複数の出力波長を有するレーザレーダ装置
コヒーレントレーザレーダ（ライダ）装置が記載されている。装置は、単一の波長レーザ源を備える送信部と、前記単一の波長レーザ源の出力からの離散波長の少なくとも２つの成分光ビームを含む、組合わされた光ビームを生成するための（電気光学変調器などの）変換手段と、組合わされた光ビームを遠隔ターゲットに送る送信光学装置とを有する。組合わされた光ビームの各成分光ビームは、単一の波長レーザ源から送信光学装置へ同じ光学経路を移動する。装置は、差分吸収測定をするために使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザレーダ（ライダ（ｌｉｄａｒ））に関し、特に、ガス種のリアルタイムの監視および測定のための光ファイバに基づく差分吸収ライダ（ＤＩＡＬ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス濃度を測定するための種々の技術が良く知られている。例えば、一連のガス種の正確な（１０億分の１）局所的サンプリングを可能にする、多数の静的センサが市販されている。これらのうちの多くは、ガスクロマトグラフィ、水素炎イオン化、またはフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光法などの従来の技術を使用して、サンプルに引き入れられかつサンプルを分析する「ポイントセンサ」装置である。本質的にこれらの装置は、相当な（すなわち１秒より長い）サンプリング時間を要し、また対象領域内に配置される必要がある。
【０００３】
非分散赤外線（ＮＤＩＲ）または非分散紫外線（ＮＤＵＶ）吸収に基づく別の技術もまた知られている。一般的に、一連の吸収フィルタおよび広帯域源が、注目ガス種と関連付けられた狭い吸収バンド内の波長光を提供するために使用される。特定の注目波長での吸収レベルの測定は、ガス濃度測定を提供するが、このようなシステムは、一般的に２分の１秒の速度で捕捉できるにすぎず、種を干渉しやすい。
【０００４】
差分吸収ライダは、ガス相構成要素の遠隔検出のためのもう１つの知られている技術である。ＤＩＡＬシステムの基本概念は、レーザ光の２つの波長が、ライダ（光検出および分類）装置によって送信されることである。第１の波長は、注目ガス種の離散吸収ラインに設定されるのに対して、第２の波長は、吸収ピークに近いが、吸収ピークから外れて設定される。第１および第２の波長の差分吸収は、ガス種の平均分子濃度の定量的測定を提供する。従ってＤＩＡＬ技術は、遠隔検出を可能にするという点において、上述された別の技術に関して利点がある。
【０００５】
ＤＩＡＬシステムは、多数の方法で実現されてきた。例えば、アナログ光子計数およびコヒーレント検出システムが知られている。戻り放射が光ローカル発振器ビームとコヒーレントに混合される、コヒーレント検出（つまりヘテロダイン）ＤＩＡＬシステムは、一般的に、背景光およびクロストークによる干渉に対する良好な耐性を有する高い信号対雑音比を提供する。コヒーレント検出ＤＩＡＬシステムは、この他にもより詳細に記載されている。例えばＲｙｅ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．１７，３８６２−３８６４（１９８７年）を参照。
【０００６】
知られているコヒーレントＤＩＡＬシステムの欠点は、戻り光のスペックルによる変動が、受信信号が複数のスペックル相関時間にわたって平均化されていないなら、検出された光パワーにおける大きな不確実性を招くことである。従って、強度変動の効果を克服するのに必要な数値の平均化は、差分吸収データがＤＩＡＬシステムから抽出可能な速度を制限する。
【０００７】
最近、受信信号が、大きさのオーダまで平均化される必要のある時間を削減可能なコヒーレントＤＩＡＬシステムが、Ｒｉｄｌｅｙらによって示された（応用光学（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）、第４０巻、１２号、ｐｐ２０１７−２０２３、２００１年４月２０日参照）。この装置は、２つのわずかに異なる波長の放射を生成するために使用される１対のレーザダイオードを備える。ローカル発振器ビームが抽出されて、次いで２つの異なる波長レーザビームが組合わされて、単一の光ファイバに結合される。組合せ後、２つの異なる波長ビームは、ターゲットに対する自由空間およびターゲットからの自由空間において、ならびに受信機において、送信機の残りの部分を介する共通経路を共有する。小さな波長分離と浅いターゲット深さについて、装置は、２つの波長チャネルについて良好に相関されたスペックル変動を示す。
【０００８】
Ｒｉｄｌｅｙらによって記載されたシステムの欠点は、送信機におけるビームの組合せ前に、２つの異なる波長チャネルの各々において別々に生じる強度変動の存在である。このような相関されていない変動の存在は、測定された強度信号が平均化されて、確実な差分吸収データを提供しなければならない時間を増大させる。あるいはまた、データ平均化に関する要件の増加は、一定の信号対雑音比を有する差分吸収情報が取得可能な速度を制限すると考えることができる。
【０００９】
（英国出願番号第０２２０９１４．６号に基づいた）同時係属のＰＣＴ特許出願ＧＢ０３／００３８８２号は、どのようにＲｉｄｌｅｙによって記載された装置が、更なる正規化信号を提供することによって改良可能であるかを記載している。しかしながら、性能の改良は、更なる装置の複雑化を犠牲にして達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述された欠点の少なくとも一部を軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によると、コヒーレントレーザレーダ（ライダ）装置は、単一の波長レーザ源を備える送信部と、前記単一の波長レーザ源の出力からの離散波長の少なくとも２つの成分光ビームを含む、組合わされた光ビームを生成するための変換手段と、組合わされた光ビームを遠隔ターゲットに向ける送信光学装置とを有しており、組合わされた光ビームの各成分光ビームは、単一の波長レーザ源から送信光学装置へ同じ光学経路を移動する。
【００１２】
従って本発明は、遠隔ターゲットに対する方向に生成された２つ以上の成分光ビームが、同じレーザ源によって提供されて、送信部を介する同じ光学経路を移動するコヒーレントライダ装置を提供する。これは、雑音の大部分（例えば、送信部の種々の光学構成要素によって導入されたレーザ出力または雑音の変動）が、両方の波長チャネルに共通であるため、装置によって取得された差分吸収情報から訂正可能である装置を提供する。さらに、単一のローカル発振器信号のみが、単一の波長レーザ源に必要とされて、任意の戻り信号のコヒーレント検出を可能にする。
【００１３】
遠隔ターゲットは、装置から短距離に（例えば数メートル）または数キロメートルに配置される散乱または反射ターゲットを備えていてもよい。当業者はまた、適切な設計の光学装置によって、システムが、より短い範囲で測定するように容易に構成可能であることを理解するであろう。散乱または反射ターゲットは、格好の特定目的の散乱器であってもよい。あるいはまた、遠隔ターゲットはエアロゾルであってもよい。当業者は、固体遠隔ターゲットからの反射／散乱に対するコリメートされまたは集束されたビームを提供するのに必要な種々の光学構成と、どのように集束されたビームが、画定されたターゲット容積からの測定を可能にするために取得可能であるかとを理解する。
【００１４】
本明細書で使用されている用語「光」は、紫外線、可視、または（近／中／遠）赤外線における放射を含むことに注目すべきである。以下により詳細に記載されるように、当業者は、本発明の装置が、広範囲の波長にわたって実現可能であり、差分吸収ライダ（ＤＩＡＬ）装置の場合は、正確な動作波長が、注目ガス種に基づいて選択されることを理解するであろう。
【００１５】
好都合に、遠隔ターゲットから戻った光を収集するための受信光学装置と、コヒーレント検出手段とを備える受信部がさらに提供される。
【００１６】
好都合なことに、受信光学装置によって収集された各成分光ビームは、受信光学装置からコヒーレント検出手段の同じ光学経路を移動する。
【００１７】
この場合、組合わされたビームを形成する複数のビームは、ほとんどすべて共直線性であり、すなわち複数のビームは、装置内外の共通の光学経路をたどることが分かる。このことは、組合わされたビームの波長成分ビームの一部に悪影響を及ぼすにすぎない機器のドリフトを最小化することによって、もたらされた差分吸収データと関連付けられる雑音を削減する。従って、装置は、スペックルなどの雑音源に対して更なる堅牢さを付与し、頻度の小さい偽アラームを提供する。
【００１８】
好ましくは、変換手段は、電気光学変調器（ＥＯＭ）を備える。
【００１９】
ＥＯＭは、離散波長の２つ以上の成分光ビームを生成する便利な方法を提供する。ＥＯＭ装置は市販されている。例えば、適切な装置が、Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ Ｉｎｃ．，５２１５ Ｈｅｌｌｙｅｒ Ａｖｅ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣＡ ９５１３８−１００１，ＵＳＡによって作成された、２００２／２００３カタログ（１１版）の７８ページに記載されている。
【００２０】
好都合に、ＥＯＭは、離散波長の少なくとも３つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される。
【００２１】
好都合なことに、ＥＯＭは、離散波長の少なくとも５つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される。
【００２２】
３つまたは５つ以上の離散波長チャネルの使用によって、２つの波長チャネルのみが使用される場合に観察されることがある、起こりえる不透明性効果（ｏｐａｃｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）を克復する。これは、図４を参照して以下により詳細に記載される。
【００２３】
好ましくは、送信部は、さらに偏光制御手段を備える。
【００２４】
ＥＯＭは、より高次モードに変換されたパワー量が最大化される放射入力偏光を有する。従って、偏光制御手段は、光の偏光を調整して、ＥＯＭ変換効率を最大化するために使用可能である。装置は、さらにあるいは代わりに、関連付けられるローカル発振器ビームの偏光状態に対して、受信された光および／または抽出された成分光ビームの偏光状態を制御するように構成された、偏光制御手段を備える。これによって、ヘテロダイン検出手段でのヘテロダイン混合効率が、信号およびローカル発振器ビームの偏光を一致させることによって制御されること（例えば最大化されること）が可能になる。
【００２５】
送信部は、好都合なことにさらに、少なくとも１つの光学増幅器を備えていてもよい。例えば、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。増幅器の追加によって、（例えば、エアロゾルなどの分散ターゲットであるために）遠隔ターゲットが低散乱強度を有する場合に、出力信号強度を増大させることができる。
【００２６】
好都合に、変換手段によって受信されたレーザビームと、該レーザビームの関連付けられるローカル発振器信号との間に周波数シフトを導入するために、周波数シフト手段が提供される。これによって、異なる送信波長でのターゲットから戻った信号への寄与が、容易に分離可能となる。
【００２７】
好ましくは、装置の光学構成要素の少なくとも一部が、光ファイバケーブルを介して相互接続される。本発明は、好ましくはファイバ光学に基づく装置を使用して実現されるが、装置の内部光学構成要素の一部または全部が、自由空間を介して送信された光ビームによって光学的にリンク可能であることが理解されるべきである。例えば、組合わされたビームを送信するために使用されるレンズは、レンズから適切な距離に配置されているファイバ端から、自由空間を介してこのような光を受信可能である。
【００２８】
検出されたヘテロダインピークの幅は、経路長（すなわち装置−ターゲット−装置間）が、レーザのコヒーレント長に比べて相当長いなら広げられてもよい。ローカル発振器ビームを遅延させるための遅延ラインの追加は、この不要なピークの広がりを低減する。従ってローカル発振器ビームは、好都合なことに、光ファイバ遅延ラインを介して送信部から受信部に結合される。
【００２９】
好ましくは、別個の送信光学装置および受信光学装置が提供される。言い換えると、ビームを遠隔ターゲットに送信するのに使用される光学構成要素（レンズなど）は、戻りビームを収集するのに使用される光学構成要素に分離される。すなわち配置がバイスタティックである。共通の送信および受信光学構成要素、すなわちモノスタティック送受信機構成を使用して、本発明を実現できることもまた注目すべきである。
【００３０】
好都合なことに、少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つの波長は、注目ガス種の吸収ピークと一致するように選択される。
【００３１】
好都合に、装置は、さらに、しきい値を下回る検出された戻り信号に応答して、少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つ以上の波長を変更するための手段を備える。言い換えると、波長チャネルが、高濃度のガス種の存在ゆえに不透明になると、送信波長は、注目ガス種の吸収ピークの異なる領域になるように変更可能である。これは、図４を参照して次に記載されるように、装置のダイナミックレンジを拡大する。
【００３２】
本発明の第２の態様によると、ライダ装置は、３つ以上の波長成分を備えるビームを遠隔ターゲットに送信するように構成された単一のレーザ源を備える。
【００３３】
好都合に、装置は、電気光学変調器を備える。
【００３４】
以下の図面を参照して例示のみによって、本発明を次に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１を参照すると、Ｒｉｄｌｅｙらによって記載されたタイプの従来技術のコヒーレントＤＩＡＬ装置が示されている。装置は、送信部２および受信部４を備える。
【００３６】
送信部２は、第１のレーザ６および第２のレーザ８を備える。第１および第２のレーザは、１５００ｎｍから１６００ｎｍのユーザ選択可能な波長範囲内で動作し、かつ２０ＫＨｚのライン幅を有する分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザである。
【００３７】
第１のレーザ６の光出力は、光ファイバを介して第１のビームスプリッタ１０に供給される。第２のレーザ８の光出力は、光ファイバを介して第２のビームスプリッタ１２に供給される。第１のビームスプリッタ１０および第２のビームスプリッタ１２は、受信する各ビームを、ローカル発振器ビームおよびメインビームに分割する。各ローカル発振器ビームの偏光は、最大のヘテロダイン混合効率が受信部で得られることを保証するために、ファイバ偏光コントローラ１４および１６を使用して調整可能である。
【００３８】
第１のビームスプリッタ１０および第２のビームスプリッタ１２によって出力された２つのメインビームは、光アイソレータ１８および２０を介して、第１の音響光学変調器（ＡＯＭ）２２および第２の音響光学変調器（ＡＯＭ）２４にそれぞれ供給される。ＡＯＭ２２および２４は、各メインビームとその関連付けられるローカル発振器ビームとの間に位相シフトを導入し、受信部の次のコヒーレント（ヘテロダイン）検出を可能にする。７９ＭＨｚの周波数シフトは、第１のＡＯＭ２２によって与えられ、８１ＭＨｚの周波数シフトは、第２のＡＯＭ２４によって与えられる。
【００３９】
次いで周波数シフトされたビームは、ビームコンバイナ２６によって組合わされて、単一の光ファイバに結合される。組合わされたビームは、送信光学装置２８を介して遠隔ターゲットに送信される。組合わされたビームの一部は、遠隔ターゲットへの送信前に、レーザ波長モニタ３０に向けられ、送信ビームの成分の波長が連続的に測定されるようにする。
【００４０】
受信部４は、遠隔ターゲットから戻った任意の放射を収集する受信光学装置３２を備える。戻り信号は、単一の光ファイバケーブルに結合され、ビームコンバイナ１７によって組合わされた２つのローカル発振器ビームと組合わされ、ビームコンバイナ／スプリッタ手段３８を介して検出器３４およびモニタ３６に供給される。
【００４１】
戻りビームおよび関連付けられるローカル発振器ビームの検出器３４でのヘテロダイン混合は、戻りビームおよびそのローカル発振器の各成分の周波数における差に対応する周波数で、２つの信号を生成する。この場合、７９ＭＨｚの信号（つまり第１のＡＯＭ２２によって与えられた位相シフト）と、８１ＭＨｚの信号（つまり第２のＡＯＭ２４によって与えられた位相シフト）とが、検出器３４で検出される。検出器３４によって生成された電気信号は、戻りビームの波長成分の両方の強度を示す電気出力信号を生成するスペクトル分析手段４０によって、狭いバンド幅にわたって積分される。このように、差分吸収データは取得可能である。
【００４２】
２つのレーザ源６および８は、類似する波長のビームを生成し、送信部でのビーム組合せ後に、このビームは、検出されるまで同じ光学経路に沿って通過することが分かる。従って、Ｒｉｄｌｅｙら（前出）によって前述されているように、大気の外乱および／またはポインティングの不安定性による雑音は、２つの異なるビームに関して同様であり、測定された差分吸収比に何ら有意な作用を有することはない。
【００４３】
２つのビームは、組合せ後かつ検出前に、同じ光学経路を通過するが、ビームコンバイナ２６におけるビームの組合せ前にもたらされた有意な量の雑音が依然として残っている。雑音、例えばレーザ強度における変動および各ＡＯＭによってもたらされる雑音は、測定された差分吸収データに不確実性を招く。（例えば、同時係属ＰＣＴ出願ＧＢ０３／００３８８２号に記載されている）更なる正規化技術が、測定差分吸収信号の品質を改良するために使用可能であるが、これらは、更なる装置の複雑性および／または更なる信号処理を伴う傾向がある。
【００４４】
図２を参照すると、本発明に従ったファイバに基づくＤＩＡＬ装置が示されている。装置は、送信部５０および受信部５２を備えているが、図１を参照して説明されているＤＩＡＬ装置とは異なり、本発明の装置の送信部５２は、単一のレーザ源５４のみを備える。
【００４５】
ローカル発振器ビームは、ビームスプリッタ５６を使用してレーザ源の出力からタッピングされ、受信部５２に移動するのに対して、レーザビームの残りのパワーは、ＡＯＭ５８によって周波数において８０ＭＨｚシフトされる。次いでＡＯＭ５８の光出力は、第１の偏光コントローラ６０を介して、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）６２に供給される。ＥＤＦＡ６２によって生成された増幅光信号は、電気光学変調器（ＥＯＭ）６４に通される。第１の偏光コントローラ６０は、ＥＯＭ６４の最適な性能に必要な入力偏光に一致する偏光を有する信号を提供するように構成される。
【００４６】
次に図３を参照してより詳細に記載されているように、ＥＯＭ６４は、受信する単一の周波数ビームを、異なる周波数の多数の成分ビームに変換する。従ってＥＯＭによって出力されたビームは、送信光学装置６６を介して遠隔ターゲット（図示せず）に送信されたいわゆる組合わされたビーム（すなわち、異なる波長の多数のビームの組合せから生成されるビーム）を形成する、異なる波長の多数の共線ビームを含む。
【００４７】
本発明の装置においてレーザ５４によって出力された光の周波数は、フィードバックループを使用して安定化されることが可能である点に注目すべきである。レーザ源５４によって出力された光のわずかな部分は、フィードバック手段５５に供給されてもよい。フィードバック手段５５は、必要なレーザ出力を維持するために、レーザ出力を分析し、かつレーザ源５４の強度および／または波長を変更するように構成されている。
【００４８】
受信部５２は、遠隔ターゲットから戻った任意の放射を収集するための受信光学装置６８を備えており、受信したビームを、光ファイバを介してビームコンバイナ／スプリッタ手段７０に通し、ビームコンバイナ／スプリッタ手段７０で、レーザ源５４から導かれたローカル発振器ビームと組合わされ、第１の受信機７０および第２の受信機７２を備える平衡受信機検出システムに供給される。検出器での混合効率は、第２の偏光コントローラ７４を使用して、ローカル発振器ビームの偏光を制御することによって最適化される。
【００４９】
このタイプの平衡受信機検出システムは、図１を参照して説明されている検出システムに対して、コストおよび複雑性の増大にもかかわらず種々の利点を有する。例えば、平衡受信機検出システムは、検出された信号強度をわずかに増加させ、レーザ強度雑音（ＲＩＮ）の効果を減少させる。当業者は、任意の適切なヘテロダイン検出手段が、本発明のライダ装置に使用可能である点を理解する。
【００５０】
ＥＯＭ６２は、レーザによって生成された単一の波長ビームを、各々が必要ならば異なる波長を有する多数の成分ビームに分割し、図３は、図２を参照して説明されている装置で使用されるＥＯＭのスペクトル出力を示している。
【００５１】
ＥＯＭ６２が、周波数ν−δでゼロ次ビームＪ０を出力し、ここでνは、レーザ源５４の周波数であり、δは、ＡＯＭ５８によって与えられた周波数シフトであることが図３より分かる。等しい強度を有する１次ビームＪ１およびＪ−１が、また周波数ν−δ＋Δおよびν−δ−Δでそれぞれ生成されて、ここでΔは、ＥＯＭによって与えられた１次周波数シフトであり、一般的に５００ＭＨｚ程度である。異なる周波数であり、かつ１次ビームより強度が低い２次ビームＪ２およびＪ−２もまた出力される。
【００５２】
ローカル発振器ビームが、周波数νを有するため（すなわち、ＡＯＭ５８による周波数シフトの適用前に送信部からタッピングされる）、各信号Ｊ０、Ｊ−１、Ｊ＋１、Ｊ−２、Ｊ＋２などは、一意の周波数の検出器７０および７２で対応するヘテロダイン信号を生成する。スペクトル解析器７８が使用されて、信号Ｊ０、Ｊ−１、Ｊ＋１、Ｊ−２、Ｊ＋２などの各々の強度を示す電気出力信号を生成するために、狭いバンド幅にわたって検出器７０および７２によって生成された電気信号を積分する。このように、差分吸収データは取得可能である。差分吸収比の任意の系統的歪み（例えば、検出器の不均一な周波数応答によって生じる系統的なエラー）は、標準の校正技術を使用して除去可能である。スペクトル解析器７８が示されているが、パワーメータと結合されたバンドパスフィルタが、代替物として使用可能であることが理解されるであろう。
【００５３】
ＥＯＭ６２に印加された電力は、ゼロ次ビームから高次ビームに周波数シフトされた光パワーの割合を限定するのに対して、ＥＯＭに印加されたＲＦ信号の周波数は、周波数シフトΔの大きさを限定することに注目すべきである。従ってＥＯＭの使用は、装置の送信部で生成された成分ビームの波長を制御するための手段を提供する。
【００５４】
上述のように、ＥＯＭ６２は、一定の偏光の光、ひいては第１の偏光コントローラ６０の使用を受ける場合に、最も効率的に動作する。しかしながら、ＥＯＭのみに非最適偏光を入力することは、より高次ビームに放射を周波数シフトさせる効率を低下させる、すなわち、各１次ビームの光パワーの比は、一定のままであることに注目すべきである。
【００５５】
図４を参照すると、本発明の装置を使用することの更なる利点が示されている。
【００５６】
従来のＤＩＡＬライダ装置においては、わずかに異なる波長（例えばλ１およびλ２）の２つのビームが使用される。一方の波長（例えばλ１）は、吸収ピーク（例えば送信トラフ９０）と一致するように選択され、他方の波長（例えばλ２）は、そのピークから離れて、あるいはそのピークの端部になるように選択される。λ２に対する波長λ１の吸収の相対的差は、注目ガス種の濃度の指示を提供する。しかしながら、多量のガス種が事実上存在すると、波長λ１の全放射は、ガスによって吸収されることになる。λ１チャネルのこの「ボトミングアウト」すなわち不透明性は、正確に測定可能なガス濃度に対して効果的に上限を設け、すなわち装置のダイナミックレンジを減少させる。
【００５７】
本発明の装置によって、二波長ライダシステムによって観察される不透明性効果は、多数の（例えば５つの）離散波長での吸収を同時に測定することによって克服されることが可能である。例えば、図２および図３を参照して説明されているシステムを用いると、装置によって出力された異なる波長（Ｊ０、Ｊ−１、Ｊ＋１、Ｊ−２、Ｊ＋２）の５つのビームは、図４に示されている注目ガス種の吸収ピークにわたり広げられることが可能である。この場合、ビームＪ−２から戻った信号は不透明になり、吸収ピーク付近の他のビーム（例えばビームＪ−１、Ｊ０およびＪ＋１）の吸収は、Ｊ＋２ビームに対して依然として測定可能である。
【００５８】
別の構成において、装置は、異なる波長（例えばＪ０およびＪ±１）の３つのビームを正常に出力するように構成可能であるが、３つの初期信号のいずれかが不透明になる場合には、より高次のビーム（例えばＪ±２）を提供するために、ＥＯＭに印加されるパワーを増加させる手段を備えていてもよい。従って本発明の装置は、二波長ＤＩＡＬシステムよりもより大きなダイナミックレンジを有し、かつ一般的により柔軟性のあるものであることが分かる。
【００５９】
当業者は、本発明を実現するために使用可能な種々の代替光学構成について理解するであろう。例えば、送信部を構成する種々の光学構成要素は、順番が変更可能であり、また、実質的に同じ機能を提供するシステムを依然として提供可能である。レーザ源の出力を安定化させるために使用されるフィードバック機構は、また、ＥＯＭの後など、種々のポイントのいずれかでメイン光学経路からタッピングされた光を使用するために変更可能である。
【００６０】
装置は、また、ＤＩＡＬ装置に対して移動するガス種の差分吸収特性を測定するように構成可能である。例えば、装置は、移動中の飛行機や車両から操作可能である。このような場合に、当業者は、ＤＩＡＬ装置の適切な動作を保証するために考慮される必要のある相対的な動きに起因するドップラーシフト効果を理解するであろう。
【００６１】
バイスタティック送受信機（つまり、別個の送信光学装置および受信光学装置を有する送受信機）が上述されているが、当業者は、モノスタティック送受信機（つまり、組合わされた送信光学装置および受信光学装置を有する送受信機）が使用可能であることを理解するであろう。モノスタティック装置は、パルス送信ビームを使用する際に特に有用である。同様に、光ファイバに基づくシステムは、多くの理由（例えば、構成要素の位置合わせの容易さ、コストなど）から好ましいが、本発明は、また自由空間の光学構成要素を使用して実現可能である点が、当業者によって理解されるであろう。
【００６２】
上述された装置は、１５００ｎｍから１６００ｎｍ範囲の放射を出すレーザを用いる。しかしながら、本発明は、任意の波長の放射を使用して実現可能である。当業者は、レーザ源の波長は、出力放射が注目ガス種の最大吸収と一致するように単に選択されるという点を理解するであろう。レーザダイオード技術が開発されるにつれて、この技術を使用して、波長をさらに赤外線へと安価に接近させることが可能となる。増加した波長の使用は、一酸化炭素、窒素酸化物、および未燃炭化水素などの種の差分吸収測定に関して相当の利点となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来技術のファイバに基づくＤＩＡＬ装置を示す。
【図２】本発明に従ったＤＩＡＬ装置を示す。
【図３】図２に示されているタイプの装置によって生成された信号の相対的強度および波長を示す。
【図４】どのように本発明の装置が、差分吸収測定をするために使用可能であるかを示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザレーダ（ライダ（ｌｉｄａｒ））に関し、特に、ガス種のリアルタイムの監視および測定のための光ファイバに基づく差分吸収ライダ（ＤＩＡＬ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス濃度を測定するための種々の技術が良く知られている。例えば、一連のガス種の正確な（１０億分の１）局所的サンプリングを可能にする、多数の静的センサが市販されている。これらのうちの多くは、ガスクロマトグラフィ、水素炎イオン化、またはフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光法などの従来の技術を使用して、サンプルに引き入れられかつサンプルを分析する「ポイントセンサ」装置である。本質的にこれらの装置は、相当な（すなわち１秒より長い）サンプリング時間を要し、また対象領域内に配置される必要がある。
【０００３】
非分散赤外線（ＮＤＩＲ）または非分散紫外線（ＮＤＵＶ）吸収に基づく別の技術もまた知られている。一般的に、一連の吸収フィルタおよび広帯域源が、注目ガス種と関連付けられた狭い吸収バンド内の波長光を提供するために使用される。特定の注目波長での吸収レベルの測定は、ガス濃度測定を提供するが、このようなシステムは、一般的に２分の１秒の速度で捕捉できるにすぎず、種を干渉しやすい。
【０００４】
差分吸収ライダは、ガス相構成要素の遠隔検出のためのもう１つの知られている技術である。ＤＩＡＬシステムの基本概念は、レーザ光の２つの波長が、ライダ（光検出および分類）装置によって送信されることである。第１の波長は、注目ガス種の離散吸収ラインに設定されるのに対して、第２の波長は、吸収ピークに近いが、吸収ピークから外れて設定される。第１および第２の波長の差分吸収は、ガス種の平均分子濃度の定量的測定を提供する。従ってＤＩＡＬ技術は、遠隔検出を可能にするという点において、上述された別の技術に関して利点がある。
【０００５】
ＤＩＡＬシステムは、多数の方法で実現されてきた。例えば、アナログ光子計数およびコヒーレント検出システムが知られている。戻り放射が光ローカル発振器ビームとコヒーレントに混合される、コヒーレント検出（つまりヘテロダイン）ＤＩＡＬシステムは、一般的に、背景光およびクロストークによる干渉に対する良好な耐性を有する高い信号対雑音比を提供する。コヒーレント検出ＤＩＡＬシステムは、この他にもより詳細に記載されている。例えばＲｙｅ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．１７，３８６２−３８６４（１９８７年）を参照。
【０００６】
知られているコヒーレントＤＩＡＬシステムの欠点は、戻り光のスペックルによる変動が、受信信号が複数のスペックル相関時間にわたって平均化されていないなら、検出された光パワーにおける大きな不確実性を招くことである。従って、強度変動の効果を克服するのに必要な数値の平均化は、差分吸収データがＤＩＡＬシステムから抽出可能な速度を制限する。
【０００７】
最近、受信信号が、大きさのオーダまで平均化される必要のある時間を削減可能なコヒーレントＤＩＡＬシステムが、Ｒｉｄｌｅｙらによって示された（応用光学（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）、第４０巻、１２号、ｐｐ２０１７−２０２３、２００１年４月２０日参照）。この装置は、２つのわずかに異なる波長の放射を生成するために使用される１対のレーザダイオードを備える。ローカル発振器ビームが抽出されて、次いで２つの異なる波長レーザビームが組合わされて、単一の光ファイバに結合される。組合せ後、２つの異なる波長ビームは、ターゲットに対する自由空間およびターゲットからの自由空間において、ならびに受信機において、送信機の残りの部分を介する共通経路を共有する。小さな波長分離と浅いターゲット深さについて、装置は、２つの波長チャネルについて良好に相関されたスペックル変動を示す。
【０００８】
Ｒｉｄｌｅｙらによって記載されたシステムの欠点は、送信機におけるビームの組合せ前に、２つの異なる波長チャネルの各々において別々に生じる強度変動の存在である。このような相関されていない変動の存在は、測定された強度信号が平均化されて、確実な差分吸収データを提供しなければならない時間を増大させる。あるいはまた、データ平均化に関する要件の増加は、一定の信号対雑音比を有する差分吸収情報が取得可能な速度を制限すると考えることができる。
【０００９】
（英国出願番号第０２２０９１４．６号に基づいた）同時係属のＰＣＴ特許出願ＧＢ０３／００３８８２号は、どのようにＲｉｄｌｅｙによって記載された装置が、更なる正規化信号を提供することによって改良可能であるかを記載している。しかしながら、性能の改良は、更なる装置の複雑化を犠牲にして達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述された欠点の少なくとも一部を軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によると、コヒーレントレーザレーダ（ライダ）装置は、単一の波長レーザ源を備える送信部と、前記単一の波長レーザ源の出力からの離散波長の少なくとも２つの成分光ビームを含む、組合わされた光ビームを生成するための変換手段と、組合わされた光ビームを遠隔ターゲットに向ける送信光学装置とを有しており、組合わされた光ビームの各成分光ビームは、単一の波長レーザ源から送信光学装置へ同じ光学経路を移動する。
【００１２】
従って本発明は、遠隔ターゲットに対する方向に生成された２つ以上の成分光ビームが、同じレーザ源によって提供されて、送信部を介する同じ光学経路を移動するコヒーレントライダ装置を提供する。これは、雑音の大部分（例えば、送信部の種々の光学構成要素によって導入されたレーザ出力または雑音の変動）が、両方の波長チャネルに共通であるため、装置によって取得された差分吸収情報から訂正可能である装置を提供する。さらに、単一のローカル発振器信号のみが、単一の波長レーザ源に必要とされて、任意の戻り信号のコヒーレント検出を可能にする。
【００１３】
遠隔ターゲットは、装置から短距離に（例えば数メートル）または数キロメートルに配置される散乱または反射ターゲットを備えていてもよい。当業者はまた、適切な設計の光学装置によって、システムが、より短い範囲で測定するように容易に構成可能であることを理解するであろう。散乱または反射ターゲットは、格好の特定目的の散乱器であってもよい。あるいはまた、遠隔ターゲットはエアロゾルであってもよい。当業者は、固体遠隔ターゲットからの反射／散乱に対するコリメートされまたは集束されたビームを提供するのに必要な種々の光学構成と、どのように集束されたビームが、画定されたターゲット容積からの測定を可能にするために取得可能であるかとを理解する。
【００１４】
本明細書で使用されている用語「光」は、紫外線、可視、または（近／中／遠）赤外線における放射を含むことに注目すべきである。以下により詳細に記載されるように、当業者は、本発明の装置が、広範囲の波長にわたって実現可能であり、差分吸収ライダ（ＤＩＡＬ）装置の場合は、正確な動作波長が、注目ガス種に基づいて選択されることを理解するであろう。
【００１５】
好都合に、遠隔ターゲットから戻った光を収集するための受信光学装置と、コヒーレント検出手段とを備える受信部がさらに提供される。
【００１６】
好都合なことに、受信光学装置によって収集された各成分光ビームは、受信光学装置からコヒーレント検出手段の同じ光学経路を移動する。
【００１７】
この場合、組合わされたビームを形成する複数のビームは、ほとんどすべて共直線性であり、すなわち複数のビームは、装置内外の共通の光学経路をたどることが分かる。このことは、組合わされたビームの波長成分ビームの一部に悪影響を及ぼすにすぎない機器のドリフトを最小化することによって、もたらされた差分吸収データと関連付けられる雑音を削減する。従って、装置は、スペックルなどの雑音源に対して更なる堅牢さを付与し、頻度の小さい偽アラームを提供する。
【００１８】
好ましくは、変換手段は、電気光学変調器（ＥＯＭ）を備える。
【００１９】
ＥＯＭは、離散波長の２つ以上の成分光ビームを生成する便利な方法を提供する。ＥＯＭ装置は市販されている。例えば、適切な装置が、Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ Ｉｎｃ．，５２１５ Ｈｅｌｌｙｅｒ Ａｖｅ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣＡ ９５１３８−１００１，ＵＳＡによって作成された、２００２／２００３カタログ（１１版）の７８ページに記載されている。
【００２０】
好都合に、ＥＯＭは、離散波長の少なくとも３つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される。
【００２１】
好都合なことに、ＥＯＭは、離散波長の少なくとも５つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される。
【００２２】
３つまたは５つ以上の離散波長チャネルの使用によって、２つの波長チャネルのみが使用される場合に観察されることがある、起こりえる不透明性効果（ｏｐａｃｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）を克復する。これは、図４を参照して以下により詳細に記載される。
【００２３】
好ましくは、送信部は、さらに偏光制御手段を備える。
【００２４】
ＥＯＭは、より高次モードに変換されたパワー量が最大化される放射入力偏光を有する。従って、偏光制御手段は、光の偏光を調整して、ＥＯＭ変換効率を最大化するために使用可能である。装置は、さらにあるいは代わりに、関連付けられるローカル発振器ビームの偏光状態に対して、受信された光および／または抽出された成分光ビームの偏光状態を制御するように構成された、偏光制御手段を備える。これによって、ヘテロダイン検出手段でのヘテロダイン混合効率が、信号およびローカル発振器ビームの偏光を一致させることによって制御されること（例えば最大化されること）が可能になる。
【００２５】
送信部は、好都合なことにさらに、少なくとも１つの光学増幅器を備えていてもよい。例えば、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。増幅器の追加によって、（例えば、エアロゾルなどの分散ターゲットであるために）遠隔ターゲットが低散乱強度を有する場合に、出力信号強度を増大させることができる。
【００２６】
好都合に、変換手段によって受信されたレーザビームと、該レーザビームの関連付けられるローカル発振器信号との間に周波数シフトを導入するために、周波数シフト手段が提供される。これによって、異なる送信波長でのターゲットから戻った信号への寄与が、容易に分離可能となる。
【００２７】
好ましくは、装置の光学構成要素の少なくとも一部が、光ファイバケーブルを介して相互接続される。本発明は、好ましくはファイバ光学に基づく装置を使用して実現されるが、装置の内部光学構成要素の一部または全部が、自由空間を介して送信された光ビームによって光学的にリンク可能であることが理解されるべきである。例えば、組合わされたビームを送信するために使用されるレンズは、レンズから適切な距離に配置されているファイバ端から、自由空間を介してこのような光を受信可能である。
【００２８】
検出されたヘテロダインピークの幅は、経路長（すなわち装置−ターゲット−装置間）が、レーザのコヒーレント長に比べて相当長いなら広げられてもよい。ローカル発振器ビームを遅延させるための遅延ラインの追加は、この不要なピークの広がりを低減する。従ってローカル発振器ビームは、好都合なことに、光ファイバ遅延ラインを介して送信部から受信部に結合される。
【００２９】
好ましくは、別個の送信光学装置および受信光学装置が提供される。言い換えると、ビームを遠隔ターゲットに送信するのに使用される光学構成要素（レンズなど）は、戻りビームを収集するのに使用される光学構成要素に分離される。すなわち配置がバイスタティックである。共通の送信および受信光学構成要素、すなわちモノスタティック送受信機構成を使用して、本発明を実現できることもまた注目すべきである。
【００３０】
好都合なことに、少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つの波長は、注目ガス種の吸収ピークと一致するように選択される。
【００３１】
好都合に、装置は、さらに、しきい値を下回る検出された戻り信号に応答して、少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つ以上の波長を変更するための手段を備える。言い換えると、波長チャネルが、高濃度のガス種の存在ゆえに不透明になると、送信波長は、注目ガス種の吸収ピークの異なる領域になるように変更可能である。これは、図４を参照して次に記載されるように、装置のダイナミックレンジを拡大する。
【００３２】
本発明の第２の態様によると、ライダ装置は、３つ以上の波長成分を備えるビームを遠隔ターゲットに送信するように構成された単一のレーザ源を備える。
【００３３】
好都合に、装置は、電気光学変調器を備える。
【００３４】
以下の図面を参照して例示のみによって、本発明を次に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１を参照すると、Ｒｉｄｌｅｙらによって記載されたタイプの従来技術のコヒーレントＤＩＡＬ装置が示されている。装置は、送信部２および受信部４を備える。
【００３６】
送信部２は、第１のレーザ６および第２のレーザ８を備える。第１および第２のレーザは、１５００ｎｍから１６００ｎｍのユーザ選択可能な波長範囲内で動作し、かつ２０ＫＨｚのライン幅を有する分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザである。
【００３７】
第１のレーザ６の光出力は、光ファイバを介して第１のビームスプリッタ１０に供給される。第２のレーザ８の光出力は、光ファイバを介して第２のビームスプリッタ１２に供給される。第１のビームスプリッタ１０および第２のビームスプリッタ１２は、受信する各ビームを、ローカル発振器ビームおよびメインビームに分割する。各ローカル発振器ビームの偏光は、最大のヘテロダイン混合効率が受信部で得られることを保証するために、ファイバ偏光コントローラ１４および１６を使用して調整可能である。
【００３８】
第１のビームスプリッタ１０および第２のビームスプリッタ１２によって出力された２つのメインビームは、光アイソレータ１８および２０を介して、第１の音響光学変調器（ＡＯＭ）２２および第２の音響光学変調器（ＡＯＭ）２４にそれぞれ供給される。ＡＯＭ２２および２４は、各メインビームとその関連付けられるローカル発振器ビームとの間に位相シフトを導入し、受信部の次のコヒーレント（ヘテロダイン）検出を可能にする。７９ＭＨｚの周波数シフトは、第１のＡＯＭ２２によって与えられ、８１ＭＨｚの周波数シフトは、第２のＡＯＭ２４によって与えられる。
【００３９】
次いで周波数シフトされたビームは、ビームコンバイナ２６によって組合わされて、単一の光ファイバに結合される。組合わされたビームは、送信光学装置２８を介して遠隔ターゲットに送信される。組合わされたビームの一部は、遠隔ターゲットへの送信前に、レーザ波長モニタ３０に向けられ、送信ビームの成分の波長が連続的に測定されるようにする。
【００４０】
受信部４は、遠隔ターゲットから戻った任意の放射を収集する受信光学装置３２を備える。戻り信号は、単一の光ファイバケーブルに結合され、ビームコンバイナ１７によって組合わされた２つのローカル発振器ビームと組合わされ、ビームコンバイナ／スプリッタ手段３８を介して検出器３４およびモニタ３６に供給される。
【００４１】
戻りビームおよび関連付けられるローカル発振器ビームの検出器３４でのヘテロダイン混合は、戻りビームおよびそのローカル発振器の各成分の周波数における差に対応する周波数で、２つの信号を生成する。この場合、７９ＭＨｚの信号（つまり第１のＡＯＭ２２によって与えられた位相シフト）と、８１ＭＨｚの信号（つまり第２のＡＯＭ２４によって与えられた位相シフト）とが、検出器３４で検出される。検出器３４によって生成された電気信号は、戻りビームの波長成分の両方の強度を示す電気出力信号を生成するスペクトル分析手段４０によって、狭いバンド幅にわたって積分される。このように、差分吸収データは取得可能である。
【００４２】
２つのレーザ源６および８は、類似する波長のビームを生成し、送信部でのビーム組合せ後に、このビームは、検出されるまで同じ光学経路に沿って通過することが分かる。従って、Ｒｉｄｌｅｙら（前出）によって前述されているように、大気の外乱および／またはポインティングの不安定性による雑音は、２つの異なるビームに関して同様であり、測定された差分吸収比に何ら有意な作用を有することはない。
【００４３】
２つのビームは、組合せ後かつ検出前に、同じ光学経路を通過するが、ビームコンバイナ２６におけるビームの組合せ前にもたらされた有意な量の雑音が依然として残っている。雑音、例えばレーザ強度における変動および各ＡＯＭによってもたらされる雑音は、測定された差分吸収データに不確実性を招く。（例えば、同時係属ＰＣＴ出願ＧＢ０３／００３８８２号に記載されている）更なる正規化技術が、測定差分吸収信号の品質を改良するために使用可能であるが、これらは、更なる装置の複雑性および／または更なる信号処理を伴う傾向がある。
【００４４】
図２を参照すると、本発明に従ったファイバに基づくＤＩＡＬ装置が示されている。装置は、送信部５０および受信部５２を備えているが、図１を参照して説明されているＤＩＡＬ装置とは異なり、本発明の装置の送信部５２は、単一のレーザ源５４のみを備える。
【００４５】
ローカル発振器ビームは、ビームスプリッタ５６を使用してレーザ源の出力からタッピングされ、受信部５２に移動するのに対して、レーザビームの残りのパワーは、ＡＯＭ５８によって周波数において８０ＭＨｚシフトされる。次いでＡＯＭ５８の光出力は、第１の偏光コントローラ６０を介して、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）６２に供給される。ＥＤＦＡ６２によって生成された増幅光信号は、電気光学変調器（ＥＯＭ）６４に通される。第１の偏光コントローラ６０は、ＥＯＭ６４の最適な性能に必要な入力偏光に一致する偏光を有する信号を提供するように構成される。
【００４６】
次に図３を参照してより詳細に記載されているように、ＥＯＭ６４は、受信する単一の周波数ビームを、異なる周波数の多数の成分ビームに変換する。従ってＥＯＭによって出力されたビームは、送信光学装置６６を介して遠隔ターゲット（図示せず）に送信されたいわゆる組合わされたビーム（すなわち、異なる波長の多数のビームの組合せから生成されるビーム）を形成する、異なる波長の多数の共線ビームを含む。
【００４７】
本発明の装置においてレーザ５４によって出力された光の周波数は、フィードバックループを使用して安定化されることが可能である点に注目すべきである。レーザ源５４によって出力された光のわずかな部分は、フィードバック手段５５に供給されてもよい。フィードバック手段５５は、必要なレーザ出力を維持するために、レーザ出力を分析し、かつレーザ源５４の強度および／または波長を変更するように構成されている。
【００４８】
受信部５２は、遠隔ターゲットから戻った任意の放射を収集するための受信光学装置６８を備えており、受信したビームを、光ファイバを介してビームコンバイナ／スプリッタ手段７０に通し、ビームコンバイナ／スプリッタ手段７０で、レーザ源５４から導かれたローカル発振器ビームと組合わされ、第１の受信機７０および第２の受信機７２を備える平衡受信機検出システムに供給される。検出器での混合効率は、第２の偏光コントローラ７４を使用して、ローカル発振器ビームの偏光を制御することによって最適化される。
【００４９】
このタイプの平衡受信機検出システムは、図１を参照して説明されている検出システムに対して、コストおよび複雑性の増大にもかかわらず種々の利点を有する。例えば、平衡受信機検出システムは、検出された信号強度をわずかに増加させ、レーザ強度雑音（ＲＩＮ）の効果を減少させる。当業者は、任意の適切なヘテロダイン検出手段が、本発明のライダ装置に使用可能である点を理解する。
【００５０】
ＥＯＭ６２は、レーザによって生成された単一の波長ビームを、各々が必要ならば異なる波長を有する多数の成分ビームに分割し、図３は、図２を参照して説明されている装置で使用されるＥＯＭのスペクトル出力を示している。
【００５１】
ＥＯＭ６２が、周波数ν−δでゼロ次ビームＪ０を出力し、ここでνは、レーザ源５４の周波数であり、δは、ＡＯＭ５８によって与えられた周波数シフトであることが図３より分かる。等しい強度を有する１次ビームＪ１およびＪ−１が、また周波数ν−δ＋Δおよびν−δ−Δでそれぞれ生成されて、ここでΔは、ＥＯＭによって与えられた１次周波数シフトであり、一般的に５００ＭＨｚ程度である。異なる周波数であり、かつ１次ビームより強度が低い２次ビームＪ２およびＪ−２もまた出力される。
【００５２】
ローカル発振器ビームが、周波数νを有するため（すなわち、ＡＯＭ５８による周波数シフトの適用前に送信部からタッピングされる）、各信号Ｊ０、Ｊ−１、Ｊ＋１、Ｊ−２、Ｊ＋２などは、一意の周波数の検出器７０および７２で対応するヘテロダイン信号を生成する。スペクトル解析器７８が使用されて、信号Ｊ０、Ｊ−１、Ｊ＋１、Ｊ−２、Ｊ＋２などの各々の強度を示す電気出力信号を生成するために、狭いバンド幅にわたって検出器７０および７２によって生成された電気信号を積分する。このように、差分吸収データは取得可能である。差分吸収比の任意の系統的歪み（例えば、検出器の不均一な周波数応答によって生じる系統的なエラー）は、標準の校正技術を使用して除去可能である。スペクトル解析器７８が示されているが、パワーメータと結合されたバンドパスフィルタが、代替物として使用可能であることが理解されるであろう。
【００５３】
ＥＯＭ６２に印加された電力は、ゼロ次ビームから高次ビームに周波数シフトされた光パワーの割合を限定するのに対して、ＥＯＭに印加されたＲＦ信号の周波数は、周波数シフトΔの大きさを限定することに注目すべきである。従ってＥＯＭの使用は、装置の送信部で生成された成分ビームの波長を制御するための手段を提供する。
【００５４】
上述のように、ＥＯＭ６２は、一定の偏光の光、ひいては第１の偏光コントローラ６０の使用を受ける場合に、最も効率的に動作する。しかしながら、ＥＯＭのみに非最適偏光を入力することは、より高次ビームに放射を周波数シフトさせる効率を低下させる、すなわち、各１次ビームの光パワーの比は、一定のままであることに注目すべきである。
【００５５】
図４を参照すると、本発明の装置を使用することの更なる利点が示されている。
【００５６】
従来のＤＩＡＬライダ装置においては、わずかに異なる波長（例えばλ１およびλ２）の２つのビームが使用される。一方の波長（例えばλ１）は、吸収ピーク（例えば送信トラフ９０）と一致するように選択され、他方の波長（例えばλ２）は、そのピークから離れて、あるいはそのピークの端部になるように選択される。λ２に対する波長λ１の吸収の相対的差は、注目ガス種の濃度の指示を提供する。しかしながら、多量のガス種が事実上存在すると、波長λ１の全放射は、ガスによって吸収されることになる。λ１チャネルのこの「ボトミングアウト」すなわち不透明性は、正確に測定可能なガス濃度に対して効果的に上限を設け、すなわち装置のダイナミックレンジを減少させる。
【００５７】
本発明の装置によって、二波長ライダシステムによって観察される不透明性効果は、多数の（例えば５つの）離散波長での吸収を同時に測定することによって克服されることが可能である。例えば、図２および図３を参照して説明されているシステムを用いると、装置によって出力された異なる波長（Ｊ０、Ｊ−１、Ｊ＋１、Ｊ−２、Ｊ＋２）の５つのビームは、図４に示されている注目ガス種の吸収ピークにわたり広げられることが可能である。この場合、ビームＪ−２から戻った信号は不透明になり、吸収ピーク付近の他のビーム（例えばビームＪ−１、Ｊ０およびＪ＋１）の吸収は、Ｊ＋２ビームに対して依然として測定可能である。
【００５８】
別の構成において、装置は、異なる波長（例えばＪ０およびＪ±１）の３つのビームを正常に出力するように構成可能であるが、３つの初期信号のいずれかが不透明になる場合には、より高次のビーム（例えばＪ±２）を提供するために、ＥＯＭに印加されるパワーを増加させる手段を備えていてもよい。従って本発明の装置は、二波長ＤＩＡＬシステムよりもより大きなダイナミックレンジを有し、かつ一般的により柔軟性のあるものであることが分かる。
【００５９】
当業者は、本発明を実現するために使用可能な種々の代替光学構成について理解するであろう。例えば、送信部を構成する種々の光学構成要素は、順番が変更可能であり、また、実質的に同じ機能を提供するシステムを依然として提供可能である。レーザ源の出力を安定化させるために使用されるフィードバック機構は、また、ＥＯＭの後など、種々のポイントのいずれかでメイン光学経路からタッピングされた光を使用するために変更可能である。
【００６０】
装置は、また、ＤＩＡＬ装置に対して移動するガス種の差分吸収特性を測定するように構成可能である。例えば、装置は、移動中の飛行機や車両から操作可能である。このような場合に、当業者は、ＤＩＡＬ装置の適切な動作を保証するために考慮される必要のある相対的な動きに起因するドップラーシフト効果を理解するであろう。
【００６１】
バイスタティック送受信機（つまり、別個の送信光学装置および受信光学装置を有する送受信機）が上述されているが、当業者は、モノスタティック送受信機（つまり、組合わされた送信光学装置および受信光学装置を有する送受信機）が使用可能であることを理解するであろう。モノスタティック装置は、パルス送信ビームを使用する際に特に有用である。同様に、光ファイバに基づくシステムは、多くの理由（例えば、構成要素の位置合わせの容易さ、コストなど）から好ましいが、本発明は、また自由空間の光学構成要素を使用して実現可能である点が、当業者によって理解されるであろう。
【００６２】
上述された装置は、１５００ｎｍから１６００ｎｍ範囲の放射を出すレーザを用いる。しかしながら、本発明は、任意の波長の放射を使用して実現可能である。当業者は、レーザ源の波長は、出力放射が注目ガス種の最大吸収と一致するように単に選択されるという点を理解するであろう。レーザダイオード技術が開発されるにつれて、この技術を使用して、波長をさらに赤外線へと安価に接近させることが可能となる。増加した波長の使用は、一酸化炭素、窒素酸化物、および未燃炭化水素などの種の差分吸収測定に関して相当の利点となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来技術のファイバに基づくＤＩＡＬ装置を示す。
【図２】本発明に従ったＤＩＡＬ装置を示す。
【図３】図２に示されているタイプの装置によって生成された信号の相対的強度および波長を示す。
【図４】どのように本発明の装置が、差分吸収測定をするために使用可能であるかを示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の波長レーザ源を備える送信部と、前記単一の波長レーザ源の出力からの離散波長の少なくとも２つの成分光ビームを含む、組合わされた光ビームを生成する変換手段と、組合わされた光ビームを遠隔ターゲットに送る送信光学装置とを有する、コヒーレントレーザレーダ（ライダ）装置であって、組合わされた光ビームの各成分光ビームが、単一の波長レーザ源から送信光学装置へ同じ光学経路を移動する、装置。
【請求項２】
受信部がさらに提供され、前記受信部が、遠隔ターゲットから戻った光を収集するための受信光学装置とコヒーレント検出手段とを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
受信光学装置によって収集された各成分光ビームが、受信光学装置からコヒーレント検出手段へ同じ光学経路を移動する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
変換手段が、電気光学変調器（ＥＯＭ）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
ＥＯＭが、離散波長の少なくとも３つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
ＥＯＭが、離散波長の少なくとも５つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
送信部が、偏光制御手段をさらに備える、請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
送信部が、少なくとも１つの光学増幅器をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
周波数シフト手段が提供され、変換手段によって受信されたレーザビームと、該レーザビームに関連付けられるローカル発振器信号との間に周波数シフトをもたらす、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
装置の光学構成要素の少なくともいくつかが、光ファイバケーブルを介して相互接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
ローカル発振器ビームが、光ファイバ遅延ラインを介して送信部から受信部に結合される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
別個の送信光学装置および受信光学装置が提供される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つの波長が、注目ガス種の吸収ピークに一致するように選択される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
しきい値を下回る検出された戻り信号に応答して、少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つ以上の波長を変更する手段をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
３つ以上の波長成分を含むビームを遠隔ターゲットに送信するように構成された単一のレーザ源を備える、ライダ装置。
【請求項１６】
電気光学変調器を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１】
単一の波長レーザ源を備える送信部と、前記単一の波長レーザ源の出力からの離散波長の少なくとも２つの成分光ビームを含む、組合わされた光ビームを生成する変換手段と、組合わされた光ビームを遠隔ターゲットに送る送信光学装置とを有する、コヒーレントレーザレーダ（ライダ）装置であって、組合わされた光ビームの各成分光ビームが、単一の波長レーザ源から送信光学装置へ同じ光学経路を移動する、装置。
【請求項２】
受信部がさらに提供され、前記受信部が、遠隔ターゲットから戻った光を収集するための受信光学装置とコヒーレント検出手段とを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
受信光学装置によって収集された各成分光ビームが、受信光学装置からコヒーレント検出手段へ同じ光学経路を移動する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
変換手段が、電気光学変調器（ＥＯＭ）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
ＥＯＭが、離散波長の少なくとも３つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
ＥＯＭが、離散波長の少なくとも５つの成分光ビームを提供するために電気的に駆動される、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
送信部が、偏光制御手段をさらに備える、請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
送信部が、少なくとも１つの光学増幅器をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
周波数シフト手段が提供され、変換手段によって受信されたレーザビームと、該レーザビームに関連付けられるローカル発振器信号との間に周波数シフトをもたらす、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
装置の光学構成要素の少なくともいくつかが、光ファイバケーブルを介して相互接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
ローカル発振器ビームが、光ファイバ遅延ラインを介して送信部から受信部に結合される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
別個の送信光学装置および受信光学装置が提供される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つの波長が、注目ガス種の吸収ピークに一致するように選択される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
しきい値を下回る検出された戻り信号に応答して、少なくとも２つの成分光ビームのうちの１つ以上の波長を変更する手段をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
３つ以上の波長成分を含むビームを遠隔ターゲットに送信するように構成された単一のレーザ源を備える、ライダ装置。
【請求項１６】
電気光学変調器を備える、請求項１５に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００６−５１００１２（Ｐ２００６−５１００１２Ａ）
【公表日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５５８７６９（Ｐ２００４−５５８７６９）
【出願日】平成１５年１２月３日（２００３．１２．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００３／００５２１５
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０５３５１８
【国際公開日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１２月３日（２００３．１２．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００３／００５２１５
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０５３５１８
【国際公開日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
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