JP5167249B2 - ３軸高周波光ファイバ音響センサ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には音響センサに関する。より具体的に言えば、本発明は、コンプライアントな構造体に光ファイバが巻かれた形を特徴とする音響センサに関する。

従来の光ファイバ音響センサは、終端が光カプラとなる参照アームとセンシングアームとを特徴とすることが多い。センシングアームは、第１の光ファイバがコンプライアントな心棒の周囲に固く巻かれた形で成る。参照アームは、圧力が最小である環境に配置された、固定長の第２の光ファイバから成る。休止状況（音波のない状況）の下で、センシングアームおよび参照アームに導入された光は、それぞれのファイバの中を進んでカプラに到達する。センシングアームおよび参照アームの経路長は固定であり、従って、各アームからの光は時不変の位相差でカプラに到達する。こうした状況の下では、カプラの出力（混合光）は、振幅が一定の光波となるはずである。

音波がセンシングアームの環境に導入されると、コンプライアントな心棒は、膨張、収縮する形で音波に反応し、センシングファイバには力が加わる。センシングファイバに加わる力は、ファイバの中を進む光の経路長を変え、それはすなわち、光を変調することになる。同時に、参照アームの経路長は音波に対しても不変である。両アームからの光が混合されると、光振幅は、入って来た音波に比例して変化する。

従来の光ファイバ音響センサに関する問題の１つは、音響計測の指向性および感度が、コンプライアントな心棒のサイズおよび方向に依存する、というものである。音響の波長が心棒の長さに近づくと、センサの感度は急激に低下する。対象の周波数の全帯域にわたって一定の周波数応答を維持するために、水中聴音器の設計者は一般に、心棒の長さ（および径）を対象の最高周波数の波長の半分に制限する。

心棒の長さに対するこうしたサイズ制限は、光ファイバ音響センサの動作帯域に実際的な制限を加える。対象の周波数が大きくなると、対象の波長は小さくなり、非常に小さな心棒を使用することが必要とされる。心棒が非常に小さいと、心棒の周囲に形成することができる光ファイバの巻きの数が少なくなり、感度が下がる結果となる。実際、この問題のために、ファイバを巻いた心棒をベースとする光ファイバ音響センサは、５０ｋＨｚを上回る周波数を感知する用途では、選択肢としての順位が低くなっている。

従来の光ファイバ音響センサに関するもう１つの問題は、周波数応答が音波の到来方向に依存する、ということである。コンプライアントな心棒は、しばしば、心棒のブロードサイド（心棒の径方向）に当たる音波に対する反応性の方が高く、エンドファイア（心棒の縦方向）に当たる音波に対する反応性の方が低くなる。これは、通常、心棒については長さよりも径が短いからである。

現在、周波数帯域の全体にわたって一定の感度で、最高１００ｋＨｚまでの周波数を検知できる光ファイバ音響センサが必要とされている。また、どんな空間方向からセンサに到来した音波も検知することができる、という光ファイバ音響センサが必要とされている。

本発明は、３本の直交軸に沿って方向が決められた複数の心棒を用いて、これらの目的を達成する。１本の光ファイバを全ての心棒に固く巻くことで、センシングアームを形成する。光をセンシングアームに導入すると、位相シフトはセンシングアームの出力で計測され、ファイバ内の歪みが求められる。心棒部分のいずれか１つに入った音波は、ファイバ内に歪みを誘発し、その結果、センシングアームの出力においては比例した位相シフトが光に生じる。

直交する配置としたことで、センシングアームに入るいかなる音波についても、その大部分の成分は、心棒のうち少なくとも１本についてはブロードサイドに入ることが保証される。これにより本発明は、従来のセンサに関して波長が心棒長の半分より短い場合の特性であった「周波数応答の低下」という問題に対する耐性が高まる。本発明の直交配置はまた、センサの感度を高める。心棒が複数あるため、コンプライアントな構造体の表面積がより広くなり、そこに光ファイバを巻く回数も多くできる。また、心棒のレイアウトのトポロジにより、本質的に全方向性となる。本発明の周波数応答は、センサの帯域全体にわたって感度が比較的一定で、音波の方向に依存しない。コンプライアントな心棒の長さは、少なくとも対象の最高周波数の波長にまでのばすことができ、その限りでは、波長の半分で通常遭遇する感度低下を経験しないですむ。本発明に伴って得られる感度エンベロープの拡大の結果、少なくとも１００ｋＨｚまでの音響周波数を感知する用途に関して、光ファイバ音響センサは適切な選択肢となる。

本発明の目的および効果、ならびに本質は、添付の図面と併せて以下の明細書の内容を熟読することで、容易に理解されるであろう。全ての図面において、類似の参照番号は類似の部分を指す。
ここでの説明において、「光ファイバ」には、あらゆる柔軟な光導波路が含まれる。また、「光カプラ」には、光学ビームスプリッタ、コンバイナ、そしてブラッグ格子が含まれる。「音波」はあらゆる圧力波を意味する。「音響センサ」には水中聴音器と圧力変換器とが含まれる。

図１は、本発明の好適な実施の形態を示す。ハウジング１０２には、参照アーム１０４と、関連する光カプラおよびスプライス（図示せず）とが保持されている。ハウジング１０２はミッドポイントセンサ１０６に装着されている。ハウジングユニット１０２は、参照アーム１０４に対する圧力を最小にするために、ステンレス鋼などの耐久性非コンプライアント材料から成る。

図２は、本発明の別の実施の形態を示す。ハウジング１０２には、参照アーム１０４と、関連する光カプラおよびスプライス（図示せず）とが保持されている。ハウジング１０２は、エンドポイントセンサ２０６に装着されている。
図３はミッドポイントセンサ１０６を示す。第１の心棒３０２、第２の心棒３０４、第３の心棒３０６は、円筒形に近い形状に作られており、各心棒の縦軸は他の心棒と直交する。縦軸が延びた先はベース３１２の中央で交わる。第４の心棒３０８、第５の心棒３１０、第６の心棒３１４は、円筒形に近い形状に作られており、それぞれ第１の心棒３０２、第２の心棒３０４、第３の心棒３０６の反対側に、対称（reflective symmetry）となる形で設置されている。６本の心棒は全て、ベース３１２上に設置されており、対となった心棒の縦軸はデカルト座標系の座標軸上にあって、その中心はベース３１２の中心に一致する形となる。

センサ１０６の利点が最も明らかに見られるのは、心棒の長さに等しい波長を有する音波が、１本の心棒のエンドファイア方向にぶつかる場合である。従来のセンサにおいては、音響エネルギの大部分は、その周波数以上では低感度なセンサの場合は弱まる。本発明を用いると、１本の心棒のエンドファイアに入るその周波数の音波は、同時に他の２本の心棒のブロードサイド上にも必ず入ることになる。エンドファイアの反応は弱まるであろうが、他の２本の心棒が光ファイバに歪みを導入する波に反応するので、その周波数に対して感度の高いセンサが作られる。

図４は心棒３０２の側面図を示すが、これは、ミッドポイントセンサ１０６の他の心棒３０４、３０６、３０８、３１２、３１４と同一である。円筒形状のカバー４０２が心棒の上部を形作る。底部４０４は円筒形である。底部４０４の縦軸とカバー４０２の縦軸とは一致している。
心棒３０２、３０４、３０６、３０８、３１２、３１４は全て、入ってくる音波に反応して心棒が膨張および収縮するように、何らかのコンプライアント材料で作られている。心棒は、ソリッドなもの、エアバック（air-backed）されたもの、あるいは流体を満たしたもの、とすることができる。心棒は、巻いた光ファイバを収容できるような、円筒形のスプール形状または他の何らかの形状とすればよい。

心棒は、最大設計周波数の波長の半分よりも大きくする。例えば、最大設計周波数が７５ｋＨｚ（波長２.０ｃｍ）のセンサについて心棒を２.０ｃｍの長さとすることができるだろう。
図５は心棒３０２の底面図を示す。カバー４０２は、中心点が一致する底部４０４よりも、わずかに周囲長が大きくなっている。

図６は心棒３０２の断面を示す。カバー４０２と底部４０４とにより、内部に円筒形の空洞が形作られている。
図７はエンドポイントセンサ２０６を示す。第１の心棒部分５０２、第２の心棒部分５０４、第３の心棒部分５０６は、円筒形に近い形状に作られてベース５０８に設置されており、各心棒の縦軸は他の心棒に直交する。縦軸の延びた先はベース５０８の中心で交わる。

好ましい構成として、心棒部分５０２、５０４、５０６は、第１の実施の形態の円筒形の心棒２本がつなぎ部５１０によって連結されたものとなっている。つなぎ部は、心棒を連結する何らかの材料で作ればよい。他の実施の形態では、心棒部分５０２、５０４、５０６を１本の心棒で作り、その長さを６本の心棒の長さの２倍とする、という構成も考えられる。

ミッドポイントセンサ１０６（図３）では、心棒３０２、３０４、３０６、３０８、３１２、３１４は直交する軸に沿って設置されており、それによって、多くの従来型センサに共通する空間感度の変動を最小にする。１本の心棒において感度の低い方のエンドファイア（縦軸）に入る音波は、他の４本の心棒においては感度の高いブロードサイド（径方向軸）に当たる。どの方向から到来する音波でも、少なくとも２本の心棒の上に大部分のブロードサイド成分を有することになるので、どんな方向から到来する音波にも感度の高いミッドポイントセンサ１０６が作られる。

図３はミッドポイントセンサ１０６を示す。図７はエンドポイントセンサ２０６を示す。他の実施の形態では、様々なトポロジで任意の数の心棒が配置されたセンサを有するものも考えられる。図３、７が示す心棒は、心棒の縦軸が三軸直交トポロジを形成する形で設置されているが、他の実施の形態では、非直交軸上に設置された心棒を特徴とする場合もあり得る。斜角を成す形で２台の心棒センサだけを備えた実施の形態でも、従来のセンサを上回る相当な効果を実現する。心棒については、様々な形状に形成することができる。別の実施の形態では、特徴として、心棒の形を、円筒形、スプール形状、円錐形、砂時計形状、周囲長を変えながら先細りになる形、または、音波に反応する他の何らかの形状、とすることが考えられる。

図８が示すのは、ミッドポイントセンサ１０６のベース２１２である。ベース２１２は、６本の心棒を収容する６つの面を有する形に形成されている。第１の心棒３０２は第１の面６０２に付けられ、第２の心棒３０４は第２の面（図示せず）に、第３の心棒３０６は第３の面６０４に、第４の心棒３０８は第４の面（図示せず）に、第５の心棒３１０は第５の面６０６に、そして、第６の心棒３１４は第６の面（図示せず）に、それぞれ付けられる。心棒の順序は重要ではない。

図９は、ミッドポイントセンサ１０６の光ファイバの巻きの状態を示す。１本のセンシングファイバ７０２（光ファイバ）が、第１の心棒３０２、第４の心棒３０８、第３の心棒３０６、第６の心棒３１４、第５の心棒３１０、そして第２の心棒３０４に固く巻かれている。
従来のセンサでは、光ファイバの巻きは、最大センシング周波数の半分よりも短い長さの単一構造に限られている。本発明では、心棒長を長くして、心棒ごとに収容される巻きの数をより大きくするだけでなく、センシング心棒の数も増やすことができる。１本の心棒のブロードサイド上に有意義成分が入る音波は、他の少なくとも１本の心棒にも有意義成分が入ることになる。ある１本の心棒のエンドファイアに音波が入る場合、当該音波はまた、他の２本の心棒のブロードサイドにも入る。コンプライアントな心棒は両方ともブロードサイドの音波に反応し、光ファイバのそれぞれの部分に歪みが導入されることになる。この場合、本発明の感度は従来のセンサの感度の２倍である。

図１０は、ミッドポイントセンサ１０６の周囲の巻きのトポロジを示す。センシングファイバ７０２は３本の直交軸を中心に巻かれている。第１の心棒３０２と第４の心棒３０８とは、ベース２１２を挟む形に設置されて第１の軸を形成している。第６の心棒３１４と第３の心棒３０６とは、ベース３１２を挟む形に設置されて第２の軸を形成している。第５の心棒３１０と第２の心棒３０４（図示せず）とは、ベース２１２を挟む形に設置されて第３の軸を形成している。

好ましい構成として、各心棒の周囲には複数の巻きがあり、その巻きの固さは、心棒の各々におけるセンシングファイバ７０２の導波部分（ファイバ）をわずかに歪ませられる程度である。巻きの各々がセンサの感度を高める。各心棒におけるセンシングファイバ７０２の巻きテンションおよび巻き回数は同一とするのが好ましく、そうすることで、音響計測の感度を、どの方向から到来する音波に対しても同様なものとすることができる。

センシングファイバ７０２は、異なる実施の形態ごとに構成を変化させてもよい。光ファイバは一般に、外装材で覆われた光ファイバから成る。プラスチック製ジャケットで堅い緩衝層を加えることにより、ファイバに強度を加えることもできる。別の実施の形態では、特徴として、防水カバー、ケース、またはシェルを有することとし、これらでセンシングファイバ７０２を囲みながら、心棒が入力音波に応じて変形することも可能とする、という構成も考えられる。補助的な弾性カバーを、ミッドポイントセンサ１０６またはセンシングファイバ７０２の巻きにかぶせる形で用いてもよいであろう。

図１１は、エンドポイントセンサ２０６の心棒の周囲の光ファイバの巻きを示す。１本のセンシングファイバ９０２（光ファイバ）が、第１の心棒部分５０２（連結された２本の心棒として示す）、第２の心棒部分５０４（連結された２本の心棒として示す）、そして第３の心棒部分５０６（連結された２本の心棒として示す）に固く巻かれている。好ましい構成として、各心棒部分の周囲には複数の巻きがあり、その巻きの固さは、心棒の各々におけるセンシングファイバ９０２の導波部分（ファイバ）をわずかに歪ませられる程度である。

図１２は、エンドポイントセンサ２０６の周囲の巻きのトポロジを示す。センシングファイバ９０２は、ベース５０８に設置された第１の心棒部分５０２、第２の心棒部分５０４、そして第３の心棒部分によって規定される３本の直交軸を中心に巻かれている。
図１３は、マイケルソン干渉計構成での好適な実施の形態が有するセンシングアーム７０２と参照アーム１０４とを示す。センシングファイバ７０２は、各心棒の周囲に巻かれ、一方の端部は第１のミラー１１０２が終端となり、もう一方の端部は光カプラ１１０４が終端となっている。参照ファイバ１１０６も、やはり固定長の光ファイバであり、好ましい構成として、ハウジング１０２内で隔離されており、それによって、参照ファイバ１１０６の導光部分（ファイバ）に加わる歪みを最小にする。参照ファイバ１１０６は、一方の端部は第２のミラー１１０８が終端となり、もう一方の端部は光カプラ１１０４が終端となっている。

ハウジング１０２内の構成要素は、硬いエポキシ樹脂の中に入れてもよく、また、本発明全体をポリウレタンのような耐水材料をかぶせて成形してもよい。
コリメート光またはレーザ光１１１０はカプラ１１０４に導入される。センシングアームを通って進む光は、その後、センシングファイバ７０２を通って第１のミラー１１０２まで進み、そして反射された後、センシングファイバ７０２を通ってカプラ１１０４に戻る。センシングファイバ７０２の中を進む光は、いずれかの心棒の変形または曲がりに起因するファイバの歪みによって変調される。参照アームからの光は、参照ファイバ１１０６を通って第２のミラー１１０８まで進み、反射されてカプラ１１０４に戻る。カプラ１１０４において、センシングファイバ７０２からの変調光は参照ファイバ１１０６からの参照光と混合され、干渉パターンを作り出す。混合光の１１１２の強度は、センシングファイバ７０２に加わる歪みおよび心棒に作用する音響力に比例する。

図１４は、本発明を、ハウジングや参照ユニットのない形で示している。光ファイバ７０２は、センシングアームの一方の端部に第１のブラッグ格子１２０２を、センシングアームのもう一方の端部に第２のブラッグ格子１２０４を有する。光ファイバ７０２の中を進むレーザ光またはコリメート光は、第１のブラッグ格子１２０２に導入される。光の一部は反射される。残りの光は、光ファイバ７０２の残り部分の中を進み、第２のブラッグ格子１２０４で反射され、そこからセンシングアームを通って第１のブラッグ格子１２０２に帰ると、そこで反射光と混合される。混合光の強度は、センシングファイバ７０２に加わる歪みおよび心棒に作用する音響力に比例する。

このように、本発明によれば、光ファイバ音響センサの動作帯域幅は拡大する。心棒のユニークなトポロジにより、巻きを多くすること、センシング範囲にわたって周波数応答をより平坦にすること、が可能となる。本発明は、音波への感度がより高く、全方向性の感知能力を実現する。

本発明の好適な実施の形態を示す斜視図である。 本発明の別の実施の形態を示す斜視図である。 図１の好適な実施の形態のミッドポイントセンサを示す斜視図である。 心棒の側面図である。 心棒の底面図である。 図５の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 本発明のセンサの別の好適な実施の形態である、エンドポイントセンサを示す斜視図である。 心棒を設置するためのベースの好適な実施の形態を示す斜視図である。 ミッドポイントセンサの心棒の周囲の光ファイバの巻き状態を示す概略図である。 ミッドポイントセンサの心棒の周囲の光ファイバの巻き状態を示す平面図である。 エンドポイントセンサの心棒の周囲の光ファイバの巻き状態を示す概略図である。 エンドポイントセンサの心棒の周囲の光ファイバの巻き状態を示す平面図である。 好適な実施の形態のセンシングアームおよび参照アームの概略図である。 本発明の別の実施の形態におけるセンシングアームの概略図である。

Claims (25)

1. 複数の心棒取付け面を有するベースと、
   前記ベースの心棒取付け面に取り付けられる複数のコンプライアントな心棒と、
   前記ベースに取り付けられており、光カプラを収容する非コンプライアントなハウジングと、
   前記光カプラにおいて終端され、複数のコンプライアントな心棒の各々に巻かれる１本の光ファイバと、
   前記非コンプライアントなハウジングに収容された参照アームと、を備え、
   前記複数のコンプライアントな心棒の各々が他のコンプライアントな心棒に対して実質的に直交する向きに置かれている
   ことを特徴とする音響センサ。
2. ベースは６つの心棒取付け面を有し、
   ６つ心棒の各々が他の４つの心棒に対して実質的に直交する向きに置かれている
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
3. 心棒はソリッドであること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
4. 心棒はエアバックされていること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
5. 心棒は流体が満たされていること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
6. 心棒が、円筒形、スプール形状、円錐形、砂時計形状、または、周囲長が変化する先細りの形であること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
7. 心棒は円筒形であること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
8. 心棒はスプール形状であること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
9. 心棒は、砂時計形状で、周囲長が変化すること、
   を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
10. 心棒は、周囲長が変化する先細りの形であること、
    を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
11. 複数のコンプライアントな心棒のうち１本の縦軸に沿った音響センサの寸法は、対象の周波数の波長の１／２よりも大きいこと、
    を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
12. 前記周囲長は１／８インチよりも大きく、設計最大周波数における自由場感度は、設計最大周波数の半分における感度の半分を下回らないこと、
    を特徴とする請求項１０に記載の音響センサ。
13. 光ファイバはブラッグ格子を有すること、
    を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
14. 光ファイバを少なくとも光路の一部として用い、マイケルソン干渉計またはマッハツェンダ干渉計を更に有すること、
    を特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
15. 複数の心棒取付け面を有するベースと、
    何れも前記ベースの心棒取付け面に取り付けられる複数のコンプライアントな心棒と、
    前記ベースの心棒取付け面に取り付けられており、光カプラと参照アームとを収容する非コンプライアントなハウジングと、
    前記複数の心棒の周囲に巻かれており、前記非コンプライアントなハウジング内の光カプラにおいて終端される第１の光ファイバと、
    前記非コンプライアントなハウジング内の前記参照アームの周囲に巻かれており、前記光カプラにおいて終端される第２の光ファイバと、を備え、
    前記複数のコンプライアントな心棒の各々が他のコンプライアントな心棒に対して実質的に直交する向きに置かれている
    を有することを特徴とする高周波音響センサ。
16. 少なくとも１つの方向において、計測される音響センサの長さは、設計最大周波数の波長の少なくとも半分であり、反応に伴う損失は、設計最大周波数の半分での感度の半分を下回ること、
    を特徴とする請求項１５に記載の音響センサ。
17. 各心棒は、複数の部分を有する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の音響センサ。
18. 各心棒の複数の部分は互いにつなぎ部によって連結されていること
    を特徴とする請求項１７に記載の音響センサ。
19. ミッドポイントセンサとして構成されるときには、コンプライアントな心棒は６つの心棒取付け面の各一つに取り付けられ、３つの互いに直交するコンプライアントな心棒の対が形成される
    ことを特徴とする請求項２に記載の音響センサ。
20. 互いに直交するコンプライアントな心棒の対は何れも、前記ベースの中心を原点とする直交座標系の座標軸に沿う長手方向軸を有している
    ことを特徴とする請求項１９に記載の音響センサ。
21. エンドポイントセンサとして構成されるときには、少なくとも２つの互いに直交する心棒取付け面にコンプライアントな心棒が取り付けられている
    ことを特徴とする請求項２に記載の音響センサ。
22. 前記光カプラは、光学ビームスプリッタ、コンバイナ及びブラッグ格子の何れか１つ以上を含んでいる
    ことを特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
23. 前記コンプライアントな心棒は、ソリッドなもの、エアバックされたもの及び流体を満たしたものの何れかである
    ことを特徴とする請求項１５に記載の音響センサ。
24. 前記第１の光ファイバを終端する第１のミラーと、第２の光ファイバを終端する第２のミラーと、によって構成されたマイケルソン干渉計を備える
    ことを特徴とする請求項１５に記載の音響センサ。
25. 前記第２のミラーは、前記非コンプライアントなハウジングに収容されている
    ことを特徴とする請求項２４に記載の音響センサ。

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