JP7479455B2 - 風況計測のためのｌｉｄａｒシステム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本明細書は、風況計測を実行するように適合されたＬＩＤＡＲシステムに関する。本明細書はまた、かかるシステムを用いる測定プロセスに関する。

［従来技術］
ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ（光検出および測距））システムはよく知られており、多くの用途において用いられるが、特に、風況計測を実行するために用いられる。風速計測に関して、レーザービームは、空気中に浮遊し気流により運ばれるエアロゾルまたは固体粒子等の粒子により、後方散乱させられる。このとき、レーザービームに対して平行な風速の成分は、ドップラー効果による振動数の偏移から導出される。しかしながら、複数の理由によって、風速計測に用いられる既存のＬＩＤＡＲシステムの性能が制限される。これらの理由の中で、最大の制約のうちの１つは、ＣＮＲスペクトル比（CNR spectral ratio）が小さな値をとることである。ＣＮＲスペクトル比は、スペクトルの「キャリア対ノイズ比（carrier to noise ratio）」を意味し、ＣＮＲ＿ｓｐ比と書かれる。ＣＮＲスペクトル比は、後方散乱させられた信号のスペクトルの最大振幅の、スペクトルノイズに対する比である。ここで、このスペクトルノイズは、後方散乱させられた信号を除いたスペクトル振幅の標準偏差として評価される。ドップラー偏移の信頼度の高い測定を可能にし、これに伴う風速の信頼度の高い測定を可能にするためには、このＣＮＲ＿ｓｐ比は、３よりも大きいことが好ましい。空気中の高所において実行される測定、特に航空機から実行される測定、より具体的には、２ｋｍまたは３ｋｍ（キロメートル）を超える高度で実行される測定において、かかる高度に存在する後方散乱させる粒子の濃度が低いため、ＣＮＲ＿ｓｐ比の値についての上記の制約は、特に厳しいものとなる。

風況計測に使用される第１のタイプのＬＩＤＡＲシステムは、レーザーダイオード等の継続的（continuous）レーザー源に基づくものである。この場合、測定に関与する空気の部分は、放出された収束ビーム形状のレーザービームによって選択される。ここで、レーザービームは、ガウシアンビーム構造を示しながら、集束ゾーン内へと収束し、その後、発散する。集束ゾーンは、レーザービームの中心伝播方向に対して平行に測定される長さであって、レイリー長の２倍、すなわち２・λ／（π・θ^２）に等しい長さと、「ウエスト（waist）」と称される、λ／（π・θ）に等しい最小の半径と、を有する。ここで、λは、レーザービームの波長である。また、θは、集束ゾーンを越えてレーザー放出源の反対側にあるレーザービームの発散半角であり、ラジアンで表される。通常、発散半角θは、レーザービームが集束ゾーンを越えて２ｋｍのところに存在するときの、当該レーザービームの角度方向の拡がり（拡がりの角度）の半分である。これらの条件のもとでは、後方散乱させられたレーザービームの部分は、主に集束ゾーンに由来するため、ＬＩＤＡＲ測定の結果は、集束ゾーン内に存在する風速に関するものである。しかし、レーザービームの発散による集束ゾーンの選択の原理は、この集束ゾーンのサイズと、この集束ゾーンとＬＩＤＡＲシステムとの間の離隔距離との相関を定める。実際、ＬＩＤＡＲシステムの出射瞳が０．１０ｍ（メートル）の半径を有するとき、ＬＩＤＡＲシステムに対する集束ゾーンのこの離隔距離は、数百メートルであり得る。例えば、集束ゾーンの長さが約５０ｍである場合、これは３００ｍである。

さらに、公知の手法において、上記のような継続的放射を用いるＬＩＤＡＲシステムによる検出信号処理は、当該検出信号を、連続する（successive）別々の時間窓に分割することにより進行する。例えばここで、各時間窓の長さは、１μｓ（マイクロ秒）に等しい長さであり得る。各時間分割窓について得られるＣＮＲ＿ｓｐ比の値を改善するために、連続するＮ個の時間窓（Ｎは正の整数）について別々に得られるスペクトル振幅値が平均値へと組み合わせられ、測定結果が構成される。だが、互いにインコヒーレントな検出信号から測定結果を得るために複数の検出値がこのように加えられるとすると、測定結果に関連するＣＮＲ＿ｓｐ比は、各検出値に関連するＣＮＲ＿ｓｐ比の値と比較して、係数Ｎ^１／２だけ増加する。例えば、このように組み合わせられた１００個の検出値について、ＣＮＲ＿ｓｐ比は係数１０だけ改善する。しかしながら、かかる改善は、１つの検出値のＣＮＲ＿ｓｐ比が特に小さい風況計測条件にとって、不十分であり得る。例えば、空気中に浮遊する粒子によるレーザービームの後方散乱係数が非常に小さい、２ｋｍから３ｋｍを超える高度では、かかる改善は不十分であり得る。あるいは、数Ｎについて非常に大きな値を用いるには、非常に長い有効測定時間が必要となるが、いくつかの用途、例えば航空機からリアルタイムの風況計測を行う等の用途には、これは非適合的であり得る。

第２のタイプのＬＩＤＡＲシステムでは、レーザー放出源は、パルス源であり、複数のパルスとして空気中に放出される放射は、平行ビーム構造を有する。各レーザー放出パルスの長さは、例えば、０．１５μｓ～１μｓであり得る。このとき、各測定に関与する空気の部分は、直径が平行レーザービームの直径である円柱であって、複数のレーザーパルスの伝播方向に沿った長さが後方散乱させられた各放射パルスに関する検出時間窓にＣ／２を乗じた長さに対応する円柱である。ここで、Ｃは空気中の放射の伝播速さである。同時に、測定に関与する空気の部分とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離は、パルスの放出と対応する検出時間窓との間の制御された遅延により、決定される。各レーザーパルスの長さが短い場合、例えば、０．１５μｓのオーダーの長さである場合、空間分解は精細である。しかし、ＣＮＲ＿ｓｐ比の値は低く、スペクトルの広がり（spectral broadening）により、複数のレーザーパルスの伝播方向に対して平行な風速度成分の測定結果に不確かさが生じる。他方、レーザー放射の各パルスが長すぎる場合、例えば、１μｓのオーダーの長さである場合、ＣＮＲ＿ｓｐ比は増大し、スペクトルの広がりは減少するが、しかし、空間分解は劣化する。したがって、これにより、空間分解能と、ＣＮＲ＿ｓｐ比の値と、測定される風速値の精度との間に、制約となるトレードオフが生じる。

第２のタイプのＬＩＤＡＲシステムについては、ＣＮＲ＿ｓｐ比はまた、別々のＮ個の基本的測定結果（要素となる測定結果：elementary measurements）を平均することによって増大し得る。ここで、各基本的測定結果は、別個のレーザーパルスから、そしてこのレーザーパルスに対応する後方散乱させられた放射の検出から、得られる。しかし、このように組み合わせられた基本的測定結果は互いに独立した信号に由来するので、平均結果のＣＮＲ＿ｓｐ比は、やはり係数Ｎ^１／２だけ増加するのみである。

風況計測のためのＬＩＤＡＲシステムの性能の他の制限は、使用されるＬＩＤＡＲシステムの性質（測定時間、システムの重量および体積、小さな風速値に対する感度等）に依存し得る。

［技術的課題］
このような状況を踏まえたとき、本発明の１つの目的は、良好な空間分解能を保持しつつ、従来のシステムのＣＮＲ＿ｓｐ比の値よりも良好なＣＮＲ＿ｓｐ比の値を示す風況計測の実行を可能にすることである。

本発明のさらなる目的は、測定結果を構成する風速値において良好な精度をさらに有する、かかる測定を可能にすることである。

本発明のさらに別の目的は、測定時間の長すぎない測定を実行することを可能にすることである。

最後に、本発明のさらに別の目的は、低重量かつ低体積で、好ましくは低コストのＬＩＤＡＲシステムであって、小さな風速値に対して良好な感度を有するＬＩＤＡＲシステムを求めることである。

［発明の概要］
これらの目的のうちの少なくとも１つの目的、またはその他の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、風況計測を実行するように適合された新規のＬＩＤＡＲシステムであって、
－レーザービームがレーザー放出源の出射瞳において収束し、前記レーザービームの集束ゾーンの長さの中央において最小であるビーム横断面を有するように、前記ＬＩＤＡＲシステムの外部の空気の部分に向かって前記レーザービームを生成することができるレーザー放出源であって、この集束ゾーンは、２・λ／（π・θ^２）に等しい長さを有し、当該長さは、前記レーザービームの中心伝播方向に対して平行に測定されたものであり、λは、前記レーザービームの波長であり、θは、前記集束ゾーンを越えて前記レーザー放出源の反対側にある前記レーザービームの発散半角であり、ラジアンで表され、λ／（π・θ^２）は、レイリー長と称される、レーザー放出源；
－前記集束ゾーン内に含まれる粒子により後方散乱させられた前記レーザービームの部分を受け取るように構成されている、ヘテロダイン検出アセンブリ；および、
－前記ヘテロダイン検出アセンブリにより生成されるうなり信号から前記粒子についての速さの値を導出するように適合されている、ドップラー計算モジュール、
を備える、ＬＩＤＡＲシステムを提案する。

換言すれば、本発明のＬＩＤＡＲシステムは、上述したような継続的放出レーザービーム源に基づくタイプに類似する。特に、風況計測の対象となる空気の部分は、レーザー放出源の出射瞳におけるレーザービームの収束構造によって決定される集束ゾーンである。

レーザービームの発散半角θは、当該ビームの強度が当該ビームの最大強度値の１／ｅ^２倍に等しい点が存在する角度である。この点は、レーザービームの中心伝播方向に対して垂直な特徴付け平面（characterization plane）であって、くびれ平面から当該レーザービームの伝播方向に沿って２ｋｍ下流に位置する特徴付け平面内にある。当該くびれ平面において、レーザービームは、最小の横断面サイズを有する。さらに、半角θは、中心伝播方向に対して測定され、ここで、この中心伝播方向と当該くびれ平面との交点に、その頂点がある。

レーザービームの部分を後方散乱させる粒子は、任意の種類であってもよいが、特に、塵、微粒子、氷の微小結晶、小さな水滴等の、空気中に浮遊する固体粒子またはエアロゾルであってもよい。

本発明によれば、前記ＬＩＤＡＲシステムは、
－前記レーザービームを連続する（successive）レーザーパルスの形態にするように適合され、かつ、複数の前記レーザーパルスが前記集束ゾーンを、各レーザーパルスの部分が前記粒子によって後方散乱させられつつ、通過するように、前記レーザー放出源と組み合わせられた前記レーザービームの時間的制御装置を備える。この時間的制御装置は、前記レイリー長を前記空気中の複数の前記レーザーパルスの伝播速さで割ったものの２倍以上であり、かつ２０μｓ未満（好ましくは、１０μｓ未満）である個々の長さを各レーザーパルスが有するように、さらに適合されている。

レーザーパルスの個々の長さは、レーザービームのパワーがそのレーザーパルスの間に達する最大パワー値の半分に等しいレベルを上昇して通る第１の瞬間と、レーザービームのパワーが最大パワー値の半分に等しいレベルを下降して通る第２の瞬間と、の間の時間である。換言すれば、レーザーパルスの個々の長さは、長さおよび瞬間的な放射パワーの観点から、高さの中央におけるその幅であると定義される。

レーザービームの時間的制御装置を使用することにより、各レーザービームパルスの長さは、継続的放出ＬＩＤＡＲシステムと同様に、ヘテロダイン検出アセンブリが集束ゾーン全体から後方散乱させられた放射を受け取るように調整される。これに関して、ドップラー効果によって影響される検出信号の強度が最大化され得る。

さらに、レーザービームの時間的制御装置は、複数の連続するレーザーパルスを決定するが、当該レーザービームの時間的制御装置は、空気のコヒーレンス時間よりも大きな時間オフセットで生成され得るだろう後方散乱への寄与を排除することを可能にする。かかる空気のコヒーレンス時間は、特に、局所的な空気の運動によって生じる。

さらにまた、２０μｓという最大値により、複数の連続するレーザーパルスを決定するレーザービームの時間的制御装置は、集束ゾーンのバックグラウンドに位置する雲によって生成され得るだろう後方散乱への寄与を排除することを可能にする。そこでは、後方散乱させる粒子は、集束ゾーンと比較して、はるかに高い濃度を有するであろう。これに関して、パルスレーザービームを使用することにより、検出信号が集束ゾーンに由来することを確実にすることが可能になる。

最後に、複数のレーザーパルスを使用することにより、継続的レーザー放射に関して利用可能なパワー値よりも大きい各パルス内の放射パワー値を利用することが可能になる。したがって、ＣＮＲ＿ｓｐ比は、後方散乱させられヘテロダイン検出アセンブリにより収集される放射の強度に比例するが、当該ＣＮＲ＿ｓｐ比は、より大きな値を有し得る。この理由から、本発明のＬＩＤＡＲシステムは、空気の後方散乱係数が低いかまたは非常に低い条件のもとで使用され得る。特に、高度２キロメートル以上の航空機から使用され得る。

同じ理由から、本発明によるＬＩＤＡＲシステムは、複数の別々のレーザーパルスから得られた複数の測定結果を平均することを任意選択とするか、または、少数のパルスに対してかかる平均操作を実施することを可能にする。その結果、最終的な測定結果を得るのに必要な時間が特に短くなり得る。

さらに、本発明のＬＩＤＡＲシステムには、測定された風速値の空間分解能と精度との間のトレードオフが伴わない。これは、空間選択性が複数のパルスの長さの結果であるパルスＬＩＤＡＲシステムとは対照的である。

好ましくは、前記レーザービームの前記時間的制御装置は、前記レイリー長（ｌ_Ｒ）を前記空気中の複数の前記レーザーパルスの前記伝播速さで割ったものの３倍に等しい個々の長さを各レーザーパルスが有するように適合されてもよい。

特に、前記レーザービームの前記時間的制御装置は、各レーザーパルスの前記個々の長さが０．２μｓ～５μｓ、好ましくは０．５μｓ～１．２μｓであるように、適合されてもよい。かかるレーザーパルス長は、実際、空気のコヒーレンス時間が実質的に１μｓに等しいときに適している。

本発明の特定の実施形態では、以下の追加的な特徴のうちの少なくとも１つの特徴が、任意選択的に、単独でまたはそれらの複数の組合せにおいて、再現され得る：
－前記レーザービームの前記時間的制御装置は、音響－光学変調器、電気－光学変調器、半導体光増幅器、前記レーザー放出源のための照明および消衰システム、およびレーザー増幅キャビティのための固有モード選択システムの中から選択された少なくとも１つのコンポーネントを含んでもよい。しかしながら、例えば光学的、電子的または電気－光学切換システム等の、前記レーザービームの他の任意の時間的制御装置が、代替的に使用されてもよい；
－前記レーザービームの前記時間的制御装置は、前記レーザー放出源に組み込まれてもよいか、または、前記レーザー放出源の制御入力に作用するように構成されてもよいか、または、前記レーザー放出源によって前記レーザービームが生成された後にこのレーザービームの少なくとも１つの時間分布特性を変更するために、放射の伝播方向に対して前記レーザー放出源から下流に配置されてもよい；
－前記レーザー放出源は、継続的放出タイプのものであってもよく、前記レーザービームの前記時間的制御装置は、このレーザービームを複数の連続するレーザーパルスに分割するように適合されてもよい。あるいは、前記レーザー放出源は、複数の連続するレーザーパルスの形態で放出するタイプのものであってもよく、前記レーザービームの前記時間的制御装置は、各レーザーパルスの長さを変更するように、特に各レーザーパルスの長さを増大するように、適合されてもよい。レーザー放出源のタイプと、想定される源によって放出される前記レーザービームの時間的制御装置のタイプとの他の組み合わせが、代替的に使用されてもよい；
－当該システムは、前記集束ゾーン内に含まれる前記粒子の前記ＬＩＤＡＲシステムに対するゼロである速さが前記ヘテロダイン検出アセンブリにより生成される前記うなり信号のゼロでない振動数に対応するように、各レーザーパルスと、前記ヘテロダイン検出アセンブリによって使用される基準レーザー信号との間に振動数オフセットを適用するようさらに適合されてもよい。かかる改良は、低速である風速を測定するために特に有利である。例えば、かかる改良は、風力タービンの運転の最適化等の地上における応用、または、静止飛行の状態またはほぼ静止飛行の状態に留まることができる航空機から実行される測定のために、特に有利である；
－前記レーザー放出源は、光ファイバータイプのものであり、かつ、１００Ｗ（ワット）～５・１０^５Ｗの平均パワー、好ましくは２００Ｗ～２０００Ｗの平均パワーを各レーザーパルスが有するように適合されてもよい。かかる光ファイバーレーザー放出源は、低重量かつ低体積であり、その結果、前記ＬＩＤＡＲシステムは、航空機に容易に搭載することができる；
－前記レーザー放出源の前記波長は、空気の透明スペクトル領域内である１．５μｍ～１．７μｍであってもよく、場合によってはさらに、前記ＬＩＤＡＲシステムにおいて使用される光ファイバーの透明スペクトル領域内であってもよい。かかる波長は、眼の危険を制限するという利点を有する；
－前記レーザービームの前記時間的制御装置は、２つの連続するレーザーパルスが３μｓ～５００μｓの持続時間、好ましくは１００μｓ未満の持続時間だけ隔たるように適合されてもよい。その結果、より大きなレーザーパルスパワー値を得ることが可能である；
－前記ＬＩＤＡＲシステムは、前記粒子の速度の３つの座標についてのそれぞれの値を得るように、中心方向の周りに分布する複数の測定方向であって、前記中心方向に対する各測定方向についての角度が３０°未満である複数の測定方向に沿って、複数のレーザーパルスを同時に放出するように適合されてもよい。その結果、３つの直交空間座標に沿って、すなわち３次元において、風の速度成分を同時に特徴付ける（特性評価する）ことが可能となる；
－前記レーザー放出源は、このレーザー放出源の前記出射瞳と前記集束ゾーンの中心点との間に存在する測定距離を、例えば２００ｍ～１０００ｍにおいて、変化させるように適合された可変集束装置を含んでもよい。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様によるＬＩＤＡＲシステムを備える航空機を提案する。このＬＩＤＡＲシステムは、前記航空機の飛行中に風況計測を実行するためにこの航空機に搭載されている。前記航空機は特に、飛行機、ヘリコプター、ドローンであってもよい。いかなるタイプのドローンであってもよいが、特に、固定支持翼を有するドローン、またはマルチコプタータイプのドローンであり得る。

最後に、本発明の第３の態様は、
－風速の測定対象となる空気の部分内に前記集束ゾーンが含まれるように、本発明の第１の態様に従うＬＩＤＡＲシステムを構成する工程；
－前記レイリー長を前記空気中の複数の前記レーザーパルスの前記伝播速さで割ったものの２倍以上であり、かつ２０μｓ未満（好ましくは、１０μｓ未満）である個々のレーザーパルス長を採用する工程；および、
‐前記集束ゾーン内に含まれる粒子についての速さの値を得るために前記ＬＩＤＡＲシステムを作動させる工程、
を含む、風況計測プロセスに関する。

好ましくは、前記レーザービームの時間的制御装置は、各レーザーパルスの前記個々の長さが前記集束ゾーンにおいて有効な前記空気のコヒーレンス時間の０．２倍～５倍、好ましくは０．５倍～１．２倍であるように調整されてもよい。

［図面の簡単な説明］
本発明の特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ非限定的な実施形態の例を以下に詳細に説明することで、より明らかとなるだろう。

図１は、本発明に従うＬＩＤＡＲシステムのブロック図である。

図２は、図１のＬＩＤＡＲシステムにより生成されるようなレーザービームのさまざまな幾何学的パラメータを示す。

図３は、図１のＬＩＤＡＲシステムについての可能なレーザー放出を、従来技術において知られるＬＩＤＡＲシステムのレーザー放出と比較する時間図である。

図４は、図１のＬＩＤＡＲシステムの可能な一応用を示す。

図５は、３次元風況計測を実行するための、本発明の一改良を示す。

［発明の詳細な説明］
明瞭さの理由から、これらの図面に示された要素の寸法は、実際の寸法および実際の寸法比のいずれにも対応するものではない。さらに、これらの要素のうちのいくつかは、単に象徴（記号）としてのみ示されている。異なる図面に示された同一の参照符号は、同一の要素か、または、同一の機能を有する要素を指す。

図１に示される本発明によるＬＩＤＡＲシステムは、継続的放出ＬＩＤＡＲシステムから構成されてもよい。それは、レーザー放出源１０と、ヘテロダイン検出システム２０と、ドップラー計算モジュール３０と、を備える。

レーザー放出源１０は、初期レーザー源１１（参照符号はＳＯＵＲＣＥ）と、光増幅器１３（参照符号はＡＯ）と、出口光学素子１４と、を含み得る。レーザー放出源１０は、出口光学素子１４の後ろの空間エリア内に収束ビーム構造を有するレーザービームＦを生成するように設計されている。光軸Ａ－Ａを有するビームＦは、出口光学素子１４と集束ゾーン（参照符号はＺＦ）との間で減少する横断面であって、次いでこの集束ゾーンＺＦを越えて発散ビームの形態において増大する横断面を有する。公知の手法において、集束ゾーンＺＦは、軸Ａ－Ａ、半径ｗ_０＝λ／（π・θ）（一般に「ウエスト（waist）」と称される）、および長さ２・ｌ_Ｒ（ｌ_Ｒはレイリー長であり、λ／（π・θ^２）に等しい）（ここで、θは、集束ゾーンを越えたレーザービームＦの発散半角であり、ラジアンで表される）を有する円柱になぞらえられる。典型的には、出口光学素子１４と集束ゾーンＺＦとの間の距離は、数百メートルの距離から１キロメートルを超える距離であり得る。また、レイリー長は、数メートルから２００ｍであり得、半径ｗ_０は１ｃｍのオーダーであり得る。レーザー放出源１０の波長は、例えば、１．５５μｍのオーダーであり得る。一般に、レーザービームＦの発散半角θは、集束ゾーンＺＦからビームの伝播方向に下流へ、集束ゾーンＺＦの中心Ｏから２ｋｍに等しい距離Ｄにおいて評価され得る。より正確には、θは、ビームＦの横断平面Ｐの点Ｍを含む、頂点Ｏの円錐の頂点半角である。ここで、横断平面Ｐは、中心Ｏから距離Ｄに位置し、出口光学素子１４とは反対側にある。また、点Ｍにおいて、レーザー放射の強度は、平面Ｐと軸Ａ－Ａとの交点Ｚにおけるその強度の値に対して、係数１／ｅ^２だけ減少する。ｅは、自然対数の底である。図２は、源１０によって生成されたレーザービームＦの、これらのパラメータを示す図である。光軸Ａ－Ａは、ビームＦの中心伝播方向を構成する。出口光学素子１４は、特に収束レンズから構成され得、レーザー放出源１０の出射瞳の寸法を決定し得る。例えば、この出射瞳は、約０．０７ｍの半径を有し得る。

ヘテロダイン検出アセンブリ２０は、光検出器２２（参照符号はＰＤ）と、光結合器（光学的結合器）１５、１６および２１（参照符号はＣＯ）と、四分の一波長板１７（参照符号はλ／４）と、を含み得る。これらは、レーザービームＦの後方散乱させられる部分を、初期レーザー源１１により生成されるようなレーザービームの部分Ｆ_ＲＥＦと組み合わせるように構成される。初期レーザー源１１により生成されたレーザービームのこの部分Ｆ_ＲＥＦは、本明細書の概略部分に示されるように、基準レーザー信号として働く。公知の方法において、このようにして検出されるレーザービームＦの後方散乱された部分は、本質的に集束ゾーンＺＦに由来し、このゾーン内に位置する後方散乱させる粒子によって生みだされる。

最後に、ドップラー計算モジュール３０は、コンピュータユニット（参照符号はＰＣ）から構成され得る。これは、光検出器２２によって送られる信号を処理するための適切なプログラムをホストする。それは、集束ゾーンＺＦ内にある後方散乱させる粒子の速度成分の評価を出力する。この成分（参照符号はＶ_Ａ－Ａ）は、軸Ａ－Ａに対して平行である。

かかるＬＩＤＡＲシステムの動作は、当業者には非常によく知られているため、ここでそれを繰り返す必要はない。同様に、風速計測のためのこのＬＩＤＡＲシステムの使用もまた、知られている。この場合、レーザー放出源１０は、風速を特徴付けようとする空気の部分内に集束ゾーンＺＦがあるように向き付けられる。また、レーザービームＦを後方散乱させる粒子は、集束ゾーンＺＦ内の空気中に浮遊する、塵、微小結晶またはエアロゾル小滴である。

本発明によれば、レーザービームＦの時間的制御装置４０が、レーザービームＦを複数の連続するレーザーパルスに分割するために、先に説明したＬＩＤＡＲシステムに追加される。レーザービームＦの時間的制御装置４０は、例えば、レーザー放出源１０内において、初期レーザー源１１と光増幅器１３との間に追加される。例えば、装置４０は、その適当な指令ユニットを有する音響－光学変調器（参照符号はＭＡＯ）から構成されてもよい。あるいは、レーザービームＦの時間的制御装置４０は、電気－光学変調器、半導体光増幅器（semiconductor optical amplifier）（一般に、ＳＯＡ等で示される）、または、レーザー放出源１０のための照明および消衰システム（lighting and extinction system）に基づくものであってよい。代替実施形態では、時間的制御装置４０は、レーザー放出源１０内に組み込まれていてもよい。例えば、レーザー放出源１０は、多モードレーザー増幅キャビティを備えてもよい。当該多モードレーザー増幅キャビティに対して、１つの固有モードが励起源により選択され、当該励起源により、初期放射がこのレーザー増幅キャビティ内に注入されてもよい。かかる場合において、励起源それ自体は、調整可能なパルスレーザー源であってもよい。この場合、レーザー増幅キャビティから生じるレーザービームＦは、励起源の複数のパルスに一対一に対応する、複数の連続するパルスから構成される。

一般に、本発明によるＬＩＤＡＲシステムにおいて、装置４０により制御される複数のレーザーパルスは、２０μｓ未満の個々の長さを有する。集束ゾーンＺＦのバックグラウンドにおけるＡ－Ａ軸上に位置し得るだろう例えば雲等の空気の部分が、集束ゾーンＺＦからの信号との重ね合わせにおいて検出信号に寄与しないことが、かかる最大値によって保証される。それは、そこから遠い距離にあって大きな後方散乱パワーを有し得るだろうものである。

本発明の文脈では、レーザーパルスの長さは、パルスが開始する瞬間と、パルスが終了する瞬間と、を隔てる持続時間として定義される。当該パルスが開始する瞬間は、その最大瞬間パワー値に対して、瞬間パワー値が当該最大瞬間パワー値の半分よりも上に上昇する瞬間である。また、当該パルスが終了する瞬間は、瞬間パワー値が当該最大瞬間パワー値の半分よりも下に下降する瞬間である。

さらに、本発明によると、装置４０によって制御される複数のレーザーパルスは、レイリー長ｌ_Ｒを空気中の複数のレーザーパルスの伝播速さで割ったものの２倍以上の個々の長さを有する。風速計測が実行される空気の部分についての空間選択性は、継続的放出ＬＩＤＡＲシステムについて上述したのと同様に、集束ゾーンＺＦによって決定される。したがって、レイリー長が５０ｍに等しいとき、個々のレーザーパルス長は、０．３３μｓよりも長い必要がある。例えば、各レーザーパルスの個々の長さは、レイリー長ｌ_Ｒを空気中の複数のレーザーパルスの伝播速さで割ったものの３倍に等しい長さであり得る。すなわち、ｌ_Ｒ＝５０ｍの場合、これは１μｓに等しい。

同時に、風速を測定することを目的とするかかるＬＩＤＡＲシステムの最適化された使用のために、集束ゾーンＺＦにおける空気の有効コヒーレンス時間（effective coherence time）の０．２倍～５倍、好ましくは０．５倍～１．２倍であるように、各パルスの長さがさらに選択されてもよい。かかるコヒーレンス時間は特に、レーザー放射の後方散乱を生じる粒子の運動に依存する。空気のこのコヒーレンス時間が実質的に１μｓに等しい場合、各レーザーパルスの個々の長さは、好ましくは０．２μｓ～５μｓから選択され、より好ましくは、０．５μｓ～１．２μｓから選択される。

かかるパルス放出動作では、各矩形形状パルスの内において、１００Ｗ～５・１０^５Ｗである瞬間レーザービームパワー値が使用されてもよい。例えば、５００Ｗに等しい瞬間レーザービームパワー値が使用されてもよい。想定する用途に利用可能かまたは適合性のある光増幅コンポーネントを考慮すると、継続的レーザー放射の場合、かかる値はアクセス不可能である。

図３の図は、先に説明した本発明に従う風速計測のためのＬＩＤＡＲシステムのパルスレーザー放出を、従来技術において知られる他の２つのシステムと比較するものである。横軸は、時刻ｔを示し、縦軸は、瞬間放出パワー値Ｐ_{ｉｎｓｔａｎｔ}を示す。複数のパルスＩＮＶは、本発明のシステムの場合の空気中への可能なレーザー放出に対応する：複数のパルスＩＮＶは、１μｓに等しい個々の長さと、５００Ｗに等しい瞬間パワーと、を有する複数の連続する矩形パルスから構成される。７１．４μｓごとに別のパルスがある。かかる放出動作は、約７Ｗの平均継続的パワーに対応する。本発明によるかかるＬＩＤＡＲシステムは、出口光学素子１４から３００ｍにおいて集束し、この出口光学素子における半径が５ｃｍであるレーザービームＦを有する。レーザービームＦの集束ゾーン内の空気の後方散乱係数βが２・１０^－１０ｓｔｒ^－１・ｍ^－１（ｓｔｒは、ステラジアン）に等しい場合、本発明によるかかるＬＩＤＡＲシステムにより得られるＣＮＲ＿ｓｐ比の結果の値は８．６である。これらの条件は、レイリー長ｌ_Ｒの２倍に等しい、約４０ｍの空間分解能に対応する。また、ＣＮＲ＿ｓｐ比の８．６という値は、０．１ｓにわたる信号の積分によって得られる。すなわち、この値は、Ｎ＝１４００の複数の連続するパルスを組み合わせることによって得られる。

図３の線ＡＡ１は、１４Ｗのパワーを有する継続的放出ＬＩＤＡＲシステムに対応する。本発明によるシステム（複数のパルスＩＮＶ）のＣＮＲ比と同等のＣＮＲ比の値を得るためには、Ｎ＝１，７６４，０００の複数の連続する分割時間窓について実行される測定が組み合わせられる必要がある。各個々の測定に関連するＣＮＲ＿ｓｐ比の値と比較して、これは、測定数Ｎの平方根に比例するＣＮＲ＿ｓｐ比の増加に対応する。各分割時間窓が１μｓという個々の持続時間を有する場合、ＣＮＲ＿ｓｐ＝８．６に対応する１つの測定サイクルの持続時間は、１．７６４ｓである。換言すれば、等しい持続時間の測定サイクルの場合、本発明のシステムは、継続的放出のＬＩＤＡＲシステムと比較して、ＣＮＲ＿ｓｐ比を、実質的に４．２に等しい乗算係数だけ増加させることを可能にする。

図３の複数のパルスＡＡ２は、パルスＬＩＤＡＲシステムに対応する。その放出は、０．１７μｓに等しい個々の長さと、５００Ｗに等しい瞬間パワーと、を有する複数の連続する矩形パルスから構成される。１２．２μｓごとに別のパルスがある。かかる放出動作は、７Ｗの平均継続的パワーおよび４０ｍの空間分解能に対応する。すなわち、複数のパルスＩＮＶを有する本発明のＬＩＤＡＲシステムのものと同じ継続的平均パワーおよび空間分解能値に対応する。考慮されたパルスＬＩＤＡＲシステムの場合、出口光学素子におけるレーザービームの半径は、４．１ｃｍである。本発明のこのシステムと同じＣＮＲ＿ｓｐ比の値を得るためには、Ｎ＝５２４，８００の複数の連続するＡＡ２パルスに対して別々に実行される測定が組み合わせられる必要がある。これは、測定数Ｎの平方根に比例するＣＮＲ＿ｓｐ比の増加に対応する。かかるパルスＬＩＤＡＲシステムについてのＣＮＲ＿ｓｐ＝８．６に対応する測定サイクルの持続時間は、６．４ｓ（秒）である。さらに、複数の短パルスを使用するという事実が測定スペクトルを広げる。これにより、測定速さ値の精度が低下する。本発明のＬＩＤＡＲシステムの精度と同等の速さ値の精度を保つためには、Ｎ＝２０，５００，０００の複数の連続するＡＡ２パルスに対して別々に実行される測定が組み合わせられる必要があるだろう。これは、２５０ｓの測定持続時間に対応している。

したがって、本発明により、ＣＮＲ＿ｓｐ比の等しい値において、従来のシステムと比較して測定の有効持続時間を低減することが可能となる。

本発明に従う、特に風速を測定するように適合されたＬＩＤＡＲシステムは、多くの応用（用途）において使用され得る。限定するものではないが、それら多くの応用のうちには、以下のものがある：
－航空機に搭載する応用。この場合、ＬＩＤＡＲシステムの体積および重量の低減により、著しい利点が構成される。レーザー放出システム１０、ヘテロダイン検出アセンブリ２０および時間的制御装置４０は、全体的にまたは部分的に、光ファイバーに基づいて実装され得る。図４は、本発明による風速を測定するためのかかるＬＩＤＡＲシステムを備える飛行機１００を示す。当該システムは、出口光学素子１４が航空機１００の機首の近くに配置されて当該航空機の前方の半空間（half-space）に向けられるように、飛行機に搭載されることが好ましい。図４は、中心伝播方向Ａ－Ａ、およびそれから生じる集束ゾーンＺＦの構成を示している；
－地上付近または低高度での測定等の、測定対象の風速が低速であり得る応用。例えば、風力タービンの運転を最適化するための応用、または、静止飛行状態の航空機からの測定のための応用である。この場合、音響－光学変調器４０は、レーザービームＦに適用されてレーザービームの部分Ｆ_ＲＥＦには適用されない振動数オフセットをさらに生成し得る。当該レーザービームの部分Ｆ_ＲＥＦは、光結合器１５によって初期源１１からサンプリングされ、ヘテロダイン検出のための基準レーザー信号として使用される。これに関して、低い風速値は、固定されたゼロでない値に近いヘテロダインうなり振動数に対応する。このため、過度に長いサンプリング時間を実施する必要なく、測定精度が改善する；
－出口光学素子１４と集束ゾーンＺＦとの間の測定距離が可変である必要がある応用。この目的のために、レーザービームＦが出口光学素子１４を通って出るとき、出口光学素子１４は、要求に応じて当該レーザービームＦの収束を変化させるように適合されてもよい。例えば、レーザービームＦが光ファイバーの一端から生じるとき、出口光学素子１４は、光ファイバーの一端に対して収束レンズの物体焦点が移動するように、軸Ａ－Ａに対して平行に並進移動する可動な支持体上に取り付けられた当該収束レンズであってもよい。これに関して、集束ゾーンＺＦの中心点Ｏは、制御可能な出口光学素子１４からのある距離、例えば２００ｍ～１０００ｍの距離に位置し得る。特に、この距離が２００ｍに等しく、かつ出射瞳におけるレーザービームＦの半径が０．０８ｍに等しいときには、レイリー長は、６ｍのオーダーであり得る。また、出口光学素子１４と集束ゾーンＺＦの中心点Ｏとの間の測定距離が１０００ｍに等しく、出射瞳におけるレーザービームＦの半径が同じく８ｃｍであるときには、レイリー長は、１５０ｍのオーダーであり得る；
－風の速度の３成分の測定が必要な応用。この目的のために、レーザービームＦは、異なる中心伝播方向を有する少なくとも３つのサブビームに分割され得る。したがって、ビームＦからの本発明に従って放出される複数のレーザーパルスもまた、各々、離隔した集束ゾーンの方を向く少なくとも３つの放出経路に沿って、順次にまたは同時に分割される。異なる集束ゾーンから後方散乱させられた放射部分についての逆ドップラー効果計算による解析により、中心伝播方向に対して平行な風速の速度成分の測定が提供される。このとき、ベクトル量としての風速がすべての集束ゾーン内で同じであると仮定することにより、直交座標系の３つの軸に沿った風速の成分の評価を導出することが容易になる。当業者には、ベクトル速度の座標についてかかる軸の変換を実行する方法が知られている。例えば、図５を参照すると、軸Ａ－Ａを有するレーザービームＦは、６つのレーザーサブビームに分割される。当該６つのレーザーサブビームは、頂点において拡がり半角（half-angle of opening）αを有する円錐の表面上に、角度的に分布する。拡がり半角αは、例えば１５°（度）に等しい。６つのレーザーサブビームの中心伝播方向のそれぞれは、参照符号Ａ１～Ａ６であり、対応する集束ゾーンは、参照符号ＺＦ１～ＺＦ６である。このとき、方向Ａ１～Ａ６は、風速の成分のための測定方向であり、軸Ａ－Ａによって形成される中心方向の周りに分布する。

上記において詳細に説明してきた実施形態の副次的な態様を修正することにより、上記の複数の利点のうちの少なくとも一部を保持しつつ本発明が再現され得ることを理解されたい。特に、提供されてきた数値は、単に例示のためのものであって、想定する用途に応じて変更されてもよい。

本発明に従うＬＩＤＡＲシステムのブロック図である。 図１のＬＩＤＡＲシステムにより生成されるようなレーザービームのさまざまな幾何学的パラメータを示す。 図１のＬＩＤＡＲシステムについての可能なレーザー放出を、従来技術において知られるＬＩＤＡＲシステムのレーザー放出と比較する時間図である。 図１のＬＩＤＡＲシステムの可能な一応用を示す。 ３次元風況計測を実行するための、本発明の一改良を示す。

Claims (12)

1. －レーザービーム（Ｆ）がレーザー放出源の出射瞳において収束し、前記レーザービーム（Ｆ）の集束ゾーン（ＺＦ）の長さの中央において最小であるビーム横断面を有するように、ＬＩＤＡＲシステムの外部の空気の部分に向かって前記レーザービーム（Ｆ）を生成することができるレーザー放出源（１０）であって、前記集束ゾーンは、２・λ／（π・θ^２）に等しい長さを有し、当該長さは、前記レーザービームの中心伝播方向（Ａ－Ａ）に対して平行に測定されたものであり、λは、前記レーザービームの波長であり、θは、前記集束ゾーンを越えて前記レーザー放出源の反対側にある前記レーザービームの発散半角であり、ラジアンで表され、λ／（π・θ^２）は、レイリー長（ｌ_Ｒ）と称される、レーザー放出源（１０）；
   －前記集束ゾーン（ＺＦ）内に含まれる粒子により後方散乱させられた前記レーザービーム（Ｆ）の部分を受け取るように構成されている、ヘテロダイン検出アセンブリ（２０）；および、
   －前記ヘテロダイン検出アセンブリ（２０）により生成されるうなり信号から前記粒子についての速さの値を導出するように適合されている、ドップラー計算モジュール（３０）、
   を備える、風況計測を実行するように適合されたＬＩＤＡＲシステムであって、
   －前記レーザービームを連続するレーザーパルスの形態にするように適合され、かつ、複数の前記レーザーパルスが前記集束ゾーン（ＺＦ）を、各レーザーパルスの部分が前記粒子によって後方散乱させられつつ、通過するように、前記レーザー放出源（１０）と組み合わせられた、前記レーザービームの時間的制御装置（４０）であって、前記レイリー長（ｌ_Ｒ）を前記空気中の複数の前記レーザーパルスの伝播速さで割ったものの２倍以上であり、かつ２０μｓ未満である個々の長さを各レーザーパルスが有するようにさらに適合されている、時間的制御装置（４０）、
   をさらに備えることを特徴とする、ＬＩＤＡＲシステム。
2. 前記時間的制御装置（４０）は、前記レイリー長（ｌ_Ｒ）を前記空気中の複数の前記レーザーパルスの前記伝播速さで割ったものの３倍に等しい個々の長さを各レーザーパルスが有するように適合されている、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
3. 前記時間的制御装置（４０）は、各レーザーパルスの前記個々の長さが０．２μｓ～５μｓ、好ましくは０．５μｓ～１．２μｓであるように、適合されている、請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
4. 前記レーザービームの前記時間的制御装置（４０）は、音響－光学変調器、電気－光学変調器、半導体光増幅器、前記レーザー放出源のための照明および消衰システム、およびレーザー増幅キャビティのための固有モード選択システムの中から選択された少なくとも１つのコンポーネントを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
5. 前記集束ゾーン（ＺＦ）内に含まれる前記粒子の前記ＬＩＤＡＲシステムに対するゼロである速さが前記ヘテロダイン検出アセンブリにより生成される前記うなり信号のゼロでない振動数に対応するように、各レーザーパルスと、前記ヘテロダイン検出アセンブリ（２０）によって使用される基準レーザー信号との間に振動数オフセットを適用するようさらに適合されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
6. 前記レーザー放出源（１０）は、光ファイバータイプのものであり、かつ、１００Ｗ～５・１０^５Ｗの平均パワー、好ましくは２００Ｗ～２０００Ｗの平均パワーを各レーザーパルスが有するように適合されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
7. 前記レーザービームの前記時間的制御装置（４０）は、２つの連続するレーザーパルスが３μｓ～５００μｓの持続時間、好ましくは１００μｓ未満の持続時間だけ隔たるように適合されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
8. 前記粒子の速度の３つの座標についてのそれぞれの値を得るように、中心方向の周りに分布する複数の測定方向（Ａ１～Ａ６）であって、前記中心方向に対する各測定方向についての角度（α）が３０°未満である複数の測定方向（Ａ１～Ａ６）に沿って、複数のレーザーパルスを同時に放出するように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
9. 前記レーザー放出源（１０）は、前記レーザー放出源の前記出射瞳と前記集束ゾーン（ＺＦ）の中心点（Ｏ）との間に存在する測定距離を、例えば２００ｍ～１０００ｍにおいて、変化させるように構成された可変集束装置を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステムを備える航空機（１００）であって、
    前記ＬＩＤＡＲシステムは、前記航空機の飛行中に風況計測を実行するために前記航空機に搭載されている、航空機（１００）。
11. －風速の測定対象となる空気の部分内に前記集束ゾーン（ＺＦ）が含まれるように、請求項１～１０のいずれか一項に従うＬＩＤＡＲシステムを構成する工程；
    －前記レイリー長（ｌ_Ｒ）を前記空気中の複数の前記レーザーパルスの前記伝播速さで割ったものの２倍以上であり、かつ２０μｓ未満である個々のレーザーパルス長を採用する工程；および、
    ‐前記集束ゾーン（ＺＦ）内に含まれる粒子についての速さの値を得るために前記ＬＩＤＡＲシステムを作動させる工程、
    を含む、風況計測プロセス。
12. 前記レーザービームの時間的制御装置（４０）は、各レーザーパルスの前記個々の長さが前記集束ゾーン（ＺＦ）において有効な前記空気のコヒーレンス時間の０．２倍～５倍、好ましくは０．５倍～１．２倍であるように調整されている、請求項１１に記載の風況計測プロセス。

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