JP5340129B2 - Differential absorption lidar device - Google Patents

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Description

本発明は、異なる複数の波長のレーザ光を空間中に送信して反射体からの散乱光を受信し、各波長に関する受信光強度の比から、空間中における計測対象となるガス(例えば、メタン等)の濃度を計測する、差分吸収ライダ装置に関するものである。   The present invention transmits laser light having a plurality of different wavelengths into a space to receive scattered light from a reflector, and determines a gas (for example, methane) to be measured in the space from the ratio of received light intensity for each wavelength. Or the like).

従来のこの種の差分吸収ライダ装置としては、以下のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1における差分吸収ライダ装置は、2波長のレーザ光に異なる周波数で強度変調をかけた後、空間中に送信し、ハードターゲットとなる地面からの散乱光を受信して、受信光を直接検波する。さらに、直接検波して得られた信号の周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルに生じる2つの変調周波数成分の信号強度から、2波長の各々を分別し、この2波長について受信光の検出を行っている。   As a conventional differential absorption lidar apparatus of this type, the following is known (for example, see Patent Document 1). The differential absorption lidar apparatus in this Patent Document 1 applies intensity modulation to laser light of two wavelengths at different frequencies, and then transmits the laser light into space, receives scattered light from the ground as a hard target, and receives the received light. Direct detection. Further, the frequency spectrum of the signal obtained by direct detection is obtained, the two wavelengths are separated from the signal intensities of the two modulation frequency components generated in the frequency spectrum, and the received light is detected for these two wavelengths. Yes.

このとき、2波長の内、1つの波長は、計測対象となる気体に関する光吸収係数が大きい波長に設定され、他の1つの波長は、光吸収係数が小さい波長に設定されている。このように設定しておくことで、受信光量において、装置−ターゲット間の計測対象となるガス濃度に応じた比が生じることとなり、この比から、ガス濃度を計測している。   At this time, one of the two wavelengths is set to a wavelength having a large light absorption coefficient for the gas to be measured, and the other one wavelength is set to a wavelength having a small light absorption coefficient. By setting in this way, a ratio corresponding to the gas concentration to be measured between the apparatus and the target is generated in the received light quantity, and the gas concentration is measured from this ratio.

特許文献1に記載されたこのようなタイプの差分吸収ライダ装置は、他の差分吸収ライダと比較すると、2波長を同時に送受信しつつ、受信において2波長を分別することができるという点において優位性がある。具体的には、ガス濃度計測における高精度・リアルタイム計測性の向上において効果がある。この高精度・リアルタイム計測性については、二酸化炭素濃度の計測に関し、具体的に実証されている(例えば、非特許文献1参照)。   Compared with other differential absorption lidars, this type of differential absorption lidar apparatus described in Patent Document 1 is superior in that it can simultaneously transmit and receive two wavelengths and separate two wavelengths in reception. There is. Specifically, it is effective in improving high accuracy and real-time measurement in gas concentration measurement. This high accuracy and real-time measurement property has been specifically demonstrated with respect to the measurement of carbon dioxide concentration (for example, see Non-Patent Document 1).

しかし、従来の差分吸収ライダ装置では、特に、特許文献1において計測対象とされている二酸化炭素以外の、より様々なガス濃度計測に適用する上で、以下のような問題があった。   However, the conventional differential absorption lidar apparatus has the following problems when applied to various gas concentration measurements other than carbon dioxide, which is the measurement target in Patent Document 1, in particular.

一般的に、差分吸収ライダ装置は、送受する波長の内、少なくとも1つの波長において光吸収係数が強く、光吸収が顕著に生じることが必要であり、光吸収係数が大きい光吸収線近傍の光を送受する必要がある。この観点において、特許文献1に示された従来装置は、光源の出力波長をそのまま送受していたため、光源の出力波長を、光吸収係数が大きい光吸収線近傍に設定する必要があった。   In general, the differential absorption lidar apparatus has a strong light absorption coefficient at at least one of the wavelengths to be transmitted and received, and it is necessary for light absorption to occur significantly. Light in the vicinity of a light absorption line having a large light absorption coefficient is required. Need to send and receive. From this point of view, the conventional device disclosed in Patent Document 1 transmits and receives the output wavelength of the light source as it is, and therefore, it is necessary to set the output wavelength of the light source in the vicinity of the light absorption line having a large light absorption coefficient.

しかしながら、光吸収線は、計測対象となるガスに固有のものであり、使用できる光源の出力波長範囲が、計測対象となるガスの光吸収線近傍をカバーしているとは限らない。例えば、メタンガスの場合、波長3μm帯に光吸収係数が大きい光吸収線が存在することが知られているが、この波長を直接出力できる光源は、存在しないのが現状である。   However, the light absorption line is unique to the gas to be measured, and the output wavelength range of the light source that can be used does not necessarily cover the vicinity of the light absorption line of the gas to be measured. For example, in the case of methane gas, it is known that there is a light absorption line having a large light absorption coefficient in the wavelength 3 μm band, but there is currently no light source that can directly output this wavelength.

一方、3μm帯の波長を出力する手段として、波長変換器を用いる方法が知られており、この波長変換器を用いてメタンガスを計測する技術がある(例えば、非特許文献2参照)。   On the other hand, as a means for outputting a wavelength in the 3 μm band, a method using a wavelength converter is known, and there is a technique for measuring methane gas using this wavelength converter (for example, see Non-Patent Document 2).

特開2007−248126号公報JP 2007-248126 A

S. Kameyama et al.、Development of 1.6 micron CW modulation ground-based DIAL system for CO2 monitoring, Proceedings of SPIE, Vol. 7153, 71530L-1, 2008S. Kameyama et al., Development of 1.6 micron CW modulation ground-based DIAL system for CO2 monitoring, Proceedings of SPIE, Vol. 7153, 71530L-1, 2008 M. Imaki et al., Infrared frequency upconverter for high-sensitivity imaging of gas plumes, Optics Letters, Vol. 32, 1923-1925, 2007M. Imaki et al., Infrared frequency upconverter for high-sensitivity imaging of gas plumes, Optics Letters, Vol. 32, 1923-1925, 2007

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
非特許文献2に示された従来装置では、2波長を同時に送受信できる構成とはなっていない。このため、特に、衛星や航空機のように高速に移動しながら地表に対しレーザ光を送受信し、装置−地表間のガス濃度計測を行う場合、2波長間の計測空間が異なる形となり、計測精度が低下するという問題があった。
However, the prior art has the following problems.
The conventional apparatus disclosed in Non-Patent Document 2 is not configured to transmit and receive two wavelengths simultaneously. For this reason, in particular, when laser concentration is transmitted to and received from the surface of the earth while moving at high speed like a satellite or an aircraft, and the gas concentration measurement between the device and the earth is performed, the measurement space between the two wavelengths becomes different, and the measurement accuracy There was a problem that decreased.

また、特許文献1の構成に非特許文献2の波長変換機能を単に組み入れるだけでは、次に示す問題があった。差分吸収ライダ装置は、送受するレーザ光の波長を所定の値に精度よくロックしておく必要があり、特許文献1では、この波長ロックを光源の波長に対して行っていた。しかしながら、波長変換機能を用いる場合、ロックする必要があるのは、波長変換後の波長であり、従来装置は、このような波長変換後の段階で波長をロックする機能を有していなかった。   Further, simply incorporating the wavelength conversion function of Non-Patent Document 2 into the configuration of Patent Document 1 has the following problems. The differential absorption lidar apparatus needs to accurately lock the wavelength of the laser beam to be transmitted and received to a predetermined value. In Patent Document 1, this wavelength lock is performed on the wavelength of the light source. However, when the wavelength conversion function is used, it is necessary to lock the wavelength after wavelength conversion, and the conventional apparatus does not have a function of locking the wavelength at the stage after such wavelength conversion.

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、2波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and maintains the high-accuracy and real-time measurement performance by simultaneous transmission and reception of two wavelengths, and the light absorption line suitable for measurement and the output wavelength range of the light source. It is an object of the present invention to obtain a differential absorption lidar apparatus that can measure a gas whose wavelength does not match.

本発明に係る差分吸収ライダ装置は、異なる複数の波長からなるレーザ光をそれぞれ発生させる複数のレーザ光発生手段と、複数の波長からなるレーザ光の各波長成分に対して互いに異なる周波数を持つ複数のCW信号で強度変調をかける光強度変調手段と、光強度変調手段による強度変調後の各波長成分のレーザ光を合波する光合波手段と、光合波手段による合波後のレーザ光を波長変換する波長変換手段と、波長変換手段による波長変換後の光をモニタ光と送信光とに分配する光分配手段と、空間中に存在するターゲットに向けて送信光を送信する送信光学手段と、ターゲットからの散乱光を受信光として受信して、直接検波により受信信号として電気信号に変換する受信用光受信手段と、計測対象となるガスと同一種類のガス封入セルにモニタ光を通した後、直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換するモニタ用光受信手段と、モニタ信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、複数のCW信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出するモニタ用周波数分別手段と、受信信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、複数のCW信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出する受信用周波数分別手段と、モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度に基づいて、複数のレーザ光発生手段から出力されるレーザ光のそれぞれの波長を制御する波長制御手段と、モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度および位相と、受信用周波数分別手段により算出された信号強度および位相とに基づいて、装置−ターゲット間における計測対象であるガスの濃度を計測する信号処理手段とを備えるものである。   The differential absorption lidar apparatus according to the present invention includes a plurality of laser light generating means for generating laser beams having a plurality of different wavelengths, and a plurality of different frequencies for each wavelength component of the laser light having a plurality of wavelengths. A light intensity modulating means for performing intensity modulation with the CW signal, an optical combining means for combining laser light of each wavelength component after intensity modulation by the light intensity modulating means, and a wavelength of the laser light after combining by the optical combining means Wavelength converting means for converting, light distributing means for distributing the light after wavelength conversion by the wavelength converting means to monitor light and transmission light, transmission optical means for transmitting transmission light toward a target existing in space, Receiving light receiving means for receiving scattered light from a target as received light and converting it into an electrical signal as a received signal by direct detection, and a gas-filled cell of the same type as the gas to be measured After passing through the monitor light, the monitoring light receiving means for converting it into an electrical signal as a monitor signal by direct detection and the plurality of frequency components included in the monitor signal are separated into the respective frequency components of the plurality of CW signals. A frequency dividing means for monitoring that calculates the corresponding signal strength and phase and a plurality of frequency components included in the received signal are classified to calculate the signal strength and phase corresponding to each frequency component of the plurality of CW signals. A frequency control means for receiving, a wavelength control means for controlling each wavelength of the laser light outputted from the plurality of laser light generating means based on the signal intensity calculated by the frequency separating means for monitoring, and a frequency sorting for monitoring Based on the signal strength and phase calculated by the means, and the signal strength and phase calculated by the receiving frequency classification means Device - in which a signal processing means for measuring the concentration of a gas to be measured between the target.

本発明に係る差分吸収ライダ装置によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて2波長同時の送受信を行い、さらに波長変換後のレーザ光をモニタすることで2波長を所定の波長にロックさせる構成を備えることにより、2波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。   According to the differential absorption lidar apparatus of the present invention, the laser light near the light absorption line of the gas to be measured is generated and transmitted / received simultaneously at two wavelengths, and further, the laser light after wavelength conversion is monitored by 2 Gas that does not match the output wavelength range of the light source and the wavelength of the light absorption line suitable for measurement, while maintaining high accuracy and real-time measurement by simultaneous transmission and reception of two wavelengths by providing a configuration that locks the wavelength to a predetermined wavelength Can be obtained as a measurement target.

本発明の実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the differential absorption lidar apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置における光吸収量と使用波長との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the light absorption amount and use wavelength in the differential absorption lidar apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における波長変換器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるモニタ用周波数分別器もしくは受信用周波数分別器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the frequency separator for a monitor in Embodiment 1 of this invention, or the frequency separator for a reception. 本発明の実施の形態2に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the differential absorption lidar apparatus concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるモニタ用周波数分別器もしくは受信用周波数分別器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the frequency separator for a monitor in Embodiment 2 of this invention, or the frequency separator for a reception.

以下、本発明の差分吸収ライダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。   Hereinafter, a preferred embodiment of a differential absorption lidar apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態1における差分吸収ライダ装置は、光源1、光強度変調器2、変調信号発生器3、光合波器4、波長変換器5、光分配器6、ガス封入セル7、モニタ用光受信機8、モニタ用周波数分別器9、光源制御回路10、送信光学系11、受信光学系12、受信用光受信機13、受信用周波数分別器14、および信号処理器15を備えている。なお、図1においては、光源1、光強度変調器2、変調信号発生器3が、それぞれ2つで構成されている場合を例示しており、添字a、bが付されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a differential absorption lidar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The differential absorption lidar apparatus in the first embodiment includes a light source 1, a light intensity modulator 2, a modulation signal generator 3, an optical multiplexer 4, a wavelength converter 5, an optical distributor 6, a gas-filled cell 7, and monitoring light. A receiver 8, a monitor frequency separator 9, a light source control circuit 10, a transmission optical system 11, a reception optical system 12, a reception optical receiver 13, a reception frequency separator 14, and a signal processor 15 are provided. 1 illustrates a case where the light source 1, the light intensity modulator 2, and the modulation signal generator 3 are each composed of two, and suffixes a and b are given.

図1において、以下に示す構成要素間は、全て光回路線、例えば、光ファイバにより接続されている。
・光源1aと光強度変調器2aとの間
・光源1bと光強度変調器2bとの間
・光強度変調器2aと光合波器4との間
・光強度変調器2bと光合波器4との間
・光合波器4と波長変換器5との間
・波長変換器5と光分配器6との間
・光分配器6とガス封入セル7との間
・ガス封入セル7とモニタ用光受信機8との間
・光分配器6と送信光学系11との間
・受信光学系12と受信用光受信機13との間
In FIG. 1, the following constituent elements are all connected by an optical circuit line, for example, an optical fiber.
Between the light source 1a and the light intensity modulator 2a Between the light source 1b and the light intensity modulator 2b Between the light intensity modulator 2a and the optical multiplexer 4 With the light intensity modulator 2b and the optical multiplexer 4 Between the optical multiplexer 4 and the wavelength converter 5 Between the wavelength converter 5 and the optical distributor 6 Between the optical distributor 6 and the gas-filled cell 7 The gas-filled cell 7 and the monitoring light Between the receiver 8. Between the optical distributor 6 and the transmitting optical system 11. Between the receiving optical system 12 and the receiving optical receiver 13.

また、図1において、以下に示す構成要素間は、全て電線ケーブルにより接続されている。
・変調信号発生器3aと光強度変調器2aとの間
・変調信号発生器3bと光強度変調器2bとの間
・モニタ用光受信機8とモニタ用周波数分別器9との間
・モニタ用周波数分別器9と光源制御回路10との間
・受信用光受信機13と受信用周波数分別器14との間
・受信用周波数分別器14と信号処理器15との間
・モニタ用周波数分別器9と信号処理器15との間
Moreover, in FIG. 1, all the components shown below are connected by the electric wire cable.
Between the modulation signal generator 3a and the light intensity modulator 2a Between the modulation signal generator 3b and the light intensity modulator 2b Between the monitoring optical receiver 8 and the monitoring frequency separator 9 For monitoring Between the frequency separator 9 and the light source control circuit 10 Between the receiving optical receiver 13 and the receiving frequency separator 14 Between the receiving frequency separator 14 and the signal processor 15 The monitoring frequency separator 9 and the signal processor 15

光源1a、1bは、CWレーザ光を送信する機能を有しており、送信する光波長は、光源1a、1bで異なっている。これらの異なる波長は、波長変換器5によって各々波長変換される。ここで、波長変換後の波長として、光源1aからの送信に関する波長変換後の波長をλON、光源1bからの送信に関する波長変換後の波長をλOFFとする。   The light sources 1a and 1b have a function of transmitting CW laser light, and the light wavelengths to be transmitted differ between the light sources 1a and 1b. These different wavelengths are each converted by the wavelength converter 5. Here, as the wavelength after wavelength conversion, the wavelength after wavelength conversion related to transmission from the light source 1a is λON, and the wavelength after wavelength conversion related to transmission from the light source 1b is λOFF.

このとき、λONは、計測対象となる気体に関する光吸収係数が大きい波長に設定される。一方、λOFFは、光吸収係数が小さい波長に設定される。図2は、本発明の実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置における光吸収量と使用波長との関係を示す説明図である。なお、図2においては、λONは、光吸収特性の中心に設定されているが、λOFFに対し光吸収が大きくなる波長であれば、特に光吸収特性の中心に制限されるものではない。   At this time, λON is set to a wavelength having a large light absorption coefficient for the gas to be measured. On the other hand, λOFF is set to a wavelength with a small light absorption coefficient. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of light absorption and the wavelength used in the differential absorption lidar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, λON is set at the center of the light absorption characteristic, but is not particularly limited to the center of the light absorption characteristic as long as the light absorption is larger than λOFF.

変調信号発生器3a、3bは、互いに異なる2つの周波数fm1およびfm2を持つCW信号を発生する機能を有している。また、光強度変調器2a。2bは、これらのCW信号により、光源1a、1bからのレーザ光に強度変調をかける機能を有している。   The modulation signal generators 3a and 3b have a function of generating CW signals having two different frequencies fm1 and fm2. The light intensity modulator 2a. 2b has a function of applying intensity modulation to the laser beams from the light sources 1a and 1b using these CW signals.

光合波器4は、光強度変調器2a、2bからの強度変調されたレーザ光を合波し、波長変換器5に送る機能を有している。波長変換器5は、光合波器4からの合波された2波長のレーザ光の波長を変換した後、光分配器6に送る機能を有している。光分配器6は、入力されたレーザ光を分配し、一方をモニタ光としてガス封入セル7に送り、他の一方を送信光として送信光学系11に送る機能を有している。   The optical multiplexer 4 has a function of combining the intensity-modulated laser beams from the light intensity modulators 2 a and 2 b and sending them to the wavelength converter 5. The wavelength converter 5 has a function of converting the wavelengths of the two laser beams combined from the optical multiplexer 4 and then sending them to the optical distributor 6. The light distributor 6 has a function of distributing the inputted laser light, sending one to the gas filled cell 7 as monitor light, and sending the other to the transmission optical system 11 as transmission light.

送信光学系11は、入力されたレーザ光を所定のビーム形状に成形した後、ターゲット(図1中では地表のようなハードターゲット)に向けてレーザ光を2波長同時に送信する機能を有している。   The transmission optical system 11 has a function of simultaneously transmitting two wavelengths of laser light toward a target (a hard target such as the ground surface in FIG. 1) after shaping the input laser light into a predetermined beam shape. Yes.

ガス封入セル7は、計測対象となるガスと同一種類のガス、例えば、メタンといったガスが封入されており、入力された光をこのガス中に通した後、モニタ用光受信機8に送る機能を有している。モニタ用光受信機8は、入力されたレーザ光を直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換し、モニタ用周波数分別器9に送る機能を有している。モニタ用周波数分別器9は、入力されたモニタ信号から変調周波数fm1およびfm2の成分を分別抽出し、fm1とfm2両方の成分を光源制御回路10および信号処理器15に送る機能を有している。   The gas-filled cell 7 is filled with a gas of the same type as the gas to be measured, for example, a gas such as methane, and transmits the input light to the gas and then sends it to the monitoring optical receiver 8. have. The monitoring optical receiver 8 has a function of converting the input laser beam into an electrical signal as a monitor signal by direct detection and sending it to the monitoring frequency separator 9. The monitor frequency discriminator 9 has a function of separating and extracting components of the modulation frequencies fm1 and fm2 from the input monitor signal and sending both components of fm1 and fm2 to the light source control circuit 10 and the signal processor 15. .

受信光学系12は、ターゲットからの散乱光を受信光として受信して受信系の光回路(例えば、光ファイバ)に結合させ、この受信光を受信用光受信機13に送る機能を有している。受信用光受信機13は、入力されたレーザ光を直接検波により受信信号として電気信号に変換し、受信用周波数分別器14に送る機能を有している。受信用周波数分別器14は、入力された受信信号から変調周波数fm1およびfm2の成分を分別抽出し、両方の成分を信号処理器15に送る機能を有している。   The receiving optical system 12 has a function of receiving scattered light from the target as received light, coupling it to an optical circuit (for example, an optical fiber) of the receiving system, and sending this received light to the receiving optical receiver 13. Yes. The receiving optical receiver 13 has a function of converting the inputted laser light into an electric signal as a received signal by direct detection and sending it to the receiving frequency classifier 14. The reception frequency separator 14 has a function of separating and extracting components of the modulation frequencies fm1 and fm2 from the input reception signal and sending both components to the signal processor 15.

光源制御回路10は、入力された周波数fm1およびfm2の信号強度に基づいて、光源1a、1bの波長を制御する機能を有している。信号処理器15は、モニタ用周波数分別器9および受信用周波数分別器14のそれぞれから入力された、モニタ信号および受信信号における周波数fm1およびfm2の成分の信号強度および位相から、装置−ターゲット間における計測対象となるガスの濃度を算出する機能を有している。   The light source control circuit 10 has a function of controlling the wavelengths of the light sources 1a and 1b based on the input signal strengths of the frequencies fm1 and fm2. The signal processor 15 receives the signal strength and phase of the components of the frequencies fm1 and fm2 in the monitor signal and the received signal input from the monitor frequency separator 9 and the reception frequency separator 14, respectively, between the device and the target. It has a function to calculate the concentration of the gas to be measured.

次に、図1に示した本実施の形態1における差分吸収ライダ装置の一連動作について説明する。まず、光源1a、1bからは、CWレーザ光が送信される。一方、変調信号発生器3a、3bからは、互いに異なる2つの周波数fm1およびfm2を持つCW信号が出力され、各々、光強度変調器2a、2bに送られる。光強度変調器2a、2bのそれぞれは、変調信号発生器3a、3bからの変調信号に基づいて、光源1a、1bからのCWレーザ光に強度変調をかける。   Next, a series of operations of the differential absorption lidar apparatus in the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. First, CW laser light is transmitted from the light sources 1a and 1b. On the other hand, CW signals having two different frequencies fm1 and fm2 are output from the modulation signal generators 3a and 3b, and sent to the light intensity modulators 2a and 2b, respectively. Each of the light intensity modulators 2a and 2b modulates the intensity of the CW laser light from the light sources 1a and 1b based on the modulation signals from the modulation signal generators 3a and 3b.

次に、光合波器4は、光強度変調器2a、2bにより強度変調されたレーザ光を合波する。さらに、波長変換器5は、光源1a、1bからのレーザ光の各々に対し、2波長同時に波長変換をかける。波長変換後のレーザ光は、光分配器6に送られる。そして、光分配器6は、分配したレーザ光の一方をモニタ光としてガス封入セル7に送り、他の一方を送信光として送信光学系11に送る。   Next, the optical multiplexer 4 combines the laser beams whose intensity is modulated by the optical intensity modulators 2a and 2b. Further, the wavelength converter 5 performs wavelength conversion of two wavelengths simultaneously on each of the laser beams from the light sources 1a and 1b. The laser light after wavelength conversion is sent to the optical distributor 6. Then, the light distributor 6 sends one of the distributed laser lights to the gas-filled cell 7 as monitor light, and sends the other one to the transmission optical system 11 as transmission light.

モニタ光は、まず始めに、ガス封入セル7に通される。ここで、モニタ光の波長には、光源1aからの成分と、光源1bからの成分とが重畳されている。そして、これらの波長成分は、ガス封入セル7に封入されているガスの光吸収線中心付近であれば、光吸収を受けてガス封入セル7内で減衰する一方で、光吸収線から大きくずれていれば、減衰が生じることなく出力される。   First, the monitor light is passed through the gas filled cell 7. Here, the component from the light source 1a and the component from the light source 1b are superimposed on the wavelength of the monitor light. If these wavelength components are in the vicinity of the center of the light absorption line of the gas sealed in the gas-filled cell 7, they are absorbed and attenuated in the gas-filled cell 7, but deviated greatly from the light absorption line. If so, it is output without any attenuation.

次に、モニタ用光受信機8は、ガス封入セル7からの出力を直接検波し、モニタ信号として電気信号に変換する。この直接検波により、レーザ光の強度波形が電気信号波形となるので、モニタ信号には、変調周波数である周波数fm1の成分とfm2の成分とが含まれる。つまり、モニタ信号には、光源1aからの成分と光源1bからの成分とが同時に重畳されているが、変調周波数が異なっているため分別が可能である。そこで、モニタ用周波数分別器9は、重畳されている2つの周波数を分別し、各々を光源制御回路10および信号処理器15に送る。   Next, the monitoring optical receiver 8 directly detects the output from the gas filled cell 7 and converts it into an electrical signal as a monitor signal. Since the intensity waveform of the laser beam becomes an electric signal waveform by this direct detection, the monitor signal includes a component of frequency fm1 and a component of fm2, which are modulation frequencies. In other words, the component from the light source 1a and the component from the light source 1b are simultaneously superimposed on the monitor signal, but can be separated because the modulation frequency is different. Therefore, the monitoring frequency separator 9 separates the two superimposed frequencies and sends them to the light source control circuit 10 and the signal processor 15.

次に、光源制御回路10は、入力された周波数fm1とfm2の成分の信号強度に基づいて、光源1a、1bの波長をフィードバック制御する。この際、光源制御回路10は、光源1aに対しては、周波数fm1の成分の信号強度を小さくするようにフィードバック制御をかける。これにより、光源1aからの出力が波長変換された成分が、ガス封入セル7におけるレーザ光の減衰が最も大きい波長、つまりON波長にロックされる。   Next, the light source control circuit 10 feedback-controls the wavelengths of the light sources 1a and 1b based on the input signal strengths of the components of the frequencies fm1 and fm2. At this time, the light source control circuit 10 applies feedback control to the light source 1a so as to reduce the signal intensity of the component of the frequency fm1. As a result, the wavelength-converted component of the output from the light source 1a is locked to the wavelength at which the attenuation of the laser light in the gas-filled cell 7 is greatest, that is, the ON wavelength.

一方、光源制御回路10は、光源1bに対しては、周波数fm2の成分の信号強度を大きくするようにフィードバック制御をかける。これにより、光源1bからの出力が波長変換された成分が、ガス封入セル7におけるレーザ光の減衰が最も小さい波長、つまりOFF波長にロックされる。この動作により、波長変換後の2つの光波長がON波長およびOFF波長に精度よくロックされる。   On the other hand, the light source control circuit 10 applies feedback control to the light source 1b so as to increase the signal intensity of the component of the frequency fm2. As a result, the wavelength-converted component of the output from the light source 1b is locked to the wavelength with the smallest attenuation of the laser light in the gas-filled cell 7, that is, the OFF wavelength. By this operation, the two light wavelengths after wavelength conversion are accurately locked to the ON wavelength and the OFF wavelength.

このようなモニタ信号処理の一方で、送信光学系11に送られた送信光は、所定のビーム形状に成形された後、ターゲットに向けて2波長同時に送信される。この送信光は、ターゲットにより散乱され、その散乱光は、受信光として受信光学系12により2波長同時に受信される。   In such monitor signal processing, the transmission light transmitted to the transmission optical system 11 is formed into a predetermined beam shape, and then simultaneously transmitted to the target for two wavelengths. The transmitted light is scattered by the target, and the scattered light is received simultaneously by the receiving optical system 12 as received light at two wavelengths.

装置―ターゲット間の空間に、計測対象となるガスがほとんど存在しない場合、ON波長、OFF波長の2波長が空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響は、いずれも殆どない。従って、送信光学系からの送信光に含まれる2波長成分の強度の比と受信光に含まれる2波長成分の強度の比は、ほぼ同じとなる。   When there is almost no gas to be measured in the space between the apparatus and the target, there is almost no influence of light absorption on the propagation process in the space of the ON wavelength and the OFF wavelength. Accordingly, the ratio of the intensity of the two wavelength components included in the transmission light from the transmission optical system is substantially the same as the ratio of the intensity of the two wavelength components included in the reception light.

それに対し、装置−ターゲット間の空間に、計測対象となるガスが存在する場合には、2波長が空間中の伝搬過程において受ける光吸収の影響があり、ON波長成分が、装置−ターゲット間の計測対象となるガスの濃度に依存して相対的に減衰した後に受信される。   On the other hand, when the gas to be measured exists in the space between the device and the target, there is an influence of light absorption that the two wavelengths receive in the propagation process in the space, and the ON wavelength component is between the device and the target. Received after being relatively attenuated depending on the concentration of the gas to be measured.

受信光は、受信系の光回路に結合された後、受信用光受信機13により直接検波され、受信信号として電気信号に変換される。このような直接検波によりレーザ光の強度波形が電気信号波形となるので、受信信号には、モニタ信号と同様、変調周波数である周波数fm1の成分とfm2の成分とが含まれる。つまり、受信信号には、光源1aからの成分と光源1bからの成分とが同時に重畳されているが、変調周波数が異なっているため分別が可能である。そこで、受信用周波数分別器14は、重畳されている2つの周波数を分別し、各々を信号処理器15に送る。   The received light is coupled to the optical circuit of the receiving system, then directly detected by the receiving optical receiver 13, and converted into an electrical signal as a received signal. Since the intensity waveform of the laser beam becomes an electric signal waveform by such direct detection, the received signal includes a component of frequency fm1 and a component of fm2, which are modulation frequencies, as in the monitor signal. That is, the component from the light source 1a and the component from the light source 1b are simultaneously superimposed on the received signal, but can be separated because the modulation frequency is different. Therefore, the reception frequency separator 14 separates the two superimposed frequencies and sends each to the signal processor 15.

次に、信号処理器15は、モニタ用周波数分別器9および受信用周波数分別器14から入力された、モニタ信号および受信信号における周波数fm1およびfm2の成分の信号強度および位相から、装置−ターゲット間における計測対象となるガスの濃度を算出する。   Next, the signal processor 15 calculates the signal intensity and phase of the components of the frequencies fm1 and fm2 in the monitor signal and the received signal, which are input from the monitor frequency separator 9 and the reception frequency separator 14, from the device to the target. The concentration of the gas to be measured in is calculated.

このガス濃度の算出においては、まず、装置−ターゲット間の距離を算出する。この距離算出は、モニタ用周波数分別器9からの周波数fm2の成分と受信用周波数分別器14からの周波数fm2の成分との間の位相差を両信号の位相検波により求める。具体的には、この位相差をΔφとし、光速をc、nを1以上の整数として、次式(1)により算出する。
L=n×c×Δφ/(2π×2×fm2) (1)
In calculating the gas concentration, first, the distance between the apparatus and the target is calculated. In this distance calculation, the phase difference between the frequency fm2 component from the monitoring frequency discriminator 9 and the frequency fm2 component from the receiving frequency discriminator 14 is obtained by phase detection of both signals. Specifically, the phase difference is Δφ, the speed of light is c, and n is an integer equal to or greater than 1, and is calculated by the following equation (1).
L = n × c × Δφ / (2π × 2 × fm2) (1)

上式(1)において、整数nは、装置−ターゲット間に関する粗い先見情報さえあれば、既知とすることが可能である。例えば、変調周波数fm2に100kHzを使用する場合であれば、この変調周波数の1周期に相当する往復距離は、1.5kmである。そこで、装置−ターゲット間距離に関し、1.5kmの何倍以上であるかさえ把握しておけばよく、この把握は、通常の計測の場合において可能である。   In the above equation (1), the integer n can be known as long as there is rough foresight information about the device-target. For example, if 100 kHz is used for the modulation frequency fm2, the round trip distance corresponding to one period of this modulation frequency is 1.5 km. Therefore, it is only necessary to grasp how many times the distance between the apparatus and the target is 1.5 km, and this grasp is possible in the case of normal measurement.

次に、装置−ターゲット間における計測対象となるガスによる光吸収量を算出する。この光吸収量算出は、モニタ用周波数分別器9からの周波数fm1およびfm2の成分と、受信用周波数分別器14からの周波数fm1およびfm2の成分の信号強度を用いて求められる。   Next, the amount of light absorption by the gas to be measured between the apparatus and the target is calculated. This light absorption amount calculation is obtained by using the signal intensities of the components of the frequencies fm1 and fm2 from the monitoring frequency separator 9 and the components of the frequencies fm1 and fm2 from the receiving frequency separator 14.

具体的には、モニタ用周波数分別器9からの周波数fm1およびfm2の成分の信号強度を各々Im1およびIm2とし、受信用周波数分別器14からの周波数fm1およびfm2の成分の信号強度を各々Is1およびIs2とし、ガス封入セル7におけるON波長の透過率をTとし、次式(2)により、光吸収量が算出される。   Specifically, the signal intensities of the frequencies fm1 and fm2 from the monitoring frequency discriminator 9 are Im1 and Im2, respectively, and the signal intensities of the frequencies fm1 and fm2 from the receiving frequency discriminator 14 are Is1 and The light absorption amount is calculated by the following formula (2), where Is2 is T and the transmittance of the ON wavelength in the gas-filled cell 7 is T.

Figure 0005340129
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なお、ガス封入セル7におけるON波長の透過率Tは、ガス封入セル7内に封入するガスの濃度と光吸収特性が既知であれば、既知とすることができる。また、上式(2)の括弧内において平方根をとっているのは、直接検波により得られた電気信号の強度が、レーザ光の信号強度の自乗に比例する関係となっていることによる。この計算により、装置内部での送信光のON波長とOFF波長のパワー比が相殺され、装置−ターゲット間のみでの光吸収量が算出できる。   The ON wavelength transmittance T in the gas-filled cell 7 can be known if the concentration and light absorption characteristics of the gas sealed in the gas-filled cell 7 are known. The reason why the square root is taken in the parentheses in the above equation (2) is that the intensity of the electric signal obtained by direct detection is proportional to the square of the signal intensity of the laser beam. By this calculation, the power ratio between the ON wavelength and the OFF wavelength of the transmission light inside the apparatus is canceled, and the light absorption amount only between the apparatus and the target can be calculated.

以上に述べた手順により、信号処理器15において装置−ターゲット間における距離と光吸収量の算出を行い、この距離と光吸収量とから、装置−ターゲット間におけるガス濃度が算出される。   By the procedure described above, the signal processor 15 calculates the distance between the apparatus and the target and the light absorption amount, and the gas concentration between the apparatus and the target is calculated from the distance and the light absorption amount.

本実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置は、特許文献1に記載された従来の差分吸収ライダ装置では困難だった、2波長同時の送受信機能を保持しつつ、さらに波長変換機能を実現し、さらに波長変換後のレーザ光波長を所定の値に精度よくロックできる。このため、2波長同時の送受信を行いながら、従来では計測対象とできなかったガスの濃度を計測することが可能となり、計測精度の向上を実現できる。具体的には、非特許文献2に示されているように、波長1.5μm帯の光源からのレーザ光を、3μm帯に変換することにより、メタンガスの高精度計測が可能となる。   The differential absorption lidar apparatus according to the first embodiment realizes a wavelength conversion function while maintaining a two-wavelength simultaneous transmission / reception function, which was difficult with the conventional differential absorption lidar apparatus described in Patent Document 1, Furthermore, the wavelength of the laser beam after wavelength conversion can be accurately locked to a predetermined value. For this reason, it is possible to measure the concentration of gas that could not be measured in the past while performing simultaneous transmission and reception of two wavelengths, and improvement in measurement accuracy can be realized. Specifically, as shown in Non-Patent Document 2, it is possible to measure methane gas with high accuracy by converting laser light from a light source having a wavelength of 1.5 μm into a 3 μm band.

なお、本実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置においては、ON波長を光吸収線中心にロックするとして説明していた。しかしながら、ロックする波長は、光吸収線の中心近傍でOFF波長に対し顕著に光吸収の大きい波長であれば、特に中心である必要はない。ガス封入セル7に封入するガスの光吸収特性を把握しておけば、ガス封入セル7における透過率が所定の値となるよう光源1aに制御をかけることで、ON波長を光吸収線近傍の所定の波長にロックすることが可能である。   In the differential absorption lidar apparatus according to the first embodiment, the ON wavelength has been described as being locked to the center of the light absorption line. However, the wavelength to be locked does not have to be the center as long as it has a light absorption significantly greater than the OFF wavelength near the center of the light absorption line. If the light absorption characteristics of the gas sealed in the gas-filled cell 7 are grasped, the ON wavelength is set near the light absorption line by controlling the light source 1a so that the transmittance in the gas-filled cell 7 becomes a predetermined value. It is possible to lock to a predetermined wavelength.

また、本実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置は、波長変換器5が必須であるが、この構成について、図を用いて具体的に説明する。図3は、本発明の実施の形態1における波長変換器5の構成例を示す図である。図3に示した波長変換器5は、波長変換用光源51、光合波器52、波長変換素子53、および光フィルタ54を備えて構成されている。   Further, the differential absorption lidar apparatus according to the first embodiment requires the wavelength converter 5, and this configuration will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the wavelength converter 5 according to the first embodiment of the present invention. The wavelength converter 5 shown in FIG. 3 includes a wavelength conversion light source 51, an optical multiplexer 52, a wavelength conversion element 53, and an optical filter 54.

光合波器52は、波長変換用光源51からのレーザ光と、外部から入力される2波長のレーザ光の各々とを合波して出力する。次に、波長変換素子53は、光合波器52からの出力信号を波長変換する。そして、最終段の光フィルタ54は、波長変換において生じる所望成分以外の波長成分を除去後、出力する。   The optical multiplexer 52 combines and outputs the laser light from the wavelength conversion light source 51 and each of the two-wavelength laser lights input from the outside. Next, the wavelength conversion element 53 wavelength converts the output signal from the optical multiplexer 52. Then, the optical filter 54 at the final stage removes the wavelength component other than the desired component generated in the wavelength conversion, and then outputs it.

図3の構成とし、例えば、光源1a、1bの出力波長を1.5μm帯、波長変換用光源51の波長を1μm帯とし、波長変換素子53にPPMgLNを用いることで、波長3μm帯の2波長のレーザ光を生成することが可能となる。   With the configuration of FIG. 3, for example, the output wavelength of the light sources 1a and 1b is set to 1.5 μm, the wavelength of the wavelength conversion light source 51 is set to 1 μm, and PPMgLN is used for the wavelength conversion element 53. It becomes possible to generate the laser beam.

また、本実施の形態1に係わる差分吸収ライダ装置では、モニタ用周波数分別器9と受信用周波数分別器14とが必要であるが、この構成について、図を用いて具体的に説明する。図4は、本発明の実施の形態1におけるモニタ用周波数分別器9もしくは受信用周波数分別器14の構成例を示す図である。なお、モニタ用周波数分別器9と受信用周波数分別器14とは同一構成であり、以下の説明では、モニタ用周波数分別器9の内部構成について詳細に説明する。   Further, in the differential absorption lidar apparatus according to the first embodiment, the monitor frequency separator 9 and the reception frequency separator 14 are necessary. This configuration will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the monitoring frequency separator 9 or the receiving frequency separator 14 according to Embodiment 1 of the present invention. Note that the monitoring frequency separator 9 and the receiving frequency separator 14 have the same configuration, and in the following description, the internal configuration of the monitoring frequency separator 9 will be described in detail.

図4に示したモニタ用周波数分別器9は、AD変換部91、FFT演算部92、位相・強度抽出部93を備えて構成されている。AD変換部91は、例えば、モニタ信号をAD変換する。次に、FFT演算部92は、AD変換後の信号にFFT処理を施すことにより、周波数スペクトルを複素振幅で求める。この周波数スペクトルは、2波長に対応する2つの変調周波数fm1およびfm2の位置にピークが生じる。そして、最終段の位相・強度抽出部93は、複素振幅の自乗値からこのピークにおける強度を求めるとともに、複素振幅の位相からこのピークにおける位相を求めることが可能となる。   The monitoring frequency separator 9 shown in FIG. 4 includes an AD conversion unit 91, an FFT calculation unit 92, and a phase / intensity extraction unit 93. The AD conversion unit 91 performs AD conversion on the monitor signal, for example. Next, the FFT operation unit 92 obtains a frequency spectrum with a complex amplitude by performing FFT processing on the signal after AD conversion. This frequency spectrum has peaks at the positions of two modulation frequencies fm1 and fm2 corresponding to two wavelengths. Then, the phase / intensity extraction unit 93 in the final stage can obtain the intensity at this peak from the square value of the complex amplitude, and can obtain the phase at this peak from the phase of the complex amplitude.

以上のように、実施の形態1によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて2波長同時の送受信を行い、さらに、波長変換後のレーザ光をモニタすることで2波長を所定の波長にロックさせる構成を備えている。この結果、2波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。   As described above, according to the first embodiment, the laser light in the vicinity of the light absorption line of the gas to be measured is generated, the two wavelengths are simultaneously transmitted and received, and the laser light after wavelength conversion is monitored. In this configuration, the two wavelengths are locked to a predetermined wavelength. As a result, a differential absorption lidar capable of measuring a gas whose output wavelength range of the light source does not match the wavelength of the light absorption line suitable for measurement while maintaining high accuracy and real-time measurement by simultaneous transmission and reception of two wavelengths. A device can be obtained.

実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係わる差分吸収ライダ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態2における差分吸収ライダ装置は、光源1、光強度変調器2、変調信号発生器3、光合波器4、波長変換器5、光分配器6、ガス封入セル7、モニタ用光受信機8、モニタ用周波数分別器9、光源制御回路10、送信光学系11、受信光学系12、受信用光受信機13、受信用周波数分別器14、信号処理器15、および電気信号分配器16を備えている。なお、図5においては、光源1、光強度変調器2、変調信号発生器3、および電気信号分配器16が、それぞれ2つで構成されている場合を例示しており、添字a、bが付されている。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the differential absorption lidar apparatus according to the second embodiment of the present invention. The differential absorption lidar apparatus according to the second embodiment includes a light source 1, a light intensity modulator 2, a modulation signal generator 3, an optical multiplexer 4, a wavelength converter 5, an optical distributor 6, a gas-filled cell 7, and monitoring light. Receiver 8, monitor frequency separator 9, light source control circuit 10, transmission optical system 11, reception optical system 12, reception optical receiver 13, reception frequency separator 14, signal processor 15, and electrical signal distributor 16 is provided. FIG. 5 illustrates a case where the light source 1, the light intensity modulator 2, the modulation signal generator 3, and the electric signal distributor 16 are each composed of two, and the subscripts a and b are It is attached.

本実施の形態2における図5の構成は、先の実施の形態1における図1の構成と比較すると、電気信号分配器16a、16bをさらに備えている点が異なっている。また、図6を用いて後述するように、本実施の形態2におけるモニタ用周波数分別器9および受信用周波数分別器14の内部構成は、先の実施の形態1で示した内部構成と異なっている。なお、モニタ信号および受信信号の周波数分別以外の動作に関しては、モニタ用周波数分別器9および受信用周波数分別器14は、先の実施の形態1と同じである。そこで、これらの異なる構成、動作を中心に、以下に説明する。   The configuration of FIG. 5 in the second embodiment is different from the configuration of FIG. 1 in the first embodiment in that it further includes electric signal distributors 16a and 16b. Further, as will be described later with reference to FIG. 6, the internal configurations of the monitoring frequency separator 9 and the receiving frequency separator 14 in the second embodiment are different from the internal configuration shown in the first embodiment. Yes. Regarding the operation other than the frequency separation of the monitor signal and the reception signal, the monitor frequency separator 9 and the reception frequency separator 14 are the same as those in the first embodiment. Therefore, the following description will focus on these different configurations and operations.

図5において、変調信号発生器3a、3bからの変調信号は、電気信号分配器16a、16bにより、それぞれ3つに分配される。そして、電気信号分配器16aにより分配された3つの信号は、光強度変調器2a、モニタ用周波数分別器9、および受信用周波数分別器14にそれぞれ接続されている。同様に、電気信号分配器16bにより分配された3つの信号は、光強度変調器2b、モニタ用周波数分別器9、および受信用周波数分別器14にそれぞれ接続されている。   In FIG. 5, the modulation signals from the modulation signal generators 3a and 3b are distributed into three by the electric signal distributors 16a and 16b, respectively. The three signals distributed by the electric signal distributor 16a are connected to the light intensity modulator 2a, the monitor frequency separator 9, and the reception frequency separator 14, respectively. Similarly, the three signals distributed by the electric signal distributor 16b are connected to the light intensity modulator 2b, the monitor frequency separator 9, and the reception frequency separator 14, respectively.

図6は、本発明の実施の形態2におけるモニタ用周波数分別器9もしくは受信用周波数分別器14の構成例を示す図である。なお、モニタ用周波数分別器9と受信用周波数分別器14とは同一構成であり、以下の説明では、モニタ用周波数分別器9の内部構成について詳細に説明する。   FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the monitoring frequency separator 9 or the receiving frequency separator 14 according to Embodiment 2 of the present invention. Note that the monitoring frequency separator 9 and the receiving frequency separator 14 have the same configuration, and in the following description, the internal configuration of the monitoring frequency separator 9 will be described in detail.

図6に示したモニタ用周波数分別器9は、3つの0度電気信号分配器94a〜94c、3つの90度電気信号分配器95a〜95c、4つのミキサ96a〜96d、4つのローパスフィルタ97a〜97d、および1つの位相・強度抽出部93を備えて構成されている。ここで、3つの0度電気信号分配器94a〜94c、3つの90度電気信号分配器95a〜95c、4つのミキサ96a〜96d、および4つのローパスフィルタ97a〜97dは、ロックイン検波部に相当する。   The monitoring frequency separator 9 shown in FIG. 6 includes three 0 degree electrical signal distributors 94a to 94c, three 90 degree electrical signal distributors 95a to 95c, four mixers 96a to 96d, and four low-pass filters 97a to 97a. 97d, and one phase / intensity extraction unit 93. Here, the three 0 degree electrical signal distributors 94a to 94c, the three 90 degree electrical signal distributors 95a to 95c, the four mixers 96a to 96d, and the four low-pass filters 97a to 97d correspond to a lock-in detection unit. To do.

図6において、モニタ用光受信機8からのモニタ信号もしくは受信用光受信機13からの受信信号は、0度電気信号分配器94aにより2分配された後、さらに、0度電気信号分配器94b、94cにより2分配される。そして、図6に示した構成により、周波数fm1およびfm2でロックイン検波され、モニタ信号もしくは受信信号から、2つの周波数の複素振幅信号がIQ信号として抽出され、4つのローパスフィルタ97a〜97dから出力される。位相・強度抽出部93は、ローパスフィルタ97a〜97dの出力であるIQ信号から、周波数fm1およびfm2の成分の強度・位相を求めることが可能となる。   In FIG. 6, the monitor signal from the monitoring optical receiver 8 or the reception signal from the receiving optical receiver 13 is divided into two by the 0 degree electrical signal distributor 94a and then further to the 0 degree electrical signal distributor 94b. , 94c. 6, lock-in detection is performed at the frequencies fm1 and fm2, and a complex amplitude signal having two frequencies is extracted as an IQ signal from the monitor signal or the received signal, and is output from the four low-pass filters 97a to 97d. Is done. The phase / intensity extraction unit 93 can obtain the intensities / phases of the components of the frequencies fm1 and fm2 from the IQ signals that are the outputs of the low-pass filters 97a to 97d.

このように、本実施の形態2に係わる差分吸収ライダ装置は、周波数分別機能にロックイン検波方式を採用することで、先の実施の形態1で説明したFFTのような複雑なデジタル演算をする必要がなく、周波数分別機能を実現できる。従って、光源の波長の制御やガス濃度の計測を、よりリアルタイムに行うことが新たに可能となる。   As described above, the differential absorption lidar apparatus according to the second embodiment performs a complicated digital calculation like the FFT described in the first embodiment by adopting the lock-in detection method for the frequency separation function. There is no need, and a frequency separation function can be realized. Therefore, it becomes possible to control the wavelength of the light source and measure the gas concentration in real time.

以上のように、実施の形態2によれば、計測対象となるガスの光吸収線近傍のレーザ光を発生させて2波長同時の送受信を行い、さらに、波長変換後のレーザ光をモニタすることで2波長を所定の波長にロックさせる構成を備えている。この結果、2波長同時送受信による高精度・リアルタイム計測性を保持しつつ、光源の出力波長範囲と計測に適した光吸収線の波長とが一致しないガスを計測対象とすることができる差分吸収ライダ装置を得ることができる。   As described above, according to the second embodiment, the laser light in the vicinity of the light absorption line of the gas to be measured is generated, the two wavelengths are simultaneously transmitted and received, and the laser light after wavelength conversion is monitored. In this configuration, the two wavelengths are locked to a predetermined wavelength. As a result, a differential absorption lidar capable of measuring a gas whose output wavelength range of the light source does not match the wavelength of the light absorption line suitable for measurement while maintaining high accuracy and real-time measurement by simultaneous transmission and reception of two wavelengths. A device can be obtained.

さらに、FFTのような複雑なデジタル演算をする必要がなく、周波数分別機能を実現できるため、光源の波長の制御やガス濃度の計測を、よりリアルタイムに行うことが可能となる。   Furthermore, since it is not necessary to perform complicated digital calculation like FFT and a frequency separation function can be realized, it is possible to control the wavelength of the light source and measure the gas concentration in real time.

1、1a、1b 光源、2、2a、2b 光強度変調器、3、3a、3b 変調信号発生器、4 光合波器、5 波長変換器、6 光分配器、7 ガス封入セル、8 モニタ用光受信機、9 モニタ用周波数分別器、10 光源制御回路(波長制御手段)、11 送信光学系、12 受信光学系、13 受信用光受信機、14 受信用周波数分別器、15 信号処理器(波長制御手段)、16、16a、16b 電気信号分配器、51 波長変換用光源、52 光合波器、53 波長変換素子、54 光フィルタ、91 AD変換部、92 FFT演算部、93 位相・強度抽出部、94a〜94c 0度電気信号分配器、94a〜95c 90度電気信号分配器、96a〜96d ミキサ、97a〜97d ローパスフィルタ。   1, 1a, 1b Light source, 2, 2a, 2b Light intensity modulator, 3, 3a, 3b Modulation signal generator, 4 Optical multiplexer, 5 Wavelength converter, 6 Optical distributor, 7 Gas-filled cell, 8 For monitor Optical receiver, 9 Monitor frequency separator, 10 Light source control circuit (wavelength control means), 11 Transmit optical system, 12 Receive optical system, 13 Receive optical receiver, 14 Receive frequency separator, 15 Signal processor ( Wavelength control means), 16, 16a, 16b Electric signal distributor, 51 Light source for wavelength conversion, 52 Optical multiplexer, 53 Wavelength converter, 54 Optical filter, 91 AD converter, 92 FFT calculator, 93 Phase / intensity extraction 94a-94c 0 degree electrical signal distributor, 94a-95c 90 degree electrical signal distributor, 96a-96d mixer, 97a-97d low pass filter.

Claims (4)

異なる複数の波長からなるレーザ光をそれぞれ発生させる複数のレーザ光発生手段と、
前記複数の波長からなるレーザ光の各波長成分に対して互いに異なる周波数を持つ複数のCW信号で強度変調をかける光強度変調手段と、
前記光強度変調手段による強度変調後の各波長成分のレーザ光を合波する光合波手段と、
前記光合波手段による合波後のレーザ光を波長変換する波長変換手段と、
前記波長変換手段による波長変換後の光をモニタ光と送信光とに分配する光分配手段と、
空間中に存在するターゲットに向けて前記送信光を送信する送信光学手段と、
前記ターゲットからの散乱光を受信光として受信して、直接検波により受信信号として電気信号に変換する受信用光受信手段と、
計測対象となるガスと同一種類のガス封入セルに前記モニタ光を通した後、直接検波によりモニタ信号として電気信号に変換するモニタ用光受信手段と、
前記モニタ信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、前記複数のCW信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出するモニタ用周波数分別手段と、
前記受信信号に含まれる複数の周波数成分を分別することで、前記複数のCW信号のそれぞれの周波数成分に対応する信号強度および位相を算出する受信用周波数分別手段と、
前記モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度に基づいて、前記複数のレーザ光発生手段から出力されるレーザ光のそれぞれの波長を制御する波長制御手段と、
前記モニタ用周波数分別手段により算出された信号強度および位相と、前記受信用周波数分別手段により算出された信号強度および位相とに基づいて、装置−ターゲット間における計測対象であるガスの濃度を計測する信号処理手段と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
A plurality of laser beam generating means for generating laser beams each having a plurality of different wavelengths;
A light intensity modulating means for performing intensity modulation with a plurality of CW signals having different frequencies for each wavelength component of the laser light having a plurality of wavelengths;
Optical multiplexing means for multiplexing laser light of each wavelength component after intensity modulation by the light intensity modulation means;
Wavelength converting means for converting the wavelength of the laser light after being combined by the optical combining means;
Light distribution means for distributing the light after wavelength conversion by the wavelength conversion means to monitor light and transmission light;
Transmission optical means for transmitting the transmission light toward a target existing in space;
Receiving light receiving means for receiving scattered light from the target as received light and converting it into an electric signal as a received signal by direct detection; and
A monitoring light receiving means for passing the monitoring light through a gas-filled cell of the same type as the gas to be measured and then converting it into an electrical signal as a monitoring signal by direct detection;
A frequency separation means for monitoring for calculating a signal intensity and a phase corresponding to each frequency component of the plurality of CW signals by separating a plurality of frequency components included in the monitor signal;
Receiving frequency separation means for calculating a signal intensity and a phase corresponding to each frequency component of the plurality of CW signals by separating a plurality of frequency components included in the received signal;
Wavelength control means for controlling each wavelength of laser light output from the plurality of laser light generating means based on the signal intensity calculated by the monitoring frequency sorting means;
Based on the signal intensity and phase calculated by the monitoring frequency classification means and the signal intensity and phase calculated by the reception frequency classification means, the concentration of the gas to be measured between the apparatus and the target is measured. A differential absorption lidar apparatus comprising: a signal processing means.
請求項1に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記波長変換手段は、
波長変換用のレーザ光を出力する光源と、
前記光合波手段による合波後のレーザ光と前記光源から出力されたレーザ光とを合波する第2光合波手段と、
前記第2光合波手段による合波後の光信号を波長変換する波長変換素子と、
前記波長変換において生じる所望成分以外の波長成分を除去した波長変換後の光信号を出力する光フィルタと
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
The differential absorption lidar apparatus according to claim 1,
The wavelength converting means is
A light source that outputs laser light for wavelength conversion;
Second optical multiplexing means for combining the laser light after being combined by the optical combining means and the laser light output from the light source;
A wavelength conversion element for wavelength-converting an optical signal after being combined by the second optical combining means;
A differential absorption lidar apparatus comprising: an optical filter that outputs an optical signal after wavelength conversion in which wavelength components other than a desired component generated in the wavelength conversion are removed.
請求項1または2に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記モニタ用周波数分別手段および前記受信用周波数分別手段のそれぞれは、
入力する電気信号に対してAD変換を施すAD変換部と、
AD変換後の信号にFFT処理を施すことで、周波数スペクトルを複素振幅として算出するFFT演算部と、
前記複素振幅の自乗値からピークにおける信号強度を求めるとともに、前記複素振幅の位相からピークにおける位相を求める位相・強度抽出部と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
In the differential absorption lidar apparatus according to claim 1 or 2,
Each of the monitoring frequency sorting means and the receiving frequency sorting means is:
An AD conversion unit that performs AD conversion on an input electric signal;
An FFT calculation unit that calculates a frequency spectrum as a complex amplitude by performing FFT processing on the signal after AD conversion;
A differential absorption lidar apparatus comprising: a phase / intensity extraction unit that obtains a signal intensity at a peak from the square value of the complex amplitude and obtains a phase at the peak from the phase of the complex amplitude.
請求項1または2に記載の差分吸収ライダ装置において、
前記モニタ用周波数分別手段および前記受信用周波数分別手段のそれぞれは、
入力する電気信号に対して、前記複数のCW信号のそれぞれの周波数成分でロックイン検波することで、前記それぞれの周波数成分の複素振幅を抽出するロックイン検波部と、
前記複素振幅の自乗値からピークにおける信号強度を求めるとともに、前記複素振幅の位相からピークにおける位相を求める位相・強度抽出部と
を備えることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
In the differential absorption lidar apparatus according to claim 1 or 2,
Each of the monitoring frequency sorting means and the receiving frequency sorting means is:
A lock-in detection unit that extracts a complex amplitude of each frequency component by performing lock-in detection with each frequency component of the plurality of CW signals with respect to an input electric signal;
A differential absorption lidar apparatus comprising: a phase / intensity extraction unit that obtains a signal intensity at a peak from the square value of the complex amplitude and obtains a phase at the peak from the phase of the complex amplitude.
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