(57)【要約】  位相変調信号を復調する復調装置１５０は、未変調入力信号に応答して同相（Ｉ）信号および直交位相（Ｑ）信号を発生する直交信号発生器（ＱＳＧ）１５７を備える。このＱＳＧは入力信号の高速周波数追跡を提供し、入力信号の高周波数成分を除外する。
2009506311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調が所望の信号および雑音に相当する第１の位相変調信号を復調する装置であって、装置は、第１の位相変調信号および変調が実質的に雑音のみに相当する第２の位相変調信号を受信するようになされた位相復調ユニットを備える、装置。
【請求項２】
位相復調ユニットが、直交位相復調器および請求項１５に記載のＱＳＧを備え、ＱＳＧは第２の位相変調信号を受信し、相当するＩ信号およびＱ信号を直交位相復調器に出力するようになされており、直交位相復調器は第１の位相変調信号を受信するようになされた、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
位相復調ユニットが、デジタル式直交位相復調器（ＤＱＰＤ）と、請求項１６から２２のいずれかに記載のＱＳＧと、ＤＱＰＤに入力される前に第１の位相変調信号をデジタル化するようになされたＡＤＣとを備え、ＱＳＧは第２の位相変調信号を受信し、相当するＩ信号およびＱ信号をＤＱＰＤに出力するようになされた、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
位相復調ユニットが、直交位相復調器とヒルベルト変換フィルタとを備え、ヒルベルト変換フィルタは第２の位相変調信号を受信し、相当するＩ信号およびＱ信号を直交位相復調器に出力するようになされており、直交位相復調器は第１の位相変調信号を受信するようになされた、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
位相復調器がＤＱＰＤであり、ＤＱＰＤおよびヒルベルト変換フィルタにそれぞれ入力される前に第１および第２の位相変調信号をデジタル化するようになされた第１および第２のＡＤＣを更に備える、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の復調装置を備える、光ファイバセンシング装置。
【請求項７】
第２の位相変調信号を発生するようになされた基準センサを備える、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
基準センサが実質的に同一の個々の光ファイバセンサの直列アレイに含まれる非感光化される光ファイバセンサであり、第１の位相変調信号が基準センサ以外のアレイの光ファイバセンサの１つから取得される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
基準センサが機械的に非感光化される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
光ファイバセンサ各々が、放射が対応する個々の光ファイバセンサを通過後にアレイの入力に向かって放射を反射する反射手段を組み入れる、請求項８または請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
各反射手段が２つの個々の光ファイバセンサ間に結合された光ファイバ結合鏡である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
周波数差Ωを有する第１および第２のＲＦ信号に応答して少なくとも部分的にコヒーレントな光パルス対を発生する手段と、パルス対をセンサに入力する手段とを更に備え、各対のパルスは周波数差Ωおよび相対遅延τを有し、連続する反射手段からアレイの入力までの経路長の差は実質的にはｃτ／２であり、式中ｃは光ファイバ中のパルスの速度である、請求項１０または請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
光パルス対を発生する手段が、
（ｉ）光ファイバ結合レーザと、
（ｉｉ）レーザの出力を分割してそれらの第１および第２の部分を提供する手段と、
（ｉｉｉ）第１および第２の部分をそれぞれ変調して、周波数ω１およびω２をそれぞれ有する出力パルスの第１および第２のシリーズを発生するようになされた第１および第２の音響光学変調器と、
（ｉｖ）周波数ω２のパルスと同時に発生された周波数ω１のパルスに対して周波数ω２の各パルスを遅延させる遅延ループと、
（ｖ）出力ファイバと、
（ｖｉ）パルスの第１および第２のシリーズを出力ファイバに多重化する手段とを備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
所望の信号および雑音に相当する位相変調を有する第１の位相変調信号を復調する方法であって、方法が、
（ｉ）雑音のみに相当する変調を有する第２の位相変調信号を取得するステップと、
（ｉｉ）第１および第２の位相変調信号を位相復調ユニットに入力するステップとを含む、方法。
【請求項１５】
入力信号を受信し、これに応答して、入力信号と実質的に同じ周波数の同相（Ｉ）信号および直交位相（Ｑ）信号を発生する直交信号発生器（ＱＳＧ）であって、ＱＳＧが、
（ｉ）入力信号の入力に応答して、入力信号の周波数とＩ信号およびＱ信号の周波数との間の差に比例する振幅または大きさを有する第１の中間信号を発生する第１の部分と、
（ｉｉ）第１の中間信号の入力に応答して、第１の中間信号の大きさの変動率に比例する大きさを有する第２の中間信号を発生する第２の部分と
（ｉｉｉ）第２の中間信号の入力に応答してＩ信号およびＱ信号を発生し、Ｉ信号およびＱ信号の周波数を調節してこれらの周波数が入力信号の周波数に近づくようにし、Ｉ信号およびＱ信号を第１の部分にフィードバックするようになされた信号発生器とを備える、直交信号発生器。
【請求項１６】
デジタル電子機器に実装され、前記第１の部分に入力される前に入力信号をデジタル化するようになされたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を更に備える、請求項１５に記載のＱＳＧ。
【請求項１７】
前記第１の部分が、デジタル化された入力信号とＩ信号およびＱ信号を受信するようになされ、その出力がレートダウンコンバータの入力に接続され、この出力が入力信号の高周波数成分を除外するカットオフ周波数を有するデジタル微分器の入力に接続されたデジタル式位相直交復調器（ＤＰＱＤ）を備える、請求項１６に記載のＱＳＧ。
【請求項１８】
前記第２の部分が、
（ｉ）第１の中間信号を受信するようになされた反転増幅器と、
（ｉｉ）第１の入力が増幅器の出力に接続された加算器と、
（ｉｉｉ）加算器の出力と加算器の第２の入力との間に接続される遅延手段とを備え、加算器の出力が信号発生器に入力される、請求項１６または請求項１７に記載のＱＳＧ。
【請求項１９】
第２の部分が、初期化スイッチおよび開始バッファを更に備えており、初期化スイッチは加算器の出力に接続され、遅延手段はスイッチの出力を加算器の第２の入力に接続し、初期化スイッチの出力は信号発生器に入力され、開始バッファによって制御可能になっている、請求項１８に記載のＱＳＧ。
【請求項２０】
信号発生器が第２の中間信号の入力に応答してＩ信号およびＱ信号を発生するようになされたダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）である、請求項１６から１９のいずれかに記載のＱＳＧ。
【請求項２１】
レートダウンコンバータおよび第２の信号発生器を更に備えており、ダウンコンバータは、第２の中間信号を受信し、ダウンコンバートされた信号の入力に応答して第２のＩ出力信号およびＱ出力信号を提供するようになされた第２の信号発生器にダウンコンバートされた信号を出力するようになされた、請求項１６から２０のいずれかに記載のＱＳＧ。
【請求項２２】
第２の信号発生器がダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）である、請求項２１に記載のＱＳＧ。
【請求項２３】
請求項１から２２のいずれかに記載のＱＳＧを備える、復調装置。
【請求項２４】
Ｉ信号およびＱ信号を受信するようになされた直交位相復調器を更に備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
請求項２３または請求項２４に記載の復調装置を備える、光ファイバセンシング装置。
【請求項２６】
放射が対応する個々の光ファイバセンサを通過した後にアレイの入力に向かって放射を反射する反射手段を各々組み入れた実質的に同一の個々の光ファイバセンサの直列アレイを更に備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
各反射手段が、２つの個々の光ファイバセンサの間に結合されたファイバ結合鏡である、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
個々のセンサの１つが、残りのセンサによって検出することが可能な信号に対してそのセンサを非感応化にするが、他のセンサによって検出され得る雑音をそのセンサが検出できるようにするようになされた手段を備える、請求項２６または請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
周波数差Ωを有する第１および第２のＲＦ信号に応答して少なくとも部分的にコヒーレントな光パルス対を発生する手段と、パルス対をアレイに入力する手段とを更に備え、各対のパルスが周波数差Ωおよび相対遅延τを有し、連続する反射手段からアレイの入力までの経路長の差が実質的にはｃτ／２であり、式中ｃは光ファイバ中のパルスの速度である、請求項２６から２８のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
光パルス対を発生する手段が、
（ｉ）ファイバ結合レーザと、
（ｉｉ）レーザの出力を分割してそれらの第１および第２の部分を提供する手段と、
（ｉｉｉ）第１および第２の部分をそれぞれ変調して、周波数ω１およびω２をそれぞれ有する出力パルスの第１および第２のシリーズを発生するようになされた第１および第２の音響光学変調器と、
（ｉｖ）周波数ω２のパルスと同時に発生された周波数ω１のパルスに対して周波数ω２の各パルスを遅延させる遅延ループと、
（ｖ）出力ファイバと、
（ｖｉ）パルスの第１および第２のシリーズを出力ファイバに多重化する手段とを備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
入力信号から同相（Ｉ）信号および直交（Ｑ）信号を発生する方法であって、Ｉ信号およびＱ信号が入力信号と実質的に同じ周波数を有し、方法が、
（ｉ）入力信号とＩ信号およびＱ信号との周波数の差に相当する振幅または大きさを有する第１の中間信号を発生するステップと、
（ｉｉ）第１の中間信号の振幅または大きさの変動率に相当する振幅または大きさを有する第２の中間信号を発生するステップと、
（ｉｉｉ）第２の中間信号を用いて、前記周波数が入力信号の周波数の方に逸れるように信号発生器によって出力されたＩ信号およびＱ信号の周波数を制御するステップと、
（ｉｖ）ステップ（ｉ）で用いられるようにＩ信号およびＱ信号をフィードバックするステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位相変調信号を復調する復調装置および復調装置を組み入れた光ファイバセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
位相変調信号は非常に多くのシステム、例えば、通信システムおよびセンシングシステムにおいて生じる。このような信号の復調は典型的には、例えばホモダインまたはヘテロダイン検出の場合のように、復調器（例えば、ミキサ）において位相変調信号を未変調信号と結合して、変調信号の位相のみに左右される振幅または大きさを有する復調された出力信号を発生することを必要とする。多くの場合、（例えば、その未変調信号をセンサ付近の状況に合わせて位相変調を実行するセンサに送ることによって）変調信号を発生するためおよび変調信号と結合するために、同じ未変調信号が用いられる。光ファイバセンサの時間分割多重化（ＴＤＭ）直列アレイにおいては、特定のセンサからの光パルスが、逆多重化による分析のために選択され、光検出器において検出され、得られた信号が未変調信号と一緒に復調器に入力され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
復調器の一般的な１つのタイプは、復調を行うために、位相変調信号と実質的に同じ周波数の同相未変調信号（Ｉ）および直交（Ｑ）未変調信号を入力することを必要とする位相直交復調器（ｐｈａｓｅ−ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ）である。通常、そういった信号は（例えば、ヒルベルト変換フィルタを用いることによって）単一の未変調信号から発生され、この場合、Ｉ信号およびＱ信号を発生する手段は、単一の未変調信号の周波数（および故に変調信号の周波数）の変化に応答してこれらの信号の周波数を調節することができなければならない。調節の速度が遅過ぎると、復調器の出力は変調信号の位相を一貫して反映しない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的はこの問題を改善しようとすることにある。本発明の１態様によれば、この目的は、入力信号を受信し、これに応答して、入力信号と実質的に同じ周波数の同相（Ｉ）信号および直交位相（Ｑ）信号を発生する直交信号発生器（ＱＳＧ）によって達成され、このＱＳＧは、
（ｉ）入力信号の入力に応答して、入力信号の周波数と、Ｉ信号およびＱ信号の周波数との間の差に比例する振幅または大きさを有する第１の中間信号を発生する第１の部分と、
（ｉｉ）第１の中間信号の入力に応答して、第１の中間信号の大きさの変動率に比例する大きさを有する第２の中間信号を発生する第２の部分と、
（ｉｉｉ）第２の中間信号の入力に応答してＩ信号およびＱ信号を発生し、Ｉ信号およびＱ信号の周波数を調節してこれらの周波数が入力信号の周波数に近づくようにし、Ｉ信号およびＱ信号を第１の部分にフィードバックするようになされた信号発生器とを備える。
【０００５】
第２の中間信号は入力信号の周波数とＩ信号およびＱ信号の周波数との間の差の変動率に比例する振幅または大きさを有するので、Ｉ信号およびＱ信号による入力信号の周波数追跡に加えてＩおよびＱの周波数の高速二次補正が提供される。
【０００６】
ＱＳＧがデジタル電子機器に実装され、入力信号が前記第１の部分に入力される前に入力信号をデジタル化するようになされたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を更に備えることが都合がよい。
【０００７】
第１の部分は、デジタル化された入力信号と、Ｉ信号およびＱ信号を受信するようになされ、その出力がレートダウンコンバータの入力に接続され、その出力が入力信号の高周波数成分を除外するカットオフ周波数を有するデジタル微分器の入力に接続されたデジタル式位相直交復調器（ＤＰＱＤ）を備えることが好ましい。これは入力信号がより高い２つの周波数ＲＦ信号をミキサにおいて混合することによって得られる場合に特に有益である。混合プロセスの非線形性に起因する入力信号における高周波数雑音は、Ｉ信号およびＱ信号には存在しない。別の信号を復調するためにＩ信号およびＱ信号が復調器に入力される場合、復調器出力はこの雑音によって劣化されない。
【０００８】
第２の部分は、都合よくは、
（ｉ）第１の中間信号を受信するようになされた反転増幅器と、
（ｉｉ）第１の入力が増幅器の出力に接続された加算器と、
（ｉｉｉ）加算器の出力と加算器の第２の入力との間に接続される遅延手段とを備え、加算器の出力が信号発生器に入力される。
【０００９】
始動中にシステムを安定して動作させるためには、第２の部分は、初期化スイッチおよび開始バッファを更に備えることが好ましく、前記スイッチは加算器の出力に接続され、遅延手段はスイッチの出力を加算器の第２の入力に接続し、初期化スイッチの出力は信号発生器に入力され、開始バッファによって制御可能になっている。この構成によって、システムの始動中に制御信号を信号発生器に供給することが可能となり、システムを安定した動作に集中させることができる。
【００１０】
信号発生器は、第２の中間信号の入力に応答してＩ信号およびＱ信号を発生するようになされたダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）であることが都合がよい。
【００１１】
ＱＳＧはレートダウンコンバータおよび第２の信号発生器を更に供えてもよい。このダウンコンバータは、第２の中間信号を受信し、ダウンコンバートされた信号の入力に応答して第２のＩ出力信号およびＱ出力信号を提供するようになされた第２の信号発生器にダウンコンバートされた信号を出力するようになされている。この構成は、それが用いられる別のシステム（例えば、直交位相復調器）とはＱＳＧを異なるレートでクロックさせ、これにより大きな動作の柔軟性が得られる。第２の信号発生器はダイレクトデジタルシンセサイザであるのが都合がよい。
【００１２】
本発明の別の態様は、本発明のＱＳＧを備えた復調装置を提供する。本発明の復調装置は、ＱＳＧによって出力されたＩ信号およびＱ信号を受信するようになされた直交位相復調器を更に備えることが好ましい。動作中、未変調信号がＱＳＧに提供され、位相変調信号が直交位相復調器に入力される。復調装置の出力は、Ｉ信号およびＱ信号が未変調信号を高速で周波数追跡することに起因して、高い精度および一貫性で変調信号の位相情報を反映する。
【００１３】
本発明の更なる態様は、本発明の復調装置を備えた光ファイバセンシング装置を提供する。この光ファイバセンシング装置は、放射が対応する個々の光ファイバセンサを通過した後にアレイの入力に向けて放射を反射する反射手段を各々組み入れた実質的に同一の個々の光ファイバセンサの直列アレイを備えてもよい。各センサ内の光は、センサによって検出された振動に同調して位相変調され得る。
【００１４】
各反射手段は、２つの個々の光ファイバセンサの間に結合された光ファイバ結合鏡であり得ることが都合がよい。
【００１５】
個々のセンサの１つは、それがセンシング装置によって検出されるのに必要な信号のタイプを検出しないが、雑音を検出するように、（例えば、それを機械的に非感光性にすることによって）非感光性化されてもよい。完全に未変調な信号を用いる代わりに、このセンサからの信号を復調装置のＱＳＧへの入力として用いることによって、低雑音信号が直交位相復調器の出力上で取得され得る。
【００１６】
光ファイバセンサの直列アレイの呼びかけは、周波数差Ωを有する第１および第２のＲＦ信号に応答して少なくとも部分的にコヒーレントな光パルス対を発生する手段とパルス対をアレイに入力する手段とを提供することによって実行され得る（各対のパルスは周波数差Ωおよび相対遅延τを有し、連続する反射手段からアレイの入力までの経路長の差は実質的にはｃτ／２である（式中ｃは光ファイバ中のパルスの速度である））。パルス対が光ファイバセンサの直列アレイに入力されると、出力パルスのシリーズが取得される。特定のセンサを起点とするパルスが、時間逆多重化により分離され、そのセンサ付近の物理的状態などの情報を取得するために、その位相情報が位相復調によって復元され得る。
【００１７】
光パルス対を発生する手段は、
（ｉ）光ファイバ結合レーザと、
（ｉｉ）レーザの出力を分割してそれらの第１および第２の部分を提供する手段と、
（ｉｉｉ）第１および第２の部分をそれぞれ変調して、周波数ω１およびω２をそれぞれ有する出力パルスの第１および第２のシリーズを発生するようになされた第１および第２の音響光学変調器と、
（ｉｖ）周波数ω２のパルスと同時に発生された周波数ω１のパルスに対して周波数ω２の各パルスを遅延させる遅延ループと、
（ｖ）出力ファイバと、
（ｖｉ）パルスの第１および第２のシリーズを出力ファイバに多重化する手段とを備え得ることが都合がよい。
【００１８】
本発明の更に別の態様によれば、第１の位相変調信号（この変調は所望の信号および雑音に相応する）を復調する装置が提供され、この装置は、第１の位相変調信号および第２の位相変調信号（これらの変調は実質的には雑音のみに相応する）を受信するようになされた位相復調ユニットを備える。第１の信号の雑音特性と同じ雑音特性を有する信号を用いて第１の信号を復調すれば、位相復調ユニットの出力の雑音が低減される。
【００１９】
この位相復調ユニットは、上記のような直交位相復調器およびＱＳＧを備えることが好ましく、ＱＳＧは、第２の位相変調信号を受信し、それに相当するＩ信号およびＱ信号を直交位相復調器に出力するようになされており、直交位相復調器は第１の位相変調信号を受信するようになされている。
【００２０】
あるいは、この位相復調ユニットは、デジタル式直交位相復調器（ＤＱＰＤ）と、デジタル式電子機器に実装され、これに入力される信号をデジタル化するＡＤＣを含んだ本発明のＱＳＧと、ＤＱＰＤに入力される前に第１の位相変調信号をデジタル化するようになされたＡＤＣとを備えてもよく、このＱＳＧは、第２の位相変調信号を受信し、これに相当するＩ信号およびＱ信号をＤＱＰＤに出力するようになされている。
【００２１】
あるいは、この位相復調ユニットは、直交位相復調器とヒルベルト変換フィルタを備えてもよく、ヒルベルト変換フィルタは、第２の位相変調信号を受信し、これに相当するＩ信号およびＱ信号を直交位相復調器に出力するようになされており、直交位相復調器は第１の位相変調信号を受信するようになされている。
【００２２】
この場合、位相復調器はＤＱＰＤであってもよく、この装置はＤＱＰＤおよびヒルベルト変換フィルタそれぞれに位相変調信号が入力される前に第１および第２の位相変調信号をデジタル化するようになされた第１および第２のＡＤＣを更に備える。
【００２３】
本発明は光ファイバセンシング装置も提供する。この装置は第２の位相変調信号を発生するようになされた基準センサを備えることが好ましい。基準センサは実質的に同一の個々の光ファイバセンサの直列アレイに含まれた非感光性化された光ファイバセンサであることが都合がよく、第１の位相変調信号は基準センサ以外のアレイ内の光ファイバセンサの１つから取得される。この基準センサは、個々の光ファイバセンサが晒される雑音のみを検出するように、機械的に非感光性化され得る。
【００２４】
個々の光ファイバセンサは各々、放射が対応する個々の光ファイバセンサを通過した後にアレイの入力に向けて放射を反射する反射手段を含んでもよい。各反射手段は、２つの個々の光ファイバセンサの間に結合されたファイバ結合鏡であることが都合がよい。
【００２５】
この光ファイバセンシング装置は、光パルス対を発生し、このパルスを光ファイバセンサのアレイに入力する手段を備えてもよく、この手段は上記に示したようなものである。
【００２６】
本発明の更なる態様は、入力信号から同相（Ｉ）信号および直交（Ｑ）信号を発生する方法を提供し、Ｉ信号およびＱ信号は入力信号と実質的に同じ周波数を有し、この方法は、
（ｉ）入力信号とＩ信号およびＱ信号との周波数の差に相当する振幅または大きさを有する第１の中間信号を発生するステップと、
（ｉｉ）第１の中間信号の振幅または大きさの変動率に相当する振幅または大きさを有する第２の中間信号を発生するステップと、
（ｉｉｉ）第２の中間信号を用いて、前記周波数が入力信号の周波数の方に逸れるように信号発生器によって出力されたＩ信号およびＱ信号の周波数を制御するステップと、
（ｉｖ）ステップ（ｉ）で用いられるようにＩ信号およびＱ信号をフィードバックするステップとを含む。
【００２７】
本発明の更に別の態様は、所望の信号および雑音に相当する位相変調を有する第１の位相変調信号を復調する方法を提供し、この方法は、
（ｉ）雑音のみに相当する変調を有する第２の位相変調信号を取得するステップと、
（ｉｉ）第１および第２の位相変調信号を位相復調ユニットに入力するステップとを含む。
【００２８】
本発明の実施形態が、単なる例示として、添付図面を参照して以下に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１においては、本発明の時間分割多重化（ＴＤＭ）光ファイバセンシング装置が全体的に１００で示されている。この装置１００は多様なセンシング用途、例えば、地震データまたは車両交通情報の収集あるいは周辺／エリア監視などの保安用途における未許可の人物の検知に使用され得る。
【００３０】
装置１００は、一端が光ファイバ１１３を介して（ＧａＩｎＡｓＰ／ｌｎＰ半導体レーザ１０４を含む）光源に結合されたセンサアレイ１１５を備える。センサアレイ１１５は、実質的に同一の１０個の光ファイバセンサ１１８Ａ〜１１８Ｊ、１１個のカプラ１１６Ａ〜１１６Ｋおよび１１枚の鏡１１７Ａ〜１１７Ｋの直列アレイを備える。（更に分かり易くするために、カプラ１１６Ｃ〜１１６Ｉ、鏡１１７Ｃ〜１１７Ｉおよびセンサ１１８Ｃ〜１１８Ｉは図１から省略されている。）。所与の光ファイバセンサ１１８の各端部は鏡１１７に結合されており、その鏡に結合された放射がファイバ１１３に向かって反射して戻される。例えばセンサ１１８Ａは、一端がカプラ１１６Ａを介して鏡１１７Ａに結合され、他端がカプラ１１６Ｂを介して鏡１１７Ｂに結合されている。同様に、センサ１１８Ｊは、一端がカプラ１１６Ｊを介して鏡１１７Ｊに結合され、他端がカプラ１１６Ｋを介して鏡１１７Ｋに結合されている。鏡１１７は等しい長さの個々の光ファイバを介して個々のカプラ１１６に接続されている。センサアレイ１１５はカプラ１１４および出力ファイバ１１９を介して復調装置１５０の入力１２４に結合されている。
【００３１】
装置１００の光源は、ＲＦ回路１０２からのゲートされた信号（それぞれ１２２Ｃおよび１２２Ｄ）によって駆動される２個の音響光学変調器（ブラッグセル）１０８Ａ、１０８Ｂに結合されたＧａＩｎＡｓＰ／ｌｎＰレーザ１０４を備えている。信号１２２Ｃおよび１２２Ｄの連続したバージョンも、復調システム１５０の個々の入力１２２Ａ、１２２Ｂに供給される。
【００３２】
波長１５５０ｎｍの光学的放射がレーザ１０４から出力され、光ファイバ１０７に結合される。この放射は光カプラ１０６によって２つの部分に分割され、これらの部分がそれぞれファイバ１０９、１１１を介して個々のブラッグセル１０８Ａ、１０８Ｂに送られる。ブラッグセル１０８Ａ、１０８ＢはＲＦ回路１０２によって駆動され、レーザ１０４からの入力放射を変調して、周波数ω１およびω２（ω１−ω２＝Ωは約数ＭＨｚである）をそれぞれ有するパルス化され周波数シフトされた出力放射を発生する。セル１０８Ｂから出力されたパルスは、遅延τ（例えば、数十ｎｓ）を導入する遅延ループ１１０によって、同時にセル１０８Ａからパルス出力に対して遅延される（τ／２は、アレイ１１５内のカプラ１１６によって分割されたパルスの２つの部分がアレイ１１５に沿った連続する次の鏡に達するにかかる時間の差である）。例えば、τ／２は、カプラ１１６Ａにおいて分割されたパルスの１つの部分が鏡１１７Ａに達するのにかかる時間と他方の部分の一部がカプラ１１６Ｂを介して鏡１１７Ｂに達するのにかかる時間との間の差である。ブラッグセル１０８Ａおよび遅延ループ１１０から出力されたパルスは、カプラ１１２を介してファイバ１１３に結合される。
【００３３】
ファイバ１１３内の放射はこのように、パルス対のシリーズを含み、各対の第１のパルスは周波数ω１を有し、各対の第２のパルスは周波数ω２を有し、この第２のパルスは第１のパルスに対して遅延τだけ遅延されている（ここで、ω１−ω２＝Ωは約数ＭＨｚであり、τは約数十ｎｓである）。
【００３４】
光ファイバ１１３を介してセンサアレイ１１５に入るパルスの特定の対は、カプラ１１６Ａ〜１１６Ｋにおいて連続的に分割される。例えば、センサアレイ１１５に入力されたパルス対はカプラ１１６Ａによって２対に分割される。つまり、一方の対は鏡１１７Ａに送られ、ファイバ１１３に向かって反射して戻され、他方の対は個々のセンサ１１８Ａを通過し、次いでカプラ１１７Ｂによってそれ自身が分割されて新しい２つのパルス対を発生する。これら２つの新しいパルス対の１つは鏡１１７Ｂによってファイバ１１３に向かって反射され戻される。カプラによって分割された直後にパルスが第１および第２の鏡に達するのにかかる時間の差はτ／２であるので、これらの連続する鏡によってファイバ１１３に向かって反射され戻されたパルス対は相対遅延τを有する。したがって、そのカプラによって再結合されると、第１の鏡によって反射された周波数ω２のパルスは、第２の鏡によって反射された周波数ω１のパルスと一時的に一致する。周波数差ω１−ω２＝Ωであることに加えて、この一時的に一致するパルスは、第１の鏡と第２の鏡との間に位置決めされた個々のセンサによって導入される位相シフトに相当する位相差を有する。この位相情報は復調システム１５０に復元され、１２６において出力され、個々のセンサの場所の物理的状況に関する情報を提供する。例えば、この位相情報は、地震データを収集するためにアレイ１１５が配置された個々のセンサの加速度に相当すると考えられる。
【００３５】
周波数ω１、ω２の各パルス対がアレイ１１５に入力された後、１２個のパルスのシーケンスがアレイ１１５から出力され、光ファイバ１１９に結合される。この出力されたパルスは時間τだけ離間される。１２個のパルスの第１のパルスは、鏡１１７Ａによって反射された周波数ω１のパルスである。第２のパルスから１１番目のパルスまでの各々は、周波数ω２の第２の成分パルスと一時的に整列された周波数ω１の第１の成分パルスを含み、これら２つのパルスは、個々のセンサ１１８の反対端に位置決めされた鏡から反射されたものである。具体的には、周波数ω１の第１の成分パルスはファイバ１１３から離れている個々のセンサの端部にある鏡から反射され、周波数ω２の第２の成分パルスはファイバ１１３に最も近い個々のセンサの端部の鏡から反射される。第１の成分パルスと第２の成分パルスとの間の位相差は、個々のセンサ１１８内の第１の成分パルスの位相の変化から生じる。特定の出力シーケンス内の第ｉ番目のパルス（２≦ｉ≦１１）はアレイ１１５内の（ｉ−１）番目の個々のセンサからの位相情報を含む。１２番目のパルスは鏡１１７Ｋから反射された周波数ω２のパルスである。
【００３６】
特定の個々のセンサから情報を収集するために、各出力シーケンスにおける対応するパルスが、出力パルスシーケンスを時間逆多重化することによって、ある時間間隔にわたって監視される。例えば、５番目の１つのセンサ１１８Ｅから情報を収集するために、各パルス出力シーケンスにおける６番目のパルスが監視される。逆多重化は復調システム１５０によって実行される。ブラッグセル１０８Ａ、１０８Ｂは、アレイ１１５に入力されるパルス対の期間（すなわち、例えば周波数ω１の連続するパルス間の遅延）が、セル１０８Ａ、１０８Ｂによって出力される次のパルス対がアレイ１１５に導入される前に出力パルスのシリーズにおける１２番目のパルスがアレイ１１５の外でファイバ１１９に結合されるのを確実にするのに十分に長いものになるように操作される。
【００３７】
図２は復調装置１５０を模式的に示している。装置１５０内の信号の処理は、単一クロック（図示せず）の制御下でデジタル的に実行される。ＲＦ回路１０２からのＲＦ信号はシステム１５０の入力１２２Ａ、１２２Ｂに接続される。アレイ１５０からの光出力はシステム１５０の光入力１２４に結合され、検出器１７６によって検出される。検出器１７６からの出力は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１７７によってデジタル化され、ハイパスフィルタ１７８によって濾波される。時間デマルチプレクサ１７９が、アレイ１１５における特定の個々のセンサからの情報を搬送しているパルスに呼びかけることを可能にする。アレイ１１５からの出力パルスの特定のシーケンスにおける第２のパルスから１１番目のパルスのいずれかの場合、デマルチプレクサ１７９から出力される信号はｃｏｓ（Ωｔ＋φ＋ε）として変動する（式中、Ω＝ω１−ω２であり、φは呼びかけ中の特定の個々のセンサからの位相情報であり、εは差周波数Ωに関連し、位相変動φにおいて呼びかけ中の特定のセンサによって検出された位相雑音の結合された効果を表す位相項である）。この位相雑音は事実上１／ｆである。すなわち、この位相雑音は低周波数雑音である。デマルチプレクサ１７９の出力は、復調器ユニット１５６と同一である復調器ユニット１７０（デジタル式直交復調器）に入力される。
【００３８】
復調器ユニット１７０が図３に詳細に示されている。ユニット１７０はデジタル式位相直交復調器（ＤＰＱＤ）であり、入力１８６、２つのミキサ１８８Ａ、１８８Ｂ、２つのローパスフィルタ１９２Ａ、１９２Ｂ、逆正接関数を実行するデバイス１９５、および出力１２６を備えている。１８６において入力されたデマルチプレクサ１７９からのｃｏｓ（Ωｔ＋φ＋ε）形態の入力信号は、ミキサ１８８Ａ、１８８Ｂの入力１９０Ａ、１９０Ｂにそれぞれ入力されたｃｏｓΩｔおよびｓｉｎΩｔ形態を有する等しい振幅の２つの未変調信号のそれぞれと混合される。ミキサ１８８Ａから出力された振幅は、振幅がｃｏｓ（φ＋ε）に比例する成分を有する。ミキサ１８８Ｂからの出力は、振幅がｓｉｎ（φ＋ε）に比例する成分を有する。ローパスフィルタ１９２Ａ、１９２Ｂは周波数２Ωの信号成分を除去する。ミキサ１９２Ａ、１９２Ｂから出力された信号はデバイス１９５に入力され、復調器ユニット１７０の出力１２６（復調装置１５０の出力でもある）において、振幅が（φ＋ε）に比例する信号を発生する。
【００３９】
図２を参照すると、周波数Ωの２つの未変調信号が直交信号発生器（ＱＳＧ）１５７を用いて発生される。ＱＳＧ１５７の１５７Ａの第１の部分は、第２の復調器１５６、レートコンバータ１５８、およびデジタル微分器１６０を備えている。ＱＳＧ１５７の第２の部分１５７Ｂは、増幅器１６２、初期化スイッチ１６５、開始バッファ１８０、および遅延ユニット１６７を備えている。ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）１６９はＱＳＧ１５７の第３の部分を形成する。ＱＳＧ１５７への入力信号はＲＦ回路１０２からの出力信号を混合することによって発生されて、周波数Ωの信号を発生し、これらの信号は復調システム１５０の入力１２２Ａ、１２２Ｂに印加される。これらの信号はミキサ１５２において混合され、このミキサの出力はバンドパスフィルタ１５３に送られてその合計の周波数成分が除去され、得られた信号がＡＤＣ１５４によってデジタル化される。ＡＤＣ１５４からの出力はバンドパスフィルタ１５５に入力され、このフィルタの出力はＱＳＧ１５７の入力１５１に接続されている。ＱＳＧ１５７は１５１における信号に相当する同相（Ｉ）信号および直交位相（Ｑ）信号を発生し、これらの信号は復調器ユニット１７０に入力される未変調信号ｓｉｎΩｔ、ｃｏｓΩｔである。
【００４０】
復調器ユニット１５６は復調器ユニット１７０の構造と同じ構造を有する。復調器ユニット１７０の入力１９０Ａ、１９０Ｂに入力された信号も、復調器ユニット１５６の対応する入力にフィードバックされる。復調器１５６からの出力はレートコンバータ１５８によって係数ｍによってダウンコンバートされ、次いで、ローパスデジタル微分器１６０に送られる。微分器１６０に入力される信号は復調器１５６のクロック周波数の１／ｍのレートである。ＱＳＧ１５７の第１の部分１５７Ａからの出力は、未変調信号１９０Ａ、１９０Ｂと第１の部分１５７Ａに入力される１５１における信号との間の周波数の差に比例する大きさを有する第１の中間信号である。
【００４１】
ＱＳＧ１５７の第１の部分１５７Ａからの出力は増幅器１６２によって係数κにより増幅され、加算器１６４、初期化スイッチ１６５、および遅延機能１６７から成る第２の微分器に送られる。ＱＳＧ１５７の第２の部分１５７Ｂの出力信号は、復調器ユニット１７０の入力１９０Ａ、１９０Ｂおよび復調器ユニット１５６の同等の入力に入力されるためのサイン信号ｓｉｎΩｔおよびコサイン信号ｃｏｓΩｔを発生するダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）（または数値制御発振器）１６９を制御するのに用いられる第２の中間信号である。サイン信号ｓｉｎΩｔおよびコサイン信号ｃｏｓΩｔの周波数は、ＤＤＳに入力される信号によって制御される。ＱＳＧ１５７の第２の部分１５７Ｂの出力は、第１の中間信号の大きさの変動率に比例する大きさを有する第２の中間信号である。
【００４２】
復調器１５６の入力１５１における信号が復調器１７０の等価入力１９０Ａ、１９０Ｂから復調器１５６にフィードバックされた信号の周波数とΔｆだけ周波数が異なる場合、復調器１５６の出力は傾斜２πΔｆを有する線形である。ダウンコンバータ１５８は、復調器１５６の出力信号のより高い周波数成分をデジタル微分器１６０の通過帯域の外に置くように動作する。このデジタル微分器は傾斜２πΔｆおよび低周波数のＡＣ成分を効率的にリターンする。微分器１６０によって通された雑音電力σｄｉｆｆ２は、σｄｉｆｆ２＝（π３／３）Ｆｃ３σε２（式中、Ｆｃは微分器１６０のカットオフ周波数である）によって白雑音入力電力σε２に関連付けられる。増幅器１６２は、時間ｔにおける初期化スイッチ１６５の出力εｔがεｔ＝εｔ−１−２｜κ｜πΔｆによってその前のサイクルにおける（時間ｔ−１における）出力εｔ−１に関連付けられるように、反転型、すなわちκ＜０である。ＱＳＧ１５７の第２の部分１５７Ｂは広帯域微分器として動作する。スイッチ１６５の出力はＤＤＳ１６９に入力され、したがって、復調器ユニット１７０のミキサに入力された信号の周波数を制御し、これらの信号も復調器１５６の同等のミキサにフィードバックされる。ＤＤＳ１６９に入力された制御信号は傾斜２πΔｆが変化するときのレートを表し、したがって高速二次補正および周波数追跡が提供される。始動中のＱＳＧ１５７の動作を安定させるために、スイッチ１６５が開の間に、初期化プリセット制御値が開始バッファ１８０によって初期化スイッチ１６５に供給される。
【００４３】
復調システム１５０の動作中、ＤＤＳ１６９によって出力され（ｓｉｎΩｔおよびｃｏｓΩｔそれぞれに比例する）、１９０Ａ、１９０Ｂにおいて復調器１７０に入力されたＩ信号およびＱ信号は１５１においてＱＳＧ１５７に入力された信号の周波数Ωを追跡するが、それら周波数はミキサ１５２におけるミキシングによって発生される高周波数雑音を組み入れない。
【００４４】
図４は図１装置に用いられる代替的復調装置２５０を模式的に示している。装置１５０のパーツに相当する装置２５０のパーツは、図１の相当するコンポーネントを示す参照符号とは値が１００だけ異なる参照符号で示されている。装置２５０は図１のＱＳＧ１５７に相当するＱＳＧ２５７を有し、第１の部分２５７Ａ、第２の部分２５７Ｂおよび第３の部分２５７Ｃを備えている。装置２５０は２つのクロック２８２、２８４によって制御され、ＱＳＧ２５７の第３の部分２５７Ｃは２つのダイレクトデジタルシンセサイザ２６９Ａ、２６９Ｂおよびレートコンバータ２８１を備えている。クロック２８２はＡＤＣ２５４、バンドパスフィルタ２５５、復調器ユニット２５６およびＤＤＳ２６９Ｂのクロック速度を制御する。クロック２８４はＡＤＣ２７７、復調器ユニット２７０およびＤＤＳ２６９Ａのクロック速度を制御する。
【００４５】
装置２５０の基本的機能は、図２の装置１５０の機能と同じである。アレイ１１５（図１）の光出力パルスは検出器２７６において検出され、ＡＤＣ２７７によってデジタル化され、ハイパスフィルタ２７８によって濾波され、デマルチプレクサ２７９によって逆多重化される。デマルチプレクサ２７９の出力は、ｃｏｓ（Ωｔ＋φ＋ε）形態の信号を含み、この信号の位相成分φ＋εは復調器ユニット２７０によって復元され、１２６において出力される。システム２５０の動作中、ＤＤＳ２６９Ｂから出力されたＩ信号およびＱ信号の周波数がＱＳＧ２５７への入力の周波数を追跡し、この入力は、ＲＦ回路１０２からの信号を混合し、濾波し、得られた合計の周波数成分を除去することによって発生される。装置１５０とは対照的に、初期化スイッチ２６５の出力は（直交信号発生器（ＱＳＧ）２５７内でフィードバックを提供する）ＤＤＳ２６９Ｂを制御するのに使用されるだけでなく、第２のレートコンバータ２８１によってレートコンバートもされ、続いて、クロック２８４と適合するクロック速度で第２のＤＤＳ２６９Ａに入力される。コンバータ２８１も、装置２５０を操作する前にＤＤＳ２６９Ａを制御するのに適した値に設定された係数λによって、スイッチ２６５からの信号を増幅／低減する。装置２５０はこれら２つの動作が異なるレートでクロックされるときに、周波数の追跡および復調の柔軟性を増強する。復調器ユニット２７０は、ＤＤＳ２６９ＡからのＩ信号およびＱ信号を受信する入力２９０Ａ、２９０Ｂを有する。
【００４６】
図５は本発明の別の復調装置３５０を模式的に示している。この装置は、アレイ１１５の個々のセンサ１１８の１つが、その他のセンサによって検出される雑音を検出することのできると同時に他のセンサによって検出され得る信号に機械的に非感光化されるときに、図１の装置に用いられるのにも適している。したがって、非感光化されたセンサは雑音のみを検出する基準センサである。システム３５０は、アレイ１１５の他のセンサの１つから取得された信号の位相に相当する低雑音出力信号を１２６において提供するように動作する。
【００４７】
装置１５０のパーツに相当する装置３５０のパーツは、図１の相当するコンポーネントを示す参照符号とは値が２００だけ異なる参照符号で示されている。復調装置３５０は単一の（光）入力１２４および出力１２６を有する。システム１５０、２５０とは対照的に、ＲＦ回路１０２からのブラッグセル駆動信号の入力は存在しない。アレイ１１５からの出力パルスは、上記のように、（３７６において）検出され、（３７７において）デジタル化され、（３７８において）ハイパスフィルタされ、（３７９において）逆多重化される。装置３５０は、第１の部分３５７Ａおよび第２の部分３５７Ｂ、ならびに単一のＤＤＳ３６９から成る第３の部分を有する直交信号発生器３５７を備えている。
【００４８】
基準センサからの信号はデマルチプレクサ３７９によって選択され、相当する同相（Ｉ）信号および直交（Ｑ）信号を位相直交復調器３７０に出力する直交信号発生器（ＱＳＧ）３５７に入力される。他のセンサからの信号は逐次的に逆多重化され、ループ３５７によって導入された処理遅延に等しい時間遅延だけ遅延手段３８１によって遅延された後に、復調器３７０に入力される。復調器に入力される信号の各々は同じ位相雑音成分を有しているので、またＩ信号およびＱ信号は他の位相変調を含んでいないので、復調器３７０の出力は、出力信号がデマルチプレクサ３７９によって選択され、遅延手段３８１を介して復調器３７０に入力されるセンサにおいて信号に課された位相に密接に相当する。すなわち、ＱＳＧ３５７に入力された信号はｃｏｓ［Ωｔ＋ε（ｔ）］形態（式中、ε（ｔ）はアレイ１１５の全センサによって検出された雑音に相当する）を有し、遅延手段３８１を介してＤＰＱＤ３７０に入力された信号はｃｏｓ［Ωｔ＋φ（ｔ）＋ε（ｔ）］形態（式中、φ（ｔ）は検出されるのが望ましい位相変調である）を有する。復調に用いられる信号（すなわち、非感光化されたセンサからの信号）は雑音項も含むので、ＤＰＱＤ３７０から出力された信号は実質的には、φ（ｔ）の関数のみである。
【００４９】
図６は図１のシステムに用いられる本発明の別の復調装置４５０を示しており、装置４５０は装置３５０の代替物である。装置１５０のパーツに相当する装置４５０のパーツは、図１の相当するコンポーネントを示す参照符号とは値が３００だけ異なる参照符号で示されている。図５の装置３５０と同様、装置４５０はセンサの１つがアレイ１１５の概ね近傍の雑音のみを検出する基準センサとして用いられるアレイ１１５と一緒に用いられることが意図される。基準センサを起点とする信号は、（４７９において）逆多重化され、４５１において、ローパスフィルタ４９７およびヒルベルト変換フィルタ４９８の両方を有するＱＳＧ４５７に入力される。フィルタ４９８は４５１において信号を９０°位相シフトする。４５１における信号に相当する同相（Ｉ）信号および直交位相（Ｑ）信号は、フィルタ４９７、４９８からそれぞれ出力され、復調器ユニット４７０内のミキサの入力に印加されて、アレイ１１５の他のセンサを起点とする信号が復調され、これらの信号はローパスフィルタ４８１を介して復調器４７０に入力される。基準センサを起点とする信号を用いてアレイの他のセンサを起点とする信号の復調を実行することにより、そうでない場合に１２６において出力に出現するであろう位相雑音が除去される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の時間分割多重化（ＴＤＭ）光ファイバセンシング装置を示す略図である。
【図２】図１の装置に用いられる本発明の復調装置を示す略図である。
【図３】図２の装置に用いられる個々の復調器ユニットを示す図である。
【図４】図１の装置に用いられる本発明の復調装置を更に示す略図である。
【図５】雑音が低減された復調出力信号を提供する本発明の復調装置を更に示す略図である。
【図６】雑音が低減された復調出力信号を提供する本発明の復調装置を更に示す略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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