JP2846929B2 - 中間高度における風速測定装置 - Google Patents

中間高度における風速測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は可視周波数帯域でのドップラ効果による中間
高度における風速を測定するための装置に関する。
〔従来の技術〕
風速の測定は、我々の環境をよく知る上でも天気予報
の上でも重要である。
低高度での風速測定は上層気象観測装置によって用意
になし得、また、高高度での風速測定はレーダによって
測定できる。
他方、中間高度たとえば25〜60kmの範囲における風速
を連続測定する方法は満足なものはない。一般的には、
これらの測定を行うロケットからなされる。この種の測
定は費用が高く、したがって、所望の通りしばしば繰返
すことができない。ところでドップラ効果による風速測
定はよく知られている方法である。ここで記載する新し
い方法によれば、特殊のレーザパルスを発射し、レーリ
効果により後方散乱された光を解析する。レーリ散乱光
と環境との干渉中にあって、レーザ線はドップラ拡散お
よび観測方向における風速に応じたスペクトルシフトを
する。
スペクトルシフトの測定は観測方向において風速が得
られる。
〔発明が解決しようとする課題〕
地表あるいは低高度、あるいは発射レーザ装置のから
の近い距離におけるあらゆる場合に同様の観測方法から
知られる。現在まで、この方法を中間高度における風速
測定に応用することを不可能であった。その理由は、受
光できる後方散乱光束はスペクトルシフトの測定に不十
分と考えたからである。
このように、本発明の基礎とする課題は中間高度にお
ける風速の測定に用いられる小さな光束を基礎とするス
ペクトルシフト測定を可能にする装置を提案することに
ある。
高反射率の２つの平行面に対向する２つの面よりなる
ファブリペロー干渉計は高解像度の周波数測定性能を果
たすことが知られている。にもかかわらず、スペクトル
シフトの測定に対してドップラ効果による風速測定装置
においてファブリペロー干渉計を用いることは、それ自
身、中間高度における測定方法を構成しない。
〔課題を解決するための手段および作用〕
したがって、本発明はレーザ装置がパルスを発射し、
受光系が散乱光を受信し、干渉計を発射された光に関し
て前記散乱光のスペクトルシフトを測定するように用い
た可視周波帯域内でのドップラ効果による中間高度にお
ける風速測定装置に関する。
本発明によれば、前記干渉計がファブリペロー干渉計
であり、該干渉計の２つの反射鏡の１つの一部は超過厚
み部によって覆われており、該２つの反射鏡の間隔およ
び該超過厚み部の厚さは該干渉計により形成される２つ
のフィルタの透過帯域が前記後方散乱光のスペクトル分
布の各側部の中心となるように決定されている。
〔実施例〕
本発明に係る可視周波数帯域内でのドップラ効果によ
る中間高度における風速測定装置はパルスを発射するレ
ーザ装置１を有する。このレーザ装置１は安定してお
り、スペクトル的に純粋の光を発射する。好ましくは、
波長532nmの単色ビームを発射する縦横単一モードYAGパ
ルスレーザ装置が用いられる。
好ましくは、レーザ装置１から発射されたビームは移
送光学系および望遠鏡２によって要求される方向に発射
される。この望遠鏡２は測定領域におけるビームエネル
ギーを収束させかつレーザ装置が生ずるビーム発散に比
べてビームエネルギーの発散を減少させる。後方散乱し
た光束は受光望遠鏡４によって受光される。この受光望
遠鏡４は好ましくはレーザビーム発射方向に平行であ
る。集光された光束は受光望遠鏡４の入射ひとみの表面
積にほぼ比例するので、該ひとみの表面積はできるだけ
大きいほうがよい。にもかかわらず、第６図に示すよう
な好ましい実施例においては、この単一望遠鏡は平行軸
を有する１組の集光器61〜64に置換し得る。これら各集
光器は放物面反射鏡よりなり、その焦点には光ファイバ
65〜68の研磨面が位置している。種々の焦点からなる光
ファイバはまとめられて単一の束５となり、共通受光モ
ジュール６に接続される。
同様に、受光側において、単一の望遠鏡は水平面に対
して一定の傾斜を有し垂直軸に対して回転するものでよ
い。
受光望遠鏡４によって受光された光は光ファイバ５の
リンクによって受光モジュール６に転送される。この受
光モジュール６は受光の光学的解析を行い、電気信号を
発生する。この電気信号は測定レーザ装置１から発射さ
れた光に関して散乱光のスペクトルシフトの関数であ
る。
受信光の光学的解析は第２図に示される。干渉計10は
解析されるべき光によって平行光で照射される。このた
め、光ファイバ５の端面は光学系11の焦点に位置する。
用いられる干渉計10の詳細は第３図に示される。干渉
計10は平行なかつ高反射率の２つの反射面32,33を有す
る。その表面の一部好ましくは1/2には、干渉計10の１
つの面32は均一の厚さを有する層34によって覆われてい
る。この超過厚さ部は位相シフト層としての役目をな
し、好ましくはシリカにより作られている。この干渉計
の安定度を改良するために、干渉計はシリカよりなるモ
ノリシックである。基台30,31は互いに分子圧着によっ
て接続されている。このようにして構成された干渉計は
２つのファブリベロー干渉計の透過帯域に相当する透過
帯域を有する。ここで、第１のファブリペロー干渉計は
面32,33の間の距離に対応する厚さを有し、第２のファ
ブリベロー干渉計は層34と面33との距離に対応する厚さ
を有する。このように、この干渉計の透過特性は第４図
に示すように２つのピーク43,44よりなる。面32,33間の
距離およびシリカ層34の厚さはピーク43,44が観測方向
における風速が０すなわち観測方向が垂直である場合の
後方散乱光のスペクトル分布に対応する曲線42の側面4
5,46の中央になるように選定される。
干渉計10の構造により２つのピーク43,44の正確な位
置が得られる。さらに、干渉計の位置における環境（空
気圧，温度，…）の変化による透過帯域の変動に対し
て、このシフトが同様に各曲線に作用し、透過帯域の変
形を招くことなく変形を導入できる。
上述したように、ドップラ効果は観測方向における風
速成分の関数としての後方散乱光のスペクトルシフトを
発生する。これは透過帯域43,44に関してスペクトル42
のシフトに対応する。
干渉計の下流にある受光モジュール６において、シリ
カ34の超過厚み34があるか否かの干渉計の各領域を横切
った光束は分離される。好ましくは、この分離はこれら
各ビームの反対方向の角シフトを発生する２つのプリズ
ム12を使用することによって行われる。これらのプリズ
ム12は光ビーム軸に対して垂直面において干渉計によっ
て規定される領域35,36の形状と相補的な形状を有し、
これにより、各領域35,36を横切る光束を分離する。ま
た、これらの光束の分離を最適化するために、マスク13
を干渉計10とプリズム12との間に挿入する。光学系14は
この系によって受光器16,17に発生した各光ビームを収
束させる。改良した分離を確保するために、光学系14に
よって発生した２つのビームを２つの異なる面で受光す
る反射プリズム15がこの光学系と受光器16,17との間に
挿入されている。これらの受光器は高感度でなければな
らないが、好ましくは光倍増器である。
ドップラ効果がない場合、すなわち垂直観測の場合、
干渉計10の各領域の透過帯域43,44は後方散乱光42のス
ペクトル分布に関して与えられた位置を占め、これら各
領域によって透過したエネルギーは先験的に等しくな
い。光倍増器16,17によって発生した信号の相対的な重
みは基準位置を示す所定の値を有する。
風速が傾斜した観測方向において成分を有する場合、
後方散乱光はドップラ効果によりシフトし、干渉計の各
領域を通過した光束は異なる。光倍増器16,17によって
発生した電気信号は基準相対重みと異なるスペクトルシ
フトを示す相対的な重みを示す。
処理装置７における光倍増器16,17によって供給され
た電気信号の処理は風速を直接表す信号を形成する。
測定品質は基本的に透過帯域43,44に関して後方散乱
光の相対的位置の制御を必要とする。この相対的シフト
を利用する風速の測定は同様にこの種のシフトを導く測
定装置に伴うが、垂直観測方向における通常の測定によ
ってモニタされる２つの現象によって主に擾乱される。
同様に、垂直エーミイングを避けることもでき、これら
の現象を別個にモニタすることもでき、このモニタの結
果は電気信号となって処理装置によって考慮され、適合
された補償を導入できる。
装置に依存する第１の型のシフトは、測定レーザ装置
１の発射波長の変化から生ずる。この変化は第５図に示
す安定度が10-9以内のヘリウム−ネオンレーザ装置57に
関する制御干渉計によってモニタされる。
YAGレーザ装置１によって発射された光束の一部は光
ファイバによってサンプルされ、この結果、光学系53を
基礎としてくさび形干渉計50を横切る平行光束を発生す
る。くさび形干渉形系50は互いに少し傾いた２つの高反
射率のプレートからなり、ピッチおよび位置が波長の関
数である１つのフリンジ系を構成する。光学系54は線形
に配列されたホトダイオード56上にこれらのフリンジの
像を形成する。同様に、フリンジはヘリウム−ネオンレ
ーザ装置57によって発射した光束によって同一の干渉計
によって発生する。光学系58およびダイクロイックプレ
ート59はレーザ装置によって発射した光束をくさび形干
渉計50を横切りさせ、これにより、ホトダイオード56の
列上にフリンジ網を光学系55によって形成する。これら
のホトダイオード56は測定レーザ装置から発散する光束
によって形成されるフリンジ上に重複して位置してい
る。
理由が何であれ、測定レーザ装置１の発射波長が変化
した場合、干渉計50によって形成されたフリンジ鋼はヘ
リウム−ネオンレーザ装置57からの光束から干渉計50に
よって形成されるフリンジ網に対してシフトする。ホト
ダイオード列56から発生した電気信号はこのシフト特性
であり、風速の量特性の形成をする際にこれを補償する
処理装置によって考慮される。
相対的シフトの第２の理由は領域35,36に対応する干
渉計10の透過帯域43,44のシフトである。このシフトは
干渉計の環境に応じたものであるが、各領域の同一性質
すなわち干渉計の移動関数が修正されず単に移動したこ
とによるだけであり、各透過過帯域43,44の相対位置が
保持されている。このシフトは安定化されたヘリウム−
ネオン制御レーザ装置18によってモニタされ、光学系19
および挿入プレート20を介して干渉計10、マスク13およ
びプリズム12の横切り、光学系14およびダイクロイック
プレート21を介して２つのホトダイオード22,23上に収
束する。制御レーザ装置18によって発射された光のスペ
クトル分布は完全に安定化し、ホイダイオード22,23は
透過帯域43,44を示す電気信号を発生する。ホトダイオ
ード22,23によって発生した電気信号は処理装置に供給
され、風速を示す電気信号を形成する際に透過帯域43,4
4のこれらシフトが考慮される。
後方散乱光42のスペクトルは特に温度の関数である。
このスペクトルの形を温度を同時に測定することによっ
て知り、これにより、光倍増器16,17によって発生した
信号をもとに観測方向における風速のスペクトルシフト
特性にアクセスできる。この温度を知ることは、光学系
24を介して受光された光を処理する付随的なチャネル25
を介して受光されかつ後方散乱光束から挿入プレート20
によって部分的にサンプルされた光束を解析することに
よって達成される。
装置の構造、特に、発射された光束に関して後方散乱
光のスペクトルシフトを解析するのに用いる干渉計10を
型式は内部的に高い安定度を与える。さらに、発生可能
な残余の非安定度は上述の手段によって受光モジュール
でモニタされ、処理の際に考慮される。
後方散乱信号は非常に弱いものであるが、上記の全体
構成はスペクトルシフトの高い精度の測定性能を達成す
る。
上述の装置は一方向の風速を測定するものである。好
ましくは、完全な測定システムは、基準チャンネルとし
て用いる発射／垂直受光チャネル70、および４つのカー
ジナル方向の水平速度成分に対応する測定チャネル71〜
74を備えている。但し、２つの直交チャネルで実際には
十分である。したがって、この装置は風速ベクトルの特
性を達成する。
所望の高度の空気層によって後方散乱した信号はレー
ザ装置から問題の層までの通路とその受光器へ戻りに必
要な時間によって発射信号から分離される。
このように、後方散乱した信号時間切片100は空気層
の高度切片110に相当する。
たとえば、第７図に示すように、測定レーザ装置１に
よって発射したパルス101,102は33×10-3sだけ分離さ
れ、各測定103〜105は高さ150mに相当する10-6sに接続
し、1024回測定される。第１番目の測定103は検出器の
阻止解除直後すなわち高度9kmに位置する層に相当する
パルス発射後60×10-6sに発生する。
上述の数字は調査高度の関数として修正できる。
特に低高度における改良された垂直解像度を得るため
に測定時間を短縮できる。
上述の装置は高度範囲25〜60kmでの風速測定に対して
最適される。たとえ後方散乱線は空気中の塵および煙霧
質によってミエ（Mie）散乱による大きな影響を受けて
も、同一の原理が低高度（５〜25km）に適用される。こ
のように、干渉計の特性は補正される。
ドップラライダ（Lidar）（領域分解度，…）のパラ
メータ選択における最適化は高度範囲を考慮して行う。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、中間高度におけ
る風速をドップラ効果を用いて測定できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の基本ブロック図、 第２図は一方向の風速の測定に対応する受光モジュール
を示す図、 第３図は本発明に係る干渉計の断面図、 第４図は後方散乱光のスペクトルに関して第３図の装置
の透過特性を示すグラフ、 第５図は制御干渉計を示す図、 第６図は本発明の測定装置の発射／受光装置を示す図で
ある。 第７図は信号時間と高度との関係を示す図である。 1:レーザ装置、2:望遠鏡、 4:受光望遠鏡、5:ファイバ束、 6:受光モジュール、10:干渉計、 11:光学系（レンズ）、12:プリズム、 14:光学系（レンズ）、50:干渉計、 57:ヘリウム−ネオンレーザ装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレン ホーシュコルヌ フランス国，78000 ベルサイユ，アレ デ ガルド ロワイヤル 10 (72)発明者 ジャック シャルル ボルトヌーブ フランス国，91370 ベルリエール ル ビュイソン，アレ ドゥ ラ グレー ヌテリー ３ (56)参考文献 特開 昭62−47502（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−4547（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−210850（ＪＰ，Ａ) 米国特許4195931（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01P 5/00 G01P 3/36 G01S 17/50

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザ装置（１）がパルスを発射し、 受光系（４）が散乱光を受信し、 干渉計（10）を発射された光に関して前記散乱光のスペ
    クトルシフトを測定するように用いた可視周波帯域内で
    のドップラ効果による中間高度における風速測定装置に
    おいて、 前記干渉計がファブリペロー干渉計であり、該干渉計
    （10）の２つの反射鏡の１つの一部は超過厚み部（34）
    によって覆われており、該２つの反射鏡の間隔および該
    超過厚み部の厚さは該干渉計により形成される２つのフ
    ィルタの透過帯域（43,44）が前記後方散乱光（42）の
    スペクトル分布の各側部の中心となるように決定されて
    いることを特徴とする中間高度における風速測定装置。
  2. 【請求項２】前記干渉計（10）の出口に位置する二重プ
    リズム（12）を設け、前記２つのフィルタに対応する光
    束を分離するようにした請求項第１項に記載の風速測定
    装置。
  3. 【請求項３】基準チャネルとして用いる垂直受光チャネ
    ル（70）を設けた請求項第１項または第２項に記載の風
    速測定装置。
  4. 【請求項４】異なるカーディナル方向の各速度成分に対
    応する少なくとも２つの測定チャネル（71,74）を設け
    た請求項第１項から第３項までの１つに記載の風速測定
    装置。
  5. 【請求項５】安定波長のビームを発射する連続波レーザ
    装置（57）を設け、該ビームを前記干渉計（10）の安定
    性をモニタするのに用いた請求項第１項から第４項まで
    の１つに記載の風速測定装置。
  6. 【請求項６】前記受光系（４）が前記測定の各方向に対
    応する複数の望遠鏡（61〜64）を具備する請求項第１項
    から第５項のいずれか１つに記載の風速測定装置。
  7. 【請求項７】前記受信系（４）が異なる方向の測定を可
    能にする単一の旋回構造を具備する請求項第１項から第
    ５項のいずれか１つに記載の風速測定装置。
  8. 【請求項８】前記受信系（61〜64）と解析装置（６）と
    の間に光ファイバ（65〜68）を設けた請求項第１項から
    第７項のいずれか１つに記載の風速測定装置。
  9. 【請求項９】前記レーザ装置（１）によって発射された
    ビーム発散量を縮小する望遠鏡（２）を設けた請求項第
    １項から第８項のいずれか１つに記載の風速測定装置。
  10. 【請求項１０】前記干渉計（10）の反射鏡は互いに分子
    接着によって固定された請求項第１項から第９項までの
    いずれか１つに記載の風速測定装置。
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