JPS61241630A - 光ビ−ト周波数測定装置 - 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」 この発明は例えばレーザ・ドツプラ流速計等に利用する
ことができる光ビート周波数測定装置に関する。

「従来技術」 光散乱粒子を含む透明流体にレーザ光を透過させると、
レーザ光の周波数がドツプラ効果によって変化する現象
が見られる。またレーザ光を移動物体に照射し、その反
射光又は散乱光を受光しても同様の現象が見られる。こ
の現象を利用することによって流体の流速及び移動物体
の移動速度をを知ることができ、流体の場合はその流量
を測定することができる。

レーザ光の周波数変化を測定する方法としては被測定対
象において周波数偏移を受けたレーザ光に元のレーザ光
を混合し、光ヘテロダイン検波を行うと被測定対象で受
けた周波数偏移量に対応した周波数を持つ信号を得るこ
とができる。この信号の周波数変化を測定することによ
って例えば流体の流速及び流量を測定できる。また移動
物体の場合はその移動速度を測定できる。　　　　・信
号の周波数を測定する手段としてはスペクトラムアナラ
イザ、周波数カウンタ、或いはフェイズロックループを
利用した周波数測定器等が既に存在する。

「発明が解決しようとする問題点」 スペクトラムアナライザは光信号のＳＮ比が悪く、周波
数成分が広く分布しているような場合は有効な測定手段
と言える。然し乍らスペクトラムアナライザは周波数掃
引速度が比較的遅いため高速応答性に欠ける欠点がある
。

一方周波数カウ〜ンタによれば光信号の周期の変化を測
定することによって高速測定が可能である。

然し乍らＳＮ比が悪い信号では誤差が大きく信頼性の悪
い測定結果しか得られない。データの信頼性を高めるた
めには測定を複数回行って統計処理を行う等しなければ
ならない。また光ヘテロダイン検波した信号の周波数が
複数に分布するような場合は一つの周波数成分しか測定
できない不都合もある。

更にフェイズロックループを利用した周波数測定器も追
従する周波数は一つの周波数に限られるため周波数成分
が複数に分布する場合には、全ての周波数成分を測定す
ることができない不都合がある。

「問題点を解決するための手段」 この発明では光ヘテロダイン検波するための基準となる
レーザ光を既知の周波数で周波数掃引し、この周波数掃
引されたレーザ光と被測定対象によって周波数偏移を受
けたレーザ光を混合して光ヘテロダイン検波し、この光
ヘテロダイン検波した信号を既知の周波数帯域信号だけ
を通過させる帯域通過フィルタによって取り出し、この
フィルタから信号が出力されたときこの状態における周
波数掃引情報から被測定対象で受けたレーザ光の周波数
偏移量を知るように構成したものである。

この構成によれば周波数掃引を光周波数変調器によって
行う構造としたから電気回路の回路規模を小さくするこ
とができる。また測定精度を向上できる。

また光周波数変調器の掃引速度を高速化することにより
測定結果が得られる繰返し速度を速くすることができる
。この結果被測定対象において受ける周波数偏移の変化
を高速度で取込むことができ、はぼ連続的に被測定対象
の変化を測定できる。

「実施例」 第１図にこの発明の一実施例を示す。図中１はレーザ光
源を示す。レーザ光源１から出射１された・レーザ光２
は光分岐器３によって二つの光２Ａ、　２Ｂに分岐され
る。光分岐器３によって分岐された一方のレーザ光２Ａ
は被測定対象を構成する光学路４に与える。光分岐器３
によって分岐された他方のレーザ光２Ｂは光周波数変調
器５に与える。

被測定光学路４は例えば反射鏡４Ａと被測定対象４Ｂと
反射鏡４Ｃとによって構成することができる。

また光学路は光ファイバなどの光導波路におきかえて構
成することにより、反射鏡を使用しない簡単な光学路に
することもできる。

被測定対象４Ｂとしては例えば流体が流れる管を斜めに
横切る光学路とすることができる。

被測定対象４Ｂによって周波数偏移を受けたレーザ光２
Ａは反射鏡４Ｃによって光結合器６に与えられる。光結
合器６には光変調器５によって周波数偏移された光２Ｂ
を与え光２Ａと２Ｂを合成する。光周波数変調器５は例
えば周知の音響光学素子を用いることができる。この光
周波数変調器５には周波数掃引信号発生器７から周波数
掃引信号８を与える。

周波数掃引信号発生器７は例えばクロック発生器７Ａと
、このクロック発生器７Ａから出力されるクロックパル
スを計数するカウンタ７Ｂと、カウンタ７Ｂの計数値を
ＤＡ変換するＤＡ変換器７Ｃと、ＤＡ変換器７Ｃから出
力されるアナログ電圧によって発振周波数が制御される
電圧制御発振器７Ｄとによっ・で構成することができる
。

カウンタ７Ｂを例えば１０２４進カウンタとすればクロ
ック発生器７Ａから１０２４個のクロックパルスが出力
される毎にカウンタ７Ｂはフルカウントになり、次の１
パルスでカウンタ７Ｂの計数値はゼロに戻る。

この結果カウンタ７Ｂの計数値は０〜１０２４の間を１
ずつ歩進しこれを繰り返す。従ってＤＡ変換器７ＣのＤ
Ａ変換出力は第２図Ｂに示すように鋸歯状波電圧■とな
って出力される。この鋸歯状波電圧Ｖを電圧制御発振器
７Ｄに与えることにより電圧制御発振器７Ｄの発振周波
数は第２図Ｃに示すように周波数ｆ、〜ｆ２の間を掃引
する周波数掃引信号となって出力される。

光結合器６においてレーザ光２Ａと２Ｂを再結合すると
共にその再結合したレーザ光を光検出回路９に与え電気
信号に変換する。

光検出回路９において電気信号に変換された信号は既知
の周波数帯域において信号を通過させる帯域通過フィル
タ１１に与え、帯域通過フィルタ１１から出力される信
号を必要に応じて検波及び整形回路１２によって検波し
波形整形して帯域通過フィルタ１１から信号が出力され
たときこの検波及び整形回路１２から第２図りに示すパ
ルスＰｄを出力させる。

検波及び整形回路１２から出力されるパルスＰｄをラッ
チ回路１３又はアナログ保持回路１４に与え、ラッチ回
路１３にカウンタ７Ｂの計数値をラッチさせるか又はア
ナログ保持回路１４にＤ＾変換器７ＣのＤＡ変換出力電
圧Ｖを記憶させる。

（実施例の動作） 上述した実施例においてレーザ光源１から出射されるレ
ーザ光２の周波数をｆＬ＋被測定対象４Ｂにおいて受け
る周波数偏移量をｆＸ、光周波数変調器５において周波
数変調される各瞬時の周波数つまり電圧制御発振回路７
Ｄの発振周波数をｒ、とすると、被測定対象４Ｂを透過
した光の周波数はｆｌＩｆＸ、光周波数変調器５で周波
数変調された信号の周波数はｆＬ十ｆ、となる。

この結果光結合器６で光結合され光検出回路９から得ら
れる電気信号の周波数は光ヘテロダイン検波されてｆＢ
−ｆＸとなる。帯域通過フィルタ１１の通過帯域の周波
数をｆｃとすると、ｆ　Ｂ−ｆ　、　＝　ｆ　ｃ−−−
−−＋１１但しｆｌＩとｆｘの大小関係はｆ、＞ｆＸ又
はｆＢくｆＸの何れか一方に規定する。この第１式の条
件が満たされるとき帯域通過フィルタ１１から信号が出
力される。電圧制御発振器７０の発振周波数ｆ。

はＤＡ変換器７Ｃの出力電圧Ｖ又はＤＡ変換器７Ｃに入
力されるディジタル値から換算すれば知ることができる
。よって被測定対象４Ｂにおいて受けた周波数偏移量ｆ
ＸはｆＸ＝ｆＩｌ−ｆｃによって求めることができる。

つまりに１を比例定数とすれば、 ｆ、＝に、　　・Ｖ　　　　　−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−・−・−・−・−（２）となる。

またＤＡ変換器７Ｃの出力電圧をＶ、カウンタ７Ｂの計
数値をＣとすると、 Ｖ＝に、　　・Ｃ−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−・−（３１となる。

これらの関係式から ｆ　ｃ＝　ｋ　、　　・Ｖ　−ｆ　Ｘ−−−−−−−−
−−−−−−−−Ｔ４１又は ｆ　ｃ＝ｋ　＋　　・ｋ　ｚ　　・Ｃｆ　ｘ−・−・−
・−（５１となる。これら第４式及び第５式が満たされ
るとき帯域通過フィルタ１１から出力信号が得られる。

従って帯域通過フィルタ１１から信号が出力されたとき
この信号を検波し波形整形して第２図りに示すパルスＰ
ｄを得てこのパルスＰｄをラッチ回路１３及びアナログ
保持回路１４に与えることによってカウンタ７Ｂの計数
値Ｃ又はＤＡ変換器７Ｃの出力電圧Ｖをラッチ回路１３
又はアナログ保持回路１４に取込むことができる。計数
値Ｃ又は電圧値Ｖを知ることにより被測定対象４Ｂで受
けた周波数偏移量ｆＸを求めることができる。

「発明の効果」 上述したようにこの発明によれば光周波数変調器５を用
いて光ヘテロダイン検波を行うための基準レーザ光２Ｂ
の周波数を既知の周波数で周波数掃引する構造としたか
ら、電気回路的に周波数掃引フィルタを構成して被測定
対象４Ｂで受ける周波数偏移量を測定する構造、つまり
スペクトラムアナライザの構造と比較して電気回路の構
造を大幅に簡素化することができる。

また基準レーザ光２Ｂを周波数掃引させて被測定対象４
Ｂで受けた周波数偏移量ｆつを求めるものであるから被
測定対象４Ｂにおいて受ける周波数偏移量ｆ８がｆｌｌ
ｌｉ　　ｆｘｔ−・−・−のように複数にわたって分布
したとすると、これら複数の周波数’ＩＩＩ＋　　ｒｘ
ｚ−を測定することができる。このためにはラッチ回路
１３にラッチした計数値Ｃ又はアナログ保持回路１４に
保持した電圧Ｖを順次データ処理装置（特に図示してい
ない）に取込む構造とすればよい。

つまり周波数掃引信号発生器７が一回掃引する間に複数
のデータが出力されると、一つのランチ回路１３及びア
ナログ保持回路１４だけでは全て・のデータを保持する
ことはできない。このためにデータが出力される毎にデ
ータ処理装置に取込むようにすればよい。

またこの発明によればクロック発振器７Ａの発振周波数
を高く設定し、電圧制御発振器７Ｄの周波数掃引繰返し
周波数を高くすることによって被測定対象４Ｂの変化を
高速度で検出することができる。

よって高速応答性のよい例えば流量測定装置を得ること
ができる。

またこの発明によればカウンタ７Ｂのビット数を大きく
採り、かつ帯域通過フィルタの帯域幅を狭くすれば精度
の向上を容易に達することができる。

またこの発明では発振回路７Ａ、カウンタ７Ｂ、　ＤＡ
変換器７Ｃによって周波数掃引信号発生器７を構成した
からこの周波数掃引信号発生器７の例えばカウンタ７Ｂ
又はＤ＾変換器７Ｃから信号を取出すことにより外部で
測定結果をＡＤ変換する等しなくともリアルタイムでデ
ィジタル及びアナログの任意の一方又は双方の方式で測
定結果を得ることができ、この点でも構成を簡単にする
ことができる。

「発明の他の実施例」 第３図及び第４図にこの発明の他の実施例を示す。第３
図の実施例では光周波数変調器５と被測定対象４Ｂを直
列関係に配置した場合を示す。このように構成した場合
も光検出回路９から得られる電気信号は光ヘテロダイン
検波された周波数ｆＢ−ｆＸを持つ。

また第４図の例では被測定対象４Ｂが光結合機能を持つ
場合を示す。従って被測定対象４Ｂから出射される光１
５はすでに光ヘテロダイン検波されており、その光を光
検出器９によって電気信号に変換すればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明するためのブロック
図、第２図はこの発明の詳細な説明するための波形図、
第３図及び第４図はこの発明の他の実施例を説明するた
めのブロック図である。 １：レーザ光源、２：レーザ光、２Ａ、２Ｂ：二分岐さ
れたレーザ光、３：光分岐器、４：被測定光学路、５：
光周波数変調器、６：光結合器、７：掃引周波数発生器
、７Ａ：クロック発振器、７Ｂ：カウンタ、７Ｃｊ　Ｄ
Ａ変換器、７Ｄ：電圧制御発振器、８：周波数掃引信号
、９：光検出器、１１：帯域通過フィルタ、１２：検波
及び波形整形回路、１３：ラッチ回路、１４：アナログ
保持回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源から照射されたレーザ光を二分岐し、
   その一方を被測定対象に与え、被測定対象によって与え
   られたレーザ光の周波数偏移を上記分岐された他方の光
   と結合することによって光ヘテロダイン検波して得るよ
   うにした光ビート周波数測定装置において、 上記二分岐された何れか一方の光を光周波数変調器によ
   って既知の周波数で周波数掃引し、その周波数掃引によ
   って得られる光ヘテロダイン検波出力を狭帯域フィルタ
   によって取出し、この狭帯域フィルタから信号が出力さ
   れた時点の周波数掃引周波数によって被測定対象で受け
   た光の周波数偏移量を測定するように構成した光ビート
   周波数測定装置。