WO2018138766A1 - レーザレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
第1のレーザ光の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部(25)と、周波数シフト補正部(25)により補正された複数の第1の信号スペクトルを積算するとともに、周波数シフト補正部(25)により補正された複数の第2の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部(26)とを設け、分子濃度算出部(27)が、スペクトル積算部(26)により積算された第1及び第2の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出する。
Description
この発明は、大気中の分子の濃度を算出するレーザレーダ装置に関するものである。
以下の非特許文献1には、大気中の分子の濃度を算出するレーザレーダ装置が開示されている。
このレーザレーダ装置は、大気中の分子に吸収される波長である吸収波長のレーザ光と、大気中の分子に吸収されない波長である非吸収波長のレーザ光とを発生させる光源を有している。大気中の分子は、固有の吸収スペクトルを有しており、吸収波長のレーザ光の波長は、大気中の分子の吸収スペクトルの波長に対応している。
また、このレーザレーダ装置は、光源から発生された吸収波長のレーザ光及び非吸収波長のレーザ光を大気中に放射し、大気中のエアロゾルにより散乱された吸収波長のレーザ光の散乱光及び非吸収波長のレーザ光の散乱光を受信する光アンテナを有している。
以下、吸収波長のレーザ光の散乱光を「吸収波長散乱光」と称し、非吸収波長のレーザ光の散乱光を「非吸収波長散乱光」と称する。
このレーザレーダ装置は、大気中の分子に吸収される波長である吸収波長のレーザ光と、大気中の分子に吸収されない波長である非吸収波長のレーザ光とを発生させる光源を有している。大気中の分子は、固有の吸収スペクトルを有しており、吸収波長のレーザ光の波長は、大気中の分子の吸収スペクトルの波長に対応している。
また、このレーザレーダ装置は、光源から発生された吸収波長のレーザ光及び非吸収波長のレーザ光を大気中に放射し、大気中のエアロゾルにより散乱された吸収波長のレーザ光の散乱光及び非吸収波長のレーザ光の散乱光を受信する光アンテナを有している。
以下、吸収波長のレーザ光の散乱光を「吸収波長散乱光」と称し、非吸収波長のレーザ光の散乱光を「非吸収波長散乱光」と称する。
さらに、このレーザレーダ装置は、光アンテナにより受信された吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光とを合波するとともに、光アンテナにより受信された非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光とを合波する光カプラを有している。
この光カプラは、吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光との合波光を出力するとともに、非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光との合波光を出力する。
以下、吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光との合波光を「吸収波長合波光」と称し、非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光との合波光を「非吸収波長合波光」と称する。
この光カプラは、吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光との合波光を出力するとともに、非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光との合波光を出力する。
以下、吸収波長散乱光と吸収波長のレーザ光との合波光を「吸収波長合波光」と称し、非吸収波長散乱光と非吸収波長のレーザ光との合波光を「非吸収波長合波光」と称する。
このレーザレーダ装置は、光カプラから出力された吸収波長合波光を検波して、吸収波長合波光の受信信号を出力するとともに、光カプラから出力された非吸収波長合波光を検波して、非吸収波長合波光の受信信号を出力する光受信機を有している。
このレーザレーダ装置は、光受信機から出力された吸収波長合波光の受信信号と非吸収波長合波光の受信信号とから大気中の分子の濃度を算出する信号処理器を有している。
このレーザレーダ装置は、光受信機から出力された吸収波長合波光の受信信号と非吸収波長合波光の受信信号とから大気中の分子の濃度を算出する信号処理器を有している。
信号処理器は、光受信機から吸収波長合波光の受信信号が出力されると、吸収波長合波光の受信信号を高速フーリエ変換することで、時間レンジ毎の複数の吸収波長合波光の信号スペクトルを算出する。
信号処理器は、信号対雑音比であるSN比を高めるために、同一時間レンジ内の複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の信号スペクトルを積算する。
信号処理器は、複数の信号スペクトルを積算すると、積算後の信号スペクトルにおける複数の信号成分を比較し、複数の信号成分の中で、最も大きな信号成分を吸収波長合波光のピーク強度として特定する。
信号処理器は、信号対雑音比であるSN比を高めるために、同一時間レンジ内の複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の信号スペクトルを積算する。
信号処理器は、複数の信号スペクトルを積算すると、積算後の信号スペクトルにおける複数の信号成分を比較し、複数の信号成分の中で、最も大きな信号成分を吸収波長合波光のピーク強度として特定する。
信号処理器は、光受信機から非吸収波長合波光の受信信号が出力されると、非吸収波長合波光の受信信号を高速フーリエ変換することで、時間レンジ毎の複数の非吸収波長合波光の信号スペクトルを算出する。
信号処理器は、SN比を高めるために、同一時間レンジ内の複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の信号スペクトルを積算する。
信号処理器は、複数の信号スペクトルを積算すると、積算後の信号スペクトルにおける複数の信号成分を比較し、複数の信号成分の中で、最も大きな信号成分を非吸収波長合波光のピーク強度として特定する。
信号処理器は、SN比を高めるために、同一時間レンジ内の複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の信号スペクトルを積算する。
信号処理器は、複数の信号スペクトルを積算すると、積算後の信号スペクトルにおける複数の信号成分を比較し、複数の信号成分の中で、最も大きな信号成分を非吸収波長合波光のピーク強度として特定する。
信号処理器は、吸収波長合波光のピーク強度と非吸収波長合波光のピーク強度とから光学的厚さを算出し、光学的厚さから大気中の分子の濃度を算出する。
光学的厚さは、各々の時間レンジにおける吸収波長合波光のピーク強度と非吸収波長合波光のピーク強度との比である。
光学的厚さは、各々の時間レンジにおける吸収波長合波光のピーク強度と非吸収波長合波光のピーク強度との比である。
Applied Optics vol.49 p1809-1817 (2010).
従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、大気中における散乱体(例えば、エアロゾルや大気分子)の位置に変化がなければ、複数の信号スペクトルを積算することでSN比が高められる。その結果、吸収波長合波光のピーク強度の特定精度及び非吸収波長合波光のピーク強度の特定精度が向上するため、分子濃度の算出精度も向上する。
しかし、風速あるいは風向の変化に伴って大気中の散乱体の位置が変化している環境下では、レーザ光の散乱光にドップラーシフトが生じる。
ドップラーシフトが生じると、ピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が変化するため、複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算しても、SN比が高まらなくなる。その結果、吸収波長合波光のピーク強度の特定精度及び非吸収波長合波光のピーク強度の特定精度が劣化するため、分子濃度の算出精度が劣化してしまうという課題があった。
しかし、風速あるいは風向の変化に伴って大気中の散乱体の位置が変化している環境下では、レーザ光の散乱光にドップラーシフトが生じる。
ドップラーシフトが生じると、ピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が変化するため、複数の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算しても、SN比が高まらなくなる。その結果、吸収波長合波光のピーク強度の特定精度及び非吸収波長合波光のピーク強度の特定精度が劣化するため、分子濃度の算出精度が劣化してしまうという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、大気中の散乱体の位置が変化している場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
この発明に係るレーザレーダ装置は、大気中の分子に吸収される波長の第1のレーザ光が大気中の散乱体によって散乱された第1の散乱光と第1のレーザ光との合波光である第1の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルを算出するとともに、分子に吸収されない波長の第2のレーザ光が散乱体によって散乱された第2の散乱光と第2のレーザ光との合波光である第2の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルを算出するスペクトル算出部と、第1のレーザ光の周波数に対する複数の第1の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光の周波数に対する複数の第2の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、周波数シフト補正部により補正された複数の第1の信号スペクトルを積算するとともに、周波数シフト補正部により補正された複数の第2の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部とを設け、分子濃度算出部が、スペクトル積算部により積算された第1及び第2の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出するようにしたものである。
この発明によれば、第1のレーザ光の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、周波数シフト補正部により補正された複数の第1の信号スペクトルを積算するとともに、周波数シフト補正部により補正された複数の第2の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部とを設け、分子濃度算出部が、スペクトル積算部により積算された第1及び第2の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出するように構成したので、大気中の散乱体の位置が変化している場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる効果がある。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図1において、基準光源1は波長切替器2から大気中の分子に吸収される波長のレーザ光である第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第1のレーザ光Lb1を光分配器3に出力する光源である。
また、基準光源1は波長切替器2から大気中の分子に吸収されない波長のレーザ光である第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第2のレーザ光Lb2を光分配器3に出力する。
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置を示す構成図である。
図1において、基準光源1は波長切替器2から大気中の分子に吸収される波長のレーザ光である第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第1のレーザ光Lb1を光分配器3に出力する光源である。
また、基準光源1は波長切替器2から大気中の分子に吸収されない波長のレーザ光である第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第2のレーザ光Lb2を光分配器3に出力する。
大気中の分子は、固有の吸収スペクトルを有しており、分子に吸収される波長のレーザ光である第1のレーザ光Lb1は、大気中の分子の吸収スペクトルに対応している。観測対象の分子が異なれば、分子の吸収スペクトルが変わるため、基準光源1から出力される第1のレーザ光Lb1及び第2のLb2の波長は、観測対象の分子によって設定される。
例えば、観測対象の分子が二酸化炭素であれば、吸収波長は1572.192nm、非吸収波長は1573.193nmなどに設定される。
なお、基準光源1としては、例えば、線幅が数MHz以下のレーザ光を出力する半導体レーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、あるいは、これらのレーザの組み合わせが用いられる。
例えば、観測対象の分子が二酸化炭素であれば、吸収波長は1572.192nm、非吸収波長は1573.193nmなどに設定される。
なお、基準光源1としては、例えば、線幅が数MHz以下のレーザ光を出力する半導体レーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、あるいは、これらのレーザの組み合わせが用いられる。
波長切替器2は基準光源1から第1のレーザ光Lb1を出力させる場合、第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を基準光源1に出力し、基準光源1から第2のレーザ光Lb2を出力させる場合、第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を基準光源1に出力する。
ここでは、波長切替器2から出力される波長切替信号に従って基準光源1が第1のレーザ光Lb1又は第2のレーザ光Lb2を出力する例を示しているが、基準光源1として、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を同時に出力可能な光源を用いるようにしてもよい。
ここでは、波長切替器2から出力される波長切替信号に従って基準光源1が第1のレーザ光Lb1又は第2のレーザ光Lb2を出力する例を示しているが、基準光源1として、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を同時に出力可能な光源を用いるようにしてもよい。
光分配器3は基準光源1と光ファイバケーブルで接続されており、例えばビームスプリッタで構成されている。
光分配器3は基準光源1から出力された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を所定の比率でパルス変調器4と光カプラ8に分配する。
パルス変調器4は光分配器3と光ファイバケーブルで接続されており、例えば音響光学素子又はニオブ酸リチウム結晶を用いた変調素子で構成されている。
パルス変調器4は光分配器3により分配された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のパルス変調を行う。
光分配器3は基準光源1から出力された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を所定の比率でパルス変調器4と光カプラ8に分配する。
パルス変調器4は光分配器3と光ファイバケーブルで接続されており、例えば音響光学素子又はニオブ酸リチウム結晶を用いた変調素子で構成されている。
パルス変調器4は光分配器3により分配された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のパルス変調を行う。
光増幅器5はパルス変調器4と光ファイバケーブルで接続されており、例えば光ファイバ増幅器又は導波路型増幅器で構成されている。
光増幅器5はパルス変調器4から出力された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の強度を増幅し、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1及び強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光サーキュレータ6に出力する。
光サーキュレータ6は光増幅器5と光ファイバケーブルで接続されており、例えば偏光ビームスプリッタ及び波長板で構成されている。
光サーキュレータ6は光増幅器5から出力された強度増幅後の第1のレーザ光Lb1及び強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光アンテナ7に出力し、光アンテナ7から出力された第1のレーザ光Lb1の散乱光である第1の散乱光Sb1及び第2のレーザ光Lb2の散乱光である第2の散乱光Sb2を光カプラ8に出力する。
光増幅器5はパルス変調器4から出力された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の強度を増幅し、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1及び強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光サーキュレータ6に出力する。
光サーキュレータ6は光増幅器5と光ファイバケーブルで接続されており、例えば偏光ビームスプリッタ及び波長板で構成されている。
光サーキュレータ6は光増幅器5から出力された強度増幅後の第1のレーザ光Lb1及び強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光アンテナ7に出力し、光アンテナ7から出力された第1のレーザ光Lb1の散乱光である第1の散乱光Sb1及び第2のレーザ光Lb2の散乱光である第2の散乱光Sb2を光カプラ8に出力する。
光アンテナ7は光サーキュレータ6と光ファイバケーブルで接続されており、例えば複数の屈折レンズ又は複数のミラーで構成されている。
光アンテナ7は光サーキュレータ6から出力された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のビーム径を大きくして第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を大気中に放射する。
また、光アンテナ7は大気中のエアロゾル(散乱体)又はハードターゲットにより散乱された第1のレーザ光Lb1の散乱光である第1の散乱光Sb1及び第2のレーザ光Lb2の散乱光である第2の散乱光Sb2を受信して、第1の散乱光Sb1及び第2の散乱光Sb2を光サーキュレータ6に出力する。
光アンテナ7は光サーキュレータ6から出力された第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のビーム径を大きくして第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を大気中に放射する。
また、光アンテナ7は大気中のエアロゾル(散乱体)又はハードターゲットにより散乱された第1のレーザ光Lb1の散乱光である第1の散乱光Sb1及び第2のレーザ光Lb2の散乱光である第2の散乱光Sb2を受信して、第1の散乱光Sb1及び第2の散乱光Sb2を光サーキュレータ6に出力する。
光カプラ8は光分配器3及び光サーキュレータ6と光ファイバケーブルで接続されており、例えばビームスプリッタで構成されている。
光カプラ8は光サーキュレータ6から第1の散乱光Sb1が出力されると、第1の散乱光Sb1と光分配器3により分配された第1のレーザ光Lb1とを合波し、第1の散乱光Sb1と第1のレーザ光Lb1との合波光である第1の合波光Cb1を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光カプラ8は光サーキュレータ6から第2の散乱光Sb2が出力されると、第2の散乱光Sb2と光分配器3により分配された第2のレーザ光Lb2とを合波し、第2の散乱光Sb2と第2のレーザ光Lb2との合波光である第2の合波光Cb2を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光カプラ8は光サーキュレータ6から第1の散乱光Sb1が出力されると、第1の散乱光Sb1と光分配器3により分配された第1のレーザ光Lb1とを合波し、第1の散乱光Sb1と第1のレーザ光Lb1との合波光である第1の合波光Cb1を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光カプラ8は光サーキュレータ6から第2の散乱光Sb2が出力されると、第2の散乱光Sb2と光分配器3により分配された第2のレーザ光Lb2とを合波し、第2の散乱光Sb2と第2のレーザ光Lb2との合波光である第2の合波光Cb2を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光受信機9は光カプラ8と2本の光ファイバケーブルで接続されており、例えば2つのフォトダイオードを用いて同相雑音を軽減するようなバランスドレシーバで構成されている。
光受信機9は光カプラ8から出力された2つの第1の合波光Cb1をヘテロダイン検波して、第1の合波光Cb1の受信信号である第1の受信信号R1をアナログデジタル変換器であるA/D変換器10に出力する。
また、光受信機9は光カプラ8から出力された2つの第2の合波光Cb2をヘテロダイン検波して、第2の合波光Cb2の受信信号である第2の受信信号R2をA/D変換器10に出力する。
第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2は電気信号である。
光受信機9は光カプラ8から出力された2つの第1の合波光Cb1をヘテロダイン検波して、第1の合波光Cb1の受信信号である第1の受信信号R1をアナログデジタル変換器であるA/D変換器10に出力する。
また、光受信機9は光カプラ8から出力された2つの第2の合波光Cb2をヘテロダイン検波して、第2の合波光Cb2の受信信号である第2の受信信号R2をA/D変換器10に出力する。
第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2は電気信号である。
A/D変換器10は光受信機9と電気信号ケーブルで接続されており、光受信機9から出力されたアナログの第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2をデジタル信号に変換し、デジタル信号である受信データDR1,DR2を信号処理器11に出力する。
信号処理器11はA/D変換器10と電気信号ケーブルで接続されており、波長切替器2から出力される波長切替信号を制御する。
また、信号処理器11はA/D変換器10から出力された受信データDR1,DR2に基づいて大気中の分子の濃度Cを算出する。
信号処理器11はA/D変換器10と電気信号ケーブルで接続されており、波長切替器2から出力される波長切替信号を制御する。
また、信号処理器11はA/D変換器10から出力された受信データDR1,DR2に基づいて大気中の分子の濃度Cを算出する。
図2はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置の信号処理器11を示す構成図である。
図3はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置の信号処理器11を示すハードウェア構成図である。
図2及び図3において、スペクトル算出部21はフーリエ変換部22、スペクトル積算処理部23及び雑音除去部24を備えている。
スペクトル算出部21はA/D変換器10から出力された受信データDR1の信号スペクトルである第1の信号スペクトルSP1を算出するとともに、A/D変換器10から出力された受信データDR2の信号スペクトルである第2の信号スペクトルSP2を算出する。
図3はこの発明の実施の形態1によるレーザレーダ装置の信号処理器11を示すハードウェア構成図である。
図2及び図3において、スペクトル算出部21はフーリエ変換部22、スペクトル積算処理部23及び雑音除去部24を備えている。
スペクトル算出部21はA/D変換器10から出力された受信データDR1の信号スペクトルである第1の信号スペクトルSP1を算出するとともに、A/D変換器10から出力された受信データDR2の信号スペクトルである第2の信号スペクトルSP2を算出する。
フーリエ変換部22は例えば図3に示すフーリエ変換回路41によって実現されるものである。
フーリエ変換部22はA/D変換器10から出力された受信データDR1に対する高速フーリエ変換処理であるFFTを実施することで、受信データDR1の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第1の信号スペクトルSP1を算出する。
また、フーリエ変換部22はA/D変換器10から出力された受信データDR2に対するFFTを実施することで、受信データDR2の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルSP2を算出する。
フーリエ変換部22はA/D変換器10から出力された受信データDR1に対する高速フーリエ変換処理であるFFTを実施することで、受信データDR1の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第1の信号スペクトルSP1を算出する。
また、フーリエ変換部22はA/D変換器10から出力された受信データDR2に対するFFTを実施することで、受信データDR2の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルSP2を算出する。
スペクトル積算処理部23は例えば図3に示すスペクトル積算回路42によって実現されるものである。
スペクトル積算処理部23はフーリエ変換部22により算出された同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1を積算して、積算後の第1の信号スペクトルSP1を雑音除去部24に出力する処理を実施する。
また、スペクトル積算処理部23はフーリエ変換部22により算出された同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算して、積算後の第2の信号スペクトルSP2を雑音除去部24に出力する処理を実施する。
スペクトル積算処理部23はフーリエ変換部22により算出された同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1を積算して、積算後の第1の信号スペクトルSP1を雑音除去部24に出力する処理を実施する。
また、スペクトル積算処理部23はフーリエ変換部22により算出された同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算して、積算後の第2の信号スペクトルSP2を雑音除去部24に出力する処理を実施する。
雑音除去部24は例えば図3に示す雑音除去回路43によって実現されるものである。
雑音除去部24はスペクトル積算処理部23による積算後の第1の信号スペクトルSP1に含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1を周波数シフト補正部25に出力する処理を実施する。
また、雑音除去部24はスペクトル積算処理部23による積算後の第2の信号スペクトルSP2に含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2を周波数シフト補正部25に出力する処理を実施する。
雑音除去部24はスペクトル積算処理部23による積算後の第1の信号スペクトルSP1に含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1を周波数シフト補正部25に出力する処理を実施する。
また、雑音除去部24はスペクトル積算処理部23による積算後の第2の信号スペクトルSP2に含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2を周波数シフト補正部25に出力する処理を実施する。
周波数シフト補正部25は例えば図3に示す周波数シフト補正回路44によって実現されるものである。
周波数シフト補正部25は光アンテナ7から放射された第1のレーザ光Lb1の周波数に対する雑音除去部24による雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
また、周波数シフト補正部25は光アンテナ7から放射された第2のレーザ光Lb2の周波数に対する雑音除去部24による雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
周波数シフト補正部25は光アンテナ7から放射された第1のレーザ光Lb1の周波数に対する雑音除去部24による雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
また、周波数シフト補正部25は光アンテナ7から放射された第2のレーザ光Lb2の周波数に対する雑音除去部24による雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
スペクトル積算部26は例えば図3に示すスペクトル積算回路45によって実現されるものである。
スペクトル積算部26は周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第1の信号スペクトルSP1を積算して、積算後の第1の信号スペクトルSP1をピーク強度算出部28に出力する処理を実施する。
周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第1の信号スペクトルSP1は、同一時間レンジ内の複数の時刻の信号スペクトルが積算された補正後の信号スペクトルである。
なお、スペクトル積算部26は、周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第1の信号スペクトルSP1における同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の第1の信号スペクトルSP1を積算する。
スペクトル積算部26は周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第1の信号スペクトルSP1を積算して、積算後の第1の信号スペクトルSP1をピーク強度算出部28に出力する処理を実施する。
周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第1の信号スペクトルSP1は、同一時間レンジ内の複数の時刻の信号スペクトルが積算された補正後の信号スペクトルである。
なお、スペクトル積算部26は、周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第1の信号スペクトルSP1における同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の第1の信号スペクトルSP1を積算する。
スペクトル積算部26は周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第2の信号スペクトルSP2を積算して、積算後の第2の信号スペクトルSP2をピーク強度算出部28に出力する処理を実施する。
周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第2の信号スペクトルSP2は、同一時間レンジ内の複数の時刻の信号スペクトルが積算された補正後の信号スペクトルである。
なお、スペクトル積算部26は、周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の第2の信号スペクトルSP2を積算する。
周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第2の信号スペクトルSP2は、同一時間レンジ内の複数の時刻の信号スペクトルが積算された補正後の信号スペクトルである。
なお、スペクトル積算部26は、周波数シフト補正部25により周波数のシフトが補正された複数の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算することで、複数の第2の信号スペクトルSP2を積算する。
分子濃度算出部27はピーク強度算出部28及び分子濃度算出処理部29を備えている。
分子濃度算出部27はスペクトル積算部26により積算された第1の信号スペクトルSP1とスペクトル積算部26により積算された第2の信号スペクトルSP2とから大気中の分子の濃度Cを算出する。
ピーク強度算出部28は例えば図3に示すピーク強度算出回路46によって実現されるものである。
ピーク強度算出部28はスペクトル積算部26による積算後の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度である第1のピーク強度Ponを算出する処理を実施する。
また、ピーク強度算出部28はスペクトル積算部26による積算後の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度である第2のピーク強度Poffを算出する処理を実施する。
分子濃度算出部27はスペクトル積算部26により積算された第1の信号スペクトルSP1とスペクトル積算部26により積算された第2の信号スペクトルSP2とから大気中の分子の濃度Cを算出する。
ピーク強度算出部28は例えば図3に示すピーク強度算出回路46によって実現されるものである。
ピーク強度算出部28はスペクトル積算部26による積算後の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度である第1のピーク強度Ponを算出する処理を実施する。
また、ピーク強度算出部28はスペクトル積算部26による積算後の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度である第2のピーク強度Poffを算出する処理を実施する。
分子濃度算出処理部29は例えば図3に示す分子濃度算出回路47によって実現されるものである。
分子濃度算出処理部29はピーク強度算出部28により算出された第1のピーク強度Ponとピーク強度算出部28により算出された第2のピーク強度Poffとから大気中の分子の濃度Cを算出する処理を実施する。
分子濃度算出処理部29はピーク強度算出部28により算出された第1のピーク強度Ponとピーク強度算出部28により算出された第2のピーク強度Poffとから大気中の分子の濃度Cを算出する処理を実施する。
図2では、信号処理器11の構成要素であるフーリエ変換部22、スペクトル積算処理部23、雑音除去部24、周波数シフト補正部25、スペクトル積算部26、ピーク強度算出部28及び分子濃度算出処理部29のそれぞれが、図3に示すような専用のハードウェアで実現されるものを想定している。具体的には、信号処理器11が、フーリエ変換回路41、スペクトル積算回路42、雑音除去回路43、周波数シフト補正回路44、スペクトル積算回路45、ピーク強度算出回路46及び分子濃度算出回路47で実現されるものを想定している。
フーリエ変換回路41、スペクトル積算回路42、雑音除去回路43、周波数シフト補正回路44、スペクトル積算回路45、ピーク強度算出回路46及び分子濃度算出回路47は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、または、これらを組み合わせたものが該当する。
ただし、信号処理器11の構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、信号処理器11がソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
ただし、信号処理器11の構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、信号処理器11がソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、CPU(Central Processing Unit)、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)などが該当する。
コンピュータのメモリは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)などが該当する。
コンピュータのメモリは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)などが該当する。
図4は信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合、フーリエ変換部22、スペクトル積算処理部23、雑音除去部24、周波数シフト補正部25、スペクトル積算部26、ピーク強度算出部28及び分子濃度算出処理部29の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムをメモリ51に格納し、コンピュータのプロセッサ52がメモリ51に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図5及び図6は信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合の処理手順を示すフローチャートである。
また、図3では、信号処理器11の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図4では、信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される例を示しているが、信号処理器11における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェアで実現されるものであってもよい。
信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合、フーリエ変換部22、スペクトル積算処理部23、雑音除去部24、周波数シフト補正部25、スペクトル積算部26、ピーク強度算出部28及び分子濃度算出処理部29の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムをメモリ51に格納し、コンピュータのプロセッサ52がメモリ51に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図5及び図6は信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される場合の処理手順を示すフローチャートである。
また、図3では、信号処理器11の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図4では、信号処理器11がソフトウェア又はファームウェアで実現される例を示しているが、信号処理器11における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェアで実現されるものであってもよい。
次に動作について説明する。
基準光源1は、波長切替器2から大気中の分子に吸収される波長のレーザ光である第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第1のレーザ光Lb1を光分配器3に出力する。
また、基準光源1は、波長切替器2から大気中の分子に吸収されない波長のレーザ光である第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第2のレーザ光Lb2を光分配器3に出力する。
この実施の形態1では、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2を交互に出力するものとするが、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2を同時に出力するものであってもよい。
基準光源1は、波長切替器2から大気中の分子に吸収される波長のレーザ光である第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第1のレーザ光Lb1を光分配器3に出力する。
また、基準光源1は、波長切替器2から大気中の分子に吸収されない波長のレーザ光である第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、第2のレーザ光Lb2を光分配器3に出力する。
この実施の形態1では、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2を交互に出力するものとするが、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2を同時に出力するものであってもよい。
光分配器3は、基準光源1から第1のレーザ光Lb1を受けると、第1のレーザ光Lb1を所定の比率でパルス変調器4と光カプラ8に分配する。
光分配器3は、基準光源1から第2のレーザ光Lb2を受けると、第2のレーザ光Lb2を所定の比率でパルス変調器4と光カプラ8に分配する。
光分配器3は、基準光源1から第2のレーザ光Lb2を受けると、第2のレーザ光Lb2を所定の比率でパルス変調器4と光カプラ8に分配する。
パルス変調器4は、光分配器3から第1のレーザ光Lb1を受けると、第1のレーザ光Lb1のパルス変調を行う。
パルス変調器4は、光分配器3から第2のレーザ光Lb2を受けると、第2のレーザ光Lb2のパルス変調を行う。
例えば、パルス変調器4は、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のパルス変調として、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の光強度の形状がガウス形状又は矩形形状になるような第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の強度変調を行う。
また、パルス変調器4は、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のパルス変調として、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の周波数をシフトさせる周波数シフトを行う。第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の周波数シフト量としては、例えば、20MHz~200MHzの範囲である。
これにより、パルス変調器4からパルス変調後の第1のレーザ光Lb1及びパルス変調後の第2のレーザ光Lb2が光増幅器5に出力される。
パルス変調器4は、光分配器3から第2のレーザ光Lb2を受けると、第2のレーザ光Lb2のパルス変調を行う。
例えば、パルス変調器4は、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のパルス変調として、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の光強度の形状がガウス形状又は矩形形状になるような第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の強度変調を行う。
また、パルス変調器4は、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2のパルス変調として、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の周波数をシフトさせる周波数シフトを行う。第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2の周波数シフト量としては、例えば、20MHz~200MHzの範囲である。
これにより、パルス変調器4からパルス変調後の第1のレーザ光Lb1及びパルス変調後の第2のレーザ光Lb2が光増幅器5に出力される。
光増幅器5は、パルス変調器4からパルス変調後の第1のレーザ光Lb1を受けると、パルス変調後の第1のレーザ光Lb1の強度を増幅し、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を光サーキュレータ6に出力する。
光増幅器5は、パルス変調器4からパルス変調後の第2のレーザ光Lb2を受けると、パルス変調後の第2のレーザ光Lb2の強度を増幅し、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光サーキュレータ6に出力する。
光サーキュレータ6は、光増幅器5から強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を受けると、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を光アンテナ7に出力する。
光サーキュレータ6は、光増幅器5から強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を受けると、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光アンテナ7に出力する。
光増幅器5は、パルス変調器4からパルス変調後の第2のレーザ光Lb2を受けると、パルス変調後の第2のレーザ光Lb2の強度を増幅し、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光サーキュレータ6に出力する。
光サーキュレータ6は、光増幅器5から強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を受けると、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を光アンテナ7に出力する。
光サーキュレータ6は、光増幅器5から強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を受けると、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を光アンテナ7に出力する。
光アンテナ7は、光サーキュレータ6から強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を受けると、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1のビーム径を大きくして、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を大気中に放射する。
光アンテナ7は、光サーキュレータ6から強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を受けると、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2のビーム径を大きくして、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を大気中に放射する。
光アンテナ7は、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を大気中に放射した後、大気中のエアロゾル又はハードターゲットにより散乱された第1のレーザ光Lb1の散乱光である第1の散乱光Sb1を受信して、第1の散乱光Sb1を光サーキュレータ6に出力する。
光アンテナ7は、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を大気中に放射した後、大気中のエアロゾル又はハードターゲットにより散乱された第2のレーザ光Lb2の散乱光である第2の散乱光Sb2を受信して、第2の散乱光Sb2を光サーキュレータ6に出力する。
光アンテナ7は、光サーキュレータ6から強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を受けると、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2のビーム径を大きくして、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を大気中に放射する。
光アンテナ7は、強度増幅後の第1のレーザ光Lb1を大気中に放射した後、大気中のエアロゾル又はハードターゲットにより散乱された第1のレーザ光Lb1の散乱光である第1の散乱光Sb1を受信して、第1の散乱光Sb1を光サーキュレータ6に出力する。
光アンテナ7は、強度増幅後の第2のレーザ光Lb2を大気中に放射した後、大気中のエアロゾル又はハードターゲットにより散乱された第2のレーザ光Lb2の散乱光である第2の散乱光Sb2を受信して、第2の散乱光Sb2を光サーキュレータ6に出力する。
光サーキュレータ6は、光アンテナ7から第1の散乱光Sb1を受けると、第1の散乱光Sb1を光カプラ8に出力し、光アンテナ7から第2の散乱光Sb2を受けると、第2の散乱光Sb2を光カプラ8に出力する。
光カプラ8は、光サーキュレータ6から第1の散乱光Sb1を受けると、第1の散乱光Sb1と光分配器3から出力された第1のレーザ光Lb1とを合波し、第1の散乱光Sb1と第1のレーザ光Lb1との合波光である第1の合波光Cb1を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光カプラ8は、光サーキュレータ6から第2の散乱光Sb2を受けると、第2の散乱光Sb2と光分配器3から出力された第2のレーザ光Lb2とを合波し、第2の散乱光Sb2と第2のレーザ光Lb2との合波光である第2の合波光Cb2を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光カプラ8は、光サーキュレータ6から第1の散乱光Sb1を受けると、第1の散乱光Sb1と光分配器3から出力された第1のレーザ光Lb1とを合波し、第1の散乱光Sb1と第1のレーザ光Lb1との合波光である第1の合波光Cb1を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光カプラ8は、光サーキュレータ6から第2の散乱光Sb2を受けると、第2の散乱光Sb2と光分配器3から出力された第2のレーザ光Lb2とを合波し、第2の散乱光Sb2と第2のレーザ光Lb2との合波光である第2の合波光Cb2を50対50の比率で2つに分岐して光受信機9に出力する。
光受信機9は、光カプラ8から50対50の比率で分岐された2つの第1の合波光Cb1を受けると、2つの第1の合波光Cb1をヘテロダイン検波して、第1の合波光Cb1の受信信号である第1の受信信号R1をA/D変換器10に出力する。
光受信機9は、光カプラ8から50対50の比率で分岐された2つの第2の合波光Cb2を受けると、2つの第2の合波光Cb2をヘテロダイン検波して、第2の合波光Cb2の受信信号である第2の受信信号R2をA/D変換器10に出力する。
光受信機9による第1の合波光Cb1及び第2の合波光Cb2のヘテロダイン検波は、同相雑音を軽減することが可能なバランスド検出である。
ここで、図7は光受信機9から出力される第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2の波形例を示す説明図である。
図7Aは第1の受信信号R1の波形例を示し、図7Bは第2の受信信号R2の波形例を示している。
図7において、横軸は時間、縦軸は受信信号の信号強度である。
図7では、時間レンジをNに分けて、第1時間レンジビン~第N時間レンジビンの信号強度を示している。
光受信機9は、光カプラ8から50対50の比率で分岐された2つの第2の合波光Cb2を受けると、2つの第2の合波光Cb2をヘテロダイン検波して、第2の合波光Cb2の受信信号である第2の受信信号R2をA/D変換器10に出力する。
光受信機9による第1の合波光Cb1及び第2の合波光Cb2のヘテロダイン検波は、同相雑音を軽減することが可能なバランスド検出である。
ここで、図7は光受信機9から出力される第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2の波形例を示す説明図である。
図7Aは第1の受信信号R1の波形例を示し、図7Bは第2の受信信号R2の波形例を示している。
図7において、横軸は時間、縦軸は受信信号の信号強度である。
図7では、時間レンジをNに分けて、第1時間レンジビン~第N時間レンジビンの信号強度を示している。
A/D変換器10は、光受信機9からアナログの第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2を受けると、アナログの第1の受信信号R1及び第2の受信信号R2をデジタル信号に変換し、デジタル信号である受信データDR1,DR2を信号処理器11に出力する。
信号処理器11は、波長切替器2から出力される波長切替信号を制御する。
この実施の形態1では、上述したように、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2を交互に出力するように、信号処理器11が波長切替器2から出力される波長切替信号を制御している。
信号処理器11は、A/D変換器10からデジタル信号である受信データDR1,DR2を受けると、受信データDR1,DR2に基づいて大気中の分子の濃度Cを算出する。
以下、信号処理器11による分子濃度Cの算出処理を具体的に説明する。
信号処理器11は、波長切替器2から出力される波長切替信号を制御する。
この実施の形態1では、上述したように、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2を交互に出力するように、信号処理器11が波長切替器2から出力される波長切替信号を制御している。
信号処理器11は、A/D変換器10からデジタル信号である受信データDR1,DR2を受けると、受信データDR1,DR2に基づいて大気中の分子の濃度Cを算出する。
以下、信号処理器11による分子濃度Cの算出処理を具体的に説明する。
信号処理器11のフーリエ変換部22は、A/D変換器10から受信データDR1が出力されると(図5のステップST1:YESの場合)、当該受信データDR1に対するFFTを実施することで、当該受信データDR1の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第1の信号スペクトルSP1を算出する(図5のステップST2)。
また、フーリエ変換部22は、A/D変換器10から受信データDR2が出力されると(図5のステップST3:YESの場合)、当該受信データDR2に対するFFTを実施することで、当該受信データDR2の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルSP2を算出する(図5のステップST4)。
この実施の形態1では、フーリエ変換部22は、第1時間レンジビン~第N時間レンジビンの受信データDR1,DR2に対するFFTを実施することで、第1時間レンジビン~第N時間レンジビンにおける複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2を算出している。
なお、フーリエ変換部22は、A/D変換器10から受信データDR1,DR2が出力されていないときは(図5のステップST1,ST3:NOの場合)、A/D変換器10から受信データDR1又は受信データDR2が出力されるまで待機する。
また、フーリエ変換部22は、A/D変換器10から受信データDR2が出力されると(図5のステップST3:YESの場合)、当該受信データDR2に対するFFTを実施することで、当該受信データDR2の周波数領域の信号として、時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルSP2を算出する(図5のステップST4)。
この実施の形態1では、フーリエ変換部22は、第1時間レンジビン~第N時間レンジビンの受信データDR1,DR2に対するFFTを実施することで、第1時間レンジビン~第N時間レンジビンにおける複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2を算出している。
なお、フーリエ変換部22は、A/D変換器10から受信データDR1,DR2が出力されていないときは(図5のステップST1,ST3:NOの場合)、A/D変換器10から受信データDR1又は受信データDR2が出力されるまで待機する。
図8はフーリエ変換部22による第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の算出例を示す説明図である。
図8Aはフーリエ変換部22により算出された第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンの第1の信号スペクトルSP1を示し、図8Bはフーリエ変換部22により算出された第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンの第2の信号スペクトルSP2を示している。
図8において、横軸は周波数、縦軸は信号強度である。
図8は、大気中のエアロゾルの位置に変化がない例を示している。
大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Ponに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置になる。また、時間レンジが異なっていても、図8Aに示すように、第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Ponに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置となる。
また、大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置になる。また、時間レンジが異なっていても、図8Bに示すように、第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置となる。
図8A及び図8Bの例では、第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンのいずれであっても、第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Pon及び第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffが、全て第6周波数レンジビンに存在している。
図8Aはフーリエ変換部22により算出された第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンの第1の信号スペクトルSP1を示し、図8Bはフーリエ変換部22により算出された第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンの第2の信号スペクトルSP2を示している。
図8において、横軸は周波数、縦軸は信号強度である。
図8は、大気中のエアロゾルの位置に変化がない例を示している。
大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Ponに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置になる。また、時間レンジが異なっていても、図8Aに示すように、第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Ponに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置となる。
また、大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置になる。また、時間レンジが異なっていても、図8Bに示すように、第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffに対応する周波数であるピーク位置は同じ位置となる。
図8A及び図8Bの例では、第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンのいずれであっても、第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Pon及び第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffが、全て第6周波数レンジビンに存在している。
図9は大気中のエアロゾルの位置が風の影響で変化している状況下で、フーリエ変換部22により算出された第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の例を示す説明図である。
図9に示すように、第1時間レンジビン内の複数の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Ponに対応する周波数が異なっており、第1時間レンジビン内の複数の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffに対応する周波数とが異なっている。
即ち、第1時間レンジビン内の時刻t1の第1の信号スペクトルSP1(t1)のピーク強度Ponに対応する周波数と、時刻t2の第1の信号スペクトルSP1(t2)のピーク強度Ponに対応する周波数とが異なっている。また、第1時間レンジビン内の時刻t1の第2の信号スペクトルSP2(t1)のピーク強度Poffに対応する周波数と、時刻t2の第2の信号スペクトルSP2(t2)のピーク強度Poffに対応する周波数とが異なっている。
図9では、第1時間レンジビンだけを例示しているが、実際には、第2時間レンジビン~第N時間レンジビンも存在している。Nは3以上の整数である。
図9に示すように、第1時間レンジビン内の複数の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度Ponに対応する周波数が異なっており、第1時間レンジビン内の複数の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度Poffに対応する周波数とが異なっている。
即ち、第1時間レンジビン内の時刻t1の第1の信号スペクトルSP1(t1)のピーク強度Ponに対応する周波数と、時刻t2の第1の信号スペクトルSP1(t2)のピーク強度Ponに対応する周波数とが異なっている。また、第1時間レンジビン内の時刻t1の第2の信号スペクトルSP2(t1)のピーク強度Poffに対応する周波数と、時刻t2の第2の信号スペクトルSP2(t2)のピーク強度Poffに対応する周波数とが異なっている。
図9では、第1時間レンジビンだけを例示しているが、実際には、第2時間レンジビン~第N時間レンジビンも存在している。Nは3以上の整数である。
大気中のエアロゾルの位置に変化がない場合、上述したように、複数の第1の信号スペクトルSP1のピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が同じ位置となる。また、複数の第2の信号スペクトルSP2のピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が同じ位置となる。このため、後段のスペクトル積算処理部23が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1を積算するとともに、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算することで、所望の信号成分であるエアロゾルに対応する信号成分が積み上がり、SN比が高まる。
一方、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合、図9に示すように、同一時間レンジ内であっても、ピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が異なる位置となる。このため、後段のスペクトル積算処理部23が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ積算しても、所望の信号成分が積み上がらず、SN比が高まらない。
一方、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合、図9に示すように、同一時間レンジ内であっても、ピーク強度に対応する周波数であるピーク位置が異なる位置となる。このため、後段のスペクトル積算処理部23が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ積算しても、所望の信号成分が積み上がらず、SN比が高まらない。
したがって、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合、スペクトル積算処理部23が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ長時間積算(例えば1分以上)しても、後段のピーク強度算出部28による第1のピーク強度Pon及び第2のピーク強度Poffの特定精度を高めることは困難である。図9の例では、積算後の第1の信号スペクトルSP1及び積算後の第2の信号スペクトルSP2において、所望の信号成分だけでなく、複数の信号成分が大きくなっているため、所望の信号成分に対応する第1のピーク強度Pon及び第2のピーク強度Poffの特定が困難になっている。
ただし、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合でも、複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ短時間積算(例えば4秒)することで、後段の周波数シフト補正部25において、第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフト量fd1,fd2を算出することが可能になる程度にはSN比が高まる。
1つの時間レンジの信号スペクトルのみでは、信号強度が小さいため、後段の周波数シフト補正部25において、第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフト量fd1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフト量fd2を算出することは困難である。
ただし、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合でも、複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ短時間積算(例えば4秒)することで、後段の周波数シフト補正部25において、第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフト量fd1,fd2を算出することが可能になる程度にはSN比が高まる。
1つの時間レンジの信号スペクトルのみでは、信号強度が小さいため、後段の周波数シフト補正部25において、第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフト量fd1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフト量fd2を算出することは困難である。
スペクトル積算処理部23は、フーリエ変換部22が時間レンジ毎の複数の第1の信号スペクトルSP1を算出すると、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1を積算し、積算後の第1の信号スペクトルSP1を雑音除去部24に出力する(図5のステップST5)。
また、スペクトル積算処理部23は、フーリエ変換部22が時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルSP2を算出すると、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算し、積算後の第2の信号スペクトルSP2を雑音除去部24に出力する(図5のステップST6)。
同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の積算処理は、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の積算処理は、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、スペクトル積算処理部23は、フーリエ変換部22が時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルSP2を算出すると、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算し、積算後の第2の信号スペクトルSP2を雑音除去部24に出力する(図5のステップST6)。
同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の積算処理は、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の積算処理は、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
スペクトル積算処理部23は、第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の積算回数が事前に設定された回数に到達するまで、あるいは、SN比が事前に設定されたSN比に到達するまで、第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の積算処理を繰り返し実施する。
なお、大気中のエアロゾルの位置が風の影響で変化している場合、スペクトル積算処理部23が、同一周波数の信号成分同士を積算しても、SN比が大きく高まることはないが、後段の周波数シフト補正部25が、周波数のシフト量fd1,fd2を算出することが可能になる程度にはSN比が高まる。
なお、大気中のエアロゾルの位置が風の影響で変化している場合、スペクトル積算処理部23が、同一周波数の信号成分同士を積算しても、SN比が大きく高まることはないが、後段の周波数シフト補正部25が、周波数のシフト量fd1,fd2を算出することが可能になる程度にはSN比が高まる。
雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23から積算後の第1の信号スペクトルSP1を受けると、積算後の第1の信号スペクトルSP1に含まれている雑音成分を除去し、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1を周波数シフト補正部25に出力する(図5のステップST7)。
また、雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23から積算後の第2の信号スペクトルSP2を受けると、積算後の第2の信号スペクトルSP2に含まれている雑音成分を除去し、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2を周波数シフト補正部25に出力する(図5のステップST8)。
また、雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23から積算後の第2の信号スペクトルSP2を受けると、積算後の第2の信号スペクトルSP2に含まれている雑音成分を除去し、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2を周波数シフト補正部25に出力する(図5のステップST8)。
図10は雑音除去部24により雑音成分の除去処理が行われる前後の信号スペクトルを示す説明図である。
図10Aは雑音除去部24により雑音成分の除去処理が行われる前の信号スペクトル及び雑音スペクトルを示し、図10Bは雑音除去部24により雑音成分の除去処理が行われた後の信号スペクトルを示している。
以下、雑音除去部24による雑音成分の除去処理を具体的に説明する。
図10Aは雑音除去部24により雑音成分の除去処理が行われる前の信号スペクトル及び雑音スペクトルを示し、図10Bは雑音除去部24により雑音成分の除去処理が行われた後の信号スペクトルを示している。
以下、雑音除去部24による雑音成分の除去処理を具体的に説明する。
雑音除去部24により雑音成分の除去処理が行われる前の第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2は、図10Aに示すように、第1のレーザ光Lb1及び第2のレーザ光Lb2を散乱させるエアロゾルに対応する信号成分の他に、光受信機9の熱雑音及び光増幅器5から放射される増幅光雑音などの雑音成分を含んでいる。
雑音除去部24は、雑音成分の除去処理を行う前に、光受信機9の熱雑音及び光増幅器5から放射される増幅光雑音などの雑音成分を観測して、その雑音成分を示す雑音スペクトルを記録する。
雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23による積算後の第1の信号スペクトルSP1から記録している雑音スペクトルを減算することで、第1の信号スペクトルSP1に含まれている雑音成分を除去し、図10Bに示すような第1の信号スペクトルSP1を周波数シフト補正部25に出力する。
また、雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23による積算後の第2の信号スペクトルSP2から記録している雑音スペクトルを減算することで、第2の信号スペクトルSP2に含まれている雑音成分を除去し、図10Bに示すような第2の信号スペクトルSP2を周波数シフト補正部25に出力する。
雑音除去部24は、雑音成分の除去処理を行う前に、光受信機9の熱雑音及び光増幅器5から放射される増幅光雑音などの雑音成分を観測して、その雑音成分を示す雑音スペクトルを記録する。
雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23による積算後の第1の信号スペクトルSP1から記録している雑音スペクトルを減算することで、第1の信号スペクトルSP1に含まれている雑音成分を除去し、図10Bに示すような第1の信号スペクトルSP1を周波数シフト補正部25に出力する。
また、雑音除去部24は、スペクトル積算処理部23による積算後の第2の信号スペクトルSP2から記録している雑音スペクトルを減算することで、第2の信号スペクトルSP2に含まれている雑音成分を除去し、図10Bに示すような第2の信号スペクトルSP2を周波数シフト補正部25に出力する。
周波数シフト補正部25は、雑音除去部24から雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1を受けると、光アンテナ7から放射された第1のレーザ光Lb1の周波数に対する雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフト量fd1を算出する。
この周波数のシフト量fd1は、大気中のエアロゾルの位置の変化に伴う第1の散乱光Sb1のドップラーシフト量に相当する。
ドップラーシフト量の算出処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、光アンテナ7から放射された第1のレーザ光Lb1の周波数と、第1の散乱光Sb1の周波数との差分からドップラーシフト量を求めることができる。
周波数シフト補正部25は、周波数のシフト量fd1を算出すると、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数をシフト量fd1だけシフトすることで、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数をドップラーシフトのないときの周波数と一致させる補正を行う(図5のステップST9)。
この周波数のシフト量fd1は、大気中のエアロゾルの位置の変化に伴う第1の散乱光Sb1のドップラーシフト量に相当する。
ドップラーシフト量の算出処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、光アンテナ7から放射された第1のレーザ光Lb1の周波数と、第1の散乱光Sb1の周波数との差分からドップラーシフト量を求めることができる。
周波数シフト補正部25は、周波数のシフト量fd1を算出すると、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数をシフト量fd1だけシフトすることで、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1の周波数をドップラーシフトのないときの周波数と一致させる補正を行う(図5のステップST9)。
また、周波数シフト補正部25は、雑音除去部24から雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2を受けると、光アンテナ7から放射された第2のレーザ光Lb2の周波数に対する雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフト量fd2を算出する。シフト量fd2の算出は、光アンテナ7から放射された第2のレーザ光Lb2の周波数と、第2の散乱光Sb2の周波数との差分から求めることができる。
周波数シフト補正部25は、周波数のシフト量fd2を算出すると、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数をシフト量fd2だけシフトすることで、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数をドップラーシフトのないときの周波数と一致させる補正を行う(図5のステップST10)。
周波数シフト補正部25は、周波数のシフト量fd2を算出すると、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数をシフト量fd2だけシフトすることで、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2の周波数をドップラーシフトのないときの周波数と一致させる補正を行う(図5のステップST10)。
図11は周波数シフト補正部25による信号スペクトルの周波数のシフト補正を示す説明図である。
図11は、周波数シフト補正部25によって同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数がシフトされるとともに、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数がシフトされることで、エアロゾルに対応する信号成分の周波数が、同じ周波数レンジビンに存在するようになることを表している。
図11の例では、シフト補正後の複数の第1の信号スペクトルSP1に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数はf1になっている。また、シフト補正後の複数の第2の信号スペクトルSP2に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数はf2になっている。
図11は、周波数シフト補正部25によって同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数がシフトされるとともに、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数がシフトされることで、エアロゾルに対応する信号成分の周波数が、同じ周波数レンジビンに存在するようになることを表している。
図11の例では、シフト補正後の複数の第1の信号スペクトルSP1に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数はf1になっている。また、シフト補正後の複数の第2の信号スペクトルSP2に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数はf2になっている。
図11では、第1時間レンジビンだけを例示しているが、実際には、第2時間レンジビン~第M時間レンジビンも存在している。Mは3以上の整数である。
ただし、前段のスペクトル積算処理部23によって積算処理が行われているため、図11における1つの第1の信号スペクトルSP1は、図9における複数の第1の信号スペクトルSP1と対応している。また、図11における1つの第2の信号スペクトルSP2は、図9における複数の第2の信号スペクトルSP2と対応している。
例えば、スペクトル積算処理部23における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の積算回数が5回であれば、図11における第1の信号スペクトルSP1(t1)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=1~5の第1の信号スペクトルSP1(t1)~SP1(t5)と対応している。図11における第2の信号スペクトルSP2(t1)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=1~5の第2の信号スペクトルSP2(t1)~SP2(t5)と対応している。
また、図11における第1の信号スペクトルSP1(t2)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=6~10の第1の信号スペクトルSP(t6)~SP1(t10)1と対応している。図11における第2の信号スペクトルSP2(t2)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=6~10の第2の信号スペクトルSP2(t6)~SP2(t10)と対応している。
ただし、前段のスペクトル積算処理部23によって積算処理が行われているため、図11における1つの第1の信号スペクトルSP1は、図9における複数の第1の信号スペクトルSP1と対応している。また、図11における1つの第2の信号スペクトルSP2は、図9における複数の第2の信号スペクトルSP2と対応している。
例えば、スペクトル積算処理部23における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の積算回数が5回であれば、図11における第1の信号スペクトルSP1(t1)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=1~5の第1の信号スペクトルSP1(t1)~SP1(t5)と対応している。図11における第2の信号スペクトルSP2(t1)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=1~5の第2の信号スペクトルSP2(t1)~SP2(t5)と対応している。
また、図11における第1の信号スペクトルSP1(t2)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=6~10の第1の信号スペクトルSP(t6)~SP1(t10)1と対応している。図11における第2の信号スペクトルSP2(t2)は、図9における同一時間レンジ内の5つの時刻t=6~10の第2の信号スペクトルSP2(t6)~SP2(t10)と対応している。
ここでは、周波数シフト補正部25が、第1の信号スペクトルSP1の周波数を第1のレーザ光Lb1の周波数と一致させる補正を行うとともに、第2の信号スペクトルSP2の周波数を第2のレーザ光Lb2の周波数と一致させる補正を行う例を示している。
第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数の補正方法は、上記の例に限るものではない。
例えば、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数が同じドップラーシフト量となるように、複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数を補正するようにしてもよい。また、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数が同じドップラーシフト量となるように、複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数を補正するようにしてもよい。
具体的には、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1のドップラーシフト量が、同一時間レンジ内の基準とする第1の信号スペクトルSP1のドップラーシフト量と同じになるように、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数を補正する例が考えられる。同一時間レンジ内の基準とする第1の信号スペクトルSP1としては、例えば、時刻t1の第1の信号スペクトルSP1が考えられる。
また、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2のドップラーシフト量が、同一時間レンジ内の基準とする第2の信号スペクトルSP2のドップラーシフト量と同じになるように、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数を補正する例が考えられる。
第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数の補正方法は、上記の例に限るものではない。
例えば、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数が同じドップラーシフト量となるように、複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数を補正するようにしてもよい。また、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数が同じドップラーシフト量となるように、複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数を補正するようにしてもよい。
具体的には、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1のドップラーシフト量が、同一時間レンジ内の基準とする第1の信号スペクトルSP1のドップラーシフト量と同じになるように、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数を補正する例が考えられる。同一時間レンジ内の基準とする第1の信号スペクトルSP1としては、例えば、時刻t1の第1の信号スペクトルSP1が考えられる。
また、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2のドップラーシフト量が、同一時間レンジ内の基準とする第2の信号スペクトルSP2のドップラーシフト量と同じになるように、周波数シフト補正部25が、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数を補正する例が考えられる。
ステップST1~ST10の処理は、信号処理器11が処理を開始してからの時間が、事前に設定された観測時間を経過するまで間、繰り返し実施される(ステップST11:NOの場合)。
信号処理器11が処理を開始してからの時間が観測時間を経過すると(ステップST11:YESの場合)、ステップST1~ST10の繰り返し処理は終了する。
なお、観測時間中、周波数シフト補正部25によって第1時間レンジビン~第M時間レンジビンにおける複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトが補正された場合、周波数のシフトが補正された第1時間レンジビン~第M時間レンジビンにおける複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2が、スペクトル積算部26に記憶される。
信号処理器11が処理を開始してからの時間が観測時間を経過すると(ステップST11:YESの場合)、ステップST1~ST10の繰り返し処理は終了する。
なお、観測時間中、周波数シフト補正部25によって第1時間レンジビン~第M時間レンジビンにおける複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトが補正された場合、周波数のシフトが補正された第1時間レンジビン~第M時間レンジビンにおける複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2が、スペクトル積算部26に記憶される。
スペクトル積算部26は、第1時間レンジビン~第M時間レンジビンにおいて、記憶している同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1を積算し、積算後の第1の信号スペクトルSP1をピーク強度算出部28に出力する(図6のステップST21)。
また、スペクトル積算部26は、記憶している同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算し、積算後の第2の信号スペクトルSP2をピーク強度算出部28に出力する(図6のステップST22)。
同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の積算処理は、各々の第1の信号スペクトルSP1における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の積算処理は、各々の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
周波数シフト補正部25によって周波数がシフトされている複数の第1の信号スペクトルSP1が積算されるとともに、周波数シフト補正部25によって周波数がシフトされている複数の第2の信号スペクトルSP2が積算されているので、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合でも、所望の信号成分であるエアロゾルに対応する信号成分が積み上がり、SN比が高まる。
また、スペクトル積算部26は、記憶している同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2を積算し、積算後の第2の信号スペクトルSP2をピーク強度算出部28に出力する(図6のステップST22)。
同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の積算処理は、各々の第1の信号スペクトルSP1における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
また、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の積算処理は、各々の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算するものである。
周波数シフト補正部25によって周波数がシフトされている複数の第1の信号スペクトルSP1が積算されるとともに、周波数シフト補正部25によって周波数がシフトされている複数の第2の信号スペクトルSP2が積算されているので、大気中のエアロゾルの位置に変化がある場合でも、所望の信号成分であるエアロゾルに対応する信号成分が積み上がり、SN比が高まる。
ピーク強度算出部28は、スペクトル積算部26による積算後の第1の信号スペクトルSP1における各々の信号成分を比較して、最も大きな信号成分である第1のピーク強度Ponを特定する(図6のステップST23)。
また、ピーク強度算出部28は、スペクトル積算部26による積算後の第2の信号スペクトルSP2における各々の信号成分を比較して、最も大きな信号成分である第2のピーク強度Poffを特定する(図6のステップST24)。
また、ピーク強度算出部28は、スペクトル積算部26による積算後の第2の信号スペクトルSP2における各々の信号成分を比較して、最も大きな信号成分である第2のピーク強度Poffを特定する(図6のステップST24)。
分子濃度算出処理部29は、ピーク強度算出部28により特定された第1のピーク強度Ponとピーク強度算出部28により特定された第2のピーク強度Poffとから大気中の分子の濃度Cを算出する。
以下、分子濃度算出処理部29による分子濃度Cの算出処理を具体的に説明する。
以下、分子濃度算出処理部29による分子濃度Cの算出処理を具体的に説明する。
まず、分子濃度算出処理部29は、第m(m=2,3,・・・,M)時間レンジビンにおける分子濃度Cの算出処理を行う場合、第m時間レンジビンの第1のピーク強度Ponであるピーク強度Pon(m)と、第m時間レンジビンの第2のピーク強度Poffであるピーク強度Poff(m)とを取得する。
また、分子濃度算出処理部29は、第(m-1)時間レンジビンの第1のピーク強度Ponであるピーク強度Pon(m-1)と、第(m-1)時間レンジビンの第2のピーク強度Poffであるピーク強度Poff(m-1)とを取得する。
また、分子濃度算出処理部29は、第(m-1)時間レンジビンの第1のピーク強度Ponであるピーク強度Pon(m-1)と、第(m-1)時間レンジビンの第2のピーク強度Poffであるピーク強度Poff(m-1)とを取得する。
次に、分子濃度算出処理部29は、以下の式(1)に示すように、第m時間レンジビンのピーク強度Pon(m)及びピーク強度Poff(m)と、第(m-1)時間レンジビンのピーク強度Pon(m-1)及びピーク強度Poff(m-1)とを用いて、光学的厚さODを算出する(図6のステップST25)。
光学的厚さODは、第m時間レンジビンにおけるピーク強度Pon(m)とピーク強度Poff(m)との比である。
式(1)において、Poff(m-1)/Pon(m-1)は、光学的厚さODを規格化するために、Pon(m)/Poff(m)に乗算している。
光学的厚さODは、第m時間レンジビンにおけるピーク強度Pon(m)とピーク強度Poff(m)との比である。
式(1)において、Poff(m-1)/Pon(m-1)は、光学的厚さODを規格化するために、Pon(m)/Poff(m)に乗算している。
次に、分子濃度算出処理部29は、以下の式(2)に示すように、光学的厚さODと、第m時間レンジビンに対応するエアロゾルの位置と光アンテナ7との間の距離zと、吸収波長の吸収係数konと、非吸収波長の吸収係数koffとを用いて、大気中の分子の濃度Cを算出する(図6のステップST26)。吸収係数kon及び吸収係数koffは既知の係数である。
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、第1のレーザ光Lb1の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光Lb2の周波数に対する同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部25と、周波数シフト補正部25により補正された複数の第1の信号スペクトルSP1を積算するとともに、周波数シフト補正部25により補正された複数の第2の信号スペクトルSP2を積算するスペクトル積算部26とを設け、分子濃度算出部27が、スペクトル積算部26により積算された第1の信号スペクトルSP1とスペクトル積算部26により積算された第2の信号スペクトルSP2とから大気中の分子の濃度Cを算出するように構成したので、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Cの算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
特に、大気分子が水蒸気で、波長1.5um帯での吸収スペクトル強度が小さい場合において分子濃度計測の精度を上げる場合には、吸収波長と非吸収波長のピーク強度を高いSN比で計測して、差分を算出する必要がある。この場合、数分から数十分といった長時間の積算が必要となるが、この実施の形態1によって、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
特に、大気分子が水蒸気で、波長1.5um帯での吸収スペクトル強度が小さい場合において分子濃度計測の精度を上げる場合には、吸収波長と非吸収波長のピーク強度を高いSN比で計測して、差分を算出する必要がある。この場合、数分から数十分といった長時間の積算が必要となるが、この実施の形態1によって、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1及び同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の積算処理として、スペクトル積算処理部23が、複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算する例を示している。
この実施の形態2では、スペクトル積算処理部23が、複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2における異なる周波数の信号成分同士を積算する例を説明する。
具体的には、以下の通りである。
上記実施の形態1では、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルSP1及び同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルSP2の積算処理として、スペクトル積算処理部23が、複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2における同一周波数の信号成分同士を積算する例を示している。
この実施の形態2では、スペクトル積算処理部23が、複数の第1の信号スペクトルSP1及び複数の第2の信号スペクトルSP2における異なる周波数の信号成分同士を積算する例を説明する。
具体的には、以下の通りである。
ここでは、スペクトル積算処理部23における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の積算回数が6回である例を説明する。
スペクトル積算処理部23には、予め、同一時間レンジ内の時刻t1~t6の第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2における信号成分の積算を行う周波数の組み合わせが複数用意されている。
例えば、同一時間レンジ内の時刻t1~t6の信号スペクトルの積算を行う際の周波数の組み合わせについてのパターンとして、組み合わせパターンAと、組み合わせパターンBと、組み合わせパターンCとを例示する。
スペクトル積算処理部23には、予め、同一時間レンジ内の時刻t1~t6の第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2における信号成分の積算を行う周波数の組み合わせが複数用意されている。
例えば、同一時間レンジ内の時刻t1~t6の信号スペクトルの積算を行う際の周波数の組み合わせについてのパターンとして、組み合わせパターンAと、組み合わせパターンBと、組み合わせパターンCとを例示する。
[組み合わせパターンA]
積算後の信号スペクトルの第m周波数レンジビンにおける信号成分
=時刻t1の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t2の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t3の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t4の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t5の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t6の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
積算後の信号スペクトルの第m周波数レンジビンにおける信号成分
=時刻t1の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t2の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t3の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t4の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t5の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t6の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
[組み合わせパターンB]
積算後の信号スペクトルの第m周波数レンジビンにおける信号成分
=時刻t1の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t2の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t3の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t4の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t5の第(m+2)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t6の第(m+2)周波数レンジビンにおける信号成分
積算後の信号スペクトルの第m周波数レンジビンにおける信号成分
=時刻t1の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t2の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t3の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t4の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t5の第(m+2)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t6の第(m+2)周波数レンジビンにおける信号成分
[組み合わせパターンC]
積算後の信号スペクトルの第m周波数レンジビンにおける信号成分
=時刻t1の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t2の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t3の第(m+2)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t4の第(m+3)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t5の第(m+4)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t6の第(m+5)周波数レンジビンにおける信号成分
積算後の信号スペクトルの第m周波数レンジビンにおける信号成分
=時刻t1の第m周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t2の第(m+1)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t3の第(m+2)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t4の第(m+3)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t5の第(m+4)周波数レンジビンにおける信号成分
+時刻t6の第(m+5)周波数レンジビンにおける信号成分
スペクトル積算処理部23は、組み合わせパターンAに従って時刻t1~時刻t6における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ積算し、組み合わせパターンBに従って時刻t1~時刻t6における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ積算する。
また、スペクトル積算処理部23は、組み合わせパターンCに従って時刻t1~時刻t6における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ積算する。
また、スペクトル積算処理部23は、組み合わせパターンCに従って時刻t1~時刻t6における第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2をそれぞれ積算する。
スペクトル積算処理部23は、組み合わせパターンA,B,Cに従ってそれぞれ積算した第1の信号スペクトルSP1における最大の信号成分を比較し、積算後の3つの第1の信号スペクトルSP1の中から、最大の信号成分が最も大きい第1の信号スペクトルSP1を選択する。
スペクトル積算処理部23は、選択した第1の信号スペクトルSP1を積算後の第1の信号スペクトルSP1として、ピーク強度算出部28に出力する。
また、スペクトル積算処理部23は、組み合わせパターンA,B,Cに従ってそれぞれ積算した第2の信号スペクトルSP2における最大の信号成分を比較し、積算後の3つの第2の信号スペクトルSP2の中から、最大の信号成分が最も大きい第2の信号スペクトルSP2を選択する。
スペクトル積算処理部23は、選択した第2の信号スペクトルSP2を積算後の第2の信号スペクトルSP2として、ピーク強度算出部28に出力する。
スペクトル積算処理部23は、選択した第1の信号スペクトルSP1を積算後の第1の信号スペクトルSP1として、ピーク強度算出部28に出力する。
また、スペクトル積算処理部23は、組み合わせパターンA,B,Cに従ってそれぞれ積算した第2の信号スペクトルSP2における最大の信号成分を比較し、積算後の3つの第2の信号スペクトルSP2の中から、最大の信号成分が最も大きい第2の信号スペクトルSP2を選択する。
スペクトル積算処理部23は、選択した第2の信号スペクトルSP2を積算後の第2の信号スペクトルSP2として、ピーク強度算出部28に出力する。
以上で明らかなように、この実施の形態2によれば、スペクトル積算処理部23が、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか1つの信号スペクトルを積算後の信号スペクトルとして選択するように構成したので、上記実施の形態1よりも更にSN比を高めることができる。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、周波数シフト補正部25が、第1のレーザ光Lb1の周波数に対する第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光Lb2の周波数に対する第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する例を説明している。
これにより、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Cの算出精度の劣化を防止することができる。
しかし、乱流のように時間的に風速又は風向が変化する環境下では、フーリエ変換部22により算出される第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数帯域が広がることがある。
エアロゾルに対応する信号成分の周波数帯域が広がることで、エアロゾルに対応する信号成分が複数の周波数レンジビンに存在し、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度が劣化することがある。
この実施の形態3では、時間的に風速又は風向が変化する環境下でも、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度の劣化を防止して、分子濃度の算出精度の劣化を防止する例を説明する。
上記実施の形態1では、周波数シフト補正部25が、第1のレーザ光Lb1の周波数に対する第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光Lb2の周波数に対する第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する例を説明している。
これにより、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Cの算出精度の劣化を防止することができる。
しかし、乱流のように時間的に風速又は風向が変化する環境下では、フーリエ変換部22により算出される第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2に含まれているエアロゾルに対応する信号成分の周波数帯域が広がることがある。
エアロゾルに対応する信号成分の周波数帯域が広がることで、エアロゾルに対応する信号成分が複数の周波数レンジビンに存在し、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度が劣化することがある。
この実施の形態3では、時間的に風速又は風向が変化する環境下でも、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度の劣化を防止して、分子濃度の算出精度の劣化を防止する例を説明する。
この実施の形態3におけるレーザレーダ装置の構成図は、上記実施の形態1と同様に、図1の構成図である。
図12はこの発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置の信号処理器11を示す構成図である。図12において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
周波数シフト補正部30は、図2の周波数シフト補正部25と同様に、例えば図3に示す周波数シフト補正回路44によって実現されるものである。
周波数シフト補正部30は、図2の周波数シフト補正部25と同様に、第1のレーザ光Lb1の周波数に対する雑音成分除去後の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光Lb2の周波数に対する雑音成分除去後の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
図12はこの発明の実施の形態3によるレーザレーダ装置の信号処理器11を示す構成図である。図12において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
周波数シフト補正部30は、図2の周波数シフト補正部25と同様に、例えば図3に示す周波数シフト補正回路44によって実現されるものである。
周波数シフト補正部30は、図2の周波数シフト補正部25と同様に、第1のレーザ光Lb1の周波数に対する雑音成分除去後の複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正するとともに、第2のレーザ光Lb2の周波数に対する雑音成分除去後の複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
ただし、周波数シフト補正部30は、図2の周波数シフト補正部25と異なり、第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する前に、以下に示す第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2の波形を補正する処理を実施する。
周波数シフト補正部30は雑音除去部24による雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2のそれぞれにおいて、閾値Th以上の信号成分を有する1つ以上の周波数の中から、いずれか1つの周波数を選択し、選択していない残りの周波数の信号成分を選択した周波数に移動させることで、選択した周波数の信号成分を閾値Th以上の信号成分の総和とする波形の補正処理を行う。
以下、周波数シフト補正部30による波形の補正処理を具体的に説明する。
周波数シフト補正部30は雑音除去部24による雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2のそれぞれにおいて、閾値Th以上の信号成分を有する1つ以上の周波数の中から、いずれか1つの周波数を選択し、選択していない残りの周波数の信号成分を選択した周波数に移動させることで、選択した周波数の信号成分を閾値Th以上の信号成分の総和とする波形の補正処理を行う。
以下、周波数シフト補正部30による波形の補正処理を具体的に説明する。
図13は周波数シフト補正部30による信号スペクトルの周波数のシフト補正を示す説明図である。
図13では、第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンのそれぞれにおいて、1つの第1の信号スペクトルSP1だけを代表的に図示している。また、第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンのそれぞれにおいて、1つの第2の信号スペクトルSP2だけを代表的に図示している。
周波数シフト補正部30は、雑音除去部24による雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1及び雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2における各々の信号成分と事前に設定された閾値Thとを比較して、閾値Th以上の信号成分を有する周波数を特定する。事前に設定された閾値Thとして、エアロゾルに対応する信号成分の想定される信号強度の半分程度の値が周波数シフト補正部30に設定されている。
図13では、第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンのそれぞれにおいて、1つの第1の信号スペクトルSP1だけを代表的に図示している。また、第1時間レンジビン及び第2時間レンジビンのそれぞれにおいて、1つの第2の信号スペクトルSP2だけを代表的に図示している。
周波数シフト補正部30は、雑音除去部24による雑音成分除去後の第1の信号スペクトルSP1及び雑音成分除去後の第2の信号スペクトルSP2における各々の信号成分と事前に設定された閾値Thとを比較して、閾値Th以上の信号成分を有する周波数を特定する。事前に設定された閾値Thとして、エアロゾルに対応する信号成分の想定される信号強度の半分程度の値が周波数シフト補正部30に設定されている。
図13の例では、第2時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2については、閾値Th以上の信号成分を有する周波数は1つである。このため、第2時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1及び第2の信号スペクトルSP2については、周波数シフト補正部30による波形の補正処理は行われない。
一方、第1時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1については、閾値Th以上の信号成分を有する周波数は4つである。このため、第1時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1については、周波数シフト補正部30によって波形の補正処理が行われる。
また、第1時間レンジビンにおける第2の信号スペクトルSP2については、閾値Th以上の信号成分を有する周波数は3つである。このため、第1時間レンジビンにおける第2の信号スペクトルSP2については、周波数シフト補正部30によって波形の補正処理が行われる。
一方、第1時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1については、閾値Th以上の信号成分を有する周波数は4つである。このため、第1時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1については、周波数シフト補正部30によって波形の補正処理が行われる。
また、第1時間レンジビンにおける第2の信号スペクトルSP2については、閾値Th以上の信号成分を有する周波数は3つである。このため、第1時間レンジビンにおける第2の信号スペクトルSP2については、周波数シフト補正部30によって波形の補正処理が行われる。
周波数シフト補正部30は、第1時間レンジビンにおける第1の信号スペクトルSP1において、閾値Th以上の信号成分を有する4つの周波数fa,fb,fc,fdの中から、例えば、1つの周波数fcを選択する。
周波数シフト補正部30は、例えば、1つの周波数fcを選択すると、残り3つの周波数fa,fb,fdの信号成分を周波数fcに移動させることで、周波数fcの信号成分を4つの周波数fa,fb,fc,fdの信号成分の総和とする。
ここでは、周波数fcを選択しているが、これは一例に過ぎず、周波数fa,fb,fdのいずれかを選択してもよい。
また、周波数fa~fdの範囲内の周波数を選択し、その選択した周波数に4つの周波数fa,fb,fc,fdの信号成分を移動させることで、その選択した周波数の信号成分を4つの周波数fa,fb,fc,fdの信号成分の総和とするようにしてもよい。
周波数シフト補正部30は、例えば、1つの周波数fcを選択すると、残り3つの周波数fa,fb,fdの信号成分を周波数fcに移動させることで、周波数fcの信号成分を4つの周波数fa,fb,fc,fdの信号成分の総和とする。
ここでは、周波数fcを選択しているが、これは一例に過ぎず、周波数fa,fb,fdのいずれかを選択してもよい。
また、周波数fa~fdの範囲内の周波数を選択し、その選択した周波数に4つの周波数fa,fb,fc,fdの信号成分を移動させることで、その選択した周波数の信号成分を4つの周波数fa,fb,fc,fdの信号成分の総和とするようにしてもよい。
周波数シフト補正部30は、第1時間レンジビンにおける第2の信号スペクトルSP2において、閾値Th以上の信号成分を有する3つの周波数fe,ff,fgの中から、例えば、1つの周波数ffを選択する。
周波数シフト補正部30は、例えば、1つの周波数ffを選択すると、残り2つの周波数fe,fgの信号成分を周波数ffに移動させることで、周波数ffの信号成分を3つの周波数fe,ff,fgの信号成分の総和とする。
ここでは、周波数ffを選択しているが、これは一例に過ぎず、周波数fe又は周波数fgのいずれかを選択してもよい。
また、周波数fe~fgの範囲内の周波数を選択し、その選択した周波数に3つの周波数fe,ff,fgの信号成分を移動させることで、その選択した周波数の信号成分を3つの周波数fe,ff,fgの信号成分の総和とするようにしてもよい。
周波数シフト補正部30は、例えば、1つの周波数ffを選択すると、残り2つの周波数fe,fgの信号成分を周波数ffに移動させることで、周波数ffの信号成分を3つの周波数fe,ff,fgの信号成分の総和とする。
ここでは、周波数ffを選択しているが、これは一例に過ぎず、周波数fe又は周波数fgのいずれかを選択してもよい。
また、周波数fe~fgの範囲内の周波数を選択し、その選択した周波数に3つの周波数fe,ff,fgの信号成分を移動させることで、その選択した周波数の信号成分を3つの周波数fe,ff,fgの信号成分の総和とするようにしてもよい。
周波数シフト補正部30が波形の補正処理を行うことで、エアロゾルに対応する信号成分が1つの周波数レンジビンだけに存在するようになるため、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度が向上する。
周波数シフト補正部30は、波形の補正処理を実施した後、図2の周波数シフト補正部25と同様に、複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正する処理及び複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
この実施の形態3では、乱流のように時間的に風速又は風向が変化する環境下でも、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度が向上するため、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる。
周波数シフト補正部30は、波形の補正処理を実施した後、図2の周波数シフト補正部25と同様に、複数の第1の信号スペクトルSP1の周波数のシフトを補正する処理及び複数の第2の信号スペクトルSP2の周波数のシフトを補正する処理を実施する。
この実施の形態3では、乱流のように時間的に風速又は風向が変化する環境下でも、第1のピーク強度Ponの特定精度及び第2のピーク強度Poffの特定精度が向上するため、分子濃度の算出精度の劣化を防止することができる。
実施の形態4.
上記実施の形態1~3では、分子濃度算出部27が、大気中の分子の濃度Cを算出する例を示しているが、この実施の形態4では、分子濃度算出部27が、分子濃度Cの分布を求める例を説明する。
上記実施の形態1~3では、分子濃度算出部27が、大気中の分子の濃度Cを算出する例を示しているが、この実施の形態4では、分子濃度算出部27が、分子濃度Cの分布を求める例を説明する。
図14はこの発明の実施の形態4によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図14において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
方向切替器12は例えばミラーなどを備えており、信号処理器11から出力される制御信号に従って光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える切替器である。
方向切替器12は例えばミラーなどを備えており、信号処理器11から出力される制御信号に従って光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える切替器である。
図15はこの発明の実施の形態4によるレーザレーダ装置の信号処理器11を示す構成図である。図15において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
分子濃度算出部31はピーク強度算出部28及び分子濃度算出処理部32を備えている。
分子濃度算出部31は、図2の分子濃度算出部27と同様に、スペクトル積算部26により積算された第1の信号スペクトルSP1とスペクトル積算部26により積算された第2の信号スペクトルSP2とから大気中の分子の濃度Cを算出する処理を実施する。
分子濃度算出部31は、図2の分子濃度算出部27と異なり、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器12に出力し、方向切替器12によりレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度Cを算出することで、分子濃度Cの分布を求める処理を実施する。
分子濃度算出部31はピーク強度算出部28及び分子濃度算出処理部32を備えている。
分子濃度算出部31は、図2の分子濃度算出部27と同様に、スペクトル積算部26により積算された第1の信号スペクトルSP1とスペクトル積算部26により積算された第2の信号スペクトルSP2とから大気中の分子の濃度Cを算出する処理を実施する。
分子濃度算出部31は、図2の分子濃度算出部27と異なり、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器12に出力し、方向切替器12によりレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度Cを算出することで、分子濃度Cの分布を求める処理を実施する。
分子濃度算出処理部32は、図2の分子濃度算出処理部29と同様に、例えば図3に示す分子濃度算出回路47によって実現されるものである。
分子濃度算出処理部32は、図2の分子濃度算出処理部29と同様に、ピーク強度算出部28により算出された第1のピーク強度Ponとピーク強度算出部28により算出された第2のピーク強度Poffとから大気中の分子の濃度Cを算出する処理を実施する。
分子濃度算出処理部32は、図2の分子濃度算出処理部29と異なり、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器12に出力する。
また、分子濃度算出処理部32は、方向切替器12によりレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度Cを算出することで、分子濃度Cの分布を求める処理を実施する。
分子濃度算出処理部32は、図2の分子濃度算出処理部29と同様に、ピーク強度算出部28により算出された第1のピーク強度Ponとピーク強度算出部28により算出された第2のピーク強度Poffとから大気中の分子の濃度Cを算出する処理を実施する。
分子濃度算出処理部32は、図2の分子濃度算出処理部29と異なり、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器12に出力する。
また、分子濃度算出処理部32は、方向切替器12によりレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度Cを算出することで、分子濃度Cの分布を求める処理を実施する。
次に動作について説明する。
方向切替器12及び分子濃度算出処理部32以外は、上記実施の形態1と同様であるため、ここでは方向切替器12及び分子濃度算出処理部32の動作だけを説明する。
分子濃度算出処理部32は、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を示す制御信号を方向切替器12に出力する。
方向切替器12は、光アンテナ7から放射されたレーザ光を分子濃度算出処理部32から出力された制御信号が示す方向に設定する。
方向切替器12及び分子濃度算出処理部32以外は、上記実施の形態1と同様であるため、ここでは方向切替器12及び分子濃度算出処理部32の動作だけを説明する。
分子濃度算出処理部32は、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を示す制御信号を方向切替器12に出力する。
方向切替器12は、光アンテナ7から放射されたレーザ光を分子濃度算出処理部32から出力された制御信号が示す方向に設定する。
分子濃度算出処理部32は、図2の分子濃度算出処理部29と同様に、ピーク強度算出部28により算出された第1のピーク強度Ponとピーク強度算出部28により算出された第2のピーク強度Poffとから大気中の分子の濃度Cを算出する。
分子濃度算出処理部32は、大気中の分子の濃度Cを算出すると、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器12に出力する。
方向切替器12は、分子濃度算出処理部32から出力された制御信号に従って光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える。
方向切替器12と分子濃度算出処理部32が、上記の処理を繰り返し実施することで、分子濃度算出処理部32は、複数の放射方向に対応する分子の濃度Cを算出する。これにより、大気中の分子濃度Cの分布が求められる。
分子濃度算出処理部32は、大気中の分子の濃度Cを算出すると、光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える旨を示す制御信号を方向切替器12に出力する。
方向切替器12は、分子濃度算出処理部32から出力された制御信号に従って光アンテナ7からレーザ光が放射される方向を切り替える。
方向切替器12と分子濃度算出処理部32が、上記の処理を繰り返し実施することで、分子濃度算出処理部32は、複数の放射方向に対応する分子の濃度Cを算出する。これにより、大気中の分子濃度Cの分布が求められる。
実施の形態5.
上記実施の形態1~4では、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2とを出力する機能を有するものについて示したが、第1のレーザ光Lb1を出力する基準光源1aと、第2のレーザ光Lb2を出力する基準光源1bとを別個に設けるようにしてもよい。
上記実施の形態1~4では、基準光源1が、第1のレーザ光Lb1と第2のレーザ光Lb2とを出力する機能を有するものについて示したが、第1のレーザ光Lb1を出力する基準光源1aと、第2のレーザ光Lb2を出力する基準光源1bとを別個に設けるようにしてもよい。
図16はこの発明の実施の形態5によるレーザレーダ装置を示す構成図である。図16において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
基準光源1aは第1のレーザ光Lb1を出力する光源である。
基準光源1bは第2のレーザ光Lb2を出力する光源である。
光スイッチドライバ13は波長切替器2から第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、基準光源1aと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を光スイッチ14に出力する。
また、光スイッチドライバ13は波長切替器2から第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、基準光源1bと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を光スイッチ14に出力する。
基準光源1aは第1のレーザ光Lb1を出力する光源である。
基準光源1bは第2のレーザ光Lb2を出力する光源である。
光スイッチドライバ13は波長切替器2から第1のレーザ光Lb1を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、基準光源1aと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を光スイッチ14に出力する。
また、光スイッチドライバ13は波長切替器2から第2のレーザ光Lb2を出力する旨を示す波長切替信号を受けると、基準光源1bと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を光スイッチ14に出力する。
光スイッチ14は光スイッチドライバ13から基準光源1aと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を受けると、基準光源1aと光分配器3を接続する。
また、光スイッチ14は光スイッチドライバ13から基準光源1bと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を受けると、基準光源1bと光分配器3を接続する。
図16は、基準光源1a,1b、光スイッチドライバ13及び光スイッチ14を図1のレーザレーダ装置に適用している例を示しているが、基準光源1a,1b、光スイッチドライバ13及び光スイッチ14を図14のレーザレーダ装置に適用するようにしてもよい。
また、光スイッチ14は光スイッチドライバ13から基準光源1bと光分配器3を接続する旨を示す制御信号を受けると、基準光源1bと光分配器3を接続する。
図16は、基準光源1a,1b、光スイッチドライバ13及び光スイッチ14を図1のレーザレーダ装置に適用している例を示しているが、基準光源1a,1b、光スイッチドライバ13及び光スイッチ14を図14のレーザレーダ装置に適用するようにしてもよい。
この実施の形態5では、第1のレーザ光Lb1を出力する基準光源1aと、第2のレーザ光Lb2を出力する基準光源1bとを別個に設け、光スイッチドライバ13及び光スイッチ14によって、第1のレーザ光Lb1又は第2のレーザ光Lb2を選択的に大気中に放射する点で、上記実施の形態1~4と相違している。
その他の点では、上記実施の形態1~4と同様であるため詳細な説明を省略する。
この実施の形態5でも、上記実施の形態1と同様に、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Cの算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
その他の点では、上記実施の形態1~4と同様であるため詳細な説明を省略する。
この実施の形態5でも、上記実施の形態1と同様に、大気中のエアロゾルの位置に変化が生じる場合でも、分子濃度Cの算出精度の劣化を防止することができる効果を奏する。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
この発明は、大気中の分子の濃度を算出するレーザレーダ装置に適している。
1,1a,1b 基準光源、2 波長切替器、3 光分配器、4 パルス変調器、5 光増幅器、6 光サーキュレータ、7 光アンテナ、8 光カプラ、9 光受信機、10 A/D変換器、11 信号処理器、12 方向切替器、13 光スイッチドライバ、14 光スイッチ、21 スペクトル算出部、22 フーリエ変換部、23 スペクトル積算処理部、24 雑音除去部、25,30 周波数シフト補正部、26 スペクトル積算部、27,31 分子濃度算出部、28 ピーク強度算出部、29,32 分子濃度算出処理部、41 フーリエ変換回路、42 スペクトル積算回路、43 雑音除去回路、44 周波数シフト補正回路、45 スペクトル積算回路、46 ピーク強度算出回路、47 分子濃度算出回路、51 メモリ、52 プロセッサ。
Claims (10)
- 大気中の分子に吸収される波長の第1のレーザ光が大気中の散乱体によって散乱された第1の散乱光と前記第1のレーザ光との合波光である第1の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルを算出するとともに、前記分子に吸収されない波長の第2のレーザ光が前記散乱体によって散乱された第2の散乱光と前記第2のレーザ光との合波光である第2の合波光の信号スペクトルとして、同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルを算出するスペクトル算出部と、
前記第1のレーザ光の周波数に対する前記複数の第1の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、前記第2のレーザ光の周波数に対する前記複数の第2の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する周波数シフト補正部と、
前記周波数シフト補正部により補正された複数の第1の信号スペクトルを積算するとともに、前記周波数シフト補正部により補正された複数の第2の信号スペクトルを積算するスペクトル積算部と、
前記スペクトル積算部により積算された第1及び第2の信号スペクトルから大気中の分子の濃度を算出する分子濃度算出部と
を備えたレーザレーダ装置。 - 前記スペクトル算出部は、
前記第1及び第2の合波光を検波する光受信機から前記第1の合波光の受信信号である第1の受信信号をフーリエ変換することで、前記第1の受信信号における時間レンジ毎の複数の第1の信号スペクトルを算出するとともに、前記光受信機から前記第2の合波光の受信信号である第2の受信信号をフーリエ変換することで、前記第2の受信信号における時間レンジ毎の複数の第2の信号スペクトルを算出するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルを積算するとともに、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルを積算するスペクトル積算処理部とを備え、
前記周波数シフト補正部は、前記第1のレーザ光の周波数に対する前記スペクトル積算処理部により積算された第1の信号スペクトルの周波数のシフトを補正するとともに、前記第2のレーザ光の周波数に対する前記スペクトル積算処理部により積算された第2の信号スペクトルの周波数のシフトを補正することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記スペクトル算出部は、
前記スペクトル積算処理部により積算された第1の信号スペクトルに含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第1の信号スペクトルを前記周波数シフト補正部に出力するとともに、前記スペクトル積算処理部により積算された第2の信号スペクトルに含まれている雑音成分を除去して、雑音成分除去後の第2の信号スペクトルを前記周波数シフト補正部に出力する雑音除去部を備えたことを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。 - 前記スペクトル積算処理部は、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、前記複数の第1の信号スペクトルを積算し、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルにおける同一周波数の信号成分同士を積算することで、前記複数の第2の信号スペクトルを積算することを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。
- 複数の信号スペクトルにおける信号成分の積算を行う周波数の組み合わせが複数用意されており、
前記スペクトル積算処理部は、用意されている周波数の組み合わせ毎に、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第1の信号スペクトルにおける当該組み合わせが示す周波数の信号成分を積算し、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか1つの信号スペクトルを積算後の第1の信号スペクトルとして選択し、用意されている周波数の組み合わせ毎に、前記フーリエ変換部により算出された同一時間レンジ内の複数の第2の信号スペクトルにおける当該組み合わせが示す周波数の信号成分を積算し、複数の組み合わせに対応する積算後の信号スペクトルの中から、いずれか1つの信号スペクトルを積算後の第2の信号スペクトルとして選択することを特徴とする請求項2記載のレーザレーダ装置。 - 前記分子濃度算出部は、
前記スペクトル積算部により積算された第1の信号スペクトルのピーク強度である第1のピーク強度を算出するとともに、前記スペクトル積算部により積算された第2の信号スペクトルのピーク強度である第2のピーク強度を算出するピーク強度算出部と、
前記ピーク強度算出部により算出された第1のピーク強度と前記ピーク強度算出部により算出された第2のピーク強度とから大気中の分子の濃度を算出する分子濃度算出処理部とを備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記分子濃度算出処理部は、前記ピーク強度算出部により算出された第1のピーク強度と前記ピーク強度算出部により算出された第2のピーク強度との比を算出し、前記第1のピーク強度と前記第2のピーク強度との比から大気中の分子の濃度を算出することを特徴とする請求項6記載のレーザレーダ装置。
- 前記周波数シフト補正部は、
前記第1及び第2の信号スペクトルの周波数のシフトを補正する前に、
前記第1及び第2の信号スペクトルのそれぞれにおいて、信号成分が閾値以上である1つ以上の周波数の中から、いずれか1つの周波数を選択し、選択していない周波数の信号成分を前記選択した周波数に移動させることで、前記選択した周波数の信号成分を、前記1つ以上の周波数の信号成分の総和とする補正処理を行うことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記第1のレーザ光及び前記第2のレーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力された第1及び第2のレーザ光を大気中にそれぞれ放射し、前記散乱体により散乱された前記第1及び第2のレーザ光の散乱光である第1及び第2の散乱光をそれぞれ受信する光アンテナと、
前記光アンテナにより受信された第1の散乱光と前記第1のレーザ光を合波して、前記第1の散乱光と前記第1のレーザ光との合波光である第1の合波光を出力するとともに、前記光アンテナにより受信された第2の散乱光と前記第2のレーザ光を合波して、前記第2の散乱光と前記第2のレーザ光との合波光である第2の合波光を出力する光カプラと、
前記光カプラから出力された第1の合波光を検波して、前記第1の合波光を前記スペクトル算出部に出力するとともに、前記光カプラから出力された第2の合波光を検波して、前記第2の合波光を前記スペクトル算出部に出力する光受信機とを備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記光アンテナから前記第1及び第2のレーザ光が放射される方向を切り替える方向切替器を備え、
前記分子濃度算出部は、前記方向切替器により第1及び第2のレーザ光が放射される方向が切り替えられる毎に、大気中の分子の濃度を算出することで、分子濃度の分布を求めることを特徴とする請求項9記載のレーザレーダ装置。
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