JPWO2003073127A1 - 気象観測ライダーシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、観測対象に向けて発射したレーザ光に対する観測光に基づいてライダー観測を行う気象観測ライダーシステムであって、前記観測光を前記レーザ光の波長帯域の光とそれ以外の波長帯域の光とに分光する分光器と、前記分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第１のフィルタを透過した第１の周波数成分の光を検出する第１の光検出手段と、前記分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第２のフィルタを透過した第２の周波数成分の光を検出する第２の光検出手段と、前記分光された前記レーザ光の波長帯域の光を検出する第３の光検出手段と、前記分光された前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光を検出する第４の光検出手段と、を備える気象観測ライダーシステムを提供する。

Description

技術分野
本発明は、気象観測システムおよびこれを用いた気象観測方法に関し、特にライダー（レーザーレーダー）による気象観測システム（気象観測ライダーシステム）およびこれを用いた気象観測方法ならびに気象観測ライダー解析方法に関する。
背景技術
ライダー（ＬＩＤＡＲ；Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）は、観測領域の大気中に短いパルスのレーザ光を照射し、その散乱光をライダー信号として測定し、解析することにより、大気の状態を観測する技術である。ライダー観測のためのレーザ光には、一般には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光の照射による散乱の種類には、エアロゾル（浮遊粒子状物質）によるミー散乱、大気構成分子によるレイリー散乱やラマン散乱などがあり、これらを利用して大気温度やエアロゾルの空間分布、大気密度、大気成分の濃度分布などの観測要素を解析することができる。このような解析は、具体的には、ライダー信号を表現したライダー方程式と呼ばれる式を解くことにより行われる。
ミー散乱は、照射されるレーザ光の波長と同程度の大きさの物質によって起こる散乱現象である。また、レイリー散乱は、照射されるレーザ光の波長よりも小さな物質によって起こる散乱現象である。エアロゾルが存在する観測領域からのライダー信号にはミー散乱信号成分とレイリー散乱信号成分とが重畳されており、レイリー散乱ライダーにおいて高精度な観測を行うためには、ミー散乱信号成分を効率的に分離または遮断（分光）する必要がある。ミー散乱信号成分を分光する手法には、一般に、高遮断率を持つフィルタとして知られるヨウ素吸収フィルタが用いられる。ヨウ素吸収フィルタを用いた分光手法は、照射するレーザ光の波長が特定のヨウ素ガスの吸収スペクトル線に合うように、シーダ光の波長を掃引した後、そのレーザ光を大気中に照射して、そのライダー信号をヨウ素吸収フィルタに導くというものである。これによって、ライダー信号に含まれるミー散乱信号成分は、ヨウ素吸収フィルタにより吸収され、レイリー散乱信号成分のみが透過する。
また、物質にレーザ光を照射させると入射光と異なる波長の散乱光が観測される。これはラマン散乱と呼ばれる。ラマン散乱ライダーは、大気温度の観測や水蒸気分布の観測に有効である。例えば、大気温度を解析する場合には、窒素分子等の振動ラマン散乱を用いて大気密度を求め、レイリー散乱ライダーと同様の解析により求めたり、回転ラマン散乱のスペクトルの強度分布から求めている。また、水蒸気分布を解析する場合には、水蒸気を構成する水分子と大気を構成する窒素分子の振動ラマン散乱を同時に解析して大気密度の減衰率を補正し、窒素分子の平均密度の高度分布から水蒸気分布を求めている。
レイリー散乱ライダーによる高精度な観測を行うためには、重畳されているミー散乱信号成分とレイリー散乱信号成分とを効率的に分光する必要がある。高度３０ｋｍ以上の成層圏では、大気を構成する分子によるレイリー散乱がほとんどであり、比較的簡単に測定が可能であるが、対流圏では、エアロゾルによる強力なミー散乱光が存在し、その散乱強度も不均一である。従って、レイリー散乱ライダー観測を行うためには、実用上、ミー散乱信号成分に対して数桁の遮断率が要求されていた。
一方、ヨウ素吸収フィルタを用いた分光手法では、該吸収フィルタの透過特性の不安定性が大きな問題となっていた。これは、主に、該吸収フィルタ内のヨウ素ガスの密度分布が不均等であるため、吸収スペクトル特性が不安定であることが原因である。
また、このような高遮断率のフィルタは、スペクトル分解能の目安であるフィネスを高めるため、高反射率の誘電体多層膜でコーティングされている。しかしながら、このようなコーティングにより反射率を高めると、フィルタの最大透過率が低下してしまい、微弱なライダー信号を測定するライダー観測にとって致命的な問題となっていた。
さらに、従来の気象観測ライダーシステムは、各種の観測要素の状態を解析するために、個々の観測要素の観測に適したレーザ光をそれぞれ光源としていた。つまり、従来の気象観測ライダーシステムは、１つのレーザ光を光源として、同時に各種のライダー観測を行って、各種の観測要素の状態を解析することはできなかった。例えば、水蒸気分布を求めるためには、差分吸収法や振動ラマン散乱を用いることが有効である。ところが、前者の差分吸収法では、特殊な２つの波長のレーザ光が必要であり、これらのレーザ光は他の観測要素に利用することができなかった。また、後者の振動ラマン散乱では、水蒸気の振動ラマン散乱の強度がレイリー散乱の強度よりも約３桁ほど小さいことから、観測システムの信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を高めるために高出力レーザーと高感度の光学望遠鏡が必要となり、その結果、装置が大型化し、コストパフォーマンスが低下するという問題があった。また、上述したヨウ素吸収フィルタを用いた分光手法では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波成分（λ＝５３２ｎｍ）付近にヨウ素の吸収スペクトル線があるため、レーザ光の波長はこれに制限されるといった問題があった。
さらにまた、ライダー観測においては、その光源にレーザ光を用いるため、人体に対する安全性（アイセーフ特性）を十分に考慮する必要がある。従って、ライダー観測では、上述のようなさまざまな散乱現象を効率的に観測することができるレーザ光を選択する一方で、アイセーフ特性を考慮したシステムを開発する必要がある。
そこで、本発明は、これらの課題を解決するために、新たな気象観測ライダーシステムおよびこれを用いた気象観測方法を提案することを目的としている。
より具体的には、本発明の第１の目的は、レイリー散乱ライダーによる高精度な観測を行うため、重畳されているミー散乱信号成分とレイリー散乱信号成分とを効率的かつ安定的に分離・遮断することができる気象観測ライダーシステムを実現することである。
また、本発明の第２の目的は、１つのレーザ光により、同時に各種のライダー観測を行って、各種の観測要素の状態を解析することができる気象観測ライダーシステムを実現することである。
さらに、本発明の第３の目的は、効率的なライダー観測ができるようにしつつ、アイセーフ特性を考慮した気象観測ライダーシステムを実現することである。
発明の開示
上記課題を解決するための本発明は、レーザ装置から所定の中心周波数を有するパルス状のレーザ光を照射して、その反射光を観測する気象観測ライダーシステムであって、観測される反射光を、前記レーザ光の波長帯域の光と前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光とに分光する分光器と、前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第１の周波数成分を中心とする光を選択的に透過させる第１のフィルタと、前記第１のフィルタを透過した前記第１の周波数成分の光を検出する第１の光検出手段と、前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第２の周波数成分を中心とする光を選択的に透過させる第２のフィルタと、前記第２のフィルタを透過した前記第２の周波数成分の光を検出する第２の光検出手段と、前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光を検出する第３の光検出手段と、前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光を検出する第４の光検出手段と、を備えることを特徴とする気象観測ライダーシステムである。
ここで、前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光が前記第１のフィルタを少なくと２回透過させるように構成している。
また、前記第１のフィルタが透過させるべき第１の中心周波数成分は、前記第２のフィルタが透過させるべき第２の中心周波数成分よりも、前記レーザ光の所定の中心周波数に近い位置に設定されることが好ましい。
より好ましくは、前記第１のフィルタが透過させるべき第１の中心周波数と前記第２のフィルタが透過させるべき第２の中心周波数とは、所定のレイリー散乱スペクトル関数によるレイリー散乱スペクトルにおける温度変化に対してそのスペクトルパワーの変化量が最小である周波数位置を中心とした両側にそれぞれ設定される。
具体的には、前記第１のフィルタが透過させるべき第１の中心周波数は略１．０［ＧＨｚ］であり、前記第２のフィルタが透過させるべき第２の中心周波数は略３．５［ＧＨｚ］に設定される。
また、本発明に係る気象観測ライダーシステムは、前記レーザ装置から発射されたレーザ光の出力を監視する監視装置と、前記監視装置によって監視される前記レーザ光の出力に基づいて、前記レーザ光の中心周波数が一定になるように、前記レーザ光の出力を制御する制御手段と、をさらに備える。
ここで、前記レーザ装置は、所定の印加電圧に基づくシーダ光をロッドに供給するシーダを有し、前記制御手段は、前記シーダに対する印加電圧を制御することを特徴とする。
また、前記監視装置は、所定の中心周波数の光を選択的に透過する第３のフィルタと、前記レーザ装置から発射されたレーザ光を第１の監視信号として検出する第１の光検出器と、前記第３のフィルタを透過した光を第２の監視信号として検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器により検出される第１の監視信号に基づきスペクトル解析を行って得られるスペクトルパワーの第１のピーク値と、前記第２の光検出器により検出される第２の監視信号に基づきスペクトル解析を行って得られるスペクトルパワーの第２のピーク値とをそれぞれ検出するピーク検出手段と、を備える。
さらに、前記制御手段は、前記第３のフィルタが透過させる光の中心周波数をν０、前記第３のフィルタが透過させる光のスペクトルにおける半値幅をΔνとしたとき、前記ピーク検出手段により検出される第１のピーク値および第２のピーク値に基づいて、前記レーザ光の中心周波数がν０＋Δν／２になるように、前記シーダに対する印加電圧を制御することを特徴とする。
なお、前記レーザ装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置であることが好ましく、生成したレーザ光の第３高調波成分が所定の光学素子によって取り出されて、発射されるように構成される。
さらにまた、本発明に係る気象観測ライダーシステムは、前記第１乃至第４の光検出手段によってそれぞれ検出される応答信号に基づいて、所定の解析処理を行う解析手段をさらに備える。
ここで、前記解析手段は、前記第１の光検出手段および前記第３の光検出手段によりそれぞれ検出される応答信号に基づいて、エアロゾルの分布状態を求めることを特徴とする。
また、前記解析手段は、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段によりそれぞれ検出される応答信号に基づく所定のレイリー散乱ライダー方程式に基づいて、所定の応答関数および所定の気温計測感度を求め、前記求めた所定の応答関数および所定の気温計測感度に基づいて大気温度の分布状態を求めることを特徴とする。
さらに、前記解析手段は、前記第２の光検出手段により検出される応答信号に基づく所定のレイリー散乱ライダー方程式および前記第４の光検出手段により検出される応答信号に基づく所定のラマン散乱ライダー方程式に基づいて、水蒸気の分布状態を求めることを特徴とする。
さらにまた、前記解析手段は、予め収集されるノイズデータに基づいて前記応答信号を補正することを特徴とする。
本明細書において、「手段」とは、単に物理的手段を意味するものではなく、その手段が有する機能をソフトウェア（プログラム）によってコンピュータに実現させる場合も含む。また、１つの手段が有する機能が２つ以上の物理的手段により実現されても、２つ以上の手段の機能が１つの物理的手段により実現されても良い。
なお、上記システムの発明は、方法の発明としても把握することができる。また、各手段を、プログラムがコンピュータに実現させる機能としても把握した場合には、プログラムの発明またはプログラムを記録した記録媒体の発明としても成立する。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
図１は、本実施形態に係る気象観測ライダーシステムの基本構成を示す概略図である。本気象観測ライダーシステムは、ライダー観測に適した単一のパルスレーザ光を発生させて、観測領域の大気中（観測対象）に向けてこれを発射する送信系１と、送信系１から発射されたレーザ光の反射光（散乱光）を応答信号（ライダー信号）として受信する受信系２と、受信系２により受信された応答信号を各種のライダー観測に必要な応答信号にそれぞれ分光し、検出する分光系３と、これら各系を構成する機器を制御するとともに、分光系３により検出した応答信号に基づいて観測領域の各観測要素についての解析処理を行う制御／処理系４と、から構成されている。本実施形態では、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルを観測対象として観測するものとする。
送信系１の中核をなすレーザ装置１１は、シーダ光を供給するシーダ１２を備えたＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザである。本例のレーザ装置１１の平均出力パワーの変動（出力パワーの許容値）は±５％に抑えられている。また、レーザ装置１１は、後述するように、シーダ１２に対する外部からの印加電圧を制御するフィードバック制御を行うことで、安定的な発振周波数のレーザ光を生成することができるように構成されている。レーザ装置１１は、生成した高周波パルスのレーザ光の第３高調波成分（λ＝３５５ｎｍ）を、図示していない非線形光学素子により取り出して、出力エネルギーＥ０で外部に射出する。このように、本実施形態では、アイセーフ特性を考慮したレーザ光を光源として使用している。
レーザ装置１１から射出されるレーザ光の光路上には、ビームスプリッタ１３が配置されている。ビームスプリッタ１３は、ライダー観測のための主レーザ光と、生成しているレーザ光の発振周波数の安定化制御のためのレーザ光（以下「監視用レーザ光」という。）とに分光する。主レーザ光は、ビームエクスパンダ１４を介して適宜の径に成形された後、所定の位置から大気に向けて発射される。一方、ビームスプリッタ１３によって取り出された監視用レーザ光は、光ファイバにより周波数モニタ装置１５に誘導される。周波数モニタ装置１５には、高分解能のフィルタが設けられている。周波数モニタ１５は、現に生成されているレーザ光の周波数スペクトルを監視するため、誘導された監視用レーザ光を２チャンネル（フィルタを通過したものとそうでないもの）に分けて、図示していない２つの光検出器によりそれぞれ検出し、その検出結果を制御／処理系４に送出する。制御／処理系４では、コンピュータ１６が、周波数モニタ装置１５から送出される検出結果に基づいて、レーザ光の発振周波数が安定化するように、シーダ１２に対する印加電圧を制御している。
受信系２は、大気に向けて発射されたレーザ光の反射光（散乱光）を集光する反射望遠鏡である。本実施形態では、有効径２５０ｍｍ、焦点距離３０００ｍｍ、波長λ＝３５５ｎｍに対する反射率９０％以上の反射望遠鏡を用いている。この反射望遠鏡により集光された観測光（応答信号）は、光ファイバーを介して分光系３に誘導される。
分光系３は、受信系２から光ファイバーを介して導入される応答信号を各種のライダー観測、すなわち、レイリー散乱ライダー、ラマン散乱ライダーおよびミー散乱ライダーの３種類のライダー観測に必要な信号にそれぞれ分光し、検出可能なように構成されている。分光系３の各光検出手段（図示せず）によりそれぞれ検出された応答信号は、制御／処理系４に送出され、解析処理される。これにより、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルの分布等が得られることになる。
制御／処理系４は、コンピュータ１６を中心にして、ディスプレイ１７、キーボード１８およびプリンタ１９等から構成されている。このコンピュータ１６には入出力ポートが設けられており、コンピュータ１６は、この入出力ポートを介して、各系を構成する機器から送出される信号をそれぞれ受け取り、また、機器に対して制御信号をそれぞれ出力する。コンピュータ１６の基本的な役割は、本気象観測ライダーシステムに対する統括的な制御の下、周波数モニタ装置１５からの監視信号に基づいて、レーザ光の発振周波数が安定化されるように、シーダ１２に対する印加電圧を制御すること、および分光系３の各光検出手段からの応答信号に基づいて、大気の気温や水蒸気等の状態を解析することである。
図２は、本実施形態に係る周波数モニタ装置１５の構成を示す図である。同図に示すように、周波数モニタ装置１５は高分解能フィルタとしてのエタロン２１を備えている。エタロン２１は、特定の周波数の整数倍の光のみを選択的に透過するように構成されたフィルタである。エタロン２１には連続運転による温度変化による周波数透過特性の不安定性を解消するための温度コントローラ（図示せず）が設けられていることが好ましい。
光ファイバを介して周波数モニタ装置１５に導入された監視用レーザ光は、さらに、内部のビームスプリッタ２２で分光され、その一方は集光レンズを介して直接的に第１の光検出器２３ａに入射される。光検出器２３ａはフォトダイオード（ＰＤ）であり、入射されたレーザ光を第１の電気信号に変換する。変換された第１の電気信号は、ピーク検出器２４に入力される。また、ビームスプリッタ２２で分光されたもう一方のレーザ光は、エタロン２１に入射され、そこを通過した後、集光レンズを介して第２の光検出器２３ｂに入射される。光検出器２３ｂもまたフォトダイオードであり、これにより変換された第２の電気信号はピーク検出器２４に入力される。
ピーク検出器２４は、パルスごとに入力される第１の電気信号及び第２の電気信号についてそれぞれの電力の最大値（ピーク値）を検出する。検出される第２の電気信号の最大値はエタロン２１の透過率関数に比例している。ピーク検出器２４により検出されたそれぞれのピーク値は、そのパルスごとにコンピュータ１６に送出される。
このように、周波数モニタ装置１５は、実際の観測に使用されるレーザ光とエタロン２１を介して得られるレーザ光のそれぞれについて、そのピーク値を検出する２チャンネル構造になっている。
コンピュータ１６は、入力されるそれぞれのピーク値に基づいて、シーダ１２に対する印加電圧をフィードバック制御している。すなわち、シーダ１２の中心周波数を外部からの印加電圧によって変動させることが可能であるという特性を利用して、コンピュータ１６は、図３（ａ）に示すように、実際の観測に使用されるレーザ光の中心周波数がエタロン２１の透過スペクトル幅の半値幅の付近にくるように制御している。同図中、エタロン２１の透過スペクトルの中心周波数をν０、その半値全幅をΔνとするとき、コンピュータ１６は、レーザ光の中心周波数がその半値半幅Δν／２になるまで制御する。これにより、実際の観測に使用されるレーザ光の中心周波数はν０＋Δν／２となる。より具体的には、同図（ｂ）に示すように、２つのピーク値比の変化率Ｓｉ（Ｓｉ＝ｄＲｉ／ｄν）は、レーザ光の中心周波数がエタロン２１の透過スペクトルの半値幅に近づくほど大きくなり、離れるほど小さくなり、半値幅のところで最大となる。そこで、本実施形態では、コンピュータ１６は、２つのピーク値比の変化率Ｓｉの絶対値が最大になるようにシーダ１２に対する印加電圧を制御して、実際の観測に使用されるレーザ光の中心周波数がエタロン２１の透過スペクトル幅の半値幅の付近にくるように制御している。
このように、周波数モニタ装置１５から得られる２つのピーク値の比は、エタロン２１の透過率の変化にのみ依存し、レーザ光の出力パワーの変化に依存しないので、これらに基づいてシーダ１２に対するフィードバック制御を行うことで、レーザ装置１１により出力されるレーザ光の出力エネルギー変動によるピーク値への影響を除去できるようになる。
図４は、本発明の一実施形態に係る分光系３の構成を説明するための図である。分光系３は、１つの観測光（応答信号）を、各種のライダー観測、すなわち、レイリー散乱ライダー、ラマン散乱ライダーおよびミー散乱ライダーの３種類のライダー観測のために必要な光に分光し、検出する。
受光系２から光ファイバを介して誘導された観測光は、レンズＬ１を介して回折格子４１に入射され、所定の波長の光ごとに所定の方向に反射される。回折格子４１による回折光は、レンズＬ２を利用して、所定の波長帯域の光ごとに所定の方向に集光され、ミラーＭ１とミラーＭ２とによりレーザ光の波長帯域の光とそれ以外の波長帯域の光とがそれぞれ取り出される。ミラーＭ１により取り出されたレイリー散乱光、ミー散乱光および３５５ｎｍ波長付近の背景光が重畳された光は、レンズＬ３を介してバンドパスフィルタ４２に入射され、バンドパスフィルタ４２は、このうち背景光を遮断する。バンドパスフィルタ４２は、スペクトル分布が広い背景光のカットに使用されるフィルタであり、一般には、その透過スペクトル幅はエタロンのそれよりかなり広くなるように設計されている。バンドパスフィルタ４２を通過した光は、ビームスプリッタＢＳ１で２つに分離され、その一方の光は、ビームスプリッタＢＳ２でさらに２つに分離される。
ビームスプリッタＢＳ２で分離された光は、エタロン４４ａおよびエタロン４４ｂにそれぞれ入射される。エタロン４４ａおよびエタロン４４ｂは、それぞれ異なる周波数の光を選択的に透過するフィルタである。エタロン４４ａおよびエタロン４４ｂには連続運転による温度変化による周波数透過特性の不安定性を解消するための温度コントローラ（図示せず）が設けられていることが好ましい。
エタロン４４ａが透過させる光の中心周波数（以下、「透過中心周波数」という。）ν１は、エタロン４４ｂの透過中心周波数ν２よりもミー散乱スペクトルの中心周波数ν０に近くなるように設定される。好ましくは、図５（ａ）に示すように、温度に依存するレイリー散乱スペクトル関数によるレイリー散乱スペクトル（これはガウシアン分布曲線を形成する。）において、温度変化に対してそのスペクトルパワーの変化量が最小になる周波数ｆを中心として、その両側に、エタロン４４ａとエタロン４４ｂのそれぞれの透過中心周波数ν１およびν２が設定される。
すなわち、温度に依存するレイリー散乱スペクトル関数によるレイリー散乱スペクトルは、図５（ｂ）に示すように、温度の変化に対して周波数ｆをほぼ中心にして逆変化特性を示すガウシアン分布曲線を形成する。具体的には、大気温度が−５０〜３０［℃］の範囲で変化する場合に、そのスペクトルパワーの変化量が最小になる周波数ｆは、レイリー散乱スペクトルの半値半幅（ＨＷＨＭ）が約１．７〜１．９５［ＧＨｚ］の範囲となる。そこで、本実施形態では、エタロン４４ａにおける透過光の中心周波数ν１を１．０［ＧＨｚ］に設定し、エタロン４４ｂにおける透過光の中心周波数ν２を３．５［ＧＨｚ］に設定している。
ビームスプリッタＢＳ２からエタロン４４ａに入射され、ここを通過した光は、プリズム４５により偏向され、重なり合うことなく、もう一度、エタロン４４ａを通過する。このため、エタロン４４ａは、ライダー観測のために検出しようとする光を、重なり合うことなく、少なくとも２回通過させることができるように、大口径ものが採用されている。検出しようとする光をエタロン４４ａに少なくとも２回通過させる分光方式を、ここでは２重パス分光方式と呼ぶことにする。
上述したように、エタロン４４ａの透過中心周波数ν１はミー散乱スペクトルの中心周波数に近いため、エタロン４４に光が１回通過しただけではミー散乱の遮断率は十分なものでないが、２重パス分光方式によりミー散乱の遮断率は飛躍的に向上することになる。
エタロン４４ａを再度通過した光は、ミラーＭ３およびレンズＬ４を介して第１の光電子増倍管（ＰＭＴ）４３ａにより入射され、電気信号に変換される。また、ビームスプリッタＢＳ２からエタロン４４ｂに入射され、ここを通過した光は、レンズＬ５を介して第２の光電子増倍管４３ｂにより入射され、電気信号に変換される。
また、ビームスプリッタＢＳ１で分離された一方の光は、レンズＬ６を介して第３の光電子増倍管４３ｃに入射され、散乱信号光子数に応じた電気信号に変換される。
図４に示した回折格子４１による回折光のうち、レンズＬ２を介してミラーＭ２により取り出された光は、レンズＬ７を介して干渉フィルタ４６に入射される。干渉フィルタ４６を通過した光は、レンズＬ８を介して第４の光電子増倍管４３ｄに入射され、電気信号に変換される。
それぞれの光電子増倍管４３ａ〜４３ｄにより検出された応答信号は、コンピュータ１６に入力され、Ａ／Ｄ変換された後、観測要素ごとに適宜選択的に使用され、解析処理される。
すなわち、高度別の大気温度については、コンピュータ１６は、エタロン４４ａとエタロン４４ｂとによりそれぞれ分光された２チャンネルの応答信号に基づいて、レイリー散乱ライダー方程式を解くことにより求めている。また、高度別の水蒸気量については、コンピュータ１６は、回折格子４１および干渉フィルタ４６により分光された１チャンネルの応答信号およびエタロン４４ａにより分光された１チャンネルのレイリー散乱応答信号に基づいて、振動ラマン散乱ライダー方程式を解いている。さらに、高度別のエアロゾルについては、コンピュータ１６は、回折格子４１により分光された１チャンネルの応答信号およびエタロン４４ａにより分光された１チャンネルの応答信号に基づいて、ミー散乱ライダー方程式を解いている。
より具体的には、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルの状態は、次のようにして求められる。
すなわち、一般のライダー方程式よって、光電子増倍管４３のゲート時間あたりの散乱信号光子数Ｎ（ｚ）は、

で表される。ここで、
Ｅ_０：レーザ装置の出力エネルギー
Ｙ（ｚ）：距離ｚにおける送受信光学系の視野の重なり関数
ｑ：対応するチャンネルの効率（光学系の効率×ＰＭＴの量子効率）
α（ｚ）：大気の消散係数
β（ｚ）：体積後方散乱係数（散乱体密度および散乱断面積の関数）
ｆ_ｄ：フィルタの透過関数
Ａ：受信系の開口面積
ｚ：高度
Δｚ：高度分解能
である。このうち、大気の消散係数α（ｚ）および体積後方散乱係数β（ｚ）以外のパラメータはシステムに与えられた既知の値である。
光電子増倍管４３ａ〜４３ｄで検出されるレイリー散乱光、ミー散乱光および振動ラマン散乱光は、それぞれ次のようなライダー方程式で表される。
まず、光電子増倍管４３ａおよび４３ｂによるレイリー散乱チャンネルである受信光子数Ｎ_１（ｚ）およびＮ_２（ｚ）は、

で表される。ここで、
Ｒ（ν，Ｔ，Ｐ）：レイリー散乱スペクトル関数（Ｔ：大気温度、Ｐ：気圧）
Ｆ_ｉ：各エタロンの透過スペクトル関数
Ｂ（ｖ）：バンドパスフィルタの透過スペクトル関数
β_ｍ（ｚ）：大気分子の散乱係数
である。このうち、各エタロンの透過スペクトル関数Ｆ_ｉおよびバンドパスフィルタの透過スペクトル関数Ｂ（ν）はシステムに与えられた既知の値である。
また、光電子増倍管４３ｃによるエネルギーチャンネルである受信光子数Ｎ_３（ｚ）は

で表される。ここで、
β_ａ（ｚ）：エアロゾルの散乱係数
である。
さらに、光電子増倍管４３ｄによる水蒸気ラマン散乱チャンネルである受信光子数Ｎ_４（ｚ）は、

で表される。ここで、
β_Ｈ２０（ｚ）：水蒸気の散乱係数
である。
ミー散乱およびレイリー散乱における散乱係数は、次のように導出される。すなわち、式３および式５より、ミー散乱とレイリー散乱との散乱比Ｓ（ｚ）は、

で表される。この式８を、ｉ＝１の場合の式３に取り入れると、レイリー散乱における大気分子の散乱係数β_ｍ（ｚ）は、

となる。また、この式９で得られたβ_ｍ（ｚ）を式７に代入すると、ミー散乱におけるエアロゾルの散乱係数β_ａ（ｚ）は、

となる。ここで、
ｆ_１：システムの校正により得られるパラメータ
である。
このように得られたライダー方程式に基づいて、大気温度は次のように導出される。まず、応答関数Ｒ_ｓおよび気温計測感度Ｓ_Ｔは、

で表される。ここで、
ａ：エタロン４４ａおよび４４ｂのミー散乱成分に対する透過率の比
であり、システムの校正により得られるパラメータである。
このように、本実施形態では、応答関数Ｒ_ｓは、相互に逆変化特性を有する散乱信号光子数Ｎ_１と散乱信号光子数Ｎ_２との差分により求められるので、システムのＳ／Ｎ比を増大させることができ、また、ミー散乱の遮断率をさらに向上させることができる。これに伴って、気温観測感度Ｓ_ｒも増大させることができる。
また、大気の絶対気温Ｔ（ｚ）は、

となる。ここで、Ｔ（ｚ_０）は基準温度（高度Ｚ_０における気温）である。
なお、応答関数Ｒ_ｓと気温計測感度Ｓ_Ｔは、他の計測計（例えばバルーンを用いたラジオゾンデ）による校正実験により取得されるデータに基づいて校正されることが好ましい。
また、水蒸気密度の高度分布は次のように導出される。すなわち、水蒸気の振動ラマン散乱に関する式６および大気分子のレイリー散乱に関する式３により、その２つのチャンネルの出力比を求めることにより、

となる。また、α_λ０とα_Ｈ２Ｏ（ｚ）とはほぼ等しいと仮定することができるので、水蒸気の散乱係数β_Ｈ２Ｏは、

となる。また、水蒸気密度の高度分布ｎ_Ｈ２Ｏ（ｚ）は、

となる。
このように、本実施形態では、大気分子のレイリー散乱ライダー方程式（式３）に加え、水蒸気のラマン散乱ライダー方程式（式６）を解くことにより、水蒸気密度の高度分布を求めることができる。従って、従来の水蒸気ラマン散乱ライダーで必要とされる窒素分子の振動ラマン散乱を利用する場合に比較して、本実施形態は、高出力のレイリー散乱を利用することにより、高精度かつ長距離に亘った観測が可能になる。
次に、上記のように構成される気象観測ライダーシステムの処理の流れについて、図６〜図８に示すフローチャートを参照しつつ、説明する。
本気象観測ライダーシステムを用いた気象観測は、準備・観測処理のフェーズと、収集した観測データの解析処理のフェーズに分けることができる。図６は、気象観測ライダーシステムにおける準備・観測処理を説明するためのフローチャートである。
気象観測ライダーシステムに電源が投入されると、各機器が稼動し始める。この場合、レーザ装置１１および各機器に設けられた温度調節器には、十分な予熱が与えられることが好ましい。電源が投入されたコンピュータ１６は、まず、計測高度、分解能、サンプリング時間、積算回数、光電子増倍管４３に対する印加電圧等の計測条件の設定を受け付ける（ＳＴＥＰ６０１）。次に、コンピュータ１６は、レーザ装置１１のレーザ光の中心周波数とエタロン２１の透過中心周波数の初期調整を行う（ＳＴＥＰ６０２）
図７は、レーザ装置１１のレーザ光の中心周波数とエタロン２１の透過中心周波数の調整処理を説明するためのフローチャートである。コンピュータ１６は、レーザ装置１１によりレーザ光がショットされたときの光検出器２３ａおよび２３ｂの出力電圧Ｖｉを収集し、その平均値を算出する（ＳＴＥＰ７０１）。ここでは、レーザ光１００ショット当たりの出力電圧Ｖｉの平均値を求めるものとする。続いて、コンピュータ１６は、光検出器２３ａと光検出器２３ｂの出力電圧比Ｒｉを算出し（ＳＴＥＰ７０２）、シーダ１２に対するオフセット電圧ΔＶを算出する（ＳＴＥＰ７０３）。オフセット電圧ΔＶは、
ΔＶ＝ΔＶ０＋δＶ
で求められる。ここで、ΔＶ０はシーダ１２に対する初期印加電圧、δＶはシーダ１２に対するシフト電圧であり、δＶ＜＜ΔＶ０である。なお、電源が投入された直後は、オフセット電圧ΔＶはΔＶ０である。
コンピュータ１６は、光検出器２３ａおよび２３ｂの出力電圧Ｖｉ＋１を、例えば１００ショット分積算し（ＳＴＥＰ７０４）、光検出器２３ａと光検出器２３ｂの出力電圧比Ｒｉ＋１を算出する（ＳＴＥＰ７０５）。次に、コンピュータ１６は、出力電力比の変化率Ｓｉを算出する（ＳＴＥＰ７０６）。出力電力比の変化率Ｓｉは、

で求められる。
さらに、現在得られている電圧比の変化率Ｓｉとエタロン２１の透過特性の構成により得られた設定変化率Ｓ０との差分を計算し、その差分値が実質的に０、つまり所定の許容値以内に収まっているか否かを判断する（ＳＴＥＰ７０７）。具体的には、コンピュータ１６は、現在の出力電圧比の変化率Ｓｉと構成により得られた設定変化率Ｓ０との差分が５％以下であるか否かを判断している。コンピュータ１６は、５％以内に収まっていないと判断する場合には、続いて出力電圧比Ｒｉ＋１と出力電圧比Ｒｉのどちらが大きいか判断する（ＳＴＥＰ７０８）。
コンピュータ１６は、出力電圧比Ｒｉ＋１の方が大きいと判断する場合（ＳＴＥＰ７０８のＹｅｓ）、出力電圧比Ｒｉを出力電圧比Ｒｉ＋１とした後（ＳＴＥＰ７０９）て、現在のオフセット電圧ΔＶをδＶだけ上げるため、ＳＴＥＰ７０３に戻る。一方、出力電圧比Ｒｉ＋１の方が小さいと判断する場合（ＳＴＥＰ７０８のＮｏ）、コンピュータ１６は、現在のオフセット電圧ΔＶをδＶだけ下げて（ＳＴＥＰ７１０）、ＳＴＥＰ７０４に戻る。
以上のように、コンピュータ１６は、シーダ１２に対するオフセット電圧ΔＶの初期調整をシステム許容値に収まるまで行った後、システムによる計測を稼動し始める。コンピュータ１６は、システムの稼働中は、シーダ１２に対する一定のオフセット電圧ΔＶを安定的に印加している。
コンピュータ１６は、レーザ光の中心周波数の初期調整を終了すると、レーザ光をカットオフして（ＳＴＥＰ６０３）、４ｃｈの各光電子増倍管４３ａ〜４３ｄから信号を受信し始め、これをノイズデータとして蓄積していく（ＳＴＥＰ６０４）。レーザ光のカットオフとは、レーザ光が発射されているが、それが観測対象に向けて発射されていない状態である。これは、システムに潜在する暗電流とともに背景光そのものを受信して、それをノイズの低減処理に用いるためである。
このようにしてノイズデータを収集、蓄積した後、コンピュータ１６は、観測対象に向けて実際にレーザ光を照射して（ＳＴＥＰ６０５）、計時しながら４ｃｈの各光電子増倍管４３ａ〜４３ｄから信号を受信し始め、これを観測データとして蓄積していく（ＳＴＥＰ６０６）。つまり、この観測データは、時間−電力波形として表現されるデータ列である。
必要な観測データを収集、蓄積した後、コンピュータ１６は、先に収集、蓄積したノイズデータに基づいて、観測データに対するノイズの低減処理を行う（図８のＳＴＥＰ８０１）。本例では、コンピュータ１６は、ノイズデータと観測データとの差分を算出している。次に、コンピュータ１６は、高度分解能に基づくデータの平滑化処理を行う（ＳＴＥＰ８０２）。本例では、コンピュータ１６は、収集、蓄積した時間軸領域の観測データを光速ｃで高度軸領域のデータに変換した後、所定のサンプリング間隔に従って平滑重なりデータ個数を算出し、さらに移動平均法を適用することにより、高度−電力波形としてのデータを平滑化する。続いて、コンピュータ１６は、Ｙ（ｚ）およびｚ^２を補正する（ＳＴＥＰ８０３）。ここで、Ｙ（ｚ）は距離ｚにおける送受信系の視野の重なり関数である。
ライダー方程式による解析に必要なデータを準備した段階で、コンピュータ１６は、エアロゾル解析処理（ＳＴＥＰ８０４）、大気温度解析処理（ＳＴＥＰ８０５）を行った後、水蒸気解析処理（ＳＴＥＰ８０６）を行う。
図９は、エアロゾル分布の解析処理の流れを説明したフローチャートである。同図に示すように、コンピュータ１６は、光電子増倍管４３ａおよび４３ｃから収集された観測データを読み出す（ＳＴＥＰ９０１）。コンピュータ１６は、レイリー散乱における散乱係数βｍ（ｚ）を算出するとともに（ＳＴＥＰ９０２）、大気分子の散乱断面積の平均値を用いて、平均大気分子密度ｎを算出する（ＳＴＥＰ９０３）。次に、コンピュータ１６は、大気の消散係数α（ｚ）に対して補正処理を行った後（ＳＴＥＰ９０４）、ミー散乱における散乱係数βａ（ｚ）を算出し（ＳＴＥＰ９０５）、これら算出したレイリー散乱における散乱係数βｍ（ｚ）、ミー散乱における散乱係数βａ（ｚ）および平均大気分子密度ｎを解析結果として出力する（ＳＴＥＰ９０６）。
図１０は、大気温度分布の解析処理の流れを説明したフローチャートである。コンピュータ１６は、光電子増倍管４３ａおよび４３ｂによるレイリー散乱チャンネルから収集、蓄積したデータを読み出して（ＳＴＥＰ１００１）、これに対してミー散乱の影響を遮断するための補正を行う（ＳＴＥＰ１００２）。次に、コンピュータ１６は、応答関数ΔＲＳおよびＲｓを求めた後（ＳＴＥＰ１００３）、大気温度ＴおよびΔＴを求め、これを解析結果として出力する（ＳＴＥＰ１００４）。
図１１は、水蒸気分布の解析処理の流れを説明したフローチャートである。コンピュータ１６は、光電子増倍管４３ｄによるラマン散乱チャンネルから収集、蓄積したデータを読み出して（ＳＴＥＰ１１０１）、これに対してシステムパラメータの補正を行う（ＳＴＥＰ１１０２）。次に、コンピュータ１６は、消散係数の補正を行った後（ＳＴＥＰ１１０３）、レイリー散乱チャンネルのデータを用いて水蒸気密度ｎＨ２Ｏ（ｚ）を求め、これを解析結果として出力する（ＳＴＥＰ１１０４）。
なお、これらのフローチャートにおいては、処理の流れをシーケンシャルに構成したが、特にこれに限定されるものでなく、処理の結果に矛盾が生じない限り、処理の順序を適宜入れ替え、または並行的に処理するように構成してもよい。
以上のように、本実施形態によれば、ヨウ素吸収フィルタに代えてエタロンフィルタを用いているので、ミー散乱信号成分とレイリー散乱信号成分とをより安定的かつ効率的に分光することができるようになる。また、本実施形態によれば、エタロンフィルタを用いたこのような物理的な分光手法のみでは十分にミー散乱信号成分を遮断することができないという新たに生じる課題に対処すべく、さらに２チャンネルのレイリー散乱信号を差分処理しているので、ミー散乱信号成分をきわめて高い遮断率で遮断することができるようになる。
また、本実施形態によれば、従来の気象観測ライダーシステムではなしえなかった、アイセーフ特性を考慮した１つのレーザ光を光源として同時に各種のライダー観測を行う気象観測ライダーシステムが実現されることになる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、１つのレーザ光により、同時に各種のライダー観測を行って、各種の観測要素の状態を、きわめて効率的に解析することができる気象観測ライダーシステムが実現されるようになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係る気象観測ライダーシステムの基本構成を示す概略図である。
図２は、本発明の一実施形態に係る周波数モニタ装置の構成を示す図である。
図３は、実際の観測に使用されるレーザ光とフィルタを介して得られるレーザ光との周波数スペクトルの関係を説明するための図である。
図４は、本発明の一実施形態に係る分光系の構成を説明するための図である。
図５は、本発明の一実施形態に係る２重パス分光方式を説明するための図である。
図６は、本発明の一実施形態に係る気象観測ライダーシステムの処理の流れを説明するためフローチャートである。
図７は、レーザ光の中心周波数に対する初期調整処理を説明するためのフローチャートである。
図８は、本発明の一実施形態に係る気象観測ライダーシステムの処理の流れを説明するためフローチャートである。
図９は、本発明の一実施形態に係るエアロゾル分布の解析処理の流れを説明したフローチャートである。
図１０は、本発明の一実施形態に係る大気温度分布の解析処理の流れを説明したフローチャートである。
図１１は、本発明の一実施形態に係る水蒸気分布の解析処理の流れを説明したフローチャートである。

Claims (18)

1. レーザ装置から所定の中心周波数を有するパルス状のレーザ光を照射して、その反射光を観測する気象観測ライダーシステムであって、
   観測される反射光を、前記レーザ光の波長帯域の光と前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光とに分光する分光器と、
   前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第１の周波数成分を中心とする光を選択的に透過させる第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタを透過した前記第１の周波数成分の光を検出する第１の光検出手段と、
   前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第２の周波数成分を中心とする光を選択的に透過させる第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタを透過した前記第２の周波数成分の光を検出する第２の光検出手段と、
   前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光を検出する第３の光検出手段と、
   前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光を検出する第４の光検出手段と、
   を備えることを特徴とする気象観測ライダーシステム。
2. 前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光が前記第１のフィルタを少なくと２回透過させるように構成することを特徴とする請求項１記載の気象観測ライダーシステム。
3. 前記第１のフィルタが透過させるべき第１の中心周波数成分は、前記第２のフィルタが透過させるべき第２の中心周波数成分よりも、前記レーザ光の所定の中心周波数に近い位置に設定されることを特徴とする請求項１または２記載の気象観測ライダーシステム。
4. 前記第１のフィルタが透過させるべき第１の中心周波数と前記第２のフィルタが透過させるべき第２の中心周波数とは、所定のレイリー散乱スペクトル関数によるレイリー散乱スペクトルにおける温度変化に対してそのスペクトルパワーの変化量が最小である周波数位置を中心した両側にそれぞれ設定されることを特徴とする請求項３記載の気象観測ライダーシステム。
5. 前記第１のフィルタが透過させるべき第１の中心周波数は略１．０［ＧＨｚ］であり、前記第２のフィルタが透過させるべき第２の中心周波数は略３．５［ＧＨｚ］に設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか一項に記載の気象観測ライダーシステム。
6. 前記レーザ装置から発射されたレーザ光の出力を監視する監視装置と、
   前記監視装置によって監視される前記レーザ光の出力に基づいて、前記レーザ光の中心周波数が一定になるように、前記レーザ光の出力を制御する制御手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか一項に記載の気象観測ライダーシステム。
7. 前記レーザ装置は、所定の印加電圧に基づくシーダ光をロッドに供給するシーダを有し、
   前記制御手段は、
   前記シーダに対する印加電圧を制御することを特徴とする請求項６記載の気象観測ライダーシステム。
8. 前記監視装置は、
   所定の中心周波数の光を選択的に透過する第３のフィルタと、
   前記レーザ装置から発射されたレーザ光を第１の監視信号として検出する第１の光検出器と、
   前記第３のフィルタを透過した光を第２の監視信号として検出する第２の光検出器と、
   前記第１の光検出器により検出される第１の監視信号に基づきスペクトル解析を行って得られるスペクトルパワーの第１のピーク値と、前記第２の光検出器により検出される第２の監視信号に基づきスペクトル解析を行って得られるスペクトルパワーの第２のピーク値とをそれぞれ検出するピーク検出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項７記載の気象観測ライダーシステム。
9. 前記制御手段は、
   前記第３のフィルタが透過させる光の中心周波数をν０、
   前記第３のフィルタが透過させる光のスペクトルにおける半値幅をΔνとしたとき、
   前記ピーク検出手段により検出される第１のピーク値および第２のピーク値に基づいて、前記レーザ光の中心周波数がν０＋Δν／２になるように、前記シーダに対する印加電圧を制御することを特徴とする請求項８記載の気象観測ライダーシステム。
10. 前記制御手段は、
    前記第１のピーク値と前記第２のピーク値との比の変化率の絶対値が最大になるように、前記シーダに対する印加電圧を制御することを特徴とする請求項８または請求項９記載の気象観測ライダーシステム。
11. 前記レーザ装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置であり、
    生成したレーザ光の第３高調波成分を所定の光学素子によって取り出して、発射することを特徴とする請求項１乃至１０のうち何れか一項に記載の気象観測ライダーシステム。
12. 前記第１乃至第４の光検出手段によってそれぞれ検出される応答信号に基づいて、所定の解析処理を行う解析手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のうち何れか一項に記載の気象観測ライダーシステム。
13. 前記解析手段は、
    前記第１の光検出手段および前記第３の光検出手段によりそれぞれ検出される応答信号に基づいて、エアロゾルの分布状態を求めることを特徴とする請求項１２記載の気象観測ライダーシステム。
14. 前記解析手段は、
    前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段によりそれぞれ検出される応答信号に基づく所定のレイリー散乱ライダー方程式に基づいて、所定の応答関数および所定の気温計測感度を求め、前記求めた所定の応答関数および所定の気温計測感度に基づいて大気温度の分布状態を求めることを特徴とする請求項１２または１３記載の気象観測ライダーシステム。
15. 前記解析手段は、
    前記第１の光検出手段により検出される応答信号に基づく所定のレイリー散乱ライダー方程式および前記第４の光検出手段により検出される応答信号に基づく所定のラマン散乱ライダー方程式に基づいて、水蒸気の分布状態を求めることを特徴とする請求項１２乃至１４のうち何れか一項に記載の気象観測ライダーシステム。
16. 前記解析手段は、
    予め収集されるノイズデータに基づいて前記応答信号を補正することを特徴とする請求項１２乃至１５のうち何れか一項に記載の気象観測ライダーシステム。
17. レーザ装置から所定の中心周波数を有するパルス状のレーザ光を照射して、その反射光を観測する気象観測ライダーシステムを用いた気象観測方法であって、
    観測される反射光を、分光器によって、前記レーザ光の波長帯域の光と前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光とに分光するステップと、
    前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第１の周波数成分を中心とする光を第１のフィルタによって選択的に抽出し、検出するステップと、
    前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光のうち、第２の周波数成分を中心とする光を第２のフィルタによって選択的に抽出し、検出するステップと、
    前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域の光を検出するステップと、
    前記分光器によって分光された前記レーザ光の波長帯域以外の波長帯域の光を検出するステップと、
    を備えることを特徴とする気象観測ライダーシステムを用いた気象観測方法。
18. レーザ装置から所定の中心周波数を有するパルス状のレーザ光を照射して、その反射光を観測する気象観測ライダーシステムを用いた気象観測方法であって、
    前記レーザ光をカットオフした状態で測定される応答信号をノイズデータとして収集するステップと、
    前記レーザ光を観測対象に照射した状態で測定される応答信号を観測データとして収集するステップと、
    前記収集したノイズデータに基づいて、前記観測データを補正するステップと、を備えることを特徴とする気象観測方法。

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