差分吸収ライダ装置
【課題】２波長同時送受信をしつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測する。
【解決手段】複数のレーザ光発生手段（１）と、光強度変調手段（２）と、光合波手段（４）と、波長変換手段（５）と、モニタ光と送信光とに分配する光分配手段（６）と、ターゲットからの散乱光を受信信号に変換する受信用光受信手段（１３）と、ガス封入セル（７）にモニタ光を通した後、モニタ信号に変換するモニタ用光受信手段（８）と、受信信号、モニタ信号の信号強度および位相を算出する周波数分別手段（９、１４）と、信号強度に基づいて出力レーザ光の波長を制御する波長制御手段（１０）と、信号強度および位相に基づいて、装置−ターゲット間におけるガス濃度を計測する信号処理手段（１５）とを備える。
【解決手段】複数のレーザ光発生手段（１）と、光強度変調手段（２）と、光合波手段（４）と、波長変換手段（５）と、モニタ光と送信光とに分配する光分配手段（６）と、ターゲットからの散乱光を受信信号に変換する受信用光受信手段（１３）と、ガス封入セル（７）にモニタ光を通した後、モニタ信号に変換するモニタ用光受信手段（８）と、受信信号、モニタ信号の信号強度および位相を算出する周波数分別手段（９、１４）と、信号強度に基づいて出力レーザ光の波長を制御する波長制御手段（１０）と、信号強度および位相に基づいて、装置−ターゲット間におけるガス濃度を計測する信号処理手段（１５）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数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比から、空間中における計測対象となるガス（例えば、メタン等）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】
従来のこの種の差分吸収ライダ装置としては、以下のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１における差分吸収ライダ装置は、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、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、受信光を直接検波する。さらに、直接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、２波長の内、１つの波長は、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され、他の１つの波長は、光吸収係数が小さい波長に設定されている。このように設定しておくことで、受信光量において、装置−ターゲット間の計測対象となるガス濃度に応じた比が生じることとなり、この比から、ガス濃度を計測している。
【０００４】
特許文献１に記載されたこのようなタイプの差分吸収ライダ装置は、他の差分吸収ライダと比較すると、２波長を同時に送受信しつつ、受信において２波長を分別することができるという点において優位性がある。具体的には、ガス濃度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。この高精度・リアルタイム計測性については、二酸化炭素濃度の計測に関し、具体的に実証されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、従来の差分吸収ライダ装置では、特に、特許文献１において計測対象とされている二酸化炭素以外の、より様々なガス濃度計測に適用する上で、以下のような問題があった。
【０００６】
一般的に、差分吸収ライダ装置は、送受する波長の内、少なくとも１つの波長において光吸収係数が強く、光吸収が顕著に生じることが必要であり、光吸収係数が大きい光吸収線近傍の光を送受する必要がある。この観点において、特許文献１に示された従来装置は、光源の出力波長をそのまま送受していたため、光源の出力波長を、光吸収係数が大きい光吸収線近傍に設定する必要があった。
【０００７】
しかしながら、光吸収線は、計測対象となるガスに固有のものであり、使用できる光源の出力波長範囲が、計測対象となるガスの光吸収線近傍をカバーしているとは限らない。例えば、メタンガスの場合、波長３μｍ帯に光吸収係数が大きい光吸収線が存在することが知られているが、この波長を直接出力できる光源は、存在しないのが現状である。
【０００８】
一方、３μｍ帯の波長を出力する手段として、波長変換器を用いる方法が知られており、この波長変換器を用いてメタンガスを計測する技術がある（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２４８１２６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【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】M. Imaki et al., Infrared frequency upconverter for high-sensitivity imaging of gas plumes, Optics Letters, Vol. 32, 1923-1925, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
非特許文献２に示された従来装置では、２波長を同時に送受信できる構成とはなっていない。このため、特に、衛星や航空機のように高速に移動しながら地表に対しレーザ光を送受信し、装置−地表間のガス濃度計測を行う場合、２波長間の計測空間が異なる形となり、計測精度が低下するという問題があった。
【００１２】
また、特許文献１の構成に非特許文献２の波長変換機能を単に組み入れるだけでは、次に示す問題があった。差分吸収ライダ装置は、送受するレーザ光の波長を所定の値に精度よくロックしておく必要があり、特許文献１では、この波長ロックを光源の波長に対して行っていた。しかしながら、波長変換機能を用いる場合、ロックする必要があるのは、波長変換後の波長であり、従来装置は、このような波長変換後の段階で波長をロックする機能を有していなかった。
【００１３】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る差分吸収ライダ装置は、異なる複数の波長からなるレーザ光をそれぞれ発生させる複数のレーザ光発生手段と、複数の波長からなるレーザ光の各波長成分に対して互いに異なる周波数を持つ複数のＣＷ信号で強度変調をかける光強度変調手段と、光強度変調手段による強度変調後の各波長成分のレーザ光を合波する光合波手段と、光合波手段による合波後のレーザ光を波長変換する波長変換手段と、波長変換手段による波長変換後の光をモニタ光と送信光とに分配する光分配手段と、空間中に存在するターゲットに向けて送信光を送信する送信光学手段と、ターゲットからの散乱光を受信光として受信して、直接検波により受信信号として電気信号に変換する受信用光受信手段と、計測対象となるガスと同一種類のガス封入セルにモニタ光を通した後、直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換するモニタ用光受信手段と、モニタ信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出するモニタ用周波数分別手段と、受信信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出する受信用周波数分別手段と、モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度に基づいて、複数のレーザ光発生手段から出力されるレーザ光のそれぞれの波長を制御する波長制御手段と、モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度および位相と、受信用周波数分別手段により算出された信号強度および位相とに基づいて、装置−ターゲット間における計測対象であるガスの濃度を計測する信号処理手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る差分吸収ライダ装置によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて２波長同時の送受信を行い、さらに波長変換後のレーザ光をモニタすることで２波長を所定の波長にロックさせる構成を備えることにより、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置における光吸収量と使用波長との関係を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における波長変換器の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるモニタ用周波数分別器もしくは受信用周波数分別器の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるモニタ用周波数分別器もしくは受信用周波数分別器の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の差分吸収ライダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態１における差分吸収ライダ装置は、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３、光合波器４、波長変換器５、光分配器６、ガス封入セル７、モニタ用光受信機８、モニタ用周波数分別器９、光源制御回路１０、送信光学系１１、受信光学系１２、受信用光受信機１３、受信用周波数分別器１４、および信号処理器１５を備えている。なお、図１においては、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３が、それぞれ２つで構成されている場合を例示しており、添字ａ、ｂが付されている。
【００１９】
図１において、以下に示す構成要素間は、全て光回路線、例えば、光ファイバにより接続されている。
・光源１ａと光強度変調器２ａとの間
・光源１ｂと光強度変調器２ｂとの間
・光強度変調器２ａと光合波器４との間
・光強度変調器２ｂと光合波器４との間
・光合波器４と波長変換器５との間
・波長変換器５と光分配器６との間
・光分配器６とガス封入セル７との間
・ガス封入セル７とモニタ用光受信機８との間
・光分配器６と送信光学系１１との間
・受信光学系１２と受信用光受信機１３との間
【００２０】
また、図１において、以下に示す構成要素間は、全て電線ケーブルにより接続されている。
・変調信号発生器３ａと光強度変調器２ａとの間
・変調信号発生器３ｂと光強度変調器２ｂとの間
・モニタ用光受信機８とモニタ用周波数分別器９との間
・モニタ用周波数分別器９と光源制御回路１０との間
・受信用光受信機１３と受信用周波数分別器１４との間
・受信用周波数分別器１４と信号処理器１５との間
・モニタ用周波数分別器９と信号処理器１５との間
【００２１】
光源１ａ、１ｂは、ＣＷレーザ光を送信する機能を有しており、送信する光波長は、光源１ａ、１ｂで異なっている。これらの異なる波長は、波長変換器５によって各々波長変換される。ここで、波長変換後の波長として、光源１ａからの送信に関する波長変換後の波長をλＯＮ、光源１ｂからの送信に関する波長変換後の波長をλＯＦＦとする。
【００２２】
このとき、λＯＮは、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される。一方、λＯＦＦは、光吸収係数が小さい波長に設定される。図２は、本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置における光吸収量と使用波長との関係を示す説明図である。なお、図２においては、λＯＮは、光吸収特性の中心に設定されているが、λＯＦＦに対し光吸収が大きくなる波長であれば、特に光吸収特性の中心に制限されるものではない。
【００２３】
変調信号発生器３ａ、３ｂは、互いに異なる２つの周波数ｆｍ１およびｆｍ２を持つＣＷ信号を発生する機能を有している。また、光強度変調器２ａ。２ｂは、これらのＣＷ信号により、光源１ａ、１ｂからのレーザ光に強度変調をかける機能を有している。
【００２４】
光合波器４は、光強度変調器２ａ、２ｂからの強度変調されたレーザ光を合波し、波長変換器５に送る機能を有している。波長変換器５は、光合波器４からの合波された２波長のレーザ光の波長を変換した後、光分配器６に送る機能を有している。光分配器６は、入力されたレーザ光を分配し、一方をモニタ光としてガス封入セル７に送り、他の一方を送信光として送信光学系１１に送る機能を有している。
【００２５】
送信光学系１１は、入力されたレーザ光を所定のビーム形状に成形した後、ターゲット（図１中では地表のようなハードターゲット）に向けてレーザ光を２波長同時に送信する機能を有している。
【００２６】
ガス封入セル７は、計測対象となるガスと同一種類のガス、例えば、メタンといったガスが封入されており、入力された光をこのガス中に通した後、モニタ用光受信機８に送る機能を有している。モニタ用光受信機８は、入力されたレーザ光を直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換し、モニタ用周波数分別器９に送る機能を有している。モニタ用周波数分別器９は、入力されたモニタ信号から変調周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分を分別抽出し、ｆｍ１とｆｍ２両方の成分を光源制御回路１０および信号処理器１５に送る機能を有している。
【００２７】
受信光学系１２は、ターゲットからの散乱光を受信光として受信して受信系の光回路（例えば、光ファイバ）に結合させ、この受信光を受信用光受信機１３に送る機能を有している。受信用光受信機１３は、入力されたレーザ光を直接検波により受信信号として電気信号に変換し、受信用周波数分別器１４に送る機能を有している。受信用周波数分別器１４は、入力された受信信号から変調周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分を分別抽出し、両方の成分を信号処理器１５に送る機能を有している。
【００２８】
光源制御回路１０は、入力された周波数ｆｍ１およびｆｍ２の信号強度に基づいて、光源１ａ、１ｂの波長を制御する機能を有している。信号処理器１５は、モニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４のそれぞれから入力された、モニタ信号および受信信号における周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度および位相から、装置−ターゲット間における計測対象となるガスの濃度を算出する機能を有している。
【００２９】
次に、図１に示した本実施の形態１における差分吸収ライダ装置の一連動作について説明する。まず、光源１ａ、１ｂからは、ＣＷレーザ光が送信される。一方、変調信号発生器３ａ、３ｂからは、互いに異なる２つの周波数ｆｍ１およびｆｍ２を持つＣＷ信号が出力され、各々、光強度変調器２ａ、２ｂに送られる。光強度変調器２ａ、２ｂのそれぞれは、変調信号発生器３ａ、３ｂからの変調信号に基づいて、光源１ａ、１ｂからのＣＷレーザ光に強度変調をかける。
【００３０】
次に、光合波器４は、光強度変調器２ａ、２ｂにより強度変調されたレーザ光を合波する。さらに、波長変換器５は、光源１ａ、１ｂからのレーザ光の各々に対し、２波長同時に波長変換をかける。波長変換後のレーザ光は、光分配器６に送られる。そして、光分配器６は、分配したレーザ光の一方をモニタ光としてガス封入セル７に送り、他の一方を送信光として送信光学系１１に送る。
【００３１】
モニタ光は、まず始めに、ガス封入セル７に通される。ここで、モニタ光の波長には、光源１ａからの成分と、光源１ｂからの成分とが重畳されている。そして、これらの波長成分は、ガス封入セル７に封入されているガスの光吸収線中心付近であれば、光吸収を受けてガス封入セル７内で減衰する一方で、光吸収線から大きくずれていれば、減衰が生じることなく出力される。
【００３２】
次に、モニタ用光受信機８は、ガス封入セル７からの出力を直接検波し、モニタ信号として電気信号に変換する。この直接検波により、レーザ光の強度波形が電気信号波形となるので、モニタ信号には、変調周波数である周波数ｆｍ１の成分とｆｍ２の成分とが含まれる。つまり、モニタ信号には、光源１ａからの成分と光源１ｂからの成分とが同時に重畳されているが、変調周波数が異なっているため分別が可能である。そこで、モニタ用周波数分別器９は、重畳されている２つの周波数を分別し、各々を光源制御回路１０および信号処理器１５に送る。
【００３３】
次に、光源制御回路１０は、入力された周波数ｆｍ１とｆｍ２の成分の信号強度に基づいて、光源１ａ、１ｂの波長をフィードバック制御する。この際、光源制御回路１０は、光源１ａに対しては、周波数ｆｍ１の成分の信号強度を小さくするようにフィードバック制御をかける。これにより、光源１ａからの出力が波長変換された成分が、ガス封入セル７におけるレーザ光の減衰が最も大きい波長、つまりＯＮ波長にロックされる。
【００３４】
一方、光源制御回路１０は、光源１ｂに対しては、周波数ｆｍ２の成分の信号強度を大きくするようにフィードバック制御をかける。これにより、光源１ｂからの出力が波長変換された成分が、ガス封入セル７におけるレーザ光の減衰が最も小さい波長、つまりＯＦＦ波長にロックされる。この動作により、波長変換後の２つの光波長がＯＮ波長およびＯＦＦ波長に精度よくロックされる。
【００３５】
このようなモニタ信号処理の一方で、送信光学系１１に送られた送信光は、所定のビーム形状に成形された後、ターゲットに向けて２波長同時に送信される。この送信光は、ターゲットにより散乱され、その散乱光は、受信光として受信光学系１２により２波長同時に受信される。
【００３６】
装置―ターゲット間の空間に、計測対象となるガスがほとんど存在しない場合、ＯＮ波長、ＯＦＦ波長の２波長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。従って、送信光学系からの送信光に含まれる２波長成分の強度の比と受信光に含まれる２波長成分の強度の比は、ほぼ同じとなる。
【００３７】
それに対し、装置−ターゲット間の空間に、計測対象となるガスが存在する場合には、２波長が空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響があり、ＯＮ波長成分が、装置−ターゲット間の計測対象となるガスの濃度に依存して相対的に減衰した後に受信される。
【００３８】
受信光は、受信系の光回路に結合された後、受信用光受信機１３により直接検波され、受信信号として電気信号に変換される。このような直接検波によりレーザ光の強度波形が電気信号波形となるので、受信信号には、モニタ信号と同様、変調周波数である周波数ｆｍ１の成分とｆｍ２の成分とが含まれる。つまり、受信信号には、光源１ａからの成分と光源１ｂからの成分とが同時に重畳されているが、変調周波数が異なっているため分別が可能である。そこで、受信用周波数分別器１４は、重畳されている２つの周波数を分別し、各々を信号処理器１５に送る。
【００３９】
次に、信号処理器１５は、モニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４から入力された、モニタ信号および受信信号における周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度および位相から、装置−ターゲット間における計測対象となるガスの濃度を算出する。
【００４０】
このガス濃度の算出においては、まず、装置−ターゲット間の距離を算出する。この距離算出は、モニタ用周波数分別器９からの周波数ｆｍ２の成分と受信用周波数分別器１４からの周波数ｆｍ２の成分との間の位相差を両信号の位相検波により求める。具体的には、この位相差をΔφとし、光速をｃ、ｎを１以上の整数として、次式（１）により算出する。
Ｌ＝ｎ×ｃ×Δφ／（２π×２×ｆｍ２） （１）
【００４１】
上式（１）において、整数ｎは、装置−ターゲット間に関する粗い先見情報さえあれば、既知とすることが可能である。例えば、変調周波数ｆｍ２に１００ｋＨｚを使用する場合であれば、この変調周波数の１周期に相当する往復距離は、１．５ｋｍである。そこで、装置−ターゲット間距離に関し、１．５ｋｍの何倍以上であるかさえ把握しておけばよく、この把握は、通常の計測の場合において可能である。
【００４２】
次に、装置−ターゲット間における計測対象となるガスによる光吸収量を算出する。この光吸収量算出は、モニタ用周波数分別器９からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分と、受信用周波数分別器１４からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度を用いて求められる。
【００４３】
具体的には、モニタ用周波数分別器９からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度を各々Ｉｍ１およびＩｍ２とし、受信用周波数分別器１４からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度を各々Ｉｓ１およびＩｓ２とし、ガス封入セル７におけるＯＮ波長の透過率をＴとし、次式（２）により、光吸収量が算出される。
【００４４】
【数１】
【００４５】
なお、ガス封入セル７におけるＯＮ波長の透過率Ｔは、ガス封入セル７内に封入するガスの濃度と光吸収特性が既知であれば、既知とすることができる。また、上式（２）の括弧内において平方根をとっているのは、直接検波により得られた電気信号の強度が、レーザ光の信号強度の自乗に比例する関係となっていることによる。この計算により、装置内部での送信光のＯＮ波長とＯＦＦ波長のパワー比が相殺され、装置−ターゲット間のみでの光吸収量が算出できる。
【００４６】
以上に述べた手順により、信号処理器１５において装置−ターゲット間における距離と光吸収量の算出を行い、この距離と光吸収量とから、装置−ターゲット間におけるガス濃度が算出される。
【００４７】
本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置は、特許文献１に記載された従来の差分吸収ライダ装置では困難だった、２波長同時の送受信機能を保持しつつ、さらに波長変換機能を実現し、さらに波長変換後のレーザ光波長を所定の値に精度よくロックできる。このため、２波長同時の送受信を行いながら、従来では計測対象とできなかったガスの濃度を計測することが可能となり、計測精度の向上を実現できる。具体的には、非特許文献２に示されているように、波長１．５μｍ帯の光源からのレーザ光を、３μｍ帯に変換することにより、メタンガスの高精度計測が可能となる。
【００４８】
なお、本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置においては、ＯＮ波長を光吸収線中心にロックするとして説明していた。しかしながら、ロックする波長は、光吸収線の中心近傍でＯＦＦ波長に対し顕著に光吸収の大きい波長であれば、特に中心である必要はない。ガス封入セル７に封入するガスの光吸収特性を把握しておけば、ガス封入セル７における透過率が所定の値となるよう光源１ａに制御をかけることで、ＯＮ波長を光吸収線近傍の所定の波長にロックすることが可能である。
【００４９】
また、本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置は、波長変換器５が必須であるが、この構成について、図を用いて具体的に説明する。図３は、本発明の実施の形態１における波長変換器５の構成例を示す図である。図３に示した波長変換器５は、波長変換用光源５１、光合波器５２、波長変換素子５３、および光フィルタ５４を備えて構成されている。
【００５０】
光合波器５２は、波長変換用光源５１からのレーザ光と、外部から入力される２波長のレーザ光の各々とを合波して出力する。次に、波長変換素子５３は、光合波器５２からの出力信号を波長変換する。そして、最終段の光フィルタ５４は、波長変換において生じる所望成分以外の波長成分を除去後、出力する。
【００５１】
図３の構成とし、例えば、光源１ａ、１ｂの出力波長を１．５μｍ帯、波長変換用光源５１の波長を１μｍ帯とし、波長変換素子５３にＰＰＭｇＬＮを用いることで、波長３μｍ帯の２波長のレーザ光を生成することが可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置では、モニタ用周波数分別器９と受信用周波数分別器１４とが必要であるが、この構成について、図を用いて具体的に説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるモニタ用周波数分別器９もしくは受信用周波数分別器１４の構成例を示す図である。なお、モニタ用周波数分別器９と受信用周波数分別器１４とは同一構成であり、以下の説明では、モニタ用周波数分別器９の内部構成について詳細に説明する。
【００５３】
図４に示したモニタ用周波数分別器９は、ＡＤ変換部９１、ＦＦＴ演算部９２、位相・強度抽出部９３を備えて構成されている。ＡＤ変換部９１は、例えば、モニタ信号をＡＤ変換する。次に、ＦＦＴ演算部９２は、ＡＤ変換後の信号にＦＦＴ処理を施すことにより、周波数スペクトルを複素振幅で求める。この周波数スペクトルは、２波長に対応する２つの変調周波数ｆｍ１およびｆｍ２の位置にピークが生じる。そして、最終段の位相・強度抽出部９３は、複素振幅の自乗値からこのピークにおける強度を求めるとともに、複素振幅の位相からこのピークにおける位相を求めることが可能となる。
【００５４】
以上のように、実施の形態１によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて２波長同時の送受信を行い、さらに、波長変換後のレーザ光をモニタすることで２波長を所定の波長にロックさせる構成を備えている。この結果、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。
【００５５】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態２における差分吸収ライダ装置は、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３、光合波器４、波長変換器５、光分配器６、ガス封入セル７、モニタ用光受信機８、モニタ用周波数分別器９、光源制御回路１０、送信光学系１１、受信光学系１２、受信用光受信機１３、受信用周波数分別器１４、信号処理器１５、および電気信号分配器１６を備えている。なお、図５においては、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３、および電気信号分配器１６が、それぞれ２つで構成されている場合を例示しており、添字ａ、ｂが付されている。
【００５６】
本実施の形態２における図５の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、電気信号分配器１６ａ、１６ｂをさらに備えている点が異なっている。また、図６を用いて後述するように、本実施の形態２におけるモニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４の内部構成は、先の実施の形態１で示した内部構成と異なっている。なお、モニタ信号および受信信号の周波数分別以外の動作に関しては、モニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４は、先の実施の形態１と同じである。そこで、これらの異なる構成、動作を中心に、以下に説明する。
【００５７】
図５において、変調信号発生器３ａ、３ｂからの変調信号は、電気信号分配器１６ａ、１６ｂにより、それぞれ３つに分配される。そして、電気信号分配器１６ａにより分配された３つの信号は、光強度変調器２ａ、モニタ用周波数分別器９、および受信用周波数分別器１４にそれぞれ接続されている。同様に、電気信号分配器１６ｂにより分配された３つの信号は、光強度変調器２ｂ、モニタ用周波数分別器９、および受信用周波数分別器１４にそれぞれ接続されている。
【００５８】
図６は、本発明の実施の形態２におけるモニタ用周波数分別器９もしくは受信用周波数分別器１４の構成例を示す図である。なお、モニタ用周波数分別器９と受信用周波数分別器１４とは同一構成であり、以下の説明では、モニタ用周波数分別器９の内部構成について詳細に説明する。
【００５９】
図６に示したモニタ用周波数分別器９は、３つの０度電気信号分配器９４ａ〜９４ｃ、３つの９０度電気信号分配器９５ａ〜９５ｃ、４つのミキサ９６ａ〜９６ｄ、４つのローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄ、および１つの位相・強度抽出部９３を備えて構成されている。ここで、３つの０度電気信号分配器９４ａ〜９４ｃ、３つの９０度電気信号分配器９５ａ〜９５ｃ、４つのミキサ９６ａ〜９６ｄ、および４つのローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄは、ロックイン検波部に相当する。
【００６０】
図６において、モニタ用光受信機８からのモニタ信号もしくは受信用光受信機１３からの受信信号は、０度電気信号分配器９４ａにより２分配された後、さらに、０度電気信号分配器９４ｂ、９４ｃにより２分配される。そして、図６に示した構成により、周波数ｆｍ１およびｆｍ２でロックイン検波され、モニタ信号もしくは受信信号から、２つの周波数の複素振幅信号がＩＱ信号として抽出され、４つのローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄから出力される。位相・強度抽出部９３は、ローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄの出力であるＩＱ信号から、周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の強度・位相を求めることが可能となる。
【００６１】
このように、本実施の形態２に係わる差分吸収ライダ装置は、周波数分別機能にロックイン検波方式を採用することで、先の実施の形態１で説明したＦＦＴのような複雑なデジタル演算をする必要がなく、周波数分別機能を実現できる。従って、光源の波長の制御やガス濃度の計測を、よりリアルタイムに行うことが新たに可能となる。
【００６２】
以上のように、実施の形態２によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて２波長同時の送受信を行い、さらに、波長変換後のレーザ光をモニタすることで２波長を所定の波長にロックさせる構成を備えている。この結果、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。
【００６３】
さらに、ＦＦＴのような複雑なデジタル演算をする必要がなく、周波数分別機能を実現できるため、光源の波長の制御やガス濃度の計測を、よりリアルタイムに行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１、１ａ、１ｂ 光源、２、２ａ、２ｂ 光強度変調器、３、３ａ、３ｂ 変調信号発生器、４ 光合波器、５ 波長変換器、６ 光分配器、７ ガス封入セル、８ モニタ用光受信機、９ モニタ用周波数分別器、１０ 光源制御回路（波長制御手段）、１１ 送信光学系、１２ 受信光学系、１３ 受信用光受信機、１４ 受信用周波数分別器、１５ 信号処理器（波長制御手段）、１６、１６ａ、１６ｂ 電気信号分配器、５１ 波長変換用光源、５２ 光合波器、５３ 波長変換素子、５４ 光フィルタ、９１ ＡＤ変換部、９２ ＦＦＴ演算部、９３ 位相・強度抽出部、９４ａ〜９４ｃ ０度電気信号分配器、９４ａ〜９５ｃ ９０度電気信号分配器、９６ａ〜９６ｄ ミキサ、９７ａ〜９７ｄ ローパスフィルタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数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比から、空間中における計測対象となるガス（例えば、メタン等）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】
従来のこの種の差分吸収ライダ装置としては、以下のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１における差分吸収ライダ装置は、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、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、受信光を直接検波する。さらに、直接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、２波長の内、１つの波長は、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され、他の１つの波長は、光吸収係数が小さい波長に設定されている。このように設定しておくことで、受信光量において、装置−ターゲット間の計測対象となるガス濃度に応じた比が生じることとなり、この比から、ガス濃度を計測している。
【０００４】
特許文献１に記載されたこのようなタイプの差分吸収ライダ装置は、他の差分吸収ライダと比較すると、２波長を同時に送受信しつつ、受信において２波長を分別することができるという点において優位性がある。具体的には、ガス濃度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。この高精度・リアルタイム計測性については、二酸化炭素濃度の計測に関し、具体的に実証されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、従来の差分吸収ライダ装置では、特に、特許文献１において計測対象とされている二酸化炭素以外の、より様々なガス濃度計測に適用する上で、以下のような問題があった。
【０００６】
一般的に、差分吸収ライダ装置は、送受する波長の内、少なくとも１つの波長において光吸収係数が強く、光吸収が顕著に生じることが必要であり、光吸収係数が大きい光吸収線近傍の光を送受する必要がある。この観点において、特許文献１に示された従来装置は、光源の出力波長をそのまま送受していたため、光源の出力波長を、光吸収係数が大きい光吸収線近傍に設定する必要があった。
【０００７】
しかしながら、光吸収線は、計測対象となるガスに固有のものであり、使用できる光源の出力波長範囲が、計測対象となるガスの光吸収線近傍をカバーしているとは限らない。例えば、メタンガスの場合、波長３μｍ帯に光吸収係数が大きい光吸収線が存在することが知られているが、この波長を直接出力できる光源は、存在しないのが現状である。
【０００８】
一方、３μｍ帯の波長を出力する手段として、波長変換器を用いる方法が知られており、この波長変換器を用いてメタンガスを計測する技術がある（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２４８１２６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【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】M. Imaki et al., Infrared frequency upconverter for high-sensitivity imaging of gas plumes, Optics Letters, Vol. 32, 1923-1925, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
非特許文献２に示された従来装置では、２波長を同時に送受信できる構成とはなっていない。このため、特に、衛星や航空機のように高速に移動しながら地表に対しレーザ光を送受信し、装置−地表間のガス濃度計測を行う場合、２波長間の計測空間が異なる形となり、計測精度が低下するという問題があった。
【００１２】
また、特許文献１の構成に非特許文献２の波長変換機能を単に組み入れるだけでは、次に示す問題があった。差分吸収ライダ装置は、送受するレーザ光の波長を所定の値に精度よくロックしておく必要があり、特許文献１では、この波長ロックを光源の波長に対して行っていた。しかしながら、波長変換機能を用いる場合、ロックする必要があるのは、波長変換後の波長であり、従来装置は、このような波長変換後の段階で波長をロックする機能を有していなかった。
【００１３】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る差分吸収ライダ装置は、異なる複数の波長からなるレーザ光をそれぞれ発生させる複数のレーザ光発生手段と、複数の波長からなるレーザ光の各波長成分に対して互いに異なる周波数を持つ複数のＣＷ信号で強度変調をかける光強度変調手段と、光強度変調手段による強度変調後の各波長成分のレーザ光を合波する光合波手段と、光合波手段による合波後のレーザ光を波長変換する波長変換手段と、波長変換手段による波長変換後の光をモニタ光と送信光とに分配する光分配手段と、空間中に存在するターゲットに向けて送信光を送信する送信光学手段と、ターゲットからの散乱光を受信光として受信して、直接検波により受信信号として電気信号に変換する受信用光受信手段と、計測対象となるガスと同一種類のガス封入セルにモニタ光を通した後、直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換するモニタ用光受信手段と、モニタ信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出するモニタ用周波数分別手段と、受信信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出する受信用周波数分別手段と、モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度に基づいて、複数のレーザ光発生手段から出力されるレーザ光のそれぞれの波長を制御する波長制御手段と、モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度および位相と、受信用周波数分別手段により算出された信号強度および位相とに基づいて、装置−ターゲット間における計測対象であるガスの濃度を計測する信号処理手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る差分吸収ライダ装置によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて２波長同時の送受信を行い、さらに波長変換後のレーザ光をモニタすることで２波長を所定の波長にロックさせる構成を備えることにより、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置における光吸収量と使用波長との関係を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における波長変換器の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるモニタ用周波数分別器もしくは受信用周波数分別器の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるモニタ用周波数分別器もしくは受信用周波数分別器の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の差分吸収ライダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態１における差分吸収ライダ装置は、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３、光合波器４、波長変換器５、光分配器６、ガス封入セル７、モニタ用光受信機８、モニタ用周波数分別器９、光源制御回路１０、送信光学系１１、受信光学系１２、受信用光受信機１３、受信用周波数分別器１４、および信号処理器１５を備えている。なお、図１においては、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３が、それぞれ２つで構成されている場合を例示しており、添字ａ、ｂが付されている。
【００１９】
図１において、以下に示す構成要素間は、全て光回路線、例えば、光ファイバにより接続されている。
・光源１ａと光強度変調器２ａとの間
・光源１ｂと光強度変調器２ｂとの間
・光強度変調器２ａと光合波器４との間
・光強度変調器２ｂと光合波器４との間
・光合波器４と波長変換器５との間
・波長変換器５と光分配器６との間
・光分配器６とガス封入セル７との間
・ガス封入セル７とモニタ用光受信機８との間
・光分配器６と送信光学系１１との間
・受信光学系１２と受信用光受信機１３との間
【００２０】
また、図１において、以下に示す構成要素間は、全て電線ケーブルにより接続されている。
・変調信号発生器３ａと光強度変調器２ａとの間
・変調信号発生器３ｂと光強度変調器２ｂとの間
・モニタ用光受信機８とモニタ用周波数分別器９との間
・モニタ用周波数分別器９と光源制御回路１０との間
・受信用光受信機１３と受信用周波数分別器１４との間
・受信用周波数分別器１４と信号処理器１５との間
・モニタ用周波数分別器９と信号処理器１５との間
【００２１】
光源１ａ、１ｂは、ＣＷレーザ光を送信する機能を有しており、送信する光波長は、光源１ａ、１ｂで異なっている。これらの異なる波長は、波長変換器５によって各々波長変換される。ここで、波長変換後の波長として、光源１ａからの送信に関する波長変換後の波長をλＯＮ、光源１ｂからの送信に関する波長変換後の波長をλＯＦＦとする。
【００２２】
このとき、λＯＮは、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される。一方、λＯＦＦは、光吸収係数が小さい波長に設定される。図２は、本発明の実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置における光吸収量と使用波長との関係を示す説明図である。なお、図２においては、λＯＮは、光吸収特性の中心に設定されているが、λＯＦＦに対し光吸収が大きくなる波長であれば、特に光吸収特性の中心に制限されるものではない。
【００２３】
変調信号発生器３ａ、３ｂは、互いに異なる２つの周波数ｆｍ１およびｆｍ２を持つＣＷ信号を発生する機能を有している。また、光強度変調器２ａ。２ｂは、これらのＣＷ信号により、光源１ａ、１ｂからのレーザ光に強度変調をかける機能を有している。
【００２４】
光合波器４は、光強度変調器２ａ、２ｂからの強度変調されたレーザ光を合波し、波長変換器５に送る機能を有している。波長変換器５は、光合波器４からの合波された２波長のレーザ光の波長を変換した後、光分配器６に送る機能を有している。光分配器６は、入力されたレーザ光を分配し、一方をモニタ光としてガス封入セル７に送り、他の一方を送信光として送信光学系１１に送る機能を有している。
【００２５】
送信光学系１１は、入力されたレーザ光を所定のビーム形状に成形した後、ターゲット（図１中では地表のようなハードターゲット）に向けてレーザ光を２波長同時に送信する機能を有している。
【００２６】
ガス封入セル７は、計測対象となるガスと同一種類のガス、例えば、メタンといったガスが封入されており、入力された光をこのガス中に通した後、モニタ用光受信機８に送る機能を有している。モニタ用光受信機８は、入力されたレーザ光を直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換し、モニタ用周波数分別器９に送る機能を有している。モニタ用周波数分別器９は、入力されたモニタ信号から変調周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分を分別抽出し、ｆｍ１とｆｍ２両方の成分を光源制御回路１０および信号処理器１５に送る機能を有している。
【００２７】
受信光学系１２は、ターゲットからの散乱光を受信光として受信して受信系の光回路（例えば、光ファイバ）に結合させ、この受信光を受信用光受信機１３に送る機能を有している。受信用光受信機１３は、入力されたレーザ光を直接検波により受信信号として電気信号に変換し、受信用周波数分別器１４に送る機能を有している。受信用周波数分別器１４は、入力された受信信号から変調周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分を分別抽出し、両方の成分を信号処理器１５に送る機能を有している。
【００２８】
光源制御回路１０は、入力された周波数ｆｍ１およびｆｍ２の信号強度に基づいて、光源１ａ、１ｂの波長を制御する機能を有している。信号処理器１５は、モニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４のそれぞれから入力された、モニタ信号および受信信号における周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度および位相から、装置−ターゲット間における計測対象となるガスの濃度を算出する機能を有している。
【００２９】
次に、図１に示した本実施の形態１における差分吸収ライダ装置の一連動作について説明する。まず、光源１ａ、１ｂからは、ＣＷレーザ光が送信される。一方、変調信号発生器３ａ、３ｂからは、互いに異なる２つの周波数ｆｍ１およびｆｍ２を持つＣＷ信号が出力され、各々、光強度変調器２ａ、２ｂに送られる。光強度変調器２ａ、２ｂのそれぞれは、変調信号発生器３ａ、３ｂからの変調信号に基づいて、光源１ａ、１ｂからのＣＷレーザ光に強度変調をかける。
【００３０】
次に、光合波器４は、光強度変調器２ａ、２ｂにより強度変調されたレーザ光を合波する。さらに、波長変換器５は、光源１ａ、１ｂからのレーザ光の各々に対し、２波長同時に波長変換をかける。波長変換後のレーザ光は、光分配器６に送られる。そして、光分配器６は、分配したレーザ光の一方をモニタ光としてガス封入セル７に送り、他の一方を送信光として送信光学系１１に送る。
【００３１】
モニタ光は、まず始めに、ガス封入セル７に通される。ここで、モニタ光の波長には、光源１ａからの成分と、光源１ｂからの成分とが重畳されている。そして、これらの波長成分は、ガス封入セル７に封入されているガスの光吸収線中心付近であれば、光吸収を受けてガス封入セル７内で減衰する一方で、光吸収線から大きくずれていれば、減衰が生じることなく出力される。
【００３２】
次に、モニタ用光受信機８は、ガス封入セル７からの出力を直接検波し、モニタ信号として電気信号に変換する。この直接検波により、レーザ光の強度波形が電気信号波形となるので、モニタ信号には、変調周波数である周波数ｆｍ１の成分とｆｍ２の成分とが含まれる。つまり、モニタ信号には、光源１ａからの成分と光源１ｂからの成分とが同時に重畳されているが、変調周波数が異なっているため分別が可能である。そこで、モニタ用周波数分別器９は、重畳されている２つの周波数を分別し、各々を光源制御回路１０および信号処理器１５に送る。
【００３３】
次に、光源制御回路１０は、入力された周波数ｆｍ１とｆｍ２の成分の信号強度に基づいて、光源１ａ、１ｂの波長をフィードバック制御する。この際、光源制御回路１０は、光源１ａに対しては、周波数ｆｍ１の成分の信号強度を小さくするようにフィードバック制御をかける。これにより、光源１ａからの出力が波長変換された成分が、ガス封入セル７におけるレーザ光の減衰が最も大きい波長、つまりＯＮ波長にロックされる。
【００３４】
一方、光源制御回路１０は、光源１ｂに対しては、周波数ｆｍ２の成分の信号強度を大きくするようにフィードバック制御をかける。これにより、光源１ｂからの出力が波長変換された成分が、ガス封入セル７におけるレーザ光の減衰が最も小さい波長、つまりＯＦＦ波長にロックされる。この動作により、波長変換後の２つの光波長がＯＮ波長およびＯＦＦ波長に精度よくロックされる。
【００３５】
このようなモニタ信号処理の一方で、送信光学系１１に送られた送信光は、所定のビーム形状に成形された後、ターゲットに向けて２波長同時に送信される。この送信光は、ターゲットにより散乱され、その散乱光は、受信光として受信光学系１２により２波長同時に受信される。
【００３６】
装置―ターゲット間の空間に、計測対象となるガスがほとんど存在しない場合、ＯＮ波長、ＯＦＦ波長の２波長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。従って、送信光学系からの送信光に含まれる２波長成分の強度の比と受信光に含まれる２波長成分の強度の比は、ほぼ同じとなる。
【００３７】
それに対し、装置−ターゲット間の空間に、計測対象となるガスが存在する場合には、２波長が空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響があり、ＯＮ波長成分が、装置−ターゲット間の計測対象となるガスの濃度に依存して相対的に減衰した後に受信される。
【００３８】
受信光は、受信系の光回路に結合された後、受信用光受信機１３により直接検波され、受信信号として電気信号に変換される。このような直接検波によりレーザ光の強度波形が電気信号波形となるので、受信信号には、モニタ信号と同様、変調周波数である周波数ｆｍ１の成分とｆｍ２の成分とが含まれる。つまり、受信信号には、光源１ａからの成分と光源１ｂからの成分とが同時に重畳されているが、変調周波数が異なっているため分別が可能である。そこで、受信用周波数分別器１４は、重畳されている２つの周波数を分別し、各々を信号処理器１５に送る。
【００３９】
次に、信号処理器１５は、モニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４から入力された、モニタ信号および受信信号における周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度および位相から、装置−ターゲット間における計測対象となるガスの濃度を算出する。
【００４０】
このガス濃度の算出においては、まず、装置−ターゲット間の距離を算出する。この距離算出は、モニタ用周波数分別器９からの周波数ｆｍ２の成分と受信用周波数分別器１４からの周波数ｆｍ２の成分との間の位相差を両信号の位相検波により求める。具体的には、この位相差をΔφとし、光速をｃ、ｎを１以上の整数として、次式（１）により算出する。
Ｌ＝ｎ×ｃ×Δφ／（２π×２×ｆｍ２） （１）
【００４１】
上式（１）において、整数ｎは、装置−ターゲット間に関する粗い先見情報さえあれば、既知とすることが可能である。例えば、変調周波数ｆｍ２に１００ｋＨｚを使用する場合であれば、この変調周波数の１周期に相当する往復距離は、１．５ｋｍである。そこで、装置−ターゲット間距離に関し、１．５ｋｍの何倍以上であるかさえ把握しておけばよく、この把握は、通常の計測の場合において可能である。
【００４２】
次に、装置−ターゲット間における計測対象となるガスによる光吸収量を算出する。この光吸収量算出は、モニタ用周波数分別器９からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分と、受信用周波数分別器１４からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度を用いて求められる。
【００４３】
具体的には、モニタ用周波数分別器９からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度を各々Ｉｍ１およびＩｍ２とし、受信用周波数分別器１４からの周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の信号強度を各々Ｉｓ１およびＩｓ２とし、ガス封入セル７におけるＯＮ波長の透過率をＴとし、次式（２）により、光吸収量が算出される。
【００４４】
【数１】
【００４５】
なお、ガス封入セル７におけるＯＮ波長の透過率Ｔは、ガス封入セル７内に封入するガスの濃度と光吸収特性が既知であれば、既知とすることができる。また、上式（２）の括弧内において平方根をとっているのは、直接検波により得られた電気信号の強度が、レーザ光の信号強度の自乗に比例する関係となっていることによる。この計算により、装置内部での送信光のＯＮ波長とＯＦＦ波長のパワー比が相殺され、装置−ターゲット間のみでの光吸収量が算出できる。
【００４６】
以上に述べた手順により、信号処理器１５において装置−ターゲット間における距離と光吸収量の算出を行い、この距離と光吸収量とから、装置−ターゲット間におけるガス濃度が算出される。
【００４７】
本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置は、特許文献１に記載された従来の差分吸収ライダ装置では困難だった、２波長同時の送受信機能を保持しつつ、さらに波長変換機能を実現し、さらに波長変換後のレーザ光波長を所定の値に精度よくロックできる。このため、２波長同時の送受信を行いながら、従来では計測対象とできなかったガスの濃度を計測することが可能となり、計測精度の向上を実現できる。具体的には、非特許文献２に示されているように、波長１．５μｍ帯の光源からのレーザ光を、３μｍ帯に変換することにより、メタンガスの高精度計測が可能となる。
【００４８】
なお、本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置においては、ＯＮ波長を光吸収線中心にロックするとして説明していた。しかしながら、ロックする波長は、光吸収線の中心近傍でＯＦＦ波長に対し顕著に光吸収の大きい波長であれば、特に中心である必要はない。ガス封入セル７に封入するガスの光吸収特性を把握しておけば、ガス封入セル７における透過率が所定の値となるよう光源１ａに制御をかけることで、ＯＮ波長を光吸収線近傍の所定の波長にロックすることが可能である。
【００４９】
また、本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置は、波長変換器５が必須であるが、この構成について、図を用いて具体的に説明する。図３は、本発明の実施の形態１における波長変換器５の構成例を示す図である。図３に示した波長変換器５は、波長変換用光源５１、光合波器５２、波長変換素子５３、および光フィルタ５４を備えて構成されている。
【００５０】
光合波器５２は、波長変換用光源５１からのレーザ光と、外部から入力される２波長のレーザ光の各々とを合波して出力する。次に、波長変換素子５３は、光合波器５２からの出力信号を波長変換する。そして、最終段の光フィルタ５４は、波長変換において生じる所望成分以外の波長成分を除去後、出力する。
【００５１】
図３の構成とし、例えば、光源１ａ、１ｂの出力波長を１．５μｍ帯、波長変換用光源５１の波長を１μｍ帯とし、波長変換素子５３にＰＰＭｇＬＮを用いることで、波長３μｍ帯の２波長のレーザ光を生成することが可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態１に係わる差分吸収ライダ装置では、モニタ用周波数分別器９と受信用周波数分別器１４とが必要であるが、この構成について、図を用いて具体的に説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるモニタ用周波数分別器９もしくは受信用周波数分別器１４の構成例を示す図である。なお、モニタ用周波数分別器９と受信用周波数分別器１４とは同一構成であり、以下の説明では、モニタ用周波数分別器９の内部構成について詳細に説明する。
【００５３】
図４に示したモニタ用周波数分別器９は、ＡＤ変換部９１、ＦＦＴ演算部９２、位相・強度抽出部９３を備えて構成されている。ＡＤ変換部９１は、例えば、モニタ信号をＡＤ変換する。次に、ＦＦＴ演算部９２は、ＡＤ変換後の信号にＦＦＴ処理を施すことにより、周波数スペクトルを複素振幅で求める。この周波数スペクトルは、２波長に対応する２つの変調周波数ｆｍ１およびｆｍ２の位置にピークが生じる。そして、最終段の位相・強度抽出部９３は、複素振幅の自乗値からこのピークにおける強度を求めるとともに、複素振幅の位相からこのピークにおける位相を求めることが可能となる。
【００５４】
以上のように、実施の形態１によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて２波長同時の送受信を行い、さらに、波長変換後のレーザ光をモニタすることで２波長を所定の波長にロックさせる構成を備えている。この結果、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。
【００５５】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態２における差分吸収ライダ装置は、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３、光合波器４、波長変換器５、光分配器６、ガス封入セル７、モニタ用光受信機８、モニタ用周波数分別器９、光源制御回路１０、送信光学系１１、受信光学系１２、受信用光受信機１３、受信用周波数分別器１４、信号処理器１５、および電気信号分配器１６を備えている。なお、図５においては、光源１、光強度変調器２、変調信号発生器３、および電気信号分配器１６が、それぞれ２つで構成されている場合を例示しており、添字ａ、ｂが付されている。
【００５６】
本実施の形態２における図５の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、電気信号分配器１６ａ、１６ｂをさらに備えている点が異なっている。また、図６を用いて後述するように、本実施の形態２におけるモニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４の内部構成は、先の実施の形態１で示した内部構成と異なっている。なお、モニタ信号および受信信号の周波数分別以外の動作に関しては、モニタ用周波数分別器９および受信用周波数分別器１４は、先の実施の形態１と同じである。そこで、これらの異なる構成、動作を中心に、以下に説明する。
【００５７】
図５において、変調信号発生器３ａ、３ｂからの変調信号は、電気信号分配器１６ａ、１６ｂにより、それぞれ３つに分配される。そして、電気信号分配器１６ａにより分配された３つの信号は、光強度変調器２ａ、モニタ用周波数分別器９、および受信用周波数分別器１４にそれぞれ接続されている。同様に、電気信号分配器１６ｂにより分配された３つの信号は、光強度変調器２ｂ、モニタ用周波数分別器９、および受信用周波数分別器１４にそれぞれ接続されている。
【００５８】
図６は、本発明の実施の形態２におけるモニタ用周波数分別器９もしくは受信用周波数分別器１４の構成例を示す図である。なお、モニタ用周波数分別器９と受信用周波数分別器１４とは同一構成であり、以下の説明では、モニタ用周波数分別器９の内部構成について詳細に説明する。
【００５９】
図６に示したモニタ用周波数分別器９は、３つの０度電気信号分配器９４ａ〜９４ｃ、３つの９０度電気信号分配器９５ａ〜９５ｃ、４つのミキサ９６ａ〜９６ｄ、４つのローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄ、および１つの位相・強度抽出部９３を備えて構成されている。ここで、３つの０度電気信号分配器９４ａ〜９４ｃ、３つの９０度電気信号分配器９５ａ〜９５ｃ、４つのミキサ９６ａ〜９６ｄ、および４つのローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄは、ロックイン検波部に相当する。
【００６０】
図６において、モニタ用光受信機８からのモニタ信号もしくは受信用光受信機１３からの受信信号は、０度電気信号分配器９４ａにより２分配された後、さらに、０度電気信号分配器９４ｂ、９４ｃにより２分配される。そして、図６に示した構成により、周波数ｆｍ１およびｆｍ２でロックイン検波され、モニタ信号もしくは受信信号から、２つの周波数の複素振幅信号がＩＱ信号として抽出され、４つのローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄから出力される。位相・強度抽出部９３は、ローパスフィルタ９７ａ〜９７ｄの出力であるＩＱ信号から、周波数ｆｍ１およびｆｍ２の成分の強度・位相を求めることが可能となる。
【００６１】
このように、本実施の形態２に係わる差分吸収ライダ装置は、周波数分別機能にロックイン検波方式を採用することで、先の実施の形態１で説明したＦＦＴのような複雑なデジタル演算をする必要がなく、周波数分別機能を実現できる。従って、光源の波長の制御やガス濃度の計測を、よりリアルタイムに行うことが新たに可能となる。
【００６２】
以上のように、実施の形態２によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて２波長同時の送受信を行い、さらに、波長変換後のレーザ光をモニタすることで２波長を所定の波長にロックさせる構成を備えている。この結果、２波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。
【００６３】
さらに、ＦＦＴのような複雑なデジタル演算をする必要がなく、周波数分別機能を実現できるため、光源の波長の制御やガス濃度の計測を、よりリアルタイムに行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１、１ａ、１ｂ 光源、２、２ａ、２ｂ 光強度変調器、３、３ａ、３ｂ 変調信号発生器、４ 光合波器、５ 波長変換器、６ 光分配器、７ ガス封入セル、８ モニタ用光受信機、９ モニタ用周波数分別器、１０ 光源制御回路（波長制御手段）、１１ 送信光学系、１２ 受信光学系、１３ 受信用光受信機、１４ 受信用周波数分別器、１５ 信号処理器（波長制御手段）、１６、１６ａ、１６ｂ 電気信号分配器、５１ 波長変換用光源、５２ 光合波器、５３ 波長変換素子、５４ 光フィルタ、９１ ＡＤ変換部、９２ ＦＦＴ演算部、９３ 位相・強度抽出部、９４ａ〜９４ｃ ０度電気信号分配器、９４ａ〜９５ｃ ９０度電気信号分配器、９６ａ〜９６ｄ ミキサ、９７ａ〜９７ｄ ローパスフィルタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の波長からなるレーザ光をそれぞれ発生させる複数のレーザ光発生手段と、
前記複数の波長からなるレーザ光の各波長成分に対して互いに異なる周波数を持つ複数のＣＷ信号で強度変調をかける光強度変調手段と、
前記光強度変調手段による強度変調後の各波長成分のレーザ光を合波する光合波手段と、
前記光合波手段による合波後のレーザ光を波長変換する波長変換手段と、
前記波長変換手段による波長変換後の光をモニタ光と送信光とに分配する光分配手段と、
空間中に存在するターゲットに向けて前記送信光を送信する送信光学手段と、
前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信して、直接検波により受信信号として電気信号に変換する受信用光受信手段と、
計測対象となるガスと同一種類のガス封入セルに前記モニタ光を通した後、直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換するモニタ用光受信手段と、
前記モニタ信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、前記複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出するモニタ用周波数分別手段と、
前記受信信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、前記複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出する受信用周波数分別手段と、
前記モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度に基づいて、前記複数のレーザ光発生手段から出力されるレーザ光のそれぞれの波長を制御する波長制御手段と、
前記モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度および位相と、前記受信用周波数分別手段により算出された信号強度および位相とに基づいて、装置−ターゲット間における計測対象であるガスの濃度を計測する信号処理手段と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記波長変換手段は、
波長変換用のレーザ光を出力する光源と、
前記光合波手段による合波後のレーザ光と前記光源から出力されたレーザ光とを合波する第２光合波手段と、
前記第２光合波手段による合波後の光信号を波長変換する波長変換素子と、
前記波長変換において生じる所望成分以外の波長成分を除去した波長変換後の光信号を出力する光フィルタと
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記モニタ用周波数分別手段および前記受信用周波数分別手段のそれぞれは、
入力する電気信号に対してＡＤ変換を施すＡＤ変換部と、
ＡＤ変換後の信号にＦＦＴ処理を施すことで、周波数スペクトルを複素振幅として算出するＦＦＴ演算部と、
前記複素振幅の自乗値からピークにおける信号強度を求めるとともに、前記複素振幅の位相からピークにおける位相を求める位相・強度抽出部と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記モニタ用周波数分別手段および前記受信用周波数分別手段のそれぞれは、
入力する電気信号に対して、前記複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分でロックイン検波することで、前記それぞれの周波数成分の複素振幅を抽出するロックイン検波部と、
前記複素振幅の自乗値からピークにおける信号強度を求めるとともに、前記複素振幅の位相からピークにおける位相を求める位相・強度抽出部と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項１】
異なる複数の波長からなるレーザ光をそれぞれ発生させる複数のレーザ光発生手段と、
前記複数の波長からなるレーザ光の各波長成分に対して互いに異なる周波数を持つ複数のＣＷ信号で強度変調をかける光強度変調手段と、
前記光強度変調手段による強度変調後の各波長成分のレーザ光を合波する光合波手段と、
前記光合波手段による合波後のレーザ光を波長変換する波長変換手段と、
前記波長変換手段による波長変換後の光をモニタ光と送信光とに分配する光分配手段と、
空間中に存在するターゲットに向けて前記送信光を送信する送信光学手段と、
前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信して、直接検波により受信信号として電気信号に変換する受信用光受信手段と、
計測対象となるガスと同一種類のガス封入セルに前記モニタ光を通した後、直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換するモニタ用光受信手段と、
前記モニタ信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、前記複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出するモニタ用周波数分別手段と、
前記受信信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、前記複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出する受信用周波数分別手段と、
前記モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度に基づいて、前記複数のレーザ光発生手段から出力されるレーザ光のそれぞれの波長を制御する波長制御手段と、
前記モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度および位相と、前記受信用周波数分別手段により算出された信号強度および位相とに基づいて、装置−ターゲット間における計測対象であるガスの濃度を計測する信号処理手段と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記波長変換手段は、
波長変換用のレーザ光を出力する光源と、
前記光合波手段による合波後のレーザ光と前記光源から出力されたレーザ光とを合波する第２光合波手段と、
前記第２光合波手段による合波後の光信号を波長変換する波長変換素子と、
前記波長変換において生じる所望成分以外の波長成分を除去した波長変換後の光信号を出力する光フィルタと
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記モニタ用周波数分別手段および前記受信用周波数分別手段のそれぞれは、
入力する電気信号に対してＡＤ変換を施すＡＤ変換部と、
ＡＤ変換後の信号にＦＦＴ処理を施すことで、周波数スペクトルを複素振幅として算出するＦＦＴ演算部と、
前記複素振幅の自乗値からピークにおける信号強度を求めるとともに、前記複素振幅の位相からピークにおける位相を求める位相・強度抽出部と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記モニタ用周波数分別手段および前記受信用周波数分別手段のそれぞれは、
入力する電気信号に対して、前記複数のＣＷ信号のそれぞれの周波数成分でロックイン検波することで、前記それぞれの周波数成分の複素振幅を抽出するロックイン検波部と、
前記複素振幅の自乗値からピークにおける信号強度を求めるとともに、前記複素振幅の位相からピークにおける位相を求める位相・強度抽出部と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１２３０１６（Ｐ２０１１−１２３０１６Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８２９７１（Ｐ２００９−２８２９７１）
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【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２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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