(57)【要約】      （修正有）【課題】経路変調によって信号を抽出する改良されたシステムを提供する。【解決手段】システムが、電磁信号を受信機３０に送信するように構成された送信機１２を備えており、この受信機は、この電磁信号とこれと混合するための別の電磁信号を受信するように構成されている。送信機と受信機への信号の伝搬経路は、送信機に向かう電磁信号の第１の伝搬経路と、受信機に向かう別の電磁信号の第２の伝搬経路を備えている。送信機及び受信機に向かう信号の伝搬経路のいずれか又はそれぞれに沿って配置された装置は、それぞれの伝搬経路の長さを変えるように構成されている。そして、プロセッサは、送信された電磁信号の振幅及び位相を回復するように構成され、さらに受信された電磁信号の一連のサンプルを受信し、またこの一連のサンプルを離散フーリエ変換処理するように構成される。【選択図】図１
2010133931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の選択可能な周波数のそれぞれについて前記電磁信号を前記受信機に送信するように構成された送信機と、前記電磁信号及びそれと混合するための別の電磁信号を受信するように構成された受信機とを備え、送信機へ向かう電磁信号用の第１の伝搬経路と、受信機へ向かう別の電磁信号用の第２の伝搬経路を備える、送信器および受信器システムと、
前記第１又は第２の伝搬経路のいずれかに沿って、又は前記第１及び第２の伝搬経路のそれぞれに沿って配置され、また前記それぞれの伝搬経路の長さを変えるように構成されて、前記第１及び第２の伝搬経路の長さが、電磁信号を前記送信機から前記受信機まで送信され、前記電磁信号と他の電磁信号を前記受信機で受信する間にあらかじめ選択された比率で変更される装置と、
受信された電磁信号の一連のサンプルを受け取り、また前記一連のサンプルを離散フーリエ変換処理するように構成されると共に、送信された電磁信号の振幅及び位相を回復するように構成されたプロセッサと、
を具備するシステム。  
【請求項２】
前記装置に沿って配置された前記伝搬経路が光ファイバーから構成され、かつ前記装置が、
前記光ファイバーが巻かれるスプールと、
前記スプールの直径を変更し、これにより前記それぞれの伝搬経路の長さを変更するアクチュエータと、
を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記装置が、前記第１及び第２の伝搬経路のそれぞれの１つに沿って配置された一対の装置を備えてそれぞれ構成され、前記装置の一方が前記伝搬経路の一方の長さを増加するように構成され、かつ前記装置の他方が前記伝搬経路の他方の長さを縮小するように構成されて、前記第１及び第２の伝搬経路の長さの差があらかじめ選択された比率で増加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記送信機が送信した電磁信号を変調するように構成された変調器をさらに備え、前記変調器が前記受信機の１／ｆノイズ領域よりも高い周波数で電磁信号を変調するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記あらかじめ選択された比率が、電磁信号が送信される周波数の関数として選択された比率を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記あらかじめ選択された比率が、ドウェル時間にわたってそれぞれの周波数で送信された電磁信号の１つ以上の波長に及ぶように選択された比率を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記あらかじめ選択された比率が、下記の周波数において、
【数１】
2010133931.tif 000018
経路長の変調を実施するように選択された比率ωＦＳを含み、
ここで、λはそれぞれの周波数における電磁信号の波長を示し、ｎＦは前記伝搬経路を伝搬する媒体の屈折率を示し、かつＳＦは前記あらかじめ選択された比率を示す、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記送信機が送信した電磁信号を変調するように構成され変調器をさらに備えて、前記変調器が周波数ωｍで電磁信号を変調するように構成され、
サンプルのシーケンスを離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理するように構成された前記プロセッサが、興味のある第１の周波数ωｍ−ωＦＳでサンプルのシーケンスをＤＦＴ処理し、また興味のある第２の周波数ωｍ＋ωＦＳでサンプルのシーケンスをＤＦＴ処理するように構成される、
請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記あらかじめ選択された比率が、１つ以上の選択可能な周波数のそれぞれに対して選択され、前記周波数の１つに対して選択された比率が、別の周波数に対して選択された比率とは異なる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記送信機及び受信機が、分光計システムのフォトミキサー送信機及びフォトミキサー受信機を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
第１及び第２の伝搬経路の長さの差を変える比率を選択するステップであって、前記第１の伝搬経路が、電磁信号を前記受信機に送信するように構成された送信機に電磁信号を送信し、前記受信機は電磁信号とこれと混合するための別の電磁信号を受信するように構成され、かつ前記第２の伝搬経路は前記受信機への別の電磁信号である、比率を選択するステップと、
１つ以上の選択可能な周波数のそれぞれで、電磁信号を送信機から受信機へ送信し、電磁信号と別の電磁信号を前記受信機において受信するステップと、
電磁信号が前記送信機から前記受信機に送信されるとき、及び電磁信号と別の電磁信号が前記受信機で受信されるときに、前記第１又は第２の伝搬経路のいずれか又は両方の長さを変更するステップであって、前記第１及び第２の伝搬経路の長さの差が前記選択された比率で変更されるように前記伝搬経路のいずれか又は両方が変更される、長さを変更するステップと、
受信された電磁信号の一連のサンプルを受け取り、かつ前記一連のサンプルを離散フーリエ変換処理するように構成されると共に、送信された電磁信号の振幅と位相を回復するステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記第１又は第２の伝搬経路のいずれか又は両方が光ファイバーを含み、前記光ファイバーがアクチュエータに連結されたスプールの周りに巻き取られ、かつ前記長さを変更するステップが前記スプールの直径を変えるように前記アクチュエータを制御するステップを含み、これにより前記それぞれの伝搬経路の長さが変更される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記長さを変更するステップが、前記伝搬経路の一方の長さを増加し、かつ前記伝搬経路の他方の長さを減少させて、前記第１及び第２の伝搬経路の長さの差が前記選択された比率で増加される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記送信機が送信した電磁信号を変調するステップをさらに含み、前記電磁信号が前記受信機の１／ｆノイズ領域よりも高い周波数で変調される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記比率を選択するステップが、電磁信号が送信される周波数の関数として比率を選択するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記比率を選択するステップが、ドウェル時間にわたってそれぞれの周波数で送信された電磁信号の１つ以上の波長に及ぶ比率を選択するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記比率を選択するステップが、下記の周波数において、
【数２】
2010133931.tif 000019
経路長の変調を実施するように比率ωＦＳを選択するステップを含み、
ここで、λはそれぞれの周波数における電磁信号の波長を示し、ｎＦは前記伝搬経路を伝搬する媒体の屈折率を示し、かつＳＦは前記あらかじめ選択された比率を示す、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記送信機が送信した電磁信号を変調するステップであって、前記電磁信号が周波数ωｍで変調される、電磁信号を変調するステップをさらに備えて、
前記一連のサンプルを離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理するステップが、興味のある第１の周波数ωｍ−ωＦＳで一連のサンプルをＤＦＴ処理するステップ及び興味のある第２の周波数ωｍ＋ωＦＳで一連のサンプルをＤＦＴ処理するステップを含む、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記比率を選択するステップが、１つ以上の選択可能な周波数のそれぞれに対して選択するステップを含み、前記周波数の１つに対して選択された比率が、別の周波数に対して選択された比率とは異なる、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記電磁信号を送信するステップが、フォトミキサー送信機からフォトミキサー受信機に電磁信号を送信するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の代表的な実施形態は全体的に、電磁信号が伝搬するシステム及び方法に関し、より詳細には、経路変調により信号抽出を行うシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スペクトル線幅が狭くコヒーレンス長が長い連続波（ＣＷ）のチューナブル光源を用いる分光分析は、スペクトルコントラストと周波数選択性が高いこと及び感受性が優れていることに関連した周知の利点を有する。スキャニング式ＣＷテラヘルツ（ＴＨｚ）分光計は、この技術の最も重要な例である。そのようなシステムでは、送信された電界強度の正確な測定値を得るために、また分光計内のサンプルから生じた何らかの吸収損失を判断するために、送信機−受信機間の復調処理における位相の安定性が要求される。しかしながら、不要な熱的及び機械的な外乱が、受信した電界強度を変調する望ましくない変動を経路長の中で引き起こすことがある。このため、雑音比や安定性に対して復調信号を向上させるために、経路長を制御及び変調するシステム及び方法を設計することが望ましい。
【０００３】
また、従来の信号処理技術は一般に、ロックイン増幅器（ＬＩＡ）技術を使用して、位相判別式分光計が発生する同期信号を復調する。しかしながら、これらのＬＩＡは、高価で複雑であり、また容易に小型化することができない。このため、従来のＬＩＡの欠点を克服できる方法で、そのような同期信号を復調するシステム及び方法を設計することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述された背景に照らして、本発明の実施形態により、経路を変調することによって得られた信号を処理するための信号処理技術を含む、経路変調によって信号を抽出する改良されたシステム及び方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、このシステムは、１つ以上の選択可能な周波数のそれぞれにおいて電磁信号を受信機に送信するように構成された送信機を備えており、受信機は、この電磁信号及びそれと混合するための別の電磁信号を受信するように構成される。このシステムは、それぞれの伝搬経路の長さを変えるために、それぞれ送信機又は受信機への第１又は第２の信号の伝搬経路のいずれかに沿って、又は第１及び第２の伝搬経路それぞれに沿って配置された装置も備えている。
【０００６】
このシステムは、送信された電磁信号の振幅及び位相を回復するように構成されたプロセッサも備えている。これに関連して、このプロセッサは受信された電磁信号の一連のサンプルを受信し、またこの一連のサンプルを離散フーリエ変換処理するように構成される。さらに、このシステムは、送信機によって送信された電磁信号を変調するように構成された変調器を備えている。ここで、変調器は、受信機の１／ｆノイズ領域を超える周波数（例えば、ωｍ）において電磁信号を変調するように構成される。
【０００７】
装置は、それぞれの伝搬経路の長さを変えるように構成され、第１及び第２の伝搬経路の長さの差が、送信機から受信機への電磁信号の送信の間、及び受信機におけるこの電磁信号や他の電磁信号を受信する間に、あらかじめ選択された比率で変更される。この装置は、それぞれが第１及び第２の伝搬経路の１つに沿って配置された装置の対を備えている。あらかじめ選択された比率で第１及び第２の伝搬経路の長さの差を増加するために、一方の装置が伝搬経路の１つの長さを増加するように構成され、同時に他方の装置は伝搬経路の他方の長さを減少するように構成される。例えば、この装置は、スプールとアクチュエータを備えている。この場合、光ファイバーの伝搬経路がスプールの周りに巻かれ、アクチュエータはスプールの直径を変えるように構成されるため、その結果、それぞれの伝搬経路の長さが変更される。
【０００８】
あらかじめ選択された比率には、電磁信号が送信される周波数の関数として選択された比率が含まれる。より詳細には、あらかじめ選択された比率は、ドウェル時間(dwell time)にわたってそれぞれの周波数で送信された電磁信号の１つ以上の波長にまたがるように選択された比率を含んでいる。ある場合には、例えば、このあらかじめ選択された比率は、下記の周波数で経路長変調（path length modulation）を行うように選択された比率ωＦＳを含んでいる。
【数１】
2010133931.tif 000003
上記では、λ（例えば、λＴＨｚ）はそれぞれの周波数における電磁信号の波長を示し、ｎＦは伝搬経路を伝搬する媒体の屈折率を示し、またＳＦはあらかじめ選択された比率を示す。その際、プロセッサは興味のある第１の周波数ωｍ−ωＦＳでサンプルのシーケンスをＤＦＴ処理し、また興味のある第２の周波数ωｍ＋ωＦＳでサンプルのシーケンスをＤＦＴ処理するように構成される。そして、あらかじめ選択された比率は、周波数の関数として選択された比率を含んでいるため、このあらかじめ選択された比率は、１つ以上の選択可能な周波数のそれぞれに対して選択された比率を含むことができる。ここで、周波数の１つに対して選択された比率は、別の周波数に対して選択された比率とは異なる。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、経路変調により信号抽出を行う方法が提供される。このため、本発明の例示的な実施形態によって、経路変調により信号抽出を行う改良されたシステム及び方法が提供される。前に示されまた後述されるように、本発明の典型的な実施形態が、従来技術によって明らかにされた問題を解決し、付加的な利点を提供するであろう。
【００１０】
本発明をこのように一般的な用語で説明してきたが、ここで添付の図面を参照する。これらの図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の１つの代表的な実施形態による分光計システムの概略ブロック図である。
【図２】本発明の代表的な実施形態に基づいて、周波数スペクトルにより分光計システムをスウィープする方法の中の種々のステップを例示するフローチャートである。
【図３】本発明の代表的な実施形態に基づいて、周波数スペクトルにより分光計システムをスウィープする方法の中の種々のステップを例示するフローチャートである。
【図４】本発明の代表的な実施形態に基づいて、フォトミキサー受信機（photomixer receiver）の測定されたノイズ密度スペクトルを例示するグラフである。
【図５】本発明の代表的な実施形態による受信機の中で、周波数のダウンコンバートを例示するスペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで添付した図面を参照して、本発明を以下に一層完全に説明する。これらの図面には、本発明の好ましい実施形態が示されている。しかしながら、これらの発明は多くの異なった形態で具体化することができるが、本願に記載された実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、この開示内容が詳細で完全であり、また発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態が提供される。この関連で、等式によって関連付けられた多数の数学的又は数値的表現に対して、言及が行われる。しかしながら、この等式は絶対的又は近似の等式を指すことがあり、本発明の代表的な実施形態が技術的な許容差によってシステム及び方法の中で発生することがある変動の原因になる可能性があることは理解されたい。さらに、多数の変数が様々な実例において添え字を含む数学的な記号によって表されるが、これらの記号や添え字は説明の目的に対してのみ示されるのであり、本発明の範囲を限定すると解釈してはならないことは理解されよう。同じ参照番号は、全体を通じて同じ構成部品を示している。
【００１３】
図１及び図２は、本発明の代表的な実施形態から恩恵を受ける分光計のシステム及び方法を例示している。しかしながら、例示されまた後で説明されるこの分光計のシステム及び方法は、本発明の代表的な実施形態から恩恵を受けるシステム及び方法の１つのタイプを例示しているだけであり、このため、本発明の範囲を限定すると解釈してはならないことは理解されたい。この件について、分光計のシステム及び方法に関する幾つかの実施形態が例示され、後で実施例のために説明されるが、伝搬する電磁信号の別のタイプのシステム及び方法は容易に本発明を使用できる。さらに、本発明のシステム及び方法は、電磁スペクトルのＴＨｚ（又はｍｍＷ）領域の信号に関連して主に説明される。しかし、本発明の実施形態のシステム及び方法は、電磁スペクトルのＴＨｚ領域の内側及び外側の両方で、種々の他のアプリケーションと共に使用されることができる。
【００１４】
図示のように、本発明の代表的な実施形態の分光計システム１０は、コヒーレント放射ビーム（電磁波）を所与の周波数で送信するように構成された送信機１２を備えている。この送信機は、当業者に周知の多数の異なる送信機のいずれかを用いて構成することができる。例えば、１つの代表的な実施形態では、この送信機はフォトミキサー送信機（photomixer transmitter）を備えている。そのような場合、送信機は高速光導電性ダイオード（すなわち、フォトミキサー）を備える。この光導電性ダイオードは、ビームコンバイナ／スプリッタ１６及び光結合された第１の光学経路１８（例えば、光ファイバー）を介して２つのレーザ光源１４ａ、１４ｂで励起される。これに関して、レーザ光源は、ω１及びω２でオフセット周波数を有する電界（すなわち、Ｅω１及びＥω２）で信号を放射するように構成される。このことは、フォトミキサー送信機では、下記のように表される。
Ｅω１＝Ｅ１ｃｏｓ（ω１ｔ＋φ１Ｔ）      （１）
Ｅω２＝Ｅ２ｃｏｓ（ω２ｔ＋φ２Ｔ）      （２）
ここで、Ｅ１及びＥ２は、それぞれ第１及び第２の光源からのビームの電界振幅を表し、またφ１Ｔ及びφ２Ｔは、第１の光学経路を通るビームの伝搬によって取り入れられた位相定数を示す。また、周波数ω１及びω２は、角周波数として又は対応する一時的な周波数（ｆ＝ω／２π）として表すことができることに注意されたい。
【００１５】
クロスギャップ吸収（cross-gap absorption）の本質的に二次的な性質は、送信機１２のダイオード内で引き起こされた光電流の中の差（すなわち、送信）周波数（すなわち、ω２−ω１）を作り出す。ここで、対応する電界は、下記のように表される。
ＥＴ＝ηＴＥ１Ｅ２ｃｏｓ（ωＴＨｚｔ＋φ１２Ｔ）      （３）
ここで、ηＴは、フォトミキサー送信機の変換効率ωＴＨｚ＝ω２−ω１及びφ１２Ｔ＝φ２Ｔ−φ１Ｔを表す。送信機１２は、正弦波変調電圧を発生するように構成された電源２２を含む送信機バイアス変調器（transmitter bias modulator）２０に接続される。この正弦波変調電圧を用いて、送信機のフォトミキサーがバイアスされ、変調器は電界ＥＭ＝Ｖｍｃｏｓ（ωｍｔ）を発生する。とはいえ、システムは信号を（周波数ωｍで）周波数変調する必要はないことは理解されよう。フォトミキサーを、螺旋、ダイポール又はスロットアンテナなどのアンテナの駆動点に配置することによって、差周波数電流（difference-frequency current）が差周波数フォトンに変換される。この結果は、高度にチューナブルで、連続波（ＣＷ）であり、１つの（擬似ガウス）空間モード内に含まれた極めてコヒーレントな放射源で、また送信された電界ＥＴＭを有する。この送信された電界は、下記のように、ＥＴとＥＭの積として表される。
ＥＴＭ＝Ｖｍｃｏｓ（ωｍｔ）ηＴＥ１Ｅ２ｃｏｓ（ωＴＨｚ＋φＴ）      （４）
【数２】
2010133931.tif 000004
式（４）及び（５）では、φＴはφ１２Ｔの合計、及びフォトミキサーとアンテナ伝達関数に関連した何らかの位相遅延を表す。これは重要であり、受信機で検出されると大きく信号が変動する原因になる。そのような送信機に関するさらなる情報については、２００２年２月１９日に発行された「Quasi-Optical Transceiver Having an Antenna with Time Varying Voltage」という名称の米国特許第６，３４８，６８３号を参照されたい。
【００１６】
このように、１つの実施形態の方法には、図２のブロック４２と４８に示されているように、送信周波数を選択するステップ、その後、送信機１２からその周波数で放射ビームを送信するステップが含まれる。この送信周波数は、多数の異なる方法のいずれかを用いて選択することができる。しかしながら、測定された吸収シグナチャー（absorption signature）に基づいてサンプルを検出するために、送信周波数が一般に、吸収シグナチャーが規定される周波数の範囲の中で選択される。次に、フォトミキサー送信機では、フォトミキサーは、差周波数又は送信周波数（すなわち、ω２−ω１）を選択するために選択される周波数ω２及び周波数ω１でチューナブルレーザ光源を用いて励起されることができる。
【００１７】
送信機１２からの放射ビームは、平行な放射ビームを作るためにコリメートレンズ２４を通過する。次に、このビームは、ビームが通過する反射器２６ａ及び２６ｂによって跳ね返され、また分析されるサンプル媒体と周囲空気などのベース媒体とを含むサンプルセル２６を通過する。理解されるように、サンプル媒体とベース媒体は、放射ビームが少なくとも部分的に透過できる多数の種々の形状のいずれかを有することができる。例えば、サンプル媒体とベース媒体は、固体、液体、ガス、プラズマ又はエアゾールを含むことができる。より詳細には、種々の好ましい実施形態では、周囲空気のベース媒体は、ガスの形態にすることができるが、サンプルはガス又はエアゾールの形態にすることができる。
【００１８】
放射ビームがサンプルセル２６を通過するため、このサンプルセルの中のサンプル及びベース媒体は、ビームの少なくとも一部、より詳細には、ビームの電界の少なくとも一部を吸収する。放射ビームの残りの吸収されない部分（すなわち、受信した信号）は次に、サンプルセルを抜け出る。次に、サンプル信号は集束レンズ２８に伝搬し、そこから集束された信号が受信機３０によって取り上げられるか又は別の方法で受信される。この受信した信号ＥＲＰは、送信機１２から受信機への信号の伝搬中に加えられた付加的な位相遅延を含んでおり、下記のように表される。
【数３】
2010133931.tif 000005
ここで、Ｌは送信機と受信機との間の伝搬距離を示しており、またλＴＨｚ＋及びλＴＨｚ−は、それぞれ周波数ωＴＨｚ＋ωｍ及びωＴＨｚ−ωｍにおける信号側波帯（上側及び下側）の波長を表す。
【００１９】
受信機は、図２のブロック５０で示されたような、受信した電界ＥＲＰを示す測定値を得る。送信機１２と同様に、受信機はフォトミキサー受信機（photomixer receiver）（ホモダイン受信機）などの電界検出器を備えている。このフォトミキサー受信機は、電界を受信しまたそれに呼応して対応する電圧を発生するように構成されたアンテナを備えている。このアンテナは、高速光導電体に向けられている。この光導電体はまた、フォトミキサー送信機１２を励起している同じ２つのレーザ光源１４ａ、１４ｂからのビームで光導電体を励起するために、第２の光学経路３２に電気的に接続されている。この関連で、ビームコンバイナ／スプリッタ１６は、レーザ光源からの信号のそれぞれを、前述された第１の光学経路１８と、受信機のフォトミキサーを励起するために別の第２の光学経路（例えば、光ファイバー）に分離することができる。次に、これらの信号は、以下に示されるように、フォトミキサーのコンダクタンスを変調することができる。
ＧＲＰ＝ηＲＥ１Ｅ２ｃｏｓ（ωＴＨｚｔ＋φ１２Ｒ）        （７）
ここで、ηＲはフォトミキサー受信機の変換効率を示し、またφ１２Ｒ＝φ２Ｒ−φ１Ｒ、φ１Ｒ及びφ２Ｒは、第２の光学経路を通ってビームが伝搬することによって取り入れられた位相定数を示す。
【００２０】
受信機アンテナによって発生された電圧はフォトミキサー活性物質に与えられ、また数式（６）と（７）の積である変調されたコンダクタンスを通過する電流を生ずる。積の結果である差周波数は、下記のように示されるダウンコンバートされた信号電流ＩＤｏｗｎである。
【数４】
2010133931.tif 000006
ここで、
【数５】
2010133931.tif 000007
対応するダウンコンバートされた電界（又は信号）ＥＲが、次に、下記のように計算される。
ＥＲ＝ＩＤｏｗｎＲＬｏａｄ        （９）
ここで、ＲＬｏａｄは、受信機３０の電気的負荷抵抗を示す。このような受信機に関するさらに多くの情報については、前述された’６３８号の特許を参照されたい。
【００２１】
ダウンコンバートされた信号電流ＩＤｏｗｎ及び／又は電界（又は信号）ＥＲは、例えばエイリアス除去フィルタ３６を含む受信機信号コンディショニング回路３４に与えられる。次に、この信号コンディショニング回路の出力は、例えばディジタル信号処理動作を実行するプロセッサ３８に入力される。この点に関しては、このプロセッサは、本発明の代表的な実施形態に基づいて動作することができる多数の種々のプロセッサ装置のいずれかを用いて構成することができる。例えば、このプロセッサは、コンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、サーバコンピュータ、ワークステーションコンピュータ）、マイクロプロセッサ、コプロセッサ、コントローラ、専用のディジタル信号プロセッサ及び／又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）などの集積回路を含む様々な他の処理装置を備えることができる。
【００２２】
分光計システム１０が信号を（周波数ωｍで）周波数変調する場合、プロセッサ３８が実行する信号処理動作には、変調周波数ωｍでアナログ−ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）４０で信号を直接サンプリングすること、及びサンプルデータをプロセッサの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理を行うことなどによって、ダウンコンバートされた信号ＥＲの振幅を回復する動作が含まれる。別の方法では、例えば、分光計システムは、ダウンコンバートされた信号ＥＲをさらに処理するために、ロックイン増幅器（図示せず）などの同期復調器をさらに備えることができる。この点に関して、そのような同期復調器は、変調周波数ωｍで動作する局部発振器を備えて、これによりダウンコンバートされた信号の振幅を回復することができる。
【００２３】
分光計としての動作に当たっては、システム１０は、図２のブロック５２及び５４の中で示されているように、多数の周波数を通してスキャンされる、周波数ω２及び周波数ω１でチューナブルレーザ光源を用いてフォトミキサーの送信機１２及び受信機３０を励起することによって、周波数範囲の多数の送信周波数を通してスキャンする。周波数範囲の各送信周波数に対して、またこれにより異なる送信周波数を有する各放射ビームに対して、プロセッサ３８はダウンコンバートされた信号電流ＩＤｏｗｎの振幅及び／又は位相を測定することができる。結果として生じた送信振幅及び／又は位相、及び関連付けられた送信周波数のコレクションは、図２のブロック５２の中で示されているように、サンプルが識別されるサンプルセル２６内のサンプルに対して測定された吸収又は分散シグナチャーを明確にする(define)ことができる。
【００２４】
背景技術のセクションで説明されたように、特定の光送信システム（例えば、分光計システム）では、不要な熱的又は機械的な外乱が、受信した電界位相やダウンコンバートされた振幅を変調する望ましくない変動を経路長内で発生する。このため、本発明の代表的な実施形態は、伝達された信号の振幅エラーを発生する可能性がある経路長の不安定性を少なくとも部分的に取り除くために、第１又は第２の光学経路１８、３２の一方又は両方の経路長を変調する装置及び方法を提供する。与えられた経路長を変調することにより、スキャニング式分光計の各スペクトル点（選択された周波数）を測定する比較的短いドウェル時間の間に、伝達された信号の振幅を回復することができる。この関連で、不要な経路変動(spurious path variation)による位相変調が、伝達された周波数の複数の波長にわたって意図的に経路が広げられることによって緩和される。そして、複数の波長変調により、伝達された信号の完全な振幅が保存され、信号の振幅内のエラーが抑制される。
【００２５】
例証的な実施形態によれば、分光計システム１０は、第１の光学経路又は第２の光学経路のいずれかに沿って、又は図示のように、第１及び第２の光学経路のそれぞれに沿って配置された経路長変調装置４０をさらに備えている。例証的な実施形態では、経路長の変調が光学経路のいずれか又は両方に同じ程度又は異なる程度で行われて、これによりシステム全体の経路長の広がりが実現される。この関連で、両方の光学経路に同時に変調が行われる場合、結果として生じたシステム経路の変調又はストレッチは、第１及び第２の光学経路に加えられた変調の差に対応し、そして他方の経路が広げられる（長さが増加される）ため、一方の経路が短縮すること（長さが縮小すること）が要求される。
【００２６】
経路長変調装置４０は、光路長を動的に拡張又は縮小するように構成された多数の装置のいずれかを備えることができる。光学経路が光ファイバーを含む１つの代表的な実施形態では、経路長変調装置は、光ファイバーを巻き取ることができるスプールと、このスプールの直径を広げて、これによりそこに巻かれたファイバーの長さを伸ばすように構成されたアクチュエータ（例えば、圧電性アクチュエータ）を備えている。そのような場合、光ファイバーを短縮することは、スプールとこれによりファイバーに前に与えられた広がりを減らすことによって実現することができる。
【００２７】
次に、本発明の代表的な実施形態によれば、レーザ光源１４ａ、１４ｂがフォトミキサー送信機１２を励起して、これにより選択された周波数で放射ビームを送信する前に（図２のブロック４８を参照のこと）、経路長のレートスケール係数ＳＦが、図３のブロック４６に示されているように、例えばプロセッサ３８によって選択される。この経路長のレートスケール係数は、スキャンされたスペクトルの各周波数サンプル点におけるドウェル時間（すなわち、システムが次の点に移動する前に、各周波数のサンプル点で動作する時間）の間に、システムストレッチ（１つ又は両方の光学経路のストレッチ、又は他の経路の短縮と一体になった１つの経路のストレッチ）を加える比率を表す。
【００２８】
経路長のレートスケール（rate scale）は、各周波数サンプルにおけるドウェル時間にわたって、光学経路１８、３２の中で励起信号の１つ以上の波長を広げるような方法で、望ましい経路長の変調を実現するために、多数の種々の方法のいずれかで選択されることができる。より詳細には、例えば、経路長のレートスケールは、下記の数式に基づいて、励起信号の期間の整数の倍数として選択される。
【数６】
2010133931.tif 000008
ここで、ａは選択可能な整数の倍数（例えば、３）を表し、λＴＨｚは差周波数の励起信号の波長を表し、またＤはドウェル時間（例えば、０．０３秒）を表す。差周波数ｆＴＨｚに置き換えて書き直すと、経路長のレートスケールは下記のように選択される。
【数７】
2010133931.tif 000009
ここで、ｎｆは、光学経路の伝搬媒体の屈折率を示す（例えば、光ファイバーに対して約１．５）。例えば、ａ＝３、Ｄ＝０．０３ｓ、ｆＴＨｚ＝６５０ＧＨｚ、そしてｎｆ＝１．５の場合を検討する。そのような場合、ｃ＝３×１０８ｍ／ｓであることを考えると、経路長のレートスケール係数ＳＦは、約３０．７７ｍｍ／ｓとして選択される。
【００２９】
経路長を変調する周波数が比較的低いと分光計システム１０内のノイズが増加するため、経路長のレートスケール係数が選択される前、選択される時、又は選択される後で、送信機変調周波数ωｍが、ブロック４４で示されているように、搬送波が受信機の電子部品の１／ｆノイズ領域よりも高くなるように選択される。この変調周波数の選択により、システムは、経路長を変調する比較的低い周波数においてノイズが増加することを少なくとも部分的に避けることができる。送信機変調周波数は、受信機の測定されたノイズ密度スペクトルを分析することなどの多数の異なる方法の中で選択される。測定されたノイズ密度スペクトルの１つの実施例は、図４のグラフで示されている。図示のように、受信機の部品の１／ｆノイズ領域は、約１ｋＨｚである。そして、この代表的なノイズ密度のスペクトルからは、１０ｋＨｚ以上の送信機の変調周波数ωｍが、過剰な１／ｆノイズを少なくとも部分的に避けるために必要とされる。
【００３０】
経路長のレートスケール係数ＳＦ及び送信機の変調周波数ωｍが選択されると、図３のブロック４８に示されているように、選択された送信周波数で放射ビーム（すなわち、光源のビーム）を送信するステップを含む前述された類似の方法が進行する。放射ビームが選択された送信周波数のドウェル時間の間に送信されるため、プロセッサ３８は、光路長変調装置４０（又はより詳細には、例えば、装置のアクチュエータ）を制御して、第１の光学経路１８及び／又は第２の光学経路３２を伸ばし及び／又は収縮させ、システムの経路長全体のストレッチを実行する。そのような場合、放射された信号Ｅω１及びＥω２は、下記の数式のように表される。
Ｅω１＝Ｅ１ｃｏｓ（ω１ｔ＋ωＦＳｔ＋φ１Ｔ）      （１２）
Ｅω２＝Ｅ２ｃｏｓ（ω２ｔ＋ωＦＳｔ＋φ２Ｔ）      （１３）
次に、送信機１２のダイオードの中で発生した光電流内の差周波数（すなわち、送信）の周波数（すなわち、ω２−ω１）は、対応する電界を有する。
ＥＴ＝ηＴＥ１Ｅ２ｃｏｓ（（ωＴＨｚ＋ωＦＳ）ｔ＋φ１２）      （１４）
ここで、ωＦＳは、差周波数における経路長変調周波数を表し、下記のように表される。
【数８】
2010133931.tif 000010
【００３１】
前と同様に、送信機１２は、正弦波変調電圧を発生するように構成された電源２２を備えている送信機バイアス変調器２０に接続される。この正弦波変調電圧を用いて、送信機のフォトミキサーはバイアスされ、変調器は電界ＥＭ＝Ｖｍｃｏｓ（ωｍｔ）を発生する。次に、送信された電界は下記のように、ＥＴとＥＭ＝Ｖｍｃｏｓ（ωｍｔ）の積として表される。
【数９】
2010133931.tif 000011
【００３２】
送信機からの放射ビームは、前述されたように、コリメートレンズ２４とサンプルセル２６を通過する。放射ビームの一部は、サンプルセルを出射し、集束レンズ２８を通過し、そしてブロック５０に示されているように、受信機３０で取り出されるかそうでなければ受信される。この受信した信号ＥＲＰは、下記のように表される。
【数１０】
2010133931.tif 000012
ここで、λＴＨｚ＋及びλＴＨｚ−は、この場合、それぞれ周波数ωＴＨｚ＋ωＦＳ＋ωｍ及びωＴＨｚ＋ωＦＳ−ωｍにおける信号側波帯（上側及び下側）の波長を表す。
【００３３】
受信機３０は電界を受信し、またそれに呼応して、対応する電圧を発生する。この受信機が発生した電圧は、フォトミキサー活性物質に与えられて、式（１８）と（７）の積である変調されたコンダクタンスを通して電流を発生する。この積の結果として生じた差周波数は、下記のように表すことができるダウンコンバートされた信号電流ＩＤｏｗｎである。
【数１１】
2010133931.tif 000013
次に、対応するダウンコンバートされた電界（又は信号）ＥＲは、前述されたように、式（９）に基づいて計算されそして下記のように単純化される。
ＥＲ＝Ｅ０［ｃｏｓ（（ωｍ＋ωＦＳ）ｔ＋φ）＋ｃｏｓ（（ωｍ−ωＦＳ）ｔ−φ） （２０）
前記において、Ｅ０及びφは、下記のように表すことができる。
【数１２】
2010133931.tif 000014
この結果は、図５のスペクトル図形で示されているように、受信機のフォトミキサーの混合生産物（mixing product）である。
【００３４】
また前述されたように、ダウンコンバートされた信号電流ＩＤｏｗｎ及び／又は電界（又は信号）ＥＲは、受信機信号コンディショニング回路３４に与えられ、次にプロセッサ３８に入力されて、ダウンコンバートされた信号ＥＲの振幅が回復される。式（２０）では、一定位相項（constant phase term）φが、温度と機械的な外乱の関数として経路長のドリフトと共に変化する。本発明の代表的な実施形態による経路長の変調を実行することによって、受信した信号の振幅は、信号の位相に影響する任意の経路のドリフトよりも遙かに早い周波数で抽出されることができる。
【００３５】
より詳細には、本発明の１つの代表的な実施形態によれば、ダウンコンバートされた信号ＥＲの振幅は、変調周波数ωｍでアナログ−ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）４０で信号を直接サンプリングすること、及びサンプルデータをプロセッサの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理を行うことによって回復されることができる。これに関連して、Ａ／Ｄからの信号出力の一連のサンプル値は、下記のように表される。
Ｅｎ＝ＥＲ（ｎ×τｓ）        （２１）
ここで、ｎはサンプル列ｎ＝０，１，２，３，．．．Ｎ−１のインデックスを示し、Ｎはサンプル数を示し、またτｓはωＦＳ＋ωｍでエイリアシングが確実に生じないように選択されたサンプリング時間間隔（秒）を表す。
【００３６】
一連のサンプル値Ｅｎが、プロセッサ３８によって受け取られる。このプロセッサ３８は次に、サンプル値のＤＦＴ処理を行う。オイラーの公式を複素数シーケンス（complex sequence）ｘ（ｎ×τｓ）のＤＦＴ Ｘ（ｆ）に適用すると、ＤＦＴは下記のように表される。
【数１３】
2010133931.tif 000015
ここで、ｆは、ＤＦＴが評価される（Ｈｚ単位で）正弦波の周波数を表す。興味のある周波数をωｍ−ωＦＳと仮定し、周波数２πｆ＝ωｍ−ωＦＳを設定し、さらに２／Ｎの正規化を適用すると、サンプル値ＥｎのＤＦＴは下記のように表される。
【数１４】
2010133931.tif 000016
一連の関数を所定の周波数ωｍ＋ωＦＳに等しく適用して（２πｆ＝ωｍ＋ωＦＳを設定）、下記の式を生じることができる。
【数１５】
2010133931.tif 000017
【００３７】
プロセッサ３８は、ＤＦＴの式（２３）及び（２４）の関数として、所定の周波数成分（ωｍ−ωＦＳ）及び（ωｍ＋ωＦＳ）に対してのみ、振幅及び位相を計算することができる。これらの結果は、式（２０）によって示されるように、大きさが等しく、位相が逆の記号の複素数値になる。次に、報告され送信された振幅は、上記の２つの大きさの平均として計算される。位相情報は、伝搬経路内の媒体のコンプレックスインデックス（complex index）を得るために使用することができる。特に、信号帯域幅を処理することは、結果として幅が全サンプル時間、すなわちＮ×τｓである長方形のウィンドウの変形によって制限される。高速フーリエ変換処理では一般的なウィンドウ処理機能を、処理する通過帯域のサイドローブ（sidelobe）や幅を管理するために適用することができる。
【００３８】
前述されたように、システム１０は、図３のブロック５２及び５４に示されているように、周波数の範囲の中の多数の送信周波数をスキャンすることができる。経路長のレートスケール係数ＳＦが送信周波数の関数として選択されたため（式１１を参照のこと）、経路長のレートスケール係数は各送信周波数に対して再度選択され、また１つの送信周波数から次の周波数まで異なっている可能性がある。周波数範囲の各送信周波数に対して、またこれにより異なる送信周波数を有する各放射ビームに対して、プロセッサ３８は、ダウンコンバートされた信号電流ＩＤｏｗｎの振幅及び／又は位相を測定することができる。結果として生じた送信振幅及び／又は位相、及び関連付けられた送信周波数のコレクションは、図３のブロック５６に示されているように、サンプルが識別されるサンプルセル２６内のサンプルに対して測定された吸収又は分散シグナチャーを明確にすることができる。
【００３９】
本発明の多くの変形例及び他の実施形態は、前述された説明及び関連付けられた図面の中で提示された教義の利点を有する本発明が属する技術分野に精通した者には思い浮かぶであろう。従って、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、また変形例及び他の実施形態は添付した特許請求の範囲の中に含まれるものとすることは理解されたい。本願の中で特定の用語が使用されるが、それらの用語は一般的でありまた説明のためのみに使用されるものであり、本発明の範囲を限定する目的で使用されたものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１０  分光計システム
１２  送信機
１４ａ、１４ｂ  レーザ光源
１６  ビームコンバイナ／スプリッタ
１８  第１の光学経路
２０  送信器バイアス変調器
２２  電源
２４  コリメートレンズ
２６  サンプルセル
２６ａ、２６ｂ  反射器
２８  集束レンズ
３０  受信機
３２  第２の光学経路
３４  受信器信号コンディショニング回路
３６  エイリアス除去フィルタ
３８  プロセッサ
４０  経路長変調装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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