JPH0293391A - レーザドップラ速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザドツプラ速度計に係り、とくに移動物
体に対して２ビームの照射レーザ光を使用したレーザド
ツプラ速度計に関する。

〔従来の技術〕

２ビームの照射レーザ光を使用したレーザドツプラ速度
計としては、従来より例えば特開昭５８−２１３２７３
号及び実開昭５７−１９８０７９号の各公報記載のもの
が公表されている。

これらの従来例は、いづれも、移動物体の同一照射点に
対して２つのレーザビームを同時に連続照射するととも
に、その照射ビームに重畳されて（る移動物体側からの
回転信号に係る周波数（ドツプラ周波数）をビーム出力
側にて検知するようになっている。そして、このビーム
出力側で検出される２つの異った回転信号としてのドツ
プラ周波数につき、その差が平衡混合器で検出され、し
かるのち、その検出された差動信号に基づいて移動物体
の移動速度が算定されるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来例にあっては、前述したように、照射ビームに
移動物体側から各別に反射してくる２つの散乱光にそれ
ぞれ重畳されている反射信号のドツプラ周波数を求め、
その差を検出する、という手法を採っている。従って測
定条件を同一に維持するため、各レーザビームは移動物
体上の同一照射点にて常に交差するように設定されてい
る。

さらに、同一の理由より、２つのレーザ光は、空間の同
一面内を異った方向から伝播して前述した照射点に所定
の異なった入射角にて入射するように設定されている。

しかしながら、かかる従来例にあっては、ビームのスポ
ットが小さいことから、２つのレーザビームの照射点を
移動物体上の同一箇所に設定するのは容易でない、この
ため、測定に際しての準備に多くの時間と労力を要する
という不都合が生じている。

［発明の目的］ 本発明の目的は、かかる従来例の有する不都合を改善し
、とくに移動物体の移動速度を迅速且つ容易に測定する
ことのできるレーザドツプラ速度計を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明では、移動物体に対し異ったビーム照射
角が設定され同時に相互用のビームの傾き角が一定の角
度に設定されたレーザビームを出力する第１及び第２の
レーザビーム出力手段を設け、この第１及び第２のレー
ザビーム出力手段にて各別に検出される移動物体からの
所定の反射信号に基づいて当該移動物体に係るみかけ上
のドツプラ周波数を算出する第１及び第２の周波数算定
手段を備えている。そして、この第１及び第２の周波数
算定手段で算出されるみかけ上の周波数に基づいて当該
移動物体の真の速度を算定する速度演算手段を装備する
、という構成を採っている。

これによって前述した目的を達成しようとするものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図に基づ
いて説明する。

この第１図ないし第４図に示す実施例は、移動物体Ｍに
対し異ったビーム照射角θ３．θ２が設定され同時に相
互間のビームの傾き角θ、が一定の角度に設定されたレ
ーザビームＢｌ、Ｂｚをそれぞれ出力する第１及び第２
のレーザビーム出力手段１．２を備えている。この第１
及び第２のレーザビーム出力手段１．２にて各別に検出
される移動物体Ｍからの所定の反射信号に基づいて当該
移動物体Ｍに係るみかけ上のドツプラ周波数ｒ、、、　
　ｒ６、を算定する第１及び第２の周波数算定手段３４
が装備されている。更に、この第１及び第２の各周波数
算定手段３，４で算定されるみかけ上のドツプラ周波数
ｒ　ｄｌ＋　　ｆ　６２に基づいて移動物体の真の速度
を算定する速度演算手段５が装備されている。符号６．
７は各々方向判別手段を示す。

第１のレーザビーム出力手段１は、コヒーレント光を出
力するレーザ光源１１と、このレーザ光源１１から出力
されるレーザビームＢ、を集光するとともに被測定物で
ある移動物体Ｍからの反射散乱光をレーザ光源１１側へ
送り込む集光手段１２と、反射散乱光により形成される
ドツプラビート信号Ｉ）ｂｔをレーザ光源１１から分離
抽出するビート検出手段１３とにより構成されている。

この内、レーザ光源１１は、レーザ駆動回路（図示せず
）に駆動されて作動するようになっている。このレーザ
光源１１は、本実施例においては半導体レーザが使用さ
れている。このレーザ光源１１は、移動物体Ｍを照射す
るコヒーレント光のレーザビームＢ、を誘導放出により
出力する。

この場合、移動物体Ｍによって散乱されてドツプラ周波
数偏移ｔａ、を受けた反射戻り光が半導体レーザに戻る
と、ドツプラ偏移を受けていないコヒーレント光との間
で自己混合作用が共振器内部に生じドツプラビートが発
生する。そして、半導体レーザ駆動電流には、ビート周
波数に対応した鋸歯状波信号が重畳される。

集光手段１２として、本実施例では光学レンズが使用さ
れている。この集光手段１２は、レーザ光＃１１と移動
物体Ｍとの間に置かれ、移動物体Ｍ上での照射、散乱条
件が最適となるように焦点位置が調節できる保持機構１
０に設置されている。

この集光手段１２はレーザ光源１１から出射されたレー
ザビームＢ１を集光して移動物体Ｍに効率よく照射する
機能を持っている。同時に移動物体Ｍによって散乱され
た反射戻り光を集光し、半導体レーザ光′ｔＡ１１に入
射させる機能を持っている。

ビート検出手段１３としては、本実施例では光電変換器
が使用されている。この光電変換器は、レーザ光源１１
に併設され、レーザ光？ＴＡｌｌ中より当該レーザ光に
重畳された鋸歯状波に近似したドツプラビート信号を抽
出し出力する機能を備えている。

第２のレーザビーム出力手段２を、前述した第１のレー
ザビーム出力手段１と同様に構成され、レーザ光源２１
と、このレーザ光源２１から出力されるレーザビームＢ
２を集光するとともに移動物体Ｍからの反射散乱光をレ
ーザ光源２１側へ送り込む集光手段２２と、反射散乱光
により形成されるドツプラビート信号Ｄｂ□をレーザ光
源２１から分離抽出するビート検出手段２３とを備えて
いる。

第２図（１）　（２）にドツプラビート信号の例を示す
。

ここで、第２図（１）は移動物体Ｍが近づいてくる場合
を示し、同図（２）は移動物体Ｍが遠ざかる場合を示す
。

第１の周波数算定手段３は、第３図に示すようにビート
検出手段１３から出力されるドツプラビート信号■を所
定のタイミング信号に変換する波形整形部３１と、この
波形整形部３１から出力される所定のタイミング信号■
を信号処理して対応するドツプラ周波数に係る周波数信
号ｆ□を出力する信号処理回路部３２とにより構成され
ている。

この内、波形整形部３１は、例えばドツプラビート信号
を′所定レベルまで増幅するレベル調整回路と、このレ
ベル調整回路の出力信号を微分する微分回路と、この微
分回路から出力されるタイミング信号の立上りに同期し
てタイミング信号の二周期分を一周期とする整形クロッ
クを出力する波形変換回路とにより構成されている。

また、信号処理回路部３２は、周波数の大小に対応した
電圧を出力するＦ−Ｖ変換回路３３と、このＦ−Ｖ変換
回路３３の出力をアナログ−デジタル変換するＡ−Ｄ変
換回路３４とにより構成されている。

次に、上記実施例における第１の周波数算定手段３の動
作を第４図（１）に基づいて説明する。

ビート検出手段１３によって検出されたドツプラビート
信ＭＤいは、波形整形部３１の微分回路の作用によって
鋸歯状波の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミング信
号が抽出され、波形整形部３１では、このタイミング信
号の立ち上がりに同期した整形クロック■を作成する。

この整形クロック■は、元の信号である鋸歯状波Ｄｂｌ
の周波数ｆα、に対応した周波数を持つことになる（本
実施例では整形クロック■の周波数が鋸歯状波の周波数
の１／２となっている）。従って、この整形クロック■
の周波数をＦ−Ｖ変換によって電圧値Ｖ、に線形変換し
、その後、Ａ−Ｄ変換によりデジタル的に周波数情報を
得ることにより鋸歯状波のビート周波数ｆ□を得る。第
１図に示す移動物体Ｍの速度Ｖは、θ１が既知の場合、
この周波数ｆ□に基づいて次式によって求めることがで
きる。

ｆａ、＝　（２・ＩＶＩ　・ｃｏｓθ、）／λ　・（１
）但し、λは波長を示し、θ１は移動物体Ｍの進行方向
に対するレーザ照射光の照射角度を示す。

第２の周波数算定手段４も、第１の周波数算定手段３と
同様に、波形整形部４１と、信号処理回踏部４２とを備
え、同様に機能するようになっている。そして、信号処
理回路部４２は、Ｆ−Ｖ変換回路４３と、Ａ−Ｄ変換回
路４４とにより構成され、第４図（２）に示す如く機能
し、これによって前述した第１の周波数算定手段３と同
様に次式のドツプラ周波数ｆｄ２を直接的に算定し得る
ようになっている。

ｆ、□−（２・ｌＶ２　１−ｃｏｓθ２）／λ　・・・
（２）この第１及び第２の周波数算定手段３．４で特定
されたドツプラ周波数ＦＩ＋　　ｆ４□に係る情報は、
速度演算手段５へ送られる。この速度演算手段５では、
人力されるｆ　ｄｌ＋　　ｆ　ａｔの情報及び予め特定
された「θ３」及び「λ」に係る情報に基づいて次式（
３）の演算が行われ、最終的に移動物体Ｍの速度が演算
され出力されるようになっている。

尚、θ３−９０°とした場合、上式（３）は次式（４）
となる。

４■２／λ−（（ｆａ＋）”＋　（ｆａｘ）”］　　　
　　　・・・（４）このため、本実施例においては、前
述した第１図のθ１及びθ２が不明もしくは変動しても
、θ、を一定にするとともにθ１≠０２のちとに二ケ所
にてドツプラ周波数を測定することにより、直ちに移動
物体Ｍの移動速度■を容易に且つ正確に算定することが
できるという利点がある。また、移動物体Ｍ上に二つの
レーザビームＢ＋、Ｂｚの交差点を設定する必要性が全
くないことから、測定作業を短時間に迅速且つ容易に行
い得るという利点もある。

［第２実施例］ 次に、第２実施例を第５図ないし第６図に基づいて説明
する。

この第２実施例は、鋸歯状波の一周期に既知の周期を持
つクロックが幾つ存在するのかを計数して鋸歯状波の周
期を求め、これに基づいてドツプラ周波数ｆｄｌ＋　　
１ｄ□を算定し、しかる後、計算によって速度を得よう
とするものである。

この第５図に示す第２実施例において、第１及び第２の
周波数算定手段３Ａ、４Ａは、それぞれ、波形整形部３
６．４６と、信号処理回路部３７゜４７とを備えている
。この内、波形整形部３６゜４６は、例えば前述したド
ツプラ信号を所定レベルまで増幅するレベル調整回路と
、このレベル調整回路の出力信号を微分する微分回路と
、この微分回路から出力されるタイミング信号に同期し
て当該タイミング信号の二周期分を一周期とするゲート
制御信号■■′を出力するゲート制御回路とにより構成
されている。

また、信号処理回路部３７．４７は、ゲート制御信号■
■′に制御されてオン−オフ動作するゲート回路３８，
４８と、このゲート回路３８．４８に各別に同一の基準
クロック■を送り込む基準クロック出力回路３５と、ゲ
ート回路３８．４８を通過した基準クロック■を計数す
るカウンタ３９．４９とにより構成されている。その他
の構成は前述した第１実施例と同一となっている。

次に、この第５図における第１及び第２の周波数算定手
段３Ａ、４Ａの動作について説明する。

この第５図に示す第２実施例は、波形整形部３６．４６
に人力された鋸歯状波は、微分回路の作用により鋸歯状
波の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミング信号を抽
出する。信号処理回路部３７．４７の各ゲート制御回路
では、このタイミング信号の立ち下がりに同期したゲー
ト制御信号■■′によってゲートを開閉する。これによ
って、基準クロック出力回路３５で作られた基準クロッ
ク■はゲートの開いている時だけ基準クロック■の通過
する計数クロック■■′となってカウンタ回路３９．４
９に入力することになる。ゲートの開いている時間は鋸
歯状波の一周期に対応することを考慮すると、カウンタ
３９，４９で計数した計数値より鋸歯状波の周期Ｔ　Ｉ
、　Ｔ　ｚが次式で求められることになる。

（ｎｌ＋ｎ２’計数値、ｔ：基準クロックの周期）これ
より、ドツプラ周波数ｆ□、ｆｏは、として算定される
。

この式（５）にて算定されるｆ□、ｆｏに基づいて前述
した第１実施例の場合と同様に移動物体Ｍの移動速度■
が速度演算手段５Ａにて演算され特定されるようになっ
ている・。

その他の構成は前述した第１実施例と同一となっている
。

［第３実施例］ 次に、第３実施例を第７図ないし第８図に基づいて説明
する。

この第３実施例は、予め設定した一定時間間隔に同周期
の鋸歯状波が存在するのか、を計数してその周波数を求
め、これに基づいて移動物体Ｍの速度■を得ようとする
ものである。

この第７図に示す第３実施例においては、波形整形部６
１．７１が、例えばドツプラビート信号を所定レベルま
で増幅するレベル調整回路と、このレベル調整回路の出
力信号を微分する微分回路と、この微分回路から出力さ
れるタイミング信号に同期して所定の計数パルス信号を
出力する計数パルス発生回路とにより構成されている。

また、信号処理回路６２．７２が、計数パルス信号を入
力するゲート回路６３７３と、このゲート回路６３．７
３に併設され当該ゲート回路６３．７３の開閉動作を制
御するサンプリング周期設定回路６５と、ゲート回路６
３．７３から出力される計数パルス■■′を計数するカ
ウンタ回路６４．７４とにより構成されている。その他
の構成は前述した第１実施例と同一となっている。

次に、上記第３実施例における周波数算定手段３Ｂ、４
Ｂの動作について説明する。

波形整形部６１．７１に入力された鋸歯状波は、微分回
路によって信号の立ち上りおよび立ち下がりのタイミン
グ信号に変換される。計数パルス発生回路では、このタ
イミング信号をもとに鋸歯状波の周期Ｔに対応した周期
を持つ計数パルス■■′を出力する。また、サンプリン
グ周期設定回路６５で予め一定時間間隔を定めておき、
その時間に対応したゲート信号によってゲートを開閉す
る。

ゲートが開かれている一定時間間隔内に幾つの計数パル
ス■■′が含まれているのかをカウンタ回路６４．７４
により計数し、鋸歯状波の周波数ｆｄｌ＋　　ｆｄ□を
次式から求める。

ｆａｒ＝ｎｌ／Ｔ’ ｆａｘ＝ｎｚ　／Ｔ’　　　（ｎ＋＋ｎｚ　　：計数値
）このようにしても、２つのドツプラ周波数ｆ４１゜ｒ
ａｇに係る情報が得られるので、前述した第１実施例と
同一の効果を得ることができる。

〔第４実施例〕 次に、第４実施例を第９図に基づいて説明する。

この第４実施例において、第１及び第２の周波数算定手
段３Ｃ，４Ｃは、第９図に示すようにそれぞれ波形整形
部３１．４１と、Ｆ−Ｖ変換回路３３．４３とにより構
成されている。そして、この第１及び第２の周波数算定
手段３Ｃ，４Ｃで算定されたドツプラ周波数Ｄｂ１．Ｄ
ｂ□は、対応する所定レベルの電圧値Ｖ、、Ｖ２として
速度演算手段５Ｃに送り込まれるようになっている。

この速度演算手段５Ｃでは、前述した式（３）をアナロ
グ演算して移動物体Ｍの速度■に係る演算結果を出力す
るようになっている。

すなわち、この第４実施例において、速度演算手段５Ｃ
は、第１の周波数算定手段３ｃの出力ｒａｔに対応した
電圧値■、を二乗する第１の二乗計算回路５１と、第２
の周波数算定手段４ｃの出力ｒ４□に対応した電圧値■
２を二乗する第２の乗計算回路５２と、第１及び第２の
周波数算定手段３Ｃ，４Ｃの出力を入力し、 「２■１・ｖ２・ｃｏｓθ３」 を演算する乗算器５３と、これら第１及び第２の二乗計
算回路５２並びに乗算器５３の各出力を加算するととも
に「λ／４ｓｉｎ”θ３」を乗算する加算乗算器５４と
、この加算乗算器５４の出力「■。′」を入力し所定の
速度に対応した電圧値■。を出力する平方根算定回路５
５とにより構成されている。

その他の構成は前述した第１実施例と同一となっている
。

このようにしても、前述した第１実施例とほぼ同様の作
用効果を備えたレーザドツプラ速度計を得ることができ
る。

尚、上記各実施例は、２つのレーザビームの交差角θ３
がいづれもθ、く９０°の場合を例示したが、本発明は
必ずしもこれに限定されず、θ３＝９０°又はθ、〉９
０°であってもよい。

これかため移動物体のレーザビーム照射面に二つのレー
ザビームの交差点を設定するという煩わしさを排除する
ことができ、これがため、測定作業をいたって容易に且
つ迅速に進めることが可能となり、レーザビームを移動
物体Ｍ上に設定するための治具及び計測手段等が不要と
なり、これがため装置全体構造が簡単となり、従って取
扱いが容易となり、比較的安価に入手することが可能と
なり、測定値の信頬性向上を図ることができるという従
来にない優れたレーザドツプラ速度計を提供することが
できる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によると、２つのレーザビーム出
力手段を用いて移動物体の移動に伴うトンラブ周波数を
異った方向から測定したのち、この測定された二つのド
ツプラ周波数に基づいて移動物体の移動速度を演算し特
定する、という手法を採用したことから、二つのレーザ
ビームの交差点を移動物体上に設定する必然性が全く無
くなり、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体的構成図、第２図
は第１図の場合を含む反射レーザ光のドツプラ現象を示
す説明図、第３図は第１図中の周波数算定手段を示す詳
細ブロック図、第４図（１）　（２）は各々第３図の動
作説明図、第５図は第２実施例を示すブロック図、第６
図（１）　（２）は各々第５図の動作説明図、第７図は
第３実施例を示すブロック図、第８図（１）　（２）は
各々第７図の動作説明図、第９図は第４実施例を示すブ
ロック図である。 １・・・第１のレーザビーム出力手段、２・・・第２の
レーザビーム出力手段、 ３．３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・・第１の周波数算定手段、４
．４Ａ、４Ｂ、４Ｃ・・・第２の周波数算定手段、５．
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・速度演算手段。 第　１　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、移動物体に対し異ったビーム照射角が設定され
   同時に相互用のビームの傾き角が一定の角度に設定され
   たレーザビームを出力する第１及び第２のレーザビーム
   出力手段を設け、 この第１及び第２のレーザビーム出力手段にて各別に検
   出される移動物体からの所定の反射信号に基づいて当該
   移動物体に係るみかけ上のドップラ周波数を算出する第
   １及び第２の周波数算定手段を備え、 この第１及び第２の周波数算定手段で算出されるみかけ
   上の周波数に基づいて当該移動物体の真の速度を算定す
   る速度演算手段を装備したことを特徴とするレーザドッ
   プラ速度計。
2. （２）、前記第１及び第２のレーザビーム出力手段から
   出力されるレーザビームの交差角θ＿３が、θ＿３＝９
   ０°であり、且つ各レーザビームが移動物体Ｍのレーザ
   照射面となす角θ＿１、θ＿２が、θ＿１≠θ＿２であ
   ることを特徴とした請求項１記載のレーザドップラ速度
   計。
3. （３）、前記第１及び第２のレーザビーム出力手段から
   出力されるレーザビームの交差角θ＿３が、θ＿３≠９
   ０°であることを特徴とした請求項２記載のレーザドッ
   プラ速度計。