(57)【要約】【課題】  センサ位置の同定ができ、同一光伝送路に複数のセンサを配置可能とし、かつ、２波長系の統合が容易なファイバセンシングシステムの提供。【解決手段】  ファイバセンシングシステム１は、入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッド３４１，３４２，…，３４ｎを有する光ファイバセンシング系３と、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して光ファイバセンシング系３に送出し、光ファイバセンシング系３からの反射光を異なる波長の二つの反射光に分波し、相補的に変化する二つの反射光をそれぞれ電気信号に変換し、二つの電気信号を基に二つの反射光による反射利得の比より求まる波長シフトから被測定物理量を検出する２波長反射計測系５とを備えたことを特徴とするものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサ系を縦続的に挿入した光ファイバ系に、各センサに対する位置同定機能および上記２波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ２波長反射計測系を組み合わせることにより、各センサにおける２波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出することを特徴とするファイバセンシングシステム。
【請求項２】
前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラと、前記光カプラにそれぞれ接続されるファイバ支線と、そのファイバ支線の終端面に形成したセンサヘッドとから構成されたファイバカプラを介してバス型としたことを特徴とする請求項１記載のファイバセンシングシステム。
【請求項３】
前記２波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器から相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出でき、前記光ファイバセンシング系からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器と、前記合分波器で分波された二つの波長の反射光をそれぞれ電気信号に変換する受光器と、前記二つ受光器からの検出電気信号を相補的な擬似ランダム信号でそれぞれ相関をとり反射利得を求める相関器と、前記二つの相関器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のファイバセンシングシステム。
【請求項４】
前記センサヘッドは、ファイバ支線の終端に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたことを特徴とする請求項２記載のファイバセンシングシステム。
【請求項５】
前記センサヘッドは、誘電体多層膜フィルタの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしてなることを特徴とする請求項４記載のファイバセンシングシステム。
【請求項６】
前記センサヘッドは、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面に、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能としたことを特徴とする請求項４記載のファイバセンシングシステム。
【請求項７】
ファイバ支線をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサを、他方に温度補償用として非温度センサと同仕様のフィルタによる温度センサを周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサのファイバ距離差が２波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ側にダミーファイバを挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサの波長シフト量から温度補償用温度センサの波長シフト量を減殺することによって、非温度センサの温度補償を行うことを特徴とする請求項５または６記載のファイバセンシングシステム。
【請求項８】
前記光ファイバセンシング系は、Ｎ個の光センサ分岐用の光カプラがファイバスルー本線中に縦続的に挿入されているとき、光カプラの各分岐比を１／Ｎとしてなることを特徴とする請求項２記載のファイバセンシングシステム。
【請求項９】
前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入され、被測定物理量に応じて一定量を反射し残りを透過する透過型センサから構成されたことを特徴とする請求項１記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１０】
前記２波長反射計測系は、
擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、
前記符号生成器から相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、
前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの両波長の反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を擬似ランダム信号で相関演算する相関器と、前記の相関器から出力から反射率比を求め、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項９記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１１】
ＰＮ符号発生器により、２波長のうち1波長のみ発光させる段階１とPN符号の論理レベルで２波長を交播駆動する段階２に分け、段階１で計測した反射率aと、段階２で計測した反射振幅差ｄから、波長シフト解析器において１＋ｄ/ａとして求まる、反射率比より被測定物理量を割り出すことを特徴とする請求項１０記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１２】
ＰＮ符号発生器により、ＰＮ符号１周期ごとに波長を切替えて、波長ごとの反射率を計測し、波長シフト解析器においてそれらの比をとることを特徴とする請求項１０記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１３】
前記２波長反射計測系において、センサ数が１の場合、駆動波形として周期波形を発生する波形発生器と、前記波形発生器の出力波形の論理レベルに応じて駆動され、異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を同期検波し２波長の反射率比を求める演算回路と、反射率の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１４】
前記２波長反射計測系は、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を交互発光する２つの波長に同期しそれぞれ累積加算する２つ波形加算器と、前記２つ加算器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項９記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１５】
前記２波長反射計測系は、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光 を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力２波長の反射率比を求める演算回路と、反射率比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項９記載のファイバセンシングシステム。
【請求項１６】
前記２波長反射計測系における２波長光源の送光強度差の影響をキャンセルするため、２波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの２波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける２波長反射率比を較正すること特徴とする請求項１又は請求項９記載のファイバセンシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して光ファイバセンシング系に送出し、前記光ファイバセンシング系で被測定物理量に応じた反射応答の反射光の反射利得比より求まる波長シフトから被測定物理量を検出できるファイバセンシングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のファイバセンシングシステムとしては、波長の異なる光を一定周期で交互に発生する手段と、上記光を伝達する光伝送路と、上記光伝送路の出力光を上記波長の差を利用して分離し、その分離された一方の光の強度を被測定体の変動によって変動させた後、他の分離された光と共に上記伝送路に加える計測部と、上記光伝送路を介して計測部から送られてくる光を電気信号に変換する受光器と、上記受光器の出力電気信号を上記一定周期で標本化する標本化回路と、上記標本化回路で分離された信号の比から上記比測定体の変動を検出する信号処理回路と、を備えた光学測定装置が知られている（特許文献１）。
この光学測定装置は、２波長を一定周期で周期的に切り換え、計測部に導き、計測部で被測定物理量に応じた反射利得を同期検波して被測定物理量を検出している。このため、この光学測定装置の場合、計測部の個数は単数に制約されることになる。
【特許文献１】特開昭５４−１０８６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように、上記従来の光学測定装置は単数のセンサを対象としたもので、方式的にセンサ位置の同定ができないことから、そのままでは複数のセンサを配置できないこと、２波長系の統合が容易でないという欠点があった。
本発明は、上述した欠点を解消し、センサ位置の同定ができ、同一光伝送路に複数のセンサを配置可能とし、かつ、２波長系の統合が容易なファイバセンシング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】
【０００４】
上記目的を達成するために、本願請求項１に係る発明のファイバセンシングシステムは、光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサ系を縦続的に挿入した光ファイバ系に、各センサに対する位置同定機能および上記２波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ２波長反射計測システムを組み合わせることにより、各センサにおける２波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出することを特徴とするものである。
本願請求項２に係る発明では、本願請求項１に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラと、前記光カプラにそれぞれ接続されるファイバ支線と、そのファイバ支線の終端面に形成したセンサヘッドとから構成されたファイバカプラを介してバス型としたことを特徴とするものである。
本願請求項３に係る発明では、本願請求項１に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記２波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器からオンオフ相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出でき、前記光ファイバセンシング系からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器と、前記合分波器で分波された二つの波長の反射光をそれぞれ電気信号に変換する受光器と、前記二つ受光器からの検出電気信号の擬似ランダム信号との相互相関から二つの波長に対応した反射利得を求める二つの相関器と、前記二つの相関器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項４に係る発明では、本願請求項２に係るファイバセンシングシステムおいて、前記センサヘッドは、ファイバ支線の終端に対象な球面研磨を施し、当該面に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたことを特徴とするものである。
【０００５】
本願請求項５に係る発明では、本願請求項４に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記センサヘッドは、誘電体多層膜フィルタの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしてなることを特徴とするものである。
本願請求項６に係る発明は、本願請求項４に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記センサヘッドは、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面に、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能としたことを特徴とするものである。
本願請求項７に係る発明では、本願請求項５または６に係るファイバセンシングシステムにおいて、ファイバ支線をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサを、他方に温度補償用として非温度センサと同仕様のフィルタによる温度センサを周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサのファイバ距離差が２波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ側にダミーファイバを挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサの波長シフト量から温度補償用温度センサの波長シフト量を減殺することによって、非温度センサの温度補償を行うことを特徴とするものである。
【０００６】
本願請求項８に係る発明では、本願請求項２に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系は、Ｎ個の光センサ分岐用の光カプラがファイバスルー本線中に縦続的に挿入されているとき、光カプラの各分岐比を１／Ｎとしてなることを特徴とするものである。
本願請求項９に係る発明では、本願請求項１に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系のトッポロジーが、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の透過型光センサから構成されることを特徴とするものである。
本願請求項１０に係る発明では、本願請求項１又は請求項９に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記２波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器からオンオフ相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を擬似ランダム信号で相関演算する相関器と、前記の相関器から出力から反射率比を求め、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項１１に係る発明では、本願請求項１０に係るファイバセンシングシステムにおいて、ＰＮ符号発生器において２波長のうち１波長のみ発光させる段階１とＰＮ符号の論理レベルで２波長を交播駆動する段階２に分け、段階１で計測した反射率a  と、段階２で計測した反射振幅差ｄから、波長シフト解析器において１＋d/aとして求まる、反射率比より被測定物理量を割り出すことを特徴とするものである。
【０００７】
本願請求項１２に係る発明では、本願請求項１０に係るファイバセンシングシステムにおいて、ＰＮ符号発生器においてＰＮ符号１周期ごとに波長を切替えて、反射率を計測し、波長シフト解析器においてそれらの比をとることを特徴とするものである。
本願請求項１３に係る発明では、本願請求項１に係るファイバセンシングシステムにおいて、センサ数が１の場合、駆動波形として周期波形を発生する波形発生器と、前記波形発生器の出力波形の論理レベルに応じて駆動され、異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を同期検波し２波長の反射率比を求める除算器と、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項１４に係る発明では、本願請求項１又は請求項９に係るファイバセンシングシステムにおいて、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を交互発光する２つの波長に同期しそれぞれ累積加算する２つ波形加算器と、前記２つ加算器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
本願請求項１５に係る発明では、本願請求項１又は請求項９に係るファイバセンシングシステムにおいて、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光 を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力２波長の反射率比を求める演算回路と、反射率比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項１６に係る発明では、本願請求項１又は請求項９に係るファイバセンシングシステムにおいて、２波長光源の送光強度差の影響をキャンセルするため、２波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの２波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける２波長反射率比を較正することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、被測定物理量に応じて二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する光フィルタを光ファイバ端面に形成し、その２波長反射利得比より被測定物理量を計測する方式であることから次のような特徴を有する。
（１−１）FBG(ファイバブラッグ回折格子)方式や分布計測であるブリュリアンOTDR（Optical Time Domain Reflectometer）、ラマンOTDR方式が反射スペクトル解析を高価につく分光分析によっているのに対し、本発明では光電変換以降、電気回路レベルで解析可能であることから、分析系が簡単安価になる。
（１−２）相補的反射利得の比を取ることから検出感度が二倍化される。
（１−３）計測信号の伝送媒体である光ファイバの曲げや捻りや横圧などの外部応力による損失変動や発受光系の感度変化や利得ドリフトなどは上記反射利得比に影響しないため、安定かつ外乱耐性の高い計測が可能である。
（１−４）上記フィルタは誘電体多層膜をもって容易に実現できるが、複数本束ねたファイバ端面に直接多層膜を真空蒸着することが可能であるから、量産性に優れ、従来のFBGに比して、製造コストを低減することができる。
（１−５）上記ファイバ端面をファイバ軸に対して対称な球面とすることにより、温度のほか膜圧垂直方向の圧力や、光学的ブロックとの接触/非接触によるコンタクトスイッチとして多用できる。
【００１０】
（２）光センシングのトポロジーが、ファイバスルー本線から縦続的に挿入された複数の光カプラを介して先端に上記センサを擁するファイバ支線を配置する光バス構成であるため、センサそのものを縦続接続する場合に比べ、センサの着脱自由度が大きく、特定のセンサ支線系が故障したとしても、下流に影響しない（センサそのものを縦続接続する場合は下流での計測は不可能となる）。
（３）ファイバ上の反射イベントに対する位置同定な可能な反射計測方式にはいわゆるOTDRがあり、この方式を２波長分割多重によって多重化してもよいが、より好ましい方式としては、共通のＰＮ符号（Pseudorandom Noise(擬似ランダム)符号）によってオンオフ相補的に二つの波長光を送出し、ＰＮ符号と各波長のファイバ反射光出力との相関解析を行うことによって上記反射利得比を求めるPNCR（Pseudorandom Noise code Correlation Reflectometer：擬似ランダム符号相関方式）を採用することによって、２波長に対応した反射計測系を容易に実現することが可能でありかつ経済的である。
【００１１】
（４）２波長擬似ランダム符号相関方式であるために、ＰＮ符号長によって測定系のダイナミックレンジを容易に制御することができる。すなわち微小な反射利得比をも検知することが可能になるため、被測定物理量の微小な変化を検出することができる。
（５）波長シフトに応じて正負逆方向に変化する２つの反射利得の比をとるので、単一の被測定物理量を検出方式に比較して検出感度が倍増する効果がある。
（６）上述と同様に、反射利得の比をとることによって、系のドリフトや雑音の影響が非常に少なくなるという効果がある。
（７）測定系に大きな外乱がある場合でも、誘電体多層膜フィルタの波長シフトに影響しない外乱である場合にかぎりはそれば不感であり、また、ファイバ曲げ損失やコネクタ不良などによる接続損失は、反射利得比には影響しないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本願各請求項に係る発明（以下、単に「本発明」という）を実施するための第１の最良の形態について図面を参照して説明する。
＜温度を検出できるファイバセンシングシステムとしての例＞
図１は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図である。図２は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示すシステム構成図である。図３は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系を説明するために示す図である。ここで、図３（ａ）は２波長反射計測系を示すブロック図である。図３（ｂ）はファイバスルー本線３１に送出されるプローブ光の説明図である。図３（ｃ）は符号生成器から発生される擬似ランダム信号Ｓ１、擬似ランダム信号Ｓ２であって、横軸に時間を、縦軸に論理[１]、[０]をとったものである。
【００１３】
これらの図において、本発明に係るファイバセンシングシステム１は、光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサを縦続的に挿入した光ファイバ系３に、各センサに対する位置同定機能および上記２波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ２波長反射計測系５を組み合わせ、２波長反射計測系５により各センサにおける２波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出するようにしたものである。
【００１４】
さらに別な見地から説明すると、本発明に係るファイバセンシングシステム１は、入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッドを有する光ファイバセンシング系３と、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出し、前記光ファイバセンシング系からの反射光を異なる波長の二つの反射光に分波し、前記プラスマイナス相補的に変化する二つの反射光をそれぞれ電気信号に変換し、前記二つの電気信号を基に二つの反射光による反射利得の比より求まる波長シフトから前記被測定物理量を検出する２波長反射計測系５とから構成されている。
【００１５】
図１および図２において、光ファイバセンシング系３のトポロジー（接続関係）としては、ファイバスルー本線３１と、ファイバスルー本線３１の中に縦接的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラ３２１，３２２，…，３２ｎと、前記光カプラ３２１，３２２，…，３２ｎにそれぞれ接続されるファイバ支線３３１，３３２，…，３３ｎと、各ファイバ支線３３１，３３２，…，３３ｎの終端面に形成したセンサヘッド３４１，３４２，…，３４ｎとから構成されたファイバカプラを介したパス型としている。なお、ここで、「トポロジー」とは、空間的要素の位置的、接続的関係を示すもので、鉄道路線図などをモデルにした概念のことをいう。
【００１６】
以下、図２６（ａ）のようにセンサ系を定義する。センサ系は光カプラ、ファイバ支線、および入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッドから構成される。
センサ系の概念を取り入れると、センサ系は図１の光ファイバセンシング系に縦続的に挿入されている形態となる。
【００１７】
図２及び図３（ａ）において、前記２波長反射計測系５は、擬似ランダム信号（図３（ｃ）に示す擬似ランダム信号Ｓ１参照）を生成する符号生成器５１と、前記符号生成器５１からの擬似ランダム信号Ｓ１により駆動される所定の波長の光を生成する光源５２ａと、前記符号生成器５１からの符号の反転した擬似ランダム信号Ｓ２により駆動される前記光源５２ａの光の波長とは異なる波長の光を生成する光源５２ｂと、前記二つの光源５２ａ，５２ｂからの二つの光をファイバ５４ａ，５４ｂを介して導いて合成しプローブ光として前記光ファイバセンシング系３に送出できるとともに、前記光ファイバセンシング系３からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器５５と、前記合分波器５５で分波された二つの波長の反射光を光ファイバ５４ａ，５４ｂに接続した光カプラ５６ａ，５
６ｂで取り出し、伝送する光ファイバ５７ａ，５７ｂと、光ファイバ５７ａ，５７ｂで導かれた反射光を電気信号に変換する受光器５８ａ，５８ｂと、前記受光器５８ａからの検出電気信号を符号生成器５１からの擬似ランダム信号で相関をとり反射利得を求める相関器５９ａと、前記受光器５８ｂからの検出電気信号を符号生成器５１からの符号の反対な擬似ランダム信号で相関をとり反射利得を求める相関器５９ｂと、前記二つの相関器５９ａ，５９ｂから出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器６０とを備えたものである。
【００１８】
前記光源５２ａは前記符号生成器５１からの擬似ランダム信号により駆動され、前記光源５２ｂは生成器５１からの符号の反対な擬似ランダム信号により駆動されるため、前記二つの光源５２ａ，５２ｂは、図３（ｂ）に示すように、相補的な擬似ランダム信号によって駆動されて異なる波長の二つの光を生成するようになっている。なお、光源５２ａ，５２ｂは、ファブリー・ペローＬＤ、分岐帰還ＬＤ等で構成すればよい。
相関器５９ａは符号生成器５１からの擬似ランダム信号で相関をとり、また、相関器５９ｂは、符号生成器５１からの符号の反対な擬似ランダム信号で相関をとっているので、前記二つの相関器５９ａ，５９ｂは、前記二つ受光器５８ａ，５８ｂからの検出電気信号を相補的な擬似ランダム信号でそれぞれ相関をとり反射利得を求めるようになっている。
【００１９】
なお、上記実施の形態においては、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数のセンサ系（図２６（ａ））から構成されたバス型としたが、前記センサ系に代えて、例えば図２５の特性をもつ複数の透過型センサによるセンサ系（図２６（ｂ））において点線イと点線ロの波長を用いた場合、例えば、図１６に示すのと同じようなトポロジーも可能となる。下流のセンサの反射率は上流のセンサの透過率を乗じたものとなるから、上流のセンサ反射率Ｒ（ｄＢ）より、透過率１−１０−Ｒ/１０を計算し、下流のセンサの反射率を上流のセンサの透過率で割ればよい。このような、透過型センサを用いる場合は、前記トポロジーは、ファイバスルー本線３１と、ファイバスルー本線３１の中に従属的に挿入された複数の透過型センサ６１、６１１、６１２、・・・、６１ｎからなるように接続すればよい。
【００２０】
図４は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおけるセンサヘッドの構造を示す図である。なお、センサヘッド３４１，３４２，・・・，３４ｎは同一構造であるので、センサヘッド３４１を例にし、かつ添え字を取った状態で説明する。
【００２１】
この図４において、前記センサヘッド３４は、ファイバ支線３３の終端に対象な球面研磨を施し、当該球面に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタ３４Ｍを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたものである。
誘電体多層膜の材質は、低屈折層にＳｉＯ２を、高屈折層にチタニア（ＴｉＯ２）または５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を使用している。
【００２２】
図５は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにより温度および圧力を検出できることを説明するための特性図であて、横軸に波長λを、縦軸に反射利得を、それぞれ取ったものである。
この図５において、センサヘッド３４は二つの光の波長（λ１，λ２）の間に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ３４Ｍが設けられており、その中心周波数が温度または圧力に波長軸上で比例して変化する。このセンサヘッド３４の有する特性は、反値を与える二つの波長（λ１，λ２）の間に中心波長を持ち、反値を与える二つの波長（λ１，λ２）に対して概略Ｖ字形状をしている。
そこで、センサヘッド３４からの反射波を２波長反射計測系５に導き、２波長反射計測系５において反射波利得の比を取ることにより温度または圧力を求めることになる。
【００２３】
また、図５において、センサヘッド３４における実線の特性と、点線の特性との差δは、温度（temperature）または圧力（pressure）に比例する。
図６は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドが温度に波長がシフトすることを説明するための特性図であって、横軸に温度（Temperature）Ｔを、縦軸に波長（Wavelength）λ〔ｎｍ〕とλGradient〔ｎｍ／ｄｅｇ〕を、それぞれ取ったものである。
【００２４】
この図６では、温度を５〔℃〕刻みで振ったとき、センサヘッド３４の中心波長の絶対値変動と温度勾配を実験で求めたものである。温度上昇にともなって波長が長波長側にシフトするのは、熱膨張によって多層膜厚が増大し光路長が長くなるからである。温度の振り幅７０〔℃〕の範囲では、中心波長は温度に比例している。温度勾配は光スペクトルアナライザの読み取り誤差もあって、０．０１３〜０．０１８の範囲でばらついているが、平均すれば０．０１５〔ｎｍ／℃〕である。以上のことから、波長シフト量がわかれば、それに対応する温度が割り出せることが分かる。したがって、本発明では、センサヘッド３４の誘電体多層膜フィルタ３４Ｍの波長シフトを簡単にかつ安価にしかも正確安定に測定する手段として２波長反射計測系５を含むファイバセンシングシステムを提案するものである。
【００２５】
図７は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドでは入射光が平行に入射しないため開口数（ＮＡ；Numerical Aperture)を考慮しなければならないことを説明するための特性図を示すもので、横軸に波長（Wavelength）λを、縦軸に反射率（Reflectance）Ｒ１，Ｒ２〔ｄＢ〕を、それぞれ取ったものである。
この図７において、センサヘッド３４のファイバのＮＡをゼロおよび０．１２としたときの誘電体多層膜フィルタ３４Ｍの反射分光特性をシミュ レーションによって比較したもので、ＮＡ＝０は平行ビームに相当し、ＮＡ=０．１２は通常の単一モードファイバの場合である。ＮＡ＝０の平行ビームに対してＮＡ=０．１２のセンサヘッド３４のファイバでは反射減衰量が８〔ｄＢ〕程度低くなっており、透過率が僅かにダウンすることになるので、センサヘッド３４の誘電体多層膜フィルタ３４Ｍで直接反射させる場合の分光特性には気をつけている。
【００２６】
図８は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいてＮＡを考慮した際の温度により中心周波数が波長軸上で平行移動することを説明するための特性図であって、横軸に波長（Wavelength）λ〔ｎｍ〕を、縦軸に反射率（Reflectance）Ｒ〔ｄＢ〕を、それぞれ取ったものである。
図８からも分かるように、±５０〔ｄｅｇ〕において、二つの波長（λ１，λ２）が−３〔ｄＢ〕を中心として−２〔ｄＢ〕〜−３〔ｄＢ〕に変化することになる。
【００２７】
図９は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、ＮＡをゼロまたはＮＡ＝０．１２としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比Ｒ１，Ｒ２の変化を示す特性図であって、横軸に温度（Temperature）Ｔ〔ｄｅｇ〕を、縦軸に反射率比（Reflectance）Ｒ１，Ｒ２〔ｄＢ〕を、それぞれ取ったものである。
この図９において、反射率比Ｒ１は  ＮＡ＝０では−５０〔ｄｅｇ〕で−１．８〔ｄＢ〕〜＋５０〔ｄｅｇ〕で−４．７５程度の間でほぼ直線に右肩下がりで下降する。同様に、反射率比Ｒ１は、ＮＡ＝０．１２では−５０〔ｄｅｇ〕で−２．０〔ｄＢ〕〜＋５０〔ｄｅｇ〕で−４．５０程度の間でほぼ直線に右肩さがかりで下降する。
【００２８】
これに対して、反射率比Ｒ２は  ＮＡ＝０では−５０〔ｄｅｇ〕で−４．６〔ｄＢ〕〜＋５０〔ｄｅｇ〕で−２．０程度の間でほぼ直線で右肩上がりに上昇する。同様に、反射率比Ｒ２は、ＮＡ＝０．１２では−５０〔ｄｅｇ〕で−４．３〔ｄＢ〕〜＋５０〔ｄｅｇ〕で−２．２程度の間でほぼ直線に右肩上がりで上昇する。
【００２９】
図１０は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、センサヘッドのファイバのＮＡをゼロまたはＮＡを０．１２としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比Ｒ１，Ｒ２の差をとった特性図であって、横軸に温度（Temperature）Ｔ〔ｄｅｇ〕を、縦軸に差反射率比（Differential Reflectance）（Ｒ１−Ｒ２）〔ｄＢ〕の差を、それぞれ取ったものである。
この図１０において、反射率比Ｒ１，Ｒ２の差は、ＮＡ＝０では−５０〔ｄｅｇ〕で−２．５〔ｄＢ〕程度〜＋５０〔ｄｅｇ〕で−２．５程度の間でほぼ直線に右肩下がりで下降する特性をとる。同様に、反射率比Ｒ１，Ｒ２の差は、ＮＡ＝０．１２では−５０〔ｄｅｇ〕で−２．３〔ｄＢ〕〜＋５０〔ｄｅｇ〕で−２．０程度の間でほぼ直線に右肩さがかりで下降する特性をとる。
【００３０】
このセンサヘッド３４の誘電体多層膜フィルタ３４Ｍは、上述したような特性をとることから、この特性を有効に生かし、安価にかつ正確に検出する本発明に係るファイバセンシングシステムを提案するものである。
まず、符号生成器５１は、図３（ｃ）に示すような擬似ランダム信号Ｓ１を生成する。この符号生成器５１から出力された擬似ランダム信号Ｓ１は、光源５２ａに入力される。  符号生成器５１では、符号の反転された擬似ランダム信号Ｓ２を形成して、光源５２ｂに入力する。
【００３１】
すなわち、光源５２ａは、符号生成器５１からの擬似ランダム信号Ｓ１で駆動されることになる。同様に、光源５２ｂは、符号反転の擬似ランダム信号Ｓ２で駆動されることになる。ここで、光源５２ａは図３（ｃ）の擬似ランダム信号Ｓ１の論理[１]で発光し、光源５２ｂは図３（ｃ）の擬似ランダム信号Ｓ２の論理で[１]で発光する。前記光源５２ａからの光（波長λ１）は光ファイバ５４ａを介して合分波器５５に、前記光源５２ｂからの光（波長λ２）は光ファイバ５４ｂを介して合分波器５５に、それぞれ導かれる。これら光（波長λ１，λ２）は、合分波器５５で合成されて図３（ｂ）に示すように擬似ランダム信号で波長λ１、λ２が切り替わるプローブ光とされる。
このようなプローブ光は、ファイバスルー本線３１をとおり、例えば光カプラ３２１で分岐されて、ファイバ支線３３１を通ってセンサヘッド３４１に送られる。
【００３２】
センサヘッド３４１では、上記図５ないし図１０に関する説明で示すような温度特性があるので、そのセンサヘッド３４１の誘電体多層膜フィルタ３４Ｍが現在の温度における温度特性の屈折率でもって入射光を反射する。この反射光は、ファイバ支線３３１、光カプラ３２１を通してファイバスルー本線３１に導かれ、合分波器５５に導かれる。
ファイバスルー本線３１からの反射は、合分波器５５において、光ファイバ５４ａ，５４ｂに分波される。光ファイバ５４ａ，５４ｂに分波された反射波は、光ファイバ５４ａでは光カプラ５６ａを介して光ファイバ５７ａに導かれ、また、光ファイバ５４ｂでは光カプラ５６ｂを介して光ファイバ５７ｂに導かれる。
【００３３】
光ファイバ５７ａに導かれた反射光は、受光器５８ａに入射される。また、光ファイバ５７ｂに導かれた反射光は、受光器５８ｂに入射される。受光器５８ａに入射された反射光は、その入射された反射光に応じた電気信号Ｓａに変換される。受光器５８ｂに入射された反射光も、その入射された反射光に応じた電気信号Ｓｂに変換される。
受光器５８ａから出力された電気信号Ｓａは、相関器５９ａに入力される。同様に、受光器５８ｂから出力された電気信号Ｓｂも、相関器５９ｂに入力される。
【００３４】
このとき、相関器５９ａには符号生成器５１からの擬似ランダム信号Ｓ１が入力されており、擬似ランダム信号Ｓ１によって受光器５８ａからの電気信号Ｓａと相関がとられていることから、反射波のうち波長λ１の反射波に関する電気信号Ｄａを確実にかつ正確に取り出せる。同様に、相関器５９ｂには符号の反転した擬似ランダム信号Ｓ２が入力されており、擬似ランダム信号Ｓ２によって受光器５８ｂからの電気信号Ｓｂと相関がとられていることから、反射波のうち波長λ２の反射波に関する電気信号Ｄｂを確実にかつ正確に取り出せる。
【００３５】
相関器５９ａから取り出された波長λ１の反射波に関する電気信号Ｄａは、波長シフト解析器６０に入力される。また、相関器５９ｂから取り出された波長λ２の反射波に関する電気信号Ｄｂも、波長シフト解析器６０に入力される。
この波長シフト解析器６０では、前記二つの相関器５９ａ，５９ｂから出力された波長λ１の反射波に関する電気信号Ｄａと、波長λ２の反射波に関する電気信号Ｄｂを基に次の式により反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｒａｔｉｏ  Ｒ＝ｒ（λ２）／ｒ（λ１）
【００３６】
本発明に係るファイバセンシングシステムの最適な第１実施の形態から知りうるように、本発明では、基本的に、被測定物理量に応じて二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する光フィルタを光ファイバ端面に形成し、その２波長反射利得比より被測定物理量を計測する方式であることから下記諸特徴を有する。
【００３７】
（１−１）FBG(ファイバブラッグ回折格子)方式や分布計測であるブリュリアンOTDR、ラマンOTDR方式が反射スペクトル分析を高価につく分光分析によっているのに対し、本発明では光電変換以降、電気回路レベルで分析可能であることから、分析系が簡単安価になる。
（１−２）相補的反射利得の比を取ることから検出感度が二倍化される。
（１−３）計測信号の伝送媒体である光ファイバの曲げや捻りや横圧などの外部応力による損失変動や発受光系の感度変化や利得ドリフトなどは上記反射利得比に影響しないため、安定かつ外乱耐性の高い計測が可能である。
（１−４）上記フィルタは誘電体多層膜をもって容易に実現できるが、複数本束ねたファイバ端面に直接多層膜を真空蒸着することが可能であるから、量産性に優れ、従来のFBGに比して、製造コストを低減することができる。
（１−５）上記ファイバ端面をファイバ軸に対して対称な球面とすることにより、温度のほか膜圧垂直方向の圧力や、光学的ブロックとの接触/非接触によるコンタクトスイッチとして多用できる。
【００３８】
（２）光センシングのトポロジーが、ファイバスルー本線から縦続的に挿入された複数の光カプラを介して先端に上記センサを擁するファイバ支線を配置する光バス構成であるため、センサをそのものを縦続接続する場合に比べ、センサの着脱自由度が大きく、特定のセンサ支線系が故障したとしても、下流に影響しない（センサそのものを縦続接続する場合は下流での計測は不可能となる）。
【００３９】
（３）ファイバ上の反射イベントに対する位置同定な可能な反射計測方式にはOTDR（Optical Time Domain Reflectometer）があり、この方式をもとに２波長分割多重によって多重化してもよいが、より好ましい方式としては、共通のＰＮ符号（Pseudorandom Noise(擬似ランダム)符号）によって1/0相補的に二つの波長光を送出し、ＰＮ符号と各波長のファイバ反射光出力との相関解析を行うことによって上記反射利得比を求めるPNCR（擬似ランダム符号相関方式）を採用することによって、２波長に対応した反射計測系を容易に実現することが可能でありかつ経済的である。
【００４０】
（４）２波長擬似ランダム符号相関方式であるために、ＰＮ符号長によって測定系のダイナミックレンジを容易に制御することができる。すなわち微小な反射利得比をも検知することが可能になるため、被測定物理量の微小な変化を検出することができる。
【００４１】
（５）波長シフトに応じて正負逆方向に変化する２つの反射利得の比をとるので、単一の被測定物理量を検出方式に比較して検出感度が倍増する効果がある。
（６）上述と同様に、反射利得の比をとることによって、系のドリフトや雑音の影響が非常に少なくなるという効果がある。
（７）測定系に大きな外乱がある場合でも、誘電体多層膜フィルタの波長シフトに影響しない外乱である場合にかぎりはそれば不感であり、また、ファイバ曲げ損失やコネクタ不良などによる接続損失は、反射利得比には影響しないという効果がある。
【００４２】
＜圧力を検出できるファイバセンシングシステムの実施の形態＞
上記ファイバセンシングシステム１は、圧力検出システムとしても利用ができる。
図１１は、本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
この図１１において、センサヘッド３４１，３４２，…，３４ｎは、同一構造を有しているので、センサヘッド３４１を代表にとり、添え字をとって説明することにする。
【００４３】
本発明では、前記センサヘッド３４は、図１１（ａ）に示すように、ファイバ支線３３の終端に軸対象な球面研磨を施し、当該ファイバ支線３３の終端の球面に誘電体多層膜フィルタ３４Ｍの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしたものである。なお、符号３４Ｐは加圧部材である。
【００４４】
なお、図１１（ｂ）示すセンサヘッド３４ｂは、上のセンサヘッド３４の変形例で、ファイバ支線３３の終端に軸対象な球面研磨を施し、加圧される加圧部材３４Ｐの平面上に形成誘電体多層膜厚方向３４Ｍを形成し、加圧部材３４Ｐに垂直に圧力が加わるようにしてもよい。
そして、この圧力センサとして作用するセンサヘッド３４を、図１および図２に示すよう配置し、２波長反射計測系５からプローブ光を圧力センサとして作用するセンサヘッド３４に与え、その反射光を２波長反射計測系５に取り込み、２波長反射計測系５において上記のように処理することにより、圧力を計測できるファイバセンシングシステムとして構築することができる。
この実施の形態によっても、光検出のファイバセンシングシステムと同様な作用効果を奏することになる。
【００４５】
＜圧力測定時の温度補償を可能としたファイバセンシングシステム＞
図１２は、本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドに関する図である。ここに、図１２（ａ）は本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドの構成を示す図である。図１２（ｂ）は上記構成における検出特性を示す特性図であって、横軸には距離〔ｍ〕を、縦軸には波長シフト〔ｎｍ〕をそれぞれとったものである。
【００４６】
この図１２（ａ）において、温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッド３４Ａは、ファイバ支線３３をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサ３４１を、他方に温度補償用として非温度センサ３４１と同仕様のフィルタによる温度センサ３４５を周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサ３４１，３４５のファイバ距離差が２波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ３４１または３４５側にダミーファイバ３４３を挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサ３４１の波長シフト量から温度補償用温度センサ３４５の波長シフト量を減殺することによって、非温度センサ３４１の温度補償を行うようにしたものである。
【００４７】
さらに説明すると、温度補償圧力センサヘッド３４Ａは、ファイバ支線３３の終端に軸対象な球面研磨を施し、この球面に誘電体多層膜を直接蒸着して二つの波長間（λ１，λ２）に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ３４Ｍを有するセンサヘッド３４１と、この圧力検出用センサヘッド３４１のファイバ支線３３の部分に縦接的に接続された光カプラ３４２と、この光カプラ３４２に接続され擬似ランダム符号相関方式の距離分解能および両光源（５２ａ，５２ｂ）のコヒーレンス長（λ１，λ２）より長いダミーファイバ３４３と、このダミーファイバ３４３の終端に軸対象な球面研磨を施し、その球面に誘電体多層膜を直接蒸着して二つの波長（λ１，λ２）間に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ３４Ｍを有するセンサヘッド３４５とを備え、両センサヘッド３４１，３４５を同一温度条件下において温度補償を行えるようにしたものである。
【００４８】
このように構成する理由は、次のとおりである。すなわち、通常の圧力検出用センサヘッド３４においては、誘電体多層膜フィルタ３４Ｍの膜圧方向への圧力印加によって波長シフトが生ずるが、この波長シフト分には温度によるシフト分も含まれている。そこで、温度によるシフト分をキャンセルする必要がある。温度によるシフト分をキャンセルするには、上記図１２（ａ）の説明のように構成すればよい。また、二つのセンサ３４１，３４５は温度条件が同一になるように実装されている。
【００４９】
このような構成とすることにより、一方のセンサ３４５は圧力＋温度を検出するセンサとして作用することになり、他方のセンサ３４１は温度のみを検出するセンサとして作用することになる。  ここで、温度を検出するセンサヘッド３４１では、図１２（ｂ）に示すように、Ｆ１（＝δλ１）が検出されたものとする。また、温度と圧力を検出するセンサヘッド３４５では、図１２（ｂ）に示すように、Ｆ２（＝δλ２）が検出されたものとする。そして、このような両センサヘッド３４１，３４５から検出された波長シフトの差を取れば（Press Shift＝δλ１−δλ２）、温度の波長シフト分が差し引かれて、圧力による波長シフト分のみを検出することができる。
【００５０】
このようにして圧力検出をする場合の温度補償を行うことができ、正しい圧力検出ができることになる。
なお、上記実施の形態では、センサヘッド３４１を温度検出、センサヘッド３４５を温度＋圧力の検出としていたが、これの逆でも何ら問題ない。すなわち、センサヘッド３４１を温度＋圧力の検出とし、センサヘッド３４５を温度検出とするようにしても、上の例と作用効果は全く同じとなる。
【００５１】
＜センサヘッドをスイッチセンサとして作用させる実施の形態＞
図１３は本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用されるセンサヘッドの他の使用例を説明するための図である。
前記センサヘッド３４は、図１３に示すように、ファイバ支線３３の終端を軸対象な球面研磨して球面ＡＲに形成し、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面３４Ｍに、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子３６を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能とすることができる。
なお、このスイッチとして使用する場合には、２波長反射計測系５を使用するまでもなく、接触・非接触で反射光の反射利得が変化することを検出できるものであれば、どのような検出機構でもよい。
このような構造によって、スイッチ部分で電気回路を含まないスイッチとして使用することができ、例えば防爆環境で簡単な構造で使用が可能となる。
【００５２】
＜光ファイバセンシング系の反射減衰量について＞
図１４は本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラの分岐比と最遠センサの反射減衰率を示す特性図であって、横軸に結合率α〔ｄＢ〕を、縦軸に反射率Ｒｎ〔ｄＢ〕を、それぞれとったものである。  図１２においてファイバの伝送損失を無視すると、最終段(ｎ)センサからの反射率Ｒｎは
Ｒｎ＝（１−α）（ｎ−１）α２β
であたえられる。 
Ｒｎ,α,βをそれぞれ減衰量〔ｄＢ〕であらわすと、上の式の１０log をとることにより、
Ｒｎ〔ｄＢ〕＝２０（ｎ−１）log（１−１０−（α／１０））＋２α＋β
とあらわされる。
この図１４はβ（＝３〔ｄＢ〕）を一定値とし、段数ｎをパラメータにとったときのＲｎ〔ｄＢ〕をαの関数として図示したものである。Ｒｎ〔ｄＢ〕は垂直軸と漸近線の間にあり、数ｎに応じた最小値をもつことがわかる。
【００５３】
図１５は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラにおけるセンサ段数と最遠センサの最小減衰量の関係を示す特性図であって、横軸にセンサ段数を、縦軸に減衰量Ｒｎを、それぞれとったものである。
次に、最遠センサ（センサヘッド３４ｎ）からの反射利得が最大になるような光カプラ分岐比の最適条件を求めることにする。これは全段のセンサに分配すべき探傷光のパワが最大となる条件でもある。
【００５４】
すなわち、光カプラの分岐比はセンサ段数分の１に選べばよい。このときの最遠センサの反射利得最大値は、
Ｒｎ〔ｄＢ〕＝｛１−（１／ｎ）｝２（ｎ−１）×β／ｎ２
であたえられる。Ｒｎ，βを減衰量(dB)であらわせば、
Ｒｎ〔ｄＢ〕＝２０（ｎ−１）log（１−１／ｎ）＋２０logｎ＋β
である。ここで、β（＝３〔ｄＢ〕）を一定値とする。
このような条件から、段数と最遠センサの反射減衰量の関係は、図１５に示すような特性となる。したがって、現実的な数値例として、センサヘッド３４の誘電体多層膜フィルタ３４Ｍの半値全幅波長を選ぶとして、β＝３〔ｄＢ〕一定として、光カプラの分岐比を１０〔ｄＢ〕とすれば、センサ段数は１６程度で最遠センサの反射減衰量Ｒｎを３７〔ｄＢ〕程度におさえることができる。
【００５５】
したがって、前記光ファイバセンシング系３は、Ｎ個の光センサ分岐用の光カプラ３２１，３２２，…，３２ｎがファイバスルー本線３１の中に縦接的に挿入されているときに、光カプラ３２１，３２２，…，３２ｎの各分岐比を１／Ｎとすることにより、正確なる検出が可能になる。
【００５６】
上述するように、本発明に係るファイバセンシングシステムを実施するための第１の最良の形態について図面を参照して説明したが、上記第１の実施の形態において使用した光合分波器に代えて、光カプラを用いても同様の効果を得ることができる。以下、光合分波器に代えて光カプラを用いた第２の実施の形態、その他の部材を変更する第３，第４の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００５７】
＜第２の実施の形態＞
図１７は、本発明の第２の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系を説明するために示す図である。符号５１で示される生成器によって、図１７（ｃ）に示すような擬似ランダム信号Ｓ１を生成すると、この符号生成器５１から出力された擬似ランダム信号Ｓ１は、光源５２ａに入力され、また、符号生成器５１では、符号の反転された擬似ランダム信号Ｓ２を形成して、光源５２ｂに入力され。その結果、光源５２ａは、符号生成器５１からの擬似ランダム信号Ｓ１で駆動されることになる。同様に、光源５２ｂは、符号反転の擬似ランダム信号Ｓ２で駆動されることになる。ここで、光源５２ａは図１７（ｃ）の擬似ランダム信号Ｓ１の論理[１]で発光し、光源５２ｂは図１７（ｃ）の擬似ランダム信号Ｓ２の論理で[１]で発光する。そうすると、前記光源５２ａからの光（波長λ１）と前記光源５２ｂからの光（波長λ２）は光カプラ５６で合成されて図１７（ｂ）に示すように擬似ランダム信号で波長λ１、λ２が切り替わるプローブ光とされる。
【００５８】
このようなプローブ光は、ファイバスルー本線３１をとおり、例えば光カプラ３２１で分岐されて、ファイバ支線３３１を通ってセンサヘッド３４１に送られる。
そこで、センサヘッド３４１では、上記図５ないし図１０の説明で示すような温度特性があるので、そのセンサヘッド３４１の誘電体多層膜フィルタ３４Ｍが現在の温度における温度特性の屈折率で入射光を反射する。ついで、この反射光は、ファイバ支線３３１、光カプラ３２１を通してファイバスルー本線３１に導かれ、光カプラ５６に導かれる。ファイバスルー本線３１からの反射波は、光カプラ５６を介して２波長混合のまま、受光器５８に入射される。受光器５８に入射された反射光は、その入射された反射光に応じた電気信号Ｓに変換される。
受光器５８から出力された電気信号Ｓは、相関器５９に入力される。
【００５９】
このとき、相関器５９には符号生成器５１からの擬似ランダム信号Ｓ１が入力されており、擬似ランダム信号Ｓ１によって受光器５８からの電気信号Ｓと相関がとられていることから、波長λ１およびλ２に対するの反射振幅差に関する電気信号Ｄを確実にかつ正確に取り出せる。
そして、相関器５９から取り出された波長λ１およびλ２の合成された反射波に関する電気信号Ｄは、波長シフト解析器６０に入力される。
そこで、反射率比を求めるためには、前述の反射振幅差ｄとλ１乃至λ２のいずれかに対する反射率から算出する必要がある。そのため、図１７(ｄ)のように上記反射振幅差の相関計測手順とは別にλ１乃至λ２のみを発光させ、上記の経路で受光器で受けた反射波に対して相関を行う。
【００６０】
この波長シフト解析器６０では、前記相関器５９から出力された波長λ１とλ２反射合成波に関する電気信号と、波長λ１乃至λ２単独の反射波に関する電気信号を基に次の式により反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
【００６１】
Reflectance  Ratio  Ｒ＝ｒ（λ２）／ｒ（λ１）＝１＋ｄ/ｒ（λ１）
または              Ｒ＝ｒ（λ１）／ｒ（λ２）＝１＋ｄ/ｒ（λ２）
また、図１７（ａ）の構成において、擬似ランダム信号は図１７（ｅ）のように、時分割的に交互に打っても良い。λ１を送出している周期の電気信号Ｄと、λ２を送出している周期の電気信号Ｄを波長シフト解析器６０に取り込み反射率比を求めればよい。
【００６２】
なお、図１７（ｄ）の符号でも、図１７（ｅ）の符号でも温度−反射率特性は図１８のように同一の結果を得ることができる。なお、図１８は、本発明の第２の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系を用いて温度−反射率特性を計測したものである。図１８から知りうるように、第１の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと比べて、上記第２の実施の形態に係るファイバセンシングシステムにおいても、「○」のプロットと「□」および「◇」の有意差がないことから、第１の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、当該第２の実施の形態に係るファイバセンシングシステムにおいては、送出する信号としてＰＮ符号を用いたが、これは、ＰＮ符号に限らず、例えば、ＰＮ符号信号に代え、２波長を駆動する信号は周期関数やパルス信号であっても良い。
【００６４】
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態として、図１９で示されるような基本構成を有するセンサが１つであるファイバセンシングシステムとしても良く、このような構成とすることにより、周期関数の論理レベルをそれぞれ２つの波長を割り当てることで実現でき、受光器以降では、波長λ１のパルスに対応する反射波を除算器上に蓄え、λ２に対する反射波で除算し、その出力をそのまま乃至累積加算し、波長シフト解析器上で波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。なお、図１９は、２波長反射計測系の場合の本発明の第３の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける基本構成を示す図であり、ＰＮ符号発生器と相関器の代わりに、周期関数発生器と反射率比を計算する演算回路を使用することで、ハードウエアを単純化することができる。
【００６５】
＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施形態に係るファイバセンシングシステムとして、２波長のパルスを用いた場合（図２０）、同じく２波長のパルスを用いた場合で加算器を使用しない場合（図２１）のそれぞれの２波長反射計測系の構成を例にしてその詳細を説明する。前記第２の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと異なる点は、パルス波形を送出するためのパルス発生器と受光器以降の構成である。
【００６６】
図２０（ｂ）および図２１（ｂ）で示されるように、本発明に係るファイバセンシングシステムの受光器以降の構成おいて、上記２波長のパルスを用いた場合（図２０）ではλ１とλ２に対する反射波形を別々にそれぞれの波長パルスの送出周期に同期させて加算する構成としても良く、その加算結果を波長シフト解析器上で比を取り、反射利得の比から波長シフトを求めるようにすれば、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。また、図２１に示すように、同２波長のパルスを用いて、加算器を使用することなく、かつ、波長λ１のパルスに対応する反射波を除算器上に蓄えるように構成することで、λ２に対する反射波で除算し、その出力をそのまま乃至累積加算し、波長シフト解析器上で波長シフトを求めるようにすれば、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
【００６７】
これらの場合、測定精度を上げるために測定時間を増加させて累積加算数を増やすか、あるいはレーザダイオードの出力パワのハイパワ化をすれば、ＰＮ符号発生器と相関器の代わりに、パルス発生器と、波形加算器乃至反射率比を計算する演算回路が使用でき、ハードウエアを単純化できる。
【００６８】
また、上記のいずれの実施形態においても、λ１とλ２の発光強度差が、センサの反射率比に影響を与える。その解決手段を代表して上記第２実施の形態に係るファイバセンシングシステムを例に説明すると、図２２および図２３に示すように、反射率が波長に依存しない較正用反射器、例えば反射終端器等を設けてその反射強度比を求めて、各センサにおける反射強度比から減算すれば、λ１とλ２の発光強度差をキャンセルした反射率比を得ることができる。
【００６９】
ここに、図２２は、本発明に係るファイバセンシングシステムの実施形態のうち、２波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの２波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける２波長反射率比を較正させるとするもので、いわば、ファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器を装置内に内蔵した構成を示す図であり、図２３は、同ファイバセンシングシステムの実施の形態のうち、２波長反射計測系の較正基準となる反射終端器をファイバトポロジ上に設置した構成例を示す図である。
【００７０】
さらに、図２４に２波長光源の送光レベルを異ならせたときの上記効果を示す実験結果を示す。図２４は、本発明の実施形態のうち２波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの２波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける２波長反射率比を較正させるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系における実験データである。
【００７１】
図２４において、横軸は２波長の送光レベル差、縦軸は２波長擬似ランダム符号相関方式によって得られた２波長反射率比である。図の一点鎖線イはセンサの２波長反射強度比、点線ロは較正用反射器の２波長反射強度比、実線ハは前者を後者で較正した応答で、両波長の送光レベルが異なっても、その影響がキャンセルされていることがわかる。
この方法は送信光モニタの受光回路などハードウェアが不要であるだけでなく、より正確な較正ができることが特徴である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示すシステム構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系を説明するために示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおけるセンサヘッドの構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにより温度および圧力を検出できることを説明するための特性図である。
【図６】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドが温度に波長がシフトすることを説明するための特性図である。
【図７】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドでは入射光が平行に入射しないため開口数を考慮しなければならないことを説明するための特性図を示すものである。
【図８】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいてＮＡを考慮した際の温度により中心周波数が波長軸上で平行移動することを説明するための特性図である。
【図９】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、ＮＡをゼロまたはＮＡ＝０．１２としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比Ｒ１，Ｒ２の変化を示す特性図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、センサヘッドのファイバのＮＡをゼロまたはＮＡを０．１２としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比Ｒ1，Ｒ2の差をとった特性図である。
【図１１】本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
【図１２】本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドに関する図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用されるセンサヘッドの他の使用例を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラの分岐比と最遠センサの反射減衰率を示す特性図である。
【図１５】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラにおけるセンサ段数と最遠センサの最小減衰量の関係を示す特性図である。
【図１６】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図で、透過型センサを用いたものである。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系を説明するために示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系を用いて温度−反射率特性を計測したものである。
【図１９】本発明の実施形態のうち、センサ数１の場合、駆動波形として周期波形を発生させ、その反射波形を同期検波し２波長の反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系の構成を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態のうち、駆動波形として２波長のパルス波形を発生させ、その反射波形を２つ累積加算器により波長ごと別々に累積加算してから反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系の構成を示す図である。
【図２１】本発明の実施形態のうち、駆動波形として２波長のパルス波形を交互発生させ、その反射波形からを直接２波長反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系の構成を示す図である。
【図２２】本発明の実施形態のうち２波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器を装置内に内蔵した構成を示す図である。
【図２３】本発明の実施形態のうち、２波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器をファイバトポロジ上に設置した構成を示す図である。
【図２４】本発明の実施形態のうち２波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける２波長反射計測系における実験データである。
【図２５】本発明の実施形態のうちセンサをファイバスルー本線中に縦続的に挿入する形態に係るファイバセンシングシステムで使用する透過型センサを説明するための特性図である。
【図２６】本発明の実施形態に係わるファイバセンシングにおいて、センサ系の定義を示すための図である。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・ファイバセンシングシステム、
３・・・光ファイバセンシング系、
５・・・２波長反射計測系、
３１・・・ファイバスルー本線、
３２、３２１，３２２，…，３２ｎ・・・光カプラ、
３３、３３１，３３２，…，３３ｎ・・・センサ支線、
３４、３４１，３４２，…，３４ｎ、３４１、３４５・・・センサヘッド、
５１・・・符号生成器、
５２ａ，５２ｂ・・・光源、
５４ａ，５４ｂ・・・光ファイバ、
５５・・・合分波器、
５６,５６ａ，５６ｂ・・・光カプラ、
５７ａ，５７ｂ・・・光ファイバ、
５８,５８ａ，５８ｂ・・・受光器、
５９,５９ａ，５９ｂ・・・相関器、
６０・・・波長シフト解析器
６１,６１１，６１２，…，６１ｎ・・・透過型センサ
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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