JP2012154778A - Interference optical fiber sensor system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a phase shift speed for enabling signal demodulation.SOLUTION: An interference optical fiber sensor system comprises: a pulse light source 1 for outputting pulse light; an interferometry 5 that includes a sensing fiber 11a for detecting a physical amount and a delay compensation fiber 30a having the same propagation delay time (τd) as the sensing fiber 11a, and causes interference of the pulse light from the pulse light source 1; and a detection part for detecting a signal φ corresponding to the physical amount by sampling interference light from the interferometry 5. The pulse light source 1 outputs the pulse light at a cycle shorter than the propagation delay time (τd) corresponding to time from input of the pulse light to the sensing fiber 11a to output thereof, and the detection part samples the interference light at a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a.

Description

本発明は、さまざまな物理量を検出することが可能な干渉型光ファイバセンサシステムに関するものである。   The present invention relates to an interference type optical fiber sensor system capable of detecting various physical quantities.

従来の干渉型光ファイバセンサシステムの一例として、検出する信号をセンシングファイバの歪みに変え、センシングファイバをアームとする光ファイバ干渉計を構成して信号を検出するものがある。前記干渉型光ファイバセンサシステムは、さまざまな物理量を検出することが可能あり、例えば、非特許文献1に記載の磁気信号を検出するセンサや、非特許文献2に記載の音響信号を検出するセンサなどがある。また、干渉型光ファイバセンサシステムの復調方式は、例えば、非特許文献1に示されているPGC(Phase Generated Carrier)方式や、非特許文献2に示されているヘテロダイン方式などがある。   As an example of a conventional interference-type optical fiber sensor system, there is one that detects a signal by configuring an optical fiber interferometer using a sensing fiber as an arm by changing a signal to be detected into a strain of the sensing fiber. The interference type optical fiber sensor system can detect various physical quantities. For example, a sensor that detects a magnetic signal described in Non-Patent Document 1 or a sensor that detects an acoustic signal described in Non-Patent Document 2. and so on. Moreover, the demodulation system of the interference type optical fiber sensor system includes, for example, a PGC (Phase Generated Carrier) system disclosed in Non-Patent Document 1 and a heterodyne system disclosed in Non-Patent Document 2.

ここで、PGC方式を用いた従来の干渉型光ファイバセンサシステムの動作原理を、図5を用いて説明する。PGC方式は、例えば非特許文献1に記載されている復調方式(以下、従来技術1と記す)である。
パルス光源1から出力されるパルス光が光カプラ10で2つに分割され、ミラー12a、12bで反射する。この際、一方はセンシングファイバ11aを通過してセンシング光となり(経路AC)、もう一方はリファレンスファイバ11bを通過してリファレンス光となる(経路AB)。センシング光はセンシングファイバ11aを通過するときに、センシングファイバに加わる信号φで位相変調される。
光カプラ10で2つに分割されたパルス光の一方は、センシングファイバ11aの伝搬遅延τdで2つのパルスとなって伝送され、それぞれが光カプラ32で2つに分割され、ミラー31a、31bで反射する。この際、一方は遅延補償ファイバ30aを通過してから反射し、もう一方は光ファイバ30bを通過して反射してO/E変換器33に入力する。
Here, the operation principle of the conventional interference type optical fiber sensor system using the PGC method will be described with reference to FIG. The PGC method is, for example, a demodulation method described in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as Prior Art 1).
The pulsed light output from the pulsed light source 1 is divided into two by the optical coupler 10 and reflected by the mirrors 12a and 12b. At this time, one passes through the sensing fiber 11a and becomes sensing light (path AC), and the other passes through the reference fiber 11b and becomes reference light (path AB). When the sensing light passes through the sensing fiber 11a, it is phase-modulated by a signal φ applied to the sensing fiber.
One of the pulse lights divided into two by the optical coupler 10 is transmitted as two pulses by the propagation delay τd of the sensing fiber 11a, each of which is divided into two by the optical coupler 32, and is mirrored by the mirrors 31a and 31b. reflect. At this time, one is reflected after passing through the delay compensation fiber 30 a, and the other is reflected through the optical fiber 30 b and input to the O / E converter 33.

図5のパルス波形は、各経路を通過したパルス光の波形を示している。Aは、パルス光源1の出力であるAの位置を通過するパルス波形である。パルス光源1から出力される順に1,2,3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDEGは、O/E変換器33に入力するパルス波形Gの内、経路ABDEGを伝搬した成分である。到達する順にa1,a2,a3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDFG、パルス波形ACDEG、パルス波形ACDFGもそれぞれの経路を伝搬してO/E変換器33に入力するパルスの成分であり、到達する順に番号を付与した。   The pulse waveform in FIG. 5 shows the waveform of the pulsed light that has passed through each path. A is a pulse waveform passing through the position of A, which is the output of the pulse light source 1. Numbers 1, 2, 3... Are assigned in order of output from the pulse light source 1. The pulse waveform ABDEG is a component propagated through the path ABDEG in the pulse waveform G input to the O / E converter 33. Numbers a1, a2, a3... Are assigned in the order of arrival. The pulse waveform ABDFG, the pulse waveform ACDEG, and the pulse waveform ACDFG are also components of pulses that propagate through the respective paths and are input to the O / E converter 33, and are numbered in the order of arrival.

センシングファイバ11aの往復伝搬時間(伝搬遅延時間τd)と遅延補償ファイバ30aの往復伝搬時間とを等しくすることで、パルスbi(i=1,2,3・・・)とci(i=1,2,3・・・)とが重なり干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)となる。
遅延補償ファイバ30aは圧電子34で正弦波状の歪みが加えられているため、干渉光にPGCが発生する。復調器70ではO/E変換器33から出力されるbi+ciにタイミングを合わせてサンプリングすることで出力を得て、センシングファイバ11aで検出した信号を復調する。干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)は、パルス光源1から出力した同一のパルスが分岐したパルスであるためレーザの位相雑音が最小になる。
By making the round-trip propagation time (propagation delay time τd) of the sensing fiber 11a equal to the round-trip propagation time of the delay compensation fiber 30a, pulses bi (i = 1, 2, 3,...) And ci (i = 1, 2, 3... Overlaps to form an interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3...).
Since the delay compensation fiber 30a has a sinusoidal distortion applied by the piezoelectrons 34, PGC is generated in the interference light. The demodulator 70 obtains an output by sampling in accordance with the timing of bi + ci output from the O / E converter 33, and demodulates the signal detected by the sensing fiber 11a. The interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3,...) Is a pulse obtained by branching the same pulse output from the pulse light source 1, and therefore the phase noise of the laser is minimized.

復調器70では、先ずPGC信号発生器40の出力周波数でO/E変換器33の出力をAM復調するAM復調器51aでsinφを得る。ここでφはセンシングファイバ11aを通過した光の位相で位相変調された信号を含んでいる。AM復調器51bではPGC信号発生器40出力周波数の2倍の周波数でO/E変換器33の出力をAM復調することでcosφを得る。得られたsinφとcosφから逆正接演算器53で逆正接を演算し、不連続点補償演算器54で逆正接演算の不連続点を連結することでφを得る。不連続点の連結は複数ある逆正接の解の中から1つ前のパルスの演算結果と比較して最も差が小さい解を選択するもので、例えば逆正接の出力が+π[rad]を越えて−π[rad]側に移ったときに2πを加えることでφが連続した出力になるように不連続点を補償するものである。   In the demodulator 70, first, sin φ is obtained by the AM demodulator 51a that AM demodulates the output of the O / E converter 33 at the output frequency of the PGC signal generator 40. Here, φ includes a signal that is phase-modulated with the phase of the light that has passed through the sensing fiber 11a. In the AM demodulator 51b, cos φ is obtained by AM demodulating the output of the O / E converter 33 at a frequency twice the output frequency of the PGC signal generator 40. The arc tangent calculator 53 calculates the arc tangent from the obtained sin φ and cos φ, and the discontinuous point compensation calculator 54 connects the discontinuous points of the arc tangent calculation to obtain φ. The discontinuous point connection is to select the solution having the smallest difference from the calculation result of the previous pulse from a plurality of arc tangent solutions. For example, the arc tangent output exceeds + π [rad]. Then, when moving to the -π [rad] side, 2π is added to compensate for discontinuous points so that φ becomes a continuous output.

次に、ヘテロダイン方式を用いた従来の干渉型光ファイバセンサシステムの動作原理を、図6を用いて説明する。ヘテロダイン方式は、例えば非特許文献2に記載されている復調方式(以下、従来技術2と記す)である。
パルス光源1から出力されるパルス光が光カプラ20で2つに分割され、一方のパルス光を遅延補償ファイバ20aにより遅延させ、もう一方のパルス光の周波数を光周波数シフタ22によりシフトさせてから光カプラ23で結合する。次に光カプラ10で2つに分割され、ミラー12a、12bで反射する。この際、一方はセンシングファイバ11aを通過してセンシング光となり、もう一方はリファレンスファイバ11bを通過してリファレンス光となる。センシング光はセンシングファイバ11aを通過するときに、センシングファイバに加わる信号φで位相変調される。光カプラ10に戻ったパルス光はO/E変換器33に入力する。
Next, the operation principle of the conventional interference type optical fiber sensor system using the heterodyne method will be described with reference to FIG. The heterodyne method is, for example, a demodulation method described in Non-Patent Document 2 (hereinafter referred to as Conventional Technology 2).
The pulse light output from the pulse light source 1 is divided into two by the optical coupler 20, one pulse light is delayed by the delay compensation fiber 20 a, and the frequency of the other pulse light is shifted by the optical frequency shifter 22. Coupled by the optical coupler 23. Next, it is divided into two by the optical coupler 10 and reflected by the mirrors 12a and 12b. At this time, one passes through the sensing fiber 11a and becomes sensing light, and the other passes through the reference fiber 11b and becomes reference light. When the sensing light passes through the sensing fiber 11a, it is phase-modulated by a signal φ applied to the sensing fiber. The pulsed light that has returned to the optical coupler 10 is input to the O / E converter 33.

図6のパルス波形は、各経路を通過したパルス光の波形を示している。Aは、パルス光源1の出力であるAの位置を通過するパルス波形である。パルス光源1から出力される順に1,2,3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDEGは、O/E変換器33に入力するパルス波形Gの内、経路ABDEGを伝搬した成分である。到達する順にa1,a2,a3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDFG、パルス波形ACDEG、パルス波形ACDFGもそれぞれの経路を伝搬してO/E変換器33に入力するパルスの成分であり、到達する順に番号を付与した。   The pulse waveform in FIG. 6 shows the waveform of the pulsed light that has passed through each path. A is a pulse waveform passing through the position of A, which is the output of the pulse light source 1. Numbers 1, 2, 3... Are assigned in order of output from the pulse light source 1. The pulse waveform ABDEG is a component propagated through the path ABDEG in the pulse waveform G input to the O / E converter 33. Numbers a1, a2, a3... Are assigned in the order of arrival. The pulse waveform ABDFG, the pulse waveform ACDEG, and the pulse waveform ACDFG are also components of pulses that propagate through the respective paths and are input to the O / E converter 33, and are numbered in the order of arrival.

光カプラ10に戻ったパルス光の内、経路ABDFGを伝搬した成分と経路ACDEGを伝搬した成分が干渉して干渉パルスとなる。
干渉させるパルス光の一方を周波数シフトさせたことで、O/E変換器33の出力の干渉パルスに現れる光ビート(光周波数シフタでシフトする周波数の成分)を復調器72で位相復調することでセンシングファイバ11aで検出した信号を得る。
干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)は光源から出力した同一のパルスが分岐したパルスであるためレーザの位相雑音が最小になる。
Of the pulsed light returned to the optical coupler 10, the component propagated through the path ABDFG and the component propagated through the path ACDEG interfere to form an interference pulse.
By demodulating one phase of the interfering pulse light, the demodulator 72 demodulates the optical beat (frequency component shifted by the optical frequency shifter) appearing in the interference pulse output from the O / E converter 33. A signal detected by the sensing fiber 11a is obtained.
The interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3,...) Is a pulse obtained by branching the same pulse output from the light source, so that the phase noise of the laser is minimized.

従来技術2の復調器72では、オシレータ26の出力を参照信号とする同期検波器56aとオシレータ26の出力の位相をπ/2[rad]シフトさせた参照信号とする同期検波器56bでsinφとcosφを得る。逆正接演算器53と不連続点補償演算器54は上記従来技術1と同様に動作する。   In the demodulator 72 of the prior art 2, the sin φ is changed by the synchronous detector 56a using the output of the oscillator 26 as a reference signal and the synchronous detector 56b using the reference signal obtained by shifting the phase of the output of the oscillator 26 by π / 2 [rad]. Get cos φ. The arc tangent calculator 53 and the discontinuity compensation calculator 54 operate in the same manner as in the prior art 1.

JJAP Vol. 46, No. 2 “Design of Fiber-Optic Magnetometer Utilizing Magnetostriction"JJAP Vol. 46, No. 2 “Design of Fiber-Optic Magnetometer Utilizing Magnetostriction” JASA Vol. 115, No. 6 “Acoustic Performance of a lage-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array"JASA Vol. 115, No. 6 “Acoustic Performance of a lage-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”

センシングファイバ11aの感度が高い場合、センシングファイバ11aに入力する信号φの振幅が大きい場合、またはセンシングファイバ11aに入力する信号φの周波数が高い場合、センシングファイバ11aで変調された光の位相変化が速くなる。
復調の際には、O/E変換器33から出力される干渉パルスが繰返し得られる周期でサンプリングして位相復調するため、サンプリング1周期の間の光の位相変化がπ[rad]を超えると復調できなくなる。このように復調が正しくできなくなる一例を図7に示す。
図7は正弦波信号が入力した場合の出力波形の例を示す図である。実線は位相φに換算した入力信号、●は離散的に得られる出力である。例1は正常に入力信号を検出している例、例2は入力信号の周波数が高いために復調できなくなった例である。例2の図中に符号Aで示した2つ目の出力は、図中に矢印で示した2つ目の出力のタイミングの入力が1つ目の出力からπ[rad]を超えたため、不連続点の連結が正しく働かなくなり、結果として入力と異なる波形を出力することを示している。
When the sensitivity of the sensing fiber 11a is high, when the amplitude of the signal φ input to the sensing fiber 11a is large, or when the frequency of the signal φ input to the sensing fiber 11a is high, the phase change of the light modulated by the sensing fiber 11a changes. Get faster.
At the time of demodulation, since the phase is demodulated by sampling in a cycle in which the interference pulse output from the O / E converter 33 is repeatedly obtained, if the phase change of light during one sampling period exceeds π [rad] It becomes impossible to demodulate. An example in which demodulation cannot be performed correctly is shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an output waveform when a sine wave signal is input. The solid line is the input signal converted into the phase φ, and the ● is the output obtained discretely. Example 1 is an example in which an input signal is normally detected, and Example 2 is an example in which demodulation is not possible because the frequency of the input signal is high. The second output indicated by symbol A in the diagram of Example 2 is not valid because the input of the timing of the second output indicated by the arrow in the diagram exceeds π [rad] from the first output. It shows that the connection of continuous points does not work correctly, and as a result, a waveform different from the input is output.

従来の技術においては、正常な復調を補償するため、検出できる信号の振幅や周波数に制限を設けるか、位相変化速度が復調できる範囲におさまるようにセンシングファイバの感度を抑えなければならなかった。特に、センシングファイバを長くして感度を高くする場合に、サンプリング周期は長くなり、信号の位相変化は速くなるため、避けがたい問題となった。   In the conventional technique, in order to compensate for normal demodulation, it is necessary to limit the amplitude and frequency of a signal that can be detected, or to suppress the sensitivity of the sensing fiber so that the phase change rate is within a demodulatable range. In particular, when the sensitivity is increased by increasing the length of the sensing fiber, the sampling period becomes longer and the phase change of the signal becomes faster, which is an unavoidable problem.

この発明に係る干渉型光ファイバセンサシステムは、パルス光を出力する光源と、物理量を検知するセンシングファイバ、および前記センシングファイバと伝搬遅延時間(τd)が等しい遅延補償ファイバを有し、前記光源からのパルス光を干渉させる干渉計と、前記干渉計からの干渉光をサンプリングして前記物理量に対応する測定信号を検出する検出部と、を備え、前記光源は、前記センシングファイバに前記パルス光が入力してから出力されるまでの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、前記パルス光を出力し、前記検出部は、前記センシングファイバの前記伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、前記干渉光をサンプリングするものである。   An interference type optical fiber sensor system according to the present invention includes a light source that outputs pulsed light, a sensing fiber that detects a physical quantity, and a delay compensation fiber that has a propagation delay time (τd) equal to that of the sensing fiber. An interferometer that causes the pulsed light to interfere, and a detection unit that samples the interference light from the interferometer and detects a measurement signal corresponding to the physical quantity, and the light source includes the pulsed light on the sensing fiber. The pulsed light is output in a cycle shorter than a propagation delay time (τd) from input to output, and the detection unit has a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber and the interference. It samples light.

この発明に係る干渉型光ファイバセンサシステムは、信号の復調を可能とする位相変化速度を向上することができる。   The interference type optical fiber sensor system according to the present invention can improve the phase change speed that enables demodulation of the signal.

実施の形態1に係る干渉型光ファイバセンサシステムの構成とパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the structure and pulse waveform of the interference type optical fiber sensor system which concern on Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係る干渉型光ファイバセンサシステムの構成とパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the structure and pulse waveform of the interference type optical fiber sensor system which concern on Embodiment 2. FIG. 実施の形態3に係る干渉型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration of an interference optical fiber sensor system according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る干渉型光ファイバセンサシステムのパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the pulse waveform of the interference type optical fiber sensor system which concerns on Embodiment 3. FIG. 従来技術1の構成とパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the structure and pulse waveform of the prior art 1. FIG. 従来技術2の構成とパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the structure and pulse waveform of the prior art 2. FIG. 正弦波信号が入力した場合の出力波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output waveform when a sine wave signal is input.

実施の形態1.
(構成)
図1は実施の形態1に係る干渉型光ファイバセンサシステムの構成とパルス波形を示す図である。
本実施の形態1における干渉型光ファイバセンサシステムは、復調方式にPGC方式を用いるものである。
以下、上述した従来技術1との相違点を中心に説明する。
Embodiment 1 FIG.
(Constitution)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration and a pulse waveform of an interference optical fiber sensor system according to the first embodiment.
The interference type optical fiber sensor system according to the first embodiment uses a PGC method as a demodulation method.
Hereinafter, the difference from the above-described prior art 1 will be mainly described.

本実施の形態1における干渉型光ファイバセンサシステムは、従来技術1と同様に、パルス光を発生するパルス光源1と、パルス光源1からのパルス光を干渉させる干渉計5と、PGC信号を発生するPGC信号発生器40と、干渉光を電気信号に変換するO/E変換器33と、物理量に対応する信号φの抽出等を行う復調器70と、を備えている。   The interference type optical fiber sensor system according to the first embodiment generates a pulse light source 1 that generates pulsed light, an interferometer 5 that causes pulsed light from the pulsed light source 1 to interfere, and a PGC signal, as in the prior art 1. A PGC signal generator 40, an O / E converter 33 that converts interference light into an electrical signal, and a demodulator 70 that extracts a signal φ corresponding to a physical quantity.

干渉計5は、光ファイバ1a、光カプラ10、センシングファイバ11a、リファレンスファイバ11b、ミラー12a、12b、光ファイバ10a、遅延補償ファイバ30a、光ファイバ30b、ミラー31a、31b、光カプラ32、圧電子34、および光ファイバ32aにより構成される。
センシングファイバ11aは、物理量によってパルス光を位相変調する。
遅延補償ファイバ30aは、その伝搬遅延時間が、センシングファイバ11aにパルス光が入力してから出力されるまでの伝搬遅延時間(τd)と等しく設定されている。
干渉計5は、パルス光源1から出力されるパルス光を光カプラ10で分岐して、センシングファイバ11aを経たパルス光(経路ABDFG)と、遅延補償ファイバ30aを経たパルス光(経路ACDEG)とを干渉させ、干渉光(以下「干渉パルス」ともいう)をO/E変換器33に出力する。また、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ30aとの何れも経ていないパルス光(経路ABDEG)、および、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ30aとの何れも経たパルス光(経路ACDFG)もO/E変換器33に出力する。パルス波形の詳細は後述する。
The interferometer 5 includes an optical fiber 1a, an optical coupler 10, a sensing fiber 11a, a reference fiber 11b, mirrors 12a and 12b, an optical fiber 10a, a delay compensation fiber 30a, an optical fiber 30b, mirrors 31a and 31b, an optical coupler 32, and a piezoelectron. 34 and an optical fiber 32a.
The sensing fiber 11a modulates the phase of the pulsed light with a physical quantity.
The propagation delay time of the delay compensation fiber 30a is set equal to the propagation delay time (τd) from when pulse light is input to the sensing fiber 11a until it is output.
The interferometer 5 branches the pulsed light output from the pulsed light source 1 by the optical coupler 10, and combines the pulsed light (path ABDFG) that has passed through the sensing fiber 11a and the pulsed light (path ACDEG) that has passed through the delay compensation fiber 30a. The interference light (hereinafter also referred to as “interference pulse”) is output to the O / E converter 33. Also, pulse light that does not pass through both the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a (path ABDEG) and pulse light that passes through both the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a (path ACDFG) are also O / E converters. To 33. Details of the pulse waveform will be described later.

復調器70は、AM復調器51a、AM復調器51b、逆正接演算器53、不連続点補償演算器54を備える。復調器70では、O/E変換器33の出力から、干渉光に含まれる信号φの正弦波成分(sinφ)および余弦波成分(cosφ)を抽出し、正弦波成分および余弦波成分を用いて逆正接演算を行い、逆正接演算結果が不連続となっている場合、不連続点を連結して信号φを検出する。   The demodulator 70 includes an AM demodulator 51a, an AM demodulator 51b, an arc tangent calculator 53, and a discontinuous point compensation calculator 54. The demodulator 70 extracts the sine wave component (sin φ) and the cosine wave component (cos φ) of the signal φ included in the interference light from the output of the O / E converter 33, and uses the sine wave component and the cosine wave component. When the arctangent calculation is performed and the arctangent calculation result is discontinuous, the signal φ is detected by connecting the discontinuous points.

なお、「信号φ」は、本発明における「測定信号」に相当する。
なお、「O/E変換器33」および「復調器70」は、本発明における「検出部」を構成する。
The “signal φ” corresponds to the “measurement signal” in the present invention.
The “O / E converter 33” and the “demodulator 70” constitute the “detection unit” in the present invention.

本実施の形態におけるパルス光源1は、従来技術1と比較して、パルス繰返し周期が速いものを用いる。
また、O/E変換器33は、従来技術1と比較して、繰返し周期の速いパルスに対応するため出力周波数帯域が広いものを用いる。
また、復調器70は、従来技術1と比較して、干渉パルスを速くサンプリングして処理できるものを用いる。
また、PGC信号発生器40、圧電子34、および復調器70は、従来技術1と比較して、高い周波数のPGCが扱えるものを用いる。
本実施の形態におけるセンシングファイバ11aおよび遅延補償ファイバ30aには、従来技術1と比較して、長いものを用いることができる。即ち、従来技術1と比較して、感度が高いものを用いることができる。
As the pulse light source 1 in the present embodiment, a pulse light source having a faster pulse repetition period than that of the prior art 1 is used.
Further, as the O / E converter 33, an O / E converter 33 having a wide output frequency band is used in order to cope with a pulse having a fast repetition period as compared with the prior art 1.
The demodulator 70 is one that can sample and process interference pulses faster than the prior art 1.
In addition, the PGC signal generator 40, the piezoelectron 34, and the demodulator 70 are those that can handle a high-frequency PGC as compared with the prior art 1.
As the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a in the present embodiment, a longer one can be used as compared with the prior art 1. That is, a device having higher sensitivity than that of the prior art 1 can be used.

ここで、本実施の形態におけるパルス光源1が出力するパルス光の周期と、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)との関係は次のように設定している。
パルス光源1は、センシングファイバ11aにパルス光が入力してから出力されるまでの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、パルス光を出力する。そして、復調器70では、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、干渉光をサンプリングする。
例えば、復調器70での干渉光のサンプリングは、上記伝搬遅延時間(τd)より短い周期であって、且つ、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期(τc)とする。
このサンプリング周期(τc)は、物理量に応じて設定される周期である。例えば、測定対象の物理量においての使用環境等で想定される、センシングファイバ11aでの位相変化速度が最高となるときに、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となる周期である。
Here, the relationship between the period of the pulsed light output from the pulse light source 1 in the present embodiment and the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a is set as follows.
The pulsed light source 1 outputs pulsed light at a cycle shorter than the propagation delay time (τd) from when pulsed light is input to the sensing fiber 11a until it is output. The demodulator 70 samples the interference light at a period shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a.
For example, the sampling of the interference light in the demodulator 70 is a period shorter than the propagation delay time (τd), and the sampling period (τc) in which the phase change amount of the pulsed light in one period is π [rad] or less. ).
This sampling period (τc) is a period set according to the physical quantity. For example, when the phase change speed in the sensing fiber 11a is the highest assumed in the usage environment or the like of the physical quantity to be measured, the phase change amount of the pulsed light in one period is π [rad] or less. is there.

また、復調器70で干渉パルスの一つ一つを検出する時間幅(τs)を、次式(1)を満たすように設定する。

Figure 2012154778
Further, the time width (τs) for detecting each interference pulse by the demodulator 70 is set so as to satisfy the following expression (1).
Figure 2012154778

また、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)の間に干渉光をサンプルする数(Ni)を、次式(2a)または(2b)を満たすように設定する。

Figure 2012154778
ここで、NTは、2以上の整数である。
τcは、物理量に応じて設定される周期であって、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期である。
τdは、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間である。 Further, the number (N i ) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a is set so as to satisfy the following expression (2a) or (2b).
Figure 2012154778
Here, N T is an integer of 2 or more.
τc is a period set according to the physical quantity, and is a sampling period in which the amount of phase change of the pulsed light in one period is π [rad] or less.
τd is the propagation delay time of the sensing fiber 11a.

また、パルス光源1から出力するパルス光のパルス幅は通常、時間幅(τs)以下にする。   In addition, the pulse width of the pulsed light output from the pulse light source 1 is usually set to a time width (τs) or less.

図1に示したパルス波形は(2a)式の条件でNT=2、Ni=3とした一例である。
次に、図1のパルス波形例により本実施の形態における動作を説明する。
The pulse waveform shown in FIG. 1 is an example in which N T = 2 and N i = 3 under the condition of equation (2a).
Next, the operation in this embodiment will be described with reference to the pulse waveform example of FIG.

(動作)
図1のパルス波形は、各経路を通過したパルス光の波形を示している。Aは、パルス光源1の出力であるAの位置を通過するパルス波形である。パルス光源1から出力される順に1,2,3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDEGは、O/E変換器33に入力するパルス波形Gの内、経路ABDEGを伝搬した成分である。到達する順にa1,a2,a3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDFG、パルス波形ACDEG、パルス波形ACDFGもそれぞれの経路を伝搬してO/E変換器33に入力するパルスの成分であり、到達する順に番号を付与した。
(Operation)
The pulse waveform in FIG. 1 shows the waveform of the pulsed light that has passed through each path. A is a pulse waveform passing through the position of A, which is the output of the pulse light source 1. Numbers 1, 2, 3... Are assigned in order of output from the pulse light source 1. The pulse waveform ABDEG is a component propagated through the path ABDEG in the pulse waveform G input to the O / E converter 33. Numbers a1, a2, a3... Are assigned in the order of arrival. The pulse waveform ABDFG, the pulse waveform ACDEG, and the pulse waveform ACDFG are also components of pulses that propagate through the respective paths and are input to the O / E converter 33, and are numbered in the order of arrival.

パルス光源1からO/E変換器33までの各構成部の動作は従来技術1と同様に動作する。
ただし、本実施の形態においては、パルス光源1から出力の繰返し周期がセンシングファイバ11aおよび遅延補償ファイバ30aの伝搬遅延時間(τd)より短いため、最初は経路ABDEGを伝搬したパルスai(i=1,2,3・・・)だけがO/E変換器33から出力される。
次にABDFGを伝搬したパルスbi(i=1,2,3・・・)とACDEGを伝搬したパルスci(i=1,2,3・・・)とが干渉した干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)が出力される。
次にACDFGを伝搬したパルスdi(i=1,2,3・・・)がaiに重なり、重畳したパルス光a(i+7)+di(i=1,2,3・・・)が出力される。
パルスd1が出力された後は長い空き時間がないパルス列が構成される。
The operation of each component from the pulse light source 1 to the O / E converter 33 operates in the same manner as in the prior art 1.
However, in the present embodiment, since the repetition period of the output from the pulse light source 1 is shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a, the pulse ai (i = 1) propagated through the path ABDEG at first. , 2, 3... Are output from the O / E converter 33.
Next, an interference pulse bi + ci (i = 1) in which a pulse bi (i = 1, 2, 3...) Propagated through ABDFG interferes with a pulse ci (i = 1, 2, 3...) Propagated through ACCEG. , 2, 3... Are output.
Next, the pulse di (i = 1, 2, 3...) Propagated through the ACDFG overlaps ai, and the superimposed pulse light a (i + 7) + di (i = 1, 2, 3...) Is output. .
After the pulse d1 is output, a pulse train having no long idle time is formed.

このように、本実施の形態におけるパルス光源1が出力するパルス光の周期は、干渉光のパルス間に、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ30aとの何れも経ていないパルス光(経路ABDEG)と、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ30aとの何れも経たパルス光(経路ACDFG)とが重畳されるように設定している。   As described above, the period of the pulsed light output from the pulsed light source 1 in the present embodiment is the pulsed light (path ABDEG) in which neither the sensing fiber 11a nor the delay compensation fiber 30a passes between the pulses of the interference light. It is set so that the pulsed light (path ACDFG) passed through both the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a is superimposed.

復調器70は、パルス波形Gで表されるパルス列から、bi+ci(i=1,2,3・・・)の干渉パルスを抽出して復調する。そして、物理量に対応する信号φを出力する。復調の動作は例えば従来技術1と同様である。
なお、PGCの周波数は検出する信号の振幅と周波数に応じて設定する。
The demodulator 70 extracts and demodulates bi + ci (i = 1, 2, 3...) Interference pulses from the pulse train represented by the pulse waveform G. Then, a signal φ corresponding to the physical quantity is output. The demodulating operation is the same as that of the prior art 1, for example.
The frequency of the PGC is set according to the amplitude and frequency of the signal to be detected.

(効果)
以上のように本実施の形態においては、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)より短い周期でパルス光源1からパルス光を出力し、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、干渉光をサンプリングする。
このため、信号φの復調を可能とする位相変化速度を向上することができる。
よって、振幅が大きく周波数が高い信号を検出できる。また、センシングファイバ11aの感度を高くすることができる。
(effect)
As described above, in the present embodiment, pulse light is output from the pulse light source 1 with a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a, and with a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a, Sampling the interference light.
Therefore, it is possible to improve the phase change speed that enables demodulation of the signal φ.
Therefore, a signal having a large amplitude and a high frequency can be detected. In addition, the sensitivity of the sensing fiber 11a can be increased.

また、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期(τc)で干渉光をサンプリングするので、信号φの復調を正常に行うことができる。   Further, since the interference light is sampled at the sampling period (τc) in which the phase change amount of the pulsed light in one period is equal to or less than π [rad], the signal φ can be normally demodulated.

また、干渉光のパルス間に、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ30aとの何れも経ていないパルス光と、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ30aとの何れも経たパルス光とが重畳されるように、パルス光を出力する周期を設定した。
このため、信号φの復調に用いる干渉光(bi+ci)以外のパルス光を重畳させることができ、復調に必要な干渉パルスが得られる周期を最短にできるため、復調できる振幅および周波数を最大にできる。
Also, between the pulses of the interference light, the pulse light that has not passed through the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a and the pulse light that has passed through both the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 30a are superimposed. The period for outputting pulsed light was set.
For this reason, pulse light other than the interference light (bi + ci) used for demodulation of the signal φ can be superimposed, and the period for obtaining the interference pulse necessary for demodulation can be minimized, so that the amplitude and frequency that can be demodulated can be maximized. .

また、干渉光を検出する時間幅(τs)が、上記式(1)を満たすように設定し、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)の間に干渉光をサンプルする数(Ni)が、上記式(2a)または(2b)を満たすように設定した。また、パルス光源1から出力するパルス光のパルス幅が、時間幅(τs)以下である。
このため、センシングファイバの伝搬遅延時間(τd)より短い周期でパルス光源1からパルス光を出力して復調器70でサンプリングしても、ABDFGを伝搬したパルス光とACDEGを伝搬したパルス光とが干渉した干渉パルス(bi+ci)に、当該パルス光以外の別のパルス光が干渉することがない。よって、雑音が発生したり正常に動作しなくなることを防止でき、振幅が大きく周波数が高い信号を検出できる。
また、NT=2とすることで、ABDEGを伝搬したパルスaiとACDFGを伝搬したパルスdi(i=1,2,3・・・)とが重なり、復調に必要な干渉パルス(bi+ci)が得られる周期を最短にできるため、復調できる振幅および周波数を向上することができる。
The time width (τs) for detecting the interference light is set so as to satisfy the above formula (1), and the number (N i ) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a is In order to satisfy the above formula (2a) or (2b). Further, the pulse width of the pulsed light output from the pulse light source 1 is equal to or less than the time width (τs).
For this reason, even if pulse light is output from the pulse light source 1 with a period shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber and sampled by the demodulator 70, the pulse light propagated through the ABDFG and the pulse light propagated through the ACDEG Another pulse light other than the pulse light does not interfere with the interfered interference pulse (bi + ci). Therefore, it is possible to prevent noise from occurring or malfunction, and a signal having a large amplitude and a high frequency can be detected.
Further, by setting N T = 2, the pulse ai propagated through ABDEG and the pulse di (i = 1, 2, 3...) Propagated through ACDFG overlap, and an interference pulse (bi + ci) necessary for demodulation is generated. Since the obtained period can be minimized, the amplitude and frequency that can be demodulated can be improved.

また、干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)は光源から出力した同一のパルスが分岐したパルスであるため、レーザの位相雑音が最小になる条件を満たしている。   Further, the interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3...) Is a pulse obtained by branching the same pulse output from the light source, and therefore satisfies the condition for minimizing the phase noise of the laser.

また、干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)のパルス間(前後)には、パルス光源1から出力した、別のパルス(パルスai+di)が配置されるため、パルス列においてパルスがない空き時間を短くすることができ、パルス光源1、O/E変換器33などの構成部が応答する出力周波数帯域の範囲内で、効率の良い干渉パルスのサンプリングが成されている。   In addition, another pulse (pulse ai + di) output from the pulse light source 1 is arranged between (before and after) the interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3,...). The idle time can be shortened, and the interference pulse is efficiently sampled within the output frequency band in which the components such as the pulse light source 1 and the O / E converter 33 respond.

実施の形態2.
(構成)
図2は実施の形態2に係る干渉型光ファイバセンサシステムの構成とパルス波形を示す図である。
本実施の形態2における干渉型光ファイバセンサシステムは、復調方式にヘテロダイン方式を用いるものである。
以下、上述した従来技術2との相違点を中心に説明する。
Embodiment 2. FIG.
(Constitution)
FIG. 2 is a diagram showing a configuration and a pulse waveform of the interference type optical fiber sensor system according to the second embodiment.
The interference type optical fiber sensor system according to the second embodiment uses a heterodyne system as a demodulation system.
Hereinafter, the difference from the above-described prior art 2 will be mainly described.

本実施の形態2における干渉型光ファイバセンサシステムは、従来技術2と同様に、パルス光を発生するパルス光源1と、パルス光源1からのパルス光を干渉させる干渉計5と、オシレータ26と、干渉光を電気信号に変換するO/E変換器33と、物理量に対応する信号φの抽出等を行う復調器72と、を備えている。   The interference type optical fiber sensor system according to the second embodiment includes a pulse light source 1 that generates pulse light, an interferometer 5 that causes pulse light from the pulse light source 1 to interfere, an oscillator 26, An O / E converter 33 that converts the interference light into an electrical signal and a demodulator 72 that performs extraction of the signal φ corresponding to the physical quantity are provided.

干渉計5は、光ファイバ1a、光カプラ20、遅延補償ファイバ20a、光周波数シフタ22、光カプラ23、光ファイバ23a、光カプラ10、センシングファイバ11a、リファレンスファイバ11b、ミラー12a、12b、および光ファイバ10aにより構成される。
センシングファイバ11aは、物理量によってパルス光を位相変調する。
遅延補償ファイバ20aは、その伝搬遅延時間が、センシングファイバ11aにパルス光が入力してから出力されるまでの伝搬遅延時間(τd)と等しく設定されている。
干渉計5は、パルス光源1から出力されるパルス光を光カプラ20で分岐して、一方のパルス光を遅延補償ファイバ20aにより遅延させ、もう一方のパルス光の周波数を光周波数シフタ22によりシフトさせてから光カプラ23で結合する。さらに光カプラ10でパルス光を分岐して、センシングファイバ11aを経たパルス光(経路ABDFG)と、遅延補償ファイバ20aを経たパルス光(経路ACDEG)とを干渉させ、干渉光(以下「干渉パルス」ともいう)をO/E変換器33に出力する。また、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ20aとの何れも経ていないパルス光(経路ABDEG)、および、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ20aとの何れも経たパルス光(経路ACDFG)もO/E変換器33に出力する。パルス波形の詳細は後述する。
Interferometer 5 includes optical fiber 1a, optical coupler 20, delay compensation fiber 20a, optical frequency shifter 22, optical coupler 23, optical fiber 23a, optical coupler 10, sensing fiber 11a, reference fiber 11b, mirrors 12a and 12b, and light. It is comprised by the fiber 10a.
The sensing fiber 11a modulates the phase of the pulsed light with a physical quantity.
The propagation delay time of the delay compensation fiber 20a is set equal to the propagation delay time (τd) from when pulse light is input to the sensing fiber 11a until it is output.
The interferometer 5 branches the pulse light output from the pulse light source 1 by the optical coupler 20, delays one pulse light by the delay compensation fiber 20 a, and shifts the frequency of the other pulse light by the optical frequency shifter 22. Then, they are coupled by the optical coupler 23. Further, the optical coupler 10 divides the pulsed light so that the pulsed light (path ABDFG) passing through the sensing fiber 11a interferes with the pulsed light (path ACDEG) passing through the delay compensation fiber 20a, thereby causing interference light (hereinafter referred to as “interference pulse”). Is also output to the O / E converter 33. Also, pulse light that does not pass through either the sensing fiber 11a or the delay compensation fiber 20a (path ABDEG) and pulse light that passes through either the sensing fiber 11a or the delay compensation fiber 20a (path ACDFG) are also O / E converters. To 33. Details of the pulse waveform will be described later.

復調器72は、同期検波器56a、同期検波器56b、逆正接演算器53、不連続点補償演算器54を備える。復調器72では、O/E変換器33の出力から、干渉光に含まれる信号φの正弦波成分(sinφ)および余弦波成分(cosφ)を抽出し、正弦波成分および余弦波成分を用いて逆正接演算を行い、逆正接演算結果が不連続となっている場合、不連続点を連結して信号φを検出する。   The demodulator 72 includes a synchronous detector 56a, a synchronous detector 56b, an arctangent calculator 53, and a discontinuous point compensation calculator 54. The demodulator 72 extracts the sine wave component (sin φ) and the cosine wave component (cos φ) of the signal φ included in the interference light from the output of the O / E converter 33, and uses the sine wave component and the cosine wave component. When the arctangent calculation is performed and the arctangent calculation result is discontinuous, the signal φ is detected by connecting the discontinuous points.

なお、「O/E変換器33」および「復調器72」は、本発明における「検出部」を構成する。   The “O / E converter 33” and the “demodulator 72” constitute the “detection unit” in the present invention.

本実施の形態におけるパルス光源1は、従来技術2と比較して、パルス繰返し周期が速いものを用いる。
また、O/E変換器33は、従来技術2と比較して、繰返し周期の速いパルスに対応するため出力周波数帯域が広いものを用いる。
また、復調器72は、従来技術2と比較して、干渉パルスを速くサンプリングして処理できるものを用いる。
また、光周波数シフタ22、および復調器は、従来技術2と比較して、高い周波数の光ビートが扱えるものを用いる。
本実施の形態におけるセンシングファイバ11aおよび遅延補償ファイバ20aには、従来技術2と比較して、長いものを用いることができる。即ち、従来技術1と比較して、感度が高いものを用いることができる。
As the pulse light source 1 in the present embodiment, a pulse light source having a faster pulse repetition period than that of the prior art 2 is used.
Further, as the O / E converter 33, an O / E converter 33 having a wide output frequency band is used in order to cope with a pulse having a fast repetition period as compared with the conventional technique 2.
Further, the demodulator 72 is one that can sample and process interference pulses faster than the prior art 2.
Further, as the optical frequency shifter 22 and the demodulator, those capable of handling an optical beat having a high frequency as compared with the prior art 2 are used.
The sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 20a in the present embodiment can be longer than those of the conventional technique 2. That is, a device having higher sensitivity than that of the prior art 1 can be used.

パルス光源1が出力するパルス光の周期の条件は、上記実施の形態1と同様である。
復調器72で干渉パルスの一つ一つを検出する時間幅(τs)、および、センシングファイバ11aの伝搬遅延時間(τd)の間に干渉光をサンプルする数(Ni)の設定は、上記実施の形態1と同様である。ただし、NTは3以上に設定する。
パルス光源1から出力するパルス光のパルス幅は通常、時間幅(τs)以下にする。
The condition of the period of the pulsed light output from the pulsed light source 1 is the same as in the first embodiment.
The time width (τs) for detecting each interference pulse by the demodulator 72 and the number (N i ) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a are set as described above. The same as in the first embodiment. However, NT is set to 3 or more.
The pulse width of the pulsed light output from the pulsed light source 1 is usually set to a time width (τs) or less.

図2に示したパルス波形は(2a)式の条件でNT=3、Ni=3とした一例である。
次に、図2のパルス波形例により本実施の形態における動作を説明する。
The pulse waveform shown in FIG. 2 is an example in which N T = 3 and N i = 3 under the condition of equation (2a).
Next, the operation in the present embodiment will be described with reference to the pulse waveform example of FIG.

(動作)
図2のパルス波形は、各経路を通過したパルス光の波形を示している。Aは、パルス光源1の出力であるAの位置を通過するパルス波形である。パルス光源1から出力される順に1,2,3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDEGは、O/E変換器33に入力するパルス波形Gの内、経路ABDEGを伝搬した成分である。到達する順にa1,a2,a3・・・の番号を付与した。パルス波形ABDFG、パルス波形ACDEG、パルス波形ACDFGもそれぞれの経路を伝搬してO/E変換器33に入力するパルスの成分であり、到達する順に番号を付与した。
(Operation)
The pulse waveform in FIG. 2 shows the waveform of the pulsed light that has passed through each path. A is a pulse waveform passing through the position of A, which is the output of the pulse light source 1. Numbers 1, 2, 3... Are assigned in order of output from the pulse light source 1. The pulse waveform ABDEG is a component propagated through the path ABDEG in the pulse waveform G input to the O / E converter 33. Numbers a1, a2, a3... Are assigned in the order of arrival. The pulse waveform ABDFG, the pulse waveform ACDEG, and the pulse waveform ACDFG are also components of pulses that propagate through the respective paths and are input to the O / E converter 33, and are numbered in the order of arrival.

パルス光源1からO/E変換器33までの各構成部の動作は従来技術2と同様に動作する。
ただし、本実施の形態においては、パルス光源1から出力の繰返し周期がセンシングファイバ11aおよび遅延補償ファイバ20aの伝搬遅延時間(τd)より短いため、最初は経路ABDEGを伝搬したパルスai(i=1,2,3・・・)だけがO/E変換器33から出力される。
次にABDFGを伝搬したパルスbi(i=1,2,3・・・)とACDEGを伝搬したパルスci(i=1,2,3・・・)とが干渉した干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)が出力される。
次にACDFGを伝搬したパルスdi(i=1,2,3・・・)が出力される。
The operation of each component from the pulse light source 1 to the O / E converter 33 operates in the same manner as in the prior art 2.
However, in this embodiment, since the repetition period of the output from the pulse light source 1 is shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 20a, the pulse ai (i = 1) propagated through the path ABDEG at first. , 2, 3... Are output from the O / E converter 33.
Next, an interference pulse bi + ci (i = 1) in which a pulse bi (i = 1, 2, 3...) Propagated through ABDFG interferes with a pulse ci (i = 1, 2, 3...) Propagated through ACCEG. , 2, 3... Are output.
Next, a pulse di (i = 1, 2, 3,...) Propagated through the ACDFG is output.

上記実施の形態1のパルス列との違いは、経路ABDEGを伝搬したパルスと経路ACDEGを伝搬したパルスとが重ならないことである。
このように、本実施の形態におけるパルス光源1が出力するパルス光の周期は、干渉光のパルス間に、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ20aとの何れも経ていないパルス光(経路ABDEG)と、センシングファイバ11aと遅延補償ファイバ20aとの何れも経たパルス光(経路ACDFG)とが重畳しないように設定している。
The difference from the pulse train of the first embodiment is that the pulse propagated along the path ABDEG and the pulse propagated along the path ACDEG do not overlap.
As described above, the period of the pulsed light output from the pulsed light source 1 in the present embodiment is the pulsed light (path ABDEG) in which neither the sensing fiber 11a nor the delay compensation fiber 20a passes between the pulses of the interference light. It is set so that the pulsed light (path ACDFG) that has passed through both the sensing fiber 11a and the delay compensation fiber 20a does not overlap.

復調器72は、パルス波形Gで表されるパルス列から、bi+ci(i=1,2,3・・・)の干渉パルスを抽出して復調する。そして、物理量に対応する信号φを出力する。復調の動作は例えば従来技術2と同様である。
なお、光ビート(光周波数シフタ22でシフトする周波数の成分)の周波数は検出する信号の振幅と周波数に応じて高い周波数に設定する。
The demodulator 72 extracts and demodulates bi + ci (i = 1, 2, 3,...) Interference pulses from the pulse train represented by the pulse waveform G. Then, a signal φ corresponding to the physical quantity is output. The demodulating operation is the same as that of the prior art 2, for example.
The frequency of the optical beat (frequency component shifted by the optical frequency shifter 22) is set to a high frequency according to the amplitude and frequency of the signal to be detected.

(効果)
本実施の形態においても、上記実施の形態1と同様に、信号φの復調を可能とする位相変化速度を向上することができる。
よって、振幅が大きく周波数が高い信号を検出できる。また、センシングファイバ11aの感度を高くすることができる。
(effect)
Also in the present embodiment, the phase change speed that enables demodulation of the signal φ can be improved as in the first embodiment.
Therefore, a signal having a large amplitude and a high frequency can be detected. In addition, the sensitivity of the sensing fiber 11a can be increased.

また、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期(τc)で干渉光をサンプリングするので、信号φの復調を正常に行うことができる。   Further, since the interference light is sampled at the sampling period (τc) in which the phase change amount of the pulsed light in one period is equal to or less than π [rad], the signal φ can be normally demodulated.

また、センシングファイバの伝搬遅延時間(τd)より短い周期でパルス光源1からパルス光を出力して復調器72でサンプリングしても、ABDFGを伝搬したパルス光とACDEGを伝搬したパルス光とが干渉した干渉パルス(bi+ci)に、当該パルス光以外の別のパルス光が干渉することがない。よって、雑音が発生したり正常に動作しなくなることを防止でき、振幅が大きく周波数が高い信号を検出できる。   Further, even if pulse light is output from the pulse light source 1 at a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber and sampled by the demodulator 72, the pulse light propagated through the ABDFG and the pulse light propagated through the ACDEG interfere with each other. The other interference light other than the pulse light does not interfere with the interference pulse (bi + ci). Therefore, it is possible to prevent noise from occurring or malfunction, and a signal having a large amplitude and a high frequency can be detected.

また、干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)は光源から出力した同一のパルスが分岐したパルスであるため、レーザの位相雑音が最小になる条件を満たしている。   Further, the interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3...) Is a pulse obtained by branching the same pulse output from the light source, and therefore satisfies the condition for minimizing the phase noise of the laser.

また、干渉パルスbi+ci(i=1,2,3・・・)のパルス間(前後)には、パルス光源1から出力した、別のパルス(パルスai、di)が配置されるため、パルス列においてパルスがない空き時間を短くすることができ、パルス光源1、O/E変換器33などの構成部が応答する出力周波数帯域の範囲内で、効率の良い干渉パルスのサンプリングが成されている。   In addition, since another pulse (pulse ai, di) output from the pulse light source 1 is arranged between (before and after) the interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3,...), In the pulse train. The idle time in which there is no pulse can be shortened, and efficient interference pulse sampling is performed within the range of the output frequency band to which the components such as the pulse light source 1 and the O / E converter 33 respond.

また本実施の形態においては、NTを3以上に設定することで、ABDEGを伝搬したパルスaiとACDFGを伝搬したパルスdi(i=1,2,3・・・)とが重畳しない。
このため、復調器72での抽出対象ではないパルス(パルスai、di)が干渉して光ビートを発生することがなく、O/E変換器33の群遅延で抽出対象ではないパルスが抽出対象のパルスに漏れることによる復調出力の雑音を低減することができる。
In the present embodiment, by setting NT to 3 or more, the pulse ai that propagates ABDEG and the pulse di (i = 1, 2, 3,...) That propagates ACDFG do not overlap.
For this reason, pulses (pulses ai, di) that are not extracted by the demodulator 72 do not interfere to generate an optical beat, and pulses that are not extracted due to the group delay of the O / E converter 33 are extracted. The noise of the demodulated output due to leakage into the pulse can be reduced.

実施の形態3.
本実施の形態3では、上記実施の形態1におけるセンシングファイバを複数備え、時分割多重を用いた例を説明する。
Embodiment 3 FIG.
In Embodiment 3, an example in which a plurality of sensing fibers in Embodiment 1 are provided and time division multiplexing is used will be described.

(構成)
図3は実施の形態3に係る干渉型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
本実施の形態3における干渉計5は、パルス光源1から出力されるパルス光を、センシングファイバ111a、112aのそれぞれに分岐し、各センシングファイバを経たパルス光のそれぞれと、遅延補償ファイバ30aを経たパルス光とを干渉させ、それぞれの干渉光を時分割多重してO/E変換器33に出力する。そして、時分割多重化された干渉光は、復調器73によって、順次復調される。
(Constitution)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an interference type optical fiber sensor system according to the third embodiment.
The interferometer 5 according to the third embodiment branches the pulsed light output from the pulsed light source 1 to each of the sensing fibers 111a and 112a and passes through each of the pulsed light that has passed through each sensing fiber and the delay compensation fiber 30a. The pulsed light is caused to interfere, and each interference light is time-division multiplexed and output to the O / E converter 33. The time-division multiplexed interference light is demodulated sequentially by the demodulator 73.

パルス光源1から出力されるパルス光は、光ファイバ1aを介して光カプラ141に入り、二つに分割される。分割された一方のパルス光は、光ファイバ141aを経由し、光カプラ101に入る。光カプラ101に入った光は、二つに分割され、一方はセンシングファイバ111aを通りセンシング光となり、もう一方は光ファイバ111bを通りリファレンス光となる。センシング光はセンシングファイバ111aを通過するときに、センシングファイバ111aに加わる信号φ1で位相変調される。この信号φ1は、前述のように、音響信号、磁気信号および加速度等がある。そして、センシング光はミラー121aで反射し、リファレンス光はミラー121bで反射する。反射したセンシング光とリファレンス光は、光カプラ101を経由して、光カプラ151に伝送される。ここで、センシング光はセンシングファイバ111aによる伝搬遅延のため、リファレンス光より遅延している。   The pulsed light output from the pulsed light source 1 enters the optical coupler 141 via the optical fiber 1a and is divided into two. One of the divided pulse lights enters the optical coupler 101 via the optical fiber 141a. The light that enters the optical coupler 101 is divided into two, one of which passes through the sensing fiber 111a and becomes the sensing light, and the other of which passes through the optical fiber 111b and becomes the reference light. When the sensing light passes through the sensing fiber 111a, it is phase-modulated by a signal φ1 applied to the sensing fiber 111a. As described above, the signal φ1 includes an acoustic signal, a magnetic signal, acceleration, and the like. The sensing light is reflected by the mirror 121a, and the reference light is reflected by the mirror 121b. The reflected sensing light and reference light are transmitted to the optical coupler 151 via the optical coupler 101. Here, the sensing light is delayed from the reference light due to propagation delay by the sensing fiber 111a.

一方、光カプラ141で分割されたもう一方の光は、遅延ファイバ161により遅延し、光カプラ102に入った光は、二つに分割される。一方はセンシングファイバ112aを通りセンシング光となり、もう一方は光ファイバ112bを通りリファレンス光となる。
ここで、光カプラ102から送られたセンシング光とリファレンス光は、遅延ファイバ161を通過しているため、光カプラ101から送られたセンシング光とリファレンス光より遅延している。これにより、各センシングファイバの信号を含み、時分割多重により分割された光が生成される。
なお、本実施の形態3では、センシングファイバが2つの例で説明したが、センシングファイバが3つ以上ある場合も同様であり、多重化の数が増えるだけである。
On the other hand, the other light split by the optical coupler 141 is delayed by the delay fiber 161, and the light entering the optical coupler 102 is split into two. One becomes sensing light through the sensing fiber 112a, and the other becomes reference light through the optical fiber 112b.
Here, since the sensing light and the reference light sent from the optical coupler 102 pass through the delay fiber 161, they are delayed from the sensing light and the reference light sent from the optical coupler 101. Thereby, the light including the signals of the respective sensing fibers and divided by time division multiplexing is generated.
In the third embodiment, two sensing fibers have been described. However, the same is true when there are three or more sensing fibers, and only the number of multiplexing is increased.

光カプラ32、遅延補償ファイバ30a、圧電子34、ミラー31a、31b、PGC信号発生器40、O/E変換器33の構成は、上記実施の形態1と同様である。
復調器73は、AM復調器51a、AM復調器51b、逆正接演算器53、不連続点補償演算器54を備える。本実施の形態3の復調器73は、各センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、時分割多重された各干渉光をそれぞれサンプリングする。そして、時分割多重された各信号をそれぞれ復調する。復調動作は上記実施の形態1と同様である。
The configurations of the optical coupler 32, the delay compensation fiber 30a, the piezoelectric electron 34, the mirrors 31a and 31b, the PGC signal generator 40, and the O / E converter 33 are the same as those in the first embodiment.
The demodulator 73 includes an AM demodulator 51a, an AM demodulator 51b, an arc tangent calculator 53, and a discontinuous point compensation calculator 54. The demodulator 73 according to the third embodiment samples each time-division multiplexed interference light with a period shorter than the propagation delay time (τd) of each sensing fiber 111a, 112a. Then, each time-division multiplexed signal is demodulated. The demodulation operation is the same as that in the first embodiment.

なお、「信号φ1」、「信号φ2」は、本発明における「測定信号」に相当する。
なお、「O/E変換器33」および「復調器73」は、本発明における「検出部」を構成する。
The “signal φ1” and “signal φ2” correspond to the “measurement signal” in the present invention.
The “O / E converter 33” and the “demodulator 73” constitute the “detection unit” in the present invention.

本実施の形態におけるパルス光源1は、従来技術1と比較して、パルス繰返し周期が速いものを用いる。
また、O/E変換器33は、従来技術1と比較して、繰返し周期の速いパルスに対応するため出力周波数帯域が広いものを用いる。
また、復調器73は、従来技術1と比較して、干渉パルスを速くサンプリングして処理できるものを用いる。
また、PGC信号発生器40、圧電子34、および復調器73は、従来技術1と比較して、高い周波数のPGCが扱えるものを用いる。
本実施の形態におけるセンシングファイバ111a、112aおよび遅延補償ファイバ30aには、従来技術1と比較して、長いものを用いることができる。即ち、従来技術1と比較して、感度が高いものを用いることができる。
As the pulse light source 1 in the present embodiment, a pulse light source having a faster pulse repetition period than that of the prior art 1 is used.
Further, as the O / E converter 33, an O / E converter 33 having a wide output frequency band is used in order to cope with a pulse having a fast repetition period as compared with the prior art 1.
Further, as the demodulator 73, a demodulator that can sample and process interference pulses faster than the prior art 1 is used.
Further, as the PGC signal generator 40, the piezoelectron 34, and the demodulator 73, those which can handle a PGC having a higher frequency than that of the related art 1 are used.
The sensing fibers 111a and 112a and the delay compensation fiber 30a according to the present embodiment can be longer than those of the prior art 1. That is, a device having higher sensitivity than that of the prior art 1 can be used.

ここで、本実施の形態におけるパルス光源1が出力するパルス光の周期と、センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間(τd)と、遅延ファイバ161の伝搬遅延時間の関係は次のように設定している。
パルス光源1は、上記実施の形態1と同様に、センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、パルス光を出力する。また、パルス光源1は、一方の干渉光のパルス間に、他方の干渉光が配置されるように、パルス光を出力する周期を設定する。
また、復調器73では、センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、各干渉光のそれぞれをサンプリングする。
例えば、復調器73での干渉光のサンプリングは、上記伝搬遅延時間(τd)より短い周期であって、且つ、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期(τc)とする。
なお、遅延ファイバ161の伝搬遅延時間は、通常、センシングファイバ111a、112aよりも短く設定する。
Here, the relationship between the period of the pulsed light output from the pulse light source 1 in the present embodiment, the propagation delay time (τd) of the sensing fibers 111a and 112a, and the propagation delay time of the delay fiber 161 is set as follows. ing.
As in the first embodiment, the pulse light source 1 outputs pulsed light with a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fibers 111a and 112a. Moreover, the pulse light source 1 sets the period which outputs a pulse light so that the other interference light may be arrange | positioned between the pulses of one interference light.
The demodulator 73 samples each interference light with a period shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fibers 111a and 112a.
For example, the sampling of the interference light by the demodulator 73 is a period shorter than the propagation delay time (τd), and the sampling period (τc) in which the phase change amount of the pulsed light in one period is π [rad] or less. ).
The propagation delay time of the delay fiber 161 is normally set shorter than the sensing fibers 111a and 112a.

また、復調器73で干渉パルスの一つ一つを検出する時間幅(τs)を、次式(3)を満たすように設定する。

Figure 2012154778
ここで、Nmは、時分割多重する数である。 The time width (τs) for detecting each interference pulse by the demodulator 73 is set so as to satisfy the following expression (3).
Figure 2012154778
Here, N m is the number to be time-division multiplexed.

また、センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間(τd)の間に干渉光をサンプルする数(Ni)を、次式(4a)または(4b)を満たすように設定する。

Figure 2012154778
ここで、NTは、2以上の整数である。
τcは、物理量に応じて設定される周期であって、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期である。
τdは、センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間である。 Further, the number (N i ) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fibers 111a and 112a is set so as to satisfy the following expression (4a) or (4b).
Figure 2012154778
Here, N T is an integer of 2 or more.
τc is a period set according to the physical quantity, and is a sampling period in which the amount of phase change of the pulsed light in one period is π [rad] or less.
τd is a propagation delay time of the sensing fibers 111a and 112a.

また、パルス光源1から出力するパルス光のパルス幅は通常、時間幅(τs)以下にする。
次に、図4のパルス波形例により本実施の形態における動作を説明する。
In addition, the pulse width of the pulsed light output from the pulse light source 1 is usually set to a time width (τs) or less.
Next, the operation in this embodiment will be described with reference to the pulse waveform example of FIG.

(動作)
図4は実施の形態3に係る干渉型光ファイバセンサシステムのパルス波形を示す図である。
図4に示したパルス波形は(4a)式の条件でNm=2、NT=2、Ni=3とした一例である。
図4のパルス波形は、各経路を通過したパルス光の波形を示している。Aは、パルス光源1の出力であるAの位置を通過するパルス波形である。パルス光源1から出力される順に1,2,3・・・の番号を付与した。パルス波形AB1DEGは、O/E変換器33に入力するパルス波形Gの内、経路AB1DEGを伝搬した成分である。到達する順に1a1,1a2,1a3・・・の番号を付与した。パルス波形AB1DFG、パルス波形AC1DEG、パルス波形AC1DFG、パルス波形AB2DEG、パルス波形AB2DFG、パルス波形AC2DEG、パルス波形AC2DFGもそれぞれの経路を伝搬してO/E変換器33に入力するパルスの成分であり、到達する順に番号を付与した。
(Operation)
FIG. 4 is a diagram showing a pulse waveform of the interference type optical fiber sensor system according to the third embodiment.
The pulse waveform shown in FIG. 4 is an example in which N m = 2, N T = 2 and N i = 3 under the condition of equation (4a).
The pulse waveform in FIG. 4 shows the waveform of the pulsed light that has passed through each path. A is a pulse waveform passing through the position of A, which is the output of the pulse light source 1. Numbers 1, 2, 3... Are assigned in order of output from the pulse light source 1. The pulse waveform AB1DEG is a component propagated through the path AB1DEG in the pulse waveform G input to the O / E converter 33. Numbers 1a1, 1a2, 1a3... Are assigned in the order of arrival. The pulse waveform AB1DFG, the pulse waveform AC1DEG, the pulse waveform AC1DFG, the pulse waveform AB2DEG, the pulse waveform AB2DFG, the pulse waveform AC2DEG, and the pulse waveform AC2DFG are also pulse components that propagate through the respective paths and are input to the O / E converter 33. Numbers were assigned in the order of arrival.

本実施の形態3においても、パルス光源1から出力の繰返し周期がセンシングファイバ111a、112aおよび遅延補償ファイバ30aの伝搬遅延時間(τd)より短いため、最初は経路AB1DEGを伝搬したパルス1ai(i=1,2,3・・・)と、経路AB2DEGを伝搬したパルス2ai(i=1,2,3・・・)とがO/E変換器33から出力される。ただし、パルス2aiは、遅延ファイバ161により、パルス1aiより遅延している。
次にAB1DFGを伝搬したパルス1bi(i=1,2,3・・・)とAC1DEGを伝搬したパルス1ci(i=1,2,3・・・)とが干渉した干渉パルス1bi+1ci(i=1,2,3・・・)が出力される。
次に遅延ファイバ161の遅延時間だけ遅れて、AB2DFGを伝搬したパルス2bi(i=1,2,3・・・)とAC2DEGを伝搬したパルス2ci(i=1,2,3・・・)とが干渉した干渉パルス2bi+2ci(i=1,2,3・・・)が出力される。
次にAB1DEGを伝搬したパルス1ai(i=1,2,3・・・)とAC2DFGを伝搬したパルス2di(i=1,2,3・・・)とが重なり、重畳したパルス光(i+5)+di(i=1,2,3・・・)が出力される。
パルス2d1が出力された後は長い空き時間がないパルス列が構成される。
Also in the third embodiment, since the repetition period of output from the pulse light source 1 is shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fibers 111a and 112a and the delay compensation fiber 30a, the pulse 1ai (i = i = 1, 2, 3... And the pulse 2ai (i = 1, 2, 3...) Propagated through the path AB 2 DEG are output from the O / E converter 33. However, the pulse 2ai is delayed from the pulse 1ai by the delay fiber 161.
Next, an interference pulse 1bi + 1ci (i = 1) in which a pulse 1bi (i = 1, 2, 3...) Propagated through AB1DFG interferes with a pulse 1ci (i = 1, 2, 3,...) Propagated through AC1DEG. , 2, 3... Are output.
Next, a pulse 2bi (i = 1, 2, 3,...) Propagated through AB2DFG and a pulse 2ci (i = 1, 2, 3,...) Propagated through AC2DEG, delayed by the delay time of the delay fiber 161. Interference pulses 2bi + 2ci (i = 1, 2, 3,...) Are output.
Next, a pulse 1ai (i = 1, 2, 3...) Propagated through AB1DEG and a pulse 2di (i = 1, 2, 3...) Propagated through AC2DFG are overlapped and superposed pulse light (i + 5). + Di (i = 1, 2, 3...) Is output.
After the pulse 2d1 is output, a pulse train without a long idle time is formed.

復調器73は、パルス波形Gで表されるパルス列から、1bi+1ci(i=1,2,3・・・)の干渉パルスを抽出して信号φ1を復調する。また、復調器73は、パルス波形Gで表されるパルス列から、2bi+2ci(i=1,2,3・・・)の干渉パルスを抽出して信号φ2を復調する。そして、各物理量に対応する信号φ1、信号φ2を出力する。復調の動作は実施の形態1と同様である。
なお、PGCの周波数は検出する信号の振幅と周波数に応じて設定する。
The demodulator 73 extracts 1bi + 1ci (i = 1, 2, 3...) Interference pulses from the pulse train represented by the pulse waveform G and demodulates the signal φ1. Further, the demodulator 73 extracts 2bi + 2ci (i = 1, 2, 3...) Interference pulses from the pulse train represented by the pulse waveform G, and demodulates the signal φ2. Then, a signal φ1 and a signal φ2 corresponding to each physical quantity are output. The demodulation operation is the same as in the first embodiment.
The frequency of the PGC is set according to the amplitude and frequency of the signal to be detected.

(効果)
以上のように本実施の形態においては、各センシングファイバの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、時分割多重された各干渉光をそれぞれサンプリングする。
このため、複数の干渉光を時分割多重で伝送する構成において、各信号の復調を可能とする位相変化速度を向上することができる。
よって、振幅が大きく周波数が高い信号を検出できる。また、各センシングファイバの感度を高くすることができる。
(effect)
As described above, in this embodiment, each interference light that is time-division multiplexed is sampled at a period shorter than the propagation delay time (τd) of each sensing fiber.
Therefore, in a configuration in which a plurality of interference lights are transmitted by time division multiplexing, it is possible to improve the phase change speed that enables demodulation of each signal.
Therefore, a signal having a large amplitude and a high frequency can be detected. In addition, the sensitivity of each sensing fiber can be increased.

また、1周期におけるパルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期(τc)で、時分割多重された各干渉光をそれぞれサンプリングするので、信号φの復調を正常に行うことができる。   In addition, since each time-division multiplexed interference light is sampled at a sampling period (τc) in which the phase change amount of the pulsed light in one period is π [rad] or less, the signal φ can be normally demodulated. it can.

また、干渉光を検出する時間幅(τs)が、上記式(3)を満たすように設定し、センシングファイバ111a、112aの伝搬遅延時間(τd)の間に干渉光をサンプルする数(Ni)が、上記式(4a)または(4b)を満たすように設定した。また、パルス光源1から出力するパルス光のパルス幅が、時間幅(τs)以下である。
このため、時分割多重で伝送される構成において、センシングファイバの伝搬遅延時間(τd)より短い周期でパルス光源1からパルス光を出力して復調器73でサンプリングしても、各干渉パルス(1bi+1ciおよび2bi+2ci)に、当該パルス光以外の別のパルス光が干渉することがない。よって、雑音が発生したり正常に動作しなくなることを防止でき、振幅が大きく周波数が高い信号を検出できる。
In addition, the time width (τs) for detecting the interference light is set so as to satisfy the above formula (3), and the number (N i ) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fibers 111a and 112a. ) Is set so as to satisfy the above formula (4a) or (4b). Further, the pulse width of the pulsed light output from the pulse light source 1 is equal to or less than the time width (τs).
For this reason, even in a configuration in which transmission is performed by time division multiplexing, even if pulse light is output from the pulse light source 1 at a cycle shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber and sampled by the demodulator 73, each interference pulse (1bi + 1ci) And 2bi + 2ci), another pulse light other than the pulse light does not interfere. Therefore, it is possible to prevent noise from occurring or malfunction, and a signal having a large amplitude and a high frequency can be detected.

また、干渉パルス1bi+1ci(i=1,2,3・・・)、干渉パルス2bi+2ci(i=1,2,3・・・)、は光源から出力した同一のパルスが分岐したパルスであるため、レーザの位相雑音が最小になる条件を満たしている。   Further, the interference pulse 1bi + 1ci (i = 1, 2, 3...) And the interference pulse 2bi + 2ci (i = 1, 2, 3,...) Are pulses that are branched from the same pulse output from the light source. The condition that the phase noise of the laser is minimized is satisfied.

また、干渉パルス1bi+1ci(i=1,2,3・・・)、干渉パルス2bi+2ci(i=1,2,3・・・)の前後には、パルス光源1から出力した、別のパルス(パルス1ai、1di、2ai、2di)が配置されるため、パルス列においてパルスがない空き時間を短くすることができ、パルス光源1、O/E変換器33などの構成部が応答する出力周波数帯域の範囲内で、効率の良い干渉パルスのサンプリングおよび時分割多重が成されている。   Further, before and after the interference pulse 1bi + 1ci (i = 1, 2, 3,...) And the interference pulse 2bi + 2ci (i = 1, 2, 3,...), Another pulse (pulse) output from the pulse light source 1 is used. 1ai, 1di, 2ai, 2di) are arranged, it is possible to shorten the idle time when there is no pulse in the pulse train, and the range of the output frequency band to which the components such as the pulse light source 1 and the O / E converter 33 respond Among them, efficient interference pulse sampling and time division multiplexing are performed.

また、干渉光のパルス間に、他の干渉光が配置されるように、パルス光を出力する周期を設定した。
このため、信号φの復調に用いる干渉光(bi+ci)以外のパルス光を重畳させることができ、復調に必要な干渉パルスが得られる周期を最短にできるため、復調できる振幅および周波数を最大にできる。
In addition, the period for outputting pulsed light is set so that other interference light is arranged between the pulses of interference light.
For this reason, pulse light other than the interference light (bi + ci) used for demodulation of the signal φ can be superimposed, and the period for obtaining the interference pulse necessary for demodulation can be minimized, so that the amplitude and frequency that can be demodulated can be maximized. .

以上に実施の形態1〜3までを説明したが、本発明における干渉型光ファイバセンサシステムは、以上に説明した構成に限られるものではない。次に、実施の形態1〜3の変形例について説明する。   Although Embodiments 1 to 3 have been described above, the interference type optical fiber sensor system in the present invention is not limited to the configuration described above. Next, modifications of the first to third embodiments will be described.

実施の形態1、3では圧電子によるPGC復調方式、実施の形態2では周波数シフタを用いるヘテロダイン方式で信号を復調する例を示した。本発明はこれに限るものではなく、他の変調方法でも、(1)式と(2a)式、(1)式と(2b)式、(3)式と(4a)式、または(3)式と(4b)式を満たすように構成することで同じ効果を得ることができる。   In the first and third embodiments, an example in which a signal is demodulated by a PGC demodulation method using piezoelectrons and in a second embodiment by a heterodyne method using a frequency shifter is shown. The present invention is not limited to this, and even with other modulation methods, the expressions (1) and (2a), (1) and (2b), (3) and (4a), or (3) The same effect can be obtained by satisfying the formula and the formula (4b).

また、実施の形態2では、1つの光周波数シフタ22を用いる例を説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、非特許文献2に示されたように2つの光周波数シフタ(AOM)を用いても良い。   In the second embodiment, the example in which one optical frequency shifter 22 is used has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in Non-Patent Document 2, two optical frequency shifters (AOM) may be used.

また、全ての実施の形態において、センシングファイバに光カプラとミラーを取り付けてマイケルソン干渉計を構成する例で説明したが、本発明はこれに限るものではなく、マッハ・ツェンダ干渉計など他の干渉計を用いることもできる。   Further, in all the embodiments, the example in which the Michelson interferometer is configured by attaching the optical coupler and the mirror to the sensing fiber has been described. However, the present invention is not limited to this, and other examples such as a Mach-Zehnder interferometer are used. An interferometer can also be used.

また、実施の形態1、3において、遅延補償ファイバに光カプラとミラーを取り付けてマイケルソン干渉計を構成する例を示し、実施の形態2では光カプラを2つ取り付けてマッハ・ツェンダ干渉計を構成する例を示したが、他の干渉計を用いることもできる。   In the first and third embodiments, an example is shown in which a Michelson interferometer is configured by attaching an optical coupler and a mirror to a delay compensation fiber. In the second embodiment, two optical couplers are attached and a Mach-Zehnder interferometer is installed. Although an example of configuration is shown, other interferometers can also be used.

また、実施の形態3では、実施の形態1のPGC方式を時分割多重構成にした例を示したが、実施の形態2のヘテロダイン方式でも同様に構成することができる。   In the third embodiment, an example in which the PGC scheme of the first embodiment is configured in a time-division multiplex configuration has been described, but the same configuration can be applied to the heterodyne scheme of the second embodiment.

また、実施の形態1では、PGC方式において変調を行うために圧電子34を用いる例で説明したが、電磁アクチュエータで遅延補償ファイバ30aを歪ませて光の周波数を変調しても良いし、非特許文献1と同様に、レーザ光源(パルス光源1)の周波数を変調するなど、他の手段で光の位相を変化させても良い。   In the first embodiment, the example in which the piezoelectrons 34 are used for modulation in the PGC method has been described. However, the delay frequency compensation fiber 30a may be distorted by an electromagnetic actuator to modulate the frequency of light. Similarly to Patent Document 1, the light phase may be changed by other means such as modulating the frequency of the laser light source (pulse light source 1).

1 パルス光源、1a 光ファイバ、5 干渉計、10 光カプラ、10a 光ファイバ、11a センシングファイバ、11b リファレンスファイバ、12a ミラー、12b ミラー、20 光カプラ、20a 遅延補償ファイバ、22 光周波数シフタ、23 光カプラ、23a 光ファイバ、26 オシレータ、30a 遅延補償ファイバ、30b 光ファイバ、31a ミラー、31b ミラー、32 光カプラ、32a 光ファイバ、33 O/E変換器、34 圧電子、40 PGC信号発生器、51a AM復調器、51b AM復調器、53 逆正接演算器、54 不連続点補償演算器、56a 同期検波器、56b 同期検波器、70 復調器、72 復調器、73 復調器、101 光カプラ、102 光カプラ、111a センシングファイバ、111b 光ファイバ、112a センシングファイバ、112b 光ファイバ、121a ミラー、121b ミラー、141 光カプラ、141a 光ファイバ、151 光カプラ、161 遅延ファイバ。   1 pulse light source, 1a optical fiber, 5 interferometer, 10 optical coupler, 10a optical fiber, 11a sensing fiber, 11b reference fiber, 12a mirror, 12b mirror, 20 optical coupler, 20a delay compensation fiber, 22 optical frequency shifter, 23 light Coupler, 23a Optical fiber, 26 Oscillator, 30a Delay compensation fiber, 30b Optical fiber, 31a Mirror, 31b Mirror, 32 Optical coupler, 32a Optical fiber, 33 O / E converter, 34 Piezoelectric, 40 PGC signal generator, 51a AM demodulator, 51b AM demodulator, 53 arc tangent calculator, 54 discontinuous point compensation calculator, 56a synchronous detector, 56b synchronous detector, 70 demodulator, 72 demodulator, 73 demodulator, 101 optical coupler, 102 Optical coupler, 111a sensing device Ba, 111b optical fiber, 112a sensing fiber, 112b optical fiber, 121a mirror, 121b mirror, 141 optical coupler, 141a optical fiber, 151 optical coupler, 161 delay fiber.

Claims (10)

パルス光を出力する光源と、
物理量を検知するセンシングファイバ、および前記センシングファイバと伝搬遅延時間(τd)が等しい遅延補償ファイバを有し、前記光源からのパルス光を干渉させる干渉計と、
前記干渉計からの干渉光をサンプリングして前記物理量に対応する測定信号を検出する検出部と、
を備え、
前記光源は、
前記センシングファイバに前記パルス光が入力してから出力されるまでの伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、前記パルス光を出力し、
前記検出部は、
前記センシングファイバの前記伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、前記干渉光をサンプリングする
ことを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。
A light source that outputs pulsed light;
A sensing fiber for detecting a physical quantity, and a delay compensation fiber having a propagation delay time (τd) equal to that of the sensing fiber, and an interferometer that interferes with pulsed light from the light source;
A detector that samples interference light from the interferometer and detects a measurement signal corresponding to the physical quantity;
With
The light source is
The pulsed light is output at a cycle shorter than a propagation delay time (τd) from when the pulsed light is input to the sensing fiber and output.
The detector is
The interference type optical fiber sensor system, wherein the interference light is sampled at a period shorter than the propagation delay time (τd) of the sensing fiber.
前記センシングファイバは、前記物理量によって前記パルス光を位相変調し、
前記検出部は、
前記物理量に応じて設定される周期であって、1周期における前記パルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期(τc)で、前記干渉光をサンプリングする
ことを特徴とする請求項1記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The sensing fiber phase-modulates the pulsed light by the physical quantity,
The detector is
The interference light is sampled at a sampling period (τc) that is set according to the physical quantity and in which a phase change amount of the pulsed light in one period is π [rad] or less. Item 5. The interference-type optical fiber sensor system according to Item 1.
前記干渉計は、
前記光源から出力される前記パルス光を分岐して、前記センシングファイバを経たパルス光と、前記遅延補償ファイバを経たパルス光とを干渉させ、
前記干渉させた干渉光と、
前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経ていない前記パルス光、および、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経た前記パルス光、の少なくとも一方のパルス光と、
を前記検出部に出力し、
前記光源は、
前記干渉光のパルス間に、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経ていない前記パルス光、および、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経た前記パルス光、の少なくとも一方が配置されるように、前記パルス光を出力する周期を設定した
ことを特徴とする請求項1または2記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The interferometer is
Branching the pulsed light output from the light source, causing the pulsed light passed through the sensing fiber and the pulsed light passed through the delay compensation fiber to interfere with each other,
The interference light made to interfere, and
The pulsed light that has not passed through either the sensing fiber or the delay compensation fiber; and the pulsed light that has passed through either the sensing fiber or the delay compensation fiber; and
Is output to the detection unit,
The light source is
Between the pulses of the interference light, at least one of the pulsed light that has not passed through the sensing fiber and the delay compensation fiber and the pulsed light that has passed through both the sensing fiber and the delay compensation fiber are disposed. The interference type optical fiber sensor system according to claim 1, wherein a period for outputting the pulsed light is set.
前記光源は、
前記干渉光のパルス間に、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経ていない前記パルス光と、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経た前記パルス光とが重畳されるように、前記パルス光を出力する周期を設定した
ことを特徴とする請求項3記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The light source is
The pulse light that has not passed through either the sensing fiber or the delay compensation fiber and the pulse light that has passed through either the sensing fiber or the delay compensation fiber are superimposed between the pulses of the interference light. 4. The interference type optical fiber sensor system according to claim 3, wherein a cycle for outputting the pulsed light is set.
前記光源は、
前記干渉光のパルス間に、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経ていない前記パルス光と、前記センシングファイバと前記遅延補償ファイバとの何れも経た前記パルス光とが重畳しないように、前記パルス光を出力する周期を設定した
ことを特徴とする請求項3記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The light source is
Between the pulses of the interference light, the pulsed light that has not passed through either the sensing fiber or the delay compensation fiber and the pulsed light that has passed through either the sensing fiber or the delay compensation fiber are not superimposed. 4. The interference type optical fiber sensor system according to claim 3, wherein a period for outputting the pulsed light is set.
前記検出部は、
前記干渉光を検出する時間幅(τs)が、次式(1)を満たすように設定し、
前記センシングファイバの伝搬遅延時間(τd)の間に前記干渉光をサンプルする数(Ni)が、次式(2a)または(2b)を満たすように設定し、
前記光源は、
出力する前記パルス光のパルス幅が、前記時間幅(τs)以下である
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
Figure 2012154778
ここで、NTは、2以上の整数である。
τcは、前記物理量に応じて設定される周期であって、1周期における前記パルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期である。
τdは、前記センシングファイバの伝搬遅延時間である。
The detector is
The time width (τs) for detecting the interference light is set so as to satisfy the following formula (1):
The number (Ni) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fiber is set so as to satisfy the following formula (2a) or (2b):
The light source is
The interference type optical fiber sensor system according to claim 1, wherein a pulse width of the pulsed light to be output is equal to or less than the time width (τs).
Figure 2012154778
Here, NT is an integer of 2 or more.
τc is a period set according to the physical quantity, and is a sampling period in which the amount of phase change of the pulsed light in one period is π [rad] or less.
τd is the propagation delay time of the sensing fiber.
前記干渉計は、前記センシングファイバを複数備え、
前記光源から出力される前記パルス光を、各センシングファイバそれぞれに分岐して、前記各センシングファイバを経たパルス光と、前記遅延補償ファイバを経たパルス光とを干渉させ、それぞれの干渉光を時分割多重して前記検出部に出力し、
前記検出部は、
前記各センシングファイバの前記伝搬遅延時間(τd)より短い周期で、前記時分割多重された各干渉光をそれぞれサンプリングする
ことを特徴とする請求項1または2記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The interferometer includes a plurality of the sensing fibers,
The pulsed light output from the light source is branched to each sensing fiber so that the pulsed light that has passed through each sensing fiber interferes with the pulsed light that has passed through the delay compensation fiber, and each interference light is time-shared. Multiplexed and output to the detection unit,
The detector is
3. The interference-type optical fiber sensor system according to claim 1, wherein the time-division multiplexed interference light is sampled at a period shorter than the propagation delay time (τd) of each sensing fiber.
前記干渉計は、
前記各センシングファイバに分岐された前記パルス光をそれぞれ遅延させる遅延ファイバを備え、
前記光源は、
前記干渉光のパルス間に、他の前記干渉光が配置されるように、前記パルス光を出力する周期を設定した
ことを特徴とする請求項7記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The interferometer is
A delay fiber for delaying the pulsed light branched into each sensing fiber;
The light source is
8. The interference type optical fiber sensor system according to claim 7, wherein a period for outputting the pulsed light is set so that the other interference light is arranged between the pulses of the interference light.
前記検出部は、
前記干渉光を検出する時間幅(τs)が、次式(3)を満たすように設定し、
前記センシングファイバの伝搬遅延時間(τd)の間に前記干渉光をサンプルする数(Ni)が、次式(4a)または(4b)を満たすように設定し、
前記光源は、
出力する前記パルス光のパルス幅が、前記時間幅(τs)以下である
ことを特徴とする請求項1、2、7、8の何れか1項に記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
Figure 2012154778
ここで、NTは、2以上の整数である。
Nmは、時分割多重する干渉光の数である。
τcは、前記物理量に応じて設定される周期であって、1周期における前記パルス光の位相変化量がπ[rad]以下となるサンプリング周期である。
τdは、前記センシングファイバの伝搬遅延時間である。
The detector is
The time width (τs) for detecting the interference light is set so as to satisfy the following expression (3),
The number (Ni) of sampling the interference light during the propagation delay time (τd) of the sensing fiber is set so as to satisfy the following formula (4a) or (4b):
The light source is
9. The interference type optical fiber sensor system according to claim 1, wherein a pulse width of the pulsed light to be output is equal to or less than the time width (τs).
Figure 2012154778
Here, NT is an integer of 2 or more.
Nm is the number of interference lights to be time-division multiplexed.
τc is a period set according to the physical quantity, and is a sampling period in which the amount of phase change of the pulsed light in one period is π [rad] or less.
τd is the propagation delay time of the sensing fiber.
前記検出部は、
前記干渉計からの前記物理量に対応する測定信号を含む干渉光を、電気信号に変換する変換器と、
前記電気信号から正弦波成分および余弦波成分を抽出し、前記正弦波成分および前記余弦波成分を用いて逆正接演算を行い、前記逆正接演算結果が不連続となっている場合、不連続点を連結して前記測定信号を検出する復調器と、
を備えた
ことを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の干渉型光ファイバセンサシステム。
The detector is
A converter that converts interference light including a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interferometer into an electrical signal;
Extracting a sine wave component and a cosine wave component from the electrical signal, performing an arc tangent calculation using the sine wave component and the cosine wave component, and when the arc tangent calculation result is discontinuous, a discontinuous point And a demodulator for detecting the measurement signal,
The interference-type optical fiber sensor system according to any one of claims 1 to 7, further comprising:
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