JP2023521978A - ２つのレーザーを備えたｄｉａｌシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法並びに遠隔検出装置 - Google Patents

２つのレーザーを備えたｄｉａｌシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法並びに遠隔検出装置 Download PDF

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Abstract

２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出装置が開示される。この装置は、第１のレーザー（1）及び第２のレーザー（2）を含み、それらのレーザービームの軸の交差点に半透明ミラー（3）が配置される。この半透明ミラーは、第１のレーザー（1）からのレーザービームの出力の５０％と第２のレーザー（2）からのレーザービームの出力の５０％を含む第１および第２の結合ビームを出力するように、２つのレーザービームを合流させる。半透明ミラー（3）の下流には、全反射ミラー（5）が配置され、第１の合流ビームは半透明ミラー（3）から第１の方向に位置する第１のアパーチャ（4）を通過し、第２の合流ビームは全反射ミラー（5）から反射された後に第２の方向に位置する第2のアパーチャ（6）を通過し、第１及び第２の合流ビームは同じターゲットに向けられる。また、対応する方法も開示される。

Description

本発明は、２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法、および２つのレーザーを備えたＤＩＡＬ（差分吸収ライダー：Differential Absorption LIDAR）技術による大気中のガス状物質の遠隔検出装置の構築に関する。本発明は、レーザーシステムの分野に属する。
２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムのいわゆる「古典的」な構成は、単一の出力アパーチャ（開口）を有し、両方のレーザーからのレーザービームは半透明ミラーによって同軸となるように合流する。そのため、両方のレーザーからのレーザー光は、大気中の同じ体積を通って、特定の測定経路の終端に位置するターゲット（物体）に向かって伝搬する。この配置の明らかな欠点は、ビームの合流によってレーザーからのエネルギーが５０％失われることである（ただし、この５０％のエネルギーはシステムの同期と出射エネルギーの測定に使用される）。これによって、遠隔検出器のレンジが約７０％に低下するため、遠隔検出器に対して悪影響を及ぼす。また、出力アパーチャを誤って塞いでしまうと、このようなＤＩＡＬシステムは故障する。
２つのレーザーと２つの出力アパーチャを備えたＤＩＡＬシステムの構成があり、この場合、各レーザーは別々の出力アパーチャを有している。実際、例えばＤＤ－ＣＷＡシステム及びＦ４Ｇシステムはこの構成に基づいて動作する。その結果、一方のレーザーからのレーザー放射は、他方のレーザーからの放射とは異なる体積の大気を通って、ある距離までターゲットに伝搬する。レーザー光は徐々に重なるが、通常、ターゲットに向かう途中で５０％程度まで一致する。光学的な大気の影響、エアロゾルの含有量の違い、及び、測定経路の初期における一方と他方のレーザーの検出物質の濃度の違いも、検出可能な最小濃度に基本的に悪影響を及ぼす可能性がある。このようなＤＩＡＬの出力アパーチャの１つが誤って短時間閉鎖された場合、誤検出を引き起こされるか、または検出されるべき物質の真の雲の検出が妨げられ可能性がある。
本発明による２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法は、これらの欠点をほぼ解消する。その本質は、次のようなものである。この方法では、第１のレーザーによって発生したレーザービームは、半透明ミラーに衝突し、該レーザービームの出力の５０％は半透明ミラーを通過して第１のアパーチャ（開口部）を通じてターゲットに向かって進行し、同時に該レーザービームの出力の残りの５０％は半透明ミラーから反射して全反射ミラーに衝突し、該全反射ミラーから反射されて第２のアパーチャ（開口部）を通じて同じターゲットに向けられ、第２のレーザーによって生成された遅延レーザービームは、半透明ミラーに衝突し、該レーザービームの出力の５０％は半透明ミラーを通過し、全反射ミラーに衝突して反射し、第２のアパーチャを通じて同じターゲットに向けられ、同時に該レーザービーム出力の残りの５０％は半透明ミラーから反射して第１のアパーチャを通じて同じターゲットに向かって進行する。
基本的に、両方のレーザーからのレーザービームは半透明ミラーで合流し、それぞれのビームが２つに分割され、各レーザービームが第１のレーザーからのエネルギーの５０％と第２のレーザーからのエネルギーの５０％を運び、両方のビームは、一方は半透明ミラーによってまた他方は全反射ミラーによって、平行にターゲットに向けられる。
上述した２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法は、本発明に従う大気中のガス状物質の遠隔検出装置器において使用可能である。その本質は、次のようなものである。この装置は、第１のレーザー及び第２のレーザーを含み、それらのレーザービームの軸の交点には半透明ミラーが配置され、半透明ミラーの後方には、第２のレーザーが発生するレーザービームの進行方向の前方かつ第１のレーザーが発生するレーザービームの進行方向の半透明ミラーからの反射方向に、全反射ミラーが配置され、第１のーザーからの５０％のレーザービームの進行方向と第２のレーザーからの反射された５０％のレーザービームの進行方向の半透明ミラーの前方に、第１のアパーチャが配置され、第１のレーザーからの５０％のレーザービームの進行方向と第２のレーザーからの５０％のレーザービームの進行方向の全反射ミラーの反射方向に、第２のアパーチャが配置される。
本発明に従う２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法及びおよび大気中のガス状物質の遠隔検出装置の構造の利点は、外部に現れる効果から明らかである。この解決手段の独創性は、半透明ミラーを使用して両レーザーからのビームを合流させると同時に、各ビームを２つに分割し、それぞれが第１のレーザーと第２のレーザーからのエネルギーの５０％を運び、両方のビームがターゲットに対して平行に向けられることにより、レーザーのエネルギーの５０％の損失がなく、したがってＤＩＡＬのレンジの低下がなく、両方のレーザーからのレーザー放射が大気の同じ体積を通っているという事実によってもたらされる。レーザービームを２つに分割した２つのレーザーによるＤＩＡＬシステムのこのような構成によって、検出に対する大気の影響による外部からの影響を最小限に抑え、最大の検出範囲を確保することができる。２つの出力アパーチャを持つ解決手段は、他の利点ももたらすものである。１つは、片方のアパーチャが完全に塞がれた場合でも、システムの到達距離は減少するものの、検出能力とＤＩＡＬ感度は維持されるという利点である。２つ目の利点は、レーザービームを２つに分割することで、出力アパーチャのパワー密度を下げ、視覚の安全性を高めることが可能になることである。
図１は、本発明による２つのレーザーと大気中のガス状物質の遠隔検出器を備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法を示す図である。
本発明の主題の特定の実施形態のこの例において、本発明に従う２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法の解決手段を説明する。本発明の遠隔検出方法は、大気中のガス状物質を検出する遠隔検出装置に適用される。この方法は次のような事実に基づく。それは、第１のレーザーによって発生したレーザービームは、半透明ミラーに衝突し、該レーザービームの出力の５０％は半透明ミラーを通過して第１のアパーチャ（開口部）を通じてターゲットに向かって進行し、同時に該レーザービームの出力の残りの５０％は半透明ミラーから反射して全反射ミラーに衝突し、該全反射ミラーから反射されて第２のアパーチャ（開口部）を通じて同じターゲットに向けられ、第２のレーザーによって生成された遅延レーザービームは、半透明ミラーに衝突し、該レーザービームの出力の５０％は半透明ミラーを通過し、全反射ミラーに衝突して反射し、第２のアパーチャを通じて同じターゲットに向けられ、同時に該レーザービーム出力の残りの５０％は半透明ミラーから反射して第１のアパーチャを通じて同じターゲットに向かって進行する、というものである。
本発明の主題の特定の実施形態のこの例において、図示するような、本発明に従う大気中のガス状物質の遠隔検出方法の解決手段を説明する。この解決手段は、第１のレーザー１及び第２のレーザー２を含み、それらのレーザービームの軸の交点には半透明ミラー３が配置され、半透明ミラー３の後方には、第２のレーザー２が発生するレーザービームの進行方向の前方かつ第１のレーザー１が発生するレーザービームの進行方向の半透明ミラー３からの反射方向に、全反射ミラー５が配置され、第１のレーザー１からの５０％のレーザービームの進行方向と第２のレーザー２からの反射された５０％のレーザービームの進行方向の半透明ミラー３の前方に、第１のアパーチャ４が配置され、第１のレーザー１からの５０％のレーザービームの進行方向と第２のレーザー２からの５０％のレーザービームの進行方向の全反射ミラー５の反射方向に、第２のアパーチャ６が配置される、というものである。この装置は、反射されたレーザービームの受光器７によって補完される。
（産業上の利用可能性）
２つのレーザーを用いたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法、及びと大気中のガス状物質の遠隔検出装置は、レーザー技術の応用に使用可能である。

Claims (2)

  1. ２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出方法であって、第１のレーザーによって発生したレーザービームは、半透明ミラーに衝突し、該レーザービームの出力の５０％は半透明ミラーを通過して第１のアパーチャを通じてターゲットに向かって進行し、同時に該レーザービームの出力の残りの５０％は半透明ミラーから反射して全反射ミラーに衝突し、該全反射ミラーから反射されて第２のアパーチャを通じて同じターゲットに向けられ、第２のレーザーによって生成された遅延レーザービームは、半透明ミラーに衝突し、該レーザービームの出力の５０％は半透明ミラーを通過し、全反射ミラーに衝突して反射し、第２のアパーチャを通じて同じターゲットに向けられ、同時に該レーザービーム出力の残りの５０％は半透明ミラーから反射して第１のアパーチャを通じて同じターゲットに向かって進行する、ことを特徴とする方法。
  2. ２つのレーザーを備えたＤＩＡＬシステムによる大気中のガス状物質の遠隔検出装置であって、第１のレーザー（1）及び第２のレーザー（2）を含み、それらのレーザービームの軸の交点には半透明ミラー（3）が配置され、半透明ミラー（3）の後方には、第２のレーザー（2）が発生するレーザービームの進行方向の前方かつ第１のレーザー（1）が発生するレーザービームの進行方向の半透明ミラー（3）からの反射方向に、全反射ミラー（5）が配置され、第１のレーザー（1）からの５０％のレーザービームの進行方向と第２のレーザー（2）からの反射された５０％のレーザービームの進行方向の半透明ミラー（3）の前方に、第１のアパーチャ（4）が配置され、第１のレーザー（1）からの５０％のレーザービームの進行方向と第２のレーザー（2）からの５０％のレーザービームの進行方向の全反射ミラー(5)の反射方向に、第２のアパーチャ(6)が配置される、ことを特徴とする装置。
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