(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、偏光制御器とを備え、測定光を出力する光源ユニットと、
ループ状の光経路、及び、前記光経路が巻かれるコイルを有し、前記コイルに加えられた応力によって前記光経路を通る光を変調させる変調部と、
前記光源ユニットと前記光経路の両端と光学的に結合され、前記測定光を入力して、前記測定光と偏光状態が異なる第１の光と第２の光に分岐し、前記第１の光を前記光経路の一端から他端に向けて出力し、前記第２の光を前記光経路の前記他端から前記一端に向けて出力し、前記他端に入力した前記第１の光と前記一端に入力した前記第２の光とを結合して干渉光を出力する光結合器と、
前記光結合器と光学的に結合され、前記光結合器から出力された前記干渉光を入力し、前記干渉光を、偏光状態が互いに直交する第１成分及び第２成分に分離して出力する偏光分離器と、
前記偏光分離器と光学的に結合され、前記偏光分離器から出力された前記第１成分が入力する第１光検出器を有し、前記第１光検出器に入力した前記第１成分を第１電気信号に変換して前記応力を検知する検出部と、を備え、
前記偏光制御器は、前記第１電気信号が前記応力に対して一次の応答を示すように、前記光源から出力された光の偏光状態を制御し、
前記偏光分離器と光学的に結合され、前記偏光分離器から出力された前記第２成分を入力して第２電気信号に変換し、前記第２電気信号に基づいて前記偏光制御器を制御する制御信号を出力する制御部を備える、
光ファイバセンサシステム。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２成分が入力される第２光検出器を備え、前記第２光検出器に入力する前記第２成分の光強度が最小となるように前記偏光制御器を制御する、
請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２電気信号に含まれる高周波成分を、低周波成分に対して相対的に抑制することにより、前記制御信号を生成する第２処理部を備える、
請求項１又は２に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項４】
前記検出部は、前記第１電気信号に含まれる低周波成分を、高周波成分に対して相対的に抑制する第１処理部を備え、前記第１処理部は前記応力を検出するための検出信号を出力する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項５】
前記光結合器は、２入力２出力の光結合器である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項６】
前記光源ユニットから出力される前記測定光は直線偏光であり、
前記光結合器は、前記測定光を円偏光である前記第１の光と第２の光に分岐し、
前記変調部は旋光性を有し、前記第１の光と前記第２の光を楕円偏光に変換し、
前記光結合器は、楕円偏光の前記第１の光と前記第２の光を結合して、前記第１の光と前記第２の光とは異なる楕円偏光である干渉光を出力する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光源と、受光器と、偏光子を有する光分岐結合部と、ファイバループ部とを備えた光ファイバ振動センサが記載されている。光源と偏光子とは光学的に結合しており、偏光子によって偏光状態が同一になるよう制御された光がカプラを介してファイバループ部に出力される。ファイバループ部には右回り光と左回り光とが伝搬される。右回り光と左回り光は、カプラにおいて再結合して干渉し、干渉光が得られる。干渉光は、受光器によって受光され電気信号に変換される。ファイバループに音響信号が加えられると、右回り光及び左周り光に互いに異なる位相差が付与され、干渉光の干渉状態が変化する。干渉状態が変化した干渉光を受光器が受光することによってファイバループに加えられた応力が検知される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０９７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した光ファイバセンサシステムでは、受光器によって得られる電気信号の電圧値は、ファイバループに加えられた音響信号の振幅の２乗に比例する（二次の依存性）。従って、音響信号が微弱である場合、受光器によって得られる電気信号はより微弱となるため、音響信号の検出が困難となる。
【０００５】
本発明は、微弱な音響信号を検知することができる光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の一側面に係る光ファイバセンサシステムは、光源と、偏光制御器とを備え、測定光を出力する光源ユニットと、ループ状の光経路、及び、光経路が巻かれるコイルを有し、コイルに加えられた応力によって光経路を通る光を変調させる変調部と、光源ユニットと光経路の両端と光学的に結合され、測定光を入力して、測定光と偏光状態が異なる第１の光と第２の光に分岐し、第１の光を光経路の一端から他端に向けて出力し、第２の光を光経路の他端から一端に向けて出力し、他端に入力した第１の光と一端に入力した第２の光とを結合して干渉光を出力する光結合器と、光結合器と光学的に結合され、光結合器から出力された干渉光を入力し、干渉光を、偏光状態が互いに直交する第１成分及び第２成分に分離して出力する偏光分離器と、偏光分離器と光学的に結合され、偏光分離器から出力された第１成分が入力する第１光検出器を有し、第１光検出器に入力した第１成分を第１電気信号に変換して応力を検知する検出部と、を備え、偏光制御器は、第１電気信号が応力に対して一次の応答を示すように、光源から出力された光の偏光状態を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、微弱な音響信号を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係る光ファイバセンサシステムを示す図である。
【図２】図２は、センサヘッドとして機能するコイルを示す図である。
【図３】図３（ａ）は第１光検出器による検出電圧値の時系列データを示すグラフであり、図３（ｂ）は第２光検出器による検出電圧値の時系列データを示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は第１光検出器による電気信号の波高値と加えられた応力との関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は第２光検出器による電気信号の波高値と加えられた応力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。（１）本発明の一側面に係る光ファイバセンサシステムは、光源と、偏光制御器とを備え、測定光を出力する光源ユニットと、ループ状の光経路、及び、光経路が巻かれるコイルを有し、コイルに加えられた応力によって光経路を通る光を変調させる変調部と、光源ユニットと光経路の両端と光学的に結合され、測定光を入力して、測定光と偏光状態が異なる第１の光と第２の光に分岐し、第１の光を光経路の一端から他端に向けて出力し、第２の光を光経路の他端から一端に向けて出力し、他端に入力した第１の光と一端に入力した第２の光とを結合して干渉光を出力する光結合器と、光結合器と光学的に結合され、光結合器から出力された干渉光を入力し、干渉光を、偏光状態が互いに直交する第１成分及び第２成分に分離して出力する偏光分離器と、偏光分離器と光学的に結合され、偏光分離器から出力された第１成分が入力する第１光検出器を有し、第１光検出器に入力した第１成分を第１電気信号に変換して応力を検知する検出部と、を備え、偏光制御器は、第１電気信号が応力に対して一次の応答を示すように、光源から出力された光の偏光状態を制御する。
【００１０】
この光ファイバセンサシステムでは、第１電気信号が音響信号による応力に対して一次の依存性を示すように、偏光制御器が光源から出力された光の偏光状態を制御して測定光を出力する。従って、微弱な音響信号を高感度に検出することができる。
【００１１】
（２）また、偏光分離器と光学的に結合され、偏光分離器から出力された第２成分を入力して第２電気信号に変換し、第２電気信号に基づいて偏光制御器を制御する制御信号を出力する制御部を備えてもよい。これにより、第２成分に基づいて、測定光の偏光状態を制御できる。また、第２成分の光強度を制御することにより、第１成分の光強度を制御することもできる。これにより、音響信号を高感度に検出できる。
【００１２】
（３）また、制御部は、第２成分が入力される第２光検出器を備え、第２光検出器に入力する第２成分の光強度が最小となるように偏光制御器を制御してもよい。これにより、第１成分の光強度が最大となるように偏光制御器が制御される。従って、音響信号を高感度に検出できる。
【００１３】
（４）また、制御部は、第２電気信号に含まれる高周波成分を、低周波成分に対して相対的に抑制することにより、制御信号を生成する第２処理部を備えてもよい。これにより、加えられた音響信号に相当する高周波成分が除去されて得られた制御信号が偏光制御器に入力される。従って、偏光制御器に入力される制御信号の品質を高めることができる。
【００１４】
（５）また、検出部は、第１電気信号に含まれる低周波成分を、高周波成分に対して相対的に抑制する第１処理部を備え、第１処理部は応力を検出するための検出信号を出力してもよい。これにより、第１電気信号に対して、ノイズとなる低周波成分を除去し、また、音響信号の検出信号となる高周波成分を増幅できる。従って、音響信号の検出信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００１５】
（６）また、光結合器は、２入力２出力の光結合器であってもよい。これにより、光結合器のポートを、測定光の入力用、干渉光の出力用、及び光経路の一端及び他端に割り当てることができ、光損失の発生を抑制できる。
【００１６】
（７）また、光源ユニットから出力される測定光は直線偏光であり、光結合器は、測定光を円偏光である第１の光と第２の光に分岐し、変調部は旋光性を有し、第１の光と第２の光を楕円偏光に変換し、光結合器は、楕円偏光の第１の光と第２の光を結合して、第１の光と第２の光とは異なる楕円偏光である干渉光を出力してもよい。これにより、音響信号による応力に対して一次の依存性を示す第１成分を効率よく生成することができる。
【００１７】
［本発明の実施形態の説明］
本発明の実施形態に係る光ファイバセンサシステムの具体例を図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、実施形態に係る光ファイバセンサシステム１の構成を示す。光ファイバセンサシステム１は、例えば、構造物の健全性診断に用いられる光ファイバ音響センサであり、構造物でひび割れが生じたときに発生する音響放出（AE：Acoustic Emission）を検出する。光ファイバセンサシステム１は、光源ユニット１１と、光結合器１２と、変調部１３と、偏光分離器１４と、検出部１５と、制御部１６とを備えている。
【００１９】
光源ユニット１１は、光源１１ａと、偏光制御器１１ｂとを備える。光源ユニット１１は、光結合器１２と光学的に結合されている。光源１１ａは、周期的なパルス状のレーザ光を発生させる。本実施形態では、後述するように干渉系の光路長差を原理的に無くしているので、光源１１ａとしては、コヒーレント長が短い広帯域光源を用いることができる。光源１１ａとして広帯域光源を用いた場合には、反射光雑音などに対する耐性を高めることができる。
【００２０】
偏光制御器１１ｂは、光源１１ａが出力した光を入力する。偏光制御器１１ｂは、光源１１ａから入力した光の偏光状態を制御して測定光Ｌ１を出力する。偏光制御器１１ｂにおける偏光状態の制御については後述する。
【００２１】
光結合器１２は、４つのポート１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを有する２入力２出力の光結合器である。ポート１２ａと光源ユニット１１とは光学的に結合され、光源ユニット１１から出力された測定光Ｌ１はポート１２ａに入力される。光結合器１２は、測定光Ｌ１を右回り光（第１の光）Ｌ２と左回り光（第２の光）Ｌ３とに分岐する。測定光Ｌ１と、右回り光Ｌ２および左回り光Ｌ３とは、異なる偏光状態を有する。
【００２２】
変調部１３は、ポート１２ｃとポート１２ｄを結合するループ状の光経路２１と、光経路２１が巻かれるコイル２２と、光経路２１の途中に設けられる遅延経路２３とを備える。光経路２１の一端はポート１２ｃに接続され、光経路２１の他端はポート１２ｄに接続される。右回り光Ｌ２は、ポート１２ｃから出力され、コイル２２を通過した後に遅延経路２３を通って、ポート１２ｄに入力される。左回り光Ｌ３は、ポート１２ｄから出力され、遅延経路２３を通過した後にコイル２２を通って、ポート１２ｃに入力される。
【００２３】
光結合器１２は、ポート１２ｄに入力された右回り光Ｌ２と、ポート１２ｃに入力された左回り光Ｌ３を合波して、干渉光Ｌ４をポート１２ｂから出力する。光経路２１は光ファイバを含み、旋光性を有するように構成されている。従って、ポート１２ｃおよび１２ｄから出力される右回り光Ｌ２および左回り光Ｌ３と、ポート１２ｂから出力される干渉光Ｌ４は、偏光状態が異なる。また、右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３は同一の光経路２１を伝搬するため、右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３の光路長は同一である。このように、本実施形態の光結合器１２および変調部１３はサニャック干渉計を構成している。
【００２４】
図２に示されるように、コイル２２は、光経路２１が螺旋状に巻き付けられる芯２２ａを有する。コイル２２は測定対象となる構造物Ｓに取り付けられ、光ファイバセンサシステム１のセンサヘッドとして機能する。構造物Ｓは機械的破壊等により音響信号を放出し、コイル２２を介して光経路２１を伸縮させる。そして、この時にコイル２２に付与される応力によって光経路２１を構成する光ファイバの屈折率は僅かに変化し、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３の光路長が変化する。その結果、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３に位相変調が生じる。
【００２５】
再び図１を参照する。遅延経路２３は、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３に遅延を付与する。遅延が付与された右回り光Ｌ２は光結合器１２に直接出力される。一方、遅延が付与された左回り光Ｌ３はコイル２２を通って光結合器１２に出力される。従って、応力によって右回り光Ｌ２に与えられる変調のタイミングと、応力によって左回り光Ｌ３に与えられる変調のタイミングとは、互いに異なっている。本実施形態では、左回り光Ｌ３の往路に遅延経路２３が配置されている。よって、左回り光Ｌ３には、右回り光Ｌ２よりも時間ｔだけ遅れて音響信号が伝搬される。
【００２６】
偏光分離器１４は、光結合器１２のポート１２ｂと光学的に結合されている。ポート１２ｂから出力された干渉光Ｌ４は偏光分離器１４に入力される。右回り光Ｌ２および左回り光Ｌ３と、干渉光Ｌ４は、互いに異なる偏光状態を有する。偏光分離器１４は、入力した干渉光Ｌ４を、偏光状態が互いに直交する第１成分Ｌ５と第２成分Ｌ６とに分離して出力する。
【００２７】
検出部１５は、偏光分離器１４と光学的に結合されている。検出部１５には、偏光分離器１４から出力された第１成分Ｌ５が入力され、音響信号を検出するための検出信号Ｄ１を生成する。検出部１５は、第１光検出器１５ａと第１処理部１５ｂとを備えている。第１光検出器１５ａは入力された第１成分Ｌ５の光強度を電圧値に変換し、第１電気信号Ｅ１を出力する。第１処理部１５ｂは、第１電気信号Ｅ１に含まれる低周波成分（例えば、測定する音響信号の周波数の１／１０より小さい周波数成分）を、高周波成分（例えば、測定する音響信号の周波数の１／１０より大きい周波数成分）に対して、その強度や振幅を相対的に抑制することで、検出信号Ｄ１を生成する。第１処理部は、例えば第１電気信号Ｅ１の高周波成分を増幅する高周波増幅器である。
【００２８】
制御部１６は、偏光分離器１４と光学的に結合されている。制御部１６には、偏光分離器１４から出力された第２成分Ｌ６が入力され、偏光制御器１１ｂを制御するための制御信号Ｄ２を生成し、偏光制御器１１ｂに入力する。制御部１６は、第２光検出器１６ａと第２処理部１６ｂとを備えている。第２光検出器１６ａは入力された第２成分Ｌ６の強度を電圧値に変換し、第２電気信号Ｅ２を出力する。第２処理部１６ｂは、例えば第２電気信号Ｅ２から高周波成分（例えば、測定する音響信号の周波数の１／１０より大きい周波数成分）を除去することで制御信号Ｄ２を生成する低周波増幅器である。
【００２９】
図３は、コイル２２に所定の音響信号が加えられた場合における検出電圧値の時系列データを示す。図３（ａ）は第１電気信号Ｅ１を示し、図３（ｂ）は第２電気信号Ｅ２を示している。図３（ａ）及び図３（ｂ）では、検出電圧値を一定時間（例えば１０μｓ）毎に平均した値を示しており、所定時間内における検出電圧値の最大値と最小値との差分を波高値Ｈ１，Ｈ２と定義している。これらの波高値Ｈ１，Ｈ２と、コイル２２に加えられた応力との関係を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示している。
【００３０】
図３（ｂ）に示した第２電気信号Ｅ２では、図３（ａ）に示した第１電気信号Ｅ１の電圧値と比較して、検出電圧値の変動周期が２倍となり、ゼロ以下の値が無くなっている。すなわち、第２電気信号Ｅ２の検出電圧値は、応力による位相変調量の正弦に対して２次の応答を示している。一方、第１電気信号Ｅ１の検出電圧値は、位相変調量の正弦に対して一次の応答を示している。
【００３１】
図４（ａ）は第１電気信号Ｅ１の波高値Ｈ１とコイル２２に加えられた音響信号による応力との関係を示している。図４（ｂ）は波高値Ｈ２とコイル２２に加えられた音響信号による応力との関係を示している。第２電気信号Ｅ２では、二点鎖線で示した応力が比較的小さい領域において、波高値Ｈ２が応力に対して２次の応答を示していることが分かる。一方、第１電気信号Ｅ１では、二点鎖線で示した応力が比較的小さい領域において、波高値Ｈ１は応力に対して一次の応答を示していることが分かる。
【００３２】
音響信号によって加えられる応力の大きさに応じて、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３に付与される位相変調量も変化する。図３及び図４より、光ファイバセンサシステム１は、第１光検出器１５ａでは一次の応答を示す第１成分Ｌ５を受光し、第２光検出器１６ａでは２次の応答を示す第２成分Ｌ６を受光するように構成されていることが分かる。
【００３３】
以上のように、本発明者は、測定光Ｌ１とは異なる偏光状態を有する右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３をサニャック干渉計である変調部１３に入力し、所定の偏光成分を分離して検出することにより、音響信号Ａ（コイル２２に加えられる応力）に対する検出信号Ｄ１の応答挙動が変化することを見出した。以下では、前述の構成を備える光ファイバセンサシステム１から得られる作用及び効果について説明する。
【００３４】
光ファイバセンサシステム１では、音響信号による応力に対して一次の依存性を示す成分を含む干渉光Ｌ４が出力されるように、光源ユニット１１から偏光状態が制御された測定光Ｌ１が出力される。そして、偏光分離器１４において、音響信号に対して一次の依存性を示す第１成分Ｌ５を分岐し、第１光検出器１５ａに入力する。偏光制御器１１ｂは、第１電気信号Ｅ１が応力に対して一次の依存性を示すように、光源から出力された光の偏光状態を制御する。従って、微弱な音響信号を高感度に検出することができる。
【００３５】
また、光ファイバセンサシステム１は、偏光分離器１４から出力された第２成分Ｌ６を入力して第２電気信号Ｅ２に変換し、第２電気信号Ｅ２に基づいて偏光制御器１１ｂを制御する制御信号Ｄ２を出力する制御部１６を備える。これにより、第２成分Ｌ６に基づいて、測定光Ｌ１の偏光状態を上記のように制御できる。また、第２成分Ｌ６の強度を制御することにより、第１光検出器１５ａに入力する第１成分Ｌ５の強度を制御することもできる。これにより、音響信号を高感度に検出できる。
【００３６】
また、制御部１６は、第２成分Ｌ６が入力される第２光検出器１６ａを備え、第２光検出器１６ａに入力する第２成分Ｌ６の光強度が最小となるように偏光制御器１１ｂを制御する。これにより、第１光検出器１５ａに入力する第１成分Ｌ５の光強度を最大とすることができる。従って、音響信号を高感度に検出できる。
【００３７】
また、制御部１６は、第２電気信号Ｅ２に含まれる高周波成分を、低周波成分に対して相対的に抑制することにより、制御信号Ｄ２を生成する第２処理部１６ｂを備える。これにより、音響信号に相当する高周波成分が除去されて得られた制御信号Ｄ２が偏光制御器１１ｂに入力される。従って、制御信号Ｄ２の品質を高めることができる。
【００３８】
また、検出部１５は、第１電気信号Ｅ１に含まれる低周波成分を、高周波成分に対して相対的に抑制する第１処理部１５ｂを備え、第１処理部１５ｂは音響信号による応力を検出するための検出信号Ｄ１を出力する。これにより、第１電気信号Ｅ１に対して、ノイズとなる低周波成分を除去し、または、音響信号の検出信号Ｄ１となる高周波成分を増幅できる。従って、検出信号Ｄ１のＳＮ比を向上させることができる。
【００３９】
また、光結合器１２は、２入力２出力の光結合器である。これにより、光結合器１２のポート１２ａ〜１２ｄを、測定光Ｌ１の入力用、干渉光Ｌ４の出力用、及び光経路２１の一端及び他端に割り当てることができ、光損失の発生を抑制できる。
【００４０】
また、最も高感度に音響信号を検出する光ファイバセンサシステム１の構成として、光源ユニット１１から出力される測定光Ｌ１は直線偏光であり、光結合器１２は、測定光Ｌ１を円偏光である右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３に分岐し、それぞれコイル２２に出力する。さらに、変調部１３は旋光性（例えば４５°又はその奇数倍の旋光性）を有し、光結合器１２から出力された円偏光の右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３を楕円偏光に変換して光結合器１２に出力する。光結合器１２は、楕円偏光の右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３を結合して、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３とは異なる（例えば偏向状態が９０°回転された）楕円偏光である干渉光Ｌ４を出力する。このように光結合器１２および変調部１３を構成した上で、測定光Ｌ１を円偏光とするように偏光制御器１１ｂを制御することにより、干渉光Ｌ４に応力に対して一次の応答を示す偏光状態を有する成分を効率よく生じさせることができる。従って、応力に対して一次の応答を示す第１電気信号Ｅ１を効率よく生成できる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態において、遅延経路２３は左回り光Ｌ３の往路に配置されていた。しかし、遅延経路２３の配置態様は上記実施形態に限定されず、例えば、右回り光Ｌ２の往路に遅延経路が配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…光ファイバセンサシステム、１１…光源ユニット、１１ａ…光源、１１ｂ…偏光制御器、１２…光結合器、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…ポート、１３…変調部、１４…偏光分離器、１５…検出部、１５ａ…第１光検出器、１５ｂ…第１処理部、１６…制御部、１６ａ…第２光検出器、１６ｂ…第２処理部、２１…光経路、２２…コイル、２２ａ…芯、２３…遅延経路、Ａ…音響信号、Ｄ１…検出信号、Ｄ２…制御信号、Ｅ１…第１電気信号、Ｅ２…第２電気信号、Ｈ１，Ｈ２…波高値、Ｌ１…測定光、Ｌ２…右回り光（第１の光）、Ｌ３…左回り光（第２の光）、Ｌ４…干渉光、Ｌ５…第１成分、Ｌ６…第２成分、Ｓ…構造物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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