JPH0425792A - ドップラー速度計 - 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） 本発明はドツプラー速度計に関し、例えば移動する物体
や流体等（以下「移動物体Ｊと称する。）にレーザー光
を照射し、該移動物体の移動速度に応じてドツプラーシ
フトを受けた散乱光の周波数の偏移を検出することによ
り移動物体の移動速度を非接触で測定するようにしたド
ツプラー速度計に関するものである。

（従来の技術） 従来より移動物体の移動速度を非接触且つ高精度に測定
する装置として、レーザードツプラー速度計が使用され
ている。レーザードツプラー速度計は移動物体にレーザ
ー光を照射し、該移動物体からの散乱光の周波数か、移
動物体の移動速度に比例して偏移（シフト）する効果（
ドツプラー効果）を利用して、移動物体の移動速度を測
定する装置である。

第３図は従来のレーザードツプラー速度計の一例を示す
説明図である。

同図においてレーザー１から出射されたレーザー光は、
コリメーターレンズ２によって平行光束３となり、ビー
ムスプリッタ−４によって透過光５ａと反射光５ｂの２
光束に分割されて反射鏡６ａ、６ｂで反射されたのち、
速度Ｖで移動している移動物体７に異フた方向から入射
角θで三光束照射される。移動物体７からの散乱光は、
集光レンズ８を介して光検出器９で検出される。このと
き三光束による散乱光の周波数は、移動速度Ｖに比例し
て各々＋Δｆ、−Δｆのドツプラーシフトを受ける。こ
こで、レーザー光の波長なλとすれば周波数変化Δｆは
次の（１）式で表わすことができる。

Δｆ＝Ｖ−ｓｉｎ（θ）／λ　　−・・−（１）＋Δｆ
、−Δｆのドツプラーシフトを受けた散乱光は、互いに
干渉しあって光検出器９の受光面での明暗の変化をもた
らし、その周波数Ｆは次の（２）式で与えられる。

Ｆ＝２−Δｆ＝２−Ｖ−ｓｉｎ　（θ）／λ・・・・・
・・・（２） （２）式から、光検出器９の周波数Ｆ（以下「ドツプラ
ー周波数」と呼ぶ）を測定すれば移動物体７の移動速度
Ｖが求められる。

従来のレーザードツプラー速度計では、（２）式から明
らかのようにドツプラー周波数Ｆはレーザーの波長λに
反比例し、従ってレーザードツプラー速度計としては波
長が安定したレーザー光源を使用する必要があった。連
続発振が可能で波長が安定したレーザー光源としてはＨ
ｅ−Ｎｅ等のガスレーザーが良く使用されるが、レーザ
ー発振器が大きくまた電源に高圧が必要で、装置が大き
く高価になる傾向があった。

又、コンパクトディスク、ビデオディスク、光フアイバ
ー通信等に使用されているレーザーダイオード（または
半導体レーザー）は超小型で駆動も容易であるが温度依
存性を有するという問題点があった。

第４図（゛８７三菱半導体データブック；光半導体素子
編から引用）はレーザータイオートの標準的な温度依存
性の一例の説明図であり、波長が連続的に変化している
部分は、主としてレーザーダイオードの活性層の屈折率
の温度変化によるもので、０．０５〜０．０６ｎｍ／’
　Ｃである。

方、波長が不連続に変化している部分は縦モートホッど
ングと呼ばれ０２〜０．３ｎｍ１０Ｃである。

波長を安定させるために一般にはレーザータイオードを
一定温度に制御する方法が採られる。この方法ではヒー
タ、放熱器、温度センサー等の温度制御部材をレーザー
ダイオードに小さな熱抵抗で取付は精密に温度制御をお
こなう必要があり、レーザードツプラー速度計が比較的
大きく、またコスト高になるうえに、前述の縦モードホ
ラピンクによる不安定さは完全には除去できない。

上述の問題を解決するレーザードツプラー速度計として
、レーザー光を回折格子に入射し、回折格子より得られ
る回折光のうち、０次以外の＋０次、−ｎ次（ｎは１，
２．・・）の二つの回折光を、該三光束の成す角度と同
じ交差角で移動物体に照射し、該移動物体からの散乱光
をフォトディテクターで検出する方式（以下、Ｇ−ＬＤ
Ｖ）か特願平１−８３２０８号に提案されている。

第５図は格子ピッチｄなる透過型の回折格子ＩＯにレー
ザー光Ｉを格子の配列方向ｔに垂直に入射したときの回
折光を示し、このときの回折角θ。は次式となる。

ｓｉｎθ。＝ｍλ／ｄ ここでｍは回折次数（０，１，２，・・）、λはレーザ
ー光の波長である。

このうち０次以外の±ｎ次光は次式で表わされる。

ｓｉｎθ。＝±ｎλ７　ｄ　　　　　　　−−−−（３
）（ｎは１，２．・・） 第６図はこのときの±ｎｎ次回先光ミラー６ａ、６ｂに
よって移動物体７に異った方向から入射角がθ。になる
ように２光束照射したドツプラー速度計の説明図である
。光検出器９のドツプラー周波数Ｆは（２）及び（３）
式からＦ＝２Ｖｓ　ｉ　ｎθ。／λ＝２ｎＶ／ｄ・・・
・（４）となる。即ちレーザー光Ｉに依存しなく、回折
格子１０の格子どツチｄに反比例し移動物体７の移動速
度に比例する。格子ピッチｄは充分安定にしうるので、
ドツプラー周波数Ｆは移動物体７の移動速度のみに比例
した周波数となる。尚、回折格子１０は反射型の回折格
子についても全く同様である。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のＧ−ＬＤＶ方式のドツプラー速度計では移動速度
が０近傍であっても測定可能で又移動方向の判断も可能
であった。更に環境変化、特に温度変化の影響を受けに
くい信頼性の高い検出が可能であるが、ドツプラー速度
計の持つ信頼性に関するもう一つの問題点として検出信
号のドロップアウトが有る。

これはドツプラー速度計の速度検出対象がランダムな光
の散乱特性を持つことに起因する。移動物体の回折光が
照射されている部分は、光を反射する小さな粒子の集合
とみなせ、つまり反射率か二次元的に変動する拡魅面を
構成している。そして小さな粒子の光の散乱特性はラン
ダムであり、かつその集合の分布状態は常に変化してい
るので、反射率の二次元的な変動周期もある程度ランタ
ムに変化する。ドツプラー速度計は２分割されたレーザ
ー光が再度所定の交差角で交わる時に生じる干渉縞のピ
ッチと拡散面の反射率変動周期とのビートを検出するの
で、その検出信号ゲインも変動し、ある頻度で無信号状
態即ちドロップアウトが生ずるという問題点があった。

従来のドツプラー速度計では移動物体の速度情報を検出
するのに例えば第７図に示すように光検出器を有する光
検出部７１、増幅器７２、バンドパスフィルター（ＢＰ
Ｆ）７３とフェーズロックドループ７４とを有する信号
処理回路７５そしてワウフラッタメータ７６等を用いて
行ってぃた。

しかしながらドツプラー信号はバンドパスフィルターを
通した後、Ｓ／Ｎ比は第８図に示すように改善されても
ドロップアウトは依然として発生する。又フェーズロッ
クドループで連続信号とすることができてもドロップア
ウトが発生すると依然と同様に検出精度が低下するとい
う問題点があった。

本発明は検出手段からの比カ信号を用いて信号処理部を
有する演算手段で移動物体の速度情報を検出する際、該
信号処理部の回路構成を適切に設定することにより、ド
ロップアウトが発生しても検出精度が低下することなく
速度情報を高精度に検出することのできるドツプラー速
度計の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明のドツプラー速度計は、波長λの照射光束を所定
の入射角θで移動物体に入射させ、該移動物体からの散
乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体の速度情報を
検出するドツプラー速度計において、該照射光束の波長
λの変化に応じて該入射角θが変化し、ｓｉｎθ／λが
ほぼ一定となるように該照射光束を該移動物体に入射せ
しめる光学系と、該移動物体の速度情報を演算し検出す
る信号処理部とを有し、該信号処理部はバンドパスフィ
ルターとドロップアウト検出部そしてフェーズロックド
ループとを備えていることを特徴としている。

又本発明は、光源からの光束を回折格子に入射させ、該
回折格子からの±ｎ次（ｎ＝１．２゜・・）の２つの回
折光を移動物体に該２つの回折光の該回折格子からの回
折角の交差角と略等しい角度で、該２つの回折光が該移
動物体近傍で互いに交差するように入射させ、該移動物
体でドツプラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出
し、該検出手段からの出力信号を用いて信号処理部で該
移動物体の速度情報を検出するドツプラー速度計におい
て、該信号処理部はバンドパスフィルターとドロップア
ウト検出器そしてフェーズロックドループを有している
ことを特徴としている。

特に本発明では、前記ドロップアウト検出器は前記バン
ドパスフィルターからのドツプラー信号のレベルがある
一定値以下となったとき、前記フェーズロックドループ
の位相比較器の出力とボルテージコントロールドオシレ
ータの入力との系とをスイッチ手段で切るようにしてい
ること、又前記信号処理部は前記バンドパスフィルター
の次に波形整形器を設けているときには、前記ドロ・ツ
ブアウト検出器は前記波形整形器からのドツプラー信号
がある一定時間以上変化かなかったときに前記フェーズ
ロックドループの位相比較器の出力とボルテージコント
ロールドオシレータの入力との系をスイッチ手段で切る
ようにしていることを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の光学系の要部概略図である
。同図において１０１はドツプラー速度計である。１は
光源で例えばレーザーダイオードや半導体レーザー等（
以下「レーザーＪと称する。）より成っている。２はコ
リメーターレンズであり、レーザー１からの光束を平行
光束３にしている。１０は回折格子であり、格子どツチ
ｄの反射型の±１次回折光を回折角θ１で回折させるよ
うに設定されている。６ａ、６ｂは各々反射鏡であり、
対向配置されている。７は移動物体又は移動流体（以下
「移動物体」と称する。）であり、移動速度Ｖで矢印７
ａ方向に移動している。

８は集光レンズであり、移動物体７からのドツプラーシ
フトを受けた散乱光を検出手段としての光検出器９の検
出面９ａ上に集光している。

１４は演算手段であり、後述する信号処理部を有してお
り、光検出器９で得られるドツプラー信号を用いて移動
物体７の移動速度Ｖを演算し求めている。

本実施例ではレーザー１から放射されたレーザー光はコ
リメーターレンズ２によって直径約２ｍｍの平行光束３
となって反射型の格子ピッチｄが１，６μｍ程度の回折
格子１０に格子配列方向ｔに垂直に入射する。そして回
折格子１０によフて回折角θ１で回折された±ｎ次（本
実施例ではｎ＝２）の回折光５ａ、５ｂは格子配列方向
に垂直に配置した反射鏡６ａ、６ｂによって各々反射さ
れ、移動物体７に各々異った方向から同じ入射角θ、で
移動物体７面上でスポット径か重なるように互いに交差
するように入射している。

本実施例ではこのように構成することにより波長λの変
化に応じて回折格子１０からの±ｎ次の（回折光の）回
折角か変化し、移動物体への入射角θが変化し、このと
きの比ｓｉｎθ／λが略−定となるように回折格子やミ
ラー等を有する光学系を構成している。

集光レンズ８は移動物体７の移動速度■に比例した（１
）式に示すドツプラーシフトΔｆ。

−Δｆを受けた周波数の散乱光を光検出器９の検出面９
ａ上に集光している。このときドツプラーシフトΔｆ、
−Δｆを受けた２つの散乱光は互いに検出面９ａ上で干
渉する。光検出器９はこのときの干渉縞の明暗に基づく
光量を検出する。即ち光検出器９は（４）式においてｎ
＝１とした移動速度Ｖに比例したドツプラー周波数Ｆ、
Ｆ　＝　２　Ｖ／ｄ　　　　　　　　・・・・・・・・
（５）なるレーザー１の発振波長λに依存しないドツプ
ラー信号を検出する。そして演算手段１４により光検出
器９からの出力信号を用いて移動速度Ｖを（５）式より
求めている。

第２図（Ａ）は第１図の演算手段１４の一要素を構成す
る信号処理部の第１実施例のブロック図である。同図に
おいて１０２は信号処理部である。２Ｉはバンドパスフ
ィルター（ＢＰＦ）であり、第１図の光検出器９からの
ドツプラー信号Ｓが入力されている。２２はドロップア
ウト検出器、２３はフェーズロックドループ（ＰＬＬ）
であり、後述するようにドロップアウト時の信号補間な
行っている。フェーズロックドループ２３は位相比較器
２４とスイッチ手段（ＳＷ）２５とローパスフィルター
（ＬＰＦ）２６そしてボルテージコントロールドオシレ
ータ（ＶＣＯ）２７を有している。同図においてはドツ
プラー信号Ｓはバンドパスフィルター２１でＳ／Ｎ比が
改善されフェーズロックドループ２３に入力される。

フェーズロックドループ２３ではドツプラー信号を連続
信号として出力する。

今、ドツプラー信号が第８図のような無信号状態のドロ
ップアウトを生じたとし、このときの動作について説明
する。

ドロップアウト検出器２２は常にバンドパスフィルター
２１から出力されるドツプラー信号の出力状態をチエツ
クしている。そして第８図のようにドツプラー信号のレ
ベルがある一定値以下となるとドロップアウトが生じた
ことを検出する。

そうするとスイッチ手段２５をオフにし、位相比較器２
４の出力信号とボルテージコントロールドオシレータ２
７への入力信号との系を分離する。

このときローパスフィルター（ＬＰＦ）２６ではスイッ
チ手段２５のオフ直前に電圧を保持し、ボルテージコン
トロールドオシレータ２７は一定値の信号を出力する。

これによりフェーズロックドループ２３ではドツプラー
信号のドロップアウトによる出力信号のみだれを補正し
、ドロップアウト以前の周波数のドツプラー信号の出力
を維持する。そしてドロップアウト検出器２２がバンド
パスフィルター（ＢＰＦ）２１からのドツプラー信号の
レベルがある一定値以上になったことを検出したときは
スイッチ手段２５をオンにして、通常のフェーズロック
ドループ２３の動作に復帰する。

本実施例ではこのようにしてドロップアウトが生じたと
きの信号補間を行い検出精度の低下を防止している。

第２図（Ｂ）は第１図の演算手段１４の一要素を構成す
る信号処理部の第２実施例のブロック図である。

本実施例では第１図（Ａ）の第１実施例に比べてバンド
パスフィルター（ＢＰＦ）２１の次に波形整形器２８を
設はドツプラー信号を波形整形した後にフェーズロック
ドループ２３に入力している点が異っており、この他の
構成は第１実施例と基本的に同様である。波形整形器２
８はヒステリシスを持たせたコンパレータとロジックよ
り構成されている。

本実施例におけるドツプラー信号の信号処理方法を第９
図を用いて説明する。光検出器で検出されたトツブラー
イ言号はバンドパスフィルター（ＢＰＦ）２１でＳ／Ｎ
比は改善されるが第９図（Ａ）のようなドロップアウト
が生じることがある。このとき波形整形器２８からの出
力信号は第９図（Ｂ）のように出力信号がとぎれる。そ
こでドロップアウト検出器２２では波形整形器２８から
の出力信号の立上がりタイミングＴをチエツクする。そ
してドロップアウト検出器２２はタイミングＴがある一
定時間Ｔ３に比べてＴ＜Ｔ３のときはオフにし、又Ｔ＞
７３のときはオンとなるようにする。第９図（Ｂ）、（
Ｃ）ではＴ、＜７３でオフ、Ｔ２〉Ｔ３でオンとなって
いる。又ドロップアウト検出器２２の出力は第９図（Ｃ
）に示すようにタイミングＴ２後の次の波形整形器２８
からの出力信号の立ち上がりでオフとなる。

次にドロップアウト検出器２２の出力がオンになるとス
イッチ手段２５は第９図（Ｄ）のようにオフとなり位相
比較器２４の出力信号とボルテージコントロールドオシ
レータ２７の入力信号との系が分離される。このときロ
ーパスフィルター（ＬＰＦ）２６ではスイッチ手段２５
のオフ直前の電圧を保持しボルテージコントロールドオ
シレータ２７は一定値の信号を出力する。

これによりフェーズロックドループ２３ではドツプラー
信号のドロップアウトによる出力信号のみだれを補正し
第９図（Ｅ）に示すようなドロップアウト以前の周波数
のドツプラー信号の出力を維持する。

そしてドロップアウト検出器２２の出力信号がオフにな
るとスイッチ手段２５はオンとなり通常のフェーズロッ
クドループ２３の動作に復帰する。

本実施例ではこのようにしてドロップアウトが生じたと
きの信号補間を行い検出積度の低下を防止している。

尚、第１図の実施例では反射型の回折格子な用いたが透
過型の回折格子を用いても同様に適用可能である。又回
折光としては±１次回折光の他に２次以上の回折光を用
いても良い。

又、レーザ光３の回折格子１０への入射角は垂直でなく
ても一定の角度で入射させても良い。そしてこのとき回
折格子１０より生じる±ｎｎ次回先光２つの回折光の交
差角と同じ交差角を維持しつつ±ｎｎ次回先光２つの回
折光を移動物体に入射させれば良い。

尚、同じ光源から放射された光束を用いるのであれば移
動物体に入射させる２つの回折光のうち少なくとも１つ
の回折光がｎ次回先光であれば他方の回折光はｎ次以外
、例えば０次、ｎ＋１次、ｎ＋２次等どのようなもので
あっても良い。

又、受光素子に入射させる同一光源から放射された２つ
の光束のうち一方の光束をｎ次の回折光とし移動物体に
入射させ、他方の光束を移動物体を介さないで直接受光
素子に入射させて移動物体からの散乱光と干渉させてド
ツプラー信号を得るようにしても良い。

（発明の効果） 本発明によれば前述のようにドロップアウト検出器によ
りドツプラー信号のドロップアウトを検出し、フェーズ
ロックドループの動作を一時停止させて、停止以前のフ
ェーズロックドループの出力信号を維持するように設定
することにより、ドツプラー信号のドロップアウトによ
るフェーズロックドループからの出力信号のみだれを補
正し、移動物体の速度情報を高精度に検出することがで
きるドツプラー速度計を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の要部概略図、第２
図（Ａ）、（Ｂ）は各々本発明に係る信号処理部の第１
．第２実施例のブロック図、第３図は従来のドツプラー
速度計の概略図、第４図はレーザーダイオードの発振波
長の温度依存性を示す説明図、第５図は回折格子で回折
される各次数の回折光の説明図、第６図はＧ−ＬＤＶを
用いたドツプラー速度計の概略図、第７図は従来のドツ
プラー信号の信号処理方法のブロック図、第８図はドツ
プラー信号のドロップアウトの説明図、第９図は第２図
（Ｂ）における信号処理の説明図である。 図中、１はレーザー、２はコリメーターレンズ、５ａ、
５ｂは回折光、６ａ、６ｂは反射鏡、７は移動物体、８
は集光レンズ、９は光検出器、１０は回折格子、１４は
演算手段、１０２は信号処理部、２１はバンドパスフィ
ルター、２２はドロップアウト検出器、２３はフェーズ
ロックドループ、２４は位相比較器、２５はスイッチ手
段、２６はローパスフィルター、２７はボルテージコン
トロールドオシレータ、２８は波形整形器である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長λの照射光束を所定の入射角θで移動物体に
   入射させ、該移動物体からの散乱光の周波数の偏移に基
   づいて該移動物体の速度情報を検出するドップラー速度
   計において、該照射光束の波長λの変化に応じて該入射
   角θが変化し、ｓｉｎθ／λがほぼ一定となるように該
   照射光束を該移動物体に入射せしめる光学系と、該移動
   物体の速度情報を演算し検出する信号処理部とを有し、
   該信号処理部はバンドパスフィルターとドロップアウト
   検出部そしてフェーズロックドループとを備えているこ
   とを特徴とするドップラー速度計。
2. （２）光源からの光束を回折格子に入射させ、該回折格
   子からの±ｎ次（ｎ＝１、２、・・）の２つの回折光を
   移動物体に該２つの回折光の該回折格子からの回折角の
   交差角と略等しい角度で、該２つの回折光が該移動物体
   近傍で互いに交差するように入射させ、該移動物体でド
   ップラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出し、該
   検出手段からの出力信号を用いて信号処理部で該移動物
   体の速度情報を検出するドップラー速度計において、該
   信号処理部はバンドパスフィルターとドロップアウト検
   出器そしてフェーズロックドループを有していることを
   特徴とするドップラー速度計。
3. （３）前記ドロップアウト検出器は前記バンドパスフィ
   ルターからのドップラー信号のレベルがある一定値以下
   となったとき、前記フェーズロックドループの位相比較
   器の出力とボルテージコントロールドオシレータの入力
   との系とをスイッチ手段で切るようにしていることを特
   徴とする請求項１又は２記載のドップラー速度計。
4. （４）前記信号処理部は前記バンドパスフィルターの次
   に波形整形器を設けていることを特徴とする請求項１又
   は２記載のドップラー速度計。
5. （５）前記ドロップアウト検出器は前記波形整形器から
   のドップラー信号がある一定時間以上変化がなかったと
   きに前記フェーズロックドループの位相比較器の出力と
   ボルテージコントロールドオシレータの入力との系をス
   イッチ手段で切るようにしていることを特徴とする請求
   項４記載のドップラー速度計。