JP2013174563A - 光ファイバセンサシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストで微分出力することができる光ファイバセンサシステムを提供する。
【解決手段】光源部１１と、光源部１１に接続され、物理測定量に基づいて信号を生成する光ファイバセンサ１２と、光ファイバセンサ１２に接続され、光ファイバセンサ１２から生成された信号を遅延させ、遅延させた測定信号を演算する復調部１３と、を備え、光源部１１は、パルス光を出力する光源２１と、パルス光と、予め定めた時間差を生じさせたパルス光とを出力する前置遅延補償器２２と、を有し、復調部１３は、光ファイバセンサ１２から信号光が入力され、信号光と、時間差を生じさせた信号光とを出力する後置遅延補償器３１と、後置遅延補償器３１の出力信号から測定信号を演算する復調器３２と、を有し、復調器３２は、時間差で、出力信号を除することにより、物理測定量の微分信号を得るものである。
【選択図】図１
【解決手段】光源部１１と、光源部１１に接続され、物理測定量に基づいて信号を生成する光ファイバセンサ１２と、光ファイバセンサ１２に接続され、光ファイバセンサ１２から生成された信号を遅延させ、遅延させた測定信号を演算する復調部１３と、を備え、光源部１１は、パルス光を出力する光源２１と、パルス光と、予め定めた時間差を生じさせたパルス光とを出力する前置遅延補償器２２と、を有し、復調部１３は、光ファイバセンサ１２から信号光が入力され、信号光と、時間差を生じさせた信号光とを出力する後置遅延補償器３１と、後置遅延補償器３１の出力信号から測定信号を演算する復調器３２と、を有し、復調器３２は、時間差で、出力信号を除することにより、物理測定量の微分信号を得るものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、光ファイバセンサシステムに関し、特に、遅延ファイバによる時間遅延を利用することにより、低コストかつ低処理量を実現する光ファイバセンサシステムに関する。
光ファイバセンサは、電磁誘導に対する信頼性が高く、低損失な光伝送である（例えば、特許文献１、２参照）。そのため、光ファイバセンサは、長距離かつ大規模な多点計測が可能であり、水中音響センサを利用したハイドロホン（例えば、非特許文献１参照）や加速度センサを利用した地震計（例えば、非特許文献２参照）などに利用されてきている。
また、光ファイバセンサの中でも、干渉型光ファイバセンサは位相検出を行うものである。そのため、干渉型光ファイバセンサは高感度である。また、干渉型光ファイバセンサは伝送路の損失変動の影響も受けにくい。それらのことから、干渉型光ファイバセンサは、大規模かつ高精度なセンサシステムに適している。
図４は、従来技術のＰＭＤＩ（Ｐａｔｈ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）方式の干渉型光ファイバセンサシステムのシステム構成図である。ＰＭＤＩ方式のシステムは、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力する光源、音圧等の物理量に対する応答機構を備えている光ファイバセンサ、及び遅延補償器と復調器とからなる復調部等から構成されている。
遅延補償器の遅延ファイバ長は、光ファイバセンサの受感ファイバ長と遅延ファイバ長との和に等しいものである。そのため、光源から出力されたパルス光は、光ファイバセンサを通過した後、繰り返し周期あたり２個のパルス波形となる。その後、後パルスに信号成分としてｓ（ｔ）の位相変調が重畳されることになる。また、２パルスの信号光は、復調部の遅延補償器を通過後、干渉信号を含む３パルスの信号光となる。ここで、干渉信号は、前パルスの信号光と後パルスの信号光との差に等しいものである。よって、この差の信号光が復調器で復調処理されることにより、測定物理量のｓ（ｔ）を得ることができる。
遅延補償器の遅延ファイバ長は、光ファイバセンサの受感ファイバ長と遅延ファイバ長との和に等しいものである。そのため、光源から出力されたパルス光は、光ファイバセンサを通過した後、繰り返し周期あたり２個のパルス波形となる。その後、後パルスに信号成分としてｓ（ｔ）の位相変調が重畳されることになる。また、２パルスの信号光は、復調部の遅延補償器を通過後、干渉信号を含む３パルスの信号光となる。ここで、干渉信号は、前パルスの信号光と後パルスの信号光との差に等しいものである。よって、この差の信号光が復調器で復調処理されることにより、測定物理量のｓ（ｔ）を得ることができる。
図５は、従来の圧電型センサ（例えば、歪みセンサ、圧力センサ等）の応用システムとして、センサ出力の後段に微分演算回路を追加することで、変位センサから速度成分等の微分出力を得るセンサシステムのシステム構成図である。このように、従来例においては、微分演算回路を新たに設けなければ、微分出力を得ることができないのである。
図６は、２チャネルの圧力センサ出力の後段にカージオイド演算回路を追加することで、圧力センサにカージオイド形状の指向性を付与するセンサシステムのシステム構成図である。このように、従来例においては、カージオイド演算回路を新たに設けなければ、カージオイド指向性を付与することができないのである。
いずれにしても、干渉型光ファイバセンサは、圧電型センサのように、センサ復調出力の後段に、微分出力の演算回路を設けたり、カージオイド指向性を付与する演算回路を設けることにより、微分出力やカージオイド指向性を得ることができる。
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"、信学技報、Ｖｏｌ．９６、Ｎｏ．３６８、ｐｐ．９−１４、１９９６
しかしながら、このようなセンサシステムは、センサ２チャネルで１出力となる構成を有している。そのため、センサ数は増加することになる。よって、多重化数の制約を受け、コストも増加する。また、後段に演算回路を設けることになるため、信号の処理量も増加する。
すなわち、従来技術では、微分出力やカージオイド指向性を得るには、複数のチャネルを設けなければならず、専用の演算器も設けなければならなかった。
そのため、１チャネルだけで、かつ専用の演算器を用いずに微分出力やカージオイド指向性を得ることができないという問題点があった。
したがって、１チャネルだけで、かつ、専用の演算器を用いずとも微分出力やカージオイド指向性を得ることができる光ファイバセンサシステムが望まれていた。
すなわち、従来技術では、微分出力やカージオイド指向性を得るには、複数のチャネルを設けなければならず、専用の演算器も設けなければならなかった。
そのため、１チャネルだけで、かつ専用の演算器を用いずに微分出力やカージオイド指向性を得ることができないという問題点があった。
したがって、１チャネルだけで、かつ、専用の演算器を用いずとも微分出力やカージオイド指向性を得ることができる光ファイバセンサシステムが望まれていた。
本発明の光ファイバセンサシステムは、光源部と、前記光源部に接続され、物理測定量に基づいて信号を生成する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサに接続され、前記光ファイバセンサから生成された信号を遅延させ、遅延させた測定信号を演算する復調部と、を備え、前記光源部は、パルス光を出力する光源と、前記パルス光と、予め定めた時間差を生じさせた前記パルス光とを出力する第１遅延補償器と、を有し、前記復調部は、前記光ファイバセンサから信号光が入力され、前記信号光と、前記時間差を生じさせた前記信号光とを出力する第２遅延補償器と、前記第２遅延補償器の出力信号から測定信号を演算する復調器と、を有し、前記復調器は、前記時間差で、前記出力信号を除することにより、前記物理測定量の微分信号を得ることを特徴とするものである。
また、本発明の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、前記光源に接続され、前記パルス光を物理測定量に基づいて変調した信号光と、第１遅延ファイバにより予め定めた時間差を生じさせた前記パルス光を前記物理測定量に基づいて変調した信号光とを出力する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサに接続され、前記信号光と、第２遅延ファイバにより前記時間差を生じさせた前記信号光とから測定信号を演算する復調部と、を備え、前記第１遅延ファイバ及び第２遅延ファイバの長さは、カージオイド指向性の上限周波数と、カージオイドの時間差とに基づいて定められていることを特徴とするものである。
また、本発明の光ファイバセンサシステムは、光源部と、前記光源部に接続され、物理測定量に基づいて信号を生成する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサに接続され、前記光ファイバセンサから生成された信号を遅延させ、遅延させた測定信号を演算する復調部と、を備え、前記光源部は、パルス光を出力する光源と、前記パルスに予め定めた時間差を生じさせる第３遅延ファイバと、を有し、前記パルス光と、前記時間差を生じさせた前記パルス光とを出力し、前記光ファイバセンサは、前記時間差を生じさせる第４遅延ファイバを有し、前記パルス光を物理測定量に基づいて変調した信号光と、前記第４遅延ファイバにより前記時間差を生じさせた前記パルス光を前記物理測定量に基づいて変調した信号光とを出力し、前記復調部は、前記時間差を生じさせる第５遅延ファイバと、前記信号光と、前記第５遅延ファイバにより前記時間差を生じさせた前記信号光とから測定信号を演算する復調器と、を有し、前記第５遅延ファイバの長さは、前記第３遅延ファイバの長さと、前記第４遅延ファイバの長さとの和である、または、前記第３遅延ファイバの長さと、前記第４遅延ファイバの長さとの差であることを特徴とするものである。
本発明は、１チャネルで構成でき、専用の演算器を設ける必要がないため、低コストで低処理量の光ファイバセンサシステムを構築することができるという効果を有する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
実施の形態１．
（構成の説明）
図１は、本発明の実施の形態１における光ファイバセンサシステムの構成図である。図１に示すように、光ファイバセンサシステムは、光源部１１と、光ファイバセンサ１２と、復調部１３とを備えている。
光源部１１は、光源２１と、前置遅延補償器２２とを備えている。
復調部１３は、後置遅延補償器３１と、復調器３２とを備えている。
光源２１は、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力するものである。
光ファイバセンサ１２は、音圧等の物理量に対する応答機構を備えたものである。
前置遅延補償器２２は、光カプラ４１、遅延ファイバ４２、及び光カプラ４３等を備えており、後置遅延補償器３１と同一の光路差に遅延ファイバ４２が設定され、経路（１Ｌ）と経路（１Ｓ）とを有している。
後置遅延補償器３１は、光カプラ６１、遅延ファイバ６２、及び光カプラ６３等を備えており、前置遅延補償器２２と同一の光路差に遅延ファイバ６２が設定され、経路（２Ｌ）と経路（２Ｓ）とを有している。
つまり、遅延ファイバ４２と、遅延ファイバ６２とは、同一の長さに設定されている。
また、経路（１Ｌ）は、光カプラ４１と、遅延ファイバ４２と、光カプラ４３とを通過する経路である。
経路（１Ｓ）は、光カプラ４１と、光カプラ４３とを通過する経路である。
経路（２Ｌ）は、光カプラ６１と、遅延ファイバ６２と、光カプラ６３とを通過する経路である。
経路（２Ｓ）は、光カプラ６１と、光カプラ６３とを通過する経路である。
なお、前置遅延補償器２２は、本発明の第１遅延補償器に相当する。
また、後置遅延補償器３１は、本発明の第２遅延補償器に相当する。
（構成の説明）
図１は、本発明の実施の形態１における光ファイバセンサシステムの構成図である。図１に示すように、光ファイバセンサシステムは、光源部１１と、光ファイバセンサ１２と、復調部１３とを備えている。
光源部１１は、光源２１と、前置遅延補償器２２とを備えている。
復調部１３は、後置遅延補償器３１と、復調器３２とを備えている。
光源２１は、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力するものである。
光ファイバセンサ１２は、音圧等の物理量に対する応答機構を備えたものである。
前置遅延補償器２２は、光カプラ４１、遅延ファイバ４２、及び光カプラ４３等を備えており、後置遅延補償器３１と同一の光路差に遅延ファイバ４２が設定され、経路（１Ｌ）と経路（１Ｓ）とを有している。
後置遅延補償器３１は、光カプラ６１、遅延ファイバ６２、及び光カプラ６３等を備えており、前置遅延補償器２２と同一の光路差に遅延ファイバ６２が設定され、経路（２Ｌ）と経路（２Ｓ）とを有している。
つまり、遅延ファイバ４２と、遅延ファイバ６２とは、同一の長さに設定されている。
また、経路（１Ｌ）は、光カプラ４１と、遅延ファイバ４２と、光カプラ４３とを通過する経路である。
経路（１Ｓ）は、光カプラ４１と、光カプラ４３とを通過する経路である。
経路（２Ｌ）は、光カプラ６１と、遅延ファイバ６２と、光カプラ６３とを通過する経路である。
経路（２Ｓ）は、光カプラ６１と、光カプラ６３とを通過する経路である。
なお、前置遅延補償器２２は、本発明の第１遅延補償器に相当する。
また、後置遅延補償器３１は、本発明の第２遅延補償器に相当する。
（動作の説明）
差分出力の時間差をΔｔとする。前置遅延補償器２２と後置遅延補償器３１との光路差は、同一のＬd0に設定する。このとき、光路差は、
Ｌd0＝ｃΔｔ／ｎf ・・・（１）
に設定する。
ただし、ｃは、真空中の光速であり、２９９７９２４５８ｍ／ｓｅｃとし、ｎfは、光ファイバの実効屈折率で汎用のシングルモードファイバでｎf〜１．４６８とする。
なお、図１は、マッハツェンダ型干渉計の遅延補償器の一例について例示したが、反射タイプのマイケルソン干渉計等で構成するときには、往復分が光路差になるため、Ｌd0＝ｃΔｔ／２ｎfに設定する。
差分出力の時間差をΔｔとする。前置遅延補償器２２と後置遅延補償器３１との光路差は、同一のＬd0に設定する。このとき、光路差は、
Ｌd0＝ｃΔｔ／ｎf ・・・（１）
に設定する。
ただし、ｃは、真空中の光速であり、２９９７９２４５８ｍ／ｓｅｃとし、ｎfは、光ファイバの実効屈折率で汎用のシングルモードファイバでｎf〜１．４６８とする。
なお、図１は、マッハツェンダ型干渉計の遅延補償器の一例について例示したが、反射タイプのマイケルソン干渉計等で構成するときには、往復分が光路差になるため、Ｌd0＝ｃΔｔ／２ｎfに設定する。
光源２１から出力されたパルス光は、前置遅延補償器２２を通過した後、繰り返し周期あたり２個のパルス光となり、光源部１１から光ファイバセンサ１２へと送出される。
次に、光ファイバセンサ１２を通過し、測定物理量だけ位相変調された１チャネルあたり２個の信号光が、復調部１３へと入力される。このとき、前後の２パルスは時間差Δｔで同一の受感ファイバ（光ファイバセンサ１２）を通過するため、各パルスに重畳する信号成分は、
前パルスの位相変調信号：ｓ（ｔ）＝ｓ0・ｅｘｐ（ｊωｔ）・・・（２）
後パルスの位相変調信号：ｓ（ｔ＋Δｔ）＝ｓ0・ｅｘｐ（ｊω（ｔ＋Δｔ））・・・（３）
となる。
次に、光ファイバセンサ１２を通過し、測定物理量だけ位相変調された１チャネルあたり２個の信号光が、復調部１３へと入力される。このとき、前後の２パルスは時間差Δｔで同一の受感ファイバ（光ファイバセンサ１２）を通過するため、各パルスに重畳する信号成分は、
前パルスの位相変調信号：ｓ（ｔ）＝ｓ0・ｅｘｐ（ｊωｔ）・・・（２）
後パルスの位相変調信号：ｓ（ｔ＋Δｔ）＝ｓ0・ｅｘｐ（ｊω（ｔ＋Δｔ））・・・（３）
となる。
２パルスの信号光は、復調部１３の後置遅延補償器３１を通過し、干渉信号を含む３パルスとなる。干渉信号は、前後パルスの位相変調信号の差に等しいので、これを復調器３２で復調処理することにより、測定物理量の差分信号を得ることができる。
ただし、Δｔの２次以上の項は無視できるものとする。
このとき、干渉信号は式（４）で表される。
干渉信号：Ｓ（ｔ）＝ｓ（ｔ＋Δｔ）−ｓ（ｔ）〜Δｔ・｛ｄｓ（ｔ）／ｄｔ｝・・・（４）
したがって、干渉信号をΔｔで除算することにより、測定物理量の微分信号を得ることができる。具体的には、復調器３２内の処理の後段で除算器を設けておけばよい。そして、除算器は、微分演算回路よりも低コストである。
このとき、復調器３２の出力は式（５）で表される。
復調出力：（Ｓ（ｔ）／Δｔ）＝ｄｓ（ｔ）／ｄｔ・・・（５）
ただし、Δｔの２次以上の項は無視できるものとする。
このとき、干渉信号は式（４）で表される。
干渉信号：Ｓ（ｔ）＝ｓ（ｔ＋Δｔ）−ｓ（ｔ）〜Δｔ・｛ｄｓ（ｔ）／ｄｔ｝・・・（４）
したがって、干渉信号をΔｔで除算することにより、測定物理量の微分信号を得ることができる。具体的には、復調器３２内の処理の後段で除算器を設けておけばよい。そして、除算器は、微分演算回路よりも低コストである。
このとき、復調器３２の出力は式（５）で表される。
復調出力：（Ｓ（ｔ）／Δｔ）＝ｄｓ（ｔ）／ｄｔ・・・（５）
（効果の説明）
このように、本実施例１の構成により、除算するだけで、後段の微分演算回路を設けなくても、測定物理量の微分信号を得ることができる。そして、本実施例１の構成により得られる微分信号は、図５に示すような光ファイバセンサ復調出力の後段に微分演算回路を接続して得られる信号と等価である。よって、低コストかつ低処理量の光ファイバセンサシステムを構築することができる。
このように、本実施例１の構成により、除算するだけで、後段の微分演算回路を設けなくても、測定物理量の微分信号を得ることができる。そして、本実施例１の構成により得られる微分信号は、図５に示すような光ファイバセンサ復調出力の後段に微分演算回路を接続して得られる信号と等価である。よって、低コストかつ低処理量の光ファイバセンサシステムを構築することができる。
実施の形態２．
（構成の説明）
図２は、本発明の実施の形態２における光ファイバセンサシステムの構成図である。
なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
（構成の説明）
図２は、本発明の実施の形態２における光ファイバセンサシステムの構成図である。
なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図２に示すように、本発明の実施の形態２における光ファイバセンサシステムは、光源８１と、光ファイバセンサ８２と、復調部８３とを備えている。
光源８１は、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力するものである。
光ファイバセンサ８２は、光カプラ１０１と、光カプラ１０５と、遅延ファイバ１０２と、受感ファイバ１０３と、受感ファイバ１０４を備えており、経路（１Ｌ）と、経路（１Ｓ）とを有している。
遅延ファイバ１０２は、カージオイド指向性を得るために必要な時間差を与えるものである。
受感ファイバ１０３と受感ファイバ１０４は、音圧等の物理量に対する応答機構を備えたものである。
復調部８３は、遅延補償器９１と、復調器９２とを備えている。
遅延補償器９１は、光カプラ１１１と、光カプラ１１３と、遅延ファイバ１１２とを備えており、経路（２Ｌ）と、経路（２Ｓ）とを有している。
遅延ファイバ１１２は、遅延ファイバ１０２と同一のものである。
経路（１Ｌ）は、光カプラ１０１と、遅延ファイバ１０２と、受感ファイバ１０３と、光カプラ１０５とを通過する経路である。
経路（１Ｓ）は、光カプラ１０１と、受感ファイバ１０４と、光カプラ１０５とを通過する経路である。
経路（２Ｌ）は、光カプラ１１１と、遅延ファイバ１１２と、光カプラ１１３とを通過する経路である。
経路（２Ｓ）は、光カプラ１１１と、光カプラ１１３とを通過する経路である。
光源８１は、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力するものである。
光ファイバセンサ８２は、光カプラ１０１と、光カプラ１０５と、遅延ファイバ１０２と、受感ファイバ１０３と、受感ファイバ１０４を備えており、経路（１Ｌ）と、経路（１Ｓ）とを有している。
遅延ファイバ１０２は、カージオイド指向性を得るために必要な時間差を与えるものである。
受感ファイバ１０３と受感ファイバ１０４は、音圧等の物理量に対する応答機構を備えたものである。
復調部８３は、遅延補償器９１と、復調器９２とを備えている。
遅延補償器９１は、光カプラ１１１と、光カプラ１１３と、遅延ファイバ１１２とを備えており、経路（２Ｌ）と、経路（２Ｓ）とを有している。
遅延ファイバ１１２は、遅延ファイバ１０２と同一のものである。
経路（１Ｌ）は、光カプラ１０１と、遅延ファイバ１０２と、受感ファイバ１０３と、光カプラ１０５とを通過する経路である。
経路（１Ｓ）は、光カプラ１０１と、受感ファイバ１０４と、光カプラ１０５とを通過する経路である。
経路（２Ｌ）は、光カプラ１１１と、遅延ファイバ１１２と、光カプラ１１３とを通過する経路である。
経路（２Ｓ）は、光カプラ１１１と、光カプラ１１３とを通過する経路である。
このとき、干渉信号に重畳される位相雑音を低減するために、遅延ファイバ１０２と遅延ファイバ１１２とは、同一の長さに設定される。また、光ファイバセンサ８２内の２個の受感ファイバ１０３、１０４は、従来技術の図６のカージオイド素子Ｓ1、Ｓ2に相当するため、同一感度のセンサを、間隔が２ｄの位置に設置することとする。
なお、遅延ファイバ１０２は、本発明における第１遅延ファイバに相当する。
また、遅延ファイバ１１２は、本発明における第２遅延ファイバに相当する。
なお、遅延ファイバ１０２は、本発明における第１遅延ファイバに相当する。
また、遅延ファイバ１１２は、本発明における第２遅延ファイバに相当する。
（動作の説明）
カージオイド指向性を得るために必要な時間差をΔｔとする。光ファイバセンサ８２及び遅延補償器９１の光路差は、
Ｌd0＝ｃΔｔ／ｎf ・・・（１）
に設定する。
ただし、ｃは、真空中の光速であり、２９９７９２４５８ｍ／ｓｅｃとし、ｎfは、光ファイバの実効屈折率で汎用のシングルモードファイバでｎf〜１．４６８とする。
なお、図２は、マッハツェンダ型干渉計の遅延補償器の一例について例示したが、反射タイプのマイケルソン干渉計等で構成するときには、往復分が光路差になるため、Ｌd0＝ｃΔｔ／２ｎfに設定する。
カージオイド指向性を得るために必要な時間差をΔｔとする。光ファイバセンサ８２及び遅延補償器９１の光路差は、
Ｌd0＝ｃΔｔ／ｎf ・・・（１）
に設定する。
ただし、ｃは、真空中の光速であり、２９９７９２４５８ｍ／ｓｅｃとし、ｎfは、光ファイバの実効屈折率で汎用のシングルモードファイバでｎf〜１．４６８とする。
なお、図２は、マッハツェンダ型干渉計の遅延補償器の一例について例示したが、反射タイプのマイケルソン干渉計等で構成するときには、往復分が光路差になるため、Ｌd0＝ｃΔｔ／２ｎfに設定する。
光源８１から出力されたパルス光は、光ファイバセンサ８２を通過して、測定物理量分だけ位相変調された１チャネルあたり２個の信号光が、復調部８３へと入力される。このとき、前後の２パルスは、時間差Δｔで異なる受感ファイバ１０３、１０４をそれぞれ通過するため、各パルスに重畳する信号成分は、
となる。
２パルスの信号光は、復調部８３の遅延補償器９１を通過して干渉信号を含む３パルスとなる。干渉信号は、前後パルスの位相変調信号の差に等しいので、これを復調器９２で復調処理することにより、後述する式（１２）のようにカージオイド指向性が得られる。受波素子間隔ｄ0、カージオイド指向性の上限角振動数：ω0のとき、干渉信号は、式（８）で表される。
２パルスの信号光は、復調部８３の遅延補償器９１を通過して干渉信号を含む３パルスとなる。干渉信号は、前後パルスの位相変調信号の差に等しいので、これを復調器９２で復調処理することにより、後述する式（１２）のようにカージオイド指向性が得られる。受波素子間隔ｄ0、カージオイド指向性の上限角振動数：ω0のとき、干渉信号は、式（８）で表される。
そして、以下の条件式（９）、（１０）と近似式（１１）とを式（８）に代入し、代入した結果は、式（１２）で表される。
ω＝ω0 ・・・（９）
Δｔ＝２ｋ0ｄ／ω0＝２ｄ／ｃs ・・・（１０）
ｋ0ｄ＜＜１ ・・・（１１）
ここで、式（９）は、カージオイド指向性の上限周波数を表すものとする。
また、式（１０）は、カージオイドの時間差の定義式を表すものとする。ただし、ｃsは音速を表すものとする。
また、式（１１）は、カージオイド指向性の近似条件を表すものとする。ただし、（ｋ0ｄ）の２次以上の項は無視できるとする。
ω＝ω0 ・・・（９）
Δｔ＝２ｋ0ｄ／ω0＝２ｄ／ｃs ・・・（１０）
ｋ0ｄ＜＜１ ・・・（１１）
ここで、式（９）は、カージオイド指向性の上限周波数を表すものとする。
また、式（１０）は、カージオイドの時間差の定義式を表すものとする。ただし、ｃsは音速を表すものとする。
また、式（１１）は、カージオイド指向性の近似条件を表すものとする。ただし、（ｋ0ｄ）の２次以上の項は無視できるとする。
以上のように、式（１０）を満たすように、遅延ファイバ１０２、１１２を設定することにより、式（１１）の条件が満たされるカージオイド指向性の上限周波数以下の周波数において、（１＋ｃｏｓθ）のカージオイド指向性が得られる。
具体的には、後述するように、上限周波数とセンサ間の距離であるｄとに基づいて、遅延ファイバ１０２、１１２の長さを設定することで、カージオイド指向性を得ることができる。
具体的には、後述するように、上限周波数とセンサ間の距離であるｄとに基づいて、遅延ファイバ１０２、１１２の長さを設定することで、カージオイド指向性を得ることができる。
（効果の説明）
本実施例２の構成により、１チャネルの光ファイバセンサを使い、測定物理量のカージオイド指向性を得ることができる。本実施例２の構成により得られる信号は、図６に示すような光ファイバセンサ２チャネルの復調出力の後段にカージオイド演算回路を接続して得られる信号と等価である。よって、低コストかつ低処理量の光ファイバセンサシステムを構築することができる。
本実施例２の構成により、１チャネルの光ファイバセンサを使い、測定物理量のカージオイド指向性を得ることができる。本実施例２の構成により得られる信号は、図６に示すような光ファイバセンサ２チャネルの復調出力の後段にカージオイド演算回路を接続して得られる信号と等価である。よって、低コストかつ低処理量の光ファイバセンサシステムを構築することができる。
実施の形態３．
（構成の説明）
図３は、本発明の実施の形態３における光ファイバセンサシステムの構成図である。
なお、本実施の形態３において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
（構成の説明）
図３は、本発明の実施の形態３における光ファイバセンサシステムの構成図である。
なお、本実施の形態３において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図３に示すように、光ファイバセンサシステムは、光源部２０１と、光ファイバセンサ２０２と、復調部２０３とを備えている。
光源部２０１は、光源２１１と、前置遅延補償器２１２とを備えている。
光源２１１は、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力するものである。
前置遅延補償器２１２は、光カプラ２５１と、遅延ファイバ２５２と、光カプラ２５３とを備えており、経路（１Ｌ）と、経路（１Ｓ）とを有している。
遅延ファイバ２５２は、カージオイド指向性を得るために必要な時間差を与えるものである。
経路（１Ｌ）は、光カプラ２５１と、遅延ファイバ２５２と、光カプラ２５３とを経路とするものである。
経路（１Ｓ）は、光カプラ２５１と、光カプラ２５３とを経路とするものである。
光源部２０１は、光源２１１と、前置遅延補償器２１２とを備えている。
光源２１１は、狭線幅の繰り返しパルス波形を出力するものである。
前置遅延補償器２１２は、光カプラ２５１と、遅延ファイバ２５２と、光カプラ２５３とを備えており、経路（１Ｌ）と、経路（１Ｓ）とを有している。
遅延ファイバ２５２は、カージオイド指向性を得るために必要な時間差を与えるものである。
経路（１Ｌ）は、光カプラ２５１と、遅延ファイバ２５２と、光カプラ２５３とを経路とするものである。
経路（１Ｓ）は、光カプラ２５１と、光カプラ２５３とを経路とするものである。
光ファイバセンサ２０２は、光カプラ２６１と、受感ファイバ２６２と、遅延ファイバ２６３と、受感ファイバ２６４と、光カプラ２６５とを備えており、経路（２Ｌ）と、経路（２Ｓ）とを有している。
受感ファイバ２６２、２６４は、音圧等の物理量に対する応答機構を備えているものである。
経路（２Ｌ）は、光カプラ２６１と、受感ファイバ２６２と、遅延ファイバ２６３と、光カプラ２６５とを経路とするものである。
経路（２Ｓ）は、光カプラ２６１と、受感ファイバ２６４と、光カプラ２６５とを経路とするものである。
受感ファイバ２６２、２６４は、音圧等の物理量に対する応答機構を備えているものである。
経路（２Ｌ）は、光カプラ２６１と、受感ファイバ２６２と、遅延ファイバ２６３と、光カプラ２６５とを経路とするものである。
経路（２Ｓ）は、光カプラ２６１と、受感ファイバ２６４と、光カプラ２６５とを経路とするものである。
復調部２０３は、後置遅延補償器２２１と、復調器２２２とを備えている。
後置遅延補償器２２１は、光カプラ２７１と、遅延ファイバ２７２と、光カプラ２７３とを備えており、経路（３Ｌ）と、経路（３Ｓ）とを有している。
経路（３Ｌ）は、光カプラ２７１と、遅延ファイバ２７２と、光カプラ２７３とを経路とするものである。
経路（３Ｓ）は、光カプラ２７１と、光カプラ２７３とを経路とするものである。
後置遅延補償器２２１は、光カプラ２７１と、遅延ファイバ２７２と、光カプラ２７３とを備えており、経路（３Ｌ）と、経路（３Ｓ）とを有している。
経路（３Ｌ）は、光カプラ２７１と、遅延ファイバ２７２と、光カプラ２７３とを経路とするものである。
経路（３Ｓ）は、光カプラ２７１と、光カプラ２７３とを経路とするものである。
このとき、干渉信号に重畳される位相雑音を低減するために、後置遅延補償器２２１の遅延ファイバ２７２は、前置遅延補償器２１２の遅延ファイバ２５２と光ファイバセンサ２０２の遅延ファイバ２６３との和又は差に等しくなるように設定する。
また、光ファイバセンサ２０２内の２個の受感ファイバ２６２、２６４は、従来技術の図６のカージオイド素子Ｓ1、Ｓ2に相当するため、同一感度のセンサを、間隔が２ｄの位置に設置する。
なお、遅延ファイバ２５２は、本発明における第３遅延ファイバに相当する。
また、遅延ファイバ２６３は、本発明における第４遅延ファイバに相当する。
また、遅延ファイバ２７２は、本発明における第５遅延ファイバに相当する。
また、光ファイバセンサ２０２内の２個の受感ファイバ２６２、２６４は、従来技術の図６のカージオイド素子Ｓ1、Ｓ2に相当するため、同一感度のセンサを、間隔が２ｄの位置に設置する。
なお、遅延ファイバ２５２は、本発明における第３遅延ファイバに相当する。
また、遅延ファイバ２６３は、本発明における第４遅延ファイバに相当する。
また、遅延ファイバ２７２は、本発明における第５遅延ファイバに相当する。
（動作の説明）
光源２１１から出力されたパルス光は、前置遅延補償器２１２を通過した後、繰り返し周期あたり２個のパルス波形となり、光源部２０１から光ファイバセンサ２０２へと送出される。
次に、光ファイバセンサ２０２を通過して、測定物理量分だけ位相変調された１チャネルあたり４個の信号光が、復調部２０３へと入力される。
４パルスの信号光は、復調部２０３の後置遅延補償器２２１を通過し、干渉信号を含む７パルスとなる。このとき、遅延ファイバ２７２が、前置遅延補償器２１２の遅延ファイバ２５２と、光ファイバセンサ２０２の遅延ファイバ２６３との和又は差に等しくなるように設定する。具体的には、Ｌd2＝Ｌd0＋Ｌd1又はＬd2＝Ｌd0−Ｌd1となるように設定する。このようにすることで、干渉信号は、ｓ1（ｔ＋Δｔ）−ｓ2（ｔ）又はｓ2（ｔ＋Δｔ）−ｓ1（ｔ）となる。
光源２１１から出力されたパルス光は、前置遅延補償器２１２を通過した後、繰り返し周期あたり２個のパルス波形となり、光源部２０１から光ファイバセンサ２０２へと送出される。
次に、光ファイバセンサ２０２を通過して、測定物理量分だけ位相変調された１チャネルあたり４個の信号光が、復調部２０３へと入力される。
４パルスの信号光は、復調部２０３の後置遅延補償器２２１を通過し、干渉信号を含む７パルスとなる。このとき、遅延ファイバ２７２が、前置遅延補償器２１２の遅延ファイバ２５２と、光ファイバセンサ２０２の遅延ファイバ２６３との和又は差に等しくなるように設定する。具体的には、Ｌd2＝Ｌd0＋Ｌd1又はＬd2＝Ｌd0−Ｌd1となるように設定する。このようにすることで、干渉信号は、ｓ1（ｔ＋Δｔ）−ｓ2（ｔ）又はｓ2（ｔ＋Δｔ）−ｓ1（ｔ）となる。
そのため、実施例２と同様に、式（１０）を満たすように、遅延ファイバ２５２、２６３、２７２を設定することにより、式（１１）の条件が満たされるカージオイド指向性の上限周波数以下の周波数において、（１＋ｃｏｓθ）のカージオイド指向性が得られる。
（効果の説明）
本実施例３の構成により、実施例２と同様に、１チャネルの光ファイバセンサを使い、測定物理量のカージオイド指向性を得ることができる。本実施例３の構成により得られた信号は、図６に示すような光ファイバセンサ２チャネルの復調出力の後段にカージオイド演算回路を接続して得られる信号と等価である。よって、低コストかつ低処理量の光ファイバセンサを構築することができる。
また、実施例２では、カージオイド指向性を得るために必要な時間差を与える遅延ファイバ１０２、１１２を光ファイバセンサ８２と遅延補償器９１とにそれぞれ内蔵していたが、本実施例３では、前置遅延補償器２１２と後置遅延補償器２２１とに内蔵するため、光ファイバセンサ２０２内部に長距離の遅延ファイバが不要となる。
具体的には、Ｌd2＝Ｌd0＋Ｌd1又はＬd2＝Ｌd0−Ｌd1となるように設定されるため、遅延ファイバ２７２の長さＬd2か遅延ファイバ２５２の長さＬd0のいずれかを長距離の遅延ファイバとすればよい。
例えば、カージオイドの上限周波数を２ｋＨｚとした場合、
ω0＝２π×２０００＝１２５６６（ｒａｄ）
（１１）式の近似条件 ｋ0ｄ＜＜１より、
ｋ0ｄ＝ω0ｄ／ｃs＝８ｄなので、例えば、ｄ＝５（ｃｍ）に設定すると、
（１０）式より、Δｔ＝２ｄ／ｃs＝６７（μｓｅｃ）
（１）式より、Ｌd0＝ｃΔｔ／ｎf＝１３．６（ｋｍ）
となる。これにより、実施例２においては、多点計測を前提とした場合、光ファイバセンサ８２を複数設けることになるので、全ての光ファイバセンサに１０ｋｍ以上の遅延ファイバを内蔵する必要がある。これに対して、本実施例３では、光源部２０１と、復調部２０３とに１個ずつの遅延ファイバを設けるだけでよい、すなわち、遅延ファイバ２５２、２７２だけでよい。そのため、実施例２と比較して、光ファイバセンサの小型化・低コスト化が可能である。
本実施例３の構成により、実施例２と同様に、１チャネルの光ファイバセンサを使い、測定物理量のカージオイド指向性を得ることができる。本実施例３の構成により得られた信号は、図６に示すような光ファイバセンサ２チャネルの復調出力の後段にカージオイド演算回路を接続して得られる信号と等価である。よって、低コストかつ低処理量の光ファイバセンサを構築することができる。
また、実施例２では、カージオイド指向性を得るために必要な時間差を与える遅延ファイバ１０２、１１２を光ファイバセンサ８２と遅延補償器９１とにそれぞれ内蔵していたが、本実施例３では、前置遅延補償器２１２と後置遅延補償器２２１とに内蔵するため、光ファイバセンサ２０２内部に長距離の遅延ファイバが不要となる。
具体的には、Ｌd2＝Ｌd0＋Ｌd1又はＬd2＝Ｌd0−Ｌd1となるように設定されるため、遅延ファイバ２７２の長さＬd2か遅延ファイバ２５２の長さＬd0のいずれかを長距離の遅延ファイバとすればよい。
例えば、カージオイドの上限周波数を２ｋＨｚとした場合、
ω0＝２π×２０００＝１２５６６（ｒａｄ）
（１１）式の近似条件 ｋ0ｄ＜＜１より、
ｋ0ｄ＝ω0ｄ／ｃs＝８ｄなので、例えば、ｄ＝５（ｃｍ）に設定すると、
（１０）式より、Δｔ＝２ｄ／ｃs＝６７（μｓｅｃ）
（１）式より、Ｌd0＝ｃΔｔ／ｎf＝１３．６（ｋｍ）
となる。これにより、実施例２においては、多点計測を前提とした場合、光ファイバセンサ８２を複数設けることになるので、全ての光ファイバセンサに１０ｋｍ以上の遅延ファイバを内蔵する必要がある。これに対して、本実施例３では、光源部２０１と、復調部２０３とに１個ずつの遅延ファイバを設けるだけでよい、すなわち、遅延ファイバ２５２、２７２だけでよい。そのため、実施例２と比較して、光ファイバセンサの小型化・低コスト化が可能である。
全ての実施例１〜３において、動作原理の説明のために単チャネル構成について示したが、時分割多重（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、空間分割多重（ＳＤＭ：Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の構成においても、同様の効果がある。
全ての実施例１〜３において、動作原理の説明のためにマッハツェンダ干渉型の遅延補償器及び光ファイバセンサについて示したが、反射タイプのマイケルソン干渉型、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）や誘導多層膜を利用したインライン干渉型においても、同様の効果がある。
全ての実施例１〜３において、動作原理の説明のためにマッハツェンダ干渉型の遅延補償器及び光ファイバセンサについて示したが、反射タイプのマイケルソン干渉型、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）や誘導多層膜を利用したインライン干渉型においても、同様の効果がある。
１１、２０１ 光源部、１２、８２、２０２ 光ファイバセンサ、１３、８３、２０３ 復調部、２１、８１、２１１ 光源、２２、２１２ 前置遅延補償器、３１ 後置遅延補償器、３２、９２、２２２ 復調器、４１、４３、６１、６３、１０１、１０５、１１１、１１３、２５１、２５３、２６１、２６５、２７１、２７３ 光カプラ、１、２、４２、６２、１０２、１１２、２５２、２６３、２７２ 遅延ファイバ、１０３、１０４、２６２、２６４ 受感ファイバ。
Claims (3)
- 光源部と、
前記光源部に接続され、物理測定量に基づいて信号を生成する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサに接続され、前記光ファイバセンサから生成された信号を遅延させ、遅延させた測定信号を演算する復調部と、
を備え、
前記光源部は、
パルス光を出力する光源と、
前記パルス光と、予め定めた時間差を生じさせた前記パルス光とを出力する第１遅延補償器と、
を有し、
前記復調部は、
前記光ファイバセンサから信号光が入力され、前記信号光と、前記時間差を生じさせた前記信号光とを出力する第２遅延補償器と、
前記第２遅延補償器の出力信号から測定信号を演算する復調器と、
を有し、
前記復調器は、
前記時間差で、前記出力信号を除することにより、前記物理測定量の微分信号を得る
ことを特徴とする光ファイバセンサシステム。 - パルス光を出力する光源と、
前記光源に接続され、前記パルス光を物理測定量に基づいて変調した信号光と、第１遅延ファイバにより予め定めた時間差を生じさせた前記パルス光を前記物理測定量に基づいて変調した信号光とを出力する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサに接続され、前記信号光と、第２遅延ファイバにより前記時間差を生じさせた前記信号光とから測定信号を演算する復調部と、
を備え、
前記第１遅延ファイバ及び第２遅延ファイバの長さは、
カージオイド指向性の上限周波数と、カージオイドの時間差とに基づいて定められている
ことを特徴とする光ファイバセンサシステム。 - 光源部と、
前記光源部に接続され、物理測定量に基づいて信号を生成する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサに接続され、前記光ファイバセンサから生成された信号を遅延させ、遅延させた測定信号を演算する復調部と、
を備え、
前記光源部は、
パルス光を出力する光源と、
前記パルスに予め定めた時間差を生じさせる第３遅延ファイバと、
を有し、
前記パルス光と、前記時間差を生じさせた前記パルス光とを出力し、
前記光ファイバセンサは、
前記時間差を生じさせる第４遅延ファイバを有し、
前記パルス光を物理測定量に基づいて変調した信号光と、前記第４遅延ファイバにより前記時間差を生じさせた前記パルス光を前記物理測定量に基づいて変調した信号光とを出力し、
前記復調部は、
前記時間差を生じさせる第５遅延ファイバと、
前記信号光と、前記第５遅延ファイバにより前記時間差を生じさせた前記信号光とから測定信号を演算する復調器と、
を有し、
前記第５遅延ファイバの長さは、
前記第３遅延ファイバの長さと、前記第４遅延ファイバの長さとの和である、または、
前記第３遅延ファイバの長さと、前記第４遅延ファイバの長さとの差である
ことを特徴とする光ファイバセンサシステム。
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| JP2012040462A JP2013174563A (ja) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | 光ファイバセンサシステム |
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