度変調器４及びミキサ１１に送られる。
【００２４】
光強度変調器４は、光源１により発生されるＣＷ光信号の各波長成分に対して、チャープ信号発生器２から電気信号分配器３を介して送られるチャープ信号を変調信号として強度変調をかける機能を有しており、図１に示すように、光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより構成される。光強度変調器４ａは光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の各波長成分に対して、チャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介して送られるチャープ信号に基づいて強度変調をかけ、光強度変調器４ｂは光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の各波長成分に対して、チャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介して送られるチャープ信号に基づいて強度変調をかける。この光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより強度変調をかけられたＣＷ光信号は光合波器５に送られる。
【００２５】
光合波器５は、図１に示すように、光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより強度変調をかけられた各波長を有する２つのＣＷ光信号を合波する機能を有している。この光合波器５により合波された２波長を有するＣＷ光信号は光アンプ６に送られる。
【００２６】
光アンプ６は、図１に示すように、光合波器５からの合波された２波長を有するＣＷ光信号を増幅する機能を有している。この光アンプ６により増幅された２波長を有するＣＷ光信号は送信光学系７に送られる。
【００２７】
送信光学系７は、図１に示すように、光アンプ６からの増幅された２波長を有するＣＷ光信号を所定のビームサイズ、ビーム形状に成形して空間中に放射する機能を有している。
【００２８】
受信光学系８は、図１に示すように、送信光学系７により送信された２波長を有するＣＷ光信号に対して、空間中に存在する構造物の壁や樹木等のハードターゲット１４から生じる散乱光を受信光として受信する機能を有している。この受信光学系８により受信された散乱光は光受信機９に送られる。
【００２９】
光受信機９は、図１に示すように、受信光学系８により受信されたハードターゲット１４からの散乱光を直接検波することにより電気信号に変換する機能を有している。この光受信機９により変換された電気信号は電気信号分配器１０に送られる。
【００３０】
電気信号分配器１０は、図１に示すように、光受信機９により変換された電気信号を２つに分配する機能を有している。この電気信号分配器１０により２つに分割された電気信号はミキサ１１に送られる。
【００３１】
ミキサ１１は、図１に示すように、チャープ信号発生器２から電気信号分配器３を介して送られるチャープ信号と、光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号をミキシングする機能を有しており、ミキサ１１ａ及びミキサ１１ｂにより構成される。ミキサ１１ａはチャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介して送られるチャープ信号及び光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号をミキシングする。ミキサ１１ｂはチャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介して送られるチャープ信号及び光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号をミキシングする。このミキサ１１ａ及びミキサ１１ｂによりミキシングされた信号はフィルタ１２に送られる。
【００３２】
フィルタ１２は、ミキサ１１によりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する機能を有しており、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂにより構成される。図１に示すように、フィルタ１２ａはミキサ１１ａによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出し、フィルタ１２ｂはミキサ１１ｂによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する。このフィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号は信号処理器１３に送られる。
【００３３】
信号処理器１３は、図１に示すように、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂにより抽出された２つのダウンコンバート成分のみの信号を信号処理する機能を有している。この信号処理器１３は、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂにより抽出された２つのダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲットからの散乱成分のみを抽出し、このピーク周波数における信号強度の比から、空間中における計測対象となる気体の濃度を検出する。
【００３４】
ここで、図１に示すように、光源１ａと光強度変調器４ａとの間、光源１ｂと光強度変調器４ｂとの間、光強度変調器４ａと光合波器５との間、光強度変調器４ｂと光合波器５との間、光合波器５と光アンプ６との間、光アンプ６と送信光学系７との間、および受信光学系８と光受信機９との間は、全て光ファイバ等の光回路線により接続されている。
【００３５】
また、図１に示すように、チャープ信号発生器２ａと電気信号分配器３ａとの間、電気信号分配器３ａと光強度変調器４ａとの間、チャープ信号発生器２ｂと電気信号分配器３ｂとの間、電気信号分配器３ｂと光強度変調器４ｂとの間、光受信機９と電気信号分配器１０との間、電気信号分配器１０とミキサ１１ａとの間、電気信号分配器１０とミキサ１１ｂとの間、電気信号分配器３ａとミキサ１１ａとの間、電気信号分配器３ｂとミキサ１１ｂとの間、ミキサ１１ａとフィルタ１２ａとの間、ミキサ１１ｂとフィルタ１２ｂとの間、フィルタ１２ａと信号処理器１３との間、フィルタ１２ｂ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。
【００３６】
また、図１において、送信光学系７により送信されるＣＷ光信号に対して散乱光を生じるハードターゲット１４は構造物の壁や樹木等であるが、この差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間にはエアロゾル・花粉等の微粒子が存在し、これらの微粒子からも微弱ながらも散乱光が生じている。
【００３７】
次に、上記のように構成される差分吸収ライダ装置の動作について説明する。
まず、光源１ａは計測対象気体の光吸収量が大きい波長λＯＮのＣＷ光信号を発生し、光源１ｂは計測対象気体の光吸収量が小さい波長λＯＦＦのＣＷ光信号を発生する。この光源１ａにより発生された波長λＯＮのＣＷ光信号は光強度変調器４ａに送られ、光源１ｂにより発生された波長λＯＦＦのＣＷ光信号は光強度変調器４ｂに送られる。
【００３８】
次いで、チャープ信号発生器２ａ及びチャープ信号発生器２ｂは、互いに異なる周波数範囲を持つチャープ信号を発生する。このチャープ信号発生器２ａにより発生されたチャープ信号は電気信号分配器３ａを介して光強度変調器４ａに送られ、チャープ信号発生器２ｂにより発生されたチャープ信号は電気信号分配器３ｂを介して光強度変調器４ｂに送られる。
【００３９】
次いで、光強度変調器４ａは、チャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介して送られるチャープ信号に基づいて、光源１ａから送られるＣＷ光信号に強度変調をかける。同様に、光強度変調器４ｂは、チャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介して送られるチャープ信号に基づいて、光源１ｂから送られるＣＷ光信号に強度変調をかける。これにより、波長λＯＮのＣＷ光信号は、スタート周波数：ｆ１、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔのチャープ波形で強度変調され、波長λＯＦＦのＣＷ光信号は、スタート周波数：ｆ２、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔで強度変調される。この光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより強度変調をかけられたＣＷ光信号は光合波器５に送られる。
【００４０】
次いで、光合波器５は、光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂから送られる強度変調された各波長のＣＷ光信号を合波する。この光合波器５により合波された２波長のＣＷ光信号は光アンプ６に送られる。
【００４１】
次いで、光アンプ６は、光合波器５から送られる合波された２波長のＣＷ光信号を増幅する。この光アンプ６により増幅された２波長のＣＷ光信号は送信光学系７に送られる。
【００４２】
次いで、送信光学系７は、光アンプ６から送られる増幅された２波長のＣＷ光信号を所定のビームサイズ、ビーム形状に成形して空間中に放射する。このとき、光合波器５で合波した２波長のＣＷ光信号を増幅、放射しているので、２つの異なる波長λＯＮおよび波長λＯＦＦのＣＷ光信号を、同時に放射していることとなる。なお、この空間中に放射する２波長のＣＷ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。
【００４３】
この送信光学系７により空間中に放射されたＣＷ光信号の各波長は、計測対象となる気体の光吸収量が異なるため、空間中を伝搬する過程における減衰量に１：１ではない比が生じる。したがって、このＣＷ光信号の各波長では、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間の往復伝搬過程において減衰量の差が生じる。
【００４４】
次いで、受信光学系８は、送信光学系７により送信されるＣＷ光信号に対してハードターゲット１４により生じる散乱光を受信する。この受信光学系８により受信される散乱光は光受信機９に送られる。
【００４５】
次いで、光受信機９は、受信光学系８により受信された受信光を直接検波して電気信号に変換する。この直接検波により、受信光学系８により受信された受信光の強度信号が電気信号に変換される。波長λＯＮ成分については、スタート周波数：ｆ１、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔのチャープ波形となり、波長λＯＦＦ成分については、スタート周波数：ｆ２、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔのチャープ波形となるが、これらの波長λＯＮ及び波長λＯＦＦは、光強度変調器４により強度変調されたときの波形に対して、差分吸収ライダ装置からハードターゲット１４までの光往復の時間だけ遅延した波形となる。この光受信機９により変換された電気信号は電気信号分配器１０に送られる。
【００４６】
次いで、電気信号分配器１０は光受信機９により変換される電気信号を２つに分配する。この電気信号分配器１０により２つに分割された電気信号はミキサ１１ａ及びミキサ１１ｂに送られる。
【００４７】
次いで、ミキサ１１ａは、チャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介してから送られるチャープ信号と光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号とをミキシングする。ミキサ１１ｂは、チャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介してから送られるチャープ信号と光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号とをミキシングする。このミキサ１１ａによりミキシングされた信号はフィルタ１２ａに送られ、ミキサ１１ｂによりミキシングされた信号はフィルタ１２ｂに送られる。
【００４８】
次いで、フィルタ１２ａはミキサ１１ａによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する。フィルタ１２ｂはミキサ１１ｂによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する。このフィルタ１２ａによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号及びフィルタ１２ｂによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号は信号処理器１３に送られる。
【００４９】
ここで、光受信機９での直接検波により得られた電気信号の波形は、光強度変調器４により光強度変調をかけた際のＣＷ光信号の波形に対し、差分吸収ライダ装置からハードターゲット１４までの光往復の時間だけ遅延した波形であるので、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂから出力されるダウンコンバート成分のみの信号において、ハードターゲット１４により生じる散乱光成分の周波数は、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦのいずれの信号についても、ｆｗ／Ｔ×(２Ｌ／ｃ)（Ｌ：ハードターゲット１４までの距離、ｃ：光速）となる。
これに対し、差分吸収ライダ装置―ハードターゲット１４間に存在するエアロゾル、花粉等の微粒子により生じる散乱光成分の周波数は、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦのいずれの信号についても、ｆｗ／Ｔ×(２Ｌａ／ｃ)（Ｌａ：各微粒子までの距離、ｃ：光速）となる。つまり、所望のハードターゲット１４により生じる散乱光成分と、妨害となる微粒子から生じる散乱光成分とは、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂから出力される信号においては異なる周波数を持つこととなる。
【００５０】
次いで、信号処理器１３は、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲット１４により生じる散乱成分のみを抽出し、抽出された２波長のピーク周波数における信号強度の比から気体濃度を計測する。ここで、信号処理器１３は高速フーリエ変換を用いることにより、フィルタ１２により得られるダウンコンバート成分のみの信号から周波数スペクトルを求める。
【００５１】
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における信号の周波数スペクトルを説明するための図である。図３（ａ）は波長λＯＮの信号における周波数と信号強度の関係を示す図であり、図３（ｂ）は波長λＯＦＦの信号における周波数と信号強度の関係を示す図である。
図３に示すように、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦのいずれの信号においても、周波数ｆｗ／Ｔ×(２Ｌ／ｃ)の位置にハードターゲット１４により生じる散乱光成分に相当する高いピークが生じる。これに対し微粒子により生じる散乱光成分は、微粒子が差分吸収ライダ装置―ハードターゲット１４間に拡散して存在しているため、ｆｗ／Ｔ×(２Ｌ／ｃ)以外の周波数帯に拡散される。
【００５２】
一般的に、ハードターゲット１４の光に対する散乱係数とエアロゾルの散乱光係数とを比較した場合、桁違いにハードターゲット１４の散乱光係数の方が高いため、信号処理器１３により波長λＯＮの信号及び波長λＯＦＦの信号の周波数スペクトルのピーク周波数を検出すれば、ハードターゲット１４により生じる散乱光成分のみを検出することが可能となる。つまり、２つの周波数スペクトルのピーク周波数における信号強度が、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦの受信光強度に対応することとなる。
【００５３】
また、差分吸収ライダ装置―ハードターゲット１４間の空間に、計測対象となる気体がほとんど存在しない場合、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦが空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響はいずれも殆どないので、このときの各ピーク周波数における信号強度はほぼ同じとなる。それに対し差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間の空間に、計測対象となる気体が高い濃度で存在する場合、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦが空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響は大きく、これに伴い、このときの各ピーク周波数における信号強度にも１：１ではない比が生じる。
【００５４】
具体的には、図３に示すように、波長λＯＮに対応するピーク周波数における信号強度は、波長λＯＦＦに対応するピーク周波数における信号強度と比較して、顕著に小さくなる。この時間波形の振幅の差異は、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦ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波長λＯＮ及びλＯＦＦの空間中における計測対象となる気体に関する光吸収量の差異に対応づけることができ、さらに、この光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、ピーク周波数における信号強度の差異から、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。
【００５５】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長の２波長からなる光信号に与える強度変調の変調信号にチャープ信号を用いて、２つのチャープ信号のチャープ範囲が重ならないように構成したので、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間に存在する微粒子からの散乱光の影響を受けない計測が可能であり、より高精度の気体濃度計測が可能となる。さらに、この差分吸収ライダ装置では光ミキサは不要であり、十分なＳＮ比での計測を行うことができ、高精度の気体濃度計測が可能となる。
【００５６】
なお、以上に述べたこの発明の実施の形態１における信号処理器１３では、周波数スペクトルを求める際に高速フーリエ変換を用いたが、この周波数スペクトルを求めるのに、非特許文献２に記載された最大エントロピー法ないしは自己回帰法を用いることにより、さらに別の効果を得ることができる。
【００５７】
一般的に、この発明の実施の形態１に記載した、ハードターゲット１４からの散乱光を直接検波により検出する差分吸収ライダ装置では、受信感度の観点から、受信帯域幅を小さくすることで受信する際のＳＮ比を改善することができる。しかし、信号処理に高速フーリエ変換を用いると、所要距離分解能を実現するのに必要なチャープ範囲ｆｗが、次式（１）により制限される。
ここで、ΔＬ：所要距離分解能、Ｔｓ：計測時間、ｆＲ：周波数分解能であり、高速フーリエ変換を用いる場合、周波数分解能は１／Ｔｓなので、
となる。
【００５８】
したがって、上式（２）に示すように、高速フーリエ変換を用いて周波数スペクトルを求める場合には受信帯域幅をｆｗより大きくする必要があり、受信感度を小さくする要求と矛盾する。一例として、実際の計測で見込まれる具体的な値で考えてみると、必要な距離分解能：１５ｍの場合に必要チャープ範囲：１０ＭＨｚとなるのに対し、受信感度高感度化の観点から使用できるチャープ範囲が１ＭＨｚ以下であり、両者は整合しないこととなる。これは、周波数スペクトルを求める際に高速フーリエ変換を用いると、周波数分解能が計測時間の逆数により決まってしまうことに依存している。このようになる理由は、高速フーリエ変換では有限時間信号が無限に繰り返すことを仮定して演算しているためである。
【００５９】
これに対し、最大エントロピー法ないしは自己回帰法では、演算において繰り返しを仮定せずにスペクトル推定を行うため、計算時間はかかるが、周波数分解能が計測時間の制限を受けることはない（例えば、非特許文献３参照）。したがって、周波数スペクトルを求める手段として最大エントロピー法ないしは自己回帰法を適用することで、差分吸収ライダ装置の高感度化と高距離分解能化とを両立することが可能となる。
【符号の説明】
【００６０】
１，１ａ，１ｂ 光源、２，２ａ，２ｂ チャープ信号発生器、３，３ａ，３ｂ，１０ 電気信号分配器、４，４ａ，４ｂ 光強度変調器、５ 光合波器、６ 光アンプ、７ 送信光学系、８ 受信光学系、９ 光受信機、１１，１１ａ，１１ｂ ミキサ、１２，１２ａ，１２ｂ フィルタ、１３ 信号処理器、１４ ハードターゲット。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２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比から、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としては、例えば特許文献１に開示されるものが知られている。この特許文献１に開示される差分吸収ライダ装置では、２波長のレーザ光に異なる周波数で強度変調をかけた後、このレーザ光を空間中に送信し、ハードターゲットとなる地面からの散乱光を受信して、この受信光を直接検波する。直接検波することにより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に生じる２つの変調周波数成分の信号強度から、２波長の各々を分別し、この２波長について受信光の検出を行っている。
【０００３】
このとき、空間中に送信される２波長のうち、一方の波長を計測対象となる気体に関する光吸収係数が大きい波長に設定し、他方の波長を計測対象となる気体に関する光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、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間で計測対象となる気体濃度に応じた比が生じることとなり、この比から気体濃度を計測している。
【０００４】
この特許文献１に開示されるタイプの差分吸収ライダ装置は、他の差分吸収ライダ装置に対し、２波長のレーザ光を同時に送受信しつつ、受信において２波長の受信光を分別することができるという点において優位性があり、具体的には二酸化炭素濃度の計測における高精度・リアルタイム計測性の向上において効果がある。これは、非特許文献１において実証されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４８１２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. Kameyama et al.、Development of 1.6 micron CW modulation ground-based DIAL system for CO2 monitoring, Proceedings of SPIE, Vol. 7153, 71530L-1, 2008
【非特許文献２】日野幹雄著、スペクトル解析、朝倉書店、初版第26刷、pp. 86-89.
【非特許文献３】日野幹雄著、スペクトル解析、朝倉書店、初版第26刷、pp. 93.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示される従来の差分吸収ライダ装置では、より高精度な気体濃度計測を行ううえで、次のような課題があった。
【０００８】
まず、上記特許文献１の実施の形態１において示される差分吸収ライダ装置を用いて理想的な計測を実現するためには、１つの前提条件を満足している必要がある。それは、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間においてレーザ光を散乱する媒質が全く存在しない、もしくはこの媒質からの散乱が無視できるというものである。
【０００９】
しかし実際には、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間には、エアロゾル、花粉等の微粒子が存在し、これらの微粒子によっても微弱ながらもレーザ光に対する散乱光が生じる。これらの微粒子による微弱な散乱光が所望の散乱光であるハードターゲットからの受信光に重畳されると、検出した２波長の受光量に微弱なオフセットが生じ、このオフセットが乗った状態で受光量の比をとると、結果として気体濃度計測値に微小ながらも誤差が生じる。以上のような理由から、気体濃度の計測に対する要求が厳しい場合、この要求を実現することはできないという課題があった。
【００１０】
また、上記特許文献１の実施の形態２において、特定距離からの信号のみを抽出できる差分吸収ライダ装置について開示されているが、これを実現するには光ミキサを設ける必要がある。しかしながら、この光ミキサは光挿入損失が非常に大きく、十分なＳＮ（Signal to Noise）比での計測が困難であるため、高精度計測が困難であるという課題があった。
【００１１】
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、光ミキサを設けることなく、エアロゾル等の微粒子からの散乱光と、所望のハードターゲットからの散乱光とを分別し、より高い精度で計測対象となる気体の濃度を計測することを可能にする差分吸収ライダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る差分吸収ライダ装置は、計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長からなるレーザ光を発生する光源と、互いに異なるチャープ範囲を持つチャープ信号を発生するチャープ信号発生器と、光源により発生されたレーザ光の各波長に対し、チャープ信号発生器により発生された各チャープ信号で強度変調をかける光強度変調器と、光強度変調器により強度変調をかけられたレーザ光を合波する光合波器と、光合波器により合波されたレーザ光を空間中に送信する送信光学系と、送信光学系により送信されたレーザ光に対して、空間中に存在するハードターゲットから生じる散乱光を受信する受信光学系と、受信光学系により受信された散乱光を直接検波により電気信号に変換する光受信機と、受信機により変換された電気信号を分配する電気信号分配器と、電気信号分配器により分配された電気信号と、チャープ信号発生器により発生されたチャープ信号とをミキシングするミキサと、ミキサによりミキシングされた信号においてダウンコンバート成分のみの信号を抽出するフィルタと、フィルタにより抽出されたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲットからの散乱光成分のみを抽出して、ピーク周波数における信号強度の比から計測対象となる気体の濃度を検出する信号処理器とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、上記のように構成したので、光ミキサを設けることなく、気体濃度を高精度に計測する上で妨害となる、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット間に存在する微粒子からの散乱光の影響を除去することが可能となり、高精度な計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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における使用波長を説明するための図である。
【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における信号の周波数スペクトルを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
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。
差分吸収ライダ装置は、図１に示すように、光源１、チャープ信号発生器２、電気信号分配器３，１０、光強度変調器４、光合波器５、光アンプ６、送信光学系７、受信光学系８、光受信機９、ミキサ１１、フィルタ１２及び信号処理器１３により構成される。
【００１６】
光源１は２つの異なる波長からなるＣＷ光（レーザ光）信号を発生させる機能を有しており、図１に示すように、光源１ａ及び光源１ｂにより構成される。この光源１ａ及び光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号は光強度変調器４に送られる。ここで、光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の波長はλＯＮであり、光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長はλＯＦＦである。
【００１７】
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において使用波長を説明するための図である。ここで、図２の横軸は光源１が発生させるＣＷ光信号の波長であり、縦軸は計測対象となる気体の光吸収量である。
図２に示すように、光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＮは、計測対象となる気体（炭酸ガス、オゾン、水蒸気等）での光吸収量が大きい波長に設定する。また光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＦＦは、計測対象となる気体の光吸収量が小さい波長に設定する。
【００１８】
ここで図２では、光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＮは、計測対象となる気体の光吸収量が最大となる波長に設定されているが、光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長λＯＦＦに対し光吸収量が大きくなるような波長であればよく、特に計測対象となる気体の光吸収量が最大となる波長に制限されるものではない。
【００１９】
また、図１では示していないが、光源１ａ及び光源１ｂの少なくともいずれか１つから発生されるＣＷ光信号を分配して、一部を不図示の光制御回路に送り、この光制御回路と光源１ａ及び光源１ｂの少なくともいずれか１つを接続して制御するように構成する。このように構成して、光源１ａ及び光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の波長を所望の値、つまりλＯＮ及びλＯＦＦに保持されるように、光源１ａ及び光源１ｂの少なくともいずれか１つに対して制御をかけることにより、気体濃度計測の精度改善に寄与することができる。
【００２０】
チャープ信号発生器２は、２つの互いに異なるチャープ範囲を持つチャープ信号を発生する機能を有しており、図１に示すように、チャープ信号発生器２ａ及びチャープ信号発生器２ｂにより構成される。
【００２１】
具体的には、光源１ａにより発生される波長λＯＮのＣＷ光信号に対してチャープ信号発生器２ａにより発生されるチャープ信号は、スタート周波数：ｆ１、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔとする。同様に、光源１ｂにより発生される波長λＯＦＦのＣＷ光信号に対してチャープ信号発生器２ｂが発生するチャープ信号は、スタート周波数：ｆ２、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔとする。このとき、ｆ２＞ｆ１＋ｆｗとなるようにして、チャープする２つの周波数範囲が重ならないように設定する。
【００２２】
このチャープ信号発生器２ａ及びチャープ信号発生器２ｂにより発生されるチャープ信号は電気信号分配器３に送られる。
【００２３】
電気信号分配器３は、チャープ信号発生器２により発生されるチャープ信号を２つに分配する機能を有しており、図１に示すように、電気信号分配器３ａ及び電気信号分配器３ｂにより構成される。電気信号分配器３ａはチャープ信号発生器２ａからのチャープ信号を２つに分割し、電気信号分配器３ｂはチャープ信号発生器２ｂからのチャープ信号を２つに分割する。この電気信号分配器３ａ及び電気信号分配器３ｂにより２つに分割されたチャープ信号は光強度変調器４及びミキサ１１に送られる。
【００２４】
光強度変調器４は、光源１により発生されるＣＷ光信号の各波長成分に対して、チャープ信号発生器２から電気信号分配器３を介して送られるチャープ信号を変調信号として強度変調をかける機能を有しており、図１に示すように、光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより構成される。光強度変調器４ａは光源１ａにより発生されるＣＷ光信号の各波長成分に対して、チャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介して送られるチャープ信号に基づいて強度変調をかけ、光強度変調器４ｂは光源１ｂにより発生されるＣＷ光信号の各波長成分に対して、チャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介して送られるチャープ信号に基づいて強度変調をかける。この光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより強度変調をかけられたＣＷ光信号は光合波器５に送られる。
【００２５】
光合波器５は、図１に示すように、光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより強度変調をかけられた各波長を有する２つのＣＷ光信号を合波する機能を有している。この光合波器５により合波された２波長を有するＣＷ光信号は光アンプ６に送られる。
【００２６】
光アンプ６は、図１に示すように、光合波器５からの合波された２波長を有するＣＷ光信号を増幅する機能を有している。この光アンプ６により増幅された２波長を有するＣＷ光信号は送信光学系７に送られる。
【００２７】
送信光学系７は、図１に示すように、光アンプ６からの増幅された２波長を有するＣＷ光信号を所定のビームサイズ、ビーム形状に成形して空間中に放射する機能を有している。
【００２８】
受信光学系８は、図１に示すように、送信光学系７により送信された２波長を有するＣＷ光信号に対して、空間中に存在する構造物の壁や樹木等のハードターゲット１４から生じる散乱光を受信光として受信する機能を有している。この受信光学系８により受信された散乱光は光受信機９に送られる。
【００２９】
光受信機９は、図１に示すように、受信光学系８により受信されたハードターゲット１４からの散乱光を直接検波することにより電気信号に変換する機能を有している。この光受信機９により変換された電気信号は電気信号分配器１０に送られる。
【００３０】
電気信号分配器１０は、図１に示すように、光受信機９により変換された電気信号を２つに分配する機能を有している。この電気信号分配器１０により２つに分割された電気信号はミキサ１１に送られる。
【００３１】
ミキサ１１は、図１に示すように、チャープ信号発生器２から電気信号分配器３を介して送られるチャープ信号と、光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号をミキシングする機能を有しており、ミキサ１１ａ及びミキサ１１ｂにより構成される。ミキサ１１ａはチャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介して送られるチャープ信号及び光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号をミキシングする。ミキサ１１ｂはチャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介して送られるチャープ信号及び光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号をミキシングする。このミキサ１１ａ及びミキサ１１ｂによりミキシングされた信号はフィルタ１２に送られる。
【００３２】
フィルタ１２は、ミキサ１１によりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する機能を有しており、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂにより構成される。図１に示すように、フィルタ１２ａはミキサ１１ａによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出し、フィルタ１２ｂはミキサ１１ｂによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する。このフィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号は信号処理器１３に送られる。
【００３３】
信号処理器１３は、図１に示すように、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂにより抽出された２つのダウンコンバート成分のみの信号を信号処理する機能を有している。この信号処理器１３は、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂにより抽出された２つのダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲットからの散乱成分のみを抽出し、このピーク周波数における信号強度の比から、空間中における計測対象となる気体の濃度を検出する。
【００３４】
ここで、図１に示すように、光源１ａと光強度変調器４ａとの間、光源１ｂと光強度変調器４ｂとの間、光強度変調器４ａと光合波器５との間、光強度変調器４ｂと光合波器５との間、光合波器５と光アンプ６との間、光アンプ６と送信光学系７との間、および受信光学系８と光受信機９との間は、全て光ファイバ等の光回路線により接続されている。
【００３５】
また、図１に示すように、チャープ信号発生器２ａと電気信号分配器３ａとの間、電気信号分配器３ａと光強度変調器４ａとの間、チャープ信号発生器２ｂと電気信号分配器３ｂとの間、電気信号分配器３ｂと光強度変調器４ｂとの間、光受信機９と電気信号分配器１０との間、電気信号分配器１０とミキサ１１ａとの間、電気信号分配器１０とミキサ１１ｂとの間、電気信号分配器３ａとミキサ１１ａとの間、電気信号分配器３ｂとミキサ１１ｂとの間、ミキサ１１ａとフィルタ１２ａとの間、ミキサ１１ｂとフィルタ１２ｂとの間、フィルタ１２ａと信号処理器１３との間、フィルタ１２ｂ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。
【００３６】
また、図１において、送信光学系７により送信されるＣＷ光信号に対して散乱光を生じるハードターゲット１４は構造物の壁や樹木等であるが、この差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間にはエアロゾル・花粉等の微粒子が存在し、これらの微粒子からも微弱ながらも散乱光が生じている。
【００３７】
次に、上記のように構成される差分吸収ライダ装置の動作について説明する。
まず、光源１ａは計測対象気体の光吸収量が大きい波長λＯＮのＣＷ光信号を発生し、光源１ｂは計測対象気体の光吸収量が小さい波長λＯＦＦのＣＷ光信号を発生する。この光源１ａにより発生された波長λＯＮのＣＷ光信号は光強度変調器４ａに送られ、光源１ｂにより発生された波長λＯＦＦのＣＷ光信号は光強度変調器４ｂに送られる。
【００３８】
次いで、チャープ信号発生器２ａ及びチャープ信号発生器２ｂは、互いに異なる周波数範囲を持つチャープ信号を発生する。このチャープ信号発生器２ａにより発生されたチャープ信号は電気信号分配器３ａを介して光強度変調器４ａに送られ、チャープ信号発生器２ｂにより発生されたチャープ信号は電気信号分配器３ｂを介して光強度変調器４ｂに送られる。
【００３９】
次いで、光強度変調器４ａは、チャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介して送られるチャープ信号に基づいて、光源１ａから送られるＣＷ光信号に強度変調をかける。同様に、光強度変調器４ｂは、チャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介して送られるチャープ信号に基づいて、光源１ｂから送られるＣＷ光信号に強度変調をかける。これにより、波長λＯＮのＣＷ光信号は、スタート周波数：ｆ１、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔのチャープ波形で強度変調され、波長λＯＦＦのＣＷ光信号は、スタート周波数：ｆ２、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔで強度変調される。この光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂにより強度変調をかけられたＣＷ光信号は光合波器５に送られる。
【００４０】
次いで、光合波器５は、光強度変調器４ａ及び光強度変調器４ｂから送られる強度変調された各波長のＣＷ光信号を合波する。この光合波器５により合波された２波長のＣＷ光信号は光アンプ６に送られる。
【００４１】
次いで、光アンプ６は、光合波器５から送られる合波された２波長のＣＷ光信号を増幅する。この光アンプ６により増幅された２波長のＣＷ光信号は送信光学系７に送られる。
【００４２】
次いで、送信光学系７は、光アンプ６から送られる増幅された２波長のＣＷ光信号を所定のビームサイズ、ビーム形状に成形して空間中に放射する。このとき、光合波器５で合波した２波長のＣＷ光信号を増幅、放射しているので、２つの異なる波長λＯＮおよび波長λＯＦＦのＣＷ光信号を、同時に放射していることとなる。なお、この空間中に放射する２波長のＣＷ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。
【００４３】
この送信光学系７により空間中に放射されたＣＷ光信号の各波長は、計測対象となる気体の光吸収量が異なるため、空間中を伝搬する過程における減衰量に１：１ではない比が生じる。したがって、このＣＷ光信号の各波長では、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間の往復伝搬過程において減衰量の差が生じる。
【００４４】
次いで、受信光学系８は、送信光学系７により送信されるＣＷ光信号に対してハードターゲット１４により生じる散乱光を受信する。この受信光学系８により受信される散乱光は光受信機９に送られる。
【００４５】
次いで、光受信機９は、受信光学系８により受信された受信光を直接検波して電気信号に変換する。この直接検波により、受信光学系８により受信された受信光の強度信号が電気信号に変換される。波長λＯＮ成分については、スタート周波数：ｆ１、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔのチャープ波形となり、波長λＯＦＦ成分については、スタート周波数：ｆ２、チャープ範囲：ｆｗ、チャープ時間：Ｔのチャープ波形となるが、これらの波長λＯＮ及び波長λＯＦＦは、光強度変調器４により強度変調されたときの波形に対して、差分吸収ライダ装置からハードターゲット１４までの光往復の時間だけ遅延した波形となる。この光受信機９により変換された電気信号は電気信号分配器１０に送られる。
【００４６】
次いで、電気信号分配器１０は光受信機９により変換される電気信号を２つに分配する。この電気信号分配器１０により２つに分割された電気信号はミキサ１１ａ及びミキサ１１ｂに送られる。
【００４７】
次いで、ミキサ１１ａは、チャープ信号発生器２ａから電気信号分配器３ａを介してから送られるチャープ信号と光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号とをミキシングする。ミキサ１１ｂは、チャープ信号発生器２ｂから電気信号分配器３ｂを介してから送られるチャープ信号と光受信機９から電気信号分配器１０を介して送られる電気信号とをミキシングする。このミキサ１１ａによりミキシングされた信号はフィルタ１２ａに送られ、ミキサ１１ｂによりミキシングされた信号はフィルタ１２ｂに送られる。
【００４８】
次いで、フィルタ１２ａはミキサ１１ａによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する。フィルタ１２ｂはミキサ１１ｂによりミキシングされた信号をフィルタリングし、ダウンコンバート成分のみの信号を抽出する。このフィルタ１２ａによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号及びフィルタ１２ｂによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号は信号処理器１３に送られる。
【００４９】
ここで、光受信機９での直接検波により得られた電気信号の波形は、光強度変調器４により光強度変調をかけた際のＣＷ光信号の波形に対し、差分吸収ライダ装置からハードターゲット１４までの光往復の時間だけ遅延した波形であるので、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂから出力されるダウンコンバート成分のみの信号において、ハードターゲット１４により生じる散乱光成分の周波数は、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦのいずれの信号についても、ｆｗ／Ｔ×(２Ｌ／ｃ)（Ｌ：ハードターゲット１４までの距離、ｃ：光速）となる。
これに対し、差分吸収ライダ装置―ハードターゲット１４間に存在するエアロゾル、花粉等の微粒子により生じる散乱光成分の周波数は、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦのいずれの信号についても、ｆｗ／Ｔ×(２Ｌａ／ｃ)（Ｌａ：各微粒子までの距離、ｃ：光速）となる。つまり、所望のハードターゲット１４により生じる散乱光成分と、妨害となる微粒子から生じる散乱光成分とは、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂから出力される信号においては異なる周波数を持つこととなる。
【００５０】
次いで、信号処理器１３は、フィルタ１２ａ及びフィルタ１２ｂによりフィルタリングされたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲット１４により生じる散乱成分のみを抽出し、抽出された２波長のピーク周波数における信号強度の比から気体濃度を計測する。ここで、信号処理器１３は高速フーリエ変換を用いることにより、フィルタ１２により得られるダウンコンバート成分のみの信号から周波数スペクトルを求める。
【００５１】
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における信号の周波数スペクトルを説明するための図である。図３（ａ）は波長λＯＮの信号における周波数と信号強度の関係を示す図であり、図３（ｂ）は波長λＯＦＦの信号における周波数と信号強度の関係を示す図である。
図３に示すように、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦのいずれの信号においても、周波数ｆｗ／Ｔ×(２Ｌ／ｃ)の位置にハードターゲット１４により生じる散乱光成分に相当する高いピークが生じる。これに対し微粒子により生じる散乱光成分は、微粒子が差分吸収ライダ装置―ハードターゲット１４間に拡散して存在しているため、ｆｗ／Ｔ×(２Ｌ／ｃ)以外の周波数帯に拡散される。
【００５２】
一般的に、ハードターゲット１４の光に対する散乱係数とエアロゾルの散乱光係数とを比較した場合、桁違いにハードターゲット１４の散乱光係数の方が高いため、信号処理器１３により波長λＯＮの信号及び波長λＯＦＦの信号の周波数スペクトルのピーク周波数を検出すれば、ハードターゲット１４により生じる散乱光成分のみを検出することが可能となる。つまり、２つの周波数スペクトルのピーク周波数における信号強度が、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦの受信光強度に対応することとなる。
【００５３】
また、差分吸収ライダ装置―ハードターゲット１４間の空間に、計測対象となる気体がほとんど存在しない場合、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦが空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響はいずれも殆どないので、このときの各ピーク周波数における信号強度はほぼ同じとなる。それに対し差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間の空間に、計測対象となる気体が高い濃度で存在する場合、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦが空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響は大きく、これに伴い、このときの各ピーク周波数における信号強度にも１：１ではない比が生じる。
【００５４】
具体的には、図３に示すように、波長λＯＮに対応するピーク周波数における信号強度は、波長λＯＦＦに対応するピーク周波数における信号強度と比較して、顕著に小さくなる。この時間波形の振幅の差異は、波長λＯＮ及び波長λＯＦＦ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波長λＯＮ及びλＯＦＦの空間中における計測対象となる気体に関する光吸収量の差異に対応づけることができ、さらに、この光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、ピーク周波数における信号強度の差異から、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。
【００５５】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長の２波長からなる光信号に与える強度変調の変調信号にチャープ信号を用いて、２つのチャープ信号のチャープ範囲が重ならないように構成したので、差分吸収ライダ装置−ハードターゲット１４間に存在する微粒子からの散乱光の影響を受けない計測が可能であり、より高精度の気体濃度計測が可能となる。さらに、この差分吸収ライダ装置では光ミキサは不要であり、十分なＳＮ比での計測を行うことができ、高精度の気体濃度計測が可能となる。
【００５６】
なお、以上に述べたこの発明の実施の形態１における信号処理器１３では、周波数スペクトルを求める際に高速フーリエ変換を用いたが、この周波数スペクトルを求めるのに、非特許文献２に記載された最大エントロピー法ないしは自己回帰法を用いることにより、さらに別の効果を得ることができる。
【００５７】
一般的に、この発明の実施の形態１に記載した、ハードターゲット１４からの散乱光を直接検波により検出する差分吸収ライダ装置では、受信感度の観点から、受信帯域幅を小さくすることで受信する際のＳＮ比を改善することができる。しかし、信号処理に高速フーリエ変換を用いると、所要距離分解能を実現するのに必要なチャープ範囲ｆｗが、次式（１）により制限される。
ここで、ΔＬ：所要距離分解能、Ｔｓ：計測時間、ｆＲ：周波数分解能であり、高速フーリエ変換を用いる場合、周波数分解能は１／Ｔｓなので、
となる。
【００５８】
したがって、上式（２）に示すように、高速フーリエ変換を用いて周波数スペクトルを求める場合には受信帯域幅をｆｗより大きくする必要があり、受信感度を小さくする要求と矛盾する。一例として、実際の計測で見込まれる具体的な値で考えてみると、必要な距離分解能：１５ｍの場合に必要チャープ範囲：１０ＭＨｚとなるのに対し、受信感度高感度化の観点から使用できるチャープ範囲が１ＭＨｚ以下であり、両者は整合しないこととなる。これは、周波数スペクトルを求める際に高速フーリエ変換を用いると、周波数分解能が計測時間の逆数により決まってしまうことに依存している。このようになる理由は、高速フーリエ変換では有限時間信号が無限に繰り返すことを仮定して演算しているためである。
【００５９】
これに対し、最大エントロピー法ないしは自己回帰法では、演算において繰り返しを仮定せずにスペクトル推定を行うため、計算時間はかかるが、周波数分解能が計測時間の制限を受けることはない（例えば、非特許文献３参照）。したがって、周波数スペクトルを求める手段として最大エントロピー法ないしは自己回帰法を適用することで、差分吸収ライダ装置の高感度化と高距離分解能化とを両立することが可能となる。
【符号の説明】
【００６０】
１，１ａ，１ｂ 光源、２，２ａ，２ｂ チャープ信号発生器、３，３ａ，３ｂ，１０ 電気信号分配器、４，４ａ，４ｂ 光強度変調器、５ 光合波器、６ 光アンプ、７ 送信光学系、８ 受信光学系、９ 光受信機、１１，１１ａ，１１ｂ ミキサ、１２，１２ａ，１２ｂ フィルタ、１３ 信号処理器、１４ ハードターゲット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長からなるレーザ光を発生する光源と、
互いに異なるチャープ範囲を持つチャープ信号を発生するチャープ信号発生器と、
前記光源により発生されたレーザ光の各波長に対し、前記チャープ信号発生器により発生された各チャープ信号で強度変調をかける光強度変調器と、
前記光強度変調器により強度変調をかけられたレーザ光を合波する光合波器と、
前記光合波器により合波されたレーザ光を空間中に送信する送信光学系と、
前記送信光学系により送信されたレーザ光に対して、空間中に存在するハードターゲットから生じる散乱光を受信する受信光学系と、
前記受信光学系により受信された散乱光を直接検波により電気信号に変換する光受信機と、
前記受信機により変換された電気信号を分配する電気信号分配器と、
前記電気信号分配器により分配された電気信号と、前記チャープ信号発生器により発生されたチャープ信号とをミキシングするミキサと、
前記ミキサによりミキシングされた信号においてダウンコンバート成分のみの信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタにより抽出されたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、前記周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲットからの散乱光成分のみを抽出して、前記ピーク周波数における信号強度の比から計測対象となる気体の濃度を検出する信号処理器と
を備えた差分吸収ライダ装置。
【請求項２】
前記信号処理器は、最大エントロピー法ないしは自己回帰法を用いることにより、前記フィルタにより抽出されたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求める
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１】
計測する気体の光吸収量が大きい波長と小さい波長からなるレーザ光を発生する光源と、
互いに異なるチャープ範囲を持つチャープ信号を発生するチャープ信号発生器と、
前記光源により発生されたレーザ光の各波長に対し、前記チャープ信号発生器により発生された各チャープ信号で強度変調をかける光強度変調器と、
前記光強度変調器により強度変調をかけられたレーザ光を合波する光合波器と、
前記光合波器により合波されたレーザ光を空間中に送信する送信光学系と、
前記送信光学系により送信されたレーザ光に対して、空間中に存在するハードターゲットから生じる散乱光を受信する受信光学系と、
前記受信光学系により受信された散乱光を直接検波により電気信号に変換する光受信機と、
前記受信機により変換された電気信号を分配する電気信号分配器と、
前記電気信号分配器により分配された電気信号と、前記チャープ信号発生器により発生されたチャープ信号とをミキシングするミキサと、
前記ミキサによりミキシングされた信号においてダウンコンバート成分のみの信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタにより抽出されたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求め、前記周波数スペクトルにおけるピーク周波数からハードターゲットからの散乱光成分のみを抽出して、前記ピーク周波数における信号強度の比から計測対象となる気体の濃度を検出する信号処理器と
を備えた差分吸収ライダ装置。
【請求項２】
前記信号処理器は、最大エントロピー法ないしは自己回帰法を用いることにより、前記フィルタにより抽出されたダウンコンバート成分のみの信号の各々の周波数スペクトルを求める
ことを特徴とする請求項１記載の差分吸収ライダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２７６３６８（Ｐ２０１０−２７６３６８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２６６２３（Ｐ２００９−１２６６２３）
【出願日】平成２１年５月２６日（２００９．５．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２６日（２００９．５．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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