光ドップラー速度測定と他の光学式速度計との違い

高速で運動する物質の速度測定は、衝撃物理学や高圧力・高ひずみ速度における物質の挙動研究など、科学技術研究のいくつかの分野において不可欠です。レーザーベースの速度計測は、多くの実験において重要な診断ツールです。通信技術の進歩によって、実験・研究の現場で使える、最新式のコンパクトで、安価かつ堅牢なのレーザーベースの速度測定が開発され使用されています。光学式速度計の最もシンプルな形は、コヒーレント波が表面に向かって往復するもので、長年にわたり、高速で移動する物体の速度測定にいくつかの実験が行われてきました。
 

• ファブリペロー干渉計
• VISAR（レーザー速度干渉計）

※どちらも次のようなデメリットがあります。
 

• 機器の費用が高額
• 衝撃面からの反射光の強度の変化や速度の急激な変化に弱い

光通信の進歩により、新しい測定方法が利用可能になりました。2004年、Ted Strand氏は光子ドップラー速度測定法(PDV)を発表しました[3,4]。これは1965年に発表されたレーザードップラー速度計[5]とコンセプトは似ていますが、Strand氏はフリースペースの代わりに光ファイバを使用してこのデザインを改良しました。光ファイバを使用することで、実験のバラつきに対する堅牢性を大幅に向上させるとともに、実装を簡素化しました。このアーキテクチャはいくつかのバリエーションが存在するが、ヘテロダイン干渉法という基本原理は変わりません。参照光と信号光が重ね合わされ、光検出器を通して電圧信号に変換されると、位相差または光路長差に基づいたビート周波数が得られます。

光ドップラー速度測定 動作原理

サーキュレータは、ポート1に入射する信号光の光方向カプラとして機能する。サーキュレータは3つのポートがあり、光が一方向のみ進むことを可能にする。入射光はポート2から出て光プローブに運ばれ、移動表面で反射し、また光プローブに集光される。この光は同じファイバに入射してポート2に戻り、サーキュレータ内部でポート3に方向転換される。外部参照レーザー光源はシフトされていない参照光を供給します。

図1.ファイバ結合PDV（光ドップラー速度測定）のダイアグラム簡略図

 
この場合、周波数frefの参照光は周波数fdopplerドップラーシフト光と干渉し、検出器でビート周波数を生成します。
 
ビート周波数 B
B = | fdoppler + fTarget – fref |
 
fdopplerはドップラーシフト、fTargetは信号光の周波数、 frefは参照光の周波数です。
 
一定の速度vで移動する物体に対して、ドップラー周波数と速度の関係式は次の通りです。
v = ( λTarget/2) fdoppler
 
λTargeは信号光の波長で、発生するビート周波数は、高速オシロスコープでモニタできるため、このビート周波数を経時的に記録することで、移動体の完全な速度履歴を得ることができます。
 
例えば、信号光の周波数をfTarget= 193.000 THz (1553.329nm) に設定すると、以下の速度を検出することができます：
λTarget/2 * 109 = 0.776 km/s per GHz
研究によれば、最大20GHzのPDVシステムが利用可能であり、15km/s以上の速度測定に対応します。

ファイバベースPDV（光ドップラー速度測定）の優位性

ファブリペロー干渉計やVISAR(レーザー速度干渉計)と比較して、PDVを使用するメリットは以下のものが挙げられます。

• 送受信のパスにシングルモード光ファイバ(9/125µm)を使用することで、小型の光プローブを使用することができ、マルチプローブシステムで高いチャンネル密度を実現します。
• システムは、1550nmのCWファイバレーザを使用しており、通常の使用ではクラス1のように安全で、特定のテストケースではクラス3b以上で使用されます。
• 速度測定は、時間領域の信号に周波数として埋め込まれているため、デジタル信号処理を用いて微弱な信号を高精度で抽出することができます。他のアプローチでは困難な実験環境下でも、信頼性の高い測定値を得ることができます。

光ドップラー速度測定（PDV）セットアップ例

図2は、ドップラーセットアップの構成例を示しています。2つのレーザー光源(信号光と参照光)で構成され、ドップラーモジュールで正確に調整され、測定に必要な主要な光ファイバモジュールの多くを内蔵しています。ドップラーモジュールの出力は、高ゲイン・高帯域幅の光ディテクタに送られ、電気ビート信号はオシロスコープでデジタル化されます。
 

図2.光ドップラー速度測定セットアップ構成事例

 
これらの機能はすべて、オープンスタンダードなPXIプラットフォーム(図3)に組み込まれています。ユーザーで大規模なマルチシステムを構築するために必要な柔軟性を備えています。。また、より高帯域幅のディテクタやデジタイザに変更することで、システムのアップグレードも可能です。

図3.光ドップラー速度測定（PDV）のPXIeモジュール構成

 
図4.はPDV測定の主要なコンポーネントを内蔵しているドップラーモジュール(Doppler-PXIe-1001-1- FA)の構成図です。 シングルスロットのPXIeモジュールで、以下の機能を備えています。
 

• 信号光インプット
• 参照光インプット
• プローブポート(インプット/アウトプット)
• アウトプットポート

図4.ドップラー・モジュール（Doppler 1001 PXIe回路図）

 
ドップラーモジュールの別の構成もあります。DopplerPXIe-1002-FA (図5)は、信号光のアッテネータとパワーメータをサーキュレータの前に配置します。プローブの前にパワーコントロールがあるため、測定対象に最適な光パワーを供給することが可能です。

図5.ドップラー・モジュール（Doppler 1002 PXIe）の回路図

 
どちらの構成もPXIeシャーシと互換性があります。ドップラーモジュールの主な利点は以下になります。
 

• 信号光、プローブ、参照光パワーの正確な制御
• プローブパワーと参照光パワーの正確な測定
• コンパクトで高い信頼性
• マルチシステム用に容易に拡張が可能

光ドップラー速度測定 開発事例

本分野での開発には次のようなものがあります。
 

• Multiplexed Photon Doppler Velocimetry (MPDV) [6, 7, 8, 9] は、National Securities Technologies社によって開発されたもので、32個の光学プローブによって、32個の異なる速度履歴を測定できる4チャンネルのデジタイザです。MPDVは複数のプローブを同じデジタイザで使用することを可能で測定表面のより高密度の空間サンプリングが可能です。
• サンディア国立研究所のDan Dolan氏とそのチームによって開発されたLeapfrogged Photon Doppler Velocimetry [10]は、Figure 6 に示すように、より高い速度を読み取るように設計されています。

図6.飛躍的な光ドップラー速度測定

 
光ドップラー速度測定（PDV）の速度範囲を拡大するために、複数のレーザー/光検出器のペアが並行して使用されます。各レーザー/光検出器ペアの参照レーザーは、特定の速度範囲を測定するように調整されています。例えば、3チャンネルのleapfrogged photon doppler velocimeterは97km/sまでの速度を測定できるように設計されています。
 
光ドップラー速度測定（PDV）モジュールの詳細につきましては下記リンクよりご覧ください。

Laser1002-PXIe	Doppler1001-1002 PXIe （外部サイトに遷移します）	O2E-1101 PXIe

参照

[1] C. McMillan, D. Goosman, N. Parker, L. Steinmetz, H. Chau, T. Huen, R. Whipkey, and S. Perry. ファブリーペロー干渉計を用いた高速表面の速度測定。Review of Scientific Instruments, 59(1):1, 1988.
[2] L.M. Barker and R.E. Hollenbach. あらゆる反射面の高速度測定用レーザー干渉計。Journal of Applied Physics, 43:4669-4675, 1972.
[3] Strand O T et al 2004 Proc.
[4] Strand O T et al 2006 Rev. Sci. Instrum. 77 083108.
[5] Cummins H, Knable N, Gampel L and Yeh Y 1963 Appl. Phys. Lett. 2 62-64.
[6] Daykin E et al 2010 多重化多点PDV（MPDV）： Techniques and technologies presented at the 5th PDV Users Workshop Available: http://kb.osu.edu/dspace/ handle/1811/52727.
[7] Danielson J et al 2013 このプロシーディングスに投稿。
[8] Daykin E 2012 The limits of multiplexing Presented at the 7th PDV Users Workshop available: http://kb.osu. edu/dspace/handle/1811/54224.
[9] http://www.rdmag.com/award-winners/2012/08/velocity-measurements-multiplexed.
[10] Dolan D H et al 2013 Rev. Sci. Instrum. 84 055102.