JPH11505032A - 検知方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、１または２以上の二路対の各々を介して伝搬した後の光波の位相差を決定するための方法および装置であって、その二路対とは共通の入口点と共通の出口点とを結ぶ２つの光学伝走路である。予め定められた持続時間のコヒーレントな光パルスが、予め定められた時間間隔で二路対のグループにおける各二路対の入口点へ供給される。このパルス持続時間は、複数の予め定められた時間区分に再分化されている。光は、各時間区分の間異なる周波数を有する。二路対の出口点での光パルスが予め定められた時間増分だけ遅延されて、その後組合されて合成光信号となる。合成光信号は、電気信号に変換され、この電気信号の時間の関数としての振幅は、時間の関数としての合成光信号の出力に比例する。各二路対の位相差は、電気信号の振幅値から決定される。

Description

【発明の詳細な説明】 検知方法および装置 技術の分野 本発明は、一般に、温度および圧力の変動を検出する上で使用する光ファイバ 干渉計に関し、かつ、より詳細には適切に変調した光信号で同干渉計を駆動して 、検知した情報を抽出するための方法および装置に関する。 背景技術 光ファイバ干渉計は、端部で接合した２本の光ファイバからなり、光が共通の 入力ポートからこの２本のファイバに入り、共通の出力ポートからこの２本のフ ァイバを出ることができるようになっている。検知プロセスには、入力ポートで 導入された光で干渉計を駆動するステップと、出力ポートから現われる光出力を 検出するステップとが含まれる。この２本の光ファイバは物理的に相互に変位さ れており、これらが配置された環境におけるさまざまな妨害によって異なった影 響を受けることになり、かつ２本のファイバを伝搬する光波はその異なる環境に 特有の振幅および位相の変化を受けることになる。出力ポートで合された光波の 出力の大きさは、これら振幅および位相の変化を反映することになるので、環境 における妨害を検知するために使用することができる。 変調していない光で干渉計を駆動することは、同干渉計の出力での振幅および 位相変化の検出を極めて困難にする。というのも、この場合極めて安定した電子 回路が必要になるからである。このような問題を避けるため、干渉計に入る光を 典型的には位相変調して、所望の環境による位相および振幅の変化が、搬送波周 波数の側波帯として現われるようにする。この方法は、干渉計を単独で使用する 場合には有効である。しかしながら、時分割多重モードで多数の干渉計を駆動す る場合には、アナログ変調信号を正確に再生して復調処理を行なう必要があるた め、この方法では困難が生じる。 発明の開示 本発明は、共通の入口点と共通の出口点とを結ぶ２つの光伝送路である１また は２以上の二路対の各々を介して伝搬した後の、光波の位相差を決定すための方 法および装置である。予め定められた持続時間のコヒーレントな光パルスを、予 め定められた間隔で二路対のグループにおける各二路対の入口点へ供給する。同 パルスの持続時間は複数の予め定められた時間区分に分割する。光は、各時間区 分において異なる周波数を有する。二路対の出口点で光パルスを予め定められた 時間増分だけ遅延させた後、合わせて合成光信号にする。同合成光信号を電気信 号に変換するが、時間の関数としての電気信号の振幅は、時間の関数としての合 成光信号の出力に比例する。各二路対についての位相差は、電気信号の振幅値か ら決定する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の第１の実施例のブロック図である。 図２は、本発明の第２の実施例のブロック図である。 図３は、本発明の第１の実施例の動作に関連する波形を示す図である。 図４は、本発明の第２の実施例の動作に関連する波形を示す図である。 発明を実施するためのベストモード 検知回路アレイ１１の好ましい実施例について図１に示す。レーザ１３は、位 相変調器１５へ光ファイバを介してコヒーレントな光を供給する。プロセッサ１ ７は、位相変調器１５へ変調信号を送り、位相変調器は持続時間Ｔ（Ｘ）の光の 定振幅パルスが位相変調器から周期的に出るようにする。Ｘは、特定の構成を示 す。プロセッサ１７も、各区分の間に、特定の電圧ランプで位相変調器１５を駆 動することによって、パルスの連続する等しい区分の間、光の周波数が複数の異 なる値を有するようにする。光の周波数は、位相変調器１５を通過する際に、駆 動信号の時間変化率に比例して変化する。典型的には、パルスは、３から４の区 分を有することが考えられ、かつＴ（Ｘ）は、典型的には５００ｎｓ前後であろ う。 位相変調器１５から出る光パルスは、Ｎ個の同じ検知回路１９を駆動する。各 検知回路１９は、端部で接合された光ファイバ２１および２３からなる二路対２ ０を有する。この２本の光ファイバは、Δｔに等しい時間分だけ長さが異なる。 二路対は、入力端２５で入力ポート２７に結合し、かつ出力端２９で出力ポート ３１に結合する。入力ポート２７も、入力線出力ポート３３に接続する。入力端 ２５と入力線出力ポート３３との間の出力の分配は、１対Ｎ以上の比である。出 力線入力ポート３５も出力ポート３１に接続する。典型的な検知回路（ｎ−１） および（ｎ）は、光ファイバ４１および４３によって光学的に接続されており、 これら光ファイバは、合せてＴ（Ｘ，ｎ）の伝搬時間に等しい合計長さを有する 。パルス長Ｔ（Ｘ）は、ｎのすべての値についてＴ（Ｘ，ｎ）以下である。 検知回路（１）の入力ポート２７に入る光パルスは、Ｎ個の検知回路に分かれ 、このＮ個の検知回路からのＮ個のパルスが合さって光検出器４５の入力ポート に入る。光検出器４５に入るＮ個のパルスは、Ｔ（Ｘ）≦Ｔ（Ｘ，ｎ）なので、 重なっていない。光検出器４５は、入力された光信号を、時間の関数としての入 力光出力に比例する、時間の関数としての振幅を有する出力電気信号に変換する 。光検出器４５の出力は、各検知回路１９において各二路対２０を備える２本の ファイバを介して移動する光波の位相差を決定するプロセッサ１７に入る。 光周波数がＦ（ｐ）である場合に、検知回路ｎからのパルスに対応する光検出 器４５の出力Ｐ（ｐ，ｎ）は、以下の式により得られる（ｐは特定の周波数を識 別する整数である）。 P(p,n)＝A(n)＋B(n)cos[2πF(p)Δt＋Δφ] （１） ここでＡ（ｎ）およびＢ（ｎ）は、二路対への入力出力に比例する定数であり、 Ｂ（ｎ）も二路対の混合効率に依存し、かつΔφは、環境による妨害により導入 される位相変化である。上記式には３つの未知の要素、Ａ（ｎ）、Ｂ（ｎ）、お よびΔφが存在する。３つの異なる周波数についてＰ（ｐ，ｎ）を測定すること により、３つの未知の要素について３つの式をＡ（ｎ）、Ｂ（ｎ）、およびΔφ について解くことができる。周波数を適切に選択することによって、解はかなり 簡単に得ることができる。Ｆ（ｐ）が以下の式により定義されるとする。 F(p)=F(0)＋pΔF （２） ここでΔＦは定数である。Ｐが値−１、０、および１を取るとする。すると、以 下のようになる。 ΔＦΔｔが１／４であれば、最後の式の右側の第１項目は１になり、式はより簡 単に表わすことができる。 式（５）の代替的な表現としては、ｐが値−１、０、１および２をとる４つの 周波数を用いることにより得ることができる。 ΔＦΔｔが１／４であれば、ｓｉｎの項は１になり、ｃｏｓの項は０になり、式 は再びさらに簡単なものに書き表わすことができる。 以下の式（７）が成り立つ場合に、δを０に維持することによって、ΔＦΔｔ の値を１／４に保つことができる。 分母の数は、式（３）および（４）から得ることができる。Ｂの値は、δを０に 駆動するためには決定する必要がない。 多数のレーザで駆動する検知回路のアレイを多重化して、図２に示すものと同 じ光検知器およびプロセッサで対応することができる。検知回路アレイ５１およ び５３は、それぞれ専用レーザ５５および５７、ならびにそれぞれ専用位相変調 器５９および６１を有するが、共通光検出器６３および共通プロセッサ６５を共 有する。この２つの検知回路アレイの動作の多重化についてはさまざまなやり方 で達成することができる。１つの方法は、図３に示すとおり、検知回路アレイ５ １に関連する光パルス６７および検知回路アレイ５３に関連する光パルス６９が 時分割多重化されて、互いに干渉し合わないようにするやり方である。位相変調 器５９を出るパルス７１に続いて、パルス７５が位相変調器６１を出る。この２ つの検知回路アレイのための時間Ｔ（Ｘ，ｎ）は、光検出器６３の入力に現われ る、検知回路アレイ５１に関連するパルス７３と、検知回路アレイ５３に関連す るパルス７７とが重ならないよう選択されている。パルス列７３および７７を構 成する個々のパルスの区分間の振幅の変化は、区分間の光周波数における変化か ら生じるものである。 多重化のもう１つのやり方は、図４に示す符号分割の形をとることである。検 知回路アレイ５１に関連するパルス７９は、４区分パルスであり、かつその持続 時間は検知回路アレイ５３に関連するパルス８１の４分の１である。パルス８１ も４区分パルスである。パルス持続時間の比は、意図的にパルスにおける区分の 数と等しくされている。伝搬時間Ｔ（５１、ｎ）およびＴ（５３、ｎ）は、光検 出器６３の入力に現われる検知回路アレイ５３からのパルスの各区分８３が検知 回路アレイ５１からのパルス８５と一致するように選択されている。定周波数光 パルス区分８３の存在が、パルス８５に関連する位相 2πF(0)Δt＋Δφの決定 を妨害することはない。というのは、パルス区分８３は、パルス８３における区 分の各々に一定の出力を付与するだけだからである。逆に、ΔＦΔｔが１／４に 等しければ、パルス８５の平均出力は各区分８３について一定となり、各パルス ８３に関連する 2πF(0)Δt＋Δφは、上に記載したアルゴリズムを用いて決定 することができる。 パルス列の各々におけるパワーが、他のパルス列の各々をサンプリングするの に適切な積分回数平均すると一定であるという意味で、互いに「直角をなしてい る」状態である限りにおいて、区分持続時間のいかなる組合せを用いることもで きる。 本発明の実施例について、光ファイバからなる二路対という観点から記載した が、本発明の原理は、光波が入口ポイントで２つの部分に分割されて、その後異 なる長さの２つの別個の経路を通って出口ポイントへ至り、そこで再び一緒にさ れる光伝送機構であればいずれのものにも適用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．Ａとして識別される構成を有する検知装置（Ａ）であって、 制御入力ポート、光入力ポート、および光出力ポートを有する光変調器（Ａ） を含み、光変調器（Ａ）の光入力ポートが、コヒーレントな光ビームを受けるよ うになっており、 １または２以上の検知回路（Ａ、ｎ）を含み、ｎの値が特定の検知回路を表わ し、ｎが１からＮの範囲の整数値をとり、Ｎが１以上であり、各検知回路（Ａ， ｎ）が入力ポート、出力ポート、０または１以上の入力線出力ポート、０または １以上の出力線入力ポート、および入力ポートから出力ポートへの２つの光学伝 送路からなる二路対を有し、Ｎおよびｎが１を超える場合に、光学伝送媒体（Ａ ，ｎ，１）によって光変調器（Ａ）の光出力ポートが、検知回路（Ａ，ｎ）の入 力ポートに光学的に接続され、検知回路（Ａ，ｎ−１）の入力線出力ポートが、 検知回路（Ａ，ｎ）の入力ポートに光学的に接続され、かつＮおよびｎが１より 大きい場合には、検知回路（Ａ、ｎ）の出力ポートが光伝送媒体（Ａ，ｎ，２） によって検知回路（Ａ，ｎ−１）の出力線入力ポートに光学的に接続され、光学 伝送媒体（Ａ，ｎ，１）および光学伝送媒体（Ａ，ｎ，２）を組合せたものがＴ （Ａ、ｎ）の伝搬時間を表わしており、 １または２以上の入力ポートおよび出力ポートを有する光検出器を含み、光が 組合された１または２以上の入力ポートに進入し、検知回路（Ａ，１）の出力ポ ートが光検出器の入力ポートに光学的に接続され、光検出器が、時間の関数とし ての合成された入力光出力に比例する時間の関数としての振幅でその出力ポート に電気信号を生成し、 入力ポート、１以上の制御出力ポート、およびデータ出力ポートを有するプロ セッサを含み、光検出器の出力ポートがプロセッサの入力ポートに接続され、プ ロセッサの１以上の制御出力ポートのうちの１つが光変調器（Ａ）の制御入力ポ ートに接続され、プロセッサが、持続時間Ｔ（Ａ）を有する光パルスが、光変調 器（Ａ）の光出力ポートを周期的に出るようにし、Ｔ（Ａ）が１を超えるｎのす べての値についてＴ（Ａ，ｎ）以下であり、光周波数が光パルスの間複数の異な る値Ｆ（Ａ，ｐ）を有し、ｐがその複数の異なる値を識別する整数値をとり、光 周波数がＦ（Ａ，ｐ）である場合の、検知装置（Ａ）が生成する光検出器の出力 がＰ（Ａ，ｎ，ｐ）で表わされ、ｎが特定の検知回路を表わし、プロセッサが値 Ｐ（Ａ，ｎ，ｐ）を用いて、各二路対を含む２つの光路について位相差を決定し 、位相差がプロセッサの出力ポートに得られるようにされている、装置。 ２．各二路対の２つの経路を横切る光波の伝搬時間における差は、予め定められ た値Δｔ（Ａ，ｎ），Ｆ（Ａ，ｐ）＝（Ａ，０）＋ｐΔＦであり、Ｆ（Ａ，０） は基準周波数であり、かつΔＦは予め定められた周波数増分である、請求項１に 記載の装置。 ３．ｐがパルスの間いずれかの順番のいずれか３つの連続する整数値をとる、請 求項２に記載の装置。 ４．ΔＦΔｔ（Ａ，ｎ）が公称１／４である、請求項３に記載の検知装置。 ５．ｐが１パルスの間にいずれかの順序のいずれか４つの連続する整数値をとる 、請求項２に記載の装置。 ６．ΔＦΔｔ（Ａ，ｎ）が公称１／４である、請求項５に記載の装置。 ７．プロセッサが、Ｐ（Ａ，ｎ，ｐ）の値から得られる誤差信号を使用して、Δ Ｆを、ΔＦΔｔ（Ａ，ｎ）がおよそ１／４に等しくなるような値に維持する、請 求項６に記載の検知装置。 ８．検知装置（Ｂ）と組合せた請求項１に記載の検知装置（Ａ）であって、 制御入力ポート、光入力ポート、および光出力ポートを有する光変調器（Ｂ） を含み、光変調器（Ｂ）の光入力ポートがコヒーレントな光ビームを受けるよう なっており、 １または２以上の検知回路（Ｂ，ｍ）を含み、ｍの値が特定の検知回路を表わ しており、ｍが１からＭの範囲内の整数値をとり、Ｍが１以上の数値であり、各 検知回路（Ｂ，ｍ）が、入力ポート、出力ポート、０または１以上の入力線出力 ポート、０または１以上の出力線入力ポート、および入力ポートから出力ポート への２つの光学伝送路からなる二路対とを有し、光変調器（Ｂ）の光出力ポート が、検知回路（Ｂ，１）の入力ポートに光学的に接続されており、検知回路（Ｂ ，ｍ−１）の入力線出力ポートが、Ｍおよびｍが１を超える場合に、光伝送媒体 （Ｂ，ｍ，１）により検知回路（Ｂ，ｍ）の入力ポートに接続され、Ｍおよびｍ が１を超える場合に検知回路（Ｂ，ｍ）の出力ポートが、光学伝送媒体（Ｂ，ｍ ，２）によって検知回路（Ｂ，ｍ−１）の出力線入力ポートに光学的に接続され 、検知回路（Ｂ，１）の出力ポートは、光検出器の入力ポートに光学的に接続さ れており、光学伝送媒体（Ｂ，ｍ，１）と光学伝送媒体（Ｂ，ｍ，２）の組合さ れたものがＴ（Ｂ，ｍ）の伝搬時間を表わし、さらに プロセッサの１以上の制御出力ポートの１つが光変調器（Ｂ）の制御入力ポー トに接続されており、プロセッサが持続時間Ｔ（Ｂ）で光パルスが光変調器（Ｂ ）の光出力ポートから周期的に出るようにし、Ｔ（Ｂ）が１を超えるｍのすべて の値についてＴ（Ｂ，ｍ）以下であり、光周波数が光パルスの間に複数の異なる 値Ｆ（Ｂ，ｑ）を有しており、ｑが複数の異なる値を識別する整数値をとり、ｑ がｐがその値のすべてを一巡した後にのみ値を変え、光周波数がＦ（Ｂ，ｑ）で ある場合に検知装置（Ｂ）により生成される光検出器の出力がＰ（Ｂ，ｍ，ｑ） で表わされ、プロセッサが、Ｐ（Ａ，ｎ，ｐ）およびＰ（Ｂ，ｍ，ｑ）の値を用 いて、検知回路（Ａ，ｎ）および（Ｂ，ｍ）における各二路対を含む２つの光路 についての位相差を決定し、この位相差がプロセッサの出力ポートに得られるよ うにされている、装置。 ９．検知装置（Ａ）および検知装置（Ｂ）における各二路対の２つの経路を横切 る光波の伝搬時間における差が、予め定められた値Δｔ（Ａ，ｎ）およびΔｔ（ Ｂ，ｍ），Ｆ（Ａ，ｐ）＝Ｆ（Ａ，０）＋ｐΔＦおよびＦ（Ｂ，ｑ）＝Ｆ（Ｂ， ０）＋ｑΔＦであり、ここでＦ（Ａ，０）およびＦ（Ｂ，０）は基準周波数であ り、かつΔＦは予め定められた周波数増分である、請求項８に記載の装置。 １０．ｐおよびｑが１パルスの間にいずれかの順でいずれか３つの連続する整数 値をとる、請求項９に記載の装置。 １１．ΔＦΔｔ（Ａ，ｎ）およびΔＦΔｔ（Ｂ，ｍ）が公称１／４である、請求 項１０に記載の検知装置。 １２．ｐおよびｑが、１パルスの間にいずれかの順でいずれかの４つの連続する 整数値をとる、請求項９に記載の装置。 １３．ΔＦΔｔ（Ａ，ｎ）およびΔＦΔｔ（Ｂ，ｍ）が公称１／４である、請求 項１２に記載の装置。 １４．プロセッサが、Ｐ（Ａ，ｎ，ｐ）およびＰ（Ｂ，ｍ，ｑ）の値から得られ る誤差信号を用いて、ΔＦΔｔ（Ａ，ｎ）およびΔＦΔｔ（Ｂ，ｍ）がおよそ１ ／４に等しくなるような値にΔＦを維持する、請求項１３に記載の装置。 １５．検知装置（Ａ）および検知装置（Ｂ）からの光パルスが、光検出器の入力 ポートで重ならないようになっている、請求項８に記載の検知装置。 １６．光検出器の出力が、成分Ｑ（Ａ，ｎ）＋Ｐ（Ａ，ｎ，ｐ）およびＱ（Ｂ， ｍ）＋Ｐ（Ｂ，ｍ，ｑ）に分割可能であって、Ｑ（Ａ，ｎ）およびＱ（Ｂ，ｍ） がｐおよびｑと無関係なバイアス項である、請求項８に記載の検知装置。 １７．１または２以上の二路対の各々を伝搬した後の光波の位相差を決定するた めの方法であって、二路対が共通入口点と共通出口点とを結ぶ２つの光学伝送路 であり、光波が、入口点では同相であり、同方法が、 （ａ１） 予め定められた時間間隔で、二路対のグループＡにおける各二路対 の入口点へ予め定められた持続時間のコヒーレントな光パルスを与えるステップ を含み、このパルスの持続時間が複数の予め定められた時間区分に再分化されて おり、光が各時間区分の間に異なる周波数を有し、二路対の出口点の光パルスが 予め定められた時間増分だけ遅延され、その後組合されてグループＡの合成光信 号になり、 （ｂ） 合成光信号を電気信号に変換するステップを含み、時間の関数として の同電気信号の振幅が、時間の関数としての合成光信号出力に比例し、 （ｃ） 電気信号の振幅値から、各二路対についての位相差を決定するステッ プとを含む、方法。 １８．環境による妨害のない場合に、各二路対の２つの経路を横切る光波の伝搬 時間の差は、予め定められたものであり、かつある時間区分における光周波数は 、基準周波数と正または負の整数または０と周波数増分との積との和に等しい、 請求項１７に記載の方法。 １９．光パルスが３つの時間区分からなり、この３つの区分の間の光周波数がい ずれかの順でとられた３つの連続する整数により特定される、請求項１８に記載 の方法。 ２０．二路対の伝搬時間の差と、周波数増分との積が、公称１／４である、請求 項１９に記載の方法。 ２１．光パルスが４つの区分からなり、この４つの区分の間の光周波数が、いず れかの順でとられた４つの連続する整数により特定される、請求項１８に記載の 方法。 ２２．二路対の伝搬時間における差と、周波数増分との積が公称１／４である、 請求項２１に記載の方法。 ２３．（ｄ） 二路対の伝搬時間における差と、周波数増分との積が、およそ１ ／４になるように、電気信号の振幅値から得られる誤差信号を使用して、周波数 増分を調節するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。 ２４．（ａ２） 予め定められた時間間隔で、二路対のグループＢにおける各二 路対の入口点へ予め定められた持続時間のコヒーレントな光パルスを供給するス テップを含み、このパルスの持続時間が、複数の予め定められた時間区分に再分 化されており、光が各時間区分の間異なる周波数を有し、二路対の出口点で光パ ルスが予め定められた時間増分だけ遅延され、その後組合されてグループＢ合成 光信号となり、 （ａ３） グループＡの合成光信号とグループＢの合成光信号とを組合せて、 ステップ（ｂ）および（ｃ）で行なわれる動作の対象となる、単一のグループＡ ・グループＢ合成光信号にするステップを含み、グループＡおよびグループＢの 二路対に関する予め定められたパルス持続時間、予め定められた時間区分、予め 定められた時間間隔および予め定められた時間増分が、グループＡおよびグルー プＢ二路対に関する位相差が電気信号から決定できるように選択される、請求項 １７に記載の方法。 ２５．グループＡ・グループＢ合成光信号内で光パルスが重ならない、請求項２ ４に記載の方法。 ２６．グループＡ・グループＢ合成光信号においてグループＡの光パルスがグル ープＢの光パルスに重なり、その結果がグループＡ光パルスまたはグループＢ光 パルスのいずれかのパルス区分の間の電気信号の平均振幅における固定バイアス である、請求項２４に記載の方法。