JP3048809B2 - 光ファイバセンサ装置 - Google Patents

光ファイバセンサ装置

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JP3048809B2
JP3048809B2 JP5285081A JP28508193A JP3048809B2 JP 3048809 B2 JP3048809 B2 JP 3048809B2 JP 5285081 A JP5285081 A JP 5285081A JP 28508193 A JP28508193 A JP 28508193A JP 3048809 B2 JP3048809 B2 JP 3048809B2
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ソーナのよう
な水中音響センサ装置等に用いられ、音波情報を光信号
で検出するために光ファイバを使用した光ファイバセン
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;アイイーイーイー ジャーナル オブ クオンタ
ム エレクトロニクス (IEEE Journal of Quantum Electronics )、QE-18 [1
0] (1982-10)、(米)、Anthony Dandridge,Alan B. T
veten,Thomas G. Glallorenzi著“Homodyne Demodulati
on Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Gene
rated Carrier”P.1647-1653 図2は、従来の光ファイバセンサ装置の一例を示す構成
ブロック図である。この光ファイバセンサ装置は、周波
数変調(以下、FM変調という)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る。図2の
装置は、角周波数ω0 の正弦波状の基準周波数信号を発
生する信号発生器1と、その基準周数信号に基づいて
電流駆動され、変調周波数ω0 /2πのFM変調された
光信号OPを送出する光源2と、その光信号OPが分割
されたセンシング光信号OP1及びリファレンス光信号
OP2の光路長の変動によって外部からの音波情報を干
渉光OP3として出力するセンサ部3と、干渉光OP3
を電気信号である干渉出力Iに変換する光電変換器(以
下、O/E変換器という)4と、その干渉出力Iから高
調波成分を抽出して前記光路長の変動をセンシング光信
号OP1及びリファレンス光信号OP2の位相差の変動
として求める位相復調器10とを、備えている。センサ
部3は、センシング光信号OP1及びリファレンス光信
号OP2をそれぞれ伝送するセンシングファイバ3a及
びリファレンスファイバ3bを有し、センシングファイ
バ3aには音波が印加される構成となっている。入力さ
れた光信号OPは、図示しない分岐カプラを介してセン
シングファイバ3a及びリファレンスファイバ3bに分
岐され、センシング光信号OP1及びリファレンス光信
号OP2が、出力側で図示しない受光用カプラを介して
加算されている。位相復調器10は、角周波数ω0 ,2
ω0 の信号に基づいてO/E変換4からの干渉出力Iの
FM変調周波数を基本波とした第1次高調波成分を抽出
する第1次高調波成分抽出手段11と第2次高調波成分
を抽出する第2次高調波成分抽出手段12を有してい
る。第1次高調波成分抽出手段11は、角周波数ω0
基準周波数信号を信号発生器1から入力し、第2次高調
波成分抽出手段12は、角周波数2ω0 正弦波状の同
信号を同期信号発生器13から入力している。同期信
号発生器13は信号発生器1に接続され、同期信号発生
器13は角周波数2ω0 同期信号を基準周波数信号に
同期して生成する。第1次高調波成分抽出手段11及び
第2次高調波成分抽出手段12の出力側には、それぞれ
微分器14及び15が接続されている。各微分器14及
び15の出力側には、第2次高調波成分抽出手段12及
び第1次高調波成分抽出手段11とたすき掛け接続され
た乗算器16及び17が、それぞれ接続されている。位
相復調器10は、さらに、各乗算器16及び17の乗算
結果を減算する1つの減算器18と、減算器18の出力
を積分する積分器19とを備えている。また、第1次高
調波成分抽出手段11は、干渉出力Iと角周波数ω0
号を乗算する乗算器11aと、高調波成分抽出用の低
域通過フィルタ(以下、LPFという)11bとを有
し、第2次高調波成分抽出手段12は、干渉出力Iと角
周波数2ω0 の信号を乗算する乗算器12aと、高調波
成分抽出用のLPF12bとを有している。
【0003】次に、図2の光ファイバセンサ装置の動作
を説明する。信号発生器1は、角周波数ω0 の正弦波状
の基準周波数信号を発生する。光源2は、この基準周波
数信号に基づいて電流駆動され、光源2は、変調周波数
ω0/2πのFM変調された光信号OPを、センサ部3
に出力する。センサ部3において、光信号OPはセンシ
ング光信号OP1及びリファレンス光信号OP2に分割
され、そのセンシング光信号OP1及びリファレンス光
信号OP2は、センシングファイバ3a及びリファレン
スファイバ3bをそれぞれ通過する。センシングファイ
バ3aに音波が印加されると、センシングファイバ3a
の屈折率及びファイバ長が変化する。一方、リファレン
スファイバ3bは、変化を受けないので、リファレンス
光信号OP2とセンシング光信号OP1との間に位相差
の変動が生じる。位相差の変動が生じたリファレンス光
信号OP2とセンシング光信号OP1が加算されて干渉
光OP3が出力される。干渉光OP3は、O/E変換器
4で干渉出力Iに変換される。干渉出力Iは、次の
(1)式に示すようになる。 I=A+Bcos(Ccosω0 t+φ(t)) =A+BJ0 (C)cosφ(t) +Σ2BJk (C)cos(φ(t)+kπ/2)coskω0 k=1 ・・・(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3aとリファレンスファイバ3b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11aは、干渉出力Iと信号発生器1の角周波数
ω0 の信号とを乗算し、LPF11bを通すことによ
り、次式(2)で表される第1次高調波成分が出力され
る。 BJ1 (C)sinφ(t) ・・・(2) 乗算器12aにおいて、干渉出力Iと、同期信号発生器
13で発生した角周波数2ω0 の信号とを乗算し、LP
F12bを通すことにより、次式(3)で表される第2
次高調波成分が出力される。 BJ2 (C)cosφ(t) ・・・(3) 第1の微分器14及び第2の微分器15で微分し、第1
の乗算器16第2の乗算器17でクロス乗算すると、
次式(4),(5)が出力される。 B2 1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)cos 2 φ(t) ・・・(4) −B2 1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)sin 2 φ(t) ・・・(5) 減算器18で減算することにより、次の(6)が出力
される。 B2 1 (C)J2 (C)(dφ(t)/dt) ・・・(6) 積分器19で積分することにより、次の(7)が出力
され、音波信号φ(t)が復調される。 B2 1 (C)J2 (C)φ(t) ・・・(7)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光ファイバセンサ装置においては、次のような課題があ
った。センサ部3が遠隔にある場合、伝送距離が長くな
る。また、センサ部3が複数チャネルで構成されてアレ
イ化されている場合、各チャネルによって伝送距離が異
なる。一方、干渉光OP3のFM変調周波数の高調波成
分は、それぞれ伝送距離に応じて伝搬遅延を生じる。そ
のため、同期検波による高調波成分の抽出量に劣化が生
じ、結果として、光ファイバセンサの感度劣化及びチャ
ネル間の感度ばらつきが生じていた。本発明は前記従来
技術が持っていた課題として、伝送距離により高調波成
分の抽出量に劣化が生じる点について解決した光ファイ
バセンサ装置を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、前記課題
を解決するために、基準周波数信号に基づきFM変調さ
れた光信号を出力する光源と、前記光信号が分割された
センシング光信号及びリファレンス光信号をそれぞれ伝
送するセンシングファイバ及びリファレンスファイバを
有し、該センシングファイバ及びリファレンスファイバ
の光路長の変動によって生じた該センシング光信号及び
リファレンス光信号間の位相差の変動を干渉光として検
出するセンサ部と、前記干渉光を電気信号に変換するO
/E変換器と、前記基準周波数信号にそれぞれ基づいた
参照信号対を前記電気信号にそれぞれ乗算し、該電気信
号の高調波成分対を抽出して該高調波成分対から前記位
相差の変動を求める位相復調器とを、備えた光ファイバ
センサ装置において、次の手段を講じている。即ち、前
記位相復調器は、伝搬遅延によって生じた前記各高調波
成分の前記基準周波数信号に対する遅延位相をそれぞれ
補正する位相補償部を設けている。第2の発明は、第1
の発明の光ファイバセンサ装置における前記位相復調器
を、前記位相補償部と、前記基準周波数信号にそれぞれ
基づいた参照信号対を前記位相補償部を介して入力し前
記電気信号にそれぞれ乗算する乗算器対と、該各乗算器
の出力から前記参照信号に対応した高調波成分をそれぞ
れ抽出するフィルタとを、備えたものとしている。
【0006】
【作用】第1の発明によれば、以上のように光ファイバ
センサ装置を構成したので、光源は、基準周波数信号に
基づきFM変調された光信号を出力し、光信号が分割さ
れてセンシングファイバ及びリファレンスファイバを通
過する。センサ部は、センシングファイバ及びリファレ
ンスファイバの光路長の変動によって生じた該センシン
グ光信号及びリファレンス光信号間の位相差の変動を干
渉光として出力する。O/E変換器は、干渉光を電気信
号に変換し、位相復調器は、基準周波数信号にそれぞれ
基づいた参照信号対を電気信号にそれぞれ乗算し、電気
信号の高調波成分対を抽出して該高調波成分対から前記
位相差の変動を求める。このとき、位相補償部は、伝搬
遅延によって生じた各高調波成分の基準周波数信号に対
する遅延位相をそれぞれ補正する。第2の発明は、第1
の発明の光ファイバセンサ装置における位相復調器を、
位相補償部と、参照信号対を位相補償部を介して入力し
電気信号にそれぞれ乗算する乗算器対と、乗算器の出力
から搬送波を除去して参照信号に応じた高調波成分をそ
れぞれ抽出するフィルタを備えている。従って、前記課
題を解決できるのである。
【0007】
【実施例】図1は、本発明の実施例の光ファイバセンサ
装置を示す構成ブロック図である。図1の装置は、従来
の図2と同様に、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光ファイバセンサ装置であ
り、図2と共通の要素には共通の符号が付されている。
図1の装置は、図2と同様に、角周波数ω0 正弦波状
の基準周波数信号を発生する信号発生器1と、その角
波数ω0 の信号に基づいて電流駆動され、変調周波数ω
0 /2πのFM変調された光信号OPを送出する光源2
と、その光信号OPが分割されたセンシング光信号OP
1及びリファレンス光信号OP2の光路長の変動によっ
て外部からの音波情報を干渉光OP3として出力するセ
ンサ部3と、干渉光OP3を電気信号の干渉出力Iに変
換するO/E変換器4とを備えている。図1の装置
は、さらに、図2と異なる位相復調器20設けられて
いる。センサ部3は、図2と同様に、センシング光信号
OP1及びリファレンス光信号OP2をそれぞれ伝送す
るセンシングファイバ3a及びリファレンスファイバ3
bを有し、センシングファイバ3aには音波が印加され
る構成となっている。入力された光信号OPは、図示し
ない分岐カプラを介してセンシングファイバ3a及びリ
ファレンスファイバ3bに分岐され、センシング光信号
OP1及びリファレンス光信号OP2が、出力側で図示
しない受光用カプラを介して加算されている。
【0008】位相復調器20は、角周波数ω0 ,2ω0
の信号に基づいてO/E変換4からの干渉出力Iの第
1次高調波成分を抽出する第1次高調波成分抽出手段2
1と、第2次高調波成分を抽出する第2次高調波成分抽
出手段22とを有している。第1次高調波成分抽出手段
21は角周波数ω0 の信号を入力し、第2次高調波成分
抽出手段22は、角周波数2ω0 の信号を入力してい
る。第1次高調波成分抽出手段21及び第2次高調波成
分抽出手段22の出力側には、それぞれ微分器23及び
24が接続されている。各微分器23及び24の出力側
には、第2次高調波成分抽出手段22及び第1次高調波
成分抽出手段21にたすき掛け接続された乗算器25及
び26が、それぞれ接続されている。位相復調器20
は、各乗算器25及び26の乗算結果を減算する1つの
減算器27と、減算器27の出力を積分する積分器28
を備えている。さらに、位相復調器20は、角周波数
2ω0正弦波状の同期信号を発生する同期信号発生器
29と、位相補償部30とを備えている。位相補償部3
0は、同期信号発生器29からの同期信号及び信号発生
器1からの基準周波数信号を入力し、それらの信号の位
相を補正する2個の位相補償器31,32を有してい
る。また、第1次高調波成分抽出手段21は、干渉出力
Iと角周波数ω0 基準周波数信号を乗算する乗算器2
1aと、高調波成分抽出用のLPF21bとを有し、第
2次高調波成分抽出手段22も、干渉出力Iと角周波数
2ω0 同期信号を乗算する乗算器22aと、高調波成
分抽出用のLPF22bとを有している。同期信号発生
器29からの同期信号及び信号発生器1からの基準周波
数信号は、位相補償部30を介して乗算器21a,21
bに同期検波用の参照信号として入力される構成になっ
ている。
【0009】次に、図1の光ファイバセンサ装置の動作
について説明する。信号発生器1は、角周波数ω0 の基
準周波数信号を発生し、この基準周波数信号に基づいて
光源2が電流駆動され、この光源2変調周波数ω0
2πのFM変調された光信号OPをセンサ部3に出力す
る。センサ部3に出力された光信号OPは、センシング
光信号OP1及びリファレンス光信号OP2に分割さ
れ、そのセンシング光信号OP1及びリファレンス光信
号OP2は、センシングファイバ3a及びリファレンス
ファイバ3bをそれぞれ通過する。センシングファイバ
3aに音波が印加されると、センシングファイバ3aの
屈折率及びファイバ長が変化する。一方、リファレンス
ファイバ3bは、変化を受けないので、リファレンス光
信号OP2とセンシング光信号OP1との間に位相差の
変動が生じる。位相差の変動が生じたリファレンス光信
号OP2とセンシング光信号OP1が、加算されて干渉
光OP3が出力される。
【0010】干渉光OP3は、O/E変換器4で電気信
の干渉出力Iに変換される。干渉出力Iは、センシン
グファイバ3a及びリファレンスファイバ3bでの遅延
時間τ1 及びτ2 を考慮すると(8)式となり、各高調
波成分における遅延位相は、ω(τ1 +τ2 )/2とな
る。 I=A+Bcos{Ccosω0 (t−(τ1 +τ2 )/2)+φ(t)} ……(8) 各位相補償器31,32は、各高調波成分毎の遅延位相
ω(τ1 +τ2 )/2を補償する。即ち、位相補償器3
1は、FM変調周波数の第1次高調波成分を抽出するた
めに、角周波数ω0 の参照信号に対してω0 (τ1 +τ
2 )/2の位相補正をして乗算器21aに供給する。ま
た、位相補償器32は、FM変調周波数の第2次高調波
成分を抽出するために、角周波数2ω0 の参照信号に対
して2ω0 (τ1 +τ2 )/2の位相補正をして乗算器
22aに供給する。乗算器21aにおいて、干渉出力I
と、信号発生器1の角周波数ω0 の信号とを乗算し、L
PF21bを通すことにより、搬送波が除去され、次の
(9)が出力される。 BJ1 (C)sinφ(t) ・・・(9) 乗算器22aにおいて、干渉出力Iと、同期信号発生器
29角周波数2ω0 の信号とを乗算し、LPF22b
を通すことにより、次の(10)が出力される。 BJ2 (C)cosφ(t) ・・・(10) 微分器23及び微分器24で微分し、乗算器25及び乗
算器26でクロス乗算すると、次の(11),(12)
が出力される。 B2 J1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)cos 2 φ(t) ・・・(11) − B2 J1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)sin 2 φ(t) ・・・(12) 減算器27で減算することにより、次の(13)が出
力される。 B2 1 (C)J2 (C)(dφ(t)/dt) ・・・(13) 積分器28で積分することにより、次の(14)が出
力され、音波信号φ(t)が復調される。 B2 1 (C)J2 (C)φ(t) ・・・(14) なお、位相補償をしない場合を想定すると、第1次及び
第2次高調波成分の同期検波出力は、cos(ω0 (τ
1 +τ2 )/2)及びcos(2ω0 (τ1 +τ2 )/
2)をそれぞれ振幅の係数として、(14)式の値が低
下する。即ち、本実施例においては、伝搬遅延によって
生じた各高調波成分の参照信号に対する遅延位相を、位
相補償部30が補正している。その結果、高調波成分抽
出時に発生する抽出量の劣化を防ぐことができ、センサ
装置の感度を上昇できる。また、これにより、長距離伝
送を要し、かつ、チャネル毎に伝送距離の異なる多重化
されたセンサアレイを有する光ファイバセンサ装置の構
築が、可能となる。
【0011】なお、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) 抽出する高調波成分は、第1次及び第2次高調
波成分としているが、これに限定されず、例えば、第3
次及び第4次高調波成分を用いてもよい。 (2) 位相補償器31,32は、光ファイバセンサ装
置の初期設定時に、補償係数を設定する方式でもよく、
或いは、位相遅延を検出しその検出結果に応じて補償係
数を設定する方式でもよい。
【0012】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1の発明
によれば、位相復調器に、伝搬遅延によって生じた前記
各高調波成分の基準周波数信号に対する遅延位相をそれ
ぞれ補正する位相補償部を設けているので、同期検波に
よる高調波成分の抽出量に劣化がなく、結果的に光ファ
イバセンサ装置の感度劣化及びチャネル間の感度ばらつ
きを防止できる。そのため、例えば、長距離伝送を必要
とする光ファイバセンサ装置の遠隔測定が可能となる。
また、長距離伝送を要し、かつ、伝送距離がチャネルに
よって異なる多重化センサアレイの構築が可能となる。
第2の発明によれば、位相復調器は、位相補償部と、参
照信号対を前記位相補償部を介して入力し前記電気信号
にそれぞれ乗算する乗算器対と、各高調波成分をそれぞ
れ抽出するフィルタとを備えたものとしているので、第
1の発明の効果を奏する光ファイバセンサ装置を、容易
な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の光ファイバセンサ装置を示す
構成ブロック図である。
【図2】従来の光ファイバセンサ装置の一例を示す構成
ブロック図である。
【符号の説明】
1 信号発生器 2 光源 3 センサ部3a センシングファイバ 3b リファレンスファイ
4 O/E変換器 0 位相復調器21,22 高調波成分抽出手段 21a,22a,25,26 乗算器 1b,22b LPF23,24 微分器 27 減算器 28 積分器 29 同期信号発生器 30 位相補償部31,32 位相補償器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−275916(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01H 9/00 H04R 1/44 320 H04R 23/00 320

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  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、 前記光信号が分割されたセンシング光信号及びリファレ
    ンス光信号をそれぞれ伝送するセンシングファイバ及び
    リファレンスファイバを有し、該センシングファイバ及
    びリファレンスファイバの光路長の変動によって生じた
    該センシング光信号及びリファレンス光信号間の位相差
    の変動を干渉光として検出するセンサ部と、 前記干渉光を電気信号に変換する光電変換器と、 前記基準周波数信号にそれぞれ基づいた参照信号対を前
    記電気信号にそれぞれ乗算し、該電気信号の高調波成分
    対を抽出して該高調波成分対から前記位相差の変動を求
    める位相復調器とを、 備えた光ファイバセンサ装置において、 前記位相復調器は、伝搬遅延によって生じた前記各高調
    波成分の前記基準周波数信号に対する遅延位相をそれぞ
    れ補正する位相補償部を設けたことを特徴とする光ファ
    イバセンサ装置。
  2. 【請求項2】 前記位相復調器は、前記位相補償部と、
    前記基準周波数信号にそれぞれ基づいた参照信号対を前
    記位相補償部を介して入力し前記電気信号にそれぞれ乗
    算する乗算器対と、前記各乗算器の出力から該参照信号
    に対応した高調波成分をそれぞれ抽出するフィルタと
    を、備えたことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ
    センサ装置。
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