JPS6235280A - 周波数追跡器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光のドツプラ効果を利用して鉄鋼。

非鉄金属等製造ラインの移動物体の速度を非接触で測定
するレーザドツプラ速度計の周波数追跡器に関するもの
である。

〔従来の技術〕

一般に、移動物体の速度を光のドツプラ効果を利用して
測定するには、第２図に示すような構成のレーザドツプ
ラ速度計が用いられていた。第２図は例えば三菱電機枝
軸Ｖｏ１．５８−　Ｎｏ、　Ｔ　・１９８４第３４頁〜
第３８頁に記載の光フアイバセンサーレーザ干渉計−に
示された従来のレーザドツプラ速度計の構成図であり２
図において、（１）は移動物体、　＋２１はレーザ、（
３）はレーザ光を２分割するビームスプリッタ、　（４
ａ）、（４ｂ）はビームスプリッタ（３）で２分割され
たレーザ光を送信光学系（５ａ）　＋　（５ｂ）に導び
くための光フアイバケーブル、　（４０）Ｕ後述する受
信光学系の受信光を伝送する光フアイバケーブル、（６
）は移動物体＋１１から散乱された光を受信するための
受信光学系、（力は受信光を電気信号に変換する光検出
器、（８）は増幅器、（少は周波数追跡器である。

第２図に示すごとく、移動物体（１）にレーザ（２）か
ら発信したレーザ光をビームスプリッタ（３１で２分割
し、各々の光を光フアイバクープル（４ａ）　ｌ　（４
ｂ）と送信光学系（５ａ）ｐ　（５ので、互いに反対方
向から移動物体（１）上に交差させて照射すると、各々
の送光ビームに対応した移動物体（１）の散乱光の波長
は、移動物体ｆｌ）の速度Ｖに応じて、いわゆる正負の
ドツプラシフトを起こす。この２つの正負のドツプラシ
フトを受けた散乱光を受信光学系（６）で受信し。

光フアイバケーブル（４Ｃ）で光検出器（７）に導びき
。

電気信号に変換すると、この電気信号の中には。

受信光の強さに比例する直流信号と第（１）式に示すド
ツプラ周波数ｆｄの交流信号（以下ドツプラ信号という
）が存在する。

ｆｄ−撃・ａｉｎ十　　・・・・・・・・・・・・・・
・ｔｌ＋ここに　Ｖ：移動物体の速度 λ：レーザ光の波長 ψ：２つの送光ビームの交差角 光検出器（７）で電気信号に変換されたドツプラ信号は
微弱なため増幅器（８）で増幅された後９周波数追跡器
（９）でドツプラ周波数ｆ、１を計測することにより、
移動物体ｆ１１の速度Ｖを求めることができる。

このことは、公知の事実である。

ドツプラ信号は、２条の送光ビームの拡が９゜交差角ψ
によってドツプラ周波数ｆｄを中心に周波数の拡がった
スペクトラムをもつ。第３図は。

ドツプラ信号のスペクトラムの一例を示すもので。

横軸は周波数、縦軸はパワースペクトラム密度を示す。

第３図で、ドツプラ信号のスペクトラムはドツプラ周波
数ｆｄで最大値を示し、最大値から３ｄＢ下がった周波
数の拡がり幅Δｆ１／！　　を半値幅という。ドツプラ
周波数ｆｄを半＠幅△ｆ　１７゜で除した直を信号のＱ
という指数で定義する。又、スペクトラムの最大値とノ
イズレベルとの比を信号のＳ／Ｎといい、これら信号の
ＱとＢ／Ｈは、ドツプラ信号の性状を評価する重要なフ
ァクタとして一般的に使われる。

Ｑ　ｓｗ　ｆ仏ｆ１７２　　　　　・・・・・・・・・
・・・・・・（２）通常、レーザドツプラ速度計のドツ
プラ信号のＱは、１０〜３０根度、信号のル４は１０〜
３０ｄＢ程度で信号性状が悪く、このドツプラ信号から
ドツプラ周波数ｆｄを周波数追跡器（９）で精度良く計
測することがレーザドツプラ速度計の性能を左右する。

第４図は２例えば東京大学航空研究所集報第２巻８号（
１９６１年１２月）の機上ドラグラレーダ用層波数追跡
装置に示された従来の周波数追跡器（９）の実施例を示
す。

図中、　（９ａ）はドツプラ信号入力ｄと電圧制御発振
器（以下ＶＣＯという）　（９ｇ）の出力とを混合する
ミキサ、　　（９ｂ）はミキサ（９ａ）の出力のドツプ
ラ信号入力周波数とＶＣ！Ｏ（９ｇ）の出力周波数の差
の周波数をとシ出す低域フィルタ、　　（９ｃ）は低域
フィルタ（９ｂ）の出力を検波する検波器、　（９ａ）
は同期検波器、　（９ｅ）は積分器、　（５）ｒ）は加
算器、　（９ｈ）はＶＣＯ（９ｇ）　Ｉｃ　ＩＦ　Ｍ変
調を与えるための低周波の発振器、　（９１）はレベル
調整器、　　（９，＋）は検波器（９Ｃ）の信号レベル
を検出してロック判別を行うロック検出器、　　（９／
）はロック検出器（９ｊ）のロック判別信号を受けてス
イープ発生器（９ｋ）と周波数追跡ループを切替えるス
イープ切替器である。

以上の構成の周波数追跡器＋９１において、　ｖｃｏ（
９ｇ）は一定の周波数で矩形波発振している発振器（９
ｈ）の出力をレベル調整器（９１）でレベルを調整した
信号と積分器（９θ）の出力電圧を加算器（９ｆ）で加
算した電圧に比例して出力周波数は変化する電圧制御形
光振器である。すなわち、　　Ｖ（：！Ｏ（９ｇ）の出
力周波数は、積分器（９θ）の出力電圧に対応した周波
数ｆＬｏを中心として２発振器（９ｈ）の発振周波数ｆ
。

でＦＭ変調された信号となっており、このときのｖｃ　
Ｏ（９ｇ）の周波数ｆＩＩは１次式で与えられる。

Δｆｖ ｆＬ−ｆＬ□＋１−＊　ｓｇｎ　（ａｉｎ　（２πｆｍ
ｔ）　）　・−・−・・＋３１ここでΔｆｖ　：ＦＭ変
調の変調幅 ｓｇｎ（ｓｉｎ（２πｆｍｔ）　）　：記述関数を示し
ｓｉｎ　（２πｆｍｔ）＞Ｏのとき１ ｓｉｎ（２πｆｍｔ）１１＝０のとき０ｓｉｎ（２πｆ
ｒｎｔ）（０のとき−１である。

第（３）式の変調幅Δｆｖ　は、レベル調整器（９１）
で調整された変調周波数ｆｍの振幅によって決まる定数
である。

今、第３図に示すようなドツプラ周波数ｆｄをもつドツ
プラ信号が入力されると、　　ｖｏｏ（９ｇ）の周波数
ｆＬとミキサ（９ａ）で周波数混合され、ミキサ（９ａ
）出力には、ドツプラ周波数ｆｄとｖｏｏ（９１ｇ）　
（Ｄ周波数ｆＬとの和及び差の周波数が混在することと
なる。低域フィルタ（９ｂ）は、上記ミキサ（９ａ）出
力周波数のうちドツプラ周波数ｆｄとｖｃｏ（９ｇ）の
周波数ｆｌの差の周波数のみを取り出しておシ。

低域フィルタ（９ｂ）の出力は、　　Ｗｏｏ（９ｇ）の
変調周波数ｆ！ｔｌで、ＡＭ変調された波形となる。こ
のＡＭ変調信号は　ＶＯｏ　（９ｇ）、、、Ｑ中心周波
数ｆＬｏがドツプラ周波数ｆｄと等しい場合は変調度は
０となり。

ｆｄ−ｆＬ□の大きさに比例して変調度が増しかっｆｄ
＞ｆｂとｆａ＜ｆＬの場合によって、変調周波数ｆｍの
位相が発振器（９ｈ）の出力位相を基準として、正と負
に変化する。従って、低域フィルタ（９ｂ）の出力を検
波器（９ｃ）でＡＭ検波した後１発振器（９ｈ）の出力
信号と同期検波器（９ｄ）で同期検波すると第５図に示
すように、　　ＶＣＯ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏが。

ドツプラ周波数ｆｄより高いか低いかにより正負の直流
信号が得られる。すなわち同期検波器（９ｄ）の出力は
、　　ＶＣＯの中心周波数ｆＬｏとドツプラ周波数ｆｄ
との差の周波数の弁別信号となっている。

なお、第５図において、８は同期検波器（９ｄ）の出力
のリニアゾーン、ＫＤはリニアゾーンＳ内のディスクリ
ゲインであシ、このディスクリゲインＫＤは入力ドツプ
ラ信号の８／Ｎ　、半値幅Δｆ　ｊ７２゜ｖｃｏ（９ｇ
）のＰＭ変調幅Δｆｙに依存して変化する。

今、　　ｆＬｏ−ｆｄの状態から、入力ドツプラ周波数
ｆ４が変化すると、同期検波器（９ａ）の出力電圧は。

ｆｄ−ｆＬｏの差に応じ正又は負の誤差電圧が生じ。

積分器（９ｅ）にチャージングされ、同期検波器（９ｄ
）の誤差電圧が０になる方向にｖｃｏ（９ｇ）の中心周
波数ｆＬｏが変化するため、第１４）式で示すようにＶ
ＣＯ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏは入力ドツプラ周波数
ｆｄに追尾することとなる。

ｆＬｏ■ｆｄ　　　　　　　　・・・・・・・・・・・
・・・・（４）すなわち、　　ＶＣ！Ｏ（９ｇ）の出力
中心周波数ｆＬｏは。

入力ドツプラ周波数ｆｄと等しくドツプラ周波数ｆｄに
追尾して出力されることとなる。

以上の説明では２　あらかじめ入力ドツプラ周波数ｆｄ
に対してｖｃｏ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏが、第５図
に示す同期検波器（９ｄ）の出力のリニアゾーンＳ内に
あると仮定している。実際の系では、リニアゾーンＳは
、　　ＶＯＯ（９ｇ）の周波数範囲に比較してかなり狭
くなり、そのため任意の周波数のドツプラ信号力、ヨ入
力された場合、必らずしもｖＣ！Ｏ（９ｇ）の中心周波
数ｆＬｏとドツプラ周波数ｆ６の差がリニアシー７８内
に人っているとは限らず周波数追尾ループは機能せず、
何らかの方法でｖｃｏ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏを全
周波数範囲に亘り強制的にスイープしてリニアシー／Ｓ
内に入れる必要がある。

ロック検出器（９ｊ）　、スイープ切替器（９υ、スイ
ープ発生器（９ｋ）は、　　ｖａｏ（ｓ＋ｇ）ｏ中心局
ｔｌｌ　数ｆＬＯｆ、　１５１期検波器（９ｄ）の出力
のＩＪ　ニアゾーンｓ内に入れるためのスイープ回路で
ある。動作は、検波器（９Ｃ）の出力信号レベルをロッ
ク検出器（９ｊ）で検出してロックオン信号を発生させ
、ロックオン信号によってスイープ切替器（９ｊ）のル
ープ切替を行っている。すなわち、ロックオン信号がな
い場合は、スィーブ発生器（９ｋ）の信号でｖｃ　ｏ　
（９ｇ）の出力周波数は、全周波数範囲に亘すスイープ
され、　　ｖｏｏ（９ｇ）の出力中心周波数ｆＬｏが、
リニアゾーンＳ内に入れば検波器（９Ｃ）に出力信号が
められれロック検出器（９ｊ）でロックオンを検出して
スイープ切替器（９１）を切替えて周波数追跡ループを
形成し、　　ＶＣＯ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏは、入
力ドツプラ周波数ｆ４に追尾することとなる。

ところで周波数追跡器では１周波数追跡ループのループ
ゲインを上げて系の応答性を上げることと、移動物体ｉ
ｌ＋の広い速度範囲に亘９．すなわち入力ドツプラ周波
数ｆｄの広い周波数範囲に亘シ追従することが重要なこ
ととなる。

例えば、鉄鋼ライン等の移動物体（１）の速度範囲は、
１〜２０００　ｍ７分となシ、これらの全速度範囲に追
従する周波数追跡器は約２０００倍様変のダイナミック
レンジが必要となる。

第４図に示す従来の周波数追跡器では、ミキサ（９ａ）
の出力には、ドツプラ周波数ｆ４とＶＯＯ（９ｇ）の周
波数ｆＬとの差の周波数ｆｄ−ｆＬと和の周波数ｆ、１
＋ｆＬ　が混在し、低域フィルタ（９ｂ）の帯域ｆｃが
、ドツプラ周波数ｆｄよシ充分低い場合は、差の周波数
ｆ、１−　ｔＬのみが低域フィルタ（９ｂ）で取り出さ
れＶＣＯ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏが’ＬＯ−ｆｄ　
Ｋなるよう周波数追跡器は動作する。しかし、ドツプラ
周波数ｆｌｉが低くなり、ドツプラ周波数ｆｄとｖｃｏ
（９ｇ）　ノ周波数Ｑ、　（Ｄ和の周波数ｆ４　＋　ｆ
Ｉ、が低域フィルタ（９ｂ）の帯域ｆ０内になる場合は
、低域フィルタ（９ｂ）の出力にｆｄ−ｆｌ　、　ｆ４
＋Ｑ、が混在し和の周波数ｆｄ＋　ｆｌの影響を受けて
、　　ＶＯＯ（９ｇ）の中心周波数ｆＬｏは２入力ドツ
プラ周波数ｆｄに追尾しな（なり周波数追跡器に追尾誤
差が生じる。

一般的には２周波数追跡器の追跡し得るドツプラ周波数
ｆｄの最低周波数ｆ　ａ　ｍ　１ｎ　ｌｄ　、低域フィ
ルタ（９ｂ）の帯域ｆ。の５倍位である。一方、最高周
波数Ｑｍａｘは、上記低域フィルタ（９ｂ）の帯域ｆｃ
に依存する周波数追跡器全体の応答速度により決まシ、
ドツプラ周波数ｆｄが高くなればなるけど系の応答速度
が低（なシ、わずかな入力ドツプラ周波数ｆｄの変動に
対して、系が追跡しなくなる。

父、　　Ｗｏｏ（９ｇ）の周波数可変範囲も、安定に動
作させるためには、広く取れないのが現状である。

従って、従来の周波数追跡器では、追跡し得る周波数範
囲はｖ　　ｆａｍａｘ／　ｆｄｍｉｎ　”　１　’〜２
０倍となｐ、　　１ｏｏｏ〜２０００倍も変化するドツ
プラ周波数範囲には追跡し得ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の周波数追跡器は、低域フィルタ（９ｂ）の帯
域ｆｃにより追跡し得る入力ドツプラ周波数ｆｄの範囲
が限定されるという問題点を有していた。又、　　Ｗｏ
ｏ（９ｇ）の可変周波数も広くとれないという問題点も
合わせもっていた。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、入力ドツプラ周波数ｆｄの広い周波数範囲に亘り
追跡し得る周波数追跡器を得ることを目的とするもので
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係わる周波数追跡器は、ミキサ（９ａ）の出
力端に帯域の異なる複数の低域フィルタとＶＣＯ（９ｇ
）の出力端に複数の分周器と複数の低域フィルタと複数
の分周器を各々、入力ドツプラ周波数によシ切替えるレ
ンジ切替器とを設けたものである。

〔作用〕 この発明においては、入力ドツプラ周波数の範囲に応じ
てあらかじめ設定された帯域をもつ複数の低域フィルタ
と分周比の異なる分周器を外部から入力ドツプラ周波数
範囲に応じて同時に切替えることによって周波数追跡器
を広い周波数範囲に亘シ追跡し得る。

〔実施例〕

第１図は、この発明による一実施例を示す周波数追跡器
のブロック図であり、以下図面に従い説明する。

図中、　　（９ａ）、（９ｃ）〜（９０は上記従来のも
のと同様である。（９ｂ　１）　、　（９ｂ　２）はそ
れぞれ帯域の異なる低域フィルタ＋　　（”Ｎ）　ｙ　
（９ｍ２）はそれぞれ分周比の異なる分周器＋　（”Ｊ
）は外部からの指令ムによシ低域フィルタ（９ｂ１）、
（９ｂ２）の出力信号を切替え出力する第１のレンジ切
替器、　　（９ｎ２）は分周器（９ｍｌ）　＋（９ｍｚ
）の出力信号を指令Ａにより切替え出力する第２のレン
ジ切替器である。

以上の構成の周波数追跡器において、　　Ｗｏｏ　（９
ｇ）の出力周波数は分周器（９ｍ１）　ｔ　（９ｍ２）
によって９周波数変化比が同じで互いに一部オーバーラ
ップさせて周波数範囲が異なるよう分周されている。低
域フィルタ（９ｂ１）、（９ｂ２）は分周器（９ｍ１）
、（９ｍ２）出力のそれぞれの下限周波数の１Ａ程度の
帯域をもつようにしである。入力ドツプラ周波数範囲に
応じてレンジ切替指令Ａによシ第１のレンジ切替器（９
ｎ１）で低域フィルタ（９ｂ１）、（９ｂ２）の各々の
出力を切替え同時に第２のレンジ切替器（９ｎ２）で分
周器（９ｍ１）、（９ｍ２）の各々の出力を切替えるこ
とにより広い入力周波数範囲に亘り追跡し得る周波数追
跡器となる。

例えば、　　ＶＯＯ（９ｇ）の出力周波数変化比を２０
倍程度とし分周器（９ｍ１）の分周比をし荀２分周器（
９ｍ２）の分周比を１／１ｏｏにすると約２００倍の周
波数範囲に追跡することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、　　ｖｏｏ（９ｇ）
の出力端に分周比の異なる複数の分周器とミキサ（９ａ
）の出力端に帯域の異なる低域フィルタと各々の分周器
２％々の低域フィルタを外部からのレンジ切替指令Ａに
より切替える第１．第２のレンジ切替器を設けることに
よシ広い入力周波数範囲に追跡し得る周波数追跡器が提
供できる。

なお以上の実施例では２レンジの切替えについて説明し
たが２レンジ以上の切替えについても実現できこの発明
に含まれることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を°示す周波数追跡器の構
成図、第２図はレーザドツプラ速度計の構成図、第３図
はドツプラ信号の特性を示す図、第４図は従来の周波数
追跡器を示す図、第５図は周波数追跡器の特性を示す図
である。 図中、　　（９ａ）はミキサ、　　（９ｂ）、（９ｂ＋
）、（９ｂ２）は低域フィルタ、　　（９ｃ）は検波器
、　　（９ｄ）Ｕ同期検波器、　（９ｓ）祉積分器、　
（ｑｔ）は加算器、　（９ｇ）　Ｉｄ　Ｗｏｏ　、　（
９ｈ）は発振器、　　（９１）はレベル調整器、　　（
９ｊ）はロック検出器。 （９ｋ）はスィーブ発生器、　　（９／）はスイープ切
替器。 （９ｍ１）ｅ（９ｍ２）は分周器、（９ｎ１）、（９ｎ
２）は第１．第２のレンジ切替器である。 なお１図中同一符号は同一または相当部分を示すＯ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入力周波数とローカル周波数を混合するミキサと、上記
   入力周波数とローカル周波数の差の周波数を取り出す帯
   域の異なる複数の低域フィルタと、上記複数の低域フィ
   ルタの出力信号を入力周波数範囲に応じて切替え出力す
   る第１のレンジ切替器と、上記第１のレンジ切替器で切
   替出力された低域フィルタの出力信号を検波する検波器
   と、上記差の周波数を弁別する同期検波器と、上記同期
   検波器の出力信号を積分する積分器と、上記ローカル周
   波数に周波数変調をかける発振器と、上記発振器の出力
   信号を入力し、その周波数変調幅を調整するレベル調整
   器と、上記レベル調整器の出力信号と上記積分器の出力
   信号を加算した信号を受けて上記入力周波数に追尾した
   上記ローカル周波数を出力する電圧制御発振器と、上記
   電圧制御発振器の出力端に設けられた分周比の異なる複
   数の分周器と、上記複数の分周器の出力信号を入力周波
   数範囲に応じて切替えて上記ミキサに出力する第２のレ
   ンジ切替器とを具備したことを特徴とする周波数追跡器
   。