JPS63111489A - 基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置 - Google Patents
基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置Info
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- JPS63111489A JPS63111489A JP62238605A JP23860587A JPS63111489A JP S63111489 A JPS63111489 A JP S63111489A JP 62238605 A JP62238605 A JP 62238605A JP 23860587 A JP23860587 A JP 23860587A JP S63111489 A JPS63111489 A JP S63111489A
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
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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。
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〕
本発明は基準位置から動いている再帰反射ターゲットの
変位を測定する装置に関するものである。
変位を測定する装置に関するものである。
〔従来の技術および発明が解決しようとする問題点〕
物体の変位を正確に測定するための装置は多数ある。そ
れらの装置にはたとえば光学的測定装置、磁気測定装置
、光フアイバ測定装置、干渉計測定装置、およびその他
の種類の測定装置がある。たとえば、オプチカル・アン
トークオンタム・エレクトロニクス（Ｏｐｔｌｃａｌ
ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ ＥＩｃｃｔｒｏｎｌ−ｃｓ）
１０ （１９８１年） 、５３３〜５３５ページ所載の
エフ・バルミジア一二（Ｐ、Ｐａｒｍｉｇｌａｎｌ）の
論文には、小さい変位を測定するために用いられる光フ
ァイバ・プローブ装置が記載されている。
れらの装置にはたとえば光学的測定装置、磁気測定装置
、光フアイバ測定装置、干渉計測定装置、およびその他
の種類の測定装置がある。たとえば、オプチカル・アン
トークオンタム・エレクトロニクス（Ｏｐｔｌｃａｌ
ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ ＥＩｃｃｔｒｏｎｌ−ｃｓ）
１０ （１９８１年） 、５３３〜５３５ページ所載の
エフ・バルミジア一二（Ｐ、Ｐａｒｍｉｇｌａｎｌ）の
論文には、小さい変位を測定するために用いられる光フ
ァイバ・プローブ装置が記載されている。
アプライド・オプティックス（Ａｐｐｌｉｅｄ ０ｐｔ
ｅｃｓ）２０ （１９８１年’） 、４００〜４０３ペ
ージ所載のエフ費ビエン（Ｐ、Ｂｌｅｎ） 、エム・カ
マツク（Ｍ。
ｅｃｓ）２０ （１９８１年’） 、４００〜４０３ペ
ージ所載のエフ費ビエン（Ｐ、Ｂｌｅｎ） 、エム・カ
マツク（Ｍ。
Ｃａｍａｃ） 、エイチ・ソニー・コールフィールド（
１１゜Ｊ、Ｃａｕｌｆ’ｆｅｌｄ）およびニスーｊ−ゼ
キール（Ｓ、Ｅｚｅｋｉ−ｃｌ）の論文には、絶対距離
を測定するために可変波長干渉計技術を用いる装置が記
載されている。
１１゜Ｊ、Ｃａｕｌｆ’ｆｅｌｄ）およびニスーｊ−ゼ
キール（Ｓ、Ｅｚｅｋｉ−ｃｌ）の論文には、絶対距離
を測定するために可変波長干渉計技術を用いる装置が記
載されている。
また、アプライド・オプティックス、２０（１９８１年
） 、３５０３〜３５０７ページ所載のニー・オルッソ
ン（Ａ、０Ｉｓｓｏｎ）およびシー・エル・タン（Ｃ，
Ｌ、Ｔａｎｇ）の論文には、光路長の小さい変化を測定
するためにタイナミック干渉計技術を用いる装置が記載
されている。レビュー・オブφサイエンティフィック・
インスツルメンツ（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｒ ５ｃ１ｅｎｔ
１ｒｌｃ Ｉｎ５ｔｒｕｏ＋ｅｎｔｓ） ５３（１９８
２年） 、９６３〜９６６ページ所載のシー・ピー・ワ
ンプ（Ｃ，Ｐ、Ｗａｎｇ） 、アール・エル・バーライ
ラグ（Ｒ，Ｌ、Ｖａｒｖｉｇ）およびピー・ソニー・ア
ックマン（Ｐ、Ｊ、＾ｃｋｍａｎ）の論文には、極めて
短い距離の鏡の変位を４−１定するために音響−光技術
を用いる装置が記載されている。サイエンス（Ｓｃｉｅ
ｎｃｅ）１ ０ ７ （１９７０年） 、 ２９６〜
３０３ページ所載のソニー・バーガー（Ｊ、Ｂｅｒｇｅ
ｒ）およびアール・エイチ・ロブバーブ（Ｌｏｖｂｅｒ
ｇ）の論文には地面の歪みを測定するためにレーザ干渉
計を用いる装置が記載されている。
） 、３５０３〜３５０７ページ所載のニー・オルッソ
ン（Ａ、０Ｉｓｓｏｎ）およびシー・エル・タン（Ｃ，
Ｌ、Ｔａｎｇ）の論文には、光路長の小さい変化を測定
するためにタイナミック干渉計技術を用いる装置が記載
されている。レビュー・オブφサイエンティフィック・
インスツルメンツ（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｒ ５ｃ１ｅｎｔ
１ｒｌｃ Ｉｎ５ｔｒｕｏ＋ｅｎｔｓ） ５３（１９８
２年） 、９６３〜９６６ページ所載のシー・ピー・ワ
ンプ（Ｃ，Ｐ、Ｗａｎｇ） 、アール・エル・バーライ
ラグ（Ｒ，Ｌ、Ｖａｒｖｉｇ）およびピー・ソニー・ア
ックマン（Ｐ、Ｊ、＾ｃｋｍａｎ）の論文には、極めて
短い距離の鏡の変位を４−１定するために音響−光技術
を用いる装置が記載されている。サイエンス（Ｓｃｉｅ
ｎｃｅ）１ ０ ７ （１９７０年） 、 ２９６〜
３０３ページ所載のソニー・バーガー（Ｊ、Ｂｅｒｇｅ
ｒ）およびアール・エイチ・ロブバーブ（Ｌｏｖｂｅｒ
ｇ）の論文には地面の歪みを測定するためにレーザ干渉
計を用いる装置が記載されている。
また、商用の変位＋９１定装置も市販されている。
それらの変位測定装置には、たとえば、アメリカ会衆国
力リホルニア州パロ・アルド（Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ）所
在のヒユーレット・パラカード（ＨｅｖｌｅｔＬ−Ｐａ
ｃ−ｋａｒｄ）により製造されたレーザ位置トランスデ
ユーサＨＰ５５２７Ａ、アメリカ会衆国力リホルニア州
ゴレタ（Ｇｏｌｅｔａ）所在のテレクトラック（Ｔｅｌ
ｅｅｔｒ−ａｃ）により製造されたＴＩＰＳ−ＩＶ型干
渉計位置センサ、アメリカ会衆国力リホルニア州サン・
ジョゼ（Ｓａｎ Ｊｏｓｅ）所在のマークφチック（Ｍ
ａｒｋ Ｔｃｃｈ）により製造された７９１０型干渉計
装置■、アメリカ合衆国ニューヨーク州ロチェスタ−（
Ｒｏｃｈｃ−ｓｔａｒ）所在のバラシュ・アンド・ロム
（Ｂａｕｓｃｈ ＆Ｌｏｍｂ）により製造された光学的
符号器ゲージ、ソニーにより製造された磁気符号器ゲー
ジが含まれる。一般に、干渉計技術を用いる装置は光学
的符号化技術を用いる装置より正確であるが、前者にお
いては位置合わせが一層重要であるから、干渉計技術を
用いる装置は高価である。
力リホルニア州パロ・アルド（Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ）所
在のヒユーレット・パラカード（ＨｅｖｌｅｔＬ−Ｐａ
ｃ−ｋａｒｄ）により製造されたレーザ位置トランスデ
ユーサＨＰ５５２７Ａ、アメリカ会衆国力リホルニア州
ゴレタ（Ｇｏｌｅｔａ）所在のテレクトラック（Ｔｅｌ
ｅｅｔｒ−ａｃ）により製造されたＴＩＰＳ−ＩＶ型干
渉計位置センサ、アメリカ会衆国力リホルニア州サン・
ジョゼ（Ｓａｎ Ｊｏｓｅ）所在のマークφチック（Ｍ
ａｒｋ Ｔｃｃｈ）により製造された７９１０型干渉計
装置■、アメリカ合衆国ニューヨーク州ロチェスタ−（
Ｒｏｃｈｃ−ｓｔａｒ）所在のバラシュ・アンド・ロム
（Ｂａｕｓｃｈ ＆Ｌｏｍｂ）により製造された光学的
符号器ゲージ、ソニーにより製造された磁気符号器ゲー
ジが含まれる。一般に、干渉計技術を用いる装置は光学
的符号化技術を用いる装置より正確であるが、前者にお
いては位置合わせが一層重要であるから、干渉計技術を
用いる装置は高価である。
動いているターゲットの速度を測定するためにドツプラ
ーレーダの原理を利用することが先行技術における通常
のやり方でもある。典型的な装置が、たとえば、エム・
アイ・スコルニツク（Ｍ、ｌ。
ーレーダの原理を利用することが先行技術における通常
のやり方でもある。典型的な装置が、たとえば、エム・
アイ・スコルニツク（Ｍ、ｌ。
Ｓｋｏ ｌ ｎ Ｉ ｋ）著「イントロダクション・ツ
ー・レーダ豐システム（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔ
ｏ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）Ｊ（マグロ−・ヒル
（Ｍｅｇｒａシー旧ｌりにューヨーク）１９８０年発行
、第３章、およびアメリカン中サイエンティスト（ＡＩ
！ｅｒｉｃａｎ ５ｃｌｅｎｔｌｓＬ） ６５（１９７
７年）、２８９〜２９３ページ所載のシー・ピー・ワン
（Ｃ，Ｐ、Ｗａｎｇ）の「レーザ・ドップラー−ベロシ
メータ（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｌｍ
ｅｔ−ｅ「）」と題する論文に記載されている。
ー・レーダ豐システム（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔ
ｏ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）Ｊ（マグロ−・ヒル
（Ｍｅｇｒａシー旧ｌりにューヨーク）１９８０年発行
、第３章、およびアメリカン中サイエンティスト（ＡＩ
！ｅｒｉｃａｎ ５ｃｌｅｎｔｌｓＬ） ６５（１９７
７年）、２８９〜２９３ページ所載のシー・ピー・ワン
（Ｃ，Ｐ、Ｗａｎｇ）の「レーザ・ドップラー−ベロシ
メータ（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｌｍ
ｅｔ−ｅ「）」と題する論文に記載されている。
従来の正確な変位測定装置のほとんどは干渉計技術を用
いており、それら従来の装置は、測定を行なうために周
波数を安定にした高価で、複雑なレーザを通常含んでい
る。したがって、従来の正確な変位ｎ１定装置は位置合
わせに関する限りは極めて厳しく、したがって非常に高
価である。一方、本発明の装置は電気−光学型であり、
動いているターゲットの数メートルにおよぶ変位を正確
に測定するために、その動いているターゲットによりひ
き起されるレーザ周波数のドツプラー推移を用いる。
いており、それら従来の装置は、測定を行なうために周
波数を安定にした高価で、複雑なレーザを通常含んでい
る。したがって、従来の正確な変位ｎ１定装置は位置合
わせに関する限りは極めて厳しく、したがって非常に高
価である。一方、本発明の装置は電気−光学型であり、
動いているターゲットの数メートルにおよぶ変位を正確
に測定するために、その動いているターゲットによりひ
き起されるレーザ周波数のドツプラー推移を用いる。
とくに、本発明の装置はレーダの原理、ドツプラー効果
および光ヘテロダイン技術を基にしている。本発明の装
置におけるターゲットは動いている再帰反射器であるか
ら、本発明の装置はある面でドツプラーレーダ装置に類
似する。しかし、本発明の装置においてはターゲットに
レーザビームを照射する。再帰反射ターゲットにより反
射されたレーザビームの周波数はターゲットの動きによ
り推移させられる。反射されたレーザビームのドツプラ
ー周波数推移はターゲットの速度に比例し、反射された
レーザビームの位相推移は基準位置からのターゲットの
変位に比例する。
および光ヘテロダイン技術を基にしている。本発明の装
置におけるターゲットは動いている再帰反射器であるか
ら、本発明の装置はある面でドツプラーレーダ装置に類
似する。しかし、本発明の装置においてはターゲットに
レーザビームを照射する。再帰反射ターゲットにより反
射されたレーザビームの周波数はターゲットの動きによ
り推移させられる。反射されたレーザビームのドツプラ
ー周波数推移はターゲットの速度に比例し、反射された
レーザビームの位相推移は基準位置からのターゲットの
変位に比例する。
本発明の装置は、前記のように基準位置からの再帰反射
ターゲットの変位を表す反射されたレーザビームの位相
推移を検出するために用いられる位相検出器を含む。タ
ーゲットの変位が半波長より長いと、位相の全変化を決
定するために装置にカウンタを用いることができる。本
発明の装置は、カウンタのカウントと、反射されたレー
ザビームの位相角とを読取り、それらの読取り値を長さ
の単位に変えるように機能するマイクロプロセッサも含
む。
ターゲットの変位を表す反射されたレーザビームの位相
推移を検出するために用いられる位相検出器を含む。タ
ーゲットの変位が半波長より長いと、位相の全変化を決
定するために装置にカウンタを用いることができる。本
発明の装置は、カウンタのカウントと、反射されたレー
ザビームの位相角とを読取り、それらの読取り値を長さ
の単位に変えるように機能するマイクロプロセッサも含
む。
簡単にいえば、本発明の装置は小型で、使用が簡単であ
り、正確な取付けまたは厳密な位置合わせを必要とせず
、ドリフトのない正確さを示す点で従来の装置と比較し
て有利である。
り、正確な取付けまたは厳密な位置合わせを必要とせず
、ドリフトのない正確さを示す点で従来の装置と比較し
て有利である。
本発明の装置は、変位の測定を実際的、経済的、正確、
便利かつ融通性をもって行なう独特の光学的ヘテロダイ
ン原理および光学的モデムの原理を用いる。更に、本発
明の装置は容易に利用できる安価なレーザを使用できる
点で有利である。また、本発明の装置の製造された例に
おいては５０ｍ／分より高い旋回速度を示すように、本
発明の装置は高速で動作する。本発明の装置は干渉計を
必要としないから構造が簡単であり、角度で３０秒台、
位置で１ミリメートル台の大きい位置の狂い許容誤差を
をするから、位置合わせが容品である。
便利かつ融通性をもって行なう独特の光学的ヘテロダイ
ン原理および光学的モデムの原理を用いる。更に、本発
明の装置は容易に利用できる安価なレーザを使用できる
点で有利である。また、本発明の装置の製造された例に
おいては５０ｍ／分より高い旋回速度を示すように、本
発明の装置は高速で動作する。本発明の装置は干渉計を
必要としないから構造が簡単であり、角度で３０秒台、
位置で１ミリメートル台の大きい位置の狂い許容誤差を
をするから、位置合わせが容品である。
とくに、本発明の装置の利点には下記のものが含まれる
。
。
Ａ、光速度とレーザ周波数を用いて測定が行なわれるか
ら較正は不要であること。
ら較正は不要であること。
Ｂ、厳密な位置合わせ、または正確な取付けを必要とし
ないこと。
ないこと。
Ｃ１再帰反射ターゲットが干渉計モジュールを必要とし
ないこと。
ないこと。
Ｄ、装置が摩耗、バックラッシュまたは周期的誤差を示
さないこと。
さないこと。
Ｅ、装置は光源として低価格のレーザを使用すること。
以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第１図に示す装置はレーザ１０を含む。このレーザ１０
としてはヒユーズ（Ｈｕｇｈｃｓ） ３２２１ Ｈｃ型
へリウムーネオンレーザのような安価で、容易に入手で
きるレーザを使用できる。レーザ１０はレーザビームを
発生し、そのレーザビームは変調器１２を通る。変調器
１２は音響−光変調器であって、たとえばアイソメート
（ｌ５ｏｒａａｔｅ） １２０１型のような市販されて
いる光変調器を用いることができる。変調器１２はビー
ム３を発生する。そのビーム３は動いている再帰反射タ
ーゲット１４へ照射される。このターゲット１４は矢印
で示されている向きに速度Ｖで動いている。変調器１４
は偏向されたビーム２も発生する。そのビーム２は、再
帰反射ターゲット１４から反射されたビーム４と同様に
、ビーム組合わせ器１６へ送られる。
としてはヒユーズ（Ｈｕｇｈｃｓ） ３２２１ Ｈｃ型
へリウムーネオンレーザのような安価で、容易に入手で
きるレーザを使用できる。レーザ１０はレーザビームを
発生し、そのレーザビームは変調器１２を通る。変調器
１２は音響−光変調器であって、たとえばアイソメート
（ｌ５ｏｒａａｔｅ） １２０１型のような市販されて
いる光変調器を用いることができる。変調器１２はビー
ム３を発生する。そのビーム３は動いている再帰反射タ
ーゲット１４へ照射される。このターゲット１４は矢印
で示されている向きに速度Ｖで動いている。変調器１４
は偏向されたビーム２も発生する。そのビーム２は、再
帰反射ターゲット１４から反射されたビーム４と同様に
、ビーム組合わせ器１６へ送られる。
ビーム２と４はビーム組合わせ器１６により検出器１８
へ向って反射される。検出器１８はへテロダイン光検出
器であって、たとえばメレット（Ｍｅｒｅｔ）Ｒ１８０
０型光検出器を用いることができる。検出器１８の電気
出力が増幅器２０で増幅されてから位相復調器２２へ与
えられる。発振器／ドライバ２３が周波数Ωの電気信号
を光変調器１２と位相復調器２２へ与えられる。位相復
調器２２の出力はアップダウンカウンタ２４へ与えられ
る。そのアップダウンカウンタ２４としては７４ＬＳ１
９０型アツプダウンカウンタを用いることができる。ア
ップダウンカウンタ２４の出力はマイクロプロセッサ２
６へ与えられる。そのマイクロプロセッサとしてはＨＯ
６８ＰＯ５ＷＤを用いることができる。そのマイクロプ
ロセッサの出力は数値表示器２８へ与えられる。その数
値表示器としてはＬＩＴ３０８型を用いることができる
。
へ向って反射される。検出器１８はへテロダイン光検出
器であって、たとえばメレット（Ｍｅｒｅｔ）Ｒ１８０
０型光検出器を用いることができる。検出器１８の電気
出力が増幅器２０で増幅されてから位相復調器２２へ与
えられる。発振器／ドライバ２３が周波数Ωの電気信号
を光変調器１２と位相復調器２２へ与えられる。位相復
調器２２の出力はアップダウンカウンタ２４へ与えられ
る。そのアップダウンカウンタ２４としては７４ＬＳ１
９０型アツプダウンカウンタを用いることができる。ア
ップダウンカウンタ２４の出力はマイクロプロセッサ２
６へ与えられる。そのマイクロプロセッサとしてはＨＯ
６８ＰＯ５ＷＤを用いることができる。そのマイクロプ
ロセッサの出力は数値表示器２８へ与えられる。その数
値表示器としてはＬＩＴ３０８型を用いることができる
。
位相復調器２２が第２図のブロック図に詳しく示されて
いる。この位相復調器は入力前置増幅器及びリミッタ３
０を含む。この入力前置増幅器及びリミッタとしてはワ
トキンス・ジョンソン（Ｗａｔｋｌｎｓ−Ｊｏｈｎｓｏ
ｎ）のＡ５４型を用いることができる。人力前置増幅器
及びリミッタ３０は位相比較器３２の１つの入力端子へ
接続される。その位相比較器としてはＭＣＩ２０４０型
を用いることができる。位相比較器３２の他の入力端子
は適切な任意の基準電圧源へ接続される。位相比較器の
出力はＣＡ３１００型低域フイルタ３４を介して電圧比
較器３６へ与えられる。その電圧比較器としてはＣＡ３
２９０Ｅ型を使用できる。電圧比較器３６の出力はアッ
プダウンカウンタ２４へ与えられる。
いる。この位相復調器は入力前置増幅器及びリミッタ３
０を含む。この入力前置増幅器及びリミッタとしてはワ
トキンス・ジョンソン（Ｗａｔｋｌｎｓ−Ｊｏｈｎｓｏ
ｎ）のＡ５４型を用いることができる。人力前置増幅器
及びリミッタ３０は位相比較器３２の１つの入力端子へ
接続される。その位相比較器としてはＭＣＩ２０４０型
を用いることができる。位相比較器３２の他の入力端子
は適切な任意の基準電圧源へ接続される。位相比較器の
出力はＣＡ３１００型低域フイルタ３４を介して電圧比
較器３６へ与えられる。その電圧比較器としてはＣＡ３
２９０Ｅ型を使用できる。電圧比較器３６の出力はアッ
プダウンカウンタ２４へ与えられる。
第１図に示されている変調器１２が第３図に詳しく示さ
れている。この変調器１２は音響吸収器４０を含む。こ
の音響吸収器は相互作用媒体を含み、その相互作用媒体
にレーザ１０からのビーム１が入射する。そうするとそ
の相互作用媒体はレーザビーム３と２を発生する。それ
らのレーザビームは互いに角度αだけずらされる。音響
吸収器４０は圧電トランスデユーサ４２も含む。ドライ
バ２３からの電気信号が電気的インピーダンス整合ネッ
トワーク２５を介して圧電トランスデユーサ４２へ与え
られる。
れている。この変調器１２は音響吸収器４０を含む。こ
の音響吸収器は相互作用媒体を含み、その相互作用媒体
にレーザ１０からのビーム１が入射する。そうするとそ
の相互作用媒体はレーザビーム３と２を発生する。それ
らのレーザビームは互いに角度αだけずらされる。音響
吸収器４０は圧電トランスデユーサ４２も含む。ドライ
バ２３からの電気信号が電気的インピーダンス整合ネッ
トワーク２５を介して圧電トランスデユーサ４２へ与え
られる。
レーザ１０からのレーザビーム１の周波数と位相をそれ
ぞれω。、φ。で示す。第３図に示すように、変調器１
２はビームに作用して周波数ω０＋Ωを有する屈折され
たビーム２を生ずる。ビーム３の周波数は同じに（呆た
れる。再帰反射ターゲット１４により反射されたビーム
４の周波数はω０＋ωＤヘドップラー推移させられる。
ぞれω。、φ。で示す。第３図に示すように、変調器１
２はビームに作用して周波数ω０＋Ωを有する屈折され
たビーム２を生ずる。ビーム３の周波数は同じに（呆た
れる。再帰反射ターゲット１４により反射されたビーム
４の周波数はω０＋ωＤヘドップラー推移させられる。
ここに、ω０は再帰反射ターゲットの速度Ｖに比例する
ドツプラー推移である。
ドツプラー推移である。
ビーム組合わせ器１６はビーム２と４の組合わせ、組合
わされたビームを光学的ヘテロダイン検出器１８へ与え
る。そうするとその光学的ヘテロダイン検出器はうなり
周波数Ω＋ωＤを有する電気信号５（第４図）を発生す
る。この電気信号は増幅器２０により増幅されてから位
相復調器２２へ与えられる。位相復調器２２の出力は位
相変化Δφに比例する。その位相変化は次式により再帰
反射ターゲットの変位ΔＺに関係づけられる。
わされたビームを光学的ヘテロダイン検出器１８へ与え
る。そうするとその光学的ヘテロダイン検出器はうなり
周波数Ω＋ωＤを有する電気信号５（第４図）を発生す
る。この電気信号は増幅器２０により増幅されてから位
相復調器２２へ与えられる。位相復調器２２の出力は位
相変化Δφに比例する。その位相変化は次式により再帰
反射ターゲットの変位ΔＺに関係づけられる。
最後に、測定された変位ΔＺはマイクロプロセッサ２６
により長さの単位に変えられ、数値表示器２８により数
値で表示される。
により長さの単位に変えられ、数値表示器２８により数
値で表示される。
レーザビームは、音波の伝わる向きに対してはぼ直角に
、第３図の変調器１２の音響吸収器４゜の相互作用媒体
を通って送られる。プロシーディング・オブ・ザμアイ
イーイーイー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ ＩＥ
ＥＥ）５０ （１９６５年）、１６０４〜１６２３ペー
ジ所載のシー・ソニー・オウエート（Ｃ，Ｊ、０ｕａｔ
ｃ）他の論文と、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ［’ ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓ）、５０ （１９７９年）７９１７〜７９
２０ページ所載のシー争ピー・ワング（Ｃ，Ｐ。
、第３図の変調器１２の音響吸収器４゜の相互作用媒体
を通って送られる。プロシーディング・オブ・ザμアイ
イーイーイー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ ＩＥ
ＥＥ）５０ （１９６５年）、１６０４〜１６２３ペー
ジ所載のシー・ソニー・オウエート（Ｃ，Ｊ、０ｕａｔ
ｃ）他の論文と、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ［’ ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓ）、５０ （１９７９年）７９１７〜７９
２０ページ所載のシー争ピー・ワング（Ｃ，Ｐ。
ｌａｎｇ）他の論文において述べられているように、送
られるビーム３は同じままであり、屈折されたビーム２
の向きと周波数はそれぞれθおよびω〇−Ωである。そ
の角度θはθ−λ／Ａである。ここに、λとＡはそれぞ
れレーザの波長、音波の波長である。強さの比は次式に
より計算できる。
られるビーム３は同じままであり、屈折されたビーム２
の向きと周波数はそれぞれθおよびω〇−Ωである。そ
の角度θはθ−λ／Ａである。ここに、λとＡはそれぞ
れレーザの波長、音波の波長である。強さの比は次式に
より計算できる。
ここに、ＩＯ−送られたレーザビームの強さ、Ｉ、−屈
折されたビームの強さ、 Ｍ２−媒体の光弾性の良さ指数、 Ｌ −光弾性相互作用の長さ、 Ｈ−音の柱の幅、 Ｐ −相互作用媒体の音響パワー、 Ｃ である。
折されたビームの強さ、 Ｍ２−媒体の光弾性の良さ指数、 Ｌ −光弾性相互作用の長さ、 Ｈ−音の柱の幅、 Ｐ −相互作用媒体の音響パワー、 Ｃ である。
ドツプラーレーダと同様に、本発明の装置におけるター
ゲット１４は再帰反射器である。この再帰反射器にはレ
ーザビーム３が照射される。再帰反射器により反射され
たレーザビーム４は再帰反射ターゲットに動きにより周
波数が推移させられる。ドツプラー周波数推移は次式に
より表すことができる。
ゲット１４は再帰反射器である。この再帰反射器にはレ
ーザビーム３が照射される。再帰反射器により反射され
たレーザビーム４は再帰反射ターゲットに動きにより周
波数が推移させられる。ドツプラー周波数推移は次式に
より表すことができる。
または
２π に
こに、ω、とΔφはそれぞれ周波数推移、位相推移、Δ
ＶとΔＺはそれぞれ再帰反射器の速度、変位、ω０はレ
ーザの周波数、Ｃは光速である。
ＶとΔＺはそれぞれ再帰反射器の速度、変位、ω０はレ
ーザの周波数、Ｃは光速である。
ドライバ２３は周波数Ωの搬送波を発生する。
再帰反射ターゲット１４はコーナーキューブで構成でき
る。そのコーナーキューブはレーザビームを入射ビーム
に平行に常に反射するから、位置合わせは重要ではない
。ビーム組合わせ器１６は２枚の反射鏡で構成できる。
る。そのコーナーキューブはレーザビームを入射ビーム
に平行に常に反射するから、位置合わせは重要ではない
。ビーム組合わせ器１６は２枚の反射鏡で構成できる。
そのビーム組合わせ器は反射されてきたレーザビーム１
４と屈折されたレーザビーム２を組合わせる。
４と屈折されたレーザビーム２を組合わせる。
第４図に示すように、搬送波周波数Ωとドツプラー推移
ω の和であるうなり信号Ω＋ωＤが光り 学的ヘテロダイン検出器１８により得られる。位相復調
器２２はうなり信号Ω＋ω０の位相と搬送波周波数Ωの
基準信号の位相を比較する。位相復調器の出力Δφは再
帰反射ターゲット１４の変位ΔＺに比例する。その変位
ΔＺが半波長（λ／２）より大きい時は、アップダウン
カウンタ２４を用いて全位相変化に追従する。すなわち
、Δφ 厳２πＮ十φ （５）ｏｔａｌ ここに、Ｎは半波長の数、φは２πより小さい位相角で
ある。
ω の和であるうなり信号Ω＋ωＤが光り 学的ヘテロダイン検出器１８により得られる。位相復調
器２２はうなり信号Ω＋ω０の位相と搬送波周波数Ωの
基準信号の位相を比較する。位相復調器の出力Δφは再
帰反射ターゲット１４の変位ΔＺに比例する。その変位
ΔＺが半波長（λ／２）より大きい時は、アップダウン
カウンタ２４を用いて全位相変化に追従する。すなわち
、Δφ 厳２πＮ十φ （５）ｏｔａｌ ここに、Ｎは半波長の数、φは２πより小さい位相角で
ある。
全変位ΔＺは次式で表すことができる。
２ω ２π
アップダウンカウンタ２４のカウントを読取り、そのカ
ウントを長さの単位に変えるためにマイクロプロセッサ
２６が用いられる。表示器２８は１０桁の表示器とする
ことができ、かつマイクロプロセッサ２６により制御さ
れる。そのマイクロプロセッサは温度、圧力および湿度
の変化による光速の変化を補償し、外部のコンピュータ
またはｆｆ１１ｉ器と交信する。
ウントを長さの単位に変えるためにマイクロプロセッサ
２６が用いられる。表示器２８は１０桁の表示器とする
ことができ、かつマイクロプロセッサ２６により制御さ
れる。そのマイクロプロセッサは温度、圧力および湿度
の変化による光速の変化を補償し、外部のコンピュータ
またはｆｆ１１ｉ器と交信する。
簡＋１１にするために、全てのレーザビームが平面波で
あると仮定する。そうするとビーム１は次式のように表
すことができる。
あると仮定する。そうするとビーム１は次式のように表
すことができる。
Ｖ、 −（ｒ、ｃ） −ａ、 （ｒ、Ｌ）ｅｘｐ ｉ
（ωｏｔ＋φ０）ここに、ｒは位置、ｔは時間、ａｌは
振幅、ω０は周波数、φ。は位相である。周波数変調器
を通った後で、レーザビーム３と反射されたビーム２は
次式で表すことができる。
（ωｏｔ＋φ０）ここに、ｒは位置、ｔは時間、ａｌは
振幅、ω０は周波数、φ。は位相である。周波数変調器
を通った後で、レーザビーム３と反射されたビーム２は
次式で表すことができる。
Ｖ −（ｒ、ｒ） −ａ （ｒ、ｔ）ａｘｐ Ｉ
（（ＩＪ ｔ＋φ３）Ｖ２ ””（ｒ、Ｌ） −ａ２
（ｒ、Ｌ）ｅｘｐ １（（ω。＋Ω）ｔ＋φ２）（９
） そうすると、ドツプラー推移された反射ビーム４は次式
で表される。
（（ＩＪ ｔ＋φ３）Ｖ２ ””（ｒ、Ｌ） −ａ２
（ｒ、Ｌ）ｅｘｐ １（（ω。＋Ω）ｔ＋φ２）（９
） そうすると、ドツプラー推移された反射ビーム４は次式
で表される。
Ｖ −（ｒ、ｔ）−ａ４（ｒ、ｔ）ｅｘｐ ｉ（（ω
＋ω ）ｔ＋φ４） Ｄ ビーム２と４を光検出器において組合わせると次式で表
される光電流ｌ が得られる。
＋ω ）ｔ＋φ４） Ｄ ビーム２と４を光検出器において組合わせると次式で表
される光電流ｌ が得られる。
ＩＶ （Ｒ，Ｌ）＋Ｖ４（ｒ、Ｌ） ： ２πｒ
ｄｒここに、ｒ は光検出器の位置、ｄは光検出器の直
径、Ａｆ、ｔｍ子効率とヘテロゲイン効率および感度に
依存する検出器定数、Ｔはレーザ光の周期より十分に長
くなくてはならない平均時間間隔である。
ｄｒここに、ｒ は光検出器の位置、ｄは光検出器の直
径、Ａｆ、ｔｍ子効率とヘテロゲイン効率および感度に
依存する検出器定数、Ｔはレーザ光の周期より十分に長
くなくてはならない平均時間間隔である。
Ｖ２とｖ４を上の式に代入することにより次式が得られ
る。
る。
１ （ｒ 、 ｔ） −Ｂｃｏｓｐ
（（Ω＋ωＤ）ｔ＋Δφ）
ここに、振幅Ｂと位相Δφは一定である。
光電流■の位相推移と基準信号ＩＲ（ｔ）−Ｃｃｏｓ（
Ωｔ＋φＲ）の位相推移を比較するために位相復調器が
用いられる。ここに、振幅Ｃと位相φ。は一定である。
Ωｔ＋φＲ）の位相推移を比較するために位相復調器が
用いられる。ここに、振幅Ｃと位相φ。は一定である。
位相復調器の出力は、周波数の時間積分である位相差に
比例する。すなわち、である。その理由は、ドツプラー
推移は次式で表すことができるからである。
比例する。すなわち、である。その理由は、ドツプラー
推移は次式で表すことができるからである。
ここに、Ｕと２は、それぞれ、レーザビームの伝わる向
きに沿う速度、変位である。
きに沿う速度、変位である。
ｔ−Ｑにおいてφ（０）−０およびｚ（０）−０である
と仮定すると、 または である。したがって、位相復調器の出力は変位に正比例
する。
と仮定すると、 または である。したがって、位相復調器の出力は変位に正比例
する。
したがって、本発明は、動いているターゲットの変位を
ｉｍ定するためにドツプラーレーダ技術を用いる比較的
安価な装置を提供するものである。
ｉｍ定するためにドツプラーレーダ技術を用いる比較的
安価な装置を提供するものである。
先に説明したように、戻ってくるビームを大幅に変位さ
せることなしに装置の範囲を数メートルまで拡げること
ができるように、ターゲットは、入射ビームな平行な戻
りビームを発生する再帰反射器で構成される。また、再
帰反射器を使用することにより、位置合わせの狂いを比
較的大きくできる。先に述べたように、アップダウンカ
ウンタ２４は波長の数を追従するから、あいまいさなし
に数メートルの範囲にわたって全位相変化を決定できる
。
せることなしに装置の範囲を数メートルまで拡げること
ができるように、ターゲットは、入射ビームな平行な戻
りビームを発生する再帰反射器で構成される。また、再
帰反射器を使用することにより、位置合わせの狂いを比
較的大きくできる。先に述べたように、アップダウンカ
ウンタ２４は波長の数を追従するから、あいまいさなし
に数メートルの範囲にわたって全位相変化を決定できる
。
第１図は本発明の装置の一実施例のブロック図、第２図
は第１図に示されている実施例の部品の１つを構成する
種々の素子のブロック図、第３図は第１図に示されてい
る装置に含まれている音響−光変調器を示す略図、第４
図は本発明において用いられる光ヘテロダイン技術を説
明するために有用な図である。 １０・・・レーザ、１２・・・変調器、１４・・・再帰
反射器、１６・・・ビーム組合わせ器、１８・・・検出
器、２０・・・増幅器、２２・・・位相復調器、２３・
・・ドライバ、２４・・・アップダウンカウンタ、２６
・・・マイクロプロセッサ、２８・・・数値表示器、３
０・・・前置増幅器、３２・・・位相比較器、３４・・
・低域フィルタ、３６・・・電圧比較器。
は第１図に示されている実施例の部品の１つを構成する
種々の素子のブロック図、第３図は第１図に示されてい
る装置に含まれている音響−光変調器を示す略図、第４
図は本発明において用いられる光ヘテロダイン技術を説
明するために有用な図である。 １０・・・レーザ、１２・・・変調器、１４・・・再帰
反射器、１６・・・ビーム組合わせ器、１８・・・検出
器、２０・・・増幅器、２２・・・位相復調器、２３・
・・ドライバ、２４・・・アップダウンカウンタ、２６
・・・マイクロプロセッサ、２８・・・数値表示器、３
０・・・前置増幅器、３２・・・位相比較器、３４・・
・低域フィルタ、３６・・・電圧比較器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、特定の周波数がω＿０のレーザビームを発生するレ
ーザと、特定の周波数Ωの電気的ヘテロダイン用基準信
号を発生する発振器手段と、レーザからのレーザビーム
ω＿０をターゲットまで送り、レーザビームω＿０に平
行で、レーザビームから隔てられ、ターゲットの速度に
比例する周波数推移ω＿Ｄを持った反射されたレーザビ
ームω＿０＋ω＿Ｄとしてターゲットから反射されるよ
うにするためにレーザとターゲットの間に配置され、所
定量Ωだけ推移させられた周波数を有する屈折されたレ
ーザビームω＿０±Ωを発生するために前記発振器手段
へ接続される光変調器と、変調器からの屈折されたビー
ムω＿０±Ωとターゲットから反射されたビームω＿０
＋ω＿Ｄとの経路内に位置させられ、２本のビームを組
合わせて、それに応答して組合わされた出力ビームΩ±
ω＿Ｄを発生するビーム組合わせ手段と、このビーム組
合わせ手段からの組合わされた出力ビームΩ＋ω＿Ｄの
経路内に位置させられ、それに応答して電気的うなり出
力信号Ω＋ω＿Ｄを発生する光検出器と、この光検出器
と前記発振器手段へ結合された位相復調器を含み、前記
光検出器からのうなり出力信号Ω＋ω＿Ｄに応答して前
記うなり出力信号Ω＋ω＿Ｄの位相と前記基準信号Ωの
位相を比較し、Ｃを光速、Ｎを半波長の数、Φを２πよ
り小さい位相角として、基準位置からのターゲットの変
位 ΔＺ＝（Ｃ／２ω＿０）（Ｎ＋φ／２π）に比例する前
記基準信号Ωからの位相推移を有する出力信号Δφを発
生し、ヘテロダイン用基準信号光変調器と位相復調器へ
与える手段と、前記位相復調器へ結合され、それからの
出力信号に応答して、基準位置からのターゲットの変位
の測定値を与える利用手段とを備えることを特徴とする
基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測
定する装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置であって、前記利
用手段は、前記位相復調器の出力信号を、基準位置から
のターゲットの変位の数値を表す信号に変換するマイク
ロプロセッサを含むことを特徴とする装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置であって、マイク
ロプロセッサへ結合された数値表示装置を含むことを特
徴とする装置。 ４、特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の装置
であって、前記利用手段は、基準位置からのターゲット
の変位が半波長より大きい時に、前記位相復調器の出力
信号中の全位相変化を決定するアップ−ダウンカウンタ
を含むことを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/920,660 US4715706A (en) | 1986-10-20 | 1986-10-20 | Laser doppler displacement measuring system and apparatus |
| US920660 | 1986-10-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63111489A true JPS63111489A (ja) | 1988-05-16 |
| JPH0823588B2 JPH0823588B2 (ja) | 1996-03-06 |
Family
ID=25444158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62238605A Expired - Fee Related JPH0823588B2 (ja) | 1986-10-20 | 1987-09-22 | 基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4715706A (ja) |
| EP (1) | EP0271188B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0823588B2 (ja) |
| DE (1) | DE3775904D1 (ja) |
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