WO2023037535A1 - 光ファイバセンシング装置及び方法 - Google Patents

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槙悟 大野
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日本電信電話株式会社
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    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre

Definitions

  • This disclosure relates to the field of optical fiber sensing technology.
  • An optical fiber sensor is a general term for systems and measurement technologies that use optical fibers as a sensor medium to sense changes in physical quantities such as temperature and strain in association with changes in light intensity, frequency, and phase.
  • One of the optical fiber sensors is an interferometric optical fiber sensor.
  • An interferometer-type optical fiber sensor uses one optical path of a Mach-Zehnder interferometer as a sensor unit, and performs sensing using a phenomenon in which the intensity of an interference signal changes due to changes in the optical path length of the sensor unit due to temperature or strain.
  • a multi-point interferometric optical fiber sensor has also been developed that connects multiple interferometric optical fiber sensors and separates and detects the signals of individual sensors.
  • the multi-point interferometer type optical fiber sensor has a time domain division multiplexing system, a wavelength domain division multiplexing system, and a coherence domain division multiplexing system depending on the difference in the division multiplexing system of a plurality of sensor signals.
  • the coherence domain division multiplexing method is characterized in that it is possible to constantly monitor each sensor signal and to increase the number of sensors without using a special optical device such as a wavelength division optical coupler.
  • Non-Patent Document 1 The outline of the multi-point interferometer type optical fiber sensor based on the coherence area division multiplexing method is as described in Non-Patent Document 1. Specifically, a continuous light is incident on a sensor unit in which a plurality of Mach-Zehnder interferometers are connected, and the transmitted light is optically branched, and signals are separated and detected by a light receiving Mach-Zehnder interferometer corresponding to each sensor unit. At this time, a plurality of interferometers used in the sensor section are designed to have different inter-optical path propagation delay time differences, and the inter-optical path propagation delay time difference of the light receiving interferometer is equal to the inter-optical path propagation delay of the corresponding interferometer of the sensor section. Design to equal the time difference.
  • N the number of sensor units (N is a natural number)
  • the amplitude is E i (t)
  • ⁇ j is the propagation delay time difference between the optical paths in the interferometer of the j-th receiver.
  • ⁇ i and ⁇ i be the optical phase changes due to the propagation delay time and the change in temperature or strain in the i-th sensor unit, and E i (t) and ⁇ I j (t)> can be described as follows. . where ai is a constant related to the amplitude of light passing through the i-th sensor portion.
  • ⁇ ( ⁇ ) is the autocorrelation function of E 0 (t) and is defined by the following equation. where the subscript * is the complex conjugate.
  • the time average ⁇ I j (t)> of the light intensity detected by the j-th photodetector changes depending only on the optical phase change ⁇ j at the sensor section where the propagation delay time difference of the interferometer matches. In other words, it becomes possible to separate and detect the signals of the individual sensor units for each photodetector.
  • ⁇ j has the following relationship with temperature change ⁇ T j and strain change ⁇ j at the j-th sensor portion.
  • C T and C ⁇ are proportional constants for temperature change and strain change, respectively.
  • the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to enable multipoint sensors without complicating the device configuration and design in a multipoint interferometer type optical fiber sensor based on coherence area division multiplexing. It is to provide the technology to
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure includes an optical fiber sensor system comprising a plurality of sensor units with different propagation delay times; a first light source that outputs incident light to the optical fiber sensor system; a second light source that outputs local light that is combined with the transmitted light of the optical fiber sensor system; a signal processing unit that detects a change in an optical fiber using a received light signal I(t) obtained by combining the transmitted light and the first local light; with When the propagation delay time difference between the optical paths of the i-th sensor unit is ⁇ i , the light intensity I(t) of the sensor unit and a signal I(t+ ⁇ i ) obtained by shifting the light intensity I(t) by time ⁇ i Using the autocorrelation with, the change of the i-th sensor unit is obtained.
  • the fiber optic sensing method of the present disclosure comprises: Incident light from a first light source is incident on an optical fiber sensor system having a plurality of sensor units with different propagation delay times, combining the local light from the second light source with the transmitted light of the optical fiber sensor system; An optical fiber sensing method in which a signal processing unit detects a change in an optical fiber using a received light signal I(t) obtained by combining the transmitted light and the first local light, When the propagation delay time difference between the optical paths of the i-th sensor unit is ⁇ i , the light intensity I(t) of the sensor unit and a signal I(t+ ⁇ i ) obtained by shifting the light intensity I(t) by time ⁇ i Using the autocorrelation with, the change of the i-th sensor unit is obtained.
  • multiple sensor units can be provided without using an interferometer on the light receiving side, and multi-point sensing is possible with a single device configuration regardless of the number of sensor units. Therefore, the present disclosure can enable multipoint sensors without complicating device configuration and design in a multipoint interferometric optical fiber sensor based on coherence area division multiplexing.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a method of calculating an autocorrelation function in the present disclosure
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of calculation results of an autocorrelation function in the present disclosure
  • 1 is a block diagram showing a device configuration according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 10 is a block diagram showing a device configuration in a second embodiment of the present disclosure
  • FIG. An example of the relationship between the coherence time and the propagation delay time of the sensor unit is shown.
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure uses two types of light sources, the continuous light output from the first light source is incident on the optical fiber, and the transmitted light of the optical fiber is the local light output from the second light source.
  • This is an optical fiber sensing device that detects changes in an optical fiber by combining waves.
  • the optical fiber is an optical fiber sensor system including a plurality of sensor units with different propagation delay times.
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure includes a first light source that outputs incident light to the optical fiber sensor system, a second light source that outputs local light that is combined with the transmitted light of the optical fiber sensor system, a light receiver for receiving a combined light of the transmitted light and the local light. Both the incident light and the local light are continuous light.
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure transmits the incident light output from the first light source to the optical fiber sensor system, and combines the transmitted light of the optical fiber sensor system and the local light. to measure.
  • transmitted light after passing through a plurality of sensor units is combined with local light, collectively coherently detected by a single light receiver, and digital autocorrelation processing is performed on the signal obtained by coherent detection.
  • signals from individual sensor units are separated and detected.
  • the signal I(t) obtained by coherent detection is expressed by the following equation.
  • E 0 is the complex electric field amplitude of the incident light
  • ⁇ i is the optical phase change at the i-th sensor part
  • a i is the constant related to the light amplitude passing through the i-th sensor part
  • ⁇ i is the i-th sensor part
  • I 0 (t) is the light intensity of the incident light
  • I i (t) is the light intensity of the combined light of the transmitted light and the local light of the i-th sensor unit.
  • the local light intensity is sufficiently strong compared to the transmitted light intensity of each sensor portion and that the interference component between the transmitted light beams of the sensor portion can be ignored. Defined.
  • FIG. 1 shows a calculation image of R( ⁇ ).
  • R( ⁇ ) calculates the time integral of the product of waveform I(t+ ⁇ ) obtained by shifting I(t) and I(t) by an arbitrary time ⁇ as a function of ⁇ .
  • R( ⁇ ) can be calculated by digital signal processing based on the following equation.
  • Equation (11) is calculated as follows. where c. c. represents the complex conjugate.
  • Equation (11) is calculated as follows.
  • FIG. 2 shows a waveform image of R( ⁇ ) calculated from the above.
  • ⁇ i has the relationship of Equation (7) with respect to changes in temperature or strain of the i-th sensor unit.
  • ⁇ ) can be measured in association with changes in temperature or strain of individual sensor units.
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure when the propagation delay time difference between the optical paths of the i-th sensor unit is ⁇ i , the light intensity I(t) of the sensor unit and the light intensity I(t) are time Using the autocorrelation function R( ⁇ ) with the signal I(t+ ⁇ i ) shifted by ⁇ i , the change in the i-th sensor unit is obtained.
  • the present disclosure it is possible to increase the number of sensor units in a multipoint interferometer type optical fiber sensor without adding an interferometer or a light receiver in the light receiving unit.
  • conventionally it was necessary to design the interferometer of the sensor unit and the interferometer of the light receiving unit so that the propagation delay time difference between the optical paths is equal, but by using the present disclosure, the interferometer of the light receiving unit is unnecessary Therefore, the design of the light receiving section can be simplified.
  • multi-point sensing is possible with a single device configuration regardless of the number of sensor units, so optical fiber sensing can be realized at a lower cost and with higher expandability than before.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the device configuration in this embodiment.
  • a low coherence light source 11 is used as the first light source, and a high coherence light source 12 is used as the second light source.
  • the high coherence light source 12 functions as a local light source that outputs local light.
  • the local light of the present disclosure uses high coherence light that has a longer coherence time than the low coherence light from the low coherence light source 11 and a longer coherence time than the optical propagation delay time of any sensor unit 21 .
  • the optical fiber sensor system 20 has a chain configuration in which a plurality of Mach-Zehnder interferometers 21 are connected in series using an optical coupler 22 , and one optical path in each Mach-Zehnder interferometer is used as a sensor section 21 .
  • the continuous light from the low coherence light source 11 is incident on the optical fiber sensor system 20, and the low coherence light after passing through the chain type optical fiber sensor system 20 is combined with the high coherence light from the high coherence light source 12 by the optical coupler 16. and converted into an analog electrical signal by the photodetector 13 .
  • the received light signal converted into an electric signal is converted into a digital signal by the A/D converter 14 and transferred to the signal processing section 15 .
  • the signal processing unit 15 calculates the autocorrelation function R( ⁇ ) by Equation (11) using the received light signal I(t) converted into a digital signal.
  • Optical fibers having different fiber lengths are used for the sensor units 21#i in this embodiment, and the minimum value of the propagation delay time difference
  • FIG. 4 is a block diagram showing the device configuration in this embodiment.
  • a low coherence light source 11 is used as the first light source, and a high coherence light source 12 is used as the second light source.
  • the high coherence light source 12 functions as a local light source that outputs local light.
  • the optical fiber sensor system 20 includes a plurality of sensor units 21 connected in parallel, and the propagation delay time ⁇ of coherence light passing through the optical fiber sensor system 20 differs from sensor unit 21 to sensor unit 21 .
  • the optical fiber sensor system 20 has a structure in which optical fibers are connected in a ladder shape using an optical coupler 22, and the optical path of each stage of the ladder shape is the sensor unit 21#i.
  • the continuous light from the low coherence light source 11 is incident on the optical fiber sensor system 20, and the continuous light after passing through the ladder-type optical fiber sensor system 20 is combined with the local light from the high coherence light source 12 by the optical coupler 16,
  • the photodetector 13 converts it into an electric signal.
  • the received light signal converted into an electric signal is converted into a digital signal by the A/D converter 14 and transferred to the signal processing section 15 .
  • the signal processing unit 15 calculates the autocorrelation function R( ⁇ ) by Equation (11) using the received light signal I(t) converted into a digital signal.
  • FIG. 5 shows an example of the relationship between the coherence time and the propagation delay time of the sensor section.
  • the optical fiber sensor system 20 in this embodiment has a propagation delay time difference
  • (j ⁇ i) is designed to be longer than the coherence time ⁇ C1 of the low coherence light source 11, and the maximum propagation delay time max ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ N ⁇ are designed to be shorter than the coherence time ⁇ C2 of the high coherence light source 12 .
  • the signal processing unit 15 of the present disclosure can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • This disclosure can be applied to the information and communications industry.

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Abstract

本開示は、コヒーレンス領域分割多重方式に基づく多点干渉計型光ファイバセンサにおいて、装置構成及び設計を複雑化させることなくセンサ多点化を可能とする技術を提供することを目的とする。　本開示は、伝搬遅延時間の異なる複数のセンサ部を備える光ファイバセンサ系と、前記光ファイバセンサ系への入射光を出力する第一の光源と、前記光ファイバセンサ系の透過光と合波するローカル光を出力する第二の光源と、前記透過光と前記第ローカル光との合波で得られる受光信号Ｉ（ｔ）を用いて光ファイバの変化を検出する信号処理部と、を備え、ｉ番目の前記センサ部の光路間伝搬遅延時間差がτｉである場合、前記センサ部の光強度Ｉ（ｔ）、及び光強度Ｉ（ｔ）を時間τｉだけずらした信号Ｉ（ｔ＋τｉ）との自己相関を用いて、ｉ番目の前記センサ部の変化を求める。

Description

光ファイバセンシング装置及び方法
　本開示は、光ファイバセンシング技術分野に関する。
　光ファイバセンサは、光ファイバをセンサ媒体として温度や歪み等の物理量変化を光強度・周波数・位相の変化に対応付けてセンシングするシステム及び測定技術の総称である。光ファイバセンサの一つに、干渉計型光ファイバセンサがある。干渉計型光ファイバセンサは、マッハツェンダ干渉計の一方の光路をセンサ部とし、温度や歪みによるセンサ部の光路長変化により干渉信号強度が変化する現象を利用してセンシングを行う。
　また、複数の干渉計型光ファイバセンサをつないで個々のセンサの信号を分離検出する多点干渉計型光ファイバセンサも開発されている。多点干渉計型光ファイバセンサは、複数のセンサ信号の分割多重方式の違いにより、時間領域分割多重方式、波長領域分割多重方式、コヒーレンス領域分割多重方式がある。中でもコヒーレンス領域分割多重方式は、各センサ信号の常時モニタリングが可能であり、波長分割光カプラのような特殊な光デバイスを用いることなくセンサ多点化が可能という特徴がある。
　コヒーレンス領域分割多重方式による多点干渉計型光ファイバセンサの概要は非特許文献１で述べられているとおりである。具体的には、複数のマッハツェンダ干渉計が連結されたセンサ部に連続光を入射し、透過光を光分岐して個々のセンサ部に対応する受光用マッハツェンダ干渉計で信号を分離検出する。このとき、センサ部に用いられる複数の干渉計の光路間伝搬遅延時間差は互いに異なるように設計し、受光用の干渉計の光路間伝搬遅延時間差は対応するセンサ部の干渉計の光路間伝搬遅延時間差と等しくなるように設計する。
　センサ部の数をＮ（Ｎは自然数）、低コヒーレンス光源から出力される連続光の複素電界振幅をＥ０（ｔ）、ｉ番目（ｉ＝１～Ｎ）のセンサ部の透過光の複素電界振幅をＥｉ（ｔ）とすると、ｊ番目（ｊ＝１～Ｎ）の受光器で検出される光強度の時間平均＜Ｉｊ（ｔ）＞は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここでτｊはｊ番目の受光器の干渉計における光路間の伝搬遅延時間差である。
　ｉ番目のセンサ部における伝搬遅延時間と温度又は歪みの変化による光位相変化をそれぞれτｉ、Δθｉとすると、Ｅｉ（ｔ）及び＜Ｉｊ（ｔ）＞は次式のように記述できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここでａｉはｉ番目のセンサ部を通る光振幅に係る定数である。
　Γ（τ）はＥ０（ｔ）の自己相関関数であり、次式で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで添字＊は複素共役である。
　とり得るτの値に対してＥ０（ｔ）のコヒーレンス時間が十分短い場合、Γ（τ）は次式のようにみなせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（３）に式（５）を代入すると、τ＞０の領域では＜Ｉｊ（ｔ）＞は次式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　したがって、ｊ番目の受光器で検出される光強度の時間平均＜Ｉｊ（ｔ）＞は、干渉計の伝搬遅延時間差が一致するセンサ部における光位相変化Δθｊのみに依存して変化する。つまり、個々のセンサ部の信号を受光器毎に分離検出することが可能となる。Δθｊは、ｊ番目のセンサ部における温度変化ΔＴｊと歪み変化Δεｊに対して次式の関係にある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここでＣＴとＣεはそれぞれ温度変化と歪み変化に対する比例定数である。事前に比例定数ＣＴもしくはＣεを求めておき、式（７）を式（６）に代入することで、対応するセンサ部における温度又は歪みの変化を測定できる。
Ｊ．Ｌ．Ｂｒｏｏｋｓ，Ｒ．Ｈ．Ｗｅｎｔｗｏｒｔｈ，Ｒ．Ｃ．Ｙｏｕｎｇｑｕｉｓｔ，Ｍ．Ｔｕｒ，Ｂ．Ｙ．Ｋｉｍ，ａｎｄ　Ｈ．Ｊ．Ｓｈａｗ，"Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ－Ｏｐｔｉｃ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　Ｓｅｎｓｏｒｓ，"Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．ＬＴ－３，Ｎｏ．５，ｐｐ．１０６２－１０７２，１９８５．
　従来のコヒーレンス領域分割多重方式に基づく多点干渉計型光ファイバセンサでは、センサ部の数だけ受光部にマッハツェンダ干渉計と受光器を用意する必要があるため、センサ部の多点化に伴い装置構成が複雑化・高コスト化してしまうという課題がある。また、受光部に用意される干渉計の光路間伝搬遅延時間差は対応するセンサ部の干渉計の光路間伝搬遅延時間差と一致するように設計する必要があり、これは必ずしも容易なことではない。
　本開示は上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的はコヒーレンス領域分割多重方式に基づく多点干渉計型光ファイバセンサにおいて、装置構成及び設計を複雑化させることなくセンサ多点化を可能とする技術を提供することにある。
　本開示の光ファイバセンシング装置は、
　伝搬遅延時間の異なる複数のセンサ部を備える光ファイバセンサ系と、
　前記光ファイバセンサ系への入射光を出力する第一の光源と、
　前記光ファイバセンサ系の透過光と合波するローカル光を出力する第二の光源と、
　前記透過光と前記第ローカル光との合波で得られる受光信号Ｉ（ｔ）を用いて光ファイバの変化を検出する信号処理部と、
　を備え、
　ｉ番目の前記センサ部の光路間伝搬遅延時間差がτｉである場合、前記センサ部の光強度Ｉ（ｔ）、及び光強度Ｉ（ｔ）を時間τｉだけずらした信号Ｉ（ｔ＋τｉ）との自己相関を用いて、ｉ番目の前記センサ部の変化を求める。
　本開示の光ファイバセンシング方法は、
　第一の光源からの入射光を、伝搬遅延時間の異なる複数のセンサ部を備える光ファイバセンサ系に入射し、
　第二の光源からのローカル光を、前記光ファイバセンサ系の透過光と合波し、
　信号処理部が、前記透過光と前記第ローカル光との合波で得られる受光信号Ｉ（ｔ）を用いて光ファイバの変化を検出する光ファイバセンシング方法であって、
　ｉ番目の前記センサ部の光路間伝搬遅延時間差がτｉである場合、前記センサ部の光強度Ｉ（ｔ）、及び光強度Ｉ（ｔ）を時間τｉだけずらした信号Ｉ（ｔ＋τｉ）との自己相関を用いて、ｉ番目の前記センサ部の変化を求める。
　本開示によれば、受光側に干渉計を用いることなくセンサ部を多点化することができ、センサ部の数に関わらず単一の装置構成で多点センシングが可能となる。このため、本開示は、コヒーレンス領域分割多重方式に基づく多点干渉計型光ファイバセンサにおいて、装置構成及び設計を複雑化させることなくセンサ多点化を可能とすることができる。
本開示における自己相関関数の計算方法の概念図である。 本開示における自己相関関数の計算結果の概念図である。 本開示における第１の実施形態における装置構成を示すブロック図である。 本開示における第２の実施形態における装置構成を示すブロック図である。 コヒーレンス時間とセンサ部の伝搬遅延時間との関係の一例を示す。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
　本開示の光ファイバセンシング装置は、二種類の光源を用い、第一の光源から出力される連続光を光ファイバに入射し、光ファイバの透過光を第二の光源から出力されるローカル光と合波することで、光ファイバの変化を検出する光ファイバセンシング装置である。前記光ファイバは、伝搬遅延時間の異なる複数のセンサ部を備える光ファイバセンサ系である。
　本開示の光ファイバセンシング装置は、前記光ファイバセンサ系への入射光を出力する第一の光源と、前記光ファイバセンサ系の透過光と合波するローカル光を出力する第二の光源と、透過光とローカル光との合波光を受光する受光器と、を備える。入射光及びローカル光は、いずれも連続光である。本開示の光ファイバセンシング装置は、第一の光源から出力される入射光を前記光ファイバセンサ系に透過させ、前記光ファイバセンサ系の透過光とローカル光を合波させた合波光の光強度を測定する。
　本開示は、複数のセンサ部を透過後の透過光をローカル光と合波して単一の受光器で一括してコヒーレント検波し、コヒーレント検波で得られる信号に対してデジタル自己相関処理を施すことにより個々のセンサ部の信号を分離検出する。
　ローカル光の複素電界振幅をＥｌｏ（ｔ）とすると、コヒーレント検波で得られる信号Ｉ（ｔ）は次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 ここで、Ｅ０は入射光の複素電界振幅、Δθｉはｉ番目のセンサ部における光位相変化、ａｉはｉ番目のセンサ部を通る光振幅に係る定数、τｉはｉ番目のセンサ部における伝搬遅延時間、Ｉ０（ｔ）は入射光の光強度、Ｉｉ（ｔ）はｉ番目のセンサ部の透過光とローカル光との合波光の光強度である。
　なお、ここでは各センサ部の透過光強度に比べてローカル光強度が十分強くセンサ部の透過光同士の干渉成分は無視できることとし、Ｉ０（ｔ）及びＩｉ（ｔ）は以下のように定義した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　次に、Ｉ（ｔ）の自己相関関数Ｒ（τ）を計算する。図１にＲ（τ）の計算イメージを示す。Ｒ（τ）はＩ（ｔ）とＩ（ｔ）を任意の時間τだけずらした波形Ｉ（ｔ＋τ）の積の時間積分をτの関数として算出する。Ｒ（τ）は次式に基づきデジタル信号処理により計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　なお、ここではＩ０（ｔ）と比較してＩｉ（ｔ）が十分弱く（ａｉ＜＜１）、Ｉｉ（ｔ）Ｉｊ（ｔ）（ｉとｊは、ｉ≠ｊの１～Ｎの任意の自然数）は無視できることとした。式（１１）の第一項は次式のように計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 ここでｃ．ｃ．は複素共役を表す。
　とり得るτの値に対してローカル光のコヒーレンス時間が十分長い場合、Ｅ＊ ｌｏ（ｔ）Ｅｌｏ（ｔ＋τ）及びその複素共役はｔに依存しない定数とみなせる。さらに式（４）及び式（５）を適用すると、式（１２）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　同様に、式（１１）の第二項は次式のように計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　以上より計算されるＲ（τ）の波形イメージを図２に示す。Ｒ（τ）はτ＝０，τ１，．．．τＮの位置にピークを持ち、τ＝τｉのピーク強度はｃｏｓΔθｉに比例する。つまり、Ｒ（τ）の各ピーク強度が個々のセンサ部の温度又は歪みの変化に応じて変化する。Δθｉはｉ番目のセンサ部の温度又は歪みの変化に対して式（７）の関係にあり、事前に温度又は歪みの変化に対する比例定数ＣＴ、Ｃεを求めておくことで、Ｒ（τ）の各ピーク強度変化を個々のセンサ部の温度又は歪みの変化に対応付けて測定することができる。
　そこで、本開示の光ファイバセンシング装置は、ｉ番目の前記センサ部の光路間伝搬遅延時間差がτｉである場合、前記センサ部の光強度Ｉ（ｔ）、及び光強度Ｉ（ｔ）を時間τｉだけずらした信号Ｉ（ｔ＋τｉ）との自己相関関数Ｒ（τ）を用いて、ｉ番目の前記センサ部の変化を求める。
　本開示を用いることにより、多点干渉計型光ファイバセンサに関して受光部の干渉計や受光器を追加することなくセンサ部を多点化することができる。また、従来はセンサ部の干渉計と受光部の干渉計で光路間伝搬遅延時間差が等しくなるように設計する必要があったのに対し、本開示を用いることで受光部の干渉計が不要となるため、受光部の設計を簡素化することができる。これにより、センサ部の数に関わらず単一の装置構成で多点センシングが可能となるため、従来よりも低コストかつ拡張性の高い光ファイバセンシングが実現できる。以下、添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。ここではセンサ部の構成の異なる２種類の実施形態について述べる。
（実施形態１）
　図３は本実施形態における装置構成を示すブロック図である。第一の光源には低コヒーレンス光源１１を用い、第二の光源には高コヒーレンス光源１２を用いる。高コヒーレンス光源１２はローカル光を出力するローカル光源として機能する。本開示のローカル光は、低コヒーレンス光源１１からの低コヒーレンス光よりもコヒーレンス時間が長く、かつ任意のセンサ部２１の光伝搬遅延時間よりもコヒーレンス時間が長い高コヒーレンス光を用いる。光ファイバセンサ系２０は、光カプラ２２を用いて複数のマッハツェンダ干渉計２１を直列に接続した鎖型の構成とし、各マッハツェンダ干渉計における一方の光路をセンサ部２１とする。
　低コヒーレンス光源１１からの連続光を光ファイバセンサ系２０に入射し、鎖型の光ファイバセンサ系２０を透過後の低コヒーレンス光を高コヒーレンス光源１２からの高コヒーレンス光と光カプラ１６で合波し、受光器１３でアナログの電気信号に変換する。電気信号に変換した受光信号をＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換し、信号処理部１５に転送する。信号処理部１５では、デジタル信号に変換された受光信号Ｉ（ｔ）を用いて、式（１１）により自己相関関数Ｒ（τ）を計算する。
　Ｒ（τ）はτ＝０，τ１，．．．τＮの位置にピークを持ち、図３におけるセンサ部２１＃ｉ（ｉは１～Ｎの任意の整数）の温度又は歪みの変化を観測する場合はτ＝τｉのピーク強度変化をモニタリングする。ピーク強度変化ｃｏｓΔθｉについて式（７）の関係を適用し、センサ部２１＃ｉにおける温度又は歪みの変化を測定する。
　なお、本実施形態における各センサ部２１＃ｉには互いにファイバ長の異なる光ファイバを用い、センサ部間の伝搬遅延時間差｜τｊ－τｉ｜（ｊ≠ｉ）の最小値が低コヒーレンス光源１１のコヒーレンス時間よりも長くなるように設計し、センサ部２１＃ｉの伝搬遅延時間τｊの最大値ｍａｘ｛τ１，τ２，・・・τＮ｝は高コヒーレンス光源１２のコヒーレンス時間よりも短くなるように設計する。
（実施形態２）
　図４は本実施形態における装置構成を示すブロック図である。第一の光源には低コヒーレンス光源１１を用い、第二の光源には高コヒーレンス光源１２を用いる。高コヒーレンス光源１２はローカル光を出力するローカル光源として機能する。光ファイバセンサ系２０は、並列に接続されている複数のセンサ部２１を備え、光ファイバセンサ系２０を透過するコヒーレンス光の伝搬遅延時間τがセンサ部２１ごとに異なる。本実施形態では、光ファイバセンサ系２０は光カプラ２２を用いて梯子型に光ファイバを接続した構成とし、梯子型の各段の光路をセンサ部２１＃ｉとする。
　低コヒーレンス光源１１からの連続光を光ファイバセンサ系２０に入射し、梯子型の光ファイバセンサ系２０を透過後の連続光を高コヒーレンス光源１２からのローカル光と光カプラ１６で合波し、受光器１３で電気信号に変換する。電気信号に変換した受光信号をＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換し、信号処理部１５に転送する。信号処理部１５では、デジタル信号に変換された受光信号Ｉ（ｔ）を用いて式（１１）により自己相関関数Ｒ（τ）を計算する。
　Ｒ（τ）はτ＝０，τ１，．．．τＮの位置にピークを持ち、図４におけるセンサ部２１＃ｉ（ｉは１～Ｎの任意の整数）の温度又は歪みの変化を観測する場合はτ＝τｉのピーク強度変化をモニタリングする。ピーク強度変化ｃｏｓΔθｉについて式（７）の関係を適用し、センサ部２１＃ｉにおける温度又は歪みの変化を測定する。
　図５に、コヒーレンス時間とセンサ部の伝搬遅延時間との関係の一例を示す。入射光のコヒーレンス時間をτＣ１、ローカル光のコヒーレンス時間をτＣ２とすると、本実施形態における光ファイバセンサ系２０は各センサ部２１＃ｉを通る光路間の伝搬遅延時間差｜τｊ－τｉ｜（ｊ≠ｉ）の最小値が低コヒーレンス光源１１のコヒーレンス時間τＣ１よりも長くなるように設計し、各センサ部２１＃ｉを通る光路の伝搬遅延時間の最大値ｍａｘ｛τ１，τ２，・・・τＮ｝は高コヒーレンス光源１２のコヒーレンス時間τＣ２よりも短くなるように設計する。
　また、本開示の信号処理部１５は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　本開示は情報通信産業に適用することができる。
１１：低コヒーレンス光源
１２：高コヒーレンス光源
１３：受光器
１４：Ａ／Ｄ変換器
１５：信号処理部
１６、２２：光カプラ
２０：光ファイバセンサ系
２１：マッハツェンダ干渉計

Claims (6)

  1. 　伝搬遅延時間の異なる複数のセンサ部を備える光ファイバセンサ系と、
    　前記光ファイバセンサ系への入射光を出力する第一の光源と、
    　前記光ファイバセンサ系の透過光と合波するローカル光を出力する第二の光源と、
    　前記透過光と前記第ローカル光との合波で得られる受光信号Ｉ（ｔ）を用いて光ファイバの変化を検出する信号処理部と、
    　を備え、
    　前記信号処理部は、ｉ番目の前記センサ部の光路間伝搬遅延時間差がτｉである場合、前記センサ部の光強度Ｉ（ｔ）、及び光強度Ｉ（ｔ）を時間τｉだけずらした信号Ｉ（ｔ＋τｉ）との自己相関を用いて、ｉ番目の前記センサ部の変化を求める、
    　光ファイバセンシング装置。
  2. 　ｉ番目の前記センサ部を通る前記入射光の前記伝搬遅延時間τｉが前記ローカル光のコヒーレンス時間よりも短く、
    　ｊ番目（ｊはｉ以外の自然数）の前記センサ部を通る前記入射光の前記伝搬遅延時間τｊと比較した伝搬遅延時間差｜τｉ－τｊ｜が前記入射光のコヒーレンス時間よりも長いことを特徴とする、
    　請求項１に記載の光ファイバセンシング装置。
  3. 　前記光ファイバセンサ系は、直列に接続されている複数のマッハツェンダ干渉計を備え、
    　前記センサ部は、前記マッハツェンダ干渉計内の光路の一方であり、
    　前記複数のマッハツェンダ干渉計に備わる各センサ部の光路間伝搬遅延時間差τが互いに異なる、
    　請求項１又は２に記載の光ファイバセンシング装置。
  4. 　前記光ファイバセンサ系は、並列に接続されている複数のセンサ部を備え、
    　前記光ファイバセンサ系を透過する前記入射光の伝搬遅延時間τが前記センサ部ごとに異なる、
    　請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバセンシング装置。
  5. 　前記センサ部の変化は、ｉ番目の前記センサ部の温度又は歪みの変化である、
    　請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバセンシング装置。
  6. 　第一の光源からの入射光を、伝搬遅延時間の異なる複数のセンサ部を備える光ファイバセンサ系に入射し、
    　第二の光源からのローカル光を、前記光ファイバセンサ系の透過光と合波し、
    　信号処理部が、前記透過光と前記第ローカル光との合波で得られる受光信号Ｉ（ｔ）を用いて光ファイバの変化を検出する光ファイバセンシング方法であって、
    　前記信号処理部は、ｉ番目の前記センサ部の光路間伝搬遅延時間差がτｉである場合、前記センサ部の光強度Ｉ（ｔ）、及び光強度Ｉ（ｔ）を時間τｉだけずらした信号Ｉ（ｔ＋τｉ）との自己相関を用いて、ｉ番目の前記センサ部の変化を求める、
    　光ファイバセンシング方法。
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