JPH06117915A - 光音響センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センシングファイバ及び伝送用光ファイバ上
の雑音発生を軽減し、信号音波の最小検出限界の良好な
光音響センサを提供する。 【構成】 光源１０から連続光が出力されると、ブラッ
グセル１１では、光源１０と同一周波数成分の連続光を
出力すると共に、所定の周波数だけ周波数シフトした成
分の光を出力する。ブラッグセル１１の一方の出力光
は、カプラ１２−１，カプラ１３−１を介してセンシン
グファイバ１４へ送られ、そこを通ったセンシング光
が、アイソレータ１６−２及びカプラ１３−２，１２−
２を介してカプラ１７へ送られる。ブラッグセル１１の
他方の出力光は、カプラ１２−２，１３−２を介してリ
ファレンスファイバ１５へ送られる。そこを通ったリフ
ァレンス光は、アイソレータ１６−１及びカプラ１３−
１，１２−１を介してカプラ１７へ送られる。Ｏ／Ｅ変
換器１８は、受光用カプラ１７からのセンシング光とリ
ファレンス光を混合し、干渉成分を検出し、その干渉成
分がＦＭ検波器１９で検波される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ソーナのような水中音
響センサ等に用いられ、音波を光信号の形で検出するた
めの光ファイバを利用した光音響センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば次のような文献に記載されるものがあった。 文献；海洋音響研究会 光ファイバハイドロホン部会報
告書（昭６３−１０）高橋純夫、兵藤孝義著“干渉型光
ファイバハイドロホンの構成と特性”Ｐ３５−３８ 図３は、前記文献に記載された従来の干渉型光センサの
一構成例を示す図である。この光音響センサは、連続光
を発生する光源１を有し、その出力側に、周波数変換手
段であるブラッグセル２が接続されている。ブラッグセ
ル２は、光源１からの連続光を入力して互いに異なる２
つの周波数成分の光を出力するものであり、その出力側
に、伝送用光ファイバを介して音波検出用のセンシング
ファイバ３及びリファレンス光（参照光）出力用のリフ
ァレンスファイバ４が接続されている。センシングファ
イバ３及びリファレンスファイバ４は、受光用カプラ５
を介して光／電気変換器（以下、Ｏ／Ｅ変換器という）
６に接続されている。Ｏ／Ｅ変換器６は、光を電気信号
に変換する回路であり、その出力側に周波数変調（以
下、ＦＭという）検波器７が接続されている。

【０００３】次に、動作を説明する。光源１より連続光
が送出されてブラッグセル２へ送られると、該ブラッグ
セル２により、一方の出力端から、該光源１と同一周波
数成分の連続光が出力され、他方の出力端から、周波数
がシフトされた光成分が連続して出力される。ブラッグ
セル２の２つの光出力のうち、一方の光出力がセンシン
グファイバ３へ送られる。センシングファイバ３に音波
が印加されていると、その光ファイバの屈折率及びファ
イバ長が変化し、伝搬光の位相が変化するため、その位
相を利用して音波情報を検出することができる。このセ
ンシングファイバ３のセンシング光は、受光用カプラ５
を介してＯ／Ｅ変換器６へ送られる。

【０００４】また、ブラッグセル２の他方の出力光は、
リファレンスファイバ４へ送られ、センシング光の位相
を検出するためのリファレンス光となる。このリファレ
ンスファイバ４は通常、該音場から離間するため、空気
中等におかれ、該リファレンスファイバ４のリファレン
ス光も、センシング光と同様に受光用カプラ５を介して
Ｏ／Ｅ変換器６へ送られる。受光用カプラ５へ送られた
センシング光とリファレンス光とは、Ｏ／Ｅ変換器６で
混合され、干渉成分が検出される。この干渉成分は、ブ
ラッグセル２で発生されたシフト周波数を中心周波数と
してＦＭ検波器７によってＦＭ検波され、音波信号に比
例した情報が算出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の光音響センサでは、信号音波の印加されたセンシン
グ光とリファレンス光とが全く別の経路を通過すること
になる。そのため、センシングファイバ３及び伝送用光
ファイバ上に振動または温度等の外乱が加わったとき、
伝搬光が音波に応答すると同時に、外乱にも応答し、Ｆ
Ｍ検波器７で算出される音波情報の中に雑音として加算
される。この雑音は、信号音波の最小検出限界を大きく
劣化させることになり、この構成に於いては該雑音の発
生を少なくすることが困難であった。本発明は、前記従
来技術が持っていた課題として、センシングファイバ及
び伝送用光ファイバ上の雑音発生を軽減することが困難
な点について解決し、信号音波の最小検出限界の良好な
光音響センサを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために、連続光を発生する光源と、前記連続光を
入力して互いに異なる２つの周波数成分の光を出力する
ブラッグセル等の周波数変換手段と、前記周波数変換手
段の出力側に伝送用光ファイバを介して接続された音波
検出用のセンシングファイバ及びリファレンス光出力用
のリファレンスファイバを有するセンサとを備え、前記
センシングファイバ及びリファレンスファイバの出力光
を混合して干渉成分を検出し、該干渉成分をＦＭ検波に
よって復調する光音響センサにおいて、次のような手段
を講じている。即ち、本発明では、前記周波数変換手段
から出力された２つの周波数成分の光は、各々個別の伝
送用光ファイバを介して前記センシングファイバ及びリ
ファレンスファイバをそれぞれ通過し、その通過光が、
互いに入射時に通過した伝送用光ファイバとは相対する
伝送用光ファイバへ戻る構成にしている。さらに、前記
センサは、前記センシングファイバ及びリファレンスフ
ァイバとも音波に対して極性反転の振動モード、及び環
境の外乱に対して同一位相の振動モードとなるように実
装した構造にしている。

【０００７】

【作用】本発明によれば、以上のようにセンシング光と
リファレンス光に対し外乱の影響がコモンモードとして
作用するように、センサ構造及びシステム構造を構築し
たので、例えばリファレンスファイバをセンシングファ
イバと同様に水中等に設定すれば、伝送用光ファイバ上
に加わる外乱が同一モード（コモンモード）となるよう
に作用し、さらにセンシング光及びリファレンス光が同
じ伝送用光ファイバ上を必ず通過する。また、センサに
は、コモンモードで振動等の外乱が加わる。これによ
り、信号音波の最小検出限界の向上が図れる。従って、
前記課題を解決できるのである。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明の実施例を示す干渉型光音響
センサの構成図である。この光音響センサは、連続光を
発生する光源１０を有し、その出力側に周波数変換手段
（例えば、ブラッグセル）１１が接続されている。ブラ
ッグセル１１は、光源１０からの連続光を入力して互い
に異なる２つの周波数成分の光を出力する機能を有し、
その２つの出力端に送受用カプラ１２−１，１２−２が
接続されている。一方の送受用カプラ１２−１には、伝
送用光ファイバ及びセンサ用カプラ１３−１を介してセ
ンシングファイバ１４が接続されている。他方の送受用
カプラ１２−２にも、別の伝送用光ファイバ及びセンサ
用カプラ１３−２を介してリファレンスファイバ１５が
接続されている。センシングフファイバ１４は、アイソ
レータ１６−２を介して他方の伝送経路のセンサ用カプ
ラ１３−２に接続されている。リファレンスファイバ１
５も、アイソレータ１６−１を介して他方の伝送経路の
センサ用カプラ１３−１に接続されている。送受用カプ
ラ１２−１，１２−２の出力端は、受光用カプラ１７を
介してＯ／Ｅ変換器１８に接続されている。Ｏ／Ｅ変換
器１８は、受光用カプラ１７からのセンシング光とリフ
ァレンス光とを混合して干渉成分を検出するものであ
り、その出力側にＦＭ検波器１９が接続されている。

【０００９】図２は、図１に示すセンシングファイバ１
４及びリファレンスファイバ１５を有するセンサの取付
構造を示す図である。センシングファイバ１４及びリフ
ァレンスファイバ１５は、円盤状の振動板２１，２２に
それぞれ円形状に接着剤等で固定されている。この２つ
の振動板２１，２２は、円筒形の架台２３で上下に支持
された構造となっている。

【００１０】次に、図１及び図２に示す光音響センサの
動作を説明する。光源１０から連続光が送出されてブラ
ッグセル１１へ送られると、該ブラッグセル１１では、
ブラッグ回析により、一方の出力端から、該光源１０と
同一周波数成分の連続光を出力し、他方の出力端から、
所定の周波数だけ周波数シフトした成分の光を連続して
出力する。ブラッグセル１１の一方の出力光は、送受用
カプラ１２−１及びセンサ用カプラ１３−１を介してセ
ンシングファイバ１４へ送られる。このセンシングファ
イバ１４を通過したセンシング光は、アイソレータ１６
−２及びセンサ用カプラ１３−２を介してリファレンス
光の入射伝搬経路へ戻り、さらに、送受用カプラ１２−
２及び受光用カプラ１７を介してＯ／Ｅ変換器１８へ送
られる。

【００１１】また、ブラッグセル１１の他方の出力光
は、送受用カプラ１２−２及びセンサ用カプラ１３−２
を介してリファレンスファイバ１５へ送られる。このリ
ファレンスファイバ１５を通過したリファレンス光は、
アイソレータ１６−１及びセンサ用カプラ１３−１を介
してセンシング光の入射伝搬経路へ戻り、さらに、送受
用カプラ１２−１及び受光用カプラ１７を介してＯ／Ｅ
変換器１８へ送られる。ここで、センシングファイバ１
４及びリファレンスファイバ１５では、次のような動作
を行う。即ち、図２において、信号の音圧が印加された
状態では、例えば音波の圧縮時に振動板２１，２２が内
側に圧縮され、センシングファイバ１４が縮み、リファ
レンスファイバ１５が伸び、伝搬光の位相の極性が反転
するため、干渉時に位相が２倍となって音圧換算値も２
倍と高くなる。また、外乱として上下振動が加わった状
態では、上下の振動板２１，２２が同一振動モード（コ
モンモード）となり、センシングファイバ１４及びリフ
ァレンスファイバ１５の各伝搬光が同位相となるため、
干渉時にキャンセルされる。そのため、結果的に、振動
による妨害雑音が除去される。

【００１２】このように妨害雑音が除去されたセンシン
グ光とリファレンス光は、受光用カプラ１７を介してＯ
／Ｅ変換器１８へ送られる。Ｏ／Ｅ変換器１８では、セ
ンシング光とリファレンス光を混合し、干渉成分を検出
する。この干渉成分は、ブラッグセル１１で発生させた
シフト周波数を中心周波数としてＦＭ検波器１９により
ＦＭ検波され、音波信号に比例した情報が算出される。

【００１３】以上のように、本実施例では次のような利
点を有している。 （ａ） センシングファイバ１４を通過したセンシング
光とリファレンスファイバ１５を通過したリファレンス
光とが、同一の伝送用光ファイバを通過することになる
ため、該伝送用光ファイバで発生する外乱のキャンセル
が可能となる。 （ｂ） センサの構造を図２に示すように、振動等の外
乱に対してセンシングファイバ１４及びリファレンスフ
ァイバ１５の振動変位が同一となるように設定したた
め、外乱雑音がコモンモードとなり、結果的に外乱の影
響が軽減される。このようにセンサ上及び伝送用光ケー
ブル上での外乱等の影響を共に軽減できるので、ソーナ
のような水中音響センサ等として種々の応用が可能であ
る。 （ｃ） センサの構造を図２に示すように、通常のセン
シングファイバ１４とリファレンスファイバ１５との両
方に音圧が印加されるようにし、さらに誘起される伝搬
光の位相変化が反転するように設定したため、音圧感度
が２倍となり、音波検出感度が向上する。 なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば図１の
ブラッグセル１１を他の周波数変換手段で構成したり、
あるいはセンシングファイバ１４及びリファレンスファ
イバ１５を有するセンサを図２以外の構造に変更する
等、種々の変形が可能である。

【００１４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、センシングファイバを通るセンシング光及びリフ
ァレンスファイバを通るリファレンス光とが同一の伝送
用光ファイバを通過するような構成にしたので、該伝送
用光ファイバ上で発生する外乱のキャンセルが可能とな
る。しかも、センサの構造を、振動等の外乱に対してセ
ンシングファイバ及びリファレンスファイバの振動変位
が同一となるように設定したので、外乱雑音がコモンモ
ードとなり、結果的にその外乱の影響が軽減される。し
かも、センサの構造は、例えば、センシングファイバと
リファレンスファイバとの両方に音圧が印加されるよう
にし、さらに誘起される伝搬光の位相変化が反転するよ
うに設定したため、音圧感度が大きくなって音波検出感
度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す光音響センサの構成図で
ある。

【図２】図１のセンシングファイバ及びリファレンスフ
ァイバの取付構造を示す図である。

【図３】従来の光音響センサの構成図である。

【符号の説明】

１０ 光源 １１ ブラッグセル １２−１，１２−２ 送受用カプラ １３−１，１３−２ センサ用カプラ １４ センシングファイバ １５ リファレンスファイバ １６−１，１６−２ アイソレータ １７ 受光用カプラ １８ Ｏ／Ｅ変換器 １９ ＦＭ検波器 ２１，２２ 振動板 ２３ 架台

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続光を発生する光源と、前記連続光を
   入力して互いに異なる２つの周波数成分の光を出力する
   周波数変換手段と、前記周波数変換手段の出力側に伝送
   用光ファイバを介して接続された音波検出用のセンシン
   グファイバ及びリファレンス光出力用のリファレンスフ
   ァイバを有するセンサとを備え、 前記センシングファイバ及びリファレンスファイバの出
   力光を混合して干渉成分を検出し、該干渉成分を周波数
   変調検波によって復調する光音響センサにおいて、 前記周波数変換手段から出力された２つの周波数成分の
   光は、各々個別の伝送用光ファイバを介して前記センシ
   ングファイバ及びリファレンスファイバをそれぞれ通過
   し、その通過光が、互いに入射時に通過した伝送用光フ
   ァイバとは相対する伝送用光ファイバへ戻る構成にし、 前記センサは、前記センシングファイバ及びリファレン
   スファイバとも音波に対して極性反転の振動モード、及
   び環境の外乱に対して同一位相の振動モードとなるよう
   に実装した構造にしたことを特徴とする光音響センサ。