JPH07140043A - Optical fiber sensor unit - Google Patents

Optical fiber sensor unit

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JPH07140043A
JPH07140043A JP28508193A JP28508193A JPH07140043A JP H07140043 A JPH07140043 A JP H07140043A JP 28508193 A JP28508193 A JP 28508193A JP 28508193 A JP28508193 A JP 28508193A JP H07140043 A JPH07140043 A JP H07140043A
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phase
optical
harmonic component
fiber
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Koji Dobashi
孝治 土橋
Riyoutaku Satou
陵沢 佐藤
Hiroshi Arai
宏 新井
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To prevent the extraction amount of harmonic components from decreasing in the synchronous detection of an optical fiber sensor unit. CONSTITUTION:A sensor section 3 detects sound wave, for example, using an FM modulated light from a light source 2 and outputs a coherent light. The coherent light is converted through an O/E converter 4 into an electric signal and the harmonic components are extracted through a phase decoder 20 and decoded. The electric signal has a phase difference from a reference frequency signal generated at a signal generator 1 because of propagation delay. A phase compensating section 30 delivers a reference light for extracting high frequency components, subjected to phase difference correction, to primary and secondary frequency component extracting means 21, 22.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ソーナのよう
な水中音響センサ装置等に用いられ、音波情報を光信号
で検出するために光ファイバを使用した光ファイバセン
サ装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber sensor device which is used in an underwater acoustic sensor device such as a sonar and which uses an optical fiber to detect sound wave information as an optical signal.

【0002】[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;アイイーイーイー ジャーナル オブ クオンタ
ム エレクトロニクス(IEEE Journal of Quantum Elect
ronics )、QE-18 [10] (1982-10)、(米)、Anthony
Dandridge,Alan B. Tveten,Thomas G. Glallorenzi著
“Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sen
sors Using Phase Generated Carrier”P.1647-1653 図2は、従来の光ファイバセンサ装置の一例を示す構成
ブロック図である。この光ファイバセンサ装置は、周波
数変調(以下、FM変調という)された光信号を用いて
音波等の外部からの情報を検出する装置である。図2の
装置は、角周波数ω0 の基準正弦波信号を発生する信号
発生器1と、その基準角周波数ω0の正弦波信号に基づ
いて電流駆動され、変調周波数ω0 /2πのFM変調さ
れた光信号OPを送出する光源2と、その光信号OPが
分割されたセンシング光信号OP1及びリファレンス光
信号OP2の光路長の変動によって外部からの音波情報
を干渉光OP3として検出するセンサ部3と、干渉光O
P3を電気信号である干渉出力Iに変換する光電変換器
(以下、O/E変換器という)4と、その干渉出力Iか
ら高調波成分を抽出して前記光路長の変動をセンシング
光信号OP1及びリファレンス光信号OP2の位相差の
変動として求める位相復調器10とを、備えている。セ
ンサ部3は、センシング光信号OP1及びリファレンス
光信号OP2をそれぞれ伝送するセンシングファイバ3
a及びリファレンスファイバ3bを有し、センシングフ
ァイバ3aには音波が印加される構成となっている。入
力された光信号OPは、図示しない分岐カプラを介して
センシングファイバ3a及びリファレンスファイバ3b
に分岐され、センシング光信号OP1及びリファレンス
光信号OP2が、出力側で図示しない受光用カプラを介
して合成されている。位相復調器10は、角周波数
ω0 ,2ω0 の参照信号に基づいてO/E変換4からの
干渉出力IのFM変調周波数を基本波とした第1次高調
波成分を抽出する第1次高調波成分抽出手段11と第2
次高調波成分を抽出する第2次高調波成分抽出手段12
を有している。第1次高調波成分抽出手段11は、角周
波数ω0 の参照信号を信号発生器1から入力し、第2次
高調波成分抽出手段12は、角周波数2ω0 の参照信号
を同期信号発生器13から入力している。同期信号発生
器13は信号発生器1に接続され、同期信号発生器13
は角周波数2ω0 の参照信号を基準周波数信号に同期し
て生成する。第1次高調波成分抽出手段11及び第2次
高調波成分抽出手段12の出力側には、それぞれ微分器
14及び15が接続されている。各微分器14及び15
の出力側には、第2次高調波成分抽出手段12及び第1
次高調波成分抽出手段11とたすき掛け接続された乗算
器16及び17が、それぞれ接続されている。位相復調
器10は、さらに、各乗算器16及び17の乗算結果を
減算する1つの減算器18と、減算器18の出力を積分
する積分器19とを、備えている。また、第1次高調波
成分抽出手段11は、干渉出力Iと角周波数ω0 の参照
信号を乗算する乗算器11aと、高調波成分抽出用の低
域通過フィルタ(以下、LPFという)11bとを有
し、第2次高調波成分抽出手段12は、干渉出力Iと角
周波数2ω0 の参照信号を乗算する乗算器12aと、高
調波成分抽出用のLPF12bとを有している。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a technique in such a field,
For example, some documents were described in the following documents. Literature; IEEE Journal of Quantum Elect
ronics), QE-18 [10] (1982-10), (US), Anthony
Dandridge, Alan B. Tveten, Thomas G. Glallorenzi “Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sen
sors Using Phase Generated Carrier "P.1647-1653 Fig. 2 is a configuration block diagram showing an example of a conventional optical fiber sensor device. This optical fiber sensor device is frequency modulated (hereinafter referred to as FM modulated) light. 2 is a device for detecting information from the outside such as a sound wave using a signal.The device of Fig. 2 includes a signal generator 1 for generating a reference sine wave signal having an angular frequency ω 0 and a sine signal having a reference angular frequency ω 0 . A light source 2 that is current-driven based on a wave signal and sends out an FM-modulated optical signal OP having a modulation frequency ω 0 / 2π, and optical path lengths of a sensing optical signal OP1 and a reference optical signal OP2 obtained by dividing the optical signal OP. Of the acoustic wave information from the outside as a coherent light OP3, and the coherent light O
A photoelectric converter (hereinafter, referred to as an O / E converter) 4 for converting P3 into an interference output I which is an electric signal, and a harmonic component extracted from the interference output I to detect the fluctuation of the optical path length as a sensing optical signal OP1. And a phase demodulator 10 which is obtained as a variation in the phase difference of the reference optical signal OP2. The sensor unit 3 includes a sensing fiber 3 that transmits the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2, respectively.
a and a reference fiber 3b, and a sound wave is applied to the sensing fiber 3a. The input optical signal OP passes through the branching coupler (not shown) to the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b.
And the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 are combined on the output side via a light receiving coupler (not shown). The phase demodulator 10 extracts a first-order harmonic component whose fundamental wave is the FM modulation frequency of the interference output I from the O / E converter 4 based on the reference signals of the angular frequencies ω 0 and 2ω 0. Harmonic component extraction means 11 and second
Second harmonic component extraction means 12 for extracting the second harmonic component
have. The first-order harmonic component extracting means 11 inputs the reference signal of the angular frequency ω 0 from the signal generator 1, and the second-order harmonic component extracting means 12 inputs the reference signal of the angular frequency 2ω 0 to the synchronizing signal generator. Input from 13. The synchronization signal generator 13 is connected to the signal generator 1, and the synchronization signal generator 13
Generates a reference signal having an angular frequency of 2ω 0 in synchronization with a reference frequency signal. Differentiators 14 and 15 are connected to the output sides of the first-order harmonic component extracting means 11 and the second-order harmonic component extracting means 12, respectively. Each differentiator 14 and 15
On the output side of the second harmonic component extraction means 12 and the first
Multipliers 16 and 17 are connected to the next harmonic component extracting means 11 in a crossed manner. The phase demodulator 10 further includes one subtractor 18 that subtracts the multiplication results of the multipliers 16 and 17, and an integrator 19 that integrates the output of the subtractor 18. Further, the first-order harmonic component extraction means 11 includes a multiplier 11a that multiplies the interference output I by a reference signal having an angular frequency ω 0 , a low-pass filter (hereinafter referred to as LPF) 11b for extracting a harmonic component. The second-order harmonic component extraction means 12 includes a multiplier 12a that multiplies the interference output I by the reference signal having the angular frequency 2ω 0 , and a LPF 12b for extracting the harmonic component.

【0003】次ぎに、図2の光ファイバセンサ装置の動
作を説明する。信号発生器1は、角周波数ω0 の正弦波
状の基準周波数信号を発生する。光源2は、この基準周
波数信号に基づいて電流駆動され、光源2は、変調周波
数ω0/2πのFM変調された光信号OP1を、センサ
部3に出力する。センサ部3において、光信号OP1は
センシング光信号OP1及びリファレンス光信号OP2
に分割され、そのセンシング光信号OP1及びリファレ
ンス光信号OP2は、センシングファイバ3a及びリフ
ァレンスファイバ3bをそれぞれ通過する。センシング
ファイバ3aに音波が印加されると、センシングファイ
バ3aの屈折率及びファイバ長が変化する。一方、リフ
ァレンスファイバ3bは、変化を受けないので、リファ
レンス光信号OP2とセンシング光信号OP1との間に
位相差の変動が生じる。位相差の変動が生じたリファレ
ンス光信号OP2とセンシング光信号OP1が合成され
て干渉光OP3が出力される。干渉光OP3は、O/E
変換器4で干渉出力Iに変換される。干渉出力Iは、次
ぎの(1)式に示すようになる。 但し、A、B;入力光量に比例する定数 C;FM変調信号の最大周波数偏移及びセンシングファ
イバ3aとリファレンスファイバ3bとの間の光路差の
関数となる位相変調度 φ(t);音波信号 Jk (C);ベッセル関数(k=0,1,2,・・) 乗算器11aは、干渉出力Iと信号発生器1の角周波数
ω0 の正弦波信号とを乗算し、LPF11bを通すこと
により、次式(2)で表される第1次高調波成分が出力
される。 BJ1 (C)sinφ(t) ・・・(2) 乗算器12aで干渉出力Iと、同期信号発生器13で発
生した角周波数2ω0の正弦波信号とを乗算し、LPF
12bを通すことにより、次式(3)で表される第2次
高調波成分が出力される。 BJ2 (C)cosφ(t) ・・・(3) 第1の微分器14,第2の微分器15で微分し、第1の
乗算器16,第2の乗算器17でクロス乗算すると、次
式(4),(5)が出力される。 B2 1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)cos 2 φ(t) ・・・(4) −B2 1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)sin 2 φ(t) ・・・(5) 減算器18で減算することにより、次の(6)が出力さ
れる。 B2 1 (C)J2 (C)(dφ(t)/dt) ・・・(6) 積分器19で積分することにより、次の(7)が出力さ
れ、音波信号φ(t)が復調される。 B2 1 (C)J2 (C)φ(t) ・・・(7)
Next, the operation of the optical fiber sensor device shown in FIG. 2 will be described. The signal generator 1 generates a sinusoidal reference frequency signal having an angular frequency ω 0 . The light source 2 is current-driven based on this reference frequency signal, and the light source 2 outputs the FM-modulated optical signal OP1 having the modulation frequency ω 0 / 2π to the sensor unit 3. In the sensor unit 3, the optical signal OP1 is the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2.
The sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 are divided into two parts, and respectively pass through the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b. When a sound wave is applied to the sensing fiber 3a, the refractive index and fiber length of the sensing fiber 3a change. On the other hand, since the reference fiber 3b is not changed, the phase difference fluctuates between the reference optical signal OP2 and the sensing optical signal OP1. The reference optical signal OP2 in which the phase difference has changed and the sensing optical signal OP1 are combined to output the interference light OP3. The interference light OP3 is O / E
It is converted into the interference output I by the converter 4. The interference output I is as shown in the following equation (1). However, A, B; a constant proportional to the amount of input light C: a phase modulation degree φ (t) that is a function of the maximum frequency deviation of the FM modulation signal and the optical path difference between the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b; J k (C); Bessel function (k = 0,1,2, ...) The multiplier 11a multiplies the interference output I by the sine wave signal of the angular frequency ω 0 of the signal generator 1 and passes through the LPF 11b. As a result, the first harmonic component represented by the following equation (2) is output. BJ 1 (C) sinφ (t) (2) The interference output I is multiplied by the multiplier 12a and the sine wave signal of angular frequency 2ω 0 generated by the synchronization signal generator 13 to obtain the LPF.
By passing through 12b, the second harmonic component expressed by the following equation (3) is output. BJ 2 (C) cos φ (t) (3) When differentiating by the first differentiator 14 and the second differentiator 15 and cross-multiplying by the first multiplier 16 and the second multiplier 17, The following equations (4) and (5) are output. B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / dt) cos 2 φ (t) (4) −B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / Dt) sin 2 φ (t) (5) Subtracting by the subtracter 18 outputs the following (6). B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / dt) (6) By integrating with the integrator 19, the following (7) is output, and the sound wave signal φ (t) is output. Is demodulated. B 2 J 1 (C) J 2 (C) φ (t) (7)

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光ファイバせセンサ装置においては、次のような課題が
あった。センサ部3が遠隔にある場合、伝送距離が長く
なる。また、センサ部3が複数チャネルで構成されてア
レイ化されている場合、各チャネルによって伝送距離が
異なる。一方、干渉光OP3のFM変調周波数の高調波
成分は、それぞれ伝送距離に応じて伝搬遅延を伴う。そ
のため、同期検波による高調波成分の抽出量に劣化が生
じ、結果として、光ファイバセンサの感度劣化及びチャ
ネル間の感度ばらつきに繋がっていた。本発明は前記従
来技術が持っていた課題として、伝送距離により高調波
成分の抽出量に劣化が生じる点について解決をした光フ
ァイバセンサ装置を提供するものである。
However, the conventional optical fiber sensor device has the following problems. When the sensor unit 3 is remote, the transmission distance becomes long. In addition, when the sensor unit 3 is composed of a plurality of channels and formed into an array, the transmission distance differs depending on each channel. On the other hand, the harmonic component of the FM modulation frequency of the interference light OP3 is accompanied by propagation delay depending on the transmission distance. Therefore, the amount of higher harmonic components extracted by the synchronous detection is deteriorated, resulting in the deterioration of the sensitivity of the optical fiber sensor and the variation of the sensitivity between channels. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an optical fiber sensor device which solves the problem that the prior art has, in that the amount of extracted harmonic components is deteriorated depending on the transmission distance.

【0005】[0005]

【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、基準周波数信号に基づきFM変調さ
れた光信号を出力する光源と、前記光信号が分割された
センシング光信号及びリファレンス光信号をそれぞれ伝
送するセンシングファイバ及びリファレンスファイバを
有し、該センシングファイバ及びリファレンスファイバ
の光路長の変動によって生じた該センシング光信号及び
リファレンス光信号間の位相差の変動を干渉光として検
出するセンサ部と、前記干渉光を電気信号に変換するO
/E変換器と、前記基準周波数信号にそれぞれ基づいた
参照信号対を前記電気信号にそれぞれ乗算し、該電気信
号の高調波成分対を抽出して該高調波成分対から前記位
相差の変動を求める位相復調器とを、備えた光ファイバ
センサ装置において、次ぎの手段を講じている。即ち、
前記位相復調器は、伝搬遅延によって生じた前記各高調
波成分の前記基準周波数信号に対する遅延位相をそれぞ
れ補正する位相補償部を設けている。第2の発明は、第
1の発明の光ファイバセンサ装置における前記位相復調
器を、前記位相補償部と、前記基準周波数信号にそれぞ
れ基づいた参照信号対を前記位相補償部を介して入力し
前記電気信号にそれぞれ乗算する乗算器対と、該各乗算
器の出力から前記参照信号に対応した高調波成分をそれ
ぞれ抽出するフィルタとを、備えたものとしている。
In order to solve the above problems, a first invention is to provide a light source for outputting an FM-modulated optical signal based on a reference frequency signal and a sensing optical signal obtained by dividing the optical signal. And a reference fiber for transmitting the reference optical signal, respectively, and detects the fluctuation of the phase difference between the sensing optical signal and the reference optical signal caused by the fluctuation of the optical path length of the sensing fiber and the reference fiber as interference light. And a sensor unit for converting the interference light into an electric signal
/ E converter and a reference signal pair respectively based on the reference frequency signal are multiplied by the electric signal, a harmonic component pair of the electric signal is extracted, and the variation of the phase difference is extracted from the harmonic component pair. In the optical fiber sensor device provided with the required phase demodulator, the following measures are taken. That is,
The phase demodulator is provided with a phase compensator that corrects the delay phase of each of the harmonic components caused by the propagation delay with respect to the reference frequency signal. According to a second aspect of the invention, the phase demodulator in the optical fiber sensor device of the first aspect of the invention receives the phase compensation section and a reference signal pair based on the reference frequency signal, respectively, via the phase compensation section. A multiplier pair for multiplying each electric signal and a filter for extracting each harmonic component corresponding to the reference signal from the output of each multiplier are provided.

【0006】[0006]

【作用】第1の発明によれば、以上のように光ファイバ
センサ装置を構成したので、光源は、基準周波数信号に
基づきFM数変調された光信号を出力し、光信号が分割
されてセンシングファイバ及びリファレンスファイバを
通過する。センサ部は、センシングファイバ及びリファ
レンスファイバの光路長の変動によって生じた該センシ
ング光信号及びリファレンス光信号間の位相差の変動を
干渉光として検出する。O/E変換器は、干渉光を電気
信号に変換し、位相復調器は、基準周波数信号にそれぞ
れ基づいた参照信号対を電気信号にそれぞれ乗算し、電
気信号の高調波成分対を抽出して該高調波成分対から前
記位相差の変動を求める。このとき、位相補償部は、伝
搬遅延によって生じた各高調波成分の基準周波数信号に
対する遅延位相をそれぞれ補正する。第2の発明は、第
1の発明の光ファイバセンサ装置における位相復調器
を、位相補償部と、参照信号対を位相補償部を介して入
力し電気信号にそれぞれ乗算する乗算器対と、乗算器の
出力から搬送波を除去して参照信号に応じた高調波成分
をそれぞれ抽出するフィルタを備えている。従って、前
記課題を解決できるのである。
According to the first aspect of the present invention, since the optical fiber sensor device is configured as described above, the light source outputs the optical signal modulated by the FM number based on the reference frequency signal, and the optical signal is divided to perform sensing. It passes through the fiber and the reference fiber. The sensor unit detects, as interference light, fluctuations in the phase difference between the sensing optical signal and the reference optical signal, which are caused by fluctuations in the optical path lengths of the sensing fiber and the reference fiber. The O / E converter converts the interference light into an electric signal, and the phase demodulator multiplies the electric signal by a reference signal pair based on the standard frequency signal respectively to extract a harmonic component pair of the electric signal. The variation of the phase difference is obtained from the harmonic component pair. At this time, the phase compensator corrects the delay phase of each harmonic component caused by the propagation delay with respect to the reference frequency signal. A second invention is the phase demodulator in the optical fiber sensor device of the first invention, a phase compensating unit, a multiplier pair for inputting a reference signal pair via the phase compensating unit and multiplying each by an electric signal, and multiplication. A filter is provided for removing the carrier wave from the output of the device and extracting the harmonic components corresponding to the reference signal. Therefore, the above problem can be solved.

【0007】[0007]

【実施例】図1は、本発明の実施例の光ファイバセンサ
装置を示す構成ブロック図である。 図1の装置は、従
来の図2と同様に、FM変調された光信号を用いて音波
等の外部からの情報を検出する光ファイバセンサ装置で
あり、図2と共通の要素には共通の符号が付されてい
る。図1の装置は、図2と同様に、角周波数ω0 の基準
正弦波信号を発生する信号発生器1と、その基準角周波
数ω0 の正弦波信号に基づいて電流駆動され、変調周波
数ω0 /2πのFM変調された光信号OPを送出する光
源2と、その光信号OPが分割されたセンシング光信号
OP1及びリファレンス光信号OP2の光路長の変動に
よって外部からの音波情報を干渉光OP3として検出す
るセンサ部3と、干渉光OP3を電気信号Iに変換する
O/E変換器4とを備え、図1の装置は、さらに、図2
と異なる位相復調器20を設けいる。センサ部3は、図
2と同様に、センシング光信号OP1及びリファレンス
光信号OP2をそれぞれ伝送するセンシングファイバ3
a及びリファレンスファイバ3bを有し、センシングフ
ァイバ3aには音波が印加される構成となっている。入
力された光信号OP1は、図示しない分岐カプラを介し
てセンシングファイバ3a及びリファレンスファイバ3
bに分岐され、センシング光信号OP1及びリファレン
ス光信号OP2が、出力側で図示しない受光用カプラを
介して合成されている。
1 is a block diagram showing the configuration of an optical fiber sensor device according to an embodiment of the present invention. The device of FIG. 1 is an optical fiber sensor device that detects information from the outside such as a sound wave using an FM-modulated optical signal, like the conventional device of FIG. 2. Elements common to FIG. The reference numeral is attached. The apparatus of Figure 1, similar to FIG. 2, the signal generator 1 for generating a reference sine wave signal of the angular frequency omega 0, are current driven on the basis of a sine wave signal of the reference angular frequency omega 0, the modulation frequency omega The light source 2 that outputs the 0 / 2π FM-modulated optical signal OP and the fluctuation of the optical path lengths of the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 into which the optical signal OP is divided change the acoustic wave information from the outside into the interference light OP3. 2 and an O / E converter 4 for converting the interference light OP3 into an electric signal I. The apparatus of FIG.
A phase demodulator 20 different from the above is provided. As in FIG. 2, the sensor unit 3 includes the sensing fiber 3 that transmits the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2, respectively.
a and a reference fiber 3b, and a sound wave is applied to the sensing fiber 3a. The input optical signal OP1 is transmitted through the branching coupler (not shown) to the sensing fiber 3a and the reference fiber 3
The sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 are branched to b and are combined on the output side via a light receiving coupler (not shown).

【0008】位相復調器20は、角周波数ω0 ,2ω0
の参照信号に基づいてO/E変換4からの干渉出力Iの
第1次高調波成分を抽出する第1次高調波成分抽出手段
21と、第2次高調波成分を抽出する第2次高調波成分
抽出手段22とを、有している。第1次高調波成分抽出
手段21は角周波数ω0 の参照信号を入力し、第2次高
調波成分抽出手段22は、角周波数2ω0 の参照信号を
入力している。第1次高調波成分抽出手段21及び第2
次高調波成分抽出手段22の出力側には、それぞれ微分
器23及び24が、接続されている。各微分器23及び
24の出力側には、第2次高調波成分抽出手段22及び
第1次高調波成分抽出手段21にたすき掛け接続された
乗算器25及び26が、それぞれ接続されている。位相
復調器20は、各乗算器25及び26の乗算結果を減算
する1つの減算器27と、減算器27の出力を積分する
積分器28とを、備えている。さらに、位相復調器20
は、角周波数2ω0 の参照信号を生成する同期信号発生
器29と、同期信号発生器29からの参照信号及び信号
発生器1からの角周波数ω0 の基準周波数信号を入力
し、それらの信号の位相を補正する2個の位相補償器3
1,32を有している。また、第1次高調波成分抽出手
段21は、干渉出力Iと角周波数ω0 の参照信号を乗算
する乗算器21aと、高調波成分抽出用のLPF21b
とを有し、第2次高調波成分抽出手段22も、干渉出力
Iと角周波数2ω0 の参照信号を乗算する乗算器22a
と、高調波成分抽出用のLPF22bとを、有してい
る。同期信号発生器29からの参照信号及び信号発生器
1からの角周波数ω0 の基準周波数信号は、位相補償部
30を介して乗算器21a,21bに同期検波用の参照
信号として入力される構成である。
The phase demodulator 20 has angular frequencies ω 0 and 2ω 0.
1st harmonic component extraction means 21 for extracting the 1st harmonic component of the interference output I from the O / E converter 4 based on the reference signal of 2 and the 2nd harmonic for extracting the 2nd harmonic component. And a wave component extracting means 22. The first harmonic component extracting means 21 inputs the reference signal of angular frequency ω 0 , and the second harmonic component extracting means 22 inputs the reference signal of angular frequency 2ω 0 . First harmonic component extracting means 21 and second
Differentiators 23 and 24 are connected to the output side of the second harmonic component extracting means 22, respectively. The output sides of the differentiators 23 and 24 are respectively connected to the multipliers 25 and 26 which are connected to the second-order harmonic component extracting means 22 and the first-order harmonic component extracting means 21, respectively. The phase demodulator 20 includes one subtractor 27 that subtracts the multiplication results of the multipliers 25 and 26, and an integrator 28 that integrates the output of the subtractor 27. Furthermore, the phase demodulator 20
Is a synchronization signal generator 29 that generates a reference signal with an angular frequency 2ω 0, a reference signal from the synchronization signal generator 29, and a reference frequency signal with an angular frequency ω 0 from the signal generator 1 are input. Phase compensators 3 for correcting the phase of
It has 1, 32. Further, the first-order harmonic component extraction means 21 includes a multiplier 21a for multiplying the interference output I by the reference signal of the angular frequency ω 0 , and an LPF 21b for extracting the harmonic component.
And the second harmonic component extracting means 22 also has a multiplier 22a for multiplying the interference output I by the reference signal of the angular frequency 2ω 0.
And an LPF 22b for extracting a harmonic component. The reference signal from the synchronization signal generator 29 and the reference frequency signal of the angular frequency ω 0 from the signal generator 1 are input to the multipliers 21a and 21b via the phase compensating unit 30 as reference signals for synchronous detection. Is.

【0009】次ぎに、図1の光ファイバセンサ装置の動
作について説明する。信号発生器1は、角周波数ω0
正弦波状の基準周波数信号を発生し、この基準周波数信
号に基づいて電流駆動され、光源2は変調周波数ω0
2πのFM変調された光信号OPをセンサ部3に出力す
る。センサ部3に出力された光信号OPは、センシング
光信号OP1及びリファレンス光信号OP2に分割さ
れ、そのセンシング光信号OP1及びリファレンス光信
号OP2は、センシングファイバ3a及びリファレンス
ファイバ3bをそれぞれ通過する。センシングファイバ
3aに音波が印加されると、センシングファイバ3aの
屈折率及びファイバ長が変化する。一方、リファレンス
ファイバ3bは、変化を受けないので、リファレンス光
信号OP2とセンシング光信号OP1との間に位相差の
変動が生じる。位相差の変動が生じたリファレンス光信
号OP2とセンシング光信号OP1が、合成されて干渉
光OP3が出力される。
Next, the operation of the optical fiber sensor device of FIG. 1 will be described. The signal generator 1 generates a sinusoidal reference frequency signal having an angular frequency ω 0 , and is current-driven based on this reference frequency signal, and the light source 2 has a modulation frequency ω 0 /
The 2π FM-modulated optical signal OP is output to the sensor unit 3. The optical signal OP output to the sensor unit 3 is divided into a sensing optical signal OP1 and a reference optical signal OP2, and the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 pass through the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b, respectively. When a sound wave is applied to the sensing fiber 3a, the refractive index and fiber length of the sensing fiber 3a change. On the other hand, since the reference fiber 3b is not changed, the phase difference fluctuates between the reference optical signal OP2 and the sensing optical signal OP1. The reference optical signal OP2 and the sensing optical signal OP1 in which the phase difference has changed are combined, and the interference light OP3 is output.

【0010】干渉光OP3は、O/E変換器4で干渉出
力として電気信号Iに変換される。干渉出力Iは、セン
シングファイバ3a及びリファレンスファイバ3bでの
遅延時間τ1 及びτ2 を考慮すると(8)式となり、各
高調波成分における遅延位相は、ω(τ1 +τ2 )/2
となる。 I=A+B{Ccosω0 (t−(τ1 +τ2 )/2)+φ(t)} ……(8) 各位相補償器31,32は、各高調波成分毎の遅延位相
ω(τ1 +τ2 )/2を補償する。即ち、位相補償器3
1は、FM変調周波数の第1次高調波成分を抽出するた
めに、角周波数ω0 の参照信号に対してω0 (τ1 +τ
2 )/2の位相補正をして乗算器21aに供給する。ま
た、位相補償器32は、FM変調周波数の第2次高調波
成分を抽出するために、角周波数2ω0 の参照信号に対
して2ω0 (τ1 +τ2 )/2の位相補正をして乗算器
22aに供給する。乗算器21aで干渉出力Iと、信号
発生器1の角周波数ω0 の正弦波信号とを乗算し、LP
F21bを通すことにより、搬送波が除去され、次の
(9)が出力される。 BJ1 (C)sinφ(t) ・・・(9) 乗算器22aで干渉出力Iと、同期信号発生器29で発
生した角周波数2ω0の正弦波信号とを乗算し、LPF
22bを通すことにより、次の(10)が出力される。 BJ2 (C)cosφ(t) ・・・(10) 微分器23及び微分器24で微分し、乗算器25及び乗
算器26でクロス乗算すると、次の(11),(12)
が出力される。 B2 J1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)cos 2 φ(t) ・・・(11) − B2 J1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)sin 2 φ(t) ・・・(12) 減算器27で減算することにより、次の(13)が出力
される。 B2 1 (C)J2 (C)(dφ(t)/dt) ・・・(13) 積分器28で積分することにより、次の(14)が出力
され、音波信号φ(t)が復調される。 B2 1 (C)J2 (C)φ(t) ・・・(14) なお、位相補償をしない場合を想定すると、第1次及び
第2次高調波成分の同期検波出力は、cos(ω0 (τ
1 +τ2 )/2)及びcos(2ω0 (τ1 +τ2 )/
2)をそれぞれ振幅の係数として、(14)式の値が低
下する。即ち、本実施例においては、伝搬遅延によって
生じた各高調波成分の基準周波数信号に対する遅延位相
を、位相補償部30が補正している。その結果、高調波
成分抽出時に発生する抽出量の劣化を防ぐことができ、
センサ装置の感度を上昇できる。また、これにより、長
距離伝送を要し、かつ、チャネル毎に伝送距離の異なる
多重化されたセンサアレイを有する光ファイバセンサ装
置の構築が、可能となる。
The interference light OP3 is converted into an electric signal I as an interference output by the O / E converter 4. The interference output I becomes the formula (8) when the delay times τ 1 and τ 2 in the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b are considered, and the delay phase in each harmonic component is ω (τ 1 + τ 2 ) / 2.
Becomes I = A + B {C cos ω 0 (t− (τ 1 + τ 2 ) / 2) + φ (t)} (8) Each phase compensator 31, 32 has a delay phase ω (τ 1 + τ) for each harmonic component. 2 ) / 2 is compensated. That is, the phase compensator 3
1 is ω 01 + τ) with respect to the reference signal of the angular frequency ω 0 in order to extract the first harmonic component of the FM modulation frequency.
2 ) / 2 phase correction is performed and the result is supplied to the multiplier 21a. Further, the phase compensator 32 performs a phase correction of 2ω 01 + τ 2 ) / 2 on the reference signal of the angular frequency 2ω 0 in order to extract the second harmonic component of the FM modulation frequency. It is supplied to the multiplier 22a. The multiplier 21a multiplies the interference output I by the sine wave signal of the angular frequency ω 0 of the signal generator 1 to obtain LP
The carrier wave is removed by passing through F21b, and the following (9) is output. BJ 1 (C) sinφ (t) (9) The multiplier 22a multiplies the interference output I by the sine wave signal of angular frequency 2ω 0 generated by the synchronization signal generator 29, and LPF
By passing through 22b, the following (10) is output. BJ 2 (C) cos φ (t) (10) Differentiating by the differentiator 23 and the differentiator 24 and cross multiplying by the multiplier 25 and the multiplier 26, the following (11), (12)
Is output. B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / dt) cos 2 φ (t) ・ ・ ・ (11) − B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / Dt) sin 2 φ (t) (12) Subtracting by the subtractor 27 outputs the following (13). B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / dt) (13) The following (14) is output by integrating with the integrator 28, and the sound wave signal φ (t) is output. Is demodulated. B 2 J 1 (C) J 2 (C) φ (t) (14) Assuming that no phase compensation is performed, the coherent detection outputs of the first and second harmonic components are cos. (Ω 0
1 + τ 2 ) / 2) and cos (2ω 01 + τ 2 ) /
The value of the equation (14) decreases with 2) as the coefficient of the amplitude. That is, in the present embodiment, the phase compensator 30 corrects the delay phase of each harmonic component caused by the propagation delay with respect to the reference frequency signal. As a result, it is possible to prevent deterioration of the amount of extraction that occurs when extracting harmonic components,
The sensitivity of the sensor device can be increased. Further, this makes it possible to construct an optical fiber sensor device that requires long distance transmission and has a multiplexed sensor array having different transmission distances for each channel.

【0011】なお、本発明は、上記実施例に限定されず
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。 (1) 抽出する高調波成分は、第1次及び第2次高調
波成分としているが、これに限定されず、例えば、第3
次及び第4次高調波成分を用いてもよい。 (2) 位相補償器31,32は、光ファイバセンサ装
置の初期設定時に、補償係数を設定する方式でもよく、
或いは、位相遅延を検出しその検出結果に応じて補償係
数を設定する方式でもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. The following are examples of such modifications. (1) The harmonic components to be extracted are the first-order and second-order harmonic components, but the present invention is not limited to this.
Second and fourth harmonic components may be used. (2) The phase compensators 31 and 32 may have a method of setting a compensation coefficient at the time of initial setting of the optical fiber sensor device,
Alternatively, the phase delay may be detected and the compensation coefficient may be set according to the detection result.

【0012】[0012]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1の発明
によれば、位相復調器に、伝搬遅延によって生じた前記
各高調波成分の基準周波数信号に対する遅延位相をそれ
ぞれ補正する位相補償部を設けているので、同期検波に
よる高調波成分の抽出量に劣化がなく、結果的に光ファ
イバセンサ装置の感度劣化及びチャネル間の感度ばらつ
きを防止する。そのため、例えば、長距離伝送を必要と
する光ファイバセンサ装置の遠隔測定が可能となる。ま
た、長距離伝送を要し、かつ、伝送距離がチャネルによ
って異なる多重化センサアレイの構築が可能となる。第
2の発明によれば、位相復調器は、位相補償部と、参照
信号対を前記位相補償部を介して入力し前記電気信号に
それぞれ乗算する乗算器対と、各高調波成分をそれぞれ
抽出するフィルタとを備えたものとしているので、第1
の発明の効果を奏する光ファイバセンサ装置を、容易な
構成で実現できる。
As described in detail above, according to the first invention, the phase demodulator corrects the delay phase of each harmonic component caused by the propagation delay with respect to the reference frequency signal. Since there is no deterioration in the extraction amount of the harmonic component due to the synchronous detection, it is possible to prevent the deterioration of the sensitivity of the optical fiber sensor device and the variation of the sensitivity between channels. Therefore, for example, it is possible to remotely measure an optical fiber sensor device that requires long-distance transmission. Further, it becomes possible to construct a multiplexed sensor array that requires long distance transmission and the transmission distance varies depending on the channel. According to the second aspect of the invention, the phase demodulator extracts the phase compensating unit, the multiplier pair that inputs the reference signal pair through the phase compensating unit and multiplies the electric signal, and the harmonic components, respectively. Since it has a filter for
The optical fiber sensor device that achieves the effects of the invention can be realized with a simple configuration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例の光ファイバセンサ装置を示す
構成ブロック図である。
FIG. 1 is a configuration block diagram showing an optical fiber sensor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来の光ファイバセンサ装置の一例を示す構成
ブロック図である。
FIG. 2 is a configuration block diagram showing an example of a conventional optical fiber sensor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 信号発生器 2 光源 3 センサ部 4 O/E変換器 10,20 位相復調器 11,12 高調波成分抽出手段 11a,12a,21a,22a 乗算器 11b,12b,21b,22b LPF 29 同期信号発生器 30 位相補償部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 signal generator 2 light source 3 sensor part 4 O / E converter 10, 20 phase demodulator 11, 12 harmonic component extraction means 11a, 12a, 21a, 22a multipliers 11b, 12b, 21b, 22b LPF 29 synchronization signal generation Unit 30 Phase compensation unit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基準周波数信号に基づき周波数変調され
た光信号を出力する光源と、 前記光信号が分割されたセンシング光信号及びリファレ
ンス光信号をそれぞれ伝送するセンシングファイバ及び
リファレンスファイバを有し、該センシングファイバ及
びリファレンスファイバの光路長の変動によって生じた
該センシング光信号及びリファレンス光信号間の位相差
の変動を干渉光として検出するセンサ部と、 前記干渉光を電気信号に変換する光電変換器と、 前記基準周波数信号にそれぞれ基づいた参照信号対を前
記電気信号にそれぞれ乗算し、該電気信号の高調波成分
対を抽出して該高調波成分対から前記位相差の変動を求
める位相復調器とを、 備えた光ファイバセンサ装置において、 前記位相復調器は、伝搬遅延によって生じた前記各高調
波成分の前記基準周波数信号に対する遅延位相をそれぞ
れ補正する位相補償部を設けたことを特徴とする光ファ
イバセンサ装置。
1. A light source that outputs an optical signal frequency-modulated based on a reference frequency signal, a sensing fiber and a reference fiber that respectively transmit a sensing optical signal and a reference optical signal into which the optical signal is divided, A sensor unit that detects, as interference light, fluctuations in the phase difference between the sensing optical signal and the reference optical signal caused by fluctuations in the optical path lengths of the sensing fiber and the reference fiber, and a photoelectric converter that converts the interference light into an electrical signal. A phase demodulator that multiplies each of the electric signals by a reference signal pair based on each of the reference frequency signals, extracts a harmonic component pair of the electric signal, and obtains a variation in the phase difference from the harmonic component pair. In the optical fiber sensor device including, the phase demodulator is Optical fiber sensor apparatus characterized in that a phase compensation unit that corrects a phase delay with respect to the reference frequency signal of the wave components, respectively.
【請求項2】 前記位相復調器は、前記位相補償部と、
前記基準周波数信号にそれぞれ基づいた参照信号対を前
記位相補償部を介して入力し前記電気信号にそれぞれ乗
算する乗算器対と、前記各乗算器の出力から該参照信号
に対応した高調波成分をそれぞれ抽出するフィルタと
を、備えたことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ
センサ装置。
2. The phase demodulator includes the phase compensator,
A reference signal pair based on each of the reference frequency signals is input through the phase compensating unit and a multiplier pair for multiplying the electric signal, and a harmonic component corresponding to the reference signal from the output of each of the multipliers. The optical fiber sensor device according to claim 1, further comprising a filter for extracting each.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110836638A (en) * 2019-10-28 2020-02-25 哈尔滨工业大学 Carrier phase delay and associated amplitude modulation elimination method in phase generation carrier arc tangent

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