JP3090114B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

レーザレーダ装置

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JP3090114B2
JP3090114B2 JP10045660A JP4566098A JP3090114B2 JP 3090114 B2 JP3090114 B2 JP 3090114B2 JP 10045660 A JP10045660 A JP 10045660A JP 4566098 A JP4566098 A JP 4566098A JP 3090114 B2 JP3090114 B2 JP 3090114B2
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    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大出力のパルスレ
ーザを上空に発射して、大気からの後方散乱光の強さか
ら大気中に浮遊する微粒子(エアロゾル)の濃度分布を
リモートセンシングする気象観測用レーザレーダ装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】気象観測用レーザレーダの測定対象は、
比較的低層(100mから10km程度)のいわゆる対
流圏エアロゾルと高層大気(10kmから35km程
度)の成層圏エアロゾルがある。前者は日々激しく変化
し、一日の中でも一定の変化が見られる。対流圏のエア
ロゾル分布を求めることは大気の流れの構造を捕らえる
のに有効であり、大気逆転層などのリモートセンシング
に非常に有効であることが知られている。はっきりした
大気逆転層が存在すると、低層大気はよどんだ状態にな
り公害の面からも注意すべき状態が正確に予知される。
他方、成層圏エアロゾルは、対流圏に比較すると非常に
安定である。火山の大爆発等によって一度成層圏に持ち
上げられた火山灰は、瞬く間に地球を周回しながら循環
し長期間成層圏に留まることが知られている。その量は
決して多くないが、地球全体の気象の長期変動や、オゾ
ンホールとの深い関係が注目されている。
【0003】従って、対流圏と成層圏のエアロゾル計測
は異なった計測サイクルで実施される。また、受信強度
についても両者は大きく異なっている。レーザレーダの
受信望遠鏡に受信される強度は、散乱対象からの距離に
指数関数的に反比例する。さらにエアロゾル等の散乱体
の浮遊濃度も低空ほど汚れていて高濃度で、一方成層圏
では非常にクリーンで低濃度である。対流圏計測では低
空の高濃度エアロゾルを近距離から計測するのでレーザ
が発射された直後には非常に強いパルス光が検出され
る。高感度光検知器にとって過剰に強い光が入射するの
は望ましくない。しかし近距離から計測するためには、
当然レーザビームと受信光学系の視野が低空から重なっ
ていなければならず、できる限り受信光学系はレーザビ
ームに接近させる必要がある。対流圏エアロゾルの測定
に使用する検知器は、比較的強い光入力でも使用できる
アナログ検知方式で使用される。
【0004】一方、成層圏の計測では、戻ってくる反射
光は、非常に微弱で、光子何個という程度の光信号にな
る。このような微弱光を計測するには、光電子増倍管を
冷却して、暗電流を低減した状態で光子に基づくパルス
電流を計測する光電子計数方式で使用する。測定は、夜
間の背景光が無視できる状態で、長時間の積分による光
子の計数が不可欠である。この高感度検知方式では、光
子一個が入射しても、その信号をカウントできる必要が
あり、光子が入射しなくても信号があったと判断してし
まう暗電流の存在が最も問題になるが、すでに説明した
ようにレーザレーダで対流圏を測定する場合は検知器に
は発射直後に多大なパルス入射が避けられず、そのよう
な光が入射するとその直後暗電流が増加することが知ら
れている。従って対流圏と成層圏を同時に計測するため
には、成層圏計測用の高感度検知器に過剰な光入力がな
いように従来特別な配慮が必要であった。
【0005】次に、従来の技術によって具体的に対流圏
エアロゾルと成層圏エアロゾルを計測するための方法を
説明する。すでに説明したように対流圏エアロゾルの測
定では、低高度から測定する必要があるため送信光学系
と受信光学系を近接させ、場合によっては同軸方式で低
高度から送受光学系のビーム領域が重なり始めるように
配置することが必要になる。しかしこのような配置では
成層圏エアロゾル計測時には、該当検知器に過剰な光入
射があり、高感度な検出ができなくなる。このために2
つの方法が採られている。
【0006】第一の方法は、送信ビームの立ち上がり位
置を対流圏測定時から成層圏測定時には移動して、送信
ビームと受信ビームの重なりが、高高度で始めて起こる
ようにして、過剰な信号入射から検知器を守ることがで
きる。第一の従来技術のブロック図を図6に示す。図で
1はレーザ装置、2は送信望遠鏡、3は第二の送信望遠
鏡、4は受信望遠鏡、5はアナログ検出用の光電子増倍
管、6は光子計数用光電子増倍管、7はADコンバー
タ、8はレーザレーダ信号処理器、9は光電子計数用カ
ウンタ、10は光電子検出信号処理器である。送信光学
系2と3は、対流圏、成層圏のそれぞれの測定に対して
切り替えて使用する。対流圏の測定では、受信望遠鏡4
にできるだけ近づけた送信望遠鏡3を用いて低高度でも
測定できるような配置を用いる。このとき受信信号は光
電子増倍管5、ADコンバータ7、レーザレーダ信号処
理器8によって測定される。このとき光電子計数用の光
電子増倍管6は保護のためシャッタ11で遮光される。
一方成層圏の測定では送信望遠鏡2に切り替えて、低高
度では送受ビームが重ならないようにして、過大入力を
防いでいる。成層圏測定時はシャッタ11を開いて、光
電子計数用の光電子増倍管6、光電子計数用のカウンタ
9、信号処理器10を用いて距離分解しながら一定高度
からの戻り光子を積算しながら計数する。
【0007】第二の方法は送受光学系のレイアウトは変
更しないでレーザが送出されたあと一定時間シャッタで
成層圏測定用の検知器を遮光する方法である。第二の従
来技術のブロック図を図7に示す。図7で1はレーザ装
置、2は送信望遠鏡、4は受信望遠鏡、5はアナログ計
測用の光電子増倍管、6は光電子計数用光電子増倍管、
7はADコンバータ、8はレーザレーダ信号処理器、9
は光電子計数用カウンタ、10は信号処理器である。こ
の配置から対流圏の測定は図2の第一の従来技術と同じ
である。受信光学系は受信光束を2分して光電子増倍管
5,6に入射させるようにして同時観測を可能にしてい
る。しかし光電子計数用の光電子増倍管6を過大入力か
ら守るためにその直前に高速チョッパ12をおいてい
る。レーザ制御部11はこのチョッパの回転をモニタし
ていて、ちょうどチョッパが閉じているタイミングでレ
ーザを発射させている。この結果低高度からの過大入力
は防止される。光電子計数用カウンタ9、信号処理器1
0の構成は、第一の従来技術と同じである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、第一の方法は
レーザの立ち上げ位置を可変にする機構が複雑であり、
また対流圏と成層圏を同時に測定することは不可能であ
る。第二の方法は高速シャッタの運転と制御が複雑であ
り、機械方式のシャッタでは高速のオン/オフ制御も容
易ではなかった。
【0009】本発明の目的は、対流圏と成層圏受信系を
切り替え機構なしで両者を安定に長期的に自動計測でき
る気象観測用レーザレーダ装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
を上空に発射して、大気からの後方散乱光から大気中に
浮遊するエアロゾル分布を測定するレーザレーダにおい
て、レーザビームを垂直方向に送出する送信望遠鏡と、
それに隣接する対流圏計測用受信望遠鏡と、より離れた
位置に設置された成層圏計測用受信望遠鏡を一列に並置
することを特徴とするレーザレーダ装置が得られる。
【0011】また、本発明によれば、レーザを上空に発
射して、大気からの後方散乱光から大気中に浮遊するエ
アロゾル分布を測定するレーザレーダにおいて、対流圏
計測用受信系と、成層圏計測用受信系を有し、定常的に
行う対流圏の計測結果より成層圏計測が可能な大気状態
の時だけ成層圏計測を同時に行うことを特徴とするレー
ザレーダ装置が得られる。
【0012】すでに説明したように対流圏エアロゾルは
一日のサイクルで大きく変化するので、一定時間ごとに
定常的に測定することが必要である。一方成層圏エアロ
ゾルは一日一回の計測を十分時間をかけて測定すればよ
い。また成層圏エアロゾルを測定するためには対流圏に
雲があってはならず、夜間の雲のない快晴状態が不可欠
である。本発明では定常的に測定している対流圏エアロ
ゾルの測定結果から成層圏エアロゾルの測定が可能な条
件を判断して、その時間内で必要なSN比を得られる時
間だけ積算計測による成層圏測定を自動的に行うように
制御することにより安定に定常自動観測を可能にする。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態
例のブロック図である。図1で1はレーザ装置、2は送
信望遠鏡、3は対流圏測定用の第一の受信望遠鏡、4は
成層圏測定用の第二の受信望遠鏡、5はアナログ検出用
の光電子増倍管、6は光子計数用光電子増倍管、7はA
Dコンバータ、8はレーザレーダ信号処理器、9は光電
子計数用カウンタ、10は光電子検出信号処理器であ
る。
【0014】このようなレイアウトで対流圏、成層圏の
測定が同時に行えることは今までの説明から明らかであ
る。また光学系には可動部分がなく安定に測定が可能に
なっている。さらに対流圏エアロゾルの測定は、一定間
隔で連続的に測定され、日変化が記録される。また大気
エアロゾルと比較して雲のレーザエコーレベルは非常に
高いので、レーザレーダ信号処理部8で雲が上空に存在
するかどうかは容易に識別可能である。レーザレーダ信
号処理部8は、計測した対流圏エアロゾルの測定結果か
ら成層圏エアロゾルの測定が可能な状況を判断し、その
時だけ成層圏エアロゾルの測定を行うように、光子計数
用光電子増倍管6、カウンタ9、光電子検出信号処理部
10へ制御信号を送る。具体的には、夜間の背景レベル
が十分下がっており、雲がない快晴で成層圏までレーザ
が雲に邪魔されることなく到達する状況をレーザエコー
信号より判断して、その間のなかで必要なSN比が得ら
れる時間だけ計数測定を行う。通常一日に1時間程度の
時間が確保されれば計測が可能である。このような構成
にすることにより、対流圏エアロゾルと成層圏エアロゾ
ルを自動的に連続運転することが初めて可能になる。
【0015】図2は、放射されるレーザに対する対流圏
エアロゾル測定と成層圏エアロゾル測定の関係を示す図
で、対流圏エアロゾル測定に関し、aで送受ビームが重
なり始め、bで完全に受光視野に入る。また、成層圏エ
アロゾル測定に関し、cで送受ビームが重なり始め、d
で完全に受光視野に入る。
【0016】図3は、図2に示す関係において、第一受
信望遠鏡3及び第二受信望遠鏡4から得られる信号強度
SIG1,SIG2、及びエコー信号強度の1/R2
ーブを示す図である。図4は図3に対応して得られるS
IG1信号、SIG2信号を示す図である。
【0017】図5は、SIG1信号に基づき雲の有無を
判定する場合を説明する図であり、1/R2 カーブより
所定量だけ高い閾値をもつ雲の有無判定レベルを設定
し、これを超える信号レベルがあるとき、レーザレーダ
信号処理部8は雲が有ると判定し、SIG2測定系の各
要素の動作を停止させる。従って、SIG2測定系は雲
がないと判定された夜間にのみSIG2を測定するため
に、光電子数をカウントし、SIG2信号を得る。
【0018】
【発明の効果】以上、本発明によれば、対流圏エアロゾ
ルと成層圏エアロゾルを切替なしで測定できる気象観測
用レーザレーダ装置が得られる。更に、対流圏エアロゾ
ルの測定結果から雲の有無を判定し、雲が有ると判定さ
れた場合は成層圏エアロゾル測定系の動作を止めること
により、過剰な入力から光電子増倍管を保護することが
できる気象観測用レーザレーダ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す図。
【図2】図1の実施の形態における放射レーザに対する
対流圏エアロゾル測定と成層圏エアロゾル測定の関係を
示す図。
【図3】図2に示した関係において、第一受信望遠鏡及
び第二受信望遠鏡から得られる信号強度及びエコー信号
を示す図。
【図4】図3に対応して得られる各種信号を示す図。
【図5】対流圏エアロゾル測定結果に基づき、雲の有無
の判定動作を説明するための図。
【図6】従来のレーザレーダ装置を示す図。
【図7】他の従来のレーザレーダ装置を示す図。
【符号の説明】
1 レーザ装置 2 送信望遠鏡 3 第一受信望遠鏡 4 第二受信望遠鏡 5 アナログ検出用光電子増倍管 6 光子計数用光電子増倍管 7 アナログ−デジタル変換器 8 レーザレーダ信号処理器 9 カウンタ 10 光電子検出信号処理器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−178852(JP,A) 特開 昭58−179369(JP,A) 特開 平10−39021(JP,A) 特開 平10−39023(JP,A) 特開 平5−333150(JP,A) 特開 平9−113620(JP,A) 実開 平6−235764(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 17/00 - 17/95 G01W 1/00 - 1/18 G01N 21/00 - 21/61 G01J 1/00 - 11/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザを上空に発射して、大気からの後
    方散乱光から大気中に浮遊するエアロゾル分布を測定す
    るレーザレーダにおいて、レーザビームを垂直方向に送
    出する送信望遠鏡と、それに隣接する対流圏計測用受信
    望遠鏡と、より離れた位置に設置された成層圏計測用受
    信望遠鏡を一列に並置することを特徴とするレーザレー
    ダ装置。
  2. 【請求項2】 レーザを上空に発射して、大気からの後
    方散乱光から大気中に浮遊するエアロゾル分布を測定す
    るレーザレーダにおいて、対流圏計測用受信望遠鏡と、
    成層圏計測用受信望遠鏡を有し、定常的に行う対流圏の
    計測結果より成層圏計測が可能な大気状態の時だけ成層
    圏計測を同時に行うことを特徴とするレーザレーダ装
    置。
  3. 【請求項3】 レーザを上空に発射して、大気からの後
    方散乱光から大気中に浮遊するエアロゾル分布を測定す
    るレーザレーダにおいて、対流圏計測用受信系と、成層
    圏計測用受信系を有し、定常的に行う対流圏の計測結果
    より成層圏計測が可能な大気状態の時だけ成層圏計測を
    同時に行うレーザレーダ装置において、成層圏計測が可
    能な大気状態を対流圏の雲の有無を判定して行うことを
    特徴とするレーザレーダ装置
  4. 【請求項4】 レーザを上空に発射して、大気からの後
    方散乱光から大気中に浮遊するエアロゾル分布を測定す
    るレーザレーダにおいて、対流圏計測用受信系と、成層
    圏計測用受信系を有し、定常的に行う対流圏の計測結果
    より成層圏計測が可能な大気状態の時だけ成層圏計測を
    同時に行うレーザレーダ装置において、対流圏計測用受
    信系の受信出力を受けあらかじめ定められた閾値より大
    きい信号レベルとなったとき、成層圏計測用受信系の受
    信動作を実質的に停止させることを特徴とするレーザレ
    ーダ装置
  5. 【請求項5】 前記閾値は上空に発射されたレーザのエ
    コー信号レベルより高いレベルで設定されることを特徴
    とする請求項4のレーザレーダ装置。
  6. 【請求項6】 レーザを上空に発射して、大気からの後
    方散乱光から大気中に浮遊するエアロゾル分布を測定す
    るレーザレーダにおいて、対流圏計測用受信系と、成層
    圏計測用受信系を有し、定常的に行う対流圏の計測結果
    より成層圏計測が 可能な大気状態の時だけ成層圏計測を
    同時に行うレーザレーダ装置において、対流圏計測用受
    信系を成層圏計測用受信系に比べてレーザの発射位置に
    近づけて設置することを特徴とするレーザレーダ装置
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