特許 7320998 １つ又はいくつかの同時に存在する周波数における局部発振器及びデュアルプロービングビームによるヘテロダイン検波のためのライダー、及びデュアルヘテロダイン検波によるライダー検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-27

(45)【発行日】2023-08-04

(54)【発明の名称】１つ又はいくつかの同時に存在する周波数における局部発振器及びデュアルプロービングビームによるヘテロダイン検波のためのライダー、及びデュアルヘテロダイン検波によるライダー検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20230728BHJP

   G01N 21/49 20060101ALI20230728BHJP

【ＦＩ】

G01N21/27 B

G01N21/49 C

【請求項の数】 10

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019111148

(22)【出願日】2019-06-14

(65)【公開番号】P2020024186

(43)【公開日】2020-02-13

【審査請求日】2022-03-01

(31)【優先権主張番号】1855413

(32)【優先日】2018-06-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】316019093

【氏名又は名称】オフィス ナショナル デチュデ エ ドゥ ルシェルシェ アエロスパシアレ （オネラ）

(73)【特許権者】

【識別番号】511174786

【氏名又は名称】セントレ ナショナル デテュッド スパティアレ

【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ Ｄ‘ＥＴＵＤＥＳ ＳＰＡＴＩＡＬＥＳ

【住所又は居所原語表記】２， ｐｌａｃｅ Ｍａｕｒｉｃｅ Ｑｕｅｎｔｉｎ Ｆ－７５００１ Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】エベール フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】ルメートル フランソワ

(72)【発明者】

【氏名】セザール ニコラ

【審査官】古川 直樹

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１３－５０７００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５２９１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】仏国特許出願公開第０３０２７１１６（ＦＲ，Ａ１）

【文献】Xianyu Zhao et al.，Absolute distance measurement by multi-heterodyne interferometry using an electro-optic triple comb，Optics Letters，Optical Society of America，2018年02月09日，Vol. 43, Issue 4，p.807-810，＜DOI: https://doi.org/10.1364/OL.43.000807＞

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｇ０１Ｊ ３／００ － Ｇ０１Ｊ ４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００ － Ｇ０１Ｊ ９／０４

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － Ｇ０１Ｓ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ － Ｇ０１Ｓ １７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物質の遠隔分光のためのライダー（LIDAR）タイプの装置（１）であって、
光放出チャネル（２）と、
受信チャネル（７）と
を備え、
前記光放出チャネル（２）は、
発生周波数（ＦＧ）においてレーザーストライプを放出するように構成されたレーザー源（３）と、
放出された前記レーザーストライプから、
前記発生周波数（ＦＧ）から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第１ストライプを含む第１くし（Ｐ１）、
前記発生周波数（ＦＧ）から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第２ストライプを含む第２くし（Ｐ２）、及び、
前記発生周波数（ＦＧ）から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの局所ストライプを含む局所くし（ＰＯＬ）
を生成するように構成された光波周波数発生器（４）と、
前記第１及び前記第２くし（Ｐ１，Ｐ２）を含む放出信号（６）を、前記放出信号（６）によって横切られる前記物質に向けて放出するように構成された送出望遠鏡（５）と、
を含み、
前記受信チャネル（７）は、
前記放出信号（６）によって横切られる物質によって反射された信号（９）を受信するように構成された受信望遠鏡（８）であって、前記反射された信号（９）が、
前記放出信号の前記第１くしの前記少なくとも１つの第１ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第１ストライプを含む第１反射くし、及び、
前記放出信号の前記第２くしの前記少なくとも１つの第２ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第２ストライプを含む第２反射くし
を含み、前記局所くしの各局所ストライプが、前記第１反射くしの対応する第１ストライプ、及び前記第２反射くしの対応する第２ストライプと関連付けられた、受信望遠鏡（８）と、
前記局所くしの前記少なくとも１つの局所ストライプの、前記第１反射くしの前記対応する第１ストライプとの少なくとも１つの第１ビート信号（１１）、
前記局所くしの前記少なくとも１つの局所ストライプの、前記第２反射くしの前記対応する第２ストライプとの少なくとも１つの第２ビート信号（１２）、及び、
前記少なくとも１つの第１ビート信号（１１）の、前記少なくとも１つの第２ビート信号（１２）との少なくとも１つの第３ビート信号（１３）
を検出するように構成された検出システム（１０）とを備え、
前記第３ビート信号は、第１周波数シフト（ＦＭＡＯ１）と第２周波数シフト（ＦＭＡＯ２）との間の差の絶対値に等しい周波数の周辺でフィルタが掛けられる、
物質の遠隔分光のためのライダータイプの装置（１）。

【請求項2】

前記第１くし、前記第２くし、及び前記局所くしのそれぞれは、２以上の数のストライプを含む
請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記第１くし、前記第２くし、及び前記局所くしのそれぞれは、２と１３との間に含まれる数のストライプを含む
請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記局所くしの前記局所ストライプの周波数は、前記発生周波数の周辺に局所ステップ（ＦＭＥＯＬ）で、規則正しい間隔をおいて配置されており、前記局所ステップ（ＦＭＥＯＬ）の値は、５００ＭＨｚと２０００ＭＨｚとの間に含まれる
請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記第１くしの前記第１ストライプの周波数は、前記発生周波数と第１周波数シフト（ＦＭＡＯ１）との和に等しい第１中心周波数（ＦＣ１）の周辺に、第１ステップ（ＦＭＥＯ１）に従って規則正しい間隔をおいて配置される
請求項３又は４に記載の装置。

【請求項6】

前記第２くしの前記第２ストライプの周波数は、前記発生周波数と第２周波数シフト（ＦＭＡＯ２）との和に等しい第２中心周波数（ＦＣ２）の周辺に、第２ステップ（ＦＭＥＯ２）に従って規則正しい間隔をおいて配置される
請求項３～５のいずれか１項に記載の装置。

【請求項7】

前記第１くしの前記第１ストライプの周波数は、前記発生周波数と第１周波数シフト（ＦＭＡＯ１）との和に等しい第１中心周波数（ＦＣ１）の周辺に、第１ステップ（ＦＭＥＯ１）に従って規則正しい間隔をおいて配置され、
前記第２くしの前記第２ストライプの周波数は、前記発生周波数と第２周波数シフト（ＦＭＡＯ２）との和に等しい第２中心周波数（ＦＣ２）の周辺に、第２ステップ（ＦＭＥＯ２）に従って規則正しい間隔をおいて配置され、
前記第１ステップ（ＦＭＥＯ１）の値及び前記第２ステップ（ＦＭＥＯ２）の値は、前記局所ステップ（ＦＭＥＯＬ）の値と偏移（Ｄ）との和に等しい
請求項４に記載の装置。

【請求項8】

前記検出システムは、少なくとも１つの第３ビート信号（１３）を生成するために、前記少なくとも１つの第１ビート信号（１１）及び前記少なくとも１つの第２ビート信号（１２）を処理するように構成されたデジタル処理ユニット（ＵＴＮ）を備える
請求項１～７のいずれか１項に記載の装置。

【請求項9】

前記デジタル処理ユニット（ＵＴＮ）は、
デジタル信号（１１Ｎ，１２Ｎ）を生成するために、前記少なくとも１つの第１ビート信号（１１）及び前記少なくとも１つの第２ビート信号（１２）を含む時間信号をデジタル化するように構成されたアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記デジタル信号（１１Ｎ，１２Ｎ）の第１デジタルスペクトラム（ＳＮ１１，ＳＮ１２）を計算するように構成された第１計算ユニット（ＦＦＴ）と、
以前に計算された前記第１デジタルスペクトラム（ＳＮ１１，ＳＮ１２）の異なるスペクトル要素を分離するように構成された第１フィルタリングユニット（ＵＦ１）と、
前記少なくとも１つの第１ビート信号（１１）の少なくとも１つの第１時間要素及び前記少なくとも１つの第２ビート信号（１２）の少なくとも１つの第２時間要素を含む少なくとも１つの時間要素を生成するために、前記第１フィルタリングユニット（ＵＦ１）によって分離された各スペクトル要素を並行してスペクトル領域から時間領域に変換するように構成され、前記少なくとも１つの時間要素の各第１時間要素及び前記少なくとも１つの第２時間要素の各第２時間要素が前記局所くしの局所ストライプに対応する、第２計算ユニット（ＦＦＴ^－１）と、
前記局所くしの各局所ストライプに対応する、前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの第３ビート信号を生成するために、前記局所くしの各局所ストライプについて並行して、前記少なくとも１つの第１ビート信号（１１）の対応する前記第１時間要素と前記少なくとも１つの第２ビート信号（１２）の対応する前記第２時間要素とのビートを生成するように構成された混合器（ＭＥＬ）と、
前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの各第３ビート信号のデジタルスペクトラムを、各第３ビート信号に関して並行して計算するように構成された第３計算ユニット（ＦＦＴ２）と、
前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの各第３ビート信号内で、低周波スペクトル要素（ＣＳＢＦ１，ＣＳＢＦ２，ＣＳＢＦ３，…，ＣＳＢＦｉ，…）を分離するように構成された第２フィルタリングユニット（ＵＦ２）とを備える
請求項８に記載の装置。

【請求項10】

物質の遠隔分光のためのライダー検出方法（１００）であって、
レーザー源（３）によって、発生周波数（ＦＧ）においてレーザーストライプを放出するステップ（１０１）と、
周波数発生器（４）によって、前記レーザーストライプから、
i. 前記発生周波数（ＦＧ）から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第１ストライプを含む第１くし（Ｐ１）、
ii. 前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第２ストライプを含む第２くし（Ｐ２）、及び、
iii. 前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの局所ストライプを含む局所くし（ＰＯＬ）
を生成するステップ（１０２）と、
前記第１及び前記第２くし（Ｐ１，Ｐ２）を含む放出信号（６）を、前記放出信号（６）によって横切られる前記物質に向けて、送出望遠鏡（５）によって放出するステップ（１０３）と、
前記放出信号（６）によって横切られる物質によって反射された信号（９）を、受信望遠鏡（８）によって受信するステップ（１０４）であって、前記反射された信号（９）が、
i. 前記放出信号の前記第１くしの前記少なくとも１つの第１ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第１ストライプを備える第１反射くし、及び、
ii. 前記放出信号の前記第２くしの前記少なくとも１つの第２ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第２ストライプを備える第２反射くし
を備え、前記局所くしの各局所ストライプが、前記第１反射くしの対応する第１ストライプ、及び前記第２反射くしの対応する第２ストライプと関連付けられた、受信するステップ（１０４）と、
検出システム（１０）によって、
iii. 前記局所くしの前記少なくとも１つの局所ストライプの、前記第１反射くしの前記対応する第１ストライプとの少なくとも１つの第１ビート信号（１１）、
iv. 前記局所くしの前記少なくとも１つの局所ストライプの、前記第２反射くしの前記対応する第２ストライプとの少なくとも１つの第２ビート信号（１２）、及び、
v. 前記少なくとも１つの第１ビート信号の、前記少なくとも１つの第２ビート信号との第３ビート信号（１３）
を検出するステップ（１０５）とを備え、
前記第３ビート信号は、第１周波数シフト（ＦＭＡＯ１）と第２周波数シフト（ＦＭＡＯ２）との間の差の絶対値に等しい周波数の周辺でフィルタが掛けられる、
物質の遠隔分光のためのライダー検出方法（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分光による大気の探測に応用される検出及び測定レーザー、すなわちライダー（LIDAR）の分野に関する。

【背景技術】

【0002】

第１周波数に中心を持つ第１の狭いスペクトル帯域の光放出から第１の複数のスペクトル要素を備える第１光波を生成するように構成されたレーザー源を使用することが知られており、各スペクトル要素は帯域、すなわちストライプをカバーし、帯域又はストライプは、周波数空間において光波のスペクトル構成が第１スペクトルくしの形を有するように、他の要素とは異なる周波数に中心を有する狭いスペクトル帯域又はストライプであり、くしの各ストライプの高さは、くしの各ストライプにわたって分布する第１の光放出のスペクトルストライプの光エネルギーに対応する。

【0003】

第１の光放出から、第１の輝く光波を生成するのみではなく、同時に第２の光波をも生成することも知られており、第２の光波は、第１の光波と干渉性があり、第１の光波のように第２の複数のスペクトル要素を含み、それらは第２スペクトルくしを形成し、第２くしの各スペクトルストライプは、それに対して周波数がわずかにシフトした第１くしのスペクトルストライプと関連付けられている。

【0004】

最後に、第１及び第２の光線のくしを標的、例えば大気の一部、に向けて放出し、ビートを生成するために、例えば、第１くしのストライプに対応する受信信号を、受信され第２くしのストライプに関係付けられた信号で変調し、変調された信号の無線周波数（ＲＦ）要素をフィルタに通すために、この標的によって送り返された信号を受信することも、知られている。この変調は、ストライプの各対（第１くし－第２くし）について行われる。

【発明の概要】

【0005】

この装置の不利な点は、放出された各ストライプに対して、標的から受信される信号が発光体と受信機との間で波の往復によって減衰し、したがって、もしこの距離が大きいなら、信号は低レベルのものである、ということである。フィルタを通ったＲＦ要素の電力は、その結果として、個別に考えられた各ストライプから受信された信号の２倍減衰する。信号の信号対雑音比は、したがって、もし実験条件が光子雑音を支配的なものとしないなら、非常に劣化する。

【0006】

単一又は２つの発光ストライプ、かつ標的に単一の光波が放出される場合において、既知の改良は、長距離にわたる減衰を受けていない局部発振器の電力を利用するために、そのフィードバックを局部発振器のストライプと混合することにある。「ヘテロダイン検波」又は「コヒーレント検波（同期検波）」と呼ばれるこの装置は、レーザー源のコヒーレント長によって光周波数に限定され得、その結果、フィードバック光波と局部発振器との間でランダム位相シフトが生じる。この位相シフトは、無線周波数信号を好ましくない統計的標準偏差でランダムに変調し、それはいくつかのランダム強度測定の平均化を行うことを必要とし、したがって劣化した最終的な信号対雑音比が得られる。

【0007】

本発明は、したがって、これらの不利な点の全て又は一部を克服することを目指す。

【0008】

この目的のために、本発明は、物質の遠隔分光のためのライダー（LIDAR）タイプの装置に関し、この装置は、
光放出チャネルと、
受信チャネルとを備え、
前記光放出チャネルは、
発生周波数においてレーザーストライプを放出するように構成されたレーザー源と、
放出された前記レーザーストライプから、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第１ストライプを含む第１くし、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第２ストライプを含む第２くし、及び、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの局所ストライプを含む局所くし
を生成するように構成された光波周波数発生器と、
前記第１及び前記第２くしを含む放出信号を、前記放出信号によって横切られる前記物質に向けて放出するように構成された送出望遠鏡と、
を含み、
前記受信チャネルは、
前記放出信号によって横切られる物質によって反射された信号を受信するように構成された受信望遠鏡であって、前記反射された信号が、
前記放出信号の前記第１くしの前記少なくとも１つの第１ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第１ストライプを含む第１反射くし、及び、
前記放出信号の前記第２くしの前記少なくとも１つの第２ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第２ストライプを含む第２反射くし
を含み、前記局所くしの各ストライプが、前記第１反射くしの対応する第１ストライプ、及び前記第２反射くしの対応する第２ストライプと関連付けられた、受信望遠鏡と、
前記局所くしの前記少なくとも１つのストライプの、前記第１反射くしの前記対応する第１ストライプとの少なくとも１つの第１ビート信号、
前記局所くしの前記少なくとも１つのストライプの、前記第２反射くしの前記対応する第２ストライプとの少なくとも１つの第２ビート信号、及び、
前記少なくとも１つの第１ビート信号の、前記少なくとも１つの第２ビート信号との少なくとも１つの第３ビート信号
を検出するように構成された検出システムとを備える。

【0009】

これらの装置のおかげで、局所くしの各ストライプは、第１反射くしの対応する第１ストライプ及び第２反射くしの対応する第２ストライプと混合され、局所くしの信号は発光体から受信機への往復によって減衰しない。

【0010】

第１及び第２くしのストライプは局所くしのストライプに関して同じ妨害を受けるので、局所くしの各ストライプと、一方では対応する第１ストライプとの、他方では対応する第２ストライプとの、起こり得る位相シフトは、常に同じである。よって、第３ビート信号は、共通の位相シフトを除去し、最先端のヘテロダイン検波に特有のランダム変調効果を相殺する。それにより、局部発振器の電力を十分に利用することが可能になり、よってそれにより、単一のくしのエネルギーであったエネルギーと比較して、各くしのエネルギーの２分割に関する減衰にもかかわらず、ヘテロダイン混合に関係する損失にもかかわらず、信号対雑音比を大幅に向上させることが可能になる。この利得は、局所くしの電力と反射くしの電力との比、及び第３ビートの周波数が低いことによって可能となった帯域の減少の関数である。

【0011】

一実施形態によると、本発明は、以下の１つ以上の特徴を、単独で又は組合せで備える。

【0012】

一実施形態によると、周波数発生器は、第２くしとは別々に第１くしを生成する。

【0013】

一実施形態によると、周波数発生器は、第１音響光学変調器及び第２音響光学変調器を備え、周波数発生器は、第２音響光学変調器の出力において形成される第２くしからは分離した、第１音響光学変調器の出力において形成される第１くしを生成するように構成される。

【0014】

一実施形態によると、前記第１くし、前記第２くし、及び前記局所くしのそれぞれは、１以上の数の、好ましくは２以上の数の、好ましくは２と１３との間に含まれる数のストライプを含む。

【0015】

一実施形態によると、前記第１くし、前記第２くし、及び前記局所くしのそれぞれは、２以上の数の、好ましくは２と１３との間に含まれる数のストライプを含む。

【0016】

これらの装置のおかげで、考慮される物質の吸収スペクトルバンドにおけるスペクトラムのいくつかの点において同時にその物質を調べることが可能である。放出信号の異なるストライプ（第１及び第２くし）は、調べられる物質の同じ領域を同時に横切り、反射信号を構成する異なる反射ストライプを同時に生じさせる。よって、放出信号の全体的な周波数の位置付けにおける小さな不確実性が、各くしにおいて全て異なる周波数を有するいくつかのストライプの同時放出によって得られる大きな周波数サンプリングによって補償され得、サンプリングの周波数ステップは上述の技術によって十分に制御される。吸収周波数に再び注目することが、受信後の処理によって可能である。この有利な点は、周波数くしを有するライダーに特有のものであるが、本発明の他の特徴と組み合わされるとき、より興味深いものとなり、信号対雑音比が非常に向上する。よって、これらの装置によると、局所くしによって提供される信号対雑音比の向上を利用することのみではなく、従来のライダーダイアル（DIAL）で行われる測定の非同時性によって引き起こされるバイアスをより効果的に除去することも可能になる。

【0017】

一実施形態によると、前記局所くしの前記ストライプの周波数は、前記発生周波数の周辺に局所ステップで、規則正しい間隔をおいて配置されており、前記局所ステップの値は、５００ＭＨｚと２０００ＭＨｚとの間に含まれ、好ましくは１０００ＭＨｚに等しい。

【0018】

本発明の実施形態によると、発生周波数は光周波数であり、好ましくは２００ＴＨｚ周辺に位置し、これは２０００００ＧＨｚを意味する。

【0019】

一実施形態によると、前記第１くしのストライプの周波数は、前記発生周波数と第１周波数シフトとの和に等しい第１中心周波数の周辺に、第１ステップに従って規則正しい間隔をおいて配置される。

【0020】

本発明の実施形態によると、第１周波数シフトは、第１音響光学変調器によって１００ＭＨｚに等しい値の周辺で得られる。

【0021】

一実施形態によると、前記第２くしのストライプの周波数は、前記発生周波数と第２周波数シフトとの和に等しい第２中心周波数の周辺に、第２ステップに従って規則正しい間隔をおいて配置される。

【0022】

本発明の実施形態によると、第１及び第２周波数シフトは、それぞれ第１及び第２音響光学変調器によって、好ましくは約１００ＭＨｚに等しい値の周辺で得られる。

【0023】

一実施形態によると、前記第１ステップの値及び前記第２ステップの値は、前記局所ステップの値と偏移との和に等しい。

【0024】

本発明の実施形態によると、一方の第１及び第２くしのステップの値と、他方の局所くしのステップの値との間の偏移の値は、約１０ＭＨｚである。

【0025】

一実施形態によると、前記検出システムは、少なくとも１つの第３ビート信号を生成するために、前記少なくとも１つの第１ビート信号及び前記少なくとも１つの第２ビート信号を処理するように構成されたデジタル処理ユニットを備える。

【0026】

この第２ビートレベルは、例えば、デジタル的に操作され得、ヘテロダイン時間信号のスペクトルフィルタリング及びその信号を２乗することで構成され得る。新たなフィルタリングは、標的とされる物質において探し求められる分光情報を搬送する新たなビートの周波数を分離する。

【0027】

一実施形態によると、前記デジタル処理ユニットは、
デジタル信号を生成するために、前記少なくとも１つの第１ビート信号及び前記少なくとも１つの第２ビート信号を含む時間信号をデジタル化するように構成されたアナログ・デジタル変換器と、
前記デジタル信号の第１デジタルスペクトラムを計算するように構成された第１計算ユニットと、
以前に計算された前記デジタルスペクトラムの異なるスペクトル要素を分離するように構成された第１フィルタリングユニットと、
前記少なくとも１つの第１ビート信号の少なくとも１つの第１時間要素及び前記少なくとも１つの第２ビート信号の少なくとも１つの第２時間要素を含む少なくとも１つの時間要素を生成するために、前記第１フィルタリングユニットによって分離された各スペクトル要素を並行してスペクトル領域から時間領域に変換するように構成され、前記少なくとも１つの時間要素の各第１時間要素及び前記少なくとも１つの第２時間要素の各第２時間要素が前記局所くしのストライプに対応する、第２計算ユニットと、
前記局所くしの各ストライプに対応する、前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの第３ビート信号を生成するために、前記局所くしの各ストライプについて並行して、前記少なくとも１つの第１ビート信号の対応する前記第１時間要素と前記少なくとも１つの第２ビート信号の対応する前記第２時間要素とのビートを生成するように構成された混合器と、
前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの各第３ビート信号のデジタルスペクトラムを、各第３ビート信号に関して並行して計算するように構成された第３計算ユニットと、
前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの各第３ビート信号内で、低周波スペクトル要素を分離するように構成された第２フィルタリングユニットと
を備える。

【0028】

これらの装置によると、検出システムによる第３ビート信号の検出が、デジタル的に行われ得る。

【0029】

一実施形態によると、信号の最終的な対のそれぞれは、局所くしのストライプと、第２くしのストライプと同様に第１くしのストライプとに、対応する。信号の各対は、局所くしのストライプの、第１反射くしの対応する第１ストライプとの第１ビート信号と、局所くしのストライプの、第２反射くしの対応する第２ストライプとの第２ビート信号とを含む。

【0030】

一実施形態によると、前記第３ビート信号は、前記第１周波数シフトと前記第２周波数シフトとの間の差の絶対値に等しい周波数の周辺でフィルタが掛けられる。

【0031】

これらの装置によると、第３ビート信号にフィルタを掛けることにより、向上した信号対雑音比を利用しながら、探し求められる分光情報を搬送する信号を分離することが可能になる。

【0032】

本発明の実施形態によると、第３中間周波数の値は約１ＭＨｚである。

【0033】

一実施形態によると、本発明は、物質の遠隔分光のためのライダー検出方法にも関し、この方法は、
レーザー源によって、発生周波数においてレーザーストライプを放出するステップと、
周波数発生器によって、前記レーザーストライプから、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第１ストライプを含む第１くし、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第２ストライプを含む第２くし、及び、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの局所ストライプを含む局所くし
を生成するステップと、
前記第１及び前記第２くしを含む放出信号を、前記放出信号によって横切られる前記物質に向けて、送出望遠鏡によって放出するステップと、
前記放出信号によって横切られる物質によって反射された信号を、受信望遠鏡によって受信するステップであって、前記反射された信号が、
前記放出信号の前記第１くしの前記少なくとも１つの第１ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第１ストライプを備える第１反射くし、及び、
前記放出信号の前記第２くしの前記少なくとも１つの第２ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第２ストライプを備える第２反射くし
を備え、前記局所くしの各ストライプが、前記第１反射くしの対応する第１ストライプ、及び前記第２反射くしの対応する第２ストライプと関連付けられた、受信するステップと、
検出システムによって、
前記局所くしの前記少なくとも１つのストライプの、前記第１反射くしの前記対応する第１ストライプとの少なくとも１つの第１ビート信号、
前記局所くしの前記少なくとも１つのストライプの、前記第２反射くしの前記対応する第２ストライプとの少なくとも１つの第２ビート信号、及び、
前記少なくとも１つの第１ビート信号の、前記少なくとも１つの第２ビート信号との第３ビート信号
を検出するステップとを備える。

【図面の簡単な説明】

【0034】

よく理解するために、本発明は、本発明による装置の実施形態を限定しない例として表す添付の図面を参照して説明される。機能が類似する類似の要素は、さまざまな図において同じ参照番号で示される。

【図1】図１は、本発明の実施形態による遠隔分光装置の概略図である。

【図2】図２は、異なるくしの周波数スペクトラムの概略図である。

【図3】図３は、検出システムの一部分のデジタル実施形態の概略図である。

【図4】図４は、本発明による方法の異なるステップの簡略化された図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

図１において、遠隔分光装置１は、光放出チャネル２と、光受信チャネル７とを備える。

【0036】

光放出チャネル２は、発生周波数ＦＧでレーザーストライプを放出するように構成されたレーザー源３を備え、レーザー源は、光ファイバによって周波数発生器４に接続されている。

【0037】

一般に、装置１の異なる光学コンポーネントの間の光信号の伝送は、光ファイバによって行われ、光ファイバは好ましくは送信光信号の偏光の維持を保証する。

【0038】

周波数発生器４の入力において、レーザービームは、第１局所くし（peigne local）ＰＯＬを生成するように構成された第１電気光学変調器４１へ導かれる第１ビームに分割される。この第１局所くしは、少なくとも１つの局所ストライプを備え、各ストライプ（raie）は発生周波数ＦＧから導出される安定した周波数を有する。

【0039】

一実施形態によると、発生周波数は光周波数であって好ましくは２００ＴＨｚに近く、局所くしは２より大きな数、好ましくは２と１３との間に含まれる数のストライプを備える。図２に示されているように、ストライプの周波数は、発生周波数ＦＧの周辺に分布し、かつ、５００ＭＨｚと２０００ＭＨｚとの間に含まれる、好ましくは１０００ＭＨｚに等しい所定値ＦＭＥＯＬだけ互いにシフトしており、この図において、発生周波数のどちらの側にも規則正しく分布する周波数を有する１３個のストライプが、周波数ｆの軸に沿って表されている。

【0040】

周波数発生器４の入力において、レーザーストライプは、第１音響光学変調器４３及び第２音響光学変調器４４と組み合せて、第２音響光学変調器４４の出力において形成される第２くしＰ２からは分離した、第１音響光学変調器４３の出力において形成される第１くしＰ１を生成するように構成される第２電気光学変調器４２へ導かれる第２ビームに同時に分割される。これらの第１及び第２くしＰ１，Ｐ２は、少なくとも１つのストライプを備え、各ストライプは発生周波数ＦＧから導出される安定した周波数を有する。

【0041】

好ましくは、図２に示された実施形態によると、第１及び第２くしＰ１，Ｐ２のそれぞれは、局所くしのストライプ数と同じ数の、すなわち２より大きい数の、好ましくは２と１３との間に含まれる数のストライプを備える。第１及び第２くしＰ１，Ｐ２のそれぞれのストライプの周波数は、発生周波数ＦＧから導出される中心周波数ＦＣ１，ＦＣ２の周辺に分布し、第１くしＰ１については値ＦＭＥＯ１だけ、第２くしＰ２については値ＦＭＥＯ２だけ、互いにそれぞれシフトし、ＦＭＥＯ１は、例えば５００ＭＨｚと２０００ＭＨｚとの間に含まれ、好ましくは１０００ＭＨｚに等しく、ＦＭＥＯ２は、例えば５００ＭＨｚと２０００ＭＨｚとの間に含まれ、好ましくは１０００ＭＨｚに等しい。

【0042】

一実施形態によると、第１くしの中心周波数ＦＣ１及び第２くしの中心周波数ＦＣ２は、２つの音響光学変調器４３，４４のそれぞれによってそれぞれ求められた値ＦＭＡＯ１，ＦＭＡＯ２だけ発生周波数ＦＧからそれぞれシフトしている。

【0043】

一実施形態によると、発生周波数、すなわち局所くしの中心周波数と、第１くしＰ１の中心周波数との間のシフトの値、及び、発生周波数と第２くしＰ２の中心周波数との間のシフトの値ＦＭＡＯ２は、好ましくはおよそ１００ＭＨｚ、例えばＦＭＡＯ１は１１０ＭＨｚ、ＦＭＡＯ２は１１１ＭＨｚに設定される。

【0044】

局所くしの各ストライプは、第１くしＰ１の対応する第１ストライプ、典型的には、その周波数が、局所くし上で考慮されるストライプの周波数に最も近い、第１くしのストライプの周波数に関連付けられ、同様に、局所くしの各ストライプは、第２くしＰ２の対応する第２ストライプ、典型的には、その周波数が、局所くし上で考慮されるストライプの周波数に最も近い、第２くしのストライプの周波数に関連付けられる。

【0045】

一実施形態によると、第１くしＰ１の第１ステップＦＭＥＯ１と第２くしＰ２の第２ステップＦＭＥＯ２とは、互いに等しく、局所くしの局所ステップＦＭＥＯＬの値からは偏移値Ｄだけ異なっている。本発明の実施形態によると、偏移値は約１０ＭＨｚである。

【0046】

１つの特定の実施形態によると、以下のパラメータの値は、よって、局所くしＰＯＬ、並びに第１及び第２くしＰ１，Ｐ２を規定するように設定される。すなわち、
偏移Ｄ＝10.6MHz
局所くしのステップＦＭＥＯＬ: ＦＭＥＯＬ＝889.4MHz
第１くしＰ１のステップＦＭＥＯ１: ＦＭＥＯ１=ＦＭＥＯＬ＋Ｄ＝900MHz
第２くしＰ２のステップＦＭＥＯ２: ＦＭＥＯ２=ＦＭＥＯＬ＋Ｄ＝900MHz
発生周波数、すなわち局所くしの中心周波数と、第１くしＰ１の中心周波数との間のシフト： ＦＭＡＯ１＝110MHz
発生周波数、すなわち局所くしの中心周波数と、第２くしＰ２の中心周波数との間のシフト： ＦＭＡＯ２＝111MHz。

【0047】

例として提供されるこの特定の実施形態によると、発生周波数と局所くしＰＯＬを構成する１３本のストライプのそれぞれの周波数との間の、ＭＨｚで表され、順序０の（発生周波数における）ストライプの周りに配置された偏移は、以下の表１の第２列ＰＯＬに概括される。

【0048】

【表1】

同様に、発生周波数ＦＧと第１くしＰ１を構成する１３本のストライプのそれぞれの周波数との間の、ＭＨｚで表され、順序０の（発生周波数における）ストライプの周りに配置された偏移は、表１の第３列Ｐ１に概括される。

【0049】

同様に、発生周波数ＦＧと第２くしＰ２を構成する１３本のストライプのそれぞれの周波数との間の、ＭＨｚで表され、順序０の（発生周波数における）ストライプの周りに配置された偏移は、表１の第４列Ｐ２に概括される。

【0050】

表１の同じ行に現れる周波数は、一方では、列ＰＯＬにおいて局所くしのストライプの周波数であり、他方では、列Ｐ１及びＰ２において、局所くしのストライプに関連付けられ、それぞれ第１及び第２くしＰ１，Ｐ２に属する第１ストライプ及び第２ストライプに対応する周波数である。

【0051】

それぞれ第１音響光学変調器４３及び第２音響光学変調器４４の出力において、個別に同時に形成される第１くしＰ１及び第２くしＰ２は、結合器、好ましくは偏光面維持結合器によるその空間的重畳の後で、受信する信号の電力を増幅して分光によって遠隔で調べられる必要がある物質に向けて送出望遠鏡５によって放出される光放出信号６を生成するように構成された光増幅器４５に、光ファイバを経由して送信される光信号を構成する。

【0052】

一実施形態によると、光増幅器４５は、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）タイプ又はＹＤＦＡ（Ytterbium）タイプのものであり、それ自体最新技術において知られている。

【0053】

送出望遠鏡５は、これも最新技術において知られているが、放出信号６が調べられるべき物質を横切り、堅固なターゲット上で反射され、よって受信望遠鏡８に送り返される反射信号９を生成するように、増幅された信号６を受信して、それを調べられるべき物質に向けて放出するように構成されている。

【0054】

光受信チャネル７は、受信望遠鏡８と、光結合モジュール１４と、検出システム１０とを備え、これらの構成要素は、前に示したように、光ファイバリンクによって接続されている。

【0055】

一実施形態によると、送出望遠鏡５及び受信望遠鏡７は、モノスタティック構成と呼ばれる構成の場合には、単一の構成要素の形であり得る。

【0056】

受信望遠鏡７は、放出信号６が調べられるべき物質を横切った後に、反射信号９を受信するように構成され、反射信号９は、
・放出信号６の第１くしＰ１の少なくとも１つの第１ストライプによって物質を横切った後に反射される少なくとも１つの第１ストライプを備える第１反射くしと、
・放出信号６の第２くしＰ２の少なくとも１つの第２ストライプによって物質を横切った後に反射される少なくとも１つの第２ストライプを備える第２反射くしと
を備える。

【0057】

局所くしの各ストライプが、第１くしＰ１の対応する第１ストライプに、及び、第２くしＰ２の対応する第２ストライプに、関連付けられるのと同様に、局所くしの各ストライプは、第１反射くしの対応する第１ストライプに、すなわち、放出信号６によって物質を横切った後に反射された第１くしＰ１の対応するストライプに、及び、第２反射くしの対応する第２ストライプに、すなわち、放出信号６によって物質を横切った後に反射された第２くしＰ２の対応するストライプに、関連付けられる。

【0058】

結合モジュール１４は、局所くしの信号ＰＯＬと反射信号９とを結合し、結合された信号を検出システム１０に送信するように構成される。

【0059】

一実施形態によると、検出システム１０は、
・局所くしの少なくとも１つのストライプの、第１反射くしの対応する第１ストライプとの、少なくとも１つの第１ビート信号１１と、
・局所くしの少なくとも１つのストライプの、第２反射くしの対応する第２ストライプとの、少なくとも１つの第２ビート信号１２と
を生じさせるように構成された光検出器を備える。

【0060】

一実施形態によると、光検出器は、局所くしＰＯＬの各ストライプと反射信号９を構成する第２反射くしの対応する第２ストライプとの間に少なくとも１つの第２ヘテロダインビート信号１２が生成されるのに加えて、局所くしＰＯＬの各ストライプと反射信号９を構成する第１反射くしの対応する第１ストライプとの間に少なくとも１つの第１ヘテロダインビート信号１１が生成される、第１光ビートレベルを、このように検出し、生じさせる。

【0061】

少なくとも１つの第１ビート信号１１は、局所くしの各ストライプについて、局所くしのストライプと第１反射くしＰ１の対応する第１ストライプとの間の第１ビート信号を備える。同様に、少なくとも１つの第２ビート信号１２は、局所くしの各ストライプについて、局所くしのストライプと第２反射くしＰ２の対応する第１ストライプとの間の第２ビート信号を備える。

【0062】

各ビート信号において、結合された信号の周波数の差に等しい中間周波信号により大きな興味が持たれていることが知られている。

【0063】

よって、例として、上のように設定されたパラメータの値に対応する実施形態によると、上述の表１に従って局所くしＰＯＬ、並びに第１及び第２くしＰ１，Ｐ２を規定するために、同じ表１が、局所くしの異なるストライプの、反射信号９を部分的に構成する第１反射くしの対応するストライプとの各第１ビート信号１１を構成する信号の中間周波数をコラムＢ（ＰＯＬ，Ｐ１）において規定し、同じ表１が、局所くしの異なるストライプの、第２反射くしの対応するストライプとの各第２ビート信号１２を構成する信号の中間周波数をコラムＢ（ＰＯＬ，Ｐ２）において規定し、第２反射くしも反射信号９を構成する。

【0064】

図３に示されているように、検出システム１０は、局所くしに存在する異なるストライプと同じ数のビート信号ＣＳＢＦ１，ＣＳＢＦ２，ＣＳＢＦ３，…ＣＳＢＦｉ，…を含む少なくとも１つの第３ビート信号１３を、局所くしの各ストライプについて生成するために、少なくとも１つの第１ビート信号１１のうちの、局所くしのこのストライプに対応する第１ビート信号と、少なくとも１つの第２ビート信号１２のうちの、局所くしのこの同じストライプに対応する第２ビート信号とのビートを、第２電気ビートレベルで、局所くしの各ストライプについて生成するようにも構成される。

【0065】

この目的のために、局所くしの各ストライプについて、
・少なくとも１つの第１ビート信号１１のうちのビート信号は、局所くしのストライプ及び第１反射くしＰ１の対応するストライプのそれぞれの周波数の平均に等しい周波数の周辺でフィルタが掛けられ、フィルタが掛けられた第１ビート信号を生成し、
・同様に、少なくとも１つの第２ビート信号１２のうちの各ビート信号は、局所くしのストライプ及び第２反射くしＰ２の対応するストライプのそれぞれの周波数の平均に等しい周波数の周辺でフィルタが掛けられ、フィルタが掛けられた第２ビート信号を生成する。

【0066】

よって、局所くしの各ストライプについて、フィルタが掛けられた第１ビート信号と、フィルタが掛けられた第２ビート信号とが生成される。

【0067】

次に、第２ビートレベルにおいて、これらのフィルタが掛けられた第１及び第２ビート信号は、ビートを生じ第３ビート信号ＣＳＢＦ１を生成するために、混合される。

【0068】

この処理は、局所くし、Ｐ１及びＰ２に存在するストライプの数と同じ回数まで繰り返され、その結果、少なくとも１つの第３ビート信号１３を構成するビート信号ＣＳＢＦ１，ＣＳＢＦ２，ＣＳＢＦ３，…ＣＳＢＦｉ，…の列を生成する。

【0069】

一実施形態によると、探し求められている分光情報を搬送する信号を分離するために、局所くしの各ストライプについて、第３ビート信号に、第１周波数シフトＦＭＡＯ１と第２周波数シフトＦＭＡＯ２との間の差の絶対値に等しい周波数の周辺でフィルタを掛ける必要がある。

【0070】

よって、例として上記で設定されたパラメータの値に対応する実施形態によると、上記の表１に従って局所くしＰＯＬ、並びに第１及び第２くしＰ１，Ｐ２を規定するために、少なくとも１つの第３ビート信号１３に１ＭＨｚの中間周波数の周辺でフィルタを掛けることによって、探し求められている分光情報を搬送する信号が、最大の信号対雑音比で分離されることが、表１の最後から２つ目のコラムに表示されている。この信号対雑音比の改善は、上述の処理によってもたらされ、そのデジタル実施形態が説明されている。

【0071】

図３に示された実施形態によると、検出システム１０は、少なくとも１つの第３ビート信号１３を生成するために、少なくとも１つの第１ビート信号１１と少なくとも１つの第２ビート信号１２とを、局所くしの各ストライプについて、並行して処理するように構成されたデジタル処理ユニットＵＴＮを備える。

【0072】

この実施形態によると、前記デジタル処理ユニットＵＴＮは、
・デジタル信号１１Ｎ，１２Ｎを生成するために、前記少なくとも１つの第１ビート信号１１及び前記少なくとも１つの第２ビート信号１２を含む時間信号をデジタル化するように構成されたアナログ・デジタル変換器ＡＤＣと、
・前記デジタル信号１１Ｎ，１２Ｎの第１デジタルスペクトラムＳＮ１１，ＳＮ１２を計算するように構成された第１計算ユニットＦＦＴと、
・以前に計算された前記デジタルスペクトラムＳＮ１１，ＳＮ１２の異なるスペクトル要素を分離するように構成された第１フィルタリングユニットＵＦ１と、
・前記少なくとも１つの第１ビート信号１１の少なくとも１つの第１時間要素及び前記少なくとも１つの第２ビート信号１２の少なくとも１つの第２時間要素を含む少なくとも１つの時間要素を生成するために、前記第１フィルタリングユニットＵＦ１によって分離された各スペクトル要素を並行してスペクトル領域から時間領域に変換するように構成され、前記少なくとも１つの時間要素の各第１時間要素及び前記少なくとも１つの第２時間要素の各第２時間要素が前記局所くしのストライプに対応する、第２計算ユニットＦＦＴ^－１と、
・前記局所くしの各ストライプに対応する、前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの第３ビート信号を生成するために、前記局所くしの各ストライプについて並行して、前記少なくとも１つの第１ビート信号１１の対応する前記第１時間要素と前記少なくとも１つの第２ビート信号１２の対応する前記第２時間要素とのビートを生成するように構成された混合器ＭＥＬと、
・前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの各第３ビート信号のデジタルスペクトラムを、各第３ビート信号に関して並行して、計算するように構成された第３計算ユニットＦＦＴ２と、
・前記少なくとも１つの第３ビート信号のうちの各第３ビート信号内で、低周波スペクトル要素ＣＳＢＦ１，ＣＳＢＦ２，ＣＳＢＦ３，…，ＣＳＢＦｉ，…を分離するように構成された第２フィルタリングユニットＵＦ２と
を備える。

【0073】

これらの装置によると、検出システムによる第３ビート信号の検出は、例えばデジタル的に行われる。第２ビートレベルは、一方ではくしＰ１と局部発振器との間の位相シフトを、他方ではくしＰ２と局部発振器との間の位相シフトを、常に除去し、それらは第１次において等しく、互いに打ち消し合う。これは、そうでなければ最終的なヘテロダイン信号を劣化させる無相関化を解消する。

【0074】

本発明は、物質の遠隔分光のためのライダー検出方法１００にも関し、この方法は、
・レーザー源３によって、発生周波数ＦＧにおいてレーザーストライプを放出するステップ１０１と、
・周波数発生器４によって、前記レーザーストライプから、
前記発生周波数ＦＧから導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第１ストライプを含む第１くしＰ１、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの第２ストライプを含む第２くしＰ２、及び、
前記発生周波数から導出された安定した周波数を有する少なくとも１つの局所ストライプを含む局所くしＰＯＬ
を生成するステップ１０２と、
・前記第１及び前記第２くしを含む放出信号６を、前記放出信号６によって横切られる前記物質に向けて、送出望遠鏡５によって放出するステップ１０３と、
・前記放出信号６によって横切られる物質によって反射された信号９を、受信望遠鏡８によって受信するステップ１０４であって、前記反射された信号９が、
前記放出信号の前記第１くしの前記少なくとも１つの第１ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第１ストライプを備える第１反射くし、及び、
前記放出信号の前記第２くしの前記少なくとも１つの第２ストライプによって横切られた前記物質によって反射された少なくとも１つの第２ストライプを備える第２反射くし
を備え、前記局所くしの各ストライプが、前記第１反射くしの対応する第１ストライプ、及び前記第２反射くしの対応する第２ストライプと関連付けられた、受信するステップ１０４と、
・検出システム１０によって、
前記局所くしの前記少なくとも１つのストライプの、前記第１反射くしの前記対応する第１ストライプとの少なくとも１つの第１ビート信号１１、
前記局所くしの前記少なくとも１つのストライプの、前記第２反射くしの前記対応する第２ストライプとの少なくとも１つの第２ビート信号１２、及び、
前記少なくとも１つの第１ビート信号の、前記少なくとも１つの第２ビート信号との第３ビート信号１３
を検出するステップ１０５とを備える。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】