JP2016024120A - 極値検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、入力値に意図的な変化を与えることなく出力値を測定システムの出力特性の極値と一致させるように調整することができる極値検出器を提供する。【解決手段】本発明の極値検出器は、被測定物から出力される信号を分配する分配器と、分配された信号をフィルタリングして出力する第１及び第２のバンドパスフィルタと、第１及び第２のバンドパスフィルタにおいてフィルタリングされた信号の強度を検出して第１及び第２の強度信号をそれぞれ出力する第１及び第２の強度検出器と、第１及び第２の強度信号の差分信号を生成する減算器と、差分信号の値がゼロとなるように、被測定物の周波数を制御する制御装置とを備え、第１のバンドパスフィルタの中心周波数は、第２のバンドパスフィルタの中心周波数と異なることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、入力値に応じた出力値を出力する機能を持ち、かつ入力値の変化に対して出力値にピーク値（極大値）またはボトム値（極小値）を有するシステムにおいて、これら出力値が極値となるような入力値を検出する極値検出器に関する。

ある被測定物の物理量を入力すると、入力値に応じた出力値を出力する機能を有する測定システムにおいて、測定された出力値が極大または極小となるように被測定物の物理量を調整することは、制御工学では重要な技術の一つである。一例として、図３に示すような、高周波電気信号の周波数をバンドパスフィルタを用いて制御装置によって調整する場合を考える。図３は、従来の極値検出器の構成を示す図である。図３には、高周波信号源３０１と、バンドパスフィルタ３０３と、強度検出器３０４と、制御装置３０６とを備えた従来の極値検出器が示されている。

ここで、バンドパスフィルタとは、図４に示すバンドパスフィルタの透過特性のように、自身の中心周波数を有し、入力される高周波電気信号の周波数が中心周波数と一致した場合に最少の損失、すなわち最大の強度でこの高周波電気信号を出力側へ透過するものである。一方、入力される高周波電気信号の周波数と中心周波数との乖離が大きいほど大きな損失、すなわち小さな強度で高周波電気信号を出力側へ透過するものである。

したがって、図３に示す従来の極値検出器では、被測定物としての高周波信号源３０１から出力された高周波電気信号をバンドパスフィルタ３０３に入力し、バンドパスフィルタ３０３から出力される高周波電気信号の出力強度を強度検出器３０４で測定し、制御装置３０６で高周波電気信号の周波数を調整して出力強度が最大となるような周波数を見つけることにより、被測定物である高周波電気信号をバンドパスフィルタ３０３の中心周波数に一致した周波数にすることが可能となる。

非特許文献１には、レーザーの波長をこれに対応する高周波電気信号に変換した後に、この高周波電気信号をバンドパスフィルタに透過させ、透過後の高周波電気信号の強度が最大となるようにレーザーの波長を調整することで、高周波電気信号の周波数がバンドパスフィルタの中心波長と一致するように調整して所望のレーザー波長を得る方法が示されている。非特許文献１に記載の方法では、高周波電気信号の周波数がバンドパスフィルタの中心周波数と一致しているかどうかを検出するために、意図的に高周波電気信号の周波数、すなわちレーザー光の波長をわずかながら変化させ、透過する高周波電気信号の強度が最大となる条件を見出し、その波長にレーザー光を調整している。一旦、所望の波長にレーザー光を調整した後も常に波長をわずかに変化させて、高周波電気信号の強度が最大値となっていることを確認してその値を維持することで、長時間にわたりレーザー光を所望の値に保持することが可能となっている。

佐伯淳、武内翔太、恩地裕和、加藤和利、「光差周波を用いたフレキシブルグリッド向け高精度レーザー波長安定化」、レーザー学会学術講演会第３４回年次大会、2014年

従来技術のように、測定システムの出力が最大値となるように入力値を調整するには、常に入力値をわずかに変化させ続け、入力値の変化に対する出力値の変化を観測し、出力値の変化の度合いがゼロに近くなる状態であることを確認する必要がある。これは入力に対する出力特性の微分値を観測しているということと同義である。つまり、出力特性の微分関数は極値においてゼロとなり、その前後では符号が反対となるため、ゼロ点を求める、すなわち出力値の変化がゼロとなるような入力値を求めることで出力が最大となる入力値を見つけることができる。

ところで、従来のこのように入力値を常に変化させて、出力値が極値となるような入力値を求める方法では、入力値が常に変化しているために、入力値に雑音が重畳されるという問題があった。例えば光通信用レーザーの波長を入力値として光バンドパスフィルタの出力が最大となるようにレーザー波長を調整することで波長安定化を行う場合には、レーザーの波長を常に変化させるため、このレーザー光を用いて光通信を行うと、受信側において波長の変化に起因する雑音が発生し、波長が変化しない場合に比べて受信感度が劣化するという問題があった。

そこで、本発明は、入力値に意図的な変化を与えることなく出力値を測定システムの出力特性の極値と一致させるように調整することができる極値検出器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の極値検出器は、被測定物から出力される信号の出力値の極値を検出する極値検出器であって、前記被測定物から出力される信号を分配する分配器と、前記分配された信号をフィルタリングして出力する第１のバンドパスフィルタと、前記分配された信号をフィルタリングして出力する第２のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドパスフィルタにおいてフィルタリングされた信号の強度を検出して第１の強度信号を出力する第１の強度検出器と、前記第２のバンドパスフィルタにおいてフィルタリングされた信号の強度を検出して第２の強度信号を出力する第２の強度検出器と、前記第１の強度信号と前記第２の強度信号との差分信号を生成する減算器と、前記差分信号の値がゼロとなるように、前記被測定物の周波数を制御する制御装置と、を備え、前記第１のバンドパスフィルタの中心周波数は、前記第２のバンドパスフィルタの中心周波数と異なることを特徴とする。

請求項２に記載の測定方法は、被測定物から出力される信号の出力値の極値を検出する測定方法であって、前記被測定物から出力される信号を分配するステップと、当該分配された信号を第１の中心周波数でフィルタリングするステップと、前記分配された信号を、前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数でフィルタリングするステップと、前記第１の中心周波数でフィルタリングされた信号の強度を検出して第１の強度信号を出力するステップと、前記第２の中心周波数でフィルタリングされた信号の強度を検出して第２の強度信号を出力するステップと、前記第１の強度信号と前記第２の強度信号との差分信号を生成するステップと、前記差分信号の値がゼロとなるように前記被測定物から出力される前記信号の周波数を制御するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の極値検出器によれば、被測定物を意図的に変化させることなく、出力値を測定システムの出力特性の極値と一致させることができるため、被測定物に不必要な雑音が付加されなくなる。その結果、高精度な被測定物の特性評価を実現することができる。

本発明の実施例に係る極値検出器の構成を示す図である。 本発明の実施例に係る極値検出器におけるそれぞれの強度検出器の出力特性と、減算器の出力特性とを示す図である。 従来の極値検出器の構成を示す図である。 バンドパスフィルタの透過特性を示す図である。

（実施例）
図１は、本発明に係る極値検出器の構成を示す図である。図１に示すように、本発明に係る極値検出器は、高周波信号源１０１と、分配器１０２と、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２と、第１及び第２の強度検出器１０４−１及び１０４−２と、減算器１０５と、制御装置１０６とを備える。第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２は、中心周波数を基準にした相対的な入力信号の周波数に対する透過強度が互いにほぼ同じであり、各々の中心周波数は互いにわずかに異なるように構成されている。

高周波信号源１０１は、被測定物としての高周波電気信号を分配器１０２に出力する。分配器１０２は、入力した高周波電気信号を分配して、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２に出力する。第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２は、それぞれ、入力した高周波電気信号をフィルタリングした信号を第１及び第２の強度検出器１０４−１及び１０４−２に出力する。第１及び第２の強度検出器１０４−１及び１０４−２は、それぞれ、当該フィルタリングした信号の強度を検出して、第１及び第２の検出強度信号を減算器１０５に出力する。減算器１０５は、第１及び第２の強度検出器１０４−１及び１０４−２からそれぞれ入力した第１及び第２の検出強度信号を減算して、差分信号を制御装置１０６に出力する。制御装置１０６は、減算器１０５から入力した差分信号に基づいて、高周波信号源１０１が出力する高周波電気信号の周波数を調整する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、高周波信号源１０１から出力された高周波電気信号の周波数に対する第１及び第２の強度検出器１０４−１及び１０４−２の出力特性をそれぞれ示す。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２における、中心周波数を基準にした相対的な入力信号の周波数に対する透過強度は互いにほぼ同じであり、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２のそれぞれの中心周波数は互いにわずかに異なっている。

図２（ｃ）は、減算器１０５の出力特性を示す。第１及び第２の強度検出器１０４−１及び１０４−２の出力値である第１及び第２の検出強度信号を減算器１０５に入力し、第１の検出強度信号を第２の検出強度信号から差し引くと、減算器１０５の出力特性は図２（ｃ）に示したものとなる。第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２の中心周波数が互いにわずかにずれているため、図２（ｃ）に示すように、減算器１０５の出力特性は第１又は第２のバンドパスフィルタ１０３−１又は１０３−２の特性曲線の微分関数に相似の形状となる。

また、この微分関数がゼロとなる周波数は、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２の中心周波数の間に位置する。第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２の中心周波数の差が、安定化したい周波数精度以下程度に小さい場合には、減算器１０５の出力特性がゼロとなる周波数は、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２の中心周波数と一致すると近似できることになる。

高周波信号源１０１の周波数を所望の周波数に安定化したい場合には、まず安定化したい周波数と同じ周波数付近となるように設定した、中心周波数がわずかに異なる第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２を用い、減算器１０５の出力がゼロとなるように制御装置１０６によって高周波信号源１０１が出力する高周波電気信号の周波数を調整する。

以上、本実施例では、測定システムの極値として極大値である例を示したが、測定システムの極小値を用いて信号源を安定化する場合にも同様の効果が期待できる。また、高周波信号源１０１が高周波電気信号を出力する例を示したが、信号源としてレーザーなどの光源を用いても同様の効果が期待できる。その場合には、第１及び第２のバンドパスフィルタ１０３−１及び１０３−２として光学バンドパスフィルタを用いればよい。

以上、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は実施例に示した構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。

高周波信号源 １０１、３０１
分配器 １０２
バンドパスフィルタ １０３−１、１０３−２、３０３
強度検出器 １０４−１、１０４−２、３０４
減算器 １０５
制御装置 １０６、３０６

Claims (2)

1. 被測定物から出力される信号の出力値の極値を検出する極値検出器であって、
   前記被測定物から出力される信号を分配する分配器と、
   前記分配された信号をフィルタリングして出力する第１のバンドパスフィルタと、
   前記分配された信号をフィルタリングして出力する第２のバンドパスフィルタと、
   前記第１のバンドパスフィルタにおいてフィルタリングされた信号の強度を検出して第１の強度信号を出力する第１の強度検出器と、
   前記第２のバンドパスフィルタにおいてフィルタリングされた信号の強度を検出して第２の強度信号を出力する第２の強度検出器と、
   前記第１の強度信号と前記第２の強度信号との差分信号を生成する減算器と、
   前記差分信号の値がゼロとなるように、前記被測定物の周波数を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第１のバンドパスフィルタの中心周波数は、前記第２のバンドパスフィルタの中心周波数と異なることを特徴とする極値検出器。
2. 被測定物から出力される信号の出力値の極値を検出する測定方法であって、
   前記被測定物から出力される信号を分配するステップと、
   当該分配された信号を第１の中心周波数でフィルタリングするステップと、
   前記分配された信号を、前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数でフィルタリングするステップと、
   前記第１の中心周波数でフィルタリングされた信号の強度を検出して第１の強度信号を出力するステップと、
   前記第２の中心周波数でフィルタリングされた信号の強度を検出して第２の強度信号を出力するステップと、
   前記第１の強度信号と前記第２の強度信号との差分信号を生成するステップと、
   前記差分信号の値がゼロとなるように前記被測定物から出力される前記信号の周波数を制御するステップと、
   を含むことを特徴とする測定方法。

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