JP2504544B2 - 多次元レ―ザドップラ速度計 - Google Patents

多次元レ―ザドップラ速度計

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JP2504544B2 JP63287079A JP28707988A JP2504544B2 JP 2504544 B2 JP2504544 B2 JP 2504544B2 JP 63287079 A JP63287079 A JP 63287079A JP 28707988 A JP28707988 A JP 28707988A JP 2504544 B2 JP2504544 B2 JP 2504544B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザ光を被測定体に照射しその光周波数
の変移つまりドップラシフトより、被測定体の速度ない
し変位を測定するレーザドップラ速度計に関し、特に、
２次元ないし３次元の速度ベクトルを１つの測定器で同
時に測定する測定装置に関するものである。
［従来の技術及びその問題点］ 従来、２次元ないし３次元の速度ベクトルを計測する
場合、１次元の速度計を２台ないし３台組合せ、各測定
器からの出力を計算して速度ベクトルを求めていた。こ
の場合、次元の数に比例して装置の大きさとコストが増
大し、かつ測定毎に測定プローブの高精度な設定も必要
であった。例えば、特開昭57-93258号に見られるよう
に、光ファイバを用い、１次元速度計を複数台使用する
多次元速度計の特許もある。ところが、多次元測定にお
いては以下の実用上の問題点が発生する。
測定部位の分解能を上げるためには、各速度計のプロ
ーブ光を一点に照射することになる。被測定体として光
を散乱する面を対象とする場合が多いため、ある測定プ
ローブからの散乱光が他のプローブの方でも集光され迷
光となり、プローブ間のクロストークを発生する。そし
て、クロストークは、本来の信号と分離が出来ず、事実
上速度計測は不可能になる。この現象を第１図を用いて
説明する。
第１図は２次元の速度を計測する場合の例である。図
において、被測定体である散乱粒子５は、速度ベクトル
をもち、これはｘ方向速度ベクトルxとＹ方向速度
ベクトルyに分解される。そして、ベクトルyと±α
の角度をなす２軸の測定プローブ１、２から、角周波数
ω1、ω2の光を照射した場合、レーザ光の波数ベクトル
の絶対値をＫ、速度ベクトルの絶対値をVx，Vyとする
と、ドップラ角周波数シフトΔωx，Δωyは（１），
（２）式の様になる。
Δωx＝２・Ｋ・Vx・sinα （１） Δωy＝２・Ｋ・Vy・cosα （２） １→５→１の経路を通る信号光のドップラシフトΔω
151と、２→５→１の経路を通るクロストーク光のドッ
プラシフトΔω251は（３），（４）式の様になる。
Δω151＝Δωx−Δωy （３） Δω251＝（ω2−ω1）−Δωy （４） ２軸の光源として２つの独立なレーザ光を用いると、２
つのレーザ光の光周波数の差ω2−ω1がクロストーク成
分に加わる。通常２つの独立なレーザの光周波数の差ω
2−ω1は時間とともにランダムかつ大きく変化するため
クロストーク成分の角周波数Δω251は不規則な変化を
する。たとえ、ω2＝ω1と出来ても、速度ベクトルの向
きにより２つのドップラシフ成分Δω151、Δω251の大
小関係が変化して本来の信号成分Δω151だけを分離出
来ない。このため、He-Neレーザのような単一周波数し
か選択出来ないレーザを光源とする１次元レーザ速度計
を複数台組み合わせて多次元測定することは、実用上不
可能である。
この現象を避けるには、明らかに周波数の違う２種類
のレーザを用いる方法があるが、Arイオンレーザのよう
にたいへん大型でコストの高いものになり、かつ軸の数
に比例してコストが増大する欠点を除去できない。
本発明は、従来の１次元速度計を複数組み合わせた多
次元速度計ではクロストーク光のある場合測定できない
という欠点を解消し、多次元速度測定が可能な単一光源
からなる小型なレーザドップラ速度計を提供することを
目的とする。
［問題点を解決するための手段］ 単一光源からのレーザ光を２本以上の複数ビームに分
割し、かつ各ビームの光周波数を一定量ずつシフトさ
せ、これら複数本のビームの光周波数がすべて異なるよ
うに設定し、そのビームをプローブ光とし、各プローブ
光と異なる光周波数を持つビームを参照光として用い、
検波電流をバンドパスフィルタに通して必要な信号を得
るようにした。
［作用］ 単一光源を使用し、プローブ光の周波数を一定間隔で
違えた複数のビームを用い、参照光として相互のビーム
を組み合わせて使用しているで、１台の装置で多次元速
度計測が行えると共に、周波数分離により、プローブ間
のクロストークを除去できる。
［実施例］ 本発明の一実施例を第２図を用いて説明する。第２図
は２次元速度計の例である。第２図において６はレーザ
光源、７は超音波偏向器を用いた周波数シフタ、８はシ
フタ７のドライバ、９、10、11、12はハーフミラー、13
はレンズ、14、15はPINフォトダイオードやAPDなどの光
検出器である。レーザ光源はω0の角周波数で発振して
おり、７の超音波偏向器で０次と１次の２つの回折ビー
ムに分ける。１次回折光はドライバ８の駆動角周波数ω
Lだけ周波数シフトしてω0＋ωLになる。そして、ωL≫
Δωx、ωL≫Δωyと設定しておく。
まず、光検出器14に入射する光線の経路を説明する。
角周波数ω0＋ωLを持つプローブ１の照射光が、１→５
→１という経路を経てドップラシフトを受けてω0＋ωL
＋Δωx−Δωyの角周波数を持つ信号光になる。同時
に、２→５→１の経路を経たω0−Δωyの角周波数を持
つクロストーク光が入射する。一方参照光としてハーフ
ミラー11で分離した角周波数ω0のビームをハーフミラ
ー10で混合して入射させる。この時、参照光の光強度は
信号光より十分大きい状態にしておく。
この結果、光検出器14の検波電流として現われるもの
は、１→５→１の経路を経たωL＋Δωx−Δωyとクロ
ストーク成分のΔωyとなる。そして、ωL≫Δωx、ωL
≫ΔωyのためΔωLを中心とするバンドパスフィルタを
通せば、クロストーク成分が除去される。なお、Δω
151とΔω251の差の角度周波数も光検出器で検波される
が、おのおのの信号強度が参照光より十分小さいので抑
圧される。同時に、光検出器15においても、２→５→２
の経路による信号成分ΔωL＋Δωx＋Δωyとクロスト
ーク成分Δωyが現れ、バンドパスフィルタによりクロ
ストーク成分が除去される。
速度ベクトルを求めるための信号処理系を第３図に示
す。
２つの光検出器14、15から得られた検波電流は、ωLを
中心とするバンドパスフィルタ16、17をへてクロストー
ク成分を除去し、周波数変移を電圧に変換する周波数弁
別器18、19を通る。18、19の出力はそれぞれVx−Vy，Vx
＋Vyに比例するため、18、19の出力信号の和と差を20、
21で求める事によりx,y両方向の速度成分Vx，Vyがその
方向も含めて電圧νx，νyとして求められる。
第４図は３次元測定の例である。
基本的には前述の２次元速度計を直交する方向に２組組
み合わせた構成になっているが、２種類のドライブ周波
数をもつ超音波偏向器22、23、24を合計３台使用する点
が異なる。
超音波偏向器23、24は22に対して２倍の角周波数２ωL
で駆動される。４つのビームの光周波数ω1，ω2，
ω3，ω4はωLの差をもっている。これらのビームを第
５図に示すような正四角錘の斜辺に沿う方向から照射
し、頂点５上の散乱光を、同一辺からの反射光として捕
らえ、これを信号光とする、参照光として２ωLだけ角
周波数の異なるビームからの光線をハーフミラーで分離
して用いる。
第６図は各ビームの信号光、クロストーク光成分と参
照光成分そして、検波電流の角周波数成分を示す。
この図で黒塗りのスペクトル成分は信号光、斜線のスペ
クトル成分はクロストーク光からのものである。各検波
電流を２ωLを中心とするバンドパスフィルタを通すこ
とにより、クロストーク成分を除去できる。そして、プ
ローブとからの検波信号はｘとｙ方向の速度成分を
含み、プローブとからの検波信号はｙとｚ方向の速
度成分を含む。そして、２次元速度計測の時と類似の方
法で周波数弁別器を通し、計算することにより３次元速
度ベクトル（Vx，Vy，Vz）が求まる。
プローブの先端部は、小型でかつ操作性の良い様に、
第７図に示すが如く光ファイバを用いてレーザ光を導く
ことも可能である。
［発明の効果］ このように本発明によると、従来の１次元速度計を複
数用いた多次元速度計の欠点であるクロストークによる
測定不可能な状態でも、測定が可能になりかつ、光源で
あるレーザが１組ですみ、超音波偏向器の数も少ないた
め安価でかつ、小型な多次元速度計が提供できる。
また、本速度計は参照光型であるため、プローブ光が
交差した領域以外においても信号光が得られる。このた
め、ビームが交差する領域しか測定できない従来の２光
束差動型速度計よりも広いダイナミックレンジを有する
という特長も合わせ持つ。この特長は固体の３次元振動
計測には大変有効である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来装置での２次元測定時の信号光とクロスト
ーク光を説明する図、第２図は本発明による２次元速度
計の光学系の例を示す図、第３図は第２図に対する信号
処理系を示す図、第４図は本発明による３次元速度計の
光学系の一例を示す図、第５図は本発明のプローブ部の
配置例を示す図、第６図は、各点での角周波数スペクト
ルを示す図、第７図は、プローブ先端部に光ファイバを
用いた例の図である。 図面中、 １、２、３、４は測定プローブ ５は被測定体（光散乱粒子） ６はレーザ光源 ７は超音波偏向器を用いた周波数シフタ ８は７の駆動用ドライバ ９、10、11、12はハーフミラ 13はレンズ 14、15、25、26、27、28は光検出器 16、17はバンドパスフィルタ 18、19は周波数弁別器 20、21は加算、減算器 22は超音波偏向器を用いた周波数シフタ 23、24は22と駆動周波数が異なる周波数シフタ 29は光ファイバ である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２本以上のプローブ光を被測定体に一定角
    度で照射し、その反射光のドップラシフトより被測定体
    の速度ないし変位ベクトルを多次元的に計測する光学式
    レーザドップラ速度計において、単一光源からのレーザ
    光を２本以上の複数ビームに分割し、かつ各ビームの光
    周波数を一定量ずつシフトさせ、複数本のビームの光周
    波数がすべて異なるように設定して該ビームをプローブ
    光とし、各プローブ光と異なる光周波数を持つビームを
    参照光として用い、検波電流をバンドパスフィルタに通
    して必要な信号を得る事を特徴とする参照光型多次元レ
    ーザドップラ速度計。
  2. 【請求項２】３次元速度ベクトルの測定を行なう４本の
    プローブ光を有するレーザドップラ速度計において、４
    本のプローブ光の光角周波数をωLずつずらし、参照光
    の光周波数として、各プローブ光の光角周波数より２ω
    Lだけずれたビームを用いる事を特徴とする請求項１記
    載の多次元レーザドップラ速度計。
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