JPH0334014B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野 この発明は、水中の音響を計測する光フアイバ
ハイドロフオンの温度特性の安定化に関するもの
である。

水中の音響を検出する装置を一般にハイドロフ
オンという。多くの種類の音波検出機構が提案さ
れているが、古くから実用化されているのは圧電
素子をセンサとして用いるものである。これは音
波による水圧の変化を、直接、電気信号に変換で
きる。

光フアイバをセンサとして用いる光フアイバハ
イドロフオンも、水中音響測定装置として提案さ
れている。

光フアイバは、石英ガラスフアイバ、多成分系
ガラスフアイバ、プラスチツクフアイバなどが可
視光用のフアイバとして実用化され、実績もあ
る。

コアとクラツドよりなる二重構造の細い円形断
面の光導波路である。コア径を小さくして、シン
グルモードフアイバとしたものもある。

光フアイバを水中に漬けると、音波による水圧
の変化を受けて、実効的な光路長が変化する。

これは、圧力変化により屈折率ｎが変化する、
ということと、光フアイバの直径が変化するから
長さが変化するという事の両方の効果を含んでい
る。

音波の圧力変化は小さいから、光フアイバの光
路長の変化は微小なものである。

しかし、光フアイバのセンサ部の長さを長くす
れば、かなり大きい光路長変化を得る事ができ
る。

また、マツハツエンダ干渉計を２本の光フアイ
バによつて構成すれば、一方の光フアイバの光路
長の変化を光の波長のオーダーで検出する事がで
きる。

(イ) 従来技術 光フアイバハイドロフオンは、２本のシングル
モード光フアイバによつてマツハツエンダ干渉計
を構成し、２つの光フアイバを透過した光の干渉
を利用して、音波の強さを測定するものである。

公知の光フアイバハイドロフオンの原理を第２
図によつて説明する。

光源１から出たコヒーレントな光を、分岐１０
によつて分け、シングルモードフアイバ２，３に
入射させる。

信号用フアイバ２の途中には、水中音波を捕え
るためのセンシングコイル４が形成されている。

信号用フアイバ２と参照用フアイバ３の出射光
は合成器１３によつて合一され、光検出器５に入
射する。ここで２つの光は干渉し、干渉光の強度
が光検出器５の出力に表われる。

しかし、このような光フアイバハイドロフオン
は温度特性が悪く、実用的にはあまり有効でな
い。温度変化により、光フアイバの長さが変化す
るが、これが信号による光路長の変化に比べて大
きいので、信号をとり出す事ができない。

この点について説明する。

音波の角振動数をΩとする。

音波は水中を伝搬し、センサである光フアイバ
コイルに達する。センサ部のサイズよりも、音波
の波長が十分長ければ、センサ部の全体に、同時
的にsinΩtで変動する水圧成分を与える。音波の
波長は、水中の音速を周波数で除したものである
が、通常の周波数のものに対しては、数ｍ〜数＋
cmになるから、この条件を満たすことができる。

光フアイバに加わる圧力の変化により、光フア
イバの屈折率、長さが変化する。音圧が０のとき
の位相を基準とし、音圧が加わつた時のセンサ部
を抜ける時の位相増加分を φsinΩt (1) で表現することにする。

φは音圧の大きさ（振幅）と、光フアイバの感
度の積である。音波によるセンサ部に於ける光の
最大位相シフト量ということもできる。

参照用フアイバ３を通過し、光検出器５に入射
した時の、参照光の電界強度Etは、振幅をＧ、
光の角振動数をωとして、 Ｅ（ｔ）＝Gsin（ωt＋Ψ） (2) と書くことができる。ここでΨは信号光と参照光
の位相のズレを示している。

信号光は信号用フアイバを通過し、センサコイ
ルに於いて、(1)の位相変化を受ける。光検出器に
入射した時の振幅をＨとして、信号光の電界強度
Ftは、 Ｆ（ｔ）＝Hsin（ωt＋φsinΩt） (3) と書くことができる。位相ズレΨが問題である。

光検出器の出力である光電流Ｉは、受光感度な
どの定数係数を除いて、 Ｉ（ｔ）＝｜Ｅ（ｔ）＋Ｆ（ｔ）｜² (4) となる。ただし、｜……｜は単に絶対値というの
ではなく、光の角振動数の逆数１／ωのオーダー
で平均をとる、ということを意味している。光検
出器の動作に対応した操作である。

Ｉ（ｔ）＝１／２（G²＋H²）＋HGcos（Ψ−φsinΩt） (5) となる。この内第１項は定数である。このような
直流分を除いた光電流部分をＩ〜（ｔ）と書く。こ
れについて考える Ｉ〜（ｔ）＝GH｛cosΨcos（φsinΩt） ＋sinΨsin（φsinΩt）｝ (6) cos（φsinΩt）とsin（φsinΩt）はベツセル函数
Jn（φ）によつて展開する事ができる。

cos（φsinΩt）＝Jn（φ） ＋２_∞ 〓^m=1 J₂m（φ）cos（2mΩt） (7) sin（φsinΩt） ＝２_∞ 〓^m=1 J_2n-1（φ）sin（（2m−１）Ωt） (8) である。これを(6)に代入するとＩ〜（ｔ）をΩの基
本波と高調波成分の和として表現できる。フイル
ター回路を通すことにより、任意の周波数成分を
とりだすことができる。

従来提案されている光フアイバハイドロフオン
に於ては、この内、基本波Ωの成分を取り出すよ
うにしていた。この成分をI₁（ｔ）と書くと、 I₁（ｔ）＝2GHsinΨJi（φ）sin（Ωt） (9) となる。水圧による変調位相の振幅φは十分小さ
いから、φ１という近似をすることができる。
１次のベツセル函数はこの近似でJ₁（φ）φ／
２であるから I₁（ｔ）GHφsinΨsin（Ωt） (10) となる。すると、基本波の振幅にφが含まれるか
ら、水圧の変化の強さφが分るはずである。

しかし、そうではない。

(ウ) 従来技術の問題点 基本波の振幅にsinΨが含まれている。

Ψは２つの光フアイバの光路差による位相差で
ある。

２つの光フアイバの温度は同一でない。このた
め温度による光路の差があつてΨが変動する。

たとえ光フアイバの長さが同一であつたとして
も、温度が異なれば光路差Ψが変化する。

光フアイバの長さが違えば、たとえ温度変化が
同一であつても光路差が温度により変動する。

光フアイバ長が同一で、温度変化も同一である
時のみΨ＝０となつて、温度変動しない。しか
し、こういう事は困難である。

光フアイバの長さをＬ、屈折率をｎ、線膨脹率
をα、光の波長をλ、温度変化がΔTである時、
位相変化がλ／４であるとする。温度変化がΔT
以上であつてはいけないという許容上限温度変化
である。

線膨脹率の最も小さいフアイバは、石英ガラス
フアイバである。このフアイバ１ｍに、He−Ne
レーザの光を通したとする例について考える。ｎ
＝1.4、α＝0.4×10^-6／C^O、Ｌ＝１ｍ、λ＝630n
ｍを代入する。ΔT＝0.3℃を得る。ΔTを越えて
温度が変化してはならないのであるが、0.3℃以
下に温度変化を抑えるという事は困難である。

センサコイルは、対象となる水中に沈んでいる
わけであり、この水温を制御するという事はでき
ない。またどのような水温であつても音圧を測定
できるのでなければならない。

このようなわけで、第２図の光フアイバハイド
ロフオンは、未だ実用化されていない。

本出願人は、このような難点を解決するため、
2Ωの振動数部分をとり出し、位相変化の影響の
ないようにした光フアイバハイドロフオンを発明
した（特願昭61−119989、S61.5.24出願）。

これは、２本ではなく、１本の長い中間部を有
する光フアイバを用いる。センサコイルは中間部
より一方に偏つている。１本のフアイバへ、両端
から光を通し、両端の出射光を干渉させる。

右廻り光と左廻り光で、センサコイルを通る時
刻に差があるから、変調を受けた時の位相が異な
る。これはΩの偶数倍の周波数成分に表われる。
そこで2Ωの振動数の振幅を検出し、音圧による
振幅φを求める。

この発明は、位相差Ψが全くない、という点で
優れたものである。１本のフアイバを互に反対向
きに通すからである。

しかし、センサコイルの他に極めて長い中間部
フアイバを要するから、必要なフアイバ長は極め
て長い。また2Ωの項をとるから、振幅φについ
ても２乗φ²の項が現われる事になる。φ１で
ある事が多いから、φの一乗を検出できるものに
比べて感度が悪いという欠点がある。

(エ) 目的 温度変化によつて、基本波の比例定数が変化す
るが、変化の量を検出し、これを打消すことによ
つて、比例定数を一定に保持することのできる光
フアイバハイドロフオンを提供する事が本発明の
目的である。

(オ) 構成 本発明では、２本の光フアイバを用いて、マツ
ハツエダ干渉計を構成する。この点は第２図の従
来例と同じである。

ただし、位相差Ψを検出し、さらに、位相差を
キヤンセルするような機構を備えるものとする。

従来例は、位相差Ψが生ずるのを避ける事がで
きない、という事だけでなく、位相差Ψが分らな
い、という欠点があつた。光路中に位相差を与え
る機構は既にある。しかし、位相差Ψが分らなけ
れば、これを打消すのに必要な位相が分らない。

本発明は、現在の位相差Ψを知り、これをキヤ
ンセルするために位相Φを加えて、Ψをキヤンセ
ルする。

第１図によつて、本発明の光フアイバハイドロ
フオンの構成を説明する。

光源１は単色光を発するもので、He−Neレー
ザ、Arレーザなどのガスレーザ、或は半導体レ
ーザ、その他のレーザを用いる事ができる。

光源から出たコヒーレントな光は、分岐器１０
によつて２本の光線に分けられ、信号用光フアイ
バと参照用光フアイバ３に入射する。図示してい
ないが、レンズ系などを用いて入射させるのであ
る。

信号用光フアイバ２の途中はセンシングコイル
４となつている。これは光フアイバを多数回巻い
てコイルとしたものである。水中に漬けられて、
音波によつて膨縮し光路長変化による位相差
φsinΩtをとり出すセンサである。

参照光用光フアイバ３は、途中に、位相補償器
６と、位相変調器７が介装されている。

信号用光フアイバ２の出射光と参照光用光フア
イバ３の出射光とは、合成器１３で合一し、光検
出器５に入射する。ここで干渉し、干渉光の強度
が光検出器５に於て検出される。

信号用光フアイバ２、参照光用光フアイバ３は
シングルモードフアイバであり、光源からコヒー
レント光がフアイバに入射するのであるから、光
検出器５に於て、２本の光線は干渉することがで
きる。

光検出器５の出力は、増幅器１４によつて増幅
され、同期検波器８により、特定の周波数成分の
出力をとり出すようになつている。

位相変調器７はΩmの角振動数で、参照光の位
相を変調するものである。位相変調の振幅をΘと
して、 Θsin（Ωmt） （10） の位相を与える。これは、位相をズラす位相器で
はなく、位相をΩmで振動させるのであるから、
位相変調器なのである。

信号発生器９は、位相変調器７に（10）式に対
応するような電圧信号を与え、これを駆動するも
のである。

信号発生器９の変調角振動数Ωmに等しい角振
動数の出力を同期検波器８で選択的に増幅するた
め、Ωmの信号を同期検波器８へ入力する。

一方の位相補償器６は、位相をΦだけズラすも
のである。これは直流的に位相をズラすから移相
器と表現してもよい。ただし、ここでは、光フア
イバ光路差による内在的な位相差Ψを打消すため
に、Φだけ移送するのである。このため位相補償
器と呼んでいる。

位相変調器７の角振動数Ωmの成分を同期検波
器８で選択的に増幅する。

同期検波器８は、角振動数Ωmの成分の振幅Π
を出力として生ずる。この内、直流成分Π₀を差
動増幅器２０に於て基準電圧V₀（OVのこともあ
る）と比較し、出力によつて補償位相Φを増減す
る。そして、Πの直流分Π₀を０にする。

分岐器１０、合成器１３はハーフミラーを使用
する事ができる。

また、分岐器、合成器と、光フアイバとの結合
には、レンズ系を用いるが、ここでは図示を略し
ている。

(カ) 作用 光検出器５に入射する時の参照光の電場強度Ｅ
（ｔ）は Ｅ（ｔ）＝Gsin（ωt＋ΘsinΩm＋Ψ−Φ） （11） となる。sin函数の中の２項目は位相変調器７に
よる位相変化分である。Φは位相補償器６によつ
て、参照用光フアイバの光路を直流的に増減した
ものに対応する。Ψは２本の光フアイバの光路差
による位相差である。従来、Ψの大きさを検出す
るような手段がなかつた。

信号光の電場Ｆ（ｔ）は(3)式と同じで Ｆ（ｔ）＝Hsin（ωt＋φsinΩt） （12） によつて与えられる。Ωは音波の角振動数、φは
音波の圧力によつて信号用光フアイバに生ずる位
相変化の振幅である。音波の強さ、センシングコ
イルの長さなどはφに含まれている。

光検出器５の出力電力Ｉは、 Ｉ（ｔ）＝｜Ｅ（ｔ）＋Ｆ（ｔ）｜² （13） である。直流分を除いたものをＩ〜（ｔ）と書く
と、 Ｉ〜（ｔ）＝GHcos（ΘsinΩmt−φsinΩt ＋Ψ−Φ） （14） となる。変調周波数Ωmの成分を取り出すことを
考える。そこで、この部分と他の部分を分ける。

Ｉ〜（ｔ）＝GH｛cos（ΘsinΩmt）cos（φsinΩt−Ψ
＋Φ） ＋sin（ΘsinΩmt）sin（φsinΩt−Ψ＋Φ） （15） ベツセル函数の母函数展開を用いて、 cos（ΘsinΩmt）＝J₀（Θ）＋２_∞ 〓^m=1 J_2n（Θ）cos（2mΩmt） （16） sin（ΘsinΩmt）＝２_∞ 〓^m=1 J_2n-1（Θ）sin（2m−１）Ωt） （17） となる。(7)、(8)式と同様であるが、(7)、(8)が音波
の角振動数Ωの高調波によつて展開していたのに
対して、ここでは変調器の角振動数Ωmの高調波
によつて展開している。

変調波の基本波成分、高調波成分の内、任意の
次数のものを同期検波器８によつて選択する事が
できる。

ここでは、基本波成分sin（Ωmt）をとりだすこ
とにする。これは（17）式のsin（……）の展開に
含まえる。基本波成分の出力をI₁（ｔ）と書く。

I₁（ｔ）＝2GHJ₁（Θ）sin（φsinΩt
−Ψ＋Φ）sin（Ωmt）（18） となる。振幅だけを取り出すと、 Π＝2GHJ₁（Θ）sin（φsinΩt−Ψ＋Φ）（19） 振幅Πのうち、Ｇ、Ｈは定数である。J₁（Θ）
はΘが変調の振幅である事から、定数であるとい
う事が分る。sin（……）の中の（Φ−Ψ）が直流
分を与える。（19）のように振幅だけをとり出す
のはΩm〜Ωであれば可能である。

（18）式の振動は、実際にはΩmだけの振動で
はなく、Ωm±nΩ（ｎ＝１、２、……）の多数の
振動を含んでいる。しかし、Ωm〜Ωであれば、
（19）のような振幅成分Πを同期検波器８によつ
て得ることができる。

φがπ／２を越える事がないので、（19）は直
流成分をもつている。直流成分Π₀と書くと Π₀＝2GHJ₁（Θ）sin（Φ−Ψ） （20） である。振幅なのであるから、直流成分を持つの
はあたりまえであるが、これは検出可能な量であ
る。直流成分の大きさから、（Φ−Ψ）の大きさ
を知る事ができる。

直流成分の中には、音波の強度φを表わす信号
が含まれていない。そこで、振幅Πから、直流成
分を除くように補償位相Φを調整する。

これが出力からのフイードバツクライン２２の
役割である。差動増幅器２０は、直流分Π₀と電
圧０とを比較する。Π₀＞０であれば、Π₀を下げ
るため、出力２３を下げて、Φを下げる。

（20）式から、Φが下ると、Π₀が小さくなる。
するとΠ₀＜０となることもある。この場合は、
差動増幅器２０の出力が反転し、位相補償器６の
Φを上げる。

このようにして、結局Φ−Ψ＝０となり、Π₀
＝０となる。

実際には、検波器８の出力には、直流バイアス
V₀を加えている事が多いので、出力は（Π＋V₀）
というようになる。この場合、差動増幅器２０の
比較入力は０ではなくV₀となる。

また、増幅率を決定するため、差動増幅器２０
の入出力には帰還抵抗をつけることもあるが、こ
こでは図示を略した。

このようにして、振幅Πから直流成分が除かれ
るから、 Π＝2GHJ₁（Θ）sin（φsinΩt） （21） となる。この内の中には、温度変動による位相の
ゆらぎΨが入つていない。

実際には、水中には、単一の角振動数の音波が
存在するわけではない。角振動数Ω₁、Ω₂、……
で、振幅がφ₁、φ₂、……のものがあるとすると、
（21）式のかわりに、 Π＝2GHJ₁（Θ）sin（ΣφjsinΩjt） （22） となるわけである。このような場合でも、信号の
影響による位相ずれの平均値は０なのであるか
ら、直流分（Ψ−Φ）を除くことは可能である。

さらに、（22）から、それぞれの角振動成分
Ω₁、Ω₂、……について振幅を求めることができ
る。Ω＝Ωjとなるようにフイルタを通して、増
幅してゆけばよいのである。ただし、sin（……）
の展開であるから、高調波成分が出てくるので、
Ωi＝nΩjとなるような２つの音波に関しては、振
幅の測定に不確定性がででくる可能性もある。

(キ) 効果 光フアイバハイドロフオンに於て、本発明の構
成を用いれば、温度変化による２本のフアイバの
位相差を除去する事ができる。このため温度特性
が著しく改善される。実用的な光フアイバハイド
ロフオンを与える事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光フアイバハイドロフオンの
構成図。第２図は公知の光フアイバハイドロフオ
ンの原理図。 １……光源、２……信号用光フアイバ、３……
参照用光フアイバ、４……センシングコイル、５
……光検出器、６……位相補償器、７……位相変
調器、８……同期検波器、９……信号発生器、１
０……分岐器、１３……合成器、１４……増幅
器、２０……差動増幅器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水中音波による水圧変化によつて実効的に光
   路長の変化するセンシングコイル４を途中に設け
   たシングルモードフアイバよりなる信号用光フア
   イバ２と、参照用光フアイバ３と、コヒーレント
   な光を生ずる光源１と、光源１の光を２本の光線
   に分け信号用光フアイバ２と参照用光フアイバ３
   に入射させる分岐器１０と、信号用光フアイバ２
   と参照用光フアイバ３を透過した光を合一するた
   めの合成器１３と、合一された光の強度を検出す
   る光検出器５とによつてマツハツエンタ干渉計を
   構成した光フアイバハイドロフオンに於て、参照
   用光フアイバ３又は信号用光フアイバ２の途中
   に、角振動数Ωmpで位相を変調する位相変調器
   ７と、２つの光フアイバの位相差Ψを補償するた
   めの位相Φを与えるための位相補償器６とを介装
   し、光検出器５の出力の内、位相変調器の変調角
   振動数Ωｍの成分の振幅Πを求め、振幅Πの中に
   含まれる直流分Π₀が０になるように位相補償器
   ６の位相Φを変化させる事によつて、位相差Ψを
   打消し、振幅Πの内の振幅成分の大きさによつ
   て、その振動数の水中音波の強さを求めるように
   した事を特徴とする光フアイバハイドロフオン。