JP2020159713A - ドップラー振動計、ドップラー振動計の計測方法及び計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】波長可変連続光光源が照射する連続光のコヒーレント長と同程度又はこれより長い距離で使用する。【解決手段】波長が変化する連続光を生成する波長可変連続光光源１、連続光を２分岐する光スプリッタ２、光スプリッタ２の第１の出力光を周波数変調する光変調器８、及び光変調器８で周波数変調された光に遅延時間を付与して局部発振光ＥＬＯとする光可変遅延手段２０で構成される計測光生成部５０と、光スプリッタ２の第２の出力光をシグナル光ＥＳとしてターゲット２００に照射し、該ターゲット２００で生じる拡散反射光ＥＤを受光するアンテナ部４０と、拡散反射光ＥＤと局部発振光ＥＬＯとを干渉させてコヒーレント検波し、拡散反射光ＥＤの振動周波数を算出する検波処理部６０とで構成され、光可変遅延手段２０は、光遅延線を用いた光可変遅延線２０及び分散性媒質９０によって、光変調器８で周波数変調された光に所定の遅延量を付与する。【選択図】図１

Description

本発明は、ドップラー振動計、ドップラー振動計の計測方法及び計測プログラムに関し、例えば、コヒーレント長の短い安価な光源を使用するドップラーライダーに関する。

ドップラーライダーは、ターゲットの速度、振動周波数を非接触で測定する測定手段である。その測定原理は、ターゲットに光を照射し、そこで生じた散乱光のドップラーシフトを計測するものである。ドップラーライダーは、測定対象にセンサを直接取り付ける方式と比較すると、高温な場所、地盤が極端に軟弱な場所や、高所等の危険な場所に適用できる利点がある。例えば、ドップラーライダーは、橋梁・鉄塔などの建築物の異常振動の検出に適している。

また、ドップラーライダーは、２４ＧＨｚ帯等の電波を使用するドップラーセンサと比較すると、光の波長が電波よりも短いために、微小なターゲットの速度計測や、サブミクロンオーダの微小な振動幅でも計測できることが強みである。

非特許文献１には、ドップラー振動計を用いて、人体の頸動脈の隣接する２箇所で、脈拍の周期のズレを測定する技術が開示されている。

Yanlu Li, Patrick Segers, Joris Dirckx,and Roel Baets、BIO MEDICAL OPTICS EXPRESS,July 2013，Vol.4, No.7, pp.1229-1235

ところで、ドップラーライダーにおいては、連続光光源の照射光を２分岐し、一方をターゲットに照射し、他方を局部発振光とするコヒーレント検波が一般に用いられる。光の干渉を起こさせるため、測定距離範囲で、ターゲットからの散乱光と局部発振光の伝搬時間差は、連続光光源のコヒーレンス時間よりも十分に短くする必要がある。

非特許文献に記載のドップラー振動計は、脈拍の周期を測定するものであるので、ターゲットとの距離は、レーザ光のコヒーレント長よりも極めて短いものである。しかしながら、橋梁や鉄塔をターゲットとするように、測定距離が極めて長くなると、狭線幅の連続光光源（言い換えれば、コヒーレント長の長い連続光光源）を用いる必要があり、コスト面で問題となる。つまり、コヒーレント長が短い安価な連続光光源を用いたときでも、ターゲットとの往復距離が長かったりしたときでも、ターゲットとの往復距離を連続光のコヒーレント長と同程度又はこれより長い距離にする必要がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、連続光光源が照射する連続光のコヒーレント長と同程度又はこれより長い距離で使用することができるドップラー振動計、ドップラー振動計の計測方法及び計測プログラムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のドップラー振動計は、波長が変化する連続光を生成する波長可変連続光光源（１）、前記連続光を２分岐して、第１の光及び第２の光としてそれぞれ出力する光分岐器（２）、前記光分岐器から出力される前記第１の光を周波数変調する第１光変調器（８）、及び前記第１光変調器で周波数変調された光に遅延時間を付与して局部発振光として出力する光可変遅延手段（２０）で構成される計測光生成部（５０）と、前記光分岐器から出力される前記第２の光をシグナル光（Ｅ_Ｓ）として測定対象（２００）に照射し、該測定対象で反射する反射光（例えば、拡散反射光（Ｅ_Ｄ）や散乱光）を受光するアンテナ部（４０）と、前記アンテナ部で受光した前記反射光と前記局部発振光とを干渉させてコヒーレント検波し、前記反射光の振動周波数を算出する検波処理部（６０）とで構成され、前記光可変遅延手段は、光遅延線（２３）を用いた第１遅延量調整手段（２０）及び分散性媒質（９０）を用いた第２遅延量調整手段を備え、前記第１遅延量調整手段及び前記第２遅延量調整手段によって、前記第１光変調器で周波数変調された光に所定の遅延量を付与することを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

アンテナ部から測定対象までの往復距離が連続光のコヒーレント長と同程度以上のときには、コヒーレント検波が困難になる。そこで、アンテナ部から測定対象までの往復距離に相当する遅延量を局部発振光に付与し、遅延した局部発振光と、アンテナ部が受光した反射光とでコヒーレント検波を行う。この遅延量は、光遅延線を用いた第１遅延量調整手段及び分散性媒質を用いた第２遅延量調整手段により付与される。この分散性媒質は、波長可変連続光光源の波長に応じて、遅延量が変化する。なお、波長可変連続光光源の波長可変によって、第２遅延量調整手段は、第１遅延量調整手段の設定分解能の範囲を連続的に可変（微調整）することができる。したがって、第１遅延量調整手段を用いて粗調をし、第２遅延量調整手段を用いて微調することができる。

本発明によれば、連続光光源が照射する連続光のコヒーレント長と同程度又はこれより長い距離で使用することができる。これにより、コヒーレント長が短い安価な連続光光源を使用することができる。

本発明の第１実施形態であるドップラー振動計の構成図である。 本発明の第１実施形態であるドップラー振動計で使用される光可変遅延線の構成図である。 処理部の構成図である。 本発明の第１実施形態であるドップラー振動計の制御部が実行する動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１実施形態であるドップラー振動計の全体動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態であるドップラー振動計の構成図である。 本発明の第２実施形態であるドップラー振動計で使用される光可変遅延線の構成図である。 本発明の第３実施形態であるドップラー振動計の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
（構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態であるドップラー振動計の構成図である。なお、図中の実線は、光配線（例えば、光ファイバ）を示し、破線は電気配線（例えば、同軸ケーブル）を示す。

ドップラー振動計１００は、計測光生成部５０とアンテナ部４０と検波処理部６０と信号処理装置１３と制御部７０とを備える。計測光生成部５０は、レーザ光（シグナル光Ｅ_Ｓ）と、シグナル光Ｅ_Ｓを周波数シフトさせた局部発振光Ｅ_ＬＯとを生成する。アンテナ部４０は、測定対象としてのターゲット２００に、シグナル光Ｅ_Ｓを照射し、ターゲット２００で拡散反射した拡散反射光を受光する。また、検波処理部６０は、アンテナ部４０が受信した反射光としての拡散反射光Ｅ_Ｄと局部発振光Ｅ_ＬＯとを用いてコヒーレント検波を行う。

計測光生成部５０は、連続光光源としての波長可変ＣＷ光源１と、光分岐器としての光スプリッタ２と、光増幅器６と、第１光変調器としての光変調器８と、第１遅延量調整手段としての光可変遅延線２０と、分散性媒質９０とを備える。波長可変ＣＷ光源１は、レーザ光を出射する波長可変ＣＷ（Continuous Wave）レーザ光源である。多くのドップラーライダーでは、線幅が数１００ｋＨｚ（線幅１００ｋＨｚでコヒーレント長３ｋｍ）以下の連続光光源を使用するが、本実施形態では、高価な光源の使用回避が目的なので、線幅１〜１０ＭＨｚ（コヒーレント長３００ｍ〜３０ｍ）程度の安価な光源（例えば、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザ等）を使用する。波長可変ＣＷ光源１の波長は、Ｃ(Conventional)-bandの１５３０〜１５６５ｎｍの範囲で可変可能であることが好ましい。この波長可変により、分散性媒質９０は、第２遅延量調整手段として機能する。そして、光可変遅延線２０と分散性媒質９０とは、光可変遅延手段として機能する。

光スプリッタ２は、波長可変ＣＷ光源１が出射する連続光を第１の光及び第２の光に２分岐し、第１の光を光変調器８に出射し、第２の光を光増幅器６に出射する無偏光ビームスプリッタである。光スプリッタ２のパワー分岐比は、後記するバランスフォトディテクタ１１及びバランスフォトディテクタ１２に適切なパワーの局部発振光を入力し、且つターゲット２００からの散乱光のＳＮ比を大幅に劣化させないように選択される。

光増幅器６は、光ファイバ増幅器と半導体光増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）との何れを用いても構わず、光パワーが足りるのであれば無くても構わない。光増幅器６は、JIS C 6802で規定されたアイセーフの条件を満たす範囲内で、なるべく高利得・高パワー出力であるとよい。光増幅器６の出力光をシグナル光Ｅ_Ｓと称する。なお、シグナル光Ｅ_Ｓは、波長可変ＣＷ光源１が出射する連続光と位相が同期していればよく、第２実施形態のように、周波数が異なっていても構わない。

光変調器８は、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）であり、周波数ｆ_０（４０ＭＨｚ〜４００ＭＨｚ、例えば、８０ＭＨｚ）の高周波電力を供給することにより、レーザ光が通過する結晶（例えば、ＰｂＭｏＯ_４）に超音波による回折格子が形成される。結晶を通過中に、レーザ光は、回折角だけ偏向すると共に、光周波数がｆ_０だけシフトする。つまり、光変調器８は、光周波数シフタとして機能する。

光可変遅延線２０は、遅延量をデジタル的に可変可能な遅延素子である。ドップラー振動計１００は、０ｍ近傍〜約百ｍ以上離れたターゲット２００を測定対象にしている。このため、光可変遅延線２０は、０ｍ近傍〜約百ｍの範囲と同程度の桁で、遅延量を可変することができる。光可変遅延線２０の詳細は、図２を用いて後記する。

分散性媒質９０は、光可変遅延線２０の出射光を入射し、局部発振光Ｅ_ＬＯとして検波処理部６０の光９０°ハイブリッドカプラ１０に出射する。分散性媒質９０は、分散補償ファイバやＦＢＧ(Fiber Bragg Grating)のように、短距離・低損失で十分な分散量を有する素子が好ましい。また、分散性媒質９０は、可変分散補償器のような素子を適用してもよく、そのときには分散量の変化によって遅延量が制御される。

分散性媒質９０は、光の波長変化によって素材の屈折率が変わるので、伝搬速度が変わる性質を有する。つまり、分散性媒質９０は、入射光の波長を変えると、光の遅延時間が変わる性質を有する。例えば、分散性媒質９０の分散量が２００［ｐｓ／ｎｍ］、波長可変ＣＷ光源１の波長可変範囲が３３．３［ｎｍ］である場合には、波長変化による可変距離範囲は２［ｍ］となる。このため、光可変遅延線２０の距離分解能は４［ｍ］とすればよい。

図２は、本発明の第１実施形態であるドップラー振動計で使用される光可変遅延線の構成図である。
可変することができる遅延素子は商用化されていない。そこで、図２の構成の光可変遅延線２０を新規製作した。

光可変遅延線２０は、Ｚ（自然数）段（例えば、７段）の光遅延部２９ａ，２９ｂ，・・・，２９ｎ，・・・，２９ｚ（不図示）が縦続接続されて構成されており、光変調器８（図１）の出力光を設定された遅延量で遅延させて、最終段の遅延光を分散性媒質９０に出射する。Ｎ（１〜Ｚの自然数）段目の光遅延部２９ｎは、初段（Ｎ＝１）の遅延量をΔＬ［ｍ］としたとき、２^Ｎ−１ΔＬ［ｍ］の遅延量と、遅延量ゼロとが光スイッチ２２で切り替えられるように構成されている。これにより、光可変遅延線２０は、遅延量０〜（２^ＺΔＬ−ΔＬ）まで、２^Ｚ段階で可変することができる。例えば、Ｚ＝７、ΔＬ＝１［ｍ］のとき、２^７＝１２８段階で可変可能であり、最大可変範囲１２７［ｍ］となる。

例えば、初段（１段目）の光遅延部２９ａは、光サーキュレータ２１ａと、光スイッチ２２ａと、２つのミラー２４ａ，２５ａと、光遅延線２３ａとを備える。光サーキュレータ２１ａは、第１段目の入射光（光変調器８（図１）の出射光）を光スイッチ２２ａに出射し、光スイッチ２２ａからの戻り光を次段の光遅延部２９ｂ（光サーキュレータ２１ｂ）に出射する。光スイッチ２２ａは、短光路と長光路とを切り替える。短光路は、ミラー２４ａの往復光路であり、長光路は、光遅延線２３ａ及びミラー２５ａの往復光路である。つまり、光スイッチ２２ａは、光サーキュレータ２１ａからの入力光をミラー２４ａと光遅延線２３ａとの何れかに出射するように光路を切り替える。ミラー２４ａは、光サーキュレータ２１ａが出射する光を反射し、遅延量ゼロで光サーキュレータ２１ａに戻す。

光遅延線２３ａは、遅延量（１／２）ΔＬの自由空間伝搬長に相当する長さの光ファイバである。ΔＬは、光可変遅延線２０の全遅延量の設定分解能であり、例えば、線幅１〜１０ＭＨｚ（コヒーレント長３００ｍ〜３０ｍ）程度の連続光光源を用いる場合は、１［ｍ］程度が好ましい。なお、分散性媒質９０の可変距離範囲を２［ｍ］としたときには、光可変遅延線２０は、初段（Ｎ＝１）の遅延量ΔＬを４［ｍ］とすることができる。ミラー２５ａは、光遅延線２３ａの出射光を反射するものである。ミラー２５ａによる反射光は、光遅延線２３ａを介して、光スイッチ２２ａに戻る。つまり、光遅延線２３ａの遅延量は、往復でΔＬ［ｍ］となる。

ミラー２４ａ又はミラー２５ａで反射し、光スイッチ２２ａに戻った光は、光サーキュレータ２１ａに戻り、光サーキュレータ２１ａが次段の光遅延部２９ｂ（光サーキュレータ２１ｂ）に出射する。つまり、光遅延部２９ａの遅延量は、光スイッチ２２ａの状態に応じて、短光路でのゼロ又は長光路でのΔＬとなる。なお、短光路は、限りなくゼロに近いことが好ましく、少なくとも短光路の遅延量δと光遅延部２９の全段数Ｚとの積が長光路での往復遅延量ΔＬよりも小さくすることにより、遅延量の分解能に影響を及ぼさない。

また、Ｎ段目では、光サーキュレータ２１ｎは、第Ｎ入射光を光スイッチ２２ｎに入射させる。光スイッチ２２ｎは、第Ｎ入射光をミラー２４ｎ及び光遅延線２３ｎの何れか一方に出射する。光遅延線２３ｎは、第Ｎ入射光を遅延させ遅延光をミラー２５ｎに照射する。ミラー２４ｎは、第Ｎ入射光を反射し、ミラー２５ｎは、第Ｎ入射光を遅延させた遅延光を反射させる。そして、光遅延線２３ｎは、ミラー２５ｎで反射した反射光をさらに反射させ、第Ｎ遅延反射光を生成する。そして、光スイッチ２２ｎは、ミラー２４ｎで反射した第Ｎ反射光と第Ｎ遅延反射光との何れかを切り替える。光サーキュレータ２１ｎは、光スイッチ２２ｎで切り替えた第Ｎ反射光と第Ｎ遅延反射光との何れか一方を次段の第（Ｎ＋１）入射光とする。

ここで、光遅延線２３ｎの遅延量は、２^Ｎ−２ΔＬであり、光遅延部２９ｎの遅延量は、スイッチ２２ｎの状態に応じて、短光路でゼロ又は長光路で２^Ｎ−１ΔＬである。光遅延線２３ｎは、２^Ｎ−２ΔＬの空間伝搬長に相当するような長さの光ファイバを用いる。なお、全ての光スイッチ２２ａ，２２ｂ，・・・，２２ｎ，・・・，２２ｚ（不図示）がミラー２４ａ，２４ｂ，・・・，２４ｎ，・・・２４ｚ側の光路を選択し、全遅延量がゼロとなったとき、ドップラー振動計１００は、最短測定距離の遅延時間を補償できるように、適宜調整されているものとする。

図１の説明に戻り、アンテナ部４０は、光サーキュレータ３と、光アンテナ４とを有し、光サーキュレータ３と光アンテナ４との間は、実線で示す光ファイバで接続されている。また、本実施形態のアンテナ部４０は、ターゲット２００との距離を計測する距離計７を、光アンテナ４の近傍に配設している。光サーキュレータ３は、計測光生成部５０の光増幅器６が出射するシグナル光Ｅ_Ｓを光アンテナ４に接続する光ファイバに出射すると共に、光アンテナ４から戻る拡散反射光Ｅ_Ｄを検波処理部６０の光９０°ハイブリッドカプラ１０に出射するものである。

光アンテナ４は、その内部にレンズ（コリメートレンズ）を備えており、光ファイバを伝搬する光を空間に放出し、空間を伝搬した光を光ファイバに結合させるファイバコリメータである。例えば、thorlab社の型番 C40APC-Cのような製品を適用できる。光アンテナ４は、シグナル光Ｅ_Ｓをターゲット２００に向けて照射し、ターゲット２００の表面で拡散した拡散反射光Ｅ_Ｄの一部を取り込むものである。

距離計７は、内蔵する光アンテナから送出された光パルスが光アンテナとターゲット２００との間を往復する伝搬時間を計測することで距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）技術を利用したものである。本実施形態では、分散性媒質９０で遅延時間の微調を行うので、距離計７の測定距離分解能は、例えば、１０ｃｍ以下であることが好ましい。なお、距離計７は、必要な距離分解能を満たせば、左右の視差を用いて、測定対象であるターゲット２００との距離を計測するステレオカメラであっても構わない。

制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、内蔵する記憶部（FROM）に格納された計測プログラムを実行することにより、距離計７を制御し、計測結果に基づいて、光可変遅延線２０の光スイッチ２２ａ，２２ｂ，・・・を制御する。

検波処理部６０は、光９０°ハイブリッドカプラ１０と２組のバランスフォトディテクタ１１，１２を有し、ターゲット２００の表面で拡散反射した拡散反射光Ｅ_Ｄと、局部発振光Ｅ_ＬＯとをヘテロダイン検波する。拡散反射光Ｅ_Ｄと局部発振光Ｅ_ＬＯとの周波数差は、光変調器８に供給する高周波電力の周波数ｆ_０（例えば、８０ＭＨｚ）である。このため、ターゲット２００が静止していれば、ヘテロダイン検波のビート周波数もｆ_０となる。

光９０°ハイブリッドカプラ１０は、拡散反射光Ｅ_Ｄと局部発振光Ｅ_ＬＯとを合波し、位相反転した２つの干渉波である干渉波ペアを２組生成するものである。光９０°ハイブリッドカプラ１０は、位相反転したペアのうち一方を上側２つで出力し、他方の位相反転したペアを下側２つで出力する。

ここで、拡散反射光Ｅ_Ｄの複素振幅をＥ_Ｄ＝√Ｐ_Ｓexp（ｊωｔ＋ｊθ_Ｄ１＋ｊθ_Ｄ２）とし、局部発振光Ｅ_ＬＯの複素振幅をＥ_ＬＯ＝√Ｐ_ＬＯexp（ｊωｔ＋ｊω_０ｔ＋ｊθ_ＬＯ）とする。ここで、ωは波長可変ＣＷ光源１により生成した連続光の各周波数、ω_０は光変調器８によるシフト角周波数ω_０＝２πｆ_０、θ_ＬＯは局部発振光Ｅ_ＬＯの位相、θ_Ｄ１はターゲット２００が静止しているときの拡散反射光Ｅ_Ｄの位相、θ_Ｄ２はターゲット２００の振動により生じた拡散反射光Ｅ_Ｄの位相変化である。ターゲット２００の振動周波数ｆ_Ｄ＝１／（２π）・ｄθ_Ｄ２／ｄｔを演算する、または周波数・強度変換器やＦＦＴ（Fast Fourier Transform）などの周波数測定手段により振動周波数ｆ_Ｄを得る。

光９０°ハイブリッドカプラ１０は、位相反転した２つの干渉波である干渉波ペアを２組生成する。この一方の干渉波ペアは、Ｅ_１＝１／２・（Ｅ_Ｄ＋Ｅ_ＬＯ）、及びＥ_２＝１／２・（Ｅ_Ｄ−Ｅ_ＬＯ）であり、他方の干渉波ペアは、Ｅ_３＝１／２・（Ｅ_Ｄ＋ｊＥ_ＬＯ）、及びＥ_４＝１／２・（Ｅ_Ｄ・ｊＥ_ＬＯ）である。

バランスフォトディテクタ１１，１２は、２つのフォトダイオードを備え、電流−電圧変換のための負荷抵抗器Ｒ、又はトランスインピーダンスアンプを備える。ここでは、負荷抵抗Ｒを備えた場合を例に挙げて説明する。バランスフォトディテクタ１１の光電変換器は、内部の光電変換器の出力電流をＩ_１，Ｉ_２とすると、（Ｉ_１−Ｉ_２）の出力電流が負荷抵抗器Ｒに流れる。バランスフォトディテクタ１２の光電変換器は、内部の光電変換器の出力電流をＩ_３，Ｉ_４とすると、（Ｉ_３−Ｉ_４）の出力電流が負荷抵抗器Ｒに流れる。ここで、バランスフォトディテクタ１１の負荷抵抗器Ｒに流れる平均電流をＩ(In-Phase)軸電流Ｉ_Ｉとし、バランスフォトディテクタ１２の負荷抵抗器Ｒに流れる平均電流をＱ(Quadrature)軸電流Ｉ_Ｑとする。

Ｉ_Ｑ＝Ｉ_３−Ｉ_４＝η（｜Ｅ_３｜^２−｜Ｅ_４｜^２）／２＝η√（Ｐ_ＤＰ_ＬＯ／２）／２・sin（ω_０ｔ＋θ_Ｄ１＋θ_Ｄ２−θ_ＬＯ）
Ｉ_Ｉ＝Ｉ_１−Ｉ_２＝η（｜Ｅ_１｜^２−｜Ｅ_２｜^２）／２＝η√（Ｐ_ＤＰ_ＬＯ／２）／２・cos（ω_０ｔ＋θ_Ｄ１＋θ_Ｄ２−θ_ＬＯ）
ここで、ηは、変換効率［Ａ／Ｗ］である。

tan^−１（Ｉ_Ｑ／Ｉ_Ｉ）＝ω_０ｔ＋θ_Ｄ１＋θ_Ｄ２−θ_ＬＯとなる。
ここで、局部発振光Ｅ_ＬＯの光路と拡散反射光Ｅ_Ｄの光路との差（遅延長）が波長可変ＣＷ光源１のコヒーレンス長よりも短く、両者の位相の相関が保持されている場合、θ_Ｄ１−θ_ＬＯは時間経過により変化しない定数とみなせる。つまり、ｄ（θ_Ｄ１−θ_ＬＯ）／ｄｔ≒０と近似できる。また、ω_０は設計者により指定されており、既知の値である。

したがって、信号処理装置１３（図１）は、tan^−１（Ｉ_Ｑ／Ｉ_Ｉ）を演算すれば、ターゲット２００の振動周波数ｆ_Ｄ＝１／（２π）・ｄθ_Ｄ２／ｄｔを演算することができる。また、信号処理装置１３は、内部のＡＤ変換器を用いて、Ｉ軸電流Ｉ_Ｉ及びＱ軸電流Ｉ_Ｑを記憶し、取得データの雑音除去、周波数・速度解析などを行う。

図４は、本発明の第１実施形態であるドップラー振動計の制御部が実行する動作を説明するためのフローチャートである。このルーチンは、使用者による計測スイッチの押下や、周期的な割込発生などによっても起動する。
制御部７０は、距離計７でターゲット２００との距離を測定する（ＳＰ１）。ＳＰ１の後、制御部７０は、遅延量として、距離計７が計測した距離の２倍を演算する（ＳＰ２）。ＳＰ２の後、制御部７０は、光可変遅延線２０のスイッチ２２ａ，２２ｂ，・・・，２２ｎ，・・・にＳＰ２で演算した遅延量を設定し（ＳＰ３）、波長可変ＣＷ光源１の波長を設定する（ＳＰ４）。このとき、光可変遅延線２０のスイッチ２２ａ，２２ｂ，・・・，２２ｎ，・・・で粗調し、光遅延線２０の設定分解能ΔＬ（つまり、光遅延部２９ａ（図２）の往復遅延時間）を波長可変ＣＷ光源１の波長で微調することが好ましい。これにより、拡散反射光Ｅ_Ｄのノイズの影響を低減することができる。

これにより、光可変遅延線２０は、光アンテナ４とターゲット２００との間の往復で生じたシグナル光Ｅ_Ｓや拡散反射光Ｅ_Ｄの遅延時間を補償する。つまり、ターゲット２００に向けて出射したシグナル光Ｅ_Ｓが拡散反射光Ｅ_Ｄとして光アンテナ４に戻ってきた時に、局部発振光Ｅ_ＬＯが光９０°ハイブリッドカプラ１０に入射する。このため、光アンテナ４とターゲット２００との往復距離がシグナル光Ｅ_Ｓのコヒーレント長よりも長い場合であっても、ターゲット２００が無振動のとき、拡散反射光Ｅ_Ｄの位相と局部発振光Ｅ_ＬＯの位相とが同期する。このため、光９０°ハイブリッドカプラ１０の内部で、拡散反射光Ｅ_Ｄと局部発振光Ｅ_ＬＯとは干渉し、コヒーレント検波による位相検出が可能となる。

図５は、本発明の第１実施形態であるドップラー振動計１００の全体動作を説明するためのフローチャートである。
このルーチンが実行される前に、予めターゲット２００とアンテナ部４０との距離が計測されているものとする。また、制御部７０は、その測定された距離から演算されたシグナル光の伝播時間に相当する遅延量（遅延時間）を演算し、演算した遅延量を光可変遅延線２０に設定しているものとする。

ドップラー振動計１００は、波長可変ＣＷ光源１で連続光を生成し（ＳＰ１１）、生成した連続光を光スプリッタ２で２分岐する（ＳＰ１２）。そして、ＳＰ１２で２分岐した一方の分岐光を光変調器８で周波数変調する（ＳＰ１３）。さらに、ＳＰ１２で２分岐した他方の分岐光をシグナル光としてアンテナ部４０でターゲット２００に照射する（ＳＰ１４）。そして、ＳＰ１３で周波数変調された光に対して、制御部７０で設定された遅延量を光可変遅延線２０及び分散性媒質９０の組合せに付与して局部発振光を生成する（ＳＰ１５）。そして、ターゲット２００で拡散反射した拡散反射光をアンテナ部４０で受光する（ＳＰ１６）。ＳＰ１６で受光した拡散反射光とＳＰ１５で生成した局部発振光とを干渉させてコヒーレント検波する（ＳＰ１７）。これにより、ターゲット２００の振動が計測される。ドップラー振動計１００は、必要に応じてＳＰ１２以降を繰り返してターゲット２００の振動を計測する。

（第２実施形態）
前記第１実施形態の光可変遅延線２０（図２）は、複数の光サーキュレータ２１ａ，２１ｂ，・・・，２１ｎ，・・・を設けたが、光サーキュレータを設けることなく、同様の機能を実現することができる。また、ドップラー振動計１００は、シグナル光Ｅ_Ｓと局部発振光Ｅ_ＬＯとの周波数差を光変調器８に供給する高周波電力の周波数ｆ_０（例えば、８０ＭＨｚ）にしたが、シグナル光Ｅ_Ｓと局部発振光Ｅ_ＬＯとの周波数差をｆ_０よりもより小さくすることができる。また、ドップラー振動計１００は、単一の光アンテナ４でシグナル光Ｅ_Ｓをターゲット２００に照射させると共に、拡散反射光Ｅ_Ｄを入射させたが、光アンテナ４と異なる光アンテナに拡散反射光Ｅ_Ｄを入射させることができる。

図６は、本発明の第２実施形態であるドップラー振動計の構成図である。
前記第１実施形態と同様に、ドップラー振動計１１０は、計測光生成部５１とアンテナ部４１と検波処理部６０と信号処理装置１３と制御部７０とを備える。

計測光生成部５１は、連続光光源としての波長可変ＣＷ光源１と、光分岐器としての光スプリッタ２と、光増幅器６と、２つの光変調器８，９と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）発振器８０と、第１遅延量調整手段としての光可変遅延線３０と、分散性媒質９０とを備える。波長可変ＣＷ光源１と光スプリッタ２と光増幅器６と光変調器８とは、前記第１実施形態で説明したので、説明を省略する。なお、前記第１実施形態で説明したように、分散性媒質９０は、波長可変により、第２遅延量調整手段として機能する。

光変調器９は、光スプリッタ２と光増幅器６との間に挿入されるものであり、光変調器８と同一構成である。しかしながら、光変調器９に供給される高周波電力の周波数ｆ_１は、光変調器８に供給される高周波電力の周波数ｆ_０に対してΔｆ（例えば、１ＭＨｚ）だけズレており、ｆ_１＝ｆ_０±Δｆである。つまり、光変調器９に供給される高周波電力の周波数ｆ１は、例えば、７９ＭＨｚ又は８１ＭＨｚである。

ＰＬＬ発振器８０は、光変調器８に供給される高周波電力（周波数ｆ_０）と光変調器９に供給される高周波電力（周波数ｆ_１＝ｆ_０±Δｆ）とを位相同期させる。これにより、計測光生成部５１は、シグナル光Ｅ_Ｓと局部発振光Ｅ_ＬＯとのビート周波数（Δｆ）を低くすることができる。このため、バランスフォトディテクタ１１，１２や信号処理装置１３を安価、且つ容易に作成することができる。

図７は、本発明の第２実施形態であるドップラー振動計で使用される光可変遅延線の構成図である。
光可変遅延線３０は、前記第１実施形態の光可変遅延線２０（図２）と同様に、Ｚ段（７段）の光遅延部３９ａ，３９ｂ，・・・，３９ｎ，・・・，３９ｚ（不図示）が縦続接続されているが、最終段に光スイッチ３４を設けている点で光可変遅延線２０と相違する。つまり、Ｚ段の可変遅延線３０は、Ｚ個の光スイッチ３２ａ，３２ｂ，・・・，３２ｎ，・・・，３２ｚと、Ｚ個の光遅延線３３ａ，３３ｂ，・・・，３３ｎ，・・・，３３ｚと、光スイッチ３４とを備える。

初段の光スイッチ３２ａは、光変調器８（図６）からの入力光を、短光路と長光路との何れか一方に切り替え、次段の光遅延部３９ｂに出射する。つまり、光スイッチ３２ａは、光遅延線３３ａと次段の光遅延部３９ｂ（光スイッチ３２ｂ）との何れか一方に出射させる。光遅延線３３ａは、長光路を形成し、前記第１実施形態の光遅延線２３ａ（図２）と異なり、遅延量ΔＬの空間伝搬長に相当する長さの光ファイバである。光スイッチ３２ａの他方の出力端と次段の光遅延部３９ｂ（光スイッチ３２ｂ）とは、短光路を形成し、長さゼロである。これらの構成により、光遅延部３９ａの遅延量は、光スイッチ３２ａの状態に応じて、短光路でゼロ又は長光路でΔＬとなる。

Ｎ段目では、光遅延線３３ｎの遅延量は、２^Ｎ−１ΔＬであり、光遅延部３９ｎの遅延量は、光スイッチ３２ｎの状態に応じて、ゼロ又は２^Ｎ−１ΔＬである。光遅延線３３ｎは、２^Ｎ−１ΔＬの空間伝搬長に相当するような長さの光ファイバを用いる。

最終段の光スイッチ３４は、光遅延線３３ｚ（不図示）の出射光と、前段の光スイッチ３２ｚ（不図示）の出射光とを１出力にするものである。光遅延線３４の出射光と、前段の光スイッチ３２ｚの出射光とは、前段の光スイッチ３２ｚが何れか一方に切り替える。このため、光スイッチ３４は、光カプラに置きかえることができる。

図６の説明に戻り、アンテナ部４１は、２つの光アンテナ４，５と距離計７とを備える。光アンテナ４は、計測光生成部５１の光増幅器６からのシグナル光Ｅ_Ｓをターゲット２００に照射する。光アンテナ５は、ターゲット２００で拡散反射した拡散反射光Ｅ_Ｄを受信し、検波処理部６０の光９０°ハイブリッドカプラ１０に出射する。なお、光アンテナ４と光増幅器６との間や、光アンテナ５と光９０°ハイブリッドカプラ１０との間は、光ファイバケーブルで接続されている。距離計７は、ターゲット２００との距離を測定するものであり、前記第１実施形態と同様に、光アンテナ４，５の近傍に配設される。

本実施形態のドップラー振動計１１０は、前記第１実施形態のドップラー振動計１００に比較して、光可変遅延線２０が光可変遅延線３０に変わった点と、アンテナ部４０がアンテナ部４１に変わった点と、光変調器９及びＰＬＬ発振器８０が追加された点とで相違する。これら３つの相違点の組合せは、任意である。例えば、前記第１実施形態のドップラー振動計１００の光可変遅延線２０を光可変遅延線３０に変えただけでも構わない。また、前記第１実施形態のドップラー振動計１００のアンテナ部４０をアンテナ部４１に変えただけでも構わない。

（第３実施形態）
前記第１，２実施形態の計測光生成部５０，５１は、光変調器８と分散性媒質９０との間に光可変遅延線２０が挿入されていたが、光可変遅延線２０を用いることなく、分散性媒質９０のみで遅延させることができる。

図８は、本発明の第３実施形態であるドップラー振動計の構成図である。
ドップラー振動計１２０は、前記各実施形態と同様に、計測光生成部５２とアンテナ部４０と検波処理部６０と信号処理装置１３と制御部７０とを備える。計測光生成部５２は、連続光光源としての波長可変ＣＷ光源１と、光分岐器としての光スプリッタ２と、光増幅器６と、第１光変調器としての光変調器８と、分散性媒質９０とを備える。

分散性媒質９０は、光変調器８の出射光を入射し、局部発振光Ｅ_ＬＯとして検波処理部６０の光９０°ハイブリッドカプラ１０に出射する。これにより、ドップラー振動計１２０は、分散性媒質９０による遅延量のみになり、光アンテナ４とターゲット２００との距離を短くする必要がある。しかしながら、分散性媒質９０による遅延量のみで十分な状況下では、分散性媒質９０による遅延は、拡散反射光Ｅ_Ｄにノイズ低減効果を生じさせ、有意義である。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。

（１）前記各実施形態のドップラー振動計１００，１１０，１２０は、光増幅器６を使用したが、波長可変ＣＷ光源１が出射するレーザ光の強度が強ければ、光増幅器６が不要となる。前記実施形態のドップラー振動計１００，１１０は、ターゲット２００で拡散反射した拡散反射光Ｅ_Ｄを受光したが、雲、霧や塵等で散乱する散乱光を受光することもできる。また、ドップラー振動計１００，１１０，１２０は、拡散反射光Ｅ_Ｄ及び散乱光を受光しても構わない。

（２）前記各実施形態の検波処理部６０は、Ｉ軸電流Ｉ_Ｉ及びＱ軸電流Ｉ_Ｑを出力したが、Ｉ軸電流Ｉ_Ｉ及びＱ軸電流Ｉ_Ｑの何れか一方のみが必要である場合では、光９０°ハイブリッドカプラ１０を２入力２出力でパワー分岐比１：１の通常のカプラに置き換え、バランスフォトディテクタ１２を除去しても構わない。この場合、瞬時速度の符号が判別できなくなるが、振動周波数の計測は同様に可能であり、また検波処理部６０のコストは半減できる。

（３）前記各実施形態の光可変遅延線２０，３０は、最終段の光遅延部２９ｚ，３９ｚ（不図示）は、遅延量を２^Ｚ−１ΔＬとしたが、さらに他の光遅延線を縦続接続（追加）し、最短測定距離の遅延時間を補償するように、調整しても構わない。また、最終段（第Ｚ段目）の光遅延部２９ｚ，３９ｚと検波処理部６０との間に、波長可変ＣＷ光源１のコヒーレント長以上の長さの光遅延線を追加挿入しても構わない。追加挿入する光遅延線の遅延量は、例えば、最小測定距離の２倍に設定することが考えられる。これにより、光可変遅延線２０，３０の可変範囲が制限されたとき、ドップラー振動計１００，１１０は、最小測定距離を超える距離で振動測定を行うことが可能である。

（４）前記各実施形態のドップラー振動計１００，１１０は、距離計７を含めたが、別体でも構わない。このときには、使用者が距離計７を用いて、ターゲット２００との距離を測定し、測定距離に基づいて、光可変遅延線２０，３０の光スイッチ２２，３２を設定すればよい。

（５）前記実施形態のドップラー振動計１００，１１０は、コヒーレント検波としてヘテロダイン検波を行ったが、ホモダイン検波を行っても構わない。

１ 波長可変ＣＷ光源（波長可変連続光光源）
２ 光スプリッタ（光分岐器）
３ 光サーキュレータ
４，５ 光アンテナ
６ 光増幅器
７ 距離計
８ 光変調器（第１光変調器）
９ 光変調器（第２光変調器）
１０ 光９０°ハイブリッドカプラ
１３ 信号処理装置
２０，３０ 光可変遅延線（光可変遅延手段、第１遅延量調整手段）
２１ａ，２１ｂ，・・・，２１ｎ，・・・，２１ｚ 光サーキュレータ
２２ａ，２２ｂ，・・・，２２ｎ，・・・，２２ｚ 光スイッチ
２３ａ，２３ｂ，・・・，２３ｎ，・・・，２３ｚ 光遅延線
２４ａ，２５ａ，２４ｂ，２５ｂ，・・・，２４ｎ，２５ｎ，・・・，２４ｚ，２５ｚ ミラー
２９ａ，２９ｂ，・・・，２９ｎ，・・・，２９ｚ，３９ａ，・・・，３９ｎ，・・・，３９ｚ 光遅延部
３２ａ，３２ｂ，・・・，３２ｎ，・・・，３２ｚ 光スイッチ
３３ａ，３３ｂ，・・・，３３ｎ，・・・，３３ｚ，３４ 光遅延線
４０，４１ アンテナ部
５０，５１，５２ 計測光生成部
６０ 処理部
７０ 制御部
８０ ＰＬＬ発振器
９０ 分散性媒質（光可変遅延手段、第２遅延量調整手段）
１００，１１０，１２０ ドップラー振動計
２００ ターゲット（測定対象）

Claims (20)

1. 波長を可変することのできる波長可変連続光光源、前記波長可変連続光光源が出射する連続光を２分岐して、第１の光及び第２の光としてそれぞれ出力する光分岐器、前記光分岐器から出力される前記第１の光を周波数変調する第１光変調器、及び前記第１光変調器で周波数変調された光に遅延時間を付与して局部発振光として出力する光可変遅延手段で構成される計測光生成部と、
   前記光分岐器から出力される前記第２の光をシグナル光として測定対象に照射し、該測定対象で反射する反射光を受光するアンテナ部と、
   前記アンテナ部で受光した前記反射光と前記局部発振光とを干渉させてコヒーレント検波し、前記反射光の振動周波数を算出する検波処理部とで構成され、
   前記光可変遅延手段は、
   光遅延線を用いた第１遅延量調整手段及び分散性媒質を用いた第２遅延量調整手段を備え、
   前記第１遅延量調整手段及び前記第２遅延量調整手段によって、前記第１光変調器で周波数変調された光に所定の遅延量を付与する
   ことを特徴とするドップラー振動計。
2. 請求項１に記載のドップラー振動計であって、
   前記第２遅延量調整手段は、分散性媒質である
   ことを特徴とするドップラー振動計。
3. 請求項１又は請求項２に記載のドップラー振動計であって、
   前記所定の遅延量は、距離計で計測した前記測定対象との距離から前記シグナル光の伝播時間に相当する遅延量である
   ことを特徴とするドップラー振動計。
4. 請求項３に記載のドップラー振動計であって、
   前記計測光生成部は、前記光分岐器の他方の出力光を増幅して前記シグナル光として前記アンテナ部に出力する光増幅器をさらに備える
   ことを特徴とするドップラー振動計。
5. 請求項３又は請求項４に記載のドップラー振動計であって、
   前記第１遅延量調整手段は、第Ｎ（２以上の自然数）入射光を反射した第Ｎ反射光と、該第Ｎ入射光を遅延反射した第Ｎ遅延反射光とを切り替えて出力するＺ個の光遅延部が縦続接続されており、
   初段の第１入射光は、前記第１光変調器で周波数変調された光であり、
   Ｎ段目の光遅延部は、前段の第（Ｎ−１）反射光と前段の第（Ｎ−１）遅延反射光との何れかを前記第Ｎ入射光とし、前記第Ｎ反射光と前記第Ｎ遅延反射光との何れかを次段の第（Ｎ＋１）入射光とし、
   前記局部発振光は、最終段の第Ｚ反射光と第Ｚ遅延反射光との何れかである
   ことを特徴とするドップラー振動計。
6. 請求項５に記載のドップラー振動計であって、
   前記Ｎ段目の光遅延部の各々は、
   前記第Ｎ入射光又は前記第Ｎ入射光を遅延した遅延光を反射させるミラーと、
   前記遅延光を生成すると共に、前記遅延光を前記ミラーで反射した反射光を遅延させ、前記第Ｎ遅延反射光を生成する光遅延線と、
   前記ミラーで反射した前記第Ｎ反射光と前記第Ｎ遅延反射光との何れかを切り替える光スイッチと、
   前記第Ｎ入射光を前記光スイッチに入射させ、前記光スイッチで切り替えた前記第Ｎ反射光と前記第Ｎ遅延反射光との何れか一方を次段の第入射光とする光サーキュレータと
   を備えることを特徴とするドップラー振動計。
7. 請求項６に記載のドップラー振動計であって、
   第Ｎ段目の前記光遅延線は、初段の長さをΔＬ／２としたとき、２^Ｎ−２ΔＬの長さであり、
   Ｚ個の前記光スイッチは、前記距離に応じて、切り替えられる
   ことを特徴とするドップラー振動計。
8. 請求項３に記載のドップラー振動計であって、
   前記第１遅延量調整手段は、第Ｎ（自然数）入射光を第１出射光と第２出射光との何れかに切り替える光スイッチと、該第２出射光を遅延させ、次段の光スイッチに入射させる光遅延線とを有するＺ段の光遅延部が縦続接続されており、
   該光遅延線の出射光又は前記第１出射光は、次段の光スイッチの入射光となり、
   初段の第１入射光は、前記第１光変調器で周波数変調された光であり、
   前記局部発振光は、最終段の光遅延線の出射光又は最終段の前記第１出射光である
   ことを特徴とするドップラー振動計。
9. 請求項８に記載のドップラー振動計であって、
   第Ｎ段目の前記光遅延線は、初段の長さをΔＬとしたとき、２^Ｎ−１ΔＬの長さであり、
   Ｚ個の前記光スイッチは、前記距離に応じて、切り替えられる
   ことを特徴とするドップラー振動計。
10. 請求項７又は請求項９に記載のドップラー振動計であって、
    前記第１遅延量調整手段は、最終段の光遅延部と前記検波処理部との間に、前記波長可変連続光光源のコヒーレント長以上の長さの光遅延線が挿入されている
    ことを特徴とするドップラー振動計。
11. 請求項１に記載のドップラー振動計であって、
    前記第１遅延量調整手段は、少なくとも一つの光遅延部を備え、
    各々の前記光遅延部は、短光路と長光路と該短光路及び該長光路とを切り替える光スイッチとを備える
    ことを特徴とするドップラー振動計。
12. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のドップラー振動計であって、
    前記第１遅延量調整手段は、Ｚ（２以上の自然数）個の光遅延部が縦続接続されたものであり、
    各々の前記光遅延部は、短光路と長光路と該短光路及び該長光路とを切り替える光スイッチとを備え、
    第Ｎ（２以上Ｚ以下の自然数）段目の前記光遅延部は、
    第（Ｎ−１）段目の前記短光路、及び前記長光路の何れか一方を通過した光を前記光スイッチの入射光とする
    ことを特徴とするドップラー振動計。
13. 請求項１２に記載のドップラー振動計であって、
    １段目の長光路の長さは、ΔＬであり、
    第Ｎ段目の前記長光路の長さは、２^Ｎ−１ΔＬになっている
    ことを特徴とするドップラー振動計。
    
14. 請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載のドップラー振動計であって、
    前記測定対象で反射する反射光は、拡散反射光及び散乱光の何れか一方又は双方である
    ことを特徴とするドップラー振動計。
15. 請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載のドップラー振動計であって、
    前記アンテナ部は、光アンテナと、前記シグナル光を該光アンテナに送信し、該光アンテナを介して受信した前記反射光を前記検波処理部に送信する光サーキュレータとを備える
    ことを特徴とするドップラー振動計。
16. 請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載のドップラー振動計であって、
    前記アンテナ部は、前記計測光生成部から前記シグナル光を受信し、前記測定対象に送信する第１光アンテナと、受信した前記反射光を前記検波処理部に送信する第２光アンテナとを備える
    ことを特徴とするドップラー振動計。
17. 請求項４に記載のドップラー振動計であって、
    前記光分岐器と前記光増幅器との間に挿入された第２光変調器と、
    前記第１光変調器と前記第２光変調器とに、位相同期した異なる周波数の高周波電力を供給するＰＬＬ発振器と
    をさらに備えることを特徴とするドップラー振動計。
18. 請求項１乃至請求項１７の何れか一項に記載のドップラー振動計であって、
    前記検波処理部が行うコヒーレント検波は、ヘテロダイン検波又はホモダイン検波である
    ことを特徴とするドップラー振動計。
19. 波長を変化することのできる波長可変連続光生成過程と、
    前記波長可変連続光生成過程で生成された連続光を２分岐して、第１の光及び第２の光としてそれぞれ出力する光分岐過程と、
    前記第1の光を周波数変調する光変調過程と、
    前記光変調過程で周波数変調された光に遅延時間を付与して局部発振光を生成する光可変遅延過程と、
    前記光分岐過程で出力される前記第２の光をシグナル光として測定対象に照射するシグナル光照射過程と、
    前記測定対象で反射する前記シグナル光の反射光を受光する受光過程と、
    前記受光過程で受光した前記シグナル光の反射光と前記局部発振光とを干渉させてコヒーレント検波し、前記反射光の振動周波数を算出する検波処理過程と、を備えるドップラー振動計の計測方法であって、
    前記光可変遅延過程は、光遅延線を用いた第１遅延量調整手段及び分散性媒質を用いた第２遅延量調整手段が前記光変調過程で周波数変調された光に所定の遅延量を付与する
    ことを特徴とするドップラー振動計の計測方法。
20. 波長を変化することのできる波長可変連続光光源、前記波長可変連続光光源が出射する連続光を２分岐して、第１の光及び第２の光としてそれぞれ出力する光分岐器、前記光分岐器から出力される前記第１の光を周波数変調する第１光変調器、及び前記第１光変調器で周波数変調された光に遅延時間を付与して局部発振光として出力する光可変遅延手段で構成される計測光生成部と、前記光分岐器から出力される前記第２の光をシグナル光として測定対象に照射し、該測定対象で反射する反射光を受光するアンテナ部と、前記アンテナ部で受光した前記反射光と前記局部発振光とを干渉させてコヒーレント検波し、前記反射光の振動周波数を算出する検波処理部と、前記測定対象との距離を計測する距離計とで構成されるドップラー振動計を制御する制御部に実行させる計測プログラムであって、
    前記光可変遅延手段は、光遅延線を用いた第１遅延量調整手段及び分散性媒質を用いた第２遅延量調整手段を備え、
    前記距離計に距離を計測させる計測機能と、
    前記計測機能で測定した距離の２倍の遅延量を前記光可変遅延手段に設定する遅延量設定機能と
    を実現させることを特徴とするドップラー振動計の計測プログラム。

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