JP2009222684A - 速度計 - Google Patents

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Abstract

【課題】
高精度な処理を容易に実現する速度計を提供する。
【解決手段】
本発明は、レーザー光源1から移動物体7に入射した光束の散乱光を異なる方向から検出する複数の光検出器12a、12bを備えた速度計であって、光検出器12a、12bの検出信号S1、S2をデジタル化するアナログ/デジタル変換手段と、移動物体7の速度を算出する速度演算手段24aと、検出信号S1、S2の振幅を算出する振幅演算手段24bと、検出信号S1、S2のドロップアウトを検出するドロップアウト検出手段24dと、ドロップアウトの検出時刻を保持する時刻保持手段24eと、信号切替時刻を算出する切替時刻演算手段24fと、複数の速度、振幅、及び、信号切替時刻を記憶する記憶メモリ25と、複数の振幅及び信号切替時刻に基づいて、記憶メモリ25に記憶された速度のうちの一つを選択して出力する出力選択手段26とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は速度計に係り、特に、ドップラー効果を利用したレーザードップラー速度計に関する。
従来から、移動物体の移動速度を非接触且つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー速度計が用いられている。レーザードップラー速度計は、移動物体にレーザー光を照射し、移動物体からの散乱光の周波数が、移動物体の移動速度に比例して偏移(シフト)する効果(ドップラー効果)を利用して、移動物体の移動速度を測定している。
一般に、レーザードップラー速度計において、光検出器で得られる速度に比例した検出信号は散乱光に基づくものである。このため、検出信号レベルは低く、また、ノイズの重畳によりS/N比が悪くなる傾向がある。
また、移動物体の表面状態により反射率や散乱状態が異なり、信号レベルが変動する。このため、測定中にドップラー信号がとぎれる所謂「ドロップアウト」が生じるという問題がある。
従来から、このようなドロップアウトの処理方法としては、例えば、バンドパスフィルター(BPF)でS/N比を改善し、フェーズロックドループ(PLL)で連続信号とする方法等が用いられている。しかしながら、ドロップアウトが多く生じると、それに伴う測定精度が低下するという問題がある。
このような問題を解決するため、例えば特許文献1には、移動物体の同一領域からの散乱光を異なる複数の方向から複数の光検出部を用いて各々検出する方法が開示されている。
特許第3423396号
特許文献1には、選択手段を用いることにより、これらの複数の光検出部の検出信号のドロップアウトを低減させるという提案がなされている。しかし、特許文献1に開示されている選択手段は、光検出部の検出信号をアナログ信号の状態のまま処理している。
ところが、光検出部の検出信号に対して、複数信号間の位相差処理やノイズ処理、高時間分解能化など、高精度化に必要な処理を実行する場合、光検出部の検出信号の各種処理をアナログ回路で実現するのは困難である。
そこで本発明は、高精度な処理を容易に実現する速度計を提供する。
上記課題を解決するため、本発明の一側面としての速度計は、光源手段から移動物体に入射した光束の散乱光を異なる方向から検出する複数の光検出器を備えた速度計であって、前記複数の光検出器の検出信号をデジタル化して複数のデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換手段と、前記複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、前記移動物体の速度を算出する速度演算手段と、前記複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、前記検出信号の振幅を算出する振幅演算手段と、前記振幅演算手段にて算出された前記振幅のそれぞれに基づいて、前記検出信号のドロップアウトを検出するドロップアウト検出手段と、前記ドロップアウト検出手段により検出された前記ドロップアウトの検出時刻を保持する時刻保持手段と、前記検出時刻に基づいて、前記複数のデジタル信号のそれぞれの信号切替時刻を算出する切替時刻演算手段と、前記複数のデジタル信号のそれぞれから算出された複数の前記速度、複数の前記振幅、及び、複数の前記信号切替時刻を記憶する記憶手段と、前記複数の振幅の比較結果、及び、前記信号切替時刻に該当するか否かの判定結果に基づいて、前記記憶手段に記憶された複数の前記速度のうちの一つを選択して出力する出力選択手段とを有する。
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
本発明によれば、高精度な処理を容易に実現する速度計を提供することができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
図2は、本実施例におけるレーザードップラー速度計の概略図である。
1は、レーザードップラー速度計100のレーザー光源(光源手段)である。レーザー光源1から出射されたレーザー光は、コリメーターレンズ2によって平行光束3となる。平行光束3は、ビームスプリッター4によって透過光5aと反射光5bの二光束に分割され、反射鏡6a、6bでそれぞれ反射される。
反射鏡6a、6bのそれぞれで反射した二光束は、速度Vで移動している移動物体7に、入射角θで互いに異なる方向から入射する。この二光束は、移動物体7の領域10上に照射され、移動物体7により散乱する。
移動物体7の領域10から生ずる散乱光は、複数の異なる方向に配置された複数の光検出器12a、12bで検出される。ここで、光検出器12a、12bは、光検出手段12に含まれる。すなわち、各々の光検出器12a、12bは、光検出手段12の一要素を構成している。なお、本実施例では、二つの光検出器12a、12bが設けられている場合について説明しているが、これに限定されるものではない。複数の光検出部が設けられていれば、三つ以上の光検出器を設けてもよい。
光検出器12a、12bで検出される散乱光の周波数は、移動物体7の速度Vに比例して、各々、+Δf又は−Δfの周波数変化(ドップラーシフト)を受ける。ここで、レーザー光の波長をλとすれば周波数変化Δfは次の(1)式で表わすことができる。
Δf=V・sin(θ)/λ … (1)
+Δf又は−Δfの周波数変化(ドップラーシフト)を受けた散乱光は、互いに干渉しあって、光検出器12a、12bの受光面での明暗の変化をもたらす。このときの周波数をドップラー周波数と呼び、ドップラー周波数Fは、次の(2)式で与えられる。
F=2・Δf=2・V・sin(θ)/λ … (2)
光検出器12a、12bは、それぞれ、信号S1、S2を信号処理部20に出力する。信号処理部20は、信号S1、S2に基づいてドップラー周波数Fを測定し、(2)式を用いて移動物体7の速度Vを算出する。
このように、本実施例のレーザードップラー速度計100は、レーザー光源1から移動物体7に入射した光束の散乱光を異なる方向から検出する複数の光検出器12a、12bを備えた速度計である。
次に、本実施例の信号処理部20について、詳細に説明する。図1は、本実施例のレーザードップラー速度計における信号処理部のブロック図である。
図1に示されるように、本実施例の信号処理部20は、アナログ/デジタル変換手段22a、22b、バンドパスフィルタ23a、23b、信号処理回路24、記憶メモリ25、出力選択手段26、及び、デジタル/アナログ変換手段27を有する。
光検出器12a(PDT1)から出力された検出信号S1は、アナログ/デジタル変換手段22a(ADC1)に入力される。アナログ/デジタル変換手段22aは、アナログ信号である検出信号S1をデジタル化してデジタル信号を出力する。同様に、光検出器12b(PDT2)から出力された検出信号S2は、アナログ/デジタル変換手段22b(ADC2)に入力される。アナログ/デジタル変換手段22bは、アナログ信号である検出信号S2をデジタル化してデジタル信号を出力する。このように、アナログ/デジタル変換手段22a、22bは、複数の光検出器12a、12bからの検出信号S1、S2をデジタル化して、複数のデジタル信号を出力する。
アナログ/デジタル変換手段22aにてデジタル化された信号は、バンドパスフィルタ23a(BPF1)に入力され、信号のS/N比が改善される。同様に、アナログ/デジタル変換手段22bにてデジタル化された信号は、バンドパスフィルタ23b(BPF2)に入力され、信号のS/N比が改善される。
従来は、アナログ/デジタル変換手段の前段にアナログフィルタを設けてノイズを除去していた。しかし本実施例では、アナログ/デジタル変換手段22a、22bの後段に高性能なデジタルフィルタ(BPF1、BPF2)を設けている。このような構成によれば、より実用的な高精度の測定器を実現することが可能になる。
バンドパスフィルタ23a、23bの各出力信号は、信号処理回路24に入力される。信号処理回路24は、速度演算手段24a、振幅演算手段24b、周期演算手段24c、ドロップアウト検出手段24d、時刻保持手段24e、及び、切替時刻演算手段24fを備える。
速度演算手段24aは、複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、移動物体7の速度を算出する。速度演算手段24aは、光検出器と同じ数の速度を同時に算出する。本実施例では、二つの光検出器12a、12bが設けられているため、二つの速度が同時に算出される。
振幅演算手段24bは、バンドパスフィルタ23a、23bから出力された複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、検出信号S1、S2の振幅を算出する。振幅演算手段24bで得られた複数の振幅は、後述のドロップアウトを検出するために用いられる。振幅演算手段24bは、複数の光検出器12a、12bのそれぞれから出力された複数の検出信号S1、S2の振幅を同時に算出する。
周期演算手段24cは、バンドパスフィルタ23a、23bから出力された複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、検出信号S1、S2の周期を算出する。周期演算手段24cは、複数の光検出器12a、12bのそれぞれから出力された複数の検出信号S1、S2の周期を同時に算出する。
ドロップアウト検出手段24dは、振幅演算手段24bにて算出された振幅のそれぞれに基づいて、検出信号S1、S2のドロップアウトを検出する。例えば、本実施例のドロップアウト検出手段24dは、検出信号S1、S2の振幅が所定のしきい値より小さくなった場合に、ドロップアウトを検出する。
また、ドロップアウト検出手段24d(D.O検出手段)は、検出信号S1、S2の周期の変動量に基づいて、ドロップアウトを検出する。例えば、本実施例のドロップアウト検出手段24dは、検出信号S1、S2の周期の変動量が所定値以上である場合に、ドロップアウトを検出する。ドロップアウト検出手段24dは、複数の検出信号S1、S2のそれぞれについて、ドロップアウトが生じているか否かの判定を行う。
時刻保持手段24eは、ドロップアウト検出手段24dにより検出されたドロップアウトの検出時刻を保持する。時刻保持手段24eは、複数の検出信号S1、S2のそれぞれについて、ドロップアウトの検出時刻を保持する。
切替時刻演算手段24eは、ドロップアウトの検出時刻に基づいて、複数のデジタル信号のそれぞれの信号切替時刻を算出する。信号切替時刻は、ドロップアウトの検出時刻から所定時間遡った時刻である。切替時刻演算手段24eは、複数の検出信号S1、S2のそれぞれについて、切替時刻を算出する。
信号処理回路24で演算された複数の速度、複数の振幅、及び、複数の信号切替時刻は、記憶メモリ25(記憶手段)に記憶される。このように、記憶メモリ25は、複数のデジタル信号のそれぞれから算出された複数の速度、複数の振幅、及び、複数の信号切替時刻を記憶する。
出力選択手段26は、記憶メモリ25に記憶された複数の振幅情報を参照することにより、複数のデジタル信号のうち所定のしきい値より振幅の大きい信号を演算して得られた速度を選択する。選択される速度は、振幅の最も大きいデジタル信号から得られた速度であることがより好ましい。
また、出力選択手段26は、記憶メモリ25に記憶された複数の信号切替時刻を参照して、現在用いている速度を、他のデジタル信号から得られた速度に切替える。他のデジタル信号から得られた速度への切替は、ドロップアウトの検出時刻より所定時間前の時刻である信号切替時刻において実行される。
このように、出力選択手段26は、複数の速度、及び、複数の信号切替時刻を参照して、信号切替時刻に該当しないデジタル信号のなかで、少なくとも所定のしきい値より大きな振幅を有する検出信号から得られた速度を選択して出力する。すなわち、出力選択手段26は、複数の振幅の比較結果、及び、信号切替時刻に該当するか否かの判定結果に基づいて、記憶メモリ25に記憶された複数の速度のうちの一つを選択して出力する。
本実施例の出力選択手段26によれば、信号切替時刻を考慮することにより、ドロップアウト近傍における低精度の速度を除外した最適な速度を、選択的に抽出することができる。このため、本実施例のレーザードップラー速度計は、出力選択手段26により選択された高精度な速度を用いて、移動物体7の速度Vを求めることが可能になる。
信号処理部20における各演算は、ドップラー信号の一周期毎に行われている。一周期毎の速度と周期時間との積を求めることにより、一周期毎の移動物体の移動量を算出することができる。この一周期毎の移動量を累積することにより、移動物体のトータルの移動量を求めることが可能である。
以上のとおり、本実施例では、信号処理部20における各演算により、高時間分解能で高精度の速度・移動量の測定が可能となる。出力選択手段26から出力された速度を、USB等を介してパソコンへ出力すれば、高精度のまま各種データ処理に活用することができる。
また、出力選択手段26は、適切な速度を選択する場合において、信号切替時に、切替先の信号のドロップアウト検出時刻を考慮するように構成することもできる。このとき、切替先のデジタル信号のドロップアウト近傍の時刻においては、信号切替を行わないように制御される。
このような制御を実行する場合には、切替時刻演算手段24fは、切替先のドロップアウト近傍の時刻を考慮して、信号切替時刻を再演算する。再演算した信号切替時刻に基づいて速度を選択すると、切替先のドロップアウト近傍のノイズを確実に除外し、信頼性の高い速度を選択することが可能となる。
次に、切替時刻演算手段24fによる信号切換時の演算処理について説明する。図3は、本実施例の信号処理回路24に入力されるデジタル信号の波形図である。横軸は時間(T)であり、縦軸はデジタル信号の電圧(Vs)である。図3(a)は、出力選択手段26による切替前に選択されているデジタル信号の波形であり、図3(b)は、切替後に選択されたデジタル信号の波形である。
移動物体7の速度Vを検出する際、切替前に選択されているデジタル信号は、図3(a)に示される波形を有している。ここで、周波数信号を検出中に、出力選択手段26によって図3(b)に示される波形を有する他のデジタル信号へ切り替えられたとする。このとき、図3(a)と図3(b)に示される信号波形の両方の位相がそろっていれば、図3(a)の信号から図3(b)の信号へ時間的誤差を生ずることなく容易に切り替え可能である。
しかし、通常は、図3(a)の信号と図3(b)の信号との間には、図3に示される位相差Δtが生じている。これらの信号を単純に切り替えるだけでは、移動物体7の検出速度には、位相差Δtだけから生じる誤差が含まれるため、位相差Δtの誤差をなくす必要がある。
ここで、位相差Δtは、図3(a)に示される矩形波の立ち上がり時間t1と、図3(b)に示される矩形波の立ち上がり時間t2との差によって求めることが可能である。本実施例の信号処理部20では、位相差Δtによる誤差をなくすため、図3(a)の信号と図3(b)の信号との位相差Δtを観測可能に構成されている。位相差Δtを観測することにより、信号切替時の誤差をなくすことが可能となる。
また、本実施例では、位相差Δtを求める基準時を、各信号の立ち上がり時間としているが、これに限定されるものではない。各信号の立ち上がり時間の代わりに、各信号の立ち下がり時間を基準にしてもよい。
なお、位相差により生じる誤差の説明については、便宜的に、図3(a)の信号と図3(b)の信号との関係についてのみ述べた。ただし、他の信号を含めた二以上の複数の信号について、同等の関係にあることは明らかである。
このように、出力選択手段26は、切替前のデジタル信号と切替後のデジタル信号との位相差Δtを補正して速度を求める。このため、信号切替時の誤差をなくすことができる。
次に、信号処理部20から出力されるアナログ出力について説明する。上述のとおり、出力選択手段26は、速度をデジタル信号として出力している。それに加えて、出力選択手段26は、速度をアナログ信号として出力する場合でも、高精度な速度を出力することができる。
図4は、本実施例の出力選択手段による演算の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、デジタル信号をアナログ信号に変換する際の電圧関係を適切なものにするための演算方法を示している。
本実施例の信号処理部20は、出力選択手段26から出力されたデジタル信号(速度)をアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換手段27(DAC)を有する。デジタル/アナログ変換手段27は、出力選択手段26から出力された速度をアナログ化してアナログ信号を出力する。
図4に示されるように、まず、デジタル/アナログ変換手段27から出力可能な電圧範囲を、出力選択手段26に記憶させる。具体的には、デジタル/アナログ変換手段27の出力電圧(DAC出力電圧)の下限値(DALOW)を入力し(ステップS101)、また、DAC出力電圧の上限値(DAHIGH)を入力する(ステップS102)。これらの入力値は、出力選択手段26により記憶される。
次に、出力させるべき速度の範囲、すなわち出力選択手段26から出力される速度範囲を指定する。具体的には、DAC出力電圧の下限値(DALOW)に対応させる速度の下限値(VLOW)を入力し(ステップS103)、DAC出力電圧の上限値(DAHIGH)に対応させる速度の上限値(VHIGH)を入力する(ステップS104)。これらの入力値は、出力選択手段26により記憶される。
出力選択手段26は、これらの記憶値を用いて、前述の(2)式から速度Vを演算し(ステップS105)、次の(3)式から速度Vに対応したDAC出力電圧(DA)を演算する(ステップS106)。
DA=(V−VLOW)/(VHIGH−VLOW)*(DAHIGH−DALOW) … (3)
そして、(2)式、及び(3)式の演算をある単一時間毎に行い、その演算結果であるDAC出力電圧(DA)を、デジタル/アナログ変換手段27に出力する(ステップS107)。ステップS105〜S107は、DAC出力電圧の全ての演算が終了するまで繰返し実行される(ステップS108)。DAC出力電圧は、デジタル/アナログ変換手段27からアナログ出力されることにより、オシロスコープ等で速度Vの観察が可能となる。
次に、本実施例において、移動物体7の速度が高速の場合でも、微少速度変動の測定が可能になること、及び、回路上のノイズや回路素子の精度の影響を受けずに正確な測定結果を得ることが可能となることの理由について説明する。
図5は、速度とアナログ出力との電圧関係を示す図である。
通常、アナログ信号処理のレーザードップラー速度計では、デジタル信号で算出された速度をアナログ信号として出力する場合には、FV変換器が用いられる。速度をアナログ出力する場合、速度に適したレンジを選択することができる。
例えば、移動物体の速度が遅い場合には、図5に示されるレンジ3を選択し、速度が速い場合には、レンジ1を選択すればよい。ここで、図5に示される速度の下限値VLOWから上限値VHIGHの範囲を観察したい場合、レンジ1を選ぶ必要がある。しかし、デジタル/アナログ変換手段27に出力されるDAC出力電圧の範囲は、図5に示されるDAレンジ1の範囲でしかない。
これに対し、本実施例の方式によれば、速度の下限値VLOWから上限値VHIGHの範囲を、デジタル/アナログ変換手段27のフルレンジ(DALOWからDAHIGHの範囲)に変換することができる。このように、本実施例の速度計は、アナログ出力が可能な速度の範囲を任意に設定可能である。このため、本実施例の速度計によれば、微少な速度変動も容易に観察することができる。
また、回路上のノイズ又は回路素子の誤差が図5の「Error」で示される範囲の場合、レンジ1を選択すると、「Error2」で示されるに、大きな速度誤差が生じてしまう。一方、本実施例の方式によれば、「Error1」で示されるように、非常に小さな速度誤差に収めることができる。
本実施例によれば、複数信号間の位相差処理やノイズ処理、高時間分解能化など、高精度化に必要な処理が容易に実現することが可能となる。したがって、本実施例によれば、高精度な処理を容易に実現する速度計を提供することができる。
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
本実施例のレーザードップラー速度計における信号処理部のブロック図である。 本実施例におけるレーザードップラー速度計の概略図である。 本実施例の信号処理回路に入力されるデジタル信号の波形図である。 本実施例の出力選択手段による演算の一例を示したフローチャートである。 速度とアナログ出力との電圧関係を示す図である。
符号の説明
1 光源手段
2 コリメーターレンズ
4 ビープスプリッター
6a、6b 反射鏡
7 移動物体
12a、12b 光検出器
13 振幅比較器
14 選択切換手段
15 バンドパスフィルタ
16 フェーズロックドループ
17 光検出器
19 演算手段
22a、22b アナログ/デジタル変換手段
23a、23b バンドパスフィルタ
24 信号処理回路
24a 速度演算手段
24b 振幅演算手段
24c 周期演算手段
24d ドロップアウト検出手段
24e 時刻保持手段
24f 切替時刻演算手段
25 記憶メモリ
26 出力選択手段
27 デジタル/アナログ変換手段
S1、S2 検出信号

Claims (8)

  1. 光源手段から移動物体に入射した光束の散乱光を異なる方向から検出する複数の光検出器を備えた速度計であって、
    前記複数の光検出器の検出信号をデジタル化して複数のデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換手段と、
    前記複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、前記移動物体の速度を算出する速度演算手段と、
    前記複数のデジタル信号のそれぞれに基づいて、前記検出信号の振幅を算出する振幅演算手段と、
    前記振幅演算手段にて算出された前記振幅のそれぞれに基づいて、前記検出信号のドロップアウトを検出するドロップアウト検出手段と、
    前記ドロップアウト検出手段により検出された前記ドロップアウトの検出時刻を保持する時刻保持手段と、
    前記検出時刻に基づいて、前記複数のデジタル信号のそれぞれの信号切替時刻を算出する切替時刻演算手段と、
    前記複数のデジタル信号のそれぞれから算出された複数の前記速度、複数の前記振幅、及び、複数の前記信号切替時刻を記憶する記憶手段と、
    前記複数の振幅の比較結果、及び、前記信号切替時刻に該当するか否かの判定結果に基づいて、前記記憶手段に記憶された複数の前記速度のうちの一つを選択して出力する出力選択手段とを有することを特徴とする速度計。
  2. 前記速度計は、さらに、前記複数のデジタル信号のそれぞれの周期を算出する周期演算手段を有し、
    前記ドロップアウト検出手段は、前記周期の変動量に基づいて、前記複数の検出信号のそれぞれの前記ドロップアウトを検出することを特徴とする請求項1記載の速度計。
  3. 前記ドロップアウト検出手段は、前記周期の変動量が所定値より大きい場合に前記ドロップアウトを検出することを特徴とする請求項2記載の速度計。
  4. 前記ドロップアウト検出手段は、前記振幅が所定値より小さい場合に前記ドロップアウトを検出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載の速度計。
  5. 前記出力選択手段は、前記複数の振幅のうち最も振幅の大きい検出信号から算出された速度を選択して出力することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の速度計。
  6. 前記出力選択手段は、切替前のデジタル信号と切替後のデジタル信号との位相差を補正して前記移動物体の速度を求めることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の速度計。
  7. 前記速度計は、さらに、前記出力選択手段から出力された前記速度をアナログ化してアナログ信号を出力するデジタル/アナログ変換手段を有し、アナログ出力が可能な前記速度の範囲を任意に設定可能であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載の速度計。
  8. 前記速度演算手段は、前記速度の一周期毎に前記移動物体の速度を演算することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一に記載の速度計。

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