JP3799339B2

JP3799339B2 - レーザードップラー速度計

Info

Publication number: JP3799339B2
Application number: JP2003162561A
Authority: JP
Inventors: 朝彦野上
Original assignee: ソニーマニュファクチュアリングシステムズ株式会社
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: JP2003315457A

Description

【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ＦＭ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＝１／２ａｒｇＧ＝−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）＝０．０７０７‥‥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、測定器のメーカー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、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１１、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ＩＮＡ，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ＯＵＴ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。なお、以上の方法が記載された先行技術文献については不知である。
【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復調器の後にローパスフィルタ、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、
上記総合フィルタ回路と略同一または一部が略同一の特性であり、独立の入出力端子を有する第２の総合フィルタ回路と、
被測定対象に、該被測定対象を振動させるための加振信号を印加するとともに、該加振信号を上記第２の総合フィルタ回路の独立した入力端子に供給し、上記総合フィルタ回路を通過した上記ＦＭ復調器の出力と、上記第２の総合フィルタ回路を通過した上記加振信号と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サーボアナライザと
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】
〔参考例〕
本発明のレーザードップラー速度計について説明する前に、レーザードップラー速度計の参考例（以下、「検討例」と呼ぶ）について説明する。
図１はレーザードップラー速度計の一検討例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こ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】
〔本発明のレーザードップラー速度計〕
次に、本発明のレーザードップラー速度計について、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、上記検討例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検討例の場合と同じである。本発明が上記検討例と異なる点は、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、上記検討例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２４（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２５（ＬＰＦ１２０Ｋ）、低域通過フィルタ２６（ＬＰＦ１．２Ｍ）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（ＨＰＦＯＦＦ（ＤＣ）），３０（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ＳＷ４を連動して切り換えて３個の単位フィルタ２９，３０，３１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、本発明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、レーザードップラー速度計の内部に測定用の総合フィルタ回路の他に、その総合フィルタと略同じ特性を持つ基準総合フィルタ回路（第２の総合フィルタ回路）を設けて、被測定対象に印加する加振信号を直接その基準総合フィルタ回路に供給し、その基準総合フィルタ回路の出力と、被測定対象を測定した結果の信号をレーザードップラー速度計内の測定用総合フィルタ回路をとおした出力とを比較して、位相特性の正しい測定値を得るようにしているので、測定値解析用のサーボアナライザ１に記憶機能を必要としない。また、測定が一度にできるので測定時間が短縮される。この場合総合フィルタ回路を２つ必要とするが、全体を２重に設けるよりは安価にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザードップラー速度計の検討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一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
２ＦＭ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

Claims

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とを備え、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復調器の後にローパスフィルタ、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、
上記総合フィルタ回路と略同一または一部が略同一の特性であり、独立の入出力端子を有する第２の総合フィルタ回路と、
被測定対象に、該被測定対象を振動させるための加振信号を印加するとともに、該加振信号を上記第２の総合フィルタ回路の独立した入力端子に供給し、上記総合フィルタ回路を通過した上記ＦＭ復調器の出力と、上記第２の総合フィルタ回路を通過した上記加振信号と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サーボアナライザと
を設けたことを特徴とするレーザードップラー速度計。