JP5053633B2 - 位相生成搬送波を用いた光ファイバセンサアレイにおける位相信号の計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、概括的には信号処理に関し、より詳細には、光ファイバセンサアレイからの信号の復調に関する。
政府の権利について
アメリカ合衆国政府は、米国海軍省によって授与された契約第Ｎ０００２４−０２Ｃ−６３０５号に従って、本発明における権利を有する。

時分割多重式（「ＴＤＭ」）システムの光ファイバセンサアレイは、パラメータ、たとえば、音響振動、流体圧変動、加速度、及び磁界強度の変化を測定するのに使用されることが多い。光ファイバセンサアレイは、周期Ｔを有する位相生成搬送波を使用して、所与のサンプリングレートでパラメータの変化を測定する。光ファイバセンサアレイは、パラメータに関連する位相角を、光出力パルス上の振幅変動に変換する。

位相角は、出力パルスの種々の復調技法によって測定される。典型的な復調技法は、出力パルスの直交成分Ｑ及び同相成分Ｉを使用する。直交成分Ｑは、位相角の正弦（サイン）に対応し、同相成分Ｉは、位相角の余弦（コサイン）に対応する。比Ｑ／Ｉのアークタンジェントは位相角に等しい。パラメータの変化のマグニチュードは、その後、位相角の変化から計算することができる。

直交成分Ｑ及び同相成分Ｉの計算は、位相生成搬送波の特定の間隔での、出力パルスの複数のサンプルを必要とする。位相生成搬送波は、出力パルスの周期より大幅に長い周期を含む。位相生成搬送波のより長い周期は、位相生成搬送波のそれぞれ必要とされる間隔を得るために、いくつかの出力パルスに及ぶサンプルを必要とする。スループットの増加を促進するために、位相角の計算レートを上げることが望ましい。一定サンプリングレートの場合、位相角の計算レートを上げるために、必要とされるサンプル数を減らさなければならない。

したがって、位相生成搬送波を使用する光ファイバセンサアレイの復調技法について、必要なサンプル数を減らすことに対する必要性が存在する。

本発明は１つの実施の形態において方法を包含する。センサアレイが、位相生成搬送波を含む光信号上の時間で変化する（時変）位相角φを誘導するパラメータを使用する。位相角φは、４つのサンプルのみの使用によって計算され、この４つのサンプルは全て光信号に基づく。

本発明の別の実施の形態は装置を包含する。センサアレイが、位相生成搬送波を含む光信号上の時変位相角φを誘導するパラメータを使用する。装置は、４つのサンプルのみを使用して位相角φを計算するプロセッサコンポーネントを備え、４つのサンプルは全て光信号に基づく。

本発明のさらなる実施の形態は物品を包含する。センサアレイが、位相生成搬送波を含む光信号上の時変位相角φを誘導するパラメータを使用する。物品は、１つ又は複数のコンピュータ読み取り可能な信号保持媒体を含む。物品は、４つのサンプルのみの使用によって位相角φを計算するための、１つ又は複数の媒体内の手段を含み、４つのサンプルは全て光信号に基づく。

本発明の例示的な実施態様の特徴は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付図面から明らかになるであろう。

図１を参照すると、１つの例における装置１００は、コンピュータソフトウェア及び／又はハードウェアコンポーネントなどの複数のコンポーネントを備える。複数のこうしたコンポーネントが、装置１００において、結合させるか又は分割することができる。装置１００の例示的なコンポーネントは、当業者によって理解されるように、複数のプログラミング言語の任意の言語で書かれるか、又は、任意の言語で実施される一組の及び／又は一連のコンピュータ命令を使用し且つ／又は含む。

図１を参照すると、１つの例における装置１００は、１つ又は複数のレーザ１０２、１つ又は複数の光スイッチ１０４、１つ又は複数の位相変調器１０６、１つ又は複数のセンサアレイ１０８、１つ又は複数の光レシーバ（受信機）１１０、及び１つ又は複数のプロセッサコンポーネント１１２を備える。１つの例において、装置１００は、本明細書で述べるように、パラメータの変化を測定するために光信号を復調する。１つの例におけるレーザ１０２は、連続波レーザを備える。レーザ１０２は、光信号を生成し、光スイッチ１０４及び位相変調器１０６を通して光信号をセンサアレイ１０８に送出する。

１つの例における光スイッチ１０４は、時分割多重式（「ＴＤＭ」）スイッチを含む。光スイッチ１０４は、光信号が光パルスのストリームを含むように光信号をゲート制御する。位相変調器１０６は、位相生成搬送波（「ＰＧＣ」）１１４を光パルスのストリームに印加する。たとえば、レーザ１０２、光スイッチ１０４、及び位相変調器１０６は、当業者によって理解されるように、協働して、位相生成搬送波１１４を含む１つ又は複数の光パルス１１６を生成する。光パルス１１６は周期Ｔ_{ｐｕｌｓｅ}を含む。１つの例における周期Ｔ_{ｐｕｌｓｅ}は、約５０ナノ秒〜５００ナノ秒である。１つの例における位相生成搬送波１１４は、周期Ｔ_ｐｇｃ及びＭの変調深さを含む。周期Ｔ_ｐｇｃは、当業者によって理解されるように、周波数との関係ｆ_ｐｇｃ＝１／Ｔ_ｐｇｃを含む。１つの例における周波数ｆ_ｐｇｃは、約２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚである。位相生成搬送波１１４は、復調位相オフセットβと関連する。位相生成搬送波１１４は、
Ｍ・sin（２π・ｔ／Ｔ_ｐｇｃ＋β）
に等しい時変（時間で変化する）位相角を生成する。

１つの例におけるセンサアレイ１０８は、１つ又は複数のセンサ１２４、１２６、及び１２８、たとえば、不整合経路(mismatched path)干渉計を備える。センサアレイ１０８は、光パルス１１６を１つ又は複数の光パルス１１８、１２０、及び１２２に、たとえば、１つのセンサ当たり１つのパルスに分割する。１つの例における光パルス１１６、１１８、１２０、及び１２２は、実質的に同じである。センサアレイ１０８のセンサ１２４、１２６、及び１２８は、それぞれ、光パルス１１８、１２０、及び１２２を受信する。１つの例におけるセンサアレイ１０８のセンサ１２４、１２６、及び１２８は、１つ又は複数のパラメータ並びに光パルス１１８、１２０、及び１２２を使用して、１つ又は複数のそれぞれの干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を生成する。例示的なパラメータは、音響振動、流体圧変動、加速度、及び磁界強度を含む。たとえば、センサ１２４は、光パルス１１８を第１部分と第２部分に分割する。センサ１２４は、パラメータを使用して、光パルス１１８の第２部分を基準にして、光パルス１１８の第１部分上の時変位相角φを誘導する。センサ１２４は、光パルス１１８の第１部分と光パルス１２４の第２部分とを再結合して、干渉パルス１３０を生成する。干渉パルス１３０の時変振幅変動は、光パルス１１８の第１部分と第２部分の間の時変位相角φを表す。

光パルス１１６は、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４が、比較的小さい間隔、たとえば、本明細書で述べる高いデューティサイクルを含むように中間の間隔を備えている。干渉パルス１３０、１３２、及び１３４は、光パルス１１６の周期Ｔ_{ｐｕｌｓｅ}に実質的に等しい周期を含む。センサアレイ１０８は、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を、パルス列１３６で、たとえば、シリアルで光レシーバ１１０に送出する。たとえば、光パルス列１３６は、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を含む。

１つの例における光レシーバ１１０は、１つ又は複数のフォトダイオード１３８を備える。さらなる例において、光レシーバ１１０は、トランスインピーダンス増幅器１４０を備える。１つの例における光レシーバ１１０は、１９９６年５月１０日付で発行されLitton Systems Inc.に譲渡されたHallの米国特許第５，８５２，５０７号に開示される、偏光ダイバーシチレシーバシステムを備える。光レシーバ１１０は光パルス列１３６を受信する。光レシーバ１１０は、その後、光パルス列１３６から、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を表す１つ又は複数のそれぞれのアナログ電気信号を生成する。たとえば、光レシーバ１１０は、光パルス列１３６のパワーのマグニチュードを電圧信号に変換する。

１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、デジタル信号プロセッサを備える。さらなる例において、プロセッサコンポーネント１１２は、アナログ−デジタル変換器コンポーネント１４２を備える。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、本明細書で述べる、コンピュータ読み取り可能な信号保持媒体１４４のインスタンス(実現例)を備える。アナログ−デジタル変換器コンポーネント１４２は、光レシーバ１１０からのアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４の時変振幅変動を使用して、時変位相角φを計算することによって、パラメータの変化を検知するのに役立つ。

装置１００の例示的な動作の具体例を説明する。レーザ１０２、光スイッチ１０４、及び位相変調器１０６は、協働して、１つ又は複数の光パルス１１６を生成する。センサアレイ１０８は、光パルス１１６を、光パルス１１８、１２０、及び１２２に分割する。センサ１２４、１２６、及び１２８は、パラメータ並びに光パルス１１８、１２０、及び１２２を使用して、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を生成する。センサアレイ１０８は、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を光パルス列１３６として光レシーバ１１０に送出する。

光レシーバ１１０は、１つ又は複数の干渉パルス１３０、１３２、及び１３４を表すアナログ電気信号を生成する。たとえば、アナログ電気信号は、ｓ（ｔ，Ｍ，β，φ）、すなわち、
ｓ（ｔ，Ｍ，β，φ）＝Ａ＋Ｂ・cos（Ｍ・sin（２π・ｔ／Ｔ_ｐｇｃ＋β）＋φ）
として規定される。ここで、Ａは平均信号レベルであり、Ｂは干渉項信号レベルであり、Ｍは変調深さであり、Ｔ_ｐｇｃは位相生成搬送波の周期であり、βは復調位相オフセットであり、φは位相角である。ｓ（ｔ，Ｍ，β，φ）の位相角は、当業者によって理解されるように、位相生成搬送波による第１部分、すなわちＭ・ｓｉｎ（２π・ｔ／Ｔ_ｐｇｃ＋β）、及びパラメータφによる第２部分を含む。

１つの例におけるアナログ−デジタル変換器コンポーネント１４２は、光レシーバ１１０からのアナログ電気信号を、干渉パルス１３０を表すデジタル信号に変換する。プロセッサコンポーネント１１２は、デジタル信号から干渉パルス１３０の４つのサンプルのみを取得する。たとえば、４つのサンプルはサンプルＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、及びＳ_３を含む。プロセッサコンポーネント１１２は、周期Ｔ_ｓにわたって時間間隔Δｔで４つのサンプルを取得する。１つの例における周期Ｔ_ｓは、位相生成搬送波１１４の周期Ｔ_ｐｇｃにほぼ等しい。時間間隔ΔｔはＴ_ｐｇｃ／４に等しい。たとえば、４つのサンプルは、ｔ_０、ｔ_０＋Δｔ、ｔ_０＋２Δｔ、ｔ_０＋３Δｔにおけるサンプルを含む。

プロセッサコンポーネント１１２は、４つのサンプルの１つ又は複数を使用して、同相項Ｉを計算する。たとえば、プロセッサコンポーネント１１２は同相項Ｉ、すなわち、
Ｉ＝（Ｓ_０＋Ｓ_２）−（Ｓ_１＋Ｓ_３）
を計算する。プロセッサコンポーネント１１２は、同相項Ｉのピーク値Ｉ_ｐを計算する。たとえば、プロセッサコンポーネント１１２は、ピーク値Ｉ_ｐ、すなわち、
Ｉ_ｐ（Ｍ，β）＝２・Ｂ・（cos（Ｍ・ｓｉｎβ）−cos（Ｍ・ｓｉｎ（π／２＋β）））
を計算する。

プロセッサコンポーネント１１２は、４つのサンプルの１つ又は複数を使用して、直交項Ｑを計算する。１つの例では、プロセッサコンポーネント１１２は直交項Ｑ、すなわち、
Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）
を計算する。別の例では、プロセッサコンポーネント１１２は直交項Ｑ、すなわち、
Ｑ＝−２・（Ｓ_０−Ｓ_２）
を計算する。

プロセッサコンポーネント１１２は、直交項Ｑのピーク値Ｑ_ｐを計算する。Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）である１つの例では、プロセッサコンポーネント１１２は、ピーク値Ｑ_ｐ、すなわち、
Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝２・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
を計算する。

Ｑ＝−２・（Ｓ_０−Ｓ_２）である別の例では、プロセッサコンポーネント１１２は、ピーク値Ｑ_ｐ、すなわち、
Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝４・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
を計算する。

位相角φは、
Ｑ／１＝Ｒ（Ｍ，β）・tanφ、
で与えられる。ここで、比Ｒ（Ｍ，β）は、当業者によって理解されるように、Ｑ_ｐ／Ｉ_ｐに等しい。

１つの例において、比Ｒ（Ｍ，β）は、動作点についての楕円リサージュパターンの主軸の比を記述する。１つの例における動作点は、変調深さＭの値及び復調位相オフセットβの値を含む。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、位相角φの計算精度の増加を促進するために、比Ｒ（Ｍ，β）が実質的に１に等しくなるように、変調深さＭ及び復調位相オフセットβについての値を計算する。Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）である１つの例において、プロセッサコンポーネント１１２は、変調深さＭについて２．７５ラジアンの値を使用して、本明細書で述べる動作点の位相オフセットβを計算する。Ｑ＝−２・（Ｓ_０−Ｓ_２）である別の例において、プロセッサコンポーネント１１２は、変調深さＭについて２．４９ラジアンの値を使用して、本明細書で述べる動作点の位相オフセットβを計算する。

１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、同相項Ｉ及び直交項Ｑを使用して、位相角φを計算する。たとえば、動作点近くにおいて、比Ｒ（Ｍ，β）は、実質的に１に等しく、プロセッサコンポーネント１１２は、位相角φ、すなわち、
φ＝ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ（Ｑ／Ｉ）
を計算する。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、干渉パルス１３０、１３２、及び１３４の複数のインスタンス（出現値）の間の位相角φの変化を使用して、センサ１２４、１２６、及び１２８によって使用されるパラメータの変化を決定する。

図２〜図４を参照すると、輪郭プロット２０２、３０２、及び４０２はそれぞれ、従来の設計、図１の装置の第１実施態様及び図１の装置の第２実施態様についての比Ｒ（Ｍ，β）を示す図を含む。輪郭線（等高線）は、変調深さＭ及び復調位相オフセットβに対する比Ｑ／Ｉを示す。輪郭線２０４、３０４、及び４０４は、Ｒ（Ｍ，β）の値が１（１００％）に等しい場合の、変調深さＭ及び復調位相オフセットβについての値を示す。変調深さＭは、当業者に理解されるように、変調深さＭに対する感度の減少を促進するように計算される。たとえば、輪郭線２０４、３０４、及び／又は４０４の傾斜がゼロに近づくと、比Ｒ（Ｍ，β）は、変調深さＭに対する感度が最も低くなる。

位相角φの計算精度は、直交項Ｑと同相項Ｉの最大振幅に関する関係を含む。たとえば、動作点において、比Ｒ（Ｍ，β）は、１に等しく、ピーク値Ｑ_ｐとピーク値Ｉ_ｐは実質的に等しい。

図２を参照すると、輪郭プロット２０２は、６つのサンプルを使用する従来の設計についての比Ｒ（Ｍ，β）の図を含む。輪郭線２０４は、比Ｒ（Ｍ，β）について、「１００％」の値を含む。輪郭線２０４は、約３．２５ラジアンの変調深さＭにおいてゼロに近づく。復調位相オフセットβの対応する値は、０．２９１４ラジアンである。従来の設計についての一般的な動作点は、３．１４ラジアンの変調深さＭ及び０．２９０８の復調位相オフセットβを含む。６つのサンプルのうちの４つを用いてＱが計算され、６つのサンプルのうちの４つを用いてＩが計算される。直交項Ｑ及び同相項Ｉについての最大振幅は、４×Ｂに等しく、Ｂは干渉項信号レベルである。動作点において、直交項Ｑ及び同相項の振幅は、
Ｑ_ｐ（π，０．２９０８）＝Ｉ_ｐ（π，０．２９０８）＝３．２４×Ｂ
に等しい。

図３を参照すると、輪郭プロット３０２は、Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）である図１の装置の例示的な実施態様についての比Ｒ（Ｍ，β）の例示的な図を含む。輪郭線３０４は、比Ｒ（Ｍ，β）について、「１００％」の値を含む。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、輪郭線３０４の傾斜がゼロに近づくように、２．７５ラジアンにほぼ等しくなるよう変調深さＭを計算する。さらなる例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、０．５０７３ラジアンにほぼ等しくなるよう復調位相オフセットβの対応する値を計算する。動作点において、Ｉ_ｐはＱ_ｐに実質的に等しい。たとえば、
２・Ｂ・（cos（Ｍ・sinβ）−cos（Ｍ・sin（π／２＋β）））
＝２・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
である。したがって、最大振幅は、当業者に理解されるように、２×Ｂに等しい。動作点において、Ｑ_ｐ（２．７５，０．５０７３）＝Ｉ_ｐ（２．７５，０．５０７３）＝１．９７×Ｂである。

図４を参照すると、輪郭プロット４０２は、Ｑ＝−２（Ｓ_０−Ｓ_２）である図１の装置の別の例示的な実施態様についての比Ｒ（Ｍ，β）の例示的な図を含む。輪郭線４０４は、比Ｒ（Ｍ，β）について、「１００％」の値を含む。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、輪郭線４０４の傾斜がゼロに近づくように、２．４９ラジアンにほぼ等しくなるよう変調深さＭを計算する。さらなる例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、０．３２１８ラジアンにほぼ等しくなるよう復調位相オフセットβの対応する値を計算する。動作点において、Ｉ_ｐはＱ_ｐに実質的に等しい。たとえば、
２・Ｂ・（cos（Ｍ・sinβ）−cos（Ｍ・sin（π／２＋β）））
＝４・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
である。したがって、最大振幅は、当業者に理解されるように、４×Ｂに等しい。動作点において、Ｑ_ｐ（２．４９，０．３２１８）＝Ｉ_ｐ（２．４９，０．３２１８）＝２．８３×Ｂである。

図２〜図４を参照すると、それぞれの動作点の変調深さＭは、位相生成搬送波のドライブ電圧に関する関係を含む。より低いドライブ電圧は、当業者によって理解されるように、位相生成搬送波の電力消費の減少を促進する。図３の実施態様の変調深さは、図２の従来の設計の変調深さの８８％である。図４の実施態様の変調深さは、図２の従来の設計の変調深さの７９％である。

図５〜図７を参照すると、輪郭プロット５０２、６０２、及び７０２は、全調波歪レベルを有する状態で、それぞれ、輪郭プロット２０２、３０２、及び４０２の例示的な図を含む。輪郭線５０４、６０４、及び７０４は、Ｒ（Ｍ，β）が「９９％」に等しい場合の輪郭線を含む。輪郭線５０６、６０６、及び７０６は、Ｒ（Ｍ，β）が「９９．５％」に等しい場合の輪郭線を含む。輪郭線５０８、６０８、及び７０８は、Ｒ（Ｍ，β）が「１００％」に等しい場合の輪郭線を含む。輪郭線５１０、６１０、及び７１０は、Ｒ（Ｍ，β）が「１００．５％」に等しい場合の輪郭線を含む。輪郭線５１２、６１２、及び７１２は、Ｒ（Ｍ，β）が「１０１％」に等しい場合の輪郭線を含む。全調波歪は、φ＝ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ（Ｑ／Ｉ）の計算時に、位相角φに関してハニングフィルタを用いて評価される。ピーク−ピーク振幅がπに等しい状態のトーンを用いて、全調波歪が評価される。たとえば、
φ（ｔ）＝π／２sin（２・π・ｆ_ｔｏｎｅ・ｔ＋α）＋φ_ｄｃ
であり、ここで、ｆ_ｔｏｎｅはトーンの周波数を含み、αはトーンオフセット位相シフトを含み、φ_ｄｃはトーンの非交番位相角を含む。２次〜１０次高調波の全調波歪は、全調波歪が最小である図２〜図４のφの計算についての動作点において評価される。

図５を参照すると、輪郭プロット５０２は、図２の比Ｒ（Ｍ，β）の図を含む。周波数ｆ_ｐｇｃは２４．５７６ｋＨｚに等しく、ｆ_ｔｏｎｅは９６Ｈｚに等しい。１６６．６７ミリ秒の周期にわたって４０９６サンプルが採取された。輪郭線５０４、５０６、５０８、５１０、及び５１２の全調波歪についての値は、それぞれ、−４９ｄＢ、−５４ｄＢ、−５９ｄＢ、−５４ｄＢ、及び−４９ｄＢを含む。

図６を参照すると、輪郭プロット６０２は、図３の比Ｒ（Ｍ，β）の図を含む。周波数ｆ_ｐｇｃは３６．８６４ｋＨｚに等しく、ｆ_ｔｏｎｅは９９Ｈｚに等しい。１１１．１１ミリ秒の周期にわたって４０９６サンプルが採取された。輪郭線６０４、６０６、６０８、６１０、及び６１２の全調波歪についての値は、それぞれ、−４９ｄＢ、−５３ｄＢ、−５７ｄＢ、−５３ｄＢ、及び−４９ｄＢを含む。

図７を参照すると、輪郭プロット７０２は、図４の比Ｒ（Ｍ，β）の図を含む。周波数ｆ_ｐｇｃは３６．８６４ｋＨｚに等しく、ｆ_ｔｏｎｅは９９Ｈｚに等しい。１１１．１１ミリ秒の周期にわたって４０９６サンプルが採取された。輪郭線７０４、７０６、７０８、７１０、及び７１２の全調波歪についての値は、それぞれ、−４９ｄＢ、−５３ｄＢ、−５６ｄＢ、−５３ｄＢ、及び−４９ｄＢを含む。

図５〜図７を参照すると、位相角φの計算精度はさらに、輪郭１００と輪郭１００．５の間の、変調深さＭの最小水平シフトと復調位相オフセットβの最小垂直シフトに関する関係を含む。図５の計算は、０．０９５ラジアンの変調深さＭのシフト及び０．００１５ラジアンの復調位相オフセットβのシフトを含む。図６の計算は、０．１６ラジアンの変調深さＭのシフト及び０．００１３ラジアンの復調位相オフセットβのシフトを含む。図７の計算は、０．１６ラジアンの変調深さＭのシフト及び０．００１３ラジアンの復調位相オフセットβのシフトを含む。

図２及び図５の従来の設計並びに図３、図４、図６、及び図７の例示的な実施態様についての位相角φの計算精度は、同じ精度を含む。１つの例におけるプロセッサコンポーネント１１２は、位相角φの計算速度の上昇を促進するために、６つのサンプルではなく４つのサンプルのみを使用する。たとえば、プロセッサコンポーネント１１２は、従来の設計より５０％速く位相角φを計算する。サンプリングレートの上昇は、当業者によって理解されるように、位相生成搬送波の周波数ｆ_ｐｇｃの上昇を可能にする。

１つの例における装置１００は、１つ又は複数のコンピュータ読み取り可能な信号保持媒体を使用する。装置１００のためのコンピュータ読み取り可能な信号保持媒体の１つの例は、プロセッサコンポーネント１１２の記録可能なデータ記憶媒体１４４を含む。たとえば、装置１００のためのコンピュータ読み取り可能な信号保持媒体は、磁気、電気、光、生体、及び原子データ記憶媒体の１つ又は複数を備える。１つの例では、コンピュータ読み取り可能な信号保持媒体は、装置１００を備えるか、又は、装置１００と結合するネットワーク、たとえば、電話ネットワーク、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）、インターネット、及び無線ネットワークのうちの１つ又は複数を通じて伝送される変調された搬送波信号を含む。

本明細書で述べるステップ又は動作は例示であるに過ぎない。本発明の精神から逸脱することなくこれらステップ又は動作に対して多くの変形が可能である。たとえば、ステップは、異なる順序で実施してもよく、或いは、ステップは、追加するか、削除するか、又は修正してもよい。

本明細書において、本発明の例示的な実施態様が詳細に示され、且つ述べられたが、本発明の精神から逸脱することなく、種々の修正、追加、置き換えなどを行うことができ、したがって、これらが、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲内に含まれることは、当業者には明らかであろう。

１つ又は複数のレーザ、１つ又は複数の光スイッチ、１つ又は複数の位相変調器、１つ又は複数のセンサアレイ、１つ又は複数の光レシーバ、及び光信号からの４つのサンプルのみの使用によって位相角φを計算するための、１つ又は複数のプロセッサコンポーネントを備える装置の１つの例示的な実施態様の図である。 従来の設計についての、比Ｒ（Ｍ，β）の輪郭プロットの図である。 図１の実施態様についての、比Ｒ（Ｍ，β）の１つの例示的な輪郭プロットの図である。 図１の実施態様についての、比Ｒ（Ｍ，β）の別の例示的な輪郭プロットの図である。 図２の従来の設計についての、比Ｒ（Ｍ，β）の輪郭プロット及び全調波歪の図である。 図３の比Ｒ（Ｍ，β）の例示的な輪郭プロットの別の図及び図３の実施態様についての全調波歪の図である。 図４の比Ｒ（Ｍ，β）の例示的な輪郭プロットの別の図及び図４の実施態様についての全調波歪の図である。

Claims (21)

1. 周期Ｔ_ｐｇｃを有する位相生成搬送波を含む光信号上の時変位相角φを誘導するパラメータを使用する光ファイバセンサアレイの時変位相角φを計算する方法において、
   前記光ファイバセンサアレイからの出力信号をサンプリングして、時間期間Ｔ_ｓの間に時間間隔Ｔ_ｓ／４で４つのサンプルを取得するステップであって、Ｔ_ｓがＴ_ｐｇｃに等しいステップと、
   前記４つのサンプルの使用によって同相項Ｉを計算するステップと、
   前記同相項Ｉのピーク値Ｉ_ｐを計算するステップであって、
   Ｉ _ｐ （Ｍ，β）＝２・Ｂ・（cos（Ｍ・sinβ）−cos（Ｍ・sin（π／２＋β）））であり、ここで、Ｂは干渉項信号レベル、Ｍは変調深さ、βは前記位相生成搬送波の復調位相オフセットである、ステップと、
   前記４つのサンプルの使用によって直交項Ｑを計算するステップと、
   前記直交項Ｑのピーク値Ｑ_ｐを計算するステップと、
   前記同相項Ｉの前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐの使用によって、前記変調深さＭ及び前記位相生成搬送波の復調位相オフセットβを含む動作点を決定するステップであって、前記動作点についての楕円リサージュパターンの主軸の比を記述する比Ｒ（Ｍ，β）はＱ _ｐ ／Ｉ _ｐ に等しく、前記動作点においてＩ _ｐ はＱ _ｐ に実質的に等しい、ステップと、
   前記動作点における位相角φ＝ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ（Ｑ／Ｉ）を計算するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記４つのサンプルは、サンプルＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、及びＳ_３を含み、前記４つのサンプルの使用によって前記同相項Ｉを計算するステップは、
   同相項Ｉ
   Ｉ＝（Ｓ_０＋Ｓ_２）−（Ｓ_１＋Ｓ_３）
   を計算するステップを含む方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記４つのサンプルの使用によって前記直交項Ｑを計算するステップは、
   直交項Ｑ
   Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）
   を計算するステップを含む方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐを計算するステップは、
   前記直交項Ｑのピーク値Ｑ_ｐ
   Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝２・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
   を計算するステップを含む方法。
5. 請求項２に記載の方法において、前記４つのサンプルの使用によって前記直交項Ｑを計算するステップは、
   直交項Ｑ
   Ｑ＝−２・（Ｓ_０−Ｓ_２）
   を計算するステップを含む方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐを計算するステップは、
   ピーク値Ｑ_ｐ
   Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝４・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
   を計算するステップを含む方法。
7. 周期Ｔ_ｐｇｃを有する位相生成搬送波を含む光信号上の時変位相角φを誘導するパラメータを使用する光ファイバセンサアレイの時変位相角φを計算する装置において、
   前記光ファイバセンサアレイからの出力信号をサンプリングして、時間期間Ｔ_ｓの間に時間間隔Ｔ_ｓ／４で４つのサンプルを取得するプロセッサコンポーネントであって、Ｔ_ｓがＴ_ｐｇｃに等しいプロセッサコンポーネントを備え、
   前記プロセッサコンポーネントは、前記４つのサンプルの使用によって同相項Ｉを計算し、
   前記プロセッサコンポーネントは、前記同相項Ｉのピーク値Ｉ_ｐ
   Ｉ _ｐ （Ｍ，β）＝２・Ｂ・（cos（Ｍ・sinβ）−cos（Ｍ・sin（π／２＋β）））、ここで、Ｂは干渉項信号レベル、Ｍは変調深さ、βは前記位相生成搬送波の復調位相オフセット、を計算し、
   前記プロセッサコンポーネントは、前記４つのサンプルの使用によって直交項Ｑを計算し、
   前記プロセッサコンポーネントは、前記直交項Ｑのピーク値Ｑ_ｐを計算し、
   前記プロセッサコンポーネントは、前記同相項Ｉの前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐの使用によって、前記変調深さＭ及び前記位相生成搬送波の復調位相オフセットβを含む動作点を決定し、前記動作点についての楕円リサージュパターンの主軸の比を記述する比Ｒ（Ｍ，β）はＱ _ｐ ／Ｉ _ｐ に等しく、前記動作点においてＩ _ｐ はＱ _ｐ に実質的に等しく、
   前記プロセッサコンポーネントは、前記動作点における位相角φ＝ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ（Ｑ／Ｉ）を計算する、
   装置。
8. 請求項７に記載の装置において、前記４つのサンプルは、サンプルＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、及びＳ_３を含み、
   前記プロセッサコンポーネントは、同相項Ｉ
   Ｉ＝（Ｓ_０＋Ｓ_２）−（Ｓ_１＋Ｓ_３）
   を計算し、
   前記プロセッサコンポーネントは、直交項Ｑ
   Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）
   を計算する、装置。
9. 請求項８に記載の装置において、
   前記プロセッサコンポーネントは、ピーク値Ｑ_ｐ
   Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝２・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
   を計算する、装置。
10. 請求項９に記載の装置において、前記プロセッサコンポーネントは、前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記ピーク値Ｑ_ｐを使用して、２．７５ラジアンにほぼ等しい変調深さＭを含む前記動作点を計算する、装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、前記プロセッサコンポーネントは、前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記ピーク値Ｑ_ｐを使用して、０．５０７３ラジアンにほぼ等しい復調位相オフセットβを含む前記動作点を計算する、装置。
12. 請求項７に記載の装置において、前記４つのサンプルは、サンプルＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、及びＳ_３を含み、
    前記プロセッサコンポーネントは、同相項Ｉ
    Ｉ＝（Ｓ_０＋Ｓ_２）−（Ｓ_１＋Ｓ_３）
    を計算し、
    前記プロセッサコンポーネントは、直交項Ｑ
    Ｑ＝−２・（Ｓ_０−Ｓ_２）
    を計算する、装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、
    前記プロセッサコンポーネントは、ピーク値Ｑ_ｐ
    Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝４・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
    を計算する、装置。
14. 請求項１３に記載の装置において、前記プロセッサコンポーネントは、前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記ピーク値Ｑ_ｐを使用して、２．４９ラジアンにほぼ等しい変調深さＭを含む前記動作点を計算する、装置。
15. 請求項１４に記載の装置において、前記プロセッサコンポーネントは、前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記ピーク値Ｑ_ｐを使用して、０．３２１８ラジアンにほぼ等しい復調位相オフセットβを含む前記動作点を計算する、装置。
16. 周期Ｔ_ｐｇｃを有する位相生成搬送波を含む光信号上の時変位相角φを誘導するパラメ
    ータを使用する光ファイバセンサアレイの時変位相角φを計算する物品において、
    １つ又は複数のコンピュータ読み取り可能な信号保持媒体と、
    前記光ファイバセンサアレイからの出力信号をサンプリングして、時間期間Ｔ_ｓの間に時間間隔Ｔ_ｓ／４で４つのサンプルを取得する前記１つ又は複数の媒体内の手段であって、Ｔ_ｓがＴ_ｐｇｃに等しい手段と、
    前記４つのサンプルの使用によって同相項Ｉを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段と、
    前記同相項Ｉのピーク値Ｉ_ｐ
    Ｉ _ｐ （Ｍ，β）＝２・Ｂ・（cos（Ｍ・sinβ）−cos（Ｍ・sin（π／２＋β）））、ここで、Ｂは干渉項信号レベル、Ｍは変調深さ、βは前記位相生成搬送波の復調位相オフセット、を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段と、
    前記４つのサンプルの使用によって直交項Ｑを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段と、
    前記直交項Ｑのピーク値Ｑ_ｐを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段と、
    前記同相項Ｉの前記ピーク値Ｉ_ｐ及び前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐの使用によって、前記変調深さＭ及び前記位相生成搬送波の復調位相オフセットβを含む動作点を決定する前記１つ又は複数の媒体内の手段であって、前記動作点についての楕円リサージュパターンの主軸の比を記述する比Ｒ（Ｍ，β）はＱ _ｐ ／Ｉ _ｐ に等しく、前記動作点においてＩ _ｐ はＱ _ｐ に実質的に等しい、手段と、
    前記動作点における位相角φ＝ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ（Ｑ／Ｉ）を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段と、
    を備えた物品。
17. 請求項１６に記載の物品において、前記４つのサンプルは、サンプルＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、及びＳ_３を含み、前記４つのサンプルの使用によって同相項Ｉを計算する手段は、
    同相項Ｉ
    Ｉ＝（Ｓ_０＋Ｓ_２）−（Ｓ_１＋Ｓ_３）
    を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段を備える、物品。
18. 請求項１７に記載の物品において、前記４つのサンプルの使用によって直交項Ｑを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段は、
    直交項Ｑ
    Ｑ＝−（Ｓ_０−Ｓ_２）
    を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段を備える、物品。
19. 請求項１８に記載の物品において、前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段は、
    前記直交項Ｑのピーク値Ｑ_ｐ
    Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝２・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
    を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段を備える、物品。
20. 請求項１８に記載の物品において、前記４つのサンプルの使用によって直交項Ｑを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段は、
    直交項Ｑ
    Ｑ＝−２・（Ｓ_０−Ｓ_２）
    を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段を備える、物品。
21. 請求項２０に記載の物品において、前記直交項Ｑの前記ピーク値Ｑ_ｐを計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段は、
    ピーク値Ｑ_ｐ
    Ｑ_ｐ（Ｍ，β）＝４・Ｂ・sin（Ｍ・sinβ）
    を計算する前記１つ又は複数の媒体内の手段を備える、物品。

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