JPH0115833B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は光フアイバを用いたレーザドツプラー
速度計に関し、特にいわゆるデユアルビームモー
ドのレーザドツプラー速度計に関するものであ
る。

従来技術とその問題点 従来より可干渉性及び単色性に優れたレーザ光
の特徴に着目して、レーザ光を用いて移動する粒
子の速度を測定する装置が種々提案されている。
第１図は近年一般に用いられつつあるデユアルビ
ームによるレーザドツプラー速度計の測定原理を
示したものである。本図において直線偏孔を有す
るレーザ発振器、例えばヘリウムネオンレーザや
アルゴンレーザ等のレーザ光源１のレーザ光をビ
ームスプリツタ２で二つの平行なレーザビームに
分離する。そしてこのレーザビームを集光レンズ
３によつて集光し、ある点で交叉させるようにす
る。そうすれば交叉領域に散乱物体が存在する場
合には第２図にその拡大図を示すように干渉縞が
観測される。従つてこの交叉領域内を粒子ｐが通
過した場合、粒子ｐより得られる散乱光は干渉縞
の明暗に対応した周期的な強度変化を持つことと
なる。そこでこの散乱光を集光レンズによつて集
光し、ミラー４を介して光電変換器５によつて電
気信号に変換すると、干渉縞部分を通過した時の
散乱光強度に対応したバースト波形が得られる。
干渉縞の明暗の間隔はレーザビームのレーザ波長
と、その交叉角とによつて決定されるので、この
バースト波の周波数を測定することによつて粒子
ｐの速度を求めることができる。しかるにこのよ
うな速度計では二本のレーザビームの波長は同一
であるため交叉領域にできる干渉縞は静止してお
り、干渉縞を通過する粒子ｐの速さは検出できて
もその方向を判別することはできなかつた。そこ
で粒子ｐの方向を判別するために、音響光学セル
６を一方のレーザビームの光行路に挿入し、音響
光学セル６を周波数Δfoの発振器７で駆動するこ
とにより、そのレーザ光を一定の周波数（Δfo）
だけシフトさせるようにしたものが考えられる。
このようにすれば交叉領域にできる干渉縞は常に
Δfoに対応する速度で移動することとなる。従つ
てもし交叉領域に静止している粒子があれば光電
変換器５によつてΔfoに等しい周波数の出力が得
られる。又交叉領域を粒子ｐが通過する場合は、
周波数Δfoを基準としてそのバースト波の周波数
シフト量によつて粒子ｐの速度及び方向を同時に
計測することができる。

ところでこのようなレーザドツプラー速度計
は、レーザ光のコヒーレント性を用いている。従
つて第１図のようなレーザ光の処理部と被測定領
域とを分離することは困難であつた。レーザ発振
器１とビームスプリツタ２との間をモード変換の
ない単一モード光フアイバを用いて接続すること
は可能であるが、測定領域に設けた一点鎖線で示
すセンサ部に例えば数Ｗ程度の大出力の発振器７
を設けて音響光学セル６に周波数偏移用の超音波
信号を供給する必要があるため、センサ部を小型
化することは困難であつた。

第３図はこのような欠点を解消した他の従来例
を示す部である。この場合にはレーザ光源１から
出た光を偏光ビームスプリツタ１０によつてＳ偏
光（図中●で表示）とＰ偏光（図中｜で表示）の
偏光方向の異なる二つのレーザビーム１１ａ，１
１ｂに分割し、その一方の光行路に音響光学セル
６を配置している。そして音響光学セル６を発振
器７によつて駆動することによつてレーザ光を所
定周波数（Δfo）だけシフトさせ、再び偏光ビー
ムスプリツタ１２によつてこれらのレーザビーム
を合成して単一モード型の光フアイバ１３に与え
ている。この単一モード型光フアイバ１３を偏光
面保存型の光フアイバとすれば、Ｓ偏光及びＰ偏
光の二つのレーザ光をそのまま測定領域に設けら
れたセンサ１４部に導くことができる。そしてセ
ンサ部１４において偏光面の異なる二つのレーザ
ビームを偏光ビームスプリツタ１５によつて再び
分割し偏光面回転器１６によつて偏光面をそろ
え、集光レンズ１７で交叉させることによつて移
動する干渉縞を有する交叉領域とすることができ
る。

しかしながらこのような速度計の場合も音響光
学セル６を駆動するための高い出力を有する発振
器７が必要であり、他の信号処理回路に悪影響を
与える恐れがあるという問題点があつた。更に構
造が複雑となり製造価格を低減することはできな
かつた。

発明の目的 本発明はこのような従来のレーザドツプラー速
度計の問題点を解消するものであつて、光フアイ
バを用いて測定位置を任意に延長することがで
き、センサ部を小型化して操作性を向上させ、し
かも粒子の方向を判別することができるレーザド
ツプラー速度計を提供することを目的とする。

発明の構成と効果 本発明は互いに方向の異なる直線偏光特性を有
し、所定の周波数差の二つの周波数成分を有する
レーザ光を発する内部鏡型レーザ光源と、レーザ
光源のレーザ光が与えられ、測定領域にまで延長
された偏光面保存型の単一モード光フアイバと光
フアイバ出力のレーザ光を偏光の相違に基づいて
２つの成分に分光する偏光ビームスプリツタと、
偏光ビームスプリツタの出力のいずれかのレーザ
ビームの偏光方向を変え、他方のレーザビームの
偏光方向に揃える偏光面回転器と、偏光面回転器
より得られるレーザビームと他方のレーザビーム
とを一点で交叉せしめる光学手段と、交叉領域を
通過する粒子からの散乱光を電気信号に変換する
光電変換器と、光電変換器より得られるバースト
信号の周波数を測定する周波数測定器と、周波数
測定器より得られる周波数をレーザ光源の周波数
差と比較して粒子の速度を算出する演算手段と、
を具備することを特徴とするものである。

このように本発明では、レーザ光源自体を互い
に方向が異なる直交偏光特性を有し、所定の周波
数差のレーザビームを発生するレーザ光源として
いる。従つてレーザ光源の出力をそのまま用いる
ことができるため、センサ部にはレーザ発振器に
近接して音響光学セルやそれを駆動する発振器を
設ける必要がなく構造が非常に簡単となり、装置
の価格を低減させることができる。又異なる周波
数の二つのレーザビームを偏光面保存型の単一モ
ード光フアイバに与えて測定領域にまで延長して
センサ部に与えており、センサ部を小型、軽量と
することができるので任意の測定点に配置するこ
とが可能となり、操作性を向上させることができ
る。更にセンサ部に設けた光学手段により二つの
レーザビームを交叉させれば所定の速度で移動す
る干渉縞が形成されるので、粒子の速度のみなら
ず方向を同時に極めて容易に判定することが可能
となる。

実施例の説明 第４図は本発明の一実施例を示すレーザドツプ
ラー速度計の構成を示すブロツク図である。本発
明ではゼーマン効果を利用して互いに方向が異な
る直接偏光特性を有し、所定の周波数差Δfの二
つの周波数成分ｆ１，ｆ２を有するレーザ光を発
生する内部鏡型のレーザ光源を用いている。第４
図は周波数安定化された横ゼーマンレーザ２０を
レーザ光源として用いた実施例を示すものであ
る。この横ゼーマンレーザ２０は縦モード２〜３
本で発振する内部鏡型のHe／Neレーザのレーザ
管２１に、磁石２２によつて横磁場を加えてレー
ザ管の利得幅を狭めることによつて単一縦モード
化するようにしたものである。この横磁場により
単一縦モード化されたレーザ光は方位が直交した
二つの直線偏光成分ｆ１，ｆ２から成るレーザビ
ームである。そしてその発振周波数を安定化させ
るためにレーザの高反射側反射鏡を漏れた光を横
磁場方向に対して45゜の偏光板２３を介して光電
変換器２４によつて電気信号に変換する。そうす
ればこれらのレーザビームの光ビートによつてｆ
１，ｆ２の差の周波数を有する光電変換信号が得
られる。この信号の差周波数を一定に保つように
フエーズロツクドループ２５に与え、その出力を
ドライバ２６を介して小型のフアン２７を駆動す
るようにしている。このようにすればフイードバ
ツクループの積分特性により光キヤビテイの温度
が安定化する結果、二つの周波数差Δfの変動が
極めて少なくなり直交、直線偏光を持つた二つの
周波数ｆ１，ｆ２のレーザ光が得られる。横ゼー
マンレーザ２０のレーザ出力は集光レンズ、例え
ばセルフオツクレンズ３０を介して光フアイバ３
１に与えられる。光フアイバ３１は偏光面保存型
の単一モード光フアイバとし、その端部は測定す
べき粒子が通過する被測定領域にまで延長されて
いる。被測定領域にはこのレーザ光を分光して交
叉させる光学手段を有するセンサ部３２が設けら
れる。センサ部３２には光フアイバ３１の出力端
にそのレーザ光の偏光方向に基づいて二つのレー
ザビームに分光する偏光ビームスプリツタ３３が
設けられる。そしてその一方の光行路には、ミラ
ー３４とレーザビームの偏光面を回転させて他方
の偏光面を揃える偏光面回転器３５が設けられ、
更にその出力となるレーザビームを他方のレーザ
ビームと共に集光させる集光レンズ３７が設けら
れる。又集光レンズ３７の後方には干渉縞領域３
８からの散乱光を集光する集光レンズ３９が設け
られ、その焦点位置に光フアイバ４０の一端が固
定されている。光フアイバ４０は散乱光を信号処
理部に導くものであるので通常のマルチモード光
フアイバを用いることができる。さて信号処理部
５０では光フアイバ４０の出力を電気信号に変換
するアバランシエ型フオトダイオード等の光電変
換器５１が設けられる。光電変換器５１の出力は
増幅器５２を介してハイパスフイルタ５３に与え
られる。ハイパスフイルタ５３は与えられた電気
信号の高周波成分のみを次段の周波数測定器５４
に与えるものである。周波数測定器５４は与えら
れた信号の周波数を測定するものであつて、信号
を周波数領域において処理する周波数分析器でも
よく、又時間領域において処理するカウンタタイ
プや周波数負帰還を用いたＦ／Ｖ変換器であつて
もよい。周波数測定器５４の出力は信号処理器５
５に与えられる。信号処理器５５は横ゼーマンレ
ーザの二つのレーザビームの周波数差に基づいて
粒子ｐの速度及び方向を信号処理によつて出力す
るものであつて、二つのレーザビームの周波数差
を内部メモリに保持しておいてもよく、又第４図
に破線で示すように光電変換器２４の二つの周波
数差の出力に基づいて信号処理するようにしても
よい。信号処理器５５の出力は表示器５６に与え
られて表示される。

次に本発明のレーザドツプラー速度計の動作に
ついて説明する。第４図に示すように横ゼーマン
レーザ２０は周波数Δfだけ異なり偏光方向が直
交した二つのレーザビームを出力しており、それ
らの二つのレーザビームは単一モード光フアイバ
３１によつてそのままセンサ部３２に与えられ
る。センサ部３２ではこれらのレーザビームを偏
光ビームスプリツタ３３によつて分離する。即ち
例えば図示のように紙面に平行な｜で表示したＰ
偏光をそのまま通過させ、●で表示したＳ偏光を
偏光ビームスプリツタ３３で反射させミラー３４
に与える。ミラー３４によつて反射されたＳ偏光
のレーザ光は偏光面回転器３５によつてその偏光
面が回転されてＰ偏光に変換される。このように
して二つのレーザビーム３６ａ，３６ｂの偏光方
向をそろえた後、前述したように集光レンズ３７
によつて一点で交叉するように集光させれば交叉
領域３８に干渉縞が得られる。この干渉縞のピツ
チは横ゼーマンレーザ２０のレーザビームの周波
数ｆ１，ｆ２と交叉角度に対応したものとなつて
おり、同時にその干渉縞は横ゼーマンレーザ２０
における二つのレーザビームの周波数差、即ち
Δfの周波数に対応して移動するものとなつてい
る。従つてこの交叉領域３８を粒子ｐが通過すれ
ば散乱光が集光レンズ３７，３９及び光フアイバ
４０を介して信号処理部５０の光電変換器５１に
与えられるが、光電変換器５１により得られる電
気信号の周波数は粒子ｐの速度及び方向に対応し
て異なるものとなつている。例えば第５図に示す
ようにΔfを中心としてその前後の周波数によつ
て方向と速度とを判別することができる。例えば
第５図に示すように光電変換器５１の出力信号の
スペクトルｓがシフト周波数Δfよりも低ければ、
第２図に示す拡大図において粒子ｐは交叉領域３
８の干渉縞部分をｂ方向に進行したものと考えら
れる。そしてその速度はシフト周波数Δfからの
差によつて検知することができる。又粒子ｐが交
叉領域３８をａ方向に進行した場合には、光電変
換器５１の出力スペクトルはシフト周波数Δfよ
りも大きなものとなつており、その周波数差は粒
子ｐの速度に対応している。このような信号処理
を信号処理器５５によつて行つた後表示器５６に
より粒子ｐの速度と方向を表示する。

尚前述したように信号処理器５５に光電変換器
２４からの二つの周波数差の信号を与えるように
した場合には、横ゼーマンレーザ２０の出力に微
少な周波数変動があつても正しい速度を表示する
ことができる。即ちΔfが第５図に破線で示すよ
うにわずかにずれた場合には、それに対応して光
電変換器５１より与えられる信号の周波数も同様
に破線で信号スペクトルｓ１を示すようにずれる
こととなり、それらの間の周波数差は等しい。従
つて横ゼーマンレーザの周波数変動を打ち消すこ
とができるため、より精密な速度測定をすること
が可能となる。

尚、本実施例は干渉縞を形成するレーザビーム
の後方に散乱する散乱光を集光して検知信号とし
て用いる後方散乱型のレーザドツプラー速度計に
ついて説明した。これは第３図に示すように発光
部分と受光部分が一体になつているため取扱が容
易であるが、SN比を高くし、より強い散乱光強
度を得るために光源となるレーザ光の前方への散
乱光を集光して信号とする前方の散乱型のレーザ
ドツプラー速度計に適応することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は従来のレーザドツプラー速
度計を示すブロツク図、第２図はレーザビームの
交叉領域にできる干渉縞の状態を示す図、第４図
は本発明によるレーザドツプラー速度計の構成の
一実施例を示すブロツク図、第５図は光電変換器
に得られる速度信号を示す検波出力スペクトル図
である。 １……レーザ、２０……横ゼーマンレーザ、１
３，３１……単一モード光フアイバ、１０，１
２，３３……偏光ビームスプリツタ、３５……偏
光面回転器、３７……集光レンズ、３８……交叉
領域、４０……光フアイバ、５０……信号処理
部、５１……光電変換器、５４……周波数測定
器、５５……信号処理器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに方向の異なる直線偏光特性を有し、所
   定の周波数差の二つの周波数成分を有するレーザ
   光を発する内部鏡型レーザ光源と、 前記レーザ光源のレーザ光が与えられ、測定領
   域にまで延長された偏光面保存型の単一モード光
   フアイバと、 前記光フアイバ出力のレーザ光を偏光の相違に
   基づいて前記２つの成分に分光する偏光ビームス
   プリツタと、 前記偏光ビームスプリツタの出力のいずれかの
   レーザビームの偏光方向を変え、他方のレーザビ
   ームの偏光方向に揃える偏光面回転器と、 前記偏光面回転器より得られるレーザビームと
   他方のレーザビームとを一点で交叉せしめる光学
   手段と、 前記交叉領域を通過する粒子からの散乱光を電
   気信号に変換する光電変換器と、 前記光電変換器より得られるバースト信号の周
   波数を測定する周波数測定器と、 前記周波数測定器より得られる周波数を前記レ
   ーザ光源の周波数差と比較して粒子の速度を算出
   する演算手段と、を具備することを特徴とするレ
   ーザドツプラー速度計。 ２ 前記気体レーザ光源は横ゼーマンレーザであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   レーザドツプラー速度計。 ３ 前記演算手段には前記レーザ光源より得られ
   る二つの周波数差の電気信号が与えられ、その信
   号を基準として前記周波数測定器より得られる周
   波数を比較し速度を算出するものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   レーザドツプラー速度計。 ４ 前記光学手段は２つのレーザビームを集束す
   る集束レンズであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第３項のいずれか１項に記載のレ
   ーザドツプラー速度計。