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特開2024-112402光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024112402
(43)【公開日】2024-08-21
(54)【発明の名称】光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法
(51)【国際特許分類】
G01H 9/00 20060101AFI20240814BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023017373
(22)【出願日】2023-02-08
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】304026696
【氏名又は名称】国立大学法人三重大学
(74)【代理人】
【識別番号】100119677
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 賢治
(74)【代理人】
【識別番号】100160495
【弁理士】
【氏名又は名称】畑 雅明
(74)【代理人】
【識別番号】100115794
【弁理士】
【氏名又は名称】今下 勝博
(72)【発明者】
【氏名】中村 篤志
(72)【発明者】
【氏名】古敷谷 優介
(72)【発明者】
【氏名】真鍋 哲也
【テーマコード（参考）】
2G064
【Ｆターム（参考）】
2G064AB01
2G064AB02
2G064BA02
2G064BC12
2G064BD02
2G064CC02
2G064CC41
2G064CC43
2G064DD02
(57)【要約】
【課題】本開示の光ファイバ振動センシング装置は、直線偏光光を送出する光源からの光を光伝送路の一端に入力し、前記光伝送路の他端からの光を第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を第１の受光器で受光して第１の振動信号を取得する順方向光ファイバ振動計と、前記光源からの光を前記光伝送路の他端に入力し、前記光伝送の一端からの光を第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を第２の受光器で受光して第２の振動信号を取得する逆方向光ファイバ振動計と、を備える。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直線偏光光を送出する光源からの光を光伝送路の一端に入力し、前記光伝送路の他端からの光を第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を第１の受光器で受光して第１の振動信号を取得する順方向光ファイバ振動計と、
前記光源からの光を前記光伝送路の他端に入力し、前記光伝送の一端からの光を第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を第２の受光器で受光して第２の振動信号を取得する逆方向光ファイバ振動計と、
を備える光ファイバ振動センシング装置。
前記光源からの光を前記光伝送路の他端に入力し、前記光伝送の一端からの光を第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を第２の受光器で受光して第２の振動信号を取得する逆方向光ファイバ振動計と、
を備える光ファイバ振動センシング装置。
【請求項2】
前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれＡＤ変換後フーリエ変換し、フーリエ変換後の２つの信号の位相差を計算し、得られた位相差から遅延時間差を求め、当該遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動位置測定計をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
【請求項3】
前記順方向光ファイバ振動計及び前記逆方向光ファイバ振動計は、
前記光源と、
前記光源からの光を２つに分岐して第１の端子及び第２の端子から出力する光源分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第１の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の一端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の一端からの光を第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第２の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の他端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の他端からの光を第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向光ファイバ振動計は、前記第１の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を前記第１の受光器で受光して前記第１の振動信号を取得し、
前記逆方向光ファイバ振動計は、前記第２の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を前記第２の受光器で受光して前記第２の振動信号を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
前記光源と、
前記光源からの光を２つに分岐して第１の端子及び第２の端子から出力する光源分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第１の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の一端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の一端からの光を第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第２の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の他端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の他端からの光を第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向光ファイバ振動計は、前記第１の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を前記第１の受光器で受光して前記第１の振動信号を取得し、
前記逆方向光ファイバ振動計は、前記第２の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を前記第２の受光器で受光して前記第２の振動信号を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
【請求項4】
前記振動位置測定計は、
前記第１の受光器からの第１の振動信号の直流成分を遮断する第１の直流遮断フィルタと、
前記第２の受光器からの第２の振動信号の直流成分を遮断する第２の直流遮断フィルタと、
前記第１の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第１のディジタル振動信号として出力する第１のＡＤ変換器と、
前記第２の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第２のディジタル振動信号として出力する第２のＡＤ変換器と、
前記第１のＡＤ変換器からの第１のディジタル振動信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２のディジタル振動信号を解析して振動の発生位置を計算する解析部と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ振動センシング装置。
前記第１の受光器からの第１の振動信号の直流成分を遮断する第１の直流遮断フィルタと、
前記第２の受光器からの第２の振動信号の直流成分を遮断する第２の直流遮断フィルタと、
前記第１の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第１のディジタル振動信号として出力する第１のＡＤ変換器と、
前記第２の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第２のディジタル振動信号として出力する第２のＡＤ変換器と、
前記第１のＡＤ変換器からの第１のディジタル振動信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２のディジタル振動信号を解析して振動の発生位置を計算する解析部と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ振動センシング装置。
【請求項5】
前記解析部は、
前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得て、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算し、
前記位相差から遅延時間差を計算し、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する
ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ振動センシング装置。
前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得て、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算し、
前記位相差から遅延時間差を計算し、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する
ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ振動センシング装置。
【請求項6】
コンピュータに、
共用して備える光源、共用して備える光伝送路及び個別に備える２組の偏光子と受光器を用いて光の進行方向をそれぞれ逆にした順方向光ファイバ振動計からの第１の振動信号及び逆方向光ファイバ振動計からの第２の振動信号をそれぞれ一定時間取得するデータ取得工程と、
取得した前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得る離散フーリエ変換計算工程と、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算する離散周波数位相差計算工程と、
得られた前記位相差から遅延時間差を計算する離散周波数遅延時間差計算工程と、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動発生位置計算工程と、
を実行させる光ファイバ振動センシング方法。
共用して備える光源、共用して備える光伝送路及び個別に備える２組の偏光子と受光器を用いて光の進行方向をそれぞれ逆にした順方向光ファイバ振動計からの第１の振動信号及び逆方向光ファイバ振動計からの第２の振動信号をそれぞれ一定時間取得するデータ取得工程と、
取得した前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得る離散フーリエ変換計算工程と、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算する離散周波数位相差計算工程と、
得られた前記位相差から遅延時間差を計算する離散周波数遅延時間差計算工程と、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動発生位置計算工程と、
を実行させる光ファイバ振動センシング方法。
【請求項7】
コンピュータに請求項６に記載の光ファイバ振動センシング方法を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、偏光の回転を利用した光ファイバ振動センシング技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
これまでの光ファイバ振動センシング技術としては、順方向及び逆方向の２つのマッハツェンダ型干渉計から得られる２つの干渉波形の相互相関関数により干渉波の到着時間差を計算し、振動の発生位置を特定する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。その他、位相ＯＴＤＲやＯＦＤＲを用いた分布型音響センシング法が提案されている（例えば、非特許文献２、３参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】Ｂ．Ｋｉｚｌｉｋ， “Ｆｉｂｒｅ Ｏｐｔｉｃ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ”， Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ｐｐ． １２８－１３０， ２００２
【非特許文献2】Ｊ．Ｃ．Ｊｕａｒｅｚ ｅｔ ａｌ．， “Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ，” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ２３， ｎｏ．６， ｐｐ． ２０８１－２０８７， ２００５.
【非特許文献3】Ｚ．Ｈｅ ｅｔ ａｌ．， “Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ： ａ ｒｅｖｉｅｗ，” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ３９， ｎｏ． １２， ｐｐ． ３６７１－３６８６， ２０２１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、非特許文献１の技術では、２つのマッハツェンダ型干渉計により振動発生位置を特定するため、同一光ファイバケーブル内に２本の光ファイバが必要であった。また、非特許文献２又は非特許文献３の技術では、試験光を生成するために狭線幅レーザが必要であり、装置が高価になってしまう。
【0005】
本開示は、上記事情に着目してなされたもので、１本の光ファイバを利用し、簡易な装置構成とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示では、共通の光源、共通の光伝送路及び個別の２組の偏光子と受光器を用いて光の進行方向をそれぞれ逆にした順方向光ファイバ振動計からの振動信号及び逆方向光ファイバ振動計からの振動信号をそれぞれ取得することとした。
【0007】
具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
直線偏光光を送出する光源からの光を光伝送路の一端に入力し、前記光伝送路の他端からの光を第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を第１の受光器で受光して第１の振動信号を取得する順方向光ファイバ振動計と、
前記光源からの光を前記光伝送路の他端に入力し、前記光伝送の一端からの光を第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を第２の受光器で受光して第２の振動信号を取得する逆方向光ファイバ振動計と、
を備える。
直線偏光光を送出する光源からの光を光伝送路の一端に入力し、前記光伝送路の他端からの光を第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を第１の受光器で受光して第１の振動信号を取得する順方向光ファイバ振動計と、
前記光源からの光を前記光伝送路の他端に入力し、前記光伝送の一端からの光を第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を第２の受光器で受光して第２の振動信号を取得する逆方向光ファイバ振動計と、
を備える。
【0008】
本開示の光ファイバ振動センシング装置は、さらに振動位置測定計を備え、振動の発生位置を特定する。
【0009】
具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれＡＤ変換後フーリエ変換し、フーリエ変換後の２つの信号の位相差を計算し、得られた位相差から遅延時間差を求め、当該遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動位置測定計を
さらに備える。
前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれＡＤ変換後フーリエ変換し、フーリエ変換後の２つの信号の位相差を計算し、得られた位相差から遅延時間差を求め、当該遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動位置測定計を
さらに備える。
【0010】
具体的には、本開示の
前記順方向光ファイバ振動計及び前記逆方向光ファイバ振動計は、
前記順方向光ファイバ振動計及び前記逆方向光ファイバ振動計は、
前記光源と、
前記光源からの光を２つに分岐して第１の端子及び第２の端子から出力する光源分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第１の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の一端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の一端からの光を第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第２の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の他端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の他端からの光を第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向光ファイバ振動計は、前記第１の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を前記第１の受光器で受光して前記第１の振動信号を取得し、
前記逆方向光ファイバ振動計は、前記第２の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を前記第２の受光器で受光して前記第２の振動信号を取得する
ことを特徴とする。
前記順方向光ファイバ振動計及び前記逆方向光ファイバ振動計は、
前記順方向光ファイバ振動計及び前記逆方向光ファイバ振動計は、
前記光源と、
前記光源からの光を２つに分岐して第１の端子及び第２の端子から出力する光源分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第１の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の一端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の一端からの光を第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
３端子を有し、第１の端子に入力される前記光源分岐カプラの第２の端子からの光を、第３の端子に接続される前記光伝送路の他端に入力し、前記第３の端子に接続される前記光伝送路の他端からの光を第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向光ファイバ振動計は、前記第１の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第１の偏光子に入力し、前記第１の偏光子からの光を前記第１の受光器で受光して前記第１の振動信号を取得し、
前記逆方向光ファイバ振動計は、前記第２の光合分岐カプラの前記第２の端子からの光を前記第２の偏光子に入力し、前記第２の偏光子からの光を前記第２の受光器で受光して前記第２の振動信号を取得する
ことを特徴とする。
【0011】
具体的には、本開示の
前記振動位置測定計は、
前記第１の受光器からの第１の振動信号の直流成分を遮断する第１の直流遮断フィルタと、
前記第２の受光器からの第２の振動信号の直流成分を遮断する第２の直流遮断フィルタと、
前記第１の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第１のディジタル振動信号として出力する第１のＡＤ変換器と、
前記第２の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第２のディジタル振動信号として出力する第２のＡＤ変換器と、
前記第１のＡＤ変換器からの第１のディジタル振動信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２のディジタル振動信号を解析して振動の発生位置を計算する解析部と、
を備えることを特徴とする。
前記振動位置測定計は、
前記第１の受光器からの第１の振動信号の直流成分を遮断する第１の直流遮断フィルタと、
前記第２の受光器からの第２の振動信号の直流成分を遮断する第２の直流遮断フィルタと、
前記第１の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第１のディジタル振動信号として出力する第１のＡＤ変換器と、
前記第２の直流遮断フィルタからの信号をＡＤ変換し、第２のディジタル振動信号として出力する第２のＡＤ変換器と、
前記第１のＡＤ変換器からの第１のディジタル振動信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２のディジタル振動信号を解析して振動の発生位置を計算する解析部と、
を備えることを特徴とする。
【0012】
具体的には、本開示の
前記解析部は、
前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得て、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算し、
前記位相差から遅延時間差を計算し、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する
ことを特徴とする。
前記解析部は、
前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１のディジタル振動信号及び前記第２のディジタル振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得て、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算し、
前記位相差から遅延時間差を計算し、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する
ことを特徴とする。
【0013】
本開示では、順方向光ファイバ振動計及び逆方向光ファイバ振動計からの振動信号をそれぞれＡＤ変換後フーリエ変換し、フーリエ変換後の２つの信号の位相差から遅延時間差を求め、当該遅延時間差より振動の発生位置を特定する。
【0014】
具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング方法は、
コンピュータに実行させる、
共用して備える光源、共用して備える光伝送路及び個別に備える２組の偏光子と受光器を用いて光の進行方向をそれぞれ逆にした順方向光ファイバ振動計からの第１の振動信号及び逆方向光ファイバ振動計からの第２の振動信号をそれぞれ一定時間取得するデータ取得工程と、
取得した前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得る離散フーリエ変換計算工程と、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算する離散周波数位相差計算工程と、
得られた前記位相差から遅延時間差を計算する離散周波数遅延時間差計算工程と、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動発生位置計算工程と、
を備える。
コンピュータに実行させる、
共用して備える光源、共用して備える光伝送路及び個別に備える２組の偏光子と受光器を用いて光の進行方向をそれぞれ逆にした順方向光ファイバ振動計からの第１の振動信号及び逆方向光ファイバ振動計からの第２の振動信号をそれぞれ一定時間取得するデータ取得工程と、
取得した前記第１の振動信号及び前記第２の振動信号をそれぞれ離散フーリエ変換して第１の離散周波数信号及び第２の離散周波数信号を得る離散フーリエ変換計算工程と、
得られた前記第１の離散周波数信号と前記第２の離散周波数信号との位相差を計算する離散周波数位相差計算工程と、
得られた前記位相差から遅延時間差を計算する離散周波数遅延時間差計算工程と、
計算した前記遅延時間差から振動の発生位置を計算する振動発生位置計算工程と、
を備える。
【0015】
具体的には、本開示は、
コンピュータに、
上記記載の光ファイバ振動センシング方法を実行させるためのプログラム
である。
コンピュータに、
上記記載の光ファイバ振動センシング方法を実行させるためのプログラム
である。
【0016】
なお、上記各開示の発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【0017】
本開示によれば、１本の光ファイバを利用し、簡易な装置構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成の一例を示す図である。
【図2】本開示の光ファイバ振動センシング装置の動作の例を示す図である。
【図3】本開示の光ファイバ振動センシング装置の動作の例を示す図である。
【図4】本開示の光ファイバ振動センシング方法の処理の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【0020】
本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成を図１に示す。図１において、１０１は直線偏光光を送出する光源、１０２は光源分岐カプラ、１１１は第１の光合分岐カプラ、１１２は第２の光合分岐カプラ、１２０は光伝送路を有する光伝送媒体、１２１は光伝送路、１３１は第１の偏光子、１３２は第１の受光器、１４１は第２の偏光子、１４２は第２の受光器、２１１は第１の直流遮断フィルタ、２１２は第２の直流遮断フィルタ、２２１は第１のＡＤ変換器、２２２は第２のＡＤ変換器、３００は解析部である。光源分岐カプラ１０２、第１の光合分岐カプラ１１１及び第２の光合分岐カプラ１１２の丸付き数字はそれぞれの端子番号である。
【0021】
本開示の光ファイバ振動センシング装置は順方向光ファイバ振動計と逆方向光ファイバ振動計とを備える。順方向光ファイバ振動計は、直線偏光光を送出する光源１０１からの光を分岐して、光伝送路１２１の一端に入力し、光伝送路１２１の他端からの光を第１の偏光子１３１に入力し、第１の偏光子１３１からの光を第１の受光器１３２で受光する。逆方向光ファイバ振動計は、直線偏光光を送出する光源１０１からの光を分岐して、光伝送路１２１の他端に入力し、光伝送路１２１の一端からの光を第２の偏光子１４１に入力し、第２の偏光子１４１からの光を第２の受光器１４２で受光する。順方向光ファイバ振動計と逆方向光ファイバ振動計とでは、光伝送路１２１内の光の進行方向が逆である。
【0022】
振動位置測定計は、第１の受光器１３２からの第１の振動信号及び第２の受光器１４２からの第２の振動信号をそれぞれＡＤ変換後、フーリエ変換し、フーリエ変換後の２つの信号の位相差から遅延時間差を求め、この遅延時間差より振動の発生位置を計算する。
【0023】
順方向光ファイバ振動計の動作を図２で説明する。図２では、光の流れを太矢印で示している。光源１０１が直線偏光光を送出する。光源分岐カプラ１０２は光源１０１からの光を２つに分岐して、その一つを第１の端子から出力する。第２の光合分岐カプラ１１２は、第１の端子に入力される光源分岐カプラ１０２の第１の端子からの光を、第３の端子に接続される光伝送路１２１の一端に入力する。光伝送路１２１は第２の光合分岐カプラ１１２からの光を伝搬する。第１の光合分岐カプラ１１１は、第３の端子に接続される光伝送路１２１の他端からの光を第２の端子に出力する。第１の光合分岐カプラ１１１からの光は、第１の偏光子１３１に入力される。第１の偏光子１３１は特定の方向の偏光光のみを通過させる。第１の受光器１３２は第１の偏光子１３１からの出力光を受光して、電気信号である第１の振動信号に変換する。
【0024】
逆方向光ファイバ振動計の動作を図３で説明する。図３では、光の流れを太矢印で示している。光源１０１が直線偏光光を送出する。光源分岐カプラ１０２は光源１０１からの光を２つに分岐して、その一つを第２の端子から出力する。第１の光合分岐カプラ１１１は、第１の端子に入力される光源分岐カプラ１０２の第２の端子からの光を、第３の端子に接続される光伝送路１２１の他端に入力する。光伝送路１２１は第１の光合分岐カプラ１１１からの光を伝搬する。第２の光合分岐カプラ１１２は、第３の端子に接続される光伝送路１２１の一端からの光を第２の端子に出力する。第２の光合分岐カプラ１１２からの光は、第２の偏光子１４１に入力される。第２の偏光子１４１は特定の方向の偏光光のみを通過させる。第２の受光器１４２は第２の偏光子１４１からの出力光を受光して電気信号である第２の振動信号に変換する。
【0025】
順方向光ファイバ振動計と逆方向光ファイバ振動計は、光源１０１、光源分岐カプラ１０２、第２の光合分岐カプラ１１２、第１の光合分岐カプラ１１１、光伝送路１２１を共用して備える。光伝送媒体１２０は例えば、光ファイバケーブルであり、光伝送路１２１は例えば、その光ファバケーブルに含まれる光ファイバである。順方向光ファイバ振動計は、第１の偏光子１３１及び第１の受光器１３２を個別に備え、逆方向光ファイバ振動計は、第２の偏光子１４１及び第２の受光器１４２を個別に備える。
【0026】
図２において、光伝送路１２１を有する光伝送媒体１２０に振動が印加されると、これに応じた振動が順方向光ファイバ振動計を構成する光伝送路１２１にも印加される。光伝送路１２１に印加された振動により、光伝送路１２１を伝搬する直線偏光光の偏光方向が回転させられ、第１の偏光子１３１で偏光方向の変動が出力強度の変動に変換される。
【0027】
このことから、順方向光ファイバ振動計では、付加された振動に応じた光強度の変動を観測することになる。同様に、図３において、逆方向光ファイバ振動計でも、付加された振動に応じた光強度の変動を観測することができる。
【0028】
本開示の振動位置測定計は、第１の受光器１３２からの第１の振動信号の直流成分を遮断する第１の直流遮断フィルタ２１１と、第２の受光器１４２からの第２の振動信号の直流成分を遮断する第２の直流遮断フィルタ２１２と、第１の直流遮断フィルタ２１１からの信号をＡＤ変換し、第１のディジタル振動信号として出力する第１のＡＤ変換器２２１と、第２の直流遮断フィルタ２１２からの信号をＡＤ変換し、第２のディジタル振動信号として出力する第２のＡＤ変換器２２２と、第１のＡＤ変換器２２１からの第１のディジタル振動信号及び第２のＡＤ変換器２２２からの第２のディジタル振動信号を解析して振動の発生位置を特定する解析部３００と、を備えてもよい。
【0029】
第１の直流遮断フィルタ２１１で解析に不要な直流成分を遮断することによって、第１のＡＤ変換器２２１のダイナミックレンジを小さくすることができる。第２の直流遮断フィルタ２１２でも同様である。第１のＡＤ変換器２２１及び第２のＡＤ変換器２２２のダイナミックレンジが許容されれば、第１の直流遮断フィルタ２１１及び第２の直流遮断フィルタ２１２は省略してもよい。また、第１の直流遮断フィルタ２１１と第１のＡＤ変換器２２１との順番及び第２の直流遮断フィルタ２１２と第２のＡＤ変換器２２２との順番は逆でもよい。逆の場合は、第１の直流遮断フィルタ２１１及び第２の直流遮断フィルタ２１２ではディジタル処理することになる。なお、第１の受光器１３２からの第１の振動信号及び第２の受光器１４２からの第２の振動信号と第１の直流遮断フィルタ２１１の出力信号及び第２の直流遮断フィルタ２１２の出力信号とは、直流成分を有するか否かという点だけで、本質的な差はないため、以下の説明では、第１の直流遮断フィルタ２１１の出力信号及び第２の直流遮断フィルタ２１２の出力信号をそれぞれ第１の振動信号及び第２の振動信号と称することがある。
【0030】
順方向光ファイバ振動計における光伝送路１２１における電界の振幅をＥＡとすると、第１の偏光子１３１を通過後に第１の受光器１３２で観測される電界ＥＡ（ｔ）は
となる。但し、φＡ１は光伝送媒体１２０を伝搬する光の偏角、φＡ２は第１の偏光子１３１の偏光角である。このとき、第１の受光器１３２の出力である第１の振動信号IＡ（ｔ）は、
となる。ここで、振動を与える地点Ｐｖにおいて、角周波数ων＝２πｆνの振動が付加されると、光伝送路１２１における偏光角が変化し、次式を得る。
となる。ただし、ＶＡは振動により与えられる偏光角変化の係数、θＡは第１の偏光子１３１の偏光角と光伝送路１２１を伝搬する光の偏光角の差である。
【数1】
【数2】
【数3】
【0031】
数３を第一種ベッセル関数Ｊｎ（＊）で級数展開すると次式を得る。
【数4】
【0032】
第１の直流遮断フィルタ２１１を通過後の第１の振動信号は、
ただし、Ａ’は第１の直流遮断フィルタ２１１を通過後の振幅を表す定数である。
【数5】
【0033】
同様に、逆方向光ファイバ振動計における光を第２の受光器１４２で受信後に第２の直流遮断フィルタ２１２を通すと次式を得る。
ただし、ＶＢは振動により与えられる偏光角変化の係数、θＢは第２の偏光子１４１の偏光角と光伝送路１２１を伝搬する光の偏光角の差、Ｂ’は第２の直流遮断フィルタ２１２を通過後の振幅を表す定数である。
【数6】
【0034】
ここで、第１の光合分岐カプラ１１１から第２の光合分岐カプラ１１２までの距離をＬとし、振動の発生位置ＰｖがＬ／２に等しいときの時刻を基準とする。このとき数５及び数６で得た第１の振動信号及び第２の振動信号に基準より時間差ΔＴがあるとすると、
となる。
【数7】
【数8】
【0035】
数７及び数８の各周波数ｆｋ＝ｋων／２π（ｋ＝１、２、・・・、Ｋ）における位相差Δφｋには、時間差ΔＴより以下で表される。
数９はΔφｋ、ｆｋについての１次式である。計測値に誤差が含まれる可能性があるので、複数の周波数ｆｋについての位相差Δφｋを用いて、最小二乗法により回帰直線の回帰係数を計算することで、２πΔＴ即ち、時間差ΔＴを求めることができる。
【数9】
【0036】
推定した時間差をΔＴバーとすると、第２の光合分岐カプラ１１２から振動の発生位置Ｐｖまでの距離Ｌｖは次式で求められる。
但し、ｃは光速、ｎγは光伝送路１２１の屈折率である。
【数10】
【0037】
本開示の解析部３００の動作を図４に示す。データ取得工程７００では、第１のＡＤ変換器２２１でディジタル化された第１のディジタル振動信号Ｉ’Ａ（ｔ）及び第２のＡＤ変換器２２２でディジタル化された第２のディジタル振動信号Ｉ’Ｂ（ｔ）を一定時間取得し、メモリに格納する。格納したＮ点のデータを
とする。
【数13】
【数14】
【0038】
離散フーリエ変換工程７０１では、ｘＡ及びｘＢに離散フーリエ変換を行う。得られたデータを
とすると、第１の離散周波数信号ＸＡｋ及び第２の離散周波数信号ＸＢｋは周波数ｆｋ＝（ｆｓ／２Ｎ）×ｋにおける複素振幅を表す。但し、ｆｓはＡ第１のＡＤ変換器２２１及び第２のＡＤ変換器２２２のサンプリング周波数である。
【数15】
【数16】
【0039】
離散周波数位相差計算工程７０２では、次式により一定以上の振幅を持つ周波数ｆｋについて、位相差Δφｋを求める。
但し、ＸＴｈは閾値、Ａｒｇ（Ｘ）はＸの位相を表す。
【数17】
【0040】
離散周波数遅延時間差計算工程７０３では、ＸＴｈより大きい場合の位相差Δφｋ及び周波数ｆｋから次式に従って、遅延時間差の推定値ΔＴバーを計算する。
ただし、ｍは回帰直線を計算するために用いる周波数ｆｉと位相差Δφｉのペアの数、ｆバーはｍ個の周波数ｆｉの平均、Δφバーはｍ個の位相差Δφｉの平均である。
【数18】
【0041】
振動発生位置計算工程７０４では、遅延時間差の推定値ΔＴバーを用いて、式（１０）により振動の発生位置Ｐｖまでの距離Ｌｖを求める。
【0042】
これにより、１本の光伝送路を利用して、高精度な振動位置の特定が可能となる。
【0043】
以上説明したように、本開示の光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。
【0044】
本発明の解析部はコンピュータとプログラムによっても実現できる。コンピュータに実行させるプログラムを記録媒体に記録することも、通信ネットワークを通して提供することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0045】
本開示は情報通信産業に適用することができる。
【符号の説明】
【0046】
１０１：光源
１０２：光源分岐カプラ
１１１：第１の光合分岐カプラ
１１２：第２の光合分岐カプラ
１２０：光伝送媒体
１２１：光伝送路
１３１：第１の偏光子
１３２：第１の受光器
１４１：第２の偏光子
１４２：第２の受光器
２１１：第１の直流遮断フィルタ
２１２：第２の直流遮断フィルタ
２２１：第１のＡＤ変換器
２２２：第２のＡＤ変換器
３００：解析部
１０２：光源分岐カプラ
１１１：第１の光合分岐カプラ
１１２：第２の光合分岐カプラ
１２０：光伝送媒体
１２１：光伝送路
１３１：第１の偏光子
１３２：第１の受光器
１４１：第２の偏光子
１４２：第２の受光器
２１１：第１の直流遮断フィルタ
２１２：第２の直流遮断フィルタ
２２１：第１のＡＤ変換器
２２２：第２のＡＤ変換器
３００：解析部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】