JP7202044B1

JP7202044B1 - レーザドップラ速度計

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Publication number: JP7202044B1
Application number: JP2022129946A
Authority: JP
Inventors: 定男藤田; 賢一徳永; 幸生妹尾
Original assignee: ACT Electronics Corp
Current assignee: ACT Electronics Corp
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2023-01-11
Anticipated expiration: 2042-08-17
Also published as: JP2024027277A; JP2024028083A

Abstract

【課題】レーザドップラ速度計において、移動物体の移動方向を判断するための光変調器や光変調器駆動系は、高額であり大型である。レーザドップラ速度計を、より低価格でより小型として使いやすくするには、光変調器を用いずに移動方向の判断が可能な構成が望ましい。【解決手段】単一モード発振するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記平行ビームを二分するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで二分されたレーザビームの一方を反射して物体に照射するミラーと、前記物体からの散乱光を集光するレンズと光検出器と電気回路を含む光受信部と、を有し、前記レーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に周波数変調を施し、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別する。【選択図】図1

Description

本発明は、レーザ光によるドップラ効果を用いた速度計に関する。

レーザ光線とドップラ効果を利用したレーザドップラ速度計は、測定対象物の速度が、非接触で正確に測れるため、今日、多くの分野で利用されている。その利用分野の一例としては、製鉄業や、鉄道の速度計測がある。製鉄業では、高温での作業工程で、接触しての測定が難しい圧延制御にレーザドップラ速度計が採用されている。一方、鉄道では、高速走行時には車輪の空転や滑りが発生するため車輪の回転からは正確な運航速度が測定できなかったが、非接触で正確に速度が図れるためレーザドップラ速度計が適用されている。

（従来例１）
レーザドップラ速度計は、動作検証が１９６４年に行われている。その一例が、非特許文献１に開示されている。この報告では、レーザ光線のドップラシフト現象を利用して、液体の流速を観測している。報告例では、光源に波長６３３ｎｍのヘリウムネオンレーザ（ＨｅＮｅレーザ）を用い、そのコリメート光をビームスプリッタで2つに分け、一方の光を流れる液体に照射し、もう一方の光を光変調器に入れてＳＳＢ変調（ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅｂａｎｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行い、光源のレーザ光源に光周波数シフトを施して局部発振光として用いている。流れる流体に照射され散乱した光である散乱光と、前記局部発振光を再結合させ光検出器に入射させて、光検出器からの電気信号をスペクトルアナライザで観測する。この構成では、流体の流速に比例して、前記散乱光の光周波数がドップラシフトを起こし、前記光検出にて散乱光と局部発振光の光ヘテロダイン検波を行うと、その出力である前記電気信号のビート信号にて、流体の流速に対応した周波数シフトが起こることが観測された。結果、光のドップラシフトを用いて液体の流速が観測できることが報告されている。

（従来例２）
レーザドップラ速度計では、小型化の検討と開発も行われている。上述の従来例１は、レーザ光源に大型のガスレーザであるヘリウムネオンレーザを用いていたが、装置を小型化するため、半導体レーザを用いた例が、非特許文献２に示されている。

非特許文献２に示されたレーザドップラ速度計の構成を図１０に示した。図１０は、非特許関連文献２に示されたレーザドップラ速度計の光学部（Ｆｉｇｕｒｅ．２）の写しである。

図１０のレーザドップラ速度計は、ガラス管内の流体速度を観測するための差動型の光学構成であり、小型化を図るために、半導体レーザを用い、かつ、従来例１で用いられた周波数シフトを起こす光変調器は未適用の構成としている。
図１０の構成では、光源に波長８１０ｎｍの半導体レーザ２０１を用い、レーザ光の集光には小型の屈折率分布型のレンズ２０２を用いている。半導体レーザ２０１の出射光のコヒーレンス長は、従来例１で使用したヘリウムネオンレーザより低下しているので、ブレーズド型の回折格子２０３を用いて、使用する光の周波数成分を制限して、コヒーレンス長を改善した狭いスペクトル幅のレーザ光源としている。

また、差動型の光学系を上下とも同じ光路差光路長となる対称形として、短いコヒーレンス長の光源に対応している。

差動型レーザドップラ速度計は、レーザ光源から分離した２本の光束を、移動する非測定物に照射する構成である。非測定物に対し、２本の光束の内、一方の光束は移動する非測定物の前方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が増加する方向となり、他の光束は移動する非測定物の後方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が減少する方向となる。これら２つの散乱光を、光検出器で光ヘテロダイン検波すると、その出力電気信号は２つの散乱光成分の差分となる。出力電気信号のビート周波数の変位量は、一本のみの散乱光を用いていた非特許文献１の系の２倍となるので、速度検出感度が上がるという利点がある。また、光学系が差動型となっているので、非測定物の表面の凹凸から発生する雑音成分や、光源自体の強度雑音から発生する雑音成分の影響も除外できるので、レーザドップラ速度計の感度を向上させることができる。

ブレーズド型の回折格子２０３の出力は、０次光と１次光の２本を使用し、これらの光源は光路の対称性を保ってレンズ２０４に入射し、集光されてガラス管２０５の中の流体に焦点を結ぶ。流体からのそれぞれの散乱光は、光のドップラシフトを受けており、これらの散乱光をガラス管２０５上に設置された光検出器２０６で検出する。

この光検出器２０６からの電気信号出力であるビート周波数（ピーク周波数）から流体の移動速度が得られる。非特許関連文献３での評価結果では、直径０．９ｕｍのポリスチレン球体を混ぜた流体の速度を、０．０５ｍｍ／ｓから７ｍｍ／ｓの範囲で計測しており、レーザドップラ速度計に半導体レーザを使用してもその動作が可能であることを報告している。

また、光源に半導体レーザを採用したため、レーザドップラ速度計の小型化もできたと報告されている。なお、図１０のレーザドップラ速度計では、周波数シフト変調器を用いていないので、流体の移動方向が逆となった場合には、移動方向の判断はできない。

（従来例３）
レーザドップラ速度計の高性能化と小型化を図った例が、特許文献１に示されている。この例は、高感度化が可能な差動型レーザドップラ速度計を基本に、速度がゼロやマイナス（逆方向）も検出可能な周波数シフト変調を行い速度計の汎用性を向上させ、光源に半導体レーザを採用して、小型化も達成している。また、照射光ビームの幅を広く取る工夫を施し、レーザドップラ速度計の焦点深度を深くすることを特徴としている。

図１１は、特許文献１に記載された鉄道車両速度計測装置である図１の写しである。図１１では、レーザ光源３０１から出射されるレーザビームは、コリメータレンズ３０２で平行ビームになるように調整される。このレーザビームが周波数シフト素子（ＡＯＭ）３０３に入射され、このＡＯＭに４０ＭＨｚの信号ｆｍを加えて、入射されたレーザビームの周波数を４０ＭＨｚシフトさせ、且つ、ある角度だけ回折した１次回折光と、そのまま通過する０次光を出射させる。この出射光が偏光ビームスプリッタ３０４に入射されてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分される。Ｐ偏光ビームは、透過側に直進し、λ／２波長板５でＳ偏光ビームに変換されて移動する物体０に照射される。偏光ビームスプリッタからのＳ偏光ビームは、無偏光ビームスプリッタ３０６で二分し、それから直角方向に出射されるＳ偏光ビームと、透過側に直進してミラー３０７で反射されるＳ偏光ビームとなり、それぞれ、移動する物体０に向かう。

移動する物体０からの散乱光は、受光レンズ３０８で集光されて受光素子３０９にて光電変換を受ける。その電気信号出力のビート信号周波数は、４０ＭＨｚを中心にプラスやマイナス方向に変位し、その変位した周波数量は物体０の移動速度に比例する。上記電気信号出力は、ミキサ３１３で５ＭＨｚ中心の信号にダウンコンバートされ、ＡＤコンバータ３１５でデジタイズ処理した後、ＤＳＰ３１６やＣＰＵ３２０により速度信号に変換される。

以上の構成では、周波数シフトしたビームは２本あるので、周波数シフトの無いビームとの干渉領域は２か所に増える。結果、移動物体０に対する焦点深度が深く取れることになるので、レーザドップラ速度計の適用領域を広げることができる。
また、本レーザドップラ速度計は、差動型レーザドップラ系を採用しているので高感度であり、周波数シフト変調を行っているので速度がゼロや逆方向の速度計測も可能となり、かつ半導体レーザを光源に使用しているので小型化が可能という特徴を有する。

特許第６０７１２６４号

Y.Yeh et al., "Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer", Applied Physics Letters, vol.4, no.10, pp.176-178, May, 1964. H W Jentink et al.,"A compact differential laser Doppler velocimeter using a semiconductor laser" , Journal of Physics E: Scientific Instruments, Vol.20, No.10, pp.1281-1283, 1987. 水戸郁夫：波長可変半導体レーザーとコヒーレント光通信への応用、応用物理、1990 年 59 巻 9 号 p. 1136-1153 岡田英史、南谷春幸：鏡面反射光を利用した固体表面速度および角度のレーザー・ドップラ計測、計測自動制御学会論文集、Vol.22, No.10（昭和６１年１０月）ｐ．95-100 N.Satyan et al.."Precise control of broadband frequency chirps using optoelectric feedback", Optics express, vol.17, No.18, pp.15991-15999, 2009.

これまで、レーザドップラ速度計には、差動型構成により高感度化が達成され、光変調器による光周波数シフトにより移動物体の移動方向が判断できるようになってきた。
しかし、その移動方向を判断するための光変調器や光変調器駆動系は、高額であり大型である。レーザドップラ速度計を、より低価格でより小型として使いやすくするには、光変調器を用いずに移動方向の判断が可能な構成が望ましい。

上記課題を解決するための発明は、レーザ光源から分離した二本の光束を、一方の光束は移動する物体の前方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が増加する方向であり、他の光束は前記移動する物体の後方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が減少する方向である、これら２つの散乱光を光検出器で検波すると、その出力電気信号は２つの散乱光成分の差分となり、これにより速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、単一モード発振するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記平行ビームを二分するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで二分されたレーザビームの一方を反射して物体に照射するミラーと、前記物体からの散乱光を集光するレンズと光検出器と電気回路を含む光受信部と、を有し、前記レーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に光の側帯波を発生させる周波数変調を施し、前記光受信部において前記周波数変調から生じる光の側帯波との干渉によるドップラ信号出力により、前記移動する物体の移動方向を識別する。

また、前記光受信部は前記散乱光からの受信電気信号を生成し、前記受信電気信号と前記周期的な信号と同期した信号との乗算を行い、前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする。

また、前記周波数変調は、波形の周期内で立ち上がりと立下りの比率が異なった波形の変調を施し、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする。

また、上記課題を解決するための発明は、移動する物体にレーザ光を照射し、前記物体からの散乱光を受けて前記物体の速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、
前記レーザ光のレーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に周波数変調を施し、前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする。

本発明による効果は、光変調器を用いずとも、移動物体の移動方向の識別が可能となることである。その結果、レーザドップラ速度計の低価格化や小型化が達成でき、且つ複雑な構成の光変調器が削除できるのでレーザドップラ速度計の信頼性を向上させることもできる。

第一の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。第一の実施形態による受信信号のスペクトルである。第一の実施形態による光ビーム周波数の波形と処理部の波形である。第三の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。第三の実施形態による光ビーム周波数の波形である。第三の実施形態による受信信号のスペクトルである。本発明の動作を説明する図である。本発明の動作を説明する図である。本発明の動作を説明する図である。従来のレーザドップラ速度計の構成を示す図である。従来のレーザドップラ速度計の構成を示す図である。

単一モード発振する半導体レーザの注入電流を変化させると、光の強度と周波数も変化し、その注入電流の変化にほぼ比例した光強度変調や光周波数変調が実現できる。その波長変化や周波数変調の動作および特性については、非特許文献３に記されている。

本実施形態では、単一モード発振する垂直共振器型面発光レーザ: Vertical Cavity Surface Emitting Laser；以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）を用い、例えば正弦波による小振幅の周波数変調を掛けて、その変調出力である搬送波と側帯波の干渉を利用する。また、光の干渉には、周波数変調された光信号の遅延も利用する。

図７に、本実施形態のレーザドップラ速度計の原理を説明するための図を示す。半導体レーザ１のＶＣＳＥＬは、発振波長が安定するよう温度調節を行う。また、半導体レーザ１のＶＣＳＥＬには、周波数ｆｍの正弦波信号を直流バイアスとともに重畳し、その正弦波信号の強度を調整して、ＦＭ変調指数ｍが０．５となるように設定する。この時、ＶＣＳＥＬからの光スペクトルは、ほぼ３本の輝線スペクトルからなり、輝線間の周波数間隔は変調周波数のｆｍとなる。３本の輝線の中央の搬送波の強度は0.94（ベッセル関数のＪ_０（ｍ）に相当）、側帯波の強度は0.24（ベッセル関数のＪ_１（ｍ）に相当）となる。この光信号をビームスプリッタ４で２つに分け、一方は移動物体０に直接照射される光ビームＡ（図中６）、もう一方は、ミラー５で折り返して移動物体０に照射される光ビームＢ（図中７）とした。ここで、光ビームＡ６と光ビームＢ７の間には光路差Ｄが存在し、光路差Ｄにより発生する遅延時間は、ΔＴとなる。光ビームＡ６と光ビームＢ７を、交差角２θにて、速度Ｖの移動物体０に照射する。移動物体からの散乱光はｆｄのドップラ周波数シフトを受けて、レンズ８を介してＡＰＤ９で受光される。増幅器１０の出力であるＡＭＰ出力２３が光受信出力となる。

光ビームＡ６と光ビームＢ７による観測方向Ｋ_Ｓに対する散乱光の電場Ｅ_ＡとＥ_Ｂは、非特許文献４に示されたように、下記で表される。
Ｅ_Ａ＝А_Аexp［-i｛ωt + (Ｋ_Ｓ-Ｋ_Ａ)・Ｖ t - Ｋ_Ｓ・r｝］（１．ａ）
Ｅ_Ｂ＝А_Ｂexp［-i｛ωt + (Ｋ_Ｓ-Ｋ_Ｂ)・Ｖ t - Ｋ_Ｓ・r + ψ ｝］（１．ｂ）
ここで、А_АА_Ｂ：散乱光電場の強度、ω：光ビームの角速度、
Ｋ_ＡＫ_Ｂ:光ビームの波数ベクトル、Ｖ：移動物体の速度ベクトル、ｔ：時間
ｒ：任意の点を原点とする位置ベクトル、ψ：電場の位相差、
φ：移動物体の水平線からのズレ角
上式より、ＡＰＤで観測される強度信号Ｐは
Ｐ ∝ （Ｅ_Ａ+Ｅ_Ｂ）(Ｅ_Ａ ^* +Ｅ_Ｂ ^* ）
＝ А_А ² +А_Ｂ ² + 2А_АА_Ｂcos{（Ｋ_Ｂ-Ｋ_Ａ）・Ｖ t + ψ} （２）
となる。ここで、А_А ²+А_Ｂ ²は直流成分で、最後の項からドップラ周波数ｆ_ｄが測定できる。ｆ_ｄは、波数ベクトルの差（Ｋ_Ｂ-Ｋ_Ａ）と速度ベクトルＶの内積で表される。
ｆ_ｄ＝（Ｋ_Ｂ-Ｋ_Ａ）・Ｖ／２π ＝２ｎ｜Ｖ｜cosφ sinθ／λ （３）

ＶＣＳＥＬの正弦波変調から得られる３本の輝線スペクトルとドップラシフトとＡＰＤで観測される強度信号の関係を図８に示す。図８‐ａは、光ビームＡの散乱光の光スペクトルであり、図の横軸は周波数、図の縦軸は電力である。ＶＣＳＥＬには周波数ｆｍの正弦波信号が電流注入されているので、光の周波数変調（ＦＭ）と光の強度変調（ＡＭ）の双方が掛かる。光のＦＭ変調は、変調度ｍ＝０．５の設定なので、搬送波の両側±ｆｍの周波数位置に、２本の側帯波が立つ状態となる。厳密には、ｍ＝０．５の設定では、±２ｆｍには搬送波の０．０３倍の側帯波（ベッセル関数のJ2（ｍ）相当）が存在するが、本議論では無視した。なお、ＶＣＳＥＬに注入する正弦波信号の振幅を大きくすると、光のＦＭ変調帯域が広がり、±２ｆｍ、±３ｆｍの周波数にも側帯波が発生する。

一方、ＶＣＳＥＬで発生する光の強度変調（ＡＭ）でも、±ｆｍの周波数位置に側帯波を発生させる。この光のＡＭ変調では、正弦波信号の振幅を大きくしても側帯波が増えることはなく、側帯波の振幅が増えるのみとなる。
さて、図７のベクトル位置設定で発生する光ビームＡの散乱光のスペクトル（図８‐a）は、周波数が減る方向にｆｄ（ドップラ周波数）分シフトする。搬送波の中心周波数は、ｆ０-ｆｄとなる。波長８５０ｎｍのＶＣＳＥＬを用いたので、ｆ０＝３５３ＴＨｚである。

図８‐ｂには、光ビームＢの散乱光のスペクトルを示す。スペクトル全体はｆｄだけ周波数が増加する方向にシフトする。

光ビームＡの散乱光と光ビームＢの散乱光をＡＰＤで受信した場合、光ヘテロダイン検波で光周波数の差周波数の電気信号成分が発生するが、そのスペクトルは数本増加する。それは、双方の光ビームが３本のスペクトルであり、
式（２）の最後の項＝2А_АА_Ｂcos{（Ｋ_Ｂ-Ｋ_Ａ）・Ｖ t + ψ}
にて、“А_АА_Ｂ”が、周波数領域のマトリクス演算となるためである。図８‐ｃに、各スペクトルの組み合わせと周波数シフトの結果を示す。５本のスペクトルが、周波数間隔ｆｍにてゼロ周波数（ｆ＝０）の周りに発生し、スペクトル全体は、２ｆｄ分だけ周波数の増加方向にシフトする。図８‐ｃ中のスペクトルにてｆを用いた記号は、光ビームＡの散乱光と光ビームＢの散乱光の掛け合わせで発生した信号を意味する。例えば、図中、右端の“ｆ_Ａ－１＊ｆ_Ｂ＋１”は、図８‐aのスペクトル“ｆ_Ａ－１”と図８‐ｂのスペクトル“ｆ_Ｂ＋１”との掛け合わせにて発生した差周波数のスペクトルを示している。
図８‐ｃには、マイナスの周波数のスペクトルが存在している。これらは、差周波数計算より発生したものであり、実際のＡＭＰ出力２３では、マイナスの成分は、ゼロ周波数でプラス側に折り返されて出現する。

ＡＭＰ出力２３のスペクトルを、図８‐ｄに示す。ここでは、マイナス成分の周波数がプラス側に折り返っており、そのスペクトルは図中の(2)と(4)の点線で表示した。
また、図中には、光ビームＡの散乱光の二乗検波成分と光ビームＢの散乱光の二乗検波成分の加算成分を、矢印で示した。これらの二乗検波成分は、式（２）中の前半部分“А_А ²+А_Ｂ ²”に相当し、自分自身の電場のスペクトルが二乗されたものである。この二乗検波成分は、ＡＭＰ出力の周波数０（ＤＣ）と周波数ｆｍに現れる。二乗検波成分には、ドップラ周波数シフトｆｄは含まれず、移動物体の速度が変わっても常に周波数ｆｍに存在する。なお、二乗検波成分は、自分自身の光電場の二乗なので、光の位相と偏波は一致しており、光ビームＡと光ビームＢの相関で発生するドップラ信号成分より信号強度は大きくなる。

図８‐ｄは、本実施形態で発生する最小数のスペクトルを示している。ＤＣ分を除くと６本が最小に発生するスペクトルであるが、ＶＣＳＥＬへの正弦波変調の強度を増やしてゆくと、ＦＭ変調により周波数３ｆｍや４ｆｍ付近にさらにペアのスペクトルが発生する。また、正弦波変調の強度を増やしてゆくと、図中の(0)信号は低下し、周波数ｆｍ周辺の(1)と(2)の信号と、周波数２ｆｍ周辺の(3)と(4)の信号が大きくなってくる。図８は、動作の説明を簡便にするため、ＶＣＳＥＬへの周波数変調の変調度ｍ＝０．５として、ＶＣＳＥＬから３本のスペクトルが発生する状態としている。実際には、例えば変調度ｍ＝１～１．４程度に設定し、ＶＣＳＥＬから７本のＦＭ変調スペクトルが発生する状態で使用するのが望ましい。

ドップラ周波数ｆｄの計測は、図８‐ｄの周波数ｆｍまわりのスペクトル(1)と(2)の差周波数（４ｆｄに相当）から読み取れる。従来例３のレーザドップラ速度計は、ドップラ出力は(1)のみの一本であり、ドップラ周波数ｆｄは周波数ｆｍとスペクトル(1)の差周波数２ｆｄから読み取る。尚、従来例３でのｆｍは、周波数シフト素子（ＡＯＭ）でシフトする光の周波数となる。

本実施形態では、従来例３に比べ２倍の周波数差を読み取ることになるので、速度検出の周波数分解能を倍にできるメリットがある。しかし、移動物体の速度がゼロに近づくと、スペクトル(1)と(2)も周波数ｆｍに近づいてゆくので、周波数ｆｍに存在する二乗検波成分のスペクトルが邪魔になる。二乗検波成分の周波数は変動せず、自己光の２乗検波成分であるためＡ／Ｂの光が干渉したドップラ信号よりスペクトル線幅は狭いので、数値処理工程で除去はできるが、ゼロ速度での周波数読み取り精度の低下は避けることができない。

このような問題を避けるため、図８‐ｄの周波数２ｆｍ周辺の(3)と(4)のスペクトルも利用できる。二乗検波成分は、主に、周波数ｆｍの正弦波のＡＭ変調により生じるものなので、その出力は周波数ｆｍにしか存在しない。一般に、ＶＣＳＥＬを含む単一モードレーザは、電流‐光出力特性（Ｉ－Ｌ特性）の直線性に優れるため、ＡＭ変調の２次歪は少なく周波数２ｆｍに光変調による信号は存在しない。

周波数２ｆｍ周辺で、(3)と(4)のスペクトルの周波数差４ｆｄからドップラ周波数ｆｄを求めれば、分解能の高い速度検出が可能となる。
移動物体の移動方向の読み取りには、別の方法を用いる。従来例３のレーザドップラ速度計は、ドップラ信号出力は図８‐ｄのスペクトル(1)のみであるので、速度が＋方向の場合にはスペクトル(1)は光周波数シフトｆｍより大きく、速度が－方向の場合には光周波数シフトｆｍより小さくなる。従来例３では、ドップラ信号出力の周波数と光周波数シフトｆｍとの大小比較から移動方向を決定する。

本実施形態では、ドップラ信号出力はスペクトル(3)と(4)の２本となる。速度が＋方向の場合には、スペクトル(3)は周波数２ｆｍより大きくスペクトル(4)は周波数２ｆｍより小さい。速度が逆方向のマイナスの場合には、スペクトル(3)は周波数２ｆｍより小さくスペクトル(4)は周波数２ｆｍより大きくなる。移動方向のプラスマイナス変化に伴い、２本のスペクトルが２ｆｍを中心に入れ替わるので、スペクトル(3)とスペクトル(4)を区別する必要がある。移動方向を判断するには、スペクトル(3)かスペクトル(4)の一方を消し去り、残ったスペクトルの周波数を読み取る方法がある。

図８‐ｄにて、周波数２ｆｍより高いスペクトル(3)は、光ビームＡの散乱光ｆ_Ａ-１と光ビームＢの散乱光ｆ_Ｂ+１の干渉であり、これらの光周波数を比較すると光ビームＢ側が高い。一方、周波数２ｆｍより低いスペクトル(4)は、光ビームＡの散乱光ｆ_Ａ＋１と光ビームＢの散乱光ｆ_Ｂ-１の干渉であり、これらの光周波数を比較すると光ビームＡ側が高い。つまり、スペクトル(3)は光ビームＢ側の周波数が高いとき、スペクトル(4)は光ビームА側の周波数が高いとき、との相関がある。

光ビームＡと光ビームＢの時間軸での光周波数の変化の相関を示したのが、図９である。光ビームＢは、周波数ｆｍの正弦波で周波数変調された光ビームＡを分岐してΔＴの遅延を持たせものであった。光ビームＡと光ビームＢは、光周波数ｆ_０（353ＴＨｚ）を中心にｆｍや２ｆｍの数ＭＨｚ程度の微小な周波数変化を起こす粗密波である。ΔＴの遅延により周期１／２ｆｍ毎に、光ビームＡと光ビームＢの光周波数の高低が入れ替わる。光ビームＡ/Ｂ双方の光周波数が低下する時間帯では、光ビームＢ周波数＞光ビームＡ周波数であり、光ビームＡ/Ｂ双方の光周波数が上昇する時間帯では、光ビームＡ周波数＞光ビームＢ周波数となる。

例えば、図９の時間領域波形を、光ビームＡ/Ｂ双方の光周波数が上昇する時間帯でマスクして処理すれば、上述のスペクトル(4)の成分を消し去り、スペクトル(3)の成分を取り出すことができる。取り出したスペクトル(3)の周波数が、２ｆｍより高ければ移動物体の移動方向はプラスであり、スペクトル(3)の周波数が、２ｆｍより低ければ移動物体の移動方向はマイナスと判断できる。

上記の処理には、図７中の処理部１５において、ＶＣＳＥＬへの変調信号ｆｍと同期した信号と、受信信号の乗算を行い、マスク処理を実施する。具体的には、処理部１５において、周期ｆｍの窓関数を採用することで対応する。図７を用いて説明すると、ＡＰＤ９で光信号を受信し、その電気信号を増幅して受信信号２３を得る。この受信信号は、光ビームＡの散乱光と光ビームＢの散乱光との光ヘテロダイン検波出力であり、時間波形では周波数ｆｍの正弦波に雑音が乗ったような波形となるが、スペクトルアナライザで観測すると図８‐ｄのようなスペクトルが見える。ここから、周波数２ｆｍ付近の必要な信号のみバンドパスフィルタ２４で取り出したのち、ＡＤコンバータ１４でデジタル信号に変換し、処理部１５で速度出力を算出する。処理部１５では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）にて周波数成分解析を行うが、この処理部に受信信号の周波数が上昇する部分をマスクする窓関数を構成する。本窓関数は、周波数ｆｍに同期した関数であり、受信信号との位相を調整して、本窓関数と受信信号をかけ合わせてＦＦＴを行えば、図８‐ｄでのスペクトル(4)の成分を消し去ることができる。残ったスペクトル(3)より、その周波数が周波数２ｆｍより大きいか小さいかの判断から、移動物体の移動方向が決定できる。

以下で、図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものでなく、本実施例と同じ技術的思想を成しえる構成を含むものである。

[実施例１]
図1は、実施例１のドップラ速度計の構成図である。実施例１では、図１１の従来の構成例に対して、周波数シフト素子（ＡＯＭ）を削除し、レーザドップラ速度計としての低価格化や小型化を狙ったものである。

図１の実施例１にて、レーザ光源１は、波長８５０ｎｍの垂直共振器型面発光レーザ: Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）である。使用したＶＣＳＥＬは、閾値電流が1ｍＡ、光出力が2ｍＷ（４ｍＡバイアス電流印加時）であり、４ｍＡまでの電流範囲において、モード飛びの無い単一モード発振をしている。ＶＣＳＥＬは波長変動が無いようサーミスタとペルチエ素子により３０℃にて温度制御した。そのスペクトル幅は、約３０ＭＨｚである。直流の注入電流変化に対する周波数変調効率は、０．０７１ｎｍ／ｍＡ（２９ＧＨｚ／ｍＡ）であった。

ドップラ速度計のクロック１６をＰＬＬ１７で分周した後、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１８で、周波数ｆｍ＝４ＭＨｚの正弦波信号に成形した。ＬＤ駆動回路２は、正弦波信号と直流バイアス電流をレーザ光源１のＶＣＳＥＬに注入する。ここで、ＶＣＳＥＬへの直流バイアス電流は３．６ｍＡ、正弦波信号電流強度は０．２８ｍＡに設定した。ＶＣＳＥＬ変調時のサイドモード抑圧比は、３５ｄＢ以上であった。ＶＣＳＥＬでのＦＭ変調度ｍは１．４程度であり、ＦＭ変調により発生するスペクトルは約７本で、その間隔は４ＭＨｚとなる。

レーザ光源１のＶＣＳＥＬからの光は、コリメータレンズ３にて平行光とした後、ビームスプリッタ４で２つに分け、一方は移動物体０に直接照射する光ビームＡ（図中６）、もう一方は、ミラー５で折り返して移動物体０に照射される光ビームＢ（図中７）とした。
光ビームＡ６と光ビームＢ７の間で発生する光路差Ｄは５３ｍｍであり、光ビームＡ６と光ビームＢ７で形成される角度２θは２０°、移動物体の水平線からのズレ角φは０°とした。使用した移動物体０は、亜鉛メッキの薄板鋼鈑とし、円盤に張り付けて回転させた。

移動物体からの散乱光をｆｄのドップラ周波数シフトを受けて、レンズ８を介してＡＰＤ９で受光した。増幅器１０の出力であるＡＭＰ出力２３が光受信出力となる。

ＡＭＰ出力２３をスペクトラムアナライザで観測した結果を図２に示す。図２の横軸は帯域２０ＭＨｚに亘る周波数（単位：Hｚ、図中の刻みは２MHｚ/division）、縦軸は電力（単位：ｄＢｍ、図中の刻みは１０ｄＢ/division）である。スペクトラムアナライザにて、帯域２０ＭＨｚ内に、１０本のスペクトルが観測できた。ここで、周波数０．８ＭＨｚのスペクトルは、図８‐ｄでの(0)で表記した成分であり、移動物体０の速度Ｖが遅くなると周波数ゼロに近づく。周波数３．２ＭＨｚと周波数４．８ＭＨｚの成分は、図８‐ｄでの(2)と(1)で表記した成分であり、移動物体０の速度Ｖが遅くなると周波数４ＭＨｚに近づく。なお、周波数４ＭＨｚには、主にＡＭ変調に伴う二乗検波成分スペクトルが存在し、このスペクトル周波数は移動物体０の速度Ｖには依存せず変調周波数ｆｍのみに依存する。

周波数７．２ＭＨｚと周波数８．８ＭＨｚの成分は、図８‐ｄでの(4)と(3)で表記した成分であり、移動物体０の速度Ｖが遅くなると周波数８ＭＨｚに近づく。なお、周波数８ＭＨｚには、二乗検波成分のスペクトルは存在しない。ＶＣＳＥＬの変調信号は４ＭＨｚの正弦波であり８ＭＨｚの成分が存在しないこと、およびＶＣＳＥＬのＡＭ変調の線形性が優れるために、８ＭＨｚに不要なスペクトルは現れない。

ＶＣＳＥＬのＦＭ変調による高周波成分により、１０ＭＨｚ以上にもスペクトルは現れるが、その振幅は、変調度ｍ＝１．４と設定したため、減少してゆく。
移動物体０の速度Ｖは、８ＭＨｚ付近の２つのスペクトル成分の差から求めることができる。差の周波数は４ｆｄであり、４ｆｄ＝８．８ＭＨｚ－７．２ＭＨｚであり、式（３）から速度Ｖが算出できる。

速度Ｖの算出は、図１のＡＭＰ出力２３以後のフィルタと演算処理で行う。ＡＭＰ出力２３から８ＭＨｚ付近の信号を取り出すため、急峻な特性のハイパスフィルタ１１とローパスフィルタ１３を用いたのち、ＡＤコンバータ１４でデジタル信号に変換した。処理部１５には、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）と入出力用ＩＣを用いた。処理部１５で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数成分解析により、８ＭＨｚ付近の２つのスペクトル成分の差周波数を読み取り、速度Ｖを算出して、その速度出力を出力する。

移動物体０の移動方向は、処理部１５内にて窓関数を用いた演算処理を、速度Ｖの処理と並列して行うことにより算出する。図３に、その処理の様子を説明するためのシミュレーション波形を示す。図３－aは、４ＭＨｚでＦＭ変調を受けた光ビームＡ６と光ビームＢ７の光周波数変化の波形である。光ビームＢ７は、光路差Ｄ＝５３ｍｍ分遅れているが、その遅延量は小さく波形が重なって見えるので、図３－ａでは遅延量を２０倍に拡大して示した。

図３－ｂは、処理部１５内に設定した窓関数（図中の破線）と、処理部１５に入力する８ＭＨｚ信号成分（図中の一点鎖線）と、その出力（図中の実線）の関係を示している。窓関数には、周期２５０ｎｓの連続するハニング窓を用い、図３‐ａの光ビームＡと光ビームＢの光周波数が減少する領域が、窓関数を通過するよう窓関数の位相を設定した。この窓関数と８ＭＨｚ信号成分の乗算した出力は、図３‐ｂの実線である。実線は、周期２５０ｎｓ毎に信号強度がゼロになる周期信号であるが、８ＭＨｚの成分が含まれた信号であることも分かる。また、窓関数は、光ビームＡと光ビームＢの周波数減少部分のみを選択しているので、図２の８．８ＭＨｚのスペクトル成分が窓関数との乗算結果として現れる。つまり、その乗算結果では、７．２ＭＨｚが大きく減衰し、８．８ＭＨｚ成分のみが現れる。結果、窓関数と受信信号の乗算結果は、２ｆｍ＝８ＭＨｚより高い周波数の８．８ＭＨｚ一本となるため、移動物体０の移動方向は、図１の移動物体の矢印方向と一致したプラス方向と判断できた。この窓関数の設定で、移動物体０の移動方向を図１の矢印と逆にすると、窓関数との演算出力には７．２ＭＨｚ成分が現れるので移動方向はマイナス方向と判断して出力できる。

本実施例では、レーザ光源１にＶＣＳＥＬを用いたが、単一モード発振し電流注入によりその発振波長が変化する半導体レーザであればＶＣＳＥＬに限らず使用が可能である。例えば、分布帰還形半導体レーザ（Distributed Feedback Laser Diodes：ＤＦＢ－ＬＤ）や分布反射型（ Distributed Bragg Reflector : ＤＢＲ－ＬＤ）も使用できる。また、本発明では、市販されている単一モード発振するレーザをそのまま適用できるので、装置の小型化や低価格化が容易となる特徴がある。

ところで、半導体レーザの周波数変調を利用した装置としては、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ（frequency-Modulated Continuous Wave Light Detection and Ranging）がある。光のもつ高分解能と、光コヒーレント検波による高感度と、半導体レーザの周波数変調の容易性から各所で研究開発が進められているが、半導体レーザの変調に伴う非線形性の補償が装置を複雑にしてしまう。例えば、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲでの半導体レーザ変調の非線形補償対策方法は、非特許文献４に示されている。この文献では、良好なＬｉＤＡＲの特性が報告されているが、半導体レーザの変調による非線形性を補償するため、光と電気信号によるフィードバック回路が採用されている。このフィードバック回路は、狭線幅のＤＦＢ－ＬＤと光アイソレータと光強度制御系とマッハ・ツェンダー光干渉計（Mach-Zehnder interferometer）とフォトダイオードと電気発振器と電気ミキサとＤＦＢ－ＬＤへの電流制御用回路とで構成されており、大規模で高価な光変調制御系となってしまう。

本発明のドップラ速度計では、光変調制御系は不要である。その理由は、本ドップラ速度計は、光の差動型の構成を取っているからであり、本実施例での光ビームＡと光ビームＢの光路差は５３ｍｍと小さい。コヒーレンス長が５３ｍｍの場合、干渉を発生させる光源の線幅は５．６ＧＨｚ以下であれば良い。一方、ＬｉＤＡＲは、一般に１メータ以上先の物体の距離や速度を検出すものであり、送信光と参照光の光路差は２メータ以上となる。コヒーレンス長が２メータであれば、干渉を発生させる光源の線幅は１５０ＭＨｚ以下に制限される。かつ、ＬｉＤＡＲでの半導体レーザには、周波数変調が施されるため、より厳しい光の線幅と光周波数変調の線形性確保のための光周波数変調の制御機構が必要となる。

本発明のドップラ速度計は、光干渉生成には差動構成をとっているため、使用する半導体レーザの線幅やＦＭ変調特性には厳しい制限が無い。光変調を光学系で制御する回路は不要となるため、市販されている単一モードの半導体レーザをそのまま使用できるという利点がある。

また、本実施例で使用したＶＣＳＥＬは、直線偏光を出力していた。移動物体の光散乱に偏光依存性がある場合には、ＶＣＳＥＬの光出力部にλ/４波長板を挿入して出力光を円偏波としてもよい。

実施例では、波長８５０ｎｍでの動作例を示したが、本発明での使用波長は８５０ｎｍ帯に限らない。波長は、例えば１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ帯の光通信用の波長帯でも動作は可能である。また、レーザは単一モード発振であることが望ましい。

本実施例では、処理部１５にＦＰＧＡを用い、ＶＣＳＥＬ変調信号と同期した窓関数を設定して受信信号との乗算処理を行った。この乗算処理は、デジタル処理であるがアナログで処理してもよい。例えば、図１のＡＤＣ１４の前段に電気ミキサを配置して、ＶＣＳＥＬ変調信号と同期した信号との乗算処理を行ってもよい。

また、本実施例での移動方向の識別感度を向上させるために、ＶＣＳＥＬの変調周波数を増加させてもよい。ＶＣＳＥＬの変調周波数ｆｍを上昇させることで、光路差Ｄで生じる光ビームＡと光ビームＢの位相差が広がるので、８．８ＭＨｚと７．２ＭＨｚ成分の抑圧比が大きくなるので、移動方向の識別感度が向上する。

さらに、本実施例での光路差Ｄそのものを大きくして、窓関数との乗算後の８．８ＭＨｚと７．２ＭＨｚ成分抑圧比を大きくしてもよい。光路差Ｄを大きくするには、焦点距離Ｌや光ビームの開き角２θを大きくとるか、ビームスプリッタ４とミラー５の間に第二のミラーを挿入する方法もある。

本実施例では、コリメータレンズ３を用いＶＣＳＥＬの光の集光を行ったが、コリメータレンズ３の出力にシリンドリカルレンズを追加して、光のビーム形状を偏平とし光ビームＡとＢの干渉を強くして、光の検出感度を増加させてもよい。

[実施例２]
実施例２では、レーザ光源１にファブリ・ペロー型半導体レーザを用いた。ファブリ・ペロー型半導体レーザは、常に単一モードで発振するレーザでは無いが、半導体レーザの温度と注入電流を適切に設定すれば、単一モードでの動作が可能となる。ドップラ速度計の構成は図１と同様であるが、用いたファブリ・ペロー型半導体レーザの波長が７８１．４ｎｍなので、ハーフミラー４とミラー５は、波長７８０ｎｍ用のものに変更した。ファブリ・ペロー型半導体レーザは、温度３０℃となるよう温度制御を掛けた。閾値電流は３９ｍＡであり、バイアス電流が７４ｍＡから８９ｍＡの範囲で一本のファブリ・ペロー・モード上で発振した。

ファブリ・ペロー・モード間の波長間隔は０．０７５ｎｍであり、バイアス電流が７４ｍＡ以下となると０．６ｎｍ低波長に飛び、バイアス電流が８９ｍＡ以上となると０．５２ｎｍ長波長に飛ぶ特性を示した。４ＭＨｚの正弦波で変調を掛けるため、直流バイアス電流は８２ｍＡに設定し、４ＭＨｚ正弦波の電流強度は１．９ｍＡとした。この変調条件でファブリ・ペロー型半導体レーザは単一モードで発振し、サイドモード抑圧比は２９ｄＢであった。

光ビームの光路設定は、実施例１と同じとした。すなわち、光ビームＡ６と光ビームＢ７の間で発生する光路差Ｄは５３ｍｍであり、光ビームＡ６と光ビームＢ７で形成される角度２θは２０°、移動物体の水平線からのズレ角φは０°とした。使用した移動物体０は、亜鉛メッキの薄板鋼鈑とし、円盤に張り付けて回転させた。

移動物体０からの散乱光を、ＡＰＤ９で受光し、増幅器１０の出力であるＡＭＰ出力２３をスペクトラムアナライザで観測した。その結果、図２と同様に、周波数４ＭＨｚの周りに２本、周波数８ＭＨｚ周りに２本、周波数１２ＭＨｚ周りに２本、周波数１６ＭＨｚ周りに２本のドップラ信号が発生したが、周波数８ＭＨｚと周波数１２ＭＨｚと周波数１６ＭＨｚ上に新たに３本の輝線スペクトルも加わった。新たな３本のスペクトルは、その周辺のドップラ信号強度より５ｄB低い強度で、移動物体０の速度に依存しない信号であり、ファブリ・ペロー型半導体レーザのＡＭ変調の非線形歪から発生するものであった。

速度Ｖの算出は、処理部１５のＦＰＧＡでの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数成分解析により行った。８ＭＨｚに現れるＡＭ変調の非線形歪成分は、８ＭＨｚ±１００ｋＨｚの帯域に亘って数値処理上でマスクし、８ＭＨｚ周辺に現れるドップラ信号の差周波数を読み取った。

また、ＦＰＧＡ内で並列して実施する移動方向の演算処理にも、８ＭＨｚ±１００ｋＨｚのマスク処理を施した。周期２５０ｎｓの連続するハニング窓と入力信号との乗算後に、マスク処理を行った。

これらの処理により、レーザ光源１にファブリ・ペロー型半導体レーザを用いた場合でも、速度ゼロ周辺での速度Ｖおよび移動方向の分解能は低下するものの、速度Ｖが早い状態では読み取り間違いのない速度計測ができた。

発明での実施例では、波長７８０ｎｍでのファブリ・ペロー型半導体レーザを用いた動作例を示したが、本発明での使用波長は７８０ｎｍ帯に限らない。波長は、例えば４０５ｎｍ帯、５２０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、光通信用の１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ帯の波長でも動作可能である。また、ＦＭ変調時のレーザは単一モード発振であることが望ましい。

[実施例３]
実施例３では、レーザ光源１に注入する信号を鋸波とし、処理部１５にて移動方向の演算処理を省略した構成とした。図４に、その構成図を示す。鋸波は、処理部１５内のＦＰＧＡとその出力をデジタル－アナログ変換するＤＡコンバータ１９により生成した。鋸波の周期は１２５ｎｓで、繰り返し周波数は８ＭＨｚ、立ち上がり時間が１１５ｎｓ、立下り時間が１０ｎｓの波形とした。レーザ光源１には、実施例１と同じ波長８５０ｎｍのＶＣＳＥＬを用いた。ＶＣＳＥＬのバイアス電流は３．６ｍＡ、鋸波の振幅は０．３ｍＡに設定し、ＶＣＳＥＬは３０℃となるよう温度制御した。

レーザ光源１のＶＣＳＥＬからの光は、コリメータレンズ３にて平行光とした後、ビームスプリッタ４で２つに分け、一方は移動物体０に直接照射する光ビームＡ６、もう一方は、ミラー５で折り返して移動物体０に照射される光ビームＢ７とした。
光ビームＡ６と光ビームＢ７の間で発生する光路差Ｄは５３ｍｍであり、光ビームＡ６と光ビームＢ７で形成される角度２θは２０°、移動物体の水平線からのズレ角φは０°とした。使用した移動物体０は、亜鉛メッキの薄板鋼鈑とし、円盤に張り付けて回転させた。

図５は、鋸波でＦＭ変調された光ビームＡと光ビームＢの光周波数変化波形である。光路差を見やすくするため、光路差Ｄを２０倍に広げたシミュレーション波形を示した。鋸波の周期は１２５ｎｓであるが、そのうち９０％程度の時間帯に亘って、光ビームＢの光周波数は、光ビームＡの光周波数を下回っている。

このような光ビームＡとＢの状態で、図４のＡＭＰ出力２３をスペクトラムアナライザで観測した。その結果を図６に示す。図６の横軸は帯域２０ＭＨｚに亘る周波数（単位：Hｚ、図中の刻みは２MHｚ/division）、縦軸は電力（単位：ｄＢｍ、図中の刻みは１０ｄＢ/division）である。周波数８ＭＨｚと１６ＭＨｚ付近に複数本のスペクトルが確認できた。このうち、周波数８ＭＨｚのスペクトルは、８ＭＨｚの繰り返し波形から発生したＡＭ変調に大きく依存する二乗検波成分であり、移動物体０の速度Ｖには依存しない。また、自分自身の二乗成分であるため、スペクトル強度は光ビームＡと光ビームＢの干渉であるドップラ信号より大きく、スペクトル幅も狭い。

８．８ＭＨｚのスペクトルは、鋸波の９０％部分である光ビームＢの周波数が低くなる部分で発生するドップラ信号である。一方、７．２ＭＨｚのスペクトルは、鋸波の残り1０％部分である光ビームＢの周波数が高くなる部分で発生するドップラ信号である。７．２ＭＨｚのスペクトルは、光ビームＡと光ビームＢの干渉する時間が、８．８ＭＨｚ分の約１/１０であるため、その信号強度は２０ｄＢ程度と小さくなる。また、実施例１では、正弦波変調を掛けたので、光ビームＢの周波数が低くなる時間帯は周期の５０％であったが、鋸波変調では光ビームＢの周波数が低くなる時間帯は周期の９０％と大きくなる。結果、鋸波での８．８ＭＨｚのスペクトルの強度は、正弦波での８．８ＭＨｚの強度に比べ、２．６ｄＢ上昇し感度の向上となった。

図４の処理部１５では、ＦＦＴ処理した後、８ＭＨｚ±１００ｋＨｚの成分のマスク処理を掛ける。速度の測定では、８．８ＭＨｚスペクトルと８ＭＨｚの差周波数を読みとり、その差周波数が２ｆｄに相当するので、（３）式から移動物体の速度Ｖを算出することができる。移動方向の算出は、振幅の大きなドップラ信号の周波数から判断できる。ドップラ信号が８ＭＨｚより大きければ速度はプラス、小さければマイナスの出力となる。移動方向の算出のために、窓関数を用いた乗算と処理演算は不要となり消費電力の低減が図れる。

なお、本実施例では、鋸波を変調信号に用いたが、変調波形はこれに限らない。波形の周期内で、立ち上がりと立下りの比率が異なった波形であれば、本実施例３と同等の効果を得ることができる。
すなわち、周波数変調として、波形の周期内で立ち上がりと立下りの時間比率が異なった左右非対称の波形による変調を施せば、移動方向の算出は振幅の大きなドップラ信号の周波数から判断できるので、実施例１、２のような移動方向算出のための窓関数を用いた乗算と処理演算は不要となる。

本発明は、測定対象物の速度や長さ及び距離を非接触で正確に測ることができる。そのため、本発明は、製鉄業の圧延工程における鋼片の寸法測定や圧延工程の速度制御、鉄道での列車の正確な速度や走行距離の計測、道路インフラでの検測車の正確な速度や移動距離の計測、自動車関連での車両の正確な速度や走行軌跡の計測、化学工業や建設業などの産業機器での製造製品の正確な速度や長さの計測に適用することができる。また、流体の流速や血流速の計測にも適用することができる。

１レーザ光源
２レーザドライバ
３コリメータレンズ
４ビームスプリッタ
５ミラー
６光ビームＡ
７光ビームＢ
８レンズ
９受光素子
１０増幅器
１１ハイパスフィルタ
１２増幅器
１３ローパスフィルタ
１４Ａ／Ｄコンバータ
１５処理部
１６クロック
１７ＰＬＬ
１８バンドパスフィルタ
１９Ｄ／Ａコンバータ
２３ＡＭＰ出力
２４バンドパスフィルタ
２０１半導体レーザ
２０２レンズ
２０３回折格子
２０４レンズ
２０５ガラス管
２０６光検出器
３０１レーザ光源
３０２コリメータレンズ
３０３周波数シフト素子
３０４偏光ビームスプリッタ
３０５ λ／２波長板
３０６無偏向ビームスプリッタ
３０７ミラー
３０８レンズ
３０９受光素子
３１０増幅器
３１１水晶発振器
３１２ＰＬＬ発振器
３１３ミキサ
３１４ローパスフィルタ
３１５Ａ／Ｄコンバータ
３１６デジタル演算器
３１７デジタル信号発生器
３１８Ｄ／Ａコンバータ
３１９カウンタ
３２０ＣＰＵ
O 物体

Claims

レーザ光源から分離した二本の光束を、一方の光束は移動する物体の前方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が増加する方向であり、他の光束は前記移動する物体の後方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が減少する方向である、これら２つの散乱光を光検出器で検波すると、その出力電気信号は２つの散乱光成分の差分となり、これにより速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、
単一モード発振するレーザ光源と、
該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、
前記平行ビームを二分するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで二分されたレーザビームの一方を反射して物体に照射するミラーと、
前記物体からの散乱光を集光するレンズと光検出器と電気回路を含む光受信部と、を有し、
前記レーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に光の側帯波を発生させる周波数変調を施し、前記周波数変調から生じる光の側帯波との干渉によるドップラ信号出力により、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
前記光受信部は前記散乱光からの受信電気信号を生成し、前記受信電気信号と前記周期的な信号と同期した信号との乗算を行い、前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする請求項１に記載の差動型レーザドップラ速度計。
前記周波数変調は、波形の周期内で立ち上がりと立下りの比率が異なった波形の変調を施し、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする請求項１に記載の差動型レーザドップラ速度計。