DE10111974B4

DE10111974B4 - Einrichtung und Verfahren zur Schwingungsmessung

Info

Publication number: DE10111974B4
Application number: DE10111974A
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Hamamatsu Maruyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP3671805B2; US20010032514A1; US6470753B2; DE10111974A1; JP2001255202A

Abstract

Schwingungsmeßeinrichtung, umfassend:
einen Laserresonator (14), in welchem ein Laserstrahl schwingt, und in dem eine Eigenmischung eines rückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand (10) reflektiert wird, mit einem Strahl hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der rückkehrende Strahl empfangen wird,
eine Lasertreibersteuerung (24) zum Steuern des Betriebs des Laserresonators unter Verwendung eines Lasertreiberstroms mit einer vorbestimmten Signalform und Periode, und
einen Signalprozessor (21) zum Detektieren von Schwebungswellen, welche eine modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend einer Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem zurückkehrenden Licht aufweisen, wobei die Differenz in dem Resonator (14) auftritt, abhängig von Änderungen der Schwingungsfrequenz des Laserstrahls, hervorgerufen durch zeitliche Änderungen des Lasertreiberstroms, und von der Hin- und Herlaufzeit des ausgesandten Strahls zwischen dem Aussenden des ausgesandten Strahls und dem Empfang des rückkehrenden Strahls,
wobei der Signalprozessor (21) eine Vorrichtung zur Berechnung der Dopplerfrequenz (Δf_d) zum...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsmessung, und insbesondere ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung, die zur Messung des Schwingungszustands eines Gegenstands unter Verwendung eines Doppler-Schwingungsmeßgeräts mit Eigenmischung dienen.

Aus der Druckschrift DE 40 06 690 C6 ist bereits eine Schwingungsmeßeinrichtung bekannt mit einem Laseroszillator, einer Steuerung zur Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz und einem Signalprozessor zum Durchführen einer Signalverarbeitung der Schwebungswellen.

Auch aus den folgenden Druckschriften sind bereits Schwingungsmeßeinrichtungen bekannt:
DE 197 07 773 C2 , US 5 680 212 A , US 5 827 971 A , US 3 958 881 A , Shonohara, S. et al.: Laser Doppler velocimeter using the self-mixing effect of a semiconductor laser diode. In: Applied Optics, 1986, Band 25 (9), S. 1417–1419, Shinohara. S. et al.: Approximate theory and characteristics of Laser Doppler Velocimeter using self-mixing effect of semiconductor laser diode. In: Electron. & Communicat. In Japan – Part 2, 1989, Band 72, S. 444–452, Shibata, T. et al.: Automatic measurement of velocity and length of moving plate using self-mixing laser diode. In: IEEE Trans. IM, 1999, Band 48(6), S. 1062–1067, Mito, K. et al.: Self-mixing effect of the semiconductor laser Doppler method for blood flow measurement. In: Medical & Biol. Engineering & Computing, 1993, Band 31, S. 308–310.

Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, bei denen eine Schwingungsuntersuchung vorgenommen werden kann. Spezielle Anwendungen umfassen die Schwingungsuntersuchung von Maschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, die Körperschall-Schwingungsuntersuchung, und die Schwingungsuntersuchung von Schalldämpfern. Auch in anderen Herstellungsgebieten gibt es verschiedene Anwendungszwecke. Daher kann die vorliegende Erfindung für Wartungszwecke eingesetzt werden, beispielsweise die Erfassung von Schwingungen in einer Fabrik, in der ein Motor eingesetzt wird, oder für die Lecksuche bei Wasser- oder Gasrohren. Darüber hinaus läßt sie sich auf dem Gebiet der Landwirtschaft einsetzen, beispielsweise zur Feststellung des Zuckergehaltes großer Früchte wie beispielsweise Wassermelonen unter Nutzung der Klopfgeräusche.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Messung einer Schwingungsfrequenz mit sehr geringer Amplitude, beispielsweise 200 nm, oder von Änderungen der Geschwindigkeit einer schwingenden Oberfläche, und kann daher bei Untersuchungs- und Kalibriergeräten für Einrichtungen eingesetzt werden, die Schwingungen erzeugen, oder bei Geräten zur Erfassung anomaler Schwingungen für Langzeituntersuchungen von Energieerzeugungseinrichtungen. Derartige Untersuchungs- und Kalibriergeräte können beispielsweise dazu eingesetzt werden, Quarz- oder Ultraschalloszillatoren in Bezug auf deren Frequenz zu untersuchen, oder um Funktionsgeneratoren zu kalibrieren. Weiterhin können derartige Geräte zur Erfassung anomaler Schwingungen dazu eingesetzt werden, Defekte in Halbleiterherstellungseinrichtungen festzustellen, unter Verwendung hochfrequenter Schwingungen, wobei sich diese Defekte daraus ergeben, daß Schwingungsenergie nicht wirksam mittels Resonanz weitergeleitet wird, oder es können derartige Geräte zur Feststellung von Beschädigungen bei Werkzeugen wie beispielsweise Bohrern verwendet werden.

Der nachstehend verwendete Begriff "gemessener Gegenstand" betrifft daher einen Gegenstand, dessen Schwingungen gemessen werden sollen, wobei dieser Gegenstand den Bereich von Brennkraftmaschinen bis zu Werkzeugen umfaßt.

Herkömmliche Mittel zur Messung der Frequenz eines schwingenden Gegenstands auf berührungslose Weise umfassen ein Verfahren zur Frequenzbestimmung, bei dem beispielsweise ein Laserverschiebungsmeßgerät eingesetzt wird, mit welchem Triangulation durchgeführt wird. Weiterhin ist eine Schwingungsmeßeinrichtung, die ein Doppler-Schwingungsmeßgerät verwendet, und von der Anmelderin erhältlich ist, in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 11-287699 beschrieben. Die in dieser Veröffentlichung vorgeschlagene Vorgehensweise umfaßt die Feststellung von Schwebungssignalen auf der Grundlage der Differenz zwischen der Frequenz ausgesandten Lichtes und der Frequenz zurückkehrenden Lichtes, mit überlagerter Dopplerfrequenz, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines gemessenen Gegenstands, und die Feststellung der Verschiebung des gemessenen Gegenstands oder eine Änderung von dessen Geschwindigkeit, auf der Grundlage der Schwebungen.

Bei der in dieser Veröffentlichung vorgeschlagenen Vorgehensweise wird die Verschiebung auf der Grundlage der Anzahl an Schwebungswellen gemessen, unter Ausnutzung der Tatsache, daß jedesmal dann eine Schwebungswelle erzeugt wird, wenn der gemessene Gegenstand um eine Länge λ/2 verschoben wird, welche der Hälfte der Schwingungswellenlänge λ des Lasers entspricht. Eine Umkehrposition der Ausbreitungsrichtung wird unter Nutzung der Tatsache bestimmt, daß eine Schwebungswelle entsprechend der Umkehrposition eine abweichende Signalform aufweist, und eine große Wellenlänge hat, da der gemessene Gegenstand um eine Länge verschoben ist, die kleiner ist als λ/2.

Allerdings hängt bei diesem Beispiel für den Stand der Technik die Genauigkeit der Schwingungsmessungen von der Schwingungswellenlänge eines Lasers ab, so daß es in nachteiliger Art und Weise schwierig sein kann, in geeigneter Weise eine Verschiebung zu messen, die kleiner als λ/2 ist, oder Bedingungen geringer Hochfrequenzschwingungen mit einer Schwingungswellenlänge von kleiner als λ/2. Darüber hinaus sind verschiedene Signalverarbeitungsvorgänge dazu erforderlich, die Umkehrposition zu bestimmen, was in nachteiliger Weise zu einer enormen Anzahl an Vorgängen führt, die durchgeführt werden müssen, wenn der gemessene Gegenstand eine hohe Frequenz aufweist. Wenn der gemessene Gegenstand Schwingungen erzeugt, die mehrere Schwingungen mit komplizierter Zuordnung umfassen, statt nur einer einfachen harmonischen Schwingung, kann es in nachteiliger Weise schwierig sein, exakt die Schwingungsbedingungen zu berechnen, in Abhängigkeit von der Vorgehensweise zur Feststellung der Umkehrposition.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausschaltung der Nachteile beim herkömmlichen Stand der Technik, so daß eine Einrichtung und ein Verfahren zur Schwingungsmessung zur Verfügung gestellt werden, welche die exakte Messung der Schwingungszustände eines gemessenen Gegenstands gestatten, ohne Abhängigkeit von der Schwingungswellenlänge eines Lasers.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 10, 11 und 12 gelöst.

In dem Laserresonator wird eine Eigenmischung des zurückkehrenden Strahls, der durch Verschiebung des ausgesandten Strahls um ein Ausmaß entsprechend der Dopplerfrequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands erhalten wird, mit dem Strahl durchgeführt, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, wodurch die Schwebungswellen erzeugt werden. Zu diesem Zeitpunkt sorgt die Steuerung zur Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz dafür, daß die Schwebungswellen eine modulierte Schwebungsfrequenz aufweisen, die höher ist als die Dopplerfrequenz, welche dem zurückkehrenden Strahl überlagert ist, und sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert. Die Steuerung zur Erzeugung der modulierten Schwebungsfrequenz kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß sie für den Laserresonator einen Lasertreiberstrom zur Verfügung stellt, welcher die Schwingungsfrequenz des Laserresonators ändert, oder so, daß der Laserresonator als solcher mit konstanter Geschwindigkeit verschoben wird, um als modulierte Schwebungsfrequenz eine Dopplerfrequenz zu erzeugen, die nicht einer Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands entspricht.

Da die Steuerung zur Erzeugung der modulierten Schwebungsfrequenz (oder Lasertreibersteuerung) für die Bereitstellung der modulierten Schwebungsfrequenz für die Schwebungswellen sorgt, die durch die Eigenmischung erhalten werden, stellt die Frequenz der Schwebungswellen (die Dopplerfrequenz oder die tatsächlich beobachtete Frequenz der Schwebungswellen) die Summe der modulierten Schwebungsfrequenz und der Dopplerfrequenz dar, die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt. Schwingt der gemessene Gegenstand, so weist, da sich die Dopplerfrequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert, eine Schwebungswelle entsprechend einer Position, an welcher der gemessene Gegenstand seine Bewegungsrichtung ändert, eine Dopplerfrequenz von Null auf. Hierbei ist die Doppler-Schwebungsfrequenz (beobachtete Frequenz) die modulierte Schwebungsfrequenz, die von der Steuerung zur Erzeugung der modulierten Schwebungsfrequenz erzeugt wird. Da die beobachtete Frequenz der Schwebungswelle an der Umkehrposition die modulierte Schwebungsfrequenz ist, weicht die Schwebungswelle an der Umkehrposition nicht infolge des Dopplereffekts von der ursprünglichen Frequenz ab.

Da der gemessene Gegenstand seine Bewegungsrichtung an der Umkehrposition ändert und dann beschleunigt wird, ändert sich die Dopplerfrequenz. Bei einer Sinusschwingung ist die Geschwindigkeit im Zentrum der Position der Schwingung am höchsten. Daher ändert sich die Doppler-Schwebungsfrequenz in Bezug auf die modulierte Schwebungsfrequenz in Abhängigkeit von Änderungen der Dopplerfrequenz. Daher lassen sich die Schwebungswellen auch so ansehen, daß sie ein Signal darstellen, das mit Hilfe einer Frequenzmodulation unter Verwendung der Dopplerfrequenz erhalten wird, wobei das Signal die modulierte Schwebungsfrequenz als Trägerfrequenz verwendet. Kleine Änderungen der Dopplerfrequenz können durch Erhöhung der modulierten Schwebungsfrequenz bestimmt werden, die als die Trägerfrequenz eingesetzt wird; dies bedeutet, daß die Genauigkeit unabhängig von der Schwingungswellenlänge des Laserresonators eingestellt wird. Wenn beispielsweise Schwingungen eines gemessenen Gegenstands, der mit einer bestimmten Frequenz schwingt, gemessen werden, und wenn die modulierte Schwebungsfrequenz zehnmal so hoch ist wie die Schwingungsfrequenz, werden zehn Perioden von Schwebungswellen pro Periode des gemessenen Gegenstands erhalten, was zu zehn Posten von Dopplerfrequenzinformation führt.

Der Signalprozessor erzeugt Schwingungsinformation auf der Grundlage der Schwebungswellen. Die Schwebungswellen selbst sind nützlich als Schwingungsinformation, da sie ein Signal mit einer Frequenz darstellen, die in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands moduliert wird. Weiterhin ist eine Signalform, die durch eine Frequenz-Spannungswandlung der Schwebungswellen erhalten wird, eine Änderung der Signalform der Dopplerfrequenz in Bezug auf die modulierte Schwebungsfrequenz, welche einer Geschwindigkeitsänderungssignalform entspricht. Die Geschwindigkeitsänderungssignalform kann differenziert werden, um eine Beschleunigungsänderungssignalform zu erhalten, oder integriert werden, um eine Verschiebungsänderungssignalform zu erhalten, und die Periode der Geschwindigkeitsänderungssignalform entspricht einer Schwingungsperiode. Weiterhin wird die modulierte Schwebungsfrequenz von der Doppler-Schwebungsfrequenz subtrahiert, um die Dopplerfrequenz zu erhalten. Dann kann die Geschwindigkeit aus der Dopplerfrequenz und der Laseroszillatorwellenlänge bestimmt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 als Blockschaltbild den Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung zur Erläuterung von Einzelheiten des Aufbaus eines Lasers, der wie in 1 gezeigt aufgebaut ist;
3 ein Flußdiagramm mit einem Beispiel für einen Vorgang der Erzeugung von Schwingungsinformation unter Verwendung der in 1 dargestellten Anordnung;
4 ein Signalformdiagramm, das zur Erläuterung des Betriebsprinzips dieser Ausführungsform nützlich ist, wobei 4(A) ein Beispiel für eine Schwingungssignalform zeigt, 4(B) ein Beispiel für eine Dopplerfrequenzänderungssignalform (Geschwindigkeitsänderungssignalform) zeigt, 4(C) eine Phasendifferenz zwischen einem ausgesandten Strahl und einem zurückkehrenden Strahl zeigt, 4(D) ein Beispiel für Schwebungswellen zeigt, die eine modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend einer Differenz der Laserstrahlfrequenz aufweisen, die durch die in 4(C) gezeigte Phasendifferenz wird, und 4(E) die Frequenz von Schwebungswellen in einem Fall erläutert, in welchem ein gemessener Gegenstand ortsfest bleibt;
5 eine Darstellung zur Erläuterung verschiedener Frequenzen, die bei der in 1 gezeigten Anordnung erhalten werden;
6 eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für den Aufbau einer Einstelleinheit für eine optische Weglänge gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei 6(A) ein Beispiel zeigt, in welchem mehrere Spiegel als die Einstelleinheit für die optische Weglänge verwendet werden, und 6(B) ein Beispiel zeigt, bei dem ein Lichtleiter als die Einstelleinheit für die optische Weglänge verwendet wird;
7 ein Signalformdiagramm mit einem Beispiel für eine Schwingungsmessung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wobei 7(A) ein Beispiel für eine Schwingungsverschiebungssignalform zeigt, 7(B) ein Beispiel für die Signalform von Schwebungswellen in diesem Fall zeigt, und 7(C) ein Beispiel für eine Frequenzänderungssignalform (Geschwindigkeitsänderungssignalform) zeigt, die erhalten wird, wenn eine Frequenz-Spannungswandlung (F/V-Wandlung) der Schwebungswellen durchgeführt wird;
8 ein schematisches Blockschaltbild eines Beispiels für die Ausbildung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ein Signalformdiagramm eines Beispiels für eine Treiberstromsignalform gemäß der ersten Ausführungsform, wobei 9(A) ein Beispiel zeigt, bei welchem ein Lasertreiberstrom gleichschenkelig dreieckförmige Wellen aufweist, 9(B) ein Beispiel zeigt, in welchem der Lasertreiberstrom Sägezahnwellen aufweist, und 9(C) ein Beispiel zeigt, bei welchem Dreieckswellen selektiv verarbeitet werden;
10 ein Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau einer Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
11 als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau einer Entfernungsschaltung für eine frei wählbare Signalform gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wobei 11(A) schematisch den Aufbau zeigt, und 11(B) ein Beispiel für einen Aufbau zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenbestandteilen von Schwebungswellen auf der Grundlage des Lasertreiberstroms zeigt;
12 ein Blockschaltbild eines weiteren Beispiels für die Entfernungsschaltung für eine frei wählbare Signalform gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
13 ein Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau zum Erzeugen einer Schwingungsgeschwindigkeitssignalform aus Schwebungswellen gemäß dieser Ausführungsform, wobei 13(A) ein Beispiel für eine Anordnung zur Ausgabe von Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz als Änderungen der Schwingungsgeschwindigkeit zeigt, und 13(B) ein Beispiel für einen Aufbau zur Ausgabe von Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz als Änderungen der Schwingungsgeschwindigkeit zeigt;
14 ein Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau eines Signalprozessors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ein Signalformdiagramm, das zur Erläuterung eines Vorgangs gemäß der zweiten Ausführungsform nützlich ist, wobei 15(A) ein Beispiel zeigt, in welchem die Periode von Schwebungswellen direkt bestimmt wird, und 15(B) ein Beispiel zeigt, in welchem die Periode differenzierter Schwebungswellen bestimmt wird;
16 ein Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ein Spektraldiagramm, welches ein Beispiel für das Frequenzspektrum von Schwebungswellen zeigt, die bei der dritten Ausführungsform verwendet werden;
18 als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ein Signalformdiagramm, das die Phasenbeziehung zwischen zwei Lasertreiberströmen gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
20 als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der vierten Ausführungsform im einzelnen;
21 als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
22 ein Signalformdiagramm, das ein Beispiel für Schwebungswellen in einer stabilen Periode gemäß der fünften Ausführungsform zeigt, wobei 22(A) Schwebungswellen in einem Fall zeigt, in welchem der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, und 22(B) ein Beispiel für Schwebungswellen in einem Fall zeigt, in welchem der gemessene Gegenstand schwingt.
1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Schwingungsmeßeinrichtung gemäß dieser Ausführungsform weist eine Lasereinheit 12 auf, die mit einem Laserresonator versehen ist, um einen Laserstrahl schwingen zu lassen, und Schwebungswellen durch Eigenmischung eines zurückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand reflektiert wird, mit einem Strahl, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, zu erzeugen. Die Schwingungsmeßeinrichtung weist weiterhin eine Steuerung 8 zur Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz auf, um bei den Schwebungswellen eine modulierte Schwebungsfrequenz f_b zu erzeugen, die höher ist als die Dopplerfrequenz, welche dem zurückkehrenden Strahl überlagert ist, und sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert, sowie einen Signalprozessor 21 zur Durchführung einer Signalverarbeitung bei den Schwebungswellen, die durch die Eigenmischung in dem Laserresonator erzeugt werden, und zur Ausgabe eines Ergebnisses der Verarbeitung als Schwingungsinformation. Der Signalprozessor 21 weist eine Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation 22 zur Erzeugung von Schwingungsinformation aus den Schwebungswellen auf, durch Festlegung von Änderungen der Frequenz der Schwebungswellen (Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db) als Änderungen einer modulierten Schwebungsfrequenz f_b um das Ausmaß der Dopplerfrequenz Δf_d.
Weiterhin weist bei dem in 1 gezeigten Beispiel die Steuerung 8 zur Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz eine Lasertreibersteuerung 24 zum Steuern des Betriebs des Laserresonators in der Lasereinheit 12 unter Verwendung eines Lasertreiberstroms mit vorbestimmter Signalform und Periode auf. Die Lasertreibersteuerung 24 weist vorzugsweise eine Sägezahnwellenerzeugungsfunktion 26 auf, um einen Lasertreiberstrom (vgl. 9(B)) zu erzeugen, der eine Periode aufweist, die von einer optischen Weglänge L zu dem gemessenen Gegenstand 10 abhängt, und von der Maximalfrequenz der gemessenen Schwingung, und sägezahnförmig ist. Alternativ kann eine Dreieckswellenerzeugungsfunktion 28 zur Erzeugung eines Lasertreiberstroms (sh. 9(A)) vorgesehen werden, der gleichschenkelig dreiecksförmige Sägezahnwellen aufweist.
2 ist nützlich zur Erläuterung des Aufbaus der Schwingungsmeßeinrichtung, wobei hauptsächlich Einzelheiten des Aufbaus der in 1 dargestellten Lasereinheit 12 dargestellt sind. Ein gemessener Gegenstand 10 stellt einen Gegenstand dar, der in Bezug auf Schwingungszustände untersucht werden soll, und in Bezug auf Änderungen der Geschwindigkeit an einer Position gemessen wird, an welcher ein Laserstrahl reflektiert wird, in Bezug auf die Periode der Änderungen, die Schwingungsfrequenz, und die Verschiebung. Die Schwingungsmeßeinrichtung weist eine Lasereinheit 12 auf, eine Linse 16 zum Sammeln eines von der Lasereinheit 12 ausgesandten Strahls und eines zurückkehrenden Strahls, der von dem gemessenen Gegenstand zurückgestreut wird, einen Signalprozessor 21, welchem Schwebungswellen zugeführt werden, wobei die Schwebungswellen erzeugt werden, wenn eine Eigenmischung des von der Lasereinheit 12 empfangenen, zurückkehrenden Strahls und des ausgesandten Strahls auftritt.
Die Lasereinheit 12 weist eine Diode (LD) 14 auf, die mit einem Laserresonator versehen ist, und eine Photodiode (PD) 20 zur photoelektrischen Umwandlung von Schwebungswellen, die von dem Laserresonator in der Laserdiode ausgegeben werden. Der Signalprozessor 21 ist mit einer Hardwareeinrichtung wie beispielsweise einem Personalcomputer, einem Mikrocomputer, oder etwa einer Analogschaltung versehen, um eine Signalverarbeitung von Schwebungswellen durchzuführen.
3 ist ein Flußdiagramm, welches ein Beispiel zeigt, bei welchem die in den 1 und 2 dargestellte Anordnung zur Erzeugung von Schwingungsinformation verwendet wird. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel werden die Signalform und Periode eines Treiberstroms für den Laserresonator auf der Grundlage einer vorbestimmten Sollmodulationsschwebungsfrequenz f_dobj eingestellt (Schritt S1, Treiberstromsignalform-Einstellungsschritt). Alternativ kann die Entfernung (optische Weglänge L) zwischen der Lasereinheit 12 und dem gemessenen Gegenstand zusammen mit der Treiberstromsignalform eingestellt werden. Die Sollmodulationsschwebungsfrequenz f_bobj wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der zu messenden Maximalfrequenz innerhalb einer einzelnen Schwingungsperiode des gemessenen Gegenstands eingestellt, oder in Abhängigkeit von mehreren überlagerten Schwingungsperioden. Wenn der gemessene Gegenstand eine Schwingungsfrequenz von 100 kHz aufweist, und wenn die Sollmodulationsschwingungsfrequenz f_bobj 800 kHz beträgt, dann erhält man acht Perioden von Schwebungswellen pro Schwingungsperiode des gemessenen Gegenstands. Wenn der gemessene Gegenstand eine niedrige Schwingungsfrequenz und eine hohe Amplitude aufweist, verglichen mit der Laserschwingungswellenlänge, dann führt die herkömmliche Vorgehensweise zu einer großen Anzahl an Schwebungswellen jedesmal dann, wenn sich der gemessene Gegenstand hin- und herbewegt. Im Gegensatz hierzu kann die vorliegende Ausführungsform die Genauigkeit der Messungen dadurch ändern, daß sie die Sollmodulationsschwingungsfrequenz f_bobj ändert. Daher können Belastungen in Bezug auf die Signalverarbeitung verringert werden, während die erforderliche Genauigkeit beibehalten wird. Wenn die Sollmodulationsschwebungsfrequenz f_bobj hoch eingestellt wird, können darüber hinaus die Schwingungsbedingungen gut gemessen werden, selbst wenn die Änderung eine Verschiebung aufweist, die kleiner ist als die Hälfte der herkömmlichen Laserschwingungswellenlänge (λ/2).
Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Sollmodulationsschwingungsfrequenz f_bobj in Abhängigkeit von der Obergrenze der zu messenden Frequenz und der Anzahl an Schwebungswellen (Dopplerfrequenzwert) eingestellt, die innerhalb einer Periode des gemessenen Gegenstands erhalten werden sollen. Sobald die Sollmodulationsschwebungsfrequenz f_bobj eingestellt wurde, kann dann, wenn die optische Weglänge L zu dem gemessenen Objekt festgelegt ist, eine tatsächliche modulierte Schwebungsfrequenz f_b dadurch geändert werden, daß die Änderungsrate (df/dt) des Lasertreiberstroms, d.h. der Laserschwingungsfrequenz (df/dt) eingestellt wird. Wenn daher die optische Weglänge L eingestellt wurde, und eine bestimmte Sollmodulationsschwebungsfrequenz f_bobj vorgegeben ist, kann dann die Periode (Neigung) des Lasertreiberstroms variiert werden.
Wenn die Treiberstromsignalform im Schritt S1 eingestellt wurde, wird ein Laserstrahl ausgesandt (Schritt S2, Laserstrahlaussendeschritt). Dann wird ein zurückkehrender Strahl nach der Hin- und Herbewegungszeit τ eines ausgesandten Strahls empfangen (Schritt S3, Rückkehrstrahlempfangsschritt). In dem Rückkehrstrahlempfangsschritt S3 wird daher ein Teil des zurückkehrenden Strahls empfangen, der durch den Abschnitt 10 des gemessenen Gegenstands gestreut und reflektiert wurde, nachdem er in dem Laserstrahlaussendeschritt S2 ausgesandt wurde, und sich über die vorbestimmte optische Weglänge L ausgebreitet hat.
Daraufhin werden Schwingungswellen detektiert, die eine Doppler-Schwebungsfrequenz (f_db) aufweisen, welche der Summe der Differenz der Frequenz (modulierte Schwebungsfrequenz: f_b) zwischen dem zurückkehrenden Strahl, der in dem Rückkehrstrahlempfangsschritt S3 empfangen wird, und einem Strahl, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, und einer Dopplerfrequenz (Δf_d), die von der Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt (Schritt S4, Schwebungswellendetektorschritt) entspricht. Die Doppler-Schwebungsfrequenz (f_db) ist die beobachtete Frequenz der Schwebungswellen, die tatsächlich in dem Schwebungswellendetektorschritt S4 beobachtet wird, und es gilt = |± Δf_d + f_d|.
Daraufhin wird Schwingungsinformation auf der Grundlage der Schwebungswellen erzeugt, welche die Doppler-Schwebungsfrequenz f_db aufweisen (Schritt S5, Schwingungsinformationserzeugungsschritt). Dies wird nachstehend im einzelnen erläutert.
[Meßprinzip]
Ausdrücke, die zur Erläuterung des Betriebsprinzips der vorliegenden Ausführungsform nützlich sind, sind nachstehend angegeben.

[Δf_d:: Dopplerfrequenz
V:: Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands
λ:: Laserschwingungswellenlänge]

[X:: Bewegung;
ν:: Nummer der Doppler-Schwebungswelle]

[C:: Lichtgeschwindigkeit
df/dt:: Strahlfrequenzänderungsrate in der Periode ohne Modenänderung
L:: Länge zum gemessenen Gegenstand
f:: Laserschwingungsfrequenz]

[τ:: Hin- und Rücklaufzeit des ausgesandten Strahls
f_b:: Modulierte Schwebungsfrequenz]

[f_db:: Doppler-Schwebungsfrequenz]

Die Beziehung zwischen der Dopplerfrequenz Δf_d und der Geschwindigkeit V einer schwingenden Oberfläche des gemessenen Gegenstands wird durch Gleichung (1) ausgedrückt, wobei die Laserschwingungswellenlänge mit λ bezeichnet ist. Das Bezugszeichen Δf_d bezeichnet die Dopplerfrequenz, also die Differenz zwischen der Frequenz f des ausgesandten Strahls und der Frequenz f_d des zurückkehrenden Strahls, moduliert infolge des Dopplereffekts. Wenn der gemessene Gegenstand mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, der konstant mit konstantem Treiberstrom schwingt, um Schwebungswellen auf der Grundlage des Eigenmischungsverfahrens zu erzeugen, ist die Frequenz der beobachteten Schwingungswellen gleich der Dopplerfrequenz Δf_d. Durch Integration von Gleichung (1) kann die Beziehung zwischen der Nummer ν an Schwebungswellen und der Verschiebung durch Gleichung (2) ausgedrückt werden. Herkömmlich wird die Verschiebung der schwingenden Oberfläche unter Verwendung der Hälfte der Länge der Schwingungswellenlänge (λ/2) als Minimalverschiebung berechnet, wobei die Anzahl der Schwebungswellen im Verlauf der Zeit gezählt wird. Da die Frequenz der Schwebungswellen gleich der Dopplerfrequenz Δf_d ist, ermöglicht die Bestimmung der beobachteten Frequenz der Schwebungswellen die Berechnung der Schwingungsgeschwindigkeit V auf der Grundlage von Gleichung (3).
Eine niedrige Schwingungsfrequenz des gemessenen Gegenstands führt zu einer großen Schwingungsamplitude und einer großen Anzahl an Schwebungswellen, die jedesmal dann erzeugt werden, wenn sich die schwingende Oberfläche hin- und herbewegt. Bei höherer Frequenz nimmt jedoch die Schwingungsamplitude ab, so daß häufig weniger als eine Schwebungswelle beobachtet wird, wenn sich die schwingende Oberfläche bewegt. In diesem Fall ist es daher schwierig, die Schwingungsverschiebung durch Zählen der Anzahl an Schwebungswellen zu berechnen. Darüber hinaus kann die Schwingungsverschiebung nicht einfach mit einer Genauigkeit von weniger als λ/2 gemessen werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Schwebungswellen unter Verwendung einer vorbestimmte Bezugsgröße erzeugt, und wird die Dopplerfrequenz Δf_d der modulierten Schwebungsfrequenz f_b überlagert, welche diese Bezugsgröße bildet, um die Auflösung von der Schwingungswellenlänge auf eine Auflösung bei der modulierten Schwebungsfrequenz f_b zu ändern, welche die Bezugsgröße bildet. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit verbessert, im Vergleich zu Messungen, die auf der Schwingungswellenlänge beruhen. Daher kann bei dieser Ausführungsform eine Verschiebung von weniger als λ/2 berechnet werden, und können die Schwingungsbedingungen des gemessenen Gegenstands gemessen werden, der eine hohe Frequenz und eine kleine Amplitude aufweist.
Um die modulierte Schwebungsfrequenz f_b zu erzeugen, welche die Bezugsgröße bildet, werden die Frequenz des ausgesandten Strahls und die Frequenz des zurückkehrenden Strahls so gewählt, daß sie voneinander verschieden sind. Wenn beispielsweise der Resonator 14 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, wird eine Dopplerfrequenz erzeugt, die sich von der Dopplerfrequenz des gemessenen Gegenstands unterscheidet, und die von der Geschwindigkeit des Resonators 14 abhängt. Da die Schwingungswellenlänge des Laserresonators durch Erhöhung des Treiberstroms variiert wird, kann darüber hinaus die modulierte Schwebungsfrequenz f_b durch Variation des Lasertreiberstroms erzeugt werden. Die modulierte Schwebungsfrequenz f_b ist konstant, wenn der Treiberstrom mit konstanter Rate zunimmt. Wenn der Resonator bewegt wird, ist die modulierte Schwebungsfrequenz f_b konstant, wenn die Geschwindigkeit des Resonators konstant ist. Wenn die modulierte Schwebungsfrequenz f_b geändert werden soll, können sich zeitlich ändernde Komponenten der modulierten Schwebungsfrequenz von der gemessenen Doppler-Schwebungsfrequenz f_db entfernt werden, während die Bedingung erfüllt wird, daß die modulierte Schwebungsfrequenz ausreichend höher ist als die Dopplerfrequenz.
Der Halbleiterlaserresonator 14 zeichnet sich dadurch aus, daß sich die Laserwellenlänge in Abhängigkeit von der Stärke des Treiberstroms ändert. Dies liegt daran, daß die Temperatur ansteigt, und sich daher die Schwingungswellenlänge in dem Laserresonator ändert, wenn die Stärke des in eine Aktivierungsschicht des Laserresonators injizierten Stroms zunimmt. Daher wird die Laserwellenlänge aufeinanderfolgend geändert, wenn der Treiberstrom für den Halbleiterlaser mit konstanter Rate geändert wird, nachdem der zurückkehrende Strahl von einer Oberfläche des gemessenen Gegenstands 10 zu dem Laserresonator zurückkehrt ist, so daß ein externer Resonator gebildet wird.
Wenn die Laserschwingungswellenlänge mit konstanter Rate geändert wird, und der von der Oberfläche des gemessenen Gegenstands 10 gestreute und reflektierte Strahl zum Resonator 14 zurückkehrt ist, wo er mit dem Strahl gemischt wird, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, werden dann die Schwebungswellen f_b erzeugt, während der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt.
Wenn die Frequenz des ausgesandten Strahls mit f bezeichnet wird, die Rate, mit der die Strahlfrequenz durch Änderung des Lasertreiberstrom geändert wird, mit df/dt bezeichnet wird, die Entfernung (Länge des externen Resonators) zu dem gemessenen Gegenstand mit L bezeichnet wird, und die Geschwindigkeit des Laserstrahls in einer Meßumgebung mit C bezeichnet wird, so wird die modulierte Schwebungsfrequenz f_b, die man erhält, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, durch Gleichung (4) gegeben. Wenn beide Seiten der Gleichung für die Beziehung zwischen der Frequenz f und der Wellenlänge λ des ausgesandten Strahls differenziert werden, und die Strahlfrequenzänderungsrate df/dt durch die Frequenzänderungsrate ausgedrückt wird, erhält man Gleichung (5). Wird Gleichung (4) durch Gleichung (5) ersetzt, so erhält man Gleichung (6). Die Hin- und Herlaufzeit τ = (2L/C) für den ausgesandten Strahl, und die Wellenlängenänderungsrate, können durch die Differenz zwischen der Wellenlänge λ1 des ausgesandten Laserstrahls und der Wellenlänge λ2 jenes Strahls ausgedrückt werden, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, woraus man Gleichung (7) erhält.
Es wird daher angenommen, daß ein Laserstrahl, der von dem Laserresonator ausgesandt wird, der mit der Wellenlänge λ1 zu einer frei wählbaren Zeit t1 schwingt, durch die Oberfläche des gemessenen Gegenstands reflektiert und gestreut wird, wobei der gemessene Gegenstand von dem Laserresonator durch eine Entfernung L getrennt ist, und dann zum Resonator zu einem Zeitpunkt t2 zurückkehrt. Wenn der Laserstrahlstrom mit konstanter Rate variiert wird, schwingt der Laser mit der Wellenlänge λ2 zum Zeitpunkt t2. In dem Resonator erfahren der Laserstrahl, der mit der Wellenlänge λ2 schwingt, und der zurückgekehrte Laserstrahl mit der Wellenlänge λ1 eine Eigenmischung. Wenn die Photodiode dann einen Strahl von dem Resonator empfängt, werden Schwebunqswellen, die von der Differenz der Wellenlängen infolge einer Interferenz zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2 abhängen, als Änderung der Lichtintensität detektiert. Auf diese Weise können die modulierte Schwebungsfrequenz f_b, die durch die Anstiegsrate des Lasertreiberstroms eingestellt wird, die Strahlfrequenzänderungsrate df/dt, und die Hin- und Herlaufzeit τ für den ausgesandten Strahl (oder die Entfernung L zu dem gemessenen Gegenstand und die Geschwindigkeit C des Laserstrahls) erzeugt werden, während der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt (beispielsweise, wenn die Bewegungsrichtung der Schwingung umgekehrt wird).
Die Entfernung L zu dem gemessenen Gegenstand ändert sich in Abhängigkeit von der Bewegung der schwingenden Oberfläche. Wenn jedoch die Entfernung Lext (Länge des externen Resonators) zu dem gemessenen Gegenstand, der beobachtet wird, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, etwa 150 mm beträgt, und eine Schwingungsverschiebung Xm gleich 1 μm ist, dann gilt Xm << Lext und daher L ≤ Lext. Die Auswirkungen der Änderung der Entfernung L auf das Ausmaß der Änderung müssen daher nicht berücksichtigt werden.
Wenn die Schwebungswellen die modulierte Schwebungsfrequenz f_b aufweisen, während der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, so weist dann, wenn die Oberfläche des gemessenen Gegenstands eine Geschwindigkeit aufweist, die beobachtete Frequenz (Doppler-Schwebungsfrequenz) f_db der Schwebungswellen die Summe der beobachteten Schwebungsfrequenz f_b und der Dopplerfrequenz Δf_d (Gleichung (8)) auf. Wenn der gemessene Gegenstand ortsfest ist, ist die Dopplerfrequenz Δf_d gleich Null, und daher ist die Doppler-Schwebungsfrequenz f_db = f_b. Wie in (8) gezeigt ist, ist dann, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz f_d ausreichend hoch ist, ihre Doppler-Schwebungsfrequenz f_d gleich der modulierten Schwebungsfrequenz f_b, verschoben um das Ausmaß der Dopplerfrequenz Δf_d.
Bei einer konstanten modulierten Schwebungsfrequenz f_b repräsentieren Variationen der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db der Schwebungswellen, die von der Photodiode 20 detektiert werden, Variationen der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands 10. Wenn beispielsweise der gemessene Gegenstand 10 mit einfachen harmonischen Schwingungen schwingt, so entspricht die Schwingungsperiode der Periode der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db. Dann kann die Komponente der modulierten Schwebungsfrequenz f_b von der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db subtrahiert werden, um die Dopplerfrequenz db zu erhalten; in diesem Falle muß das Vorzeichen der sich ergebenden Frequenz beachtet werden. Daher kann die Schwingungsgeschwindigkeit berechnet werden, und kann die Verschiebung berechnet werden, nämlich durch zeitliche Integration der Schwingungsgeschwindigkeit.
Das Prinzip dieser Operation wird erneut unter Bezugnahme auf Signalformen erläutert. 4(A) ist ein Signalformdiagramm, welches ein Beispiel für eine Schwingungsverschiebungssignalform zeigt. In diesem Fall nimmt die Schwingungsverschiebung zum Resonator 14 hin zu. Wenn der gemessene Gegenstand 10 mit einer Frequenz ft schwingt, ändert der Dopplereffekt, der aufgrund der Bewegung des Gegenstands auftritt, die Frequenz des reflektierten Strahls, und da der ausgesandte Strahl und der zurückkehrende Strahl miteinander gemischt werden, werden Schwebungswellen mit der Dopplerfrequenz Δf_d erzeugt, wie dies in 4 gezeigt ist. Bei den in 4(A) gezeigten Schwingungen entspricht ein Maximalwert Δf_dmax der Dopplerfrequenz einer maximalen Geschwindigkeit, die in der Nähe des Zentrums der Amplitude der Schwingung des gemessenen Gegenstands beobachtet wird, wenn sich letzteres annähert, wogegen ein Minimalwert Δf_dmin der Dopplerfrequenz einer Maximalgeschwindigkeit entspricht, die beobachtet wird, wenn sich der gemessene Gegenstand wegbewegt. Wie in 4(B) gezeigt ist, ist die Änderungssignalform der Dopplerfrequenz das Differential der Schwingungsverschiebungssignalform, die eine Schwingungsänderungssignalform ist. Die Multiplikation der Dopplerfrequenz mit der Wellenlänge des ausgesandten Strahls hat nämlich die Dimension einer Geschwindigkeit.
Die 4(C) bis (E) sind Signalformdiagramme, die nützlich zur Erläuterung sind, wie die modulierte Schwebungsfrequenz f_b erzeugt wird. In diesem Fall wird von dem gemessenen Gegenstand angenommen, daß er ortsfest ist. Die Signalform, die mit dem Bezugszeichen 32 in 4(C) bezeichnet ist, repräsentiert Variationen der Wellenlänge des ausgesandten Strahls (Variationen der Frequenz), und die Signalform, die mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet ist, repräsentiert Variationen der Signalform (oder Variationen der Frequenz) des zurückkehrenden Strahls, die nach der Hin- und Herlaufzeit τ des ausgesandten Strahls beobachtet werden.
Der ausgesandte Strahl 32, der mit der Wellenlänge λ1 zum Zeitpunkt t1 ausgesandt wird, kehrt zu dem Resonator um die Hin- und Herbewegungszeit τ des ausgesandten Strahls später zurück, also zum Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt weist der ausgesandte Strahl 32 die Wellenlänge λ2 auf. Dann werden Schwebungswellen mit der modulierten Frequenz f_b, wie dies mit dem Bezugszeichen 34 in 4(D) angedeutet ist, in Abhängigkeit von der Differenz der Wellenlängen oder Frequenzen erzeugt. Wenn die Wellenlängenänderungsrate konstant ist, ist auch die modulierte Schwebungsfrequenz f_b konstant, wie dies mit dem Bezugszeichen 35 in 4(E) angedeutet ist.
Wie aus 4(C) hervorgeht, kehrt sich die Beziehung zwischen der Frequenz des ausgesandten Strahls und der Frequenz des zurückkehrenden Strahls beim Spitzenwert und Minimalwert des Lasertreiberstroms um. Nach dem Spitzenwert des Lasertreiberstroms ist keine Differenz zwischen den Frequenzen des ausgesandten und des zurückkehrenden Strahls vorhanden, und wird die modulierte Schwebungsfrequenz gleich Null oder kehrt sich um, ist also nicht konstant. Perioden, in denen die modulierte Schwebungsfrequenz nicht konstant ist, werden hier als nicht konstante Perioden 37 bezeichnet.
Die Signalverarbeitung wird durch Verwendung der Schwebungswellen in Perioden 36 erleichtert, in denen die modulierte Schwebungsfrequenz konstant ist, und die von den nicht konstanten Perioden 37 getrennt sind, wie dies in 4(C) gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Vorgang beschrieben, durch welchen Schwebungswellen erzeugt werden, durch gegenseitige Überlagerung einer Dopplerfrequenzkomponente und einer Komponenten der modulierten Schwebungsfrequenz. 5 ist nützlich zur qualitativen Erläuterung der Beziehung zwischen den Frequenzen, zeigt jedoch nicht genau die quantitativen Beziehungen zwischen den Frequenzen. Aus dieser Figur geht hervor, daß sich der gemessene Gegenstand wegbewegt, daß die Dopplerfrequenz Δf_d ein negatives Vorzeichen hat, und daß gilt: f₁ > f_d sowie f_db > f_b. Der ausgesandte Strahl 32 mit der Frequenz f₁ wird von der Lasereinheit 12 zum Zeitpunkt t1 ausgesandt. Wenn der Strahl durch den gemessenen Gegenstand 10 reflektiert wird, der die Geschwindigkeit V aufweist, ändert der Dopplerfrequenz die Frequenz f₁des ausgesandten Strahls zur Frequenz f_d des zurückkehrenden Strahls. Die Differenz zwischen den Frequenzen f₁ und f_d entspricht der Dopplerfrequenz Δf_d, die positiv ist, wenn die Geschwindigkeit (Bewegungsrichtung) des gemessenen Gegenstands zu dem Resonator hingeht. Wenn eine Frequenzanalyse unter Idealbedingungen durchgeführt wird, ist die Frequenz f₁des ausgesandten Strahls um das Ausmaß der Frequenz Δf_d verschoben, was zu der Frequenz f_d des zurückkehrenden Lichtes führt.
Da der Lasertreiberstrom geändert wird, ändert sich die Frequenz des ausgesandten Strahls auf f₂ zum Zeitpunkt t2. Die Differenz zwischen der Frequenz f₁des ausgesandten Strahls und der Frequenz f₂ des Strahls, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, entspricht der modulierten Schwebungsfrequenz f_b, die durch die Gleichungen (4), (7) oder dergleichen definiert wird.
Die beiden Wellen, die miteinander innerhalb des Resonators 14 gemischt werden, sind der zurückkehrende Strahl mit der Frequenz f_d und der ausgesandte Strahl mit der Frequenz f₂, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird. Die Differenz zwischen den Frequenzen f₂ und f_d entspricht der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db, da die Frequenz f₁ des ausgesandten Strahls herausfällt. Die beobachtete Frequenz der Schwebungswellen infolge der Eigenmischung entspricht daher der Summe der modulierten Schwebungsfrequenz f_b und der Dopplerfrequenz Δf_d. Das Vorzeichen der modulierten Schwebungsfrequenz f_b hängt davon ab, ob der Lasertreiberstrom ansteigt oder absinkt. Die Laserwellenlänge nimmt kontinuierlich entsprechend dem Lasertreiberstrom zu. Wenn eine positive Frequenz durch eine Strommodulation erzeugt wird, während der Treiberstrom ansteigt, entspricht der Absolutwert der Differenz zwischen der modulierten Schwebungsfrequenz f_b und der beobachteten Doppler-Schwebungsfrequenz f_db der Schwebungswellen der Größe der Dopplerfrequenz, und auf dieser Grundlage kann die Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands berechnet werden.
Wenn die Schwingungsperiode oder Schwingungsgeschwindigkeit wichtiger ist als die Schwingungsrichtung, kann die Doppler-Schwebungsfrequenzvariationssignalform als die Geschwindigkeitsvariationsform verwendet werden, unabhängig von der Bewegungsrichtung der schwingenden Oberfläche des gemessenen Gegenstands.
Durch Erzeugung der Schwebungswellen mit der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db durch Verschiebung der modulierten Schwebungsfrequenz um das Ausmaß der Dopplerfrequenz, anstatt die Dopplerfrequenz Δf_d als die Schwebungswellen zu verwenden, stellt die vorliegende Erfindung die Dopplerfrequenz Δf_d erheblich exakter zur Verfügung als dies beim Stand der Technik der Fall ist, wodurch eine genaue Messung der Schwingungsgeschwindigkeit oder Schwingungsperiode ermöglicht wird. Wenn die modulierte Schwebungsfrequenz f_b als Trägerfrequenz der Dopplerfrequenz Δf_d angesehen wird, und die modulierte Schwebungsfrequenz f_b in Abhängigkeit von der Schwingungsperiode des gemessenen Gegenstands eingestellt wird, in Abhängigkeit von einer Obergrenze der zu messenden Frequenz, und dergleichen, kann die Anzahl detektierter Schwebungswellen in Abhängigkeit von der Leistung des Signalprozessors 21 eingestellt werden, was eine frei wählbare Auswahl der Meßgenauigkeit und der Datenmenge ermöglicht, die für die Messung erforderlich ist.
6 ist nützlich zur Erläuterung eines Beispiels für den Aufbau einer Einstelleinheit für die optische Weglänge gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 6(A) zeigt, daß mehrere Spiegel als Einstelleinheit für die optische Weglänge verwendet werden, und 6(B) zeigt ein Beispiel, bei welchem ein Lichtleiter als die Einstelleinheit für die optische Weglänge verwendet wird. Wie in (4) gezeigt ist, hängt die modulierte Schwebungsfrequenz f_b von der optischen Weglänge L ab. Andererseits kann es erforderlich sein, da die modulierte Schwebungsfrequenz f_b, die sich infolge der Modulation des Treiberstroms ergibt, ausreichend höher eingestellt sein muß als die Dopplerfrequenz Δf_d, daß die optische Weglänge L vergrößert wird. Falls keine Entfernung zum gemessenen Gegenstand vorhanden ist, kann die optische Weglänge L unter Verwendung des Spiegels 60 eingestellt werden, wie dies in 6(A) gezeigt ist. Alternativ kann, wie in 6(B) gezeigt, der gemessene Gegenstand mit dem ausgesandten Strahl über den Lichtleiter 61 bestrahlt werden, so daß das zurückkehrende Licht von dem gemessenen Gegenstand 10 zu dem Laserresonator geführt werden kann.
7 ist ein Signalformdiagramm, welches ein Beispiel für eine Schwingungsmessung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 7(A) ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schwingungsverschiebungssignalform zeigt, und 7(B) ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Signalformen Schwebungswellen in diesem Fall zeigt. Bei dem in 7(A) gezeigten Beispiel nimmt die Verschiebung zum Resonator hin zu. Bei der Position, die mit dem Bezugszeichen 3c bezeichnet ist, bewegt sich daher der gemessene Gegenstand weg, und ist die Dopplerfrequenz Δf_d negativ, und wenn daher die modulierte Schwebungsfrequenz f_b positiv ist, und die Differenz zwischen diesen beiden Frequenzen bestimmt wird, weist die sich ergebende Doppler-Schwebungsfrequenz f_db einen verringerten Wert auf, und ist daher die Periode länger. Wenn die modulierte Schwebungsfrequenz f_b negativ ist, wird die Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung der schwingenden Oberfläche und der Periode der Schwebungswellen umgekehrt.
Bei der Position, die mit dem Bezugszeichen 3b bezeichnet ist, kehrt der gemessene Gegenstand seine Bewegungsrichtung um, so daß die Geschwindigkeit gleich Null wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die gemessene Doppler-Schwebungsfrequenz f_db gleich der modulierten Schwebungsfrequenz f_b, die durch Modulation des Lasertreiberstroms erzeugt wird. Da die Schwebungswelle ihre richtige Signalform an diesem Umkehrpunkt beibehält, werden verschiedene Vorteile erzielt. Erstens wird, da der Schwingung des gemessenen Gegenstands mehrere Schwingungsperioden überlagert sind, selbst wenn der gemessene Gegenstand kompliziert verschoben wird, die Frequenz einfach um das Ausmaß der Dopplerfrequenz relativ zur modulierten Schwebungsfrequenz moduliert, so daß der Schwingungszustand richtig gemessen werden kann. Selbst wenn eine Abschwächung der Schwingungen des gemessenen Gegenstands gemessen werden soll, und die Verschiebung des gemessenen Gegenstands infolge der Abschwächung Null wird, wird die Doppler-Schwebungsfrequenz entsprechend der beobachteten Frequenz der Schwebungswellen einfach gleich der modulierten Schwebungsfrequenz, und behalten die Schwebungswellen ihre richtige Signalform bei, so daß der Vorgang der Abschwächung exakt gemessen werden kann.
Wie in 7 gezeigt ist, verwenden dann, wenn die Schwingung des gemessenen Gegenstands unter Verwendung der Schwingungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform gemessen wird, die Schwebungswellen, die im Ausmaß der Dopplerfrequenz moduliert werden, die modulierte Schwebungsfrequenz als Zentrumsfrequenz. Wenn mit diesen Schwebungswellen eine Frequenz-Spannungswandlung (F/V-Wandlung) durchgeführt wird, erhält man die in 7(C) gezeigte Schwingungsvariationssignalform. Weiterhin können die Richtung und Größe der Geschwindigkeit berechnet werden, da die Dopplerfrequenz dadurch erhalten wird, daß die modulierte Schwebungsfrequenz von der Doppler-Schwebungsfrequenz subtrahiert und das sich ergebende Vorzeichen umgekehrt wird.
Erste Ausführungsform
[Signalkorrekturvorgang]
8 zeigt als Blockschaltbild schematisch ein Beispiel für eine Schwingungsmeßeinrichtung, die allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel weist die Schwingungsmeßeinrichtung die Lasereinheit 12 auf, die mit dem Laserresonator 14 für die Schwingungen eines Laserstrahls versehen ist, und eine Eigenmischung eines zurückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand reflektiert wird, mit einem Strahl hervorruft, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, sowie die Photodiode 20 zur photoelektrischen Umwandlung der Schwebungswellen, die durch die Eigenmischung in dem Laserresonator erzeugt werden.
Die Schwingungsmeßeinrichtung weist weiterhin die Lasertreibersteuerung 24 zum Steuern des Betriebs des Laserresonators unter Verwendung eines Lasertreiberstroms mit vorbestimmter Signalform und Periode auf, und den Signalprozessor 21 zum Detektieren von Schwebungswellen mit der modulierten Schwebungsfrequenz f_b entsprechend der Differenz der Frequenzen zwischen einem ausgesandten Strahl und einem zurückkehrenden Strahl, wobei die Differenz in dem Resonator 14 auftritt, in Abhängigkeit von Variationen (df/ft) der Laserstrahlschwingungswellenlänge, die durch zeitliche Änderungen des Lasertreiberstroms hervorgerufen werde, und in Abhängigkeit von der Periode τ zwischen dem Aussenden des ausgesandten Strahls und dem Empfang des zurückkehrenden Strahls.
Der Signalprozessor 21 weist weiterhin eine Einrichtung zur Ereugung eines Signals, das Frequenzänderungen angibt, auf, um Variationen der Dopplerfrequenz Δf_d anzugeben, die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängen, und die der modulierten Schwebungsfrequenz f_b der Schwebungswellen überlagert sind. Weiterhin weist der Signalprozessor 21 eine Schwebungswellendetektorschaltung 51 zum Detektieren von Schwebungswellen aus einem PD-Ausgangssignal auf, eine Entfernungsschaltung 52 für eine frei wählbare Signalform zum Entfernen von Komponenten mit starker Lichtintensitätsänderung von dem PD-Ausgangssignal, das von der Schwebungswellendetektorschaltung 51 detektiert wird, wobei die Komponenten entsprechend dem Lasertreiberstrom variieren, und eine Signalverstärkerschaltung 53 zum Verstärken des Signals, von welchem die modulierten Komponenten durch die Entfernungsschaltung 52 für alle frei wählbaren Signalformen entfernt wurde. Das Signal, das von der Signalverstärkerschaltung 53 verstärkt wurde, wird dann der Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A als die voranstehend geschilderten Schwebungswellen zugeführt.
9 ist ein Signalformdiagramm, welches ein Beispiel für eine Treiberstromsignalform gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 9(A) zeigt ein Beispiel, bei welchem der Lasertreiberstrom aus gleichschenkelig dreieckförmigen Wellen besteht, und 9(B) zeigt ein Beispiel, bei welchem der Strom aus Sägezahnwellen mit abfallender Flanke besteht. Wenn sich der Lasertreiberstrom um einen konstanten Betrag ändert, ist die Frequenz konstant, die sich infolge einer Modulation entsprechend dem Treiberstrom ergibt. Wenn sich daher die gemessene Doppler-Schwebungsfrequenz f_db der Schwebungswellen ändert, wird sofort eine Änderung der Dopplerfrequenz Δf_d erkannt, die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt, was die Ermittlung des Schwingungszustands erleichtert. Die Signalform (zeitliche Änderung) des Treiberstroms umfaßt daher vorzugsweise sich periodisch wiederholende gerade Linien, die eine feste Neigung oder Steigung aufweisen, wie dies in 9(A) oder (B) gezeigt ist. Obwohl die Sägezahn-Treiberstromsignalform, die in 9(B) gezeigt ist, einfach zu verarbeiten ist, in Bezug auf das Entfernen des Lasertreiberstroms, oder die Berechnung der modulierten Schwebungsfrequenz f_b, können auch Dreieckswellen verwendet werden, die symmetrische Steigungen aufweisen, wie dies in 9(A) gezeigt ist. Bei den Dreieckswellen ist eine vorbestimmte Signalverarbeitung dazu erforderlich, die Dopplergeschwindigkeit zu berechnen, da die Erhöhung oder Abnahme der modulierten Schwebungsfrequenz davon abhängt, ob ein gerader Abschnitt der Signalform eine positive oder negative Steigung oder Neigung aufweist. Zur Vereinfachung der Signalverarbeitung ist die Signalform vorzugsweise eine Sägezahnwelle, die eine lange Steigung oder Neigung aufweist, wie dies in 9(B) gezeigt ist.
Wenn die dreieckförmige Welle in 9(A) als Treiberstrom verwendet wird, und sowohl positive als auch negative Steigungen bzw. Neigungen gemessen werden, muß der Frequenzvorgang in Abhängigkeit davon ausgewählt werden, ob die Signalform eine positive oder negative Steigung bzw. Neigung aufweist. 10 zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau einer Einrihtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation in einem Fall, in welchem eine dreieckförmige Welle als Lasertreiberstromsignalform verwendet wird. Es wird beispielsweise eine Auswahlperiode unabhängig davon eingestellt, ob der Treiberstrom ansteigt oder absinkt, wie dies in 9(C) gezeigt ist. Gemessene Dopplerfrequenzen können gleichförmig dadurch bearbeitet werden, daß jede von ihnen durch eine Berechnungseinrichtung entsprechend der Auswahlperiode hindurchgeleitet wird.
Bei dem in 10 gezeigten Beispiel weist der Signalprozessor 21 eine Frequenzberechnungsvorrichtung 54 auf, um die Frequenz (Doppler-Schwebungsfrequenz) f_db eines Schwebungswellensignals 3 zu berechnen, eine Berechnungsvorrichtung 55 zur Berechnung der Dopplerfrequenz Δf_d unter Verwendung der modulierten Schwebungsfrequenz f_b, die infolge der Modulation des Lasertreiberstroms auftritt, und einen periodenweise arbeitenden Signalprozessor 22B zum Abziehen der Dopplerfrequenz aus jeder der ansteigenden und absinkenden Perioden, wenn der Lasertreiberstrom eine Dreieckssignalform aufweist. Bei dem in 10 gezeigten Beispiel weist der periodenweise arbeitende Signalprozessor 22B mehrere Umkehreinheiten 56 zur Umkehrung der Polarität (des Vorzeichens) der Dopplerfrequenz Δf_d auf, die durch die Berechnungsvorrichtung 55 berechnet wird, und einen Selektor 57 zur Auswahl einer Dopplerfrequenz oder einer Dopplerfrequenz mit umgekehrter Polarität, abhängig von den in 9(C) gezeigten Zeitpunkten. Die Dopplerfrequenz Δf_d wird entsprechend Zeitreihen ausgegeben, um eine Frequenzänderungssignalform auszugeben.
11 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer Entfernungsschaltung für eine frei wählbare Signalform gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 11(A) zeigt schematisch den Aufbau, und 11(B) zeigt ein Beispiel für den Aufbau zum Entfernen von Dreieckskomponenten aus der Schwebungswelle. Bei dem in 11(A) gezeigten Beispiel weist eine ein 8 gezeigte Entfernungsschaltung 52 für eine frei wählbare Signalform ein Hochpaßfilter 63 auf, das hochfrequente Komponenten durchläßt, und Gleichspannungskomponenten sperrt, und eine Einheit zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenkomponenten (Treiberstromkomponentenentfernungseinheit) 64 zum Entfernen von Komponenten mit variierender Lichtintensität von den Signalen, die durch das Hochpaßfilter 63 hindurchgegangen sind, wobei sich die Komponenten entsprechend dem Lasertreiberstrom ändern. Die Einheit zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenkomponenten 64 dient als Sägezahnwellenkomponentenentfernungseinheit, wenn der Treiberstrom sägezahnförmig ist.
Elektrische Signale, die den Änderungen der Lasertrahlintensität zugeordnet sind (PD-Ausgangssignal), die von der Photodiode 20 detektiert wird, werden durch ein Filter 63 hindurchgeleitet, um nur Wechselspannungskomponenten zu erhalten. Die abgezogenen Signale enthalten Dreieckskomponenten proportional zur Treiberstromsignalform, da die Laserstrahlintensität entsprechend dem Treiberstrom ansteigt bzw. abnimmt. Da die Dreieckskomponenten im Vergleich zu Schwebungswellen sehr groß sind, müssen sie (Sägezahnkomponenten) entfernt werden, bevor die Signalverstärkung erfolgen kann.
Im einzelnen können die Treiberstromkomponenten dadurch entfernt werden, daß eine dreieckförmige Spannung (nachfolgend auch Dreiecksspannung genannt) entsprechend der Dreiecks- oder Sägezahnwelle des Treiberstroms vorgesehen wird, die Amplitude durch Verstärkung oder dergleichen eingestellt wird, und die eingestellte Spannung von dem PD-Ausgangssignal synchron mit diesem subtrahiert wird. Bei dem in 11(B) dargestellten Beispiel ist eine Spannungseinstellvorrichtung 65 vorgesehen, um die Spannung einer Dreiecksspannungssignalform einzustellen, die von der Lasertreibersteuerung 24 erzeugt wird, so daß sie im wesentlichen gleich der Spannung von Dreieckswellenkomponenten des PD-Ausgangssignals ist, eine Photodetektor- und Synchronisationsvorrichtung 66 zum Detektieren der Phase des PD-Ausgangssignals und zum Synchronisieren der detektierten Phase mit der Phase des Signals, dessen Amplitude durch die Spannungseinstellvorrichtung 65 eingestellt wurde, und eine Arithmetikschaltung 67 zum Subtrahieren des Dreieckswellensignals, dessen Phase durch die Photodetektor- und Synchronisationsvorrichtung 66 eingestellt wurde, von einem Anteil des PD-Ausgangssignals, der durch das Hochpaßfilter hindurchgegangen ist, um nur Schwebungswellen abzuziehen, welche die Doppler-Schwebungsfrequenz aufweisen.
12 zeigt als Blockschaltbild ein weiteres Beispiel für die Entfernungsschaltung 52 für frei wählbare Signalformen. Bei dem in 12 dargestellten Beispiel werden nur Dreieckskomponenten von dem PD-Ausgangssignal abgezogen, und werden die Dreieckskomponenten nach Einstellung der Spannung und der Phase von dem Signal subtrahiert. Bei dem in 12 gezeigten Beispiel weist die Einheit zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenkomponenten 64 eine Dreieckswellenabziehvorrichtung 68 auf, um Dreieckswellenkomponenten von dem Anteil des PD-Ausgangssignals abzuziehen, der durch das Hochpaßfilter 63 hindurchgelangt ist, eine Phasen- und Spannungseinstellvorrichtung 69 zur Einstellung der Phase und der Spannung der Dreieckssignalform, die von der Dreieckswellenabziehvorrichtung 68 abgezogen wurde, und eine Berechnungsvorrichtung 67 zum Subtrahieren von Signalkomponenten, die von der Phasen- und Spannungseinstellvorrichtung 69 ausgegeben werden, von dem Anteil des PD-Ausgangssignals, der durch das Hochpaßfilter 63 hindurchgelangt ist.
Die Dreieckswellenkomponenten können ebenfalls dadurch von dem PD-Ausgangssignal entfernt werden, daß die Abschneidefrequenz des Hochpaßfilters 63 in Abhängigkeit von der Periode der Treiberstromsignalform eingestellt wird. Da ein Frequenzunterschied zwischen den Schwebungswellen und den Änderungen des Treiberstroms vorhanden ist, und die Schwebungswellen eine höhere Frequenz aufweisen, kann nämlich das Hochpaßfilter 63 dazu verwendet werden, von dem Signal die Dreieckswellenkomponenten zu entfernen, die aufgrund von Änderungen des Treiberstroms auftreten.
Bei den in den 11 und 12 dargestellten Beispielen werden die Dreieckswellenkomponenten, die vom Treiberstrom herstammen, von dem PD-Ausgangssignal entfernt, das danach verstärkt wird. Daher können nur die Schwebungswellenkomponenten breitbandig verwendet werden. Zum Beispiel kann zur Umwandlung in ein Digitalsignal die Auflösung eines A/D-Wandlers maximal ausgenutzt werden.
Zweite Ausführungsform
[Berechnung für Frequenzänderungen]
Im Zusammenhang mit einer zweiten Ausführungsform wird eine Anordnung zur Berechnung einer Frequenzänderungssignalform aus Schwebungswellen im einzelnen geschildert. 13(A) zeigt eine Anordnung zur Ausgabe von Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz als Änderungen der Schwingungsgeschwindigkeit. Da die beobachtete Frequenz von Schwebungswellen der Differenz zwischen der Dopplerfrequenz Δf_d und der modulierten Schwebungsfrequenz f_b entspricht, können dann, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz f_b konstant ist, Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz als Geschwindigkeitsvariationssignalform verwendet werden, welche eine Geschwindigkeit von Null bei der modulierten Schwebungsfrequenz anzeigt. Bei dem in 13(A) gezeigten Beispiel weist die Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A eine Signalkorrektureinheit 72 zur Korrektur verstärkter Schwebungswellen in Bezug auf nicht konstante Perioden oder dergleichen auf, und einen Frequenz-Spannungswandler (F/V-Wandler) 73 zur Umwandlung der Frequenz von Schwebungswellen, die von der Signalkorrekturschaltung ausgegeben werden, in eine Spannung. Die in 13(A) gezeigte Anordnung kann als Analogschaltung implementiert werden, und ist geeignet für Einsätze zum Messen anomaler Schwingungen des gemessenen Gegenstands in Echtzeit.
13(B) zeigt ein Beispiel für eine Anordnung zur Ausgabe von Änderungen der Dopplerfrequenz Δf_d als Änderungen der Schwingungsgeschwindigkeit. Bei dem in 13(B) dargestellten Beispiel werden Komponenten f_b der modulierten Schwebungsfrequenz entfernt, anstelle von Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db, um eine Frequenzvariationssignalform zu erzeugen, die nur aus Dopplerfrequenzkomponenten Δf_d besteht. Bei dem in 13(B) gezeigten Beispiel weist die Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A zusätzlich zu der in 13A dargestellten Anordnung eine Arithmetikschaltung 75 auf, um die modulierte Schwebungsfrequenz f_b von einer Änderungssignalform der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db abzutrennen, die von dem F/V-Wandler 73 ausgegeben wird. Die Arithmetikschaltung 75 gibt als Schwingungsinformation eine Änderungssignalform der Dopplerfrequenz aus, eine Geschwindigkeitsänderungssignalform, die durch Multiplikation der Änderungssignalform mit einer Wellenlänge erhalten wird, eine Verschiebungsänderungssignalform, die durch Integration der Geschwindigkeitsänderungssignalform erhalten wird, oder dergleichen.
Die Dopplerfrequenz kann dadurch berechnet werden, daß ein verstärktes Signal (Schwebungswellen) mit einer modulierten Schwebungsfrequenz multipliziert wird, die vorher mit Hilfe der Strommodulation erhalten wird, und durch Messung der sich ergebenden Einhüllenden.
14 zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau des Signalprozessors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem in den 14 und 15 dargestellten Beispiel wird eine digitale Signalverarbeitung zur Ausgabe einer Frequenzänderungssignalform verwendet. Im einzelnen wird die Periode von Schwebungswellen numerisch und zeitlich aus Schwebungswellendaten bestimmt. Beispielsweise kann die Periode der Signalform dadurch bestimmt werden, daß die Schwebungswellen differenziert werden, um Spitzenwerte der Signalform zu ermitteln, und die Zeit zwischen den Spitzenwerten festzustellen, oder durch Messung von Abschnitten, an denen die Schwebungswellen selbst eine frei wählbare Spannung überqueren.
Die Messung der Periode von Spitzenwert zu Spitzenwert wird nicht durch zentrale Spannungsänderungen beeinflußt, jedoch durch Rauschen. Das Beispiel, bei dem Messungen von Abschnitten erfolgen, in denen die Schwebungswellen eine frei wählbare Spannung durchlaufen, wird durch zentrale Spannungsänderungen beeinflußt, jedoch durch Rauschen nicht relativ beeinflußt. Die Periode der Signalform kann daher dadurch exakt berechnet werden, daß die Vorgehensweise in Abhängigkeit von den Signalbedingungen ausgewählt wird.
Bei dem Beispiel, bei welchem die Schwebungswellen differenziert werden, wird die Signalform vorzugsweise vorher gemittelt, um die negativen Einflüsse des Rauschens auszuschalten. Die Spitzenwerte der Signalform können dadurch festgestellt werden, daß ein Signal differenziert wird, das zur Unterdrückung von Rauschen gemittelt wurde, so daß die Spitzenwerte als Punkte festgestellt werden können, an denen der differenzierte Wert eine Null-Linie von der positiven Seite zur negativen Seite hin überquert. Die Spitzenwerte können auch als Punkte festgestellt werden, an denen der differenzierte Wert die Null-Linie von der negativen Seite aus zur positiven Seite hin überquert.
Zum Unterdrücken von Rauschen ist es nützlich, daß dann, wenn das Intervall zwischen den Punkten, an denen der differenzierte Wert die Null-Linie von der positiven Seite zu der negativen Seite überquert, kürzer als eine vorhersehbare Schwebungswellenlänge ist, das Intervall zwischen zwei stetig ineinander übergehenden Punkten als die Periode akkumuliert wird. Wenn die Steigung der Signalform, die beobachtet wird, wenn der differenzierte Wert die Null-Linie von der positiven Seite zu der negativen Seite hin überschreitet, steiler als ein vorhergesagter Wert ist, kann dies als Rauschen angesehen werden, und vernachlässigt werden.
Bei jenem Beispiel, bei dem die Periode der Schwebungswellen direkt bestimmt wird, wird eine Vorrichtung zum Mitteln eines größeren Bereiches des Signals verwendet, um eine zentrale Spannung zu bestimmen, so daß das Intervall zwischen Punkten, an denen die Schwebungswelle diese Spannungslinie von der positiven Seite zu der negativen Seite (oder umgekehrt) überschreitet, gemessen werden kann.
Bei jenem Beispiel, bei welchem differenzierte Schwebungswellen, die durch Differenzieren der Schwebungswellen erhalten werden, zur Erzeugung einer Frequenzvariationssignalform verwendet werden, weist die Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A eine Differenzierfunktion 77 zum Differenzieren der Schwebungswellen auf, und eine Nulldurchgangsperiodenberechnungsfunktion 78 zum Berechnen, als Frequenzvariationssignalform, von Variationen der Periode, in welcher die durch die Differenzierfunktion 77 differenzierten Schwebungswellen die Null-Linie überschreiten, wie dies in 14 gezeigt ist. Weiterhin kann mit einer Funktion zur Bildung des Inversen des Wertes der Periode, die von der Nulldurchgangsperiodendetektorfunktion 78 detektiert wird, eine Frequenzvariationssignalform (Geschwindigkeitsvariationssignalform des gemessenen Gegenstands) erzeugt werden.
15(A) zeigt ein Beispiel, bei welchem die Periode der Schwebungswellen direkt bestimmt wird, und 15(B) zeigt ein Beispiel, bei welchem die Periode der differenzierten Schwebungswellen bestimmt wird. Bei dem in 15(A) gezeigten Beispiel wird die Periode T dadurch bestimmt, daß Positionen festgestellt werden, an denen die Schwebungswellen die Null-Linie von der negativen Seite zur positiven Seite hin überqueren. Bei dem in 15(B) gezeigten Beispiel wird die in 14 dargestellte Anordnung dazu verwendet, die Schwebungswellen zu differenzieren, und werden die Positionen festgestellt, an denen die differenzierten Schwebungswellen die Null-Linie von der negativen Seite zur positiven Seite hin überqueren, wodurch die Periode T von einem Spitzenwert zum nächsten bestimmt wird.
Dritte Ausführungsform
[Berechnung für das Frequenzspektrum]
In Bezug auf eine dritte Ausführungsform werden Grundlagen eines Beispiels beschrieben, bei dem eine Frequenzanalyse von Schwebungswellen erfolgt. 16 zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 16 gezeigten Beispiel weist der Signalprozessor 21 eine Signalkorrektureinheit 72 auf, um Rauschen von Schwebungswellen zu entfernen, eine Fourier-Analysefunktion 81 zur Bestimmung des Frequenzspektrums der Schwebungswellen, und eine Dopplerfrequenzberechnungsfunktion 82 zur Berechnung eines Maximal- oder Minimalwertes der Dopplerfrequenz, der von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt, auf der Grundlage einer Spektralbreite um die Schwebungsfrequenz des Frequenzspektrums herum, das von der Fourier-Analysefunktion 81 erzeugt wird.
17 ist ein Spektraldiagramm, das ein Beispiel für das Frequenzspektrum von Schwebungswellen zeigt, die bei der dritten Ausführungsform verwendet werden. Die Frequenzverteilung der Schwebungswellen unter Idealbedingungen wird beobachtet, wenn die Frequenz um das Ausmaß der Dopplerfrequenz Δf_d in Bezug auf die modulierte Schwebungsfrequenz f_b verschoben wird, die durch Strommodulation erzeugt wird. Die modulierte Schwebungsfrequenz f_b, die durch Modulation des Treiberstroms erhalten wird, entspricht daher dem Zentrum einer Spektralbreite, die erhalten wird, wenn mit dem Signal eine Fourier-Analyse durchgeführt wird, und eine minimale Dopplerfrequenz Δdf_min bzw. eine maximale Dopplerfrequenz Δbd_max entspricht dem Absolutwert einer Frequenz, die durch Subtraktion der modulierten Schwebungsfrequenz f_b von einer Minmialfrequenz f_bdmin bzw. einer Maximalfrequenz f_bdmax in der Spektralbreite erhalten wird.
Wenn daher mit den Schwebungswellen 3 eine Fourier-Analyse durchgeführt wird, unter Einsatz einer Vorgehensweise wie beispielsweise FFT (schnelle Fourier-Transformation), können die modulierte Frequenz f_b und die maximale Dopplerfrequenz Δ f_{d max} aus den gemessenen Schwebungswellen bestimmt werden. Sobald die maximale Dopplerfrequenz Δf_{d m} _ax ermittelt wurde, kann die maximale Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands unter Verwendung von Gleichung (3) berechnet werden.
In 16 weist der Signalprozessor eine Frequenzberechnungsvorrichtung 80 zur Berechnung des Absolutwertes einer Frequenz zwischen der modulierten Frequenz f_db der Schwebungswellen und der zentralen modulierten Schwebungsfrequenz f_b als Dopplerfrequenz Δf_d auf, die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt, und eine Vorrichtung zur Berechnung der Bewegungsgeschwindigkeit 83 zur Berechnung der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands auf der Grundlage der Dopplerfrequenz Δf_d, die von der Dopplerfrequenzberechnungsvorrichtung 80 berechnet wird. Die Dopplerfrequenzberechnungsvorrichtung 80 verwendet die FFT bei dem in 16 gezeigten Beispiel, jedoch kann die Dopplerfrequenz auch dadurch erhalten werden, daß eine vorher berechnete oder gemessene, modulierte Schwebungsfrequenz von der beobachteten Frequenz der Schwebungswellen abgezogen wird.
Vierte Ausführungsform
[Mehrere Resonatoren]
Bei einer vierten Ausführungsform werden mehrere Laserresonatoren dazu verwendet, kontinuierliche Schwingungsmessungen ohne Verwendung von Schwebungswellen in der nicht konstanten Periode zu ermöglichen, die von der Signalform des Lasertreiberstroms abhängt. 18 zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Schwingungsmeßeinrichtung gemäß dieser Ausführungsform weist mehrere Laserresonatoren 90 und 91 auf, in denen ein Laserstrahl schwingt, und in denen eine Eigenmischung eines zurückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand reflektiert wird, mit einem Strahl hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen wird, eine Lasertreibersteuerung 92 zum Steuern des Betriebs jedes der mehreren Laserresonatoren 90 und 91 unter Verwendung eines entsprechenden Lasertreiberstroms mit entsprechender vorbestimmter Signalform und Phase, und einen Signalprozessor 95 zur Verwendung, als modulierte Schwebungsfrequenz f_b, einer Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem zurückkehrenden Strahl, die in jedem der mehreren Resonatoren auftritt, um Schwebungswellen zu detektieren, denen die Dopplerfrequenz Δf_d überlagert ist, wobei die Dopplerfrequenz von der Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt.
Der Signalprozessor 95 weist einen Schwebungswellenselektor 93 zur Auswahl jener der Schwebungswellen auf, die in jedem der mehreren Resonatoren 90 und 91 auftritt, und in dem Laserresonator 90 auftreten, der keine nicht konstante Periode 37 aufweist, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz f_db nicht konstant ist, entsprechend der Phase und der Periode des Lasertreiberstroms, sowie eine Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation 94 zur Erzeugung von Schwingungsinformation in Bezug auf den gemessenen Gegenstand auf der Grundlage der Schwebungswellen, die durch den Schwebungswellenselektorabschnitt 93 ausgewählt werden.
19 ist ein Signalformdiagramm, welches die Phasenbeziehung zwischen den beiden Lasertreiberströmen gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. In einem Abschnitt der Lasertreiberstromsignalform, in welchem sich deren Steigung ändert, also bei einem Spitzenwert der Treiberstromsignalform, ändert sich der Strom nicht, so daß keine Schwebungswelle infolge einer Modulation des Treiberstroms auftritt. Wenn eine Dreiecks- oder Sägezahnsignalform tatsächlich erzeugt werden soll, verliert dann, da es schwierig ist, sofort die Steigung der Signalform beim Spitzenwert der Signalform zu ändern, die Signalform ihre Linearität vor und nach dem Spitzenwert, und ähnelt eher einer Kurve. In der Nähe des Spitzenwertes der Treiberstromsignalform tritt daher entweder die modulierte Schwebungsfrequenz f_b nicht auf, oder ist instabil. Wenn daher, wie in 19 gezeigt ist, Messungen durchgeführt werden, bei denen sich die Phasen der Lasertreiberströme voneinander unterscheiden, überlappen sich die momentanen Perioden 37 der modulierten Schwebungsfrequenz f_b zwischen den Resonatoren nicht. Daher können kontinuierliche Schwingungsmessungen stabil unter Verwendung der Schwebungswellen in stabilen Perioden der modulierten Schwebungsfrequenz beider Resonatoren durchgeführt werden.
20 zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der vierten Ausführungsform im einzelnen. Bei dem in 20 dargestellten Beispiel führen ein erster Laser A, der mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet ist, und ein zweiter Laser B, der mit dem Bezugszeichen 91 bezeichnet ist, jeweils die F/V-Wandlung durch, und wählt ein Selektor 93 zwischen den Lasern A und B aus, um die nicht konstanten Perioden 37 der Schwebungswellen zu entfernen. Im einzelnen weist der Laser A eine Signalkorrekturschaltung 72A zum Entfernen von Rauschen von den Schwebungswellen auf, einen F/V-Wandler 73A zur Umwandlung von Änderungen der Periode der Schwebungswellen, die kein Rauschen aufweisen, in Spannungsänderungen, und eine Spannungseinstellschaltung 75A zur Normierung eines Spannungswertes für eine Geschwindigkeitsvariationssignalform, die von dem F/V-Wandler 73A ausgegeben wird. Der Laser B ist ähnlich aufgebaut, und die Spannungseinstellschaltungen 65A und 65B ändern die Amplituden der beiden Geschwindigkeitsvariationssignalformen so ab, daß sie dieselbe Form aufweisen.
Fünfte Ausführungsform
[Nicht konstante Periode]
Bei einer fünften Ausführungsform wird ein einzelner Laser dazu verwendet, die nicht konstanten Perioden von der Signalform zu entfernen, damit Schwingungen intermittierend gemessen werden können. Dies ist nützlich zur Überwachung der maximalen Schwingungsgeschwindigkeit. 21 zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für eine Anordnung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 21 gezeigten Beispiel weist der Signalprozessor 21 eine Korrekturvorrichtung 95 für nicht konstante Perioden zum Entfernen nicht konstanter Schwebungswellen von den nicht konstanten Perioden auf, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend der Phase und der Periode des Lasertreiberstroms nicht konstant ist, sowie die Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation 94 zur Erzeugung von Schwingungsinformation in Bezug auf den gemessenen Gegenstand auf der Grundlage der Schwebungswellen, die durch die Korrektureinheit 95 für nicht konstante Perioden korrigiert wurden. Die Korrektureinheit 95 für nicht konstante Perioden korrigiert die Schwebungswellen entsprechend den nicht konstanten Perioden, die von der Periode und der Phase der Lasertreiberstromsignalform abhängen. Beispielsweise kann ein Wert für die Schwebungswellen auf Null eingestellt werden, oder können die Schwebungswellen durch eine Signalform mit ausreichend kleiner Periode ersetzt werden. Wenn der Wert für die Schwebungswellen auf Null eingestellt wird, können die Änderungen der Schwebungswellen aus den nicht konstanten Perioden entfernt werden, ohne den Aufbau der Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformations 94 zu ändern.
22 ist ein Signalformdiagramm, welches ein Beispiel für Schwebungswellen in der stabilen Periode bei der fünften Ausführungsform zeigt. 22(A) zeigt Schwebungswellen, die man beobachtet, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest ist, und 22(B) zeigt ein Beispiel für Schwebungswellen, die man beobachtet, wenn der gemessene Gegenstand schwingt. Läßt man die in 22 gezeigten Schwebungswellen sich fortsetzen, führt dies zu Schwebungswellen, die gleich jenen sind, die bei anderen Ausführungsformen verwendet werden, beispielsweise der vierten Ausführungsform. Bei dem in 22(A) gezeigten Beispiel ändert sich die Amplitude der Schwebungswellen geringfügig, jedoch ist die Periode im wesentlichen konstant; die von dieser Periode abhängige Frequenz ist die modulierte Schwebungsfrequenz f_db. Bei dem in 22(B) gezeigten Beispiel wird die modulierte Schwebungsfrequenz durch die Dopplerfrequenz Δf_d moduliert. Die Periode beginnt mit hoher Größe, nimmt dann ab, und dann wieder zu. Diese Änderungen der Frequenz entsprechen Dopplerfrequenzkomponenten des gemessenen Gegenstands. Die vorliegende Ausführungsform erzielt eine hohe modulierte Schwebungsfrequenz in der Größenordnung von Megaherz, selbst mit kostengünstigen Teilen, wodurch die Auflösung von Messungen der Schwingungsverschiebung oder Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands wesentlich verbessert wird.
Da die vorliegende Erfindung so wie voranstehend geschilder ausgebildet ist und arbeitet, sorgt die Steuerung für die Erzeugung der modulierten Schwebungsfrequenz dafür, daß die Schwebungswellen die modulierte Schwebungsfrequenz f_b aufweisen, die höher ist als die Dopplerfrequenz Δf_d, die dem rückkehrenden Strahl überlagert ist, und sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert, was es ermöglicht, Schwebungswellen mit der modulierten Schwebungsfrequenz f_b selbst dann zu erzeugen, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt. Die Dopplerfrequenz Δf_d des gemessenen Gegenstands wird den Schwebungswellen als Summe von sich und der modulierten Schwebungsfrequenz f_b überlagert, so daß bei einer konstanten modulierten Schwebungsfrequenz Änderungen der beobachteten Frequenz der Schwebungswellen (Doppler-Schwebungsfrequenz f_db) Änderungen der Dopplerfrequenz Δf_d repräsentieren. Daher kann eine Änderungssignalform der Doppler-Schwebungsfrequenz f_db, die durch Beobachtung der Schwebungswellen erhalten wird, als Geschwindigkeitsänderungssignalform verwendet werden. Da die Doppler-Schwebungsfrequenz Δdb in Abhängigkeit von der Anzahl an Schwebungswellen gemessen werden kann, kann darüber hinaus die Auflösung der Schwingungsmessungen dadurch verbessert werden, daß die modulierte Schwebungsfrequenz f_b hoch eingestellt wird. Insbesondere kann die Auflösung im Vergleich zur herkömmlichen Berechnung der Verschiebung und Geschwindigkeit unter Verwendung der Hälfte der Länge der Schwingungsfrequenz (λ/2) als Einheit wesentlich verbessert werden. Daher können Schwingungen mit sehr kleiner Periode oder sehr kleine Änderungen der Verschiebung exakt gemessen werden, die herkömmlich nicht stabil gemessen werden können. Andererseits kann, wenn zu viele Schwebungswellen in Bezug auf die Schwingungsperiode des gemessenen Gegenstands erzeugt werden, infolge einer großen Verschiebung, im Vergleich zur Größe von λ/2, die Anzahl an Schwebungswellen relativ zur Schwingungsperiode des gemessenen Gegenstands eingestellt werden, durch Einstellung einer niedrigen modulierten Schwebungsfrequenz. Durch eine variable modulierte Schwebungsfrequenz f_b kann daher die Verbesserung der Meßgenauigkeit und die Verringerung der Datenmenge in erforderlichem Ausmaß eingestellt werden. Da Schwebungswellen selbst dann erzeugt werden, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, kann die Umkehr der Bewegungsrichtung oder der Geschwindigkeit auf der Grundlage von Änderungen der beobachteten Frequenz (Doppler-Schwebungsfrequenz) der Schwebungswellen selbst dann gemessen werden, wenn bei dem gemessenen Gegenstand komplizierte Schwingungen auftreten, bei welchen mehrere Schwingungsperioden einander überlagert vorhanden sind. Da die Schwebungswellen ihre richtige Signalform selbst dann beibehalten, wenn der gemessene Gegenstand anhält, kann darüber hinaus die Schwingungsabschwächung richtig gemessen werden. Daher können eine neue und hervorragende Schwingungsmeßeinrichtung und ein neues und hervorragendes Schwingungsmeßverfahren zur Verfügung gestellt werden, welche exakt die Schwingungsbedingungen des gemessenen Gegenstands messen können, ohne Abhängigkeit von der Laseroszillatorwellenlänge.
Die Erfindung läßt sich auf andere Arten und Weisen verwirklichen, ohne von ihrem Wesen oder ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sollen daher in jeglicher Hinsicht als erläuternd und nicht einschränkend verstanden werden, da sich der Umfang der Erfindung aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt, und daher die beigefügten Patentansprüche Wesen und Umfang der Erfindung umfassen sollen.

Claims

Schwingungsmeßeinrichtung, umfassend: einen Laserresonator (14), in welchem ein Laserstrahl schwingt, und in dem eine Eigenmischung eines rückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand (10) reflektiert wird, mit einem Strahl hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der rückkehrende Strahl empfangen wird, eine Lasertreibersteuerung (24) zum Steuern des Betriebs des Laserresonators unter Verwendung eines Lasertreiberstroms mit einer vorbestimmten Signalform und Periode, und einen Signalprozessor (21) zum Detektieren von Schwebungswellen, welche eine modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend einer Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem zurückkehrenden Licht aufweisen, wobei die Differenz in dem Resonator (14) auftritt, abhängig von Änderungen der Schwingungsfrequenz des Laserstrahls, hervorgerufen durch zeitliche Änderungen des Lasertreiberstroms, und von der Hin- und Herlaufzeit des ausgesandten Strahls zwischen dem Aussenden des ausgesandten Strahls und dem Empfang des rückkehrenden Strahls, wobei der Signalprozessor (21) eine Vorrichtung zur Berechnung der Dopplerfrequenz (Δf_d) zum Berechnen einer Differenz zwischen der Frequenz der Schwebungswellen (f_db) und der modulierten Schwebungsfrequenz (f_b) aufweist, als Dopplerfrequenz (Δf_d), die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, die weiter umfasst: eine Vorrichtung zur Berechnung der Bewegungsgeschwindigkeit zur Berechnung der Geschwindigkeit (V) des gemessenen Gegenstandes (10) auf der Grundlage der Dopplerfrequenz (Δf_d), die von der Vorrichtung zur Berechnung der Dopplerfrequenz berechnet wird.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasertreibersteuerung (24) eine Sägezahnwellenerzeugungsfunktion zur Erzeugung eines Lasertreiberstroms aufweist, der eine Periode hat, die von einer optischen Weglänge zu dem gemessenen Gegenstand abhängt, und von der Maximalfrequenz der gemessenen Schwingung, und sägezahnförmig ist.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasertreibersteuerung (24) eine Sägewellenerzeugungsfunktion zum Erzeugen eines Lasertreiberstroms mit einer gleichschenkelig dreiecksförmigen Wellenform aufweist.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstelleinheit für die optische Weglänge (L) zum Einstellen der optischen Weglänge auf einen vorbestimmten Wert vorgesehen ist.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (21) einen periodisch arbeitenden Signalprozessor (21, 57) dorstellt um dann, wenn der Lasertreiberstrom eine dreiecksförmige Wellenform aufweist, eine Dopplerfrequenz (Δf_d) von jeder der ansteigenden und absinkenden Perioden der dreieckförmigen Welle abzuziehen.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (21) eine Entfernungseinheit (52) für eine Treiberstromkomponente aufweist, zum Entfernen von Lichtintensitätskomponenten, die von der Signalform des Lasertreiberstroms abhängen, von den Schwebungswellen.
Schwingungsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsmesseinrichtung weiter eine Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals (22) aufweist, die eine Differenzierfunktion zum Differenzieren der Schwebungswellen und eine Berechnungsfunktion für Perioden von einem Spitzenwert zum nächsten aufweist, um als Frequenzänderungssignalform Änderungen der Periode zu berechnen, wenn die durch die Differenzierfunktion differenzierten Schwebungswellen eine Null-Linie schneiden.
Schwingungsmeßeinrichtung, umfassed: einen Laserresonator (14), in welchem ein Laserstrahl schwingt, und in dem eine Eigenmischung eines zurückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand (10) reflektiert wird, mit einem Strahl hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der rückkehrende Strahl empfangen wird, eine Lasertreibersteuerung (24) zum Steuern des Betriebs des Laserresonators unter Verwendung eines Lasertreiberstroms mit vorbestimmter Signalform und Periode, und einen Signalprozessor (21) zum Detektieren von Schwebungswellen (f_b), die eine modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend der Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem zurückkehrenden Licht aufweisen, wobei die Differenz in dem Resonator (14) auftritt, abhängig von Änderungen der Schwingungsfrequenz des Laserstrahls, hervorgerufen durch zeitliche Änderungen des Lasertreiberstroms, und von der Hin- und Herlaufzeit des ausgesandten Strahls zwischen dem Aussenden des ausgesandten Strahls und dem Empfang des zurückkehrenden Strahls, wobei der Signalprozessor (21) eine Fourier- Analysefunktion zur Bestimmung des Frequenzspektrums der Schwebungswellen aufweist, und eine Dopplerfrequenzberechnungsfunktion zur Berechnung des Maximal- oder Minimalwertes der Dopplerfrequenz, die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt, auf der Grundlage einer Spektralbreite um die modulierte Schwebungsfrequenz des Frequenzspektrums herum, das durch die Fourier-Analyse erzeugt wird.
Schwingungsmeßeinrichtung, umfassend: mehrere Laserresonatoren (90, 91), in denen ein Laserstrahl schwingt, und in denen eine Eigenmischung eines rückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand reflektiert wird, mit einem Strahl hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der rückkehrende Strahl empfangen wird, eine Lasertreibersteuerung (92) zum Steuern des Betriebs jedes der mehreren Laserresonatoren unter Verwendung eines entsprechenden Lasertreiberstroms mit entsprechender vorbestimmter Signalform und Phase, und einen Signalprozessor (95), der dazu dient, als modulierte Schwebungsfrequenz eine Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem rückkehrenden Strahl einzusetzen, die in jedem der mehreren Resonatoren auftritt, um Schwebungswellen (f_db) zu detektieren, denen eine Dopplerfrequenz (Δf_d) überlagert ist, wobei die Dopplerfrequenz (Δf_d) von der Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands (10) abhängt, wobei der Signalprozessor (95) einen Schwebungswellenselektor (93) zur Auswahl jener Schwebungswellen aufweist, die in jedem der mehreren Resonatoren (90, 91) auftreten, und in einem der Resonatoren auftreten, der keine nicht konstante Periode aufweist, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz nicht konstant ist, entsprechend der Phase und der Periode des Lasertreiberstroms, und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation (94) zum Erzeugen von Schwingungsinformation in Bezug auf den gemessenen Gegenstand auf der Grundlage der Schwebungswellen, die durch den Schwebungswellenauswahlabschnitt ausgewählt werden.
Schwingungsmeßeinrichtung, die mehrere Laserresonatoren (90, 91) aufweist, in denen ein Laserstrahl schwingt, und in denen eine Eigenmischung eines rückkehrenden Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand (10) reflektiert wird, mit einem Strahl hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der rückkehrende Strahl empfangen wird, eine Lasertreibersteuerung (92) zum Steuern des Betriebs jedes der mehreren Laserresonatoren unter Verwendung eines entsprechenden Lasertreiberstroms mit entsprechender vorbestimmter Signalform und Phase, und einen Signalprozessor (95), der dazu dient, als modulierte Schwebungsfrequenz eine Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem rückkehrenden Strahl einzusetzen, die in jedem der mehreren Resonatoren auftritt, um Schwebungswellen (f_db) zu detektieren, denen eine Dopplerfrequenz (Δf_d) überlagert ist, die von der Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands (10) abhängt, wobei der Signalprozessor (95) eine Korrekturvorrichtung für nicht konstante Perioden zum Entfernen nicht konstanter Schwebungswellen aus nicht konstanten Perioden aufweist, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend der Phase und Periode des Lasertreiberstroms nicht konstant ist, und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation (94) zum Erzeugen von Schwingungsinformation in Bezug auf den gemessenen Gegenstand auf der Grundlage der Schwebungswellen, die von der Korrektureinheit für nicht konstante Perioden korrigiert wurden.
Schwingungsmeßverfahren, das folgende Schritte umfasst: Aussenden eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl zu einem gemessenen Gegenstand (10) unter Verwendung eines Laserresonators ausgesandt wird, wobei die Laserschwingungsfrequenz (f) durch Steuerung des Laserresonators unter Verwendung eines Lasertreiberstroms mit einer vorbestimmten Signalform und Periode gesteuert wird, Empfangen des rückkehrenden Strahls, wobei ein Teil desselben durch den gemessenen Gegenstand (10) gestreut und reflektiert wurde, nachdem er in dem Laserstrahlaussendeschritt ausgesandt wurde, und sich dann über eine vorbestimmte optische Weglänge (L) bewegt hat, und Detektieren von Schwebungswellen, wobei die Schwebungswellen eine modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend einer Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem zurückkehrenden Licht aufweisen, wobei die Differenz in dem Resonator auftritt, abhängig von Änderungen der Schwingungsfrequenz des Laserstrahls, hevorgerufen durch zeitliche Änderungen des Lasertreiberstroms, und von der Hin- und Herlaufzeit des ausgesandten Strahls zwischen dem Aussenden des ausgesandten Strahls und dem Empfangen des rückkehrenden Strahls, und einen Schritt zum Ermitteln der Schwingungsinformation zum Berechnen einer Differenz zwischen der Frequenz der Schwebungswellen (f_db) und der modulierten Schwebungsfrequenz (f_b), als Dopplerfrequenz (Δf_d), die von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstandes abhängt.