JP2017198536A - Wavelength controller and difference absorption lidar device - Google Patents
Wavelength controller and difference absorption lidar device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017198536A JP2017198536A JP2016089314A JP2016089314A JP2017198536A JP 2017198536 A JP2017198536 A JP 2017198536A JP 2016089314 A JP2016089314 A JP 2016089314A JP 2016089314 A JP2016089314 A JP 2016089314A JP 2017198536 A JP2017198536 A JP 2017198536A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wavelength
- optical
- laser light
- attenuation
- wavelength controller
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は、レーザ光の波長を制御する技術に関し、特に、ライダ(LIDAR:LIght Detection And Ranging)装置で使用されるレーザ光の波長を制御する技術に関する。 The present invention relates to a technique for controlling the wavelength of laser light, and more particularly, to a technique for controlling the wavelength of laser light used in a lidar (LIDAR: Light Detection And Ranging) apparatus.
ライダ装置は、計測対象となるターゲットにレーザ光を照射してそのターゲットで反射した散乱光を観測し、その観測結果を基に当該ターゲットに関する物理情報(たとえば、濃度、温度、距離または速度)を取得する手段として広く使用されている。この種のライダ装置の一種として、気体などの分子または原子の濃度測定を行う差分吸収ライダ(DIAL:DIfferential Absorption Lidar)装置が知られている。差分吸収ライダ装置は、基本的に、ターゲットである分子の光吸収量が大きい波長のレーザ光と、そのターゲットの光吸収量が小さい波長のレーザ光とを使用し、これらレーザ光の波長にそれぞれ対応する散乱光の受信強度比に基づいて当該ターゲットの濃度を計測することができる。 The lidar device irradiates the target to be measured with laser light, observes the scattered light reflected by the target, and based on the observation results, obtains physical information (for example, concentration, temperature, distance or speed) about the target. Widely used as a means of obtaining. As a kind of this kind of lidar apparatus, a differential absorption lidar (DIAL: Differential Absorption Lidar) apparatus that measures the concentration of molecules such as gas or atoms is known. The differential absorption lidar device basically uses a laser beam having a wavelength where the light absorption amount of the target molecule is large and a laser beam having a wavelength where the light absorption amount of the target is small. The concentration of the target can be measured based on the reception intensity ratio of the corresponding scattered light.
このような差分吸収ライダ装置では、ターゲットの濃度を高精度に算出するためには、前述の2種類のレーザ光の波長のうち少なくとも一方を特定の波長と一致させる(すなわち、特定の波長にロックする)回路構成が必要である。特に、ターゲットの光吸収量が大きい方の波長のレーザ光については、このレーザ光の波長を、ターゲットの光の吸収線の中心波長に精度良くロックすることが望ましい。波長ロック回路を有する差分吸収ライダ装置は、たとえば、特許文献1(特開2007−248126号公報)に開示されている。 In such a differential absorption lidar apparatus, in order to calculate the target concentration with high accuracy, at least one of the two types of laser light wavelengths described above is matched with a specific wavelength (that is, locked to a specific wavelength). Circuit configuration is required. In particular, for a laser beam having a wavelength with a larger amount of light absorption by the target, it is desirable to accurately lock the wavelength of the laser beam to the center wavelength of the absorption line of the target light. A differential absorption lidar apparatus having a wavelength lock circuit is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-248126.
上記したレーザ光の波長をロックする方法としては、たとえば、位相変調されたレーザ光を、ターゲットと同種の光吸収媒体(たとえば、炭酸ガスなどの基準ガス)が封入された光吸収セルに透過させ、その透過レーザ光の検出強度を基にフィードバック制御用の誤差信号を生成し、更にこの誤差信号を用いてレーザ光源の出力波長を制御する方法が考えられる。しかしながら、当該波長に対する光吸収媒体の吸収線強度が小さいと、当該波長に対する光吸収媒体の光の吸収係数が小さいので、高精度な誤差信号を得ることが難しい。この場合、高い精度で安定した波長ロックを実現することができないという課題がある。 As a method of locking the wavelength of the laser beam described above, for example, the phase-modulated laser beam is transmitted through a light absorption cell in which a light absorption medium of the same type as the target (for example, a reference gas such as carbon dioxide gas) is sealed. A method of generating an error signal for feedback control based on the detected intensity of the transmitted laser light and further controlling the output wavelength of the laser light source using this error signal is conceivable. However, if the absorption line intensity of the light absorbing medium with respect to the wavelength is small, it is difficult to obtain a highly accurate error signal because the light absorption coefficient of the light absorbing medium with respect to the wavelength is small. In this case, there is a problem that a stable wavelength lock cannot be realized with high accuracy.
上記に鑑みて本発明の目的は、光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる波長制御器及び差分吸収ライダ装置を提供する点にある。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a wavelength controller and a differential absorption lidar apparatus that can realize stable wavelength locking with high accuracy even when the absorption coefficient of the light absorption medium is small.
本発明の一態様による波長制御器は、一連のレーザ光パルスが入力される光入力端を有し、該光入力端に入力された各レーザ光パルスを減衰させる光吸収媒体を含む光吸収セルと、前記光吸収セルから出力された透過光パルスを第1の分岐光と第2の分岐光とに分割する光分岐器と、前記第2の分岐光を前記光入力端から前記光吸収セルに入力させる光結合器と、前記第1の分岐光を電気信号に変換して出力する光検出器と、前記光検出器の出力信号の減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基に前記レーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部と、当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記光吸収セル、前記光分岐器及び前記光結合器は、前記光入力端に入力された各レーザ光パルスを複数回循環させるループ光路を構成していることを特徴とする。 A wavelength controller according to an aspect of the present invention has a light input terminal to which a series of laser light pulses are input, and includes a light absorption medium that attenuates each laser light pulse input to the light input terminal. An optical branching device that divides the transmitted light pulse output from the light absorption cell into a first branched light and a second branched light, and the second branched light from the light input terminal to the light absorption cell. An optical coupler to be input to the optical detector, a photodetector that converts the first branched light into an electrical signal and outputs the signal, an attenuation waveform of the output signal of the photodetector is sampled, and the sampled attenuation waveform is used as a basis. A wavelength estimation unit that estimates a current wavelength of the laser light pulse, and a control signal generation unit that generates a feedback control signal that reduces a difference between the estimated current wavelength and a target wavelength, A light absorption cell, the optical branching device and It said optical coupler is characterized in that it constitutes a loop optical path for multiple times cycles through each laser beam pulse input to the optical input end.
本発明の他の態様による差分吸収ライダ装置は、一連のレーザ光パルスを外部のターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光し、その受光結果を基に当該ターゲットの濃度を算出する差分吸収ライダ部と、前記一連のレーザ光パルスを入力とする前記波長制御器とを備え、前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器で生成されたフィードバック制御信号に応じて、前記一連のレーザ光パルスの波長を前記目標波長に一致させることを特徴とする。 The differential absorption lidar apparatus according to another aspect of the present invention irradiates a series of laser light pulses toward an external target, receives scattered light reflected by the target, and determines the concentration of the target based on the light reception result. A differential absorption lidar unit to be calculated; and the wavelength controller to which the series of laser light pulses are input. The differential absorption lidar unit is configured to perform the series according to a feedback control signal generated by the wavelength controller. The wavelength of the laser light pulse is made to coincide with the target wavelength.
本発明によれば、ループ光路におけるレーザ光パルスの循環により生成された減衰波形に基づいて、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。その推定された現在の波長を用いてフィードバック制御信号が生成されるため、光吸収媒体の光の吸収係数が小さい場合でも、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。 According to the present invention, the current wavelength of the laser light pulse can be estimated with high accuracy based on the attenuation waveform generated by the circulation of the laser light pulse in the loop optical path. Since the feedback control signal is generated using the estimated current wavelength, stable wavelength locking can be realized with high accuracy even when the light absorption coefficient of the light absorbing medium is small.
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。 Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the component to which the same code | symbol was attached | subjected in the whole drawing shall have the same structure and the same function.
実施の形態1.
図1は、本発明に係る実施の形態1である差分吸収ライダ装置1の概略構成を示す図である。図1に示されるように、差分吸収ライダ装置1は、一連のレーザ光パルスを外部空間におけるターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光する差分吸収ライダ部20と、当該一連のレーザ光パルスの波長を目標波長に一致させるフィードバック制御(以下「波長ロック」ともいう。)を実行する波長制御器10とを備えて構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a differential
差分吸収ライダ部20は、計測対象となるターゲット(たとえば、炭酸ガス、オゾンまたは水蒸気などの気体分子)の光吸収量が小さい波長λoff(以下「オフ波長λoff」ともいう。)のレーザ光をターゲットに向けて照射し、そのターゲットの光吸収量が大きい波長λon(以下「オン波長λon」ともいう。)のレーザ光をターゲットに向けて照射する。図2は、波長に対する光吸収量分布の一例を概略的に示すグラフである。図2に示される光吸収量分布は、オン波長λonで極大ピークを形成する。これに対し、オフ波長λoffでの光吸収量はほとんど無い。差分吸収ライダ部20は、ターゲットによる光吸収量がオン波長λonとオフ波長λoffとの間で異なる現象を利用して、当該ターゲットの濃度を測定することができる。
The differential
図1に示されるように、差分吸収ライダ部20は、オフ波長λoffの連続波レーザ光を光導波路G1に出力する第1レーザ光源21Aと、この第1レーザ光源21Aを駆動する光源駆動部22Aと、オン波長λonの連続波レーザ光を光導波路G2に出力する第2レーザ光源21Bと、この第2レーザ光源21Bを駆動する光源駆動部22Bとを備えている。光源駆動部22Bは、波長制御器10から供給された波長制御信号CTRに応じて第2レーザ光源21Bの出力波長λonを所定の目標波長Λonに一致させる(言い換えれば、出力波長λonを目標波長Λonにロックする)機能をも有している。目標波長Λonは、予め観測された吸収線の中心波長に設定されている。この機能により、第2レーザ光源21Bの出力波長λonを目標波長Λonに同調させることが可能となる。第1レーザ光源21A及び第2レーザ光源21Bとしては、それぞれ、たとえば単一モードで連続発振可能な半導体レーザダイオードを含む光源を使用すればよい。以下、連続波(Continuous Wave)レーザ光を「CWレーザ光」と呼ぶこととする。
As shown in FIG. 1, the differential
図1に示される差分吸収ライダ部20は、更に、光スイッチ23、光分岐器24、光変調器25、光分岐器26、光増幅器27、光サーキュレータ28、送受信光学系29、光合波器31、バランスドレシーバ32、A/D変換器(ADC)33及び信号処理部34を備えている。
1 further includes an
光スイッチ23は、信号処理部34から供給される切替制御信号SWに応じて、光導波路G1から入力されたオフ波長λoffのレーザ光と、光導波路G2から入力されたオン波長λonのレーザ光との間を切り替えて光分岐器24に出力する。光分岐器24は、光スイッチ23から入力されたCWレーザ光を2つの分岐レーザ光に分割し、一方の分岐レーザ光を光導波路G3に出力し、他方の分岐レーザ光を光導波路G4に出力する。
The
光変調器25は、光導波路G3から入力された分岐レーザ光を周波数シフトし、次に、その周波数シフトされた分岐レーザ光にパルス変調を施して一連のレーザ光パルスを生成して出力する。レーザ光パルスのパルス幅は、たとえば、数百ナノ秒から数千ナノ秒の範囲内となるように制御される。このような光変調器25は、たとえば、音響光学変調素子(AOM:Acousto−Optic Modulator)を用いて構成可能であるが、これに限定されるものではない。
The
光分岐器26は、光変調器25から出力されたレーザ光パルスを2分割して光導波路G5,G6に出力する。光導波路G5に出力されたレーザ光パルスは、波長制御器10に入力される。一方、光導波路G6に出力されたレーザ光パルスは、光増幅器27で増幅された後に、送受信光分離部をなす光サーキュレータ28を介して送受信光学系29に供給される。光増幅器27は、たとえば、EDFA(Erbium Doped optical Fiber Amplifier)などの光ファイバ増幅器を用いて構成可能である。送受信光学系29は、光サーキュレータ28から光導波路G7を介して入力されたレーザ光パルスを、所定の光強度、ビームサイズ及びビーム形状を有するように成形して外部空間内のターゲットに照射する。送受信光学系29は、たとえば光学望遠鏡により構成可能である。
The optical branching
ターゲットで反射した散乱光は、送受信光学系29で受信される。光サーキュレータ28は、送受信光学系29から入力された受信光を光導波路G8に出力する。光合波器31は、光導波路G4から入力されたCWレーザ光と、光導波路G8から入力された受信光とを合波して合波光信号を生成し、この合波光信号をバランスドレシーバ32に出力する。
The scattered light reflected by the target is received by the transmission / reception
バランスドレシーバ32は、光ヘテロダイン検波器で構成されている。バランスドレシーバ32は、光合波器31から入力された合波光信号をヘテロダイン検波し、その検波結果を示すアナログ電気信号をA/D変換器33に供給する。A/D変換器33は、入力されたアナログ電気信号をディジタル信号に変換し、信号処理部34に供給する。
The
信号処理部34は、オン波長λonのレーザ光パルスのターゲットへの照射に応じて入力されたディジタル信号と、オフ波長λoffのレーザ光パルスのターゲットへの照射に応じて入力されたディジタル信号とに基づいて、当該ターゲットの濃度を算出することができる。濃度算出には、DIAL(DIfferential Absorption Lidar)による公知の濃度測定アルゴリズムを使用すればよい。また、信号処理部34は、光スイッチ23に対して切替制御信号SWを供給する制御機能をも有している。
The
次に、波長制御器10の構成について説明する。図1に示されるように、波長制御器10は、強度変調器11、光結合器12、光吸収セル13、光分岐器14、光検出器15及び信号処理部16を含んで構成されている。図3は、図1に示した信号処理部16の概略構成を示す機能ブロック図である。
Next, the configuration of the
強度変調器11は、光導波路G5から入力された一連のレーザ光パルスを短パルス化(すなわち、レーザ光パルスのパルス幅を短く)する機能を有する。図4は、強度変調器11に入力されるレーザ光パルスの波形の例を示す図である。図4は、パルス周期T及びパルス幅Δτ0を有するレーザ光パルスの波形を概略的に示す図である。図5は、図4に示したレーザ光パルスを短パルス化して得られたレーザ光パルスの波形の例を示す図である。図5に示されるレーザ光パルスは、パルス周期Tと、パルス幅Δτ0よりも短いパルス幅Δτとを有している。強度変調器11は、たとえば、数百ナノ秒から数千ナノ秒の範囲内のパルス幅Δτ0を有するレーザ光パルスを、数ナノ秒程度のパルス幅Δτを有するレーザ光パルスに変換することができる。強度変調器11は、たとえば公知のLN強度変調器を用いて構成可能である。
The
図3を参照すると、光吸収セル13は、強度変調器11から光結合器12を介して一連のレーザ光パルスが入力される光入力端と、当該光吸収セル13の内部を透過した透過光パルスを出力する光出力端とを有する。光吸収セル13は、それら光入力端と光出力端との間に、主にターゲットと同種の気体分子からなる光吸収媒体が封入された領域を有する。この光吸収セル13に入力されたレーザ光パルスは、光吸収媒体内を伝搬する過程で減衰する。
Referring to FIG. 3, the
光分岐器14は、光吸収セル13の光出射端から入力された透過光パルスを2つの分岐光パルスに分割する。一方の分岐光パルス(第1の分岐光パルス)は光導波路G11に出力され、他方の分岐光パルス(第2の分岐光パルス)は光導波路G12に出力される。この光導波路G12は、光分岐器14の光出力端と光結合器12の光入力端との間を接続するように配置されている。光結合器12は、光導波路G12の光出力端を光吸収セル13の光入力端と光学的に結合する光学部材である。よって、図3に示されるように、光結合器12、光吸収セル13、光分岐器14及び光導波路G12によって、ループ光路が構成される。
The optical branching
1個のレーザ光パルスがそのループ光路を1回循環する度に、光分岐器14は1個の分岐光パルスを出力する。仮に1個のレーザ光パルスが最後まで消滅せずにそのループ光路を1000回循環することができたとすれば、光分岐器14は、時間の経過とともに次第に強度が減衰する1000個の分岐光パルスを連続的に出力することとなる。
Each time one laser light pulse circulates in the loop optical path once, the optical branching
光検出器15は、光導波路G11から入力された分岐光パルスをアナログ電気信号(以下「検出信号」という。)DSに変換し、この検出信号DSを信号処理部16に出力する。ここで、パルス周期T(図5)は、当該パルス周期T内に、1個のレーザ光パルスがループ光路を複数回循環して十分に減衰することができる時間長に設定されている。よって、検出信号DSは、パルス周期Tごとに、時間の経過とともに減衰する減衰波形を示すものとなる。
The
信号処理部16は、制御対象であるオン波長λonに対応する検出信号DSが入力されたときに動作する。信号処理部16は、図3に示されるように、検出信号DSの減衰波形をサンプリングして当該サンプリングされた減衰波形を基にレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部40と、当該推定された現在の波長と目標波長Λonとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部46と、このフィードバック制御信号を、アナログ信号である波長制御信号CTRに変換するD/A変換器(DAC)47とを含んで構成されている。波長推定部40は、A/D変換器(ADC)41、積算処理部42、正規化部43、フィッティング部44及び波長演算部45を含む。
The
A/D変換器41は、検出信号DSを所定の時間分解能でディジタル信号に変換するサンプリング回路である。図6A及び図6Bは、検出信号DSの減衰波形の例を概略的に示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は、検出信号DSの強度を示し、横軸は、パルス周期Tごとにカウントされる時間τを示している。図6Aに示される減衰波形は、時間の経過とともに強度が減衰する多数のパルス波形の集合体である。図6Aの例では、A/D変換器41の時間分解能が高いので、個々のパルス波形の形状を識別することができる。一方、図6Bは、図6Aの場合よりも、A/D変換器41の時間分解能が低い場合の減衰波形を示すグラフである。図6Bの例では、その時間分解能が低いため、個々のパルス波形を識別することができない。
The A /
図3を参照すると、積算処理部42は、A/D変換器41でサンプリングされた複数の減衰波形を積算して積算波形を生成する機能を有する。A/D変換器41は、パルス周期Tごとに1つの減衰波形を出力する。積算処理部42は、複数のパルス周期を通じて連続的に入力された複数の減衰波形を積算することにより積算波形のデータを生成することができる。正規化部43は、この積算波形を当該積算波形の最大値で正規化することで正規化波形のデータを生成する。
Referring to FIG. 3, the
そして、フィッティング部44は、その正規化波形を予め用意された減衰関数でフィッティングすることにより減衰曲線を算出する。フィッティングは、公知の最小自乗法を用いて実行することが可能である。光強度の減衰には、光分岐器14を構成する光カプラの挿入損失、光分岐器14の分岐比、光吸収セル13内の光吸収媒体の光の吸収係数、その光吸収媒体のモル濃度、及び、光吸収セル13内の光の伝搬長といった種々のパラメータが影響を与えるので、これらパラメータを考慮してフィッティングに適した減衰関数が決定されればよい。ランベルト・ベール(Lambert−Beer)の法則によれば、或る波長の光が気体分子の中を通過するとき、その光の強度は指数関数的に減衰することが知られているので、フィッティングに使用される減衰関数として減衰型の指数関数を使用することができる。ただし、本発明は、減衰型の指数関数に限定されるものではない。差分吸収ライダ装置1の想定される使用環境に応じて、多項式関数などの他の種類の減衰関数が使用されてもよい。減衰関数は、予め実験または計算機シミュレーションを実行することにより決定することが可能である。
Then, the
図7は、フィッティング部44で得られた減衰曲線の3つの例を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸は、減衰曲線D1,D2,D3の強度(正規化強度)を示し、横軸は、パルス周期単位でカウントされる時間τを示している。正規化強度の最大値は「1」である。図7に示されるように、減衰曲線D1,D2,D3は、τ=0を始点として時間の経過とともに指数関数的に減衰している。光吸収量が多くなるほど、減衰曲線の減衰速度が大きくなる。よって、減衰曲線D1,D2,D3に対応する3つの波長のうち、最も光吸収量の多い波長は、減衰曲線D1に対応する波長である。たとえば、基準値1/e(e:自然対数の底)に対応する減衰曲線D1,D2,D3の観測時間τ1,τ2,τ3に着目すると、光吸収量が多くなるほど、観測時間はτ=0の時点に近づいていくことが分かる。図8は、オン波長λonとオフ波長λoffとにそれぞれ対応する減衰曲線Don,Doffの例を示すグラフである。図8に示されるように、基準値1/eに対応する減衰曲線Don,Doffの観測時間τon,τoffに着目すると、観測時間τonは、観測時間τoffよりもτ=0の時点に近いことが分かる。また、減衰曲線Donの減衰速度は、減衰曲線Doffの減衰速度よりも大きい。
FIG. 7 is a graph showing three examples of attenuation curves obtained by the
次に、図3に示される波長演算部45は、予め用意された変換テーブルを参照しまたは変換関数を用いて、フィッティング部44で得られた減衰曲線の特性値に対応する波長を判定し、レーザ光パルスの現在の波長をその判定された波長と推定する。ここで、変換テーブルは、減衰曲線の特性値と波長との間の対応関係を定めるルックアップテーブルである。変換関数は、減衰関数の特性値が入力値として与えられたときに当該入力値に対応する波長を算出するものである。図9は、3種類の減衰曲線D1,D2,D3の特性値を説明するためのグラフである。図9に示される判定時間τpは、強度変調器11から出力された1個のレーザ光パルスがループ光路内を所定回数以上循環することができるように予め設定された時間である。波長演算部45は、その判定時間τpにおける減衰曲線D1,D2,D3の正規化強度値I1,I2,I3を特性値として利用することができる。波長演算部45は、予め用意された変換テーブルまたは変換関数を用いて、特性値に対応する波長を取得することが可能である。
Next, the
制御信号生成部46は、波長演算部45で判定された現在の波長と目標波長Λonとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。図9の例では、減衰曲線D1,D2,D3にそれぞれ対応する3つの波長のうち最も目標波長Λonに近い波長は、減衰曲線D1に対応する波長である。
The control
ところで、積算処理部42で生成された積算波形の一部が飽和することがある。この場合、仮に、正規化部43が当該積算波形の飽和した部分の強度最大値を用いて積算波形を正規化したとしても、フィッティングに適した正規化波形を得ることが難しい。このため、積算波形の一部が飽和する場合には、正規化部43は、飽和領域を避けた時間τNにおける強度値を用いて正規化波形を生成することが望ましい。図10は、飽和領域を避けた時間τNにおける強度値を用いて生成された正規化波形の一例を示す図である。この場合、波長演算部45は、図11に示されるように、時間τNよりも後の時間を判定時間τpとして利用する。これにより、積算波形の一部が飽和したとしても、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。
By the way, a part of the integrated waveform generated by the
このような信号処理部16のハードウェア構成は、たとえば、ワークステーションまたはメインフレームなどのCPU(Central Processing Unit)内蔵のコンピュータ構成を有する情報処理装置により実現可能である。あるいは、上記信号処理部16のハードウェア構成は、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)またはFPGA(Field−Programmable Gate Array)などのLSI(Large Scale Integrated circuit)を有する情報処理装置により実現されてもよい。
Such a hardware configuration of the
次に、実施の形態1における波長制御器10の変形例について説明する。図12は、波長制御器10の第1変形例の構成の一部を概略的に示す図である。この第1変形例は、光結合器12よりも前段に配置された光増幅器51を有しており、この光増幅器51は、強度変調器11と光結合器12との間に設けられている。
Next, a modification of the
光増幅器51は、光吸収セル13に入力すべきレーザ光パルスの強度を大きくするので、光増幅器51が無い場合と比べると、レーザ光パルスが消滅せずにループ光路内を循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器51が無い場合と比べると、正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形がτ=0の時点からほぼ零強度付近に減衰するまでの期間(以下「減衰期間」という。)が長くなる。よって、正規化部43は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部45は、光増幅器51が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。光増幅器51としては、EDFAなどの光ファイバ増幅器または半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)を使用すればよい。
Since the
また、図13は、実施の形態1における波長制御器10の第2変形例の構成の一部を概略的に示す図である。この第2変形例では、光結合器12の入力端と光分岐器14の出力端との間を接続する光導波路内に光増幅器52が設けられている。すなわち、光増幅器52の光入力端は、光導波路G12aを介して光分岐器14の光出力端と接続され、光増幅器52の光出力端は、光導波路G12bを介して光結合器12の光入力端と接続されている。
FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a part of the configuration of the second modification of the
光増幅器52は、ループ光路内を循環するレーザ光パルスの強度を大きくするので、光増幅器52が無い場合と比べると、レーザ光パルスが消滅せずにループ光路内を循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器52が無い場合と比べると、正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形の減衰期間が長くなる。よって、正規化部43は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部45は、光増幅器52が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。光増幅器52としては、EDFAなどの光ファイバ増幅器または半導体光増幅器を使用すればよい。
Since the
以上に説明したように実施の形態1の波長制御器10は、光吸収セル13における光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、ループ光路内のレーザ光パルスの循環により生成された減衰波形に基づいてレーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。したがって、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。
As described above, the
実施の形態2.
次に、本発明に係る実施の形態2の差分吸収ライダ装置1Aについて説明する。図14は、この差分吸収ライダ装置1Aの概略構成を示す図である。図14に示されるように、この差分吸収ライダ装置1Aは、上記実施の形態1の波長制御器10と同一構成を有する波長制御器10と、差分吸収ライダ部20Aとを備えている。
Next, the differential
本実施の形態の差分吸収ライダ部20Aの構成は、光分岐器26及び光増幅器27の配置が異なる点を除いて、上記実施の形態1の差分吸収ライダ部20の構成と同じである。すなわち、本実施の形態の差分吸収ライダ部20Aでは、光増幅器27は、光変調器25と光分岐器26との間に介在している。光分岐器26は、光増幅器27から出力されたレーザ光パルスを2分割して光導波路G5,G6aに出力する。光導波路G5に出力されたレーザ光パルスは、波長制御器10に入力される。一方、光導波路G6aに出力されたレーザ光パルスは、光サーキュレータ28を介して送受信光学系29に供給される。
The configuration of the differential
光増幅器27は、波長制御器10に入力されるレーザ光パルスの強度を大きくする。このため、光増幅器27が無い場合と比べると、波長制御器10のループ光路内をレーザ光パルスが消滅せずに循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器27が無い場合と比べると、正規化部43(図3)で生成される正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形の減衰期間が長くなる。よって、正規化部43は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部45は、光増幅器52が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。
The
なお、実施の形態1と同様に、実施の形態2でも、図12及び図13に示した光増幅器51,52のうちの一方または双方を有するように波長制御器10の構成が変形されてよい。
As in the first embodiment, in the second embodiment, the configuration of the
実施の形態3.
次に、本発明に係る実施の形態3について説明する。図15は、実施の形態3の差分吸収ライダ装置1Bの概略構成を示す図である。この差分吸収ライダ装置1Bは、実施の形態1の差分吸収ライダ部20と同一構成の差分吸収ライダ部20と、波長制御器10Bとを備えている。この波長制御器10Bの構成は、実施の形態1の信号処理部16に代えて図15の信号処理部16Bを有する点を除いて、実施の形態1の波長制御器10の構成と同じである。また、信号処理部16Bの構成は、実施の形態1の波長推定部40に代えて図15の波長推定部40Bを有する点を除いて、実施の形態1の信号処理部16の構成と同じである。更に、波長推定部40Bの構成は、実施の形態1のフィッティング部44及び波長演算部45に代えて図15の減衰強度検出部44B及び波長演算部45Bを有する点を除いて、上記実施の形態1の波長推定部40の構成と同じである。
Next, a third embodiment according to the present invention will be described. FIG. 15 is a diagram illustrating a schematic configuration of the differential
上述のとおり、正規化部43は、積算処理部42で生成された積算波形を当該積算波形の最大値で正規化することで正規化波形のデータを生成する。本実施の形態の減衰強度検出部44Bは、この正規化波形の減衰期間内の所定観測時間(たとえば当該正規化波形の最大値に対応する時間よりも後の判定時間τp)における当該正規化波形の強度値を減衰強度として検出する。光吸収セル13を含むループ光路での光吸収量が多いほど、正規化波形の減衰速度が大きくなり、減衰強度が小さくなる。波長演算部45Bは、予め用意された変換テーブルを参照しまたは変換関数を用いて、その減衰強度に対応する波長を取得し、レーザ光パルスの現在の波長を当該取得された波長と推定することができる。ここで、変換テーブルは、減衰強度と波長との間の対応関係を定めるルックアップテーブルである。変換関数は、減衰強度が入力値として与えられたときに当該入力値に対応する波長を算出するものである。制御信号生成部46は、波長演算部45Bで推定された現在の波長と目標波長Λonとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。
As described above, the
以上に説明したように実施の形態3の波長制御器10Bは、光吸収セル13における光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、正規化部43で生成された正規化波形の減衰強度に基づいてレーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。したがって、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。
As described above, the
なお、実施の形態3の差分吸収ライダ部20に代えて、上記実施の形態2の差分吸収ライダ部20Aが使用されてもよい。また、実施の形態1と同様に、実施の形態3でも、図12及び図13に示した光増幅器51,52のうちの一方または双方を有するように波長制御器10Bの構成が変形されてよい。
Instead of the differential
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記光導波路G1〜G8,G10〜G12,G12a,G12b,G6aは、光ケーブルで構成することができるが、これに限定されるものではない。 Although various embodiments according to the present invention have been described above with reference to the drawings, these embodiments are examples of the present invention, and various forms other than these embodiments can be adopted. For example, the optical waveguides G1 to G8, G10 to G12, G12a, G12b, and G6a can be configured with optical cables, but are not limited thereto.
また、上記実施の形態1,2,3は、第2レーザ光源21Bの出力波長λonのみをロックする構成を有しているが、これに限定されるものではない。たとえば、オン波長λonのレーザ光パルスが光導波路G5に入力される期間内に第2レーザ光源21Bの出力波長λonをロックし、オフ波長λoffのレーザ光パルスが光導波路G5に入力される期間内に第1レーザ光源21Aの出力波長λoffをロックするように上記実施の形態1,2,3の構成が変形されてもよい。
Moreover, although the said
なお、本発明はその発明の範囲内において、上記実施の形態1,2,3の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, the above-described first, second, and third embodiments can be freely combined, any constituent element in each embodiment can be modified, or any constituent element in each embodiment can be omitted. Is possible.
G1〜G8,G10〜G12,G6a,G12a,G12b 光導波路、1,1A, 1B 差分吸収ライダ装置、10,10B 波長制御器、11 強度変調器、12 光結合器、13 光吸収セル、14 光分岐器、15 光検出器、16 信号処理部、20,20A 差分吸収ライダ部、21A 第1レーザ光源、21B 第2レーザ光源、22A,22B 光源駆動部、23 光スイッチ、24 光分岐器、25 光変調器、26 光分岐器、27 光増幅器、28 光サーキュレータ、29 送受信光学系、31 光合波器、32 バランスドレシーバ、33 A/D変換器(ADC)、34 信号処理部、40,40B 波長推定部、41 A/D変換器(ADC)、42 積算処理部、43 正規化部、44 フィッティング部、45,45B 波長演算部、46 制御信号生成部、47 D/A変換器(DAC)、51,52 光増幅器。 G1-G8, G10-G12, G6a, G12a, G12b Optical waveguide, 1, 1A, 1B Differential absorption lidar device, 10, 10B Wavelength controller, 11 Intensity modulator, 12 Optical coupler, 13 Optical absorption cell, 14 Light Branching device, 15 photo detector, 16 signal processing unit, 20, 20A differential absorption lidar unit, 21A first laser light source, 21B second laser light source, 22A, 22B light source driving unit, 23 optical switch, 24 optical branching unit, 25 Optical modulator, 26 Optical splitter, 27 Optical amplifier, 28 Optical circulator, 29 Transmission / reception optical system, 31 Optical multiplexer, 32 Balanced receiver, 33 A / D converter (ADC), 34 Signal processing unit, 40, 40B Wavelength estimation unit, 41 A / D converter (ADC), 42 integration processing unit, 43 normalization unit, 44 fitting unit, 45, 45B wavelength Calculation unit, 46 control signal generation unit, 47 D / A converter (DAC), 51 and 52 an optical amplifier.
Claims (13)
前記光吸収セルから出力された透過光パルスを第1の分岐光パルスと第2の分岐光パルスとに分割する光分岐器と、
前記第2の分岐光パルスを前記光入力端から前記光吸収セルに入力させる光結合器と、
前記第1の分岐光パルスを電気信号に変換して出力する光検出器と、
前記光検出器の出力信号の減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基に前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部と、
当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記光吸収セル、前記光分岐器及び前記光結合器は、前記光入力端に入力された各レーザ光パルスを複数回循環させるループ光路を構成していることを特徴とする波長制御器。 A light absorption cell having a light input end to which a series of laser light pulses are input, and including a light absorption medium for attenuating each laser light pulse input to the light input end;
An optical branching device that splits a transmitted light pulse output from the light absorption cell into a first branched light pulse and a second branched light pulse;
An optical coupler for inputting the second branched light pulse from the light input terminal to the light absorption cell;
A photodetector that converts the first branched optical pulse into an electrical signal and outputs the electrical signal;
A wavelength estimation unit that samples an attenuation waveform of an output signal of the photodetector and estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the sampled attenuation waveform;
A control signal generation unit that generates a feedback control signal that reduces the difference between the estimated current wavelength and the target wavelength;
The wavelength controller, wherein the light absorption cell, the optical branching unit, and the optical coupler constitute a loop optical path that circulates each laser light pulse input to the optical input terminal a plurality of times.
前記波長推定部は、
前記減衰波形をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部でサンプリングされた複数の減衰波形を積算して積算波形を生成する積算処理部と、
前記積算波形に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長演算部と
を含むことを特徴とする波長制御器。 The wavelength controller according to claim 1 or 2, wherein
The wavelength estimator is
A sampling unit for sampling the attenuated waveform;
An integration processing unit that integrates a plurality of attenuation waveforms sampled by the sampling unit to generate an integrated waveform; and
A wavelength controller that estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the integrated waveform.
前記波長演算部は、前記正規化波形に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。 4. The wavelength controller according to claim 3, wherein the wavelength estimation unit further includes a normalization unit that normalizes the integrated waveform to generate a normalized waveform,
The wavelength controller, wherein the wavelength controller estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the normalized waveform.
前記波長演算部は、前記減衰曲線に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。 5. The wavelength controller according to claim 4, wherein the wavelength estimation unit further includes a fitting unit that calculates an attenuation curve by fitting the normalized waveform with an attenuation function prepared in advance.
The wavelength controller, wherein the wavelength controller estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the attenuation curve.
前記波長演算部は、前記減衰強度に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。 The wavelength controller according to claim 4, wherein the wavelength estimation unit further includes an attenuation intensity detection unit that detects an attenuation intensity of the normalized waveform,
The wavelength controller, wherein the wavelength controller estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the attenuation intensity.
前記一連のレーザ光パルスを入力とする請求項1から請求項10のうちのいずれか1項記載の波長制御器と
を備え、
前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器で生成されたフィードバック制御信号に応じて、前記一連のレーザ光パルスの波長を前記目標波長に一致させることを特徴とする差分吸収ライダ装置。 A differential absorption lidar unit that irradiates a series of laser light pulses toward an external target, receives scattered light reflected by the target, and calculates the concentration of the target based on the light reception result;
The wavelength controller according to any one of claims 1 to 10, wherein the series of laser light pulses are input.
The differential absorption lidar unit is configured to make the wavelength of the series of laser light pulses coincide with the target wavelength in accordance with a feedback control signal generated by the wavelength controller.
前記差分吸収ライダ部は、
連続波のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光をパルス化して前記一連のレーザ光パルスを生成する光変調器と
を含み、
前記光増幅器は、前記光変調器よりも後段に配置されている
ことを特徴とする差分吸収ライダ装置。 The differential absorption lidar apparatus according to claim 12,
The differential absorption lidar part is:
A laser light source that outputs continuous wave laser light;
An optical modulator that pulses the laser light to generate the series of laser light pulses;
The differential absorption lidar apparatus, wherein the optical amplifier is arranged downstream of the optical modulator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016089314A JP2017198536A (en) | 2016-04-27 | 2016-04-27 | Wavelength controller and difference absorption lidar device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016089314A JP2017198536A (en) | 2016-04-27 | 2016-04-27 | Wavelength controller and difference absorption lidar device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017198536A true JP2017198536A (en) | 2017-11-02 |
Family
ID=60237719
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016089314A Pending JP2017198536A (en) | 2016-04-27 | 2016-04-27 | Wavelength controller and difference absorption lidar device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2017198536A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020148897A1 (en) * | 2019-01-18 | 2020-07-23 | 三菱電機株式会社 | Air conditioner and control method |
CN113156452A (en) * | 2021-04-07 | 2021-07-23 | 中国空间技术研究院 | Satellite-borne differential absorption laser radar CO2Method for determining optimal wave band for profile detection |
JP7034398B1 (en) * | 2021-06-30 | 2022-03-11 | 三菱電機株式会社 | Laser radar device |
WO2023126990A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 三菱電機株式会社 | Laser radar device |
-
2016
- 2016-04-27 JP JP2016089314A patent/JP2017198536A/en active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020148897A1 (en) * | 2019-01-18 | 2020-07-23 | 三菱電機株式会社 | Air conditioner and control method |
JPWO2020148897A1 (en) * | 2019-01-18 | 2021-03-11 | 三菱電機株式会社 | Air conditioner and control method |
EP3896356A4 (en) * | 2019-01-18 | 2022-01-05 | Mitsubishi Electric Corporation | Air conditioner and control method |
CN113156452A (en) * | 2021-04-07 | 2021-07-23 | 中国空间技术研究院 | Satellite-borne differential absorption laser radar CO2Method for determining optimal wave band for profile detection |
JP7034398B1 (en) * | 2021-06-30 | 2022-03-11 | 三菱電機株式会社 | Laser radar device |
WO2023276018A1 (en) * | 2021-06-30 | 2023-01-05 | 三菱電機株式会社 | Laser radar device |
WO2023126990A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 三菱電機株式会社 | Laser radar device |
JPWO2023126990A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | ||
JP7391279B2 (en) | 2021-12-27 | 2023-12-04 | 三菱電機株式会社 | laser radar equipment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3376169B1 (en) | Temperature or strain distribution sensor | |
US10866319B2 (en) | Stray-light tolerant lidar measurement system and stray-light tolerant lidar measurement method | |
US8149391B2 (en) | Distance measuring instrument and method | |
JP5043714B2 (en) | Optical fiber characteristic measuring apparatus and method | |
JP2017198536A (en) | Wavelength controller and difference absorption lidar device | |
JP2011232138A (en) | Distribution type optical fiber sensor | |
JP2015523727A (en) | Coherent phase coupled, high contrast, pulsed fiber optic amplifier array | |
US20120174677A1 (en) | Optical method and device for a spatially resolved measurement of mechanical parameters, in particular mechanical vibrations by means of glass fibers | |
JP5148420B2 (en) | Optical fiber testing equipment | |
JP4018799B2 (en) | Method and apparatus for measuring concentration of absorption component of scattering medium | |
RU2552222C1 (en) | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method | |
Ma et al. | Single-frequency lasers’ linewidths elegantly characterized with Sigmoid functions of observation time | |
JP2006300801A (en) | Optical coherent tomography unit | |
Li et al. | Correlation optical time domain reflectometry based on broadband random optoelectronic oscillator | |
WO2015129696A1 (en) | Interferometer calibration method and interferometer using said calibration method | |
Imran et al. | On-chip tunable SOI interferometer for quantum random number generation based on phase diffusion in lasers | |
WO2015129118A1 (en) | Characteristic measurement device, transient absorption response measurement device and transient absorption response measurement method | |
JP2021128131A (en) | Brillouin frequency shift measuring device and Brillouin frequency shift measuring method | |
Blakely | Quantum illumination with a parametrically amplified idler | |
US11879975B2 (en) | Measurement apparatus and measurement method | |
CN106932897A (en) | Quantum imaging method, quantum imaging system | |
CN218918124U (en) | Entropy source device of vacuum fluctuation quantum random number generator | |
RU2649643C1 (en) | Method of measuring spatial-temporal radiation evolution | |
JP2022146053A (en) | Offset amount determination program, offset amount determination method, and offset amount determination device | |
JP2016218180A (en) | Noise index measuring method, noise index measuring apparatus, and measuring system |