JPH0972961A - レーザードップラー速度計 - Google Patents
レーザードップラー速度計Info
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Abstract
合フィルタ回路の振幅特性、位相特性が測定結果に及ぼ
す影響を除去すること。 【解決手段】 被測定対象の速度情報を含む信号を濾波
する総合フィルタ回路に、該被測定対象に印加する加振
信号を直接入力して、該総合フィルタ回路の特性を調べ
て、それを使って測定結果に修正を行うか、上記総合フ
ィルタ回路と同じ特性を有する参照用総合フィルタ回路
を設けてそれに被測定対象に印加する加振信号を入力し
て総合フィルタ回路の特性を得て、それを使って測定結
果の修正を行うようにする。
Description
ー速度計に関する。更に詳しく言えば、レーザービーム
を測定しようとする対象物に投射して、その対象物によ
って周波数変調をうけて反射してくる反射光をFM復調
することにより、振動物の速度を測定することに関す
る。
図9を参照して、レーザードップラー速度計の原理を簡
単に説明する。図示のように、レーザー光源41から出
射したレーザー光はビームスプリッタ42で2つの光に
分割され、そのうちの1つは参照光として反射鏡43、
光変調器44、反射鏡45の経路を経てビームスプリッ
タ46に入射する。
う一つの光はビームスプリッタ46を透過して被測定物
に投射し、そこから反射してきた光が再びビームスプリ
ッタ46に入射する。ビームスプリッタ46では、被測
定物からの反射光と参照光が干渉し、この干渉光を光検
出器48で検出する。
振動しているとその振動に応じて周波数が変調されてい
るので、これをFM復調すれば被測定物の振動速度が検
出できる。ここでは被測定物の振動速度と説明したが、
振動に限ることなく、被測定物の移動速度についても同
様に測定できる。
ついて、図6を参照して、簡単に説明する。同図におい
て、プローブ1は、図9を参照して上記した光学系で成
り、レーザー光源、光変調器、干渉系等を含む測定用の
レーザー光の送受信器でなる。プローブ1の出力はFM
復調器2に供給され、受信した被測定対象からの反射光
が復調されて速度情報が検出され、総合フィルタ回路3
を通した後、出力端子4に出力される。
て、従来、出力の高域での位相遅れが問題になってい
た。そうして、その原因のほとんどがFM復調器の後段
に設けられたローパスフィルタ等にあった。この他に、
ハイパスフィルタ、微分回路、積分回路等に原因がある
場合もある。
パルスカウント方式が用いられ、その他にもクアドラチ
ャ、PLL方式等が用いられるが、その復調器としてF
M復調器を使うので、どうしてもキャリア除去用のロー
パスフィルタが必要である。また、FM特有の三角ノイ
ズの除去用に数種類のカットオフ周波数のローパスフィ
ルタが切換えて使用できるように準備されている。
数以下で振幅がフラットな領域でも、位相はかなり早い
時点から遅れ始める。例えば、簡単なCRによる一次ロ
ーパスフィルタの伝達関数は G(jω)=(1/CR)/(jω+(1/CR)) で与えられ、振幅絶対値|G|及び位相argGは夫々 |G|=(1/(1+(ωCR)2 )n ,n=1/2 argG=−arch・tan(ωCR) となる。
では、振幅の絶対値は1/(2の1/2乗)=0.07
07‥‥であるのに対して位相は45°遅れる。実際に
は8次のバターワースローパスフィルタ等が使われ、こ
の時カットオフ周波数における振幅絶対値はほぼゼロデ
シベルなのに対し、位相は360°遅れる。
ものが位相遅れを持っているので、保障されている出力
振幅帯域内においても、それが被測定対象の位相特性に
加算され、誤った測定がされる恐れがあった。
のことをカタログや仕様書で詳細に説明していないた
め、ユーザーがレーザードップラー速度計の性能を信じ
て保障出力振幅帯域内での正確な振幅位相ベクトル測定
ができると思っていたために測定を誤ってしまうことが
あった。
の方法で、この位相遅れをキャンセルした測定を行って
いた。一番単純な方法は、メーカーからレーザードップ
ラー速度計内部のローパスフィルタ、ハイパスフィルタ
等の振幅位相の周波数特性の実測データを貰い、それを
使って換算することにより正しい値を得ていた。
業であり、コンピュータを使って行ったとしても測定時
のレゾルーション(解像度)がいつも一定とは限らない
し、全てのユーザーが、サーボアナライザー、ロックイ
ンアンプ、オシロスコープ等の測定結果をAD変換器や
HPIB等でコンピュータに取り込んでいるとは限らな
いのであまり良い方法とはいえない。
法がある。即ち、サーボアナライザ7、基準振動源1
1、被測定対象8、レーザードップラー速度計(プロー
ブ1、FM復調器2、総合フィルタ回路3)を準備し、
先ず、サーボアナライザ7の出力端子OUTから基準振
動源11に加振信号(スイープ信号)を加え、この基準
振動源が発する振動の速度を、プローブ1、FM復調器
2、総合フィルタ回路3からなるレーザードップラー速
度計で測定し、その結果をサーボアナライザ7の入力端
子INBに入力する。
号はサーボアナライザ7のもう一つの入力INAに入力
するように接続されているので、これらの入力端子IN
A,INBに入力する信号から、このサーボアナライザ
7で加振信号と測定信号の振幅位相差を測定するベクト
ル解析をおこない、出力端子OUTから出力する加振信
号(入力速度)に対する出力信号の振幅及び位相の周波
数特性を測定し、これを基準値として蓄積しておく。
Tから被測定対象8に加振信号を印加する。このとき、
出力端子OUTからの出力を入力端子INAにも供給す
るように接続しておく。被測定対象8は、加振信号によ
って振動する。この振動の速度をレーザードップラー速
度計(プローブ1、FM復調器2、総合フィルタ回路
3)によって測定し、その測定結果をサーボアナライザ
7の入力端子INBに入力する。
ら入力する加振信号と入力端子INBから入力する測定
結果である振動速度とに基いてベクトル解析法により振
幅位相ベクトル測定を行い、これを上記基準値と比較す
ることにより、正確な測定値を得ている。
源(又は基準速度源)の性能(換言すると、入力電圧対
出力速度の振幅位相の周波数特性)がプローブ1、FM
復調器2、総合フィルタ回路3からなるレーザードップ
ラー速度計の性能を越えている場合に限られる。それ
故、最近のレーザードップラー速度計の性能向上から考
えて、この方法は有効でなく、せいぜい、或基準振動
(速度)源と被測定対象の差、つまり相対評価ができる
というものである。
説明する方法がある。この方法は、図7を参照して上述
した方法とほぼ同じであるが、基準振動源11の代わり
にFM変調器12を使用している点が異なる。
入力端子INAに入力するとともに、FM変調器12に
供給し、そこでFM変調された信号をFM復調器2に印
加し、FM復調した信号を総合フィルタ回路3をとおし
た後、サーボアナライザ7の入力端子INBに入力す
る。なお、上記FM復調器には、入力端子として一般ユ
ーザーが利用し易いようにBNC等の標準端子として開
放しているものもある。
INA,INBに供給される信号をベクトル解析法によ
り解析して、FM復調後の総合フィルタ回路の振幅位相
の入出力位相特性を測定し、その結果をサーボアナライ
ザ7に記憶させ、それを基準値とする。この場合、FM
変調器12とFM復調器2は上記入出力周波数特性に殆
ど影響を与えないことを前提とする。実際問題として
も、性能の良いFM変調器とレーザードップラー速度計
を用いれば殆ど影響はない。
同様にして、サーボアナライザ7からの信号を被測定対
象に供給し、その被測定対象の振動(速度)をレーザー
の投射によって検出し、プローブ1で受け、FM復調器
2、総合フィルタ回路3を介した後サーボアナライザ7
の入力端子INBに供給する。サーボアナライザ7は、
これら2つの入力をもとにして振幅位相のベクトル計算
をし、基準値と比較して正確な振幅位相ベクトルを出力
する。
いるが、性能の良い高価なFM変調器が必要であるとい
う欠点がある。因みに、キャリア周波数は80MHzく
らいが必要なものが多く、周波数偏移も場合によっては
数MHz必要になる。
プラー速度計の欠点を克服し、簡単な構成で、信頼性の
ある測定結果の得られるレーザードップラー速度計を提
供することを目的とする。
めに、本発明によれば、被測定対象にレーザー光を投射
するレーザー光源と、該被測定対象からの反射光と参照
光の合成光を検出する光検出手段を備え、該光検出手段
によって検出した信号をFM復調器によって復調して上
記被測定対象の速度を測定するようになされたレーザー
ドップラー速度計において、上記FM復調器とその後に
設けられたローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、微分
回路、積分回路、またはそれらの組み合わせからなる総
合フィルタ回路との間に、切換スイッチを設け、外部か
ら該総合フィルタ回路に直接入力する信号の入力端子に
切換接続できるようにしたレーザードップラー速度計を
提供する。また、上記切換スイッチにより切り換えるこ
とに代えて、上記FM復調器の後にローパスフィルタ、
ハイパスフィルタ、微分回路、積分回路、またはそれら
の組み合わせからなる総合フィルタ回路を設けるととも
に、それと同一または一部が同一の特性であり、独立の
入出力端子を有する第2の総合フィルタ回路を設けたレ
ーザードップラー速度計を提供する。
ー速度計の一実施形態を示すシステム構成図である。同
図に示すように、レーザードップラー速度計は、プロー
ブ1、FM復調器2、総合フィルタ回路3、出力端子
4、切換スイッチ5、及び入力端子6を備えている。
射するレーザー光の光源、参照光に対する光変調器、対
象物から反射してくるFM変調されたレーザー光と上記
参照光の干渉を作り、それの光信号を電気信号に変換す
る光電変換器等を含む。
きの速度によって変調を受けた信号を復調して、速度情
報を取り出す回路である。総合フィルタ回路3は、FM
復調器の出力に現れる複数の周波数成分の中から希望す
る周波数帯域の信号を取り出すための濾波回路である。
この総合フィルタ回路3には、FM復調器の出力に現れ
るキャリア周波数成分を除去するためのフィルタを設け
ることができる。
フィルタ回路3に入力する場合に使う端子である。スイ
ッチ5は、総合フィルタ回路への入力をFM復調器2か
らの出力と入力端子6からの入力との間で切り換えるた
めのスイッチである。
速度計を使った測定について図2を参照して説明する。
先ず、サーボアナライザ7から被測定対象8に対して加
振信号を供給するとともに、その加振信号を自己の入力
端子INAに入力するように回路接続をする。
ドップラー速度計を置いて、上記サーボアナライザ7か
らの出力を直接入力端子6に接続する。このレーザード
ップラー速度計の出力端子4は上記サーボアナライザ1
の入力端子INBに接続する。測定に際しては、先ずス
イッチ5を入力端子6側に切り換え、サーボアナライザ
7の出力端子OUTから供給される加振信号(スイープ
信号)を直接総合フィルタ回路3に供給する。この総合
フィルタ回路3の出力はサーボアナライザ7の入力端子
INBに供給され、サーボアナライザ7において、送出
した加振信号と受信した総合フィルタ回路の出力から、
総合フィルタ回路3の入出力の振幅位相周波数特性を測
定し、その値をサーボアナライザ7内に記憶する。
復調器2の出力を総合フィルタ回路3の入力に接続す
る。この時、サーボアナライザ7から被測定対象8に加
振信号が与えられているので被測定対象は振動してい
る。レーザードップラー速度計は、そのプローブ1から
測定のためのレーザー光を被測定対象に投射し、被測定
対象の振動速度に応じて変調された反射光を同プローブ
で受信し電気信号に変えて、FM復調器2に送る。
は総合フィルタ回路3で濾波されて、サーボアナライザ
7の入力端子INBに供給される。サーボアナライザ7
はこの信号をベクトル解析して、前記基準値との差をと
ることによって、正確な振幅位相ベクトル値を得ること
ができる。
の第2の実施形態について、図3及び図4を参照して説
明する。図3のシステム構成において、プローブ1はレ
ーザー光の送受信器であってレーザー光源、光変調器、
干渉系、受光素子等の光学系でなることは、上記実施形
態の場合と同じである。
3.1,3.2についても基本的には上記実施形態の場
合と同じである。本実施形態が第1の実施形態と異なる
点は、総合フィルタ回路が2組設けられている点であ
る。総合フィルタ回路1はFM復調器2からの出力を濾
波するのに使うフィルタであり、上記第1実施形態にお
いて用いられるものと同じ役割を果たす。
るフィルタであり、総合フィルタ回路1と同一の入出力
振幅位相周波数特性を持つフィルタが用意される。この
フィルタ回路は上記測定のためのループとは別に設けら
れ、その入力端子、出力端子も独立に設けられる。
定について、図4を参照して、下記に説明する。測定に
先立って、装置の接続が行われる。この接続は、図4に
図示するとおり、サーボアナライザ7の出力端子OUT
が総合フィルタ回路2の入力端子9に接続され、総合フ
ィルタ回路2の出力端子10がサーボアナライザ7の入
力端子INAに接続される。
測定対象8にも接続される。被測定対象8に対しては、
プローブ1からレーザー光を投射し、その反射光を同プ
ローブで受信することができるように、被測定対象8と
プローブ1を適正位置に配置する。従って、これらの間
は光学的に接続されていると考えることもできる。
給され、FM復調器からの出力は総合フィルタ回路1
(3.1)に送られ、そこで濾波された出力信号がサー
ボアナライザ7の入力端子INBに供給されるように装
置間の接続が行われる。
OUTから加振信号(スイープ信号)を被測定対象8に
印加するとともに、その加振信号を総合フィルタ回路2
(3.2)にも供給し、総合フィルタ回路2を通った加
振信号がサーボアナライザ7の入力端子INAに供給さ
れる。
象8の速度に関する情報信号はFM復調器2で復調され
て検出される。FM復調器2からの出力は総合フィルタ
回路1に送られ、そこで不用な周波数成分が除去された
信号がサーボアナライザ7の入力端子INBに供給され
る。
の信号、即ち、総合フィルタ回路2を通過した加振信号
とレーザードップラー速度計の出力から送られてくる信
号をベクトル解析によって測定して、振幅位相周波数特
性の解析測定を行う。この場合、レーザードップラー速
度計に含まれる総合フィルタ回路1による影響を基準と
して設けた総合フィルタ回路2による影響で打ち消すこ
とにより、正確な振幅位相ベクトル測定ができる。
られる総合フィルタ回路には、ローパスフィルタ、また
はハイパスフィルタ、または微分回路、または積分回
路、またはそれらの組み合わせから構成される。
ドップラー速度計に用いられる総合フィルタ回路の一例
について説明する。この総合フィルタ回路は、同図に示
すように、入力端子21と出力端子34の間に単位フィ
ルタが多段接続される構成になっている。図5に示すフ
ィルタの構成は2段接続の例であり、各段は3個の単位
フィルタが並列に配置され、切換スイッチによって切り
換えられるようになっている。
介してスイッチ23(SW1)の固定接点に接続されて
おり、スイッチ23の第1の接点は低域通過フィルタ2
4(LPF12K)の入力に接続されている。同スイッ
チの第2の接点、第3の接点は夫々低域通過フィルタ2
5(LPF120K)、低域通過フィルタ26(LPF
1.2M)の入力に接続されている。
(SW2)の切換接点に接続されていて、接点切換によ
って一時に1つのフィルタが出力側の固定接点に接続さ
れるようになっている。第1段の出力は第2段の入力側
切換スイッチ28(SW3)の固定接点に接続され、高
域通過フィルタ29(HPF OFF (DC)),3
0(HPF0.5),31(HPF100)に切換接続
できるようになっている。
換スイッチ32(SW4)によって出力側固定接点に切
換接続される。この第2段の出力は増幅器又はバッファ
33を介して出力端子34に接続されている。この総合
フィルタは、切換スイッチSW1とSW2を連動して切
り換えて3個の単位フィルタ24,25,26の中から
1つを選択し、それと同時に切換スイッチSW3とSW
4を連動して切り換えて3個の単位フィルタ29,3
0,31の中から1つを選択して、それらの選択された
フィルタの組み合わせによって総合的なフィルタ特性を
与える。
を記すと、低域通過フィルタ(ローパスフィルタ)のカ
ットオフ周波数は、フィルタ24が12KHz、フィル
タ25が120KHz、フィルタ26が1.2MHzで
あり、高域通過フィルタ(ハイパスフィルタ)のカット
オフ周波数は、フィルタ29が低域カットオフ周波数な
し、即ち直流まで、フィルタ30が0.5Hz、フィル
タ31が100Hzである。
に用いられる総合フィルタ回路について、説明したが、
ここに示した回路はほんの一例にすぎず、他の種々の回
路を用いることができることは云うまでもない。
られる総合フィルタ回路2は、総合フィルタ回路1の周
波数特性の中で測定結果に最も大きな影響を与えるロー
パスフィルタの周波数特性についてだけ修正可能とする
ために、総合フィルタ回路1のローパスフィルタと略同
じ特性を有するローパスフィルタだけを設けたものとす
ることができる。
その内部で使用されるフィルタの周波数特性に起因する
測定値の振幅及び位相特性の不正確さを修正できる構成
を備えている。本発明の第1の観点に依れば、レーザー
ドップラー速度計の内部の総合フィルタ回路の入力側に
切換スイッチにより切換できる入力端子を設けて、被測
定対象に印加する加振信号を直接総合フィルタ回路に入
力した時の出力と、測定対象を測定した結果の信号を該
総合フィルタ回路に入力した時の出力とを得て、それら
を比べることにより、その総合フィルタ回路の位相特性
を補正した正しい位相特性の測定結果を得ることができ
る。
ップラー速度計の内部に測定用の総合フィルタ回路の他
に、その総合フィルタと略同じ特性を持つ基準総合フィ
ルタ回路を設けて、被測定対象に印加する加振信号を直
接その基準総合フィルタ回路に供給し、その総合フィル
タ回路の出力と、被測定対象を測定した結果の信号をレ
ーザードップラー速度計内の測定用総合フィルタ回路を
とおした出力とを比較して、位相特性の正しい測定値を
得るようにしているので、測定値解析用のサーボアナラ
イザ1に記憶機能を必要としない。また、測定が一度に
できるので測定時間が短縮される。この場合総合フィル
タ回路を2つ必要とするが、全体を2重に設けるよりは
安価にできる。
すシステム構成図である。
する場合の装置接続を示すブロック図である。
示すシステム構成図である。
する場合の装置接続を示すブロック図である。
る。
成図である。
する場合の装置接続の一例を示すブロック図である。
する場合の装置接続の他の例を示すブロック図である。
ク図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 被測定対象にレーザー光を投射するレー
ザー光源と、該被測定対象からの反射光と参照光の合成
光を検出する光検出手段を備え、該光検出手段によって
検出した信号をFM復調器によって復調して上記被測定
対象の速度を測定するようになされたレーザードップラ
ー速度計において、 上記FM復調器とその後に設けられたローパスフィル
タ、又はハイパスフィルタ、又は微分回路、又は積分回
路、またはそれらの組み合わせからなる総合フィルタ回
路との間に、切換スイッチを設け、外部から該総合フィ
ルタ回路に直接入力する信号の入力端子に切換接続でき
るようにしたレーザードップラー速度計。 - 【請求項2】 被測定対象にレーザー光を投射するレー
ザー光源と、該被測定対象からの反射光と参照光の合成
光を検出する光検出手段とを備え、該光検出手段によっ
て検出した信号をFM復調器によって復調して上記被測
定対象の速度を測定するようになされたレーザードップ
ラー速度計において、 上記FM復調器の後にローパスフィルタ、又はハイパス
フィルタ、又は微分回路、又は積分回路、またはそれら
の組み合わせからなる総合フィルタ回路を設けるととも
に、それと略同一または一部が略同一の特性であり、独
立の入出力端子を有する第2の総合フィルタ回路を設け
たことを特徴とするレーザードップラー速度計。
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DE69637847T DE69637847D1 (de) | 1995-09-06 | 1996-09-04 | Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessgerät |
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