光子ドップラー速度測定

光子ドップラー速度測定法（PDV ）は、ヘテロダインレーザー干渉計の一次元フーリエ変換解析であり、衝撃物理学の分野で動的実験において高い時間精度で速度を測定するために使用されています。PDVは、ローレンスリバモア国立研究所のオリバーストランドによって開発されました。^[1]近年、PDVは、別の時間分解速度干渉測定システムであるVISAR（ Velocity Interferometer System for Any Reflector）の補助または代替として、衝撃物理学の分野で人気を博しています。最新のデータ収集技術と市販の光通信デバイスにより、PDVシステムを妥当な予算内で組み立てることができるようになりました。

PDV の基本的なメカニズムは、周波数の差が小さい 2 つの電磁波によって生成される干渉パターンです。ほとんどの PDV システムは既存の通信機器を使用して構築されるため、PDV システムの標準レーザー光源は 1550 nm (または 193.4 THz) を中心としています。この光源が、ある速度 ( ) で移動する表面から反射されると、反射光の周波数は相対論的ドップラーシフト方程式に従って シフトします ( )。${\displaystyle v}$${\displaystyle \nu _{\text{観測された}}}$

${\displaystyle \nu _{\text{観察された}}=\nu _{\text{ソース}}{\sqrt {\frac {1+v/c}{1-v/c}}}}$

シフトされた戻り光が元の光源と干渉すると、結果として生じる波のビート周波数は数ギガヘルツの範囲になります。このビート周波数は十分に低いため、単純な光検出器と高速オシロスコープで監視できます。ビート周波数を時間とともに記録することで、表面の完全な速度履歴が得られます。

理論的には、PDV データ信号の解析は非常に単純で、移動面の見かけの速度 ( ) は、ソース波長 ( ) と信号周波数 ( )の関数になります。 ${\displaystyle v^{*}}$${\displaystyle \lambda_{0}}$${\displaystyle {\bar {f}}}$

${\displaystyle v^{*}={\frac {\lambda _{0}}{2}}{\bar {f}}}$

しかし、実際には、検査によって信号の瞬間周波数 ( ) を決定することは不正確で非効率的です。そのため、フーリエ変換解析を使用して最も可能性の高い周波数成分を抽出し、それを使用して速度履歴を計算します。 ${\displaystyle {\bar {f}}}$

データ信号全体にわたって移動する時間ウィンドウで連続的にFFT を実行すると、データ内で最も支配的な周波数成分を示す 2D スペクトログラムを作成できます。その後、スペクトログラムから速度履歴を抽出できます。

PDV は広範囲の速度を測定でき (主に信号記録装置の時間分解能によって制限されます)、セットアップと使用が比較的簡単です。

データ信号の品質とFFTのパラメータによっては、PDV測定の固有の誤差が大きくなる可能性があります。ただし、これらの問題を軽減し、非常に高い精度で速度履歴を取得する方法があります。^[2]

2009年のPDVユーザー会議はテキサス大学オースティン校先端技術研究所で開催されました。^[3] 2010年のPDVユーザー会議はオハイオ州立大学で開催されました。^[4]

• レーザードップラー速度測定
• あらゆる反射鏡に対応した速度干渉計システム(VISAR)