JP2006512584A - 気体速度センサ - Google Patents

Abstract

本発明は航空機上で使用するための空気速度センサのような気体速度センサであって航空機の速度を測定するものに関し、イ）気体を照射するように動作可能な電磁放射源と、ロ）該気体から散乱された電磁放射を検出するように動作可能な光検出器；ハ）該気体と該光検出器とを結ぶ光経路と、ニ）該光経路上に置かれた干渉計であって、該干渉計は気体により散乱された電磁放射を受領するための入力と、干渉計が照射されるときに干渉パターンを生成するための出力とを有するものと、ホ）光経路上で干渉計の出力側に置かれた空間フィルタとから成る気体速度センサが提供される。該空間フィルタは干渉計により生成された干渉パターンに対応した構造を形成する相対的に透明な領域と相対的に不透明な領域を有する。

Description

この発明は、気体速度センサと、気体測度を測定する方法とに関する。とくにこの発明は空気の速度センサに関するものであり、このセンサは航空機上での使用にとくに適していて、それにより航空機の速度が測定できるものとなっている。

飛行中に航空機の速度を正確に測定することは、明らかに重要な問題点であり、機械的とか、光学的とか、電子的な技術によって数多くの異なる方法で達成されることが可能となっている。

最も簡単で、かつ最も普通に採用されている技術の１つは、ピトー管を使うものである。これは小さな管であって、これが航空機の正面から突出していて、航空機が飛行中に管内の空気圧力を測定するものである。空気に対する航空機の速度はこの空気圧から近似的な平方則関係(approximate square-law relationship)を用いて推定することができる。この方法は限定的な精度しか持っておらず、各種の効果について適応されるべき補正を必要とし、例えば、湿度，温度，その他不正確な速度読取りに通ずる流れを妨害するもの(flow disturbances)である。

電子技術は、グローバルポジションセンサ（ＧＰＳ）を採用して、設定時間間隔を読取るようにして、それにより速度が簡単な関係、すなわち速度は距離を時間で除したものに等しいという関係から見付けることができるようにしている。しかしながらこの技術は適切な精度を得るためには長い時間の累積を必要とする問題を負うことになるし、また衛星からのＧＰＳ信号の連続した利用可能性についての要件を満足しなければならない。加えて、この技術は、空気に対する相対速度というよりは慣性空間内の速度測定を与えるものであり、これらの速度間の差異は、例えば航空機が下流に飛んでいる失速（stall）速度のあたりでは重要な（critical）ものとなり得るのである。

上記の機械的及び電子的技術の欠点は空気速度検出についての光学的方法への関心を高めてきている。

光技術はすでに航空機ベースの空気速度センサ用にではなく、大気中での空気の流れの測定を測定するために使用される地上ベースのセンサとして開発されてきた。このようなセンサは、レーザ光が、空気分子や空気中の他の粒子（例えばエアロゾル）によって散乱されると、それが周波数のドップラシフトを受けることになるという原理で動作する。もっとも条件があって、空気速度センサと空気との間には相対的な動きがあるものとする。したがって、散乱されたレーザ光の周波数シフトの測定値はレーザビームの伝搬の方向での空気速度の成分の測定値を与えている。実用上は、大きなパワーのレーザビームが上方に投射されて、後方散乱した(backscattered)レーザ光が大口径の望遠鏡で集められて、高分解能の周波数分析器であるファブリィ−ペロー(Fabry-Perot)干渉計などに送られている。ファブリィ−ペロー干渉計により測定された周波数シフトΔｆはビーム方向に沿った空気速度Ｖと式（１）の関係があり、ここでλはレーザ光の波長である。

Δｆ＝２Ｖ／λ 式（１）
後方散乱光の強度はレーザにより生成された光の波長と、散乱粒子の性質とに大きく依存する。低い高度では、エアロゾルの濃度はその最高値であり、したがって後方散乱したレーザ光に対しては大きく作用している。しかしながら、エアロゾルの濃度は海面レベルと５０，０００フィート(この値は大部分の航空機にとっての最高動作高度である)との間では大きさが少くとも４桁(four orders)変化するものである。もし上述の形式の光センサがある航空機上で動作するように適応されるとすると、どんな高度でもまたどんな気候条件の下でも動作できるものでなければならない。したがって、散乱粒子の濃度は信頼性のある信号を維持するためにはできるだけ一定に留まることが求められる。

こういった背景に対抗して、第一の特徴からは、この発明は気体速度センサの中に存在し、このセンサは、気体を照射するように動作可能な電磁放射源と；該気体から散乱された電磁放射を検出するように動作可能な光検出器と；該気体を該光検出器と結ぶ（linking）光経路と；該光経路上に位置した干渉計であって、該気体により散乱された電磁放射を受けるための入力と該干渉計が照射されるときに干渉パターンを生成するための出力とを有しているものと；該光経路上で干渉計の出力側に位置した空間フィルタであって、該干渉計により生成された干渉パターンと対応している構造を形成する相対的に透明と相対的に不透明との領域を有する空間フィルタとを備えている。

この方法では、光検出器に入射する光の強度が監視できて、気体速度が推定される。これは、干渉計によって生成される干渉パターンが空間フィルタ上のパターンと一致する程度の変化となり、したがって、通過する電磁放射の量を変えられるようにするからである。干渉パターンは干渉計に入射する電磁放射の波長の関数として変り、したがって、気体のドップラ周波数の測定値となり、そこで気体速度センサに関する気体の速度となるのである。

ファブリィ−ペロー干渉計を使用するのが好ましいのではあるが、他の干渉計も採用できる。本質的には、空間フィルタ上に複製(replicated)できる干渉パターンを生成する干渉計はいずれも適当である。

選択的に、空間フィルタは、実質的に電磁放射源の波長の電磁放射で照射されたときに干渉計によって生成される干渉パターンに対応しているリング構造をもっている。ここでは、電磁放射が動いている気体から散乱されるときには、その波長は電磁放射源の波長の付近で僅かにシフトすることになり、それによって干渉計により生成される干渉パターンと空間フィルタ上のパターンとの間での不整合により部分的にのみ消滅することになりそうである。

選択的に、可動ミラーがファブリィ−ペロー干渉計内部で採用される。良く知られているように、ファブリィ−ペロー干渉計は一対の対面しているミラーを含んでいて互に電磁放射をはね返すようにしている。少くとも一方のミラーを可動にすると、ミラー間の間隔を変えることができる。その間隔を変えることは両者が生成する干渉パターンを変化させるのであって、言い換えるとリングの半径が増すか減るかである。便利なのは、ファブリィ−ペロー干渉計がさらに電気機械式のアクチュエータを備えることができて、圧電デバイスのようなアクチュエータは可動ミラーを動かすように動作可能である。

選択的に、電磁放射源は紫外光(ultra-violet light)を生成するように動作可能である。このことは空気速度センシングで使用するときに有利であり、それは散乱が紫外波長での空気分子により支配されているからである。このことが高度で変化する濃度に起因する問題を生じさせるエアロゾルからの散乱の効果を緩和する。紫外放射(Ultra-violet radiation)は好都合のものであり、それは空気分子からの散乱がレイレー(Rayleigh)散乱プロセスによって支配されていて、散乱光強度がλ^-4に比例していることである。ここでλは入射光の波長に対応している。好ましいのは、光源がニオジウム(neodymium)を備えたレーザであり、ＹＬＦレーザが特に好ましい。

選択的に、干渉計は一対のミラーを備え、またレーザはレーザ空洞を備えていて、ミラーの分離はレーザ空洞の長さを光が移動するのにかかる時間に光速を乗じたものに等しく設定される。この構成は以下の事実に対する緩和となっている。すなわち、大部分のレーザが密接に詰まった波長間隔で信号を生成するという事実であり、さもなければ干渉パターンの中に広い範囲の場所で明るい領域を作ることになり、強度のネット変化なしでなすりつけられている（smeared out）干渉パターンを形成するために実効的に重畳されるようになる。ミラー間隔をレーザ空洞の実効長と整合させることによって（光が実際の長さを移動するのにかかる時間と光速との積を用いることはレーザ空洞の部品の屈折率を変えることを補償する）、干渉計によって作られた明るい領域は干渉パターンと一致して構築する方向で加えるようにし、それによって互に強化される。ミラーの間隔が変化してもよい場合には、ミラーの平均間隔はレーザ空洞の実効長と整合がとられる。好ましいのは、レーザ空洞が結晶とＱスイッチを備えていて、入口(input)ミラーによって一端がまた出口(output)ミラーによって他端が画成されていることである。入口ミラーにとっては１．０６４μｍで反射性を、８１０ｎｍで透過性をもつのが有利である。選択的に、出口ミラーは半反射性であり、また気体速度センサはさらに非線形結晶と、フィルタとを備え、これが使用時には、出口ミラーによる光出力が先ず非線形結晶に入射し、次にフィルタに入射するようになっていて、ここでフィルタは第三高調波で実質的に光を透過し、かつ他の波長では光を排除するものとなっている。

選択的に、気体速度センサはさらに気体によって散乱された光を集めるためにレンズを備えている。これがいろいろな角度に向けて散乱される光が集められて干渉計に向けられることができるようにし、光のより大きな強度のものが気体速度センサを通って進むことを確かなものとする。好ましいのは、気体速度電磁放射は、さらに別のレンズを備えていて、実質的にコリメートされた（collimated）ビームを生成するのにあて、及び／又は狭帯域フィルタで光経路上で干渉計の入口側に置かれたものを備えている。この狭帯域フィルタは電磁放射源の波長と実質的に一致している波長をもつ電磁放射が、他の波長を排除してこの波長が通過できるようにする。これが比較的弱い散乱された電磁放射を他が支配的な背景から抽出できるようにする。

好ましいのは、気体速度センサはさらに干渉計により出射された電磁放射をフォーカスするためのレンズを備えていて、空間フィルタと一致している焦点面（focal plane）に向けてフォーカスする。これが干渉計によって生成された干渉パターンを空間フィルタにおけるフォーカスに持込むようにし、空間フィルタ上のパターンのよりよい整合が干渉計により生成された干渉パターン上に対してできるようにする。

選択的に、気体速度センサはさらに電圧計を備えていて、これが光検出器（photodetector）により生成された信号を測定するように動作可能となっている。好ましいのは、ゲートが光検出器から信号を受け、信号を電圧計に送るように構成されている。これが光検出器に入射する電磁放射が選択的なやり方で読取ることができるようにする。例えば、時間遅延が使用されることができ、この遅延は電磁放射源から光検出器までのある移動の時間(time of flight)に対応している。これは移動時間が気体速度センサから設定された距離で気体をサンプリングすることに対応することになるので、有用なことである。気体速度センサはゲート、例えばパルス発生器、を開くように動作可能な制御器を含んでいてもよい。好ましい実施例では、この制御器はパルス電磁放射出力を電磁放射源から生成するように動作可能である。これが電磁放射のパルスが電磁放射源によって生成される時と、光検出器が読取られる時との間のタイミング間隔の制御を可能としている。選択的に、気体速度センサはさらに時間遅延回路を備えていて、制御器から信号を受領し、かつゲートに向けて信号を送るように構成されている。これが簡便に所望の移動時間を設定できるようにする。

選択的に、気体速度センサは、さらに計算機を備えていて、該計算機は電圧をアクチュエータに印加し及び／又は電圧計から信号を受けるように動作可能である。

好ましくは、気体速度センサは航空機上に設置された空気速度センサである。

第二の特徴からは、この発明は気体速度を測定する方法にあり、次の段階を含んでいる。電磁放射で気体を照射すること；該気体によって散乱された電磁放射を集めて、少くとも若干の該散乱された電磁放射が干渉計の入力を提供するようにすること；該干渉計により出力された少くとも若干の電磁放射出力を空間フィルタを通って送ること、この空間フィルタは干渉計によって生成される干渉パターンと対応している構造を形成する相対的に透明である領域と相対的に不透明である領域とを有している；光検出器を配置して該空間フィルタから出力された電磁放射がそこに入射するようにすることである。

選択的に、この方法はさらに紫外光で気体を照射する段階を含む。好ましくは、この方法がさらに集めた電磁放射をレンズを介して送って、干渉計に向けて送られる実質的にコリメートされたビームを生成する段階を含んでいることである。加えて、この実質的にコリメートしたビームは選択的に電磁放射を干渉計に向けて送る前に狭帯域フィルタを通すことがでる。

好ましくは、この方法がさらに干渉計により出力された電磁放射をレンズを介して送る段階を備えていて、それにより、電磁放射を空間フィルタの位置と一致している焦点面にフォーカスする。

好ましくは、干渉計は一対のミラーを有していて、少くともその一方は可動であり、この方法はさらにこのミラーを動かす段階を含んでいてそれにより、ミラー間の隔り（separation）が可変であって、光検出器の出力を複数のミラー分離で測定する。選択的に、ミラーの分離(mirror separation)を調整する段階が実行されて、光検出器から最大出力を得る。代って、ミラー分離を調整する段階が実行されて所定範囲にわたりミラーの分離を走査するようにする。この方法は選択的にさらに電圧を電気機械式アクチュエータに送り、ミラーの動きが実効のあるものとし、また光検出器により生成された電圧をアクチュエータに印加した電圧の関数として記録する段階を含んでもよい。

選択的に、空間フィルタは、電磁放射源の波長にて電磁放射で照射されるときに干渉計により生成された干渉パターンと対応している構造をもつ。

以下この発明を例としての目的に限って添付の図面を参照して記述して行くこととする。

図１には航空機に搭載した空気速度センサ１０が示されている。空気速度センサ１０は、空気流１４を照射するためのレーザ１２、空気流１４から後方散乱された光を集めて、光経路に沿って光を送るための集光系１６とを備えていて、さらに、光がファブリィ−ペロー干渉計１８、空間フィルタ２０及び光検出器２２に光が伝搬するようにしている。光検出器２２の出力はゲート２６を経て電圧計２４に送られる。空気速度センサ１０はさらにパルス発生器２８を備えていて、レーザ１２を駆動して、光パルスを作り、また電圧計２４のゲート２６を駆動するように動作可能である。

レーザ１２は細いコリメートされた(collimated)ビーム３０内で紫外光(ultra-violet light)のパルスを生成し、これが小さな平面ミラー３２によって反射されて、反射されたビーム３４を形成し、このビームが流れている空気ストリーム１４内に伝搬され、そこで散乱される。紫外レーザ１２の選択は、光３０，３４の波長が次のようなものになることを意味している。すなわち散乱が主体的に空気ストリーム１４内のどんなエアロゾルよりもむしろ空気分子から生ずることである。

反射されたビームの方向に沿って後方散乱した光３６の一部が、ファブリィ−ペロー干渉計１８に向けて送られる前に、集光系１６によって集められ、集光系１６は第一のレンズ３８を含み、このレンズが、光が第二のレンズ４２によってほぼコリメートされたビーム４０に絞られる前に、後方散乱光３６を集める。コリメートされたビーム４０は狭い帯域のフィルタ４４を通って進み、このフィルタはレーザ１２の紫外波長でもしくはそれと近接したところでは光を透過するが、第一のレンズ３８に入る空からの周辺光から生じた他の波長はすべて排除する。この狭帯域フィルタ４４はこのようにして支配的な周辺光を除去して、ずっと弱い散乱光を残すようにし、これが後にファブリィ−ペロー干渉計１８に向けて伝搬する。

ファブリィ−ペロー干渉計１８はより詳細に図２に示されている。フィルタにかけたビームがファブリィ−ペロー干渉計１８に半反射性ミラー４６を通って入る。よく知られているように、ファブリィ−ペロー干渉計１８は第二の半反射性ミラー４８を備えている。半反射性ミラー４６，４８はスペーサ５０により隔てられいて、ミラーの表面４６ａ，４８ａは平行となっていて、その精度は紫外レーザ光３０，３４の波長よりもずっと正確になっていて、距離ｄだけ隔てられている。二つのスペーサ５０が図２には示されているが、もっとたくさんのものが使用されてよく、半反射性ミラー４６，４８の平行度を改善するのにあてられる。

ファブリィ−ペロー干渉計１８上に入射する光のビームは、半反射性ミラー４６，４８から継続して反射して、それにより干渉がもたらされる。生成された干渉パターンは第二の半反射性ミラー４８から放出される光の中で見られる。放出される光５２は角度θ（図２に示すように半反射性ミラー４６，４８の間の法線に関して測定された）とその波長λとに関係している量によって強度が変化する。透過した光の強度ｔは式（２）により与えられる。

ｔ＝ｔ₀ ／［１＋Ｆsin²｛（２πｄ／λ）cosθ｝］ 式（２）
ここでＦ＝４Ｒ／（１−Ｒ）²
であり、ｔ₀ はピーク透過強度であり、Ｒは半反射性ミラー表面４６，４８の反射率である。θが小さく、かつ間隔ｄが１／２（Ｎλ₀ ）（ここでλ₀ は狭い範囲の正規の中心波長であり、Ｎは任意の整数とする）に等しいようにすると、透過ｔは簡略化できて
ｔ＝ｔ₀ ／［１＋Ｆsin²｛（２πｄ／λ₀ ）・［（θ²／２）−（ｆ／ｆ₀ ）］｝］ 式（３）
となり、ここでｆはレーザの正規の中心周波数ｆ₀ からのレーザの周波数の僅かな変位であり、またｆ₀ ＝ｃ／λ₀ である。干渉パターン５４としてレーザ１２の紫外光で生成されるものが図３に示されている。この干渉パターン５４は一組の同心円リング５６を含んでいて、これがファブリィ−ペロー干渉計１８から放出される光の中で見ることができるが、その条件は、光が第三のレンズ５８の焦点面にフォーカスされたときである。

空間フィルタ２０がレンズ５８の焦点面に置かれている。この空間フィルタ２０は不透明の表面をしていて、同心円状の透明な開口を含んでおり、これが図３の明るい光５６の領域と対応している。したがって、干渉パターン５４であってレーザ１２からの紫外光により照射されたときにファブリィ−ペロー干渉計１８により生成されたものは、空間フィルタ２０を消滅せずに通過して光検出器２２に入射する。

光検出器２２は信号６０を生成し、これがそこに入射する光強度と比例している。この光検出器信号６０は電圧計２４により読取られるが、その条件はゲート２６を通って進むことができるときとされる。ゲート２６はパルス発生器２８により送られた信号６２によって活性化される。パルス発生器２８はパルス６２の正規のシーケンスを生成し、このパルスが紫外光のレーザ１２からの放出をトリガして（trigger）、ゲート２６を電圧計２４に対して、固定時間遅延回路６４により設定された適当な時間遅延後に、動作するようにする。動作に際しては、パルス発生器２８からのパルスはレーザ１２からのパルス光の出力をトリガする。流れている空気ストリーム１４により後方散乱された光３６は、レーザ１２と光検出器２２との間の経路を通る移動時間に対応している遅延の後に光検出器２２に入る。したがって、特定値に時間遅延を遅延回路６４で設定することは、電圧計２４が流れている空気ストリーム１４内の領域からの後方散乱された光を測定することを空気速度センサ１０から所定距離離れたところでできるようにしている。

空気ストリーム１４が流れていなければ、後方散乱光３６はレーザ１２の周波数ｆ₀ を有することになる。しかしながら、もし空気ストリーム１４が流れていれば、後方散乱された光３６はレーザ周波数ｆ₀ から僅かに離れた新しい周波数ｆに対してドップラシフトを受けることになる。この結果がファブリィ−ペロー干渉計１８によって生成された干渉パターン５４内の同心円リング５６であって僅かに異なる半径群にシフトするものの内にもたらされて、それにより空間フィルタ２０との不整合を創り出す。この不整合が光検出器２２に向けて送られてそれにより電圧計２４により読みとられる光強度の低下をもたらす。電圧低下のレベルは周波数におけるシフトに比例していて、これが今度は流れている空気ストリーム１４の速度に比例したものとなっている。

したがって、上記の方法と装置は反射されたビーム３４の方向での流れている空気ストリーム１４の速度の測度（measure）を生成する。しかしながら、この方法と装置に対する修正がより正確な結果を与えるために好ましいとされている。

ファブリィ−ペロー干渉計１８で半反射性ミラー４６，４８の間で固定間隔を有するものを用いるよりもむしろ、走査形ファブリィ−ペロー干渉計１８を使用することが好ましい。半反射性ミラー５６，５８の間隔はおよそ平均(mean)間隔ｄで変化され、それは半反射性ミラー５６の一方の周辺に均一な力を多数の電気機械式アクチュエータ６６（例えば圧電デバイス）を介して加えることにより行われる。スペーサ５０は半弾性性質を有していて、それにより力がアクチュエータ６６により半反射性ミラー５６に加えられるときには、間隔ｄは、レーザ１２からの光３０，３４の波長の半分より大きい距離だけ変化するようにする。間隔ｄを変えることはファブリィ−ペロー干渉計１８により生成される干渉パターン５４内の同心円リング５６がその位置を変える原因となり、このことは式（３）の検査によって推論できることである。

ファブリィ−ペロー干渉計１８を走査することにより、干渉パターン５４が同心円リング５６を備えて生成することができて、このリング５６は空間フィルタ２０をまたいで走査して、それによって特定の値では、干渉パターン５４の同心円リング５６が空間フィルタ２０の透明なリング５６と位置の一致を生ずることになり、最大電圧が電圧計２４によって読みとられることになる。ファブリィ−ペロー干渉計１８を予期されるドップラ周波数の範囲に対応している周波数範囲をまたいで走査することによって、周波数のドップラシフトによって生ずるリング半径の変化はアクチュエータ６６に加えられた電圧に起因する等しくかつ反対方向のシフトによって補償することができる。ファブリィ−ペロー干渉計１８の設定の関数として電圧計２４により読取られた電圧を記録することは電圧に対する後方散乱光３６の周波数のプロットを与える。この曲線のピークはドップラ効果に起因する周波数シフトを定義し、したがって空気ストリーム１４の速度を定義する。

上記のことを達成するために、図１の空気速度センサ１０は図４に示すように修正されてよい。同様の部品は同様の参照番号が付されている。計算機６８はデジタル出力７０を生成し、これはディジタル−アナログ変換器７４によりアナログ電圧７２に変換される。このアナログ電圧７２はアクチュエータ６６に加えられ、それによってファブリィ−ペロー干渉計１８の走査を実効あるものとする。計算機６８に向けて送られる前に、電圧計２４により生成された電圧７６はアナログ−ディジタル変換器７８によりディジタル化される。計算機６８は測定された電圧７６をアクチュエータ６６に印加された電圧７２に対して記録して、ファブリィ−ペロー干渉計１８の設定に対する光強度のプロットを得るようにする。計算機６８はそこでこのプロット内のピークに対応している後方散乱光３６の周波数を判断するが、そのときにはファブリィ−ペロー干渉計１８と空気速度センサ１０の他の光部品とについての既知の特性（これらは校正から見付けることができる）が勘案される。

空気速度センサ１０として上述したものは、次の仮定に基づいて動作する。すなわち、レーザ１２はレーザ空洞(cavity)の単一光モードで安定な出力を生成し、それにより、レーザ周波数スペクトルがパルス形状のフーリエスペクトルにほぼ対応している狭帯域をカバーするようにする。これは検出された周波数のスペクトルが空気ストリーム１４からの散乱によって生じたドップラシフトのスペクトル（またファブリィ−ペロー干渉計１８の特性によって修正されている）をレーザ１２のスペクトルからの僅かな貢献のみと共に大きく対応がとれるようにするのに必要なことである。

この方法で動作できる（すなわち狭い周波数範囲だけをもつ）パルスレーザはシード付きＱスイッチングに基づいてそのように動作する。この構成はＱスイッチされた固体レーザを用いていて、このレーザは同時にレーザ空洞の多数の軸方向モードで正常に動作する。このことが異なる軸方向モードに対応している多数の周波数で同時に生成された光に通じている。一つの軸モードのあたりに中心のある狭範囲に周波数を減らすために、第二のレーザが採用されて低パワー（典型的なのは僅かに数ミリワット）でレーザの単一のモードだけでだが連続して動作し、それによって、非常に狭い周波数スペクトラムを有する出力レーザビームを生成することになる。このようなデバイスはレーザ空洞内に周波数選択性光素子を採用して、一つのモードだけでの動作を確かなものとするが、これは低パワーに対してのみ達成できる。パワーを増すためには、この連続して動作しているレーザからの出力はＱスイッチレーザの空洞に向けて送られて、Ｑスイッチレーザ空洞の軸方向モードの一つに近い周波数に同調される。この連続レーザの出力はスピードパワーとして知られている。Ｑスイッチが動作するときには、レーザは出力パルスを生成するが、空洞モードであってシードレーザに対する周波数で整合しているものにおいてのみである。したがって、出力パルスは所望の狭い周波数スペクトルをもつことになる。

このようなシード付きＱスイッチレーザを航空機に対して転用することはその重量、スペース及びコストの負担を二つのレーザとその関係する光学系とに対して負わなければならないなことが原因となって望ましいことではない。加えて、二つのレーザが、飛行中の航空機における生来的な振動に起因する周波数で一緒に結合して留まることを確かにする問題が存在する。したがって、単一のレーザ構成が好ましく、これが次のように実現することができる。

図５はダイオードでポンプされた(diode-pumped)ネオジウム：ＹＬＦレーザ１２′を示す。このレーザ１２′は１．０６４μｍレーザ遷移の第三高調波で動作されて３５５ｎｍの波長で紫外光３０を生成する。これが大量のレーレイ(Rayleigh)後方散乱をあらゆる動作高度での空気分子から生じさせる。

図５に示されているように、レーザ１２′は一端でミラーを形成している高反射率コーテング８２を有するネオジウム：ＹＬＦ結晶８０を備える。このコーテング８２は１．０６４μｍあたりを最も強く反射するように適応されている。部分的な反射性をもった凹の出口ミラー８４が結晶８０ａのコーテングをしていない端から短い距離で与えられていて、電気光学式Ｑスイッチ８６がその間に置かれている。二つのミラー８２，８４は整列されてレーザ空洞８８を結晶８０軸上で生成する。レーザ空洞８８の全体の長さをできるだけ短くすることが便利であり、それによって、レーザパルスが短い継続期間（数ナノ秒）のもので、大きなピークパワーをもつようにする。レーザ１２′は連続高パワーレーザダイオードアレイ９０によりポンプされ、このレーザダイオードアレイ９０は波長が約８１０ｎｍの光を生成するように動作していて、この光が端のミラー８２を通って結晶８０内にレンズシステム９２によりフォーカスされる。端のミラー８２は１．０６４μｍで反射するのに適しているのに加えて８１０ｎｍで高い透過を持つように設計されている。

Ｑスイッチ８６は、パルス発生器９４により供給された短い電気的パルスの規則正しいシーケンスによって動作され、このパルスはレーザ１２′が約１．０６４μｍで光のパルスを生成する原因となっている。このパルスは一般に数キロワットのピークパワーと１０，０００ないし５０，０００パルス／秒のパルス繰返し周波数を有している。部分的反射性ミラー８４から放出されるビーム９６はレンズ９８によって非線形結晶１００にフォーカスされ、これが入射波長の第二及び第三の高調波を生成する。フィルタ１０２が使用されて第三高調波を３５５ｎｍで選択し、他の波長は無視する。したがって、パルスビーム１０４で平均パワーが約１００ｍＷをもつものが３５５ｎｍの波長に中心のある狭い周波数スペクトルで生成される。パルス１０４はパルス繰返し(repetition)周波数としてパルス発生器９４のものと整合するものを有していて、パルス継続期間は数ナノ秒であり、ピークパワーは約１ｋＷである。こういったパルス１０４は流れている空気ストリーム１４を照射するように反射されるべき平面ミラーに向けて送られる。

パルスビーム１０４は多数の密接な間隔をとるレーザ周波数であって、次式で与えられる等しい周波数間隔ｆ₁ だけ隔たっているものを含むことになる：
ｆ₁ ＝１／２ｔ₁ 式（４）
ここでｔ₁ は光がミラー８２，８４の間を移動するためにかかる時間であり、結晶８０とＱスイッチ８６との屈折率を勘案している。各周波数はそれ自体の干渉パターン５４として同心円のリング５６を作ることになり、それらが組合されて規則正しいリングパターンを有していない空間フィルタ２０の面内にパターンを形成する。したがって、ファブリィ−ペロー干渉計１８の走査からもたらされる光検出器２２上に入射する光強度における周波数依存の変動は存在しない。

このことは、次の式により半反射性ミラーdの平均間隔を設定することにより救済される。

ｄ＝ｃｔ₁ 式（５）
この場合、レーザビーム１０４内のすべての周波数が空間フィルタ２０の面内でリングパターン５６を作り、これがほぼ同一の半径群を有しているので、それによってファブリィ−ペロー干渉計１８が走査されるときに光検出器２２上で光強度の同じ変動を作ることになる。

このことは、レーザ１２で唯一の周波数でパルス光を放出しているものが使用されていたかのような立場を与えてくれる。空気速度測定の精度に関する同じ性能が、それ故に単純な多モードＱスイッチレーザ１２′を用いることにより得られるのであって、シードされた(seeded)Ｑスイッチレーザというもっと複雑な構成を使わなくてもよい。

当業者にとっては、上述の実施形態に対する変形は添付の特許請求の範囲で規定するこの発明の技術思想から逸脱することなく可能であることは容易に明らかであろう。

例えば、この発明は航空機についてだけの適用に限定されず、気体の速度についての測定が必要とされるどんな状況にでも採用できる。例えば、地上に置かれたセンサであって本願の導入部で記述した大気内での空気の速度を測定するものは、本発明の多くの特徴から恩恵を受けることができよう。もちろん、本発明は空気速度の測定に限定されるのではなく、非常に多くの気体の速度を測定するために使用できる。明らかに、気体からの後方散乱が必要とされ、それ故に気体を照射するために使用される光の波長は最適散乱強度となるように最良の調節される。気体が光を大きく散乱させない場合には気体の流れの中に粒子を導入して、それが光を強く散乱してもよい。

調節可能なファブリィ−ペロー干渉計１８の実施形態で上述したものは、単にファブリィ−ペロー干渉計１８の間隔ｄを走査して後方散乱光３６のドップラシフトを識別するようにする。しかしながら、能動フィードバックループが使用されることができて、それにより計算機６８は半反射性ミラー４６，４８の間隔ｄを制御してピーク光強度が電圧計２４により測定されるのを確かにするようにする。例えば、計算機６８は、半反射性ミラー４６，４８の間隔ｄをシステマティックに増加または減少して電圧計２４により読取られる電圧を最大とすることができる。後方散乱された光３６の周波数と、したがって空気ストリーム１４の速度は、そこでアクチュエータ６６上で設定された電圧から推論されることができて、ピーク電圧計読取りを生成することになる。代って、フィードバックループが使用されて、それによって電圧計２４の出力が一定レベルに維持されて、このレベルはピーク値の固定された割合のものとなっている。電圧をピーク電圧の半分に等しく維持することは好都合であることが見付けられていて、それは電圧計２４によって生成された電圧のグラフをドップラシフトに対してプロットすることはピーク電圧の半分のあたりで最大勾配をもつカーブを生成するからである。大きな勾配のこの領域で動作することは測定精度を高めることを意味する。動作モードは次のように実施されてよい。

最初に、計算機６８は、アクチュエータ６６についての電圧ステップインクレメント７２のシーケンスを生成し、それによってステップされた(stepped)インクレメントによりミラー４６，４８の間隔を変える。電圧計の出力７６が計算機６８によってアクチュエータ６６上で設定された駆動電圧の関数として測定されて、ドップラ周波数の関数として光強度のカーブをプロットする。計算機６８はこのカーブのピーク値を識別し、ミラー間隔ｄを、電圧計信号７６がピーク値の半分に等しくなるまで調節する。計算機６８はアクチュエータに向けて送られる電圧７２を連続して調節して電圧計信号７６上で同じ値を維持する。電圧７２はドップラシフトと周波数で比例していて、したがって空気速度と比例していて、それ故に、計算機６８は空気速度を判断することができる。計算機６８は定期的にピーク電圧計信号７６を再度サンプルするようにプログラムされている。これは空気速度センサ１０を通って送られる後方散乱光３６の強度が、レーザ１２の出力パワーの変化に部分的に起因して、また空気密度の変化（例えば高度の変化が理由となって）に部分的に起因して、ゆっくりと変化するからである。

図５の実施例は第二のパルス発生器９４を用いてＱスイッチ８６を動作する。他のパルス発生器２８がもちろん使用できてゲート２６を動作することに加えて、信号６２を介してＱスイッチ８６を動作し、それによって第二のパルス発生器の必要を排除する。さらに、計算機６８はパルス発生器２８，９４の役割を果たすことができ、即ち、計算機６８はパルスのタイミング信号６２を生成するために使用されることが可能である。

図１はこの発明により航空機で使用するための空気速度センサを模式的に示す。 図２は図１の空気速度センサで使用するためのファブリィ−ペロー干渉計を模式的に示す。 図３は図２のファブリィ−ペロー干渉計により生成された干渉パターンである。 図４は図１の空気速度センサの一部をより詳細に模式的に示す。 図５は図１のレーザをより詳細に模式的に示す。

Claims (35)

1. 気体を照射するように動作可能な電磁放射源と；
   該気体から散乱された電磁放射を検出するように動作可能な光検出器と；
   該気体を該光検出器と結ぶ光経路と；
   該光経路上に置かれた干渉計であって、該気体によって散乱された電磁放射を受けるための入力と、該干渉計が照射されるときに干渉パターンを生成するための出力とを有する干渉計と；
   該光経路上に該干渉計の出力側に置かれた空間フィルタであって、該干渉計によって生成された干渉パターンに対応している構造を形成する相対的に透明な領域と相対的に不透明な領域とを有する空間フィルタと、を備えた気体速度センサ。
2. 該干渉計はファブリィ−ペロー干渉計である請求項１記載の気体速度センサ。
3. 該空間フィルタはリング構造を有していて、この構造は該電磁放射源の波長で電磁放射で照射されたときにファブリィ−ペロー干渉計によって生成される干渉パターンに対応している請求項２記載の気体速度センサ。
4. 該ファブリィ−ペロー干渉計は可動ミラーを有している請求項２又は請求項３記載の気体速度センサ。
5. 該ファブリィ−ペロー干渉計はさらに該可能ミラーを移動するように動作可能な電気機械的アクチュエータを備えている請求項４記載の気体速度センサ。
6. 該アクチュエータは圧電デバイスである請求項５記載の気体速度センサ。
7. 該電磁放射源は紫外放射を発生するように動作可能である請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の気体速度センサ。
8. 該電磁放射源はレーザである請求項７記載の気体速度センサ。
9. 該干渉計は一対のミラーを備え、該レーザはレーザ空洞を備え、該ミラーの隔りは光が該レーザ空洞の長さを移動するのにかかる時間と光速との積に等しくなるように設定されている請求項８記載の気体速度センサ。
10. 該電磁放射源がネオジウム：ＹＬＦレーザである請求項８又は請求項９記載の気体速度センサ。
11. 該レーザ空洞は、結晶と、一端が入口ミラーにより、また他端が出口ミラーにより画成されたＱスイッチとを備えている請求項１０記載の気体速度センサ。
12. 該入口ミラーは１．０６４μｍでは反射性を、また８１０ｎｍでは透過性をもつように適応されている請求項１１記載の気体速度センサ。
13. 該出口ミラーは半反射性であり、また該気体速度センサは、さらに非線形結晶とフィルタとを備えていて、使用時には、該出口ミラーにより出力される光が先ず該非線形結晶に入射し、次に、該フィルタに入射するようになっていて、該フィルタは実質的に第三高調波で光を透過しかつ他の波長では光を排除するものである請求項１１又は請求項１２記載の気体速度センサ。
14. 該気体により散乱された電磁放射を集めるためにレンズをさらに備えている請求項１ないし請求項１３のいずれか１項記載の気体速度センサ。
15. 実質的にコリメートしたビームを生成するために別のレンズをさらに備えている請求項１４記載の気体速度センサ。
16. 該光経路上で該干渉計の入口側に位置する狭帯域フィルタをさらに備えている請求項１ないし請求項１５のいずれか１項記載の気体速度センサ。
17. 該干渉計により出力された電磁放射を、該空間フィルタと一致する焦点面にフォーカスするためのレンズをさらに備えている請求項１ないし請求項１６のいずれか１項記載の気体速度センサ。
18. 該光検出器により生成された信号を測定するように動作可能な電圧計をさらに備えている請求項１ないし請求項１７のいずれか１項記載の気体速度センサ。
19. 該光検出器から信号を受けかつ信号を該電圧計に送るように構成されたゲートをさらに備えている請求項１８記載の気体速度センサ。
20. 該ゲートを開くように動作可能な制御器をさらに備えている請求項１９記載の気体速度センサ。
21. 該制御器は該電磁放射源からパルス電磁放射出力を生成するように動作可能である請求項２０記載の気体速度センサ。
22. 該制御器から信号を受けかつ該ゲートに向けて信号を送るように構成された時間遅延回路をさらに備えている請求項２０又は請求項２１記載の気体速度センサ。
23. 請求項５に従属するときには、さらに計算機を備え、該計算機は該アクチュエータに向けて電圧を印加しかつ該電圧計から電圧信号を受けるように動作可能である請求項１８に記載の気体速度センサ。
24. 請求項１ないし請求項２３のいずれか１項記載の気体速度センサにおいて、該気体速度センサは航空機上に設置された空気速度センサである。
25. 気体速度を測定するための方法であって、該方法は、
    気体を電磁放射で照射する段階と；
    該気体により散乱された電磁放射を集めて、該散乱された電磁放射の少くとも若干のものが干渉計の入力に与える段階と；
    少くとも若干の該干渉計による電磁放射出力を空間フィルタを通って送る段階であって、該空間フィルタは該干渉計により生成された干渉パターンに対応している構造を形成する相対的に透明である領域と相対的に不透明である領域を有している段階と、光検出器が該空間フィルタから出力された電磁放射をそこに入射するようにする段階とを備えている。
26. 該気体を紫外光で照射する段階をさらに含む請求項２５記載の方法。
27. 集めた電磁放射をレンズを介して送り該干渉計に向けて送られる実質的にコリメートしたビームを生成する段階をさらに含んでいる請求項２５又は請求項２６記載の方法。
28. 該実質的にコリメートしたビームを、該干渉計に向けて該電磁放射を送る前に狭帯域フィルタを通って送る段階をさらに含んでいる請求項２７記載の方法。
29. 該干渉計により出力された該電磁放射をレンズを通って送り、それによって該電磁放射を該空間フィルタの位置と一致する焦点面に対してフォーカスする段階をさらに含んでいる請求項２５ないし請求項２８のいずれか１項記載の方法。
30. 該干渉計は一対のミラーを有し、少くともその一方は可動であり、さらに、該ミラーを移動して、ミラー間の隔りが変るようにし、複数のミラーの隔りで光検出器の出力を測定する段階をさらに備えている前記いずれかの請求項記載の方法。
31. 該ミラーの隔りを調節して光検出器から最大出力を得る段階を含んでいる請求項３０記載の方法。
32. 電圧を電気機械的アクチュエータに向けて送り、該ミラーの動きを実効あるものとし、また光検出器により生成された電圧を該アクチュエータに対して印加された電圧の関数として記録する段階をさらに含んでいる請求項３０又は請求項３１記載の方法。
33. 該空間フィルタは、該気体を照射するのに使用されたものに対応する波長を有する電磁放射で照射されたときに、該干渉計により生成された干渉パターンに対応している構造を有する前記いずれかの請求項に記載の方法。
34. 添付図面のいずれかを参照して実質的に記載された気体速度センサ。
35. 添付図面のいずれかを参照して実質的に記載された気体速度を測定する方法。

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