JPH02201165A - レーザドップラ速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザドツプラ速度計に係り、とくに照射光
としてレーザ光を用いるとともに、その反射光に生じる
ドツプラ効果を利用して被測定物の速度計測を行う方式
のレーザドツプラ速度計に関する。

〔従来の技術〕

レーザドツプラ速度計は、コヒーレント光を移動物体に
照射するとともに、その散乱光のドツプラ周波数偏移を
測定し、これによって被測定物の移動速度を被接触にて
検出するものである。このレーザドツプラ速度計は、近
時においては例えば、特開昭５７−５９１７３号公報、
特開昭５９−４゜８６６日号公報等にみられる如（、各
方面で比較的多くの研究・開発が進められている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、例えば特開昭５７−５９１７３号公報記
載のものにあっては、光の分岐や合波のためのビームス
プリッタを必需品としていた。また、被測定物の速度の
方向を判別するには参照光を周波数シフトするだめの一
定の仕掛けを必要としていた。

このため、光学系が複雑で高価となるばかりでなく、振
動や周囲温度変化に対する光軸ずれを防ぐために、部品
の固定を翌年にする等の手段を講する必要があり、セン
サ全体の小型化が困難であるという問題点があった。

また、特開昭５９−４８６６８号公報記載のものにあっ
ては、レーザ光源からの戻り光をなくすために光学系の
構成部品として、偏光ビームスプリッタ、偏光面保存フ
ァイバ及び１／４波長板等高価な光学部品を必要として
いた。また、この従来例で使用されているドツプラ信号
の検出用の光電変換器は、光源と光ファイバを結ぶ光軸
に対して直角の位置関係にあり、これがため光学系の小
型化が困難であるという問題点があった。更に、この構
成では速度の向きを判定することは原理的に不可能なも
のとなっていた。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、かかる従来例の存する不都合を改善し
、特に、簡単な光学系を用いて被測定物の速度及び方向
を極く容易に測定することのできるレーザドツプラ速度
計を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明では、コヒーレント光を出力するレーザ
光源と、このレーザ光源を駆動するレーザ駆動回路と、
レーザ光源から被測定物に向けて出力されるレーザ光を
集光し被測定物へ照射するとともに被測定物からの反射
散乱光をレーザ光源側へ送り込む第１の集光手段と、反
射散乱光により形成されるドツプラビート信号を前記レ
ーザ光から分離抽出するビート検出手段とを有している
。

このビート検出手段により検出されるドツプラビート信
号に基づいて１被測定物の移動の速度及び方向を演算す
る演算手段とを設けている。そして、第１の集光手段の
被測定物側に光ファイバを連結するとともに、この光フ
ァイバの被測定物側に、当該被測定物上にレーザ光を集
光照射せしめる第２の集光手段を装備する、という構成
を採っている。これによって前述した目的を達成しよう
とするものである。

（第１実施例） 以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図に基づ
いて説明する。

第１図の実施例は、コヒーレント光を出力するレーザ光
源ｌと、このレーザ光源ｌを駆動するレーザ駆動回路２
と、レーザ光源１から被測定物Ｗに向けて出力されるレ
ーザ光１ａを集光するとともに被測定物Ｗからの反射散
乱光１ｂをレーザ光＃１側へ送り込む第１の集光手段３
と、反射散乱光１ｂにより形成されるドツプラビート信
号Ｂ４をレーザ光源１から分離抽出するビート検出手段
４と、このビート検出手段４により検出されるドツプラ
ビート信号Ｂ４に基づいて被測定物Ｗの移動速度及び方
向を演算する演算手段５とを備えている。この演算手段
５は、速度演算部６と方向判別部７とにより構成されて
いる。

第１の集光手段３の被測定物Ｗ側には、光ファイバ８を
連結するとともに、この光ファイバ８の被測定物Ｗ側に
、当該被測定物Ｗ上にレーザ光を集光照射せしめる第２
の集光手段８Ａが装備されている。

レーザ光源１は、本実施例においては半導体レーザが使
用されている。このレーザ光源ｌは、被測定物Ｗを照射
するコヒーレント光１ａを誘導放出により出力する。こ
の場合、被測定物Ｗによって散乱されドツプラ周波数偏
移ｆ、を受けた反射戻り光１ｂが半導体レーザに戻ると
、ドツプラ偏移を受けていないコヒーレント光との間で
自己混合作用が共振器内部に生じドツプラビートが発生
する。そして、半導体レーザ駆動電流には、ビート周波
数に対応した鋸歯状波信号が、第２図（１）に示す如く
重畳される。

第１及び第２の集光手段３．８Ａとして、本実施例では
光学レンズが使用されている。これら第１及び第２の集
光手段３，８Ａは、レーザ光源１と被測定物Ｗとの間に
置かれ、被測定物Ｗ上での照射、散乱条件が最適となる
ように焦点位置が調節可能な構造となっている。これに
より、第１及び第２の集光手段３，８Ａ及び光ファイバ
８は、レーザ光源１から出射されたレーザ光１ａを集光
して被測定物Ｗに効率よく照射し、同時に被測定物Ｗに
よって散乱された反射戻り光１ｂを集光し、半導体レー
ザ光源１の端面ａに入射させるように機能する。

ビート検出手段４としては、本実施例では信号検出増幅
器が使用されている。この信号検出増幅器は、レーザ駆
動回路２の出力端に併設され、レーザ光′ａ１を駆動す
る駆動電流中より当該駆動電流に重畳された鋸歯状波に
近似したドツプラビート信号を抽出し出力する機能を備
えている。第２図（２）（３）にドツプラビート信号の
例を示す。ここで、第２図（２）は被測定物Ｗが近づい
てくる場合を示し、同図（３）は被測定物Ｗが遠ざかる
場合を示す。

速度演算部６は、第３図に示すように、ビート検出手段
４から出力されるドツプラビート信号を所定のタイミン
グ信号に変換する波形変換回路部１０と、この波形変換
回路部１０から出力されるタイミング信号を信号処理し
て演算用速度信号を出力する信号処理回路部１１と、こ
の信号処理回路部１１の出力に基づいて被測定物Ｗの速
度■を算定する演算回路部１２とにより構成されている
。

この内、波形変換回路部１．０は、ドツプラビート信号
を所定レベルまで増幅するレベル調整回路１０Ａと、こ
のレベル調整回路１．ＯＡの出力信号を微分する微分回
路１０Ｂと、この微分回路１０Ｂから出力されるタイミ
ング信号の立上りに同期してタイミング信号の二周期分
を一周期とする整形クロックを出力する波形整形回路１
．０　Ｃとにより構成されている。また、信号処理回路
部ＩＩは、周波数の大小に対応した電圧を出力するＴ？
　−Ｖ変換回路１１Ａと、このＦ−Ｖ変換回路１１Ａの
出力をアナログ−デジタル変換するＡ−Ｄ変換回路１１
Ｂとにより構成されている。

次に、上記実施例における速度演算部６の動作を第４図
に基づいて説明する。

ビート検出手段４によって検出されたドツプラビート信
号Ｂ４は、波形変換回路部１０の微分回路１０Ｂの作用
によって鋸歯状波の立上りおよび立下りのタイミング信
号Ａ、。が抽出される。波形整形回路１０Ｃでは、この
タイミング信号Ａ　１６の立−Ｆりに同期した整形クロ
ックＢ１゜を作成するのであるが、この整形クロックＢ
１゜は、元の信号である鋸歯状波Ｂ４の周波数Ｆに対応
した周波数を持つことになる（本実施例では整形クロッ
クＢ１゜の周波数が鋸歯状波の周波数の１／２となって
いる。）、従って、この整形クロック！３＋ａの周波数
をＦ−Ｖ変換によって電圧値に線形変換し、その後、Ａ
−Ｄ変換によりデジタル的に周波数情報を得ることによ
り鋸歯状波のビート周波数ｆ４をも得られる。被測定物
Ｗの速度■は、この周波数ｆ４に基づいて次式によって
求められる。

ｆａ　＝　（２・ＩＶＩ　・ｃｏｓ　θ）／λ但し、λ
は波長を示し、θは被測定物Ｗの進行方向に対するレー
ザ照射光の照射角度を示す。かかる演算は演算回路部１
２で行われる。これによって被測定物Ｗの移動速度■が
極く容易に算定される。

また、被測定物の移動方向を判別する方向判別部７とし
ては種々の方法を考案し得るが、本実施例では、第５図
に示すものが使用されている。

この第５図における方向判別手段７は、ドツプラビート
信号を所定のタイミング信号に変換する波形変換回路部
３０と、このタイミング信号に基づいて一定の基準に従
いデユーティ比の異なる二つの波形を形成する信号処理
回路部３１と、この信号処理回路部３１の各出力を各別
に均一化する二つのローパスフィルタ３２．３３と、前
記各ローパスフィルタ３２．３３から出力されるレベル
の異なった二つの信号の内、一方の信号を基準として他
方の信号のレベル差を演算するとともにその値の大小に
より前記移動物体の移動方向を判別する比較判定回路３
４とにより構成されている。

波形変換回路部３０は、ドツプラビート信号を所定レベ
ルまで増幅するレベル調整回路（ＡＬＣ；オートレベル
コントローラ）３０Ａと、このレベル調整回路３０Ａの
出力信号を微分する微分回路３０Ｂとにより構成されて
いる。

信号処理回路部３１番よ、微分回路３０Ｂから出力され
る所定のタイミング信号に同期して所定レベルの矩形波
を出力する一方の比較回路３１Ａと、この一方の比較回
路３１Ａと同一のタイミング信号を入力するとともに当
該一方の比較回路３１Ａの出力信号を反転した信号を出
力するインバータ３１Ｃ及び他方の比較回路３１Ｂとに
より構成されている。各比較回路３１Ａ、３１Ｂには、
その人力軸に基準信号発生回路（ＲＥＦ）３１ａ、３１
ｂが各々併設されている。

次に、このように構成された方向判別部７の動作につい
て説明する。

まず、ビート検出手段４からの出力信号（鋸歯状波）は
、ＡＬＣ３０Ａにより測定可能レベルの波形に増幅され
る（信号■）。この鋸歯状波の上り勾配の時間（ΔＴｒ
）と下り勾配の時間（ΔＴｒ）を比較するために、信号
■が微分される（信号■）。この信号■を一方の比較回
路３１ＡでＲＥＦ３１　ａの出力レベルと比較すると、
信号■が上り勾配の間（ΔＴｒ）ハイレベルとなる矩形
波（信号■）が得られる。同様に、信号■の反転を他方
の比較回路３１ＢにおいてＲＥＦ３　ｌ　ｂの出力レベ
ルと比較すると、下り勾配の間（ΔＴｆ）ハイレベルと
なる矩形波（信号■）が得られる。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３２とローパスフィルタ（
ＬＰＦ）３３により信号■及び■を平均化すると、ΔＴ
ｒ、ΔＴｆに比例した電圧が信号■、■とじて得られる
。信号■、■の大小を比較判定回路３４で比較し、出力
がハイレベルかローレベルかにより、鋸歯状波の向き即
ち速度方向を判別することができる。

尚、本実施例は下り勾配に着目したが、上り勾配を使っ
た方向判別も同様にして容易に実現できる。

以上のように、この第１実施例においては、光源として
半導体レーザを使用していることから光学系を含めて全
体的な小型化が可能となり、また光束を二つに分ける必
要性が全くないことから、光学系保持機構が簡単となり
、更に周波数シフタが不要となり、従ってその駆動回路
も不要となることから装置全体を著しく小型化すること
ができる。

また、半導体レーザの自己混合によるビート信号の周波
数は半導体レーザのＡＭ変調可能な周波数と同程度とな
る。このため、従来の方向判別性能が数１０〜数百ＭＨ
ｚであったのに対してＯ〜２．３　（ＧＨｚ）となり、
測定値の信号処理の高速化を図ることが可能となってい
る。

更に、光学系が簡単化されていることから、全体的に安
価に入手することが可能となり、且つ軽量化が図られて
いることから可搬性が良好となる。

〔第２実施例〕 次に、第２実施例を第７図に基づいて説明する。

ここで前述した第１図の実施例と同一の構成部材につい
ては同一の符号を用いることとする。

この第２実施例では、ビート検出手段として、レーザ光
源に併設された光電変換部４Ａが用いられている。この
光電変換部４Ａは、半導体レーザ光源ｌの出力側の端面
ａとは反対側の端面す側に装備されている。その他の構
成は前述した第１実施例と同一となっている。

このようにしても、前述した第１実施例と同等の作用効
果を有する。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、光の導波路として光フ
ァイバを使い、ドツプラビート信号の取得方式としてレ
ーザの自己混合効果を利用しているので、光路を分岐す
る必要がなく、極めて簡単な構成で且つ小型、軽量化を
図ることができ、また、単に速度を測定するだけでなく
、周波数シフタ等を併設することなしに速度の方向を判
断することができる。また、部品点数も少なくなるので
、最小限の調整で済み、また振動等、耐環境性にも優れ
ている。更に、光導波路として光ファイバを使用してい
ることから、光源と被測定体が必ずしも直線状に位置す
る必要がなく、かかる点においても小型化が可能となり
、複雑な光導波経路となるような狭い箇所においてもリ
モートセンシングができる。また、高温の被測定体等、
光源が温度の影響を受けるような場合にも、光導波経路
に有効な熱遮蔽等を施すことも可能となる、という従来
にない優れたレーザドツプラ速度計を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図（
１）（２）（３）は各々ドツプラビート信号を示す説明
用の線図、第３図は第１図における速度演算部の具体例
を示すブロック図、第４図は第３図の動作説明図、第５
図は第１図における方向判別部の具体例を示すブロック
図、第６図は第５図の動作説明図、第７図は第２実施例
を示すブロック図である。 ■・・・・・・レーザ光源、１ａ・・・・・・レーザ光
、１ｂ・・・・・・反射散乱光、２・・・・・・レーザ
駆動回路、３・・・・・・第１の集光手段、４，４Ａ・
・・・・・ビート検出手段、５・・・・・・演算手段、
８・・・・・・光ファイバ、８Ａ・・・・・・第２の集
光手段、Ｗ・・・・・・被測定物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、コヒーレント光を出力するレーザ光源と、この
   レーザ光源を駆動するレーザ駆動回路と、前記レーザ光
   源から被測定物に向けて出力されるレーザ光を集光し被
   測定物へ照射するとともに被測定物からの反射散乱光を
   前記レーザ光源側へ送り込む第１の集光手段と、前記反
   射散乱光により形成されるドップラビート信号を前記レ
   ーザ光から分離抽出するビート検出手段とを有し、 このビート検出手段により検出されるドップラビート信
   号に基づいて、被測定物の移動の速度及び方向を演算す
   る演算手段とを設け、 前記第１の集光手段の前記被測定物側に光ファイバを連
   結するとともに、この光ファイバの被測定物側に、当該
   被測定物上にレーザ光を集光照射せしめる第２の集光手
   段を装備したことを特徴とするレーザドップラ速度計。