(57)【要約】【課題】構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させる干渉型光ファイバセンサを提供すること。【解決手段】所定の周期でパルス光を出力するパルス光源と、物理量を検知するセンシングファイバを含むセンシング干渉計と、センシングファイバと伝搬遅延時間が等しい遅延補償ファイバを含む遅延補償干渉計と、を有する干渉型光ファイバセンサ。干渉型光ファイバセンサは、センシング干渉計及び遅延補償干渉計と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路を有する。【選択図】図１
2018017625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周期でパルス光を出力するパルス光源と、
前記パルス光を導波し、物理量を検知するセンシングファイバを含むセンシング干渉計と、
前記センシングファイバと伝搬遅延時間が等しい遅延補償ファイバを含む遅延補償干渉計と、
前記センシング干渉計及び前記遅延補償干渉計と直列に接続され、前記パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路と、を有する干渉型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記光シフト回路は、
前記パルス光源と、前記センシング干渉計及び前記遅延補償干渉計との間に設けられている請求項１に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記光シフト回路は、
前記光周波数シフタが設けられた閉ループ回路であり、
前記パルス光を分岐させるシフト光カプラと、
前記シフト光カプラから出力される一方のパルス光を遅延させる遅延ファイバと、
前記一方のパルス光を周回させる設定周回数を調整する帰還パルス遮断手段と、を有する請求項１又は２に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記光シフト回路は、
前記センシング干渉計に、同じ周波数の前記パルス光が伝搬しない周期で前記パルス光を出力するものである請求項１〜３の何れか一項に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記センシング干渉計は、
前記パルス光を分岐させる光カプラと、
前記光カプラの一方に前記センシングファイバを介して接続された第１ミラーと、
前記光カプラの他方に接続された第２ミラーと、を有する請求項１〜４の何れか一項に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記遅延補償干渉計は、
前記パルス光を分岐させる遅延光カプラと、
前記光カプラの一方に前記遅延補償ファイバを介して接続された第１遅延ミラーと、
前記光カプラの他方に接続された第２遅延ミラーと、を有する請求項５に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項７】
前記センシング干渉計と前記遅延補償干渉計とにより形成される複数の経路それぞれを通過した前記パルス光が干渉した干渉光を電気信号に変換してビートを連続的に出力する光電変換器と、
前記光電変換器から出力される電気信号を復調する復調器と、を有する請求項６に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項８】
前記光電変換器と前記復調器との間に設けられ、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断するローパスフィルタを有する請求項７に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項９】
前記遮断周波数は、前記光周波数シフタのシフト周波数未満に設定されている請求項８に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項１０】
前記遮断周波数は、前記光周波数シフタのシフト周波数から、前記復調器が復調に用いるビート周波数を引いた周波数未満に設定されている請求項８に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項１１】
前記パルス光が光ファイバを往復する部分に、光の周波数が異なる複数のパルス光が伝搬される請求項１〜１０の何れか一項に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項１２】
前記光シフト回路から出力される前記パルス光のレベルを調節する光アンプを有する請求項１〜１１の何れか一項に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉型光ファイバセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の干渉型光ファイバセンサの一例として、非特許文献１に示されたものがある。非特許文献１の干渉型光ファイバセンサは、検出する信号をセンシングファイバの歪みに変え、センシングファイバをアームとする光ファイバ干渉計を構成して信号を検出する。
【０００３】
干渉型光ファイバセンサは、様々な物理量を検出する事が可能で、例えば、非特許文献１には、磁気信号を検出する干渉型光ファイバセンサが開示されており、非特許文献２には、音響信号を検出する干渉型光ファイバセンサが開示されている。また、干渉型光ファイバセンサにおける干渉計の位相復調は、非特許文献１に示されているＰＧＣ（Phase Generated Carrier）方式、又は非特許文献２に示されているヘテロダイン方式などによって行われる。
【０００４】
ＰＧＣ方式又はヘテロダイン方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサは、伝搬時間差τが同じ２種類の干渉計を直列に接続する構成にすることで、センシングファイバとその周辺を光部品だけで構成し、光周波数シフタ、圧電振動子などの電源供給を必要とする部品をセンシングファイバから離れた場所に置くことができるので、水中の信号を検出する用途などに適している。加えて、従来から、遅延補償干渉計を設けずに、レーザのＦＭ変調でＰＧＣを発生させる構成も知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０８２９２１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】JJAP Vol.46,“Design of Fiber-Optic Magnetometer Utilizing Magnetostriction”
【非特許文献２】信学技報 ＵＳ２０１１−６８  広ダイナミックレンジ光ファイバハイドロホン
【非特許文献３】信学技報 ＯＰＥ９５−２  光ファイバハイドロホンの開発
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＰＧＣ方式又はヘテロダイン方式等を採用した従来の干渉型光ファイバセンサは、センシング干渉計のミラーに向かうパルス光のレイリー散乱光が、ミラーで反射したパルス光と重なり、干渉することで雑音が発生するという課題がある。加えて、非特許文献３のように、レーザのＦＭ変調でＰＧＣを発生させる方法では、ＰＧＣの高調波を考慮してサンプリング周波数を高くすることになるため、多重化数を増やしにくいという課題がある。
【０００８】
また、特許文献１には、パルス光源から干渉計のミラーまでにおいて光が往復する部分にあるパルス光を１つにすることで、レイリー散乱光を減らす方法が示されている。しかしながら、特許文献１の方法では、パルスの繰り返し周期が長くなるため、復調のためのサンプリング周期も長くなり、高い周波数の信号は復調することができなくなるという課題がある。そして、光を往復させる長さを復調に必要なサンプリング周期の範囲内に制限し、許容範囲外の伝送路を往路と復路とを分けて構成することで、レイリー散乱光の干渉による雑音を抑えることもできるが、かかる構成を採れば、構成品が多くなるという課題がある。よって、構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させる干渉型光ファイバセンサが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る干渉型光ファイバセンサは、所定の周期でパルス光を出力するパルス光源と、パルス光を導波し、物理量を検知するセンシングファイバを含むセンシング干渉計と、センシングファイバと伝搬遅延時間が等しい遅延補償ファイバを含む遅延補償干渉計と、センシング干渉計及び遅延補償干渉計と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路と、を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、センシング干渉計及び遅延補償干渉計と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタを含む光シフト回路を有することにより、パルス光源から出力されるパルス光の周波数を周期的にシフトさせることができるため、構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成を示す模式図である。
【図２】図１の干渉型光ファイバセンサの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成を示す模式図である。
【図４】図３の干渉型光ファイバセンサの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及びパルス波形を示す模式図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成を示す模式図である。
【図７】図６の干渉型光ファイバセンサの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。
【図８】ＰＧＣ方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサの一例を示す説明図である。
【図９】ヘテロダイン方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサの一例を示す説明図である。
【図１０】従来のアレイを構成する方式を採用した干渉型光ファイバセンサの一例を示す説明図である。
【図１１】従来の他のアレイを構成する方式を採用した干渉型光ファイバセンサの一例（以下、従来技術４と記す）を示す説明図である。
【図１２】図１１の従来技術４に関するパルス波形を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ１００の構成を示す模式図である。図２は、図１の干渉型光ファイバセンサ１００の各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。図１及び図２を参照して、干渉型光ファイバセンサ１００の構成及び動作を説明する。
【００１３】
本第１実施形態における干渉型光ファイバセンサ１００は、復調方式にＰＧＣ方式を採用したものである。図１に示すように、干渉型光ファイバセンサ１００は、パルス光源１０と、光シフト回路２０と、光サーキュレータ３０と、センシング干渉計４０と、遅延補償干渉計５０と、光電変換器（Ｏ／Ｅ変換器）６０と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）６５と、復調器７０と、を有している。パルス光源１０は、シフト光カプラ２１と接続されており、一定周波数νのパルス光を所定の周期でシフト光カプラ２１に出力するものである。
【００１４】
光シフト回路２０は、光周波数シフタ２３が設けられた閉ループ回路である。すなわち、光シフト回路２０は、シフト光カプラ２１と、オシレータ２２と、光周波数シフタ２３と、光パルスゲート２４と、遅延ファイバ２５と、光アンプ２６と、を有している。光シフト回路２０は、シフト光カプラ２１、光周波数シフタ２３、光パルスゲート２４、遅延ファイバ２５、及び光アンプ２６が順次接続されており、シフト光カプラ２１で分岐した一方のパルス光が、予め決められた設定周回数だけループするように構成されている。設定周回数は、光シフト回路２０にパルス光を周回させる回数のことであり、パルス光源１０のパルス幅とパルス光源１０のパルス繰り返し周期とに基づいて設定される。
【００１５】
シフト光カプラ２１は、入力されたパルス光を分岐したり、一つに重畳したりする光カプラである。シフト光カプラ２１は、２つの入力ポートと、２つの出力ポートと、を有している。シフト光カプラ２１は、一方の入力ポートがパルス光源１０に接続され、他方の入力ポートが光アンプ２６に接続されている。また、シフト光カプラ２１は、一方の出力ポートが光周波数シフタ２３に接続され、他方の出力ポートが光サーキュレータ３０に接続されている。
【００１６】
すなわち、シフト光カプラ２１は、パルス光源１０から出力されたパルス光を分岐させ、一方のパルス光を光周波数シフタ２３に出力し、他方のパルス光を光サーキュレータ３０に出力するものである。また、シフト光カプラ２１は、遅延ファイバ２５経由で自身に戻った一方のパルス光をさらに分岐させて、分岐させた２つのパルス光を、それぞれ、遅延ファイバ２５と光サーキュレータ３０とに出力するものである。
【００１７】
オシレータ２２は、周波数ｆＬの正弦波信号を光周波数シフタ２３へ出力し、光周波数シフタ２３を通過するパルス光の周波数をｆＬだけシフトさせるものである。以降では、光周波数シフタ２３がシフトさせる周波数ｆＬをシフト周波数ｆＬともいう。シフト周波数ｆＬは、ＰＧＣ信号発生器５２の周波数ｆＣの２倍より高い周波数に設定する。
【００１８】
光周波数シフタ２３は、オシレータ２２から出力される周波数ｆＬの正弦波信号をもとに、シフト光カプラ２１から出力される一方のパルス光の周波数をｆＬだけシフトさせるものである。ここで、シフト光カプラ２１から出力された一方のパルス光は、光シフト回路２０内を設定周回数だけシフト光カプラ２１に戻るようになっている。そして、一方のパルス光には、光周波数シフタ２３を通過する度にシフト周波数ｆＬが加えられる。すなわち、一方のパルス光の周波数は、光周波数シフタ２３を通過する度に、ν＋ｆｆ、ν＋２ｆｆ、ν＋３ｆｆ・・・といった具合に高くなっていく。
【００１９】
光パルスゲート２４は、シフト光カプラ２１で分岐した一方のパルス光を周回させる設定周回数を調整する帰還パルス遮断手段である。光パルスゲート２４は、シフト光カプラ２１で分岐した一方のパルス光を、通過させ又は遮断することにより、設定周回数を調整するものである。すなわち、光パルスゲート２４は、シフト光カプラ２１で分岐した一方のパルス光をシフト光カプラ２１まで戻す回数を調整するものである。
【００２０】
遅延ファイバ２５は、光パルスゲート２４を通過したパルス光を、予め設定された帰還間隔で遅延させ、パルス光が光シフト回路２０を一周する時間、すなわち、シフト光カプラ２１で分岐した他方のパルス光が遅延ファイバ２５経由でシフト光カプラ２１に帰還するまでの時間を調整するものである。本第１実施形態において、遅延ファイバ２５の長さは、パルス光が光シフト回路２０を一周する時間と、センシングファイバ４２を含むセンシング干渉計４０の伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。
【００２１】
光アンプ２６は、シフト光カプラ２１から遅延ファイバ２５を通過したパルス光を増幅して、シフト光カプラ２１へ出力するものである。光アンプ２６の利得は、シフト光カプラ２１から出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定される。
【００２２】
光サーキュレータ３０は、パルス光の伝送方向を切り替えるものである。本第１実施形態において、光サーキュレータ３０は、シフト光カプラ２１から入力したパルス光をセンシング干渉計４０に出力し、センシング干渉計４０から入力したパルス光を遅延補償干渉計５０に出力するものである。
【００２３】
センシング干渉計４０は、光カプラ４１と、センシングファイバ４２と、第１ミラー４３と、第２ミラー４４と、を有している。光カプラ４１は、１つの入力ポートと、２つの出力ポートと、を有している。第１ミラー４３及び第２ミラー４４は、パルス光を反射するものである。センシングファイバ４２は、光カプラ４１と第１ミラー４３との間に設けられており、物理量を検知するものである。すなわち、センシングファイバ４２は、加わる物理量に応じて生じる歪みにより、通過するパルス光を位相変調するものである。
【００２４】
光カプラ４１は、光サーキュレータ３０から出力されたパルス光を分岐させ、一方のパルス光を第１ミラー４３に向けて出力し、他方のパルス光を第２ミラー４４に向けて出力するものである。光カプラ４１は、第１ミラー４３において反射されたパルス光をセンシングファイバ４２経由で入力し、光サーキュレータ３０に出力するものである。光カプラ４１は、第２ミラー４４において反射されたパルス光を光サーキュレータ３０に出力するものである。
【００２５】
遅延補償干渉計５０は、遅延光カプラ５１と、ＰＧＣ信号発生器５２と、遅延補償ファイバ５３と、圧電子５３Ａと、第１遅延ミラー５４と、第２遅延ミラー５５と、を有している。ＰＧＣ信号発生器５２は、ＰＧＣ信号を発生して、遅延補償ファイバ５３に供給するものである。遅延補償ファイバ５３は、遅延光カプラ５１で分岐した一方のパルス光を遅延させるものである。遅延補償ファイバ５３は、パルス光を遅延させる時間である往復遅延時間が、センシングファイバ４２の伝搬時間差τと等しくなるように設定されている。圧電子５３Ａは、遅延補償ファイバ５３に周波数ｆＣの正弦波状の歪みを加えるものである。
【００２６】
光電変換器６０は、干渉光を電気信号に変換するものである。ＬＰＦ６５は、光電変換器６０と復調器７０との間に設けられている。ＬＰＦ６５は、光電変換器６０から出力される電気信号のうち、低域周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。すなわち、ＬＰＦ６５は、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断するものである。本第１実施形態において、ＬＰＦ６５の遮断周波数は、周波数ｆＣの２倍より高く、シフト周波数ｆＬ未満の周波数に設定される。シフト周波数ｆＬが光電変換器６０の帯域より高い場合、干渉型光ファイバセンサ１００は、ＬＰＦ６５を設けずに構成してもよい。
【００２７】
復調器７０は、参照信号発生器７１Ａと、参照信号発生器７１Ｂと、乗算器７２Ａと、乗算器７２Ｂと、ＬＰＦ７３Ａと、ＬＰＦ７３Ｂと、逆正接演算器７４と、不連続点補償演算器７５と、を有している。参照信号発生器７１Ａは、参照信号としてｃｏｓ２πｆＣｔを生成し、乗算器７２Ａに出力するものである。参照信号発生器７１Ｂは、参照信号としてｃｏｓ４πｆＣｔを生成し、乗算器７２Ｂに出力するものである。乗算器７２Ａは、ＬＰＦ６５から出力される電気信号に、参照信号発生器７１Ａから出力される参照信号を乗算してＬＰＦ７３Ａに出力するものである。乗算器７２Ｂは、ＬＰＦ６５から出力される電気信号に、参照信号発生器７１Ｂから出力される参照信号を乗算してＬＰＦ７３Ｂに出力するものである。
【００２８】
ＬＰＦ７３Ａは、乗算器７２Ａから出力された電気信号のうち、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。ＬＰＦ７３Ｂは、乗算器７２Ｂから出力された電気信号のうち、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。
【００２９】
逆正接演算器７４は、ＬＰＦ７３Ａを通過した電気信号であるｓｉｎφ（ｔ）と、ＬＰＦ７３Ｂを通過した電気信号であるｃｏｓφ（ｔ）とから逆正接を求めて不連続点補償演算器７５へ出力するものである。不連続点補償演算器７５は、逆正接演算器７４の出力の不連続点を連結することにより、物理量に対応する信号φ（ｔ）を復調するものである。
【００３０】
本第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００は、復調器７０に特定のパルス光をサンプリングするＡ／Ｄ変換器を設けず、連続波のまま復調処理を行うことができる。デジタル処理で復調する場合は、ＬＰＦ６５又はＬＰＦ７３及びＬＰＦ７３Ｂの帯域制限によって、折り返しによる雑音増加が起きないようにＡ／Ｄ変換を実行することができる。
【００３１】
光シフト回路２０から出力されるパルス光を光パルスゲート２４で遮断し、次のパルスをパルス光源１０から出力するタイミングは、τの整数倍、３τ以上で、且つ光サーキュレータ３０からセンシング干渉計４０の第１ミラー４３及び４４の間の光ファイバに同じ周波数のパルス光が入らないように設定する。
【００３２】
図２の例では、パルス光源１０から出力されるパルス光のデューティー比が１／３に設定され、パルス光源１０のパルス幅がτに設定され、パルス光源１０のパルス繰り返し周期が３τに設定されている。ここで、光シフト回路２０を１周する時間は、センシング干渉計４０の伝搬時間差τと等しくなっている。そして、シフト光カプラ２１から光サーキュレータ３０に向けて、光シフト回路２０を周回しなかった光周波数がνのパルス光と、光シフト回路２０を１周して光周波数がν＋ｆＬになったパルス光と、光シフト回路２０を２周して光周波数がν＋２ｆＬになったパルス光とが、連なって繰り返し出力される。すなわち、シフト光カプラ２１から光サーキュレータ３０に出力されるパルス波形は、図２に示すように、周波数νのパルス光と、周波数ν＋ｆＬのパルス光と、周波数ν＋２ｆＬのパルス光とが、連続的に繰り返された形状となっている。
設定されている。
【００３３】
光シフト回路２０の周回が３回目となったパルス光は、光パルスゲート２４で遮断されるようになっている。すなわち、光パルスゲート２４は、光シフト回路２０の周回が３回目となったパルス光を遮断することで、設定周回数が２回となるように調整する。
【００３４】
本第１実施形態では、光シフト回路２０が、シフト光カプラ２１、光周波数シフタ２３、光パルスゲート２４、遅延ファイバ２５、光アンプ２６の順に接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光シフト回路２０は、光周波数シフタ２３、光パルスゲート２４、遅延ファイバ２５、及び光アンプ２６の接続順序を入れ替えて構成してもよい。
【００３５】
上記構成により、干渉型光ファイバセンサ１００は、パルス光が光ファイバを往復する部分、すなわち、パルス光が往復する光路に、周波数が異なる複数のパルス光が伝搬されるようになっている。本第１実施形態において、パルス光が光ファイバを往復する部分とは、光サーキュレータ３０から第１ミラー４３又は第２ミラー４４までの部分のことである。ここで、干渉型光ファイバセンサ１００は、光サーキュレータ３０と同様に機能する光カプラ等を、光サーキュレータ３０の代わりに有していてもよい。
【００３６】
本第１実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００が、光周波数シフタ２３を含む光シフト回路２０、センシングファイバ４２を含むセンシング干渉計４０、遅延補償ファイバ５３を含む遅延補償干渉計５０の順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ１００は、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路２０に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路２０をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
【００３７】
（動作の説明）
パルス光源１０から出力されたパルス光は、シフト光カプラ２１において、光周波数シフタ２３へ向かう一方のパルス光と、光サーキュレータ３０へ向かう他方のパルス光とに分割される。シフト光カプラ２１で分割された他方のパルス光は、光サーキュレータ３０を通過し、センシング干渉計４０の光カプラ４１で２つに分割され、分割された一方のパルス光と他方のパルス光とが、それぞれ、第１ミラー４３と第２ミラー４４とで反射する。第１ミラー４３で反射した一方のパルス光は、センシングファイバ４２を通過してセンシング光となり（経路ＡＣ）、第２ミラー４４で反射した他方のパルス光は、リファレンス光となる（経路ＡＢ）。センシング光は、センシングファイバ４２を通過するときに、センシングファイバ４２に加わる信号φ（ｔ）で位相変調される。センシングファイバ４２の伝搬遅延時間τｄにより、一方のパルス光及び他方のパルス光は、２つのパルス光となって伝送され、それぞれが遅延補償干渉計５０の遅延光カプラ５１で２つに分割される。
【００３８】
遅延光カプラ５１で分割された一方のパルス光は、遅延補償干渉計５０の遅延補償ファイバ５３を通過してから第１遅延ミラー５４で反射し、遅延補償ファイバ５３及び遅延光カプラ５１を経由して光電変換器６０に入力する。遅延光カプラ５１で分割された他方のパルス光は、第２遅延ミラー５５で直接反射して、光電変換器６０に入力する。
【００３９】
すなわち、光電変換器６０には、経路ＡＢＤＥＧ、経路ＡＢＤＦＧ、経路ＡＣＤＥＧ、経路ＡＣＤＦＧの４つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力する。異なる経路を伝搬した４つのパルス光のうち、光電変換器６０に入力する時間と光の周波数の両方が等しくなるのは、図２に示すように、経路ＡＢＤＦＧを伝搬したパルス光と経路ＡＣＤＥＧを伝搬したパルス光である。経路ＡＢＤＥＧを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＦＧを伝搬したパルス光とは、経路ＡＢＤＦＧを伝搬したパルス光に対し、ｆＬ又は２ｆＬの周波数差が生じる。
【００４０】
経路ＡＢＤＦＧを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＥＧを伝搬したパルスが干渉すると、光電変換器６０において、下記式（１）に示す出力Ｉが得られる。式（１）において、Ａ及びＢは、光強度及び干渉する２光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数であり、Ｃは、ＰＧＣ変調度である。
【００４１】
【数１】
2018017625.tif 000003
【００４２】
光シフト回路２０を回り、周波数がシフトしたパルス光でも、パルス光の光周波数が等しければ、光電変換器６０からの出力Ｉは変わらない。経路ＡＢＤＥＧを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＦＧを伝搬したパルス光とは、経路ＡＢＤＦＧを伝搬したパルス光と比べて、シフト周波数ｆＬ又は２ｆＬの周波数差があるので、例えば、光周波数νのパルスと光周波数ν＋ｆＬのパルス光とが干渉した場合、光電変換器６０において、下記式（２）で表される中心周波数がｆＬにシフトした出力ＩＸが得られる。式（２）において、ＡＸ及びＢＸは、光強度及び干渉する２光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数である。
【００４３】
【数２】
2018017625.tif 000004
【００４４】
ＬＰＦ６５は、上記式（２）の成分を遮断し、上記式（１）の復調に必要な成分を通過させる。すなわち、復調器７０は、ＬＰＦ６５を通過した電気信号に、周波数ｆＣと２ｆＣの参照信号を乗算してＬＰＦ７３Ａ及びＬＰＦ７３Ｂを通過させることにより、中心周波数がｆＬ又は２ｆＬだけシフトした成分を減衰させ、ｓｉｎφ（ｔ）及びｃｏｓφ（ｔ）を得る。より具体的に、復調器７０は、ＬＰＦ６５を通過した電気信号と、参照信号発生器７１Ａからの周波数ｆＣの参照信号とを乗算器７２Ａで乗算させてＬＰＦ７３Ａを通過させる。また、復調器７０は、ＬＰＦ６５を通過した電気信号と、参照信号発生器７１Ｂからの周波数２ｆＣの参照信号とを乗算器７２Ｂで乗算させてＬＰＦ７３Ｂを通過させる。これにより、中心周波数がｆＬ又は２ｆＬだけシフトした成分は減衰し、ｓｉｎφ（ｔ）及びｃｏｓφ（ｔ）が得られる。
【００４５】
次いで、復調器７０は、得られたｓｉｎφ（ｔ）及びｃｏｓφ（ｔ）から、逆正接演算器７４及び不連続点補償演算器７５により、逆正接演算と不連続点補償処理とを行い、センシングファイバ４２で検出した信号を含むφ（ｔ）を復調する。干渉型光ファイバセンサ１００によれば、連続したパルスの全てにおいて、上記式（１）で表される成分が得られるため、折り返しによる雑音の増加を抑えることができる。
【００４６】
レイリー散乱光の周波数は、伝搬しているパルス光の周波数と等しいため、復調に用いるパルス光が光電変換器６０に入力しているときに、他のパルス光から発生したレイリー散乱光は、復調に用いるパルス光と比べてシフト周波数ｆＬ又は２ｆＬの周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉で発生する雑音の周波数は、シフト周波数ｆＬと２ｆＬの近傍になり、ＬＰＦ６５で遮断される。シフト周波数ｆＬが光電変換器６０の帯域より高い場合は、レイリー散乱光の干渉で発生する雑音は、光電変換器６０からの出力に現れなくなる。
【００４７】
以上のように、干渉型光ファイバセンサ１００は、センシング干渉計４０及び遅延補償干渉計５０と直列に接続され、パルス光の周波数をシフトさせる光周波数シフタ２３を含む光シフト回路２０を有することにより、パルス光源１０から出力されるパルス光の周波数を周期的にシフトさせることができるため、構成品の増加を抑えると共に、雑音を低減させることができる。そして、干渉型光ファイバセンサ１００によれば、雑音要因の１つであるレイリー散乱光の干渉による雑音を抑え、その他の雑音に起因したサンプリングの折り返しによる雑音増加を抑えることができるため、従来構成よりも小さな信号を検出することができる。
【００４８】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ１００Ａの構成を示す模式図である。図４は、図３の干渉型光ファイバセンサ１００Ａの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。図３及び図４を参照して、干渉型光ファイバセンサ１００Ａの構成及び動作を説明する。前述した第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００と同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００４９】
図３に示すように、干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、パルス光源１０と、光シフト回路２０と、光サーキュレータ３０と、センシング干渉計４０と、遅延補償干渉計１５０と、光電変換器６０と、ＬＰＦ６５と、復調器１７０と、を有している。
【００５０】
遅延補償干渉計１５０は、第１光カプラ１５１と、オシレータ１５２と、光周波数シフタ１５３と、遅延補償ファイバ１５４と、第２光カプラ１５５と、を有している。第１光カプラ１５１は、１つの入力ポートと、２つの出力ポートと、を有している。第１光カプラ１５１は、入力ポートがシフト光カプラ２１に接続され、一方の出力ポートが光周波数シフタ１５３に接続され、他方の出力ポートが遅延補償ファイバ１５４に接続されている。
【００５１】
オシレータ１５２は、周波数ｆＢの正弦波信号を光周波数シフタ１５３へ出力し、光周波数シフタ１５３を通過するパルス光の周波数をｆＢだけシフトさせるものである。光周波数シフタ１５３は、オシレータ１５２から出力される周波数ｆＢの正弦波信号をもとに、第１光カプラ１５１から出力される一方のパルス光の周波数をｆＢだけシフトさせるものである。遅延補償ファイバ１５４は、第１光カプラ１５１で分岐した他方のパルス光を遅延させるものである。遅延補償ファイバ１５４は、パルス光を遅延させる時間である遅延時間が、センシングファイバ４２の伝搬時間差τと等しくなるように設定されている。第２光カプラ１５５は、２つの入力ポートと、１つの出力ポートと、を有している。第２光カプラ１５５は、一方の入力ポートが光周波数シフタ１５３に接続され、他方の入力ポートが遅延補償ファイバ１５４に接続され、出力ポートが光サーキュレータ３０に接続されている。
【００５２】
光シフト回路２０は、光周波数シフタ２３に周波数ｆＬのオシレータ２２の正弦波信号を入力して、光周波数シフタ２３が、シフト光カプラ２１から出力される一方のパルス光の周波数をｆＬだけシフトさせるようになっている。本第２実施形態において、シフト周波数ｆＬは、光周波数シフタ１５３がシフトさせる周波数ｆＢより高い周波数に設定する。光周波数シフタ１５３のシフト周波数ｆＢ、光周波数シフタ２３のシフト周波数ｆＬ、及びＬＰＦ６５の遮断周波数ｆｃｕｔ２は、下記式（３）を満たすように設定する。ここで、復調器１７０は、光周波数シフタ１５３のシフト周波数ｆＢと等しいビート周波数を復調に用いるものである。すなわち、ＬＰＦ６５の遮断周波数ｆｃｕｔ２は、光周波数シフタ２３のシフト周波数から、復調器１７０が復調に用いるビート周波数を引いた周波数未満に設定されている。
【００５３】
【数３】
2018017625.tif 000005
【００５４】
本第２実施形態においても、遅延ファイバ２５の長さは、光シフト回路２０を１周する時間と、センシングファイバ４２を含むセンシング干渉計４０の伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。また、光アンプ２６の利得は、シフト光カプラ２１から出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定されている。シフト周波数ｆＬが光電変換器６０の帯域より高い場合は、ＬＰＦ６５を省くことができる。
【００５５】
干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、光シフト回路２０から出力されるパルス光を光パルスゲート２４で遮断し、次のパルス光をパルス光源１０から出力するタイミングは、τの整数倍、３τ以上で、且つ光サーキュレータ３０からセンシング干渉計４０の第１ミラー４３及び第２ミラー４４の間の光ファイバに同じ周波数のパルス光が入らないように設定する。
【００５６】
本第２実施形態における光電変換器６０は、センシング干渉計４０と遅延補償干渉計１５０とにより形成される複数の経路それぞれを通過したパルス光が干渉した干渉光を、電気信号に変換して、ビートを連続的に出力するものである。
【００５７】
復調器１７０は、参照信号発生器１７１Ａと、参照信号発生器１７１Ｂと、乗算器７２Ａと、乗算器７２Ｂと、ＬＰＦ７３Ａと、ＬＰＦ７３Ｂと、逆正接演算器７４と、不連続点補償演算器７５と、を有している。参照信号発生器１７１Ａは、参照信号としてｓｉｎ２πｆＢｔを生成し、乗算器７２Ａに出力するものである。参照信号発生器７１Ｂは、参照信号としてｃｏｓ２πｆＢｔを生成し、乗算器７２Ｂに出力するものである。
【００５８】
本第２実施形態の復調器１７０は、特定のパルス光をサンプリングするＡ／Ｄ変換器を設けずに、連続波のまま処理することができる。もっとも、復調器１７０は、ＬＰＦ６５を通過した電気信号を入力してＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換器（図示せず）を有するようにしてもよい。そして、復調器１７０は、デジタル処理で復調する場合、ＬＰＦ６５又はＬＰＦ７３Ａ及びＬＰＦ７３Ｂの帯域制限で、折り返しによる雑音増加が起きないようにＡ／Ｄ変換を行うようにするとよい。
【００５９】
光アンプ２６の利得とシフト光カプラ２１の分岐比は、シフト光カプラ２１から第１光カプラ１５１に出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定する。
【００６０】
図４の例では、パルス光源１０から出力されるパルス光のデューティー比が１／３に設定され、パルス光源１０のパルス幅がτに設定され、パルス光源１０のパルス繰り返し周期が３τに設定されている。ここで、光シフト回路２０を１周する時間は、センシング干渉計４０の伝搬時間差τと等しくなっている。そして、シフト光カプラ２１から光サーキュレータ３０に向けて、光シフト回路２０を周回しなかった光周波数がνのパルス光と、光シフト回路２０を１周して光周波数がν＋ｆＬになったパルス光と、光シフト回路２０を２周して光周波数がν＋２ｆＬになったパルス光とが、連なって繰り返し出力される。すなわち、シフト光カプラ２１から光サーキュレータ３０に出力されるパルス波形は、図４に示すように、周波数νのパルス光と、周波数ν＋ｆＬのパルス光と、周波数ν＋２ｆＬのパルス光とが、連続的に繰り返された形状となっている。
【００６１】
上記構成により、干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、パルス光が光ファイバを往復する部分に、周波数が異なる複数のパルス光が伝搬されるようになっている。本第２実施形態において、パルス光が光ファイバを往復する部分とは、光サーキュレータ３０から第１ミラー４３又は第２ミラー４４までの部分のことである。ここで、干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、光サーキュレータ３０と同様に機能する光カプラ等を、光サーキュレータ３０の代わりに有していてもよい。
【００６２】
本第２実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００Ａが、光シフト回路２０、遅延補償ファイバ１５４を含む遅延補償干渉計１５０、センシングファイバ４２を含むセンシング干渉計４０の順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路２０に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路２０をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
【００６３】
（動作の説明）
光電変換器６０には、経路ＡＢＤＥＧ、経路ＡＢＤＦＧ、経路ＡＣＤＥＧ、経路ＡＣＤＦＧの４つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力する。この内、経路ＡＢＤＦＧを伝搬したパルス光と経路ＡＣＤＥＧを伝搬したパルス光とが干渉すると、光電変換器６０において、下記式（４）に示す出力Ｉが得られる。式（４）の右辺の第２項目は、光周波数シフタ１５３でシフトする周波数の成分であるビートに相当する。
【００６４】
【数４】
2018017625.tif 000006
【００６５】
光シフト回路２０を回り周波数がシフトしたパルス光でも、光電変換器６０の出力は変わらない。経路ＡＢＤＥＧを伝搬したパルス光、及び経路ＡＣＤＦＧを伝搬したパルス光は、それぞれ、経路ＡＢＤＦＧを伝搬したパルス光と比べて「ｆＬ−ｆＢ」以上の周波数差がある。よって、例えば、光周波数ν＋ｆＢのパルス光と光周波数ν＋ｆＬのパルスとが干渉した場合、光電変換器６０において、下記式（５）で表される中心周波数がｆＬにシフトした出力ＩＸが得られる。
【００６６】
【数５】
2018017625.tif 000007
【００６７】
ＬＰＦ６５は、「ｆＬ−ｆＢ」以上にシフトした成分は減衰させる。復調器１７０は、上記式（４）で表される入力に、参照信号を乗算してＬＰＦ６５を通過させることで、ｓｉｎφ（ｔ）とｃｏｓφ（ｔ）とを求め、逆正接演算と不連続点補償処理をしてセンシングファイバ４２で検出した信号を含むφ（ｔ）を復調する。
【００６８】
光サーキュレータ３０とセンシング干渉計４０の第１ミラー４３及び第２ミラー４４との間で発生するレイリー散乱光の周波数は、伝搬するパルス光と同じ周波数であるから、信号を検出するパルスと、これと同時に光電変換器６０に入力するレイリー散乱光との間には、「ｆＬ−ｆＢ」以上の周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉により発生する雑音は、その周波数が「ｆＬ−ｆＢ」以上となり、ＬＰＦ６５又は光電変換器６０で遮断される。「ｆＬ−ｆＢ」が光電変換器６０の帯域より高い場合は、レイリー散乱光の干渉で発生する雑音は、光電変換器６０の出力に現れなくなる。
【００６９】
以上のように、干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、連続したパルス光の全てにおいて、上記式（４）で表される成分を得ることができる。また、復調器１７０がＡ／Ｄ変換器を有する構成を採った場合でも、ＬＰＦ６５で帯域制限した後の電気信号がＡ／Ｄ変換器に入力する。よって、干渉型光ファイバセンサ１００Ａによれば、折り返し雑音を抑制することができる。
【００７０】
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ１００Ｂの構成及びパルス波形を示す模式図である。図５を参照して、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂの構成及び動作を説明する。上述した第１及び第２実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００及び１００Ｂと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００７１】
図５に示すように、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、パルス光源としてのレーザ装置１０Ｘ及び光パルスゲート１０Ｙと、光シフト回路２２０と、光サーキュレータ３０と、第１センシング干渉計２４０Ａと、第２センシング干渉計２４０Ｂと、遅延補償干渉計５０と、光電変換器６０と、ＬＰＦ６５と、復調器７０と、を有している。
【００７２】
レーザ装置１０Ｘは、レーザ光を発信するものであり、光パルスゲート１０Ｙは、レーザ装置１０Ｘから発信されるレーザ光を通過させ又は遮断することにより、パルス光を出力するものである。
【００７３】
光シフト回路２２０は、シフト光カプラ２１と、光アンプ２６と、遅延ファイバ２５と、オシレータ２２と、光周波数シフタ２３と、パルスゲート２２４と、を有している。光シフト回路２２０は、シフト光カプラ２１、光アンプ２６、遅延ファイバ２５、光周波数シフタ２３、及びパルスゲート２２４が順次接続されており、シフト光カプラ２１で分岐した一方のパルス光が、予め決められた設定周回数だけループするようになっている。
【００７４】
光周波数シフタ２３には、周波数ｆＬのオシレータ２２の正弦波信号を入力して、光周波数シフタ２３が、シフト光カプラ２１から出力される一方のパルス光の周波数をｆＬだけシフトさせるようになっている。遅延ファイバ２５の長さは、光シフト回路２２０を１周する時間と、第１センシングファイバ２４２Ａを含む第１センシング干渉計２４０Ａ及び第２センシングファイバ２４２Ｂを含む第２センシング干渉計２４０Ｂの伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。また、光アンプ２６の利得、及びシフト光カプラ２１の分岐比は、シフト光カプラ２１から光サーキュレータ３０に出力されるパルスのレベルが等しくなるように設定されている。
【００７５】
光シフト回路２２０から出力されるパルス光をパルスゲート２２４で遮断し、次のパルス光を光パルスゲート１０Ｙから出力するタイミングは、光サーキュレータ３０から各ミラー２４３Ｂ、２４４Ａ、２４４Ｂの間の光ファイバに、同じ周波数のパルスが入らない設定とする。
【００７６】
図５のパルス波形のように、レーザ装置１０Ｘから出力されたレーザ光が光パルスゲート１０Ｙでパルス１になり、シフト光カプラ２１と光サーキュレータ３０とを介して、第１センシング干渉計２４０Ａ及び第２センシング干渉計２４０Ｂに送られる。シフト光カプラ２１で分岐した一方のパルス光は、遅延ファイバ２５、光周波数シフタ２３、及びパルスゲート２２４を通過してパルス２となり、シフト光カプラ２１と光サーキュレータ３０とを介して、第１センシング干渉計２４０Ａ及び第２センシング干渉計２４０Ｂに送られる。そして、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、遅延ファイバ２２５、光周波数シフタ２２３、及びパルスゲート２２４を２周したパルス３までが第１センシング干渉計２４０Ａ及び第２センシング干渉計２４０Ｂに送られ、３周目のパルス光は、パルスゲート２２４で遮断され、光パルスゲート１０Ｙからパルス４が送られるようになっている。
【００７７】
第１センシング干渉計２４０Ａは、光カプラ２４１Ａと、第１センシングファイバ２４２Ａと、ミラー２４４Ａと、光カプラ２４１Ｂと、ミラー２４４Ｂと、を有している。第２センシング干渉計２４０Ｂは、光カプラ２４１Ｂと、ミラー２４４Ｂと、第２センシングファイバ２４２Ｂと、ミラー２４３Ｂと、を有している。すなわち、光カプラ２４１Ｂ及びミラー２４４Ｂは、第１センシング干渉計２４０Ａと第２センシング干渉計２４０Ｂとによって共有されている。
【００７８】
光カプラ２４１Ａは、入力ポートが光サーキュレータ３０に接続され、一方の出力ポートが第１センシングファイバ２４２Ａに接続され、他方の出力ポートがミラー２４４Ａに接続されている。
光カプラ２４１Ｂは、入力ポートが第１センシングファイバ２４２Ａに接続され、一方の出力ポートが第２センシングファイバ２４２Ｂに接続され、他方の出力ポートがミラー２４４Ｂに接続されている。第２センシングファイバ２４２Ｂは、ミラー２４３Ｂに接続されている。
【００７９】
また、ＬＰＦ６５は、復調器７０のＡ／Ｄ変換器の前に設けられている。ただし、シフト周波数ｆＬを光電変換器６０の上限周波数より高くする場合、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、ＬＰＦ６５を設けずに構成してもよい。
【００８０】
本第３実施形態では、光シフト回路２２０が、シフト光カプラ２１、遅延ファイバ２５、光周波数シフタ２３、パルスゲート２２４の順に接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光シフト回路２２０は、遅延ファイバ２５、光周波数シフタ２３、パルスゲート２２４の接続順序を入れ替えて構成してもよい。
【００８１】
上記構成により、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、パルス光が光ファイバを往復する部分に、周波数が異なる複数のパルス光が伝搬されるようになっている。本第３実施形態において、パルス光が光ファイバを往復する部分とは、光サーキュレータ３０からミラー２４４Ａ、ミラー２４４Ｂ又はミラー２４３Ｂまでの部分のことである。ここで、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、光サーキュレータ３０と同様に機能する光カプラ等を、光サーキュレータ３０の代わりに有していてもよい。
【００８２】
本第３実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂが、光シフト回路２２０、第１センシング干渉計２４０Ａ及び第２センシング干渉計２４０Ｂ、遅延補償干渉計５０の順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路２２０に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路２２０をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
【００８３】
（動作の説明）
干渉型光ファイバセンサ１００Ｂにおいて、光パルスゲート１０Ｙを出力したパルス光は、光シフト回路２２０のシフト光カプラ２１において分岐される。光シフト回路２２０は、第１及び第２実施形態の光シフト回路２０と同様にパルス光を出力する。
【００８４】
光シフト回路２２０から出力されたパルス光は、光サーキュレータ３０と伝送ファイバＴＦを通過し、光カプラ２４１Ａで２つに分岐し、一方はミラー２４４Ａで反射して伝送ファイバＴＦに戻る。もう一方は第１センシングファイバ２４２Ａを通過して光カプラ２４１Ｂで分岐する。光カプラ２４１Ｂでもパルス光が２つに分岐し、一方はミラー２４４Ｂで反射して伝送ファイバＴＦに戻る。もう一方は第２センシングファイバ２４２Ｂを通過してミラー２４３Ｂで反射して伝送ファイバＴＦに戻る。伝送ファイバＴＦに戻ったパルス光は、光サーキュレータ３０及び遅延補償干渉計５０を通過し、光電変換器６０が電気信号に変換してＬＰＦ６５に出力する。
【００８５】
ここで、レイリー散乱光の周波数は、伝搬するパルス光と同じ周波数であるから、信号を検出するパルス光と、これと同時に光電変換器６０に入力するレイリー散乱光との間には、ｆＬ以上の周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉により発生する雑音は、その周波数がｆＬ以上となり、ＬＰＦ６５又は光電変換器６０で遮断される。
【００８６】
そして、光電変換器６０から出力される電気信号は、ＬＰＦ６５を通過して復調器１０７０に入力する。復調器１０７０では、サンプリングのタイミングを変えて多重伝送されたそれぞれの信号を復調する。
【００８７】
レイリー散乱光の周波数は、伝搬するパルス光と同じ周波数であるから、信号を検出するパルス光と、これと同時に光電変換器６０に入力するレイリー散乱光との間には、ｆＬ以上の周波数差ができる。したがって、レイリー散乱光の干渉により発生する雑音は、その周波数がｆＬ以上となり、ＬＰＦ６５又は光電変換器６０で遮断される。
【００８８】
以上のように、本第３実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、光パルスゲート１０Ｙと光サーキュレータ３０との間に光シフト回路２２０を有することから、パルス光が往復する部分にあるパルス光を１つにすることで信号を検出する周波数帯域を制限したり、波長分割多重で多重化できるチャネルを犠牲にすることなく、雑音の抑制を図ることができる。
【００８９】
［第４実施形態］
図６は、本発明の第４実施形態に係る干渉型光ファイバセンサ１００Ｃの構成を示す模式図である。図７は、図６の干渉型光ファイバセンサ１００Ｃの各経路におけるパルス波形を例示する説明図である。図６及び図７を参照して、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃの構成及び動作を説明する。上述した第１〜第３実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００、１００Ａ、及び１００Ｂと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００９０】
図６に示すように、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、パルス光源１０と、光シフト回路３２０と、遅延補償干渉計１５０と、光カプラ３８１と、第１センシング干渉計３４０Ａと、第２センシング干渉計３４０Ｂと、光電変換器６０と、復調器３７０と、を有している。
【００９１】
光シフト回路３２０は、光カプラ３２１Ａと、光アンプ３２６と、シフト光カプラ３２１Ｂと、オシレータ２２と、光周波数シフタ２３と、遅延ファイバ２５と、光パルスゲート２４と、を有している。光カプラ３２１Ａは、パルス光源１０に接続された入力ポートと、光パルスゲート２４に接続された入力ポートと、を有している。また、光カプラ３２１Ａは、光アンプ３２６に接続された出力ポートを有している。光アンプ３２６は、パルス光源１０から光カプラ３２１Ａを介して出力されるパルス光と、シフト光カプラ３２１Ｂで分岐され、光周波数シフタ２３、遅延ファイバ２５、及び光パルスゲート２４を通過した後に光カプラ３２１Ａから出力されるパルス光と、を増幅して、シフト光カプラ３２１Ｂへ出力するものである。
【００９２】
シフト光カプラ３２１Ｂは、光アンプ３２６に接続された１つの入力ポートを有している。また、シフト光カプラ３２１Ｂは、遅延補償干渉計１５０の第１光カプラ１５１に接続された出力ポートと、光周波数シフタ２３に接続された出力ポートと、を有している。シフト光カプラ３２１Ｂから出力されたパルス光は、第１光カプラ１５１において、光周波数シフタ１５３へ向かう一方のパルス光と、遅延補償ファイバ１５４へ向かう他方のパルス光とに分岐される。一方のパルス光は、光周波数シフタ１５３において、周波数がｆＢだけシフトされ、第２光カプラ１５５に入力する。他方のパルス光は、遅延補償ファイバ１５４において遅延され、第２光カプラ１５５に入力する。
【００９３】
光カプラ３８１は、第２光カプラ１５５に接続された入力ポートを有している。また、光カプラ３８１は、時分割多重遅延ファイバ３９０に接続された出力ポートと、第１センシング干渉計３４０Ａの光カプラ３４１Ａに接続された出力ポートと、を有している。光カプラ３８１は、シフト光カプラ３２１Ｂから第１光カプラ１５１へ出力され、光周波数シフタ１５３又は遅延補償ファイバ１５４を経由して第２光カプラ１５５から出力されるパルス光を分岐させ、一方のパルス光を時分割多重遅延ファイバ３９０へ出力し、他方のパルス光を第１センシング干渉計３４０Ａへ出力するものである。
【００９４】
光シフト回路３２０は、光周波数シフタ２３に周波数ｆＬのオシレータ２２の正弦波信号を入力して、光周波数シフタ２３が、シフト光カプラ３２１Ｂから出力される一方のパルス光の周波数をｆＬだけシフトさせるようになっている。本第４実施形態において、シフト周波数ｆＬは、光周波数シフタ１５３がシフトさせる周波数ｆＢより高い周波数に設定されている。光周波数シフタ１５３のシフト周波数ｆＢ、光周波数シフタ２３のシフト周波数ｆＬ 、及びＬＰＦ６５の遮断周波数ｆｃｕｔ２は、第２実施形態で示した式（３）を満たすように設定されている。ここで、復調器３７０は、光周波数シフタ１５３のシフト周波数ｆＢと等しいビート周波数を復調に用いるものである。すなわち、ＬＰＦ６５の遮断周波数ｆｃｕｔ２は、光周波数シフタ２３のシフト周波数から、復調器３７０が復調に用いるビート周波数を引いた周波数未満に設定されている。また、遮断周波数ｆｃｕｔ２は、光電変換器６０から出力されるパルスを鈍らせてクロストーク又は雑音が問題にならない高さの周波数に設定されている。
【００９５】
本第４実施形態において、遅延ファイバ２５の長さは、光シフト回路２０を１周する時間と、センシングファイバ３４２Ａを含む第１センシング干渉計３４０Ａの伝搬時間差τと、センシングファイバ３４２Ｂを含む第２センシング干渉計３４０Ｂの伝搬時間差τとが等しくなるように調節されている。また、光アンプ３２６の利得、光カプラ３２１Ａの分岐比、及びシフト光カプラ３２１Ｂの分岐比は、シフト光カプラ３２１Ｂから出力されるパルス光のレベルが等しくなるように設定されている。
【００９６】
第１センシング干渉計３４０Ａは、光カプラ３４１Ａと、センシングファイバ３４２Ａと、ミラー３４３Ａと、ミラー３４４Ａと、を有している。光カプラ３４１Ａは、光カプラ３８１から出力されたパルス光を分岐し、一方のパルス光をセンシングファイバ３４２Ａ経由でミラー３４３Ａに出力し、他方のパルス光をミラー３４４Ａに出力するものである。また、光カプラ３４１Ａは、ミラー３４３Ａで反射され、センシングファイバ３４２Ａを通過したパルス光と、ミラー３４４Ａで反射したパルス光とを、光電変換器６０へ出力するものである。センシングファイバ３４２Ａは、光カプラ３４１Ａとミラー３４３Ａとの間に設けられており、物理量を検知するものである。
【００９７】
第２センシング干渉計３４０Ｂは、光カプラ３４１Ｂと、センシングファイバ３４２Ｂと、ミラー３４３Ｂと、ミラー３４４Ｂと、を有している。光カプラ３４１Ｂは、光カプラ３８１から出力され、時分割多重遅延ファイバ３９０を通過したパルス光を分岐し、一方のパルス光をセンシングファイバ３４２Ｂ経由でミラー３４３Ｂに出力し、他方のパルス光をミラー３４４Ｂに出力するものである。また、光カプラ３４１Ｂは、ミラー３４３Ｂで反射され、センシングファイバ３４２Ｂを通過したパルス光と、ミラー３４４Ｂで反射したパルス光とを、光電変換器６０へ出力するものである。センシングファイバ３４２Ｂは、光カプラ３４１Ｂとミラー３４３Ｂとの間に設けられており、物理量を検知するものである。
【００９８】
本第４実施形態における光電変換器６０は、第１センシング干渉計３４０Ａ及び第２センシング干渉計３４０Ｂと遅延補償干渉計１５０とにより形成される複数の経路それぞれを通過したパルス光が干渉した干渉光を、電気信号に変換して、ビートを連続的に出力するものである。
【００９９】
復調器３７０は、ＬＰＦ３６５と、Ａ／Ｄ変換器３９５と、参照信号発生器３７１Ａ〜３７１Ｄと、乗算器３７２Ａ〜３７２Ｄと、ＬＰＦ３７３Ａ〜３７３Ｄと、逆正接演算器３７４Ａ及び逆正接演算器３７４Ｂと、不連続点補償演算器３７５Ａ及び３７５Ｂと、を有している。ＬＰＦ３６５は、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるものである。Ａ／Ｄ変換器３９５は、ＬＰＦ３６５を通過した電気信号を入力してＡ／Ｄ変換を行うものである。
【０１００】
参照信号発生器７１Ａ及び７１Ｃは、参照信号としてｓｉｎ２πｆＢｔを生成し、乗算器３７２Ａに出力するものである。参照信号発生器７１Ｂ及び７１Ｄは、参照信号としてｃｏｓ２πｆＢｔを生成し、乗算器３７２Ｂに出力するものである。乗算器３７２Ａは、Ａ／Ｄ変換器３９５から出力される電気信号に、参照信号発生器３７１Ａから出力される参照信号を乗算して、ＬＰＦ３７３Ａへ出力するものである。乗算器３７２Ｂは、Ａ／Ｄ変換器３９５から出力される電気信号に、参照信号発生器３７１Ｂから出力される参照信号を乗算して、ＬＰＦ３７３Ｂへ出力するものである。乗算器３７２Ｃは、Ａ／Ｄ変換器３９５から出力される電気信号に、参照信号発生器３７１Ｃから出力される参照信号を乗算して、ＬＰＦ３７３Ｃへ出力するものである。乗算器３７２Ｄは、Ａ／Ｄ変換器３９５から出力される電気信号に、参照信号発生器３７１Ｄから出力される参照信号を乗算して、ＬＰＦ３７３Ｄへ出力するものである。
【０１０１】
ＬＰＦ３７３Ａ〜３７３Ｄは、それぞれ、乗算器３７２Ａ〜３７２Ｄから出力された電気信号のうち、設定された遮断周波数より高い周波数の成分を遮断し、遮断周波数以下の周波数の成分のみを通過させるローパスフィルタである。
【０１０２】
逆正接演算器３７４Ａは、ＬＰＦ３７３Ａを通過した電気信号であるｓｉｎφ１（ｔ）と、及びＬＰＦ３７３Ｂを通過した電気信号であるｃｏｓφ１（ｔ）とから逆正接を求め、不連続点補償演算器３７５Ａへ出力するものである。逆正接演算器３７４Ｂは、ＬＰＦ３７３Ｃを通過した電気信号であるｓｉｎφ２（ｔ）と、及びＬＰＦ３７３Ｄを通過した電気信号であるｃｏｓφ２（ｔ）とから逆正接を求め、不連続点補償演算器３７５Ｂへ出力するものである。不連続点補償演算器３７５Ａは、逆正接演算器３７４Ａの出力の不連続点を連結することにより、物理量に対応する信号φ１（ｔ）を復調するものである。不連続点補償演算器３７５Ｂは、逆正接演算器３７４Ｂの出力の不連続点を連結することにより、物理量に対応する信号φ２（ｔ）を復調するものである。
【０１０３】
図７の例では、パルス光源１０から出力されるパルス光のデューティー比が１／（３Ｎ）に設定されている。ここで、Nは多重化数であり、本第４実施形態では多重化数が２となっている。図７のＴｒは、パルス光源１０のパルス繰り返し周期である。ここで、パルス光が光シフト回路３２０を一周する時間は、第１センシング干渉計３４０Ａ及び第２センシング干渉計３４０Ｂの伝搬時間差τと等しくなっている。そして、シフト光カプラ３２１Ｂから第１光カプラ１５１に向けて、光シフト回路３２０を周回しなかった光周波数がνのパルス光と、光シフト回路３２０を１周して光周波数がν＋ｆＬになったパルスと、光シフト回路３２０を２周して光周波数がν＋２ｆＬになったパルス光とが、等間隔で連なって繰り返し出力される。すなわち、シフト光カプラ３２１Ｂから出力されるパルス波形は、図７に示すように、周波数νのパルス光と、周波数ν＋ｆＬのパルス光と、周波数ν＋２ｆＬのパルス光とが、等間隔で連続的に繰り返された形状となっている。
【０１０４】
光シフト回路３２０の周回が３回目となったパルス光は、光パルスゲート２４で遮断されるようになっている。すなわち、光パルスゲート２４は、光シフト回路３２０の周回が３回目となったパルス光を遮断することで、設定周回数が２回となるように調整する。
【０１０５】
光電変換器６０には、経路ＡＢＤＥ１Ｇ、経路ＡＢＤＦ１Ｇ、経路ＡＣＤＥ１Ｇ、及び経路ＡＣＤＦ１Ｇの４つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力し、これとは別に、経路ＡＢＤＥ２Ｇ、経路ＡＢＤＦ２Ｇ、経路ＡＣＤＥ２Ｇ、及び経路ＡＣＤＦ２Ｇの４つの経路を伝搬したパルス光が重なって入力する。
【０１０６】
復調器３７０は、位置Ｅ１又はＦ１を経由したパルス光と、Ｅ２又はＦ２を経由したパルス光とを、それぞれサンプリングし、センシングファイバ３４２Ａで検出した信号１（信号φ１）とセンシングファイバ３４２Ｂで検出する信号２（信号φ２）を復調できるように構成されている。
【０１０７】
本第４実施形態では、光シフト回路３２０が、シフト光カプラ３２１Ｂ、光周波数シフタ２３、遅延ファイバ２５、光パルスゲート２４、シフト光カプラ３２１Ｂの順に接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光シフト回路３２０は、光周波数シフタ２３、遅延ファイバ２５、及び光パルスゲート２４の接続順序を入れ替えて構成してもよい。
【０１０８】
本第４実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃが、光シフト回路３２０、遅延補償干渉計１５０、第１センシング干渉計３４０Ａ及び第２センシング干渉計３４０Ｂの順に接続された例を示しているが、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃは、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、光シフト回路３２０に時間差を持たせたパルス光を通過させると雑音の原因となるため、光シフト回路３２０をいずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
【０１０９】
（動作の説明）
光電変換器６０に入力する位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光の内、経路ＡＢＤＦ１Ｇを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＥ１Ｇを伝搬したパルス光とが干渉すると、下記式（６）に示すような光電変換器６０の出力Ｉ１が得られる。ここで、Ａ１及びＢ１は、光強度及び干渉する２光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数である。また、式（６）の右辺の第２項目は、光周波数シフタ１５３でシフトする周波数の成分であるビートに相当する。
【０１１０】
【数６】
2018017625.tif 000008
【０１１１】
光シフト回路３２０を通過して周波数がシフトしたパルス光でも、光電変換器６０の出力は変わらない。経路ＡＢＤＥ１Ｇ又は経路ＡＢＤＥ２Ｇを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＦ１Ｇ又は経路ＡＣＤＦ２Ｇを伝搬したパルス光との間には、「ｆＬ−ｆＢ」以上の周波数差があるため、例えば、光周波数ν＋ｆＢのパルス光と、光周波数ν＋ｆＬのパルス光とが干渉した場合、下記式（７）で表される中心周波数がｆＬにシフトした光電変換器６０の出力ＩＸ１となる。ここで、ＡＸ１及びＢＸ１は、光強度及び干渉する２光の偏光面がどれだけ一致しているかを表す係数である。
【０１１２】
【数７】
2018017625.tif 000009
【０１１３】
ＬＰＦ３６５は、上記式（７）の成分を遮断し、上記式（１）の復調に必要な成分を通過させる。Ａ／Ｄ変換器３９５は、ＬＰＦ３６５を通過した全てのパルスをサンプリングする。そして、復調器３７０は、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルスと、位置Ｅ２又は位置Ｆ２を経由したパルスのそれぞれを、上述した第２実施形態と同様に処理して、センシングファイバ３４２Ａで検出した信号１（信号φ１）と、センシングファイバ３４２Ｂで検出した信号２（信号φ２）とを復調する。
【０１１４】
本第４実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００Ｃは、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光の全てにおいて、上記式（６）で表される成分が得られ、かつ、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光は等間隔になっている。また、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃは、ＬＰＦ６５で帯域制限した後にＡ／Ｄ変換することができる。すなわち、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃによれば、波長の異なる光源装置などを設けることなく、雑音を低減させることができる。また、第１〜第３実施形態では、光シフト回路を回るパルスだけを光アンプで増幅する例を示したが、本第４実施形態では光の回路を回らないパルスも増幅することができる。
【０１１５】
ここで、上記各実施形態の干渉型光ファイバセンサによって得られる効果を更に詳細に説明するための比較例を、図８〜図１２を参照して説明する。
【０１１６】
図８は、ＰＧＣ方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサの一例（以下、従来技術１と記す）を示す説明図である。従来技術１では、パルス光源１０から出力されるパルス光が、光サーキュレータ３０を通過し、センシング干渉計４０の光カプラ４１で２つに分割され、分割された一方のパルス光と他方のパルス光とが、それぞれ、第１ミラー４３と第２ミラー４４とで反射する。第１ミラー４３で反射した一方のパルス光は、センシングファイバ４２を通過してセンシング光となり（経路ＡＣ）、第２ミラー４４で反射した他方のパルス光は、リファレンス光となる（経路ＡＢ）。センシング光は、センシングファイバ４２を通過するときに、センシングファイバ４２に加わる信号φ（ｔ）で位相変調される。
【０１１７】
センシングファイバ４２の往復伝搬時間である伝搬遅延時間τｄにより、一方のパルス光及び他方のパルス光は、２つのパルス光となって伝送され、それぞれが遅延光カプラ５１で２つに分割される。遅延光カプラ５１で分割された一方のパルス光は、遅延補償干渉計５０の遅延補償ファイバ５３を通過してから第１遅延ミラー５４で反射し、他方のパルス光は、第１遅延ミラー５４で直接反射して、光電変換器６０に入力する。
【０１１８】
図８のパルス波形は、複数の位置Ａ〜Ｇを組み合わせた各経路を通過したパルス光の波形を示している。パルス波形Ａは、パルス光源１０の出力であるＡの位置を通過するパルス光の波形である。パルス光源１０から出力される順に１、２、３、・・・の番号を付している。図８のパルス波形ＡＢＤＥＧは、光電変換器６０に入力するパルス光の波形のうち、経路ＡＢＤＥＧを伝搬した成分である。光電変換器６０に到達する順にａ１、ａ２、ａ３、・・・の記号を付している。図８のパルス波形ＡＢＤＦＧ、パルス波形ＡＣＤＥＧ、及びパルス波形ＡＣＤＦＧも、それぞれの経路を伝搬して光電変換器６０に入力するパルス光の成分であり、到達順を示す番号を含む記号を付している。
【０１１９】
センシングファイバ４２の伝搬遅延時間τｄと遅延補償ファイバ５３の往復伝搬時間とを等しくすることで、パルスｂｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）とパルスｃｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）とが重なり、干渉パルスｂｉ＋ｃｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）となる。遅延補償ファイバ５３には、圧電子５３Ａで正弦波状の歪が加えられているため、干渉光にＰＧＣが発生する。復調器１０７０は、光電変換器６０から出力されるｂｉ＋ｃｉにタイミングを合わせて、Ａ／Ｄ変換器１０９５でサンプリングして出力を得る。
【０１２０】
復調器１０７０は、Ａ／Ｄ変換器１０９５の出力に、参照信号発生器７１Ａの出力と参照信号発生器７１Ｂの出力とをそれぞれ乗算し、ＬＰＦ７３ＡとＬＰＦ７３Ｂとをそれぞれ通過させることで、Δ（ｔ）ｓｉｎφ（ｔ）とΔ（ｔ）ｃｏｓφ（ｔ）とを得る。ここで、φ（ｔ）は、センシングファイバ４２で検出した信号を含む光の位相変化であり、図中の参照信号発生器７１Ａ及び７１Ｂの出力などに示したΔ（ｔ）は、サンプリングされた信号であることを意味する関数である。次いで、復調器１０７０は、得られたｓｉｎφ（ｔ）とｃｏｓφ（ｔ）とから逆正接演算器７４によって逆正接を求め、逆正接演算器７４の出力の不連続点を不連続点補償演算器７５によって連結することで信号を復調する。干渉パルスｂｉ＋ｃｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、パルス光源１０から出力された同一のパルスが分岐したパルスであるため、レーザの位相雑音が最小になる。
【０１２１】
しかしながら、従来技術１は、光サーキュレータ３０と第１ミラー４３及び４４との間の光ファイバでは、光サーキュレータ３０から第１ミラー４３及び４４に向かうパルス光のレイリー散乱光が、第１ミラー４３及び４４で反射して光サーキュレータ３０に向かうパルス光と重なり、干渉することで雑音が発生する。なお、図８の経路毎のパルス波形において、レイリー散乱が重なる部分には、網掛けを付して示している。すなわち、従来技術１では、上記式（１）で表される干渉したパルスが、図８に示すように、パルス３個に１個しか得られないため、折り返しによる雑音増加が起きる。
【０１２２】
この点、第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００は、従来技術１とは異なり、パルス光源１０と光サーキュレータ３０との間に、シフト光カプラ２１が設けられている。そして、干渉型光ファイバセンサ１００は、シフト光カプラ２１の一方の出力ポートから出力されるパルス光が、光周波数シフタ２３、光パルスゲート２４、遅延ファイバ２５、光アンプ２６を介してシフト光カプラ２１に戻るように構成した光シフト回路２０を有している。このため、連続したパルスの全てにおいて、上記式（１）で表される成分が得られるため、折り返しによる雑音の増加を抑えることができる。
【０１２３】
図９は、ヘテロダイン方式を採用した従来の干渉型光ファイバセンサの一例（以下、従来技術２と記す）を示す説明図である。従来技術２では、パルス光源１０から出力されたパルス光が、遅延補償干渉計１５０の第１光カプラ１５１で２つに分割され、一方のパルス光の周波数を光周波数シフタ１５３でシフトさせ、他方のパルス光を遅延補償ファイバ１５４で遅延させてから、第２光カプラ１５５で結合する。次に、第２光カプラ１５５で結合されたパルス光は、光サーキュレータ３０を通過し、光カプラ４１で２つに分割され、第１ミラー４３と第２ミラー４４とで反射する。ここで、第１ミラー４３で反射した一方のパルス光は、センシングファイバ４２を通過してセンシング光となり、第２ミラー４４で反射した他方のパルス光は、リファレンス光となる。センシング光は、センシングファイバ４２を通過するときに、センシングファイバ４２に加わる信号φ（ｔ）で位相変調される。
【０１２４】
次いで、光サーキュレータ３０に戻り、光電変換器６０に入力するパルス光のうち、経路ＡＢＤＦＧを伝搬した成分であるパルスｂｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）と、経路ＡＣＤＥＧを伝搬した成分であるパルスｃｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）とが干渉して干渉パルスｂｉ＋ｃｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）となる。干渉させるパルス光の一方の周波数をシフトさせたことで、光電変換器６０から出力されるパルス光にビート（光周波数シフタ１５３でシフトする周波数の成分）が発生する。
【０１２５】
従来技術２の復調器１０７０は、ｂｉ＋ｃｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）のパルス光にタイミングを合わせてＡ／Ｄ変換器１０９５によりＡ／Ｄ変換する。また、復調器１０７０は、Ａ／Ｄ変換器１０９５の出力に、参照信号発生器７１Ａの出力である正弦波ｓｉｎ２πｆＢｔと、参照信号発生器７１Ｂの出力である正弦波ｃｏｓ２πｆＢとを乗算し、ＬＰＦ７３ＡとＬＰＦ７３Ｂとをそれぞれ通過させることで、ｓｉｎφ（ｔ）とｃｏｓφ（ｔ）とを得る。参照信号発生器７１Ａが出力する正弦波ｓｉｎ２πｆＢｔと、参照信号発生器７１Ｂが出力する正弦波ｃｏｓ２πｆＢとは、オシレータ１５２と同じ周波数である。その後は、従来技術１と同様に処理して信号を復調する。非特許文献２には、パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し周期Ｔｒを速くしてダイナミックレンジを拡大する方法も紹介されている。
【０１２６】
しかしながら、従来技術２では、上記式（４）で表される干渉したパルスが、パルス３個に１個しか得られず、折り返し雑音の発生を抑えることができない。この点、第２実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００Ａは、パルス光源１０と遅延補償干渉計１５０の第１光カプラ１５１との間に、光シフト回路２０を有している。よって、干渉型光ファイバセンサ１００Ａによれば、連続したパルスの全てにおいて上記式（４）で表される成分が得られ、かつＡ／Ｄ変換がＬＰＦ６５で帯域制限した後になることから、折り返し雑音を抑制することができる。言い換えると、干渉型光ファイバセンサ１００Ａでは、不要なパルスを受けているタイミングを避け、不要なパルスが発生しているタイミングに光の周波数の異なるパルスを用いて信号を検出できるようにしたことで、信号を検出できる時間が長くなり、その分、雑音を抑制することができる。
【０１２７】
図１０は、従来のアレイを構成する方式（例えば、JASA Vol.115,No.6“Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”参照）を採用した干渉型光ファイバセンサの一例（以下、従来技術３と記す）を示す説明図である。従来技術３において、光パルスゲート１０Ｙを出力したパルス光は、光サーキュレータ３０と伝送ファイバＴＦを通過し、光カプラ２４１Ａで２つに分岐し、一方はミラー２４４Ａで反射して伝送ファイバＴＦに戻る。もう一方は第１センシングファイバ２４２Ａを通過して光カプラ２４１Ｂで分岐する。光カプラ２４１Ｂでもパルス光が２つに分岐し、一方はミラー２４４Ｂで反射して伝送ファイバＴＦに戻る。もう一方は第２センシングファイバ２４２Ｂを通過してミラー２４３Ｂで反射して伝送ファイバＴＦに戻る。伝送ファイバＴＦに戻ったパルス光は、光サーキュレータ３０及び遅延補償干渉計５０を通過し、光電変換器６０で電気信号に変換され、復調器１０７０に入力する。復調器１０７０では、サンプリングのタイミングを変えて多重伝送されたそれぞれの信号を復調する。
【０１２８】
しかしながら、従来技術３のようにアレイを構成すると、光サーキュレータ３０から末端のミラー２４３Ｂまでの間の光ファイバが長くなるため、レイリー散乱光のレベルが高くなり、レイリー散乱光が干渉することで雑音のレベルも高くなる。すなわち、従来技術３のようにアレイを構成すると、光サーキュレータ３０から末端のミラー２４３Ｂまでの間の光ファイバが長くなるので、レイリー散乱光のレベルが高くなり、レイリー散乱光が干渉することで雑音のレベルが高くなる。
【０１２９】
この点、上記第３実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００Ｂは、光パルスゲート１０Ｙと光サーキュレータ３０との間に光シフト回路２２０を有することから、パルス光が往復する部分にあるパルス光を１つにすることで信号を検出する周波数帯域を制限したり、波長分割多重で多重化できるチャネルを犠牲にすることなく、雑音の抑制を図ることができる。
【０１３０】
図１１は、従来の他のアレイを構成する方式（例えば、JASA Vol.115,No.6“Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”参照）を採用した干渉型光ファイバセンサの一例（以下、従来技術４と記す）を示す説明図である。従来技術４は、復調に従来技術２と同じヘテロダイン方式を用いた例である。従来技術３のアレイとの違いは、パルス光を分岐する光カプラ３８１及び光カプラ３８２と、センシングファイバを含む干渉計を構成する光カプラ３４１Ａ及び光カプラ３４１Ｂとを別々に設け、パルス光源１０からミラーへ向かう往路と、ミラーから光電変換器６０へ向かう復路を分けたことである。
【０１３１】
図１２は、図１１の従来技術４に関するパルス波形を示す説明図である。パルス光源１０から出力するパルス光の繰り返し周期は、多重化数をＮとすると、パルス幅の３Ｎ倍となる。従来技術４の復調器２０７０は、光電変換器６０に入力するパルス光のうち、経路ＡＢＤＦ１Ｇを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＥ１Ｇを伝搬したパルス光とが干渉したパルス光をサンプリングして信号１を復調する。また、復調器２０７０は、光電変換器６０に入力するパルス光のうち、経路ＡＢＤＦ２Ｇを伝搬したパルス光と、経路ＡＣＤＥ２Ｇを伝搬したパルス光とが干渉したパルス光をサンプリングして信号２を復調する。
【０１３２】
しかしながら、従来技術４の構成によれば、光電変換器６０に入力するパルス光に重なるレイリー散乱光を減らすことができるが、往路と復路を別々に設けるため、構成品の量が増えるという課題がある。また、従来技術４では、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光の内、上記式（６）で表される干渉したパルスが１／３となっているため、折り返し雑音が大きくなるという課題がある。
【０１３３】
この点、第４実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００Ｃでは、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光の全てにおいて、上記式（６）で表される成分が得られる。また、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光は等間隔になっている。さらに、復調器７０にＡ／Ｄ変換器を設けた場合、ＬＰＦ６５で帯域制限した後にＡ／Ｄ変換することができる。すなわち、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃによれば、光シフト回路３２０に関する構成を追加することにより、従来構成よりも折り返し雑音を低減することができる。
【０１３４】
そして、従来技術１〜４の構成では、復調に用いるパルス光の前後に不要なパルス光が発生し、不要なパルス光を受けている時間を避けて復調することになるため、サンプリング周期が長くなる。一般的なＡ／Ｄ変換では、サンプリング周期の２倍以上の周期の雑音成分を減衰させるアンチエリアシングフィルタを用いて折り返し雑音を抑えるが、従来技術１〜４の干渉型光ファイバセンサでは、パルス光の鈍りによるクロストークが問題にならない範囲のフィルタを用いることになるため、折り返しで雑音が増加するという課題がある。
【０１３５】
すなわち、光電変換器の出力には、レイリー散乱光の干渉による雑音、レーザと光アンプの自然放出光の干渉による雑音、レーザの強度変動による雑音、光電変換器の電子デバイスによる雑音などが重なって現れ、信号を含むパルス光と共にこれらの雑音をサンプリングすることでエリアシングが起き、大きな雑音が発生するという課題がある。
これまでにも、レイリー散乱光の低減、複数のビートによるサンプリングを補う方法などが検討されてきたが、伝送路が複雑になるなどの欠点がある。
【０１３６】
ところで、特許文献１には、光が往復する部分にあるパルス光を１つにすることで、レイリー散乱光を減らす方法が示されている。しかし、特許文献１の方法では、パルスの繰り返し周期が長くなるため、復調のためのサンプリング周期も長くなり、周波数の信号を復調することができなくなる。加えて、光を往復させる長さを復調に必要なサンプリング周期の範囲内に制限し、許容範囲外の伝送路を往路と復路とを分けて構成することで、レイリー散乱光の干渉による雑音を抑えることもできるが、かかる構成を採れば、構成品が多くなる。さらに、特許文献１には、波長分割多重を利用してサンプリングを補う案も示されている。しかし、かかる構成では、波長分割多重のための光源等の構成品が多く必要になると共に、波長分割多重で多重化できるチャネルを１センサ（１チャネル）で使用することとなるため、多重化数が多くなるという課題がある。
【０１３７】
また、従来から、多重化により減少するサンプル数を補うために、ヘテロダイン方式の遅延補償干渉計のアームに設ける光周波数シフタにパルス光を繰り返し通過させることで、サンプリング数を補う方法も知られている（例えば、特開２０１４−９５６３３号公報参照）。上記のような干渉型光ファイバセンサでは、光周波数シフタとパルスゲートとを含む回路を遅延補償干渉計のアームに設け、光電変換器で周波数が異なる複数のビートを発生させて多重化することで、減少するサンプル数を補っている。しかしながら、この方法では周波数が異なる複数のビートが発生するため、１つ１つのビート及び側波帯の幅が狭くなり、信号の帯域幅が狭くなる欠点がある。
【０１３８】
これに対し、上記第４実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００Ｃは、遅延補償干渉計１５０でパルス光が分割される前に、パルス光の周波数をシフトさせている。これにより、上記式（６）式で表されるビートが全てのパルスで得られるようになるため、信号の帯域幅を狭くすることなく、サンプリングを増やし、折り返し雑音による雑音増加を低減することができる。
【０１３９】
ここで、上述した各実施形態は、干渉型光ファイバセンサにおける好適な具体例であり、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されるものではない。例えば、第１実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００が、光周波数シフタ２３を含む光シフト回路２０、センシングファイバ４２を含むセンシング干渉計４０、遅延補償ファイバ５３を含む遅延補償干渉計５０の順に接続された例を示している。また、第２実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００Ａが、光シフト回路２０、遅延補償ファイバ１５４を含む遅延補償干渉計１５０、センシングファイバ４２を含むセンシング干渉計４０の順に接続された例を示している。さらに、第３実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００Ｂが、光シフト回路２２０、第１センシング干渉計２４０Ａ及び第２センシング干渉計２４０Ｂ、遅延補償干渉計５０の順に接続された例を示している。また、第４実施形態では、干渉型光ファイバセンサ１００Ｃが、光シフト回路３２０、遅延補償干渉計１５０、第１センシング干渉計３４０Ａ及び第２センシング干渉計３４０Ｂの順に接続された例を示している。しかし、各実施形態における干渉型光ファイバセンサ１００は、上記各構成部材の接続順序を入れ替えて構成してもよい。ただし、各光シフト回路に時間差を持たせたパルス光を通過させると、雑音の原因となるため、各光シフト回路を、いずれの干渉計よりも前に接続することが望ましい。
【０１４０】
上記各実施形態では、各光シフト回路に、アップシフトの光周波数シフタ２３を採用した場合を例示したが、これに限らず、各光シフト回路は、パルス光を通過させる度にシフト周波数ｆＬを減じるダウンシフトの光周波数シフタを有していてもよい。なお、このようなダウンシフトの光周波数シフタを各光シフト回路に採用すれば、各シフト光カプラから出力された一方のパルス光の周波数は、ダウンシフトの光周波数シフタを通過する度に、ν−ｆｆ、ν−２ｆｆ、ν−３ｆｆ・・・といった具合に低くなっていく。
【０１４１】
上記各実施形態では、光パルスゲートを用いて、３周目のパルスを遮断する例を示したが、これに限らず、光周波数シフタに送る信号のスイッチングなど、他の帰還パルス遮断手段で３周目のパルスを遮断することもできる。また、上記各実施形態では、光パルスゲートと光アンプとを用いる例を示したが、光増幅器とパルスゲートの機能を備えた半導体光アンプ、光周波数シフタとパルスゲートを兼ね備えた音響光変調器のように、複数の機能を兼ね備えた手段を用いるようにしてもよい。さらに、上記各実施形態において採用したセンシング干渉計及び遅延補償干渉計を用いた干渉計の方式を、マイケルソン干渉計、又はマッハ・ツェンダ干渉計などのような他の方式にしてもよい。
【０１４２】
第１実施形態等では、遅延補償ファイバ５３に正弦波状の歪を加える圧電子５３Ａを用いる例で説明したが、例えば、電磁アクチュエータで遅延補償ファイバ５３を歪ませるようにしてもよい。また、パルス光源１０として、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レーザなどの周波数変調が可能なレーザ光源を用い（例えば、信学技報  ＯＰＥ９５−２  光ファイバハイドロホンの開発参照）、パルス光源１０の周波数を変調するというように、他の手段で光の位相を変化させても良い。
【０１４３】
第３実施形態では、第１実施形態のＰＧＣ方式を時分割多重構成にした例を示したが、第２実施形態のヘテロダイン方式でも同様に構成することができる。さらに、第３実施形態等では、ＰＧＣ方式を用いる位相復調方式を示し、第４実施形態では、ヘテロダイン方式を用いる例を示したが、多ポート光カプラを用いる方式など（例えば、信学技報  ＯＰＥ９５−２  光ファイバハイドロホンの開発参照）、他の方式で信号を復調することもできる。
【０１４４】
また、第４実施形態では、位置Ｅ１又は位置Ｆ１を経由したパルス光と、位置Ｅ２又は位置Ｆ２を経由したパルス光とが、交互に光電変換器６０に到達する例を示したが、これに限らず、従来技術２のように交互ではない順序で到達するように時分割多重遅延ファイバ３９０の長さなどを調整してもよい。ただし、折り返し雑音の抑制効果を高くするには、各々の信号を等間隔でサンプリングして復調できるようにすることが望ましい。
【符号の説明】
【０１４５】
１０  パルス光源、１０Ｘ  レーザ装置、１０Ｙ、２２４  パルスゲート、２０、２２０、３２０  光シフト回路、２１、３２１Ｂ  シフト光カプラ、２２、１５２  オシレータ、２３、１５３、２２３  光周波数シフタ、２４  光パルスゲート、２５、２２５  遅延ファイバ、２６、２２６、３２６  光アンプ、３０  光サーキュレータ、３５、４１、２４１Ａ、２４１Ｂ、３２１Ａ、３４１Ａ、３４１Ｂ、３８１、３８２  光カプラ、４０  センシング干渉計、４２、３４２Ａ、３４２Ｂ  センシングファイバ、４３  第１ミラー、４４  第２ミラー、５０、１５０  遅延補償干渉計、５１  遅延光カプラ、５２  ＰＧＣ信号発生器、５３、１５４  遅延補償ファイバ、５３Ａ  圧電子、５４  第１遅延ミラー、５５  第２遅延ミラー、６０  光電変換器、６５、７３、７３Ａ、７３Ｂ、３６５、３７３Ａ〜３７３Ｄ  ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、７０、３７０  復調器、７１Ａ、７１Ｂ、３７１Ａ〜３７１Ｄ  参照信号発生器、７２Ａ〜７２Ｄ、３７２Ａ〜３７２Ｄ  乗算器、７４、３７４Ａ、３７４Ｂ  逆正接演算器、７５、３７５Ａ、３７５Ｂ不連続点補償演算器、１００、１００Ａ〜１００Ｃ  干渉型光ファイバセンサ、１５１  第１光カプラ、１５５  第２光カプラ、２４０Ａ、３４０Ａ  第１センシング干渉計、２４０Ｂ、３４０Ｂ  第２センシング干渉計、２４２Ａ  第１センシングファイバ、２４２Ｂ  第２センシングファイバ、２４３Ｂ、２４４Ａ、２４４Ｂ、３４３Ａ、３４３Ｂ、３４４Ｂ  ミラー、３９０  遅延補償ファイバ、３９５  Ａ／Ｄ変換器。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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