JP2825480B2 - 光学速度計プローブ - Google Patents
光学速度計プローブInfo
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- JP2825480B2 JP2825480B2 JP9161537A JP16153797A JP2825480B2 JP 2825480 B2 JP2825480 B2 JP 2825480B2 JP 9161537 A JP9161537 A JP 9161537A JP 16153797 A JP16153797 A JP 16153797A JP 2825480 B2 JP2825480 B2 JP 2825480B2
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- Japan
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- signal
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の分野は、プローブに
対して相対運動する粒子の速度を規定するのに使用され
る光学速度計プローブの分野である。
対して相対運動する粒子の速度を規定するのに使用され
る光学速度計プローブの分野である。
【０００２】
【従来の技術】現在、等距離の暗い縞および明るい縞か
ら構成される楕円体測定体積を発生するように互いに干
渉し合う二つのレーザビームを有する光学機器が存在す
る。運動している粒子がこの測定体積中を通過したと
き、光検出器によって収集された信号は、光プローブに
対するこの粒子の速度の指示を含んでいる。したがっ
て、収集された信号を解析することによって粒子の速度
を規定することができる。
ら構成される楕円体測定体積を発生するように互いに干
渉し合う二つのレーザビームを有する光学機器が存在す
る。運動している粒子がこの測定体積中を通過したと
き、光検出器によって収集された信号は、光プローブに
対するこの粒子の速度の指示を含んでいる。したがっ
て、収集された信号を解析することによって粒子の速度
を規定することができる。
【０００３】このタイプのプローブを使用すれば、生じ
た干渉縞に対して十分小さい粒子の速度を規定すること
ができ、特にこのタイプの速度計プローブを搭載する航
空機に対する空中の粒子の相対速度を知れば、航空機の
速度を規定することができる。
た干渉縞に対して十分小さい粒子の速度を規定すること
ができ、特にこのタイプの速度計プローブを搭載する航
空機に対する空中の粒子の相対速度を知れば、航空機の
速度を規定することができる。
【０００４】実際、レーザ光源、特にレーザダイオード
の小形化および低コスト化が進むにつれて、このタイプ
の光学速度計プローブを、速度を測定すべき航空機内に
取付けることができるようになってきている。
の小形化および低コスト化が進むにつれて、このタイプ
の光学速度計プローブを、速度を測定すべき航空機内に
取付けることができるようになってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このタイプのプローブ
の性能は、光検出器によって収集された信号から速度パ
ラメータを抽出する解析手段に直接依存する。したがっ
て、本発明の目的は、速度を決定する上述のタイプの高
性能の光速度計プローブである。
の性能は、光検出器によって収集された信号から速度パ
ラメータを抽出する解析手段に直接依存する。したがっ
て、本発明の目的は、速度を決定する上述のタイプの高
性能の光速度計プローブである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】具体的には、本発明の目
的は、プローブに対して相対運動している粒子が通過す
る測定体積を照明する手段と、照明された測定体積中の
粒子の通過に応答して電気信号を発生する光検出手段と
を含む光学速度計プローブである。この信号の周波数ス
ペクトルは、プローブに対する粒子の相対速度を表す主
周波数ｆ０を中心とする幅を有する。このプローブは、
検出された電気信号のＮ個のデジタルサンプルを表すベ
クトルｘ（ｔ）を設定するデジタル手段を含む。前記プ
ローブは、電気信号ｘ（ｔ）を複素信号
的は、プローブに対して相対運動している粒子が通過す
る測定体積を照明する手段と、照明された測定体積中の
粒子の通過に応答して電気信号を発生する光検出手段と
を含む光学速度計プローブである。この信号の周波数ス
ペクトルは、プローブに対する粒子の相対速度を表す主
周波数ｆ０を中心とする幅を有する。このプローブは、
検出された電気信号のＮ個のデジタルサンプルを表すベ
クトルｘ（ｔ）を設定するデジタル手段を含む。前記プ
ローブは、電気信号ｘ（ｔ）を複素信号
【０００７】
【数２２】
【０００８】に変換する手段と、Ｅ｛ｘ｝を変数ｘの期
待値を表すものとして
待値を表すものとして
【０００９】
【数２３】
【００１０】と定義される複素信号の自己相関関数を設
定する手段と、前記関数の虚部に関連する関数
定する手段と、前記関数の虚部に関連する関数
【００１１】
【数２４】
【００１２】の位相
【００１３】
【数２５】
【００１４】を決定する手段と、対
【００１５】
【数２６】
【００１６】の組から周波数ｆ０を決定する手段と、周
波数ｆ０に基づいてプローブに対する粒子の速度ｖを指
示する手段とを含む。
波数ｆ０に基づいてプローブに対する粒子の速度ｖを指
示する手段とを含む。
【００１７】光検出器によって与えられる電気信号が、
二つの光ビームから生じた干渉縞によって規定される測
定体積中を通過する粒子によって後方反射された光放射
から生じたものである場合、ベクトルｘ（ｔ）は、αを
固定の係数、ｔを時間、ｗ（ｔ）を雑音項として、
二つの光ビームから生じた干渉縞によって規定される測
定体積中を通過する粒子によって後方反射された光放射
から生じたものである場合、ベクトルｘ（ｔ）は、αを
固定の係数、ｔを時間、ｗ（ｔ）を雑音項として、
【００１８】
【数２７】
【００１９】と定義される。
【００２０】実信号ｘ（ｔ）を複素信号
【００２１】
【数２８】
【００２２】に変換する手段は、ヒルベルトフィルタタ
イプの−π／２位相シフトフィルタを含む。このタイプ
のフィルタは、その実部が開始信号ｘ（ｔ）にほかなら
ず、かつその虚部が入力においてｘ（ｔ）を有するヒル
ベルトフィルタの出力である実信号ｘ（ｔ）と関連する
複素信号
イプの−π／２位相シフトフィルタを含む。このタイプ
のフィルタは、その実部が開始信号ｘ（ｔ）にほかなら
ず、かつその虚部が入力においてｘ（ｔ）を有するヒル
ベルトフィルタの出力である実信号ｘ（ｔ）と関連する
複素信号
【００２３】
【数２９】
【００２４】を定義するのに使用される。すなわち、
Ｔ．Ｈ．が、この信号をヒルベルトフィルタによってフ
ィルタリングした結果に対応するヒルベルト変換である
ならば、
Ｔ．Ｈ．が、この信号をヒルベルトフィルタによってフ
ィルタリングした結果に対応するヒルベルト変換である
ならば、
【００２５】
【数３０】
【００２６】が成り立つ。
【００２７】本発明の一実施形態によれば、相対速度を
決定するために実施される複素信号
決定するために実施される複素信号
【００２８】
【数３１】
【００２９】および自己相関関数
【００３０】
【数３２】
【００３１】に関連する第一の手段および第二の手段
は、Ｎ個のサンプルに対する高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）によって計算された信号の離散スペクトルｘ（ω）
を決定するステップ、新しいスペクトル
は、Ｎ個のサンプルに対する高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）によって計算された信号の離散スペクトルｘ（ω）
を決定するステップ、新しいスペクトル
【００３２】
【数３３】
【００３３】ここで
【００３４】
【数３４】
【００３５】を決定するステップ、および自己相関関数
ｒ
ｒ
【００３６】
【数３５】
【００３７】を定義するためにスペクトル
【００３８】
【数３６】
【００３９】の逆フーリエ変換
【００４０】
【数３７】
【００４１】を決定するステップと組み合わせることが
有利である。
有利である。
【００４２】すべての自己相関関数
【００４３】
【数３８】
【００４４】に基づいて、すべての位相
【００４５】
【数３９】
【００４６】を定義する。
【００４７】次いで、この周波数が、以下で詳細に説明
するように、関数
するように、関数
【００４８】
【数４０】
【００４９】が最小になる値に対応すると仮定した場
合、周波数
合、周波数
【００５０】
【数４１】
【００５１】が成り立つと推定することができる。
【００５２】本発明において使用されるこれらすべての
手段について、以下の説明において詳細に説明する。
手段について、以下の説明において詳細に説明する。
【００５３】添付の図面を参照しながら行う以下の非限
定的な説明を読めば、本発明がより明確に理解でき、ま
た他の利点が明らかになろう。
定的な説明を読めば、本発明がより明確に理解でき、ま
た他の利点が明らかになろう。
【００５４】
【発明の実施の形態】一般に、本発明の光学速度計プロ
ーブは、測定体積中で干渉し合う二つの光ビームを有す
る。
ーブは、測定体積中で干渉し合う二つの光ビームを有す
る。
【００５５】図１に、航空機内に取り付けられた速度計
プローブの実施形態を示す。この速度計プローブは、そ
の出力にコリメータ２を有するレーザダイオードタイプ
の光源などのレーザ光源１、曲げ反射システム４によっ
て光学系５１に向かって航空機の外板６である航空機の
外面に向けられる二つの平行な光ビームＬ１およびＬ２
を生成する光ビーム分割器３を含む。光学系５１は、空
中エアロゾルの構成粒子が流れている大気中に含まれる
測定体積ＭＶと呼ばれる外部体積中に光ビームＬ１およ
びＬ２を集束させる働きをする。これらのエアロゾル
は、後方散乱された光を光学系５１、５２、５３を介し
て、一般にフォトダイオードである光検出器７によって
検出される光ビームＲＬの形で送り返す。
プローブの実施形態を示す。この速度計プローブは、そ
の出力にコリメータ２を有するレーザダイオードタイプ
の光源などのレーザ光源１、曲げ反射システム４によっ
て光学系５１に向かって航空機の外板６である航空機の
外面に向けられる二つの平行な光ビームＬ１およびＬ２
を生成する光ビーム分割器３を含む。光学系５１は、空
中エアロゾルの構成粒子が流れている大気中に含まれる
測定体積ＭＶと呼ばれる外部体積中に光ビームＬ１およ
びＬ２を集束させる働きをする。これらのエアロゾル
は、後方散乱された光を光学系５１、５２、５３を介し
て、一般にフォトダイオードである光検出器７によって
検出される光ビームＲＬの形で送り返す。
【００５６】速度計プローブは、フォトダイオードの出
力に、アナログ信号をデジタル信号に変換する手段を含
む信号処理手段８、周波数に関する情報を抽出する手
段、および航空機に対する粒子の相対速度を計算する手
段を含む。
力に、アナログ信号をデジタル信号に変換する手段を含
む信号処理手段８、周波数に関する情報を抽出する手
段、および航空機に対する粒子の相対速度を計算する手
段を含む。
【００５７】図２に、二つの光ビームＬ１およびＬ２の
干渉縞によって構成される測定体積ＶＭの概略図を示
す。幅２Ｗはこの体積の全幅を示し、Ｉは干渉縞間の幅
である。
干渉縞によって構成される測定体積ＶＭの概略図を示
す。幅２Ｗはこの体積の全幅を示し、Ｉは干渉縞間の幅
である。
【００５８】本発明によるプローブは、測定体積ＶＭ中
を通過する粒子の速度を高い精度で規定するのに使用さ
れる光検出器７に収集される信号を処理する手段８を含
む。
を通過する粒子の速度を高い精度で規定するのに使用さ
れる光検出器７に収集される信号を処理する手段８を含
む。
【００５９】まず、以下の点を考慮しながら手段８につ
いて説明する。
いて説明する。
【００６０】測定体積ＶＭに対して相対速度ｖを有する
粒子がこの干渉縞間系に入り込むと、この粒子によって
後方散乱され、光検出器５によって収集された光は、そ
の数学的モデルが既知である信号
粒子がこの干渉縞間系に入り込むと、この粒子によって
後方散乱され、光検出器５によって収集された光は、そ
の数学的モデルが既知である信号
【００６１】
【数４２】
【００６２】を与える。ただし、ｔ＝０、±１、．．．
±３ｗ／ｖである。
±３ｗ／ｖである。
【００６３】上式で、ｖは粒子の速度を示す。
【００６４】２ｗは、図２に示される測定体積を規定す
る干渉縞の全幅を示す。
る干渉縞の全幅を示す。
【００６５】Ｉは干渉縞間の幅を示す。
【００６６】α＝Ｉ／ｗおよびｆｄ＝ｖ／Ｉであると
き、
き、
【００６７】
【数４３】
【００６８】が成り立つ。
【００６９】信号の位相項は、振幅のコサイン変調中に
現れる項、すなわち２πｆｄｔである。したがって、ス
ペクトルｓ（ｔ）を考慮すれば、このスペクトルに関連
する解析信号は
現れる項、すなわち２πｆｄｔである。したがって、ス
ペクトルｓ（ｔ）を考慮すれば、このスペクトルに関連
する解析信号は
【００７０】
【数４４】
【００７１】によって表されることが分かる。
【００７２】Ｔ．Ｈ．が、時間信号ｓ（ｔ）のヒルベル
ト変換、すなわちこの信号をヒルベルトフィルタ（ｈ
ｔ）によってフィルタリングした結果であるならば、
ト変換、すなわちこの信号をヒルベルトフィルタ（ｈ
ｔ）によってフィルタリングした結果であるならば、
【００７３】
【数４５】
【００７４】すなわち
【００７５】
【数４６】
【００７６】が成り立つ。
【００７７】実際の速度計プローブの場合、光検出器に
よって受信された信号は、平均値０および分散σ2を有
する実白色ガウス雑音と考えられる雑音項ｗ（ｔ）を含
む。
よって受信された信号は、平均値０および分散σ2を有
する実白色ガウス雑音と考えられる雑音項ｗ（ｔ）を含
む。
【００７８】したがって、検出された信号は、入射光パ
ワーの粒子のサイズおよび受信機パラメータの送信係数
に応じた振幅をＡとして、ｘ（ｔ）＝Ａｓ（ｔ）＋ｗ
（ｔ）を有する信号ｘ（ｔ）となる。
ワーの粒子のサイズおよび受信機パラメータの送信係数
に応じた振幅をＡとして、ｘ（ｔ）＝Ａｓ（ｔ）＋ｗ
（ｔ）を有する信号ｘ（ｔ）となる。
【００７９】したがって、
【００８０】
【数４７】
【００８１】を得る。
【００８２】上式で、
【００８３】
【数４８】
【００８４】は、実雑音ｗ（ｔ）に関連する解析信号で
あり、平均値０および同じ分散σ2を有する複素ガウス
白色雑音である。
あり、平均値０および同じ分散σ2を有する複素ガウス
白色雑音である。
【００８５】解析信号
【００８６】
【数４９】
【００８７】を使用して、自己相関関数
【００８８】
【数５０】
【００８９】のＭ個のサンプル
【００９０】
【数５１】
【００９１】を定義する。
【００９２】雑音の入ったサンプリング信号の場合、こ
の信号の自己相関関数は、ｍ＝０のサンプルにのみ雑音
が入っている測定における時間信号に勝る大きな利点を
有する。
の信号の自己相関関数は、ｍ＝０のサンプルにのみ雑音
が入っている測定における時間信号に勝る大きな利点を
有する。
【００９３】したがって、
【００９４】
【数５２】
【００９５】、および関連する相関関数、すなわち
【００９６】
【数５３】
【００９７】からｒｘ（ｍ）＝Ａ2ｒｓ（ｍ）＋（２Ｎ
＋１−ｍ）σ2δ（ｍ）が成り立つと考えられる。
＋１−ｍ）σ2δ（ｍ）が成り立つと考えられる。
【００９８】より具体的には、自己相関関数
【００９９】
【数５４】
【０１００】は、次の形に書くことができる。
【０１０１】
【数５５】
【０１０２】ただし
【０１０３】
【数５６】
【０１０４】自己相関関数
【０１０５】
【数５７】
【０１０６】の位相は、
【０１０７】
【数５８】
【０１０８】によって定義される。
【０１０９】したがって、関数
【０１１０】
【数５９】
【０１１１】の最小引数を探索することによって所望の
周波数
周波数
【０１１２】
【数６０】
【０１１３】を推定することができる。
【０１１４】これは、一次導関数ｊ’（ｆｄ）が０にな
る値を探索することと同じである。すなわち、この場合
もωｄ＝２πｆｄが成り立つので、
る値を探索することと同じである。すなわち、この場合
もωｄ＝２πｆｄが成り立つので、
【０１１５】
【数６１】
【０１１６】すなわち
【０１１７】
【数６２】
【０１１８】が成り立つ。
【０１１９】したがって
【０１２０】
【数６３】
【０１２１】によって定義される推定周波数
【０１２２】
【数６４】
【０１２３】を得る。
【０１２４】
【数６５】
【０１２５】の値は、
【０１２６】
【数６６】
【０１２７】が
【０１２８】
【数６７】
【０１２９】の虚部に対応し、
【０１３０】
【数６８】
【０１３１】が
【０１３２】
【数６９】
【０１３３】の実部に対応するとすれば、複素対数の虚
部によって定義される
部によって定義される
【０１３４】
【数７０】
【０１３５】を用いて、自己相関値
【０１３６】
【数７１】
【０１３７】から
【０１３８】
【数７２】
【０１３９】として計算される。
【０１４０】一実施形態によれば、本発明の速度計プロ
ーブは、プローブを具備する光検出器によって送出され
た信号から取った（２Ｎ＋１）個のサンプルから
ーブは、プローブを具備する光検出器によって送出され
た信号から取った（２Ｎ＋１）個のサンプルから
【０１４１】
【数７３】
【０１４２】を直接推定するためにＮ個の時点ｔ＝−
Ｄ、０、＋Ｎについてｘ（ｔ）のＦＦＴを計算する手段
と、
Ｄ、０、＋Ｎについてｘ（ｔ）のＦＦＴを計算する手段
と、
【０１４３】
【数７４】
【０１４４】によって定義される
【０１４５】
【数７５】
【０１４６】の値を計算する手段と、
【０１４７】
【数７６】
【０１４８】を用いて
【０１４９】
【数７７】
【０１５０】の逆ＦＦＴを計算する手段とを含む。
【０１５１】したがって、Ｍ個の自己相関点
【０１５２】
【数７８】
【０１５３】したがってＭ個の位相
【０１５４】
【数７９】
【０１５５】が既知である場合、
【０１５６】
【数８０】
【０１５７】を推定することができる。
【０１５８】この推定は、Ｖが測定体積中の粒子の速度
に対応するとして、値
に対応するとして、値
【０１５９】
【数８１】
【０１６０】および
【０１６１】
【数８２】
【０１６２】について最適であることが分かる。
【図１】本発明による速度計プローブを示す図である。
【図２】相対速度を検出すべき粒子が通過する測定体積
を示す図である。
を示す図である。
１ レーザ光源 ２ コリメータ ３ 光ビーム分割器 ４ 曲げ反射システム ５ 光検出器 ６ 航空機の外板 ７ 光検出器 ８ 信号処理手段 ５１、５２、５３ 光学系 Ｌ１、Ｌ２、ＲＬ 光ビーム ＶＭ 測定体積
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−229040（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−188433（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01S 17/00 - 17/95 G01P 5/00
Claims (7)
- 【請求項１】 プローブに対して相対運動している粒子
が通過する測定体積を照明する手段と照明された測定体
積中の粒子の通過に応答して電気信号を発生する光検出
手段とを備える光学速度計プローブであって、該信号の
周波数スペクトルが、プローブに対する粒子の相対速度
を表す主周波数ｆ０を中心とする幅を有し、該プローブ
は、検出された電気信号のＮ個のデジタルサンプルを表
すベクトルｘ（ｔ）を設定するデジタル手段を含んでお
り、 該プローブが更に、 電気信号ｘ（ｔ）を、実部およびｆｄに依存する位相項
を含む虚部を有する複素信号 【数１】 に変換する手段と、 Ｅ｛ｘ｝を変数ｘの期待値を表すものとして 【数２】 と定義される複素信号の自己相関関数を設定する手段
と、 前記関数の虚部に依存する関数ｒ 【数３】 の位相 【数４】 を決定する手段と、 対 【数５】 の組から周波数ｆｄを決定する手段と、 周波数ｆｄに基づいてプローブに対する粒子の速度ｖを
指示する手段とを含む光学速度計プローブ。 - 【請求項２】 ベクトルｘ（ｔ）が、 αを固定の係数、 ｔを時間、 ｗ（ｔ）を雑音項として、 【数６】 によって定義される請求項１に記載の速度計プローブ。
- 【請求項３】 実信号ｘ（ｔ）を複素信号 【数７】 に変換する手段がヒルベルトフィルタタイプの手段を含
む請求項１に記載の速度計プローブ。 - 【請求項４】 複素関数 【数８】 を規定するのに使用される手段および関数 【数９】 を規定するのに使用される手段が、 Ｎ個のサンプルに対する関数ｘ（ｔ）のフーリエ変換関
数Ｘ（ω）を規定する手段と、 【数１０】 となるように関数 【数１１】 を計算する手段と、 ＦＦＴ-1を逆フーリエ変換を表すものとして、関数 【数１２】 を規定する手段とを含む請求項１から３のいずれか一項
に記載の速度計プローブ。 - 【請求項５】 周波数ｆｄを規定する手段が、関数 【数１３】 が最小になる周波数の値を探索する手段を含む請求項１
に記載の速度計プローブ。 - 【請求項６】 Ｍを自己相関点の数として、値ｆ０が 【数１４】 ここで 【数１５】 によって推定される請求項５に記載の速度計プローブ。
- 【請求項７】 【数１６】 を 【数１７】 の虚部、 【数１８】 を 【数１９】 の実部として、位相 【数２０】 が要素 【数２１】 によって決定される請求項１から６のいずれか一項に記
載の速度計プローブ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9607535 | 1996-06-18 | ||
| FR9607535A FR2749942B1 (fr) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | Sonde velocimetrique optique |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1062439A JPH1062439A (ja) | 1998-03-06 |
| JP2825480B2 true JP2825480B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=9493142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9161537A Expired - Lifetime JP2825480B2 (ja) | 1996-06-18 | 1997-06-18 | 光学速度計プローブ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5856865A (ja) |
| EP (1) | EP0814339A1 (ja) |
| JP (1) | JP2825480B2 (ja) |
| CA (1) | CA2208917A1 (ja) |
| FR (1) | FR2749942B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021135240A (ja) * | 2020-02-28 | 2021-09-13 | 学校法人東日本学園 | 移動粒子の評価方法及び評価装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7012688B2 (en) * | 2002-07-31 | 2006-03-14 | Jan Arwood Northby | Method and apparatus for measuring particle motion optically |
| US7453569B2 (en) | 2002-07-31 | 2008-11-18 | Jan Arwood Northby | Method and apparatus for measuring particle motion using scattered radiation |
| FR2891368B1 (fr) * | 2005-09-27 | 2007-11-30 | Airbus France Sas | Systeme de surveillance de parametres anemobaroclinometriques pour aeronefs |
| US10379024B2 (en) * | 2015-03-18 | 2019-08-13 | University Corporation For Atmospheric Research | Poisson ensemble inversion |
Family Cites Families (7)
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