JPH06167447A - 気象学的視程及び光の散乱を測定する方法及び装置 - Google Patents

気象学的視程及び光の散乱を測定する方法及び装置

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JPH06167447A
JPH06167447A JP5188505A JP18850593A JPH06167447A JP H06167447 A JPH06167447 A JP H06167447A JP 5188505 A JP5188505 A JP 5188505A JP 18850593 A JP18850593 A JP 18850593A JP H06167447 A JPH06167447 A JP H06167447A
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ロンクヴィスト ヤン
Horst Huettmann
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Vaisala Oy
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、気象学的視程と光の散乱とを測定
する方法及び装置において該装置における過負荷を防止
する。 【構成】 光パルスは光伝送システム（７、９）を介し
大気に放射され、後方散乱光は光伝送システム（７、
９）を介して戻り、次いでこの散乱光の強さ及び遅延を
測定する。装置内部からの放射の際に生ずる光伝送パル
スの波形は測定システムの外部から生ずる後方散乱光を
除外するようにして検知し、この信号はその大きさ及び
位相について基準化して実際の測定信号に対して適当な
フィードバック信号が得られるようにし、フィードバッ
ク信号は前記測定信号から差引き受信機の過負荷を避け
るようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気象学的視程及び光の
散乱を測定する方法に関する。
【０００２】本発明は又、気象学的視程と光の散乱とを
測定する装置に関する。
【０００３】
【従来技術】ＥＰ特許願８９３０９０８８．６「発明者
ベザラ・オイ(Vaisala Oy)」明細書には、送信機及び受
信機の活性面をたとえば複合の光ファイバ束により単一
の表面に形成した光散乱用測定システムについて記載さ
れている。
【０００４】ＦＲ特許願第２，５９４，５３５号明細書
にも、前記したのと同様な実施例が記載されている。
【０００５】単一の光学システムを介し送信システム及
び受信システムの両方に共通の活性面を使うことにより
意義ある利点が得られるが、予期しない問題も伴う。送
られるパルスは極めて高いピーク強さを有するので、送
信システムの光ファイバは受信システムの隣接ファイバ
に対する漂遊結合が生じ、受信機入力増幅器は一時的に
過負荷になる。この場合、近範囲反射情報が受信機によ
り検出される時間中は受信機入力増幅器が応答しないか
ら、特に近範囲散乱測定の際に問題が生ずる。
【０００６】さらにビーム分割光学システムにおける送
信電力の部分的損失の障害を伴うビーム分割器に基づく
従来の実施例でも又同じ問題を生ずる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するため
の手段】本発明の目的は、前記した従来の技術に関連し
た欠点を克服し、光の散乱の測定を行う全く新規な方法
及び装置を得ることにある。この装置は送信及び受信の
両方に共通の光学システムを用いている。
【０００８】本発明は、システム受信機本体が光学的漂
遊結合によって漂遊信号を受けるのと同じ電力レベルで
送信光信号を受けるようなシステム部分で測定システム
に第２の光電応答フィードバック素子を適合させると共
にこのフィードバック素子がこのシステムに外反射又は
後方散乱により加わる光信号を全く受けないようにする
ことに基づく。受信素子本体及びフィードバック素子は
感度及び応答時間が共にできるだけ同じでなければなら
ない。
【０００９】本発明は、光パルスを光伝送システムを介
して大気中に放射し、前記光伝送システムを介して戻さ
れる後方散乱光の強さ及び遅延を測定して、気象学的視
程と光の散乱とを測定する方法において、光伝送パルス
の放射に関連して装置内部に生ずる光学的過渡パルスの
波形を測定システムの外部から生ずる後方散乱光が取り
除かれるように検知し、前記検知信号をその大きさ及び
位相の両方に付いて基準化して実際の測定信号に対して
適当なフィードバック信号が得られるようにし、このフ
ィードバック信号を前記測定信号から差引き受信機の過
負荷を避けるようにすることを特徴としている。
【００１０】本発明は、光パルスを生成する送信手段と
前記光パルスを大気に放射する光伝送システムと、この
光伝送システムを介し後方に進む後方散乱光の強さを測
定する受信素子と、前記後方散乱光の伝播遅延を測定す
る遅延測定素子とを包含する、気象学的視程と光の散乱
とを測定する装置において、光伝送パルスの放射と関連
して装置内部で生ずる光学的過渡パルスの波形を測定す
る際に測定システムの外部から生ずる後方散乱光を取り
除くように測定するためのフィードバック素子と、該フ
ィードバック素子によって測定される信号を、その大き
さ及び位相の両方について基準化し、実際の測定信号に
対して適当なフィードバック信号が得られるようにした
基準化素子と、前記フィードバック信号を前記測定信号
から差引き受信機の過負荷を避けるようにした減算素子
とを有することを特徴としている。
【００１１】本発明によれば著しい利点が得られる。
【００１２】本発明によれば、伝送パルスの直後に受信
機本体の過負荷を避けることができ、この場合とくに近
範囲における測定を著しく向上させる。さらに遠範囲測
定の誤差を減らすことができる。
【００１３】以下本発明の実施例を添付図面に従って詳
細に説明する。
【００１４】
【実施例】図１に示すようにビーム分割器に基づく光学
的測定システムは送信機１を備えている。送信機１から
光パルスがビーム分割器５を介しレンズ７に放射され
る。レンズ７は光パルスを所望の空間角度で放射する。
窓９は光学素子すなわちレンズ７の汚染を防ぐために用
いられている。この光学素子から放射された光パルスが
障害物に出会うまで或る径路に沿って伝播し、その後こ
の光の一部は同じ径路に沿って後方散乱して、ビーム分
割器５が戻り光を受信機３に案内する。受信機３にはユ
ニット２が適合されており、該ユニット２は、送信機１
に同期し、戻りパルスの遅れ及び強さを判定することが
でき、このような情報を利用して光信号の反射を生じせ
しめる物体を定めることができる。伝送パルスのピーク
強さが高いので、ビーム分割器５の欠陥部が受信機３に
直接漂遊信号を加える。戻り信号の強度が低いので、受
信機３の入力増幅器は高い利得を有するようにしなけれ
ばならず、従って前記した漂遊信号は受信機３の入力増
幅器を過負荷にする。短い遅延を伴う漂遊信号は、レン
ズ７及び窓９からの反射による受信戻り信号に加わる。
【００１５】図２に示すように光ファイバにより形成さ
れるＹ形結合器１１を用いる測定は、図１に例示した実
施例の場合と同様にして行われる。この実施例ではビー
ム分割器の代りにＹ形結合器１１が用いられている。Ｙ
形結合器１１は、所望の物体に光学的測定信号を案内す
るのに一層よい指向性利得が得られる。その理由はビー
ム分割器により生ずる上向き反射（図１参照）による損
失を避けることができるからである。しかしＹ形結合器
１１には、出射パルスの送信中に、分割器の共通部分内
で受信機入力ファイバに漂遊光信号が直接結合してしま
うという問題がある。従って図１について述べたのと同
様な問題を伴う。
【００１６】図３の上部の図は受信機の光入力を示す。
測定サイクルの開始時に前記した理由により生ずる光漂
遊信号が、正常な信号レベルに比べて約１０００倍ない
し１，０００，０００倍の強さ３５を持つ過渡パルス信
号３４を受信機入力に負荷する。受信機の出力信号を示
す下部の図によれば、過渡パルス信号３４は周期３３の
間に受信機入力増幅器を飽和状態に駆動する。周期３１
中に増幅器は飽和状態から回復する。もやにより生ずる
後方散乱入力信号成分３６が存在するが、この成分は過
負荷ゆがみ３２により増幅器出力信号からは検出するこ
とができない。符号３７の時点では、雲又は固定物体か
らの反射が入力信号に存在する。図面から明らかなよう
に又この後で到達する信号は過負荷ゆがみ３２により害
される。
【００１７】図４に示すように、通常の光電応答素子４
１をフィードバック素子４２によりハーフ・ブリッジに
構成することにより増幅器負荷を避けることができる。
図示の実施例では各光電応答素子４１、４２は逆バイア
スアバランシュフォトダイオードである。高い強度の光
パルスが両素子４１、４２すなわち両ダイオードに同時
に当たると、光学的漂遊結合により結合した漂遊信号は
ほぼ完全に消失する。ハーフ・ブリッジのバイアス調整
により、光学的漂遊結合から生ずる過渡信号がほぼ完全
に消失する程度まで精密にフィードバックフォトダイオ
ードの補償効果を調整することができる。このような構
成により、増幅器４３の過負荷に対する保護を行うこと
ができる。バイアス電圧は、先ずアナログ測定信号をＡ
／Ｄ変換器４５によってディジタル形に変換し次いでそ
のディジタル出力信号を情報処理ユニット４７で処理す
ることにより連続的に制御することができる。使用する
Ａ／Ｄ変換器４５は、５０nsのサンプリング間隔と８ビ
ットの分解能とで動作するいわゆるＦＬＡＳＨ変換器で
ある。マイクロプロセッサ４７に先だって、Ａ／Ｄ変換
器４５の出力信号はＦＩＦＯ（先入れ／先出し）レジス
タメモリ４８にロードされる。中間レジスタメモリ４８
の長さはたとえば５１２サンプルにできる。マイクロプ
ロセッサ４７は、中間レジスタメモリ４８及びＡ／Ｄ変
換器４５の両方に接続したバス５４を介してサンプリン
グ作業を制御するのに用いられる。バイアス電圧の精密
調整は、フォトダイオード４１、４２に対するバイアス
電圧を制御するバイアス電圧発生器４４に情報処理ユニ
ット４７からディジタル操作を行うことによって実施さ
れる。情報処理ユニットが測定信号の漂遊信号消失精度
の偏差を検知し、バイアス電圧を差動的に増やしたり、
又は減らしたりして完全な漂遊信号消滅ができるように
しているため、バイアス電圧制御を遅延なしに連続的に
行うことができる。実際上バイアス電圧制御は、正の給
電電圧に接続した定電圧調整器４０と負の給電電圧に接
続され制御電圧をマイクロプロセッサ４７からバス５６
によりＤ／Ａ変換器５８を介して受領する調整自在な電
圧調整器４４とにより行われる。ハーフ・ブリッジ４６
には、電圧調整器４０、４４を制御する温度補償回路４
９が好適に付加されている。以上のごとく、ダイオード
４１、４２により形成されたハーフ・ブリッジ４６は、
測定信号から漂遊信号成分を取り除く減算回路と考える
ことができる。
【００１８】図５に示すように、ビーム分割器５に基づ
いたシステム内の光信号のフィードバックは、フィード
バックセンサ素子５１に光学的に結合した光ファイバ５
３により行われる。ファイバ５３の自由端部は受信器素
子３に対してビーム分割器５の反対側に位置している。
ファイバ５３の長さは、このファイバが最も大きい漂遊
信号成分の遅れに一致する遅れを生ずるように選定され
ている。たとえば最も強い漂遊信号成分がビーム分割器
から生じた場合は、ファイバ５３により生ずる遅れは受
信器３及びビーム分割器の間の光学的径路上の遅れに調
整しなければならない。最も強い漂遊信号成分が集束レ
ンズ７（又はレンズ群）から生じた場合は、ファイバ５
３により生ずる遅れを、ビーム分割器５からレンズ７ま
での光学的径路の遅れの２倍に調整しなければならな
い。光ファイバ５３によって、各光電応答素子自体は相
互にできるだけ緊密に位置させることにより、これ等の
素子をできるだけ同じ条件に保つことができる。ファイ
バ５３の自由端部を可動にすることにより、ファイバ５
３の自由端部を動かすことによって漂遊信号消滅調整の
別の手段を与えて、図４について前記したバイアス電圧
制御を補足することができる。実際上、ファイバ端部を
機械的に曲げる粗調整を行い、次いで電子手段により精
密調整を行う。
【００１９】図６に示すようにフィードバック信号は、
Ｙ形結合器を使うときは光学的パワーデバイダ６１を介
して取り出すことができる。電力分割比はたとえば２．
２にすることができる。フィードバック効果を最適にす
るには、光学的パワーデバイダ及びフィードバック信号
センサ素子６３の間のフィードバックファイバ６５によ
り生ずる遅延が受信機３を光学的パワーデバイダ６１に
接続するファイバ６４により生ずる遅延に実質的に等し
くなるように調整する。
【００２０】本発明は、受信機本体の未補正の出力信号
から漂遊信号成分を取り除くことに先だってフィードバ
ックセンサ素子を光学的漂遊結合から生ずる漂遊信号成
分を測定することにのみ用いており、特に、基準化され
同位相とされたその波形を測定することに対してだけに
使用することを特徴とする。
【００２１】従って図４に示した実施例からそれらがた
とえば別個の校正工程後に光学的漂遊結合の消失のため
に使う各別のセンサによってフィードバック構成を行う
ことも本発明の範囲内である。
【００２２】互いに異なる遅延の補償は、Ａ／Ｄ変換器
の後方に位置させたディジタル遅延回路により交互に行
って、測定及びフィードバック信号を必要に応じ共に遅
延させることができるようにされている。
【００２３】本発明は、光ファイバを設けたＹ形結合器
と協働して使うのにとくに適すると共に、図１及び５に
例示したビーム分割器に基づく測定システムと協働して
実質的な利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術によるビーム分割器に基づく測定シ
ステムの模式図である。
【図２】光ファイバを備えたＹ形結合器に基づく従来の
測定システムの模式図である。
【図３】図１及び図２に示した測定システムの受信光入
力信号及び対応する電気出力信号を示したグラフ図であ
る。
【図４】本発明装置のブロック図である。
【図５】図１に示した基本構造に適合するようにした本
発明の構成を示した図である。
【図６】図２に示した基本構造に適合するようにした本
発明の構成を示した図である。
【符号の説明】
１ 送信手段 ２ 遅延測定素子 ３ 受信素子 ７ 光学的素子 ９ 窓 ４４ バイアス電圧発生器 ４５ Ａ／Ｄ変換器 ４６ 減算素子（ハーフ・ブリッジ） ４７ マイクロプロセッサ ５１ フィードバックセンサ素子 ５３ 光センサ ６３ フィードバック信号センサ素子 ６５ フィードバックファイバ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光パルスを光伝送システム（７、９）を
    介して大気中に放射し、 前記光伝送システム（７、９）を介して戻される後方散
    乱光の強さ及び遅延を測定して、気象学的視程と光の散
    乱とを測定する方法において、 光伝送パルスの放射に関連して装置内部に生ずる光学的
    過渡パルスの波形を測定システムの外部から生ずる後方
    散乱光が取り除かれるように検知し、 前記検知信号をその大きさ及び位相の両方について基準
    化して実際の測定信号に対して適当なフィードバック信
    号が得られるようにし、 このフィードバック信号を前記測定信号から差引き受信
    機の過負荷を避けるようにすることを特徴とする測定方
    法。
  2. 【請求項２】 前記測定システム内で生ずる前記光パル
    スの大きさの検知は、適当なフィードバック信号が得ら
    れるようにバイアス電圧が制御されるハーフ・ブリッジ
    接続されたアバランシュフォトダイオード（４１、４
    ２）により基準化することを特徴とする請求項１の方
    法。
  3. 【請求項３】 前記光学システム（７）を介し後方に進
    む戻り信号をビーム分割器（５）を介して受信素子
    （３）で受ける請求項２に記載の方法において、前記測
    定システム内で生ずる前記光パルスを、一端部は前記受
    信素子（３）に対し前記ビーム分割器（５）の反対側に
    位置させ又他端部はフィードバック信号センサ（５１）
    に結合した光ファイバ（５３）を介して検知することを
    特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 光学システム（７）を介し後方に進む戻
    り信号をＹ形結合器（６１）を介し受信素子（３）で受
    ける請求項２に記載の方法において、前記測定システム
    内で生ずる前記光パルスを、前記Ｙ形結合器により形成
    され信号をフィードバック信号センサ（６３）に結合す
    る光学的パワーデバイダ（６１）を介して検知すること
    を特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 光パルスを生成する送信手段（１）と、 前記光パルスを大気に放射する光伝送システム（７、
    ９）と、 この光伝送システム（７、９）を介し後方に進む後方散
    乱光の強さを測定する受信素子（３）と、 前記後方散乱光の伝播遅延を測定する遅延測定素子
    （２）とを包含する、気象学的視程と光の散乱とを測定
    する装置において、 光伝送パルスの放射と関連して装置内部で生ずる光学的
    過渡パルスの波形を測定する際に測定システムの外部か
    ら生ずる後方散乱光を取り除くように測定するためのフ
    ィードバック素子（６５、６３、５３、５１）と、 該フィードバック素子（６５、６３、５３、５１）によ
    って測定される信号を、その大きさ及び位相の両方につ
    いて基準化し、実際の測定信号に対して適当なフィード
    バック信号が得られるようにした基準化素子（４５、４
    ７、４４）と、 前記フィードバック信号を前記測定信号から差引き受信
    機の過負荷を避けるようにした減算素子（４６）とを有
    することを特徴とする測定装置。
  6. 【請求項６】 前記減算素子を、測定用及びフィードバ
    ック検知用のフォトダイオード（４１、４２）により形
    成したハーフ・ブリッジ（４６）により構成し、前記基
    準化素子に前記ハーフ・ブリッジ（４６）用のバイアス
    電圧制御素子（４４）を設けたことを特徴とする請求項
    ５の装置。
  7. 【請求項７】 前記光伝送システム（７、９）を介し後
    方に進む戻り信号を前記受信素子（３）に導くビーム分
    割器（５）を有する請求項６に記載の測定装置におい
    て、該装置は光ファイバ（５３）を備え、該光ファイバ
    の一方の端部は前記受信素子（３）に対し前記ビーム分
    割器（５）の反対側に位置しており、該光ファイバの他
    方の端部は、装置内部で生ずる光学的過渡パルスの形状
    を測定するのに用いられるフィードバック信号センサ
    （４２）に結合していることを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 前記光伝送システム（７、９）を介して
    後方に進む戻り信号を前記受信素子（３）に導くＹ形結
    合器（６１）を有する請求項６に記載の測定装置におい
    て、装置内部で生ずる光学的過渡パルスの形状を測定す
    るのに用いられるフィードバックセンサ（６３）に結合
    した光学的パワー分割器（６１）を備えていることを特
    徴とする装置。
JP5188505A 1992-07-30 1993-07-29 気象学的視程及び光の散乱を測定する方法及び装置 Withdrawn JPH06167447A (ja)

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JP (1) JPH06167447A (ja)
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