JPS63205526A - 光フアイバハイドロフオン - Google Patents

光フアイバハイドロフオン

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JPS63205526A
JPS63205526A JP3876687A JP3876687A JPS63205526A JP S63205526 A JPS63205526 A JP S63205526A JP 3876687 A JP3876687 A JP 3876687A JP 3876687 A JP3876687 A JP 3876687A JP S63205526 A JPS63205526 A JP S63205526A
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light
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phase modulator
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洋三 西浦
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (7)技術分野 本発明はヘテロゲイン方式の光フアイバハイドロフオン
の周波数変換部の改良に関する。
光フアイバハイドロフオンは、水中音波の強度を、光フ
ァイバをセンサとして検出するものである。
光ファイバは水中の音波の圧力によって、屈折率、長さ
が変化するので、これを七ンサ要素とする事ができる。
しかし、屈折率、長さの変化を直接に検出する事ができ
ないので、信号用ファイバと参照用ファイバによってマ
ツハエンダ干渉計を構成し、干渉光の強度変化により、
水中音波を検出するようになっている。
信号用ファイバの途中には、ファイバを多数回捲き回し
たセンシングコイルがある。これを水中に漬ける。水中
音波を受けて、このコイルを通過する光の位相が、φ5
in(Ωt)の形で変化する。Ωは水中音波の角振動数
、φは音波に比例する物理量である。φを求める事が目
的となる。
光フアイバハイドロフオンを最初に提案したのは、Bu
caro等である。
J、A、 Bucaro、 H,D、Dardy an
d E6F6Carome。
%0ptical f’1ber acoustic 
5ensor、” Appl、 Opt、16 eここ
で提案されているのはホモダイン方式のものである。ホ
モダイン方式というのは、信号用ファイバを伝搬する信
号光と、参照用ファイバ全伝搬する参照光との周波数が
同一であるもの?いう。
ホモダイン方式は感度が高いのであるが、温度変化に対
して、極めて弱いという難点がある。
これを簡単に説明する。
コヒーレン)71単色光を生ずる光源を用いる。
光の角周波数をωとする。この光は2つのビームに分け
られる。信号光は信号用ファイバを通る。
センシングコイルを通過する時に、位相変化φ5in(
Ωt)を受ける。信号光の強度は、光検出器に入射した
時に S = G 5in(ωt+φ5in(Ωt) )  
   (1)となる。参照光の方は水中音波の影響全受
けない。
しかし、信号用ファイバと長さが違うので、位相差11
3があり、参照光の光検出器に入射した時の強度Rは、 R= H5in(ωt+tl’)         (
2)とlる。干渉光は、(S+R)  によって与えら
れる。これは、直流分を除いて I   =  GHcos(中−φcAn(Ωt)  
)          (8)となる。
φは2本のファイバを通る光の位相差であるが、温度変
動によって、Φが著しく変動する。(8)から分るよう
に、Φ=±π/2である時に、最も感度が高い。φ=0
.2π、πの時に、感度が低くなる。
たとえ、最初Φ=±π/2になるように調整しても、温
度変動によって、Φ=0、π、2π、・・・というよう
になる。すると温度が0になる。これtlfading
と呼んでいる。
ホモダイン方式の光フアイバハイドロフオンにはf’a
dingQ問題がある。温度変化に対して極めて弱い。
これを解決するために、参照用ファイバ、信号用ファイ
バのいずれかに圧電素子にファイバを巻きつけに位相調
整装置を設けた光フアイバハイドロフオンも現われた。
これはφの規定値π/2からD6A、Jackson、
  R,Pr1est、  A−Dandridge 
andA、B、Treven。
%Elimination of drift in 
a single−mode opticalinte
rferometer using a piezoe
lectricallystretched coi:
1 f’1ber、 ′App1.Opt、19,29
26−2929このような装置に於ては、中の値を求め
る事が難しい。ジャクソンらは、ボトルカップラ全周い
て、信号光と参照光とをエパネッセント結合し、魚φに
求めるようにしている。しかし、ボトルカップラ法は、
ファイバの間隔を光の波長の1/4のオーダーで精密に
規定しなければならず、困難の多い方法である。
ホモダイン方式の難点を避けるため、ヘテロダイン方式
の光ファイバハイドロフォンも提案されている。
け)ヘテロダイン方式の光ファイバハイドロフォンヘテ
ロダイン方式は、最初、 J、A、Bucaro and T、R,I(icla
nan、 s Measurementof’ 5en
sitivity of’ optical f’1b
er for acousticdetection、
  ”  Appl、 Opt、18 938−940
(1979)によって提案された。
これは、信号光と参照光の光の角周波数が異なるもので
ある。角周波数が異なるため、温度変化によるf’ad
ingの問題が生じない。
たとえば、参照光の角周波数が(ω+ν)、信号光の角
周波数がωとする。
ところが信号光は、その位相がφ倫Ωt の形で変化す
るので、実効的l角周波数はωではなく(ω+φΩ吋Ω
t )          (4)となる。これは(1
)式の胛(・・・トの内部を時間tで微分したものであ
る。
そして、信号光と参照光とを干渉させると、(ω+ν)
と(4)式の差の部分が光検出器の電流として得られる
。これは シーφΩ部Ωt(5) である。
これをνを中心角周波数として、F’M復調すると、音
波の角周波数ごとの強度φΩが得られる。
これをΩで割れば、音波強度φが求められる事になる。
このようにヘテロダイン検波音用いると、参照用ファイ
バと、信号用ファイバの位相差中が、FM復調をする時
に落ちてしまう。
このため温度変動により、中が変化しても、この影響が
結果に顕ねれないという事になる。
位相検波を行なうのでなく、FM検波を行なうので、こ
のようになるのである。
φが変動することによる感度の変化、つまり、f’ad
ing の問題が解決される。
■発明が解決しようとする問題点 光の周波数をωから、(ω+ν)に周波数変換するので
ヘテロダインというのである。νがあるから、これを中
心周波数としてFM検波ができるようになる。
周波数変換のために、光と超音波とを音響光学素子を用
いて相互作用させる。光の角周波数をω、超音波の角周
波数をνとした場合、音響光学素子を通すことにより、
(ω±Nν)の角周波数の光が得られる。Nは整数であ
る。Nが大きいものは多フォノン相互作用であり、強度
が小さい。N=1のものが最も強い。+1次回折光でも
一1次回折光でもよい。簡単のため(ω+ν)について
説明する。
このように、光の角周波数を変換する素子は、ブラッグ
セルという(Bragg Dif’f’raction
 Ce1l )。
音と光の相互作用をする領域を広くシナければならない
。このため、ブラッグセルは数a角の大きさになる。ブ
ラッグセルが大きいために周波数変換装置が大型になる
。こういう寸法上の欠点がひとつある。これはバルク型
ブラッグセルである。
ブラッグセルは空間を伝搬する光の変調器である。ファ
イバ中全伝搬する光の変調器ではない。
このためブラッグセルとファイバの間に結合光学系を必
要とする。
このようなブラッグセルの欠点を解決するため、表面弾
性波を利用した導波路型変調器も開発されつつある。こ
うすると、サイズの点では有利であるが、スラブ導波路
中を伝搬する平行光全作る必要がある。このため、導波
路レンズなど特別な集光光学系が要る。さらに導波路型
の変調器は現在のところ、十分な周波数変換能力を持っ
てぃない。
バルク型にしろ、導波路型にしろ、既存のブラッグセル
の使用上の最大の問題点は、ブラッグ角の調整である。
光のエネルギーはhω(’hはh/2π)で表わされる
。音波のエネルギーは、同様な式で表現される。
これは光量子と音量子とが一対一で散乱される場合にな
りたつ。すると、エネルギー保存則がら、ω=−シ十ω
′(6) となる。ここで、ωは入射ホトンの角振動数ν、ω′は
散乱後のホトンの角振動数である。νはホノンの角振動
数である(振動数ではない)。
さらに、運動量の保存則も成立しなければならない。
ホトンの入射運動量をに1散乱後の運動量ヲに′、ホト
ンの運動量′f:qとする。
k  =  −q  +  k′(7)である。ホトン
も、ホノンも分散関係は一次式で表現できる。
ω =kc              (8)ν =
  qc’              (9)である
。ここでCは媒質中での光速 c/  は媒質中での音
速である。
光速は音速に比べて極めて大きい。このため、(9)、
(6)式に於て、νが極めて小さいという事が分る。す
ると、ω=ω′という事になる。つまり、ホノンは、ホ
トンに対し運動量を与える事ができるけれども、エネル
ギーを殆ど与える事ができないという事を意味する。そ
うすると、(6)のかわり1に 、ω  =  ω                 
  (10)という式を立てる。(7)と(1のから、
kとに′ の絶対値が等しいという事がわかる。Ikl
 = lk’lであるが、方向が異なるのである。散乱
角をθとすると、(7)の作る二等辺三角形から、 という事が分る。
波数、2は運動量で書けば(11)式のようになる。
これを媒質中での超音波の波長Aと、真空中の光の波長
λ、媒質の実効屈折率Meによって表現すると、 2π q  =  −(12) である。これらl (11)に代入するととなる。以上
は、ホノンによるホトンの散乱について一般的に与えた
式である。しかし、実際には、ホノンは波数qが一定の
進行波を与える(又は定在波を与える)事になるので、
進行方向に直角に、面間隔がへの格子面全形成すると考
える事もできる。
こう考えると、(14)式は、Bragg回折条件と同
一である事が分る。超音波によって作った格子面により
光を回折させると考える事ができる。それゆえ、この素
子をブラッグセルというのである。
θは回折角であるが、λ/Aが極めて小さい値である事
、かつ、eは小さい角度であるという事がわかる。θ/
2は、超音波の波面と、光線のなす角である。これは極
めて小さい角度である。波面と光線のなす角θがθ=e
/2でないと、ブラッグ回折条件(14)が満足されな
い。
ところが0+□2である可能性がある。e/2は数m 
radの程度であって微小角である。このため、θ=e
/2とする角度調整が困難である。
θ=e/2にならなければ、光の周波数変換がなされず
、(ω+ν)の角周波数にはならない。
このように、光の周波数変換のためのブラッグセルには
いろいろな欠点があった。
に)  目       的 ヘテロダイン検波方式の光フアイバハイドロフオンに於
て、光の周波数変換のためにブラッグセルを使わず、よ
り簡単で、使いやすい周波数変換器全備えたものに提供
する事が本発明の目的である。
(イ)構 成 周波数変換するのであるから、一定周波数νの超音波を
発生させ、周波数ωの光に混合(mixing)する、
という思想は誰にでも考えつくようなものである。
しかし、ブラッグセルは寸法が大きいし、本質的に無駄
が多く、方向角θの設定もきわめて難しいという欠点が
ある。まず、回折光であるが、ω±Nνというように、
多(の回折光が生じる。必要なのはひとつだけである。
他の回折光は無駄であるだけです<、ノイズの原因にも
なる。
周波数νというのは、位相Φの時間微分なのである。す
なわち、参照光、又は信号光の位相が、なんらかの機構
によって変動分Φ(1) 1持つものとし、 であれば、光の周波数変換がなされたという事になる。
(15)全積分して Φ=  yt  −4−(const)       
 (16)となるように、位相変調Φを与える事ができ
るとすれば、これにより光の角周波数は(ω十V)に変
換されたという事になる。
すなわち、参照波を例にとると、I2)のかわりに、位
相変調Φ(1)が追加されるので、 R= HSin(cc+t+Φ(1)+Φ)     
 (17)とlる。すると、(16)k代入して R= Hsin (cc+t −)−vt +(con
st)+φ’)    (18)となり、光の角周波数
が(ω+ν)に実効的に変化している、という事が分る
位相変調Φ(1)は、信号用ファイバに入れてもよいし
、参照用ファイバに入れてもよい。
位相を変えるのであるから、(16)式のようになるが
、位相変調器の変調能力には上限があり、長い時間にわ
たって(16)式の変調をかけ続けるという事ができな
い。
そこで鋸歯状波とする。
周期をTとして、この周期内で、時刻tの増加に対し、
位相の増加をvtで表現できるものとする。位相変化の
最大値をΦ。とする。これは2πの整数倍である。
第4図は本発明に於て利用する位相変調Φ(1)の波形
図である。
t=0〜Tの間について説明する。位相は単位時間あた
りνの割合で増加する。グラフの直線OAがこれに当た
る。勾配がνである。A点で、位相増加は最大値Φ。に
なっている。t=’rで位相増加をリセットし、0に戻
す。これがABの降下である。
B点から再び、t=’r〜2Tの間に於て、単位時間あ
たりνの割合で位相を増加させる。0点で、Φ。に達す
るが、再び0に戻す。D点から三たび位相を増加させる
このような鋸歯状の位相変調Φ(1) 1加える。頂点
A、C,Eに於て ν丁 =Φ。=  2nπ        (19)で
lければlらlい。Φo t 2πの整数倍とするのは
、リセットした時(0、BlD)に、光の位相変化が強
度変化に表われる事がないようにするためである。
第4図の波形は、 mT≦t < (m+1)Tである時、Φ(t)  =
  ν(をmT)        (20)によって表
現する事ができる。
こうしてωをCω+ν)に周波数変換する事ができる。
鋸歯の向きを逆にすれば、(ω−ν)に周波数変換する
事ができる。
第1図によって本発明の光ファイパハイドロフオンの構
成を説明する。
光源1はコヒーレン)2単色光を生ずる光源である。た
とえばHe−Neレーザ、半導体レーザなとである。こ
の単色光の角周波数をωとする。
信号用ファイバ2はシングルモード光ファイバであって
、途中に水中音波を感受するセンシングコイル4が設け
られている。水中音波の圧力のために、センシングコイ
ルの屈折率と実効的な長さが変動する、このため、φs
in (Ωt)の形の位相変化が生ずる。φが、音波の
強さで決まる因子である。
参照用ファイバ3も、長さをあわせるために、コイルを
持っている。参照用ファイバ3はシングルモードファイ
バであり、途中に位相変調器5が設けである。
位相変調器駆動回路10が、第4図に示すようl鋸歯状
の電圧を発生し、位相変調器5の位相変調Φ(1)を与
える。
位相変調器5は公知のものを用いる事ができる。
第2図は圧電素子音用いた位相変調器の例である。円筒
形状の圧電振動子11の内壁と外壁に電極が設けである
。まに圧電振動子11の外周に光ファイバ2又は3が巻
き回しである。これは信号用ファイバ2の一部であって
もよいし、第1図に示す例のように参照用ファイバ3の
一部であってもよい。
圧電振動子11は内外に直流電圧全印加すると、これに
比例して直径が変化する。このためこれに巻き回した光
ファイバの直効的l光路長が変化し、位相変動Φ(1)
が生ずる。直流電圧のかわりに、周期Tの第4図に示す
ようl鋸歯状電圧をかけると、所望の位相変動Φ(1)
が得られる。
第3図に示すものは電気光学効果を用い六位相変調器の
例である。
電気光学効果を有する材料12の上に、電極13.14
を蒸着、印刷などによって設ける。電極13.14の中
心全光軸が通過するように、光ファイバ2.3の切断面
を、材料12の端面15.16に貼すつける。光ファイ
バ2.3の断面を結ぶ線がチャンネル導波路17となる
。電極13.14の間に電圧全顎えると、チャンネル導
波路17の屈折率が変わる。このため、チャンネル導波
路の実効的な光路長が変わり、位相変動Φ(1)が生ず
る。
鋸歯状電圧音訓えると、第4図に示すような位相変動Φ
(1)とする事ができる。
電気光学効果に有する材料12としては、例えば、Li
NbO3結晶などがある。導波路タイプのものは、圧電
素子を用いるものに比べて広帯域である、という長所が
ある。
光源1から出射された単色光は、ビームスプリッタ8で
2本のビームに分けられ、信号用ファイバ2と参照用フ
ァイバ3に入射する。それぞれのファイバ2.3を透過
した信号光S、参照光Rはビームスプリッタ9で合体し
、受光素子6へ入射する。受光素子6の受光面で干渉し
、干渉光の強度が検出される。
干渉光強度を工とすると、これは、νを中心周波数とし
、このまわりに±Ωの周波数変調がなされたFM信号で
ある。これをFM復調回路7でFM検波する。
力作 用 センシングコイル4の中を伝搬する事により、信号光は
、音波による位相振動φ畑(Ωt)を受ける。
受光素子6に入射した時の信号光を5(t)とすると、
(1)と同じで 5(t)= G 5in(cut+φ5in(Ωt) 
)      (21)となる。
参照光は位相変調器5による位相変動を受けるので、受
光素子6に入射したときの振動R(t)はR(t) =
 Hsin (ωt + νt + tII)    
  (22)とlろ。このφは、ファイバの長さの差で
あるが、mT≦t < CIn+1)Tのときは、ファ
イバの長さの差からνmT f引いたものになる。つま
り、ファイバtysELシ/7+1ヱル中−シ1丁 Φ ヨ Φ。−νmT             (2
B)となる。Φ。は温度変動があり、ホモダイン方式で
は深刻な問題を引き起こすもとになっていた。
受光素子の出カニは、直流分を除いて、1 (t) =
 G HC05J、シt+φ−φ癲(Ωt))   (
23)’となる。これはνを中心角周波数として、Ωで
周波数変調したものである。
これをνを中心角周波数としてFM復調する。
振動数は ν −φΩcos (Ωt ’)          
(24)という事になる。FM復調回路はφの大きさt
求める事ができる。FM復調であるので、(丞)式のΦ
は問題にならない。
(1)効 果 ヘテロダイン方式の光フアイバハイドロフオンであるか
ら、温度変化に対して強い。ファイバ長の差による位相
差Φが、FM復調によって消えてしまう。これはヘテロ
ダイン方式には共通の利点である。
従来のヘテロダイン方式に於て、ブラッグセルによって
光の周波数変換に行なっていた。ブラッグセルはバルク
型のものは寸法が大きく、前後に光ファイバと結合する
ための集光光学系を必要とする。
本発明に於ては、ホトン、ホノンの相互作用を用いない
。傾きがνであるような鋸歯状の位相変調を行なう。ブ
ラッグセルを使わなくてよい。寸法は小さくできる。光
ファイバと結合するための集光光学系が不要である。
また、光軸の角度設定が困難なブラッグセルと異なり、
軸合わせは極めて容易である。位相変調器の光軸とファ
イバの光軸が異なる−という事はなり)。
ブラッグ回折の場合、結合領域を広くとらなければ、−
次回折光も弱くて使いものにならない(0次光が大きい
から)。このためブラッグセルを大きくする必要があっ
た。位相変調器の場合は、伝搬光の全てが位相変調され
るから無駄がない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のヘテロダイン方式の元フアイバハイド
ロフオンの構成図。 第2図は圧電素子を用いた位相変調器の一例を示す斜視
図。 第3図は電気光学素子を用いた導波路型位相変調器の一
例を示す斜視図。 第4図は本発明に於て用いる位相変調器に於ける位相変
調波形を示す波形図。 発 明 者        西  浦  洋  三特許
出願人    住友電気工業株式会社出願代理人 弁理
士  川 瀬 茂 樹、。 ° 。 手続補正書旧発) 20発明の名称  光フアイバハイドロフオン3、補正
をする者 事件との関係  特許出願人 居 所大阪市東区北浜5丁目15番地 名 称(213)住友電気工業株式会社代表者社長 川
 上 哲 部 4、代 理 人 ろ537 6、補正の内容 (1)明細書第5頁第11行目 「すると温度が・・・・・・」とあるのを「すると感度
が・・・・・・」と訂正する。 (2)明細書第5頁第19行目の後に、「のずれを検出
し、これを補償するものである。」という文を挿入する
。 (8)明細書第12頁第6行目 「波数、2は」とあるのを「波数q、には」と訂正する

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)コヒーレントな単色光を生ずる光源1と、水中音
    波による圧力を感受するセンシングコイル4を途中に設
    けたシングルモードファイバである信号用ファイバ2と
    、シングルモードファイバである参照用ファイバ3と、
    信号用ファイバ2又は参照用ファイバ3の途中に設けら
    れた位相変調器5と、位相変調器5に対して、周期がT
    で位相変化の最大値φ_0が2πの整数倍であつてν=
    φ_0/Tとなるように鋸歯状に変化する駆動電圧を印
    加する位相変調器駆動回路10と、光源1から出た光を
    分割し信号用ファイバ2と参照用ファイバ3に入射させ
    るビームスプリッタ8と、信号用ファイバ2から出射し
    た信号光と参照用ファイバ3から出射した参照光とを合
    一させるビームスプリッタ9と、信号光と参照光の干渉
    光の強度を検出する受光素子6と、受光素子6の出力を
    角周波数νを中心としてFM検波するFM復調回路とよ
    り構成される事を特徴とする光フアイバハイドロフオン
  2. (2)位相変調器5が、圧電振動子11の内外周に電極
    を設けてあり、圧電振動子11の外周に光ファイバ2又
    は3を巻きつけたものである事を特徴とする特許請求の
    範囲第(1)項記載の光フアイバハイドロフオン。
  3. (3)位相変調器5が、電気光学効果を有する材料にチ
    ャンネル導波路17を設け、その両側に電極13、14
    を設け、さらにチャンネル導波路17の端点にファイバ
    の端面を接着したものである事を特徴とする特許請求の
    範囲第(1)項記載の光フアイバハイドロフオン。
JP3876687A 1987-02-20 1987-02-20 光フアイバハイドロフオン Expired - Lifetime JPH0676915B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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