JP2012098169A - レーザドップラ速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】速度分布が存在する液体やガス等からなる流体における所望の位置の流速を測定すること。
【解決手段】本発明のレーザドップラ速度計は、レーザ光を発生する光源と、光源から出射されるレーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分割し、第１のレーザ光及び第２のレーザ光を出射するカプラと、第２のレーザ光が入射されるアイソレータと、を備える。第１のレーザ光を測定対象物の速度ベクトル方向に対して９０°で測定対象物に照射し、第１のレーザ光が照射される測定対象物に、測定対象物の速度ベクトルに対して所定の角度で前記第２のレーザ光を照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザドップラ速度計に関する。

光計測技術の一つであるレーザドップラ速度計（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ：ＬＤＶ）は、光のドップラ効果を利用した速度測定器である。レーザドップラ速度計は、高空間分解能、広帯域測定、実時間測定及び非接触測定が可能という特長を有しており、回転又は往復運動している物体の速度計に応用されている。

レーザドップラ速度計においては、光源となるレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄ）等から出射されたレーザ光を移動している測定対象物に照射することによって生じた散乱光と元のレーザ光とが干渉しビートを起こした光をフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で受光する。このフォトダイオードの出力を電気スペクトラムアナライザで検出すると、光源のレーザ光の周波数とレーザダイオードに戻ってくる光の周波数との差分であるドップラシフト周波数が観測される。レーザドップラ速度計の原理は、このドップラシフト周波数とレーザ光の照射角度とから測定対象物の速度を求めるというものである（特許文献１〜４並びに非特許文献１及び２）。

レーザドップラ速度計の精度向上等のため、測定対象物に対して２つのビームを照射する２ビーム照射型レーザドップラ速度計の研究が進められている（特許文献１〜４並びに非特許文献１及び２）。２ビーム照射型レーザドップラ速度計においては、ドップラシフト周波数f₁及びf₂とは異なる第３の周波数f₃が発生する。これは、測定対象物に照射される２つのビームそれぞれの散乱光が互いの光路に入射するパターンが存在するためである。この第３の周波数f₃は、２つのビームの交点が測定対象物を捉えた場合にのみ発生することがわかっている。

特開２００４−１０９０８３号 特開２００２−３５０５４４号 特開２００６−２２０４６６号 特開平１０−２６０２５４号

今村峰宏, 瀬間久稔, 井藤嘉泰, 三上修 ： "２ビーム照射による自己混合型半導体レーザ速度計",光学, Vol.30, No.11 ,pp.748-753, 2001 猪狩直志，アナス ルクマン ビン ムハマド，三上修 ： "２ビームファイバ照射を用いた半導体レーザ速度計"，東海大学紀要工学部，vol.49(2) ,2009, pp25-pp28

近年、従来の２ビーム照射型レーザドップラ速度計を用いて液体や気体からなる流体の速度（流速）を測定しようとする研究がなされている。しかしながら、従来の２ビーム照射型レーザドップラ速度計を用いて液体や気体からなる流体の速度を測定する場合は、次のような問題があった。

配管等を流れる液体からなる流体は、配管の管壁に対して平行な速度ベクトルを有している。配管等を流れる流体の速度は一定ではなく、配管等の管壁からの距離に依存した速度分布が存在する。従来の２ビーム照射型レーザドップラ速度計を用いて管壁から所定の位置だけ離れた部分に２つのレーザの交点を合わせ、その交点部分を流れる流体の速度を測ろうとすると、２つのレーザの交点の手前に存在する速度分布によって多数のドップラシフト周波数が発生してしまう。多数のドップラシフト周波数が発生することにより、目的とする管壁から所定の位置だけ離れた流速の測定を行うことができないという問題があった。

そこで、本発明は、上述した従来の２ビーム照射型レーザドップラ速度計の問題を鑑み、速度分布が存在する液体やガス等からなる流体における所望の位置の流速を測定することを課題とする。

本発明の一実施形態によると、レーザ光を発生する光源と、前記光源から出射される前記レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分割し、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を出射するカプラと、前記第２のレーザ光が入射されるアイソレータと、を備えるレーザドップラ速度計が提供される。

また、前記第１のレーザ光を測定対象物の速度ベクトル方向に対して９０°で前記測定対象物に照射し、前記第１のレーザ光が照射される前記測定対象物に、前記測定対象物の速度ベクトルに対して所定の角度で前記第２のレーザ光を照射する。

また、本発明の一実施形態によると、光源から発生するレーザ光をカプラを介して第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分割し、前記第１のレーザ光を測定対象物の速度ベクトル方向に対して９０°で前記測定対象物に入射させ、前記第２のレーザ光を前記測定対象物の速度ベクトルに対して所定の角度でアイソレータを介して前記測定対象物に入射させるレーザドップラ速度計が提供される。

また、前記カプラから出射される前記第１のレーザ光が入射され、前記測定対象物に対して前記第１のレーザ光を照射する第１の光学ヘッドと、前記アイソレータから出射される前記第２のレーザ光が入射され、前記測定対象物に対して前記第２のレーザ光を照射する第２の光学ヘッドと、を備えるようにしてもよい。

また、前記第１の光学ヘッド及び前記第２の光学ヘッドが、それぞれ、コリメータレンズであってもよい。

前記光源には、自己混合半導体レーザを用いてもよい。

本発明のレーザドップラ速度計は、速度分布が存在する液体やガス等からなる流体における所望の位置の流速を測定することができるという効果を奏する。

一実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００の概略構成である。 一実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００の概略構成である。 ２つのビームが測定対象物に入射するときのドップラ周波数ｆ_１及びｆ_２並びに第３の周波数ｆ_３が発生する一般的な概念図を示す。 一実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００の測定結果を示す。 比較例に係るレーザドップラ速度計の測定結果を示す。 比較例に係るレーザドップラ速度計の測定結果を示す。

以下、図面を参照しながら、本発明のレーザドップラ速度計の実施形態について説明する。なお、本発明のレーザドップラ速度計は、以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。

図１に本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００の概略構成を示す。本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００は、光源１０１、分析部１０３、カプラ（光ファイバカプラとも言う）１０５、光学ヘッド１０７及び１０９、アイソレータ（光アイソレータ）１１１、並びに、光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ及び１１３ｅを有している。

光源１０１には半導体レーザ（レーザダイオード）等を用いることができる。本実施形態においては、分析部１０３は、受光したレーザ光を電気信号に変換するＯ／Ｅコンバータ１０３ａ及びスペクトルアナライザ１０３ｂを有している。光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ及び１１３ｅには光ファイバを用いることができる。

図１に示すとおり、光源１０１は光導波路１１３ａによってカプラ１０５に接続されている。カプラは、入力される光信号を分波・合波できる受動光デバイスである。本実施形態においては、カプラ１０５は４つのポートを有している。本実施形態で用いているカプラ１０５は、分岐カプラであり、次の４つの機能（１）〜（４）を有している。
（１）光導波路１１３ａから入力される光源１０１からのレーザ光を光導波路１１３ｃと光導波路１１３ｄとに分岐比１：１で分岐して分配する。
（２）光導波路１１３ｂから入力されるレーザ光を光導波路１１３ｃと光導波路１１３ｄとに分岐比１：１で分岐して分配する。
（３）光導波路１１３ｃから入力されるレーザ光を光導波路１１３ａと１１３ｂとに分岐比１：１で分岐して分配する。
（４）光導波路１１３ｄのレーザ光を１１３ａと１１３ｂとに分岐比１：１で分岐して分配する。

なお、本実施形態においては、分析部１０３においては、入力されるレーザ光は電気信号に変換されるので、カプラ１０５の上記（２）の機能を利用していない。また、光源１０１に自己混合レーザを用いる場合は、カプラ１０５の上記（１）、（２）及び（３）の機能を利用することになる。なお、本実施形態では、分岐比が１：１であるカプラを用いており、光パワーが半分(-3dB)になることから３ｄＢカプラと呼ばれることがある。本発明のレーザドップラ速度計に用いるカプラは３ｄＢカプラに限定されるわけではなく、１：１とは異なる分岐比を有するカプラを用いてもよい。

また、分析部１０３は導波路１１３ｂによってカプラ１０５に接続されている。また、アイソレータ１１１は導波路１１３ｃによってカプラ１０５に接続されている。また、アイソレータ１１１は導波路１１３ｅによって光学ヘッド１０９に接続されている。さらに、光学ヘッド１０７は導波路１１３ｄによってカプラ１０５に接続されている。本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００には、その他必要に応じて、光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ及び１１３ｅと各構成要素を接続するコネクタ等を備えるようにしてもよい。

本実施形態においては、レーザを光源１０１に半導体レーザを用いた。なお、本発明のレーザドップラ速度計１００に用いる光源１０１は、これに限定されるわけではない。光源１０１から出射されるレーザ光は偏波面を保持しながらカプラ１０５へ伝搬される。カプラ１０５によって２つに分離されたレーザ光は、カプラ１０５のポートに接続された光導波路１１３ｃ及び１１３ｄへ伝搬され、それぞれ、アイソレータ１１１及び光学ヘッド１０７へ伝搬される。アイソレータ１１１に伝搬したレーザ光は、光ファイバ１１３ｅへ伝搬され、光学ヘッド１０９に伝搬される。アイソレータ１１１は、一方向の光のみを透過し逆方向の光を遮る機能を有するデバイスであり、本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、光源１０１から光学ヘッド１０９に向かう方向のレーザ光のみを透過し、その逆方向の光を遮る。光学ヘッド１０７及び１０９から出射する２つのレーザ光（レーザビーム（ビーム１及びビーム２））が測定対象物１１５に照射される。なお、本明細書においては、光学ヘッド１０７及び１０９出射するレーザ光をレーザビームと呼んでいる。ビーム１及びビーム２の散乱光がそれぞれ元の光路を逆に戻り、光源１０１である半導体レーザに戻る。なお、ビーム１及びビーム２の散乱光がそれぞれ元の光路を逆に戻り、光源１０１である半導体レーザ内で自己混合を起こすような半導体レーザを用いてもよい。

本実施形態においては、測定対象物１１５は、管１１７を流れる液体からなる流体である。ここでは、測定対象物は、管１１７の壁面近くの測定対象物１１５ａと、管１１７の壁面から所定の距離だけ離れた測定対象物１１５ｂとを含む。本実施形態においては、測定対象物１１５において、管１１７の壁面から所定の距離だけ離れた測定対象物１１５ｂの流速（管１１７の壁面から所定の距離だけ離れた体積部分を流れる測定対象物１１５ｂの流速）の測定を行う。なお、本発明のレーザドップラ速度計１００においては、測定対象物１１５ｂの流速ｖは、光速ｃと比較して極めて小さく、ｖ／ｃ≒０として考える。

また、本実施形態においては、光学ヘッド１０７及び１０９にはコリメータレンズを用いているが、これに限定されるわけではない。光学ヘッド１０７及び１０９に両凸レンズを用い、両凸レンズを回転させることにより集光調整を行うようにしてもよい。また、カプラ１０５及びアイソレータ１１１から出射されるレーザビームの平行度が確保できる場合は、光学ヘッド１０７及び１０９を省略してもよい。

ここで、本実施形態における本発明のレーザドップラ速度計１００の原理・機能を説明するために、図２に示すように、測定対象物１１５として回転する２つのディスク１１５ａ及び１１５ｂを用いた例について説明する。なお、本実施形態においては、ディスク１１５ａは、入射する光を散乱する微粒子を含んだ透明な材質からなっており、また、ディスク１１５ｂは、入射する光を散乱する不透明な材質からなっているものを用いている。また、本実施形態において、速度の測定を行う対象はディスク１１５ｂであり、レーザ光が照射されるディスク１１５ａは、説明の便宜上、測定対象物という名称を付しているに過ぎない。

本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、光学ヘッド１０７から出射されるレーザビーム（ビーム１）及び光学ヘッド１０９から出射されるレーザビーム（ビーム２）を測定対象物１１５にオフセット角度Δθで一つのスポットを形成するように照射する。本実施形態においては、図２に示すように、測定対象物１１５ｂの表面にビーム１及びビーム２をオフセット角度Δθで一つのスポットを形成するように照射する。つまり、光学ヘッド１０７及び１０９からのオフセット角度Δθを有する２つのレーザビームの交点によるスポットが測定対象物１１５ｂに照射されるようにする。ここで、本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、光学ヘッド１０７から出射されるレーザビーム（ビーム１）は、測定対象物１１５の速度ベクトル方向に対して入射角θ_１＝９０°で入射される。

ここで、図３に、一般的に２つのビームが測定対象物に入射するときのドップラ周波数ｆ_１及びｆ_２並びに第３の周波数ｆ_３が発生する概念図を示す（非特許文献１及び２参照）。図３に示すように、一般的に、測定対象物に２つのビーム（ビーム１及びビーム２）をオフセット角度Δθで一つのスポットを形成するように照射すると、測定対象物の速度をｖ、レーザビームの波長をλ、レーザビーム（ビーム１）の測定対象物の速度ベクトルに対する入射角をθ_１、レーザビーム（ビーム２）の測定対象物の速度ベクトルに対する入射角をθ_２、オフセット角度をΔθとすると、この場合のドップラシフト周波数ｆ_１及びｆ_２並びに測定対象物の速度をｖは、次の式（１）、（２）及び（３）で与えられる。ここで、なお、測定対象物の流速ｖは、光速ｃと比較して極めて小さく、ｖ／ｃ≒０として考える。

また、測定対象物に照射される２つのビームそれぞれの散乱光が互いの光路に入射するパターンが存在するため、２つのビームの交点が測定対象物を捉えた場合にのみ第３の周波数ｆ₃が発生することがわかっている。この第３の周波数ｆ₃は、次の式（４）で与えられる。

ここで、本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、光学ヘッド１０７から出射されるレーザビーム（ビーム１）は、測定対象物１１５ｂの速度ベクトル方向に対して入射角θ_１＝９０°で入射される。よって、ドップラシフト周波数ｆ_１は発生せず（ｆ_１＝０となり、観測されない）、式（３）は、ｆ_２＝２ｆ_３となる。測定対象物１１５ｂの速度ｖは、次の式（５）で与えられる。

したがって、測定対象物１１５ｂに入射される２つのビーム（ビーム１及びビーム２）のなす角度Δθを決定し、第３の周波数ｆ_３を測定することによって、測定対象物１１５ｂの速度を測定することができることがわかる。

ここで、光学ヘッド１０９から照射されるビーム２は、測定対象物１１５ｂに対する照射角度がθ_２（≠９０°）であるために、測定対象物１１５ａからの散乱光がビーム２の光路を逆戻りしてしまうことになる。そこで、本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、ビーム２の光路にアイソレータ１１１を設けている。アイソレータ１１１は、本実施形態においては、光源１０１から光学ヘッド１０９に向かう方向のレーザ光のみを透過し、その逆方向の光を遮る。アイソレータ１１１を設けることによって、ビーム２による測定対象物１１５ａ及び１１５ｂからの散乱光が、ビーム２の光路（光導波１１３ｃから光源１０１までの光路）を逆戻りすることを排除している。よって、ビーム２による測定対象物１１５ａ及び１１５ｂからの散乱光によるドップラシフト周波数ｆ_２Ａ及びｆ_２Ｂの発生を防止することができ、その結果、ビーム２の散乱光のうちビーム１の光路に戻る散乱光によって生じる第３周波数ｆ_３を検出することができる。従って、測定対象物１１５ｂに入射される２つのビーム（ビーム１及びビーム２）のなす角度Δθ及び第３周波数ｆ_３を検出することにより、測定対象物１１５ｂの速度ｖを測定することができる。

（実施例）
次に、図４に本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００の測定結果を示す。本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、光源１０１として発振波長９７６ｎｍの半導体レーザを用いた。図４（ｂ）に示すとおり、ビーム２の散乱光のうちビーム１の光路に戻る散乱光によって生じる第３周波数ｆ_３が検出された。上記式（５）に検出された第３周波数ｆ_３を代入することによって、測定対象物１１５ｂの速度ｖを算出することができた。本実施例においては、測定対象物としては、回転する２つのディスクを用いたが、これに限定されるわけではなく、測定対象物として流体や液体などを用いるようにしても同様の結果を得ることができる。

（比較例）
ここで、図５及び図６に本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００の比較例であるレーザドップラ速度計の測定結果を示す。図５におけるレーザドップラ速度計においては、図５（ａ）に示すとおり、ビーム１及びビーム２を測定対象物１１５ｂにおいて２つのスポットを形成するように照射した。その結果、図５（ｂ）に示すとおりのスペクトルが得られた。なお、図５（ｂ）に示すｆ_２Ａ及び ｆ_２Ｂは、測定対象物１１５ａ及び１１５ｂの速度が予め分かっていることから、それらの速度から理論的に導かれるドップラシフト周波数を示したものである。すなわち、ビーム２による測定対象物１１５ａ及び１１５ｂからの散乱光によるドップラシフト周波数をｆ_２Ａ及びｆ_２Ｂとしている。しかし、実際の測定では、測定対象物１１５ａ及び１１５ｂの速度が未知であるために、どちらの周波数成分が、ｆ_２Ａ及びｆ_２Ｂであるかを判別することができない。よって、測定対象物１１５ｂの速度を測定することはできない。なお、ビーム１及びビーム２からの散乱光が互いの光路を逆戻りする場合に発生する第３の周波数ｆ_３は存在しないので、ｆ_３を利用した速度の測定もできない。

次に、図６におけるレーザドップラ速度計においては、図６（ａ）に示すとおり、ビーム１及びビーム２を測定対象物１１５ｂにおいて１つのスポットを形成するように照射した。その結果、図６（ｂ）に示すとおりのスペクトルが得られた。なお、図６（ｂ）中のｆ_２Ａ、ｆ_２Ｂ及びｆ_３は、測定対象物１１５ａ及び１１５ｂの速度が予め分かっていることから、それらの速度から理論的に導かれるドップラ周波数を示したものである。すなわち、ビーム２による測定対象物１１５ａ及び１１５ｂからの散乱光によるドップラシフト周波数をｆ_２Ａ及びｆ_２Ｂ、ビーム１及びビーム２からの散乱光が互いの光路を逆戻りすることによって発生する第３の周波数をｆ_３として記入したものである。しかし、実際の測定では、測定対象物１１５ａ及び１１５ｂの速度が未知であるために、どの周波数成分が、ｆ_２Ａ、ｆ_２Ｂ及びｆ_３であるか判別ができないことはもとよりｆ_２Ａ、ｆ_２Ｂ 及びｆ_３の大小さえ判別できない。よって、測定対象物１１５ｂの速度を測定することはできない。

以上説明したとおり、本実施形態に係る本発明のレーザドップラ速度計１００においては、検出した第３周波数ｆ_３により、管の壁面から所定の位置だけ離れた体積部分における測定対象物１１５ｂの速度ｖを正確に測定することができる。よって、本発明のレーザドップラ速度計は、速度分布が存在する液体やガス等からなる流体における所望の位置の流速を測定することができるという効果を奏する。

１００ レーザドップラ速度計
１０１ 光源
１０３ 分析部
１０３ａ Ｏ／Ｅコンバータ
１０３ｂ スペクトルアナライザ
１０５ カプラ
１０７、１０９ 光学ヘッド
１１１ アイソレータ
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅ 光導波路

Claims (6)

1. レーザ光を発生する光源と、
   前記光源から出射される前記レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分割し、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を出射するカプラと、
   前記第２のレーザ光が入射されるアイソレータと、
   を備えるレーザドップラ速度計。
2. 前記第１のレーザ光を測定対象物の速度ベクトル方向に対して９０°で前記測定対象物に照射し、前記第１のレーザ光が照射される前記測定対象物に、前記測定対象物の速度ベクトルに対して所定の角度で前記第２のレーザ光を照射する請求項１に記載のレーザドップラ速度計。
3. 光源から発生するレーザ光をカプラを介して第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分割し、前記第１のレーザ光を測定対象物の速度ベクトル方向に対して９０°で前記測定対象物に入射させ、前記第２のレーザ光を前記測定対象物の速度ベクトルに対して所定の角度でアイソレータを介して前記測定対象物に入射させるレーザドップラ速度計。
4. 前記カプラから出射される前記第１のレーザ光が入射され、前記測定対象物に対して前記第１のレーザ光を照射する第１の光学ヘッドと、
   前記アイソレータから出射される前記第２のレーザ光が入射され、前記測定対象物に対して前記第２のレーザ光を照射する第２の光学ヘッドと、
   を備える請求項１乃至３の何れか一に記載のレーザドップラ速度計。
5. 前記第１の光学ヘッド及び前記第２の光学ヘッドが、それぞれ、コリメータレンズである請求項１乃至４の何れか一に記載のレーザドップラ速度計。
6. 前記光源は、自己混合半導体レーザである請求項１乃至５の何れか一に記載のレーザドップラ速度計。