JP6940839B2 - 電磁波測定装置および電磁波測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波測定装置および電磁波測定方法に関し、特に、電気光学結晶を用いる電磁波測定装置および電磁波測定方法に関する。
この出願は、２０１７年３月６日に出願された日本出願特願２０１７−４１２８６号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。

電気光学結晶を用いて電磁波を検出する装置が各種開発されている。このような電磁波を検出する技術の一例として、たとえば、特許文献１（特開２０１４−５２２７２号公報）には、以下のような技術が開示されている。すなわち、電磁波検出システムは、第一の光源と、前記第一の光源と異なる周波数で発光する第二の光源と、前記第一の光源からの光を２つに分岐する第一の光分岐器と、前記第二の光源からの光を２つに分岐する第二の光分岐器と、前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光および前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち一方の光を合波する第一の光合波器と、前記第一の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光および前記第二の光分岐器で分岐された２つの光のうち他方の光を合波する第二の光合波器と、一定の周波数の発振信号を出力する発振器と、前記第一の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第二の光分岐器と前記第一の光合波器との間、前記第一の光分岐器と前記第二の光合波器との間および前記第二の光分岐器と前記第二の光合波器との間のいずれかに挿入され、前記発振器からの発振信号で光の周波数を前記発振信号の周波数だけシフトする周波数シフタと、前記第一の光合波器からの異なる周波数の２つの光を受光して、２つの光の差周波数を周波数とする第一のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成し、生成した第一のＲＦ信号を被測定物に照射するＲＦ信号発生器と、前記第二の光合波器からの異なる周波数の２つの光をＬＯ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）信号とし、前記被測定物を透過又は反射した第一のＲＦ信号および前記ＬＯ信号を混合しヘテロダイン検波して、前記ＬＯ信号を構成する２つの光の差周波数と前記第一のＲＦ信号との周波数との差周波数を周波数とする検出信号を出力するＲＦ信号検出器と、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号を前記発振器の出力する発振信号で２位相ロックイン検出して、前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と同位相となる同相成分および前記ＲＦ信号検出器の出力する検出信号と直交位相となる直交成分を出力する２相ロックイン検出器と、を備える。

また、特許文献２（特開２０１７−１５７０３号公報）には、以下のような技術が開示されている。すなわち、電磁波測定装置は、光源と、前記光源からの光、および電磁波を受ける電気光学プローブと、前記電気光学プローブから出力された光を受ける光フィルタと、前記光フィルタを通過した光を電気信号に変換する受光素子とを備え、前記電気光学プローブは、電気光学結晶と、前記電気光学結晶と光学的に結合された光ファイバとを備え、前記電気光学結晶の固有軸の方向と前記電気光学結晶へ入射される前記光ファイバからの光の偏波方向とが沿うように設けられている。

Ｈ．−Ｌ．Ｂｌｏｅｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．「７９ＧＨｚ ＵＷＢ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｓｈｏｒｔ ｒａｎｇｅ ｒａｄａｒ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｅｎｄｓ」、Ａｄｖ．Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉ．、２００９年、７，６１−６５ 井上大輔「大規模シミュレーションによるレーダの車両搭載時の特性把握」、東京工業大学 ＴＳＵＢＡＭＥ 産業利用トライアルユース 成果報告書（平成２６年度）、２０１４年

特開２０１４−５２２７２号公報 特開２０１７−１５７０３号公報

このような特許文献１および２に記載の技術を超えて、低コストで電磁波を良好に測定可能な技術が望まれる。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、電気光学結晶を用いて低コストで電磁波を良好に測定することが可能な電磁波測定装置および電磁波測定方法を提供することである。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電磁波測定装置は、２波長のプローブ光を生成するプローブ光生成部と、電気光学結晶を含み、前記プローブ光生成部によって生成された前記プローブ光、および被検出電磁波を受ける電気光学プローブとを備え、前記プローブ光生成部は、前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、前記変動動作は、前記被検出電磁波の周波数変動の仕様に従った内容に設定される。

（８）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電磁波測定方法は、２波長のプローブ光を生成するステップと、電気光学結晶を含む電気光学プローブに、生成した前記プローブ光を与えるとともに、被検出電磁波を与えるステップとを含み、前記プローブ光を生成するステップにおいて、前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、前記変動動作は、前記被検出電磁波の周波数変動の仕様に従った内容である。

本発明によれば、電気光学結晶を用いて低コストで電磁波を良好に測定することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の構成を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定原理を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定対象となる電磁波の一例を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の比較例におけるＩＦ信号の周波数の一例を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置におけるプローブ光の制御の一例を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置におけるＩＦ信号の周波数の一例を示す図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置におけるプローブ周波数の制御による効果の一例を示す図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例の構成を示す図である。 図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例におけるプローブ光、および電気光学結晶による変調サイドバンドの一例を示す図である。 図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例におけるプローブ光の制御およびＩＦ信号の周波数の一例を示す図である。 図１２は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例の構成を示す図である。 図１３は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例の構成を示す図である。 図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置を用いた電磁波測定方法の手順を示す図である。 図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の構成を示す図である。 図１６は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置を用いた電磁波測定方法の手順を示す図である。 図１７は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置を用いた測定系の一例を示す図である。 図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の一例を示す図である。 図１９は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の一例を示す図である。 図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の一例を示す図である。 図２１は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。 図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。 図２３は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。 図２４は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。 図２５は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置における被検出電磁波のシミュレーション結果を示す図である。 図２６は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置における被検出電磁波のシミュレーション結果を示す図である。 図２７は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果およびシミュレーション結果の他の例を示す図である。 図２８は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果およびシミュレーション結果の他の例を示す図である。

最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）本発明の実施の形態に係る電磁波測定装置は、２波長のプローブ光を生成するプローブ光生成部と、電気光学結晶を含み、前記プローブ光生成部によって生成された前記プローブ光、および被検出電磁波を受ける電気光学プローブとを備え、前記プローブ光生成部は、前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、前記変動動作は、前記被検出電磁波の周波数変動の仕様に従った内容に設定される。

このように、プローブ光の周波数差に被検出電磁波の仕様に従った周波数変動を与える構成により、電気光学プローブの出力光に基づく電気信号の周波数変動を低減することができる。これにより、当該電気信号を処理する回路に要求される帯域幅を、被検出電磁波の専有帯域幅と比べてたとえば大幅に狭くすることができる。これにより、ＳＮ比の観点から有利な計測が可能となり、また、当該回路に要するコストをたとえば大幅に低減することができる。したがって、電気光学結晶を用いて低コストで電磁波を良好に測定することができる。

（２）好ましくは、前記プローブ光生成部は、前記変動動作において、前記プローブ光の周波数差と前記被検出電磁波の周波数との差の変動幅が前記被検出電磁波の周波数の変動幅よりも小さくなるように前記プローブ光の周波数差を変動させる。

このような構成により、プローブ光の周波数差を適切に変動させ、電気光学プローブの出力光に基づく電気信号を処理する回路に要求される帯域幅を、被検出電磁波の専有帯域幅と比べてたとえば大幅に狭くすることができる。

（３）好ましくは、前記プローブ光生成部は、前記変動動作において、前記プローブ光の周波数差が前記被検出電磁波の周波数変動に追随するように前記周波数差を変動させる。

このように、プローブ光の周波数差を被検出電磁波に追随させる構成により、電気光学プローブの出力光に基づく電気信号の周波数変動を容易に低減することができる。

（４）好ましくは、前記電磁波測定装置は、さらに、前記電気光学プローブから出力された光に基づく光を電気信号に変換する受光素子を備え、前記プローブ光生成部は、前記変動動作において、前記受光素子によって変換された前記電気信号の周波数に基づいて、前記周波数差の変動を調整する。

このような構成により、プローブ光の周波数差を被検出電磁波に追随させることができるため、たとえば受光素子によって変換された電気信号の周波数ドリフトを抑制し、より安定した計測結果を得ることができる。

（５）好ましくは、前記電磁波測定装置は、さらに、前記電気光学プローブから出力された光を受ける光波長フィルタと、前記光波長フィルタを通過した光を電気信号に変換する受光素子とを備え、前記光波長フィルタの帯域は、前記プローブ光のいずれか一方の光の周波数を含まない。

このような構成により、被検出電磁波の周波数変動の仕様を許容しながら、電気光学プローブの出力光のうちの不要な成分を除去して安定した計測結果を得ることができる。また、狭帯域化することが一般に困難である光波長フィルタの帯域を必要以上に狭く設定することなく、光波長フィルタの帯域を適切に設定することができるため、安価かつ容易に光波長フィルタを用いることができる。

（６）好ましくは、前記電磁波測定装置は、さらに、前記電気光学プローブから出力された光を受ける偏光素子と、前記偏光素子を通過した光を電気信号に変換する受光素子とを備える。

このような構成により、被検出電磁波の周波数変動の仕様を許容しながら、電気光学プローブの出力光のうちの不要な成分を除去して安定した計測結果を得ることができる。

（７）好ましくは、前記電磁波測定装置は、複数の前記電気光学プローブを備え、各前記電気光学プローブは、前記プローブ光生成部からの共通の前記プローブ光を受ける。

このような構成により、各電気光学プローブの出力光に基づく電気信号の、プローブ光に由来する揺らぎを共通にすることができるため、たとえば、当該電気信号を処理する回路において当該揺らぎを容易に除去することが可能となる。

（８）好ましくは、前記電磁波測定装置は、複数の前記電気光学プローブを備え、さらに、前記電気光学プローブに対応して設けられ、対応の前記電気光学プローブから出力された光を受ける複数の光波長フィルタと、前記光波長フィルタに対応して設けられ、対応の前記光波長フィルタを通過した光を電気信号に変換する複数の受光素子と、各前記受光素子によって変換された前記電気信号の位相差を検出する検出部とを備える。

このように、被測定空間に配置された複数の電気光学プローブを用いることにより、異なる地点に複数の電気光学プローブを配置し、被測定電界とプローブ光との相対的な周波数揺らぎをキャンセルして、各電気光学プローブが配置された地点間の被測定電界の相対位相差を測定することができる。これにより、被測定空間における電界の周波数が変動する場合であっても、被測定系と測定系とを同期させることなく、安定かつ精密に放射電界の振幅および位相の空間分布を測定することができる。

（９）本発明の実施の形態に係る電磁波測定方法は、２波長のプローブ光を生成するステップと、電気光学結晶を含む電気光学プローブに、生成した前記プローブ光を与えるとともに、被検出電磁波を与えるステップとを含み、前記プローブ光を生成するステップにおいて、前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、前記変動動作は、前記被検出電磁波の周波数変動の仕様に従った内容である。

このように、プローブ光の周波数差に被検出電磁波の仕様に従った周波数変動を与える方法により、電気光学プローブの出力光に基づく電気信号の周波数変動を低減することができる。これにより、当該電気信号を処理する回路に要求される帯域幅を、被検出電磁波の専有帯域幅と比べてたとえば大幅に狭くすることができる。これにより、ＳＮ比の観点から有利な計測が可能となり、また、当該回路に要するコストをたとえば大幅に低減することができる。したがって、電気光学結晶を用いて低コストで電磁波を良好に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の構成を示す図である。

図１を参照して、電磁波測定装置１０１は、プローブ光生成部１と、周波数変換部３と、検出部４とを備える。周波数変換部３は、電気光学プローブ２を含む。

電磁波測定装置１０１は、被検出電磁波３６を計測する。被検出電磁波３６は、たとえばＲＦ帯の電磁波である。

電磁波測定装置１０１において、プローブ光生成部１は、２波長の光、すなわち異なる周波数の２つの光をプローブ光として生成する。ここで、プローブ光の周波数（以下、プローブ周波数とも称する）は、これら２波長の光の周波数差に相当する。

電気光学プローブ２は、電気光学結晶を含み、プローブ光生成部１によって生成されたプローブ光、および被検出電磁波３６を受ける。電気光学プローブ２は、被検出電磁波３６を検出する。

より詳細には、プローブ光生成部１から周波数変換部３における電気光学プローブ２へ伝送されたプローブ光は、電気光学プローブ２において、被検出電磁波３６と相互作用され、かつ反射されて出力される。プローブ光は、電気光学プローブ２において、被検出電磁波３６によって位相、周波数、強度または偏光状態等が変調される。

周波数変換部３は、電気光学プローブ２から出力されたプローブ光からＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の電気信号（以下、ＩＦ信号とも称する。）を生成し、検出部４へ出力する。たとえば、このＩＦ信号には、被検出電磁波３６の振幅および位相がコヒーレントにコピーされている。

検出部４は、周波数変換部３から受けたＩＦ信号に基づいて、被検出電磁波３６の計測を行う。

なお、電磁波測定装置１０１の各構成要素間の光伝送は、光ファイバを用いて行われてもよいし、空間伝送であってもよい。空間伝送の例としては、被検出電磁波３６を出力する半導体集積回路上に電気光学結晶の部材を配置し、対物レンズで集光したプローブ光を当該部材へ照射する構成があげられる。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の構成を示す図である。

図２を参照して、電磁波測定装置１０１において、プローブ光生成部１は、発光素子２１，２２と、光合波器２３と、制御部２４とを含む。周波数変換部３は、電気光学プローブ２と、サーキュレータ１７と、光波長フィルタ１８と、受光素子（ＰＤ）１９とを含む。

電磁波測定装置１０１では、たとえば、被検出電磁波３６とプローブ光とが同期しない非同期計測を行うことができる。

より詳細には、発光素子２１は、周波数ｆ１で発光する。発光素子２２は、周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２で発光する。以下では、一例として、ｆ２＞ｆ１の場合について説明を行う。また、被検出電磁波３６の周波数をｆＥＭとすると、ｆＥＭ≠ｆ２−ｆ１の関係が成り立つ。

光合波器２３は、発光素子２１から受けた光および発光素子２２から受けた光を合波し、合波した光をサーキュレータ１７経由でプローブ光として電気光学プローブ２へ出力する。

サーキュレータ１７から電気光学プローブ２へ伝送された光は、電気光学プローブ２において、被検出電磁波３６と相互作用され、かつ反射されてサーキュレータ１７へ出力され、サーキュレータ１７から光波長フィルタ１８へ出力される。

光波長フィルタ１８は、電気光学プローブ２から出力された光を受ける。より詳細には、光波長フィルタ１８は、サーキュレータ１７から受けた光の周波数成分のうち、たとえば所定の周波数帯域外の成分を減衰させる。光波長フィルタ１８は、たとえばバンドパスフィルタである。

受光素子１９は、電気光学プローブ２から出力された光に基づく光を電気信号に変換する。より詳細には、受光素子１９は、光波長フィルタ１８を通過した光を電気信号に変換して検出部４へ出力する。

検出部４は、たとえば、受光素子１９から受けた電気信号の振幅および位相を検出し、検出した振幅および位相を示す信号をそれぞれ出力する。また、検出部４は、たとえば、プローブ光の周波数を用いて当該電気信号の周波数を検出し、検出した周波数を示す信号を出力することも可能である。なお、検出部４は、受光素子１９から受けた電気信号の振幅、位相および周波数のうちのいずれか１つまたは２つを検出する構成であってもよい。

このように、電磁波測定装置１０１は、光技術を用いることにより、低周波から高周波にわたる広帯域において、たとえば電気光学プローブ２の位置を変更しながら電磁波計測を行うことにより電磁波の電界の空間分布を計測することができる。また、電界の振幅、位相および周波数をリアルタイムに計測することができる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定原理を示す図である。

図２および図３を参照して、ここでは、理解を容易にするために、被検出電磁波３６がＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）である場合について説明する。

ｆＥＭの周波数を有する被検出電磁波３６は、電気光学プローブ２における電気光学結晶の方向へ照射される（フェーズＰ１）。また、光合波器２３において合波された周波数ｆ１の光および周波数ｆ２の光は（フェーズＰ１１）、プローブ光として、電気光学プローブ２における電気光学結晶へ伝送される（フェーズＰ１２）。

プローブ光の周波数ｆ１の成分および周波数ｆ２の成分は、それぞれ、被検出電磁波３６が照射された電気光学結晶内で変調され、変調サイドバンド、具体的には、ｆ１ｓ＝ｆ１＋ｆＥＭ、ｆ２ｓ＝ｆ２−ｆＥＭ、ｆ１ｓｄ-＝ｆ１−ｆＥＭ、およびｆ２ｓｄ-＝ｆ２＋ｆＥＭの周波数成分の光が生成される（フェーズＰ１３）。生成されたこれらの光は、周波数ｆ１および周波数ｆ２のプローブ光とともに光波長フィルタ１８へ伝送される（フェーズＰ１４）。

通過帯域Ｆを有する光波長フィルタ１８において、たとえば、周波数ｆ２のプローブ光と、周波数ｆ１ｓの変調サイドバンドの光とが取り出される（フェーズＰ１５）。

光波長フィルタ１８において取り出された光は、受光素子１９へ伝送されて光電変換（Ｏ／Ｅ）が行われ、ｆＩＦ＝ｆ２―ｆ１ｓ＝ｆｐ−ｆＥＭのＩＦ帯の電気信号が得られる（フェーズＰ２１）。

受光素子１９から出力されるＩＦ信号、すなわち周波数ｆ１ｓの光および周波数ｆ２の光間におけるヘテロダイン検出の結果生じるＩＦ帯の電気信号は、被検出電磁波３６の振幅および位相の情報を含んでいる。

なお、光波長フィルタ１８において、たとえば、周波数ｆ１のプローブ光と、周波数ｆ２ｓの変調サイドバンドの光とが取り出される構成であってもよい。

再び図２を参照して、検出部４は、たとえば、ミキサ、フィルタおよび位相シフタ等を有するロックインアンプであり、受光素子１９から受けたＩＦ帯の電気信号からベースバンド帯の電気信号を生成し、ＩＦ帯の電気信号の振幅および位相を検出する、すなわち、変調サイドバンド成分の振幅および位相を検出する。

このように、電磁波測定装置１０１により、被検出電磁波３６の電界、すなわち振幅および位相を計測することが可能となる。

ここで、一例として、以下のような課題がある。すなわち、車載ミリ波レーダから放射されるビームパターンは、レーダ装置の周囲における車両部品の影響を受けて乱れることが指摘されている（非特許文献１（Ｈ．−Ｌ．Ｂｌｏｅｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．「７９ＧＨｚ ＵＷＢ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｓｈｏｒｔ ｒａｎｇｅ ｒａｄａｒ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｅｎｄｓ」、Ａｄｖ．Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉ．、２００９年、７，６１−６５）参照）。

このビームパターンの乱れは、予期せぬ誤検知を引き起こす要因になると考えられる。その一方で、ビームパターンが実際にどの部分でどのように乱れているかを実測で明らかにする手段が無く、このような計測を実現する手段には大きなニーズがある。

現状では、反射体を車両前方に配置し、当該反射体がレーダ装置により適切に検知されるかを試験することが一般的である。しかしながら、この試験により誤検知の事実は判明するものの、誤検知を引き起こすビームパターンの乱れの原因、具体的には、車両部品のどの部分がどのような乱れを起こしているのか、を特定することができない。

アンテナ計測として一般的な手法である遠方界測定にも同じ問題がある。また、車両部品を高精度にモデル化したうえで電磁界シミュレーションに基づき乱れの原因を探る研究がなされている（非特許文献２（井上大輔「大規模シミュレーションによるレーダの車両搭載時の特性把握」、東京工業大学 ＴＳＵＢＡＭＥ 産業利用トライアルユース 成果報告書（平成２６年度）、２０１４年）参照）。

しかしながら、このような手法では、計算時間が現実的でないうえに、塗料の複素誘電率等のデータも不足しており、そもそも当該シミュレーションがどの程度現実を反映しているのかの判断も難しい。

このような状況の中で、各自動車メーカは、試行錯誤に基づき誤検知の低減を図り、期待される誤検知率が許容範囲内であるかを、数十万時間に及ぶ走行テストに基づき判断している。

今後自動運転社会を実現するためには、試行錯誤に基づかない設計／評価技術の確立だけではなく、販売後の車両に搭載されたレーダシステムの安全性をどのような指標で担保するかについての試験方法の確立から始めなければならない。

これらの課題を解決するために、実車に搭載されたレーダ装置から放射される電界の車両近傍界すなわち振幅および位相の分布の計測には強いニーズがある。

電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ：ＥＯ）効果を利用したＥＯセンシングの手法は、低擾乱で近傍界計測を可能とする優れた手法である。しかしながら、この手法をレーダ信号に適用する場合、従来技術では、レーダ信号と同じかそれ以上の帯域を有する信号処理回路が必要であった。

たとえば、７９ＧＨｚ帯のＦＭ−ＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ−Ｃｕｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダを考えると、レーダ信号は７７ＧＨｚ〜８１ＧＨｚの範囲で変調され、専有帯域幅は４ＧＨｚである。このため、４ＧＨｚ以上の帯域幅を有する広帯域な信号処理回路が必要となる。

これは、たとえば、装置のコストを２桁押し上げるだけではなく、信号対雑音比（ＳＮ比）を３桁以上悪化させる。このため、従来技術でレーダ信号を計測することは、現状のＥＯセンシングの感度ではほぼ不可能であった。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定対象となる電磁波の一例を示す図である。

図４を参照して、被検出電磁波３６は、たとえば対象物を検知するために送信される電磁波であり、所定の仕様に従って周波数が変動する。具体的には、被検出電磁波３６は、たとえばＦＭ−ＣＷ方式に従う電磁波であり、周波数ｆＥＭ１から周波数ｆＥＭ２の周波数変調幅Δｆで変動する三角波である。なお、被検出電磁波３６は、のこぎり波であってもよい。また、被検出電磁波３６は、２周波ＣＷ方式等、他の方式に従う電磁波であってもよい。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の比較例におけるＩＦ信号の周波数の一例を示す図である。

この比較例では、プローブ周波数ｆｐが固定されると仮定する。

周波数変換部３によって生成されるＩＦ信号には、プローブ光の周波数、すなわち周波数ｆ１および周波数ｆ２の差であるプローブ周波数ｆｐと被検出電磁波３６の周波数との相対的な揺らぎが重畳されている。

すなわち、比較例では、ＩＦ信号は、被検出電磁波３６と同様の周波数変調を受けることとなる。

具体的には、図５を参照して、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ１のときのＩＦ信号の周波数ｆＩＦ１は、ｆｐ−ｆＥＭ１となる。また、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ２のときのＩＦ信号の周波数ｆＩＦ２は、ｆｐ−ｆＥＭ２となる。すなわち、ＩＦ信号の周波数は、周波数変調幅Δｆで変動する。

たとえば、７９ＧＨｚ帯のＦＭ−ＣＷレーダを考えると、レーダ信号は７７ＧＨｚ〜８１ＧＨｚの範囲で変調され、専有帯域幅は４ＧＨｚである。このため、少なくとも４ＧＨｚの広帯域なＩＦ信号を、周波数変換部３の後段の検出部４における信号処理回路等で処理する必要が生じてしまう。

そこで、電磁波測定装置１０１では、以下のような構成および動作により、上記のような課題を解決する。

再び図２を参照して、電磁波測定装置１０１におけるプローブ光生成部１は、プローブ光の周波数差すなわちプローブ周波数を変動させる変動動作を行う。この変動動作は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様、すなわち被検出電磁波３６の所定の周波数変動に従った内容に設定される。言い換えれば、プローブ光生成部１は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様に従って、すなわち被検出電磁波３６の所定の周波数変動に従って、プローブ光の周波数差を変動させる。

たとえば、プローブ光生成部１は、変動動作において、プローブ光の周波数差と被検出電磁波３６の周波数との差の変動幅が被検出電磁波３６の周波数の変動幅たとえば上述の周波数変調幅Δｆよりも小さくなるようにプローブ光の周波数差を変動させる。

より詳細には、プローブ光生成部１における制御部２４は、発光素子２２を制御することにより、発光素子２２の出力光の周波数ｆ２を周波数変調幅Δｆで変動させる。

なお、電磁波測定装置１０１は、プローブ光の周波数差の時間変動の位相が被検出電磁波３６の周波数の時間変動の位相と合うように当該周波数差の時間変動の位相を設定可能な位相設定部を備える構成であってもよい。具体的には、たとえば、位相設定部は、発光素子２２における回折格子の角度を調整するか、または発光素子２２に供給する電流を調整する。

図６は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置におけるプローブ光の制御の一例を示す図である。

図６を参照して、制御部２４は、発光素子２２の出力光の周波数を、周波数ｆ２ａから周波数ｆ２ｂの周波数変調幅Δｆで変動させる。すなわち、ｆ２ｂ−ｆ２ａ＝ｆＥＭ２−ｆＥＭ１＝Δｆである。

これにより、プローブ周波数ｆｐは、（ｆ２ａ−ｆ１）から（ｆ２ｂ−ｆ１）の周波数変調幅Δｆで変動する。

なお、電磁波測定装置１０１は、発光素子２２の出力光の周波数ｆ２を変動させる構成に限らず、発光素子２１の出力光の周波数ｆ１を周波数変調幅Δｆで変動させる構成であってもよい。また、電磁波測定装置１０１は、発光素子２１の出力光の周波数ｆ１および発光素子２２の出力光の周波数ｆ２の両方を変動させる構成であってもよい。

図７は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置におけるＩＦ信号の周波数の一例を示す図である。

図７を参照して、プローブ周波数ｆｐが図６に示すように変動し、たとえば発光素子２２の出力光の周波数変動の位相が被検出電磁波３６の周波数変動の位相と一致する理想的な場合、ＩＦ信号の周波数ｆＩＦは一定となる。

具体的には、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ１のときに発光素子２２の出力光の周波数がｆ２ａである場合、ＩＦ信号の周波数は、ｆＩＦ１＝ｆｐ−ｆＥＭ１＝ｆ２ａ−ｆ１−ｆＥＭ１となる。

また、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ２のときに発光素子２２の出力光の周波数がｆ２ｂである場合、ＩＦ信号の周波数は、ｆＩＦ２＝ｆｐ−ｆＥＭ２＝ｆ２ｂ−ｆ１−ｆＥＭ２となる。

そして、ｆＥＭ２＝ｆＥＭ１＋Δｆであり、ｆ２ｂ＝ｆ２ａ＋Δｆであることから、ｆＩＦ１＝ｆＩＦ２となる。

このように、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様が既知である場合、プローブ周波数ｆｐに被検出電磁波３６の仕様と同じ周波数変動を与える構成により、ＩＦ信号の周波数変動を大きく低減することができる。

この効果により、ＩＦ信号の周波数を低くすることが可能となることから、検出部４を、安価で低速な信号処理回路等で実現することが可能となる。

すなわち、電磁波測定装置１０１では、光技術を用いて、広帯域信号を狭帯域かつ低周波の信号に変換することができる。これにより、ＦＭ−ＣＷレーダの電界等、周波数変動が既知の電磁波を安価で低速な信号処理回路等により高精度に計測することができる。

なお、ここでは、理解を容易にするために、図７に示すようにプローブ周波数ｆｐの周波数変動の位相と被検出電磁波３６の周波数変動の位相とが一致する場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。プローブ周波数ｆｐの周波数変動の位相と被検出電磁波３６の周波数変動の位相とにある程度のずれが存在しても、上記のような効果を得ることが可能である。たとえば、電磁波測定装置１０１に要求される仕様に応じて、プローブ周波数ｆｐの周波数変動の位相と被検出電磁波３６の周波数変動の位相との一致の精度を適宜設定することが可能である。

図８は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置におけるプローブ周波数の制御による効果の一例を示す図である。

周波数ｆ１および周波数ｆ２の周波数差をＦＭ−ＣＷ方式に従うレーダ信号と同様に周波数変調する構成により、ＩＦ信号において、被検出電磁波３６とプローブ光との相対的な周波数揺らぎはある程度存在するものの、周波数変動幅を容易に数ＭＨｚ内に収めることができる。

これにより、後段の信号処理回路等に要求される技術仕様は大幅に緩和される。また、検出部４への入力信号を低周波信号とすることにより、たとえば、後述するアナログミキサを用いた相対位相検出回路またはデジタル信号処理による相対位相検出等を容易に行うことが可能となる。

図８を参照して、上述の比較例では、ＦＭ−ＣＷ方式に従う被検出電磁波３６の周波数ｆＥＭの変動に対してプローブ周波数ｆｐが一定であることから、ＩＦ信号の周波数ｆＩＦが、検出部４におけるフィルタ等の所望の帯域ＢＷに収まらなくなっている。

一方、電磁波測定装置１０１では、被検出電磁波３６の周波数ｆＥＭの変動と同様にプローブ周波数ｆｐを変動させることにより、ＩＦ信号の周波数ｆＩＦをほぼ一定にすることができる。これにより、ＩＦ信号の周波数ｆＩＦを、検出部４におけるフィルタ等の所望の帯域ＢＷに容易に収めることができる。

図９は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例の構成を示す図である。

図９を参照して、電磁波測定装置１０１の変形例において、プローブ光生成部１は、発光素子１０と、光位相変調器１４，１５と、シフタ１６と、発振器１２と、制御部１３とを含む。周波数変換部３は、電気光学プローブ２と、サーキュレータ１７と、光波長フィルタ１８と、受光素子（ＰＤ）１９とを含む。

この変形例では、電磁波測定装置１０１と同様に、被検出電磁波３６とプローブ光とが同期しない非同期計測を行うことが可能である。

光位相変調器１４は、発光素子１０から受けた種光を、発振器１２から受けた周波数ｆｍの発振信号により位相変調して出力する。

シフタ１６は、発振器１２から受けた発振信号の位相をシフトして光位相変調器１５へ出力する。

光位相変調器１５は、光位相変調器１４から受けた光を、シフタ１６から受けた発振信号により位相変調して出力する。

サーキュレータ１７経由で電気光学プローブ２へ伝送された光位相変調器１５からの光は、電気光学プローブ２において、被検出電磁波３６と相互作用され、かつ反射されてサーキュレータ１７へ出力され、サーキュレータ１７から光波長フィルタ１８へ出力される。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例におけるプローブ光、および電気光学結晶による変調サイドバンドの一例を示す図である。

図１０を参照して、プローブ光生成部１は、光周波数コム、具体的には、発振器１２から出力される発振信号の周波数ｆｍの間隔で並ぶ、単一周波数の複数の光を生成する。すなわち、周波数ｆｍの間隔で並ぶ単一周波数の光で構成される変調サイドバンド群が、光位相変調器１５からサーキュレータ１７へ出力される。この変調サイドバンド群に、２波長のプローブ光たとえば周波数ｆ１の光および周波数ｆ２の光が含まれる。

サーキュレータ１７は、光位相変調器１５からこのような光周波数コムを受けて、電気光学プローブ２へ出力する。

電気光学プローブ２では、周波数ｆＥＭの被検出電磁波３６とサーキュレータ１７からの光周波数コムの各成分との相互作用により、各成分について新たにサイドバンド成分が生じる。なお、図１０では、注目すべき１つのサイドバンドの光である周波数ｆ１ｓ＝（ｆ１＋ｆＥＭ）の成分のみを示し、また、プローブ光の周波数に相当する周波数ｆ１およびｆ２を示している。

光波長フィルタ１８は、サーキュレータ１７から受けた光の周波数成分のうち、たとえば所定の周波数帯域外の成分を減衰させる。より詳細には、光波長フィルタ１８は、たとえば、サーキュレータ１７から受けた光のうち、電気光学プローブ２において生成された１つのサイドバンドの光、およびサーキュレータ１７が受ける光周波数コムの任意の成分を選択するバンドパスフィルタである。ここでは、光波長フィルタ１８は、周波数（ｆ１＋ｆＥＭ）の光および周波数ｆ２の光を出力するものとする。ただし、ｆＥＭ≠ｆ２−ｆ１の関係が成り立つ。ここでは、ｆＥＭ＜（ｆ２−ｆ１）＝４×ｆｍに設定した。

受光素子１９は、光波長フィルタ１８を通過した光を電気信号に変換して検出部４へ出力する。

なお、この変形例では、２つの光位相変調器を用いて光周波数コムを生成する構成であるとしたが、これに限定するものではなく、たとえば、モード同期レーザを用いる構成であってもよいし、位相変調器および強度変調器を用いる構成であってもよいし、１つの位相変調器を用いる構成であってもよいし、１つの強度変調器を用いる構成であってもよい。

電磁波測定装置１０１と同様に、変形例におけるプローブ光生成部１は、プローブ光の周波数差すなわちプローブ周波数を変動させる変動動作を行う。この変動動作は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様、すなわち被検出電磁波３６の所定の周波数変動に従った内容に設定される。言い換えれば、プローブ光生成部１は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様に従ってプローブ光の周波数差を変動させる。

たとえば、プローブ光生成部１は、変動動作において、プローブ光の周波数差と被検出電磁波３６の周波数との差の変動幅が被検出電磁波３６の周波数の変動幅たとえば上述の周波数変調幅Δｆよりも小さくなるようにプローブ光の周波数差を変動させる。

より詳細には、プローブ光生成部１における制御部１３は、発振器１２を制御することにより、発振器１２の発振信号の周波数ｆｍを変動させる。

なお、電磁波測定装置１０１の変形例は、プローブ光の周波数差の時間変動の位相が被検出電磁波３６の周波数の時間変動の位相と合うように当該周波数差の時間変動の位相を設定可能な位相設定部を備える構成であってもよい。具体的には、たとえば、制御部１３は、位相設定部として、発振器１２に供給する電圧の位相を調整するか、または位相の設定値を発振器１２へ出力する。

図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例におけるプローブ光の制御およびＩＦ信号の周波数の一例を示す図である。

図１１を参照して、制御部１３は、発振器１２の発振信号の周波数ｆｍを、周波数ｆｍ１から周波数ｆｍ２の周波数変調幅で変動させる。

これにより、プローブ周波数ｆｐは、４×ｆｍ１＝ｆｐ１から４×ｆｍ２＝ｆｐ２の周波数変調幅Δｆで変動する。制御部１３は、４×ｆｍ２−４×ｆｍ１＝ｆＥＭ２−ｆＥＭ１＝Δｆとなるように周波数ｆｍを変動させる。

プローブ周波数ｆｐが図１１に示すように変動し、たとえばプローブ周波数ｆｐの周波数変動が被検出電磁波３６の周波数変動と一致する理想的な場合、ＩＦ信号の周波数ｆＩＦは一定となる。

具体的には、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ１のときに発振器１２の発振信号の周波数がｆｍ１である場合、ＩＦ信号の周波数は、ｆＩＦ１＝ｆｐ１−ｆＥＭ１となる。

また、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ２のときに発振器１２の発振信号の周波数がｆｍ２である場合、ＩＦ信号の周波数は、ｆＩＦ２＝ｆｐ２−ｆＥＭ２となる。

そして、ｆＥＭ２＝ｆＥＭ１＋Δｆであり、ｆｐ２＝ｆｐ１＋Δｆであることから、ｆＩＦ１＝ｆＩＦ２となる。

このように、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様が既知である場合、電磁波測定装置１０１と同様に、プローブ周波数ｆｐに被検出電磁波３６の仕様と同じ周波数変動を与える構成により、ＩＦ信号の周波数変動を大きく低減することができる。

この効果により、ＩＦ信号の周波数を低くすることが可能となることから、検出部４を、安価で低速な信号処理回路等で実現することが可能となる。

なお、この変形例では、光周波数コムにおける１組の２波長の光すなわち周波数ｆ１の光および周波数ｆ２の光を用いる構成であるとしたが、これに限定するものではない。光周波数コムにおける複数組の２波長の光を用いる構成であってもよい。具体的には、たとえば、周波数ｆ１の光および周波数ｆ２の光、ならびにこれらの隣の成分である周波数（ｆ１＋ｆｍ）の光および周波数（ｆ２＋ｆｍ）の光を用いて、周波数（ｆ１＋ｆＥＭ）の光および周波数ｆ２の光、ならびに周波数（ｆ１＋ｆｍ＋ｆＥＭ）の光および周波数（ｆ２＋ｆｍ）の光を受光素子１９へ出力する構成であってもよい。

ここで、光波長フィルタ１８の帯域は、プローブ光のいずれか一方の光の周波数を含まないことが好ましい。この場合、周波数ｆ１または周波数ｆ２のプローブ光が光波長フィルタ１８の帯域外となる。

図３に示すように周波数ｆ２のプローブ光および周波数ｆ１ｓの変調サイドバンドの光を取り出す構成では、光波長フィルタ１８の帯域は、被検出電磁波３６の周波数変調幅より大きく設定する必要がある。一方、周波数ｆ１のプローブ光および周波数ｆ２ｓの変調サイドバンドの光を取り出す構成では、被検出電磁波３６の周波数がｆＥＭ１の場合とｆＥＭ２の場合とにおいて周波数ｆ１および周波数ｆ２ｓは一定であることから、光波長フィルタ１８の帯域は、被検出電磁波３６の周波数変調幅より大きく設定する必要がない。

また、図１０に示すような光周波数コムを用いる構成では、光波長フィルタ１８の帯域は、被検出電磁波３６の周波数変調幅Δｆの１／２より大きく、かつ周波数ｆｍより小さく設定する必要がある。

これらを踏まえると、光波長フィルタ１８において、周波数ｆ１および周波数ｆ２のいずれか一方のプローブ光を非通過帯域に含めるように設定することが好ましく、これにより、受光素子１９においてＩＦ信号を得ることが可能である。具体的には、このように設定することにより、逆相成分となる（ｆ２―ｆ１ｓ）の電気信号および（ｆ１―ｆ２ｓ）の電気信号が互いをキャンセルすることを防ぐことができる。

また、光波長フィルタ１８は、周波数ｆ１および周波数ｆ２のいずれか一方のプローブ光を非通過帯域とする構成であれば、バンドパスフィルタに限らず、ノッチフィルタであってもよいし、これらの組み合わせによって実現されてもよい。

光波長フィルタ１８の帯域が、プローブ光のいずれか一方の光の周波数を含まない構成により、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様を許容しながら、電気光学プローブ２の出力光のうちの不要な成分を除去して安定した計測結果を得ることができる。また、狭帯域化することが一般に困難である光波長フィルタの帯域を必要以上に狭く設定することなく、光波長フィルタの帯域を適切に設定することができるため、安価かつ容易に光波長フィルタを用いることができる。

ここで、プローブ光生成部１は、変動動作において、プローブ光の周波数差が被検出電磁波３６の周波数変動に追随するように当該周波数差を変動させる構成であってもよい。これにより、変動動作が、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様に従った内容に自動的に設定され、また、プローブ光の周波数差の時間変動の位相が被検出電磁波３６の周波数の時間変動の位相と合うように当該周波数差の時間変動の位相が自動的に設定される。

具体的には、たとえば、プローブ光生成部１は、変動動作において、受光素子１９によって変換された電気信号の周波数に基づいて、プローブ光の周波数差の変動を調整する。たとえば、プローブ光生成部１は、三角波状に変動する周波数差の初期位相、周期および変動幅等を調整する。

図１２は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例の構成を示す図である。以下で説明する内容以外は図２に示す電磁波測定装置１０１と同様である。

図１２を参照して、制御部２４は、検出部４によって検出されたＩＦ信号の周波数が一定となるように、または所望の帯域幅に収まるように、発光素子２２の出力光の周波数波形の位相または当該出力光の周波数を調整する。この場合、制御部２４は、プローブ光の周波数差の時間変動の位相が被検出電磁波３６の周波数の時間変動の位相と合うように当該周波数差の時間変動の位相を設定する位相設定部としても機能する。

図１３は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置の変形例の構成を示す図である。以下で説明する内容以外は図９に示す電磁波測定装置１０１と同様である。

図１３を参照して、制御部１３は、検出部４によって検出されたＩＦ信号の周波数が一定となるように、または所望の帯域幅に収まるように、発振器１２の発振信号の位相または周波数を調整する。この場合、制御部１３は、プローブ光の周波数差の時間変動の位相が被検出電磁波３６の周波数の時間変動の位相と合うように当該周波数差の時間変動の位相を設定する位相設定部としても機能する。

このような構成により、プローブ周波数ｆｐを被検出電磁波３６に追随させることができるため、たとえばＩＦ信号の周波数ドリフトを抑制することができる。

なお、電気光学プローブ２の出力光を処理する構成は、図２および図９に示すような光波長フィルタを用いる構成に限らず、他の構成であってもよい。たとえば、円偏波のプローブ光が電気光学結晶において偏波変調され、波長板と、偏光ビームスプリッタ等の偏光素子とによって強度変調に変換され、変換後の光が受光素子に与えられる構成であってもよい。

この場合、図２および図９に示す構成と同様に、受光素子は、電気光学プローブ２から出力された光に基づく光を電気信号に変換する。また、プローブ光生成部１は、当該受光素子によって変換された電気信号の周波数に基づいて、プローブ光の周波数差の変動を調整する構成であってもよい。

また、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様が既知でない場合においても、プローブ周波数ｆｐおよびＩＦ信号の周波数に基づいて、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様を推定することが可能である。たとえば、電磁波測定装置１０１は、プローブ周波数ｆｐを一定とし、検出部４によって検出されたＩＦ信号の周波数およびプローブ周波数ｆｐから被検出電磁波３６の周波数変動の仕様を推定する機能を有する構成であってもよい。

図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置を用いた電磁波測定方法の手順を示す図である。

図１４を参照して、まず、被測定電界の空間における測定点に電気光学プローブ２を配置する（ステップＳ１）。

次に、周波数差が変動する２波長のプローブ光を生成する。この周波数差の変動は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様に従った内容である。

たとえば、プローブ光の周波数差と被検出電磁波３６の周波数との差の変動幅が被検出電磁波３６の周波数の変動幅たとえば上述の周波数変調幅Δｆよりも小さくなるようにプローブ光の周波数差を変動させる。

ここで、上述のように、プローブ光の周波数差の時間変動の位相が被検出電磁波３６の周波数の時間変動の位相と合うように当該周波数差の時間変動の位相を設定してもよい。また、上述の図１２または図１３に示す変形例では、プローブ光の周波数差が被検出電磁波３６の周波数変動に追随するように当該周波数差を変動させる、具体的には、受光素子１９によって変換された電気信号の周波数に基づいてプローブ光の周波数差の変動を調整することができる（ステップＳ２）。

次に、電気光学プローブ２に、生成したプローブ光を与えるとともに、被検出電磁波３６を与える（ステップＳ３）。

次に、電気光学プローブ２から出力される光に基づいて被検出電磁波３６を計測する（ステップＳ４）。

なお、上記測定点に電気光学プローブ２を配置したとき（ステップＳ１）において被検出電磁波３６の電気光学プローブ２への付与が開始される、と考えることも可能である。この場合も、ステップＳ３において電気光学プローブ２にプローブ光および被検出電磁波３６が与えられることに変わりはない。

ところで、特許文献１および２に記載の技術を超えて、低コストで電磁波を良好に測定可能な技術が望まれる。

これに対して、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、プローブ光生成部１は、２波長のプローブ光を生成する。電気光学プローブ２は、電気光学結晶を含み、プローブ光生成部１によって生成されたプローブ光、および被検出電磁波３６を受ける。そして、プローブ光生成部１は、プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行う。この変動動作は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様、すなわち被検出電磁波３６の所定の周波数変動に従った内容に設定される。

このように、プローブ周波数ｆｐに被検出電磁波３６の仕様に従った周波数変動を与える構成により、電気光学プローブ２の出力光に基づく電気信号の周波数変動を低減することができる。これにより、当該電気信号を処理する回路に要求される帯域幅を、被検出電磁波３６の専有帯域幅と比べてたとえば大幅に狭くすることができる。これにより、ＳＮ比の観点から有利な計測が可能となり、また、当該回路に要するコストをたとえば大幅に低減することができる。

したがって、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、電気光学結晶を用いて低コストで電磁波を良好に測定することができる。

具体的には、電磁波測定装置１０１では、光技術を用いて、広帯域信号を狭帯域かつ低周波の信号に変換することができる。これにより、ＦＭ−ＣＷレーダの電界等、周波数変動が既知であるかまたは周波数変動が推定された電磁波を安価で低速な信号処理回路等により高精度に計測することができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、プローブ光生成部１は、変動動作において、プローブ光の周波数差と被検出電磁波３６の周波数との差の変動幅が被検出電磁波３６の周波数の変動幅よりも小さくなるようにプローブ光の周波数差を変動させる。

このような構成により、プローブ周波数ｆｐを適切に変動させ、電気光学プローブ２の出力光に基づく電気信号を処理する回路に要求される帯域幅を、被検出電磁波３６の専有帯域幅と比べてたとえば大幅に狭くすることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、プローブ光生成部１は、変動動作において、プローブ光の周波数差が被検出電磁波３６の周波数変動に追随するように当該周波数差を変動させる。

このように、プローブ周波数ｆｐを被検出電磁波３６に追随させる構成により、電気光学プローブ２の出力光に基づく電気信号の周波数変動を容易に低減することができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、受光素子１９は、電気光学プローブ２から出力された光に基づく光を電気信号に変換する。そして、プローブ光生成部１は、受光素子１９によって変換された電気信号の周波数に基づいて、プローブ光の周波数差の変動を調整する。

このような構成により、プローブ周波数ｆｐを被検出電磁波３６に追随させることができるため、たとえばＩＦ信号の周波数ドリフトを抑制し、より安定した計測結果を得ることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、光波長フィルタ１８は、電気光学プローブ２から出力された光を受ける。受光素子１９は、光波長フィルタ１８を通過した光を電気信号に変換する。そして、光波長フィルタ１８の帯域は、プローブ光のいずれか一方の光の周波数を含まない。

このような構成により、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様を許容しながら、電気光学プローブ２の出力光のうちの不要な成分を除去して安定した計測結果を得ることができる。また、狭帯域化することが一般に困難である光波長フィルタの帯域を必要以上に狭く設定することなく、光波長フィルタの帯域を適切に設定することができるため、安価かつ容易に光波長フィルタを用いることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置では、偏光素子は、電気光学プローブ２から出力された光を受ける。受光素子１９は、偏光素子を通過した光を電気信号に変換する。

このような構成により、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様を許容しながら、電気光学プローブ２の出力光のうちの不要な成分を除去して安定した計測結果を得ることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定方法では、まず、２波長のプローブ光を生成する。次に、電気光学結晶を含む電気光学プローブ２に、生成したプローブ光を与えるとともに、被検出電磁波３６を与える。そして、プローブ光を生成する際、プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行う。この変動動作は、被検出電磁波３６の周波数変動の仕様に従った内容である。

このように、プローブ周波数ｆｐに被検出電磁波３６の仕様に従った周波数変動を与える方法により、電気光学プローブ２の出力光に基づく電気信号の周波数変動を低減することができる。これにより、当該電気信号を処理する回路に要求される帯域幅を、被検出電磁波３６の専有帯域幅と比べてたとえば大幅に狭くすることができる。これにより、ＳＮ比の観点から有利な計測が可能となり、また、当該回路に要するコストをたとえば大幅に低減することができる。

したがって、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定方法では、電気光学結晶を用いて低コストで電磁波を良好に測定することができる。

具体的には、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定方法では、光技術を用いて、広帯域信号を狭帯域かつ低周波の信号に変換することができる。これにより、ＦＭ−ＣＷレーダの電界等、周波数変動が既知であるかまたは周波数変動が推定された電磁波を安価で低速な信号処理回路等により高精度に計測することができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る電磁波測定装置と比べて複数の電気光学プローブを用いる電磁波測定装置に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る電磁波測定装置と同様である。

図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の構成を示す図である。

図１５を参照して、電磁波測定装置１０２は、図示しないプローブ光生成部１と、周波数変換部３と、検出部４とを備える。周波数変換部３は、電気光学プローブ２である電気光学プローブ２Ａ，２Ｂと、サーキュレータ１７であるサーキュレータ１７Ａ，１７Ｂと、光波長フィルタ１８である光波長フィルタ１８Ａ，１８Ｂと、受光素子１９である受光素子（ＰＤ）１９Ａ，１９Ｂとを含む。検出部４は、発振器７１と、ミキサ７２，７４と、フィルタ７３と、同期検波器７５とを含む。

電気光学プローブ２Ａは、被測定電界の空間における測定点に配置される。測定点は、被測定電界の空間分布を計測するために予め定められた空間位置であり、たとえば、一次元、二次元または三次元のメッシュにおける格子点である。

電気光学プローブ２Ｂは、被測定電界の空間における基準点に固定して配置される。基準点は、測定点における被測定電界の位相の基準となる位相を検出するための位置であり、被測定電界の空間内であれば、いずれの位置であってもよい。

たとえば、各電気光学プローブ２は、プローブ光生成部１からの共通のプローブ光を受ける。

より詳細には、サーキュレータ１７経由で電気光学プローブ２へ伝送されたプローブ光生成部１からのプローブ光は、電気光学プローブ２において、被検出電磁波３６と相互作用され、かつ反射されてサーキュレータ１７へ出力され、サーキュレータ１７から光波長フィルタ１８へ出力される。

たとえば、サーキュレータ１７Ａ，１７Ｂは、プローブ光生成部１から周波数ｆ１およびｆ２のプローブ光を受けて、これらの光を電気光学プローブ２へ出力する。ただし、被検出電磁波３６の周波数をｆＥＭとすると、ｆＥＭ≠ｆ２−ｆ１の関係が成り立つ。これらの光は、上述のように、非同期に生成された２つの光であってもよいし、光周波数コムの各成分であってもよい。

電気光学プローブ２では、周波数ｆＥＭの被検出電磁波３６とサーキュレータ１７からの光との相互作用により、周波数（ｆ１＋ｆＥＭ）および周波数（ｆ１−ｆＥＭ）のサイドバンド成分、ならびに周波数（ｆ２＋ｆＥＭ）および周波数（ｆ２−ｆＥＭ）のサイドバンド成分が生じる。

光波長フィルタ１８は、サーキュレータ１７から受けた光の周波数成分のうち、たとえば所定の周波数帯域外の成分を減衰させる。より詳細には、光波長フィルタ１８は、たとえば、サーキュレータ１７から受けた光のうち、１つのサイドバンドの光、およびサーキュレータ１７が受けるプローブ光生成部１からの光の一方を選択するバンドパスフィルタである。ここでは、光波長フィルタ１８は、周波数（ｆ１＋ｆＥＭ）の光および周波数ｆ２の光を出力するものとする。

受光素子１９Ａは、光波長フィルタ１８Ａを通過した光を電気信号に変換してミキサ７２へ出力する。受光素子１９Ｂは、光波長フィルタ１８Ｂを通過した光を電気信号に変換してミキサ７４へ出力する。より詳細には、受光素子１９において光電変換（Ｏ／Ｅ）が行われ、たとえば周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）のＩＦ帯の電気信号が得られる。

検出部４は、受光素子１９Ａおよび１９Ｂによって変換された電気信号の位相差を検出する。

より詳細には、発振器７１は、周波数ｆｓの発振信号である参照信号を生成してミキサ７２および同期検波器７５へ出力する。

ミキサ７２は、受光素子１９Ａから受けたＩＦ信号と発振器７１から受けた参照信号とを乗算することにより、周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）と周波数ｆｓとの和の周波数および差の周波数を有する電気信号を出力する。

フィルタ７３は、ミキサ７２から受けた電気信号の周波数成分のうち、たとえば所定の周波数帯域外の成分を減衰させる。より詳細には、フィルタ７３は、たとえば、ミキサ７２から受けた電気信号の周波数成分のうち、周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）と周波数ｆｓとの和または差の周波数成分を選択するバンドパスフィルタまたはローパスフィルタである。ここでは、フィルタ７３は、上記差の周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ−ｆｓ）の周波数成分を有する電気信号を出力するものとする。

ミキサ７４は、フィルタ７３から受けた電気信号と受光素子１９Ｂから受けたＩＦ信号とを乗算することにより、周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ−ｆｓ）と周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）との和の周波数および差の周波数を有する電気信号を出力する。

同期検波器７５は、被検出電磁波３６を計測する検出器の一例である。同期検波器７５は、ミキサ７４から受けた電気信号から、発振器７１から受けた参照信号に同期する信号成分すなわち周波数ｆｓを有する信号成分を抽出する回路であり、たとえば、ミキサ７４から出力される信号を入力とし、発振器７１が生成した参照信号と同期する信号成分だけを抽出するロックインアンプである。

同期検波器７５から出力される信号は、電気光学プローブ２Ａが配置された測定点における被測定電界の振幅および位相、より詳細には、被測定電界において電気光学プローブ２Ｂが配置された基準点における被測定電界の位相を基準とする位相を示している。

このように、同期検波器７５では、ミキサ７４から出力された信号のうち、被測定電界の位相および周波数揺らぎがキャンセルされ、かつ、周波数（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）に依存する信号成分がキャンセルされた、参照信号の周波数ｆｓ＝ｆｓ−（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）＋（ｆ２―ｆ１−ｆＥＭ）を有する信号成分だけが抽出され、被測定電界の振幅および位相が特定される。

被測定電界における第１の測定点での振幅および位相の測定が終了すると、続いて、電気光学プローブ２Ｂを基準点に固定したまま、電気光学プローブ２Ａを第２の測定点に移動させ、上述の信号処理によって、第２の測定点での振幅および位相を測定する。このような測定を、予め定められたすべての測定点について繰り返す。

図１６は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置を用いた電磁波測定方法の手順を示す図である。

図１６を参照して、まず、被測定電界の空間における測定点に電気光学プローブ２Ａを配置し、かつ基準点に電気光学プローブ２Ｂを配置する（ステップＳ１１）。

次に、ミキサ７２により、電気光学プローブ２Ａから出力される光に基づく信号すなわち受光素子１９Ａから出力された信号に、発振器７１から出力された参照信号を乗じる（ステップＳ１２）。

次に、ミキサ７４により、ミキサ７２から出力された信号に、電気光学プローブ２Ｂから出力される光に基づく信号すなわち受光素子１９Ｂから出力された信号を乗じる（ステップＳ１３）。

次に、同期検波器７５により、ミキサ７４から出力された信号から、発振器７１により生成された参照信号に同期する信号成分を抽出する（ステップＳ１４）。これにより、測定点における被測定電界の振幅および位相が得られる。

次に、予め定められたすべての測定点での測定が終了していない場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、電気光学プローブ２Ａを次の測定点に移動させて配置し（ステップＳ１６）、同様の信号処理を行う（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。

一方、予め定められたすべての測定点での測定が終了した場合には（ステップＳ１５でＹＥＳ）、測定を終了する。以上により、被測定電界の空間分布が得られる。

なお、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置における検出部４は、被検出電磁波３６の振幅および位相を計測する構成であるとしたが、これに限定するものではない。検出部４は、被検出電磁波３６の振幅および位相のいずれか一方を計測する構成であってもよい。

また、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置では、検出部４は、アナログ信号処理を行う構成であるとしたが、これに限定するものではない。検出部４は、デジタル信号処理を用いる構成であってもよい。

たとえば、検出部４は、Ａ／Ｄコンバータを用いて各ＩＦ信号をデジタル信号に変換し、フーリエ変換演算を行って位相を求め、位相差を得る構成であってもよい。この場合、たとえば図１２および図１３に示す変形例では、フーリエ変換演算によって得られる周波数が一定となるように、または所望の帯域幅に収まるように、それぞれ、発光素子２２の出力光の周波数波形の位相または当該出力光の周波数、および発振器１２の発振信号の位相または周波数を調整することができる。

また、電気光学プローブ２Ａ，２Ｂの出力光を処理する構成は、図１５に示すような光波長フィルタを用いる構成に限らず、他の構成であってもよい。たとえば、円偏波のプローブ光が電気光学結晶において偏波変調され、波長板と、偏光ビームスプリッタ等の偏光素子とによって強度変調に変換され、変換後の光が受光素子に与えられる構成であってもよい。

［検証１］
ここで、本願発明者らは、電磁波測定装置１０２を用いて、以下のような検証を行った。

図１７は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置を用いた測定系の一例を示す図である。

図１７を参照して、本検証では、被検出電磁波３６とプローブ光とが同期しない非同期計測を行う。たとえば、ＦＭ−ＣＷ方式に従う周波数ｆＥＭの被検出電磁波３６をＶＣＯによって生成し、ホーンアンテナ等のアンテナから電気光学プローブ２へ放射する。

被検出電磁波３６の中心周波数は２４ＧＨｚであり、周波数変調幅は８０ＭＨｚであり、周期は１０ｍｓであり、放射パワーは３０ｄＢｍである。

本検証では、電磁波測定装置１０２において図９に示すような構成を採用し、図１０に示すような、光周波数コムにおける２つの成分をプローブ光として用いた。

より詳細には、光位相変調器１４，１５に与えられる発振器１２の発振信号は、正弦波であり、中心周波数は１２．００３３ＧＨｚである。そして、発振器１２の発振信号を三角波状に変調し、周期１０ｍｓかつ周波数変調幅８０ＭＨｚで周波数差が変動するプローブ光を生成した。また、得られるＩＦ信号を観測し、当該ＩＦ信号の周波数変動幅が所望の大きさに収まるように、発振器１２の発振信号の初期位相を調整した。このようなプローブ光の生成は、たとえば図１４に示すステップＳ２に相当する。ここで、得られるＩＦ信号の周波数は、６．６ＭＨｚである。検出部４に相当する信号処理回路の帯域幅は、５ＭＨｚである。

また、電気光学プローブ２Ａによるスキャン範囲すなわち測定点の範囲を６０ｍｍ四方とした。

図１８および図１９は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の一例を示す図である。

被検出電磁波３６とプローブ光とが同期していない一方で、プローブ光の周波数差を被検出電磁波３６の周波数変動の仕様に従って変動させることにより、ＩＦ信号の周波数変動を小さくすることができる。

そして、帯域幅が５ＭＨｚである信号処理回路によって被検出電磁波３６とプローブ光との相対的な周波数揺らぎすなわち位相揺らぎがキャンセルされた結果、図１８および図１９に示すように、振幅および位相の空間分布の可視化を実現することができた。

これは、狭帯域の信号処理回路を用いたことにより高いＳＮ比が維持されたことの結果である。なお、プローブ光の周波数差を変動させなかった場合、可視化を実現することは不可能であった。

プローブ光の周波数および当該周波数の変動幅は、たとえば電気信号によって容易に設定可能であることから、電磁波測定装置１０２を、上述のような７９ＧＨｚ帯かつ専有帯域幅が４ＧＨｚのＦＭ−ＣＷレーダ等に容易に適用することが可能である。

図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の一例を示す図である。

図２０において、縦軸は振幅［ａｒｂ．ｕ．］および位相［度］であり、横軸は時間［秒］である。縦軸の振幅は、正規化された値である。グラフＧ１は振幅を示し、グラフＧ２は位相を示す。

図２０を参照して、測定開始から１５０秒が経過するあたりまで、ほぼ一定の振幅および位相が測定されていることが分かる。

その後、被検出電磁波３６の周波数とプローブ光の周波数差とのずれが広がり、フィルタ７３による振幅減衰および位相付与が生じていることが分かる。

このため、プローブ光の周波数差が被検出電磁波３６の周波数変動に追随するように当該周波数差を変動させる構成、具体的には、たとえば図１２および図１３に示すような、受光素子１９によって変換された電気信号の周波数に基づいてプローブ光の周波数差の変動を調整する構成を採用することが好ましい。

しかしながら、このような構成に限定するものではなく、たとえばほぼ一定の振幅および位相が得られる時間、ここでは１５０秒が計測仕様等に対して十分である場合、図１２および図１３に示すような構成は採用しなくてもよい。

［検証２］
また、本願発明者らは、図１３に示すような、光周波数コムを使用し、かつ発振器１２の位相または周波数をフィードバック制御する構成に、電気光学プローブ２Ａ，２Ｂを用いる図１５に示す構成を適用した電磁波測定装置を用いて検証を行った。

本検証では、被検出電磁波３６とプローブ光とが同期しない非同期計測を行う。たとえば、ＦＭ−ＣＷ方式に従う周波数ｆＥＭの被検出電磁波３６をシンセサイザによって生成し、方向性結合器を用いて分岐した後、電気光学プローブ２Ａ，２Ｂへ放射する。電気光学プローブ２Ａには、分岐後の被検出電磁波３６をホーンアンテナから照射した。電気光学プローブ２Ａは、ホーンアンテナの開口面から約１５ｍｍ離れた位置に配置した。電気光学プローブ２Ａによるスキャン範囲すなわち測定点の範囲を７０ｍｍ四方とした。

被検出電磁波３６の中心周波数は２４ＧＨｚであり、周波数変調幅は１６０ＭＨｚであり、周期は２．５ｍｓであり、方向性結合器への放射パワーは２３０ｍＷである。また、光位相変調器１４，１５に与えられる発振器１２の発振信号は、正弦波であり、中心周波数は１２．００１８ＧＨｚであり、周波数ｆｓは１．７ＭＨｚであり、フィルタ７３の通過帯域は５ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲であり、ロックインアンプの時定数は１００ｍｓである。制御部１３は、ＩＦ信号の周波数の目標値を３．６ＭＨｚとするＰＩ制御を行う。

図２１は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。

図２１の上のグラフ図において、縦軸は周波数［ＭＨｚ］であり、横軸は時間［秒］である。図２１の中央のグラフ図において、縦軸は振幅［ａｒｂ．ｕ．］であり、横軸は時間［秒］である。縦軸の振幅は、正規化された値である。図２１の下のグラフ図において、縦軸は位相［度］であり、横軸は時間［秒］である。

図２１を参照して、測定開始から５秒程度経過した後にＰＩ制御を開始した。ＰＩ制御を行っていない状態では、被検出電磁波３６の周波数とプローブ光の周波数差とのずれが広がり、ＩＦ信号の周波数における１５０ｋＨｚ／秒のドリフトとともに振幅および位相が大きく変化している。その結果、振幅および位相を正確に測定することができなかった。

そして、ＰＩ制御を開始すると、初期の周波数ずれにも関わらず、ＩＦ信号の周波数が３．６ＭＨｚで固定され、振幅および位相を正確に測定することが可能となった。ＩＦ信号の周波数は、目標値である３．６ＭＨｚから残留偏差２．１ｋＨｚ以内で制御されており、良好な測定結果が得られている。

図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。

図２２の上のグラフ図において、縦軸は振幅［ａｒｂ．ｕ．］であり、横軸は時間［分］である。縦軸の振幅は、正規化された値である。図２２の下のグラフ図において、縦軸は位相［度］であり、横軸は時間［秒］である。

図２２を参照して、被検出電磁波３６を測定した結果、２．１ｋＨｚの残留偏差であっても、振幅測定において３９．６ｄＢのＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）、および位相測定において０．５２度の偏差が得られ、この安定した結果が３時間以上継続することを確認した。

図２３および図２４は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果の他の例を示す図である。図２５および図２６は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置における被検出電磁波のシミュレーション結果を示す図である。

図２３および図２５は、ホーンアンテナから放射される計測対象の振幅および位相の空間分布の計測結果をそれぞれ示している。図２４および図２６は、ホーンアンテナから放射される計測対象の振幅および位相の空間分布のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図２３および図２５における計測対象は被検出電磁波３６であり、図２４および図２６における計測対象は２４ＧＨｚのＣＷである。

図２３および図２５を参照して、検出部４の検出結果を用いて、ホーンアンテナの近傍におけるＸＹ，ＸＺ，ＹＺの３面のイメージングを行った。１面あたり約３０分の時間を要した。

図２３および図２５に示す被検出電磁波３６の振幅および位相の空間分布は、図２４および図２６に示すシミュレーション結果と良く一致しており、高い計測精度が得られていることが分かる。

図２７および図２８は、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置の測定結果およびシミュレーション結果の他の例を示す図である。図２７および図２８は、近傍界の測定結果から得られた遠方界の、Ｅ面およびＨ面における放射パターンをそれぞれ示している。Ｅ面およびＨ面は、上記ＸＺ面および上記ＹＺ面にそれぞれ平行な面である。

図２７において、グラフＧ１１は被検出電磁波３６の計測結果を示し、グラフＧ１２はＣＷのシミュレーション結果を示す。図２８において、グラフＧ１３は被検出電磁波３６の計測結果を示し、グラフＧ１４はＣＷのシミュレーション結果を示す。

グラフＧ１１およびＧ１３に示すホーンアンテナの放射パターンは、グラフＧ１２およびＧ１４に示すシミュレーション結果とそれぞれ良く一致しており、高い計測精度が得られていることが分かる。

以上のように、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置は、複数の電気光学プローブ２を備える。そして、各電気光学プローブ２は、プローブ光生成部１からの共通のプローブ光を受ける。

このような構成により、各電気光学プローブ２の出力光に基づく電気信号の、プローブ光に由来する揺らぎを共通にすることができるため、たとえば、検出部４において当該揺らぎを容易に除去することが可能となる。

また、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置は、複数の電気光学プローブ２を備える。光波長フィルタ１８または偏光素子は、電気光学プローブ２に対応して複数設けられ、対応の電気光学プローブ２から出力された光を受ける。受光素子１９は、光波長フィルタ１８または偏光素子に対応して複数設けられ、対応の光波長フィルタ１８または偏光素子を通過した光を電気信号に変換する。そして、検出部４は、各受光素子１９によって変換された電気信号の位相差を検出する。

より詳細には、電気光学プローブ２Ａ，２Ｂは、電界を測定するために空間に配置される。発振器７１は、参照信号を生成する。ミキサ７２は、電気光学プローブ２Ａから出力される光に基づく電気信号に参照信号を乗じる。ミキサ７４は、ミキサ７２から出力される電気信号に基づく信号に、電気光学プローブ２Ｂから出力される光に基づく電気信号を乗じる。そして、同期検波器７５は、ミキサ７４から出力された電気信号から、参照信号に同期する信号成分を抽出する。

また、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定方法では、まず、電界を測定するために空間に電気光学プローブ２Ａ，２Ｂを配置する。次に、電気光学プローブ２Ａから出力される光に基づく電気信号に、発振器７１により生成された参照信号を乗じる。次に、乗じて得られた電気信号に、電気光学プローブ２Ｂから出力される光に基づく電気信号を乗じる。そして、乗じて得られた電気信号から、発振器７１により生成された参照信号に同期する信号成分を抽出する。

このように、被測定空間に配置された２本のプローブを用いることにより、異なる地点に複数の電気光学プローブを配置し、被測定電界とプローブ光との相対的な周波数揺らぎをキャンセルして、各電気光学プローブが配置された地点間の被測定電界の相対位相差を測定することができる。これにより、被測定空間における電界の周波数が変動する場合であっても、被測定系と測定系とを同期させることなく、安定かつ精密に放射電界の振幅および位相の空間分布を測定することができる。

たとえば、ＦＭ−ＣＷ方式等、広帯域にわたり周波数が変動する信号であっても、被測定系と測定系とを同期させることなく、高精度に電界の振幅および位相の空間分布を可視化することができる。また、たとえば、実車に搭載されたレーダ装置から放射される電界の車両近傍における振幅および位相の空間分布をより忠実に計測することが可能となる。

なお、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定方法では、電気光学プローブ２Ｂを固定して電気光学プローブ２Ａを移動させたが、これに限定するものではない。電気光学プローブ２Ａ，２Ｂの相対位置を固定して、電気光学プローブ２Ａ，２Ｂを一体的に移動させて被測定電界の空間分布を得てもよい。

また、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置では、２本の電気光学プローブ２およびこれらに対応する構成が設けられたが、これに限定するものではない。電磁波測定装置１０２は、３本以上の電気光学プローブ２およびこれらに対応する構成が設けられてもよい。３本の電気光学プローブ２を用いる構成により、被測定電界の２次元分布を得ることができ、また、４本の電気光学プローブ２を用いる構成により、被測定電界の３次元分布を得ることができる。

この場合、たとえば、光波長フィルタ１８または偏光素子は、電気光学プローブ２に対応して複数設けられ、対応の電気光学プローブ２から出力された光を受ける。また、受光素子１９は、光波長フィルタ１８または偏光素子に対応して複数設けられ、対応の光波長フィルタ１８または偏光素子を通過した光を電気信号に変換する。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る電磁波測定装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

なお、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置における検出部４は、前述のように、被検出電磁波３６の周波数、その一例として周波数揺らぎを計測する構成であってもよい。具体的には、検出部４は、たとえば、スペクトラムアナライザ、オシロスコープ、周波数カウンタまたはパーソナルコンピュータであってもよい。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置および本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置は、被検出電磁波３６を計測する検出部４を備える構成であるとしたが、これに限定するものではなく、検出部４を備えず、外付けの検出部４が用いられる構成であってもよい。すなわち、受光素子１９の出力する電気信号が、電磁波測定装置１０１、電磁波測定装置１０１の変形例および電磁波測定装置１０２による被検出電磁波３６の計測結果を示している。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電磁波測定装置および本発明の第２の実施の形態に係る電磁波測定装置は、被検出電磁波３６が電気光学プローブ２に与えられる構成であればよく、たとえば、被検出電磁波３６が電気光学プローブ２に放射される構成であってもよいし、電磁波が発生する空間に電気光学プローブ２を配置することにより、被検出電磁波３６が電気光学プローブ２に与えられる構成であってもよい。

また、電気光学プローブ２として、特許文献２に記載の電気光学プローブを用いてもよい。たとえば、電磁波測定装置１０１、電磁波測定装置１０１の変形例および電磁波測定装置１０２は、電気光学結晶と光学的に結合された光ファイバを備え、電気光学結晶に入射される当該光ファイバからの光の偏波方向が電気光学結晶の固有軸の方向に沿うように設けられる構成であってもよい。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ プローブ光生成部
２，２Ａ，２Ｂ 電気光学プローブ
３ 周波数変換部
４ 検出部
３６ 被検出電磁波
１０１，１０２ 電磁波測定装置
１２ 発振器
１３ 制御部
１４，１５ 光位相変調器
１６ シフタ
１７，１７Ａ，１７Ｂ サーキュレータ
１８，１８Ａ，１８Ｂ 光波長フィルタ
１９，１９Ａ，１９Ｂ 受光素子（ＰＤ）
１０，２１，２２ 発光素子
２３ 光合波器
２４ 制御部
７１ 発振器
７２，７４ ミキサ
７３ フィルタ
７５ 同期検波器

Claims (9)

1. 周波数が変動する被検出電磁波を測定する電磁波測定装置であって、
   互いに異なる波長の２つの光である２波長の光をプローブ光として生成するプローブ光生成部と、
   電気光学結晶を含み、前記プローブ光生成部によって生成された前記プローブ光、および前記被検出電磁波を受ける電気光学プローブとを備え、
   前記プローブ光生成部は、既知であるかまたは前記電磁波測定装置において推定された、前記被検出電磁波の周波数の変動幅に従って、前記電気光学プローブが前記被検出電磁波を受けているときに前記２波長の光の少なくともいずれか一方の周波数を変動させることにより前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、
   前記プローブ光生成部は、前記変動動作において、前記プローブ光の周波数差と前記被検出電磁波の周波数との差の変動幅が前記被検出電磁波の周波数の変動幅よりも小さくなるように前記プローブ光の周波数差を変動させる、電磁波測定装置。
2. 前記プローブ光生成部は、前記変動動作において、前記プローブ光の周波数差が前記被検出電磁波の周波数変動に追随するように前記周波数差を変動させる、請求項１に記載の電磁波測定装置。
3. 前記電磁波測定装置は、さらに、
   前記電気光学プローブから出力された光に基づく光を電気信号に変換する受光素子を備え、
   前記プローブ光生成部は、前記変動動作において、前記受光素子によって変換された前記電気信号の周波数に基づいて、前記周波数差の変動を調整する、請求項１または請求項２に記載の電磁波測定装置。
4. 前記電磁波測定装置は、さらに、
   前記電気光学プローブから出力された光を受ける偏光素子と、
   前記偏光素子を通過した光を電気信号に変換する受光素子とを備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電磁波測定装置。
5. 前記電磁波測定装置は、複数の前記電気光学プローブを備え、
   各前記電気光学プローブは、前記プローブ光生成部からの共通の前記プローブ光を受ける、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁波測定装置。
6. 前記電磁波測定装置は、複数の前記電気光学プローブを備え、さらに、
   前記電気光学プローブに対応して設けられ、対応の前記電気光学プローブから出力された光を受ける複数の光波長フィルタまたは複数の偏光素子と、
   前記光波長フィルタまたは前記偏光素子に対応して設けられ、対応の前記光波長フィルタまたは前記偏光素子を通過した光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
   各前記受光素子によって変換された前記電気信号の位相差を検出する検出部とを備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電磁波測定装置。
7. 周波数が変動する被検出電磁波を測定する電磁波測定装置における電磁波測定方法であって、
   互いに異なる波長の２つの光である２波長の光をプローブ光をとして生成するステップと、
   電気光学結晶を含む電気光学プローブに、生成した前記プローブ光を与えるとともに、前記被検出電磁波を与えるステップとを含み、
   前記プローブ光を生成するステップにおいて、既知であるかまたは前記電磁波測定装置において推定された、前記被検出電磁波の周波数の変動幅に従って、前記被検出電磁波を与えるステップにおいて前記電気光学プローブに前記被検出電磁波を与えているときに前記２波長の光の少なくともいずれか一方の周波数を変動させることにより前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、
   前記プローブ光を生成するステップにおいて、前記変動動作において、前記プローブ光の周波数差と前記被検出電磁波の周波数との差の変動幅が前記被検出電磁波の周波数の変動幅よりも小さくなるように前記プローブ光の周波数差を変動させる、電磁波測定方法。
8. 周波数が変動する被検出電磁波を測定する電磁波測定装置であって、
   互いに異なる波長の２つの光である２波長の光をプローブ光として生成するプローブ光生成部と、
   電気光学結晶を含み、前記プローブ光生成部によって生成された前記プローブ光、および前記被検出電磁波を受ける電気光学プローブとを備え、
   前記プローブ光生成部は、既知であるかまたは前記電磁波測定装置において推定された、前記被検出電磁波の周波数の変動幅に従って、前記電気光学プローブが前記被検出電磁波を受けているときに前記２波長の光の少なくともいずれか一方の周波数を変動させることにより前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、
   前記電磁波測定装置は、さらに、
   前記電気光学プローブから出力された光を受ける光波長フィルタと、
   前記光波長フィルタを通過した光を電気信号に変換する受光素子とを備え、
   前記光波長フィルタの通過帯域は、前記プローブ光のいずれか一方の光の周波数を含まない、電磁波測定装置。
9. 周波数が変動する被検出電磁波を測定する電磁波測定装置における電磁波測定方法であって、
   互いに異なる波長の２つの光である２波長の光をプローブ光をとして生成するステップと、
   電気光学結晶を含む電気光学プローブに、生成した前記プローブ光を与えるとともに、前記被検出電磁波を与えるステップとを含み、
   前記プローブ光を生成するステップにおいて、既知であるかまたは前記電磁波測定装置において推定された、前記被検出電磁波の周波数の変動幅に従って、前記被検出電磁波を与えるステップにおいて前記電気光学プローブに前記被検出電磁波を与えているときに前記２波長の光の少なくともいずれか一方の周波数を変動させることにより前記プローブ光の周波数差を変動させる変動動作を行い、
   前記電磁波測定装置は、前記電気光学プローブから出力された光を受ける光波長フィルタと、前記光波長フィルタを通過した光を電気信号に変換する受光素子とを備え、前記光波長フィルタの通過帯域は、前記プローブ光のいずれか一方の光の周波数を含まない、電磁波測定方法。

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