JP2948724B2 - 多重出力光ファイバセンサ装置 - Google Patents
多重出力光ファイバセンサ装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば光ファイバセン
サアレイ用時分割多重信号の変復調器やソーナのような
水中音響センサ等に用いられ、音波情報を光信号の形で
検出するための光ファイバを使用した多重出力光ファイ
バセンサ装置に関するものである。
サアレイ用時分割多重信号の変復調器やソーナのような
水中音響センサ等に用いられ、音波情報を光信号の形で
検出するための光ファイバを使用した多重出力光ファイ
バセンサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の時分割多重信号
の位相復調技術としては、例えば次のような文献に記載
されるものがあった。 文献；アイイイイ ジャーナル オブ（IEEE JOURNAL O
F QUANTUM ELECTRONICS ）、ＱＥ−１８［１０］（１９
８２−１０）ＩＥＥＥ（米） A.Dandridge,A.B.Tveten,and T.G.Giallorenzi "Homody
ne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Usi
ng Phase Generated Carrier"Ｐ．１６４７−１６５３ 図２は、前記文献に記載された単一センサの位相復調回
路を多重化信号の変復調に拡大した多重出力光ファイバ
センサ装置の一構成例を示す概略の構成ブロック図であ
る。この多重出力光ファイバセンサ装置は、ＦＭ変調さ
れた光信号を用いて音波等の外部からの情報を検出する
装置であり、周波数がω0 ／２πの正弦波信号Ｓ１を出
力する信号発生器１を有している。又、この多重出力光
ファイバセンサ装置は、タイミング発生器２を備えてい
る。信号発生器１の出力側は、光干渉計３の入力側に接
続されている。光干渉計３は、信号発生器１から出力さ
れる正弦波信号Ｓ１に基づいて変調周波数ω0 ／２πの
ＦＭ変調光Ｓ３ａを出力する光源３ａを有している。光
源３ａの出力側は、光ゲート３ｂの入力側に接続されて
いる。光ゲート３ｂは、タイミング発生器２の制御信号
Ｓ２に基づいて光源３ａのＦＭ変調光Ｓ３ａを光パルス
Ｓ３ｂに変換する回路である。光ゲート３ｂの出力側
は、センサアレイ部３ｃの入力側に接続されている。セ
ンサアレイ部３ｃは、光パルスＳ３ｂを入力して音波情
報を含む伝搬光と参照光との干渉による干渉光として出
力する複数の光センサを有し、それらの光センサの各干
渉光をチャネル順序に基づく直列な時系列パルスの出力
信号Ｓ３ｃとして出力する機能を有している。センサア
レイ部３ｃの出力側は、多重化位相復調器１０中の光電
変換器（以下、Ｏ／Ｅ変換器という）１１の入力側に接
続されている。Ｏ／Ｅ変換器１１は、センサアレイ部３
ｃの出力信号Ｓ３ｃを電気信号に変換する機能を有して
いる。又、信号発生器１の出力側は、多重化位相復調器
１０中の同期信号発生器１２，１３の入力側に接続され
ている。一方、Ｏ／Ｅ変換器１１の出力側は、ＦＭ変調
の変調周波数を基本周波数とする第１次高調波成分抽出
手段１４及び第２次高調波成分抽出手段１５の入力側に
接続されている。第１次高調波成分抽出手段１４は乗算
器１４ａ及び低域通過フィルタ（以下、ＬＰＦという）
１４ｂを有し、Ｏ／Ｅ変換器１１の干渉出力信号Ｉの第
１次高調波成分を抽出する回路である。この乗算器１４
ａは同期信号発生器１２の出力側が接続され、干渉出力
信号Ｉと参照信号Ｓ１２とを乗算する回路である。この
参照信号Ｓ１２は、同期信号発生器１２が信号発生器１
に同期して出力する周波数ω0 ／２πの正弦波信号であ
る。ＬＰＦ１４ｂは、乗算器１４ａの出力信号の高周波
成分を除去する回路である。
の位相復調技術としては、例えば次のような文献に記載
されるものがあった。 文献；アイイイイ ジャーナル オブ（IEEE JOURNAL O
F QUANTUM ELECTRONICS ）、ＱＥ−１８［１０］（１９
８２−１０）ＩＥＥＥ（米） A.Dandridge,A.B.Tveten,and T.G.Giallorenzi "Homody
ne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Usi
ng Phase Generated Carrier"Ｐ．１６４７−１６５３ 図２は、前記文献に記載された単一センサの位相復調回
路を多重化信号の変復調に拡大した多重出力光ファイバ
センサ装置の一構成例を示す概略の構成ブロック図であ
る。この多重出力光ファイバセンサ装置は、ＦＭ変調さ
れた光信号を用いて音波等の外部からの情報を検出する
装置であり、周波数がω0 ／２πの正弦波信号Ｓ１を出
力する信号発生器１を有している。又、この多重出力光
ファイバセンサ装置は、タイミング発生器２を備えてい
る。信号発生器１の出力側は、光干渉計３の入力側に接
続されている。光干渉計３は、信号発生器１から出力さ
れる正弦波信号Ｓ１に基づいて変調周波数ω0 ／２πの
ＦＭ変調光Ｓ３ａを出力する光源３ａを有している。光
源３ａの出力側は、光ゲート３ｂの入力側に接続されて
いる。光ゲート３ｂは、タイミング発生器２の制御信号
Ｓ２に基づいて光源３ａのＦＭ変調光Ｓ３ａを光パルス
Ｓ３ｂに変換する回路である。光ゲート３ｂの出力側
は、センサアレイ部３ｃの入力側に接続されている。セ
ンサアレイ部３ｃは、光パルスＳ３ｂを入力して音波情
報を含む伝搬光と参照光との干渉による干渉光として出
力する複数の光センサを有し、それらの光センサの各干
渉光をチャネル順序に基づく直列な時系列パルスの出力
信号Ｓ３ｃとして出力する機能を有している。センサア
レイ部３ｃの出力側は、多重化位相復調器１０中の光電
変換器（以下、Ｏ／Ｅ変換器という）１１の入力側に接
続されている。Ｏ／Ｅ変換器１１は、センサアレイ部３
ｃの出力信号Ｓ３ｃを電気信号に変換する機能を有して
いる。又、信号発生器１の出力側は、多重化位相復調器
１０中の同期信号発生器１２，１３の入力側に接続され
ている。一方、Ｏ／Ｅ変換器１１の出力側は、ＦＭ変調
の変調周波数を基本周波数とする第１次高調波成分抽出
手段１４及び第２次高調波成分抽出手段１５の入力側に
接続されている。第１次高調波成分抽出手段１４は乗算
器１４ａ及び低域通過フィルタ（以下、ＬＰＦという）
１４ｂを有し、Ｏ／Ｅ変換器１１の干渉出力信号Ｉの第
１次高調波成分を抽出する回路である。この乗算器１４
ａは同期信号発生器１２の出力側が接続され、干渉出力
信号Ｉと参照信号Ｓ１２とを乗算する回路である。この
参照信号Ｓ１２は、同期信号発生器１２が信号発生器１
に同期して出力する周波数ω0 ／２πの正弦波信号であ
る。ＬＰＦ１４ｂは、乗算器１４ａの出力信号の高周波
成分を除去する回路である。
【０００３】第２次高調波成分抽出手段１５は、乗算器
１５ａ及びＬＰＦ１５ｂを有し、Ｏ／Ｅ変換器１１の干
渉出力信号Ｉの第２次高調波成分を抽出する回路であ
る。この乗算器１５ａは同期信号発生器１３の出力側が
接続され、干渉出力信号Ｉと参照信号Ｓ１３とを乗算す
る回路である。参照信号Ｓ１３は、同期信号発生器１３
が信号発生器１に同期して出力する周波数がω0 ／πの
正弦波信号である。ＬＰＦ１５ｂは、乗算器１５ａの出
力信号の高周波成分を除去する回路である。第１次高調
波成分抽出手段１４の出力側には微分器１６及び乗算器
１９が接続され、第２次高調波成分抽出手段１５の出力
側には微分器１７及び乗算器１８が接続されている。微
分器１６は、第１次高調波成分抽出手段１４の出力信号
を微分する回路である。微分器１７は、第２次高調波成
分抽出手段１５の出力信号を微分する回路である。乗算
器１８は、微分器１６の出力信号と第２次高調波成分抽
出手段１５の出力信号とを乗算する回路である。乗算器
１９は、微分器１７の出力信号と第１次高調波成分抽出
手段１４の出力信号とを乗算する回路である。乗算器１
８及び乗算器１９の出力側には、減算器２０が接続され
ている。減算器２０は、乗算器１８の出力信号Ｓ１８か
ら乗算器１９の出力信号Ｓ１９を減算する回路である。
減算器２０の出力側には、デマルチプレクサ２１の入力
側が接続されている。デマルチプレクサ２１は、減算器
２０の出力信号Ｓ２０を入力し、タイミング発生器２の
出力信号Ｓ２に基づき、時分割によってｍ個の出力信号
Ｓ２１−１〜Ｓ２１−ｍを出力する回路である。デマル
チプレクサ２１の各出力側は、積分器２２−１〜２２−
ｍの入力側にそれぞれ接続されている。積分器２２−１
〜２２−ｍは、デマルチプレクサ２１の出力信号Ｓ２１
−１〜Ｓ２１−ｍをそれぞれ積分する回路である。図３
は、図２中のセンサアレイ部３ｃの構成を表す図であ
る。このセンサアレイ部３ｃは、光ファイバＦ１からの
光パルスを第１と第２の光パルスに分岐するｍ個の分岐
用カプラ３１−１，３１−２，…，３１−ｍと、該第２
の光パルスを分岐するｍ個のセンサ入力用カプラ３２−
１，３２−２，…，３２−ｍとを有している。更に、こ
のセンサアレイ部３Ｃは、ｍ個のセンシングファイバ３
３Ｓ−１，３３Ｓ−２，…，３３Ｓ−ｍと、該センシン
グファイバと相俟って光干渉計を構成するｍ個のリファ
レンスファイバ３３Ｒ−１，３３Ｒ−２，…，３３Ｒ−
ｍと、各干渉計の透過光を合成するセンサ出力用カプラ
３４−１，３４−２，…，３４−ｍと、各チャネルのセ
ンサの透過光を光ファイバＦ２へ多重化して取り込む受
光用カプラ３５−１，３５−２，…，３５−ｍと、第１
の光パルスを所定時間遅らせて次のチャネルのセンサに
送るｍ個の遅延ファイバ３６−１，３６−２，…，３６
−（ｍ−１）とを備え、ｍチャネルのセンサアレイが構
成されている。
１５ａ及びＬＰＦ１５ｂを有し、Ｏ／Ｅ変換器１１の干
渉出力信号Ｉの第２次高調波成分を抽出する回路であ
る。この乗算器１５ａは同期信号発生器１３の出力側が
接続され、干渉出力信号Ｉと参照信号Ｓ１３とを乗算す
る回路である。参照信号Ｓ１３は、同期信号発生器１３
が信号発生器１に同期して出力する周波数がω0 ／πの
正弦波信号である。ＬＰＦ１５ｂは、乗算器１５ａの出
力信号の高周波成分を除去する回路である。第１次高調
波成分抽出手段１４の出力側には微分器１６及び乗算器
１９が接続され、第２次高調波成分抽出手段１５の出力
側には微分器１７及び乗算器１８が接続されている。微
分器１６は、第１次高調波成分抽出手段１４の出力信号
を微分する回路である。微分器１７は、第２次高調波成
分抽出手段１５の出力信号を微分する回路である。乗算
器１８は、微分器１６の出力信号と第２次高調波成分抽
出手段１５の出力信号とを乗算する回路である。乗算器
１９は、微分器１７の出力信号と第１次高調波成分抽出
手段１４の出力信号とを乗算する回路である。乗算器１
８及び乗算器１９の出力側には、減算器２０が接続され
ている。減算器２０は、乗算器１８の出力信号Ｓ１８か
ら乗算器１９の出力信号Ｓ１９を減算する回路である。
減算器２０の出力側には、デマルチプレクサ２１の入力
側が接続されている。デマルチプレクサ２１は、減算器
２０の出力信号Ｓ２０を入力し、タイミング発生器２の
出力信号Ｓ２に基づき、時分割によってｍ個の出力信号
Ｓ２１−１〜Ｓ２１−ｍを出力する回路である。デマル
チプレクサ２１の各出力側は、積分器２２−１〜２２−
ｍの入力側にそれぞれ接続されている。積分器２２−１
〜２２−ｍは、デマルチプレクサ２１の出力信号Ｓ２１
−１〜Ｓ２１−ｍをそれぞれ積分する回路である。図３
は、図２中のセンサアレイ部３ｃの構成を表す図であ
る。このセンサアレイ部３ｃは、光ファイバＦ１からの
光パルスを第１と第２の光パルスに分岐するｍ個の分岐
用カプラ３１−１，３１−２，…，３１−ｍと、該第２
の光パルスを分岐するｍ個のセンサ入力用カプラ３２−
１，３２−２，…，３２−ｍとを有している。更に、こ
のセンサアレイ部３Ｃは、ｍ個のセンシングファイバ３
３Ｓ−１，３３Ｓ−２，…，３３Ｓ−ｍと、該センシン
グファイバと相俟って光干渉計を構成するｍ個のリファ
レンスファイバ３３Ｒ−１，３３Ｒ−２，…，３３Ｒ−
ｍと、各干渉計の透過光を合成するセンサ出力用カプラ
３４−１，３４−２，…，３４−ｍと、各チャネルのセ
ンサの透過光を光ファイバＦ２へ多重化して取り込む受
光用カプラ３５−１，３５−２，…，３５−ｍと、第１
の光パルスを所定時間遅らせて次のチャネルのセンサに
送るｍ個の遅延ファイバ３６−１，３６−２，…，３６
−（ｍ−１）とを備え、ｍチャネルのセンサアレイが構
成されている。
【０００４】次に、この多重出力光ファイバセンサ装置
の動作を説明する。光源３ａは、信号発生器１から出力
された周波数ω0 ／２πの正弦波によって電流駆動さ
れ、変調周波数ω0 ／２πのＦＭ変調光Ｓ３ａを出力す
る。光ゲート３ｂは、ＦＭ変調光Ｓ３ａを入力し、タイ
ミング発生器２の制御信号Ｓ２に基づいて光パルスＳ３
ｂに変換する。この光パルスＳ３ｂは、光ファイバＦ１
を介して１段目の分岐用カプラ３１−１へ送られ、その
分岐用カプラ３１−１が光パルスＳ３ｂを第１及び第２
の光パルスに分岐する。第１の光パルスは遅延ファイバ
３６−１を介して次段の分岐用カプラ３１−２へ送ら
れ、第２の光パルスがセンサ入力用カプラ３２−１で２
等分されてセンシングファイバ３３Ｓ−１及びリファレ
ンスファイバ３３Ｒ−１へそれぞれ送られる。センシン
グファイバ３３Ｓ−１及びリファレンスファイバ３３Ｒ
−１は、次のように動作する。即ち、センシングファイ
バ３３Ｓ−１に音波が印加されると該センシングファイ
バ３３Ｓ−１の屈折率及びファイバ長が変化し、該ンシ
ングファイバ３３−１に入力された光（以下、これを伝
搬光という）の位相が変化する。一方、リファレンスフ
ァイバ３２に入力された光（以下、これを参照光とい
う）の位相は変化しないので、これらの伝搬光と参照光
とによって干渉光が発生する。
の動作を説明する。光源３ａは、信号発生器１から出力
された周波数ω0 ／２πの正弦波によって電流駆動さ
れ、変調周波数ω0 ／２πのＦＭ変調光Ｓ３ａを出力す
る。光ゲート３ｂは、ＦＭ変調光Ｓ３ａを入力し、タイ
ミング発生器２の制御信号Ｓ２に基づいて光パルスＳ３
ｂに変換する。この光パルスＳ３ｂは、光ファイバＦ１
を介して１段目の分岐用カプラ３１−１へ送られ、その
分岐用カプラ３１−１が光パルスＳ３ｂを第１及び第２
の光パルスに分岐する。第１の光パルスは遅延ファイバ
３６−１を介して次段の分岐用カプラ３１−２へ送ら
れ、第２の光パルスがセンサ入力用カプラ３２−１で２
等分されてセンシングファイバ３３Ｓ−１及びリファレ
ンスファイバ３３Ｒ−１へそれぞれ送られる。センシン
グファイバ３３Ｓ−１及びリファレンスファイバ３３Ｒ
−１は、次のように動作する。即ち、センシングファイ
バ３３Ｓ−１に音波が印加されると該センシングファイ
バ３３Ｓ−１の屈折率及びファイバ長が変化し、該ンシ
ングファイバ３３−１に入力された光（以下、これを伝
搬光という）の位相が変化する。一方、リファレンスフ
ァイバ３２に入力された光（以下、これを参照光とい
う）の位相は変化しないので、これらの伝搬光と参照光
とによって干渉光が発生する。
【０００５】この干渉光がＯ／Ｅ変換器１１によって電
気信号に変換され、その干渉出力信号Ｉは、次式（１）
のように表される。 Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（Ｃｃｏｓω0ｔ＋φ（ｔ)） ＝Ａ＋ＢＪ0(Ｃ）ｃｏｓφ（ｔ） ＋２ＢＪ1 （Ｃ）ｃｏｓ（φ（ｔ）＋π／２）ｃｏｓω0 ｔ ＋２ＢＪ2 （Ｃ）ｃｏｓ（φ（ｔ）＋π）ｃｏｓ２ω0 ｔ ・ ・ ＋２ＢＪk（Ｃ）ｃｏｓ（φ（ｔ）＋ｋπ／２）ｃｏｓｋω0 ｔ ・・・（１） 但し、Ａ，Ｂ；入力光量に比例する定数 Ｃ；ＦＭ変調信号の最大周波数偏移及びセンシングファイバとリフ ァレンスファイバとの間の光路差の関数となる位相変調度 φ（ｔ）；音波信号 Ｊk （Ｃ）；ベッセル関数（ｋ＝０，１，２，・・） 乗算器１４ａは、干渉出力信号Ｉと、参照信号Ｓ１２と
を乗算した後、ＬＰＦ１４ｂへ出力する。ＬＰＦ１４ｂ
の出力信号Ｓ１４は、次式（２）のように表される。 Ｓ１４＝ＢＪ1 （Ｃ）ｓｉｎφ（ｔ） ・・・（２） 乗算器１５ａは、干渉出力信号Ｉと、参照信号Ｓ１３と
を乗算した後、ＬＰＦ１５ｂへ出力する。ＬＰＦ１５ｂ
の出力信号Ｓ１５は、次式（３）のように表される。 Ｓ１５＝ＢＪ2 （Ｃ）ｃｏｓφ（ｔ） ・・・（３） 次に、出力信号Ｓ１４，Ｓ１５を 微分器１６，１７でそ
れぞれ微分し、乗算器１８，１９でクロス乗算すると、
乗算器１８，１９の出力信号Ｓ１８，Ｓ１９はそれぞれ
次式（４），（５）のようになる。 Ｓ１８＝ B2 J1 (C)J2 (C)（dφ(t)／dt）cos 2 φ（t）・・・（４） Ｓ１９＝− B2 J1 (C)J2 (C)（dφ(t)／dt）sin 2 φ（t）・・・（５） 減算器２０で出力信号Ｓ１８から出力信号Ｓ１９を減算
することにより、出力信号Ｓ２０は次式（６）のように
なる。 Ｓ２０＝Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ）（ｄφ（ｔ）／ｄｔ） ・・・（６） 次に、式（６）を積分するため、デマルチプレクサ２１
の出力先をタイミング発生器２の制御信号Ｓ２に基づい
て切り替え、例えばチャネル１の場合は、積分器２２−
１に入力する。出力信号Ｓ２０を積分器２２−１で積分
することにより、次式（７）に示す出力信号Ｓ２２−１
が得られ、音波信号φ（ｔ）が復調される。 Ｓ２２−１＝Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ）φ（ｔ） ・・・（７） 次のチャネルの干渉光パルスも同様の動作によって積分
器２２−２〜２２−ｍで順次積分される。
気信号に変換され、その干渉出力信号Ｉは、次式（１）
のように表される。 Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（Ｃｃｏｓω0ｔ＋φ（ｔ)） ＝Ａ＋ＢＪ0(Ｃ）ｃｏｓφ（ｔ） ＋２ＢＪ1 （Ｃ）ｃｏｓ（φ（ｔ）＋π／２）ｃｏｓω0 ｔ ＋２ＢＪ2 （Ｃ）ｃｏｓ（φ（ｔ）＋π）ｃｏｓ２ω0 ｔ ・ ・ ＋２ＢＪk（Ｃ）ｃｏｓ（φ（ｔ）＋ｋπ／２）ｃｏｓｋω0 ｔ ・・・（１） 但し、Ａ，Ｂ；入力光量に比例する定数 Ｃ；ＦＭ変調信号の最大周波数偏移及びセンシングファイバとリフ ァレンスファイバとの間の光路差の関数となる位相変調度 φ（ｔ）；音波信号 Ｊk （Ｃ）；ベッセル関数（ｋ＝０，１，２，・・） 乗算器１４ａは、干渉出力信号Ｉと、参照信号Ｓ１２と
を乗算した後、ＬＰＦ１４ｂへ出力する。ＬＰＦ１４ｂ
の出力信号Ｓ１４は、次式（２）のように表される。 Ｓ１４＝ＢＪ1 （Ｃ）ｓｉｎφ（ｔ） ・・・（２） 乗算器１５ａは、干渉出力信号Ｉと、参照信号Ｓ１３と
を乗算した後、ＬＰＦ１５ｂへ出力する。ＬＰＦ１５ｂ
の出力信号Ｓ１５は、次式（３）のように表される。 Ｓ１５＝ＢＪ2 （Ｃ）ｃｏｓφ（ｔ） ・・・（３） 次に、出力信号Ｓ１４，Ｓ１５を 微分器１６，１７でそ
れぞれ微分し、乗算器１８，１９でクロス乗算すると、
乗算器１８，１９の出力信号Ｓ１８，Ｓ１９はそれぞれ
次式（４），（５）のようになる。 Ｓ１８＝ B2 J1 (C)J2 (C)（dφ(t)／dt）cos 2 φ（t）・・・（４） Ｓ１９＝− B2 J1 (C)J2 (C)（dφ(t)／dt）sin 2 φ（t）・・・（５） 減算器２０で出力信号Ｓ１８から出力信号Ｓ１９を減算
することにより、出力信号Ｓ２０は次式（６）のように
なる。 Ｓ２０＝Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ）（ｄφ（ｔ）／ｄｔ） ・・・（６） 次に、式（６）を積分するため、デマルチプレクサ２１
の出力先をタイミング発生器２の制御信号Ｓ２に基づい
て切り替え、例えばチャネル１の場合は、積分器２２−
１に入力する。出力信号Ｓ２０を積分器２２−１で積分
することにより、次式（７）に示す出力信号Ｓ２２−１
が得られ、音波信号φ（ｔ）が復調される。 Ｓ２２−１＝Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ）φ（ｔ） ・・・（７） 次のチャネルの干渉光パルスも同様の動作によって積分
器２２−２〜２２−ｍで順次積分される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
図２の多重出力光ファイバセンサ装置では、次のような
課題があった。センサアレイ部３ｃの各チャネル毎の干
渉信号の位相復調は、各干渉信号のパルス幅の時間内で
行い、光パルスの標本化周期内でチャネルを切り替えて
実行するため、ＦＭ変調を高周波で行う必要がある。例
えば、位相復調に必要とするパルス幅内の所要サイクル
数をＣｓ、標本化周波数をｆｓ、及び多重化数をｍとす
ると、ＦＭ変調周波数ｆ0 は、ｆ0 ≧ｆｓ・Ｃｓ・ｍに
なるので、例えばＣｓ＝１０、ｆｓ＝２ｋＨｚ、及びＭ
＝１０とすると、ｆ0 ≧２００ｋＨｚになる。ところ
が、光源３ａに使用される汎用の半導体レーザのＦＭ変
調周波数の上限は数百ｋＨｚ以下であり、多重化数が増
えると汎用の半導体レーザを用いて変調処理を行うこと
は不可能になる。又、復調処理回路も高周波用素子を使
用する必要があり、復調処理回路の低雑音化が困難にな
る。本発明は前記従来技術が持っていた課題として、Ｆ
Ｍ変調周波数を高くする必要性から、汎用の半導体レー
ザの使用が困難であり、更に、復調処理回路も低雑音化
が困難であるという点について解決した多重出力光ファ
イバセンサ装置を提供するものである。
図２の多重出力光ファイバセンサ装置では、次のような
課題があった。センサアレイ部３ｃの各チャネル毎の干
渉信号の位相復調は、各干渉信号のパルス幅の時間内で
行い、光パルスの標本化周期内でチャネルを切り替えて
実行するため、ＦＭ変調を高周波で行う必要がある。例
えば、位相復調に必要とするパルス幅内の所要サイクル
数をＣｓ、標本化周波数をｆｓ、及び多重化数をｍとす
ると、ＦＭ変調周波数ｆ0 は、ｆ0 ≧ｆｓ・Ｃｓ・ｍに
なるので、例えばＣｓ＝１０、ｆｓ＝２ｋＨｚ、及びＭ
＝１０とすると、ｆ0 ≧２００ｋＨｚになる。ところ
が、光源３ａに使用される汎用の半導体レーザのＦＭ変
調周波数の上限は数百ｋＨｚ以下であり、多重化数が増
えると汎用の半導体レーザを用いて変調処理を行うこと
は不可能になる。又、復調処理回路も高周波用素子を使
用する必要があり、復調処理回路の低雑音化が困難にな
る。本発明は前記従来技術が持っていた課題として、Ｆ
Ｍ変調周波数を高くする必要性から、汎用の半導体レー
ザの使用が困難であり、更に、復調処理回路も低雑音化
が困難であるという点について解決した多重出力光ファ
イバセンサ装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、前記課題を
解決するために、基準周波数信号に基づき周波数変調さ
れた光信号を出力する光源と、前記光信号をパルス化し
て所定の幅の光パルスを出力する光ゲートと、前記光パ
ルスを入力して音波情報を含む伝搬光と参照光との干渉
による干渉光として出力する複数の光センサを有し、該
各光センサの干渉光をチャネル順序に基づく直列な時系
列パルスとして出力する複数チャネルのセンサアレイ部
と、前記時系列パルスを電気信号に変換した後に前記各
チャネル毎の信号に分割して位相復調する多重化位相復
調器とを、備えた多重出力光ファイバセンサ装置におい
て、該多重化位相復調器を次のように構成している。即
ち、前記多重化位相復調器を、前記時系列パルスを電気
信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記パルス化に同期し
て前記Ｏ／Ｅ変換器の出力信号を前記各チャネル毎の時
系列信号に変換するデマルチプレクサと、前記デマルチ
プレクサの各出力信号をそれぞれ連続信号に変換する複
数の補間器と、前記補間器の各出力信号の位相復調を行
う複数の位相復調器とで、構成している。
解決するために、基準周波数信号に基づき周波数変調さ
れた光信号を出力する光源と、前記光信号をパルス化し
て所定の幅の光パルスを出力する光ゲートと、前記光パ
ルスを入力して音波情報を含む伝搬光と参照光との干渉
による干渉光として出力する複数の光センサを有し、該
各光センサの干渉光をチャネル順序に基づく直列な時系
列パルスとして出力する複数チャネルのセンサアレイ部
と、前記時系列パルスを電気信号に変換した後に前記各
チャネル毎の信号に分割して位相復調する多重化位相復
調器とを、備えた多重出力光ファイバセンサ装置におい
て、該多重化位相復調器を次のように構成している。即
ち、前記多重化位相復調器を、前記時系列パルスを電気
信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記パルス化に同期し
て前記Ｏ／Ｅ変換器の出力信号を前記各チャネル毎の時
系列信号に変換するデマルチプレクサと、前記デマルチ
プレクサの各出力信号をそれぞれ連続信号に変換する複
数の補間器と、前記補間器の各出力信号の位相復調を行
う複数の位相復調器とで、構成している。
【０００８】
【作用】本発明によれば、以上のように多重出力光ファ
イバセンサ装置を構成したので、光源は基準周波数信号
に基づいて周波数変調された光信号を出力し、光ゲート
が、前記光信号をパルス化して所定の幅の光パルスを出
力する。複数チャネルのセンサアレイ部は、内部の各光
センサの干渉光をチャネル順序に基づく直列な時系列パ
ルスとして出力する。更に、Ｏ／Ｅ変換器は、前記時系
列パルスを電気信号に変換する。デマルチプレクサは、
前記パルス化に同期して前記Ｏ／Ｅ変換器の出力信号を
前記各チャネル毎の時系列信号に変換する。複数の補間
器は、前記デマルチプレクサの各出力信号をそれぞれ並
行して連続信号に変換する。複数の位相復調器が、前記
補間器の各出力信号の位相復調を並行して行う。従っ
て、前記課題を解決できるのである。
イバセンサ装置を構成したので、光源は基準周波数信号
に基づいて周波数変調された光信号を出力し、光ゲート
が、前記光信号をパルス化して所定の幅の光パルスを出
力する。複数チャネルのセンサアレイ部は、内部の各光
センサの干渉光をチャネル順序に基づく直列な時系列パ
ルスとして出力する。更に、Ｏ／Ｅ変換器は、前記時系
列パルスを電気信号に変換する。デマルチプレクサは、
前記パルス化に同期して前記Ｏ／Ｅ変換器の出力信号を
前記各チャネル毎の時系列信号に変換する。複数の補間
器は、前記デマルチプレクサの各出力信号をそれぞれ並
行して連続信号に変換する。複数の位相復調器が、前記
補間器の各出力信号の位相復調を並行して行う。従っ
て、前記課題を解決できるのである。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明の実施例を示す多重出力光フ
ァイバセンサ装置の概略の構成ブロック図であり、図２
中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この多重出力光ファイバセンサ装置は、図２の従来の多
重出力光ファイバセンサ装置と同様の信号発生器１、タ
イミング発生器２、及び光干渉計３を備えている。光干
渉計３の出力側には、従来と異なる多重化位相復調器４
０の入力側が接続されている。この多重化位相復調器４
０は、図２の従来の多重出力光ファイバセンサ装置と同
様に、センサアレイ部３ｃの出力信号Ｓ３ｃを電気信号
に変換するＯ／Ｅ変換器４１を有している。Ｏ／Ｅ変換
器４１の出力側は、デマルチプレクサ４２の入力側に接
続されている。又、タイミング発生器２は、デマルチプ
レクサ４２に接続されている。マルチプレクサ４２は、
Ｏ／Ｅ変換器４１の出力信号をタイミング発生器２の出
力信号Ｓ２に基づいてｍチャネルの時系列信号に変換す
る回路である。デマルチプレクサ４２の各出力側は、補
間器４３−１〜４３−ｍの入力側にそれぞれ接続されて
いる。これらの補間器４３−１〜４３−ｍは例えばＬＰ
Ｆ等で構成され、デマルチプレクサ４２の各出力信号を
それぞれ連続信号に変換する回路である。補間器４３−
１〜４３−ｍの各出力側は、位相復調器４４−１〜４４
−ｍの入力側にそれぞれ接続されている。又、信号発生
器１は、位相復調器４４−１〜４４−ｍに接続されてい
る。これらの位相復調器４４−１〜４４−ｍは、図２中
の多重化位相復調器１０からＯ／Ｅ変換器１１及びデマ
ルチプレクサ２１を除去し、減算器２０に１個の積分器
を接続した構成になっている。
ァイバセンサ装置の概略の構成ブロック図であり、図２
中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この多重出力光ファイバセンサ装置は、図２の従来の多
重出力光ファイバセンサ装置と同様の信号発生器１、タ
イミング発生器２、及び光干渉計３を備えている。光干
渉計３の出力側には、従来と異なる多重化位相復調器４
０の入力側が接続されている。この多重化位相復調器４
０は、図２の従来の多重出力光ファイバセンサ装置と同
様に、センサアレイ部３ｃの出力信号Ｓ３ｃを電気信号
に変換するＯ／Ｅ変換器４１を有している。Ｏ／Ｅ変換
器４１の出力側は、デマルチプレクサ４２の入力側に接
続されている。又、タイミング発生器２は、デマルチプ
レクサ４２に接続されている。マルチプレクサ４２は、
Ｏ／Ｅ変換器４１の出力信号をタイミング発生器２の出
力信号Ｓ２に基づいてｍチャネルの時系列信号に変換す
る回路である。デマルチプレクサ４２の各出力側は、補
間器４３−１〜４３−ｍの入力側にそれぞれ接続されて
いる。これらの補間器４３−１〜４３−ｍは例えばＬＰ
Ｆ等で構成され、デマルチプレクサ４２の各出力信号を
それぞれ連続信号に変換する回路である。補間器４３−
１〜４３−ｍの各出力側は、位相復調器４４−１〜４４
−ｍの入力側にそれぞれ接続されている。又、信号発生
器１は、位相復調器４４−１〜４４−ｍに接続されてい
る。これらの位相復調器４４−１〜４４−ｍは、図２中
の多重化位相復調器１０からＯ／Ｅ変換器１１及びデマ
ルチプレクサ２１を除去し、減算器２０に１個の積分器
を接続した構成になっている。
【００１０】次に、図１に示す多重出力光ファイバセン
サ装置の動作を説明する。光干渉計３は、従来と同様
に、信号発生器１から出力された周波数ω0 ／２πの正
弦波信号Ｓ１によって光源３ａが電流駆動され、変調周
波数ω0 ／２πのＦＭ変調光Ｓ３ａを光ゲート３ｂに入
力する。光ゲート３ｂは、タイミング発生器２の制御信
号Ｓ２によりＦＭ変調光Ｓ３ａを所要パルス幅の光パル
スに変換し、センサアレイ部３ｃに入力する。センサア
レイ部３ｃからは従来と同様に各チャネル毎のセンシン
グファイバ及びリファレンスファイバを通過した干渉光
パルスが出力信号Ｓ３ｃとして時系列的に送り出され
る。Ｏ／Ｅ変換器４１は、この干渉光パルス（即ち、出
力信号Ｓ３ｃ）を電気信号に変換する。その干渉出力信
号Ｉｓは標本化されており、離散形式で表現するとその
フーリエ変換は
サ装置の動作を説明する。光干渉計３は、従来と同様
に、信号発生器１から出力された周波数ω0 ／２πの正
弦波信号Ｓ１によって光源３ａが電流駆動され、変調周
波数ω0 ／２πのＦＭ変調光Ｓ３ａを光ゲート３ｂに入
力する。光ゲート３ｂは、タイミング発生器２の制御信
号Ｓ２によりＦＭ変調光Ｓ３ａを所要パルス幅の光パル
スに変換し、センサアレイ部３ｃに入力する。センサア
レイ部３ｃからは従来と同様に各チャネル毎のセンシン
グファイバ及びリファレンスファイバを通過した干渉光
パルスが出力信号Ｓ３ｃとして時系列的に送り出され
る。Ｏ／Ｅ変換器４１は、この干渉光パルス（即ち、出
力信号Ｓ３ｃ）を電気信号に変換する。その干渉出力信
号Ｉｓは標本化されており、離散形式で表現するとその
フーリエ変換は
【数１】 と表される。ここで、Φ I は（１）式で表された干渉出
力信号Ｉのフーリエ変換であり、ωs ／２πは標本化周
波数である。Ｏ／Ｅ変換器４１の干渉出力信号Ｉｓの時
系列パルスは従来と異なり、タイミング発生器２の制御
信号Ｓ２によりデマルチプレクサ４２の出力先が切り替
わることによって各チャネル毎のパルスに分離される。
例えば、チャネル１のデータは、補間器４３−１に標本
化周期毎に送られて連続信号に変換される。この場合、
標本化周波数ｆs は、ＦＭ変調周波数ω0 ／２πの高調
波成分で構成される（１）式で表された干渉出力信号Ｉ
の折り返し雑音が妨害を与えないように選ぶ。補間器４
３−１から出力された式（１）で表される干渉出力信号
Ｉは、位相復調器４４−１で信号φ（t)に復調される。
又、次のチャネルの干渉パルスに対しても同様の動作に
より並列処理されて出力される。以上のように、本実施
例では、次のような利点を有している。 （１） 多重化しても光源３ａのＦＭ変調周波数に対す
る制約は特に生じないため、ＦＭ変調を高周波で行う必
要がない。そのため、信号発生器１でＦＭ変調するレー
ザ光を発生する光源３ａに、汎用の半導体レーザが使用
できる。 （２） ＦＭ変調を高周波で行う必要がないので、位相
復調処理の周波数帯域を低周波にできる。そのため、位
相復調器４０に高周波用素子を使用する必要がなく、回
路の低雑音化が容易になる。
力信号Ｉのフーリエ変換であり、ωs ／２πは標本化周
波数である。Ｏ／Ｅ変換器４１の干渉出力信号Ｉｓの時
系列パルスは従来と異なり、タイミング発生器２の制御
信号Ｓ２によりデマルチプレクサ４２の出力先が切り替
わることによって各チャネル毎のパルスに分離される。
例えば、チャネル１のデータは、補間器４３−１に標本
化周期毎に送られて連続信号に変換される。この場合、
標本化周波数ｆs は、ＦＭ変調周波数ω0 ／２πの高調
波成分で構成される（１）式で表された干渉出力信号Ｉ
の折り返し雑音が妨害を与えないように選ぶ。補間器４
３−１から出力された式（１）で表される干渉出力信号
Ｉは、位相復調器４４−１で信号φ（t)に復調される。
又、次のチャネルの干渉パルスに対しても同様の動作に
より並列処理されて出力される。以上のように、本実施
例では、次のような利点を有している。 （１） 多重化しても光源３ａのＦＭ変調周波数に対す
る制約は特に生じないため、ＦＭ変調を高周波で行う必
要がない。そのため、信号発生器１でＦＭ変調するレー
ザ光を発生する光源３ａに、汎用の半導体レーザが使用
できる。 （２） ＦＭ変調を高周波で行う必要がないので、位相
復調処理の周波数帯域を低周波にできる。そのため、位
相復調器４０に高周波用素子を使用する必要がなく、回
路の低雑音化が容易になる。
【００１１】尚、本発明は上記実施例に限定されず、種
々の変形が可能である。その変形例としては、例えば次
のようなものがある。 （１） 光源３ａは、半導体レーザの他、固体レーザ等
でもよい。 （２） 図１中の補間器４３−１〜４３−ｍにはＬＰＦ
が用いられるが、直流電圧が不必要な時は帯域通過形フ
ィルタでもよい。 （３） 図２中のＬＰＦ１４ｂ，１５ｂも、前記補間器
と同様に、直流電圧が不必要な時は帯域通過形フィルタ
でもよい。 （４） 本発明は、多重出力光ファイバセンサ装置に限
定されることはない。
々の変形が可能である。その変形例としては、例えば次
のようなものがある。 （１） 光源３ａは、半導体レーザの他、固体レーザ等
でもよい。 （２） 図１中の補間器４３−１〜４３−ｍにはＬＰＦ
が用いられるが、直流電圧が不必要な時は帯域通過形フ
ィルタでもよい。 （３） 図２中のＬＰＦ１４ｂ，１５ｂも、前記補間器
と同様に、直流電圧が不必要な時は帯域通過形フィルタ
でもよい。 （４） 本発明は、多重出力光ファイバセンサ装置に限
定されることはない。
【００１２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、多重化による光源のＦＭ変調周波数に対する制約
は特に生じないため、ＦＭ変調周波数を低く設定できる
ので、励起電流で変調するＦＭ変調波発生光源として、
汎用の半導体レーザが使用できる。又、ＦＭ変調周波数
を低く設定できるので、位相復調処理の周波数帯域も低
く設定できる。そのため、位相復調器に高周波用素子を
使用する必要がなく、回路の低雑音化が容易になる。従
って、汎用の部品で回路を構成できるので、回路の実現
が容易になり、多重化数の大きい種々の光ファイバセン
サアレイやソーナのような水中音響センサ等に応用でき
る。
れば、多重化による光源のＦＭ変調周波数に対する制約
は特に生じないため、ＦＭ変調周波数を低く設定できる
ので、励起電流で変調するＦＭ変調波発生光源として、
汎用の半導体レーザが使用できる。又、ＦＭ変調周波数
を低く設定できるので、位相復調処理の周波数帯域も低
く設定できる。そのため、位相復調器に高周波用素子を
使用する必要がなく、回路の低雑音化が容易になる。従
って、汎用の部品で回路を構成できるので、回路の実現
が容易になり、多重化数の大きい種々の光ファイバセン
サアレイやソーナのような水中音響センサ等に応用でき
る。
【図１】本発明の実施例を示す多重出力光ファイバセン
サ装置の概略の構成ブロック図である。
サ装置の概略の構成ブロック図である。
【図２】従来の多重出力光ファイバセンサ装置の概略の
構成ブロック図である。
構成ブロック図である。
【図３】図２中のセンサアレイ部の構成を表す図であ
る。
る。
【符号の説明】３ 光干渉計３ ａ 光源３ ｂ 光ゲート３ ｃ センサア
レイ部 ４０ 多重化位
相復調器 ４１ Ｏ／Ｅ変
換器 ４２ デマルチ
プレクサ ４３−１〜４３−ｍ 補間器 ４４−１〜４４−ｍ 位相復調
器
レイ部 ４０ 多重化位
相復調器 ４１ Ｏ／Ｅ変
換器 ４２ デマルチ
プレクサ ４３−１〜４３−ｍ 補間器 ４４−１〜４４−ｍ 位相復調
器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−113363（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−187636（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01H 9/00 H04J 1/00 H04R 1/44 320 H04R 23/00 320
Claims (1)
- 【請求項１】 基準周波数信号に基づき周波数変調され
た光信号を出力する光源と、 前記光信号をパルス化して所定の幅の光パルスを出力す
る光ゲートと、 前記光パルスを入力して音波情報を含む伝搬光と参照光
との干渉による干渉光として出力する複数の光センサを
有し、該各光センサの干渉光をチャネル順序に基づく直
列な時系列パルスとして出力する複数チャネルのセンサ
アレイ部と、 前記時系列パルスを電気信号に変換した後に前記各チャ
ネル毎の信号に分割して位相復調する多重化位相復調器
とを、 備えた多重出力光ファイバセンサ装置において、 前記多重化位相復調器は、 前記時系列パルスを電気信号に変換する光電変換器と、 前記パルス化に同期して前記光電変換器の出力信号を前
記各チャネル毎の時系列信号に変換するデマルチプレク
サと、 前記デマルチプレクサの各出力信号をそれぞれ連続信号
に変換する複数の補間器と、 前記補間器の各出力信号の位相復調を行う複数の位相復
調器とを、 備えたことを特徴とする多重出力光ファイバセンサ装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5285083A JP2948724B2 (ja) | 1993-11-15 | 1993-11-15 | 多重出力光ファイバセンサ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5285083A JP2948724B2 (ja) | 1993-11-15 | 1993-11-15 | 多重出力光ファイバセンサ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07139996A JPH07139996A (ja) | 1995-06-02 |
| JP2948724B2 true JP2948724B2 (ja) | 1999-09-13 |
Family
ID=17686923
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5285083A Expired - Lifetime JP2948724B2 (ja) | 1993-11-15 | 1993-11-15 | 多重出力光ファイバセンサ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2948724B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6198557B1 (en) * | 1997-06-25 | 2001-03-06 | Deutsche Telekom Ag | Telecommunication system having frequency-dividing optical components for the parallel processing of optical pulses |
| KR100377330B1 (ko) * | 2000-10-30 | 2003-03-26 | 국방과학연구소 | 간섭계형 다채널 광섬유 센서의 신호 발생기 및 발생 방법 |
| US7134343B2 (en) | 2003-07-25 | 2006-11-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Opto-acoustoelectric device and methods for analyzing mechanical vibration and sound |
| CN102967358B (zh) * | 2012-12-13 | 2014-12-24 | 重庆大学 | 时分复用的分布式光纤振动传感器 |
| CN105466550B (zh) * | 2015-12-04 | 2018-08-28 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 非均匀欠采样叶端定时振动信号重构方法及其装置 |
| CN105509876B (zh) * | 2015-12-04 | 2018-08-28 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 欠采样叶端定时振动信号重构方法及其装置 |
| CN114459593B (zh) * | 2022-01-25 | 2024-01-30 | 北京信维科技股份有限公司 | 一种提高光纤振动系统探测距离的方法 |
-
1993
- 1993-11-15 JP JP5285083A patent/JP2948724B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07139996A (ja) | 1995-06-02 |
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|---|---|---|---|
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