JPS5838018A - 電気信号の時間軸変換装置 - 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】 この発明はアナログ電気信号の時間遅延を音響光学的手
法を用いて行い、遅延時間を高速度で変化させることに
よって信号の時間軸圧縮、伸長、逆転、およびサンプル
ホールドを行う電気信号の時間軸変換装置に関するもの
である。

従来よシアナログ電気信号の時間遅延を行ういくつかの
方法が考えられてきている。その第１はディジタルメモ
リ等によりて電気信号を一時記憶し、読み出し時刻の制
御を行う方法である。この方法を装置化したものは汎用
性に富み、高精度が期待できるが、アナログ信号の波形
再現精度を確保するために非常に多くの記憶素子を必要
とし、かつ、Ａ−Ｄ（アナログ−ディジタル）およびＤ
−大変換器を必要とする。よって、装置が非常に複雑な
構成となシ、高価である。次にＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣ
ｏｕｐｌ＠ｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）　、　ＢＢＤ（Ｂｕｃｋ
ｅｔ　Ｂｒｉｇａｄｅ　Ｄｅｖｌｃｅ）等の信号転送遅
延素子を用いる方法があるが、この方法も良好な遅延信
号波形を得るには、多数の素子と複雑な電気回路を必要
とする。また、５ＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕａｔ
ｉｃ　Ｗａｖｅ　：表面弾性波）素子を使用する方法も
前記例と同様に複雑な回路構成を必要とし、かつ、遅延
時間が素子形状で決定されるため、容易に可変できない
欠点をもつ。さらにまた、アナログ信号を磁気テープな
どに記録し、再生時刻を制御する方法もあるが、これら
機械的動作を伴う方法には、装置が大形化する欠点、あ
るいは、動作時間や安定性に関する問題がある。

このように、アナログ信号の時間遅延を電子回路や機械
装置を用いて簡単に精度良く実行することは大変難しい
。

本発明は、電気信号の時間軸処理に音響光学的な空間信
号処理の手法を用い、アナログ電気信号を超音波信号に
変換して空間的に一時記憶し、適当な時刻に信号検出用
の超音波と光とを用いてこの超音波信号を検出し、検出
時刻と検出位置とを制御することによって検出信号の遅
延時間を変化させ、前記電気信号の時間軸圧縮、伸長、
逆転、およびサンプルホールドを行う電気信号の時間軸
変換装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、信号処理すべきアナログ電気信号は液
体等の超音波伝搬媒質が満たされている音響光学的セル
の内部に配置した第１の超音波振動子に加えられ、前記
セル内に超音波信号として放射される。この超音波信号
は超音波振動子面に対向して配置された超音波吸収部材
に到達して吸収されるまで、前−記アナログ電気信号の
情報を空間的な形で保持している。この時、前記アナロ
グ電気信号の時間軸は、前記超音波信号の伝搬方向に設
定した空間軸に対応している。空間的に保持されている
情報の読み出しは、前記空間軸の位置座標の指定を第２
の振動子よシ発射した超音波ビームによって行い、指定
位−の情報検出を光を用いて行う。すなわち、前記アナ
ログ電気信号による前記セル内の超音波信号全体に平面
波光を照射しつつ、検出すべき空間位置に幅の狭い超音
波ビームを発射すると、２つの超音波が光進行方向より
見て重なり合っている部分を通過し芭平面波光に他の部
分とは異なる特定の位相変化が生ずる。

この位相変化は１枚のレンズで光量変化に変換でき、こ
の光量変化を光電変換して得られる電気信号は、前記ア
ナログ電気信号の振幅自乗値に比例する。ゆえに、前記
光電変換して得られた電気信号は、前記アナログ電気信
号を超音波伝搬時間を利用して時間遅延させたものとな
シ、遅延時間は第１の振動子と前記２つの超音波の重な
シ合りた部分との空間距離を前記セル内の超音波伝搬速
度で割りだ値となる。前記超音波ビームの発射位置、お
よび発射時刻は電気信号によりて制御されるため、遅延
時間の高速かつ微細な変化を行逢うことができ、また、
前記超音波ビームの有無によって信号サンプリング動作
が可能であるため入力したアナログ電気信号の遅延時間
の異なるサンプリング信号を得ることができる。これら
のサンプリング信号□の遅延時間をわずかづつ規則的に
変化させたものを得、電気的フィルタ回路で連続信号に
変換することによシ、前記アナログ電気信号に時間的伸
長、圧縮などの時間軸処理を施した信号を得ることがで
きる。

つぎに１図面を用いて本発明の詳細な説明を行う。

第１図は本発明の構成要素の１つである電気信号処理用
の音響光学的セル１の実施例における構成図である。前
記セルにはその内部に液体等の超音波伝搬媒質２を充て
んしてあシ、対向する両壁に′は光束を通過させる一対
の光透過窓３ｍ、３ｂが備えられ、この窓を通過した光
束の進行方向に垂直に超音波が発射されるよう第１の振
動子４が配置されている。また、前記第１の振動子よシ
所定の距離だけ離れた場所に、前記光束の進行方向と垂
直に、かつ、前記第１の振動子よシ発射された超音波と
空間的に交差する超音波ビームを発射させるための１個
以上の第２の振動子５が配列されている。さらに、第２
図に示すように、前記第１゜第２の振動子に対向した壁
面には超音波を吸収し、無用の反射を防止するための超
音波吸収部材６ｍ。

６ｂが備えられておシ、前記各振動子に個別に信号を加
えるための信号入力端子７ｈ、７ｂが設けられている。

第３図は、前記音響光学的セルの内部における超音波信
号８と、超音波ビーム９の関係を示したーものである。

同図（１）に示すアナログ入力信号１ｏによって振幅変
調された周波数ｆ８の正弦波信号を前記信号入力端子７
ａに加え、第１の振動子４によって前記セル内に超音波
信号８として発射する。この超音波信号によシ前記セル
内には超音波伝搬物質の密度変化による光学的位相格子
が形成される。

この位相格子は前記セル内の音速をマとすればＣ，ｖ／
ｉｔ）の格子定数をもつ、−次元進行形正弦波格子であ
）、かつまた、その正弦波振幅の最大値、すなわち、前
記媒質中の密度変化の最大値を示す抱結線は前記アナロ
グ入力信号によって定められるものである。

つぎに、第３図（ｂ）に示すように、第１の振動子４よ
Ｆ）ｘ方向に距離Ｌｄだけ離れた位置において。

第２の振動子５のうちの１つよシ前記平面波光の入射方
向と垂直に、かつ、前記超音波信号８と交差するように
超音波ビーム９を発射する場合を考える。この超音波ビ
ームの進行方向軸をｙとする。

Ｘ軸と１軸は必ずしも空間の１点において直交させる必
要はないが、同図では両軸の直交した状態を示している
。前記超音波ビーム線前記第２の振動子５に一定周波数
ｆ、の正弦波信号を加えることによシ発射させる。この
超音波ビームは前述した超音波信号８の場合と同様に、
前記セル内に゛おいてｙ軸方向に進行する一次元位相格
子を形成する。

この超音波ビームと前記超音波信号とが空間的に交差し
ている領竣では、Ｘ、７軸両方向に正弦波分布する王次
元位相゛格子が形成される。この二次元位相格子を通過
した平面波光束は格子の状態に応じて二次元的位相変化
を受けるが、前記超音波ビームの強度を一定に保つこと
にょシ、その変化量および変化の分布はアナログ入力信
号１ｏの振幅値のみの変化によるものとなる。ゆえに、
同図（ａ）に示したアナログ入力信号による超音波がＪ
同図６）に示すように前記セル内を伝搬し、前記超音波
ビームがこれに交差するように発射された場合、前記二
次元位相格子部分を通過した平面波光には、同図（、）
のアナログ信号の斜線部分の面積値に対応した位相変化
が生じる。超音波ビーム９のＸ軸方向長ｔｐが、前記ア
ナログ入力信号の前記セル内における最小空間周期に比
較し十分率さな場合、前記斜線部分の面積値をもりて前
記アナログ入力信号の振幅値に近似することが可能であ
るから、前記位相変化を生じた平面波光束の二次元的変
化分を後述する光学的方法で検出すれば、時間（Ｌｄ／
マ）だけ遅延した前記アナログ入力１号波形を得ること
ができる。

つぎに、超音波ビーム９を短時間発射して、アナログ入
力信号１０のサンプリングを行うことを考える。第４図
は１．単発の超音波ビーム、すなわち、パルス超音波１
１を第２の振動子５の内の１つよシ発射した場合を示し
て込る。このパルス超音ａ１７）空間的長さは、前記光
透過窓３ｍ、３ｂのｙ軸方向長さＷｌに等しくする。同
図（ａ）で鉱、説明をわかシ易くするため、超音波信号
８を固定し、パルス超音波１１の動きによりて２つの超
音波が重なる様子を示している。前記パルス超音波紘ム
で示した位置より、Ｃの位置まで、前記超音波信号を相
対的に斜めに横切る。超音波の速度鉱マであるから、こ
のパルス超音波が前記光透過窓を横切る時間で。

はＴ、　＝　２Ｗ、／マであり、前記超音波信号のｙ軸
方向長さが前記窓のＷアより大きければ、前記Ｔ８の値
が１回のサンプリング動作にかかる時間となる。

サンプリングの結果得られる信号は、前述したように光
量変化の形をとるため、これを光電変換すれば同図（ｂ
）に示すような時間周期Ｔ、の三角−波となる。同図に
示したように、Ｗ点の値が同図（、）においてパルス超
音波１１が光透過窓３ｍ、３ｂと完全に重なった場合の
Ｂ点の出力値を示し、サンプリング値を表示している。

ただし、前記光電変換時に祉、光電変換器の自乗特性に
よってサンプリング出力信号１２の振幅値がアナログ入
力信号１０の振幅値の自乗に比例した値となるが、同図
（ｂ）ではサンプリング出力信号１２を自乗圧縮した形
でアナログ入力信号１０と比較している。ここで同一の
第２の振動子５よシ、時間周期Ｔ８で繰返し前記パルス
超音波を発射すれば、同図６）に波線で示したような三
角波の繰返し波形が得られ、これら三角波の頂点を結ぶ
包結線は゛前記アナログ入力信号の遅延波形を示してい
る。

つぎに、パルス超音波１１を複数の第２の振動子５より
、一定の順序に従っ−て発射することを考える。基本的
な発射順序として、隣シ合りた第２の振動子を１方向に
順次１個ずつ振動する場合を考える。第５図社、この様
子を示している。同図（ａ）で扛起音波信号をその振幅
値包結線、すなわち、アナログ入力信号波形で示し、パ
ルス超音波はイ〜ホに至る移動軌跡のみを実線で示した
。また、黒丸で示した点の出力値がサンプリング出力信
号の最大値となる。破線の移動軌跡は前図第４図で説明
したように単一の第２の振動子よシパルス超音波を発射
した場合を示す。同図（ｂ）に示したサンプリング出力
信号で明らかなように、前記パルス超音波の発射順序を
、第１の振動子４に順次近づくような方向にとれば、各
サンプリング出力信号の遅延時間は除々に短くなり、こ
の結果、アナログ入力信号の時間軸が圧縮された形の遅
延信号が得られる。このとき、パルス超音波１１のＸ方
向の移動速度マ、をＶ、ｘｓｆ／／Ｔ、とすれば、前記
アナログ入力信号の時間軸圧縮の割合ｋｃは ｋ（Ｂ　＝　（ｖ−ｖ、）／ｖ　　　　　　”−・（１
）となる。同大においてｖ、＝０、すなわちパルス超音
波が単一の第２の振動子５よ）発射されている場合には
ｋｃ＝１となる。また、ｖＰの値が正値、すなわち、パ
ルス超音波の移動方向が第１の振動子４よシ遠ざかる方
向の場合、ｋｃの値は小数となり、時間軸伸長を意味す
る。さらに、マ＝Ｙ　ｐの場合には、超音波信号とパル
ス超音波のＸ軸方向における移動速度は等しくなシ、ｋ
０＝０となってサンプルホールドの状態と々る。マ、の
値がさらに大きくなシ、超音波信号の移動速度マを上回
るとｋｃの値は負となり時間軸の逆転した遅延信号が得
られる。

この様子を第６図に示す。前記第５図と同様、同図（＆
）はアナログ入力信号１０とパルス超音波の軌跡を、ま
た、同図（ｂ）は出力信号を表わしている。

以上の説明によって、音響光学的セル内１に存在する超
音波信号を、複数のパルス超音波を用いて超音波伝搬方
向に走査検出すれば、前記超音波信号の時間軸圧縮、伸
長、逆転、サンプルホールドが実−現できることを示し
た。これらの時間軸処理は、パルス超音波１１のＸ軸方
向移動速度マ、で定まるサンプリング周期と、前記セル
内における超音波伝搬による信号遅延時間表の関係によ
って実現できるものであるため、前記マ、の値によって
処理可能なアナログ入力信号の最高周波数が制限を受け
る。

つぎに、音響光学的セル１内における２つの超音波の重
なシ具合を検出する光学的方法について説明する。第７
図（＆）に示すように前記セル内で超音波信号８とパル
ス超音波１１によって作られた二次元位相格子を通過す
る平面波光は二次元的位相変化を受け、これをレンズ１
３によって集束するとレンズの焦点面１４に二次元回折
像が生ずる。同図伽）は光軸方向よシ見た音響光学的セ
ル１を示し、同図（ｃ）　ｈ同図（ｂ）の！、７軸と空
間的に平行に°なるようα、／軸を定めた空間的光学フ
ィルタ１５を示している。前記空間的光学フィルタは前
記焦点面°に配置され、所望の回折像輝点を検出するも
のである。さて、前記セル内における超音波信号８の格
子定数はｖ　／　ｆｍであるから、この正弦波格子によ
る回折像はフラウンホーファーの回折原理によって、前
記フィ、ルタ面上のα軸上、光軸点より±ｄ８だけ離れ
た点に生ずる。ｄ、の値は、 ｄ８＝±（λＦｆ８）／ｖ・・・・・（２）で表わされ
、λは平面波光の波長、Ｆはレンズ１３の焦点距離であ
る。同様に、前記パルス超音波による回折像輝点けβ軸
上の光軸よシ士ｄＢだけ離れた場所−生ず゛る。ｄｌｌ
の値は、パルス超音波の正弦波（搬送波）周波数をｆ、
とすれば、 ｄＢ＝±（λＦｆ、）／ｖ・・・・・（３）で表わされ
る。本発明では、検出する回折像を１次回折輝点のみに
限定しているため、上式（２）　、　（３１のｄ、、ｄ
ｌｌの値は１次回折光の位置を示すものである。前記２
つの超音波が重なった領域を通過した平面波光による回
折輝点け、前記超音波信号によシα軸方向に回折した平
面波光が、さらに、前記パルス超音波によってβ軸方向
に回折したもの、あるいは、この逆と考えることができ
、前記フィルタ面上のＲ１〜４（±ｄ５士６．）の位置
に発生する。

第７図（ｅ）には、これら輝点の位置が示されている。

前述したとう夛パルス超音波の振幅、値を一定に保ちな
がらこの４点の輝点のうち、１個以上のものを検出すれ
ば、アナログ入力信号の遅延したサンプリング出力信号
を得ることができる。

第８図は、本発明の電気信号の時間軸変換装置の実施例
における全体構成図である。時間軸処理を行なうべきア
ナログ入力信号を信号入力端子１６に加え、平方根演算
回路１７によりて振幅の自乗圧縮を行う。この自乗圧縮
の目的は、遅延信号検出の際の光電弯換における光電変
換器１８の自乗特性を補正し、本装置の入出力信号振幅
に比例関係を持たせることである。もちろん、前記アナ
ログ入力信号が２億信号の場合には、この回路は必要と
しない。さて、平方根演算回路１７の出力信号は、第１
の振幅変調回路１９に送られ、第１の発振器加で発生さ
せた正弦波搬送波を振幅変調する。この振幅変調を受け
た正弦波信号は、音響光学的セルｌの一内部に設置され
ている第１の振動子４に加えられ、前記セル内の超音波
伝搬媒質２中に超音波信号８として放射される。一方、
第２の発振器２１で発生させた第２の正弦波搬送波は複
数の出力端子を有する分配回路２２に送られ、掃引制御
信号銘より送られてくる掃引制御信号に従って前記複数
の出力端子に順次規則的に分配される。前記複数の出力
端子は一定の順序で前記セル内に配列されている複数の
第？の振動子５に接続されており、これによって、前記
第２の振動子よシパルス状の超音波ビームがあたかも前
記セル内を走査するように順次発射される。前記セル内
において、前記超音波ビームによって走査された前記超
音波信号８は、前記セルの光透過窓３ｍ、３ｂを通過し
ている平面波光の位相を変調し、この位相変調を受けた
平面波光はレンズ１３で集束して回折像を生ずる。

この回折像のうち、前記超音波ビームと前記超音波信号
が重なシ合うことによって生じた輝点のみを空間的光学
フィルタ１５によシ検出し、光電変換器１８によって電
気信号に変換すれば、前記アナログ入力信号の遅延時間
を異にしたサンプリング出力信号が得られる。この出力
信号を電気的な低域通過フィルタスを通過させることに
ょシ、その包結線波形を検出すれば、すでに詳細は説明
したとうり、前記アナログ入力信号の時間軸圧縮、伸長
、逆転、サンプルホールドした信号が得られる。

本発明は以上のような構成であシ、第１．第２の振動子
４，５および超音波吸収部材６ａ、６ｂを内壁に備えた
音響光学的セルＩＫ平面波光を入射し、前記振動子よシ
前記振動子よシ前記セル内に充てんしである超音波伝搬
媒質２中に超音波信号を発射して前記平面波光に位相変
化を与え、この位相変化をレンズ１３、空間的光学フィ
ルタ１５を用いた光学的手法によって検出し、光電変換
することにより前記第１の振動子に加えた電気信号の包
絡線波形、すなわちアナログ入力信号を時間遅延させて
得ることができる。さらに、前記第２の°振動子よシ発
射される信号検出用の超音波ビームの発射時刻と発射位
置とを、掃引制御信号詔によって規則的順序に定めれば
、前記アナログ入力信号のわずかずつ遅延時間の異なる
サンプリング出力信号を得ることができるため、この信
号を低域通過フィルタで復調して前記アナログ入力信号
の時間軸を変換した信号、すなわち、時間軸圧縮、伸長
、逆転、およびサンプルホールドの信号を得ることがで
きる効果を有する。

本発明では、必ずしも音響光学的セル１の内部において
、２つの超音波信号を重ね合わせる必要は無く、光軸方
向よシ見て、２つの超音波が重なシあっている状態であ
ればよい。従りて、必要に応じて超音波信号、超音波ビ
ームの各々に専用のセルを用いた多セル構造として光学
系の調整を容易にしたシ、また、超音波伝搬媒質に異な
る物質を用いて、よシ速く超音波ビームが超音波信号を
通過するよう改良し、サンプリング周期を短くすること
も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気信号処理用音響光学的セルの構造を示す図
、第２図は音響光学的セル内の振動子と超音波吸収部材
の配置を示す図、第３図は音響光学的セル内における２
つの超音波の重なりを示す図、第４図はパルス超音波に
よるサンプリングの示す図、第６図祉時間軸逆転処理の
一例を示す図、第７図は出力信号の光学的検出法を示す
図、第８図は本発明の実施例における構成を示す図であ
る。 １は電気信号処理用音響光学的セル、２は超音波伝搬媒
質、３ｍ、３ｂは光透過窓、４は第１の振動子、５は第
２の振動子、６ｍ、６ｂは超音波吸収部材、１３はレン
ズ、１５は空間的光学フィルタ、１７Ｆｉ平方根演算回
路、１８は光電変換器、１９は振幅変調回路、２２は分
配回路、２３は掃引制御回路を示す。 代理人　小　池　龍太部 第１１ 第４図 ｙ 第５［！］ ａｒＶ 第６図 ３ａ、ｖ １’７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 信号入力の平方根演算回路ａ？）と；該回路出力によシ
   第１の正弦波信号を振幅変調して第１の電気信号とする
   振幅変調回路α・と；第２の正弦波信号を複数の端子に
   分配する分配回路（２）と：該分配回路の信号分配動作
   を制御する掃引制御回路（至）と；超音波伝搬媒質を充
   てんした電気信号処理用音響光学的セルでありて、該セ
   ルの対向する両壁に備えられ光束を通過させる光透過窓
   （３ｍ７３ｂ）と、該第１０電気信号を第１の超音波に
   変換し前記光束の光進行方向と−直に前記媒質中に放射
   するＷＸ１０振動手（４）と、該第１の振動子から超音
   波放射方向に所定の距離はなれて配置され該分配回路の
   複数の出力端子にそれぞれ接続されていて前記第２の正
   弦波信号を第２の超音波に変換し前記光進行方向と垂直
   にかつ前記第１の超音波と交差するように前記媒質中に
   放射する複数個の第２の振動子（５）と、前記第１．第
   ２の超音波を吸収するために前記第１．第２の振動子に
   それぞれ対向して備えられた°超音波吸収部材（５ｍ、
   ６ｂ）とを備えた電気信号処理用音響光学的セル（１）
   と；該セルを透過した前記光束を集束するレンズα鴇と
   ｔ該しンズにより作られた回折像のうち所定位置の輝点
   を検出する空間的光学フィルタａ１と；該フィルタの光
   出力を電気信号に変換する光電変換器ａ８とを備え、前
   記輝点の所定位置が該第１．第２の正弦波信号の周波数
   と光軸に対する前記第１．第２の超音波の放射方向とに
   関連して定まシ、前記輝点の輝度が前記交差位置におけ
   る該第１．第２の超音波の振幅値に関連して定まり、前
   記光電変換器の出力信号が前記所望の第２の振動子が配
   置された前記所定距離と該第１の超音波の伝搬速度とに
   関連して定まる時間だけ遅延して出力されるようになっ
   ていることを特徴とする電気信号の時間軸変換装置。