JPH0676910B2 - 光フアイバハイドロフオン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）技術分野 この発明は、温度特性を改善した光フアイバハイドロフ
オンに関する。

水中の音響を捕えるものをハイドロフオンHydrophoneと
いう。光フアイバを用いた光フアイバハイドロフオンOp
tical Fiber Hydrophoneは、J.A.Bucaroによつて創案
された。J.A.Bucaro,H.D.Dardy and E.F.Carome,“Op
tical fiber acoustic sensor,"Appl Opt 16,1761
−1762（1977） （イ）従来技術 光フアイバハイドロフオンの原理を説明する。

シングルモード光フアイバを２本用いる。いずれもコイ
ル状に巻いておく。全長がほぼ等しくなるようになつて
いる。

水中の音響は、水中の圧力変化として伝搬している。シ
ングルモード光フアイバを水中に漬けておくと、水圧変
化によつて、屈折率および長さが変化する。これによつ
て、実効的な光路長が変化するわけである。

一方の光フアイバを参照用フアイバ、他方のフアイバを
センサ用フアイバという。両者によつてマツハツエンダ
干渉計を構成する。両方の光フアイバにシングルモード
光を通して干渉させ干渉波を光献出器によつて検出す
る。よれによつて、２本のフアイバを通つた光の干渉時
の位相差φが分る。位相差φには、音圧の変化による位
相差分Δφを含む。こうして、水中音波の強さを測定す
ることができる。

レーザ光をビームスプリツタによつて、２本の光線に分
け、参照用フアイバと、センサ用フアイバに入射させ
る。フアイバの中を伝搬した光を、ビームスプリツタに
よつて合一し、干渉させて光検出器で強度を検出する。

水中音波によつて、センサ用フアイバのコイル部の光路
長が伸縮する。伸縮の振幅をφとする。この角周波数を
Ωとする。これは音波の周波数である。すなわち、セン
サ用フアイバの位相変化は、 φsin（Ωｔ） （１） によつて表現できる。

光の角振動数をωとする。光検出器に入射した時の参照
光の波動は sin（ωｔ） （２） である。センサ用フアイバを通つた光の位相は、内在的
にΨの位相差があるとして、波動函数は sin（ωｔ＋φsin（Ωｔ）＋Ψ） （３） となる。(2)、(3)を干渉させると、干渉項として cos（φsin（Ωｔ）＋Ψ） （４） という項が得られる。もしもΨがπ/2であれば、 sin（φsin（Ωｔ）） （５） となる。これからφを求める事ができる。Ψがπ/2でな
くても、一定値であれば、φを求めうる。ところが、実
際には、このように簡単にはゆかない。周囲温度が変動
すると、光フアイバの屈折率や長さが変化する。このた
め、位相オフセツトΨが変動するのである。両フアイバ
を同じ温度に保つておけばよいのであるが、そのような
ことはできない。この装置のシングルモード光フアイバ
は長いから、僅かな温度変化であつても、位相オフセツ
トΨは著しく変化する。

Ψの温度変動を補償しなければ、このような装置を水中
音波測定に用いる事ができない。ジヤクソン、プリース
ト等は、円筒形圧電素子の周囲に参照用フアイバを巻き
つけ、圧電素子に制御信号を与えて、これを伸縮させ
て、フアイバを伸縮させるような補償方式を考案した。
これはΨを一定に保つものである。

D.A.Jackson et al.“Elimination of drift in
asingle−mode optical fiber interferometer usi
ng ａ piezoelectrically stretched coil fibe
r,"Appl.Opt.19,2926−2929（1980）、 この方法は、２つの光検出器を用いて、干渉光からI₀＋
I₁cosφ_０と、I₀＋I₁cosφ_０とを検出する。そして、こ
れらを差動増幅してcosφ_０を求める。φ_０が分るの
で、これを一定値にするよう圧電素子に加える電圧を調
整する。

光フアイバハイドロフオンに関するレビユーとしては、
例えば、 高橋、菊池“光フアイバを用いた水中音波の検出法I"日
本音響学会誌40巻２号、101−106（1984）がある。

(ウ)発明が解決すべき問題点 しかし、圧電素子を用いた位相補償は、位相補償に必要
な電圧が大きくなる、という難点がある。

たとえば、マツハツエンダ干渉型を構成する一方のフア
イバを、円筒形の圧電素子に５ターン巻きつけて、位相
をπだけずらすのに必要な電圧は50V程度である。この
電圧に高すぎる。より低圧で位相補償できる方法が望ま
れる。

(エ)目的 マツハツエンダ型干渉計を構成する２つのシングルモー
ドフアイバの一方をセンサ用フアイバ、他方を参照用フ
アイバとする光フアイバハイドロフオンに於て、比較的
低い電圧を用いて、温度補償を行なえるようにしたもの
を提供することが本発明の目的である。

(オ)構成 位相差Ψの設定値Ψ_０からのずれΔを、なんらかの手段
で求める点は同じである。ずれΔを誤差という。

誤差信号を求めた後、本発明に於ては、電磁石の力によ
つて、光フアイバを撓ませることにより、光フアイバの
光路長を実効的に変動させる。そして、ΨをΨ_０に近づ
けるようにするのである。

光路長を変化させる部分が、前記Jacksonの方法と異な
つている。

第２図に光路長制御部を示す。

電磁石Σの磁芯と磁性体Ξとを組合わせてある。磁性体
Ξと磁芯の間に光フアイバΥを通す。

光フアイバΥは電磁石電流を増加することによつて強く
圧縮され、強く歪む。歪むことにより、光弾性効果によ
り、屈折率が異なる。また、フアイバの長さも異なるよ
うになる。このため、実効的に光路長が変化するという
わけである。

光フアイバの単位長さに加わる力をＰとして、磁性体Ξ
と電磁石Σによつて挾まれた部分の長さをｌとする。

電磁石の電流をＩとすると、これは押圧力Ｐに比例する
はずである。

Ｐ＝ηＩ （６） とする。ηは定数である。光フアイバにレーザ光を通し
た場合、押圧力Ｐによる位相のずれΦは によつて与えられる。ここでｎは屈折率であり、ｋは真
空中での光の波数である。偏微分の部分は定数と考えら
れる。そこで結合定数μを で定義する。これは光フアイバに単位押圧力を加えた時
の光路長の変化率を表わす量である。(6)〜(8)から位相
のずれΦは、 Φ＝μlkηＩ （９） となる。

このように、位相補償に電磁石を用いることが本発明の
特徴であるが、位相変化Ψが分らなければならない。そ
して、 Φ−Ψ＝（一定値） （10） となるように光フアイバの光路長を制御すればよい。

このために、参照用フアイバ又はセンサ用フアイバを伝
搬する光を位相変調することにする。位相変調すること
自体は、本発明者が既に創案したものである（特開昭63
−91525号公報）。

第１図は本発明の光フアイバハイドロフオンの構成を示
す。

光源１はレーザであつて、単色光を出すものとする。た
とえば半導体レーザ、He−Neレーザなどである。

この光をビームスプリツタ２によつて２本の光線に分け
る。これをセンサ用フアイバ３及び参照用フアイバ４に
入射する。いずれもシングルモード光フアイバである。
位相のオフセツトΨの温度変化を抑えるために、光フア
イバ３、４は同じ程度の長さであることが望ましい。

センサ用コイル５がセンサ用フアイバ３に設けられる。
これは水中に漬けられて、水中音波の影響を受ける。屈
折率が変化するので、位相が変化する。センサ用コイル
は水圧によつて変形するが、この変形が僅かであるの
で、コイル長を長くとる必要がある。位相変化は（１）
式に示す如くである。

参照用フアイバ４にも参照用フアイバコイル６を設け
る。これはフアイバ長を等しくするためである。このコ
イル６はセンサとして使わない。

参照用フアイバ４には、さらに位相変調器13を設ける。
位相変調器13の作用によつて参照用フアイバを伝搬する
光の位相が ａ sin（Γｔ） （11） だけ変化するものとする。ａは位相振幅である。Γは位
相変調周波数である。

位相変調器13は、変調器駆動回路14によつて駆動され
る。これはΓの周波数の電圧波形を生ずる発振器と増幅
器よりなつている。

Γは音波の周波数Ωよりずつと大きくする。このため、
後に述べる同期検波によつて、sinΩｔの成分をそのま
まとり出すことができるのである。

位相変調器は、圧電素子の円筒に光フアイバを巻きつけ
たものを用いることができる。圧電素子に電圧をかけて
素子を歪ませ、光フアイバを変形させる。こうして光弾
性効果により位相変化が生ずる。

参照用フアイバ４の途中には、本発明の光路長制御部Λ
が設けられている。第２図に示すような、磁石Σと磁性
体Ξを組み合わせ、間に光フアイバΥを挾んだ構造にな
つている。

センサ用フアイバ３を伝搬したセンサ光Ｓと、参照用フ
アイバ４を伝搬した参照光Ｒとは、フアイバ端から直角
方向に出射され、ビームスプリツタ７によつて合体す
る。

この後、受光素子８に入射して、干渉光の光強度が電流
に変換される。これが増幅器９によつて増幅される。さ
らに同期検波回路10に入力される。同期検波するため
に、変調器駆動回路14から、(11)式の変調信号を同期検
波回路10に入力する。

この信号は、ローパスフイルタ12によつて高周波成分を
除き、直流分をとつて、増幅し、誤差信号とする。これ
が０になるように電磁石Σに電流を流す。このため基準
信号Vrとの差を差動増幅回路16によつて差動増幅する。
この出力によつてトランジスタ17を駆動し、光路長制御
部Λの電磁石電流Ｉを調整する。

この例では、参照用フアイバの方に、位相変調器13、光
路長制御部Λを設けている。しかし、センサ用フアイバ
の方にいずれか一方又は両方を設けるようにしてもよ
い。

光路長制御部Λは一つとは限らず、複数個設置してもよ
い。

(カ)作用 受光素子８の受光面に於けるセンサ光Ｓの波動を Ｓ＝S₀sin（ωｔ＋φsinΩｔ＋Ψ） （12） によつて表現する。S₀は振幅、Ψはセンサ光Ｓと参照光
Ｒの位相の内在的なズレ、φは水中音波の強さ、Ωは水
中音波の振動数である。

参照光Ｒの波動を Ｒ＝R₀sin（ωｔ＋ａ sinΓｔ＋Φ） （13） によつて表現する。R₀は振幅、Φは光路長制御部Λの作
用による位相調整分である。ａ sinΓｔは位相変調器1
3による位相変調分である。

Ｓ、Ｒは受光素子面上で干渉させると、受光素子出力Ｚ
は Ｚ＝|S＋R|² （14） によつて定義される。｜…|²というのは高い周波数成分
２ωｔ、ωｔなどを落す、ということである。

となる。(15)式の直流分は意味がない。変動分のみをＹ
として、これについて考える。S₀R₀は定数であるから、
これを除いて、 Ｙ＝cos（φsinΩｔ−ａ sinΓｔ＋Ψ−Φ） （16） とする。(15)は受光素子８、又は増幅器９の出力と考え
てよい。次いで同期検波回路10に於て同期検波する。こ
れは位相変調波(11)と周期が同一で、しかも位相が同一
である成分のみを取り出す検波方式である。

つまり、ＺにsinΓｔを乗じて時間平均したものを求め
ることが同期検波である。信号線21はsinΓｔの、ｔ＝
０である時刻を合わせるためのものである。

同期検波によつて直流分やsinΓｔ以外の位相、周波数
成分は消えてしまう。

Ｙ＝cos（φsinΩｔ＋Ψ−Φ）cos（ａ sinΓｔ） ＋sin（φsinΩｔ＋Ψ−Φ）sin（ａ sinΓｔ） （1
7） である。ベツセル函数の母函数展開 を用いる。ｘ＝ａ、ｚ＝exp（ｉΓｔ）と置くと となる。ベツセル函数の偶奇性 J_-n（ｘ）＝（−１）nJn（ｘ） （20） を用いると、(19)から、 及び となる。位相変調波sinΓｔによつて同期検波するので
ある。信号ＺにsinΓｔを乗じて時間平均する。

∫cos ｍΓｔ sin Γtdt＝０ （23） ∫sin ｍΓｔ sin Γtdt＝０ （24） （但しｍ≠１） である。時間積分の範囲は０から２π／Γの整数倍であ
る。

結局、同期検波回路の出力ｕは Ｕ＝2J₁（ａ）sin｛φsin（Ωｔ）＋Ψ−Φ）｝ （25） という事になる。さらにこれをベツセル函数で展開する
と、 となる。これは音波の周波数Ωの高調波を全て含んでい
る。この内、直流分と１次の基本波部分とを取ることに
する。

直流分をＤとする。ローパスフイルタ12はＵから直流分
を取り出すためのフイルタである。

Ｄ＝2J₁（ａ）J₀（φ）sin（Ψ−Φ） （27） 基本波部分をＥで表わす。

Ｅ＝4J₁（ａ）J₀（φ）cos（Ψ−Φ）sin（Ωｔ） （2
8） である。

直流分Ｄを０とするように電磁石電流Ｉを調整すること
にする。

例えばJ₁（ａ）J₀（φ）を正だとする。ａ、φが小さい
ので、これは正しい仮定である。

基準信号Vrはθとする。そうすると、（Ｄ−Vr）の値が
差動増幅されるから、Ψ＞Φであれば増幅器出力Ｆが正
になり、電磁石電流Ｉを増加させる。これによつてΦが
増加する。そしてΨ＝Φに達する。

逆にΨ＜Φであれば増幅器出力Ｆが負になり電磁石電流
Ｉを減小させる。

実際には差動増幅器16は＋Vccと−Vccとの２電源で駆動
するのではなく、＋VccとOVの間で駆動するから、VrはO
Vではなく、Ｏ〜Vccの間の電圧である。

いずれにしても、最終的にはΨ＝Φとなるのであつて、
Ψが標準値Ψ_０から外れても、Φも同様な変化をするよ
うになる。

バンドパスフイルタ11を通り抜けた信号Ｅが、この装置
の出力である。Ψ＝Φであるから、(28)からＥは最高の
感度を持つことになる。このとき Ｅ＝4J₁（ａ）J₁（φ）sinΩｔ （29） である。ａは位相変調の強さである。J₁（ａ）は既知で
ある。J₁（φ）から音波の強さφを知る事ができる。φ
が十分小さい時、J₁（φ）はφの１次式で近似できるか
ら、リニヤソテイも良い。

(キ)効果 光フアイバハイドロフオンは温度変化による位相のずれ
Ψのために実用化が困難であつたが、電磁石と磁性体を
用いて光フアイバを押圧し、位相を調整することとした
ので、光フアイバハイドロフオンを有効に利用すること
ができる。

電磁石と磁性体の組合わせであるから、比較的低電圧
で、位相調整できることになる。

【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図は電磁石を用いた光路長制御部の一例を示す斜視
図。 １……光源 ２……ビームスプリツタ ３……センサ用フアイバ ４……参照用フアイバ ５……センサコイル ６……参照用フアイバコイル ７……ビームスプリツタ ８……受光素子 ９……増幅器 10……同期検波回路 11……バンドパスフイルタ 12……ローパスフイルタ 13……位相変調器 14……変調器駆動回路 15……増幅器 16……差動増幅器 17……トランジスタ 18……抵抗 Λ……光路長制御部 Ξ……磁性体 Σ……電磁石 γ……光フアイバ Γ……位相変調角周波数 ａ……位相変調の振幅 Ω……音波の角周波数 φ……音波の強度に比例する位相振幅 Ψ……２本の光フアイバの位相差 Φ……光路長制御部に於ける以相調整分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一部にセンサ用コイル５を有するシングル
   モードフアイバであるセンサ用フアイバ３と、前記セン
   サ用フアイバ３とほぼ同じ長さを有するシングルモード
   フアイバである参照用フアイバ４と、単色光を生ずる光
   源１と、光源１で生じた光を２本の光線に分けてセンサ
   用フアイバ３及び参照用フアイバ４に入射させるビーム
   スプリツタ２と、センサ用フアイバ３又は参照用フアイ
   バ４のいずれか一方、又は両方の途中に設けられフアイ
   バを伝搬する光に対してａ sinΓｔの位相変調を与え
   る位相変調器13と、光路長を制御する光路長制御部Λ
   と、センサ用フアイバ３と参照用フアイバ４の出射光を
   合体させるビームスプリツタ７と、合体させた光を受光
   面で干渉させ干渉光の強度を検出する受光素子８と、受
   光素子８の出力信号Ｚを位相変調器13の信号ａ sinΓ
   ｔによつて同期検波する同期検波回路10と、同期検波出
   力Ｕから水中音波の周波数Ωの１次成分sinΩｔの振幅
   強度を取出すことにより音波の強度φを検出するバンド
   パスフイルタ11と、同期検波出力Ｕから直流分を取り出
   すローパスフイルタ12と、直流分を０にするように光路
   長制御部Λの制御電流Ｉを調整する回路とよりなり、光
   路長制御部Λは光フアイバΥを間に挾む電磁石Σと磁性
   体Ξとよりなり光フアイバΥを押圧することにより光路
   長を変化させることを特徴とする光フアイバハイドロフ
   オン。