JP2013033014A - ドップラー振動計測装置及びドップラー振動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動物体までの距離を長く設定するのに適した構成のドップラー振動計測装置を提供すること。
【解決手段】ドップラー振動計測装置の一態様は、互いに異なる光周波数を有し光周波数の間隔が一定である複数の光を位相同期して出射する光源（１１）と、光源が出射する複数の光である光信号（Ｓ）を、移動物体（２００）を経由する測定用光信号（Ｓｍ）と、移動物体を経由しない参照用光信号（Ｓｒ）とに分岐する分岐手段（１２）と、移動物体を経由した測定用光信号と、移動物体を経由しない参照用光信号とを統合して共通の光電変換面へ導く統合手段（１３、１４、１６）と、光電変換面へ入射した光信号を電気信号へと変換する光電変換手段（１７）と、光電変換面へ入射する測定用光信号と光電変換面へ入射する参照用光信号との間のビート干渉強度を調整するための調整手段（１９）と、光電変換手段が生成する電気信号の時間変化に基づき、移動物体の振動周波数を算出する演算手段（１８）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動物体で反射した光の光周波数が移動物体の振動周波数の分だけシフトするという原理（ドップラーシフト）を利用して移動物体の振動周波数を計測するドップラー振動計測装置及びドップラー振動計測方法に関する。

特許文献１には、レーザドップラー振動計が開示されている。レーザドップラー振動計は、レーザ光源から射出したレーザ光を測定光と参照光とに分岐し、測定光を移動物体に照射すると共に、参照光の光周波数を予め決められたシフト量だけシフトさせる。そして、移動物体で反射した測定光と、光周波数のシフトした参照光とを統合して光電変換素子へ入射させる。光電変換素子からは、測定光と参照光との間のビート干渉信号（ビート信号）が出力される。このビート信号の時間周波数は、移動物体の振動周波数に応じて変化する。よって、このビート信号の時間周波数の時間変化から、移動物体の振動周波数の時間変化を既知とすることができる。因みに、移動物体の速度の時間変化、移動物体の測定期間中の変位は、移動物体の振動周波数の時間変化から導出することが可能である。

特開２００８−１０１９６３号公報

しかしながらこの振動計では、測定光の単独光路の媒質揺らぎが測定誤差となるので、移動物体までの距離を長く設定することが難しいという問題があった。

そこで本発明は、移動物体までの距離を長く設定するのに適した構成のドップラー振動計測装置及びドップラー振動計測方法を提供することを目的とする。

本発明のドップラー振動計測装置の一態様は、互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔が一定である複数の光を、位相同期して出射する光源と、前記光源が出射する前記複数の光である光信号を、移動物体を経由する測定用光信号と、前記移動物体を経由しない参照用光信号とに分岐する分岐手段と、前記移動物体を経由した前記測定用光信号と、前記移動物体を経由しない前記参照用光信号とを統合して共通の光電変換面へ導く統合手段と、前記光電変換面へ入射した光信号を電気信号へと変換する光電変換手段と、前記光電変換面へ入射する前記測定用光信号と前記光電変換面へ入射する前記参照用光信号との間のビート干渉強度を調整するための調整手段と、前記光電変換手段が生成する電気信号の時間変化に基づき、前記移動物体の振動周波数を算出する演算手段とを備える。

本発明のドップラー振動計測方法の一態様は、互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔が一定である複数の光を、位相同期して出射する光源を用意する用意手順と、前記光源が出射する前記複数の光である光信号を、移動物体を経由する測定用光信号と、前記移動物体を経由しない参照用光信号とに分岐する分岐手順と、前記移動物体を経由した前記測定用光信号と、前記移動物体を経由しない前記参照用光信号とを統合して共通の光電変換面へ導く統合手順と、前記光電変換面へ入射した光信号を電気信号へと変換する光電変換手順と、前記光電変換面へ入射する前記測定用光信号と前記光電変換面へ入射する前記参照用光信号との間のビート干渉強度を調整する調整手順と、前記光電変換手順で生成される電気信号の時間変化に基づき、前記移動物体の振動周波数を算出する演算手順とを含む。

本発明によれば、移動物体までの距離を延長するのに適した構成のドップラー振動計測装置及びドップラー振動計測方法が実現する。

図１（Ａ）は、第１実施形態のドップラー振動計測装置１００の全体構成図であり、図１（Ｂ）は、ドップラー振動計測装置１００における測定用光パルス信号Ｓｍの経路の模式図であり、図１（Ｃ）は、ドップラー振動計測装置１００における参照用光パルス信号Ｓｒの経路の模式図である。 光源１１から発振される光パルス列（光パルス信号Ｓ）の波形を模式的に示す図である。 光パルス信号Ｓをフーリエ変換したもの（光周波数コム）である。 参照用光パルス信号Ｓｒをフーリエ変換したもの（光周波数コム）である。 図５（Ａ）は、第２実施形態のドップラー振動計測装置１００’の全体構成図であり、図５（Ｂ）は、ドップラー振動計測装置１００’における測定用光パルス信号Ｓｍの経路の模式図であり、図５（Ｃ）は、ドップラー振動計測装置１００’における参照用光パルス信号Ｓｒの経路の模式図である。 図６（Ａ）は、第３実施形態のドップラー振動計測装置１００”の全体構成図であり、図６（Ｂ）は、ドップラー振動計測装置１００”における測定用光パルス信号Ｓｍの経路の模式図であり、図６（Ｃ）は、ドップラー振動計測装置１００”における参照用光パルス信号Ｓｒの経路の模式図である。 図７（Ａ）は、第３実施形態のドップラー振動計測装置１００”の全体構成図であり、図７（Ｂ）は、制御系１９’における測定光ｓｍの経路の模式図であり、図７（ＣＣ）は、制御系１９’における参照光ｓｒの経路の模式図である。 図８（Ａ）は、移動物体２００までの距離が５０ｍ程度の所定値に設定され、制御系１９’がオフされ、媒質温度が２１℃であるときにおける測定用光パルス信号Ｓｍ、参照用光パルス信号Ｓｒの光電変換タイミングを示す図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の状態から媒質温度だけが２１．１℃に変化したときのタイミングを示す図である。 図９（Ａ）は、図８（Ａ）の状態におけるビート信号Ｓ’の時間変化波形であり、図９（Ｂ）は、図８（Ｂ）の状態におけるビート信号Ｓ’の時間変化波形である。図９（Ｃ）は、図８（B）の状態で制御系１９’をオンしたときにおけるビート信号Ｓ’の時間変化波形である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態としてドップラー振動計測装置を説明する。

図１（Ａ）は、本実施形態のドップラー振動計測装置１００の全体構成図である。ドップラー振動計測装置１００の計測対象は、移動物体２００の振動周波数の時間変化である。因みに、移動物体２００の振動周波数の時間変化が既知となれば、移動物体２００の速度の時間変化、ひいては計測中における移動物体２００の変位量を既知とすることも可能である。ビームスプリッタ１３から移動物体２００までの距離は、例えば５ｍ以上である。

図１（Ａ）に示すとおりドップラー振動計測装置１００には、光源１１と、ビームスプリッタ１２と、ビームスプリッタ１３と、全反射ミラー１４と、光周波数シフタ１５と、ビームスプリッタ１６と、フォトディテクタ１７と、回路部１８と、ステージ１９とが備えられる。

光源１１は、互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔（モード間隔）が一定である複数の光（モード）を位相同期して出射する光源である。このような光源１１としては、例えばフェムト秒光周波数コム光源、アト秒光周波数コム光源などの光周波数コム光源を使用することが可能であり、これらの光周波数コム光源は、複数のモードを含み、かつパルス幅がフェムト秒又はアト秒と狭められた光パルスを、一定のパルス発振周期Ｔで繰り返し発振する。

なお、図２に示したのは、光源１１から発振される光パルス列（光パルス信号Ｓ）の波形を模式的に示す図である。この光パルス信号Ｓをフーリエ変換したものである光周波数コムは、図３に示すとおり一定のモード間隔（繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ）を有している。その繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐは、パルス発振周期Ｔの逆数（１／Ｔ）であって、予め決められた値、例えば１００ＭＨｚに設定されている。また、図３中にｆ_０で示したのは、光源１１の中心光周波数であり、予め決められた値、例えば２００ＴＨｚに設定されている。

図１（Ａ）において、光源１１から発振された光パルス信号Ｓは、ビームスプリッタ１２へ入射し、ビームスプリッタ１２を透過する光とビームスプリッタ１２で反射する光とに分岐される。ここでは、ビームスプリッタ１２を透過した光が測定用光パルス信号とて使用され、ビームスプリッタ１２で反射した光が参照用光パルス信号として使用されると仮定する。

ビームスプリッタ１２を透過した測定用光パルス信号Ｓｍは、ビームスプリッタ１３を透過し、移動物体２００に向かう。なお、移動物体２００のうちビームスプリッタ１３に正対する位置には予めレトロリフレクタが固定されており、移動物体２００に向かった測定用光パルス信号Ｓｍは、そのレトロリフレクタで反射した後、ビームスプリッタ１３へ戻る。

ここで、測定用光パルス信号Ｓｍの進行方向に亘って移動物体２００が或る速度で変位していたならば、その移動物体２００は、その方向に亘って或る振動周波数で振動していたとみなせる。この振動周波数をｆ_Ｄとおくと、測定用光パルス信号Ｓｍの反射後の光周波数は、反射前の光周波数と比較してｆ_Ｄだけシフトする（ドップラーシフト）。測定用光パルス信号Ｓｍの反射前の中心光周波数はｆ_０であるが、反射後の中心光周波数は、ｆ_０＋ｆ_Ｄとなる。

以下、ドップラーシフトによる光周波数のシフト量ｆ_Ｄを「ドップラーシフト周波数」と称す。このドップラーシフト周波数ｆ_Ｄの時間変化が、ドップラー振動計測装置１００の計測対象である。因みに、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄは、光パルス信号Ｓの中心光周波数ｆ_０や繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐよりも低い。例えば、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄは、３０ＭＨｚ程度である。

移動物体２００からビームスプリッタ１３へ戻った測定用光パルス信号Ｓｍは、ビームスプリッタ１３で反射した後、ビームスプリッタ１６で反射し、フォトディテクタ１７の光電変換面へ入射する。なお、図１（Ｂ）に示したのは、測定用光パルス信号Ｓｍの経路の模式図である。図１（Ｂ）にも示したとおり、測定用光パルス信号Ｓｍが光電変換面へ入射する時点で有している中心光周波数は、ｆ_０＋ｆ_Ｄである。

一方、ビームスプリッタ１２で反射した参照用光パルス信号Ｓｒは、全反射ミラー１４で反射してから、光周波数シフタ１５を通過する。

光周波数シフタ１５は、入射光の光周波数を、その光周波数によらず予め決められたシフト量だけシフトさせる機能がある。このような光周波数シフタ１５としては、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）を適用することができる。

なお、図１（Ａ）では、光周波数シフタ１５に対する参照用光パルス信号Ｓｒの入射角度と射出角度とが同じに描かれているが、同じになるとは限らない（後述する図５、図６、図７も同様。）。

例えば、光周波数シフタ１５としてＡＯＭを使用した場合は、ＡＯＭに入射した参照用光パルス信号Ｓｒは、ＡＯＭで回折され、その回折光のうち特定の次数の回折光のみが、シフト後の参照用光パルス信号Ｓｒとして使用されるので、ＡＯＭに対する参照用光パルス信号Ｓｒの入射角度と射出角度とは異なる。

以下、光周波数シフタ１５による光周波数のシフト量Δｆを「基準シフト周波数」と称す。この基準シフト周波数Δｆは、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄより高く、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐより低く設定される。例えば、基準シフト周波数Δｆは、４０ＭＨｚに設定される。

よって、光周波数シフタ１５を通過した参照用光パルス信号Ｓｒ（図４）は、光源１１から発振された光パルス信号Ｓ（図３）と比較して、基準シフト周波数Δｆだけ横シフトしている。よって、参照用光パルス信号Ｓｒ（図４）の中心光周波数は、ｆ_０＋Δｆとなっている。

図１（Ａ）において、光周波数シフタ１５を通過した参照用光パルス信号Ｓｒは、ビームスプリッタ１６を透過すると、ビームスプリッタ１６で反射した測定用光パルス信号Ｓｍと統合され、フォトディテクタ１７の光電変換面へ入射する。なお、図１（Ｃ）に示したのは、参照用光パルス信号Ｓｒの経路の模式図である。図１（Ｃ）にも示したとおり、参照用光パルス信号Ｓｒが光電変換面へ入射する時点で有している中心光周波数は、ｆ_０＋Δｆである。

フォトディテクタ１７は、フォトダイオードなどの光電変換素子であって、一定のサンプリング周波数で繰り返し光電変換を行うことにより、入射した光信号を電気信号Ｓ’に変換する。

フォトディテクタ１７のサンプリング周波数は、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐより高い適正値に設定される。

この設定により、フォトディテクタ１７の出力する電気信号Ｓ’には、その光電変換面へ入射した測定用光パルス信号Ｓｍ（中心光周波数ｆ_０＋ｆ_Ｄ）と、同じ光電変換面へ入射した参照用光パルス信号Ｓｒ（中心光周波数ｆ_０＋Δｆ）との間のビート干渉信号のみが現れることになる。よって以下では、フォトディテクタ１７の出力する電気信号Ｓ’を「ビート信号」と称す。

このビート信号Ｓ’の時間周波数は、測定用光パルス信号Ｓｍの光周波数と参照用光パルス信号Ｓｒの光周波数との差、すなわち（Δｆ−ｆ_Ｄ）に一致する。このうちΔｆ（基準シフト周波数）は、不変（４０ＭＨｚ）である。

したがって、ビート信号Ｓ’の時間周波数は、基準シフト周波数Δｆ＝４０ＭＨｚの近傍で時間変化し、その時間変化が、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄの時間変化を表すことになる。

なお、前述したサンプリング周波数の適正値は、このような時間周波数を有したビート信号Ｓ’（４０ＭＨｚの近傍）を、十分な精度で生成できるような値とされる。よって、例えば、サンプリング周波数は、１２ＧＨｚに設定される。

回路部１８は、フォトディテクタ１２の出力するビート信号Ｓ’を取り込み、そのビート信号Ｓ’の時間周波数を算出し、その時間周波数の値をリアルタイムで出力する。この値の時間変化が、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄの時間変化（計測結果）である。このような回路部１８としては、例えば、ＦＦＴアナライザなどの周波数分析器や、周波数／電圧コンバータなどが適用される。

ここで、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、光源１１として光周波数コム光源を使用したので、移動物体２００を経由する測定用光信号と移動物体２００を経由しない参照用光信号との各々が定在波ではなくパルス波となっている。

この場合、測定用光信号の或るパルスが光電変換面へ到達するタイミングと、参照用光信号の或るパルスが光電変換面へ到達するタイミングとを一致させない限りは、測定用光信号と参照用光信号との間のビート干渉強度が低下し、ビート信号Ｓ’のコントラストが低下する虞がある。

そして、ビート信号Ｓ’のコントラストが低下すると、回路部１８がドップラーシフト周波数ｆ_Ｄを正しく算出できず、計測精度の低下する可能性が高まる。この問題に対応するべく、本実施形態のドップラー振動計測装置１００はステージ１９を備える。

ステージ１９は、全反射ミラー１４と、光周波数シフタ１５と、ビームスプリッタ１６と、フォトディテクタ１７とを保持し、これら全反射ミラー１４、光周波数シフタ１５、ビームスプリッタ１６、フォトディテクタ１７の位置関係を維持したまま、図１（Ａ）の矢印の方向へと移動可能である。そして、ステージ１９の矢印方向の位置が調整されると、参照用光パルス信号Ｓｒと測定用光パルス信号Ｓｍとの間の光路長差が調整される。

そこで、本実施形態のドップラー振動計測装置１００のユーザは、計測に先立ちステージ１９の位置調整を行いつつ、フォトディテクタ１７の出力するビート信号Ｓ’のコントラスト（ピーク強度又は時間積分値）を参照する。そして、ユーザは、ビート信号Ｓ’のコントラストが最大（或いは予め決められた閾値以上）となった時点で、ステージ１９の位置を固定する。

この状態では、参照用光パルス信号Ｓｒの何れかのパルスがフォトディテクタ１７の光電変換面へ入射するタイミングと、測定用光パルス信号Ｓｍの何れかのパルスがフォトディテクタ１７の光電変換面に入射するタイミングとが一致しているはずである。この場合、ビート信号Ｓ’のコントラストは高くなるので、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄの計測精度は高まる。

以上、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔が一定である複数の光を、位相同期して射出する光源１１と、光源１１が出射する複数の光である光信号（光パルス信号Ｓ）を、移動物体２００を経由する測定用光信号（測定用光パルス信号Ｓｍ）と、移動物体２００を経由しない参照用光信号（参照用光パルス信号Ｓｒ）とに分岐する分岐手段（ビームスプリッタ１２）と、移動物体２００を経由した測定用光信号（測定用光パルス信号Ｓｍ）と、移動物体２００を経由しない参照用光信号（参照用光パルス信号Ｓｒ）とを統合して共通の光電変換面へ導く統合手段（ビームスプリッタ１３、１６）と、光電変換面へ入射した光を電気信号へと変換する光電変換手段（フォトディテクタ１７）と、光電変換面へ入射する測定用光信号（測定用光パルス信号Ｓｍ）と光電変換面へ入射する参照用光信号（参照用光パルス信号Ｓｒ）との間のビート干渉強度を調整するための調整手段（ステージ１９）と、光電変換手段（フォトディテクタ１７）が生成する電気信号の時間変化に基づき、移動物体２００の振動周波数を算出する演算手段（回路部１８）とを備える。

このように、光源１１として、互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔が一定である複数の光を、位相同期して射出する光源（光周波数コム光源）を使用すれば、測定用光信号（測定用光パルス信号Ｓｍ）には、光周波数の異なる複数の光が含まれることになる。

この場合、計測期間中、測定用光信号の単独光路に媒質揺らぎが生じたとしても、複数の光の各々が受ける影響は、互いに同じにはならない。

具体的には、測定用光信号の単独光路に媒質揺らぎが生じると、複数の光の幾何学的光路長が不変であるにも拘わらず、複数の光の光学的光路長が変化する。

しかし、光周波数の異なる複数の光の間では、同じ媒質揺らぎの下であっても光学的光路長の変化量は互いに異なる。

その結果、それら複数の光の各々に与えられる光学的光路長の変化量は、その大部分が相殺され、複数の光の全体に与えられる光学的光路長の変化量は、小さくなると考えられる。

したがって、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、移動物体２００までの距離を長くしたとしても、計測精度を高く維持することができる。

しかも、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、光源１１として光周波数コムを使用したので、ビート信号Ｓ’のコントラストが低下するという問題も生じうるが、調整手段（ステージ１９）を備えるので、この問題を確実に回避することができる。

さらに、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、光電変換面へ入射する測定用光信号と光電変換面へ入射する参照用光信号との間の周波数差を所定周波数（基準シフト周波数Δｆ）だけ拡大する周波数シフト手段（光周波数シフタ１５）を備えるので、ビート信号Ｓ’の時間周波数を所定周波数（基準シフト周波数Δｆ）の近傍にすることができる。

したがって、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、ビート信号Ｓ’の時間周波数の時間変化を安定的に検出することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態としてドップラー振動計測装置を説明する。第２実施形態は第１実施形態の変形例であるので、ここでは第１実施形態との相違点のみを説明する。

図５（Ａ）は、本実施形態のドップラー振動計測装置１００’の全体構成図である。図５（Ａ）に示すとおり、本実施形態のドップラー振動計測装置１００’は、光周波数シフタの挿入先を、参照用光パルス信号Ｓｒの単独光路と、測定用光パルス信号Ｓｍの単独光路との双方としている。図５（Ａ）において符号１５’で示したのが、測定用光パルス信号Ｓｍの単独光路に挿入された光周波数シフタである。

光周波数シフタ１５’は、光周波数シフタ１５と同様、入射光の光周波数を、その光周波数によらず予め決められたシフト量だけシフトさせる機能がある。このような光周波数シフタ１５としては、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）を適用することができる。

但し、光周波数シフタ１５’による光周波数のシフト量（基準シフト周波数）Δｆ’は、光周波数シフタ１５による光周波数のシフト量（基準シフト周波数）Δｆとは若干だけ異なる値に設定される。例えば、Δｆ＝４０ＭＨｚに設定され、Δｆ’＝３９．９ＭＨｚに設定される。

この場合、測定用光パルス信号Ｓｍの光周波数は、図５（Ｂ）に示すとおり、移動物体２００へ入射する時点でｆ_０＋Δｆ’となり、移動物体２００で反射した後にｆ_０＋Δｆ’＋ｆ_Ｄとなり、その状態で光電変換面へ入射する。

一方、参照用光パルス信号Ｓｒの光周波数は、図５（Ｃ）に示すとおり、光電変換面へ入射する時点でｆ_０＋Δｆとなる。

したがって、フォトディテクタ１７の出力するビート信号Ｓ’の時間周波数は、（Δｆ−Δｆ’）−ｆ_Ｄとなる。

すなわち、本実施形態のビート信号Ｓ’の時間周波数は、２つの基準シフト周波数の差（Δｆ−Δｆ’）＝１００ＫＨｚの近傍で時間変化し、その時間変化が、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄの時間変化を表すことになる。

したがって、本実施形態におけるサンプリング周波数の適正値は、このような時間周波数を有したビート信号Ｓ’（１００ＫＨｚの近傍）を、十分な精度で生成できるような値とされる。よって、例えば、サンプリング周波数は、１００ＭＨｚに設定される。

したがって、本実施形態のドップラー振動計測装置１００では、フォトディテクタ１７として、第１実施形態のそれよりもサンプリング周波数の低いもの（安価なフォトディテクタ）を使用することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態としてドップラー振動計測装置を説明する。第３実施形態は第１実施形態の変形例であるので、ここでは第１実施形態との相違点のみを設定する。

図６（Ａ）は、本実施形態のドップラー振動計測装置１００”の全体構成図である。図６（Ａ）に示すとおり、本実施形態のドップラー振動計測装置１００”は、ビート信号Ｓ’のコントラストを調整するためのステージ１９の代わりに、ビート信号Ｓ’のコントラストを制御する制御系１９’が備えられる。

先ず、制御系１９’以外の光学系を説明する。制御系１９’以外の光学系は、第１実施形態のそれと基本的に同じである。

すなわち、図６（Ａ）に示すとおり、光源１１から発振された光パルス信号Ｓは、ビームスプリッタ１２へ入射し、ビームスプリッタ１２を透過する光（測定用光パルス信号Ｓｍ）とビームスプリッタ１２で反射する光（参照用光パルス信号Ｓｒ）とに分岐される。

ビームスプリッタ１２を透過した測定用光パルス信号Ｓｍは、制御系１９’のビームスプリッタ２０を透過した後、ビームスプリッタ１３を透過し、移動物体２００に向かう。移動物体２００で反射した測定用光パルス信号Ｓｍは、ビームスプリッタ１３へ戻る。ビームスプリッタ１３へ戻った測定用光パルス信号Ｓｍは、ビームスプリッタ１３で反射した後、全反射ミラー１４で反射し、ビームスプリッタ１６を透過した後、フォトディテクタ１７の光電変換面へ入射する。なお、図６（Ｂ）に示したのは、測定用光パルス信号Ｓｍの経路の模式図である。

一方、ビームスプリッタ１２で反射した参照用光パルス信号Ｓｒは、ビームスプリッタ１６を透過してから、光周波数シフタ１５を通過する。光周波数シフタ１５を通過した参照用光パルス信号Ｓｒは、制御系１９’の全反射ミラー２５へ正面から入射し、その全反射ミラー２５で反射した後、光周波数シフタ１５へ再入射し、その光周波数シフタ１５を再通過する。

なお、光周波数シフタ１５が入射光に与える光周波数のシフト量は、Δｆ／２に設定されており、光周波数シフタ１５を往復した参照用光パルス信号Ｓｒは、トータルでΔｆだけ光周波数をシフトさせる。本実施形態では、このトータルのシフト量Δｆを「基準シフト周波数」と称す。

光周波数シフタ１５を往復した参照用光パルス信号Ｓｒは、ビームスプリッタ１６を反射すると、ビームスプリッタ１６を透過した測定用光パルス信号Ｓｍと統合され、フォトディテクタ１７の光電変換面へ入射する。なお、図１（Ｃ）に示したのは、参照用光パルス信号Ｓｒの経路の模式図である。

次に、制御系１９’を説明する。図７（Ａ）は、図６（Ａ）と基本的に同じ図であるが、制御系１９’で生成される測定光ｓｍ及び参照光ｓｒを明示してある。

図７（Ａ）に示すとおり、制御系１９’には、ビームスプリッタ２０、全反射ミラー２１、フォトディテクタ２２、回路部２３、ピエゾ素子２４、可動の全反射ミラー２５が備えられる。

この制御系１９’は、移動物体２００の側からビームスプリッタ１３へ戻った測定用光パルス信号Ｓｍの一部（具体的にはビームスプリッタ１３を透過した成分）を、測定光ｓｍとして使用する。この測定光ｓｍは、ビームスプリッタ２０を反射し、フォトディテクタ２２の光電変換面へ入射する。なお、図７（Ｂ）に示したのは、測定光ｓｍの経路の模式図である。

また、制御系１９’は、ビームスプリッタ１２の側からビームスプリッタ２０へ入射した測定用光パルス信号Ｓｍの一部（具体的にはビームスプリッタ２０にて反射した成分）を、参照光ｓｒとして使用する。この参照光ｓｒは、全反射ミラー２１へ正面から入射すると、全反射ミラー２１で反射し、ビームスプリッタ２０へ戻る。ビームスプリッタ２０へ戻った参照光ｓｒは、ビームスプリッタ２０を透過し、ビームスプリッタ２０を反射した測定光ｓｍと統合され、フォトディテクタ２２の光電変換面へ入射する。なお、図７（Ｃ）に示したのは、参照光ｓｒの経路の模式図である。

制御系１９’のフォトディテクタ２２は、フォトダイオードなどの光電変換素子であって、一定のサンプリング周波数で繰り返し光電変換を行うことにより、入射した光を電気信号Ｓ”に変換する。

フォトディテクタ２２のサンプリング周波数は、前述した繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐよりも低い適正値に設定される。

この設定により、フォトディテクタ２２の出力する電気信号Ｓ”には、その光電変換面へ入射した測定光ｓｍと、同じ光電変換面へ入射した参照光ｓｒとの間のビート干渉強度が現れることになる。よって以下では、フォトディテクタ２２の出力する電気信号Ｓ”を「コントラスト信号」と称す。

ここで、この制御系１９’における測定光ｓｍと参照光ｓｒとの間の光路長差は、移動物体２００までの距離の変化期間中におけるコントラスト信号Ｓ”の変化パターンの位相と、同じ期間中におけるビート信号Ｓ’のコントラストの変化パターンの位相とが合致するよう予め調整されている。この調整は、全反射ミラー２１の光軸方向の位置調整などによって行うことができる。

この調整の結果、コントラスト信号Ｓ”は、ビート信号Ｓ’のコントラストをリアルタイムで表すことになる。

制御系１９’の回路部２３は、フォトディテクタ２２の出力するコントラスト信号Ｓ”を取り込み、そのコントラスト信号Ｓ”に応じた駆動信号をリアルタイムでピエゾ素子２４へ出力する。

ピエゾ素子２４は、与えられた駆動信号に応じた変位量だけ、全反射ミラー２５の光軸方向の位置を変位させることにより、参照用光パルス信号Ｓｒの光路長、すなわち、参照用光パルス信号Ｓｒと測定用光パルス信号Ｓｍとの間の光路長差を、調整する。

ここで、回路部２３がピエゾ素子２４に与える駆動信号の値は、コントラスト信号Ｓ”が最大に維持されるような値に設定される。その結果、フォトディテクタ１７の生成するビート信号Ｓ’のコントラストは、最大に維持される。

以上、本実施形態のドップラー振動計測装置１００”は、制御系１９’を備え、制御系１９’は、フォトディテクタ１７の光電変換面へ入射する測定用光パルス信号Ｓｍ及び参照用光パルス信号Ｓｒのビート干渉強度を監視する監視手段（ビームスプリッタ２０、全反射ミラー２１、フォトディテクタ２２）と、監視したビート干渉強度（コントラスト信号Ｓ”）に応じて調整機構（全反射ミラー２５）を駆動する制御手段（回路部２３、ピエゾ素子２４）とを備える。

したがって、本実施形態のドップラー振動計測装置１００”では、ビート信号Ｓ’のコントラストが低下しうる状況であっても、制御系１９’がその低下を自動的に抑える。よって、本実施形態のドップラー振動計測装置１００は、ドップラーシフト周波数ｆ_Ｄの計測精度を高く維持することができる。

以下、本実施形態の効果を具体的に説明する。

ここでは、移動物体２００までの距離が５０ｍ程度の所定値に設定され、制御系１９’がオフされ、媒質温度が２１℃であるときに、ビート信号Ｓ’のコントラストが最大であったと仮定する。

図８（Ａ）は、移動物体２００までの距離が５ｍ程度の所定値に設定され、制御系１９’がオフされ、媒質温度が２１℃であるときにおける測定用光パルス信号Ｓｍ、参照用光パルス信号Ｓｒの光電変換タイミングを示す図である（図８（Ａ）の上段は、参照用光パルス信号Ｓｒの或るパルスが光電変換されるタイミングを示し、図８（Ａ）の下段は、測定用光パルス信号Ｓｍの或るパルスが光電変換されるタイミングを示している。）。

図８（Ａ）に示すとおり、媒質温度が２１℃であるときには、両者のパルスが光電変換されるタイミングは一致しており、ビート信号Ｓ’のコントラストは、図９（Ａ）に示すとおり十分に高くなる。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の状態から媒質温度だけが２１．１℃に変化したときのタイミングを示す図である（図８（Ｂ）の上段は、参照用光パルス信号Ｓｒの或るパルスが光電変換されるタイミングを示し、図８（Ａ）の下段は、測定用光パルス信号Ｓｍの或るパルスが光電変換されるタイミングを示している。）。

図８（Ｂ）に示すとおり、制御系１９’がオフされていた場合は、媒質温度が０．１℃上昇しただけで、両者のパルスの光電変換されるタイミングが大幅にずれてしまい、ビート信号Ｓ’のコントラストは、図９（Ｂ）に示すとおり低下する。

しかし、媒質温度が０．１℃上昇したとしても、制御系１９’をオンしたならば、ビート信号Ｓ’に対して図９（Ｃ）に示すとおり十分なコントラストを付与することができる。これによって、両者のパルスの光電変換されるタイミングは、図８（Ａ）に示すとおり互いに一致する。

［その他］
なお、第３実施形態は、第１実施形態の変形例であったが、第２実施形態を同様に変形してもよい。

１００…ドップラー振動計測装置、１１…光源、１２…ビームスプリッタ、１３…ビームスプリッタ、１４…全反射ミラー、１５…光周波数シフタ、１６…ビームスプリッタ、１７…フォトディテクタ、１８…回路部、１９…ステージ

Claims (6)

1. 互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔が一定である複数の光を、位相同期して出射する光源と、
   前記光源が出射する前記複数の光である光信号を、移動物体を経由する測定用光信号と、前記移動物体を経由しない参照用光信号とに分岐する分岐手段と、
   前記移動物体を経由した前記測定用光信号と、前記移動物体を経由しない前記参照用光信号とを統合して共通の光電変換面へ導く統合手段と、
   前記光電変換面へ入射した光信号を電気信号へと変換する光電変換手段と、
   前記光電変換面へ入射する前記測定用光信号と前記光電変換面へ入射する前記参照用光信号との間のビート干渉強度を調整するための調整手段と、
   前記光電変換手段が生成する電気信号の時間変化に基づき、前記移動物体の振動周波数を算出する演算手段と
   を備えることを特徴とするドップラー振動計測装置。
2. 請求項１に記載のドップラー振動計測装置において、
   前記調整手段には、
   前記測定用光信号と前記参照用光信号との間の光路長差を調整する調整機構が備えられる
   ことを特徴とするドップラー振動計測装置。
3. 請求項２に記載のドップラー振動計測装置において、
   前記調整手段には、
   前記光電変換面へ入射する前記測定用光信号と前記光電変換面へ入射する前記参照用光信号との間のビート干渉強度を監視する監視手段と、
   前記監視手段が監視した前記ビート干渉強度に応じて前記調整機構を駆動する制御手段と、
   が備えられることを特徴とするドップラー振動計測装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のドップラー振動計測装置において、
   前記光電変換面へ入射する前記測定用光信号と前記光電変換面へ入射する前記参照用光信号との間の周波数差を所定周波数だけ拡大する周波数シフト手段を更に備える
   ことを特徴とするドップラー振動計測装置。
5. 請求項４に記載のドップラー振動計測装置において、
   前記周波数シフト手段には、
   前記測定用光信号の単独光路に配置され、その測定用光信号の光周波数を第１シフト量だけシフトさせる第１シフト手段と、
   前記参照用光信号の単独光路に配置され、その参照用光信号の光周波数を前記第１シフト量とは異なる第２シフト量だけシフトさせる第２シフト手段と
   が含まれることを特徴とするドップラー振動計測装置。
6. 互いに異なる光周波数を有し、かつ光周波数の間隔が一定である複数の光を、位相同期して出射する光源を用意する用意手順と、
   前記光源が出射する前記複数の光である光信号を、移動物体を経由する測定用光信号と、前記移動物体を経由しない参照用光信号とに分岐する分岐手順と、
   前記移動物体を経由した前記測定用光信号と、前記移動物体を経由しない前記参照用光信号とを統合して共通の光電変換面へ導く統合手順と、
   前記光電変換面へ入射した光信号を電気信号へと変換する光電変換手順と、
   前記光電変換面へ入射する前記測定用光信号と前記光電変換面へ入射する前記参照用光信号との間のビート干渉強度を調整する調整手順と、
   前記光電変換手順で生成される電気信号の時間変化に基づき、前記移動物体の振動周波数を算出する演算手順と、
   を含むことを特徴とするドップラー振動計測方法。

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