JPS6391525A - 光フアイバハイドロフオン - Google Patents

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】 力　技術分野 この発明は、水中の音響を計測する光フアイバハイドロ
フオンの温度特性の安定化に関するものである。

水中の音響を検出する装置を一般に大イドロフオンとい
う。多くの種類の音波検出機構が提案されているが、古
くから実用化されているのは圧電素子をセンサとして用
いるものである。これは音波による水圧の変化を、直接
、電気信号に変換できる。

光ファイバをセンサとして用いる光フアイバハイドロフ
オンも、水中音響測定装置として提案されている。

光ファイバは、石英ガラスファイバ、多成分系ガラスフ
ァイバ、プラスチックファイバなどが可視光用のファイ
バとして実用化され、実績もある。

コアとクラッドよりなる二重構造の細い円形断面の光導
波路である。コア径を小さくして、シングルモードファ
イバとしたものもある。

光ファイバを水中に漬けると、音波による水圧の変化を
受けて、実効的な光路長が変化する。

これは、圧力変化により屈折率ｎが変化する、というこ
とと、光ファイバの直径が変化するから長さが変化する
という事の両方の効果を含んでいる。

音波の圧力変化は小さいから、光ファイバの光路長の変
化は微小なものである。

しかし、光ファイバのセンサ部の長さを長くすれば、か
なり大きい光路長変化を得る事ができる。

また、マツハツエンダ干渉計を２本の光ファイバによっ
て構成すれば、一方の光ファイバの光路長の変化を光の
波長のオーダーで検出する事ができる。

（イ）従来技術 光フアイバハイドロフオンは、２本のシングルモード光
ファイバによってマツハツエンダ干渉計を構成し、２つ
の光ファイバを透過した光の干渉を利用して、音波の強
さを測定するものである。

公知の光フアイバハイドロフオンの原理を第２図によっ
て説明する。

光源１から呂たコヒーレントな光を、分岐１０によって
分け、シングルモードファイバ２，３に入射させる。

信号用ファイバ２の途中には、水中音波を捕えるための
センシングコイル４が形成されている。

信号用ファイバ２と参照用ファイバ３の出射光は合成器
１３によって合一され、光検出器５に入射する。ここで
２つの光は干渉し、干渉光の強度が光検出器５の出力に
表われる。

しかし、このような光フアイバハイドロフオンは温度特
性が悪く、実用的にはあまり有効でない。

温度変化により、光ファイバの長さが変化するが、これ
が信号による光路長の変化に比べて大きいので、信号を
とり出す事ができない。

この点について説明する。

音波の角振動数をΩとする。

音波は水中を伝搬し、センサである光フアイバコイルに
達する。センサ部のサイズよりも、音波の波長が十分長
ければ、センサ部の全体に、同時的に廊Ω【で変動する
水圧成分を与える。音波の波長は、水中の音速を周波数
で除したものであるが、通常の周波数のものに対しては
、数ｍ〜数十〇になるから、この条件を満たすことがで
きる。

光ファイバに加わる圧力の変化により、光ファイバの屈
折率、長さが変化する。音圧が０のときの位相を基準と
し、音圧が加わった時のセンサ部を抜ける時の位相増加
分を φｓｉｎΩｔ（１） で表現することにする。

φは音圧の大きさく振幅）と、光ファイバの感度の積で
ある。音波によるセンサ部に於ける光の最大位相シフト
量ということもできる。

参照用ファイバ３を通過し、光検出器５に入射した時の
、参照光の電界強度Ｅ（【）は、振幅を０１光の角振動
数をωとして、 Ｅ（ｔ）＝Ｇ＝（ωｔ　−４−ｔＰ　）　　　　　　　
（２）と書くことができる。ここでΦは信号光と参照光
の位相のズレを示シテいる。

信号光は信号用ファイバを通過し、センサコイルに於て
、（１）の位相変化を受ける。光検出器に入射した時の
振幅をＨとして、信号光の電界強度Ｆ（ｔ）は、 Ｆ（ｔｌ＝Ｈｓｉｎ（ωｔ＋φｓｉｎΩｔ　）　　　　
　（３）と書くことができる。位相ズレΦが問題である
。

光検出器の圧力である光電流Ｉは、受光感度などの定数
係数を除いて、 Ｉｆｔ）＝　Ｉ　Ｅｆｌ＋　Ｆｉｔｌ　ｌ２（４）とな
る。ただし、１・・・・・・１は単に絶対値というので
はなく、光の角振動数の逆数１／１０Ｊのオーダーで平
均をとる、ということを意味している。光検出器の動作
に対応した操作である。

となる。この内筒１項は定数である。このような直流分
を除いた充電流部分をＩ（【）と書く。これについて考
える １（ｔｌ＝ＧＨ（魚中μｓ（φｓｔｎΩｔ）＋ｓｉｎφ
血（φ幽Ωｔ））　（６）可（φ出Ω【）とｔｈ（φ廁
Ωｔ）ハベッセル函１Ｊｎ（φ）によって展開する事が
できる。

ｃａｓ（φｓｉｎΩｔ）＝Ｊｏ（φ）＋２Σ　１２ｍ（
φ）ｃｏｓ（２ｍΩｔ）　　　（７）ｍ＝１ ＊（φ地Ωｔ）＝２ΣＪ２ｍ−ｔ（φ１ｓｆｎ　（（２
ｍ　　１．）Ωｔ）　　（８）ｍ＝１ である。これを（６）に代入するとＩ　（ｔｌをΩの基
本波と高調波成分の和として表現できる。フィルター回
路を通すことにより、任意の周波数成分をとりだすこと
ができる。

従来提案されている光フアイバハイドロフオンに於ては
、この内、基本波Ωの成分を取り出すようにしていた。

この成分をＩ！（ｃｌと書くと、Ｉｎ（ｔ）＝　２ＧＨ
ｓｉｎΦＪ１（φ１ｓｔｎ（Ωｔ　）　　　　　　（９
）となる。水圧による変調位相の振幅φは十分小さいか
ら、φ（１という近似をすることができる。

１次のベッセル函数はこの近似でＪｌφ）ミφ／２であ
るから Ｉ　１　（ｔ）主ＧＨφ血Φｔｈ（Ωｔ）　　　　　　
　　α■となる。すると、基本波の振幅にφが含まれる
から、水圧の変化の強さφが分るはずである。

しかし、そうではない。

ゆ）従来技術の問題点 基本波の振幅に幽φが含まれている。

φは２つの光ファイバの光路差による位相差である。

２つの光ファイバの温度は同一でない。このため温度に
よる光路の差があってΦが変動する。

たとえ光ファイバの長さが同一であったとしても、温度
が異なれば光路差Φが変化する。

光ファイバの長さが違えば、たとえ温度変化が同一であ
っても光路差が温度により変動する。

光ファイバ長が同一で、温度変化も同一である時のみφ
＝０となって、温度変動しない。しかし、こういう事は
困難である。

光ファイバの長さをＬ１屈折率をｎ１線膨張率をα、光
の波長をλ、温度変化がΔＴである時、位相変化がλ／
４であるとする。温度変化が６１以上であってはいけな
いという許容上限温度変化である。

線膨張率の最も小さいファイバは、石英ガラスファイバ
である。このファイバ１ｍに、Ｈｅ　−Ｎｅレーザの光
を通したとする例について考える。ｎ＝１．４、（１＝
　０．４　Ｘ　１０−’／　Ｃ’、Ｌ　：　１　ｍ　、
λ＝６３０　ｎ　ｍを代入する。ΔＴ　＝　０．３℃を
得る。ΔＴを越えて温度が変化してはならないのである
が、０．３℃以下に温度変化を抑えるという事は困難で
ある。

センサコイルは、対象となる水中に沈んでいるわけであ
り、この水温を制御するという事はできない。またどの
ような水温であっても音圧を測定できるのでなければな
らない。

このようなわけで、第２図の光フアイバハイドロフオン
は、未だ実用化されていない。

本出願人は、このような難点を解決するため、２Ωの振
動数部分をとり出し、位相変化の影響のないようにした
光フアイバハイドロフオンを発明した（特願昭６１−１
１９９８９．５６１．５゜２４出願）。

これは、２本ではなく、１本の長い中間部を有する光フ
ァイバを用いる。センサコイルは中間部より一方に偏っ
ている。１本のファイバへ、両端から光を通し、両端の
出射光を干渉させる。

右廻り光と左廻り光で、センサコイルを通る時刻に差が
あるから、変調を受けた時の位相が異なる。これはΩの
偶数倍の周波数成分に表われる。

そこで２０の振動数の振幅を検出し、背圧による振幅φ
を求める。

この発明は、位相差Φが全くない、という点で優れたも
のである。１本のファイバを互に反対向きに通すからで
ある。

しかし、センサコイルの他に極めて長い中間部ファイバ
を要するから、必要なファイバ長は極めて長い。また２
Ωの項をとるから、振幅φについても２乗φ２　の項が
現われる事になる。φ＜＜１である事が多いから、φの
一乗を検出できるものに比べて感度が悪いという欠点が
ある。

（：Ｃ）　　　　目　　　　　　　的 温度変化によって、基本波の比例定数が変化するが、変
化の量を検出し、これを打消すことによって、比例定数
を一定に保持することのできる光フアイバハイドロフオ
ンを提供する事が本発明の目的である。

オ）構　成 本発明では、２本の光ファイバを用いて、マツハツエダ
干渉計を構成する。この点は第２図の従来例と同じであ
る。

ただし、位相差φを検出し、さらに、位相差をキャンセ
ルするような機構を備えるものとする。

従来例は、位相差中が生ずるのを避ける事ができない、
という事だけでなく、位相差中が分らない、という欠点
があった。光路中に位相差を与える機構は既にある。し
かし、位相差ｔｐが分らなければ、これを打消すのに必
要な位相が分らない。

本発明は、現在の位相差φを知り、これをキャンセルす
るために位相Φを加えて、φをキャンセルする。

第１図によって、本発明の光フアイバハイドロフオンの
構成を説明する。

光源１は単色光を発するもので、Ｈｅ　−Ｎｅレーザ、
Ａｒレーザなどのガスレーザ、或は半導体レーザ、その
他のレーザを用いる事ができる。

光源から出たコヒーレントな光は、分岐器１０？こよっ
て２本の光線に分けられ、信号用光ファイバ２と参照用
光ファイバ３に入射する。図示していないが、レンズ系
などを用いて入射させるのである。

信号用光ファイバ２の途中はセンシングコイル４となっ
ている。これは光ファイバを多数回巻いてコイルとした
ものである。水中に漬けられて、音波によって膨縮し光
路長変化による位相差φｉΩｔをとり出すセンサである
。

参照光用光ファイバ３は、途中に、位相補償器６と、位
相変調器７が介装されている。

信号用光ファイバ２の出射光と参照光用光ファイバ３の
出射光とは、合成器１３で合一し、光検出器５に入射す
る。ここで干渉し、干渉光の強度が光検出器５に於て検
出される。

信号用光ファイバ２、参照光用光ファイバ３はシングル
モードファイバであり、光源からコヒーレント光がファ
イバに入射するのであるから、光検出器５に於て、２本
の光線は干渉することができる。

光検出器５の出力は、増幅器１４によって増幅され、同
期検波器８により、特定の周波数成分の出力をとり出す
ようになっている。

位相変調器７はΩｍの角振動数で、参照光の位相を変調
するものである。位相変調の振幅をθとして、 θｔｈ（Ωｍ　ｔ　）　　　　　　　　　　　　ＱＯ）
の位相を与える。これは、位相をズラす移相器ではなく
、位相をΩｍで振動させるのであるから、位相変調器な
のである。

信号発生器９は、位相変調器７に（１０）式に対応する
ような電圧信号を与え、これを駆動するものである。

信号発生器９の変調角振動数Ωｍに等しい角振動数の出
力を同期検波器８で選択的に増幅するため、Ωｍの信号
を同期検波器８へ入力する。

一方の位相補償器６は、位相をΦだけズラすものである
。これは直流的に位相をズラすから移相器と表現しても
よい。ただし、ここでは、光フアイバ光路差による内在
的な位相差Φを打消すために、Φだけ移相するのである
。このため位相補償器と呼んでいる。

位相変調器７の角振動数Ωｍの成分を同期検波器８で選
択的に増幅する。

同期検波器８は、角振動数Ωｍの成分の振幅■を出力と
して生ずる。この内、直流成分ｎｏを差動増幅器２０に
於て基準電圧Ｖｏ（ＱＶのこともある）と比較し、出力
によって補償位相Φを増減する。そして、Ｈの直流分■
０をＯにする。

分岐器１０、合成器１３はハーフミラ−を使用する事が
できる。

また、分岐器、合成器と、光ファイバとの結合には、レ
ンズ系を用いるが、ここでは図示を略している。

力）作　用 光検出器５に入射する時の参照光の電場強度Ｅ（ｔ）は Ｅｆｌ　＝　Ｇ　ｓｉｎ　（ωｔ＋θ生Ωｍ十Φ−Φ）
（ｌυとなる。ｓｉｎ函数の中の２項目は位相変調器７
による位相変化分である。Φは位相補償器６によって、
参照用光ファイバの光路を直流的に増減したものに対応
する。Φは２本の光ファイバの光路差による位相差であ
る。従来、Φの大きさを検出するような手段がなかった
。

信号光の電場Ｆ（ｔ）は（３）式と同じでＦ（１＝　Ｈ
ｓｆｎ　（ｔａ　ｔ＋φ比Ωｔ　”）　　　　　　　（
１２１によって与えられる。Ωは音波の角振動数、φは
音波の圧力によって信号用光ファイバに生ずる位相変化
の振幅である。音波の強さ、センシングコイルの長さな
どはφに含まれている。

光検出器５の出力電力Ｉは、 １（ｔｌ＝　Ｉ　Ｅ４ｔ）＋　Ｆ（ｔｌ　＋２（１■で
ある。直流分を除いたものをｌ１ｔｌと書くと、Ｉ　ｌ
ｔｌ　＝　ＧＨｇ、　（θ自Ωｍｔ−φ尚Ω【＋Φ−Φ
）住→となる。変調周波数Ωｍの成分を取り出すことを
考える。そこで、この部分と他の部分を分ける。

１１ｔ）：ＧＨ（ｃａｓ（（）ｓｆｎΩｍ１）−（φｓ
ｉｎΩ【−Φ＋Φ）＋＊（ｅＳｈＩΩｍ　ｔ　）　５石
（φ歯Ω【−φ十Φ）（１５）ベッセル函数の母函数展
開を用いて、 となる。（７）　、　（８）式と同様であるが、（７）
　、　（８）が音波の角振動数Ωの高調波によって展開
し７ていたのに対して、ここでは変調器の角振動数Ωｍ
の高調波によって展開している。

変調波の基本波成分、高調波成分の内、任意の次数のも
のを同期検波器８によって選択する事ができる。

ここでは、基本波成分ｓｉｎ　（Ωｍｔ）をとりだすこ
とにする。これはα９式の癲（・・・・・・）の展開に
含まえる。基本波成分の出力をｌｌ（ｔｌ　と書く。

１１ｆｌ　＝　２　ＧＨＪｘ（ｅ）＝　（φｍｌｈΩむ
−Φ＋Φ）ｓ＋ｎ（Ωｍｌ）　　　　ｄｌｌ。

となる。振幅だけを取り出すと、 ｒＩ　＝　２ＧＨＪ１（θ）ｔｈ（φ５ＩｆｌΩｔ−中
十Φ）ａす振幅■のうち、Ｇ、Ｈは定数である。Ｊｌ（
ｅ）はｅが変調の振幅である事から、定数であるという
事が分る。５ｈＩ（・・・・・・）の中の（Φ−φ）が
直流分を与える。０りのように振幅だけをとり出すのは
Ωｍ）Ωであれば可能である。

αυ式の振動は、実際にはΩｍだけの振動ではなく、Ω
ｍ−１：ｎΩ（ｎ＝１．２．・・・・・・）の多数の振
動を含んでいる。しかし、Ωｍ）Ωであれば、α優のよ
うな振幅成分■を同期検波器８によって得ることができ
る。

φがπ／２を越える事がないので、αつは直流成分をも
っている。直流成分■０と書くとｎｏ　＝　２ＧＨＪｌ
（ｅ）　ｓｉｎ　（Φ−Φ）　　　　（２０）である。

振幅なのであるから、直流成分を持つのはあたりまえで
あるが、これは検出可能な量である。直流成分の大きさ
から、（Φ−Φ）の大きさを知る事ができる。

直流成分の中には、音波の強度φを表わす信号が含まれ
ていない。そこで、振幅■から、直流成分を除くように
補償位相Φを調整する。

これが出力からのフィードバックライン２２の役割であ
る。差動増幅器２０は、直流分子Ｉｏと電圧０とを比較
する。ｒＩｏ）Ｑであれば、ｒＩｏを下げるため、出力
２３を下げて、Φを下げる。

（２０）式から、Φが下ると、■０が小さくなる。する
と■０く０となることもある。この場合は、差動増幅器
２０の出力が反転し、位相補償器６のΦを上げる。

このようにして、結局Φ−φ＝０となり、ｎ。

二〇となる。

実際には、検波器８の出力には、直流バイアスｖＯを加
えている事が多いので、出力は（ｎ＋Ｖｏ）というよう
になる。この場合、差動増幅器２０の比較入力はＯでは
なくＶＯとなる。

また、増幅率を決定するため、差動増幅器２０の入出力
には帰還抵抗をつけることもあるが、ここでは図示を略
した。

このようにして、振幅Ｈから直流成分が除かれるから、 ｒＩ　＝　２　Ｇ　ＨＪｌ（０）蜘（φ蜘Ωｔ）　　　
（２１）となる。この内の中には、温度変動による位相
のゆらぎΦが入っていない。

実際には、水中には、単一の角振動数の音波が存在する
わけではない。角振動数Ω１５Ω２３・・・・・・で、
振幅がφ１．φ２．・・・・・・のものがあるとすると
、ＣＤ式のかわりに、 ＩＴ　＝　２　Ｇ　ＨＪｌ（ｅ）　ｓｉｎ　（Σφｊ　
ｓｉｎΩｊｔ）（２ａとなるわけである。このような場
合でも、信号の影響による位相ずれの平均値は０なので
あるから、直流分（Φ−Φ）を除くことは可能である。

さらに、（２つから、それぞれの角振動成分Ω１゜Ω２
．・・・・・・　について振幅を求めることができる。

Ω＝Ωｊとなるようにフィルタを通して、増幅してゆけ
ばよいのである。ただし、ｓｆｎ　（・・・・・・）の
展開であるから、高調波成分が出てくるので、Ωｉ＝ｎ
Ωｊ　となるような２つの音波に関しては、振幅の測定
に不確定性がでてくる可能性もある。

キ）効　果 光フアイバハイドロフオンに於て、本発明の構成を用い
れば、温度変化による２本のファイバの位相差を除去す
る事ができる。このため温度特性が著しく改善される。

実用的な光フアイバハイドロフオンを与える事ができる
。

【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図は公知の光フアイバハイドロフオンの原理図。 １・・・・・・光　　　源 ２・・・・・・信号用光ファイバ ３・・・・・・参照用光ファイバ ４・・・・・・センシングコイル ５・・・・・・光検出器 ６・・・・・・位相補償器 ７・・・・・・位相変調器 ら・・・・・・同期検波器 ９・・・・・・信号発生器 １０・・・・・・分　岐　器 １３・・・・・・合成器 １４・・・・・・増　幅　器 ２０・・・・・・差動増幅器 発明者　　画用　満

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水中音波による水圧変化によつて実効的に光路長の変化
   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
   ファイバよりなる信号用光ファイバ２と、参照用光ファ
   イバ３と、コヒーレントな光を生ずる光源１と、光源１
   の光を２本の光線に分け信号用光ファイバ２と参照用光
   ファイバ３に入射させる分岐器１０と、信号用光ファイ
   バ２と参照用光ファイバ３を透過した光を合一するため
   の合成器１３と、合一された光の強度を検出する光検出
   器５とによつてマツハツエンタ干渉計を構成した光フア
   イバハイドロフオンに於て、参照用光ファイバ３又は信
   号用光ファイバ２の途中に、角振動数Ωｍで位相を変調
   する位相変調器７と、２つの光ファイバの位相差Ψを補
   償するための位相Φを与えるための位相補償器６とを介
   装し、光検出器５の出力の内、位相変調器の変調角振動
   数Ωｍの成分の振幅Πを求め、振幅Πの中に含まれる直
   流分Π＿０が０になるように位相補償器６の位相Φを変
   化させる事によつて、位相差Ψを打消し、振幅Πの内の
   振幅成分の大きさによつて、その振動数の水中音波の強
   さを求めるようにした事を特徴とする光フアイバハイド
   ロフオン。