(57)【要約】【課題】高価なＦＲＭや偏波面保持ファイバが不要なセンサ部を提供する。【解決手段】光源１から出力されるレーザ光の偏波面をランダムに変動させて、センサ部３に出力する偏光スクランブラ２と、センサ部３からのレーザ光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器４と、その電気信号から２つ以上の高調波成分を抽出する高調波抽出部５と、高調波抽出部５によって抽出された高調波成分同士の振幅比Ｘを算出する振幅比演算部６と、振幅比Ｘから変調指数Ｃを算出する変調指数演算部と、変調指数Ｃに基づいてセンサ部３の光路差ΔＬを算出する光路差演算部８と、高調波抽出部５によって抽出された２つ以上の高調波成分のレベルが所定レベル以上かどうかを判定し、高調波成分のレベルが所定レベル以上のとき、光路差演算部８によって算出されるその高調波成分に対する光路差ΔＬを出力させる高調波成分判定部９とを備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で変調したレーザ光を出力する光源と、レーザ光が入力されるセンサ部と、該センサ部からのレーザ光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部と、該Ｏ／Ｅ変換部により変換された電気信号から２つ以上の高調波成分を抽出する高調波抽出部と、該高調波抽出部によって抽出された高調波成分同士の振幅比を算出する振幅比演算部と、該振幅比演算部により算出された振幅比から変調指数を算出する変調指数演算部と、該変調指数演算部により算出された変調指数に基づいて前記センサ部の光路差を算出する光路差演算部とを有する光ファイバセンサにおいて、
前記光源から出力されるレーザ光の偏波面をランダムに変動させ、当該レーザ光を前記センサ部に出力する偏光スクランブラと、
前記高調波抽出部によって抽出された２つ以上の高調波成分のレベルが所定レベル以上かどうかを判定し、前記高調波成分のレベルが所定レベル以上のとき、前記光路差演算部によって算出される当該高調波成分に対する光路差を出力させる高調波成分判定部と
を備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記光源或いは前記偏光スクランブラからのレーザ光をパルス化する光ゲート部と、
分岐光カプラ、該分岐光カプラによって分岐されたセンサ部、及び分岐光カプラとセンサ部との間にそれぞれ挿入された遅延回路からなり、前記光ゲート部によってパルス化されたレーザ光を時分割多重で前記Ｏ／Ｅ変換部に出力するセンサアレイ部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記光源は、２つ以上の周波数で変調したレーザ光を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、水位などの絶対計測を行うための干渉型光ファイバセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、干渉型光ファイバセンサで水位などの絶対計測を行う場合、正弦波状に周波数変調したレーザ光を光ファイバ干渉計へ入力し、光ファイバ干渉計からの干渉光をＯ／Ｅ変換により電気信号に変え、この電気信号からレーザ変調周波数の１次高調波成分と３次高調波成分を抽出して、１次高調波成分の振幅と３次高調波成分の振幅との振幅比を求め、この振幅比から水位に比例する変調指数を算出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１１１３６１号公報（第２頁−第３頁、図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の干渉型光ファイバセンサでは、光ファイバ干渉計のセンシングアームとリファレンスアームとの間の偏波面が一致しないと干渉光レベルが変動し、ときには干渉光レベルが完全にゼロになることがあった（偏光フェーディング）。従来、これを解決するための一つの方法として、光ファイバ干渉計をマイケルソン干渉計で構成し、反射素子にＦａｒａｄａｙ  Ｒｏｔａｔｉｏｎ  Ｍｉｒｒａｒ  （以後、「ＦＲＭ」という）を使用することである。このＦＲＭは、入射光の偏波面と反射光の偏波面とが必ず直交する素子であるため、入力が共通なマイケルソン干渉計の両アームにＦＲＭを用いると、それぞれのアームからの反射光の偏波面は必ず一致し、常に最大の干渉光が得られている。もう一つの方法は、送信時に偏波面制御を行い、伝送ファイバに偏波面保持ファイバを使用することである。ところが、前述したＦＲＭと偏波面保持ファイバはともに非常に高価であるという課題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバセンサは、所定の周波数で変調したレーザ光を出力する光源と、レーザ光が入力されるセンサ部と、センサ部からのレーザ光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部と、Ｏ／Ｅ変換部により変換された電気信号から２つ以上の高調波成分を抽出する高調波抽出部と、高調波抽出部によって抽出された高調波成分同士の振幅比を算出する振幅比演算部と、振幅比演算部により算出された振幅比から変調指数を算出する変調指数演算部と、変調指数演算部により算出された変調指数に基づいてセンサ部の光路差を算出する光路差演算部とを有する光ファイバセンサにおいて、光源から出力されるレーザ光の偏波面をランダムに変動させ、そのレーザ光をセンサ部に出力する偏光スクランブラと、高調波抽出部によって抽出された２つ以上の高調波成分のレベルが所定レベル以上かどうかを判定し、高調波成分のレベルが所定レベル以上のとき、光路差演算部によって算出されるその高調波成分に対する光路差を出力させる高調波成分判定部とを備えたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る干渉型光ファイバセンサのシステム構成を示すブロック図である。
図において、１はＰＧＣホモダイン方式の周波数変調を加えたレーザ光を出力する光源、２は光源１からのレーザ光の偏波面をランダムに変動させて、センサ部３のセンシングアームとリファレンスアームの偏光状態が一致するようにする偏光スクランブラである。３は偏光スクランブラ２からのレーザ光が入力されるセンサ部で、センシングアームとリファレンスアームの偏光状態が一致しているときに出力の振幅値が最大となる。４はセンサ部３からのレーザ光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器、５はＤＦＴやａｔａｎ法で用いられる同期検波によるアナログ処理等を行う手段で構成される高調波抽出部で、Ｏ／Ｅ変換器４によって変換された電気信号からレーザ変調周波数のｍ（ｍ：正の整数）次の高調波成分、例えば１次高調波成分と３次高調波成分をそれぞれ抽出して各成分の振幅を求める。
【０００７】
６は高調波抽出部５により抽出された１次高調波成分の振幅と３次高調波成分の振幅との振幅比を算出する振幅比演算部、７は振幅比演算部６により算出された振幅比に基づいて変調指数Ｃを算出する変調指数演算部、８は変調指数演算部７によって算出された変調指数Ｃからセンサ部３の光路差ΔＬを算出する光路差演算部、９はｍ次高調波成分判定部で、高調波抽出部５により抽出された１次高調波成分と３次高調波成分の各レベルが所定レベル以上かどうかを判定し、各レベルが所定レベル以上のときは、光路差演算部８によって算出される所定レベル以上の高調波成分に対する光路差ΔＬを出力させる。
【０００８】
次に、本実施の形態１の動作を説明する。
光源１から変調周波数ｆ０  ＝ω０  ／２π、最大周波数偏移Ｖｄ  に周波数変調されたレーザ光が偏光スクランブラ２に出力されると、偏光スクランブラ２はそのレーザ光の偏波面をランダムに変動させ、光路差ΔＬを有するセンサ部３に出力する。この偏光スクランブラ２は、ピエゾ素子により光ファイバに歪みを与える構成となっている。偏光スクランブラ２によって偏波面がランダムに変動されたレーザ光は、光路差ΔＬを有するセンサ部３に入力すると、下記の（１）式で表される干渉光Ｉとなり、センサ部３から出力されてＯ／Ｅ変換器４に入力する。
【０００９】
【数１】
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但し、
【数２】
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【００１０】
センサ部３のセンシングアームとリファレンスアームとからのレーザ光の偏光状態は、ポアンカレ球上の座標Ｓ、Ｓ’で次のように表される。
【数３】
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また、θはポアンカレ球上の座標ＳとＳ’がなす角度の１／２である（図２参照）。
【００１１】
光ファイバを伝搬する光の偏光状態は、伝搬行列で表されるので、センサ部３の出力の偏光状態は、入力側の偏光状態が変化するか、外部環境による光の伝搬行列の変化でランダムに変化する。よって、前記の（１）式の｜ｃｏｓθ｜  は、０〜１の値をランダムに取ることになる。（１）式のφはセンシングアームとリファレンスアーム間の光路差ΔＬの変動により変化する位相、Ψは偏光状態により変化する位相である。
【００１２】
また、変調指数Ｃは、
【数４】
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と表される。ここで、ｎ：光ファイバのコアの実効屈折率、ｃ０  ：真空中の光速度である。
【００１３】
また、前記の（１）式をベッセル関数で展開すると、次の（５）式のように表される。
【数５】
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【００１４】
一方、Ｏ／Ｅ変換器４はセンサ部３からの干渉光Ｉを電気信号に変換し、高調波抽出部５に出力する。この時、高調波抽出部５は、入力された電気信号からレーザ変調周波数の１次高調波成分と３次高調波成分とを抽出して、ｍ次高調波成分判定部９に出力すると共に、その各高調波成分の振幅Ｚ１  、Ｚ３  を下記の（６）式に基づいて求め、その結果を振幅比演算部６に出力する。
【数６】
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【００１５】
ｍ次高調波成分判定部９は、入力された１次高調波成分と３次高調波成分の各レベルが所定レベル以上かどうかを判定し、各レベルが所定レベルより低いときは、光路差演算部８によって算出されるその高調波成分に対する光路差ΔＬの出力を停止させ、また、前記の高調波成分の各レベルが所定レベル以上のときは、光路差演算部８によって算出される所定レベル以上の高調波成分に対する光路差ΔＬを出力させる。
【００１６】
一方、振幅比演算部６は、高調波抽出部５により求められた１次高調波成分の振幅Ｚ１  と３次高調波成分の振幅Ｚ３  との振幅比Ｘ１，３  を下記に示す（７）式に基づいて算出し、その結果の振幅比Ｘ１，３  を変調指数演算部７に出力する。なお、振幅比Ｘは、１次と３次だけに限らずｓｉｎ（φ＋Ψ）  を含む奇数次高調波同士、或いはｃｏｓ（φ＋Ψ）  を含む偶数次高調波同士の振幅比を算出しても同等の結果が得られる。但し、より高次のベッセル関数を使用する場合は、感度やダイナミックレンジ等が悪化することになる。
【数７】
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【００１７】
変調指数演算部７は、振幅比演算部６からの振幅比Ｘ１，３  が入力されると、その振幅比Ｘ１，３  に基づいて変調指数Ｃを算出し光路差演算部８に出力する。この変調指数Ｃは、例えば前記の（７）式の逆関数に相当する変換関数、或いは変換テーブルにより算出される。光路差演算部８は、ｍ次高調波成分判定部９から出力停止を受けているとき、算出した光路差ΔＬの出力を行わないが、出力指示を受けているときは、変調指数演算部７によって算出された所定レベル以上の高調波成分に基づく変調指数Ｃからセンサ部３の光路差ΔＬ（＝２πＶｄｎ／Ｃｃ０）を前記（４）式を用いて算出し出力する。
【００１８】
求められた光路差ΔＬを用いて水位センサに応用する場合には、Ｐ（水圧から生じるセンサ加重圧力）＝Ｓ（比例係数）×Ｙ（変数）により、光路差ΔＬは変位Ｙの関数であることを利用して既知の比例係数（センシング機構部分のスチフネス）より前記の加重圧力Ｐを算出し、水位（深度）を求めることができる。なお、振幅比Ｘ１，３  から変調指数Ｃを算出し、この変調指数Ｃから光路差ΔＬを求めるようにしたが、事前にセンサ部３と各部５〜８とで校正を行って振幅比Ｘ１，３  に対する光路差ΔＬのデータをテーブル化しておき、振幅比Ｘ１，３  から直接光路差ΔＬを得るようにしてもよい。この場合、変調指数演算部７が不要になる。
【００１９】
反射素子に単なるミラーを用いたマイケルソン干渉計や、マッハツエンダ干渉計でセンサ部３を構成した場合、０≦｜ｃｏｓθ｜≦１  となって信号レベルが安定せず、ときには｜ｃｏｓθ｜＝０  の状態が長期に亘って続くことがあり、精度とリアルタイム性が損なわれることがあるが、本実施の形態１においては、センサ部３に入力するレーザ光の偏波面を偏光スクランブラ２によってランダムに変動させて、ある時間内（偏光スクランブラ２による両アームの偏光状態が一致しているとき）で必ず｜ｃｏｓθ｜＝１  の状態が発生するので、この｜ｃｏｓθ｜＝１  近傍、かつｓｉｎ（φ＋Ψ）  ＝１近傍の高調波成分のみをｍ次高調波成分判定部９で検知することが可能になって、その高調波成分に基づく光路差ΔＬを光路差演算部８から出力させることができ、このため、高価なＦＲＭや偏波面保持ファイバの不要なセンサ部３を提供できる。
【００２０】
ここで、センサ部３に入力するレーザ光の偏波面を変動させたときに、必ず｜ｃｏｓθ｜＝１  の状態になることについて以下に説明する。
センサ部３の各アーム（センシングアームとリファレンスアーム）の偏光伝搬特性をそれぞれＪＦ  、ＪＦ’とすると、入出力の電界ベクトルｅｉｎ、ｅｏｕｔ  の関係は下記の（８）式で表される。
【数８】
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【００２１】
前記（８）式のＪλ は偏光スクランブラ２のジョーンズ行列である。その（８）式の左方からＪＦ  の逆行列ＪＦ−１  をかけると、（９）式のようになる。なお、Ｅは単位行列を意味する。
【数９】
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【００２２】
ここで、行列Ｊの固有ベクトルをｅｅｉｇ  、固有値をμとすると、（１０）式のように表される（Ｊに損失がなければμの絶対値は１，μは一般に複素数解なのでμ＝ｅ±ｉα ）。
【数１０】
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【００２３】
偏光スクランブラ２を調整することによって、ｅｉｎはｅｅｉｇ  に変換することができ、（１１）式となる。ここで、Ｊｅｉｇ  はｅｉｎをｅｅｉｇ  に変換するジョーンズ行列である。
【数１１】
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【００２４】
従って、ｅｏｕｔ  は次の（１２）式のようになる。
【数１２】
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この時にセンサ部３の各アームの偏光状態は一致し、干渉出力の振幅値は最大となる。
【００２５】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る干渉型光ファイバセンサのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態２は、例えば図４に示すように、偏光スクランブラ２からのレーザ光をパルス化する光ゲート部１０と、パルス化されたレーザ光を分岐する分岐光カプラ１１と、分岐光カプラ１１にそれぞれ結合された遅延コイル１２と、各遅延コイル１２と結合された複数のセンサ部３と、Ｏ／Ｅ変換器４と高調波抽出部５との間に挿入されたｃｈ切り出し部１３とを備えたものである。前述した分岐光カプラ１１、遅延コイル１２及び複数のセンサ部３でセンサアレイ部１４が構成されている。
【００２６】
前記のように構成された干渉型光ファイバセンサにおいては、偏光スクランブラ２によって偏波面がランダムに変動されたレーザ光は、光ゲート部１０でパルス化され、分岐光カプラ１１によって分岐されて各センサ部３に送られる。そして、センサ部３からの戻り光は遅延コイル１２で重ならないように調節される。このようにして時分割多重されたレーザ光は、Ｏ／Ｅ変換器４により電気信号に変換され、前記のｃｈ切り出し部１３によって各ｃｈ毎の電気信号に分けられる。これ以降の動作については、実施の形態１と同様であるため割愛する。
【００２７】
実施の形態１と同様に反射素子に単なるミラーを用いたマイケルソン干渉計や、マッハツエンダ干渉計でセンサ部３を構成した場合、０≦｜ｃｏｓθ｜≦１  となって信号レベルが安定せず、ときには｜ｃｏｓθ｜＝０  の状態が長期に亘って続くことがあり、精度とリアルタイム性が損なわれることがあるが、本実施の形態２においては、各センサ部３に入力するパルスの偏波面を偏光スクランブラ２によってランダムに変動させて、ある時間内（偏光スクランブラ２による両アームの偏光状態が一致しているとき）で必ず｜ｃｏｓθ｜＝１  の状態が発生するので、この｜ｃｏｓθ｜＝１  近傍、かつｓｉｎ（φ＋Ψ）  ＝１近傍の高調波成分のみをｍ次高調波成分判定部９で検知することが可能になって、その高調波成分に基づく光路差ΔＬを光路差演算部８から出力させることができ、このため、高価なＦＲＭや偏波面保持ファイバの不要なセンサ部３を提供できる。
【００２８】
なお、実施の形態２では、偏光スクランブラ２の出力側に光ゲート部１０を設けたことを述べたが、光源１と偏光スクランブラ２との間に光ゲート部１０を設けもよい。また、センサアレイ部１４の構成を線形状にしたが、図５に示すように、センサ部３を分岐光カプラ１１で線形とトーナメント状にしたセンサアレイ部１４てもよいし（（ａ）参照）、また、センサ部３を分岐光カプラ１１でトーナメント状に接続したセンサアレイ部１４てもよい（（ｂ）参照）。
【００２９】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３に係る干渉型光ファイバセンサのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態３は、ＰＧＣホモダイン方式の変調周波数ｆ０  とＤＦＴ周波数分析幅より小さい周波数ｆ０Ｓとで周波数変調（二重変調）したレーザ光を出力する光源１ａを備えたものである。
【００３０】
本実施の形態３においては、光源１ａによって二重変調されたレーザ光がセンサ部３に入力すると、干渉光Ｉは（１３）式となり、Ｏ／Ｅ変換器４に入力する。
【数１３】
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【００３１】
この信号の高調波が高調波抽出部５によって抽出されると（１４）式となる。
【数１４】
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【００３２】
振幅比は、実施の形態１に示す（７）式（Ｘｍ，ｍ＋２＝Ｊｍ（Ｃ）／Ｊｍ＋２  ）と同じになる。これ以降の動作については、実施の形態１と同様であるため割愛する。
【００３３】
２つのアーム（センシングアームとリファレンスアーム）からのレーザ光の偏波面が一致しているとき、δ＝δ’でΨ＝０となる。実施の形態１の場合では、センサ部３に与える外部環境の変化により位相φが変わり、非常に静かな環境に設置されるセンサ部３では位相φが停滞し、奇数次同士の振幅比を取っている場合は偏波面が一致し（φ＝０）、なおかつ、φ＝０の近傍で位相が停滞したときに高調波成分が非常に小さくなり、処理精度が悪化したり、処理不能になる可能性があるが、本実施の形態３によれば、レーザ光の二重変調により位相φがφ＝Ｄｃｏｓωｔ＋φｄとなって確実に位相が変動するため、処理精度と応答性が向上する。即ち、偏光スクランブラ２により信号の振幅を、二重変調により高調波成分をそれぞれ意図的に変動させるようにしたので、高価なＦＲＭや偏波面保持ファイバが不要なセンサ部３で、ある時間内（偏光スクランブラ２による両アームの偏光状態が一致しているとき）において確実に高調波成分のピーク値を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光源から出力されるレーザ光の偏波面をランダムに変動させてセンサ部に入力させ、このセンサ部からの戻りのレーザ光に基づく電気信号から２つ以上の高調波成分が抽出されたとき所定レベル以上かどうかを判定し、各高調波成分のレベルが所定レベル以上のとき、光路差演算部によって算出されるその高調波成分に対する光路差を出力させるようにしたので、高価なＦＲＭや偏波面保持ファイバを用いることなく偏光フェーディングの影響を受けることのないセンサ部を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る干渉型光ファイバセンサのシステム構成を示すブロック図である。
【図２】センサ部の各アームからのレーザ光の偏光伝搬を示す特性図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る干渉型光ファイバセンサのシステム構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態２におけるセンサアレイ部の他の例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る干渉型光ファイバセンサのシステム構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  光源、２  偏光スクランブラ、３  センサ部、４  Ｏ／Ｅ変換器、５  高調波抽出部、６  振幅比演算部、７  変調指数演算部、８  光路差演算部、９  ｍ次高調波成分判定部。
【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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