JPH05508934A - レーザレーダ装置 - 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】 レーザレーダ装置 これは１９８９年１２月２６日に提出されたシリーズ番号０７／４５６，９７５ 号出願の一部継続出願である３本発明はレーダ装置、特に風速の検知に有用なレ ーザレーダ装置に関するものである。

発明の背景 風速は、レーザパルスを風の中に発信し、風と共に運動するエーロゾル（煙霧質 ）と粒子からの後方散乱光のドツプラー周波数シフトを測定することにより定め ることができることはよく知られている。レーザパルスの方向における風速■− は次式で表わされる。

こ＼でｆｓはドツプラー周波数シフト、λはレーザパルスの波長である。４つの 提案されている風速検出システムが、メンジー（Ｍｅｎｚｉｅｓ　）によって、 「ドツプラーレーダ大気風センｇ＝地球軌道からの地球規模の測定への応用に対 する比較性能評価Ｊ　Ａｐｐｌｉｅｃｌ　０ｐｔｉｃｓ、　Ｖｏｌ、２５　Ｎｏ 、１５．　ｌ　Ａｕｇｕｓｔ　１９８６．の中で論議されている。これらのシス テムにおいて達成しようとする原理上の目標は、レーザの後方散乱信号をバック グラウンドノイズから分離することにある。提案されたシステムは、ヘテロダイ ン方式の検出システムか、ファブリ・ベローフィルタの何れかを利用している。

発明の要約 本発明は、１０ｋｍの範囲内の距離で、風速を１ｍ／Ｓ以内で測定可能なレーザ レーダシステムを提供する。このシステムは、２つのファラデー原子線フィルタ 検出器の組合せを有する。各フィルタ検出器は、直交偏光子の間に位置する原子 蒸気セルから成る。このセルに磁界が加えられるとエネルギーレベルがゼーマン ・スプリットし、左まわりと右まわりの円偏光に対して異る吸収線を生ずる。こ れらの線の近傍では、フィルタ検出器は、該吸収線の近傍のみにおいて旋光性を もつファラデー旋光器として動作し、該旋光性によって第２の偏光°子を通過す るために必要な９０度の旋光が与えられる８、磁界および蒸気密度が高くなると 、多重旋光によって透過スペクトルに急激な変化が生ずる。吸収線から遠ざかる と、フィルタ検出器は、直交偏光子の消光比によって定まる帯域外阻止性（ａｎ 　ｏｕｔｏｒ　ｂａｎｄ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）をもつ、各ファラデーフィルタ における温度と磁界を調節することによって、鋭く交差する応答曲線を得ること ができる。好適なレーザ発振周波数範囲は、第１のフィルタの任意のピークの両 側の傾斜のうちの１方の部分と、第２のフィルタの複数のピークの反対向きの傾 斜のうちの１つの部分とを含む周波数範囲である。この範囲内では、信号光の周 波数が高くなると、一方のフィルタ検出器によって検出される光の割合が増加し 、他方のフィルタ検出器によって検出される光の割合は減少する。信号光の周波 数が低くなる場合には逆の効果が現われるであろう。

本発明の好適実施例では、この好適な周波数範囲の中央付近で動作するレーザか らのレーザパルスは、物標−それは、ある場合には大気の風のある部分である− に向って発射される。大気中のエーロゾルと粒子からの後方散乱されドツプラー シフトされた光は、望遠鏡によって集光され、２つの部分に分離され、それぞれ の部分は各フィルタ検出器に向けられる。フィルタ検出器によって検出された光 の強度が比較され、そしてその相対的大きさは、レーザビームの方向の風速審決 めるために用いられる。パルス幅は非常に短かくすることができ、また光の進行 時間（ｔｒａｖｅｌ　ｔｉｍｅ　）は、距離を定めるために用いられ、それによ って風速マツプが距離の函数としてレーザビームの方向について与えられる。

図面の簡単な説明 図１は、ファラデー検出器の図である。

図２は、ファラデーフィルタに対する透過曲線である図３は、実験装備を説明す る図である。

図４は、実験から得られるオツシログラム図である。

図５は、本発明の詳細な説明するスケッチである。

図６は、実験データの処理を定性的に示すスケッチである。

ファラデーフィルタの説明 図１はファラデーフィルタの動作を描いた簡略化した図である。ファラデーフィ ルタは、直交偏光子４および６の間に位置するセル２の原子蒸気から成る。この セルにコイル８によって磁界が加えられ、この磁界によってエネルギーレベルが ゼーマンスプリットして左まわりと右まわりの円偏光に対する異る吸収線を生ず る。これらの線の近くでフィルタ検出器は、該吸収線の近傍のみにおいて旋光性 を有するファラデー旋光器として動作し１、該旋光性によって第２の偏光子６を 通過するために必要な９０度の旋光が生ずる。磁界および蒸気密度が増加すると 、多重旋光によって透過スペクトルに急激な変化が生ずる。吸収線から遠去かる と、フィルタは直交偏光子の消光比によりきまる帯域外阻止性をもつ、各ファラ デー検出器における温度と磁界を調節することによって、鋭く交差するフィルタ 応答曲線を得ることができる。

図２は、セシウムを主成分とするファラデーフィルタに対する実験曲線と理論曲 線を示す１曲線の鋭い構造は、９０度の倍数まで旋光させながらファラデー旋光 器を通過させた光によるものである８各フアラデーフイルタの温度と磁界を調節 することにより鋭い特性をもつ２つの曲線をほぼ逆の傾き（＋／−）をもつ位置 で交差させることができる。信号レーザの周波数を２つのフィルタ検出器の応答 曲線の交点に同調させることにより、風速を測定することができる。送信された レーザ光は、運動しているエーロゾルによりドツプラーシフトされ、それによっ て各フィルタ検出器によって受信される後方散乱光の波長に変化が生ずる。応答 曲線は反対向きの傾きを有しているので、一方のフィルタ検出器の透過は増加し 他方の透過は減少する。

もし散乱体が反対の方向に運動しているのであれば、逆の現象が生ずる。このよ うにして風の速度（速さ）の半径方向成分も測定することができる。

実験設備 風速検出器を用いて流動するエーロゾルを測定する実験設備を図３に示す、相互 作用領域（望遠鏡のオブスキュレーション１０と視野絞り（ピンホール）１２と の組合せにより構成される）は、約８ｍｍの幅と約１ｍの長さで、望遠鏡の前部 から約５ｍに位置する。

８５２ｎｍ、５０ｍＷ単一モード（１０Ｍ　Ｈｚ線幅）の大電力、温度安定化ダ イオードレーザは、相互作用領域と同軸に交差する。レーザダイオードビームは 、ドツプラーシフトしない光を散乱させて望遠鏡内に戻すために、（６０Ｈｚの ノイズを減少させるための）ライン同期チョッパによって変調され、それによっ て基準信号を生成する。集光された光は０．０３０’ピンホールを通過し、直径 １ｃｍのスポット寸法にコリメートされる。５０１５０非偏光ビームスプリツタ は、集光された光の約半分を各ファラデーフィルタ６６と６８に送る。ファラデ ーフィルタを通過した共鳴線近傍の光は、各フィルタの出力側に配置されたアバ ランシェ光ダイオード７０．７２およびそれらに接続されている増幅用電子装置 によって検出される。送信されたレーザ光は、相互作用領域を通過した後に約１ ５米離れたビームダンプ（ｂｅａｍ　ｄｕｍｐ　）　（不図示）へ送られる。相 互作用領域は、長さが３ｍ、直径４インチのＡＢＳバイブで囲まれ、該パイプに は２５　ｍ　／　ｓ以上の風速を発生することができる送風機が取付けられてい る。我々の研究室には純粋な空気からの戻り信号を観測するための十分なエーロ ゾルが存在していなかった。信号の戻り量を増大させるために、送風器の空気取 入口で普通の煙草の煙が種（ｓｅｅｄ）として空気に混入された。チョッパで望 遠鏡内に散乱された光の量は、エーロゾルから受ける戻り量とはゾ等しくされる 。

これによってフィルタ検出器が線型方式で動作することが保証される。

図４はレーザダイオード波長がダイオードレーザ電流に傾斜をつけることにより 約３０ＧＨｚだけ変化したときの各ファラデーフィルタのレスポンスのオツシロ グラムである０図４の上部は、別々にプロットされたフィルタ６８および７０の レスポンスを表わし、また下部には、両者のフィルタのレスポンスが、縦軸を１ ０倍にして互に重ね合せて示されている。フィルタは１２０℃で動作され、それ は約４．　７　Ｘ　１０１３／　ｃｍ３のセシウム密度に対応する。フィルタ６ ８および７０は、図でハツチを施された鉛直線の位置にある、波長の函数として の交差レスポンスを生じさせるために、１２０Ｇと１３０Ｇの磁界で動作された 。この動作点は、ファラデーフィルタのレスポンス曲線に対する我々のコンピュ ータ予測とよく合致した０図３に挿入した図は、２つのＣ５６ｓ１１２超微細ピ ーク吸収を含む幅の広い波長範囲に亙るレーザ走査を示す、　ＣＳビークは９． ２ＧＨｚ離れていることが知られているから、これを検出器の曲線の勾配を正確 に決めるための較正尺度に用いることができる。この交差範囲に対する線型範囲 は、約±１００ＭＨｚである。これは検出器１に対しては９．１７　／　Ｇ　Ｈ ｚの勾配、および検出器２に対しては−６，２８／ＧＨｚの勾配を与える。

この装置を用いて、１３．４ｍ／ｓｅｃの風速が測定された。この結果をチェッ クするために、小形の風速計、ターボメータ（デービス計器社製、ヘイワード、 　ＣＡ　（解像力０．１ｍ／５ｅｅ））が風洞を較正するために使用された。タ ーボメータを使用した測定結果は１４．９ｍ／ｓｅｃであった。風洞内に風速計 を置くことにより、風の流れは妨害され、それ故に、ターボメータで計測された 風速は、実際の風速よりも大きな値となる。新らしい流入口を補正するためにタ ーボメータの正面領域を用いると、測定された風速は１３．３ｍ／ｓｅｃであっ て１本明細書に説明されているレーザを用いた方式と極めてよく一致する。

風速測定システム 風速測定システムは図５に示されている。

単一モードのダイオードレーザ５２は、波長７６９．９ｎｍの光子乞供給する。

このレーザは、フラッシュランプでボンピングされる、狭帯域、Ｑスイッチの、 アレクサンドライトレーザ５４にシード光子（５ｅｅｄｐ　ｈ　ｏ　ｔ　ｏ口） を供給する。レーザ５４から放出されるパルスは０．５ジユールで、その繰返し 率は毎秒２０パルスである。このレーザシステムは、　Ｌｉｇｈｔ　Ａｇｅ社か ら市販され、ＰＡＬシステムとして市場に出されている。公称周波数は、今、問 題にしている周波数範囲内すなわち３８９　、２８５　、　６　Ｇ　Ｈｚ付近で 調節可能であり、バンド幅は０．１ＧＨ７，より狭い。

レーザ５４からのパルスは偏光ビームスプリッタ六面体５６を通り、そしてその 偏りはπ／４ファラデー旋光器５８によって４５度回転される２次に、パルスは リレー光学系６０を通り、口径１／２ｍの望遠鏡６２へ向う、該望遠鏡はパルス ビームを所望の方位と立面角に向ける。ビームの一部は、ドツプラーシフトのゼ ロ較正を与えるためにファラデーフィルタ検出器６６および６８に直接、逆反射 される。（後方散乱された光子の偏りは、受信４号が偏光ビームスプリッタ六面 体５６によってフィルタ検出器へ向けられるように更に４５度回転される。） レーザパルスは大気中を通って進み、そしてその小部分は、図７の大きな矢印６ ４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ。

６４Ｄおよび６４Ｅによって示されるように、大気中のエーロゾルや粒子から後 方散乱される。ビーム方向の風速が、６４Ａ、６４Ｇおよび６４Ｅで描かれてい るように０である場合には、後方散乱光の周波数は、伝送されたビームの周波数 すなわち３８９，２８５゜６ＧＨｚと同一である。６４Ｂにおいては、大気はビ ームと反対方向に１４０ｋｍ／ＨＲ（３８，９ｍ／５ｅｃ）の速度で運動してい るように描かれている。大気のこの部分におけるエーロゾルによる、後方散乱さ Ｈｙ、増加する。これは次式から導びかれる。

同様に６４Ｄでは、エーロゾルはレーザパルスの方向に７０　ｋ　ｍ　／　ＨＲ の速度で運動しているように描かれている。その結果、後方散乱の周波数は５０ 　Ｍ　Ｈｚだけ下方にシフトされる。ドツプラーシフトされた周波数は、図３お よび図５に下向きの矢印により示されている。

６４Ｂの位置はレーザから約］Ｏｋｍであるから、光がレーザから６４Ｂの位置 まで行きそして検出器ＡおよびＢに戻るのに約６６ｘｔｏ−ｓ秒を要する。６４ Ｄの位置へ行きそして戻る時間は、約１００ＸＩＯ−６秒である。戻り信号の絶 対値は、はぼ、伝送される距離の２乗と、空気の清澄さに依存する指数函数項に よって減少する。

後方散乱光は、′望遠鏡６２により集光され、そしてリレー光学系６０、旋光器 ５８、ビームスプリッタ５６を通って５０−５０ビームスプリツタに向けられる 、そのビームスプリッタでビームの半分が検出器６６に、そして半分が検出器６ ８に向けられる。２つのフィルタ検出器の出力は、データ収集ユニット７０に入 力される。該データ収集ユニットは検出システムからの半径方向の距離の函数と して風速を決めるために。

時間の函数としてその２つの出力を比較する。

図６にフィルタ検出器６６と６８の出力およびフィルタ検出器６６からの信号の 、フィルタ検出器６８からの信号に対する比の定性的図表が示されている。

我々の好適実施例に対して、２０ナノセカンドのデータゲートが２０Ｈｚのパル スレートに相関させられている。この好適システムのパルス長は約３０ナノセカ ンドであるから距離は約１５フイートの精度以内で定められ得る。

この装置の独特の側面は、少くとも１つがファラデーシフトされている一対の検 出器を用いることによって可能な精密周波数測定である。これらの検出器に対す るいくつかの他の応用がある。風速測定は既に述べたが、光を散乱させるいかな るものも本発明を用いてその速度を定めることが出来ることは明らかである。

なおまた、長い範囲の光通信は、帯域内の光子のみが検出され、その帯域は磁界 を介して調節されるという本技術から容易に拡張される。秘密の点から点への光 通信は、本発明の技術から容易に拡張されるもう１つの例である。検出器間の交 差点は、レーザビームにおける小さな変調を検出するために利用され得る０周波 数変調は、容易にデータに復調されるが、他の型の検出器はそれらを受信するこ とができない。

読者は上述の本発明の実施態様を例として解釈すべきである、そして本発明の範 囲は添付の特許請求の範囲およびその法的な相当物によって定められるべきであ る。

電 周波数　（ＧＨｚ） Ｂヨ２００　Ｇ Ｔ＝１２０°Ｃ Ｍ２図 周波数（ＭＨｚ） 第４Ａ図 周波数（ＭＨｚ） 第４８図 第６ａ図 第６ｃ図 要　約　書 １０ｋｍの範囲内の距離で風速を１　ｍ　／　ｓ以内まで測定することができる レーザレーダシステム、このシステムは、２つのファラデー原子線フィルタ検出 器の組合せから成り、該フィルタ検出器は直交偏光子の間に位置する金属蒸気セ ルから成る。金属蒸気セルに磁界が印加され、それによってエネルギーレベルが ゼーマン・スプリットして左まわり、および右まわりの円偏光に対して異なった 吸収線を生ずる。これらの吸収線の近くでは該フィルタ検出器は、吸収線の近傍 においてのみ旋光性をもつファラデー旋光器として働き、該ファラデー旋光器は 第２の偏光子を通過するために必要な９０度の旋光を生ずる。磁界が高くなり、 蒸気密度が高くなると、多重旋光によって透過スペクトルに急激な変化が生ずる 。吸収線から離れると、フィルタ検出器は、直交偏光子の消光比で定まる帯域外 阻止性を生ずる。各ファラデーフィルタ検出器中の温度と磁界を調節することに より、鋭く交差する応答曲線を作ることができる。好適なｌノーザ発振周波数域 は第１のフィルタのピークのスロープの一方の部分と、第２のフィルタのピーク の逆向きのスロープのうちの１つの部分を含む周波数域である。この周波数域以 内で信号光の周波数が増加すると一方のフィルタ検出器によって検出される光の 割合が増加し、他方のフィルタ検出器によって検出される光の割合は減少する。

信号光の周波数が減少すると逆の効果を生ずる０本発明の好適な実施例において は、この好適な周波数域の中央点付近で動作するレーザからのレーザパルスが物 標を狙って発射される。大気中のエーロゾルおよび粒子からの、後方散乱されて ドツプラーシフトされた光は望遠鏡によって集光され、２つの部分に分離され、 それぞれの部分が各々のフィルタ検出器に向けられる。２つのフィルタ検出器に よって検出された光の強さは比較され、相対的な大きさがレーザビームの方向に おける風速を決定するために用いられる。パルスを非常に短かくし、光のトラベ ル時間を、距離を定めるために用いることにより、距離の関数としての風速のマ ツプがレーザビームの方向について与えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）単数または複数の物標へ狭帯域のレーザビームを送信し、当該送信され るレーザビームの公称波長を確定するレーザ手段と、 ｂ）１）第１の偏光子と、 ２）前記第１の偏光子に対し９０度回転して配列されている第２の偏光子と、 ３）原子蒸気が入っている密閉容器と、４）前記原子蒸気中に磁界を印加する磁 界手段と、 ５）光検出手段 を有する第１のファラデーフィルタ検出器と、ｃ）前記第１のファラデーフィル タ検出器の前記要素のすべてを有する第２のファラデーフィルタ検出器と、 ｄ）前記単数または複数の物標から反射されたレーザ光の前記公称波長からの周 波数シフトに基づいて前記単数または複数の物標の速さを決定するために、前記 第１、第２のフィルタ検出器の出力の振幅を収集し比較するデータ収集・比較手 段を有し、前記第１、第２のファラデーフィルタ検出器のうちの少くとも１つは 、フィルタ検出器の１つの、周波数の関数としての光の透過が、他のフィルタ検 出器に対して僅かにシフトされることができるように調節可能であり、 前記第１、第２の偏光子、前記密閉容器、前記検出器は、所定の狭い周波数帯域 内の光が前記第１の偏光子を通過し、前記密閉容器中でその偏りを回転させ、前 記第２の偏光子を通って前記光検出手段によって検出されることができるように 配置されている、速度決定用レーザレーダ装置。 ２．前記レーザビームがパルスビームであり、前記データ收集・比較手段は、さ らに、前記レーザ手段から前記単数または複数の物標へ、そして前記検出器に戻 る迄に光が必要とする期間に基づいて、前記単数または複数の物標の距離を決定 するのに適合している、請求項１に記載のレーザレーダ装置。 ３．前記レーザレーダ装置が前記レーザビームの長さに沿った多くの位置にある 前記複数の物標の速度を測定するのに適合している請求項１に記載のレーザレー ダ装置。 ４．前記レーザレーダ装置が前記レーザビームの長さに沿った多くの位置におけ る風速を測定するのに適合している請求項３に記載のレーザレーダ装置。 ５．前記レーザビームが連続レーザビームであり、そして更に望遠鏡の前の特定 の位置からの光を集める望遠鏡光検出システムを含んでいる、請求項１に記載の レーザレーダ装置。 ７．前記原子蒸気が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビヂウムおよびセシ ウムまたは他の元素または分子から成るグループから選ばれる請求項１に記載の レーザレーダ装置。 ８．前記金属蒸気がカリウムである請求項１に記載のレーザレーダ装置。