【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流信号を検出する光ファイバセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、直流信号を検出する光ファイバセンサとして次に示すものがある。 M. Corke， AD Ker
sey， DA Jackson，JDC Jones，"All-Fiber 'M
ichelson' Thermometer"，Electronics Letters， vol.
19. No. 13，pp 471-472，1983。 以下に、この文献に紹介された技術を簡単に説明する。 レーザ光源から出力される鋸歯状波で周波数変調された光を干渉計に通す。
干渉計のセンシングアームには熱膨張の大きい材料をコーティングしたプローブを用い、干渉計の光路差が温度により変化する構成とする。 干渉計からの出力光をO/E
変換器（フォトダイオード）で電気信号に変換して得られるサブキャリア（光ビートとも言う）の周波数は干渉計の光路差に比例しているため、サブキャリアの周期を測定してプローブの温度を検出する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記の構造では、以下のような問題が生じてしまう。 1.位相が不安定なサブキャリアの周期を測定するため、
複雑な処理が必要となる。 2.処理分解能を高くするには高周波かつ高精度のクロックが必要とされ、処理分解能を高くすることが難しい。 3.測定環境の圧力が大きく変化する場合、測定対象の温度だけでなく圧力でも光路差が変化するため測定誤差が生じてしまう。 4.大きな振動が加わったときにサブキャリアの位相が高速でシフトするため測定誤差が生じる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために、本願発明の光ファイバセンサは、変調波を発生する変調波発生器と、変調波発生器で発生した変調波によって周波数変調された光を出力する光源と、光源から出力される周波数変調された光が入射する干渉計であって、光路差に応じて干渉光を出力する干渉計と、干渉計の光路差に応じて出力された干渉光からサブキャリアを抽出するサブキャリア抽出手段と、サブキャリア抽出手段で抽出されたサブキャリアを自乗する自乗器と、自乗器で自乗されたサブキャリアの周波数を測定するサブキャリア周波数測定器と、を備える。

【０００５】

【発明の実施の形態】《具体例１》 ＜構成＞図１は本発明による具体例１の光ファイバセンサの構成図である。 変調波発生器１１の出力が光源１２
に入力し、光源１２の出力は光カプラ１３に入力し、２
つに分割された光の一方は干渉計１８、もう一方はO/E
変換器１４ｂに入力する。 干渉計１８に入力した光は光カプラ２で分割され、それぞれセンシングアームとリファレンスアームを通過し、ミラーで反射し、再度センシングアームとリファレンスアームを通過し光カプラ２で干渉した後、O/E変換器１４ａに入力する。 O/E変換器１４ａおよびO/E変換器１４ｂの出力は除算器１５に入力し、除算器１５の出力は自乗器１６−１に入力し、自乗器１６−１の出力は自乗器１６−２に入力し、をｎ回繰り返して最終段の自乗器１６−ｎの出力は周波数測定器１７に入力する。 周波数測定器１７には、変調波発生器１１からのタイミング信号が入力される。

【０００６】＜動作＞変調波発生器１１から出力する変調波は光源１２に入力する。 変調波発生器１１で生成する変調波は干渉計１８の光路差が一定の状態でサブキャリアの周波数が一定になる関数とする。 本具体例では、
変調波として鋸歯状波を用いる。

【０００７】光源１２では入力された変調波で周波数変調された光を出力する。 光源１２の出力光を光ファイバを通して光カプラ１３に入力し、２つに分割された光の一方は干渉計１８、もう一方はO/E変換器１４ｂに出力する。 干渉計１８に入力した光は光カプラ２で分割され、それぞれセンシングアームとリファレンスアームを通過し、ミラーで反射し、再度センシングアームとリファレンスアームを通過し光カプラ２で干渉した後、O/E
変換器１４ａで電気信号に変換される。 この時、O/E変換した出力Ｖ _STDは、周波数変調が連続的な範囲内では
(1)式で表される。 光源１２の特性で周波数変調と同時に強度も変調されるため、O/E変換器１４ａの出力波形はサブキャリア成分と光源１２での強度変調成分Ｉ(t)
との積となる。 Ｖ _STD ＝ Ｉ(t)・｛ａ＋ｂ・ｃｏｓ［２π（ｆs＋ｆd(t)）＋θ(t)］｝ ・・・( 1) ここで、tは時間、πは円周率、I(t)は光源１２の特性で、周波数変調と同時に起こる強度変調の変調度を表す関数、aは干渉計１８に一定強度の光が入力したときにO
/E変換器１４ａから出力される直流成分、bはサブキャリア成分の振幅、fSは直線的な周波数変調が成されたときに得られるサブキャリア周波数、fd(t)は光源１２で起こる周波数変調の歪みで、光ファイバ内での光速の周波数依存性などで発生するサブキャリア周波数の変化分を表す関数、θ(t)はサブキャリア成分の位相で、干渉計１８における光路差の微小な変化で変動する量である。 本具体例ではfd(t)が零となるように光源１２に入力する変調波を変形してあるためO/E変換器１４ａの出力Ｖ _O/E1は(2) 式で表される。 Ｖ _O/E1 ＝ Ｉ(t)・｛ａ＋ｂ・ｃｏｓ［２πｆs＋θ(t)］｝ ・・・(2) O/E変換器１４ｂの出力Ｖ _O/E2は光源１２での強度変調成分Ｉ(t)に比例し、(3)式で表される。 O/E変換器１４
ｂの出力波形は光源１２での強度変調成分となる。 Ｖ _O/E2 ＝ｋ・ Ｉ(t) ・・・(3) ここでｋは定数である。 O/E変換器１４ａの出力Ｖ _O/E1
およびO/E変換器１４ｂの出力Ｖ _O/E2が入力される除算器１５は、O/E変換器１４ａの出力Ｖ _O/E1をO/E変換器１
４ｂの出力Ｖ _O/E2で除算し、さらに干渉出力波形の直流成分の除去も行い、(4)式で表されるサブキャリア成分Ｖ ₀だけを自乗器１６−１に出力する。 Ｖ ₀ ＝ Ａ・ｃｏｓ［２πｆs＋θ(t)］ ・・・(4) ここでAは定数である。 直流成分が除かれてサブキャリア成分のみが入力される自乗器１６−１はサブキャリア成分を自乗することにより周波数が２倍になったサブキャリア成分Ｖ ₁を出力する。 自乗器１６−２はサブキャリア成分Ｖ ₁を自乗してさらに周波数が２倍になったサブキャリア成分Ｖ ₂を出力する。 最終段の自乗器１６−
ｎの出力は周波数測定器１７に入力する。 n回の自乗処理と直流成分の除去が成された自乗器１６−ｎから出力されるサブキャリア成分Ｖ _nは(5) 式で表され、 サブキャリア成分Ｖ ₀の周波数fSが２ ⁿ倍された出力が得られる。 Ｖ _n ＝ Ａ・（１／２） ⁿ・ｃｏｓ［２π２ ⁿ ｆ0＋２ ⁿ θ(t)］ ・・・(5) 自乗器の数ｎは周波数測定に必要なS/N比が確保できる範囲内で設定する。 周波数測定器１７は、変調波発生器１１からのタイミング信号を受けて、サブキャリアが連続的に変化する変調波１周期の間に最終段の自乗器１６
−ｎの出力である２ ⁿ倍されたサブキャリア周波数２ ⁿ fS
を零クロスカウント法やフーリエ変換法などの手段を用いて測定し、プローブの温度を検出する。 プローブの長さは加わる温度により変化するため、干渉計１８の光路差も温度により変化する。 測定した周波数からプローブの温度を求める方法は公知の方法により行う。

【０００８】本具体例では変調波発生器１１から光源１
２に送る変調波を、鋸歯状波を光源１２の特性に合わせて変形した波形とする例で説明したが、三角波など波形の一部が傾斜を持った直線となる他の形の波形を光源１
２の特性に合わせて変形した波形とすることもできる。
また、具周波数測定器１７では変調波発生器１１からのタイミング信号を受けてサブキャリアが連続して発生している時間内に測定する例を示したが、変調波の不連続点で発生する測定誤差が無視できる場合はタイミング信号は不要になる。

【０００９】干渉計は、マイケルソン型干渉計を用いる例で説明したが、マッハツェンダ型干渉計を構成して光路差を測定する構成、ファブリペロー型干渉計を構成して複数の反射点の間隔を測定する構成など、他の型の干渉計を用いることもできる。 光源１２からO/E変換器の間の光を光ファイバで伝搬させ、光カプラで分割する例で説明したが、空中を伝搬させハーフミラーで分割し、
プローブにミラーを取り付けるバルク干渉計を用いてを構成することもできる。

【００１０】＜効果＞本具体例によれば、サブキャリア周波数を２ ⁿ倍にしたため、高い分解能が得られる。 自乗器の数を多くすることによって高い分解能を得ることができるが、サブキャリアの振幅が変化する場合、自乗を繰り返すと振幅変化幅が助長されるためにサブキャリアのスペクトルの広がりなどの現象が起こりS/N比が低下してしまう。 よって自乗器の数が制約されてしまう。
本具体例ではサブキャリアの振幅を一定にしたことにより自乗器の数ｎを多くでき、よって分解能が高くなる。

【００１１】変調の直線性が悪い光源を用いた場合においても、変調波を変形させることで光路差が一定の場合にサブキャリア周波数も一定になるようにしたことにより、サブキャリアのスペクトルの広がりを防ぐことができ、サブキャリア周波数の変動とフィルタなどの周波数特性の偏差により発生するサブキャリアの振幅変化を防ぐことができる。 よってサブキャリアのスペクトルが尖鋭になり、自乗器の数を多くできるので分解能が高くなる。

【００１２】また、周期ではなく周波数を測定することにより、零クロスカウント法などの周波数測定手段を用いた単純な構成を使用することができる。

【００１３】《具体例２》 ＜構成＞図２は本発明による具体例２の光ファイバセンサの構成図である。 具体例１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。 O/E変換器１４の出力はＢＰＦ
（Band Pass Filter：帯域通過フィルタ）２１に入力し、 ＢＰＦ２１の出力は振幅変動補償器２２に入力される。 振幅変動補償器２２の出力は自乗器１６とＨＰＦ
（High Pass Filter：高域通過フィルタ）２３を交互にｎ回通過する構成とする。 最終段のＨＰＦ２３−ｎの出力は周波数測定器１７に入力する。

【００１４】ＢＰＦ２１の低域遮断周波数fLと高域遮断周波数fH、m番目（ｍ=1〜ｎ）のＨＰＦ２３の遮断周波数fmは次の条件を満たす設定とする。 ｆL ≦ ｆSL ・・・(6) ｆSH ≦ ｆH ・・・(7) ｆH−ｆSL ≦ｆm ・・・(8) ｆSH−ｆL ≦ｆm ・・・(9) ｆm ≦ ２ ^m ｆSL ・・・(10) ここで、fSLとfSHは測定する温度範囲内で発生するサブキャリア周波数の下限と上限である。 自乗器とＨＰＦ２
３の数ｎは周波数測定に必要なS/N比が確保できる範囲で設定する。

【００１５】＜動作＞具体例１と同様に光源１２から出力された光は、分割せずに干渉計１８に入力した後に光カプラ２で分割され、具体例１と同様に干渉計１８を通過した後O/E変換器１４で電気信号に変換される。 電気信号が入力されるＢＰＦ２１では、使用帯域（低域遮断周波数fL以上かつ高域遮断周波数fH以下）外の周波数成分を雑音成分として除去して出力する。 振幅変動補償器２２は入力波形の振幅を一定にして出力する機能を持ち、光源１２の特性で周波数変調と同時に発生する強度変調、伝送損失の変動などで発生するＢＰＦ２１の出力での振幅変動を除去し(4)式で表される波形を出力する。

【００１６】ＢＰＦ２１で帯域外雑音成分が除去された自乗器１６−１の入力スペクトル、自乗器１６−１の出力スペクトル、ＨＰＦ２３−１の出力スペクトルおよびＨＰＦ２３−ｎの出力スペクトルを図３（ａ)〜（ｄ）
に示す。 図３（ａ） に示す自乗器１６−１の入力スペクトルは、周波数fSのサブキャリア成分とＢＰＦ２１を通過したfL〜fHの雑音成分の和となる。 図３（ｂ） に示す自乗器１６−１の出力スペクトルは、入力スペクトル２つの畳み込み積分で表され、周波数が２倍の2fSになったサブキャリア成分、fS+fL〜fS+fHの雑音成分、fH
-fS（fH-fS<fＳ-fLの場合はfＳ-fLとなる）以下の雑音成分と直流成分の和となる。 ＢＰＦ２１でfHより高い周波数帯の雑音とfLより低い周波数帯の雑音が除去されているため、自乗により高い周波数からシフトして使用帯域に漏れ込む雑音成分および低い周波数からシフトして使用帯域に漏れ込む雑音成分は現れなくなる。 ＨＰＦ２
３−1は使用帯域外であるfH-fS（fH-fS<fＳ-fLの場合は
fＳ-fLとなる）以下の雑音成分と直流成分を除去する。
従って図３（ｃ） に示すＨＰＦ２３−1の出力スペクトルは自乗器１６−１入力のスペクトルがfＳだけ高い周波数にシフトし、サブキャリアの振幅が1/2になった形になる。 自乗器１６−ｎとＨＰＦ２３−ｎを交互に通過し、図３（ｄ） に示す最終段のＨＰＦ２３−ｎから出力されるスペクトルは自乗器１６−１の入力スペクトルが（2n-1）fＳだけ高い周波数にシフトし、サブキャリアの振幅が1/2ｎになった形になる。 周波数測定器１７
では周波数が２n倍されたサブキャリアの周波数２nfSを測定することによりプローブの温度を検出する。

【００１７】本具体例ではＢＰＦ２１の出力を振幅変動補償器２２の入力に接続する例で示したが、順番を逆にすることもできる。 また、帯域外の雑音の漏れ込みが零となる遮断周波数設定例を示したが所要分解能が高くない場合には多少の漏れ込みを許す設定にしても動作する。

【００１８】また、サブキャリアの振幅を一定にする方法に具体例１では光源１２出力光の強度をO/E変換器１
４ｂで検出してO/E変換器１４ａの出力と除算する例、
具体例２では振幅変動補償回路を用いる例で説明したが、光源１２内部に出力光強度を一定にする機構を設けるなどで振幅を一定にする構成とすることもできる。 また、振幅変動が無視できる程度に小さい場合はこれらの装置は不要になる。

【００１９】＜効果＞本具体例によれば、振幅変動補償器により振幅変動を除去することによってサブキャリアのスペクトルが尖鋭になり、自乗器の数を多くできるので分解能が高くなる。

【００２０】さらにＢＰＦにより帯域外雑音成分を除去することによってサブキャリアの振幅が1/2になり、自乗器でのS/N比低下量が具体例１より少なくなる。 よって、自乗器の数をより多くして分解能をより高く設定することができる。 ただし、干渉計における光路差の測定可能範囲は具体例１より狭くなる。 したがって、狭い範囲で高い分解能が要求される用途に適している。

【００２１】《具体例３》 ＜構成＞図４は本発明の具体例３の干渉計の構成図である。 干渉計以外は具体例１または具体例２と同様に構成する。 図示しない光源を出力した光が光カプラ３１で分割され、それぞれアーム３２Ａとアーム３２Ｂを通過し、ミラー３４Ａとミラー３４Ｂで反射し、再度アーム３２Ａとアーム３２Ｂを通過し光カプラ３１で干渉した後、図示しないO/E変換器に伝送されるように干渉計１
８を構成する。

【００２２】＜動作＞アーム３２Ａとアーム３２Ｂはプローブ３３Ａとプローブ３３Ｂの中央に配置し、半田付け、圧着、接着などの手段で固定する。 温度を測定する場合、プローブ３３Ａとプローブ３３Ｂに熱膨張係数が異なり、かつ弾性係数（ヤング率）がほぼ等しいアルミニウムと石英ガラスを用い、同じ形状にし、同じ温度になるように近接した配置とする。 また、プローブ３３Ａ
とプローブ３３Ｂは不均一な振動が起きない範囲で細くして熱容量を小さくする。 このように構成することで、
温度によりプローブ３３Ａとプローブ３３Ｂが熱膨張する際、熱膨張係数の差でアーム３２Ａとアーム３２Ｂが違った変化をするため干渉計１８に光路差が生じる。 この光路差を具体例１または具体例２と同様に測定して温度を検出する。 干渉計１８に加わる圧力が変化した場合でも、弾性係数はほぼ等しいため、アーム３２Ａとアーム３２Ｂの長さ変化がほぼ等しくなり、干渉計１８の光路差変化はわずかになる。 干渉計１８が振動した場合でも、プローブ３３Ａとプローブ３３Ｂの中央では歪みが零となるため干渉計１８の光路差は変化しない。

【００２３】本具体例ではプローブに熱膨張の大きい材料を用いて温度を検出する例で説明したが、プローブに圧電材料を用いて電圧を検出するセンサ、磁歪材料を用いて磁気を検出するセンサ、圧力で光路差または反射点間隔が変化する機構を付けて圧力を検出するセンサなど他の量を検出するセンサを構成することもできる。 また、具体例１または具体例２で示した光路差測定手段を用いる例で示したが、他の光路差、反射点間隔測定手段を用いることもできる。

【００２４】＜効果＞本具体例によれば、熱膨張係数が異なり、かつ弾性係数がほぼ等しい材料をプローブに用いることにより、圧力や振動による干渉計の光路差変化が抑制されるため、これらの外乱による測定誤差が小さくなる。 また、プローブを細くすることにより熱容量を小さくできるため、応答速度が速くなる。

【００２５】《具体例４》 ＜構成＞図４は本発明の具体例４の干渉計の構成図である。 干渉計１８以外は具体例１または具体例２と同様に構成する。 光ファイバをプローブ円筒４３Ａとプローブ円筒４３Ｂに各々コイル状に巻き付けて固定し、光ファイバコイル４５Ａ 、光ファイバコイル４５Ｂとする。
図示しない光源を出力した光が光カプラ３１で分割され、光ファイバコイル４５Ａと光ファイバコイル４５Ｂ
を通過し、ミラー４４Ａと ミラー４４Ｂとで反射し、
再度光ファイバコイル４５Ａと光ファイバコイル４５Ｂ
を通過し、光カプラ３１で干渉した後、図示しないO/E
変換器に伝送されるように干渉計１８を構成する。

【００２６】＜動作＞光カプラ３１、プローブ円筒４３
Ａとプローブ円筒４３Ｂは固定する。 温度を測定する場合、プローブ円筒４３Ａとプローブ円筒４３Ｂに熱膨張係数が異なり、かつ弾性係数（ヤング率）がほぼ等しいアルミニウムと石英ガラスを用い、同じ形状にし、同じ温度になるように近接した配置とする。

【００２７】また、不均一な振動が起きない範囲でプローブ円筒の厚みを薄くする。 熱膨張でプローブ円筒４３
Ａとプローブ円筒４３Ｂの円周が温度により変化する際、熱膨張係数の差で円筒に巻いて固定した光ファイバコイル４５Ａと光ファイバコイル４５Ｂの長さが違った変化をするため干渉計１８の光路差が温度により変化する。 この光路差を具体例１または具体例２と同様に測定して温度を検出する。 干渉計１８に加わる圧力が変化した場合、アーム３２Ａとアーム３２Ｂの長さ変化がほぼ等しいため干渉計１８の光路差変化はわずかになる。 干渉計１８が振動した場合でも、プローブ円筒４３Ａとプローブ円筒４３Ｂの円周上で発生する歪みを周回積分すると零になる。 したがって、干渉計１８が振動した場合でも光ファイバコイル４５Ａと光ファイバコイル４５Ｂ
の長さが変化しないため、測定誤差を防止できる。

【００２８】＜効果＞干渉計のアームとなる光ファイバを長くして、円筒に巻き付けた構造であるため振動感度が低く温度感度が高い小型のセンサとなる。 圧力感度も抑制されているため外乱による測定誤差が小さくなる。
また、プローブを薄くして熱容量を小さくしたため応答速度が速くなる。

【００２９】《具体例５》 ＜構成＞図６はこの発明の具体例５を示す構成図である。 具体例１または２と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。 具体例５では、光変調波ゲート信号発生器５１、光パルスゲート５２および遅延線５３−
ｉを備え、具体例２で用いたファイバセンサを多重化する構成とする。

【００３０】＜動作＞変調波で周波数変調され、パルス状に強度変調された光が出力されるように変調波ゲート信号発生器５１、光源１２と光パルスゲート５２を構成する。 光パルスゲートを出力した光は光カプラ0-0を通過したのち光ファイバで光カプラ0-1に伝送され、光カプラ0-1で分岐された光の一方は干渉計アレイ５８−１
に、もう一方は遅延線５３−１を介して光カプラ0-2に伝送される。 最後の光カプラ0- (ｉ-1)で分岐された光の一方は干渉計アレイ５８−（ｉ−１）に、もう一方は遅延線５３−（ｉ−１）を介して干渉計アレイ５８−ｉ
に伝送されるように構成する。 干渉計アレイ５８− ｉ
に入力した光は光カプラｉ-1から光カプラｉ-(N-1)で分岐され干渉計１８−ｉ１から干渉計１８−ｉＮに入力する。 Ｎは干渉計アレイ内の干渉計の数を示す。 干渉計１８−ｉＮは具体例３または具体例４の干渉計１８と同様に動作する。 干渉計１８アレイ５８−1から干渉計１
８アレイ５８−ｉで反射した光パルスはパルス列となって時分割多重で光カプラ0-0に到達する。 干渉計アレイ５８−ｉの干渉計１８−ｉ１から干渉計１８−ｉＮはO/
E変換器１４で発生するサブキャリアの周波数が異なるので周波数分割多重で伝送されており、それぞれに対応した通過帯をもつＢＰＦ２１−Ｎを通過するとき各センサごとに分離される。 ＢＰＦ２１−Ｎは対象外となる干渉計１８−ｉＮでのサブキャリアを除去すると同時に使用帯域外の雑音成分も除去する。

【００３１】振幅変動補償器２２−Ｎ、自乗器１６−
Ｎ、およびＨＰＦ２３ −Ｎは具体例２の振幅変動補償器２２−ｎ、自乗器１６−ｎ、およびＨＰＦ２３ −ｎ
と同様に動作する。 周波数測定器１７−Ｎは変調波ゲート信号発生器からのタイミング信号を受けて、干渉計１
８−ｉ１から干渉計１８−ｉＮの光路差に比例する、2 ^N
倍されたサブキャリア周波数を順次測定し、各干渉計のプローブの温度を検出する。

【００３２】本具体例では光カプラｉ−Ｎと干渉計１８
− ｉＮにそれぞれ1×2ポートの光カプラを用いる例で説明したが1×3ポートの光カプラ１３個で構成することもできる。 また、光パルスの分岐にｉ−１個の1×2ポート光カプラを直列に接続する例で説明したが、並列接続するか多ポートの光カプラを用いるなど他の構成で光パルスを分割することもできる。

【００３３】＜効果＞具体例３または４と具体例２の効果に加え、多くの干渉計１８で検出した信号（温度）を時分割多重と周波数多重で伝送するため少ない構成品で多くの測定点の温度を検出することができる。 特に、使用帯域外の雑音除去と周波数多重のチャンネル分離を一箇所で行う構成にしたこと、自乗処理後に時分割多重のチャンネル分離を行う構成にしたことによりO/E変換器後の処理器の構成品が大幅に削減されている。 干渉計アレイ部分にマルチプレキサなどの電子回路を使わないため、高圧力下などの環境でも高い信頼性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による具体例１の光ファイバセンサの構成図である。

【図２】本発明による具体例２の光ファイバセンサの構成図である。

【図３】本発明による具体例２の光ファイバセンサの入出力スペクトルを示す図である。

【図４】本発明による具体例３の干渉計の構成図である。

【図５】本発明による具体例４の干渉計の構成図である。

【図６】本発明による具体例５の光ファイバセンサシステムの構成図である。

【符号の説明】

２：光カプラ １１：変調波発生器 １２：光源 １３：光カプラ １４ｂ：O/E変換器 １４ａ：O/E変換器 １５：除算器 １６−ｎ：自乗器 １７：周波数測定器 １８：干渉計