JP6095085B1

JP6095085B1 - 共振周波数読み出し方法および装置

Info

Publication number: JP6095085B1
Application number: JP2016037174A
Authority: JP
Inventors: 木内　等; 等木内
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2017156118A

Abstract

【課題】信号検出の精度をより容易に向上させることができる、共振周波数読み出し方法および装置を提供する。【解決手段】１つ以上の共振型センサを用いる、共振周波数読み出し方法は、２つの基準正弦波信号を生成するステップであって、２つの基準正弦波信号の位相は互いに直交し、２つの基準正弦波信号の周波数は、加算位相値に基づいて決定される、２つの基準正弦波信号を生成するステップと、２つの基準正弦波信号に基づいて読み出し信号を生成するステップと、読み出し信号を共振型センサに入力するステップと、共振型センサの検出信号を取得するステップと、２つの基準正弦波信号のそれぞれと、検出信号との相関値を取得するステップと、相関値に基づき、基準正弦波信号の一方と検出信号との位相差を取得するステップと、位相差に基づいて、加算位相値を決定するステップとを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、共振周波数読み出し方法および装置に関する。

共振回路等を用いて所定の周波数帯の信号を検出する、共振型センサが公知である。共振型センサが、検出対象となる目的信号を受信すると、共振周波数の変化および振幅の変化が生じる。

図３に、このような共振型センサを用いた測定の原理を示す。共振型センサの、無信号時における出力のスペクトルをＳ０とし、そのピークすなわち共振周波数をｆ０とする。信号の測定（読み出し）は、読み出し信号と呼ばれる周波数ｆ０の信号を、共振型センサに入力することで行われる。

信号の検出は、共振型センサの出力信号において周波数ｆ０における振幅を取得することにより行われる。無信号時には、出力信号のスペクトルはＳ０であり、周波数ｆ０における振幅はＡ０である。目的信号を受信すると、共振型センサの共振周波数が変化し、たとえば出力信号のスペクトルはＳ１となる。この場合には、周波数ｆ０における振幅はＡ１に低下する。この振幅Ａ１に基づき、出力信号のピーク周波数ｆ１が推定される。

多数の共振器を用い、それぞれの周波数を僅かにずらすことにより、多数のセンサを一本の線で接続して用いることができ、各共振器周波数に合わせた読み出し用コム信号を用いることにより、一度に各共振器の状態を読み出すことが可能となる。このような技術に係る構成は、たとえば非特許文献１に記載される。

S. J. C. Yates、A. M. Baryshev、J. J. A. Baselmans、B. Klein、R. Gusten、「Fast Fourier transform spectrometer readout for large arrays of microwave kinetic inductance detectors」、Appl. Phys. Lett.、vol.95、no.4, 2009

図４に、従来の共振周波数読み出し装置の構成の例を示す。共振周波数に基づいた周波数設定テーブルを用意する。これに逆フーリエ変換を掛けることで時系列データを予め発生し、ＳＩＮ成分およびＣＯＳ成分を振幅メモリに記録する。これを外部クロック信号に応じて読み出し、Ｄ／Ａ変換することによりアナログ信号を発生する。このアナログ信号はＩＱミキサでローカル信号と混ぜられ、アップコンバート信号が得られる。これを共振器の読み出し信号とする。共振型センサを通過した読み出し信号は、共振器により振幅変調を受けている。この信号を、先程のローカル信号とＩＱミキサで混ぜることにより、ダウンコンバートされたＩＱ信号を表すＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号を得る。これらはＡ／Ｄ変換された後、フーリエ変換を施され周波数成分に分離される。これを基に各共振器に一意した周波数成分で振幅と位相を得ることができる。

しかしながら、上述のような従来の構成では、信号検出の精度を向上させることが困難であるという問題があった。

たとえば、読み出し信号の周波数が共振周波数（図３の例ではｆ０）に十分一致していない場合には、出力信号の振幅が低下し、ＳＮＲの低下が生じる。

また、信号受信時の出力信号のピーク周波数（図３の例ではｆ１）は、無信号時の共振曲線の裾野部分に相当するため、ＳＮＲの低下が生じる。図３の例では出力のスペクトルがＳ０からＳ１に変化するが、この時には、周波数がｆ０で固定された読み出し信号を用いて得られる出力信号の振幅は、Ａ０からＡ１へと低下する。

このようなＳＮＲの低下に対応し信号検出の精度を向上させるためには、たとえば高量子化ビットのＡ／Ｄ変換処理が要求されるが、これは、より複雑な構成またはより高速な演算能力が要求される等の困難を伴う。

この問題は、複数の共振型センサを備える共振型センサ列を用いる場合には、さらに深刻となる。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、信号検出の精度をより容易に向上させることができる、共振周波数読み出し方法および装置を提供することを目的とする。

このような問題を解決するため、この発明に係る共振周波数読み出し方法は、
１つ以上の共振型センサを用いる、共振周波数読み出し方法であって、
２つの基準正弦波信号を生成するステップであって、前記２つの基準正弦波信号の位相は互いに直交し、前記２つの基準正弦波信号の周波数は、加算位相値に基づいて決定される、２つの基準正弦波信号を生成するステップと、
前記２つの基準正弦波信号に基づいて読み出し信号を生成するステップと、
前記読み出し信号を共振型センサに入力するステップと、
前記共振型センサの検出信号を取得するステップと、
前記２つの基準正弦波信号のそれぞれと、前記検出信号との相関値を取得するステップと、
前記相関値に基づき、前記基準正弦波信号の一方と前記検出信号との位相差を取得するステップと、
前記位相差に基づいて、前記加算位相値を決定するステップと
を備える。
２つ以上の共振型センサを用い、
前記加算位相値および前記２つの基準正弦波信号は、各共振型センサについて個別のものであり、
前記読み出し信号および前記検出信号は、すべての共振型センサについて共通の信号であってもよい。
また、この発明に係る共振周波数読み出し装置は、上述の方法を実行する。

本発明に係る、共振周波数読み出し方法および装置によれば、検出信号に応じて加算位相値をフィードバックし、読み出し信号の周波数を変動させるので、信号検出の精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る共振周波数読み出し装置を含む構成の例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る共振周波数読み出し装置を含む構成の例を示す図である。共振型センサを用いた測定の原理を示す図である。従来の共振周波数読み出し装置の構成の例を示す図である。

まず、本発明の概要および動作原理を説明する。本発明に係る共振周波数読み出し方法および装置は、周波数随時可変型の数値制御オシレータと、その信号を直接用いたデジタル平均化位相検出器とを備えており、数値制御オシレータが生成する信号のＳＩＮ成分およびＣＯＳ成分をデジタル平均化位相検出器の入力信号とする構造を持つ。

実施の形態１．
図１に、本願の実施の形態１に係る共振周波数読み出し装置１００を含む構成を示す。共振周波数読み出し装置１００は、共振型センサ３０（共振器型センサともいう）に関連して設けられる。共振周波数読み出し装置１００は、本明細書に記載される方法を実行することにより、共振型センサ３０の共振周波数を読み出す。より具体的には、共振周波数読み出し装置１００は、共振型センサ３０に読み出し信号を入力し、共振型センサ３０から出力されるセンサ出力信号を取得する。

共振周波数読み出し装置１００は、デジタル信号を処理するデジタル信号処理部１１０と、アナログ信号を処理するアナログ信号処理部１２０を備える。デジタル信号処理部１１０は、加算器１０と、位相レジスタ１１と、ＳＩＮ位相振幅決定器１２と、ＣＯＳ位相振幅決定器１３と、相関積分器２０および２１と、位相振幅検出器２２とを備える。アナログ信号処理部１２０は、ＩＱミキサ１６と、ローカル信号発生器１７と、ミキサ１８とを備える。デジタル信号処理部１１０とアナログ信号処理部１２０との間の信号の変換は、Ｄ／Ａ変換器１４および１５と、Ａ／Ｄ変換器１９とによって行われる。

加算器１０は、外部から（たとえば後述の位相振幅検出器２２から）入力される加算位相値と、位相レジスタ１１に記憶される値とを加算して出力する。位相レジスタ１１は、外部から入力されるクロック信号に応じ、記憶している位相値を出力する。位相レジスタ１１から出力される位相値は、加算器１０にフィードバックされる。このような構成により、共振周波数読み出し装置１００は、定期的に位相値を決定または出力する。たとえば、加算位相値がθ１である場合には、位相レジスタ１１に記憶された位相値は、クロック信号が入力されるたびにθ１ずつ増加することになる。

共振周波数読み出し装置１００は、この位相値に基づいて、互いに直交する位相を持つ２つの正弦波信号（基準正弦波信号）を生成する。この処理は、たとえばＳＩＮ位相振幅決定器１２およびＣＯＳ位相振幅決定器１３によって実行される。

位相レジスタ１１から出力される位相値は、ＳＩＮ位相振幅決定器１２およびＣＯＳ位相振幅決定器１３に入力され、ＳＩＮ位相振幅決定器１２およびＣＯＳ位相振幅決定器１３は、それぞれ、入力された位相値に対応するＳＩＮ関数の値およびＣＯＳ関数の値を出力する。ＳＩＮ関数の値の系列がＳＩＮ信号（第１基準正弦波信号）を表し、ＣＯＳ関数の値の系列がＣＯＳ信号（第２基準正弦波信号）を表す。ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号の周波数は同じである。また、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号は、１つの複素信号のＳＩＮ成分およびＣＯＳ成分であるということができる。

ここで、位相レジスタ１１から出力される位相値は、クロックごとに加算位相値だけ増加してゆくので、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号の周波数は、加算位相値に基づいて決定されることになる。また、ＳＩＮ位相振幅決定器１２およびＣＯＳ位相振幅決定器１３は、それぞれＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号をデジタル信号として生成する。

このようにして、共振周波数読み出し装置１００は、加算位相値に応じた周波数のＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号を生成する。すなわち、加算器１０、位相レジスタ１１、ＳＩＮ位相振幅決定器１２およびＣＯＳ位相振幅決定器１３は、周波数随時可変型の数値制御オシレータを構成するということができる。

共振周波数読み出し装置１００は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号をアナログ信号に変換する。この処理は、たとえばＤ／Ａ変換器１４および１５によって実行される。

共振周波数読み出し装置１００は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号に基づいて、共振型センサ３０に対する読み出し信号を生成する。この処理は、たとえばＩＱミキサ１６による周波数アップコンバート処理として実行される。ＩＱミキサ１６は、Ｄ／Ａ変換器１４および１５からＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号を受信し、このＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号と、ローカル信号発生器１７から出力されるローカル信号とに基づき、読み出し信号を生成する。

ここで、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号の双方を用いることにより、アップコンバート処理時のイメージ信号（すなわち不要波）を抑えることができる。

共振周波数読み出し装置１００は、読み出し信号を共振型センサ３０に入力する。共振型センサ３０は、任意の構成のものを用いることができるが、たとえば、超伝導検出器（ＭＫＩＤ）やファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）変位計等の高感度センサを用いてもよい。共振型センサ３０を通過した後のセンサ出力信号は、共振器により振幅変調を受けている。共振型センサ３０が目的信号を受信している時には、共振器の共振周波数が変化するので、結果としてセンサ出力信号が変化することになる。

共振周波数読み出し装置１００は、共振型センサ３０から出力されるセンサ出力信号に基づき、検出対象周波数帯域内の検出信号を取得する。検出信号の取得は、たとえばミキサ１８が検出信号を生成することによって実行される。ミキサ１８は、共振型センサ３０から出力されるセンサ出力信号と、ローカル信号発生器１７から出力されるローカル信号とに基づき、たとえばこれらを混ぜることによって検出信号を生成する。ここで、ミキサ１８は周波数ダウンコンバータとして機能する。また、ミキサ１８は、検出信号をアナログ信号として生成する。なお、ミキサ１８はＩＱミキサである必要はない。

共振周波数読み出し装置１００は、検出信号をデジタル信号に変換する。この処理は、たとえばＡ／Ｄ変換器１９によって実行される。

共振周波数読み出し装置１００は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号のそれぞれと、検出信号との相関値を取得する。本実施形態では、相関演算はデジタル信号に基づいて行われる。相関値を取得するための具体的関数および演算内容は当業者が適宜設計するものであってよいが、たとえば相関積分とすることができる。

この処理は、たとえば相関積分器２０および２１によって実行される。相関積分器２０は、ＣＯＳ位相振幅決定器１２から出力されるＣＯＳ信号と、Ａ／Ｄ変換器１９から出力される検出信号との相関積分値を取得する。同様に、相関積分器２１は、ＳＩＮ位相振幅決定器１３から出力されるＳＩＮ信号と、Ａ／Ｄ変換器１９から出力される検出信号との相関積分値を取得する。

共振周波数読み出し装置１００は、この相関値に基づき、共振型センサ３０の目的信号に対応する周波数および振幅を検出し、これを装置出力信号として出力する。この処理は、たとえば位相振幅検出器２２によって実行される。

また、共振周波数読み出し装置１００は、この相関値に基づき、基準正弦波信号（いずれでも等価であるが、たとえばいずれか一方）と、検出信号との位相差を取得する。この処理もまた、たとえば位相振幅検出器２２によって実行される。このように、共振周波数読み出し装置１００において、相関積分器２０および２１と、位相振幅検出器２２とが、デジタル平均化位相検出器を構成するということができる。

ここで、位相振幅検出器２２は、ＳＩＮ信号に対する相関（相関積分器２０からの出力）と、ＣＯＳ信号に対する相関（相関積分器２１からの出力）との双方に基づいて位相差を算出するので、イメージ信号を抑制することができる。このため、上述のようにミキサ１８はＩＱミキサである必要はない。

共振周波数読み出し装置１００は、この位相差に基づいて、加算器１０に入力すべき加算位相値を決定する。この処理もまた、たとえば位相振幅検出器２２によって実行される。この加算位相値は、上述のように加算器１０にフィードバックされる。

これによって、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号の位相が進む速さ（すなわち周波数）が変更されることになる。

Ａ／Ｄ変換器１９に入力される検出信号と、ＩＱミキサ１６から出力される読み出し信号との位相差は、逆正接（アークタンジェント）関数を用いて以下のように計算できる。
位相差＝アークタンジェント（相関積分器２１の出力／相関積分器２０の出力）
このアークタンジェント関数の閾値は、たとえば−πからπまでである。

本実施形態では、位相振幅検出器２２は、ＳＩＮ信号（または相関積分器２１の出力）およびＣＯＳ信号（または相関積分器２０の出力）を用いて上式より位相差を検出し、検出信号との位相差が０となるように、または位相差の絶対値がより小さくなるように、加算位相値を変更する。

さらにフィードバックが正しいかどうかは、相関振幅情報を用いて確認できる。相関振幅は、ＳＩＮ成分の自乗とＣＯＳ成分の自乗との和の平方根を取ったものであり、これは相関積分器２０および２１の出力を用いて次のように表せる。
相関振幅＝ √｛（相関積分器２１の出力）^２＋（相関積分器２０の出力）^２｝
フィードバックが正しければ、相関振幅は大きくなる。

ここで、たとえばＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号と検出信号との位相差が０となった場合には、読み出し信号のピーク周波数と、センサ出力信号のピーク周波数とが一致することになり、ＳＮＲの高い信号検出（共振周波数の読み出し）を実現することができる。

このように、本発明の実施の形態１に係る共振周波数読み出し装置１００および共振周波数読み出し方法によれば、検出信号に応じて加算位相値をフィードバックし、読み出し信号の周波数を変動させる。このため、たとえば検出信号の周波数に一致するように読み出し信号の周波数を変更することができ、信号検出の精度を向上させることができる。また、検出信号の周波数が変化する場合には、これを追尾するように読み出し信号の周波数を変更し、信号検出の精度を向上させることができる。

また、読み出し信号の周波数が可変なので、周波数分解能を高く維持したまま、周波数ダイナミックレンジを広くすることが可能である。

また、実施の形態１において、検出信号におけるイメージ信号の抑制は、アナログ信号に基づいて動作するミキサ１８ではなく、デジタル信号に基づいて動作する相関積分器２０および２１によって行うので、Ａ／Ｄ変換は１つの信号のみについて行えば十分であり、Ａ／Ｄ変換器１９を複数設ける必要がない。

また、実施の形態１では、フーリエ変換を用いないので、フーリエ変換に伴って発生する問題を回避することができる。たとえば、高感度の共振型センサは高い共振Ｑ値（例えば超伝導共振器では１０^４〜１０^６程度）を持つ。このような高感度の共振型センサに対して、フーリエ変換を用いた従来の方式を適用すると、読み出し信号の周波数と、共振型センサ３０における共振周波数の十分な一致をみるためには、比較的多点のフーリエ変換を行う必要がある。これは、読み出し信号の周波数分解能が逆フーリエ変換およびフーリエ変換の周波数分解能で決定されるためである。

フーリエ変換の周波数分解能が十分でないと、読み出し信号が共振周波数レンジからずれてしまい（すなわち、読み出し信号の周波数が、無信号時における出力スペクトルの低振幅部分に該当してしまい）、測定精度が低くなる。高い周波数分解能を得るためにはフーリエ変換のポイント数を大きくする必要があるが、このためには、測定時間が長くなる、周波数ダイナミックレンジを広くすることが難しくなる、回路規模が大きくなる、等の問題が発生する。

これに対し、実施の形態１に係る共振周波数読み出し装置１００によれば、そのような問題を回避することができる。たとえば、相関積分器２０および２１において積分時間を長く設定することにより、構成を複雑にせずに周波数分解能を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、単一のデジタル信号処理部１１０が設けられ、単一の共振型センサ３０についてのみ共振周波数の読み出しを行った。実施の形態２は、実施の形態１において、複数のデジタル信号処理部を備え、複数の共振型センサについて並列的に共振周波数の読み出しを行うよう変更するものである。以下、実施の形態１との相違を説明する。

図２に、本願の実施の形態２に係る共振周波数読み出し装置２００を含む構成を示す。共振周波数読み出し装置２００は、共振型センサの組３１に関連して設けられる。共振型センサの組３１は、複数の共振型センサを備える。たとえば、１本のライン上に、互いに共振周波数が異なる複数の共振型センサが接続されたものを用いることができる。または、複数のライン上に、それぞれ１つ以上の共振型センサが接続されたものを用いてもよく、その場合には、異なるライン上に、同一の共振周波数の共振型センサが接続されていてもよい。

共振型センサの数はデジタル信号処理部の数に対応する。共振周波数読み出し装置２００は、本明細書に記載される方法を実行することにより、共振型センサの組３１に含まれる各共振型センサの共振周波数を読み出す。

共振周波数読み出し装置２００は、複数のデジタル信号処理部（図２の例ではデジタル信号処理部２１１〜２１３）を備える。各デジタル信号処理部は、図１のデジタル信号処理部１１０と同様の構成を備える。すなわち、各デジタル信号処理部は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号を出力し、検出信号を受け取る。

共振周波数読み出し装置２００の各デジタル信号処理部は、それぞれ、共振型センサの１つに対応しており、各共振型センサの共振周波数を読み取るためのＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号を生成する。これは、加算位相値を、各共振型センサについて（すなわち、各デジタル信号処理部について）個別の値とすることで実現可能である。たとえば、各デジタル信号処理部における加算位相値の初期値を、対応する共振型センサに応じて異なる値に定義しておいてもよい。また、これによって、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号も、各共振型センサについて（すなわち、各デジタル信号処理部について）個別の信号として生成されることになる。

共振周波数読み出し装置２００は、加算器４０および４１を備える。各加算器は、各デジタル信号処理部から入力される基準正弦波信号の、対応する成分を加算する。図２の例では、加算器４０は、各デジタル信号処理部のＳＩＮ信号の総和を算出し、加算器４１は、各デジタル信号処理部のＣＯＳ信号の総和を算出する。

ＳＩＮ信号の総和およびＣＯＳ信号の総和は、それぞれＤ／Ａ変換器１４および１５に入力される。この入力に基づいて、実施の形態１と同様に読み出し信号が生成され、この読み出し信号に応じてセンサ出力信号および検出信号が取得される。このように、読み出し信号、センサ出力信号および検出信号は、共振型センサの組３１に含まれるすべての共振型センサについて共通の信号である。

ここで、実施の形態２において、読み出し信号は、複数の周波数成分を含むコム信号となる。また、この読み出し信号に応じて取得されるセンサ出力信号および検出信号も、複数の周波数成分を含むコム信号となる。なお、ここでいう「コム信号」とは、各成分の周波数間隔が一定であるものに限られない。

Ａ／Ｄ変換器１９からの出力は、各デジタル信号処理部に入力され、各デジタル信号処理部の相関積分器２０および２１において実施の形態１と同様の処理が行われる。また、各デジタル信号処理部の位相振幅検出器２２は、それぞれ装置出力信号を出力する。これによって、各共振型センサの共振周波数を同時に読み出すことができる。

このように、本発明の実施の形態２に係る共振周波数読み出し装置２００および共振周波数読み出し方法によれば、実施の形態１と同様に、検出信号に応じて加算位相値をフィードバックし、読み出し信号の周波数を変動させるので、検出信号の周波数に一致するように読み出し信号の周波数を変更し、信号検出の精度を向上させることができる。

また、実施の形態２では、各共振型センサについて加算位相値を独立に処理するので、複数の共振型センサの共振周波数を同時に読み取ることを可能としながらも、各共振型センサについて独立に共振周波数変位の追尾が可能である。また、このため、各共振型センサの共振周波数を厳密に等間隔とする必要はなく、センサ設計上の制約が緩和できる。また、各共振型センサの共振周波数が設置環境等に応じて変動する場合にも対応可能である。

また、実施の形態２でもフーリエ変換を用いないので、フーリエ変換に伴って発生する問題を回避することができる。とくに実施の形態２では複数のデジタル信号処理部を用いるので、この利点がより顕著なものとなる。多数の共振型センサの共振周波数を同時に読み出すためには信号処理の広帯域化が必要であり、たとえばより高周波のＡ／Ｄ変換処理が必要となる。一方で、検出精度を向上させるには高量子化ビットのＡ／Ｄ変換処理が必要となり、これらは両立困難な要件である。これに対して、実施の形態２では、実施の形態１と同様に積分時間を長く設定することにより検出精度を向上させることができるので、たとえばＡ／Ｄ変換処理の量子化ビット数を抑制することができる。

本発明は、たとえば、高周波天文学分野や、ＦＢＧセンサ等を使用する分野への応用が可能である。

１００，２００共振周波数読み出し装置。

Claims

１つ以上の共振型センサを用いる、共振周波数読み出し方法であって、
２つの基準正弦波信号を生成するステップであって、前記２つの基準正弦波信号の位相は互いに直交し、前記２つの基準正弦波信号の周波数は、加算位相値に基づいて決定される、２つの基準正弦波信号を生成するステップと、
前記２つの基準正弦波信号に基づいて読み出し信号を生成するステップと、
前記読み出し信号を共振型センサに入力するステップと、
前記共振型センサの検出信号を取得するステップと、
前記２つの基準正弦波信号のそれぞれと、前記検出信号との相関値を取得するステップと、
前記相関値に基づき、前記基準正弦波信号の一方と前記検出信号との位相差を取得するステップと、
前記位相差に基づいて、前記加算位相値を決定するステップと
を備える、共振周波数読み出し方法。
２つ以上の共振型センサを用い、
前記加算位相値および前記２つの基準正弦波信号は、各共振型センサについて個別のものであり、
前記読み出し信号および前記検出信号は、すべての共振型センサについて共通の信号である、
請求項１に記載の方法。
請求項１または２に記載の方法を実行する、共振周波数読み出し装置。