JPH0545209A - 光音響センサアレイシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 位相ノイズの影響を軽減し、小型、軽量化を
図り、しかも防振対策が容易で信頼性の高いシステムを
提供する。 【構成】 光源４１からの連続光は、カプラ４２−１で
２系統に分岐され、その２系統の分岐光に対し、ブラッ
グセル４３−１，４３−２により、周波数のシフト及び
パルス変換が行われる。ブラッグセル４３−２の出力光
が遅延コイル４４で遅延される。そして、ブラッグセル
４３−１の出力光と遅延コイル４４の出力光とが、カプ
ラ４２−２で結合され、センサアレイ５０へ送られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバを利用した
多チャンネルの光音響センサアレイシステムに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば次のような文献に記載されるものがあった。

【０００３】「エス ピー アイ イー ボリュウム
５８６ ファイバ オプティックセンサーズ（SPIE Vo
l.586 Fiber Optic Sensors) 」（１９８５）（米）Mic
hael Henning “インプルーブメンツ イン リフレク
トメトリック ファイバ オプティック ハイドロホー
ンズ（Improvements in reflectrometric fibre optic
hydrophones)”Ｐ．５８−６４ 図２は、前記文献に記載された従来の干渉型光音響セン
サアレイシステムの一構成例を示す図である。

【０００４】この干渉型光音響センサアレイシステム
は、光ファイバに音波が印加されると、その光ファイバ
の屈折率及びファイバ長が変化し、伝搬光の位相が変化
するので、その位相変化を利用して音波情報を検出する
ものである。

【０００５】即ち、この光音響センサアレイシステム
は、光パルスを発生する光パルス発生手段１０を有し、
それには、センサアレイ２０と光検出器３０とが接続さ
れている。光パルス発生手段１０は、コヒーレントな連
続光を発生する光源１１を有し、その光源１１には、ブ
ラッグセル１２の入力端１２ａが接続されている。ブラ
ッグセル１２は、制御信号ＣＳに基づき、入力端１２ａ
の入射光の周波数をシフトし、ゲート制御によって一定
時間のみ入出力端１２ｂへパルス光を送出すると共に、
通常時は該入出力端１２ｂより出力端１２ｃへ光を送出
する機能を有している。

【０００６】ブラッグセル１２の入出力端１２ｂには、
センサアレイ２０が接続され、さらにその出力端１２ｃ
に、光検出器３０が接続されている。センサアレイ２０
は、音波を検出するもので、光ファイバからなる複数の
センサ２１−１，２１−２，…と、その各センサ２１−
１，２１−２，…の先端及び後端に設けられた反射係数
の小さい複数のセミ反射器２２−１，２２−２，２２−
３，…とで、構成されている。

【０００７】図３は図２のタイミングチャートであり、
この図を参照しつつ図２の動作を説明する。

【０００８】光源１１から発生した連続光は、ブラッグ
セル１２によって変換され、時間間隔Ｔ、及びパルス幅
ｄの周波数ｆ１及びｆ２の２個のパルス列として入出力
端１２ｂからセンサアレイ２０へ送出される。センサア
レイ２０では、セミ反射器２２−１で第１の反射が起こ
り、同様に、他のセミ反射器２２−２，２２−３，…で
も順次反射が発生する。

【０００９】各セミ反射器２２−１，２２−２，２２−
３，…間の往復伝搬時間は、Ｔ秒となるように設定され
ているので、セミ反射器２２−１での周波数ｆ２のパル
スの反射波と、セミ反射器２２−２での周波数ｆ１のパ
ルスの反射波とが重なって、ブラッグセル１２の入出力
端１２ｂより出力端１２ｃへ送出される。そして、光検
出器３０により、干渉成分が検波され、電気出力に変換
される。この場合、周波数ｆ２のパルスは干渉作用にお
ける参照光となり、周波数ｆ１のパルスがセンサ２１−
１のセンシング光となる。

【００１０】例えば、センサ２１−１に音波信号が印加
されていると、位相変化を生じ、周波数ｆ１とｆ２の干
渉成分を周波数変調（ＦＭ）復調等の処理を施し、音波
情報を検出することになる。他のセンサ２１−２，…以
後も、順次同様の動作で処理され、音波情報が検出され
ていく。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のシステムでは、次のような課題があった。

【００１２】従来のシステムでは、時間差Ｔのパルス間
の干渉を利用して位相変化を検出するため、光源１１は
高い干渉性を有するものを必要とする。時間差Ｔは１μ
ｓｅｃ程度であるため、光源１１のスペクトル幅は数Ｋ
Ｈｚ以下の狭帯域特性が要求れさる。そのため、光源１
１として、Ｈｅ−Ｎｅ等のガスレーザが用いられること
になり、光源自体が大型となる。しかも、船舶等の振動
のある環境においては、除振台等を必要とし、省スペー
スの要求れさる環境には適合しにくいという課題があ
り、それらを解決することが困難であった。

【００１３】本発明は、前記従来技術が持っていた課題
として、光源のコヒーレンス性の悪さにより発生する雑
音（位相ノイズ）、装置が大型化する、特別の除振台等
が必要、及び信頼性が低いといった点について解決した
光音響センサアレイシステムを提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、前記課題
を解決するために、複数の光ファイバ及びセミ反射器で
構成された音波検出用のセンサアレイと、前記センサア
レイに光パルスを供給する光パルス発生手段とを備え、
前記センサアレイ中の伝搬光の位相変化から音波情報を
検出する光音響センサアレイシステムにおいて、前記光
パルス発生手段を次のように構成している。

【００１５】即ち、この第１の発明の光パルス発生手段
は、コヒーレントな連続光を発生する光源と、前記連続
光を２系統の出力光に分岐する第１のカプラと、前記２
系統のうちの一方の出力光を一定のパルス幅及び周波数
の光パルスに変換する第１のブラッグセルと、前記２系
統のうちの他方の出力光を一定のパルス幅及び周波数の
光パルスに変換する第２のブラッグセルと、前記第２の
ブラッグセルの出力光を一定時間遅延させる遅延コイル
と、前記第１のブラッグセル及び遅延コイルの両出力光
を結合して前記センサアレイに供給する第２のカプラと
を、備えている。

【００１６】第２の発明では、第１の発明の光パルス発
生手段は、制御信号によって一定のパルス幅の光パルス
を発生する光源と、前記光パルスを２系統の光パルスに
分岐する第１のカプラと、前記２系統のうちの一方の光
パルスを一定時間遅延させる遅延コイルと、前記２系統
のうちの他方の光パルスと前記遅延コイルの出力光とを
結合して前記センサアレイに供給する第２のカプラと
を、備えている。

【００１７】

【作用】第１の発明によれば、以上のように光音響セン
サアレイシステムを構成したので、光源から発生した連
続光は、第１のカプラで２系統に分岐される。この２つ
の系統の分岐光は、光源から同一時間に発せられたもの
であり、第１，第２のブラッグセルにより、周波数のシ
フト及びパルス変換が行われる。そして、第２のブラッ
グセルの出力光が遅延コイルで遅延され、その遅延出力
光と第１のブラッグセルの出力とが、第２のカプラで結
合された後、センサアレイ５０へ送られる。

【００１８】第２の発明によれば、光源から発生した光
パルスは、第１のカプラで２系統の光パルスに分岐さ
れ、その一方が遅延コイルで遅延され、その遅延出力光
と他方の分岐光とが、第２のカプラで結合された後、セ
ンサアレイ側へ送られる。

【００１９】これにより、パルス発生手段の構成が簡単
となり、小型軽量化が図れると共に、防振対策も容易で
あり、位相ノイズも抑制できるので、システムの信頼性
の向上が図れる。従って、前記課題を解決できるのであ
る。

【００２０】

【実施例】第１の実施例 図１は、本発明の第１の実施例を示す多チャンネルの干
渉型光音響センサアレイシステムの構成図である。

【００２１】この光音響センサアレイシステムは、時間
間隔Ｔ及びパルス幅ｄの周波数ｆ１及びｆ２の２個のパ
ルス列を発生するパルス発生手段４０を備えている。パ
ルス発生手段４０は、レーザダイオード等のコヒーレン
トな光を出力する光源４１を有し、その出力側には、第
１のカプラ４２−１が接続されている。第１のカプラ４
２−１は、光源４１からの入力光を２分岐するものであ
り、その出力側には、第１，第２のブラッグセル４３−
１，４３−２が接続されている。

【００２２】第１，第２のブラッグセル４３−１，４３
−２は、制御信号ＣＳにより制御され、各入力光に対し
て周波数をシフトさせると共に、ゲート制御によってパ
ルス変換する機能を有している。この第１のブラッグセ
ル４３−１の出力側は、第２のカプラ４２−２に接続さ
れ、第２のブラッグセル４３−２が、遅延コイル４４を
介して該第２のカプラ４２−２に接続されている。

【００２３】遅延コイル４４は、ブラッグセル４３−２
の出力光を一定時間Ｔ（秒）遅延させる機能を有してい
る。第２のカプラ４２−２は、ブラッグセル４３−１及
び遅延コイル４４の各二つの出力を加算結合するもので
あり、その出力側には、センサアレイ５０が接続されて
いる。

【００２４】センサアレイ５０は、音波を検出するもの
であり、光ファイバからなる複数の音波検出用のセンサ
５１−１，５１−２，…と、その各センサ５１−１，５
１−２，…の先端及び後端に設けられ微小な反射係数
（例えば、１％程度）を有する複数のセミ反射器５２−
１，５２−２，５２−３，…とで、構成されている。

【００２５】また、第２のブラッグセル４３−２の出力
端には、干渉成分を検波してその干渉成分を電気信号に
変換する光検出器６０が接続されている。

【００２６】図４は図１のタイミングチャートであり、
この図を参照しつつ図１の動作を説明する。

【００２７】光源４１から発生した連続光は、第１のカ
プラ４２−１で分岐され、その一方の出力光が第１のブ
ラッグセル４３−１により、周波数ｆ１及びパルス幅ｄ
の光パルスに変換されて第２のカプラ４２−２へ送られ
る。第１のカプラ４２−１の他方の出力光は、第２のブ
ラッグセル４３−２により、周波数ｆ２及びパルス幅ｄ
の光パルスに変換され、さらに遅延コイル４４により、
時間Ｔ秒の遅延が施されて第２のカプラ４２−２へ送ら
れる。

【００２８】第２のカプラ４２−２では、第１のブラッ
グセル４３−１の出力光と遅延コイル４４の出力光とを
結合し、周波数ｆ１及びパルス幅ｄと周波数ｆ２及びパ
ルス幅ｄの二つの光パルスを時間間隔Ｔでセンサアレイ
５０へ出力する。

【００２９】センサアレイ５０では、セミ反射器５２−
１で第１の反射が起こり、同様に他のセミ反射器５２−
２，５２−３，…でも順次、反射が発生する。各セミ反
射器５２−１，５２−２，５２−３，…間の往復伝搬時
間がＴ秒となるように、予めセンサ５１−１，５１−
２，…及び伝送ケーブルのファイバ長を設定しておく。
すると、セミ反射器５２−１での周波数ｆ２のパルスの
反射波と、セミ反射器５２−２での周波数ｆ１のパルス
の反射波とが、それぞれ第２のカプラ４２−２、遅延コ
イル４４、及び第２のブラッグセル４３−２を介して光
検出器６０へ送られる。光検出器６０では、周波数ｆ１
のパルスと周波数ｆ２のパルスとの干渉成分を検波し、
その検波した干渉信号を電気出力する。この場合、周波
数ｆ２のパルスは干渉作用における参照光となり、周波
数ｆ１のパルスがセンサ５１−１のセンシング信号とな
る。

【００３０】センサ５１−１に音波信号が印加されてい
ると、位相変化を生じ、光検出器６０の出力をＦＭ復調
等の処理を施せば、音波情報が検出されることになる。
他のセンサ５１−２，…以降も、順次同様の動作で処理
され、音波情報が検出されていく。

【００３１】この第１の実施例では、次のような利点を
有している。 （ａ） 光源４１に高いコヒーレンス性を要求しないた
め、小型、軽量、安価でポータブルな通常のレーザダイ
オード等を使用できる。従って、船舶等の振動の高い環
境でも、光源４１内で防振手段を施すことができ、従来
のような特別の除振台等を必要としないため、防振対策
が容易となる。

【００３２】（ｂ） 本実施例では、干渉時に同一光源
４１における同一発生時のパルスを利用しているので、
基本的に、従来のような光源のコヒーレンス性の悪さに
より発生する雑音（位相ノイズ）を極力小さく抑えるこ
とができる。

【００３３】（ｃ） 前記（ａ），（ｂ）のように、信
頼性も向上し、しかもアレイ方式として多チャンネル構
成に適しているため、ソーナ等といった水中音響センサ
アレイ等の種々の応用が可能である。

【００３４】第２の実施例 図５は、本発明の第２の実施例を示す多チャンネルの干
渉型光音響センサアレイシステムの構成図であり、図１
中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

【００３５】この光音響センサアレイシステムでは、図
１のパルス発生手段４０に代えて、構成の異なるパルス
発生手段４０Ａが設けられている。このパルス発生手段
４０Ａは、制御信号ＣＳによってパルス幅ｄの光パルス
を発生する光源４１Ａを有し、その出力側に、第１のカ
プラ４２−１が接続されている。第１のカプラ４２−１
は、光源４１Ａからの光パルスを２系統に分岐するもの
であり、その一方の出力側が、第２のカプラ４２−２に
接続され、他方の出力側が、遅延コイル４４を介して該
第２のカプラ４２−２に接続されている。遅延コイル４
４は、第１のカプラ４２−１の出力光を遅延時間Ｔ秒だ
け遅らせて第２のカプラ４２−２へ与えるものである。

【００３６】第２のカプラ４２−２は、第１のカプラ４
２−１の出力光と遅延コイル４４の出力光とを結合する
ものであり、その出力側に第３のカプラ４２−３が接続
されている。第３のカプラ４２−３は、第２のカプラ４
２−２の出力光をセンサアレイ５０へ供給すると共に、
該センサアレイ５０からの反射光を光検出器６０へ送る
機能を有している。

【００３７】次に、動作を説明する。光源４１Ａは、制
御信号ＣＳによって制御され、パルス幅ｄの光パルスを
発生する。この光パルスは、第１のカプラ４２−１で２
系統に分岐され、その一方が直接、第２のカプラ４２−
２へ送られ、他方が遅延コイル４４で遅延時間Ｔ秒だけ
遅延されて第２のカプラ４２−２へ送られる。第２のカ
プラ４２−２は、第１のカプラ４２−１の出力光と遅延
コイル４４の出力光とを結合し、同一周波数の光パルス
を時間間隔Ｔでセンサアレイ５０へ出力する。

【００３８】センサアレイ５０では、第１の実施例と同
様に、セミ反射器５２−１での反射波とセミ反射器５２
−２での反射波とが、第３のカプラ４２−３を介して光
検出器６０へ送られる。光検出器６０では、反射器５２
−１，５２−２からの反射波の干渉信号を電気出力す
る。ここで、光パルスの干渉を同一周波数で利用してい
るため、光検出器６０の出力に対し、第１の実施例のよ
うなＦＭ変調等ではなく、ホモダイン復調が施され、音
波情報が検出されることになる。センサ５１−２以後
も、順次同様の動作で処理され、音波情報が検出されて
いく。

【００３９】この第２の実施例では、制御信号ＣＳを用
いて光源４１Ａから光パルスを発生するようにしている
ので、図１の光源４１に比べて構成が複雑になるが、図
１の第１，第２のブラッグセル４３−１，４３−２に代
えて構成の簡単な第１，第２のカプラ４２−１，４２−
２を設けているので、図１とほぼ同様の回路規模で、第
１の実施例とほぼ同様の利点が得られる。

【００４０】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
例えば図１及び図５のパルス発生手段４０，４０Ａ内
に、機能向上のための他の光回路等を設ける等、種々の
変形が可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、光パルス発生手段は、光源、第１，第２のカ
プラ、第１，第２のブラッグセル、及び遅延コイルを備
えているので、従来のような光源のコヒーレンス性の悪
さにより発生する位相ノイズの影響を軽減できる。さら
に、光源自体には高いコヒーレンス性が要求されないの
で、通常のレーザダイオード等を使用できる。そのた
め、システム全体が小型、軽量化でき、さらに光源自体
で防振対策を施せるので、従来のような特別の除振台等
を必要とせず、信頼性の高いシステムを提供できる。

【００４２】第２の発明によれば、光パルス発生手段
は、光源、第１，第２のカプラ、及び遅延コイルを備え
ているので、光源自体の構成が第１の発明よりも複雑に
なるが、第１の発明の第１，第２のブラッグセルに代え
て、構成の簡単な第１，第２のカプラを設けているの
で、パルス発生手段を第１の発明とほぼ同様の回路規模
で実現できる。従って、第１の発明と同様の効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す多チャンネルの干
渉型光音響センサアレイシステムの構成図である。

【図２】従来の多チャンネルの干渉型光音響センサアレ
イシステムの構成図である。

【図３】図２のタイミングチャートである。

【図４】図１のタイミングチャートである。

【図５】本発明の第２の実施例を示す多チャンネルの干
渉型光音響センサアレイシステムの構成図である。

【符号の説明】

４０，４０Ａ パルス発生手段 ４１，４１Ａ 光源 ４２−１，４２−２，４２−３ 第１，第２，第３
のカプラ ４３−１，４３−２ 第１，第２のブラ
ッグセル ４４ 遅延コイル ５０ センサアレイ ５１−１，５１−２ センサ ５２−１，５２−２，５２−３ セミ反射器 ６０ 光検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光ファイバ及びセミ反射器で構成
   された音波検出用のセンサアレイと、前記センサアレイ
   に光パルスを供給する光パルス発生手段とを備え、前記
   センサアレイ中の伝搬光の位相変化から音波情報を検出
   する光音響センサアレイシステムにおいて、 前記光パルス発生手段は、コヒーレントな連続光を発生
   する光源と、前記連続光を２系統の出力光に分岐する第
   １のカプラと、前記２系統のうちの一方の出力光を一定
   のパルス幅及び周波数の光パルスに変換する第１のブラ
   ッグセルと、前記２系統のうちの他方の出力光を一定の
   パルス幅及び周波数の光パルスに変換する第２のブラッ
   グセルと、前記第２のブラッグセルの出力光を一定時間
   遅延させる遅延コイルと、前記第１のブラッグセル及び
   遅延コイルの両出力光を結合して前記センサアレイに供
   給する第２のカプラとを、備えたことを特徴とする光音
   響センサアレイシステム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光音響センサアレイシス
   テムにおいて、 前記光パルス発生手段は、制御信号によって一定のパル
   ス幅の光パルスを発生する光源と、前記光パルスを２系
   統の光パルスに分岐する第１のカプラと、前記２系統の
   うちの一方の光パルスを一定時間遅延させる遅延コイル
   と、前記２系統のうちの他方の光パルスと前記遅延コイ
   ルの出力光とを結合して前記センサアレイに供給する第
   ２のカプラとを、備えたことを特徴とする光音響センサ
   アレイシステム。