JPH03115977A - 中間高度における風速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は可視周波帯域でのドツプラ効果による中間高度
における風速を測定するための装置に関する。

〔従来の技術〕

風速の測定は、我々の環境をよく知る上でも天気予報の
上でも重要である。

低高度での風速測定は上層気象観測装置によって容易に
なし得、また、高高度での風速測定はしく３） −ダによって測定できる。

他方、中間高度たとえば２５〜６０鵬の範囲における風
速を連続測定する方法は満足なものはな風速測定はよく
知られている方法である。ここで記載する新しい方法に
よれば、特殊のレーザパルスを発射し、レーり効果によ
り後方散乱された光を解析する。レーり散乱光と環境と
の干渉中にあって、レーザ線はドツプラ拡散および観測
方向における風速に応じたスペクトルシフトをする。

スペクトルシフトの測定は観測方向において風速が得ら
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

地表あるいは低高度、あるいは発射レーザ装置から近い
距離におけるあらゆる場合に同様の観測方法が知られる
。現在まで、この方法を中間高度における風速測定に応
用することは不可能であった。その理由は、受光できる
後方散乱光束はスベ（４） クトルシフトの測定に不十分と考えられたからである。

このように、本発明の基礎とする課題は中間高度におけ
る風速の測定に用いられる小さな光束を基礎とするスペ
クトルシフト測定を可能にする装置を提案することにあ
る。

高反射率の２つの平行面に対向する２つの面よりなるフ
ァブリベロー干渉計は高解像度の周波数測定性能を果た
すことが知られている。にもかかわらず、スペクトルシ
フトの測定に対してドツプラ効果による風速測定装置に
おいてファブリペロ−干渉計を用ることは、それ自身、
中間高度における測定方法を構成しない。

〔課題を解決するための手段および作用〕したがって、
本発明は、レーザ装置がパルスを発射し、受光系が散乱
光を受信し、干渉計を発射された光に関して前記散乱光
のスペクトルシフトを測定するように用いた可視周波帯
域内でのドツプラ効果による中間高度における風速測定
装置に（５） 関する。

本発明によれば、前記干渉計がファブリベロー干渉計で
あり、該干渉計の２つの反射鏡の１つの一部は超過厚み
部によって覆われており、該２つの反射鏡の間隔および
該超過厚み部の厚さは該干渉計により形成される２つの
フィルタの透過帯域が前記後方散乱光のスペクトル分布
の各側部の中心となるように決定されている。

〔実施例〕

本発明に係る可視周波帯域内でのドツプラ効果による中
間高度における風速測定装置はパルスを発射するレーザ
装置ｌを存する。このレーザ装置１は安定しており、ス
ペクトル的に純粋の光を発射する。好ましくは、波長５
３２ｎｍの単色ビームを発射する縦横単一モードＹＡＧ
パルスレーザ装置が用いられる。

好ましくは、レーザ装置１から発射されたビームは移送
光学系および望遠鏡２によって要求される方向に発射さ
れる。この望遠鏡２は測定領域に（６） お番ノるビームエネルギーを収束させかっレーザ装置が
生ずるビームの発散に比べてビームエネルギーの発散を
減少させる。後方散乱した光束は受光望遠鏡４によって
受光される。この受光望遠鏡４は好ましくはレーザビー
ム発射方向に平行である。

集光された光束は受光望遠鏡４の入射ひとみの表面積に
ほぼ比例するので、該ひ七みの表面積はできるだけ大き
いほうがよい。にもかかわらず、第６図に示すような好
ましい実施例においては、この単一望遠鏡は平行軸を有
する１組の集光器６１〜６４に置換し得る。これら各集
光器は放物面反射鏡よりなり、その焦点には光ファイバ
６５〜６８の研磨面が位置している。種々の焦点からな
る光ファイバはまとめられて単一の束５となり、共通受
光モジュール６に接続される。

同様に、受光側において、単一の望遠鏡は水平面に対し
て一定の傾斜を有し垂直軸に対して回転するものでよい
。

受光望遠鏡４によって受光された光は光ファイバ５のリ
ンクによって受光モジュール６に転送さ（７） れる。この受光モジュール６は受光の光学的解析を行い
、電気信号を発生する。この電気信号は測定レーザ装置
１から発射された光に関して散乱光のスペクトルシフト
の関数である。

受信光の光学的解析は第２図に示される。干渉計１０は
解析されるべき光によって平行光で照射される。このた
め、光ファイバ５の端面ば光学系１１の焦点に位置する
。

用いられる干渉計１０の詳細は第３図に示される。干渉
計１０は平行なかつ高反射率の２つの反射面３２　、３
３を有する。その表面の一部好ましくは２には、干渉計
１０の１つの面３２は均一の厚さを有する層３４によっ
て覆われている。この超過厚さ部は位相シフト層として
の役目をなし、好ましくはシリカにより作られている。

この干渉計の安定度を改良するために、干渉計はシリカ
よりなるモノリシックである。基台３０　、３１は互い
に分子圧着によって接続されている。このようムこして
構成された干渉計は２つのファブリベロー干渉計の透過
帯域に相当する透過帯域を有する。ここで、（８） 第１のファブリペロ−干渉計は面３２　、３３の間の距
離に対応する厚さを有し、第２のファブリベロー干渉計
は層３４と面３３との距離に対応する厚さを有する。こ
のように、この干渉計の透過特性は第４図に示すように
２つのピーク４３　、４４よりなる。

面３２　、３３間の距離およびシリカ層３４の厚さはピ
ーク４３　、４４が観測方向における風速が０すなわち
観測方向が垂直である場合の後方散乱光のスペクトル分
布に対応する曲線４２の側面４５　、４Ｇの中央になる
ように選定される。

干渉計１０の構造により２つのピーク４３　、４４の正
確な位置が得られる。さらに、干渉計の位置における環
境（空気圧、温度、・・・）の変化による透過帯域の変
動に対して、このシフトが同様に各曲線に作用し、透過
帯域の変形を招くことなく変形を導入できる。

上述したように、ドツプラ効果は観測方向における風速
成分の関数としての後方散乱光のスペクトルシフトを発
生する。これは透過帯域４３　、４４に関してスペクト
ル４２のシフトに対応する。

（９） 干渉計の下流にある受光モジュール６において、シリカ
３４の超過厚み３４があるか否かの干渉計の各領域を横
切った光束は分離される。好ましくは、この分離はこれ
ら各ビームの反対方向の角シフトを発生ずる２つのプリ
ズム１２を使用することによって行われる。これらのプ
リズム１２は光ビーム軸に対して垂直面において干渉計
によって規定される領域３５　、３６の形状と相補的な
形状を有し、これにより、各領域３５　、３６を横切る
光束を分離する。また、これらの光束の分離を最適化す
るために、マスク１３を干渉計１０とプリズム１２との
間に挿入する。光学系１４はこの系によって受光器１６
　、１７に発生した各光ビームを収束させる。

改良した分離を確保するために、光学系１４によって発
生した２つのビームを２つの異なる面で受光する反射プ
リズム１５がこの光学系と受光器１６゜１７との間に挿
入されている。これらの受光器は高感度でなければなら
ないが、好ましくは光信増器である。

ドツプラ効果がない場合、すなわち垂直観測の（１０） 場合、干渉計１０の各領域の透過帯域４３　、４４は後
方散乱光４２のスペクトル分布に関して与えられた位置
を占め、これら各領域によって透過したエネルギーは先
験的に等しくない。光信増器１６　、１７によって発生
した信号の相対的な重みは基準位置を示す所定の値を有
する。

風速が傾斜した観測方向において成分を有する場合、後
方散乱光はドツプラ効果によりシフトし、干渉計の各領
域を通過した光束は異なる。光信増器１６　、１７によ
って発生した電気信号は基準相対重みと異なるスペクト
ルシフトを示す相対的な重みを示す。

処理装置７における光信増器１６　、１７によって供給
された電気信号の処理は風速を直接表す信号を形成する
。

測定品質は基本的に透過帯域４３　、４４に関して後方
散乱光の相対的位置の制御を必要とする。この相対的シ
フトを利用する風速の測定は同様にこの種のシフトを導
く測定装置に伴うが、垂直観測方向における通常の測定
によってモニタされる２つ（１１） の現象によって主に擾乱される。同様に、垂直エーミイ
ングを避けることもでき、これらの現象を別個にモニタ
することもでき、このモニタの結果は電気信号となって
処理装置によって考慮され、適合された補償を導入でき
る。

装置に依存する第１の型のシフトは、測定レーザ装置１
の発射波長の変化から生ずる。この変化は第５図に示す
安定度がｌｏ−９以内のヘリウム−ネオンレーザ装置５
７に関する制御干渉計によってモニタされる。

ＹＡＧレーザ装置１によって発射された光束の一部は光
ファイバによってザンブルされ、この結果、光学系５３
を基礎としてくさび形干渉計５０を横切る平行光束を発
生する。くさび形干渉計５０は互いに少し傾いた２つの
高反射率のプレートからなり、ピッチおよび位置が波長
の関数である１つのフリンジ系を構成する。光学系５４
は線形に配列されたホトダイオード５６上にこれらのフ
リンジの像を形成する。同様に、フリンジはへリウムー
ネオンレーザ装置５７によって発射した（１２） 光束によって同一の干渉計によって発生する。光学系５
８およびダイクロイックプレート５９はレザ装置によっ
て発射した光束をくさび形干渉計５０を横切りさせ、こ
れにより、ホトダイオード５６の列上にフリンジ網を光
学系５５によって形成する。これらのホトダイオード５
６は測定レーザ装置から発散する光束によって形成され
るフリンジ上に重複して位置している。

理由が何であれ、測定レーザ装置１の発射波長が変化し
た場合、干渉計５０によって形成されたフリンジ網はへ
リウムーネオンレーザ装置５７からの光束から干渉計５
０によって形成されるフリンジ網に対してシフトする。

ホトダイオード列５６から発生した電気信号はこのシフ
ト特性であり、風速の量特性の形成をする際にこれを補
償する処理装置によって考慮される。

相対的シフトの第２の理由は領域３５　、３６に対応す
る干渉計１０の透過帯域４３　、４４のシフトである。

このシフトは干渉計の環境に応じたものであるが、各領
域の同一性質すなわち干渉計の移動関数が修（１３） 正されず単に移動したことによるだけであり、各透過帯
域４３　、４４の相対位置が保持されている。このシフ
トは安定化されたヘリウム−ネオン制御レーザ装置１日
によってモニタされ、光学系１９および挿入プレート２
０を介して干渉計１０、マスク１３およびプリズム１２
を横切り、光学系１４およびダイクロイックプレート２
１を介して２つのホトダイオード２２　、２３上に収束
する。制御レーザ装置１８によって発射された光のスペ
クトル分布は完全に安定化し、ホトダイオード２２　、
２３は透過帯域４３　、４４を示す電気信号を発生する
。ホトダイオード２２　、２３によって発生した電気信
号は処理装置に供給され、風速を示す電気信号を形成す
る際に透過帯域４３　、４４のこれらシフトが考慮され
る。

後方散乱光４２のスペクトルは特に温度の関数である。

このスペクトルの形を温度を同時に測定することによっ
て知り、これにより、光信増器１６゜１７によって発生
した信号をもとに観測方向における風速のスペクトルシ
フト特性にアクセスできる。

この温度を知ることは、光学系２４を介して受光（１４
） された光を処理する付随的なチャネル２５を介して受光
されかつ後方散乱光束から挿入プレート２０によって部
分的にサンプルされた光束を解析することによって達成
される。

装置の構造、特に、発射された光束に関して後方散乱光
のスペクトルシフトを解析するのに用いる干渉計ｌＯの
型式は内部的に高い安定度を与える。さらに、発生可能
な残余の非安定度は上述の手段によって受光モジュール
でモニタされ、処理の際に考慮される。

後方散乱信号は非常に弱いものであるが、上記の全体構
成はスペクトルシフトの高い精度の測定性能を達成する
。

上述の装置は一方向の風速を測定するものである。好ま
しくは、完全な測定システムは、基準チャネルとして用
いる発射／垂直受光チャネル７０、および４つのカージ
ナル方向の水平速度成分に対応する測定チャネル７１〜
７４を備えている。但し、２つの直交チャネルで実際に
は十分である。

したがって、この装置は風速ヘクトルの特性を達（１５
） 成する。

所望の高度の空気層によって後方散乱した信号はレーザ
装置から問題の層までの通路とその受光器へ戻りに必要
な時間によって発射信号から分離される。

このように、後方散乱した信号時間切片１００は空気層
の高度切片１１０に相当する。

たとえば、第７図に示すように、測定レーザ装置１によ
って発射したパルス１０、　］、、０２は３３Ｘ１０−
’Ｓだけ分離され、各測定１０３〜１０５は高さ１５０
ｍに相当する１Ｏ−６ｓに接続し、１０２４回測定され
る。第１番目の測定１０３は検出器の阻止解除直後すな
わち高度９ｋｕｌに位置する層に相当するパルス発射後
６０Ｘ１０−６ｓに発生ずる。

上述の数字は調査高度の関数として修正できる。

特に低高度における改良された垂直解像度を得るために
測定時間を短縮できる。

上述の装置は高度範囲２５〜６０ｋｍでの風速測定に対
して最適される。たとえ後方散乱線は空気中の塵および
煙霧質によってミニ（Ｍｉｅ）散乱によ（１６） る大きな影響を受けても、同一の原理が低高度（５〜２
５廟）に通用される。このように、干渉計の特性は修正
される。

ドツプラライダ（Ｌｉｄａｒ）　（ＵＮ域分解度、・・
・）のパラメータ選択における最適化は高度範囲を考慮
して行う。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、中間高度における
風速をドツプラ効果を用いて測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本ブロック図、 第２図は一方向の風速の測定に対応する受光モジュール
を示す図、 第３図は本発明に係る干渉計の断面図、第４図は後方散
乱光のスペクトルに関して第３図の装置の透過特性を示
すグラフ、 第５図は制御干渉計を示す図、 第６図は本発明の測定装置の発射／受光装置を示す図で
ある。 （１７） レーザ装置、　　　　　　２：望遠鏡、受光望遠鏡、　
　　　　　５：、ファイバ束、受光モジュール、　　　
１０：干渉計、光学系（レンズ）、　　１２；プリズム
、光学系（レンズ）、　　５０：干渉計、ヘリウム−ネ
オンレーザ装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ装置（１）がパルスを発射し、 受光系（４）が散乱光を受信し、 干渉計（１０）を発射された光に関して前記散乱光のス
   ペクトルシフトを測定するように用いた可視周波帯域内
   でのドップラ効果による中間高度における風速測定装置
   において、前記干渉計がファブリペロー干渉計であり、
   該干渉計（１０）の２つの反射鏡の１つの一部は超過厚
   み部（３４）によって覆われており、該２つの反射鏡の
   間隔および該超過厚み部の厚さは該干渉計により形成さ
   れる２つのフィルタの透過帯域（４３、４４）が前記後
   方散乱光（４２）のスペクトル分布の各側部の中心とな
   るように決定されていることを特徴とする中間高度にお
   ける風速測定装置。 ２、前記干渉計（１０）の出口に位置する二重プリズム
   （１２）を設け、前記２つのフィルタに対応する光束を
   分離するようにした請求項第１項に記載の風速測定装置
   。 ３、基準チャネルとして用いる垂直受光チャネル（７０
   ）を設けた請求項第１項または第２項に記載の風速測定
   装置。 ４、異なるカーディナル方向の各速度成分に対応する少
   なくとも２つの測定チャネル（７１、７４）を設けた請
   求項第１項から第３項までの１つに記載の風速測定装置
   。 ５、安定波長のビームを発射する連続波レーザ装置（５
   ７）を設け、該ビームを前記干渉計（１０）の安定性を
   モニタするのに用いた請求項第１項から第４項までの１
   つに記載の風速測定装置。 ６、前記受光系（４）が前記測定の各方向に対応する複
   数の望遠鏡（６１〜６４）を具備する請求項第１項から
   第５項のいずれか１つに記載の風速測定装置。 ７、前記受信系（４）が異なる方向の測定を可能にする
   単一の旋回構造を具備する請求項第１項から第５項のい
   ずれか１つに記載の風速測定装置。 ８、前記受信系（６１〜６４）と解析装置（６）との間
   に光ファイバ（６５〜６８）を設けた請求項第１項から
   第７項のいずれか１つに記載の風速測定装置。 ９、前記レーザ装置（１）によって発射されたビーム発
   散量を縮小する望遠鏡（２）を設けた請求項第１項から
   第８項のいずれか１つに記載の風速測定装置。 １０、前記干渉計（１０）の反射鏡は互いに分子接着に
   よって固定された請求項第１項から第９項までのいずれ
   か１つに記載の風速測定装置。