JP4930068B2 - Interferometric optical fiber sensor system and sensing method - Google Patents

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Description

本発明は、さまざまな物理量を検出することが可能な干渉型光ファイバセンサシステムに関するものである。   The present invention relates to an interference type optical fiber sensor system capable of detecting various physical quantities.

干渉型光ファイバセンサシステムは、さまざまな物理量を検出することが可能である。光ファイバ干渉計においては、センシングファイバを光ファイバ干渉計のアームとして用いて、検出すべき物理量を、センシングファイバの歪みに変える。センシングファイバの歪みに応じて、干渉光が変化することを利用して物理量を検出する。従来の干渉型光ファイバセンサの一例としては、音響信号を検出するセンサが、非特許文献1および特許文献1に記載されており、磁気信号を検出するセンサは特許文献2、加速度を検出するセンサは、非特許文献2に、それぞれ記載されている。   The interference type optical fiber sensor system can detect various physical quantities. In an optical fiber interferometer, a sensing fiber is used as an arm of an optical fiber interferometer, and a physical quantity to be detected is changed into a strain of the sensing fiber. The physical quantity is detected by utilizing the change of the interference light according to the strain of the sensing fiber. As an example of a conventional interference type optical fiber sensor, a sensor that detects an acoustic signal is described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, and a sensor that detects a magnetic signal is Patent Document 2, and a sensor that detects acceleration. Are described in Non-Patent Document 2, respectively.

非特許文献1には、複数のセンサによりセンサアレイを構成することも記載されている。干渉光に含まれる物理量を検出するための位相復調の方法については、非特許文献1、非特許文献3などに記載されている。
特許第3237051号公報 特許第3107986号公報 佐藤陵沢、他3名、「光ファイバハイドロホンの開発」、電子情報通信学会技術研究報告、平成7年5月、OPE95-2、p.7-12 新藤雄吾(Yugo Shindo)、他3名、「ファイバ−オプティック 加速度計(Fiber-Optic Accelerometer)」、第12回光ファイバセンサ国際会議(12th International Conference on Optical Fiber Sensors)、1997年10月、p.202-205(OWC15-1 - 4) リチャード ジー. プリエスト(Richard G. Priest)、「3×3ファイバカプラを用いたファイバ干渉計の解析(Analysisof Fiber Interferometer Utilizing 3×3 Fiber Coupler)」、量子エレクトロニクス(IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS)、アイトリプルイー(IEEE)、1982年10月、第QE-18巻、第10号、p.1601-1603
Non-Patent Document 1 also describes that a sensor array is constituted by a plurality of sensors. Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 3, and the like describe a phase demodulation method for detecting a physical quantity included in interference light.
Japanese Patent No. 3323701 Japanese Patent No. 3107986 Ryo Sato, 3 others, "Development of optical fiber hydrophone", IEICE technical report, May 1995, OPE95-2, p.7-12 Yugo Shindo and three others, “Fiber-Optic Accelerometer”, 12th International Conference on Optical Fiber Sensors, October 1997, p. 202-205 (OWC15-1-4) Richard G. Richard G. Priest, “Analysis of Fiber Interferometer Utilizing 3 × 3 Fiber Coupler”, Quantum Electronics (IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS), I Triple E (IEEE) ) October 1982, Volume QE-18, No. 10, p.1601-1603

センシングファイバを通過した光、すなわちセンシング光の位相変化は、検出すべき物理量に起因して起こるが、それ以外に、センシングファイバなどに加わる温度変化や圧力変化などでも起こる。温度変化と圧力変化の周波数は低いので、物理量とは、周波数の違いを利用して分離できる。センシングファイバ等で温度及び圧力が大きく変化する場合、雑音の周波数が、検出すべき物理量の信号帯域に達して分離できない雑音となることがある。   Although the light passing through the sensing fiber, that is, the phase change of the sensing light occurs due to the physical quantity to be detected, it also occurs due to temperature change or pressure change applied to the sensing fiber or the like. Since the frequency of temperature change and pressure change is low, it can be separated from the physical quantity by utilizing the difference in frequency. When temperature and pressure change greatly with a sensing fiber or the like, the frequency of the noise may reach the signal band of the physical quantity to be detected and become noise that cannot be separated.

本発明はこのような課題に鑑み、雑音を抑制した干渉型光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an interference type optical fiber sensor system in which noise is suppressed.

本発明は上述の課題を解決するために、物理量を検知するセンシングファイバおよびリファレンスファイバを有する干渉計と、干渉計からの干渉光から物理量に対応する測定信号を検出する検出部とを含む干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を干渉計に印加する印加手段を含み、検出部は、雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides an interference type including an interferometer having a sensing fiber and a reference fiber for detecting a physical quantity, and a detection unit for detecting a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer. In the optical fiber sensor system, including an applying unit that applies a noise reduction signal for reducing a noise signal included in the interference light to the interferometer, and the detection unit outputs a measurement signal in which the noise is reduced by the noise reduction signal It is characterized by that.

雑音低減信号は、雑音信号の周波数を変化させるための信号であることが好ましい。たとえば、雑音低減信号は、雑音信号の周波数を高くするための信号である。そのときに、雑音低減信号は正弦波であり、正弦波の振幅は、振幅の2倍を0次のベッセル関数の引数としたときに0次のベッセル関数の値がゼロになるものであることが好ましい。   The noise reduction signal is preferably a signal for changing the frequency of the noise signal. For example, the noise reduction signal is a signal for increasing the frequency of the noise signal. At that time, the noise reduction signal is a sine wave, and the amplitude of the sine wave is such that the value of the 0th order Bessel function becomes zero when twice the amplitude is used as an argument of the 0th order Bessel function. Is preferred.

また、雑音低減信号の周波数は、測定信号の上限の周波数と、雑音信号の周波数との和より高いことが好ましい。このとき、検出部が検出する測定信号に含まれる雑音低減信号を低減する低減手段を含むことが好ましい。   The frequency of the noise reduction signal is preferably higher than the sum of the upper limit frequency of the measurement signal and the frequency of the noise signal. At this time, it is preferable to include a reduction means for reducing a noise reduction signal included in the measurement signal detected by the detection unit.

なお、印加手段が印加する雑音低減信号は、雑音信号の周波数を低くするための信号であってもよい。その際に、印加手段は、干渉計を構成する干渉計アームに対して設けられ、この手段は、熱膨張率が所定値より大きい材料と、この材料を加熱または冷却する温度制御手段とを含むことができる。さらに、熱膨張率が所定値より大きい材料はアルミニウム合金であり、温度制御手段はペルチェ素子であることが好ましい。   Note that the noise reduction signal applied by the applying unit may be a signal for lowering the frequency of the noise signal. In this case, the application means is provided for the interferometer arm constituting the interferometer, and the means includes a material having a coefficient of thermal expansion larger than a predetermined value and a temperature control means for heating or cooling the material. be able to. Further, the material having a coefficient of thermal expansion larger than a predetermined value is preferably an aluminum alloy, and the temperature control means is preferably a Peltier element.

本発明によれば、干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を干渉光に印加し、検出部は、雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力するため、雑音を抑制した干渉型光ファイバセンサシステムを提供することができる。   According to the present invention, the noise reduction signal for reducing the noise signal included in the interference light is applied to the interference light, and the detection unit outputs the measurement signal in which the noise is reduced by the noise reduction signal. A suppressed interference type optical fiber sensor system can be provided.

次に添付図面を参照して本発明による干渉型光ファイバセンサシステムの実施例を詳細に説明する。最初に、干渉型光ファイバセンサシステムにおける物理量の測定原理を図2により説明し、図2のシステムにおいて発生する雑音の影響を抑制した本発明の実施例を図1により説明する。以下では、信号線と、当該信号線を流れる信号に同一の参照符号を付す。   Next, an embodiment of an interference type optical fiber sensor system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the measurement principle of the physical quantity in the interference type optical fiber sensor system will be described with reference to FIG. 2, and an embodiment of the present invention in which the influence of noise generated in the system of FIG. 2 is suppressed will be described with reference to FIG. Hereinafter, the same reference numerals are assigned to the signal line and the signal flowing through the signal line.

図2の干渉型光ファイバセンサシステム10において、パルス光源12は、パルス光12aを生成し、光ファイバ12bを介して、生成したパルス光12aを第1の光カプラ14に出力する。パルス光12aを入力された第1の光カプラ14は、パルス光12aを、2つのパルス光に分割する。第1の光カプラ14は、分割により得られた2つのパルス光を、それぞれ、光ファイバ14a、14bを介してミラー16a、16bに出力する。光ファイバ14aはセンシングファイバであり、光ファイバ14bはリファレンスファイバである。ミラー16a、16bは、2つのパルス光を、それぞれ反射する。反射されたパルス光は、それぞれ光ファイバ14a、14bを戻り、第1の光カプラ14と光ファイバ14cを経由して、第2の光カプラ18に入力される。   In the interference optical fiber sensor system 10 of FIG. 2, the pulse light source 12 generates pulsed light 12a and outputs the generated pulsed light 12a to the first optical coupler 14 via the optical fiber 12b. The first optical coupler 14 to which the pulsed light 12a is input splits the pulsed light 12a into two pulsed lights. The first optical coupler 14 outputs the two pulse lights obtained by the division to the mirrors 16a and 16b via the optical fibers 14a and 14b, respectively. The optical fiber 14a is a sensing fiber, and the optical fiber 14b is a reference fiber. The mirrors 16a and 16b reflect the two pulse lights, respectively. The reflected pulsed light returns through the optical fibers 14a and 14b, respectively, and is input to the second optical coupler 18 via the first optical coupler 14 and the optical fiber 14c.

パルス光12aの一方は、センシングファイバ14aを通過してセンシング光20となり、もう一方は、光ファイバ14bを通過してリファレンス光22となる。センシング光20はセンシングファイバ14aを通過するときに、センシングファイバ14aに加わる物理量により位相変調される。このために、センシングファイバ14aには、測定する物理量に応じて、当該物理量をセンシングファイバ14aの歪みに変えるための手段を、必要に応じて設ける。センシングファイバ14aには、当該物理量に起因する歪みのほかに、雑音信号を生成する歪みも発生する。雑音信号を生成する歪みは、センシングファイバ14a自体の温度変化等により生じる。   One of the pulsed light 12a passes through the sensing fiber 14a and becomes the sensing light 20, and the other passes through the optical fiber 14b and becomes the reference light 22. When the sensing light 20 passes through the sensing fiber 14a, it is phase-modulated by a physical quantity applied to the sensing fiber 14a. For this purpose, the sensing fiber 14a is provided with means for changing the physical quantity into the strain of the sensing fiber 14a as required according to the physical quantity to be measured. In addition to the distortion caused by the physical quantity, the sensing fiber 14a also generates distortion that generates a noise signal. The distortion that generates the noise signal is caused by a temperature change of the sensing fiber 14a itself.

センシング光20は、光ファイバ14bよりも長いセンシングファイバ14aにより伝搬遅延も受ける。この結果、2つのパルス20、22となって光ファイバ14c上を伝送される。   The sensing light 20 is also subjected to propagation delay by the sensing fiber 14a which is longer than the optical fiber 14b. As a result, two pulses 20 and 22 are transmitted on the optical fiber 14c.

第2の光カプラ18に入力されたセンシング光20とリファレンス光22は、それぞれ第2の光カプラ18により2つに分割される。分割されたパルス光の一方は、第2の光カプラ18に接続された遅延補償ファイバ18aを通過してミラー24aに入射する。ミラー24aに入射した光は、ミラー24aで反射されて、遅延補償ファイバ18a、第2の光カプラ18、光ファイバ18cを順に通過してO/E(Opto/Electronics)変換器26に入力する。分割されたパルス光のもう一方は、第2の光カプラ18に接続された光ファイバ18bを通過してミラー24bに入射する。ミラー24bに入射した光は、ミラー24bで反射されて、光ファイバ18b、第2の光カプラ18、光ファイバ18cを順に通過してO/E変換器26に入力する。   The sensing light 20 and the reference light 22 input to the second optical coupler 18 are each divided into two by the second optical coupler 18. One of the divided pulse lights passes through the delay compensation fiber 18a connected to the second optical coupler 18 and enters the mirror 24a. The light incident on the mirror 24a is reflected by the mirror 24a, passes through the delay compensation fiber 18a, the second optical coupler 18, and the optical fiber 18c in this order, and enters the O / E (Opto / Electronics) converter 26. The other part of the divided pulse light passes through the optical fiber 18b connected to the second optical coupler 18 and enters the mirror 24b. The light incident on the mirror 24b is reflected by the mirror 24b, passes through the optical fiber 18b, the second optical coupler 18, and the optical fiber 18c in this order, and enters the O / E converter 26.

センシングファイバ14aと、遅延補償ファイバ18aの長さは、伝播遅延量が等しくなるように設定されているため、センシングファイバ14aを通過して遅延補償ファイバ18aを通過しなかった光と、センシングファイバ14aを通過せずに遅延補償ファイバ18aを通過した光が同じタイミングでO/E変換器26に入力する。この結果、この2つの光は干渉し、図1に示す干渉光25が光ファイバ18cを経て、O/E変換器26に入力する。   Since the lengths of the sensing fiber 14a and the delay compensation fiber 18a are set so that the propagation delay amount is equal, the light that has passed through the sensing fiber 14a but has not passed through the delay compensation fiber 18a, and the sensing fiber 14a The light that has passed through the delay compensation fiber 18a without passing through is input to the O / E converter 26 at the same timing. As a result, the two lights interfere with each other, and the interference light 25 shown in FIG. 1 enters the O / E converter 26 via the optical fiber 18c.

光ファイバ12b、第1の光カプラ14、光ファイバ14a、14b、ミラー16a、16b、光ファイバ14c、第2の光カプラ18、遅延補償ファイバ18a、ミラー24a、24b、光ファイバ18b、光ファイバ18cにより、干渉計が構成される。なお、干渉光25は、干渉により、そのレベルが変わるパルスである。干渉光25の強度は、後述するA+B cos〔Ccos(ωt)+φ(t)〕である。光ファイバ18c上において、干渉光25の前後を伝播するパルス27は、干渉しないため、そのレベルが一定である。   Optical fiber 12b, first optical coupler 14, optical fibers 14a and 14b, mirrors 16a and 16b, optical fiber 14c, second optical coupler 18, delay compensation fiber 18a, mirrors 24a and 24b, optical fiber 18b, and optical fiber 18c Thus, an interferometer is configured. The interference light 25 is a pulse whose level changes due to interference. The intensity of the interference light 25 is A + B cos [Ccos (ωt) + φ (t)], which will be described later. Since the pulse 27 propagating before and after the interference light 25 does not interfere on the optical fiber 18c, the level thereof is constant.

遅延補償ファイバ18aは、圧電子28に取り付けられており、圧電子28には、PGC信号発生器30から信号線30aを介して正弦波電圧が印加される。したがって、圧電子28により遅延補償ファイバ18aに正弦波状の歪が加えられる。これにより干渉光にPGC(Phase Generated Carrier)が発生する。PGC方式は、干渉型光ファイバセンサシステムで用いられる光信号の変復調方式の一つである。正弦波状の歪が加えられたレーザ光を、光路差をもつ干渉計に加え、干渉計の出力をO/E変換器26に入力して、電気信号に変換する。   The delay compensation fiber 18a is attached to the piezoelectric electron 28, and a sine wave voltage is applied to the piezoelectric electron 28 from the PGC signal generator 30 via the signal line 30a. Therefore, sinusoidal distortion is applied to the delay compensation fiber 18a by the piezoelectric electrons 28. As a result, PGC (Phase Generated Carrier) is generated in the interference light. The PGC method is one of optical signal modulation / demodulation methods used in an interference type optical fiber sensor system. The laser light to which sinusoidal distortion is added is added to an interferometer having an optical path difference, and the output of the interferometer is input to the O / E converter 26 to convert it into an electrical signal.

O/E変換器26から出力される信号の強度をI(t)とすると、I(t)は、A+B cosθという形で表される。この式中のθが、干渉する2つの光の位相差である。位相差θに、干渉する光の位相変化が含まれる。位相変化は、具体的には、センサで検出すべき測定信号、PGC信号、温度ドリフト(雑音信号)などである。すなわち、I(t)=A+Bcos[(PGC信号)+(測定信号)+(温度ドリフト)]となる。図2においては、測定原理を説明するために、測定信号とPGC信号のみを考慮し、その他は考慮していない。雑音等については、後述する図1において説明する。PGC信号のような正弦波状の位相変化は、次のようにベッセル関数で展開できる。   If the intensity of the signal output from the O / E converter 26 is I (t), I (t) is expressed in the form of A + B cos θ. In this equation, θ is the phase difference between the two interfering lights. The phase difference θ includes a phase change of the interfering light. Specifically, the phase change is a measurement signal to be detected by the sensor, a PGC signal, a temperature drift (noise signal), or the like. That is, I (t) = A + Bcos [(PGC signal) + (measurement signal) + (temperature drift)]. In FIG. 2, in order to explain the measurement principle, only the measurement signal and the PGC signal are considered, and the others are not considered. Noise and the like will be described later with reference to FIG. A sinusoidal phase change such as a PGC signal can be developed by a Bessel function as follows.

測定信号とPGC信号のみを考慮する図2の場合、I(t)は、A+B cos〔Ccos(ωt)+φ(t)〕(ここで、Cは変調度)で与えられる。ωtは、レーザ光を変調するPGC信号発生器30が出力する正弦波の角周波数、φ(t)は、干渉計を通過した光の測定信号による位相差である。この式中のCcos(ωt)をPGCとよぶ。I(t)からφ(t)を求める復調処理は、次のように行われる。復調処理では、cos〔Ccos(ωt)+φ(t)〕を、ベッセル関数で展開すると、以下のように表されることを利用する。   In the case of FIG. 2 in which only the measurement signal and the PGC signal are considered, I (t) is given by A + B cos [Ccos (ωt) + φ (t)] (where C is the modulation factor). ωt is the angular frequency of the sine wave output from the PGC signal generator 30 that modulates the laser light, and φ (t) is the phase difference due to the measurement signal of the light that has passed through the interferometer. Ccos (ωt) in this equation is called PGC. The demodulation process for obtaining φ (t) from I (t) is performed as follows. In the demodulation process, when cos [Ccos (ωt) + φ (t)] is expanded by a Bessel function, the following expression is used.

Figure 0004930068
上記展開式の1次の成分と2次の成分を、第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bにより、以下のように抽出する。
Figure 0004930068
The first-order component and the second-order component of the expansion formula are extracted by the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b as follows.

第1のAM復調器34aは、1次信号:2J1 (C)・sinφ(t)・cosωt を、第2のAM復調器34bは、2次信号:2J2 (C)・cosφ(t)・cos2ωt を、同期検波して、それぞれ1次信号:J1 (C)・sinφ(t)および2次信号:J2 (C)・cosφ(t)を抽出する。第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bは、同期検波のために、PGC信号発生器30から信号線30bを介して正弦波電圧を受ける。 The first AM demodulator 34a is the primary signal: 2J 1 (C) · sinφ (t) · cosωt, and the second AM demodulator 34b is the secondary signal: 2J 2 (C) · cosφ (t). Cos2ωt is synchronously detected to extract primary signals: J 1 (C) · sinφ (t) and secondary signals: J 2 (C) · cosφ (t), respectively. The first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b receive a sine wave voltage from the PGC signal generator 30 via the signal line 30b for synchronous detection.

第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bの出力から、信号位相φ(t)を抽出する方法は種々あるが、逆正接処理による場合は、J1 (C)・sinφ(t)をJ2 (C)・cosφ(t)で割って、さらに、J2 (C)/J1 (C)をかけて、tan-1(アークtan)をとることによって信号位相φ(t)を抽出する。 There are various methods for extracting the signal phase φ (t) from the outputs of the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b, but J 1 (C) · sinφ (t ) Divided by J 2 (C) · cosφ (t), then multiplied by J 2 (C) / J 1 (C), and tan −1 (arc tan) is taken to obtain the signal phase φ (t) To extract.

具体的に、上記の処理を説明する。O/E変換器26から信号線26aを介してA/D変換器32に、干渉光I(t)に相当する電気信号を出力する。A/D変換器32によりA/D変換した信号を、信号線32aを介して、第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bに送る。第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bは、A/D変換器32から出力される電気信号を受け、また、PGC信号発生器30から正弦波電圧を受けて、それぞれ1次信号:J1 (C)・sinφ(t)および2次信号 :J2 (C)・cosφ(t)を抽出する。すなわち、PGC信号発生器30と同期の取れた第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bで、PGCの奇数次の振幅である干渉光の位相の正弦、PGCの偶数次の振幅である干渉光の位相の余弦を抽出する。 Specifically, the above processing will be described. An electrical signal corresponding to the interference light I (t) is output from the O / E converter 26 to the A / D converter 32 via the signal line 26a. The signal A / D converted by the A / D converter 32 is sent to the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b via the signal line 32a. The first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b receive the electrical signal output from the A / D converter 32 and the sine wave voltage from the PGC signal generator 30, respectively. Signal: J 1 (C) · sinφ (t) and secondary signal: J 2 (C) · cosφ (t) are extracted. That is, the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b synchronized with the PGC signal generator 30 are used to determine the sine of the phase of the interference light, which is the odd-order amplitude of the PGC, and the even-order amplitude of the PGC. The cosine of the phase of the interference light is extracted.

第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bの具体的な構成方法は種々あるが、たとえば、乗算器と低域通過フィルタ(LPF)でAM復調器を構成してもよい。すなわち、第1のAM復調器34aでは、A/D変換器32から出力される電気信号と、PGC信号発生器30からの正弦波電圧とを乗算し、乗算結果をLPFで処理する。第2のAM復調器34bでは、A/D変換器32から出力される電気信号と、PGC信号発生器30からの正弦波電圧を2倍の周波数にしたものとを乗算し、乗算結果をLPFで処理する。正弦波電圧を2倍にする理由は、既述のように、第1のAM復調器34aは、cosωtを含む1次信号を復調し、第2のAM復調器34bは、cos2ωtを含む2次信号を復調するためである。   There are various specific methods for configuring the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b. For example, the AM demodulator may be configured by a multiplier and a low-pass filter (LPF). That is, the first AM demodulator 34a multiplies the electrical signal output from the A / D converter 32 by the sine wave voltage from the PGC signal generator 30, and processes the multiplication result with the LPF. The second AM demodulator 34b multiplies the electrical signal output from the A / D converter 32 by the frequency obtained by doubling the sine wave voltage from the PGC signal generator 30, and the multiplication result is LPF. Process with. The reason for doubling the sinusoidal voltage is that, as described above, the first AM demodulator 34a demodulates the primary signal including cosωt, and the second AM demodulator 34b includes the secondary signal including cos2ωt. This is for demodulating the signal.

第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bはそれぞれ、信号線36a、36bを介して1次信号:J1 (C)・sinφ(t)および2次信号 :J2 (C)・cosφ(t)を逆正接演算器38に出力する。逆正接演算器38は、既述のように逆正接で位相φ(t)を算出して、位相φ(t)を、信号線38aを介して、アンラップ処理器40に出力する。 The first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b are respectively connected to a primary signal: J 1 (C) · sinφ (t) and a secondary signal: J 2 (C) via signal lines 36a and 36b. Cosφ (t) is output to the arc tangent calculator 38. The arc tangent calculator 38 calculates the phase φ (t) by arc tangent as described above, and outputs the phase φ (t) to the unwrap processor 40 via the signal line 38a.

アンラップ処理器40は、逆正接の不連続点を繋ぎ合わせるアンラップ処理をする。アンラップ処理が必要な理由は次のとおりである。一般に逆正接演算による演算結果は、引数を2つにしても、-π〜πの範囲で出力される。したがって、たとえば入力信号φが3.0→3.1→3.2→3.3と変化したとき、逆正接演算器38による演算結果は、3.0→3.1→-3.08(=3.2-2π)→-2.98となる。アンラップ処理器40は、過去の値を参考にして2πn(nは整数)のずれを補正する処理を行う。アンラップ処理器40は、得られた位相φ(t)を、信号線40aを介して、出力端子42に出力する。このようにして、干渉光の位相に含まれる信号を復調する。A/D変換器32、第1のAM復調器34a、第2のAM復調器34b、逆正接演算器38、アンラップ処理器40は、PGC復調器44を構成する。PGC復調器44が、干渉計からの干渉光から物理量に対応する測定信号を検出する。   The unwrap processor 40 performs unwrap processing for connecting discontinuous points of arctangents. The reason why the unwrap process is necessary is as follows. In general, the result of the arc tangent calculation is output in the range of −π to π even if there are two arguments. Therefore, for example, when the input signal φ changes from 3.0 → 3.1 → 3.2 → 3.3, the calculation result by the arctangent calculator 38 becomes 3.0 → 3.1 → −3.08 (= 3.2−2π) → −2.98. The unwrap processor 40 performs processing for correcting a shift of 2πn (n is an integer) with reference to past values. The unwrap processor 40 outputs the obtained phase φ (t) to the output terminal 42 via the signal line 40a. In this way, the signal included in the phase of the interference light is demodulated. The A / D converter 32, the first AM demodulator 34a, the second AM demodulator 34b, the arc tangent calculator 38, and the unwrap processor 40 constitute a PGC demodulator 44. The PGC demodulator 44 detects a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer.

以上述べたように、センシング光の位相変化は、検出すべき物理量に起因して起こるが、それ以外に、温度変化と圧力変化でも起こる。温度変化と圧力変化の周波数は低いので、物理量とは、周波数の違いを利用して分離できる。   As described above, the phase change of the sensing light occurs due to the physical quantity to be detected, but it also occurs due to temperature change and pressure change. Since the frequency of temperature change and pressure change is low, it can be separated from the physical quantity by utilizing the difference in frequency.

しかし、復調に誤差がある場合、高い周波数の雑音が発生する。たとえば第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bの出力振幅をそれぞれ、a1、a2としたときに、出力振幅a1とa2が一致しない場合、逆正接の演算で誤差が生じる。以下、これについて説明する。位相の真値をφ、誤差をΔφとすると、Δφは次式で表される。   However, when there is an error in demodulation, high frequency noise is generated. For example, when the output amplitudes of the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b are a1 and a2, respectively, and the output amplitudes a1 and a2 do not match, an error occurs in the arctangent calculation. This will be described below. Assuming that the true value of the phase is φ and the error is Δφ, Δφ is expressed by the following equation.

Figure 0004930068
ここで、Δφ<<1radとして近似した。かりに、温度変化による位相ドリフトがα[rad/sec]で一定のとき、ドリフトで位相が1周するごとに正弦波状の出力が2周期現われて雑音となる。以下、これを、単に雑音と記す。次式に示すように、雑音の振幅が復調誤差の最大値と一致し、周波数はα/π[Hz]で表される。
Figure 0004930068
Here, it approximated as (DELTA) phi << 1rad. Incidentally, when the phase drift due to temperature change is constant at α [rad / sec], a sinusoidal output appears for two cycles each time the phase makes one round due to drift, resulting in noise. Hereinafter, this is simply referred to as noise. As shown in the following equation, the amplitude of noise coincides with the maximum value of the demodulation error, and the frequency is represented by α / π [Hz].

Figure 0004930068
位相ドリフトの速度が変化すると、それに応じて雑音の周波数が変化する。PGC信号発生器30の波形歪み、圧電子28で発生する高調波でもAM復調器34a、34bの出力の振幅誤差の原因となり、同様に雑音が発生する。センシングファイバ14aと遅延補償ファイバ18aにおいて、温度及び圧力が大きく変化する場合、雑音の周波数が信号帯域に達して分離できない雑音となる。
Figure 0004930068
As the phase drift speed changes, the noise frequency changes accordingly. Even the waveform distortion of the PGC signal generator 30 and the harmonics generated by the piezoelectric 28 cause the amplitude error of the outputs of the AM demodulators 34a and 34b, and noise is generated similarly. In the sensing fiber 14a and the delay compensation fiber 18a, when the temperature and pressure greatly change, the noise frequency reaches the signal band and becomes noise that cannot be separated.

この問題を解決するための本発明の実施例を図1により説明する。以下では、図2と同様な部分については、同一の参照符号を付し、その説明は省略する。図1に、本発明による干渉型光ファイバセンサシステム50の第1の実施例の構成を示す。図1を参照すると、本実施例は、雑音低減信号を加えることで位相ドリフトによる雑音を抑制することを特徴とする。   An embodiment of the present invention for solving this problem will be described with reference to FIG. In the following, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. FIG. 1 shows a configuration of a first embodiment of an interference type optical fiber sensor system 50 according to the present invention. Referring to FIG. 1, this embodiment is characterized in that noise due to phase drift is suppressed by adding a noise reduction signal.

そのために、本実施例では、雑音低減信号発生器46を設け、発生器46により雑音低減信号を生成する。雑音低減信号発生器46は、干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を干渉計に印加するものである。生成した雑音低減信号を、信号線46aを介して加算器48に出力する。   For this purpose, in this embodiment, a noise reduction signal generator 46 is provided, and the generator 46 generates a noise reduction signal. The noise reduction signal generator 46 applies a noise reduction signal for reducing the noise signal included in the interference light to the interferometer. The generated noise reduction signal is output to the adder 48 via the signal line 46a.

加算器48には、PGC信号発生器30から信号線30bを介して正弦波電圧も入力される。加算器48は、雑音低減信号と、正弦波電圧とを加算し、加算した信号を、信号線48aを介して、圧電子28に出力する。この結果、遅延補償ファイバ18aにおいて、測定すべき信号と、雑音信号と、既述のPGCと、雑音低減信号とが加算された信号が発生する。なお、2つの正弦波を重ねることが目的であるため、加算器48は、減算器でもよい。ただし、正弦波のときは、乗算でも2つの正弦波を重ねた形になるため、本実施例では、乗算器も利用できる。   The adder 48 also receives a sine wave voltage from the PGC signal generator 30 via the signal line 30b. The adder 48 adds the noise reduction signal and the sine wave voltage, and outputs the added signal to the piezoelectric 28 via the signal line 48a. As a result, a signal in which the signal to be measured, the noise signal, the PGC described above, and the noise reduction signal are added is generated in the delay compensation fiber 18a. Since the purpose is to superimpose two sine waves, the adder 48 may be a subtractor. However, in the case of a sine wave, since multiplication is performed by superimposing two sine waves, a multiplier can also be used in this embodiment.

雑音低減信号が加算された場合、既述のI(t)=A+Bcos[(PGC信号)+(測定信号)+(温度ドリフト)は、I(t)=A+Bcos[(PGC信号)+(測定信号)+(温度ドリフト)+(雑音低減信号)]となる。雑音低減信号を正弦波状にした場合、PGC信号に起因する既述のベッセル関数に加えて、雑音低減信号に起因するベッセル関数が追加される。   When the noise reduction signal is added, the aforementioned I (t) = A + Bcos [(PGC signal) + (measurement signal) + (temperature drift) is I (t) = A + Bcos [(PGC signal) + (Measurement signal) + (temperature drift) + (noise reduction signal)]. When the noise reduction signal has a sine wave shape, a Bessel function resulting from the noise reduction signal is added to the Bessel function described above resulting from the PGC signal.

ここで、雑音低減信号の周波数fshiftは、次式を満たすように設定する。 Here, the frequency f shift of the noise reduction signal is set so as to satisfy the following equation.

Figure 0004930068
ここで、fSHは、測定すべき信号帯域の上限周波数、fNHは、想定される雑音信号の最高周波数である。雑音低減信号の波形は正弦波とすることが望ましく、雑音低減信号の振幅は復調器出力において、
Figure 0004930068
Here, f SH is the upper limit frequency of the signal band to be measured, and f NH is the highest frequency of the assumed noise signal. The waveform of the noise reduction signal is preferably a sine wave, and the amplitude of the noise reduction signal is at the demodulator output,

Figure 0004930068
とすることが望ましい。ここで、J0は0次の第1種ベッセル関数、Ashiftは雑音低減信号の振幅である。たとえば、
Figure 0004930068
Is desirable. Here, J 0 is the zeroth-order first-type Bessel function, and A shift is the amplitude of the noise reduction signal. For example,

Figure 0004930068
で(4)式を満たす。
Figure 0004930068
(4) is satisfied.

本実施例では、雑音低減信号を付加したことに伴い、復調器52の出力段にLPF 54を設ける。LPF 54の遮断周波数fLPFは、次式を満たすように設定する。 In this embodiment, an LPF 54 is provided at the output stage of the demodulator 52 in accordance with the addition of the noise reduction signal. The cutoff frequency f LPF of the LPF 54 is set so as to satisfy the following equation.

Figure 0004930068
LPF 54は、信号線54aを介して、雑音が低減された信号を出力端子42に出力する。LPF 54は、復調器52が出力する測定信号に含まれる雑音低減信号を低減する。復調器52は、雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力する。なお、PGCの周波数の設定においては、雑音低減信号も考慮して、雑音低減信号がPGC周波数から折り返す現象で問題にならないように、PGC周波数を設定する。
Figure 0004930068
The LPF 54 outputs a signal with reduced noise to the output terminal 42 via the signal line 54a. The LPF 54 reduces the noise reduction signal included in the measurement signal output from the demodulator 52. The demodulator 52 outputs a measurement signal with noise reduced by the noise reduction signal. In setting the PGC frequency, the PGC frequency is set in consideration of the noise reduction signal so as not to cause a problem due to the phenomenon that the noise reduction signal turns back from the PGC frequency.

このように構成された干渉型光ファイバセンサシステム50の動作を次に説明する。図2のシステム10との相違点は、雑音低減信号を加えることで雑音信号の周波数が、信号帯域より高い周波数にシフトし、LPF 54で遮断されることである。正弦波状の雑音低減信号を加えた場合、(1)式のΔφは、次式のようになる。   Next, the operation of the interference type optical fiber sensor system 50 configured as described above will be described. The difference from the system 10 of FIG. 2 is that by adding a noise reduction signal, the frequency of the noise signal is shifted to a frequency higher than the signal band and is blocked by the LPF 54. When a sinusoidal noise reduction signal is added, Δφ in the equation (1) is expressed by the following equation.

Figure 0004930068
この式は、次のように、ベッセル関数で展開できる。
Figure 0004930068
This equation can be expanded by a Bessel function as follows.

Figure 0004930068
(6)式の[ ]内の最初の項は、図1に示す例でも発生する項であり、本実施例では、Ashiftがゼロでなくなるため、J0(2Ashift)が1未満の係数となる。これにより、高周波にシフトしないで残る成分が小さくなり、雑音が抑制されることが分かる。[ ]内の2番目以降の項は、J1(2Ashift)、J2(2Ashift)がゼロではなくなることで、fshiftの整数倍の周波数帯に、雑音成分がシフトすることを表している。さらに、(4)式の条件を満たす場合、(6)式の[ ]内の最初の項がほぼゼロとなり、雑音成分の内、高周波にシフトしないで残る成分が最小になる。
Figure 0004930068
The first term in [] in equation (6) is a term that also occurs in the example shown in FIG. 1. In this embodiment, A shift is not zero, so that J 0 (2A shift ) is a coefficient less than 1. It becomes. As a result, it can be seen that the component remaining without shifting to high frequency is reduced, and noise is suppressed. The second and subsequent terms in [] indicate that the noise component shifts to a frequency band that is an integral multiple of f shift when J 1 (2A shift ) and J 2 (2A shift ) are no longer zero. Yes. Furthermore, when the condition of the expression (4) is satisfied, the first term in [] of the expression (6) is almost zero, and the remaining noise component without shifting to a high frequency is minimized.

なお、(3)式を満たすため、(6)式の[]内の2番目の項からの折り返しが信号帯域に重なる現象を防止できる。さらに、(5)式を満たすフィルタ54により、(6)式の[ ]内の2番目以降の項、すなわち高周波にシフトした雑音を遮断することができる。   Since the expression (3) is satisfied, the phenomenon that the folding from the second term in [] of the expression (6) overlaps the signal band can be prevented. Further, the filter 54 satisfying the expression (5) can block the second and subsequent terms in [] of the expression (6), that is, noise shifted to a high frequency.

本実施例によれば、雑音を抑制した干渉型光ファイバセンサシステムを提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide an interference type optical fiber sensor system in which noise is suppressed.

次に、本発明の干渉型光ファイバセンサシステムの第2の実施例を説明する。図3に、第2の実施例に係る干渉型光ファイバセンサシステム60の構成を示す。第1の実施例との相違点は、PGCを用いる復調方式から、多ポートの光カプラを用いる方式にしたことである。図1の光カプラ18の代わりに、3ポートの光カプラ56を設ける。図1と同様に、ミラー16a、16bで、それぞれ反射されたパルス光は、それぞれ光ファイバ14a、14bを戻り、第1の光カプラ14と光ファイバ14cを経由して、第2の光カプラ56に入力される。   Next, a second embodiment of the interference type optical fiber sensor system of the present invention will be described. FIG. 3 shows a configuration of an interference type optical fiber sensor system 60 according to the second embodiment. The difference from the first embodiment is that a demodulation system using PGC is changed to a system using a multi-port optical coupler. Instead of the optical coupler 18 of FIG. 1, a three-port optical coupler 56 is provided. As in FIG. 1, the pulse lights reflected by the mirrors 16a and 16b return to the optical fibers 14a and 14b, respectively, pass through the first optical coupler 14 and the optical fiber 14c, and the second optical coupler 56. Is input.

光カプラ56に入力されたセンシング光20とリファレンス光22は、それぞれ光カプラ56により2つに分割される。分割されたパルス光の一方は、光カプラ56に接続された遅延補償ファイバ18aを通過してミラー24aに入射する。ミラー24aで反射されて、遅延補償ファイバ18a、光カプラ56、光ファイバ56a、56bを順に通過して第1のO/E変換器58aと第2のO/E変換器58bに入力する。分割されたパルス光のもう一方は、光カプラ56に接続された光ファイバ18bを通過してミラー24bに入射する。ミラー24bで反射されて、光ファイバ18b、光カプラ56、光ファイバ56a、56bを順に通過して第1のO/E変換器58aと第2のO/E変換器58bに入力する。   The sensing light 20 and the reference light 22 input to the optical coupler 56 are divided into two by the optical coupler 56, respectively. One of the divided pulse lights passes through the delay compensation fiber 18a connected to the optical coupler 56 and enters the mirror 24a. The light is reflected by the mirror 24a, passes through the delay compensation fiber 18a, the optical coupler 56, and the optical fibers 56a and 56b in order, and is input to the first O / E converter 58a and the second O / E converter 58b. The other of the divided pulsed light passes through the optical fiber 18b connected to the optical coupler 56 and enters the mirror 24b. The light is reflected by the mirror 24b, passes through the optical fiber 18b, the optical coupler 56, and the optical fibers 56a and 56b in order, and is input to the first O / E converter 58a and the second O / E converter 58b.

センシングファイバ14aを通過して遅延補償ファイバ18aを通過しなかった光と、センシングファイバ14aを通過せずに遅延補償ファイバ18aを通過した光が同じタイミングで、第1のO/E変換器58aと第2のO/E変換器58bの両方に入力する。この結果、この2つの光は干渉し、図3に示す干渉光25が、第1のO/E変換器58aと第2のO/E変換器58bに入力する。   The light passing through the sensing fiber 14a but not passing through the delay compensation fiber 18a and the light passing through the delay compensation fiber 18a without passing through the sensing fiber 14a are at the same timing as the first O / E converter 58a. Input to both of the second O / E converters 58b. As a result, the two lights interfere with each other, and the interference light 25 shown in FIG. 3 is input to the first O / E converter 58a and the second O / E converter 58b.

第1のO/E変換器58aと第2のO/E変換器58bの出力は、PGC復調器59内の第1のA/D変換器64aと第2のA/D変換器64bに入力される。光カプラ56の分岐比を1:1:1として、第1のO/E変換器58aから信号線62aを介して出力される干渉光を、それが出力されるタイミングに合わせて、第1のA/D変換器64aにおいてサンプリングすることにより、   The outputs of the first O / E converter 58a and the second O / E converter 58b are input to the first A / D converter 64a and the second A / D converter 64b in the PGC demodulator 59. Is done. The branching ratio of the optical coupler 56 is set to 1: 1: 1, and the interference light output from the first O / E converter 58a via the signal line 62a is matched with the output timing of the first By sampling in the A / D converter 64a,

Figure 0004930068
という信号が得られる。ここで、I1は、第1のA/D変換器64aが出力する干渉光の強度である。I1は、雑音信号が無く、かつ雑音低減信号が印加されていないとしたときの干渉光の強度である。(7)式において、π/3の項がある理由は、分岐比が1:1:1の場合、3ポートの光カプラの3個の出力の間には、2π/3の位相差が生じ、2π/3の位相差を、便宜的に(7)式と、後述する(8)式にπ/3ずつ割り当てて表現したためである。
Figure 0004930068
Is obtained. Here, I 1 is the intensity of the interference light output from the first A / D converter 64a. I 1 is the intensity of the interference light when there is no noise signal and no noise reduction signal is applied. In equation (7), the reason for the term π / 3 is that when the branching ratio is 1: 1: 1, a phase difference of 2π / 3 occurs between the three outputs of the 3-port optical coupler. This is because the phase difference of 2π / 3 is expressed by assigning π / 3 to Equation (7) and Equation (8) described later for convenience.

第2のO/E変換器58bから信号線62bを介して出力される干渉光を、それが出力されるタイミングを合わせて、第2のA/D変換器64bにおいてサンプリングすることにより、   By sampling the interference light output from the second O / E converter 58b via the signal line 62b in the second A / D converter 64b in accordance with the output timing thereof,

Figure 0004930068
という信号が得られる。ここで、I2は、第2のA/D変換器64bが出力する干渉光の強度である。I2は、雑音信号が無く、かつ雑音低減信号が印加されていないとしたときの干渉光の強度である。分岐比が1:1:1の3ポートの光カプラを用いることにより、(7)、(8)式に示すように、互いに2π/3の位相差がある干渉光を得ることができる。
Figure 0004930068
Is obtained. Here, I 2 is the intensity of the interference light output from the second A / D converter 64b. I 2 is the intensity of the interference light when there is no noise signal and no noise reduction signal is applied. By using a three-port optical coupler with a branching ratio of 1: 1: 1, interference light having a phase difference of 2π / 3 can be obtained as shown in equations (7) and (8).

第1のA/D変換器64aと第2のA/D変換器64bは、サンプリング結果を、それぞれ信号線66a、66bを介して、第1の演算器68aと第2の演算器68bに出力する。第1の演算器68aは、次式に示すように、I1とI2の差に定数を掛けて、sinφに比例した出力を得る。 The first A / D converter 64a and the second A / D converter 64b output the sampling results to the first computing unit 68a and the second computing unit 68b via signal lines 66a and 66b, respectively. To do. The first computing unit 68a multiplies the difference between I 1 and I 2 by a constant to obtain an output proportional to sinφ, as shown in the following equation.

Figure 0004930068
第2の演算器68bは、次式に示すように、I1とI2の和から直流成分2Aを減算し、さらに定数を掛けて、cosφに比例した出力を得る。
Figure 0004930068
The second computing unit 68b subtracts the DC component 2A from the sum of I 1 and I 2 as shown in the following equation, and further multiplies the constant to obtain an output proportional to cos φ.

Figure 0004930068
このようにして、第1の実施例の第1のAM復調器34aと第2のAM復調器34bと同様の信号が得られる。第1の演算器68aと第2の演算器68bは、信号線70a、70bを介して2Bsinφ(t)および2Bcosφ(t)を逆正接演算器38に出力する。ここで、(9)式の2Bが(1)式のa1、(10)式の2Bが(10)式のa2に相当する。雑音信号があり、かつ雑音低減信号が印加されているときの第1の演算器68aと第2の演算器68bの出力は、第1の実施例と同様であり、雑音低減信号を用いることにより、雑音を低減することができる。
Figure 0004930068
In this way, signals similar to those of the first AM demodulator 34a and the second AM demodulator 34b of the first embodiment are obtained. The first computing unit 68a and the second computing unit 68b output 2Bsinφ (t) and 2Bcosφ (t) to the arctangent computing unit 38 via the signal lines 70a and 70b. Here, 2B in equation (9) corresponds to a 1 in equation (1), and 2B in equation (10) corresponds to a 2 in equation (10). The outputs of the first computing unit 68a and the second computing unit 68b when there is a noise signal and the noise reducing signal is applied are the same as in the first embodiment, and by using the noise reducing signal, , Noise can be reduced.

第1、第2のA/D変換器64a、64b、第1、第2のAM復調器64a、64b、逆正接演算器38、アンラップ処理器40、LPF 54は、復調器59を構成する。復調器59が、干渉計からの干渉光から、物理量に対応する測定信号を検出する。   The first and second A / D converters 64a and 64b, the first and second AM demodulators 64a and 64b, the arctangent calculator 38, the unwrap processor 40, and the LPF 54 constitute a demodulator 59. The demodulator 59 detects a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer.

本実施例の干渉型光ファイバセンサシステム60は、多ポートの光カプラ56を用いて復調する以外の点では、第1の実施例と同様に動作する。a1= a2となることが理想であるが、3ポート光カプラの分岐比誤差、第1のO/E変換器58aと第2のO/E変換器58bの変換利得の違いなどから誤差が生じ、(1)式で表される雑音の要因となる。しかし、雑音低減信号により信号帯域内の雑音は抑制される。このように、多ポートの光カプラを用いる方法で復調する構成でも、第1の実施例と同様な効果が得られる。 The interference-type optical fiber sensor system 60 of this embodiment operates in the same manner as the first embodiment except that demodulation is performed using a multi-port optical coupler 56. Ideally, a 1 = a 2 , but the error is due to the branching ratio error of the 3-port optical coupler, the difference in conversion gain between the first O / E converter 58a and the second O / E converter 58b, etc. This is a cause of noise expressed by equation (1). However, noise in the signal band is suppressed by the noise reduction signal. As described above, even when the demodulation is performed by the method using the multi-port optical coupler, the same effect as the first embodiment can be obtained.

次に、本発明の干渉型光ファイバセンサシステムの第3の実施例を説明する。図4に、第3の実施例に係る干渉型光ファイバセンサシステム80の構成を示す。本実施例では、干渉計アームとなる光ファイバ18aに、位相ドリフトを打ち消して位相ドリフトを遅くする手段であるペルチェ素子72と高熱膨張材料74を設ける。ペルチェ素子72と高熱膨張材料74は、雑音信号の周波数を低くするための雑音低減信号を干渉計に印加する手段である。   Next, a description will be given of a third embodiment of the interference type optical fiber sensor system of the present invention. FIG. 4 shows the configuration of an interference type optical fiber sensor system 80 according to the third embodiment. In the present embodiment, a Peltier element 72 and a high thermal expansion material 74, which are means for canceling the phase drift and delaying the phase drift, are provided on the optical fiber 18a serving as the interferometer arm. The Peltier element 72 and the high thermal expansion material 74 are means for applying a noise reduction signal for lowering the frequency of the noise signal to the interferometer.

図3に示すものとの相違点は、雑音低減信号発生器46を有しない代わりに、ペルチェ素子72と、熱膨張率が大きい高熱膨張材料74と、帯域通過フィルタ(BPF)78とを設けている。遅延補償ファイバ18aは、高熱膨張材料74に接着されている。復調器76内のアンラップ処理器40の出力は、信号線40aを介して帯域通過フィルタ78に送られる。帯域通過フィルタ78は、位相ドリフトの周波数帯の信号は通すが、測定信号の周波数帯の信号は通さないように、その周波数が設定されている。帯域通過フィルタ78は、帯域を制限した信号を、信号線78aを介して、増幅器82に出力する。増幅器82は、入力された信号を増幅して、信号線82aを介して、増幅後の信号をペルチェ素子72に出力する。増幅器82によりペルチェ素子72は駆動される。ペルチェ素子72は、入力された信号に従って、遅延補償ファイバ18aが接着されている高熱膨張材料74を加熱または冷却して高熱膨張材料74の温度を変える。   3 differs from that shown in FIG. 3 in that a Peltier element 72, a high thermal expansion material 74 having a high coefficient of thermal expansion, and a band pass filter (BPF) 78 are provided instead of having the noise reduction signal generator 46. Yes. The delay compensation fiber 18a is bonded to the high thermal expansion material 74. The output of the unwrap processor 40 in the demodulator 76 is sent to the band pass filter 78 via the signal line 40a. The frequency of the band pass filter 78 is set so as to pass signals in the frequency band of phase drift but not signals in the frequency band of the measurement signal. The band pass filter 78 outputs a signal whose band is limited to the amplifier 82 via the signal line 78a. The amplifier 82 amplifies the input signal and outputs the amplified signal to the Peltier element 72 via the signal line 82a. The Peltier element 72 is driven by the amplifier 82. The Peltier element 72 changes the temperature of the high thermal expansion material 74 by heating or cooling the high thermal expansion material 74 to which the delay compensation fiber 18a is bonded in accordance with the input signal.

ペルチェ素子72による加熱または冷却の方向は、センシングファイバ14aと遅延補償ファイバ18aで起きる位相ドリフトを打ち消す方向とする。BPF 78の低域遮断周波数は、ペルチェ素子72を駆動する増幅器82が飽和しないように、かつ、ペルチェ素子72が極度な加熱または冷却で故障しないように設定する。BPF 78により低域周波数を遮断する理由は、低域周波数が通過すると、直流成分が累積されて大きくなることがあり、このときに増幅器82が飽和するか、または極度な過熱または冷却が起きるからである。そこで、ゆっくりと増幅器82の出力を下げ、ペルチェ素子72を周囲温度に近づけるようにしておく必要がある。BPF 78の高域遮断周波数は、信号帯域の下限より低く設定する。   The direction of heating or cooling by the Peltier element 72 is set to cancel the phase drift occurring in the sensing fiber 14a and the delay compensation fiber 18a. The low cut-off frequency of the BPF 78 is set so that the amplifier 82 that drives the Peltier element 72 is not saturated and the Peltier element 72 is not damaged by extreme heating or cooling. The reason why the low frequency is cut off by the BPF 78 is that when the low frequency passes, the DC component may accumulate and become large, and at this time, the amplifier 82 is saturated or extreme overheating or cooling occurs. It is. Therefore, it is necessary to slowly lower the output of the amplifier 82 so that the Peltier element 72 approaches the ambient temperature. The high cutoff frequency of BPF 78 is set lower than the lower limit of the signal band.

高熱膨張材料74には、ガラスより熱膨張が大きく、かつ応答速度が早い熱容量の小さいアルミニウム合金などが適している。本実施例によれば、位相ドリフトの速度が低くなり、雑音が低い周波数にシフトして、雑音を抑制できる。   As the high thermal expansion material 74, an aluminum alloy having a thermal expansion larger than that of glass and a quick response speed is suitable. According to the present embodiment, the speed of the phase drift is reduced, the noise is shifted to a lower frequency, and the noise can be suppressed.

なお、本実施例で、PGC信号発生器が不要な理由は、3ポート光カプラを使っているためであり、雑音低減信号発生器が不要な理由は、第2の実施例とは違う方法で雑音を抑制するからである。第2の実施例では、雑音を信号帯域より高い周波数にシフトさせているが、第3の実施例では、雑音を信号帯域より低い周波数にシフトさせている。   In this embodiment, the reason why the PGC signal generator is unnecessary is because a 3-port optical coupler is used. The reason why the noise reduction signal generator is not required is different from that in the second embodiment. This is because noise is suppressed. In the second embodiment, the noise is shifted to a frequency higher than the signal band. In the third embodiment, the noise is shifted to a frequency lower than the signal band.

なお、すべての実施例で逆正接演算器とアンラップ演算器を用いて、sinφ(t)とcosφ(t)の逆正接演算により、位相φ(t)を算出しているが、本発明はこれに限られるものではなく、非特許文献1の復調回路を用いることもできる。すなわち、微分クロス乗算と減算でφ(t)の時間微分を算出し、これを積分して、非特許文献1の(3)式に示すφ(t)に比例した量を求めてもよい。   In all of the embodiments, the phase Φ (t) is calculated by the arc tangent calculation of sinφ (t) and cosφ (t) using the arc tangent calculator and the unwrapping calculator. However, the demodulation circuit disclosed in Non-Patent Document 1 can also be used. That is, the time derivative of φ (t) may be calculated by differential cross multiplication and subtraction, and this may be integrated to obtain an amount proportional to φ (t) shown in Equation (3) of Non-Patent Document 1.

また、第2の実施例では分岐比1:1:1の3ポートカプラを用いているが、分岐比やポート数の異なる光カプラを用いても、光カプラに応じて演算器での演算を変えることで位相復調することができる。   In the second embodiment, a three-port coupler having a branching ratio of 1: 1: 1 is used. However, even if an optical coupler having a different branching ratio or the number of ports is used, the calculation by the calculator is performed according to the optical coupler. By changing the phase, the phase can be demodulated.

すべての実施例で、光カプラとミラーを用いるマイケルソン干渉計を構成する例で説明したが、本発明は、マッハ・ツェンダ干渉計など他の干渉計を用いることもできる。干渉計のタイプを替えた場合でも、第1または第2の実施例と同様に、干渉計のアームで、雑音を信号帯域より高い周波数にシフトするか、第3の実施例と同様に、雑音を低い周波数にシフトさせることができる。   In all the embodiments, the example of configuring the Michelson interferometer using the optical coupler and the mirror has been described. However, the present invention can also use other interferometers such as a Mach-Zehnder interferometer. Even when the type of the interferometer is changed, the noise is shifted to a frequency higher than the signal band by the arm of the interferometer as in the first or second embodiment, or the noise is changed in the same manner as in the third embodiment. Can be shifted to a lower frequency.

本発明では、非特許文献1に示された複数のセンサからなるセンサアレイを用いることもできる。第3の実施例をセンサアレイに適用する場合、センサアレイを構成する全センサから出力される信号をBPFに通し、これらのBPF出力の平均値をペルチェ素子に入力することが望ましい。しかし、全センサの位相ドリフトが互いに近い場合、代表的な1つの位相ドリフトを用いるだけでもよい。   In this invention, the sensor array which consists of a some sensor shown by the nonpatent literature 1 can also be used. When the third embodiment is applied to the sensor array, it is desirable to pass signals output from all the sensors constituting the sensor array to the BPF and input an average value of these BPF outputs to the Peltier element. However, if the phase drift of all sensors is close to each other, only one typical phase drift may be used.

なお、第1の実施例と第2の実施例では圧電子を用いているが、圧電子の代わりに、電磁アクチュエータで遅延補償ファイバを歪ませてもよく、非特許文献1と同様にパルス光源12の周波数を周波数変調するなど、他の手段で光の位相を変化させてもよい。   In the first and second embodiments, piezoelectrons are used. However, instead of piezoelectrons, the delay compensation fiber may be distorted by an electromagnetic actuator. The phase of light may be changed by other means such as frequency modulation of 12 frequencies.

また、第3の実施例では高熱膨張材料とペルチェ素子を用いているが、他の方式、たとえばヒータ、圧電子、電磁アクチュエータなどに替えて、位相ドリフトを抑制してもよい。また、レーザ光源12の周波数を変化させるなど他の手段で位相ドリフトを抑制することもできる。また、高熱膨張材料を用いずに、温度制御手段で光ファイバの温度を制御し、光ファイバ自体の温度変化による光ファイバの屈折率変化で位相ドリフトを抑制することもできる。   Moreover, although the high thermal expansion material and the Peltier element are used in the third embodiment, the phase drift may be suppressed instead of other methods such as a heater, a piezoelectric electron, an electromagnetic actuator, and the like. Further, the phase drift can be suppressed by other means such as changing the frequency of the laser light source 12. Further, without using a high thermal expansion material, the temperature of the optical fiber can be controlled by the temperature control means, and the phase drift can be suppressed by the refractive index change of the optical fiber due to the temperature change of the optical fiber itself.

なお、第3の実施例ではBPFを用いているが、高熱膨張材料の温度変化を含む位相変化の応答速度が、信号帯域に影響しない程度に遅い速度の場合、BPFから高域遮断の機能を外した高域通過フィルタ(HPF)としてもよい。   Although the BPF is used in the third embodiment, if the response speed of the phase change including the temperature change of the high thermal expansion material is slow enough not to affect the signal band, the function of blocking the high frequency from the BPF is provided. The removed high-pass filter (HPF) may be used.

すべての実施例において、O/E変換後にA/D変換器で干渉光をサンプリングしているが、パルスを切り出すゲート回路や、サンプルホールド回路などを用いることもできる。   In all the embodiments, the interference light is sampled by the A / D converter after the O / E conversion. However, a gate circuit for cutting out a pulse, a sample hold circuit, or the like can be used.

第1の実施例と第2の実施例では、遅延補償ファイバで雑音低減信号を発生させているが、干渉計のアームとなるほかの部分で雑音低減信号を発生させることもできる。また、第3の実施例では遅延補償ファイバで位相ドリフトを抑制しているが、干渉計のアームとなるほかの部分で位相ドリフトを抑制することもできる。   In the first embodiment and the second embodiment, the noise reduction signal is generated by the delay compensation fiber, but the noise reduction signal can also be generated in the other part which becomes the arm of the interferometer. Further, in the third embodiment, the phase drift is suppressed by the delay compensation fiber, but the phase drift can also be suppressed by the other part serving as the arm of the interferometer.

本発明による干渉型光ファイバセンサシステムの第1の実施例の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the 1st Example of the interference type optical fiber sensor system by this invention. 干渉型光ファイバセンサシステムの測定原理を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the measurement principle of an interference type optical fiber sensor system. 本発明による干渉型光ファイバセンサシステムの第2の実施例の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the 2nd Example of the interference type optical fiber sensor system by this invention. 本発明による干渉型光ファイバセンサシステムの第3の実施例の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the 3rd Example of the interference type optical fiber sensor system by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10、50、60、80 干渉型光ファイバセンサシステム
14a センシングファイバ
14b リファレンスファイバ
18a 遅延補償ファイバ
26 O/E変換器
28 圧電子
30 PGC信号発生器
44、52 PGC復調器
46 雑音低減信号発生器
59、76 復調器
72 ペルチェ素子
74 高熱膨張材料
78 BPF
10, 50, 60, 80 Interferometric optical fiber sensor system
14a Sensing fiber
14b Reference fiber
18a Delay compensation fiber
26 O / E converter
28 Piezoelectric
30 PGC signal generator
44, 52 PGC demodulator
46 Noise reduction signal generator
59, 76 Demodulator
72 Peltier element
74 High thermal expansion material
78 BPF

Claims (9)

物理量を検知するセンシングファイバおよびリファレンスファイバを有する干渉計と、該干渉計からの干渉光から前記物理量に対応する測定信号を検出する検出部とを含む干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、該システムは、
前記干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を前記干渉計に印加する印加手段を含み、
前記検出部は、前記雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力し、
前記雑音低減信号は、前記雑音信号の周波数を変化させるための信号であることを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。
An interference type optical fiber sensor system including an interferometer having a sensing fiber and a reference fiber for detecting a physical quantity, and a detection unit for detecting a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer.
Applying means for applying a noise reduction signal for reducing a noise signal included in the interference light to the interferometer;
The detection unit outputs a measurement signal in which noise is reduced by the noise reduction signal,
The interference type optical fiber sensor system, wherein the noise reduction signal is a signal for changing a frequency of the noise signal.
請求項に記載の干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、前記雑音低減信号は、前記雑音信号の周波数を高くするための信号であることを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。 2. The interference type optical fiber sensor system according to claim 1 , wherein the noise reduction signal is a signal for increasing a frequency of the noise signal. 請求項に記載の干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、前記雑音低減信号は正弦波であり、該正弦波の振幅は、該振幅の2倍を0次のベッセル関数の引数としたときに該0次のベッセル関数の値がゼロになるものであることを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。 3. The interference type optical fiber sensor system according to claim 2 , wherein the noise reduction signal is a sine wave, and the amplitude of the sine wave is 0 when an amplitude of the 0th order Bessel function is set to twice the amplitude. An interference type optical fiber sensor system characterized in that the value of the next Bessel function is zero. 請求項に記載の干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、前記印加手段が印加する前記雑音低減信号は、前記雑音信号の周波数を低くするための信号であることを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。 2. The interference type optical fiber sensor system according to claim 1 , wherein the noise reduction signal applied by the applying unit is a signal for lowering the frequency of the noise signal. . 請求項に記載の干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、前記印加手段は、干渉計を構成する干渉計アームに対して設けられ、該印加手段は、熱膨張率が所定値より大きい材料と、該材料を加熱または冷却する温度制御手段とを含むことを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。 5. The interference type optical fiber sensor system according to claim 4 , wherein the applying means is provided to an interferometer arm constituting an interferometer, and the applying means includes a material having a thermal expansion coefficient larger than a predetermined value, And a temperature control means for heating or cooling the material. 請求項に記載の干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、前記材料はアルミニウム合金であり、前記温度制御手段はペルチェ素子であることを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。 6. The interference type optical fiber sensor system according to claim 5 , wherein the material is an aluminum alloy, and the temperature control means is a Peltier element. 物理量を検知するセンシングファイバおよびリファレンスファイバを有する干渉計と、該干渉計からの干渉光から前記物理量に対応する測定信号を検出する検出部とを含む干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、該システムは、
前記干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を前記干渉計に印加する印加手段を含み、
前記検出部は、前記雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力し、
前記雑音低減信号の周波数は、前記測定信号の上限の周波数と、前記雑音信号の周波数との和より高いことを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。
An interference type optical fiber sensor system including an interferometer having a sensing fiber and a reference fiber for detecting a physical quantity, and a detection unit for detecting a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer.
Applying means for applying a noise reduction signal for reducing a noise signal included in the interference light to the interferometer;
The detection unit outputs a measurement signal in which noise is reduced by the noise reduction signal,
The interference-type optical fiber sensor system, wherein the frequency of the noise reduction signal is higher than the sum of the upper limit frequency of the measurement signal and the frequency of the noise signal.
物理量を検知するセンシングファイバおよびリファレンスファイバを有する干渉計と、該干渉計からの干渉光から前記物理量に対応する測定信号を検出する検出部とを含む干渉型光ファイバセンサシステムにおいて、該システムは、
前記干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を前記干渉計に印加する印加手段を含み、
前記検出部は、前記雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力し、
該システムはさらに、前記検出部が検出する前記測定信号に含まれる前記雑音低減信号を低減する低減手段を含むことを特徴とする干渉型光ファイバセンサシステム。
An interference type optical fiber sensor system including an interferometer having a sensing fiber and a reference fiber for detecting a physical quantity, and a detection unit for detecting a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer.
Applying means for applying a noise reduction signal for reducing a noise signal included in the interference light to the interferometer;
The detection unit outputs a measurement signal in which noise is reduced by the noise reduction signal,
The system further includes a reduction unit that reduces the noise reduction signal included in the measurement signal detected by the detection unit.
センシングファイバおよびリファレンスファイバを有する干渉計により物理量を検知し、該干渉計からの干渉光から該物理量に対応する測定信号を検出する干渉型光ファイバセンシング方法において、該方法は、
前記干渉光に含まれる雑音信号を低減するための雑音低減信号を前記干渉計に印加し、
該雑音低減信号により雑音が低減された測定信号を出力し、
前記雑音低減信号は、前記雑音信号の周波数を変化させるための信号であることを特徴とする干渉型光ファイバセンシング方法。
In the interferometric optical fiber sensing method of detecting a physical quantity with an interferometer having a sensing fiber and a reference fiber, and detecting a measurement signal corresponding to the physical quantity from the interference light from the interferometer, the method includes:
Applying a noise reduction signal for reducing a noise signal included in the interference light to the interferometer;
Outputting a measurement signal in which noise is reduced by the noise reduction signal ;
It said noise reduction signal, the interference type optical fiber sensing wherein the signal der Rukoto for changing the frequency of the noise signal.
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