JPH03197817A - 信号抽出装置および方法 - 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】 本発明は、信号抽出装置および方法に関する。

かかる装置は変換器用の駆動信号から測定信号を抽出す
るのに使用されることができる。

公知の型の変換器はいわゆる発振または共振ビーム変換
器であり、該変換器はビームの共振周波数で振幅変調さ
れた光の衝突によりその周波数で発振させられる。

有用な測定信号を設けるために、特定の光学的波長の光
がまずビームの共振周波数で駆動要素によって振幅変調
されかつ次いでビームに向けられる。共振ビームはかく
して変調された「駆動」光によりその共振周波数で発振
させられる。

他の光源が異なる光学的波長の連続または直流光を発生
しかつこの「検出」光がビームの運動によって振幅変調
されるビームに向けられる。反射された検出光は光学的
波長の差のため光学的波長フィルタによって反射された
駆動光から抽出されることができる。抽出された振幅変
ｉＦＩ検出光は次いで発振ビーム連動を示す出力を供給
する光検出器に向けられる。

この装置は非常に良好に作動するけれども、幾分高価な
装置となる異なる光学的波長の２つの光源の存在を要求
する。また、便宜上、単一の光ファイバが光を両光源か
ら発振ビームに伝送しかつ反射された光を光検出器に戻
すために使用される。

これは２つの光学的スプリッタの存在を要求し、これら
のスプリッタの一方はビームスプリ７タまたはＹ−カプ
ラでありかつ他方は装置が高価でかつ扱い難くなる波長
フィルタである。それゆえこの装置のコストおよび複雑
さは他の方法では魅力的である多くの用途におけるこの
型の変換器装置の使用を妨げる。

本発明の第１の態様によれば、変調信号によって振幅変
調された搬送波信号からなる駆動信号を発生する手段と
その共振周波数が変調信号の周波数に実質上等しい共振
センサに駆動信号を結合する結合手段とからなり、セン
サによって反射された駆動信号の１部分を復調する復調
器を特徴とする信号抽出装置が提供される。

搬送波信号は好ましくは光でありかつ変調率は好ましく
は駆動信号が遮断されない光信号である１００％以下で
ある。

したがって、変調信号と同一の周波数を有するにも拘ら
ず、変換器信号が戻り信号から抽出されるのを許容する
抽出装置を提供することができる。

このような装置はその出力が決してゼロに降下してい光
源からなる発生手段を有する共振センサと同様な共振ま
たは発振ビーム変換器ととともに使用されることができ
る。

単一光源のみが必要でありかつこれは装置が以前に知ら
れている装置より広い用途を見い出すレベルに変換器装
置のコストおよび＊９Ｉさが減じられることを許容する
。結合手段は好ましくは光ファイバでありかつ復調器は
好ましくは共振装置から反射された光を受光するように
光ファイバに結合された光検出器である。かくしてＹ−
カブラのごとき単一のビームスプリッタで十分でありか
つ公知の装置に比して変換器装置のコストおよび複雑さ
が低減されることを許容する。幾つかの用途において、
変調された光を受光しかつ変調信号を減算手段に供給す
るように光ファイバに結合されるような第２の光検出器
が望ましいかも知れない。

しかしながら、一般に減算手段が設けられる場合に、減
算手段が変調信号を直接受信するのが好ましく、かくし
て第２の光検出器および第２のビームスブリックのコス
トおよび複雑さを回避する。

信号抽出装置は、もちろん、電磁スペクトルまたは超音
波の他の部分のごとき搬送波信号の他の形状により使用
されることができる。

本発明の第２の態様によれば、共振センサに該共振セン
サの共振周波数に該共振センサの変調信号によって振幅
変調された搬送波信号からなる駆動信号を向け、そして
共振センサによって反射された駆動信号の１部分を復調
することからなる信号抽出方法が提供される。

以下に本発明を添付図面に基づいて例として説明する。

第１図に示される信号抽出装置は共振装置１に結合され
、該共振装置１はその周波数が共振装置１の共振周波数
に等しい変調信号によって振幅変調された搬送波信号の
形の駆動信号によって供給されるとき共振周波数で発振
するように配置されたどのような装置であっても良い。

駆動信号発生器２は結合手段３を介して共振装置ｌに適
宜な駆動信号を供給する６発生器２によって供給される
駆動信号は変調率が１００％以下であるように直流（Ｄ
Ｃ）バイアスされたそれ自体反復性の信号からなる変調
信号によって変調された搬送波信号からなる。それゆえ
変調された搬送波信号の振幅は決してゼロに降下しない
。

共振装置１からの戻り信号は減算増幅段５の第１出力に
結合手段４によって結合され、その第２出力は発生器２
から結合手段６を介して基準信号を受信する。戻り信号
は共振装置１によって供給されるが駆動信号によって汚
染されない情報を支持する変調信号からなる。

基準信号は駆動信号に対応し、かつ減算増幅器段５はこ
れを？ＦＪ染された信号から減算して出カフにおいて共
振変調信号の完全な変換を供給するように配置される。

変調光信号の形の駆動信号について作動を分析しかつ説
明する。変調光信号は式、 Ｆ　（ｔ）　＝Ａ　（Ｙ＋Ｓｉｎ（ｗｔ）　）を有し、
ここでＡは光搬送波の振幅、Ｗはラジアンにおける周波
数、およびＹは変調信号に印加されるＤＣバイアス信号
を示す因数である。正弦波形変調信号が説明のために示
されるが、これは必須ではなくかつ他の時間関数が使用
されることができる。

この波形は波形Ｆ　（ｔ）が他の関数Ｆ’　　（ｔ）に
よって変調されるように共振装置と相互に作用する。関
数Ｆ’　　（ｔ）は式、 Ｆ’　　（ｔ）＝　（１−Ｂ　（１＋ｓｉｎ（ｗｔ＋ｚ
）））を有し、ここでＢは振幅および２は位相項である
。

この関数は、光信号Ｆ　（ｔ）について、共振構造の発
振運動の作用を説明する。相互作用の結果として、２つ
の波形Ｆ　（ｔ）およびＦ’　　（ｔ）の積である波形
が発生され、この波形は以下の式を示す。

Ｆ　”　（ｔ）　　＝　Ｆ（ｔ）・　Ｆ’（ｔ）−Ａ　
　ＣＹ＋Ｓｉｎ（ｗｔ）　　）　　　・　　［１−８＜
１十Ｓｉｎ（ｗｔ＋ｚ））　　） ＝＾’／　　（１−Ｂ（１＋Ｓｉｎ（ｗｔ＋ｚ）））＋
Ａ　−３ｉｎ（ｗｔ）　　　（１−８（１＋Ｓｉｎ（ｗ
ｔ＋ｚ）））＝　ＡＹ（１−Ｂ）＋Ａ（１−Ｂ）Ｓｉｎ
（ｗｔ）−ＡＢＹ　　−Ｓｉｎ（ｗｔ＋ｚ） ＋ＡＢ　　　−Ｓｉｎ（ｗｔ）　　　・　５ｉｎ（１１
ｔ＋ｚ）最後の項は ｐ”（ｔ）　　＝ＡＹ（１−Ｂ）＋＾（１−Ｂ）Ｓｉｎ
（ｗｔ）ＡＢＹ　・Ｓｉｎ（ｗｔ＋ｚ） の結果として拡大されることができる。

簡単な濾過により、 Ｆ”（ｔ）　　＝Ａ（１−Ｂ）Ｓｉｎ（ｗｔ）−八ＢＹ
　　・Ｓｉｎ（ｗｔ＋ｚ）を付与するように、Ｗにおけ
る項を除いてすべての項を除去することができる。

最後に、変調信号の時間変化部に対応する基準信号Δ（
１−Ｂ）　Ｓｉｎ（ｗ　ｔ）を減して、共振装置に変調
信号、 Ｆ”　（ｔ）　＝Ｆ’い） ＝　　−ＡＢＹ　　−３ｉｎ（ｗ　　ｔ　　＋　　ｚ）
を付与する。

変調信号Ｆ　（ｔ）は共振装置信号の連続検索のために
ＤＣバイアスされる。復調技術はかくしてＤＣ搬送波の
振幅変調を考えることができる。変調される光信号Ｆ　
（ｔ）の場合に、ＤＣバイアスは駆動信号Ｆ　（ｔ）が
常にオンであるように配置される。かくしてドライバは
光強度の高低状態間で切り換えられることができるが実
際にはオフされない。

第２図に示される信号抽出装置は光ファイバ１１によっ
て共振または発振ビーム変換器１０に接続される。変調
ドライバ１２はその第２分岐が光検出器１５に接続され
るビームスプリッタ／結合器１４の第１分岐に接続され
る光ファイバ１３に振幅変調光を注入する。光検出器１
５の出力は減算増幅器段１６の第１出力に接続され、そ
の第２出力は変調信号をドライバ１２から受信する。

使用中、ドライバ１２はビーム変換器１０の共振周波数
に等しい周波数で振幅変凋される光を発生する。ドライ
バは変調率が常に１００％以下であることを保証する。

したがって、光を変調する前に、変調信号はドライバに
よる光出力が決してゼロに降下しないことを保証するよ
うにＤＣバイアスにより偏向されるかまたは印加される
ことができる。

ドライバ１２からの光は光ファイバ１３を介してスプリ
ンタ／結合器１４および光ファイバ１１を通りかつビー
ム変換器１０に衝突する。変換器１０は光を光ファイバ
１１に反射しかつこれはスプリッタ／結合器１４を介し
て変化光が反射された光信号の振幅を示す出力信号を供
給するように振幅復調される光検出器１５に供給される
。光フアイバ１１ヘビーム変換２Ｓ１０によって反射さ
れた光は反射された駆動信号、すなわち、ドライバ１２
からの変調光に対応する第１成分、およびその振幅が変
換器１０（７）−測定信号に応して変化するがビーム変
換器の共振周波数に等しい周波数を有する第２成分を有
する。減算増幅器段１６はその入力においてドライバ１
２からの変調信号によって供給された基準信号の振幅が
変換器からの測定（３号を汚染する変調信号の成分に等
しい範囲に信号を増幅するように配置される。減算増幅
器段１６によって行なわれた減算はかくして段１６の出
力１７が発振ビーム変換器１０によって測定されるパラ
メータを示す信号を供給するように汚染変調信号を除去
する。それゆえ信号抽出装置は所望の信号および同一周
波数の汚染信号の組合せから所望の信号を抽出する。

第３図に示された信号抽出装置は第２図に示した装置と
同じでありかつ対応する部分は同一参照符号によって参
照される。ドライバはいつでもオンであるようにＤＣバ
イアスされる光ａｔ２ｂへ変調信号を供給する電圧制御
発振器１２ａからなるように示される。また段１６がよ
り詳細に示されかつ比較的高い入力インピーダンスを有
する、インピーダンス緩衝機能を順行する入力段１６ａ
および１６ｂからなる。バッファ１６ａの出力はその出
力が信号逆転段１６ｄに接続される増幅器段１６ｃの入
力に接続される。バッファ増幅器１６ｂの出力はカスケ
ード接続増幅器段１６ｅおよび１６ｆに接続される。

段１６ｄおよび１６ｆの出力は″合計増幅器１６ｇの入
力に接続される。

第３図の装置と第２図の装置の主たる差違は、基準信号
が直接、例えば電圧制御発振器１２ａがら供給されない
が、代りに光ａｔ２ｂの出力から引き出されるというこ
とである。ビームスプリッタ１８は光ファイバ１３とそ
の出力がバッファ増幅器１６ｂの入力に接続されるさら
に他の光検出器２０に接続される光ファイバ１９との間
で光源の出力を分割する。他の点では、第３図に示した
装置の作動は第２図に示した作動と同一である。

第３図の装置は第２図の装置に比べて追加のビームスプ
リッタ１８および追加の光検出器２０の存在を必要とし
、かつそれゆえより複雑でかつ高価である。しかしなが
ら、第３図に示した装置の利点は基準信号が変換器ｌＯ
からの戻り信号と同一の処理段階を通過、すなわち光ｉ
１！１２ｂの出力から引き出されかつ光検出器２０にお
いて光検出が行なわれるということである。それゆえ、
この装置は光源１２ｂ中の如何なる非直線性をも補償し
かつ光検出器１５および２０が実質上同一であるとすれ
ば、光検出器１５の作用において非直線性を補償する。

それゆえ汚染信号は組み合された信号から除去またはよ
り完全に抑制されてより純粋な共振センサ変調信号を残
すことができる。

第３図の装置は、幾つかの条件下で、より純粋な出力信
号を供給することができるけれども、第２図の装置は製
造が簡単でかつ安価である利点を有しかつしたがってよ
り広い範囲の用途を享受する。例えば、第２図の装置は
車両における動力自給の用途における使用に十分に安価
に作られることができる。

種々の変更が本発明の範囲内でなされることができる１
例えば、減算段に供給される信号の時間的遅れを補正す
るために適宜な手段が設けられる。

また、信号形状中の異常は、例えば帯域濾過によって除
去されることができる。

例として、第４図は本発明の実施例を構成しかつ制御エ
レクトロニクス３０、駆動光ｆＡ３１、光検出器３２、
およびセンサ３４とＹ−カプラ３５との間に接続された
光ファイバ３３からなる装置に接続される共振センサを
より詳細に示す。共振センサはブリ・７ジ構造またはビ
ーム３６からなり、これはその両端で懸架されかつブリ
ッジ３６の頂面で加熱するような光エネルギの変換を高
めるために光吸収材料により被覆される。プリフジの頂
面と底面間の差の熱膨張はブリッジを上方にたわませる
屈曲運動を誘起する。構造の共振周波数で駆動光を振幅
変調することにより、ビーム３６はその共振周波数で機
械的に振動する。構造に応力を印加することにより、共
振周波数が変更されかつ印力Ｕされた応力の測定を備え
る。

第４図に示した構造は比較的小さい。例えば、ブリッジ
３６は長さ２００μｍ１幅１０μｍ、および厚さ２Ｗμ
ｍ程度である。ブリッジ３６はかくしてファイバ３３の
ような単一モードおよび多重モード光ファイバに匹敵し
得る。

第５図に示される信号抽出装置は、例えば第４図に示し
た型３４の共振センサに接続され、そして光ファイバお
よびＹ−カプラ３３．３５、レーザダイオードのごとき
光源３１、および第４図に示したような光検出器３２を
含んでいる。制御エレクトロニクスは位相感応検出器４
０、低減フィルタ４１、および電圧制御発振器４２から
なる位相ロックループからなる０発振器４２は周波数２
ｗで、すなわちセンサ３４の共振周波数で発振するよう
に配置される。

発振器４２の出力は位相感応検出器４０の第１出力にか
つ発振器周波数を２で分割するＤ型フリップフロップ４
３の入力に接続される。フリップフロップ４３の出力は
その振幅がセンサ３４の共振周波数に等しい周波数で変
化する駆動光を発生するように光源３１を駆動する。

センサ３４から反射された光は光検出器３２によって対
応する電気信号に変換されそして前に示した式に応じて
周波数Ｗおよび２Ｗにおける成分を含んでいる。光検出
器３２の出力信号は増幅器４４によって増幅されかつ帯
域フィルタ４５に供給され、この帯域フィルタ４５は周
波数２Ｗの信号成分を通しかつ他の周波数の成分を拒絶
するように配置される。フィルタ４５の出力は増幅器４
６の入力に供給され、その出力は位相応答補正フィルタ
４７に接続される。フィルタ４７は、例えば装置のエレ
クトロニクスによって付加される不必要な位相誤差を補
正する。フィルタ４７の出力は位相感応検出器４０の第
２出力に接続される。

使用において、光′ａ３１からの駆動光は共振センサ３
４を共振に励起する。センサから反射された同一波長の
光は光検出器３２によって電気信号に変換されかつ周波
数２Ｗでの成分がフィルタ４５によって選択される。増
幅および位相応答補正フィルタ４７による′ａ過に続い
て、この成分は電圧制御発振器４２の出力信号と位相に
おいて比較される６位相ロックループは発振器４２の位
相および周波数を変調周波数２Ｗの反射成分の位相およ
び周波数に迅速にロックする。

センサ３４が例えば温度または圧力変化の結果として生
じる応力を受けるとき、その共振周波数が変化する。し
かしながら、発振器４２の発振周波数は位相ロックルー
プの作用によって共振周波数のそのような変化をたどる
かまたは追随するようにさせられる。それゆえ発振器４
２の周波数はセンサ３４に印加される応力の測定を提供
しかつ発振器４２の出力は、周波数カウンタ、周波数分
析器、または周波数／電圧変換器のごとき周波数決定手
段５゜に接続されかつ装置の出力として使用される。

第４図に関連して前述された寸法を有するセンサの場合
において、ブリッジ３６の自然のまたは応力が加えられ
ない共振周波数は、５００ＫＨｚ程度がらなり、そして
電圧制御発振器４２は約１旧１ｚの発振の自由運転周波
数を有するように配置される。

前述された減算技術と比較された反射光信号の変化を検
出するような周波数２ｗの成分を使用する利点は周波数
２ｗの信号を抽出し易いということである０例えば、駆
動光信号の振幅がセンサによって測定された特性につい
ての情報を支持する反射光信号の部分の振幅より非常に
大きいならば、所望の解像度を達成するような方法にお
いて減算することは無難しいがも知れない。駆動信号の
変調周波数の２倍に等しい振幅変化の周波数を存する反
射成分を監視することにより、所望の解像度が達成され
ることができる。

他の種々の変更が可能である６例えば、第５図の位相ロ
ック装πは第２図および第３図に示した駆動装置および
光検出器の出力を走査するのに使用されるスペクトル分
析器によって置き換えられても良い。外部濾過は必要な
くかつ装置は開ループモードで作動する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の全体的な実施例を示す概略ブロ
ック図、 第２図は本発明の第１の好適な実施例を示す概略ブロッ
ク図、 第３図は本発明の第２の好適な実施例を示すより詳細な
ブロック図、 第４図は信号抽出装置がそれとともに使用されることが
できる共振ビーム変Ｆ１４Ｈの１型式を示す説明図、 第５図は本発明の第３の好適な実施例を示すブロック図
である。 図中、符号１　、１０．３４はセンサ、２．１２．３１
は発生手段、１１．１３．１４．３３．３５は光ガイド
（光ファイバ）　、１５．３２は復調器、１６は減算手
段、２ｏは復調器、４０は位相感応検出器、４１は低減
フィルタ、４２は電圧制御発振器、４５は帯域フィルタ
、４７は位相応答補正フィルタ、５ｏは周波数決定手段
である。 図面の浄書（内容に変更なし） 手 続 主甫 正 書（烈） 平成２年７月５日 平成２年特許願第１ ２２号 ＩＪ　ミテンド・カンノマニ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）変調信号によって振幅変調された搬送波信号から
   なる駆動信号を発生する手段と、その共振周波数が前記
   変調信号の周波数に実質上等しい共振センサに前記駆動
   信号を結合する結合手段とからなる信号抽出装置におい
   て、前記センサ（１、１０、３４）によって反射された
   前記駆動信号の１部分を復調する復調器（１５、３２）
   を特徴とする信号抽出装置。 （２）前記発生手段は変調された光源（１２、３１）か
   らなりかつ前記復調器は光検出器（１５、３２）からな
   ることを特徴とする請求項１に記載の信号抽出装置。 （３）前記結合手段は光ガイド（１１、１３、１４、３
   ３、３５）からなることを特徴とする請求項２に記載の
   信号抽出装置。 （４）前記発生手段（２、１２、３１）は１以下の変調
   率で前記搬送波信号を振幅変調するように配置されるこ
   とを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の信号
   抽出装置。（５）前記変調信号を前記駆動信号の復調反
   射部分から減じる減算手段（５、１６）を特徴とする前
   記請求項のいずれか１項に記載の信号抽出装置。 （６）前記減算手段（１６）は前記発生手段（１２）か
   らの前記駆動信号の１部分を受信すべく配置された他の
   復調器（２０）から前記変調信号を受信するように配置
   されることを特徴とする請求項５に記載の信号抽出装置
   。 （７）前記センサ（３４）の共振周波数の変化を決定す
   る周波数決定手段（５０）を特徴とする請求項１ないし
   ４のいずれか１項に記載の信号抽出装置。 （８）その出力が２分割分周器（４３）を介して前記発
   生手段（３１）に接続される電圧制御発振器（４２）、
   および該電圧制御発振器（４２）の制御電圧入力に低減
   フィルタ　（４１）を介して接続された出力、前記発振
   器（４２）の出力に接続された第１入力、および前記復
   調器（３２）からのセンサ共振周波数の２倍で信号成分
   を受信するように接続された第２入力を有する位相感応
   検出器（４０）からなる変調信号発生器を特徴とする請
   求項７に記載の信号抽出装置。 （９）前記センサ共振周波数の２倍で前記信号成分を通
   す帯域フィルタ（４５）を特徴とする請求項８に記載の
   信号抽出装置。 （１０）前記位相感応検出器（４０）の前記第２入力に
   接続される位相応答補正フィルタ（４７）を特徴とする
   請求項８または９に記載の信号抽出装置。 （１１）共振センサに該共振センサの共振周波数に実質
   上等しい周波数の変調信号によって振幅変調された搬送
   波信号からなる駆動信号を向け、そして前記共振センサ
   によって反射された駆動信号の１部分を復調することか
   らなることを特徴とする信号抽出方法。 （１２）前記搬送波信号は光であることを特徴とする請
   求項１１に記載の信号抽出方法。（１３）変調率が１以
   下であることを特徴とする請求項１１または１２に記載
   の信号抽出方法。 （１４）前記変調信号は前記駆動信号の復調反射部分か
   ら減じられることを特徴とする請求項１１ないし１３の
   いずれか１項に記載の信号抽出方法。 （１５）前記センサの共振周波数の変化が決定されるこ
   とを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に
   記載の信号抽出方法。 （１６）前記変調信号の周波数が前記センサの共振周波
   数にロックされることを特徴とする請求項１５に記載の
   信号抽出方法。 （１７）その周波数および位相が前記センサ共振周波数
   の２倍で前記駆動信号の復調部分の成分にロックされる
   局部信号を発生しかつ前記変調信号を発生するように前
   記局部信号の周波数を２で分割することを特徴とする請
   求項１６に記載の信号抽出方法。