JP3341413B2 - 光ドップラ速度計 - Google Patents

光ドップラ速度計

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JP3341413B2 JP30042693A JP30042693A JP3341413B2 JP 3341413 B2 JP3341413 B2 JP 3341413B2 JP 30042693 A JP30042693 A JP 30042693A JP 30042693 A JP30042693 A JP 30042693A JP 3341413 B2 JP3341413 B2 JP 3341413B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は被測定対象からの反射光
ビームに生ずるドップラ効果を利用した光ドラップ速度
計に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、被測定対象からの反射光ビームに
生ずるドップラ効果を利用した光ドップラ速度計として
図2に示す如きものが提案されている。この図2の光ド
ップラ速度計につき説明するに、この例においては被測
定対象1例えばスピーカの振動板の振動速度を測定する
ものとする。図2において、2はレーザダイオードを使
用した光源を示し、このレーザダイオードより成る光源
2は前方及び後方にレーザ光を放射する如くなされたも
のである。
【0003】この光源2の前方に放射された光源光ビー
ムはプリズム3を介して被測定対象1を照射し、この光
源光ビームの反射光ビーム即ち測定光ビームLAをプリ
ズム3を介して誘電体材料例えばLiNbO3 より成る
基板4上に形成された光導波路5に導く如くする。この
場合被測定対象1が速度vで運動するときの測定光ビー
ムLAの電界Esi g は次式で表される。
【0004】
【数1】 となる。ただし、k0 はレーザー光の波数、φ2 は初期
値位相である。
【0005】また光源2の後方に放射された光源光ビー
ムは、この基板4上に形成された光導波路6を通って光
変調器7に導かれる。この光変調器7の電極7aには水
晶発振器より成る正弦波発振器8よりの角周波数ωm
正弦波信号sin(ωm t)がバンドパスフィルタ9及
び駆動回路10を介して供給され、この光変調器7にお
いてはこの光源光ビームをこの正弦波信号sin(ωm
t)によって位相変調し、参照光ビームLBとする。
【0006】この参照光ビームLBの電界Eref
【数2】
【0007】この測定光ビームLA及び参照光ビームL
Bを夫々Y分岐光導波路11に導いて、この測定光ビー
ムLAと参照光ビームLBとを合波して光検出器12に
供給して受光する如くする。この光検出器12の出力電
流f(t)は次の通りである。
【0008】
【数3】
【0009】この光検出器12の出力信号を中心角周波
数をωm ,2ωm とするバンドパスフィルタ13を介し
て周波数混合回路14に供給する。このバンドパスフィ
ルタ13の出力側に得られる交流分(*)は以下の通り
である。
【0010】
【数4】
【数5】 とする。
【0011】また、正弦波発振器8の正弦波信号sin
(ωm t)を1/2分周回路15及び位相調整回路16
を介して周波数混合回路14にパイロット信号として供
給する如くする。この位相調整回路16の出力側に得ら
れるパイロット信号は sin(ωm t/2+φ3 ) であり、このパイロット信号の位相φ3 は位相調整回路
16によって調整される。
【0012】この周波数混合回路14の出力信号を角周
波数が3ωm /2付近の信号成分のみ取り出すバンドパ
スフィルタ17を介して周波数変調復調回路18に供給
する如くする。このバンドパスフィルタ17の出力側に
得られる出力信号g(t)は次式の通りである。
【0013】
【数6】 この数6は、角周波数が3ωm /2である搬送波がco
sφD またはsinφ D でAM変調されていることを表
している。ただし、表記を簡単にするために
【数7】 と置いた。
【0014】この数6の信号を周波数変調復調回路18
でFM復調するためには、この数6の右辺の2つのAM
波の振幅と位相とを揃える必要がある。それらの条件は
振幅条件と位相条件とに分けられる。
【0015】この振幅条件は、
【数8】J2 (mp )=±J1 (mp ) で与えられる。この数8を満たす0でない最小のmp
2.63であり、このときJ1 (2.63)=J
2 (2.63)=0.4624となる。
【0016】また位相条件は、数6の右辺の2つのAM
波の位相が同相か逆相にする条件で、 2φ3 =nπ (n=0,±1,±2,±3‥‥‥‥‥) で与えられる。
【0017】例えば、J1 (mp )=J2 (mp ),φ
3 =0となるように調整すると、数6はさらに整理され
【数9】 となる。
【0018】この数9をFM復調することによって復調
信号h(t)
【数10】 が得られる。ただし、ξは周波数変調復調回路18の感
度、λ0 はレーザー光(光源光ビーム)の波長である。
この波長λ0 が既知であれば、復調信号h(t)から被
測定対象1の速度vの絶対値を知ることができる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】斯る図2に示す如き、
従来の光ドップラ速度計においては、正常な復調信号h
(t)を得るためには光変調器7の電極7aに供給され
る位相変調信号は完全な正弦波信号であることが必要で
ある。しかしなが伝送線路やバンドパスフィルタ等で発
生する位相進み、位相遅れが存在し、このために復調信
号h(t)に歪みが発生しやすく、この為良好な速度測
定ができない不都合があった。
【0020】また上記数6の信号をFM復調できる信号
にするための振幅条件及び位相条件が狭いために、この
最適条件としにくい不都合があった。
【0021】本発明は斯る点に鑑み復調信号の歪みを低
減するようにすると共にこの振幅条件及び位相条件を緩
めるようにすることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明光ドップラ速度計
は例えば図1に示す如く、光源2から射出された光源光
ビームを被測定対象1に照射して、その反射光によって
測定光ビームLAを得ると共にこの光源光ビームを正弦
波発振器8よりの正弦波信号の位相変調信号によって位
相変調動作する光変調器7に入射して参照光ビームLB
を得、この参照光ビームLB及びこの測定光ビームLA
の合成光を光検出器12に供給し、この光検出器12の
出力信号をこの位相変調信号の基本波又は高調波周波数
成分を通過するバンドパスフィルタ13を介して周波数
混合回路14に供給すると共にこの正弦波発振器8より
の所定周波数の正弦波信号を第1の位相調整回路16を
介してパイロット信号としてこの周波数混合回路14に
供給し、この周波数混合回路14の出力信号を周波数変
調復調してこの被測定対象1の速度を測定するようにし
た光ドップラ速度計において、この正弦波発振器8より
の正弦波信号を第2の位相調整回路20を介してこの位
相変調信号としてこの光変調器7に供給するようにした
ものである。
【0023】
【作用】本発明によれば光変調器7に供給する位相変調
信号を第2の位相調整回路20により位相φ0 を調整す
るようにしたので、この位相変調信号の通過する伝送線
路やフィルタで発生する位相進み、位相遅れを打ち消
し、復調歪みを低減できる。またこの位相調整回路20
を積極的に使用することによりFM復調できる信号にす
るための振幅条件及び位相条件を緩めることができる。
【0024】
【実施例】以下図1を参照して本発明光ドップラ速度計
の一実施例につき説明しよう。この図1において、図2
に対応する部分には同一符号を付す。
【0025】本例においても、被測定対象1としてスピ
ーカ振動板の振動速度を測定する例につき説明する。図
1においてはレーザーダイオードより成る光源2の前方
に放射された光源光ビームはプリズム3を介して被測定
対象1を照射し、この光源光ビームの反射光ビーム即ち
測定光ビームLAをプリズム3を介して誘電体材料例え
ばLiNbO3 より成る基板4上に形成された光導波路
5に導く如くする。この場合、被測定対象1が速度vで
運動するときの測定光ビームLAの電界E sig は前述数
1に示す通りである。
【0026】また光源2の後方に放射された光源光ビー
ムは、この基板4上に形成された光導波路6を通って光
変調器7に導かれる。本例においては水晶発振器より成
る正弦波発振器8よりの角周波数ωm の正弦波信号si
n(ωm t)を位相調整回路20、バンドパスフィルタ
9及び駆動回路10の直列回路を介してこの光変調器7
の電極7aに供給する。この場合、この光変調器7の電
極7aに供給される信号はsin(ωm t+φ0 )であ
り、この位相φ0 を位相調整回路20で調整する。
【0027】この光変調器7においてはこの光源光ビー
ムを、この信号sin(ωm t+φ 0 )によって位相変
調し、参照光ビームLBを得る。この参照光ビームLB
の電界Eref
【0028】
【数11】 で表される。ただし、ω0 はレーザー光の角周波数、m
p は位相変調指数、φ1は初期位相である。
【0029】ベッセルの公式から
【数12】
【数13】 と展開できるから、数11を整理すると
【0030】
【数14】 となる。ただし、Jq はq次のベッセル関数である。
【0031】この測定光ビームLA及び参照光ビームL
Bを夫々Y分岐光導波路11に導いて、この測定光ビー
ムLAと参照光ビームLBとを合波して、この参照光ビ
ームLBで測定光ビームLAをヘテロダイン検波し、光
検出器12に供給して受光する如くする。この光検出器
12の出力電流f(t)は次のようになる。
【0032】
【数15】
【0033】この光検出器12の出力信号を中心角周波
数をωm ,2ωm とするバンドパスフィルタ13を介し
て周波数混合回路14に供給する。このバンドパスフィ
ルタ13の出力側に得られる交流信号(*)は以下の通
りである。
【0034】
【数16】 ただし、ωm >4k0 v(t)であるものとする。ま
た、表記を簡単にするためにドップラ信号を含む成分を 光検出器出力信号の電圧振幅を と置いた。
【0035】また正弦波発振器8の正弦波信号sin
(ωm t)を3/2分周回路15a及び位相調整回路1
6の直列回路を介して周波数混合回路14にパイロット
信号として供給する如くする。この位相調整回路16の
出力側に得られるパイロット信号は sin(ωm t/2+φ3 ) であり、このパイロット信号の位相φ3 は位相調整回路
16によって調整される。
【0036】この周波数混合回路14の出力信号を角周
波数がωm /2付近の信号成分のみを取り出すバンドパ
スフィルタ17aを介して周波数変調復調回路18に供
給する如くする。このバンドパスフィルタ17aの出力
側に得られる出力信号g(t)は次式の通りである。
【0037】
【数17】
【0038】しかし、この数17の式を直感的に理解す
るのは極めて難しい。そこで、ωm成分から復調された
数17の右辺〔 〕内の第1項〜第4項及び2ωm 成分
から復調された数17の右辺〔 〕内の第5項、第6項
を別々に整理してみる。この第1項と第3項との和及び
この第2項と第4項との和は夫々以下の通りである。
【0039】
【数18】
【数19】
【0040】ただし、
【数20】 と置換した。また、
【0041】
【数21】
【数22】 と置いて、数18と数19との和を求めると次の通りで
ある。
【0042】
【数23】 この数23は角周波数がωm /2である搬送波がドップ
ラ信号sinφD で振幅変調されていることを表してい
る。同様に、数17の右辺第5項と第6項との和を求め
ると次の通りである。
【0043】
【数24】
【0044】ただし、
【数25】 と置換した。この数24も数23と同様、角周波数がω
m /2である搬送波がドップラ信号cosφD で変調さ
れていることを表している。
【0045】結局、この数23と数24とを用いて前述
数9を整理すると
【数26】 が得られる。
【0046】この数26の信号が周波数変調復調回路1
8でFM復調できる信号(即ちFM信号)となるのは次
の振幅条件と位相条件とが満たされるときに限られる。
【0047】この振幅条件は数26の右辺の2つの振幅
変調波の振幅が等しくなるように
【数27】 と導かれる。
【0048】この数27を満たすmp とφ0 とは無数に
存在する。これを従来の数8と比較するとφ0 が加わっ
たために振幅条件を満足するのが易しくなっている。
【0049】また位相条件は数26の右辺の2つの搬送
波の位相が同相が逆相になる条件で次式で与えられる。
【0050】
【数28】
【0051】この数28から、φ0 を固定してφ3 を調
整するか、φ3 を固定してφ0 を調整すればよいことが
わかる。例えばφ0 の値を0あるいは±π/2に固定し
た場合を考えてみる。このときはφ0 の値によって位相
条件の数28を満たすφ3 は以下のような値を取らなけ
ればならない。
【0052】(i) φ0 =0 φ3 =nπ/2 (n=0,±1,±2,±3‥‥‥)
【0053】(ii) φ0 =±π/2 φ3 =(2n+1)π/4 (n=0,+1,+2‥‥
‥)
【0054】例えばφ0 =0、mp =0、φ3 =π/2
のとき信号g(t)は
【数29】 となる。
【0055】この数29の信号g(t)を周波数変調復
調回路18でFM復調すると復調信号h(t)
【数30】 が得られる。ただし、ξは復調回路18の感度(V/H
z)である。
【0056】ここでレーザー光の波長λ0 が既知であれ
ば、この復調信号h(t)から被測定対象1の速度vの
絶対値を知ることができる。
【0057】以上述べた如く、本例によれば光変調器7
に供給する正弦波信号を位相調整回路20により、その
位相φ0 を調整するようにしているので、この位相変調
信号の通過する伝送線路やフィルタで発生する位相進み
や、位相遅れを打ち消し、復調歪みを低減でき、精度の
良い速度測定ができる利益がある。
【0058】また本例によれば、この位相調整回路20
による位相φ0 の調整を積極的に使用することによりF
M復調できる信号にするための振幅条件及び位相条件を
緩めることができる利益がある。
【0059】尚本発明は上述実施例に限ることなく本発
明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り
得ることは勿論である。
【0060】
【発明の効果】本発明によれば、光変調器7に供給する
正弦波信号を位相調整回路20により、その位相φ0
調整するようにしているので、この位相変調信号の通過
する伝送線路やフィルタで発生する位相進みや位相遅れ
を打ち消し、復調歪みを低減でき、精度の良い速度測定
かできる利益がある。
【0061】また本発明によれば、この位相調整回路2
0による位相φ0 の調整を積極的に使用することにより
FM復調できる信号にするための振幅条件及び位相条件
を緩めることができる利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明光ドップラ速度計の一実施例を示す構成
図である。
【図2】従来の光ドップラ速度計の例を示す構成図であ
る。
【符号の説明】
1 被測定対象 2 光源 3 プリズム 4 誘電体材料基板 5,6 光導波路 7 光変調器 8 正弦波発振器 11 Y分岐光導波路 12 光検出器 14 周波数混合回路 16,20 位相調整回路 17,17a バンドパスフィルタ 18 周波数変調復調回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 康俊 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−2076(JP,A) 特開 平2−38889(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 3/36 G01S 17/58

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源から射出された光源光ビームを被測
    定対象に照射して、その反射光によって測定光ビームを
    得ると共に前記光源光ビームを正弦波発振器よりの正弦
    波信号の位相変調信号によって位相変調動作する光変調
    器に入射して参照光ビームを得、該参照光ビーム及び前
    記測定光ビームの合成光を光検出器に供給し、該光検出
    器の出力信号を前記位相変調信号の基本波又は高調波周
    波数成分を通過するバンドパスフィルタを介して周波数
    混合回路に供給すると共に前記正弦波発振器よりの所定
    周波数の正弦波信号を第1の位相調整回路を介してパイ
    ロット信号として前記周波数混合回路に供給し、前記周
    波数混合回路の出力信号を周波数変調復調して前記被測
    定対象の速度を測定するようにした光ドップラ速度計に
    おいて、 前記正弦波発振器よりの正弦波信号を第2の位相調整回
    路を介して前記位相変調信号として前記光変調器に供給
    するようにしたことを特徴とする光ドップラ速度計。
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