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JP7632664B2 - 光ファイバセンシング装置及び方法 - Google Patents
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Description

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E(t)、i番目(i=1~N)のセンサ部の透過光の複素電界振幅をE(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<I(t)>は次式で表される。
Figure 0007632664000001
ここでτ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τ、Δθとすると、E(t)及び<I(t)>は次式のように記述できる。
Figure 0007632664000002
Figure 0007632664000003
ここでa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E(t)の自己相関関数であり、次式で定義される。
Figure 0007632664000004
ここで添字*は複素共役である。
とり得るτの値に対してE(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 0007632664000005
式(3)に式(5)を代入すると、τ>0の領域では<I(t)>は次式のようになる。
Figure 0007632664000006
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<I(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Δθ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。Δθは、j番目のセンサ部における温度変化ΔTと歪み変化Δεに対して次式の関係にある。
Figure 0007632664000007
ここでC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C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Rを算出し、
前記相互相関R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Rを算出し、
前記相互相関R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 0007632664000008
ここで、E(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、E(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 0007632664000009
ここで、τはi番目のセンサ部における伝搬遅延時間であり、Δθはi番目のセンサ部における光位相変化であり、a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(a<<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 0007632664000010
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τをτ=Mτref(Mは自然数)となるように設計すると、θ(t)-θ(t-Mτref)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、M=1の場合の位相X(t)、及びMの場合の位相XMj(t)を次式のように定義する。
Figure 0007632664000011
Figure 0007632664000012
Mj(t)は、X(t)を用いて次式により算出することができる。
Figure 0007632664000013
図1はM>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M個のX(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 0007632664000014
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 0007632664000015
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 0007632664000016
式(16)を式(15)に代入すると、RMjは次式のようになる。
Figure 0007632664000017
したがって、τ=Mτrefを満たすM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τ=Mτrefを満たすM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τ~τ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(M≠M(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X(t)を算出する。X(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 0007632664000018
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 0007632664000019
次に位相連結ステップS13では、X(t)を用いて式(13)によりXMj(t)を求める。ここでM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τとしてτ=Mτref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(M≠M(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Rを算出し、
    前記相互相関R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X(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M倍の場合、M個のX(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R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Rを算出し、
    前記相互相関R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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