JP3465434B2 - レーザードップラー速度計 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザードップラ
ー速度計に関する。更に詳しく言えば、レーザービーム
を測定しようとする対象物に投射して、その対象物によ
って周波数変調をうけて反射してくる反射光をＦＭ復調
することにより、振動物の速度を測定することに関す
る。 【０００２】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】先ず、
図９を参照して、レーザードップラー速度計の原理を簡
単に説明する。図示のように、レーザー光源４１から出
射したレーザー光はビームスプリッタ４２で２つの光に
分割され、そのうちの１つは参照光として反射鏡４３、
光変調器４４、反射鏡４５の経路を経てビームスプリッ
タ４６に入射する。 【０００３】他方、ビームスプリッタ４２を透過したも
う一つの光はビームスプリッタ４６を透過して被測定物
に投射し、そこから反射してきた光が再びビームスプリ
ッタ４６に入射する。ビームスプリッタ４６では、被測
定物からの反射光と参照光が干渉し、この干渉光を光検
出器４８で検出する。 【０００４】被測定物からの反射光は、その被測定物が
振動しているとその振動に応じて周波数が変調されてい
るので、これをＦＭ復調すれば被測定物の振動速度が検
出できる。ここでは被測定物の振動速度と説明したが、
振動に限ることなく、被測定物の移動速度についても同
様に測定できる。 【０００５】次に、従来のレーザードップラー速度計に
ついて、図６を参照して、簡単に説明する。同図におい
て、プローブ１は、図９を参照して上記した光学系で成
り、レーザー光源、光変調器、干渉系等を含む測定用の
レーザー光の送受信器でなる。プローブ１の出力はＦＭ
復調器２に供給され、受信した被測定対象からの反射光
が復調されて速度情報が検出され、総合フィルタ回路３
を通した後、出力端子４に出力される。 【０００６】この種のレーザードップラー速度計におい
て、従来、出力の高域での位相遅れが問題になってい
た。そうして、その原因のほとんどがＦＭ復調器の後段
に設けられたローパスフィルタ等にあった。この他に、
ハイパスフィルタ、微分回路、積分回路等に原因がある
場合もある。 【０００７】レーザードップラー速度計には、主として
パルスカウント方式が用いられ、その他にもクアドラチ
ャ、ＰＬＬ方式等が用いられるが、その復調器としてＦ
Ｍ復調器を使うので、どうしてもキャリア除去用のロー
パスフィルタが必要である。また、ＦＭ特有の三角ノイ
ズの除去用に数種類のカットオフ周波数のローパスフィ
ルタが切換えて使用できるように準備されている。 【０００８】ローパスフィルタは、そのカットオフ周波
数以下で振幅がフラットな領域でも、位相はかなり早い
時点から遅れ始める。例えば、簡単なＣＲによる一次ロ
ーパスフィルタの伝達関数は Ｇ（ｊω）＝（１／ＣＲ）／（ｊω＋（１／ＣＲ）） で与えられ、振幅絶対値｜Ｇ｜及び位相ａｒｇＧは夫々 ｜Ｇ｜＝（１／（１＋（ωＣＲ）2 ）n ，ｎ＝１／２ ａｒｇＧ＝−ａｒｃｈ・ｔａｎ（ωＣＲ） となる。 【０００９】カットオフ周波数（ｆｃ＝１／２πＣＲ）
では、振幅の絶対値は１／（２の１／２乗）＝０．０７
０７‥‥であるのに対して位相は４５°遅れる。実際に
は８次のバターワースローパスフィルタ等が使われ、こ
の時カットオフ周波数における振幅絶対値はほぼゼロデ
シベルなのに対し、位相は３６０°遅れる。 【００１０】このようにレーザードップラー速度計その
ものが位相遅れを持っているので、保障されている出力
振幅帯域内においても、それが被測定対象の位相特性に
加算され、誤った測定がされる恐れがあった。 【００１１】しかしながら、従来、測定器のメーカはこ
のことをカタログや仕様書で詳細に説明していないた
め、ユーザーがレーザードップラー速度計の性能を信じ
て保障出力振幅帯域内での正確な振幅位相ベクトル測定
ができると思っていたために測定を誤ってしまうことが
あった。 【００１２】このことに気付いていた測定者は、幾つか
の方法で、この位相遅れをキャンセルした測定を行って
いた。一番単純な方法は、メーカーからレーザードップ
ラー速度計内部のローパスフィルタ、ハイパスフィルタ
等の振幅位相の周波数特性の実測データを貰い、それを
使って換算することにより正しい値を得ていた。 【００１３】しかし、これを手作業で行うのは大変な作
業であり、コンピュータを使って行ったとしても測定時
のレゾルーション（解像度）がいつも一定とは限らない
し、全てのユーザーが、サーボアナライザー、ロックイ
ンアンプ、オシロスコープ等の測定結果をＡＤ変換器や
ＨＰＩＢ等でコンピュータに取り込んでいるとは限らな
いのであまり良い方法とはいえない。 【００１４】また、他の方法として図７に示すような方
法がある。即ち、サーボアナライザ７、基準振動源１
１、被測定対象８、レーザードップラー速度計（プロー
ブ１、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路３）を準備し、
先ず、サーボアナライザ７の出力端子ＯＵＴから基準振
動源１１に加振信号（スイープ信号）を加え、この基準
振動源が発する振動の速度を、プローブ１、ＦＭ復調器
２、総合フィルタ回路３からなるレーザードップラー速
度計で測定し、その結果をサーボアナライザ７の入力端
子ＩＮＢに入力する。 【００１５】上記出力端子ＯＵＴから出力される加振信
号はサーボアナライザ７のもう一つの入力ＩＮＡに入力
するように接続されているので、これらの入力端子ＩＮ
Ａ，ＩＮＢに入力する信号から、このサーボアナライザ
７で加振信号と測定信号の振幅位相差を測定するベクト
ル解析をおこない、出力端子ＯＵＴから出力する加振信
号（入力速度）に対する出力信号の振幅及び位相の周波
数特性を測定し、これを基準値として蓄積しておく。 【００１６】次に、サーボアナライザ７の出力端子ＯＵ
Ｔから被測定対象８に加振信号を印加する。このとき、
出力端子ＯＵＴからの出力を入力端子ＩＮＡにも供給す
るように接続しておく。被測定対象８は、加振信号によ
って振動する。この振動の速度をレーザードップラー速
度計（プローブ１、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路
３）によって測定し、その測定結果をサーボアナライザ
７の入力端子ＩＮＢに入力する。 【００１７】サーボアナライザ７は、入力端子ＩＮＡか
ら入力する加振信号と入力端子ＩＮＢから入力する測定
結果である振動速度とに基いてベクトル解析法により振
幅位相ベクトル測定を行い、これを上記基準値と比較す
ることにより、正確な測定値を得ている。 【００１８】しかし、この方法が有効なのは、基準振動
源（又は基準速度源）の性能（換言すると、入力電圧対
出力速度の振幅位相の周波数特性）がプローブ１、ＦＭ
復調器２、総合フィルタ回路３からなるレーザードップ
ラー速度計の性能を越えている場合に限られる。それ
故、最近のレーザードップラー速度計の性能向上から考
えて、この方法は有効でなく、せいぜい、或基準振動
（速度）源と被測定対象の差、つまり相対評価ができる
というものである。 【００１９】更に他の方法として、図８を参照して次に
説明する方法がある。この方法は、図７を参照して上述
した方法とほぼ同じであるが、基準振動源１１の代わり
にＦＭ変調器１２を使用している点が異なる。 【００２０】サーボアナライザ７の出力ＯＵＴを自己の
入力端子ＩＮＡに入力するとともに、ＦＭ変調器１２に
供給し、そこでＦＭ変調された信号をＦＭ復調器２に印
加し、ＦＭ復調した信号を総合フィルタ回路３をとおし
た後、サーボアナライザ７の入力端子ＩＮＢに入力す
る。なお、上記ＦＭ復調器には、入力端子として一般ユ
ーザーが利用し易いようにＢＮＣ等の標準端子として開
放しているものもある。 【００２１】サーボアナライザ７では、２つの入力端子
ＩＮＡ，ＩＮＢに供給される信号をベクトル解析法によ
り解析して、ＦＭ復調後の総合フィルタ回路の振幅位相
の入出力位相特性を測定し、その結果をサーボアナライ
ザ７に記憶させ、それを基準値とする。この場合、ＦＭ
変調器１２とＦＭ復調器２は上記入出力周波数特性に殆
ど影響を与えないことを前提とする。実際問題として
も、性能の良いＦＭ変調器とレーザードップラー速度計
を用いれば殆ど影響はない。 【００２２】その後、上記図７を参照して説明したのと
同様にして、サーボアナライザ７からの信号を被測定対
象に供給し、その被測定対象の振動（速度）をレーザー
の投射によって検出し、プローブ１で受け、ＦＭ復調器
２、総合フィルタ回路３を介した後サーボアナライザ７
の入力端子ＩＮＢに供給する。サーボアナライザ７は、
これら２つの入力をもとにして振幅位相のベクトル計算
をし、基準値と比較して正確な振幅位相ベクトルを出力
する。 【００２３】この方法は前の２つの方法に比べて優れて
いるが、性能の良い高価なＦＭ変調器が必要であるとい
う欠点がある。因みに、キャリア周波数は８０ＭＨｚく
らいが必要なものが多く、周波数偏移も場合によっては
数ＭＨｚ必要になる。 【００２４】本発明は以上のような従来のレーザードッ
プラー速度計の欠点を克服し、簡単な構成で、信頼性の
ある測定結果の得られるレーザードップラー速度計を提
供することを目的とする。 【００２５】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明によれば、被測定対象にレーザー光を投射
するレーザー光源と、該被測定対象からの反射光と参照
光の合成光を検出する光検出手段を備え、該光検出手段
によって検出した信号をＦＭ復調器によって復調して上
記被測定対象の速度を測定するようになされたレーザー
ドップラー速度計において、上記ＦＭ復調器とその後に
設けられたローパスフィルタ、又はハイパスフィルタ、
又は微分回路、又は積分回路、またはそれらの組み合わ
せからなる総合フィルタ回路との間に、切換スイッチを
設け、該切換スイッチの一方を上記ＦＭ復調器の出力に
接続、他方を外部から直接入力する加振信号の入力端子
に接続して切換接続できるようにし、且つ該切換スイッ
チの共通端子を上記総合フィルタ回路の入力端に接続
し、該総合フィルタ回路の出力を外部に出力する出力端
子を設けたレーザードップラー速度計を提供する。 【００２６】 【発明の実施の形態】図１は本発明のレーザードップラ
ー速度計の一実施形態を示すシステム構成図である。同
図に示すように、レーザードップラー速度計は、プロー
ブ１、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路３、出力端子
４、切換スイッチ５、及び入力端子６を備えている。 【００２７】プローブ１は、測定する対象物に対して投
射するレーザー光の光源、参照光に対する光変調器、対
象物から反射してくるＦＭ変調されたレーザー光と上記
参照光の干渉を作り、それの光信号を電気信号に変換す
る光電変換器等を含む。 【００２８】ＦＭ復調器２は、被測定対象の振動等の動
きの速度によって変調を受けた信号を復調して、速度情
報を取り出す回路である。総合フィルタ回路３は、ＦＭ
復調器の出力に現れる複数の周波数成分の中から希望す
る周波数帯域の信号を取り出すための濾波回路である。
この総合フィルタ回路３には、ＦＭ復調器の出力に現れ
るキャリア周波数成分を除去するためのフィルタを設け
ることができる。 【００２９】入力端子６は、外部からの信号を直接総合
フィルタ回路３に入力する場合に使う端子である。スイ
ッチ５は、総合フィルタ回路への入力をＦＭ復調器２か
らの出力と入力端子６からの入力との間で切り換えるた
めのスイッチである。 【００３０】次に、図１に図示したレーザードップラー
速度計を使った測定について図２を参照して説明する。
先ず、サーボアナライザ７から被測定対象８に対して加
振信号を供給するとともに、その加振信号を自己の入力
端子ＩＮＡに入力するように回路接続をする。 【００３１】被測定対象の近くに本実施形態のレーザー
ドップラー速度計を置いて、上記サーボアナライザ７か
らの出力を直接入力端子６に接続する。このレーザード
ップラー速度計の出力端子４は上記サーボアナライザ１
の入力端子ＩＮＢに接続する。測定に際しては、先ずス
イッチ５を入力端子６側に切り換え、サーボアナライザ
７の出力端子ＯＵＴから供給される加振信号（スイープ
信号）を直接総合フィルタ回路３に供給する。この総合
フィルタ回路３の出力はサーボアナライザ７の入力端子
ＩＮＢに供給され、サーボアナライザ７において、送出
した加振信号と受信した総合フィルタ回路の出力から、
総合フィルタ回路３の入出力の振幅位相周波数特性を測
定し、その値をサーボアナライザ７内に記憶する。 【００３２】次に、切換スイッチ５を切り換えて、ＦＭ
復調器２の出力を総合フィルタ回路３の入力に接続す
る。この時、サーボアナライザ７から被測定対象８に加
振信号が与えられているので被測定対象は振動してい
る。レーザードップラー速度計は、そのプローブ１から
測定のためのレーザー光を被測定対象に投射し、被測定
対象の振動速度に応じて変調された反射光を同プローブ
で受信し電気信号に変えて、ＦＭ復調器２に送る。 【００３３】ＦＭ復調された被測定対象の速度情報信号
は総合フィルタ回路３で濾波されて、サーボアナライザ
７の入力端子ＩＮＢに供給される。サーボアナライザ７
はこの信号をベクトル解析して、前記基準値との差をと
ることによって、正確な振幅位相ベクトル値を得ること
ができる。 【００３４】次に、本発明のレーザードップラー速度計
の第２の実施形態について、図３及び図４を参照して説
明する。図３のシステム構成において、プローブ１はレ
ーザー光の送受信器であってレーザー光源、光変調器、
干渉系、受光素子等の光学系でなることは、上記実施形
態の場合と同じである。 【００３５】また、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路
３．１，３．２についても基本的には上記実施形態の場
合と同じである。本実施形態が第１の実施形態と異なる
点は、総合フィルタ回路が２組設けられている点であ
る。総合フィルタ回路１はＦＭ復調器２からの出力を濾
波するのに使うフィルタであり、上記第１実施形態にお
いて用いられるものと同じ役割を果たす。 【００３６】しかし、総合フィルタ回路２は、基準とな
るフィルタであり、総合フィルタ回路１と同一の入出力
振幅位相周波数特性を持つフィルタが用意される。この
フィルタ回路は上記測定のためのループとは別に設けら
れ、その入力端子、出力端子も独立に設けられる。 【００３７】このレーザードップラー速度計を用いた測
定について、図４を参照して、下記に説明する。測定に
先立って、装置の接続が行われる。この接続は、図４に
図示するとおり、サーボアナライザ７の出力端子ＯＵＴ
が総合フィルタ回路２の入力端子９に接続され、総合フ
ィルタ回路２の出力端子１０がサーボアナライザ７の入
力端子ＩＮＡに接続される。 【００３８】サーボアナライザ７の出力端子ＯＵＴは被
測定対象８にも接続される。被測定対象８に対しては、
プローブ１からレーザー光を投射し、その反射光を同プ
ローブで受信することができるように、被測定対象８と
プローブ１を適正位置に配置する。従って、これらの間
は光学的に接続されていると考えることもできる。 【００３９】プローブ１からの出力はＦＭ復調器２に供
給され、ＦＭ復調器からの出力は総合フィルタ回路１
（３．１）に送られ、そこで濾波された出力信号がサー
ボアナライザ７の入力端子ＩＮＢに供給されるように装
置間の接続が行われる。 【００４０】この状態でサーボアナライザ７の出力端子
ＯＵＴから加振信号（スイープ信号）を被測定対象８に
印加するとともに、その加振信号を総合フィルタ回路２
（３．２）にも供給し、総合フィルタ回路２を通った加
振信号がサーボアナライザ７の入力端子ＩＮＡに供給さ
れる。 【００４１】他方、プローブ１から出力される被測定対
象８の速度に関する情報信号はＦＭ復調器２で復調され
て検出される。ＦＭ復調器２からの出力は総合フィルタ
回路１に送られ、そこで不用な周波数成分が除去された
信号がサーボアナライザ７の入力端子ＩＮＢに供給され
る。 【００４２】サーボアナライザ７は、送られて来た２つ
の信号、即ち、総合フィルタ回路２を通過した加振信号
とレーザードップラー速度計の出力から送られてくる信
号をベクトル解析によって測定して、振幅位相周波数特
性の解析測定を行う。この場合、レーザードップラー速
度計に含まれる総合フィルタ回路１による影響を基準と
して設けた総合フィルタ回路２による影響で打ち消すこ
とにより、正確な振幅位相ベクトル測定ができる。 【００４３】一般的にレーザードップラー速度計に用い
られる総合フィルタ回路には、ローパスフィルタ、また
はハイパスフィルタ、または微分回路、または積分回
路、またはそれらの組み合わせから構成される。 【００４４】次に、図５を参照して、本発明のレーザー
ドップラー速度計に用いられる総合フィルタ回路の一例
について説明する。この総合フィルタ回路は、同図に示
すように、入力端子２１と出力端子３４の間に単位フィ
ルタが多段接続される構成になっている。図５に示すフ
ィルタの構成は２段接続の例であり、各段は３個の単位
フィルタが並列に配置され、切換スイッチによって切り
換えられるようになっている。 【００４５】入力端子２１は増幅器又はバッファ２２を
介してスイッチ２３（ＳＷ１）の固定接点に接続されて
おり、スイッチ２３の第１の接点は低域通過フィルタ２
４（ＬＰＦ１２Ｋ）の入力に接続されている。同スイッ
チの第２の接点、第３の接点は夫々低域通過フィルタ２
５（ＬＰＦ１２０Ｋ）、低域通過フィルタ２６（ＬＰＦ
１．２Ｍ）の入力に接続されている。 【００４６】これらのフィルタの出力はスイッチ２７
（ＳＷ２）の切換接点に接続されていて、接点切換によ
って一時に１つのフィルタが出力側の固定接点に接続さ
れるようになっている。第１段の出力は第２段の入力側
切換スイッチ２８（ＳＷ３）の固定接点に接続され、高
域通過フィルタ２９（ＨＰＦ ＯＦＦ （ＤＣ）），３
０（ＨＰＦ０．５），３１（ＨＰＦ１００）に切換接続
できるようになっている。 【００４７】これらの高域通過フィルタの出力は夫々切
換スイッチ３２（ＳＷ４）によって出力側固定接点に切
換接続される。この第２段の出力は増幅器又はバッファ
３３を介して出力端子３４に接続されている。この総合
フィルタは、切換スイッチＳＷ１とＳＷ２を連動して切
り換えて３個の単位フィルタ２４，２５，２６の中から
１つを選択し、それと同時に切換スイッチＳＷ３とＳＷ
４を連動して切り換えて３個の単位フィルタ２９，３
０，３１の中から１つを選択して、それらの選択された
フィルタの組み合わせによって総合的なフィルタ特性を
与える。 【００４８】参考までに上記単位フィルタの周波数特性
を記すと、低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）のカ
ットオフ周波数は、フィルタ２４が１２ＫＨｚ、フィル
タ２５が１２０ＫＨｚ、フィルタ２６が１．２ＭＨｚで
あり、高域通過フィルタ（ハイパスフィルタ）のカット
オフ周波数は、フィルタ２９が低域カットオフ周波数な
し、即ち直流まで、フィルタ３０が０．５Ｈｚ、フィル
タ３１が１００Ｈｚである。 【００４９】以上、本発明のレーザードップラー速度計
に用いられる総合フィルタ回路について、説明したが、
ここに示した回路はほんの一例にすぎず、他の種々の回
路を用いることができることは云うまでもない。 【００５０】例えば、上記第２の実施形態において用い
られる総合フィルタ回路２は、総合フィルタ回路１の周
波数特性の中で測定結果に最も大きな影響を与えるロー
パスフィルタの周波数特性についてだけ修正可能とする
ために、総合フィルタ回路１のローパスフィルタと略同
じ特性を有するローパスフィルタだけを設けたものとす
ることができる。 【００５１】 【発明の効果】本発明のレーザードップラー速度計は、
その内部で使用されるフィルタの周波数特性に起因する
測定値の振幅及び位相特性の不正確さを修正できる構成
を備えている。本発明に依れば、ＦＭ復調器とその後に
設けられたローパスフィルタ、又はハイパスフィルタ、
又は微分回路、又は積分回路、またはそれらの組み合わ
せからなる総合フィルタ回路との間に、切換スイッチを
設け、該切換スイッチの一方を上記ＦＭ復調器の出力に
接続、他方を外部から直接入力する加振信号の入力端子
に接続して切換接続できるようにし、且つ該切換スイッ
チの共通端子を上記総合フィルタ回路の入力端に接続
し、該総合フィルタ回路の出力を外部に出力する出力端
子を設けたので、被測定対象に印加する加振信号を直接
総合フィルタ回路に入力した時の出力と、測定対象を測
定した結果の信号を該総合フィルタ回路に入力した時の
出力とを得て、それらを比べることにより、その総合フ
ィルタ回路の位相特性を補正した正しい位相特性の測定
結果を得ることができる。 【００５２】
ー速度計に関する。更に詳しく言えば、レーザービーム
を測定しようとする対象物に投射して、その対象物によ
って周波数変調をうけて反射してくる反射光をＦＭ復調
することにより、振動物の速度を測定することに関す
る。 【０００２】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】先ず、
図９を参照して、レーザードップラー速度計の原理を簡
単に説明する。図示のように、レーザー光源４１から出
射したレーザー光はビームスプリッタ４２で２つの光に
分割され、そのうちの１つは参照光として反射鏡４３、
光変調器４４、反射鏡４５の経路を経てビームスプリッ
タ４６に入射する。 【０００３】他方、ビームスプリッタ４２を透過したも
う一つの光はビームスプリッタ４６を透過して被測定物
に投射し、そこから反射してきた光が再びビームスプリ
ッタ４６に入射する。ビームスプリッタ４６では、被測
定物からの反射光と参照光が干渉し、この干渉光を光検
出器４８で検出する。 【０００４】被測定物からの反射光は、その被測定物が
振動しているとその振動に応じて周波数が変調されてい
るので、これをＦＭ復調すれば被測定物の振動速度が検
出できる。ここでは被測定物の振動速度と説明したが、
振動に限ることなく、被測定物の移動速度についても同
様に測定できる。 【０００５】次に、従来のレーザードップラー速度計に
ついて、図６を参照して、簡単に説明する。同図におい
て、プローブ１は、図９を参照して上記した光学系で成
り、レーザー光源、光変調器、干渉系等を含む測定用の
レーザー光の送受信器でなる。プローブ１の出力はＦＭ
復調器２に供給され、受信した被測定対象からの反射光
が復調されて速度情報が検出され、総合フィルタ回路３
を通した後、出力端子４に出力される。 【０００６】この種のレーザードップラー速度計におい
て、従来、出力の高域での位相遅れが問題になってい
た。そうして、その原因のほとんどがＦＭ復調器の後段
に設けられたローパスフィルタ等にあった。この他に、
ハイパスフィルタ、微分回路、積分回路等に原因がある
場合もある。 【０００７】レーザードップラー速度計には、主として
パルスカウント方式が用いられ、その他にもクアドラチ
ャ、ＰＬＬ方式等が用いられるが、その復調器としてＦ
Ｍ復調器を使うので、どうしてもキャリア除去用のロー
パスフィルタが必要である。また、ＦＭ特有の三角ノイ
ズの除去用に数種類のカットオフ周波数のローパスフィ
ルタが切換えて使用できるように準備されている。 【０００８】ローパスフィルタは、そのカットオフ周波
数以下で振幅がフラットな領域でも、位相はかなり早い
時点から遅れ始める。例えば、簡単なＣＲによる一次ロ
ーパスフィルタの伝達関数は Ｇ（ｊω）＝（１／ＣＲ）／（ｊω＋（１／ＣＲ）） で与えられ、振幅絶対値｜Ｇ｜及び位相ａｒｇＧは夫々 ｜Ｇ｜＝（１／（１＋（ωＣＲ）2 ）n ，ｎ＝１／２ ａｒｇＧ＝−ａｒｃｈ・ｔａｎ（ωＣＲ） となる。 【０００９】カットオフ周波数（ｆｃ＝１／２πＣＲ）
では、振幅の絶対値は１／（２の１／２乗）＝０．０７
０７‥‥であるのに対して位相は４５°遅れる。実際に
は８次のバターワースローパスフィルタ等が使われ、こ
の時カットオフ周波数における振幅絶対値はほぼゼロデ
シベルなのに対し、位相は３６０°遅れる。 【００１０】このようにレーザードップラー速度計その
ものが位相遅れを持っているので、保障されている出力
振幅帯域内においても、それが被測定対象の位相特性に
加算され、誤った測定がされる恐れがあった。 【００１１】しかしながら、従来、測定器のメーカはこ
のことをカタログや仕様書で詳細に説明していないた
め、ユーザーがレーザードップラー速度計の性能を信じ
て保障出力振幅帯域内での正確な振幅位相ベクトル測定
ができると思っていたために測定を誤ってしまうことが
あった。 【００１２】このことに気付いていた測定者は、幾つか
の方法で、この位相遅れをキャンセルした測定を行って
いた。一番単純な方法は、メーカーからレーザードップ
ラー速度計内部のローパスフィルタ、ハイパスフィルタ
等の振幅位相の周波数特性の実測データを貰い、それを
使って換算することにより正しい値を得ていた。 【００１３】しかし、これを手作業で行うのは大変な作
業であり、コンピュータを使って行ったとしても測定時
のレゾルーション（解像度）がいつも一定とは限らない
し、全てのユーザーが、サーボアナライザー、ロックイ
ンアンプ、オシロスコープ等の測定結果をＡＤ変換器や
ＨＰＩＢ等でコンピュータに取り込んでいるとは限らな
いのであまり良い方法とはいえない。 【００１４】また、他の方法として図７に示すような方
法がある。即ち、サーボアナライザ７、基準振動源１
１、被測定対象８、レーザードップラー速度計（プロー
ブ１、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路３）を準備し、
先ず、サーボアナライザ７の出力端子ＯＵＴから基準振
動源１１に加振信号（スイープ信号）を加え、この基準
振動源が発する振動の速度を、プローブ１、ＦＭ復調器
２、総合フィルタ回路３からなるレーザードップラー速
度計で測定し、その結果をサーボアナライザ７の入力端
子ＩＮＢに入力する。 【００１５】上記出力端子ＯＵＴから出力される加振信
号はサーボアナライザ７のもう一つの入力ＩＮＡに入力
するように接続されているので、これらの入力端子ＩＮ
Ａ，ＩＮＢに入力する信号から、このサーボアナライザ
７で加振信号と測定信号の振幅位相差を測定するベクト
ル解析をおこない、出力端子ＯＵＴから出力する加振信
号（入力速度）に対する出力信号の振幅及び位相の周波
数特性を測定し、これを基準値として蓄積しておく。 【００１６】次に、サーボアナライザ７の出力端子ＯＵ
Ｔから被測定対象８に加振信号を印加する。このとき、
出力端子ＯＵＴからの出力を入力端子ＩＮＡにも供給す
るように接続しておく。被測定対象８は、加振信号によ
って振動する。この振動の速度をレーザードップラー速
度計（プローブ１、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路
３）によって測定し、その測定結果をサーボアナライザ
７の入力端子ＩＮＢに入力する。 【００１７】サーボアナライザ７は、入力端子ＩＮＡか
ら入力する加振信号と入力端子ＩＮＢから入力する測定
結果である振動速度とに基いてベクトル解析法により振
幅位相ベクトル測定を行い、これを上記基準値と比較す
ることにより、正確な測定値を得ている。 【００１８】しかし、この方法が有効なのは、基準振動
源（又は基準速度源）の性能（換言すると、入力電圧対
出力速度の振幅位相の周波数特性）がプローブ１、ＦＭ
復調器２、総合フィルタ回路３からなるレーザードップ
ラー速度計の性能を越えている場合に限られる。それ
故、最近のレーザードップラー速度計の性能向上から考
えて、この方法は有効でなく、せいぜい、或基準振動
（速度）源と被測定対象の差、つまり相対評価ができる
というものである。 【００１９】更に他の方法として、図８を参照して次に
説明する方法がある。この方法は、図７を参照して上述
した方法とほぼ同じであるが、基準振動源１１の代わり
にＦＭ変調器１２を使用している点が異なる。 【００２０】サーボアナライザ７の出力ＯＵＴを自己の
入力端子ＩＮＡに入力するとともに、ＦＭ変調器１２に
供給し、そこでＦＭ変調された信号をＦＭ復調器２に印
加し、ＦＭ復調した信号を総合フィルタ回路３をとおし
た後、サーボアナライザ７の入力端子ＩＮＢに入力す
る。なお、上記ＦＭ復調器には、入力端子として一般ユ
ーザーが利用し易いようにＢＮＣ等の標準端子として開
放しているものもある。 【００２１】サーボアナライザ７では、２つの入力端子
ＩＮＡ，ＩＮＢに供給される信号をベクトル解析法によ
り解析して、ＦＭ復調後の総合フィルタ回路の振幅位相
の入出力位相特性を測定し、その結果をサーボアナライ
ザ７に記憶させ、それを基準値とする。この場合、ＦＭ
変調器１２とＦＭ復調器２は上記入出力周波数特性に殆
ど影響を与えないことを前提とする。実際問題として
も、性能の良いＦＭ変調器とレーザードップラー速度計
を用いれば殆ど影響はない。 【００２２】その後、上記図７を参照して説明したのと
同様にして、サーボアナライザ７からの信号を被測定対
象に供給し、その被測定対象の振動（速度）をレーザー
の投射によって検出し、プローブ１で受け、ＦＭ復調器
２、総合フィルタ回路３を介した後サーボアナライザ７
の入力端子ＩＮＢに供給する。サーボアナライザ７は、
これら２つの入力をもとにして振幅位相のベクトル計算
をし、基準値と比較して正確な振幅位相ベクトルを出力
する。 【００２３】この方法は前の２つの方法に比べて優れて
いるが、性能の良い高価なＦＭ変調器が必要であるとい
う欠点がある。因みに、キャリア周波数は８０ＭＨｚく
らいが必要なものが多く、周波数偏移も場合によっては
数ＭＨｚ必要になる。 【００２４】本発明は以上のような従来のレーザードッ
プラー速度計の欠点を克服し、簡単な構成で、信頼性の
ある測定結果の得られるレーザードップラー速度計を提
供することを目的とする。 【００２５】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明によれば、被測定対象にレーザー光を投射
するレーザー光源と、該被測定対象からの反射光と参照
光の合成光を検出する光検出手段を備え、該光検出手段
によって検出した信号をＦＭ復調器によって復調して上
記被測定対象の速度を測定するようになされたレーザー
ドップラー速度計において、上記ＦＭ復調器とその後に
設けられたローパスフィルタ、又はハイパスフィルタ、
又は微分回路、又は積分回路、またはそれらの組み合わ
せからなる総合フィルタ回路との間に、切換スイッチを
設け、該切換スイッチの一方を上記ＦＭ復調器の出力に
接続、他方を外部から直接入力する加振信号の入力端子
に接続して切換接続できるようにし、且つ該切換スイッ
チの共通端子を上記総合フィルタ回路の入力端に接続
し、該総合フィルタ回路の出力を外部に出力する出力端
子を設けたレーザードップラー速度計を提供する。 【００２６】 【発明の実施の形態】図１は本発明のレーザードップラ
ー速度計の一実施形態を示すシステム構成図である。同
図に示すように、レーザードップラー速度計は、プロー
ブ１、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路３、出力端子
４、切換スイッチ５、及び入力端子６を備えている。 【００２７】プローブ１は、測定する対象物に対して投
射するレーザー光の光源、参照光に対する光変調器、対
象物から反射してくるＦＭ変調されたレーザー光と上記
参照光の干渉を作り、それの光信号を電気信号に変換す
る光電変換器等を含む。 【００２８】ＦＭ復調器２は、被測定対象の振動等の動
きの速度によって変調を受けた信号を復調して、速度情
報を取り出す回路である。総合フィルタ回路３は、ＦＭ
復調器の出力に現れる複数の周波数成分の中から希望す
る周波数帯域の信号を取り出すための濾波回路である。
この総合フィルタ回路３には、ＦＭ復調器の出力に現れ
るキャリア周波数成分を除去するためのフィルタを設け
ることができる。 【００２９】入力端子６は、外部からの信号を直接総合
フィルタ回路３に入力する場合に使う端子である。スイ
ッチ５は、総合フィルタ回路への入力をＦＭ復調器２か
らの出力と入力端子６からの入力との間で切り換えるた
めのスイッチである。 【００３０】次に、図１に図示したレーザードップラー
速度計を使った測定について図２を参照して説明する。
先ず、サーボアナライザ７から被測定対象８に対して加
振信号を供給するとともに、その加振信号を自己の入力
端子ＩＮＡに入力するように回路接続をする。 【００３１】被測定対象の近くに本実施形態のレーザー
ドップラー速度計を置いて、上記サーボアナライザ７か
らの出力を直接入力端子６に接続する。このレーザード
ップラー速度計の出力端子４は上記サーボアナライザ１
の入力端子ＩＮＢに接続する。測定に際しては、先ずス
イッチ５を入力端子６側に切り換え、サーボアナライザ
７の出力端子ＯＵＴから供給される加振信号（スイープ
信号）を直接総合フィルタ回路３に供給する。この総合
フィルタ回路３の出力はサーボアナライザ７の入力端子
ＩＮＢに供給され、サーボアナライザ７において、送出
した加振信号と受信した総合フィルタ回路の出力から、
総合フィルタ回路３の入出力の振幅位相周波数特性を測
定し、その値をサーボアナライザ７内に記憶する。 【００３２】次に、切換スイッチ５を切り換えて、ＦＭ
復調器２の出力を総合フィルタ回路３の入力に接続す
る。この時、サーボアナライザ７から被測定対象８に加
振信号が与えられているので被測定対象は振動してい
る。レーザードップラー速度計は、そのプローブ１から
測定のためのレーザー光を被測定対象に投射し、被測定
対象の振動速度に応じて変調された反射光を同プローブ
で受信し電気信号に変えて、ＦＭ復調器２に送る。 【００３３】ＦＭ復調された被測定対象の速度情報信号
は総合フィルタ回路３で濾波されて、サーボアナライザ
７の入力端子ＩＮＢに供給される。サーボアナライザ７
はこの信号をベクトル解析して、前記基準値との差をと
ることによって、正確な振幅位相ベクトル値を得ること
ができる。 【００３４】次に、本発明のレーザードップラー速度計
の第２の実施形態について、図３及び図４を参照して説
明する。図３のシステム構成において、プローブ１はレ
ーザー光の送受信器であってレーザー光源、光変調器、
干渉系、受光素子等の光学系でなることは、上記実施形
態の場合と同じである。 【００３５】また、ＦＭ復調器２、総合フィルタ回路
３．１，３．２についても基本的には上記実施形態の場
合と同じである。本実施形態が第１の実施形態と異なる
点は、総合フィルタ回路が２組設けられている点であ
る。総合フィルタ回路１はＦＭ復調器２からの出力を濾
波するのに使うフィルタであり、上記第１実施形態にお
いて用いられるものと同じ役割を果たす。 【００３６】しかし、総合フィルタ回路２は、基準とな
るフィルタであり、総合フィルタ回路１と同一の入出力
振幅位相周波数特性を持つフィルタが用意される。この
フィルタ回路は上記測定のためのループとは別に設けら
れ、その入力端子、出力端子も独立に設けられる。 【００３７】このレーザードップラー速度計を用いた測
定について、図４を参照して、下記に説明する。測定に
先立って、装置の接続が行われる。この接続は、図４に
図示するとおり、サーボアナライザ７の出力端子ＯＵＴ
が総合フィルタ回路２の入力端子９に接続され、総合フ
ィルタ回路２の出力端子１０がサーボアナライザ７の入
力端子ＩＮＡに接続される。 【００３８】サーボアナライザ７の出力端子ＯＵＴは被
測定対象８にも接続される。被測定対象８に対しては、
プローブ１からレーザー光を投射し、その反射光を同プ
ローブで受信することができるように、被測定対象８と
プローブ１を適正位置に配置する。従って、これらの間
は光学的に接続されていると考えることもできる。 【００３９】プローブ１からの出力はＦＭ復調器２に供
給され、ＦＭ復調器からの出力は総合フィルタ回路１
（３．１）に送られ、そこで濾波された出力信号がサー
ボアナライザ７の入力端子ＩＮＢに供給されるように装
置間の接続が行われる。 【００４０】この状態でサーボアナライザ７の出力端子
ＯＵＴから加振信号（スイープ信号）を被測定対象８に
印加するとともに、その加振信号を総合フィルタ回路２
（３．２）にも供給し、総合フィルタ回路２を通った加
振信号がサーボアナライザ７の入力端子ＩＮＡに供給さ
れる。 【００４１】他方、プローブ１から出力される被測定対
象８の速度に関する情報信号はＦＭ復調器２で復調され
て検出される。ＦＭ復調器２からの出力は総合フィルタ
回路１に送られ、そこで不用な周波数成分が除去された
信号がサーボアナライザ７の入力端子ＩＮＢに供給され
る。 【００４２】サーボアナライザ７は、送られて来た２つ
の信号、即ち、総合フィルタ回路２を通過した加振信号
とレーザードップラー速度計の出力から送られてくる信
号をベクトル解析によって測定して、振幅位相周波数特
性の解析測定を行う。この場合、レーザードップラー速
度計に含まれる総合フィルタ回路１による影響を基準と
して設けた総合フィルタ回路２による影響で打ち消すこ
とにより、正確な振幅位相ベクトル測定ができる。 【００４３】一般的にレーザードップラー速度計に用い
られる総合フィルタ回路には、ローパスフィルタ、また
はハイパスフィルタ、または微分回路、または積分回
路、またはそれらの組み合わせから構成される。 【００４４】次に、図５を参照して、本発明のレーザー
ドップラー速度計に用いられる総合フィルタ回路の一例
について説明する。この総合フィルタ回路は、同図に示
すように、入力端子２１と出力端子３４の間に単位フィ
ルタが多段接続される構成になっている。図５に示すフ
ィルタの構成は２段接続の例であり、各段は３個の単位
フィルタが並列に配置され、切換スイッチによって切り
換えられるようになっている。 【００４５】入力端子２１は増幅器又はバッファ２２を
介してスイッチ２３（ＳＷ１）の固定接点に接続されて
おり、スイッチ２３の第１の接点は低域通過フィルタ２
４（ＬＰＦ１２Ｋ）の入力に接続されている。同スイッ
チの第２の接点、第３の接点は夫々低域通過フィルタ２
５（ＬＰＦ１２０Ｋ）、低域通過フィルタ２６（ＬＰＦ
１．２Ｍ）の入力に接続されている。 【００４６】これらのフィルタの出力はスイッチ２７
（ＳＷ２）の切換接点に接続されていて、接点切換によ
って一時に１つのフィルタが出力側の固定接点に接続さ
れるようになっている。第１段の出力は第２段の入力側
切換スイッチ２８（ＳＷ３）の固定接点に接続され、高
域通過フィルタ２９（ＨＰＦ ＯＦＦ （ＤＣ）），３
０（ＨＰＦ０．５），３１（ＨＰＦ１００）に切換接続
できるようになっている。 【００４７】これらの高域通過フィルタの出力は夫々切
換スイッチ３２（ＳＷ４）によって出力側固定接点に切
換接続される。この第２段の出力は増幅器又はバッファ
３３を介して出力端子３４に接続されている。この総合
フィルタは、切換スイッチＳＷ１とＳＷ２を連動して切
り換えて３個の単位フィルタ２４，２５，２６の中から
１つを選択し、それと同時に切換スイッチＳＷ３とＳＷ
４を連動して切り換えて３個の単位フィルタ２９，３
０，３１の中から１つを選択して、それらの選択された
フィルタの組み合わせによって総合的なフィルタ特性を
与える。 【００４８】参考までに上記単位フィルタの周波数特性
を記すと、低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）のカ
ットオフ周波数は、フィルタ２４が１２ＫＨｚ、フィル
タ２５が１２０ＫＨｚ、フィルタ２６が１．２ＭＨｚで
あり、高域通過フィルタ（ハイパスフィルタ）のカット
オフ周波数は、フィルタ２９が低域カットオフ周波数な
し、即ち直流まで、フィルタ３０が０．５Ｈｚ、フィル
タ３１が１００Ｈｚである。 【００４９】以上、本発明のレーザードップラー速度計
に用いられる総合フィルタ回路について、説明したが、
ここに示した回路はほんの一例にすぎず、他の種々の回
路を用いることができることは云うまでもない。 【００５０】例えば、上記第２の実施形態において用い
られる総合フィルタ回路２は、総合フィルタ回路１の周
波数特性の中で測定結果に最も大きな影響を与えるロー
パスフィルタの周波数特性についてだけ修正可能とする
ために、総合フィルタ回路１のローパスフィルタと略同
じ特性を有するローパスフィルタだけを設けたものとす
ることができる。 【００５１】 【発明の効果】本発明のレーザードップラー速度計は、
その内部で使用されるフィルタの周波数特性に起因する
測定値の振幅及び位相特性の不正確さを修正できる構成
を備えている。本発明に依れば、ＦＭ復調器とその後に
設けられたローパスフィルタ、又はハイパスフィルタ、
又は微分回路、又は積分回路、またはそれらの組み合わ
せからなる総合フィルタ回路との間に、切換スイッチを
設け、該切換スイッチの一方を上記ＦＭ復調器の出力に
接続、他方を外部から直接入力する加振信号の入力端子
に接続して切換接続できるようにし、且つ該切換スイッ
チの共通端子を上記総合フィルタ回路の入力端に接続
し、該総合フィルタ回路の出力を外部に出力する出力端
子を設けたので、被測定対象に印加する加振信号を直接
総合フィルタ回路に入力した時の出力と、測定対象を測
定した結果の信号を該総合フィルタ回路に入力した時の
出力とを得て、それらを比べることにより、その総合フ
ィルタ回路の位相特性を補正した正しい位相特性の測定
結果を得ることができる。 【００５２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザードップラー速度計の一例を示
すシステム構成図である。 【図２】図１のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続を示すブロック図である。 【図３】本発明のレーザードップラー速度計の他の例を
示すシステム構成図である。 【図４】図３のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続を示すブロック図である。 【図５】総合フィルタ回路の一例を示すブロック図であ
る。 【図６】従来のレーザードップラー速度計のシステム構
成図である。 【図７】図６のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続の一例を示すブロック図である。 【図８】図６のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続の他の例を示すブロック図である。 【図９】レーザードップラー速度計の原理を示すブロッ
ク図である。 【符号の説明】 １ プローブ ２ ＦＭ復調器 ３ 総合フィルタ回路 ４ 出力端子 ５ 切換スイッチ ６ 入力端子
すシステム構成図である。 【図２】図１のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続を示すブロック図である。 【図３】本発明のレーザードップラー速度計の他の例を
示すシステム構成図である。 【図４】図３のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続を示すブロック図である。 【図５】総合フィルタ回路の一例を示すブロック図であ
る。 【図６】従来のレーザードップラー速度計のシステム構
成図である。 【図７】図６のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続の一例を示すブロック図である。 【図８】図６のレーザードップラー速度計を使って測定
する場合の装置接続の他の例を示すブロック図である。 【図９】レーザードップラー速度計の原理を示すブロッ
ク図である。 【符号の説明】 １ プローブ ２ ＦＭ復調器 ３ 総合フィルタ回路 ４ 出力端子 ５ 切換スイッチ ６ 入力端子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭58−182524（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−24219（ＪＰ，Ａ)
特開 昭50−76958（ＪＰ，Ａ)
実公 平４−50543（ＪＰ，Ｙ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01S 7/00 - 7/51
G01S 17/00 - 17/95
G01H 1/00 - 17/00
G01R 27/00 - 27/32,35/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 被測定対象にレーザー光を投射するレー
ザー光源と、該被測定対象からの反射光と参照光の合成
光を検出する光検出手段を備え、該光検出手段によって
検出した信号をＦＭ復調器によって復調して上記被測定
対象の速度を測定するようになされたレーザードップラ
ー速度計において、 上記ＦＭ復調器とその後に設けられたローパスフィル
タ、又はハイパスフィルタ、又は微分回路、又は積分回
路、またはそれらの組み合わせからなる総合フィルタ回
路との間に、切換スイッチを設け、該切換スイッチの一
方を上記ＦＭ復調器の出力に接続、他方を外部から直接
入力する加振信号の入力端子に接続して切換接続できる
ようにし、且つ該切換スイッチの共通端子を上記総合フ
ィルタ回路の入力端に接続し、該総合フィルタ回路の出
力を外部に出力する出力端子を設けたことを特徴とする
レーザードップラー速度計。
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| DE69637847T DE69637847D1 (de) | 1995-09-06 | 1996-09-04 | Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessgerät |
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