2020 Fiscal Year Research-status Report
ドップラーLIDARのためのガイガーモードAPDを用いた高感度検出器の研究
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19K04437
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
水野 貴秀 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50270442)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ドップラーLIDAR / MPPC |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ドップラーLIDARでは、ドップラー周波数を測定するために、送信光の一部と受信光を干渉計に入れて干渉縞（「うなり」）を測定するヘテロダイン検波が使われている。本研究では、①「うなり」をガイガーモードAPDで測定し、②測定方法としてデジタルによる直接カウントかAPD出力を積分したアナログレベルの測定が適切かを評価し、③散乱反射の信号をとらえる手法を実証し、ガイガーモードAPDがドップラーLIDARの検出器として利用できることを示す。
2019年度は、上記①に相当する部分を実施し、可視光レーザ（ガイド光）によってマイケルソン型干渉計を構成して、Si-MPPCを検出器としてフォトイベントが検出できることを確認する予備実験を行った。2020年度は2019年度の結果に基づき、赤外レーザを使った干渉計の構成と干渉縞の測定、位相変調器による干渉縞の測定、を行い、②に相当する部分、測定方法としてデジタルによる直接カウントかAPD出力を積分したアナログレベルの測定が適切かの検討を行う計画であった。
まず、780nmの赤外レーザを使用してマイケルソン干渉計を構成し、Si-MPPCを検出器としてフォトイベントが検出できることを確認し、フォトン検出用のパルスカウンタによって、干渉縞とSi-MPPCからのカウント数に相関が見られることを確認した。
②測定方法（アナログかデジタルか）の検討については、高速ADコンバータ(500Msps)を使用してSi-MPPCからのフォトイベントを計数可能であることを確認した。これによって、AD変換結果に対して適切な閾値をもってデータ処理することによって、一定時間内のフォトイベント数を測定する方法を確立した。しかし、干渉縞の位相を検出したフォトイベントレートによって定量的に測定をするには至っていない。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
2019年度の研究で、干渉計測には設置定盤の防振対策が必要であることがわかり、この対策に時間を要した。
赤外レーザを使用した干渉計において、位相変調器の動作によってSi-MPPCの出力が変化することを確認したが、理論的な干渉縞の変化量からSi-MPPCからの出力変化を説明することが困難な結果であった。原因としては、光路である光ファイバへの入射方法に問題があるか、参照光と測定光の位相差が不十分であることが考えられたため、この問題については共振型の変調器の使用について理論検討を行いつつ、研究実績に記載の②測定方法（アナログかデジタルか）の検討を先に進めることとした。
一方研究を取り巻く社会環境として、年度当初より新型コロナの蔓延にともなって緊急事態宣言等の蔓延防止策により研究室への出入りが極端に制限され、さらに実験支援者である大学院生についても大学の蔓延防止対策によって自宅待機もしくは外部機関への出入りができなくなるなど、４ヶ月以上にわたって実験が困難な状況が発生した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の計画で実施できなかった位相変調器による干渉縞の測定について、光ファイバへの入射方法の改善や共振型変調器の採用によって解決をはかり、周期や変調度について確認する。
Si-MPPCを使った本計画では、参照光による飽和に注意しながら、信号光への感度を引き出すための微妙なレベル調整が必要で、この際にフォトイベントの読み取り方法が適しているかどうかも問題となる。更に取り込んだ情報から「うなり」成分を算出して、その精度を評価する。飽和に対しては、FM-CWレーダとしての動作をパルス的に行って平均入力を減らす方法をバックアップとして考えている。
「うなり」成分が順調に読み出せた場合は、位相変調器によって電気的にドップラシフトの位相変動を模擬するか、または直動システムで機械的にドップラシフトを発生させて、ドップラシフト量とSi-MPPC出力のフォトイベント発生率の相関を測定していく。
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| Causes of Carryover |
赤外レーザを使用した干渉計で、理論的な干渉縞の変化量とSi-MPPCからの出力変化に相違が見られたことについて、光ファイバへの入射方法の問題か、参照光と測定光の位相差が不十分であるかについて検討を深めた上で購入装置を決定する必要があり、その検討のために追加実験をするなど時間を要するため。
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