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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-01
(54)【発明の名称】パルスＬＩＤＡＲシステム
(51)【国際特許分類】
G01S 17/34 20200101AFI20240423BHJP
G01S 17/95 20060101ALI20240423BHJP
G01P 5/26 20060101ALI20240423BHJP
【ＦＩ】
G01S17/34
G01S17/95
G01P5/26 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023568309
(86)(22)【出願日】2022-04-26
(85)【翻訳文提出日】2023-12-14
(86)【国際出願番号】 FR2022050782
(87)【国際公開番号】W WO2022234212
(87)【国際公開日】2022-11-10
(31)【優先権主張番号】2104770
(32)【優先日】2021-05-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518023164
【氏名又は名称】オフィス ナショナル デテュード エ ドゥ ルシェルシュ アエロスパシアル
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】ロンバール，ロラン
【テーマコード（参考）】
5J084
【Ｆターム（参考）】
5J084AA05
5J084AA07
5J084AB08
5J084BA36
5J084BB31
5J084BB40
5J084CA05
5J084DA01
5J084DA08
5J084DA09
5J084EA01
(57)【要約】
パルスＬＩＤＡＲシステム（１００）は、連続的に放出される２つのパルス（Ｉ）がスペクトル的に分離され、異なるそれぞれの中心波長値に関連付けられるように構成された伝送経路（１０）を有する。このようにして、ヘテロダイン検出信号の信号対雑音比が改善される。この種のＬＩＤＡＲシステムは光ファイバを使用して実施することができ、大気速度測定に特に適している。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルスＬＩＤＡＲシステム（１００）であり、前記システムによって標的（Ｔ）に向かって連続的に放出される一連の放射線パルス（Ｉ）によって受けるドップラー効果周波数シフト（νＤｏｐｐｌｅｒ）の値を、前記標的上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られた前記パルスの一部（ＲＩ）と、前記システムによって放出される前記パルスとの間で決定し、前記周波数シフトについて決定された前記値に基づいて、前記システムの光放出方向に平行な前記標的の速度成分（ＶＴ）の推定値を提供するように適合されたシステムであって、前記システム（１００）は、
前記一連のパルス（Ｉ）を生成するように構成された伝送経路（１０）と、
前記標的（Ｔ）上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られた前記パルス部分（ＲＩ）を検出し、前記一連のパルス（Ｉ）に対応するヘテロダイン検出信号を生成するように構成された検出経路（２０）と、
前記一連のパルス（Ｉ）に対応するヘテロダイン検出寄与から前記周波数シフト（νＤｏｐｐｌｅｒ）の値が生じるように、前記ヘテロダイン検出信号のスペクトル分析を実行するように適合されたスペクトル分析モジュール（３０）と、を備え、
前記伝送経路（１０）は、標的（Ｔ）に向かって連続的に放出される２つのパルス（Ｉ）が、スペクトル的に分離され、異なるそれぞれの中心波長値に関連付けられるようにさらに構成され、
前記スペクトル解析モジュール（３０）によって決定される前記周波数偏移（νＤｏｐｐｌｅｒ）の前記値が、前記スペクトル的に分離されたパルスにそれぞれ対応し、かつ前記中心波長値が異なっているいくつかのヘテロダイン検波寄与の組合せから生じるように、前記システム（１００）が適合される、ことを特徴とするシステム（１００）。
【請求項2】
前記システムは、前記標的（Ｔ）を形成する懸濁粒子を含む雰囲気の部分に向かって前記放射線パルス（Ｉ）を放出するように向けられたときに、空気流速成分の推定値を提供するように適合され、前記粒子は、前記放射線を後方散乱させるものである、請求項１に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項3】
前記伝送経路（１０）は、連続的に放出される任意の二つの放射線パルス（Ｉ）が、少なくとも１０ＭＨｚ、好ましくは少なくとも２０ＭＨｚ、最大で２０００ＭＨｚだけスペクトル的に分離されるようにさらに構成される、請求項１または２に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項4】
前記伝送経路（１０）は、前記一連のパルス（Ｉ）が、前記パルスの中心波長値の一定の配列を繰り返すようにさらに構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項5】
前記伝送経路（１０）は、前記繰り返し配列内の連続的に放出されるパルス（Ｉ）のペアに関連する前記中心波長値間の差が一定であるようにさらに構成される、請求項４に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項6】
前記伝送経路（１０）は、前記一連のパルス（Ｉ）についての複数の異なる中心波長値が２と１６との間であるようにさらに構成される、請求項１～５のいずれか一項に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項7】
前記伝送経路（１０）は、連続して放出されるパルス（Ｉ）間の持続時間が前記一連のパルスの過程にわたって変化するようにさらに構成される、請求項１～６のいずれか一項に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項8】
前記伝送経路（１０）が、初期レーザ放射線（Ｒ０）を生成するように適合されたレーザ放射源（１１）と、
少なくとも１つの制御入力に印加される変調信号に従って、前記初期レーザ放射線（Ｒ０）を修正するように構成される、少なくとも１つの変調器と、
前記少なくとも１つの制御入力に前記変調信号を印加するように接続された制御器（１８）と、を含み、
前記変調信号は、前記初期レーザ放射線（Ｒ０）が前記変調器（１７）によって前記一連のパルス（Ｉ）に変換され、２つの連続するパルスがスペクトル的に分離され、中心波長値が異なっており、
ヘテロダイン検出に使用される前記検出経路（２０）の基準入力は、前記レーザ放射源（１１）と前記変調器（１７）との間に位置する前記伝送経路（１０）の二次出力（１６）に接続される、請求項１～７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項9】
前記変調器（１７）が位相変調器であり、前記変調信号は、線形位相シフトランプの時間的に離散した配列（Ｓ）から構成される位相変調信号であり、
前記線形位相シフトランプは、各配列内で同一で連続し、異なる配列間で異なる勾配を有するものであり、
前記線形位相シフトランプの配列は、前記ＬＩＤＡＲシステム（１００）によって放出される前記パルス（Ｉ）に１対１で対応する、請求項８に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項10】
前記変調器（１７）が、再結合マッハツェンダ干渉計（１７０）と、前記再結合マッハツェンダ干渉計の２つの別々の光伝播経路上にそれぞれ１つずつ配置され、以下の位相シフトを適用するための手段を備える２つの２次マッハツェンダ干渉計（１７１、１７２）とを含み、
前記２つの２次マッハツェンダ干渉計（１７１、１７２）のうちの第１のものの２つの別々の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第１の位相シフト成分との和に等しい、第１の位相シフトと、
前記２つの２次マッハツェンダ干渉計（１７１、１７２）のうちの第２のものの２つの別個の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第２の位相シフト構成要素との和に等しく、共通周波数を有する時間の関数として正弦波的に変化し、互いに直角位相である、第２の位相シフトと、
前記再結合マッハツェンダ干渉計（１７０）の前記２つの光伝搬経路の間に適用され、πの±半減に等しい、第３の位相シフトと、を含み、
前記第１及び第２の位相シフト構成要素の共通周波数が、前記放射線パルス（Ｉ）の前記中心波長値と、前記レーザ放射源（１１）によって生成される初期レーザ放射線（Ｒ０）の波長値との間の差分を決定する時間の関数として正弦波的に変化する、請求項８に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項11】
前記伝送経路（１０）および／または前記検出経路（２０）が、前記伝送経路および／または前記検出経路の構成要素を相互接続するために、光ファイバ技術によって実装される、請求項１～１０のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はパルスＬＩＤＡＲシステムに関し、特に、大気速度測定を実行するように適合されたＬＩＤＡＲシステムに関する。ＬＩＤＡＲはＬｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇの頭字語であるが、ＬＩＤＡＲシステムは離れて速度測定を実行するのに非常に適している。
【背景技術】
【0002】
離れて風速を決定することは、多くの分野、特に航空機の安全性において有用であり、例えば、空港滑走路付近の乱気流の存在を検出するために、または航空機の構造上の突風によって引き起こされる早すぎる摩耗の影響を補償するために、飛行中の航空機に乗っているときに風の突風を検出するために有用である。そのような知識が有用である他の分野は、ウィンドファームサイトの調査及び管理、又は天気予報のための宇宙からの大気流の測定である。
【0003】
公知の方法では、パルスＬＩＤＡＲシステムが、ＬＩＤＡＲシステムの放射方向に平行な標的の速度成分、ならびにＬＩＤＡＲシステムから標的を分離する距離を測定することを可能にする。特に、大気速度測定のために構成されたパルスＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲシステムの放出方向に平行な風速成分の推定値を、この放出方向に沿って測定された分離距離の関数として得ることを可能にする。しかし、このような大気速度測定では、ＬＩＤＡＲシステムによって検出され、風速の測定結果が得られる信号は、空気中に浮遊する粒子によって引き起こされる放出パルスの後方散乱によって生成される。これらの検出信号は非常に低い強度を有するので、それらに関連する信号対雑音比を改善することが重要である。
【0004】
また、既知の方法で、パルスＬＩＤＡＲシステムがヘテロダイン検出を使用するとき、すなわち、システムが放射と検出との間でコヒーレントであるとき、その信号対雑音比はＥ・ＰＲＦ１／２に比例し、ここで、Ｅは後方散乱され、次いで検出されるそれぞれのパルスのエネルギーであり、ＰＲＦはパルス繰り返し周波数（pulse repetition frequency）である。したがって、エネルギーＥおよび周波数ＰＲＦの値を増加させるための努力がなされる。
【0005】
エネルギーＥの増加は、ＬＩＤＡＲシステムによって放出される各パルスのエネルギーを増加させることによって達成することができる。実際、放射線は最初はレーザ放射源によって生成され、レーザ放射源自体は外部に向かって放出される放射線のパワーに制限を課さない。しかしながら、光ファイバ接続技術を使用することによるＬＩＤＡＲシステムの実装は、かなりの利点、特に、システムのロバスト性の増大、およびシステムの光学部品を互いに対して位置合わせするための機構の排除を提供する。しかし、光ファイバ内で発生する誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）という既知の現象は、各放出パルスが有することができるピークパワー値を制限する。
【0006】
さらに、周波数ＰＲＦは、ＬＩＤＡＲシステムの範囲によって制限される。実際、標的に向かって放出される放射線のパルスは、検出された各放射線部分をパルス放出の正しいモーメントと相関させて、これから標的から離れている距離の値を推定するために、次のパルスが放出される前に戻って検出されることが必要である。言い換えれば、周波数ＰＲＦは、式：ＰＲＦ＜Ｃ／（２・Ｌ）（式中、Ｃは光速である）に従ってＬＩＤＡＲシステムに対して規定される範囲Ｌによって制限される。
【0007】
したがって、ヘテロダイン検出信号の信号対雑音比の結果として生じる結果のために、放出されたパルスのエネルギーおよびパルスの繰り返し周波数に対するこれらの制限は、測定結果、特に大気速度測定結果の精度を向上させることを妨げる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
この状況に基づいて、本発明の１つの目的は、検出信号の信号対雑音比が改善される新しいパルスＬＩＤＡＲシステムを提案することである。
【0009】
本発明の補足的な目的は、そのようなＬＩＤＡＲシステムがＬＩＤＡＲシステム内の光学部品を相互接続するための光ファイバの使用と互換性があることである。
【0010】
本発明の別の補足的な目的は、このようなＬＩＤＡＲシステムを大気速度測定に適合させることである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
これらまたは他の目的のうちの少なくとも１つを達成するために、本発明の一態様が提供するパルスＬＩＤＡＲシステムは、前記システムによって標的に向かって連続的に放出される一連の放射線パルスによって受けるドップラー効果周波数シフトの値を、前記標的上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られるパルスの部分と、前記システムによって放出される同じパルスとの間で決定するように適合される。次に前記システムは、前記周波数シフトについて決定された値に基づいて、前記システムの光放出方向に平行な前記標的の速度成分の推定値を提供する。この目的のために、前記システムは、
－前記一連のパルスを生成するように構成された伝送経路と、
－前記標的上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られた前記パルス部分を検出し、前記一連のパルスに対応するヘテロダイン検出信号を生成するように構成された検出経路と、
－前記一連のパルスに対応するヘテロダイン検出寄与から前記周波数シフト（νＤｏｐｐｌｅｒ）の値が生じるように、前記ヘテロダイン検出信号のスペクトル分析を実行するように適合されたスペクトル分析モジュールと、を備える。
前記スペクトル分析を実行するための複数のパルスの使用は、信号対雑音比の初期改善を提供し、前記ＬＩＤＡＲシステムによって提供される測定結果の精度は、それに応じて改善される。
－前記一連のパルスを生成するように構成された伝送経路と、
－前記標的上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られた前記パルス部分を検出し、前記一連のパルスに対応するヘテロダイン検出信号を生成するように構成された検出経路と、
－前記一連のパルスに対応するヘテロダイン検出寄与から前記周波数シフト（νＤｏｐｐｌｅｒ）の値が生じるように、前記ヘテロダイン検出信号のスペクトル分析を実行するように適合されたスペクトル分析モジュールと、を備える。
前記スペクトル分析を実行するための複数のパルスの使用は、信号対雑音比の初期改善を提供し、前記ＬＩＤＡＲシステムによって提供される測定結果の精度は、それに応じて改善される。
【0012】
本発明によれば、前記ＬＩＤＡＲシステムは、以下の追加の特徴を有する。
【0013】
－前記伝送経路は、同時に放出され、スペクトル的に離散し、異なる中心波長値に１対１で関連する複数のパルススペクトル成分の重ね合わせとしてパルスの各々を形成するようにさらに構成され、
－前記システムは、前記スペクトル分析モジュールによって決定される前記周波数シフトの値が、中心波長値が異なるスペクトルな分離パルスにそれぞれ対応する複数のヘテロダイン検出寄与の貢献から生じるように適合される。
－前記システムは、前記スペクトル分析モジュールによって決定される前記周波数シフトの値が、中心波長値が異なるスペクトルな分離パルスにそれぞれ対応する複数のヘテロダイン検出寄与の貢献から生じるように適合される。
【0014】
本発明の文脈において、スペクトル的に互いに分離されたパルスはそれぞれのスペクトルが重複しないパルスを意味するものと理解され、これはいくつかのパルスのそれぞれのスペクトル強度がパルスのそれぞれの最大スペクトル強度値の１％よりも大きい波長間隔がないことを意味する。
【0015】
したがって、本発明のＬＩＤＡＲシステムによって連続的に放出される２つのパルスは、異なるそれぞれのスペクトル間隔によって区別される。その場合、同じ区別が標的上での再帰反射または後方散乱の後に受信されるパルス部分の間に存在し、その結果、システムは別のパルスがその間に放出されたという事実とは無関係に、再帰反射または後方散乱の後に受信される各パルス部分を、それに対応する放出パルスに割り当てることができる。このように、連続するパルス間に導入されるスペクトル差分の手段によって、パルス繰り返し周波数ＰＲＦは、ＬＩＤＡＲシステムの温度範囲Ｌを減少させることなく増加させることができる。
【0016】
さらに、各パルスは、誘導ブリルアン散乱に適した閾値をちょうど下回るピークパワー値を依然として有することができる。そして、周波数シフト値の決定に関して、スペクトル的に互いに分離されたパルスにそれぞれ対応し、中心波長値が異なるヘテロダイン検出寄与を組み合わせることは、繰り返し周波数ＰＲＦを増加させることと等価である。本発明のＬＩＤＡＲシステムの動作によって提供される繰り返し周波数ＰＲＦの増加の平方根に比例する、ヘテロダイン検出信号に対する信号対雑音比のさらなる改善結果が得られる。それに応じて、ドップラー効果周波数シフトについて得られる値の精度が高められる。別の観点によれば、温度範囲Ｌの一定の値について、測定結果において同一の精度を維持しながら、本発明のＬＩＤＡＲシステムは、ヘテロダイン検出信号のための蓄積時間を、パルスのための異なる中心波長値の数に等しい係数だけ低減することを可能にすることができる。
【0017】
各パルスのピーク電力値が誘導ブリルアン散乱しきい値を下回ったままであるという事実は、その伝送経路を実現するために光ファイバ技術を使用することを可能にする。
【0018】
さらに、スペクトル的に独立したパルスにそれぞれ対応し、中心波長値が異なるすべてのヘテロダイン検出寄与は、標的の動きによって生成されるドップラー効果に起因する周波数シフトの値を得ることに寄与することができる。したがって、本発明のシステムは、ＬＩＤＡＲシステムの温度範囲Ｌに対して変化しない値を維持しながら、事実上反復周波数ＰＲＦにパルスの異なる中心波長値の数を乗算する動作を有することができる。
【0019】
したがって、本発明は、ヘテロダイン検出信号に存在する複数のスペクトル寄与に基づいてドップラー効果周波数シフトの値を決定するＬＩＤＡＲシステムを提供する。ヘテロダイン検出信号内のスペクトル的に別個の構成要素とちょうど同じ数の成分を構成するこれらのスペクトル寄与は、２つの連続するパルス間で異なる、標的に向かって放出されるパルスの中心波長値に１対１で対応する。例えば、他のヘテロダイン検出スペクトル寄与とは無関係に、各ヘテロダイン検出スペクトル寄与に基づいてドップラー効果周波数シフトについて基本値を決定することができ、次いで、基本値を平均することによってドップラー効果周波数シフトについての最終値を計算することができる。
【0020】
一般に、本発明について、本発明のＬＩＤＡＲシステムの伝送経路は、
－初期レーザ放射線を生成するように適合されたレーザ放射源であって、この初期レーザ放射線は好ましくは単色または準単色であるレーザ放射源と、
－この変調器の少なくとも１つの制御入力に印加される変調信号に従って初期レーザ放射線を修正するように構成された少なくとも１つの変調器と、
－変調器の少なくとも１つの制御入力に変調信号を印加するように接続された制御器と、を含む。
－初期レーザ放射線を生成するように適合されたレーザ放射源であって、この初期レーザ放射線は好ましくは単色または準単色であるレーザ放射源と、
－この変調器の少なくとも１つの制御入力に印加される変調信号に従って初期レーザ放射線を修正するように構成された少なくとも１つの変調器と、
－変調器の少なくとも１つの制御入力に変調信号を印加するように接続された制御器と、を含む。
【0021】
次いで、変調信号は、初期レーザ放射線が変調器によって、２つの連続するパルスがスペクトル的に互いに分離され、異なる中心波長値を有する一連のパルスに変換されるようになっている。さらに、ヘテロダイン検出に使用される検出経路の基準入力は、レーザ放射源と変調器との間に位置する伝送経路の二次出力に接続することができる。ヘテロダイン検出のために使用される光基準信号は、次いで、単色であり得る。検出経路によって生成されるヘテロダイン検出信号では、スペクトル的に互いに分離されたパルスから生じ、中心波長値が異なるヘテロダイン検出寄与が次いで、互いに対してスペクトル的にシフトされる。言い換えれば、これらのヘテロダイン検出寄与は、やはり異なるそれぞれの中心周波数値を有する。次いで、スペクトル分析モジュールは、ヘテロダイン検出寄与のためのこれらの異なる中心周波数値すべてからドップラー効果周波数シフトの値を推定する。
【0022】
代替的に、しかしあまり好ましくないやり方で、ヘテロダイン検出を得るために検出経路の基準入力が接続される伝送経路の二次出力は、伝送経路における放射の伝播方向に対して変調器の下流に位置することができる。
【0023】
本発明の第１の実施形態では、伝送経路がスペクトル的に互いに分離され、中心波長値が異なる連続パルスを、セロダイン変調によって生成するように構成されてもよい。これを達成するために、変調器は位相変調器であってもよく、変調信号は、線形位相シフトランプの時間的に互いに独立した配列から構成される位相変調信号であってもよく、線形位相シフトランプは各配列内で同一で連続し、異なる配列間で異なる勾配を有する。次いで、線形位相シフトランプの配列は、ＬＩＤＡＲシステムによって放出されるパルスに１対１で対応する。セロダイン変調を伴うそのような第１の実施形態の場合、使用される位相変調器は、電気光学タイプの変調器であり得る。
【0024】
本発明の第２の実施形態では、透過経路がスペクトル的に互いに分離され、中心波長値が異なるＩ／Ｑ変調によって、連続するパルスを生成するように構成することができる。これを達成するために、変調器は、再結合マッハツェンダ干渉計と、再結合マッハツェンダ干渉計の２つの別個の光伝搬経路上にそれぞれ１つずつ配置された２つの二次マッハツェンダ干渉計とを備えることができる。次に、以下の位相シフトを適用するための手段をさらに備える。
【0025】
－２つの二次マッハツェンダ干渉計のうちの第１のものの２つの別個の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第１の位相シフト構成要素との和に等しい、第１の位相シフトと、
－２つの二次マッハツェンダ干渉計のうちの第２のものの２つの別個の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第２の位相シフト構成要素との和に等しく、共通周波数を有する時間の関数として正弦波的に変化し、互いに対して直角位相である第１および第２の位相シフト構成要素と、
－再結合マッハツェンダ干渉計の２つの光伝搬経路の間に適用され、πの±半減に等しい第３の位相シフトと、を備える。
－２つの二次マッハツェンダ干渉計のうちの第２のものの２つの別個の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第２の位相シフト構成要素との和に等しく、共通周波数を有する時間の関数として正弦波的に変化し、互いに対して直角位相である第１および第２の位相シフト構成要素と、
－再結合マッハツェンダ干渉計の２つの光伝搬経路の間に適用され、πの±半減に等しい第３の位相シフトと、を備える。
【0026】
次いで、時間の関数として正弦波状に変化する第１および第２の位相シフト構成要素の共通周波数は、放出パルスの中心波長値と、レーザ放射源によって生成される初期レーザ放射線の波長値との間の差を決定する。Ｉ／Ｑ変調を有するそのような実施形態では、再結合マッハツェンダ干渉計および２つの二次マッハツェンダ干渉計が集積光回路から構成され得る。
【0027】
本発明の好ましい実施形態では、以下の追加の特徴のうちの少なくとも１つを、単独で、または組み合わせて、任意に再現することができる。
【0028】
－ＬＩＤＡＲシステムはシステムが標的を形成する懸濁粒子を含む雰囲気の一部分に向けて放射パルスを放出するように向けられたときに、空気流速成分の推定値を提供するように適合されてもよく、粒子は放射のための後方散乱器である。
【0029】
－各パルスは、単色または準単色であってもよい。
【0030】
－任意の２つの連続して放出されるパルスが少なくとも１０ＭＨｚ、好ましくは少なくとも２０ＭＨｚ、最大でも２０００ＭＨｚだけスペクトル的に互いに分離するように、伝送経路をさらに構成することができる。
【0031】
－送信経路は、一連のパルスがパルスの中心波長値の一定の配列を繰り返すようにさらに構成されてもよい。さらに、繰り返し配列内で、連続して放出されるパルスのペアに関係する中心波長値間の差は一定であることができる。
【0032】
－前記伝送経路はさらに、前記直列のパルスに対する多数の異なる中心波長値が２以上１６以下の間であるように構成されてもよい。
【0033】
－連続して放出されるパルス間の持続時間が一連のパルスの過程にわたって変化するように、伝送経路をさらに構成することができる。このようにして、伝送経路の光学部品上での放射パルスの反射によって妨害される測定領域をなくすことができる。
【0034】
－伝送経路および／または検出経路はこの伝送経路および／または検出経路の構成要素を相互接続するために、光ファイバ技術によって実装され得る。
【0035】
本発明の特徴および利点は、いくつかの非限定的な例示的実施形態の以下の詳細な説明において、添付の図面を参照して、より明確に明らかになるのであろう。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1a】従来技術から知られているようなヘテロダイン検出を有するパルスＬＩＤＡＲ装置のブロック図である。
【図2】本発明によるＬＩＤＡＲシステムの動作のための可能なスペクトル分布を示すタイミング図である。
【図4】本発明の第１の実施形態で使用される変調信号の可能な時間的変化を示す２つの図と、対応するスペクトル図との二つの図のグループである。
【図5】本発明の第２の実施形態で使用可能なＩ／Ｑ変調器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
これらの図において、全ての構成要素は記号的に表され、異なる図において示される同一の参照符号は、同一であるか又は同一の機能を有する要素を示す。明瞭にするために、ＬＩＤＡＲシステムにおけるその使用が当業者に知られており、本発明に直接関係しない構成要素は、以下では説明しない。そのような場合、本発明に対するそれらの可能な適応は、当業者の範囲内である。［図１ａ］および［図３ａ］において、使用される以下の参照は、ここに示される意味を有する。
１００ ヘテロダイン検出を用いたパルスＬＩＤＡＲの一般名称
１０ 伝送経路
１１ ＬＡＳＥＲと表示されるレーザ放射源
１２ ＭＡＯと表示される周波数シフトおよびパルス分離変調器
１３ ＡＭＰＬと表示される光増幅器
１４ 光サーキュレータ
１５ ＯＰＴと表示される発光光学系
１６ 伝送経路の二次出力
２０ 検出経路
２１ ＤＥＴＥＣＴと表示されるヘテロダイン検出器
３０ スペクトル分析モジュール（ＡＮＡＬＹＳ）
図１ａは、本発明の前に知られていたシステム１００を示す。
１００ ヘテロダイン検出を用いたパルスＬＩＤＡＲの一般名称
１０ 伝送経路
１１ ＬＡＳＥＲと表示されるレーザ放射源
１２ ＭＡＯと表示される周波数シフトおよびパルス分離変調器
１３ ＡＭＰＬと表示される光増幅器
１４ 光サーキュレータ
１５ ＯＰＴと表示される発光光学系
１６ 伝送経路の二次出力
２０ 検出経路
２１ ＤＥＴＥＣＴと表示されるヘテロダイン検出器
３０ スペクトル分析モジュール（ＡＮＡＬＹＳ）
図１ａは、本発明の前に知られていたシステム１００を示す。
【0038】
伝送経路１０は、レーザ放射源１１と、変調器１２と、光増幅器１３と、光サーキュレータ１４と、放出光学系１５とを備える。レーザ放射源１１は例えば、約１５５０ｎｍ（ナノメートル）の放出波長および６００μＪ（マイクロジュール）のパワーでの、連続放出源であってもよい。したがって、それは、単色または準単色である初期レーザ放射線Ｒ０を生成する。初期レーザ放射線Ｒ０は変調器１２に伝送される。変調器１２は、音響光学タイプの変調器であってもよい。それは、受け取った放射線から、例えば１０ｋＨｚ（キロヘルツ）であり得るパルス繰り返し周波数ＰＲＦを用いて、個々の持続時間が２００ｎｓ（ナノ秒）～８００ｎｓであり得る同一のパルスＩを形成するように制御される。同時に、変調器１２は、例えば１００ＭＨｚ（メガヘルツ）に等しくすることができる周波数シフトΔν０を適用することによって、放射線の光周波数をシフトするように制御することができる。変調器１２によって生成されたパルスＩは、増幅器１３によって増幅され、そして、光サーキュレータ１４を介して放出光学系１５に伝送される。放出光学系１５は、例えば望遠鏡構造を有することができる。増幅されたパルスＩはしたがって、ＬＩＤＡＲシステム１００の外部にあり、システム１００の放出方向に沿って測定される、それから距離Ｄに位置する標的Ｔに向かって伝送される。原則として、分離距離Ｄはシステム１００の範囲Ｌ未満であり、その範囲は、一例として、おそらく約１５ｋｍ（キロメートル）に等しい。
【0039】
このように［図１ａ］のシステム１００によって放出される全てのパルスＩは同一であり、単色または準単色である。
【0040】
二次出力１６は、レーザ放射源１１とパルスＩのシフト及び分離専用の変調器１２との間の伝送経路１０に配置される。
【0041】
検出経路２０は、伝送経路１０と放出光学系１５および光サーキュレータ１４を共有し、さらにヘテロダイン検出器２１を備える。検出経路２０内で、光学系１５の１つの機能は標的Ｔによって再帰反射または後方散乱されたパルスＩの部分ＲＩを収集することである。ヘテロダイン検出器２１は、光学系１５によって収集された再帰反射または後方散乱されたパルスの部分ＲＩを光サーキュレータ１４を介して受け取り、この伝送経路の二次出力１６を介して伝送経路１０から収集された光基準信号ＲＲを同時に受け取るように光学的に結合される。言い換えれば、二次出力１６は、検出経路２０専用の光サーキュレータ１４の出力に加えて、ヘテロダイン検出器２１に光学的に結合される。ヘテロダイン検出器２１はフォトダイオード、特に超高速フォトダイオードであってもよく、その上に、二次出力１６から来る光基準信号ＲＲと、標的Ｔから来るパルス部分ＲＩとが集束される。
【0042】
スペクトル分析モジュール３０は、システム１００の動作中に検出器２１によって生成されたヘテロダイン検出信号をスペクトル分析するように構成される。これは、このスペクトル分析から、光基準信号ＲＲとパルス部分ＲＩとの間に存在する周波数シフトの値を推定するように構成される。このようにして得られた周波数シフトの値を、システム１００の放出方向に平行な、標的Ｔについての速度成分値ＶＴに変換するようにさらに構成される。公知の方法では、ＶＴ＝－λ０・（νｍ－Δν０）／２であり、ここで、
λ０はレーザ放射源１１の波長を示し、上述の例示では約１５５０ｎｍに等しく、
Δν０はさらに、変調器１２によって適用される周波数シフトを示し、上述の例示では１００ＭＨｚに等しく、
νｍは、ヘテロダイン検出信号のスペクトル分解における最大強度位置または中心ピーク位置に関連する、無線周波数領域またはＲＦ領域内の周波数である。
λ０はレーザ放射源１１の波長を示し、上述の例示では約１５５０ｎｍに等しく、
Δν０はさらに、変調器１２によって適用される周波数シフトを示し、上述の例示では１００ＭＨｚに等しく、
νｍは、ヘテロダイン検出信号のスペクトル分解における最大強度位置または中心ピーク位置に関連する、無線周波数領域またはＲＦ領域内の周波数である。
【0043】
システム１００は、好ましくは光ファイバ技術を使用して実装される。そのような場合、光増幅器１３は、「エルビウムドープファイバ増幅器」のためにＥＤＦＡによって指定されるタイプのものとすることができる。初期レーザ放射線Ｒ０は、第１の光ファイバセグメントＳ１によってレーザ放射源１１から変調器１２に伝送され、そして、第２の光ファイバセグメントＳ２を介して増幅器１３に伝送される。さらに、光学系１５によって収集された再帰反射または後方散乱されたパルス部分ＲＩは、それらをヘテロダイン検出器２１に伝達するために、光サーキュレータ１４の出力で第３の光ファイバセグメントＳ３に注入される。並行して、伝送経路１０の二次出力１６は、光ファイバカプラによって実装され、第４の光ファイバセグメントＳ４によってヘテロダイン検出器２１に接続される。
【0044】
再帰反射点標的を有する直前に説明したシステム１００の動作のために、ヘテロダイン検出信号は、周波数νｍで正弦波変動を有する。［図１ｂ］の上側の図は、ヘテロダイン検出器２１によって受け取られた放射線のスペクトル組成を示す。［図１ｂ］のこの上側の図の横軸は、λで表され、ナノメートル（ｎｍ）で表される、光領域における波長値を識別する。縦軸は、任意の単位で、スペクトル強度値を識別する。ヘテロダイン検出器２１によって受け取られる放射線は二次出力１６から伝達される光基準信号ＲＲから構成される第１の寄与と、標的Ｔによって再帰反射されたパルス部分ＲＩに対応する第２の寄与とを備える。［図１ａ］のシステム１００について、光基準信号ＲＲは初期レーザ放射線Ｒ０の一部であり、その結果、［図１ｂ］の上側の図における対応する寄与はＲＲと示される非常に狭いピークである。標的Ｔがシステム１００の放出方向に沿った単一の位置に位置するとき、第２の寄与も、ＲＩと示される狭いピークの形状を有する。［図１ｂ］の下側の図は、上側の図に示されるように検出器２１によって受け取った放射線のスペクトル組成に対応するヘテロダイン検出信号のスペクトル組成を示す。ヘテロダイン検出信号は単一のピークからなり、その周波数はνｍ＝Δν０＋νＤｏｐｐｌｅｒであり、νＤｏｐｐｌｅｒ≒－２・ＶＴ／λ１、λ１は、ＬＩＤＡＲシステム１００によって放出される放射線の波長である。［図１ｂ］の下側の図の横軸は、ｆで示され、メガヘルツ（ＭＨｚ）で表される、ＲＦ領域における周波数値を識別する。縦軸はまた、ヘテロダイン検出信号のスペクトル強度値を識別するための任意の単位である。
【0045】
大気速度測定専用のシステム１００の動作について、パルスＩは、放出光学系１５から出発して、システム１００の外部のパルスビームの経路に沿って分布する多数の標的によって後方散乱される。空気中に浮遊する粒子またはエアロゾルから構成されるこれらの標的は、ビームの経路内の各位置に存在する空気移動の局所速度の関数として沿って引っ張られる。当業者は一般に、標的のそのような分布を、「拡張標的」、「分布標的」、または「体積標的」と呼ぶ。したがって、光学系１５によって収集され、そして検出器２１に伝送されるパルス部分ＲＩは、パルスＩの部分的な後方散乱が生じる、システム１００の放出方向に沿った異なる分離距離に対応して、経時的に広がる。さらに、それらは、部分的な後方散乱がそれぞれ生じる場所での放出方向に平行な局所的な風速に応じて変化するように周波数シフトされる。そしてヘテロダイン検出信号は、より複雑な時間的変動を有する。モジュール３０によって実行されるスペクトル分析は既知であると想定され、その結果として、分離距離Ｄの異なる値に１対１で割り当てられる一連の速度値ＶＴを提供する。既知の方法では分離距離Ｄにおける分解能が、放出されたパルスＩの個々の持続時間によって決定され、この個々の持続時間をＬＩＤＡＲシステム１００の外部のパルス伝播速度の２倍で除算したものに等しい。［図１ｂ］の図と比較して、検出器２１によって受け取られた放射線のスペクトル組成におけるパルス部分ＲＩに対応するピークが拡大される。ＲＦ領域におけるヘテロダイン検出信号のスペクトル組成のピークは、相関的に広げられる。
【0046】
［図２］の図の横軸はｔで示される時間を特定し、その縦軸は、本考案によるＬＩＤＡＲシステム１００の瞬間発光波長λ１を特定する。波長λ１は、ナノメートル（ｎｍ）で表される。この図によれば、ＬＩＤＡＲシステム１００によって放出される一連のパルスＩはいくつかのパルスＩの配列Ｓの反復、例えば１００反復から構成され得る。例えば、配列Ｓは１００μＳ（マイクロ秒）の持続時間を有することができ、それぞれ０．５μＳであり得る個々の持続時間を有する１０個のパルスＩから構成され得る。配列Ｓ内では、パルスＩが有利には２つの連続するパルス間で可変である分離持続時間で分配される。実際に、検出経路２０と共有される伝送経路１０の終端部分における特定の光学構成要素上での各パルスＩの反射のために、各パルスＩの発光は、非常に高い強度が検出器２１の飽和を引き起こす検出信号を生成する。この検出信号はシステム１００内の内部反射によるものであり、一般にナルシッサス信号と呼ばれる。その持続時間の間、それは検出器２１によって受信されたパルス部分ＲＩの検出を、このナルキッサス信号と同時に防止し、それは以前に放出されたパルスＩに対応し、その後、標的によって再帰反射または後方散乱される。このため、連続して放出されるパルス間の分離時間が全て同一である場合、ナルシッサス信号は、ブラインドインターバルと呼ばれる、放出の方向に沿って一定のインターバル内に位置する標的に関する速度を測定することを防止する。配列Ｓ内で連続するパルスを分離する時間を変化させることにより、システム１００の範囲内の任意の位置に位置する標的の速度測定値を得ることが可能になり、パルスの一部は、他のパルスによって引き起こされるブラインド間隔を埋めることが可能になる。各パルスＩは、単色または準単色である。したがって、記載された配列Ｓは、発光波長λについての１０個の異なる値に対応する。これらの１０個の波長値がシステム１００によって生成される順序は、２つの連続して放出されるパルスが異なる波長値を有する限り、問題にならない。さらに、これらの波長値間の差は、配列Ｓの任意の２つのパルスがスペクトル的に十分に分離され、その結果、再帰反射または後方散乱パルス部分ＲＩが有する周波数シフトが配列Ｓの異なるパルス間の全ての分離間隔内に含まれる限り、任意の値とすることができる。説明のために、［図２］では、連続するパルスＩがΔλ１で示される波長値に対して一定の増分を伴って、配列Ｓ内で経時的に増大するそれぞれの波長値を有する。波長増分Δλ１は、－ＣΔλ１／λ０
２に等しい周波数増分Δν１に対応する。この後者の増分は、例えばＲＦドメインにおいて２００ＭＨｚに等しくすることができる。しかしながら、一般に、パルス波長値間の差は、隣接する値の１つのペアから別のペアへ不変であり得る。
【0047】
ここで説明した実施例では、配列Ｓの繰り返し周波数は１０ｋＨｚに等しく、一方、目標速度を測定するために有効なパルス周波数、すなわち周波数ＰＲＦは、配列Ｓのこの繰り返し周波数と配列内のパルス数、すなわち１００ｋＨｚとの積に等しい。
【0048】
本発明によるこのような動作は［図３ａ］に示すように、ＬＩＤＡＲシステム１００によって行うことができる。このシステムは、伝送経路１０がＭＯＤで示される追加の変調器１７と、ＣＴＲＬで示される制御器１８とをさらに備えることを除いて、［図１ａ］のものと同様のハードウェアアーキテクチャを有する。変調器１７は、レーザ放射源１１と電気音響変調器１２との間の第１の光ファイバセグメントＳ１に挿入される。変調器１７の２つの可能な構成を以下に説明する。変調器１７は、制御器１８に関連して、初期レーザ放射線Ｒ０を、［図２］に関連して上述したように可変波長を有する一連の単色パルスに変換する。制御器１８は、連続するパルス間に可変分離持続時間を生成するように変調器１２を同時に制御する。さらに、変調器１２は、変調器１７によって生成されたパルスの各々に周波数シフトΔν０を適用する。
【0049】
再帰反射されると、各パルスＩは、ドップラー効果によってスペクトル的にシフトされる。周波数増分Δν１が波長λ０に対応する光周波数よりもはるかに低いと仮定すると、全てのパルスは、同じドップラー効果周波数シフトνＤｏｐｐｌｅｒを受ける。加えて、周波数増分Δν１は、周波数シフトΔν０に加えられたドップラー効果周波数シフトνＤｏｐｐｌｅｒについて実現可能に予想される全ての数値よりも大きくなるように選択される。
【0050】
伝送経路１０の二次出力１６は、レーザ放射源１１と変調器１７との間に配置される。このようにして、ヘテロダイン検出器２１に伝達される光学基準シグナルＲＲは、依然として、初期レーザ放射線Ｒ０の部分から構成される。特に、それは依然として単色である。
【0051】
［図３ｂ］の上側の図に示されるように、ヘテロダイン検出器２１によって受信される放射のスペクトル組成はレーザ放射源１１からの発光に対応するピークＲＲを依然として含むが、光学系１５によって再帰反射または後方散乱され、次いで収集されたパルス部分に対応するいくつかの追加のピークＲＩも含む。これらのピークＲＩは、放出パルスＩのすべての波長値から生じ、測定情報を含む。それらは、光周波数に関して、νＤｏｐｐｌｅｒのパルスＩに対してスペクトル的にシフトされる。ヘテロダイン検出中、各ピークＲＩは、ピークＲＲと干渉を形成する。［図３ｂ］の下の図に示すように、ヘテロダイン検波信号は、パルスＩの波長値が異なっている限り多くのピークから構成されている。［図３ｂ］の２つの図がパルスＩの波長値が一定の周波数増分Δν１に従って分離されていることに対応している。そして、スペクトル解析部３０は、ヘテロダイン検波信号の全てのピークについて測定された高周波数値に基づいて、ドップラー効果周波数シフトνＤｏｐｐｌｅｒの値を決定する。例えば、ヘテロダイン検波信号の各ピークの中心周波数値に基づいてνＤｏｐｐｌｅｒの基本値を求め、これらの基本値を平均することによりνＤｏｐｐｌｅｒの最終値を算出する。ヘテロダイン検出信号中の全てのピークが互いにインコヒーレントな寄与に対応すると仮定すると、ヘテロダイン検出信号はｎ１／２の因子だけ増加される信号対雑音比値を有し、ここで、ｎは、パルスＩについての様々な波長値の数である。
【0052】
本発明の第１の実施形態では、配列Ｓ内の可変波長値を有する単色パルスＩがセロダイン変調によって生成することができる。この場合、変調器１７は電気光学タイプの変調器とすることができ、制御器１８は、変調器１７の制御入力にセロダイン変調信号を印加するように適合される。そのような変調の原理は、当業者に知られていると仮定される。必要に応じて、「Ｎｅｗ ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｌｉｄａｒ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ＦＰＧＡ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ」（安藤俊之、原口英介（ａ））および大野人見（Ｈｉｔｏｍｉ Ｏｎｏ（ａ））、第１８回コヒーレントレーザレーダ会議（（２０１６年））と題する論文を参照することができる。［図４］の最初の２つの図によれば、この変調信号は放出される放射のパルスＩごとに、同一で時間的に結合された一連の線形位相ランプから構成される。各位相ランプは、０から２πまで個々に変化する。位相ランプの連続は、パルスの持続時間全体を占める。これらの位相ランプは放射の位相の変動の速度の増加を引き起こし、したがって、問題のパルスのための所望の光周波数シフトを生成する。この光周波数シフトは、２πで除算された位相ランプ勾配に直接的に等しい。各パルスＩの持続時間に対して一定であるこの位相ランプ勾配は、２つの連続するパルスの間で変化する。これは、変調器１７からの出力におけるパルスの波長が初期レーザ放射線Ｒ０の波長λ０よりも小さいか又は大きいかに応じて、正又は負とすることができる。［図４］の上の図は、このようなセロダイン変調信号を示している。横軸は時間ｔを示し、縦軸は変調によって生成される位相シフトを示し、ｐｈ．で表され、ラジアンで表される。Ｉ１で示される第１のパルスは、初期レーザ放射線Ｒ０の光周波数に対して４０ＭＨｚに等しい光周波数偏移に対応することができる。このために、その位相ランプの勾配は２π４０ＭＨｚに等しい。Ｉ２で示される第２のパルスの位相ランプはパルスＩ１の位相ランプの２倍急峻であり、パルスＩ２の対応する光周波数シフトは、８０ＭＨｚに等しい。同様に、Ｉ３で示される第３のパルスの位相ランプはパルスＩ１の位相ランプの３倍急峻であり、パルスＩ３の光周波数シフトは１２０ＭＨｚに等しい、等である。［図４］の図において明確にするために、配列Ｓの１０個のパルスのうちの３個のみが表されている。［図３ａ］のＬＩＤＡＲシステム１００の動作において、変調器１２によって生成されたシフトΔν０は、変調器１７によって生成された前のシフトに加えられる。［図４］の中間図は、セロダイン変調が変調器１７によって送信される放射の振幅を変更しないことを示す。この中間図の横軸は時間ｔを再度特定し、縦軸は放射線の強度に対して変調器１７によって生成される減衰の減衰係数を任意の単位（ａ．ｕ．）で特定し、これは、Ａと表される。この係数が実質的に定数であり、１つの単位に可能な限り近い。最後に、［図４］の下図は、得られたヘテロダイン検出信号の周波数分布を示している。この下図の横軸はＲＦ領域における周波数ｆの値を特定し、縦軸は、ヘテロダイン検出信号のパワースペクトル密度を特定する。したがって、パルスＩ１に対応するピークは放出パルスの配列Ｓの全ての反復において、値４０ＭＨｚ ＋ Δν０ ＋ νＤｏｐｐｌｅｒを中心とし、パルスＩ２に対応するピークは値８０ＭＨｚ ＋ Δν０ ＋ νＤｏｐｐｌｅｒを中心とし、パルスＩ３に対応するピークは値１２０ＭＨｚ ＋ Δν等を中心とする。このセロダインモジュレーションは、周波数増分Δν１＝４０ＭＨｚに対応する。
【0053】
本発明の第２の実施形態では、可変波長値の単色パルスＩがＩ／Ｑ変調によって生成することができる。このケースでは、変調器１７は、Ａｌｅｘａｎｄｒｅ Ｍｏｔｔｅ、Ｎｉｃｏｌａｓ Ｂｏｕｒｒｉｏｔ ａｎｄ Ｊeｒoｍｅ Ｈａｕｄｅｎ、Ｐｈｏｔｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、ＺＩ Ｌｅｓ Ｔｉｌｌｅｒｏｙｅｓ－Ｔｒeｐｉｌｌｏｔ、１６ ｒｕｅ Ａｕｇｕｓｔｅ Ｊｏｕｃｈｏｕｘ、２５０００ Ｂｅｓａｎcｏｎ、Ｆｒａｎｃｅによる「ＬｉＮｂＯ３ Ｉ／Ｑ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓに基づく調整可能な周波数移」と題する論文、またはＩｚｕｔｓｕ Ｍａｓａｙｕｋｉ、Ｓｈｉｎｓｕｋｅ Ｓｈｉｋａｍａ ａｎｄ Ｔａｄａｓｉ Ｓｕｅｔａによる「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ＳＳＢ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ／Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔｅｒ」ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓと題する論文のタイプであり得る。それは再結合干渉計とも呼ばれるマッハツェンダ型の主干渉計から構成され、それは、入力としてレーザ放射源１１からの初期レーザ放射線Ｒ０を受け取るように接続され、出力において音響光学変調器１２の光入力に接続される。［図５］によれば、この再結合干渉計は符号１７０で示すように、光源１１と変調器１２との間に並列に配置された２つの光伝播経路、すなわち経路Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４と経路Ａ１Ａ５Ａ６Ａ４とを有する。経路Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４は点Ａ１と点Ａ２との間の電気光学変調器Ｍ５と、点Ａ２と点Ａ３との間の別のマッハツェンダ干渉計とを備え、これは二次干渉計と呼ばれ、基準１７１によって指定される。二次干渉計１７１自身は、点Ａ２と点Ａ３との間に並列に配置された２つの光伝播経路を備える。二次干渉計１７１のこれらの２つの経路の各々は、電気光学変調器、それぞれＭ１およびＭ２を備える。経路Ａ１Ａ５Ａ６Ａ４は、経路Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４と同じ構成になっている。それは点Ａ１と点Ａ５との間の別の電気光学変調器Ｍ６と、点Ａ５と点Ａ６との間の別の二次マッハツェンダ干渉計とを備え、これは符号１７２で示される。二次干渉計１７２自身は、点Ａ５と点Ａ６との間に並列に配置された２つの光伝播経路を備える。これらの最後の２つの経路のそれぞれは、電気光学変調器、それぞれＭ３およびＭ４を備える。このような変調器１７は、それぞれの電極に関連するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の部分に基づいて実装される電気光学変調器Ｍ１～Ｍ６を有する集積光回路の形態で実装することができる。集積光回路のためのいくつかの技術が当業者に知られており、それらは本発明によるＬＩＤＡＲシステム１００のそのような実施形態のために使用することができる。
【0054】
制御器１８は電気光学変調器Ｍ１～Ｍ６のそれぞれの電極に電圧を印加し、その結果、これらの各々は、それが透過する初期レーザ放射線Ｒ０の部分に対して光位相ずれを生成する。したがって、変調器Ｍｉは光位相偏移φｉを生成し、ここで、ｉは、１から６まで変化する自然整数指数である。これらの条件下で、二次マッハツェンダ干渉計１７１は、点Ａ２と点Ａ３とを接続する２つの光伝播経路の間に第１の位相ずれを適用する。この第１の位相ずれはΦ１＝φ１－φ２である。同様に、二次マッハツェンダ干渉計１７２は点Ａ５と点Ａ６：Φ２＝φ３－φ４とを接続する２つの光伝播経路の間に、第２の位相シフトΦ２を印加する。最後に、再結合マッハツェンダ干渉計１７０は、２つの光伝播経路Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４とＡ１Ａ５Ａ６Ａ４：Φ３＝φ５－φ６との間に第３の位相ずれΦ３を印加する。したがって、変調器１７は制御器１８が電気光学変調器Ｍ１～Ｍ６に電圧を印加するときに、初期レーザ放射線Ｒ０のための光周波数シフト機能を有する。
【0055】
ΦΦ１＝φ１－φ２＝π＋α・ｓｉｎ（Δν１・ｔ）、
ΦΦ２＝φ３－φ４＝π＋α・ｓｉｎ（Δν１・ｔ＋±π／２）、および
ΦΦ３＝φ５－φ６＝±π／２。
ΦΦ２＝φ３－φ４＝π＋α・ｓｉｎ（Δν１・ｔ＋±π／２）、および
ΦΦ３＝φ５－φ６＝±π／２。
【0056】
したがって、位相シフトΦΦ１およびΦΦ２は、上記で導入された、高周波領域に属する光周波数シフトΔν１に等しいことが意図される周波数に従って、時間ｔに応じて正弦波変動を有する。電気光学変調器Ｍ１～Ｍ６のための制御電圧を生成するために、制御器１８は、「任意波形発生器」のための、ＡＷＧタイプの発電機を組み込むことができる。
【0057】
距離分解能の実装はサンプリングされた分離距離値に関する速度測定結果を得るために、上記で提示された本発明の実装形態に関連して説明されていないが、そのような距離分解能を得る原理は［図１ａ］のシステム１００について説明されたように使用され得る。
【0058】
本発明のすべての実施形態では、各パルスが、光ファイバセグメントＳ１およびＳ２ならびに光増幅器１３、光サーキュレータ１４、ならびにこれらの間にあり、発光学系１５に至る光ファイバセグメントにおいて生じる誘導ブリルアン散乱の閾値をちょうど下回る個々のピークパワー値を有することができる。システム１００の温度範囲Ｌについて同一の値ではパルスの総数に、パルスについての異なる波長値の数ｎを乗算するが、各パルスの個々のエネルギーは本発明の前に使用されたものと同一とすることができる。これにより、ヘテロダイン検波を用いたＬＩＤＡＲシステムの動作に対して、ｎ因子の１／２の改良が得られる。したがって、本発明によるヘテロダイン検出を有するパルスＬＩＤＡＲシステムは、再帰反射または後方散乱パルス部分が低電力または非常に低電力を有する測定条件に特に適している。したがって、これらは、大気速度測定を実行するのに特に適している。
【0059】
本発明は引用された利点の少なくともいくつかを保持しながら、上で詳細に説明された実施形態の二次的態様を修正しながら再現され得ることが理解される。特に、以下のような変形が可能である。
【0060】
記載された実施形態において使用される構成要素のいくつかは、他の構成要素によって、または同等の機能を生成する構成要素の組合せによって置き換えることができる。例えば、各音響光学変調器は、変調器として使用される半導体光増幅器、又はＳＯＡに置き換えることができる。
【0061】
［図３ａ］のＬＩＤＡＲシステムアーキテクチャに関して、伝送経路１０の二次出力１６は、電気光学変調器１７と電気音響変調器１２との間を移動することができる。ヘテロダイン型検出の動作は、この新しい位置において検出経路２０の基準入力を二次出力１６に接続することによって依然として得られる。次いで、ヘテロダイン検出信号は、パルス繰り返し周波数ＰＲＦによって制限されるＬＩＤＡＲシステムの温度範囲Ｌ内に存在する１つまたは複数のターゲットの検出に対応する１つまたは複数の一次ピークと、主に一連のパルス間のスペクトル差に従ってシフトされ、温度範囲Ｌを超えて存在する１つまたは複数の追加の標的に対応し、追加の標的のうちの１つによって後方散乱された各パルス部分を生じさせた１つに続く少なくとも１つの後続のパルスの発光後に後方散乱されるパルス部分とからなる。
【0062】
引用された全ての数値は例示の目的のためだけのものであり、ヘテロダイン検出を有するパルスＬＩＤＡＲシステムのために考慮される用途に応じて変更することができる。
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルスＬＩＤＡＲシステム（１００）であり、前記システムによって標的（Ｔ）に向かって連続的に放出される一連の放射線パルス（Ｉ）によって受けるドップラー効果周波数シフト（νＤｏｐｐｌｅｒ）の値を、前記標的上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られた前記パルスの一部（ＲＩ）と、前記システムによって放出される前記パルスとの間で決定し、前記周波数シフトについて決定された前記値に基づいて、前記システムの光放出方向に平行な前記標的の速度成分（ＶＴ）の推定値を提供するように適合されたシステムであって、前記システム（１００）は、
前記一連のパルス（Ｉ）を生成するように構成された伝送経路（１０）と、
前記標的（Ｔ）上での再帰反射または後方散乱の後に受け取られた前記パルス部分（ＲＩ）を検出し、前記一連のパルス（Ｉ）に対応するヘテロダイン検出信号を生成するように構成された検出経路（２０）と、
前記一連のパルス（Ｉ）に対応するヘテロダイン検出寄与から前記周波数シフト（νＤｏｐｐｌｅｒ）の値が生じるように、前記ヘテロダイン検出信号のスペクトル分析を実行するように適合されたスペクトル分析モジュール（３０）と、を備え、
前記システム（１００）は、前記標的（Ｔ）を形成する懸濁粒子を含む雰囲気の部分に向かって前記放射線パルス（Ｉ）を放出するように向けられたときに、空気流速成分の推定値を提供するように適合され、前記粒子は、前記放射線を後方散乱させるものであり、
前記伝送路（１０）は、標的（Ｔ）に向かって連続的に放出される２つのパルス（Ｉ）が、スペクトル的に分離され、異なるそれぞれの中心波長値に関連付けられるようにさらに構成され、
他のヘテロダイン検出スペクトル寄与とは無関係に、各ヘテロダイン検出スペクトル寄与に基づいて前記ドップラー効果周波数シフトについて基本値を決定し、次いで、前記基本値を平均することによって前記ドップラー効果周波数シフトについての最終値を計算することによって、前記スペクトル解析モジュール（３０）によって決定される前記周波数偏移（νＤｏｐｐｌｅｒ）の前記値が、前記スペクトル的に分離されたパルスにそれぞれ対応し、かつ前記中心波長値が異なっているいくつかのヘテロダイン検波寄与の組合せから生じるように、前記システム（１００）が適合される、ことを特徴とするシステム（１００）。
【請求項2】
前記伝送経路（１０）は、連続的に放出される任意の二つの放射線パルス（Ｉ）が、少なくとも１０ＭＨｚ、好ましくは少なくとも２０ＭＨｚ、最大で２０００ＭＨｚだけスペクトル的に分離されるようにさらに構成される、請求項１に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項3】
前記伝送経路（１０）は、前記一連のパルス（Ｉ）が、前記パルスの中心波長値の一定の配列を繰り返すようにさらに構成される、請求項１に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項4】
前記伝送路（１０）は、前記繰り返し配列内の連続的に放出されるパルス（Ｉ）のペアに関連する前記中心波長値間の差が一定であるようにさらに構成される、請求項３に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項5】
前記伝送路（１０）は、前記一連のパルス（Ｉ）についての複数の異なる中心波長値が２と１６との間であるようにさらに構成される、請求項１に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項6】
前記伝送経路（１０）は、連続して放出されるパルス（Ｉ）間の持続時間が前記一連のパルスの過程にわたって変化するようにさらに構成される、請求項１に記載のパルスＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項7】
前記伝送経路（１０）が、
初期レーザ放射線（Ｒ ０ ）を生成するように適合されたレーザ放射源（１１）と、
少なくとも１つの制御入力に印加される変調信号に従って、前記初期レーザ放射線（Ｒ ０ ）を修正するように構成される、少なくとも１つの変調器と、
前記少なくとも１つの制御入力に前記変調信号を印加するように接続されたコントローラ（１８）と、を含み、
前記変調信号は、前記初期レーザ放射線（Ｒ ０ ）が前記変調器（１７）によって前記一連のパルス（Ｉ）に変換され、２つの連続するパルスがスペクトル的に分離され、中心波長値が異なっており、
ヘテロダイン検出に使用される前記検出経路（２０）の基準入力は、前記レーザ放射源（１１）と前記変調器（１７）との間に位置する前記伝送経路（１０）の二次出力（１６）に接続される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項8】
前記変調器（１７）が位相変調器であり、
前記変調信号は、線形位相シフトランプの時間的に離散した配列（Ｓ）から構成される位相変調信号であり、
前記線形位相シフトランプは、各配列内で同一で連続し、異なる配列間で異なる勾配を有するものであり、
前記線形位相シフトランプの配列は、前記ＬＩＤＡＲシステム（１００）によって放出される前記パルス（Ｉ）に１対１で対応する、請求項７に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項9】
前記変調器（１７）が、
再結合マッハツェンダ干渉計（１７０）と、前記再結合マッハツェンダ干渉計の２つの別々の光伝播経路上にそれぞれ１つずつ配置され、以下の位相シフトを適用するための手段を備える２つの２次マッハツェンダ干渉計（１７１、１７２）とを含み、
前記２つの２次マッハツェンダ干渉計（１７１、１７２）のうちの第１のものの２つの別々の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第１の位相シフト成分との和に等しい、第１の位相シフトと、
前記２つの２次マッハツェンダ干渉計（１７１、１７２）のうちの第２のものの２つの別個の光伝搬経路の間に適用され、時間の関数として正弦波的に変化するπと第２の位相シフト構成要素との和に等しく、共通周波数を有する時間の関数として正弦波的に変化し、互いに直角位相である、第２の位相シフトと、
前記再結合マッハツェンダ干渉計（１７０）の前記２つの光伝搬経路の間に適用され、πの±半減に等しい、第３の位相シフトと、を含み、
前記第１及び第２の位相シフト構成要素の共通周波数が、前記放射線パルス（Ｉ）の前記中心波長値と、前記レーザ放射源（１１）によって生成される初期レーザ放射線（Ｒ ０ ）の波長値との間の差分を決定する時間の関数として正弦波的に変化する、請求項７に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項10】
少なくとも一つの前記伝送経路（１０）および前記検出経路（２０）が、前記伝送経路および前記検出経路の構成要素をそれぞれ相互接続するために、光ファイバ技術によって実装される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【国際調査報告】