JP4540604B2 - 気体速度センサ - Google Patents
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Description
後方散乱光の強度はレーザにより生成された光の波長と、散乱粒子の性質とに大きく依存する。低い高度では、エアロゾルの濃度はその最高値であり、したがって後方散乱したレーザ光に対しては大きく作用している。しかしながら、エアロゾルの濃度は海面レベルと50,000フィート(この値は大部分の航空機にとっての最高動作高度である)との間では大きさが少くとも4桁(four orders)変化するものである。もし上述の形式の光センサがある航空機上で動作するように適応されるとすると、どんな高度でもまたどんな気候条件の下でも動作できるものでなければならない。したがって、散乱粒子の濃度は信頼性のある信号を維持するためにはできるだけ一定に留まることが求められる。
ここでF=4R/(1−R)2
であり、t0 はピーク透過強度であり、Rは半反射性ミラー表面46,48の反射率である。θが小さく、かつ間隔dが1/2(Nλ0 )(ここでλ0 は狭い範囲の正規の中心波長であり、Nは任意の整数とする)に等しいようにすると、透過tは簡略化できて
t=t0 /[1+Fsin2{(2πd/λ0 )・[(θ2/2)−(f/f0 )]}] 式(3)
となり、ここでfはレーザの正規の中心周波数f0 からのレーザの周波数の僅かな変位であり、またf0 =c/λ0 である。干渉パターン54としてレーザ12の紫外光で生成されるものが図3に示されている。この干渉パターン54は一組の同心円リング56を含んでいて、これがファブリィ−ペロー干渉計18から放出される光の中で見ることができるが、その条件は、光が第三のレンズ58の焦点面にフォーカスされたときである。
f1 =1/2t1 式(4)
ここでt1 は光がミラー82,84の間を移動するためにかかる時間であり、結晶80とQスイッチ86との屈折率を勘案している。各周波数はそれ自体の干渉パターン54として同心円のリング56を作ることになり、それらが組合されて規則正しいリングパターンを有していない空間フィルタ20の面内にパターンを形成する。したがって、ファブリィ−ペロー干渉計18の走査からもたらされる光検出器22上に入射する光強度における周波数依存の変動は存在しない。
この場合、レーザビーム104内のすべての周波数が空間フィルタ20の面内でリングパターン56を作り、これがほぼ同一の半径群を有しているので、それによってファブリィ−ペロー干渉計18が走査されるときに光検出器22上で光強度の同じ変動を作ることになる。
Claims (33)
- 速度が測定されるべき気体を照射するように動作可能な電磁放射源と、
該気体によって散乱された電磁放射を受けるための入力と干渉パターンを生成するための出力とを有する干渉計と、
該干渉計の出力に置かれた空間フィルタであって、該干渉計によって生成された干渉パターンに対応している構造を形成する相対的に透明な領域と相対的に不透明な領域とを有する空間フィルタと、
前記空間フィルタを通過した後の前記干渉計からの電磁放射を検出して、気体速度を示す出力を提供するための光検出器と、を備えた気体速度センサ。 - 該干渉計はファブリィ−ペロー干渉計である請求項1記載の気体速度センサ。
- 該空間フィルタはリング構造を有していて、この構造は該電磁放射源の波長で電磁放射で照射されたときにファブリィ−ペロー干渉計によって生成される干渉パターンに対応している請求項2記載の気体速度センサ。
- 該ファブリィ−ペロー干渉計は制御可能に可動ミラーを有している請求項2又は請求項3記載の気体速度センサ。
- 該ファブリィ−ペロー干渉計はさらに該可動ミラーを制御可能に移動するように動作可能な電気機械的アクチュエータを備えている請求項4記載の気体速度センサ。
- 該アクチュエータは圧電デバイスである請求項5記載の気体速度センサ。
- 該電磁放射源は紫外放射を発生するように動作可能である請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載の気体速度センサ。
- 該電磁放射源はレーザである請求項7記載の気体速度センサ。
- 該干渉計は一対のミラーを備え、該レーザはレーザ空洞を備え、該ミラーの隔りは光が該レーザ空洞の長さを移動するのにかかる時間と光速との積に等しくなるように設定されている請求項8記載の気体速度センサ。
- 該電磁放射源がネオジウム:YLFレーザである請求項8又は請求項9記載の気体速度センサ。
- 該レーザ空洞は、結晶と、一端が入口ミラーにより、また他端が出口ミラーにより画成されたQスイッチとを備えている請求項9記載の気体速度センサ。
- 該入口ミラーは1.064μmでは反射性を、また810nmでは透過性をもつように適応されている請求項11記載の気体速度センサ。
- 該出口ミラーは半反射性であり、また該気体速度センサは、さらに非線形結晶とフィルタとを備えていて、使用時には、該出口ミラーにより出力される光が先ず該非線形結晶に入射し、次に、該フィルタに入射するようになっていて、該フィルタは実質的に第三高調波で光を透過しかつ他の波長では光を排除するものである請求項11又は請求項12記載の気体速度センサ。
- 該気体により散乱された電磁放射を集めるためにレンズをさらに備えている請求項1ないし請求項13のいずれか1項記載の気体速度センサ。
- 実質的にコリメートしたビームを生成するために別のレンズをさらに備えている請求項14記載の気体速度センサ。
- 該干渉計の入口側に位置する狭帯域フィルタをさらに備えている請求項1ないし請求項15のいずれか1項記載の気体速度センサ。
- 該干渉計により出力された電磁放射を、該空間フィルタと一致する焦点面にフォーカスするためのレンズをさらに備えている請求項1ないし請求項16のいずれか1項記載の気体速度センサ。
- 該光検出器により生成された信号を測定するように動作可能な電圧計をさらに備えている請求項1ないし請求項17のいずれか1項記載の気体速度センサ。
- 該光検出器から信号を受けかつ信号を該電圧計に送るように構成されたゲートをさらに備えている請求項18記載の気体速度センサ。
- 該ゲートを開くように動作可能な制御器をさらに備えている請求項19記載の気体速度センサ。
- 該制御器は該電磁放射源からパルス電磁放射出力を生成するように動作可能である請求項20記載の気体速度センサ。
- 該制御器から信号を受けかつ該ゲートに向けて信号を送るように構成された時間遅延回路をさらに備えている請求項20又は請求項21記載の気体速度センサ。
- 請求項5に従属するときには、さらに計算機を備え、該計算機は該アクチュエータに向けて電圧を印加しかつ該電圧計から電圧信号を受けるように動作可能である請求項18に記載の気体速度センサ。
- 該気体速度センサは空気の速度を決定するのに利用するために航空機上に設置される、請求項1ないし請求項23のいずれか1項記載の気体速度センサ。
- 気体速度を測定するための方法であって、
気体を電磁放射で照射する段階と、
該気体により散乱された電磁放射の一部分を集めて、前記集められた電磁放射のいくらかを干渉計の入力へ与える段階と、
該干渉計による電磁放射出力の少くともいくらかを空間フィルタを通って送る段階であって、該空間フィルタは相対的に透明である領域と相対的に不透明である領域を有しており、前記領域は該干渉計により生成された干渉パターンに対応している構造を形成するものと、
該空間フィルタから出力された電磁放射を該光検出器上に入射するように該光検出器を配置する段階であって、前記光検出器は前記気体速度を示す出力を提供するものと、を備える方法。 - 該気体を紫外光で照射する段階をさらに含む請求項25記載の方法。
- 集めた電磁放射をレンズを介して送り該干渉計に向けて送られる実質的にコリメートしたビームを生成する段階をさらに含んでいる該干渉計により作られた干渉パターンに対応している構造を形成する請求項25又は請求項26記載の方法。
- 該実質的にコリメートしたビームを、該干渉計に向けて該電磁放射を送る前に狭帯域フィルタを通って送る段階をさらに含んでいる請求項27記載の方法。
- 該干渉計により出力された該電磁放射をレンズを通って送り、それによって該電磁放射を該空間フィルタの位置と一致する焦点面に対してフォーカスする段階をさらに含んでいる請求項25ないし請求項28のいずれか1項記載の方法。
- 該干渉計は一対のミラーを有し、少くともその一方は可動であり、さらに、該ミラーを移動して、ミラー間の隔りが変るようにし、複数のミラーの隔りで光検出器の出力を測定する段階をさらに備えている請求項25ないし請求項29のいずれか1項記載の方法。
- 該ミラーの隔りを調節して光検出器から最大出力を得る段階を含んでいる請求項30記載の方法。
- 該ミラーの動きを遂行するための電気機械的アクチュエータに向けて電圧を送り、また光検出器により生成された電圧を該アクチュエータに対して印加された電圧の関数として記録する段階をさらに含んでいる請求項30又は請求項31記載の方法。
- 該空間フィルタは、該気体を照射するのに使用されたものに対応する波長を有する電磁放射で照射されたときに、該干渉計により生成された干渉パターンに対応している構造を有する請求項25ないし請求項32のいずれか1項に記載の方法。
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