JP2005077347A

JP2005077347A - 大気計測用レーザレーダ装置

Info

Publication number: JP2005077347A
Application number: JP2003311017A
Authority: JP
Inventors: Yukio Akamatsu; 幸生赤松; Masahiro Setojima; 政博瀬戸島; Takao Kobayashi; 喬郎小林
Original assignee: Kokusai Kogyo Co Ltd
Current assignee: Airport Facilities Co Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP4695827B2

Abstract

【課題】大気中の温暖化ガスを精度良く計測する大気計測用レーザレーダ装置を提供すること。
【解決手段】航空機７にレーザレーダ装置を搭載し、矢視Ｙ方向に移動しながら大気中の温暖化ガス１に対して、レーザ光をスキャニングする。計測手法は、地表面を地物ターゲットとしてその反射光を光受信器で受信し、レーザ光源と地物間の大気成分濃度を計測する長光路吸収レーザレーダ法を使用する。温暖化ガスは、特定波長の光を選択的に吸収するので、吸収波長（オン波長）のレーザ光と同時に隣接する非吸収波長（オフ波長）のレーザ光を大気中に照射し、大気透過後の強度を測定して両者の比率を求め、温暖化ガスの大気中濃度を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気中の温暖化ガスを精度良く計測する大気計測用レーザレーダ装置に関する。

大気中に浮遊するエアロゾロを、レーザレーダ装置により計測する技術が特許文献１に記載されている。図１４は、特許文献１に記載されたシステム構成図である。図１４のシステムは、パルス発振のレーザー装置（２）、大気中に向けて広いビーム拡がりでレーザービームを照射する出射レーザービーム光学系（３）、遠方からのレーザーエコー光を選択するフィルター等の光選択素子を備え、かつ広範囲に２次元光検出素子面上に集光する光学系（４）、高速ゲート掃引機能を有する２次元受光検出器（５）、システム全体を制御するシステム及び検出器で得られたデータを解析し画面上に映し出す解析システム（１）から構成される。

大気中には、産業用工場（９）から、または自然に放出されたエアロゾル群（７）等がある程度の高さに拡がりを持って分布する。それに向けて、レーザー装置より比較的ビーム拡がりの広いパルスレーザー光（６）をその領域に対して広範囲に照射する。このパルスレーザー光照射により大気中に分布するエアロゾル群（７）からのレーザーエコー光（８）が後方散乱によってレーザー装置の方向に戻ってくる。この光を望遠鏡等の集光光学系（４）により、高感度ＣＣＤ素子等の２次元受光検出器（５）の光検出面上に結像する。

ＣＣＤ素子ピクセルを２次元に配列し、多数の各ピクセル信号量を２次元画面上に表すと、レーザー出射地点から大気中のエアロゾル方向を見たときの大気中に３次元的に分布するエアロゾル群を２次元に圧縮した２次元空間分布が得られる。またこの信号量の全体量から、その方向にあるエアロゾル量を推定することができる。

特開２００２−２５０７６９号公報

近年、大気中に蓄積されてきたＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｎ_２Ｏ等の温暖化ガスの影響による地球温暖化が、現実的かつ身近な問題として顕在化しつつある。このため、全世界の連携による温暖化ガス削減対策が急務とされている。このような機運の中で、１９９７年には温暖化防止に向けての議定書（京都議定書）が採択された。

この議定書によって、各国政府は温暖化ガスの排出量を削減し、その結果を透明かつ検証可能な方法で提示することが求められている。一方、京都議定書の目標達成を現実的なものとするために、排出量の取引を行うこととした、いわゆる「京都メカニズム（排出権取引・共同実施・ＣＤＭ）」が導入され、排出権取引や森林の吸収源取引（国内・国外）が動き始めている。

それに伴い、温暖化ガスの空間分布計測に基づく排出量算定、排出量認証、森林のＣＯ_２吸収量認証、森林バイオマス量計測といった新しい事業ニーズが胎動している。このように、国から、実際に温暖化対策の担い手となる自治体、企業などの個別機関によるプロジェクトに至るまで、さまざまなレベル・分野において、広域にわたる温暖化ガスの空間分布を効率的に計測する方法が求められているが、現時点ではこの目的に対応できる技術が世界的にみても存在しない。

すなわち、特許文献１に記載された従来例においては、大気観測レーザレーダは地上固定点での観測を前提としていた。しかしながら、地上固定点からの計測では、遮蔽物の存在等により測定可能な範囲が限られ、地球温暖化現象の解明に不可欠な、広域にわたる温暖化ガス濃度の、同時的、効率的測定に対応できないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するものであって、大気中の温暖化ガスを効率的に精度良く計測する大気計測用レーザレーダ装置の提供を目的とする。

そのために本発明の大気計測用レーザレーダ装置は、移動体に搭載され、特定波長の光を選択的に吸収する大気成分の吸収波長（オン波長）のレーザ光と同時に、前記オン波長帯に隣接する非吸収波長（オフ波長）のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を大気中にスキャンするスキャナと、反射ターゲットからのレーザ光の反射光を受光する手段と、前記移動体の位置、姿勢の計測手段と、前記オン波長およびオフ波長の反射光の強度比計測手段と、前記強度比計測手段で得られたデータに基づき大気中の温暖化ガス濃度を算出する手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、前記大気中の温暖化ガス濃度を計測位置の地図座標にマッピングする手段を設けたことを特徴とする。さらに本発明は、前記大気中の温暖化ガス濃度の空間分布データの作成手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、前記移動体により空中から大気中の温暖化ガス濃度を計測することを特徴とする。

また、本発明は、前記移動体は車両であることを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザ光源からレーザ光を出射し、反射ターゲットからのレーザ光の反射光を受光して、長光路吸収レーザレーダ法により大気中の温暖化ガス濃度を計測することを特徴とする。

また、本発明は、前記大気中の温暖化ガスはメタン（ＣＨ_４）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）のいずれかであり、それぞれの温暖化ガスに対して特定の前記オン波長のレーザ光と同時に、前記オン波長に隣接するオフ波長のレーザ光を出射することを特徴とする。

本発明は、移動体からレーザ光を大気中に出射して温暖化ガス濃度を計測している。このため、遮蔽物の存在等により測定可能な範囲が限定されることがなく、広域にわたる温暖化ガス濃度を同時的、効率的に測定することができる。また、大気中の温暖化ガス濃度を計測位置の地図座標にマッピングする手段を設けているので、温暖化ガス濃度の分布を地図情報として確認することができる。さらに本発明は、前記大気中における温暖化ガス濃度の空間分布データの作成手段を設けているので、大気中の温暖化ガス濃度を２次元データとして表示することもできる。

また、本発明は移動体から温暖化ガス濃度を計測するので、レーザ光源と反射ターゲット間の距離を例えば０.１〜２ｋｍの長い距離とすることができる。このため、大気中の温暖化ガス分子の分布が希薄な場合でも、前記分子の吸収量の積算値が大きくなり、温暖化ガス濃度を精度良く計測することができる。

また、本発明は前記移動体により空中から大気中の温暖化ガス濃度を計測している。このため、都市部のみならず、海上や河川、湖沼、山間部などのように、アプローチが困難なあらゆる地形の大気中の温暖化ガス濃度を計測することが可能となる。

また、前記移動体として車両を用いる場合には、車両が走行可能で建物等の反射ターゲットが存在する範囲において比較的簡単に水平〜斜め上方の大気中の温暖化ガス濃度を計測することができる。

また、本発明のレーザレーダ装置において使用される長光路吸収レーザレーダ法による計測は、建造物や地表面や水面等の粗面反射体（散乱体）を用いて温暖化ガス濃度の空間平均値を測定するものである。このため、森林域等の屋外を対象に高感度で高効率な温暖化ガス計測が可能となる。

また、本発明のレーザレーダ装置においては、大気中の温暖化ガスとして重要な分子であるメタン（ＣＨ_４）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）のいずれかについて、それぞれ吸収係数が大きく、かつＨ_２Ｏの吸収の少ない特定の波長を選定している。このため、大気中の温暖化ガス濃度を効率的に計測することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、大気中の温暖化ガスを精度良く計測する大気計測用レーザレーダ装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１３は、本発明が対象とするレーザ計測法についての測定原理を示す概略の説明図である。図１３（ａ）は長光路吸収法を示している。この方法は、レーザ光源１００から出射されるレーザ光を、ＣＯ_２（二酸化炭素）やＣＨ_４（メタン）、Ｎ_２Ｏ（亜酸化窒素）等の浮遊物１１０が浮遊している大気中を通過させて、リトロリフレクタ等の光学素子１０２で反射させる。反射光を光受信器１０１で受光し、レーザ光源とミラー間の大気成分濃度（平均値）を計測する。λ_ｏｎ、λ_ｏｆｆは、それぞれ大気中の浮遊成分によるレーザ光の吸収波長およびそれに隣接する非吸収波長である。このように、長光路吸収法は、光路中の吸収量の積算値と光路長のデータから距離平均値を導出するものである。

図１３（ｂ）は、長光路吸収レーザレーダ法を示している。この方法は、地物（地表面、建物等）を反射ミラーの代わりとして地物ターゲット１０３とする。地物ターゲット１０３からの反射光を光受信器１０１で受信し、レーザ光源と地物間の大気成分濃度（平均値）を計測する。図１３（ｃ）は、差分吸収ライダー法を示している。この方法は、ＤＩＡＬとも呼ばれており、大気中のエアロゾル（チリ等）散乱体１１０を反射ミラーの代わりとし、距離別の反射光吸収量から、大気成分濃度の三次元分布を求めるものである。このように、図１３（ａ）〜（ｃ）に記載されている手法によりレーザ光を用いて大気成分濃度を計測することができる。

この中で、（ａ）の長光路吸収法と（ｃ）の差分吸収ライダー法は、移動計測が不能または装置が大型となり容易でなくなるのに対して、（ｂ）の長光路吸収レーザレーダ法は、小型の装置で移動計測に適した手法である。本発明は、（ｂ）の長光路吸収レーザレーダ法により、大気中の温暖化ガスを計測するものである。その理由について説明する。

空間的な濃度差が微小である温暖化ガスの濃度分布を計測するには、センサと反射ターゲット間の長距離大気中におけるレーザ光の吸収量の積分値を利用して微小な濃度差を検知できる、長光路吸収レーザレーダ法が適している。

また、時間変化が早い温暖化ガスの濃度分布を広域にわたり計測するには、高速の移動体に計測器具を搭載してターゲットを選ばず面的な計測を行う必要があるが、この点でも地表面や建物などのあらゆる屋外地物を反射ターゲットにできる長光路吸収レーザレーダ法が計測手段として適している。

ところで、大気微量分子成分は、波長１〜１５μｍの赤外域に分子の振動及び回転エネルギー遷移による極めて多数の特徴的な吸収スペクトルを有している。衛星搭載などのパッシブ光センサでは、この広い赤外波長域での吸収スペクトルを利用することにより多種類の分子の測定ができる。また、数１０ｋｍ〜数１００ｋｍの極めて長光路での計測が可能なため、高感度特性が実現されている。ところが、パッシブ法では空間分解能や高度分解能が数ｋｍに限定されている。

これに対してレーザレーダによるアクティブ法では、高い空間分解能が可能である。また、レーザレーダでは、大気微量分子の吸収線のスペクトル幅以下の単一周波数動作より吸収線1本を選択して測定を行う。このような測定を行なうことにより、水蒸気など他の分子の強い吸収と重ならないようにすることが可能となる。

そこで、分子吸収線のデータベース（ＨＩＴＲＡＮ９６）を使用し、微量分子の吸収スペクトルの計算を行った。ここで、大気の圧力による広がりをローレンツスペクトル関数とした。また、水蒸気は、気温２６℃で湿度６０％（１７．５Ｘ１０^３ｐｐｍ）の状態を仮定し、標準大気モデル（晴天大気状態）によるレーザ光の減衰を考慮して解析した。

次に、大気微量分子の吸収係数の選定について例を挙げて説明する。メタン（ＣＨ_４）は、温室効果ガスの中で最も重要な分子の１つである。計測では、吸収係数が大きく、Ｈ_２Ｏの吸収のない波長を選定しなければならない。したがって、3.５μ帯の吸収線について検討した。測定に使用可能と思われる吸収線はＰ（７）、Ｐ（９）、Ｐ（１０）、Ｐ（１２）ブランチと呼ばれる振動回転吸収線である。その中で、最も吸収係数の大きいＰ（７）ブランチをＣＨ_４の吸収波長に利用可能である。大気中の平均的なＣＨ_４の濃度は１.６ｐｐｍである。

図７は、ＣＨ_４（実線）とＨ_２Ｏ（点線）の吸収線の特性を示す特性図である。この特性図は、散乱体までの距離を１５０ｍとしたときのＣＨ_４におけるＰ（７）ブランチの透過率を示すものである。図７の実線は、大気中ＣＨ_４のＰ（７）ブランチの吸収線を示し、点線はＨ_２Ｏの吸収線を示している。この結果から、吸収のある最小の透過率は６０％となり、Ｐ（７）ブランチでのＣＨ_４の濃度はＨ_２Ｏに依存せず、十分測定できると考えられる。

図８は、ＣＯ_２（実線）とＨ_２Ｏ（点線）の吸収線の特性を示す特性図である。ＣＯ_２は、温暖化ガスの中で最も重要な分子の1つで、温暖化に寄与する割合が最も大きい。大気中の平均的な濃度３６０ｐｐｍとした場合の吸収線の特性図を図８に示す。ターゲットの距離を１５０ｍ、気温２６℃、湿度６０％として解析した。図８の例では、水蒸気の吸収線と重なっていないＣＯ_２の吸収線は２μｍ帯に存在し、最も吸収強度の大きい波長は２．００４μｍ付近に存在している。

図９は、Ｎ_２Ｏ（実線）とＨ_２Ｏ（点線）の吸収線の特性を示す特性図である。Ｎ_２Ｏは、温暖化ガスの1つで、大気中の平均的な濃度は０.３ｐｐｍである。図９には、ターゲットの距離を１５０ｍ、気温２６℃、湿度６０％とした場合の透過率を示す。４.５μｍ帯に強い吸収があり、水蒸気との吸収線との重なっていないＮ_２Ｏの吸収線も存在し、最も吸収強度の強い波長は４.５４μｍに存在する。

表１は、図７〜図９で説明した温暖化ガス（大気微量分子ガス）についての吸収波長と吸収係数の解析結果を示すものである。なお、表１の数値は例示であり、本発明において、吸収波長と吸収係数はこれらの数値に限定されるものではない。

従来の大気観測レーザレーダは地上固定点での観測を前提としていた。しかしながら、地上固定点からの計測では、遮蔽物の存在等により測定可能な範囲が限られる。このため、前記したように地球温暖化現象の解明に不可欠な、広域にわたる温暖化ガス濃度の、同時的、効率的測定に対応できないという課題があった。

そこで、本発明においては、小型レーザ光源を用いたレーザレーダ装置を車両や航空機（プラットフォーム）に搭載し、移動しながら広域の温暖化ガスを短時間で効率的に測定することを特徴としている。具体的には、移動しながらレーザ光を大気中に照射し、地表面や建物等の地物で反射されるレーザ光をとらえて、前記長光路吸収レーザレーダ計測の原理により、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｎ_２Ｏ等の温暖化ガス濃度を遠隔測定している。

図１は、本発明の概略構成を示す図である。図１（ａ）は計測処理する際の側面図、（ｂ）は平面図である。図１において、１は温暖化ガス、２は大気計測の対象領域、３はレーザ光のスキャニングによる面的計測動作範囲、４はレーザ光路上の大気成分の平均濃度計測動作範囲、５はレーザ光のスキャンライン、６は計測点、７はレーザ光源を搭載している移動体を示している。

図２は、レーザ光源を搭載している移動体が車両８である場合の説明図である。車両８から出射されるレーザ光１０を、建造物１５で反射させている。図３は、レーザ光源を搭載している移動体がヘリコプター９である場合の説明図である。ヘリコプター９から出射されるレーザ光１１を、地面１２で反射させている。

図２のようにレーザ光源を搭載している移動体が車両の場合には、車両が走行可能な範囲において比較的簡単に大気中の温暖化ガス濃度を計測することができる。また、図１、図３のように航空機やヘリコプターのように空中から大気中の温暖化ガス濃度を計測する場合には、都市部のみならず、海上や河川、湖沼、山間部などのように、アプローチが困難なあらゆる地形の大気中の温暖化ガス濃度を計測することが可能となる。

このように、本発明においては、パルスレーザ光の照射で、センサと地物間における温暖化ガスの平均濃度を測定し、また、スキャナを組み合わせてレーザ光をスキャンすることにより、温暖化ガスの空間分布（面的な分布）を測定する。さらに、レーザレーダ装置を搭載した航空機や車両などの移動体の位置・姿勢計測機構を組み合わせることにより、測定値の位置を地図座標にリンクさせ、地図上にマッピングされた温暖化ガスの空間分布データを得ている。

図４は、本発明のレーザレーダ装置を示すブロック図である。本発明のレーザレーダ装置は、計測ユニット３０と処理ユニット４０で構成される。計測ユニット３０には、レーザレーダ装置を搭載する航空機や車両などの移動体の位置、姿勢を計測する計測手段３１が設けられている。この計測手段３１としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）やＩＭＵ（Inertia Measurement Unit）が用いられる。

レーザ光源３２から出力されるレーザ光は、スキャナ３３でＸａのようにスキャンしながらレーザ光を温暖化ガス１に照射する。温暖化ガス１に照射されたレーザ光は、地表や建物などの反射ターゲット１５で反射され、反射光Ｘｃとしてスキャナ３３を通し、Ｘｂのように進行して望遠鏡３４に導入される。望遠鏡３４に導入された反射光は、光検出器３５で電気信号に変換され、オン、オフ波長（吸収、非吸収）の強度比計測手段３６に入力される。

処理ユニット４０の大気測定データ位置の算出部４１には、前記移動体の位置、姿勢を計測する計測手段３１からの計測信号が入力される。また、算出部４１にはスキャナ３３のレーザ光出射角度、すなわち、観測角度データＸｄが入力される。温暖化ガス濃度の算出部４２には、前記強度比計測手段３６からの計測データが入力される。

次に、大気測定データ位置の算出部４１で得られた信号と、温暖化ガス濃度の算出部４２で得られた信号に基づいて、マッピング処理部４３で測定データの地図座標へのマッピング処理を行なう。続いて、データ作成部４４で温暖化ガスの空間分布データを作成する。このように、マッピング処理を行なうことにより、温暖化ガス濃度の２次元空間分布を地図情報として確認することができる。

図５は、本発明のレーザレーダ装置の一例を示す概略説明図である。図５において、５０はヘリコプター室内に配置される制御部、６０はレーザヘッド部ケースで、防振台８０を介してヘリコプター支柱８１に固定される。レーザレーダ装置を搭載したヘリコプターは、地面８５の上空、例えば高度０.１〜２ｋｍを飛行して温暖化ガスの計測を行なう。なお、図５では測定高度を例えば０.１〜２ｋｍとしているが、本発明においては対流圏全体を対象として高度１０ｋｍ程度からの計測も可能である。

このように、本実施形態においては移動体と反射ターゲットとの距離を例えば０.１〜２ｋｍの長い距離としている。このため、大気中の温暖化ガス分子の分布が希薄な場合でも、前記分子と距離との積算値が大きくなり、温暖化ガス濃度を精度良く計測することができる。

制御部５０には、ヘリコプターの位置、姿勢を計測する前記ＩＭＵ５１、ＧＰＳ５２が設けられており、計測データをＣＰＵ５３に入力する。ディジタルメモリ５４には、反射光のデータ（温暖化ガスの計測データ）が記憶される。光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）６４の励起用パルスレーザ６１には、レーザ電源５７と冷却用のチラー５６が設置されている。また、文字や数値を入力するキーボード５８、温暖化ガスの空間分布などを表示するディスプレイ５９が設けられている。

レーザ電源５７は、Ｎｄ：ＹＬＦ（ネオジウム：リチウム、イットリウム、フルオライド、ネオジウムイルフレーザ）励起用パルスレーザ６１を駆動する。なお、励起用パルスレーザ６１はネオジウムイルフに代えて、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：イットリウム、アルミニウム、ガーネット、ヤグレーザ）を用いる構成としても良い。

ＯＰＯ６４は、励起用レーザ光を非線形結晶などの特殊な結晶に入射すると、波長の異なる２つのレーザ光に変換するもので、いずれかの波長が測定する分子の吸収のオンおよびオフ波長に相当するレーザ光を発生するものである。

このＯＰＯ６４の材料は、例えばＰＰＭｇＬＮ結晶を使用する。ＰＰＭｇＬＮは、疑似位相整合型の非線形光学結晶ニオブ酸リチウム結晶にＭｇＯを添加した、波長変換のための結晶である。ＬＤシーダ６２は、半導体レーザダイオード（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）により、ＯＰＯ６４の出力波長（この例では２.０μｍ）のレーザ光を発振させ、ＯＰＯ発振光の波長制御を行なう。ＬＤシーダ６２で発振された制御用レーザ発振光は、レンズやミラーなどの光学素子６３を通してＯＰＯ６４に入射する。ＯＰＯ６４から出力されるレーザ光は、励起光ブロッキングフィルタ６５により励起光がカットされ、波長２.０μｍのレーザ光を透過させる。

励起光ブロッキングフィルタ６５を透過した波長２.０μｍのレーザ光は、ミラー６６、６７で反射されて光路を変更し、スキャナ６８に入射される。スキャナ６８のスキャニングミラー６８ｂは、軸６８ａを中心として矢視Ｒ方向に回動する。レーザヘッド部ケース６０には、レーザビーム出射窓６９が設けられており、レーザ光を例えば掃引角θ＝６０°の範囲でスキャンする。

レーザビーム出射窓６９から出射されるレーザ光は、大気中の温暖化ガスを通過して地面８５を反射ターゲットとして反射される。この反射されたレーザ光は、テレスコープ７０に入力される。テレスコープ７０の光軸上には反射鏡などの光学素子７４が設けられており、テレスコープ７０に入力されたレーザ光を集光し、背景光カットフィルタ７１を通して光検出器７２に入力する。光検出器７２で検出された反射光を光電変換して、電気信号をプリアンプ７３で増幅し、ディジタルメモリ５４に反射光のデータ（温暖化ガスの計測データ）を記憶させる。

制御部５０の制御装置５５は、前記パルスレーザ６１、ＬＤシーダ６２、ＯＰＯ６４を制御して、所定のレーザ光を発振させる。また、ＣＰＵ５３により温暖化ガスの計測データおよびヘリコプターの位置、姿勢データを処理し、前記温暖化ガスの空間分布データを作成する。作成された温暖化ガスの空間分布データは、ディスプレイ５９に表示させる。また、温暖化ガスの空間分布データは図示を省略したＲＡＭなどの記憶素子に記憶させる。なお、制御部５０には、動作プログラムが格納されているＲＯＭなどの記憶素子も設けられている。また、記憶手段としては、ＲＡＭやＲＯＭの他にハードディスクを用いることもできる。

図６は、本発明によるレーザレーダ装置により計測されたデータに基づいて作成された、温暖化ガスの空間分布マッピングの例を示す説明図である。この例は、ある地方都市の地図上に、計測された温暖化ガスの濃度分布を濃淡により示している。都心部および道路沿いのＡ、Ｂ、Ｃのエリアでは温暖化ガスの濃度が濃く、山間部などでは温暖化ガスの濃度が薄く示されている。

本発明の好適な実施形態においては、「屋外」での「移動体」からの温暖化ガスを始めとした「大気計測」を行なうレーザレーダ装置を対象としている。本発明においては、レーザレーダ装置に係わる新要素技術を含めたトータルなシステム、すなわち、移動体計測の基本的要素を盛り込んだ、レーザレーダ装置による大気計測用システムを提供するものである。

本発明においては、位置同定のための機構として、ＧＰＳ、ＩＭＵを備える。航空機等の移動プラットフォームにレーザレーダ装置を搭載し、プラットフォームの移動と、移動方向とは垂直方向への高速スキャニングを組み合わせることにより、大気成分濃度の面的計測を行う機構を備える。屋外での温暖化ガスの移動体からの面的計測に必要な、レーザレーダ装置側の構成を組み込んでいる。これらの構成を移動体からの大気計測用レーザレーダに適用したところに本発明の新規な特徴を有している。

本発明のレーザレーダ装置は、隣接するオン、オフ波長のレーザ光発振を精密に制御するため、ＯＰＯによる厳密な波長コントロール、出力安定性の確保を図っている。屋外での使用においては安全を確保するため、赤外域のアイセーフ波長（目に危害を加えない波長）を用いることとしている。また、屋外での面的大気計測、温暖化ガス等の微量気体計測に対応するため、前述の地表面や建物等を反射ターゲットとした長光路吸収レーザレーダ法を採用している。

この長光路吸収レーザレーダ法は、建造物や地表面や水面等の粗面反射体（散乱体）を用いて温暖化ガス濃度の空間平均値を測定するもので、森林域等の屋外を対象に高感度で高効率な温暖化ガス計測が可能という特徴を有する。移動計測では移動プラットフォームに搭載し運用するため、機動性を確保する必要があり、マイクロチップレーザ等を用いて光源部分の小型、軽量化を図っている。

以上の説明では、温暖化ガスの計測を対象としているが、この技術は、レーザ光源を工夫することによりその他の大気成分（有害排出物質：ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、ＣＯ等による広域環境汚染など）の測定にも応用できるものである。

図１０は、ガスセルを用いてメタン（ＣＨ_４）を測定する例を示すブロック図である。ＯＰＯ９１からは、中心波長が例えば３.３９μｍのレーザ光を発振する。このレーザ光は、バンドパスフィルタ９２で所定波長を透過し、ビームスプリッタ９３で分岐させる。ビームスプリッタ９３で分岐された一方のレーザ光は、メタンが封入されているガスセル９４に導入される。ガスセル９４を通過したレーザ光は、レンズ９５で集光されてホトダイオード（ＰＤ）９６で検出される。また、ビームスプリッタ９３で分岐された他方のレーザ光はミラー９７で反射されて、レンズ９８で集光され、ホトダイオード（ＰＤ）９９で検出される。

このように、図１０の例では、ホトダイオード（ＰＤ）９６は、計測対象のメタンガスを封入した吸収量測定用ガスセル９４を介した入射光の強度検出器として機能する。また、ホトダイオード（ＰＤ）９９は、レーザ発振光の強度検出器として機能している。

上記レーザ発振光の強度検出器９９及び入射光の強度検出器９６の検出信号は、図示を省略した処理装置に入力される。処理装置は、ＯＰＯ９１の発振波長を計測対象であるメタンガスのオン／オフ波長に一致させるような制御を行なう。このようにして、ＯＰＯ９１の発振波長を計測対象であるメタンガスのオン／オフ波長に一致させるので、高精度で高感度の計測性能を維持することができる。

測定の際には、ガスセル内を真空状態にした後、測定分子であるメタンを封入し、圧力を下げることで濃度を変化させた。セルの長さは０.２ｍである。ＯＰＯ９１の発振波長は、１.５μｍ波長のレーザダイオード（ＬＤ）の電流値を変調することにより、シグナル光の周波数を変化させ、アイドラ光の発振周波数を変化させて変調した。アイドラ光の発振周波数は、ＯＰＯ９１を構成している共振器のＦＳＲ＝１.４ＧＨｚ間隔で離散的に変化させた。

図１１は、図１０に示したガスセル９４内のメタンの濃度を４.８×１０^３ｐｐｍとしたときの、Ｐ（７）ブランチによるＣＨ_４の吸収スペクトルを示す特性図である。点線がＨＩＴＲＡＮ９６による理論値で、実線がガスセルによる実験値を結んだ吸収スペクトルである。また、このときの吸収係数は最大で１.３×１０^３ｐｐｍ^−１ｍ^−１である。

図１２は、大気メタンの測定結果を示す特性図である。図１２は、アイドラ光の波長を変化させて建物廊下でのメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示している。ターゲットとしてはコーティングされた木板を用い、パルスの積算回数はｎ_ｓ＝１０^３回として、受信信号のＳＮＲ＝１０^２（測定精度1％）が得られた。ガスセルによるメタンの吸収スペクトルの測定結果から、メタンの吸収係数１.３×１０^３ｐｐｍ^−１ｍ^−１を用いると、濃度１.７ｐｐｍが得られ、平均的な大気メタン濃度１．６ｐｐｍと近いことが分かった。

このように、ガスセルおよび屋内大気を用いたＣＨ_４濃度の実験計測を行った結果から、レーザレーダによる吸収スペクトル計測値が理論値とほぼ一致していることが確認された。また、屋内大気を用いた計測では、前記のように、ＣＨ_４濃度測定値１.７ｐｐｍが得られ、平均的な大気中濃度１.６ｐｐｍに近い値が得られた。なお、分子濃度（この例ではＣＨ_４濃度）は、オフ波長およびオン波長の受信電力の比、吸収係数の差分値をパラメータとして計算で求めることができる。

図１０のガスセルは、本発明のレーザレーダ装置による大気中の温暖化ガスを計測するシステムの動作を検証するために用いている。図１０の例ではセルの長さは０.２ｍであるが、ガスセル内には大気中における数千倍の濃度のメタンを充填している。このため、例えば図５に示したように、実際の大気中における計測の際の反射ターゲットまでの距離を０.１〜２ｋｍとして、大気中における温暖化ガス濃度の見掛け上の積算を増大させていることと等価となる。すなわち、温暖化ガス濃度と計測距離との積算値は、図１０の例と図５の例では等価とみることができる。

本発明により、移動体に搭載したレーザレーダ装置により大気中の温暖化ガスを計測する大気計測用レーザレーダ装置が提供される。

本発明によるレーザレーダ装置の概略構成を示す図である。レーザ光源を搭載している移動体が車両である場合の例を示す説明図である。レーザ光源を搭載している移動体がヘリコプターである場合の例を示す説明図である。本発明のレーザレーダ装置を示すブロック図である。本発明のレーザレーダの一例を示す概略説明図である。本発明によるレーザレーダ装置による温暖化ガスの空間分布マッピングの例を示す説明図である。ＣＨ_４（実線）とＨ_２Ｏ（点線）の吸収線の特性を示す特性図である。ＣＯ_２（実線）とＨ_２Ｏ（点線）の吸収線の特性を示す特性図である。Ｎ_２Ｏ（実線）とＨ_２Ｏ（点線）の吸収線の特性を示す特性図である。ガスセルを用いてメタン（ＣＨ_４）を測定する例を示すブロック図である。ガスセルに収納されたメタン（ＣＨ_４）の分子吸収スペクトル測定結果を示す特性図である。大気メタンの測定結果を示す特性図である。本発明が対象とするレーザ計測法についての測定原理を示す概略の説明図である。従来例のシステム構成図である。

符号の説明

１・・・温暖化ガス、２・・・大気計測の対象領域、３・・・レーザ光のスキャニングによる面的計測範囲、４・・・レーザ光路上の大気成分の平均濃度計測範囲、５・・・レーザ光のスキャンライン、６・・・計測点、７・・・移動体、３０・・・計測ユニット、４０・・・処理ユニット、５０・・・制御部、５７・・・レーザ電源、６０・・・レーザヘッド部ケース、６１・・・パルスレーザ、６４・・・ＯＰＯ（光パラメトリック発振器）、６８・・・スキャナ、７０・・・テレスコープ

Claims

移動体に搭載され、特定波長の光を選択的に吸収する大気成分の吸収波長（オン波長）のレーザ光と同時に、前記オン波長に隣接する非吸収波長（オフ波長）のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を大気中にスキャンするスキャナと、反射ターゲットからのレーザ光の反射光を受光する手段と、前記移動体の位置、姿勢の計測手段と、前記オン波長およびオフ波長の反射光の強度比計測手段と、前記強度比計測手段で得られたデータに基づき大気中の温暖化ガス濃度を算出する手段とを有することを特徴とする、大気計測用レーザレーダ装置。
前記大気中の温暖化ガス濃度を計測位置の地図座標にマッピングする手段を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の大気計測用レーザレーダ装置。
前記大気中の温暖化ガス濃度の空間分布データの作成手段を設けたことを特徴とする、請求項２に記載の大気計測用レーザレーダ装置。
前記移動体により空中から大気中の温暖化ガス濃度を計測することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の大気計測用レーザレーダ装置。
前記移動体は車両であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の大気計測用レーザレーダ装置。
前記レーザ光源からレーザ光を出射し、反射ターゲットからのレーザ光の反射光を受光して、長光路吸収レーザレーダ法により大気中の温暖化ガス濃度を計測することを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の大気計測用レーザレーダ装置。
前記大気中の温暖化ガスはメタン（ＣＨ_４）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）のいずれかであり、それぞれの温暖化ガスに対して特定の前記オン波長のレーザ光と同時に、前記オン波長に隣接するオフ波長のレーザ光を出射することを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の大気計測用レーザレーダ装置。