JP4634374B2

JP4634374B2 - スペクトルロックイン技術を使用したアクティブ・リモートセンシング

Info

Publication number: JP4634374B2
Application number: JP2006513206A
Authority: JP
Inventors: アール．ネフ，ベンジャミン; ディー．プルーイット，ジェフ; エル．ギプソン，マシュー; イー．ダブス，マイケル
Original assignee: アイティーティーマニュファクチャリングエンタープライジーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: WO2004095004A3; EP1618355B1; EP1618355A2; US20040212804A1; US6949734B2; JP2006524343A; WO2004095004A2

Description

本発明は、リモートセンシング（遠隔的感知）に関し、特に、アクティブ・リモートセンシングに関する。

アクティブ・リモートセンシングは、１つ以上の波長領域における一定の位置から反射され、および／または、発せられた目に見える放射として概念化される。アクティブ・リモートセンシングは、反射され，散乱され，および／または，発せられた放射を１つ以上の検出器で測定し、典型的にはターゲット領域を照らすために放射（例えば、赤外，可視または紫外光）の１つ以上のソースを利用する。そのようなリモートセンシングは、移動するプラットホームまたは静止した位置から実行され、それらは、ターゲット領域から空間的に離れている。

アクティブ・リモートセンシングを実行する１つのスキムは、放射の１つ以上の波長を有する領域を照らし、１つの検出器により或る領域をじっと見ていることである。しかしながら、ノイズの様々なソースは、測定の信号／ノイズ比（ＳＮＲ）を低減するであろう。アクティブ・リモートセンシングに典型的に存在するそのようなノイズの例は、ソーラ背景放射（solar background radiation），１／ｆノイズ（例えば、周波数に逆比例してパワーが変化するノイズ），大気の乱流（atmospheric turbulence），および／または，シンチレーション（scintillation）を含む。

従って、この技術分野において、高いＳＮ比を維持しつつアクティブ・リモートセンシングを実行することが必要とされている。

本発明の原理に従ったシステムおよび処理は、異なる物事の間で、注目対象のサンプルによる相互作用の前に、１つの波長で或る信号を波長変調し、且つ、異なる周波数で他の信号を振幅変調することを含む。多数のロックインアンプは、或る周波数および異なる周波数におけるサンプルから検出された放射を処理するために使用される。

本発明の第１の形態によれば、第１の周波数で波長範囲にわたって波長変調された第１の光放射を発するように構成された第１の波長可変光源と、予め定められた波長で、且つ、第２の周波数で振幅変調された第２の光放射を発するように構成された第２の波長固定光源と、サンプルと相互作用した後の前記第１および第２の光放射を検出し、且つ、第１の検出信号を発生するように構成された第１の検出器と、前記第１の周波数に基づいて前記第１の検出信号を処理して第１の出力信号を生成するように構成された第１のロックインアンプと、前記第２の周波数に基づいて前記第１の検出信号を処理して第２の出力信号を生成するように構成された第２のロックインアンプと、を備えることを特徴とするサンプルを感知するシステムが提供される。
本発明の第２の形態によれば、第１の周波数で周期的に変化する波長を有する波長可変信号および第２の周波数で変化する振幅を有する波長固定信号を含む光放射のビームを、サンプルに向けて送出し、検出信号を生成するために、前記サンプルと相互作用した後の前記光放射のビームを検出し、前記第１の周波数となっている前記検出信号の一部を規定し、前記第２の周波数となっている前記検出信号の他の一部を規定し、および、前記検出信号の前記一部および前記検出信号の前記他の一部に基づいて、前記サンプルに関する情報を獲得することを備えることを特徴とするサンプルを遠隔的に感知する方法が提供される。
本発明の第３の形態によれば、第１の周波数で波長範囲にわたって波長変調された光放射を発するように構成された波長可変光源と、第２の周波数で振幅が変化する光放射を発するように構成された波長固定光源と、サンプルと相互作用した後の前記波長可変光源および前記波長固定光源からの前記光放射を検出し、且つ、サンプル信号を発生するように構成されたサンプル検出器と、前記第１および第２の周波数となっている前記サンプル信号のコンポーネントをそれぞれが発生するように構成された複数のロックインアンプと、前記第１および第２の周波数となっている前記サンプル信号の前記コンポーネントに基づいて、前記サンプルの特徴を規定するように構成されたプロセッサと、を備えることを特徴とするサンプルの特徴を感知するシステムが提供される。
本発明の第４の形態によれば、第１の周波数で波長変調された光放射の第１のビームを発生し、予め定められた波長で、且つ、第２の周波数で振幅変調された光放射の第２のビームを発生し、前記光放射の第１および第２のビームをターゲットに送出するために結合し、前記第１および第２の周波数で第１および第２の基準信号を発生し、第１および第２のロックインアンプ並びに前記第１および第２の基準信号を使用して前記ターゲットから第１の放射および第２の放射を検出し、および、第３および第４のロックインアンプ並びに前記第１および第２の基準信号を使用する前記ターゲットと相互作用する前の第３の放射および第４の放射を検出することを備えることを特徴とするターゲットを遠隔的に感知する方法が提供される。
ここに具体化され且つ概括的に記載された本発明の１つの目的によれば、サンプルを感知するシステムは、第１の周波数で波長範囲にわたって周波数変調された第１の光放射を発するように構成された第１の調整可能なソース、および、予め定められた波長で、且つ、第２の周波数で振幅変調された第２の光放射を発するように構成された第２の固定されたソースを含む。第１の検出器は、サンプルによる相互作用の後に、前記第１および第２の光放射を検出し、且つ、第１の検出信号を発生する。第１のロックインアンプは、第１の出力信号を生成するために、前記第１の周波数に基づいて前記第１の検出信号を処理するように構成される。第２のロックインアンプは、第２の出力信号を生成するために、前記第２の周波数に基づいて前記第１の検出信号を処理するように構成される。

本発明の原理に従った他の実施において、サンプルを遠隔的に感知する方法は、光放射のビームをサンプルに向けて送出することを含む。そのビームは、第１の周波数で周期的に変化する波長を有する調整可能な信号および第２の周波数で変化する振幅を有する固定された信号を含む。その方法は、検出信号を生成するために、前記サンプルによる相互作用の後に、前記光放射のビームを検出し、且つ、前記第１の周波数となっている前記検出信号の一部を規定することを含む。さらに、その方法は、前記第２の周波数となっている前記検出信号の他の一部を規定し、且つ、前記検出信号の前記一部および前記検出信号の前記他の一部に基づいて、前記サンプルに関する情報を獲得することを含む。

本発明の原理に従ったさらなる実施において、サンプルの特徴を感知するシステムは、第１の周波数で波長範囲にわたって周波数変調された光放射を発するように構成された周波数の整調可能なソース、および、第２の周波数で振幅が変化する光放射を発するように構成された固定周波数の基準ソースを含む。サンプル検出器は、サンプルによる相互作用の後に、前記整調可能なソースおよび前記基準ソースからの前記光放射を検出し、且つ、サンプル信号を発生するように構成される。多数のロックインアンプは、前記第１および第２の周波数となっている前記サンプル信号のコンポーネントをそれぞれが発生するように構成される。プロセッサは、前記第１および第２の周波数となっている前記サンプル信号の前記コンポーネントに基づいて、前記サンプルの特徴を規定するように構成される。

本発明の原理に従ったさらに他の実施において、ターゲットを遠隔的に感知する方法は、第１の周波数で波長変調された光放射の第１のビームを発生し、且つ、第２の周波数で振幅変調された光放射の第２のビームを発生することを含む。前記光放射の第１および第２のビームは、ターゲットに送出するために結合される。第１および第２の基準信号は、前記第１および第２の周波数で発生される。第１の放射および第２の放射は、位相感知技術並びに前記第１および第２の基準信号を使用して前記ターゲットから検出される。

本明細書に組み入れられ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明を説明する記述と共に、本発明の実施例を示している。

以下、本発明の詳細な記載は、添付図面を参照している。同じ参照符号は、異なる図面において、同じまたは類似のコンポーネントを示すために使用されている。さらに、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。それよりも、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲および同等のものによって規定される。

ここで述べるように、本発明の原理に従った実施において、リモートセンシングシステムは、注目対象のサンプルによる相互作用の前に、或る周波数で或る信号を波長変調し、且つ、異なる周波数で他の信号を振幅変調する。多数のロックインアンプは、或る周波数および異なる周波数でサンプルから検出された放射、並びに、ことによると基準放射を処理するために使用される。

［典型的なシステム］
図１は本発明の原理に従った実施に係るアクティブ・リモートセンシングシステム１００の概略図である。システム１００は、整調可能なソース１０５、基準ソース１１０、カプラ１１５、増幅器１２０、サンプル１２５、基準検出器１３０、サイエンス検出器１３５、第１〜第４のロックインアンプ１４０，１４５，１５０，１５５、および、プロセッサ１６０を含む。

整調可能なソース１０５は、その出力を変化するように制御される光または他の放射のソースを含む。整調可能なソース１０５は、制御信号に基づいて、波長λ_SWEEPの範囲にわたって放射を発する。本発明の原理に従った１つの実施において、整調可能なソース１０５は、掃引周波数ｆ１における範囲λ_SWEEPにわたってその出力波長を連続的に変化（すなわち、「掃引（sweep）」）するように構成される。すなわち、整調可能なソース１０５は、掃引周波数ｆ１の逆数である周期で範囲λ_SWEEP内の与えられたあらゆる波長も繰り返す。１つの典型的な掃引周波数ｆ１は、これは単なる例であって他の掃引周波数が使用されてもよいが、約５ＫＨｚである。

図２Ａは、整調可能なソース１０５の実施を説明するための図である。整調可能なソース１０５は、波長コントローラ２１０、および、その出力が波長コントローラ２１０によって制御される整調可能なレーザ２２０を含む。波長コントローラ２１０は、整調可能なレーザ２２０によって、例えば、整調可能なレーザ２２０を駆動する電流または整調可能なレーザ２２０の温度を変化させることによって生成される波長を制御するように構成される。換言すると、波長コントローラ２１０は、その制御を促進するために、整調可能なレーザ２２０からのフィードバック信号を受け取る。波長コントローラ２１０は、（例えば、プロセッサ１６０から）それを受け取る入力制御信号に基づく波長（例えば、λ_SWEEP）の所定の範囲を生成する。

整調可能なレーザ２２０は、例えば、温度および電流の組み合わせを介した波長において正確に調整され得る分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを含む。そのような整調可能なレーザ２２０の例は、気体，固体，ダイオードおよび他の形式のレーザを含む。整調可能なレーザ２２０は、代替的に、或いは、付加的にダイオードレーザまたは増幅されたダイオードレーザを含む。発せられた放射の波長は、紫外，可視，短波長赤外（ＳＷＩＲ：short-wavelength infrared），中間波長赤外（ＭＷＩＲ：mid-wavelength infrared），長波長赤外（ＬＷＩＲ：long-wavelength infrared）または他のアクティブ・リモートセンシングに適した電磁波領域内にある。光学系（図示しない）は、発せられた放射を直接カプラ１１５へ向けるように構成される。

図２Ａにおける調整可能なソース１０５の動作が、図３を参照してさらに述べられる。図３は、注目対象３１０の典型的なスペクトル特性を示す典型的なサンプル材料の波長に対する透過率をプロットした図である。幾つかの実施において、注目対象３１０のスペクトル特性は、吸収特性（absorption feature）であり、且つ、中間吸収波長λ_Aに関連付けられている。波長コントローラ２１０は、整調可能なレーザ２２０の出力波長に掃引周波数ｆ１を有する波長範囲λ_SWEEP３２０に沿った変化を生じさせる。波長範囲λ_SWEEP３２０は、注目対象３１０の全体的なスペクトル特性を含み、且つ、スペクトル特性３１０の何れかの側の波長に向かって延びる（すなわち、ちょうどスペクトル特性３１０を含む波長において十分遠くに延びる）。遠隔感知の技術における熟練者には、波長範囲λ_SWEEP３２０が延びるスペクトル特性３１０によって占有されるスペクトル領域をどの程度にわたるかは理解されるであろう。

再び、図１に戻って、基準ソース１１０は、光学的またはその出力が変化するように制御される他の放射のソースを含む。制御信号に基づいて、基準ソース１１０は、振幅変調された放射を基準波長λ_REFで発する。本発明の原理に従った１つの実施において、基準ソース１１０は、その出力の振幅を変調周波数ｆ２で連続的に変化させるように構成される。１つの典型的な変調周波数ｆ２は、単なる一例であって他の周波数を適用することもできるが、約７．５ＫＨｚである。

図２Ｂは基準ソース１１０の典型的な実施を示している。基準ソース１１０は、振幅コントローラ２３０、および、出力が振幅コントローラ２３０により制御される基準レーザ２４０を含む。振幅コントローラ２３０は、基準レーザ２４０によって、例えば、振幅制御信号を介して基準レーザ２４０の光利得を変化させることによって、生成された信号振幅を変調するように構成されている。他の実施において、振幅コントローラ２３０は、基準レーザ２４０の一定の光出力に従って動作する光変調器かも知れない。振幅コントローラ２３０は、受け取る（例えば、プロセッサ１６０から受け取る）入力制御信号に基づいて、特別な変調周波数ｆ２で振幅変調を生成する。本発明の原理に従った１つの実施において、基準ソース１１０の変調周波数ｆ２は、調整可能なソース１０５の掃引周波数ｆ１とは異なる（おそらく、その高調波でもない）。

掃引周波数ｆ１および変調周波数ｆ２の適切な選択は、システム１００における全体的なノイズを低減する。掃引周波数ｆ１および変調周波数ｆ２の値は、相互干渉（例えば、相互変調）を低減するように選択される。当業者には、本明細書の開示によって周波数ｆ１およびｆ２、並びに、システム１００の他のパラメータが効率的に選択されることが理解されるであろう。

基準レーザ２４０は、例えば、温度および電流の組み合わせを介した波長において正確に調整され得る分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを含む。そのような基準レーザ２４０の例は、気体，固体，ダイオードおよび他の形式のレーザを含む。発せられた放射の波長は、紫外，可視，短波長赤外（ＳＷＩＲ），中間波長赤外（ＭＷＩＲ），長波長赤外（ＬＷＩＲ）または他のアクティブ・リモートセンシングに適した電磁波領域内にある。光学系（図示しない）は、基準レーザ２４０から発せられた放射を直接カプラ１１５へ向けるように構成される。

図２Ｂにおける基準ソース１１０の動作が、図３を参照してさらに述べられる。本発明の原理に従った１つの実施において、基準ソース１１０の基準波長λ_REFは、調整可能なソース１０５の波長範囲λ_SWEEPの外にある。本発明の原理に従った他の実施において、基準ソース１１０の基準波長λ_REFは、スペクトル特性３１０から離れてはいるが、調整可能なソース１０５の波長範囲λ_SWEEPの内にある。

再び、図１に戻って、カプラ１１５は、調整可能なソース１０５および基準ソース１１０からの出力信号を１つの出力信号に結合するように構成される。本発明の原理に従った１つの実施において、カプラ１１５は、光ファイバカプラであり、光ファイバを介して調整可能なソース１０５および基準ソース１１０からの出力信号を受け取る。カプラ１１５の一例は、光ファイバカプラであるが、当業者は、カプラ１１５が如何なる形式の光カプラを含んでもよいのを認識するであろう。システム１００の動作に必ずしも必要ではないが、カプラ１１５は、例えば、整可能なソース１０５および基準ソース１１０からの出力信号が同じ光軸およびフィールドオブビュー（field of view）で発せられる。

増幅器１２０は、適宜カプラ１１５の後に使用される。増幅器を使用する場合、その増幅器１２０は、カプラ１１５からの放射を増幅するように構成される。本発明の原理に従った１つの実施において、増幅器１２０は、エルビウムがドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：erbium-doped fiber amplifier）または同様の光増幅器を含む。図示しないけれども、増幅器１２０は、１つ以上の増幅器制御回路およびビームエキスパンダを含む。当業者には、発せられた放射の所望の特性を達成するために、光コンポーネントの様々な組み合わせが増幅器１２０（および／または、ソース１０５／１１０、および、カプラ１１５）内に使用されることが認識されるであろう。

サンプル１２５は、レーザ分光学によって考察される材料を含む。１つの実施において、サンプル１２５は、例えば、実験環境におけるセルを含む。他の実施において、サンプル１２５は、散乱背景（cattering background：例えば、ダウンルッキングシステム（down-looking system）１００のためのグラウンド（ground））を有するか有しない大気のボリューム（volume）を含む。サンプル１２５は、ソリッドサーフェス（solid surface：例えば、グラウンド）、オブジェクト（例えば、車両）、植物、化学製品、気体／噴霧器、或いは、スペクトル測定に役立つスペクトル特性を有するアクティブ・リモートセンシングの他の典型的なターゲットを含む。サンプル１２５は、調整可能なソース１０５が波長で掃引されるような少なくとも１つの吸収／反射特性３１０を有する物（substance）を含む。

ここで、調整可能なソース１０５からの出力信号およびサンプル１２５の間の相互作用が説明される。調整可能なソース１０５からの出力信号は、掃引周波数ｆ１で範囲λ_SWEEPを跨ぐ波長で繰り返し掃引されるので、そのサンプル１２５に伴うスペクトル相互作用も、掃引周波数ｆ１で繰り返すことになる。もし、サンプル１２５が注目対象にわたって吸収／反射されるスペクトル特性３１０を含むと、調整可能なソース１０５からの出力信号の一部は、特別な時間パターン（temporal pattern）を伴って吸収／反射される。このパターンは、掃引周波数ｆ１で繰り返される。従って、サンプル１２５（および、特別なスペクトル特性３１０において）は、異なる波長で信号のその異なる吸収／反射に基づいて調整可能なソース１０５からの出力信号に対して、周波数ｆ１で繰り返す振幅変調をもたらす。

ここで、基準ソース１１０からの出力信号とサンプル１２５との間の相互作用が説明される。基準ソース１１０からの出力信号は、単一の基準波長λ_REFに維持され、サンプル１２５に伴うそのスペクトル相互作用は、一定と見做される。従って、調整可能なソース１０５からの出力信号と違って、基準ソース１１０からの出力信号は、サンプル１２５によって振幅変調されない。しかしながら、基準ソース１１０からの出力信号は、サンプル１２５を通るときに、変調周波数ｆ２でその振幅変調が保持される。

調整可能なソース１０５からの出力信号および基準ソース１１０からの出力信号は、カプラ１１５によって結合されるので、それらは、システム１００（例えば、増幅器１２０）および同様にサンプル１２５の態様を経験する。そのような信号間の共通の相互作用は、不要な信号の混乱の排除する『コモンモード』を可能とする。上述したスペクトル特性３１０に関係しない様々な変動は、調整可能なソース１０５からの出力信号および基準ソース１１０からの出力信号の両方に共通である。この認識は、後の処理における特性３１０に関する所望のスペクトル情報から必要としない変動（すなわち、ノイズ）を取り除くために使用されるであろう。

調整可能なソース１０５からの出力信号およびカプラ１１５による基準ソース１１０からの出力信号（および、もし存在すれば、増幅器１２０による増幅）、結合された信号の少ない割合（例えば、約１％〜５％）は、剥ぎ取られ、基準検出器１３０上に像が描かれる。図１には示されていないが、光タップまたは他の適切な光デバイスは、サンプル１２５に対して結合された信号を発する前に、この目的のために利用される。

基準検出器１３０は、入射する光信号を、ディジタル信号のような対応する電気信号に変換するように構成されている。基準検出器１３０は、例えば、高速（すなわち、高帯域幅）のフォトダイオード、および／または、電気信号をディジタル化するアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ：analog-to-digital converter）のような信号条件付け回路を含む。本発明の原理に従った１つの実施において、基準検出器１３０は、所望の情報レート（例えば、掃引周波数ｆ１および変調周波数ｆ２よりも大きい）よりも上（例えば、１０倍速い）レートで検出された信号をディジタル化する。

基準検出器１３０は、電気的な基準信号（ＲＥＦ）を出力する。ＲＥＦ信号は、サンプル１２５との相互作用の前に発生されるので、リモートセンシング技術の当業者によって理解されるように、他の検出信号と比較するためのベースラインを提供する。

サイエンス検出器１３５は、サンプル１２５を介して発せられ、または、サンプル１２５から反射される光放射を検出する。サイエンス検出器１３５は、受け取った光エネルギーを、フォトディテクタ１５５によって測定された光エネルギーに対応するディジタル信号のような電気信号に変換するように構成されている。基準検出器１３０と同様に、サイエンス検出器１３５は、高速（すなわち、高帯域幅）のフォトダイオード、および／または、信号条件付け回路を含む。

サイエンス検出器１３５は、電気的なサイエンス信号（ＳＣＩ）を出力する。ＳＣＩ信号は、サンプル１２５との相互作用の後に発生されるので、処理されるとき（例えば、ＲＥＦ信号と結合して）、以下に詳述されるように、１つ以上のサンプル１２５のスペクトル特性をもたらす。

第１のロックインアンプ１４０は、基準検出器１３０からＲＥＦ信号を受け取り、動作周波数ｆ１でＲＥＦ信号による検出の『位相検出』を実行する。第１のロックインアンプ１４０の動作周波数ｆ１は、調整可能なソース１０５の掃引周波数ｆ１と同じになるように選択される。電気技術の当業者は、ロックインアンプ（例えば、調整可能なフィルタ、ミキサ、位相シフタおよびローパスフィルタ、或いは、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）における同様の機能）の動作および構成を熟知しているであろう。本発明の原理に従った１つの実施において、第１のロックインアンプ１４０は、内部ＤＳＰを介した基準検出器１３０からのディジタルＲＥＦ信号で動作し、調整可能なソース１０５またはプロセッサ１６０から周波数ｆ１（図示しない）で外部基準信号を受け取るように構成される。

当業者には、第１のロックインアンプ１４０および調整可能なソース１０５の動作／掃引周波数ｆ１は、調整可能なソース１０５によって発せられた放射に存在するかも知れない１／ｆノイズを十分に低減するように高く選択されることが認識されるであろう。第１のロックインアンプ１４０は、周波数ｆ１となっているＲＥＦ信号の一部に対応するプロセッサ１６０に第１の信号REF-f1を出力する。

第２のロックインアンプ１４５は、基準検出器１３０からＲＥＦ信号を受け取り、動作周波数ｆ２でＲＥＦ信号による検出の『位相検出』を実行する。第２のロックインアンプ１４５の動作周波数ｆ２は、基準ソース１１０の変調周波数ｆ２と同じになるように選択される。本発明の原理に従った１つの実施において、第２のロックインアンプ１４５は、内部ＤＳＰを介した基準検出器１３０からのディジタルＲＥＦ信号で動作し、基準ソース１１０またはプロセッサ１６０から周波数ｆ２（図示しない）で外部基準信号を受け取るように構成される。

当業者には、第２のロックインアンプ１４５および基準ソース１１０の動作／変調周波数ｆ２は、基準ソース１１０によって発せられた放射に存在するかも知れない１／ｆノイズを十分に低減するように高く選択されることが認識されるであろう。第２のロックインアンプ１４５は、周波数ｆ２となっているＲＥＦ信号の一部に対応するプロセッサ１６０に第１の信号REF-f2を出力する。

第３のロックインアンプ１５０および第４のロックインアンプ１５５は、それぞれ第１のロックインアンプ１４０および第２のロックインアンプ１４５と同様に構成される。第３のロックインアンプ１５０は、掃引周波数ｆ１となっているサイエンス検出器１３５によって出力されたＳＣＩ信号の一部に対応するプロセッサ１６０に第３の信号SCI-f1を出力する。第４のロックインアンプ１５５は、変調周波数ｆ２となっているサイエンス検出器１３５によって出力されたＳＣＩ信号の一部に対応するプロセッサ１６０に第４の信号SCI-f2を出力する。さらに、第３および第４のロックインアンプ１５５／１５５の各動作周波数に関する相対的に狭い帯域幅は、ソーラ背景放射のような調整可能なソース１０５および基準ソース１１０以外のソースからのノイズの相当量を取り除く。従って、第３および第４のロックインアンプ１５５／１５５の使用は、サイエンス検出器１３５によって検出された放射のＳＮＲを十分に増大する。

図４は、リモートセンシングシステム１００における第１〜第４のロックインアンプ１４０／１４５／１５０／１５５の１つ以上に配置される別の装置４００である。装置４００は、ミキサ４１０、ローカルオシレータ４２０およびローパスフィルタ４３０を含む。ミキサ４１０は、（例えば、乗算器によって）検出器からの信号およびローカルオシレータ４２０からの出力を受け取って結合するように構成される。ローカルオシレータ４２０は、注目対象のスペクトル（例えば、波長範囲λ_SWEEP）における吸収特性（例えば、スペクトル特性３１０）と同じ形状を有する出力信号を発生する。ここで、ローカルオシレータ４２０の出力信号は、吸収特性と同じ形状を有する必要はないことに注意されなければならない。例えば、容認できる結果は、ローカルオシレータ４２０の出力信号として正弦波（例えば、掃引周波数ｆ１）を使用することで獲得される。ローパスフィルタ４３０は、ミキサ４１０、の出力における高い周波数をフィルタリングして吸収を表す値を生成する。各ミキサ４１０、ローカルオシレータ４２０およびローパスフィルタ４３０は、例えば、ＤＳＰ装置内のアルゴリズムのようなディジタル的に実施される。

再び、図１に戻って、プロセッサ１６０は、ロックインアンプ１４０／１４５／１５０／１５５からデータを読み出し、フォーマットし、そして、書き込むための回路を含む。本発明の原理に従った１つの実施において、プロセッサ１６０は、後のデータを取り戻して処理するために、ロックインアンプ１４０／１４５／１５０／１５５から読み出された全てのデータを格納する。プロセッサ１６０は、実施において、１つ以上のシフトレジスタを含む。他の実施において、プロセッサ１６０は、『ロウ（row）』データを格納するよりはむしろロックインアンプ１４０／１４５／１５０／１５５からのデータを処理する。例えば、プロセッサ１６０は、以下に詳述されるように、注目対象（例えば、波長範囲λ_SWEEP）のスペクトル領域を跨ぐ吸収量を獲得するために、ロックインアンプ１４０／１４５／１５０／１５５からのREF-f1，REF-f2，SCI-f1およびSCI-f2を結合する。他の実施において、ロックインアンプ１４０／１４５／１５０／１５５からリモート個所にロウまたは処理されたデータを転送するために、プロセッサ１６０は、通信リンク（例えば、無線通信リンク）を含む。

プロセッサ１６０は、調整可能なソース１０５の掃引周波数ｆ１を制御するように構成され、また、プロセッサ１６０は、第１および第３のロックインアンプ１４０／１５０に対して周波数ｆ１の外部基準信号を提供するかも知れない。同様に、プロセッサ１６０は、基準ソース１１０の変調周波数ｆ２を制御するように構成され、また、プロセッサ１６０は、第２および第４のロックインアンプ１４５／１５５に対して周波数ｆ２の外部基準信号を提供するかも知れない。

［データを獲得する処理］
図５は本発明に従った実施に係る波長範囲（例えば、λ_SWEEP３２０）内のスペクトル特性（例えば、吸収波長λ_Aの中央の注目対象のスペクトル特性３１０）上の情報を能動的に感知する処理を示すフローチャートである。処理は、波長範囲λ_SWEEPに沿って第１の放射を発する調整可能なソース１０５を伴って始まる［工程５１０］。１つの実施において、調整可能なソース１０５は、第１の周波数、すなわち掃引周波数ｆ１で波長範囲λ_SWEEPを繰り返し横切る。

基準ソース１１０からの第２の放射は、第１または掃引周波数ｆ１とは異なる第２の周波数、すなわち変調周波数ｆ２で振幅変調される［工程５２０］。１つの実施において、基準ソース１１０は、調整可能なソース１０５からの第１の放射の波長範囲λ_SWEEPの外側の基準波長λ_REFで放射を発する。

処理は、サンプル１２５と共に、調整可能なソース１０５および基準ソース１１０からの第１および第２の放射を発することによって継続する［工程５３０］。本発明の原理に従った１つの実施において、第１および第２の放射は、カプラ１１５によって結合され、選択的に転送される前に増幅器１２０によって増幅される。サンプル１２５は、第１の放射の波長範囲λ_SWEEP内の注目対象のスペクトル特性３１０を含み、このスペクトル特性３１０は、第１または掃引周波数ｆ１で第１の放射を振幅変調する。基準ソース１１０からの第２の放射は、スペクトル特性３１０と相互に作用せず、サンプル１２５と相互作用の後、第２または変調周波数ｆ２で振幅変調を続ける。

処理は、サイエンス検出器１３５と結合して、それぞれサンプル１２５からの放射を第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２で検出する第３および第４のロックインアンプ１５０／１５５を伴って継続する［工程５４０］。従って、第３のロックインアンプ１５０は、スペクトル特性３１０による吸収を表す周波数ｆ１で変調情報SCI-f1を実行する。第４のロックインアンプ１５５は、周波数ｆ２で変調された第２の基準信号SCI-f2を実行する。本発明の原理に従った１つの実施において、第１および第２のロックインアンプ１４０／１４５は、基準検出器１３０と結合して、サンプル１２５と相互に作用する前に、それぞれ第１の周波数ｆ１（すなわち、REF-f1）および第２の周波数ｆ２（すなわち、REF-f2）で放射を検出する。

検出された放射SCI-f1およびSCI-f2（ことによると、REF-f1およびREF-f2に結合）は、サンプル１２５の特徴を規定するためにプロセッサ１６０によって処理される［工程５５０］。１つの実施において、スペクトル特性３１０の範囲に比例する量は、以下のように計算される。

［（SCI-f1＊REF-f2）／（SCI-f2＊REF-f1）］−１（１）
この量は、当業者には認識されるように、例えば、直接サンプル１２５の気体の濃度に関係する。この量は、オンラインおよびオフラインチャネル間のコモンモードノイズを除去し、吸収する媒体（例えば、サンプル１２５）の濃度に比例するように作用する。これは、実施の異なる形状間の比較を容易にするために規格化される。

上述したスペクトルロックイン技術は、スペクトルセンシングを実行するために、全コラムガス濃度回復（total column gas concentration retrieval）のようなロックイン信号復元技術（lock-in signal recovery technique）を使用する。この技術は、リアルタイム処理および高速データレート（very high data rate）を可能とする。上述したスキムは、スペクトルデータを集める他の方法に関連するＳＮＲ測定を改善し、直ちに実行され得るものである。

［典型的な信号条件］
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の原理に従った実施に係るシステム１００における信号条件を示す図である。図６Ａにおける信号６１０は、サイエンス検出器１３５により生成されたサイエンス信号ＳＣＩの一例である。前述したように、信号６１０は、例えば、サンプル１２５におけるスペクトル特性３１０による吸収に基づいて周期的に変化する。スペクトル特性３１０の（波長範囲における）『形状』に基づき、信号６１９における『鋭い』ピーク６１２または『鈍い』ピーク６１４は、スペクトル特性３１０に対応する。しかしながら、信号におけるピーク６１２／６１４がスペクトル特性に対応するのに関わらず、ロックインアンプ１５０／１５５は、鋭いピークの急な遷移による高調波のために、信号６１０で最適に動作しない。

従って、信号６１０は、図６Ｂにおける条件信号６２０を生成するように（図示しない、例えば、サイエンス検出器１３５における回路によって、或いは、他の条件付け回路によって）条件付けられる。例えば、信号６１０の交互の期間は、条件信号６２０を生成するためにピーク６１２間で反転される。当業者には、実感に依らないで条件信号６２０を生成するために、信号６１０における高調波を取り除く信号条件付け回路が理解されるであろう。条件信号６２０は、この条件信号でより適切に動作するロックインアンプ１５０／１５５に入力され、それによって、システム１００のパフォーマンスを改善する。

［むすび］
本発明の原理に従ったシステムおよび方法は、注目対象のサンプルで相互に作用する前に、或る周波数で１つの信号を波長変調し、且つ、異なる周波数で他の信号を振幅変調する。位相感知デバイスの幾つかは、或る主端数および異なる周波数でサンプルから検出された放射を処理するために使用される。

上述した本発明に係る好適な実施例の記載は、例および説明を提供するが、本発明は、開示されたものだけに規定または限定されるものではない。変更および変形は、上述した教示から可能であり、また、本発明の実施から獲得することができるであろう。例えば、『マルチスペクトル』データは、本発明の原理に係る２つ以上の異なる波長で収集することができる。さらに、『マルチスペクトル』は、波長の数十〜数百を含む（すなわち、ハイパースペクトル）、或いは、波長の数千を含む（すなわち、ウルトラスペクトル）であってもよい。

さらに、付加的なチャネルは、システム１００において使用されるかも知れない。例えば、１つ以上の掃引されたレーザ、検出器およびロックインアンプ構成は、サンプル１２５内の１つ以上の注目対象を掃引（波長で）するために追加され得る。従って、本明細書の開示から当業者に理解されるように、システム１００は、図１に示されるソースおよび検出器の数には限定されるものではない。

さらに、本明細書で記述した位相感知技術は、マルチセンシングにおいても使用され得る。例えば、特定の化学物質の濃度のための領域または材料を調べるために、一般の領域における有害化学物質の存在を規定するために、環境処理を監視するために、産業処理を監視するために、産業環境を監視するために、空気／水における化学物質を検出および追跡するために、脅威の警報を早期に提供するために、および／または、当業者が予見する注目対象の１つ以上のスペクトル特性を含む他の検出に使用することができる。

さらに、図５における工程は、必ずしも図示される順番で実施される必要はなく、或いは、工程の全てが実施さえっるのを必要とするものではない。また、それらの工程は、他の工程に依存するものではなく、他の工程と並列に実施され得る。さらに、これらの図面における工程は、コンピュータが読み出し可能な媒体における命令または命令のグループとして実施され得る。

本出願の記載において使用される構成、工程或いは命令は、そのように記載されなければ、本発明の決定的な或いは特徴的なものとして構成されるべきではない。さらに、ここで使用されている記述『単数（ａ）』は、１つ以上のアイテムを含むことを意図する。単数のアイテムだけを意図する場合は、『１つ（ｏｎｅ）』または同様の言葉が使用される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその等価なものによって規定される。

本発明の原理に従った実施に係るアクティブ・リモートセンシングシステムの概略図である。図１のリモートセンシングシステムにおける整調可能なソースの実施を説明するための図である。図１のリモートセンシングシステムにおける基準ソースの実施を説明するための図である。注目対象の典型的なスペクトル特性をプロットして示す図である。図１のリモートセンシングシステムにおけるロックインアンプものに置き換える他の装置を示す図である。本発明に従った実施に係る波長範囲内のスペクトル特性上の情報を能動的に感知する処理を示すフローチャートである。本発明の原理に従った実施に係る信号条件を示す図である。本発明の原理に従った実施に係る信号条件を示す図である。

Claims

第１の周波数で波長範囲にわたって波長変調された第１の光放射を発するように構成された第１の波長可変光源と、
予め定められた波長で、且つ、第２の周波数で振幅変調された第２の光放射を発するように構成された第２の波長固定光源と、
サンプルと相互作用した後の前記第１および第２の光放射を検出し、且つ、第１の検出信号を発生するように構成された第１の検出器と、
前記第１の周波数に基づいて前記第１の検出信号を処理して第１の出力信号を生成するように構成された第１のロックインアンプと、
前記第２の周波数に基づいて前記第１の検出信号を処理して第２の出力信号を生成するように構成された第２のロックインアンプと、を備えることを特徴とするサンプルを感知するシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の波長可変光源は、波長可変レーザを含むことを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、さらに、
前記第１の波長可変光源および前記第２の波長固定光源に接続され、前記第１の光放射および前記第２の光放射を結合信号に結合するように構成されたカプラーと、
前記カプラーに接続され、且つ、前記結合信号を増幅するように構成された光増幅器と、を備えることを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、さらに、
前記サンプルと相互作用する前の前記第１および第２の光放射を検出し、且つ、第２の検出信号を発生するように構成された第２の検出器と、
前記第１の周波数に基づいて前記第２の検出信号を処理して第３の出力信号を生成するように構成された第３のロックインアンプと、
前記第２の周波数に基づいて前記第２の検出信号を処理して第４の出力信号を生成するように構成された第４のロックインアンプと、を備えることを特徴とするサンプルを感知するシステム。
請求項４に記載のシステムにおいて、前記サンプルは、前記波長範囲内のスペクトル特性を有し、該システムは、さらに、
前記第１の出力信号，前記第２の出力信号，前記第３の出力信号および前記第４の出力信号を処理して前記スペクトル特性に関連する情報を獲得するように構成されたプロセッサを備えることを特徴とするシステム。
請求項５に記載のシステムにおいて、前記情報は、前記サンプルの濃度を含むことを特徴とするシステム。
第１の周波数で周期的に変化する波長を有する波長可変信号および第２の周波数で変化する振幅を有する波長固定信号を含む光放射のビームを、サンプルに向けて送出し、
検出信号を生成するために、前記サンプルと相互作用した後の前記光放射のビームを検出し、
前記第１の周波数となっている前記検出信号の一部を規定し、
前記第２の周波数となっている前記検出信号の他の一部を規定し、および、
前記検出信号の前記一部および前記検出信号の前記他の一部に基づいて、前記サンプルに関する情報を獲得することを備えることを特徴とするサンプルを遠隔的に感知する方法。
請求項７に記載の方法において、さらに、
前記第１の周波数で前記波長にわたって周期的に変化する前記波長可変信号を発生し、
前記第２の周波数で振幅変調された前記波長固定信号を発生し、および、
前記波長可変信号および前記波長固定信号を前記光放射のビームに結合することを備えることを特徴とする方法。
請求項８に記載の方法において、さらに、
前記送出の前に、前記光放射のビームを増幅することを備えることを特徴とする方法。
請求項７に記載の方法において、
ロックイン技術および前記第１の周波数で波長固定された外部基準信号を使用して、前記検出信号の一部を規定し、且つ、
前記ロックイン技術および前記第２の周波数で波長固定された他の外部信号を使用して、前記検出信号の他の一部を規定することを特徴とする方法。
請求項７に記載の方法において、前記サンプルに関する前記情報は、該サンプルのスペクトル特性を含むことを特徴とする方法。
第１の周波数で波長範囲にわたって波長変調された光放射を発するように構成された波長可変光源と、
第２の周波数で振幅が変化する光放射を発するように構成された波長固定光源と、
サンプルと相互作用した後の前記波長可変光源および前記波長固定光源からの前記光放射を検出し、且つ、サンプル信号を発生するように構成されたサンプル検出器と、
前記第１および第２の周波数となっている前記サンプル信号のコンポーネントをそれぞれが発生するように構成された複数のロックインアンプと、
前記第１および第２の周波数となっている前記サンプル信号の前記コンポーネントに基づいて、前記サンプルの特徴を規定するように構成されたプロセッサと、を備えることを特徴とするサンプルの特徴を感知するシステム。
請求項１２に記載のシステムにおいて、さらに、
前記波長可変光源および前記波長固定光源からの前記光放射を結合信号に結合するように構成されたカプラーを備えることを特徴とするシステム。
請求項１２に記載のシステムにおいて、さらに、
前記カプラーに接続され、且つ、前記結合信号を増幅すると共に、該結合信号を前記サンプルに向けて送出するように構成された光増幅器を備えることを特徴とするシステム。
請求項１２に記載のシステムにおいて、さらに、
前記サンプルと相互作用する前の前記波長可変光源および前記波長固定光源からの前記光放射を検出し、且つ、基準信号を発生するように構成された基準検出器と、
前記第１および第２の周波数となっている前記基準信号のコンポーネントをそれぞれが発生するように構成された第２の複数のロックインアンプと、を備えることを特徴とするシステム。
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記プロセッサは、さらに、前記第１および第２の周波数となっている前記基準信号の前記コンポーネントに基づいた前記サンプルの特徴を規定するように構成されることを特徴とするシステム。
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記特徴は、前記サンプルの濃度を含むことを特徴とするシステム。
第１の周波数で波長変調された光放射の第１のビームを発生し、
予め定められた波長で、且つ、第２の周波数で振幅変調された光放射の第２のビームを発生し、
前記光放射の第１および第２のビームをターゲットに送出するために結合し、
前記第１および第２の周波数で第１および第２の基準信号を発生し、
第１および第２のロックインアンプ並びに前記第１および第２の基準信号を使用して前記ターゲットから第１の放射および第２の放射を検出し、および、
第３および第４のロックインアンプ並びに前記第１および第２の基準信号を使用する前記ターゲットと相互作用する前の第３の放射および第４の放射を検出することを備えることを特徴とするターゲットを遠隔的に感知する方法。
請求項１８に記載の方法において、前記放射の第１のビームは、波長の予め定められた範囲にわたって変化し、且つ、
前記放射の第２のビームは、前記波長の予め定められた範囲の外にある基準波長を有していることを特徴とする方法。
請求項１８に記載の方法において、さらに、
前記結合の後に、前記光放射の第１および第２のビームを増幅することを備えることを特徴とする方法。
請求項１８に記載の方法において、さらに、
前記第１の放射，前記第２の放射，前記第３の放射および前記第４の放射に基づいて、前記ターゲットの１つ以上の特徴を規定することを備えることを特徴とする方法。