(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザ光と、第１レーザ光と周波数がfA異なる第２レーザ光を、被測定物の同一領域に異なる方向から照射し、被測定物で反射した散乱光の強度を検出信号として検出し、検出信号から被測定物の速度に関する物理量を計測するレーザドップラー速度計であって、
被測定物は、定速度成分Dvに速度変動成分Avが重畳した速度Rvで移動するものであり、
検出信号の周波数fbは、被測定物の定速度成分Dvによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Dv)、被測定物の速度変動成分Avによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Av)を用いて
fb=fb(Dv)+fb(Av)+fA
と表されるものであり、
当該レーザドップラー速度計は、
周波数がfb(Dv)+P(但し、0≦P≦fA)の発振信号を生成する発振信号生成部と、
前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+Pの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)+fA-Pの復調対象信号に周波数変換するミキサ部と、
前記復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出する復調器とを有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項２】
請求項１記載のレーザドップラー速度計であって、
制御手段を有し、
前記復調器は、検出可能な周波数の範囲と周波数分解能とが異なる複数の測定レンジを備え、前記複数の測定レンジのうちの、制御手段から現用測定レンジとして設定された測定レンジで復調対象信号の周波数の検出を行い、
前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Av)+fA-Pを最も良い周波数分解能で検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザドップラー速度計であって、
前記Pと前記fAは、P=fAの関係にあり、
前記発振信号生成部は、周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を、前記周波数がfb(Dv)+Pの発振信号として生成し、
前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)の復調対象信号に周波数変換し、
前記復調器は、復調対象信号の周波数fb(Av)を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項４】
請求項３記載のレーザドップラー速度計であって、
前記発振信号生成部は、
検出信号の平均周波数を計測する平均周波数計測手段と、
前記平均周波数計測手段が計測した平均周波数をfb(Dv)+fAとして、前記周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を、前記周波数がfb(Dv)+Pの発振信号として生成する発振手段とを有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項５】
請求項２記載のレーザドップラー速度計であって、
前記Pと前記fAは、P=fAの関係にあり、
当該レーザドップラー速度計は、当該レーザドップラー速度計に選択的に設定可能な測定モードとして、速度計測モードと速度変動計測モードとを有し、
前記測定モードとして速度変動計測モードが設定されているときに、
前記発振信号生成部は、周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を、前記周波数がfb(Dv)+Pの発振信号として生成し、
前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)の復調対象信号に周波数変換し、
前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出し、
前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Av)を最も良い周波数分解能で検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定し、
前記測定モードとして速度計測モードが設定されているときに、
前記発振信号生成部は、周波数がfAの発振信号を生成し、
前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfAの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Dv)+fb(Av)の復調対象信号に周波数変換し、
前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から被測定物の速度Rvを算出し、
前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Dv)+fb(Av)を検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項６】
請求項１または２記載のレーザドップラー速度計であって、
前記Pは、0＜P＜fAを満たし、かつ、fb(Av)+fA-Pが常に正の値となることが保証されるように設定された値を有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項７】
請求項６記載のレーザドップラー速度計であって、
前記Pは、所定の固定値Aに対して、P=fA-Aであり、
当該レーザドップラー速度計の前記発振信号生成部は、
検出信号の平均周波数を計測する平均周波数計測手段と、
前記平均周波数計測手段が計測した平均周波数をfb(Dv)+fAとして、前記周波数がfb(Dv)+fA-Aの発振信号を前記fb(Dv)+Pの発振信号として生成する発振手段とを有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項８】
請求項２記載のレーザドップラー速度計であって、
前記Pは、0＜P＜fAを満たし、かつ、fb(Av)+fA-Pが常に正の値となることが保証されるように設定された値を有し、
当該レーザドップラー速度計は、当該レーザドップラー速度計に選択的に設定可能な測定モードとして、速度計測モードと速度変動計測モードとを有し、
前記測定モードとして速度変動計測モードが設定されているときに、
前記発振信号生成部は、周波数がfb(Dv)+Pの発振信号を生成し、
前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+Pの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)+fA-Pの復調対象信号に周波数変換し、
前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出し、
前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちのfb(Av)+fA-Pを最も良い周波数分解能で検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定し、
前記測定モードとして速度計測モードが設定されているときに、
前記発振信号生成部は、fb(Dv)+fb(Av)+Mが常に正の値となるように設定した値Mを用いて、周波数がfA-Mの発振信号を生成し、
前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfA-Mの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Dv)+fb(Av)+Mの復調対象信号に周波数変換し、
前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から被測定物の速度Rvを算出し、
前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Dv)+fb(Av)+Mを検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項９】
第１レーザ光と第２レーザ光を、被測定物の同一領域に異なる方向から照射し、被測定物で反射した散乱光の強度を検出信号として検出し、検出信号から被測定物の速度に関する物理量を計測するレーザドップラー速度計であって、
被測定物は、定速度成分Dvに速度変動成分Avが重畳した速度Rvで移動するものであり、
当該レーザドップラー速度計は、
前記検出信号の周波数領域における直流成分となる周波数をfDCとして、周波数がfDCの発振信号を生成する発振信号生成部と、
前記検出信号の周波数をfbとして、前記発振信号生成部が生成した周波数がfDCの発振信号を用いて検出信号を周波数fb-fDCの復調対象信号に周波数変換するミキサ部と、
前記復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出する復調器とを有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項１０】
請求項９記載のレーザドップラー速度計であって、
当該レーザドップラー速度計の前記発振信号生成部は、
検出信号の平均周波数を計測する平均周波数計測手段と、
前記平均周波数計測手段が計測した平均周波数と同じ周波数の信号を前記周波数がfDCの発振信号として生成する発振手段とを有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項１１】
請求項１、２、３、４、６、７、８または９記載のレーザドップラー速度計であって、
検出信号から被測定物の速度Rvを算出する速度計測手段を有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザドップラー速度計において速度変動を検出する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザドップラー速度計としては、レーザ光源から出射された波長λのレーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光に分岐し、音響光学素子(ＡＯＭ)等を用いて第２のレーザ光の周波数をfrシフトし、第１のレーザ光と周波数をシフトした第２のレーザ光とを、被測定物の同じ領域に照射し、被測定物による二つのレーザ光の反射光に含まれるビート信号の周波数fbより被測定物の速度vを測定するレーザドップラー速度計が知られている(たとえば、特許文献１)。
【０００３】
このレーザドップラー速度計は、第１のレーザ光を入射角+θで被測定物に照射し、周波数をfrシフトした第２のレーザ光を入射角-θで被測定物に照射する。また、検出されたビート信号の周波数fb=2fd＝fr+(2v/λ)sinθにより速度vを求めると共に、fb=2fdとfrの大小関係により移動方向を検出する。なお、fdは、被測定物の速度vによるドップラーシフトを表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５-６１９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的には、レーザドップラー速度計には、計測可能な速度の上限が異なる複数の測定レンジが切り替え可能に設けられており、レーザドップラー速度計は、設定された測定レンジ内の速度の計測に好適化された計測特性で速度の計測を行う。また、上限の速度が大きい測定レンジほど、速度分解能が低くなる。
【０００６】
したがって、定速度回転する円盤状の被測定物のワウフラッターが重畳する周速度の計測や、定速度移動する被測定物の速度ムラが重畳する速度の計測などの、大きな定速度に小さな速度変動が重畳する速度の計測を行う場合、おおよそ定速度の大きさに対して定まる測定レンジを設定して計測を行う必要があるが、この測定レンジでは、定速度の大きさに対して小さい速度変動は良好に計測することができない。
【０００７】
本発明は、大きな定速度に重畳する小さな速度変動を良好に計測することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題達成のために、本発明は、第１のレーザドップラー速度計として、第１レーザ光と、第１レーザ光と周波数がfA異なる第２レーザ光を、被測定物の同一領域に異なる方向から照射し、被測定物で反射した散乱光の強度を検出信号として検出し、検出信号から被測定物の速度に関する物理量を計測するレーザドップラー速度計に、被測定物が、定速度成分Dvに速度変動成分Avが重畳した速度Rvで移動するものであり、検出信号の周波数fbは、被測定物の定速度成分Dvによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Dv)、被測定物の速度変動成分Avによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Av)を用いてfb=fb(Dv)+fb(Av)+fAと表されるものである場合に、周波数がfb(Dv)+P(但し、0≦P≦fA)の発振信号を生成する発振信号生成部と、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+Pの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)+fA-Pの復調対象信号に周波数変換するミキサ部と、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出する復調器とを備えたものである。
【０００９】
また、第２のレーザドップラー速度計として、第１のレーザドップラー速度計に制御手段を設け、前記復調器を、検出可能な周波数の範囲と周波数分解能とが異なる複数の測定レンジを備え、前記複数の測定レンジのうちの、制御手段から現用測定レンジとして設定された測定レンジで復調対象信号の周波数の検出を行うものとし、前記制御手段において、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Av)を最も良い周波数分解能で検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定するレーザドップラー速度計を提供する。
【００１０】
以上の第１、第２のレーザドップラー速度計は、P=fAとして、前記発振信号生成部において、周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を生成し、前記ミキサ部において、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)の復調対象信号に周波数変換し、前記復調器において、復調対象信号の周波数fb(Av)を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出してもよい。
【００１１】
この場合には、前記発振信号生成部を、検出信号の平均周波数を計測する平均周波数計測手段と、前記平均周波数計測手段が計測した平均周波数をfb(Dv)+fAとして、前記周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を生成する発振手段とより構成してよい。
【００１２】
また、上記第２のレーザドップラー速度計は、P=fAとすると共に、当該レーザドップラー速度計に、当該レーザドップラー速度計に選択的に設定可能な測定モードとして、速度計測モードと速度変動計測モードとを設けてもよい。この場合、前記測定モードとして速度変動計測モードが設定されているときに、前記発振信号生成部は、周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を生成し、前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+fAの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)の復調対象信号に周波数変換し、前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出し、前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Av)を最も良い周波数分解能で検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定する。また、前記測定モードとして速度計測モードが設定されているときに、前記発振信号生成部は、周波数がfAの発振信号を生成し、前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfAの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Dv)+fb(Av)の復調対象信号に周波数変換し、前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から被測定物の速度Rvを算出し、前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Dv)+fb(Av)を検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定する。
【００１３】
または、第１、第２のレーザドップラー速度計が、前記Pは、0＜P＜fAを満たし、かつ、fb(Av)+fA-Pが常に正の値となることが保証されるように設定された値を有するものとしてもよい。
【００１４】
また、この場合、前記Pを、所定の固定値Aに対して、P=fA-Aを満たすものとし、当該レーザドップラー速度計に、検出信号の平均周波数を計測する平均周波数計測手段と、
前記平均周波数計測手段が計測した平均周波数をfb(Dv)+fAとして、前記周波数がfb(Dv)+fA-Aの発振信号を前記fb(Dv)+Pの発振信号として生成する発振手段とを備えてもよい。
【００１５】
また、上記第２のレーザドップラー速度計が、前記Pを、0＜P＜fAを満たし、かつ、fb(Av)+fA-Pが常に正の値となることが保証されるように設定された値を有するものとし、当該レーザドップラー速度計は、当該レーザドップラー速度計に選択的に設定可能な測定モードとして、速度計測モードと速度変動計測モードとを設けてもよい。この場合、前記測定モードとして速度変動計測モードが設定されているときに、前記発振信号生成部は、周波数がfb(Dv)+Pの発振信号を生成し、前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfb(Dv)+Pの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Av)+fA-Pの復調対象信号に周波数変換し、前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出し、前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちのfb(Av)+fA-Pを最も良い周波数分解能で検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定する。一方、前記測定モードとして速度計測モードが設定されているときに、前記発振信号生成部は、fb(Dv)+fb(Av)+Mが常に正の値となるように設定した値Mを用いて、周波数がfA-Mの発振信号を生成し、前記ミキサ部は、前記発振信号生成部が生成した周波数がfA-Mの発振信号を用いて検出信号を周波数fb(Dv)+fb(Av)+Mの復調対象信号に周波数変換し、前記復調器は、復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から被測定物の速度Rvを算出し、前記制御手段は、前記複数の測定レンジのうちの周波数fb(Dv)+fb(Av)+Mを検出可能な測定レンジを現用測定レンジとして前記復調器に設定する。
【００１６】
以上のような速度計測モードを設けない場合には、レーザドップラー速度計に検出信号から被測定物の速度Rvを算出する速度計測手段を設けてもよい。
以上のレーザドップラー速度計によれば、検出信号を、当該検出信号の周波数fbから被測定物の定速度成分Dvによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Dv)を少なくとも減じた低い周波数の復調対象信号に変換した上で周波数の検出を行うので、通常、高周波数帯の測定レンジに比べ周波数分解能が高い低周波数帯の測定レンジで周波数の検出を行うことができ、この結果、大きな定速度成分Dvに重畳する小さな速度変動成分Avを高い分解能で計測できる。
【００１７】
また、前記課題達成のために、本発明は、第１レーザ光と第２レーザ光を、被測定物の同一領域に異なる方向から照射し、被測定物で反射した散乱光の強度を検出信号として検出し、検出信号から被測定物の速度に関する物理量を計測するレーザドップラー速度計を提供する。被測定物は、定速度成分Dvに速度変動成分Avが重畳した速度Rvで移動するものであり、当該レーザドップラー速度計は、
前記検出信号の周波数領域における直流成分となる周波数をfDCとして、周波数がfDCの発振信号を生成する発振信号生成部と、前記検出信号の周波数をfbとして、前記発振信号生成部が生成した周波数がfDCの発振信号を用いて検出信号を周波数fb-fDCの復調対象信号に周波数変換するミキサ部と、前記復調対象信号の周波数を検出し、検出した周波数から速度変動成分Avを算出する復調器とを備えている。
【００１８】
このようなレーザドップラー速度計の前記発振信号生成部は、検出信号の平均周波数を計測する平均周波数計測手段と、前記平均周波数計測手段が計測した平均周波数と同じ周波数の信号を前記周波数がfDCの発振信号として生成する発振手段とを備えたものとしてよい。
【００１９】
このようなレーザドップラー速度計によれば、検出信号を、当該検出信号の周波数fbを、速度変動成分Avを表す周波数成分である、周波数fbよりも低い周波数周波数fb-fDCの復調対象信号に変換した上で周波数の検出を行うので、通常、高周波数帯の測定レンジに比べ周波数分解能が高い低周波数帯の測定レンジで周波数の検出を行うことができ、この結果、大きな定速度成分Dvに重畳する小さな速度変動成分Avを高い分解能で計測することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、大きな定速度に重畳する小さな速度変動を良好に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザドップラー速度計の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る計測部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るデジタル復調器の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るレーザドップラー速度計の作用を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る計測部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る計測部の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るアナログ復調器の構成例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る計測部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態について説明する。
まず、第１実施形態について説明する。
図１に、第１実施形態に係るレーザドップラー速度計の構成を示す。
レーザドップラー速度計は、計測装置１と、計測装置１に接続された検出装置２を備えている。
計測装置１は、計測部１１、計測制御部１２、計測装置１の全体を制御するシステム制御部１３、駆動部１４を備えている。
検出装置２は、レーザ光源２１、コリメータレンズ２２、ビームスプリッタ２３、ＡＯＭ２４、ミラー２５、対物レンズ２６、光検出器２７を備えている。
レーザ光源２１は、波長λのレーザ光を測定光として出射し、レーザ光源２１から出射された測定光は、コリメータレンズ２２で平行光束に変換されビームスプリッタ２３に出射される。
【００２３】
ビームスプリッタ２３は、コリメータレンズ２２から入射する測定光を二つに分岐し、分岐した一方の測定光である第１レーザ光を被測定物３００に照射し、分岐した他方の測定光である第２レーザ光をＡＯＭ２４に入射する。
【００２４】
ＡＯＭ２４は、入射した第２レーザ光の周波数をfAシフトし、ミラー２５に向けて出射する。そして、ミラー２５は、ＡＯＭ２４から入射する第２レーザ光を反射し被測定物３００に照射する。
【００２５】
ここで、ビームスプリッタ２３から出射された第１レーザ光とミラー２５から出射された第２レーザ光は、被測定物３００の同じ領域を照射する。また、ビームスプリッタ２３から出射された第１レーザ光を、被測定物３００の移動方向と垂直な方向から被測定物３００の正の移動方向にθ傾けた方向から被測定物３００に照射し、ミラー２５から出射された第２レーザ光を、被測定物３００の移動方向と垂直な方向から被測定物３００の負の移動方向にθ傾けた方向から被測定物３００に照射する。なお、移動方向の正負は、測定の目的に応じて任意に設定してよい。
【００２６】
次に、対物レンズ２６は、被測定物３００で散乱された第１レーザ光と第２レーザ光の散乱光を光検出器２７に集光する。光検出器２７は、集光された散乱光の成分を光電変換し検出信号bとして計測装置１に出力する。
【００２７】
ここで、第１レーザ光の散乱光の周波数と第２レーザ光の散乱光の周波数には、被測定物３００の速度に応じた大きさのドップラーシフトｄが逆方向に生じており、光検出器２７が出力する検出信号bは、ドップラーシフトｄの大きさと、ＡＯＭ２４における測定光のシフト周波数fAに応じた周波数fA+2fdのビート信号となる。
【００２８】
次に、計測装置１の駆動部１４は、システム制御部１３の制御に従い、レーザ光源２１とＡＯＭ２４の駆動を行う。
計測部１１は、光検出器２７から出力された検出信号bから、計測制御部１２の制御に従って被測定物３００の速度や速度変動を計測する。
図２に、計測部１１の構成を示す。
図示するように、計測部１１は、検出信号bをデジタル変換するＡＤ(アナログデジタル変換器)１１１、ミキサ部１１２、デジタル復調器１１３、ＤＡ(デジタルアナログ変換器)１１４、ＮＣＯ(数値制御発信器)１１５、周波数検出部１１６、平均化処理部１１７を備えている。なお、計測部１１のＤＡ１１４を除く部分はFPGAにより構成してよい。
【００２９】
また、計測部１１は、測定可能な速度の範囲が異なる複数の測定レンジを備えている。そして、デジタル復調器１１３は、復調特性を、複数の測定レンジに対応する複数の復調特性の間で切り替えることができる。各測定レンジに対応する復調特性は、その測定レンジ内の速度の復調に好適化されている。
【００３０】
計測装置１は、速度計測モードと速度変動計測モードの二つの計測モードを備えており、計測制御部１２は、システム制御部１３から設定された計測モードに応じた計測部１１の動作の制御を行う。
【００３１】
計測モードとして速度計測モードが設定されているとき、計測制御部１２は、ＮＣＯ１１５にＡＯＭ２４における測定光のシフト周波数fAの発振信号を出力させる。
また、計測制御部１２は、デジタル復調器１１３に、システム制御部１３から設定された測定レンジに対応する復調特性で復調動作を行わせる。ここで、速度計測モードのときに、システム制御部１３から設定される測定レンジは、ユーザにより設定された測定レンジであり、通常、計測可能な速度の上限が被測定物３００の速度の最大値超となる測定レンジのうちの、計測可能な速度の上限が最小の測定レンジが設定される。
【００３２】
さて、光検出器２７から出力された検出信号bの周波数fb=fA+2fdは、被測定物３００の定速度成分Dvによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Dv)、被測定物３００の速度変動成分Avによるドップラーシフト成分を表す周波数fb(Av)、シフト周波数fAを加算したものとなり、
fb=fb(Dv)+fb(Av)+fA
と表すことができる。
【００３３】
そして、計測モードとして速度計測モードが設定されているときミキサ部１１２はＡＤ１１１の出力するデジタル化した検出信号bにＮＣＯ１１５が出力する周波数fAの発振信号を乗算すると共に、当該乗算によって生成される周波数がfb(Dv)+fb(Av)の信号を復調対象信号Stとしてデジタル復調器１１３に出力する。
【００３４】
デジタル復調器１１３は、設定された測定レンジに対応する計測特性で復調対象信号Stの周波数fstを検出し、fst＝(2v/λ)sinθによって速度vを求め、速度v(デジタル)として出力すると共に、ＤＡ１１４を介して速度v(アナログ)として出力する。
【００３５】
次に、計測モードとして速度変動計測モードが設定されているとき、周波数検出部１１６は、ＡＤ１１１の出力するデジタル化した検出信号bの周波数を検出し、平均化処理部１１７は、周波数検出部１１６が検出した周波数の平均値を出力する。
【００３６】
検出信号の周波数は、fb(Dv)+fb(Av)+fAであり、fb(Dv)とfAは変動せず、fb(Av)のみが変動するので、平均化処理部１１７から出力される平均値は、fb(Dv)+fAとなる。
計測モードとして速度変動計測モードが設定されているとき、計測制御部１２は、ＮＣＯ１１５に平均化処理部１１７から出力されるfb(Dv)+fAの周波数の発振信号を出力させる。
【００３７】
また、デジタル復調器１１３に、システム制御部１３から設定された測定レンジに対応する復調特性で復調動作を行わせる。ここで、被測定物３００の速度Rvから被測定物３００の定速度成分Dvの大きさを減じた値を速度変動成分Avとして、速度変動計測モードのときに、システム制御部１３から設定される測定レンジは、ユーザ等により設定された、計測可能な速度の上限が被測定物３００の速度変動成分Avの最大値超となる測定レンジのうちの計測可能な速度の上限が最小の測定レンジである。
【００３８】
そして、計測モードとして速度変動計測モードが設定されているときミキサ部１１２はＡＤ１１１の出力するデジタル化した検出信号bにＮＣＯ１１５が出力する周波数fb(Dv)+fAの発振信号を乗算すると共に、当該乗算によって生成されるfb(Av)の信号を復調対象信号Stとしてデジタル復調器１１３に出力する。
【００３９】
デジタル復調器１１３は、設定された測定レンジに対応する計測特性で復調対象信号Stの周波数fstを検出し、fst＝(2v/λ)sinθによって速度vを求め、速度v(デジタル)として出力すると共に、ＤＡ１１４を介して速度v(アナログ)として出力する。
【００４０】
次に、デジタル復調器１１３の構成例を図３に示す。
図示するように、デジタル復調器１１３は、直交復調部１１３１、１からｎまでのｎ個の測定レンジに対応して設けられたｎ個の適合処理部１１３２、角度変換処理部１１３３、微分処理部１１３４、速度変換部１１３５を備えている。
【００４１】
直交復調部１１３１は、復調対象信号Stに直交したcos信号とsin信号とをそれぞれ乗算して同相成分(実数部)Iと直交成分(虚数部)Qを生成し、各適合処理部１１３２に出力する。
【００４２】
ｎ個の適合処理部１１３２は、デシメーション・フィルタ１１３２１をI用とQ用に２つ備えている。I用のデシメーション・フィルタ１１３２１は直交復調部１１３１が出力したIのサンプルを間引いて角度変換処理部１１３３にIとして出力し、Q用のデシメーション・フィルタ１１３２１は直交復調部１１３１が出力したQのサンプルを間引いて角度変換処理部１１３３にQとして出力する。
【００４３】
計測制御部１２は、デジタル復調器１１３にシステム制御部１３から設定された測定レンジに対応する復調特性で復調動作を行わせるために、設定された測定レンジに対応する適合処理部１１３２のみをアクティブとし、アクティブな適合処理部１１３２の出力するIとQのみが角度変換処理部１１３３に出力される。
【００４４】
角度変換処理部１１３３は、アークタンジェント (逆正接)関数Atan()を用いて、アクティブな適合処理部１１３２から出力されるIとQを、φ=Atan(Q/I)により角度φに変換し、微分処理部１１３４は角度φを時間微分して復調対象信号Stの周波数fstを算出する。
【００４５】
そして、速度変換部１１３５は、fst＝(2v/λ)sinθによって速度vを算出し、速度v(デジタル)として出力する。
ここで、各適合処理部１１３２におけるデシメーション・フィルタ１１３２１のサンプルの間引きの形態は、対応する測定レンジvrngに対しfrng＝(2vrng/λ)sinθに従って対応する周波数レンジfrngに適合するように、適合処理部１１３２毎に異なっている。すなわち、適合処理部１１３２のデシメーション・フィルタ１１３２１のサンプルの間引き形態は、角度変換処理部１１３３と微分処理部１１３４によって、エイリアス等の障害無く対応する周波数レンジの上限まで周波数を検出できるように設定されている。このために、周波数レンジの上限が高いほど、角度変換処理部１１３３と微分処理部１１３４によって検出される周波数の分解能、つまり、速度変換部１１３５で検出される速度の分解能は低くなる。
【００４６】
このように第１実施形態に係るレーザドップラー速度計は、被測定物３００の速度Rvが大きな定速度成分Dvと小さな速度変動成分Avを加算したものである場合、速度計測モードでは、デジタル復調器１１３における速度の復調を、図４ａに例示した絶対値の上限がfb(Dv)+fb(Av)超となる比較的広い周波数レンジR1を用いて比較的低い周波数分解能で周波数fb(Dv)+fb(Av)を検出し、検出した周波数を速度vに変換することにより行う。結果、変換された速度vは、定速度成分Dvに速度変動成分Avが加算された被測定物３００の速度Rvを表す。
【００４７】
一方、速度変動計測モードでは、被測定物３００の速度変動成分Avによるドップラーシフトによる周波数fb(Av)のみを抽出する。この場合、デジタル復調器１１３における速度の復調を、図４ｂに例示した絶対値の上限がfst=fb(Av)超となる比較的狭い周波数レンジR2を用いて比較的高い周波数分解能で周波数fb(Av)を検出し、検出した周波数を速度vに変換することにより行う。結果、速度変動計測モードで変換された速度vは、被測定物３００の速度変動成分Avを表す。
【００４８】
したがって、速度分解能は周波数分解能に依存するので、第１実施形態の速度変動計測モードによれば、大きな定速度成分Dvに重畳する小さな速度変動成分Avを高い分解能で計測することができる。
【００４９】
次に、周波数検出部１１６の構成は、たとえば、デジタル復調器１１３の周波数を検出する構成、すなわち、直交復調部１１３１とｎ個の適合処理部１１３２と角度変換処理部１１３３と微分処理部１１３４と備えた構成を用いることができる。
【００５０】
以下、第２実施形態を示す。
第２実施形態は、計測部１１の構成のみが第１実施形態と異なる。
図５に、第２実施形態の計測部１１の構成を示す。
図示するように、第２実施形態の計測部１１は、第１実施形態の計測部１１のＡＤ１１１、ミキサ部１１２、デジタル復調器１１３、ＤＡ１１４、ＮＣＯ１１５、周波数検出部１１６、平均化処理部１１７の構成に加え、第２ミキサ部１１８、第２ＮＣＯ１１９、第２デジタル復調器１１０１、第２ＤＡ１１０２を備えている。
【００５１】
第２実施形態において計測制御部１２は、ＡＤ１１１、ミキサ部１１２、デジタル復調器１１３、ＤＡ１１４、ＮＣＯ１１５、周波数検出部１１６、平均化処理部１１７を第１実施形態の速度変動計測モードと同様に動作させる。
【００５２】
また、計測制御部１２は、第２デジタル復調器１１０１に、システム制御部１３から設定された、計測可能な速度の上限が被測定物３００の速度の最大値超となる測定レンジのうちの計測可能な速度の上限が最小の測定レンジを設定する。
【００５３】
第２ＮＣＯ１１９は、シフト周波数fAの発振信号を出力し、第２ミキサ部１１８はＡＤ１１１の出力するデジタル化した検出信号に第２ＮＣＯ１１９が出力する周波数fAの発振信号を乗算すると共に、当該乗算によって生成されるfb(Dv)+fb(Av)の信号を復調対象信号Stとして第２デジタル復調器１１０１に出力する。
【００５４】
第２デジタル復調器１１０１は、設定された測定レンジに対応する計測特性で復調対象信号Stの周波数fstを検出し、fst＝(2v/λ)sinθによって速度vを求め速度v2(デジタル)として出力すると共に、第２ＤＡ１１０２を介して速度v2(アナログ)として出力する。
【００５５】
結果、デジタル復調器１１３とＤＡ１１４からは被測定物３００の速度変動成分Avを表す速度vが出力され、第２デジタル復調器１１０１と第２ＤＡ１１０２からは、定速度成分Dvに速度変動成分Avが加算された被測定物３００の速度Rvを表す速度v2が出力される。
【００５６】
以上の第１、第２実施形態では、周波数検出部１１６と平均化処理部１１７を設け、速度変動計測モードのときに、ＮＣＯ１１５において平均化処理部１１７の出力に応じてfb(Dv)+fAの周波数の発振信号を出力したが、これは、計測制御部１２が、システム制御部１３からユーザが設定したfb(Dv)+fAの値をＮＣＯ１１５に設定して、ＮＣＯ１１５においてfb(Dv)+fAの周波数の発振信号を出力してもよい。
【００５７】
また、速度変動計測モードのときに、ＮＣＯ１１５においてfb(Dv)+fAの周波数の発振信号を出力する代わりに、fb(Dv)+M(0≦M＜fA)の発振信号を出力し、ミキサ部１１２において発振信号を用いてfb(Av)+fA-Mの復調対象信号Stを生成すると共に、デジタル復調器１１３を、復調対象信号Stの周波数fstを検出し、検出した周波数fstから、fb(Av)や速度変動成分Avを算出するように構成してもよい。
【００５８】
この場合、第１、第２実施形態において、速度変動計測モードのときにＮＣＯ１１５が生成する発振信号の周波数をfb(Dv)+Pで表すと、Pは0≦P≦fAを満たす値であってよく、ミキサ部１１２が出力する復調対象信号Stの周波数fstはfst=fb(Av)+fA-Pで表され、fb(Av)≦fst≦fb(Av)+fAとなる。したがって、このようにしても、復調対象信号Stの周波数fstを、fb(Av)の成分を含み、かつ、検出信号bの周波数fbから少なくともfb(Dv)を差し引いたものとすることができる。
【００５９】
以下、第３実施形態を説明する。
第３実施形態は、第１実施形態の計測部１１におけるデジタル復調器１１３に代えてアナログ復調器を用いるものであり、計測部１１の構成のみが第１実施形態と異なる。
図６に、第３実施形態の計測部１１の構成を示す。
図示するように、第３実施形態の計測部１１は、図２に示した計測部１１のＡＤ１１１を廃し、図２に示した計測部１１のデジタル復調器１１３に代えてアナログ復調器６０を、ＤＡ１１４に代えて速度用ＡＤ６１を、ＮＣＯ１１５に代えてＶＣＯ６２を設けた構成を備えている。
【００６０】
第３実施形態において、ＶＣＯ６２は、速度計測モードのときには、fA-M1の発振信号を出力し、速度変動計測モードのときには、周波数fb(Dv)+fA-M2の発振信号を出力する。
M1は、fb(Dv)+fb(Av)+M1が常に正の値となることが保証される範囲内において、できるだけ小さくなるようにfb(Dv)+fb(Av)の値が取り得る範囲から定めた定数であり、fb(Dv)+fb(Av)+M1とM1との大小関係によって、定速度成分Dvに速度変動成分Avが加算された被測定物３００の速度Rvの正負(被測定物３００の移動方向)が求まる。
【００６１】
M2は、fb(Av)+M2が常に正の値となることが保証される範囲内、できるだけ小さくなるようにfb(Av)の値が取り得る範囲から定めた定数であり、fb(Av)+M2とM2との大小関係によって、被測定物３００の速度変動成分Avの正負が求まる。ここで、P=fA-M2とすると、Pの値は、0＜P＜fAを満たし、かつ、fb(Av)+fA-Pが常に正の値となることが保証されるように設定された値となる。
【００６２】
周波数検出部１１６は光検出器２７から出力されたアナログの検出信号bの周波数を検出する。
平均化処理部１１７は、速度変動計測モードのときに、検出信号bの周波数の平均fb(Dv)+fAを算出し、ＶＣＯ６２にfb(Dv)+fA-M2の発振信号を出力させる。
ミキサ部１１２は、速度計測モードのときには、光検出器２７から出力されたアナログの検出信号bに、ＶＣＯ６２が出力する周波数fA-M1の発振信号を乗算し、当該乗算によって生成されるfb(Dv)+fb(Av)+M1のアナログの信号を復調対象信号Stとしてアナログ復調器６０に出力し、速度変動計測モードのときには、ＶＣＯ６２が出力する周波数fb(Dv)+fA-M2の発振信号を乗算し、当該乗算によって生成されるfb(Av)+M2のアナログの信号を復調対象信号Stとしてアナログ復調器６０に出力する。
【００６３】
アナログ復調器６０は、速度計測モードのときには、ミキサ部１１２から出力される復調対象信号Stの周波数fstを検出し、fst＝M1+(2v/λ)sinθによって定速度成分Dvに速度変動成分Avが加算された被測定物３００の速度Rvの大きさを求めると共に、fstとM1との大小関係から速度Rvの正負を求める。また、速度変動計測モードのときには、アナログ復調器６０は、ミキサ部１１２から出力される復調対象信号Stの周波数fstを検出し、fst＝M2+(2v/λ)sinθによって被測定物３００の速度変動成分Avの大きさを求めると共に、fstとM2との大小関係から速度変動成分Avの正負を求める。
【００６４】
図７にアナログ復調器６０の構成例を示す。
図示するように、アナログ復調器６０は、１からｎまでのｎ個の測定レンジに対応して設けられたｎ個の復調部６０１、セレクタ６０２を備えている。
また、各復調部６０１は、復調対象信号Stの周波数fstを検出する周波数ダウンコンバータ６０１１と、速度vの大きさを算出するＦ／Ｖコンバータ６１２を備えている。Ｆ／Ｖコンバータ６１２は、速度計測モードのときには、周波数fstからfst＝M1+(2v/λ)sinθによって速度vの大きさを算出すると共に、周波数fstとM1との大小関係から速度vの正負を求め、速度変動計測モードのときには、周波数fstからfst＝M2+(2v/λ)sinθによって速度vの大きさを算出すると共に、周波数fstとM2との大小関係から速度vの正負を求める。
【００６５】
計測制御部１２は、アナログ復調器６０にシステム制御部１３から設定された測定レンジに対応する復調特性で復調動作を行わせるために、設定された測定レンジに対応する復調部６０１の出力をセレクタ６０２に選択させ、アナログ復調器６０の出力v(アナログ)として出力させる。図６の速度用ＡＤ６１は、アナログ復調器６０の出力v(アナログ)をデジタル化して出力v(デジタル)として出力する。
【００６６】
ここで、図７の各復調部６０１の周波数ダウンコンバータ６０１１は、復調部６０１に対応する測定レンジに対応する周波数レンジfrngに適合した形態で周波数fstの検出を行う。測定レンジに対応する周波数レンジfrngは、速度計測モードのときには、測定レンジvrngに対しfrng＝M1+(2vrng/λ)sinθに従って定まり、速度変動計測モードのときには、vrngに対しfrng＝M2+(2vrng/λ)sinθに従って定まる。
【００６７】
ここで、各復調部６０１の周波数ダウンコンバータ６０１１において、対応する周波数レンジfrngに適合した形態で周波数fstの検出を行う場合、通常、対応する周波数レンジの上限が高いほど検出される周波数の分解能、つまり、Ｆ／Ｖコンバータ６１２で検出される速度の分解能は低くなる。たとえば、周波数ダウンコンバータ６０１１において、対応する周波数レンジfrngの上限が出力のフルスケールとなる形態で周波数fstの検出を行う場合、対応する周波数レンジの上限が高いほど、周波数fstの変化に対する出力の変化が小さくなるので、周波数ダウンコンバータ６０１１によって検出される周波数の分解能は低くなる。
【００６８】
したがって、第３実施形態のようにアナログ復調器６０を用いる場合においても、第１実施形態と同様に、速度変動計測モードにおいて、大きな定速度成分Dvに重畳する小さな速度変動成分Avを高い分解能で計測することができる。
【００６９】
次に、本発明の第４実施形態を示す。
第４実施形態は、計測部１１の構成のみが第３実施形態と異なる。
図８に、第４実施形態の計測部１１の構成を示す。
図示するように、第４実施形態の計測部１１は、第１実施形態に対する第２実施形態と同様に、第３実施形態の計測部１１に対して、第２ミキサ部１１８、第２アナログ復調器８０、第２速度用ＡＤ８１、fA-M1の発振信号を出力する第２ＶＣＯ８２を設け、これらで、アナログの検出信号bから、定速度成分Dvに速度変動成分Avが加算された被測定物３００の速度Rvを検出して速度v2として出力し、残りの各部を第３実施形態の速度変動計測モードと同様に動作させ、速度変動成分Avを表す速度vを出力するようにしたものである。
【００７０】
なお、第３、第４実施形態では、周波数検出部１１６と平均化処理部１１７を設け、ＶＣＯ６２から平均化処理部１１７の出力に応じてfb(Dv)+fA-M2の周波数の発振信号を出力したが、これは、計測制御部１２が、システム制御部１３がユーザから設定されたfb(Dv)+fA-M2の値をＶＣＯ６２に設定して、ＶＣＯ６２においてfb(Dv)+fA-M2の周波数の発振信号を出力してもよい。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、各実施形態では、ＡＯＭ２４で第２レーザ光の周波数をfAシフトして被測定物３００に照射したが、ＡＯＭ２４で周波数のシフトを行わずに第２レーザ光を被測定物３００に照射する場合にも、各実施形態は、以上の説明におけるfAを0とすることにより同様に適用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１…計測装置、２…検出装置、１１…計測部、１２…計測制御部、１３…システム制御部、１４…駆動部、２１…レーザ光源、２２…コリメータレンズ、２３…ビームスプリッタ、２４…ＡＯＭ、２５…ミラー、２６…対物レンズ、２７…光検出器、６０…アナログ復調器、６１…速度用ＡＤ、６２…ＶＣＯ、８０…第２アナログ復調器、８１…第２速度用ＡＤ、８２…第２ＶＣＯ、１１１…ＡＤ、１１２…ミキサ部、１１３…デジタル復調器、１１４…ＤＡ、１１５…ＮＣＯ、１１６…周波数検出部、１１７…平均化処理部、１１８…第２ミキサ部、１１９…第２ＮＣＯ、３００…被測定物、６０１…復調部、６０２…セレクタ、６０１１…周波数ダウンコンバータ、６０１２…Ｆ／Ｖコンバータ、１１０１…第２デジタル復調器、１１０２…第２ＤＡ、１１３１…直交復調部、１１３２…適合処理部、１１３３…角度変換処理部、１１３４…微分処理部、１１３５…速度変換部、１１３２１…デシメーション・フィルタ。
【要約】
【課題】大きな定速度に重畳する小さな速度変動を良好に計測する。
【解決手段】第１レーザ光と、第１レーザ光と周波数fA異なる第２レーザ光を被測定物３００の同一領域に照射し検出信号bを得る。検出信号bは、被測定物３００の定速度成分によるドップラーシフトによる周波数fb(Dv)、被測定物３００の速度変動成分Avによるドップラーシフトによる周波数fb(Av)、周波数fAを加算した周波数fb(Dv)+fb(Av)+fAの周波数を有する。ミキサ部１１２は、fb(Dv)+fAの周波数の発振信号を用いて、検出信号bを周波数fb(Av)の復調対象信号Stに変換する。デジタル復調器１１３は、復調対象信号Stの周波数fstに適合した測定レンジで周波数fstを高分解能に検出し、周波数fstを速度vに変換する。
【選択図】図２【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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