JP4414885B2 - コヒーレント吸収差ライダー（ｄｉａｌ） - Google Patents

Description

本発明は、吸収差レーザーレーダー(DIAL)に関するものであり、特に、ガス種のリアルタイムの監視及び測定のための光ファイバベースのDIALシステムに関するものである。

ガス濃度の測定のための様々な技術が、よく知られている。例えば、一連のガス種の正確な(10億分率)局所的なサンプリングを可能にする多数の固定センサーが、商業的に入手可能である。これらの多くは、サンプルを吸い込み、ガスクロマトグラフィー、水素炎イオン化、又はフーリエ変換赤外(FTIR)分光によるような従来技術を使って、それを分析する「検知」装置である。これらの装置は、本来、かなりのサンプリング時間(すなわち、1秒以上)を必要とし、対象となる帯域内に置く必要がある。

非分散赤外(NDIR)、又は非分散紫外(NDUV)吸収に依る代替技術もまた、知られている。典型的には、対象のガス種と関連する狭い吸収帯域内の波長の光を提供するために、一連の吸収フィルター及び広帯域源を使用する。対象となる特定波長における吸収レベルの測定は、ガス濃度の測定値を提供することになるが、このようなシステムは、典型的には、0二分の一秒程度の取得レートを達成できるだけであり、干渉種となりがちである。

吸収差ライダーは、ガス相成分の遠隔検出のための、もう1つの既知の技術である。DIALシステムの基本コンセプトは、レーザー光の2つの波長をライダー(光検知測距)機構によって伝送するということである。第一の波長が、対象のガス種の離散吸収線にセットされる一方で、第二の波長は、その吸収線の近くではあるが、それから離してセットされる。第一と第二の波長の吸収差は、ガス種の平均分子密度の定量測定を提供する。従って、遠隔検出を可能にするという点で、DIAL技術は、上で説明した代替の技術よりも有利である。

DIALシステムは多数の方法で実装されており、例えば、アナログ、光子計数、及びコヒーレント検出のシステムが知られている。戻り輻射が光学局部発振ビームとコヒーレントに混合されるコヒーレント検出(又は、ヘテロダイン)DIALシステムは、典型的には、背景光及びクロストークからの干渉に対する高度の耐性を持つ高い信号対雑音比を提供する。コヒーレント検出DIALシステムは他でより詳細に説明されており、例えば、Rye著,Appl.Opt.17,3862-3864(1978)を参照しなさい。

既知のコヒーレントDIALシステムの不利な点は、受信信号が複数の相関回にわたって平均化されない場合には、レーザー源又は送/受信光学部品における如何なる変動も、検出される光パワーの多大な不確実性をまねくということである。それゆえ、輝度変動の影響に打ち勝つことが要求される数値平均化は、吸収差データをDIALシステムから抽出することのできる速度を制限する。

最近、受信信号をオーダー以下で平均化する必要のある時間を減らすことができるコヒーレントDIALシステムもまた、Ridley他(AppliedOptics,Vol.40,No12,pp2017-2023,20 April 2001参照)で実証された。光ファイバベースの装置では、波長のわずかに異なる2つのレーザービームは、共通送受信光学部品を共有する。波長分離が小さく、ターゲットの深さが浅い場合、その2つの波長チャネルにおける高い相関性のあるスペックル変動を得ることができる。しかしながら、吸収差情報を獲得することのできるレートを制限する輝度の変動が、まだ装置内で観測される。また、より長時間にわたる計測ドリフトも観測され、これは、より長い時間スケール以上かかる比較測定の正確さを低減させる。

上で説明したコヒーレントDIAL装置と関連する不利な点の少なくとも幾つかを軽減することが、本発明の目的である。

本発明の第一の側面によると、コヒーレント吸収差ライダー(DIAL)装置は、別個の波長の少なくとも2つの成分光ビームを含む組合せ光ビームを遠隔ターゲットに向け、各成分光ビームと関連する局部発振ビームを形成する送信部、その遠隔ターゲットから戻される光を受信し、その受信光をその関連する局部発振ビームとコヒーレントに混合する受信部を備え、送信部から各成分光ビームの一部を抽出する手段、各抽出された成分光ビームとその関連する局部発振ビームの間に周波数差を持たせる手段、及び、その抽出されたビームを受信部内に導く手段を備える信号訂正手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明の装置は、付加訂正(又は、正規化)信号を提供する。オンライン又はオフライン処理において、その時間内の特定の時点で取られた測定の正確さ(すなわち、信頼度)を高めるために、この訂正信号を使用することができる。ガスの定常流の場合、より高速なサンプリングレートを提供する、すなわち、所定の精度の平均化された測定を得るための時間を減らすために、この高められた正確さを使用することができる。ガスの複合流で行われた測定の場合、その時間にわたってのガス構成のより綿密な統計的分解が可能である。従って、本発明は、レーザー源の出力の変動による、及び/又は、装置の動き/振動からのその時間にわたる大きなドリフトも全くなく、リアルタイム(ミリ秒以下)の吸収差データサンプリングレートを可能にする。従って、本発明は、改良されたDIAL装置を提供する。

組合せビームがDIAL装置を出るとき通り抜ける開口部にできるだけ近い位置で、送信部から光を抽出することにより、最高性能が得られることを当業者は認識するであろう。同様に、周波数シフトされた抽出ビームを、受信開口部にできるだけ近い位置で、受信部内に入力すべきである。これは、正規化信号が、装置のできるだけ大部分において、如何なるドリフト又は振動も補正することを確実にする。

以下に説明するように、遠隔ターゲットは、その装置から少し離して(例えば、メートル)、又は数キロメートル離して置かれる反射ターゲットを備えることができる。光学部品の適切な設計で、本システムを、ずっと短い範囲で測定を行うように容易に構成できることも、当業者はまた認識するであろう。この反射ターゲットは、特定用途向けに作られた反射器、又は、臨機反射器とすることができる。その代わりに、遠隔ターゲットをエアロゾルとすることもできる。当業者は、遠隔固体ターゲットからの反射に視準化されたビームを提供することを求められる様々な光学装置、及び、所定のターゲット容量からの測定を可能にするために、どのようにして集束ビームを獲得することができるか、ということを認識するであろう。

本出願で使用する「光」という語が、紫外線、可視光、又は(近/中/遠)赤外線での輻射を含むということに、注目すべきである。以下でより詳細に説明するように、本発明のDIAL装置は、広範囲の波長にわたって実装することができ、対象のガス種に基づいて、厳密な動作波長が選択されることを、当業者は認識するであろう。同様に、2つの光源(例えば、レーザー)の出力を組合せることにより、又は、より広い周波帯にわたって動作する光源の出力をスペクトル的にフィルタにかけることにより、別個の波長の少なくとも2つの成分光ビームを提供することができることも、当業者は認識するであろう。

DIAL装置が、その少なくとも2つの成分光ビームの各々とその関連する局部発振ビームとの間に周波数差を持たせるための手段を、さらに備えることが望ましい。

少なくとも2つの成分光ビームの各々とその関連する局部発振ビームとの間に周波数差を持たせるための手段を有するDIAL装置は、検出可能な吸収差信号を常に測定できることを、確実にする。局部発振ビームと検出された戻りビームとの間に(すなわち、戻り信号輝度データを提供するために)引き起こされた周波数差が、訂正信号を提供するために抽出された成分光ビームと局部発振ビームの間に持たされた周波数差と、望ましくはどのくらい異なるべきかということを、当業者は認識するであろう。これは、ヘテロダイン検出の後の、戻りの輝度と訂正信号の単純な分離を可能にする。

有利なことに、組合せ光ビームは、遠隔ターゲットへの伝送より先に、光ファイバケーブルを通して送られる。

光ファイバベースの装置を使って本発明を実装することが望ましいが、装置の内部光成分の幾つか又は全てが、自由空間を通して伝送される光ビームによって光学的にリンクされ得ることを認識すべきである。例えば、組合せビームを伝送するために使用されるレンズは、そのレンズから適当な距離のところに置かれたファイバ端から自由空間を通して、このような光を受信することができる。

都合の良いことに、送信部は、第一の光学配置を使って、遠隔ターゲットに光を集中させ、受信部は、第二の代替の光学配置を使って、遠隔ターゲットからの光を集める。

言い換えると、ビームを遠隔ターゲットに伝送するために使用される光学部品 (レンズ等)は、戻りビームを集めるために使用される光学部品とは別個である、すなわち、この配置はバイスタティックである。共通送受信光学部品、すなわち、モノスタティックのトランシーバ構成を使って、本発明を実装することもまた可能であることに注目すべきである。

少なくとも2つの成分光ビームの各々は、別個のレーザー源によって生成されることが望ましい。この場合、コヒーレント検出を可能にするために、2つの別個の局部発振ビーム(すなわち、各レーザー源からの局部発振ビーム)が必須であることを、当業者は理解するであろう。

その代わりに、送信部は、1つのレーザー源、そのレーザー源によって出力された光ビームを少なくとも2つの成分光ビームに分けるための手段、及び、前記成分光ビーム間に周波数差を持たせるための手段を備える。この場合、コヒーレント(ヘテロダイン)検出を提供するために、レーザー源から抽出された単一局部発振ビームを使用することができる。成分光ビーム間に持たされた周波数差は、吸収差測定を提供するために必要な別個の波長の差を提供する。

周波数差を持たせるための一又はそれ以上の手段が、音響光学変調器を備えることが望ましい。

都合の良いことに、DIAL装置はさらに、受信光及び/又は抽出された成分光ビームの偏光状態を、その関連する局部発振ビームの偏光状態に対して制御するように構成された少なくとも1つの偏光コントローラを備える。

偏光コントローラの付加は、ヘテロダイン検出手段におけるヘテロダイン混合効率を、信号の偏光及び局部発振ビームを一致させることにより、制御する(例えば、最大化する)ことを可能にする。代わりに、光学部品をつなぐために、偏光維持光ファイバを使用することもできる。

有利なことに、送信部は、少なくとも2つの成分光ビームのうちの一又はそれ以上の輝度を増幅するための少なくとも1つの光増幅器をさらに備える。増幅器の付加は、遠隔ターゲットが(例えば、それが、エアロゾルのような分散型ターゲットであるために)低い反射率を有する場合には、出力信号の強さを増大させることを可能にする。

信号訂正手段が、付加的に、少なくとも1つの遅延線を備えることが望ましい。以下でより詳細に説明するように、パス長(すなわち、装置→ターゲット→装置)がレーザーのコヒーレンス長よりも著しく長い場合には、検出されたヘテロダインピークの幅を広げることができる。(例えば、局部発振ビームを遅延させるための、及び/又は、抽出されたビームを遅延させるための)遅延線の付加は、この不要なピークの拡大を減らす。

有利なことに、少なくとも2つの成分光ビームのうちの1つの波長は、対象のガス種の吸収におけるピークと一致するように選択される。

本発明の第二の側面によると、コヒーレントDIAL装置における正規化信号を提供する方法は、装置の伝送パスから輻射を抽出するステップ、抽出された輻射とその関連する局部発振ビームとの間に周波数差を持たせるステップ、及び、前記周波数シフトされた輻射を装置の受信パス内に入力するステップを含む。

(詳細な説明)
ここで、以下の図面を参照して、例のみを介して、本発明を説明する。

図1を参照すると、本発明によるコヒーレントDIAL機構2を示している。本機構は、送信器4、及び受信器5を備える。

送信器4は、第一のレーザー6、及び第二のレーザー8を備える。この第一及び第二のレーザーは、1500nmから1600nmまでのユーザーが選択可能な波長範囲内で動作し、20KHzの発振線幅を持つ分布フィードバック(DFB)半導体レーザーである。第一のレーザー6の光出力が、光ファイバ12を介して第一のビームスプリッタ10に送り込まれる一方で、第二のレーザー8の光出力は、光ファイバ16を介して第二のビームスプリッタ14に送り込まれる。第一のビームスプリッタ10、及び第二のビームスプリッタ14は、それらが受信した各ビームを、局部発振ビームと走行ビームとに分ける。局部発振ビーム(LO1及びLO2)は、光ファイバ18及び20を介して受信器5に送られる一方で、2つの走行ビームが、光ファイバ22及び24を介してビーム組合せ器26に送り込まれる。

ビーム組合せ器26は、受信した2つの光ビームを組合せ、光ファイバ28を介して光アイソレ−タ32に走行組合せビームを出力する。ビーム組合せ器26はまた、(典型的には、走行組合せビームと等しい又はそれより低い輝度である)参照組合せビームをレーザー波長モニタ30に向けて、伝送ビームの波長を測定することを可能にする。第一の音響光学変調器(AOM)34は、走行組合せビームに80MHzぐらいの周波数シフトを与えて、以下に説明するような次に続くヘテロダイン検出を可能にする。次に、走行組合せビームは、光ファイバ36、及び送信光学部品38を介して、遠隔ターゲット(示されていない)に向けられる。

受信器5は、遠隔ターゲットから戻される如何なる輻射も集め、それを光ファイバケーブル42に沿って導く受信光学部品40を備える。次に、戻りビームの2つの成分が、波長分離手段44によって分けられ、分離された各ビーム成分は、それぞれ、(光ファイバケーブル46及び48を介して)ビーム組合せ器50及び52に向けられる。第一及び第二のビームスプリッタ10及び14によって提供される局部発振ビーム(LO1及びLO2)もまた、それぞれのビーム組合せ器50及び52に送り込まれ、その結果生じる混合ビームは、検出器54及び56に向けられる。各局部発振ビーム(LO1及びLO2)の偏光は、それぞれの検出器において最大ヘテロダイン混合効率を獲得することを確実にするように、ファイバ偏光コントローラ58及び60を使って調整可能である。

走行組合せビームの少しの部分がまた、送信器4の光ファイバ36から抽出され、第二の音響光学変調器62に送り込まれる。第二の音響光学変調器は、抽出されたビームに80MHzの周波数シフトを取り入れ、引き続いて、その周波数シフトされたビームを受信器の光ファイバ42内に導くように、配置される。

周波数シフトされたビームとその関連する局部発振ビームのヘテロダイン混合は、その2つのビームの周波数差に対応する周波数で、信号を生み出す。ターゲットから戻されたビームは、その関連するLOビームと混合されたとき、第一のAOM34によってそれに与えられた周波数シフトに対応する周波数で、ヘテロダイン信号を生み出す。これらの信号は、関連検出器54及び56によって電気信号で検出及び変換されると、スペクトルアナライザを使って、シフト周波数における狭い帯域にわたって積分される。スペクトルアナライザは、単純に、試験システムを実装する便利かつ柔軟な方法として用いられることに、注目すべきである。DIAL製品では、これらを適切な専用電子回路で置き換えることができるであろう。

2つのレーザー源は、ほぼ同じ波長のビームを生み出し、これらのビームを実質的に同じ送信及び受信光パスに沿って送ることに、注目すべきである。それゆえ、Ridly他著(ibid)で前に説明したように、大気外乱及び/又は照準不安定性による如何なるノイズも、その2つの異なるビームにとって実質的に同じであり、測定される吸収差率に大きな影響は全くない。

本発明の機構では、検出器54及び56はまた、関連する局部発振ビームと、第二のAOM62を通して送られ、受信器5の光ファイバ42に送り込まれるビームとの間の周波数差に対応する周波数で信号を提供する。それゆえ、検出器54及び56はまた、各々、付加ヘテロダイン信号(すなわち、第一のAOM34で加えられる周波数シフト+第二のAOM62で加えられる周波数シフトに等しい周波数を中心とした信号)を出力する。これら付加信号は、レーザーの変動(例えば、偏光振揺、又は波長ドリフト)、計器のドリフト、及び/又は光ファイバの動き又は熱膨張から生じる変動、によって引き起こされる輝度の如何なる変動の監視も可能にする。言い換えると、リアルタイムの正規化信号が生成される。

本発明を実装するために、図1を参照して説明した構成のかわりに、様々な代替の光学構成を用いることができることを、当業者は認識するであろう。1つのそのような代替の実施形態を、図2を参照して説明する。図2を参照して説明する、図1で説明する部品と同様の部品は、同じ参照番号が割り当てられている。

図2より、第一のレーザー6及び第二のレーザー8の出力に異なる周波数シフトを提供するために、どのように、(関連する光アイソレ−タ74及び76と共に)一対の音響光学変調器70及び72を使用することができるかがわかる。ビーム組合せ器26でのビームの組合せの後、図1を参照して説明したのと同じ手法で、走行組合せビームは、送信光学部品38によって遠隔ターゲットに向けられる。

別個のAOM70及び72は、各レーザービームに異なる周波数シフト(例えば、v₁及びv₂)を与える。走行組合せビームの少しの部分はまた、光ファイバ36から抽出され、v_cの付加周波数シフトを与える第二の音響光学変調器62を介して光ファイバ42に送り込まれる。ビーム組合せ器78及び80を使ってビームは組合わされ、次に、検出器54において局部発振ビームと混合され、4つの信号、すなわち、周波数v₁及びv₂の戻りビームからの2つの信号、及び周波数v₁＋v_c及びv₂＋v_cの2つの正規化信号を生み出す。

図2を参照して説明した機構は単一の検出器を必要とするだけであるが、図1を参照して説明した装置で用いられた2つのAOMではなく、3つのAOMを使用する必要により、関連コストの如何なる利点も低減される。

図3を参照すると、本発明の更なる代替のDIAL装置を示している。図3に示す、図1又は2の部品と同様の部品は、同じ参照番号を割り当てられる。

単一レーザー源6は、ビームスプリッタ10によって、局部発振ビーム(LO)と走行ビームとに分けられる単色レーザービームを出力する。走行ビームは、光アイソレ−タ90を通して送られ、ビームスプリッタ92によって更に2つの輝度の等しいビームに分割される。これら分割されたビームの一方は、第一のAOM94、及び第一のエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)96を通して送られ、分割されたもう一方のビームは、第二のAOM98及び第二のEDFA100を通して送られる。次に、再組合せ器26において、2つのビームが再び組合され、その再び組合されたビームの少しの部分がレーザー波長モニタ30に送り込まれ、残りのビームが光ファイバ36に送り込まれる。

ファイバ36内に収容されるビームの大部分は、送信光学部品38を介して、遠隔ターゲット(示されていない)に伝送され、光の一部は、第三のAOM62を介して、受信器の光ファイバ42に送り込まれる。

第一のAOM94は、レーザー周波数vをより高い周波数(v+v₊)にシフトさせる一方で、第二のAOM98は、周波数を(v+v_-)に下方シフトさせる。周波数シフトが吸収幅に匹敵する場合には、これら逆向きのシフトは、必要な波長分離を提供する。従って、一方の波長が吸収の最大点に位置すると同時に、もう一方は最小点に位置するように、レーザーを調整することができる。

周波数(v_c)においてシフトアップ又はシフトダウンのいずれかを引き起こすように、第三のAOM62を選択することができる。上で説明するように、|v₊|、|v_-|、|v₊+v_c|、及び|v_-+v_c|付近でピークをフィルタにかけることは、2つのチャネルにおける吸収差及びドリフト正規化情報を提供する。例えば、v₊=+250MHz、v_-=-251MHz、及びv_c=-80MHzの場合には、250MHzでのピークと251MHzでのピークの比が、その機構の2つのアームの吸収差を提供し、170MHzでのピークと331MHzでのピークの比が、その機構の2つのアームの正規化信号を提供するであろう。

局部発振ビーム及び正規化ビームにおける遅延が、光の往復(ターゲットへ向かい、戻ってくる)の遅延と一致するように、遅延線104及び106を提供することもまた可能である。これは、戻り信号の帯域幅が狭く、従って、コヒーレントなピークを提供することを確実にする。上で図1及び2を参照して説明した機構内に、また遅延線を組み込むこともできることを、当業者は認識するであろう。

送信光学部品38及び受信光学部品40の構成は、全パス長にわたって、又は対象となる特定の範囲内で、吸収差を測定することを可能にすることに、注目すべきである。例えば、視準化されたビームを遠隔ターゲットから反射させることにより、全ビームパス長にわたって、測定をとることができる。遠隔ターゲットは、(例えば、道端、地上の土地等で)パスが明らかに定められる応用例のために特別に置かれた逆反射体とすることができる、又は、(車、飛行機、又はビル等のような)偶然の反射ターゲットとすることもできる。代わりに、空間内の特定の点を測定するように送信及び受信光学部品の焦点を合わせることにより、又は、パルスレーザー/ゲート戻り方式の実装により、特定のプローブ容量内で分散型ターゲット(例えば、エアロゾル)から生み出された後方散乱の所定の容量測定をとることもできるであろう。

ターゲットから輝度の低い戻り信号を受信する可能性がある(例えば、ターゲット物体又は分散型ターゲットが低反射率を持つ)場合には、本発明の装置の光出力パワーは、単純に、より高いパワーのレーザー源の使用を通じて、又は適当な増幅(例えば、図3を参照して説明した形式のエルビウムドープファイバ増幅器 EDFA)により、増大させることができる。

バイスタティックトランシーバ(すなわち、別個の送信光学部品及び受信光学部品を持つトランシーバ)が図1、2、及び3で示されているが、モノスタティックトランシーバ(すなわち、送信光学部品と受信光学部品を合体したトランシーバ)を使用することもできることを、当業者は認識するであろう。同様に、多くの理由(例えば、部品配列の容易さ、コスト等)のため、光ファイバベースのシステムがより好まれるが、また自由空間光学部品を使って、本発明を実装することもできることを、当業者はまた認識するであろう。

図1から3を参照して説明した装置は、1500nmから1600nmまでの範囲内の輻射を出力するレーザーを用いるが、任意の波長の輻射を使って本発明を実装することができることに、注目すべきである。レーザー源の波長は、対象のガス種の吸収最大点に一致させるように、単純に選択されることを、当業者は認識するであろう。それゆえ、レーザーダイオード技術が発達するにつれて、波長をさらに赤外線に近づけることが可能になることを、理解すべきである。この増大した波長の使用は、一酸化炭素、一酸化二窒素、及び不燃炭化水素のような種の吸収差測定において、かなりの利点となり得る。

例
本発明の機構が、どのようにして、大気中のガス種のリアルタイムのDIAL測定を提供できるかを実証するために、実験を行った。

図1を参照して説明した形式のDIAL装置の様々な光学部品を一つに接続するのと同時に、それらが仕様に則って動作することを確実にするために、各段階において光パワーを監視した。このシステムは、まず、回転カードから反射した信号を調べることにより最適化され、次に、平行な視準化された伝送及びパスを確実にするように、80mの全長にわたって配列された。

送信開口部及び受信開口部の両方の外側にあるエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)の「生放射」を伝送することにより、配列を実現した。次に、2つのビームは、ほぼ40m離して置かれた鏡からトランシーバへ、という一般的な方向に、向き返された。横及び軸方向のファイバの終端位置を、それぞれ方向を制御し、集中させるように調整すると同時に、大きな1枚の感温度性フィルム上に戻りビームを表示した。また、同じビーム直径を確実にするように調整がなされ、(2つの開口部間の分離と等価な)分離が、パスに沿った全ての点で維持された。最後に、ファイバを送信及び受信レンズ(38及び40)に向けて0.5mm動かして、かすかに発散し、重なるパスを提供した。

照準は、開口部から横向きに特定の間隔のところにあるトランシーバマウントに固定された。40mにわたって見られるビーム位置からのこの分離を維持しながら、照準を合わせた。戻り信号は、微調整のための近距離逆反射体から得られ、次に、長距離逆反射体から得られた。

光検出器(50及び52)からの電気信号を、2つのヒューレットパッカードのスペクトルアナライザを使って監視した。検出された信号は、第一のAOMシフト周波数(80MHz)においてピークの形をとった。「コヒーレントスパイク」を維持するのではなく、戻り光が、レーザーのコヒーレンス長を超えてスクランブルされるという事実より、このピークは広げられた。

ターゲットの範囲が既知である場合には、ファイバ内のLOを往復(自由空間)遅延に合わせることにより、この自己遅延ヘテロダインピークをコヒーレントピークまで狭めることができることに注目すべきである。広げられたピークにおけるリップルの間隔を使って、往復距離を見積もることもまた可能である。3.95±0.15kmの往復を引用するために、この方法を使用した。

スペクトルアナライザの動作モードは、帯域フィルタにセットされて、ピーク内の信号を積分する。最適な兼ね合いとして、すなわち、過剰な量のノイズを送ることなく信号を捕らえるものとして、解像帯域幅(300kHz)を選択した。ミリ秒の時間スケールにわたって生じる如何なるシンチレーションへの計器の応答も損なうことなく、電気RFノイズを取り除くように、ビデオ帯域幅(1kHz)を選択した。

上で説明したように、吸収差は、通常一方は吸収最小点付近に置かれ、もう一方は吸収最大点付近に置かれる2つの異なる波長間の吸収比の測定値を含む。所定の戻りビームの輝度(T)における単位濃度あたりの吸収係数(α)の差を定めるために、ベールの法則を用いる。それゆえ、ビームの距離(L)全体にわたる特定の種の濃度を、以下の式を使って定めることができる、すなわち、
(α₁―α₂)L＝ln(T₁/T₂) (1)

図4を参照すると、1.500μmから1.510μmまでの波長範囲全体にわたる吸収スペクトルを、水蒸気について示している。米空軍で製造された商業的に入手可能なHITRAN(TM)データベース、及び、Ontar社のfascode大気IR伝送モデルを使って、理論スペクトルを生成した。図4より、水蒸気では、非常に強い(時々、完全)吸光度で、1.5μmから1.55μmにわたって、重なっているピークの集団が存在することがわかる。

図5を参照すると、上で説明したシステムを2秒間にわたって使用して、各セットにおいて1000のデータポイントで、データを取得した。

図5(a)は、0.2秒にわたる典型的なデータ区間における、0.35nmの波長差を持つ2つのチャネル上の変動する輝度を示している。図5(b)は、70nmの波長差の場合のデータを示している。図5のグラフの検証は、0.35nmの場合、信号がどのくらい良く相関しているかを示す一方で、70nmの分離の場合、低い相関性が観測される時間がはっきり存在することを示している。

次に、測定電圧信号が2乗されて、光の輝度(I)に比例する量に変換され、かつ、相関係数Cが以下の式を使って計算された、すなわち、

相関係数がデータポイントの長さから独立していることに、注目する。１という値は、2つのチャネル上の信号間の完全相関を示す。0に近い値は完全独立変数を示し、負の値は非相関を示す(すなわち、一方の信号の最大点は、もう一方の信号の最小点に対応する)。

図5のデータのついて算出された相関係数は、0.35nmの波長差の場合0.997であり、70nmの波長差の場合0.752であった。

Ridley他著で前に説明したように、波長差が増大するにつれて、レーザー輻射の単色性から、相関の減少が生じる。同じ波長において、散乱の中心(例えば、空中に浮かぶエアロゾル)から光を導くときに作り出される干渉(又は、スペックル)パターンは、全く同じである。しかしながら、波長分離が増大するにつれて、スペックルパターンの違いもまた増大し、これは、相関の減少という結果になる。

図6を参照すると、異なる日及び天候条件(良い/変わりやすい視程、穏やか/荒れた、曇っている/晴れている日)にわたって取られた様々な測定について、相関係数が波長差に対してプロットされている。天候条件に関係なく、波長差が増大するにつれて、相関の降下へと向かう傾向があることがはっきりとわかる。

従って、スペックルにより引き起こされた受信ビームの変動を、狭い波長分離を使うことにより減らすことができることがわかる。しかしながら、レーザー変動、偏光の揺らぎ、又は光ファイバの動きによって引き起こされるような個々のチャネルの感度のドリフトにより、吸収差測定は、さらに劣化する。これに加えて、典型的に、調整されたレーザーパワーの変化、及び、温度変化によりファイバ内で引き起こされる歪みを通した時間全体にわたるゆっくりとしたドリフトが存在する。より厳密には、プラットフォームの振動、及び/又は高速温度変動と共に、高速ドリフトもまた予想されるであろう。

上で説明したように、本発明による一対の付加正規化信号の測定は、DIAL装置自身内の如何なる変動又はドリフトの修正も可能にする。

本発明による装置の正規化能力を実証するために、2つのレーザーの周波数を、波長スペクトルアナライザの解像度が可能にするのと同じくらい近くに、共に動かした。長いファイバ長(約20メートル)を使って、送信光学部品及び受信光学部品はまた、(通常、トランシーバヘッドにおける開放端の近くで)1つに接続される。

第二のAOM62が、82MHzだけ周波数をシフトダウンするのに対して、第一のAOM34は、80MHzの周波数におけるシフトアップを提供した。従って、2MHz(すなわち、82MHz-80MHz)の周波数で検出されたスペクトル内に、正規化ピークが提供された。電気帯域通過フィルタがスペクトルアナライザ上にセットされて、4つのピーク(すなわち、2MHz又は80MHzにおけるチャネル1又はチャネル2)のうちのいずれか2つの同時収集を可能にした。

図7は、DIAL装置の一部を機械的に摂動したときの様々な信号における検出された輝度を示している。図6を参照して詳述したのと同様な相関分析がまた行われて、その結果を図7に示す。

図7aを参照すると、両方のチャネルに共通な部分でファイバを機械的に摂動したとき、2MHzにおけるチャネル1のドリフトと80MHzにおけるチャネル1のドリフトの間に、良い相関(C=0.964)が観測されることがわかる。

図7bは、ファイバ/レーザーをより高速かつより大きな力で摂動したときの、図7aと同じピークの相関(C=0.29)の例を示している。この場合のCの低い値は、低輝度の変動のフィルタリング不足によるものということがわかった、すなわち、振動により引き起こされる全ての変動は、良い相関関係にあるということである。チャネル1が、チャネル2に固有のアームで引き起こされる振動に対して良い耐性を示すことも、またわかった。

図7cは、装置の共通部分において機械的摂動が引き起こされたときの、2MHzでのチャネル1の信号と2MHzでのチャネル2の信号の間の良い相関性を示している。しかしながら、2つの別個のLOの使用は、非相関性が観測されるときでさえ、2つの更なる自由度、及び時々、相関性の欠如をもたらす。しかしながら、図2を参照して説明した形式の装置を使用した場合には、相関性のレベルの改善が予想されるであろう。

従って、計器ドリフト(レーザーパワー、偏光、さらにはファイバの振動/動き)は良い相関性があり、それゆえ、後の/並行した処理において容易に修正され得ることが実証された。共通チャネル上で引き起こされる変化はまた、2つの検出器の出力上で互いに同期していることも示された。さらに、各チャネルは、もう一方のチャネルに固有のアームで引き起こされた変化に対する耐性を示した。

従って、この付加正規化データは、過酷な環境において長時間にわたってミリ秒以下の吸収差測定を確実に行うことができる機構を提供する。これは、変化するガス濃度(例えば、煙柱の拡散)を離れて監視することにおける特別な利点である。

本発明によるヘテロダインDIAL装置を示している。 本発明による代替のDIAL装置を示している。 本発明による第二の代替のDIAL装置を示している。 水蒸気の場合の理論吸収スペクトルを示している。 図1を参照して説明した形式の装置を使って測定された輝度変動データ(スペックル)を示している。 図1を参照して説明した形式の装置における、検出された信号の相関係数対波長差を示している。 図1を参照して説明した形式の装置におけるチャネルのドリフトを示している。

Claims (12)

1. 別個の波長の少なくとも2つの成分光ビームを含む組合せ光ビームを遠隔ターゲットに向け、各成分光ビームと関連する局部発振ビームを形成する送信部と、
   前記遠隔ターゲットから戻された光を受信し、前記受信光をその関連する局部発振ビームとコヒーレントに混合する受信部と、
   を備えるコヒーレント差分吸収ライダー(DIAL)装置であって、
   前記送信部から各成分光ビームの一部を抽出する手段、該抽出された各成分光ビームとその関連する局部発振ビームとの間に周波数差を持たせる手段、及び、前記抽出された各成分光ビームを前記受信部内に導く手段を備える信号訂正手段をさらに備える、
   ことを特徴とするコヒーレント差分吸収ライダー(DIAL)装置。
2. 前記少なくとも2つの成分光ビームの各々と前記関連する局部発振ビームとの間に周波数差を持たせる手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項1記載のDIAL装置。
3. 前記組合せ光ビームが、前記遠隔ターゲットへの伝送の前に、光ファイバケーブルを通して送られる
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
4. 前記送信部が、第一の光学配置を使って、前記遠隔ターゲットに光を集中させ、かつ、前記受信部が、第二の代替の光学配置を使って、前記遠隔ターゲットからの光を集める
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
5. 前記少なくとも2つの成分光ビームの各々が別個のレーザー源によって生成される
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
6. 前記送信部が、1つのレーザー源、前記レーザー源によって出力された前記光ビームを少なくとも2つの成分光ビームに分ける手段、及び、前記成分光ビーム間に周波数差を持たせる手段を備える
   ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のDIAL装置。
7. 周波数差を持たせる一又はそれ以上の前記手段が音響光学変調器を備える
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
8. 前記受信光及び/又は前記抽出された成分光ビームの偏光状態を、前記関連する局部発振ビームの偏光状態に対して制御するように構成された少なくとも1つの偏光コントローラ、
   をさらに備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
9. 前記送信部が、前記少なくとも2つの成分光ビームのうちの一又はそれ以上の輝度を増幅するための少なくとも1つの光増幅器をさらに備える
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
10. 前記信号訂正手段が、少なくとも1つの遅延線を付加的に備える
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
11. 前記少なくとも2つの成分光ビームの一方の波長が、対象のガス種の吸収のピークと一致するように選択される
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のDIAL装置。
12. コヒーレントDIAL装置における正規化信号を提供する方法であって、
    前記方法において、２つの波長の輻射がターゲットへと伝送され、戻り輻射は局部発振ビームとコヒーレントに混合され、さらに該方法は、
    前記装置の伝送パスから、前記２つの波長の輻射を抽出するステップ、
    前記抽出された輻射と、前記局部発振ビームとの間に、周波数差を持たせるステップ、及び、
    前記抽出された輻射を、前記装置の受信パス内に入力するステップ、
    を含むことを特徴とする方法。

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