JPS6354244B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はアナログ電気信号の時間遅延を音響
光学的手法を用いて行い、１つの入力信号に対し
て僅かづつ遅延時間の異なる複数の遅延信号を同
時に出力するようにした、電気信号の複数遅延信
号発生装置に関するものである。

従来よりアナログ電気信号の時間遅延を行うい
くつかの方法が考えられてきている。その第１は
デイジタルメモリ等によつて電気信号を一時記憶
し、読み出し時刻の制御を行う方法である。この
方法を装置化したものは汎用性に富み、高精度が
期待できるが、アナログ信号の波形再現精度を確
保するために非常に多くの記憶素子を必要とし、
かつ、Ａ−Ｄ（アナログ−デイジタル）およびＤ
−Ａ変換器を必要とする。よつて、装置が非常に
複雑な構成となり、高価である。次にCCD
（Charge Coupled Device）、BBD（Bucket
Brigade Device）等の信号転送遅延素子を用い
る方法があるが、この方法も良好な遅延信号波形
を得るには、多数の素子と複雑な電気回路を必要
とする。またSAW（Surface Acoustic Wave：
表面弾性波）素子を使用する方法も前記例と同様
に複雑な回路構成を必要とし、かつ、遅延時間が
素子形状で決定されるため、容易に可変できない
欠点をもつ。さらにまた、アナログ信号を磁気テ
ープなどに記録し、再生時刻を制御する方法もあ
るが、これら機械的動作を伴う方法には、装置が
大形化する欠点、あるいは、動作時間や安定性に
関する問題がある。

このように、アナログ信号の時間遅延を電子回
路や機械装置を用いて簡単に精度良く実行するこ
とは大変難しい。

本発明は、電気信号の時間軸処理に音響光学的
な空間信号処理の手法を用い、アナログ電気信号
を超音波信号に変換して空間的に一時記憶し、適
当な時刻に信号検出用の複数の超音波ビームと平
面波光とを用いてこの超音波信号を検出し、前記
複数の超音波ビームの位置によつて定まる遅延時
間をもつた複数の遅延信号を同時刻に得ることが
でき、かつ、電気回路による遅延装置等よりはる
かに簡素化されている、電気信号の複数遅延信号
発生装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、信号処理すべきアナログ電気
信号は液体等の超音波伝搬媒質が満たされている
音響光学的セルの内部に配置した第１の超音波振
動子に加えられ、前記セル内に超音波信号として
放射される。この超音波信号は超音波振動子面に
対向して配置された超音波吸収部材に到達して吸
収されるまで、前記アナログ電気信号の情報を空
間的な形で保持している。この時、前記アナログ
電気信号の時間軸は、前記超音波信号の伝搬方向
に設定した空間軸に対応している、空間的に保持
されている情報の読み出しは、前記空間軸の位置
座標の指定を第２の振動子より発射した超音波ビ
ームによつて行い、指定位置の情報検出を光を用
いて行う。すなわち、前記アナログ電気信号によ
る前記セル内の超音波信号全体に平面波光を照射
しつつ、検出すべき空間位置に幅の狭い超音波ビ
ームを発射すると、２つの超音波が光進行方向よ
り見て重なり合つている部分を通過した平面波光
に他の部分とは異なる特定の位相変化が生ずる。
この位相変化は１枚のレンズで光量変化に変換で
き、この光量変化を光電変換して得られる電気信
号は、前記アナログ電気信号の振幅自乗値に比例
する。ゆえに、前記光電変換して得られた電気信
号は、前記アナログ電気信号を超音波伝搬時間を
利用して時間遅延させたものとなり、遅延時間は
第１の振動子と前記２つの超音波の重なり合つた
部分との空間距離を前記セル内の超音波伝搬速度
で割つた値となる。前記超音波ビームの発射位
置、および発射時刻は電気信号によつて制御され
るため、遅延時間の高速かつ微細な変化を行なう
ことができ、また、前記超音波ビームの有無によ
つて信号サンプリング動作が可能であるため入力
したアナログ電気信号の遅延時間の異なるサンプ
リング信号を得ることができる。これらのサンプ
リング信号の遅延時間をわずかづつ規制的に変化
させたものを得、電気的フイルタ回路で連続信号
に変換することにより、前記アナログ電気信号に
時間的伸長、圧縮などの時間軸処理を施した信号
を得ることができる。

つぎに、図面を用いて本発明の詳しい説明を行
う。第１図は本発明の構成要素の１つである電気
信号処理用の音響光学的セル１の実施例における
構成図である。前記セルにはその内部に液体等の
超音波伝搬媒質２を充てんしてあり、対向する両
壁には光束を通過させる一対の光透過窓３ａ，３
ｂが備えられ、この窓を通過した光束の進行方向
に垂直に超音波が発射されるよう第１の振動子４
が配置されている。また、前記第１の振動子より
所定の距離だけ離れた場所に、前記光束の進行方
向と垂直に、かつ、前記第１の振動子より発射さ
れた超音波と空間的に交差する超音波ビームを発
射させるための１個以上の第２の振動子５が配列
されている。さらに、第２図に示すように、前記
第１、第２の振動子に対向した壁面には超音波を
吸収し、無用の反射を防止するための超音波吸収
部材６ａ，６ｂが備えられており、前記各振動子
に個別に信号を加えるための信号入力端子７ａ，
７ｂが設けられている。

第３図は、前記音響光学的セルの内部における
超音波信号８と、超音波ビーム９の関係を示した
ものである。同図ａに示すアナログ入力信号１０
によつて振幅変調された周波数sの正弦波信号を
前記信号入力端子７ａに加え、第１の振動子４に
よつて前記セル内に超音波信号８として発射す
る。この超音波信号により前記セル内には超音波
伝搬物質の密度変化による光学的位相格子が形成
される。この位相格子は前記セル内の音速をＶと
すれば（Ｖ／S）の格子定数をもつ、一次元進
行形正弦波格子であり、かつまた、その正弦波振
幅の最大値、すなわち、前記媒質中の密度変化の
最大値を示す抱絡線は前記アナログ入力信号によ
つて定められるものである。

つぎに、第３図ｂに示すように、第１の振動子
４よりＸ方向に距離Ldだけ離れた位置において
第２の振動子５のうちの１つより前記平面波光の
入射方向と垂直に、かつ、前記超音波信号８と交
差するように超音波ビーム９を発射する場合を考
える。この超音波ビームの進行方向軸をＹとす
る。Ｘ軸とＹ軸は必ずしも空間の１点において直
交させる必要はないが、同図では両軸の直交した
状態を示している。前記超音波ビームは前記第２
の振動子５に一定周波数_Bの正弦波信号を加える
ことにより発射させる。この超音波ビームは前述
した超音波信号８の場合と同様に、前記セル内に
おいてｙ軸方向に進行する一次元位相格子を形成
する。この超音波ビームと前記超音波信号とが空
間的に交差している領域では、Ｘ、Ｙ軸両方向に
正弦波分布する二次元位相格子が形成される。こ
の二次元位相格子を通過した平面波光束は格子の
状態に応じて二次元的位相変化を受けるが、前記
超音波ビームの強度を一定に保つことにより、そ
の変化量および変化の分布はアナログ入力信号１
０の振幅値のみの変化によるものとなる。ゆえ
に、同図ａに示したアナログ入力信号による超音
波が、同図ｂに示すように前記セル内を伝搬し、
前記超音波ビームがこれに交差するように発射さ
れた場合、前記二次元位相格子部分を通過した平
面波光には、同図ａのアナログ信号の斜線部分の
面積値に対応した位相変化が生じる。超音波ビー
ム９のＸ軸方向長さＰが、前記アナログ入力信号
の前記セル内における最小空間周期に比較し十分
小さな場合、前記斜線部分の面積値をもつて前記
アナログ入力信号の振幅値に近似することが可能
であるから、前記位相変化を生じた平面波光束の
二次元的変化分を後述する光学的方法で検出すれ
ば、時間（Ld／Ｖ）だけ遅延した前記アナログ
入力信号波形を得ることができる。

つぎに、音響光学的セル１内における２つの超
音波の重なり具合を検出する光学的方法について
説明する。第４図ａに示すように前記セル内で超
音波信号８とパルス超音波１１によつて作られた
二次元位相格子を通過する平面波光は二次元的位
相変化を受け、これをレンズ１２によつて集束す
るとレンズの焦点面１３に二次元回折像が生ず
る。同図ｂは光軸方向より見た音響光学的セル１
を示し、同図ｃは同図ｂのＸ、Ｙ軸と空間的に平
行になるようα、β軸を定めた空間的光学フイル
タ１４を示している。前記空間的光学フイルタは
前記焦点面に配置され、所望の回折像輝点を検出
するものである。さて、前記セル内における超音
波信号８の格子定数はＶ／sであるから、この正
弦波格子により回折像はフラウンホーフアーの回
折原理によつて、前記フイルタ面上のα軸上、光
軸点より±dsだけ離れた点に生ずる。dsの値は、 ds＝±（λFs）／Ｖ ………(1) で表わされ、λは平面波状の波長、Ｆはレンズ１
２の焦点距離である。同様に、前記パルス超音波
による回折像輝点はβ軸上の光軸より±d_Bだけ離
れた場所に生ずる。d_Bの値は、パルス超音波の正
弦波（搬送波）周波数を_Bとすれば、 d_B＝±（λF_B）／Ｖ ………(2) で表わされる。本発明では、検出する回折像を１
次回折輝点のみに限定しているため、上式(1)、(2)
のdsd_Bの値は１次回折光の位置を示すものであ
る。前記２つの超音波が重なつた領域を通過した
平面波光による回折輝点は、前記超音波信号によ
りα軸方向に回折した平面波光が、さらに、前記
パルス超音波によつてβ軸方向に回折したもの、
あるいは、この逆と考えることができ、前記フイ
ルタ面上のR_1〜4（±ds、±d_B）の位置に発生する。
ゆえに、これら４個の輝点のうち１個以上のもの
を検出し、光電変換すれば、アナログ入力信号１
０を時間（Ld／Ｖ）だけ遅延させた電気信号が
得られる。ここでさらに、複数個の第２の振動子
５より各々同時に超音波ビーム１１を発射した場
合を考える。各々の超音波ビーム１１の時間周波
数を_B1、_B2、………_Bi………_Boとすれば、これ
らの超音波ビームによる回折輝点は、前述の説明
と同様に、 d_Bi＝±（λF_Bi）／Ｖ（ｉ＝１〜ｎ） ………(3) の座標で示されるβ軸上の点に現われる。また、
これらの超音波ビームを発射した第２の振動子５
の、第１の振動子４よりの距離をLd₁、Ld₂、…
……Ldi、Ldnとすれば、Ri₁〜i₄｛±ds、±
（λF_Bi／Ｖ、ｉ＝１〜ｎ｝に現われている輝度を
個別に検出し、光電変換することにより、遅延時
間が（Ldi／Ｖ、ｉ＝１〜ｎ）の複数の遅延信号
を同時刻に得ることが可能となる。第５図にｉ＝
３の場合の、超音波ビーム１１と空間的光学的フ
イルタ１４面上の輝点位置とを示す。ただし、超
音波周波数は_B1＞_B2＞_B3と仮定する。同図ａで
明らかなように、複数の遅延信号の遅延時間差は
Ldiの差で定まり、Ldiの差の最小値は第２の振
動子５の幅Ｐとなる。ゆえに、遅延時間の微少な
変化を必要とする場合は幅の狭い第２の振動子を
用いるか、あるいは、超音波速度Ｖの大きな超音
波伝搬媒質２を使用する必要がある。さらに、同
時に検出可能な遅延信号は、音響光学的セル１内
に配列可能な第２の振動子５の数、または、同図
ｂに示した空間的光学フイルタ１５面上の輝点の
分解能および前記フイルタの輝度検出能力によつ
て定められる。

第６図は、本発明の電気信号の複数遅延信号発
生装置の実施例における全体構成図である。遅延
処理を行なうべきアナログ信号を信号入力端子１
５に加え、平方根演算回路１６によつて振幅の自
乗圧縮を行う。この自乗圧縮の目的は、遅延信号
検出の際の光電変換における光電変換器１７の自
乗特性を補正し、本装置の入出力信号振幅に比例
関係を持たせることである。もちろん、前記アナ
ログ入力信号が２値信号の場合には、この回路は
必要としない。さて、平方根演算回路１６の出力
信号は、第１の振幅変調回路１８に送られ、第１
の発振器１９で発生させた正弦波搬送波を振幅変
調する。この振幅変調を受けた正弦波信号は、音
響光学的セル１の内部に設置されている第１の振
動子４に加えられ、前記セル内の超音波伝搬物質
２中に超音波信号８として放射される。一方、第
２の発振器２０で発生させた複数の第２の正弦波
搬送波は複数の出力端子を有する分配回路２１に
送られ、分配制御回路２２より送られてくる分配
制御信号に従つて前記複数の出力端子に分配され
る。前記複数の出力端子は一定の順序で前記セル
内に配列されている複数の第２の振動子５に接続
されており、これによつて、前記第２の振動子の
うち所望の距離Ldiの所にある振動子のみが所望
の周波数_Biで振動し、前記セル内に超音波ビー
ムが発射される。これらの超音波ビームと前記超
音波信号との重なり合つた部分は、前記セルの光
透過窓３ａ，３ｂを通過する平面波光を二次元的
に位相変調し、この位相変調を受けた平面波光は
レンズ１２で集束して回折像を生ずる。この回折
像のうち、前記超音波ビームと前記超音波信号と
が重なり合うことによつて生じた複数個の輝点を
空間的光学フイルタ１４によつて検出し、各々を
複数の光電変換器１７によつて電気信号に変換す
れば、並列出力端子２３に遅延時間を異なる信号
が同時に得られる。

本発明は以上のような構成であり、第１、第２
の振動子４，５および超音波吸収部材６ａ，６ｂ
を内壁に備えた音響光学的セル１に平面波光を入
射し、前記振動子より前記セル内に充てんしてあ
る超音波伝搬物質２中に超音波信号を発射して前
記平面波光に位相変化を与え、この位相変化を複
数の超音波ビーム１１とレンズ１２、空間的光学
フイルタ１４を用いた光学的手法によつて検出
し、光電変換することにより前記第１の振動子に
加えた電気信号の遅延時間の異なる複数の遅延信
号を同時に得ることができる効果を有する。ま
た、これらの並列出力された遅延信号の、各々の
遅延時間の差を微少に、かつ一定値になるように
設定すれば同時刻に並列出力端子２３に現われて
いる全出力電圧値によつて、アナログ入力信号の
特定時間内の波形を離散的ではあるが同時表示す
ることが可能である。すなわち、時間的に変化
し、消滅する電気信号波形の一部をオシロスコー
プで表示すると同様に、特定の区間（時間）に限
り前記並列出力端子電圧で波形表示することがで
きる。ゆえに、前記並列出力端子の出力電圧をあ
らかじめ設定した電圧と比較して、すべての出力
電圧と設定値とが一致した場合に信号を発生する
ような回路を付加すれば、簡単なマツチドフイル
タが構成できる。また、前記並列出力端子を１つ
ずつ順次切り換えて使用すれば、アナログ入力信
号の時間軸を圧縮、伸長した信号を得ることもで
きる。これらの信号処理は、周波数変換器、秘話
装置、パルス圧縮器、位相調整器等、幅広く応用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気信号処理用音響光学的セルの構造
を示す図、第２図は音響光学的セル内の振動子と
超音波吸収部材の配置を示す図、第３図は音響光
学的セル内における２つの超音波の重なりを示す
図、第４図および第５図は複数の超音波ビームに
よる回折輝点の位置を示す図、第６図は本発明の
実施例における構成図である。 １は電気信号処理用音響光学的セル、２は超音
波伝搬媒質、３ａ，３ｂは光透過窓、４は第１の
振動子、５は第２の振動子、６ａ，６ｂは超音波
吸収部材、１２はレンズ、１４は空間的光学フイ
ルタ、１６は平方根演算回路、１７は光電変換
器、１８は振幅変調回路、２１は分配回路を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 信号入力の平方根演算回路１６と；該回路出
   力により第１の正弦波信号を振幅変調して第１の
   電気信号とする振幅変調回路１８と；複数の第２
   の正弦波信号を複数個の端子に分配する分配回路
   ２１と；超音波伝搬媒質を充てんした電気信号処
   理用音響光学的セルであつて、該セルの対向する
   両壁に備えられ光束を通過させる光透過窓３ａ，
   ３ｂと、該第１の電気信号を第１の超音波に変換
   し前記光束の光進行方向と垂直に前記媒質中に放
   射する第１の振動子４と、該第１の振動子から超
   音波放射方向に所定の距離はなれて配置され、該
   分配回路の複数の出力端子にそれぞれ接続されて
   いて前記複数の第２の正弦波信号を複数の第２の
   超音波に変換し前記光進行方向と垂直にかつ前記
   第１の超音波と交差するように前記媒質中に放射
   する複数個の第２の振動子５と、前記第１、第２
   の超音波を吸収するために前記第１、第２の振動
   子にそれぞれ対向して備えられた超音波吸収部材
   ６ａ，６ｂとを備えた電気信号処理用音響光学的
   セル１と；該セルを透過した前記光束を集束する
   レンズ１２と；該レンズにより作られた回折像の
   うち所定位置の複数の輝点を検出する空間的光学
   フイルタ１４と；該フイルタを通過した複数の回
   折光の各々を別個に光電変換する複数の光電変換
   器１７とを備え、前記所定位置が該第１の電気信
   号の搬送波周波数および該第２の正弦波信号の周
   波数と光軸に対する前記第１、第２の超音波の放
   射方向とに関連して定まり、前記輝点の輝度が前
   記交差位置における該第１、第２の超音波の振幅
   に関連して定まり、前記複数の光電変換器の出力
   信号が前記第２の振動子の各々が配置された前記
   所定距離と前記セル内の超音波の伝搬速度とに関
   連して定まる時間だけ遅延して出力されるように
   なつていることを特徴とする電気信号の複数遅延
   信号発生装置。