JP6532632B1 - 電磁界計測装置および電磁界計測方法 - Google Patents

Abstract

受信信号を重畳するための送信光を生成する基準光源（１０２）と、受信信号を送信光に重畳して受信光を生成する電気光学プローブ（１０１）と、送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成する複数の局発光源（１０５，１０７）と、送信光の周波数と局発光との周波数差を制御する位相同期回路（１０６，１０８）と、送信光の送信光路と、受信光の受信光路とを分離するサーキュレータ（１０３）と、分離された受信光路を複数の光路に分岐させる分波器（１０４）と、分岐された受信光と、局発光とを合波する複数の合波器（１１０，１１１）と、合波された受信光と局発光とをヘテロダイン検波する複数の光電変換器（１１２，１１３）と、位相同期回路（１０６，１０８）に同期基準信号を入力する周波数可変発振器（１０９）と、光電変換器（１１２，１１３）からの出力電力の測定、および周波数可変発振器（１０９）の発振周波数の制御を行う信号処理部（１１４）とを備える。

Description

この発明は、電磁波の電界の空間分布を測定する空間電磁界測定に関する技術であって、特に広帯域の電磁界計測を行う技術に関するものである。

近年の通信容量の増大に伴い、ミリ波（30GHz〜300GHz）またはテラヘルツ波（100GHz〜10THz）などの高周波の電波の利用に関心が寄せられている。高周波の電波計測では、電波をアンテナで受信し、受信した電波をミキサ等で周波数変換した上で計測する手法が存在する。当該手法では、計測装置の動作周波数が高くなる程、個々の部品の動作周波数帯域の問題から計測が困難になるという問題があった。そこで、近年、電気光学を利用した計測手法が注目されている。

例えば、特許文献１に記載された電磁波測定装置では、発振周波数が異なる二つの光を受けて、受けた各光の周波数の差の周波数を有する被検出電磁波を生成して電気光学プローブへ放射する光電磁波変換部と、光電磁波変換部で生成された被検出電磁波が照射された電気光学結晶内で、発振周波数が異なる二つの光の成分を変調し、変調サイドバンドの光を生成する電気光学プローブを備えている。これにより、特許文献１に記載された電磁波測定装置は、被検出電磁波の周波数と、電気光学結晶で変調される被変調光の周波数とが同期し、電磁波を広帯域に高感度に検出する。また、特許文献１に記載された電磁波測定装置は、光の周波数をシフトして光電磁波変換部へ出力する光シフタを備えることから、光電磁波変換部での検波周波数を低周波としている。

特開２０１７−１５７０３号公報

特許文献１に開示された電磁波測定装置では、被検出電磁波の周波数が高周波であった場合にも、光電磁波変換部におけるヘテロダイン検波信号は低周波となり、光電磁波変換部の光電変換器に計測帯域が狭帯域の安価な機器を適用することができる。しかし、特許文献１に開示された電磁波測定装置の被検出電磁波は測定系が生成する信号であり、外来の電磁波に対して上述した構成を適用することができない。
即ち、ＥＭＣ（Electro-Magnetic Compatibility）対策を行うための評価技術として、外来のノイズの周波数が未知である場合も存在し、外来のノイズの周波数が未知である場合には、電磁波の計測に上述した特許文献１に開示された構成を適用することができない。
そのため、特許文献１に開示された電磁波測定装置では、外来の周波数が未知の電磁波に対しては広帯域の周波数範囲において光源の周波数の掃引を行う必要があり、電磁波を広帯域に高感度に検出することができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、広帯域の空間電磁界の計測において、狭帯域の計測機器を適用し、電磁波を広帯域に高感度に検出することを目的とする。

この発明に係る電磁界計測装置は、受信信号を重畳するための送信光を生成する基準光源と、受信信号を送信光に重畳して受信光を生成する電気光学プローブと、基準光源が生成する送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成する複数の局発光源と、基準光源が生成する送信光の周波数と、局発光源が生成する局発光との周波数差を制御する位相同期回路と、送信光の送信光路と、受信光の受信光路とを分離するサーキュレータと、サーキュレータが分離した受信光路を複数の光路に分岐させる分波器と、分波器の光路で分岐された受信光と、局発光とを合波する複数の合波器と、合波器で合波された受信光と局発光とをヘテロダイン検波する複数の光電変換器と、位相同期回路に同期基準信号を入力する周波数可変発振器と、光電変換器からの出力電力の測定、および周波数可変発振器の発振周波数の制御を行う信号処理部とを備えるものである。

この発明によれば、広帯域の空間電磁界の計測において、狭帯域の計測機器を適用し、電磁波を広帯域に高感度に検出することができる。

実施の形態１に係る電磁界計測装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る電磁界計測装置の電気光学プローブの一例を示す図である。 実施の形態１に係る電磁界計測装置の基準光源および第１の位相同期回路の構成例を示す図である。 実施の形態１に係る電磁界計測装置の第１の光電変換器の機能を示す図である。 実施の形態１に係る電磁界計測装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態１に係る電磁界計測装置の信号処理部のハードウェア構成例を示す図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、実施の形態１に係る電磁界計測装置の電磁界計測におけるスペクトル図である。 実施の形態１に係る電磁界計測装置の信号処理部の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る電磁界計測装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る電磁界計測装置の信号処理部の動作を示すフローチャートである。 図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃおよび図１１Ｄは、実施の形態１および実施の形態２に係る電磁界計測装置の電磁界計測におけるスペクトル図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の構成を示す図である。
電磁界計測装置１００は、空間電磁界を受信信号として、電気光学プローブ１０１を用いて計測することを目的としている。
図１に示すように、電磁界計測装置１００は、電気光学プローブ１０１、基準光源１０２、サーキュレータ１０３、分波器１０４、第１の局発光源１０５、第１の位相同期回路１０６、第２の局発光源１０７、第２の位相同期回路１０８、周波数可変発振器１０９、第１の合波器１１０、第２の合波器１１１、第１の光電変換器１１２、第２の光電変換器１１３、信号処理部１１４、および記憶装置１１５を備える。

電磁界計測装置１００の各構成を詳細に説明するにあたり、受信信号、送信光、受信光および局発光を次のように定義する。
電気光学プローブ１０１が受信する信号を受信信号Ａとする。基準光源１０２から出射される光を送信光Ｂとする。電気光学プローブ１０１において、受信信号Ａによって変調された光を受信光Ｃとする。第１の局発光源１０５から出射される光を第１の局発光Ｄとし、第２の局発光源１０７から出射される光を第２の局発光Ｅとする。

電気光学プローブ１０１は、受信信号Ａを送信光Ｂに重畳するためのＥＯ（Electro Optical）素子である。電気光学プローブ１０１は、複屈折性媒質において電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルス効果、または２次の電気光学効果であるカー効果を用いて、光の偏光、位相変調を発生させる。偏光または位相変調を受けた受信光Ｃを、ファイバで伝送して電気変換する場合、信号伝送時のファイバ内の擾乱によって、受信信号Ａの劣化が起こる。電気光学プローブ１０１は、ファイバ内の擾乱を防ぐための機構を備える必要がある。擾乱を防ぐための機構として、偏光コントローラまたはファイバノイズキャンセラが挙げられる。一方、ファイバ内の擾乱を除去する方法として、素子にマッハツェンダー型（ＭＺＭ：Mach-Zehnder Modulator）構造の干渉光路を設けることが考えられる。ＭＺＭ構造の干渉光路を有した電気光学プローブ１０１を図２に示す。

図２は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の電気光学プローブ１０１の一例を示す図である。
図２で示したＭＺＭ構造の干渉光路では、導波路１０１ａを光入力後に２分岐し、第１の導波路１０１ｂおよび第２の導波路１０１ｃに分ける。第１の導波路１０１ｂを光学結晶１０１ｄで構成する。光学結晶１０１ｄには、受信信号を導くための受信アンテナ１０１ｅおよび電極１０１ｆが付随している。このような構造とすることにより、第１の導波路１０１ｂと、第２の導波路１０１ｃでは、受信信号に応じた位相差が付く。第１の導波路１０１ｂおよび第２の導波路１０１ｃの端面には反射ミラー１０１ｇを設け、当該反射ミラー１０１ｇで反射された第１の導波路１０１ｂおよび第２の導波路１０１ｃの光は、再度合波される。この際、第１の導波路１０１ｂおよび第２の導波路１０１ｃの光は、位相差に応じた干渉が発生し、位相変調が強度変調に変換される。当該効果により、位相擾乱の影響を抑制した電気光学プローブ１０１が構成される。

図１で示した電磁界計測装置１００は、偏光、位相または強度のいずれの変調への変換を行った場合にも、信号を取得することができるが、上述した強度変調への変換を行う構成を適用するのが望ましい。また、電気光学プローブ１０１は、ＭＯ（Magneto-Optical）効果を用いた信号取得方法も同様に使用できる。

基準光源１０２は、受信信号Ａを重畳するための送信光Ｂを出射する光源である。一例として、ＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback Laser Diode）が挙げられる。基準光源１０２のスペクトル幅は、できるだけ狭いことが望ましい。

サーキュレータ１０３は、送信光路と受信光路とを分離する。送信光Ｂおよび受信光Ｃは、サーキュレータ１０３と電気光学プローブ１０１との間は同一光路を通過するが、受信光Ｃはサーキュレータ１０３を透過した後、分波器１０４に入力される。

分波器１０４は、サーキュレータ１０３で分離された受信光路を分岐させて複数の受信光とする。受信光路の分岐数は、局発光源の数に基づいて設定される。図１の例では、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７と、局発光源が２個であることから、受信光路を２本に分岐させる。
なお、図１および後述の説明では、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７の２個の局発光源を設置する場合を示しているが、局発光源の設置数は、２以上の任意の数で構成可能である。

第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７は、受信光Ｃを周波数変換するための局発光を発生する光源である。第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７の一例として、ＤＦＢ−ＬＤが挙げられる。第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７のスペクトル幅は、できるだけ狭いことが望ましい。第１の局発光源１０５は、第１の位相同期回路１０６によって、基準光源１０２との周波数差が制御されている。第１の局発光源１０５が発生させる第１の局発光Ｄと、基準光源１０２の送信光Ｂとの周波数差が、周波数可変発振器１０９の発振周波数Δｆに保たれている。
第２の局発光源１０７は、第２の位相同期回路１０８によって、第１の局発光源１０５との周波数差が制御されている。第２の局発光源１０７が発生させる第２の局発光Ｅと、第１の局発光源１０５の第１の局発光Ｄとの周波数差が、周波数可変発振器１０９の発振周波数Δｆに保たれている。

これらをまとめると、送信光Ｂの周波数をｆ_０、周波数可変発振器１０９の発振周波数Δｆとすると、第１の局発光Ｄの周波数ｆ_１は、以下の式（１）で表され、第２の局発光Ｅの周波数ｆ_２は、以下の式（２）で表される。
ｆ_１＝ｆ_０＋Δｆ （１）
ｆ_２＝ｆ_０＋２Δｆ （２）

第１の位相同期回路１０６は、基準光源１０２と第１の局発光源１０５との周波数差を制御し、基準光源１０２の送信光Ｂと第１の局発光源１０５の第１の局発光Ｄとの位相を同期させる。第２の位相同期回路１０８は、第１の局発光源１０５と第２の局発光源１０７の周波数差を制御し、第１の局発光源１０５の第１の局発光Ｄと第２の局発光源１０７の第２の局発光Ｅとの位相を同期させる。
図３は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の基準光源１０２および第１の位相同期回路１０６の構成例を示す図である。
基準光源１０２は、電流源１０２ａおよび半導体レーザ１０２ｂを備える。基準光源１０２は、周波数ｆ_０の送信光Ｂを第１の位相同期回路１０６に出射する。また、第１の局発光源１０５は、周波数ｆ_１の第１の局発光Ｄを第１の位相同期回路１０６に出射する。

第１の位相同期回路１０６は、合波器１０６ａ、光電変換器１０６ｂ、位相比較器１０６ｃおよびループフィルタ１０６ｄを備える。
合波器１０６ａは、基準光源１０２から出射された送信光Ｂと、第１の局発光源１０５から出射された第１の局発光Ｄとを合波する。光電変換器１０６ｂは、合波器１０６ａで合波された送信光Ｂおよび第１の局発光Ｄをヘテロダイン検波し、差周波信号を位相比較器１０６ｃに入力する。位相比較器１０６ｃには、周波数可変発振器１０９から、位相制御の同期基準信号として、発振周波数Δｆの信号が入力される。位相比較器１０６ｃは、光電変換器１０６ｂから入力された差周波信号と、周波数可変発振器１０９から入力された同期基準信号との位相比較を行い、誤差信号をループフィルタ１０６ｄに入力する。

ループフィルタ１０６ｄは、誤差信号から不要な高周波発振成分を取り除く。ループフィルタ１０６ｄは、不要な高周波発振成分を取り除いた誤差信号を、基準光源１０２の電流源１０２ａにフィートバックする。基準光源１０２の半導体レーザ１０２ｂは、電流源１０２ａの電流で制御され、ループフィルタ１０６ｄからフィードバックされた誤差信号に応じて、発振周波数が変化する。第１の位相同期回路１０６から基準光源１０２への誤差信号のフィードバックにより、基準光源１０２の送信光Ｂと第１の局発光源１０５の第１の局発光Ｄとの周波数差が、周波数可変発振器１０９の発振周波数Δｆに保たれる。

周波数可変発振器１０９は、後述する信号処理部１１４によって決定された発振周波数で、第１の位相同期回路１０６および第２の位相同期回路１０８に同期基準信号を入力する。周波数可変発振器１０９の発振周波数が、信号処理部１１４によって可変であることにより、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７の第１の局発光および第２の局発光の周波数も追従させて変化させることができる。周波数可変発振器１０９の一例として、周波数シンセサイザが挙げられる。

第１の合波器１１０は、分波器１０４で分岐された受信光Ｃと、第１の局発光源１０５から出射された第１の局発光Ｄとを合波する。第２の合波器１１１は、分波器１０４で分岐された受信光Ｃと、第２の局発光源１０７から出射された第２の局発光Ｅとを合波する。合波器の数は、局発光源の数と同一となる。

第１の光電変換器１１２は、第１の合波器１１０で合波された受信光Ｃと第１の局発光Ｄをヘテロダイン検波する。第２の光電変換器１１３は、第２の合波器１１１で合波された受信光Ｃと第２の局発光Ｅをヘテロダイン検波する。光電変換機の数は、局発光源の数と同一となる。第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３は、図４に示す機能を備える。
図４は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の第１の光電変換器１１２の機能を示す図である。
第１の光電変換器１１２は、光電変換機能および周波数フィルタ機能を備える。光電変換機能により、受信光と局発光を光入力とし、ヘテロダイン検波が行われる。周波数フィルタ機能により、ヘテロダイン検波後の信号の周波数の選択が行われる。一般的に、受信信号Ａが広帯域である場合、当該受信信号Ａを直接検波すると、光電変換器の周波数フィルタ機能として広帯域性が求められ、光電変換器のコストが増加する。しかし、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３は、基準光源１０２を用いた中間周波数でのヘテロダイン検波を行うことから、安価で狭帯域な光電変換器で構成することができる。

信号処理部１１４は、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の出力電圧値を測定して記憶装置１１５に記憶させる。また、信号処理部１１４は、周波数可変発振器１０９に対して周波数を変化させる指示を出力する。これにより、電磁界計測装置１００は、周波数可変発振器１０９の周波数の掃引を行うことができる。また、信号処理部１１４は、周波数可変発振器１０９の発振周波数を記憶装置１１５に記憶させる。

図５は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の信号処理部１１４の構成を示すブロック図である。
信号処理部１１４は、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄを備える。
第１の電力測定部１１４ａは、第１の光電変換器１１２から入力される電気出力の出力電力を測定し、記憶装置１１５に記憶する。第２の電力測定部１１４ｂは、第２の光電変換器１１３から入力される電気出力の出力電力を測定し、記憶装置１１５に記憶する。周波数制御部１１４ｃは、周波数可変発振器１０９の発振周波数の変化量を決定し、決定した変化量分変化させた発振周波数を周波数可変発振器１０９に設定する。スペクトル合成部１１４ｄは、周波数可変発振器１０９の周波数の掃引が終了すると、記憶装置１１５から発振周波数および出力電圧を取得し、掃引した全周波数帯域のスペクトルを合成して再構築する。

記憶装置１１５は、信号処理部１１４の第１の電力測定部１１４ａおよび第２の電力測定部１１４ｂから入力された出力電力の情報を記憶する。また、記憶装置１１５は、周波数制御部１１４ｃから入力された、周波数可変発振器１０９の発振周波数の情報を記憶する。

次に、図６で示した信号処理部１１４のハードウェア構成例を説明する。
図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の信号処理部１１４のハードウェア構成例を示す図である。
電磁界計測装置１００の信号処理部１１４における第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄの各機能は、処理回路により実現される。即ち、信号処理部１１４は、上記各機能を実現するための処理回路を備える。当該処理回路は、図６Ａに示すように専用のハードウェアである処理回路１００ａであってもよいし、図６Ｂに示すようにメモリ１００ｃに格納されているプログラムを実行するプロセッサ１００ｂであってもよい。

図６Ａに示すように、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄが専用のハードウェアである場合、処理回路１００ａは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄの各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。

図６Ｂに示すように、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄがプロセッサ１００ｂである場合、各部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１００ｃに格納される。プロセッサ１００ｂは、メモリ１００ｃに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄの各機能を実現する。即ち、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄは、プロセッサ１００ｂにより実行されるときに、後述する図８に示す各ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１００ｃを備える。また、これらのプログラムは第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄの手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

ここで、プロセッサ１００ｂとは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのことである。
メモリ１００ｃは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically EPROM）等の不揮発性または揮発性の半導体メモリであってもよいし、ハードディスク、フレキシブルディスク等の磁気ディスクであってもよいし、ミニディスク、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の光ディスクであってもよい。

なお、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂ、周波数制御部１１４ｃおよびスペクトル合成部１１４ｄの各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、電磁界計測装置１００における処理回路１００ａは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

次に、電磁界計測装置１００を用いて広帯域の受信信号の電磁界を計測する方法を、図７および図８を参照しながら説明する。
図７は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の電磁界計測におけるスペクトル図である。
図７Ａは、送信光Ｂのスペクトルを示している。送信光Ｂの周波数はｆ_０である。
図７Ｂは、送信光Ｂに受信信号Ａを重畳した受信光Ｃのスペクトルを示している。観測帯域ｆ_Ｒは受信光Ｃの帯域を示している。周波数ｆ_０の送信光に、周波数が単一ではない受信光Ｃが重畳されると、図７Ｂに示すスペクトルとなる。電磁界計測装置１００は、図７Ｂに示すように、周波数が単一の受信信号ではなく、広帯域に広がっている受信信号の電磁界の計測を目的としている。

図７Ｃは、第１の合波器１１０が、受信光Ｃに第１の局発光Ｄを合波し、受信光Ｃに第２の局発光Ｅを合波する場合のスペクトルを示している。送信光Ｂの周波数ｆ_０と、第１の局発光Ｄの周波数ｆ_１の周波数差はΔｆであり、送信光の周波数ｆ_０と第２の局発光Ｅの周波数ｆ_２の周波数差は２Δｆである。第１の合波器１１０は、周波数ｆ_０の送信光Ｂと、周波数ｆ_１の第１の局発光Ｄとを合波し、第１の光電変換器１１２がヘテロダイン検波を行う。同様に、第２の合波器１１１は周波数ｆ_０の送信光Ｂと、周波数ｆ_２の第２の局発光Ｅとを合波し、第２の光電変換器１１３がヘテロダイン検波を行う。この時、第１の光電変換器１１２は、図４で示した周波数フィルタ機能を有することから、受信光Ｃの一部のみを取得する。同様に、第２の光電変換器１１３は、周波数フィルタ機能を有することから、受信光Ｃの一部のみを取得する。第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３が受信光Ｃの一部のみを取得する状態を図７Ｄに示している。図７Ｄで示した第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の出力信号の帯域２ｆ_ＰＤにおけるｆ_ＰＤは、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の帯域を示している。受信光Ｃの観測帯域ｆ_Ｒの全帯域の信号を取得するためには、図７Ｅに示すように、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７の周波数を掃引する必要がある。

そこで、信号処理部１１４は、図８のフローチャートで示す処理を実行する。
図８は、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の信号処理部１１４の動作を示すフローチャートである。
まず、周波数制御部１１４ｃは、受信光Ｃの観測帯域ｆ_Ｒを決定し、周波数可変発振器１０９の発振周波数Δｆのステップごとの変化量である周波数δｆを決定する（ステップＳＴ１）。ここでδｆは、測定結果における周波数分解能を決定する要因であり、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の帯域ｆ_ＰＤと同程度とする。次に、周波数制御部１１４ｃは、周波数可変発振器１０９の発振周波数Δｆに初期値Δｆ_０を設定する（ステップＳＴ２）。周波数制御部１１４ｃは、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７の個数Ｎに応じて、以下の式（３）の条件を満たすか否か判定を行う（ステップＳＴ３）。
Ｎ×Δｆ_ｉ≦ｆ_Ｒ （３）
ステップＳＴ３の判定は、電磁界の計測を続けるか否かの判定である。

上述した式（３）を満たす場合（ステップＳＴ３；ＹＥＳ）、周波数制御部１１４ｃは周波数可変発振器１０９の発振周波数として周波数Δｆ_ｉを設定する（ステップＳＴ４）。周波数可変発振器１０９に発振周波数として周波数Δｆ_ｉが設定されると、第１の電力測定部１１４ａは第１の光電変換器１１２の出力電力を測定し、第２の電力測定部１１４ｂは第２の光電変換器１１３の出力電力を測定する（ステップＳＴ５）。第１の電力測定部１１４ａおよび第２の電力測定部１１４ｂが測定する電力は、受信光Ｃの観測帯域ｆ_Ｒのうち、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の帯域に相当する信号である。第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の帯域は、受信光の測定結果における周波数分解能を決定する一つの要因である。第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の帯域は狭い程分解能が上がるが、帯域が基準光源１０２、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７のスペクトル幅と同等程度となると、基準光源１０２、第１局発光源１０５および第２の局発光源１０７の雑音が支配的となる。そのため、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３の帯域は、基準光源１０２、第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７のスペクトル幅の１０倍以上の幅を有していることが望ましい。

第１の電力測定部１１４ａおよび第２の電力測定部１１４ｂは測定した出力電力値を記憶装置１１５に記憶させ、周波数制御部１１４ｃは現在周波数可変発振器１０９に設定している周波数Δｆ_ｉを記憶装置１１５に記憶させる（ステップＳＴ６）。その後、周波数制御部１１４ｃは、周波数可変発振器１０９の周波数を、１ステップ分（周波数δｆ）変化させる（ステップＳＴ７）。その後、フローチャートは、ステップＳＴ３の処理に戻る。

一方、上述した式（３）を満たさない場合（ステップＳＴ３；ＮＯ）、スペクトル合成部１１４ｄは、記憶装置１１５に記憶された出力電力値および発振周波数の情報を取得する（ステップＳＴ８）。スペクトル合成部１１４ｄでは、ステップＳＴ８で取得した出力電力値および発振周波数を用いてスペクトルの合成を行い、受信光の観測帯域ｆ_Ｒの全帯域のスペクトルを生成する（ステップＳＴ９）。その後、フローチャートは処理を終了する。
ステップＳＴ９の処理によって生成されたスペクトルを図７Ｆに示している。図７Ｆは、信号処理部１１４によって受信光の観測帯域ｆ_Ｒにおける電磁界のスペクトル情報を示している。

電磁界計測装置１００の構成例として、観測帯域ｆ_Ｒ＝５０［ＧＨｚ］、光電変換器の帯域Δｆ_ＰＤ＝１００［ＭＨｚ］、周波数可変発振器１０９の発振周波数が、Δｆ＝１００［ＭＨｚ］〜１０［ＧＨｚ］であった場合、局発光源の個数Ｎ＝１０で、観測帯域ｆ_Ｒの全帯域の測定を行うことができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、受信信号を重畳するための送信光を生成する基準光源１０２と、受信信号を送信光に重畳して受信光を生成する電気光学プローブ１０１と、送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成する複数の第１の局発光源１０５、第２の局発光源１０７と、送信光の周波数と、局発光との周波数差を制御する第１の位相同期回路１０６、第２の位相同期回路１０８と、送信光の送信光路と、受信光の受信光路とを分離するサーキュレータ１０３と、分離された受信光路を複数の光路に分岐させる分波器１０４と、分岐された受信光と、局発光とを合波する複数の第１の合波器１１０、第２の合波器１１１と、合波された受信光と局発光とをヘテロダイン検波する複数の第１の光電変換器１１２、第２の光電変換器１１３と、第１の位相同期回路１０６、第２の位相同期回路１０８に同期基準信号を入力する周波数可変発振器１０９と、第１の光電変換器１１２、第２の光電変換器１１３からの出力電力の測定、および周波数可変発振器１０９の発振周波数の制御を行う信号処理部１１４を備えるように構成したので、狭帯域の光電変換素子を利用することができ、電磁界測定装置の低コスト化を実現することができる。また、被検電磁波の周波数が単一ではなく、未知であった場合にも、受信信号の全帯域においてスペクトルを生成することができる。

また、この実施の形態１によれば、電気光学プローブ１０１は、マッハツェンダー型構造の干渉光路を有し、受信信号による位相変調を強度変調に変換するように構成したので、受信信号の強度変調として光に重畳することでファイバ内の位相擾乱を無視することができる。よって、電磁界測定装置の高感度化を実現することができる。

また、この実施の形態１によれば、分波器１０４は、電気光学プローブ１０１が生成した受信光を、第１の局発光源１０５、第２の局発光源１０７と同数の受信光路に分岐させるように構成したので、受信光を複数の光路に分離することができ、周波数の異なる中間周波数への周波数変換を可能とする。これにより、電磁界測定装置の広帯域化に貢献することができる。

また、この実施の形態１によれば、第１の合波器１１０、第２の合波器１１１および第１の光電変換器１１２、第２の光電変換器１１３は、第１の局発光源１０５、第２の局発光源１０７と同数設けるように構成したので、受信光を複数の光路に分離することができ、周波数の異なる中間周波数への周波数変換を可能とする。これにより、電磁界測定装置の広帯域化に貢献することができる。

また、この実施の形態１によれば、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３は、狭帯域な周波数フィルタとして機能するように構成したので、電気的なフィルタを用いることなく測定周波数を選択することができる。これにより、電磁界測定装置の構成の簡易化、低コスト化に貢献することができる。

また、この実施の形態１によれば、信号処理部１１４は、第１の光電変換器１１２、第２の光電変換器１１３の出力電力を測定する第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂと、周波数可変発振器１０９の発振周波数を設定する周波数制御部１１４ｃと、第１の電力測定部１１４ａ、第２の電力測定部１１４ｂが測定した出力電力と、周波数制御部１１４ｃが設定した発振周波数とを用いてスペクトルの合成を行い、受信信号のスペクトルを生成するスペクトル合成部１１４ｄとを備えるように構成したので、広帯域な受信信号を、観測周波数を掃引可能な狭帯域フィルタで分割しながら測定し、再度合成することにより、広帯域信号を復号することができる。これにより、電磁界測定装置の広帯域化に貢献することができる。

また、この実施の形態１によれば、第１の位相同期回路１０６、第２の位相同期回路１０８は、周波数可変発振器１０９から入力された同期基準信号に基づいて、基準光源１０２が生成した送信光と、第１の局発光源１０５、第２の局発光源１０７が生成した局発光との周波数差を、一定値とする制御を行うように構成したので、局発光で得られる中間周波数を掃引することができる。これにより電磁界測定装置の広帯域化に貢献することができる。

実施の形態２．
この実施の形態２では、高周波帯における周波数分解能を向上させる構成を示す。
図９は、実施の形態２に係る電磁界計測装置１００Ａの構成を示す図である。
実施の形態２に係る電磁界計測装置１００Ａは、図１に示した実施の形態１の電磁界計測装置１００の周波数可変発振器１０９に替えて周波数可変発振器１２０を設け、さらに周波数固定発振器１２１を追加して構成している。以下では、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の構成要素と同一または相当する部分には、実施の形態１で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。

周波数可変発振器１２０は、実施の形態１と同様に、信号処理部１１４によって決定された発振周波数で、第１の位相同期回路１０６に第１の同期基準信号を入力する。周波数固定発振器１２１は、第２の位相同期回路１０８に第２の同期基準信号を入力する。これにより、周波数可変発振器１２０の周波数をΔｆｖ、周波数固定発振器１２１の周波数をΔｆｃとすると、第１の局発光源１０５の周波数ｆ_１は、以下の式（４）で表され、第２の局発光Ｅの周波数ｆ_２は、以下の式（５）で表される。
ｆ_１＝ｆ_０＋Δｆｖ （４）
ｆ_２＝ｆ_０＋Δｆｖ＋Δｆｃ （５）
また、局発光源をＮ個用いた場合、Ｎ番目の局発光源の第Ｎの局発光の周波数ｆ_Ｎは、以下の式（６）で表される。
ｆ_Ｎ＝ｆ_０＋Δｆｖ＋（Ｎ−１）Δｆｃ （６）

次に、電磁界計測装置１００Ａの動作について説明する。
図１０は、実施の形態２に係る電磁界計測装置１００Ａの動作を示すフローチャートである。
また、以下では実施の形態１に係る電磁界計測装置１００と同一のステップには図８で使用した符号と同一の符号を付し、説明を省略または簡略化する。
周波数制御部１１４ｃは、周波数可変発振器１２０の発振周波数の周波数Δｆｖに初期値Δｆｖ_０を設定する（ステップＳＴ２ａ）。周波数制御部１１４ｃは、周波数Δｆｖ_ｉが、以下の式（７）の条件を満たすか否か判定を行う（ステップＳＴ３ａ）。
Δｆｖ_ｉ＜Δｆｃ （７）
ステップＳＴ３ａの判定は、電磁界の計測を続けるか否かの判定である。

上述した式（７）を満たす場合（ステップＳＴ３ａ；ＹＥＳ）、周波数制御部１１４ｃは周波数可変発振器１２０の発振周波数に周波数Δｆｖ_ｉを設定する（ステップＳＴ４ａ）。周波数可変発振器１２０の発振周波数に周波数Δｆｖ_ｉが設定されると、第１の電力測定部１１４ａは第１の光電変換器１１２の出力電力を測定し、第２の電力測定部１１４ｂは第２の光電変換器１１３の出力電力を測定する（ステップＳＴ５）。第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３は測定した出力電力値を記憶装置１１５に記憶させ、周波数制御部１１４ｃは現在周波数可変発振器１２０に設定している周波数Δｆｖ_ｉを記憶装置１１５に記憶させる（ステップＳＴ６ａ）。その後、周波数制御部１１４ｃは、周波数可変発振器１２０の周波数を１ステップ分（周波数δｆ）変化させる（ステップＳＴ７ａ）。その後、フローチャートは、ステップＳＴ３ａの処理に戻る。
一方、上述した式（７）を満たさない場合（ステップＳＴ３ａ；ＮＯ）、ステップＳＴ８の処理に進む。

図１１は、実施の形態１および実施の形態２に係る電磁界計測装置１００，１００Ａの電磁界計測におけるスペクトル図である。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、実施の形態１に係る電磁界計測装置１００の電磁界計測におけるスペクトル図を示している。図１１Ａは、第１の合波器１１０が受信光Ｃに第１の局発光の周波数ｆ_１の第１の局発光を合波し、受信光Ｃに周波数ｆ_２の第２の局発光を合波した場合のスペクトルを示している。また、図１１Ｂは、図１１Ａに対して周波数可変発振器１０９の周波数をδｆ変化させ、受信光Ｃに周波数ｆ_１の第１の局発光および周波数ｆ_２の第２の局発光を合波したスペクトルを示している。図１１Ａおよび図１１Ｂを比較すると、周波数可変発振器１０９の周波数をδｆ変化させると、Ｎ番目の局発光源では周波数がＮ×δｆ変化する。よって、低周波数と高周波数では周波数分解能が変化する。即ち、図１１Ａと図１１ＢのΔｆは可変である。また、図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、周波数可変発振器１０９の周波数を掃引した場合に、領域Ｘにおいて周波数のオーバーラップが発生する。周波数のオーバーラップが発生する場合、同一の周波数データを２回以上取得することとなり、信号処理が複雑となる。

図１１Ｃおよび図１１Ｄは、実施の形態２に係る電磁界計測装置１００Ａの電磁界計測におけるスペクトル図を示している。
図１１Ｃは、第１の合波器１１０が受信光Ｃに第１の局発光の周波数ｆ_１の第１の局発光を合波し、受信光Ｃに周波数ｆ_２の第２の局発光を合波した場合のスペクトルを示している。また、図１１Ｄは、図１１Ｃに対して周波数可変発振器１２０の周波数をδｆ変化させ、受信光Ｃに周波数ｆ_１の第１の局発光および周波数ｆ_２の第２の局発光を合波したスペクトルを示している。図１１Ｃと図１１Ｄでは、第１の局発光源１０５と第２の局発光源１０７の周波数差は一定であり、基準光源１０２と第１の局発光源１０５との差周波のみを掃引するため、低周波数から高周波数まで周波数分解能が一定である。即ち、図１１Ｃおよび図１１ＤのΔｆｃは固定値である。また、図１１Ｃと図１１Ｄでは、周波数分解能が一定であり、ΔｆｖとΔｆｃとが上述した式（７）の関係を満たすことから、第１の局発光源１０５と第２の局発光源１０７から得られるデータとして、周波数のオーバーラップが発生しない。

以上のように、この実施の形態２によれば、受信信号を重畳するための送信光を生成する基準光源１０２と、受信信号を送信光に重畳して受信光を生成する電気光学プローブ１０１と、送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成する複数の第１の局発光源１０５および第２の局発光源１０７と、送信光の周波数と局発光との周波数差を制御する第１の位相同期回路１０６および第２の位相同期回路１０８と、送信光の送信光路と、受信光の受信光路とを分離するサーキュレータ１０３と、分離された受信光路を複数の光路に分岐させる分波器１０４と、分岐された受信光と、局発光とを合波する複数の第１の合波器１１０および第２の合波器１１１と、合波された受信光と局発光とをヘテロダイン検波する複数の第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３と、送信光と局発光との周波数差を制御する同期基準信号を第１の位相同期回路１０６に入力する周波数可変発振器１２０と、複数の局発光の周波数差を制御する、発振周波数が固定値である同期基準信号を第２の位相同期回路１０８に入力する周波数固定発振器１２１と、第１の光電変換器１１２および第２の光電変換器１１３からの出力電力の測定、および周波数可変発振器１２０の発振周波数の制御を行う信号処理部１１４とを備えるように構成したので、狭帯域の光電変換素子を利用することができ、電磁界測定装置の低コスト化を実現することができる。また、被検電磁波の周波数が単一ではなく、未知であった場合にも、受信信号の全帯域においてスペクトルを生成することができる。低周波数から高周波数に渡って、均一な周波数分解能で計測することができる。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る電磁界計測装置は、高周波電波が利用されている空間における電磁界を計測するのに適している。

１００ 電磁界計測装置、１０１ 電気光学プローブ、１０１ａ 導波路、１０１ｂ 第１の導波路、１０１ｃ 第２の導波路、１０１ｄ 光学結晶、１０１ｅ 受信アンテナ、１０１ｆ 電極、１０１ｇ 反射ミラー、１０２ 基準光源、１０２ａ 電流源、１０２ｂ 半導体レーザ、１０３ サーキュレータ、１０４ 分波器、１０５ 第１の局発光源、１０６ 第１の位相同期回路、１０６ａ 合波器、１０６ｂ 光電変換器、１０６ｃ 位相比較器、１０６ｄ ループフィルタ、１０７ 第２の局発光源、１０８ 第２の位相同期回路、１０９，１２０ 周波数可変発振器、１１０ 第１の合波器、１１１ 第２の合波器、１１２ 第１の光電変換器、１１３ 第２の光電変換器、１１４ 信号処理部、１１４ａ 第１の電力測定部、１１４ｂ 第２の電力測定部、１１４ｃ 周波数制御部、１１４ｄ スペクトル合成部、１１５ 記憶装置、１２１ 周波数固定発振器。

Claims (11)

1. 受信信号を重畳するための送信光を生成する基準光源と、
   前記受信信号を前記送信光に重畳して受信光を生成する電気光学プローブと、
   前記基準光源が生成する前記送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成する複数の局発光源と、
   前記基準光源が生成する前記送信光の周波数と、前記局発光源が生成する前記局発光との周波数差を制御する位相同期回路と、
   前記送信光の送信光路と、前記受信光の受信光路とを分離するサーキュレータと、
   前記サーキュレータが分離した前記受信光路を複数の光路に分岐させる分波器と、
   前記分波器の光路で分岐された前記受信光と、前記局発光とを合波する複数の合波器と、
   前記合波器で合波された前記受信光と前記局発光とをヘテロダイン検波する複数の光電変換器と、
   前記位相同期回路に同期基準信号を入力する周波数可変発振器と、
   前記光電変換器からの出力電力の測定、および前記周波数可変発振器の発振周波数の制御を行う信号処理部とを備えた電磁界計測装置。
2. 受信信号を重畳するための送信光を生成する基準光源と、
   前記受信信号を前記送信光に重畳して受信光を生成する電気光学プローブと、
   前記基準光源が生成する前記送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成する複数の局発光源と、
   前記基準光源が生成する前記送信光の周波数と、前記局発光源が生成する前記局発光との周波数差を制御する位相同期回路と、
   前記送信光の送信光路と、前記受信光の受信光路とを分離するサーキュレータと、
   前記サーキュレータが分離した前記受信光路を複数の光路に分岐させる分波器と、
   前記分波器の光路で分岐された前記受信光と、前記局発光とを合波する複数の合波器と、
   前記合波器で合波された前記受信光と前記局発光とをヘテロダイン検波する複数の光電変換器と、
   前記送信光と前記局発光との周波数差を制御する同期基準信号を前記位相同期回路に入力する周波数可変発振器と、
   複数の前記局発光の周波数差を制御する、発振周波数が固定値である同期基準信号を前記位相同期回路に入力する周波数固定発振器と、
   前記光電変換器からの出力電力の測定、および前記周波数可変発振器の発振周波数の制御を行う信号処理部とを備えた電磁界計測装置。
3. 前記電気光学プローブは、マッハツェンダー型構造の干渉光路を有し、前記受信信号による位相変調を強度変調に変換することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
4. 前記分波器は、前記電気光学プローブが生成した前記受信光を、前記局発光源と同数の前記受信光路に分岐させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
5. 前記合波器および前記光電変換器は、前記局発光源と同数設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
6. 前記光電変換器は、狭帯域な周波数フィルタとして機能することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
7. 前記信号処理部は、前記光電変換器からの出力電力を測定する電力測定部と、前記周波数可変発振器の発振周波数を設定する周波数制御部と、前記電力測定部が測定した前記出力電力と、前記周波数制御部が設定した発振周波数とを用いてスペクトルの合成を行い、前記受信信号のスペクトルを生成するスペクトル合成部とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
8. 前記位相同期回路は、前記周波数可変発振器から入力された前記同期基準信号に基づいて、前記基準光源が生成した前記送信光と、前記局発光源が生成した前記局発光との周波数差を、一定値とする制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
9. 前記信号処理部が測定した前記出力電力、および前記信号処理部が制御した前記発振周波数を記憶する記憶装置を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁界計測装置。
10. 基準光源が、受信信号を重畳するための送信光を生成するステップと、
    電気光学プローブが、前記受信信号を前記送信光に重畳して受信光を生成するステップと、
    複数の局発光源が、前記送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成するステップと、
    位相同期回路が、前記送信光の周波数と、前記局発光との周波数差を制御するステップと、
    サーキュレータが、前記送信光の送信光路と、前記受信光の受信光路とを分離するステップと、
    分波器が、前記分離された受信光路を複数の光路に分岐させるステップと、
    複数の合波器が、前記光路で分岐された前記受信光と、前記局発光とを合波するステップと、
    複数の光電変換器が、前記合波された前記受信光と前記局発光とをヘテロダイン検波するステップと、
    周波数可変発振器が、前記位相同期回路に同期基準信号を入力するステップと、
    信号処理部が、前記光電変換器からの出力電力の測定、および前記周波数可変発振器の発振周波数の制御を行うステップとを備えた電磁界計測方法。
11. 基準光源が、受信信号を重畳するための送信光を生成するステップと、
    電気光学プローブが、前記受信信号を前記送信光に重畳して受信光を生成するステップと、
    複数の局発光源が、前記送信光の周波数との周波数差が制御された局発光を生成するステップと、
    位相同期回路が、前記送信光の周波数と、前記局発光との周波数差を制御するステップと、
    サーキュレータが、前記送信光の送信光路と、前記受信光の受信光路とを分離するステップと、
    分波器が、前記分離された前記受信光路を複数の光路に分岐させるステップと、
    複数の合波器が、前記光路で分岐された前記受信光と、前記局発光とを合波するステップと、
    複数の光電変換器が、前記合波された前記受信光と前記局発光とをヘテロダイン検波するステップと、
    周波数可変発振器が、前記送信光と前記局発光との周波数差を制御する同期基準信号を前記位相同期回路に入力するステップと、
    周波数固定発振器が、複数の前記局発光の周波数差を制御する、発振周波数が固定値である同期基準信号を前記位相同期回路に入力するステップと、
    信号処理部が、前記光電変換器からの出力電力の測定、および前記周波数可変発振器の発振周波数の制御を行うステップとを備えた電磁界計測方法。

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