JP6986165B2 - 気象観測用ライダー - Google Patents
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Description
本発明は、気象観測用ライダーに関する。
近年、局地的な豪雨などの異常気象が続いており、気象予測の精度を向上させて異常気象の発生を早い段階で予測し、対策を取ることが望まれている。気象予測精度を向上させるには、地表での各種気象要素の観測、レーダによる上空の観測に加えて、大気境界層内の気温、水蒸気濃度、風向・風速の鉛直分布を観測し、このデータを気象予報モデルに投入して計算することが有効であることが知られている。
ライダーは、上空の気温、水蒸気濃度、風向・風速の鉛直分布の計測をするものである。風向・風速を計測するライダーはドップラーライダーとして製品化され、風力発電所の建設にあたって風況調査を行うなどに使われている。
ここで、上空の水蒸気濃度分布を計測するラマンライダーについて説明をする。水蒸気濃度分布を計測するライダーには２つの方式があり、一つは差分吸収方式（DIAL: Differential Absorption Lidar）であり、他方はラマン方式である。
差分吸収方式は、２つの近接した波長のレーザ光を上空に飛ばす。一つ目の波長は水蒸気による吸収が小さい波長（λoff波長）で、二つ目は水蒸気による吸収の大きな波長（λon波長）である。このとき、上空のエアロゾルなどで弾性散乱された光を地上で観測し、２つの波長の光の高度毎の減衰率を比較して水蒸気濃度を計測する。この方法では２つの波長を非常に精密に制御することが必要で、１ｐｍ以下の波長安定度が必要である。
ラマン方式は、レーザ光を上空に飛ばし、Ｈ２Ｏ、Ｎ２分子によって散乱される光のうち、振動ラマン散乱光を地上で捉えて水蒸気濃度分布を計測するものである。ラマン散乱光は強度が非常に弱く、これを精度よく検出することが重要である。
ラマン方式の研究開発で使われるレーザは、一般的にＹＡＧレーザの高調波を使用し、波長３５５ｎｍを使うのが一般的である。３５５ｎｍの波長を使うときには、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、よるラマン散乱光波長はそれぞれ３８７ｎｍ、４０５ｎｍであり、この波長の光を検出するときには、日中は太陽光が混じりノイズになり、ラマン散乱光を精度よく検出することは非常に難しい。このため、この波長を使った水蒸気濃度計測は夜間に限られるのが通常である。
気温計測用ラマンライダーも波長３５５ｎｍのレーザが一般的に使われるが、同様に太陽光がノイズになり、昼間は精度よく測定ができていない。
日中の太陽光の影響をなくし、昼夜、精度よく計測する方法として、ＵＶＣ領域（波長２００〜２８０ｎｍ）にあるＹＡＧレーザの４倍波である波長２６６ｎｍを使ったラマンライダーがある（下記非特許文献１参照）。この波長のレーザを使うとき大気中のＨ２Ｏ、Ｎ２によるラマン散乱光の波長はそれぞれ２９５ｎｍ、２８４ｎｍである。波長３００ｎｍ以下の太陽光は上空のオゾン層（高度１０〜５０ｋｍ）で吸収され、地表にはほとんど届かず、太陽光はノイズになりにくい。
M. Froidevaux、他６名、「A new lidar for water vapor and temperature measurements in the Atmospheric Boundary Layer」、AsiaFlux Newsletter Issue ２８、１３−１７、２００９年３月
上述したＵＶＣ領域の波長のレーザの利点を活かして波長２６６ｎｍのラマンライダーの研究開発は行われている。しかしながら、研究開発の主流は３５５ｎｍの波長を使ったものであり、２６６ｎｍのラマンライダーにより、安定的連続的な計測を行うことができた例はない。これは、通常２６６ｎｍを用いたライダーは安定に連続計測ができないことにある。この理由は、４倍波を生成する非線形結晶ユニットやレーザミラーなどの光学素子がレーザによって損傷しやすいことにある。
本出願人らにおいても、波長２６６ｎｍを用いたライダーでは、１年弱の間に、４倍波結晶ユニット、レーザミラー等の光学素子の損傷が複数回発生し、その都度、ライダーを停止し、部品交換と調整を行うこととなっていた。
そこで、本発明は、気温、水蒸気濃度、エアロゾル、風向・風速、オゾン濃度、ＣＯ２濃度などの高度分布の計測が可能で、昼夜にかかわらず、安定して連続的に計測が可能な気象観測用ライダーを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る気象観測用ライダーは、特定波長のレーザ光を空中に照射して、発生する散乱光を観測する気象観測ライダーであって、レーザ光を空中に照射する光学系と、前記光学系の収容空間を清浄にする防塵部と、を備える。
この態様によれば、光学系を清浄な雰囲気に保つ構成とすることで光学素子の損傷を防止し、気象観測用ライダーを安定に連続計測を行うことが可能になる。ここで、収容空間を清浄にする一手段として、収容空間の単位体積当たりの最大空中塵埃数を所定の範囲に抑制することが考えられる。
また、本発明の他の一態様に係る気象観測用ライダーは、特定波長のレーザ光を空中に照射して、発生する散乱光を観測する気象観測ライダーであって、レーザ光を空中に照射する光学系と、光学系の収容空間における温度及び温度変動率を所定の範囲に構成する温度安定化部を備える。
この態様によれば、光学系の急激な温度変動を防止することで、光学素子の損傷を防止することができ、より気象観測用ライダーを安定に連続計測を行うことが可能になる。
本発明の一態様に係る気象観測用ライダーとして、防塵部と温度安定化部をともに備える構成としてもよい。
上記態様において、特定波長は、２００〜２８０ｎｍであってもよい。この態様によれば、光学素子のレーザ損傷閾値（損傷が始まるレーザ光密度）は波長が短いほど小さく、光学素子の損傷は一般的には大きくなり、特に、ＵＶＣ領域の波長のレーザにおいて気象観測用ライダーの安定稼働が難しいところ、本態様では、この領域での安定稼働が実現する。
上記態様において、光学系と温度安定化部とは、熱的に分離して構成されてもよい。この態様によれば、熱源となり得る温度安定化部などの構成要素を、光学系と分離することで、光学系の温度制御を確実に行うことができる。
本発明によれば、気温、水蒸気濃度、エアロゾル、風向・風速、オゾン濃度、ＣＯ２濃度などの高度分布の計測が可能で、昼夜にかかわらず、安定して連続的に計測が可能な気象観測用ライダーを提供することができる。
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態（以下「本実施形態」という。）について説明する（なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。）。
光学素子のレーザ損傷閾値（損傷が始まるレーザ光密度）は波長が短いほど小さく、波長２６６ｎｍを使ったライダーは波長３５５ｎｍのライダーに比べて、光学素子の損傷は一般的には大きくなることは明らかであると考えられ、これまでのところ、その技術的常識に疑義を挟むことはなかった。
しかし、気象観測用ライダーで使うレーザの出力光のエネルギー密度は、０．５ｍＪ／ｃｍ２以下であり、本発明者らは、この程度のエネルギー密度で光学素子が損傷するのは光学素子の本質的な問題ではなく、他の要因があると考えた。本発明者らは、レーザ損傷が起きる原因の一つとして、光学素子の表面が汚染されたことであると結論づけた。本発明者らは、特に屋外設置ライダーでは光学素子の汚染対策を十分に行う必要があると考えた。
気象観測用ライダーを構成する機器である、高調波結晶や波長分離箱、ビームエキスパンダ、ミラー、出射窓等の光学素子の表面に塵埃が付着している状態で、これらの光学素子にレーザ光が照射されると、塵埃が過熱または光分解されて変質し光学素子の表面に焼き付くことがある。その際、光学素子の表面の反射防止膜や反射増加膜が欠損や薄膜化あるいは厚膜化などの損傷を受けることがある。
例えば、高調波結晶の表面の反射防止膜は波長２６６ｎｍのレーザ光を高い透過率で結晶の内部から外部に出射させるために設けられているが、反射防止膜が損傷を受けると、波長２６６ｎｍのレーザ光が高調波結晶から高い透過率で出射しなくなり、結晶表面で反射されて再度結晶内部に向かい、更にこれを複数回繰り返すことによって結晶そのものが損傷を受けることになる。
また、ミラーの表面の反射増加膜が損傷を受けた場合、波長２６６ｎｍのレーザ光のミラー表面における反射率が低下し、ミラーの母材に高エネルギーのレーザ光が照射されてミラーが損傷を受けることになる。さらに、波長２６６ｎｍのレーザ光の光路ならびにその周囲に浮遊する塵埃にレーザ光が照射されると、塵埃が光分解等によって変質あるいは微細化し光学素子の表面に付着することがある。
そうすると、光学素子が損傷を受けることは先に述べたとおりである。波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光や波長５３２ｎｍの２倍高調波レーザ光についても同様なメカニズムで光学素子に損傷を与える。
本実施形態の気象観測用ライダーにおいては、特にレーザ本体部、レーザの光出射部の部品が汚染されないような構成とした。より具体的にはレーザ本体とその周囲の光学系をクリーンブースで蔽って清浄な雰囲気に保つ構成とした。
また、波長２６６ｎｍのレーザを安定稼働させるためのもう一つの対策はレーザを含めた光学部品の周囲温度の安定化であり、また急激な温度変動を防止することにあると考えた。すなわち、レーザの周囲温度が変化すると、レーザの発振がシングルモードからマルチモードに変わることがある。マルチモードの光では、光学素子のレーザ損傷閾値はシングルモードの場合に比べて１／４程度に小さくなることが知られており、光学素子の損傷が起きやすくなる。
以上より、汚染対策、温度変動防止対策を取った結果、２０１７年１１月末から出願時までの１０ヶ月間、光学素子の損傷なしで、ライダーは安定に連続計測を行うことが可能な気象観測用ライダーを実現した。以下、本実施形態における気象観測用ライダーの具体的な構成を示す
図１に、本実施形態における気象観測用ライダー１の基本構成を示す。本実施形態の気象観測用ライダー１は、レーザ１１によりビームエクスパンダ１２を介して波長２６６ｎｍのレーザ光Ｌ１を上空に飛ばし、上空で散乱された光Ｌ２を望遠鏡１３で捉える。受信した散乱光は分光部１４で波長毎に分離し、信号処理系１５においてＨ２Ｏ、Ｎ２、Ｏ２分子によるラマン散乱光強度を測定する。
図２は、本実施形態の気象観測用ライダーの分光部１４の構成の例である。この例では、ダイクロイックミラー、干渉フィルタを使ってラマン散乱光を分離・抽出している。ポリクロメータを代表とする回折格子を用いた分光では、迷光により分光したい波長以外の光も混入しノイズとなる。ラマン散乱光は非常に弱いため、その影響を極端に受けることになる。
一方、干渉フィルタによる分光では、透過波長と阻止したい波長の分離が容易である。特に、ＵＶＣ領域では太陽光の影響をほとんど受けないため、狭い透過帯域の干渉フィルタは必要なく、製造難易度が低く透過率も高い透過帯域の広い干渉フィルタの使用が可能であり、迷光の影響を受けることがなく、ライダーの性能が上がる。
図３は、本実施形態の気象観測用ライダーの分光部１４の他の分光部の構成例である。この例では、ダイクロイックミラーを使わず、干渉フィルタだけでラマン散乱光を分離・抽出している。なお、この例において、干渉フィルタの並べ方は、波長を分離できる構成であれば、順序の入れ替えが可能である。
ポリクロメータを代表とする回折格子を用いた分光では、迷光により分光したい波長以外の光も混入しノイズとなる。ラマン散乱光は非常に弱いため、その影響を極端に受けることになる。
一方、干渉フィルタによる分光では、透過波長と阻止したい波長の分離が容易である。特に、ＵＶＣ領域では太陽光の影響をほとんど受けないため、狭い透過帯域の干渉フィルタは必要なく、製造難易度が低く透過率も高い透過帯域の広い干渉フィルタの使用が可能であり、迷光の影響を受けることがなく、ライダーの性能が上がる。
図４は、気象観測用ライダー１を構成する各機器の配置構成を示す図である。この例では、レーザ１１本体と望遠鏡１３、ミラーなどの光学素子を収納する筐体（メイン筐体）Ａと、精密空調機などを収納した筐体（サブ筐体）Ｂの２つの筐体で構成される。精密な空調が必要なメイン筐体Ａはサブ筐体Ｂに設置した精密空調機１６によって空調される。
図５は、気象観測用ライダー１を構成する各機器の配置構成の他の構成例を示す図である。この例では、同一の筐体内にライダー構成部品は収納するが、レーザ等の光学系、精密空調機１６、レーザ電源１７等は同一の筐体内に配置しているが、それぞれの収納部は熱的に隔離しながら、レーザ等の温度調整を行っている。
図６は、気象観測用ライダー１を構成する各機器の配置構成の他の構成例を示す図である。この例では、精密空調機１６に加えて熱交換機１８を使った例である。熱交換機１８により精密温調を行っている。
図７は、気象観測用ライダー１を構成する各機器の配置構成の他の構成例を示す図であり、図４で示した例において、メイン筐体の内部にスリットカーテン１９を設け、外部からの塵埃がレーザ及び周辺の光学素子に付着しないようにした例である。
図８は、気象観測用ライダー１を構成する各機器の配置構成の他の構成例を示す図であり、筐体の構成に改良を施した例である。この例では、日射によって筐体内部の温度が上昇するのを緩和するため、筐体の壁は、日除け用の側板２０と断熱材を内部に入れたサンドイッチパネル２１とからなる。
図９は、気象観測用ライダー１を構成する各機器の配置構成の他の構成例を示す図であり、エアカーテン２２を用いて、光学系と、精密空調機及びレーザ電源１７等の構成とを熱的に分離した例を示すものである。
図１０は、気象観測用ライダー１の光学系の構成を示す図である。この例では、レーザ本体と周辺の光学素子をクリーンブース２３で蔽って清浄な雰囲気を確保している。
図１１は、気象観測用ライダー１の光学系の他の構成を示す図であり、この例では、クリーンブース２３を複数台設置している。
図１２は、気象観測用ライダー１の光学系の他の構成を示す図であり、この例では、空気清浄機２４を用いて、清浄な雰囲気を確保している。
図１３は、気象観測用ライダーを１構成する各機器の配置構成の他の態様を示す図であり、サブ筐体Ｂからメイン筐体Ａに温調されたエアを送るに当たって、エアを清浄にするためエアフィルタ２５を設置した例である。この例では、温調エアの循環により、メイン筐体内Ａを清浄化することができる。
以上のような本実施形態によれば、光学系を清浄な雰囲気に保つ構成とすることで光学素子の損傷を防止し、気象観測用ライダーを安定に連続計測を行うことが可能になる。また、光学系の急激な温度変動を防止することで、光学素子の損傷を防止することができ、より気象観測用ライダーを安定に連続計測を行うことが可能になる。光学素子のレーザ損傷閾値（損傷が始まるレーザ光密度）は波長が短いほど小さく、光学素子の損傷は一般的には大きくなり、特に、ＵＶＣ領域の波長のレーザにおいて気象観測用ライダーの安定稼働が難しいところ、本態様では、この領域での安定稼働が実現する。
なお、以上の説明は波長２６６ｎｍで行ったが、これより長い波長のレーザを使った場合にも程度の差はあるが同様な効果が得られる。長い波長の例として、ＹＡＧレーザの3倍波の波長３５５ｎｍ、２倍波５３２ｎｍ、エキシマレーザの２４８ｎｍ、３０８ｎｍ、３５１ｎｍなどがある。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
１…気象観測用ライダー、１１…レーザ、１２…ビームエクスパンダ、１３…望遠鏡、１４…分光部、１５…信号処理系、１６…精密空調機、１７…レーザ電源、１８…熱交換機、１９…スリットカーテン、２０…側板、２１…サンドイッチパネル、２２…エアカーテン、２３…クリーンブース、２４…空気清浄機、２５…エアフィルタ、Ａ…メイン筐体、Ｂ…サブ筐体、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…光
Claims (3)
- 特定波長のレーザ光を空中に照射して、発生する散乱光を観測する気象観測ライダーであって、
レーザ光を空中に照射する光学系と、
前記光学系の収容空間を清浄にする防塵部と、を備え、
前記特定波長は、２００〜２８０ｎｍであり、
前記防塵部は、前記光学系において、レーザ本体、高調波結晶、波長分離箱、ビームエキスパンダ、ミラー、及び出射窓からなる群より選択される少なくとも１つを蔽う部材と、レーザ光の光路及び周辺を浮遊する塵埃を除去し前記蔽う部材の内部を清浄雰囲気に保つ手段と、を備えた気象観測用ライダー。 - 前記光学系の収容空間における温度及び温度変動率を所定の範囲に調整する温度安定化部を備えた、請求項１に記載の気象観測用ライダー。
- 前記光学系と前記温度安定化部とは、熱的に分離して構成された、請求項２に記載の気象観測用ライダー。
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