JP3516594B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

光ファイバセンサ

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JP3516594B2 JP28522498A JP28522498A JP3516594B2 JP 3516594 B2 JP3516594 B2 JP 3516594B2 JP 28522498 A JP28522498 A JP 28522498A JP 28522498 A JP28522498 A JP 28522498A JP 3516594 B2 JP3516594 B2 JP 3516594B2
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  • Optical Transform (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、深度や温度などを
計測するための光ファイバセンサに関するものであり、
特に直流信号を計測する光ファイバセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、深度や温度などを計測するために
は圧電(piezo)型センサが用いられていた。一方、ハ
イドロホン(音響センサ)や地震計(加速度センサ)な
どには光ファイバセンサが用いられている。これらの光
ファイバセンサの変復調方法としては、特開平7−14
0044号に開示されるように、正弦波形に周波数変調
したレーザ光を光ファイバ干渉計へ入力し(以後PGC
ホモダイン方式と呼ぶ)、干渉光からレーザ変調周波数
の1次と2次高調波成分との振幅比を求め、振幅比の逆
正接から位相差を算出するatan法などが使用されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光ファイバセンサは干渉計が測定信号を受けたときの干
渉計の光路差の最大変化量、すなわち光路差振動の振幅
を測定するものであるため相対的な変化量を求めること
はできるが、絶対的な値を求めることはできなかった。
このため、深度や温度などの絶対的な値を求める計測に
も光ファイバセンサを用いたいという要望があるもの
の、実現されていなかった。
【0004】
【課題を解決するための手段】周波数変調されたレーザ
光を出力する光源と、光源から出力されるレーザ光が入
力される光ファイバ干渉計と、光ファイバ干渉計の出力
をO/E変換により電気信号に変えるO/E変換手段
と、O/E変換手段から出力される電気信号から2つ以
上の高調波成分を抽出する高調波成分抽出手段と、高調
波成分抽出手段から出力される高調波成分同士の振幅比
を算出する振幅比算出手段と、振幅比算出手段から出力
される振幅比より光ファイバ干渉計の光路差を算出する
光路差算出手段とを備える。
【0005】
【発明の実施の形態】《具体例1》 <構成>図2に本発明の具体例1の構成図を示す。PG
Cホモダイン方式の周波数変調を加えたレーザ光を出力
する光源11−1と、光源11−1から光信号が入力さ
れるセンサ部12と、センサ部12から光信号が入力さ
れるO/E変換器13と、O/E変換器13から電気信
号が入力されるレーザ変調周波数のm(m:正の整数)
次の高調波成分を抽出する高調波成分抽出手段15と、
高調波成分抽出手段15から出力される高調波成分同士
の振幅比を算出する振幅比算出手段17と、振幅比算出
手段17から出力される振幅比より変調指数Cを算出す
る変調指数算出手段18と、変調指数算出手段18から
出力される変調指数Cより光路差DLを算出する光路差算
出手段19とから構成される。
【0006】<動作>光源11−1からは変調周波数f0
=w0/2p、最大周波数偏移fcに周波数変調したレーザ光が
出力される。光源11−1から出力されるレーザ光を光
路差ΔLであるセンサ部12に入力すると(1)式で表わ
される干渉光Iが出力される。
【0007】I=A+Bcos(Ccosw0t+f) (1) ここで C=2pfcnDL/c (2) ただし、n:光ファイバのコアの実効屈折率、c:真空中
の光速度、f:センサ部12の内部に存在するセンシン
グアームとリファレンスアームとの間の位相差、AとBは
レーザ光の振幅等に依存する定数である。第2項の余弦
部分に第1種ベッセル関数を用いると(1)式は(3)式で
表わすことができる。
【0008】 I=A+BJ0(C)cosf+S{2BJ2m-1(C)sinf・cos(2m-1)w0t+2BJ2m(C)cosf・cos2mw0t} (3) このときセンサ部は、マッハツェンダ型やマイケルソン
型等の2ビーム干渉計で構成されているものとする。
【0009】O/E変換器13では、センサ部12から
出力された干渉光Iを電気信号に変換する。
【0010】高調波成分抽出手段15では、O/E変換
器13から出力された電気信号よりレーザ変調周波数の
1次高調波成分および3次高調波成分を抽出する。高調
波成分抽出手段15はDFTやatan法で用いられる同期検
波によるアナログ処理等の公知の手段で構成される。高
調波成分の抽出により、(4) 式で表わされるm次高調波
成分の振幅Zmが求められる。
【0011】 Z2m-1=BJ2m-1(C)sinf Z2m =BJ2m (C)cosf (4) 振幅比算出手段17では、高調波成分抽出手段15から
出力された1次高調波成分の振幅Z1と3次高調波成分の
振幅Z3との振幅比X1,3を(5)式に基づき算出する。
【0012】Xm,m+2=Jm(C)/Jm+2(C) (5) 振幅比Xは1次と3次だけに限らずsinfを含む奇数次高
調波同士あるいはcosfを含む偶数次高調波同士の振幅比
を算出しても同等の結果が得られる。ただし、より高次
のベッセル関数を使用する場合、感度やダイナミックレ
ンジ等は悪化することになる。
【0013】変調指数算出手段18では、振幅比算出手
段17から出力される振幅比X1,3より変調指数Cを算出
する。変調指数Cの算出は公知の方法により行い、例え
ば(5) 式の逆関数に相当する変換関数あるいは変換テー
ブルにより変調指数Cが算出される。
【0014】光路差算出手段19では、 変調指数算出
手段18から出力される変調指数Cより、(2) 式を用い
て光路差DL = Cc /2pfcnを算出する。
【0015】求められた光路差DLを用いて深度センサに
応用する場合には、P(水圧から生じるセンサ加重圧
力)=s(比例係数)×Y(変位)により、光路差DLは
変位Yの関数であることを利用して既知の比例係数(セ
ンシング機構部分のスティフネス)より加重圧力Pを算
出し、深度を求めることができる。
【0016】<効果>具体例1で示した光ファイバセン
サによれば、温度ドリフト項である位相差φに依存しな
い光路差DLを求めることができるため、温度ドリフトに
影響されない温度や深度などの直流信号を精度良く計測
することができる。
【0017】直流信号の計測を光ファイバセンサで行う
ことができるため、無電源でシステムを構成でき、設置
場所を問わないという光ファイバセンサ特有の効果を持
つことが可能になる。また、多重化にも優れたセンサと
なる。
【0018】《具体例2》 <構成>図3に本発明の具体例2のシステム構成図を示
す。具体例1と同じ構成には同じ符号を付して説明を省
略する。PGC用周波数変調に加えて、さらにD=2pfp-c
nDL/c>p/2である包落線検波用のパイロット信号(変調
周波数fp-0 < DFT周波数分解能、周波数偏移fp-c
で周波数変調されたレーザ光を出力する光源11−2
と、高調波成分抽出手段15から出力された高調波成分
を周期1/2fp-0の間蓄積し、高調波成分の最大値を出力
する包落線検波手段16から構成される。
【0019】<動作>光源11−2から出力されるレー
ザ光の電場ベクトルe(t)は、パイロット信号用の周波数
変調がさらに加わっているため(6)式で表わされる。
【0020】 e(t)=e0cos(2pnt+fc/f0 cos2pf0t+fp-c/fp-0 cos2pfp-0t+y) (6) 光源11−2から出力されるレーザ光を光路差ΔLであ
るセンサ部12に入力した際に得られる干渉光Iは(7)
式で表わされる。
【0021】I=A+Bcos(Ccosw0t+Dcoswp-0t+f) (7) (7)式の第2項の余弦部分に第1種ベッセル関数を用い
ると、干渉光Iは(8)式で表わすことができる。
【0022】 I=A+BJ0(C)cosf+S{2BJ2n-1(C)sin(Dcoswp-0t+f)cos(2n-1)w0t +2BJ2n(C)cos(Dcoswp-0t+f)cos2nw0t} (8) (8)式よりレーザ変調周波数f0のm次高調波成分の振幅Z
mは(9)式で表わされる。
【0023】 Z2n-1=BJ2n-1(C) sin(Dcoswp-0t+f) Z2n =BJ2n(C) cos(Dcoswp-0t+f) (9) 具体例1と同様にO/E変換器13から出力された電気
信号より、高調波成分抽出手段15では、 レーザ変調
周波数の1次高調波成分および2次高調波成分を抽出す
る。
【0024】包落線検波手段16では高調波成分抽出手
段15から出力された1次高調波成分および2次高調波
成分をそれぞれパイロット信号の1周期1/2fp-0の間蓄
積し、それぞれの最大値を出力する。このことにより、
(9)式のsin(Dcoswp-0t+f)およびcos(Dcoswp-0t+f)の項
は1となるので(10)式で表わすことができる。
【0025】(Zn)max =BJn (C) (10) 振幅比算出手段17では1次高調波成分および2次高調
波成分の最大値同士の振幅比Xを算出する。
【0026】したがって、1次高調波成分および2次高
調波成分との振幅比X12は、 (5)式よりX12=J1(C)/J
2(C)となる。
【0027】以下、具体例1と同様に光路差DLを求め
る。
【0028】<効果>具体例2で示した光ファイバセン
サによれば、具体例1と同様に温度ドリフト項である位
相差φに依存しない光路差DLを求めることができるた
め、温度ドリフトに影響されない温度や深度などの直流
信号を精度良く計測することができる。
【0029】さらに、理論上は位相差fの影響を全く受
けないという利点を持つため、特別な処理を行わなくと
も常に安定した感度で測定を行うことができるという効
果を奏する。
【0030】《具体例3》 <構成>図4に本発明の具体例3のシステム構成図を示
す。具体例1または具体例2と同じ構成には同じ符号を
付して説明を省略する。
【0031】<動作>(9) 式の後半の項をさらに第1
種ベッセル関数で展開すると、干渉光Iの高調波成分Iは
(12)式で表わすことができる。
【0032】 I(kf0±lfp-0)=I(k,l)=BJk(C)Jl(D)・sinf (k+l:奇数) ・cosf (k+l:偶数) (12) で与えられる。ただし、k,lはそれぞれ変調周波数f0,f
p-0に対する高調波の次数。そこで、k+lが奇数であると
きの高調波成分同士あるいはk+lが偶数であるときの高
調波成分同士の振幅比をとる。例えば、(k,l)=(1,0)の
変調周波数f0と(k,l)=(2,1)の変調周波数2f0-fp-0の成
分間で振幅比をとれば Z(1,0)/Z(2,1)=J1(C)/J2(C)・J0(D)/J1(D) (13) となる。ここで、D=fp-c/fc×C=aC(0<a<1)という既知
の関係をもつので、この振幅比から適当な変換関数ある
いは変換テーブルを用いて変調指数Cを算出し、(2)式
より直流的な光路差DLに換算する。
【0033】<効果>具体例3で示した光ファイバセン
サによれば、fp-c/fc=a (0<a<1)を選択することにより
各高調波成分の変調指数Cによる応答を調整することが
できる。変調指数Cによる応答を調整することができる
ため、センサ感度および干渉計の光路差設定における自
由度が増すという効果を奏する。
【0034】《具体例4》 <構成>図5に本発明の具体例4のシステム構成図を示
す。具体例1または具体例2または具体例3と同じ構成
には同じ符号を付して説明を省略する。
【0035】それぞれ周波数偏移の異なるレーザ光を出
力する2つの光源11−3および光源11−4と、光源
11−3および光源11−4から出力される光信号を多
重化する合波カプラ41と、合波カプラ41から出力さ
れる光信号が入力されるセンサ部12と、センサ部12
から出力される光信号を分波する分波カプラ42と、分
波カプラ42から出力される光信号をO/E変換するO
/E変換器13と、O/E変換器13から電気信号が入
力されるレーザ変調周波数のm(m:正の整数)次の高
調波成分を抽出する高調波成分抽出手段15と、高調波
成分抽出手段15から出力される高調波成分同士の振幅
比を算出する振幅比算出手段17と、振幅比算出手段1
7から出力される振幅比より変調指数Cを算出する変調
指数算出手段18と、変調指数算出手段18から出力さ
れる変調指数Cより光路差DLを算出する光路差算出手段
19とから構成される。ここで、分波カプラ42から出
力される光信号は2つに分かれるため、O/E変換器1
3から光路差算出手段19を1セットとして、各光信号
に対して1セットずつ備え、光路差DLをそれぞれ算出す
る。
【0036】<動作>2つの光源11−3および光源1
1−4からはそれぞれ周波数偏移の異なるレーザ光が出
力される。光源11−3および光源11−4から出力さ
れた光信号は合波カプラ41により多重化されてセンサ
部12に入力し、分波カプラ42により異なる周波数偏
移の光信号に分波される。分波された光信号はそれぞれ
O/E変換器13に入力され、光路差を算出する。
【0037】式(4)から明らかなように、f=kp/2(kは整
数)のときにsinf成分あるいはcosf成分のどちらかがゼ
ロとなり、測定不能となるフェーディング現象が生じて
しまう。各次の第1種ベッセル関数は図6のような振る
舞いをするので、あらかじめ周波数偏移(∝変調指数
C)を一定倍した光源を多重化しておくと、sinf成分かc
osf成分のどちらかでは必ず復調が可能となる。高調波
成分抽出手段15では、1次から6次の高調波成分を抽
出する。振幅比算出手段17では、高調波成分抽出手段
15から出力された1次から6次の高調波成分の中から
信号量の大きい奇数次の高調波成分同士あるいは偶数次
の高調波成分同士の振幅比を算出する。前述の通り各高
調波成分の振幅はそれぞれベッセル関数で与えられお
り、各次の第1種ベッセル関数は図6に示されるような
振る舞いをする。ベッセル関数Jの値が小さいところで
はS/N比が悪く、十分な精度が得られない。信号量の
大きい範囲、つまりベッセル関数Jの値が十分大きな範
囲は図6に示す通り、1次/3次では変調指数C≒3、2
次/4次では変調指数C≒4、3次/5次では変調指数C
≒5.5付近であり、変調指数Cが1程度の測定範囲とな
る。よって、これらの高調波成分のうちベッセル関数J
の値が大きいものを抽出して変調指数Cを算出する処理
を施すことにより、広範囲にわたって連続的で高精度な
変調指数Cを求めることができ、よって光路差DLを高精
度に測定することができる。
【0038】具体例4では、周波数偏移の異なる2光源
の多重化システムについて説明したが、これを3光源以
上に増やしても同様の効果が得られる。このとき、光源
間のクロストークやドリフト項の差違が十分小さい場合
には、2光源システム以上の効果が期待できる。
【0039】また、波長分割によって多重化を行った
が、時分割などの他の多重化法に置き換えても同様の効
果が得られる。
【0040】また、O/E変換器13から光路差算出手
段19を1セットとして、各光信号に対してそれぞれ1
セットずつ備えることとしたが、分波カプラ42によっ
て分波された一方の光信号を遅延させることで、1セッ
トを共有させる構成とすることもできる。
【0041】<効果>具体例4で示した光ファイバセン
サによれば、光源を多重化することにより、常にsinf成
分かcosf成分のどちらかで復調が可能となるため、フェ
ーディングの発生を避けることができ、測定範囲が向上
するという効果を奏する。また、信号量の大きい奇数次
の高調波成分を用いて振幅比を算出することにより、広
範囲にわたって連続的で高精度な変調指数Cを求めるこ
とができ、よって光路差DLを高精度に測定することがで
きるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体例1のシステム構成を示す図であ
る。
【図2】本発明の具体例2のシステム構成を示す図であ
る。
【図3】本発明の具体例3のシステム構成を示す図であ
る。
【図4】本発明の具体例4のシステム構成を示す図であ
る。
【図5】1次〜6次の第1種ベッセル関数を示す図であ
る。
【符号の説明】
11−1:光源 12:センサ部 13:O/E変換器 15:高調波成分抽出手段 17:振幅比算出手段 18:変調指数算出手段 19:光路差算出手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−229718(JP,A) 特開 平10−78335(JP,A) 特開 平1−260316(JP,A) 特開 昭63−205526(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/26 - 5/38 G01L 1/24 G01K 1/00 - 19/00 H04R 23/00 G01B 11/00 - 11/30 G01D 21/00 G02B 6/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数変調されたレーザ光を出力する光
    源と、 前記光源から出力されるレーザ光が入力される光ファイ
    バ干渉計と、 前記光ファイバ干渉計の出力をO/E変換により電気信
    号に変えるO/E変換手段と、 前記O/E変換手段から出力される電気信号から2つ以
    上の高調波成分を抽出する高調波成分抽出手段と、 前記高調波成分抽出手段から出力される高調波成分同士
    の振幅比を算出する振幅比算出手段と、 前記振幅比算出手段から出力される振幅比より前記光フ
    ァイバ干渉計の光路差を算出する光路差算出手段と、 を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
  2. 【請求項2】 前記光源は、正弦波状に周波数変調され
    たレーザ光を出力し、 前記高調波成分抽出手段は、前記O/E変換手段から出
    力される電気信号から2つ以上の奇数次(または偶数
    次)の高調波成分を抽出することを特徴とする請求項1
    に記載の光ファイバセンサ。
  3. 【請求項3】 前記光源は、2つ以上の異なる周波数で
    周波数変調されたレーザ光を出力し、 前記高調波成分抽出手段から出力される各高調波成分を
    周期1/2fp-0の間蓄積して各高調波成分の最大値を出力
    する最大値検出手段と、を備え 前記振幅比算出手段は、前記最大値検出手段から出力さ
    れる各高調波成分の最大値同士の振幅比を算出すること
    を特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。
  4. 【請求項4】 前記高調波成分抽出手段は、前記O/E
    変換手段から出力される電気信号から2周波の変調周波
    数の組み合わせで形成される2つ以上の高調波成分を抽
    出することを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセ
    ンサ。
  5. 【請求項5】 前記光源は、それぞれ周波数偏移の異な
    るレーザ光を出力する複数の光源であり、 前記複数の光源を多重化する多重化手段と、 前記光ファイバ干渉計の出力を分波する分波手段と、を
    備え前記O/E変換手段は、前記分波手段により分波さ
    れる各出力をそれぞれO/E変換により電気信号に変え
    る複数のO/E変換手段であり、 前記高調波成分抽出手段は、前記複数のO/E変換手段
    から出力される各電気信号からそれぞれ2つ以上の高調
    波成分を抽出する複数の高調波成分抽出手段であり、 前記振幅比算出手段は、前記複数の高調波成分抽出手段
    から出力される各高調波成分同士の振幅比をそれぞれ算
    出する複数の振幅比算出手段であり、 前記光路差算出手段は、前記複数の振幅比算出手段から
    出力される各振幅比より前記光ファイバ干渉計の光路差
    をそれぞれ算出する複数の光路差算出手段であることを
    特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。
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