JP2013174456A - Laser doppler speedometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザドップラ速度計に関する。 The present invention relates to a laser Doppler velocimeter.
光計測技術の一つであるレーザドップラ速度計（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ：ＬＤＶ）は、光のドップラ効果を利用した速度測定器である。レーザドップラ速度計は、高空間分解能、広帯域測定、実時間測定及び非接触測定が可能という特長を有しており、回転又は往復運動している物体の速度計に応用されている。 A laser Doppler velocimeter (LDV), which is one of optical measurement techniques, is a velocity measuring device that uses the Doppler effect of light. The laser Doppler velocimeter has a feature that high spatial resolution, wideband measurement, real-time measurement and non-contact measurement are possible, and is applied to a velocimeter of a rotating or reciprocating object.
レーザドップラ速度計においては、光源となるレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄ）等から出射されたレーザ光を移動している測定対象物に照射することによって生じた散乱光と元のレーザ光とが干渉しビートを起こした光をフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で受光する。このフォトダイオードの出力を電気スペクトラムアナライザで検出すると、光源のレーザ光の周波数とレーザダイオードに戻ってくる光の周波数との差分であるドップラシフト周波数が観測される。レーザドップラ速度計の原理は、このドップラシフト周波数とレーザ光の照射角度とから測定対象物の速度を求めるというものである。（特許文献１乃至特許文献３） In a laser Doppler velocimeter, scattered light generated by irradiating a moving measuring object with laser light emitted from a laser diode (LD) serving as a light source interferes with the original laser light. The light causing the beat is received by a photodiode (PD: Photo Diode). When the output of this photodiode is detected by an electric spectrum analyzer, a Doppler shift frequency that is the difference between the frequency of the laser light from the light source and the frequency of the light returning to the laser diode is observed. The principle of the laser Doppler velocimeter is to obtain the velocity of the measurement object from the Doppler shift frequency and the irradiation angle of the laser beam. (Patent Documents 1 to 3)
近年、レーザドップラ速度計の精度向上等のため、測定対象物に対して異なる方向から２つのレーザ光を照射する２ビーム照射型レーザドップラ速度計の研究が進められている（特許文献１乃至特許文献３）。２ビーム照射型レーザドップラ速度計においては、一方からのレーザ光が測定対象物に入射する際の入射角が９０°である場合も、異なる入射角で入射する他方からのレーザ光によるドップラシフト周波数を観測して測定対象物の速度を求めることができる。 In recent years, in order to improve the accuracy of a laser Doppler velocimeter, research on a two-beam irradiation type laser Doppler velocimeter which irradiates two laser beams from different directions on a measurement object has been advanced (Patent Documents 1 to 5). Reference 3). In the two-beam irradiation type laser Doppler velocimeter, the Doppler shift frequency by the laser beam from the other incident at a different incident angle even when the incident angle when the laser beam from one is incident on the measurement object is 90 °. Can be used to determine the velocity of the measurement object.
しかしながら、従来型の１ビーム照射型レーザドップラ速度計では、ビームと移動する物体とが成す角度を予め正確に定めておく必要があり、ビームと移動する物体とが成す角度が９０°である場合はドップラ効果が得られないため速度の計測が行うことができないという問題があった。また、２ビーム照射型レーザドップラ速度計は、２つのビームが成す面に対して平行に移動する物体の速度を測定することはできても、平行に移動しない物体の速度を測定できない、即ち、測定対象物に対する２ビームの照射位置が限定されてしまうという問題があった。 However, in the conventional one-beam irradiation type laser Doppler velocimeter, the angle formed between the beam and the moving object needs to be accurately determined in advance, and the angle formed between the beam and the moving object is 90 °. Has a problem that the speed cannot be measured because the Doppler effect cannot be obtained. Also, the two-beam irradiation type laser Doppler velocimeter can measure the velocity of an object that moves parallel to the plane formed by the two beams, but cannot measure the velocity of an object that does not move in parallel. There is a problem that the irradiation position of the two beams on the measurement object is limited.
本発明は、上述の問題点に鑑み、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるレーザドップラ速度計を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a laser Doppler velocimeter capable of obtaining the three-dimensional velocity of a measurement object without adjusting the direction with respect to the measurement object in view of the above-described problems. .
本発明の一実施形態に係るレーザドップラ速度計は、測定対象物にそれぞれ異なる角度からレーザ光を照射する３つの光源と、前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記３つの光源を介して受光し、前記対応する３つの光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号をそれぞれ生成する３つの受光部と、前記３つの受光部からの前記信号をそれぞれ周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、を具備し、前記３つの光源からが照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とする。 A laser Doppler velocimeter according to an embodiment of the present invention includes three light sources that irradiate a measurement target with laser light from different angles, and the three light sources that correspond to light scattered by the measurement target. From the three light receiving units, each of which generates a signal based on the combined light generated by mixing the light from the corresponding three light sources and the scattered light. A frequency detector that calculates a Doppler shift frequency by frequency analysis of each of the signals, and an arithmetic unit that calculates the magnitude of the velocity of the measurement object based on the Doppler shift frequency. Of the three angles formed by the laser beams emitted from the light source, at least two angles are 90 °.
本発明の一実施形態に係るレーザドップラ速度計は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光に分割して出射するカプラと、前記カプラから出射された前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光を測定対象物にそれぞれ異なる角度から照射する第１の光学ヘッド、第２の光学ヘッド及び第３の光学ヘッドと、前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記第１の光学ヘッド又は前記第２の光学ヘッド又は前記第３の光学ヘッドと前記カプラとを介して受光し、前記光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号を生成する受光部と、前記受光部からの前記信号を周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、を具備し、前記第１の光学ヘッド、前記第２の光学ヘッド及び前記第３の光学ヘッドから照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とする。 A laser Doppler velocimeter according to an embodiment of the present invention includes a light source that emits laser light, and the laser light emitted from the light source is converted into a first laser light, a second laser light, and a third laser light. A coupler that divides and emits light, and a first optical head that irradiates the measurement target with the first laser light, the second laser light, and the third laser light emitted from the coupler from different angles. The second optical head and the third optical head, and the first optical head, the second optical head, the third optical head and the coupler corresponding to the light scattered by the measurement object, A light receiving unit that generates a signal based on the combined light generated by mixing the light from the light source and the scattered light, and frequency-analyzing the signal from the light receiving unit. Dopp A frequency detection unit that calculates a shift frequency; and an arithmetic unit that calculates the magnitude of the velocity of the measurement object based on the Doppler shift frequency, the first optical head and the second optical head. And at least two of the three angles formed by the laser beams emitted from the third optical head are 90 °.
本発明のレーザドップラ速度計は、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるという効果を奏する。 The laser Doppler velocimeter of the present invention has an effect that the three-dimensional velocity of the measurement object can be obtained without adjusting the orientation with respect to the measurement object.
本願発明者は、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるレーザドップラ速度計を検討した結果、３つのレーザ光を測定対象物に照射し、この際、前記３つのレーザ光が互いに成す角度のうち少なくとも２つの角度を９０°に設定することに想到し、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができることを確認した。以下、本願発明者が想到した本発明のレーザドップラ速度計について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明のレーザドップラ速度計は、以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。 The inventor of the present application has studied a laser Doppler velocimeter that can determine the three-dimensional velocity of the measurement object without adjusting the direction with respect to the measurement object. As a result, three laser beams are used as the measurement object. At this time, it is conceived that at least two of the angles formed by the three laser beams are set to 90 °, and the three-dimensional shape of the measurement object is adjusted without adjusting the direction with respect to the measurement object. It was confirmed that the magnitude of the speed could be obtained. Hereinafter, the laser Doppler velocimeter of the present invention conceived by the present inventor will be described with reference to the drawings. The laser Doppler velocimeter of the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications.
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザドップラ速度計１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係るレーザドップラ速度計１０は、光源１１ａ〜１１ｃ、受光部１３ａ〜１３ｃ、増幅器１５ａ〜１５ｃ、周波数検出部１７ａ〜１７ｃ及び演算部１９を具備している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a laser Doppler velocimeter 10 according to Embodiment 1 of the present invention. The laser Doppler velocimeter 10 according to the present embodiment includes light sources 11a to 11c, light receiving units 13a to 13c, amplifiers 15a to 15c, frequency detection units 17a to 17c, and a calculation unit 19.
光源１１ａ〜１１ｃには半導体レーザ（レーザダイオード）などを用いることができる。受光部１３ａ〜１３ｃには、フォトダイオードなどを用いることができる。周波数検出部１７ａ〜１７ｃは、スペクトラムアナライザなどを含む。演算部１９には、ＣＰＵなどを用いる。 For the light sources 11a to 11c, a semiconductor laser (laser diode) or the like can be used. A photodiode or the like can be used for the light receiving portions 13a to 13c. The frequency detectors 17a to 17c include a spectrum analyzer and the like. The arithmetic unit 19 uses a CPU or the like.
光源１１ａ〜１１ｃは、移動している測定対象物２０上の所定の照射点Ｐに向けてそれぞれ異なる方向からレーザ光（以下、レーザビームともいう）を照射する。図２は、測定対象物２０にレーザビームを照射する光源１１ａ〜１１ｃの位置関係を示す概略図である。図２では、図面において手前方向に向かって回転する回転ファンを測定対象物２０として示しているが、本願発明のレーザドップラ速度計によって移動速度の大きさ及びその方向を測定される測定対象物は回転ファンに限定されない。ここで、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°になるように、光源１１ａ〜１１ｃの配置を設定する。光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であれば、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意である。光源１１ａ〜１１ｃから照射されたレーザビーム１〜３は、測定対象物２０によって散乱される。このとき、散乱されたレーザビームの一部は、光源１１ａ〜１１ｃから照射された際に辿った経路を逆に辿り、光源１１ａ〜１１ｃにそれぞれ入射する。測定対象物２０からの散乱されたレーザビームは、光源１１ａ〜１１ｃが発するレーザビームと混合される。移動している測定対象物２０によって散乱されたレーザビームは、ドップラ効果によって測定対象物２０の移動速度及び測定対象物２０の移動方向とレーザビームの散乱方向とが成す角度に応じた周波数がシフトしている（ドップラシフト周波数）。ドップラシフト周波数は、測定対象物２０によって散乱されたレーザビームと光源１１ａ〜１１ｃが発するレーザビーム１〜３とが混合された合成光に干渉として現れる。本実施形態では、光源１１ａ〜１１ｃから発せられたレーザビーム１〜３が測定対象物２０によって散乱され、散乱されたレーザビームが対応する光源１１ａ〜１１ｃに戻って光源１１ａ〜１１ｃから発せられるレーザビーム１〜３と自己混合されるため、外部参照光は必要ない。光源１１ａ〜１１ｃは、合成光を受光部１３ａ〜１３ｃにそれぞれ出射する。 The light sources 11 a to 11 c irradiate laser beams (hereinafter also referred to as laser beams) from different directions toward a predetermined irradiation point P on the moving measurement object 20. FIG. 2 is a schematic diagram showing a positional relationship between the light sources 11a to 11c that irradiate the measurement target 20 with a laser beam. In FIG. 2, a rotating fan that rotates in the front direction in the drawing is shown as a measurement object 20, but the measurement object whose magnitude and direction of movement speed are measured by the laser Doppler velocimeter of the present invention is as follows. It is not limited to a rotating fan. Here, the arrangement of the light sources 11a to 11c is set so that at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are 90 °. If at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are 90 °, the incident angles of the laser beams 1 to 3 on the measuring object 20 are arbitrary. is there. The laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are scattered by the measurement object 20. At this time, part of the scattered laser beam follows the path traced when irradiated from the light sources 11a to 11c, and enters the light sources 11a to 11c, respectively. The scattered laser beam from the measurement object 20 is mixed with the laser beams emitted from the light sources 11a to 11c. The laser beam scattered by the moving measurement object 20 is shifted in frequency according to the moving speed of the measurement object 20 and the angle between the moving direction of the measurement object 20 and the scattering direction of the laser beam due to the Doppler effect. (Doppler shift frequency). The Doppler shift frequency appears as interference in the combined light in which the laser beam scattered by the measurement object 20 and the laser beams 1 to 3 emitted from the light sources 11a to 11c are mixed. In the present embodiment, laser beams 1 to 3 emitted from the light sources 11a to 11c are scattered by the measurement object 20, and the scattered laser beams return to the corresponding light sources 11a to 11c and emitted from the light sources 11a to 11c. External reference light is not required because it is self-mixed with beams 1-3. The light sources 11a to 11c emit combined light to the light receiving units 13a to 13c, respectively.
受光部１３ａ〜１３ｃは、光源１１ａ〜１１ｃから出射された合成光をそれぞれ電気的な信号に変換し、周波数検出部１７ａ〜１７ｃに出力する。受光部１３ａ〜１３ｃから出力された信号は、それぞれ増幅器１５ａ〜１５ｃによって増幅されて、周波数検出部１７ａ〜１７ｃに供給されてもよい。周波数検出部１７ａ〜１７ｃは、受光部１３ａ〜１３ｃからの信号からドップラシフト周波数をそれぞれ検出する。測定対象物２０には、３つの光源１１ａ〜１１ｃによってそれぞれ異なる方向からレーザビーム１〜３が照射されているため、３つのドップラシフト周波数が検出される。周波数検出部１７ａ〜１７ｃは、検出したドップラシフト周波数のデータを演算部１９に供給する。演算部１９は、供給されたドップラシフト周波数に基づき、測定対処物２０の移動速度Ｖの大きさを算出する。 The light receivers 13a to 13c convert the combined light emitted from the light sources 11a to 11c into electrical signals, respectively, and output the electrical signals to the frequency detectors 17a to 17c. The signals output from the light receivers 13a to 13c may be amplified by the amplifiers 15a to 15c, respectively, and supplied to the frequency detectors 17a to 17c. The frequency detectors 17a to 17c detect Doppler shift frequencies from the signals from the light receivers 13a to 13c, respectively. Since the measurement object 20 is irradiated with the laser beams 1 to 3 from different directions by the three light sources 11a to 11c, three Doppler shift frequencies are detected. The frequency detection units 17 a to 17 c supply the detected Doppler shift frequency data to the calculation unit 19. The calculation unit 19 calculates the magnitude of the moving speed V of the measurement object 20 based on the supplied Doppler shift frequency.
上述したように、本願発明のレーザドップラ速度計１０は、３つの光源１１ａ〜１１ｃを有しており、これらの光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。 As described above, the laser Doppler velocimeter 10 of the present invention has three light sources 11a to 11c, and among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from these light sources 11a to 11c. By setting at least two angles to 90 °, the three-dimensional velocity magnitude of the measurement object can be obtained without adjusting the orientation of the light sources 11a to 11c with respect to the measurement object 20.
以下、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法を説明する。 Hereinafter, a method of calculating the magnitude of the moving speed V of the measurement target 20 when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 ° will be described.
図３は、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光源１１ａ〜１１ｃの位置関係を示す概略図である。図３に示す通り、光源１１ａから照射されるレーザビーム１と光源１１ｂから照射されるレーザビーム２との間の角度は９０°であり、且つ光源１１ｂから照射されるレーザビーム２と光源１１ｃから照射されるレーザビーム３との間の角度は９０°であり、且つ光源１１ｃから照射されるレーザビーム３と光源１１ａから照射されるレーザビーム１との間の角度も９０°である。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３は、それぞれ互いに直交している。このとき、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、図３に示す速度ベクトルＶの大きさである。ここで、レーザビーム１〜３は互いに直交しているため、それぞれのビーム軸を直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系）と見なすことができる。 FIG. 3 shows a predetermined irradiation point P on the measurement object 20 (not shown) when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °. It is the schematic which shows the positional relationship of the light sources 11a-11c which irradiate with the laser beams 1-3. As shown in FIG. 3, the angle between the laser beam 1 irradiated from the light source 11a and the laser beam 2 irradiated from the light source 11b is 90 °, and from the laser beam 2 irradiated from the light source 11b and the light source 11c. The angle between the irradiated laser beam 3 is 90 °, and the angle between the laser beam 3 irradiated from the light source 11c and the laser beam 1 irradiated from the light source 11a is also 90 °. That is, the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are orthogonal to each other. At this time, the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 is the magnitude of the speed vector V shown in FIG. Here, since the laser beams 1 to 3 are orthogonal to each other, each beam axis can be regarded as an orthogonal coordinate system (X, Y, Z coordinate system).
図４は、図３に示した光源１１ａ〜１１ｃからそれぞれ照射されるレーザビーム１〜３のビーム軸をＸ，Ｙ，Ｚ座標系に当てはめた場合を示した図である。図４では、図３における光源１１ａから照射されるレーザビーム１のビーム軸をＸ軸、光源１１ｂから照射されるレーザビーム２のビーム軸をＹ軸、光源１１ｃから照射されるレーザビーム３のビーム軸をＺ軸に当てはめた場合を示している。図４を参照すると、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解することができる。測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、以下の（式１）を用いて各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより算出される。
一般的に、移動速度Ｖを有する対象物にレーザビームを照射してドップラシフト周波数を観測し、移動速度Ｖを求める場合、以下の（式２）が用いられる。
（式２）を用いて、図４に示した各軸と測定対象物２０の速度方向とが成す角度θ１、θ２、θ３と、測定対象物２０の移動速度Ｖとの関係は、以下の（式３）のように表せる。
以上に説明したように、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合、それぞれのビーム軸を直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と見なすことができる。測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度を全て９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計１０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。 As described above, when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °, the respective beam axes are set to the X axis and the Y axis of the orthogonal coordinate system. Can be regarded as the Z axis. The magnitude V of the moving speed of the measurement object 20 is decomposed into velocity components v 1 , v 2 , and v 3 on each axis, and v 1 , v 2 , and v 3 are respectively calculated, and the calculated v 1 , v 2 are calculated. , v 3 can calculate the size of the moving velocity V of the measured object 20 by the synthesizing. Therefore, when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °, the incident angles of the laser beams 1 to 3 on the measurement target 20 are arbitrary. Also good. That is, if all three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11 a to 11 c are fixed at 90 °, the laser Doppler velocimeter 10 can be at an arbitrary angle with respect to the measurement object 20. Even when the laser beam is irradiated, the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 can be obtained.
以上、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法を説明した。しかしながら、本願発明はこれに限定されず、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定すれば、測定対象物２０に対する光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。 In the above, the calculation method of the magnitude | size of the moving speed V of the measuring object 20 in case all three angles which the laser beams 1-3 irradiated from the light sources 11a-11c mutually form is set to 90 degrees was demonstrated. However, the present invention is not limited to this, and if at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °, the measurement object 20 can be measured. The three-dimensional velocity magnitude of the measurement object can be obtained without adjusting the directions of the light sources 11a to 11c.
次に、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法を説明する。 Next, of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c, any two of the angles are set to 90 °, and the moving speed V of the measurement target 20 is as large as possible. A calculation method will be described.
図５は、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、２つの角度を９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光源１１ａ〜１１ｃの位置関係を示す概略図である。図５に示す通り、光源１１ａから照射されるレーザビーム１と光源１１ｂから照射されるレーザビーム２との間の角度は９０°であり、光源１１ｃから照射されるレーザビーム３と光源１１ａから照射されるレーザビーム１との間の角度も９０°であるが、光源１１ｂから照射されるレーザビーム２と光源１１ｃから照射されるレーザビーム３との間の角度は任意の角度αに設定する。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３のうち、レーザビーム１とレーザビーム２、及びレーザビーム１とレーザビーム３は、互いに直交しているが、レーザビーム２とレーザビーム３は角度αを成している。このとき、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、図５に示す速度ベクトルＶの大きさである。ここで、互いに直交するレーザビーム１及びレーザビーム２のビーム軸を直交座標系（Ｘ，Ｙ座標系）に当てはめ、互いに直交するレーザビーム１及びレーザビーム３のビーム軸を直交座標系（Ｘ，Ｚ座標系）に当てはめる。 FIG. 5 shows a predetermined pattern on the measurement object 20 (not shown) when two angles among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °. It is the schematic which shows the positional relationship of the light sources 11a-11c which irradiate the laser beam 1-3 to the irradiation point P of. As shown in FIG. 5, the angle between the laser beam 1 irradiated from the light source 11a and the laser beam 2 irradiated from the light source 11b is 90 °, and the laser beam 3 irradiated from the light source 11c and the light source 11a are irradiated. The angle between the laser beam 1 and the laser beam 1 is 90 °, but the angle between the laser beam 2 emitted from the light source 11b and the laser beam 3 emitted from the light source 11c is set to an arbitrary angle α. That is, among the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c, the laser beam 1 and the laser beam 2 and the laser beam 1 and the laser beam 3 are orthogonal to each other. Forms an angle α. At this time, the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 is the magnitude of the speed vector V shown in FIG. Here, the beam axes of the laser beam 1 and the laser beam 2 which are orthogonal to each other are applied to an orthogonal coordinate system (X, Y coordinate system), and the beam axes of the laser beam 1 and the laser beam 3 which are orthogonal to each other are (Z coordinate system).
図６は、図５に示した光源１１ａ、１１ｂからそれぞれ照射されるレーザビーム１及びレーザビーム２のビーム軸をＸ，Ｙ座標系に当てはめ、レーザビーム１及びレーザビーム３のビーム軸をＸ，Ｚ座標系に当てはめた場合を示した図である。図６を参照すると、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、Ｘ軸上の速度成分ｖ１及びｖ２３に分解することができる。速度成分ｖ２３は、Ｙ軸上の速度成分ｖ２、Ｚ軸上の速度成分ｖ３に分解される。速度成分各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３は、前述の（式５）を用いて算出される。
次に速度成分ｖ２、ｖ３を合成して速度成分ｖ２３を求める。速度成分ｖ２３は、余弦定理により以下の（式６）によって求めることができる。
測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、以下の（式７）を用いてＸ軸上の速度成分ｖ１、と（式５）により算出された速度成分ｖ２３を合成することにより求めることができる。
以上に説明したように、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合、互いに直交するレーザビームのビーム軸を直交座標系にそれぞれ当てはめることにより、測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度うち、任意の２つの角度を９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計１０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。 As described above, when two arbitrary angles among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °, the beam axes of the laser beams orthogonal to each other. Is applied to the Cartesian coordinate system, the magnitude V of the moving speed of the measuring object 20 is decomposed into velocity components v 1 , v 2 , v 3 on the respective axes, and v 1 , v 2 , v 3 are respectively represented. The magnitude of the moving speed V of the measurement object 20 can be obtained by calculating and synthesizing the calculated v 1 , v 2 , and v 3 . Therefore, when two arbitrary angles among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are set to 90 °, the laser beams 1 to 3 are incident on the measurement target 20. The corner may be arbitrary. That is, the laser Doppler velocimeter 10 is placed on the measuring object 20 as long as any two angles among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the light sources 11a to 11c are fixed at 90 °. On the other hand, even if the laser beam is irradiated at an arbitrary angle, the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 can be obtained.
以上の実施形態１で説明したように、本願発明のレーザドップラ速度計１０は、測定対象物２０にレーザビーム１〜３をそれぞれ照射する３つの光源１１ａ〜１１ｃを有しており、これらの光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。 As described in the first embodiment, the laser Doppler velocimeter 10 of the present invention has the three light sources 11a to 11c that respectively irradiate the measurement target 20 with the laser beams 1 to 3, and these light sources. By setting at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from 11a to 11c to 90 °, the direction of the light sources 11a to 11c with respect to the measurement target 20 is not adjusted. The three-dimensional velocity magnitude of the measurement object can be obtained.
（実施形態２）
以下、本願発明者が想到した本発明の実施形態２に係るレーザドップラ速度計について、図面を参照しながら説明する。図７は、本発明の実施形態２に係るレーザドップラ速度計７０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０は、光源７１、カプラ７２、受光部７３、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ、増幅器７５、周波数検出部７７及び演算部７９を具備している。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a laser Doppler velocimeter according to Embodiment 2 of the present invention conceived by the present inventor will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a laser Doppler velocimeter 70 according to Embodiment 2 of the present invention. A laser Doppler velocimeter 70 according to the present embodiment includes a light source 71, a coupler 72, a light receiving unit 73, optical heads 74a to 74c, an amplifier 75, a frequency detection unit 77, and a calculation unit 79.
実施形態１と同様に、光源７１には半導体レーザなどを用いることができる。また、受光部７３には、フォトダイオードなどを用いることができる。 As in the first embodiment, a semiconductor laser or the like can be used for the light source 71. For the light receiving portion 73, a photodiode or the like can be used.
カプラ７２は、入力される光信号を分波・合波できる受動光デバイスである。本実施形態において、カプラ７２は４つのポートを有している。カプラ７２の４つのポートは、光源７１に接続されている光導波路７６、及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに接続されている光導波路７８ａ〜７８ｃにそれぞれ接続される。カプラ７２は、光導波路７６を通じて供給される光源７１からのレーザ光を分岐比１：１：１で分配し、光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに供給する。また、カプラ７２は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて供給される測定対象物２０によって散乱されたレーザ光を多重して、光導波路７６を通じて光源７１に供給する。 The coupler 72 is a passive optical device that can demultiplex and multiplex input optical signals. In the present embodiment, the coupler 72 has four ports. The four ports of the coupler 72 are connected to an optical waveguide 76 connected to the light source 71 and optical waveguides 78a to 78c connected to the optical heads 74a to 74c, respectively. The coupler 72 distributes the laser light from the light source 71 supplied through the optical waveguide 76 at a branching ratio of 1: 1: 1, and supplies it to the optical heads 74a to 74c through the optical waveguides 78a to 78c. The coupler 72 multiplexes the laser light scattered by the measurement target 20 supplied from the optical heads 74 a to 74 c through the optical waveguides 78 a to 78 c and supplies the multiplexed light to the light source 71 through the optical waveguide 76.
周波数検出部７７は、分析部７７ａ及び検出部７７ｂを備えていてもよい。周波数検出部７７は、ＣＰＵなどを含む。また、周波数検出部７７は、スペクトラムアナライザなどを含んでもよい。演算部７９には、ＣＰＵなどを用いる。 The frequency detection unit 77 may include an analysis unit 77a and a detection unit 77b. The frequency detection unit 77 includes a CPU and the like. Further, the frequency detection unit 77 may include a spectrum analyzer or the like. The arithmetic unit 79 uses a CPU or the like.
光源７１は、レーザ光を出射する。光源から出射されたレーザ光は光導波路７６を通じてカプラ７２に伝搬される。カプラ７２は、供給されたレーザ光を３つに分離する。カプラ７２によって分離されたレーザ光は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに接続された光導波路７８ａ〜７８ｃにそれぞれ伝搬されて、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに供給される。光学ヘッド７４ａ〜７４ｃは、移動している測定対象物２０上の所定の照射点Ｐに向けてそれぞれ異なる方向からレーザビームを照射する。図８は、測定対象物２０にレーザビームを照射する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの位置関係を示す概略図である。図８では、図２と同様に、図面において手前方向に向かって回転する回転ファンを測定対象物２０として示しているが、本願発明のレーザドップラ速度計７０によって移動速度の大きさ及びその方向を測定される測定対象物は回転ファンに限定されない。ここで、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°になるように、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの配置を設定する。光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であれば、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意である。 The light source 71 emits laser light. Laser light emitted from the light source is propagated to the coupler 72 through the optical waveguide 76. The coupler 72 separates the supplied laser light into three. The laser beams separated by the coupler 72 are propagated to the optical waveguides 78a to 78c connected to the optical heads 74a to 74c, respectively, and supplied to the optical heads 74a to 74c. The optical heads 74 a to 74 c irradiate laser beams from different directions toward a predetermined irradiation point P on the moving measurement object 20. FIG. 8 is a schematic diagram showing the positional relationship of the optical heads 74a to 74c that irradiate the measurement target 20 with a laser beam. In FIG. 8, as in FIG. 2, a rotating fan that rotates toward the front in the drawing is shown as the measurement object 20, but the magnitude and direction of the moving speed are determined by the laser Doppler velocimeter 70 of the present invention. The measurement object to be measured is not limited to the rotary fan. Here, the arrangement of the optical heads 74a to 74c is set so that at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the optical heads 74a to 74c are 90 °. If at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the optical heads 74a to 74c are 90 °, the incident angles of the laser beams 1 to 3 on the measuring object 20 are arbitrary. It is.
光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されたレーザビーム１〜３は、測定対象物２０によって散乱される。このとき、散乱されたレーザビームの一部は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射された際に辿った経路を逆に辿り、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから光導波路７８ａ〜７８ｃを通じてカプラ７２に伝搬される。カプラ７２は、光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて光学ヘッド７４ａ〜７４ｃからそれぞれ伝搬された測定対象物２０により散乱されたレーザ光を多重する。カプラ７２によって多重された光学ヘッド７４ａ〜７４ｃからのレーザ光は、光源７１に接続された光導波路７６に伝搬されて、光源７１に入射する。測定対象物２０からの散乱されたレーザ光は、光源７１が発するレーザ光と混合される。移動している測定対象物２０によって散乱されたレーザ光は、ドップラ効果によって測定対象物２０の移動速度及び測定対象物２０の移動方向とレーザビームの散乱方向とが成す角度に応じた周波数がシフトしている（ドップラシフト周波数）。ドップラシフト周波数は、測定対象物２０によって散乱されたレーザビームと光源７１が発するレーザ光とが混合された合成光に干渉として現れる。本実施形態では、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを通して発せられたレーザビーム１〜３が測定対象物２０によって散乱され、散乱されたレーザビームが対応する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ及びカプラ７２を介して光源７１に戻って光源７１から発せられるレーザ光と自己混合されるため、外部参照光は必要ない。光源７１は、合成光を受光部７３に出射する。 Laser beams 1 to 3 irradiated from the optical heads 74 a to 74 c are scattered by the measurement object 20. At this time, a part of the scattered laser beam traces the path followed when irradiated from the optical heads 74a to 74c and propagates from the optical heads 74a to 74c to the coupler 72 through the optical waveguides 78a to 78c. . The coupler 72 multiplexes the laser beams scattered by the measuring object 20 propagated from the optical heads 74a to 74c through the optical waveguides 78a to 78c, respectively. The laser beams from the optical heads 74 a to 74 c multiplexed by the coupler 72 are propagated to the optical waveguide 76 connected to the light source 71 and enter the light source 71. The scattered laser light from the measurement object 20 is mixed with the laser light emitted from the light source 71. The laser light scattered by the moving measuring object 20 is shifted in frequency according to the moving speed of the measuring object 20 and the angle formed by the moving direction of the measuring object 20 and the scattering direction of the laser beam due to the Doppler effect. (Doppler shift frequency). The Doppler shift frequency appears as interference in the combined light in which the laser beam scattered by the measurement target 20 and the laser light emitted from the light source 71 are mixed. In this embodiment, the laser beams 1 to 3 emitted through the optical heads 74 a to 74 c are scattered by the measurement object 20, and the scattered laser beams are transmitted to the light source 71 via the corresponding optical heads 74 a to 74 c and the coupler 72. Since it is self-mixed with the laser light emitted back from the light source 71, no external reference light is required. The light source 71 emits the combined light to the light receiving unit 73.
受光部７３は、光源７１から出射された合成光を電気的な信号に変換し、周波数検出部７７に出力する。受光部７３から出力された信号は、増幅器７５によって増幅されて、周波数検出部７７に供給されてもよい。周波数検出部７７は、受光部７３からの信号からドップラシフト周波数を検出する。測定対象物２０には、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃによってそれぞれ異なる方向からレーザビーム１〜３が照射されているため、３つのドップラシフト周波数が検出される。受光部７３から出力された信号は、先ず、分析部７７ａに供給されてもよい。分析部７７ａは、供給された信号をフーリエ変換することにより、周波数スペクトルを算出する。算出された周波数スペクトルは、検出部７７に供給されてもよい。検出部７７ｂは、得られた周波数スペクトルから３つのドップラシフト周波数を検出する。周波数検出部７７は、検出したドップラシフト周波数のデータを演算部７９に供給する。演算部７９は、供給されたドップラシフト周波数に基づき、測定対処物２０の移動速度Ｖの大きさを算出する。 The light receiving unit 73 converts the combined light emitted from the light source 71 into an electrical signal and outputs the electrical signal to the frequency detection unit 77. The signal output from the light receiving unit 73 may be amplified by the amplifier 75 and supplied to the frequency detection unit 77. The frequency detector 77 detects the Doppler shift frequency from the signal from the light receiver 73. Since the measurement target 20 is irradiated with the laser beams 1 to 3 from different directions by the three optical heads 74a to 74c, three Doppler shift frequencies are detected. The signal output from the light receiving unit 73 may be first supplied to the analysis unit 77a. The analysis unit 77a calculates a frequency spectrum by performing a Fourier transform on the supplied signal. The calculated frequency spectrum may be supplied to the detection unit 77. The detector 77b detects three Doppler shift frequencies from the obtained frequency spectrum. The frequency detector 77 supplies the detected Doppler shift frequency data to the calculator 79. The calculation unit 79 calculates the magnitude of the moving speed V of the measurement object 20 based on the supplied Doppler shift frequency.
本願発明のレーザドップラ速度計７０は、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。 The laser Doppler velocimeter 70 of the present invention has three optical heads 74a to 74c, and at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from these optical heads 74a to 74c. By setting one angle to 90 °, the three-dimensional velocity magnitude of the measurement object can be obtained without adjusting the orientation of the optical heads 74a to 74c with respect to the measurement object 20.
光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定する場合、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃのそれぞれの位置を、図９及び図１０に示す。図９は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの位置関係を示す概略図である。図１０は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、２つの角度を９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの位置関係を示す概略図である。 When at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are set to 90 °, the positions of the optical heads 74a to 74c are respectively shown in FIGS. 10 shows. FIG. 9 shows a predetermined irradiation point on the measurement target 20 (not shown) when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are set to 90 °. It is the schematic which shows the positional relationship of the optical heads 74a-74c which irradiate P with the laser beams 1-3. FIG. 10 shows the measurement object 20 (not shown) when two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the optical heads 74a to 74c are set to 90 °. It is the schematic which shows the positional relationship of the optical heads 74a-74c which irradiate the predetermined irradiation point P with the laser beams 1-3.
本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０において、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法、及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、実施形態１において説明した測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法と同様である。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３のビーム軸をそれぞれ直交座標系の軸に当てはめ、測定対象物２０の移動速度Ｖを各軸上の速度成分に分解して算出し、算出した各軸上の速度成分を合成することによって算出することができる。各軸上の速度成分の算出及び算出した各軸上の速度成分の合成には、前述した（式１）及び（式５）、又は（式５）〜（式７）を用いる。但し、本実施形態においては、レーザドップラ速度計７０では単独の光源７１を用いている。そのため、光源７１から出射されるレーザ光の光波長をλとすると、（式５）では、λ１、λ２、λ３にλを代入する。本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０による測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、前述したように実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。 In the laser Doppler velocimeter 70 according to this embodiment, the moving speed V of the measuring object 20 when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are set to 90 °. Of the measurement object 20 and the movement of the measuring object 20 when any two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74 a to 74 c are set to 90 °. The method for calculating the magnitude of the velocity V is the same as the method for calculating the magnitude of the moving velocity V of the measuring object 20 described in the first embodiment. That is, the beam axes of the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are respectively applied to the axes of the orthogonal coordinate system, and the moving speed V of the measurement target 20 is decomposed into the speed components on each axis and calculated. It can be calculated by combining the calculated velocity components on each axis. The above-described (Expression 1) and (Expression 5), or (Expression 5) to (Expression 7) are used for calculating the velocity component on each axis and synthesizing the calculated velocity components on each axis. However, in this embodiment, the laser Doppler velocimeter 70 uses a single light source 71. Therefore, assuming that the wavelength of the laser light emitted from the light source 71 is λ, in (Equation 5), λ is substituted into λ 1 , λ 2 , and λ 3 . Since the method of calculating the magnitude of the moving speed V of the measurement object 20 by the laser Doppler velocimeter 70 according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment as described above, a duplicate description is omitted.
以上に説明したように、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、互いに直交するレーザビームのビーム軸を直交座標系にそれぞれ当てはめることにより、測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度うち、３つの角度の全て、又は任意の２つの角度を９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計７０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。 As described above, among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the optical heads 74a to 74c, all three angles are set to 90 °, and any two angles are set. When the angle is set to 90 °, by applying the beam axes of the laser beams orthogonal to each other to the orthogonal coordinate system, the magnitude V of the moving speed of the measuring object 20 is set to the velocity components v 1 , v 2 , v on each axis. 3 , v 1 , v 2 , and v 3 are calculated, and the calculated v 1 , v 2 , and v 3 are combined to determine the magnitude of the moving speed V of the measurement target 20. Therefore, among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c, all three angles are set to 90 °, and any two angles are set to 90 °. In this case, the incident angles of the laser beams 1 to 3 on the measurement target 20 may be arbitrary. That is, if three of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c, or all two angles are fixed at 90 °, the laser Doppler velocimeter No. 70 can determine the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 even when the measuring object 20 is irradiated with a laser beam at an arbitrary angle.
以上の実施形態２で説明したように、本願発明のレーザドップラ速度計７０は、測定対象物２０にレーザビーム１〜３をそれぞれ出射する３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。また、本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０は、光源が１つであり、実施形態１のレーザドップラ速度計１０のようにそれぞれの光源に対応する周波数検出部を設ける必要がない。そのため、本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０では、周波検出部の構成を低減することができ、実施形態１のレーザドップラ速度計１０よりも構成を簡略化することができる。 As described in Embodiment 2 above, the laser Doppler velocimeter 70 of the present invention has the three optical heads 74a to 74c that respectively emit the laser beams 1 to 3 to the measurement target 20, and these The direction of the optical heads 74a to 74c with respect to the measurement target 20 is adjusted by setting at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c to 90 °. The magnitude of the three-dimensional velocity of the measurement object can be obtained without any problem. Further, the laser Doppler velocimeter 70 according to the present embodiment has one light source, and unlike the laser Doppler velocimeter 10 of the first embodiment, it is not necessary to provide a frequency detection unit corresponding to each light source. Therefore, in the laser Doppler velocimeter 70 according to the present embodiment, the configuration of the frequency detection unit can be reduced, and the configuration can be simplified as compared with the laser Doppler velocimeter 10 of the first embodiment.
（実施形態３）
以下、本願発明者が想到した本発明の実施形態３に係るレーザドップラ速度計について、図面を参照しながら説明する。図１１は、本発明の実施形態３に係るレーザドップラ速度計１１０の概略構成を示すブロック図である。図１１に示すレーザドップラ速度計１１０において、図７に示した実施形態２に係るレーザドップラ速度計７０と同一又は類似の構成については、図７における参照番号と同一の参照番号を付与し、重複する説明は省略する。本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０は、光源７１、カプラ１１２ａ、１１２ｂ、受光部１１３、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ、増幅器７５、周波数検出部７７及び演算部７９を具備している。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a laser Doppler velocimeter according to Embodiment 3 of the present invention conceived by the present inventor will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a laser Doppler velocimeter 110 according to the third embodiment of the present invention. In the laser Doppler velocimeter 110 shown in FIG. 11, the same or similar configurations as those of the laser Doppler velocimeter 70 according to the second embodiment shown in FIG. The description to be omitted is omitted. The laser Doppler velocimeter 110 according to this embodiment includes a light source 71, couplers 112a and 112b, a light receiving unit 113, optical heads 74a to 74c, an amplifier 75, a frequency detection unit 77, and a calculation unit 79.
本実施形態において、カプラ１１２ａは３つのポートを有しており、カプラ１１２ｂは４つのポートを有している。カプラ１１２ａの３つのポートは、光源７１に接続されている光導波路７６、カプラ１１２ｂに接続されている光導波路１１４、及び受光部１１３に接続されている光導波路１１５にそれぞれ接続されている。カプラ１１２ｂの４つのポートは、カプラ１１２ａに接続されている光導波路１１４及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに接続されている光導波路７８ａ〜７８ｃにそれぞれ接続されている。先ず、カプラ１１２ａは、導波路７６を通じて供給される光源７１からのレーザ光を光導波路１１４を通じてカプラ１１２ｂに供給する。カプラ１１２ｂは、光導波路１１４を通じて供給される光源７１からのレーザ光を分岐比１：１：１で分配し、光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに供給し、且つ、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて供給される測定対象物２０によって散乱されたレーザ光を多重して、光導波路１１４を通じてカプラ１１２ａに供給する。カプラ１１２ａは、カプラ１１２ｂによって多重された散乱されたレーザ光を光導波路１１５を通じて受光部１１３に供給する。また、カプラ１１２ａは、光導波路７６の端面、或いはカプラ１１２ａと光導波路７６との不連続面（界面）で反射される光源７１からのレーザ光を光導波路１１５を通じて受光部１１３に供給する。 In the present embodiment, the coupler 112a has three ports, and the coupler 112b has four ports. The three ports of the coupler 112a are connected to the optical waveguide 76 connected to the light source 71, the optical waveguide 114 connected to the coupler 112b, and the optical waveguide 115 connected to the light receiving unit 113, respectively. The four ports of the coupler 112b are connected to the optical waveguide 114 connected to the coupler 112a and the optical waveguides 78a to 78c connected to the optical heads 74a to 74c, respectively. First, the coupler 112 a supplies the laser light from the light source 71 supplied through the waveguide 76 to the coupler 112 b through the optical waveguide 114. The coupler 112b distributes the laser light from the light source 71 supplied through the optical waveguide 114 at a branching ratio of 1: 1: 1, supplies the laser light to the optical heads 74a to 74c through the optical waveguides 78a to 78c, and the optical heads 74a to 74c. The laser beams scattered by the measurement target 20 supplied from the optical waveguide 74 c through the optical waveguides 78 a to 78 c are multiplexed and supplied to the coupler 112 a through the optical waveguide 114. The coupler 112 a supplies the scattered laser light multiplexed by the coupler 112 b to the light receiving unit 113 through the optical waveguide 115. The coupler 112 a supplies the laser beam from the light source 71 reflected by the end face of the optical waveguide 76 or the discontinuous surface (interface) between the coupler 112 a and the optical waveguide 76 to the light receiving unit 113 through the optical waveguide 115.
カプラ１１２ｂによって多重された光学ヘッド７４ａ〜７４ｃからの散乱されたレーザ光は、光導波路７６の端面、或いはカプラ１１２ａと光導波路７６との界面で反射された光源７１からのレーザ光と混合される。測定対象物２０の移動速度及び測定対象物２０の移動方向とレーザビームの散乱方向とが成す角度に応じたドップラシフト周波数は、測定対象物２０によって散乱されたレーザ光と光源７１が発するレーザ光とが混合された合成光に干渉として現れる。本実施形態では、実施形態１及び実施形態２とは異なり、光導波路７６の端面、或いはカプラ１１２ａと光導波路７６との界面で光源７１からのレーザ光が反射された際の反射光を外部参照光として用いている。受光部１１３は、生成された合成光を電気的な信号に変換し、周波数検出部７７に出力する。受光部１１３から出力された信号は、増幅器７５によって増幅されて、周波数検出部７７に供給されてもよい。 Laser light scattered from the optical heads 74 a to 74 c multiplexed by the coupler 112 b is mixed with laser light from the light source 71 reflected at the end face of the optical waveguide 76 or the interface between the coupler 112 a and the optical waveguide 76. . The Doppler shift frequency corresponding to the moving speed of the measuring object 20 and the angle formed by the moving direction of the measuring object 20 and the scattering direction of the laser beam is determined by the laser light scattered by the measuring object 20 and the laser light emitted from the light source 71. Appears as interference in the combined light. In this embodiment, unlike Embodiments 1 and 2, the reflected light when the laser light from the light source 71 is reflected at the end face of the optical waveguide 76 or at the interface between the coupler 112a and the optical waveguide 76 is externally referenced. Used as light. The light receiving unit 113 converts the generated combined light into an electrical signal and outputs it to the frequency detection unit 77. The signal output from the light receiving unit 113 may be amplified by the amplifier 75 and supplied to the frequency detection unit 77.
周波数検出部７７は、受光部７３からの信号からドップラシフト周波数を検出する。測定対象物２０には、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃによってそれぞれ異なる方向からレーザビーム１〜３が照射されているため、３つのドップラシフト周波数が検出される。ドップラシフト周波数の検出方法は、実施形態２と同様であるため、個々での説明は省略する。周波数検出部７７は、検出したドップラシフト周波数のデータを演算部７９に供給する。演算部７９は、供給されたドップラシフト周波数に基づき、測定対処物２０の移動速度Ｖの大きさを算出する。 The frequency detector 77 detects the Doppler shift frequency from the signal from the light receiver 73. Since the measurement target 20 is irradiated with the laser beams 1 to 3 from different directions by the three optical heads 74a to 74c, three Doppler shift frequencies are detected. Since the method of detecting the Doppler shift frequency is the same as that in the second embodiment, the description thereof is omitted. The frequency detector 77 supplies the detected Doppler shift frequency data to the calculator 79. The calculation unit 79 calculates the magnitude of the moving speed V of the measurement object 20 based on the supplied Doppler shift frequency.
本願発明のレーザドップラ速度計１１０は、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定した際の測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの配置は、図９及び図１０に示した通りである。 The laser Doppler velocimeter 110 of the present invention has three optical heads 74a to 74c, and at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from these optical heads 74a to 74c. By setting one angle to 90 °, the three-dimensional velocity magnitude of the measurement object can be obtained without adjusting the orientation of the optical heads 74a to 74c with respect to the measurement object 20. The arrangement of the optical heads 74a to 74c with respect to the measurement object 20 when at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are set to 90 ° is shown in FIG. 9 and FIG.
本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０において、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法、及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、実施形態１において説明した測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法と同様である。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３のビーム軸をそれぞれ直交座標系の軸に当てはめ、測定対象物２０の移動速度Ｖを各軸上の速度成分に分解して算出し、算出した各軸上の速度成分を合成することによって算出することができる。各軸上の速度成分の算出及び算出した各軸上の速度成分の合成には、前述した（式１）及び（式５）、又は（式５）〜（式７）を用いる。但し、本実施形態においては、レーザドップラ速度計７０では単独の光源７１を用いている。そのため、光源７１から出射されるレーザ光の光波長をλとすると、（式５）では、λ１、λ２、λ３にλを代入する。本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０による測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、前述したように実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。 In the laser Doppler velocimeter 110 according to the present embodiment, the moving speed V of the measurement object 20 when all three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are set to 90 °. Of the measurement object 20 and the movement of the measuring object 20 when any two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74 a to 74 c are set to 90 °. The method for calculating the magnitude of the velocity V is the same as the method for calculating the magnitude of the moving velocity V of the measuring object 20 described in the first embodiment. That is, the beam axes of the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c are respectively applied to the axes of the orthogonal coordinate system, and the moving speed V of the measurement target 20 is decomposed into the speed components on each axis and calculated. It can be calculated by combining the calculated velocity components on each axis. The above-described (Expression 1) and (Expression 5), or (Expression 5) to (Expression 7) are used for calculating the velocity component on each axis and synthesizing the calculated velocity components on each axis. However, in this embodiment, the laser Doppler velocimeter 70 uses a single light source 71. Therefore, assuming that the wavelength of the laser light emitted from the light source 71 is λ, in (Equation 5), λ is substituted into λ 1 , λ 2 , and λ 3 . Since the method of calculating the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 by the laser Doppler velocimeter 110 according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment as described above, a duplicate description is omitted.
以上に説明したように、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、互いに直交するレーザビームのビーム軸を直交座標系にそれぞれ当てはめることにより、測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度うち、３つの角度の全て、又は任意の２つの角度を９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計１１０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。 As described above, among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 irradiated from the optical heads 74a to 74c, all three angles are set to 90 °, and any two angles are set. When the angle is set to 90 °, by applying the beam axes of the laser beams orthogonal to each other to the orthogonal coordinate system, the magnitude V of the moving speed of the measuring object 20 is set to the velocity components v 1 , v 2 , v on each axis. 3 , v 1 , v 2 , and v 3 are calculated, and the calculated v 1 , v 2 , and v 3 are combined to determine the magnitude of the moving speed V of the measurement target 20. Therefore, among the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c, all three angles are set to 90 °, and any two angles are set to 90 °. In this case, the incident angles of the laser beams 1 to 3 on the measurement target 20 may be arbitrary. That is, if three of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c, or all two angles are fixed at 90 °, the laser Doppler velocimeter 110 can determine the magnitude of the moving speed V of the measuring object 20 even when the measuring object 20 is irradiated with a laser beam at an arbitrary angle.
以上の実施形態３で説明したように、本願発明のレーザドップラ速度計１１０は、測定対象物２０にレーザビーム１〜３をそれぞれ出射する３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。また、本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０は、光源が１つであり、実施形態１のレーザドップラ速度計１０のようにそれぞれの光源に対応する周波数検出部を設ける必要がない。そのため、本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０では、周波検出部の構成を低減することができ、実施形態１のレーザドップラ速度計１０よりも構成を簡略化することができる。 As described in Embodiment 3 above, the laser Doppler velocimeter 110 of the present invention has the three optical heads 74a to 74c that respectively emit the laser beams 1 to 3 to the measurement target 20, and these The direction of the optical heads 74a to 74c with respect to the measurement target 20 is adjusted by setting at least two of the three angles formed by the laser beams 1 to 3 emitted from the optical heads 74a to 74c to 90 °. The magnitude of the three-dimensional velocity of the measurement object can be obtained without any problem. Further, the laser Doppler velocimeter 110 according to the present embodiment has one light source, and unlike the laser Doppler velocimeter 10 according to the first embodiment, there is no need to provide a frequency detection unit corresponding to each light source. Therefore, in the laser Doppler velocimeter 110 according to the present embodiment, the configuration of the frequency detection unit can be reduced, and the configuration can be simplified as compared with the laser Doppler velocimeter 10 of the first embodiment.
１０、７０、１１０ レーザドップラ速度計
１１ａ〜１１ｃ、７１ 光源
１３ａ〜１３ｃ、７３、１１３ 受光部
１５ａ〜１５ｃ、７５ 増幅器
１７ａ〜１７ｃ、７７ 周波数検出部
７７ａ 分析部
７７ｂ 検出部
１９、７９ 演算部
７２、１１２ａ、１１２ｂ カプラ
７４ａ〜７４ｃ 光学ヘッド
７６、７８ａ〜７８ｃ、１１４、１１５ 光導波路
２０ 測定対象物
10, 70, 110 Laser Doppler velocimeter 11a-11c, 71 Light source 13a-13c, 73, 113 Light receiving unit 15a-15c, 75 Amplifier 17a-17c, 77 Frequency detection unit 77a Analysis unit 77b Detection unit 19, 79 Calculation unit 72 112a, 112b Couplers 74a-74c Optical head 76, 78a-78c, 114, 115 Optical waveguide 20 Measurement object
Claims (6)
前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記３つの光源を介して受光し、前記対応する３つの光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号をそれぞれ生成する３つの受光部と、
前記３つの受光部からの前記信号をそれぞれ周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、
前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、
を具備し、
前記３つの光源からが照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とするレーザドップラ速度計。 Three light sources for irradiating the measurement object with laser light from different angles, and
The light scattered by the measurement object is received through the corresponding three light sources, and the combined light generated by mixing the light from the corresponding three light sources and the scattered light is combined. Three light-receiving units each generating a signal based on;
A frequency detection unit that calculates a Doppler shift frequency by performing frequency analysis on each of the signals from the three light receiving units;
A calculation unit that calculates the magnitude of the velocity of the measurement object based on the Doppler shift frequency;
Comprising
The laser Doppler velocimeter characterized in that at least two of the three angles formed by the laser beams emitted from the three light sources are 90 °.
前記光源から出射された前記レーザ光を第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光に分割して出射するカプラと、
前記カプラから出射された前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光を測定対象物にそれぞれ異なる角度から照射する第１の光学ヘッド、第２の光学ヘッド及び第３の光学ヘッドと、
前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記第１の光学ヘッド又は前記第２の光学ヘッド又は前記第３の光学ヘッドと前記カプラとを介して受光し、前記光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号を生成する受光部と、
前記受光部からの前記信号を周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、
前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、
を具備し、
前記第１の光学ヘッド、前記第２の光学ヘッド及び前記第３の光学ヘッドから照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とするレーザドップラ速度計。 A light source that emits laser light;
A coupler that divides and emits the laser light emitted from the light source into a first laser light, a second laser light, and a third laser light;
A first optical head, a second optical head, and a second optical head that irradiate the measurement target with the first laser light, the second laser light, and the third laser light emitted from the coupler, respectively, from different angles. 3 optical heads;
The light scattered by the measurement object is received via the corresponding first optical head, the second optical head, the third optical head, and the coupler, and the light from the light source and the scattering are received. A light receiving unit that generates a signal based on the combined light generated by mixing the generated light, and
A frequency detection unit that calculates a Doppler shift frequency by frequency analysis of the signal from the light receiving unit;
A calculation unit that calculates the magnitude of the velocity of the measurement object based on the Doppler shift frequency;
Comprising
A laser characterized in that at least two of the three angles formed by the laser beams emitted from the first optical head, the second optical head, and the third optical head are 90 °. Doppler speedometer.
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