JP5118246B1 - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】光干渉信号出力をセンサ信号とするセンサには、構成が簡単で、センサ部分の無電源化が可能なホモダイン干渉方式があるが、安定な動作を得るには、使用部品に対し厳しい工作精度と熱膨張対策が必要であると共に、センサ信号として変動できる位相範囲は±９０度以内に限られていた。
【解決手段】干渉計の入力を周期性光パルスとし、参照光パルスの前半と後半で位相を９０度（直交位相）異なる位相とし、計測光パルスと干渉させることにより、９０度異なる２つの干渉出力値ｉ１、ｉ２を得て、その参照光と計測光の値ｒ、ｓとから、参照光と計測光の位相差をθとして、２つの余弦値ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２を算出して余弦曲線上に位置を定め、その角度θ１、θ２を求めることによって、干渉光の強度変動、位相動作点変動の影響を除外するとともに、１周期前との角度の差分を積算して、センサ出力とすることにより、センサ信号として変動できる位相範囲が、±９０度（半波長）を超えることを許容する光ファイバセンサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、外力により光路長を変化させることにより、そこを通過する光信号の位相が変化する特性を利用した光ファイバセンサに関する。

光ファイバセンサは、光センサ部分を無電源化できるなどにより、従来の電気センサに比べ、電磁環境の悪い場所、温度環境の悪い場所への適用に優れ、かつ光ファイバの低損失化により、遠距離のセンシングにも優れた特性を発揮できる。

従来のホモダイン干渉方式では、参照光（ｒ）と計測光（ｓ）との位相差をθとすると干渉出力（ｉ）は
ｉ＝ｒ＋ｓ＋２√（ｒ・ｓ）ｃｏｓθ （ｉ、ｒ、ｓは電気変換値）
で示され、真に得たいセンサ信号はθ値であるが、従来方式ではｉとしてのみ求められることから、伝送経路でのｉ、ｒ、ｓの強度変動による変動誤差分を分離することはできないという欠点があった。

また、従来のホモダイン方式では、参照光と計測光の位相関係が、位相差９０度に動作点を置くことが最も直線性の良い設定となるが、参照光と計測光の光路長差を９０度に保つには、高い工作精度を要するともに、熱膨張に対しても一定関係を保つ必要があるなど、実用上の難しさがあった。

さらに、従来のホモダイン方式では、参照光と計測光の位相差９０度動作点としたとき、計測可能位相の最大は±９０度（半波長）であり、これを超えることは原理上不可能であった。

本発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、干渉させる光の強度変動及び干渉させた後の光の強度変動が、センサ出力に与える影響を除外することが可能になると共に、センサ信号として計測可能位相範囲が±９０度を超えることを許容する光ファイバセンサを提供することにある。

本発明の上記目的は、高安定のレーザ発振器を光源として、周期Ｔでかつパルス幅３ｔの光パルスを発生し、その３ｔ光パルスの前半、中間ｔ１、ｔ２と後半ｔ３との相対位相を９０度とする（直交位相）位相変調を施した光パルス（ｔ１の位相φ１、ｔ２の位相φ２、ｔ３の位相φ３、φ１＝φ２、φ２とφ３の位相差９０度）を計測用光信号とする計測用光信号発生部を備えることによって達成される。

さらに、本発明の上記目的は、前記計測用光信号を光カプラーにより２波に分波し、第一の分波を光遅延ファイバでｔ／２時間遅延させた後に、センサ信号となる外力により、その光路長を変化させ、ミラーにより全反射した戻り光を再度光遅延ファイバでｔ／２時間遅延させて、前記光カプラーに戻した光を計測光（φ１ａ、φ２ａ、φ３ａ）とし、第二の分波をミラーにより全反射させた戻り光を参照光（φ１ｂ、φ２ｂ、φ３ｂ）とする、前記光カプラーの戻り出力において、光信号が無い部分（Ｚ）、参照光ｔ１（φ１ｂ）のみの部分（Ｒ）、計測光のｔ１（φ１ａ）と参照光ｔ２（φ２ｂ）とのマイケルソン干渉部分（Ｉ１）、計測光ｔ２（φ２ａ）と参照光ｔ３（φ３ｂ）とのマイケルソン干渉部分（Ｉ２）及び、計測光ｔ３（φ３ａ）のみの部分（Ｓ）から成る時分割多重光信号（Ｚ、Ｒ、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ）として出力するセンサ部を備えることにより達成される。

さらに本発明の上記目的は、前記時分割多重光信号（Ｚ、Ｒ、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ）をフォトダイオード検波により電気信号に変換し、その個々の電気信号値ｚ、ｒ、ｉ１、ｉ２、ｓを得て、干渉時の計測光と参照光との位相差をθとすると、干渉出力ｉ１，ｉ２は
ｉ１＝ｒ＋ｓ＋２√（ｒ・ｓ）ｃｏｓθ１
ｉ２＝ｒ＋ｓ＋２√（ｒ・ｓ）ｃｏｓθ２
となり、本発明では、ｒ、ｓ値も既値として得られる為
ｃｏｓθ１＝（ｉ１−ｒ−ｓ）／２√（ｒ・ｓ）
ｃｏｓθ２＝（ｉ２−ｒ−ｓ）／２√（ｒ・ｓ）
を演算により算出することができ、前記参照光φ２とφ３が直交位相にあることを前提として、前記ｃｏｓθ１と前記ｃｏｓθ２との大きさ比較と、前記ｃｏｓθ１と前記ｃｏｓθ２との絶対値比較により、余弦曲線上に前記ｃｏｓθ１及び前記ｃｏｓθ２の位置を定めることができることから、θ１及びθ２を求め、１周期前に求めたθ１ａ、θ２ａとから、１周期前との前記位相差θの差分Δθ１＝θ１−θ１ａ、Δθ２＝θ２−θ２ａを求めて、Δθ１とΔθ２のうち、前記ｃｏｓθ１と前記ｃｏｓθ２の絶対値比較で小さい側が直線性の良い差分Δθとして選択し、毎周期の前記Δθの積算値θｓをセンサ出力とする演算処理部を備えることによって達成される。

本発明によれば、得られた電気信号値ｒ、ｉ１，ｉ２、ｓは光経路において光強度変動を受けているが、経路における変動時間に比して、前記電気信号値の期間が十分短時間であるため、各値の変動は同率と見なされ、除算によりｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２を求める過程で、強度変動誤差は除かれる。このため、光源のレベル変動、伝送路の損失変動、光カプラーの温度変動などが許容できるため、環境条件の厳しい場所での使用に適し、個々の部品の使用条件をゆるくできることから、製造コストを安くできる。

本発明によれば、直交する２つの参照光と計測光とにより、２つのｃｏｓθ値が得られる。これらの値が９０度離れる条件により、そのどちらかが常に直線性の良い領域（±１／√２以内）にあるため、干渉動作点を９０度に保つ必要がなく、直線性のよい値を選択することにより、非線形歪による誤差を小さくできるため、干渉計を構成する部品の工作精度、光路長の変動などの許容範囲を広げることができ、製造コストを安くできる。

本発明では、直交する２つの参照光と計測光とから得られる２つのｃｏｓθ値が９０度離れた値であること、及びその大きさ、極性から判別することにより、余弦曲線上に２つのｃｏｓθ位置を、正しく定められ、１周期前の余弦曲線上のｃｏｓθとの位置の変化を位相差で求めることにより、その周期の間のおける位相変動分を算出できるため、周期ごとの位相変動分を積算するとすることで、±９０度を超えた出力範囲とすることができる。

さらに、本発明によれば、周期ごとの位相変動分を積算して干渉出力にできるため、計測周期を短くすればするほど、積算数を増やすことができ、従来方式の±９０度の限度を大幅に超えて、許容位相変動範囲が広がることにより、センサのダイナミックレンジを広げることができる。

本発明に係る光ファイバセンサの構成例を示すブロック図である。 本発明に係る光ファイバセンサの動作例を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る光ファイバセンサの構成例を示すブロック図であり、１は計測用光信号発生部、２はセンサ部、３は演算処理部を示している。

本発明に係る光ファイバセンサは、周期Ｔでパルス幅３ｔの光パルスの、前方の２ｔ幅と後方の１ｔ幅を、位相が９０度異なる（直交位相）ように位相変調した光パルスを、計測用光信号とする計測用光信号発生部１と、その計測用光信号を光カプラーにより２つに分波し、第一の分波を遅延時間ｔ／２の光遅延ファイバを経て、センサ外力により、その光路長に変化を与えた後、その信号光を全反射させて光カプラーに戻し、第二の分波を全反射させて光カプラーに戻すことにより、２つの戻り光を干渉させ（マイケルソン干渉）、その出力を時分割多重光信号として出力するセンサ部２と、その時分割多重光信号より、９０度異なる干渉出力として余弦信号ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２を算出し、余弦曲線上に定め、角度θ１とθ２とを求めて、１周期Ｔ前との角度差を積算した信号θｓをセンサ出力とする演算処理部３と、を備えている。

上記時分割多重光信号は、光信号が無い部分（Ｚ）第二の分波のφ１ｂ部分（Ｒ）、第一の分波のφ１ａ部分と第二の分波のφ２ｂ部分による干渉光（Ｉ１）、第一の分波のφ２ａ部分と第二の分波のφ３ｂ部分による干渉光（Ｉ２）、第一の分波のφ３ａ部分（Ｒ）を信号成分として含む、時分割多重光信号（Ｚ、Ｒ、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ）であり、演算処理部３では、時分割多重光信号の５つの成分値（ｚ、ｒ、ｉ１、ｉ２、ｓ）を得て、後述の演算式（数１、数２）によりｃｏｓθ１とｃｏｓθ２を算出する形態としている。

次に、図１に示した光ファイバセンサの動作例を図２のタイムチャートを参照しながら説明する。以下、計測用光信号発生部１、センサ部２、及び演算処理部３の各動作について、順次説明する。

先ず、計測用光信号発生部１の構成について説明する。

計測用光信号発生部１は、高安定のレーザ光源１１の連続光を光強度変調器１３において、パルス発生器１２からの周期Ｔでパルス幅３ｔ、振幅πの駆動信号ａにより、強度変調されて３ｔ幅の光パルスｂとなり、光位相変調器１４で振幅π／２の駆動信号ｃにより、光パルスｂのｔ１、ｔ２とｔ３との位相関係が９０度異なる（直交位相）ように位相変調され、その出力は、光方向性結合器１５を経て、計測用光信号ｅ１として出力されると共に、光方向性結合器への戻りセンサ信号の時分割多重光信号ｈ１は、分離されてｈ２として出力される。

本実施の形態では、計測用光信号発生部１は、パルス幅３ｔの光パルスｂの、ｔ幅ごとのｔ１、ｔ２、ｔ３の位相関係は、ｔ１はφ１、ｔ２はφ２、ｔ３はφ３として、φ１＝φ２、φ２とφ３が直交位相にあるように位相変調され、計測用信号ｅ１を出力する。

次に、センサ部２の構成について説明する。

センサ部２では、計測用光信号発生部１から出力される計測用光信号ｅ２（φ１、φ２、φ３）を入力とする光カプラー２１の第一の分波ｆ１は光遅延時間ｔ／２の光遅延ファイバ２２を経てコリメータ２３で平行光線になり、センサ外力＋ｊにより動くミラー２４によって、コリメータ２３とミラー２４間の光路長が変動した光信号ｆ２は、ミラー２４で全反射して光カプラー２１に戻り、計測光ｆ３（φ１ａ、φ２ａ、φ３ａ）として入力され、第二の分波ｇ１はコリメータ２５を経て平行光線になり、その光信号ｇ２はミラー２６で全反射し、参照光ｇ３（φ１ｂ、φ２ｂ、φ３ｂ）として光カプラー２１に入り、計測光ｆ３と参照光ｇ３は光カプラー２１で合波、時分割多重光信号ｈ１となり、計測用光信号発生部１の方向性結合器１５に送られる。

本実施の形態では、センサ部２において、光カプラー２１における第一の分波の全反射戻り光信号である計測光ｆ３は遅延時間ｔ／２の光遅延ファイバ２２を往復で通過することにより、参照光ｇ３に対してｔ時間遅れることにより、その合波出力は、光信号の無い部分（Ｚ）、参照光ｇ３のφ１ｂの部分（Ｓ）、計測光ｆ３のφ１ａと参照光ｇ３のφ２ｂとの干渉部分（Ｉ１）、計測光ｆ３のφ２ａと参照光ｇ３のφ３ｂとの干渉部分（Ｉ２）、及び計測光ｆ３のφ３ａの部分（Ｒ）が、時分割多重された時分割多重光信号ｈ１（Ｚ，Ｓ，Ｉ１，Ｉ２，Ｒ）として出力する形態としている。

次に、演算処理部３の構成について説明する。

演算処理部３は、センサ部２から計測用光信号発生部１に戻った時分割多重光信号ｈ１は、方向性結合器１５で分離し、時分割多重光信号ｈ２（Ｚ、Ｒ、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ）として、Ｏ／Ｅ変換器３０１で電気信号に変換され、時分割多重電気信号ｈ３（ｚ、ｒ、ｉ１、ｉ２、ｓ）として、アナログスイッチ３０２、３０３，３０４，３０５，３０６において、それぞれ個々の信号に分離され、低域濾波器３０７，３０８，３０９，３１０，３１１において、必要な帯域制限を受けてＡ／Ｄ変換器３１２，３１３，３１４，３１５，３１６においてデジタル化され、ｚ，ｒ，ｉ１，ｉ２、ｓとして、ｃｏｓθ演算器３１７に入力され、ｚ値をゼロ点として、ｒ，ｉ１，ｉ２，ｓのゼロ点補正後、ｃｏｓθ１及びｃｏｓθ２が演算出力され、差分θ（Δθ）演算器３１８に入り、θ１、θ２、Δθ１、Δθ２が演算、Δθが積算θ（Σθ）演算器３１９に送られ、Δθが積算され、θｓとして出力される。

本実施の形態では、ｃｏｓθ演算器３１７において、前述のｃｏｓθ１とｃｏｓθ２を次の数１、数２によって算出する形態としている。

但し、上記数１、数２において、ｒは参照光ｇ３のφ１ｂ、ｓは計測光ｆ３のφ３ａ、ｉ１は参照光ｇ３のφ２ｂと計測光φ１ａとの干渉光出力、ｉ２は参照光ｇ３のφ３ｂと計測光φ２ａの干渉光出力の電気信号値に相当しており、ｉ１の参照光φ２ｂとｉ２の参照光φ３ｂは直交位相にあることから、ｃｏｓθ１とｃｏｓθ２は９０度離れた位相関係にある。

差分θ（Δθ）演算器３１８では、ｃｏｓθ１とｃｏｓθ２を用いて次の（１）〜（７）の処理を実行する。
（１）ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２について、絶対値が０に近い方を識別する。
（２）ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２について、その大小を比較、識別する。
（３）ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２が参照光位相で９０度離れていること、絶対値が０に近い側を基準として、２つの大小の条件から、余弦曲線上に２つのｃｏｓθ位置を定める。
（４）余弦曲線上の定められたｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２位置より、その角度θ１、θ２を求める。
（５）１周期前のｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２より得られた角度をθ１ａ、θ２ａとする。
（６）１周期前との位相変化の差分ΔθをΔθ１＝θ１−θ１ａ、Δθ２＝θ２−θ２ａとして求める。
（７）Δθ１、Δθ２より、ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２で、絶対値が０に近い側の差分をΔθとして選択、出力する。

積算θ（Σθ）演算器３１９では、周期Ｔで入力するΔθを積算（Σθ）してセンサ信号θｓを出力する。

なお、本発明では、センサ信号による位相変動速度は、計測用光パルス時間に比べて十分遅く、計測用光パルス内での位相変動は無視できるものとする。

（作用効果）
本発明では、１周期前との位相変化の差分Δθが９０度以内であれば、ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２は余弦曲線上に正しく位置を定めることができる。

また、本発明では、周期Ｔ内の位相変化が９０度以内でれば、それを積算することにより、位相変化の総変化量が復元できることから、積算回数を増やすことにより、従来方式の±９０度制限を超した位相変化量を出力でき、ダイナミックレンジを広げることができる。

なお、上述した実施の形態においては、参照光を直交位相とした場合を例としたが、計測光を直交位相としても同様の効果が得られる。また、上述した実施の形態においては、参照光の位相変化を９０度としたが、９０度前後で一定であれば、同様の効果が得られる。さらに、上述した実施の形態においては、光遅延ファイバの遅延時間をｔ／２としたが、近い値であれば同様の効果が得られる。

本発明のセンサ部２の実施例では計測光ｆ２の光路長のみに変化を与えることで説明したが、さらにミラー２４のセンサ外力＋ｊと逆の−ｊのセンサ外力をミラー２６に与えることにより、参照光ｇ２の光路長を差動で動かすことで、一層効果を上げることができる。

また、上述した実施の形態においては、センサ部における干渉計の構成は、マイケルソン干渉方式で説明したが、マッハ・ツェンダー干渉方式の干渉計で構成しても、同様の動作が可能である。

本発明は、海底地震観測など、離れた場所、電源供給ができない場所、電磁雑音の影響を受け易い場所、温度環境が厳しい場所などに設置するセンサシステムに適する。

１ 計測用光信号発生部
２ センサ部
３ 演算処理部
１１ レーザ光源
１２ パルス発生器
１３，光強度変調器
１４，光位相変調器
１５，光方向性結合器
２１ 光カプラー
２２ 光遅延ファイバ
２３，２５ コリメータ
２４，２６ ミラー
３０１ Ｏ／Ｅ変換器
３０２〜３０６ アナログスイッチ
３０７〜３１１ 低域濾波器
３１２〜３１６ Ａ／Ｄ変換器
３１７ ｃｏｓθ演算器
３１８ 差分θ（Δθ）演算器
３１９ 積算θ（Σθ）演算器

Claims (1)

1. 周期Ｔでパルス幅３ｔの光パルスの前中半ｔ１，ｔ２と後半ｔ３との光位相差を９０度（直交位相）に位相変調した光パルスを計測用光信号とする計測用光信号発生部と、
   前記計測用光信号を光カプラーにより２波に分波し、第一の分波をｔ時間遅延させ、かつセンサ外力により、その光路長を変動させた光信号を計測光とし、第二の分波の参照光とを結合させる光カプラー出力が、参照光の前半ｔ１のみの部分（Ｒ）、計測光の前半ｔ１と参照光の中間ｔ２との干渉部分（Ｉ１）、計測光の中間ｔ２と参照光の後半ｔ３との干渉部分（Ｉ２）及び計測光の後半ｔ３のみの部分（Ｓ）からなる、時分割多重光信号（Ｒ、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ）を出力するセンサ部と、
   前記時分割多重光信号（Ｒ、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ）を電気信号に変換し、電気信号値ｒ、ｉ１、ｉ２、ｓを個々に得て、干渉時の計測光と参照光との位相差をθとして、干渉出力ｉ１より、ｃｏｓθ１＝（ｉ１−ｒ−ｓ）／２√（ｒ・ｓ）と、干渉出力ｉ２より、ｃｏｓθ２＝（ｉ２−ｒ−ｓ）／２√（ｒ・ｓ）を算出し、前記ｃｏｓθ１と前記ｃｏｓθ２との大きさ、絶対値及び前記直交位相を条件として、余弦曲線上に前記ｃｏｓθ１及び前記ｃｏｓθ２の位置を定めることにより、角度θ１及びθ２を求め、１周期前に求めた角度θ１ａ、θ２ａとの差分をΔθ１＝θ１−θ１ａ、Δθ２＝θ２−θ２ａとし、Δθ１とΔθ２のうち、前記ｃｏｓθ１と前記ｃｏｓθ２の絶対値で小さい側の差分をΔθとして選択し、周期ごとに前記Δθを積算し、その積算値θｓをセンサ出力とする演算処理部と、を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。

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