JP2022170737A - 多波長ドップラー・ライダー - Google Patents
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Abstract
Description
PRX: 受信パワー
PTX: 送信パルス・パワー
c: 光速度
τ: パルス持続時間
n: 測定の回数(2以上の正の整数)
KSYS: システムの定数
(受信光学系の開口、システム効率、送信/受信ビームの重なり)
βA(R,λ): 大気の後方散乱係数
L[α(R,λ)]: 伝搬減衰関数
である。式(1)は、単一パルスの放出後に受信したパワーを示す。技術的な考慮事項として、信号対雑音比SNRの使用がより一般的である。
ΔR = c・τ/2 ……(6)
n = θ・fP/ω ……(7)
Rua = c/(2・fP) ……(8)
式(8)で定義される明確範囲Ruaは、最初のパルスを送信して測定対象物から反射され、次のパルスを送信できるタイミングで決まるので、PRFが高くなるほど短くなる。
- 空間分解能 ΔR
- 最大距離Rmax又はFOM
- 明確範囲(unambiguous range)Rua
PW (t)=PG(D・τFWHM)*PR((1-D)・τFWHM) ……(9)
本発明の第1実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーは、図9に示すように、レーザ光生成手段11と、レーザ光生成手段11に接続された振幅変調器(AM)12bと、振幅変調器12bに接続されたタイミング変調器(TM)13と、タイミング変調器13に接続された周波数変調器(FV)14と、周波数変調器14に接続された光増幅器(Av)15と、光増幅器15に第1ポートを接続された3ポート光サーキュレータ(ZI)16と、3ポート光サーキュレータ16の第2ポートに接続された送信モジュール(18,19)と、レーザ光生成手段11に接続された検出回路(n×Det.)21bと、検出回路21bに接続された電子評価手段(n×SV)22bを備える。更に3ポート光サーキュレータ16の第2ポートから振幅変調器12bに帰還する回路(経路)の一部に設けられたパルス制御システム(PRS)17を備える。
個々の周波数変調器を有する本発明の第2実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの主要部の構成は、図11に示すように、レーザ光生成手段11と、レーザ光生成手段11に接続された振幅変調器12bと、振幅変調器12bに接続された周波数変調器14bと、周波数変調器14bに接続された光増幅器15と、光増幅器15に第1ポートを接続された3ポート光サーキュレータ16と、3ポート光サーキュレータ16の第2ポートに接続された送信モジュール(18,19)と、レーザ光生成手段11に接続された検出回路21bと、検出回路21bに接続された電子評価手段22bを備える。検出回路21bはnチャネルの検出器を含み、3ポート光サーキュレータ16の第3ポートからの出力は、nチャネルの検出器のそれぞれに入力される。
v1=(λ0-Δλ1)(Δf1/2) ……(10a)
v2=(λ0-Δλ2)(Δf2/2) ……(10b)
………………
で与えられる。図示を省略しているが、第2実施形態に係るライダー・システムは、図9で述べたようなタイミング変調器を使用することが好ましい。
本発明の第3実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの主要部の構成は、図12に示すように、レーザ光生成手段11と、レーザ光生成手段11に接続された振幅変調器12bと、振幅変調器12bに接続された周波数変調器14と、周波数変調器14に接続された光増幅器15と、光増幅器15に第1ポートを接続された3ポート光サーキュレータ16と、3ポート光サーキュレータ16の第2ポートに接続された送信モジュール(18,19)と、レーザ光生成手段11に接続された検出回路21bと、検出回路21bに接続された電子評価手段22bと、電子評価手段22bに接続されたA/Dコンバータ(DV)23と、電子評価手段22b及びA/Dコンバータ23の出力側に接続された最適化回路(OPT)24と、最適化回路24の入力側に接続された外部センサ(ES)26を備える。
本発明の第4実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーは、第3実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの特徴に加え、パルス・シークエンスの波形の自動(自己)最適化機能を備えることを特徴とする。なお、「パルス・シークエンスの波形」とは、既に第1実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの説明で定義したように、パルス形状、パルス持続時間、パルス間隔の組み合わせを、包括的に含むパルス・シークエンスの全体に対する概念である。即ち、本発明の第4実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの主要部の構成は、図14に示すように、レーザ光生成手段11と、レーザ光生成手段11に接続された振幅変調器12bと、振幅変調器12bに接続されたタイミング変調器13と、タイミング変調器13に接続された周波数変調器14と、周波数変調器14に接続された光増幅器15と、光増幅器15に第1ポートを接続された3ポート光サーキュレータ16と、3ポート光サーキュレータ16の第2ポートに接続された送信モジュール(18,19)と、レーザ光生成手段11に接続された検出回路21bと、検出回路21bに接続された電子評価手段22bと、電子評価手段22bに接続されたA/Dコンバータ23と、電子評価手段22b及びA/Dコンバータ23の出力側に接続された最適化回路24を備える。
本発明の第5実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの主要部の構成は、図15に示すように、レーザ光生成手段11と、レーザ光生成手段11に接続された振幅変調器12bと、振幅変調器12bに接続されたタイミング変調器13と、タイミング変調器13に接続された周波数変調器14と、周波数変調器14に接続された光増幅器15と、光増幅器15に第1ポートを接続された3ポート光サーキュレータ16と、3ポート光サーキュレータ16の第2ポートに接続された送信モジュール(18,19)と、レーザ光生成手段11に接続された検出回路21bと、検出回路21bに接続された電子評価手段22bと、電子評価手段22bに接続されたA/Dコンバータ23と、A/Dコンバータ23に接続された最適化回路24と、最適化回路24の入力側にそれぞれ接続された数値モデル・プロセッサ(NUM)25及び外部センサ(ES)26を備える。
本発明の第6実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの主要部の構成は、図16に示すように、レーザ光生成手段11と、レーザ光生成手段11に接続された振幅変調器12bと、振幅変調器12bに接続されたタイミング変調器13と、タイミング変調器13に接続された周波数変調器14と、周波数変調器14にそれぞれ接続された第1光増幅器(A1)15a、第2光増幅器(A2)15b~第n光増幅器(An)15cと、第1光増幅器15a、第2光増幅器15b~第n光増幅器15cのそれぞれに第1ポートを接続された3ポート光サーキュレータ16と、3ポート光サーキュレータ16の第2ポートに接続された送信モジュール(18,19)と、レーザ光生成手段11に接続された検出回路21bと、検出回路21bに接続された電子評価手段22bと、電子評価手段22bに接続されたA/Dコンバータ23と、電子評価手段22b及びA/Dコンバータ23の出力側に接続された最適化回路24と、最適化回路24の入力側にそれぞれ接続された数値モデル・プロセッサ25及び外部センサ26を備える。
本発明の第1~第6実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーは、空気分子とエアロゾルとにより後方散乱されるパルス・レーザ・ビームを用いて、リアルタイムで風速ベクトルを正確に測定することを可能にする。上述した第1~第6実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの構造と第1~第6実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの評価方法によれば、測定対象が遠隔地にある状況においても、且つ低い後方散乱密度の場合であっても、風速の測定が実現できる。特に、チャネル毎に異なるパルス繰り返し周波数/パルス間隔を使用しているので、優れた測定システムを可能にしている。例えば、2次エコー・リカバリーは、干渉を元に戻す又は防止できることを意味する。式(8)に示すように、低いPRFは長い明確範囲Ruaを与える。長い明確範囲Ruaでライダー・チャネルを操作すると、遠隔地に位置する測定対象物(目標物)を検出して風速を測定できる。第1~第6実施形態に係る多波長ドップラー・ライダーの評価方法においては、少なくとも一つのチャネルを低いPRFのパルス・シークエンスで作動させると共に、他の波長チャネルを高いPRFのパルス・シークエンスで差動させるように、複数のライダー・チャネルを個別に操作できる。このため、測定対象物(目標物)までの距離が長い場合であっても、風速の測定が正確にでき、且つ最初のトリップ・エコーが測定されなかった、高いPRFのパルス・シークエンスによるライダー・チャネルにおける干渉を元に戻すことができる。
Claims (8)
- コヒーレント・レーザ光を、複数の波長チャネル上にそれぞれ生成するレーザ光生成手段と、
別々に振幅変調して前記波長チャネル毎に個別のパルスをそれぞれ生成する振幅変調器と、
前記パルスのそれぞれを、所定の空間方向に送信光として送信する送信モジュールと、
前記パルスのそれぞれが大気により後方散乱されたことによる受信光に含まれる前記パルスのそれぞれを、前記波長チャネル毎にそれぞれ検出する検出回路と、
前記波長チャネルのそれぞれにおいて、前記送信光と前記受信光の間のドップラー・シフト量を決定する電子評価手段と、
前記パルスのパルス繰り返し周波数及びパルス間隔の少なくとも一方、並びにパルス形状を、前記波長チャネルのそれぞれにおいて個別に制御するタイミング変調器と、
を備え、前記大気の風速を検出することを特徴とする多波長ドップラー・ライダー。 - 前記タイミング変調器は、前記波長チャネルのそれぞれに対し、互いに異なるパルス繰り返し周波数及び異なるパルス間隔の少なくとも一方を有するように、制御することを特徴とする請求項1に記載の多波長ドップラー・ライダー。
- 前記波長チャネルのそれぞれにおいて、前記パルス又は前記パルスのシーケンスを、別々に周波数シフトする周波数変調器を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の多波長ドップラー・ライダー。
- 前記送信光を周波数f(T)で前記大気中に放出し、前記大気中に存在するエアロゾルで前記送信光を散乱させて、前記周波数f(T)とは異なる周波数f(R)の前記受信光として受信し、前記風速を検出することを特徴とする請求項3に記載の多波長ドップラー・ライダー。
- 前記波長チャネルのそれぞれのパルス形状を自動的に最適化する最適化回路と、
前記最適化回路に接続された少なくとも1つの外部センサと
を更に備え、前記最適化回路は、前記少なくとも1つの外部センサにより、風、ウインドシア、乱気流を含む気象現象を検出し、前記パルス形状を前記気象現象のそれぞれの測定状況に適応させることを特徴とする請求項3に記載の多波長ドップラー・ライダー。 - 前記最適化回路は、前記パルス形状の自己最適化用に設計されており、
前記検出回路が検出した測定データが前記最適化回路に送られ、
前記最適化回路は、前記振幅変調器、前記タイミング変調器、又は前記周波数変調器の少なくともいずれかに対する制御アクセスを有することを特徴とする請求項5に記載の多波長ドップラー・ライダー。 - 前記最適化回路は、ソフトウェアを備えるコンピュータとして設計されており、前記ソフトウェアは、履歴データと物理的関連性に基づいて前記波長チャネルのそれぞれに最適な、前記パルスのパルス繰り返し周波数及び前記パルス間隔の少なくとも一方、並びに前記パルス形状を決定することを特徴とする請求項5又は6に記載の多波長ドップラー・ライダー。
- 前記最適化回路を駆動制御する人工知能用のコンピュータが更に備えられていることを特徴とする請求項5又は6に記載の多波長ドップラー・ライダー。
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