JP7205010B1

JP7205010B1 - 波長ロック機能を備えるライダ

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Publication number: JP7205010B1
Application number: JP2022555936A
Authority: JP
Inventors: 秀伸辻; 俊平亀山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2042-06-20
Also published as: JPWO2023248265A1; WO2023248265A1

Abstract

本開示技術に係るライダは、レーザ光を発振するレーザ光源（１）と、レーザ光を２系統に分岐する光分岐装置（２）と、光分岐装置（２）から送られるレーザ光に位相変調を行う変調器（３）と、ガスセル（４）と、ガスセル（４）を透過した透過レーザ光を検出し、電気信号に変換する光検出器（５）と、レーザ光源（１）の波長を制御する波長制御装置（７）と、を備え、レーザ光源（１）は、温度制御が可能であり、レーザ光源（１）の温度掃引制御及び定温制御を行う目標スペクトル検出装置（６）をさらに備える。

Description

本開示技術は波長ロック機能を備えるライダに関する。

波長ロック機能は、例えば、レーザ光を照射して各種計測を行う装置において用いられる。レーザ光を照射して各種計測を行う装置には、例えば、ライダ（ＬｉＤＡＲ：ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ、又はＬａｓｅｒＩｍａｇｉｎｇＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）が挙げられる。

例えば非特許文献１には、波長が１．５３［μｍ］であるコヒーレントな差分吸収ライダ（ＤＩＡＬ：ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＬｉＤＡＲ）を用いて、水蒸気密度と風速とを同時に計測する技術が開示されている。
非特許文献１に係る差分吸収ライダは、大気中の分子に吸収される波長（λ_ＯＮ）と同じ波長のレーザ光を出力するレーザ光源と、大気中の分子に吸収されない波長（λ_ＯＦＦ）と同じ波長のレーザ光を出力レーザ光源と、を有する。非特許文献１に係る差分吸収ライダは、波長（λ_ＯＮ）のレーザ光を出力するレーザ光源に対し、波長を或る目標値に固定する波長ロック回路（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＬｏｃｋｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔ）が用いられている。

非特許文献１に係る差分吸収ライダは、絶対的な基準となる波長の情報を得る目的で、ＨＣＮガスセルを採用している。非特許文献１に係る差分吸収ライダは、レーザ光をガスセルのガス（ＨＣＮ）に照射し、透過光から得られた吸収線スペクトルの情報から、波長ロック用のフィードバック信号を生成する。

Ｍ．ＩＭＡＫＩら著、ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ２８（１８）２７０７８－２７０９６，２０２０年８月３１日．

ＨＣＮガスの吸収線スペクトルを観測すると、波長が１５２５［ｎｍ］から１５６５［ｎｍ］までの範囲において、およそ５０もの吸収線を示すスペクトルピーク（以降、それぞれを「吸収線スペクトルピーク」と称する）が存在する（図５参照）。
水蒸気密度と風速とを同時に計測するライダは、レーザ光の波長を、吸収線スペクトルピークのうち、特定波長の吸収線、例えば１５３１．２７６［ｎｍ］のものを正しく選択して波長ロック用のフィードバック信号を生成する必要がある。

水蒸気密度と風速とを同時に計測するライダにおいて、電源投入の直後等の、レーザ発振器が不安定な状態の場合、ガスセルを用いても、吸収線スペクトルピークのうち誤った吸収線が選択され、意図しない波長にレーザ光の波長がロックされてしまう、という状況が生じ得た。

本開示技術に係るライダは、レーザ光を発振するレーザ光源と、レーザ光を２系統に分岐する光分岐装置と、光分岐装置から送られるレーザ光に位相変調を行う変調器と、ガスセルと、ガスセルを透過した透過レーザ光を検出し、電気信号に変換する光検出器と、電流制御ループによりレーザ光源の波長を制御する波長制御装置と、を備え、レーザ光源は、温度制御が可能であり、レーザ光源の温度掃引制御及び定温制御を行う目標スペクトル検出装置をさらに備え、目標スペクトル検出装置は、温度掃引制御において、温度を掃引し、最も透過率が低いスペクトルピークの波長を判断し、波長が短くなる側でありかつチューニングしたいスペクトルピークの波長を判断し、チューニングしたいスペクトルピークの波長に対応する温度を設定し、その後、定温制御を行う、というものである。

本開示技術に係る波長ロック機能を備えるライダは上記構成を備えるため、吸収線スペクトルピークのうち誤った吸収線が選択されることにより、意図しない波長にレーザ光の波長がロックされてしまう、という状況の発生を防ぐ。

図１は、実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダの機能構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダが実施する処理ステップを示すフローチャートである。図３は、実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダの機能構成を示すブロック図である。図４は、実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダが実施する本処理（ＳＴ５０）の詳細ステップを示すフローチャートである。図５は、ＨＣＮガスによる吸収線スペクトルを示したグラフである。図６は、ＤＦＢレーザの波長特性を示したグラフ（左グラフ：対温度、右グラフ：対注入電流）である。図７は、波長ロック回路が電流制御ループにおいて用いるフィードバック信号を説明する説明図である。

《本開示技術に求められる仕様について》
非特許文献１に開示されているシステムパラメータのうち、大気中の分子に吸収される波長（λ_ＯＮ）は１５３１．３８１４［ｎｍ］であり、大気中の分子に吸収されない波長（λ_ＯＦＦ）は１５３１．５５３７［ｎｍ］である。すなわち、本開示技術に求められる仕様のうち、波長の精度は０．００１［ｎｍ］のオーダである。これは、いわゆるガスセンシングの技術分野において要求される波長の精度、具体的には０．１［ｎｍ］オーダの精度と比べると、１００分の１である。
なお、一般に、０．００１［ｎｍ］オーダでの波長計測を実現する装置として、マイケルソン干渉計が挙げられる。ただし、マイケルソン干渉計ベースの装置は、その原理上、装置サイズがどうしても大きくなってしまうため、本明細書において検討されない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダの機能構成を示すブロック図である。図１に示されるとおり、実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダは、レーザ光源１と、光分岐装置２と、変調器３と、ガスセル４と、光検出器５と、目標スペクトル検出装置６と、波長制御装置７と、を含む。

《レーザ光源１》
レーザ光源１は、１．５３［μｍ］を含む波長領域のＤＦＢレーザ（ＤＦＢ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅａｄＢａｃｋ）により実現されてよい。一般に、ＤＦＢレーザは、波長安定性が非常に高く、シングルモードで発振し、線幅が非常に狭い。このため、ＤＦＢレーザは、波長ロック機能を備えるライダ用の光源として適している。ただし、ＤＦＢレーザも、注入される電流（以降、「注入電流」と称する）及び環境温度により、発振波長が変化する。
本開示技術に係るレーザ光源１は、外部からの信号により温度制御を可能とする。具体的に本開示技術に係るレーザ光源１は、例えば、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ－ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｉｎｇ）、すなわちマイクロサイズのペルチェ素子が備えられ、ＴＥＣ用の端子を有するＤＦＢレーザにより実現されてよい。
図６は、ＤＦＢレーザの波長特性を示したグラフ（左グラフ：対温度、右グラフ：対注入電流）である。図６左グラフに示されるとおり、ＤＦＢレーザは、温度の上昇にともない、照射するレーザ光の波長が長くなる。また、図６右グラフに示されるとおり、ＤＦＢレーザは、注入電流が多くなると、照射するレーザ光の波長が長くなる。
レーザ光源１で生成されたレーザ光は、光分岐装置２へと送られる。

《光分岐装置２》
光分岐装置２は、送られたレーザ光を２系統に分岐する構成要素である。
光分岐装置２で分岐されたレーザ光の一方は、変調器３へと送られる。

《変調器３》
変調器３は、送られたレーザ光に対して、位相変調を行う構成要素である。変調器３は、変調開始信号が入力されると位相変調を開始する。変調開始信号が入力されない場合、変調器３は、送られたレーザ光を加工せずにそのまま出力する。

《ガスセル４》
前述のとおりガスセル４は、絶対的な基準となる波長の情報を得るための構成要素である。本開示技術に係るガスセル４は、具体的には、媒体がシアン化水素（ＨＣＮ）ガスであるＨＣＮガスセル４が用いられる。
計測対象が水蒸気密度であるときに、Ｈ_２Ｏの吸収線を用いずにＨＣＮの吸収線が用いられる理由は、Ｈ_２Ｏの吸収率が小さいためである。水蒸気を媒体としたガスセル４で実現しようとすると、ガスセル４は、観測フィールドと同じ規模サイズになってしまい、現実的ではない。
図５は、ＨＣＮガスによる吸収線スペクトルを示したグラフである。図５に示されるグラフにおいて、縦軸は正規化透過率（ＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＴｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）を表し、横軸は波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を表す。図５に示されるとおり、ＨＣＮガスの吸収線スペクトルを観測すると、波長が１５２５［ｎｍ］から１５６５［ｎｍ］までの範囲において、およそ５０もの吸収線を示す吸収線スペクトルピークが存在する。
ガスセル４を透過し、特定のスペクトルが吸収されたレーザ光（以降、「透過レーザ光」と称する）は、光検出器５へと送られる。

《光検出器５》
光検出器５は、送られた透過レーザ光を検出し、電気信号に変換する構成要素である。光検出器５で生成された電気信号は、目標スペクトル検出装置６及び波長制御装置７へと送られる。

《目標スペクトル検出装置６》
目標スペクトル検出装置６は、従来のライダ装置には存在しない、本開示技術に固有の構成要素である。目標スペクトル検出装置６は、大きく２つの温度制御を実施する。第１の温度制御は、レーザ光源１の温度を掃引する制御（以降、「温度掃引制御」と称する）である。第２の温度制御は、レーザ光源１の温度を一定に保つ制御（以降、「定温制御」と称する）である。
目標スペクトル検出装置６が第１の温度制御において行う温度掃引は、具体的には、電源投入後、レーザ光源１のＴＥＣを、０［℃］から６０［℃］まで、６～６０［℃／ｍｉｎ］の速さで一旦上昇させ、その後、６０［℃］から０［℃］に向けて６～６０［℃／ｍｉｎ］の速さで下降させるものである。
目標スペクトル検出装置６が行う２つの温度制御は、レーザ光源１のＴＥＣ端子へ制御信号を入力することにより実現される。図１に示されるブロック図において、レーザ光源１→光分岐装置２→変調器３→ガスセル４→光検出器５→目標スペクトル検出装置６→レーザ光源１からなるループは、温度制御ループを表している。
目標スペクトル検出装置６が処理する処理ステップの詳細は、後述の説明により明らかとなる。

《波長制御装置７》
波長制御装置７は、レーザ光源１の波長を制御する構成要素である。波長制御装置７は、具体的には、レーザ光源１へ注がれる注入電流を制御することにより、レーザ光源１の波長を制御する。図１に示されるブロック図において、レーザ光源１→光分岐装置２→変調器３→ガスセル４→光検出器５→波長制御装置７→レーザ光源１からなるループは、電流制御ループを表している。
前述の温度制御ループは、波長の粗調整を行うものとして機能する。それに対し、電流制御ループは、波長の微調整を行うものとして機能する。

《実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダの処理内容》
図２は、実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダが実施する処理ステップを示すフローチャートである。
図２に示されるとおり実施の形態１に係る波長ロック機能を備えるライダが実施する処理ステップは、準備処理（ＳＴ１０）と、本処理（ＳＴ５０）と、を含む。準備処理（ＳＴ１０）により実現される動作は、レーザ光源１の出力を安定化させるという目的であることから、暖機運転とも似ている。
準備処理（ＳＴ１０）には、温度を掃引する処理（ＳＴ１１）と、波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）と、温度を設定する処理（ＳＴ１３）と、が含まれる。準備処理（ＳＴ１０）においては、波長制御装置７による電流制御ループについての制御は行われない。レーザ光源１への注入電流は、あらかじめ決められた値、具体的には、９０［ｍＡ］から２８０［ｍＡ］までの基準となる或る値に設定される。この基準となる注入電流量（以降、「基準注入電流量」と称する）の決め方は、後述の説明により明らかとなる。
また本処理（ＳＴ５０）には、少なくとも波長ロック制御処理（ＳＴ５５）が含まれる。波長ロック制御処理（ＳＴ５５）において、初めて波長制御装置７による電流制御ループについての制御が行われる。

温度を掃引する処理（ＳＴ１１）は、目標スペクトル検出装置６が実施する処理ステップである。温度を掃引する処理（ＳＴ１１）において目標スペクトル検出装置６は、前述した、レーザ光源１の温度掃引制御を実施する。前述のとおりＤＦＢレーザは、温度の上昇にともない、照射するレーザ光の波長が長くなる。より詳細には、図６左グラフに示されるとおり、ＤＦＢレーザは、温度（Ｔ）が１０［℃］上昇すると波長が約１［ｎｍ］長くなる。
前述のとおり図５は、ＨＣＮガスによる吸収線スペクトルを示したグラフである。図５に示される吸収線スペクトルは、グラフ左側の分布（図５において「ＲＢｒａｎｃｈ」と記載された１５２５［ｎｍ］から１５４２［ｎｍ］までの分布）と、グラフ右側の分布（図５において「ＰＢｒａｎｃｈ」と記載された１５４３［ｎｍ］から１５６５［ｎｍ］までの分布）と、に分けられる。ＲＢｒａｎｃｈには、０から２６までの番号が付された吸収線スペクトルピークが存在する。ＰＢｒａｎｃｈには、１から２７までの番号が付された吸収線スペクトルピークが存在する。

ＲＢｒａｎｃｈにおいて番号１８が付された吸収線スペクトルピーク（以降、「１８番目吸収線スペクトルピーク」と称する）は、今回チューニングしたい波長である１５３１．２７６［ｎｍ］のピークである。また、ＲＢｒａｎｃｈにおいて番号９が付された吸収線スペクトルピーク（以降、「９番目吸収線スペクトルピーク」）は、全体の中で最も透過率が低いピークであり、波長がおおよそ１５３６［ｎｍ］のピークである。
温度を掃引する処理（ＳＴ１１）において目標スペクトル検出装置６は、レーザ光源１が照射するレーザ光の波長を、９番目吸収線スペクトルピークの波長も１８番目吸収線スペクトルピークの波長も含む幅でスイープさせる。温度掃引できる温度（Ｔ）が０［℃］から６０［℃］と考えられると、レーザ光源１の波長の変化幅は約６［ｎｍ］である。このことから逆算すると、レーザ光源１への基準注入電流量は、レーザ光源１の温度（Ｔ）が０［℃］のときにおおよそ１５３１［ｎｍ］となるように、定められるとよい。このように基準注入電流量を定めることにより、レーザ光の波長は、レーザ光源１の温度（Ｔ）が６０［℃］のときにおおよそ１５３７［ｎｍ］となる。この温度掃引による波長がスイープされる幅は、９番目吸収線スペクトルピークよりもさらに波長が長い、１８番目吸収線スペクトルピークの波長をも含む。

波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）は、目標スペクトル検出装置６が実施する処理ステップである。波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）において目標スペクトル検出装置６は、レーザ光源１の温度掃引制御を行いつつ、同時にレーザ光源１の波長及び温度を検出する。ただし、波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）において実施されるレーザ光源１の波長の検出は、ＨＣＮガスによる吸収線スペクトルの情報に基づいたものである。
本開示技術に係る波長ロック機能を備えるライダは、図５に示されるＨＣＮガスによる吸収線スペクトルの情報を、例えば、データテーブル化して保有する。この情報を保有することにより、本開示技術に係る波長ロック機能を備えるライダは、ガスセル４を透過した光の強度（以降、「透過光強度」と称する）をモニタし、最も透過率が低いピークを９番目吸収線スペクトルピークだと判断し、そこからさらに波長が短くなる方へ９つ数えた１８番目吸収線スペクトルピークが、今回チューニングしたい波長である１５３１．２７６［ｎｍ］のピークである、と判断することができる。

温度を設定する処理（ＳＴ１３）は、目標スペクトル検出装置６が実施する処理ステップである。温度を設定する処理（ＳＴ１３）において目標スペクトル検出装置６は、レーザ光源１の温度を、波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）で求めた１８番目吸収線スペクトルピークの波長に対応する温度に設定する。なお、本明細書において、チューニングした波長を１８番目吸収線スペクトルピークの波長（１５３１．２７６［ｎｍ］）としたが、本開示技術はこれに限定されない。チューニングすべき波長は、ライダの使用目的に応じて、適宜、決められてよい。
目標スペクトル検出装置６は、レーザ光源１に対し定温制御を実施し、レーザ光源１の温度が設定温度に安定化された後に、電流制御を開始するトリガとなる「制御開始信号」を、波長制御装置７へと送る。

波長ロック制御処理（ＳＴ５５）は、波長制御装置７が実施する処理ステップである。制御開始信号を受けた波長制御装置７は、電流制御ループの電流制御を開始する。波長制御装置７は、電流制御ループの電流制御の開始と同時に、トリガとなる「変調開始信号」を、変調器３へと送る。
図７は、波長ロック回路が電流制御ループにおいて用いるフィードバック信号を説明する説明図である。変調器３によりレーザ光に位相変調がかけられると、レーザ光の中心周波数のプラス側とマイナス側とにサイドバンド波が現れる。プラス側とマイナス側とに現れるサイドバンド波は、位相が１８０度異なる。位相変調されたレーザ光とガスセル４を透過した透過光との相関を取ることにより、図７下段のグラフに示されるフィードバック信号が得られる。波長ロック制御処理（ＳＴ５５）において波長制御装置７は、このフィードバック信号に基づいて、電流制御ループの電流制御を実施する。

《目標スペクトル検出装置６による波長検出の変形例》
波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）において目標スペクトル検出装置６は、最も透過率が低いピークを９番目吸収線スペクトルピークから９つ数えるという手法で、１８番目吸収線スペクトルピークを見つける。しかし、もしガスセル４を透過するレーザ光の透過率が直接求まるのであれば、目標スペクトル検出装置６は、透過率から、直接的に、波長スイープ時において、何番目の吸収線スペクトルピークの波長に相当するかを求めてもよい。

フィードバック信号は、サイドバンド波を有するレーザ光とガスセル４を透過した透過光との相関を取ることにより得られる信号であるため、温度掃引による波長スイープ中のフィードバック信号の大きさ、例えば、図７下段のグラフに記載の「極大値」と「極小値」との差を計算することにより、吸収線スペクトルピークの大きさを推定できる。
波長及び温度の検出処理（ＳＴ１２）において目標スペクトル検出装置６は、最も透過率が低いピークを９番目吸収線スペクトルピークから９つ数えて１８番目吸収線スペクトルピークを見つける方法に代えて、フィードバック信号の大きさを根拠として吸収線スペクトルピークの大きさを推定する方法で、１８番目吸収線スペクトルピークを見つけてもよい。
フィードバック信号により波長検出を実施する場合、準備処理（ＳＴ１０）の段階においても変調器３は、レーザ光に位相変調をかけている必要がある。この変形例を採用する場合、変調器３は、常時、位相変調をかけているため、トリガとなる「変調開始信号」は不要となる。

以上のとおり実施の形態１に係るライダは上記構成を備えるため、吸収線スペクトルピークのうち誤った吸収線が選択されることにより、意図しない波長にレーザ光の波長がロックされてしまう、という状況の発生を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダは、本開示技術に係るライダの変形例である。より具体的に言えば、実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダは、本開示技術に係る本処理（ＳＴ５０）を具体化する構成態様のライダである。特に明記する場合を除き、実施の形態２では、実施の形態１で用いた符号と同じものが使用される。また実施の形態２では、実施の形態１と重複する説明が、適宜、省略される。

図３は、実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダの機能構成を示すブロック図である。図３に示されるとおり実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダは、実施の形態１で示された構成要素（図１参照）に加え、固定波長シフト装置９と、第２レーザ光源１０と、光スイッチ１１と、第２光分岐装置１２と、パルス変調器１３と、光増幅器１４と、送受信光学系１５と、受光器１６と、ＡＤ変換器１７と、信号処理装置１８と、波長制御異常判定装置１９と、波長制御リセット装置２０と、を含む。

《固定波長シフト装置９》
固定波長シフト装置９は、入力された光の波長を、あらかじめ設定された固定波長分だけ波長シフトする構成要素である。より具体的に言えば、固定波長シフト装置９は、光分岐装置２から送られたレーザ光に対し、固定波長分だけ波長シフトし、大気中の分子に吸収される波長（λ_ＯＮ）と同じ波長のレーザ光に変換する。
レーザ光源１により発振されるレーザ光の波長は、例えば、１８番目吸収線スペクトルピークの波長にチューニングされ、１５３１．２７６［ｎｍ］である。一方で、大気中の分子に吸収される波長（λ_ＯＮ）は、例えば、非特許文献１に記載された１５３１．３８１４［ｎｍ］である。この場合、固定波長シフト装置９が行う波長シフト量は、０．１０５４［ｎｍ］である。

《第２レーザ光源１０》
第２レーザ光源１０は、大気中の分子に吸収されない波長（λ_ＯＦＦ）と同じ波長のレーザ光を発振するための構成要素である。
第２レーザ光源１０により発振されるレーザ光の波長（λ_ＯＦＦ）は、例えば、非特許文献１に記載された１５３１．５５３７［ｎｍ］である。
第２レーザ光源１０により発振されるレーザ光は、光スイッチ１１へと送られる。

《光スイッチ１１》
光スイッチ１１は、入力された光スイッチ制御信号に従い、複数の光経路を切り替えて、選択的に光を出力する構成要素である。より具体的に言えば、光スイッチ１１は、経路を切り替えることにより、大気中の分子に吸収される波長（λ_ＯＮ）のレーザ光と大気中の分子に吸収されない波長（λ_ＯＦＦ）のレーザ光とのいずれか一方を選択的に出力する。
光スイッチ１１により選択的に出力されたレーザ光は、第２光分岐装置１２へと送られる。

《第２光分岐装置１２》
第２光分岐装置１２は、入力された光を、あらかじめ決められたパワー比率で分割して出力する構成要素である。より具体的に言えば、第２光分岐装置１２は、光スイッチ１１から送られたレーザ光を、あらかじめ決められたパワー比率で送信用レーザ光と参照用レーザ光とに分割して出力する。一般に、参照用レーザ光は、送信用レーザ光と比較して、パワーが小さくてよい。
送信用レーザ光は、パルス変調器１３へと送られる。参照用レーザ光は、受光器１６へと送られる。

《パルス変調器１３》
パルス変調器１３は、信号処理装置１８からのトリガ信号によるタイミングで、入力された送信用レーザ光をパルス化するとともに、送信用レーザ光の光周波数に対しあらかじめ設定された値の変調をかける構成要素である。
パルス変調器１３においてパルス化され変調をかけられたレーザ光は、光増幅器１４へと送られる。

《光増幅器１４》
光増幅器１４は、パルス変調器１３から送られたレーザ光を増幅して出力する構成要素である。
光増幅器１４で増幅されたレーザ光は、送受信光学系１５へと送られる。

《送受信光学系１５》
送受信光学系１５は、光を送信する送信光学系と、光を受信する受信光学系と、を併せ持つ構成要素である。送受信光学系１５における送信光学系は、光増幅器１４から送られたレーザ光を大気中に照射する。大気中のエアロゾルにより散乱し反射した光は、送受信光学系１５における受信光学系により受信され、受光器１６へと送られる。

《受光器１６》
受光器１６は、第２光分岐装置１２から送られる参照用レーザ光と送受信光学系１５から送られる反射光とを合波し、合波した光をアナログ電気信号に変換する構成要素である。
受光器１６で作られたアナログ電気信号は、ＡＤ変換器１７へと送られる。

《ＡＤ変換器１７》
ＡＤ変換器１７は、受光器１６から送られたアナログ電気信号を、デジタル電気信号に変換する構成要素である。ＡＤ変換器１７が行うデジタル変換のタイミング、すなわちサンプリングは、信号処理装置１８からのトリガ信号に従う。
ＡＤ変換器１７で生成されるデジタル電気信号は、しばしば、ビート信号と称される。

《信号処理装置１８》
信号処理装置１８は、様々な信号処理を行う構成要素である。信号処理装置１８は、例えば信号処理回路により構成される。信号処理装置１８が行う主な処理は、ビート信号の周波数（以降、「ビート信号周波数」と称する）及びビート信号の強度（以降、「ビート信号強度」と称する）の検出である。信号処理装置１８は、さらに、ビート信号周波数から風速を算出し、ビート信号強度から観測対象の分子量（以降、「観測対象分子量」と称する）を算出する。なお、ビート信号周波数から算出される風速は、厳密に言えば、レーザ照射方向成分の風速である。
信号処理装置１８は、パルス変調器１３へのトリガ信号、及びＡＤ変換器１７へのトリガ信号、をも生成する。
信号処理装置１８は、波長制御装置７からの合図である「安定制御信号」を受けて、動作を開始する。この「安定制御信号」は、波長制御装置７において、フィードバック信号の大きさが、或る一定期間以上、あらかじめ定められた閾値よりも小さいときに、波長制御装置７が信号処理装置１８へ送信するとよい。
また信号処理装置１８は、波長制御リセット装置２０からリセット信号を受けると、動作を停止し、状態を初期状態へと戻す。
信号処理装置１８が実施する処理の詳細は、後述の説明により明らかとなる。
信号処理装置１８で算出されたビート信号強度及び観測対象分子量は、波長制御異常判定装置１９へと送られる。

《波長制御異常判定装置１９》
波長制御異常判定装置１９は、波長制御装置７が行う波長制御が異常とならないように監視する構成要素である。別の言い方をすれば、波長制御異常判定装置１９は、波長制御装置７が行う波長制御の異常判定を行う。波長制御異常判定装置１９による異常判定は、信号処理装置１８から送られるビート信号強度及び観測対象分子量に基づいて行われる。具体的に言えば、波長制御異常判定装置１９は、ビート信号強度が強度閾値を超え、かつ、観測対象分子量が分子量閾値を下回った場合、波長制御が異常であると判定する。
波長制御異常判定装置１９は、波長制御が異常であると判定されたときに、その合図として、「波長制御異常信号」を波長制御リセット装置２０へ送信する。

《波長制御リセット装置２０》
波長制御リセット装置２０は、波長制御異常判定装置１９から波長制御異常信号が送信されたときに、目標スペクトル検出装置６、波長制御装置７、及び信号処理装置１８をリセットして初期状態に戻す構成要素である。波長制御リセット装置２０は、目標スペクトル検出装置６、波長制御装置７、及び信号処理装置１８をリセットするために、各装置へリセット信号を送信するように構成されていてもよい。

《実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダの処理内容》
図４は、実施の形態２に係る波長ロック機能を備えるライダが実施する本処理（ＳＴ５０）の詳細ステップを示すフローチャートである。図４に示されるとおり本処理（ＳＴ５０）は、安定判別処理（ＳＴ５１）と、観測プロセス（ＳＴ５２）と、異常判定処理（ＳＴ５３）と、波長ロック制御処理（ＳＴ５５）と、を含む。

安定判別処理（ＳＴ５１）は、波長制御装置７が実施する処理ステップである。安定判別処理（ＳＴ５１）において波長制御装置７は、フィードバック信号の大きさが、或る一定期間以上、あらかじめ定められた閾値よりも小さいか否かを判別する。フィードバック信号の大きさが、或る一定期間以上、あらかじめ定められた閾値よりも小さい場合、波長制御装置７は、合図として、「安定制御信号」を信号処理装置１８へ送信する。

観測プロセス（ＳＴ５２）は、信号処理装置１８が実施する処理ステップである。観測プロセス（ＳＴ５２）において信号処理装置１８は、ビート信号周波数及びビート信号強度を検出である。信号処理装置１８は、さらに、ビート信号周波数から風速を算出し、ビート信号強度から観測対象分子量を算出する。観測プロセス（ＳＴ５２）において信号処理装置１８は、パルス変調器１３へのトリガ信号、及びＡＤ変換器１７へのトリガ信号、をも生成する。

異常判定処理（ＳＴ５３）は、波長制御異常判定装置１９が実施する処理ステップである。異常判定処理（ＳＴ５３）において波長制御異常判定装置１９は、ビート信号強度が強度閾値を超え、かつ、観測対象分子量が分子量閾値を下回った場合、波長制御が異常であると判定する。

以上のとおり実施の形態２に係るライダは上記構成を備えるため、実施の形態１に記載された効果を発揮しつつ、大気中の水蒸気密度と風速とを同時に計測することができる。

本開示技術は、大気中の水蒸気密度と風速とを同時に計測する計測装置に応用できるため、産業上の利用可能性を有する。

１レーザ光源、２光分岐装置、３変調器、４ガスセル、５光検出器、６目標スペクトル検出装置、７波長制御装置、９固定波長シフト装置、１０第２レーザ光源、１１光スイッチ、１２第２光分岐装置、１３パルス変調器、１４光増幅器、１５送受信光学系、１６受光器、１７ＡＤ変換器、１８信号処理装置、１９波長制御異常判定装置、２０波長制御リセット装置。

Claims

レーザ光を発振するレーザ光源と、
前記レーザ光を２系統に分岐する光分岐装置と、
前記光分岐装置から送られる前記レーザ光に位相変調を行う変調器と、
ガスセルと、
前記ガスセルを透過した透過レーザ光を検出し、電気信号に変換する光検出器と、
電流制御ループにより前記レーザ光源の波長を制御する波長制御装置と、
を備え、
前記レーザ光源は、温度制御が可能であり、
前記レーザ光源の温度掃引制御及び定温制御を行う目標スペクトル検出装置をさらに備え、
前記目標スペクトル検出装置は、前記温度掃引制御において、温度を掃引し、最も透過率が低いスペクトルピークの波長を判断し、波長が短くなる側でありかつチューニングしたいスペクトルピークの波長を判断し、チューニングしたいスペクトルピークの波長に対応する温度を設定し、その後、前記定温制御を行う、
ライダ。
温度制御が可能なレーザ光源を備えるライダであって、
前記レーザ光源の温度掃引制御及び定温制御を行う目標スペクトル検出装置を備え、
前記目標スペクトル検出装置が、前記温度掃引制御を行い、その後、前記定温制御を行う結果として、
前記レーザ光源の温度が、０［℃］から６０［℃］まで、６～６０［℃／ｍｉｎ］の速さで一旦上昇し、その後、６０［℃］から０［℃］に向けて６～６０［℃／ｍｉｎ］の速さで下降し、
レーザ光がガスセルを透過する際の透過率が最も低いピークに対応する温度から、チューニングしたいスペクトルピークの波長に対応する温度まで下降し、その後、一定の温度となる、
ライダ。
ビート信号周波数から風速を算出し、ビート信号強度から観測対象分子量を算出する信号処理装置をさらに備える、
請求項１又は２に記載のライダ。