JPH06160168A - 光学的に切り換えられるセンサアレイ - Google Patents

光学的に切り換えられるセンサアレイ

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JPH06160168A
JPH06160168A JP5202263A JP20226393A JPH06160168A JP H06160168 A JPH06160168 A JP H06160168A JP 5202263 A JP5202263 A JP 5202263A JP 20226393 A JP20226393 A JP 20226393A JP H06160168 A JPH06160168 A JP H06160168A
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    • G01D5/35383Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 水中聴音器システムに用いられる分散型ファ
イバ光センサアレイを提供する。 【構成】 複数の光センサーのサブアレイを有するファ
イバ光アレイ。前記サブアレイは、入力及び出力バスに
沿って間隔をおいて配置され、前記入力及び出力バスに
順次接続された関連する入力及び出力の光作動式光スイ
ッチを介して入力及び出力バスに光接続される。第1及
び第2の光信号パルス列は入力バスの一方及び他方の端
部に印加され、第3の光信号パルス列は出力バスの一方
の端部に印加される。前記入力スイッチは、入力バスに
おける各第1の光信号パルスに順次応答して、同じ大き
さの第2の光信号パルスが各サブアレイに印加されるよ
うに、その入力スイッチに同時に存在する第2の光信号
のパルスを関連したサブアレイに通す。関連した出力ス
イッチは、第3の光信号パルスに順次応答して、第2の
光信号パルス列を前記アレイから出力バス上に通し次い
で処理機器に通す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物理的現象の変化を検
知するための船の水中聴音器システムに用いられるよう
な分散型ファイバ光センサアレイに関し、特に、光学的
に切り換えられるファイバ光センサアレイの分散型アレ
イを用いるシステムの提供に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】水中に
沈められ、水中の音響振動を検知するために船の後に引
かれる従来のファイバ光学水中聴音器アレイは、一般
に、直列またははしご形状またはマトリクス形状に接続
された、間隔をおいて配置された(すなわち分散され
た)複数のファイバ光センサからなる。実際には、数個
の水中聴音器アレイが、船の後ろに、各アレイまたはサ
ブアレイのために必要とされかつ曳航船上の処理機器に
戻って伸びる多数の入力及び出力ファイバ光バスと連続
して接続される。このようなファイバ光センサアレイは
技術上周知であり、下記のような刊行物及び特許に開示
されている。例えば、1986年12月30日に発行さ
れたジー・エイ・パブラス(G.A.Pavlath) による受動的
サンプリング干渉計センサアレイに関する米国特許第4,
632,551 号;1987年10月6日に発行されたアール
・シー・ヤングクイスト(R.C.Youngquist)等による短い
コヒーレンス長源を使用するコヒーレント分散型センサ
及び方法に関する米国特許第4,697,926 号;1987年
10月13日に発行されたジャネット・エル・ブルック
ス(Janet L.Brooks)等によるファイバ−光学干渉計セン
サのコヒーレンス多重化を用いる分散型センサ及び方法
に関する米国特許第4,699,513 号;1988年9月13
日に発行されたビー・ワイ・キム(B.Y.Kim) 等によるパ
ルス信号源を用いる分散型センサアレイ及び方法に関す
る米国特許第4,770,535 号;1988年12月6日に発
行されたアイ・ジェイ・ブッシュ(I.J.Bush)による波長
切換型受動的干渉計センサシステムに関する米国特許第
4,789,240 号;1989年4月4日に発行されたアール
・シー・ヤングクイスト(R.C.Youngquist)等によるコヒ
ーレンス合成の使用による選択的干渉計検知のセンサア
レイ及び方法に関する米国特許第4,818,064 号;198
9年12月26日に発行されたエイ・ディー・カージー
(A.D.Kersey)等による直列干渉計ファイバ−光センサア
レイに関する米国特許第4,889,986 号;1991年4月
30日に発行されたエム・アール・レイトン(M.R.Layto
n)によるファイバ光センサに関する米国特許第5,011,26
2 号;1991年8月13日に発行されたエム・アール
・レイトン(M.R.Layton)等によるファイバ光センサアレ
イのための干渉計校正に関する米国特許第5,039,221 号
であり、これらは参照によりここに含まれる。
【0003】例えば、ファイバ光はしごセンサアレイに
おいては、異なるセンサが、各センサの両端に接続され
る入力及び出力ファイバ光学バスを備えたはしご構造の
各横木に接続される。入力バスは単一光源からの光を受
信するために接続される。入力バスにおける各入力光パ
ルスは、関連した方向結合器を介して各センサに順次印
加される。その結果、パルスがアレイの入力バス伝いに
進行するにつれて、各センサにおける入力光パルスの減
少が生じる。前記アレイの分散型センサの最大数は、出
力バスを通されて曳航船の電子機器で検出できる光の最
大量で決定される。曳航ケーブルに必要な光バスの数を
増加させることなく、また曳航船において必要な処理機
器の量を増加させることなく、船の後ろに引くことがで
きるセンサの数を増加させることができることが望まし
い。本発明の1つの目的は、改善された光ファイバ水中
聴音器センサアレイシステムの提供にある。本発明の他
の目的は、従来のアレイより少ない光ファイババスを要
する光ファイバセンサアレイの提供にある。本発明の他
の目的は、分散型サブアレイに通される光入力信号が各
サブアレイの位置を通過するにつれて強度が減少される
ことのない光ファイバセンサアレイまたはサブアレイの
提供にある。本発明の他の目的は、実質的に同じ大きさ
の別々の入力光パルスがアレイの各サブアレイに印加さ
れる光ファイバセンサアレイの提供にある。本発明のさ
らに他の目的は、単一源で駆動されるセンサの数を増加
させることにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、物理的
パラメーターの変化を検知するための装置は、各センサ
が物理的パラメーターに応答してその変化を検知する、
複数の間隔をおいて配置された光センサのサブアレイか
らなるアレイと、その上に第1及び第2の光信号を有す
る入力光バスと、前記第1の光信号に応答して、前記第
2の光信号を前記サブアレイのそれぞれに選択的に結合
するための手段と、物理的パラメーターの変化を検出す
るために前記センササブアレイからの出力信号を監視す
るための手段とからなる。本発明の特定の実施例におい
て、第1及び第2の光信号は、入力バス伝いに複数の間
隔をおいて配置されたセンササブアレイを伴う入力バス
の両端に印加される。結合手段は、関連したセンササブ
アレイにおいて入力バスに連続する複数の光作動式入力
光スイッチからなる。入力バスを介する第1の光信号の
各パルスは各入力スイッチを連続的に作動させ、入力バ
スを介してその入力スイッチに同時に存在する第2の光
信号のパルスを関連したセンサアレイに通す。出力光バ
スにおける関連した光作動式出力光スイッチは、出力バ
スにおける第3の光信号のパルスによって同じように脈
動され、第2の光信号パルス列をサブアレイから処理機
器へ通す。本発明の要件は、同じ振幅の第2の光信号パ
ルスがサブアレイの各々に印加されるので、本発明は第
2の光信号の単一光源によって駆動できる光学センサの
数を増加させることを示す。本発明は、1000以上の
非常に小さい直径の個々のセンサとマイクロレーザー源
のアレイ及び/またはサブアレイを含む応用に特に役立
つ。
【0005】
【実施例】本発明は、それの好適な実施例の以下の詳細
な説明と添付図面からより十分に理解されるであろう。
図1を参照すると、本発明の好適な実施例は、曳航船に
配置された機器6と曳航ケーブル内のアレイ構造7とか
らなる。機器6は、従来的なものであり、入力光ファイ
ババス14のそれぞれ両端A及びB(図1の右及び左
端)を駆動するための入力光信号Sの源10及び入力ポ
ンプパルスPの発生源11を含む。第3の発生源12
は、出力バス16の左端Cを駆動する光ポンプパルスQ
を発生する。発生源10〜12のタイミングは同期回路
36で制御される。発生源10、11及び12からの出
力信号波形は、時間を関数としてそれぞれ図2A、2B
及び2Cに示される。パルスP及びQの周波数は同じか
または異なっていても良い。発生源10〜12は、例え
ば0.8〜0.9または1.3または1.9ミクロンに
相当する出力周波数を有する半導体ダイオードレーザー
でも良い。
【0006】アレイ構造7は、入力及び出力ファイバ光
バス14及び16と、複数のNサブアレイSAk と、関
連したサブアレイの両端を入力及び出力バス14及び1
6に接続する複数のN入力及び出力光スイッチS1k及び
2kを含む。(ここで、Nは奇数または偶数のいずれか
の整数、kは特定のスイッチ位置を示す。)サブアレイ
SAk は、従来的なものであり、隣接の関連した入力及
び出力スイッチと同様に時間間隔τに相当する距離ずつ
間隔をおいて配置される。各サブアレイは、遅延時間Δ
t≦τ/nに相当する間隔をおいて配置されるnセンサ
を含む。これは、2Δt≦2τ/nが、SA1 のような
サブアレイの線13上の入力信号パルスSの一部がセン
サy2を通り線15に戻るように進行するための往復遅
延時間であることを意味する。これは、センサy2にお
いて遅延がないと仮定している。個々のセンサは、この
ことは要求されないが、干渉計的であっても良い。SA
1における17及び18のような点は、図解の都合上図
1には示されていないが、実際には方向結合器である。
【0007】次に図2A及び2Bを参照すると、入力信
号パルスS及び入力ポンプパルスPは入力バス14の両
端(それぞれ図1の右側及び左側)に印加され、図2C
の出力ポンプパルスQは出力バス16の左側端部に印加
される。パルスS及びPは、信号パルスが各センサ用の
入力線からサブアレイの隣接したセンサを通って戻るよ
うに進行するための時間遅延に相当するW≦2τ/nの
パルス幅を有する。対照的に、出力ポンプパルスQのパ
ルス幅は、下記にもっと十分に説明されるように、信号
パルスを関連したサブアレイから出して空にするために
2τになっている。図2AのパルスSのパルス繰返し周
波数は1/τになっている(図5の列R2)。パルスS
のパルス繰返し周波数は、ここでは下記にもっと十分に
説明されかつ図5の列R13に示されるように、好適に
は1/(2τ)である。かけがえとして、入力信号S
は、光パワーを浪費するので好適ではないが連続波でも
良い。入力及び出力ポンプパルスP及びQのパルス繰返
し周波数は共に1/(2T)になっている。
【0008】光ファイバの長さ及び発生源10〜12の
タイミングは、図2AのSパルスが、P及びQパルスが
第1の入力及び第1の出力スイッチに印加された時に入
力バス14を介して(右側から左側に移動して)各入力
スイッチS1kに入射するように調整される。この状態は
図5の列R2〜R4に示される。入力スイッチS1kは、
入力信号パルスS及び入力ポンプパルスPが共に入力バ
スを介して入力スイッチに同時に存在する時、次に該ス
イッチが、その信号パルスSの全部を隣接するサブアレ
イに側路すると共にそのポンプパルスPの実質的な量を
入力バス伝いに次の入力スイッチに通すように動作す
る。逆に、入力パルスSのみが入力バスを介して入力ス
イッチに存在する(すなわち、ポンプパルスPがその入
力スイッチからなくなった)時は、次に信号パルスSの
全部が、入力バスにより前記入力スイッチを通り抜けて
次の(左側の)入力スイッチの方へ通される。光出力ス
イッチS2kは、出力スイッチS21が、出力ポンプパルス
Qに応答して線15上の関連したサブアレイSA1 から
の信号パルスを例えば出力バス16上に通すと共に、出
力バス16を右側から左側に進行する全信号パルスをフ
ィルタ30及び検出器−処理器34に通す点で、同じに
なっている。光出力スイッチS2kは方向結合器より好適
である、なぜなら該結合器の非接続枝で浪費されるであ
ろう光パワーを保存するからである。
【0009】光信号を切り換えるための、光作動式光ス
イッチは、文献に開示されており当業者に知られてい
る。例として、入力及び出力スイッチS1k及びS2kは、
それぞれ図3A及び3Bに示され、刊行物“Optically
Activated Integrated Optic Mach-Zehnder Interferom
eter on GaAs”by Z.Y. Cheng and C.S. Tsai, Applied
Physics Letters 59(18) 28 October 1991 pp.2222-222
4に開示されているタイプのマッハ−ゼンダー型スイッ
チでも良い。簡単に言えば、図3Aの光スイッチS
12は、波長分離多重(WDM)方向結合器44及び45
間に接続された一対の単一モード光ファイバまたは集積
光導波路41及び42からなる。線41は、単一モード
バス線14に両結合器のポート1−3を介してまっすぐ
に連続して接続される。もう1つの線42は、両結合器
の結合ポート2−4間に連続して接続される。結合器4
5のポート2には何も接続されない。結合器44のポー
ト4はサブアレイSA2 に接続される。信号パルスは両
線41及び42に結合される。ポンプパルスPは、線4
1及び42のうちの一方のみに結合されて、結合器にお
ける導波路の屈折率の変化及びその結果生じるπの位相
シフトを生じさせると共に、望ましい動作、すなわち信
号パルスを結合器44のポート4次いでサブアレイSA
2 へ導くために結合器において必要な信号の結合及び分
離、を提供する。図3Bの出力スイッチS22の構造及び
動作は同じである。かけがえとして、前記スイッチは、
図4に示され、参照によりここに含まれる、ビー・ワイ
・キム(B.Y.Kim) 及びエイチ・ジェイ・ショー(H.J.Sha
w)による2モード光導波路を用いる動的結合器に関す
る、それぞれ1988年5月3日及び1990年1月2
3日発行の米国特許第4,741,586 号及び第4,895,421 号
に開示されているような2モードファイバ装置でも良
い。また、光作動式光スイッチは、下記の刊行物及び特
許に開示されている。例えば、All-Optical Moduration
in Gallium Arsenide Integrated Optical Waveguides
by G. McWright,etal., SPIE Vol.1038, Sixth Meetin
g in Israel on Optical Engineering (1988) ;Recove
r Time for A SiliconWaveguide All-Optical Switch b
y , Electronics Letters 17 March 1988, Vol.
24, No. 6, pp. 303-305;All-Optical, Silicon Base
d, Fiber Optic Modulator Using a Near Cutoff Regio
n1 by R. Normandin, etal., Can. J.Phys. 67, 412, 1
989, pp. 412-419;ワイ・コバヤシ(Y. Kobayashi)等に
よる光ファイバと共に用いる光スイッチに関する199
2年2月25日発行の第5,091,984 号;Laser-Diode Pu
mped Non-Linear Switch in Erbium-Doped Fiber by R.
H. Pantel, etal., Optics Letters 7/15/92;“Optica
l Kerr Switch Using Elliptical Core Two-Mpde Fibe
r”by H.G. Park, C.C. Pohalski and B.Y. Kim,Optics
Letters, Volume 13, No. 9, pp 776-778, 9/88;“Pi
cosecond Switching by Saturable Absorption in a No
nlinear Directional Coupler ”by N. Finlayson, eta
l., Applied Physics Letters, vol. 53, No. 13, pp.
1144-1146,9/88 ;“Use of Highly Elliptical Core F
ibers for Two Mode Fiber Devices ”by B.Y. Kim, et
al., Optics Letters, vol. 12, No. 9, pp 729-731, 9
/87;“Strain Effects on Highly Elliptical Core Tw
o Mode Fibers”by J.N. Blake, etal., Optics Letter
s, vol. 12, No. 9 pp 732-734, 9/87 であり、これら
は参照によりここに含まれる。
【0010】動作において、図1の発生源10及び11
からの入力信号パルスS及び入力ポンプパルスSは、関
連した光フィルタ22及び24を介して入力バス線14
の両端A及びBに結合される。出力ポンプパルスQは、
発生源12からフィルタ30を介して出力ファイバ16
の左側端部Cに結合される。フィルタ22及び24は、
入力バス14の両端B及びAから出力される入力ポンプ
パルス及び入力信号パルスP及びSを、それぞれ関連し
たエネルギーシンク26及び28に発生源10及び11
から絶えず導く。同様に、フィルタ30は、出力ポンプ
パルスQを出力バス16に通すと共に、出力バス16の
端部Cにおける出力信号パルス列を検出器兼信号処理回
路網34に導きかつ発生源12から絶えず導く。フィル
タ22、24及び30は、方向結合器または他の周波数
選択構成要素で提供されても良い。パルスのタイミング
は、信号パルスSが図5の列R2に示されるように各入
力スイッチS1kに存在するように調整される。ここで、
列R1の指定は各スイッチの空間的な位置である。
【0011】次に、入力バス14を介する信号パルスS
が各入力スイッチS1kに存在し(図5のR2)、最初の
ポンプパルスP1が入力バス14を介してスイッチS11
のみに同時に存在し(図5のR3)、最初の出力ポンプ
パルスQ1が出力バス16を介してスイッチS21のみに
同時に存在する(図5のR4)ことを考えてみよう。パ
ルスP1及びQ1は、例えば、それぞれ時間間隔W=2
τ/n及び2τの間スイッチS11及びS21を閉じる。こ
れは、入力スイッチS11における最初の信号パルスS1
の全部をサブアレイSA1 のみに通させる。信号パルス
S1は、従来通りにセンサy1,...,ynを介して
減少した強度の結合信号パルスS1として順次通され、
S1y1,...,S1ynパルスの時分割多重化出力パル
ス列が、出力スイッチS21により時間継続時間2τにわ
たって処理器34に通される。しかしながら、時間間隔
τだけ時間がたった後、ポンプパルスP1が第2の入力
スイッチS12まで進みそれを閉じる(図5のR6)。こ
れは、その時に第2の入力スイッチS12に存在する信号
パルスS3(図5の列5)を同じようにサブアレイSA
2 に通させ、処理させる。同時に、出力パルスQ1は、
出力バス16を下って行き、第2の出力スイッチS
22(図5のR7)を閉じさせ、入力信号パルスSの時分
割多重化出力をサブアレイSA2 から出力スイッチS22
及びバス16を介して処理器34に通させる。しかしな
がら、出力ポンプパルスQ1は2τの長さになっている
ので、これは、出力信号のパルス列が、サブアレイSA
1 及びSA2 から関連スイッチS21及びS22を介して同
じ時間間隔τにわたって同じ出力バス16上に同時に出
力されることを意味する。しかしながら、これらのパル
ス列は、図1の隣接サブアレイ(隣接出力スイッチ)間
の出力ファイバ16の長さにおける時間遅延τのためオ
ーバーラップしない。この動作は、この最初のポンプパ
ルスP1と共に継続し、図2及び図5のR2の1つおき
の(奇数番号の)入力信号パルスSを連続したスイッチ
及びサブアレイに順次通させる。実質的にS3の全部が
以前の時間間隔τ(列R5)の間に入力スイッチS12
よりサブアレイSA2 に側路されたので、信号パルスS
3は図5のS11(線50)におけるR8からなくなって
いることに注目されたい。
【0012】時間期間T=Nτ後、最初の入力ポンプパ
ルスP1は図1及び5の垂直線47まで進んだ(図5の
R11)。この時点で、出力バス16はkサブアレイか
らの信号パルス列で満たされるが、それでもまだ出力ポ
ンプパルスQ1が追加の時間間隔τの間出力バス16に
存在するであろう(図5のR12)。これは、次の入力
ポンプパルスP2が入力バス14及び第1のスイッチS
11に印加される前に出力バス16を空にするために、T
=Nτの時間遅延を要することを意味する。図5を参照
すると、1つおきの信号パルスSのみが繰返しサブアレ
イSAk に通されることが示されている。したがって、
信号パルスSのパルス繰返し周波数は、図5のR13に
示されているように1つおきのスイッチのみにおいて信
号パルスを発生させるために好適には1/2τである。
これは、各入力信号パルスS′を関連したサブアレイS
k に通させる。サブアレイより出力される入力信号パ
ルス列は、水中の音波の到達角度及び強度のようなパラ
メーターの変化に関する情報を得るために従来通り回路
34で処理される。
【0013】また、この動作は図6のグラフで示され、
ここではアレイに沿った距離が(右側側に増加する)x
軸に沿って記入され、時間が(下向きに増加する)−y
軸に沿って適用される。入力信号パルスS及び入力ポン
プパルスPの中心線は、それぞれ+45度及び−45度
の線で表される。また、信号及びポンプパルスの間隔と
信号及びポンプパルスの幅は図6の右側側に示される。
スイッチの空間的位置は、N=3に対する薄い垂直線3
8〜40で表され、例えば関連したスイッチの入力信号
パルス及び入力ポンプパルスの同時発生を表わす51〜
54の濃い垂直線分を伴っている。アレイからの出力信
号は、最初及び次の数字が関連した出力信号パルス列を
生じる特定のポンプパルスP及びスイッチを示す場合の
n=3及びn=無限大に対する図6の左側側の垂直線7
5に示される。例として、図6の上部から始まる、+4
5度の信号パルス線61と−45度のポンプパルス−1
は線51の入力スイッチS13で一致して、左側側の線7
5の−1,3で出力信号パルス列を発生させる。同様
に、入力信号パルス線62、63及び64は、それぞれ
線分52、53及び54の連続した入力スイッチS11
12及びS13で同じ入力ポンプパルス0と一致して、線
75の0,1と0,2と0,3で出力パルス列を発生さ
せる。また、後続の信号及び入力ポンプパルスもここに
示されるように同じスイッチで一致する。
【0014】次に、本発明の動作が分析的に説明される
であろう。この説明において、信号パルスS、P及びQ
はそれぞれ小文字s、p及びqで示される。入力ポンプ
パルスp(ここでp=1,2...)がk=1の最初の
入力スイッチS11から入力スイッチS1k(k=1,
2...N)に達するまでの時間tp,k は、 tp,k =[k−1+(p−1)2N]τ (1) となる。これは、tp,k =kτプラスkに無関係の項の
形式になっている。それは、入力線14に沿った右側へ
のポンプパルスpの伝播を表わす。ここで、kは線14
に沿った規定距離であり、すなわちk=x/dである。
ここで、dは隣接スイッチ間の間隔(τ)、xは時間の
特定点における入力バスに沿った直線距離である。式
(1)から、ポンプパルスpがS11及びS12のような2
つの隣接スイッチ間を進行するための時間間隔τは、 tp,k+1 −tp,k =τ (2) となる。同様に、連続したポンプパルス間の時間間隔
は、 tp+1,k −tp,k =2Nτ (3) となる。ここで、Nはkの最大値すなわちサブアレイの
総数である。
【0015】信号パルスsが最後の入力スイッチS1N
らスイッチS1kに達するまでの時間ts,k (ここで、k
=1のスイッチS11における時間はts,k =0における
基準としてとられる。)は、 ts,k =(2s−k−1)τ (4) となる。この式(4)は、ts,k =−kτプラスkに無
関係の項の形式になっている。これは、入力バス14に
沿った左側への信号パルスsの伝播を表わす。信号パル
スsが隣接するスイッチ間を進行するための信号パルス
に関する時間τは、 ts,k −ts,k+1 =τ (5) となる。次にN=5と仮定すると、式(4)から、最初
の入力パルスs=1は時間t1,N =−4τにおいてk=
N=5の最後の入力スイッチS1,N =S1,5 に達し、最
初の入力パルスs=1が最後の隣の入力スイッチS
1,N-1 =S1,4 に達するまでの時間はt1,N-1 =−3τ
となり、最初の入力パルスs=1が最初の入力スイッチ
11に達するまでの基準時間はt1,1 =0となることが
明らかである。2つの連続した信号パルスs間の時間
は、 ts+1,k −ts,k =2τ (6) となる。スイッチkにおいてポンプパルスpと信号パル
スsが一致する時間tp, s,k は、すなわち次の関係 s=k+(p−1)N (7) を満足するs、p及びkの値に対してtp,s,k =ts,k
=tp,k となる場所である。この式(7)は、個々のポ
ンプパルス(pの固定値)がkのN値に対応するN個の
連続する信号パルスに出会うことを示す。またこの式
(7)は、アレイの繰返し走査の説明となる。次いで、
ポンプパルスp及びk=Nのスイッチに対してはs=p
Nとなり、また、その次のポンプパルスp+1及びk=
1の最初のスイッチに対してはs=pN+1となる。し
たがって、1組のポンプ及び信号パルスによる最後のス
イッチS1Nにおける衝突に続いて、次の衝突は、出力バ
ス16をクリアするのに必要なNτの時間遅延の後で、
次の連続するポンプ及び信号パルスによって最初のスイ
ッチS11で起こる。別々に定められた、スイッチS11
のポンプパルスp+1の到達とスイッチS1Nへの前のポ
ンプパルスpの到達の間の時間差は、式(1)から、 tp+1,1 −tp,N =(N+1)τ (8) となり、出力バス16に対する適当なクリア時間Nτを
与える。また、クリア時間は(N+1)τでも良い。
【0016】再び図1を参照すると、ここに説明される
ような大洋の音波探知応用において、水中聴音器センサ
アレイ7は、6における光発生源、検出器及び処理機器
が配置される船の後ろに引かれる。これは、光ファイバ
バスが船と種々の引かれるアレイ間を走らなければなら
ないことを意味する。そのため、ファイババスの数を最
小に保つことが望ましい。図1に示されるタイプのN個
のサブアレイSA1 ,...,SAN を含む先行技術シ
ステムにおいては、船とアレイ間に伸びる最小限N対の
光ファイババスを必要とするであろう。本発明によれ
ば、これらのN個のサブアレイは、船とN個のサブアレ
イからなるアレイ7との間にわずか3個の光ファイババ
スを必要とするだけである(入力光バス14は、船から
アレイまで伸び、そして船に戻るので、本質的に2個の
ファイババスとなる。)。光ファイババス数を減少させ
る際に本発明によって提供される利点が、次に分析的に
説明されるであろう。
【0017】nが、1個の入力パルスから給電すること
ができる従来の先行技術サブアレイにおける素子(セン
サ)の最大数であるとみなそう。次に、ブロックは、m
サブアレイの隣接してまたは連続して接続された群であ
ると仮定しよう。これは、ブロックがnm個のセンサ素
子を含むことを意味する。さらに、アレイがM/mn個
のブロックを含むとみなそう。ここで、Mはアレイにお
ける素子の総数である。本発明によれば、3個だけのフ
ァイババスが各ブロックに必要とされる。これは、3M
/mnだけのバスが全体のアレイのために必要とされ、
m=nの場合には3M/n2 個の光ファイババスに減少
することを意味する。対照的に、従来のアレイ(または
サブアレイ)は、各サブアレイのために1個の入力バス
と1個の出力バスを必要とする。これは、前述の各ブロ
ックが2m個の光ファイババスを必要とし、各アレイが
2m(M/mn)=2M/n個のバスを必要とすること
を意味する。また、これは、各ブロックが従来のn×n
(m=nの場合)素子からなる方形アレイになっている
時に必要な光ファイババスの数となる。従来のアレイに
必要なファイババス数対本発明によるアレイに必要なバ
ス数の比Rは、 R=(2M/n)/(3M/mn)=2m/3 (9) となる。これは、2m/3多い光ファイババスが、本発
明による同じアレイより従来のアレイに必要とされるこ
とを意味する。例えば、R=2n/3=8となるように
m=n=12素子であるとみなそう。これは、従来のア
レイが本発明によるアレイの8倍ほど多い光ファイババ
スを必要とすることを意味する。さらに、アレイ全体で
12ブロックがあるとみなそう。これは、アレイにおけ
る素子またはセンサの総数Mがn=mとしてM=12m
n=123 =1728となり、また従来のアレイは2M
/n=288個の光ファイババスを必要とするであろう
が、これに対して本発明によるアレイは3M/n2 =3
6個だけの光ファイババスを必要とするであろうという
ことを意味し、これは相当な利点となる。
【0018】図7に示される本発明の他の実施例では、
入力信号及び入力ポンプパルスのパルス幅は≦τ/nで
あり、信号パルスのPRFは1/τである。この実施例
では、図1の間隔ΔtはΔτ≦τ/2nにされる。次
に、前記構造がτ=n=3として図7に示されるように
サブアレイの出力をインターリーブするだろうから、入
力及び出力ポンプパルスP及びQのPRFは1/Tとな
る(すなわち、入力ポンプパルス間に出力バス16を空
にするための遅延が必要ない。)。図7の図表作成にお
いて、時間は、6τと列R2−R3や7τと列R4−R
5のような、時間の各場所にささげられる2列を伴って
下向きに増加する。垂直線は、ここでは6と7と8の線
に配置される入力スイッチS11とS12とS13に対する時
間間隔τに相当する複数の間隔をおいて配置される。縦
行は、図7においてそれぞれ左側から右側及び右側から
左側に移動するP及びSパルスを伴う入力及び出力バス
におけるパルスの状態の便利な時間位置を表わす。列R
1は、P及びSパルスが次の時間間隔τの間にスイッチ
11に同時に存在する場合の、時間間隔5τの終わりに
おけるバス14上の入力P及びSパルスの状態を示す。
凡例P111は、入力スイッチS11における最初のポン
プパルスP1を示す。同様に、凡例S111は、入力ス
イッチS11における最初の信号パルスS1を示す。列R
3は、1τ経過後の入力バス14におけるP及びSパル
スの状態を示し、6τの終わりにおいて、P1及びS3
(すなわち、P112及びS312)が入力スイッチS
12で一致している。列R2は、時間間隔6τの間にサブ
アレイSA1 によって出力バス16上に通されるS出力
パルスを示す。しかしながら、入力ポンプ及び信号パル
スはこの時点で列R1のスイッチS12に同時に存在しな
いので、この時間間隔の間に列R2において出力バス1
6上にS出力パルスは生じない。この状態は列R2のx
で表わされる。
【0019】列R2及びR4の比較は、これらの出力信
号パルス図が各時間間隔τの間出力バス16上に1時間
間隔τずつ左側に進められることを表わす。例えば、列
R5における0は、信号パルスS1及びS3がそれぞれ
列R2及びR4に示されるようにサブアレイSA1 及び
SA2 に以前に通されたため入力バス14上には存在し
ないことを示す。列R6における次のxは、出力バス1
6上に出力されるSパルスがない8τにおいて別の時間
間隔τがあることを示す。列R7は、入力ポンプ及び信
号パルスP2及びS4が8τの終わりのところだが入力
スイッチS11に同時に存在することを示す。これは、S
パルスの関連した列が、パルス41、42及び43で列
R8に示されるように9τの終わりに出力バス16上に
存在するであろうということを意味する。パルス41、
42及び43において、数字4は、出力Sパルスが入力
バスにおける入力信号パルスS4によって生じることを
意味し、次の数字1〜3は、出力バスにおけるパルスが
サブアレイSA1 のそれぞれ第1、第2及び第3のセン
サと関連していることを意味する。このように、短い始
動時間後、システムがいくつかのサブアレイからの出力
信号パルスSをインターリーブすることがわかる。この
スタッフィングまたはインターリービングはここでは黒
い箱で示されている。出力バス16に出力される信号パ
ルスは、従来通り処理器34でデインターリーブされ
る。
【0020】本発明は、好適な実施例に関して説明され
たが、種々の変形または修正が当業者に明らかになるで
あろう。例として、発生源20は、入力バス14の端部
Aに印加される連続波(CW)出力光入力信号を発生し
ても良い。このCW信号は、入力ポンプパルスP及び入
力光スイッチS1kの動作によって信号パルスSに変換さ
れる。さらに、隣接するサブアレイとスイッチ間の間隔
は、いくつかのポンプパルスに対するサブアレイの出力
が後続のポンプパルスに対するサブアレイの出力とイン
ターリーブされるだろうから、(N+1)τの遅延時間
がもはや必要とされないように、2τでも良い。さら
に、入力及び出力スイッチは、そのアレイの代わりに個
々のセンサと関連しても良い。また、別々のセンサが異
なる物理的パラメーターを検知するようにしても良い。
さらに、SA1 における点17及び18におけるよう
な、サブアレイにおける方向結合器の代わりに、光作動
式光スイッチを用いても良い。したがって、本発明は付
随の請求の範囲で限定されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるファイバ光センサアレイ構造の概
略ブロック図である。
【図2】A、B及びCは、それぞれ、図1の入力バス1
4を右側から左側に移動する入力信号パルスSと、図1
の同じ入力バス14を左側から右側に移動する入力ポン
プパルスPと、図1の入力バス14を左側から右側に移
動する出力ポンプパルスQを示す(時間の関数として
の)波形である。
【図3】AおよびBは、図1において、それぞれ、入力
及び出力の光作動式光スイッチとして用いることができ
る、マッハ−ゼンダー光作動式光スイッチの概略図であ
る。
【図4】図1の構造における入力及び出力光スイッチと
して用いることができる2モードファイバ光スイッチの
概略図である。
【図5】(図1の左側から右側へ)アレイに沿った距離
xの関数としての図1のシステムの動作の線図であり、
τずつ間隔をおかれた異なる時間においてアレイに沿っ
た(反対方向の)S及びPパルスとQパルスの進行を示
す。ここで、垂直線は列R1に示される各スイッチの物
理的位置に対応している。
【図6】それぞれx及びy軸に沿って描かれた(図1の
左側から右側への)アレイに沿った距離x及び時間対イ
ンターリーブされていない信号パルスに関する図1のシ
ステムの動作の線図である。入力信号パルスS及び入力
ポンプパルスPがそれぞれ+45度及び−45度の線に
沿っており、スイッチ位置がN=3に対する垂直線3
8、39及び40で示され、個々のスイッチと連続した
信号及びポンプパルスとの相互作用が、その中心線が線
38〜40上の短い濃い垂直線(例えば52〜54)で
示される時間間隔にわたって伸びる出力パルスを発生さ
せ、出力パルスの中心線はここでは左側端部の線75に
示される。
【図7】入力バス14における入力S及びPパルスと、
種々の時間における線16上の合成出力パルスと、イン
ターリーブされた信号パルスに関する≦τ/nの入力パ
ルス幅とn=τ=3に対する入力バス14に沿った入力
ポンプパルスPとの空間的図表である。
【主要部分の符号の説明】
光信号源 10 光ポンプ源 11,12 フィルタ 22,30 Pシンク 26 Qシンク 32 検出器件信号処理器 34
【手続補正書】
【提出日】平成5年11月2日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】
【図3】
【図4】
【図1】
【図5】
【図6】
【図7】

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 物理的パラメーターの変化を検知するた
    めの装置であって、 第1及び第2の光信号を発生するための手段と、 物理的パラメーターに応答してその変化を検知するため
    の複数の光センサアレイと、 前記第1の光信号に応答して前記第2の光信号を前記ア
    レイのそれぞれに選択的に結合するための手段と、 物理的パラメーターの変化を検知する前記複数のセンサ
    アレイの出力信号を監視するための手段とからなること
    を特徴とする装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の装置において、前記セン
    サアレイは受動的干渉計のセンサアレイである装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の装置において、前記接続
    手段は、前記第1の光信号に応答して、前記第2の光信
    号を前記アレイのうちのうちの異なるものに順次接続す
    る装置。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の装置において、前記接続
    手段は、前記第1の光信号に応答して、前記第2の光信
    号を前記アレイのうちの異なるものに順次接続し、実質
    的に同じ大きさの第2の光信号のパルスが前記アレイに
    順次接続されるようにする装置。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の装置において、前記発生
    手段は、第1の光信号パルスの第1の列である第1の光
    信号を発生し、前記結合手段は、ある時間期間にわたっ
    て同じ第1の光パルスに順次応答して実質的に同じ大き
    さの前記第2の光信号の少なくとも一部を前記アレイの
    うちの異なるものに選択的に結合する装置。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の装置において、前記発生
    手段は、第2の光信号パルスの第2の列である第2の光
    信号を発生し、前記結合手段は、ある時間期間にわたっ
    て同じ第1の光パルスに順次応答して実質的に同じ大き
    さの第2の光パルスを前記アレイの関連したものに選択
    的に接続する装置。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の装置において、さらに送
    信用光ファイバを含み、前記結合手段は、光パルスの前
    記第1及び第2の列を前記送信用ファイバの一方及び他
    方の端部に結合するための第1の手段と、前記送信用フ
    ァイバに連続して接続され、各々が関連したセンサアレ
    イの入力側に接続される複数の第1の光作動式光スイッ
    チを含み、前記第1のスイッチは、第1の光パルス及び
    第2の光パルスが前記送信用ファイバを介して前記第1
    のスイッチに同時に存在する時に、前記送信用ファイバ
    を一方方向に進行する第1の光パルスに応答して、前記
    送信用ファイバを反対方向に進行する1つの関連した第
    2の光パルスを1つの関連したセンサアレイに通す装
    置。
  8. 【請求項8】 請求項6記載の装置において、さらに送
    信用光ファイバを含み、前記結合手段は、光パルスの前
    記第1及び第2の列を前記送信用ファイバの一方及び他
    方の端部に結合するための第1の手段と、前記送信用フ
    ァイバに連続して接続され、各々が関連したセンサアレ
    イの入力側に接続される複数の第1の光作動式光スイッ
    チを含み、前記第1のスイッチは、第1の光パルス及び
    第2の光パルスが前記送信用ファイバを介して前記第1
    のスイッチに同時に存在する時に、前記送信用ファイバ
    を一方方向に進行する同じ第1の光パルスにある時間期
    間にわたって順次応答して、前記送信用ファイバを反対
    方向に進行する関連した複数の第2の光パルスを複数の
    関連したセンサアレイに順次通す装置。
  9. 【請求項9】 請求項8記載の装置において、前記監視
    手段は、第3の光パルスの第3の列を発生するための第
    2の発生手段と、受信用光ファイバと、光パルスの前記
    第3の列を前記受信用ファイバの一方の端部に結合する
    第2の手段と、前記受信用ファイバに連続して接続さ
    れ、各々が関連したセンサアレイの出力側に接続される
    複数の第2の光作動式出力光スイッチとを含み、前記第
    2のスイッチは、前記受信用ファイバを一方方向に進行
    する第3の光パルスに応答して、1つの関連したセンサ
    アレイから前記受信用ファイバ上に、反対方向に進行す
    る前記関連したアレイからの第2の光パルスの1列を通
    す装置。
  10. 【請求項10】 請求項8記載の装置において、前記監
    視手段は、第3の光パルスの第3の列を発生するための
    第2の発生手段と、受信用光ファイバと、光パルスの前
    記第3の列を前記受信用ファイバの一方の端部に結合す
    る第2の手段と、前記受信用ファイバに連続して接続さ
    れ、各々が関連したセンサアレイの出力側に接続される
    複数の第2の光作動式出力光スイッチとを含み、前記第
    2のスイッチは、前記受信用ファイバを一方方向に進行
    する同じ第3の光パルスに時間期間にわたって順次応答
    して、1つ以上の関連したセンサアレイから前記受信用
    ファイバ上に、反対方向に進行する前記関連したアレイ
    からの第2の光パルスの複数列を順次通す装置。
  11. 【請求項11】 請求項10記載の装置において、第1
    及び第2のパルスのパルス幅は≦2τ/nであり、ここ
    で、τは隣接するスイッチ間の遅延時間、nは前記装置
    における各センサアレイのセンサ数に相当する整数であ
    る装置。
  12. 【請求項12】 請求項11記載の装置において、第3
    のパルスのパルス幅は2τであり、第1及び第3のパル
    スのパルス繰返し周波数は1/(2T)であり、ここ
    で、T=Nτであり、Nは前記装置におけるアレイ数に
    相当する整数である装置。
  13. 【請求項13】 請求項12記載の装置において、第2
    のパルスのパルス繰返し周波数は1/(2τ)である装
    置。
  14. 【請求項14】 請求項10記載の装置において、第1
    及び第2のパルスのパルス幅は共に≦τ/nであり、第
    1及び第2のパルスのパルス繰返し周波数はそれぞれ1
    /τ及び1/Tであり、ここで、τは隣接するスイッチ
    間の遅延時間、nは前記装置における各アレイ数に相当
    する整数である装置。
  15. 【請求項15】 請求項14記載の装置において、第3
    のパルスのパルス幅及びパルス繰返し周波数はそれぞれ
    2τ及び1/Tである装置。
  16. 【請求項16】 物理的パラメーターの変化を検知する
    ための装置であって、 第1及び第2の光信号を発生するための手段と、 それの一方及び他方の端部が前記発生手段に接続され、
    それぞれ前記第1及び第2の光信号を受信するための送
    信用光ファイバと、 各センサが物理的パラメーターに応答してその変化を検
    知するための複数のファイバ光センサと、 前記送信用ファイバに順次接続され、各々が、関連した
    センサの入力側に接続される出力を有し、前記第1の光
    信号に応答して前記第2の光信号を前記センサに結合す
    る複数の第1の光作動式光スイッチと、 物理的パラメーターの変化を検出するために前記センサ
    からの出力信号を監視するための手段とからなることを
    特徴とする装置。
  17. 【請求項17】 請求項16記載の装置において、前記
    第1の光信号は第1の光信号パルスの第1の列であり、
    前記第1の光スイッチは、前記送信用ファイバを一方方
    向に進行する第1の光パルスに順次応答して、前記送信
    用ファイバを介して前記第1のスイッチに同時に存在す
    る第2の光信号を関連したセンサに通す装置。
  18. 【請求項18】 請求項17記載の装置において、前記
    第2の光信号は第2の光信号パルスの第2の列であり、
    前記第1の光スイッチは、前記送信用ファイバを一方方
    向に進行する第1の光パルスに順次応答して、前記送信
    用ファイバを反対方向に進行して前記送信用ファイバを
    介して関連した第1のスイッチに前記第1のパルスと同
    時に存在する関連した第2の光パルスを関連したセンサ
    に通す装置。
  19. 【請求項19】 請求項18記載の装置において、前記
    監視手段は、第3の光信号パルスの第3の列を発生する
    ための第2の発生手段と、光パルスの前記第3の列がそ
    れの一方の端部に結合される受信用光ファイバと、前記
    受信用ファイバに連続して接続されかつ関連したセンサ
    の出力側に接続される複数の第2の光作動式出力光スイ
    ッチとを含み、前記第2のスイッチは、前記受信用ファ
    イバを一方方向に進行する1つの第3の光パルスに応答
    して、1つの関連したセンサから前記受信用ファイバ上
    に第2の光パルスの1列を順次通す装置。
  20. 【請求項20】 物理的パラメーターの変化を検知する
    ための装置であって、 第1及び第2の光信号を発生するための手段と、 それの一方及び他方の端部が前記発生手段に接続され、
    それぞれ前記第1及び第2の光信号を受信するための送
    信用ファイバと、 各センサアレイが物理的パラメーターに応答してその変
    化を検知するための複数のファイバ光センサアレイと、 前記送信用ファイバに順次接続され、各々が、関連した
    センサアレイの入力側に接続される出力を有し、前記第
    1の光信号に応答して前記第2の光信号を前記センサア
    レイに結合する複数の第1の光作動式光スイッチと、 物理的パラメーターの変化を検出するために前記センサ
    アレイからの出力信号を監視するための手段とからなる
    ことを特徴とする装置。
  21. 【請求項21】 請求項20記載の装置において、前記
    第1の光信号は第1の光信号パルスの第1の列であり、
    前記第1の光スイッチは、前記送信用ファイバを一方方
    向に進行する第1の光パルスに順次応答して、前記送信
    用ファイバを介して前記第1のスイッチに同時に存在す
    る第2の光信号を関連したセンサに通す装置。
  22. 【請求項22】 請求項21記載の装置において、前記
    第2の光信号は第2の光信号パルスの第2の列であり、
    前記第1の光スイッチは、前記送信用ファイバを一方方
    向に進行する第1の光パルスに順次応答して、前記送信
    用ファイバを反対方向に進行して前記送信用ファイバを
    介して関連した第1のスイッチに前記第1のパルスと同
    時に存在する関連した第2の光パルスを関連したセンサ
    アレイに通す装置。
  23. 【請求項23】 請求項22記載の装置において、前記
    監視手段は、第3の光信号パルスの第3の列を発生する
    ための第2の発生手段と、光パルスの前記第3の列がそ
    れの一方の端部に結合される受信用ファイバと、前記受
    信用ファイバに連続して接続されかつ関連したセンサア
    レイの出力側に接続される複数の第2の光作動式出力光
    スイッチとを含み、前記第2のスイッチは、前記受信用
    ファイバを一方方向に進行する1つの第3の光パルスに
    応答して、1つの関連したセンサアレイから前記受信用
    ファイバ上に第2の光パルスの1列を順次通す装置。
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