2021 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 – 2023-03-31
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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反射信号の干渉からうなり周波数をとらえる手法を実証し、ガイガーモードAPD(Si-MPPC)がドップラーLIDARの検出器として利用できることを示す。
2020年度は、上記①および②に相当する部分を実施し、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からのフォトイベントを高速ADコンバータ(500Msps)を使用してデジタル化して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。
2021年度は、上記③に相当する部分を実施した。まず、干渉によるうなりを測定する前段階として数十kHzのAM変調をかけた赤外レーザをSi-MPPCで検波して、②で確立したデジタル化により発生頻度を直接カウントする手法を使用して変調周波数を特定する測定を行い、②の手法で使用する閾値および測定時間の最適化を行った。この上で干渉計の一方に位相変調をかけてSi-MPPC位置で100kHzのうなりを生じさせ、うなり周波数の検出を試み、フォトイベント発生頻度の変化をFFTすることによって100kHzの検出に成功した。したがって、本研究の目的であるガイガーモードAPD(Si-MPPC)によるうなり周波数の検出を達成した。ただし、最小検出感度および検出方法の最適化などが課題として抽出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
５．研究実績の概要で述べたように、2021年度までに当初予定していたガイガーモードAPD(Si-MPPC)の出力からうなり周波数を測定するを達成している。ただし、最小検出感度および検出方法の最適化などが課題として抽出されたため、より精緻な実験的解析を進めるために研究期間を延長した。
2020年度に問題となった、干渉縞の変化とSi-MPPCからの出力変化の相関がとれなかった問題は、検出器への光入力方法に原因があることを究明して解決した。同時に進めた②測定方法（アナログかデジタルか）の検討はデジタル化して直接フォトイベント発生頻度を計数する手法が有効である事を見いだし、発生頻度の時間変化からうなり周波数を検出する手法を確立した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度までの研究によってうなり成分をガイガーモードAPD(Si-MPPC)からのフォトイベント発生頻度の時間変化によって読み出す手法を見いだした。このため、2022年度は検出方法の最適化を行い、最小検出感度を見積もる実験を行う。さらに、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して、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。また、I/Qの検波が可能であるかについても検討する。
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| Causes of Carryover |
2021年度までに当初予定していたガイガーモードAPD(Si-MPPC)の出力からうなり周波数を測定するを達成しているが、最小検出感度および検出方法の最適化などが課題として抽出されたため、これらの課題について実験的解析を進めることに加え、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、I/Qの検波が可能であるかといった問題についても研究を進める。
次年度使用額(B-A)については、上述の実験を行うために、AD変換器、光学素子を購入する他学会参加費などに充当する。
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