JPS6049230A - 音響光学的スペクトルアナライザ - 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】 （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
学的な相関器によっ−（検出し、スペクトルの形で表示
する音響光学的相関器（・ルーツ′ナライザ−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、相関係数の値によって未知入力
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ィルタ
リングした様な出力信号を得ることが可能である。ずな
わら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、正弦波信号と未知借間が等しい周波数で
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、類似度の割合いをめることがで
きる。

さて１　この様に、相関器をフィルタとして使用しｈｉ
ｊ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。よって、相関出方をＩｔ、５間的に並べて表示す
れば２周波数スペクトルを１’＝することができ２　こ
のスペクＩ・ルの分量−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・積分といっ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＋［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セは、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、実時間で相関演算カ刺能なｒ″ｉ響光？的相
関器を使用し、数十Ｕμｓ］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（ｑることを目
的としており、さらに、従来のデシクル相関器等に比べ
、簡単でがっ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） 本発明の詳細な説明するに先立ち、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
５相関演算を行うべき２つの電気信号は１一対の振幅変
調器１ａ、ｌｂ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
、３ｂの共振周波数で振動する正弦波であって、一対の
正弦波発振器４ａ、　４ｂによって発生される。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ＩＭシ。

り」向に備えられた一対の超音波吸収部材（ｉａ、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によって実時
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、レンズによっ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ｉＪる。この位相変調をう
けた光を再びレンスで収束さ・Ｕると。

レンズ焦点面に数＋ｌｌｄ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って２１Ａ回折した結果の輝点
のみを空間的光強度フィルタ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１（ｔ）を検出する。この場合前記超
音波光変調器内の２つの超召彼信号による空間的位相パ
ターンの包絡線を１１　＋　（Ｘｉ　、　＋１２（−Ｘ
）とすれば、レイリーの定理により次式の成立するごと
が知られている。ただし、０２（−Ｘ）のく−）↑３５
；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ｕ　１（ｔｌ　、　ｋ（１１を１１１１記Ｗ６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
ｈ−いに向い合う形で配置されているため、同一の空間
輔Ｘを使用すると空間位置が反り４になることを表ねこ
こで、了（０１（Ｘ］Ｕ２　（−ｘ）　ｌは超音波信号
包絡線１１ＦＸ］、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Ｕ＋（ＸｉとＵｌ（−×）との積をフ
ーリエ変換した光−メ像の全光量すなわち、前記空間光
強度フィルタを」ｍ遇した光量を示すものであっ乙前記
光電変換器の出力電流１　ｉｔ）に比例ｊ−る。また。

超音波信号包絡線ｕ、（ｘ＋、ｕλ（−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■で移動して
いることを′８慮すれば、（１）式より次式が導びかれ
る。

（２１ｉ３Ｌにおいてｄは光束の幅を表わす。（２）式
によっ−０光電変換器出力電流Ｃ（【）は超音波信号包
絡線１１、ｉｔ）、υ２（ｔ）のおのおのの自乗値重畳
積分の演算Ｎ１１゜果を示すことがわかる。ただしく２
）氏で小さ４１．る自乗値重畳積分は一般的な形式とは
異２＜す、ｕｌ（＋１゜１１２（ｔ）がともに移動（遅
延）する形ζある。な衿。

Ｌｂ（ｔ）か連続正弦波の様に周期的で、が−ノ、幻象
性ををする場合には。

１１２（ｔｌ＝０２（−ｔ）　、　−、−−−（３）と
考え、（２）式は 」 となり、Ｕｌ（ｔｌと１２　（ｔ）の自乗値相カー相関
’ｌ：ｊ５算を表ねす。

（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
の入り月１２８のうｊ）、−・力に時間とと６６、二周
波数が直線変化する線形］・旧ｇ　％を用い、他方を未
知信号として相互相関演算を実施し乙その相関出力を時
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ｉ′Ｉｉｉ述の通りである。線
形Ｉ’Ｍ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１周波数変ｉｔ！ｄ回路
１３．にり成り、前記変調回路内で＋’＋ｉｊ記正弦波
僧正弦波信号号によって直線的に周波数変調され線形Ｆ
Ｍ（言号が発生する。この線形ＦＭ信−′・」は前記相
関器に入力され、被測定信号入力端子１４より人力され
た未知信号と相互相関演算される。線形１？旧１１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。ずなわら
、連続的に通過・！１）域の変化する周波数フィルタに
未知信号を入力した場合と同しく１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竹や、チャートレコー
ダー等の出力表示器１５において１ｉ；１記掃引（ｎ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２本相関器に用いる線形１・Ｎ信号の一例を示
す。ごの信−冒は、超音波Ｌｂｉ動了３ａ、３ｂの共振
周波数の正弦波を線形１１Ｍ１ｉｉ号で１００％振幅変
調して作り出したものであり、前記ｆ４１　ｒＥのυ（
【）に相当する。まノ乙第４図はＵ（【）に相当する未
知ｈ？　”ｊを表わしており、この信号も同様に前記正
弦波イ、１号を未知人力信号で振幅変１！＋Ｉ　して得
たちのＣある。第３図、第４図に示した変調イコ号を相
関器内の１）；■記振動子に加え、相関−６ｉｉ算を行
ってｉ！Ｉた相カー相関出力を第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ｔ／
ｉ度は？ｉ略しである。第５図の波形の包絡　線コなわ
ら、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−ｌニー１；に対称
形を示ずため、ノ１側の包絡線のめを検出して、第にし
１に示ずようなスペクトル波形１９を１１１るごとがで
きる。現在、実用化の１．ｉＪ能な値とｊ〜乙超ｆ’＋
波振動子の共振ＪＭ］波数１０〜１５　［ＭＩＩｚ　−
，１、検出”Ｊ　ｆ’ｌヒなスペクトル（ｉ！ｌ＆２０
　ＬＫＩＩｚ　］　−１，２［１１１１ｚ　、’ｌ　、
動１７１速度］　［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１［（、咬
時間（１１１月の長さ）と線形］団信号の絹：咬時ｌ）
１目′９よび、超音波光変調器２ａ、２ｂ内の光束幅ｄ
との関連に、Ｆ、って２つに分けられる。第１の状態（
Ｊ第７しＪ　！；Ｚボずよ・）に、超音波光変調器２ａ
、２ｂ内での未知信号の長さか、線形Ｆ１ａ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、ずなわら、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ごに出
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］嶺信号の長さは、最大２ｄとなる。出力された
スペクトルの周波数分解ｆｉヒは、線形１１信号が時間
的にどの位２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。

よって２本状態のように線形Ｉ剛信号の長さが限定され
ている場合、出カスベクトルの周波数帯域を拡大するｌ
」的で１周波数変移度を増大すると２周波数分解能か劣
化する。　−ｒ＊ノ、−、、’ｌの逆に９周波数分Ｍ　
ｉｉヒを向−１ニさせろｌ」的でＩｔ’、１波数変移度
を小さくずれば、検出ｕＪ　ｆｉヒなスペクトル表：１
１域は狭くなる。

さらに５両石を共にｌｉ１］−１さ−はイ）ため、光中
幅（１庖拡げることも名えられるか１　ご、１１は光’
Ｓ”　ｌ’ｌ′Ｊ装置の物理的な限界によってむやめに
人きく−」゛るごとはできない。さて、第２の状態は、
第８図に示す、１、うに、未知信号のしさはほぼ光束幅
ｄと等しい場合である。この場合、線形１団佇Ｅ５−ｊ
ぴ月呵さを１．シ＜“・ｊる。このときは　、未知信号
とｔｆｆｉ’ｊ；ｉ波光変ａｔ！、１器内で相関演算さ
れ２〕線形１？ト１伯冒は、信号全体のほんの一部にす
きない。ゆえに２未知ｆＡ号は１本発明装置の外部に設
置した適当な記１ａ装置に記１鳥し。

繰返しＪＪｃみ出して本装置乙こ入力“することにノ、
１ろ。

ごの状態のときは、線形１ｊ旧ＩＡ号の長さは十分ＩＱ
＜４゛ることが１＋Ｊ能で、第１の状態に比べ１周波数
分解能５周波数帯域とも所望の値を６′１百呆”４るこ
とかできる。ただし１分解能、帯域を同時６０口ｉ１１
−さ・ける場合には、未知信号の繰返し回数を増大さ−
１ねばなら′４゛、スペクトルの出力時間か数［ｍｓｉ
程度と長くなる。また、外部に記１ｑ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ｉｉＪ
能な音響光学的相関器を周波数可変フィルタとして使用
し、電気信号の周波数スペクトルを高速に検出１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４Ｍ号が単発でも仝スベクＩ・
ルが検出可ｆｉＥなものと、繰返し被測定信号を発生さ
せて、十分なネ１１度を有するスペクトルを得る方法と
の２種があり、どららの方法も同一の装置構成によっ゛
Ｃ実現１ＪＪＩｌｊであるため、適宜、使い分レノを行
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５Ｊの代りに９時間の経過にしたがって対数的
に周波数を変化するような正弦波信号を使用すれば１列
数圧縮された周波数スペクトルがｆＵられる。この様な
機能は、相関器をプＩコグラマブルフィルタとして使用
している本スペクトルアナライジの大きなＱ＆ｉ７＜の
−ってあり１周波数軸の帯域およびｌ−１盛間陥等の設
定が簡単に実現できる特徴をイｊ’ｌ″る。

４、　図面のｒｆｆｉ　ｆｉ夏な説明 第１図は（ｊｔ＝来の音響光学的相関器の構成を小ずし
１゜第２図は本発明の実施例を示−Ｊ−図、第３図は線
形ＩｉＭ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ンＪ＜ず図、第８図は繰返し
相関６ｉｉ所を示Ｊ−図。

図中の ｌａ、　ｌｂ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−４）、 ））は空間的光強度フィルタ、 ９ε４光電変換器、 １０は増幅器、 １１は正弦波信号発生回路、 ｌ２はＷ引イΔ号発生回路、 ＩＪＮ′、よ周波数変８１！、１回路、１５番、ｌ出力
表示器、 １００　（；）フーリエ変換光学系、 １０１　は、ｌ；ｌ、常光学的相関器、１０２　ＬＪ線
形１団イご冒発生装置を示す。

代理人　弁理士　小池　ｆｌし太部 第３図 刀６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力電気信号の周波数スペクトルを検出するだめ
   の音響光学的スペク（・ルアナライザであって二単発の
   または一定繰返し２周期の線形ＦＭ信号を発生させる線
   形Ｆ？Ｉ信号発生装ｒｉ￥　（１０２）　と；前記人力
   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（ｌ旧）と；該相関器出力と該線
   形Ｆｉｌ信号発生装置の掃引信号とを受領して周波数ス
   ベク１ヘ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？ＦＷ光学的スペクトルアナライザ。
2. （２）前記相関器（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１ｉ　Ｍ
   　（ｉｔ号および前記入力電気１３号によって振幅変調
   するための一タ１の振幅変調器（ｌａ、ｌｂ）と；該−
   スＩの振幅変調器増幅器の出力信号を入力信号とし超音
   波伝！股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（＋００　’）と；該光
   学系の光源であるレーデ（７）と；該光パｖ系の出力光
   を検出する空間的光強度フィルタ（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. （３）前記線形ＦＭ信号発生装置（１０２）が、止弦波
   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発振器
   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］る’ｔ４＋許請求の範囲
   第１項又は第２項記載の音響光！’ｉ’「ｌ’Ｊスペク
   トルアナライザ。