JPS6015014B2 - 大気成分検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は大気中の組成分子の吸収によって生じた物体
からの熱頚射強度の変化をへテロダィン検波方式によっ
て求め、組成分子の吸収スペクトルを高分解能で、ある
いはその量を高精度、高感度で測定する装置に関するも
のである。

大気中の組成分子の検出にはいわゆるレーザ・レーダに
よる測定方法がある。

その方式には【ィーラマン散乱、‘ｏ｝蛍光、し一長光
路吸収等の諸方式がある。いずれの方式も送信望遠鏡よ
り発射されたレーザ光が被測定分子によってのおよび仰
の方法では散乱を、またし一の方法では吸収を受け、そ
の散乱光あるいは透過光を受信装置によって検出し濃度
を測定している。｛ィー，【〇｝の方式では後方散乱光
を受信するために、送信および受信望遠鏡は同じ場所に
設置できるが、通常分子の散乱断面積が４・さくまた距
離とともに受信入力が抵下するため送信源のレーザには
大きな出力を必要とし装置が大きくなる。その点内の方
式では透過光を検出するため受信入力は大きく、送信源
のレーザにはそれ程大きな出力を必要とせず高感度検出
が可能である。しかし送信および受信望遠鏡をそれぞれ
別の場所に設置しなければならない不便がある。もちろ
んミー散乱や物体からの反射を利用してそのような不便
を避ける事はできるが、その場合にはやはり比較的大き
なレーザ出力を必要とし、測定装置も大きくなる。一方
大気の吸収スペクトル並びに組成分子の量を測定する従
来からの方法として、分光器を用いた直接検波方式によ
って測定する方法がある。

この方法は前記内の方式に相当し、送信源−としてレー
ザの代わりに太陽光が用いられているため送信光源が不
要となり小型、軽量の測定装置を構成できる。しかしレ
ーザは単色性が良いのに対して太陽光は連続スペクトル
を持つため、分解能は分光器によって決められる。そし
て高分解能を得ようとすると装置が大きくなるばかりで
なく、製作も困難となる。さらに太陽の幾度温度もレー
ザに比べて低いため高分解館になる程検出感度が低下し
吸収スペクトルの観測もできなくなる。ただ組成分子の
量を測定するだけであれば必ずしも高分解能である必要
はないけれども、被測定分子以外の他の分子による吸収
の影響を受けやすく測定誤差の要因となる。本発明は分
光器を用いた直接検波方式による測定方法が長光路吸収
法を用いているため高感度でしかも小型、軽量の測定装
置を構成できるが、分解館において欠点があるためその
点を解決するためになされたもので、比較的低出力のレ
ーザ発振器を局部発振器として備えたへテロダィン検波
方式受信装置だけで測定装置を構成し、送信光源として
太陽ばかりでなく種々の物体から熱韓射を利用すること
によって、大気の吸収スペクトル並びに組成分子の量を
高分解能でかつ高感度に測定することを目的とする。

以下本発明の原理を詳細に説明する。

第１図は大気組成分子の量を検出する本発明の一実施例
である。同図において１は熱韓射物体、２は受信望遠鏡
、３はしンズ、４は単一周波数レーザ、５はビームスプ
リッター、６はミキサー、７は中間周波増中器、８は自
乗検波器、９はしーザ発振周波数制御器、１川ま同期検
波器、１１は積分器、１２は記録計である。

また、第２図はしーザ発振周波数がナｉの時、第１図に
示した受信装置によって受信できる周波数領域を示す。
第２図ａ，ｂは、中間周波数増中器の帯城中をＢ、中間
周波数をナＩＦとするとそれぞれナＩＦ》Ｂ／２および
ナ，ＦらＢ／２の場合の受信周波数領域である。

先ず第１図の実施例について本発明による測定方法につ
いて動作を説明する。

大気中を透過してきた熱車富射物体１から熱韓射光を受
信望遠鏡２によって受信し、集光された光をレンズ３に
よって適当に絞り、単一周波数レーザ４からの出力とビ
ーム・スプリッター５で合成しミキサー６に入射させる
。ミキサー６として半導体光検出器を用い、その自乗検
波特性によって生じたレーザ発振周波数と受信望遠鏡２
による受信光の差周波成分のうちミキサー６の遮断周波
数以下の周波数成分の信号だけがミキサー６の出力とし
て得られる。さらにその出力が中間周波増中器７で増中
され、結局中間周波数増中器７の出力として得られる信
号は第２図に示す周波数領域の受信光によるものだけと
なる。すなわちナＩＦ》Ｂ′２の場合第２図ａに示すよ
うに受信周波数領域は２つの領域（１）〆 ｉ−〆，Ｆ
−Ｂ／２ミナミナｉ−ナ，Ｆ＋Ｂ／２と（０）ナｉ＋〆
，Ｆ−Ｂ／２ミメミナｉ＋〆，Ｆ＋Ｂ／２に別れ、ナ，
ＦナＢ／２の場合には同図ｂに示すように１つの領域と
なる。また中間周波数増中器７の出力を自乗検波器８に
通して得られる出力は第２図に示した受信周波数領域内
の総合信入力に比例する。大気組成分子の量を測定する
方法として差分吸収法がある。この方法はしーザ発振周
波数を交互に切換えて被測定分子の吸収線に一致した周
波数とそれから離れた周波数における受信入力の変化か
らその量を求めるものである。すなわち第１図のレーザ
発振周波数制御器９によってレーザ発振周波数を交互に
切換え、それぞれの発振周波数における自乗検波器８の
出力の差を同期検波器１０と積分器１１によって検出し
、被測定分子の量に比例した信号を記録計１２に表示す
ることによってその量が求められる。第２図ａに示した
構成では同図ｂに示した構成のようにレーザ発振周波数
と吸収線が一致している必要がなく、中間周波数を適当
に選ぶことによってそれらの組み合わせに選択の余地は
大きいが、受信領域が２つに別れているため被測定分子
以外の他の分子による吸収の影響を受け測定誤差を生じ
やすい。また吸収スペクトルを測定する場合第２図ａに
示す構成では分解できる周波数帯城中は２ナ，Ｆ＋Ｂと
広いため、帯域中が２Ｂで与えられる同図ｂに示す構成
の方が望ましい。いずれにしてもこのようなへテロダィ
ン検波方式受信装置の分解能は中間周波増中器の帯城中
によって決められ、分光器を用いた直接検波方式と比較
してそれ自体本質的に高分解能の受信装置と言える。以
上述べてきたようなへテロダィン検波方式受信装置を以
後へテロダィン・ラジオメータと呼ぶものとする。次に
へテロダィン・ラジオメータと分光器を用いた直接検波
方式受信装置によって得られる受信感度の比較を行なう
。

温度Ｔの黒体から受信できる入力Ｐｒは受信装置の受信
帯城中を６〆とすると次式で表わされる。Ｐｒ＝Ｐｂ〆
６〆 【１）Ｐｂ〆＝
ｅ吉享ヲ声当〆，ＡＲＱＲ ‘２１入２ここで
↑ａは大気の透過率、７ｒは受信望遠鏡の効率、ＡＲ、
ＱＲはそれぞれ受信望遠鏡の受光面積および立体視野角
、入、ナはそれぞれ波長および周波数、ｈはプランクの
定数、ｋはポルッマンの定数、Ｔは絶対温度である。

ただし、ヘテロダイン・ラジオメー夕ではいかなる場合
でもＡＲＯＲら入２ なる拘束条件があるのに対して、
直接検波方式の受信望遠鏡ではＡＲとＱＲの値はそれぞ
れ独立に設定できる。一方へテロダイン・ラジオメータ
の等価雑音入力をＰ番とするとＰＮま次式で表わされる
。

唯学も柊 ‘３’ここで丁は積分器の時定数、り
は検出器の量子効率である。

これに対して直接検波方式の等価雑音入力をＰ８とする
とをＰ則ま次式で与えられる。Ｐｅ＝三表半
■ここでＡ，Ｄ＊はそれぞれ検出器の受光面積およびデ
イテクテイビテイ（ｄｅｔｅｃｔＭｔｙ）である。

へテロダィン・ラジオメータおよび直接検波方式におけ
る信号対雑音比をそれぞれ（Ｓ／Ｎ）日（Ｓ／Ｎ）ｏで
表わすと‘１｝式より鰍器霊（Ａを） ‘５’ なる関係が成り立つ。

直接検波方式の受信望遠鏡がへテロダィン・ラジオメー
タの受信望遠鏡と同じ拘束条件、すなわちＡＲＱＲら＾
２を満足しているとすると、｛５｝式は等価雑音入力の
比で表わされる。第３図はＡ＝４×１０−４流、７＝１
＄ｅｃとして両方式の等価雑音入力Ｐｎ（Ｗ）を縦軸に
受信望遠鏡の受信帯域中６〆（ＨＺ）を横軸にして両者
の比軸を示したものである。同図の直線１３，１４は直
接検波方式、直接１５，１６はへテロダィン検波方式に
おける等価雑音入力の値を示す。またミキサーは直線１
４，１５ではｌｎＳｂ（ただし入ご３一においてり＝０
．５、Ｄ＊＝２×１び１伽ＨＺＩ／２Ｗ‐１）、直線１
３，１６ではＨタＣｄＴｅ（ただし＾ご１０叫こおいて
り＝０．２５、Ｄ＊＝５×１び０即日ＺＩ′２Ｗ‐１）
である。図から明らかなように通常の分光器の受信帯域
中以下の挟に帯域中においては、ヘテロダィン・ラジオ
メータの検出感度は直接検波方式に比べて高いことがわ
かる。受信望遠鏡の性能は両方式において同じものとし
て受信感度の比較をしてきたが、直接検波方式の受信望
遠鏡ではへテロダィン・ラジオメータのような拘束条件
がないから受信入力の増加をはかることも可能である。

しかしながら高分解能になると、受信入力の増加を考慮
に入れても以下に示すように受信感度はへテロダィン・
ラジオメータに比べて劣る。今分光器のスリット中およ
び高さをそれぞれＷ、日として受信望遠鏡の口径ＤとＦ
数を用いると立体視野角○ＲはＷＨ
■ ＯＲ＝而兎 で表わされる。

受光面積はＡＲ＝灯Ｄ２／４で与えられるからＡＲとＱ
Ｒの積はＡＲＱＲ＝奇聖 の となり、受信望遠鏡の口径には依存しない。

スリット中Ｗは分光器の焦点距離をｒ、角度分解能をｄ
〆／ｄＱとするとｗゴ′６「洋）‐１ 脚 で与えられる。

たとえば格子定数が１０仏の回折格子を備えた分光器の
１次回折光の角度分解能は、波長１０ムにおいてｄナ／
ｄＱこ５２×１びＯＨＺ／ｒａｄとなるから、ナ′ｉｌ
ｍ、６ナ＝ＩＧＨ２とすると‘８）式よりスリット中は
約２０山に制限される。Ｈ＝１０側、Ｆ＝５とすると、
ヘテロダィン検波方式の比べて波長１０山で約６折苔の
常信入力の増加を期待できる。しかしスリット中が波長
と同程度であるから回折効果によって実際には上述の値
程受信入力の増加は望めない。受信帯城中がＩＧＨＺの
時に、たとえば受信入力が６功音増加しても第３図から
明らかなように直接検波方式の検出感度はへテロダイン
・ラジオメータの場合と同程度になるだけで、さらに受
信帯域中が挟くなると‘７），‘８ｉ式より明らかなよ
うに直接検波方式における受信入力の増加の割合が小さ
くなる上、等価雑音入力の比ＰＲ／ＰＢも減少するため
、ヘテロダィン・ラジオメータの方が高感度な検出が可
能となる。次に第１図に示すへテロダィン・ラジオメー
タによって検出できる大気組成分子の最小検出量につい
て述べる。

大気中の被測定分子によって吸収があると、レーザ発振
周波数が〆ｉの時第１図に示したへテロダィン・ラジオ
メータによって受信できる入力Ｐｒｉは第２図ｂに示す
構成ではとなる。

ただしＱ‘ま次にように表わされる。−
（１世）Ｑ＝。

（ナ）Ｗｗ＝ノ客ｏＮ（Ｚ）舵 （１血）
ここで。

（ナ）は分子の吸収断面積、ｗは受信望遠鏡から距離Ｚ
ｏにある熱韓射物体迄の単位面積当りの総分子数である
。ただしＮ（Ｚ）は距離Ｚにおける分子密度である。一
般に吸収断面積は圧力や温度とともに変化するためＺの
関数となるが、ここでは平均的な圧力や温度を与えて一
定とした。差分吸収法によって求まる総分子数ｗはしー
ザ発振周波数がナ，および〆２の時の受信入力Ｐｒ，，
Ｐｒ２から側式によって次のように求まる。ただし Ｐ
ｂ（ナ，）＝Ｐｂ（ナ２）とした。また２ｉは有効吸収
断面積で、によって与えられる。

Ｚｉの値Ｗに依存するが、あらかじめ実験あるいは計算
によって容易に求めておく事ができる。最小検出可能な
総分子数ｗｍｌｎは、Ｐｒ２とＰｒ，の差が等価雑音入
力Ｐｎに等しい時に与えられ次のように表わされる。た
だし（１３）式の導出においてＰｒ２２Ｐｒ，であるこ
とから次式の近似を行なった。

〃ｎ母ら段−・ Ｐｒ２−Ｐｒ， Ｐｎ （叫Ｐｒ２
一 Ｐｒ２局部発振器であるレーザの発振周波数が
ナ２の時受信周波数領域内に吸収線がないとすると２２
＝０となり、Ｐｒ２はＰｒ２＝２Ｐｂ（ナ２ ）Ｂで与
えられる。

またレーザ発振周波数が〆．の時には、受信周波数領域
内に唯一つの吸収線しかなくて〆，が分子の吸収線の遷
移周波数と一致しているとすると、２．は吸収線が圧力
拡がりの場合には（１５）式によって、ドップラー拡が
りの場合には（１６）式によってそれぞれ与えられる。
ただし、Ｓは線強度、△ナは圧力拡がりの半値半中、し
ｏは吸収線の遷移波数、ｕ＝水Ｔ／ｍ（Ｔは大気の絶対
温度の平均的な値、ｍは分子の重さ）である。

以上述べてきたことは直接検波方式の場合にも受信周波
数帯城中を班とすればそのままあてはまる。ただし（１
３）式における等価雑音入力Ｐｎは‘４）式で与えられ
る。第４図は一例として０３のし３バンドの１１９，２
一１グ，３遷移（ひｏ＝１０２７、３８２５ｃｍ‐１、
Ｓ＝０１１肌‐１／（ａｔｍ・肌））による太陽光（Ｔ
＝５９００Ｋ）の吸収をＣ０２のＰ（４０）遷移のレー
ザ発振線を局部発振器に用いて測定した時に得られる最
小検出可能な総分子数〔ａｔｍ・ｃの〕を縦滋に、規格
化された受信帯域中を横軸にして示したものである。

第４図の曲線１７，１８は直接検波方式における最小検
出量、曲線１９，２川まへテロダィン・ラジオメータに
おける最小検出量を示す。ただし直接検波方式の受信望
遠鏡のＡＲＱＲはへテロダィン・ラジオメータの場合と
同様にＡＲＱＲご入２を満足するものとした。また曲線
１７，１９は吸収線が圧力拡がりの場合（△〆＝９５い
ＨＺ）の最小検出量、曲線１６，２０‘ま吸収線がトッ
プラー拡がりの場合（しｏｕ：３０ＭＨ２）の最小検出
量を示す。へテロダィン・ラジオメータでは最適の帯城
中があり、Ｂ＝１．４△ナあるいはＢ＝１．０レｏｕの
時最小検出量が得られ、直接検波方式の場合には帯城中
が広くなるにつれて漸近的に最小検出量が得られる。図
から明らかなようにへテロダィン・ラジオメータでは直
接検波方式に比べて約２桁の高感度検出が可能であり、
たとえ直接検波方式の受信直遠鏡による受信入力の増加
を考慮に入れても、ヘテロダィン・ラジオメー夕の感度
には及ばない。このようなへテロダイン・ラジオメータ
を使って実際に成分検出を行う方法としては、装置を地
上に設置したり人工衛星あるいは気球に搭載する方法が
考えられる。

第４図の曲線１７，１９は地上高度が約１１物より上空
の０３を観測する時に適用できるが、観測する地上高度
が変わると△〆の値も変わる。さらに観測高度が高くな
り、地上高度が５０物より高くなると、圧力拡がりより
ドップラー拡がりが支配的になり、温度も２５０Ｋを中
心にして±５０午０以内の変動におさまる。曲線１ ８
，２０はそのような場合に適用でき、しｏｕの値として
２５ぴＫでの値を用いた。以上は熱韓射物体として太陽
を考えてきたが、必ずしも太陽のように輝度温度の高い
ものでなくても良い。

たとえば５０ぴＫの物体の熱韓射を用いても０３の検出
感度が約６０分の１位低下するだけである。特にそのよ
うな物体を見込む視野角が小さい場合には直接検波方式
における受信入力の増大はほとんど望めないからへテロ
ダィン・ラジオメータの高感度特性がよく生かされる。
また赤外城で同調可能な半導体レーザを局部発振器とし
て備えれば、成分量ばかりでなく大気の吸収スペクトル
を高分解能、高感度で観測することも可能である。
、以上のように、この発明に係る大気成分検出装置
では従来の分光器を用いた直接検波方式受信装置に比べ
て容易に高分解館を達成できるばかりでなく高感度検出
が可能である。

したがってこの発明によれば大気の吸収スペクトルの微
細構造を容易に観測することができる上、大気組成分子
の量を検出する際にも被測定分子以外の他の分子による
吸収の影響を受けずにすみ、高感度、高精度でその量を
測定できる特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるへテロダィン検波方式
受信装置の構成図で、第２図は第１図に示した受信装置
によって受信できる周波数領域を示す説明図、第３図は
分光器を用いた直接検波方式と本発明によるへテロダィ
ン・ラジオメータとの比較のために両方式の等価雑音入
力を縦軸に、受信帯城中を機軸に示した説明図、第４図
は両方式によってオゾン（０３）を測定した場合に得ら
れる最小検出量を縦軸に受信帯域中を機軸に示した特性
図である。 図中１は熱頚射物体、２は受信望遠鏡、３はしンズ、４
は単一周波数レーザ、５はビームスプリツター、６はミ
キサー、９はしーザ発振周波数制御器、１０は同検波器
である。 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 大気組成分子による吸収スペクトルあるいはその量
   を測定する装置において、レーザ発振器を局部発振器と
   して備えたヘテロダイン検波方式受信装置によつて熱輻
   射物体からの大気中をを透過してきた熱輻射強度を検出
   し、大気中の分子の吸収による受信強度の変化から大気
   組成分子の吸収スペクトルあるいはその量を測定するこ
   とを特徴とする大気成分検出装置。