CN112867943A - 气象观测激光雷达用接收光系统 - Google Patents

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塚本诚
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Abstract

本发明提供一种气象观测激光雷达用接收光系统，其以不使用衍射光栅的方式将UVC区域(波长200～280nm)的激光向空中照射，能够高精度地观测所产生的散射光。该气象观测激光雷达用接收光系统是向空中照射UVC区域的特定波长的激光并观测所产生的散射光的气象观测激光雷达用接收光系统，该气象观测激光雷达用接收光系统具备：反射部，其使入射的光向规定的方向反射；以及分光部，其从由所述反射部入射的光中对特定的波长进行分光，所述分光部具备干涉滤波器。

Description

气象观测激光雷达用接收光系统
技术领域
本发明涉及气象观测激光雷达用接收光系统。
背景技术
近年来，局部暴雨等异常气象持续发生，期望提高气象预测的精度而在早期阶段预测异常气象的发生，采取对策。已知为了提高气象预测精度，除了地表的各种气象要素的观测、利用雷达的上空的观测以外，观测大气边界层内的气温、水蒸气浓度、风向/风速的垂直分布，将该数据投入到气象预报模型中进行计算是有效的。
作为测量上空的气温、水蒸气浓度、风向/风速的垂直分布的手段而已知有气象观测激光雷达。测量风向/风速的激光雷达作为多普勒激光雷达而被产品化，在风力发电站的建设时用于进行风况调查等。测量水蒸气浓度分布的激光雷达有两种方式，一种是差分吸收方式(DIAL：Differential Absorption Lidar，差分吸收激光雷达)，另一种是拉曼方式。
差分吸收方式将两个接近的波长的激光向上空射出。第一个波长是水蒸气的吸收较小的波长(λoff波长)，第二个波长是水蒸气的吸收较大的波长(λon波长)。此时，在地上观测被上空的气溶胶等弹性散射掉的光，比较两个波长的光的每个高度的衰减率，来测量水蒸气浓度。在该方法中，需要非常精密地控制两个波长，需要1pm以下的波长稳定度。
拉曼方式是使激光射到上空，在地上检测被上空的水蒸气(H2O)分子、氮(N2)分子拉曼散射掉的光，由这两个散射光的强度比测定H2O浓度，测量水蒸气浓度分布的方式。拉曼散射光的强度非常弱，高精度地对其进行检测是重要的。
拉曼方式的研究开发中使用的激光一般使用YAG激光的高次谐波，一般使用波长355nm。在使用355nm的波长时，基于水蒸气(H2O)分子、氮(N2)分子的拉曼散射光波长分别为387nm、405nm，在检测该波长的光时，在白天，太阳光混合而成为噪声，高精度地检测拉曼散射光非常困难。因此，使用该波长的水蒸气浓度测量通常限于夜间。气温测量用拉曼激光雷达也一般使用波长355nm的激光，但同样地太阳光成为噪声，在白天无法高精度地进行测定。
作为消除白天的太阳光的影响、在昼夜高精度地进行测量的方法，有使用了作为处于UVC区域(紫外线C(Ultraviolet C)，波长200～280nm)的YAG激光的4倍波的、波长266nm的拉曼激光雷达(参照下述非专利文献1)。在使用该波长的激光时，基于大气中的氧气(O2)分子、氮(N2)分子、水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光的波长分别为278nm、284nm、295nm。波长300nm以下的太阳光被上空的臭氧层(高度10～50km)吸收，几乎无法到达地表，太阳光难以成为噪声。
另外，在这样的气象观测激光雷达中的光检测器中，使用多色仪方式的检测器(例如，参照专利文献1)。在这样的多色仪方式的检测器中，透过了反射部的光入射，透过了反射部的光在反射镜反射而到达分光部。分光部由衍射光栅(grating)构成，按照波长对入射的光进行分光(波长分解)，并经由反射镜引导至受光部上。即，入射到分光部的光根据波长而到达受光部的不同位置的机制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-105885号公报
非专利文献1：M.Froidevaux、其他6名、“A new lidar for water vapor andtemperature measurements in the Atmospheric Boundary Layer”、AsiaFluxNewsletter Issue 28、13-17、2009年3月
发明内容
发明所要解决的问题
如上所述，在使用UVC区域的激光的拉曼激光雷达中，在使用以多色仪为代表的衍射光栅的情况下，因杂散光而在分光部混入有希望分光的波长以外的光成为噪声，非常弱的拉曼散射光极端地受到其影响。
因此，本发明的目的在于提供一种气象观测激光雷达用接收光系统，其以不使用衍射光栅的方式将UVC区域的激光向空中照射，能够高精度地观测所产生的散射光。
用于解决问题的手段
本发明的一个方式所涉及的气象观测激光雷达用接收光系统是向空中照射UVC区域的特定波长的激光并观测所产生的散射光的气象观测激光雷达用接收光系统，该气象观测激光雷达用接收光系统具备从入射的光中对特定的波长进行分光的分光部，所述分光部具备干涉滤波器，所述干涉滤波器设置有中心波长不同的氮分子的拉曼散射光用和水蒸气分子的拉曼散射光用，所述氮分子的拉曼散射光用的半峰全宽为5nm以下，水蒸气分子的拉曼散射光用的半峰全宽为1.2nm以下。
根据该方式，在气象观测激光雷达用接收光系统中，通过在分光部使用干涉滤波器，容易进行透射波长与希望阻止的波长的分离。特别是在UVC区域中几乎不受太阳光的影响，因此不需要窄的透射频带的干涉滤波器，能够使用制造难易度低且透射率也高的透射频带宽的干涉滤波器，不会受到杂散光的影响，能够提高气象观测激光雷达的性能。
另外，在各干涉滤波器中，增大最大透射率和减小半峰全宽(FWHM)处于相反关系，为了增大最大透射率，需要采取较宽的半峰全宽(FWHM)，若减小半峰全宽(FWHM)则透射率变小，但在上述特性的干涉滤波器中，能够增大透射率，增强接收光的散射光强度而减小噪声。
另外，在本发明的另一方式中，干涉滤波器也可以由多个构成。在该方式中，在组合了多个干涉滤波器的情况下，虽然透射率变低，但能够使半峰全宽(FWHM)变窄，因此只要满足规定的透射率，就能够获得仅通过一个干涉滤波器无法呈现的特性。
进一步地，在本发明的另一个方式中，也可以是，所述多个干涉滤波器中的至少一个与其它干涉滤波器相比，中心波长相同，半峰宽度不同。在以上的方式中，例如，在将透射率高且半峰全宽(FWHM)宽的特性的干涉滤波器和透射率低且半峰全宽(FWHM)窄的特性的干涉滤波器组合的情况下，透射率成为乘以组合后的干涉滤波器的比例而得到的特性，另一方面，半峰全宽(FWHM)成为窄的特性，因此在该情况下也能够获得仅通过一个干涉滤波器无法呈现的特性。
在本发明的另一方式中，也可以是，该气象观测激光雷达用接收光系统具备从入射的光中使特定波长的光反射并使其他波长的光透射的分色镜，通过分光部对由分色镜反射的光进行分光。在该方式中，通过组合使用干涉滤波器和分色镜，能够使通过分色镜降低了太阳光的噪声的光入射到干涉滤波器，因此能够在干涉滤波器中进行更高精度的拉曼散射光的检测。
发明效果
根据本发明，能够提供一种气象观测激光雷达用接收光系统，其以不使用衍射光栅的方式将UVC区域(紫外线C(Ultraviolet C)，波长200～280nm)的激光向空中照射，能够高精度地观测所产生的散射光。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的使用分光装置的气象观测激光雷达的整体结构的图。
图2是表示本发明的实施方式中的气象观测激光雷达用接收光系统的结构的图。
图3是示意性地表示图2所示的干涉滤波器的透射特性的图表。
图4是表示本发明的实施方式中的气象观测激光雷达用接收光系统的结构的图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的优选的实施方式(以下称为“本实施方式”)进行说明(此外，在各图中，标注了相同的附图标记的部分具有相同或同样的结构)。
(基本结构：气象观测激光雷达的结构)
图1表示本实施方式中的使用气象观测激光雷达用接收光系统的气象观测激光雷达的基本结构。如图1所示，本实施方式的气象观测激光雷达100从大方面而言具备发送系统1和接收系统2。本实施方式特别涉及接收系统2的详细情况。
如图1所示，发送系统1主要具备激光装置10、反射镜12、扩束器14。发送系统1具备作为用于向上空射出激光的光射出单元的功能，该激光具有紫外线区域的波长。
激光装置10是通过2倍波晶体、4倍波晶体等光学元件的组合来射出规定的紫外线、例如波长266nm的激光光束的光射出单元。该激光的波长选择如下的波长：若照射到想要测定的大气中的成分，例如水蒸气(H2O)分子、氮(N2)分子、氧(O2)分子上，则产生基于拉曼效应的振动拉曼散射光。反射镜12是使输出的激光光束的方向向上方反射的光学元件。扩束器14是将作为相干的平行光入射的激光光束的直径放大并作为射出光Lo输出的光学元件。
发送系统1也可以具备将包含激光的光路的一部分或整体在内的空间的尘埃度保持为一定以下的精密空调机。通过具备精密空调机，能够抑制光学部件的损伤，提高耐久性。另外，发送系统1也可以具备将光学部件以及周边的空间的温度变化保持为一定以下的温度调节机构。通过防止光学系统的急剧的温度变动，也能够抑制光学部件的损伤，提高耐久性。波长越短，光学元件的激光损伤阈值(损伤开始的激光密度)越小，光学元件的损伤一般变大。特别是，在UVC区域的波长的激光中，气象观测用激光雷达的稳定运转困难，但通过具备上述结构，能实现该区域中的稳定运转。
接收系统2具备望远镜20、光圈21、分光部22以及信号处理部23。通过上述发送系统1向上空射出的射出光Lo被照射到大气中的成分，例如水蒸气(H2O)分子、氮(N2)分子、氧(O2)分子上，由此产生基于拉曼效应的振动拉曼散射光，其一部分作为入射光Li入射到气象观测激光雷达100。该接收系统2具备作为检测该入射光Li所包含的振动拉曼散射光的散射光检测单元的功能。
望远镜20使入射光Li入射而使光束会聚。光圈22使会聚后的入射光Li通过而去除不需要的光成分。此外，在本实施方式中，使用望远镜的口径为20cm的望远镜，但不限于此，例如，也能够使用口径更大的望远镜，在该情况下，光的信号强度增加，因此后述的透射率也可以更低。
分光部22涉及本发明，从入射光Li中对振动拉曼散射光进行分光并检测，输出检测信号。分光部22采用使用干涉滤波器来分离、提取拉曼散射光的结构，采用不使用以多色仪为代表的衍射光栅的结构。关于具体的结构，使用图2以后的图进行详细说明。
信号处理部23输入通过检测振动拉曼散射光而得到的检测信号并进行解析，基于多个波长的振动拉曼散射光的强度，求出上空的水蒸气浓度。
(实施方式)
接着，使用图2对本发明的实施方式1所涉及的气象观测激光雷达用接收光系统2的结构进行说明。图2是表示气象观测激光雷达用接收光系统2的结构的示意图。
图2是本实施方式的气象观测激光雷达用接收光系统2的结构例。在该例中，使用分色镜221(221A～C)、干涉滤波器222(222A～D)来分离、提取拉曼散射光。另外，在该例中，干涉滤波器222的222A至222C只要是能够分离波长的结构，就能够进行顺序的调换。
即，根据从作为拉曼信号接收光光学部的望远镜20、光圈21入射的拉曼信号λ(lambda)，通过分色镜221(221A～221C)使特定波长(λ1～λ4)反射，并通过干涉滤波器222(222A～222D)进行检测。
分色镜221A以及干涉滤波器222A提取中心波长295nm的水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光(λ1)，分色镜221B以及干涉滤波器222B提取中心波长284nm的氮(N2)分子的拉曼散射光(λ2)，分色镜221C以及干涉滤波器222C提取中心波长278nm的氧(O2)分子的拉曼散射光(λ3)。
更具体而言，分色镜221A使295nm以上的光反射，使小于295nm的光透射，因此295nm以上的光入射到干涉滤波器222A。另外，分色镜221B反射波长284nm以上的光，使小于284nm的光透射，因此，284nm以上的光入射到干涉滤波器222B。分色镜221C使278m以上的光反射，使小于278nm的光透射，因此278nm以上的光入射到干涉滤波器222C。
这样，通过组合使用干涉滤波器222和分色镜221，能够使通过分色镜221降低了太阳光的噪声的光入射到干涉滤波器221，因此能够在干涉滤波器222中进行更高精度的拉曼散射光的检测。
此外，在干涉滤波器222中，通过222A～222C这三个，由水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光(λ1)、氮(N2)分子的拉曼散射光(λ2)以及氧(O2)分子的拉曼散射光(λ3)这三个构成，这表示最佳的实施例，基本上水蒸气浓度根据水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光强度与氮(N2)分子的拉曼散射光强度之比来求出，因此在求出水蒸气浓度时能够通过分色镜221A～221B以及干涉滤波器222A～222B这两个的组合来实施。在使用UV区域的激光的情况下，氮(N2)分子的拉曼散射光在到达地表之前一部分被臭氧吸收。为了校正该影响，而设置为了测量氧(O2)分子的拉曼散射光强度的分色镜221C以及干涉滤波器222C。在臭氧量较少的场所进行测量的情况下，可以通过分色镜221A～221B以及干涉滤波器222A～222B这两个的组合来进行分光。
另外，干涉滤波器222D设置为接收由气溶胶等弹性散射掉的光(米氏散射光)的通道。散射光的波长与激光相同，例如在使用266nm的情况下，干涉滤波器的中心波长为266nm。测定米氏散射光并不与水蒸气浓度的测定本身有关，而是用于确认激光没有问题地飞向上空。另外，能够测量除了水蒸气浓度之外还作为上空的气溶胶浓度的基准的、气溶胶产生的激光的消散系数。
在此，图3示出了干涉滤波器222的透射特性。如图3所示，将干涉滤波器222的透射率设为T(λ)，将透射率T的一半(T/2)的位置处的波长的宽度称为半峰宽度，将此时的宽度设为半峰全宽(FWHM(full width at half maximum))。而且，各干涉滤波器222的波长λ下的透过率T(λ)由式1表示。
Figure BDA0003024831440000071
在式1中，Tmax是干涉滤波器222的最大透射率，λ0是滤波器的中心透射波长，Δλ是干涉滤波器222的半值半宽(HWHM(half width at half maximum))，是半峰全宽(FWHM)的二分之一。
在构成气象观测激光雷达用接收光系统2时，选择最佳的最大透射率、最佳的半峰宽度在提高水蒸气浓度的测定精度方面是重要的，在各干涉滤波器222中，期望最大透射率尽量大，增强接收光的散射光强度而减小噪声(散粒噪声)，另外，期望半峰宽度窄。这是为了防止太阳光混入各拉曼散射光而成为噪声。
换言之，若提高干涉滤波器222的透射率，则信号(Signal)的强度变强，若信号强度S变强n倍，则SN比(信号(Signal)与噪声(Noise)的比率)改善√n。若提高透射率，通常半峰全宽(FWHM)变宽，太阳光产生的噪声增加。若半峰全宽(FWHM)成为m倍，则噪声也成为近似的m倍。
从干涉滤波器的制作方面出发，增大最大透射率和减小半峰全宽(FWHM)处于相反关系，为了增大最大透射率，需要采取较宽的半峰全宽(FWHM)，若减小半峰全宽(FWHM)，则透射率变小。
基于以上，在本实施方式中，作为干涉滤波器222的特性，对于氮(N2)分子的拉曼散射光用的干涉滤波器222B以及氧(O2)分子的拉曼散射光用干涉滤波器222C，在一个或两个以上的干涉滤波器的组合中，需要最大透射率为15％以上且半峰全宽(FWHM)为5nm以下，对于水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光用的干涉滤波器222A，在一个或两个以上的干涉滤波器的组合中，最大透射率为8％以上且半峰全宽(FWHM)为0.9nm以下。
另外，在本实施方式的干涉滤波器222中，除了使用一个干涉滤波器用于各拉曼散射光的情况之外，还可以使用多个干涉滤波器。
具体而言，作为本实施方式的干涉滤波器222的结构的最佳实施方式，通过两个的组合来构成各干涉滤波器222A～222C，关于干涉滤波器222B以及222C，使用两个特性相同的干涉滤波器，但在干涉滤波器222A中，使用两个半峰宽度以及透射率不同的干涉滤波器。
组合两个相同特性的干涉滤波器时的透射率特性为，最大透射率T2max、半峰宽度Δλ2如下。
Figure BDA0003024831440000081
Tmax是一个干涉滤波器的透射率，Δλ是半峰宽度。
另外，组合两个不同特性的干涉滤波器时的特性如下。
T3max＝T1max*T2max、Δλ3＝Δλ1*Δλ2/(Δλ1 2+Δλ2 2)^0.5
T1max、T2max表示两个干涉滤波器各自的最大透射率，T3表示组合两个干涉滤波器时的最大透射率。Δλ1、Δλ2是两个干涉滤波器的半峰宽度，Δλ3是组合了两个干涉滤波器的情况下的半峰宽度。
将使用了波长266nm的激光的水蒸气浓度测定用激光雷达的干涉滤波器的结构的例子示于表1。为了检测水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光，使用特性不同的两个干涉滤波器，其他使用相同特性的两个干涉滤波器。
表1
Figure BDA0003024831440000082
*FWHM(半峰全宽)＝2*Δλ(Δλ：半峰宽度)
在本实施方式中，氮(N2)分子的拉曼散射光用的干涉滤波器222B和氧(O2)分子的拉曼散射光用的干涉滤波器222C使用两个特性相同的干涉滤波器，使半峰全宽(FWHM)为比较大的值，与此相对地，水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光将半峰全宽(FWHM)设定得较窄。
这是因为氧(O2)分子的拉曼散射光处于日光盲区(solar blend，波长280nm以下)，太阳光不会到达地表，半峰全宽(FWHM)可以较宽。氮(N2)分子的拉曼散射光也大致处于日光盲区，同样地，半峰全宽(FWHM)可以较宽。与此相对地，在水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光的波长(295nm)下，太阳光以不能无视的程度混合。因此，需要使干涉滤波器的半峰全宽(FWHM)设定得较窄。
根据以上那样的其他实施方式，在气象观测激光雷达用接收光系统2中，通过在分光部22中使用干涉滤波器222，透射波长与希望阻止的波长容易分离。特别是，由于在UVC区域中几乎不受太阳光的影响，因此不需要较窄的透射频带的干涉滤波器222，能够使用制造难易度低且透射率也高的透射频带宽的干涉滤波器222，不会受到杂散光的影响，结果是能够提高气象观测激光雷达的性能。
另外，通过将各干涉滤波器设为如下干涉滤波器，即，氮(N2)分子的拉曼散射光用以及氧(O2)分子的拉曼散射光用的最大透射率为15％以上，优选为20％以上，半峰全宽为5nm以下，优选为3.5nm以下，水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光用的最大透射率为5％以上，优选为10％以上，半峰全宽为1.2nm以下，优选为0.9nm以下，能够增大最大透射率，增强所接收的散射光强度而减小噪声。
另外，如上所述，在本实施方式中，由于使用望远镜的口径为20cm的望远镜，所以上述的透射率成为优选的实施方式，但在使用口径更大的望远镜的情况下，由于光的信号强度增加，所以即使透过率更低也没有问题。
进一步地，通过由多个来构成干涉滤波器222，虽然透射率变低，但能够使半峰全宽(FWHM)变窄，因此只要满足规定的透射率，就能够得到仅由一个干涉滤波器222无法呈现的特性。
另外，多个干涉滤波器222中的至少一个通过使其中心波长与其它干涉滤波器相同而使透射率及半峰宽度不同等特性不同，从而在将透射率高且半峰全宽(FWHM)宽的特性的干涉滤波器与透射率低且半峰全宽(FWHM)窄的特性的干涉滤波器组合的情况下等，透射率成为乘以组合后的干涉滤波器的比例而得到的特性，另一方面，半峰全宽(FWHM)成为窄的特性，因此在该情况下也能够得到仅通过一个干涉滤波器无法呈现的特性。
(其他实施方式)
使用图4对其他实施方式所涉及的气象观测激光雷达用接收光系统2的结构进行说明。此外，对于与上述的实施方式共通的结构，适当省略说明。图4是表示气象观测激光雷达用接收光系统2的其他实施方式的结构的示意图。
图4是其他实施方式的气象观测激光雷达的分光部的结构例。在该例中，不使用分色镜，仅通过干涉滤波器分离、提取拉曼散射光。此外，在该例中，关于干涉滤波器的排列方式，只要是能够分离波长的结构，就能够进行顺序的调换。
即，根据从作为拉曼信号接收光光学部的望远镜20、光圈21入射的拉曼信号λ(λ)，通过分色镜221(221A～221C)使特定波长(λ1～λ4)反射，并通过干涉滤波器222(222A～222D)进行检测。
干涉滤波器222A提取中心波长295nm的水蒸气(H2O)分子的拉曼散射光(λ1)，干涉滤波器222B提取中心波长284nm的氮(N2)分子的拉曼散射光(λ2)，干涉滤波器222C提取中心波长278nm的氧(O2)分子的拉曼散射光(λ3)。另外，干涉滤波器222D与实施方式1同样地设置为接收由气溶胶等弹性散射掉的光(米氏散射光)的通道。
关于干涉滤波器222的特性等、其他的结构，由于与上述的实施方式相同，因此省略。
根据以上那样的其他实施方式，通过在分光部使用干涉滤波器，透射波长与希望阻止的波长的分离变得容易。特别是在UVC区域中几乎不受太阳光的影响，因此不需要窄的透射频带的干涉滤波器，能够使用制造难易度低且透射率也高的透射频带宽的干涉滤波器，不会受到杂散光的影响，能够提高激光雷达的性能。
(其他变形例)
以上说明的实施方式用于使本发明容易理解，并不用于对本发明进行限定解释。实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状及尺寸等并不限定于例示的内容，可以适当变更。另外，能够将在不同的实施方式中示出的结构彼此局部地置换或者组合。
此外，激光的波长优选为266nm，但在使用了比其长的波长的激光的情况下虽存在一定的差异，但能够得到同样的效果。作为长的波长的例子，有YAG激光的3倍波的波长355nm、2倍波532nm、准分子激光的248nm、308nm、351nm等。
附图标记说明
1：发送系统；2：接收系统；20：望远镜；21：光圈；22：分光部；221、221A～221C：分色镜；222、222A～222D：干涉滤波器；23：信号处理部；100：气象观测激光雷达。

Claims (5)

1.一种气象观测激光雷达用接收光系统，是向空中照射UVC区域的特定波长的激光并观测所产生的散射光的气象观测激光雷达用接收光系统，其特征在于，
所述气象观测激光雷达用接收光系统具备从入射的光中对特定的波长进行分光的分光部，
所述分光部具备干涉滤波器，
所述干涉滤波器设置有中心波长不同的氮分子的拉曼散射光用和水蒸气分子的拉曼散射光用，
所述氮分子的拉曼散射光用的半峰全宽为5nm以下，
水蒸气分子的拉曼散射光用的半峰全宽为1.2nm以下。
2.根据权利要求1所述的气象观测激光雷达用接收光系统，其特征在于，
所述干涉滤波器还设置有氧分子的拉曼散射光用，
所述氧分子的拉曼散射光用的半峰全宽为5nm以下。
3.根据权利要求1或2所述的气象观测激光雷达用接收光系统，其特征在于，所述干涉滤波器由多个构成。
4.根据权利要求3所述的气象观测激光雷达用接收光系统，其特征在于，所述多个干涉滤波器中的至少一个与其他干涉滤波器相比，中心波长相同，半峰宽度不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气象观测激光雷达用接收光系统，其特征在于，
所述气象观测激光雷达用接收光系统具备从入射的光中使特定波长的光反射并使其他波长的光透射的分色镜，
通过所述分光部对由所述分色镜反射的光进行分光。
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