(57)【要約】【課題】振動検出部が外的環境に影響されず、例えば上記した高温環境下でも利用可能な光学式振動検出システムを提供する【解決手段】物理計測光の出力する光源２１０に接続した光ファイバ２の一端に接続され、外乱振動に応じて入力した物理計測光の強度を変化させ、戻り光として前記光ファイバに戻す振動検出部１１０を含み、前記振動検出部１１０の戻り光の強度から外乱振動に関する情報を検出することを特徴とする光学式振動計測システム。【選択図】図１
2011085420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理計測光の出力する光源に接続した光ファイバの一端に接続され、外乱振動に応じて入力した物理計測光の強度を変化させ、戻り光として前記光ファイバに戻す振動検出部を含み、
前記振動検出部の戻り光の強度から外乱振動に関する情報を検出することを特徴とする光学式振動計測システム。
【請求項２】
振動検出部は外乱振動に応じて所定位置から変位することによって入力した物理計測光の強度を変化させる光分離手段を含み、
光ファイバの他端に設置され、外乱振動に関する情報として前記光分離手段の変位量を検出しその変位量に応じたフィードバック信号を生成して出力するフィードバック信号生成手段と、
駆動コイルを含み、前記フィードバック信号生成手段からのフィードバック信号を前記駆動コイルに供給して前記光分離手段を所定位置に戻す駆動部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学式振動測定システム。
【請求項３】
振動検出部は、光ファイバに光カプラを介して接続され、前記光カプラから２つに分岐した一方の光ファイバ伝送光路に接続され、測定対象の物理量の変化に応じて変位し透過光レベルおよび反射光レベルの両方または少なくとも一方が変化する反射光および透過光に分離する光分離手段と、前記分離手段で分離した反射光を一方の光ファイバ伝送光路を介して前記光カプラに伝送する一方、前記光分離手段で分離された透過光を前記反射光に対し所定の光路差を付与する他方の光ファイバ伝送光路を介して、前記光カプラに伝送するように形成され、前記光カプラから一方の光ファイバ伝送光路を介して入力された反射光と他方の光ファイバ伝送光路を介して入力された透過光とを光源側に戻すように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の光学式振動測定システム。
【請求項４】
光分離手段は、
光ファイバの両端の接続部にそれぞれ設けられ、入力される物理計測光を所定の反射率で反射する反射膜と、
前記反射膜を透過した光を平行光に変換する第１レンズと、
前記第１レンズからの光を光ファイバに集光する第２レンズと、
第１レンズと第２レンズとの間に平行光に対し一定の傾斜角度をもって配置され、測定対象の物理量の変化に応じて配置位置を変位させて透過光強度を変化させる光分離板と、
を有することを特徴とする請求項２に光学式振動測定システム。
【請求項５】
フィードバック信号生成手段からのフィードバック信号を微分する微分回路を接続することによって振動の速度情報を得ることを可能とした請求項２から４のいずれかに記載の光学式振動計測システム。
【請求項６】
フィードバック信号出力手段にデルタ-シグマ変調器を接続することによって１ビットのデジタル信号出力を得ることを可能とした請求項２から４のいずれかに記載の光学式振動計測システム。
【請求項７】
振動検出部と駆動部とは地下部に埋設し、フィードバック信号生成手段は地上部に設置することにより、地震の検出が可能とした請求項２から５のいずれかに記載の光学式振動測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境等においても測定可能な光学式振動検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的に地震観測、振動実験及び船舶や航空機の制御等ではサーボ型と称される負帰還型の振動検出装置が利用されている。
このサーボ型の振動検出器は、大きく分けて振動検出部と駆動部とから構成されている。
【０００３】
駆動部は、低インピーダンスのコイルに低周波電流を供給するだけである。一方、振動検出部には、例えば非特許文献１に記載されるように容量変化を検出する高周波回路、微弱信号を地上まで伝送するための増幅回路などが含まれている（非特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、近年このサーボ型振動検出装置を上記以外の分野で利用することが考えられている。その一つとして、地下数千メートルの地下に設置する大深度地震計として利用することが考えられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】センサ技術誌  １９９２年  臨時増刊号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、我が国のような火山性の国土では地下数千メートルまで掘削すると２００℃程度の高温となる。
駆動部は上記した構成であるため高温環境下でも十分に耐えられる一方、振動検出部は高周波回路や増幅回路を構成する半導体などが含まれており、これらはこのような高温に耐えられない。そのため、大深度地震計としてサーボ型振動検出装置を利用することはできなった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、振動検出部が外的環境に影響されず、例えば上記した高温環境下でも利用可能な光学式振動検出システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、以下の手段によって解決される。
請求項１に係る発明は、物理計測光の出力する光源に接続した光ファイバの一端に接続され、外乱振動に応じて入力した物理計測光の強度を変化させ、戻り光として前記光ファイバに戻す振動検出部を含み、前記振動検出部の戻り光の強度から外乱振動に関する情報を検出することを特徴とする光学式振動計測システムである。
請求項２に係る発明は、振動検出部は外乱振動に応じて所定位置から変位することによって入力した物理計測光の強度を変化させる光分離手段を含み、光ファイバの他端に設置され、外乱振動に関する情報として前記光分離手段の変位量を検出しその変位量に応じたフィードバック信号を生成して出力するフィードバック信号生成手段と、駆動コイルを含み、前記フィードバック信号生成手段からのフィードバック信号を前記駆動コイルに供給して前記光分離手段を所定位置に戻す駆動部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学式振動測定システムである。
請求項３に係る発明は、振動検出部は、光ファイバに光カプラを介して接続され、前記光カプラから２つに分岐した一方の光ファイバ伝送光路に接続され、測定対象の物理量の変化に応じて変位し透過光レベルおよび反射光レベルの両方または少なくとも一方が変化する反射光および透過光に分離する光分離手段と、前記分離手段で分離した反射光を一方の光ファイバ伝送光路を介して前記光カプラに伝送する一方、前記光分離手段で分離された透過光を前記反射光に対し所定の光路差を付与する他方の光ファイバ伝送光路を介して、前記光カプラに伝送するように形成され、前記光カプラから一方の光ファイバ伝送光路を介して入力された反射光と他方の光ファイバ伝送光路を介して入力された透過光とを光源側に戻すように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の光学式振動測定システムである。
請求項４に係る発明は、光分離手段は、光ファイバの両端の接続部にそれぞれ設けられ、入力される物理計測光を所定の反射率で反射する反射膜と、前記反射膜を透過した光を平行光に変換する第１レンズと、前記第１レンズからの光を光ファイバに集光する第２レンズと、第１レンズと第２レンズとの間に平行光に対し一定の傾斜角度をもって配置され、測定対象の物理量の変化に応じて配置位置を変位させて透過光強度を変化させる光分離板と、を有することを特徴とする請求項２に光学式振動測定システムである。
請求項５に係る発明は、フィードバック信号生成手段からのフィードバック信号を微分する微分回路を接続することによって振動の速度情報を得ることを可能とした請求項２から４のいずれかに記載の光学式振動計測システムである。
請求項６に係る発明は、フィードバック信号出力手段にデルタ-シグマ変調器を接続することによって１ビットのデジタル信号出力を得ることを可能とした請求項２から４のいずれかに記載の光学式振動計測システムである。
請求項７に係る発明は、振動検出部と駆動部とは地下部に埋設し、フィードバック信号生成手段は地上部に設置することにより、地震の検出が可能とした請求項２から５のいずれかに記載の光学式振動測定システムである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、外乱振動に応じて戻り光の強度の変化が変化し、該強度から外乱振動に関する情報を算出することができる。これにより、従来の高周波回路や増幅回路を構成する半導体などを含む振動検出部に代えて高周波回路や半導体を含まない光センシング機能を有する振動検出部によって振動検出が可能となるので、高温環境下でも振動測定が可能となる。また、振動検出部が落雷等で故障することを防ぐことができる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、光分離手段に振動が加わり変位すると、駆動部の駆動コイルにフィードバック信号が流れ光分離手段を零点位置に戻す。
これにより、機械的な変位が発生しないようにフィードバック制御することにより、振動を、機械的な変位でなく、電気信号で取り出すので、振動検出のダイナミックレンジが広く取れる。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、物理計測光が光分離手段で２つの光に分離され、分離された光が反射センサ内の光路を巡回した後、光ファイバに戻される。複数の戻り光のレベル比に基づき、測定対象の物理量変化を算出する。これにより、反射センサ内の構成部品が外乱要素の影響を受けても、この影響を打ち消して高精度の振動測定を行うことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明によれば、光ファイバからの物理計測光を平行光とできるので、遮光板の可動範囲を広く取るとこができ測定可能な振動変位を広く取れる。
【００１３】
請求項５に係る発明によれば、振動の速度成分も加速度成分も得ることができる。これにより、長周期振動や地盤がゆっくり盛り上がる等の現象などを、正確に測定することができる。
【００１４】
請求項６に係る発明によれば、デルタ-シグマ変調器を接続することによって１ビットのデジタル信号出力を得ることができる。これにより、ダイナミックレンジの広いデジタル信号を得ることが可能となる。
【００１５】
請求項７に係る発明によれば、光学式振動測定システムを地震観測システムとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る大深度地震計システムの概略を示す図である。
【図２】大深度地震計システムに適用できる地震計の詳細な構成を示す図である。
【図３】透過光強度の算出方法原理の説明図である。
【図４】振動が加わることにより地震計の外壁部が変位したときの透過光強度の変化を説明する図であり、(a)は、外壁部の変位により遮光板がx=０の位置にきたときの透過光強度を、（b）は外壁部の変位により遮光板がx=x1の位置にきたときの透過光強度を、（c）は外壁部の変位により遮光板がx=x2の位置にきたときの透過光強度を、それぞれ示す図である。
【図５】大深度地震計システムの使用形態を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る大深度地震計システムの全体の概略構成を示すブロック図である。
【図７】ＰＮ符号生成器で生成される疑似ランダム符号と広域帯光源から光ファイバに導入される光との一例を示した図である。
【図８】計測系内部での地震計の反射光１の強度、合波光の強度及び反射光２の強度と相対距離との関係を示す図である。
【図９】第２実施形態に係る大深度地震計システムの概略構成を示した図である。
【図１０】第３実施形態に係る大深度地震計システムの概略構成を示した図である。
【図１１】第４実施形態に係る微小変位計測に使用される微小振動検出器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本願請求項に係る発明（以下では、単に「本発明」という）を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
【００１８】
図１は、第１実施形態に係る大深度地震計システムの概略を示す図である。
図１において、大深度地震計システム１は地下に埋設される地震計１０と、地上に配置される計測系２０と、デジタルアナログ変換器（Ｄ/Ａ）３０と、サーボアンプ４０と、振動出力部５０などから構成される。
【００１９】
地震計１０は、地震波を検出する振動検出部１１０と負帰還電流が流れることによって遮光板１１５b（後述する）を所定の位置に戻そうとする駆動部１１６などから構成される。
計測系２０は、光ファイバ２に光を導入する光源部２１０と振動検出部１１０からの戻り光を受光し処理する受光処理部２２０などから構成される。
【００２０】
振動検出部１１０と光源部２１０、振動検出部１１０と受光処理部２２０は光ファイバ２でそれぞれ接続される。
また、サーボアンプ４０と駆動部１１６、駆動部１１６と振動出力部５０は電気ケーブル３でそれぞれ接続される。
【００２１】
振動検出部１１０には光ファイバコリメータ１１５が備えられており、光ファイバコリメータには１１５には遮光板１１５bが設けられる。
【００２２】
駆動部１１６は、鉄心１１６aと鉄心１１６aに所定の巻き数で巻かれた駆動コイル１１６bなどから構成され、サーボアンプ４０からの負帰還電流が駆動コイル１１６bに流れると遮光板１１５bを所定位置に戻す働きをする。なお、遮光板１１５b、振り子１１５e及び駆動コイル１１６bは地震計の外壁部１００に固定されない。
【００２３】
地震が発生して地震波が地震計１０に到達すると、地震計１０の外壁部１００が振動する。それに従い、上記した外壁部１００に固定されない遮光板１１５b、振り子１１５e及び駆動コイル１１６b以外の地震計の構成要素が変位する。これによって、光ファイバコリメータ１１５に入射してきた光の一部が遮断され、残りは透過する。透過光は光ファイバ２を戻り受光処理部２２０で受光され透過光の強度が算出される。
【００２４】
その後、受光処理部２２０は算出された透過光の強度に応じてＤ/Ａ３０にフィードバック信号を送る。
Ｄ/Ａ３０は、送られてきたフィードバック信号をアナログ信号に変換し、サーボアンプ４０に送る。
サーボアンプ４０はアナログ信号を増幅した後、負帰還電流として駆動部１１６に送る。
【００２５】
駆動部１１６では、負帰還電流が駆動コイル１１６bを流れることにより遮光板１１５bを所定位置に戻す方向に力が働き遮光板１１５bは所定位置を保持する。
その後、負帰還電流は振動出力部５０に流れ、地震波のアナログ情報が出力される。
【００２６】
図２は、大深度地震計システムに適用できる地震計１０の詳細な構成を示す図である。
図２において、地震計１０は上記したように振動検出部１１０と駆動部１１６などから構成される。
【００２７】
振動検出部１１０は、概略、光カプラ１１１と、第１ファイバ伝送光路１１２aと、第２ファイバ伝送光路１１２bと、第２光ファイバ伝送光路１１２bに設置されたダミーファイバ１１３及び光ファイバコリメータ１１５などから構成される。
【００２８】
駆動部１１６は、鉄心１１６a、鉄心１１６aに所定の巻き数で巻かれた駆動コイル１１６b、鉄心１１６aを取り巻くように配置されたマグネット１１６cなどから構成される。
【００２９】
（振動検出部１１０）
振動検出部１１０の詳細な構成を説明する。
光カプラ１１１は、光源部２１０からの物理計測光を50%:50%の比に分離して第１ファイバ伝送光路１１２aと第２ファイバ伝送光路１１２bとにそれぞれ射出し、また光ファイバコリメータ１１５で分離された光を結合させ光ファイバ２に射出するものである。なお、本実施形態では光カプラ１１１は、実際は製造上のばらつきにより理想の分岐比50%:50%からずれるため分岐比をξ：（１−ξ）とする。
【００３０】
第１ファイバ伝送光路１１２aと第２ファイバ伝送光路１１２bとは、光カプラ１１１から分岐した光ファイバであり、それぞれの伝送損失率はaとbである。
また、第２光ファイバ伝送光路１１２bにはファイバ長４Ｌのダミーファイバ１１３が設けられ、光ファイバコリメータ１１５によって分離された２つの光に受光処理部２２０が有する距離分解能（Ｌ）以上の距離差を与える。なお、距離分解能（Ｌ）につては後述する。
【００３１】
光フィアバコリメータ１１５は、対向して配置された一対の非球面レンズ１１５aと、平行光に対して一定の傾斜角度をもって配置される遮光板１１５bと、光ファイバコリメータ１１５の両端にそれぞれ第１光ファイバ伝送光路１１２aと第２光ファイバ伝送光路１１２bとの一端部を挿入し一定の傾斜角度をもって斜め研磨したフェルール１１５dの端面に、例えばＳｉｏ2，ＴｉＯ2などを蒸着させることによって形成された反射率ｒの反射膜１１５cなどから構成される。
【００３２】
なお、一対の非球面レンズ１１５aに代えて、対向して配置される一対のロッドレンズ（図示しない）を用いることができる。
【００３３】
遮光板１１５bの一端は振り子１１５eに固定される。また、振り子１１５eの両端はバネ１１５fに接続され、バネ１１５fの他端は振動計１０の外壁部１００に接続される。なお、前述したように遮光板１１５b、振り子１１５e及び駆動コイル１１６bは地震計の外壁部に固定されておらず、その他の構成部品は地震計１０の外壁部１００に固定される。
【００３４】
以上のように、振動検出部１１０は高周波回路や増幅器等を含まない構成であるので高温環境で使用できる。また、振動検出信号は光信号であり光ファイバで伝送するので電気信号に比べて減衰しにくくまた電気的なノイズの影響を受けない。さらに、落雷による故障の心配がない。
【００３５】
図３は、透過光強度の算出方法原理の説明図である。
物理計測光の光ビーム１２０の断面における電力分布Ｉ(x,y)が式１に示されるように、光ビームの光軸zの周りで回転対称とする。
【数１】
2011085420.tif 000003
なお、式１において、wは光ビームの１/e半値幅である。
【００３６】
遮光板１１５bがx軸上の位置xを通り、y,z軸に平行な面であるとすると、透過光強度１２５は、
【数２】
2011085420.tif 000004
と表わされる。
【００３７】
これより、透過光強度１２５は遮光板１１５bの位置と一対一対応しているので、透過強度１２５から遮光板１１５bの位置xを割り出すことができる。
【００３８】
図４(a),(b),(c)は、振動が加わることにより地震計１０の外壁部１００が変位したときの透過光強度の変化を説明する図である。
図４(a)は、地震計１０の外壁部１００が変位し遮光板１１５bがx=０の位置にきたときの、透過光強度を示す図でありこの時の透過光強度は、
【数３】
2011085420.tif 000005
である。
なお、この時の遮光板１１５bを零点位置にあるという。
【００３９】
また、図４(b)及び(c)は、振動が加わることにより地震計１０の外壁部１００が変位し遮光板１１５ｂが変位して(b)は遮光板が位置x1に、(c)は遮光板が位置x2にそれぞれきた時の透過光強度を示す図である。
【００４０】
透過光強度はそれぞれ
【数４】
2011085420.tif 000006
【数５】
2011085420.tif 000007
である。
以上のように、零点位置を基準とすることによって遮光板１１５bの変位量を透過光強度から割り出すことができる。
【００４１】
図５は、大深度地震計システムの使用形態を示す図である。
図５において、地震計１０は地下３Km〜５Kmの地点に埋設される一方、計測光２０、Ｄ/Ａ３０、サーボアンプ４０及び振動出力部５０などは地上に設置される。
この使用形態にすることにより、地震波が地上に達する２〜３秒前に地震の検知が可能となる。
【００４２】
図６は、本発明の実施形態に係る大深度地震計システムの全体の概略構成を示すブロック図である。
図６において、大深度地震計システム１aは、地下に埋設された地震計１０、地上に配置された計測系２０、Ｄ/Ａ３０、サーボアンプ４０及び振動出力部５０などから構成される。
【００４３】
計測系２０は、上述したように光源部２１０と受光処理部２２０などから構成される。
光源部２１０は、ＰＮ符号生成器２１０aと、光源ドライバ２１０bと、光源２１０c及びサーキュレータ２１０dなどから構成される。
【００４４】
ＰＮ符号生成器２１０aは、図７(a)に示すような所定長、例えば212-1bit長のＭ系列の疑似ランダム信号を繰り返し生成し、光源ドライバ２１０bと相関器２２０d（後述する）とに送出する。
光源ドライバ２１０bは、ＰＮ符号生成器２１０aからの疑似ランダム信号によって駆動され、光源２１０cが発光する光にＰＮ変調を行うものである。
【００４５】
光源２１０cは、図７(b)に示すようなＰＮ変調された光（以下では、物理計測光という）を光ファイバ２に導入する。図に示すように、光源２１０cは疑似ランダム符号が[１]のときに発光し、符号[０]のときは発光しない機能を有している。
【００４６】
サーキュレータ２１０dは、光源２１０cからの物理計測光を地震計１０の方向に射出する一方、地震計１０からの戻り光を受光処理部２２０の方向へ射出するものである。
【００４７】
受光処理部２２０は、ＰＤ（Photodiode）２２０a、プリアンプ２２０b、アナログデジタル変換器（Ａ/Ｄ）２２０c、相関器２２０d及びフィードバック信号生成器２２０eなどから構成される。
【００４８】
ＰＤ２２０aは、地震計１０からの戻り光を受光し電流変換するものである。
プリアンプ２２０bは、受光した戻り光電流を電流―電圧変換し増幅するものである。
Ａ/Ｄ２２０cは、増幅された戻り光を電気信号に変換するものである。
【００４９】
相関器２２０dは、ＰＮ符号生成器２１０aからの疑似ランダム信号と戻り光の電気信号との相関を取り、戻り光の強度を算出するものである。また、ＰＮ符号生成器２１０aからの疑似ランダム信号に所定の遅延を付与する。
フィードバック信号生成器２２０eは、複数の戻り光の強度比を取ることにより遮光板１１５bの変位量を割り出し、割り出した変位量に応じてD/A３０にデジタル信号であるフィードバック信号を送出するものである。
【００５０】
Ｄ/Ａ３０は、フィードバック信号生成器２２０eからのデジタル信号をアナログ信号に変換するものである。
ターボアンプ４０は、Ｄ/Ａ３０からのアナログ信号を増幅し負帰還電流として地震計１０の駆動コイル１１６bに流すものである。
【００５１】
（地震計１０の構成）
次に、地震計１０の構成を説明する。
図において、地震計１０は、南北方向の振動を検出する地震計１０aと、東西方向の振動を検出する地震計１０b及び上下方向の振動を検出する地震計１０cなどから構成される。
なお、各地震計は、光ファイバコリメータ１１５が検出方向に対して垂直になるように配置される。
【００５２】
光ファイバ２の一端は計測系２０に接続され、他端は光カプラ２aに接続されている。
光ファイバ２は光カプラ２aによって分岐され、分岐端には地震計１０aが設置される。
一方、光ファイバ２aから延びる光ファイバ２には長さ６Ｌのダミーファイバ２bが接続され、ダミーファイバ２bには光カプラ２cが接続される。
【００５３】
光ファイバ２は光カプラ２cによって分岐され、分岐端には地震計１０bが設置される。光カプラ２cから延びる光ファイバ２には長さ６Ｌのダミーファイバ２ｂが接続され、ダミーファイバ２bの終端には地震計１０cが接続される。
【００５４】
（距離分解能Ｌ）
次に、距離分解能Ｌについて説明する。
上述したように、地震計１０a、１０b及び１０cに設置されるダミーファイバ１１３の長さは４Ｌであり、また地震計間に設置されているダミーファイバ２ｂの長さは６Ｌであるが、これは以下の理由からである。
【００５５】
最初に、計測系２０の距離分解能を説明する。
距離分解能とは、計測系２０が複数の戻り光を受光したとき、これら光を区別するために必要な光路差のことである。
【００５６】
一般的に、距離分解能は以下の式によって算出される。
距離分解能  Ｌ＝（ｃ/(2ｎfc)）=(100/fc) （m）
（但し、ｃ：真空高速、  n:SMFモード屈折率＝1.5（石英ファイバ）、fc:PN符号生成器のチップ速度）
【００５７】
しかし、本実施形態では上記したように疑似ランダム符号を生成しこれと戻り光との相関を取ることから、２つの光を分離して処理するには計測系２０内で２Ｌだけの光路差が必要である。
【００５８】
ここで、計測系２０の内部では物理計測光が光ファイバに導入され受光されるまでの走行距離は、実際の走行距離の1/2として処理される。よって、計測系２０内部で２Ｌの光路差を付与するには、実際上、ダミーファイバ１３によって付与される光路差はその２倍の４Ｌ必要である。
【００５９】
また、上述したように、例えば地震計１０aから３つの戻り光を受光するがこれらを計測系２０内部で分離するには光ファイバ上でそれぞれ４Ｌの光路差を付与する必要がある。  従って、例えば地震計１０aと地震計１０bとからの戻り光を分離するには光ファイバ上で６Ｌの光路差を付与する必要がある。なお、本実施形態では、ダミーファイバ２bの長さは６Ｌと、またダミーファイバ１１３の長さは４Lとしたが、これには限定されずそれぞれこれ以上の長さであれば幾らでも良い。
（地震の検出方法）
【００６０】
次に、大深度地震計システム１aを使用しての地震の検出方法を説明する。なお、以下では地震計１０の外壁部１００に振動が加わり、外壁部１００が振動することによって遮光板１１５bの位置がx1になったとして説明する。
【００６１】
ＰＮ符号生成器２１０aは、図７(a)に示す所定長のＭ系列疑似ランダム符号を生成し、光源ドライバ２１０bに送出する他、相関器２２０ｄにも送出する。
【００６２】
光源ドライバ２１０bは疑似ランダム信号によって駆動され、疑似ランダム信号に従って光源２１０bから出力される光にＰＮ変調を行う。光源２１０bは、図７(b)に示すような物理計測光を光ファイバ２に導入する。
【００６３】
光源２１０cからの物理計測光は、サーキュレータ２１０dを通過し光カプラ２aに入射する。
【００６４】
光カプラ２aは、物理計測光を１：２の分岐比で地震計１０aに接続される光ファイバに射出する。また、光カプラ２cは、光カプラ２aからの物理測定光を１：１の分岐比で地震計１０ｂに接続する光ファイバと地震計１０cに接続する光ファイバとにそれぞれ射出する。
【００６５】
なお、地震計１０a，１０b及び１０cでの物理計測光及び戻り光の流れは同じなので、以下では地震計１０a内における光の流れを説明する。
以下、図２を参照しながら説明する。
光カプラ２aから射出された物理計測光は光カプラ１１１に入射する。
【００６６】
光カプラ１１１に入射した物理計測光は、分岐比ξ：１−ξで第１光ファイバ伝送光路１１２aと第２光ファイバ伝送光路１１２bとに分離される。
【００６７】
第１光ファイバ伝送光路１１２aに分離された光は光ファイバコリメータ１１５に入射する。入射した光は反射膜１１５cによって反射率ｒで反射され第１光ファイバ伝送光路１１２aに射出され光カプラ１１１に戻る（以下、この光を反射光１という）。
【００６８】
また、反射膜１１５cを通過した物理計測光は、遮光板１１５bを透過率ｔで通過し、第２光ファイバ伝送光路１１２bに射出され、ダミーファイバ１１３を経由して光カプラ１１１に戻る（以下、この光を透過光１という）。
【００６９】
一方、光カプラ１１１によって第２光ファイバ伝送光路１１２bに分離された物理計測光は、ダミーファイバ１１３を経由して、光ファイバコリメータ１１５に入射し、反射膜１１５cによって反射率ｒで反射され、第２光ファイバ伝送光路１１２bに射出されダミーファイバ１１３を再度通過して光カプラ１１１に戻る（以下、この光を反射光２という）。
【００７０】
また、反射膜１１５cを通過した光は、遮断板１１５bを透過率ｔで通過して第１光ファイバ伝送光路１１２aに射出され光カプラ１１１に戻る（以下、この光を透過光２という）。
【００７１】
反射光１は、計測系２０の方向に光ファイバ２を戻りサーキュレータ２１０ｄを経由してＰＤ２２０aに受光される。
また、透過光１と透過光２とは光カプラ１１１で合波され、計測系２０の方向に光ファイバ２を戻りサーキュレータ２１０ｄを経由してＰＤ２２０aに受光される。
【００７２】
同様に、反射光２も計測系２０の方向に光ファイバ２０を戻りサーキュレータ２１０dを経由してＰＤ２２０aに受光され電流に変換される。
ＰＤ２２０aで受光された光電流は、プリアンプ２２０bで電流―電圧変換され増幅された後、Ａ/Ｄ２２０cで電気信号に変換され、相関器２２０dに送られる。
【００７３】
反射光１の電気信号と疑似ランダム信号との相関をとるためにＰＮ符号生成器２１０aは相関器２２０dに疑似ランダム符号を送出し、相関器２２０dは疑似ランダム信号に(2k/nc)秒の遅延を付与する。なお、ここでｋは計測系２０から光カプラ２aまでの距離である。
【００７４】
相関器２２０dは、(2k/nc)秒の遅延を付与した疑似ランダム信号と反射光１の電気信号との相関を取り、次式に示す反射光１の強度Ｒ１を算出する。
【数６】
2011085420.tif 000008
【００７５】
透過光１と透過光２の合波光の電気信号と疑似ランダム信号との相関をとるためにＰＮ符号生成器２１０aは相関器２２０dに疑似ランダム符号を送出し、相関器２２０dは疑似ランダム信号に[2(k+2L)/nc]秒の遅延を付与する。
【００７６】
相関器２２０dは、[2(k+2L)/nc]秒の遅延を付与した疑似ランダム信号と合波光の電気信号との相関を取り、次式に示す合波光の強度Ｒ２を算出する。
【数７】
2011085420.tif 000009
【００７７】
さらに、反射光３の電気信号と疑似ランダム符号との相関をとるために、ＰＮ符号生成器２１０aは相関器２２０dに疑似ランダム信号を送出し、相関器２２０dは疑似ランダム信号に[2(k+4L)/nc]秒の遅延を付与する。
【００７８】
相関器２２０dは、[2(k+4L)/nc]秒の遅延を付与した疑似ランダム信号と反射光２との電気信号との相関を取り、次式に示す合波光の強度Ｒ３を算出する。
【数８】
2011085420.tif 000010
【００７９】
以下、地震計１０ｂと地震計１０cからの反射光１、透過光１と透過光２との合波光及び反射光２も同様にして処理される。例えば、地震計１０bからの反射光１と疑似ランダム信号との相関をとるために、ＰＮ符号生成器２１０aは光源ドライバ２１０bに疑似ランダム信号を送出し、相関器２２０dは[2(k+6L)/nc]秒の遅延を付与する。これと地震計１０bからの反射光１との相関を取ることによって地震計１０bからの反射光１の強度が算出できる。
以上のようにして、反射光１、合波光及び反射光２の強度を算出する。
【００８０】
図８は、計測系２０内部での地震計１０a，１０b及び１０cの反射光１の強度、合波光の強度及び反射光２の強度と相対距離との関係を示す図である。縦軸に強度を、横軸に相対距離を、それぞれとってある。
【００８１】
図に示すように、ダミーファイバ１１３の長さを４Ｌとすることにより、各地震計の反射光１、合波光及び反射光２は計測系２０内部で分離できる。また、ダミーファイバ２bの長さを６Ｌとすることにより各地震計の戻り光が計測系２０内で分離できる。
【００８２】
以上のようにして算出された各光の強度は、フィードバック信号生成器２２０eに送られる。
フィードバック信号生成器２２０eでは各光の強度から次式に基づいて強度比ζを算出する。
【数９】
2011085420.tif 000011
【００８３】
これに、上記算出したＲ１、Ｒ２及びＲ３を代入すると、
【数１０】
2011085420.tif 000012
即ち、
【数１１】
2011085420.tif 000013
となる。
【００８４】
これに基づいてフィードバック信号が生成され、Ｄ/Ａ３０に送出される。
Ｄ/Ａ３０は、受け取ったフィードバック信号をアナログ信号に変換し、負帰還電流としてサーボアンプ４０に送出する。
【００８５】
サーボアンプ４０は、負帰還電流を所定の増幅率で増幅した後、駆動部１１６に供給する。
駆動部１１６の駆動コイル１１６bに負帰還電流が流れることにより、遮光板１１５ｂを零点位置に戻そうとする力が働き、遮光板１１５bは零点位置に保持された状態となる。
【００８６】
その後、負帰還電流は電気ケーブル３を介して振動出力部５０に流れ、振動情報が出力される。
以上のようにして、本実施形態に係る大深度地震計システムを用いて地震の検知が可能となる。
【００８７】
また、機械的な変位が発生しないようにフィードバック制御することにより、振動を、機械的な変位でなく、電気信号で取り出すので、振動検出のダイナミックレンジが広く取れる。
【００８８】
さらに、地震計からの３つの戻り光の比をとることによって、光ファイバの曲げ、捻じれ等の外乱要素の影響が測定結果に与える影響を防ぐことができる他、反射センサ内の構成部品が外乱要素の影響を受けても、この影響を打ち消して高精度の振動測定を行うことができる。
【００８９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る大深度地震計システムを説明する。なお、以下では第１実施形態での構成と同機能を有するものは同符号を付し、詳細な説明は割愛する。
【００９０】
図９は、第２実施形態に係る大深度地震計システムの概略構成を示した図であり、第１実施形態の計測系２０に微分回路６０を接続したものである。
【００９１】
図９において、コンデンサー６０aが直列に接続された微分回路の一端がサーボアンプ４０に、他の一端が地震計１０内部の駆動部１１６に、それぞれ接続されている。
【００９２】
以上のように、微分回路６０を接続することにより振動の速度成分も加速度成分も得ることができる。これにより、長周期振動や地盤がゆっくり盛り上がる等の現象などを、正確に測定することができる。
【００９３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る大深度地震計システムを説明する。
図９は、大深度地震計システムの概略構成を示した図であり、第１実施形態の計測系２０にデルタ-シグマ変調器を接続したものである。なお、図においてはデルタ-シグマをギリシャ文字で表示する。
【００９４】
図９において、計測系２０に含まれるフィードバック信号生成器２２０e（図６に示す）の一端にデルタ-シグマ変調器７０が接続され、またデルタ-シグマ変調器７０の他端には振動出力部５０とＤ/Ａ３０とが並列に接続され、Ｄ/Ａ３０の他端は地震計１０に接続される。
【００９５】
フィードバック信号生成器２２０eからのフィードバック信号はデルタ-シグマ変調器７０に送られ出力が＋１か−１かのデジタル信号に変調された後振動出力部５０とＤ/Ａ３０とに送られる。
【００９６】
振動出力部５０からは、地震に関する情報がデジタルデータとして出力される。
一方、Ｄ/Ａ３０に送られたデジタル信号はアナログ信号に変換され、負帰還電流として地震計１０に供給される。
【００９７】
このような構成とすれば、大深度地震計システムから直接デジタル信号が得られダイナミックレンジの広いデジタル出力を得ることが可能となる。
【００９８】
（第４実施形態）
次に、本実施形態では、例えば微小変位、圧力、応力などの微小変位計測が可能な光学式振動検出システムを説明する。
【００９９】
図１１は、本実施形態に係る光学式振動検出システムで使用される微小振動検出器を示す図である。
【０１００】
図１１において、微小振動検出器１１０aは、概略、光カプラ１１１と、第１ファイバ伝送光路１１２aと、第２ファイバ伝送光路１１２bと、第２光ファイバ伝送光路１１２bに設置されたダミーファイバ１１３及び共焦点センサ１１７などから構成される。
【０１０１】
駆動部１１６は、鉄心１１６a、鉄心１１６aに所定の巻き数で巻かれた駆動コイル１１６b、鉄心１１６aを取り巻くように配置されたマグネット１１６cなどから構成される。
【０１０２】
共焦点型センサ１１７は、対向して配置された一対のレンズ１１５gと、一対のレンズ１１５bに対して一定の傾斜角度で配置される遮光板１１５bと、共焦点センサ１１７の両端にそれぞれ第１光ファイバ伝送光路１１２aと第２光ファイバ伝送光路１１２bの一端部を挿入し所定の傾斜角度で斜め研磨をしたフェルール１７の端面に、例えばＳｉＯ2，ＴｉＯ2などを蒸着せることによって形成された反射率ｒの反射膜１１５cなどから構成される。
【０１０３】
この構成とすれば、遮光板１１５ｂが共焦点光の一部を遮ることによって微小な変位変化を計測でき、例えば微小変位計、圧力計、応力計として利用できる。
【符号の説明】
【０１０４】
１・・・大深度地震計システム
１０・・・地震計
２０・・・計測系
３０・・・デジタルアナログ変換器
４０・・・サーボアンプ
５０・・・振動出力部
【図１】
2011085420.tif 000014
【図２】
2011085420.tif 000015
【図３】
2011085420.tif 000016
【図４】
2011085420.tif 000017
【図５】
2011085420.tif 000018
【図６】
2011085420.tif 000019
【図７】
2011085420.tif 000020
【図８】
2011085420.tif 000021
【図９】
2011085420.tif 000022
【図１０】
2011085420.tif 000023
【図１１】
2011085420.tif 000024