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技術 距離測定装置及び距離測定方法

出願人 国立大学法人東京農工大学
発明者 田中洋介
出願日 2018年6月11日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2018-110825
公開日 2019年12月19日 (1年0ヶ月経過) 公開番号 2019-215165
状態 未査定
技術分野 光レーダ方式及びその細部
主要キーワード 局所歪み 高域カットオフ周波数 ヘルスモニタリング 伝搬距離差 ナイキスト間隔 往復距離 掃引周波数 掃引範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

測定時間を短縮することが可能な距離測定装置等を提供すること。

解決手段

距離測定装置は、変調信号により強度変調されたレーザー光を発生し、測定対象反射した戻り光と前記変調信号に基づく基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得し、取得した強度相関信号に基づいて測定対象までの距離を測定する。十分に小さな周波数間隔変調周波数掃引したときに周期的に変化する強度相関信号のナイキスト間隔よりも広い周波数間隔で変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期に基づいて、測定対象までの往復距離を算出する。

概要

背景

従来から、強度変調されたレーザー光測定対象に向けて出射し、測定対象で反射した戻り光基準信号との強度相関をとって距離を測定する手法(光強度相関法)として、戻り光と基準となる光信号との強度相関を受光素子非線形応答でとる手法(特許文献1)や、受光側に強度変調器を配置することで、戻り光との強度相関をとる手法(特許文献2)が知られている。これらの手法では、レーザー光の伝搬経路上に複数の半透明反射点がある場合に、各反射点までの距離を同時に測定することができる。

概要

測定時間を短縮することが可能な距離測定装置等を提供すること。距離測定装置は、変調信号により強度変調されたレーザー光を発生し、測定対象で反射した戻り光と前記変調信号に基づく基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得し、取得した強度相関信号に基づいて測定対象までの距離を測定する。十分に小さな周波数間隔変調周波数掃引したときに周期的に変化する強度相関信号のナイキスト間隔よりも広い周波数間隔で変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期に基づいて、測定対象までの往復距離を算出する。

目的

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とする

効果

実績

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請求項1

変調信号により強度変調されたレーザー光を発生し、測定対象反射した戻り光と前記変調信号に基づく基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得し、取得した強度相関信号に基づいて前記測定対象までの距離を測定する距離測定装置であって、光速をcとし、屈折率をnとし、前記測定対象までの往復距離をLとし、前記変調信号の変調周波数掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期をFrとしたとき、次式を満たす周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fsで前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期Fgに基づいて、次式により、前記測定対象までの往復距離Lを算出する、距離測定装置。但し、mは、Fr/2<Fs<mFr又はmFr<Fsを満たし、且つ、|1/Fr−m/Fs|を最小値とする自然数である。

請求項2

請求項1において、互いに異なる波長のレーザー光であって同一の変調周波数で強度変調されたレーザー光を発生する第1光発生部及び第2光発生部と、前記第1光発生部及び前記第2光発生部に変調信号を出力する信号発生器と、前記第1光発生部からのレーザー光が前記測定対象で反射した戻り光と、前記第2光発生部からのレーザー光を合波する合波器と、前記合波器からの光を受光二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器を制御し、前記光検出器からの強度相関信号に基づき前記測定対象までの距離を算出する制御部とを含む、距離測定装置。

請求項3

請求項1において、強度変調されたレーザー光を発生する光発生部と、前記光発生部からのレーザー光が前記測定対象で反射した戻り光を、前記レーザー光の変調周波数と同一の変調周波数で強度変調する強度変調器と、前記光発生部及び前記強度変調器に変調信号を出力する信号発生器と、前記強度変調器で強度変調された光を受光し強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器を制御し、前記光検出器からの強度相関信号に基づき前記測定対象までの距離を算出する制御部とを含む、距離測定装置。

請求項4

請求項2又は3において、前記光検出器の高域カットオフ周波数は、前記変調信号の変調周波数よりも低い、距離測定装置。

請求項5

変調信号により強度変調されたレーザー光を発生し、測定対象で反射した戻り光と前記変調信号に基づく基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得し、取得した強度相関信号に基づいて前記測定対象までの距離を測定する距離測定方法であって、光速をcとし、屈折率をnとし、前記測定対象までの往復距離をLとし、前記変調信号の変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期をFrとしたとき、次式を満たす周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fsで前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期Fgに基づいて、次式により、前記測定対象までの往復距離Lを算出する、距離測定方法。但し、mは、Fr/2<Fs<mFr又はmFr<Fsを満たし、且つ、|1/Fr−m/Fs|を最小値とする自然数である。

技術分野

0001

本発明は、距離測定装置及び距離測定方法に関する。

背景技術

0002

従来から、強度変調されたレーザー光測定対象に向けて出射し、測定対象で反射した戻り光基準信号との強度相関をとって距離を測定する手法(光強度相関法)として、戻り光と基準となる光信号との強度相関を受光素子非線形応答でとる手法(特許文献1)や、受光側に強度変調器を配置することで、戻り光との強度相関をとる手法(特許文献2)が知られている。これらの手法では、レーザー光の伝搬経路上に複数の半透明反射点がある場合に、各反射点までの距離を同時に測定することができる。

先行技術

0003

特開2007−205949号公報
特開2018−59789号公報

発明が解決しようとする課題

0004

上記の手法では、短距離から長距離にわたって反射点が分布している場合に、変調周波数掃引する際に、細かい周波数間隔周波数掃引テップ)で且つ広範囲の周波数掃引を行う必要があり、その結果、データの取得に時間を要し、測定時間が長くなるという問題があった。

0005

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定時間を短縮することが可能な距離測定装置等を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

(1)本発明は、変調信号により強度変調されたレーザー光を発生し、測定対象で反射した戻り光と前記変調信号に基づく基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得し、取得した強度相関信号に基づいて前記測定対象までの距離を測定する距離測定装置であって、光速をcとし、屈折率をnとし、前記測定対象までの往復距離をLとし、前記変調信号の変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期をFrとしたとき、次式



を満たす周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fsで前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期Fgに基づいて、次式



により、前記測定対象までの往復距離Lを算出する、距離測定装置に関する。但し、mは
、Fr/2<Fs<mFr又はmFr<Fsを満たし、且つ、|1/Fr−m/Fs|を最小値とする自然数である。

0007

また、本発明は、変調信号により強度変調されたレーザー光を発生し、測定対象で反射した戻り光と前記変調信号に基づく基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得し、取得した強度相関信号に基づいて前記測定対象までの距離を測定する距離測定方法であって、光速をcとし、屈折率をnとし、前記測定対象までの往復距離をLとし、前記変調信号の変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期をFrとしたとき、次式



を満たす周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fsで前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期Fgに基づいて、次式



により、前記測定対象までの往復距離Lを算出する、距離測定方法に関する。但し、mは、Fr/2<Fs<mFr又はmFr<Fsを満たし、且つ、|1/Fr−m/Fs|を最小値とする自然数である。

0008

本発明によれば、変調周波数を掃引する際に、周波数間隔を細かくすることなく、広い周波数間隔Fsで変調周波数を掃引したときの強度相関信号の周期Fgから測定対象までの距離を測定することができるため、測定時間を短縮することができる。

0009

(2)また本発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、互いに異なる波長のレーザー光であって同一の変調周波数で強度変調されたレーザー光を発生する第1光発生部及び第2光発生部と、前記第1光発生部及び前記第2光発生部に変調信号を出力する信号発生器と、前記第1光発生部からのレーザー光が前記測定対象で反射した戻り光と、前記第2光発生部からのレーザー光を合波する合波器と、前記合波器からの光を受光し二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器を制御し、前記光検出器からの強度相関信号に基づき前記測定対象までの距離を算出する制御部とを含んでもよい。

0010

(3)また本発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、強度変調されたレーザー光を発生する光発生部と、前記光発生部からのレーザー光が前記測定対象で反射した戻り光を、前記レーザー光の変調周波数と同一の変調周波数で強度変調する強度変調器と、前記光発生部及び前記強度変調器に変調信号を出力する信号発生器と、前記強度変調器で強度変調された光を受光し強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器を制御し、前記光検出器からの強度相関信号に基づき前記測定対象までの距離を算出する制御部とを含んでもよい。

0011

(4)また本発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、前記光検出器として高域カットオフ周波数が前記変調信号の変調周波数よりも低い光検出器を用いてもよい。

0012

本発明によれば、光検出器の出力信号別途信号処理を施すことを要せず、簡素な構成で光信号の高周波成分を除去して直流成分を検出することができる。

図面の簡単な説明

0013

第1の実施形態に係る距離測定装置の構成を模式的に示す図。
十分に小さな周波数間隔で変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号と、当該強度相関信号のナイキスト間隔よりも広い周波数間隔で変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号を示す図。
測定結果を示す図。
第2の実施形態に係る距離測定装置の構成を模式的に示す図。

実施例

0014

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

0015

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る距離測定装置の構成を模式的に示す図である。距離測定装置1は、第1光発生部として機能するレーザー光源10及び強度変調器11と、第2光発生部として機能するレーザー光源12及び強度変調器13と、信号発生器20と、光検出器30と、演算処理部(プロセッサー)及び記憶部を有する制御部40とを含む。図1に示す例では、測定対象である複数の半透明の反射点R(R1〜R5)として、複数の光ファイバ回折格子(FBG:Fiber Bragg Grating)をプローブ光路上に配置している。光ファイバ回折格子は低反射率で、プローブ光路で多重反射する光の影響は無視できるものとする。反射点R2と反射点R3の間は100m以上離れており、反射点R1,R2を、短距離(近距離)の反射点、反射点R3〜R5を、長距離(遠距離)の反射点としている。光ファイバ終端には、光ファイバ減衰器AT(アッテネータ)が設けられている。

0016

強度変調器11は、レーザー光源10からのレーザー光を強度変調して変調周波数fmで強度変調されたレーザー光(プローブ光)を発生し、強度変調器13は、レーザー光源12からのレーザー光を強度変調して変調周波数fmで強度変調されたレーザー光(参照光)を発生する。レーザー光源10,12としては、干渉が生じないようにするため、互いに波長が僅かに異なるレーザー光源を用いる。例えば、レーザー光源10の波長を1550nmとし、レーザー光源12の波長を1552nmとする。ここでは、光発生部をレーザー光源と強度変調器で構成する場合について説明するが、変調信号をレーザー光源10,12に出力してレーザー光を変調する直接変調方式を採用してもよい。なお、プローブ光は、同期検波用ロックイン周波数flで更に強度変調される。ロックイン周波数flは、光検出器30の高域カットオフ周波数よりも十分に低くし、例えば、ロックイン周波数flを20kHzとする。

0017

信号発生器20は、制御部40からの制御信号に基づき、強度変調器11,13に同一の変調周波数fmの変調信号を出力する。

0018

第1光発生部(レーザー光源10、強度変調器11)から出射されたプローブ光は、光増幅器50(EDFA)で増幅され、光サーキュレータ60を通過して各反射点Rに至る。各反射点Rで反射したプローブ光(戻り光)は、光サーキュレータ60を通過して光カプラ61(合波器)で参照光(基準信号の一例)と合波され、光増幅器51で増幅された後、レンズ62で集光されて光検出器30に入射する。一方、第2光発生部(レーザー光源12、強度変調器13)から出射された参照光は、光カプラ61でプローブ光と合波され、光増幅器51で増幅された後、レンズ62で集光されて光検出器30に入射する。な
お、光サーキュレータ60、光カプラ61に代えて、ハーフミラーを用いてもよい。

0019

光検出器30は、光カプラ61からの光(プローブ光(戻り光)と参照光が合波された)を受光し、二光子吸収応答により二光子吸収電流信号(各反射点Rで反射したプローブ光による強度相関信号の重ね合わせ)を出力する。光検出器30としては、Si−APD(Avalanche Photo Diode)等の受光素子を用いることができる。光検出器30の高域カットオフ周波数は変調周波数fmよりも低く、光検出器30は、光信号の直流成分のみを検出する。光検出器30からの信号は、ロックインアンプ70によりロックイン周波数flでロックイン検出される。ロックインアンプ70の出力信号は、図示しないAD変換器によりデジタルデータに変換され、制御部40に出力される。

0020

制御部40は、信号発生器20を制御し、また、ロックインアンプ70の出力信号に基づいて反射点Rまでの距離(反射点Rで反射したプローブ光と参照光の伝搬距離差)を算出する。より詳細には、制御部40は、信号発生器20を制御して変調周波数fmを一定の周波数間隔で離散的に掃引し、変調周波数fmを掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期に基づいて反射点Rまでの距離を算出する。

0021

ここで、j(j=1〜N)番目の反射点Rjで反射するプローブ光の伝搬距離をLp,j、当該プローブ光の光検出器30の受光面における実電界振幅をEp,j、参照光の伝搬距離をLr、参照光の光検出器30の受光面における実電界振幅をErとすると、光検出器30の受光面におけるプローブ光の電界epは、以下の式(1)で表され、光検出器30の受光面における参照光の電界erは、式(2)で表される。

0022

ここで、νは光周波数であり、fは変調周波数であり、φは変調度であり、tは時間であり、nは光が伝搬する媒質の屈折率であり、cは光速であり、θは位相であり、Nは反射点Rの個数である。また、添え字付き記号の添え字のpはプローブ光を示し、rは参照光を示し、lはロックインアンプ70に入力される変調信号(参照信号)を示し、mは強度変調器11,13に入力される変調信号を示す。

0023

光検出器30から出力される二光子吸収電流iは、入射光強度の2乗平均に比例し、以下の式(3)で表される。

0024

ここで、Aは比例定数である。Iは、I=E2で与えられ、光強度に比例する。idは暗電流である。また、ΔLjはj番目の反射点Rjで反射するプローブ光の伝搬距離Lp,jと参照光の伝搬距離Lrの差(Lp,j−Lr)、すなわち、反射点Rjまでの往復距離である。

0025

光検出器30の高域カットオフ周波数は変調周波数fmよりも低いため、式(3)において、光検出器30の高域カットオフ周波数よりも高い変調周波数fmで振動する項は時間平均が0となる。また、n(Lp,N−Lp,1)/cが十分に小さければ、異なる反射点Rで反射したプローブ光に対する同期検波用の変調信号の位相2πflnLp,j/cの違いの影響は無視できる。このとき、二光子吸収電流信号をロックイン周波数flでロックイン検出すると、出力信号の電流iLIAは、以下の式(4)で表される。

0026

ここで、Bは比例定数であり、inはノイズ電流である。式(4)から、変調周波数fmを一定の周波数間隔で掃引すると、各反射点Rからの反射光による信号(強度相関信号)がそれぞれ正弦波余弦波)状に(周期的に)変化することが分かる。

0027

ここで、j番目の反射点Rで反射したプローブ光による強度相関信号の周期fperiod,jは、離散的に掃引する変調周波数fmの周波数掃引ステップ(周波数間隔)が十分に小さければ、以下の式(5)で表され、距離差ΔLjに反比例する。

0028

このとき、出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号(各周波数成分)の周期fperiod,jを算出することで、各反射点Rの距離差ΔLjを同時に求めることができる。すなわち、出力信号をフーリエ変換して得られるスペクトルにお
ける各ピーク位置が各反射点Rの距離差ΔLjに対応する。

0029

ここで、距離差ΔLj自体を正確に求めようとすると、式(5)から、長距離の反射点の距離差を求めるには、非常に小さな周波数間隔で周波数掃引を行わなければならないことが分かる。一方で、短距離の反射点の距離差を同時に求める場合には、周波数掃引範囲を広くとらなければならない。従って、短距離の反射点と長距離の反射点が混在する場合には、非常に小さな周波数間隔で広範囲の周波数掃引を行う必要があり、測定時間が長くなる。

0030

図2の(a)は、十分に小さな周波数間隔で変調周波数fmを掃引したときに周期的に変化する強度相関信号を示す図である。図2に示すグラフ横軸は変調周波数fmを示し、縦軸は強度相関信号の強度を示す。また、図2に示すグラフにおいて黒丸点間の間隔は、周波数掃引ステップを示す。図2の(a)に示す強度相関信号は、強度相関信号の周期fperiod,jの1/2以下(強度相関信号のナイキスト間隔以下)の周波数間隔で変調周波数fmを掃引した場合に得られる。

0031

ここで、図2の(b)に示すように、強度相関信号の周期fperiod,jの1/2よりも広い(強度相関信号のナイキスト間隔よりも広い)周波数間隔で変調周波数fmを掃引すると、実際の周期fperiod,jよりも長い周期の強度相関信号が観測される。その結果、長距離の反射点(例えば、図1の反射点R3〜R5)であっても、周波数掃引ステップを大きくすることで、強度相関信号をフーリエ変換して得られるスペクトルでは当該反射点に対応するピーク位置は見掛け上、近くの反射点のようになる。

0032

周波数掃引ステップが十分に小さいとき、j番目の反射点Rjからの反射光によって生じる強度相関信号が周期Frで周期的に変化するとすると、反射点Rjで反射するプローブ光の伝搬距離と参照光の伝搬距離との距離差ΔLは、以下の式(6)で表される。また、周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fs(Fs>Fr/2)で変調周波数fmを掃引したときに得られる強度相関信号の周期をFgとするとすると、当該強度相関信号から算出される見掛けの距離差ΔLgは、以下の式(7)で表される。

0033

ここで、周期Fgは、以下の式(8)で表される。

0034

ここで、mは、Fr/2<Fs<mFr又はmFr<Fsを満たし、且つ、|1/Fr−m/Fs|を最小値とする自然数である。周波数間隔Fsが周期Frよりも小さいか大きいかによって周期Fgの値は異なるが、いずれの場合もΔL>ΔLgとなる。式(6)、式(8)より、距離差ΔLは、周波数間隔Fsと周期Fgを用いて以下の式(9)で表される。

0035

本実施形態では、制御部40は、式(6)を満たす周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fsで変調周波数fmを掃引しながら取得した変調周波数fm毎の出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号(各反射点Rからの反射光によって生じる各強度相関信号)の周期Fgを算出し、算出した周期Fgと周波数間隔Fsとを式(9)に代入して距離差ΔL(反射点Rjまでの往復距離Lj)を算出する。これにより、測定対象に長距離の反射点が含まれる場合であっても、周波数掃引ステップを細かくすることなく、広い周波数間隔Fsで変調周波数fmを掃引して各反射点までの距離(変位)を測定することができるため、測定で取得するデータ数が少なくなり、測定時間を短縮することができる。

0036

反射点までの凡その往復距離(周波数掃引ステップが、式(6)を満たす周期Frの1/2以下であるか、周期Frの1/2よりも大きいか、周期mFrよりも大きいか)が分かっている場合、周波数掃引ステップが周期Frの1/2以下となる反射点については算出した周期を式(6)に代入して距離差ΔLを算出し、周波数掃引ステップが周期Frの1/2よりも大きく周期mFrよりも小さくなる(Fr/2<Fs<mFr)反射点については算出した周期と周波数掃引ステップ(周波数間隔)とを式(9)の上段に代入して距離差ΔLを算出し、周波数掃引ステップが周期mFrよりも大きくなる(mFr<Fs)反射点については算出した周期と周波数掃引ステップとを式(9)の下段に代入して距離差ΔLを算出する。

0037

一方、反射点までの凡その往復距離が分かっていない場合には、周波数掃引ステップを変えて測定を複数回行う。例えば、2回目の測定では周波数掃引ステップを1回目の測定での周波数掃引ステップの2倍の値とする。そして、1回目の測定で得られた強度相関信号の周期と、2回目の測定で得られた強度相関信号の周期が同一である場合(1回目の測定でも2回目の測定でも周波数掃引ステップが周期Frの1/2以下となる場合)には、当該得られた周期を式(6)に代入して算出される距離差ΔLを測定結果とする。また、1回目の測定で得られた強度相関信号の周期を式(6)に代入して算出される距離差ΔLと、2回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び2回目の測定での周波数掃引ステップを式(9)の上段でm=1とした式に代入して算出される距離差ΔLとが同一となる場合(1回目の測定では周波数掃引ステップが周期Frの1/2以下となり、2回目の測定では周波数掃引ステップが周期Frの1/2よりも大きく周期Frよりも小さくなる場合)には、当該距離差ΔLを測定結果とする。また、Fsを2倍にすると、|1/Fr−m/Fs|を最小値とする自然数mも2倍の値になる。このことに注目して、1回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び1回目の測定での周波数掃引ステップを式(9)の上段と下段のそれぞれに代入して得られる式と、2回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び2回目の測定での周波数掃引ステップを式(9)の上段と下段のそれぞれに代入して得られる式とを比較する。後者の2式では、mを2mに置き換える。前者の2式のうちいずれか1つと後者の2式のうちいずれか1つとが同じ値になるような自然数mがあるときは、そのmを用いて得られた距離差ΔLを測定結果とする。

0038

本実施形態の手法では、余弦波信号(異なる周期の余弦波信号の重ね合わせ)を一定間隔サンプリングする。簡単のため、単一の余弦波信号で考える。余弦波信号f(t)は、以下の式(10)で表される。なお、tは、時間に限られず、本実施形態では変調周波数である。

0039

余弦波信号のフーリエ変換F(ω)は、デルタ関数を用いて、



となり、ω軸上で±ω0に線スペクトルをもつことが分かる。サンプリング間隔Tsが1/2fo(ナイキスト間隔)以下であれば、信号スペクトルのうち最小の|ω|をもつ成分は±ω0であり、これをとりだすことで元の波形再現できる。一方、サンプリング間隔Tsが、



であると、信号スペクトルのうち最小の|ω|をもつ成分は、|ω0−mωs|の最小値で与えられる|ω|をもつ線スペクトルの成分である。但し、mは、|ω0−mωs|を最小値とする自然数である。また、ωs=2π/Tsである。

0040

ここで、特に、サンプリング間隔Tsが、



であれば、信号スペクトルのうち最小の|ω|をもつ成分は、ω0−ωs及び−ω0+ωsの線スペクトルとなる。図1に示す例のように反射点Rの凡その位置が予め分かっていれば、サンプリング間隔Tsを式(13)の条件が満たされるように適切に選ぶことができる。また、より一般的に式(12)の場合であっても、反射点Rの凡その位置が予め分かっていれば、|ω0−mωs|を最小値とする自然数mは分かるため、ω0を求めることは可能である。

0041

本実施形態の手法を用いて反射点R1〜R5までの往復距離(距離差)を測定する実験を行った。図3に測定結果を示す。図3に示すグラフ(出力信号をフーリエ変換して得られたスペクトル)の横軸には、周波数を式(6)により距離差に換算した値を示している。図3に示すグラフには、反射点R1〜R5の距離差に対応するピーク位置が現れている。短距離の反射点R1、R2については、ピーク位置が実際の距離差ΔLに対応している。一方、長距離の反射点R3〜R5については、周波数掃引ステップが式(6)を満たす周期Frの1/2よりも広くなっているため、ピーク位置が実際の距離差ΔLではなく見掛けの距離差ΔLgに対応している。反射点R3〜R5については、強度相関信号の周期(ピーク位置の周波数の逆数)と周波数掃引ステップを式(9)に代入することで実際の距離差ΔLを求めることができる。

0042

本実験では、変調周波数fmを2GHzの範囲で0.69MHzの周波数掃引ステップで掃引した。周波数掃引ステップを0.15MHzとした従来の手法では測定時間が約90分であったのに対し、本実験では測定時間は約30分となった。本実施形態の手法により測定時間を約1/3に短縮することができた。

0043

なお、距離分解能は、変調周波数fmを掃引する範囲で決まるため、掃引周波数ステップが広くなっても分解能は変化しない。本実験においても、従来の手法と本実施形態の手法とで距離分解能が変化することはなかった。また、測定精度については、測定時間が短くなることで、誤差要因となる外乱の影響が減り、原理的には測定精度が向上すると考えられる。

0044

本実施形態で示したように、本発明に係る距離測定装置は、光ファイバ回折格子を用いた多点FBGセンサに適用することができる。多点型FBGセンサは、構造物(橋やビルディング等)のヘルスモニタリングへの利用が期待されており、実用化もされている。一般には、FBGが配置された点の局所歪みしか測定することができないが、本実施形態に係る距離測定装置によれば、FBG間の全体的な歪みも測定できるようになる。構造ヘルスモニタリングでは、全体的な変化を測定することが局所的な異常を発見することと同様に重要である。本実施形態に係る距離測定装置により、測定を短時間に行うことが可能となることで、構造ヘルスモニタリングの効率と精度を向上することができる。

0045

(第2の実施形態)
図4は、本実施形態に係る距離測定装置の構成を模式的に示す図である。距離測定装置2は、光発生部として機能するレーザー光源110と、強度変調器120と、信号発生器130と、光検出器140と、演算処理部(プロセッサー)及び記憶部を有する制御部150とを含む。

0046

レーザー光源110は、変調周波数fmで強度変調されたレーザー光を発生する。ここでは、変調信号をレーザー光源110に出力してレーザー光を変調する直接変調方式を採用した場合について説明するが、光発生部をレーザー光源と変調器で構成し、変調信号を当該変調器に出力してレーザー光を変調する外部変調方式を採用してもよい。レーザー光源110から出射されたレーザー光はレンズ111で平行光となり、ハーフミラー112を透過して測定対象(複数の半透明の反射点R)に至る。測定対象Tで反射した戻り光(測定対象Tからの反射光)は、ハーフミラー112で反射され、強度変調器120に入射する。

0047

強度変調器120は、測定対象Tで反射した戻り光を、信号発生器130からの変調信号(基準信号の他の例)に基づいて、変調周波数fm(レーザー光源110の変調周波数と同一の変調周波数)で強度変調する。

0048

信号発生器130は、制御部150からの制御信号に基づき、レーザー光源110及び強度変調器120に同一の変調周波数fmの変調信号を出力する。

0049

光検出器140は、強度変調器120で強度変調された戻り光を受光し、強度相関信号(各反射点Rで反射し強度変調された戻り光による強度相関信号の重ね合わせ)を出力する。光検出器140からの信号は、図示しないAD変換器によりデジタルデータに変換され、制御部150に出力される。ここで、光検出器140のカットオフ周波数は変調周波数fmよりも低く、光検出器140は、強度変調された戻り光の直流成分のみを検出する。

0050

制御部150は、信号発生器130を制御し、また、光検出器140からの強度相関信号(AD変換器の出力信号)に基づいて反射点Rまでの距離を算出する。より詳細には、制御部150は、信号発生器130を制御して変調周波数fmを一定の周波数間隔で離散的に掃引し、変調周波数fmを掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期に基づいて反射点Rまでの距離を算出する。

0051

ここで、光検出器140からの強度相関信号の強度Sは、以下の式(14)で表される。

0052

ここで、α、β、γ、a、bは定数であり、Lは、反射点Rで反射するレーザー光の伝搬距離(反射点Rまでの往復距離)である。式(14)から、変調周波数fmを一定の周波数間隔で掃引すると、反射点Rからの反射光による強度相関信号が正弦波(余弦波)状に(周期的に)変化することが分かる。

0053

本実施形態においても、第1の実施形態と同様の手法により反射点Rまでの距離を算出する。但し、第1の実施形態における距離差ΔLは、距離L(往復距離)と読み替えるものとする。すなわち、制御部150は、式(6)を満たす周期Frの1/2よりも広い周波数間隔Fsで変調周波数fmを掃引しながら取得した変調周波数fm毎の出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号(各反射点Rからの反射光によって生じる各強度相関信号)の周期Fgを算出し、算出した周期Fgと周波数間隔Fsとを式(9)に代入して距離Lを算出する。なお、実際の測定では、まず、レーザー光源110からのレーザー光を直接(ハーフミラー112から先の往復光路がない状態で)強度変調器120に入射させ、このときに算出される距離をL1とし、L1を基準値とする。その上で、ハーフミラー112から先の往復の光路がある状態で測定を行い、このときに算出される距離をL2とし、L2と基準値L1との差(L2−L1)を、反射点Rまでの距離Lとして求める。

0054

本実施形態によっても、周波数掃引ステップを細かくすることなく、広い周波数間隔Fsで変調周波数fmを掃引して各反射点までの距離(変位)を測定することができるため、測定時間を短縮することができる。

0055

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

0056

例えば、上記実施形態では、測定対象で反射した戻り光と基準信号との強度相関をとって強度相関信号を取得する構成の例として、戻り光と参照光(基準信号の一例)を合波した光を受光する光検出器の二光子吸収応答を利用して強度相関信号を取得する構成(第1の実施形態)と、戻り光を同一の変調周波数の変調信号(基準信号の他の例)で更に強度変調することで強度相関信号を取得する構成(第2の実施形態)について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、戻り光を受光する光検出器の出力信号(或いは、出力信号をデジタル化した信号)を同一の変調周波数の変調信号で更に強度変調することで強度相関信号を取得するように構成してもよい。

0057

また、上記実施形態では、帯域の狭い光検出器30、140を用いて、戻り光の高周波成分を除去する(直流成分のみを検出する)構成について説明したが、光検出器の出力信号をフィルタ(例えば、ローパスフィルタ)に入力させることで、戻り光の高周波成分を
除去するように構成してもよい。また、制御部40、150において光検出器の出力信号をデジタル化した信号を信号処理することで、戻り光の高周波成分を除去するように構成してもよい。

0058

1,2…距離測定装置、10,12…レーザー光源、11,13…強度変調器、20…信号発生器、30…光検出器、40…制御部、50,51…光増幅器、60…光サーキュレータ、61…光カプラ、62…レンズ、70…ロックインアンプ、110…レーザー光源、111…レンズ、112…ハーフミラー、120…強度変調器、130…信号発生器、140…光検出器、150…制御部、R…反射点(測定対象)

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