JPH06337225A - 光音響センサアレイシステム - Google Patents
光音響センサアレイシステムInfo
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- JPH06337225A JPH06337225A JP12719293A JP12719293A JPH06337225A JP H06337225 A JPH06337225 A JP H06337225A JP 12719293 A JP12719293 A JP 12719293A JP 12719293 A JP12719293 A JP 12719293A JP H06337225 A JPH06337225 A JP H06337225A
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- sensors
- fiber
- optical
- sensor
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 複数段のセンサで構成された光音響センサア
レイシステムにおいて、各段のセンサ透過の光パワーを
一定レベルとすると共に、減衰を抑制する。 【構成】 光源１０から周波数変調を施した光パルスＥ
は、第１の光ファイバＦ１から分岐用カプラ２１−１，
２１−２，…２１−Ｎを介して複数段のセンサに入力さ
れる。各段のセンサは、音波を時分割して検出し、該各
段のセンサの透過光が、受光用カプラ２５−１，２５−
２，…２４−Ｎを介しを介して第２の光ファイバＦ２に
取り込まれて多重化される。多重化された光信号が順次
次段のセンサの受光用カプラ側へ送られ、最終段のセン
サの透過光が多重化された後に、該光信号は、Ｏ／Ｅ変
換器３１へ入力される。Ｏ／Ｅ変換器３１の出力が位相
検波器３２で検波される。
レイシステムにおいて、各段のセンサ透過の光パワーを
一定レベルとすると共に、減衰を抑制する。 【構成】 光源１０から周波数変調を施した光パルスＥ
は、第１の光ファイバＦ１から分岐用カプラ２１−１，
２１−２，…２１−Ｎを介して複数段のセンサに入力さ
れる。各段のセンサは、音波を時分割して検出し、該各
段のセンサの透過光が、受光用カプラ２５−１，２５−
２，…２４−Ｎを介しを介して第２の光ファイバＦ２に
取り込まれて多重化される。多重化された光信号が順次
次段のセンサの受光用カプラ側へ送られ、最終段のセン
サの透過光が多重化された後に、該光信号は、Ｏ／Ｅ変
換器３１へ入力される。Ｏ／Ｅ変換器３１の出力が位相
検波器３２で検波される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ソーナのような水中音
響センサアレイ等に用いられ、音波情報を光信号の形で
検出するための光ファイバを利用した多チャネルの光音
響センサアレイシステムに関するものである。
響センサアレイ等に用いられ、音波情報を光信号の形で
検出するための光ファイバを利用した多チャネルの光音
響センサアレイシステム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；ジャーナル オブ ライトウェーブ テクノロジ
ー （JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY)、ＬＴ−５
［７］（１９８７−７）ＩＥＥＥ（米）J.L.BROOKS, B.
MOSLEHI, B.Y.KIM and H.J.SHAW “Time-Domein Addres
sing of Remote Fiber-Optic Interferometric Sensor
Arrays”Ｐ．１０１４−１０２３ 図２は、前記文献に記載された従来の多チャネルの干渉
型光音響センサアレイシステムの一例を示す構成図であ
る。この光音響センサアレイシステムは、時分割多重方
式であり、周波数変調（以下、ＦＭという）を施した光
パルスを出力する光源１を有し、その出力側には、複数
の分岐用カプラ２−１，２−２，２−３，…とセンシン
グファイバ３−１，３−２，…とが順次縦続接続されて
いる。各分岐用カプラ２−１，２−２，２−３，…のも
う一方の出力側には、受光用カプラ４−１，４−２，４
−３，…がそれぞれ接続され、それらの出力側に遅延時
間補償用の補償器６が接続されている。補償器６は、入
出力側のカプラ６ａ，６ｂと遅延コイル６ｃとで構成さ
れ、その出力側に、光／電気変換器（以下、Ｏ／Ｅ変換
器という）７が接続されている。Ｏ／Ｅ変換器７の出力
側には、該Ｏ／Ｅ変換器７の電気信号を音圧に変換する
処理器８が接続されている。
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献；ジャーナル オブ ライトウェーブ テクノロジ
ー （JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY)、ＬＴ−５
［７］（１９８７−７）ＩＥＥＥ（米）J.L.BROOKS, B.
MOSLEHI, B.Y.KIM and H.J.SHAW “Time-Domein Addres
sing of Remote Fiber-Optic Interferometric Sensor
Arrays”Ｐ．１０１４−１０２３ 図２は、前記文献に記載された従来の多チャネルの干渉
型光音響センサアレイシステムの一例を示す構成図であ
る。この光音響センサアレイシステムは、時分割多重方
式であり、周波数変調（以下、ＦＭという）を施した光
パルスを出力する光源１を有し、その出力側には、複数
の分岐用カプラ２−１，２−２，２−３，…とセンシン
グファイバ３−１，３−２，…とが順次縦続接続されて
いる。各分岐用カプラ２−１，２−２，２−３，…のも
う一方の出力側には、受光用カプラ４−１，４−２，４
−３，…がそれぞれ接続され、それらの出力側に遅延時
間補償用の補償器６が接続されている。補償器６は、入
出力側のカプラ６ａ，６ｂと遅延コイル６ｃとで構成さ
れ、その出力側に、光／電気変換器（以下、Ｏ／Ｅ変換
器という）７が接続されている。Ｏ／Ｅ変換器７の出力
側には、該Ｏ／Ｅ変換器７の電気信号を音圧に変換する
処理器８が接続されている。
【０００３】図３は、補償器６から出力される光パルス
Ｈ２−１ｂ，Ｈ２−２ｂの出力波形図である。図３中の
Ｔは、遅延時間である。この図を参照しつつ、図２に示
す光音響センサアレイシステムの動作を説明する。光源
１より光パルスが送出されると、その光パルスが分岐用
カプラ２−１で第１と第２の光パルスＨ２−１ａ，Ｈ２
−１ｂの２出力に分割される。第２の光パルスＨ２−１
ｂは、直ちに受光用カプラ４−１を介して、補償器６及
びＯ／Ｅ変換器７側へ戻される。この第２の光パルスＨ
２−１ｂは、センシングファイバ３−１の光パルスの位
相を検出するための参照光（リファレンス光）となる。
分岐用カプラ２−１から出力される第１の光パルスＨ２
−１ａは、センシングファイバ３−１へ送られる。セン
シングファイバ３−１に音圧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、該位相変化を利用して音波情報を
検出することができる。
Ｈ２−１ｂ，Ｈ２−２ｂの出力波形図である。図３中の
Ｔは、遅延時間である。この図を参照しつつ、図２に示
す光音響センサアレイシステムの動作を説明する。光源
１より光パルスが送出されると、その光パルスが分岐用
カプラ２−１で第１と第２の光パルスＨ２−１ａ，Ｈ２
−１ｂの２出力に分割される。第２の光パルスＨ２−１
ｂは、直ちに受光用カプラ４−１を介して、補償器６及
びＯ／Ｅ変換器７側へ戻される。この第２の光パルスＨ
２−１ｂは、センシングファイバ３−１の光パルスの位
相を検出するための参照光（リファレンス光）となる。
分岐用カプラ２−１から出力される第１の光パルスＨ２
−１ａは、センシングファイバ３−１へ送られる。セン
シングファイバ３−１に音圧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、該位相変化を利用して音波情報を
検出することができる。
【０００４】第１の光パルスＨ２−１ａは、さらに分岐
用カプラ２−２で第１と第２の光パルスＨ２−２ａ，Ｈ
２−２ｂの２出力に分割され、第２の光パルスＨ２−２
ｂが補償器６及びＯ／Ｅ変換器７側へ戻され、第１の光
パルスＨ２−２ａが次段のセンシングファイバ３−２へ
と、次々に送られていく。センシングファイバ３−１等
のファイバ長は、伝搬時間がＴ秒となるように設定され
ている。補償器６は、遅延コイル６ｃと入出力段に設け
られたカプラ６ａ，６ｂとで構成され、第２の光パルス
Ｈ２−１ｂの第２パルスと第２の光パルスＨ２−２ｂの
第１パルスとを時間的に重ね合わせ、その重ね合った光
パルスを出力する。補償器６から出力された光パルス
は、Ｏ／Ｅ変換器７で混合され、干渉作用によって位相
が検出され、処理器８で音圧に変換される。他のセンシ
ングファイバ３−２等の音圧も、前記と同様にして算出
される。
用カプラ２−２で第１と第２の光パルスＨ２−２ａ，Ｈ
２−２ｂの２出力に分割され、第２の光パルスＨ２−２
ｂが補償器６及びＯ／Ｅ変換器７側へ戻され、第１の光
パルスＨ２−２ａが次段のセンシングファイバ３−２へ
と、次々に送られていく。センシングファイバ３−１等
のファイバ長は、伝搬時間がＴ秒となるように設定され
ている。補償器６は、遅延コイル６ｃと入出力段に設け
られたカプラ６ａ，６ｂとで構成され、第２の光パルス
Ｈ２−１ｂの第２パルスと第２の光パルスＨ２−２ｂの
第１パルスとを時間的に重ね合わせ、その重ね合った光
パルスを出力する。補償器６から出力された光パルス
は、Ｏ／Ｅ変換器７で混合され、干渉作用によって位相
が検出され、処理器８で音圧に変換される。他のセンシ
ングファイバ３−２等の音圧も、前記と同様にして算出
される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光音響センサアレイシステムにおいては、次のような課
題があった。 （１）分岐用カプラ２−１，２−２，２−３，…及び受
光用カプラ４−１，４−２，４−３，…において光信号
の分割／合成が行われる。この各カプラの分割／合成に
よって光信号の損失が起きるので、多重化数が増すと、
Ｏ／Ｅ変換器７に到達する受光パルスのパワーは、小さ
くされる。そのため、特に、後段側のセンサからＯ／Ｅ
変換器７に到達する受光パルスのパワーは、減衰量が無
視できないものとなる。減衰量を最小にするためには、
例えば、Ｎ個のセンサを有するＮ段の光音響センサアレ
イシステムでｊ段目のカプラのパワー分割比を１／（Ｎ
−ｊ＋１）とするように、分岐用カプラ２−１，２−
２，２−３，…の分割比を段数ごとに適切に設定する必
要がある。しかしながら、分割比の異なるカプラを多種
製作することは、費用的効果が薄く現実性がない。ま
た、カプラの光信号分割比を全段一律とすると、最終段
目のセンサからの受光パワーの減衰は、入力光信号に比
べて大となり、結果として、入力光信号が効率的に使用
されないことになる。
光音響センサアレイシステムにおいては、次のような課
題があった。 （１）分岐用カプラ２−１，２−２，２−３，…及び受
光用カプラ４−１，４−２，４−３，…において光信号
の分割／合成が行われる。この各カプラの分割／合成に
よって光信号の損失が起きるので、多重化数が増すと、
Ｏ／Ｅ変換器７に到達する受光パルスのパワーは、小さ
くされる。そのため、特に、後段側のセンサからＯ／Ｅ
変換器７に到達する受光パルスのパワーは、減衰量が無
視できないものとなる。減衰量を最小にするためには、
例えば、Ｎ個のセンサを有するＮ段の光音響センサアレ
イシステムでｊ段目のカプラのパワー分割比を１／（Ｎ
−ｊ＋１）とするように、分岐用カプラ２−１，２−
２，２−３，…の分割比を段数ごとに適切に設定する必
要がある。しかしながら、分割比の異なるカプラを多種
製作することは、費用的効果が薄く現実性がない。ま
た、カプラの光信号分割比を全段一律とすると、最終段
目のセンサからの受光パワーの減衰は、入力光信号に比
べて大となり、結果として、入力光信号が効率的に使用
されないことになる。
【０００６】（２）信号音波の印加されたセンシングフ
ァイバ通過の光パルスとリファレンス光のパルスとは、
部分的ではあるが別々の経路を通過する。例えば、光パ
ルスＨ２−２ｂは、光パルスＨ２−１ｂに比べてセンシ
ングファイバ３−１、分岐用カプラ２−２、及び受光用
カプラ４−２と、別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３−１，３−２，…及び伝送用
の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、光パルスは音圧に応答すると同時に、外乱にも応答
し、処理器８で算出される音圧情報の中で雑音として加
算される。この雑音は、信号音波の最小検出限界を劣化
させることになる。本発明は前記従来技術が持っていた
課題として、多重化数を増すと光パワーの減衰量が大と
なる、また、センシングファイバ及び伝送用光ファイバ
上に雑音が発生する点について解決をした光音響センサ
アレイシステムを提供するものである。
ァイバ通過の光パルスとリファレンス光のパルスとは、
部分的ではあるが別々の経路を通過する。例えば、光パ
ルスＨ２−２ｂは、光パルスＨ２−１ｂに比べてセンシ
ングファイバ３−１、分岐用カプラ２−２、及び受光用
カプラ４−２と、別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３−１，３−２，…及び伝送用
の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、光パルスは音圧に応答すると同時に、外乱にも応答
し、処理器８で算出される音圧情報の中で雑音として加
算される。この雑音は、信号音波の最小検出限界を劣化
させることになる。本発明は前記従来技術が持っていた
課題として、多重化数を増すと光パワーの減衰量が大と
なる、また、センシングファイバ及び伝送用光ファイバ
上に雑音が発生する点について解決をした光音響センサ
アレイシステムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、前記課題
を解決するために、光源からの周波数変調を施した光パ
ルスを用い、音波を光の形で検出する複数個のセンサを
時分割多重でアレイ化した光音響センサアレイシステム
において、第１の光ファイバに複数個の分岐用カプラを
用いて前記センサを複数段分岐接続している。かつ、そ
の各センサの透過出力を複数個の受光用カプラを介して
第２の光ファイバに取り込み、前記最終段のセンサ側へ
伝送する構成としている。第２の発明では、第１の発明
の光音響センサアレイシステムにおける前記各センサ
は、センシングファイバ及びリファレンスファイバを有
し、音波に対して極性反転モード、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ている。
を解決するために、光源からの周波数変調を施した光パ
ルスを用い、音波を光の形で検出する複数個のセンサを
時分割多重でアレイ化した光音響センサアレイシステム
において、第１の光ファイバに複数個の分岐用カプラを
用いて前記センサを複数段分岐接続している。かつ、そ
の各センサの透過出力を複数個の受光用カプラを介して
第２の光ファイバに取り込み、前記最終段のセンサ側へ
伝送する構成としている。第２の発明では、第１の発明
の光音響センサアレイシステムにおける前記各センサ
は、センシングファイバ及びリファレンスファイバを有
し、音波に対して極性反転モード、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ている。
【０００８】
【作用】第１の発明によれば、以上のように光音響セン
サアレイシステムを構成したので、光源からの周波数変
調を施した光パルスは、第１の光ファイバから複数の分
岐用カプラを介して複数段のセンサにそれぞれ入力され
る。各段のセンサは、音波を時分割して検出し、該各段
のセンサの透過光が、受光用カプラを介して第２の光フ
ァイバに取り込まれて多重化される。多重化された光信
号が順次次段のセンサの受光用カプラ側へ送られ、最終
段のセンサの透過光を多重化したのちに、例えばＯ／Ｅ
変換器等の出力用機器へ出力される。即ち、Ｎ段のセン
サを有する光音響センサアレイシステムにおいて、ｊ段
目のセンサを透過して出力用機器に到達する光信号は、
ｊ個の分岐用カプラと（Ｎ−ｊ＋１）個の受光用カプラ
を通過することになる。即ち、各光信号の通過したカプ
ラの数は、いずれのセンサの透過光も等しくＮ＋１とな
る。そのため、前記課題の多重化数を増すと後段側のセ
ンサ透過光の光パワーの減衰量が大となることを低減で
きる。第２の発明によれば、各段のセンサにおいては、
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で振動し、各センサ以外
では、センシング光及びリファレンス光が同一の伝送用
光ファイバ上を通過し、該伝送用光ファイバ上に加わる
振動等の外乱に対し、同一モード（コモンモード）で変
化する。従って、前記課題を解決できるのである。
サアレイシステムを構成したので、光源からの周波数変
調を施した光パルスは、第１の光ファイバから複数の分
岐用カプラを介して複数段のセンサにそれぞれ入力され
る。各段のセンサは、音波を時分割して検出し、該各段
のセンサの透過光が、受光用カプラを介して第２の光フ
ァイバに取り込まれて多重化される。多重化された光信
号が順次次段のセンサの受光用カプラ側へ送られ、最終
段のセンサの透過光を多重化したのちに、例えばＯ／Ｅ
変換器等の出力用機器へ出力される。即ち、Ｎ段のセン
サを有する光音響センサアレイシステムにおいて、ｊ段
目のセンサを透過して出力用機器に到達する光信号は、
ｊ個の分岐用カプラと（Ｎ−ｊ＋１）個の受光用カプラ
を通過することになる。即ち、各光信号の通過したカプ
ラの数は、いずれのセンサの透過光も等しくＮ＋１とな
る。そのため、前記課題の多重化数を増すと後段側のセ
ンサ透過光の光パワーの減衰量が大となることを低減で
きる。第２の発明によれば、各段のセンサにおいては、
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で振動し、各センサ以外
では、センシング光及びリファレンス光が同一の伝送用
光ファイバ上を通過し、該伝送用光ファイバ上に加わる
振動等の外乱に対し、同一モード（コモンモード）で変
化する。従って、前記課題を解決できるのである。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明の実施例を示す多チャンネル
の干渉形光音響センサアレイシステムの構成図である。
この光音響センサアレイシステムは、パルス幅ｄのＦＭ
変調波の光パルスＥを発生する光源１０と、光源１０か
らの光パルスを第１の光ファイバＦ１で入力するセンサ
アレイ２０と、センサアレイ２０の出力側に第２の光フ
ァイバで接続された光位相検出手段３０を備えている。
センサアレイ２０は、Ｎ段のセンサを備え、光ファイバ
Ｆ１からの光パルスを第１と第２の光パルスに分岐する
Ｎ個の分岐用カプラ２１−１，２１−２，…，２１−Ｎ
と、該第２の光パルスを分岐するＮ個のセンサ入力用カ
プラ２２−１，２２−２，…，２２−Ｎと、Ｎ個のセン
シングファイバ２３Ｓ−１，２３Ｓ−２，…，２３Ｓ−
Ｎと、該センシングファイバと相俟って光干渉計を構成
するＮ個のリファレンスファイバ２３Ｒ−１，２３Ｒ−
２，…，２３Ｒ−Ｎと、各干渉計の透過光を合成するセ
ンサ出力用カプラ２４−１，２４−２，…，２４−Ｎ
と、各段のセンサの透過光を光ファイバＦ２へ多重化し
て取り込む受光用カプラ２５−１，２５−２，…２５−
Ｎと、第１の光パルスを所定時間遅らせて次段のセンサ
に送るＮ個の遅延ファイバ２６−１，２６−２，…，２
６−Ｎとで、構成されている。光位相検出手段３０は、
光ファイバＦ２からの光信号を電気信号に変換するＯ／
Ｅ変換器３１と、Ｏ／Ｅ変換器３１の出力を検波して位
相を検出する位相検波器３２とで構成されている。
の干渉形光音響センサアレイシステムの構成図である。
この光音響センサアレイシステムは、パルス幅ｄのＦＭ
変調波の光パルスＥを発生する光源１０と、光源１０か
らの光パルスを第１の光ファイバＦ１で入力するセンサ
アレイ２０と、センサアレイ２０の出力側に第２の光フ
ァイバで接続された光位相検出手段３０を備えている。
センサアレイ２０は、Ｎ段のセンサを備え、光ファイバ
Ｆ１からの光パルスを第１と第２の光パルスに分岐する
Ｎ個の分岐用カプラ２１−１，２１−２，…，２１−Ｎ
と、該第２の光パルスを分岐するＮ個のセンサ入力用カ
プラ２２−１，２２−２，…，２２−Ｎと、Ｎ個のセン
シングファイバ２３Ｓ−１，２３Ｓ−２，…，２３Ｓ−
Ｎと、該センシングファイバと相俟って光干渉計を構成
するＮ個のリファレンスファイバ２３Ｒ−１，２３Ｒ−
２，…，２３Ｒ−Ｎと、各干渉計の透過光を合成するセ
ンサ出力用カプラ２４−１，２４−２，…，２４−Ｎ
と、各段のセンサの透過光を光ファイバＦ２へ多重化し
て取り込む受光用カプラ２５−１，２５−２，…２５−
Ｎと、第１の光パルスを所定時間遅らせて次段のセンサ
に送るＮ個の遅延ファイバ２６−１，２６−２，…，２
６−Ｎとで、構成されている。光位相検出手段３０は、
光ファイバＦ２からの光信号を電気信号に変換するＯ／
Ｅ変換器３１と、Ｏ／Ｅ変換器３１の出力を検波して位
相を検出する位相検波器３２とで構成されている。
【００１０】図４は、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の一例を示す図である。
各段のセンサは、同一構造であり、例えば、センシング
ファイバ２３Ｓ−１及びリファレンスファイバ２３Ｒ−
１が、２つの円盤状の振動板４１，４２にそれぞれ円形
状に接着剤等で固定されている。この振動板４１，４２
は、円筒形の架台５０で上下に支持されている。
ファレンスファイバの取付構造の一例を示す図である。
各段のセンサは、同一構造であり、例えば、センシング
ファイバ２３Ｓ−１及びリファレンスファイバ２３Ｒ−
１が、２つの円盤状の振動板４１，４２にそれぞれ円形
状に接着剤等で固定されている。この振動板４１，４２
は、円筒形の架台５０で上下に支持されている。
【００１１】次に、図１及び図４に示す光音響センサア
レイシステムの動作を説明する。図１の光源１０は、次
式のようなパルス幅ｄのＦＭ変調波の光パルスＥを発生
する。 Ｅ＝Ｅ0 ・ｃｏｓ［２πｖｔ＋（ｆd ／ｆ0 ）・ｃｏｓ
２πｆ0 ｔ］ 但し、ｆ0 ；ＦＭ変調波の変調周波数 ｆd ；最大周波数偏移 ｖ ；光波の周波数 この光パルスは、光ファイバＦ１を介して１段目の分岐
用カプラ２１−１へ送られ、その分岐用カプラ２１−１
が、該光パルスを第１，第２の光パルスに分岐する。第
１の光パルスは、次段の分岐用カプラ２１−２へ遅延フ
ァイバ２６−１を介して送られ、第２の光パルスは、セ
ンサ入力用カプラ２２−１で２等分されてセンシングフ
ァイバ２３Ｓ−１及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１
へそれぞれ送られる。センシングファイバ２３Ｓ−１及
びリファレンスファイバ２３Ｒ−１では、次のように動
作する。即ち、図４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４１，４２が内
側に圧縮され、センシングファイバ２３Ｓ−１が縮み、
リファレンスファイバ２３Ｒ−１が伸びる。そのため、
入力された光パルスの位相の極性が反転するので、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４１，４２が同一振動モード（コモンモード）と
なる。そのため、センシングファイバ２３Ｓ−１及びリ
ファレンスファイバ２３Ｒ−１の光パルスが同位相とな
り、干渉時に外乱がキャンセルされ、結果的に振動によ
る妨害雑音が除去される。
レイシステムの動作を説明する。図１の光源１０は、次
式のようなパルス幅ｄのＦＭ変調波の光パルスＥを発生
する。 Ｅ＝Ｅ0 ・ｃｏｓ［２πｖｔ＋（ｆd ／ｆ0 ）・ｃｏｓ
２πｆ0 ｔ］ 但し、ｆ0 ；ＦＭ変調波の変調周波数 ｆd ；最大周波数偏移 ｖ ；光波の周波数 この光パルスは、光ファイバＦ１を介して１段目の分岐
用カプラ２１−１へ送られ、その分岐用カプラ２１−１
が、該光パルスを第１，第２の光パルスに分岐する。第
１の光パルスは、次段の分岐用カプラ２１−２へ遅延フ
ァイバ２６−１を介して送られ、第２の光パルスは、セ
ンサ入力用カプラ２２−１で２等分されてセンシングフ
ァイバ２３Ｓ−１及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１
へそれぞれ送られる。センシングファイバ２３Ｓ−１及
びリファレンスファイバ２３Ｒ−１では、次のように動
作する。即ち、図４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４１，４２が内
側に圧縮され、センシングファイバ２３Ｓ−１が縮み、
リファレンスファイバ２３Ｒ−１が伸びる。そのため、
入力された光パルスの位相の極性が反転するので、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４１，４２が同一振動モード（コモンモード）と
なる。そのため、センシングファイバ２３Ｓ−１及びリ
ファレンスファイバ２３Ｒ−１の光パルスが同位相とな
り、干渉時に外乱がキャンセルされ、結果的に振動によ
る妨害雑音が除去される。
【００１２】このようなセンシングファイバ２３Ｓ−１
及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１の動作により、該
センシングファイバ２３Ｓ−１透過の光パルスＥ
1 （ｔ）、及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１透過の
光パルスＥ2 （ｔ）がそれぞれ次式のようになる。 Ｅ1 （ｔ）＝Ｅ1 ・ｃｏｓ［２πｖｔ＋（ｆd ／ｆ0 ）
・ｃｏｓ２πｆ0 ｔ＋Δφ／２］ Ｅ2 （ｔ）＝Ｅ2 ・ｃｏｓ［２πｖｔ＋（ｆd ／ｆ0 ）
・ｃｏｓ２πｆ0 ｔ−Δφ／２］ 但し、Δφ／２；信号音圧による光パルスの位相変化量 これらの透過した光パルスは、センサ出力用カプラ２４
−１で結合され、受光用カプラ２５−１，２５−２，…
２４−Ｎを介して光位相検出手段３０内のＯ／Ｅ変換器
３１に送られ、電気に変換される。Ｏ／Ｅ変換器３１の
出力電流ｉは、センシングファイバ２３Ｓ−１のファイ
バ長をＬ1 、及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１のフ
ァイバ長をＬ2 とすると、次式で表わせる。 ｉ＝Ａ｜Ｅ1 （ｔ＋Ｌ1 ／ｃ）＋Ｅ2 （ｔ＋Ｌ2 ／ｃ）
｜2 ＝Ｂ＋Ｆ・ｃｏｓ（Ｄ・ｃｏｓ２πｆ0 ｔ＋Δφ） 但し、ｃ；ファイバ内の光速 Ａ，Ｂ，Ｆ；比例定数 ここで、Ｄは、ｆd 及び光路差（Ｌ２−Ｌ１）の関数と
なり、所要の値となるように（Ｌ2 −Ｌ1 ）、ｆd 等を
設定する。Ｏ／Ｅ変換器３１の出力電流ｉは、位相検出
器３２で検波されて光パルスの位相変化量Δφが検出さ
れ、音波信号に換算されることになる。遅延用ファイ２
６−１は、伝搬遅延が例えばＴ秒となるように設定さ
れ、そのため、分岐用カプラ２１−１で分岐された第１
の光パルスは、遅延ファイバ２６−１でＴ秒遅延された
後、２段目の分岐用カプラ２１−２へ送られ、前記と同
様の動作により、Ｔ秒遅れてＯ／Ｅ変換器３１に伝送さ
れる。以降、順次各段で、同様の動作が行われることに
より、各段のセンサによって検出音波が時分割処理さ
れ、時分割処理された信号が多重化されることになる。
光源１０からの光信号は、Ｏ／Ｅ変換器３１に到達する
までに、分岐用カプラと受光用カプラでの分割合成によ
り減衰する。
及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１の動作により、該
センシングファイバ２３Ｓ−１透過の光パルスＥ
1 （ｔ）、及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１透過の
光パルスＥ2 （ｔ）がそれぞれ次式のようになる。 Ｅ1 （ｔ）＝Ｅ1 ・ｃｏｓ［２πｖｔ＋（ｆd ／ｆ0 ）
・ｃｏｓ２πｆ0 ｔ＋Δφ／２］ Ｅ2 （ｔ）＝Ｅ2 ・ｃｏｓ［２πｖｔ＋（ｆd ／ｆ0 ）
・ｃｏｓ２πｆ0 ｔ−Δφ／２］ 但し、Δφ／２；信号音圧による光パルスの位相変化量 これらの透過した光パルスは、センサ出力用カプラ２４
−１で結合され、受光用カプラ２５−１，２５−２，…
２４−Ｎを介して光位相検出手段３０内のＯ／Ｅ変換器
３１に送られ、電気に変換される。Ｏ／Ｅ変換器３１の
出力電流ｉは、センシングファイバ２３Ｓ−１のファイ
バ長をＬ1 、及びリファレンスファイバ２３Ｒ−１のフ
ァイバ長をＬ2 とすると、次式で表わせる。 ｉ＝Ａ｜Ｅ1 （ｔ＋Ｌ1 ／ｃ）＋Ｅ2 （ｔ＋Ｌ2 ／ｃ）
｜2 ＝Ｂ＋Ｆ・ｃｏｓ（Ｄ・ｃｏｓ２πｆ0 ｔ＋Δφ） 但し、ｃ；ファイバ内の光速 Ａ，Ｂ，Ｆ；比例定数 ここで、Ｄは、ｆd 及び光路差（Ｌ２−Ｌ１）の関数と
なり、所要の値となるように（Ｌ2 −Ｌ1 ）、ｆd 等を
設定する。Ｏ／Ｅ変換器３１の出力電流ｉは、位相検出
器３２で検波されて光パルスの位相変化量Δφが検出さ
れ、音波信号に換算されることになる。遅延用ファイ２
６−１は、伝搬遅延が例えばＴ秒となるように設定さ
れ、そのため、分岐用カプラ２１−１で分岐された第１
の光パルスは、遅延ファイバ２６−１でＴ秒遅延された
後、２段目の分岐用カプラ２１−２へ送られ、前記と同
様の動作により、Ｔ秒遅れてＯ／Ｅ変換器３１に伝送さ
れる。以降、順次各段で、同様の動作が行われることに
より、各段のセンサによって検出音波が時分割処理さ
れ、時分割処理された信号が多重化されることになる。
光源１０からの光信号は、Ｏ／Ｅ変換器３１に到達する
までに、分岐用カプラと受光用カプラでの分割合成によ
り減衰する。
【００１３】図５は、分岐用カプラと受光用カプラの分
割比を説明するための図である。図５は、図１のように
多重化構成にされている分岐用カプラと受光用カプラ群
と、各カプラの各分割比ｋj を示したものである。図１
の任意のｊ段目のセンサの透過光は、Ｏ／Ｅ変換器３１
に入力されるまでに、同等に、Ｎ＋１個の分岐用カプラ
と受光用カプラを通過している。Ｏ／Ｅ変換器３１に入
力されるパルスのパワーをＰj とすると、図１のｊ段目
のセンサの透過光は、パワーＰj が最大になるのは、各
分岐用カプラと受光用カプラの分割比ｋj が一定の時で
あり、パワーＰj の最大値は、次式となる。 Ｐjmax＝４Ｐin｛（Ｎ−１）／（Ｎ＋１）｝N-1 ／（Ｎ＋１）2 …（１） Ｎ；多重化するセンサの段数 Ｐin；初段の分岐用カプラに供給される光パルスのパワ
ー 但し、上式では、従来との比較を容易にするため、セン
サ入力用カプラ及びセンサ出力用カプラの分割損は、省
略している。
割比を説明するための図である。図５は、図１のように
多重化構成にされている分岐用カプラと受光用カプラ群
と、各カプラの各分割比ｋj を示したものである。図１
の任意のｊ段目のセンサの透過光は、Ｏ／Ｅ変換器３１
に入力されるまでに、同等に、Ｎ＋１個の分岐用カプラ
と受光用カプラを通過している。Ｏ／Ｅ変換器３１に入
力されるパルスのパワーをＰj とすると、図１のｊ段目
のセンサの透過光は、パワーＰj が最大になるのは、各
分岐用カプラと受光用カプラの分割比ｋj が一定の時で
あり、パワーＰj の最大値は、次式となる。 Ｐjmax＝４Ｐin｛（Ｎ−１）／（Ｎ＋１）｝N-1 ／（Ｎ＋１）2 …（１） Ｎ；多重化するセンサの段数 Ｐin；初段の分岐用カプラに供給される光パルスのパワ
ー 但し、上式では、従来との比較を容易にするため、セン
サ入力用カプラ及びセンサ出力用カプラの分割損は、省
略している。
【００１４】一方、従来の図２において分岐用カプラと
受光用カプラの各分割比ｋj を各段一律とすると、最終
段のセンサからのＯ／Ｅ変換器３１入力にされるパルス
のパワーＰN の最大値ＰNmaxは次式となる。 ＰNmax＝Ｐin｛（Ｎ−１）／Ｎ｝2(N-1)／Ｎ2 …（２） Ｎ；多重化するセンサの段数 Ｐin；初段の分岐用カプラに供給される光パルスのパワ
ー （１），（２）式を比較すると、図１の本実施例の方
が、従来の図２より、Ｏ／Ｅ変換器３１の受光パルス
が、６ｄＢ程度高くなる。
受光用カプラの各分割比ｋj を各段一律とすると、最終
段のセンサからのＯ／Ｅ変換器３１入力にされるパルス
のパワーＰN の最大値ＰNmaxは次式となる。 ＰNmax＝Ｐin｛（Ｎ−１）／Ｎ｝2(N-1)／Ｎ2 …（２） Ｎ；多重化するセンサの段数 Ｐin；初段の分岐用カプラに供給される光パルスのパワ
ー （１），（２）式を比較すると、図１の本実施例の方
が、従来の図２より、Ｏ／Ｅ変換器３１の受光パルス
が、６ｄＢ程度高くなる。
【００１５】以上のように、本実施例においては、次の
ような利点を生じている。 （ｉ）分岐用カプラ２１−１，２１−２，…，２１−Ｎ
と受光用カプラ２５−１，２５−２，…２５−Ｎによる
分割損は、各カプラでのパワー分割比を全段とも一律と
する構成で抑制される。そのため、各段ごとのカプラの
分割比を異ならせる必要がない。 （ii）センサアレイ２０の最終段のセンサの出力におい
ても、減衰が少なく、光源１０の出力光のパワーを低減
することが可能となる。 (iii）センサアレイ２０中の各段のセンサからＯ／Ｅ変
換器３１入力にされるパルスのパワーＰj が同一レベル
となり、時分割多重の処理が容易になる。 （iv）センシングファイバ２３Ｓ−１及びリファレンス
ファイバ２３Ｒ−１からなるセンサ（他のセンサも同
様）の構造は、図４に示すように、振動等の外乱に対し
て各ファイバの振動変位が同一となるよう設定したた
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。 （ｖ）センサ入力用カプラ２２−１，２２−２，…，２
２−Ｎと及びセンサ用出力カプラ２４−１，２４−２，
…，２４−Ｎで構成される干渉計以外の伝送用光ファイ
バ上では、伝送路で発生するに外乱は、等価的にセンシ
ング光及びリファレンス光にコモンモードとして影響す
るため、キャンセルが可能となる。 （iv）センサの構造を、図４に示すように、センシング
ファイバ２３Ｓ−１とリファレンスファイバ２３Ｒ−１
との両方に音圧が印加され、誘起される光パルスの位相
変化が反転するように設定したため、音圧感度が２倍と
なる。なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば
図１のセンサアレイ２０、及び光位相検出手段３０を他
の構成に変形したり、あるいは図４のセンサ構造を他の
構造に変更する等、種々の変形が可能である。
ような利点を生じている。 （ｉ）分岐用カプラ２１−１，２１−２，…，２１−Ｎ
と受光用カプラ２５−１，２５−２，…２５−Ｎによる
分割損は、各カプラでのパワー分割比を全段とも一律と
する構成で抑制される。そのため、各段ごとのカプラの
分割比を異ならせる必要がない。 （ii）センサアレイ２０の最終段のセンサの出力におい
ても、減衰が少なく、光源１０の出力光のパワーを低減
することが可能となる。 (iii）センサアレイ２０中の各段のセンサからＯ／Ｅ変
換器３１入力にされるパルスのパワーＰj が同一レベル
となり、時分割多重の処理が容易になる。 （iv）センシングファイバ２３Ｓ−１及びリファレンス
ファイバ２３Ｒ−１からなるセンサ（他のセンサも同
様）の構造は、図４に示すように、振動等の外乱に対し
て各ファイバの振動変位が同一となるよう設定したた
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。 （ｖ）センサ入力用カプラ２２−１，２２−２，…，２
２−Ｎと及びセンサ用出力カプラ２４−１，２４−２，
…，２４−Ｎで構成される干渉計以外の伝送用光ファイ
バ上では、伝送路で発生するに外乱は、等価的にセンシ
ング光及びリファレンス光にコモンモードとして影響す
るため、キャンセルが可能となる。 （iv）センサの構造を、図４に示すように、センシング
ファイバ２３Ｓ−１とリファレンスファイバ２３Ｒ−１
との両方に音圧が印加され、誘起される光パルスの位相
変化が反転するように設定したため、音圧感度が２倍と
なる。なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば
図１のセンサアレイ２０、及び光位相検出手段３０を他
の構成に変形したり、あるいは図４のセンサ構造を他の
構造に変更する等、種々の変形が可能である。
【００１６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の本発
明によれば、光音響センサアレイシステムが、時分割で
音波を検出する複数段のセンサと、その各段のセンサの
透過出力を多重化して取り込む第２の光ファイバを備
え、かつ、各段のセンサの透過出力が、最終段のセンサ
側へ伝送される構成となっている。そのため、分岐／合
成に伴う光パルスの分岐用カプラ及び受光用カプラでの
減衰が、抑制されると共に、各段とも一定レベルとな
る。即ち、各カプラでのパワー分割比を全段とも一律と
する構成とすることができる。さらに、最終段のセンサ
の出力においも、減衰量が少なく、光源１０の出力光の
パワーのレベルを低くすることが可能となる。また、時
分割多重されて検出された出力の各レベルが等しいので
信号処理が容易となる。第２の発明によれば、光音響セ
ンサアレイシステムの各段のセンサに加わった外乱雑音
は、センシングファイバとリファレンスファイバに対し
て同一位相の振動モードなり、結果的に外乱の影響が軽
減できる。また、各センサ以外の伝送用光ファイバに加
わった外乱についても、等価的にセンシング光とリファ
レンス光に、コモンモードとして影響するので、キャン
セルが可能となる。
明によれば、光音響センサアレイシステムが、時分割で
音波を検出する複数段のセンサと、その各段のセンサの
透過出力を多重化して取り込む第２の光ファイバを備
え、かつ、各段のセンサの透過出力が、最終段のセンサ
側へ伝送される構成となっている。そのため、分岐／合
成に伴う光パルスの分岐用カプラ及び受光用カプラでの
減衰が、抑制されると共に、各段とも一定レベルとな
る。即ち、各カプラでのパワー分割比を全段とも一律と
する構成とすることができる。さらに、最終段のセンサ
の出力においも、減衰量が少なく、光源１０の出力光の
パワーのレベルを低くすることが可能となる。また、時
分割多重されて検出された出力の各レベルが等しいので
信号処理が容易となる。第２の発明によれば、光音響セ
ンサアレイシステムの各段のセンサに加わった外乱雑音
は、センシングファイバとリファレンスファイバに対し
て同一位相の振動モードなり、結果的に外乱の影響が軽
減できる。また、各センサ以外の伝送用光ファイバに加
わった外乱についても、等価的にセンシング光とリファ
レンス光に、コモンモードとして影響するので、キャン
セルが可能となる。
【図１】本発明の実施例を示す光音響センサアレイシス
テムの構成図である。
テムの構成図である。
【図２】従来の光音響センサアレイシステムの構成図で
ある。
ある。
【図３】図２の光パルス出力波形図である。
【図４】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。
ァイバの取付構造を示す図である。
【図５】分岐用カプラと受光用カプラの分割比を説明す
るための図である。
るための図である。
１０ 光源 ２０ センサアレイ ２１−１，２１−２，…２１−Ｎ 分岐用カプラ ２３Ｓ−１，２３Ｓ−２，…２３Ｓ−Ｎ センシングフ
ァイバ ２３Ｒ−１，２３Ｒ−２，…２３Ｒ−Ｎ リファレンス
ファイバ ２５−１，２５−２，…２４−Ｎ 受光用カプラ ３０ 光位相検出手
段 Ｆ１，Ｆ２ 第１，第２の
光ファイバ
ァイバ ２３Ｒ−１，２３Ｒ−２，…２３Ｒ−Ｎ リファレンス
ファイバ ２５−１，２５−２，…２４−Ｎ 受光用カプラ ３０ 光位相検出手
段 Ｆ１，Ｆ２ 第１，第２の
光ファイバ
Claims (2)
- 【請求項１】 光源からの周波数変調を施した光パルス
を用い、音波を光の形で検出する複数個のセンサを時分
割多重でアレイ化した光音響センサアレイシステムにお
いて、 第１の光ファイバに複数個の分岐用カプラを用いて前記
センサを複数段分岐接続し、かつその各センサの透過出
力を複数個の受光用カプラを介して第２の光ファイバに
取り込み、前記最終段のセンサ側へ伝送する構成にした
ことを特徴とする光音響センサアレイシステム。 - 【請求項２】 前記各センサは、センシングファイバ及
びリファレンスファイバを有し、音波に対して極性反転
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ことを特徴とする請求項１記載の
光音響センサアレイシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12719293A JPH06337225A (ja) | 1993-05-28 | 1993-05-28 | 光音響センサアレイシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12719293A JPH06337225A (ja) | 1993-05-28 | 1993-05-28 | 光音響センサアレイシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06337225A true JPH06337225A (ja) | 1994-12-06 |
Family
ID=14953972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12719293A Withdrawn JPH06337225A (ja) | 1993-05-28 | 1993-05-28 | 光音響センサアレイシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06337225A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09210740A (ja) * | 1996-01-31 | 1997-08-15 | Nec Corp | 海底観測システム |
-
1993
- 1993-05-28 JP JP12719293A patent/JPH06337225A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09210740A (ja) * | 1996-01-31 | 1997-08-15 | Nec Corp | 海底観測システム |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000801 |