JPH1183629A - 差分吸収ライダ計測装置 - Google Patents

差分吸収ライダ計測装置

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JPH1183629A
JPH1183629A JP23708397A JP23708397A JPH1183629A JP H1183629 A JPH1183629 A JP H1183629A JP 23708397 A JP23708397 A JP 23708397A JP 23708397 A JP23708397 A JP 23708397A JP H1183629 A JPH1183629 A JP H1183629A
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JP
Japan
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light
wavelengths
measured
optical fiber
wavelength
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Application number
JP23708397A
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English (en)
Inventor
Yasuhiro Okada
康弘 岡田
Masafumi Yorozu
雅史 萬
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 2波長同時に光の強度の時間変化を計測可能
であり、且つ、複数の測定対象物質に対応できる差分吸
収ライダ計測装置を安価に構成する。 【解決手段】 測定空間を伝搬してきた光が入射される
分光手段と、光検出手段を、複数の光ファイバ50a、
50b又は光ファイバアレイ70で接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、計測対象物質によ
る吸収に差のある複数の波長を含む光を測定空間に伝搬
させ、該複数の波長間での光の吸収量を比較することに
より、計測対象物質の密度分布を計測する差分吸収ライ
ダ計測装置に係り、特に、複数の波長について同時に光
の強度の時間変化を計測可能であり、且つ、計測対象物
質が固定されず、複数の計測対象物質に対応可能な差分
吸収ライダ計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図6にNO2 の吸収スペクトルを例示す
る如く、計測対象物質(図6ではNO 2 )がよく吸収す
る波長λon(図6では448nm)と、あまり吸収し
ない波長λoff(図6では450nm)の2種類の波
長の光を測定空間に伝搬させ、それぞれの光の後方散乱
光の強度変化から光量の変化、即ち、光の吸収量を求
め、2波長間での光の吸収量を比較することにより、計
測対象物質の密度分布を計測する差分吸収ライダ計測
が、レーザレーダの一方式として知られている。
【0003】この差分吸収ライダ計測装置は、例えば図
7に示す如く、半導体レーザで励起されるNd:YLF
レーザ10、及び、非線形結晶により発振波長を変える
ことができるオプトパラメトリック発振器(OPO)1
2からなる光源部と、カセグレンタイプの望遠鏡14、
背景光を除去するための干渉フィルタであるフィルタ1
6、光電管18、光電子増倍管20及びデジタルオシロ
スコープ22からなる計測部と、パソコン24及びパル
スジェネレータ26からなる制御部より構成されてい
る。
【0004】このような差分吸収ライダ計測装置におい
ては、前記レーザ10からOPO12にパルスレーザを
照射して、該OPO12を励起し、所定の可変域(例え
ば447〜451nm)を有する周波数のレーザ光30
を測定空間(例えば大気)に照射する。
【0005】計測部では、前記OPO12の出力を光電
管18により計測すると共に、レーザ光30が伝搬する
際の後方散乱光32を望遠鏡14で集光し、該望遠鏡1
4に取り付けた光電子増倍管20で、後方散乱光強度を
計測する。
【0006】前記光電管18と光電子増倍管20からの
信号は、デジタルオシロスコープ22に蓄積される。
【0007】前記パソコン24は、レーザ10の制御パ
ルスを生成するためのパルスジェネレータ26を介して
のレーザ10の発振制御、OPO12の波長設定、波長
切換、デジタルオシロスコープ22への測定開始、終
了、信号の加算数設定等を行う。
【0008】この差分吸収ライダ計測装置においては、
近接した特定2波長(例えば448nmと450nm)
のレーザ光を測定空間に照射し、図8に示す如く、それ
ぞれの散乱光強度の時間変化を計測する。従って、測定
の間にエアロゾル等の計測対象物質の密度分布が一定と
見做せることが、計測の前提であり、計測対象物質の密
度分布の変化は、そのまま測定精度低下につながる。従
って、2波長を同時に照射、計測することが望ましい。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】通常、差分吸収ライダ
計測には、それぞれの波長を透過するフィルタ16をつ
けた2本の光電子増倍管20を用いるが、この場合、フ
ィルタ16の透過波長が固定であることから、測定対象
が固定されてしまうという問題点を有する。
【0010】このような問題点を解決するべく、分光器
と、分光スペクトルを同時にマルチチャネルで計測する
ことが可能なマルチチャネル検出器の一つである、例え
ば、入力スリット像が、光電面で電子像に変換され、加
速電極、掃引用偏向板、マイクロチャネルプレート等を
経て蛍光面にあてられて再び光学像(ストリーク像)に
変換されるストリーク管を備えたストリークカメラを組
合せて、図9に示すようなデータを得て、2波長448
nmと450nmを弁別し、その強度の時間変化を得る
ことが考えられる。しかしながら、通常のストリークカ
メラでは、走査できる時間τが短く、差分吸収ライダ計
測で要求される数百〜数千ナノ秒の幅での計測ができる
か不明である。又、ストリークカメラは非常に高価で大
掛かりな装置であり、普通は使えない。
【0011】一方、図7に示したような光電子増倍管2
0を用いた装置に分光器を組合せ、分光器で2波長を弁
別して、その強度を2本の光電子増倍管で計測しようと
すると、2本の光電子増倍管の検出面を数mmの間隔で
配置しなければならないが、光電子増倍管の直径が30
mm以上あることから、物理的に不可能である。従っ
て、光電子増倍管を通常の方法で使用した場合、1波長
についての光の強度の時間変化を出力することはできる
が、2波長については2回の計測が必要となる。又、フ
ィルタ16は波長が固定であることから、計測対象波長
を変える毎にフィルタを替える必要があり、柔軟性に欠
ける。
【0012】一方、分光器と、マネチチャネル検出器の
他の一つであるCCDを用いたイメージセンサを組合せ
て使用しても、図6に示したようなデータが得られる。
従って、2波長を弁別して強度比を得ることができる。
しかしながら、CCDからのデータは、ある時間内にC
CDに入射した光の強度の積分値であることから、図8
に示す右斜線部Aと左斜線部Bの面積比が得られている
ことになる。この部分の幅Tを小さくすることが可能
で、しかもその計測を、非常に高速繰り返しでできれ
ば、図8のようにアナログ的に強度の時間変化を取得で
きるが、実際には、読み出し時間等の制約から無理であ
り、CCDでは時間変化が得られない。
【0013】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くされたもので、同時に来る複数の近接する波長を弁別
して、それぞれの強度の時間変化を計測し、1回の測定
で、図8に示すようなデータを得ることができ、且つ、
計測対象物質が固定されず、複数の測定対象物質にも対
応可能とすることを課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、計測対象物質
による吸収に差のある複数の波長を含む光を測定空間に
伝搬させ、該複数の波長間での光の吸収量を比較するこ
とにより、計測対象物質の密度分布を計測する差分吸収
ライダ計測装置において、測定空間を伝搬して来た光が
入射される分光手段と、該分光手段の出側で、測定対象
波長の光がそれぞれ入射される、複数の光ファイバと、
該光ファイバの出側で、該光ファイバを伝搬して来た光
の強度を測定する光検出手段とを備え、前記複数の波長
の光の強度の時間的な変化を、同時に検出できるように
して、前記課題を解決したものである。
【0015】又、前記光ファイバを測定対象波長の数だ
け用い、測定対象波長の変化に合わせて、前記分光手段
に対する光ファイバ入射口の位置を調整可能としたもの
である。
【0016】あるいは、前記光ファイバとして光ファイ
バアレイを用い、測定対象波長の変化に合わせて、該当
する光ファイバの出射口に、前記光検出手段を接続する
ようにしたものである。
【0017】本発明では、分光器等の分光手段をフィル
タの代りに使用する。通常、分光器で用いられるICC
D等のライセンサでは2波長の同時計測は可能である
が、散乱光強度の時間変化を計測することが不可能であ
る。一方、時間変化計測が可能である光電子増倍管を用
いた場合、2波長の弁別が不可能となる。そこで本発明
では、分光手段の検出面に細い光ファイバを設置し、そ
の出射口側に光電子増倍管等の光検出手段を設置して計
測する。
【0018】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。
【0019】本実施形態は、図7に示したような差分吸
収ライダ計測装置において、図1に示す如く、望遠鏡1
4出側のフィルタ16の代わりに、例えばミラー42と
回析格子44を含む分光器40を配置し、該分光器40
と複数の測定対象波長(例えばλonとλoffの2波
長)毎に設けられた2台の光電子増倍管20a、20b
の間を、同じく測定波長毎に設けられた2本の光ファイ
バ50a、50bにより接続して、複数の波長λonと
λoffの光の強度の時間的な変化を、複数の光電子増
倍管20a、20bで同時に検出できるようにしたもの
である。
【0020】前記光ファイバ50a、50bの入射口5
2a、52bは、前記分光器40の回折格子44によっ
て回折された光のうち、測定対象波長の位置に合わせ
て、矢印Cに示す如く調整される。
【0021】一方、各光ファイバ50の出射口54は、
図2に示す如く、光ファイバコネクタ56により、光電
子増倍管20の磁気シールドハウジング60に接続され
る。図2において、62は、光電子増倍管20のソケッ
トである。
【0022】以下、本実施形態の作用を説明する。
【0023】差分吸収ライダで使用する2波長をλo
n、λoffとし、レーザ光32として、λonとλo
ffを同時に照射する場合を考えると、観測する後方散
乱光32もλonとλoffを含んでいる。この両者を
含んだ後方散乱光32を望遠鏡14で集光して分光器4
0に導入すると、散乱光は分光され、異なる光ファイバ
50a、50bに入射することになる。そして、その2
本の光ファイバ50a、50bの出射口54a、54b
側に、それぞれ光電子増倍管20a、20bを設置する
ことにより、λonとλoffの同時計測を行う。この
時、光ファイバ50a、50bの入射口52a、52b
の位置を選ぶことにより、λon、λoffを任意に設
定できる。
【0024】前記光ファイバ50の分光器40側は、波
長分解能を高めるべく、その分光方向(図1の左右方
向)の幅が狭い方が望ましく、一方、光電子増倍管20
側は、光電子増倍管20の入口形状に合わせて円形であ
ることが望ましい。そこで、前記光ファイバ50として
は、図3に例示する如く、入射口52側が偏平とされ、
出射口54側が円形とされたものを用いることができ
る。なお、入射口52側を偏平としなくても、十分な波
長分解能及び入射光量が確保できる場合には、光ファイ
バ50として、断面が全て円形の通常の光ファイバを用
いることができる。
【0025】本実施形態においては、光ファイバを測定
対象波長の数だけ準備すればよく、構成が簡略である。
【0026】次に、図4を参照して、本発明の第2実施
形態を詳細に説明する。
【0027】本実施形態は、第1実施形態と同様の差分
吸収ライダ計測装置において、光ファイバとして、分光
器40側の入射口72が多数並設された光ファイバアレ
イ70を用いたものである。
【0028】該光ファイバアレイ70の出射口74は、
ばらばらにされ、測定対象波長が入射される光ファイバ
の出射口にのみ、図2に示したような光電子増倍管20
が接続される。
【0029】本実施形態においては、分光器40で分光
された後方散乱光が、光ファイバアレイ70上の異なる
2点、即ち、異なる光ファイバに入射するので、光電子
増倍管を付ける光ファイバを選ぶことにより、λon、
λoffを任意に設定できる。
【0030】他の点については、前記第1実施形態と同
様であるので、説明は省略する。
【0031】なお、前記実施形態においては、いずれも
測定対象波長が2波長とされていたが、測定対象波長の
数は2に限定されず、3波長以上の多波長にも同様に対
応できることは明らかである。特に、第2実施形態にお
いては、光ファイバアレイ70はそのままとして、その
出射口74側に接続する光電子増倍管を増やすだけでよ
い。
【0032】又、前記実施形態においては、分光手段と
して、回折格子を備えた分光器が用いられていたが、分
光手段の種類はこれに限定されず、例えばプリズムを用
いたものでもよい。又、光検出手段も光電子増倍管に限
定されない。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、複数の波長について同
時に光の強度の時間変化を計測可能であり、且つ、計測
対象物質が固定されず、複数の測定対象物質に対応可能
な差分吸収ライダ計測装置を、比較的安価に構成でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の要部構成を示す断面図
【図2】本発明の実施形態における光ファイバと光電子
増倍管の接続状態を示す断面図
【図3】第1実施形態で用いられている光ファイバの構
成を示す斜視図
【図4】本発明の第2実施形態の要部構成を示す断面図
【図5】第2実施形態で用いられている光ファイバアレ
イを示す斜視図
【図6】差分吸収ライダ計測の原理を説明するための、
NO2 の吸収スペクトルを示す線図
【図7】差分吸収ライダ計測装置の全体構成を示す、一
部断面図を含むブロック線図
【図8】前記差分吸収ライダ計測装置によって得られ
る、複数の波長における信号強度の時間変化の例を示す
線図
【図9】本発明の検討過程で行った比較例である分光器
とストリークカメラの組合せによって得られる波形の例
を示す線図
【符号の説明】
10…レーザ 12…オプトパラメトリック発振器(OPO) 14…望遠鏡 20、20a、20b…光電子増倍管 40…分光器 44…回折格子 50、50a、50b…光ファイバ 52、52a、52b、72…入射口 54、54a、54b、74…出射口 56…光ファイバコネクタ 70…光ファイバアレイ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】計測対象物質による吸収に差のある複数の
    波長を含む光を測定空間に伝搬させ、該複数の波長間で
    の光の吸収量を比較することにより、計測対象物質の密
    度分布を計測する差分吸収ライダ計測装置において、 測定空間を伝搬して来た光が入射される分光手段と、 該分光手段の出側で、測定対象波長の光がそれぞれ入射
    される、複数の光ファイバと、 該光ファイバの出側で、該光ファイバを伝搬して来た光
    の強度を測定する光検出手段とを備え、 前記複数の波長の光の強度の時間的な変化を、同時に検
    出できるようにしたことを特徴とする差分吸収ライダ計
    測装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記光ファイバが測定
    対象波長の数だけ用いられ、測定対象波長の変化に合わ
    せて、前記分光手段に対する光ファイバ入射口の位置が
    調整可能とされていることを特徴とする差分吸収ライダ
    計測装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記光ファイバとして
    光ファイバアレイが用いられ、測定対象波長の変化に合
    わせて、該当する光ファイバの出射口に、前記光検出手
    段を接続するようにされていることを特徴とする差分吸
    収ライダ計測装置。
JP23708397A 1997-09-02 1997-09-02 差分吸収ライダ計測装置 Pending JPH1183629A (ja)

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Cited By (2)

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