(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-13
(45)【発行日】2024-05-21
(54)【発明の名称】レーザードップラー振動計
(51)【国際特許分類】
G01H 9/00 20060101AFI20240514BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 C
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020175704
(22)【出願日】2020-10-20
(65)【公開番号】P2022067148
(43)【公開日】2022-05-06
【審査請求日】2023-08-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001025
【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】木村 広太
【審査官】森口 正治
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－３４３２０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１６１４９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１３０４７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－１０６２８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平４－１９５３５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｈ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー源からのレーザー光を２分岐して一方のレーザー光を測定光として他方のレーザー光を周波数変調して局発光とする光生成部と、前記光生成部からの前記測定光を測定対象に照射し、且つ該測定対象で反射する散乱光を受光するセンサヘッドと、
前記散乱光と前記局発光とを干渉させてコヒーレント受信する光信号処理部と、を有し、
前記光信号処理部は、
前記散乱光と局発光が干渉した干渉光の偏波面を４５°回転させる旋光子と、
前記旋光子により旋光された干渉光を直交する二成分の偏波に分離して出力する光学素子と、
前記光学素子から出力された前記二成分の各偏波の各々を光電変換して前記二成分の偏波に対応する電気信号を出力するシングルエンドの受光器と、
前記受光器から出力された前記二成分の各偏波に対応する電気信号から高周波成分を除去するローパスフィルタを備え、当該ローパスフィルタの出力信号に基づき生成されたジョーンズベクトルを直線偏光成分信号に変換する回転行列を作用させる演算をして前記直線偏光成分信号から振動信号を出力する信号処理回路と、
を有することを特徴とするレーザードップラー振動計。
【請求項2】
前記信号処理回路における前記演算は前記二成分の偏波に対応する前記ローパスフィルタの出力信号の一方と他方の偏光成分信号との比率を利用することを特徴とする請求項１に記載のレーザードップラー振動計。
【請求項3】
前記旋光子はファラデー回転子であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザードップラー振動計。
【請求項4】
前記光学素子は偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１乃至３に記載のレーザードップラー振動計。
【請求項5】
前記光生成部及び前記信号処理回路と前記センサヘッドとはサーキュレータにより光接続され、前記センサヘッドと前記サーキュレータは光ファイバーにより光接続されていることを特徴とする請求項１乃至４に記載のレーザードップラー振動計。
【請求項6】
前記センサヘッドは可動であることを特徴とする請求項５に記載のレーザードップラー振動計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザードップラー振動計に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、レーザードップラー振動計は光のドップラー効果を利用して非接触で振動を測定する振動計が提案されている。レーザードップラー振動計によれば、振動物体に光を照射した際に発生する散乱光Ｅｉｎのドップラー効果由来の位相変動を検知することによって、振動を測定することが可能となる。振動測定で広く用いられる接触型の振動センサでは遠方の物体や高温・高磁場下の物体の振動測定が困難だったが、レーザードップラー振動計は非接触の測定が可能であるため、これらの振動測定も可能である。このような利点を活かし、工場やプラント内設備の予知保全用途やインフラ・ストラクチャーの点検用途として近年活躍が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００１－１５９５６０号公報
【文献】Kazuro Kikuchi, “Chapter 2 Coherent Optical Communications: Historical Perspectives and Future Directions,” p34-35
【文献】J. P. Gordon and H. Kogelnik, “PMD fundamentals: Polarization mode dispersion in optical fibers,” PNAS, April 25, 2000, vol. 97, no. 9, 4541-4550
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
【0005】
中心周波数ｆ０で発振するレーザー光源（LD）１００１から出射した直線偏光の連続光は光カプラ１００２により二方向に分岐され、一方は測定すべき対象物２００に照射するための測定光ＥＳ、他方は対象物２００から戻る散乱光Ｅｉｎと干渉させるための局部発振光ＥＬＯ（局発光ともいう）として用いられる。
【0006】
測定光ＥＳは偏光ビームスプリッタ（PBS）１００３を通過後、λ／４波長板１００４によって直線偏光から円偏光に変換され、センサヘッド１００５へ光ファイバー中を伝搬する。そして、測定光ＥＳはセンサヘッド１００５によって空間に出射され対象物２００に照射される。すると、対象物２００により散乱光Ｅｉｎが発生する。このときの散乱光Ｅｉｎの偏光状態は、照射した測定光ＥＳのものに対して反対回りの円偏光となる。
【0007】
照射した測定光ＥＳとは逆方向に戻る散乱光Ｅｉｎの一部はセンサヘッド１００５によって捕捉され、再び光ファイバー中を伝搬し、λ／４波長板１００４によって円偏光から直線偏光に変換される。このとき散乱光Ｅｉｎの直線偏光の偏波面の向きは、偏光ビームスプリッタ１００３出力時の測定光ＥＳのものに対して垂直となる。よって、散乱光Ｅｉｎは偏光ビームスプリッタ１００３によって反射され、光位相検出回路１００７に入射される。
【0008】
一方、局発光ＥＬＯは周波数シフタ１００６によってｆ０からｆｓｈｉｆｔだけ周波数シフトし出力され、光位相検出回路１００７に入射される。周波数シフタ１００６の入出力光のスペクトルを図２に示す。
【0009】
光位相検出回路１００７は入射された散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯを干渉させる。光位相検出回路１００７から出力される散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯの干渉光は受光器群１００８によって光電変換され、アナログ・デジタル変換器（ADC）１００９及びデジタル信号処理回路１０１０によって散乱光の位相すなわち振動の情報が得られる。
【0010】
図１の構成では、測定光ＥＳと散乱光Ｅｉｎの分離のために偏光ビームスプリッタ１００３を使用しているため、仮に測定光ＥＳおよび散乱光Ｅｉｎの偏波が変化してしまうと散乱光Ｅｉｎが偏光ビームスプリッタ１００３によって反射されず、散乱光Ｅｉｎの受信パワーが低下し誤測定を招く恐れがある。高いパワーで散乱光Ｅｉｎを受信するためには、偏光ビームスプリッタ１００３の反射直前の散乱光Ｅｉｎの偏波が測定光ＥＳの偏波に対して完全に直交していなければならない。
【0011】
しかし、一般的にシングルモードファイバーの場合は光ファイバーのランダムな複屈折部分布により光の偏波を保持することは困難である。特に、センサヘッド１００５の手前の光ファイバーを長延化し遠方の対象物２００の振動を測定する場合、光ファイバーの長延化によって偏波はほとんど保持されなくなってしまうと考えられる。
【0012】
工場やプラント内設備の予知保全用途やインフラ・ストラクチャーの点検用途への応用を考慮するとセンサヘッド１００５の光ファイバーの長延化は必須である。したがってレーザードップラー振動計においては、光の偏波に依存せず振動の測定が可能な偏波無依存化手段を実装する必要がある。
【0013】
そこで、従来の偏波無依存化手法として、非特許文献１「コヒーレント光通信：歴史的展望と将来の方向性」に記載のデジタルコヒーレント光受信機におけるホモダイン検波系を、上記の光位相検出回路１００７、受光器群１００８、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１００９及び信号処理回路１０１０に適用した場合について説明する。
【0014】
ホモダイン検波系において得られる散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯの複素信号はそれぞれ以下の式（１）、（２）の式で表される。
【0015】
【数1】
【0016】
ここで、ω（搬送波）を測定光周波数としたとき、Ａｓ、ＡＬＯはそれぞれ散乱光Ｅｉｎ、局発光ＥＬＯの複素振幅である。また、φ（ｔ）は変調成分でありレーザードップラー振動計では対象物２００の振動によるドップラー効果由来の位相変動に相当する。αはｘ偏波とｙ偏波のパワー比（０≦α≦１）である。δはｘ偏波とｙ偏波の位相差であり光ファイバーの複屈折から生じる時変パラメータである。
【0017】
ここで、二つのパラメータαとδを消去しφ（ｔ）を求めることが偏波無依存化に相当する。すなわち、図１の光位相検出回路１００７（図３の散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯのそれぞれをｘ偏波とｙ偏波を分ける２つの偏光ビームスプリッタＰＢＳ－１，ＰＢＳ－２と９０°光ハイブリッドＯＨ－１，ＯＨ－２）から出力される散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯの干渉光が、受光器群１００８（図３のバランス型受光器ＰＤ１～ＰＤ４）によって光電変換される。
【0018】
ここで、図３に示すように、散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯは、それぞれ偏光ビームスプリッタＰＢＳ－１，ＰＢＳ－２によって二つの偏波成分のｘ偏波Ｅｉｎｘ，ＥＬＯｘとｙ偏波Ｅｉｎｙ，ＥＬＯｙに分離される。散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯのｘ偏波Ｅｉｎｘ，ＥＬＯｘとｙ偏波Ｅｉｎｙ，ＥＬＯｙは、それぞれ、偏波成分ごとにｘ偏波用及びｙ偏波用の９０°光ハイブリッドＯＨ－１及びＯＨ－２の２つの入力に供給される。
【0019】
そして、ｘ偏波用の９０°光ハイブリッドＯＨ－１は、散乱光Ｅｉｎのｘ偏波Ｅｉｎｘと局発光ＥＬＯのｙ偏波ＥＬＯｙとを合波し、位相反転した２つの干渉波である干渉波ペア（下記の（２－１）～（２－４）式）を４組生成する。
【0020】
【数2】
【0021】
４組の干渉波ペアを偏波成分ごとにｘ偏波用バランス型受光器ＰＤ１，ＰＤ２とｙ偏波用のバランス型受光器ＰＤ３，ＰＤ４の各２つの入力に供給される。バランス型受光器ＰＤ１～ＰＤ４の各々は、２つの入力のフォトダイオードを備え、トランスインピーダンスアンプ（図示せず）を備える。
【0022】
図３に示すように、受光器群１００８の４組のバランス型受光器ＰＤ１～ＰＤ４はその各フォトダイオードの光応答電流の平均電流ＩＰＤ１，ＩＰＤ２，ＩＰＤ２，ＩＰＤ２をＡＤＣ１００９へ出力する。
【0023】
ＡＤＣ１００９において、デジタル演算処理を行い散乱光と局発光における位相すなわち振動の情報である以下の式（３）の二つの偏波成分のｘ偏波とｙ偏波の複素振幅信号Ｉｘｃ、Ｉｙｃが得られる。
【0024】
【数3】
【0025】
ここでＰｓ、ＰＬＯはそれぞれ散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯのパワーである。また、Ｒは受光器の変換効率である。
【0026】
式（３）の複素信号をアナログ・デジタル変換器１００９でデジタル信号に変換すると、以下の（４）式が得られる。尚、簡略化のためにＲ、Ｐｓ、ＰＬＯの値を１とおいた。
【0027】
【数4】
【0028】
次に、以下の（５）式のように定義する比ｒ［ｋ］を算出する。
【0029】
【数5】
【0030】
ここでｋは時間ｔに代わるパラメータで、離散時刻を表す整数である。
【0031】
この値を用いて以下の（６）式の演算をする。
【0032】
【数6】
【0033】
ここで得られたＥ［ｋ］に対して以下の（７）式の演算を行いφ［ｋ］が求まり、振動の測定が可能となる。
【0034】
【数7】
【0035】
以上が従来の偏波無依存化の手法である。
【0036】
しかし上記手法では式（４）でＥｘとＥｙの比を取っているため、｜Ｅｙ｜の値がゼロに近いときｒが発散してしまう可能性がある。すると式（５）や式（６）で正確な値が算出されず正確な振動測定ができない恐れがある。また、従来の偏波無依存化では高価な９０°光ハイブリッドや４個のバランス型受光器などを必要とするため、コストがかかるだけでなく系が煩雑になるという問題点があった。
【0037】
本発明は、上記した従来の課題に鑑みなされたものであり、すなわち、｜Ｅｙ｜が著しく小さいときでも偏波無依存化を可能にし、且つ９０°光ハイブリッドやバランス型受光器などの高価かつ多数の光学素子を使用せずに偏波無依存化を可能にしたレーザードップラー振動計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】
【0038】
本発明のレーザードップラー振動計は、レーザー源からのレーザー光を２分岐して一方のレーザー光を測定光として他方のレーザー光を周波数変調して局発光とする光生成部と、
前記光生成部からの前記測定光を測定対象に照射し、且つ該測定対象で反射する散乱光を受光するセンサヘッドと、
前記散乱光と前記局発光とを干渉させてコヒーレント受信する光信号処理部と、を有し、
前記光信号処理部は、
前記散乱光と局発光が干渉した干渉光の偏波面を４５°回転させる旋光子と、
前記旋光子により旋光された干渉光を直交する二成分の偏波に分離して出力する光学素子と、
前記光学素子から出力された前記二成分の各偏波の各々を光電変換して前記二成分の偏波に対応する電気信号を出力するシングルエンドの受光器と、
前記受光器から出力された前記二成分の各偏波に対応する電気信号から高周波成分を除去するローパスフィルタを備え、当該ローパスフィルタの出力信号に基づき生成されたジョーンズベクトルを直線偏光成分信号に変換する回転行列を作用させる演算をして前記直線偏光成分信号から振動信号を出力する信号処理回路と、
を有することを特徴とする。
前記光生成部からの前記測定光を測定対象に照射し、且つ該測定対象で反射する散乱光を受光するセンサヘッドと、
前記散乱光と前記局発光とを干渉させてコヒーレント受信する光信号処理部と、を有し、
前記光信号処理部は、
前記散乱光と局発光が干渉した干渉光の偏波面を４５°回転させる旋光子と、
前記旋光子により旋光された干渉光を直交する二成分の偏波に分離して出力する光学素子と、
前記光学素子から出力された前記二成分の各偏波の各々を光電変換して前記二成分の偏波に対応する電気信号を出力するシングルエンドの受光器と、
前記受光器から出力された前記二成分の各偏波に対応する電気信号から高周波成分を除去するローパスフィルタを備え、当該ローパスフィルタの出力信号に基づき生成されたジョーンズベクトルを直線偏光成分信号に変換する回転行列を作用させる演算をして前記直線偏光成分信号から振動信号を出力する信号処理回路と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、従来の９０°光ハイブリッドやバランス型受光器を用いずに且つ一方の偏波成分の強度がゼロ近傍になったときでも偏波無依存化を可能にするために、レーザードップラー振動計における散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯの干渉部分に光カプラ、ファラデー回転子、偏光ビームスプリッタ、シングルエンドの受光器を設け、且つ得られたジョーンズベクトルに対してｘ偏波成分に変換する回転行列を作用させることによって、従来よりも安価且つ簡素な構成で一方の偏波成分の強度に依存せずに偏波無依存化を可能にするとともに、高精度な振動測定に可能にし、レーザードップラー振動計のセンサヘッド手前の光ファイバーを長延化し遠方の対象物の振動測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】一般的なレーザードップラー振動計の構成の一例を示す概略説明図である。
【図3】一般的なレーザードップラー振動計の２つの偏光ビームスプリッタと２つの９０°光ハイブリッドと４つの受光器群を説明する説明図ある。
【図4】本発明の実施例のレーザードップラー振動計の構成例の一例を示す概略説明図である。
【図5】本実施例のレーザードップラー振動計のデジタル信号処理におけるジョーンズベクトルの変換の様子を示すポアンカレ球面を説明する説明図ある。
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下、本発明の実施例によるレーザードップラー振動計について、図面を参照して説明する。さらに、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0042】
（構成の説明）
図４は、本実施例のレーザードップラー振動計の構成例の一例を示す概略説明図である。なお、図中の実線は、例えば、光ファイバー等の光配線を示し、破線は、例えば、導電体等の電気配線を示す。
図４は、本実施例のレーザードップラー振動計の構成例の一例を示す概略説明図である。なお、図中の実線は、例えば、光ファイバー等の光配線を示し、破線は、例えば、導電体等の電気配線を示す。
【0043】
本実施例のレーザードップラー振動計は、光処理回路として、レーザー光源３００１、光カプラ３００２、サーキュレータ３００３、センサヘッド３００４、周波数シフタ３００５、光カプラ３００６、ファラデー回転子３００７及び光ビームスプリッタ３００８と、光処理回路として、受光器３００９－１，３００９－２、アナログ・デジタル変換器３０１０及び信号処理回路３０１１とを備える。
【0044】
レーザー光源３００１は中心周波数ｆ０で発振するレーザー光を発生する。レーザー光源３００１には、対象物２００に応じて、例えば、線幅が数１００ｋＨｚ（線幅１００ｋＨｚでコヒーレント長３ｋｍ）以下の連続光光源や、線幅１～１０ＭＨｚ（コヒーレント長３００ｍ～３０ｍ）程度のＤＦＢ（Distributed Feedback ）レーザー等を使用できる。
【0045】
光カプラ３００２は、レーザー光源３００１が出射する連続レーザー光を２分岐し、一方の光を周波数シフタ３００５に出射し、他方をサーキュレータ３００３に出射する無偏光ビームスプリッタである。一方のサーキュレータ３００３へのレーザー光は測定すべき対象物２００に照射するための測定光ＥＳ、他方の周波数シフタ３００５へのレーザー光は対象物２００から戻る散乱光Ｅｉｎと干渉させるための局発光ＥＬＯ（局部発振光）として用いられる。光カプラ３００２のパワー分岐比は、受光器３００９－１，３００９－２に適切なパワーの局発光を入力し、且つ対象物２００からの散乱光のＳＮ比を大幅に劣化させないように選択される。
【0046】
サーキュレータ３００３は、光カプラ３００２が出射する測定光ＥＳをセンサヘッド３００４に接続する光ファイバーに出射すると共に、センサヘッド３００４から戻る散乱光Ｅｉｎを受光し、９０°光ハイブリッドＯＨ－１，ＯＨ－２に出射する光学素子である。
【0047】
センサヘッド３００４は、その内部にコリメートレンズ（図示せず）を備えている。測定光ＥＳを空間に放出し、空間を伝搬した光を光ファイバーに結合させる場合、ファイバーコリメータでもよい。センサヘッド３００４は、測定光ＥＳを対象物２００に向けて照射し、対象物２００の表面で拡散した散乱光Ｅｉｎの一部を取り込む。センサヘッド３００４が可動となるように、サーキュレータ３００３との間は光ファイバーで接続されている。
【0048】
周波数シフタ３００５は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）であり、駆動信号の高い周波数（４０ＭＨｚ～４００ＭＨｚ、例えば、８０ＭＨｚ）の高周波電力を供給することにより、レーザー光が通過する結晶（例えば、ＰｂＭｏＯ４）に超音波による回折格子が形成される。該結晶を通過中に、レーザー光は、回折角だけ偏向すると共に、光周波数が周波数ｆ０からｆｓｈｉｆｔだけシフトする局発光ＥＬＯを生成する。
【0049】
光カプラ３００６は、周波数シフタ３００５からの局発光ＥＬＯとサーキュレータ３００３からの散乱光Ｅｉｎと合波する無偏光ビームスプリッタである。光カプラ３００６のパワー分岐比は、受光器３００９－１，３００９－２に適切なパワーの局発光を入力し、且つ対象物２００からの散乱光のＳＮ比を大幅に劣化させないように選択される。
【0050】
ファラデー回転子３００７は、YIG、BiYGのような強磁性体結晶体からなり、該結晶体の磁場中で光が磁場方向に進むとその偏光面（偏波面）を回転させる光学素子である。なお、ファラデー回転子３００７には、その周囲に該ファラデー回転子に磁気力を加えて該ファラデー回転子による回転角を変化させる磁気印加手段（図示せず）を設けてもよい。
【0051】
本実施例では、“ランダムな偏波状態で得られる散乱光Ｅｉｎ”と“直線偏波で得られる局発光ＥＬＯ”の干渉によって得られる干渉光を、局発光ＥＬＯの偏波面に対して＋４５度の成分と局発光ＥＬＯの偏波面に対して－４５度の成分に分離（直交偏波分離）することを実現している。散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯをただ干渉させるだけだと、それぞれの偏波が直交した場合に干渉が起こらないという問題が発生しまうが、本実施例の構成を施すことによって、散乱光Ｅｉｎがどのような偏波状態であっても分離後のどちらかの成分において必ず干渉させることができる。干渉を実現するためには、散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯの干渉光を偏光ビームスプリッタ３００８の偏波面に対して４５度傾けて入射する必要があり、４５度傾けるための手段としてファラデー回転子を利用している。なお、偏光ビームスプリッタ３００８の偏波面に対して４５度傾けて入射することができる旋光子の光学素子を用いてもよい。ちなみに偏光ビームスプリッタ３００８で分離した成分が後の（３）式のＩｘｃとＩｙｃになります。
【0052】
偏光ビームスプリッタ３００８は、ランダム偏光の光をｓ偏光の反射光とｐ偏光の透過光（ｘ偏波とｙ偏波）に各々分割し、分割した偏波はどちらも偏光状態になる光学素子である。
【0053】
受光器３００９－１，３００９－２の各々は、１つのフォトダイオードを備えるが、トランスインピーダンスアンプ（図示せず）を備えてもよい。
【0054】
アナログ・デジタル変換器（ADC）３０１０は、デジタル・シグナル・プロセッサ（DSP：Digital Signal Processor）をも含み、アナログ電気信号をデジタル化して、フィルタリングや解析、伝送のための算術演算を高速に実行するプロセッサである。ADC３０１０は、加算、減算、乗算、除算などの数学関数を特に高速に実行するためにFPGA（Field Programmable Gate Array）で設計されていてもよい。
【0055】
信号処理回路３０１１は、ADC３０１０の演算結果を所望の振動測定の結果を装置のインターフェイス（図示せず）に出力する回路である。
【0056】
本実施例では制御部（図示せず）を備え、制御部がＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、内蔵する記憶部（FROM）に格納された計測プログラムを実行することにより、装置のインターフェイス（図示せず）から受け付けた操作命令に基づいて、制御信号や駆動信号によりレーザー光源３００１や周波数シフタ３００５を制御する。これにより、使用者による計測スイッチの押下や、周期的な割込発生などによっても装置を起動できる。
【0057】
本実施例は、レーザー光の送光及び受光手段においてサーキュレータ３００３を使用し且つ２つの受光器３００９－１，３００９－２で受光することで実装が可能である。また、干渉部に、高価な９０°光ハイブリッドやバランス型受光器の代わりに光カプラ３００２、ファラデー回転子３００７を設け、干渉光の偏波分離部に、偏光ビームスプリッタ３００８をシングルエンドの受光器３００９－１，３００９－２を使用しているので、安価となる。本実施例では受光器の数が従来のものより減り構成が簡素となる。
【0058】
中心周波数ｆ０で発振するレーザー光源３００１から出射した直線偏光の連続光は、光カプラ３００２により分岐され、一方は対象物２００に照射するための測定光ＥＳ、もう一方は散乱光Ｅｉｎと干渉させるための局発光ＥＬＯとして用いられる。測定光ＥＳはサーキュレータ３００３を通過後、センサヘッド３００４によって空間に出射され対象物２００に照射される。
【0059】
対象物２００から生じた散乱光Ｅｉｎの一部はセンサヘッド３００４によって捕捉され、サーキュレータ３００３を通過し光カプラ３００６に入射される。一方、局発光ＥＬＯは周波数シフタ３００５によってｆｓｈｉｆｔだけ周波数シフトし出力され光カプラ３００６に入射される。散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯは光カプラ３００６で合波され干渉光となる。
【0060】
光カプラ３００６から出力される干渉光は、ファラデー回転子３００７によって偏波面が４５°回転され、偏光ビームスプリッタ３００８によって直交偏波成分（ｘ偏波とｙ偏波）に分離される。
【0061】
直交したそれぞれの干渉光のｘ偏波とｙ偏波はそれぞれ受光器３００９－１，３００９－２によって光電変換され、それらの出力はＡＤＣ３０１０へ出力される。
【0062】
受光器３００９－１，３００９－２では散乱光と局発光における位相すなわち振動の情報である以下の式（３ａ）の二つの偏波成分のｘ偏波とｙ偏波の振幅信号E’ｘ、E’ｙが得られる。
【0063】
【数8】
【0064】
ここでＰｓ、ＰＬＯはそれぞれ散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯのパワーである。また、Ｒは受光器の変換効率である。
【0065】
式（３ａ）の振幅信号をＡＤＣ３０１０でデジタル信号に変換すると、以下の（８）式が得られる。尚、簡略化のためにＲ、Ｐｓ、ＰＬＯの値を１とおき、｜Ｅｘ｜２＋｜Ｅｙ｜２＝１となるように規格化した。
【0066】
【数9】
【0067】
ここでＰ’はパワー、ωは周波数シフタ３００５による角周波数シフト量（ω＝２πｆｓｈｉｆｔ）、φは対象物の振動による位相変動、αはｘ偏波とｙ偏波のパワー比、δはｘ偏波とｙ偏波の位相差である。
【0068】
図４のアナログ・デジタル変換器３０１０にて行われる演算において、式（８）にｅｘｐ（－ｊωｔ［ｋ］）を乗じローパスフィルタによって高周波成分を除去すると以下の（９）式の信号が得られる。
【0069】
【数10】
【0070】
式（９）のように任意の振幅をｘ軸、ｙ軸方向の振幅へ分解し表現したものはジョーンズベクトルと呼ばれる。式（９）のジョーンズベクトル（Ｅｘ，Ｅｙ）Ｔに下記の式（１０）のパウリのスピン行列δ１、δ２、δ３を作用させ、下記の式（１１）のようにポアンカレ球面上のストークパラメーターＳ＝（ｓ１，ｓ２，ｓ３）に変換する（非特許文献２、参照）。
【0071】
【数11】
【0072】
【数12】
【0073】
この変換により光の任意の偏波状態を可視化することができる。例えばストークスパラメーターが（１，０，０）のときはｘ軸に平行な直線偏光を表し、（０，１，０）のときはｘ軸に対し４５°傾いた直線偏光、（０，０，１）のときは右回りの円偏光を表す。
【0074】
得られたストークスパラメーターを直交座標（ｓ１，ｓ２，ｓ３）から球面座標（ｒ，θ１，θ２）に変換し、方位角θ１と仰角θ２を用いて下記の式（１２）の回転行列（ジョーンズ行列）を作用させる。式（１２）の回転行列は任意のジョーンズベクトルを（Ｅｘ’，０）Ｔすなわちｘ軸に平行な直線偏光に変換する性質を持つ。またポアンカレ球面上では、任意の座標（ｓ１，ｓ２，ｓ３）を（１，０，０）すなわちｘ成分のみの直線偏光に変換する性質を持つ［非特許文献２、参照］。
【0075】
したがって式（９）のジョーンズベクトルＥに下記の式（１２）の回転行列を作用させることで、下記の式（１３）のジョーンズベクトルＥ’が得られる。ＥからＥ’への変換の様子をポアンカレ球面上で表した様子を図５に示す。
【0076】
【数13】
【0077】
【数14】
【0078】
式（１３）によって得られたジョーンズベクトルは、ｙ偏波成分はゼロでｘ偏波成分のみ値を持つため、ｘ偏波成分に対して式（７）で示す偏角を算出し、φ［ｋ］を求めることが可能である。以上の手法で偏波無依存化が可能となる。
【0079】
このように本実施例によれば、光信号処理部は、光カプラ３００６、ファラデー回転子３００７及び光ビームスプリッタ３００８の光処理回路並びに受光器３００９－１，３００９－２及びアナログ・デジタル変換器３０１０の電気信号処理回路を備える。当該光処理回路において、旋光子であるファラデー回転子３００７が散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯが干渉した干渉光の偏波面を４５°回転させ、偏光ビームスプリッタ３００８が、旋光された干渉光を直交する二成分の偏波に分離する。そして、電気信号処理回路において、シングルエンドの受光器３００９が、分離された二成分の各偏波の各々を光電変換して二成分の偏波に対応する電気信号を出力し、アナログ・デジタル変換器３０１０が、出力された前記二成分の各偏波に対応する電気信号から高周波成分を除去するローパスフィルタを備え、当該ローパスフィルタの出力信号に基づき生成されたジョーンズベクトルを直線偏光成分信号に変換する回転行列を作用させる演算をして直線偏光成分信号から振動信号を出力する。
【0080】
（効果の説明）
従来の偏波無依存化の受信系の光信号処理部において、９０°光ハイブリッドやバランス型受光器を使用せず、且つ一方の偏波成分の強度に依存せずに偏波無依存化が可能となる。その結果従来よりも安価かつ簡素な構成で高精度な振動測定が可能となり、レーザードップラー振動計のセンサヘッド手前の可動の光ファイバーを長延化し遠方の対象物の振動測定することが可能となる。
従来の偏波無依存化の受信系の光信号処理部において、９０°光ハイブリッドやバランス型受光器を使用せず、且つ一方の偏波成分の強度に依存せずに偏波無依存化が可能となる。その結果従来よりも安価かつ簡素な構成で高精度な振動測定が可能となり、レーザードップラー振動計のセンサヘッド手前の可動の光ファイバーを長延化し遠方の対象物の振動測定することが可能となる。
【0081】
レーザードップラー振動計に適用した例を説明したがセンサヘッド部分を光ファイバーにすれば光ファイバーセンサにも適用可能である。
【0082】
レーザードップラー振動計において、散乱光Ｅｉｎと局発光ＥＬＯの干渉部分に光カプラ、ファラデー回転子、偏光ビームスプリッタ、シングルエンドの受光器を設け、且つ得られたジョーンズベクトルに対してｘ偏波成分に変換する回転行列を作用させることによって、従来よりも安価且つ簡素な構成で一方の偏波成分の強度に依存せずに偏波無依存化を可能にする。
【符号の説明】
【0083】
３００１ レーザー光源
３００２、３００６ 光カプラ
３００３ サーキュレータ
３００４ センサヘッド
３００５ 周波数シフタ
３００７ ファラデー回転子
３００８ 光ビームスプリッタ
３００９－１，３００９－２ 受光器
３０１０ アナログ・デジタル変換器
３０１１ 信号処理回路
３００２、３００６ 光カプラ
３００３ サーキュレータ
３００４ センサヘッド
３００５ 周波数シフタ
３００７ ファラデー回転子
３００８ 光ビームスプリッタ
３００９－１，３００９－２ 受光器
３０１０ アナログ・デジタル変換器
３０１１ 信号処理回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】