JP6820845B2 - 弾性および非弾性光散乱を利用したドップラー効果測定のためのシステムと方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学測定システムに関する。そして、より特定的には、散乱光のドップラー効果を測定するためのシステムおよび方法に関する。

ウェイブ（ｗａｖｅ）のドップラー効果は、ウェイブ源（ｓｏｕｒｃｅ）に関して移動している観察者側からのウェイブの周波数における変化として定義される。ドップラー効果について、受信される（反射される）ウェイブの周波数は、発せられるウェイブの周波数に対して、アプローチの最中に、より高く、通過する瞬間においては同じであり、そして、ウェイブ源が観察者（受信者）から離れるにつれて、より低い。別の言葉で言えば、それぞれの継続的なウェイブピーク（ｐｅａｋ）は、ウェイブ源が観察者に向かって移動しているとき、以前のウェイブよりも観察者に対してより近い位置から発せられている。結果として、それぞれのウェイブは、観察者に到達するのに以前のウェイブよりも僅かに少ない時間がかかり、そして、従って、観察者における連続したウェイブピークの到着の時間間隔が削減され、周波数の増加を生じている。ウェイブが移動している間に、連続した波面（ｗａｖｅ ｆｒｏｎｔ）間の距離が削減され、ウェイブを一緒にまとめさせている。他方では、ウェイブ源が観察者から離れて移動しているとき、それぞれのウェイブは、以前のウェイブよりも観察者からより遠い位置から発せられ、そうして連続したウェイブ間での到着時間が増加され、周波数を低減している。連続した波面の距離は増加され、そうしてウェイブが引き伸ばされる。

ドップラー効果は、様々な異なるアプリケーションにおいて利用されている。例えば、流体の流れ、温度、振動、および速度を、ライダー（Ｌｉｄａｒ）またはレーザーによって、測定するものである。

光（フォトン（ｐｈｏｔｏｎ））の非弾性散乱（ｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、フォトンが原子または分子から散乱されたとき、散乱されたフォトンが入射フォトンと同一の周波数および波長を有するように、大部分のフォトンが弾性散乱（レイリー散乱（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ））するようにしている。光（フォトン）の動的または擬似弾性（ｑｕａｓｉ−ｅｌａｓｔｉｃ）散乱は、懸濁（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）における小さなパーティクルまたは溶液の中の高分子化合物（ｐｏｌｙｍｅｒ）のサイズ分布プロフィールを決定し、そして、濃縮された高分子溶液（ｐｏｌｙｍｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）といった複合流体の振る舞いを検査するために使用され得る。

光が小さなパーティクルに衝突するとき、パーティクルが光の波長と比較して小さい限り、光は、全ての方向において散乱する（レイリー散乱）。光源がレーザー（モノクロかつコヒ−レント（ｃｏｈｅｒｅｎｔ））である場合には、散乱強度における時間に依存する変動が観察され得る。この変動は、溶液の中の小さな分子がブラウン運動（Ｂｒｏｗｎｉａｎ ｍｏｔｉｏｎ）を受けているという事実のせいであり、そして、溶液における散乱体間の距離は、時間とともに絶えず変化している。この散乱された光は、次に、周囲のパーティクルによる強め合う干渉または弱め合う干渉を受け、そして、この強度変動の中に、散乱体の移動の時間スケールに関する情報が含まれている。

風速（ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を測定するために、大気エアロゾル（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ａｅｒｏｓｏｌ）と分子後方散乱（ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が使用される。しかしながら、従来のエッジ検出とスペクトルビニングウィンドライダーシステムは、ドップラー周波数シフトを測定し、そして、風速を抽出するために、低フィネスエタロン（ｌｏｗ ｆｉｎｅｓｓｅ ｅｔａｌｏｎ）を使用する。しかしながら、既存のアプローチは、あまりに遅く、かつ、速度精度があまりに低くて、いくつかのアプリケーションのより高い速度および精度のいくらかを満たすことができない。なぜなら、それらは、また、フォトン効率が悪い（ｐｈｏｔｏｎ−ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）からである。

流体からのドップラーシフトされたオフレゾナンス（ｏｆｆ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）光散乱（凝縮相（ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ ｐｈａｓｅ）とガス）は、多くのアプリケーションにおいて、流れのダイナミクスを特徴付けるために重要である。しかしながら、パーティクルなしの流体流れ（ハイドロゾル、エアロゾル（ａｅｒｏｓｏｌ））について、従来の擬似弾性光散乱測定は、信号対雑音比（ＳＮＲ）が低い。

本発明に係るシステムおよび方法は、他の流れ成分自由度からドップラーリゾルブ（Ｄｏｐｐｌｅｒ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ）非弾性光散乱を加えることによってＳＮＲを増加させる。原子／分子の電子状態、および、分子回転／振動といったものである。増大されたＳＮＲに加えて、本発明のシステムおよび方法に係るいくつかの実施例の他のいくつかの利点は、自由度の間での非平衡エネルギー移動（ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）の測定、時間的および空間的に分解された密度、速度および温度マップ、複数種の燃焼ダイナミクス、等を含んでいる。

いくつかの実施例において、本発明は、散乱光のドップラー効果を測定するための方法である。本方法は、紫外線（ＵＶ）光をターゲットに向かって光エミッタによって投射するステップと、ターゲットで反射されたＵＶ光から、ターゲットからのＵＶ光散乱を光レシーバによって受信するステップと、ドップラーシフトに対応するターゲットの巨視的な事態（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍａｔｔｅｒｓ）に係る視線速度の分布を獲得するために、発せられたＵＶ光に関してＵＶ光散乱の周波数シフトを測定するステップと、ＵＶ光散乱のドップラー効果を特定するために、視線速度の分布を処理するステップと、微視的ドップラーシフト確率分布の重心シフトとして、ウィンド視線速度分布を分離するステップ、を含む。

いくつかの実施例において、本発明は、散乱光のドップラー効果を測定するための装置である。本発明装置は、ターゲットに向かって紫外線（ＵＶ）光を発するために光エミッタと、ターゲットで反射されたＵＶ光から、アンテナを介して、ターゲットからのＵＶ光散乱を受信するための光レシーバと、分子回転、振動、または、同様に波長シフト非弾性散乱による光周波数シフトに一致する、ローカルオシレータに係る波長シフトコヒーレントレプリカを生成するための光周波数シフタと、受信したＵＶ光散乱を電気信号へ変換するための光から電気への光検出変換回路と、ドップラーシフトに対応するターゲットの巨視的な事態に係る視線速度の分布を獲得するために発せられたＵＶ光に関してＵＶ光散乱の周波数シフトを測定するため、ＵＶ光散乱のドップラー効果を特定するために、前記視線速度の分布を処理するため、そして、微視的ドップラーシフト確率分布の重心シフトとしてウィンド視線速度分布を分離するための、プロセッサ、を含む。

ターゲットの巨視的な事態は、原子、分子、および、ターゲットのパーティクルのうち一つまたはそれ以上であってよい。視線速度の分布の中心のドップラーシフトは、全般的な流速／風速情報を提供し、かつ、より広い分布の幅は、ターゲット流れ情報における個々の巨視的な事態の速度によって決定される。

添付の図面と併せて考慮するときに以降の詳細な説明を参照することによって、本発明がより良好に理解されるようになるので、本発明のより完全な評価、および、それらに付随する特徴と態様の多くが、より容易に明らかになるだろう。図面では、類似の参照記号は、類似のコンポーネントを示している。
図１は、本発明のいくつかの実施例に従った、散乱されたコヒーレント光のドップラー効果を測定するための典型的なプロセスフローを示している。 図２は、本発明のいくつかの実施例に従った、光学トランシーバの典型的な簡素化されたブロックダイヤグラムである。 図３Ａは、本発明のいくつかの実施例に従った、信号シミュレーションを示している。 図３Ｂは、本発明のいくつかの実施例に従った、信号シミュレーションを示している。

これから、添付の図面を参照して、本発明がより完全に説明されるだろう。図面には、典型的な実施例が示されている。本発明は、しかしながら、多くの異なる形式において具現化されるものであり、そして、ここにおいて明らかにされる実施例について限定されるものとして理解されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が徹底的かつ完全であるように提供されており、そして、本発明のコンセプトを当業者に対して完全に伝えるものである。

いくつかの実施例において、本発明は、散乱コヒーレントレーザー光（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｌａｓｅｒ ｌｉｇｈｔ）のドップラー効果を測定するための方法およびシステムである。本発明の光散乱解析システムおよび方法は、増幅され、かつ、流体の中でプローブボリュームによって散乱される、狭スペクトル線幅ローカルオシレータ（絶対的な周波数または例外的に安定な周波数であることを必ずしも要しない）リファレンス（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を創成する。リファレンスの正確なオフセット波長シフトコヒーレントコピーも、また、生成され得る。オフセットコヒーレントコピーは、所与の観察ジオメトリ（ｖｉｅｗｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）（後方散乱、側方散乱、および前方半球（ｆｏｒｗａｒｄ ｓｅｍｉｓｐｈｅｒｅｓ）が一般的に選択される）について流体の中の原子および分子の内部自由度（電子的、振動的、および回転的）からの周波数シフトが一致するように選択され得る。次に、ヘテロダイン（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ）、または、オフセットコヒーレントレプリカを使用している非弾性散乱光の干渉法による（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ）直接的な検出が、これらの内部自由度からの非弾性光散乱から流れのドップラースペクトルを測定するためのメカニズムを提供する。いくつかの実施例においては、オートダイン（ａｕｔｏｄｙｎｅ）またはホモダイン（ｈｏｍｏｄｙｎｅ）、スクエア低光検出器における光混合（ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｘｉｎｇ）がヘテロダインの代わりに使用され得る。

つまり、利用可能なヘテロダイン検出帯域に対して最もよく適するように選択可能な時間と周波数解像度を用いて、非弾性散乱光について波長オフセットが生成され、そして、検出される。例えば、大気ガス分子について並進（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ）ドップラースペクトル幅は、典型的に、半値全幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）において３ＧＨｚであり、そうして、６ＧＨｚのヘテロダイン検出帯域は、速度分布のより多くのテール（ｔａｉｌｓ）、および、従って、より正確な重心（ｃｅｎｔｒｏｉｄ）測定を得る。

リファレンス波長オフセット間隔（ｓｐａｃｉｎｇ）は正確であり、そして、ドリフト率が低く、測定シナリオによって設定される。例えば、大気Ｎ_２分子振動ラマン（Ｒａｍａｎ）シフト後方散乱をコヒーレントに測定するために、適度に長い（数１０メートルくらい）中空シングルモードファイバが、窒素（Ｎ _２ ）によって充填されてよく、そして、ＵＶローカルオシレータが、選択された回転−振動トランジション（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）において誘導（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ）ラマン散乱を生成するように注入されてよく、かつ、次に、ちょうどそのトランジションを検査する（ｐｒｏｂｅ）ためのローカルオシレータとして使用され得る。複数の波長において後方散乱信号を提供するために役に立ち得るものであり、放射線分析の後方散乱測定およびラマン線におけるドップラー測定を改善できるようにしている。いくつかの実施例においては、流れにおける、原子、分子、及び／又は、パーティクルといった、微視的な事態（ｍｉｃｒｏｓｃｐｉｃ ｍａｔｔｅｒｓ）からのレイリー散乱光の量を増加させるために、紫外線が使用される。散乱断面積は、一般的に、１／λ^４として拡大縮小され、ここでは、より短い波長を用いてより大きな信号が獲得され得ることを意味する。波長の選択は、多くのファクタに依存し得るものであり、例えば、波長は、蛍光発光を最小化するように選択されてよいが、なおもリーズナブルなレイリー散乱を有している。共鳴蛍光（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）は、非常にスペクトル的に広く、かつ、強烈であり得るので、従って、求められる並進ドップラー拡幅（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）をマスキングしている。このように、本発明は、エアロゾルがないとき、大気のレンジリゾルブ（ｒａｎｇｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ）ドップラー風速を正確に測定することができる。

図１は、本発明のいくつかの実施例に従った、散乱されたコヒーレント光のドップラー効果を測定するための典型的なプロセスフローを示している。ブロック１０２に示されるように、紫外線（ＵＶ）光が、エミッタから、ターゲットに向かって投射される。レイリー散乱光は、入射レーザースペクトル幅によって本来的に設定されるスペクトル線幅（ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ）を有している。このいわゆる仮想状態散乱（ｖｉｒｔｕａｌ ｓｔａｔｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、信号対雑音比（ＳＮＲ）を実用的にするために十分高い強度を一緒に提供するレーザーパルス幅が選択され得ることを意味し、手元にある問題について望ましい空間範囲解像度を提供し、かつ、ドップラースペクトルの回収（ｒｅｔｒｉｅｖａｌ）ができるようにする。

例えば、数１００ｎｍ幅であるフェムト秒パルス（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ）は、３００Ｋ辺りの大気ガスに対して望ましくないであろう。なぜなら、レーザースペクトル幅がドップラー拡幅よりずっと広く、そして、実用的なＳＮＲが不可能でない場合に、ガスの流れ速度および並進エネルギー分布の回収を難しくし得るだろうからである。本発明がレシーバだけ（トランスミッタとレシーバの両方ではなく）に向けられている実施例において、ブロック１０２は存在せず、そして、ＵＶ光の発光は、エミッタ／トランスミッタによって実行される。

ブロック１０４においては、例えば、光学望遠鏡、等といった、光レシーバによって、ターゲットから散乱された発光を受信する。受信された（散乱された）光は、次に、光学的に処理され（そして、おそらくフィルターされて）、次に、電気信号へ変換される。ブロック１０６において、微視的な事態に係る視線速度（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）の分布を獲得するために、発光に関して電気信号の周波数シフトが測定される。ターゲットの原子、分子、及び／又はパーティクル、といったものであり、例えば、３５５ｎｍにおいて、１ｍ／ｓが５．６ＭＨｚのドップラーシフトに対応する。従って、３００ｍ／ｓで移動しているガス分子（海面空気における概ね音速）は、（３００ｍ／ｓ）（５．６ＭＨｚ）＝１．６８ＧＨｚ周波数シフトである。

いくつかの実施例においては、光周波数がシフトされ、そして、従って、ヘテロダイン混合からの電気信号が必然的に同じ周波数シフトを示す、の両方である。これは、光学ヘテロダインウェイブ混合に係るよく知られたプロセスであり、ここでは、周波数シフトを測定するために、散乱された光と入射光の周波数シフトされたコピーが検出器における干渉計で混合される。

ブロック１０８において、獲得された視線速度の分布は、ドップラー効果を獲得するために処理される。ドップラー効果は、ドップラースペクトルを生成して終了する。ドップラースペクトルは、ターゲットの全ての異なる速度から生じる全ての異なる周波数シフトのコレクションである。大気中の分子の場合、いくらかはセンサに向かって移動しており、いくらかはセンサから離れて移動しており、そして、その結果は、航空機のような単一の周波数シフトより、むしろ、周波数のかなり広いコレクション（つまり、スペクトル）である。測定されたドップラースペクトルは、かなり複雑であり得るもので、レシーバが提供するヘテロダインのビートノート（ｂｅａｔ ｎｏｔｅ）についてデジタルフーリエ変換を実行することによって達成される。例えば、大気散乱においては、ガス状の成分に係る熱駆動の並進（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ−ｄｒｉｖｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）のせいで、ドップラーシフトが存在する。また、ブリルアン散乱（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）、方向に依存するもの、および、微視的なドップラーシフトの全てに対してドップラーシフトを追加するスーパーインポーズされた巨視的な（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ）ウィンド（ｗｉｎｄ）のせいで、他のドップラーシフトも、存在している。

ブロック１１０において、ウィンド視線速度分布は、微視的ドップラーシフト確率分布の重心シフトとして分離される。測定された周波数シフトされたドップラースペクトルから重心シフトを計算するために使用され得る様々なアルゴリズムが存在している。一つのスタートポイントは、ブリアン側波帯（ｓｉｄｅｂａｎｄ）といった、ウィング（ｗｉｎｇ）が存在し、かつ、非ガウシアン（ｎｏｎ−Ｇａｕｓｓｉａｎ）形状であってさえも、ドップラーシフトスペクトルは対称であると仮定することである。いくつかの平均値に関して対称である速度分布の場合、重心シフト回収アルゴリズムは、これらに限定されるわけではないが、最小二乗法、モーメント法、および、最尤推定を含んでいる。重心シフト回収アルゴリズムは、ウィンド速度誤差が計算できるように、平均ドップラーシフトにおける誤差の不確実性を計算する。しかしながら、速度分布が、実際には対称であるにもかかわらず、対称であるように見えないという状況が存在する。例えば、風（ｗｉｎｄ）は突発し、そして、測定のドウェル時間（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）にわたる風向きの変動は非対称のフィッティング誤差のように見え得るが、それらはいずれも、スキュー（ｓｋｅｗ）形状および大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を導いてはいない。その場合に、重心における変動（誤差ではない）は、風速および風向におけるローカルな変動を反映するものであり、測定誤差ではない。測定のドウェル時間を風速変化よりも早くなるように調整することが、この場合であるか否かを決定する。

フォトンの大量の蓄積は、ドップラーシフトスペクトルに直接的に関連するビートノートのスペクトルの精度とフィデリティ（ｆｉｄｅｌｉｔｙ）の増加を提供する。ＳＮＲが十分大きいときに、または同等に、全ての微視的ドップラーシフトに係る重心シフトを測定するために十分な散乱されたレーザーフォトンが存在するときに、ＬＯＳ風速が決定され得る。風速測定の精度は、全ての微視的散乱に係る重心シフト（並進、振動、回転）がどれほど上手くフィット（ｆｉｔ）され得るかに依存している。

ヘテロダイン化（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｉｎｇ）または周波数変換は、典型的な周波数カウンタによっては測定することが難しい電磁気信号の周波数を測定するために使用され得る。いくつかの事例においては、未知の周波数に近い既知の周波数に係るリファレンス信号が、例えば、光レシーバにおいて、ダイオードといった非線形混合デバイスの中で未知の周波数と混合される。このことは、２つの異なる周波数間でのヘテロダインまたは「ビート（”ｂｅａｔ”）」信号を生成する。２つの信号が周波数において共に近い場合には、ビートが、周波数カウンタによって測定できるように十分低い。より高い周波数に達するためには、ヘテロダイン化のいくつかのステージが使用され、そして、一緒に結合されてよい。

図３Ａと３Ｂは、本発明のいくつかの実施例に従った、信号シミュレーションを示している。示されるように、複数の散乱プロセスが、本発明が直接的に又は明確に測定できる異なるドップラー効果シフトおよびライン拡大メカニズムをもたらしている。図３Ａは、全体的な非ガウシアン線形状（ｌｉｎｅ ｓｈａｐｅ）に対するエアロゾル、レイリー散乱、およびブリルアン散乱の貢献を示している。図３Ｂは、２５ＭＨｚの解像度で動作するコヒーレントヘテロダイントランシーバに係るモンテカルロシミュレーションを示しており、１０ ^６ 個の光電子（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ）が検出されている。線形状モデルは、Ｗｉｔｓｃｈａｓ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．３、ｐｐ．２６７−２８０（２０１１）からのものであり、その全てのコンテンツが、ここにおいて参照として包含されている。

分布の中心に係るドップラーシフトは、全体的な流速／風速を提供し、そして、並進および音響モード（ブリルアン散乱）による、より広い微視的ドップラーシフトの幅は、正味の（ｎｅｔ）流れにおける個々の分子の速度によって決定される。一方で、スパイクの幅は、分子流れにおける不完全な巻き込み（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）によるローカルな速度変動のせいである速度変動を含んでいる流れにおけるエアロゾルによって決定される。非ガウシアンのレイリー−ブリアン線形状は、温度と圧力の関数である。低解像度ドップラースペクトル回収と競合する方法は、風速回収と温度測定の精度を譲歩するものであり、複合線形状関数によって提供される情報を廃棄または変形するものである。

波長オフセットは、異なる風速で移動している異なる分子速度グループによるものであり得る。スペクトル線形状に対する異なる貢献における情報が要求されない場合、プロフィールに係る重心の移動の良好な統計的精度に焦点を合わせるために、適応（ａｄａｐｔｉｖｅ）信号処理が、フーリエ変換のスペクトル解像度を低減し得る。ライダートランシーバの視線に沿って空気塊（ｐａｒｃｅｌ ｏｆ ａｉｒ）を移動している風速だけによるものである。

適応信号処理の一つの例として、より大きな調査ボリュームにわたり、より少ない時間でおおよその風速を取得する必要性を考慮する。一つのアプローチは、ドップラーシフト見積りアルゴリズムに対して適用される、より少ない周波数ビン（ｂｉｎ）であり得る。仮に、風と温度をリカバー（ｒｅｃｏｖｅｒ）するために、ゼロ速度のそれぞれの側において５００ＭＨｚ幅の５個のスペクトルビンが選択される場合に（例えば、ドップラー分布に係る幅からのもの）、結果は、ゼロ速度のそれぞれの側において１０個のビンが選択された場合よりも低い精度であろう。スペクトルシフトビンの数量と幅の選択は、適応的または動的に変更され得るが（例えば、プロセッサによる）、それぞれのビンに対して要求されるフォトンの数量、および、風と温度を判断するために必要とされる精度に部分的に依存している。例えば、最も密度の高い５００ＭＨｚ幅ビンにおいて１０００個のフォトンが累積された場合に、その強度を判断することにおける平均誤差は、概ねｓｑｒｔ（１０００）〜３１であり、そして、たった１００個のフォトンを伴うビンにおける強度誤差は、〜１０であろう。引き続き、これらのドップラー分布を温度に対してフィッティングすることは、より大きなビンにおいて１００万個のフォトンが存在する場合よりも、より多くの誤差を有するだろう。

例えば、時間的ヘテロダインビートノートに係るフーリエ変換が実行されるとき、ウィンドウ関数が、レーザーパルス幅の逆数（例えば１００ｎ秒の長いスペクトル変換リミットパルスに対して４．４ＨＭｚ）から、レシーバが検出することができる最も高いバンド幅のビートノート、例えば１０ＧＨｚの瞬間的な帯域幅まで、のどこにでも設定し得るだろう。検出バンド幅を適応的に設定することにより、ユーザは、後方散乱光をどのように分配するか判断することができる。極端な例は、後方散乱光が２個のビンへと分割される、いわゆる「ダブルエッジ（”ｄｏｕｂｌｅ ｅｄｇｅ”）」検出である。一つは、出て行くレーザーの赤色に対する全ての光であり、そして、残りは、出て行くレーザーの青色に対するものである。レーザーの赤色側と青色側における全体的な光電子カウントの比率をとることが、風速ドップラーシフトを判断するために使用され得る。

いくつかの実施例において、本発明は、原子／分子の自由度から非共振の（ｎｏｎ−ｒｅｓｏｎａｎｔ）弾性および非弾性散乱を使用する。

図２は、本発明のいくつかの実施例に従った、光学トランシーバ２００の典型的なブロックダイヤグラムである。示されるように、散乱コヒーレント光は、アンテナ２０２によって受信され、そして、フィルタと整列（ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）回路（モジュール）２０４に対して与えられる。アンテナは、送信および受信光学系を含み、そして、ジンバルに入れられてよい（ｇｉｍｂａｌｅｄ）。整列回路（モジュール）２０４は、送信／受信の望遠鏡、整列光学系、偏光光学系、光学フィルタ、および、当業者に知られた他の適切な光学系を含んでよい。フィルターされ受信された光は、次に、レシーバ２１０に対して提供される。レシーバは、プロセッサ２１２によって処理されるように受信した光信号を電気信号へ変換するための光−電気変換回路を含んでいる。

ここでのアイデアは、レーザーによってプローブ（ｐｒｏｂｅ）されたガスにおけるボリュームを固定すること、そして、所定の測定方向だけに沿って分子（パーティクル、または原子）を観察することによってベクトル風速および異方性温度を探すために視角を変更することである。これは、ジェット、スクラムジェット（ｓｃｒａｍｊｅｔ）、極超音速流れ、爆発、および、エネルギー移動を理解するための他の非平衡（ｎｏｎ−ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ）システムについての診断において有効であり得る。

プロセッサ２１２は、電気信号を適応的に処理して、上述のように、視線速度の分布を計算し、次に、ドップラーシフトを得るように処理する。プロセッサ２１２は、単一のブロックによって描かれているが、当業者であれば、ブロックは、処理装置、関連するストレージおよび入力／出力回路、ネットワークインターフェイス、ユーザインターフェイス、および、本発明の目的のためにプロセッサ２１２を機能させるための他の典型的な回路を含むことを理解するであろう。

送信側おいては、プロセッサ２１２からの信号が、トランスミッタ２０６に対して提供される。トランスミッタは、例えば、３５５ｎｍ波長のレーザーを含んでいる。いくつかの実施例において、レーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４次ハーモニックといった２６６ｎｍ波長のレーザー、３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー、または、多種多様な他の光源であってよい。それらが、ＦＷＨＭにおけるガウシアンスペクトル変換リミットパルスについてδτδν＝０．４４１であるスペクトル変換リミットである限りにおいてである。光（レーザー）信号は、次に、ターゲットに向けた送信のためにアンテナ２０２に対して与えられる以前に、フィルタと整列回路（モジュール）２０４によってフィルターされて、整列される。タイミング回路２０８は、光学トランシーバ２００の様々なコンポーネントに対して適切なクロックおよびタイミング信号を提供する。タイミング回路２０８は、分子回転、振動、または、同様に大きな（＞１００ＧＨｚ）波長シフト非弾性散乱による光周波数シフトに一致する、ローカルオシレータに係る波長シフトコヒーレントレプリカ（ｒｅｐｌｉｃａ）を提供するための光周波数シフタを含んでよい。

例えば、回転温度（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を測定することが目的である場合には、（平衡または非平衡ガスが存在するかを判断するための）Ｎ２窒素分子の回転状態に係る並進温度とは反対に、外に出て行く（ｏｕｔｇｏｉｎｇ）ＵＶパルスを生成するために使用されたローカルオシレータは、回転ラマンシフトによって周波数をシフトすることができる。窒素の回転ラマンスペクトルは、〜８ｃｍ^−１または同等には２４０ＧＨｚによって分離された一連のラインから構成されている。電気−光の位相または振幅変調によってそうした大きい周波数シフトを達成することは、現在の技術を用いて現実的ではない。しかし、ＬＯからファイバーを通じてＵＶ光を設置すること、および、特定の回転ラマンラインを選択するために干渉計またはファイバーブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を用いて、興味の回転ラマンシフトラインをスペクトル的に選択することによって、窒素ガスで満たされている中空コアファイバーにおいて達成され得るものである。このプロセスが有効である一つの例は、真の大気速度を測定するための極超音速乗り物（ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）においてである。極超音速乗り物は、飛行ベクトルに沿ったドップラーシフト方向に係る重心を見つけること、そして、次に、横に押されている流れによる、飛行に対して垂直な風速を観察することを要求する。これは、非常に非平衡な流れ状態であり、特に、境界層の衝撃インターフェイスを横切るところでそうである。本発明は、並進温度と回転温度の間の差異を観察することにより、乗り物の表面から外の自由流れゾーン（ｚｏｎｅ）への流れフィールド（ｆｉｅｌｄ）をプローブすることができる。

タイミング回路２０８は、また、マスターオシレータキャリア周波数と比較して、増幅された外に出て行くレーザーパルスの周波数をモニタリングするための周波数モニタ回路を含んでもよい。注入されたレーザー光周波数帯を増幅器が完全にはフォローできず、そして、注入−出力（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−ｏｕｔｐｕｔ）誤差の記録により、オフセットの補償、および、従って、速度精度の改善ができるので、このことが行われる。図２は、周波数モニタ回路と光周波数シフタをタイミング回路２０８の一部として描いているが、いくつかの実施例において、周波数モニタ回路及び／又は光周波数シフタは、タイミング回路２０８から分離してよい。

上述のように、本発明のいくつかの実施例は、受信側に向けられており、プロセッサ２１２を含み、そして、トランスミッタを含まない。いくつかの実施例において、本発明に従ったレシーバは、オーダーソート（ｏｒｄｅｒ ｓｏｒｔｉｎｇ）のための非対称アームマッハ・ツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ、ＭＺＩ）および青色／赤色ドップラー曖昧性除去（ｄｉｓａｍｂｉｇｕａｔｉｏｎ）を使用する、コヒーレントダブルバランスヘテロダインレシーバ（ＣＤＢＲ）である。ヘテロダインＣＤＢＲとＭＺＩは、従来のシングル検出器ヘテロダインレシーバと比較して、時間的検出バンド幅を４倍以上拡張している。

とりわけ、パルス化トランスミッタを駆動する注入シーダ（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｅｅｄｅｒ）は、１０６４ｎｍ波長で動作している共通マスターオシレータを共有する。ローカルオシレータは、周波数トリプラー（ｔｒｉｐｌｅｒ）を用いて創作される。周期的分極反転疑似位相整合タンタル酸リチウム結晶（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｔａｎｔａｌａｔｅ ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）といったもの、または、低電力連続ウェイブ周波数３倍化（ｔｒｉｐｌｉｎｇ）のために適切なあらゆる他のタイプの周波数トリプラーである。

上述の発明に係る説明された実施例および他の実施例に対して、その広範な進歩性から逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることが、当業者によって認識されよう。従って、本発明は、開示された特定の実施例または構成について限定されるものではなく、しかし、添付の請求項によって定められる本発明の範囲および精神の中にある、あらゆる変形、適合、または、変更をカバーするように、むしろ意図されていることが理解されよう。

Claims (5)

1. 散乱光のドップラー効果を測定するための方法であって、
   紫外線（ＵＶ）光を、ターゲットに向かって、光エミッタによって投射するステップと、
   前記ターゲットによって反射された前記投射されたＵＶ光から、光レシーバによって、前記ターゲットのＵＶ光散乱を受信するステップと、
   前記ターゲットの巨視的な事態に係る視線速度の分布を獲得するために、既定の幅を有する複数のスペクトルシフトビンにおいて、発せられた前記ＵＶ光に関してドップラーシフトに相当する前記ＵＶ光散乱の周波数シフトを測定するステップであり、前記光レシーバによって提供される複数のヘテロダイン、オートダイン、または、ホモダインのビートノートについて、デジタルフーリエ変換を実行する、ステップと、
   前記ＵＶ光散乱のドップラー効果を特定するために、前記獲得された前記視線速度の分布を処理するステップと、
   微視的ドップラーシフト確率分布の重心シフトとして、ウインド視線速度を分離するステップ、
   を含み、さらに、
   それぞれのスペクトルシフトビンについて要求されるフォトンの数量、および、前記ドップラー効果に対する既定の要求される精度に応じて、前記スペクトルシフトビンの数量および幅を適応的に変更するステップと、
   後方散乱光を分配するために、前記複数のヘテロダイン、オートダイン、または、ホモダインの検出バンド幅を適応的に変更するステップと、を含み、
   前記ターゲットの巨視的な事態は、前記ターゲットに係る複数の原子、分子、または、パーティクルである、
   方法。
2. 前記方法は、さらに、
   受信した前記ＵＶ光散乱を、光学的に、処理し、フィルターし、そして、電気信号へ変換するステップ、を含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記視線速度の分布の重心シフトは、全体的な流速／風速情報を提供し、かつ、
   より広い分布の幅は、ターゲット流れ情報における前記ターゲットの巨視的な事態の速度によって決定される、
   請求項１に記載の方法。
4. 散乱光のドップラー効果を測定するための装置であって、
   ターゲットに向かって紫外線（ＵＶ）光を発するために光エミッタと、
   前記ターゲットで反射された前記ＵＶ光から、前記ターゲットからのＵＶ光散乱を受信するための光レシーバと、
   ドップラーシフトに対応する前記ターゲットの巨視的な事態に係る視線速度の分布を獲得するために、既定の幅を有する複数のスペクトルシフトビンにおいて、発せられた前記ＵＶ光に関して前記ＵＶ光散乱の周波数シフトを測定し、前記ＵＶ光散乱のドップラー効果を特定するために、前記視線速度の分布を処理し、微視的ドップラーシフト確率分布の重心シフトとして、ウインド視線速度を分離し、かつ、前記光レシーバによって提供される複数のヘテロダイン、オートダイン、または、ホモダインのビートノートについて、デジタルフーリエ変換を実行する、プロセッサ、
   を含み、
   前記プロセッサは、
   それぞれのスペクトルシフトビンについて要求されるフォトンの数量、および、前記ドップラー効果に対する既定の要求される精度に応じて、前記スペクトルシフトビンの数量および幅を適応的に変更し、かつ、
   後方散乱光を分配するために、前記複数のヘテロダイン、オートダイン、または、ホモダインの検出バンド幅を適応的に変更し、
   前記ターゲットの巨視的な事態は、前記ターゲットに係る複数の原子、分子、または、パーティクルである、
   装置。
5. 前記装置は、さらに、
   受信した前記ＵＶ光散乱を、光学的に処理し、そして、スペクトル的にフィルターするための、フィルタと整列デバイス、を含む、
   請求項４に記載の装置。