JP4103420B2 - 干渉型光ファイバセンサ、信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単一モードファイバを用いた干渉型光ファイバセンサに関するものであり、特にファイバ内部での光の複屈折の変動に起因する位相雑音を除去するための構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平09-16748号公報には、物理量を光の位相差に変換する干渉型光ファイバセンサの中で、特に音圧に基づく荷重を光ファイバの変形を通じて光の位相変化に変換して水中音波を検出するセンサが記載されている。特開平07-253355号公報には、光の位相差に変換した物理量を復調する装置について記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示されたような装置において、単一モードファイバを用いて干渉型光ファイバセンサを構成した場合、荷重を検知する部分以外の光ファイバが何らかの外因により変形すると、変形した箇所で複屈折の大きさに変化が生じ、通過する光の位相が変動する。干渉型光ファイバセンサでは光の位相の変動をもとに荷重を検知しているため、複屈折の大きさの変化による光の位相変動は、荷重検出信号に重畳して雑音となり（以下偏光回転雑音と記す）信号対雑音比を低下させるといった問題がある。
上記の例としてＸ、Ｙ、Ｚの３軸を有する直交座標系（光の伝搬方向はＺ軸方向）においてに光ファイバを通過する２つのパルス光ＥＡ、ＥＢを表すと、次式のようになる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
【数２】
【０００６】
ここで、ｘＡ、ｙＡ、ｘＢ、ｙＢはパルス光ＥＡとパルス光ＥＢのＸ軸成分とＹ軸成分の振幅、φＡとφＢはパルス光ＥＡとパルス光ＥＢの位相、ωは光の角周波数、δＡはＥＡのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差、δＢはＥＢのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差である。
パルス光ＥＡ、ＥＢによる干渉光を光／電気変換した出力Ｏは次式のように表される。
【０００７】
【数３】
【０００８】
【数４】
干渉光の位相は次式のように表される。
【０００９】
【数５】
【００１０】
【数６】
【００１１】
これらの式から複屈折の大きさが変動し、パルス光ＥＡのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差δＡと、パルス光ＥＢのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差δＢが変化すると、干渉光の位相φＮが変動することが分かる。
【００１２】
【課題を解決する手段】
上記課題を解決するために、本発明は、入力パルス光を分光して第１のルートによりリファレンスファイバを経由して伝搬させ、また、第２のルートによりそのまま伝搬させ、この前記第１、第２のルートを伝搬して時間的にずれた各々のパルス光を合波して偏光状態が互いに一致した状態のパルス光を出力するリファレンス部と、荷重を検知するセンシングファイバが設けられ、前記リファレンス部より出力されるパルス光を、第３のルートにより該センシングファイバを伝搬させて外部へと出力し、また、第４のルートにより該センシングファイバを伝搬させずに外部へと出力するように構成されており、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉することのない非干渉パルス光として各々出力すると共に、前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉し合う干渉パルス光として出力するセンシング部と、前記センシング部よりパルス光を入力し、前記干渉パルス光を位相復調するとともに、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分とを各々検出し、これら非干渉パルス光の偏光回転雑音成分を基に前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分を算出し、かかる干渉光の偏光回転雑音成分を、前記位相複調出力から除去して出力する処理部を備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、前記処理部に前記センシング部より出力されるパルス光を偏光状態が変化しないように２方向に分光する分光器と、該分光器により分光された干渉パルス光が入力される第１の光電変換器と、非干渉パルス光が入力される偏光分光器と、前記第１の光電変換器の出力が入力される位相復調器と、前記偏光分光器の出力が入力される第２の光電変換器と、該第２の光電変換器の出力が入力される偏光状態演算器と、前記位相複調器の出力と前記偏光状態演算器の出力が入力される偏光回転雑音除去器とを備えたこと特徴とする干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１４】
さらに、本発明は、前記処理部に前記センシング部より出力される干渉パルス光と非干渉パルス光とが入力される偏光分光器と、該偏光分光器の出力が入力される光電変換器と、前記干渉パルス光より生成された該光電変換器の出力が入力される位相複調器及び前記非干渉パルス光より生成された該光電変換器の出力が入力される偏光状態演算器と、該位相複調器及び偏光状態演算器の出力が入力される偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１５】
さらに、本発明は、入力パルス光を分光して第１のルートによりリファレンスファイバを経由して伝搬させ、また、第２のルートによりそのまま伝搬させ、この前記第１、第２のルートを伝搬して時間的にずれた各々のパルス光を合波して偏光状態が互いに一致した状態のパルス光を出力するリファレンス部と、荷重を検知するセンシングファイバが設けられ、前記リファレンス部より出力されるパルス光を、第３のルートにより該センシングファイバを伝搬させて外部へと出力し、また、第４のルートにより該センシングファイバを伝搬させずに外部へと出力するように構成されており、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉することのない非干渉パルス光として各々出力すると共に、前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉し合う干渉パルス光として出力するセンシング部と、前記センシング部よりパルス光を入力し、前記干渉パルス光を位相復調するとともに、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分とを各々検出し、これら非干渉パルス光の偏光回転雑音成分を基に前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分を算出し、かかる干渉光の偏光回転雑音成分を、前記位相複調出力から除去して出力する処理部とを備える干渉型光ファイバセンサであって、前記センシング部と同様に構成されたセンシング部を前記センシング部に加えて多段構成のセンシング部を形成し、同様にして前記処理部と同様に構成された処理部を前記処理部に加えて多段構成の処理部を形成すると共に、該処理部の前段に波長分離部を設け、複数の波長のパルス光からなる多波長入力パルス光が前記リファレンス部に入力されると、この多波長入力パルス光は前記リファレンス部を伝搬して前記多段構成のセンシング部に入力され、ここで各センシング部において、そのセンシング部に割り当てられた波長のパルス光により前記干渉パルス光と非干渉パルス光が生成され、かつこれらが合波されて多段構成のセンシング部から多波長パルス光が出力され、この多波長パルス光は前記波長分離部に入力されて波長毎に分波され、さらに前記多段構成の処理部に入力され、ここで各処理部において、その処理部に割り当てられた波長のパルス光について前記偏光回転雑音を除去する処理が行われるように構成された干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１６】
さらに、本発明は、干渉型光ファイバセンサの信号処理装置において、前記干渉パルス光を位相復調する位相復調部と、前記非干渉パルス光によって偏光回転雑音を演算する偏光状態演算器と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を基に、前記干渉パルス光の偏光回転雑音を算出し、算出された前記干渉パルス光の偏光回転雑音を前記位相復調部の出力から除去する偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする信号処理装置を提供するものである。
【００１７】
さらに、本発明は、干渉型光ファイバセンサの信号処理装置おける信号処理方法において、前記干渉パルス光を位相復調し出力する工程と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を検出する工程と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を基に、前記干渉パルス光の偏光回転雑音を算出する工程と、算出された前記干渉パルス光の偏光回転雑音を前記位相複調出力から除去し出力する工程とを備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサの信号処理方法を提供するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の干渉型光ファイバセンサについて、添付の図面に示す好適実施例をもとに詳細に説明する。
【００１９】
図１に第１の実施の形態の構成を示す。光ファイバ２１を介してパルス光源１aとリファレンス部３、光ファイバ２２を介してリファレンス部３とサーキュレータ４、光ファイバ２３を介してサーキュレータ４とセンシング部５、光ファイバ２４を介してサーキュレータ４と処理部６を接続する。リファレンス部３では分波器３１の一方には光ファイバ２１を接続し、もう一方にはリファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３を接続する。リファレンスファイバ３２と直通ファイバ３３は合波器３４にも接続しており、リファレンス部３では干渉計が構成される。ここで、パルス光源１aから合波器３４までの光ファイバ２１、リファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３には定偏波ファイバを用いており、リファレンスファイバ３２を伝搬したパルス光ＥＢと、直通ファイバ３３を通過したパルス光ＥＡは偏光状態が一致するように構成している。
【００２０】
センシング部５では部分反射器５１の一方は光ファイバ２３に、もう一方はセンシングファイバ５２に接続する。センシングファイバ５２は反射器５３にも接続しており、センシング部５においても干渉計が構成される。部分反射器５１は光伝送部が入力光の一部を反射して残りは透過する機能を有する素子で、本実施例ではファイバー・ブラッグ・グレーティングを用いる。反射器５３は部分反射器と全反射器のどちらを使用しても構わない。
【００２１】
処理部６では光ファイバ２４から入力されるパルス光を偏光状態を変えない分光方法で２方向に分光し、一方は光電気変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器と略記）６２aに、他方は偏光分光器６３に入力する。偏光状態を変えない分光方法として、本実施例ではハーフミラー６１を用いて入力したパルス光を分光し、ハーフミラー６１とＯ／Ｅ変換器６２ａの間およびハーフミラー６１と偏光分光器６３の間は空中を伝搬させている。 Ｏ／Ｅ変換器６２aの出力は位相複調器６４aに入力する。偏光分光器６３の出力はＯ／Ｅ変換器６２bに入力する。 Ｏ／Ｅ変換器６２bの出力は偏光状態演算器６５に入力する。位相複調器６４aと偏光状態演算器６５の出力は偏光回転雑音除去器６６に入力する。
【００２２】
位相複調器６４aはセンシングファイバ５２に加わった荷重を複調、出力する機能を有する。偏光分光器６３はパルス光の偏波面の角度に応じてパルス光の進路を振り分ける機能を有する。本実施例ではハーフミラー６１から入力したパルス光を、光路A-B-D-E-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＡＡと表す）と光路A-C-D-E-F-G-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＢＢと表す）と 光路A-B-D-E-F-G-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＡＢと表す）と光路A-C-D-E-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＢＡと表す）に分離しＯ／Ｅ変換器６２ｂに出力する。偏光状態演算器６５はパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢのそれぞれの偏光状態を演算し出力する機能を有する。偏光回転雑音除去器６６は位相複調器６４ａからの出力に含まれる偏光回転雑音をパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態から求め、位相複調器６４ａの出力から除算して出力する機能を有する。
【００２３】
次に第１の実施形態の動作について説明する。パルス光源１aから出力したパルス光Ｅ０はリファレンス部３の分光器３１で２つの光路へと分光し、一方の光路では直通ファイバ３３をそのまま遅延なく伝搬し、他方の光路ではリファレンスファイバ３２で遅延され、合波器３３で１光路に結合しパルス光ＥＡとパルス光ＥＢの２つのパルスとなる。ここでパルス光源１aから合波器３３までの光ファイバ２１、リファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３は定偏波ファイバを用いているためパルス光ＥＡとパルス光ＥＢの偏光状態は一致した状態でリファレンス部３から出力する。リファレンス部３から出力した光ＥＡとパルス光ＥＢは光ファイバ２２、サーキュレータ４、光ファイバ２３を伝搬してセンシング部５に入力する。センシング部５に入力したパルス光ＥＡとパルス光ＥＢは部分反射器５１で一部が反射し、部分反射器５１を通過したパルス光はセンシングファイバ５２を伝搬した後に反射器５３で反射することによりパルス光ＥＡＡ、パルス光ＥＡＢ＋パルス光ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢの３つがセンシング部５から出力する。センシング部５が荷重を検知するとセンシングファイバ５２の光路長が変化し、パルス光ＥＡＢとパルス光ＥＢＡの位相に差が生じる。以下、パルス光ＥＡＢ＋パルス光ＥＢＡを干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡと表す。
【００２４】
処理部６に入力したパルス光ＥＡＡ、干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢはハーフミラー６１で２方向に分光し、一方はＯ／Ｅ変換器６２aに入力し、他方は偏光分光器６３に入力する。 Ｏ／Ｅ変換器６２aは入力したパルス光ＥＡＡ、干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢを電気信号に変換後、位相複調器へ出力する。位相複調器６４ａは干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡを位相復調し、センシング部５でセンシングファイバ５２に加えられた荷重の値を表す電気信号を偏光回転雑音除去器６６に出力する。ただし位相複調器６４ａからの出力にはパルス光ＥＡＢまたはパルス光ＥＢＡの複屈折の変動による偏光状態が変化した時に発生する偏光回転雑音が含まれている。
【００２５】
ところでリファレンス部では光路A-B-Dを伝搬したパルス光と光路A-C-Dを伝搬したパルス光の偏光状態が一致するように構成してあり（厳密には多少の誤差が生じているが処理器の許容範囲以内であれば構わない）、それ以外では同じ光路をほぼ同じ時間に伝搬するため、パルス光ＥＡＡとパルス光ＥＡＢは、同じ偏光状態となる（厳密には光路A-B-Dと光路A-C-Dの伝搬時間差分だけずれた時刻に伝わるが、ファイバの複屈折が変化する時間に比べて充分に短いために無視することが出来る）。同様にパルス光ＥＢＡとパルス光ＥＢＢも同じ偏光状態となる。したがってパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態を検出することによりパルス光ＥＡＢとパルス光ＥＢＡ個々の偏光状態が既知の量となりパルス光ＥＡＢとパルス光ＥＢＡの偏光状態の変化で発生する偏光回転雑音も演算で求められる。
【００２６】
偏光分光器６３に入力したパルス光ＥＡＡ、干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢは偏波面の角度に応じて分光され、Ｏ／Ｅ変換器６２bでＯ／Ｅ変換され、偏光状態演算器６５に入力する。偏光状態演算器６５ではパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢそれぞれの偏光状態を表すパラメータを演算し偏光回転雑音除去器６６に出力する。偏光回転雑音除去器６６では入力したパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態を表すパラメータから偏光回転雑音を演算して位相複調器６４ａの出力から除算する。
【００２７】
図２に第２の実施の形態の構成を示す。
パルス光源１aから光ファイバ２４までは第１の実施の形態と同様の構成である。処理部６では光ファイバ２４から入力するパルス光が偏光分光器６３、Ｏ／Ｅ変換器６２ｃの順に入力する。Ｏ／Ｅ変換器６２ｃからの出力は一方が位相複調器６４bに、他方は偏光状態演算器６５へ入力する。位相複調器６４bの出力と偏光状態演算器６５の出力は偏光回転雑音除去器６６へ入力する。ここで偏光分光器６３、Ｏ／Ｅ変換器６２ｃ、偏光状態演算器６５、偏光回転雑音除去器６６は第１の実施の形態と同様の機能を有する。位相複調器６４bには第１の実施の形態と同様の機能に加え、偏光分光器６３から出力される複数の出力から干渉度の高い出力を優先して処理する機能を加えている。
【００２８】
次に第２の実施の形態における動作について説明する。パルス光源１aから光ファイバ２４までは第１の実施の形態と同様の構成であり、処理部６にはパルス光ＥＡＡ、パルス光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢの３つのパルスが入力する。処理部６に入力したパルス光ＥＡＡ 、パルス光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢは偏光分光器６３で各偏波面毎に分光され、 Ｏ／Ｅ変換器６２に出力される。Ｏ／Ｅ変換器６２では電気信号に変換し、位相複調器６４bと偏光状態演算器６５に出力する。位相複調器６４bは偏光分光器６３からの複数の出力から干渉度の高い出力を選び位相複調する。ただし位相複調出力には第１の実施の形態と同様に偏光回転雑音が含まれている。
【００２９】
偏光状態演算器６５は第１の実施の形態と同様にパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢそれぞれの偏光状態を表すパラメータを演算し偏光回転雑音除去器６６に出力する。偏光回転雑音除去器６６では偏光状態演算器６５から入力したパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態を表すパラメータから偏光回転雑音を演算して位相複調器６４ｂの出力から除算する。
【００３０】
図３に第３の実施の形態の構成を示す。光ファイバ２１を介し、波長の異なる複数のレーザ光が重なったパルス光E0‘を出力する多波長パルス光源１bとリファレンス部３、光ファイバ２２を介してリファレンス部３とサーキュレータ４、光ファイバ２３を介してサーキュレータ４とセンシング部５ａを接続する。多波長パルス光源１bから分光器３４までの光ファイバ２１、リファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３は第１の実施の形態と同様に定偏波ファイバを使用する。また、センシング部５ａには光ファイバ２７ａを介してセンシング部５ｂ、センシング部５ｂには光ファイバ２７ｂを介してセンシング部５ｃ、センシング部５ｃには光ファイバ２７ｃを介してというようにセンシング部を複数個接続し、多段構成とする。サーキュレータ４のもう一端には光ファイバ２４を介して波長分離器７を接続する。波長分離器７には光ファイバ２６ａを介して処理部６ａ，光ファイバ２６ｂを介して処理部６ｂ、光ファイバ２６ｃを介して処理部６ｃというように処理部を複数個接続し、多段構成する。リファレンス部３、サーキュレータ４は第１の実施例と同様のものを使用する。センシング部５ａ、５ｂ、５ｃの反射器５４ａ，５５ａ，５４ｂ，５５ｂ，５４ｃ，５５ｃは最終端に位置する反射器を除いて部分反射器とする。また全ての反射器は多波長パルス光源１bが出力する波長において特定の1つの波長を反射するものを用いる。このような反射器として本実施例ではファイバーブラッググレーティングを用いる。また１つのセンシング部内の２つの反射器、例えば５４ａと５５ａ、５４ｂと５５ｂが同じ波長を反射するように反射器を選択する。各センシング部の配列は反射器から返送されるパルス光について同じ波長のパルス光が重ならないように調整する。ただし反射器で複数回反射して出力に影響のないレベルまで下がったパルスの重なりは無視して良い。処理部６は第１の実施の形態または第２の実施の形態に示した機能に加え、時分割で多重された信号を分離する機能を加えたものを使用する。
【００３１】
次に第３の実施の形態における動作について説明する。波長の異なる複数のレーザ光が重なったパルス光Ｅ０’が時分割多重の形で多波長パルス光源１bから出力する。リファレンス部３、サーキュレータ４は第１の実施の形態と同様に作用し、センシング部５ａ，５ｂ、５ｃ…には多波長パルス光ＥＡ’９２、 ＥＢ’９３が時分割多重の形で入力する。センシング部５a、５b、５c…は入力した多波長パルス光ＥＡ’９２、ＥＢ’９３の中の１つの波長のみを反射する。これによりセンシング部５ａ、５ｂ、５ｃ…からは波長多重と時分割多重が併用されたパルス列Ｅ１ＡＡ’、Ｅ１ＡＢ’＋Ｅ１ＢＡ’＋Ｅ２ＡＡ’、 Ｅ１ＢＢ’＋Ｅ２ＡＢ’＋Ｅ２ＢＡ’＋Ｅ３ＡＡ’…が出力され、光ファイバ２３、サーキュレータ４、光ファイバ２４を伝搬して波長分離器７に入力する。波長分離器７では多波長で複数個のパルス光が重なった状態のパルス列Ｅ１ＡＡ’、 Ｅ１ＡＢ’＋Ｅ１ＢＡ’＋Ｅ２ＡＡ’、 Ｅ１ＢＢ’＋Ｅ２ＡＢ’＋Ｅ２ＢＡ’＋Ｅ３ＡＡ’… を各波長毎に分離し、第１の実施の形態と同様のパルス光Ｅ１ＡＡ、Ｅ１ＢＢ、Ｅ１ＡＢ＋Ｅ１ＢＡを時分割多重とした形で処理部６に入力する。処理部６では第１の実施の形態と同様に位相複調６ａ，６ｂ，６ｃの出力から偏光回転雑音を除去し、各センシング部からの信号毎に分離する。
【００３２】
なお、第１〜２の実施の形態においてリファレンス部３をパルス光源１ａとサーキュレータ４の間に配置する例で説明したが、サーキュレータ４と処理部６の間に設置しても良い。
【００３３】
また、第３の実施の形態においてリファレンス部３をパルス光源１ｂとサーキュレータ４の間に配置する例で説明したが、サーキュレータ４と波長分離器７の間に設置しても良い。
【００３４】
また、第１〜３の実施の形態においてリファレンス部３の干渉計にマッハ・ツェンダ干渉計の構造を用いる例で説明したが、マイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計など他の型の干渉計の構造を用いても良い。
【００３５】
また、第１〜３の実施の形態においてセンシング部５の干渉計にファブリ・ペロー干渉計の構造を用いる例で説明したが、マイケルソン干渉計、マッハ・ツェンダ干渉計など他の型の干渉計の構造を用いても良い。
【００３６】
また、第１の実施の形態において処理部６に入力されたパルス光を分光する方法として、ハーフミラー６１で分光し空中を伝搬させる方法を用いたが、光カプラ等の偏光状態が変化してしまう分光器を使用するとともに、あらかじめ分光器の偏光状態の変化量を測定しておきその変化分を偏光状態演算器または偏光回転雑音除去器で補正する演算を行っても構わない。
【００３７】
また、第１〜３の実施の形態において分合波機能を持つものとしてサーキュレータ４を用いる例で説明したが、光カプラなどの必要な機能を持った他の部品を用いても良い。
【００３８】
また、第２の実施の形態では位相複調器６４ｂへの複数の入力の中で干渉度の高い出力を選択して位相複調を行っているが、複調後に干渉度の高い出力を選択する、あるいは複数の複調結果を合成するなどの処理の過程を変えても構わない。
【００３９】
また、第１〜２の実施の形態では処理部６において位相複調器６４ａ、６４ｂと偏光状態演算器６５の出力を偏光回転雑音除去器６６に入力する構成となっているが、偏光回転雑音を取り除いてから位相複調するといった順序を入れ替えた処３方法としても構わない。
【００４０】
また、第１〜２の実施の形態ではセンシング部５を１つとしているが、センシング部を複数個直列または並列または直列と並列の複合にして構成し、時分割多重構造としても構わない。
【００４１】
また、第３の実施の形態において波長多重と時分割多重を併用しているが、波長多重のみを用いても構わない。
【００４２】
また、一つの「手段」や一つの「部」の機能が二以上の物理的「手段」や「部」により実現されても、二以上の「手段」や「部」の機能が一つの物理的「手段」や「部」により実現されてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明のように本発明によれば、干渉光より算出した位相複調出力から、光ファイバの歪み等によって発生する干渉光の位相変化（偏光回転雑音）を取り除くことができ、信号対雑音比の高い干渉型光ファイバセンサを得ることが可能となる。また第２の実施の形態によれば、被干渉光の偏光状態に係わらず位相複調器は常に干渉度の高い入力が得られ偏光フェイディングの影響が小さい状態で動作するとともに、ハーフミラー等の光学部品の数を少なくすることが出来る。また第３の実施の形態によれば、複数個のセンシング部から返送される多波長で時分割多重のパルス光が互いに干渉すること無く偏光状態及び信号の検出をすることができ、多重伝送とした多点計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる干渉型光ファイバセンサの構成説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる干渉型光ファイバセンサの構成説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる干渉型光ファイバセンサの構成説明図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ：パルス光源
２１，２２，２３，２４，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ：光ファイバ
３：リファレンス部
３１：分波器
３２：リファレンスファイバ
３３：直通ファイバ
３４：合波器
４：サーキュレーター
５，５ａ，５ｂ，５ｃ：センシング部
５１：部分反射器
５２：センシングファイバ
５３：反射器
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ：部分反射器
６，６ａ，６ｂ，６ｃ：処理部
６１：ハーフミラー
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ： Ｏ／Ｅ変換器
６３：偏光分光器
６４ａ，６４ｂ：位相復調器
６５：偏光状態演算器
６６：偏光回転雑音除去器
【発明の属する技術分野】
本発明は単一モードファイバを用いた干渉型光ファイバセンサに関するものであり、特にファイバ内部での光の複屈折の変動に起因する位相雑音を除去するための構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平09-16748号公報には、物理量を光の位相差に変換する干渉型光ファイバセンサの中で、特に音圧に基づく荷重を光ファイバの変形を通じて光の位相変化に変換して水中音波を検出するセンサが記載されている。特開平07-253355号公報には、光の位相差に変換した物理量を復調する装置について記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示されたような装置において、単一モードファイバを用いて干渉型光ファイバセンサを構成した場合、荷重を検知する部分以外の光ファイバが何らかの外因により変形すると、変形した箇所で複屈折の大きさに変化が生じ、通過する光の位相が変動する。干渉型光ファイバセンサでは光の位相の変動をもとに荷重を検知しているため、複屈折の大きさの変化による光の位相変動は、荷重検出信号に重畳して雑音となり（以下偏光回転雑音と記す）信号対雑音比を低下させるといった問題がある。
上記の例としてＸ、Ｙ、Ｚの３軸を有する直交座標系（光の伝搬方向はＺ軸方向）においてに光ファイバを通過する２つのパルス光ＥＡ、ＥＢを表すと、次式のようになる。
【０００４】
【数１】
【数２】
ここで、ｘＡ、ｙＡ、ｘＢ、ｙＢはパルス光ＥＡとパルス光ＥＢのＸ軸成分とＹ軸成分の振幅、φＡとφＢはパルス光ＥＡとパルス光ＥＢの位相、ωは光の角周波数、δＡはＥＡのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差、δＢはＥＢのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差である。
パルス光ＥＡ、ＥＢによる干渉光を光／電気変換した出力Ｏは次式のように表される。
【０００７】
【数３】
【数４】
【０００９】
【数５】
【数６】
これらの式から複屈折の大きさが変動し、パルス光ＥＡのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差δＡと、パルス光ＥＢのＸ軸成分とＹ軸成分の位相差δＢが変化すると、干渉光の位相φＮが変動することが分かる。
【００１２】
【課題を解決する手段】
上記課題を解決するために、本発明は、入力パルス光を分光して第１のルートによりリファレンスファイバを経由して伝搬させ、また、第２のルートによりそのまま伝搬させ、この前記第１、第２のルートを伝搬して時間的にずれた各々のパルス光を合波して偏光状態が互いに一致した状態のパルス光を出力するリファレンス部と、荷重を検知するセンシングファイバが設けられ、前記リファレンス部より出力されるパルス光を、第３のルートにより該センシングファイバを伝搬させて外部へと出力し、また、第４のルートにより該センシングファイバを伝搬させずに外部へと出力するように構成されており、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉することのない非干渉パルス光として各々出力すると共に、前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉し合う干渉パルス光として出力するセンシング部と、前記センシング部よりパルス光を入力し、前記干渉パルス光を位相復調するとともに、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分とを各々検出し、これら非干渉パルス光の偏光回転雑音成分を基に前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分を算出し、かかる干渉光の偏光回転雑音成分を、前記位相複調出力から除去して出力する処理部を備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、前記処理部に前記センシング部より出力されるパルス光を偏光状態が変化しないように２方向に分光する分光器と、該分光器により分光された干渉パルス光が入力される第１の光電変換器と、非干渉パルス光が入力される偏光分光器と、前記第１の光電変換器の出力が入力される位相復調器と、前記偏光分光器の出力が入力される第２の光電変換器と、該第２の光電変換器の出力が入力される偏光状態演算器と、前記位相複調器の出力と前記偏光状態演算器の出力が入力される偏光回転雑音除去器とを備えたこと特徴とする干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１４】
さらに、本発明は、前記処理部に前記センシング部より出力される干渉パルス光と非干渉パルス光とが入力される偏光分光器と、該偏光分光器の出力が入力される光電変換器と、前記干渉パルス光より生成された該光電変換器の出力が入力される位相複調器及び前記非干渉パルス光より生成された該光電変換器の出力が入力される偏光状態演算器と、該位相複調器及び偏光状態演算器の出力が入力される偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１５】
さらに、本発明は、入力パルス光を分光して第１のルートによりリファレンスファイバを経由して伝搬させ、また、第２のルートによりそのまま伝搬させ、この前記第１、第２のルートを伝搬して時間的にずれた各々のパルス光を合波して偏光状態が互いに一致した状態のパルス光を出力するリファレンス部と、荷重を検知するセンシングファイバが設けられ、前記リファレンス部より出力されるパルス光を、第３のルートにより該センシングファイバを伝搬させて外部へと出力し、また、第４のルートにより該センシングファイバを伝搬させずに外部へと出力するように構成されており、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉することのない非干渉パルス光として各々出力すると共に、前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉し合う干渉パルス光として出力するセンシング部と、前記センシング部よりパルス光を入力し、前記干渉パルス光を位相復調するとともに、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分とを各々検出し、これら非干渉パルス光の偏光回転雑音成分を基に前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分を算出し、かかる干渉光の偏光回転雑音成分を、前記位相複調出力から除去して出力する処理部とを備える干渉型光ファイバセンサであって、前記センシング部と同様に構成されたセンシング部を前記センシング部に加えて多段構成のセンシング部を形成し、同様にして前記処理部と同様に構成された処理部を前記処理部に加えて多段構成の処理部を形成すると共に、該処理部の前段に波長分離部を設け、複数の波長のパルス光からなる多波長入力パルス光が前記リファレンス部に入力されると、この多波長入力パルス光は前記リファレンス部を伝搬して前記多段構成のセンシング部に入力され、ここで各センシング部において、そのセンシング部に割り当てられた波長のパルス光により前記干渉パルス光と非干渉パルス光が生成され、かつこれらが合波されて多段構成のセンシング部から多波長パルス光が出力され、この多波長パルス光は前記波長分離部に入力されて波長毎に分波され、さらに前記多段構成の処理部に入力され、ここで各処理部において、その処理部に割り当てられた波長のパルス光について前記偏光回転雑音を除去する処理が行われるように構成された干渉型光ファイバセンサを提供するものである。
【００１６】
さらに、本発明は、干渉型光ファイバセンサの信号処理装置において、前記干渉パルス光を位相復調する位相復調部と、前記非干渉パルス光によって偏光回転雑音を演算する偏光状態演算器と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を基に、前記干渉パルス光の偏光回転雑音を算出し、算出された前記干渉パルス光の偏光回転雑音を前記位相復調部の出力から除去する偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする信号処理装置を提供するものである。
【００１７】
さらに、本発明は、干渉型光ファイバセンサの信号処理装置おける信号処理方法において、前記干渉パルス光を位相復調し出力する工程と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を検出する工程と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を基に、前記干渉パルス光の偏光回転雑音を算出する工程と、算出された前記干渉パルス光の偏光回転雑音を前記位相複調出力から除去し出力する工程とを備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサの信号処理方法を提供するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の干渉型光ファイバセンサについて、添付の図面に示す好適実施例をもとに詳細に説明する。
【００１９】
図１に第１の実施の形態の構成を示す。光ファイバ２１を介してパルス光源１aとリファレンス部３、光ファイバ２２を介してリファレンス部３とサーキュレータ４、光ファイバ２３を介してサーキュレータ４とセンシング部５、光ファイバ２４を介してサーキュレータ４と処理部６を接続する。リファレンス部３では分波器３１の一方には光ファイバ２１を接続し、もう一方にはリファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３を接続する。リファレンスファイバ３２と直通ファイバ３３は合波器３４にも接続しており、リファレンス部３では干渉計が構成される。ここで、パルス光源１aから合波器３４までの光ファイバ２１、リファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３には定偏波ファイバを用いており、リファレンスファイバ３２を伝搬したパルス光ＥＢと、直通ファイバ３３を通過したパルス光ＥＡは偏光状態が一致するように構成している。
【００２０】
センシング部５では部分反射器５１の一方は光ファイバ２３に、もう一方はセンシングファイバ５２に接続する。センシングファイバ５２は反射器５３にも接続しており、センシング部５においても干渉計が構成される。部分反射器５１は光伝送部が入力光の一部を反射して残りは透過する機能を有する素子で、本実施例ではファイバー・ブラッグ・グレーティングを用いる。反射器５３は部分反射器と全反射器のどちらを使用しても構わない。
【００２１】
処理部６では光ファイバ２４から入力されるパルス光を偏光状態を変えない分光方法で２方向に分光し、一方は光電気変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器と略記）６２aに、他方は偏光分光器６３に入力する。偏光状態を変えない分光方法として、本実施例ではハーフミラー６１を用いて入力したパルス光を分光し、ハーフミラー６１とＯ／Ｅ変換器６２ａの間およびハーフミラー６１と偏光分光器６３の間は空中を伝搬させている。 Ｏ／Ｅ変換器６２aの出力は位相複調器６４aに入力する。偏光分光器６３の出力はＯ／Ｅ変換器６２bに入力する。 Ｏ／Ｅ変換器６２bの出力は偏光状態演算器６５に入力する。位相複調器６４aと偏光状態演算器６５の出力は偏光回転雑音除去器６６に入力する。
【００２２】
位相複調器６４aはセンシングファイバ５２に加わった荷重を複調、出力する機能を有する。偏光分光器６３はパルス光の偏波面の角度に応じてパルス光の進路を振り分ける機能を有する。本実施例ではハーフミラー６１から入力したパルス光を、光路A-B-D-E-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＡＡと表す）と光路A-C-D-E-F-G-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＢＢと表す）と 光路A-B-D-E-F-G-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＡＢと表す）と光路A-C-D-E-F-E-Hを伝搬したパルス光（以下パルス光ＥＢＡと表す）に分離しＯ／Ｅ変換器６２ｂに出力する。偏光状態演算器６５はパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢのそれぞれの偏光状態を演算し出力する機能を有する。偏光回転雑音除去器６６は位相複調器６４ａからの出力に含まれる偏光回転雑音をパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態から求め、位相複調器６４ａの出力から除算して出力する機能を有する。
【００２３】
次に第１の実施形態の動作について説明する。パルス光源１aから出力したパルス光Ｅ０はリファレンス部３の分光器３１で２つの光路へと分光し、一方の光路では直通ファイバ３３をそのまま遅延なく伝搬し、他方の光路ではリファレンスファイバ３２で遅延され、合波器３３で１光路に結合しパルス光ＥＡとパルス光ＥＢの２つのパルスとなる。ここでパルス光源１aから合波器３３までの光ファイバ２１、リファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３は定偏波ファイバを用いているためパルス光ＥＡとパルス光ＥＢの偏光状態は一致した状態でリファレンス部３から出力する。リファレンス部３から出力した光ＥＡとパルス光ＥＢは光ファイバ２２、サーキュレータ４、光ファイバ２３を伝搬してセンシング部５に入力する。センシング部５に入力したパルス光ＥＡとパルス光ＥＢは部分反射器５１で一部が反射し、部分反射器５１を通過したパルス光はセンシングファイバ５２を伝搬した後に反射器５３で反射することによりパルス光ＥＡＡ、パルス光ＥＡＢ＋パルス光ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢの３つがセンシング部５から出力する。センシング部５が荷重を検知するとセンシングファイバ５２の光路長が変化し、パルス光ＥＡＢとパルス光ＥＢＡの位相に差が生じる。以下、パルス光ＥＡＢ＋パルス光ＥＢＡを干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡと表す。
【００２４】
処理部６に入力したパルス光ＥＡＡ、干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢはハーフミラー６１で２方向に分光し、一方はＯ／Ｅ変換器６２aに入力し、他方は偏光分光器６３に入力する。 Ｏ／Ｅ変換器６２aは入力したパルス光ＥＡＡ、干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢを電気信号に変換後、位相複調器へ出力する。位相複調器６４ａは干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡを位相復調し、センシング部５でセンシングファイバ５２に加えられた荷重の値を表す電気信号を偏光回転雑音除去器６６に出力する。ただし位相複調器６４ａからの出力にはパルス光ＥＡＢまたはパルス光ＥＢＡの複屈折の変動による偏光状態が変化した時に発生する偏光回転雑音が含まれている。
【００２５】
ところでリファレンス部では光路A-B-Dを伝搬したパルス光と光路A-C-Dを伝搬したパルス光の偏光状態が一致するように構成してあり（厳密には多少の誤差が生じているが処理器の許容範囲以内であれば構わない）、それ以外では同じ光路をほぼ同じ時間に伝搬するため、パルス光ＥＡＡとパルス光ＥＡＢは、同じ偏光状態となる（厳密には光路A-B-Dと光路A-C-Dの伝搬時間差分だけずれた時刻に伝わるが、ファイバの複屈折が変化する時間に比べて充分に短いために無視することが出来る）。同様にパルス光ＥＢＡとパルス光ＥＢＢも同じ偏光状態となる。したがってパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態を検出することによりパルス光ＥＡＢとパルス光ＥＢＡ個々の偏光状態が既知の量となりパルス光ＥＡＢとパルス光ＥＢＡの偏光状態の変化で発生する偏光回転雑音も演算で求められる。
【００２６】
偏光分光器６３に入力したパルス光ＥＡＡ、干渉光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢは偏波面の角度に応じて分光され、Ｏ／Ｅ変換器６２bでＯ／Ｅ変換され、偏光状態演算器６５に入力する。偏光状態演算器６５ではパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢそれぞれの偏光状態を表すパラメータを演算し偏光回転雑音除去器６６に出力する。偏光回転雑音除去器６６では入力したパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態を表すパラメータから偏光回転雑音を演算して位相複調器６４ａの出力から除算する。
【００２７】
図２に第２の実施の形態の構成を示す。
パルス光源１aから光ファイバ２４までは第１の実施の形態と同様の構成である。処理部６では光ファイバ２４から入力するパルス光が偏光分光器６３、Ｏ／Ｅ変換器６２ｃの順に入力する。Ｏ／Ｅ変換器６２ｃからの出力は一方が位相複調器６４bに、他方は偏光状態演算器６５へ入力する。位相複調器６４bの出力と偏光状態演算器６５の出力は偏光回転雑音除去器６６へ入力する。ここで偏光分光器６３、Ｏ／Ｅ変換器６２ｃ、偏光状態演算器６５、偏光回転雑音除去器６６は第１の実施の形態と同様の機能を有する。位相複調器６４bには第１の実施の形態と同様の機能に加え、偏光分光器６３から出力される複数の出力から干渉度の高い出力を優先して処理する機能を加えている。
【００２８】
次に第２の実施の形態における動作について説明する。パルス光源１aから光ファイバ２４までは第１の実施の形態と同様の構成であり、処理部６にはパルス光ＥＡＡ、パルス光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢの３つのパルスが入力する。処理部６に入力したパルス光ＥＡＡ 、パルス光ＥＡＢ＋ ＥＢＡ、パルス光ＥＢＢは偏光分光器６３で各偏波面毎に分光され、 Ｏ／Ｅ変換器６２に出力される。Ｏ／Ｅ変換器６２では電気信号に変換し、位相複調器６４bと偏光状態演算器６５に出力する。位相複調器６４bは偏光分光器６３からの複数の出力から干渉度の高い出力を選び位相複調する。ただし位相複調出力には第１の実施の形態と同様に偏光回転雑音が含まれている。
【００２９】
偏光状態演算器６５は第１の実施の形態と同様にパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢそれぞれの偏光状態を表すパラメータを演算し偏光回転雑音除去器６６に出力する。偏光回転雑音除去器６６では偏光状態演算器６５から入力したパルス光ＥＡＡとパルス光ＥＢＢの偏光状態を表すパラメータから偏光回転雑音を演算して位相複調器６４ｂの出力から除算する。
【００３０】
図３に第３の実施の形態の構成を示す。光ファイバ２１を介し、波長の異なる複数のレーザ光が重なったパルス光E0‘を出力する多波長パルス光源１bとリファレンス部３、光ファイバ２２を介してリファレンス部３とサーキュレータ４、光ファイバ２３を介してサーキュレータ４とセンシング部５ａを接続する。多波長パルス光源１bから分光器３４までの光ファイバ２１、リファレンスファイバ３２、直通ファイバ３３は第１の実施の形態と同様に定偏波ファイバを使用する。また、センシング部５ａには光ファイバ２７ａを介してセンシング部５ｂ、センシング部５ｂには光ファイバ２７ｂを介してセンシング部５ｃ、センシング部５ｃには光ファイバ２７ｃを介してというようにセンシング部を複数個接続し、多段構成とする。サーキュレータ４のもう一端には光ファイバ２４を介して波長分離器７を接続する。波長分離器７には光ファイバ２６ａを介して処理部６ａ，光ファイバ２６ｂを介して処理部６ｂ、光ファイバ２６ｃを介して処理部６ｃというように処理部を複数個接続し、多段構成する。リファレンス部３、サーキュレータ４は第１の実施例と同様のものを使用する。センシング部５ａ、５ｂ、５ｃの反射器５４ａ，５５ａ，５４ｂ，５５ｂ，５４ｃ，５５ｃは最終端に位置する反射器を除いて部分反射器とする。また全ての反射器は多波長パルス光源１bが出力する波長において特定の1つの波長を反射するものを用いる。このような反射器として本実施例ではファイバーブラッググレーティングを用いる。また１つのセンシング部内の２つの反射器、例えば５４ａと５５ａ、５４ｂと５５ｂが同じ波長を反射するように反射器を選択する。各センシング部の配列は反射器から返送されるパルス光について同じ波長のパルス光が重ならないように調整する。ただし反射器で複数回反射して出力に影響のないレベルまで下がったパルスの重なりは無視して良い。処理部６は第１の実施の形態または第２の実施の形態に示した機能に加え、時分割で多重された信号を分離する機能を加えたものを使用する。
【００３１】
次に第３の実施の形態における動作について説明する。波長の異なる複数のレーザ光が重なったパルス光Ｅ０’が時分割多重の形で多波長パルス光源１bから出力する。リファレンス部３、サーキュレータ４は第１の実施の形態と同様に作用し、センシング部５ａ，５ｂ、５ｃ…には多波長パルス光ＥＡ’９２、 ＥＢ’９３が時分割多重の形で入力する。センシング部５a、５b、５c…は入力した多波長パルス光ＥＡ’９２、ＥＢ’９３の中の１つの波長のみを反射する。これによりセンシング部５ａ、５ｂ、５ｃ…からは波長多重と時分割多重が併用されたパルス列Ｅ１ＡＡ’、Ｅ１ＡＢ’＋Ｅ１ＢＡ’＋Ｅ２ＡＡ’、 Ｅ１ＢＢ’＋Ｅ２ＡＢ’＋Ｅ２ＢＡ’＋Ｅ３ＡＡ’…が出力され、光ファイバ２３、サーキュレータ４、光ファイバ２４を伝搬して波長分離器７に入力する。波長分離器７では多波長で複数個のパルス光が重なった状態のパルス列Ｅ１ＡＡ’、 Ｅ１ＡＢ’＋Ｅ１ＢＡ’＋Ｅ２ＡＡ’、 Ｅ１ＢＢ’＋Ｅ２ＡＢ’＋Ｅ２ＢＡ’＋Ｅ３ＡＡ’… を各波長毎に分離し、第１の実施の形態と同様のパルス光Ｅ１ＡＡ、Ｅ１ＢＢ、Ｅ１ＡＢ＋Ｅ１ＢＡを時分割多重とした形で処理部６に入力する。処理部６では第１の実施の形態と同様に位相複調６ａ，６ｂ，６ｃの出力から偏光回転雑音を除去し、各センシング部からの信号毎に分離する。
【００３２】
なお、第１〜２の実施の形態においてリファレンス部３をパルス光源１ａとサーキュレータ４の間に配置する例で説明したが、サーキュレータ４と処理部６の間に設置しても良い。
【００３３】
また、第３の実施の形態においてリファレンス部３をパルス光源１ｂとサーキュレータ４の間に配置する例で説明したが、サーキュレータ４と波長分離器７の間に設置しても良い。
【００３４】
また、第１〜３の実施の形態においてリファレンス部３の干渉計にマッハ・ツェンダ干渉計の構造を用いる例で説明したが、マイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計など他の型の干渉計の構造を用いても良い。
【００３５】
また、第１〜３の実施の形態においてセンシング部５の干渉計にファブリ・ペロー干渉計の構造を用いる例で説明したが、マイケルソン干渉計、マッハ・ツェンダ干渉計など他の型の干渉計の構造を用いても良い。
【００３６】
また、第１の実施の形態において処理部６に入力されたパルス光を分光する方法として、ハーフミラー６１で分光し空中を伝搬させる方法を用いたが、光カプラ等の偏光状態が変化してしまう分光器を使用するとともに、あらかじめ分光器の偏光状態の変化量を測定しておきその変化分を偏光状態演算器または偏光回転雑音除去器で補正する演算を行っても構わない。
【００３７】
また、第１〜３の実施の形態において分合波機能を持つものとしてサーキュレータ４を用いる例で説明したが、光カプラなどの必要な機能を持った他の部品を用いても良い。
【００３８】
また、第２の実施の形態では位相複調器６４ｂへの複数の入力の中で干渉度の高い出力を選択して位相複調を行っているが、複調後に干渉度の高い出力を選択する、あるいは複数の複調結果を合成するなどの処理の過程を変えても構わない。
【００３９】
また、第１〜２の実施の形態では処理部６において位相複調器６４ａ、６４ｂと偏光状態演算器６５の出力を偏光回転雑音除去器６６に入力する構成となっているが、偏光回転雑音を取り除いてから位相複調するといった順序を入れ替えた処３方法としても構わない。
【００４０】
また、第１〜２の実施の形態ではセンシング部５を１つとしているが、センシング部を複数個直列または並列または直列と並列の複合にして構成し、時分割多重構造としても構わない。
【００４１】
また、第３の実施の形態において波長多重と時分割多重を併用しているが、波長多重のみを用いても構わない。
【００４２】
また、一つの「手段」や一つの「部」の機能が二以上の物理的「手段」や「部」により実現されても、二以上の「手段」や「部」の機能が一つの物理的「手段」や「部」により実現されてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明のように本発明によれば、干渉光より算出した位相複調出力から、光ファイバの歪み等によって発生する干渉光の位相変化（偏光回転雑音）を取り除くことができ、信号対雑音比の高い干渉型光ファイバセンサを得ることが可能となる。また第２の実施の形態によれば、被干渉光の偏光状態に係わらず位相複調器は常に干渉度の高い入力が得られ偏光フェイディングの影響が小さい状態で動作するとともに、ハーフミラー等の光学部品の数を少なくすることが出来る。また第３の実施の形態によれば、複数個のセンシング部から返送される多波長で時分割多重のパルス光が互いに干渉すること無く偏光状態及び信号の検出をすることができ、多重伝送とした多点計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる干渉型光ファイバセンサの構成説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる干渉型光ファイバセンサの構成説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる干渉型光ファイバセンサの構成説明図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ：パルス光源
２１，２２，２３，２４，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ：光ファイバ
３：リファレンス部
３１：分波器
３２：リファレンスファイバ
３３：直通ファイバ
３４：合波器
４：サーキュレーター
５，５ａ，５ｂ，５ｃ：センシング部
５１：部分反射器
５２：センシングファイバ
５３：反射器
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ：部分反射器
６，６ａ，６ｂ，６ｃ：処理部
６１：ハーフミラー
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ： Ｏ／Ｅ変換器
６３：偏光分光器
６４ａ，６４ｂ：位相復調器
６５：偏光状態演算器
６６：偏光回転雑音除去器
Claims (6)
- 入力パルス光を分光して第１のルートによりリファレンスファイバを経由して伝搬させ、また、第２のルートによりそのまま伝搬させ、この前記第１、第２のルートを伝搬して時間的にずれた各々のパルス光を合波して偏光状態が互いに一致した状態のパルス光を出力するリファレンス部と、荷重を検知するセンシングファイバが設けられ、前記リファレンス部より出力されるパルス光を、第３のルートにより該センシングファイバを伝搬させて外部へと出力し、また、第４のルートにより該センシングファイバを伝搬させずに外部へと出力するように構成されており、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉することのない非干渉パルス光として各々出力すると共に、前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉し合う干渉パルス光として出力するセンシング部と、前記センシング部よりパルス光を入力し、前記干渉パルス光を位相復調するとともに、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分とを各々検出し、これら非干渉パルス光の偏光回転雑音成分を基に前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分を算出し、かかる干渉光の偏光回転雑音成分を、前記位相複調出力から除去して出力する処理部とを備えたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサ。
- 前記処理部は、前記センシング部より出力されるパルス光を偏光状態が変化しないように２方向に分光する分光器と、該分光器により分光された干渉パルス光が入力される第１の光電変換器と、非干渉パルス光が入力される偏光分光器と、前記第１の光電変換器の出力が入力される位相復調器と、前記偏光分光器の出力が入力される第２の光電変換器と、該第２の光電変換器の出力が入力される偏光状態演算器と、前記位相複調器の出力と前記偏光状態演算器の出力が入力される偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の干渉型光ファイバセンサ。
- 前記処理部は、前記センシング部より出力される干渉パルス光と非干渉パルス光とが入力される偏光分光器と、該偏光分光器の出力が入力される光電変換器と、前記干渉パルス光より生成された該光電変換器の出力が入力される位相複調器及び前記非干渉パルス光より生成された該光電変換器の出力が入力される偏光状態演算器と、該位相複調器及び偏光状態演算器の出力が入力される偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の干渉型光ファイバセンサ。
- 入力パルス光を分光して第１のルートによりリファレンスファイバを経由して伝搬させ、また、第２のルートによりそのまま伝搬させ、この前記第１、第２のルートを伝搬して時間的にずれた各々のパルス光を合波して偏光状態が互いに一致した状態のパルス光を出力するリファレンス部と、荷重を検知するセンシングファイバが設けられ、前記リファレンス部より出力されるパルス光を、第３のルートにより該センシングファイバを伝搬させて外部へと出力し、また、第４のルートにより該センシングファイバを伝搬させずに外部へと出力するように構成されており、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉することのない非干渉パルス光として各々出力すると共に、前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光は互いに干渉し合う干渉パルス光として出力するセンシング部と、前記センシング部よりパルス光を入力し、前記干渉パルス光を位相復調するとともに、前記第１、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第２、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分とを各々検出し、これら非干渉パルス光の偏光回転雑音成分を基に前記第２、第３のルートを伝搬するパルス光と前記第１、第４のルートを伝搬するパルス光の偏光回転雑音成分を算出し、かかる干渉光の偏光回転雑音成分を、前記位相複調出力から除去して出力する処理部とを備える干渉型光ファイバセンサであって、前記センシング部と同様に構成されたセンシング部を前記センシング部に加えて多段構成のセンシング部を形成し、同様にして前記処理部と同様に構成された処理部を前記処理部に加えて多段構成の処理部を形成すると共に、該処理部の前段に波長分離部を設け、複数の波長のパルス光からなる多波長入力パルス光が前記リファレンス部に入力されると、この多波長入力パルス光は前記リファレンス部を伝搬して前記多段構成のセンシング部に入力され、ここで各センシング部において、そのセンシング部に割り当てられた波長のパルス光により前記干渉パルス光と非干渉パルス光が生成され、かつこれらが合波されて多段構成のセンシング部から多波長パルス光が出力され、この多波長パルス光は前記波長分離部に入力されて波長毎に分波され、さらに前記多段構成の処理部に入力され、ここで各処理部において、その処理部に割り当てられた波長のパルス光について前記偏光回転雑音を除去する処理が行われるように構成された干渉型光ファイバセンサ。
- パルス光をリファレンス部に伝搬して、そこで同一の偏光状態であって位相がずれた第１のパルス光群を生成し、さらに該第１のパルス光群をセンシング部へと伝搬して、そこで荷重を検出するセンシングファィバを伝搬させたり伝搬させなかったりして干渉パルス光及び非干渉パルス光よりなる第２のパルス光群を生成し、その出力を信号処理装置に送って信号処理する干渉型光ファイバセンサの信号処理装置において、前記干渉パルス光を位相復調する位相復調部と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を検出する偏光状態演算器と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を基に、前記干渉パルス光の偏光回転雑音を算出し、算出された前記干渉パルス光の偏光回転雑音を前記位相復調部の出力から除去する偏光回転雑音除去器とを備えたことを特徴とする信号処理装置。
- パルス光をリファレンス部に伝搬して、そこで同一の偏光状態であって位相がずれた第１のパルス光群を生成し、さらに該第１のパルス光群をセンシング部へと伝搬して、そこで荷重を検出するセンシングファィバを伝搬させたり伝搬させなかったりして干渉パルス光及び非干渉パルス光よりなる第２のパルス光群を生成し、その出力を信号処理装置に送って信号処理する干渉型光ファイバセンサの信号処理装置おける信号処理方法において、前記干渉パルス光を位相復調し出力する工程と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を検出する工程と、前記非干渉パルス光の偏光回転雑音を基に、前記干渉パルス光の偏光回転雑音を算出する工程と、算出された前記干渉パルス光の偏光回転雑音を前記位相複調出力から除去し出力する工程とを備えたことを特徴とする信号処理方法。
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