JP3049849B2 - Laser doppler velocimeter - Google Patents

Laser doppler velocimeter

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JP3049849B2
JP3049849B2 JP3178942A JP17894291A JP3049849B2 JP 3049849 B2 JP3049849 B2 JP 3049849B2 JP 3178942 A JP3178942 A JP 3178942A JP 17894291 A JP17894291 A JP 17894291A JP 3049849 B2 JP3049849 B2 JP 3049849B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光変調器を正弦波変調
信号によって変調動作させることにより高い精度で測定
結果を得ることができるレーザドップラ速度計に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser Doppler velocimeter capable of obtaining a measurement result with high accuracy by modulating an optical modulator with a sinusoidal modulation signal.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、レーザドップラ速度計において
は、被測定対象として例えば移動体の移動速度、振動体
の振動速度、流体の流速等を測定するようになされたも
のがある(電子通信学会研究報告OQE85-160、25頁〜
30頁)。すなわち、被測定対象にレーザ光源から得られ
る光ビームを照射すると、被測定対象の速度に応じて周
波数が偏移した反射光ビームを得ることができるため、
被測定対象に照射した光ビームに対する反射光ビームの
周波数偏移量を測定すれば被測定対象の速度を検出する
ことができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a laser Doppler velocimeter which measures, for example, a moving speed of a moving body, a vibration speed of a vibrating body, a flow velocity of a fluid, and the like as objects to be measured. Report OQE85-160, page 25-
30 pages). In other words, when the object to be measured is irradiated with a light beam obtained from a laser light source, a reflected light beam having a frequency shifted according to the speed of the object to be measured can be obtained.
By measuring the frequency shift amount of the reflected light beam with respect to the light beam irradiated on the measurement target, the speed of the measurement target can be detected.

【0003】レーザドップラ速度計においてはこのよう
な測定原理に基づいて、レーザ光源から得られる光ビー
ムに対して所定量だけ周波数偏移した参照光ビームを形
成し、この参照光ビームを基準にして反射光ビームの周
波数偏移量を測定することにより、被測定対象の速度を
測定するようになされている。
In a laser Doppler velocimeter, a reference light beam whose frequency is shifted by a predetermined amount with respect to a light beam obtained from a laser light source is formed based on such a measurement principle, and the reference light beam is used as a reference. The velocity of the object to be measured is measured by measuring the frequency shift amount of the reflected light beam.

【0004】図2はこのようなレーザドップラ速度計の
一例であり、このレーザドップラ速度計1において、2
は電気光学効果を有する基板(例えばLiNbO3)であり、
この基板2上には分岐部3aで分岐された導波路3b,
3c,3dによって略Y字状とされた光導波路3が設け
られている。また導波路3bの部分にはその両側の電極
4a,4bからなる光変調器4が設けられている。
FIG. 2 shows an example of such a laser Doppler velocimeter.
Is a substrate having an electro-optical effect (eg, LiNbO 3 ),
On this substrate 2, a waveguide 3b branched at a branch portion 3a,
An optical waveguide 3 formed substantially in a Y-shape by 3c and 3d is provided. An optical modulator 4 including electrodes 4a and 4b on both sides of the waveguide 3b is provided in the waveguide 3b.

【0005】5は半導体レーザであり基板2の端部に配
置され、半導体レーザ5の前面から出力される光ビーム
F は、被測定対象となる物体S(例えばスピーカの振
動面)に向かって照射され、その反射光LF'が導波路3
cに端部3c1 から入射されるようになされているとと
もに、半導体レーザ5の背面から出力される光ビームL
R は導波路3bの端部3b1 に入射されるようになされ
ている。
[0005] 5 is located at the end of the substrate 2 is a semiconductor laser, the light beam L F outputted from the front surface of the semiconductor laser 5, towards the object of interest to be measured S (eg vibrating surface of the speaker) The reflected light L F ′ is radiated to the waveguide 3
c from the end 3c 1 and a light beam L output from the back of the semiconductor laser 5.
R is adapted to be incident on the end portion 3b 1 of the waveguide 3b.

【0006】半導体レーザ5の背面から出力されて導波
路3bに入射された光ビームLR は光変調器4で位相変
調され、参照光とされることになる。つまり、光変調器
4においては電極4a,4bに印加される電圧に応じて
導波路の屈折率が変化することから導波路3bに光ビー
ムLR を入射することにより、印加電圧(変調信号)に
比例して位相が変化した光ビーム即ち参照光を得ること
ができるものである。
[0006] The light beam L R that is output incident on the waveguide 3b from the back of the semiconductor laser 5 is phase-modulated by the optical modulator 4, it will be the reference light. That is, the electrode 4a in the optical modulator 4, by incidence of light beam L R waveguide 3b since the refractive index of the waveguide is changed in accordance with the voltage applied to 4b, the applied voltage (modulation signal) Thus, a light beam having a phase changed in proportion to the above, that is, a reference light can be obtained.

【0007】ここで、電極4a,4bに印加される変調
信号としては、正弦波発生回路6から出力された所定の
周波数(角周波数ωm )の正弦波信号が可変利得増幅器
7を介して供給されている。従って、可変利得増幅器7
をコントロールして所定の電圧レベルの正弦波信号を変
調信号として電極4a,4bに供給することで任意の位
相変調度を設定できる。
Here, as a modulation signal applied to the electrodes 4a and 4b, a sine wave signal of a predetermined frequency (angular frequency ω m ) output from a sine wave generation circuit 6 is supplied via a variable gain amplifier 7. Have been. Therefore, the variable gain amplifier 7
Is supplied to the electrodes 4a and 4b as a modulation signal with a sine wave signal of a predetermined voltage level, whereby an arbitrary degree of phase modulation can be set.

【0008】この光変調器4によって得られる参照光の
電界Eref は、
The electric field E ref of the reference light obtained by the optical modulator 4 is

【数1】 で表わされる。ただし、ω0 はレーザ光の角周波数、m
1 は位相変調指数、φ1は初期位相、Jq はq次のベッ
セル関数である。
(Equation 1) Is represented by Here, ω 0 is the angular frequency of the laser beam, m
1 is a phase modulation index, φ 1 is an initial phase, and J q is a q-order Bessel function.

【0009】位相変調指数m1 はさらに、The phase modulation index m 1 is

【数2】 で表わされる。ここで、αは変調効率(0<α<1)、
s は基板2の屈折率、γは基板2の電気光学定数、V
1 は電極4a,4bに印加する変調信号の電圧、l1
電極4a,4bの長さ、d1 は電極4a,4bの間隔で
ある。
(Equation 2) Is represented by Here, α is the modulation efficiency (0 <α <1),
ns is the refractive index of the substrate 2; γ is the electro-optic constant of the substrate 2;
1 is a voltage of the modulation signal applied to the electrodes 4a, 4b, l 1 electrode 4a, 4b length of, d 1 is the electrode 4a, a 4b interval.

【0010】一方、半導体レーザ5の前面側から照射さ
れ被測定対象Sに反射して端部3c1 から導波路3cに
導かれた反射光LF'の電界Esig は、
On the other hand, the electric field E sig of the reflected light L F ′ irradiated from the front side of the semiconductor laser 5 and reflected on the object S to be measured and guided from the end 3c 1 to the waveguide 3c is:

【数3】 として表わされる。ただし、k0 はレーザ光の波長、φ
2 は初期位相である。
(Equation 3) Is represented as Here, k 0 is the wavelength of the laser beam, φ
2 is the initial phase.

【0011】この反射光と参照光は分岐部3aから導波
路3dに導かれて合波され、導波路3dの端部3d1
分に配置された光検出器8で受光されることになる。こ
こで、光検出器8の出力電流IDET(t)は、参照光と反射
光から次の(数4)のように計算される。
[0011] reference light and the reflected light are multiplexed is guided to the waveguide 3d from the branch portion 3a, will be received by the photodetector 8 located at the end 3d 1 part of the waveguide 3d. Here, the output current I DET (t) of the photodetector 8 is calculated from the reference light and the reflected light as in the following (Equation 4).

【数4】 ただし、E1 =E* 1、E2 =E* 2、ξ1 は光検出器8の
感度である。なお、2ω0 を含む成分は光検出器8で検
出できないため無視した。
(Equation 4) Here, E 1 = E * 1 , E 2 = E * 2 , and ξ 1 are the sensitivities of the photodetector 8. Note that the component including 2ω 0 cannot be detected by the photodetector 8 and is ignored.

【0012】この光検出器8の出力電流IDET(t)はω
m 、2ωm を中心周波数とするバンドパスフィルタ9に
供給され交流分が取り出される。すなわちバンドパスフ
ィルタ9の出力iDET(t)は、
The output current I DET (t) of the photodetector 8 is ω
m and 2ω m , and are supplied to a band-pass filter 9 having a center frequency to extract an AC component. That is, the output i DET (t) of the bandpass filter 9 is

【数5】 で示される。ただし、ωm >>2k0v(t) とする。このバ
ンドパスフィルタ9の出力は周波数混合回路10に入力
される。
(Equation 5) Indicated by Here, it is assumed that ω m >> 2k 0 v (t). The output of the band pass filter 9 is input to the frequency mixing circuit 10.

【0013】また、正弦波発生回路6から出力される正
弦波信号(角周波数ωm )は1/2分周回路11及び移
相器12にも供給されて、
The sine wave signal (angular frequency ω m ) output from the sine wave generation circuit 6 is also supplied to a 分 frequency dividing circuit 11 and a phase shifter 12,

【数6】 で示される基準信号が生成されており、この基準信号が
周波数混合回路10に供給されている。従って周波数混
合回路10ではこの(数6)の基準信号が(数5)のバ
ンドパスフィルタ9の出力に乗じられる。
(Equation 6) Are generated, and this reference signal is supplied to the frequency mixing circuit 10. Therefore, the frequency mixing circuit 10 multiplies the output of the bandpass filter 9 of (Expression 5) by the reference signal of (Expression 6).

【0014】周波数混合回路10の出力は (3/2)ωm
中心周波数とするバンドパスフィルタ13に供給され
(3/2)ωm付近の信号成分のみが取り出される。バンドパ
スフィルタ13の出力は(数7)で示される。
The output of the frequency mixing circuit 10 is supplied to a band-pass filter 13 having a center frequency of (3/2) ω m
Only the signal component near (3/2) ω m is extracted. The output of the bandpass filter 13 is shown by (Equation 7).

【数7】 (Equation 7)

【0015】バンドパスフィルタ13の出力は復調回路
14に供給されて復調され、これによって被測定対象物
体Sの振動周波数が得られ、物体Sの振動周波数から物
体Sの速度vを求めることができるわけであるが、上記
(数7)で示されるバンドパスフィルタ13の出力は無
条件では復調できず、位相変調指数m1 が調整されてい
る必要がある。
The output of the band-pass filter 13 is supplied to a demodulation circuit 14 and demodulated, whereby the vibration frequency of the measured object S is obtained, and the velocity v of the object S can be obtained from the vibration frequency of the object S. but not, the output of the bandpass filter 13 shown by the above equation (7) can not be demodulated unconditionally, phase modulation index m 1 is required to be adjusted.

【0016】ここで、ベッセル関数の一次と二次の成分
が或る位相変調指数において等しければ、上記(数7)
を整理することができる。いま、図3のベッセル関数か
ら、位相変調指数m1 =2.6 としたときに、整合条件J
1(m1)=J2(m1)が満たされることが分かる。このと
き、上記(数7)は次の(数8)のように整理される。
Here, if the first-order and second-order components of the Bessel function are equal at a certain phase modulation index, the above equation (7) is obtained.
Can be organized. Now, from the Bessel function of FIG. 3, when the phase modulation index m 1 = 2.6, the matching condition J
It can be seen that 1 (m 1 ) = J 2 (m 1 ) is satisfied. At this time, the above (Equation 7) is arranged as the following (Equation 8).

【数8】 (Equation 8)

【0017】この(数8)の右辺第1項は同相信号(in
-phase信号)であり、右辺第2項は位相直交信号(out-
of-phase信号)である。ここで例えば移相器12によ
り、φ3 =0,π,2π,・・・・・ と調整すれば、(数
8)から同相信号成分である、
The first term on the right side of (Equation 8) is the in-phase signal (in
-phase signal), and the second term on the right side is a phase quadrature signal (out-
of-phase signal). Here, if, for example, φ 3 = 0, π, 2π,... Is adjusted by the phase shifter 12, the in-phase signal component is obtained from (Equation 8).

【数9】 のみを取り出すことができ、従って、これを復調回路1
4に入力することによって、被測定対象物体Sの振動周
波数fD
(Equation 9) Only the demodulation circuit 1
4, the vibration frequency f D of the measured object S is

【数10】 として得られることになる。ただし、λ0 はレーザ光の
波長である。結局、λ0 が既知であれば、物体Sの振動
周波数fD から物体Sの速度vが求められることが理解
される。
(Equation 10) Will be obtained as Here, λ 0 is the wavelength of the laser light. After all, if λ 0 is known, it is understood that the velocity v of the object S can be obtained from the vibration frequency f D of the object S.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなレーザドップラ速度計では、周波数混合回路10や
移相器12等が必要で信号処理回路が複雑となり、電気
回路部分を小型化できず、これがレーザドップラ速度計
の小型化に大きな障害となっているという問題がある。
However, such a laser Doppler velocimeter requires a frequency mixing circuit 10, a phase shifter 12, and the like, so that the signal processing circuit becomes complicated and the electric circuit cannot be miniaturized. There is a problem that it is a major obstacle to downsizing the laser Doppler speedometer.

【0019】また、上記したように整合条件J1(m1)=
2(m1)を満足するためには位相変調指数m1 を高く設
定する(m1 =2.6 )必要がある。すると、前記(数
2)から分かるように、電極4a,4bの長さl1 をあ
る程度長く設定するとともに、変調信号の電圧V1 を高
くしなければならない。ところが変調信号の電圧V1
電気的設計上の制約からあまり高くすることは好ましく
ない。このため電極4a,4bの長さl1 をより長くす
る必要が生じる。従って導波路3bも長くする必要があ
り、基板2の大型化につながり、これもレーザドップラ
速度計の小型化の促進に対する障害となっている。
Further, as described above, the matching condition J 1 (m 1 ) =
In order to satisfy J 2 (m 1 ), it is necessary to set the phase modulation index m 1 high (m 1 = 2.6). Then, as can be seen from the above (Equation 2), it is necessary to set the length l 1 of the electrodes 4a and 4b to be somewhat longer and increase the voltage V 1 of the modulation signal. However the voltage V 1 of the modulated signal is not preferable that too high a restriction in the electrical design. Therefore, it is necessary to make the length l 1 of the electrodes 4a and 4b longer. Therefore, it is necessary to lengthen the waveguide 3b, which leads to an increase in the size of the substrate 2, which also hinders the promotion of downsizing of the laser Doppler velocimeter.

【0020】さらに周波数混合回路10を用いている
が、回路の非線形性のために不要な信号が発生しやす
い。このため信号対雑音比が低下し、速度の検出感度が
不十分となってしまうという問題もある。
Further, although the frequency mixing circuit 10 is used, unnecessary signals are likely to be generated due to the nonlinearity of the circuit. For this reason, there is also a problem that the signal-to-noise ratio decreases and the speed detection sensitivity becomes insufficient.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点にかんがみてなされたもので、レーザ光源から射出さ
れた光ビームを被測定対象に照射してその反射光を得る
とともに、レーザ光源から射出された光ビームを、それ
ぞれ周波数の異なる正弦波信号が変調信号として印加さ
れるようになされた第1及び第2の位相変調器に入射し
て第1及び第2の参照光を得、この第1及び第2の参照
光それぞれに反射光を合成して得た第1及び第2の合成
光を、第1及び第2の光検出手段によって光検出信号に
変換し、この第1及び第2の光検出器から出力される光
検出信号の和に基づいて被測定対象の速度を測定するよ
うにしたレーザドップラ速度計を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and irradiates an object to be measured with a light beam emitted from a laser light source to obtain reflected light thereof. The light beams emitted from the first and second phase modulators, in which sinusoidal signals having different frequencies are applied as modulation signals, to obtain first and second reference lights, The first and second combined lights obtained by combining the reflected light with the first and second reference lights, respectively, are converted into light detection signals by first and second light detection means. An object of the present invention is to provide a laser Doppler velocimeter that measures the velocity of an object to be measured based on the sum of optical detection signals output from a second optical detector.

【0022】[0022]

【作用】レーザドップラ速度計において、第1及び第2
の位相変調器に周波数の異なる2つの正弦波信号を変調
信号として印加して第1及び第2の参照光を得、それぞ
れ反射光と合成して第1及び第2の光検出器で検出する
ことにより、それぞれの位相変調指数を最適化するだけ
で、第1及び第2の光検出器の出力の和として被測定対
象物体の速度に対応した信号を取り出すことができる。
また、位相変調指数の選定の自由度が増し、位相変調指
数を小さく設定することも可能になる。
The first and second laser Doppler velocimeters are used.
The first and second reference lights are obtained by applying two sinusoidal signals having different frequencies to the phase modulator as modulation signals, and are combined with the reflected lights, respectively, and detected by the first and second photodetectors. Thus, a signal corresponding to the speed of the object to be measured can be extracted as the sum of the outputs of the first and second photodetectors only by optimizing the respective phase modulation indices.
Further, the degree of freedom in selecting the phase modulation index increases, and the phase modulation index can be set to a small value.

【0023】[0023]

【実施例】図1は本発明のレーザドップラ速度計の一実
施例を示す構成図であり、20はレーザドップラ速度計
全体を示す。21は電気光学効果を有する基板(例えば
LiNbO3)であり、この基板21上には分岐部22a,2
2b,22c,22dで分岐された導波路22e,22
f,22g,22h,22i,22j,22k,22m
によって略X字状とされた光導波路22が設けられてい
る。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a laser Doppler velocimeter according to the present invention. Reference numeral 20 denotes an entire laser Doppler velocimeter. 21 is a substrate having an electro-optic effect (for example,
LiNbO 3 ), and on the substrate 21, branch portions 22a, 2a
Waveguides 22e, 22 branched by 2b, 22c, 22d
f, 22g, 22h, 22i, 22j, 22k, 22m
An optical waveguide 22 having a substantially X-shape is provided.

【0024】導波路22gの部分にはその両側の電極2
3a,23bからなる光変調器23が設けられている。
また、導波路22fの部分にもその両側の電極24a,
24bからなる光変調器24が設けられている。
The electrode 2 on both sides of the waveguide 22g
An optical modulator 23 including 3a and 23b is provided.
The electrodes 24a, 24b on both sides of the waveguide 22f are also provided.
An optical modulator 24 consisting of 24b is provided.

【0025】25は半導体レーザであり基板21の端部
に配置され、この半導体レーザ25の前面から出力され
る光ビームLF は、被測定対象となる例えばスピーカの
振動面等の物体Sに向かって照射され、その反射光LF'
が導波路22hにその端部22h1 から入射されるよう
になされている。そして、導波路22hに入射した反射
光LF'は分岐部22bで分岐され、導波路22iと22
jに導かれる。
[0025] 25 is located at the end of the substrate 21 is a semiconductor laser, the light beam L F output from the front surface of the semiconductor laser 25 is, toward the object S plane of vibration or the like of the object to be measured, for example, a speaker And the reflected light L F
There has been made to be incident from the end portion 22h 1 to waveguide 22h. Then, the reflected light L F ′ incident on the waveguide 22h is branched at the branch portion 22b, and the waveguides 22i and 22f
led to j.

【0026】一方、半導体レーザ25の背面から出力さ
れる光ビームLRは導波路22eに端部22e1 から入
射されるようになされており、導波路22eに入射した
光ビームLR は分岐部22aで分岐され、導波路22f
と22gに導かれる。
On the other hand, the light beam L R output from the back of the semiconductor laser 25 is adapted to be incident from an end portion 22e 1 to waveguide 22e, the light incident on the waveguide 22e beam L R is bifurcation The waveguide 22f is branched at 22a.
And 22g.

【0027】この半導体レーザ5の背面から出力されて
導波路22fと22gに導かれた光ビームLR は光変調
器23,24でそれぞれ位相変調され、参照光とされる
ことになる。つまり、光変調器23,24は電極23
a,23b、及び24a,24bに印加される電圧に応
じて導波路の屈折率が変化することから、導波路22f
と22gを通過する光ビームLR を、印加電圧(変調信
号)に比例して位相を変化させることができ、これを参
照光とする。
[0027] The light beam L R that is output guided to the waveguide 22f and 22g from the back of the semiconductor laser 5 are respectively phase-modulated by the light modulator 23 and 24, will be the reference light. That is, the light modulators 23 and 24 are
Since the refractive index of the waveguide changes in accordance with the voltage applied to the waveguides 22a, 23b and 24a, 24b, the waveguide 22f
And a light beam L R passing through 22 g, in proportion to the applied voltage (modulation signal) can be changed the phase, and the reference light it.

【0028】26は角周波数ωm の正弦波を発生する正
弦波発生回路であり、この正弦波発生回路26から出力
される正弦波信号は、変調信号として光変調器23の電
極23a,23bに印加されている。また、この正弦波
発生回路26から出力される正弦波信号は1/2分周回
路27にも供給され、1/2分周回路27で分周されて
正弦波発生回路26の出力と異なる周波数とされた信号
はさらに可変利得増幅器28に供給される。そして、可
変利得増幅器22,24によってそれぞれ所定ゲインを
与えられた信号が変調信号として位相変調器24の電極
24a,24bに印加される。
[0028] 26 is a sine wave generating circuit for generating a sine wave of angular frequency omega m, sine wave signal output from the sine wave generating circuit 26, the electrode 23a of the optical modulator 23 as a modulation signal, the 23b Has been applied. Further, the sine wave signal output from the sine wave generation circuit 26 is also supplied to a 回路 frequency divider circuit 27, where the sine wave signal is divided by the 分 frequency divider circuit 27, The obtained signal is further supplied to the variable gain amplifier 28. Then, signals given predetermined gains by the variable gain amplifiers 22 and 24 are applied to the electrodes 24a and 24b of the phase modulator 24 as modulation signals.

【0029】このとき、半導体レーザ5の背面側から出
射されて導波路22fと22gに導かれた光ビームLR
が位相変調器23,24によって位相変調されることに
よって得られる参照光の電界Eref1,Eref2は、
At this time, the light beam L R emitted from the back side of the semiconductor laser 5 and guided to the waveguides 22f and 22g.
Are phase-modulated by the phase modulators 23 and 24, the electric fields E ref1 and E ref2 of the reference light are

【数11】 及び、[Equation 11] as well as,

【数12】 で表わされる。ただし、ω0 はレーザ光の角周波数、η
1 は参照光の分岐比、m1 及びm2 は位相変調指数、φ
0 及びφ1 は初期位相、Jp はp次のベッセル関数、J
q はq次のベッセル関数である。
(Equation 12) Is represented by Where ω 0 is the angular frequency of the laser beam, η
1 is a reference light branching ratio, m 1 and m 2 are phase modulation indices, φ
0 and φ 1 are the initial phase, J p is the p-order Bessel function, J
q is a q-order Bessel function.

【0030】ここで、位相変調指数mi (i=1,2) はさら
に、
Here, the phase modulation index m i (i = 1,2) is

【数13】 で表わすことができる。ただし、αは変調効率(0<α
<1)、ns は基板21のY方向屈折率、γは基板21
の電気光学定数、Vi は電極23a,23b又は電極2
4a,24bに印加する変調信号の電圧、li は電極2
3a,23b又は電極24a,24bの長さ、di は電
極23a,23b又は電極24a,24bの間隔であ
る。
(Equation 13) Can be represented by Here, α is the modulation efficiency (0 <α
<1), ns is the refractive index of the substrate 21 in the Y direction,
Electro-optic constant of, V i is the electrode 23a, 23b or the electrode 2
The voltage of the modulation signal applied to 4a, 24b, l i
3a, 23b or the electrodes 24a, 24b the length of, the d i electrodes 23a, 23b or the electrodes 24a, a distance 24b.

【0031】一方、半導体レーザ5の前面側から出力さ
れた後、速度vで運動する被測定対象物体Sに照射され
たレーザ光LF は、物体Sに反射して反射光LF'となり
導波路22hに入射された後、上記したように分岐され
て導波路22i,22jに導入されるが、この分岐され
た2つの反射光の電界Esig1,Esig2は、
On the other hand, the laser light L F emitted from the front side of the semiconductor laser 5 and applied to the object S moving at the speed v is reflected by the object S to become reflected light L F ′ and guided. After being incident on the wave path 22h, it is branched as described above and introduced into the waveguides 22i and 22j. The two reflected electric fields E sig1 and E sig2 are

【数14】 及び、[Equation 14] as well as,

【数15】 として表わされる。ただし、η2 は反射光の分岐比、φ
2 は初期位相である。
(Equation 15) Is represented as Where η 2 is the reflected light branching ratio, φ
2 is the initial phase.

【0032】導波路22gを通過して得られた参照光
は、導波路22iを通過した反射光と分岐部22cにお
いて合波され、この合成光は導波路22mの端部22m
1 部分に配置された光検出器29に照射されることにな
る。また、導波路22fを通過して得られた参照光は、
導波路22jを通過した反射光と分岐部22dにおいて
合波され、この合成光は導波路22kの端部22k 1
分に配置された光検出器30に照射されることになる。
Reference light obtained by passing through waveguide 22g
Is applied to the reflected light passing through the waveguide 22i and the branch portion 22c.
And the combined light is coupled to the end 22m of the waveguide 22m.
1 Irradiation is performed on the photodetector 29 disposed in the portion.
You. The reference light obtained by passing through the waveguide 22f is:
In the reflected light passing through the waveguide 22j and the branch portion 22d
The combined light is combined with the end 22k of the waveguide 22k. 1 Department
The light is irradiated on the photodetector 30 disposed in the minute.

【0033】光検出器29,30には例えばカソードコ
モンのフォトダイオードアレイが用いられている。従っ
て二つの光検出器29,30の出力電流の和IDET(t)
は、
For the photodetectors 29 and 30, for example, a photodiode array having a common cathode is used. Therefore, the sum I DET (t) of the output currents of the two photodetectors 29, 30
Is

【数16】 となる。ただし、E1 =E* 1、E2 =E* 2、ξ1 及びξ
2 はそれぞれ光検出器29,30の感度である。なお、
2ω0 を含む成分は光検出器8で検出できないため無視
した。
(Equation 16) Becomes Where E 1 = E * 1 , E 2 = E * 2 , ξ 1 and ξ
2 is the sensitivity of the photodetectors 29 and 30, respectively. In addition,
The component containing 2ω 0 cannot be detected by the photodetector 8 and is ignored.

【0034】この光検出器29,30の出力電流の和I
DET(t)はωm を中心周波数とするバンドパスフィルタ3
1に供給されて交流分が取り出される。すなわちバンド
パスフィルタ31の出力は、
The sum I of the output currents of the photodetectors 29 and 30
DET (t) is a bandpass filter 3 centered on ω m
1 and an alternating current is taken out. That is, the output of the bandpass filter 31 is

【数17】 で示される。ただし、ωm >>2k0v(t) とする。[Equation 17] Indicated by Here, it is assumed that ω m >> 2k 0 v (t).

【0035】ここで、整合条件である、Here, the matching condition is

【数18】 が満たされるように各値が設定されていることにより、
(数17)で示されるバンドパスフィルタ31の出力
は、より整理されて、
(Equation 18) By setting each value so that is satisfied,
The output of the band-pass filter 31 represented by (Equation 17) is further organized,

【数19】 となる。[Equation 19] Becomes

【0036】この(数19)における右辺第1項は同相
信号(in-phase信号)成分であり、右辺第2項は位相直
交信号(out-of-phase信号)成分である。ここで、コン
デンサC及びコイルLで示した回路系により、光変調器
24の電極24a,24bに対して所定レベルの直流オ
フセット電圧を加えて、φ1 −φ0 =0,π,2π,・・
・・・ となるように調整されていれば、(数19)から同
相信号成分である、
The first term on the right side in (Equation 19) is an in-phase signal (in-phase signal) component, and the second term on the right side is a phase quadrature signal (out-of-phase signal) component. Here, a predetermined level of DC offset voltage is applied to the electrodes 24a and 24b of the optical modulator 24 by the circuit system represented by the capacitor C and the coil L, and φ 1 −φ 0 = 0, π, 2π,.・
If it is adjusted so that

【数20】 のみを取り出すことができる。(Equation 20) Only can be taken out.

【0037】この(数20)に示されるバンドパスフィ
ルタ31の出力を復調回路32に入力することによって
被測定対象物体Sの振動周波数fD
By inputting the output of the band-pass filter 31 shown in (Equation 20) to the demodulation circuit 32, the vibration frequency f D of the object S to be measured is changed.

【数21】 として得られることになる。ただし、λ0 はレーザ光の
波長である。すなわち、λ0 が既知であれば、物体Sの
振動周波数fD から物体Sの速度vが求められる。
(Equation 21) Will be obtained as Here, λ 0 is the wavelength of the laser light. That is, if λ 0 is known, the speed v of the object S is obtained from the vibration frequency f D of the object S.

【0038】以上のように本実施例のレーザドップラ速
度計では、周波数の異なる正弦波信号が印加される2つ
の位相変調器23,24を設けて2つの参照光を得、そ
れぞれ反射光と合成して光検出器29,30に入射する
ことにより、その光検出器29,30の出力の和から復
調回路32において復調可能な信号を容易に取り出すこ
とができる。つまり、周波数混合回路や移相器は不要で
あり、またバンドパスフィルタの数も減少されることに
なる。従って信号処理回路系の大幅な簡素化を実現でき
る。さらに、周波数混合回路を用いないことから不要な
ノイズが発生しないため、速度の検出感度が向上するこ
とになる。
As described above, the laser Doppler velocimeter of the present embodiment is provided with two phase modulators 23 and 24 to which sinusoidal signals having different frequencies are applied, obtains two reference lights, and combines them with the reflected light. Then, by entering the photodetectors 29 and 30, a signal that can be demodulated in the demodulation circuit 32 can be easily extracted from the sum of the outputs of the photodetectors 29 and 30. That is, no frequency mixing circuit or phase shifter is required, and the number of bandpass filters is reduced. Therefore, the signal processing circuit system can be greatly simplified. Furthermore, since no unnecessary noise is generated because no frequency mixing circuit is used, the speed detection sensitivity is improved.

【0039】さらに、上記(数18)に示した整合条件
について、光検出器29,30にフォトダイオードアレ
イを用いることにより各光検出器感度ξ1=ξ2 とみな
せるが、この場合ダイオードの特性は必ずしもバランス
する必要はない。また、参照光の分岐比η1 及び反射光
の分岐比η2 の値は、基板21上における光導波路22
の設計次第で任意に設定できるものである。従って位相
変調指数m1 及びm2の設定は非常に自由度が増すこと
になる。
[0039] Furthermore, the matching conditions shown in the above equation (18), but can be regarded as the optical detector sensitivity ξ 1 = ξ 2 by using a photodiode array to the photodetector 29 and 30, characteristics of this case the diode Need not necessarily be balanced. The values of the branch ratio η 1 of the reference light and the branch ratio η 2 of the reflected light depend on the optical waveguide 22 on the substrate 21.
It can be set arbitrarily depending on the design of. Therefore, the setting of the phase modulation indices m 1 and m 2 greatly increases the degree of freedom.

【0040】つまり位相変調指数m1 及びm2 の値は従
来のようにベッセル関数の一次と二次の成分が等しくな
る値に制限されるものではなくなる。このため、位相変
調指数m1 及びm2 をより小さい値とすることも可能で
あり、例えば位相変調指数m1 =m2 =0.5 とした場
合、光変調器23,24の電極23a,23b,24
a,24bの長さは、従来の光変調器の電極の長さの1
/5以下とすることができ、基板21の小型化に大きく
貢献できる。
That is, the values of the phase modulation indices m 1 and m 2 are no longer limited to values in which the first-order and second-order components of the Bessel function become equal as in the conventional case. Therefore, the phase modulation indices m 1 and m 2 can be set to smaller values. For example, when the phase modulation index m 1 = m 2 = 0.5, the electrodes 23a, 23b, 24
The lengths of a and 24b are one of the electrode lengths of the conventional optical modulator.
/ 5 or less, which can greatly contribute to downsizing of the substrate 21.

【0041】なお、本発明のレーザドップラ速度計の構
成は上記各実施例に限られず、さらに多種考えられる。
また、位相変調指数の設定値は上記例示した数値(m1
=m2 =0.5 )に限定されるものではなく、具体的な回
路設計、基板設計条件に基づいて設定されるべきもので
あることはいうまでもない。
The configuration of the laser Doppler velocimeter of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various types can be considered.
The set value of the phase modulation index is the numerical value (m 1
= M 2 = 0.5). Needless to say, it should be set based on specific circuit design and board design conditions.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザド
ップラ速度計は位相変調器の電極に印加する変調信号を
周波数の異なる2つの正弦波信号によって生成するよう
にしたことにより、信号処理回路系を大幅に簡略化する
ことができ、また、位相変調指数の選定の自由度が増
し、位相変調指数を小さく設定することにより光変調器
の電極の長さも大幅に短縮することが可能となる。従っ
てレーザドップラ速度計の小型化の促進に大きく貢献す
るという効果がある。さらに、信号処理の途上で発生す
る不要信号を原理的には追放することができ、その結果
信号対雑音比が向上し、物体の速度検出の感度を大幅に
向上させることができる効果もある。
As described above, the laser Doppler velocimeter according to the present invention generates a modulation signal to be applied to the electrodes of the phase modulator by two sine-wave signals having different frequencies. The system can be greatly simplified, and the degree of freedom in selecting a phase modulation index increases. By setting the phase modulation index to be small, the length of the electrode of the optical modulator can be significantly reduced. . Therefore, there is an effect that it greatly contributes to promotion of downsizing of the laser Doppler speedometer. Further, unnecessary signals generated in the course of signal processing can be eliminated in principle. As a result, the signal-to-noise ratio is improved, and the sensitivity of speed detection of an object can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention.

【図2】従来のレーザドップラ速度計の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional laser Doppler velocimeter.

【図3】ベッセル関数の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a Bessel function.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 レーザドップラ速度計 21 基板 22 光導波路 23,24 光変調器 25 半導体レーザ 26 正弦波発生回路 27 1/2分周回路 28 可変利得増幅器 29,30 光検出器 31 バンドパスフィルタ 32 復調回路 REFERENCE SIGNS LIST 20 laser Doppler velocimeter 21 substrate 22 optical waveguide 23, 24 optical modulator 25 semiconductor laser 26 sine wave generating circuit 27 1/2 frequency dividing circuit 28 variable gain amplifier 29, 30 photodetector 31 bandpass filter 32 demodulation circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−2075(JP,A) 特許2829966(JP,B2) 特許2779038(JP,B2) 特許2689503(JP,B2) 特公 平6−10687(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 17/00 - 17/95 G01P 3/36 G01P 5/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-5-2075 (JP, A) Patent 2829966 (JP, B2) Patent 2779038 (JP, B2) Patent 2689503 (JP, B2) JP 6-10687 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01S 17/00-17/95 G01P 3/36 G01P 5/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザ光源から射出された光ビームを被
測定対象に照射してその反射光を得るとともに、レーザ
光源から射出された光ビームを、それぞれ周波数の異な
る正弦波信号が変調信号として印加されるようになされ
た第1及び第2の位相変調器に入射して第1及び第2の
参照光を得、この第1及び第2の参照光それぞれに前記
反射光を合成して得た第1及び第2の合成光を、第1及
び第2の光検出手段によって光検出信号に変換し、前記
第1及び第2の光検出器から出力される光検出信号の和
に基づいて被測定対象の速度を測定するように構成した
ことを特徴とするレーザドップラ速度計。
1. An object to be measured is irradiated with a light beam emitted from a laser light source to obtain reflected light, and a sine wave signal having a different frequency is applied as a modulation signal to the light beam emitted from the laser light source. To the first and second phase modulators to obtain first and second reference lights, and the first and second reference lights are combined with the reflected light to obtain the first and second reference lights, respectively. The first and second combined lights are converted into light detection signals by first and second light detection means, and the light is detected based on the sum of the light detection signals output from the first and second light detectors. A laser Doppler velocimeter configured to measure the velocity of a measurement object.
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