JP2018017625A - Interference type optical fiber sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、干渉型光ファイバセンサに関するものである。 The present invention relates to an interference type optical fiber sensor.
従来の干渉型光ファイバセンサの一例として、非特許文献1に示されたものがある。非特許文献1の干渉型光ファイバセンサは、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。
One example of a conventional interference type optical fiber sensor is disclosed in Non-Patent
干渉型光ファイバセンサは、様々な物理量を検出する事が可能で、例えば、非特許文献1には、磁気信号を検出する干渉型光ファイバセンサが開示されており、非特許文献2には、音響信号を検出する干渉型光ファイバセンサが開示されている。また、干渉型光ファイバセンサにおける干渉計の位相復調は、非特許文献1に示されているPGC(Phase Generated Carrier)方式、又は非特許文献2に示されているヘテロダイン方式などによって行われる。
The interference type optical fiber sensor can detect various physical quantities. For example, Non-Patent
PGC方式又はヘテロダイン方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサは、伝搬時間差τが同じ2種類の干渉計を直列に接続する構成にすることで、センシングファイバとその周辺を光部品だけで構成し、光周波数シフタ、圧電振動子などの電源供給を必要とする部品をセンシングファイバから離れた場所に置くことができるので、水中の信号を検出する用途などに適している。加えて、従来から、遅延補償干渉計を設けずに、レーザのFM変調でPGCを発生させる構成も知られている(例えば、非特許文献3参照)。 A conventional interferometric optical fiber sensor that employs a PGC method or a heterodyne method has a configuration in which two types of interferometers having the same propagation time difference τ are connected in series, so that the sensing fiber and its periphery are configured only by optical components. Since components that require power supply, such as an optical frequency shifter and a piezoelectric vibrator, can be placed away from the sensing fiber, they are suitable for applications such as detecting underwater signals. In addition, conventionally, a configuration in which PGC is generated by FM modulation of a laser without providing a delay compensation interferometer is also known (see, for example, Non-Patent Document 3).
しかしながら、PGC方式又はヘテロダイン方式等を採用した従来の干渉型光ファイバセンサは、センシング干渉計のミラーに向かうパルス光のレイリー散乱光が、ミラーで反射したパルス光と重なり、干渉することで雑音が発生するという課題がある。加えて、非特許文献3のように、レーザのFM変調でPGCを発生させる方法では、PGCの高調波を考慮してサンプリング周波数を高くすることになるため、多重化数を増やしにくいという課題がある。
However, in the conventional interference type optical fiber sensor adopting the PGC method or the heterodyne method, the Rayleigh scattered light of the pulsed light directed to the mirror of the sensing interferometer overlaps with the pulsed light reflected by the mirror and causes noise. There is a problem that occurs. In addition, as in Non-Patent
また、特許文献1には、パルス光源から干渉計のミラーまでにおいて光が往復する部分にあるパルス光を1つにすることで、レイリー散乱光を減らす方法が示されている。しかしながら、特許文献1の方法では、パルスの繰り返し周期が長くなるため、復調のためのサンプリング周期も長くなり、高い周波数の信号は復調することができなくなるという課題がある。そして、光を往復させる長さを復調に必要なサンプリング周期の範囲内に制限し、許容範囲外の伝送路を往路と復路とを分けて構成することで、レイリー散乱光の干渉による雑音を抑えることもできるが、かかる構成を採れば、構成品が多くなるという課題がある。よって、構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させる干渉型光ファイバセンサが望まれている。
本発明に係る干渉型光ファイバセンサは、所定の周期でパルス光を出力するパルス光源と、パルス光を導波し、物理量を検知するセンシングファイバを含むセンシング干渉計と、センシングファイバと伝搬遅延時間が等しい遅延補償ファイバを含む遅延補償干渉計と、センシング干渉計及び遅延補償干渉計と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路と、を有するものである。 An interference optical fiber sensor according to the present invention includes a pulse light source that outputs pulse light at a predetermined period, a sensing interferometer that includes a sensing fiber that guides pulse light and detects a physical quantity, a sensing fiber, and a propagation delay time. A delay compensating interferometer including equal delay compensating fibers, and an optical shift circuit including an optical frequency shifter that is connected in series with the sensing interferometer and the delay compensating interferometer and shifts the frequency of the pulsed light.
本発明によれば、センシング干渉計及び遅延補償干渉計と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路を有することにより、パルス光源から出力されるパルス光の周波数を周期的にシフトさせることができるため、構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させることができる。 According to the present invention, the frequency of the pulse light output from the pulse light source is provided by including the optical shift circuit including the optical frequency shifter that is connected in series with the sensing interferometer and the delay compensation interferometer and shifts the frequency of the pulse light. Can be periodically shifted, so that an increase in the number of components can be suppressed and noise can be reduced.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ100の構成を示す模式図である。図2は、図1の干渉型光ファイバセンサ100の各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。図1及び図2を参照して、干渉型光ファイバセンサ100の構成及び動作を説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an interference
本第1実施形態における干渉型光ファイバセンサ100は、復調方式にPGC方式を採用したものである。図1に示すように、干渉型光ファイバセンサ100は、パルス光源10と、光シフト回路20と、光サーキュレータ30と、センシング干渉計40と、遅延補償干渉計50と、光電変換器(O/E変換器)60と、LPF(ローパスフィルタ)65と、復調器70と、を有している。パルス光源10は、シフト光カプラ21と接続されており、一定周波数νのパルス光を所定の周期でシフト光カプラ21に出力するものである。
The interference
光シフト回路20は、光周波数シフタ23が設けられた閉ループ回路である。すなわち、光シフト回路20は、シフト光カプラ21と、オシレータ22と、光周波数シフタ23と、光パルスゲート24と、遅延ファイバ25と、光アンプ26と、を有している。光シフト回路20は、シフト光カプラ21、光周波数シフタ23、光パルスゲート24、遅延ファイバ25、及び光アンプ26が順次接続されており、シフト光カプラ21で分岐した一方のパルス光が、予め決められた設定周回数だけループするように構成されている。設定周回数は、光シフト回路20にパルス光を周回させる回数のことであり、パルス光源10のパルス幅とパルス光源10のパルス繰り返し周期とに基づいて設定される。
The
シフト光カプラ21は、入力されたパルス光を分岐したり、一つに重畳したりする光カプラである。シフト光カプラ21は、2つの入力ポートと、2つの出力ポートと、を有している。シフト光カプラ21は、一方の入力ポートがパルス光源10に接続され、他方の入力ポートが光アンプ26に接続されている。また、シフト光カプラ21は、一方の出力ポートが光周波数シフタ23に接続され、他方の出力ポートが光サーキュレータ30に接続されている。
The shift
すなわち、シフト光カプラ21は、パルス光源10から出力されたパルス光を分岐させ、一方のパルス光を光周波数シフタ23に出力し、他方のパルス光を光サーキュレータ30に出力するものである。また、シフト光カプラ21は、遅延ファイバ25経由で自身に戻った一方のパルス光をさらに分岐させて、分岐させた2つのパルス光を、それぞれ、遅延ファイバ25と光サーキュレータ30とに出力するものである。
In other words, the shift
オシレータ22は、周波数fLの正弦波信号を光周波数シフタ23へ出力し、光周波数シフタ23を通過するパルス光の周波数をfLだけシフトさせるものである。以降では、光周波数シフタ23がシフトさせる周波数fLをシフト周波数fLともいう。シフト周波数fLは、PGC信号発生器52の周波数fCの2倍より高い周波数に設定する。
光周波数シフタ23は、オシレータ22から出力される周波数fLの正弦波信号をもとに、シフト光カプラ21から出力される一方のパルス光の周波数をfLだけシフトさせるものである。ここで、シフト光カプラ21から出力された一方のパルス光は、光シフト回路20内を設定周回数だけシフト光カプラ21に戻るようになっている。そして、一方のパルス光には、光周波数シフタ23を通過する度にシフト周波数fLが加えられる。すなわち、一方のパルス光の周波数は、光周波数シフタ23を通過する度に、ν+ff、ν+2ff、ν+3ff・・・といった具合に高くなっていく。
光パルスゲート24は、シフト光カプラ21で分岐した一方のパルス光を周回させる設定周回数を調整する帰還パルス遮断手段である。光パルスゲート24は、シフト光カプラ21で分岐した一方のパルス光を、通過させ又は遮断することにより、設定周回数を調整するものである。すなわち、光パルスゲート24は、シフト光カプラ21で分岐した一方のパルス光をシフト光カプラ21まで戻す回数を調整するものである。
The
遅延ファイバ25は、光パルスゲート24を通過したパルス光を、予め設定された帰還間隔で遅延させ、パルス光が光シフト回路20を一周する時間、すなわち、シフト光カプラ21で分岐した他方のパルス光が遅延ファイバ25経由でシフト光カプラ21に帰還するまでの時間を調整するものである。本第1実施形態において、遅延ファイバ25の長さは、パルス光が光シフト回路20を一周する時間と、センシングファイバ42を含むセンシング干渉計40の伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。
The
光アンプ26は、シフト光カプラ21から遅延ファイバ25を通過したパルス光を増幅して、シフト光カプラ21へ出力するものである。光アンプ26の利得は、シフト光カプラ21から出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定される。
The
光サーキュレータ30は、パルス光の伝送方向を切り替えるものである。本第1実施形態において、光サーキュレータ30は、シフト光カプラ21から入力したパルス光をセンシング干渉計40に出力し、センシング干渉計40から入力したパルス光を遅延補償干渉計50に出力するものである。
The optical circulator 30 switches the transmission direction of pulsed light. In the first embodiment, the optical circulator 30 outputs the pulse light input from the shift
センシング干渉計40は、光カプラ41と、センシングファイバ42と、第1ミラー43と、第2ミラー44と、を有している。光カプラ41は、1つの入力ポートと、2つの出力ポートと、を有している。第1ミラー43及び第2ミラー44は、パルス光を反射するものである。センシングファイバ42は、光カプラ41と第1ミラー43との間に設けられており、物理量を検知するものである。すなわち、センシングファイバ42は、加わる物理量に応じて生じる歪みにより、通過するパルス光を位相変調するものである。
The
光カプラ41は、光サーキュレータ30から出力されたパルス光を分岐させ、一方のパルス光を第1ミラー43に向けて出力し、他方のパルス光を第2ミラー44に向けて出力するものである。光カプラ41は、第1ミラー43において反射されたパルス光をセンシングファイバ42経由で入力し、光サーキュレータ30に出力するものである。光カプラ41は、第2ミラー44において反射されたパルス光を光サーキュレータ30に出力するものである。
The
遅延補償干渉計50は、遅延光カプラ51と、PGC信号発生器52と、遅延補償ファイバ53と、圧電子53Aと、第1遅延ミラー54と、第2遅延ミラー55と、を有している。PGC信号発生器52は、PGC信号を発生して、遅延補償ファイバ53に供給するものである。遅延補償ファイバ53は、遅延光カプラ51で分岐した一方のパルス光を遅延させるものである。遅延補償ファイバ53は、パルス光を遅延させる時間である往復遅延時間が、センシングファイバ42の伝搬時間差τと等しくなるように設定されている。圧電子53Aは、遅延補償ファイバ53に周波数fCの正弦波状の歪みを加えるものである。
The
光電変換器60は、干渉光を電気信号に変換するものである。LPF65は、光電変換器60と復調器70との間に設けられている。LPF65は、光電変換器60から出力される電気信号のうち、低域周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。すなわち、LPF65は、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断するものである。本第1実施形態において、LPF65の遮断周波数は、周波数fCの2倍より高く、シフト周波数fL未満の周波数に設定される。シフト周波数fLが光電変換器60の帯域より高い場合、干渉型光ファイバセンサ100は、LPF65を設けずに構成してもよい。
The
復調器70は、参照信号発生器71Aと、参照信号発生器71Bと、乗算器72Aと、乗算器72Bと、LPF73Aと、LPF73Bと、逆正接演算器74と、不連続点補償演算器75と、を有している。参照信号発生器71Aは、参照信号としてcos2πfCtを生成し、乗算器72Aに出力するものである。参照信号発生器71Bは、参照信号としてcos4πfCtを生成し、乗算器72Bに出力するものである。乗算器72Aは、LPF65から出力される電気信号に、参照信号発生器71Aから出力される参照信号を乗算してLPF73Aに出力するものである。乗算器72Bは、LPF65から出力される電気信号に、参照信号発生器71Bから出力される参照信号を乗算してLPF73Bに出力するものである。
The
LPF73Aは、乗算器72Aから出力された電気信号のうち、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。LPF73Bは、乗算器72Bから出力された電気信号のうち、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。
The
逆正接演算器74は、LPF73Aを通過した電気信号であるsinφ(t)と、LPF73Bを通過した電気信号であるcosφ(t)とから逆正接を求めて不連続点補償演算器75へ出力するものである。不連続点補償演算器75は、逆正接演算器74の出力の不連続点を連結することにより、物理量に対応する信号φ(t)を復調するものである。
The
本第1実施形態の干渉型光ファイバセンサ100は、復調器70に特定のパルス光をサンプリングするA/D変換器を設けず、連続波のまま復調処理を行うことができる。デジタル処理で復調する場合は、LPF65又はLPF73及びLPF73Bの帯域制限によって、折り返しによる雑音増加が起きないようにA/D変換を実行することができる。
The interference type
光シフト回路20から出力されるパルス光を光パルスゲート24で遮断し、次のパルスをパルス光源10から出力するタイミングは、τの整数倍、3τ以上で、且つ光サーキュレータ30からセンシング干渉計40の第1ミラー43及び44の間の光ファイバに同じ周波数のパルス光が入らないように設定する。
The timing at which the pulsed light output from the
図2の例では、パルス光源10から出力されるパルス光のデューティー比が1/3に設定され、パルス光源10のパルス幅がτに設定され、パルス光源10のパルス繰り返し周期が3τに設定されている。ここで、光シフト回路20を1周する時間は、センシング干渉計40の伝搬時間差τと等しくなっている。そして、シフト光カプラ21から光サーキュレータ30に向けて、光シフト回路20を周回しなかった光周波数がνのパルス光と、光シフト回路20を1周して光周波数がν+fLになったパルス光と、光シフト回路20を2周して光周波数がν+2fLになったパルス光とが、連なって繰り返し出力される。すなわち、シフト光カプラ21から光サーキュレータ30に出力されるパルス波形は、図2に示すように、周波数νのパルス光と、周波数ν+fLのパルス光と、周波数ν+2fLのパルス光とが、連続的に繰り返された形状となっている。
設定されている。
In the example of FIG. 2, the duty ratio of the pulsed light output from the pulsed
Is set.
光シフト回路20の周回が3回目となったパルス光は、光パルスゲート24で遮断されるようになっている。すなわち、光パルスゲート24は、光シフト回路20の周回が3回目となったパルス光を遮断することで、設定周回数が2回となるように調整する。
The pulsed light having the third round of the
本第1実施形態では、光シフト回路20が、シフト光カプラ21、光周波数シフタ23、光パルスゲート24、遅延ファイバ25、光アンプ26の順に接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光シフト回路20は、光周波数シフタ23、光パルスゲート24、遅延ファイバ25、及び光アンプ26の接続順序を入れ替えて構成してもよい。
In the first embodiment, the case where the
上記構成により、干渉型光ファイバセンサ100は、パルス光が光ファイバを往復する部分、すなわち、パルス光が往復する光路に、周波数が異なる複数のパルス光が伝搬されるようになっている。本第1実施形態において、パルス光が光ファイバを往復する部分とは、光サーキュレータ30から第1ミラー43又は第2ミラー44までの部分のことである。ここで、干渉型光ファイバセンサ100は、光サーキュレータ30と同様に機能する光カプラ等を、光サーキュレータ30の代わりに有していてもよい。
With the above configuration, the interference type
本第1実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100が、光周波数シフタ23を含む光シフト回路20、センシングファイバ42を含むセンシング干渉計40、遅延補償ファイバ53を含む遅延補償干渉計50の順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ100は、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路20に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路20をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
In the first embodiment, the interference type
(動作の説明)
パルス光源10から出力されたパルス光は、シフト光カプラ21において、光周波数シフタ23へ向かう一方のパルス光と、光サーキュレータ30へ向かう他方のパルス光とに分割される。シフト光カプラ21で分割された他方のパルス光は、光サーキュレータ30を通過し、センシング干渉計40の光カプラ41で2つに分割され、分割された一方のパルス光と他方のパルス光とが、それぞれ、第1ミラー43と第2ミラー44とで反射する。第1ミラー43で反射した一方のパルス光は、センシングファイバ42を通過してセンシング光となり(経路AC)、第2ミラー44で反射した他方のパルス光は、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42を通過するときに、センシングファイバ42に加わる信号φ(t)で位相変調される。センシングファイバ42の伝搬遅延時間τdにより、一方のパルス光及び他方のパルス光は、2つのパルス光となって伝送され、それぞれが遅延補償干渉計50の遅延光カプラ51で2つに分割される。
(Description of operation)
The pulsed light output from the pulsed
遅延光カプラ51で分割された一方のパルス光は、遅延補償干渉計50の遅延補償ファイバ53を通過してから第1遅延ミラー54で反射し、遅延補償ファイバ53及び遅延光カプラ51を経由して光電変換器60に入力する。遅延光カプラ51で分割された他方のパルス光は、第2遅延ミラー55で直接反射して、光電変換器60に入力する。
One pulse light divided by the delay optical coupler 51 passes through the delay compensation fiber 53 of the
すなわち、光電変換器60には、経路ABDEG、経路ABDFG、経路ACDEG、経路ACDFGの4つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力する。異なる経路を伝搬した4つのパルス光のうち、光電変換器60に入力する時間と光の周波数の両方が等しくなるのは、図2に示すように、経路ABDFGを伝搬したパルス光と経路ACDEGを伝搬したパルス光である。経路ABDEGを伝搬したパルス光と、経路ACDFGを伝搬したパルス光とは、経路ABDFGを伝搬したパルス光に対し、fL又は2fLの周波数差が生じる。
In other words, pulse light propagated through four paths of path ABDEG, path ABDFG, path ACDEG, and path ACDFG is input to
経路ABDFGを伝搬したパルス光と、経路ACDEGを伝搬したパルスが干渉すると、光電変換器60において、下記式(1)に示す出力Iが得られる。式(1)において、A及びBは、光強度及び干渉する2光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数であり、Cは、PGC変調度である。
When the pulse light propagating through the path ABDFG interferes with the pulse propagating through the path ACDEG, the
光シフト回路20を回り、周波数がシフトしたパルス光でも、パルス光の光周波数が等しければ、光電変換器60からの出力Iは変わらない。経路ABDEGを伝搬したパルス光と、経路ACDFGを伝搬したパルス光とは、経路ABDFGを伝搬したパルス光と比べて、シフト周波数fL又は2fLの周波数差があるので、例えば、光周波数νのパルスと光周波数ν+fLのパルス光とが干渉した場合、光電変換器60において、下記式(2)で表される中心周波数がfLにシフトした出力IXが得られる。式(2)において、AX及びBXは、光強度及び干渉する2光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数である。
Even in the case of pulsed light that has passed through the
LPF65は、上記式(2)の成分を遮断し、上記式(1)の復調に必要な成分を通過させる。すなわち、復調器70は、LPF65を通過した電気信号に、周波数fCと2fCの参照信号を乗算してLPF73A及びLPF73Bを通過させることにより、中心周波数がfL又は2fLだけシフトした成分を減衰させ、sinφ(t)及びcosφ(t)を得る。より具体的に、復調器70は、LPF65を通過した電気信号と、参照信号発生器71Aからの周波数fCの参照信号とを乗算器72Aで乗算させてLPF73Aを通過させる。また、復調器70は、LPF65を通過した電気信号と、参照信号発生器71Bからの周波数2fCの参照信号とを乗算器72Bで乗算させてLPF73Bを通過させる。これにより、中心周波数がfL又は2fLだけシフトした成分は減衰し、sinφ(t)及びcosφ(t)が得られる。
The
次いで、復調器70は、得られたsinφ(t)及びcosφ(t)から、逆正接演算器74及び不連続点補償演算器75により、逆正接演算と不連続点補償処理とを行い、センシングファイバ42で検出した信号を含むφ(t)を復調する。干渉型光ファイバセンサ100によれば、連続したパルスの全てにおいて、上記式(1)で表される成分が得られるため、折り返しによる雑音の増加を抑えることができる。
Next, the
レイリー散乱光の周波数は、伝搬しているパルス光の周波数と等しいため、復調に用いるパルス光が光電変換器60に入力しているときに、他のパルス光から発生したレイリー散乱光は、復調に用いるパルス光と比べてシフト周波数fL又は2fLの周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉で発生する雑音の周波数は、シフト周波数fLと2fLの近傍になり、LPF65で遮断される。シフト周波数fLが光電変換器60の帯域より高い場合は、レイリー散乱光の干渉で発生する雑音は、光電変換器60からの出力に現れなくなる。
Since the frequency of Rayleigh scattered light is equal to the frequency of propagating pulsed light, when pulsed light used for demodulation is input to the
以上のように、干渉型光ファイバセンサ100は、センシング干渉計40及び遅延補償干渉計50と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタ23を含む光シフト回路20を有することにより、パルス光源10から出力されるパルス光の周波数を周期的にシフトさせることができるため、構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させることができる。そして、干渉型光ファイバセンサ100によれば、雑音要因の1つであるレイリー散乱光の干渉による雑音を抑え、その他の雑音に起因したサンプリングの折り返しによる雑音増加を抑えることができるため、従来構成よりも小さな信号を検出することができる。
As described above, the interference
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ100Aの構成を示す模式図である。図4は、図3の干渉型光ファイバセンサ100Aの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。図3及び図4を参照して、干渉型光ファイバセンサ100Aの構成及び動作を説明する。前述した第1実施形態の干渉型光ファイバセンサ100と同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of an interference
図3に示すように、干渉型光ファイバセンサ100Aは、パルス光源10と、光シフト回路20と、光サーキュレータ30と、センシング干渉計40と、遅延補償干渉計150と、光電変換器60と、LPF65と、復調器170と、を有している。
As shown in FIG. 3, the interference type
遅延補償干渉計150は、第1光カプラ151と、オシレータ152と、光周波数シフタ153と、遅延補償ファイバ154と、第2光カプラ155と、を有している。第1光カプラ151は、1つの入力ポートと、2つの出力ポートと、を有している。第1光カプラ151は、入力ポートがシフト光カプラ21に接続され、一方の出力ポートが光周波数シフタ153に接続され、他方の出力ポートが遅延補償ファイバ154に接続されている。
The
オシレータ152は、周波数fBの正弦波信号を光周波数シフタ153へ出力し、光周波数シフタ153を通過するパルス光の周波数をfBだけシフトさせるものである。光周波数シフタ153は、オシレータ152から出力される周波数fBの正弦波信号をもとに、第1光カプラ151から出力される一方のパルス光の周波数をfBだけシフトさせるものである。遅延補償ファイバ154は、第1光カプラ151で分岐した他方のパルス光を遅延させるものである。遅延補償ファイバ154は、パルス光を遅延させる時間である遅延時間が、センシングファイバ42の伝搬時間差τと等しくなるように設定されている。第2光カプラ155は、2つの入力ポートと、1つの出力ポートと、を有している。第2光カプラ155は、一方の入力ポートが光周波数シフタ153に接続され、他方の入力ポートが遅延補償ファイバ154に接続され、出力ポートが光サーキュレータ30に接続されている。
Oscillator 152 is intended to shift output a sine wave signal of frequency f B to the
光シフト回路20は、光周波数シフタ23に周波数fLのオシレータ22の正弦波信号を入力して、光周波数シフタ23が、シフト光カプラ21から出力される一方のパルス光の周波数をfLだけシフトさせるようになっている。本第2実施形態において、シフト周波数fLは、光周波数シフタ153がシフトさせる周波数fBより高い周波数に設定する。光周波数シフタ153のシフト周波数fB、光周波数シフタ23のシフト周波数fL、及びLPF65の遮断周波数fcut2は、下記式(3)を満たすように設定する。ここで、復調器170は、光周波数シフタ153のシフト周波数fBと等しいビート周波数を復調に用いるものである。すなわち、LPF65の遮断周波数fcut2は、光周波数シフタ23のシフト周波数から、復調器170が復調に用いるビート周波数を引いた周波数未満に設定されている。
The
本第2実施形態においても、遅延ファイバ25の長さは、光シフト回路20を1周する時間と、センシングファイバ42を含むセンシング干渉計40の伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。また、光アンプ26の利得は、シフト光カプラ21から出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定されている。シフト周波数fLが光電変換器60の帯域より高い場合は、LPF65を省くことができる。
Also in the second embodiment, the length of the
干渉型光ファイバセンサ100Aは、光シフト回路20から出力されるパルス光を光パルスゲート24で遮断し、次のパルス光をパルス光源10から出力するタイミングは、τの整数倍、3τ以上で、且つ光サーキュレータ30からセンシング干渉計40の第1ミラー43及び第2ミラー44の間の光ファイバに同じ周波数のパルス光が入らないように設定する。
The interference type
本第2実施形態における光電変換器60は、センシング干渉計40と遅延補償干渉計150とにより形成される複数の経路それぞれを通過したパルス光が干渉した干渉光を、電気信号に変換して、ビートを連続的に出力するものである。
The
復調器170は、参照信号発生器171Aと、参照信号発生器171Bと、乗算器72Aと、乗算器72Bと、LPF73Aと、LPF73Bと、逆正接演算器74と、不連続点補償演算器75と、を有している。参照信号発生器171Aは、参照信号としてsin2πfBtを生成し、乗算器72Aに出力するものである。参照信号発生器71Bは、参照信号としてcos2πfBtを生成し、乗算器72Bに出力するものである。
The demodulator 170 includes a
本第2実施形態の復調器170は、特定のパルス光をサンプリングするA/D変換器を設けずに、連続波のまま処理することができる。もっとも、復調器170は、LPF65を通過した電気信号を入力してA/D変換を行うA/D変換器(図示せず)を有するようにしてもよい。そして、復調器170は、デジタル処理で復調する場合、LPF65又はLPF73A及びLPF73Bの帯域制限で、折り返しによる雑音増加が起きないようにA/D変換を行うようにするとよい。
The demodulator 170 of the second embodiment can process a continuous wave without providing an A / D converter that samples specific pulsed light. However, the demodulator 170 may include an A / D converter (not shown) that inputs an electrical signal that has passed through the
光アンプ26の利得とシフト光カプラ21の分岐比は、シフト光カプラ21から第1光カプラ151に出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定する。
The gain of the
図4の例では、パルス光源10から出力されるパルス光のデューティー比が1/3に設定され、パルス光源10のパルス幅がτに設定され、パルス光源10のパルス繰り返し周期が3τに設定されている。ここで、光シフト回路20を1周する時間は、センシング干渉計40の伝搬時間差τと等しくなっている。そして、シフト光カプラ21から光サーキュレータ30に向けて、光シフト回路20を周回しなかった光周波数がνのパルス光と、光シフト回路20を1周して光周波数がν+fLになったパルス光と、光シフト回路20を2周して光周波数がν+2fLになったパルス光とが、連なって繰り返し出力される。すなわち、シフト光カプラ21から光サーキュレータ30に出力されるパルス波形は、図4に示すように、周波数νのパルス光と、周波数ν+fLのパルス光と、周波数ν+2fLのパルス光とが、連続的に繰り返された形状となっている。
In the example of FIG. 4, the duty ratio of the pulsed light output from the pulsed
上記構成により、干渉型光ファイバセンサ100Aは、パルス光が光ファイバを往復する部分に、周波数が異なる複数のパルス光が伝搬されるようになっている。本第2実施形態において、パルス光が光ファイバを往復する部分とは、光サーキュレータ30から第1ミラー43又は第2ミラー44までの部分のことである。ここで、干渉型光ファイバセンサ100Aは、光サーキュレータ30と同様に機能する光カプラ等を、光サーキュレータ30の代わりに有していてもよい。
With the above configuration, the interference type
本第2実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100Aが、光シフト回路20、遅延補償ファイバ154を含む遅延補償干渉計150、センシングファイバ42を含むセンシング干渉計40の順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ100Aは、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路20に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路20をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
In the second embodiment, an example in which the interference type
(動作の説明)
光電変換器60には、経路ABDEG、経路ABDFG、経路ACDEG、経路ACDFGの4つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力する。この内、経路ABDFGを伝搬したパルス光と経路ACDEGを伝搬したパルス光とが干渉すると、光電変換器60において、下記式(4)に示す出力Iが得られる。式(4)の右辺の第2項目は、光周波数シフタ153でシフトする周波数の成分であるビートに相当する。
(Description of operation)
The
光シフト回路20を回り周波数がシフトしたパルス光でも、光電変換器60の出力は変わらない。経路ABDEGを伝搬したパルス光、及び経路ACDFGを伝搬したパルス光は、それぞれ、経路ABDFGを伝搬したパルス光と比べて「fL−fB」以上の周波数差がある。よって、例えば、光周波数ν+fBのパルス光と光周波数ν+fLのパルスとが干渉した場合、光電変換器60において、下記式(5)で表される中心周波数がfLにシフトした出力IXが得られる。
Even with pulsed light whose frequency is shifted around the
LPF65は、「fL−fB」以上にシフトした成分は減衰させる。復調器170は、上記式(4)で表される入力に、参照信号を乗算してLPF65を通過させることで、sinφ(t)とcosφ(t)とを求め、逆正接演算と不連続点補償処理をしてセンシングファイバ42で検出した信号を含むφ(t)を復調する。
The
光サーキュレータ30とセンシング干渉計40の第1ミラー43及び第2ミラー44との間で発生するレイリー散乱光の周波数は、伝搬するパルス光と同じ周波数であるから、信号を検出するパルスと、これと同時に光電変換器60に入力するレイリー散乱光との間には、「fL−fB」以上の周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉により発生する雑音は、その周波数が「fL−fB」以上となり、LPF65又は光電変換器60で遮断される。「fL−fB」が光電変換器60の帯域より高い場合は、レイリー散乱光の干渉で発生する雑音は、光電変換器60の出力に現れなくなる。
Since the frequency of Rayleigh scattered light generated between the optical circulator 30 and the
以上のように、干渉型光ファイバセンサ100Aは、連続したパルス光の全てにおいて、上記式(4)で表される成分を得ることができる。また、復調器170がA/D変換器を有する構成を採った場合でも、LPF65で帯域制限した後の電気信号がA/D変換器に入力する。よって、干渉型光ファイバセンサ100Aによれば、折り返し雑音を抑制することができる。
As described above, the interference
[第3実施形態]
図5は、本発明の第3実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ100Bの構成及びパルス波形を示す模式図である。図5を参照して、干渉型光ファイバセンサ100Bの構成及び動作を説明する。上述した第1及び第2実施形態の干渉型光ファイバセンサ100及び100Bと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration and a pulse waveform of the interference
図5に示すように、干渉型光ファイバセンサ100Bは、パルス光源としてのレーザ装置10X及び光パルスゲート10Yと、光シフト回路220と、光サーキュレータ30と、第1センシング干渉計240Aと、第2センシング干渉計240Bと、遅延補償干渉計50と、光電変換器60と、LPF65と、復調器70と、を有している。
As shown in FIG. 5, the interference type
レーザ装置10Xは、レーザ光を発信するものであり、光パルスゲート10Yは、レーザ装置10Xから発信されるレーザ光を通過させ又は遮断することにより、パルス光を出力するものである。
The
光シフト回路220は、シフト光カプラ21と、光アンプ26と、遅延ファイバ25と、オシレータ22と、光周波数シフタ23と、パルスゲート224と、を有している。光シフト回路220は、シフト光カプラ21、光アンプ26、遅延ファイバ25、光周波数シフタ23、及びパルスゲート224が順次接続されており、シフト光カプラ21で分岐した一方のパルス光が、予め決められた設定周回数だけループするようになっている。
The
光周波数シフタ23には、周波数fLのオシレータ22の正弦波信号を入力して、光周波数シフタ23が、シフト光カプラ21から出力される一方のパルス光の周波数をfLだけシフトさせるようになっている。遅延ファイバ25の長さは、光シフト回路220を1周する時間と、第1センシングファイバ242Aを含む第1センシング干渉計240A及び第2センシングファイバ242Bを含む第2センシング干渉計240Bの伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。また、光アンプ26の利得、及びシフト光カプラ21の分岐比は、シフト光カプラ21から光サーキュレータ30に出力されるパルスのレベルが等しくなるように設定されている。
The
光シフト回路220から出力されるパルス光をパルスゲート224で遮断し、次のパルス光を光パルスゲート10Yから出力するタイミングは、光サーキュレータ30から各ミラー243B、244A、244Bの間の光ファイバに、同じ周波数のパルスが入らない設定とする。
The timing at which the pulsed light output from the
図5のパルス波形のように、レーザ装置10Xから出力されたレーザ光が光パルスゲート10Yでパルス1になり、シフト光カプラ21と光サーキュレータ30とを介して、第1センシング干渉計240A及び第2センシング干渉計240Bに送られる。シフト光カプラ21で分岐した一方のパルス光は、遅延ファイバ25、光周波数シフタ23、及びパルスゲート224を通過してパルス2となり、シフト光カプラ21と光サーキュレータ30とを介して、第1センシング干渉計240A及び第2センシング干渉計240Bに送られる。そして、干渉型光ファイバセンサ100Bは、遅延ファイバ225、光周波数シフタ223、及びパルスゲート224を2周したパルス3までが第1センシング干渉計240A及び第2センシング干渉計240Bに送られ、3周目のパルス光は、パルスゲート224で遮断され、光パルスゲート10Yからパルス4が送られるようになっている。
As shown in the pulse waveform of FIG. 5, the laser light output from the
第1センシング干渉計240Aは、光カプラ241Aと、第1センシングファイバ242Aと、ミラー244Aと、光カプラ241Bと、ミラー244Bと、を有している。第2センシング干渉計240Bは、光カプラ241Bと、ミラー244Bと、第2センシングファイバ242Bと、ミラー243Bと、を有している。すなわち、光カプラ241B及びミラー244Bは、第1センシング干渉計240Aと第2センシング干渉計240Bとによって共有されている。
The
光カプラ241Aは、入力ポートが光サーキュレータ30に接続され、一方の出力ポートが第1センシングファイバ242Aに接続され、他方の出力ポートがミラー244Aに接続されている。
光カプラ241Bは、入力ポートが第1センシングファイバ242Aに接続され、一方の出力ポートが第2センシングファイバ242Bに接続され、他方の出力ポートがミラー244Bに接続されている。第2センシングファイバ242Bは、ミラー243Bに接続されている。
The
The
また、LPF65は、復調器70のA/D変換器の前に設けられている。ただし、シフト周波数fLを光電変換器60の上限周波数より高くする場合、干渉型光ファイバセンサ100Bは、LPF65を設けずに構成してもよい。
The
本第3実施形態では、光シフト回路220が、シフト光カプラ21、遅延ファイバ25、光周波数シフタ23、パルスゲート224の順に接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光シフト回路220は、遅延ファイバ25、光周波数シフタ23、パルスゲート224の接続順序を入れ替えて構成してもよい。
In the third embodiment, the case where the
上記構成により、干渉型光ファイバセンサ100Bは、パルス光が光ファイバを往復する部分に、周波数が異なる複数のパルス光が伝搬されるようになっている。本第3実施形態において、パルス光が光ファイバを往復する部分とは、光サーキュレータ30からミラー244A、ミラー244B又はミラー243Bまでの部分のことである。ここで、干渉型光ファイバセンサ100Bは、光サーキュレータ30と同様に機能する光カプラ等を、光サーキュレータ30の代わりに有していてもよい。
With the above configuration, the interference-type
本第3実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100Bが、光シフト回路220、第1センシング干渉計240A及び第2センシング干渉計240B、遅延補償干渉計50の順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ100Bは、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路220に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路220をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
In the third embodiment, an example in which the interference type
(動作の説明)
干渉型光ファイバセンサ100Bにおいて、光パルスゲート10Yを出力したパルス光は、光シフト回路220のシフト光カプラ21において分岐される。光シフト回路220は、第1及び第2実施形態の光シフト回路20と同様にパルス光を出力する。
(Description of operation)
In the interference
光シフト回路220から出力されたパルス光は、光サーキュレータ30と伝送ファイバTFを通過し、光カプラ241Aで2つに分岐し、一方はミラー244Aで反射して伝送ファイバTFに戻る。もう一方は第1センシングファイバ242Aを通過して光カプラ241Bで分岐する。光カプラ241Bでもパルス光が2つに分岐し、一方はミラー244Bで反射して伝送ファイバTFに戻る。もう一方は第2センシングファイバ242Bを通過してミラー243Bで反射して伝送ファイバTFに戻る。伝送ファイバTFに戻ったパルス光は、光サーキュレータ30及び遅延補償干渉計50を通過し、光電変換器60が電気信号に変換してLPF65に出力する。
The pulsed light output from the
ここで、レイリー散乱光の周波数は、伝搬するパルス光と同じ周波数であるから、信号を検出するパルス光と、これと同時に光電変換器60に入力するレイリー散乱光との間には、fL以上の周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉により発生する雑音は、その周波数がfL以上となり、LPF65又は光電変換器60で遮断される。
Here, since the frequency of the Rayleigh scattered light is the same as that of the propagating pulse light, f L between the pulse light for detecting the signal and the Rayleigh scattered light input to the
そして、光電変換器60から出力される電気信号は、LPF65を通過して復調器1070に入力する。復調器1070では、サンプリングのタイミングを変えて多重伝送されたそれぞれの信号を復調する。
The electric signal output from the
レイリー散乱光の周波数は、伝搬するパルス光と同じ周波数であるから、信号を検出するパルス光と、これと同時に光電変換器60に入力するレイリー散乱光との間には、fL以上の周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉により発生する雑音は、その周波数がfL以上となり、LPF65又は光電変換器60で遮断される。
Since the frequency of the Rayleigh scattered light is the same as that of the propagating pulsed light, a frequency of f L or more is generated between the pulsed light for detecting the signal and the Rayleigh scattered light input to the
以上のように、本第3実施形態の干渉型光ファイバセンサ100Bは、光パルスゲート10Yと光サーキュレータ30との間に光シフト回路220を有することから、パルス光が往復する部分にあるパルス光を1つにすることで信号を検出する周波数帯域を制限したり、波長分割多重で多重化できるチャネルを犠牲にすることなく、雑音の抑制を図ることができる。
As described above, the interference type
[第4実施形態]
図6は、本発明の第4実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ100Cの構成を示す模式図である。図7は、図6の干渉型光ファイバセンサ100Cの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。図6及び図7を参照して、干渉型光ファイバセンサ100Cの構成及び動作を説明する。上述した第1〜第3実施形態の干渉型光ファイバセンサ100、100A、及び100Bと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of an interference optical fiber sensor 100C according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating pulse waveforms in each path of the interference optical fiber sensor 100C of FIG. The configuration and operation of the interference optical fiber sensor 100C will be described with reference to FIGS. The same components as those of the interference type
図6に示すように、干渉型光ファイバセンサ100Bは、パルス光源10と、光シフト回路320と、遅延補償干渉計150と、光カプラ381と、第1センシング干渉計340Aと、第2センシング干渉計340Bと、光電変換器60と、復調器370と、を有している。
As shown in FIG. 6, the interference
光シフト回路320は、光カプラ321Aと、光アンプ326と、シフト光カプラ321Bと、オシレータ22と、光周波数シフタ23と、遅延ファイバ25と、光パルスゲート24と、を有している。光カプラ321Aは、パルス光源10に接続された入力ポートと、光パルスゲート24に接続された入力ポートと、を有している。また、光カプラ321Aは、光アンプ326に接続された出力ポートを有している。光アンプ326は、パルス光源10から光カプラ321Aを介して出力されるパルス光と、シフト光カプラ321Bで分岐され、光周波数シフタ23、遅延ファイバ25、及び光パルスゲート24を通過した後に光カプラ321Aから出力されるパルス光と、を増幅して、シフト光カプラ321Bへ出力するものである。
The
シフト光カプラ321Bは、光アンプ326に接続された1つの入力ポートを有している。また、シフト光カプラ321Bは、遅延補償干渉計150の第1光カプラ151に接続された出力ポートと、光周波数シフタ23に接続された出力ポートと、を有している。シフト光カプラ321Bから出力されたパルス光は、第1光カプラ151において、光周波数シフタ153へ向かう一方のパルス光と、遅延補償ファイバ154へ向かう他方のパルス光とに分岐される。一方のパルス光は、光周波数シフタ153において、周波数がfBだけシフトされ、第2光カプラ155に入力する。他方のパルス光は、遅延補償ファイバ154において遅延され、第2光カプラ155に入力する。
The shift optical coupler 321 </ b> B has one input port connected to the
光カプラ381は、第2光カプラ155に接続された入力ポートを有している。また、光カプラ381は、時分割多重遅延ファイバ390に接続された出力ポートと、第1センシング干渉計340Aの光カプラ341Aに接続された出力ポートと、を有している。光カプラ381は、シフト光カプラ321Bから第1光カプラ151へ出力され、光周波数シフタ153又は遅延補償ファイバ154を経由して第2光カプラ155から出力されるパルス光を分岐させ、一方のパルス光を時分割多重遅延ファイバ390へ出力し、他方のパルス光を第1センシング干渉計340Aへ出力するものである。
The
光シフト回路320は、光周波数シフタ23に周波数fLのオシレータ22の正弦波信号を入力して、光周波数シフタ23が、シフト光カプラ321Bから出力される一方のパルス光の周波数をfLだけシフトさせるようになっている。本第4実施形態において、シフト周波数fLは、光周波数シフタ153がシフトさせる周波数fBより高い周波数に設定されている。光周波数シフタ153のシフト周波数fB、光周波数シフタ23のシフト周波数fL 、及びLPF65の遮断周波数fcut2は、第2実施形態で示した式(3)を満たすように設定されている。ここで、復調器370は、光周波数シフタ153のシフト周波数fBと等しいビート周波数を復調に用いるものである。すなわち、LPF65の遮断周波数fcut2は、光周波数シフタ23のシフト周波数から、復調器370が復調に用いるビート周波数を引いた周波数未満に設定されている。また、遮断周波数fcut2は、光電変換器60から出力されるパルスを鈍らせてクロストーク又は雑音が問題にならない高さの周波数に設定されている。
The
本第4実施形態において、遅延ファイバ25の長さは、光シフト回路20を1周する時間と、センシングファイバ342Aを含む第1センシング干渉計340Aの伝搬時間差τと、センシングファイバ342Bを含む第2センシング干渉計340Bの伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。また、光アンプ326の利得、光カプラ321Aの分岐比、及びシフト光カプラ321Bの分岐比は、シフト光カプラ321Bから出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定されている。
In the fourth embodiment, the length of the
第1センシング干渉計340Aは、光カプラ341Aと、センシングファイバ342Aと、ミラー343Aと、ミラー344Aと、を有している。光カプラ341Aは、光カプラ381から出力されたパルス光を分岐し、一方のパルス光をセンシングファイバ342A経由でミラー343Aに出力し、他方のパルス光をミラー344Aに出力するものである。また、光カプラ341Aは、ミラー343Aで反射され、センシングファイバ342Aを通過したパルス光と、ミラー344Aで反射したパルス光とを、光電変換器60へ出力するものである。センシングファイバ342Aは、光カプラ341Aとミラー343Aとの間に設けられており、物理量を検知するものである。
The
第2センシング干渉計340Bは、光カプラ341Bと、センシングファイバ342Bと、ミラー343Bと、ミラー344Bと、を有している。光カプラ341Bは、光カプラ381から出力され、時分割多重遅延ファイバ390を通過したパルス光を分岐し、一方のパルス光をセンシングファイバ342B経由でミラー343Bに出力し、他方のパルス光をミラー344Bに出力するものである。また、光カプラ341Bは、ミラー343Bで反射され、センシングファイバ342Bを通過したパルス光と、ミラー344Bで反射したパルス光とを、光電変換器60へ出力するものである。センシングファイバ342Bは、光カプラ341Bとミラー343Bとの間に設けられており、物理量を検知するものである。
The
本第4実施形態における光電変換器60は、第1センシング干渉計340A及び第2センシング干渉計340Bと遅延補償干渉計150とにより形成される複数の経路それぞれを通過したパルス光が干渉した干渉光を、電気信号に変換して、ビートを連続的に出力するものである。
The
復調器370は、LPF365と、A/D変換器395と、参照信号発生器371A〜371Dと、乗算器372A〜372Dと、LPF373A〜373Dと、逆正接演算器374A及び逆正接演算器374Bと、不連続点補償演算器375A及び375Bと、を有している。LPF365は、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるものである。A/D変換器395は、LPF365を通過した電気信号を入力してA/D変換を行うものである。
The
参照信号発生器71A及び71Cは、参照信号としてsin2πfBtを生成し、乗算器372Aに出力するものである。参照信号発生器71B及び71Dは、参照信号としてcos2πfBtを生成し、乗算器372Bに出力するものである。乗算器372Aは、A/D変換器395から出力される電気信号に、参照信号発生器371Aから出力される参照信号を乗算して、LPF373Aへ出力するものである。乗算器372Bは、A/D変換器395から出力される電気信号に、参照信号発生器371Bから出力される参照信号を乗算して、LPF373Bへ出力するものである。乗算器372Cは、A/D変換器395から出力される電気信号に、参照信号発生器371Cから出力される参照信号を乗算して、LPF373Cへ出力するものである。乗算器372Dは、A/D変換器395から出力される電気信号に、参照信号発生器371Dから出力される参照信号を乗算して、LPF373Dへ出力するものである。
The
LPF373A〜373Dは、それぞれ、乗算器372A〜372Dから出力された電気信号のうち、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。
The
逆正接演算器374Aは、LPF373Aを通過した電気信号であるsinφ1(t)と、及びLPF373Bを通過した電気信号であるcosφ1(t)とから逆正接を求め、不連続点補償演算器375Aへ出力するものである。逆正接演算器374Bは、LPF373Cを通過した電気信号であるsinφ2(t)と、及びLPF373Dを通過した電気信号であるcosφ2(t)とから逆正接を求め、不連続点補償演算器375Bへ出力するものである。不連続点補償演算器375Aは、逆正接演算器374Aの出力の不連続点を連結することにより、物理量に対応する信号φ1(t)を復調するものである。不連続点補償演算器375Bは、逆正接演算器374Bの出力の不連続点を連結することにより、物理量に対応する信号φ2(t)を復調するものである。
図7の例では、パルス光源10から出力されるパルス光のデューティー比が1/(3N)に設定されている。ここで、Nは多重化数であり、本第4実施形態では多重化数が2となっている。図7のTrは、パルス光源10のパルス繰り返し周期である。ここで、パルス光が光シフト回路320を一周する時間は、第1センシング干渉計340A及び第2センシング干渉計340Bの伝搬時間差τと等しくなっている。そして、シフト光カプラ321Bから第1光カプラ151に向けて、光シフト回路320を周回しなかった光周波数がνのパルス光と、光シフト回路320を1周して光周波数がν+fLになったパルスと、光シフト回路320を2周して光周波数がν+2fLになったパルス光とが、等間隔で連なって繰り返し出力される。すなわち、シフト光カプラ321Bから出力されるパルス波形は、図7に示すように、周波数νのパルス光と、周波数ν+fLのパルス光と、周波数ν+2fLのパルス光とが、等間隔で連続的に繰り返された形状となっている。
In the example of FIG. 7, the duty ratio of the pulsed light output from the pulsed
光シフト回路320の周回が3回目となったパルス光は、光パルスゲート24で遮断されるようになっている。すなわち、光パルスゲート24は、光シフト回路320の周回が3回目となったパルス光を遮断することで、設定周回数が2回となるように調整する。
The pulsed light having the third round of the
光電変換器60には、経路ABDE1G、経路ABDF1G、経路ACDE1G、及び経路ACDF1Gの4つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力し、これとは別に、経路ABDE2G、経路ABDF2G、経路ACDE2G、及び経路ACDF2Gの4つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力する。
To the
復調器370は、位置E1又はF1を経由したパルス光と、E2又はF2を経由したパルス光とを、それぞれサンプリングし、センシングファイバ342Aで検出した信号1(信号φ1)とセンシングファイバ342Bで検出する信号2(信号φ2)を復調できるように構成されている。
The demodulator 370 samples the pulsed light passing through the position E1 or F1 and the pulsed light passing through E2 or F2, respectively, and detects the signal 1 (signal φ 1 ) detected by the
本第4実施形態では、光シフト回路320が、シフト光カプラ321B、光周波数シフタ23、遅延ファイバ25、光パルスゲート24、シフト光カプラ321Bの順に接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光シフト回路320は、光周波数シフタ23、遅延ファイバ25、及び光パルスゲート24の接続順序を入れ替えて構成してもよい。
In the fourth embodiment, the case where the
本第4実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100Cが、光シフト回路320、遅延補償干渉計150、第1センシング干渉計340A及び第2センシング干渉計340Bの順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ100Cは、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路320に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路320をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
The fourth embodiment shows an example in which the interference type optical fiber sensor 100C is connected in the order of the
(動作の説明)
光電変換器60に入力する位置E1又は位置F1を経由したパルス光の内、経路ABDF1Gを伝搬したパルス光と、経路ACDE1Gを伝搬したパルス光とが干渉すると、下記式(6)に示すような光電変換器60の出力I1が得られる。ここで、A1及びB1は、光強度及び干渉する2光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数である。また、式(6)の右辺の第2項目は、光周波数シフタ153でシフトする周波数の成分であるビートに相当する。
(Description of operation)
When pulse light that has propagated through the path ABDF1G and pulse light that has propagated through the path ACDE1G out of pulse light that has passed through the position E1 or position F1 input to the
光シフト回路320を通過して周波数がシフトしたパルス光でも、光電変換器60の出力は変わらない。経路ABDE1G又は経路ABDE2Gを伝搬したパルス光と、経路ACDF1G又は経路ACDF2Gを伝搬したパルス光との間には、「fL−fB」以上の周波数差があるため、例えば、光周波数ν+fBのパルス光と、光周波数ν+fLのパルス光とが干渉した場合、下記式(7)で表される中心周波数がfLにシフトした光電変換器60の出力IX1となる。ここで、AX1及びBX1は、光強度及び干渉する2光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数である。
Even with pulsed light whose frequency is shifted after passing through the
LPF365は、上記式(7)の成分を遮断し、上記式(1)の復調に必要な成分を通過させる。A/D変換器395は、LPF365を通過した全てのパルスをサンプリングする。そして、復調器370は、位置E1又は位置F1を経由したパルスと、位置E2又は位置F2を経由したパルスのそれぞれを、上述した第2実施形態と同様に処理して、センシングファイバ342Aで検出した信号1(信号φ1)と、センシングファイバ342Bで検出した信号2(信号φ2)とを復調する。
The
本第4実施形態の干渉型光ファイバセンサ100Cは、位置E1又は位置F1を経由したパルス光の全てにおいて、上記式(6)で表される成分が得られ、かつ、位置E1又は位置F1を経由したパルス光は等間隔になっている。また、干渉型光ファイバセンサ100Cは、LPF65で帯域制限した後にA/D変換することができる。すなわち、干渉型光ファイバセンサ100Cによれば、波長の異なる光源装置などを設けることなく、雑音を低減させることができる。また、第1〜第3実施形態では、光シフト回路を回るパルスだけを光アンプで増幅する例を示したが、本第4実施形態では光の回路を回らないパルスも増幅することができる。
In the interference type optical fiber sensor 100C of the fourth embodiment, the component represented by the above formula (6) is obtained in all of the pulsed light passing through the position E1 or the position F1, and the position E1 or the position F1 is obtained. The pulsed light that has passed through is equally spaced. Further, the interference type optical fiber sensor 100C can perform A / D conversion after band limiting by the
ここで、上記各実施形態の干渉型光ファイバセンサによって得られる効果を更に詳細に説明するための比較例を、図8〜図12を参照して説明する。 Here, the comparative example for demonstrating in more detail the effect acquired by the interference type optical fiber sensor of each said embodiment is demonstrated with reference to FIGS.
図8は、PGC方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサの一例(以下、従来技術1と記す)を示す説明図である。従来技術1では、パルス光源10から出力されるパルス光が、光サーキュレータ30を通過し、センシング干渉計40の光カプラ41で2つに分割され、分割された一方のパルス光と他方のパルス光とが、それぞれ、第1ミラー43と第2ミラー44とで反射する。第1ミラー43で反射した一方のパルス光は、センシングファイバ42を通過してセンシング光となり(経路AC)、第2ミラー44で反射した他方のパルス光は、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42を通過するときに、センシングファイバ42に加わる信号φ(t)で位相変調される。
FIG. 8 is an explanatory view showing an example of a conventional interference type optical fiber sensor (hereinafter referred to as Conventional Technology 1) employing the PGC method. In the
センシングファイバ42の往復伝搬時間である伝搬遅延時間τdにより、一方のパルス光及び他方のパルス光は、2つのパルス光となって伝送され、それぞれが遅延光カプラ51で2つに分割される。遅延光カプラ51で分割された一方のパルス光は、遅延補償干渉計50の遅延補償ファイバ53を通過してから第1遅延ミラー54で反射し、他方のパルス光は、第1遅延ミラー54で直接反射して、光電変換器60に入力する。
Due to the propagation delay time τ d which is the round trip propagation time of the sensing fiber 42, one pulsed light and the other pulsed light are transmitted as two pulsed lights, and each is divided into two by the delay optical coupler 51. . One pulse light divided by the delay optical coupler 51 passes through the delay compensation fiber 53 of the
図8のパルス波形は、複数の位置A〜Gを組み合わせた各経路を通過したパルス光の波形を示している。パルス波形Aは、パルス光源10の出力であるAの位置を通過するパルス光の波形である。パルス光源10から出力される順に1、2、3、・・・の番号を付している。図8のパルス波形ABDEGは、光電変換器60に入力するパルス光の波形のうち、経路ABDEGを伝搬した成分である。光電変換器60に到達する順にa1、a2、a3、・・・の記号を付している。図8のパルス波形ABDFG、パルス波形ACDEG、及びパルス波形ACDFGも、それぞれの経路を伝搬して光電変換器60に入力するパルス光の成分であり、到達順を示す番号を含む記号を付している。
The pulse waveform in FIG. 8 shows the waveform of the pulsed light that has passed through each path combining a plurality of positions A to G. The pulse waveform A is a waveform of pulsed light that passes through the position A that is the output of the
センシングファイバ42の伝搬遅延時間τdと遅延補償ファイバ53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、・・・)とパルス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53には、圧電子53Aで正弦波状の歪が加えられているため、干渉光にPGCが発生する。復調器1070は、光電変換器60から出力されるbi+ciにタイミングを合わせて、A/D変換器1095でサンプリングして出力を得る。
By making the propagation delay time τ d of the sensing fiber 42 equal to the round-trip propagation time of the delay compensation fiber 53, the pulse bi (i = 1, 2, 3,...) And the pulse ci (i = 1, 2,. 3,..., And interference pulse bi + ci (i = 1, 2, 3,...). Since the sinusoidal distortion is applied to the delay compensation fiber 53 by the
復調器1070は、A/D変換器1095の出力に、参照信号発生器71Aの出力と参照信号発生器71Bの出力とをそれぞれ乗算し、LPF73AとLPF73Bとをそれぞれ通過させることで、Δ(t)sinφ(t)とΔ(t)cosφ(t)とを得る。ここで、φ(t)は、センシングファイバ42で検出した信号を含む光の位相変化であり、図中の参照信号発生器71A及び71Bの出力などに示したΔ(t)は、サンプリングされた信号であることを意味する関数である。次いで、復調器1070は、得られたsinφ(t)とcosφ(t)とから逆正接演算器74によって逆正接を求め、逆正接演算器74の出力の不連続点を不連続点補償演算器75によって連結することで信号を復調する。干渉パルスbi+ci(i=1、2、3、・・・)は、パルス光源10から出力され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。
The
しかしながら、従来技術1は、光サーキュレータ30と第1ミラー43及び44との間の光ファイバでは、光サーキュレータ30から第1ミラー43及び44に向かうパルス光のレイリー散乱光が、第1ミラー43及び44で反射して光サーキュレータ30に向かうパルス光と重なり、干渉することで雑音が発生する。なお、図8の経路毎のパルス波形において、レイリー散乱が重なる部分には、網掛けを付して示している。すなわち、従来技術1では、上記式(1)で表される干渉したパルスが、図8に示すように、パルス3個に1個しか得られないため、折り返しによる雑音増加が起きる。
However, in the
この点、第1実施形態の干渉型光ファイバセンサ100は、従来技術1とは異なり、パルス光源10と光サーキュレータ30との間に、シフト光カプラ21が設けられている。そして、干渉型光ファイバセンサ100は、シフト光カプラ21の一方の出力ポートから出力されるパルス光が、光周波数シフタ23、光パルスゲート24、遅延ファイバ25、光アンプ26を介してシフト光カプラ21に戻るように構成した光シフト回路20を有している。このため、連続したパルスの全てにおいて、上記式(1)で表される成分が得られるため、折り返しによる雑音の増加を抑えることができる。
In this regard, the interference type
図9は、ヘテロダイン方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサの一例(以下、従来技術2と記す)を示す説明図である。従来技術2では、パルス光源10から出力されたパルス光が、遅延補償干渉計150の第1光カプラ151で2つに分割され、一方のパルス光の周波数を光周波数シフタ153でシフトさせ、他方のパルス光を遅延補償ファイバ154で遅延させてから、第2光カプラ155で結合する。次に、第2光カプラ155で結合されたパルス光は、光サーキュレータ30を通過し、光カプラ41で2つに分割され、第1ミラー43と第2ミラー44とで反射する。ここで、第1ミラー43で反射した一方のパルス光は、センシングファイバ42を通過してセンシング光となり、第2ミラー44で反射した他方のパルス光は、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42を通過するときに、センシングファイバ42に加わる信号φ(t)で位相変調される。
FIG. 9 is an explanatory view showing an example of a conventional interference type optical fiber sensor (hereinafter, referred to as Conventional Technology 2) employing a heterodyne method. In the
次いで、光サーキュレータ30に戻り、光電変換器60に入力するパルス光のうち、経路ABDFGを伝搬した成分であるパルスbi(i=1、2、3、・・・)と、経路ACDEGを伝搬した成分であるパルスci(i=1、2、3、・・・)とが干渉して干渉パルスbi+ci(i=1、2、3、・・・)となる。干渉させるパルス光の一方の周波数をシフトさせたことで、光電変換器60から出力されるパルス光にビート(光周波数シフタ153でシフトする周波数の成分)が発生する。
Next, returning to the optical circulator 30, among the pulsed light input to the
従来技術2の復調器1070は、bi+ci(i=1、2、3、・・・)のパルス光にタイミングを合わせてA/D変換器1095によりA/D変換する。また、復調器1070は、A/D変換器1095の出力に、参照信号発生器71Aの出力である正弦波sin2πfBtと、参照信号発生器71Bの出力である正弦波cos2πfBとを乗算し、LPF73AとLPF73Bとをそれぞれ通過させることで、sinφ(t)とcosφ(t)とを得る。参照信号発生器71Aが出力する正弦波sin2πfBtと、参照信号発生器71Bが出力する正弦波cos2πfBとは、オシレータ152と同じ周波数である。その後は、従来技術1と同様に処理して信号を復調する。非特許文献2には、パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し周期Trを速くしてダイナミックレンジを拡大する方法も紹介されている。
The
しかしながら、従来技術2では、上記式(4)で表される干渉したパルスが、パルス3個に1個しか得られず、折り返し雑音の発生を抑えることができない。この点、第2実施形態の干渉型光ファイバセンサ100Aは、パルス光源10と遅延補償干渉計150の第1光カプラ151との間に、光シフト回路20を有している。よって、干渉型光ファイバセンサ100Aによれば、連続したパルスの全てにおいて上記式(4)で表される成分が得られ、かつA/D変換がLPF65で帯域制限した後になることから、折り返し雑音を抑制することができる。言い換えると、干渉型光ファイバセンサ100Aでは、不要なパルスを受けているタイミングを避け、不要なパルスが発生しているタイミングに光の周波数の異なるパルスを用いて信号を検出できるようにしたことで、信号を検出できる時間が長くなり、その分、雑音を抑制することができる。
However, in the
図10は、従来のアレイを構成する方式(例えば、JASA Vol.115,No.6“Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”参照)を採用した干渉型光ファイバセンサの一例(以下、従来技術3と記す)を示す説明図である。従来技術3において、光パルスゲート10Yを出力したパルス光は、光サーキュレータ30と伝送ファイバTFを通過し、光カプラ241Aで2つに分岐し、一方はミラー244Aで反射して伝送ファイバTFに戻る。もう一方は第1センシングファイバ242Aを通過して光カプラ241Bで分岐する。光カプラ241Bでもパルス光が2つに分岐し、一方はミラー244Bで反射して伝送ファイバTFに戻る。もう一方は第2センシングファイバ242Bを通過してミラー243Bで反射して伝送ファイバTFに戻る。伝送ファイバTFに戻ったパルス光は、光サーキュレータ30及び遅延補償干渉計50を通過し、光電変換器60で電気信号に変換され、復調器1070に入力する。復調器1070では、サンプリングのタイミングを変えて多重伝送されたそれぞれの信号を復調する。
FIG. 10 shows an interference type optical fiber sensor that employs a conventional array configuration method (for example, see JASA Vol. 115, No. 6, “Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”). It is explanatory drawing which shows an example (henceforth the prior art 3). In the
しかしながら、従来技術3のようにアレイを構成すると、光サーキュレータ30から末端のミラー243Bまでの間の光ファイバが長くなるため、レイリー散乱光のレベルが高くなり、レイリー散乱光が干渉することで雑音のレベルも高くなる。すなわち、従来技術3のようにアレイを構成すると、光サーキュレータ30から末端のミラー243Bまでの間の光ファイバが長くなるので、レイリー散乱光のレベルが高くなり、レイリー散乱光が干渉することで雑音のレベルが高くなる。
However, when the array is configured as in the
この点、上記第3実施形態の干渉型光ファイバセンサ100Bは、光パルスゲート10Yと光サーキュレータ30との間に光シフト回路220を有することから、パルス光が往復する部分にあるパルス光を1つにすることで信号を検出する周波数帯域を制限したり、波長分割多重で多重化できるチャネルを犠牲にすることなく、雑音の抑制を図ることができる。
In this respect, since the interference type
図11は、従来の他のアレイを構成する方式(例えば、JASA Vol.115,No.6“Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”参照)を採用した干渉型光ファイバセンサの一例(以下、従来技術4と記す)を示す説明図である。従来技術4は、復調に従来技術2と同じヘテロダイン方式を用いた例である。従来技術3のアレイとの違いは、パルス光を分岐する光カプラ381及び光カプラ382と、センシングファイバを含む干渉計を構成する光カプラ341A及び光カプラ341Bとを別々に設け、パルス光源10からミラーへ向かう往路と、ミラーから光電変換器60へ向かう復路を分けたことである。
FIG. 11 shows an interference type optical fiber employing another conventional array configuration (for example, see JASA Vol. 115, No. 6 “Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”). It is explanatory drawing which shows an example (henceforth the prior art 4) of a sensor.
図12は、図11の従来技術4に関するパルス波形を示す説明図である。パルス光源10から出力するパルス光の繰り返し周期は、多重化数をNとすると、パルス幅の3N倍となる。従来技術4の復調器2070は、光電変換器60に入力するパルス光のうち、経路ABDF1Gを伝搬したパルス光と、経路ACDE1Gを伝搬したパルス光とが干渉したパルス光をサンプリングして信号1を復調する。また、復調器2070は、光電変換器60に入力するパルス光のうち、経路ABDF2Gを伝搬したパルス光と、経路ACDE2Gを伝搬したパルス光とが干渉したパルス光をサンプリングして信号2を復調する。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a pulse waveform related to the
しかしながら、従来技術4の構成によれば、光電変換器60に入力するパルス光に重なるレイリー散乱光を減らすことができるが、往路と復路を別々に設けるため、構成品の量が増えるという課題がある。また、従来技術4では、位置E1又は位置F1を経由したパルス光の内、上記式(6)で表される干渉したパルスが1/3となっているため、折り返し雑音が大きくなるという課題がある。
However, according to the configuration of the
この点、第4実施形態の干渉型光ファイバセンサ100Cでは、位置E1又は位置F1を経由したパルス光の全てにおいて、上記式(6)で表される成分が得られる。また、位置E1又は位置F1を経由したパルス光は等間隔になっている。さらに、復調器70にA/D変換器を設けた場合、LPF65で帯域制限した後にA/D変換することができる。すなわち、干渉型光ファイバセンサ100Cによれば、光シフト回路320に関する構成を追加することにより、従来構成よりも折り返し雑音を低減することができる。
In this regard, in the interference type optical fiber sensor 100C of the fourth embodiment, the component represented by the above formula (6) is obtained in all of the pulsed light that passes through the position E1 or the position F1. Further, the pulsed light that passes through the position E1 or the position F1 is equally spaced. Further, when an A / D converter is provided in the
そして、従来技術1〜4の構成では、復調に用いるパルス光の前後に不要なパルス光が発生し、不要なパルス光を受けている時間を避けて復調することになるため、サンプリング周期が長くなる。一般的なA/D変換では、サンプリング周期の2倍以上の周期の雑音成分を減衰させるアンチエリアシングフィルタを用いて折り返し雑音を抑えるが、従来技術1〜4の干渉型光ファイバセンサでは、パルス光の鈍りによるクロストークが問題にならない範囲のフィルタを用いることになるため、折り返しで雑音が増加するという課題がある。
In the configurations of the
すなわち、光電変換器の出力には、レイリー散乱光の干渉による雑音、レーザと光アンプの自然放出光の干渉による雑音、レーザの強度変動による雑音、光電変換器の電子デバイスによる雑音などが重なって現れ、信号を含むパルス光と共にこれらの雑音をサンプリングすることでエリアシングが起き、大きな雑音が発生するという課題がある。
これまでにも、レイリー散乱光の低減、複数のビートによるサンプリングを補う方法などが検討されてきたが、伝送路が複雑になるなどの欠点がある。
In other words, the output of the photoelectric converter overlaps with noise due to interference of Rayleigh scattered light, noise due to interference between spontaneous emission of the laser and the optical amplifier, noise due to fluctuations in the intensity of the laser, noise due to electronic devices of the photoelectric converter, etc. There appears a problem that aliasing occurs by sampling these noises together with pulsed light including signals, and large noises are generated.
So far, methods such as reducing Rayleigh scattered light and compensating for sampling by a plurality of beats have been studied, but there are drawbacks such as a complicated transmission path.
ところで、特許文献1には、光が往復する部分にあるパルス光を1つにすることで、レイリー散乱光を減らす方法が示されている。しかし、特許文献1の方法では、パルスの繰り返し周期が長くなるため、復調のためのサンプリング周期も長くなり、周波数の信号を復調することができなくなる。加えて、光を往復させる長さを復調に必要なサンプリング周期の範囲内に制限し、許容範囲外の伝送路を往路と復路とを分けて構成することで、レイリー散乱光の干渉による雑音を抑えることもできるが、かかる構成を採れば、構成品が多くなる。さらに、特許文献1には、波長分割多重を利用してサンプリングを補う案も示されている。しかし、かかる構成では、波長分割多重のための光源等の構成品が多く必要になると共に、波長分割多重で多重化できるチャネルを1センサ(1チャネル)で使用することとなるため、多重化数が多くなるという課題がある。
By the way,
また、従来から、多重化により減少するサンプル数を補うために、ヘテロダイン方式の遅延補償干渉計のアームに設ける光周波数シフタにパルス光を繰り返し通過させることで、サンプリング数を補う方法も知られている(例えば、特開2014−95633号公報参照)。上記のような干渉型光ファイバセンサでは、光周波数シフタとパルスゲートとを含む回路を遅延補償干渉計のアームに設け、光電変換器で周波数が異なる複数のビートを発生させて多重化することで、減少するサンプル数を補っている。しかしながら、この方法では周波数が異なる複数のビートが発生するため、1つ1つのビート及び側波帯の幅が狭くなり、信号の帯域幅が狭くなる欠点がある。 In addition, conventionally, in order to compensate for the number of samples reduced by multiplexing, a method for compensating the number of samples by repeatedly passing pulsed light through an optical frequency shifter provided in the arm of a heterodyne delay compensation interferometer is also known. (For example, refer to JP 2014-95633 A). In the interference type optical fiber sensor as described above, a circuit including an optical frequency shifter and a pulse gate is provided in the arm of the delay compensation interferometer, and multiple beats having different frequencies are generated and multiplexed by the photoelectric converter. Make up for the decreasing number of samples. However, since this method generates a plurality of beats having different frequencies, there is a drawback that the width of each beat and sideband is narrowed, and the bandwidth of the signal is narrowed.
これに対し、上記第4実施形態の干渉型光ファイバセンサ100Cは、遅延補償干渉計150でパルス光が分割される前に、パルス光の周波数をシフトさせている。これにより、上記式(6)式で表されるビートが全てのパルスで得られるようになるため、信号の帯域幅を狭くすることなく、サンプリングを増やし、折り返し雑音による雑音増加を低減することができる。
On the other hand, the interference type optical fiber sensor 100C according to the fourth embodiment shifts the frequency of the pulsed light before the pulsed light is divided by the
ここで、上述した各実施形態は、干渉型光ファイバセンサにおける好適な具体例であり、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されるものではない。例えば、第1実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100が、光周波数シフタ23を含む光シフト回路20、センシングファイバ42を含むセンシング干渉計40、遅延補償ファイバ53を含む遅延補償干渉計50の順に接続された例を示している。また、第2実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100Aが、光シフト回路20、遅延補償ファイバ154を含む遅延補償干渉計150、センシングファイバ42を含むセンシング干渉計40の順に接続された例を示している。さらに、第3実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100Bが、光シフト回路220、第1センシング干渉計240A及び第2センシング干渉計240B、遅延補償干渉計50の順に接続された例を示している。また、第4実施形態では、干渉型光ファイバセンサ100Cが、光シフト回路320、遅延補償干渉計150、第1センシング干渉計340A及び第2センシング干渉計340Bの順に接続された例を示している。しかし、各実施形態における干渉型光ファイバセンサ100は、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、各光シフト回路に時間差を持たせたパルス光を通過させると、雑音の原因となるため、各光シフト回路を、いずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
Here, each embodiment mentioned above is a suitable example in an interference type optical fiber sensor, and the technical scope of this invention is not limited to these aspects. For example, in the first embodiment, the interference type
上記各実施形態では、各光シフト回路に、アップシフトの光周波数シフタ23を採用した場合を例示したが、これに限らず、各光シフト回路は、パルス光を通過させる度にシフト周波数fLを減じるダウンシフトの光周波数シフタを有していてもよい。なお、このようなダウンシフトの光周波数シフタを各光シフト回路に採用すれば、各シフト光カプラから出力された一方のパルス光の周波数は、ダウンシフトの光周波数シフタを通過する度に、ν−ff、ν−2ff、ν−3ff・・・といった具合に低くなっていく。
In each of the above-described embodiments, the case where the upshift
上記各実施形態では、光パルスゲートを用いて、3周目のパルスを遮断する例を示したが、これに限らず、光周波数シフタに送る信号のスイッチングなど、他の帰還パルス遮断手段で3周目のパルスを遮断することもできる。また、上記各実施形態では、光パルスゲートと光アンプとを用いる例を示したが、光増幅器とパルスゲートの機能を備えた半導体光アンプ、光周波数シフタとパルスゲートを兼ね備えた音響光変調器のように、複数の機能を兼ね備えた手段を用いるようにしてもよい。さらに、上記各実施形態において採用したセンシング干渉計及び遅延補償干渉計を用いた干渉計の方式を、マイケルソン干渉計、又はマッハ・ツェンダ干渉計などのような他の方式にしてもよい。 In each of the above embodiments, the example in which the pulse of the third round is cut off using the optical pulse gate is shown. However, the present invention is not limited to this, and other feedback pulse cutoff means such as switching of the signal to be sent to the optical frequency shifter is used. The peripheral pulse can also be cut off. In each of the above embodiments, an example in which an optical pulse gate and an optical amplifier are used has been described. However, a semiconductor optical amplifier having functions of an optical amplifier and a pulse gate, and an acousto-optic modulator having an optical frequency shifter and a pulse gate. As described above, means having a plurality of functions may be used. Furthermore, the interferometer system using the sensing interferometer and the delay compensation interferometer employed in each of the above embodiments may be another system such as a Michelson interferometer or a Mach-Zehnder interferometer.
第1実施形態等では、遅延補償ファイバ53に正弦波状の歪を加える圧電子53Aを用いる例で説明したが、例えば、電磁アクチュエータで遅延補償ファイバ53を歪ませるようにしてもよい。また、パルス光源10として、DBR(Distributed Bragg Reflection)レーザなどの周波数変調が可能なレーザ光源を用い(例えば、信学技報 OPE95−2 光ファイバハイドロホンの開発参照)、パルス光源10の周波数を変調するというように、他の手段で光の位相を変化させても良い。
In the first embodiment and the like, the example using the
第3実施形態では、第1実施形態のPGC方式を時分割多重構成にした例を示したが、第2実施形態のヘテロダイン方式でも同様に構成することができる。さらに、第3実施形態等では、PGC方式を用いる位相復調方式を示し、第4実施形態では、ヘテロダイン方式を用いる例を示したが、多ポート光カプラを用いる方式など(例えば、信学技報 OPE95−2 光ファイバハイドロホンの開発参照)、他の方式で信号を復調することもできる。 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 shown, but the heterodyne scheme of the second embodiment can be similarly configured. Further, in the third embodiment and the like, the phase demodulation method using the PGC method is shown, and in the fourth embodiment, the example using the heterodyne method is shown, but the method using a multi-port optical coupler or the like (for example, IEICE Technical Report) OPE95-2 Development of optical fiber hydrophone), the signal can be demodulated by other methods.
また、第4実施形態では、位置E1又は位置F1を経由したパルス光と、位置E2又は位置F2を経由したパルス光とが、交互に光電変換器60に到達する例を示したが、これに限らず、従来技術2のように交互ではない順序で到達するように時分割多重遅延ファイバ390の長さなどを調整してもよい。ただし、折り返し雑音の抑制効果を高くするには、各々の信号を等間隔でサンプリングして復調できるようにすることが望ましい。
Further, in the fourth embodiment, the example in which the pulsed light passing through the position E1 or the position F1 and the pulsed light passing through the position E2 or the position F2 alternately reach the
10 パルス光源、10X レーザ装置、10Y、224 パルスゲート、20、220、320 光シフト回路、21、321B シフト光カプラ、22、152 オシレータ、23、153、223 光周波数シフタ、24 光パルスゲート、25、225 遅延ファイバ、26、226、326 光アンプ、30 光サーキュレータ、35、41、241A、241B、321A、341A、341B、381、382 光カプラ、40 センシング干渉計、42、342A、342B センシングファイバ、43 第1ミラー、44 第2ミラー、50、150 遅延補償干渉計、51 遅延光カプラ、52 PGC信号発生器、53、154 遅延補償ファイバ、53A 圧電子、54 第1遅延ミラー、55 第2遅延ミラー、60 光電変換器、65、73、73A、73B、365、373A〜373D LPF(ローパスフィルタ)、70、370 復調器、71A、71B、371A〜371D 参照信号発生器、72A〜72D、372A〜372D 乗算器、74、374A、374B 逆正接演算器、75、375A、375B不連続点補償演算器、100、100A〜100C 干渉型光ファイバセンサ、151 第1光カプラ、155 第2光カプラ、240A、340A 第1センシング干渉計、240B、340B 第2センシング干渉計、242A 第1センシングファイバ、242B 第2センシングファイバ、243B、244A、244B、343A、343B、344B ミラー、390 遅延補償ファイバ、395 A/D変換器。 10 pulse light source, 10X laser device, 10Y, 224 pulse gate, 20, 220, 320 optical shift circuit, 21, 321B shift optical coupler, 22, 152 oscillator, 23, 153, 223 optical frequency shifter, 24 optical pulse gate, 25 225 delay fiber, 26, 226, 326 optical amplifier, 30 optical circulator, 35, 41, 241A, 241B, 321A, 341A, 341B, 381, 382 optical coupler, 40 sensing interferometer, 42, 342A, 342B sensing fiber, 43 First mirror, 44 Second mirror, 50, 150 Delay compensation interferometer, 51 Delay optical coupler, 52 PGC signal generator, 53, 154 Delay compensation fiber, 53 A Piezoelectric, 54 First delay mirror, 55 Second delay Mirror, 60 photoelectric converter 65, 73, 73A, 73B, 365, 373A to 373D LPF (low pass filter), 70, 370 demodulator, 71A, 71B, 371A to 371D Reference signal generator, 72A to 72D, 372A to 372D Multiplier, 74, 374A 374B arc tangent calculator, 75, 375A, 375B discontinuous point compensation calculator, 100, 100A to 100C interference type optical fiber sensor, 151 first optical coupler, 155 second optical coupler, 240A, 340A first sensing interferometer 240B, 340B second sensing interferometer, 242A first sensing fiber, 242B second sensing fiber, 243B, 244A, 244B, 343A, 343B, 344B mirror, 390 delay compensation fiber, 395 A / D converter.
Claims (12)
前記パルス光を導波し、物理量を検知するセンシングファイバを含むセンシング干渉計と、
前記センシングファイバと伝搬遅延時間が等しい遅延補償ファイバを含む遅延補償干渉計と、
前記センシング干渉計及び前記遅延補償干渉計と直列に接続され、前記パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路と、を有する干渉型光ファイバセンサ。 A pulsed light source that outputs pulsed light at a predetermined cycle;
A sensing interferometer including a sensing fiber that guides the pulsed light and detects a physical quantity;
A delay compensating interferometer including a delay compensating fiber having a propagation delay time equal to the sensing fiber;
An interference type optical fiber sensor, comprising: an optical shift circuit including an optical frequency shifter connected in series with the sensing interferometer and the delay compensation interferometer and shifting the frequency of the pulsed light.
前記パルス光源と、前記センシング干渉計及び前記遅延補償干渉計との間に設けられている請求項1に記載の干渉型光ファイバセンサ。 The optical shift circuit is
The interference-type optical fiber sensor according to claim 1, which is provided between the pulse light source, the sensing interferometer, and the delay compensation interferometer.
前記光周波数シフタが設けられた閉ループ回路であり、
前記パルス光を分岐させるシフト光カプラと、
前記シフト光カプラから出力される一方のパルス光を遅延させる遅延ファイバと、
前記一方のパルス光を周回させる設定周回数を調整する帰還パルス遮断手段と、を有する請求項1又は2に記載の干渉型光ファイバセンサ。 The optical shift circuit is
A closed loop circuit provided with the optical frequency shifter;
A shift optical coupler for branching the pulsed light;
A delay fiber for delaying one pulsed light output from the shift optical coupler;
The interference type optical fiber sensor according to claim 1, further comprising feedback pulse blocking means for adjusting a set number of rotations for rotating the one pulsed light.
前記センシング干渉計に、同じ周波数の前記パルス光が伝搬しない周期で前記パルス光を出力するものである請求項1〜3の何れか一項に記載の干渉型光ファイバセンサ。 The optical shift circuit is
The interference type optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the pulsed light is output to the sensing interferometer at a period in which the pulsed light having the same frequency does not propagate.
前記パルス光を分岐させる光カプラと、
前記光カプラの一方に前記センシングファイバを介して接続された第1ミラーと、
前記光カプラの他方に接続された第2ミラーと、を有する請求項1〜4の何れか一項に記載の干渉型光ファイバセンサ。 The sensing interferometer is
An optical coupler for branching the pulsed light;
A first mirror connected to one of the optical couplers via the sensing fiber;
The interference type optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 4, further comprising a second mirror connected to the other of the optical couplers.
前記パルス光を分岐させる遅延光カプラと、
前記光カプラの一方に前記遅延補償ファイバを介して接続された第1遅延ミラーと、
前記光カプラの他方に接続された第2遅延ミラーと、を有する請求項5に記載の干渉型光ファイバセンサ。 The delay compensation interferometer is:
A delay optical coupler for branching the pulsed light;
A first delay mirror connected to one of the optical couplers via the delay compensation fiber;
The interference type optical fiber sensor according to claim 5, further comprising a second delay mirror connected to the other of the optical couplers.
前記光電変換器から出力される電気信号を復調する復調器と、を有する請求項6に記載の干渉型光ファイバセンサ。 A photoelectric converter that continuously outputs a beat by converting the interference light that the pulsed light that has passed through each of a plurality of paths formed by the sensing interferometer and the delay compensation interferometer into an electrical signal;
The interference-type optical fiber sensor according to claim 6, further comprising: a demodulator that demodulates an electric signal output from the photoelectric converter.
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