JP2013108840A

JP2013108840A - レーザレーダ装置

Info

Publication number: JP2013108840A
Application number: JP2011253966A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Imaki; 勝治今城; Shunpei Kameyama; 俊平亀山; Mikio Takabayashi; 幹夫高林; Yoshihito Hirano; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2013-06-06

Abstract

【課題】装置内における伝送効率を自動で校正することのできるレーザレーダ装置を得る。
【解決手段】光検出器８は、送信光学系７ａ、７ｂからの出射光のパワーに相当するモニタ信号を出力する。光検出器１０は、測定媒質１００を通過した光を受信し、その値に対応した受信信号を出力する。信号処理装置１２は、送信光学系７ａ、７ｂからの出射光に対する光検出器１０の結合効率を示す値に基づいて、吸収波長の大きい光の振幅または電力と吸収波長の小さい光の振幅または電力とを補正し、その差異から測定媒質１００に対する光学的厚みを測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数送信系からレーザ光を大気中に照射し、測定対象から散乱したレーザ光を集光して受光し、その測定対象における光学的厚さを測定するレーザレーダ装置に関する。

従来、伝播媒質中の分子による吸収量を正確に測定することができるレーザレーダ装置としては、例えば特許文献１に記載されてものが知られている。特許文献１に記載の装置では、伝播媒質中の所望の測定対象物の吸収波長と非吸収波長の２つの波長のレーザ光を、それぞれ別々の変調周波数で強度変調した後、合波して大気中に照射し、ターゲットからの反射光を受光して電気信号領域において各変調信号成分のみを抽出し、２つの波長に対する信号の振幅または電力の差異から前記分子濃度に相当する吸収量（光学的厚さ）を測定している。

特開２００７−２４８１２６号公報

複数の送信系を備えた伝播媒質中の分子による吸収量を測定するレーザレーダ装置においては、各々の送信系から出力されるレーザ光に対する受信光学系の結合効率といった、装置内における伝送効率を補正する必要がある。しかし、上記従来文献１に記載された装置では、装置内における伝送効率は未知であるため、測定される光学的厚さに対してオフセットＫが存在するという課題があった。

具体的に、吸収波長に対する受信パワーをＰ_rec,on、モニターパワーをＰ_mon,on、非吸収波長に対する受信パワーをＰ_rec,off、モニターパワーをＰ_rec,offとすると、光学的厚さΔτは、

で与えられる。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、装置内における伝送効率を自動で校正することのできるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、所望の測定対象に対する吸収係数が大きい波長を発生する第一の光信号発生手段と、所望の測定対象に対する吸収係数が小さい波長を発生する第二の光信号発生手段と、第一および第二の光信号発生手段から出力される光信号に、複数の独立した周波数で強度変調をかける複数の光強度変調手段と、複数の光強度変調手段から出力されたそれぞれの強度変調光を分岐する光分岐手段と、光分岐手段で分岐された一方の強度変調光のパワーに相当するモニタ信号としての電気信号を得るモニタ手段と、光分岐手段で分岐された他方の強度変調光のビームを整形し、空間に照射する複数のビーム送信手段と、複数のビーム送信手段から照射された光が所望の測定対象を通過した光を受信して電気信号に変換する光検出手段と、光検出手段とモニタ手段から出力された電気信号に基づいて、吸収波長の大きい光の振幅または電力と吸収波長の小さい光の振幅または電力とを補正し、その差異から所望の測定対象に対する光学的厚さを測定する信号処理手段とを備え、信号処理手段は、複数のビーム送信手段からの出射光に対する光検出手段の結合効率を示す値に基づいて補正を行うようにしたものである。

この発明のレーザレーダ装置は、複数のビーム送信手段からの出射光に対する光検出手段の結合効率を示す値に基づいて、吸収波長の大きい光の振幅または電力と吸収波長の小さい光の振幅または電力の補正を行うようにしたので、装置内における伝送効率を自動で校正することができる。

この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置を示す構成図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における伝送効率計測ステップ時の構成図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における伝送効率計測ステップ時のモニタ信号と受信信号とを示す説明図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における分子濃度計測ステップ時の構成図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における分子濃度計測ステップ時のモニタ信号と受信信号とを示す説明図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における伝送効率計測ステップ時の他の例を示す構成図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における他の例を示す構成図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置における他の例のモニタ信号と受信信号とを示す説明図である。この発明の実施の形態１のレーザレーダ装置におけるさらに他の例を示す説明図である。この発明の実施の形態２のレーザレーダ装置を示す構成図である。この発明の実施の形態２のレーザレーダ装置における光軸調整制御を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図１に示すレーザレーダ装置は、レーザ光源１ａ，１ｂ、ビームスプリッタ２ａ〜２ｆ、ミラー３ａ〜３ｄ、発振器４ａ、４ｂ、強度変調器５ａ、５ｂ、光増幅器６ａ、６ｂ、送信光学系７ａ、７ｂ、光検出器８、受信光学系９、光検出器１０、スペクトル強度演算装置１１、信号処理装置１２、スイッチ制御器１３を備えている。

レーザ光源１ａは、所望の測定媒質１００に対する吸収係数の小さい波長（以下、非吸収波長）のレーザ光を発生する第一の光信号発生手段であり、レーザ光源１ｂは、所望の測定媒質１００に対する吸収係数の大きい波長（以下、吸収波長）のレーザ光を発生する第二の光信号発生手段である。ビームスプリッタ２ａ〜２ｆは、レーザ光源１ａ，１ｂからのレーザ光を分岐または合波する機能を有し、ミラー３ａ〜３ｄは、レーザ光源１ａ，１ｂからのレーザ光を反射する機能を有している。また、ビームスプリッタ２ａと２ｂと２ｃ、ミラー３ａと３ｂと３ｃは、スイッチ制御器１３からのスイッチ制御信号に基づき、レーザ光軸を切り替える機能を有している。さらに、これらのビームスプリッタ２ａ〜２ｆとミラー３ａ〜３ｄにより、強度変調器５ａ、５ｂから出力されたそれぞれの強度変調光を分岐する光分岐手段が構成されている。

発振器４ａ、４ｂは、それぞれ異なる周波数の基準の正弦波信号を出力する発振器であり、強度変調器５ａ、５ｂは、これら発振器４ａ、４ｂに信号に基づいて、入力したレーザ光に対してそれぞれ異なる周波数で強度変調をかける強度変調器である。また、これら発振器４ａ、４ｂと強度変調器５ａ、５ｂとにより、光強度変調手段が構成されている。光増幅器６ａ、６ｂは、それぞれレーザ光の強度を増幅する光増幅器である。送信光学系７ａ、７ｂは、光増幅器６ａ、６ｂから出力されるレーザ光を整形し、測定媒質１００中にレーザ光Ａ、Ｂとして照射するビーム送信手段である。

光検出器８は、ビームスプリッタ２ｄ〜２ｆとミラー３ｄによって光増幅器６ａ、６ｂの出力光の一部を分岐したレーザ光を受光し、送信レーザ光のモニタ信号を出力するモニタ手段である。受信光学系９は、送信光学系７ａ、７ｂから空間に照射されたレーザ光が所定のターゲットに反射するといったことにより、測定媒質１００中を通過した光を集光するための光学系である。光検出器１０は、受信光学系９で集光された光を受光し受信信号を出力する光検出手段である。スペクトル強度演算装置１１は、光検出器８からのモニタ信号と、光検出器１０の受信信号からスペクトル解析を行い、各変調周波数成分の振幅もしくは強度を算出する装置である。信号処理装置１２は、スペクトル強度演算装置１１で解析されたスペクトルの振幅もしくは強度から、所望の測定媒質１００の光学的厚さを算出する装置である。すなわち、信号処理装置１２は、スペクトルの振幅もしくは強度を、送信光学系７ａ、７ｂに対する光検出器１０の受信結合効率を示す値に基づいて補正を行い、測定対象物の光学的厚さを算出する信号処理手段を構成している。スイッチ制御器１３は、本装置における伝送効率計測ステップと分子濃度計測ステップの２つの動作の切り替えるスイッチ制御信号を発生するための制御手段である。

次に、実施の形態１に係わるレーザレーダ装置の動作について説明する。
本装置では、伝送効率計測ステップと分子濃度計測ステップの２つの動作ステップがある。まず、スイッチ制御器１３により、伝送効率計測ステップの構成となる光スイッチ制御信号を送る。伝送効率計測ステップのときのレーザレーダ構成を図２に示す。

図２に示す伝送効率計測ステップでは、ビームスプリッタ２ａと２ｂと２ｃ、ミラー３ａと３ｂと３ｃによって非吸収波長のレーザ光（レーザ光源１ａが出力するレーザ光）を選択し、強度変調器５ａ、５ｂでは、それぞれ異なる変調信号で強度変調を行う。このとき受信するモニタ信号と受信信号のスペクトルの模式図を図３に示す。図３（ａ）はモニタ信号、図３（ｂ）は受信信号を示している。発振器４ａに基づいて強度変調されたレーザ光は、送信光学系７ａに対するモニタ信号と受信信号に相当し、発振器４ｂに基づいて強度変調されたレーザ光は、送信光学系７ｂに対するモニタ信号と受信信号に相当する。

このとき、送信光学系７ａから出射されるレーザ光のモニタ信号をＰ_mon1、送信光学系７ｂから出射されるレーザ光のモニタ信号をＰ_mon2、送信光学系７ａから出射されるレーザ光の受信信号をＰ_rec1、送信光学系７ｂから出射されるレーザ光の受信信号をＰ_rec2とし、補正係数ｃ_１をｃ_１＝Ｐ_mon2／Ｐ_mon1、補正係数ｃ_２をｃ_２＝Ｐ_rec2／Ｐ_rec1と定義する。これらのモニタ信号と受信信号は、所望の測定対象物による吸収がないときの信号であるため、光学的厚さΔτ＝０となり、Ｐ_mon2／Ｐ_mon1とＰ_rec2／Ｐ_rec1は理想的には同じ値である。しかし、装置内の光学系の効率や各送信光学系に対する受信結合効率が異なった場合、これらの値に差が生じる。このときの各受信パワーより、

を定義し、オフセットの値を導出する。

次に、スイッチ制御器１３により、分子濃度計測ステップの構成となる光スイッチ制御信号を送る。分子濃度計測ステップのときのレーザレーダ装置の構成を図４に示す。

図４に示す分子濃度計測ステップでは、ビームスプリッタ２ａと２ｂと２ｃ、ミラー３ａと３ｂと３ｃによって吸収波長と非吸収波長のレーザ光（レーザ光源１ｂおよびレーザ光源１ａがそれぞれ出力するレーザ光）に対して各々異なる周波数で強度変調をかけ、合波したレーザ光を各々の光増幅器６ａと６ｂに入力する。このときのモニタ信号と受信信号のスペクトルの模式図を図５に示す。発振器４ａに基づいて強度変調されたレーザ光は非吸収波長のレーザ光に相当し、発振器４ｂに基づいて強度変調されたレーザ光は吸収波長のレーザ光に相当する。

このとき、光検出器８で受光した信号で、発振器４ａに基づいて強度変調されたモニタ信号Ｐ_mon,aは、送信光学系７ａから出射されるレーザ光のモニタ信号成分Ｐ_mon1,aと送信光学系７ｂから出射されるレーザ光のモニタ信号成分Ｐ_mon2,aを用い、Ｐ_mon,a＝Ｐ_mon1,a＋Ｐ_mon2,aで表すことができる。同様に、光検出器８で受光した信号で、発振器４ｂに基づいて強度変調されたモニタ信号Ｐ_mon,bは、送信光学系７ａから出射されるレーザ光のモニタ信号成分Ｐ_mon1,bと送信光学系７ｂから出射されるレーザ光のモニタ信号成分Ｐ_mon2,bを用い、Ｐ_mon,b＝Ｐ_mon1,b＋Ｐ_mon2,bで表すことができる。

また、光検出器１０で受光した信号で、発振器４ａに基づいて強度変調された受信信号Ｐ_rec,aは、送信光学系７ａから出射されるレーザ光の受信信号成分Ｐ_rec1,aと光送信光学系７ｂから出射されるレーザ光の受信信号成分Ｐ_rec2,aを用い、Ｐ_rec,a＝Ｐ_rec1,a＋Ｐ_rec2,aで表すことができる。同様に、光検出器１０で受光した信号で、発振器４ｂに基づいて強度変調された受信信号Ｐ_rec,bは、送信光学系７ａから出射されるレーザ光の受信信号成分Ｐ_rec1,bと送信光学系７ｂから出射されるレーザ光の受信信号成分Ｐ_rec2,bを用い、Ｐ_rec,b＝Ｐ_rec1,b＋Ｐ_rec2,bで表すことができる。

ここで、各送信光学系７ａ、７ｂに対する受信結合効率に差があり、Ｐ_rec1,a／Ｐ_mon1,aとＰ_rec2,a／Ｐ_mon2,a、Ｐ_rec1,b／Ｐ_mon1,bとＰ_rec2,b／Ｐ_mon2,bが等しくなかった場合、その差は光学的厚さΔτとして直接的に影響を及ぼすという問題がある。

本装置の信号処理装置１２で測定される光学的厚さは、次式のように伝送効率計測ステップにて測定した補正係数ｃ_１とｃ_２を用いて各送信光学系７ａ、７ｂに対して導出される光学的厚さの和で算出する。

ここで、ｃ_１’＝１／ｃ_１、ｃ_２’＝１／ｃ_２である。

このように実施の形態１のレーザレーダ装置では、所望の測定対象物に対する非吸収波長のレーザ光を用いた伝送効率計測ステップにおいて、所望の測定対象物による吸収がないときの受信信号を模擬できるため、装置内の光学系の効率や各送信光学系に対する受信結合効率による受信信号の差であるオフセットバイアスを導出することができる。

また、補正係数ｃ_１とｃ_２を用いて光学的厚さの導出を補正することにより、各送信光学系に対する受信結合効率に差があった場合でも正確に光学的厚さを導出することができる。

さらに、１つの送信系でレーザ出力パワーの制限があった場合でも、複数の送信系を用いることで送信するレーザの出力の総和を高くすることができるため、受信信号対雑音比を高くすることができ、光学的厚さの測定精度を高くすることができる。

ここで、実施の形態１のレーザレーダ装置では、図６に示すように、ビームスプリッタ２ａとミラー３ａによって吸収波長と非吸収波長のレーザ光（レーザ光源１ｂおよびレーザ光源１ａがそれぞれ出力するレーザ光）に対して各々異なる周波数で強度変調をかけ、各々の光増幅器６ａと６ｂに入力する構成となってもよい。このときのモニタ信号と受信信号のスペクトルの模式図は図３のようになり、発振器４ａに基づいて強度変調されたレーザ光は非吸収波長のレーザ光に相当し、発振器４ｂに基づいて強度変調されたレーザ光は吸収波長のレーザ光に相当する。このとき測定される光学的厚さは、次式のようになる。

実施の形態１のレーザレーダ装置では、送信光学系を２つ用いた例を示したが、ｎ個ある場合もある。このとき、送信光学系の数ｎ個に相当する発振器の数ｎ個が独立に備えてもよいし、１つ以上の発振器に対してｎ個の異なる周波数の信号を出力する構成としてもよい。さらに光増幅器や強度変調器もｎ個ある構成としてもよいし、光増幅器を使用しない構成としてもよい。これにより、上記の１つの送信系でレーザ出力パワーの制限があった場合、受信信号対雑音比の改善効果がさらに得られる。

実施の形態１のレーザレーダ装置では、レーザ光源１ａと１ｂとしたが、所望の測定対象物に対する吸収係数が大きいもしくは吸収係数が小さい光源であればよい。例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等がある。また、発振器４ａと４ｂから発生する基準信号は正弦波信号としたが、パルス変調でもよい。

本発明の実施の形態１に係わるレーザレーダ装置では、装置内の各部品間を空間で接続し、ビームスプリッタ２ａ〜２ｆ、ミラー３ａ〜３ｄを用いた構成としたが、すべて光ファイバで接続し、光を分岐する光カプラや光を合波する光コンバイナを用いる構成でもよい。これにより、振動や温度に対する変化に対して、堅牢な装置構成とすることができる。

実施の形態１のレーザレーダ装置における他の例として、図７に示すようにモニタ用の光検出器８ａと８ｂを用いて、各々モニタ信号を出力する構成としてもよい。ここで、光検出器８ａと８ｂは、光増幅器６ａと６ｂのレーザ光の一部を分岐した光を受光する機能を有する。なお、図７において、これ以外の構成は、図１に示したレーザレーダ装置の構成と同様である。

このとき受信するスペクトルの模式図を図８に示す。光検出器８ａで検出するモニタ信号ａは、発振器４ａに基づいて強度変調されたモニタ信号Ｐ_mon1,aと発振器４ｂに基づいて強度変調されたモニタ信号Ｐ_mon1,bであり、光検出器８ｂで検出するモニタ信号ｂは、発振器４ａに基づいて強度変調されたモニタ信号Ｐ_mon2,aと発振器４ｂに基づいて強度変調されたモニタ信号Ｐ_mon2,bである。図８中、（ａ）はモニタ信号ａ、（ｂ）はモニタ信号ｂ、（ｃ）は受信信号を示している。

本装置の信号処理装置１２で測定される光学的厚さは、次式のように伝送効率計測ステップにて測定した補正係数ｃ_２を用いて各送信光学系７ａ、７ｂに対して導出される光学的厚さの和で算出する。

これにより、光増幅器６ａや６ｂのどちらか一方が故障してレーザ出力が停止した場合、分子濃度計測ステップにおいてもモニタ信号ａもしくはモニタ信号ｂの信号からその状況を把握することができる。

また、実施の形態１のレーザレーダ装置におけるさらに他の例として、例えば、先に出願した特願２０１１−３４６０３に記載のレーザレーダ装置のように、受信光学系側で受信信号対雑音比を改善する構成としてもよい。その構成例を図９に示す。受信光学系９ａと９ｂ、光検出器１０ａと１０ｂ、加算器１４を用いて、各々の受信信号を加算する構成としてもよい。ここで、受信光学系９ａと９ｂは、対象物からの散乱光を集光する機能を有し、光検出器１０ａと１０ｂは集光した光を受信する機能を有する。また、加算器１４は二つの光検出器１０ａと１０ｂの出力を加算する機能を有する。これ以外は、図１に示した構成と同様であるため、ここでの説明を省略する。

これにより、同一の開口径をもつ受信光学系を用いた場合に比べて、受光量が増えて受信信号対雑音比が改善され、光学的厚さの測定精度を高くすることができる。

以上説明したように、実施の形態１のレーザレーダ装置によれば、所望の測定対象に対する吸収係数が大きい波長を発生する第一の光信号発生手段と、所望の測定対象に対する吸収係数が小さい波長を発生する第二の光信号発生手段と、第一および第二の光信号発生手段から出力される光信号に、複数の独立した周波数で強度変調をかける複数の光強度変調手段と、複数の光強度変調手段から出力されたそれぞれの強度変調光を分岐する光分岐手段と、光分岐手段で分岐された一方の強度変調光のパワーに相当するモニタ信号としての電気信号を得るモニタ手段と、光分岐手段で分岐された他方の強度変調光のビームを整形し、空間に照射する複数のビーム送信手段と、複数のビーム送信手段から照射された光が所望の測定対象を通過した光を受信して電気信号に変換する光検出手段と、光検出手段とモニタ手段から出力された電気信号に基づいて、吸収波長の大きい光の振幅または電力と吸収波長の小さい光の振幅または電力とを補正し、その差異から所望の測定対象に対する光学的厚さを測定する信号処理手段とを備え、信号処理手段は、複数のビーム送信手段からの出射光に対する光検出手段の結合効率を示す値に基づいて補正を行うようにしたので、装置内における伝送効率を自動で校正することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、送信光学系７ａ、７ｂにおける光軸を調整する構成を備えた例である。
図１０は、実施の形態２に係わるレーザレーダ装置を示す構成図である。実施の形態２のレーザレーダ装置は、レーザ光源１ａ，１ｂ、ビームスプリッタ２ａ〜２ｆ、ミラー３ａ〜３ｄ、発振器４ａ、４ｂ、強度変調器５ａ、５ｂ、光増幅器６ａ、６ｂ、送信光学系７ａ、７ｂ、光検出器８、受信光学系９、光検出器１０、スペクトル強度演算装置１１、信号処理装置１２、スイッチ制御器１３、光軸調整装置１５を備えている。ここで、光軸調整装置１５以外の構成については、図１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

光軸調整装置１５は、各変調周波数に対する振幅もしくは強度から、送信光学系７ａと７ｂから出射されるビームの角度を調整するための基準となる光軸駆動信号ａ，ｂを発生する装置である。送信光学系７ａと７ｂは、レーザ光を整形し、測定媒質中にビームを照射する機能を有し、さらに光軸調整装置１５から出力される光軸駆動信号ａと光軸駆動信号ｂに基づき、レーザ光のビーム照射角を調整する機能を有する。

次に、この実施の形態２に係わるレーザレーダ装置の動作について説明する。
本装置では、光軸調整ステップと伝送効率計測ステップ、分子濃度計測ステップの３つの動作ステップがある。まず、スイッチ制御器１３により、光軸調整ステップの構成となるスイッチ制御信号を送る。

光軸調整ステップでは、伝送効率計測ステップと同様に、ビームスプリッタ２ａと２ｂと２ｃ、ミラー３ａと３ｂと３ｃによって非吸収波長のレーザ光を選択し、それぞれ異なる変調信号で強度変調を行う。このとき受信するモニタ信号と受信信号のスペクトルの模式図は図３に示した通りである。
発振器４ａに基づいて強度変調されたレーザ光は送信光学系７ａに対するモニタ信号と受信信号に相当し、発振器４ｂに基づいて強度変調されたレーザ光は送信光学系７ｂに対するモニタ信号と受信信号に相当する。
このとき、送信光学系７ａから出射されるレーザ光のモニタ信号をＰ_mon1、送信光学系７ｂから出射されるレーザ光のモニタ信号をＰ_mon2、送信光学系７ａから出射されるレーザ光の受信信号をＰ_rec1、送信光学系７ｂから出射されるレーザ光の受信信号をＰ_rec2とする。

ここで、受信視野と送信ビームの概念図を図１１に示す。図１１において、（ａ）は、センサ１６と受信視野１７との関係を示し、（ｂ）は受信視野１７とレーザ光１８ａ，１８ｂとの関係を示している。受信視野１７内に送信ビーム（レーザ光１８ａ，１８ｂ）が入っている場合、受信結像効率は最大となるが、受信視野１７から送信ビームが外れた場合、受信結像効率は低下する。このとき、受信視野内の反射率が一定と近似できる場合を想定する。

光軸調整装置１５からの出力される光軸駆動信号ａに基づき、送信光学系７ｂを固定し、受信信号Ｐ_rec2／Ｐ_rec1が最大となるよう送信光学系７ａの光軸を駆動する。次に、光軸調整装置１５からの出力される光軸駆動信号ｂに基づき、送信光学系７ａを固定し、受信信号Ｐ_rec1／Ｐ_rec2が最大となるよう送信光学系７ｂの光軸を駆動する。このときの光軸調整法の例としては、図１１（ｂ）に示すように受信視野内を順に走査するラスタ走査がある。

次に、伝送効率計測ステップに移行し、その後、濃度計測ステップに移行する。これらの動作は実施の形態１の伝送効率計測ステップ及び濃度計測ステップと同様であるため、ここでの説明は省略する。

本発明の実施の形態２に係わるレーザレーダ装置では、送信光学系７ａ、７ｂの光軸がずれて受信結合効率が低い場合でも、受信信号の相対比をもとに受信結合効率を最大となるよう自動補正することができる。

さらに、所望の測定対象物に対する非吸収波長のレーザ光を用いた伝送効率計測ステップにおいて、所望の測定対象物による吸収がないときの受信信号を模擬できるため、装置内の光学系の効率や各送信光学系７ａ、７ｂに対する受信結合効率による前記受信信号の差であるオフセットを導出することができる。

また、補正係数ｃ_１とｃ_２を用いて光学的厚さの導出を補正することにより、各送信光学系７ａ、７ｂに対する受信結合効率に差があった場合でも正確に光学的厚さを導出することができる。

実施の形態２のレーザレーダ装置では、送信光学系７ａ、７ｂを２つ用いた例を示したが、ｎ個ある場合もある。このとき、送信光学系の数ｎ個に相当する発振器の数ｎ個が独立に備えてもよいし、１つ以上の発振器に対してｎ個の異なる周波数の信号を出力する構成としてもよい。さらに光増幅器や強度変調器もｎ個ある構成としてもよいし、光増幅器を使用しない構成としてもよい。これにより、実施の形態１で説明した１つの送信系でレーザ出力パワーの制限があった場合、受信信号対雑音比の改善効果がさらに得られる。

また、実施の形態２のレーザレーダ装置では、レーザ光源１ａと１ｂとしたが、所望の測定対象物に対する吸収係数が大きいもしくは吸収係数が小さい光源であればよい。例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等がある。また、発振器４ａと４ｂから発生する基準信号は正弦波信号としたが、パルス変調でもよい。

そして、実施の形態２のレーザレーダ装置では、装置内の各部品間を空間で接続し、ビームスプリッタ２ａ〜２ｆ、ミラー３ａ〜３ｄを用いた構成としたが、すべて光ファイバで接続し、光を分岐する光カプラや光を合波する光コンバイナを用いる構成でもよい。これにより、振動や温度に対する変化に対して、堅牢な装置構成とすることができる。

また、実施の形態２のレーザレーダ装置では、実施の形態１でも説明したように、モニタ用の光検出器８ａ，８ｂ（図７参照）を用いて、各々モニタ信号を出力する構成としてもよい。この場合の動作は実施の形態１で説明したのと同様である。これにより、光増幅器６ａや６ｂのどちらか一方が故障してレーザ出力が停止した場合、分子濃度計測ステップにおいてもモニタ信号ａもしくはモニタ信号ｂの信号からその状況を把握することができる。

また、実施の形態２のレーザレーダ装置においても、実施の形態１で説明したように、例えば、先に出願した特願２０１１−３４６０３に記載のレーザレーダ装置のように、受信光学系側で受信信号対雑音比を改善する構成としてもよい。この場合の動作は実施の形態１と同様である。これにより、実施の形態２においても、同一の開口径をもつ受信光学系を用いた場合に比べて、受光量が増えて受信信号対雑音比が改善され、光学的厚さの測定精度を高くすることができる。

以上説明したように、実施の形態２のレーザレーダ装置によれば、光検出手段の電気信号に基づいてビーム送信手段の光軸を変化させるための光軸駆動信号を送出する光軸調整装置を設け、光軸調整装置は、ビーム送信手段の光軸を光検出手段の受信視野内で受信するよう光軸駆動信号を送出するようにしたので、光検出手段からの出力を最適化することができる。

また、実施の形態１、２のレーザレーダ装置によれば、光分岐手段は光ファイバを用いて構成され、モニタ手段とビーム送信手段は、光分岐手段で分岐された強度変調光を光ファイバを介して入力するようにしたので、振動や温度に対する変化に対して、堅牢な装置構成とすることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ａ，１ｂレーザ光源、２ａ〜２ｆビームスプリッタ、３ａ〜３ｄミラー、４ａ，４ｂ発振器、５ａ，５ｂ強度変調器、６ａ，６ｂ光増幅器、７ａ，７ｂ送信光学系、８，８ａ，８ｂ，１０，１０ａ，１０ｂ光検出器、９，９ａ，９ｂ受信光学系、１１スペクトル強度演算装置、１２信号処理装置、１３スイッチ制御器、１４加算器、１５光軸調整装置、１６センサ、１７受信視野、１８ａ，１８ｂレーザ光。

Claims

所望の測定対象に対する吸収係数が大きい波長を発生する第一の光信号発生手段と、
前記所望の測定対象に対する吸収係数が小さい波長を発生する第二の光信号発生手段と、
前記第一および第二の光信号発生手段から出力される光信号に、複数の独立した周波数で強度変調をかける複数の光強度変調手段と、
前記複数の光強度変調手段から出力されたそれぞれの強度変調光を分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された一方の強度変調光のパワーに相当するモニタ信号としての電気信号を得るモニタ手段と、
前記光分岐手段で分岐された他方の強度変調光のビームを整形し、空間に照射する複数のビーム送信手段と、
前記複数のビーム送信手段から照射された光が前記所望の測定対象を通過した光を受信して電気信号に変換する光検出手段と、
前記光検出手段と前記モニタ手段から出力された電気信号に基づいて、吸収波長の大きい光の振幅または電力と吸収波長の小さい光の振幅または電力とを補正し、その差異から前記所望の測定対象に対する光学的厚さを測定する信号処理手段とを備え、
前記信号処理手段は、前記複数のビーム送信手段からの出射光に対する前記光検出手段の結合効率を示す値に基づいて前記補正を行うことを特徴とするレーザレーダ装置。
光検出手段の電気信号に基づいてビーム送信手段の光軸を変化させるための光軸駆動信号を送出する光軸調整装置を設け、当該光軸調整装置は、前記ビーム送信手段の光軸を光検出手段の受信視野内で受信するよう光軸駆動信号を送出することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
光分岐手段は光ファイバを用いて構成され、モニタ手段とビーム送信手段は、前記光分岐手段で分岐された強度変調光を前記光ファイバを介して入力することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。