JP4144256B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような技術の先行文献としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
文献１：電子情報通信学会技術研究報告書、ＯＰＥ９５−２，光ファイバハイドロホンの研究
文献２：特許第３２３７０５１号、高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ
文献３：特許第３１０７９８６号、光ファイバ磁気センサ
上記のように、従来の光ファイバセンサアレイの一例として、文献１の３節及び図４〜７に示されたものがあり、また、光ファイバ音響センサとしては上記文献２、光ファイバ磁気センサとしては上記文献３に示されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献１に示された光ファイバハイドロホンアレイでは、ＴＤＭ（時分割多重）だけで多重伝送系を構成しているが、より多くのセンサで受けた信号を多重伝送するシステムのニーズがある。光通信の分野では光の波長領域で多重化するＷＤＭ（波長多重）方式が開発されているが、センサアレイには電力を使わずにＷＤＭ技術を応用して多重化数を増やすには工夫が必要となる。また、多重化数を増やすと構成品が多くなり、さらに、復調処理の処理量が多くなることからシステムの規模が大きくなり、サイズとコストが大きくなるという問題も発生する。
【０００５】
一方、干渉型光ファイバセンサは、高感度で微弱な信号を検出できるセンサ方式であるが、より小さい信号を検出するニーズもある。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑み、センサアレイに波長選択性のある部分反射器を用いるなどの単純な構造で波長多重伝送系を構成して、伝送容量の向上を図ることができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号により前記センシングファイバに加わる外力を検出する光ファイバセンサであって、センシングファイバと、このセンシングファイバの両端に設けられて、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器とを含む複数のセンサから成り、これらのセンサを複数接続するセンサアレイを複数のグループで構成し、一つのグループ内では前記センシングファイバの両端に、前記センシングファイバと直列に設けられた前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイとした光ファイバセンサであって、パルスの繰り返し周期をＴP 、パルス幅をｗ、同一波長のセンサの間をパルス光が往復する所要時間をＴλとして、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP ±ｄ（ｉ＝１、２、３、・・・）
とすることを特徴とする。
【０００８】
〔２〕光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号により前記センシングファイバに加わる外力を検出する光ファイバセンサであって、センシングファイバと、このセンシングファイバの両端に設けられて、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器とを含む複数のセンサから成り、これらセンサを複数接続するセンサアレイを複数のグループで構成し、一つのグループ内では前後の前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイとした光ファイバセンサであって、パルスの繰り返し周期をＴ P 、パルス幅をｗ、同一波長のセンサの間をパルス光が往復する所要時間をＴ λ として、
Ｔ P ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／Ｎ TDM
Ｔ λ ＝｛ｉ＋（１／２）｝・Ｔ P ±ｄ（ｉ＝１、２、３、・・・）
とすることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサであって、前記センサアレイから出力した出力光を波長によって分光するデマルチプレクサと、このデマルチプレクサによって分光された光を分光ごとに復調する複数の復調器とを備え、各復調器に、変調周波数で同期検波を行う第１の乗算器、変調周波数の２倍の周波数で同期検波を行う第２の乗算器、前記第１並びに第２の乗算器の出力からそれぞれ高周波成分を除く第１並びに第２のローパスフィルタ、この第１並びに第２のローパスフィルタから得られる検出信号の正弦成分と余弦成分とから逆正接を求める逆正接演算器と、求められた逆正接の不連続点をなくすアンラップ処理を行うアンラップ処理器とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の光ファイバセンサであって、前記センサアレイに光信号を供給する光源を複数備え、この複数の光源が交互に光信号を送信することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔４〕記載の光ファイバセンサにおいて、前記光源が多波長パルス光源を複数設け、各々の光源が、この光源の数と等しい数の周波数を有するパルス光を、相異なる周波数のパルス光同士が同じタイミングで伝送されるように繰り返し発生するものであることを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、前記部分反射器としてファイバブラッググレーティングまたはファブリ・ペロー共振器を用いるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、光を波長毎に分離、合成できる手段を介して、前記センサアレイのグループを並列に接続したことを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、波長の異なるパルス光を複数個に分けて伝搬させることを特徴とする。
【００１５】
〔９〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、タイミングと波長が異なるパルス光でパルス列を形成して１つのＯ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする。
【００１６】
〔１０〕上記〔１〕記載の光ファイバセンサにおいて、１つのセンサで検出する信号を複数の波長の光に取込み、前記複数の波長の光から得られた出力を加算することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例を示す光ファイバセンサシステムの構成図、図２はそのセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図であり、図２（ａ）は送信パルス列、図２（ｂ）はセンサアレイの配列、図２（ｃ）は返信パルス列を示している。
【００２０】
この図において、１００は光源変調部であり、この光源変調部１００は多波長パルス光源１０１と、このパルス光源１０１に接続されるＰＧＣ変調器１０２からなり、そのＰＧＣ変調器１０２は、光カプラ１０３、遅延ファイバ１０４、圧電子１０５、発振器１０６、ミラー１０７，１０８からなる。
【００２１】
また、１０９はＰＧＣ変調器１０２の出力側に接続される光サーキュレータであり、この光サーキュレータ１０９の一方にセンサアレイ１１０が接続される。このセンサアレイ１１０は、複数のセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…からなる複数のセンサ１１１，１１２，１１３，…が直列に接続されている。なお、各センシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…の入力側と出力側には部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…を有している。
【００２２】
更に、光サーキュレータ１０９の出力側に受光部１２０が設けられ、この受光部１２０は、光サーキュレータ１０９に接続される分波器１２１と、この分波器１２１に並列に接続されるＯ／Ｅ変換器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）を有している。
【００２３】
さらに、受光部１２０には処理部１３０が接続される。この処理部１３０は上記Ｏ／Ｅ変換部１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）のそれぞれにデマルチプレクサ１，２，３，…（１３１−１，１３１−２，１３１−３，…）が接続される。それらのデマルチプレクサ１，２，３，…（１３１−１，１３１−２，１３１−３，…）には復調器群１１，１２，１３，…；２１，２２，２３，…；３１，３２，３３，…（１３２−１，１３２−２，１３２−３，…；１３２−１１，１３２−１２，１３２−１３，…；１３２−２１，１３２−２２，１３２−２３，…）が接続される。
【００２４】
そこで、多波長パルス光源１０１は複数の波長成分を持つパルス状のレーザ光（以降、パルス光と記す）を繰り返し出力するものを用いる。ＰＧＣ変調器１０２はそのパルス光を光カプラ１０３で分岐して、一方は直接ミラー１０７に、もう一方は遅延ファイバ１０４を介してミラー１０８に入射する。遅延ファイバ１０４には圧電子１０５が取り付けられ、この圧電子１０５は発振器１０６の出力を受けて遅延ファイバ１０４を伸び縮みさせる構造とする。
【００２５】
ＰＧＣ変調器１０２の出力側には、光サーキュレータ１０９と光ファイバケーブルを介してセンサアレイ１１０を接続する。このセンサアレイ１１０は、複数のセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…と２つの部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…からなる複数のセンサ１１１，１１２，１１３，…を接続したもので、それぞれのセンサ１１１，１１２，１１３，…が検出対象によるセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…の歪でセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…を伝搬する光の位相を変化させる機能を有するものである。音圧を検出するセンサの具体例に文献２、磁界を検出するセンサの具体例に文献３に示されたものがある。ただし、文献２と文献３は干渉計アームとなる２本のファイバを用いる構造であるが、本実施例ではその一方だけを用いている。
【００２６】
センサ１１１，１１２，１１３，…の部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…は特定波長の光を特定の反射率で反射し、他の波長の成分は透過するものを用いる。部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…となる素子にはＦＢＧ（ファイバブラックグレーティング）、ファブリ・ペロー共振器などがある。１つのセンサに用いる２つの部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…は同じ波長を反射し、その波長がパルス光に含まれる何れかの波長（λ1 〜λn ）と重なるようにする。
【００２７】
センサアレイ１１０の各センサ１１１，１１２，１１３，…に割り当てる反射波長は、図２（ａ）に示すように、２つの波長（例えばλ1 とλ2 ）のセンサを交互に接続して１つのグループとして、波長が異なるグループを連結して１本のセンサアレイとする。なお、λの添字の番号と実際の波長の順番とは無関係である。
【００２８】
ＰＧＣ変調器１０２の遅延ファイバ１０４での往復伝搬時間τと各センシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…は往復伝搬時間がほぼ等しくなるように長さを決め、多波長パルス光源１０１から出力されるパルスの繰り返し周期ＴP は、
ＴP ≧２τＮTDM
と設定する。ここで、ＮTDM は１つの波長に時分割で多重化するセンサの数である。パルス幅ｗはτと同程度またはτ以下とする。
【００２９】
センサアレイ１１０で反射したパルス列が光サーキュレータ１０９を経由して受光部１２０に到達するように受光部１２０を接続する。受光部１２０は各波長成分を分離する分波器１２１、この分波器１２１から出力される光を電気に変換する複数のＯ／Ｅ変換器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）で構成する。
【００３０】
処理部１３０は、各Ｏ／Ｅ変換器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）から出力される時分割多重されたパルス列を分離するデマルチプレクサ１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）と各センサ１１１，１１２，１１３，…で検出した信号を復調する復調器１１，１２，１３，…；２１，２２，２３，…；３１，３２，３３，…（１３２−１，１３２−２，１３２−３，…；１３２−１１，１３２−１２，１３２−１３，…；１３２−２１，１３２−２２，１３２−２３，…で構成される。復調器の具体例は文献１に示されている。
【００３１】
次に、この第１実施例の動作について説明する。
【００３２】
まず、図２に示した送信パルス列、センサアレイの配列、返信パルス列の図を用いてセンサアレイでパルス列が生成される様子を説明する。
【００３３】
光源部から送信されたパルス♯１１，♯１２の一部がセンサ１１１の２つのＦＢＧで反射され、それぞれパルス♯１１１と♯１１２、♯１２１と♯１２２となる。このうちパルス♯１１２と♯１２１が重なり干渉して受光部１２０に返信される。送信パルス♯２１と♯２２以降も同様に４つに分けられ２つが干渉して干渉パルス光となり、残り２つはタイミングのずれた非干渉パルス光となって受光部１２０に返信される。同一波長の他のセンサからのパルスとはτ以上の時間差があるのでパルス列となり、時分割多重で返信される。他のグループの部分反射器で反射したパルスは波長多重で返信される。
【００３４】
各センサのセンシングファイバでは検出対象が伝搬する光の位相に取り込まれる。これについて、詳しくは文献２、３に示されている。各センサ１１１，１１２，１１３，…の部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…で反射した光が時分割多重と波長多重で受光部１２０に到達し、分波器１２１で各波長ごとに分離され、Ｏ／Ｅ変換器１，２，３，…で電気信号に変換される。干渉するパルス（例えば上記のパルス♯１１２と♯１２１）の一方はセンシングファイバで信号を取込み、もう一方はＰＧＣ変調器１０２でＰＧＣを取り込んでいる。したがって、Ｏ／Ｅ変調器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）以降は文献１と同様に動作する。
【００３５】
次に、本発明の第１実施例の効果について説明する。
【００３６】
センサアレイに波長選択性のある部分反射器を用いるだけの単純な構造で、波長多重伝送系を構成して伝送容量を向上させることができる。
【００３７】
波長λ1 の２つのセンサの間の遅延部分に波長λ2 のセンサを設けることで単なる遅延ファイバを設ける場合と比べて無駄な伝搬損失の発生を避けてその分、多重化数を多くすることができる。
【００３８】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３９】
図３は本発明の第２実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図であり、図３（ａ）は送信パルス列、図３（ｂ）はセンサ配列、図３（ｃ）は返信パルス列を示している。
【００４０】
この第２実施例では、パルス光の配列が第１実施例と異なるが、その他の構成は図１に示した第１の実施例と同様に構成する。
【００４１】
パルスの繰り返し周期ＴP 、パルス幅ｗと往復伝搬時間に換算した同一波長のセンサの間隔Ｔλを、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP ＋ｄ （ｉ＝１, ２, ３, ・・・）
または、
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP −ｄ （ｉ＝１, ２, ３, ・・・）
と設定する。
【００４２】
ここで、ｄは定数、ＮTDM はＴＤＭのチャンネル数である。
【００４３】
センサ間接続ファイバの長さを均一にできない場合、センサ間に往復伝搬時間がＴP ／２の整数倍となるファイバを挿入する。
【００４４】
次に、第２実施例の動作について説明する。
【００４５】
Ｔλ＝ＴP ＋ｄとした場合の送信パルス、センサアレイの配列、返信パルスの様子を図３に示す。
【００４６】
λ1 のセンサ１に到達した送信パルス対♯１１と♯１２で干渉パルス光♯１１２＋♯１２１、非干渉パルス光♯１１１と♯１２２、２番目に到達した送信パルス対♯２１と♯２２で干渉パルス光♯２１２＋♯２２１、非干渉パルス光♯２１１と♯２２２が返送される。センサ２で反射した干渉パルス光と非干渉パルス光は、センサ１で反射した干渉パルス光と非干渉パルス光から後方にｄシフトしたタイミングで返送される。センサ３以降から反射される干渉パルス光と非干渉パルス光も順次後方にｄシフトしたタイミングで返送され、時間領域で分離されたパルス列となる。
【００４７】
Ｔλ＝ＴP −ｄとした場合は、干渉パルス光と非干渉パルスが順次前方にｄシフトしたタイミングで返送される。
【００４８】
次に、第２実施例の効果について説明する。
【００４９】
第１実施例の効果に加え、第１実施例でセンシングファイバを長くしてセンサの感度を高く設定すると、サンプリング周波数（送信パルスの繰り返し周波数１／ＴP ）の限界が低くなり検出信号の帯域の限界が狭くなるか、またはＴＤＭの多重化数の限界が低くなる。しかし、本実施例では、第１実施例よりサンプリング周波数は数を高く設定できるので、検出信号の帯域幅とＴＤＭ多重化数の限界を高くできる。
【００５０】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００５１】
図４は本発明の第３実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図であり、図４（ａ）は送信パルス列、図４（ｂ）はセンサ配列、図４（ｃ）は返信パルス列を示している。
【００５２】
パルス光の配列が第１実施例と異なるが、その他の構成は図１に示した第１実施例と同様に構成する。
【００５３】
パルスの繰り返し周期ＴP 、パルス幅ｗと往復伝搬時間に換算した同一波長のセンサの間隔Ｔλを、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝〔ｉ＋（１／２) 〕・ＴP ±ｄ （ｉ＝１, ２, ３, ・・・）
と設定する。
【００５４】
ここで、ｄは定数、ＮTDM はＴＤＭのチャンネル数である。センサ間接続ファイバの長さを均一にできない場合、センサ間に往復伝搬時間がＴP の整数倍となるファイバを挿入する。
【００５５】
次に、本発明の第３実施例の動作の説明をする。
【００５６】
Ｔλ＝３ＴP ／２−ｄとした場合の送信パルス、センサアレイの配列、返信パルスの様子を図３に示す。
【００５７】
干渉パルス光と非干渉パルス光が交互に並んだパルス列が返信される。したがって干渉パルス光が等間隔となる。この他は第２実施例と同様に動作する。
【００５８】
次に、本発明の第３実施例の効果について説明する。
【００５９】
第２実施例の効果に加え、干渉パルス光が等間隔となるため、一定周期でサンプリングできるようになり、帯域幅を広くして処理部のサンプリング速度の制約で多重化数が制限される場合には、多重化数を２倍まで増やすことができる。処理部のサンプリング速度の制約が問題にならない場合でも、デマルチプレクサの処理量及びコストを第２実施例より抑えることができる。
【００６０】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００６１】
図５は本発明の第４実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００６２】
この図において、２０１は光源変調部、２０２は光源変調部２０１に接続される光サーキュレータ、２１０は光サーキュレータ２０２に接続されるセンサアレイ、２２０は光サーキュレータ２０２の出力側に接続される受光部、２３０は受光部２２０に接続される処理部である。
【００６３】
センサアレイ２１０以外は図１に示した第１実施例と同様に構成する。センサアレイ２１０は、光源変調部２０１から入力されたパルス光の波長を分離し、センサ側から入力されるパルスを結合する合分波器２１１を介して各センサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）が並列に接続された構造とする。ここで、合分波器２１１で分離する波長帯は接続するセンサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）に使用されている部分反射器（図示なし）の反射波長が含まれるようにする。
【００６４】
次に、本発明の第４実施例の動作について説明する。
【００６５】
センサアレイ２１０以外は第１実施例と同様に動作する。センサアレイ２１０に入力したパルス光が合分波器２１１で各センサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）に対応した波長帯ごとに分離され、各センサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）に送られる。各グループのセンサは第１実施例と同様に動作する。各センサで反射したパルスがパルス列となり、合分波器２１１で結合して波長多重され受光部２２０に返信される。
【００６６】
次に、本発明の第４実施例の効果について説明する。
【００６７】
第１実施例の効果に加え、第１実施例で他のグループを通過する間の伝搬損失が無くなり、センサアレイ全体での伝送損失が減少する。したがって、多重化数が伝送損失で制限される場合は多重化数を増やすことができる。
【００６８】
次に、本発明の第５実施例について説明する。
【００６９】
図６は本発明の第５実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００７０】
この図において、３０１は多波長パルス光源、３０２は光サーキュレータ、３１０はセンサアレイ、３２０はＰＧＣ変調器、３３０は受光部、３４０は処理部であり、この処理部３４０はデマルチプレクサ１，２，…（３４１−１，３４１−２，…、参照信号発生器１（３４２）、参照信号発生器２（３４３）を有し、デマルチプレクサ１（３４１−１）には、復調器１１（３４４−１）が接続され、この復調器１１（３４４−１）は乗算器１（３４４−１−１）、乗算器２（３４４−１−２），ＬＰＦ１（３４４−１−３）、ＬＰＦ２（３４４−１−４）、アークタンジェント演算器（３４４−１−５）、アンラップ処理器（３４４−１−６）からなり、さらに、復調器１２（３４４−２），…が接続される。また、デマルチプレクサ２（３４１−２）には、復調器２１（３４４−１１），…が接続される。
【００７１】
第１実施例ではＰＧＣ変調器を多波長パルス光源と光サーキュレータの間に配置したが、本実施例ではＰＧＣ変調器３２０を光サーキュレータ３０２と受光部３３０の間に配置する。復調器１１，１２，…（３４４−１，３４４−２，…）はＰＧＣの周波数とその２倍の周波数で同期検波する乗算器１と２（３４４−１−１，３４４−１−２）及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）１と２（３４４−１−３，３４４−１−４）を入力に接続し、ＬＰＦ１と２（３４４−１−３，３４４−１−４）から出力される検出信号のｓｉｎ成分とｃｏｓ成分のアークタンジェント（ａｒｃｔａｎ）を演算するアークタンジェント演算器（３４４−１−５）、アークタンジェントの演算で結果が±πｒａｄを超えたときに発生する不連続点を連結するアンラップ処理器（３４４−１−６）で構成する。ＰＧＣの周波数で同期検波するための参照信号発生器１（３４２）とＰＧＣの２倍の周波数で同期検波するための参照信号発生器２（３４３）を処理部３４０に一式構成して、複数の復調器で共用する構成とする。その他は第１実施例と同様に構成する。
【００７２】
次に、第５実施例の動作について説明する。
【００７３】
多波長パルス光源３０１から出力されたパルス光が光サーキュレータ３０２を介してセンサアレイ３１０に入力され、各センサの部分反射器で反射してパルス列となり、ＰＧＣ変調器３２０に返信される。ＰＧＣ変調器３２０から出力されるパルス列は、図２に示した第１実施例の返信パルスと同じになる。復調器（１１，１２，…（３４４−１，３４４−２，…）では、乗算器１と２（３４４−１−１，３４４−１−２）、ＬＰＦ１と２（３４４−１−３，３４４−１−４）がＰＧＣの周波数とその２倍の周波数で同期検波で検出信号のｓｉｎとｃｏｓが選ばれる。そこからａｒｃｔａｎの演算とアンラップ処理を行うことで検出信号を復調する。その他は第１実施例と同様に処理する。
【００７４】
次に、本発明の第５実施例の効果について説明する。
【００７５】
多波長パルス光源３０１からＰＧＣ変調器３２０の間の光ファイバの長さを変えても復調器入力のＰＧＣの位相が変わらないため、参照信号の位相を再調整する必要がなくなる。さらに、参照信号の位相が全センサ共通となることから１組の参照信号発生器を全ての復調器で共通に用いることができるようになり、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【００７６】
次に、本発明の第６実施例について説明する。
【００７７】
図７は本発明の第６実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００７８】
４０１−１〜４０１−３，…は複数の多波長パルス光源、４０２は光カプラ、４０３−１，４０３−２，４０３−３，…はＰＧＣ変調器１〜３，…、４０４−１，４０４−２，４０４−３，…は光アンプ１〜３，…、４０５−１，４０５−２，４０５−３，…は光サーキュレータ１〜３，…、４０６−１，４０６−２，４０６−３，…はセンサアレイ１〜３，…、４０７−１，４０７−２，４０７−３，…は受光部１〜３，…、４０８−１，４０８−２，４０８−３，…は処理部１〜３，…である。
【００７９】
図７に本実施例の構成を示す。２つの波長成分を持つパルス光をタイミングをずらして出力できるように多波長パルス光源１，２，３，…（４０１−１，４０１−２，４０１−３，…）と光カプラ４０２を構成する。光カプラ４０２の複数の出力に、第１実施例に示したＰＧＣ変調器、光サーキュレータ、センサアレイ、受光部と処理部を、複数、第１実施例と同様に接続する。さらに、各ＰＧＣ変調器と光サーキュレータの間に光アンプを接続する。
【００８０】
次に、第６実施例の動作について説明する。
【００８１】
波長の異なるパルス光がパルス列となって光カプラ４０２から複数出力される。ＰＧＣ変調器１（４０１−１）で各パルス光が二つに分割され光アンプ１（４０３−１）で増幅された後、光サーキュレータ１（４０５−１）を介してセンサアレイ１（４０６−１）に伝送される。センサアレイ１（４０６−１）、受光部１（４０７−１）、処理部１（４０８−１）は第１実施例と同様に動作する。ＰＧＣ変調器２，３，…（４０３−２，４０３−３，…）その他添字２以降の各部は添字１の同一名称の部分と同様に動作する。
【００８２】
次に、第６実施例の効果について説明する。
【００８３】
高出力の光アンプを用いる場合に、光ファイバの非線型伝送損失で多重化数が制限される場合があるが、本実施例ではパルスを分割しているのでピークパワーが低くなり、非線型伝送損失を軽減して多重化数を増やすことができる。
【００８４】
センサアレイまでのファイバの数を増やしてセンサ数を多くする場合、本実施例では光源とＰＧＣ変調器を共用としてシステム全体のサイズとコストを減らすことができる。
【００８５】
次に、本発明の第７実施例について説明する。
【００８６】
図８は本発明の第７実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００８７】
この図において、５０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、５０２は光源変調部５０１に接続される光サーキュレータ、５１０はセンサアレイ、５２０は受光部であり、この受光部５２０は、分波器５２１と、この分波器５２１に並列に接続されるＯ／Ｅ変換器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）を有している。また、これらのＯ／Ｅ変換器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）は処理部５３０に接続されている。この処理部５３０は、デマルチプレクサ１，２，…（５３１−１，５３１−２，…）と、それらのデマルチプレクサ１，２，…（５３１−１，５３１−２，…）に接続される復調器群１１，１２，１３，；２１，…（５３２−１，５３２−２，５３２−３，…；５３２−１１，５３２−１２，５３２−１３，…）からなる。
【００８８】
そこで、センサアレイ５１０の１つのグループに用いるセンサの部分反射器の反射波長が３つの波長（例えばλ1 ，λ2 ，λ3 ）を順次繰り返して接続された構成とする。光源変調部５０１から出力されるパルスの繰り返し周期ＴP は、
ＴP ≧３τＮTDM
と設定する。ここで、ＮTDM は１つの波長に時分割で多重化するセンサの数、τはＰＧＣ変調器の遅延ファイバでの往復伝搬時間であり、各センサのセシングファイバでの往復伝搬時間でもある。分波器５２１はセンサアレイ５１０の１つのグループに用いた３つの波長が分波器５２１の１つの出力端から出力されるようにする。この他は第１実施例と同様に構成する。
【００８９】
次に、本発明の第７実施例の動作について説明する。
【００９０】
図８のグループ１の返信パルス列の図を用いてパルス列が生成される様子を説明する。第１実施例と同様に光源部から送信されたパルス♯１１，♯１２の一部がセンサ１の２つの部分反射器で反射され、それぞれパルス♯１１１と♯１１２，♯１２１と♯１２２となり、パルス♯１１２と♯１２１が干渉して受光部５２０に返信される。本実施例ではλ2 のセンサ１から反射するパルス♯１１２と♯１２１と同じタイミングで、その前後に配置されたλ2 のセンサ１から反射するパルス♯１２２とλ3 のセンサ１から反射するパルス♯１１１が重なって返信される。他のセンサで反射したパルスも３つの波長が重なり、パルス列となって返信される。分波器５２１は各グループに対応する波長帯ごとに分離してＯ／Ｅ変調器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）に出力する。Ｏ／Ｅ変換器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）からは、各センサからのパルスによる干渉項と定数項、及び前後のセンサの定数項の和で表されるパルスが時分割多重されて出力される。ここで、波長が異なるパルスは干渉しないため単にパルスのパワーに比例した定数項が加算されただけの出力となる。この他は第１実施例と同様に動作する。
【００９１】
次に、本発明の第７実施例の効果について説明する。
【００９２】
第１実施例の効果に加え、Ｏ／Ｅ変換器１，２，…とデマルチプレクサ１，２，…の数分だけとなるので、第１実施例の１／３以下となり、システムのサイズとコストを減らすことができる。
【００９３】
次に、本発明の第８実施例について説明する。
【００９４】
図９は本発明の第８実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００９５】
この図において、６０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、６０２はその光源変調部６０１に接続される光サーキュレータ、６１０はセンサアレイ、６２０は受光部であり、この受光部６２０は、分波器６２１と、この分波器６２１に並列に接続されるＯ／Ｅ変換器１１，１２，１３，１４，２１，…（６２２−１，６２２−２，６２２−３，６２２−４，６２２−１１，…）を有している。また、これらのＯ／Ｅ変換器１１，１２，１３，１４，２１，…（６２２−１，６２２−２，６２２−３，６２２−４，６２２−５，…）は処理部５３０に接続されている。この処理部６３０は、デマルチプレクサ１１，１２，１３，１４，２１，…（６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−１１，…）と、それらのデマルチプレクサ１１，１２，１３，１４，２１，…（６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−１１，…）に接続される復調器群１１１，１１２，１１３，…；１２１，１２２，１２３，…；１３１，１３２，１３３，…；１４１，１４２，１４３，…；２１１，２１２，２１３，…（６３２−１，６３２−２，６３２−３，…；６３２−１１，６３２−１２，６３２−１３，…；６３２−２１，６３２−２２，６３２−２３，…；６３２−３１，６３２−３２，６３２−３３，…；６３２−１１１，６３６−１１２，６３６−１１３，…）、及び加算器１１，１２，…，２１，…（６４１−１，６４１−２，…，６４１−１１，…）からなる。
【００９６】
そこで、各センサの部分反射器には光源変調部６０１から出力される波長の２つ以上を反射するものを用いる。受光部６２０は各波長ごとに分けてＯ／Ｅ変換するように構成する。処理部６３０はデマルチプレクサ１１，１２，１３，１４，２１，…（６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−１１）と復調器１１１，１１２，１１３，…（６３２−１，６３２−２，６３２−３，…）を第１実施例と同様に構成して、同じセンサからの信号を加算してから出力するように復調器の出力に加算器１１，１２，…，２１，…（６４１−１，６４１−２，…，６４１−１１，…）を接続する。
【００９７】
図９では１つのセンサに４波割り当てて４つの復調出力を加算してから出力する例を示した。この他は第１実施例と同様に構成する。
【００９８】
次に、本発明の第８実施例の動作について説明をする。
【００９９】
１つのセンサに複数の波長を割り当てて個々に復調するので、同じセンサで検出した信号が複数得られる。光源から復調器までの間で発生する雑音にはレーザや電子デバイスで発生するものがあり、その多くは雑音同士の相関がないものである。したがって、４つの復調出力を加算する場合、信号が４倍、雑音が√２倍となり、信号対雑音比が２倍となる。
【０１００】
次に、本発明の第８実施例の効果について説明する。
【０１０１】
第１実施例の効果に加え、光源、復調器を含めたセンサシステム自身が発生する雑音が小さくなり、より小さな信号を検出できるようになる。
【０１０２】
次に、本発明の第９実施例について説明する。
【０１０３】
図１０は本発明の第９実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【０１０４】
この図において、７０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、７０２は光サーキュレータ、７１０はセンサアレイ、７２０は受光部、７３０は処理部であり、この処理部７３０は復調器１１，１２，…，２１，…（７３１−１，７３１−２，…，７３１−１１，…）からなる。また、復調器１１（７３１−１）は、参照信号発生器１１（７３１−Ａ）、参照信号発生器１２（７３１−Ｂ）、乗算器１１（７３１−１−１），乗算器１２（７３１−１−２），ＬＰＦ１１（７３１−１−３）、ＬＰＦ１２（７３１−１−４）、アークタンジェント演算器１（７３１−１−５）、アンラップ処理器１（７３１−１−６）からなり、さらに、復調器１２（７３１−２），…，復調器２１（７３１−１１）が接続される。
【０１０５】
このように、光源変調部７０１、光サーキュレータ７０２、センサアレイ７１０、受光部７２０を第１実施例と同様に構成する。処理部７３０は受光部７２０の複数の出力各々に複数の復調器１１，１２，…，２１，…（７３１−１，７３１−２，…，７３１−１１，…）を接続する。復調器１１（７３１−１）は２つの参照信号発生器１１，１２（７３１−Ａ，７３１−Ｂ）、参照信号と受光部７２０の出力を乗算して高周波を遮断する２つの乗算器（７３１−１−１，７３１−１−２）とＬＰＦ（７３１−１−３，７３１−１−４）、２つのＬＰＦ（７３１−１−３，７３１−１−４）から出力される信号のｓｉｎとｃｏｓから信号を算出するアークタンジェント演算器１（７３１−１−５）とアンラップ処理器１（７３１−１−６）を接続した構成とする。
【０１０６】
参照信号発生器１１（７３１−Ａ）からはＰＧＣと同じ周波数または奇数倍の余弦波に時間幅ｗR 、繰り返し周期ＴP の方形窓を掛けた波形ｒ1 〔図１１（ａ）参照〕、参照信号発生器１２からはＰＧＣの２倍または０を含む偶数倍の周波数の余弦波に時間幅ｗR 、繰り返し周期ＴP の方形窓を掛けた波形ｒ2 〔図１１（ｂ）参照〕を出力する。
【０１０７】
余弦波の位相はＰＧＣの同じ周波数成分の位相に合わせる。受光部７２０からはＴＤＭのパルス列が入力されるが、方形窓のタイミングは復調するセンサからのパルスのタイミングに合わせる。ｒ1 の方形窓の時間幅ｗR1とｒ2 の方形窓の時間幅ｗR2は、
ｗR1＝ｉodd ／ｆPGC
ｗR2＝ｉeven／ｆPGC
とする。ここで、ｉodd は奇数の整数、ｉevenは偶数の整数、ｆPGC はＰＧＣの周波数である。繰り返し周期ＴP は、
ＴP ＝ｉ1 ｗR1＝ｉ2 ｗR2
ここで、ｉ1 とｉ2 は整数である。図１１に示した例では、ｉodd ＝１、ｉeven＝２、ｉ1 ＝ｉ2 ＝１とした。ＬＰＦ１１と１２の遮断周波数ｆLPF はサンプリング周波数の１／２以下とする。
【０１０８】
次に、本発明の第９実施例の動作について説明する。
【０１０９】
第１実施例とは異なる処理部の動作について説明する。参照信号発生器１１、１２（７３１−Ａ，７３１−Ｂ）の出力スペクトラムＲ1 、Ｒ2 を図１１（ｃ）、図１１（ｄ）に示す。数式では、
【０１１０】
【数１】
【０１１１】
と表される。ここで、ａは余弦波の振幅などで決まる係数である。
【０１１２】
サンプリング周波数１／ＴP の整数倍にデルタ関数で表される出力があり、そのレベルが２つのｓｉｎｃ関数の和で表される。ただし、ＴP をｗR1及びｗR2の整数倍としているので、参照信号発生器１１（７３１−Ａ）の出力ではｆPGC を除くｆPGC の整数倍の周波数、参照信号発生器１２（７３１−Ｂ）の出力では２ｆPGC を除くｆPGC の整数倍の周波数でレベルがゼロとなる。
【０１１３】
受光器７２０の出力はＴＤＭのパルス列であるが、参照信号の窓関数を掛けた結果は文献１の（１）式に示された連続光でのＯ／Ｅ変換器出力に窓関数を掛けた結果と同じであることから、連続光でのＯ／Ｅ変換器出力に窓関数を掛ける単純化したモデルで説明する。連続光でのＯ／Ｅ変換器出力スペクトラムを図１１（ｅ）に示す。文献１にも示されたように、ＰＧＣ周波数の奇数倍の周波数には信号のｓｉｎ、ゼロを含む偶数倍の周波数には信号のｃｏｓが現れる。このＯ／Ｅ変換器出力にｒ1 を掛けるとｆPGC 近傍の信号のｓｉｎの成分が基本周波数にシフトする。乗算器出力サンプリング周波数の近傍にも信号のｓｉｎに比例した成分が現れるが、ＬＰＦ１１（７３１−１−３）に通すと信号の基本周波数のｓｉｎ成分だけが得られる〔図１１（ｆ）〕。同様に、ｒ2 を掛けると２ｆPGC 近傍の信号のｃｏｓの成分が基本周波数にシフトして、ＬＰＦ１２（７３１−１−４）の出力では信号のｃｏｓが得られ〔図１１（ｇ）〕、これらのａｒｃｔａｎを演算してアンラップ処理をすることにより信号に比例した出力が得られる。
【０１１４】
次に、本発明の第９実施例の効果について説明する。
【０１１５】
文献１に示された構造では、信号とその高調波の含まれる帯域より２倍以上高い周波数にＰＧＣ周波数を設定して、ＰＧＣの高次の項も考慮してより高い周波数にサンプリング周波数を設定するのでサンプリング周波数と信号周波数の比が大きく、検出できる信号の帯域幅またはＴＤＭ多重化数を制限する要因となっていた。しかし、この実施例の方式では、信号とその高調波の含まれる帯域の２倍以上の周波数にサンプリング周波数を設定する通常のサンプリング定理でサンプリング周波数を設定できるため、信号帯域の幅またはＴＤＭ多重化数に対する制限を緩和することができる。また、処理器内で必要となるＬＰＦの処理量が軽減される。
【０１１６】
簡単にまとめると、ＰＧＣの高次の項をｓｉｎｃ関数のゼロ点と重ねて抑制することにより不要な成分を減らし、その分伝送量を多くできる。また、処理器内でのＬＰＦの処理量も抑制された分だけ減らすことができるのでシステムのサイズとコストを軽減できる効果がある。
【０１１７】
次に、本発明の第１０実施例について説明する。
【０１１８】
図１２は本発明の第１０実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【０１１９】
この図において、８０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、８０２は光サーキュレータ、８１０はセンサアレイ、８２０は受光部、８３０は処理部であり、この処理部８３０は参照信号発生器１（８３１）、参照信号発生器２（８３２）、乗算器１１（８３３−１）、乗算器１２（８３３−２），…，乗算器２１（８３３−１１）、乗算器２２（８３３−１２），…，
デマルチプレクサ１１（８３４−１），デマルチプレクサ１２（８３４−２），…、デマルチプレクサ２１（８３４−１１），デマルチプレクサ２２（８３４−１２），…、アークタンジェント演算器１１（８３５−１）、アークタンジェント演算器１２（８３５−２），…、アークタンジェント演算器１３（８３５−３）、アークタンジェント演算器２１（８３５−１１）、アークタンジェント演算器２２（８３５−１２），…、アンラップ処理器１１（８３６−１）、アンラップ処理器１２（８３６−２），…、アークタンジェント演算器１３（８３５−３）、アンラップ処理器２１（８３６−１１）、アンラップ処理器２２（８３６−１２），…からなる。
【０１２０】
このように、光源変調部８０１、光サーキュレータ８０２、センサアレイ８１０、受光部８２０を第１実施例と同様に構成する。ただし、各センサからの干渉パルス光のＰＧＣの位相が全センサで同じになるようにセンサアレイ各部の光ファイバの長さを決める。
【０１２１】
処理部８３０は受光部８２０の各出力に参照信号発生器１（８３１）と参照信号発生器２（８３２）の出力をそれぞれ乗算する乗算器１１，１２，…，２１，２２，…（８３３−１，８３３−２，…，８３３−１１，８３３−１２，…）、各乗算器の出力を各センサごとに分離するデマルチプレクサ１１，１２，…，２１，２２，…（８３４−１，８３４−２，…，８３４−１１，８３４−１２，…，…）を接続し、同一センサから出力され参照信号発生器１（８３１）の出力を乗算されたデマルチプレクサ（８３４−１，８３４−１１）の出力と参照信号発生器２（８３２）の出力を乗算されたデマルチプレクサ（８３４−２，８３４−１２）の出力から信号を復調するアークタンジェント演算器１１，１２，１３，…，２１，２２，…（８３５−１，８３５−２，８３５−３，…，８３５−１１，８３５−１２，…）とアンラップ処理器１１，１２，…，２１，２２，…（８３６−１，８３６−２，８３６−３，…，８３６−１１，８３６−１２，…）を各デマルチプレクサ出力に接続した構成とする。ただし、本実施例のデマルチプレクサにはパルス列を分離した後にＬＰＦを通過させる機能を持ったものを用いる（ない場合は追加する）。
【０１２２】
次に、本発明の第１０実施例の動作について説明する。
【０１２３】
動作は第９実施例とほぼ同じであり、相違点は余弦波の乗算を分けて行っていることである。デマルチプレクサの出力スペクトラムは図１１（ｆ）または図１１（ｇ）と同じになる。
【０１２４】
次に、本発明の第１０実施例の効果について説明する。
【０１２５】
第９実施例の効果に加え、参照信号発生器の数を第９実施例より少なくすることができるので、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【０１２６】
本発明は、更に、以下のような利用形態を有する。
【０１２７】
第２実施例以降の実施例では、第１実施例を基準に改良した例を示したが、例えば第３実施例のパルス配列と第４実施例のセンサアレイで多重伝送して、ＰＧＣ変調器を第５実施例に示された位置に設けて、第１０実施例に示した処理部で処理するなど、それぞれの実施例に示された構成の一部を組み合わせて用いることもできる。
【０１２８】
センサアレイを第１実施例に示した各グループを直列接続する構成と第４実施例に示した並列接続する構成を組み合わせた構造としてもよい。
【０１２９】
第５、９、１０の実施例では、アークタンジェント演算器とアンラップ演算器を用いる例を示したが、これらの代わりに文献１に示された微分クロス乗算と積分による方法を用いてもよい。
【０１３０】
全ての実施例で、ＰＧＣホモダイン方式で復調する例を示したが光ヘテロダインなど他の復調方式を用いることもできる。
【０１３１】
全ての実施例で波長多重と時分割多重を併用する例を示したが、どちらか一方だけで多重化する構成としてもよい。また、多重化しない構成でも処理量の軽減などの他の効果は得られる。
【０１３２】
全ての実施例のＰＧＣ変調器でマッハ・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よい。
【０１３３】
多波長パルス光源は光源単体で多波長を出力するものだけではなく、１波長の光源の出力を光カプラなどで結合したものを用いてもよい。
【０１３４】
第２、第３実施例で示したτ／ＮTDM に対するｗとｄの条件及びｄに対するｗの条件は、返信パルスの重なりが小さく、デマルチプレクサで分離できる程度であれば必ずしも満たされなくても良い。
【０１３５】
全ての実施例で光サーキュレータを用いる例で説明したが、光カプラなどの必要な機能をもった他の部品を用いてもよい。
【０１３６】
第７実施例では１つのグループに３つ、それ以外の実施例では２つの波長帯を用いる例で説明したが、それ以上の数の波長帯を用いてもよい。
【０１３７】
第６実施例以外でも光アンプを用いてパルス光を増幅することにより多重化数を増やしたり検出限界を改善することができる。また、光アンプの位置は第６実施例に示した位置以外にもＯ／Ｅ変換器の前段など光の伝搬経路中のどこかであれば良く、複数の光アンプを用いてもよい。
【０１３８】
第９実施例の復調器は多重伝送しない光ファイバセンサにも用いることができる。
【０１３９】
第９、１０実施例の処理部はＷＤＭを用いないＴＤＭだけで多重化する構成にも適用できる。
【０１４０】
第９、１０実施例の復調器では参照信号に方形窓を用いる例で説明したが、他の窓関数を用い、ＰＧＣの不要な成分を減衰させるようにしてもよい。
【０１４１】
第１０実施例の処理部ではＰＧＣの位相を全センサで統一して、１対の参照信号発生器を用いる例で説明したが、例えば、ＰＧＣの位相を４つにまとめて４対の参照信号発生器を用いるなど、ＰＧＣの位相を複数にまとめても良い。
【０１４２】
第１０実施例の処理部では受光部出力に参照信号を乗算した後でデマルチプレックスする例を示したが、デマルチプレックスしてから参照信号を乗算しても良い。
【０１４３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、センサアレイに波長選択性のある部分反射器を用いるだけの単純な構造で、波長多重伝送系を構成して伝送容量を向上させることができる。
【０１４５】
より具体的には、
（１）波長λ1 の２つのセンサの間の遅延部分に波長λ2 のセンサを設けることで単なる遅延ファイバを設ける場合と比べて無駄な伝搬損失の発生を避けてその分、多重化数を多くすることができる。
【０１４６】
（２）上記（１）に加え、サンプリング周波数の波数を高く設定できるので、検出信号の帯域幅とＴＤＭ多重化数の限界を高くすることができる。
【０１４７】
（３）上記（２）に加え、干渉パルス光が等間隔となるため、一定周期でサンプリングできるようになり、帯域幅を広くして処理部のサンプリング速度の制約で多重化数が制限される場合には、多重化数を２倍まで増やすことができる。処理部のサンプリング速度の制約が問題にならない場合でも、デマルチプレクサの処理量及びコストをより抑えることができる。
【０１４８】
（４）上記（１）の効果に加え、上記（１）における他のグループを通過する間の伝搬損失が無くなり、センサアレイ全体での伝送損失が減少する。したがって、多重化数が伝送損失で制限される場合は多重化数を増やすことができる。
【０１４９】
（５）多波長パルス光源からＰＧＣ変調器の間の光ファイバの長さを変えても復調器入力のＰＧＣの位相が変わらないため、参照信号の位相を再調整する必要がなくなる。さらに、参照信号の位相が全センサ共通となることから１組の参照信号発生器を全ての復調器で共通に用いることができるようになり、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【０１５０】
（６）高出力の光アンプを用いる場合に光ファイバの非線型伝送損失で多重化数が制限される場合があるが、ここでは、パルスを分割しているのでピークパワーが低くなり、非線型伝送損失を軽減して多重化数を増やすことができる。
【０１５１】
センサアレイまでのファイバの数を増やしてセンサ数を多くする場合、光源とＰＧＣ変調器を共用としてシステム全体のサイズとコストを減らすことができる。
【０１５２】
（７）上記（１）の効果に加え、Ｏ／Ｅ変換器とデマルチプレクサの数分だけとなるので、上記（１）の１／３以下となり、システムのサイズとコストを減らすことができる。
【０１５３】
（８）上記（１）の効果に加え、光源、復調器を含めたセンサシステム自身が発生する雑音が小さくなり、より小さな信号を検出できるようになる。
【０１５４】
（９）信号とその高調波の含まれる帯域の２倍以上の周波数にサンプリング周波数を設定する通常のサンプリング定理でサンプリング周波数を設定できるため、信号帯域の幅またはＴＤＭ多重化数に対する制限を緩和することができる。また、処理器内で必要となるＬＰＦの処理量も軽減することができる。
【０１５５】
（１０）上記（９）の効果に加え、参照信号発生器の数を上記（９）より少なくすることができるので、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示す光ファイバセンサシステムのセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図である。
【図３】 本発明の第２実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図である。
【図４】 本発明の第３実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図である。
【図５】 本発明の第４実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図６】 本発明の第５実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図７】 本発明の第６実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図８】 本発明の第７実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図９】 本発明の第８実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図１０】 本発明の第９実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図１１】 本発明の第９実施例の参照信号発生器及びＬＰＦの出力の説明図である。
【図１２】 本発明の第１０実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【符号の説明】
１００，２０１，５０１，６０１，７０１，８０１ 光源変調部
１０１，３０１ 多波長パルス光源
１０２，３２０，４０３−１，４０３−２，４０３−３，… ＰＧＣ変調器 １０３，４０２ 光カプラ
１０４ 遅延ファイバ
１０５ 圧電子
１０６ 発振器
１０７，１０８ ミラー
１０９，２０２，３０２，；４０５−１，４０５−２，４０５−３，…；５０２，６０２，７０２，８０２ 光サーキュレータ
１１０，２１０，３１０，；４０６−１，４０６−２，４０６−３，…；５１０，６１０，７１０，８１０ センサアレイ
１１１−１，１１２−１，１１３−１，… 複数のセンシングファイバ
１１１，１１２，１１３，… 複数のセンサ
１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，… 部分反射器
１２０，２２０，３３０，；４０７−１，４０７−２，４０７−３，…；５２０，６２０，７２０，８２０ 受光部
１２１，５２１，６２１ 分波器
１２２−１，１２２−２，１２２−３，…；５２２−１，５２２−２，…；６２２−１，６２２−２，６２２−３，６２２−４，６２２−１１，… Ｏ／Ｅ変換器
１３０，２３０，３４０，；４０８−１，４０８−２，４０８−３，…；５３０，，６３０，７３０，８３０ 処理部
１３１−１，１３１−２，１３１−３，…；３４１−１，３４１−２，…；５３１−１，５３１−２，…；６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−５，…；８３４−１，８３４−２，…，８３４−１１，８３４−１２，… デマルチプレクサ
１３２，１３２−１，１３２−２，１３２−３，…；１３２−１１，１３２−１２，１３２−１３，…；１３２−２１，１３２−２２，１３２−２３，…；３４４−１，３４４−２，３４４−１１；５３２−１，５３２−２，５３２−３，…；５３２−１１，５３２−１２，５３２−１３，…；６３２−１，６３２−２，６３２−３，…；６３２−１１，６３２−１２，６３２−１３，…；６３２−２１，６３２−２２，６３２−２３，…；６３２−３１，６３２−３２，６３２−３３，…；６３２−１１１，６３２−１１２，６３２−１１３，…；７３１−１，７３１−２，…，７３１−１１，… 復調器
２１１ 合分波器
２１２，２１３，２１４，… センサグループ１〜Ｎ
３４２，３４３，７３１−Ａ，７３１−Ｂ，８３１，８３２ 参照信号発生器
３４４−１−１，３４４−１−２，７３１−１−１，７３１−１−２，；８３３−１，８３３−２，…；８３３−１１，８３３−１２，… 乗算器
３４４−１−３，３４４−１−４，７３１−１−３，７３１−１−４ ＬＰＦ
３４４−１−５，７３１−１−５，；８３５−１，８３５−２，８３５−３，…，；８３５−１１，８３５−１２，… アークタンジェント演算器
３４４−１−６，７３１−１−６，；８３６−１，８３６−２，８３６−３，…；８３６−１１，８３６−１２，… アンラップ処理器
４０１−１〜４０１−３，… 複数の多波長パルス光源
４０４−１，４０４−２，４０４−３，… 光アンプ
６４１−１，６４１−２，…，６４１−１１ 加算器
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような技術の先行文献としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
文献１：電子情報通信学会技術研究報告書、ＯＰＥ９５−２，光ファイバハイドロホンの研究
文献２：特許第３２３７０５１号、高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ
文献３：特許第３１０７９８６号、光ファイバ磁気センサ
上記のように、従来の光ファイバセンサアレイの一例として、文献１の３節及び図４〜７に示されたものがあり、また、光ファイバ音響センサとしては上記文献２、光ファイバ磁気センサとしては上記文献３に示されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献１に示された光ファイバハイドロホンアレイでは、ＴＤＭ（時分割多重）だけで多重伝送系を構成しているが、より多くのセンサで受けた信号を多重伝送するシステムのニーズがある。光通信の分野では光の波長領域で多重化するＷＤＭ（波長多重）方式が開発されているが、センサアレイには電力を使わずにＷＤＭ技術を応用して多重化数を増やすには工夫が必要となる。また、多重化数を増やすと構成品が多くなり、さらに、復調処理の処理量が多くなることからシステムの規模が大きくなり、サイズとコストが大きくなるという問題も発生する。
【０００５】
一方、干渉型光ファイバセンサは、高感度で微弱な信号を検出できるセンサ方式であるが、より小さい信号を検出するニーズもある。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑み、センサアレイに波長選択性のある部分反射器を用いるなどの単純な構造で波長多重伝送系を構成して、伝送容量の向上を図ることができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号により前記センシングファイバに加わる外力を検出する光ファイバセンサであって、センシングファイバと、このセンシングファイバの両端に設けられて、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器とを含む複数のセンサから成り、これらのセンサを複数接続するセンサアレイを複数のグループで構成し、一つのグループ内では前記センシングファイバの両端に、前記センシングファイバと直列に設けられた前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイとした光ファイバセンサであって、パルスの繰り返し周期をＴP 、パルス幅をｗ、同一波長のセンサの間をパルス光が往復する所要時間をＴλとして、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP ±ｄ（ｉ＝１、２、３、・・・）
とすることを特徴とする。
【０００８】
〔２〕光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号により前記センシングファイバに加わる外力を検出する光ファイバセンサであって、センシングファイバと、このセンシングファイバの両端に設けられて、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器とを含む複数のセンサから成り、これらセンサを複数接続するセンサアレイを複数のグループで構成し、一つのグループ内では前後の前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイとした光ファイバセンサであって、パルスの繰り返し周期をＴ P 、パルス幅をｗ、同一波長のセンサの間をパルス光が往復する所要時間をＴ λ として、
Ｔ P ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／Ｎ TDM
Ｔ λ ＝｛ｉ＋（１／２）｝・Ｔ P ±ｄ（ｉ＝１、２、３、・・・）
とすることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサであって、前記センサアレイから出力した出力光を波長によって分光するデマルチプレクサと、このデマルチプレクサによって分光された光を分光ごとに復調する複数の復調器とを備え、各復調器に、変調周波数で同期検波を行う第１の乗算器、変調周波数の２倍の周波数で同期検波を行う第２の乗算器、前記第１並びに第２の乗算器の出力からそれぞれ高周波成分を除く第１並びに第２のローパスフィルタ、この第１並びに第２のローパスフィルタから得られる検出信号の正弦成分と余弦成分とから逆正接を求める逆正接演算器と、求められた逆正接の不連続点をなくすアンラップ処理を行うアンラップ処理器とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の光ファイバセンサであって、前記センサアレイに光信号を供給する光源を複数備え、この複数の光源が交互に光信号を送信することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔４〕記載の光ファイバセンサにおいて、前記光源が多波長パルス光源を複数設け、各々の光源が、この光源の数と等しい数の周波数を有するパルス光を、相異なる周波数のパルス光同士が同じタイミングで伝送されるように繰り返し発生するものであることを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、前記部分反射器としてファイバブラッググレーティングまたはファブリ・ペロー共振器を用いるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、光を波長毎に分離、合成できる手段を介して、前記センサアレイのグループを並列に接続したことを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、波長の異なるパルス光を複数個に分けて伝搬させることを特徴とする。
【００１５】
〔９〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光ファイバセンサにおいて、タイミングと波長が異なるパルス光でパルス列を形成して１つのＯ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする。
【００１６】
〔１０〕上記〔１〕記載の光ファイバセンサにおいて、１つのセンサで検出する信号を複数の波長の光に取込み、前記複数の波長の光から得られた出力を加算することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例を示す光ファイバセンサシステムの構成図、図２はそのセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図であり、図２（ａ）は送信パルス列、図２（ｂ）はセンサアレイの配列、図２（ｃ）は返信パルス列を示している。
【００２０】
この図において、１００は光源変調部であり、この光源変調部１００は多波長パルス光源１０１と、このパルス光源１０１に接続されるＰＧＣ変調器１０２からなり、そのＰＧＣ変調器１０２は、光カプラ１０３、遅延ファイバ１０４、圧電子１０５、発振器１０６、ミラー１０７，１０８からなる。
【００２１】
また、１０９はＰＧＣ変調器１０２の出力側に接続される光サーキュレータであり、この光サーキュレータ１０９の一方にセンサアレイ１１０が接続される。このセンサアレイ１１０は、複数のセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…からなる複数のセンサ１１１，１１２，１１３，…が直列に接続されている。なお、各センシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…の入力側と出力側には部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…を有している。
【００２２】
更に、光サーキュレータ１０９の出力側に受光部１２０が設けられ、この受光部１２０は、光サーキュレータ１０９に接続される分波器１２１と、この分波器１２１に並列に接続されるＯ／Ｅ変換器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）を有している。
【００２３】
さらに、受光部１２０には処理部１３０が接続される。この処理部１３０は上記Ｏ／Ｅ変換部１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）のそれぞれにデマルチプレクサ１，２，３，…（１３１−１，１３１−２，１３１−３，…）が接続される。それらのデマルチプレクサ１，２，３，…（１３１−１，１３１−２，１３１−３，…）には復調器群１１，１２，１３，…；２１，２２，２３，…；３１，３２，３３，…（１３２−１，１３２−２，１３２−３，…；１３２−１１，１３２−１２，１３２−１３，…；１３２−２１，１３２−２２，１３２−２３，…）が接続される。
【００２４】
そこで、多波長パルス光源１０１は複数の波長成分を持つパルス状のレーザ光（以降、パルス光と記す）を繰り返し出力するものを用いる。ＰＧＣ変調器１０２はそのパルス光を光カプラ１０３で分岐して、一方は直接ミラー１０７に、もう一方は遅延ファイバ１０４を介してミラー１０８に入射する。遅延ファイバ１０４には圧電子１０５が取り付けられ、この圧電子１０５は発振器１０６の出力を受けて遅延ファイバ１０４を伸び縮みさせる構造とする。
【００２５】
ＰＧＣ変調器１０２の出力側には、光サーキュレータ１０９と光ファイバケーブルを介してセンサアレイ１１０を接続する。このセンサアレイ１１０は、複数のセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…と２つの部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…からなる複数のセンサ１１１，１１２，１１３，…を接続したもので、それぞれのセンサ１１１，１１２，１１３，…が検出対象によるセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…の歪でセンシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…を伝搬する光の位相を変化させる機能を有するものである。音圧を検出するセンサの具体例に文献２、磁界を検出するセンサの具体例に文献３に示されたものがある。ただし、文献２と文献３は干渉計アームとなる２本のファイバを用いる構造であるが、本実施例ではその一方だけを用いている。
【００２６】
センサ１１１，１１２，１１３，…の部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…は特定波長の光を特定の反射率で反射し、他の波長の成分は透過するものを用いる。部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…となる素子にはＦＢＧ（ファイバブラックグレーティング）、ファブリ・ペロー共振器などがある。１つのセンサに用いる２つの部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…は同じ波長を反射し、その波長がパルス光に含まれる何れかの波長（λ1 〜λn ）と重なるようにする。
【００２７】
センサアレイ１１０の各センサ１１１，１１２，１１３，…に割り当てる反射波長は、図２（ａ）に示すように、２つの波長（例えばλ1 とλ2 ）のセンサを交互に接続して１つのグループとして、波長が異なるグループを連結して１本のセンサアレイとする。なお、λの添字の番号と実際の波長の順番とは無関係である。
【００２８】
ＰＧＣ変調器１０２の遅延ファイバ１０４での往復伝搬時間τと各センシングファイバ１１１−１，１１２−１，１１３−１，…は往復伝搬時間がほぼ等しくなるように長さを決め、多波長パルス光源１０１から出力されるパルスの繰り返し周期ＴP は、
ＴP ≧２τＮTDM
と設定する。ここで、ＮTDM は１つの波長に時分割で多重化するセンサの数である。パルス幅ｗはτと同程度またはτ以下とする。
【００２９】
センサアレイ１１０で反射したパルス列が光サーキュレータ１０９を経由して受光部１２０に到達するように受光部１２０を接続する。受光部１２０は各波長成分を分離する分波器１２１、この分波器１２１から出力される光を電気に変換する複数のＯ／Ｅ変換器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）で構成する。
【００３０】
処理部１３０は、各Ｏ／Ｅ変換器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）から出力される時分割多重されたパルス列を分離するデマルチプレクサ１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）と各センサ１１１，１１２，１１３，…で検出した信号を復調する復調器１１，１２，１３，…；２１，２２，２３，…；３１，３２，３３，…（１３２−１，１３２−２，１３２−３，…；１３２−１１，１３２−１２，１３２−１３，…；１３２−２１，１３２−２２，１３２−２３，…で構成される。復調器の具体例は文献１に示されている。
【００３１】
次に、この第１実施例の動作について説明する。
【００３２】
まず、図２に示した送信パルス列、センサアレイの配列、返信パルス列の図を用いてセンサアレイでパルス列が生成される様子を説明する。
【００３３】
光源部から送信されたパルス♯１１，♯１２の一部がセンサ１１１の２つのＦＢＧで反射され、それぞれパルス♯１１１と♯１１２、♯１２１と♯１２２となる。このうちパルス♯１１２と♯１２１が重なり干渉して受光部１２０に返信される。送信パルス♯２１と♯２２以降も同様に４つに分けられ２つが干渉して干渉パルス光となり、残り２つはタイミングのずれた非干渉パルス光となって受光部１２０に返信される。同一波長の他のセンサからのパルスとはτ以上の時間差があるのでパルス列となり、時分割多重で返信される。他のグループの部分反射器で反射したパルスは波長多重で返信される。
【００３４】
各センサのセンシングファイバでは検出対象が伝搬する光の位相に取り込まれる。これについて、詳しくは文献２、３に示されている。各センサ１１１，１１２，１１３，…の部分反射器１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，…で反射した光が時分割多重と波長多重で受光部１２０に到達し、分波器１２１で各波長ごとに分離され、Ｏ／Ｅ変換器１，２，３，…で電気信号に変換される。干渉するパルス（例えば上記のパルス♯１１２と♯１２１）の一方はセンシングファイバで信号を取込み、もう一方はＰＧＣ変調器１０２でＰＧＣを取り込んでいる。したがって、Ｏ／Ｅ変調器１，２，３，…（１２２−１，１２２−２，１２２−３，…）以降は文献１と同様に動作する。
【００３５】
次に、本発明の第１実施例の効果について説明する。
【００３６】
センサアレイに波長選択性のある部分反射器を用いるだけの単純な構造で、波長多重伝送系を構成して伝送容量を向上させることができる。
【００３７】
波長λ1 の２つのセンサの間の遅延部分に波長λ2 のセンサを設けることで単なる遅延ファイバを設ける場合と比べて無駄な伝搬損失の発生を避けてその分、多重化数を多くすることができる。
【００３８】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３９】
図３は本発明の第２実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図であり、図３（ａ）は送信パルス列、図３（ｂ）はセンサ配列、図３（ｃ）は返信パルス列を示している。
【００４０】
この第２実施例では、パルス光の配列が第１実施例と異なるが、その他の構成は図１に示した第１の実施例と同様に構成する。
【００４１】
パルスの繰り返し周期ＴP 、パルス幅ｗと往復伝搬時間に換算した同一波長のセンサの間隔Ｔλを、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP ＋ｄ （ｉ＝１, ２, ３, ・・・）
または、
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP −ｄ （ｉ＝１, ２, ３, ・・・）
と設定する。
【００４２】
ここで、ｄは定数、ＮTDM はＴＤＭのチャンネル数である。
【００４３】
センサ間接続ファイバの長さを均一にできない場合、センサ間に往復伝搬時間がＴP ／２の整数倍となるファイバを挿入する。
【００４４】
次に、第２実施例の動作について説明する。
【００４５】
Ｔλ＝ＴP ＋ｄとした場合の送信パルス、センサアレイの配列、返信パルスの様子を図３に示す。
【００４６】
λ1 のセンサ１に到達した送信パルス対♯１１と♯１２で干渉パルス光♯１１２＋♯１２１、非干渉パルス光♯１１１と♯１２２、２番目に到達した送信パルス対♯２１と♯２２で干渉パルス光♯２１２＋♯２２１、非干渉パルス光♯２１１と♯２２２が返送される。センサ２で反射した干渉パルス光と非干渉パルス光は、センサ１で反射した干渉パルス光と非干渉パルス光から後方にｄシフトしたタイミングで返送される。センサ３以降から反射される干渉パルス光と非干渉パルス光も順次後方にｄシフトしたタイミングで返送され、時間領域で分離されたパルス列となる。
【００４７】
Ｔλ＝ＴP −ｄとした場合は、干渉パルス光と非干渉パルスが順次前方にｄシフトしたタイミングで返送される。
【００４８】
次に、第２実施例の効果について説明する。
【００４９】
第１実施例の効果に加え、第１実施例でセンシングファイバを長くしてセンサの感度を高く設定すると、サンプリング周波数（送信パルスの繰り返し周波数１／ＴP ）の限界が低くなり検出信号の帯域の限界が狭くなるか、またはＴＤＭの多重化数の限界が低くなる。しかし、本実施例では、第１実施例よりサンプリング周波数は数を高く設定できるので、検出信号の帯域幅とＴＤＭ多重化数の限界を高くできる。
【００５０】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００５１】
図４は本発明の第３実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図であり、図４（ａ）は送信パルス列、図４（ｂ）はセンサ配列、図４（ｃ）は返信パルス列を示している。
【００５２】
パルス光の配列が第１実施例と異なるが、その他の構成は図１に示した第１実施例と同様に構成する。
【００５３】
パルスの繰り返し周期ＴP 、パルス幅ｗと往復伝搬時間に換算した同一波長のセンサの間隔Ｔλを、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝〔ｉ＋（１／２) 〕・ＴP ±ｄ （ｉ＝１, ２, ３, ・・・）
と設定する。
【００５４】
ここで、ｄは定数、ＮTDM はＴＤＭのチャンネル数である。センサ間接続ファイバの長さを均一にできない場合、センサ間に往復伝搬時間がＴP の整数倍となるファイバを挿入する。
【００５５】
次に、本発明の第３実施例の動作の説明をする。
【００５６】
Ｔλ＝３ＴP ／２−ｄとした場合の送信パルス、センサアレイの配列、返信パルスの様子を図３に示す。
【００５７】
干渉パルス光と非干渉パルス光が交互に並んだパルス列が返信される。したがって干渉パルス光が等間隔となる。この他は第２実施例と同様に動作する。
【００５８】
次に、本発明の第３実施例の効果について説明する。
【００５９】
第２実施例の効果に加え、干渉パルス光が等間隔となるため、一定周期でサンプリングできるようになり、帯域幅を広くして処理部のサンプリング速度の制約で多重化数が制限される場合には、多重化数を２倍まで増やすことができる。処理部のサンプリング速度の制約が問題にならない場合でも、デマルチプレクサの処理量及びコストを第２実施例より抑えることができる。
【００６０】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００６１】
図５は本発明の第４実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００６２】
この図において、２０１は光源変調部、２０２は光源変調部２０１に接続される光サーキュレータ、２１０は光サーキュレータ２０２に接続されるセンサアレイ、２２０は光サーキュレータ２０２の出力側に接続される受光部、２３０は受光部２２０に接続される処理部である。
【００６３】
センサアレイ２１０以外は図１に示した第１実施例と同様に構成する。センサアレイ２１０は、光源変調部２０１から入力されたパルス光の波長を分離し、センサ側から入力されるパルスを結合する合分波器２１１を介して各センサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）が並列に接続された構造とする。ここで、合分波器２１１で分離する波長帯は接続するセンサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）に使用されている部分反射器（図示なし）の反射波長が含まれるようにする。
【００６４】
次に、本発明の第４実施例の動作について説明する。
【００６５】
センサアレイ２１０以外は第１実施例と同様に動作する。センサアレイ２１０に入力したパルス光が合分波器２１１で各センサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）に対応した波長帯ごとに分離され、各センサグループ１〜Ｎ（２１２，２１３，２１４，…）に送られる。各グループのセンサは第１実施例と同様に動作する。各センサで反射したパルスがパルス列となり、合分波器２１１で結合して波長多重され受光部２２０に返信される。
【００６６】
次に、本発明の第４実施例の効果について説明する。
【００６７】
第１実施例の効果に加え、第１実施例で他のグループを通過する間の伝搬損失が無くなり、センサアレイ全体での伝送損失が減少する。したがって、多重化数が伝送損失で制限される場合は多重化数を増やすことができる。
【００６８】
次に、本発明の第５実施例について説明する。
【００６９】
図６は本発明の第５実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００７０】
この図において、３０１は多波長パルス光源、３０２は光サーキュレータ、３１０はセンサアレイ、３２０はＰＧＣ変調器、３３０は受光部、３４０は処理部であり、この処理部３４０はデマルチプレクサ１，２，…（３４１−１，３４１−２，…、参照信号発生器１（３４２）、参照信号発生器２（３４３）を有し、デマルチプレクサ１（３４１−１）には、復調器１１（３４４−１）が接続され、この復調器１１（３４４−１）は乗算器１（３４４−１−１）、乗算器２（３４４−１−２），ＬＰＦ１（３４４−１−３）、ＬＰＦ２（３４４−１−４）、アークタンジェント演算器（３４４−１−５）、アンラップ処理器（３４４−１−６）からなり、さらに、復調器１２（３４４−２），…が接続される。また、デマルチプレクサ２（３４１−２）には、復調器２１（３４４−１１），…が接続される。
【００７１】
第１実施例ではＰＧＣ変調器を多波長パルス光源と光サーキュレータの間に配置したが、本実施例ではＰＧＣ変調器３２０を光サーキュレータ３０２と受光部３３０の間に配置する。復調器１１，１２，…（３４４−１，３４４−２，…）はＰＧＣの周波数とその２倍の周波数で同期検波する乗算器１と２（３４４−１−１，３４４−１−２）及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）１と２（３４４−１−３，３４４−１−４）を入力に接続し、ＬＰＦ１と２（３４４−１−３，３４４−１−４）から出力される検出信号のｓｉｎ成分とｃｏｓ成分のアークタンジェント（ａｒｃｔａｎ）を演算するアークタンジェント演算器（３４４−１−５）、アークタンジェントの演算で結果が±πｒａｄを超えたときに発生する不連続点を連結するアンラップ処理器（３４４−１−６）で構成する。ＰＧＣの周波数で同期検波するための参照信号発生器１（３４２）とＰＧＣの２倍の周波数で同期検波するための参照信号発生器２（３４３）を処理部３４０に一式構成して、複数の復調器で共用する構成とする。その他は第１実施例と同様に構成する。
【００７２】
次に、第５実施例の動作について説明する。
【００７３】
多波長パルス光源３０１から出力されたパルス光が光サーキュレータ３０２を介してセンサアレイ３１０に入力され、各センサの部分反射器で反射してパルス列となり、ＰＧＣ変調器３２０に返信される。ＰＧＣ変調器３２０から出力されるパルス列は、図２に示した第１実施例の返信パルスと同じになる。復調器（１１，１２，…（３４４−１，３４４−２，…）では、乗算器１と２（３４４−１−１，３４４−１−２）、ＬＰＦ１と２（３４４−１−３，３４４−１−４）がＰＧＣの周波数とその２倍の周波数で同期検波で検出信号のｓｉｎとｃｏｓが選ばれる。そこからａｒｃｔａｎの演算とアンラップ処理を行うことで検出信号を復調する。その他は第１実施例と同様に処理する。
【００７４】
次に、本発明の第５実施例の効果について説明する。
【００７５】
多波長パルス光源３０１からＰＧＣ変調器３２０の間の光ファイバの長さを変えても復調器入力のＰＧＣの位相が変わらないため、参照信号の位相を再調整する必要がなくなる。さらに、参照信号の位相が全センサ共通となることから１組の参照信号発生器を全ての復調器で共通に用いることができるようになり、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【００７６】
次に、本発明の第６実施例について説明する。
【００７７】
図７は本発明の第６実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００７８】
４０１−１〜４０１−３，…は複数の多波長パルス光源、４０２は光カプラ、４０３−１，４０３−２，４０３−３，…はＰＧＣ変調器１〜３，…、４０４−１，４０４−２，４０４−３，…は光アンプ１〜３，…、４０５−１，４０５−２，４０５−３，…は光サーキュレータ１〜３，…、４０６−１，４０６−２，４０６−３，…はセンサアレイ１〜３，…、４０７−１，４０７−２，４０７−３，…は受光部１〜３，…、４０８−１，４０８−２，４０８−３，…は処理部１〜３，…である。
【００７９】
図７に本実施例の構成を示す。２つの波長成分を持つパルス光をタイミングをずらして出力できるように多波長パルス光源１，２，３，…（４０１−１，４０１−２，４０１−３，…）と光カプラ４０２を構成する。光カプラ４０２の複数の出力に、第１実施例に示したＰＧＣ変調器、光サーキュレータ、センサアレイ、受光部と処理部を、複数、第１実施例と同様に接続する。さらに、各ＰＧＣ変調器と光サーキュレータの間に光アンプを接続する。
【００８０】
次に、第６実施例の動作について説明する。
【００８１】
波長の異なるパルス光がパルス列となって光カプラ４０２から複数出力される。ＰＧＣ変調器１（４０１−１）で各パルス光が二つに分割され光アンプ１（４０３−１）で増幅された後、光サーキュレータ１（４０５−１）を介してセンサアレイ１（４０６−１）に伝送される。センサアレイ１（４０６−１）、受光部１（４０７−１）、処理部１（４０８−１）は第１実施例と同様に動作する。ＰＧＣ変調器２，３，…（４０３−２，４０３−３，…）その他添字２以降の各部は添字１の同一名称の部分と同様に動作する。
【００８２】
次に、第６実施例の効果について説明する。
【００８３】
高出力の光アンプを用いる場合に、光ファイバの非線型伝送損失で多重化数が制限される場合があるが、本実施例ではパルスを分割しているのでピークパワーが低くなり、非線型伝送損失を軽減して多重化数を増やすことができる。
【００８４】
センサアレイまでのファイバの数を増やしてセンサ数を多くする場合、本実施例では光源とＰＧＣ変調器を共用としてシステム全体のサイズとコストを減らすことができる。
【００８５】
次に、本発明の第７実施例について説明する。
【００８６】
図８は本発明の第７実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００８７】
この図において、５０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、５０２は光源変調部５０１に接続される光サーキュレータ、５１０はセンサアレイ、５２０は受光部であり、この受光部５２０は、分波器５２１と、この分波器５２１に並列に接続されるＯ／Ｅ変換器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）を有している。また、これらのＯ／Ｅ変換器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）は処理部５３０に接続されている。この処理部５３０は、デマルチプレクサ１，２，…（５３１−１，５３１−２，…）と、それらのデマルチプレクサ１，２，…（５３１−１，５３１−２，…）に接続される復調器群１１，１２，１３，；２１，…（５３２−１，５３２−２，５３２−３，…；５３２−１１，５３２−１２，５３２−１３，…）からなる。
【００８８】
そこで、センサアレイ５１０の１つのグループに用いるセンサの部分反射器の反射波長が３つの波長（例えばλ1 ，λ2 ，λ3 ）を順次繰り返して接続された構成とする。光源変調部５０１から出力されるパルスの繰り返し周期ＴP は、
ＴP ≧３τＮTDM
と設定する。ここで、ＮTDM は１つの波長に時分割で多重化するセンサの数、τはＰＧＣ変調器の遅延ファイバでの往復伝搬時間であり、各センサのセシングファイバでの往復伝搬時間でもある。分波器５２１はセンサアレイ５１０の１つのグループに用いた３つの波長が分波器５２１の１つの出力端から出力されるようにする。この他は第１実施例と同様に構成する。
【００８９】
次に、本発明の第７実施例の動作について説明する。
【００９０】
図８のグループ１の返信パルス列の図を用いてパルス列が生成される様子を説明する。第１実施例と同様に光源部から送信されたパルス♯１１，♯１２の一部がセンサ１の２つの部分反射器で反射され、それぞれパルス♯１１１と♯１１２，♯１２１と♯１２２となり、パルス♯１１２と♯１２１が干渉して受光部５２０に返信される。本実施例ではλ2 のセンサ１から反射するパルス♯１１２と♯１２１と同じタイミングで、その前後に配置されたλ2 のセンサ１から反射するパルス♯１２２とλ3 のセンサ１から反射するパルス♯１１１が重なって返信される。他のセンサで反射したパルスも３つの波長が重なり、パルス列となって返信される。分波器５２１は各グループに対応する波長帯ごとに分離してＯ／Ｅ変調器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）に出力する。Ｏ／Ｅ変換器１，２，…（５２２−１，５２２−２，…）からは、各センサからのパルスによる干渉項と定数項、及び前後のセンサの定数項の和で表されるパルスが時分割多重されて出力される。ここで、波長が異なるパルスは干渉しないため単にパルスのパワーに比例した定数項が加算されただけの出力となる。この他は第１実施例と同様に動作する。
【００９１】
次に、本発明の第７実施例の効果について説明する。
【００９２】
第１実施例の効果に加え、Ｏ／Ｅ変換器１，２，…とデマルチプレクサ１，２，…の数分だけとなるので、第１実施例の１／３以下となり、システムのサイズとコストを減らすことができる。
【００９３】
次に、本発明の第８実施例について説明する。
【００９４】
図９は本発明の第８実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【００９５】
この図において、６０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、６０２はその光源変調部６０１に接続される光サーキュレータ、６１０はセンサアレイ、６２０は受光部であり、この受光部６２０は、分波器６２１と、この分波器６２１に並列に接続されるＯ／Ｅ変換器１１，１２，１３，１４，２１，…（６２２−１，６２２−２，６２２−３，６２２−４，６２２−１１，…）を有している。また、これらのＯ／Ｅ変換器１１，１２，１３，１４，２１，…（６２２−１，６２２−２，６２２−３，６２２−４，６２２−５，…）は処理部５３０に接続されている。この処理部６３０は、デマルチプレクサ１１，１２，１３，１４，２１，…（６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−１１，…）と、それらのデマルチプレクサ１１，１２，１３，１４，２１，…（６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−１１，…）に接続される復調器群１１１，１１２，１１３，…；１２１，１２２，１２３，…；１３１，１３２，１３３，…；１４１，１４２，１４３，…；２１１，２１２，２１３，…（６３２−１，６３２−２，６３２−３，…；６３２−１１，６３２−１２，６３２−１３，…；６３２−２１，６３２−２２，６３２−２３，…；６３２−３１，６３２−３２，６３２−３３，…；６３２−１１１，６３６−１１２，６３６−１１３，…）、及び加算器１１，１２，…，２１，…（６４１−１，６４１−２，…，６４１−１１，…）からなる。
【００９６】
そこで、各センサの部分反射器には光源変調部６０１から出力される波長の２つ以上を反射するものを用いる。受光部６２０は各波長ごとに分けてＯ／Ｅ変換するように構成する。処理部６３０はデマルチプレクサ１１，１２，１３，１４，２１，…（６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−１１）と復調器１１１，１１２，１１３，…（６３２−１，６３２−２，６３２−３，…）を第１実施例と同様に構成して、同じセンサからの信号を加算してから出力するように復調器の出力に加算器１１，１２，…，２１，…（６４１−１，６４１−２，…，６４１−１１，…）を接続する。
【００９７】
図９では１つのセンサに４波割り当てて４つの復調出力を加算してから出力する例を示した。この他は第１実施例と同様に構成する。
【００９８】
次に、本発明の第８実施例の動作について説明をする。
【００９９】
１つのセンサに複数の波長を割り当てて個々に復調するので、同じセンサで検出した信号が複数得られる。光源から復調器までの間で発生する雑音にはレーザや電子デバイスで発生するものがあり、その多くは雑音同士の相関がないものである。したがって、４つの復調出力を加算する場合、信号が４倍、雑音が√２倍となり、信号対雑音比が２倍となる。
【０１００】
次に、本発明の第８実施例の効果について説明する。
【０１０１】
第１実施例の効果に加え、光源、復調器を含めたセンサシステム自身が発生する雑音が小さくなり、より小さな信号を検出できるようになる。
【０１０２】
次に、本発明の第９実施例について説明する。
【０１０３】
図１０は本発明の第９実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【０１０４】
この図において、７０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、７０２は光サーキュレータ、７１０はセンサアレイ、７２０は受光部、７３０は処理部であり、この処理部７３０は復調器１１，１２，…，２１，…（７３１−１，７３１−２，…，７３１−１１，…）からなる。また、復調器１１（７３１−１）は、参照信号発生器１１（７３１−Ａ）、参照信号発生器１２（７３１−Ｂ）、乗算器１１（７３１−１−１），乗算器１２（７３１−１−２），ＬＰＦ１１（７３１−１−３）、ＬＰＦ１２（７３１−１−４）、アークタンジェント演算器１（７３１−１−５）、アンラップ処理器１（７３１−１−６）からなり、さらに、復調器１２（７３１−２），…，復調器２１（７３１−１１）が接続される。
【０１０５】
このように、光源変調部７０１、光サーキュレータ７０２、センサアレイ７１０、受光部７２０を第１実施例と同様に構成する。処理部７３０は受光部７２０の複数の出力各々に複数の復調器１１，１２，…，２１，…（７３１−１，７３１−２，…，７３１−１１，…）を接続する。復調器１１（７３１−１）は２つの参照信号発生器１１，１２（７３１−Ａ，７３１−Ｂ）、参照信号と受光部７２０の出力を乗算して高周波を遮断する２つの乗算器（７３１−１−１，７３１−１−２）とＬＰＦ（７３１−１−３，７３１−１−４）、２つのＬＰＦ（７３１−１−３，７３１−１−４）から出力される信号のｓｉｎとｃｏｓから信号を算出するアークタンジェント演算器１（７３１−１−５）とアンラップ処理器１（７３１−１−６）を接続した構成とする。
【０１０６】
参照信号発生器１１（７３１−Ａ）からはＰＧＣと同じ周波数または奇数倍の余弦波に時間幅ｗR 、繰り返し周期ＴP の方形窓を掛けた波形ｒ1 〔図１１（ａ）参照〕、参照信号発生器１２からはＰＧＣの２倍または０を含む偶数倍の周波数の余弦波に時間幅ｗR 、繰り返し周期ＴP の方形窓を掛けた波形ｒ2 〔図１１（ｂ）参照〕を出力する。
【０１０７】
余弦波の位相はＰＧＣの同じ周波数成分の位相に合わせる。受光部７２０からはＴＤＭのパルス列が入力されるが、方形窓のタイミングは復調するセンサからのパルスのタイミングに合わせる。ｒ1 の方形窓の時間幅ｗR1とｒ2 の方形窓の時間幅ｗR2は、
ｗR1＝ｉodd ／ｆPGC
ｗR2＝ｉeven／ｆPGC
とする。ここで、ｉodd は奇数の整数、ｉevenは偶数の整数、ｆPGC はＰＧＣの周波数である。繰り返し周期ＴP は、
ＴP ＝ｉ1 ｗR1＝ｉ2 ｗR2
ここで、ｉ1 とｉ2 は整数である。図１１に示した例では、ｉodd ＝１、ｉeven＝２、ｉ1 ＝ｉ2 ＝１とした。ＬＰＦ１１と１２の遮断周波数ｆLPF はサンプリング周波数の１／２以下とする。
【０１０８】
次に、本発明の第９実施例の動作について説明する。
【０１０９】
第１実施例とは異なる処理部の動作について説明する。参照信号発生器１１、１２（７３１−Ａ，７３１−Ｂ）の出力スペクトラムＲ1 、Ｒ2 を図１１（ｃ）、図１１（ｄ）に示す。数式では、
【０１１０】
【数１】
と表される。ここで、ａは余弦波の振幅などで決まる係数である。
【０１１２】
サンプリング周波数１／ＴP の整数倍にデルタ関数で表される出力があり、そのレベルが２つのｓｉｎｃ関数の和で表される。ただし、ＴP をｗR1及びｗR2の整数倍としているので、参照信号発生器１１（７３１−Ａ）の出力ではｆPGC を除くｆPGC の整数倍の周波数、参照信号発生器１２（７３１−Ｂ）の出力では２ｆPGC を除くｆPGC の整数倍の周波数でレベルがゼロとなる。
【０１１３】
受光器７２０の出力はＴＤＭのパルス列であるが、参照信号の窓関数を掛けた結果は文献１の（１）式に示された連続光でのＯ／Ｅ変換器出力に窓関数を掛けた結果と同じであることから、連続光でのＯ／Ｅ変換器出力に窓関数を掛ける単純化したモデルで説明する。連続光でのＯ／Ｅ変換器出力スペクトラムを図１１（ｅ）に示す。文献１にも示されたように、ＰＧＣ周波数の奇数倍の周波数には信号のｓｉｎ、ゼロを含む偶数倍の周波数には信号のｃｏｓが現れる。このＯ／Ｅ変換器出力にｒ1 を掛けるとｆPGC 近傍の信号のｓｉｎの成分が基本周波数にシフトする。乗算器出力サンプリング周波数の近傍にも信号のｓｉｎに比例した成分が現れるが、ＬＰＦ１１（７３１−１−３）に通すと信号の基本周波数のｓｉｎ成分だけが得られる〔図１１（ｆ）〕。同様に、ｒ2 を掛けると２ｆPGC 近傍の信号のｃｏｓの成分が基本周波数にシフトして、ＬＰＦ１２（７３１−１−４）の出力では信号のｃｏｓが得られ〔図１１（ｇ）〕、これらのａｒｃｔａｎを演算してアンラップ処理をすることにより信号に比例した出力が得られる。
【０１１４】
次に、本発明の第９実施例の効果について説明する。
【０１１５】
文献１に示された構造では、信号とその高調波の含まれる帯域より２倍以上高い周波数にＰＧＣ周波数を設定して、ＰＧＣの高次の項も考慮してより高い周波数にサンプリング周波数を設定するのでサンプリング周波数と信号周波数の比が大きく、検出できる信号の帯域幅またはＴＤＭ多重化数を制限する要因となっていた。しかし、この実施例の方式では、信号とその高調波の含まれる帯域の２倍以上の周波数にサンプリング周波数を設定する通常のサンプリング定理でサンプリング周波数を設定できるため、信号帯域の幅またはＴＤＭ多重化数に対する制限を緩和することができる。また、処理器内で必要となるＬＰＦの処理量が軽減される。
【０１１６】
簡単にまとめると、ＰＧＣの高次の項をｓｉｎｃ関数のゼロ点と重ねて抑制することにより不要な成分を減らし、その分伝送量を多くできる。また、処理器内でのＬＰＦの処理量も抑制された分だけ減らすことができるのでシステムのサイズとコストを軽減できる効果がある。
【０１１７】
次に、本発明の第１０実施例について説明する。
【０１１８】
図１２は本発明の第１０実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【０１１９】
この図において、８０１は多波長パルス光源とＰＧＣ変調器からなる光源変調部、８０２は光サーキュレータ、８１０はセンサアレイ、８２０は受光部、８３０は処理部であり、この処理部８３０は参照信号発生器１（８３１）、参照信号発生器２（８３２）、乗算器１１（８３３−１）、乗算器１２（８３３−２），…，乗算器２１（８３３−１１）、乗算器２２（８３３−１２），…，
デマルチプレクサ１１（８３４−１），デマルチプレクサ１２（８３４−２），…、デマルチプレクサ２１（８３４−１１），デマルチプレクサ２２（８３４−１２），…、アークタンジェント演算器１１（８３５−１）、アークタンジェント演算器１２（８３５−２），…、アークタンジェント演算器１３（８３５−３）、アークタンジェント演算器２１（８３５−１１）、アークタンジェント演算器２２（８３５−１２），…、アンラップ処理器１１（８３６−１）、アンラップ処理器１２（８３６−２），…、アークタンジェント演算器１３（８３５−３）、アンラップ処理器２１（８３６−１１）、アンラップ処理器２２（８３６−１２），…からなる。
【０１２０】
このように、光源変調部８０１、光サーキュレータ８０２、センサアレイ８１０、受光部８２０を第１実施例と同様に構成する。ただし、各センサからの干渉パルス光のＰＧＣの位相が全センサで同じになるようにセンサアレイ各部の光ファイバの長さを決める。
【０１２１】
処理部８３０は受光部８２０の各出力に参照信号発生器１（８３１）と参照信号発生器２（８３２）の出力をそれぞれ乗算する乗算器１１，１２，…，２１，２２，…（８３３−１，８３３−２，…，８３３−１１，８３３−１２，…）、各乗算器の出力を各センサごとに分離するデマルチプレクサ１１，１２，…，２１，２２，…（８３４−１，８３４−２，…，８３４−１１，８３４−１２，…，…）を接続し、同一センサから出力され参照信号発生器１（８３１）の出力を乗算されたデマルチプレクサ（８３４−１，８３４−１１）の出力と参照信号発生器２（８３２）の出力を乗算されたデマルチプレクサ（８３４−２，８３４−１２）の出力から信号を復調するアークタンジェント演算器１１，１２，１３，…，２１，２２，…（８３５−１，８３５−２，８３５−３，…，８３５−１１，８３５−１２，…）とアンラップ処理器１１，１２，…，２１，２２，…（８３６−１，８３６−２，８３６−３，…，８３６−１１，８３６−１２，…）を各デマルチプレクサ出力に接続した構成とする。ただし、本実施例のデマルチプレクサにはパルス列を分離した後にＬＰＦを通過させる機能を持ったものを用いる（ない場合は追加する）。
【０１２２】
次に、本発明の第１０実施例の動作について説明する。
【０１２３】
動作は第９実施例とほぼ同じであり、相違点は余弦波の乗算を分けて行っていることである。デマルチプレクサの出力スペクトラムは図１１（ｆ）または図１１（ｇ）と同じになる。
【０１２４】
次に、本発明の第１０実施例の効果について説明する。
【０１２５】
第９実施例の効果に加え、参照信号発生器の数を第９実施例より少なくすることができるので、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【０１２６】
本発明は、更に、以下のような利用形態を有する。
【０１２７】
第２実施例以降の実施例では、第１実施例を基準に改良した例を示したが、例えば第３実施例のパルス配列と第４実施例のセンサアレイで多重伝送して、ＰＧＣ変調器を第５実施例に示された位置に設けて、第１０実施例に示した処理部で処理するなど、それぞれの実施例に示された構成の一部を組み合わせて用いることもできる。
【０１２８】
センサアレイを第１実施例に示した各グループを直列接続する構成と第４実施例に示した並列接続する構成を組み合わせた構造としてもよい。
【０１２９】
第５、９、１０の実施例では、アークタンジェント演算器とアンラップ演算器を用いる例を示したが、これらの代わりに文献１に示された微分クロス乗算と積分による方法を用いてもよい。
【０１３０】
全ての実施例で、ＰＧＣホモダイン方式で復調する例を示したが光ヘテロダインなど他の復調方式を用いることもできる。
【０１３１】
全ての実施例で波長多重と時分割多重を併用する例を示したが、どちらか一方だけで多重化する構成としてもよい。また、多重化しない構成でも処理量の軽減などの他の効果は得られる。
【０１３２】
全ての実施例のＰＧＣ変調器でマッハ・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よい。
【０１３３】
多波長パルス光源は光源単体で多波長を出力するものだけではなく、１波長の光源の出力を光カプラなどで結合したものを用いてもよい。
【０１３４】
第２、第３実施例で示したτ／ＮTDM に対するｗとｄの条件及びｄに対するｗの条件は、返信パルスの重なりが小さく、デマルチプレクサで分離できる程度であれば必ずしも満たされなくても良い。
【０１３５】
全ての実施例で光サーキュレータを用いる例で説明したが、光カプラなどの必要な機能をもった他の部品を用いてもよい。
【０１３６】
第７実施例では１つのグループに３つ、それ以外の実施例では２つの波長帯を用いる例で説明したが、それ以上の数の波長帯を用いてもよい。
【０１３７】
第６実施例以外でも光アンプを用いてパルス光を増幅することにより多重化数を増やしたり検出限界を改善することができる。また、光アンプの位置は第６実施例に示した位置以外にもＯ／Ｅ変換器の前段など光の伝搬経路中のどこかであれば良く、複数の光アンプを用いてもよい。
【０１３８】
第９実施例の復調器は多重伝送しない光ファイバセンサにも用いることができる。
【０１３９】
第９、１０実施例の処理部はＷＤＭを用いないＴＤＭだけで多重化する構成にも適用できる。
【０１４０】
第９、１０実施例の復調器では参照信号に方形窓を用いる例で説明したが、他の窓関数を用い、ＰＧＣの不要な成分を減衰させるようにしてもよい。
【０１４１】
第１０実施例の処理部ではＰＧＣの位相を全センサで統一して、１対の参照信号発生器を用いる例で説明したが、例えば、ＰＧＣの位相を４つにまとめて４対の参照信号発生器を用いるなど、ＰＧＣの位相を複数にまとめても良い。
【０１４２】
第１０実施例の処理部では受光部出力に参照信号を乗算した後でデマルチプレックスする例を示したが、デマルチプレックスしてから参照信号を乗算しても良い。
【０１４３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、センサアレイに波長選択性のある部分反射器を用いるだけの単純な構造で、波長多重伝送系を構成して伝送容量を向上させることができる。
【０１４５】
より具体的には、
（１）波長λ1 の２つのセンサの間の遅延部分に波長λ2 のセンサを設けることで単なる遅延ファイバを設ける場合と比べて無駄な伝搬損失の発生を避けてその分、多重化数を多くすることができる。
【０１４６】
（２）上記（１）に加え、サンプリング周波数の波数を高く設定できるので、検出信号の帯域幅とＴＤＭ多重化数の限界を高くすることができる。
【０１４７】
（３）上記（２）に加え、干渉パルス光が等間隔となるため、一定周期でサンプリングできるようになり、帯域幅を広くして処理部のサンプリング速度の制約で多重化数が制限される場合には、多重化数を２倍まで増やすことができる。処理部のサンプリング速度の制約が問題にならない場合でも、デマルチプレクサの処理量及びコストをより抑えることができる。
【０１４８】
（４）上記（１）の効果に加え、上記（１）における他のグループを通過する間の伝搬損失が無くなり、センサアレイ全体での伝送損失が減少する。したがって、多重化数が伝送損失で制限される場合は多重化数を増やすことができる。
【０１４９】
（５）多波長パルス光源からＰＧＣ変調器の間の光ファイバの長さを変えても復調器入力のＰＧＣの位相が変わらないため、参照信号の位相を再調整する必要がなくなる。さらに、参照信号の位相が全センサ共通となることから１組の参照信号発生器を全ての復調器で共通に用いることができるようになり、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【０１５０】
（６）高出力の光アンプを用いる場合に光ファイバの非線型伝送損失で多重化数が制限される場合があるが、ここでは、パルスを分割しているのでピークパワーが低くなり、非線型伝送損失を軽減して多重化数を増やすことができる。
【０１５１】
センサアレイまでのファイバの数を増やしてセンサ数を多くする場合、光源とＰＧＣ変調器を共用としてシステム全体のサイズとコストを減らすことができる。
【０１５２】
（７）上記（１）の効果に加え、Ｏ／Ｅ変換器とデマルチプレクサの数分だけとなるので、上記（１）の１／３以下となり、システムのサイズとコストを減らすことができる。
【０１５３】
（８）上記（１）の効果に加え、光源、復調器を含めたセンサシステム自身が発生する雑音が小さくなり、より小さな信号を検出できるようになる。
【０１５４】
（９）信号とその高調波の含まれる帯域の２倍以上の周波数にサンプリング周波数を設定する通常のサンプリング定理でサンプリング周波数を設定できるため、信号帯域の幅またはＴＤＭ多重化数に対する制限を緩和することができる。また、処理器内で必要となるＬＰＦの処理量も軽減することができる。
【０１５５】
（１０）上記（９）の効果に加え、参照信号発生器の数を上記（９）より少なくすることができるので、処理部のサイズとコストを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示す光ファイバセンサシステムのセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図である。
【図３】 本発明の第２実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図である。
【図４】 本発明の第３実施例を示すセンサアレイの配列と送受信パルス列を示す図である。
【図５】 本発明の第４実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図６】 本発明の第５実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図７】 本発明の第６実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図８】 本発明の第７実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図９】 本発明の第８実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図１０】 本発明の第９実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【図１１】 本発明の第９実施例の参照信号発生器及びＬＰＦの出力の説明図である。
【図１２】 本発明の第１０実施例の光ファイバセンサシステムの構成図である。
【符号の説明】
１００，２０１，５０１，６０１，７０１，８０１ 光源変調部
１０１，３０１ 多波長パルス光源
１０２，３２０，４０３−１，４０３−２，４０３−３，… ＰＧＣ変調器 １０３，４０２ 光カプラ
１０４ 遅延ファイバ
１０５ 圧電子
１０６ 発振器
１０７，１０８ ミラー
１０９，２０２，３０２，；４０５−１，４０５−２，４０５−３，…；５０２，６０２，７０２，８０２ 光サーキュレータ
１１０，２１０，３１０，；４０６−１，４０６−２，４０６−３，…；５１０，６１０，７１０，８１０ センサアレイ
１１１−１，１１２−１，１１３−１，… 複数のセンシングファイバ
１１１，１１２，１１３，… 複数のセンサ
１１１−Ａ，１１１−Ｂ；１１２−Ａ，１１２−Ｂ；１１３−Ａ，１１３−Ｂ，… 部分反射器
１２０，２２０，３３０，；４０７−１，４０７−２，４０７−３，…；５２０，６２０，７２０，８２０ 受光部
１２１，５２１，６２１ 分波器
１２２−１，１２２−２，１２２−３，…；５２２−１，５２２−２，…；６２２−１，６２２−２，６２２−３，６２２−４，６２２−１１，… Ｏ／Ｅ変換器
１３０，２３０，３４０，；４０８−１，４０８−２，４０８−３，…；５３０，，６３０，７３０，８３０ 処理部
１３１−１，１３１−２，１３１−３，…；３４１−１，３４１−２，…；５３１−１，５３１−２，…；６３１−１，６３１−２，６３１−３，６３１−４，６３１−５，…；８３４−１，８３４−２，…，８３４−１１，８３４−１２，… デマルチプレクサ
１３２，１３２−１，１３２−２，１３２−３，…；１３２−１１，１３２−１２，１３２−１３，…；１３２−２１，１３２−２２，１３２−２３，…；３４４−１，３４４−２，３４４−１１；５３２−１，５３２−２，５３２−３，…；５３２−１１，５３２−１２，５３２−１３，…；６３２−１，６３２−２，６３２−３，…；６３２−１１，６３２−１２，６３２−１３，…；６３２−２１，６３２−２２，６３２−２３，…；６３２−３１，６３２−３２，６３２−３３，…；６３２−１１１，６３２−１１２，６３２−１１３，…；７３１−１，７３１−２，…，７３１−１１，… 復調器
２１１ 合分波器
２１２，２１３，２１４，… センサグループ１〜Ｎ
３４２，３４３，７３１−Ａ，７３１−Ｂ，８３１，８３２ 参照信号発生器
３４４−１−１，３４４−１−２，７３１−１−１，７３１−１−２，；８３３−１，８３３−２，…；８３３−１１，８３３−１２，… 乗算器
３４４−１−３，３４４−１−４，７３１−１−３，７３１−１−４ ＬＰＦ
３４４−１−５，７３１−１−５，；８３５−１，８３５−２，８３５−３，…，；８３５−１１，８３５−１２，… アークタンジェント演算器
３４４−１−６，７３１−１−６，；８３６−１，８３６−２，８３６−３，…；８３６−１１，８３６−１２，… アンラップ処理器
４０１−１〜４０１−３，… 複数の多波長パルス光源
４０４−１，４０４−２，４０４−３，… 光アンプ
６４１−１，６４１−２，…，６４１−１１ 加算器
Claims (10)
- 光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号により前記センシングファイバに加わる外力を検出する光ファイバセンサであって、センシングファイバと、該センシングファイバの両端に設けられて、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器とを含む複数のセンサから成り、これらのセンサを複数接続するセンサアレイを複数のグループで構成し、一つのグループ内では前記センシングファイバの両端に、前記センシングファイバと直列に設けられた前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイとした光ファイバセンサであって、パルスの繰り返し周期をＴP 、パルス幅をｗ、同一波長のセンサの間をパルス光が往復する所要時間をＴλとして、
ＴP ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／ＮTDM
Ｔλ＝（ｉ／２）・ＴP ±ｄ（ｉ＝１、２、３、・・・）
とすることを特徴とする光ファイバセンサ。 - 光ファイバを伝搬する光信号の少なくとも一つがセンシングファイバを伝搬し、これと他の光信号とが干渉して干渉信号が形成され、この干渉信号により前記センシングファイバに加わる外力を検出する光ファイバセンサであって、センシングファイバと、該センシングファイバの両端に設けられて、特定波長の光信号を反射し、その他を透過する部分反射器とを含む複数のセンサから成り、これらセンサを複数接続するセンサアレイを複数のグループで構成し、一つのグループ内では前後の前記部分反射器の前記特定波長を同一にし、前記特定波長の異なるグループを連結して一つのセンサアレイとした光ファイバセンサであって、パルスの繰り返し周期をＴ P 、パルス幅をｗ、同一波長のセンサの間をパルス光が往復する所要時間をＴ λ として、
Ｔ P ≧２τ
ｗ≦ｄ≦τ／Ｎ TDM
Ｔ λ ＝｛ｉ＋（１／２）｝・Ｔ P ±ｄ（ｉ＝１、２、３、・・・）
とすることを特徴とする光ファイバセンサ。 - 請求項１又は２記載の光ファイバセンサであって、前記センサアレイから出力した出力光を波長によって分光するデマルチプレクサと、該デマルチプレクサによって分光された光を分光ごとに復調する複数の復調器とを備え、各復調器に、変調周波数で同期検波を行う第１の乗算器、変調周波数の２倍の周波数で同期検波を行う第２の乗算器、前記第１並びに第２の乗算器の出力からそれぞれ高周波成分を除く第１並びに第２のローパスフィルタ、該第１並びに第２のローパスフィルタから得られる検出信号の正弦成分と余弦成分とから逆正接を求める逆正接演算器と、求められた逆正接の不連続点をなくすアンラップ処理を行うアンラップ処理器とを設けたことを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項１、２又は３記載の光ファイバセンサであって、前記センサアレイに光信号を供給する光源を複数備え、該複数の光源が交互に光信号を送信することを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項４記載の光ファイバセンサにおいて、前記光源が多波長パルス光源を複数設け、各々の光源が、該光源の数と等しい数の周波数を有するパルス光を、相異なる周波数のパルス光同士が同じタイミングで伝送されるように繰り返し発生するものであることを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項１又は２記載の光ファイバセンサにおいて、前記部分反射器としてファイバブラッググレーティングまたはファブリ・ペロー共振器を用いるようにしたことを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項１又は２記載の光ファイバセンサにおいて、光を波長毎に分離、合成できる手段を介して、前記センサアレイのグループを並列に接続したことを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項１又は２記載の光ファイバセンサにおいて、波長の異なるパルス光を複数個に分けて伝搬させることを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項１又は２記載の光ファイバセンサにおいて、タイミングと波長が異なるパルス光でパルス列を形成して１つのＯ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする光ファイバセンサ。
- 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、１つのセンサで検出する信号を複数の波長の光に取込み、前記複数の波長の光から得られた出力を加算することを特徴とする光ファイバセンサ。
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