知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-03-21
(45)【発行日】2025-03-31
(54)【発明の名称】レーザレーダ装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/39 20060101AFI20250324BHJP
H01S 5/12 20210101ALI20250324BHJP
H01S 3/13 20060101ALI20250324BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20250324BHJP
【ＦＩ】
G01N21/39
H01S5/12
H01S3/13
H01S3/00 F
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2024573081
(86)(22)【出願日】2023-07-31
(86)【国際出願番号】 JP2023027891
【審査請求日】2024-12-11
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003166
【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】原口 英介
(72)【発明者】
【氏名】辻 秀伸
【審査官】小野寺 麻美子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２２－１２７５１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第７２０５０１０（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特表２０１４－５２３００２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／３９
Ｈ０１Ｓ ３／００
Ｈ０１Ｓ ３／１３
Ｈ０１Ｓ ５／１２
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を出力する単一の基準光源と、
前記基準光源から出力されたレーザ光に対し２つ以上の側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する側帯波発生器と、
前記側帯波発生器から出力されたレーザ光、または前記基準光源から出力されたレーザ光を２系統に分配する光分配器と、
その分配されたレーザ光の一方に基準信号を用いて光位相変調を行う第１の光位相変調器と、
その光位相変調がなされたレーザ光が透過されるガスセルまたはエタロンと、
その透過したレーザ光を電気信号に変換する光受信器と、
その変換された電気信号と前記基準信号から誤差信号を生成するミキサと、
その生成された誤差信号を用いて、前記基準光源のレーザ光の波長を予め定められた波長にロックするフィードバック回路と、
前記光分配器により分配されたレーザ光の他方のパワーを安定化する光増幅器と、
を備えるレーザレーダ装置。
【請求項2】
前記側帯波発生器は第２の光位相変調器である、請求項１に記載されたレーザレーダ装置。
【請求項3】
レーザ光を出力する単一の基準光源と、
前記基準光源から出力されたレーザ光に対し２つ以上の側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する側帯波発生器と、
前記側帯波発生器から出力されたレーザ光、または前記基準光源から出力されたレーザ光を２系統に分配する光分配器と、
その分配されたレーザ光の一方に基準信号を用いて光位相変調を行う第１の光位相変調器と、
その光位相変調がなされたレーザ光が透過されるガスセルまたはエタロンと、
その透過したレーザ光を電気信号に変換する光受信器と、
その変換された電気信号と前記基準信号から誤差信号を生成するミキサと、
その生成された誤差信号を用いて、前記基準光源のレーザ光の波長を予め定められた波長にロックするフィードバック回路と、
を備え、
前記２つ以上の側帯波は、前記基準光源のレーザ光に対し、低周波側の側帯波と、観測に用いる高周波側の側帯波とを含み、
前記誤差信号は、前記低周波側の側帯波を用いて生成された、ＨＣＮ吸収線からの誤差信号であり、
前記基準光源のレーザ光または前記高周波側の側帯波を大気に向けて照射し、大気中の水蒸気からの後方散乱光を受信する光アンテナと、
前記基準光源のレーザ光の受信信号と前記高周波側の側帯波の受信信号との差分から水蒸気量を算出する演算装置と、
を更に備えるレーザレーダ装置。
【請求項4】
前記側帯波発生器の周波数は２０ＧＨｚ以上である、請求項３に記載されたレーザレーダ装置。
【請求項5】
レーザ光を出力する単一の基準光源と、
前記基準光源から出力されたレーザ光に対し２つ以上の側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する側帯波発生器と、
前記側帯波発生器から出力されたレーザ光、または前記基準光源から出力されたレーザ光を２系統に分配する光分配器と、
その分配されたレーザ光の一方に基準信号を用いて光位相変調を行う第１の光位相変調器と、
その光位相変調がなされたレーザ光が透過されるガスセルまたはエタロンと、
その透過したレーザ光を電気信号に変換する光受信器と、
その変換された電気信号と前記基準信号から誤差信号を生成するミキサと、
その生成された誤差信号を用いて、前記基準光源のレーザ光の波長を予め定められた波長にロックするフィードバック回路と、
前記２つ以上の側帯波は、前記基準光源のレーザ光に対し、低周波側の側帯波と、観測に用いる高周波側の側帯波とを含み、
前記基準光源のレーザ光と前記観測に用いる側帯波とに対して異なる周波数シフト量を重畳する周波数シフタを更に備え、
その異なる周波数シフト量が与えられた基準光源のレーザ光と観測に用いる側帯波とを大気に向けて照射し、大気中の水蒸気からの後方散乱光を受信する光アンテナと、
コヒーレント受信後の周波数情報および強度情報から、水蒸気量を算出する演算装置と、
を更に備えるレーザレーダ装置。
【請求項6】
前記周波数シフタは第３の光位相変調器である、請求項５に記載されたレーザレーダ装置。
【請求項7】
前記側帯波発生器は光コム発生器であり、前記光分配器は、前記基準光源のレーザ光を２系統に分配し、
前記第１の光位相変調器は、前記基準光源のレーザ光の一方に前記基準信号を用いて光位相変調を行う、
請求項１から６のいずれか１項に記載されたレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、レーザレーダ装置に、より詳しくは差分吸収ライダ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
差分吸収ライダ装置においては、観測対象とする気体分子による光吸収量が異なる２波長のレーザ光を照射して、気体分子からの散乱光の受信強度比に基づいて気体分子の濃度を計測する。このレーザ光の波長のずれは観測に大きな影響を与えるため、波長制御は最も重要な要素の一つである。
【0003】
特許文献１には、複数の光源を用いた差分吸収ライダ装置において、この複数の光源から出力されるレーザ光の波長を安定化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０２２－１２７５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載されているような複数の光源を用いた構成では、光源の個体差または駆動ドライバの特性に応じて、光源から発せられるレーザ光の光周波数雑音特性が光源間で異なるため、レーザレーダ装置の測定精度が低下するという課題がある。
【0006】
本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、測定精度の低下を抑制できるレーザレーダ装置を構築することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の実施形態によるレーザレーダ装置は、レーザ光を出力する単一の基準光源と、前記基準光源から出力されたレーザ光に対し２つ以上の側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する側帯波発生器と、前記側帯波発生器から出力されたレーザ光、または前記基準光源から出力されたレーザ光を２系統に分配する光分配器と、その分配されたレーザ光の一方に基準信号を用いて光位相変調を行う光位相変調器と、その光位相変調がなされたレーザ光が透過されるガスセルまたはエタロンと、その透過したレーザ光を電気信号に変換する光受信器と、その変換された電気信号と前記基準信号から誤差信号を生成するミキサと、その生成された誤差信号を用いて、前記基準光源のレーザ光の波長を予め定められた波長にロックするフィードバック回路と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本開示の実施形態によるレーザレーダ装置によれば、測定精度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】レーザレーダ装置の構成例を示す構成図である。
【図1B】トリガ信号および光周波数シフタ駆動信号の波形図である。
【図2】外部変調後の光スペクトラムの概念図である。
【図3】波長制御器が備える光位相変調器による変調後の光スペクトラムの概念図である。
【図4】図４Ａ～図４Ｄは光スイッチの動作の様子を示す図である。図４Ａは、光スイッチに入力される前のＯＮ光の強度を示す図である。図４Ｂは、光スイッチに入力される前のＯＦＦ光の強度を示す図である。図４Ｃは、光スイッチを駆動する光スイッチ駆動信号を示す図である。図４Ｄは、光スイッチから出力されるレーザ光の強度を示す図である。
【図5】レーザレーダ装置の構成例を示す図である。
【図6】図６Ａ～図６Dは光周波数シフタ（光位相変調器）の動作の様子を示す図である。図６Ａは、ＯＮ光路の光周波数シフタ駆動信号を示す図である。図６Ｂは、ＯＦＦ光路の光周波数シフタ駆動信号を示す図である。図６Ｃは、ＯＮ光路の出力光（Ｇ１２）を示す図である。図６Ｄは、ＯＦＦ光路の出力光（Ｇ１２）を示す図である。図６Ｅは、半導体光増幅器のＯＮ光路の出力光（Ｇ１４）を示す図である。図６Ｆは、半導体光増幅器のＯＦＦ光路の出力光（Ｇ１４）を示す図である。
【図7】受信信号スペクトラムを示す図である。
【図8】レーザレーダ装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付の図面を参照して、本開示における種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において同一または類似の符号を付された構成要素は、同一または類似の構成または機能を有するものであり、そのような構成要素についての重複する説明は省略する。また、本開示において、「または」との用語は、別段の記載が無い限り、包括的論理和の意味で用いる。
【0011】
実施の形態１．
＜構成＞
図１を参照して、実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１について説明をする。図１は、実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１の構成を示す構成図である。ここでは、一例として、計測する気体はＨ２Ｏ、基準となる分子はＨＣＮであると想定して説明をする。
＜構成＞
図１を参照して、実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１について説明をする。図１は、実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１の構成を示す構成図である。ここでは、一例として、計測する気体はＨ２Ｏ、基準となる分子はＨＣＮであると想定して説明をする。
【0012】
図１に示されているように、レーザレーダ装置ＬＲ１は、単一の基準光源１と、光分配器２と、光位相変調器３と、発振器４と、光分配器５と、波長制御器ＷＬＣと、光フィルタ１２と、半導体光増幅器１３と、光スイッチ１４と、制御装置１５と、光分配器１６と、光周波数シフタ１７と、パルス生成装置１８と、光増幅器１９と、光サーキュレータ２０と、光アンテナ２１と、光合波器２２と、光受信器２３と、演算装置２４とを備える。
【0013】
（基準光源）
基準光源１は、光周波数ｆ０のレーザ光を発振し、発振したレーザ光を出力する。基準光源１として、例えば単一モードで連続発振可能なＤＦＢレーザを用いることができる。レーザレーダ装置ＬＲ１は、従来技術が複数の光源を備えるのと異なり、単一の基準光源１を備える。基準光源１から出力されるレーザ光は、光導波路Ｇ１を介して、光分配器２へ伝送される。
基準光源１は、光周波数ｆ０のレーザ光を発振し、発振したレーザ光を出力する。基準光源１として、例えば単一モードで連続発振可能なＤＦＢレーザを用いることができる。レーザレーダ装置ＬＲ１は、従来技術が複数の光源を備えるのと異なり、単一の基準光源１を備える。基準光源１から出力されるレーザ光は、光導波路Ｇ１を介して、光分配器２へ伝送される。
【0014】
（光分配器）
光分配器２は、光導波路Ｇ１を介して受け付けるレーザ光を２つに分配して、分配後のレーザ光を出力する。分配後のレーザ光の一方は、光導波路Ｇ２を介して、光スイッチ１４へ伝送される。光導波路Ｇ２は、本開示において、ＯＦＦ光路２５と称する場合がある。分配後のレーザ光の他方は、光導波路Ｇ３を介して、光位相変調器３へ伝送される。光導波路Ｇ３は、本開示において、ＯＮ光路２６と称する場合がある。
光分配器２は、光導波路Ｇ１を介して受け付けるレーザ光を２つに分配して、分配後のレーザ光を出力する。分配後のレーザ光の一方は、光導波路Ｇ２を介して、光スイッチ１４へ伝送される。光導波路Ｇ２は、本開示において、ＯＦＦ光路２５と称する場合がある。分配後のレーザ光の他方は、光導波路Ｇ３を介して、光位相変調器３へ伝送される。光導波路Ｇ３は、本開示において、ＯＮ光路２６と称する場合がある。
【0015】
（光位相変調器；発振器）
光位相変調器３は、側帯波発生器の一例である。光位相変調器３は、ＯＮ光路２６を介して受け付ける光周波数ｆ０のレーザ光に外部変調を行って側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する変調器である。光位相変調器３として、例えばＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）位相変調器を用いることができる。また、発振器４は、周波数Δｆの変調信号を発生して、発生させた変調信号を光位相変調器３へ供給する発振器である。一例として、周波数Δｆは２０ＧＨｚ以上である。光位相変調器３が光周波数ｆ０のレーザ光に位相変調を印加することにより、光周波数ｆ０のレーザ光の側帯波（変調＋側（高周波側）：ｆ＋，変調－側（低周波側）：ｆ－）を発生させることができる。外部変調後の光スペクトラムの概念図を図２に示す。ｆ０およびΔｆを適切に設定することにより、例えば、ｆ－の側帯波をＨＣＮガスセルの吸収線にロックする波長ロックを行うことができる。光位相変調器３により側帯波を発生させたレーザ光は、光導波路Ｇ４を介して、光分配器５へ伝送される。
光位相変調器３は、側帯波発生器の一例である。光位相変調器３は、ＯＮ光路２６を介して受け付ける光周波数ｆ０のレーザ光に外部変調を行って側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する変調器である。光位相変調器３として、例えばＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）位相変調器を用いることができる。また、発振器４は、周波数Δｆの変調信号を発生して、発生させた変調信号を光位相変調器３へ供給する発振器である。一例として、周波数Δｆは２０ＧＨｚ以上である。光位相変調器３が光周波数ｆ０のレーザ光に位相変調を印加することにより、光周波数ｆ０のレーザ光の側帯波（変調＋側（高周波側）：ｆ＋，変調－側（低周波側）：ｆ－）を発生させることができる。外部変調後の光スペクトラムの概念図を図２に示す。ｆ０およびΔｆを適切に設定することにより、例えば、ｆ－の側帯波をＨＣＮガスセルの吸収線にロックする波長ロックを行うことができる。光位相変調器３により側帯波を発生させたレーザ光は、光導波路Ｇ４を介して、光分配器５へ伝送される。
【0016】
（光分配器）
光分配器５は、光導波路Ｇ４を介して受け付ける光位相変調器３から出力されたレーザ光を２つに分配して、分配後のレーザ光を出力する。分配後のレーザ光の一方は、光導波路Ｇ５を介して、光位相変調器６へ伝送される。光導波路Ｇ５は、本開示において、波長誤差検出回路２７と称する場合がある。分配後のレーザ光の他方は、光導波路Ｇ６を介して、光フィルタ１２へ伝送される。光導波路Ｇ６は、本開示において、ＯＮ出力光路２８と称する場合がある。
光分配器５は、光導波路Ｇ４を介して受け付ける光位相変調器３から出力されたレーザ光を２つに分配して、分配後のレーザ光を出力する。分配後のレーザ光の一方は、光導波路Ｇ５を介して、光位相変調器６へ伝送される。光導波路Ｇ５は、本開示において、波長誤差検出回路２７と称する場合がある。分配後のレーザ光の他方は、光導波路Ｇ６を介して、光フィルタ１２へ伝送される。光導波路Ｇ６は、本開示において、ＯＮ出力光路２８と称する場合がある。
【0017】
（波長制御器）
波長制御器ＷＬＣは、側帯波を周波数基準光として波長安定化を行う波長制御器である。このような機能を実現するために、波長制御器ＷＬＣは、一例として、図１に示されているように、光位相変調器６と、基準発振器７と、ガスセル８と、光受信器９と、ミキサ１０と、フィードバック回路１１と、を備える。
波長制御器ＷＬＣは、側帯波を周波数基準光として波長安定化を行う波長制御器である。このような機能を実現するために、波長制御器ＷＬＣは、一例として、図１に示されているように、光位相変調器６と、基準発振器７と、ガスセル８と、光受信器９と、ミキサ１０と、フィードバック回路１１と、を備える。
【0018】
［光位相変調器；基準発振器］
光位相変調器６は、波長誤差検出回路２７を介して受け付ける光位相変調器３から出力されたレーザ光にδｆの光位相変調を更に重畳する変調器である。また、基準発振器７は、周波数δｆの基準信号を発生させて光位相変調器３を駆動する発振器である。基準発振器７は、基準信号をミキサ１０へも出力する。
光位相変調器６は、波長誤差検出回路２７を介して受け付ける光位相変調器３から出力されたレーザ光にδｆの光位相変調を更に重畳する変調器である。また、基準発振器７は、周波数δｆの基準信号を発生させて光位相変調器３を駆動する発振器である。基準発振器７は、基準信号をミキサ１０へも出力する。
【0019】
光位相変調器６による変調後の光スペクトラムの概念図を図３に示す。図３に示されているように、光周波数ｆ０、ｆ＋、およびｆ－のレーザ光のそれぞれに、さらに±δｆだけ周波数シフトされたレーザ光が発生する。光位相変調器６によりδｆが重畳された後のレーザ光は、光導波路Ｇ７を介して、ガスセル８へ伝送される。
【0020】
［ガスセル］
ガスセル８は、光吸収媒体が封入されたセルである。観測対象がＨ２Ｏの場合、Ｈ２Ｏの吸収率は小さいので、Ｈ２Ｏの代わりに吸収率の大きいシアン化水素（ＨＣＮ）を封入する。ガスセル８を透過した後の透過レーザ光は、導波路Ｇ８を介して光受信器９へ伝送される。
ガスセル８は、光吸収媒体が封入されたセルである。観測対象がＨ２Ｏの場合、Ｈ２Ｏの吸収率は小さいので、Ｈ２Ｏの代わりに吸収率の大きいシアン化水素（ＨＣＮ）を封入する。ガスセル８を透過した後の透過レーザ光は、導波路Ｇ８を介して光受信器９へ伝送される。
【0021】
［光受信器９］
光受信器９は、導波路Ｇ８を介して透過レーザ光を検出し、検出したレーザ光を電気信号に変換する光受信器である。光受信器９は、変換後の電気信号（受信信号）を、ミキサ１０へ伝送する。
光受信器９は、導波路Ｇ８を介して透過レーザ光を検出し、検出したレーザ光を電気信号に変換する光受信器である。光受信器９は、変換後の電気信号（受信信号）を、ミキサ１０へ伝送する。
【0022】
［ミキサ］
ミキサ１０は、基準発振器７により生成された基準信号と、光受信器９からの受信信号とをミキシングして、δｆに相当する誤差信号の成分を含む信号を生成するミキサである。
ミキサ１０は、基準発振器７により生成された基準信号と、光受信器９からの受信信号とをミキシングして、δｆに相当する誤差信号の成分を含む信号を生成するミキサである。
【0023】
［フィードバック回路］
フィードバック回路１１は、ミキサ１０により生成された信号から誤差信号を抽出して、基準光源１の発振周波数を調整するフィードバック制御を行う回路である。誤差信号の抽出は、不図示のローパスフィルタを用いて行う。フィードバック回路１１は、抽出した誤差信号が０となるように、基準光源１の電流または温度を調整するフィードバック制御を行う。
フィードバック回路１１は、ミキサ１０により生成された信号から誤差信号を抽出して、基準光源１の発振周波数を調整するフィードバック制御を行う回路である。誤差信号の抽出は、不図示のローパスフィルタを用いて行う。フィードバック回路１１は、抽出した誤差信号が０となるように、基準光源１の電流または温度を調整するフィードバック制御を行う。
【0024】
このようにして、ｆ-の側帯波を、ＨＣＮの吸収線（予め定められた波長）にロックする波長ロックを行うことができる。ｆ－の側帯波の周波数変動はｆ０のレーザ光の周波数変動によるものなので、ｆ－の側帯波をＨＣＮの吸収線へロックすることにより、ｆ０のレーザ光をＨＣＮの吸収線へｆ－の側帯波を介して間接的にロックする波長ロックを行うことができる。
【0025】
（光フィルタ）
光フィルタ１２は、ＯＮ出力光路２８を介して受け付ける光位相変調器３から出力されたレーザ光のうち、不要なレーザ光を抑圧して、ｆ＋の側帯波を抽出するフィルタである。光フィルタ１２として、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）フィルタなどの光フィルタを用いることができる。抽出されたｆ＋の側帯波は、光導波路Ｇ９を介して、半導体光増幅器１３へ伝送される。
光フィルタ１２は、ＯＮ出力光路２８を介して受け付ける光位相変調器３から出力されたレーザ光のうち、不要なレーザ光を抑圧して、ｆ＋の側帯波を抽出するフィルタである。光フィルタ１２として、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）フィルタなどの光フィルタを用いることができる。抽出されたｆ＋の側帯波は、光導波路Ｇ９を介して、半導体光増幅器１３へ伝送される。
【0026】
（半導体光増幅器）
半導体光増幅器１３は、光導波路Ｇ９を介して受け付けるｆ＋の側帯波の出力光パワーを一定とする増幅器である。増幅されたｆ＋の側帯波は、光導波路Ｇ１０を介して光スイッチ１４へ伝送される。
半導体光増幅器１３は、光導波路Ｇ９を介して受け付けるｆ＋の側帯波の出力光パワーを一定とする増幅器である。増幅されたｆ＋の側帯波は、光導波路Ｇ１０を介して光スイッチ１４へ伝送される。
【0027】
（光スイッチ；制御装置）
光スイッチ１４は、制御装置１５から入力された光スイッチ駆動信号に従い、複数の光経路を切り替えて、ＯＮ光とＯＦＦ光の一方を選択的に出力するスイッチである。より具体的には、光スイッチ１４は、光経路を切り替えることにより、大気中の分子に吸収される波長のレーザ光（ＯＮ光）と大気中の分子に吸収され難い波長のレーザ光（ＯＦＦ光）とのいずれか一方を選択的に出力する。光スイッチ１４により選択的に出力されたレーザ光は、光導波路Ｇ１１を介して、光分配器１６へと伝送される。
光スイッチ１４は、制御装置１５から入力された光スイッチ駆動信号に従い、複数の光経路を切り替えて、ＯＮ光とＯＦＦ光の一方を選択的に出力するスイッチである。より具体的には、光スイッチ１４は、光経路を切り替えることにより、大気中の分子に吸収される波長のレーザ光（ＯＮ光）と大気中の分子に吸収され難い波長のレーザ光（ＯＦＦ光）とのいずれか一方を選択的に出力する。光スイッチ１４により選択的に出力されたレーザ光は、光導波路Ｇ１１を介して、光分配器１６へと伝送される。
【0028】
（制御装置）
制御装置１５は、光スイッチ駆動信号を生成して、生成した光スイッチ駆動信号を光スイッチ１４へ供給する装置である。
制御装置１５は、光スイッチ駆動信号を生成して、生成した光スイッチ駆動信号を光スイッチ１４へ供給する装置である。
【0029】
（光分配器）
光分配器１６は、光導波路Ｇ１１を介して受け付ける光スイッチ１４から出力されたレーザ光を２つに分配して、分配後のレーザ光を出力する。分配後のレーザ光の一方は、光導波路Ｇ１２を介して、光周波数シフタ１７へ信号光として伝送される。光導波路Ｇ１２は、本開示において、信号光路３０と称する場合がある。分配後のレーザ光の他方は、光導波路Ｇ１３を介して、光合波器２２へ局発光として伝送される。光導波路Ｇ１３は、本開示において、局発光路２９と称する場合がある。
光分配器１６は、光導波路Ｇ１１を介して受け付ける光スイッチ１４から出力されたレーザ光を２つに分配して、分配後のレーザ光を出力する。分配後のレーザ光の一方は、光導波路Ｇ１２を介して、光周波数シフタ１７へ信号光として伝送される。光導波路Ｇ１２は、本開示において、信号光路３０と称する場合がある。分配後のレーザ光の他方は、光導波路Ｇ１３を介して、光合波器２２へ局発光として伝送される。光導波路Ｇ１３は、本開示において、局発光路２９と称する場合がある。
【0030】
（光周波数シフタ）
光周波数シフタ１７は、パルス生成装置１８からのトリガ信号によるタイミングで光周波数シフタ駆動回路１８－１より出力されるパルス化された正弦波により駆動されることで、信号光路３０を介して入力された信号光をパルス化するとともに、パルスONのタイミングにおいて、信号光の光周波数に対しあらかじめ設定された値の周波数シフトを付加する光周波数シフタである。光周波数シフタ１７として、例えばＡＯＭ（Acousto Optic Modulator）を用いることができる。光周波数シフタ１７により周波数シフトが付加されたパルス光は、光導波路Ｇ１４を介して光増幅器１９へ伝送される。
光周波数シフタ１７は、パルス生成装置１８からのトリガ信号によるタイミングで光周波数シフタ駆動回路１８－１より出力されるパルス化された正弦波により駆動されることで、信号光路３０を介して入力された信号光をパルス化するとともに、パルスONのタイミングにおいて、信号光の光周波数に対しあらかじめ設定された値の周波数シフトを付加する光周波数シフタである。光周波数シフタ１７として、例えばＡＯＭ（Acousto Optic Modulator）を用いることができる。光周波数シフタ１７により周波数シフトが付加されたパルス光は、光導波路Ｇ１４を介して光増幅器１９へ伝送される。
【0031】
（パルス生成装置）
パルス生成装置１８は、光周波数シフタ１７をパルス駆動するトリガ信号を生成して、生成したトリガ信号を光周波数シフタ駆動回路１８－１へ供給する。
パルス生成装置１８は、光周波数シフタ１７をパルス駆動するトリガ信号を生成して、生成したトリガ信号を光周波数シフタ駆動回路１８－１へ供給する。
【0032】
（光周波数シフタ駆動回路）
光周波数シフト駆動回路１８－１は、パルス生成装置１８から出力されるトリガ信号に同期し、パルス化された正弦波を光周波数シフタ１７へ供給する。
光周波数シフト駆動回路１８－１は、パルス生成装置１８から出力されるトリガ信号に同期し、パルス化された正弦波を光周波数シフタ１７へ供給する。
【0033】
パルス生成装置１８が生成するトリガ信号、および光周波数シフト駆動回路１８－１が出力するパルス化された正弦波である光周波数シフタ駆動信号の波形図を図１Ｂに示す。
【0034】
（光増幅器）
光増幅器１９は、光導波路Ｇ１４を介して入力される光周波数シフタ１７から出力されたパルス光を増幅して、増幅したパルス光を出力する。光増幅器１９として、例えばファイバ増幅器を用いることができる。光増幅器１９により増幅されたパルス光は光導波路Ｇ１５を介して光サーキュレータ２０へ伝送される。
光増幅器１９は、光導波路Ｇ１４を介して入力される光周波数シフタ１７から出力されたパルス光を増幅して、増幅したパルス光を出力する。光増幅器１９として、例えばファイバ増幅器を用いることができる。光増幅器１９により増幅されたパルス光は光導波路Ｇ１５を介して光サーキュレータ２０へ伝送される。
【0035】
（光サーキュレータ；光アンテナ）
光サーキュレータ２０は、計測に用いる光導波路Ｇ１６（「出力光路３１」と称する場合がある。）と光導波路Ｇ１６（「受信光路３２」と称する場合がある。）とを分離する。出力光路３１により表される送信光学系は、光増幅器１９から出力されたパルス光を光アンテナ２１から大気中に照射する。大気中のエアロゾルからの後方散乱光が光アンテナ２１により受信光として受信され、受信光は光サーキュレータ２０により受信光路３２へ導かれる。受信光は、受信光路３２を介して光合波器２２へ伝送される。
光サーキュレータ２０は、計測に用いる光導波路Ｇ１６（「出力光路３１」と称する場合がある。）と光導波路Ｇ１６（「受信光路３２」と称する場合がある。）とを分離する。出力光路３１により表される送信光学系は、光増幅器１９から出力されたパルス光を光アンテナ２１から大気中に照射する。大気中のエアロゾルからの後方散乱光が光アンテナ２１により受信光として受信され、受信光は光サーキュレータ２０により受信光路３２へ導かれる。受信光は、受信光路３２を介して光合波器２２へ伝送される。
【0036】
（光合波器）
光合波器２２は、受信光路３２を介して入力される受信光と、光導波路Ｇ１３を介して入力される局発光とを合波して、合波された合波光を出力する光合波器である。光合波器２２は、合波光を光導波路Ｇ１８を介して光受信器２３へ伝送する。
光合波器２２は、受信光路３２を介して入力される受信光と、光導波路Ｇ１３を介して入力される局発光とを合波して、合波された合波光を出力する光合波器である。光合波器２２は、合波光を光導波路Ｇ１８を介して光受信器２３へ伝送する。
【0037】
（光受信器）
光受信器２３は、光導波路Ｇ１８を介して入力される合波光を検出して、検出した合波光を電気信号である受信信号に光電変換して、変換後の受信信号を演算装置２４へ伝送する。
光受信器２３は、光導波路Ｇ１８を介して入力される合波光を検出して、検出した合波光を電気信号である受信信号に光電変換して、変換後の受信信号を演算装置２４へ伝送する。
【0038】
（演算装置）
演算装置２４は、ＯＮ光の受信信号の強度とＯＦＦ光の受信信号の強度との強度比に基づいて気体分子の濃度を算出する装置である。気体分子がＨ２Ｏの場合、演算装置２４は、Ｈ２Ｏの濃度、すなわち水蒸気量を算出する。演算装置は、不図示のプロセッサとメモリを備えてもよい。プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、水蒸気量を算出する。
演算装置２４は、ＯＮ光の受信信号の強度とＯＦＦ光の受信信号の強度との強度比に基づいて気体分子の濃度を算出する装置である。気体分子がＨ２Ｏの場合、演算装置２４は、Ｈ２Ｏの濃度、すなわち水蒸気量を算出する。演算装置は、不図示のプロセッサとメモリを備えてもよい。プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、水蒸気量を算出する。
【0039】
＜動作＞
次に、レーザレーダ装置ＬＲ１の動作について説明する。基準光源１から出力された光（光周波数ｆ０）は、光分配器２によりＯＦＦ光路２５とＯＮ光路２６に分配される。
次に、レーザレーダ装置ＬＲ１の動作について説明する。基準光源１から出力された光（光周波数ｆ０）は、光分配器２によりＯＦＦ光路２５とＯＮ光路２６に分配される。
【0040】
ＯＮ光路２６では、発振器４が周波数Δｆの変調信号を光位相変調器３に供給し、光位相変調器３が光周波数ｆ０のレーザ光に変調信号で位相変調を印加することにより、図２に示されているような側帯波（ｆ＋，ｆ－）を発生させる。ここで、Δｆおよびｆ０は、発生する側帯波（変調－側：ｆ－）がＨＣＮガスセルの吸収線付近となるように決定する。本実施形態では、ｆ０を１９５，７４０．８３ＧＨｚ、Δｆを２５．０２ＧＨｚとすることで、ｆ－の側帯波をＨＣＮのＲ１７吸収線に、ｆ＋の側帯波をＨ２Ｏの吸収線にそれぞれ合わせることが可能となる。
【0041】
次に、側帯波を発生させたレーザ光は、光分配器５により波長誤差検出回路２７とＯＮ出力光路２８に分配される。波長誤差検出回路２７では、波長制御器ＷＬＣの光位相変調器６により、δｆの光位相変調がさらに重畳される。ここで、δｆはＨＣＮ吸収線幅と同等（１ＧＨｚほど）である。波長制御器ＷＬＣは、ＨＣＮガスセルの吸収帯においては、一般的なＰＤＨ法（Ｐｏｕｎｄ－Ｄｒｅｖｅｒ－Ｈａｌｌ）による検波を行う。また、波長制御器ＷＬＣは、吸収帯以外の周波数においては、光位相変調が重畳された場合の直接検波を行う。δｆの側帯波はそれぞれ位相が反転しているため、検波時にビート信号は発生しない。したがって、ＨＣＮガスセルの吸収帯の影響を受ける領域のみビート信号が検出される。ｆ０のキャリアの周波数変動はｆ－の側帯波の周波数変動に表れているので、ｆ－で検出した波長誤差信号をフィードバック回路１１により基準光源１の電流または温度にフィードバックすることで、ｆ－の側帯波がＨＣＮの吸収線へ波長ロックされ、ｆ０のキャリアはｆ－の側帯波を介してＨＣＮの吸収線へ間接的にロックされる。
【0042】
ＯＮ出力光路２８では、Ｈ２Ｏ計測に用いるｆ＋以外の波長のレーザ光は光フィルタ１２により抑圧される。その後、半導体光増幅器１３により、光位相変調器３、光分配器５および光フィルタ１２で生じた損失が補填され、ＯＮ出力光路２８の系のレーザ光がＯＦＦ光路２５のレーザ光と同等の光パワーに増幅される。
【0043】
光フィルタ１２によって不要光が抑圧されたＯＮ光（光周波数ｆ＋）と、基準光源１を変調前に分配したＯＦＦ光（光周波数ｆ０）とが光スイッチ１４により合波される。
【0044】
光スイッチ１４の動作の様子を図４に示す。図４Ａは、光スイッチ１４に入力される前のＯＮ光の強度を示す図である。図４Ｂは、光スイッチ１４に入力される前のＯＦＦ光の強度を示す図である。図４Ｃは、光スイッチ１４を駆動する光スイッチ駆動信号を示す図である。図４Ｄは、光スイッチ１４から出力されるレーザ光の強度を示す図である。図４Ｄに示されているように、ＯＮ光とＯＦＦ光は光スイッチ１４によって切り替えられながら出力される。このとき、ＯＮ光出力時間とＯＦＦ光出力時間は同一である。
【0045】
光スイッチ１４でＯＮ光とＯＦＦ光が合波された後のレーザ光は、光分配器１６により信号光路３０への信号光と、局発光路２９への局発光とに分配される。信号光路３０では、光周波数シフタ１７がパルス駆動されることで、周波数シフトを付加したパルス光が生成される。その後、光増幅器１９によって、パルス光を増幅し、光サーキュレータ２０および光アンテナ２１を介して、増幅されたパルス光が空間へ出力される。
【0046】
空間出力されたパルス光はエアロゾルによる散乱される。後方散乱光は光アンテナ２１で受信された後、光サーキュレータ２０で受信光路３２へ導かれる。局発光と受信光とは、光合波器２２で合波され、光受信器２３で光電変換される。光電変換後、演算装置２４にて、ＯＮ光とＯＦＦ光の受信強度比からＨ２Ｏ量を算出する。
【0047】
以上のように、基準光源を外部変調し、外部変調によって生じた側帯波を用いて基準となるガス吸収線の誤差信号を検出し、基準光源にフィードバックをかけることで、基準となるガス吸収線に波長ロックされた複数の波長のレーザ光を生成することが可能となる。この複数の波長は同一光源から生成されているため、光周波数雑音は同一となり、コヒーレント検波時に発生する検出スペクトルの距離依存は発生しない。したがって、レーザレーダ装置ＬＲ１は、従来技術に比して、測定精度を向上させることができる。
【0048】
上記した実施形態は外部変調器として光位相変調器３を、強度安定に半導体光増幅器１３を用いたものであるが、他の装置を用いてもよい。例えば、光位相変調器３の代わりに光強度変調器を用いてもよいし、半導体光増幅器１３の代わりに光ファイバ増幅器を用いてもよい。
【0049】
また、本実施形態では波長ロックの際の基準としてＨＣＮガスの吸収線を用いたが、ＨＣＮガス以外のガスの吸収線などその他の基準を用いてもよい。例えば、アセチレンのガス吸収線を用いてもよいし、エタロンなどの波長吸収特性をもつ素子を用いてもよい。
【0050】
また、計測対象がＨ２Ｏである場合を想定して説明をしたが、計測対象はＨ２Ｏに限定されるものではなく、ＣＯ２などのその他の分子であってもよい。
【0051】
実施の形態２．
＜構成＞
図５を参照して、実施の形態２によるレーザレーダ装置ＬＲ２について説明をする。実施の形態２によるレーザレーダ装置ＬＲ２が実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１と主に異なる点は、レーザレーダ装置ＬＲ１が光スイッチ１４を用いてＯＮ光とＯＦＦ光を時間的に切り替えて測定するのと異なり、光周波数シフタ１７を駆動する周波数をＯＮ光とＯＦＦ光で異ならせることによりＯＮ光とＯＦＦ光の同時計測を実現する点である。このような相違を実現するために、実施の形態２によるレーザレーダ装置ＬＲ２は、図５に示されたような構成を備える。具体的には、レーザレーダ装置ＬＲ２は、実施の形態１における光スイッチ１４に代えて波長合波器３３を備える。また、レーザレーダ装置ＬＲ２は、ＯＮ光路、ＯＦＦ光路それぞれに光位相変調器を備える。図５に示されているように、ＯＮ光路には光位相変調器１７ａが、ＯＦＦ光路には光位相変調器１７ｂがそれぞれ備えられる。タイミング制御装置３５で同期されたクロック信号にてパルス生成装置１８および３４を動作させることにより、パルス生成装置１８および３４は同期されたトリガ信号を生成する。このトリガ信号に同期し、２つの光周波数シフタ駆動回路１８－１および３４－１から異なる周波数のパルス化された鋸波の変調信号を出力する。ここで、光周波数シフタ駆動回路１８－１はｆｍＯＮ、光周波数シフタ駆動回路３４－１はｆｍＯＦＦの周波数で光位相変調器１７ａおよび１７ｂを０～２πの範囲で動作させる。位相の瞬時位相変化量と周波数のシフト量の間には、式δｆ＝ｄφ／（２πｄｔ）の関係がある。０～２πで鋸波状に位相を変化させることで、のこぎり周期の周波数シフトを実現する。
＜構成＞
図５を参照して、実施の形態２によるレーザレーダ装置ＬＲ２について説明をする。実施の形態２によるレーザレーダ装置ＬＲ２が実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１と主に異なる点は、レーザレーダ装置ＬＲ１が光スイッチ１４を用いてＯＮ光とＯＦＦ光を時間的に切り替えて測定するのと異なり、光周波数シフタ１７を駆動する周波数をＯＮ光とＯＦＦ光で異ならせることによりＯＮ光とＯＦＦ光の同時計測を実現する点である。このような相違を実現するために、実施の形態２によるレーザレーダ装置ＬＲ２は、図５に示されたような構成を備える。具体的には、レーザレーダ装置ＬＲ２は、実施の形態１における光スイッチ１４に代えて波長合波器３３を備える。また、レーザレーダ装置ＬＲ２は、ＯＮ光路、ＯＦＦ光路それぞれに光位相変調器を備える。図５に示されているように、ＯＮ光路には光位相変調器１７ａが、ＯＦＦ光路には光位相変調器１７ｂがそれぞれ備えられる。タイミング制御装置３５で同期されたクロック信号にてパルス生成装置１８および３４を動作させることにより、パルス生成装置１８および３４は同期されたトリガ信号を生成する。このトリガ信号に同期し、２つの光周波数シフタ駆動回路１８－１および３４－１から異なる周波数のパルス化された鋸波の変調信号を出力する。ここで、光周波数シフタ駆動回路１８－１はｆｍＯＮ、光周波数シフタ駆動回路３４－１はｆｍＯＦＦの周波数で光位相変調器１７ａおよび１７ｂを０～２πの範囲で動作させる。位相の瞬時位相変化量と周波数のシフト量の間には、式δｆ＝ｄφ／（２πｄｔ）の関係がある。０～２πで鋸波状に位相を変化させることで、のこぎり周期の周波数シフトを実現する。
【0052】
＜動作＞
次に、レーザレーダ装置ＬＲ２の動作について説明する。半導体光増幅器１３の出力であるＯＮ光と、光分配器２により分配されたＯＦＦ光路２５のＯＦＦ光とが、波長合波器３３により合波される。
次に、レーザレーダ装置ＬＲ２の動作について説明する。半導体光増幅器１３の出力であるＯＮ光と、光分配器２により分配されたＯＦＦ光路２５のＯＦＦ光とが、波長合波器３３により合波される。
【0053】
合波後、合波されたレーザ光は信号光路と局発光路に分配される。信号光路３０では、合波されたレーザ光は、パルス生成装置３８でパルス駆動された半導体光増幅器３９にてパルス光とされる。図６にパルス光のタイミングを示す。図６Ｃ～図６Ｆに示されているように、ＯＮ光、ＯＦＦ光ともに同じタイミングでパルス光とする。ここで、ＯＮ光にはｆｍＯＮ、ＯＦＦ光にはｆｍＯＦＦの周波数シフトを付加する。これにより、光周波数シフタ１７（光位相変調器１７ａ、１７ｂ）の出力光は、同一タイミングで異なった周波数シフトのパルス光となる。
【0054】
光受信器２３によるコヒーレント受信後の受信信号スペクトラムを図７に示す。ＯＮ光にはｆｍＯＮ、ＯＦＦ光にはｆｍＯＦＦの周波数シフトがそれぞれ付加されているので、ＯＮ光による受信信号はｆｍＯＮ、ＯＦＦ光による受信信号はｆｍＯＦＦに生じる。演算装置２４は、コヒーレント受信後のこれらの周波数情報、および強度情報から、光吸収量の差分を検出する。
【0055】
以上のようなレーザレーダ装置ＬＲ２を用いることで、光スイッチによる切り替え不要の計測が可能となる。光スイッチによる切り替えを用いる方式ではＯＮ光とＯＦＦ光の計測タイミングにずれが生じるため、各レーザ光がＯＦＦ時の変動を計測することができない。したがって、環境変動によって生じたスペクトラム異常が片側レーザのみに発生し、計測エラーを誘発する場合があるという問題がある。本実施の形態によるレーザレーダ装置ＬＲ２を用いることで、環境変動はＯＮ光とＯＦＦ光の両方に等しく表れるので、各レーザ光がＯＦＦ時の変動を計測することができないという問題が生じない。したがって、レーザレーダ装置ＬＲ２によれば高精度な計測が可能となる。
【0056】
実施の形態３．
＜構成＞
図８を参照して、実施の形態３によるレーザレーダ装置ＬＲ３について説明をする。実施の形態３によるレーザレーダ装置ＬＲ３が実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１と主に異なる点は、側帯波発生器として、光位相変調器３の代わりに光コム発生器３７を用いる点である。光コム発生器３７は、図８に示されているように、光分配器５と光フィルタ１２の間に配置される。光コム発生器３７を用いることにより、任意の吸収線への波長安定化を実現することができる。
＜構成＞
図８を参照して、実施の形態３によるレーザレーダ装置ＬＲ３について説明をする。実施の形態３によるレーザレーダ装置ＬＲ３が実施の形態１によるレーザレーダ装置ＬＲ１と主に異なる点は、側帯波発生器として、光位相変調器３の代わりに光コム発生器３７を用いる点である。光コム発生器３７は、図８に示されているように、光分配器５と光フィルタ１２の間に配置される。光コム発生器３７を用いることにより、任意の吸収線への波長安定化を実現することができる。
【0057】
このような相違点に関連して、図８に示されているように、レーザレーダ装置ＬＲ３は、光コム発生器３７に接続され、光コム発生器３７を周波数Δｆで動作させるＲＦ基準信号を発振する発振器３６を備える。
【0058】
実施の形態３においては、基準光源１から出力されたレーザ光が光分配器５により２分配され、２分配された後の一方のレーザ光は波長制御器ＷＬＣへ伝送される。２分配された後の他方のレーザ光は、光コム発生器３７へ伝送される。
【0059】
＜動作＞
次に、レーザレーダ装置ＬＲ３の動作について説明する。基準となるガスセルの吸収線に波長ロックされたＯＮ出力光（ＯＮ出力光路２８）と、をＲＦ基準信号とが光コム発生器３７に入力されると、光コム発生器３７は光コムを生成する。光コム発生器３７への入力スペクトラムを図９Ａに、光コム発生器３７からの出力スペクトラムを図９Ｂに示す。図９Ｂに示されているように、光コム発生器３７からの出力光は、ｆ０を中心としたΔｆの間隔のコム状のスペクトラムを有する。
次に、レーザレーダ装置ＬＲ３の動作について説明する。基準となるガスセルの吸収線に波長ロックされたＯＮ出力光（ＯＮ出力光路２８）と、をＲＦ基準信号とが光コム発生器３７に入力されると、光コム発生器３７は光コムを生成する。光コム発生器３７への入力スペクトラムを図９Ａに、光コム発生器３７からの出力スペクトラムを図９Ｂに示す。図９Ｂに示されているように、光コム発生器３７からの出力光は、ｆ０を中心としたΔｆの間隔のコム状のスペクトラムを有する。
【0060】
コムの光スペクトラムは等間隔（Δｆ）で発生する。したがって、実施形態１で述べたＨＣＮガス吸収線のＲ１７のみならず、他の吸収線や、例えばアセチレンなどの別の分子の吸収線を用いて安定な計測をすることが可能となる。
【0061】
なお、実施形態を組み合わせたり、各実施形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0062】
本開示のレーザレーダ装置は、差分吸収ライダ装置として用いることができる。
【符号の説明】
【0063】
１ 基準光源、２ 光分配器、３ 光位相変調器（第２の光位相変調器）、４ 発振器、５ 光分配器、６ 光位相変調器（第１の光位相変調器）、７ 基準発振器、８ ガスセル、９ 光受信器、１０ ミキサ、１１ フィードバック回路、１２ 光フィルタ、１３ 半導体光増幅器、１４ 光スイッチ、１５ 制御装置、１６ 光分配器、１７（１７ａ、１７ｂ） 光周波数シフタ（光位相変調器；第３の光位相変調器）、１８ パルス生成装置、１８－１ 光周波数シフタ駆動回路、１９ 光増幅器、２０ 光サーキュレータ、２１ 光アンテナ、２２ 光合波器、２３ 光受信器、２４ 演算装置、２５ ＯＦＦ光路、２６ ＯＮ光路、２７ 波長誤差検出回路、２８ ＯＮ出力光路、２９ 局発光路、３０ 信号光路、３１ 出力光路、３２ 受信光路、３３ 波長合波器、３４ パルス生成装置、３４－１ 光周波数シフタ駆動回路、３５ タイミング制御装置、３６ 発振器、３７ 光コム発生器、３９ 半導体光増幅器、Ｇ１～Ｇ１８ 光導波路、ＬＲ１～ＬＲ３ レーザレーダ装置、ＷＬＣ 波長制御器。
【要約】
レーザ光を出力する単一の基準光源（１）と、前記基準光源から出力されたレーザ光に対し２つ以上の側帯波を発生させ、側帯波を発生させたレーザ光を出力する側帯波発生器（３；３７）と、前記側帯波発生器から出力されたレーザ光、または前記基準光源から出力されたレーザ光を２系統に分配する光分配器（５）と、その分配されたレーザ光の一方に基準信号を用いて光位相変調を行う光位相変調器（６）と、その光位相変調がなされたレーザ光が透過されるガスセルまたはエタロン（８）と、その透過したレーザ光を電気信号に変換する光受信器（９）と、その変換された電気信号と前記基準信号から誤差信号を生成するミキサ（１０）と、その生成された誤差信号を用いて、前記基準光源のレーザ光の波長を予め定められた波長にロックするフィードバック回路（１１）と、を備えるレーザレーダ装置。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】