WO2023047449A1 - 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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    • G01D5/00—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
    • G01D5/26—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

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, or 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, low-coherence light is incident on a sensor section in which a plurality of Mach-Zehnder interferometers are connected, and the transmitted light is optically branched, and signals are separated and detected by light-receiving Mach-Zehnder interferometers corresponding to individual sensor sections.
  • 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.
  • ⁇ j is the propagation delay time difference between the optical paths in the j-th interferometer in the 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. .
  • ai is a constant related to the amplitude of light passing through the i-th sensor section.
  • ⁇ ( ⁇ ) 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 a light source that outputs continuous light; an optical coupler for branching the continuous light; a reference interferometer that receives the continuous light branched by the optical coupler and causes a predetermined propagation delay time difference ⁇ ref in the continuous light; A plurality of Mach-Zehnder interferometers are connected, into which the continuous light branched by the optical coupler is incident, and which cause the continuous light to have propagation delay time differences corresponding to integral multiples of the predetermined propagation delay time difference ⁇ ref and different from each other, a sensor interferometer in which one of the optical paths of the Mach-Zehnder interferometer functions as a sensor unit; a signal processing unit that performs signal processing using a received light signal I(t) received by the sensor interferometer and a reference signal I ref-1 (t) received by the reference interferometer; with The signal processing unit is calculating a reference signal I ref-j (t) corresponding to the j-th (j is a natural number
  • the fiber optic sensing method of the present disclosure comprises: splits the continuous light from the light source, Entering the branched continuous light into a reference interferometer that causes a predetermined propagation delay time difference ⁇ ref in the continuous light, A plurality of Mach-Zehnder interferometers are connected that cause the continuous light to have propagation delay time differences corresponding to integral multiples of the predetermined propagation delay time difference ⁇ ref and different from each other, and one of the optical paths of the Mach-Zehnder interferometers functions as a sensor unit.
  • a signal processing unit uses a received light signal I(t) received by the sensor interferometer and a reference signal I ref-1 (t) received by the reference interferometer to obtain the sensor unit
  • a fiber optic sensing method for detecting changes in The signal processing unit is using the reference signal I ref-1 (t) to calculate a reference signal I ref-j (t) corresponding to the j-th sensor unit; calculating a cross-correlation R j between the received light signal I(t) and the reference signal I ref-j (t); The change in the cross-correlation Rj is used to detect the change in the j-th sensor unit.
  • 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 calculation of the phase X Mj (t) of the reference signal in the present disclosure
  • 1 is a block diagram showing a device configuration according to Embodiment 1 of the present disclosure
  • FIG. 4 is a flow chart showing an implementation procedure in Embodiments 1 and 2 of the present disclosure
  • FIG. 3 is a block diagram showing a device configuration according to Embodiment 2 of the present disclosure
  • the optical signal transmitted through the interferometer of the sensor unit is received without using the interferometer on the light receiving side.
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure separately prepares a reference interferometer passing through an optical path different from the interferometer of the sensor unit, and performs signal processing using the signal acquired from the reference interferometer. generates a pseudo-signal before the change in temperature and strain of each sensor unit. In the present disclosure, this pseudo-generated signal is referred to as a reference signal.
  • the optical fiber sensing device of the present disclosure calculates the cross-correlation between the reference signal and the received light signal obtained from the interferometer of the sensor unit, thereby realizing a multi-point interferometer type optical fiber sensor without complicating the device configuration. come true.
  • the received light signal I(t) obtained for the optical path passing through N (N is a natural number) sensor sections is represented by the following equation.
  • E 0 (t) is the complex electric field amplitude of the continuous light before entering the N sensor units
  • the received light signal I(t) is expressed by the following equation.
  • ⁇ i is the propagation delay time at the i-th sensor portion
  • ⁇ i is the light phase change at the i-th sensor portion
  • a i is a constant related to the light amplitude passing through the i-th sensor portion.
  • ⁇ (t) is the phase of continuous light from the light source, and the description of the DC component is omitted in the second line of Equation (9). Further, it was assumed that the intensity of light transmitted through each sensor portion is sufficiently weaker than the intensity of light not transmitted through the sensor portion (a i ⁇ 1), and the interference component between the transmitted light beams of the sensor portion can be ignored.
  • the reference signal I ref-1 (t) obtained from the transmitted light of the reference interferometer is represented by the following equation.
  • ⁇ ref is the propagation delay time difference between the optical paths in the reference interferometer.
  • X Mj (t) can be calculated by the following equation using X 1 (t).
  • FIG. 1 is an image of calculation of X Mj (t) by Equation (13) when M j >1.
  • X Mj (t) is calculated by adding waveforms obtained by shifting M j X 1 (t) by ⁇ ref on the time axis.
  • a pseudo reference signal I ref ⁇ Mj (t) for the j-th sensor unit is generated by the following equation.
  • changes in temperature and strain of the j-th sensor section can be sensed.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the device configuration in this embodiment.
  • a low-coherence light source 11 is used as a light source, and continuous light output from the low-coherence light source 11 is branched by an optical coupler 16 to enter a sensor interferometer 20 and a reference interferometer 30 .
  • the sensor interferometer 20 includes N sensor units 21#1 to 21#N.
  • the light receiver 13S receives light from the interferometer 20 for sensors.
  • the light receiver 13S receives light from the reference interferometer 30.
  • the reference interferometer 30 is a Mach-Zehnder interferometer having an inter-optical path propagation delay time difference of ⁇ ref .
  • the inter-optical path propagation delay time differences ⁇ 1 to ⁇ N of the Mach-Zehnder interferometers of the sensor interferometer 20 are set to integral multiples of ⁇ ref so that the plurality of Mach-Zehnder interferometers do not overlap each other (M j ⁇ M i (j ⁇ i)).
  • the low-coherence light source 11 having a coherence time shorter than ⁇ ref is used.
  • the sensor interferometer 20 has a chain configuration in which a plurality of Mach-Zehnder interferometers are connected in series using optical couplers 22#1 to 22#N and 23#1 to 23#N.
  • One optical path of each Mach-Zehnder interferometer of total 20 is assumed to be sensor units 21#1 to 21#N.
  • FIG. 3 is a flow chart showing the implementation procedure in this embodiment.
  • the implementation procedure includes an optical interference signal acquisition step S11, a reference signal phase calculation step S12, a phase concatenation step S13, a pseudo signal generation step S14, and a cross-correlation step S15.
  • an optical interference signal acquisition step S11 a reference signal phase calculation step S12
  • a phase concatenation step S13 a phase concatenation step S13
  • a pseudo signal generation step S14 and a cross-correlation step S15.
  • the optical interference signal acquisition step S11 two types of optical interferometers, the sensor interferometer 20 and the reference interferometer 30, are used to acquire respective optical interference signals.
  • the continuous light transmitted through the sensor interferometer 20 and the continuous light transmitted through the reference interferometer 30 are received by individual light receivers 13S and 13R, respectively, and converted into electrical signals.
  • the received light signals converted into electric signals are each converted into digital signals by the A/D converter 14 and transferred to the signal processing section 15 .
  • the signal processing unit 15 uses the digital signal from the A/D converter 14 to calculate optical interference signals of the sensor interferometer 20 and the reference interferometer 30 respectively.
  • the digital signal obtained from the photodetector 13S is the photodetection signal I(t)
  • the digital signal obtained from the photodetector 13R is the photodetection signal Iref-1 (t).
  • the signal processing unit 15 calculates the received light signal I ref ⁇ 1 (t ) to calculate the phase X 1 (t).
  • X 1 (t) can be calculated from the following equation using the signal I ref ⁇ 1 (t) obtained with reference interferometer 30 .
  • H[I ref-1 (t)] is the Hilbert transform of I ref-1 (t), and if I ref-1 (t) is expressed as in Equation (10), then H[I ref-1 (t)] is represented by the following equation.
  • X 1 (t) is used to obtain X Mj (t) from equation (13).
  • ⁇ j is the inter-optical path propagation delay time difference in the interferometer of the j-th sensor unit 21#j.
  • the pseudo signal I ref ⁇ Mj (t) for the j-th sensor unit 21#j is calculated by Equation (14).
  • the cross-correlation R Mj between the optical interference signal I(t) obtained with respect to the sensor interferometer 20 and the pseudo signal I ref ⁇ Mj (t) is calculated.
  • the magnitude of the calculated RMj is monitored to detect changes in temperature and strain at the j-th sensor section 21#j.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the device configuration in this embodiment.
  • a low-coherence light source 11 is used as a light source, and continuous light output from the low-coherence light source 11 is branched by an optical coupler 16 to enter a sensor interferometer 20 and a reference interferometer 30 .
  • the reference interferometer 30 is a Mach-Zehnder interferometer having an inter-optical path propagation delay time difference of ⁇ ref .
  • the sensor interferometer 20 includes a plurality of sensor units 21 connected in parallel, and the propagation delay time ⁇ of continuous light passing through the sensor interferometer 20 differs for each sensor unit 21 .
  • the sensor interferometer 20 has a structure in which optical fibers are connected in a ladder shape using optical couplers 22#1 to 22#N and 23#1 to 23#N, and the optical paths of each stage of the ladder shape are The sensor units are 21#1 to 21#N.
  • Delay time until light emitted from the upper left optical coupler 22#0 in the sensor interferometer 20 of FIG. is an integral multiple of ⁇ ref so as not to overlap each other in the plurality of sensor units 21 (M j ⁇ M i (j ⁇ i)).
  • the continuous light transmitted through the sensor interferometer 20 and the continuous light transmitted through the reference interferometer 30 are received by individual light receivers 13S and 13R, respectively, and converted into electrical signals.
  • 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 low-coherence light source 11 used in this apparatus configuration has a coherence time shorter than ⁇ ref .
  • 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。　本開示は、連続光に所定の伝搬遅延時間差を生じさせる参照用干渉計と、複数のマッハツェンダ干渉計の光路の一方がセンサ部として機能するセンサ用干渉計と、前記センサ用干渉計の透過光を受光した受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照用干渉計の透過光を受光した参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて信号処理を行う信号処理部と、を備え、前記信号処理部は、前記受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）の相互相関Ｒｊを算出し、相互相関Ｒｊの変化を用いて、ｊ番目のセンサ部の変化を検出する、光ファイバセンシング装置である。

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、周波数又は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低コヒーレンス光を入射し、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の出射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は受信部におけるｊ番目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及び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、
　連続光を出力する光源と、
　前記連続光を分岐する光カプラと、
　前記光カプラで分岐された連続光が入射され、所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆを当該連続光に生じさせる参照用干渉計と、
　前記光カプラで分岐された連続光が入射され、前記所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆの整数倍に相当しかつ互いに異なる伝搬遅延時間差を当該連続光に生じさせる複数のマッハツェンダ干渉計が接続され、前記マッハツェンダ干渉計の光路の一方がセンサ部として機能する、センサ用干渉計と、
　前記センサ用干渉計の透過光を受光した受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照用干渉計の透過光を受光した参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて信号処理を行う信号処理部と、
　を備え、
　前記信号処理部は、
　前記参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、ｊ番目（ｊは自然数）の前記センサ部に対応する参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）を算出し、
　前記受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）の相互相関Ｒｊを算出し、
　前記相互相関Ｒｊの変化を用いて、ｊ番目の前記センサ部の変化を検出する。
　本開示の光ファイバセンシング方法は、
　光源からの連続光を分岐し、
　所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆを当該連続光に生じさせる参照用干渉計に、前記分岐された連続光を入射し、
　前記所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆの整数倍に相当しかつ互いに異なる伝搬遅延時間差を当該連続光に生じさせる複数のマッハツェンダ干渉計が接続され、前記マッハツェンダ干渉計の光路の一方がセンサ部として機能する、センサ用干渉計に、前記分岐された連続光を入射し、
　信号処理部が、前記センサ用干渉計の透過光を受光した受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照用干渉計の透過光を受光した参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、前記センサ部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、
　前記参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、ｊ番目のセンサ部に対応する参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）を算出し、
　前記受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）の相互相関Ｒｊを算出し、
　前記相互相関Ｒｊの変化を用いて、ｊ番目の前記センサ部の変化を検出する。
　　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。
本開示における参照信号の位相ＸＭｊ（ｔ）の算出の概念図である。 本開示の実施形態１における装置構成を示すブロック図である。 本開示の実施形態１及び２における実施手順を示すフローチャートである。 本開示の実施形態２における装置構成を示すブロック図である。
　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。
　本開示では、センサ部の干渉計を透過した光信号については受光側に干渉計を用いずに受光する。具体的には、本開示の光ファイバセンシング装置は、センサ部の干渉計とは別の光経路を通る参照用干渉計を別途用意し、参照用干渉計から取得される信号を用いた信号処理により各センサ部の温度及び歪みの変化前の信号を疑似的に生成する。本開示では、この疑似的に生成した信号を参照信号と称する。本開示の光ファイバセンシング装置は、この参照信号とセンサ部の干渉計から取得される受光信号の相互相関を計算することにより、装置構成を複雑化させることなく多点干渉計型光ファイバセンサを実現する。
　受光部に干渉計を用いない場合、Ｎ個（Ｎは自然数）のセンサ部を通る光経路について取得される受光信号Ｉ（ｔ）は次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 ここで、Ｅ０（ｔ）はＮ個のセンサ部に入射する前の連続光の複素電界振幅、Ｅｉ（ｔ）はｉ番目（ｉ＝１～Ｎ）のセンサ部の透過光の複素電界振幅である。本実施形態では、光源からの連続光をＮ個のセンサ部に入射する例について説明する。
　式（８）に式（２）を代入すると、受光信号Ｉ（ｔ）は次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 ここで、τｉはｉ番目のセンサ部における伝搬遅延時間であり、Δθｉはｉ番目のセンサ部における光位相変化であり、ａｉはｉ番目のセンサ部を通る光振幅に係る定数である。
　なお、ここでθ（ｔ）は光源からの連続光の位相であり、式（９）の２行目では直流成分の記述は省略した。また、各センサ部を透過する光強度はセンサ部を透過しない光強度に対して十分弱く（ａｉ＜＜１）、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た。
　一方、参照用干渉計の透過光から得られる参照信号Ｉｒｅｆ―１（ｔ）は次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 ここでτｒｅｆは参照用干渉計における光路間の伝搬遅延時間差である。
　次に、Ｉｒｅｆ―１（ｔ）を用いてｊ番目のセンサ部に関する温度及び歪みの変化前の参照信号を数値計算により疑似的に生成する。ｊ番目のセンサ部の光経路に与える遅延時間τｊをτｊ＝Ｍｊτｒｅｆ（Ｍｊは自然数）となるように設計すると、θ（ｔ）－θ（ｔ－Ｍｊτｒｅｆ）を位相成分とする余弦波の信号を生成できればよい。ここで、Ｍｊ＝１の場合の位相Ｘ１（ｔ）、及びＭｊの場合の位相ＸＭｊ（ｔ）を次式のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　ＸＭｊ（ｔ）は、Ｘ１（ｔ）を用いて次式により算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　図１はＭｊ＞１の場合における式（１３）によるＸＭｊ（ｔ）の算出のイメージである。ＸＭｊ（ｔ）はＭｊ個のＸ１（ｔ）を時間軸上でτｒｅｆずつずらした波形を足し合わせていくことで算出される。ＸＭｊ（ｔ）を用いて、ｊ番目のセンサ部に関する疑似的な参照信号Ｉｒｅｆ―Ｍｊ（ｔ）を次式により生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　次に、Ｉ（ｔ）とＩｒｅｆ―Ｍｊ（ｔ）の余弦波における相互相関ＲＭｊを計算する。ＲＭｊは次式により計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　ここで、光源からの連続光のコヒーレンス時間がτｒｅｆに比べて十分短く、複数のセンサ部の伝搬遅延時間が互いに重複しないこととすると、次式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 式（１６）を式（１５）に代入すると、ＲＭｊは次式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　したがって、τｊ＝Ｍｊτｒｅｆを満たすＭｊについて計算される相互相関ＲＭｊの大きさはｊ番目のセンサ部の温度及び歪みなどによる変化に依存して変化するため、ＲＭｊの変化をモニタリングすることでｊ番目のセンサ部の温度及び歪みの変化をセンシングできる。同様に、ｊ番目以外の任意のｉ番目のセンサ部についてもτｉ＝Ｍｉτｒｅｆを満たすＭｉについて計算される相互相関ＲＭｉをモニタリングすることで温度及び歪みの変化をセンシングできる。
（本開示の効果）
　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。
　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２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。光源には低コヒーレンス光源１１を用い、低コヒーレンス光源１１から出力される連続光を光カプラ１６で分岐してセンサ用干渉計２０と参照用干渉計３０に入射する。センサ用干渉計２０はＮ個のセンサ部２１＃１～２１＃Ｎを備える。受光器１３Ｓはセンサ用干渉計２０からの光を受光する。受光器１３Ｓは参照用干渉計３０からの光を受光する。
　参照用干渉計３０は光路間伝搬遅延時間差をτｒｅｆとするマッハツェンダ干渉計とする。センサ用干渉計２０の各マッハツェンダ干渉計の光路間伝搬遅延時間差τ１～τＮはτｒｅｆの整数倍とし、複数のマッハツェンダ干渉計で互いに重複しないようにする（Ｍｊ≠Ｍｉ（ｊ≠ｉ））。また、低コヒーレンス光源１１はコヒーレンス時間がτｒｅｆよりも短いものを用いる。
　本実施形態では、センサ用干渉計２０は光カプラ２２＃１～２２＃Ｎ及び２３＃１～２３＃Ｎを用いて複数のマッハツェンダ干渉計を直列に接続した鎖型の構成とし、センサ用干渉計２０の各マッハツェンダ干渉計の一方の光路をセンサ部２１＃１～２１＃Ｎとする。
　図３は本実施形態における実施手順を示すフローチャートである。実施手順は光干渉信号取得ステップＳ１１、参照信号位相算出ステップＳ１２、位相連結ステップＳ１３、疑似信号生成ステップＳ１４、相互相関ステップＳ１５を備える。なお、ここでは複数のセンサ部２１＃１～２１＃Ｎのうちｊ番目のセンサ部２１＃ｉについてセンシングを実施する場合について述べる。
　光干渉信号取得ステップＳ１１では、センサ用干渉計２０と参照用干渉計３０の２種類の光干渉計を用いてそれぞれの光干渉信号を取得する。具体的には、センサ用干渉計２０を透過した連続光と参照用干渉計３０を透過した連続光をそれぞれ個別の受光器１３Ｓ及び１３Ｒで受光し、電気信号に変換する。電気信号に変換した受光信号をそれぞれ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は、Ａ／Ｄ変換器１４からのデジタル信号を用いて、センサ用干渉計２０と参照用干渉計３０の光干渉信号をそれぞれ算出する。受光器１３Ｓから得られれたデジタル信号が受光信号Ｉ（ｔ）であり、受光器１３Ｒから得られたデジタル信号が受光信号Ｉｒｅｆ―１（ｔ）である。
　次に参照信号位相算出ステップＳ１２では、信号処理部１５が、光干渉信号取得ステップＳ１１で取得した２種類の光干渉信号のうち参照用干渉計３０に関して得られた受光信号Ｉｒｅｆ―１（ｔ）を用いて、位相Ｘ１（ｔ）を算出する。Ｘ１（ｔ）は、参照用干渉計３０に関して得られた信号Ｉｒｅｆ―１（ｔ）を用いて次式により算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　ここでＨ［Ｉｒｅｆ―１（ｔ）］はＩｒｅｆ―１（ｔ）のヒルベルト変換であり、Ｉｒｅｆ―１（ｔ）が式（１０）のように表されるとすると、Ｈ［Ｉｒｅｆ―１（ｔ）］は次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　次に位相連結ステップＳ１３では、Ｘ１（ｔ）を用いて式（１３）によりＸＭｊ（ｔ）を求める。ここでＭｊはｊ番目のセンサ部２１＃ｊの干渉計における光路間伝搬遅延時間差をτｊとしてτｊ＝Ｍｊτｒｅｆを満たす自然数である。
　次に疑似信号生成ステップＳ１４では、式（１４）によりｊ番目のセンサ部２１＃ｊに関する疑似信号Ｉｒｅｆ―Ｍｊ（ｔ）を算出する。
　最後に相互相関ステップＳ１５において、センサ用干渉計２０に関して取得した光干渉信号Ｉ（ｔ）と疑似信号Ｉｒｅｆ―Ｍｊ（ｔ）の相互相関ＲＭｊを計算する。計算されるＲＭｊの大きさをモニタリングし、ｊ番目のセンサ部２１＃ｊにおける温度及び歪みの変化を検出する。
（実施形態２）
　本実施形態は、実施手順は実施形態１と同一であり、用いられる装置構成が実施形態１と異なる。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。光源には低コヒーレンス光源１１を用い、低コヒーレンス光源１１から出力される連続光を光カプラ１６で分岐してセンサ用干渉計２０と参照用干渉計３０に入射する。
　参照用干渉計３０は光路間伝搬遅延時間差をτｒｅｆとするマッハツェンダ干渉計とする。センサ用干渉計２０は、並列に接続されている複数のセンサ部２１を備え、センサ用干渉計２０を透過する連続光の伝搬遅延時間τがセンサ部２１ごとに異なる。本実施形態では、センサ用干渉計２０は光カプラ２２＃１～２２＃Ｎ及び２３＃１～２３＃Ｎ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＃１～２１＃Ｎとする。
　図４のセンサ用干渉計２０において左端上の光カプラ２２＃０からの出射光が各センサ部２１＃１～２１＃Ｎを通り左端下の光カプラ２３＃０に入射されるまでの遅延時間はτｒｅｆの整数倍とし、複数のセンサ部２１で互いに重複しないようにする（Ｍｊ≠Ｍｉ（ｊ≠ｉ））。センサ用干渉計２０を透過した連続光と参照用干渉計３０を透過した連続光をそれぞれ個別の受光器１３Ｓ及び１３Ｒで受光し、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。なお、本装置構成で用いられる低コヒーレンス光源１１はコヒーレンス時間がτｒｅｆよりも短いものを用いる。
　その他実施手順は、実施形態１と同様に図３のフローチャートに従って実施される。
　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＃０～２２＃Ｎ、２３＃０～２３＃Ｎ、３２、３３：光カプラ
２０：センサ用干渉計
３０：参照用干渉計

Claims (8)

  1. 　連続光を出力する光源と、
    　前記連続光を分岐する光カプラと、
    　前記光カプラで分岐された連続光が入射され、所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆを当該連続光に生じさせる参照用干渉計と、
    　前記光カプラで分岐された連続光が入射され、前記所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆの整数倍に相当しかつ互いに異なる伝搬遅延時間差を当該連続光に生じさせる複数のマッハツェンダ干渉計が接続され、前記マッハツェンダ干渉計の光路の一方がセンサ部として機能する、センサ用干渉計と、
    　前記センサ用干渉計の透過光を受光した受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照用干渉計の透過光を受光した参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて信号処理を行う信号処理部と、
    　を備え、
    　前記信号処理部は、
    　前記参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、ｊ番目（ｊは自然数）の前記センサ部に対応する参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）を算出し、
    　前記受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）の相互相関Ｒｊを算出し、
    　前記相互相関Ｒｊの変化を用いて、ｊ番目の前記センサ部の変化を検出する、
    　光ファイバセンシング装置。
  2. 　前記信号処理部は、
    　前記参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、前記所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆのときの前記連続光の位相Ｘ１（ｔ）を算出し、
    　ｊ番目の前記センサ部における伝搬遅延時間差がτｒｅｆのＭｊ倍の場合、Ｍｊ個のＸ１（ｔ）をτｒｅｆずつずらした波形を足し合わせることで、ｊ番目の前記センサ部に対応する位相ＸＭｊ（ｔ）を算出し、
    　前記位相ＸＭｊ（ｔ）を用いて、ｊ番目の前記センサ部に対応する参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）を算出する、
    　請求項１に記載の光ファイバセンシング装置。
  3. 　前記信号処理部は、
    　前記位相ＸＭｊ（ｔ）を位相成分とする余弦波を、前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）として算出し、
    　前記余弦波を用いて、前記受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）の相互相関Ｒｊを算出する、
    　請求項２に記載の光ファイバセンシング装置。
  4. 　前記参照用干渉計における前記所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆは、前記連続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. 　前記センサ用干渉計は、複数のマッハツェンダ干渉計が直列に接続されており、
    　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伝搬遅延時間差が互いに異なる、
    　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. 　前記センサ用干渉計は、並列に接続されている複数のセンサ部を備え、
    　前記センサ用干渉計を透過する前記連続光の伝搬遅延時間が前記センサ部ごとに異なる、
    　請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバセンシング装置。
  7. 　前記センサ部の変化は、ｊ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６のいずれかに記載の光ファイバセンシング装置。
  8. 　光源からの連続光を分岐し、
    　所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆを当該連続光に生じさせる参照用干渉計に、前記分岐された連続光を入射し、
    　前記所定の伝搬遅延時間差τｒｅｆの整数倍に相当しかつ互いに異なる伝搬遅延時間差を当該連続光に生じさせる複数のマッハツェンダ干渉計が接続され、前記マッハツェンダ干渉計の光路の一方がセンサ部として機能する、センサ用干渉計に、前記分岐された連続光を入射し、
    　信号処理部が、前記センサ用干渉計の透過光を受光した受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照用干渉計の透過光を受光した参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、前記センサ部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、
    　前記参照信号Ｉｒｅｆ－１（ｔ）を用いて、ｊ番目のセンサ部に対応する参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）を算出し、
    　前記受光信号Ｉ（ｔ）と前記参照信号Ｉｒｅｆ―ｊ（ｔ）の相互相関Ｒｊを算出し、
    　前記相互相関Ｒｊの変化を用いて、ｊ番目の前記センサ部の変化を検出する、
    　光ファイバセンシング方法。
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