JPH0726802B2 - 櫛形フィルタを用いる圧力／温度検出システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 開示される発明は、主に検出システムに関し、特に変換
器に受動素子を用いる検出システムに関する。

検出システムは、一つ又はそれ以上のパラメータ（例え
ば、圧力又は温度）が、読み出す装置から離れた所で検
出される場合に用いられる。例えば、圧力及び温度検出
システムは、油田及びガス田に使用されて圧力及び温度
の情報を提供し、ときには、油田頭部及び／又は、下穴
（down hole）に於て使用される。このような検出シス
テムは、生産効率を最高にするため、及び油田の稼働状
態を調べるために使用される。

油田に使用されるような従来の圧力及び／又は温度検出
システムは、一般に変換器及びそれに関連する部品に能
動素子（例えば、トランジスタ）を使用していた。油田
に適用する場合、変換器（即ち、圧力又は温度を検出す
るための検出素子）は、時には下穴に位置し、従って極
めて厳しい環境にさらされる。能動素子を使用する下穴
の変換器は、この厳しい環境のために寿命が限られ、更
に素子の交換は非常に困難であり費用が必要であった。
その結果、それらは交換されず、油田は有用な圧力及び
温度の情報を用いずに稼働された。

変換器に能動素子を含み、厳しい環境で使用される従来
の検出システムについての考案は更に展開する。

変換器に能動素子を用いる従来の検出システムには、そ
の能動素子のための電源が必要である。変換器が下穴に
設置される場合、電源は下穴に供給されなければなら
ず、従って、電源を供給する電線の破損及び電気的接続
部での接触不良などの事故を考慮しなければならない。

発明の要約 従って厳しい環境の中で、信頼性を保つことができる長
寿命の圧力及び温度検出システムを提供することは有益
である。

この発明の他の利点は、長期に渡り高い精度を保つこと
ができる圧力又は温度検出システムを供給することであ
る。

変換器には受動素子のみを使用し、変換器に使用される
検出素子を動作するための電源、又は変換器からの検出
されたデータを中継するための電源を必要としない、圧
力又は温度検出システムを供給できることもこの発明の
利点である。

以上の利点及び他の利点は、少なくとも25ナノメータの
バンド幅を有する光を供給する広帯域光源、及び光を遠
隔に伝送するための光ファイバーケーブルを具備する検
出システムによって提供される。伝送された光に応答す
る変換器は、その伝送された光を、モニタされた物理的
パラメータの関数として振幅変調し、一般に正弦波的に
変化し、その光のスペクトルに渡るヌル（null）を有す
る振幅変調された光を供給する。そのヌルの周波数は、
変調された光のスペクトルに渡り、モニタされた物理的
パラメータの関数である。光ファイバーケーブル（又
は、変換器構成に依存し、他の光ファイバーケーブル）
は、変調された光を光学スペクトルアナライザへ伝送す
る。このアナライザは、スペクトルの内容及び変調され
た光の振幅を示す分散したスペクトルの光信号を提供す
る。分散したスペクトルの光信号に応答し、クロック入
力される検出アレイは、変化するクロックレートにより
クロック入力され、その光学スペクトルに渡る周期的ヌ
ルの周波数変化を除去し、その結果、実質的に一定周波
数のヌルを有する電気信号を供給する。峡帯域濾波回路
は、実質的に一定周波数電気信号を濾波し、濾波された
信号に応答する出力回路は、実質的に一定周波数を示す
周期的ヌルの出力信号を供給する。

図面の簡単な説明 開示されるこの発明の特徴及び利点は、以下に示す詳細
な説明及び、図面を参照することにより、当業者によっ
て直ちに理解されるであろう。

第１図は、マイケルソン干渉計を用いた圧力検出システ
ムの構成を示すブロック図。第２図は、マッハツェンダ
干渉計を用いた他の圧力検出システムの構成を示すブロ
ック図。

詳細な説明 次に示す詳細な説明、及び図面に於いて、同一の要素は
同一の参照番号が付されている。

第１図には、広帯域光学モジュール20を含む、この発明
による圧力変換システム10が示され、このシステム10
は、光ファイバーケーブル11に対する点光源を供給す
る。例として、広帯域光学モジュール20は赤外（IR）波
長、又はIRに近い波長、又は可視光波長を有する光を供
給することができる。光ファイバーケーブル11は、変換
器30に接続され変換器30は光ファイバーケーブル11によ
って供給される光源からの光を、そのスペクトルに渡る
周期的なヌルを設定することによって振幅変調する。変
調された光は、光ファイバーケーブル11、及び光ファイ
バーケーブル13を介してアナライザー40に供給される． 例として、油田に応用する場合、広帯域光学モジュール
20は油田頭部に設置することができ、又は湾岸をベース
とする水面下の油田の場合は、油田頭部の水中流量制御
アッセンブリーに設置することができる。変換器30は、
油田内の下穴（down−hole）に設置することができ、一
方光学アナライザー40は、例えば、監視ステーション又
は油田制御ステーションのように水面上に設置すること
ができる。

広帯域光学モジュール20は広帯域光源15を含み、例えば
広帯域光源15は一つ又は複数の高輝度広帯域発光ダイオ
ード（LED）であっても良い。照準化及び集光レンズシ
ステム17は、広帯域光源15の出力を、光ファイバーケー
ブル12及び３ポート光学分割／結合器36を介して光ファ
イバーケーブル11へ供給する。又、広帯域光源の出力は
直接、光ファイバー12へ接続される。

広帯域光源15は、変換器30に要求される圧力の範囲及び
精度と同程度の帯域幅を供給すべきである。例として、
このような帯域幅は、例えば850ナノメータの帯域中心
を有する20から80ナノメータの帯域、即ち２から３パー
セントの帯域幅を有するIR光源である。

単一のLEDのような広帯域光源の代わりに、広帯域光源1
5は、総合光学パワーの増加のため、及び（又は）所望
する光学スペクトルの広い部分をカバーするために、複
数のLEDのような光源を含むことができる。

更に広帯域光源15に関する他の構成方法は、要求される
波長範囲をカバーして走引されることができるレーザダ
イオードを用いることもできる。このような波長走引源
を用いるためには、波長ギャップを伴わずに重要な帯域
をカバーできることが必要であり、又そのモードは、変
換器30内の干渉計によって、発生した周期的干渉計のヌ
ルの最小空間よりも、波長領域に於いてかなり接近した
位置になければならない。

この明細書に於いて、十分説明されるように、変換器30
は、幾つかのタイプの干渉計によって構成される。その
干渉計は、光源15によって供給される光スペクトルに渡
る、周期的ピーク及びヌルの形式で振幅変調することが
でき、この周期的ピーク及びヌルは、形状に於いて正弦
波である。このようなタイプの内の一つは、第２図に示
されるマイケルソン（Michelson）干渉計である。

十分な光量が光ファイバケーブル11に供給できる場合
は、他の光源として、白熱光の赤外線光源を広帯域光源
15として用いることができる。

第１図の例に於いて、変換器30はマイケルソン干渉計を
具備する。更に詳細には、マイケルソン干渉計は、各光
ファイバーチャンネルによって構成される第１及び第２
光学レッグ（leg）21、23を含み、これら光ファイバー
チャンネルは、３ポート分割／結合器35を介して、光フ
ァイバーケーブル11によって供給される光を受信する。
光ファイバーケーブル11は、光源の光を３ポート分割／
結合器36を介して受信する。

３ポート分割／結合器36は、光を広帯域光源から、下穴
変換器30に接続される光ファイバー11へ通過させる一
方、下穴変換器30から帰還する光を他の光ファイバーチ
ャンネル13へ挿入させる。このような光学分割／結合器
は、この分野に於いては知られた技術であり、又、LED
光源からの入力と、干渉計から帰還する光を得る出力光
ファイバー間の無視できるほどのクロスカップリング
（cross−coupling）を生じる。

３ポート光学分割／結合器35と、３ポート光学分割／結
合器36は、同様に機能する。

干渉計の第１光学レッグ21は、感知される圧力の変化に
伴い、長さにが実質的に変化しない参照レッグであり、
一方第２光学レッグ23は、感知される圧力の変化に伴
い、長さの変化するセンサーレッグである。第１及び第
２光学レッグ21、23によって構成される光ファイバーの
端部は、高反射率に製作され、その結果、干渉計の各レ
ッグ内の光はレッグに沿って帰還され、３ポート光学分
割／結合器35において結合する。この結合し、反射され
た光は、光ファイバーケーブル11を介して帰還する。マ
イケルソン干渉計からの結合された出力光は、干渉計の
動作により、そのスペクトルについて振幅変調された
後、３ポート光学分割／結合器36を介してアナライザ40
へ供給される。

第１図に示されるマイケルソン干渉計の代わりに、第２
図に示されるマッハゼンダー（Mach Zehndar）干渉計
を使用することができる。このような実施例では、干渉
計の二つのレッグ37、38によって伝送される光は、３ポ
ート光学分割／結合器39に於いて結合され、戻りの光フ
ァイバーケーブル14を介して、アナライザ40へ伝送され
る。

再び第１図のマイケルソン干渉計に於いて、第１及び第
２光学レッグ21、23は、例えば、各々単一モード光ファ
イバーによって構成することができる。参照レッグ21の
光ファイバーは、変換器内に於いてコイル状又は他の形
に巻かれ、レッグの長さは、圧力に伴い実質的に変化し
ない。感知レッグ23の光ファイバーは、例えば、伸縮シ
リンダの形に巻かれ、そのシリンダの直径が、圧力に比
例する微少量だけ増加し、それによって、センサーレッ
グ23の長さを増加するような方法で形成される。参照及
び／又は、感知光ファイバーをシリンダ状に巻く代わり
に、感知光ファイバーが、圧力と伴い長さが変化するベ
ローズ（bellows）構造のように、圧力に応じて伸びる
干渉計を形成することである。圧力感知レッグ23の光フ
ァイバーは、例えば参照レッグ21より長さを長く製作
し、圧力が増加したとき、感知レッグ23の長さは、参照
レッグ21に対して更に増加する。更に詳細には、周囲の
最低圧力に於ける差長（differential length）は、下
穴の十分な圧力に影響されない場合、0.01インチとなる
場合がある。最大圧力下に於いて、差長は、0.11インチ
に増加する場合がある。

感知レッグ23の僅かに長い長さとは別に、光学レッグ2
1、23は、同様に比較的長い長さを有している。感知レ
ッグ23の比較的長い長さは、ファイバー永久的破壊又は
性能劣化を伴わずに、簡単に検出された伸長の量に対す
る圧力の関数として、供給される。感知レッグ23の長さ
は、参照レッグとほぼ同じか僅かに長く造られ、二つの
レッグは、検出される圧力なあらゆる範囲内に於いて、
決して同じ長さになることはない。しかし、最高圧力
（干渉計のレッグに於ける最大差長）に於いて、そのス
ペクトルに渡る周期的ヌルは、アナライザ40に於いて解
析されるために、接近し過ぎてはならない。同時に、最
高圧力に於けるヌルの数は、ヌル配置に於ける変化が、
必要な圧力精度を提供できる程に高精度にて認識される
よに十分多くなければならない。

第１図に示されるマイケルソン干渉計の二つの光学レッ
グ21、23に対する長さの例として、参照レッグは100イ
ンチにすることができ、一方代表的周囲圧力に於いて、
感知レッグは0.01インチ長い全長（即ち、100.01イン
チ）を有することができる。検出される最大圧力に於い
て、感知レッグ23は、0.1インチの追加的長さに於て増
加（100.11インチ）することができる。従って、0.01イ
ンチの差長は、代表的周囲圧力に対応し、一方0.11イン
チの差長は、500ポンド圧力に対応する。光は、マイケ
ルソン干渉計の両方のレッグ21、23に沿って反射帰還
（reflected back）するので、二つのレッグ間の有効
な差長、及び差長に於ける有効な変化は２倍される。

第１図はマイケルソン干渉計は、光ファイバーの光学通
路の代わりに、空気中の通路によって構成することがで
きる。このような構成の場合、監視される物理的パラメ
ータ（例えば圧力）は、光ファイバーを伸長する代わり
に、空気中の通路に影響する。他のこのような構成は、
二つの光学チャンネルに光ファイバーケーブル11によっ
て供給される光を分散するための分散器を含む。一つの
チャンネルは、実質的に一定の光学通路を有する参照チ
ャンネルによって構成される。他のチャンネルは、検出
チャンネルを含むことができ、又、このようなチャンネ
ルによって受信された光を照準する第１レンズシステ
ム、及び照準された光を反射する可動ミラーを含むこと
ができる。干渉計の参照チャンネルは、感知レッグの光
学通路よりも僅かに短い光学通路を提供するための長さ
を有し、高反射率の端部を有する光ファイバーを含むこ
とができる。干渉計の感知レッグ内の可動ミラーは、監
視される物理的パラメータの関数として、検出チャンネ
ルに関して、光源からの距離を変化するように適合され
る。干渉計から帰還し、結合された光は、光ファイバー
ケーブル11、及び３ポート光学分割／結合器35を介し
て、アナライザ40を供給される。

以下の説明の理解のため、第１図に示されるマイケルソ
ン干渉計の参照レッグ21と感知レッグ23の間の差長によ
り、光のスペクトルに渡り変化し、一般に正弦波の周期
的生計のヌルが発生し、そのヌルはアナライザ40に接続
される光ファイバーケーブル11によって、中断されるこ
とは指摘すべき事柄である。同様に、第２図に示される
マッハツェンダー干渉計に於けるレッグ37、38の間の差
長により、光のスペクトルに渡り変化し、一般に正弦波
の周期的干渉計のヌルが発生し、そのヌルはアナライザ
40に接続される光ファイバーケーブル14によって、中断
されることは指摘すべき事柄である。

干渉計の動作によって発生するスペクトルに渡る周期的
ヌルの位置は、干渉計の二つのレッグの間の差長及び波
長によって決定され、従って、圧力の直接測定である。
しかし、以下に説明されるように、フォトダイオードア
レイ31に現されるスペクトルに渡るこれら干渉計ヌルの
サイクル間隔は、均一なものではない。その代わり、広
帯域光源20によって供給される、広帯域スペクトルに渡
る波長とは逆に変化する。その周波数変化成分は、信号
／ノイズ比を改善するためにデータを峡帯域濾波する前
に、及び更に正確に周期的ヌルの周波数を決定するため
に、フォトダイオード直列読み出し信号から削除されな
ければならない。チャープライクな（chirp like）こ
の周波数変化成分が削除された場合、アナライザ40は一
定周波数バースト（burst）の周波数を決定するように
機能し、それによって、干渉計の感知レッグ（第１図に
示されるマイケルソン干渉計のレッグ23、及び第２図に
示されるマッハツェンダー干渉計のレッグ38）によって
検出される圧力の直接指示が提供される。

更に詳細には、アナライザ40（第１図及び第２図）は、
三つの総合的機能を実行する：（ａ）光学スペクトル的
に干渉計の出力を分析し、結果のスペクトルをフォトダ
イオード・ラインアレイに示す；（ｂ）周波数の変化す
る読み出しクロックレートを有するフォトダイオードア
レイを直列に読み出すことによって、光学スペクトル分
析結果を電気信号に変換する（周波数の変化するクロッ
クレートの動作は、実質的に周波数バーストであるフォ
トダイオードアレイから、直列出力を供給することであ
る）；（ｃ）峡帯域濾波、及びフォトダイオードアレイ
31からの直列読み出し信号の周波数決定を実行する。峡
帯域濾波は、信号／ノイズ比に於ける重要な改善を達成
する。読み出し信号の電気的スペクトル分析に基づいて
出力が供給され、読み出しバーストの周波数直接測定、
即ち、検出された圧力の直接測定が行われる。

アナライザ40の好適実施例に於いて、光学検出アレイか
らの読み出し電気信号の周波数測定は、ファストフーリ
エ変換プロセッサに於けるスペクトル分析によって実行
される。このファストフーリエ変換プロセッサは、接近
し、隣接して位置するフィルタを提供し、このフィルタ
の出力は、光学検出アレイからの実質的に一定な周波数
読み出しバーストの各々端部に於いてサンプリングされ
る。この光学検出アレイは、フォトダイオードラインア
レイ又は、電荷結合素子（CCD）ラインアレイによって
構成することができる。フィルタ出力の相対的大きさの
間に於ける補足挿入（interporation）が、システムの
分解能を改善するために実行されることができ、複数の
フィルタチャンネルによって直接提供される アナライザ40は、変換器30によって供給された光を照準
する照準レンズ25を含む。特に、第１図のマイケルソン
干渉計による実施例に於いて、このような光は、３ポー
ト光分割／結合器36に接続される光ファイバー13によっ
てアナライザ40に供給される。一方、第２図のマッハツ
ェンダー干渉計による実施例に於いて、このような光
は、光ファイバーケーブル14によって、アナライザ40に
供給される。

照準レンズ25によって供給される照準された光は、回折
格子27に当たる。この回折格子は、最も簡単な形式に於
いては、例えば、１ミリあたり1200ラインに等しいけい
線を含む。回折格子27から出力される回析したスペクト
ル的に分散された光は、レンズシステム29によって、検
出ライン31上に集光される。検出ライン31は例えば、フ
ォトダイオードラインアレイ又は、CCDによって構成さ
れる。

干渉計の二つのレンズ間に導入される距離は、周期的ピ
ーク、及び広帯域光源のスペクトルに渡るヌルを発生さ
せ、これらヌルは、回折格子27のスペクトル分析動作に
よってフォトダイオードアレイ31上に現れる。しかし、
これら周期的ヌルは、広帯域光源のスペクトルに渡り全
くの等間隔に位置するわけではない。その結果、校正さ
れなかった場合、フォトダイオードアレイからの直列読
み出しとしてのデータは、チャープライク（chirp−lik
e）（即ち、時間により変化する）周波数成分を含む。
このチャープライク成分は、峡帯域濾波の前に除去され
なければならない。

広帯域光源20のスペクトルに渡るヌルの非線形間隔の存
在は、干渉計の二つのレッグ間の相対位相Feについて
の、次の表現によって示すことができる。ここでDelta
は干渉計の二つのレッグ間の差長であり、lambdaは、光
の波長である。マイケルソン干渉計（第１図）の場合、
光は干渉計の二つのレッグに沿って反射帰還するので、
Deltaは２方向の差長であることは重要である。この相
対位相（即ち、干渉計の二つのレッグ内の光ベクトルの
間の光学位相角Fe）は、次式により示される。

上記表現より、相対位相Feは、光の波長lambdaに正比例
して変化するのではないことは明らかである。フォトダ
イオード上に現された、光学スペクトルの角度的分散は
比較的少なく（標準的システムに於いて６度以下）、回
析格子の動作から生じるフォトダイオードアレイ31を介
した偏向は、ほぼ波長lambdaに比例する。しかし、上述
したように、干渉計のヌルFeの位相は、1/lambdaとして
変化する。従って、干渉計のヌルの位相は、フォトダイ
オードアレイについての偏光距離の逆数として変化す
る。

ヌルのこの双曲線的間隔は、線形（チャープライク）周
波数成分を存する波形の周期的に於ける変化にほぼ一致
することが示される。この変化する周波数成分は、対応
する線形変化レート（rate）に於いて、読み出しクロッ
クレートを変化することによって、フォトダイオードア
レイより電気的に出力される直列データから除去するこ
とができる。質的に、互いに接近している干渉計のヌル
が読み出されるとき、クロックレートは低下し、それに
対して、更に広い間隔の干渉計のヌルが読み出されると
き、クロックレートは更に上昇する。フォトダイオード
アレイ読み出し（read out）の、このような非線形ク
ロックの最終結果は、このフォトダイオードアレイから
読み出したデータは、実質的に一定周波数バースト、即
ち、デチャープ（de−chirp）されたデータである。そ
のバーストの周波数は、干渉計の差長に比例する。即
ち、バースト（線形に変化するクロック周波数による読
み出し信号としての）の周波数は、実質的に圧力に比例
する。

フォトダイオードアレイ31からの読み出しデータに関す
る周波数変化（チャープライク）特性の除去の後、デチ
ャープされた読み出しデータは、信号アナライザ34に於
いて電気的に処理される。この明細書に於いて詳細に説
明されるように、このような信号分析は、デチャープさ
れた読み出しデータの峡帯域濾波を含み、その後、干渉
計のレッグに於ける差長によって生じる干渉計のヌルの
周波数を決定するために、更に電気的な処理が行われ
る。アナライザ40の時間的機能は、第１図及び第２図に
示される時間ユニット33によって提供される。時間ユニ
ット33は、フォトダイオードラインアレイ31の読み出し
に対してクロック信号を供給する。このようなクロック
信号は、線形に変調された（FM′ｄ）クロックレート
（即ち、線形に変化する周波数を有するクロックレー
ト）を有し、フォトダイオードラインアレイ31の読み出
し信号に関する、上述したデチャープ機能を達成する。
これより更に詳細に説明されるように、時間ユニット33
は、信号アナライザ34に於ける時間的機能に対して機能
する。

アナライザ40に関する総合時間シーケンスは、第３図に
示され、フォトダイオード読み出し時間間隔を含み、次
に処理時間間隔が続く。第３図はデチャープに関する上
述したFM′ed読み出しクロックパルスの概略図である。
時間シーケンスのより詳しい特徴は、これより詳細に説
明される信号アナライザ34の構成に依存する。

第４図は、信号アナライザ34の一実施例を示すブロック
図である。この信号アナライザは、アナログ／デジタル
変換器、ファストフーリエ変換フィルタバンク（filter
bank）、及びフィルタピークセレクタを含み、これら
によって、信号峡帯域化（narrow−banding）及び周波
数の測定機能を実行する。

特に、フォトダイオードラインアレイ31からデチャープ
されたデータ読み出し信号は、アナログ／デジタル変換
器39に供給され、アナログ／デジタル変換器39はファス
トフーリエ変換フィルタバンク40にデジタルデータを供
給する。ウァストフーリエ変換フィルタバンク40を含む
このフィルタは、その周波数帯域（例えば、−3dB点）
に於いて、互いに一部オーバーラップし、想定される圧
力の極端値に一致する周波数領域をカバーする。フォト
ダイオードラインアレイ31からの読み出し信号としての
デチャープされたバースト（実質的に一定周波数）は圧
力に依存し、ファストフーリエ変換フィルタバンク40を
具備するフィルタの一つ（又は二つ）の応答に一致す
る。

ファストフーリエ変換フィルタバンクは二つの重要な機
能を提供する；即ち、データの峡帯域濾波、及びフォト
ダイオードラインアレイ31からの読み出し信号としての
デチャープされたデータバーストの周波数を示す出力を
供給する。このような周波数は、デチャープされた後、
感知された圧力に比例する。

フォトダイオードラインアレイ31からの読み出し信号
は、実質的に非線形読み出しクロックによる一定周波数
バーストであるので、フォトダイオードラインアレイ31
からの読み出しの結果としての直列データは、データバ
ースト継続時間の逆数決定されるスペクトル幅、及び感
知された圧力によって決定される周波数を有する。

例えばサイクルカウント（sycle counting）のような
峡帯域濾波は、データバーストの周波数を決定する上
で、他の方法に比で極めて改善された信号／ノイズ比を
供給する。ファストフーリエ変換フィルタバンク40は、
峡帯域フィルタのバンクに於いて、この峡帯域濾波を実
行する。データバーストの周波数に依存し、信号は一つ
のフィルタ又は、データバースト周波数が二つの隣接し
たフィルタのピーク周波数応答の間にあるときは二つの
フィルタに於いて積分される。しかし、所望の信号と競
合する場合がある広帯域ノイズ成分は、フォトダイオー
ドラインアレイ31からの読み出し信号としてのデチャー
プされたデータを含む一つ又は二つのフィルタのパスバ
ンド以内にのみノイズが存在する周波数成分となる。

検出された圧力は、デチャープされた読み出し信号が、
例えばファストフーリエ変換フィルタバンク40の峡帯域
フィルタの一つのピーク応答周波数にある場合、そのフ
ィルタ内のデータバースト信号は、そのようなフィルタ
の通過帯域内にあるノイズのみと競合する。

峡帯域濾波工程によって実質的に低下する広帯域の電気
的ノイズ要素の一つの例は、フォトダイオードラインア
レイ31に於ける暗電流によって生じるランダムノイズで
ある。更に、実質的に減少する広帯域ノイズの例は、通
常フォトダイオードラインアレイ31の次に用いられるア
ンプによって発生したノイズ（特に図示されず）であ
る。広帯域ノイズの例は、更に、フォトダイオードライ
ンアレイ31内の非周期的間隔ノイズ（パターン）であ
る。このようなノイズは、アレイ31のフォトダイオード
間のランダムな受光感度の不均一性から生じる。

ファストフーリエ変換フィルタバンク40の第１の出力い
即ち、最大増幅度のフィルタ出力）は、フィルタバンク
40のスペクトル範囲内のデチャープされたデータの周波
数分布を表す。しかし、峡帯域濾波によって十分な信号
／ノイズ比が得られると仮定すると、フィルタバンク40
の出力は補足挿入されることができ、フィルタバンク40
のフィルタの周波数領域よりも優れた周波数の決定を提
供できる。

ラインアレイ読み出しデータに対するピーク応答を含む
フィルタを決定する工程は、フィルタピークセレクタ41
によって実行される。ピーク選択はこの分野で良く知ら
れた技術であり、この発明では、各データ処理サイクル
の終りに、フィルタバンク40を介した変換を考え、最大
増幅出力を供給するフィルタを認識する。

フィルタピークセレクタ41は又、デチャープされた読み
出しデータバーストが、二つのスペクトル的に接近する
フィルタの、応答ピークの周波数内に存在する位置を示
す補足的出力を、供給するように適合させることができ
る。

フィルタピーク選択／認識工程によって処理された後、
ファストフーリエ変換プロセッサ40内のデータは、処理
される次の読み出しデータの受信のために“ダンプ（du
mp）”される。

ファストフーリエ変換の変換アナライザ構成について
の、詳細な時間シーケンスが第５図に示される。図示さ
れるように、アナログ／デジタル変換は読み出し時間の
間に行われ、この読み出し時間は更に詳細に、FM′ed読
み出しクロックパルスと一緒に第３図に示される。アナ
ログ／デジタル・データ変換工程の次に、ファストフー
リエ変換濾波が行われる。工程内のこのステップに続い
て、フィルタピーク選択工程がフィルタピークセレクタ
41によって供給され、データバースト周波数を示す出力
信号が出力される。このような出力信号は、感知された
圧力を示す。最後に、処理時間は、全てのデータを、次
の処理サイクルの準備のためにダンプされる。

マイケルソン干渉計（第１図）による圧力感知システム
の量的な例示が、この発明の利点を理解する上で有効で
ある。前述した例に於ける、大気圧に於いて干渉計の差
長0.01インチ、5000psiに於いて差長0.11インチは、適
切な値である。マイケルソン干渉計の両レッグ内を光は
反射帰還するので、有効な差長は各々0.02及び0.22イン
チである。850ナノメータの中心波長を有する、50ナノ
メータの広帯域光源20の光学スペクトル幅（ファイバ内
の光の伝播速度を真空中に比べ約0.7倍として）に関し
て、干渉計のレッグ間の２方向（two way）差長0.02イ
ンチは、825ナノメータに於いて、870.7サイクルを含
み、875ナノメータに於いて、820.9サイクルを含む。50
ナノメータスペクトルが分析された場合、50nmのスペク
トルに渡り、49.8のヌル（870.7−820.9サイクル）が生
じる。圧力が5000psiに上昇した場合、0.22インチの２
方向差長は、825ナノメータに於いて、9577.5サイスル
を含み、875ナノメータに於いて、9030.2サイクルを含
む。50nmスペクトルを分析することによって、547.30の
ヌルが生じることになる。

5000psiに対応するこのような干渉計のヌルが、0.1秒の
間に読み出された場合、フォトダイオードアレイからの
データバースト出力は、ノミナル（nominal）周波数547
3Hzを有する。変換器が、大気圧中にある場合、スペク
トルに渡る49.8のヌルが、ノミナル周波数498Hzを有す
ることになる。しかし、前述したように、これらヌル
は、等しく位置するのではなく、チャープライクに位置
し、フォトダイオード読み出しを非線形クロック入力す
ることにより、除去することができる。

デチャーピング（de−chirping）の後、フォトダイオー
ドアレイからの読み出しの結果としてのデータバースト
は、ほぼ読み出し時間の逆数に等しいバンド幅を有す
る。従って、0.1秒の読み出し時間によって、データバ
ーストのバンド幅は、約10Hzとなる。従って、5000psi
の圧力が感知された場合、前述したノミナル読み出し周
波数5473Hzは、5473Hzからの約10ヘルツ、即ち0.18％と
なる。しかし、読み出しの信号／ノイズ比が高い場合、
データは高い精度に補足される。

第６図は、信号アナライザ34（第１図及び第２図）の他
の構成を示す追随フィルタアナライザのブロック図であ
る。この構成では、追随フィルタを使用し、峡帯域濾波
及び周波数決定を実行する。フォトダイオードラインア
レイ31からの読み出し信号は、二つのスイッチド・キャ
パシタフィルタ（switched capasitor filter）45、4
6に対し、並列に供給される。スイッチド・キャパシタ
フィルタは、この分野では知られており、集積回路の形
で商業的に入手可能である。峡帯域濾波構成に於いて、
スイッチド・キャパシタフィルタは、並列調整インダク
タンス／キャパシタフィルタと同様に、峡帯域周波数応
答を提供する。スイッチド・キャパシタフィルタの応答
周波数は、クロック入力に供給されるクロックの周波数
によって正確に決定され、このクロック周波数はフィル
タ応答の中心周波数を決定する。スイッチド・キャパシ
タフィルタ集積回路の端末配線処理の選択に依存し、ク
ロック周波数は、フィルタのピーク周波数応答の約27〜
75倍となる。従って、クロック周波数の変化は、スイッ
チド・キャパシタフィルタの応答を、広帯域に渡り正確
に調整する機能を提供する。

再び第６図に於いて、電圧制御発振器クロック42は、二
つの単一側帯域変調器43、44に並列に供給される。周波
数オフセット発振器47の出力も又、二つの単一側帯波変
調器43、44に並列に供給される。電圧制御発振器42の出
力は、更にこの明細書に説明されるように、フィードバ
ックループとして、制御される。単一側帯波変調器43、
44の出力は、スイッチド・キャパシタフィルタ45、46の
クロック入力に各々接続される。

周波数オフセット発振器47の機能は、単一側帯波変調器
43、44と関連して、電圧制御発振器42の出力から周波数
に於いて僅かにオフセットされた信号を供給することで
ある。単一側帯波変調器44によって供給される周波数オ
フセットは、ポジティブであり、一方、単一側帯波変調
器43による周波数オフセットはネガティブである。従っ
て、スイッチド・キャパシタフィルタ45、46は、僅かに
異なる周波数で、その回路の−3dB帯域にほぼ等しい帯
域の応答ピークを伴い調整される。

更に説明されるスイッチド・キャパシタフィルタ45、46
についての実際の値の例、及び対応する電圧制御及びオ
フセット発振器の周波数は、次の考案に基づいている。
例えば、変換器30（第１図）が、5000lbsの圧力をモニ
タしている場合、広帯域光源20によって供給される約50
ナノメータのスペクトルに渡る547.3サイクルが生じる
であろう。これら広帯域の547.3の干渉計ヌルが、0.1秒
の間に読み出された場合、スイッチド・キャパシタフィ
ルタ45、46に供給されるデチャープされたデータバース
トは5473Hzとなるであろう。しかし、感知された圧力が
例えば、50lbsの場合、２方向差長は、0.022インチとな
り、対応するディチャープされた読み出し信号は、約54
7Hzの周波数なるであろう。

スイッチド・キャパシタフィルタ45、46の周波数応答ピ
ークが、クロック周波数の1/50と仮定した場合、対応す
る電圧制御発信器42の5000lbs圧力（ノミナル5,473Hzの
読み出し周波数）に応答する周波数は、5,473の50倍で
あり、それは、273,650Hzに等しい。圧力50lbs（547読
み出し周波数）に応答するために、電圧制御発振器42に
必要な周波数は、27,350Hzとなる。

スイッチド・シャパシタフィルタ45、46のピーク周波数
応答を、デチィープされたフォトダイオードライン読み
出し信号について、＋5Hzだけ対称に置換するため、オ
フセット発振器47は、電圧制御発振器42の周波数を、単
一側帯波変調器43、44に於いて、約50×±5Hz、即ち±2
50Hzだけオフセットする。スイッチド・キャパシタフィ
ルタ45、46のクロックレートに於けるこの250Hzのオフ
セットによって、ピーク周波数応答は、フォトダイオー
ドラインアレイ31からのディチャープされたデータバー
スト読み出し信号の周波数付近で±5Hzだけオフセット
される。

スイッチド・キャパシタフィルタ45、46に対する二つの
クロック入力は、僅かにオフセットされ、更に説明され
る閉ループフィードバックのために、スイッチド・キャ
パシタフィルタ45、46の応答ピークは、フォトダイオー
ドラインアレイ31からのデータバースト読み出し信号を
対称に一括して扱う。スイッチド・キャパシタフィルタ
45、46がそのように調整されたとき、それらの応答振幅
は、類似している。しかし、データバースト読み出し
が、スイッチド・キャパシタフィルタ45、46の一つの応
答ピーク付近にあるとき、出力に示されるそのエンベロ
ープ（envelope）は、拡大する。従って、エラー（制
御）信号は、フィードバック回路に於いて得られ、フォ
トダイオードラインアレイ31からの連続するデータバー
ストの周波数付近のスイッチド・キャパシタフィルタ4
5、46の対称の応答を維持する。

電圧制御発振器クロック42を制御するためのフィードバ
ックエラー信号は次のように得られる。スイッチド・キ
ャパシタフィルタ45の出力は、エンベロープ検出器48に
供給され、一方スイッチド・キャパシタフィルタ46の出
力は、エンベロープ検出器49に供給される。エンベロー
プ検出器48、49の出力は、スイッチド・キャパシタフィ
ルタ45、46に於ける積分工程が各々完了した時点で、各
データバースト読み出し信号の終りに於いて、各々サン
プルホールド回路50、51によって各々サンプルされる。

最適のフィードバックエラー信号の獲得に於いて、スイ
ッチド・キャパシタフィルタ45、46のサンプルされた出
力は、連続するデータバーストに関して、得られたエラ
ー信号をほぼフィルタの周波数変移に比例させ、同時に
データバースト振幅には独立させることが望ましい。こ
れは、サンプル・ホールド回路50、51の出力を制限する
ことによって達成される。これは、サンプル・ホールド
回路50、51の出力を対数アンプ52、53へ供給し、対数ア
ンプ52、53の出力を減算回路54へ供給することにより達
成される。

減算回路54の出力は、スイッチド・キャパシタフィルタ
45、46の調整に於ける、フォトダイオードラインアレイ
31（第１図、第２図）から読み出された連続するデータ
バーストの周波数に関するエラーの直接関数である。こ
こで、このような出力は、減算対数の結果としてのデー
タバースト振幅には応答しない。減算回路54の出力は、
平滑フィルタ55に供給され、平滑フィルタ55は、減算回
路54の出力とグランド間に接続される、抵抗とコンデン
サにより構成される。抵抗とコンデンサの間の接合点に
於ける信号は、電圧制御発振器クロック42に供給される
フィードバックエラー信号である。

第６図の追随フィルタアナライザに於いて、電圧制御発
振器クロック42は、帰還制御され、スイッチド・キャパ
シタフィルタ45、46は、連続するデータバーストの周波
数を一括して対称に扱うための帰還制御によって調整さ
れる。電圧制御発振器の周波数は、従って感知される圧
力に比例する。電圧制御発振器42の周波数は、通常の周
波数カウンタ56によって検出され、それによって、圧力
に変換することができる出力を供給する。

第６図の追随フィルタアナライザは、概略次のように動
作する。電圧制御発振器の周波数は、フォトダイオード
ラインアレイからのデチャープされたデータバースト読
み出し信号の周波数に関して対称のスイッチド・キャパ
シタフィルタ対の接近する応答ピークを、維持するよう
に帰還制御される。スイッチド・キャパシタフィルタ
は、峡帯域濾波、及び読み出しデータバースト間のデー
タを積分するのに有効であり、これによって、そのデー
タは信号／ノイズ比を改善する。積分する時間間隔の終
りに於いて、各フィルタの出力はサンプルされる。サン
プルされた出力は、それらの比を取ることによって比較
され、その結果の比は平滑され、電圧制御発振器に帰還
され、それによって、フォトダイオードアレイからのデ
チャープされたデータバースト読み出し信号の周波数に
関して対称の、スイッチド・キャパシタフィルタの応答
ピークを維持する。電圧制御発振器の周波数は、感知さ
れた圧力を示す出力を供給するために測定される。

CCDアレイのデチャープされた周波数バースト出力は、
読み出しから読み出しまでに一致しない場合があるの
で、追随フィルタは一つの読み出しから次の読み出しま
での蓄積されたエネルギを延期しないように保証する必
要がある。これは、各フォトダイオードラインアレイの
読み出しの終りに於いて、検出されたサンプラー（samp
ler）の出力であるエンベロープを検出した後、フィル
タへの入力を短くすることによって達成される。

帰還回路の閉ループ応答時間は、その応用に必要とされ
るレートを更新するデータを満足させるくらい高速であ
れば十分である。同時に、一時的な高周波数、例えば一
時的な圧力は、平滑回路の前に出力を摘み取ることによ
って、帰還ループエラーチャンネルに於いてモニタされ
ることができる。

更にこの発明を開示するために、温度を検出する遠隔変
換システムについて説明する。温度検出は、感知された
出力を必要とするが、圧力検出変換器についての温度に
関する偶然の効果を補償する必要がある。このような温
度検出システムは、前述した圧力検出システムと同様で
あるが、異なる干渉計の構造を有する。温度検出システ
ムに於いて、干渉計の参照及び感知光ファイバーの両レ
ッグは、圧力に実質的に影響されないように構成され
る。つまり、感知レッグは、圧力検出システムの場合と
異なり、圧力に伴って全長が変化しない。その代わり、
感知レッグ巻き線は、シリンダのスリーブのような構造
体に巻き付けることができ、そのスリーブは、広い温度
範囲に渡る熱的一致特性を有する。又、温度感知レッグ
は、例えば、長さが増加するベローズ（bellows）を用
いることによって、圧力に伴って線形に伸長するであろ
う。ここで再び、圧力感知干渉計のように、最低温度で
の温度感知干渉計の感知レッグは、干渉計の参照レッグ
よりも僅かに長くなければならない。従って、温度の上
昇は、差長を更に増加する。温度は、アナライザ40に関
して説明したように、温度感知干渉計のレッグの差長を
測定することによって測定される。

以下は、次に示す利点を達成する感知システムの一実施
例についての説明である。遠隔変換器とこのシステムの
他の部分の間には、非電気的リンクが必要である。又、
光源から変換器までに、光学スペクトルを中継する光フ
ァイバー手段のみを用いる変換器の干渉計によって、そ
のスペクトルに渡り光りが振幅変調された後、光は、ア
ナライザに帰還される。遠隔変換器には、受動的要素の
みを使用し、感知データをセンサーアナライザに中継す
るときに、増幅の必要はない。更に、開示される感知シ
ステムは、変換器（感知要素）と、この遠隔変換器から
感知システムのアナライザまでのデータの中継の両方
に、エネルギを必要としない。感知及びデータの中継に
は、長寿命光学要素を使用する。又、差長の測定精度に
影響する第１のパラメータは、中心光波長、干渉計に供
給される光波長のスパン、及びセンサー光ファイバーと
センサーファイバーが巻かれるシリンダの、ヒステリシ
スと出力を含むので、開示される感知システムの精度
は、動作寿命に渡り高く保たれる。

以上、この発明の一実施例を図示及び説明したが、次に
示すクレームによって定義されるこの発明の範囲を超え
ることなく、当業者は、様々な修正及び変更ができるの
は明らかである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも25ナノメータの帯域幅を有する
   光を提供する手段と、 前記光を伝送する光ファイバケーブルと、 前記伝送された光に応じて、前記伝送された光をモニタ
   された物理的パラメータの関数として振幅変調し、前記
   光のスペクトルに渡り正弦波状に変化するヌルを有する
   振幅変調された光を提供する変換手段であって、前記ヌ
   ルの周波数は前記変調された光のスペクトルに渡り変化
   し、及び前記ヌルの周波数は前記モニタされた物理的パ
   ラメータの関数であり、この変換手段は、 （ｉ）前記伝送された光を２つのチャンネルに分割する
   手段と、 （ii）前記２つのチャンネル間の長さの差を、モニタさ
   れたパラメータの関数として変化させるための第１及び
   第２光ファイバ、ここで前記第１及び第２光ファイバの
   一方の長さは前記モニタされたパラメータの変化に応じ
   て変化し、及び （iii）前記２つのチャンネルからの光を再結合する手
   段とを有し、 前記変調された光を伝送する光ファイバケーブルと、 前記変調され伝送された光をスペクトル的に分散し、前
   記スペクトルの内容及び前記変調された光の振幅を示す
   スペクトル的に分散された光信号を提供する回折格子
   と、 前記スペクトル的に分散された光信号に応じて、前記周
   期的ヌルの周波数変動を抽出し、前記変調された光のス
   ペクトルに渡る前記周期的ヌルの実質的に一定周波数を
   示す電気的信号を提供するクロック入力フォトディテク
   タラインアレイであって、前記フォトディテクタライン
   アレイは可変クロック率で前記フォトディテクタライン
   アレイにクロックを入力し前記周期的ヌルの周波数変動
   を除去する手段を有し、 前記電気的信号を狭帯域濾波し濾波された信号を提供
   し、周波数応答において各々隣接している第１及び第２
   スイッチドキャパシタフィルタと、及び 前記濾波された信号に応じて、前記周期的ヌルの実質的
   に一定周波数を示す出力信号を提供する手段であって、
   この手段は、 （ｉ）前記第１及び第２スイッチドキャパシタフィルタ
   にクロックを提供する手段と、 （ii）前記第１及び第２スイッチドキャパシタフィルタ
   の出力に応答して前記クロック提供手段を制御し、前記
   周期的ヌルの周波数を示すクロック周波数を提供するフ
   ィードバック手段と、 （iii）前記フィードバック手段が提供する前記クロッ
   ク周波数を判断する手段と、 を具備することを特徴とする検出システム。