JP2008082921A - 光ファイバセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高精度および多重伝送能力を維持したまま、処理量を少なくし、低コスト化が可能な光ファイバセンサシステムを得る。
【解決手段】検出物理量に基づく位相信号を入力信号光に重畳して出力する光ファイバセンサ１０５と、光ファイバセンサ１０５の光路差と同じ光路差を有し、該光路差に基づいて干渉信号光を出力する遅延補償器１０７と、遅延補償器１０７の出力に基づき、位相信号を復調する復調処理部１０９とを備え、遅延補償器１０７は、干渉信号光を均等な位相差で複数出力し、復調処理部１０９は、これら複数の干渉信号光より直交成分を抽出し、該直交成分に基づいて位相信号を復調して検出物理量を得ることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、歪み・温度・変位・圧力などの物理量を検出する光ファイバセンサシステムに関するものである。

従来、ＰＧＣ（Ｐｈａｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｃａｒｒｉｅｒ）変調方式を用いた光ファイバセンサに関する技術として、ハイドロホン（水中音響センサ）にこれを適用したものが提案されている（非特許文献１）。
また、その他の光ファイバセンサに関する技術として、地震計（加速度センサ）に関するものも提案されている（非特許文献２）。
また、『光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号によりセンシングファイバに加わる外力を検出する干渉型光ファイバセンサであって、センシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…と、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…とを含む複数のセンサ１１１，１１２，１１３，…から成り、これらセンサ１１１，１１２，１１３，…を複数接続するセンサアレイ１１０を複数のグループで構成し、一つのグループ内では前後のセンサ１１１，１１２，１１３，…に用いる前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイ１１０とした。』というものも提案されている（特許文献１）。
特開２００３−３４４１４８号公報（要約） 佐藤陵沢他、「光ファイバハイドロホンの開発」、信学技報ＯＰＥ９５−２、Ｖｏｌ．９５、Ｎｏ．３２、ｐｐ．２−１２、１９９５ 新藤雄吾他、「光ファイバ加速度センサによる海底地震観測」、第３２回光波センシング技術研究会講演論文集、ＬＳＴ３２−１３、ｐｐ．９３−９８、２００３

上記従来技術は、検出物理量に基づく位相変調信号を検出するものであり、一般に高感度で伝送路の損失変動の影響も受けにくいため、大規模かつ高精度なセンサシステムに適しているという特徴がある。
しかし、ＰＧＣ位相変調信号を重畳するため、これに要する余分な周波数帯域が必要となり、結果として、必要以上にセンサ信号の伝送レートが高くなり、復調処理が重くなるという課題がある。
そのため、処理量を少なくし、低コスト化が可能な光ファイバセンサシステムが望まれていた。

本発明に係る光ファイバセンサシステムは、
検出物理量に基づく位相信号を入力信号光に重畳して出力する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの光路差と同じ光路差を有し、該光路差に基づいて干渉信号光を出力する遅延補償器と、
前記遅延補償器の出力に基づき、前記位相信号を復調する復調処理部とを備え、
前記遅延補償器は、前記干渉信号光を均等な位相差で複数出力し、
前記復調処理部は、
これら複数の干渉信号光より直交成分を抽出し、
該直交成分に基づいて前記位相信号を復調して検出物理量を得ることを特徴とするものである。

本発明に係る光ファイバセンサシステムによれば、従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ（Ｐｈａｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｃａｒｒｉｅｒ−Ｐａｔｈ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）ホモダイン方式やヘテロダイン方式と同程度の高精度および多重伝送能力を維持したままシステムを簡素化することができ、光ファイバセンサシステムの低処理量化および低コスト化を実現することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。
図１の光ファイバセンサシステムは、パルス光源部１０１、往路伝送ファイバ１０２、光カプラ１０３、干渉型光ファイバセンサ１０５、復路伝送ファイバ１０６、遅延補償器１０７、受光部１０８ａ及び１０８ｂ、復調処理部１０９を有する。
パルス光源部１０１は、パルス信号光を発生し、往路伝送ファイバ１０２に出力する。
往路伝送ファイバ１０２は、パルス信号光をパルス光源部１０１から干渉型光ファイバセンサ１０５へと伝送させる伝送路である。
光カプラ１０３は、伝送路の分岐点に設けられ、パルス信号光を分岐させる。
干渉型光ファイバセンサ１０５は、往路伝送ファイバ１０２から送られたパルス信号光を受光して、検出物理量に比例した位相信号を重畳し、復路伝送ファイバ１０６へとパルス信号光を出力する。
復路伝送ファイバ１０６は、干渉型光ファイバセンサ１０５から送られたパルス信号光を遅延補償器１０７へと伝送させる。
遅延補償器１０７は、干渉型光ファイバセンサと同じ光路差をつけることにより干渉型光ファイバセンサ１０５の前後パルスの遅延時間差を補償し、復路伝送ファイバ１０６を経由して戻ってくるパルス信号光を干渉信号光へと変換する。
受光部１０８ａ及び１０８ｂは、遅延補償器１０７で発生した干渉信号光を電気信号へと変換し、復調処理部１０９へ出力する。
復調処理部１０９は、受光部１０８ａ及び１０８ｂで変換された電気信号を位相信号へと復調する。

復調処理部１０９は、マイコンやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のような演算手段上に実装したソフトウェア、ないしは回路デバイスなどのハードウェアを用いて実現することができる。

なお、遅延補償器１０７は、３ポート以上の多ポートカプラから構成され、図１に示すように入力側の未使用ポートを信号ポート（Ｐ１、Ｐ２、…）として使用する。本実施の形態１においては、３ポートを有するものとして以後の説明を行う。以後の実施の形態でも同様である。
なお、干渉型光ファイバセンサ１０５は、伝送路に対して並列に、同仕様のものを２個接続するものとする。
信号ポートから得られる干渉信号ｌ１、ｌ２、…から直交成分を抽出し、位相復調することによって干渉位相φを得る。具体的な計算式については後述する。

ここで、本発明に係る光ファイバセンサシステムの理解を容易にするために、従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ光ファイバセンサシステムの動作を説明する。

図１０は、従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式を用いた光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。
図１０の光ファイバセンサシステムの構成は、図１と基本部分を共通にするが、遅延補償器１０７に替えてＰＧＣ位相変調器１０４を有する点、干渉型光ファイバセンサ１０５を１つのみ備える点、及び受光部１０８を１つのみ備える点が、図１の構成と異なる。
ＰＧＣ−ＰＭＤＩ光ファイバセンサの長所としては、時分割多重（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）などの多重化技術を使うことより、１往復分（２本）の光ファイバ伝送路に数百チャネルの光ファイバセンサを繋げることができ、また、低伝送損失で強度変動の影響を受けにくいため長距離伝送能力が極めて高いことが挙げられる。

次に、図１０の光ファイバセンサシステムの動作について説明する。
図１の受光部１０８の左側に示した３つ山のパルス波形において、真ん中のパルスが干渉信号（Ｉ）であり、検出する位相信号φを含む次式（６）で与えられる。

ここで、Ａ、Ｂは光強度および干渉する２光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数であり、ＣはＰＧＣ変調度、ｆ０はＰＧＣキャリア周波数である。

このとき、キャリア周波数成分（ｌ１）およびキャリア２次高調波成分（ｌ２）を同期検波処理およびＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）処理によって抽出すると、次式（７）の直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を得る。

ここで、Ｊｎ（Ｃ）はｎ次の第一種ベッセル関数を表す。

上記式（７）から、直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を用いて、次式（８）のａｔａｎ復調処理あるいは次式（９）の微分クロス乗算復調処理により、干渉位相信号φを得る。

図１１は、以上説明した従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式を用いた光ファイバセンサシステムの位相復調処理を表すブロック図である。
図１０の復調処理部１０９は、図１１の構成を備えることにより、干渉位相信号φを得る。

このように、従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式を用いた光ファイバセンサシステムにおいては、直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を得る演算過程において、ＬＰＦを用いることからも分かるように、余分な周波数帯域が必要となる。
本発明は、このような余分な周波数帯域を必要とせず、高精度かつ多重伝送能力を有する光ファイバセンサシステムを提案するものである。

以後は、本実施の形態１の説明に戻る。

まず、パルス光源部１０１が発するパルス信号光の経路と、これに基づく遅延補償器１０７の出力について説明する。
（１）干渉型光ファイバセンサ１０５からの出力
パルス光源部１０１が発するパルス信号光は、干渉型光ファイバセンサ１０５に入力した後、アーム長の長い方を経由して出力される信号光と、アーム長の短い方を経由して出力される信号光とに分かれて出力される。
（２）遅延補償器１０７からの出力
干渉型光ファイバセンサ１０５が出力したパルス信号光は、遅延補償器１０７に入力した後、遅延補償器１０７のアーム長の長い方を経由して出力される信号光と、アーム長の短い方を経由して出力される信号光とに分かれて出力される。
（３）結果出力
上記（１）（２）の結果、干渉型光ファイバセンサ１０５からの出力が２パターン、遅延補償器１０７からの出力が２パターン、掛け合わせて合計４パターンの信号が出力されることとなる。

遅延補償器１０７は干渉型光ファイバセンサ１０５と同じ光路差を有しているため、（１）干渉型光ファイバセンサ１０５の短いアームと遅延補償器１０７の長いアームを経由した光と、（２）干渉型光ファイバセンサ１０５の長いアームと遅延補償器１０７の短いアームを経由した光とは、相互に干渉し合って出力される。
以後の説明において、この干渉成分のことを「干渉信号光」「干渉成分」などと称し、この前後に現れる残りの２パターンの信号光のことを「非干渉信号」「非干渉成分」などと称する。

また、図１において干渉型光ファイバセンサ１０５が２つ存在するが、これらはともに同様の動作をするものである。一方の干渉型光ファイバセンサ１０５から出力された信号光が受光部１０８ａで、もう一方が受光部１０８ｂで受光され、それぞれに対応した信号ポートから出力されるものとする。

次に、遅延補償器１０７の構成について説明する。
遅延補償器１０７は、上述の通り３ポートを有し、このうち信号ポート１（受光部１０８ａに接続されている）および信号ポート２（受光部１０８ｂに接続されている）より、遅延補償器１０７の出力を得る。
３ポート遅延補償器から得られる干渉信号光は、３ポート光カプラの空間対称性からポート間の位相が２π／３ずれた干渉信号光となり、次式（１０）で表される。

ここで、Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２は、上記式（６）と同様に光強度および偏光面の一致度を表す係数である。これらＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の値は、事前に初期値を計測して図示しないメモリ等の記憶手段に記憶させておく。

次に、復調処理部１０９の演算について説明する。
上記式（１０）及び事前に計測して記憶させておいたＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２により、次式（１１）が得られる。

さらに、上記式（１１）の両辺から、次式（１２）のように、干渉信号の直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を求めることができる。

この直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）に、上記式（８）のａｔａｎ復調あるいは式（９）の微分クロス乗算復調処理を行うことにより、干渉位相信号φを得ることができる。

図２は、本実施の形態１における位相復調処理を表すブロック図である。
復調処理部１０９は、受光部１０８ａより干渉信号光Ｉ１を、受光部１０８ｂより干渉信号光Ｉ２を受け取り、上述の式（１１）（１２）を用いて干渉位相信号φを得る。
Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２は、上述の通り初期値としてあらかじめ計測し、図示しない記憶手段に記憶させておくか、演算時に入力して復調処理部１０９に渡すようにする。

本実施の形態１において、光部品の偏光依存損失および温度依存損失、パルス光源の強度変動、伝送ファイバの伝送損失変動などが発生すると、初期値Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２が変動するので復調位相の誤差が劣化する。これらＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の変動による影響を抑えるには、実施の形態２以降で述べる強度補正処理を備える必要がある。
従って、本実施の形態１は、Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の初期値を計測した後、短時間の測定を行うような場合において、有効な手段となる。

本実施の形態１において、干渉型光ファイバセンサ１０５が検出する物理量としては、例えば歪み・温度・変位・圧力などが挙げられる。干渉型光ファイバセンサ１０５は、これらの物理量に基づいた位相信号をパルス光源部１０１が発したパルス信号光に重畳して出力する。
このときの位相信号と検出物理量の関係は、検出対象の物理量の種類や干渉型光ファイバセンサ１０５の仕様により異なるものであるため、本実施の形態１においては具体的には言及しないが、センサシステムに求められる機能や性能に基づき、適切に設計すればよい。

以上のように、本実施の形態１によれば、
検出物理量に基づく位相信号を入力信号光に重畳して出力する光ファイバセンサ１０５と、
光ファイバセンサ１０５の光路差と同じ光路差を有し、該光路差に基づいて干渉信号光（Ｉ１、Ｉ２）を出力する遅延補償器１０７と、
遅延補償器１０７の出力に基づき位相信号φを復調する復調処理部１０９とを備え、
遅延補償器１０７は、干渉信号光（Ｉ１、Ｉ２）を均等な位相差（２π／３）で複数出力し、
復調処理部１０９は、
これら複数の干渉信号光より直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を抽出し、
該直交成分に基づいて位相信号φを復調して検出物理量を得るので、
従来技術のＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式と比較すると、ＰＧＣ位相変調を使わないので余分なキャリア周波数帯域が不要であり、低処理・低コストな光ファイバセンサシステムを得ることができる。

また、干渉信号光（Ｉ１、Ｉ２）を表す式（１０）の係数Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を記憶するメモリなどの記憶手段を設け、
復調処理部１０９は、当該記憶値及び式（１０）に基づいて、直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を抽出するので、
Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を計測した後、短時間の測定を行うような場合において、高精度かつ多重伝送能力を有する光ファイバセンサシステムを得ることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。
図３の光ファイバセンサシステムの構成は、実施の形態１における図１と主要部を共通にするが、これに加えて、遅延補償器１０７の干渉アーム側の未使用ポートをモニタポート（Ｍ）として使用する点が異なる。
なお、図３で示すように、モニタポートの前後パルスをそれぞれｍ１、ｍ２、信号ポート１の干渉信号光をｌ１、干渉信号光ｌ１の前後パルスをそれぞれｐ１１、ｐ１２、信号ポート２の干渉信号光をｌ２、干渉信号光ｌ２の前後パルスをそれぞれｐ２１、ｐ２２とする。
ｍ１、ｍ２、ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２を測定して強度補正を随時行いながら、干渉信号光ｌ１、ｌ２を位相復調することによって、干渉位相φを得る。具体的な計算式については後述する。

次に、図５の、モニタポート、信号ポート１および２から構成される遅延補償器１０７による動作について説明する。なお、基本的な干渉信号光の位相復調処理は、実施の形態１に準ずるため省略し、ここでは式（１０）のＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を算出する強度補正処理について説明する。

干渉型光ファイバセンサ１０５のアーム長の短い方の挿入損失をＳ１、長い方の挿入損失をＬ１とし、遅延補償器１０７のアーム長の短い方の挿入損失をＳ２、長い方の挿入損失をＬ２と定義する。
モニタポートの前パルス強度（ｍ１）は干渉型光ファイバセンサ１０５の短いアームの挿入損失（Ｓ１）に比例し、後パルス強度（ｍ２）は干渉型光ファイバセンサ１０５の長いアームの挿入損失（Ｌ１）に比例する。
また、信号ポート１の干渉しない前パルス強度（ｐ１１）は干渉型光ファイバセンサ１０５の短いアームと遅延補償器１０７の短いアームを経由した光なのでＳ１・Ｓ２に比例し、後パルス強度（ｐ１２）は干渉型光ファイバセンサ１０５の長いアームと遅延補償器１０７の長いアームを経由した光なのでＬ１・Ｌ２に比例する。
従って、ａ、ｂを適切な比例係数として、ｍ１、ｍ２、ｐ１１、ｐ１２は次式（１３）で与えられる。

干渉信号光（ｌ１）は、（１）干渉型光ファイバセンサ１０５の短いアームと遅延補償器１０７の長いアームを経由した光と、（２）干渉型光ファイバセンサ１０５の長いアームと遅延補償器１０７の短いアームを経由した光との干渉光なので、次式（１４）で与えられる。

Ｉ２についても、同様の関係が成り立つ。
従って、（Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２）と（ｍ１、ｍ２、ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）は次式（１５）の関係を満たす。

式（１５）よりＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を算出して、実施の形態１で述べた式（１１）および式（１２）を経て、式（８）のａｔａｎ復調あるいは式（９）の微分クロス乗算復調処理を行うことにより、干渉位相信号φを得ることができる。

図４は、本実施の形態２における位相復調処理を表すブロック図である。
復調処理部１０９は、受光部１０８ａより（Ｉ１、ｐ１１、ｐ１２）を、受光部１０８ｂより（Ｉ２、ｐ２１、ｐ２２）を、受光部１０８ｃより（ｍ１、ｍ２）を受け取り、上述の式（１１）（１２）（１５）を用いて干渉位相信号φを得る。

実施の形態１と異なり、強度補正処理部１０９ａにより、Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の値を補正する強度補正の機能が含まれるため、干渉型光ファイバセンサ１０５および遅延補償器１０７の偏光依存損失および温度依存損失の影響を受けにくい。
また、パルス光源１０１の強度変動や伝送ファイバ１０２、１０６の伝送損失変動の影響も受けにくい。
本実施の形態２においては、実施の形態１のように、Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の初期値を事前に計測することが不要である。ただし、強度補正処理が加わる分だけ、実施の形態１の構成よりも低処理量化、低コスト化の効果は小さい。

なお、本実施の形態２における「補正手段」は、強度補正処理部１０９ａがこれに該当する。

以上のように、本実施の形態２によれば、
干渉信号光（Ｉ１、Ｉ２）の強度補正処理を行う強度補正処理部１０９ａを設け、
遅延補償器１０７は、
干渉型光ファイバセンサ１０５のアーム挿入損失（Ｓ１、Ｌ１）に比例した強度のモニタ信号（ｍ１、ｍ２）を出力し、
強度補正処理部１０９ａは、モニタ信号（ｍ１、ｍ２）を用いてＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の強度補正処理を行い、
復調処理部１０９は、
当該補正処理後の干渉信号光（Ｉ１、Ｉ２）を用いて、直交成分（ｃｏｓφ、ｓｉｎφ）を抽出するので、
干渉型光ファイバセンサ１０５および遅延補償器１０７の偏光依存損失および温度依存損失の影響を受けにくい。
また、パルス光源１０１の強度変動や伝送ファイバ１０２、１０６の伝送損失変動の影響も受けにくい。
そのため、より高精度な光ファイバセンサシステムを得ることができる。

また、強度補正処理部１０９ａは、
上記（１５）により、干渉信号光の干渉成分（Ｉ１、Ｉ２）の前後に現れる非干渉成分（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）を用いて強度補正処理を行うので、
より高精度な光ファイバセンサシステムを得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、（ｍ１、ｍ２、ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）の合計６個の信号を用いて強度補正処理部１０９ａで強度補正を行った。
本実施の形態３では、遅延補償器１０７の多ポートカプラとして、偏光依存損失、温度依存損失の低いデバイスを選定することによって、これらは一定であると見なし、モニタポートの２信号（ｍ１、ｍ２）の２信号のみを用いて強度補正処理を行う。
ただし、伝送路の損失変動は（ｍ１、ｍ２）に含まれるので、後述の強度補正処理で補正する。
なお、本実施の形態３に係る光ファイバセンサシステムの構成は、復調処理部１０９を除き実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。

次に、本実施の形態３における強度補正処理について説明する。
本実施の形態３では、信号ポート１および２の干渉しない前後パルス（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）は使用せず、初期状態から安定しているものと見なして、次式（１６）を用いて復調処理を行う。

上記式（１６）の係数（ｍ１＿０、ｍ２＿０、ｐ１１＿０、ｐ１２＿０、ｐ２１＿０、ｐ２２＿０）は、事前に初期値を計測して図示しないメモリ等の記憶手段に記憶させておく。
実際の復調処理においては、モニタ信号（ｍ１、ｍ２）から上記式（１６）を用いてＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を算出し、実施の形態１で述べた式（１１）および式（１２）を経て、式（８）のａｔａｎ復調あるいは式（９）の微分クロス乗算復調処理を行うことにより、干渉位相信号φを得ることができる。

図５は、本実施の形態３における位相復調処理を表すブロック図である。
復調処理部１０９は、受光部１０８ａより（Ｉ１）を、受光部１０８ｂより（Ｉ２）を、受光部１０８ｃより（ｍ１、ｍ２）を受け取り、上述の式（１１）（１２）（１６）を用いて干渉位相信号φを得る。

実施の形態２における図４の構成と異なり、前後パルス（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）を用いないので、強度補正処理に使用する信号が少なく、実施の形態２よりも低処理・低コストな復調処理装置を構築することができる。

以上のように、本実施の形態３によれば、
干渉信号光を表す数式（１６）の係数（ｍ１＿０、ｍ２＿０、ｐ１１＿０、ｐ１２＿０、ｐ２１＿０、ｐ２２＿０）を記憶する記憶手段を設け、
強度補正処理部１０９ａは、
当該記憶値及び式（１６）に基づいて強度補正処理を行うので、
強度補正処理に使用する信号が少なく、実施の形態２よりも低処理・低コストな復調処理装置を構築することができる。その反面、遅延補償器１０７の偏光依存損失および温度依存損失の影響を受けやすいので、遅延補償器１０７に使用する多ポート光カプラには偏光依存損失や温度依存損失の低い光デバイスを選定する必要がある。

実施の形態４．
実施の形態３では、（ｍ１、ｍ２）の合計２個の信号を用いて強度補正処理部１０９ａで強度補正を行った。
本実施の形態４では、ｍ１あるいはｍ２の何れか１信号をモニタ信号（ｍ）として強度補正処理を行う。
なお、本実施の形態４に係る光ファイバセンサシステムの構成は、復調処理部１０９を除き実施の形態３と同様であるため、説明を省略する。

本実施の形態４では、実施の形態３と同様に遅延補償器１０７の多ポートカプラとして偏光依存損失、温度依存損失が低いものを選択することによって、これらは一定であると見なす。
さらに実施の形態３に加えて、干渉型光ファイバセンサ１０５に使用する光カプラの偏光依存損失、温度依存損失も一定であると見なすため、干渉型光ファイバセンサ１０５に使用する光カプラには偏光依存損失や温度依存損失の低いものを選定する必要がある。

次に、本実施の形態４における強度補正処理について説明する。
本実施の形態４では、モニタポートの１信号（ｍ）のみを用い、次式（１７）により強度補正処理を行う。

上記式（１７）の係数（ｍ０、Ａ１＿０、Ｂ１＿０、Ａ２＿０、Ｂ２＿０）は、事前に初期値を計測して図示しないメモリ等の記憶手段に記憶させておく。
実際の復調処理においては、モニタ信号（ｍ）から上記式（１７）を用いてＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を算出し、実施の形態１で述べた式（１１）および式（１２）を経て、式（８）のａｔａｎ復調あるいは式（９）の微分クロス乗算復調処理を行うことにより、干渉位相信号φを得ることができる。

図６は、本実施の形態４における位相復調処理を表すブロック図である。
復調処理部１０９は、受光部１０８ａより（Ｉ１）を、受光部１０８ｂより（Ｉ２）を、受光部１０８ｃより（ｍ）又は（ｍ２）を受け取り、上述の式（１１）（１２）（１７）を用いて干渉位相信号φを得る。

実施の形態３における図５の構成と異なり、モニタ信号を１つのみしか用いないので、強度補正処理に使用する信号が少なく、実施の形態３よりも低処理・低コストな復調処理装置を構築することができる。

なお、本実施の形態４においては、モニタ信号として、モニタポートの前後パルスのどちらか１信号を用いた強度補正処理について述べたが、モニタポートを使用しないで、パルス光源１０１の直後や遅延補償器１０７の直前にタップＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を挿入して得られた平均パワーをモニタ信号として使用しても同様の効果が得られる。
このとき、遅延補償器１０７のモニタポートは不要になる。

以上のように、本実施の形態４によれば、
式（１７）の係数ｍ０、Ａ１＿０、Ｂ１＿０、Ａ２＿０、Ｂ２＿０を記憶する記憶手段を設け、
強度補正処理部１０９ａは、
当該記憶値及び式（１７）を用いて強度補正処理を行うので、
強度補正に使用する信号が少なく、実施の形態３よりも低処理・低コストな復調処理装置を構築することができる。その反面、実施の形態３と比較して、干渉型光ファイバセンサ１０５の偏光依存損失および温度依存損失の影響を受けやすいので、干渉型光ファイバセンサ１０５に使用する光カプラには偏光依存損失や温度依存損失の低い光デバイスを選定する必要がある。

実施の形態５．
実施の形態２では、（ｍ１、ｍ２、ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）の合計６個の信号を用いて強度補正処理部１０９ａで強度補正を行った。
本実施の形態５では、干渉信号光（ｌ１、ｌ２）の前後に現れる前後パルス（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）の４信号を用いて強度補正処理を行う。
従って、実施の形態２の図３と比較して、モニタポートの受光部（Ｍ）が不要となる。
また、本実施の形態５では、実施の形態４と同様に干渉型光ファイバセンサ１０５に使用する光カプラとして偏光依存損失、温度依存損失が低いものを選択することによって、これらは一定であると見なす。
なお、本実施の形態５に係る光ファイバセンサシステムの構成は、復調処理部１０９を除き実施の形態１の図１と同様であるため、説明を省略する。

次に、本実施の形態５における強度補正処理について説明する。
本実施の形態５では、モニタポートの２信号（ｍ１、ｍ２）は使用せずに、初期状態から安定しているものと見なして、次式（１８）により強度補正処理を行う。

上記式（１８）の係数（ｍ１＿０、ｍ２＿０）は、事前に初期値を計測して図示しないメモリ等の記憶手段に記憶させておく。
実際の復調処理においては、前後パルス（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）から上記式（１８）を用いてＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を算出し、実施の形態１で述べた式（１１）および式（１２）を経て、式（８）のａｔａｎ復調あるいは式（９）の微分クロス乗算復調処理を行うことにより、干渉位相信号φを得ることができる。

図７は、本実施の形態５における位相復調処理を表すブロック図である。
復調処理部１０９は、受光部１０８ａより（Ｉ１、ｐ１１、ｐ１２）を、受光部１０８ｂより（Ｉ２、ｐ２１、ｐ２２）を受け取り、上述の式（１１）（１２）（１８）を用いて干渉位相信号φを得る。

実施の形態２における図４と異なり、モニタ信号を用いないので、モニタポート自体が不要となり、さらに強度補正処理に使用する信号が少なく、実施の形態２よりも低処理・低コストな復調処理装置を構築することができる。

以上のように、本実施の形態５によれば、
強度補正処理部１０９ａは、
干渉信号光の干渉成分（ｌ１、ｌ２）の前後に現れる非干渉成分（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）を用いて強度補正処理を行うので、
強度補正処理に使用する信号が少なく、実施の形態２よりも低処理・低コストな復調処理装置を構築することができる。また、実施の形態３および４と比較して、モニタポート用の受光部（Ｍ）が不要であるため、コスト低減に資する。
その反面、干渉型光ファイバセンサ１０５の偏光依存損失および温度依存損失の影響を受けやすいので、干渉型光ファイバセンサ１０５に使用する光カプラには偏光依存損失や温度依存損失の低い光デバイスを選定する必要がある。

また、干渉信号光（ｌ１、ｌ２）を表す数式（１８）の係数（ｍ１＿０、ｍ２＿０、ｐ１１＿０、ｐ１２＿０、ｐ２１＿０、ｐ２２＿０）を記憶する記憶手段を設け、
強度補正処理部１０９ａは、
当該記憶値及び式（１８）に基づいて強度補正処理を行うので、
非干渉成分（ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２）のみを用いて強度補正処理を行っても高精度なセンシングを行うことができる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る光ファイバセンサシステムの一部の構成を示すものである。
上記実施の形態１〜５においては、遅延補償器１０７の入力側の未使用ポートを信号ポートとして説明したが、図８に示すように、入力ポート直前に光サーキュレータ１１０あるいは光カプラなどを挿入することにより、入力ポートも信号ポートとして使用することが可能である。
その他の構成は、実施の形態１〜５のいずれかと同様のものとすることができる。

実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。
上記実施の形態１〜６においては、往復路別伝送の光ファイバセンサシステムについて述べたが、光源部と検出部との場所が全く異なるような、図９のような形態をとる片道伝送の光ファイバセンサシステムに適用しても、同様の効果が得られる。
復調処理に関しては、実施の形態１〜５で説明したいずれかの方法及び構成を用いることができる。

上記実施の形態１〜７において、遅延補償器１０７として３ポート光カプラを用いた構成について述べたが、４ポート以上の光カプラを用いても同様の効果が得られる。
ただし、ｎポートの光カプラを用いた場合はポート間の位相差は２π／ｎとなるので、式（１０）〜（１２）、（１４）の直交成分を抽出する過程の計算式は、ポート数に応じた適切な式に置き換える必要がある。

上記実施の形態１〜７において、反射型の光ファイバセンサから構成されるシステムについて述べたが、透過型の光ファイバセンサでも同様の効果が得られる。
しかし、透過型の光ファイバセンサにおいては反射素子のＦＲＭ（Ｆａｒａｄａｙ Ｒｏｔａｔｏｒ Ｍｉｒｒｏｒ）を使用しないので、偏波保持ファイバを用いるなど他の偏光対策が必要となる。

上記実施の形態１〜７において、ＴＤＭを基本とした光カプラ分岐から構成されるシステムについて述べたが、光スイッチを用いたＴＤＭや、光合波分波器およびＯＡＤＭ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を用いたＷＤＭに適用しても同様の効果が得られる。

上記実施の形態１〜７において、往復路別伝送の光ファイバセンサシステムについて述べたが、往復路共通伝送の光ファイバセンサシステムに適用しても同様の効果が得られる。
ただし、往復路共通伝送の光ファイバセンサシステムにおいては、伝送路中で発生するレイリー散乱による雑音が支配的になるので、長距離伝送システムには不適である。

上記実施の形態１〜７において、ＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式と比較して低コスト・低処理量な光ファイバセンサシステムが構築できることを特長として述べたが、ＰＧＣ位相変調が不要であるために余分となった周波数帯域をセンサの受信周波数帯域に割り振ることも可能である。
このときには、ＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式と同程度のコスト・処理量で、センサの受信周波数帯域を拡げることができる。即ち、ＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式と比較して、より高周波帯域まで測定できることを特長とするシステムも構築可能である。

実施の形態１に係る光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。 実施の形態１における位相復調処理を表すブロック図である。 実施の形態２に係る光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。 実施の形態２における位相復調処理を表すブロック図である。 実施の形態３における位相復調処理を表すブロック図である。 実施の形態４における位相復調処理を表すブロック図である。 実施の形態５における位相復調処理を表すブロック図である。 実施の形態６に係る光ファイバセンサシステムの一部の構成を示すものである。 実施の形態７に係る光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。 従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式を用いた光ファイバセンサシステムの構成を示すものである。 従来のＰＧＣ−ＰＭＤＩ方式を用いた光ファイバセンサシステムの位相復調処理を表すブロック図である。

符号の説明

１０１ パルス光源部、１０２ 往路伝送ファイバ、１０３ 光カプラ、１０４ ＰＧＣ位相変調器、１０５ 干渉型光ファイバセンサ、１０６ 復路伝送ファイバ、１０７ 遅延補償器、１０８ 受光部、１０８ａ 受光部、１０８ｂ 受光部、１０９ 復調処理部、１１０ 光サーキュレータ。

Claims (12)

1. 検出物理量に基づく位相信号を入力信号光に重畳して出力する光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサの光路差と同じ光路差を有し、該光路差に基づいて干渉信号光を出力する遅延補償器と、
   前記遅延補償器の出力に基づき、前記位相信号を復調する復調処理部とを備え、
   前記遅延補償器は、前記干渉信号光を均等な位相差で複数出力し、
   前記復調処理部は、
   これら複数の干渉信号光より直交成分を抽出し、
   該直交成分に基づいて前記位相信号を復調して検出物理量を得ることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
2. 前記干渉信号光を表す数式の係数を記憶する記憶手段を設け、
   前記復調処理部は、
   当該記憶値に基づいて、前記直交成分を抽出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
3. 前記記憶手段は、次式（１）の係数Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を記憶し、
   前記復調処理部は、
   当該記憶値及び次式（１）に基づいて、前記直交成分を抽出することを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサシステム。
   

   
4. 前記干渉信号光の強度補正処理を行う補正手段を設け、
   前記遅延補償器は、
   前記光ファイバセンサのアーム挿入損失に比例した強度のモニタ信号を出力し、
   前記補正手段は、前記モニタ信号を用いて強度補正処理を行い、
   前記復調処理部は、
   当該補正処理後の干渉信号光を用いて、前記直交成分を抽出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
5. 前記補正手段は、
   前記干渉信号光の干渉成分の前後に現れる非干渉成分を用いて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサシステム。
6. 前記補正手段は、
   次式（２）を用いて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンサシステム。
   

   
7. 前記干渉信号光を表す数式の係数を記憶する記憶手段を設け、
   前記補正手段は、
   当該記憶値に基づいて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサシステム。
8. 前記記憶手段は、
   次式（３）の係数ｍ１＿０、ｍ２＿０、ｐ１１＿０、ｐ１２＿０、ｐ２１＿０、ｐ２２＿０を記憶し、
   前記補正手段は、
   当該記憶値及び次式（３）を用いて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の光ファイバセンサシステム。
   

   
9. 前記記憶手段は、
   次式（４）の係数ｍ０、Ａ１＿０、Ｂ１＿０、Ａ２＿０、Ｂ２＿０を記憶し、
   前記補正手段は、
   当該記憶値及び次式（４）を用いて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の光ファイバセンサシステム。
   

   
10. 前記干渉信号光の強度補正処理を行う補正手段を設け、
    前記補正手段は、
    前記干渉信号光の干渉成分の前後に現れる非干渉成分を用いて強度補正処理を行い、
    前記復調処理部は、
    当該補正処理後の干渉信号光を用いて、前記直交成分を抽出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
11. 前記干渉信号光を表す数式の係数を記憶する記憶手段を設け、
    前記補正手段は、
    当該記憶値に基づいて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバセンサシステム。
12. 前記記憶手段は、
    次式（５）の係数ｍ１＿０、ｍ２＿０を記憶し、
    前記補正手段は、
    当該記憶値及び次式（５）を用いて強度補正処理を行うことを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバセンサシステム。
    

    

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