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公開番号2024027277
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-01
出願番号2022129946
出願日2022-08-17
発明の名称レーザドップラ速度計
出願人アクト電子株式会社
代理人個人
主分類G01S 17/58 20060101AFI20240222BHJP(測定;試験)
要約【課題】レーザドップラ速度計において、移動物体の移動方向を判断するための光変調器や光変調器駆動系は、高額であり大型である。レーザドップラ速度計を、より低価格でより小型として使いやすくするには、光変調器を用いずに移動方向の判断が可能な構成が望ましい。
【解決手段】単一モード発振するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記平行ビームを二分するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで二分されたレーザビームの一方を反射して物体に照射するミラーと、前記物体からの散乱光を集光するレンズと光検出器と電気回路を含む光受信部と、を有し、前記レーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に周波数変調を施し、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別する。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
移動する物体にレーザ光を照射し、前記物体からの散乱光を受けて前記物体の速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、
単一モード発振するレーザ光源と、
該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、
前記平行ビームを二分するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで二分されたレーザビームの一方を反射して物体に照射するミラーと、
前記物体からの散乱光を集光するレンズと光検出器と電気回路を含む光受信部と、を有し、
前記レーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に周波数変調を施し、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とするレーザドップラ速度計。
続きを表示（約 390 文字）【請求項２】
前記光受信部は前記散乱光からの受信電気信号を生成し、前記受信電気信号と前記周期的な信号と同期した信号との乗算を行い、前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする請求項１に記載のレーザドップラ速度計。
【請求項３】
前記周波数変調は、波形の周期内で立ち上がりと立下りの比率が異なった波形の変調を施し、前記光受信部において前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とする請求項１に記載のレーザドップラ速度計。
【請求項４】
移動する物体にレーザ光を照射し、前記物体からの散乱光を受けて前記物体の速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、
前記レーザ光のレーザ光源に周期的な信号を印加することによりレーザ光に周波数変調を施し、前記移動する物体の移動方向を識別することを特徴とするレーザドップラ速度計。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光によるドップラ効果を用いた速度計に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
レーザ光線とドップラ効果を利用したレーザドップラ速度計は、測定対象物の速度が、非接触で正確に測れるため、今日、多くの分野で利用されている。その利用分野の一例としては、製鉄業や、鉄道の速度計測がある。製鉄業では、高温での作業工程で、接触しての測定が難しい圧延制御にレーザドップラ速度計が採用されている。一方、鉄道では、高速走行時には車輪の空転や滑りが発生するため車輪の回転からは正確な運航速度が測定できなかったが、非接触で正確に速度が図れるためレーザドップラ速度計が適用されている。
【０００３】
（従来例１）
レーザドップラ速度計は、動作検証が１９６４年に行われている。その一例が、非特許文献１に開示されている。この報告では、レーザ光線のドップラシフト現象を利用して、液体の流速を観測している。報告例では、光源に波長６３３ｎｍのヘリウムネオンレーザ（ＨｅＮｅレーザ）を用い、そのコリメート光をビームスプリッタで2つに分け、一方の光を流れる液体に照射し、もう一方の光を光変調器に入れてＳＳＢ変調（ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅｂａｎｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行い、光源のレーザ光源に光周波数シフトを施して局部発振光として用いている。流れる流体に照射され散乱した光である散乱光と、前記局部発振光を再結合させ光検出器に入射させて、光検出器からの電気信号をスペクトルアナライザで観測する。この構成では、流体の流速に比例して、前記散乱光の光周波数がドップラシフトを起こし、前記光検出にて散乱光と局部発振光の光ヘテロダイン検波を行うと、その出力である前記電気信号のビート信号にて、流体の流速に対応した周波数シフトが起こることが観測された。結果、光のドップラシフトを用いて液体の流速が観測できることが報告されている。
【０００４】
（従来例２）
レーザドップラ速度計では、小型化の検討と開発も行われている。上述の従来例１は、レーザ光源に大型のガスレーザであるヘリウムネオンレーザを用いていたが、装置を小型化するため、半導体レーザを用いた例が、非特許文献２に示されている。
【０００５】
非特許文献２に示されたレーザドップラ速度計の構成を図１０に示した。図１０は、非特許関連文献２に示されたレーザドップラ速度計の光学部（Ｆｉｇｕｒｅ．２）の写しである。
【０００６】
図１０のレーザドップラ速度計は、ガラス管内の流体速度を観測するための差動型の光学構成であり、小型化を図るために、半導体レーザを用い、かつ、従来例１で用いられた周波数シフトを起こす光変調器は未適用の構成としている。
図１０の構成では、光源に波長８１０ｎｍの半導体レーザ２０１を用い、レーザ光の集光には小型の屈折率分布型のレンズ２０２を用いている。半導体レーザ２０１の出射光のコヒーレンス長は、従来例１で使用したヘリウムネオンレーザより低下しているので、ブレーズド型の回折格子２０３を用いて、使用する光の周波数成分を制限して、コヒーレンス長を改善した狭いスペクトル幅のレーザ光源としている。
【０００７】
また、差動型の光学系を上下とも同じ光路差光路長となる対称形として、短いコヒーレンス長の光源に対応している。
【０００８】
差動型レーザドップラ速度計は、レーザ光源から分離した２本の光束を、移動する非測定物に照射する構成である。非測定物に対し、２本の光束の内、一方の光束は移動する非測定物の前方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が増加する方向となり、他の光束は移動する非測定物の後方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が減少する方向となる。これら２つの散乱光を、光検出器で光ヘテロダイン検波すると、その出力電気信号は２つの散乱光成分の差分となる。出力電気信号のビート周波数の変位量は、一本のみの散乱光を用いていた非特許文献１の系の２倍となるので、速度検出感度が上がるという利点がある。また、光学系が差動型となっているので、非測定物の表面の凹凸から発生する雑音成分や、光源自体の強度雑音から発生する雑音成分の影響も除外できるので、レーザドップラ速度計の感度を向上させることができる。
【０００９】
ブレーズド型の回折格子２０３の出力は、０次光と１次光の２本を使用し、これらの光源は光路の対称性を保ってレンズ２０４に入射し、集光されてガラス管２０５の中の流体に焦点を結ぶ。流体からのそれぞれの散乱光は、光のドップラシフトを受けており、これらの散乱光をガラス管２０５上に設置された光検出器２０６で検出する。
【００１０】
この光検出器２０６からの電気信号出力であるビート周波数（ピーク周波数）から流体の移動速度が得られる。非特許関連文献３での評価結果では、直径０．９ｕｍのポリスチレン球体を混ぜた流体の速度を、０．０５ｍｍ／ｓから７ｍｍ／ｓの範囲で計測しており、レーザドップラ速度計に半導体レーザを使用してもその動作が可能であることを報告している。
（【００１１】以降は省略されています）

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