JPH04299236A - 遠隔感知装置 - Google Patents

遠隔感知装置

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JPH04299236A
JPH04299236A JP32296091A JP32296091A JPH04299236A JP H04299236 A JPH04299236 A JP H04299236A JP 32296091 A JP32296091 A JP 32296091A JP 32296091 A JP32296091 A JP 32296091A JP H04299236 A JPH04299236 A JP H04299236A
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radiation
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tunable
atmosphere
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Richard Mcalpine Barr John
ジョン　リチャード　マクアルピン　バー
Colin Hanna David
ディビッド　コリン　ハンナ
Hamann Henrik
ヘンリク　ハーマン
Graham Stevens David
ディビッド　グレアム　スティーブンス
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BP PLC
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、大気中の汚染物質や
天然資源のような揮発性物質を検出する光学分光計シス
テムに関する。
【０００２】
【従来の技術】海面もしくは海面上および地表面もしく
は地表面上で揮発性物質の存在による光学応答における
偏差を検出することは、汚染現象や天然資源を確認し位
置を知る際に重要な意義を有し得る。後者の特に重要な
例は、陸上または海上にある地下の貯蔵地に由来する炭
化水素の自然浸透である。この課題のため空挺台座に光
学装置を組み込むことにより、迅速な調査技術が提供さ
れる。
【０００３】沖合石油探査技術、特に地震反射を使用す
るものは、潜在的に油を担持する岩磐の構造や厚さを探
査井戸から高度の信頼性で決定することができる程発展
した。しかしながら、井戸が広範囲に分散していたり井
戸が全くない地域がなお多く、そのような場所では、石
油が生成したか否かやその後の歴史を決定するには地球
化学的情報が不十分である。
【０００４】このような状況の下、地表下における石油
の存在についての直接的な情報の必要性が存する。石油
のガス相は浮揚性があり、幾つかの確立された沖合産出
地方で示されているように、トラップシールを突破し表
土を通過して上昇し海中にて流動するガス質の浸透物を
生成する能力を有する。油地帯からのガス浸透に起因す
る泡柱が、例えば北海、メキシコ湾およびブルネイ沖で
報告されている。
【０００５】赤外領域のレーザービームを使用して大気
中のガスを検出することは既に開示されている。カナダ
特許第８０８，７６０号には、航空機に埋設したヘリウ
ム−ネオンレーザーのような貴ガスレーザーを使用して
炭化水素ガスを検出することが記載されている。簡単に
説明すると、この方法は同一のレーザーまたは２つのレ
ーザーに由来する僅かに異なる波長の２つのレーザービ
ームを使用することからなる。予備選択された１つの波
長は検出すべきガスによってよく吸収されるが、他方は
そうではなく、これにより示差吸収が与えられる。レー
ザービームは問題とするガス中を通過して反射され、２
つのビームの強度を測定する通常の検出器に戻る。測定
強度に何らかの差があれば、問題とするガスの存在と量
が決定される。大気中のダスト、水滴および他の光散乱
物質は２つのビームに対して同様の様式で作用するため
、影響因子から除外される。
【０００６】理論的にはこの種の検出手段は予備選択さ
れたガスの存在または不存在を決定するには満足し得る
ものであるべきであるが、実際にはそうではない。この
種のレーザーによって放射される波長の数が制限されて
おり、単独または組合せて大気中に存在する可能性のあ
る妨害ガスの数が多いためである。例えば、この種のレ
ーザーとして最も一般的で頻繁に使用されるのはヘリウ
ム−ネオンレーザーであるが、これは幾つかの別個の波
長を放射するものの、これらの内の１つのみがメタンに
対して選択的であり、他のアルカンの検出に有用なもの
はない。
【０００７】ヘリウム−ネオンレーザーでは十分に検出
できないエチレンのような他のガスの選択的検出を可能
とするため、他のガスレーザーでヘリウム−ネオンレー
ザーを置換することができる。イー・アール・ミュライ
とジェイ・イー・ファン・デル・ラーンによるアプライ
ド・オプチクス、第１７巻第８１４頁（１９７８年３月
）中の「ＣＯ２示差吸収ライダーを使用するエチレンの
遠隔測定」と題する記事には、ＣＯ２レーザーにより放
射された波長の選択吸収により大気中のエチレンガスを
検出することが記載されている。
【０００８】結晶を二重化し混合して使用することによ
り、レーザー源から放射される波長の数を増加させ、更
に周波数範囲も変更できることが知られている。エヌ・
メニュックとジー・ダブリュ・イセラーによる「タンデ
ムＣｄＧｅＡｓ２結晶におけるＣＯ２レーザー放射の有
効な周波数三重化」と題するオプチクス・レターズ、第
４巻第５５頁（１９７９年２月）の記事には、ＣｄＧｅ
Ａｓ２結晶を使用してＣＯ２レーザー放射を周波数三重
化して１つの結晶にて第２調波形成を与え、その後第２
結晶にて基本および第２調波の和の混合振動数を与える
ことが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多数の
異なるガスまたは混合物が存在し得る大気中のガスの検
出にこの種の技術を使用し応用するに際しては、より柔
軟性を有し得るシステムに対する必要性がなお残ってい
る。例えば、使用するＣＯ２レーザーシステムは１０ミ
クロンの領域で８０の異なる波長で放射を発する。周波
数三重化技術により３０００ｎｍ領域で８０を越える波
長が与えられ得るが、利用可能な波長の数はなお過少で
あり、幾つかのガスに対して有用なスペクトル的適合を
与えることができない。示差吸収信号を測定するために
は、検出するそれぞれのガスに対してスペクトル対合が
必要である。
【００１０】更に、他のガスも存在する場合は幾つかの
対合は有用たり得ないため、１以上の対合を用意するこ
とがしばしば必要である。これは、標的化学種のものと
重複する有意義な吸収係数波長を有することによりこれ
らの幾つかのガスが干渉し得るため、これらのガスを互
いに識別することが不可能なためである。
【００１１】よって、利用可能な多数の波長を有するこ
とが望ましい。例えば、メタンの検出ではそれ自体殆ど
問題はない。しかしながら、多数の他のガスの存在下で
メタンを測定しようと試みると困難なこととなる。同一
の源から発する多数の炭化水素による天然ガスパイプラ
インの漏出を探すような場合である。他の例は石油探査
であり、この場合は炭化水素や空気汚染物質のような種
々の他のガスが潜在的干渉体となる。したがって、３０
００〜５０００ｎｍ領域内で連続的に整調し得る装置を
有することが望ましい。
【００１２】移動する空挺台座から行う吸収解析に特に
有意義な装置をこの度発案したが、これにあっては、２
つのレーザービームを用い、吸収信号に高レベルのノイ
ズを与える大気の乱れや地勢的標的の変化を防止するこ
とができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】よって本発明によれば、
移動する空挺台座にて使用し大気中の標的ガスを検出す
る装置であって、スペクトルの赤外領域中の少なくとも
２つの整調し得るレーザービームを発生させる少なくと
も２つの整調し得るレーザーダイオードに接続されたソ
リッドステートレーザーからなる整調し得るレーザー源
、好ましくはパルスレーザー源からなり、少なくとも１
つのビームは標的ガスの共鳴周波数に対して整調するこ
とができ、少なくとも１つのビームは標的ガスのオフレ
ゾナンス周波数に対して整調することができ、ビームが
同軸的に伝達されるような様式で陸地または海洋の反射
表面に対してビームを指向させ大気を介して解析する手
段を設け、ビームは、オンレゾナンスビームが標的ガス
（大気中に存在する場合）の存在によって減衰され、オ
フレゾナンスビームが標的ガスによって減衰されないよ
うな波長のものとし、標的ガスにより吸収される波長の
反射レーザー放射および標的ガスにより吸収されない波
長の反射レーザー放射を補集する手段を設け、更に標的
ガスにより吸収される波長の反射レーザー放射と標的ガ
スにより吸収されない波長の反射レーザー放射との間の
帰還エネルギーの差によって決定される示差信号を発生
する手段を設けることを特徴とする装置が提供される。
【００１４】この装置は、大気中の２以上の標的ガスを
検出するために適用することができ、これは少なくとも
３つの整調し得るレーザービームを発生させることがで
きる整調し得るレーザー源を用いることにより、少なく
とも１つのビームは１つの標的ガスの共鳴周波数に対し
て整調することができ、少なくとも１つのビームは他の
標的ガスの共鳴周波数に対して整調することができ、少
なくとも１つのビームは標的ガスのオフレゾナンス周波
数に対して整調することができるものとする。
【００１５】空挺に応用するため、オンおよびオフレゾ
ナンスレーザーパルスのタイミング分離は、大気の変動
（＜１／２ミリ秒）およびビームスポットの下に到来す
る新たな地勢的標的（約６ミリ秒）に対する時定数より
小さいものとすべきである。よって２つのレーザーを同
期させることにより、高速で移動する空挺台座からの実
際のＤＩＡＬ（示差吸収ライダー）に対する経路が与え
られる。
【００１６】オンおよびオフレゾナンスレーザーパルス
は互いに波長が近接するものとすべきであり、顕著なレ
ーザー光が集光器に帰還する反射体の示差効果がＤＩＡ
Ｌ信号と混同しないことを確実にし、更に時に応じてこ
れらのビームが通過する大気が、シンチレーション効果
および粒子散乱および屈折率に対して有効に「凍結」し
たものであることを確実にする。
【００１７】ソリッドステートレーザーはＮｄ：ＹＬＦ
、Ｎｄ：ガラス、Ｔｉ：サファイア、Ｅｒ：ＹＡＧまた
はアレキサンドライトレーザーとすることができる。 しかしながら、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーとするのが好適で
ある。
【００１８】大気を介して解析すべくビームを下方に指
向させる手段はフェーズプレートからなり、好ましくは
分配ランダム二重または三重フェーズフレートとする。
【００１９】適切な放射補集手段には光学望遠鏡が包含
される。
【００２０】標的ガスにより吸収される波長の反射レー
ザー放射と標的ガスにより吸収されない波長の反射レー
ザー放射との間の帰還エネルギーの差によって決定され
る示差信号を発生する手段は、反射放射を少なくとも２
つの成分に分割し、全帰還放射の画分のその成分に対応
する全ての放射を有効に吸収するのに十分高い濃度の適
切なガス、通常は検出されるべきガスを含有するセルを
少なくとも１つのものに通過させる手段からなるものと
し得る。
【００２１】検出の後、信号の出力は通常は記録し、所
望に応じて表示および／または保存することができる。
【００２２】本発明の範囲内で、検出できる多数の標的
ガスがあり、これにはオゾン、二酸化イオウ、一酸化炭
素および窒素酸化物のような汚染物質および揮発性炭化
水素、例えば軽質アルカン、例えばメタンおよび／また
はエタンのような天然資源が包含される。
【００２３】この発明の他の観点によれば、移動する空
挺台座にて実施して大気中の標的ガスを検出する方法で
あって、少なくとも２つの整調し得るレーザーダイオー
ドに接続されたソリッドステートレーザーからなる整調
し得るレーザー源からスペクトルの赤外領域の整調し得
るレーザービーム、好ましくはパルスレーザービームを
発生させ、少なくとも１つのビームを１つの標的ガスの
共鳴周波数に対して整調し、少なくとも１つのビームを
標的ガスのオフレゾナンス周波数に対して整調し、ビー
ムが同軸的に伝達されるような様式で陸地または海洋の
反射表面に対してビームを指向させ大気を介して解析し
、ビームは、オンレゾナンスビームが標的ガス（大気中
に存在する場合）の存在によって減衰され、オフレゾナ
ンスビームが標的ガスによって減衰されないような波長
のものとし、標的ガスにより吸収される波長の反射レー
ザー放射および標的ガスにより吸収されない波長の反射
レーザー放射を補集し、標的ガスにより吸収される反射
レーザー放射と標的ガスにより吸収されない波長の反射
レーザー放射との間の帰還エネルギーの差によって決定
される示差信号を発生することからなることを特徴とす
る方法が提供される。
【００２４】この方法は、整調し得るレーザー源が少な
くとも３つの整調し得るレーザービームを発生させ、少
なくとも１つのビームを１つの標的ガスの共鳴周波数に
対して整調し得るものとし、少なくとも１つのビームを
他の標的ガスの共鳴周波数に対して整調し得るものとし
、少なくとも１つのビームを標的ガスのオフレゾナンス
周波数に対して整調し得るものとすることにより、大気
中の２以上の標的ガスを検出するために適用することが
できる。
【００２５】広い範囲のレーザーが知られているが、そ
のそれぞれは特徴的な波長の放射を発し、適切なレーザ
ーと所望の標的ガスの共鳴および非共鳴周波数とを直接
合致させることがしばしば可能である。
【００２６】しかしながら、直接合致させることが不可
能な場合もあり、このような場合は周波数変換の技術を
採用することが必要である。
【００２７】例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーに基く周波
数変換システムをこの度発案したが、これは好ましくは
約１０６４ｎｍで放射し、整調し得るレーザーダイオー
ドが好ましくは８１０ｎｍまたは１５５０ｎｍで放射し
、これは約１５５０および３３９０ｎｍの狭いライン幅
で整調し得る放射の形成に用いることができる。
【００２８】これらのシステムは次のようなパラメトリ
ックプロセスに基くものである。
【００２９】（１）８１０ｎｍの整調し得るレーザーダ
イオードを、例えば５３２ｎｍの固定周波数Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザーから二重化出力の供給を受けて約１５５０ｎ
ｍの整調し得る放射を発生し得る光学的パラメトリック
発振器に対する注入源として使用することができる。
【００３０】（２）１５５０ｎｍを発生する他の方法は
、整調し得る１５５０ｎｍのダイオードの後にＥｒ−フ
ァイバー増幅器ステージを使用して十分なエネルギーを
発生させ、例えば、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ
ーからの固定周波数基礎出力をポンプとして使用して光
学的パラメトリック増幅器にて更に増幅し変換するもの
である。
【００３１】（３）また、整調し得る１５５０ｎｍのダ
イオードを、例えば１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ
ーからの固定周波数出力の供給を受けた場合、約１５５
０ｎｍの整調し得る放射を発生し得る光学的パラメトリ
ック発振器に対する注入源として使用することができる
。
【００３２】全ての場合において、これらの全ゆる起源
に由来する整調し得る１５５０ｎｍの放射を使用し、光
学的パラメトリック増幅器に供給することができ、例え
ば１０６４ｎｍの放射を供給して整調し得る高いエネル
ギーの１５５０および３３９０ｎｍの両者の放射を得る
ことができる。
【００３３】（４）他の態様では（２）の構成を使用し
、光学的パラメトリック増幅器から整調し得る１５５０
ｎｍおよび３３９０ｎｍの放射の両者を直接形成するも
のであり、これは例えば１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレ
ーザーからの固定周波数基礎出力の供給を受けた場合、
１５５０ｎｍおよび３３９０ｎｍに近い整調し得る放射
を発生することができ、１５５０ｎｍの放射はフィルタ
除去することができるものである。
【００３４】（５）更に他の態様では、（３）の構成を
使用し、光学的パラメトリック発振器から整調し得る１
５５０ミクロンおよび３３９０ｎｍの放射の両者を直接
形成するものであり、これは例えば１０６４ｎｍのＮｄ
：ＹＡＧレーザーからの固定周波数基礎出力の供給を受
けた場合、１５５０ｎｍおよび３３９０ｎｍに近い整調
し得る放射を発生することができ、１５５０ｎｍの放射
はフィルタ除去することができるものである。
【００３５】カリウムチタニルリン酸ＫＴｉＯＰＯ４お
よびニオブ酸カリウムＫＮｂＯ３は、光学的パラメトリ
ック発振器または増幅器の構成で使用する好適な非線形
光学材料である。しかしながら、この発明では他の非線
形光学材料も利用することができる。
【００３６】２つのガス、例えばメタンおよびエタンを
同時に検出する場合、３つのレーザービーム（予想され
るような４つではない）を用いてこれを達成することが
できる。３つのビームは、（ａ）メタンの共鳴周波数に
整調したもの（λ＝２９９０．００ｃｍ−１、波長３．
３３４４μｍ）、（ｂ）エタンの共鳴周波数に整調した
もの（λ＝２９９６．８５ｃｍ−１、波長３．３３６８
μｍ）および（ｃ）エタンの非共鳴周波数に整調したも
のであって同時にメタンの非共鳴周波数となるよう選択
したもの（例えばλ＝２９９７．６０ｃｍ−１、波長３
．３３６０μｍ）である。
【００３７】フェーズプレート、好ましくは分配ランダ
ム二重もしくは三重フェーズプレートを伝達孔部に存在
させるものとして、もともと波の先頭の均一性に乏しい
出力レーザービームを均一にし、伝達の同軸性を向上さ
せ、不均一な標的との相互作用に起因する帰還放射の変
動を低いものとすることができる。
【００３８】反射放射を少なくとも２つの成分に分割し
、全帰還放射の画分のその成分に対応する全ての放射を
有効に吸収するのに十分高い濃度の適切なガスを含有す
るセルを少なくとも１つのものに通過させる工程からな
る方法により、標的ガスにより吸収される波長の反射レ
ーザー放射と標的ガスにより吸収されない波長の反射レ
ーザー放射との間の帰還エネルギーの差によって決定さ
れる示差信号を得ることができる。
【００３９】例えば２つのガス、例えばメタンおよびエ
タンを検出する場合、反射放射を３つの成分に分けるこ
とができる。１つは検出器に達する前にメタンのセルを
通過したものとし、１つはエタンのセルを通過したもの
とし、１つは干渉なしに検出されたものとすることがで
きる。
【００４０】
【作用】この装置は、同様の目的に現在用いられる装置
より簡単で重量は軽いが、この種のものは整調性のため
、レーザー源と波長をシフトさせる手段を要する。この
種の装置は次のものを含む： １．結晶において周波数混合が結果的に異なる液体色素
レーザー、 ２．同様に結晶において周波数混合が結果的に異なる整
調し得るソリッドステート可視レーザーおよび３．結晶
において結果的に二重性および混合性を有する多重ガス
レーザー。
【００４１】本発明によるレーザーシステム全体は、前
記したシステムで使用されるレーザーより実質的に少な
い電力を要するのみで、高いパルスエネルギーを有し、
より効率的で明るいものである。
【００４２】パルス化パラメトリック変換プロセスを与
える連続波ダイオード技術により、複雑なパルスタイミ
ング設定の必要性が除去される。
【００４３】
【発明の効果】光源のコンパクトで軽量な性質および構
成を頑丈なものとし得ることから、これは陸上または海
洋を移動する台座で使用するのに適切であり、空挺台座
の場合は尚更であるが、所望に応じて静止位置で使用す
ることもできる。
【００４４】応用としては、汚染物質の検出、ガス浸透
の探索および漏れ検出のためのパイプラインの監視等が
ある。
【００４５】
【実施例】これに限定されるものではないが、添付図面
である図１〜９を参照してこの発明を説明する。
【００４６】図１を参照すると、放射の一次供給源は入
射源パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー（３９）であり、狭い
バンドの１０６４ｎｍの偏光放射を発生する。これに由
来する放射はミラー（４０）によって指向され、その後
ビームスプリッタ（３８）により部分的に反射されてＳ
ＨＧ（第２調波発生器）（３７）に至り、ここでその波
長は５３２ｎｍに二等分される。後者の放射はその後ミ
ラー（４１）により指向され、適切な相適合角度で整列
する適切な非線形結晶（３２）（例えばニオブ酸カリウ
ムまたはチタニルリン酸カリウム）からなる光学的パラ
メトリック発振器に対して供給するよう使用され、１５
５０ｎｍ付近のパラメトリック放射生成を生起する。ま
た、光学的パラメトリック発振器は適切なキャビティ、
例えば３つのミラー（４２）からなる移動波リングキャ
ビティからなり、ポンプ放射の侵入を可能とし、１５５
０ｎｍ付近の所望のパルス放射の出力および整調し得る
レーザーダイオード（３１）からの８１０ｎｍ付近の狭
いバンドで操作する連続波供給放射の入力を可能とする
。
【００４７】結合パルス５３２ｎｍおよび連続波８１０
ｎｍ放射は、パラメトリック処理の効率が至適化される
ような様式にて調整された偏光を有する。
【００４８】光学的パラメトリック発振器（３２および
４２）からの放射はその後適切なフィルタ（３３）によ
りフィルタ処理され、１５５０ｎｍ以外の全ゆる波長の
放射が除去される。この結果得られる狭いバンドのパル
ス１５５０ｎｍ放射をその後ビーム結合器（３４）によ
りビームスプリッタ（３８）に由来する１０６４ｎｍの
狭いバンドの偏光放射と結合させる。結合した１５５０
ｎｍおよび１０６４ｎｍの狭いバンドの偏光放射をその
後適切な相適合角度で整列した適切な非線形結晶（例え
ばニオブ酸カリウムまたはチタニルリン酸カリウム）か
らなる光学的パラメトリック増幅器（３５）に供給し、
狭いバンド１０６４ｎｍによる狭いバンド１５５０ｎｍ
放射のパラメトリック増幅を生起すると同時に３３９０
ｎｍ付近の狭いバンドの偏光放射を生成する。
【００４９】最後に、狭いバンド１５５０ｎｍおよび狭
いバンド３３９０ｎｍの放射を適切なダイクロイックビ
ームスプリッタプリズムまたは回折格子（３６）により
分離する。
【００５０】図２を参照すると、放射の一次供給源は入
射源パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー（５７）であり、狭い
バンドの１０６４ｎｍの偏光放射を発生する。これに由
来する放射はビームスプリッタ（５８）により部分的に
反射された後、ビーム結合器（５３）により、適切な増
幅器（５２）（例えば希土類（エルビウムとし得る）ド
ープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ））により予め増幅さ
れた整調し得る連続波レーザーダイオード（５１）に由
来する狭いバンドの１５５０ｎｍ付近の偏光放射と結合
される。結合連続波１５５０ｎｍおよびパルス１０６４
ｎｍ放射は、パラメトリック処理の効率が至適化される
ような様式にて調整された偏光を有する。その後これら
を適切な相適合角度で整列する適切な非線形結晶（例え
ばニオブ酸カリウムまたはチタニルリン酸カリウム）か
らなる光学的パラメトリック増幅器（５４）に対して供
給し、１０６４ｎｍによる１５５０ｎｍ放射のパルスパ
ラメトリック増幅を生起し、同時に３３９０ｎｍの狭い
バンドの偏光放射を生成する。３３９０ｎｍのこの放射
は、その後適切なフィルタ（６１）によりフィルタ処理
する。
【００５１】この結果得られる狭いバンドのパルス１５
５０ｎｍ放射をその後ビーム結合器（５５）により、ミ
ラー（５９）により予め指向されたビームスプリッタ（
５８）に由来する１０６４ｎｍの狭いバンドの偏光放射
と結合させる。結合した１５５０ｎｍおよび１０６４ｎ
ｍの狭いバンドの偏光放射をその後適切な相適合角度で
整列した適切な非線形結晶（例えばニオブ酸カリウムま
たはチタニルリン酸カリウム）からなる第２光学的パラ
メトリック増幅器（５６）に供給し、狭いバンド１０６
４ｎｍによる狭いバンド１５５０ｎｍ放射のパラメトリ
ック増幅を生起すると同時に３３９０ｎｍ付近の狭いバ
ンドの偏光放射を生成する。
【００５２】最後に、狭いバンド１５５０ｎｍおよび狭
いバンド３３９０ｎｍの放射を適切なダイクロイックビ
ームスプリッタプリズムまたは回折格子（６０）により
分離する。
【００５３】また、（６１）をパスバンドフィルタとす
る場合、３３９０ｎｍの狭いバンドの偏光放射を（６１
）の直後で抽出することもできる。
【００５４】図３を参照すると、放射の一次供給源は入
射源パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー（７６）であり、狭い
バンドの１０６４ｎｍの偏光放射を発生する。これに由
来する放射はミラー（７７）によって指向され、その後
ビームスプリッタ（７８）により部分的に反射される。 この放射はその後ミラー（８０）により指向され、適切
な相適合角度で整列する適切な非線形結晶（７２）（例
えばニオブ酸カリウムまたはチタニルリン酸カリウム）
からなる光学的パラメトリック発振器に至り、１５５０
ｎｍの狭いバンドの偏光放射のパルスパラメトリック生
成を生起すると同時に３３９０ｎｍの狭いバンドの偏光
放射を生成する。また、光学的パラメトリック発振器は
適切なキャビティ、例えば３つのミラー（８１）からな
るリングキャビティからなり、ポンプ放射の侵入を可能
とし、１５５０ｎｍ付近の所望のパルス放射の出力およ
び１５５０ｎｍ付近の狭いバンドで操作する整調し得る
レーザーダイオード（７１）からの連続波供給放射の入
力を可能とするのに適切である。３３９０ｎｍの放射は
その後適切なフィルタ（７３）によりフィルタ除去する
。
【００５５】結合パルス１０６４ｎｍおよび連続波１５
５０ｎｍ放射は、パラメトリック処理の効率が至適化さ
れるような様式にて調整された偏光を有する。
【００５６】光学的パラメトリック発振器（７２および
８１）からの１５５０ｎｍの出力はその後ビーム結合器
（７４）によりビームスプリッタ（７８）に由来する１
０６４ｎｍの残存する放射と結合させる。結合した１５
５０ｎｍおよび１０６４ｎｍの狭いバンドの偏光放射を
その後適切な相適合角度で整列した適切な非線形結晶（
例えばニオブ酸カリウムまたはチタニルリン酸カリウム
）からなる光学的パラメトリック増幅器（７５）に供給
し、狭いバンド１０６４ｎｍによる狭いバンド１５５０
ｎｍ放射のパラメトリック増幅を生起すると同時に３３
９０ｎｍ付近の狭いバンドの偏光放射を生成する。
【００５７】最後に、狭いバンド１５５０ｎｍおよび狭
いバンド３３９０ｎｍの放射を適切なダイクロイックビ
ームスプリッタプリズムまたは回折格子（７９）により
分離する。
【００５８】図４を参照すると、放射の一次供給源は入
射源パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー（９７）であり、狭い
バンドの１０６４ｎｍの偏光放射を発生する。これに由
来する放射はミラー（９８）によって指向され、ビーム
結合器（９３）により、適切な増幅期（９２）（例えば
希土類（エルビウムとし得る）ドープファイバー増幅器
（ＥＤＦＡ））により予め増幅された整調し得る連続波
レーザーダイオード（９１）に由来する狭いバンドの１
５５０ｎｍ付近の偏光放射と結合される。結合連続波１
５５０ｎｍおよびパルス１０６４ｎｍ放射は、パラメト
リック処理の効率が至適化されるような様式にて調整さ
れた偏光を有する。その後これらを適切な相適合角度で
整列する適切な非線形結晶（例えばニオブ酸カリウムま
たはチタニルリン酸カリウム）からなる光学的パラメト
リック増幅器（９４）に対して供給し、１０６４ｎｍ放
射による１５５０ｎｍ放射のパルスパラメトリック増幅
を生起し、同時に３３９０ｎｍ付近の狭いバンドの偏光
放射を生成する。
【００５９】最後に、狭いバンド１５５０ｎｍおよび狭
いバンド３３９０ｎｍの放射を適切なダイクロイックビ
ームスプリッタプリズムまたは回折格子（９５）により
分離する。
【００６０】図５を参照すると、放射の一次供給源は入
射源パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー（１０４）であり、狭
いバンドの１０６４ｎｍの偏光放射を発生する。これに
由来する放射はミラー（１０５）によって指向され、適
切な相適合角度で整列する適切な非線形結晶（１０２）
（例えばニオブ酸カリウムまたはチタニルリン酸カリウ
ム）からなる光学的パラメトリック発振器に至り、１５
５０ｎｍの狭いバンドの偏光放射のパルスパラメトリッ
ク生成を生起すると同時に３３９０ｎｍの狭いバンドの
偏光放射を生成する。また、光学的パラメトリック発振
器は適切なキャビティ、例えば３つのミラー（１０６）
からなるリングキャビティからなり、ポンプ放射の侵入
を可能とし、３３９０ｎｍ付近の所望のパルス放射の出
力および１５５０ｎｍ付近の狭いバンドで操作する整調
し得るレーザーダイオード（１０１）からの連続波供給
放射の入力を可能とするのに適切である。
【００６１】結合パルス１０６４ｎｍおよび連続波１５
５０ｎｍ放射は、パラメトリック処理の効率が至適化さ
れるような様式にて調整された偏光を有する。
【００６２】最後に、狭いバンド１５５０ｎｍおよび狭
いバンド３３９０ｎｍの放射を適切なダイクロイックビ
ームスプリッタプリズムまたは回折格子（１０３）によ
り分離する。
【００６３】図６を参照すると、二重同時ガス感知（例
えばメタンとエタン）を達成するため、３つの波長を選
択する。第１波長は第１ガスの吸収特性に対応するよう
選択し（例えばメタンについてλ１＝３．３３４４μｍ
）、第２波長は地勢的標的からの示差反射率が生じない
ことを確実にするためλ１に近接して選択し、第１ガス
（メタン）または第２ガス（エタン）（例えばλ２＝３
．３３６０μｍ）の吸収特性のいずれにも対応しない波
長で、第２ガスの吸収特性に対応するよう第３波長を選
択する（例えばλ３＝３．３３６８μｍ）。
【００６４】図７では、一次ポンプ源、入射源Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザー（１１１）からの１０６４ｎｍの放射を等
しいエネルギーの３つのビーム（１１２、１１３、１１
４）に分割し、３つの下位変換連鎖（１１５、１１６、
１１７）に供給するよう使用する。
【００６５】可能な下位変換連鎖の詳細は図１〜５を参
照して既に説明した。
【００６６】これらの連鎖のいずれをも使用することが
できる。
【００６７】限定的ではない例として図３を参照して説
明される３つの下位連鎖変換系を図７に示すが、図３の
三角形の構成に代え、矩形構成のリングキャビティとす
ることにより連鎖を改変した。
【００６８】図８を参照すると、レーザー装置（１１８
）（先に説明した）を用いるが、これは同時に単一の赤
外ポンプレーザーを用いて３つの別々の非線形光学変換
連鎖を駆動することにより、スペクトルの赤外領域の３
つの波長を発生する。このレーザー装置（１１８）によ
り発生した３つの波長（１１９、１２０、１２１）は時
間的に同期されるが（１２２、１２３、１２４）、空間
的に離間する。ビームは全て線形に偏光されるため、３
つの内の２つ、例えば第２および第３ビーム（１２０お
よび１２１）を適切なビーム結合器（１２７）により結
合することができる。第２ビーム（１２０）は反射体（
１２５）により再指向され、その偏光は１／２波プレー
ト（１２６）により回転され、空間的離間を最小とする
結合ビーム（１２８）が形成される。第３ビーム（１１
９）は反射体（１２９）により再指向される。その後３
つのビームは、適切な赤外レンズからなる適切な望遠鏡
装置（１３０）、（１３１）により展開され、その後航
空機床部（１３３）の孔部を通過する前に赤外伝達二重
フェーズプレート（１３２）を通過する。この二重フェ
ーズプレートは多数（約１０，０００）の類似する大き
さの小さい円形の予備孔部からなり、その直径は全体的
なビーム発散を決定する。比較的高い発散（約２０ミリ
ラジアン）、標的に対する比較的長い範囲＞１００メー
ターを使用することにより、２つの結合波長（１３４）
および第３波長（１３５）の間の空間的重複は地勢的標
的（１３６）にて最大とされ、これにより地勢的標的下
部影響直径＞２メーターおよび二重フェーズプレートに
おける２つの結合波長と第３波長との小さい空間的離間
（約３０ｍｍ）を与える。２つの結合波長または第３波
長を互いに僅かの角度で指向させることにより特定の地
勢的標的範囲にてこの小さい空間的離間さえ必要に応じ
て除去することができ、この結果地勢的標的で完全な空
間的重複が得られる。
【００６９】１０，０００の予備孔部の約半分（正確な
予備腔部はランダムに決定されたものである）は適切な
光学的被覆を組み込み特定の予備腔部を通過する出力波
頭にてπ相シフトを行う。フェーズプレートの全体的効
果は地勢的標的にて波頭を与え、これは典型的な地勢的
標的の不均一な反射率特性と組合せられた場合、個々の
波長それぞれにて連続的パルス両者について結果的に帰
還放射強度を与え、変動は低い。この変動は二重フェー
ズプレートの統計的特性により決定され、最初のレーザ
ー系（１１８）の出力波頭における変動によらず、この
場合（例えば二重フェーズプレートの非存在下で）これ
は顕著に高い。このようにして、また従うべき個々の波
長の時間的重複設定と組合せることにより、遠隔感知装
置全体の正確性が改良される。三重（または更に高次の
）フェズプレートを使用することにより更に改良するこ
とができるが、これは適切な被覆を用いる円形予備孔部
のランダムパターンを組み込み、伝達される波頭にて０
、２π／３または４π／３の相シフトを与えるものであ
る。
【００７０】その後これらの波長に同時に大気中を通過
伝搬させることにより、正確に同一の大気柱および地勢
標的を用いるものとする。
【００７１】図９を参照すると、適切な光学望遠鏡によ
る補集に際し、全エネルギーの帰還反射ＥＴＯＴＡＬ（
これはスペクトルの赤外領域の３つの成分の波長からな
り、１つはメタン応答に対して整調され航空機の下の大
気柱中のメタンの存在により減衰され得るものであり、
１つはエタン応答に対して整調され航空機の下の大気柱
中のエタンの存在により減衰され得るものであり、１つ
は両者の非共鳴に対して整調される）ＥＴＯＴＡＬ＝Ｅ
（λ１）＋Ｅ（λ２）＋Ｅ（λ３）は、その後次の手段
により解析される。帰還放射（１３７）は最初に部分反
射体（１３８）により、全帰還反射の３分の１（１３９
）および帰還反射の３分の２（１４０）に対応する２つ
の成分に分割される。３分の２の成分は、部分反射体（
１４３）によりその後２つの等しい部分（１４１、１４
２）に分割され、それぞれは元の全帰還反射の３分の１
に対応する。これらの成分をその後次の手段により解析
する。１つの成分（１３９）を反射体（１４４）により
再指向させ、得られたビーム（１４５）にガスセル（１
４６）（全帰還放射の画分ＥＴＯＴＡＬ／３の成分（波
長λ１）に対応する全ての放射を有効に吸収するのに十
分な高い（約５％）濃度のメタンを含有する）を通過さ
せる。得られた放射（１４７）をその後インジウム・ア
ンチモナイド検出器とし得る適切な検出器（１４８）に
より検出し測定する。測定エネルギーは次の通りである
： Ｅ１＝ＥＴＯＴＡＬ／３−Ｅ（λ１）＝Ｅ（λ２）／３
＋Ｅ（λ３）／３。
【００７２】成分の他のもの（１４１）は、前記使用し
たようなこの種の全ゆるガスセルまたは空のガスセルを
通過することなく、インジウム・アンチモナイド検出器
とし得る適切な検出器（１４９）により検出し測定する
。測定エネルギーは次の通りである：Ｅ２＝ＥＴＯＴＡ
Ｌ／３＝Ｅ（λ１）／３＋Ｅ（λ２）／３＋Ｅ（λ３）
／３。
【００７３】成分の第３は反射体（１５０）により再指
向させ、得られたビーム（１５１）にガスセル（１５２
）（全帰還放射の画分ＥＴＯＴＡＬ／３の成分（波長λ
３）に対応する全ての放射を有効に吸収するのに十分な
高い（約５％）濃度のエタンを含有する）を通過させる
。得られた放射（１５３）をその後インジウム・アンチ
モナイド検出器とし得る適切な検出器（１５４）により
検出し測定する。測定エネルギーは次の通りである：Ｅ
３＝ＥＴＯＴＡＬ／３−Ｅ（λ３）＝Ｅ（λ１）／３＋
Ｅ（λ２）／３。
【００７４】エネルギーＥ１、Ｅ２およびＥ３の前記測
定から、成分波長λ１、λ２、λ３のそれぞれにおける
帰還放射は次のように計算される： Ｅ（λ１）＝３Ｅ２−３Ｅ１、 Ｅ（λ２）＝３Ｅ１＋３Ｅ３−３Ｅ２、Ｅ（λ３）＝３
Ｅ２−３Ｅ３。
【００７５】その後、波長λ１とλ２およびλ３とλ２
の間の示差吸収を使用し、意図するガスの大気中の平均
濃度を導き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】システム１の概略説明図。
【図２】システム２の概略説明図。
【図３】システム３の概略説明図。
【図４】システム４の概略説明図。
【図５】システム５の概略説明図。
【図６】二元的メタン／エタン感知について波長選択を
示す図。
【図７】システム３を３つ組み込んで３波長レーザーシ
ステムを形成する場合の説明図。
【図８】分配ランダム二重フェーズプレートを組み込む
システムの概略説明図。
【図９】ガスセルを組み込む放射検出システムの概略説
明図。
【符号の説明】
３１　　レーザーダイオード ３２　　非線形結晶 ３３　　フィルタ ３４　　ビーム結合器 ３５　　パラメトリック増幅器 ３６　　ビームスプリッタプリズムまたは回折格子３７
　　第２調波発生器 ３８　　ビームスプリッタ ３９　　パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー ４０　　ミラー ４１　　ミラー ４２　　ミラー

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　移動する空挺台座にて使用し大気中の
    標的ガスを検出する装置であって、スペクトルの赤外領
    域中の少なくとも２つの整調し得るレーザービームを発
    生させる少なくとも２つの整調し得るレーザーダイオー
    ドに接続されたソリッドステートレーザーからなる整調
    し得るレーザー源からなり、少なくとも１つのビームは
    標的ガスの共鳴周波数に対して整調することができ、少
    なくとも１つのビームは標的ガスのオフレゾナンス周波
    数に対して整調することができ、ビームが同軸的に伝達
    されるような様式で陸地または海洋の反射表面に対して
    ビームを指向させ大気を介して解析する手段を設け、ビ
    ームは、オンレゾナンスビームが標的ガス（大気中に存
    在する場合）の存在によって減衰され、オフレゾナンス
    ビームが標的ガスによって減衰されないような波長のも
    のとし、標的ガスにより吸収される波長の反射レーザー
    放射および標的ガスにより吸収されない波長の反射レー
    ザー放射を補集する手段を設け、更に標的ガスにより吸
    収される波長の反射レーザー放射と標的ガスにより吸収
    されない波長の反射レーザー放射との間の帰還エネルギ
    ーの差によって決定される示差信号を発生する手段を設
    けることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】　　大気中の２以上の標的ガスを検出する
    ため、整調し得るレーザー源が少なくとも３つの整調し
    得るレーザービームを発生させることができ、少なくと
    も１つのビームは１つの標的ガスの共鳴周波数に対して
    整調することができ、少なくとも１つのビームは他の標
    的ガスの共鳴周波数に対して整調することができ、少な
    くとも１つのビームは標的ガスのオフレゾナンス周波数
    に対して整調することができることを特徴とする請求項
    １記載の装置。
  3. 【請求項３】　　レーザーがパルスレーザーであること
    を特徴とする請求項１または２記載の装置。
  4. 【請求項４】　　レーザーがＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬ
    Ｆ、Ｎｄ：ガラス、Ｔｉ：サファイア、Ｅｒ：ＹＡＧま
    たはアレキサンドライトレーザーであることを特徴とす
    る請求項１乃至３いずれかに記載の装置。
  5. 【請求項５】　　ビームが同軸的に伝達されるような様
    式で反射表面に対してビームを指向させ大気を介して解
    析する手段がフェーズプレートであることを特徴とする
    請求項１乃至４いずれかに記載の装置。
  6. 【請求項６】　　反射放射を補集する手段が光学望遠鏡
    であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載
    の装置。
  7. 【請求項７】　　標的ガスにより吸収される波長の反射
    レーザー放射と標的ガスにより吸収されない波長の反射
    レーザー放射との間の帰還エネルギーの差によって決定
    される示差信号を発生する手段が、反射放射を少なくと
    も２つの成分に分割し、全帰還放射の画分のその成分に
    対応する全ての放射を有効に吸収するのに十分高い濃度
    の適切なガスを含有するセルを少なくとも１つのものに
    通過させる手段からなることを特徴とする請求項１乃至
    ５いずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】　　移動する空挺台座にて実施して大気中
    の標的ガスを検出する方法であって、少なくとも２つの
    整調し得るレーザーダイオードに接続されたソリッドス
    テートレーザーからなる整調し得るレーザー源からスペ
    クトルの赤外領域の整調し得るレーザービームを発生さ
    せ、少なくとも１つのビームを標的ガスの共鳴周波数に
    対して整調し、少なくとも１つのビームを標的ガスのオ
    フレゾナンス周波数に対して整調し、ビームが同軸的に
    伝達されるような様式で陸地または海洋の反射表面に対
    してビームを指向させ大気を介して解析し、ビームは、
    オンレゾナンスビームが標的ガス（大気中に存在する場
    合）の存在によって減衰され、オフレゾナンスビームが
    標的ガスによって減衰されないような波長のものとし、
    標的ガスにより吸収される波長の反射レーザー放射およ
    び標的ガスにより吸収されない波長の反射レーザー放射
    を補集し、標的ガスにより吸収される反射レーザー放射
    と標的ガスにより吸収されない波長の反射レーザー放射
    との間の帰還エネルギーの差によって決定される示差信
    号を発生することからなることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】　　大気中の２以上の標的ガスを検出する
    ため、整調し得るレーザー源が少なくとも３つの整調し
    得るレーザービームを発生させ、少なくとも１つのビー
    ムを１つの標的ガスの共鳴周波数に対して整調し得るも
    のとし、少なくとも１つのビームを他の標的ガスの共鳴
    周波数に対して整調し得るものとし、少なくとも１つの
    ビームを標的ガスのオフレゾナンス周波数に対して整調
    し得るものとすることを特徴とする請求項８記載の方法
    。
  10. 【請求項１０】整調し得るレーザービームをパルスレー
    ザービームとすることを特徴とする請求項８または９記
    載の方法。
  11. 【請求項１１】レーザーをＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ
    、Ｎｄ：ガラス、Ｔｉ：サファイア、Ｅｒ：ＹＡＧまた
    はアレキサンドライトレーザーとすることを特徴とする
    請求項８乃至１０いずれかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】Ｎｄ：ＹＡＧレーザーが約１０６４ｎｍ
    で放射し、整調し得るレーザーダイオードが約８１０ま
    たは１５５０ｎｍで放射し、約１５５０および３３９０
    ｎｍの狭いライン幅で整調し得る放射の形成を図ること
    を特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】８１０ｎｍの整調し得るレーザーダイオ
    ードを、５３２ｎｍの固定周波数Ｎｄ：ＹＡＧレーザー
    から二重化出力の供給を受けて約１５５０ｎｍの整調し
    得る放射を発生する光学的パラメトリック発振器に対す
    る注入源として使用することを特徴とする請求項１２記
    載の方法。
  14. 【請求項１４】整調し得るレーザーダイオードからの１
    ５５０ｎｍの放射をＥｒ−ファイバー増幅器により増幅
    し、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーからの固定周
    波数出力をポンプとして使用して光学的パラメトリック
    増幅器にて増幅し変換することを特徴とする請求項１２
    記載の方法。
  15. 【請求項１５】整調し得るレーザーダイオードを、１０
    ６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーからの固定周波数出力
    の供給を受けて約１５５０ｎｍの整調し得る放射を発生
    する光学的パラメトリック発振器に対する注入源として
    使用することを特徴とする請求項１２記載の方法。
  16. 【請求項１６】大気を介して解析するよう指向させる前
    にビームにフェーズプレートを通過させ、伝達の同軸性
    を増加させると共に不均一標的に対する相互作用に由来
    する帰還放射の変動を低減することを特徴とする請求項
    ８乃至１５いずれかに記載の方法。
  17. 【請求項１７】反射放射を少なくとも２つの成分に分割
    し、全帰還放射の画分のその成分に対応する全ての放射
    を有効に吸収するのに十分高い濃度の適切なガスを含有
    するセルを少なくとも１つのものに通過させる工程から
    なる方法により、標的ガスにより吸収される波長の反射
    レーザー放射と標的ガスにより吸収されない波長の反射
    レーザー放射との間の帰還エネルギーの差によって決定
    される示差信号を得ることを特徴とする請求項８乃至１
    ６いずれかに記載の方法。
JP32296091A 1990-12-06 1991-12-06 遠隔感知装置 Pending JPH04299236A (ja)

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