インコヒーレントドップラーライダーについて - NICTspacebornedopplerlidar.nict.go.jp/20120217/1_shibata.pdf2012/02/17 · インコヒーレントドップラーライダーについて

インコヒーレントドップラーライダーについて

首都大学東京大学院システムデザイン研究科

柴田泰邦

第２回ドップラーライダーによる宇宙からの風観測に関する検討会 2012年2月17日（金）東京大学理学部1号館807号室

発表の流れ

直接検波方式の利点

各種直接検波方式の紹介（8方式）

首都大で開発した直接検波方式の紹介（3方式）

衛星搭載に向けての課題

Lidar LabLidar LabTMUTMU


ドップラーライダーの原理

大気散乱光の風によるドップラーシフト成分を検出し、風向・風速を測定

大気分子・エアロゾル

後方散乱光

望遠鏡

光検出器

レーザー

大気の流れ（風）

波長：λ 波長：λ+∆λd(ドップラーシフト∆λd）

直接検波方式光学エッジフィルターを用い、散乱光のフィルター透過強度の変動からドップラーシフト周波数を検出。ヘテロダイン方式送信レーザの一部と散乱光をヘテロダイン検波し、周波数の揺らぎ（ドップラーシフト周波数）を検出。



レイリー散乱領域の感度改善

急峻な傾き

直接検波方式（エッジ方式）の歴史1

Frequency

Inte

nsity

(a.u

.)

Etalon FilterBackscattered spectrum

Frequency

Inte

nsi

ty (a.

u.)

νL

Δνd

absorption line

Backscatteredsignal

νL

Inte

nsi

ty (a.

u.)

Filter A

Filter B

Backscatterd spectrum

∆νd

ミー散乱領域の感度改善傾きの急峻な2つのエタロン

（Korb等, 1998）

2つのエタロンをレイリースペクトルの裾へ

エッジ法（Korb等, 1992）ミー散乱領域

Frequency

Inte

nsi

ty (a.

u.)

νL

Filter A Filter B

∆νd

ヨウ素エッジ法（Freidman等, 1997）

ダブルエッジ法（Flesia等, 1999）

1064nm

1064nm

532nm

355nm



Gentry et al., Proc. SPIE 4484, 74 (2002)

ダブルエッジ法（355nm）

Friedman et al., Opt. Lett., 22, 1648 (1997)

ヨウ素エッジ法（532nm）

観測例 Lidar LabLidar Lab

TMUTMULidar LabLidar Lab

TMUTMU

ESA ADM-Aeolus Lidar LabLidar Lab


TMUTMU

手法ダブルエッジ法波長 355nm 繰返し周波数 5Hz パルスエネルギー 120mJ 望遠鏡口径 1.5m 光検出器 CCD

レイリー散乱領域の感度改善

急峻な傾き

+ 2か所のエッジ


νL

Inte

nsi

ty (a.

u.)

Filter A

Filter B


∆νd

ヨウ素エッジ法（Freidman等, 1997）

ダブルエッジ法（Flesia等, 1999）

Frequency

Inte

nsi

ty (a.

u.)

ν1 ν2

ΔνdAbsorption line

Backscatteredsignal

Backscatteredsignal

Frequency

Inte

nsi

ty (a.

u.)

ν1

Absorption line

Backscatteredsignal

Backscatteredsignal

ν2

νs

∆νd

ダブルスロープ法（Shibata等, 1999）

ミー散乱領域への拡張

532nm / 770nm

改・ダブルスロープ法（Shibata等, 2000）

改・ヨウ素エッジ法（Liu等, 2002）

Tra

nsm

issi

on

Frequency

ν1 ν2

Δνd

ミー散乱領域への拡張

532nm

355nm

532nm



観測例 Lidar LabLidar Lab


TMUTMU

Wang et al., Appl. Opt., 49, 6960 (2010) Shibata et al., JJAP, 48 (2009) 032401

改・ヨウ素エッジ法（532nm）ダブルスロープ法（532nm）


Frequency

Inte

nsi

ty (a.

u.)

ν1

Absorption line

Backscatteredsignal

Backscatteredsignal

ν2

νs

∆νd

フィルターによる損失改善赤外アイセーフ波長

改・ダブルスロープ法（Shibata等, 2000）

50

100

T or R(%)

0

TransmissionReflection

Laser frequency

Backscattered frequency

ブラッググレーティング法（Shibata等, 2005）

1550nm

532nm / 770nm



光ｻｰｷｭﾚｰﾀ

検知器

検知器

BG素子

BG : Bragg Grating

方式ターゲット波長レーザー光検出器フィルター

エッジ法下部対流圏 1064nm Nd:YAG PMT, APD エタロン

ダブルエッジ法（ミー散乱）

（下部）対流圏 1064nm Nd:YAG PMT, APD エタロンx2

ダブルエッジ法（レイリ―散乱）

対流圏～下部成層圏

355nm (Eye-safe)

Nd:YAG (THG) PMT, (CCD) エタロンx2

改・ヨウ素エッジ法対流圏～下部成層圏

532nm Nd:YAG (SHG) （2波長）

PMT ヨウ素吸収スペクトル

改・ダブルスロープ法対流圏～下部成層圏

532nm 770nm

Nd:YAG (SHG) Ti:Sapphire Alexandrite （2波長）

PMT ヨウ素吸収スペクトルカリウム吸収スペクトル

ブラッググレーティング法対流圏～下部成層圏

1550nm Eye-safe

Fiber laser OPO OPG

PMT （量子効率～8%）

APD

FBG (Fiber Bragg grating)

直接検波方式（エッジ方式）一覧 Lidar LabLidar Lab


TMUTMU

最大露光許容量 (MPE) Lidar LabLidar Lab


TMUTMU

355nm

532nm 770nm

1064nm

1550nm

1m2

⇒ φ1.2m相当

パルス幅 10ns

エッジフィルター Lidar LabLidar Lab


TMUTMU

吸収スペクトルとレーザー周波数の関係

感度：高ダイナミックレンジ：狭

感度：低ダイナミックレンジ：広

周波数νL

感度：高ダイナミックレンジ：狭

感度：低ダイナミックレンジ：広

周波数νL

直接検波方式エタロン金属原子・分子の吸収スペクトル

エッジの傾き

急峻：測定感度が高いダイナミックレンジが狭い緩やか：測定感度が低い

ダイナミックレンジが広い

エッジの周波数偏移

エタロンや金属原子・分子のスペクトル分布は、それ自身の温度に依存する。

エッジの周波数偏移とレーザー周波数の揺らぎが見かけ上のドップラーシフトになる。

エタロン（ファブリーペローエタロン）

• ２枚の反射鏡で構成される共振器間隔を固定したもの

• 透過特性 Ie：エタロン透過光強度 Ie0：エタロン入射光強度

Rm：反射鏡の反射率 nc：共振器の屈折率 d：共振器のギャップ長 θin：光の入射角透過特性は、ギャップ長dや屈折率ncの変動に影響される。エタロンの透過特性

（FSR: Free Spectral Range）

d d

Air gap etalon Solid etalon



金属原子・分子吸収スペクトル

吸収スペクトル特性は、セルの温度と長さに依存

0%

20%

40%

60%

80%

100%

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0

Offset Frequency [GHz]

Tra

nsm

itta

nce T=300K

T=325KT=350KT=375KT=400K

K (Potassium)770 nmL = 20 cm

異なるセル温度におけるカリウム吸収スペクトル

532nm近傍のヨウ素吸収スペクトル



エタロンと金属原子・分子のスペクトル分布温度依存性

エタロン透過特性の温度依存性金属原子吸収特性の温度依存性

Frequency

Tra

nsm

itta

nce

視線方向風速誤差ダブルエッジ法（355nm）： 28.4(m/s)/℃ 視線方向風速誤差：0.3m/s ⇒±0.01℃の温度精度

視線方向風速誤差カリウム（770nm）： 3.8(m/s)/℃ ヨウ素（532nm）： 2.7(m/s)/℃

視線方向風速誤差：0.3m/s

⇒±0.1℃の温度精度

Frequency

Tra

nsm

itta

nce

空気の屈折率変動、ガラスの熱膨張の影響が大きい



受信光の効率改善

ダブルエッジ法 Frequency

Inte

nsi

ty (a.

u.)

ν1 ν2

ΔνdAbsorption line

Backscatteredsignal

Backscatteredsignal

νL

Inte

nsi

ty (a.

u.)

Filter A

Filter B


∆νd

ダブルスロープ法

散乱光のフィルター透過強度が従来法の約7倍となり、 SNが改善される。

ダブルスロープ法：0.5、従来法（ダブルエッジ法）：0.07 ※散乱光強度を1とした場合



散乱光の周波数が変わると、FBGの透過率/反射率が変化することを利用して風速を計測する。

散乱光

望遠鏡 DFB-LD ビームエクスバンダー

光ファイバー

光ｻｰｷｭﾚｰﾀ

検知器

検知器

FBG

(波長1.55μm)

FBG : Fiber Bragg Grating

0

50

⊿f：周波数変化

100

透過率 or 反射率(%) ＜FBG特性＞

0

透過率反射率

レーザ光周波数

散乱光周波数

直接検波小型ドップラーライダーの構成 Lidar LabLidar Lab


TMUTMU

衛星搭載への課題

• 高出力、高効率な光源 – Nd:YAGレーザー

• アイセーフ波長 – 355nm (Nd:YAG THG) – 1550nm (OPG/OPA, ファイバーレーザー)

• 背景光雑音を抑えるために – 平均出力（W）が同じなら繰り返し周波数を低く

• エッジフィルターの選定 – フィルター安定度エタロン、FBG＜金属原子・分子吸収スペクトル

• 波長切り替え – ダブルパルス



Time

λ1 λ2 λ1 λ2

Documents

インコヒーレントドップラーライダーについて - NICTspacebornedopplerlidar.nict.go.jp/20120217/1_shibata.pdf2012/02/17 · インコヒーレントドップラーライダーについて