JP2014052272A - 電磁波検出システム及び電磁波検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光源の周波数変動に伴うＲＦ信号の周波数変動Δω（ｔ）が存在しても、高いＳＮ比での電磁波検出を実現することを目的とする。
【解決手段】本発明では、１の光源からの光を２つに分岐し、１の光源と異なる周波数で発光する他の光源からの光を２つに分岐し、分岐した４つの光のうちの１つを一定の周波数の発振信号の周波数だけシフトさせ、一定の周波数だけシフトさせた光を含めて、それぞれ分岐した４つの光のうち異なる光源を起源とする２つの光をそれぞれ合波して２組の光とし、合波した２組の光のうち他方の組の光をＬＯ信号とし、第一のＲＦ信号を被測定物に照射させ、被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及びＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力させ、検出信号を発振信号で２位相ロックイン検出して、検出信号と同位相となる同相成分及び検出信号と直交位相となる直交成分を出力させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光技術を用いたヘテロダイン型の電磁波検出技術に関する。

１００ＧＨｚから１０ＴＨｚに亘るテラヘルツ（ＴＨｚ）波領域には、物質固有の特徴的な指紋スペクトルが多数存在することから、テラヘルツ波のセキュリティー応用が注目を集めている。これまでに数十ＧＨｚから数ＴＨｚをカバーする時間領域分光（Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＤＳ）装置が国内外で市販されるに至っている。

一方、特定の周波数領域において、より高分解能分光を可能とする周波数領域分光（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＦＤＳ）装置の開発は、ＴＤＳ方式と比べて遅れていた。これは、高出力な周波数可変ＴＨｚ波光源の開発が遅れていたことが一因である。

１００ＧＨｚを超える高周波数領域において、比帯域幅５０％以上の広帯域周波数掃引を実現する最も現実的な技術は、周波数可変光源と高速フォトダイオードあるいはフォトコンダクティブ発生器等のＲＦ信号発生器とを組み合わせるフォトミキシングの手法である。発生に用いた光を同じく高速フォトダイオードやフォトコンダクティブ検出器、あるいは電気光学結晶などへの光局部発振（ＬＯ：Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号として用いることでＴＨｚ波のホモダイン検出が可能となる。これら発生技術と検出技術とを組み合わせたＴＨｚ波帯ＦＤＳ装置が開発され、一部市販されている。

従来技術に基づくＦＤＳシステムの一例を図１に示す（例えば、非特許文献１参照。）。光源５１、光源５２からそれぞれ出力された周波数ｆ_１、ｆ_２（但し、ｆ_２＞ｆ_１）の光がＲＦ信号発生器５６内のフォトカプラにて重畳され、ＲＦ信号発生器５６でのフォトミキシングにより周波数ｆ_２−ｆ_１のＲＦ信号が発生される。

これまでのシステムでは、位相データを得るために、各周波数においてＬＯ−ＲＦ信号間の異なる遅延時間における振幅データか、ＬＯ−ＲＦ信号間の遅延時間を固定とし、異なる周波数における振幅データから位相変化量を推定する手法が用いられてきた。

Ｔ． Ｎａｇａｔｓｕｍａ， ｅｔ ａｌ．，"Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ"， ＰＩＥＲＳ ＯＮＬＩＮＥ， ＶＯＬ． ６， ＮＯ． ４， ３９０−３９４， ２０１０．

ＲＦ信号とＬＯ信号との遅延時間差をτとすると、ＲＦ信号検出器からの信号は、
ｉ（ｔ）∝ Ｔ（ω）ｃｏｓ（φ（ω）+ωτ）ｃｏｓ（ω_Ｌｔ） （１）
となる。但し、ω_Ｌ＝２πｆ_Ｌは検出のためのロックイン角周波数、角周波数ωはω= ２π（ｆ_２−ｆ_１）である。また、Ｔ（ω）は被測定物の振幅透過率、φ（ω）は被測定物によるＲＦ信号の位相変化量で、それぞれωの関数として与えられる。この信号のロックイン検出より、Ｔ（ω）ｃｏｓ（φ（ω）＋ωτ）が得られる。振幅情報（Ｔ（ω））と位相情報（φ（ω））とが結合しているため、それぞれを分離するためには遅延時間差τかＲＦ信号の角周波数ωを変えることでωτ＝０ｒａｄとωτ＝π／２ｒａｄの条件における測定をそれぞれ行い、２つのデータを得る必要がある。このようにして得られたＴ（ω）、φ（ω）の、いずれか一方あるいは双方が、物質固有の特徴的な指紋スペクトルとして利用可能である。

両手法ともゼロではない遅延時間差τが必要であるが、光源の周波数変動に伴うＲＦ信号の周波数変動Δω（ｔ）が存在する場合は、これがΔω（ｔ）τの形で位相雑音として信号に重畳されることになる。そのため、従来手法では高精度な振幅・位相検出をするためには光源の周波数安定化が必須であったが、これはシステムの高コスト化を招く。

また、位相推定の演算に必要な、異なるωτ（ωτ＝０ｒａｄ、および、π／２ｒａｄ）における検出信号は、異なる時刻においてロックイン検出されるため、検出信号に重畳されている雑音成分間には一般に相関がなく、位相推定精度の劣化をまねく。この問題は、測定における積分時間を長くしても解決できない。

そこで、本発明は、光源の周波数変動に伴うＲＦ信号の周波数変動Δω（ｔ）が存在しても、高いＳＮ比での電磁波検出を実現することを目的とする。

本願発明では、１回のロックイン検出で得られた測定データから振幅・位相情報を独立に抽出することによって、高いＳＮ比での電磁波検出を実現することとした。

具体的には、本願発明は、第一の光源と、前記第一の光源と異なる周波数で発光する第二の光源と、前記第一の光源からの光を２つに分岐する第一の光分岐器と、前記第二の光源からの光を２つに分岐する第二の光分岐器と、前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光を合波する第一の光合波器と、前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光を合波する第二の光合波器と、一定の周波数の発振信号を出力する発振器と、前記第一の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第二の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第一の光分岐器と前記第二の光合波器との間及び前記第二の光分岐器と前記第二の光合波器との間のいずれかに挿入され、前記発振器からの発振信号で光の周波数を前記発振信号の周波数だけシフトする周波数シフタと、前記第一の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、生成した第一のＲＦ信号を被測定物に照射するＲＦ信号発生器と、前記第二の光合波器からの異なる周波数の２つの光をＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号とし、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、前記ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と前記第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力するＲＦ信号検出器と、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号を前記発振器の出力する発振信号で２位相ロックイン検出して、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と同位相となる同相成分及び前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と直交位相となる直交成分を出力する２相ロックイン検出器と、を備えることを特徴とする電磁波検出システム
である。

具体的には、本願発明は、第一の光源と、前記第一の光源と異なる周波数で発光する第二の光源と、前記第一の光源からの光を２つに分岐する第一の光分岐器と、前記第二の光源からの光を２つに分岐する第二の光分岐器と、前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光を合波する第一の光合波器と、前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光を合波する第二の光合波器と、一定の周波数の発振信号を出力する発振器と、前記第一の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第二の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第一の光分岐器と前記第二の光合波器との間及び前記第二の光分岐器と前記第二の光合波器との間のいずれかに挿入され、前記発振器からの発振信号で光の周波数を前記発振信号の周波数だけシフトする周波数シフタと、前記第一の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、生成した第一のＲＦ信号を被測定物に照射するＲＦ信号発生器と、前記第二の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第二のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波して、その差周波数を周波数とする検出信号を出力するＲＦ信号検出器と、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号を前記発振器の出力する発振信号で２位相ロックイン検出して、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と同位相となる同相成分及び前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と直交位相となる直交成分を出力する２相ロックイン検出器と、を備えることを特徴とする電磁波検出システムである。

本願発明により、１回のロックイン検出で得られた測定データから振幅・位相情報を独立に抽出することができるため、従来技術よりも高いＳＮ比での計測が可能となる。

本願発明では、前記第一の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第一の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、前記第二の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第二の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、前記第一の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間と前記第二の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間とが等しいことが好ましい。

本願発明では、前記第一の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第一の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、前記第二の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第二の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、前記第一の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間と前記第二の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間とが等しいことが好ましい。

本願発明により、位相雑音を抑圧できるので、光源の周波数安定化が不要で、光源への周波数分解能の要求条件を緩和することができる。

具体的には、本願発明は、１の光源からの光を２つに分岐し、１の光源と異なる周波数で発光する他の光源からの光を２つに分岐し、前記分岐した４つの光のうちの１つを一定の周波数の発振信号の周波数だけシフトさせ、前記一定の周波数だけシフトさせた光を含めて、それぞれ分岐した４つの光のうち異なる光源を起源とする２つの光をそれぞれ合波して２組の光とし、合波した２組の光のうち一方の組の光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を発生させ、前記合波した２組の光のうち他方の組の光をＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号とし、前記第一のＲＦ信号を被測定物に照射させ、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、前記ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と前記第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力させ、前記検出信号を前記発振信号で２位相ロックイン検出して、前記検出信号と同位相となる同相成分及び前記検出信号と直交位相となる直交成分を出力させることを特徴とする電磁波検出方法である。

具体的には、本願発明は、１の光源からの光を２つに分岐し、１の光源と異なる周波数で発光する他の光源からの光を２つに分岐し、前記分岐した４つの光のうちの１つを一定の周波数の発振信号の周波数だけシフトさせ、前記一定の周波数だけシフトさせた光を含めて、それぞれ分岐した４つの光のうち異なる光源を起源とする２つの光をそれぞれ合波して２組の光とし、合波した２組の光をそれぞれ受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号及び第二のＲＦ信号をそれぞれ発生させ、前記第一のＲＦ信号を被測定物に照射させ、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波して、その差周波数を周波数とする検出信号を出力させ、前記検出信号を前記発振信号で２位相ロックイン検出して、前記検出信号と同位相となる同相成分及び前記検出信号と直交位相となる直交成分を出力させることを特徴とする電磁波検出方法である。

本願発明により、１回のロックイン検出で得られた測定データから振幅・位相情報を独立に抽出することができるため、従来技術よりも高いＳＮ比での計測が可能となる。

本願発明では、前記１の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記１の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、前記他の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記他の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、前記第一のＲＦ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間と前記ＬＯ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間とが等しくなるように設定することが好ましい。

本願発明では、前記１の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記１の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、前記他の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記他の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、前記第一のＲＦ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間と前記第二のＲＦ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間とが等しくなるように設定することが好ましい。

本願発明により、位相雑音を抑圧できるので、光源の周波数安定化が不要で、光源への周波数分解能の要求条件を緩和することができる。

従来技術に基づくＦＤＳシステムの一例を示す図である。 本発明に基づくＦＤＳシステムの構成例を示す図である。 本発明に基づくＦＤＳシステムの構成例を示す図である。 本発明に基づくＦＤＳシステムの構成例を示す図である。 本発明に基づくＦＤＳシステムの構成例を示す図である。 本発明に基づくＦＤＳシステムの位相精度を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（基本構成）
本願発明では、周波数シフタを用いたヘテロダイン型検出システムとすることで、単一周波数において振幅及び位相を同時刻に独立に計測するものである。

周波数ｆ_１で発光する第一の光源からの光の周波数を、周波数シフタにより周波数Δｆだけダウンシフトさせ、これと周波数ｆ_２で発光する第二の光源からの光とを混合しヘテロダイン検波してＲＦ信号を発生させる。この時のＲＦ信号の周波数はｆ_２−（ｆ_１−Δｆ）＝ｆ_２−ｆ_１＋Δｆとなる。一方、検出に用いるＬＯ信号としては、第一の光源及び第二の光源からの光を合波して、利用する。ＬＯ信号の成分としては、周波数ｆ_１及び周波数ｆ_２となる。その結果、Δｆの周波数を有する検出信号が得られる。

上記では、被測定物からのＲＦ信号とＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、検出信号をＲＦ信号検出器が出力した。ＬＯ信号の２つの光を混合しヘテロダイン検波して、２つの光の差周波数の第二のＲＦ信号を生成し、被測定物からの第一のＲＦ信号と第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波して、その差周波数であるΔｆの周波数を有する検出信号を得てもよい。

ＲＦ信号検出器では、いわゆるヘテロダイン検出が行われ、ヘテロダイン検出の結果として以下を得る。
ｉ（ｔ）∝Ｔ（ω）ｃｏｓ（Δωｔ+φ（ω）） （２）
ただし、Δω＝２πΔｆである。

周波数シフタを用いたヘテロダイン型であるため、被測定物からのＲＦ信号とＬＯ信号の周波数揺らぎには相関があり、被測定物からのＲＦ信号とＬＯ信号との遅延時間差をゼロとすることで、光源の周波数揺らぎは検出の際にキャンセルされる。

あるいは、被測定物からの第一のＲＦ信号と第二のＲＦ信号の周波数揺らぎには相関があり、被測定物からのＲＦ信号と第二のＲＦ信号との遅延時間差をゼロとすることで、光源の周波数揺らぎは検出の際にキャンセルされる。

ＲＦ信号検出器からの信号を、上述の周波数Δｆにより２位相ロックイン検出することで、同相成分Ｉ（ω）と直交成分Ｑ（ω）とが以下のように分離して得られる。
Ｉ（ω）＝Ｔ（ω）ｃｏｓ（φ（ω）） （３）
Ｑ（ω）＝Ｔ（ω）ｓｉｎ（φ（ω）） （４）
これら検出信号を用いて、（Ｉ（ω）^２+Ｑ（ω）^２）^１／２からＴ（ω）が、ａｒｃｔａｎ（Ｑ（ω）/Ｉ（ω））からφ（ω）が求まる。

上記の構成により、ωτを変更することなく１回のロックイン検出で得られた測定データから振幅・位相情報を独立に抽出することができるため、例えば、１回のロックイン検出後、ωτを変更して２回目のロックイン検出を行なう従来技術よりも高いＳＮ比での計測が可能となる。また、遅延時間差τを変更する必要がないことから、可変遅延線などが不要であり、コンパクトで安価な全光ファイバ型システムの提供が可能となる。

なお、いずれか一方又は両方の光源の周波数を掃引することで、容易に周波数掃引型ＦＤＳシステムへ拡張可能である。

（実施形態１）
実施形態１では、１の光源からの光を２つに分岐し、１の光源と異なる周波数で発光する他の光源からの光を２つに分岐し、前記分岐した４つの光のうちの１つを一定の周波数の発振信号の周波数だけシフトさせ、前記一定の周波数だけシフトさせた光を含めて、それぞれ分岐した４つの光のうち異なる光源を起源とする２つの光をそれぞれ合波して２組の光とし、合波した２組の光のうち一方の組の光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を発生させ、前記合波した２組の光のうち他方の組の光をＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号とし、前記第一のＲＦ信号を被測定物に照射させ、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、前記ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と前記第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力させ、前記検出信号を前記発振信号で２位相ロックイン検出して、前記検出信号と同位相となる同相成分及び前記検出信号と直交位相となる直交成分を出力させる。

ＦＤＳシステムの実施形態１の構成例を図２に示す。図２において、ＦＤＳシステムは、第一の光源１１、第二の光源１２、第一の光分岐器１３、第二の光分岐器１４、第一の光合波器１５、第二の光合波器１６、発振器１７、周波数シフタ１８、ＲＦ信号発生器１９、ＲＦ信号検出器２１、２相ロックイン検出器２２を備える。２相ロックイン検出器２２は９０度移相回路２２１、第一のミキサー２２２、第二のミキサー２２３を有する。

周波数ｆ_１で発光する第一の光源１１及び周波数ｆ_２で発光する第二の光源１２（ただし、ｆ_２＞ｆ_１）からの出力光は、それぞれ、第一の光分岐器１３及び第二の光分岐器１４に入力され、それぞれ２つに分岐される。第一の光分岐器１３で分岐された２つの光のうち一方は、周波数シフタ１８を介して、第一の光合波器１５に入力される。また、第一の光分岐器１３で分岐された２つの光のうち他方は、第二の光合波器１６に入力される。第二の光分岐器１４で分岐された２つの光のうち一方は、第一の光合波器１５に入力される。また、第二の光分岐器１４で分岐された２つの光のうち他方は、第二の光合波器１６に入力される。

発振器１７は、周波数Δｆの成分を有する発振信号を出力する。この発振信号は分配され、その内１つは、前述の周波数シフタ１８に入力される。この発振信号を受け、周波数シフタ１８は、透過光の周波数をΔｆだけダウンシフトして、（ｆ_１−Δｆ）とする。

このように、第一の光合波器１５からは周波数（ｆ_１−Δｆ）とｆ_２の光が、第二の光合波器１６からは周波数ｆ_１とｆ_２の光が、それぞれ出力される。

第一の光合波器１５から出力された周波数（ｆ_１−Δｆ）とｆ_２の光は、ＲＦ信号発生器１９に入力される。ＲＦ信号発生器１９では、入力された光の周波数ｆ_１−Δｆとｆ_２の差周波であるｆ_２−（ｆ_１−Δｆ）＝ｆ_２−ｆ_１＋Δｆを周波数とする第一のＲＦ信号を生成し、生成した第一のＲＦ信号を被測定物に対し照射する。ここで、ＲＦ信号発生器１９は、高速フォトダイオード、フォトコンダクティブ発生器、非線形光学結晶、あるいは、同等の動作をするデバイスを用いて第一のＲＦ信号を生成する。

第一のＲＦ信号は、被測定物３１を透過した後に、ＲＦ信号検出器２１に入力される。ＲＦ信号発生器１９から、被測定物３１を介し、ＲＦ信号検出器２１に至る第一のＲＦ信号の伝搬方法は、空間、ケーブル、導波管など、既存のいずれの技術を用いても良い。また、被測定物３１を透過したＲＦ信号でなく、反射したＲＦ信号をＲＦ信号検出器２１が検出してもよい。

一方、第二の光合波器１６から出力された周波数ｆ_１とｆ_２の光は、ＲＦ信号検出器２１に入力される。ＲＦ信号検出器２１では、ＬＯ信号と被測定物３１を透過又は反射した第一のＲＦ信号とを混合しヘテロダイン検波すると、ＬＯ信号を構成する周波数ｆ_１とｆ_２の光の周波数差の周波数と第一のＲＦ信号の周波数との周波数差をもつ周波数Δｆの検出信号が出力される。この検出信号の包絡線は前述の式（２）の通りである。

あるいは、ＲＦ信号検出器２１では、第二の光合波器１６から出力された光の周波数ｆ_１とｆ_２の差周波数である（ｆ_２−ｆ_１）を周波数とする第二のＲＦ信号を生成する。第二のＲＦ信号の生成には、高速フォトダイオード、フォトコンダクティブ検出器、非線形光学結晶、あるいは、同等の動作をするデバイスであればよい。生成した第二のＲＦ信号と被測定物３１を透過又は反射した第一のＲＦ信号をヘテロダイン検波すると、両者の差を持つ周波数Δｆの検出信号が出力される。この検出信号の包絡線は前述の式（２）の通りである。

ここで得られた周波数Δｆの検出信号を、２相ロックイン検出器２２に入力する。２相ロックイン検出器２２は、式（３）（４）に示す通り、検出信号を第一のミキサー２２２及び第二のミキサー２２３に分け、それぞれ、０度あるいは９０度移相回路２２１で９０度移相した周波数Δｆの成分を有する発振信号と混合しヘテロダイン検波し、同相成分及び直交成分を得るものである。これらの同相成分及び直交成分を用いて、Ｔ（ω）及びφ（ω）が容易に算出可能となる。

上記の構成により、ωτを変更することなく１回のロックイン検出で得られた測定データから振幅・位相情報が独立に抽出されるため、従来技術よりも高いＳＮ比での計測が可能となる。また、遅延時間差τを変更する必要がないことから、可変遅延線などが不要であり、コンパクトで安価な全光ファイバ型システムの提供が可能となる構成を与える。

上記の構成において、以下の構成を取ることにより、更なる特性向上を図ることができる。
条件１：第一の光源１１から第一の光合波器１５の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と第一の光源１１から第二の光合波器１６の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と、が等しい。
条件２：第二の光源１２から第一の光合波器１５の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と第二の光源１２から第二の光合波器１６の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と、が等しい。
条件３：第一の光合波器１５の合波点から、出力された光信号が、ＲＦ信号発生器１９にて第一のＲＦ信号に変換され、被測定物３１を透過又は反射後、ＲＦ信号検出器２１でＬＯ信号と混合しヘテロダイン検波する点へ到達するまでの遅延時間と、第二の光合波器１６の合波点から、出力されたＬＯ信号がＲＦ信号検出器２１で、第一のＲＦ信号と混合しヘテロダイン検波する点へ到達するまでの遅延時間と、が等しい。
条件４：または、第一の光合波器１５の合波点から、出力された光信号が、ＲＦ信号発生器１９にて第一のＲＦ信号に変換され、被測定物３１を透過又は反射後、ＲＦ信号検出器２１で第二のＲＦ信号と混合しヘテロダイン検波する点へ到達するまでの遅延時間と、第二の光合波器１６の合波点から、出力された光信号がＲＦ信号検出器２１で第二のＲＦ信号に変換され、第一のＲＦ信号と混合しヘテロダイン検波する点へ到達するまでの遅延時間と、が等しい。

条件１から条件４までの３つの条件を満たすよう設定すると、遅延時間差τがゼロとなることから、測定データ中に重畳される光源由来の位相雑音Δω（ｔ）τが抑圧できるので、光源の周波数安定化が不要で、適度の周波数分解能程度の周波数安定性を有する光源が利用可能となる。この追加構成により、システムのコスト低減を実現することができる。

ここで、条件１から条件４までの遅延時間は、以下の範囲内であれば、等しいといえる。位相精度をΔφ［ｒａｄ］、周波数分解能をΔｒ［Ｈｚ］、遅延時間の差をτ［ｓ］とすると、以下となる。
Δφ＞＝２・π・Δｒ・τ （５）
（５）式より、以下が得られる。
τ＜＝Δφ／（２・π・Δｒ） （６）
遅延時間差としては、余裕を持たせると、以下となる。
τ＜＝Δφ／（π・Δｒ） （７）
（７）式を満たす範囲であれば、遅延時間が等しいといえる。

ここで、光源の位相精度について検討する。図２における、前段部を抽出した構成を図６に示す。図６において、Ａは第一の光分岐器１３から第一の光合波器１５までのルート、Ｂは第一の光分岐器１３から第二の光合波器１６までのルート、Ｃは第二の光分岐器１４から第一の光合波器１５までのルート、Ｄは第二の光分岐器１４から第二の光合波器１６までのルートを表す。

第一の光分岐器１３から第一の光合波器１５までのルート（Ａ）の遅延時間と第一の光分岐器１３から第二の光合波器１６までのルート（Ｂ）の遅延時間との時間差をτ_１とし、第二の光分岐器１４から第一の光合波器１５までのルート（Ｃ）の遅延時間と第二の光分岐器１４から第二の光合波器１６までのルート（Ｄ）の遅延時間との時間差をτ_２とする。検出信号には光源の位相雑音が混入する。第一の光源１１の位相雑音をΔφ_１（ｔ）、第二の光源１２の位相雑音をΔφ_２（ｔ）とした場合、位相雑音はそれぞれ、
Δφ_１（ｔ＋τ_１）−Δφ_１（ｔ） （８）
Δφ_２（ｔ＋τ_１）−Δφ_２（ｔ） （９）
となる。但し、τ_１及びτ_２はゼロでないとする。所望の位相精度を前述したものと同じΔφとすると、τ_１及びτ_２は以下を満足する必要がある。
Δφ_１（ｔ＋τ_１）−Δφ_１（ｔ）＜＝ Δφ （１０）
Δφ_２（ｔ＋τ_１）−Δφ_２（ｔ）＜＝ Δφ （１１）
これは、光源の位相雑音特性に依存することになる。

（実施形態２）
ＦＤＳシステムの実施形態２の構成例を図３に示す。
実施の形態２のＦＤＳシステムは、周波数シフタ１８が実施形態１における第一の光分岐器１３と第一の光合波器１５の間に替えて、第二の光分岐器１４と第一の光合波器１５の間に挿入されていることである。この結果、第一のＲＦ信号の周波数が（ｆ_２−Δｆ）−ｆ_１＝ｆ_２−ｆ_１−Δｆとなる他は、実施形態１と同じである。

（実施形態３）
ＦＤＳシステムの実施形態３の構成例を図４に示す。
実施の形態３のＦＤＳシステムは、周波数シフタ１８が実施形態１における第一の光分岐器１３と第一の光合波器１５の間に替えて、第一の光分岐器１３と第二の光合波器１６の間に挿入されていることである。この結果、第一のＲＦ信号の周波数がｆ_２−ｆ_１となり、ＬＯ信号の周波数がｆ_２及び（ｆ_１−Δｆ）となる、あるいは、第二のＲＦ信号の周波数がｆ_２−（ｆ_１−Δｆ）＝ｆ_２−ｆ_１＋Δｆとなる他は、実施形態１と同じである。

（実施形態４）
ＦＤＳシステムの実施形態４の構成例を図５に示す。
実施の形態４のＦＤＳシステムは、周波数シフタ１８が実施形態１における第一の光分岐器１３と第一の光合波器１５の間に替えて、第二の光分岐器１４と第二の光合波器１６の間に挿入されていることである。この結果、第一のＲＦ信号の周波数がｆ_２−ｆ_１となり、ＬＯ信号の周波数が（ｆ_２−Δｆ）及びｆ_１となる、あるいは、第二のＲＦ信号の周波数が（ｆ_２−Δｆ）−ｆ_１＝ｆ_２−ｆ_１−Δｆとなる他は、実施形態１と同じである。

（実施形態の変形）
実施形態１から実施形態４までの説明においては、周波数シフタ１８は、光の周波数をΔｆだけダウンシフトするものとして説明したが、Δｆだけアップシフトするものを用いても同様の効果を得ることができる。その場合、第一のＲＦ信号、ＬＯ信号又は第二のＲＦ信号の周波数を説明する式において、「＋Δｆ」と「−Δｆ」とを入れ替えれば足りる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１：第一の光源
１２：第二の光源
１３：第一の光分岐器
１４：第二の光分岐器
１５：第一の光合波器
１６：第二の光合波器
１７：発振器
１８：周波数シフタ
１９：ＲＦ信号発生器
２１：ＲＦ信号検出器
２２：２相ロックイン検出器
３１：被測定物
２２１：９０度移相回路
２２２：第一のミキサー
２２３：第二のミキサー

Claims (8)

1. 第一の光源と、
   前記第一の光源と異なる周波数で発光する第二の光源と、
   前記第一の光源からの光を２つに分岐する第一の光分岐器と、
   前記第二の光源からの光を２つに分岐する第二の光分岐器と、
   前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光を合波する第一の光合波器と、
   前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光を合波する第二の光合波器と、
   一定の周波数の発振信号を出力する発振器と、
   前記第一の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第二の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第一の光分岐器と前記第二の光合波器との間及び前記第二の光分岐器と前記第二の光合波器との間のいずれかに挿入され、前記発振器からの発振信号で光の周波数を前記発振信号の周波数だけシフトする周波数シフタと、
   前記第一の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、生成した第一のＲＦ信号を被測定物に照射するＲＦ信号発生器と、
   前記第二の光合波器からの異なる周波数の２つの光をＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号とし、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、前記ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と前記第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力するＲＦ信号検出器と、
   前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号を前記発振器の出力する発振信号で２位相ロックイン検出して、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と同位相となる同相成分及び前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と直交位相となる直交成分を出力する２相ロックイン検出器と、
   を備えることを特徴とする電磁波検出システム。
2. 前記第一の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第一の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、
   前記第二の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第二の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、
   前記第一の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間と前記第二の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間とが等しい
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出システム。
3. 第一の光源と、
   前記第一の光源と異なる周波数で発光する第二の光源と、
   前記第一の光源からの光を２つに分岐する第一の光分岐器と、
   前記第二の光源からの光を２つに分岐する第二の光分岐器と、
   前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光を合波する第一の光合波器と、
   前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光及び前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光を合波する第二の光合波器と、
   一定の周波数の発振信号を出力する発振器と、
   前記第一の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第二の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第一の光分岐器と前記第二の光合波器との間及び前記第二の光分岐器と前記第二の光合波器との間のいずれかに挿入され、前記発振器からの発振信号で光の周波数を前記発振信号の周波数だけシフトする周波数シフタと、
   前記第一の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、生成した第一のＲＦ信号を被測定物に照射するＲＦ信号発生器と、
   前記第二の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第二のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波して、その差周波数を周波数とする検出信号を出力するＲＦ信号検出器と、
   前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号を前記発振器の出力する発振信号で２位相ロックイン検出して、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と同位相となる同相成分及び前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と直交位相となる直交成分を出力する２相ロックイン検出器と、
   を備えることを特徴とする電磁波検出システム。
4. 前記第一の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第一の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、
   前記第二の光源から前記第一の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間と前記第二の光源から前記第二の光合波器の合波点までの光信号の伝搬遅延時間とが等しく、
   前記第一の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間と前記第二の光合波器の合波点から前記ＲＦ信号検出器の前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波する混合点までの遅延時間とが等しい
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出システム。
5. １の光源からの光を２つに分岐し、
   １の光源と異なる周波数で発光する他の光源からの光を２つに分岐し、
   前記分岐した４つの光のうちの１つを一定の周波数の発振信号の周波数だけシフトさせ、
   前記一定の周波数だけシフトさせた光を含めて、それぞれ分岐した４つの光のうち異なる光源を起源とする２つの光をそれぞれ合波して２組の光とし、
   合波した２組の光のうち一方の組の光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を発生させ、
   前記合波した２組の光のうち他方の組の光をＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号とし、
   前記第一のＲＦ信号を被測定物に照射させ、
   前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、前記ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と前記第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力させ、
   前記検出信号を前記発振信号で２位相ロックイン検出して、前記検出信号と同位相となる同相成分及び前記検出信号と直交位相となる直交成分を出力させる
   ことを特徴とする電磁波検出方法。
6. 前記１の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記１の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、
   前記他の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記他の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、
   前記第一のＲＦ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間と前記ＬＯ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間とが等しくなるように設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波検出方法。
7. １の光源からの光を２つに分岐し、
   １の光源と異なる周波数で発光する他の光源からの光を２つに分岐し、
   前記分岐した４つの光のうちの１つを一定の周波数の発振信号の周波数だけシフトさせ、
   前記一定の周波数だけシフトさせた光を含めて、それぞれ分岐した４つの光のうち異なる光源を起源とする２つの光をそれぞれ合波して２組の光とし、
   合波した２組の光をそれぞれ受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号及び第二のＲＦ信号をそれぞれ発生させ、
   前記第一のＲＦ信号を被測定物に照射させ、
   前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波して、その差周波数を周波数とする検出信号を出力させ、
   前記検出信号を前記発振信号で２位相ロックイン検出して、前記検出信号と同位相となる同相成分及び前記検出信号と直交位相となる直交成分を出力させる
   ことを特徴とする電磁波検出方法。
8. 前記１の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記１の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、
   前記他の光源から、光を２つに分岐した一方を合波するまでの伝搬遅延時間と前記他の光源から、光を２つに分岐した他方を合波するまでの伝搬遅延時間とが等しく、
   前記第一のＲＦ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間と前記第二のＲＦ信号を発生させるために２つの光を合波してから前記被測定物からの第一のＲＦ信号及び前記第二のＲＦ信号を混合しヘテロダイン検波するまでの遅延時間とが等しくなるように設定する
   ことを特徴とする請求項７に記載の電磁波検出方法。

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