JP2005091072A - 電界測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広範囲のエリアの電界変化を測定するとき、光ファイバの本数・長さを可能な限り減らし、光スイッチを不要とし、１つの光源と光検出部を利用して安価な測定システムを構成でき、電界変化の測定感度を高めることができる電界測定装置を提供する。
【解決手段】 光ファイバ１１，１５，１８，２１，２４を用いて１経路を成す光伝送路を形成し、光伝送路の一端にレーザ光源１２、他端に光検出部２５を設けると共に、光伝送路の途中の箇所に２以上の光通過型電界センサ１４，１７，２０，２３を設けて成り、２以上の光通過型電界センサ１４，１７，２０，２３のいずれかでレーザ光源１２からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを光検出部２５により検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電界測定装置に関し、特に、ニオブ酸リチウム光変調器等を用いた電界センサで電気または電界の信号による光信号強度変化を測定することにより電界センサ設置エリアでの電気・電界レベルの測定を行う電界測定装置に関する。

従来のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）光変調器を利用した電界測定装置は特許文献１や特許文献２に開示されている。図６に、ニオブ酸リチウム光変調器を利用した電界センサ（以後「ＬＮセンサ」と呼ぶ）を用いた従来の電界測定装置の第１の構成例を示す。電界測定装置１００は、光ファイバ１０１の一端に光源１０２が接続され、光ファイバ１０１の他端にアンテナ１０３を備えたＬＮセンサ１０４の光入射側端子１０４ａが接続され、そのＬＮセンサ１０４の光出射側端子１０４ｂには光ファイバ１０５の一端が接続され、光ファイバ１０５の他端には光検出部１０６が接続された構成になっている。

光源１０２は、光ファイバ１０１を通して、ＬＮセンサ１０４の入射側端子１０４ａに照射する装置であり、レーザダイオード等を用いる。光ファイバ１０１は、光源１０２からのレーザ光をＬＮセンサ１０４に導入する。ＬＮセンサ１０４は、アンテナ１０３によって受信された電界信号によって光源１０２から入射されたレーザ光の強度を変調し、出射側からその強度変調されたレーザ光を出力する。光ファイバ１０５は、ＬＮセンサ１０４からの強度変調されたレーザ光を光検出部１０６に導入する。光検出部１０６は、ＬＮセンサ１０４で強度変調されて光ファイバ１０５を通ってきたレーザ光の強度を検出する装置であり、フォトダイオード１０７、トランスインピーダンスアンプ１０８、高周波アンプ１０９、スペクトラムアナライザ１１０から成っている。

上記の構成では、ＬＮセンサ１０４に接続されたアンテナ１０３で受信する電界の変化を以下の手順で測定する。

レーザダイオード等の光源１０２から出力されたレーザ光(光信号）はＬＮセンサ１０４を通過する際に、アンテナ１０３から供給される電気信号で強度変調を受ける。強度変調されたレーザ光は光検出部１０６のフォトダイオード１０７により電気信号（電流）に変換され、さらに後段のトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１０８により電流から電圧に変換される。トランスインピーダンスアンプ１０８から出力された電気信号は後段の高周波アンプ（ＲＦＡＭＰ）１０９で適切なレベルに変更された後、後段のスペクトラムアナライザ（ＳＡ）１１０等により電気信号のレベルを検出する。つまり、電気信号から光信号への変換、光信号から電気信号への変換を行うことにより電界測定を行っている。

上記の従来の測定は、ループアンテナ等を用いた測定器に比べて小型にでき、屋内などの狭い場所での電界の変化の測定を容易にし、また、金属の信号ケーブルを用いた測定器でのセンサの自由な据付けが困難であったり、被測定電界まで乱してしまうというような問題がなくなるという利点がある。

図７に、ＬＮセンサを用いた従来の電界測定装置の第２の構成例を示す。この電界測定装置によれば広範囲の測定が可能である。電界測定装置２００では、光ファイバ２０１の一端に光源２０２が接続される。光ファイバ２０１の他端には光サーキュレータ２０３の端子２０３ａを接続し、光サーキュレータ２０３の端子２０３ｂに光ファイバ２０４の一端を接続する。また光サーキュレータ２０３の端子２０３ｃに光ファイバ２０５を介して光検出部２０６を接続している。さらに光ファイバ２０４の他端には光スイッチ２０７を接続し、光スイッチ２０７の端子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄにはそれぞれ光ファイバ２０８，２０９，２１０，２１１を接続する。光ファイバ２０８，２０９，２１０，２１１の他端には、各々、アンテナ２１２，２１３，２１４，２１５を備えた反射型ＬＮセンサ２１６，２１７，２１８，２１９が接続されている。

光源２０２は、光ファイバ２０１および光サーキュレータ２０３を経由して光ファイバ２０４にレーザ光が入射され、光スイッチ２０７を介して光ファイバ２０８〜２１１のうちの任意の光ファイバを通してＬＮセンサ２１６〜２１９のいずれかに照射する。光ファイバ２０１は、光源２０２からのレーザ光を光サーキュレータ２０３に通すためのものである。光サーキュレータ２０３は、端子２０３ａから入射されたレーザ光を端子２０３ｂに通過させ、端子２０３ｂから入射されたレーザ光を端子２０３ｃに通すためのものである。光ファイバ２０４は光サーキュレータ２０３の端子２０３ｂからの光を光スイッチ２０７に通す。光スイッチ２０７は、端子２０７ｅから入射された光を光ファイバ２０８〜２１１のうちのいずれかを選択する。光ファイバ２０８〜２１１は、それぞれ、ＬＮセンサ２１６〜２１９にレーザ光を導入する。ＬＮセンサ２１６〜２１９は、それぞれ、アンテナ２１２〜２１５によって受信された電界信号によって入射レーザ光の強度を変調し、端面で反射し、入射側端子２１６ａ〜２１９ａから強度変調光を出力する。光ファイバ２０８〜２１１は、それぞれ、ＬＮセンサ２１６〜２１９からの強度変調光を光スイッチ２０７に戻す。強度変調光は、光ファイバ２０４、光サーキュレータ２０３、その端子２０３ｃに接続された光ファイバ２０５を通して光検出部２０６に導入される。光検出部２０６は、ＬＮセンサ２１６〜２１９のいずれかで強度変調されて光ファイバ２０８〜２１１のいずれかを通ってきたレーザ光の強度を検出する。光検出部２０６は、フォトダイオード２２０、トランスインピーダンスアンプ２２１、高周波アンプ２２２、スペクトラムアナライザ２２３から成っている。

上記の構成では、光源２０２からのレーザ光を光スイッチ２０７で４本の光ファイバ２０８〜２１１のうちのいずれか１つに接続し、 接続された先のＬＮセンサ２１６〜２１９がカバーする電界測定エリアの電界の変化を測定する。図７の４つのエリア２２４，２２５，２２６，２２７を測定するためには、光スイッチ２０７を順次切り替え、切替先のＬＮセンサに対応するエリアの電界を測定することで、図中４つのエリア２２４〜２２７の電界を測定することが可能になる。

しかしながら、従来技術では１つのＬＮセンサが測定できるエリアはＬＮセンサおよび測定系の感度で決まっているため、広範囲なエリアを監視・測定しようとすると、ＬＮセンサを図７のように複数の光ファイバに接続し、光スイッチで切り替える必要があるが、光ファイバの本数および長さが増え設置上の問題もあり、また高価な光スイッチを使用しなくてはいけないという問題もある。

また、光源であるレーザダイオードや、光検出部であるフォトダイオードなどを複数用意することも考えられるが、測定システム自体が高価になってしまう問題がある。さらに、通常、ＬＮセンサはその動作点を半波長電圧の中点に設定する構成を採用するため、ＬＮセンサ自体での光レベルの損失が５０％程度存在する。この動作点は、ＬＮセンサの光導波路の構造に対応した長さに基づいて決定される。

また、ＬＮセンサが設置されている場所が弱電界（携帯電話の感度付近の電界程度）の場合、電界変化が原因で生じる測定すべき電気信号のレベルが低くなるため、測定系の雑音レベルに埋もれてしまい、測定できないという問題が生じる。
特開平８−１２２３７６号公報 特開２００３−６６０８０号公報

本発明の課題は、広範囲なエリアの電界監視において複数の局所エリアのそれぞれで電界変化を測定しようとするとき、配線構造を簡素にし、光を伝送する光ファイバの本数や長さを可能な限り減らし、かつ光スイッチを不要とすることで、コストの上昇や光ファイバ配線上の問題を解消し、光源や受光器を数を低減して測定システムを安価にし、さらにＬＮセンサが設置されている場所が弱電界の場合にも有効に電界変化を測定することを可能にしようとするものである。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、広範囲のエリアの電界変化を測定するとき、光ファイバの本数・長さを可能な限り減らし、光スイッチを不要とし、１つの光源と光検出部を利用して安価な測定システムを構成でき、さらに電界変化の測定感度を高めることができる電界測定装置を提供することにある。

本発明に係る電界測定装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の電界測定装置（請求項１に対応）は、光ファイバを用いて１経路を成す光伝送路を形成し、光伝送路の一端にレーザ光源、他端に光検出部を設けると共に、光伝送路の途中の箇所に２以上の光通過型電界センサを設けて成り、２以上の光通過型電界センサのいずれかでレーザ光源からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを光検出部により検出することで特徴づけられる。

第２の電界測定装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、２以上の光通過型電界センサは、それぞれ、監視対象物の個々の監視対象エリアに配置されることで特徴づけられる。

第３の電界測定装置（請求項３に対応）は、光ファイバを用いて１経路を成す光伝送路を形成し、光伝送路の一端側にレーザ光源および光分岐部を介した光検出部を設けると共に、光伝送路の途中の箇所に２以上の光通過型電界センサを設けかつ光伝送路の他端に光反射型電界センサを設けて成り、２以上の光通過型電界センサおよび光反射型電界センサのいずれかでレーザ光源からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを光検出部により検出することで特徴づけられる。

第４の電界測定装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、光反射型電界センサと２以上の光通過型電界センサは、それぞれ、監視対象物の個々の監視対象エリアに配置されることで特徴づけられる。

第５の電界測定装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、レーザ光源はパルスレーザ光源であり、このパルスレーザ光源のパルスレーザ発振と光検出器の光検出とは同期をとって行われることで特徴づけられる。

第６の電界測定装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、光通過型電界センサは、ニオブ酸リチウム基板上に形成された入力用の１つの光導波路とその１つの光導波路から分岐して２つの光導波路が形成され、出力側では再び２つの光導波路が合流して１つの光導波路が形成され、２つの光導波路の一方の光導波路の両端に電極が設けられ、その電極にアンテナ端子が接続された構造を有し、
一方の光導波路に入射されたレーザ光がもう一方の出力側から出力するときに２つの光導波路を通過するレーザ光に位相差が生じ、合流したときにレーザ光の光強度変化を受けて出力されることで特徴づけられる。

第７の電界測定装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、光通過型電界センサの２つの光導波路を通過した後のレーザ光の位相差がゼロのときの電圧と、レーザ光の位相差が１８０°のときの電圧の電圧差である半波長電圧の中点より光出力が大きくなる方向に動作点をずらしたことで特徴づけられる。

第８の電界測定装置（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは、光通過型電界センサは、２つの光導波路の長さを異ならせることにより動作点をずらしたことで特徴づけられる。

第９の電界測定装置（請求項９に対応）は、光ファイバを用いて光伝送路を形成し、光伝送路の一端にレーザ光源を設け、光伝送路の任意の箇所に光検出器および少なくとも１つの電界センサを設ける電界測定装置において、レーザ光源はパルスレーザ光源であり、前記２以上の電界センサでの前記パルスレーザ光源からのパルスレーザ光の光強度変化を前記光検出部により検出することで特徴づけられる。

本発明によれば、光ファイバを用いたループ状の１経路を成す光伝送路上で通過型のＬＮセンサを直列に接続することで、多数の光ファイバと光スイッチを使うことなく電界測定のエリアをカバーすることができる。また、ＬＮセンサの動作点を半波長電圧の中点より光出力が大きくなる方向にずらしたものを使用することで直列接続された各センサを光信号が通過する際の光損失を小さくし、各センサ毎での電界測定エリアが小さくなることを抑えることができる。さらに本発明によれば、同一数のセンサでの電界測定可能なエリアの減少を抑えながら、光ファイバの設置本数を削減し、かつ光スイッチを使用しないで電界測定を行うことができる。また直列接続を行うため、センサの追加を行う場合は非常に簡易に行うことが可能となる。さらに本発明によれば、従来の光源をパルス光源に置き換え、パルス出力に同期して測定を行うだけで、電界測定の感度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１を参照して本発明の第１の実施形態に係る電界測定装置を説明する。この電界測定装置１０では、例えば５本の光ファイバ１１，１５，１８，２１，２４が直列接続の関係で接続し、１つのループ状経路の光伝送路を形成している。光伝送路における適宜な例えば４箇所の途中個所に電界センサであるＬＮセンサ１４，１７，２０，２３が接続されている。これらのＬＮセンサ１４，１７，２０，２３は、光ファイバ１１，１５，１８，２１，２４のそれぞれの境界部に位置する。すなわち、光ファイバ１１の一端には光源１２が接続され、光ファイバ１１の他端には、アンテナ１３を備えたＬＮセンサ１４の光入射側端子１４ａに接続され、さらにＬＮセンサ１４の光出射側端子１４ｂには光ファイバ１５の一端が接続される。光ファイバ１５の他端には、アンテナ１６を備えたＬＮセンサ１７の光入射側端子１７ａに接続され、そのＬＮセンサ１７の光出射側端子１７ｂには光ファイバ１８の一端が接続される。光ファイバ１８の他端には、アンテナ１９を備えたＬＮセンサ２０の光入射側端子２０ａに接続され、そのＬＮセンサ２０の光出射側端子２０ｂには光ファイバ２１の一端が接続される。光ファイバ２１の他端には、アンテナ２２を備えたＬＮセンサ２３の光入射側端子２３ａに接続され、そのＬＮセンサ２３の光出射側端子２３ｂには光ファイバ２４の一端が接続される。さらに光ファイバ２４の他端には光検出部２５が接続されている。

光源１２は、光ファイバ１１，１５，１８，２１を通して、ＬＮセンサ１４，１７，２０，２３の入射側端子からレーザ光を照射するレーザ光源であり、レーザダイオード等を用いる。光ファイバ１１は、光源１２からの光をＬＮセンサ１４に導入する。ＬＮセンサ１４は、アンテナ１３で電界信号（Ｅ１）を受信するとき、導入されたレーザ光の強度を変調して出射側から強度変調されたレーザ光を出力する。光ファイバ１５は、ＬＮセンサ１４からのレーザ光をＬＮセンサ１７に導入する。ＬＮセンサ１７は、アンテナ１６で電界信号を受信するとき、入射されたレーザ光の強度を変調して出射側から出力する。光ファイバ１８は、ＬＮセンサ１７から出力されたレーザ光をＬＮセンサ２０に導入する。ＬＮセンサ２０は、アンテナ１９で電界信号を受信するとき、入射されたレーザ光の強度を変調して出射側から出力する。光ファイバ２１は、ＬＮセンサ２０から出力されたレーザ光をＬＮセンサ２３に導入する。ＬＮセンサ２３は、アンテナ２２で電界信号を受信するとき、光ファイバ２１から入射されたレーザ光の強度を変調して出射側から出力する。光ファイバ２４は、光ファイバ１１，１５，１８，２１，２４およびＬＮセンサ１４，１７，２０，２３を通過してきたレーザ光を光検出部２５に導入する。光検出部２５は、ＬＮセンサ１４，１７，２０，２３のいずれかで強度変調されたレーザ光を検出する装置である。光検出部２５は、フォトダイオード（ＰＤ）２６、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）２７、高周波アンプ２８、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）２９から成っている。なお上記構成では、４つのＬＮセンサ１４，１７，２０，２３を接続した例を示したが、２以上であれば何個でも良い。

この電界測定装置１０で用いるＬＮセンサ１４，１７，２０，２３は光通過型電界センサである。光通過型電界センサは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板上に形成された入力用の１つの光導波路とその１つの光導波路から分岐する２つの光導波路が形成される。出力側では再び２つの光導波路が合流して１つの光導波路が形成される。２つの光導波路の一方の光導波路の両端には電極が設けられ、その電極に、前述したアンテナ１３，１６，１９，２２の端子が接続される。光入射側端子から一方の光導波路に入射されたレーザ光がもう一方の出力側の光出射側端子から出力する場合において、上記の２つの光導波路を通過するレーザ光に位相差が生じるときには、合流時にレーザ光の光強度変化を受けて出力される。

さらにＬＮセンサ１４，１７，２０，２３では、その動作点の設定として、上記の２つの光導波路を通過した後のレーザ光の位相差がゼロのときの電圧と、レーザ光の位相差が１８０°のときの電圧との電圧差である半波長電圧の中点より、光出力が大きくなる方向に動作点をずらしている。例えば、２つの光導波路の長さを異ならせることによって、光出力が大きくなる方向に動作点はずらされる。これにより、１つのＬＮセンサを通過したレーザ光の強度が入射光の強度の５０％も減衰しないようにすることができ、２個以上のＬＮセンサを通過したレーザ光の強度がそれほど大きく減衰せずに通過させることができる。これにより感度良く電界測定を行うことができる。

電界測定装置１０は、上記のごとく、光ファイバ１１，１５，１８，２１，２４を用いて１経路を成す光伝送路を形成し、光伝送路の一端にレーザ光源１２、他端に光検出部２５を設けると共に、光伝送路の途中の箇所に２以上のＬＮセンサ１４，１７，２０，２３を設けて成り、２以上のＬＮセンサ１４，１７，２０，２３のいずれかでレーザ光源１２からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを光検出部２５により検出する。

次に、第１実施形態に係る電界測定装置１０による測定を説明する。

まず電界測定装置１０では、２以上のＬＮセンサ１４，１７，２０，２３のそれぞれは、例えば会社ビルやマンション等の監視対象物における個々の局所的な監視対象エリア３０，３１，３２，３３に配置される。

光源１２から出力されたレーザ光（光信号）は、電界測定装置１０のＬＮセンサ１４，１７，２０，２３を通過する際、各エリア３０〜３３での電界状態（Ｅ１）で変化が生じているとき、アンテナ１３，１６，１９，２２を介して与えられる電気信号で強度変調を受ける。強度変調された光信号は光検出部２５のフォトダイオード２６によって電気信号（電流）に変換され、さらに後段のトランスインピーダンスアンプ２７により電流から電圧に変換される。トランスインピーダンスアンプ２７からの出力の電気信号は後段の高周波アンプ２８で適切なレベルに変更された後、後段のスペクトラムアナライザ２９により電気信号のレベルを検出する。

このとき、光源１２の光出力レベルをＰ、測定する電界（Ｅ１）のレベルをＥ、測定される電気信号のレベルをＶとすると、次の（１）式で表すことができる。

（数１）
Ｖ＝ｋ・Ｐ^２・Ｅ （１）

ここで、ｋはＬＮセンサの感度であり、光源１２およびトランスインピーダンスアンプ２７等の測定系が持つゲインであり、測定系に固有のものである。

またＬＮセンサと光源（ＰＤ）とトランスインピーダンスアンプから成る構成では、ＬＮセンサに加えられた電界（レベルＥ）に比例した光パワー（レベルＰ）の変調が得られる。測定出力として取り出す電気信号Ｖは、光源出力でのＰに比例した電流Ｉに変換される。トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）では、当該電流Ｉに比例した電圧Ｖ０が取り出されるが、ＴＩＡ出力を電気信号として取り出す場合は、通常電力（高周波信号では特に）での取出しになる。電圧Ｖ０から取り出される電力は、その電圧の２乗に比例するから、結局Ｐの２乗に比例した電気信号が得られる。上記の感度係数ｋは、この間の変換ゲイン（またはロス）をまとめたものである。

ＬＮセンサで測定可能な電界のレベル範囲は、雑音レベルを固定的なものと考えれば、測定される電気信号のレベルＶによって決まる。Ｖが大きければ、より大きなレベル範囲を測定することができる。

ここで、ＬＮセンサを含めた電界測定装置１０の測定系が検出できる範囲は有限である。例えば、１Ｖ／ｍの電界まで検出できる測定系で、電波を発信する発信源が１０ｍ離れた点の電界で１Ｖ／ｍを発生させるとすれば、この測定系は発信源から１０ｍまでのエリアでしか有効ではない。電界は測定系ではＶとして検出するから、同じ電界で２倍のＶを大きく（Ｓ／Ｎが大きいという意味）検出できれば発信源から遠くなった半分の電界でも検出が可能なため、検出可能な監視エリアを広げることができる。

従来では、ＬＮセンサの動作点は、通常半波長電圧の中点程度となるよう設定されており、これにより通過するレーザ光の出力（強度）は５０％程度減衰する。これは、動作点が中点にあることが、光信号の歪み特性の最良点となるためである。しかしながら、本発明の場合には、測定したい電界に基づくＬＮセンサで発生するアンテナからの受信による変調電圧は、半波長電圧が通常数ボルト以上あるのに対し、数マイクロボルトから数１０ｍＶと極端に小さな電圧である。このため、動作点が中点からずれることに起因する光信号の歪み特性劣化から結果的に発生する、電気信号の歪み特性の劣化はほとんどない、と考えて差し支えない。

つまり、上記の（１）式に基づきＶを大きくするため、ＬＮセンサに入力される光信号の強度Ｐを大きくすることを考え、ＬＮセンサの動作点を光信号の出力が大きくなる方向にずらしたものを使用する。これにより、ＬＮセンサを通過するレーザ光の強度が極力減衰しないようにし、直列接続した場合の後段のセンサの感度の劣化を抑える。

例えば、ＬＮセンサの１つが測定できるエリアが測定可能な最低レベルの電気信号Ｖで決まり、この電気信号の強度の２乗に比例して測定エリアの半径が決まると仮定すれば、動作点が中点のＬＮセンサが入力の光信号の強度Ｐで測定可能な電気信号Ｖを検出したとき半径Ｒのエリアをカバーしたとすると、この場合の測定エリアの面積はπＲ×Ｒで与えられる。

ここで、上記仮定の理由を述べる。電波の伝播は、反射などが存在する実運用的な空間では計算できるような伝播ロスはない。伝播が理想的な自由空間であれば、発信源からの距離に反比例して電界は小さくなるが、これでは、実運用の想定にならない。一般的な距離と電界の関係は特定できず、ここでは電界ロスが距離の２乗で減衰すると考えてＶの２乗でエリアが決まるとした。Ｖが大きくなればエリアが大きくなるのは確実であるし、べき数が大きくなれば動作点の変化によるエリアの影響も顕著だと思われ、２乗と仮定することができる。

従来の測定方法で、ＬＮセンサ２個を光ファイバ２本で接続した場合のカバーするエリア面積は、πＲ×Ｒ×２となる。

次に動作点が中点のＬＮセンサ２個を直列に接続した場合の同様なエリア面積を求める。１つ目のＬＮセンサでは、πＲ×Ｒとなる。２つ目のＬＮセンサでは、入力強度が１／２倍になり、測定される電気信号Ｖは入力光強度の２乗に比例するため、全体で１／４倍となる。この１／４倍のＶによりカバーするエリア面積はさらに２乗で小さくなる。結果的に、２つ目のセンサがカバーするエリア面積は、πＲ×Ｒ×１／１６となる。結局２つのセンサ合計のエリアは、πＲ×Ｒ×１７／１６≒１．０６×πＲ×Ｒとなる。測定可能なエリアの広さは、従来方法の半分程度になってしまう。しかし、光ファイバの本数や長さ、光スイッチ等のシステムに係わる費用を削減することができる。

次に、ＬＮセンサの動作点が、電界測定に影響しない歪み特性として、通過損失が５％の点であるＬＮセンサを直列接続した場合のエリア面積を同様に求める。１つ目のセンサではπＲ×Ｒとなり、２つ目のセンサでは（πＲ×Ｒ×０．９５×０．９５）×０．９５×０．９５≒０．８１×πＲ×Ｒとなる。結局、２つのセンサ合計のエリア面積はπＲ×Ｒ×（１＋０．８１）＝１．８１×πＲ×Ｒであり、測定エリアの面積の減少は２０％程度で済む。

第１実施形態の構成によれば、 接続された４つのＬＮセンサ１４，１７，２０，２３がカバーする電界測定エリア３０〜３３の電界を測定することができる。図１の４つのエリア３０〜３３を測定するために、光スイッチを用いることなく図１中４つのエリアの電界を測定することができる。

上記のように、広範囲のエリアの電界を測定するときに、多数本または全体量として長い光ファイバを用いることなくかつ光スイッチが必要なく、１つの光源と１つの光検出器を用いた電界測定装置を実現することができる。

図２を参照して本発明の第２の実施形態に係る電界測定装置を説明する。この電界測定装置４０では、例えば５本の光ファイバ４１，４６，４９，５２，５５が直列接続の関係で接続し、１つの経路を成す光伝送路を形成している。光伝送路における適宜な例えば３箇所の途中個所にＬＮセンサ４８，５１，５４が接続されている。これらのＬＮセンサ４８，５１，５４は、光ファイバ４６，４９，５２，５５のそれぞれの境界部に位置する。また光伝送路の末端、すなわち光ファイバ５５の端部には反射型のＬＮセンサ５７が接続されている。さらに、光ファイバ４１，４６の間には光サーキュレータ４３が接続され、光ファイバ４４を介して光検出部４５が接続されている。さらに接続関係を詳細に説明する。光ファイバ４１の一端に光源４２が接続され、他端に光サーキュレータ４３の端子４３ａが接続される。光サーキュレータ４３の端子４３ｂには光ファイバ４６の一端を接続し、また光サーキュレータ４３の端子４３ｃに光ファイバ４４を介して光検出部４５が接続される。光ファイバ４６の他端には、アンテナ４７を備えたＬＮセンサ４８の光入射側端子が接続され、そのＬＮセンサ４８の光出射側端子には光ファイバ４９の一端が接続される。光ファイバ４９の他端には、アンテナ５０を備えたＬＮセンサ５１の光入射側端子が接続され、そのＬＮセンサ５１の光出射側端子には光ファイバ５２の一端が接続される。光ファイバ５２の他端には、アンテナ５３を備えたＬＮセンサ５４の光入射側端子が接続され、そのＬＮセンサ５４の光出射側端子には光ファイバ５５の一端が接続される。ファイバ５５の他端には、アンテナ５６を備えた反射型ＬＮセンサ５７に接続される。

光源４２は、光ファイバ４１と光サーキュレータ４３と光ファイバ４６，４９，５２，５５を通して、ＬＮセンサ４８，５１，５４，５７に光を導入する。光ファイバ４１は、光源４２からの光を光サーキュレータ４３に導入する。光サーキュレータ４３は、端子４３ａから入射された光を端子４３ｂに通過させ、端子４３ｂから入射された光を端子４３ｃに通す。また端子４３ｃから出射される光は光ファイバ４４によって光検出部４５に導入される。光ファイバ４６，４９，５２，５５およびＬＮセンサ４８，５１，５４の基本的な作用・機能については、第１実施形態で説明した対応する光ファイバおよびＬＮセンサと同じである。光ファイバ５５の端部に接続された反射型ＬＮセンサ５７は、アンテナ５６で電界信号を受信するとき入射されたレーザ光の強度を変調し、その終端面で反射し、再び強度変調光を光ファイバ５５に出力する。ＬＮセンサ５７から出力された光は、ＬＮセンサ５４、ＬＮセンサ５１、ＬＮセンサ４８を再び通過して、光サーキュレータ４３で光ファイバ４４に導入され、光検出部４５で検出される。光検出部４５は、第１実施形態の光検出部２５と同じ構成・作用を有し、フォトダイオード５８、トランスインピーダンスアンプ５９、高周波アンプ６０、スペクトラムアナライザ６１を備える。なお上記構成では、４つのＬＮセンサを接続した例を示したが、２以上であれば何個でも良い。

この電界測定装置４０で用いるＬＮセンサ４８，５１，５４は、第１の実施形態で用いたＬＮセンサと同様の構造であり、また反射型ＬＮセンサ５７は終端面にミラーを取り付けた以外は、光通過型電界センサと同様の構造である。

上記の構成により、電界測定装置４０は、光ファイバ４６，４９，５２，５５を用いて１経路を成す光伝送路を形成し、光伝送路の一端側に光源４２、および光分岐部である光サーキュレータ４３を介した光検出部４５を設けると共に、光伝送路の途中の箇所に２以上の通過型ＬＮセンサ４８，５１，５４を設けかつ光伝送路の他端に反射型ＬＮセンサ５７を設けて成る。２以上の通過型ＬＮセンサ４８，５１，５４および反射型ＬＮセンサ５７のいずれかで光源４２からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを光検出部４５により検出する。

次に、第２実施形態に係る電界測定装置４０による測定を説明する。

電界測定装置４０は、２以上の光通過型ＬＮセンサ４８，５１，５４と反射型ＬＮセンサ５７とは、それぞれ、監視対象物の個々の監視対象エリアに配置される。

光源４２から出力されたレーザ光（光信号）はＬＮセンサ４８，５１，５４，５７を通過する際に接続されているアンテナ４７，５０，５３，５６によってエリア６２，６３，６４，６５で生じる電界（Ｅ１）で強度変調を受ける。強度変調された光信号は光検出部４５のフォトダイオード５８により電気信号に変換され、さらに後段のトランスインピーダンスアンプ５９により電流から電圧に変換される。トランスインピーダンスアンプ５９からの出力の電気信号は後段の高周波アンプ６０で適切なレベルに変更された後、後段のスペクトラムアナライザ６１等により電気信号のレベルを検出する。

この構成では、光源４２の光を光ファイバで１つの伝送路上に直列的に接続されたＬＮセンサによってそれぞれの測定エリアの電界を測定する。図２の４つのエリア６２，６３，６４，６５を測定するために光スイッチを必要とせず、ＬＮセンサに対応するエリアの電界を測定することで、図２中４つのエリアの電界を測定することできる。

上記のように、第２実施形態によっても、広範囲のエリアの電界を測定するときに、多数本または全体量として長い光ファイバを用いることなくかつ光スイッチが必要なく、１つの光源と１つの光検出器を用いた電界測定装置を実現することができる。

次に、図３を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。

図３は本発明の第３実施形態に係る電界測定装置の構成図を示す。電界測定装置７０は、光ファイバ７１の一端にパルス光源７２が接続され、他端に光サーキュレータ７３の端子７３ａが接続され、光サーキュレータ７３の端子７３ｂに光ファイバ７６の一端を接続しかつ端子７３ｃに光ファイバ７４を介して光検出部７５を接続し、さらに光ファイバ７６の他端にアンテナ７７を備えた反射型ＬＮセンサ７８が接続された構成になっている。

パルス光源７２は、パルスレーザ光を出力し、光ファイバ７１等を通してＬＮセンサ７１の入射側の端面に当該パルスレーザ光を照射する。光ファイバ７１は、パルス光源７２からのパルスレーザ光を光サーキュレータ７３に導入する。光サーキュレータ７３は、端子７３ａから入射された光を端子７３ｂに通過させ、端子７３ｂから入射された光を端子７３ｃに通す作用を有する。端子７３ｃから出射される光は光ファイバ７４によって光検出部７５に導入される。光ファイバ７６は、光サーキュレータ７３からの光をＬＮセンサ７８に導入する。ＬＮセンサ７８は、アンテナ７７で電界（Ｅ１）を受信するとき、入射したレーザ光の強度を変調し、出射側終端面に取り付けられたミラーにより反射し、再び強度変調され、その強度変調光を入射側の光ファイバ７６に出力する。光ファイバ７６を通過する反射光は光サーキュレータ７３で光ファイバ７４に導入され、光検出部７５で検出される。光検出部７５は、反射型ＬＮセンサ７８で強度変調され、光ファイバ７６，７４を通ってきた光の強度を検出する装置である。光検出部７５は、フォトダイオード７９、トランスインピーダンスアンプ８０、高周波アンプ８１、スペクトラムアナライザ８２から成っている。また、パルス光源７２と光検出部７５のスペクトラムアナライザ８２は、同期回路（ＳＹＮＣ）８３に接続されている。

この電界測定装置７０で用いる反射型ＬＮセンサ７８は、第１の実施形態で用いたＬＮセンサの終端面にミラーを取り付けた以外は同様の構造をしている。

次に、第３実施形態に係る電界測定装置７０による測定を説明する。

同期回路８３からパルス信号をパルス光源７２とスペクトラムアナライザ８２に供給する。パルス信号がオンの時、パルス光源７２はパルスレーザ光を出力する。この光は、光サーキュレータ７３等を通ってＬＮセンサ７８に入り、アンテナ７７で受けた電界（Ｅ１）によりレーザ光(光信号）が変調を受ける。変調された光信号は反射型ＬＮセンサ７８により光サーキュレータ７３に戻ってくる。光サーキュレータ７３の分岐機能により反射光は光検出部７５のフォトダイオード７９側にのみ伝送される。これにより、電界（Ｅ１）で変調された光信号はフォトダイオード７９、トランスインピーダンスアンプ８０で光から電気信号に変換され、スペクトラムアナライザ８２で電界強度に応じた電気信号を測定することになる。スペクトラムアナライザ８２は、同期回路８３からパルス信号を供給されているので、パルス光源７２が光出力をしているときのタイミングで測定結果を読み取り、電界（Ｅ１）の強度を測定する。

電界測定装置７０において、パルス光源７２の光出力レベルをＰ、測定する電界（Ｅ１）のレベルをＥ、測定される電気信号のレベルをＶとすると、第１実施形態で説明したものと同様に、（１）式のように表すことができる。

上記の（１）式に基づき、電界レベルＥはパルス光源の出力Ｐの２乗に比例する。電気信号Ｖの検出感度をあげるためには測定系のゲインｋを大きくするか、パルス光源の出力Ｐを大きくする必要がある。特に、Ｐを大きくすることは２乗オーダで検出感度を上げることが可能である。しかしながら、ｋ、Ｐを大きくするにも限界があり、また測定系の持つ雑音レベルを低く維持してＳ／Ｎを確保しておかなくてはｋ、Ｐをむやみに大きくしても弱電界の信号を測定することはできない。

Ｐを連続光として用いた場合、Ｐを大きくすることは非常に困難であった。本実施形態では、光源としてパルス光源を用いることにより容易にＰを大きくすることができ、このため、弱電界の検出感度を飛躍的に向上することができる。パルス光源を用いることにより、例えば１０ｍＷの連続光の光源と同等な出力を得る、パルスレーザ光におけるオン・オフ間隔が１：１０のパルス光源を用いれば、オン区間での出力パワーは約１００ｍＷであり、測定したい電界レベルの感度をｄＢ換算で約２０ｄＢ向上することできる。

第３実施形態のようにパルス光源を用いた場合、電界測定感度を向上することができる。他方、測定可能な電界はパルスがオンの時であり、時分割での測定となってしまうが、定常的な電界を測定する場合が多いので、問題は生じない。上記のように、第３実施形態ではパルス光源を用いたので、パルス出力に同期して測定を行って電界測定の感度を向上させることができる。

次に、図４を参照して本発明の第４の実施形態に係る電界測定装置を説明する。本実施形態は第１実施形態の変形例であり、レーザ光源がパルス光源９０であり、パルス光源９０と光検出部２５のスペクトラムアナライザ２９に同期回路９１が接続されている以外は、第１実施形態と同様である。図４において、図１で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第４実施形態に係る電界測定装置による測定を説明する。

同期回路９１からパルス信号をパルス光源９０とスペクトラムアナライザ２９に供給する。パルス信号がオンの時、パルス光源９０はパルスレーザ光を出力する。この出力光は、光ファイバ１１，１５，１８，２１を通ってＬＮセンサ１４，１７，２０，２３に入り、アンテナ１３，１６，１９，２２で受けた電界（Ｅ１）により変調される。変調された光信号は光検出部２５のフォトダイオード２６に伝送される。これにより、電界で変調された光信号は、フォトダイオード２６、トランスインピーダンスアンプ２７で電気信号に変換され、スペクトラムアナライザ２９で電界強度に応じた電気信号を測定する。スペクトラムアナライザ２９は、同期回路９１からパルス信号を供給されているので、パルス光源９０が光出力をしているときのタイミングで測定結果を読み取り、電界強度を測定する。

上記の構成では、 接続された複数のＬＮセンサの各々がカバーする電界測定エリア３０〜３３の電界を測定することができる。図４の４つのエリア３０〜３３を測定するために、光スイッチ等を用いることなくエリアの電界を測定することで、図４中４つのエリアの電界を測定することができる。広範囲のエリアの電界を測定するときに光スイッチを用いることなく、１つの光源と光検出器を用いた電界測定装置を提供することができる。さらに、パルス光源を用いてパルス出力に同期して測定を行うので、電界測定の感度を向上させることができる。

次に、図５を参照して本発明の第５の実施形態に係る電界測定装置を説明する。本実施形態は、第２実施形態の変形例であり、レーザ光源がパルス光源９２を用い、パルス光源９２と光検出部４５のスペクトラムアナライザ６１に同期回路９３が接続されている。その他の構成は、第２実施形態と同様であるので、図５において図２で説明した要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第５実施形態に係る電界測定装置による測定を説明する。

同期回路９３からパルス信号をパルス光源９２とスペクトラムアナライザ６１に供給する。パルス信号がオンの時、パルス光源９２はパルス光を出力する。この出力光は、光サーキュレータ４３を通ってＬＮセンサ４８，５１，５４，５７に入り、アンテナ４７，５０，５３，５６で受けた電界（Ｅ１）により光信号が変調される。変調された光信号は反射型のＬＮセンサのために光ファイバ５５，５２，４９，４６を通り、ＬＮセンサ５７，５４，５１，４８で再び変調され、光サーキュレータ４３に戻ってくる。光サーキュレータでは、その分岐機能により、戻り信号を光検出部４５のフォトダイオード５８側にのみ伝送する。これにより、電界（Ｅ１）で変調された光信号は、フォトダイオード５８、トランスインピーダンスアンプ５９で電気信号に変換され、スペクトラムアナライザ６１で電界強度に応じた電気信号を測定する。スペクトラムアナライザ６１では、同期回路９３からパルス信号を供給されているので、パルス光源９２がレーザ光を出力しているときのタイミングで測定結果を読み取り、電界強度を測定する。

上記の構成では、 接続されたＬＮセンサがカバーする複数の電界測定エリアの電界を測定することができる。図５に示した４つのエリア６２〜６５を測定するため、光スイッチ等を用いることなくエリアの電界を測定でき、図中４つのエリアの電界を測定することができる。このように、広範囲のエリアの電界を測定するときに光スイッチ等が必要なく、１つの光源と光検出器を用いた電界測定装置を実現できる。さらにパルス光源を用いてパルス出力に同期して測定を行うので、電界測定の感度を向上させることができる。

本発明は、会社ビルやマンション等の監視対象物の複数の局所的な監視・測定エリアの電界測定を簡易かつ低コストの光ファイバ配線構造によって行い、低コストで広範囲エリアの電界測定に利用される。

本発明の第１の実施形態に係る電界測定装置を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る電界測定装置を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る電界測定装置を示す構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る電界測定装置を示す構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る電界測定装置を示す構成図である。 従来の電界測定装置の第１例を示す構成図である。 従来の電界測定装置の第２例を示す構成図である。

符号の説明

１０，４０，７０ 電界測定装置
１１，１５，１８，２１，２４ 光ファイバ
１２，４２ 光源
１４，１７，２０，２３ ＬＮセンサ
２５，４５，７５ 光検出部
４１，４４，４６，４９，５２，５５ 光ファイバ
７１，７４，７６ 光ファイバ
７２，９０，９２ パルス光源
８３，９１，９３ 同期回路

Claims (9)

1. 光ファイバを用いて１経路を成す光伝送路を形成し、前記光伝送路の一端にレーザ光源、他端に光検出部を設けると共に、前記光伝送路の途中の箇所に２以上の光通過型電界センサを設けて成り、前記２以上の光通過型電界センサのいずれかで前記レーザ光源からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを前記光検出部により検出することを特徴とする電界測定装置。
2. 前記２以上の光通過型電界センサは、それぞれ、監視対象物の個々の監視対象エリアに配置されることを特徴とする請求項１記載の電界測定装置。
3. 光ファイバを用いて１経路を成す光伝送路を形成し、前記光伝送路の一端側にレーザ光源および光分岐部を介した光検出部を設けると共に、前記光伝送路の途中の箇所に２以上の光通過型電界センサを設けかつ前記光伝送路の他端に光反射型電界センサを設けて成り、前記２以上の光通過型電界センサおよび前記光反射型電界センサのいずれかで前記レーザ光源からのレーザ光が光強度変化を受けるとき、これを前記光検出部により検出することを特徴とする電界測定装置。
4. 前記光反射型電界センサと前記２以上の光通過型電界センサは、それぞれ、監視対象物の個々の監視対象エリアに配置されることを特徴とする請求項３記載の電界測定装置。
5. 前記レーザ光源はパルスレーザ光源であり、このパルスレーザ光源のパルスレーザ発振と前記光検出器の光検出とは同期をとって行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電界測定装置。
6. 前記光通過型電界センサは、ニオブ酸リチウム基板上に形成された入力用の１つの光導波路とその１つの光導波路から分岐して２つの光導波路が形成され、出力側では再び２つの光導波路が合流して１つの光導波路が形成され、前記２つの光導波路の一方の光導波路の両端に電極が設けられ、その電極にアンテナ端子が接続された構造を有し、
   一方の光導波路に入射された前記レーザ光が前記もう一方の出力側から出力するときに前記２つの光導波路を通過するレーザ光に位相差が生じ、合流したときにレーザ光の光強度変化を受けて出力されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電界測定装置。
7. 前記光通過型電界センサの前記２つの光導波路を通過した後の前記レーザ光の位相差がゼロのときの電圧と、前記レーザ光の位相差が１８０°のときの電圧の電圧差である半波長電圧の中点より光出力が大きくなる方向に動作点をずらしたことを特徴とする請求項６記載の電界測定装置。
8. 前記光通過型電界センサは、２つの光導波路の長さを異ならせることにより前記動作点をずらしたことを特徴とする請求項７記載の電界測定装置。
9. 光ファイバを用いて光伝送路を形成し、前記光伝送路の一端にレーザ光源を設け、前記光伝送路の任意の箇所に光検出器および少なくとも１つの電界センサを設ける電界測定装置において、
   前記レーザ光源はパルスレーザ光源であり、前記２以上の電界センサでの前記パルスレーザ光源からのパルスレーザ光の光強度変化を前記光検出部により検出することを特徴とする電界測定装置。
   

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