特許 6866723 振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法

(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】6866723

(24)【登録日】2021年4月12日

(45)【発行日】2021年4月28日

(54)【発明の名称】振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法

(51)【国際特許分類】

   G01V 8/16 20060101AFI20210419BHJP

   G08B 13/186 20060101ALI20210419BHJP

   G08B 13/02 20060101ALI20210419BHJP

   G01H 9/00 20060101ALI20210419BHJP

【ＦＩ】

   G01V8/16

   G08B13/186

   G08B13/02 A

   G01H9/00 E

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-62205(P2017-62205)

(22)【出願日】2017年3月28日

(65)【公開番号】特開2018-165629(P2018-165629A)

(43)【公開日】2018年10月25日

【審査請求日】2019年11月15日

(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】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】神田 祥宏

【審査官】 櫃本 研太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０４３２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４７６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８５９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０３２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２４４０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０４８２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５０５４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２０７４０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６３−１７４４３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｖ １／００−９９／００

Ｇ０１Ｈ １／００−１７／００

Ｇ０８Ｂ １３／００−１５／０２

Ｇ０１Ｄ ５／２６−５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プローブ光として、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換えられる光パルスを生成するプローブ光供給部と、
前記プローブ光が入力される光ファイバと、
前記プローブ光が前記光ファイバで反射された反射光の、偏光状態を測定する反射光用偏光計と、
前記反射光用偏光計が測定した偏光状態を用いて、振動の位置の特定を行う演算器と
を備え、
前記演算器は、
前記偏光状態を表すストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）の時間発展を示す式（１）で与えられる、前記ストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）に回転を与える角速度ベクトルω_ｂについて、前記角速度ベクトルω_ｂの長さであるＤＡＶ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を算出し、
前記ＤＡＶを用いて振動の位置の特定を行う
ことを特徴とする振動検知光ファイバセンサ。

【数1】

【請求項2】

さらに、
前記プローブ光が前記光ファイバを透過した透過光の、偏光状態を測定する透過光用偏光計
を備え、
前記演算器は、前記透過光用偏光計が測定した偏光状態から算出される前記ＤＡＶを用いて、振動の有無の検知を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検知光ファイバセンサ。

【請求項3】

前記プローブ光供給部が生成した前記プローブ光を前記光ファイバに送り、前記光ファ
イバで反射された前記反射光を前記反射光用偏光計におくる光サーキュレータ
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動検知光ファイバセンサ。

【請求項4】

前記プローブ光供給部は、
連続光を生成するレーザ光源、
前記連続光を光パルス化する強度変調器、及び、
前記光パルス化された光パルスの偏光方向を、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換える偏波スイッチ
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動検知光ファイバセンサ。

【請求項5】

プローブ光として、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換えられる光パルスを生成する過程と、
前記プローブ光を光ファイバに入力する過程と、
前記プローブ光が前記光ファイバで反射した反射光の、偏光状態を測定する過程と、
前記測定した反射光の偏光状態を用いて、振動の位置の特定を行う過程と
を備え、
前記振動の位置の特定を行う過程では、
前記偏光状態を表すストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）の時間発展を示す式（１）で与えられる、前記ストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）に回転を与える角速度ベクトルω_ｂについて、前記角速度ベクトルω_ｂの長さであるＤＡＶ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を算出し、
前記ＤＡＶを用いて振動の位置の特定を行う
ことを特徴とする振動検知方法。

【数2】

【請求項6】

さらに、
前記プローブ光が前記光ファイバを透過した透過光の、偏光状態を測定する過程
を行い、
前記透過光の偏光状態から算出される前記ＤＡＶを用いて、振動の有無の検知を行う
ことを特徴とする請求項５に記載の振動検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光ファイバの複屈折の時間変動を観測して、この光ファイバに外部から加えられた振動を検知し、その振動位置を特定する振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

発電所や工場などの大型の施設にとって、人の不法な侵入行為を検知することは極めて重要である。このため、施設の外周のフェンス等に設けられる、侵入行為を検知するセンサは重要な役割を担っている。

【0003】

特に、外周の長さが１ｋｍを超えるような距離の侵入検知センサには、光ファイバの低損失性を活用した侵入検知センサが利用されている。

【0004】

光ファイバに外部から振動が加えられると、光ファイバから出力される光波の偏光状態が時間変化する。この原因は、振動に伴う光ファイバの複屈折性（複屈折の固有軸と複屈折によって発生する直交偏光軸間の位相差）の時間変化であり、この結果として出力光波の偏光状態（ＳＯＰ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の時間変化が観測される。フェンス等に光ファイバを張り付け、この光ファイバにプローブ光を入力し、出力されるプローブ光の偏光状態の時間変化を観察すれば、フェンス等の振動を検知できる（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

侵入検知センサとして用いられる振動検知光ファイバセンサで重要な機能は主に２つある。１つは、風などの侵入行為以外の原因で光ファイバに伝わる振動に起因する誤検知を低減することであり、もう１つは、侵入行為が発生した位置を特定することである。

【0006】

特許文献１に開示されている方法では、施設外周のフェンスに光ファイバをループ状に設置し、プローブ光を、ループ状に配置された光ファイバに、右回り及び左回りに伝播するように入力する。そして、右回りに伝播するプローブ光と、左回りに伝播するプローブ光の偏光状態の時間変化率を求める。ここで、偏光状態の時間変化率は、光波の偏光状態を表すストークスベクトルの回転率を意味する。

【0007】

光ファイバに入力された光波は、１ｍ伝播するのにおよそ５ｎｓの時間がかかるので、ループ状の光ファイバに加わる振動位置によって、右回りと左回りの伝搬光の偏光状態の時間変化の開始時刻に差異が生じる。このため、偏光状態の時間変化の開始時刻に基づき振動位置を特定できる。

【0008】

また、偏光時間領域反射率測定法（ＰＯＴＤＲ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍｅｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を利用した光ファイバセンサもある（例えば、非特許文献１参照）。これは、偏光状態を利用した時間領域反射率測定法（ＯＴＤＲ）である。光ファイバに光パルスを入力すると、光パルスの入力端に、光パルスの伝搬に要する時間遅延を伴った反射光が観測される。

【0009】

光ファイバに振動が加わると、光ファイバの複屈折性が変化する。反射光の偏光状態は、複屈折性に依存する。このため、偏光子を介して反射光の時間変化を観測することで、光パルスが光ファイバの振動の影響を受けた位置を特定できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００８−２０３２３９号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Z. Zhang and X. Bao, "Distributed optical fiber vibration sensor based on spectrum analysis of polarization-OTDR", Optics Express, Vol.16, No.14, pp.10240-10247

【非特許文献2】Y. Kanda and H. Murai, “Novel extraction method of the maximum variation-rate of State-of-Polarization vector from time-varying birefringence,”OFC2016, W2A.21

【非特許文献3】R. M. Jopson, L. E. Nelson, and H. Kogelnik, “Measurement of Second-Order Polarization-Mode Dispersion Vectors in Optical Fibers,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 11, No. 9, (1999), pp. 1153-1155

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上述した方法は、いずれも光ファイバから出力される光波の偏光状態の時間変化によって振動等による応力変動を検知する方法である。しかしながら、光ファイバから出力される光波の偏光状態の時間変化は、振動によって変化する光ファイバの複屈折の固有軸の方向と、振動点へ入射される伝搬光の偏光状態の双方に依存する。一般に、光ファイバを伝搬する光波の偏光状態はランダムであり、光ファイバの複屈折の時間変化もこの光ファイバの振動の加わり方に依存する。例えば、光波が、光ファイバの複屈折に関する固有軸にカップリングするように入力された場合は、出力される光波の偏光状態は変化しない。

【0013】

上述の依存性のため、偏光状態の時間変化を観測するのみでは、例え等しい振動に対しても等しい結果が得られない。したがって、出力される光波の偏光状態の時間変化を観測するだけでは、検知対象である異常な振動の見逃しや、誤検知につながる。また、振動位置の特定精度が損なわれる。

【0014】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。

【0015】

この発明の目的は、光ファイバを伝搬する伝搬光の偏光状態に依存せずに、光ファイバの振動に伴う複屈折の変化を捉えることが可能な振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上述の目的を達成するため、この発明の振動検知光ファイバセンサは、プローブ光供給部と、光ファイバと、反射光用偏光計と、演算器とを備えて構成される。

【0017】

プローブ光供給部は、プローブ光として、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換えられる光パルスを生成する。光ファイバには、プローブ光が入力される。反射光用偏光計は、プローブ光が光ファイバで反射された反射光の、偏光状態を測定する。演算器は、反射光用偏光計が測定した偏光状態を用いて、振動の位置の特定を行う。

【0018】

また、この発明の振動検知光ファイバセンサの好適実施例によれば、さらに、透過光用偏光計を備える。透過光用偏光計は、プローブ光が光ファイバを透過した透過光の、偏光状態を測定する。演算器は、透過光用偏光計が測定した偏光状態を用いて、振動の有無の検知を行う。

【0019】

また、この発明の振動検知方法は、以下の過程を備えて構成される。プローブ光として、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換えられる光パルスを生成する。プローブ光を光ファイバに入力する。プローブ光が光ファイバで反射した反射光の、偏光状態を測定する。測定した反射光の偏光状態を用いて、振動の位置の特定を行う。

【0020】

また、この発明の振動検知方法の好適実施例によれば、さらに、プローブ光が光ファイバを透過した透過光の、偏光状態を測定する過程を行う。そして、透過光の偏光状態を用いて、振動の有無の検知を行う。

【発明の効果】

【0021】

この発明の振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法は、プローブ光として、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換えられる光パルスを用いて、複屈折性の時間変化の固有値から求まるＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（ＤＡＶ）を利用している。このため、入射光の偏光状態に依存しない振動検知が可能になる。また、反射光のＤＡＶから振動の位置を特定することができる。

【0022】

さらに、透過光のＤＡＶを用いれば、振動の有無を感度良く検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】振動検知光ファイバセンサの概略的構成を示すブロック構成図である。

【図2】透過光を利用した振動に関するＤＡＶを測定した例を示す図である。

【図3】反射光を利用した振動位置の特定方法について説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎず、また、単なる好適例に過ぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0025】

また、明細書における説明においてベクトル量を扱うが、ベクトル量を表す文字の上に付する右向き矢印は、混乱が生じない範囲で省略することがある。

【0026】

（振動検知光ファイバセンサ）
図１を参照して、振動検知光ファイバセンサの実施形態について説明する。図１は、振動検知光ファイバセンサの概略的構成を示すブロック構成図である。この振動検知光ファイバセンサは、プローブ光供給部１０、光ファイバ２０、光サーキュレータ４０、及び、偏光状態計測部３０を備えて構成される。

【0027】

プローブ光供給部１０は、プローブ光として、直交する偏光方向に、周期的に交互に切り換えられる光パルスを生成する。このプローブ光供給部１０は、例えば、レーザ光源１２、強度変調器１４、偏波スイッチ１６及び関数発生器１８を備えて構成される。

【0028】

関数発生器１８は、矩形状の電気パルスを生成する。この電気パルスは、強度変調器１４及び偏波スイッチ１６に送られる。関数発生器１８が生成する、強度変調器１４へ供給される電気パルスは、例えば、１００ｎｓｅｃ幅で、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ（周期１００μｓｅｃ）である。

【0029】

また、関数発生器１８が生成する、偏波スイッチ１６へ供給される電気パルスは、繰り返し周波数が強度変調器１４へ供給する電気パルスの半分の繰り返し周波数とする。例えば、強度変調器１４へ供給する電気パルスの繰り返し周波数を１０ｋＨｚとした場合、偏波スイッチ１６へ供給する電気パルスの繰り返し周波数は５ｋＨｚとする。

【0030】

レーザ光源１２は、連続（ＣＷ）光を生成する。このＣＷ光は、強度変調器１４に送られる。

【0031】

強度変調器１４は、ＣＷ光を電気パルスで光パルス化して、光パルスを生成する。この光パルスは、偏波スイッチ１６に送られる。強度変調器１４が生成する光パルスは、関数発生器１８が生成する電気パルスと同じく、１００ｎｓｅｃ幅で、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ（周期１００μｓｅｃ）である。

【0032】

偏波スイッチ１６は、電気パルスの周期で光パルスの偏光方向を、互いに直交する方向に、周期的に交互に切り換える。

【0033】

例えば、関数発生器１８から偏波スイッチ１６に供給される電気パルスのピーク間電圧Ｖｐｐを、偏波スイッチ１６から出力される光波の直交偏光軸間の位相差がπとなる印加電圧Ｖπの半分（Ｖｐｐ＝Ｖπ／２)とする。この条件を満たす電気パルスを供給して偏波スイッチ１６を駆動すれば、偏波スイッチ１６から出力される光パルスの偏光状態は、時間的に交互に直交した偏光状態にスイッチされる偏波スイッチ光となる。

【0034】

これにより、偏波スイッチ１６からは、偏光状態が時間の経過とともに互いに直交する２つの偏光状態に交互にスイッチされた光パルスである偏波スイッチ光が出力される。この例では、偏波スイッチ光の繰り返し周波数が５ｋＨｚ（周期２００μｓｅｃ）になる。

【0035】

一般に、光ファイバに伝わる機械的な振動の周波数は１００Ｈｚ未満である。この例では、偏波スイッチ１６で５ｋＨｚの偏波スイッチ光が生成される。この偏波スイッチ光の周波数は、光ファイバに伝わる機械的な振動の周波数と比較して十分大きいので、機械的な振動に対してほぼ等しい時刻に２つの異なる偏光状態の光パルスが、光ファイバに入力されるとみなすことができる。

【0036】

偏波スイッチ１６は、例えば、ニオブ酸リチウムを利用した偏波変調器を利用するのが好適であるが、偏光状態を時間の経過とともに互いに直交する２偏光状態に交互にスイッチできるデバイスであれば利用できる。例えば、電気光学効果を利用する偏波ローテータ、磁気光学効果を利用する偏波ローテータ、あるいは機械駆動式の１／２波長板を利用することもできる。

【0037】

なお、ここでは、偏光状態を時間の経過とともに互いに直交する２偏光状態に交互にスイッチする場合を説明するが、２つの偏光状態は、互いに異なる偏光状態であれば良く、必ずしも直交していなくてもよい。

【0038】

偏波スイッチ１６が生成した偏波スイッチ光はプローブ光として、光サーキュレータ４０を経て光ファイバ２０に送られる。

【0039】

光ファイバ２０に送られたプローブ光は、光ファイバ２０を伝播し、透過光として偏光状態計測部３０に送られる。また、光ファイバ２０に送られたプローブ光の一部は、光ファイバ２０で反射され、反射光として偏光状態計測部３０に送られる。

【0040】

偏光状態計測部３０は、反射光用偏光計３２、透過光用偏光計３４、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３６及び演算器３８を備えて構成される。

【0041】

反射光用偏光計３２は、偏光状態計測部３０に送られた反射光のストークスパラメータを取得する。反射光のストークスパラメータは、Ａ／Ｄ変換器３６に送られる。

【0042】

透過光用偏光計３４は、偏光状態計測部３０に送られた透過光のストークスパラメータを取得する。透過光のストークスパラメータは、Ａ／Ｄ変換器３６に送られる。

【0043】

反射光用偏光計３２及び透過光用偏光計３４は、ストークスパラメータの時間依存性を観測できるものであればよく、その測定速度帯域は光ファイバ２０のストークスベクトルの時間依存性の偏波変動速度に対してサンプリング定理(標本化定理)を満たしていればよい。

【0044】

Ａ／Ｄ変換器３６は、アナログ信号として取得されたストークスパラメータをデジタル信号に変換する。

【0045】

ここで、Ａ／Ｄ変換器３６の標本化周波数は、関数発生器１８で発生する電気パルスに対して、標本化定理を満たす周波数であればよい。標本化定理とは、アナログ信号をデジタル信号へと変換する際に、どの程度の間隔で標本化(サンプリング)すればよいかを定量的に示す定理である。ここでは、関数発生器１８で発生する電気パルスのパルス幅を１００ｎｓｅｃとしたので、例えば、４０ＭＳ／ｓｅｃ（Ｍｅｇａ Ｓａｍｐｌｉｎｇ／ｓｅｃｏｎｄ）程度の標本化周波数を利用すればよい。

【0046】

Ａ／Ｄ変換器３６で変換されたデジタル信号は、演算器３８に送られる。

【0047】

演算器３８は、デジタル信号に変換されたストークスパラメータを用いて、ＤＡＶを算出する。演算器３８は、透過光のストークスパラメータから算出されたＤＡＶを用いて、異常な振動の有無を検知する。また、異常な振動が検知された場合に、演算器３８は、反射光のストークスパラメータから算出されたＤＡＶを用いて、振動の位置を特定する。演算器３８としては、例えば、ＤＡＶの算出及び振動の位置の特定を行うソフトウエアがインストールされた市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を利用できる。

【0048】

（ＤＡＶの算出方法）
ＤＡＶの算出方法について説明する。

【0049】

光ファイバから出力される光波の偏光状態の時間発展は、以下の式（１）で与えられる（例えば、非特許文献２参照）。

【0050】

【数1】

【0051】

ここで、ｓ_ｏｕｔ（ｔ）は、光ファイバへ入力される任意の光波に対して、時刻ｔにおいてこの光ファイバから出力される光波の偏光状態を表す３行１列のストークスベクトルである。ここで、ｔは光ファイバの出力端において定義される時刻である。

【0052】

角速度ベクトルω_ｂは、複屈折の時間変化を反映する光ファイバ固有の特性であり、微小な時間幅ｄｔ内でストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）に、角速度ベクトルω_ｂの向きを中心とする回転を与える、３行１列の実ベクトルである。一方、光ファイバから出力される光波の偏光状態ｓ_ｏｕｔ（ｔ）は、光ファイバに入力される光波の偏光状態に依存する。この偏光状態を表すストークスベクトルの先端は、光ファイバへの入射偏光状態に依存してポアンカレ球面上のあらゆる点を通り得る。

【0053】

ここで、重要な点は、角速度ベクトルω_ｂは光ファイバの固有の複屈折の時間変化を示すものであり、入力される光波の偏光状態に依存しないことである。すなわち、光ファイバから出力される光波の偏光状態ｓ_ｏｕｔ（ｔ）は、光ファイバに入力される光波の偏光状態に依存するのに対し、角速度ベクトルω_ｂは入力される光波の偏光状態に依存しない。このため、角速度ベクトルω_ｂを測定すれば、入力される光波の偏光状態に依存せずに光ファイバの固有の複屈折の時間変化、すなわち、振動に関する光ファイバの特性が分かる。

【0054】

角速度ベクトルω_ｂの長さは、光ファイバのＪｏｎｅｓ行列の時間部分により定義される時間発展演算子の２つの固有値の差であるＤＡＶになる。

【0055】

角速度ベクトルω_ｂは、光ファイバの複屈折性を表す３行３列の回転行列Ｒ（ｔ）を測定することによって求められる。ここでは、光ファイバへ入力される光波の偏光状態は変動しないとする。

【0056】

光ファイバへ入力される光波のストークスベクトルをｓ_ｉｎ（ｔ）とすると、ストークスベクトルｓ_ｉｎ（ｔ）及びｓ_ｏｕｔ（ｔ）、並びに、回転行列Ｒ（ｔ）の関係は、以下の式（２）で与えられる。

【0057】

【数2】

【0058】

上式（２）の１次の時間微分は、以下の式（３）で与えられる。

【0059】

【数3】

【0060】

上式（２）及び（３）から、以下の式（４）が得られる。

【0061】

【数4】

【0062】

ここで、†は随伴作用素を意味する。上式（４）を上式（３）の右辺に代入すると以下の式（５）が得られる。

【0063】

【数5】

【0064】

上式（１）と上式（５）を比較すると、角速度ベクトル外積演算子表現「ω_b×」が以下の式（６）で与えられる。

【0065】

【数6】

【0066】

更に、角速度ベクトル外積演算子表現「ω_b×」を行列表現すると、以下の式（７）が得られる。

【0067】

【数7】

【0068】

ここで、角速度ベクトルω_ｂは、３行１列の縦ベクトルであり、以下の式（８）で表される。

【0069】

【数8】

【0070】

以上説明したように、回転行列Ｒ（ｔ）の時間変化を測定すれば、上式（６）及び上式（７）から角速度ベクトルω_ｂが求められる。また、角速度ベクトルω_ｂの大きさを与える絶対値｜ω_ｂ｜は、出力される光波のストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）の先端が、時間の経過とともにポアンカレ球面上に描く円の角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）と一致する。

【0071】

光ファイバへ入力される光波の偏光状態によって出力される光波のストークスベクトルｓ_ｏｕｔ（ｔ）の先端の位置が異なるので、ｓ_ｏｕｔ（ｔ）のポアンカレ球面上で描く円の半径も入力される光波の偏光状態に依存する。しかしながら、ｓ_ｏｕｔ（ｔ）の先端が描く円の角速度は、円の半径によらず入力される光波の偏光状態に依存しない。このように、光ファイバそのものに備わった複屈折の固有状態を与える角速度ベクトルω_ｂを測定すれば、入力される光波の偏光状態に依存せずに、光ファイバの複屈折の時間変化を定量化できる。

【0072】

光ファイバから光波が出力される時刻ｔにおける回転行列Ｒ（ｔ）の測定は互いに直交する２偏光状態に対して、それぞれ測定される光波の偏光状態から求めることができる。ただし、時間変化する回転行列Ｒ（ｔ）に対し、瞬間に定義できる偏光状態は１つである。しかしながら、回転行列Ｒ（ｔ）が定常とみなせる程度の短い時間間隔内で、入力される光波の偏光状態を２つの偏光状態にスイッチし、出力される光波の偏光状態を偏波スイッチに供給される電気パルスの半分の周期で２つに分離すれば、互いに直交する２偏光状態に対してほとんど同時に光波の偏光状態が測定されたとみなすことができる。

【0073】

一般に、光ファイバに伝わる機械的な振動の周波数は１００Ｈｚ未満、すなわち、周期１０ｍｓｅｃ以上であり、この例では、偏波スイッチ光の周期が２００μｓｅｃである。従って、互いに直交する２偏光状態に対してほとんど同時刻ｔで、光ファイバから出力された光波の偏光状態が測定され、回転行列Ｒ（ｔ）が求められたとみなすことができる。
ここで、２００μｓｅｃごとに取り出したストークスベクトルのそれぞれｔ_１、ｔ_ａを、ベクトル成分表記すると、以下の式（９）で表される。

【0074】

【数9】

【0075】

また、以下の式（１０）に示す２つのストークスベクトルｔ_２、ｔ_３を新たに定義する。

【0076】

【数10】

【0077】

なお、ストークスベクトルｔ_１、ｔ_ａ、ｔ_２及びｔ_３は、いずれもその絶対値が１になるように規格化されている。

【0078】

回転行列Ｒ（ｔ）は、ストークスベクトルｔ_１、ｔ_２及びｔ_３を用いて、以下の式（１１）及び（１２）と表される（例えば、非特許文献３参照）。

【0079】

【数11】

【0080】

【数12】

【0081】

この回転行列Ｒ（ｔ）の時間変化を、ストークスベクトルｔ_１及びｔ_ａの時間変化から求めれば、上式（６）及び（７）より時間経過に対する角速度ベクトルω_ｂの時間変化を求めることができる。また、角速度ベクトルω_ｂが求まれば、ＤＡＶは角速度ベクトルω_ｂの長さとして容易に求まる。

【0082】

（振動検知）
図２は、透過光を利用した振動に関するＤＡＶを測定した例を示す図である。図２では、横軸に時間をとって示し、縦軸にＤＡＶ又はＳＯＰの回転率を取って示している。図２中、曲線Ｉは、ＤＡＶを示している。また、曲線ＩＩは、従来の光ファイバセンサで用いられる偏光状態（ＳＯＰ）、すなわちストークスベクトルの回転率を示している。

【0083】

ストークスベクトルの回転率は、入射光の偏光状態に依存する。これに対し、この発明で用いるＤＡＶは、入射光の偏光状態に依存しない、ストークスベクトルの回転率の最大値に対応する。

【0084】

従って、この発明によれば、入射光の偏光状態に依存しない振動検知が可能になる。

【0085】

また、一般に、光ファイバの反射光の光強度は非常に微弱である。このため、反射光のみでは風などの外乱との区別が困難であり、誤検知の原因となる。従って、透過光のＤＡＶを測定することにより、振動を感度良く検知できる。

【0086】

なお、反射光のＤＡＶで十分に振動を検知できる場合は、透過光のＤＡＶの測定を行わなくても良い。

【0087】

図３を参照して、反射光を利用した振動位置の特定方法について説明する。図３は、反射光を利用した振動位置の特定方法について説明するための模式図である。

【0088】

図３（Ａ）は、横軸に時間を取って示し、縦軸に反射光のＤＡＶを取って示している。また、図３（Ｂ）は、横軸に距離を取って示し、縦軸に反射光のＤＡＶを取って示している。

【0089】

反射光のＤＡＶは、透過光のＤＡＶと同様の方法で求めることができる。

【0090】

光パルスは、光ファイバ中を、５ｎｓｅｃ／ｍの遅延をもって伝搬する。光パルスの伝搬に伴い反射光が発生する。反射光も同様に５ｎｓｅｃ／ｍの遅延をもって、入力される光パルスと逆方向に伝搬する。例えば、入力端から５００ｍの地点で振動が加わる場合を考える。本発明では、偏波スイッチした光パルスに対して反射光のストークスパラメータを観測する。このため、反射光が到達した各時刻においてＤＡＶを求めれば、光パルスが振動地点へ到達し、反射光として入力端に戻るまでの伝搬遅延時間の５μｓｅｃの時間位置でＤＡＶの変動がみられる（図３（Ａ））。

【0091】

この伝搬遅延時間を距離に換算すれば、振動地点の入力端からの距離が特定できる（図３（Ｂ））。

【符号の説明】

【0092】

１０ プローブ光供給部
１２ レーザ光源
１４ 強度変調器
１６ 偏波スイッチ
１８ 関数発生器
２０ 光ファイバ
３０ 偏光状態計測部
３２ 反射光用偏光計
３４ 透過光用偏光計
３６ Ａ／Ｄ変換器
３８ 演算器
４０ 光サーキュレータ

【図1】

【図2】

【図3】