JPH0154671B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は電気信号に含まれている周波数成分
を音響光学的な相関器によつて検出し、スペクト
ルの形で表示する音響光学的スペクトルアナライ
ザーに係るものである。

（従来技術） 従来より、相関器を使用し未知入力信号と正弦
波信号との相互相関演算を行い、相関係数の値に
よつて未知入力信号に含まれている周波数成分を
検出する方法が試みられている。２つの信号の類
似度を演算する相互相関演算では、一方の信号に
周波数の既知な正弦波信号を用いると、他方の信
号をあたかもこの正弦波周波数でフイルタリング
した様な出力信号を得ることが可能である。すな
わち正弦波信号と等しい周波数成分が未知入力信
号に含まれていれば、その成分量に比例して相関
出力である類似度が変化し、正弦波信号と未知信
号が等しい周波数であれば、最大相関出力が得ら
れる。この最大相関出力は、未知信号の振幅値に
比例して変化するので、未知信号の振幅で正規化
すれば、類似度の割合いを求めることができる。
さて、この様に、相関器をフイルタとして使用し
前記正弦波信号を変化させながら未知信号と繰返
し相互相関演算を行えば、その相関出力は時間の
経過とともに、未知信号に含まれている周波数成
分値を表わすことになる。よつて、相関出力を時
間的に並べて表示すれば、周波数スペクトルを得
ることができ、このスペクトルの分解能は、相関
演算の繰返し回数で決められるものとなる。しか
しながら、相関演算は、遅延・掛算・積分といつ
た複雑で時間のかかる演算を含んでおり、従来の
機械的または電気的な相関器では１回の相関演算
に数［ms］〜数十［ｓ］程度の演算時間を必要
とした。このため、数多くの繰返し相互相関演算
を短時間で処理するのは困難であり、敢えて並列
的な相関処理で高速化を目差せば、複雑な装置と
多額の費用を必要とした。

（本発明の目的） 本発明は、実時間で相関演算が可能な音響光学
的相関器を使用し、数十［μs］の周期で繰返し相
関演算を行い、数［ms］で周波数スペクトルを
得ることを目的としており、さらに、従来のデジ
タル相関器等に比べ、簡単でかつ安価な装置を構
成することを目的としている。

（基礎となる技術） 本発明の実施例を説明するに先立ち、音響光学
的相関器の構成と動作について説明を加える。第
１図は従来の音響光学的相関器の構成略図であ
る。同図において、相関演算を行うべき２つの電
気信号は、一対の振幅変調器１ａ，１ｂに外部変
調信号として加えられる。前記振幅変調器内で振
幅変調をうける被変調信号は、超音波光変調器２
内に配置されている一対の超音波振動子３ａ，３
ｂの共振周波数で振動する正弦波であつて、一対
の正弦波発振器４ａ，４ｂによつて発生される。
前記一対の振幅変調器で振幅変調をうけた正弦波
は一対の信号増幅器５ａ，５ｂで適当に電力増幅
され、前記一対の超音波振動子に加えられ、前記
超音波光変調器内に２つの空間的超音波信号を形
成する。この２つの超音波信号は超音波光変調器
内を音速度で伝搬し、対向に備えられた一対の超
音波吸収部材６ａ，６ｂ、に到達して吸収され消
滅する。つぎに、これら２つの超音波信号がフー
リエ変換光学系１００によつて実時間で相関演算
される動作原理について述べる。変換光学系の光
源はレーザ７であり、ここより発射されたレーザ
光線は、レンズによつてその光束幅が拡大され、
前記超音波光変調器に入射する。前記超音波光変
調器内での光束は前記２つの超音波信号を直角に
横切り位相変調をうける。この位相変調をうけた
光を再びレンズで収束させると、レンズ焦点面に
数個の回折光輝点を生ずる。これら回折光輝点の
うち、前記超音波変調器内の２つの超音波信号を
横切ることによつて２度回折した結果の輝点のみ
を空間的光強度フイルタ８で検出、し、その光量
を光電変換器９で光電変換し、増幅器１０で増幅
して電流値Ｉ（ｔ）を検出する。この場合前記超
音波光変調器内の２つの超音波信号による空間的
位相パターンの包絡線をU₁（ｘ），U₂（−ｘ）とす
れば、レイリーの定理により次式の成立すること
が知られている。ただし、U₂（−ｘ）の（−）符
号は前記超音波振動子に加える超音波信号の包絡
線時間波形U₁（ｔ），U₂（ｔ）を前記超音波光変調
器内の空間波形に変換する際、前記超音波振動子
が互いに向い合う形で配置されているため、同一
の空間軸ｘを使用すると空間位置が反対になるこ
とを表わしている。

∫｜U₁（ｘ）｜²｜U₂（−ｘ）｜²dx ＝∫｜Ｆ｛U₁（ｘ）U₂（−ｘ）｝｜²dα ……(1) ここで、Ｆ｛U₁（ｘ）U₂（−ｘ）｝は超音波信号
包絡線U₁（ｘ），U₂（−ｘ）のフーリエ変換を示
し、αはフーリエ変換面上で空間軸ｘと平行な空
間軸を表わす。(1)式の右辺はU₁（ｘ）とU₂（−ｘ）
との積をフーリエ変換した光学像の全光量すなわ
ち、前記空間光強度フイルタを通過した光量を示
すものであつて、前記光電変換器の出力電流Ｉ
（ｔ）に比例する。また、超音波信号包絡線U₁
（ｘ），U₂（−ｘ）は前記超音波光変調器内を互い
に逆方向に超音波速度ｖで移動していることを考
慮すれば、(1)式より次式が導びかれる。

(2)式においてｄは光束の幅を表わす。(2)式によ
つて、光電変換器出力電流Ｃ（ｔ）は超音波信号
包絡線U₁（ｔ），U₂（ｔ）のおのおのの自乗値重畳
積分の演算結果を示すことがわかる。ただし(2)式
で示される自乗値重畳積分は一般的な形式とは異
なり、U₁（ｔ），U₂（ｔ）がともに移動（遅延）す
る形である。なお、U₂（ｔ）が連続正弦波の様に
周期的で、かつ、対象性を有する場合には、 U₂（ｔ）＝U₂（−ｔ） ……(3) と考え、(2)式は となり、U₁（ｔ）とU₂（ｔ）の自乗値相互相関演
算を表わす。

（本発明の要旨） 本発明は以上に述べた音響光学的相関器を使用
し、２つの入力信号のうち、一方に時間とともに
周波数が直線変化する線形FM信号を用い、他方
を未知信号として相互相関演算を実施して、その
相関出力を時間的に周波数成分を表わす様に表示
させる構成にしたものである。

（構成） 第２図は本発明の音響光学的スペクトルアナラ
イザーの実施例における構成図である。音響光学
的相関器１０１の構成および動作原理は前述の通
りである。線形FM信号発生器１０２は正弦波信
号発生回路１１と掃引信号発生回路１２、およ
び、周波数変調回路１３より成り、前記変調回路
内で前記正弦波信号が掃引信号によつて直線的に
周波数変調され線形FM信号が発生する。この線
形FM信号は前記相関器に入力され、被測定信号
入力端子１４より入力された未知信号と、相互相
関演算される。線形FM信号は時間に比例して周
波数が変化しているため相関出力は、未知信号内
に含まれている周波数成分と線形FM信号の周波
数成分との類似度を時間とともに表わす。すなわ
ち、連続的に通過帯域の変化する周波数フイルタ
に未知信号を入力した場合と同じく、時間的に周
波数成分が出力されてくる。ゆえに、この相関出
力をブラウン管や、チヤートレコーダー等の出力
表示器１５において前記掃引信号により掃引表示
すれば、掃引方向が周波数を表わすスペクトルを
得ることができる。

第３図に、本相関器に用いる線形FM信号の一
例を示す。この信号は、超音波振動子３ａ，３ｂ
の共振周波数の正弦波を線形FM信号で100％振
幅変調して作り出したものであり、前記(4)式のＵ
（ｔ）に相当する。また、第４図Ｕ（ｔ）に相当す
る未知信号を表わしており、この信号も同様に前
記正弦波信号を未知入力信号で振副変調して得た
ものである。第３図、第４図に示した変調信号を
相関器内の前記振動子に加え、相関演算を行つて
得た相互相関出力を第５図に示す。第５図は、出
力波形全体の概念を示しており、細部の数値的精
度は省略してある。第５図の波形の包絡線すなわ
ち、相関値の大きさが未知信号に含まれる周波数
成分を示しており、同図で明らかなように上下に
対称形を示すため、片側の包絡線のみを検出し
て、第６図に示すようなスペクトル波形１９を得
ることができる。現在、実用化の可能な値とし
て、超音波振動子の共振周波数10〜15［ＭHz］、検
出可能なスペクトル帯域20［ＫHz］〜1.2［ＭHz］、
動作速度１［ms］程度が考えられる。

周波数スペクトルの検出状態は、未知信号の継
続時間（信号の長さ）と線形FM信号の継続時間
および、超音波光変調器２ａ，２ｂ内の光束幅ｄ
との関連によつて２つに分けられる。第１の状態
は第７図に示すように、超音波光変調器２ａ，２
ｂ内での未知信号の長さが、線形FM信号の長さ
および前記光束幅ｄに比べて短い場合である。こ
の場合には、未知信号の周波数スペクトル、すな
わち、相関出力は未知信号が超音波光変調器内を
通過し終るまでに出力される。前記変調器内で
は、２つの信号が反対方向に移動しているため、
未知信号の相関演算の相手となるべき線形FM信
号の長さは、最大２ｄとなる。出力されたスペク
トルの周波数分解能は、線形FM信号が時間的に
どの位、周波数変化を生じているかを示す周波数
変移度に反比例する。よつて、本状態のように線
形FM信号の長さが限定されている場合、出力ス
ペクトルの周波数帯域を拡大する目的で、周波数
変移度を増大すると、周波数分解能が劣化する。
また、この逆に、周波数分解能を向上させる目的
で周波数変移度を小さくすれば、検出可能なスペ
クトル帯域は狭くなる。さらに、両者を共に向上
させるため、光束幅ｄを拡げることも考えられる
が、これは光学的装置の物理的な限界によつてむ
やみに大きくすることはできない。さて、第２の
状態は、第８図に示すように、未知信号の長さは
ほぼ光束幅ｄと等しい場合である。この場合、線
形FM信号の長さを長くする。このときは、未知
信号と超音波光変調器内で相関演算される線形
FM信号は、信号全体のほんの一部にすぎない。
ゆえに、未知信号は、本発明装置の外部に設置し
た適当な記憶装置に記憶し、繰返し読み出して本
装置に入力することになる。

この状態のときは、線形FM信号の長さは十分
長くすることが可能で、第１の状態に比べ、周波
数分解能、周波数帯域とも所望の値を確保するこ
とができる。ただし、分解能、帯域を同時に向上
させる場合には、未知信号の繰返し回数を増大さ
せねばならず、スペクトルの出力時間が数［ms］
程度と長くなる。また、外部に記憶装置を必要と
し、装置全体の構成が複雑化する。

（効果） 本発明は以上のような構成であり、実時間動作
の可能な音響光学的相関器を周波数可変フイルタ
として使用し、電気信号の周波数スペクトルを高
速に検出、表示する機能を有するものである。前
述のごとく、スペクトル検出の方法には、被測定
信号が単発でも全スペクトルが検出可能なもの
と、繰返し被測定信号を発生させて、十分な精度
を有するスペクトルを得る方法との２種があり、
どちらの方法も同一の装置構成によつて実現可能
であるため、適宜、使い分けを行えば、さらに効
果を増すことができる。さらにまた、線形FM信
号の代りに、時間の経過にしたがつて対数的に周
波数を変化するような正弦波信号を使用すれば、
対数圧縮された周波数スペクトルが得られる。こ
の様な機能は、相関器をプログラマブルフイルタ
として使用している本スペクトルアナライザの大
きな特徴の一つであり、周波数軸の帯域および目
盛間隔等の設定が簡単に実現できる特徴を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の音響光学的相関器の構成を示す
図、第２図は本発明の実施例を示す図、第３図は
線形FM信号を示す図、第４図は未知信号を示す
図、第５図は相関出力を示す図、第６図はスペク
トル表示を示す図、第７図は相関演算の状態を示
す図、第８図は繰返し相関演算を示す図である。 図中の１ａ，１ｂは振幅変調器、２は超音波光
変調器、４ａ，４ｂは正弦波発振器、５ａ，５ｂ
は信号増幅器、７はレーザ、８は空間的光強度フ
イルタ、９は光電変換器、１０は増幅器、１１は
正弦波信号発生回路、１２は掃引信号発生回路、
１３は周波数変調回路、１５は出力表示器、１０
０はフーリエ変換光学系、１０１は音響光学的相
関器、１０２は線形FM信号発生装置を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力電気信号の周波数スペクトルを検出する
   ための音響光学的スペクトルアナライザであつ
   て：単発のまたは一定繰返し周期の線形FM信号
   を発生させる線形FM信号発生装置１０２と；前
   記入力電気信号と該線形FM信号とを受領して相
   互相関演算を行う音響光学的相関器１０１と、；
   該相関器出力と該線形FM信号発生装置の掃引信
   号とを受領して周波数スペクトルを表示する出力
   表示器１５とを備えたことを特徴とする音響光学
   的スペクトルアナライザ。 ２ 前記音響光学的相関器１０１が、一対の正弦
   波発振器４ａ，４ｂと；該発振器の出力を前記線
   形FM信号および前記入力電気信号によつて振幅
   変調するための一対の振幅変調器１ａ，１ｂと；
   該一対の振幅変調器の出力信号を入力信号とし、
   超音波伝搬方向が互いに逆向きである超音波光変
   調器２を有するフーリエ変換光学系１００と；該
   光学系の光源であるレーザ７と；該光学系の出力
   光を検出する空間的光強度フイルタ８と；該出力
   光を光電変換する光電変換器９とで構成されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響
   光学的スペクトルアナライザ。 ３ 前記線形FM信号発生装置１０２が、正弦波
   信号発生回路１１と；掃引信号発生回路１２と；
   該掃引信号発生回路の出力信号により該正弦波信
   号発生回路の出力信号を周波数変調させる周波数
   変調回路１３とで構成されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の音響光学的
   スペクトルアナライザ。