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JP2975514B2 - Phase demodulator for optical fiber sensor - Google Patents
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JP2975514B2 - Phase demodulator for optical fiber sensor - Google Patents

Phase demodulator for optical fiber sensor

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JP2975514B2
JP2975514B2 JP5285082A JP28508293A JP2975514B2 JP 2975514 B2 JP2975514 B2 JP 2975514B2 JP 5285082 A JP5285082 A JP 5285082A JP 28508293 A JP28508293 A JP 28508293A JP 2975514 B2 JP2975514 B2 JP 2975514B2
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synchronous detection
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ソーナのよう
な水中音響センサ装置等に用いられ、音波情報を光信号
で検出するために光ファイバを使用した光ファイバセン
サ用位相復調器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phase demodulator for an optical fiber sensor which is used in an underwater acoustic sensor device such as a sonar and uses an optical fiber for detecting sound wave information by an optical signal. It is.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献;アイイーイーイー ジャーナル オブ クオンタ
ム エレクトロニクス(IEEE Journal of Quantum Elect
ronics )、QE-18 [10] (1982-10)、(米)、Anthony
Dandridge,Alan B. Tveten,Thomas G. Glallorenzi著
“Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sen
sors Using Phase Generated Carrier”P.1647-1653 図2は、従来の位相復調器を用いた光ファイバセンサ装
置の一例を示す構成ブロック図である。
2. Description of the Related Art Conventionally, techniques in such a field include:
For example, there is one described in the following literature. References: IEEE Journal of Quantum Elect
ronics), QE-18 [10] (1982-10), (US), Anthony
Dandridge, Alan B. Tveten, Thomas G. Glallorenzi “Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sen
2 is a configuration block diagram showing an example of an optical fiber sensor device using a conventional phase demodulator.

【0003】この光ファイバセンサ装置は、周波数変調
(以下、FM変調という)された光信号を用いて音波等
の外部からの情報を検出する装置である。図2の装置
は、角周波数ω0 の基準正弦波信号を発生する信号発生
器1と、その基準角周波数ω0の正弦波信号に基づいて
電流駆動され、変調周波数ω0 /2πのFM変調された
光信号OPを送出する光源2と、その光信号OPが分割
されたセンシング光信号OP1及びリファレンス光信号
OP2の光路長の変動によって外部からの音波情報を干
渉光OP3として出力するセンサ部3と、干渉光OP3
を電気信号である干渉出力Iに変換する光電変換器(以
下、O/E変換器という)4と、その干渉出力Iから高
調波成分を抽出して前記光路長の変動をセンシング光信
号OP1及びリファレンス光信号OP2の位相差の変動
として求める位相復調器10とを、備えている。センサ
部3は、センシング光信号OP1及びリファレンス光信
号OP2をそれぞれ伝送するセンシングファイバ3a及
びリファレンスファイバ3bを有し、センシングファイ
バ3aには音波が印加される構成となっている。入力さ
れた光信号OPは、図示しない分岐カプラを介してセン
シングファイバ3a及びリファレンスファイバ3bに分
岐され、センシング光信号OP1及びリファレンス光信
号OP2が、出力側で図示しない受光用カプラを介して
合成されている。位相復調器10は、角周波数ω0 ,2
ω0 の参照信号に基づいてO/E変換4からの干渉出力
Iの第1次高調波成分を抽出する第1の同期検波回路1
1と、第2次高調波成分を抽出する第2の同期検波回路
12とを、有している。第1の同期検波回路11は、角
周波数ω0 の参照信号を信号発生器1から入力し、第2
の同期検波回路12は、角周波数2ω0 の参照信号を同
期信号発生器13から入力している。同期信号発生器1
3は信号発生器1に接続され、角周波数2ω0 の参照信
号は基準周波数信号から生成される。第1の同期検波回
路11及び第2の同期検波回路12の出力側には、それ
ぞれ微分器14及び15が接続されている。各微分器1
4及び15の出力側には、第1の同期検波回路11及び
第2の同期検波回路12とたすき掛け接続された乗算器
16及び17が、それぞれ接続されている。位相復調器
10は、さらに、各乗算器16及び17の乗算結果を減
算する1つの減算器18と、減算器18の出力を積分す
る積分器19とを、備えている。また、第1の同期検波
回路11は、干渉出力Iと角周波数ω0 の参照信号を乗
算する乗算器11aと、高調波成分抽出用の低域通過フ
ィルタ(以下、LPFという)11bとを有し、第2の
同期検波回路12は、干渉出力Iと角周波数2ω0 の参
照信号を乗算する乗算器12aと、高調波成分抽出用の
LPF12bとを、有している。
[0003] This optical fiber sensor device is a device for detecting external information such as a sound wave using a frequency-modulated (hereinafter referred to as FM-modulated) optical signal. The apparatus of Figure 2 includes a signal generator 1 for generating a reference sine wave signal of the angular frequency omega 0, are current driven on the basis of a sine wave signal of the reference angular frequency omega 0, FM modulation of the modulation frequency omega 0/2 [pi A light source 2 for transmitting the divided optical signal OP, and a sensor unit 3 for outputting external sound wave information as interference light OP3 due to a change in the optical path length of the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 obtained by dividing the optical signal OP. And the interference light OP3
(Hereinafter referred to as an O / E converter) 4 for converting the optical signal into an interference signal I, which is an electric signal, and extracting a harmonic component from the interference signal I to detect a change in the optical path length to sense optical signals OP1 and OP1. And a phase demodulator 10 that determines the variation of the phase difference of the reference optical signal OP2. The sensor unit 3 includes a sensing fiber 3a and a reference fiber 3b that transmit the sensing light signal OP1 and the reference light signal OP2, respectively, and is configured to apply a sound wave to the sensing fiber 3a. The input optical signal OP is branched to a sensing fiber 3a and a reference fiber 3b via a branch coupler (not shown), and the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 are combined on the output side via a light receiving coupler (not shown). ing. The phase demodulator 10 outputs the angular frequency ω 0 , 2
First synchronous detection circuit 1 for extracting the first harmonic component of interference output I from O / E converter 4 based on a reference signal of ω 0
1 and a second synchronous detection circuit 12 for extracting a second harmonic component. The first synchronous detection circuit 11 inputs the reference signal of the angular frequency ω 0 from the signal generator 1 and
The synchronous detection circuit 12 receives a reference signal having an angular frequency of 2ω 0 from a synchronous signal generator 13. Synchronous signal generator 1
3 is connected to the signal generator 1, the reference signal of the angular frequency 2 [omega 0 is generated from the reference frequency signal. Differentiators 14 and 15 are connected to the output sides of the first synchronous detection circuit 11 and the second synchronous detection circuit 12, respectively. Each differentiator 1
Multipliers 16 and 17 which are cross-connected to the first synchronous detection circuit 11 and the second synchronous detection circuit 12 are connected to the output sides of 4 and 15, respectively. The phase demodulator 10 further includes one subtractor 18 for subtracting the multiplication result of each of the multipliers 16 and 17, and an integrator 19 for integrating the output of the subtracter 18. The first synchronous detection circuit 11 has a multiplier 11a that multiplies the interference output I by a reference signal having an angular frequency ω 0 , and a low-pass filter (hereinafter, referred to as LPF) 11b for extracting harmonic components. and, the second synchronous detection circuit 12, a multiplier 12a for multiplying a reference signal of the interference output I and the angular frequency 2 [omega 0, and LPF12b for extracting harmonic components have.

【0004】次に、図2の光ファイバセンサ装置の動作
を説明する。信号発生器1は、角周波数ω0 の正弦波状
の基準周波数信号を発生する。光源2は、この基準周波
数信号に基づいて電流駆動され、変調周波数ω0 /2π
のFM変調された光信号OPをセンサ部3に出力する。
センサ部3において、光信号OPはセンシング光信号O
P1及びリファレンス光信号OP2に分割され、そのセ
ンシング光信号OP1及びリファレンス光信号OP2
は、センシングファイバ3a及びリファレンスファイバ
3bをそれぞれ通過する。センシングファイバ3aに音
波が印加されると、センシングファイバ3aの屈折率及
びファイバ長が変化する。一方、リファレンスファイバ
3bは、変化を受けないので、リファレンス光信号OP
2とセンシング光信号OP1との間に位相差の変動が生
じる。位相差の変動が生じたセンシング光信号OP1と
リファレンス光信号OP2とが干渉して、干渉光OP3
が出力される。
Next, the operation of the optical fiber sensor device shown in FIG. 2 will be described. Signal generator 1 generates a sine wave of the reference frequency signal of angular frequency omega 0. The light source 2 is current-driven based on the reference frequency signal, and has a modulation frequency ω 0 / 2π
Is output to the sensor unit 3.
In the sensor section 3, the optical signal OP is the sensing optical signal O
P1 and a reference optical signal OP2, and the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2
Pass through the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b, respectively. When a sound wave is applied to the sensing fiber 3a, the refractive index and the fiber length of the sensing fiber 3a change. On the other hand, since the reference fiber 3b is not changed, the reference optical signal OP
2 and the sensing light signal OP1 fluctuate in phase difference. The sensing light signal OP1 in which the phase difference fluctuates and the reference light signal OP2 interfere with each other, and the interference light OP3
Is output.

【0005】干渉光OP3は、O/E変換器4で電気変
換され、干渉出力Iとして出力される。干渉出力Iは、
次の(1)式に示すようになる。 I=A+Bcosθcos(Ccosω0 +φ(t)) =A+BJ0 (C)cosθcosφ(t) +Σ2BJk (C)cosθcos(φ(t)+kπ/2)coskω0 k=1 ・・・(1) 但し、A、B;入力光量に比例する定数 C;FM変調信号の最大周波数偏移及びセンシングファイバ3aと リファレンスファイバ3bとの間の光路差の関数となる位相変 調度 θ;センシング光とリファレンス光の偏光角 φ(t);音波信号 Jk (C);ベッセル関数(k=0,1,2,・・) 乗算器11aで干渉出力Iと、信号発生器1の角周波数
ω0 の正弦波信号とを乗算し、LPF11bを通すこと
により、次式(2)の第1次高調波成分が出力される。 BJ1 (C)cosθsinφ(t) ・・・(2) 乗算器12aで干渉出力Iと、同期信号発生器13で発
生した角周波数2ω0の正弦波信号とを乗算し、LPF
12bを通すことにより、次式(3)が出力される。 BJ2 (C)cosθcosφ(t) ・・・(3) 第1の微分器14,第2の微分器15で微分し、第1の
乗算器16,第2の乗算器17でクロス乗算すると、次
式(4),(5)が出力される。 B2 1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)sin 2 φ(t)cos 2 θ・・・(4) −B2 1 (C)J2 (C)( dφ(t)/dt)cos 2 φ(t)cos 2 θ・・・(5) 減算器18で減算することにより、次式(6)が出力さ
れる。 B2 1 (C)J2 (C)(dφ(t)/dt)cos2 θ・・・(6) 積分器19で積分することにより、次式(7)が出力さ
れ、音波信号φ(t)が復調される。 B2 1 (C)J2 (C)φ(t)cos2 θ ・・・(7)
[0005] The interference light OP3 is electrically converted by the O / E converter 4 and output as an interference output I. The interference output I is
The following equation (1) is obtained. I = A + Bcosθ cos (Ccosω 0 t + φ (t)) = A + BJ 0 (C) cosθcosφ (t) ∞ + Σ2BJ k (C) cosθcos (φ (t) + kπ / 2) coskω 0 t k = 1 ··· (1 A, B; constants proportional to the input light amount C: phase modulation θ which is a function of the maximum frequency shift of the FM modulation signal and the optical path difference between the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b θ: sensing light and reference Polarization angle of light φ (t); sound wave signal J k (C); Bessel function (k = 0, 1, 2,...) The interference output I of the multiplier 11 a and the angular frequency ω 0 of the signal generator 1 By multiplying by a sine wave signal and passing through the LPF 11b, a first harmonic component of the following equation (2) is output. BJ 1 (C) cos θ sin φ (t) (2) The multiplier 12 a multiplies the interference output I by the sine wave signal having an angular frequency of 2ω 0 generated by the synchronization signal generator 13, and performs LPF.
By passing through 12b, the following equation (3) is output. BJ 2 (C) cosθcosφ (t) (3) Differentiation by the first differentiator 14 and the second differentiator 15 and cross multiplication by the first multiplier 16 and the second multiplier 17 give The following equations (4) and (5) are output. B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / dt) sin 2 φ (t) cos 2 θ (4) −B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (T) / dt) cos 2 φ (t) cos 2 θ (5) By subtraction by the subtractor 18, the following equation (6) is output. B 2 J 1 (C) J 2 (C) (dφ (t) / dt) cos 2 θ (6) By integrating with the integrator 19, the following equation (7) is output, and the sound wave signal φ (T) is demodulated. B 2 J 1 (C) J 2 (C) φ (t) cos 2 θ (7)

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
位相変調器10においては、次のような課題があった。
例えば、分岐カプラでの光信号OPの分岐において、セ
ンシング光信号OP1とリファレンス光信号OP2の偏
光角θに変動があると、位相変調器10の出力は、式
(7)に示すようにcos2 θで変動することになる。
そのため、光ファイバセンサ3の感度劣化および変動と
なり問題であった。特に、光ファイバセンサをアレイ状
に並べた光ファイバセンサアレイのように、複数チャネ
ルの場合では、偏光角の変動はチャネル毎に異なるため
チャネル間の感度のばらつきとなる。本発明は前記従来
技術が持っていた課題として、センシング光とリファレ
ンス光の偏光角によって光ファイバセンサの感度が劣化
あるいは変動する、特に複数チャネルの場合には偏光角
の変動によりチャネル間の感度がばらつくという点につ
いて解決をした光ファイバセンサ用位相復調器を提供す
るものである。
However, the conventional phase modulator 10 has the following problems.
For example, when the polarization angle θ between the sensing light signal OP1 and the reference light signal OP2 varies in the branch of the optical signal OP by the branch coupler, the output of the phase modulator 10 becomes cos 2 as shown in Expression (7). θ.
Therefore, the sensitivity of the optical fiber sensor 3 is deteriorated and fluctuated, which is a problem. In particular, in the case of a plurality of channels, such as an optical fiber sensor array in which optical fiber sensors are arranged in an array, fluctuations in the polarization angle differ from channel to channel, resulting in variations in sensitivity between channels. The present invention has a problem that the sensitivity of the optical fiber sensor is deteriorated or fluctuated depending on the polarization angles of the sensing light and the reference light. An object of the present invention is to provide a phase demodulator for an optical fiber sensor which solves the problem of variation.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、前記課題
を解決するために、FM変調されたセンシング光とリフ
ァレンス光との光路差により生じた干渉光を検出する光
ファイバセンサに該干渉光を電気信号に変換するO/E
変換器を介して接続され、該電気信号から該センシング
光及びリファレンス光間の位相差を復調する光ファイバ
センサ用位相復調器において、次のような手段を講じて
いる。即ち、第1の発明の光ファイバセンサ用位相復調
器は、FM変調周波数を基本周波数として第1の参照信
号に基づき前記電気信号の第1の奇数次高調波成分を抽
出する第1の同期検波回路と、前記第1の参照信号とは
周波数の異なる第2の参照信号に基づき前記電気信号の
第1の偶数次高調波成分を抽出する第2の同期検波回路
と、前記第1及び第2の同期検波回路の出力を除算する
除算器と、前記除算器の除算結果中の前記第1の奇数次
高調波成分のベッセル関数と前記第1の偶数次高調波成
分のベッセル関数との比を補正する係数補正乗算器と、
前記係数補正乗算器の出力に対して逆正接演算を行い前
記位相差を求める逆正接演算回路とを、備えている。第
2の発明は、第1の発明の光ファイバセンサ用位相復調
器において、前記第1,第2の参照信号とは異なる周波
数の第3の参照信号に基づき、前記電気信号の前記第1
の奇数次高調波成分及び第1の偶数次高調波成分とは異
なる第2の奇数次高調波成分または第2の偶数次高調波
成分を抽出する第3の同期検波回路を備えている。そし
て、この光ファイバセンサ用位相復調器は、前記第1の
同期検波回路または第2の同期検波回路の出力と前記第
3の同期検波回路の出力の比を算出し、該比に基づき前
記ベッセル関数値の比を補正する補正係数を前記係数補
正乗算器に送出する補正係数発生手段とを、設けてい
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical fiber sensor for detecting interference light generated due to an optical path difference between FM-modulated sensing light and reference light. O / E that converts light into electrical signals
The following means is taken in a phase demodulator for an optical fiber sensor which is connected via a converter and demodulates a phase difference between the sensing light and the reference light from the electric signal. That is, the phase demodulator for an optical fiber sensor according to the first invention is a first synchronous detector for extracting a first odd harmonic component of the electric signal based on a first reference signal with an FM modulation frequency as a basic frequency. A second synchronous detection circuit for extracting a first even-order harmonic component of the electric signal based on a second reference signal having a different frequency from the first reference signal; and the first and second synchronous detection circuits. A divider that divides the output of the synchronous detection circuit, and a ratio between a Bessel function of the first odd-order harmonic component and a Bessel function of the first even-order harmonic component in the division result of the divider. A coefficient correction multiplier for correcting,
An arc tangent operation circuit for performing an arc tangent operation on the output of the coefficient correction multiplier to obtain the phase difference. According to a second aspect, in the phase demodulator for an optical fiber sensor according to the first aspect, based on a third reference signal having a different frequency from the first and second reference signals,
And a third synchronous detection circuit for extracting a second odd-order harmonic component or a second even-order harmonic component different from the odd-order harmonic component and the first even-order harmonic component. The phase demodulator for an optical fiber sensor calculates a ratio between the output of the first synchronous detection circuit or the second synchronous detection circuit and the output of the third synchronous detection circuit, and calculates the vessel Correction coefficient generating means for sending a correction coefficient for correcting the ratio of the function values to the coefficient correction multiplier.

【0008】第3の発明は、第1または第2の発明の光
ファイバセンサ用位相復調器における前記各第1、第2
及び第3の同期検波回路は、前記各第1、第2または第
3の参照信号と前記電気信号とを乗算する乗算器と、該
乗算器の出力から前記電気信号の奇数次高調波成分また
は偶数次高調波成分を抽出するフィルタとで構成してい
る。
A third invention provides the phase demodulator for an optical fiber sensor according to the first or second invention.
And a third synchronous detection circuit, a multiplier for multiplying each of the first, second, or third reference signals by the electric signal; and an odd harmonic component of the electric signal from an output of the multiplier. And a filter for extracting even-order harmonic components.

【0009】[0009]

【作用】第1の発明によれば、以上のように光ファイバ
センサ用位相復調器を構成したので、第1の同期検波回
路は、所定の周波数の第1の参照信号に基づき干渉光に
応じた電気信号の第1の奇数次高調波成分を抽出し、第
2の同期検波回路は、第2の参照信号に基づき第1の偶
数次高調波成分を抽出する。除算器は、第1及び第2の
同期検波回路の出力を除算し、係数補正乗算器が、その
除算器の除算結果中の前記第1の奇数次高調波成分のベ
ッセル関数と前記第1の偶数次高調波成分のベッセル関
数との比を補正する。逆正接演算回路は、係数補正乗算
器の出力に対して逆正接演算を行う。第2の発明によれ
ば、第1の発明の光ファイバセンサ用位相復調器におい
て、第1,第2の参照信号とは異なる周波数の第3の参
照信号に基づき、前記電気信号の第1の奇数次高調波成
分及び第1の偶数次高調波成分とは異なる第2の奇数次
高調波成分または第2の偶数次高調波成分を抽出する第
3の同期検波回路を備えている。そして、補正係数発生
手段は、第1の同期検波回路または第2の同期検波回路
の出力と第3の同期検波回路の出力の比を算出し、この
比に基づき前記ベッセル関数値の比を補正する補正係数
を前記係数補正乗算器に送出する。第3の発明によれ
ば、第1または第2の発明の光ファイバセンサ用位相復
調器における前記各第1、第2及び第3の同期検波回路
中の各乗算器は、各第1、第2または第3の参照信号と
前記電気信号とを乗算し、フィルタは、各該乗算器の出
力から搬送波を除去した奇数次高調波成分または偶数次
高調波成分を抽出する。従って、前記課題を解決できる
のである。
According to the first aspect of the present invention, since the phase demodulator for an optical fiber sensor is configured as described above, the first synchronous detection circuit responds to the interference light based on the first reference signal having a predetermined frequency. The first odd-order harmonic component of the received electric signal is extracted, and the second synchronous detection circuit extracts the first even-order harmonic component based on the second reference signal. A divider divides outputs of the first and second synchronous detection circuits, and a coefficient correction multiplier generates a Bessel function of the first odd-order harmonic component in the division result of the divider and the first and second odd-order harmonic components. The ratio of the even-order harmonic component to the Bessel function is corrected. The arc tangent operation circuit performs an arc tangent operation on the output of the coefficient correction multiplier. According to a second aspect, in the phase demodulator for an optical fiber sensor according to the first aspect, based on the third reference signal having a frequency different from that of the first and second reference signals, There is provided a third synchronous detection circuit for extracting a second odd-order harmonic component or a second even-order harmonic component different from the odd-order harmonic component and the first even-order harmonic component. The correction coefficient generation means calculates a ratio between the output of the first synchronous detection circuit or the second synchronous detection circuit and the output of the third synchronous detection circuit, and corrects the ratio of the Bessel function value based on the ratio. The correction coefficient to be transmitted to the coefficient correction multiplier. According to the third invention, in the phase demodulator for an optical fiber sensor according to the first or second invention, each of the multipliers in each of the first, second and third synchronous detection circuits comprises a first and a second one. The second or third reference signal is multiplied by the electric signal, and the filter extracts an odd-order harmonic component or an even-order harmonic component from which the carrier is removed from the output of each of the multipliers. Therefore, the above problem can be solved.

【0010】[0010]

【実施例】図1は、本発明の実施例の光ファイバセンサ
用位相復調器を示す構成ブロック図である。図1に示さ
れた位相復調器は、例えば、従来の図2と同様にFM変
調された光信号を用いて音波等の外部からの情報を検出
する光ファイバセンサに接続され、入力された干渉信号
から高調波成分を抽出し、その光ファイバセンサにおけ
る光路長の変動による位相差を、求める復調器である。
この光ファイバセンサ用位相復調器は、図2におけるO
/Eの変換器4を介して電気信号Iを入力し、第1の参
照信号に基づいて電気信号Iの第1の奇数次高調波成分
を抽出する第1の同期検波回路20と、電気信号Iを入
力し、第2の参照信号に基づいて電気信号Iの第1の偶
数次高調波成分を抽出する第2の同期検波回路30と、
第3の参照信号に基づいて電気信号Iの第2の奇数次高
調波成分を抽出する第3の同期検波回路40とを、備え
ている。また、この位相復調器は、第1,第2の同期検
波回路20,30の抽出結果を除算する除算器50と、
除算器50の出力に対して係数を乗じて補正する係数補
正乗算器60と、この係数補正乗算器60の出力に対し
て逆正接演算を実施する逆正接演算回路(以下、ATA
Nという)70とを、設けている。一方、第1及び第3
の同期検波回路20,40の出力は、その同期検波回路
20,40から係数補正乗算器60に対する補正係数を
求める補正係数発生器80に接続されている。補正係数
発生器80は、予め計算された補正係数の格納された換
算テーブルを有している。各同期検波回路20,30,
40は、所定の周波数ω0 ,2ω0 ,3ω0 の参照信号
と電気信号Iを乗算する乗算器21,31,41をそれ
ぞれ有し、各乗算器21,31,41の出力は、電気信
号Iに対する各高調波成分抽出用のLPF22,32,
42にそれぞれ接続されている。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a phase demodulator for an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention. The phase demodulator shown in FIG. 1 is connected to an optical fiber sensor that detects external information such as a sound wave using an optical signal that is FM-modulated as in the conventional FIG. The demodulator extracts a harmonic component from a signal and obtains a phase difference due to a change in an optical path length in the optical fiber sensor.
This phase demodulator for an optical fiber sensor is the same as that shown in FIG.
A first synchronous detection circuit 20 for inputting the electric signal I via the / E converter 4 and extracting a first odd harmonic component of the electric signal I based on the first reference signal; I, and a second synchronous detection circuit 30 for extracting a first even harmonic component of the electric signal I based on the second reference signal;
A third synchronous detection circuit for extracting a second odd-order harmonic component of the electric signal based on the third reference signal; The phase demodulator includes a divider 50 that divides an extraction result of the first and second synchronous detection circuits 20 and 30;
A coefficient correction multiplier 60 for multiplying the output of the divider 50 by a coefficient to correct the output, and an arc tangent operation circuit (hereinafter ATA) for performing an arc tangent operation on the output of the coefficient correction multiplier 60
N) 70 are provided. On the other hand, the first and third
The outputs of the synchronous detection circuits 20 and 40 are connected to a correction coefficient generator 80 for obtaining a correction coefficient for the coefficient correction multiplier 60 from the synchronous detection circuits 20 and 40. The correction coefficient generator 80 has a conversion table in which correction coefficients calculated in advance are stored. Each synchronous detection circuit 20, 30,
40 includes multipliers 21, 31, and 41 for multiplying the reference signals of predetermined frequencies ω 0 , 2ω 0 , and 3ω 0 by the electric signal I, respectively. The output of each of the multipliers 21, 31, 41 is an electric signal. LPFs 22, 32 for extracting each harmonic component with respect to I,
42 respectively.

【0011】次に、図1の光ファイバセンサ用位相復調
器の動作について説明する。従来の図2の光ファイバセ
ンサで干渉光OP3として検出された音波は、O/E
変換器4で電気信号の干渉出力Iに変換されて図1の位
相復調器に入力される。干渉出力Iは、センシングファ
イバ3a及びリファレンスファイバ3bでの偏光角θを
考慮すると(8)式となる。 I=A+Bcosθcos(Ccosω0 +φ(t)) ……(8) 干渉出力Iは、同期検波器20内の乗算器21及びLP
F22を介して第1次高調波成分が抽出され、次式
(9)となって出力される。 BJ1 (C)cosθsinφ(t) ・・・(9) 同様に、同期検波器30では、干渉出力Iは、乗算器3
1及びLPF32を介して第2次高調波成分が同期検波
で抽出され、次式(10)となって出力される。 BJ2 (C)cosθcosφ(t) ・・・(10) (9)(10)式の形で抽出された干渉出力Iの高調波
成分対は、除算器50で除算される。除算の結果は、
(11)式となる。 J1 (C)/J2 (C)tanφ(t) ・・・(11) 一方、干渉出力Iは、乗算器41で周波数3ω0 の参照
信号と乗算された後、LPF42を通過する。これによ
り、干渉出力Iから(12)式の第3次高調波成分が抽
出される。 BJ3 (C)cosθsinφ(t) ・・・(12) 補正係数発生器80は、(9)式及び(12)式で表さ
れる第1次及び第3次高調波成分を入力して除算し、除
算の結果、(13)式で示される比が求められる。 J1 (C)/J3 (C) ・・・(13) 補正係数発生器80は、(13)式から換算テーブル等
を用いて(14)式の推定値である(15)式を発生し
て係数補正乗算器60に送出する。 J2 (C)/J1 (C) ・・・(14) J2 )/J1 ) ・・・(15) 係数補正乗算器60は、(11)式の入力信号に対して
(15)式の値を乗算する。ここで、(14)式と(1
5)式の値は、ほぼ等しいので、係数補正乗算器60の
出力は、(16)式となる。 tanφ(t) ・・・(16) ATAN70は、(16)式の値に対して逆正接演算を
実施し、位相成分φ(t)が求められる。
Next, the operation of the optical fiber sensor phase demodulator of FIG. 1 will be described. The sound wave detected as the interference light OP3 by the conventional optical fiber sensor 3 of FIG.
The electric signal is converted into an interference output I of the electric signal by the converter 4 and input to the phase demodulator of FIG. The interference output I is given by the following equation (8) in consideration of the polarization angle θ in the sensing fiber 3a and the reference fiber 3b. I = A + Bcosθ cos (Ccosω 0 t + φ (t)) (8) The interference output I is obtained by the multiplier 21 and the LP in the synchronous detector 20.
The first harmonic component is extracted via F22 and output as the following equation (9). BJ 1 (C) cos θ sin φ (t) (9) Similarly, in the synchronous detector 30, the interference output I is
1 and the LPF 32, the second harmonic component is extracted by synchronous detection, and is output as the following equation (10). BJ 2 (C) cos θ cos φ (t) (10) The harmonic component pair of the interference output I extracted in the form of the equations (9) and (10) is divided by the divider 50. The result of the division is
Equation (11) is obtained. J 1 (C) / J 2 (C) tanφ (t) ··· (11) On the other hand, interference output I, after being multiplied by a reference signal of frequency 3 [omega] 0 in the multiplier 41, passes through the LPF 42. As a result, the third harmonic component of the equation (12) is extracted from the interference output I. BJ 3 (C) cos θ sin φ (t) (12) The correction coefficient generator 80 inputs and divides the first and third harmonic components expressed by the equations (9) and (12). Then, as a result of the division, the ratio represented by the equation (13) is obtained. J 1 (C) / J 3 (C) (13) The correction coefficient generator 80 generates the equation (15) which is the estimated value of the equation (14) from the equation (13) using a conversion table or the like. Is sent to the coefficient correction multiplier 60. J 2 (C) / J 1 (C) (14) J 2 ( C ) / J 1 ( C ) (15) The coefficient correction multiplier 60 converts the input signal of the equation (11). And multiply by the value of equation (15). Here, equation (14) and (1)
Since the values of the expression (5) are substantially equal, the output of the coefficient correction multiplier 60 is the expression (16). tan φ (t) (16) The ATAN 70 performs an arc tangent operation on the value of the expression (16) to obtain a phase component φ (t).

【0012】以上のように本実施例は、センシング光信
号OP1及びリファレンス光信号OP2間の偏光角θに
変動があっても、その偏光の変動係数を相殺する処理を
実施しているので、最終の位相成分抽出結果が安定す
る。そのため、光ファイバセンサとしての感度劣化・変
動、及び多重化センサアレイに対するチャネル間の感度
ばらつきを抑制できる。なお、本発明は、上記実施例に
限定されず種々の変形が可能である。その変形例として
は、例えば次のようなものがある。 (1) 除算器50に入力される高調波成分は、第1次
及び第2次高調波成分としているが、これに限定され
ず、例えば、第3次及び第4次高調波成分等を用いても
よい。 (2) 補正係数発生器80における補正係数を算出す
るために、第1次高調波成分と第3次高調波成分が用い
られているが、第2次高調波成分と第4次高調波成分と
を用いて(16)式の推定値を求めてもよい。
As described above, in the present embodiment, even if the polarization angle θ between the sensing optical signal OP1 and the reference optical signal OP2 varies, the process for canceling the variation coefficient of the polarization is performed. Is stable. Therefore, it is possible to suppress the sensitivity deterioration and fluctuation as the optical fiber sensor and the sensitivity variation between channels for the multiplexed sensor array. The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, there are the following modifications. (1) The harmonic components input to the divider 50 are the first and second harmonic components, but are not limited thereto. For example, the third and fourth harmonic components may be used. You may. (2) The first harmonic component and the third harmonic component are used to calculate the correction coefficient in the correction coefficient generator 80, but the second harmonic component and the fourth harmonic component are used. The estimated value of the expression (16) may be obtained using

【0013】[0013]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1の発明
によれば、偏光角の成分を含んだ第1及び第2の同期検
波回路の出力に対して除算器を用いて偏光角成分を除去
している。また、除算器の出力中のベッセル関数の比を
補正する係数補正乗算器を設けている。この結果、偏光
角θの変動をキャンセルして光ファイバセンサの干渉光
の位相成分を検出できる。そのため、光ファイバセンサ
としての感度劣化・変動、及びセンサアレイに対するチ
ャネル間の感度ばらつきを抑制でき、多重化数の多い光
ファイバセンサアレイ装置を構築できる。第2の発明に
よれば、第3の参照信号に基づき第2の奇数次高調波成
分または第2の偶数次高調波成分を抽出する第3の同期
検波回路と、第1の同期検波回路または第2の同期検波
回路の出力及び第3の同期検波回路の出力の比を算出
し、補正係数を係数補正乗算器に送出する補正係数発生
手段とを、設けいている。そのため、偏光角θの変動に
対応した補正の可能な第1の発明の光ファイバセンサ用
位相復調器を実現できる。第3の発明によれば、各第
1、第2及び第3の同期検波回路は、乗算器とフィルタ
とで構成されるので、集積化が可能な素子で第1,第2
の発明の光ファイバセンサ用位相復調器を実現できる。
As described above in detail, according to the first aspect, the output of the first and second synchronous detection circuits including the polarization angle component is subjected to the polarization angle component using the divider. Has been removed. Further, a coefficient correction multiplier for correcting the ratio of the Bessel function in the output of the divider is provided. As a result, the phase component of the interference light of the optical fiber sensor can be detected by canceling the change in the polarization angle θ. Therefore, it is possible to suppress the sensitivity deterioration and fluctuation as the optical fiber sensor and the sensitivity variation between channels with respect to the sensor array, and it is possible to construct an optical fiber sensor array device having a large number of multiplexing. According to the second invention, the third synchronous detection circuit for extracting the second odd-order harmonic component or the second even-order harmonic component based on the third reference signal, and the first synchronous detection circuit or And a correction coefficient generating means for calculating a ratio between the output of the second synchronous detection circuit and the output of the third synchronous detection circuit and sending the correction coefficient to a coefficient correction multiplier. Therefore, it is possible to realize the phase demodulator for an optical fiber sensor according to the first aspect of the present invention, which can perform correction corresponding to the change in the polarization angle θ. According to the third aspect, each of the first, second and third synchronous detection circuits is composed of a multiplier and a filter.
The phase demodulator for an optical fiber sensor according to the present invention can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例の光ファイバセンサ用位相復調
器を示す構成ブロック図である。
FIG. 1 is a configuration block diagram showing a phase demodulator for an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来の位相復調器を用いた光ファイバセンサ装
置を示す構成ブロック図である。
FIG. 2 is a configuration block diagram showing an optical fiber sensor device using a conventional phase demodulator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 信号発生器 2 光源 3 センサ部 4 O/E変換器 10 位相復調器 11,12,20,30,40 同期検波回路 11a,12a,21,31,41 乗算器 11b,12b,22,32,42 LPF 50 除算器 60 係数補正乗算器 70 ATAN 80 補正係数発生器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Signal generator 2 Light source 3 Sensor part 4 O / E converter 10 Phase demodulator 11, 12, 20, 30, 40 Synchronous detection circuit 11a, 12a, 21, 31, 41 Multiplier 11b, 12b, 22, 32, 42 LPF 50 Divider 60 Coefficient correction multiplier 70 ATAN 80 Correction coefficient generator

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 周波数変調されたセンシング光とリファ
レンス光との光路差により生じた干渉光を検出する光フ
ァイバセンサに該干渉光を電気信号に変換する光電変換
器を介して接続され、該電気信号から該センシング光及
びリファレンス光間の位相差を復調する光ファイバセン
サ用位相復調器において、前記 周波数変調の変調周波数を基本周波数として第1の
参照信号に基づき前記電気信号の第1の奇数次高調波成
分を抽出する第1の同期検波回路と、 前記第1の参照信号とは周波数の異なる第2の参照信号
に基づき前記電気信号の第1の偶数次高調波成分を抽出
する第2の同期検波回路と、 前記第1及び第2の同期検波回路の出力を除算する除算
器と、 前記除算器の除算結果中の前記第1の奇数次高調波成分
のベッセル関数と前記第1の偶数次高調波成分のベッセ
ル関数との比を補正する係数補正乗算器と、 前記係数補正乗算器の出力に対して逆正接演算を行い前
記位相差を求める逆正接演算回路とを、 備えたことを特徴とする光ファイバセンサ用位相復調
器。
An optical fiber sensor for detecting interference light generated by an optical path difference between the frequency-modulated sensing light and the reference light via a photoelectric converter for converting the interference light into an electric signal; in phase demodulator for optical fiber sensor for demodulating the phase difference between said sensing light and the reference light from the signal, the first odd-order the electrical signal based on the first reference signal to the modulation frequency of the frequency modulation as the fundamental frequency A first synchronous detection circuit for extracting a harmonic component, and a second synchronous signal for extracting a first even-order harmonic component of the electric signal based on a second reference signal having a different frequency from the first reference signal. A synchronous detection circuit; a divider that divides the outputs of the first and second synchronous detection circuits; a Bessel function of the first odd-order harmonic component in a division result of the divider; A coefficient correction multiplier that corrects the ratio of the even-order harmonic component to the Bessel function, and an arc tangent operation circuit that performs an arc tangent operation on an output of the coefficient correction multiplier to obtain the phase difference. A phase demodulator for an optical fiber sensor.
【請求項2】 前記第1,第2の参照信号とは異なる周
波数の第3の参照信号に基づき、前記電気信号の前記第
1の奇数次高調波成分及び第1の偶数次高調波成分とは
異なる第2の奇数次高調波成分または第2の偶数次高調
波成分を抽出する第3の同期検波回路と、 前記第1の同期検波回路または第2の同期検波回路の出
力と前記第3の同期検波回路の出力の比を算出し、該比
に基づき前記ベッセル関数値の比を補正する補正係数を
前記係数補正乗算器に送出する補正係数発生手段とを、 設けたことを特徴とする請求項1記載の光ファイバセン
サ用位相復調器。
2. The first odd-order harmonic component and the first even-order harmonic component of the electric signal based on a third reference signal having a different frequency from the first and second reference signals. A third synchronous detection circuit for extracting a different second odd-order harmonic component or a second even-order harmonic component; an output of the first synchronous detection circuit or the second synchronous detection circuit; And a correction coefficient generating means for calculating a ratio of the outputs of the synchronous detection circuit and transmitting a correction coefficient for correcting the ratio of the Bessel function values to the coefficient correction multiplier based on the ratio. The phase demodulator for an optical fiber sensor according to claim 1.
【請求項3】 前記各第1、第2及び第3の同期検波回
路は、前記各第1、第2または第3の参照信号と前記電
気信号とを乗算する乗算器と、該乗算器の出力から前記
電気信号の奇数次高調波成分または偶数次高調波成分を
抽出するフィルタとを、備えたことを特徴とする請求項
1または2記載の光ファイバセンサ用位相復調器。
3. The first, second, and third synchronous detection circuits each include a multiplier for multiplying each of the first, second, or third reference signals by the electric signal; 3. The phase demodulator for an optical fiber sensor according to claim 1, further comprising: a filter for extracting an odd harmonic component or an even harmonic component of the electric signal from an output.
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