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特開2024-27378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】P2024027378
(43)【公開日】2024-03-01
(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 20060101AFI20240222BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022130139
(22)【出願日】2022-08-17
(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
2G064BA07
2G064BA08
2G064BC02
2G064BC06
2G064BC12
2G064BC31
2G064CC03
2G064CC13
2G064CC17
2G064CC29
2G064CC43
2G064CC47
(57)【要約】 （修正有）
【課題】振動の発生位置の測定精度が干渉波の形状に依存しない光ファイバ振動センシング装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ振動センシング装置は、光を送出する光源からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路の一端及び前記第１の光伝送路と同じ光伝送媒体に含まれる第２の光伝送路の一端に入力し、前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端からの光を結合して第１の受光器で受光する順方向マッハツェンダ型干渉計と、前記光源からの光を分岐して、それぞれ前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端に入力し、前記第１の光伝送路の一端及び前記第２の光伝送路の一端からの光を結合して第２の受光器で受光する逆方向マッハツェンダ型干渉計と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】光ファイバ振動センシング装置は、光を送出する光源からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路の一端及び前記第１の光伝送路と同じ光伝送媒体に含まれる第２の光伝送路の一端に入力し、前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端からの光を結合して第１の受光器で受光する順方向マッハツェンダ型干渉計と、前記光源からの光を分岐して、それぞれ前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端に入力し、前記第１の光伝送路の一端及び前記第２の光伝送路の一端からの光を結合して第２の受光器で受光する逆方向マッハツェンダ型干渉計と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を送出する光源からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路の一端及び前記第１の光伝送路と同じ光伝送媒体に含まれる第２の光伝送路の一端に入力し、前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端からの光を結合して第１の受光器で受光する順方向マッハツェンダ型干渉計と、
前記光源からの光を分岐して、それぞれ前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端に入力し、前記第１の光伝送路の一端及び前記第２の光伝送路の一端からの光を結合して第２の受光器で受光する逆方向マッハツェンダ型干渉計と、
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分岐して、それぞれ前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端に入力し、前記第１の光伝送路の一端及び前記第２の光伝送路の一端からの光を結合して第２の受光器で受光する逆方向マッハツェンダ型干渉計と、
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の受光器からの第１の干渉波信号及び前記第２の受光器からの第２の干渉波信号をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数に対するフーリエ変換後の２つの信号の位相差の傾き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】
前記順方向マッハツェンダ型干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、
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、
４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第１の光伝送路の一端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の一端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端からの光を合波して第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
４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第１の光伝送路の他端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の他端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端からの光を合波して第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記第１の光伝送路及び前記第２の光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向マッハツェンダ型干渉計は、第１の受光器で前記第１の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換し、
前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、第２の受光器で前記第２の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換する
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、
４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第１の光伝送路の一端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の一端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端からの光を合波して第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
４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第１の光伝送路の他端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の他端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端からの光を合波して第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記第１の光伝送路及び前記第２の光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向マッハツェンダ型干渉計は、第１の受光器で前記第１の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換し、
前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、第２の受光器で前記第２の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換する
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の干渉波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の干渉波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の干渉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の干渉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の干渉信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２の干渉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の干渉波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の干渉波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の干渉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の干渉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の干渉信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２の干渉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の干渉信号及び前記第２の干渉信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算し、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから前記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の干渉信号及び前記第２の干渉信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算し、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから前記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】
前記第１の光伝送路及び前記第２の光伝送路として、複数の光ファイバを有する多芯光ファイバケーブルの２本の光ファイバ、複数のコアを有するマルチコア光ファイバの２個のコア、又は複数の伝搬モードを有するマルチ伝搬モード光ファイバの異なる２つの伝搬モードの光伝送路であ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7】
コンピュータに、
共用して備える光源、共用して備える２本の光伝送路及び個別に備える２個の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マッハツェンダ型干渉計からの第１の干渉信号及び逆方向マッハツェンダ型干渉計からの第２の干渉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の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算する位相差計算工程と、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから遅延時間差を計算する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２本の光伝送路及び個別に備える２個の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マッハツェンダ型干渉計からの第１の干渉信号及び逆方向マッハツェンダ型干渉計からの第２の干渉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の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算する位相差計算工程と、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから遅延時間差を計算する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8】
コンピュータに請求項７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、マッハツェンダ型干渉計を用い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】
これまでのマッハツェンダ型干渉計を用いた光ファイバ振動センシング技術としては、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。）。
【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
【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から得られる２つの干渉波形が偏波等の状態により大きく変化することがあり、その結果、２つの干渉波形が異なってしまう。
【0005】
非特許文献１で提案されている相互相関関数により振動の発生位置を特定するためには、２つのマッハツェンダ型干渉計から得られる２つの干渉波形が相似形である必要がある。２つの干渉波形が相似形でない場合は、相互相関関数により得られる遅延時間差計算に大きな誤差を生じてしまう。
【0006】
本開示は、上記事情に着目してなされたもので、振動の発生位置の測定精度が干渉波の形状に依存しない光ファイバ振動センシングを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
マッハツェンダ型干渉計から得られる干渉波形が第一種ベッセル関数で級数展開できることに着目し、単一周波数の振動が付与されても複数の周波数からなる干渉波形が発生することを定式化する。これにより、対向する２つのマッハツェンダ型干渉計から得られる２つの干渉波形の位相差が周波数の一次関数であることを見出した。
【0008】
本開示では、共通の光源、共通の２本の光伝送路及び個別の２個の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マッハツェンダ型干渉計からの干渉波信号及び逆方向マッハツェンダ型干渉計からの干渉波信号をそれぞれ取得することとした。
【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、
光を送出する光源からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路の一端及び前記第１の光伝送路と同じ光伝送媒体に含まれる第２の光伝送路の一端に入力し、前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端からの光を結合して第１の受光器で受光する順方向マッハツェンダ型干渉計と、
前記光源からの光を分岐して、それぞれ前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端に入力し、前記第１の光伝送路の一端及び前記第２の光伝送路の一端からの光を結合して第２の受光器で受光する逆方向マッハツェンダ型干渉計と、
を備える光ファイバ振動センシング装置
を備える。
光を送出する光源からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路の一端及び前記第１の光伝送路と同じ光伝送媒体に含まれる第２の光伝送路の一端に入力し、前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端からの光を結合して第１の受光器で受光する順方向マッハツェンダ型干渉計と、
前記光源からの光を分岐して、それぞれ前記第１の光伝送路の他端及び前記第２の光伝送路の他端に入力し、前記第１の光伝送路の一端及び前記第２の光伝送路の一端からの光を結合して第２の受光器で受光する逆方向マッハツェンダ型干渉計と、
を備える光ファイバ振動センシング装置
を備える。
【0010】
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。
【0011】
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の受光器からの第１の干渉波信号及び前記第２の受光器からの第２の干渉波信号をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数に対するフーリエ変換後の２つの信号の位相差の傾き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計算する振動位置測定計を
さらに備える。
前記第１の受光器からの第１の干渉波信号及び前記第２の受光器からの第２の干渉波信号をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数に対するフーリエ変換後の２つの信号の位相差の傾き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計算する振動位置測定計を
さらに備える。
【0012】
具体的には、本開示の
前記順方向マッハツェンダ型干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、
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、
４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第１の光伝送路の一端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の一端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端からの光を合波して第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
４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第１の光伝送路の他端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の他端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端からの光を合波して第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記第１の光伝送路及び前記第２の光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向マッハツェンダ型干渉計は、第１の受光器で前記第１の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換し、
前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、第２の受光器で前記第２の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換する
ことを特徴とする。
前記順方向マッハツェンダ型干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、
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、
４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第１の光伝送路の一端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の一端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の一端からの光を合波して第２の端子に出力する第２の光合分岐カプラと、
４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第１の光伝送路の他端及び第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端に分岐して入力し、前記第３の端子に接続される前記第１の光伝送路の他端からの光及び前記第４の端子に接続される前記第２の光伝送路の他端からの光を合波して第２の端子に出力する第１の光合分岐カプラと、
前記第１の光伝送路及び前記第２の光伝送路と、
を共用して備え、
前記順方向マッハツェンダ型干渉計は、第１の受光器で前記第１の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換し、
前記逆方向マッハツェンダ型干渉計は、第２の受光器で前記第２の光合分岐カプラの第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換する
ことを特徴とする。
【0013】
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の干渉波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の干渉波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の干渉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の干渉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の干渉信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２の干渉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の干渉波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の干渉波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の干渉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の干渉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の干渉信号及び前記第２のＡＤ変換器からの第２の干渉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。
【0014】
具体的には、本開示の
前記解析部は、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算し、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから前記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の干渉信号及び前記第２の干渉信号をそれぞれ一定時間取得し、
取得した前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算し、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから前記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。
【0015】
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の光伝送路及び前記第２の光伝送路として、複数の光ファイバを有する多芯光ファイバケーブルの２本の光ファイバ、複数のコアを有するマルチコア光ファイバの２個のコア、又は複数の伝搬モードを有するマルチ伝搬モード光ファイバの異なる２つの伝搬モードの光伝送路であることを特徴とする。
前記第１の光伝送路及び前記第２の光伝送路として、複数の光ファイバを有する多芯光ファイバケーブルの２本の光ファイバ、複数のコアを有するマルチコア光ファイバの２個のコア、又は複数の伝搬モードを有するマルチ伝搬モード光ファイバの異なる２つの伝搬モードの光伝送路であることを特徴とする。
【0016】
本開示では、順方向マッハツェンダ型干渉計及び逆方向マッハツェンダ型干渉計からの干渉信号をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数に対するフーリエ変換後の２つの信号の位相差の傾き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計算する。
【0017】
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２本の光伝送路及び個別に備える２個の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マッハツェンダ型干渉計からの第１の干渉信号及び逆方向マッハツェンダ型干渉計からの第２の干渉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の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算する位相差計算工程と、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから遅延時間差を計算する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２本の光伝送路及び個別に備える２個の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マッハツェンダ型干渉計からの第１の干渉信号及び逆方向マッハツェンダ型干渉計からの第２の干渉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の干渉信号及び前記第２の干渉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複数の周波数における位相差を計算する位相差計算工程と、
前記複数の周波数に対する前記位相差の傾きから遅延時間差を計算する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。
【0018】
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。
【0019】
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】
【0020】
本開示によれば、振動の発生位置の測定精度が干渉波の形状に依存しない光ファイバ振動センシングを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【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】
【0022】
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。
【0023】
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は複数の光伝送路を有する光伝送媒体、１２１は第１の光伝送路、１２２は第２の光伝送路、１３１は第１の受光器、１３２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。
【0024】
本開示の光ファイバ振動センシング装置は順方向マッハツェンダ型干渉計と逆方向マッハツェンダ型干渉計とを備える。順方向マッハツェンダ型干渉計は、光を送出する光源１０１からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路１２１の一端及び第２の光伝送路１２２の一端に入力し、第１の光伝送路１２１の他端及び第２の光伝送路１２２の他端からの光を結合して第１の受光器１３１で受光する。逆方向マッハツェンダ型干渉計は、光を送出する光源１０１からの光を分岐して、それぞれ第１の光伝送路１２１の他端及び第２の光伝送路１２２の他端に入力し、第１の光伝送路１２１の一端及び第２の光伝送路１２２の一端からの光を結合して第２の受光器１３２で受光する。順方向マッハツェンダ型干渉計と逆方向マッハツェンダ型干渉計とでは、光の進行方向が逆である。
【0025】
振動位置測定計は、第１の受光器１３１からの第１の干渉波信号及び第２の受光器１３２からの第２の干渉波信号をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数に対するフーリエ変換後の２つの信号の位相差の傾き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振動位置測定計をさらに備える。
【0026】
順方向マッハツェンダ型干渉計の動作を図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、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第１の光伝送路１２１の一端及び第４の端子に接続される第２の光伝送路１２２の一端に分岐して入力する。第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２はそれぞれ光を伝搬する。第１の光合分岐カプラ１１１は、第３の端子に接続される第１の光伝送路１２１の他端からの光及び第４の端子に接続される第２の光伝送路１２２の他端からの光を合波して第２の端子に出力する。第１の受光器１３１は第１の光合分岐カプラ１１１の第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換する。
【0027】
逆方向マッハツェンダ型干渉計の動作を図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、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第１の光伝送路１２１の他端及び第４の端子に接続される第２の光伝送路１２２の他端に分岐して入力する。第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２はそれぞれ光を伝搬する。第２の光合分岐カプラ１１２は、第３の端子に接続される第１の光伝送路１２１の一端からの光及び第４の端子に接続される第２の光伝送路１２２の一端からの光を合波して第２の端子に出力する。第２の受光器１３２は第２の光合分岐カプラ１１２の第２の端子からの出力光を受光して電気信号に変換する。
【0028】
順方向マッハツェンダ型干渉計と逆方向マッハツェンダ型干渉計は、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、第１の光伝送路１２１、第２の光伝送路１２２を共用して備える。第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２は同じ光伝送媒体１２０に含まれる。順方向マッハツェンダ型干渉計は第１の受光器１３１を個別に備え、逆方向マッハツェンダ型干渉計は第２の受光器１３２を個別に備える。
【0029】
図２において、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１２０に振動が付加されると、これに応じた振動が順方向マッハツェンダ型干渉計を構成する第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２にも付加される。しかし、２つの光伝送路の物理的な位置の違いにより、まったく同じ時刻に同じ振動が付加されることはない。これは２つの光伝送路を伝送する光速と光ファイバケーブル、光ファイバ被覆、光ファイバ等の固体中を伝搬する音速との間に大きな差があるからである。
【0030】
ここでは、複数のコアを複数の光伝送路として有する光伝送媒体としてのマルチコア光ファイバを例に説明する。光ファイバを構成する石英中の光速は約２０万ｋｍ／秒であるのに対し、光ファイバを構成する石英中の音速は約５７４０ｍ／秒程度である。マルチコア光ファイバの隣接するコア間の距離を約２０μｍとすると、振動がコア間を伝搬する時間はおよそ３．５×１０－９秒となる。この間に光が光ファイバ中を伝搬する距離は約０．７ｍであるのに対し、干渉計に用いる光源の波長を通信波長帯とすると１．３μｍ～１．６μｍである。よって、コア間を振動が伝搬する間に、波長以上の距離を光が伝搬することから、マッハツェンダ型干渉計における２つの光伝送路が近接している場合においても、２つの光伝送路に同時刻に同じ振動が付加されることはない。
【0031】
このことから、順方向マッハツェンダ型干渉計では、付加された振動に応じた干渉波を観測することになる。同様に、図３において、逆方向マッハツェンダ型干渉計でも、付加された振動に応じた干渉波を観測することができる。
【0032】
本開示の振動位置測定計は、第１の受光器１３１からの第１の干渉波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１３２からの第２の干渉波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の干渉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の干渉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の干渉信号及び第２のＡＤ変換器２２２からの第２の干渉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。
【0033】
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。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ＡＤ変換器２２１からの第１の干渉信号及び第２のＡＤ変換器２２２からの第２の干渉信号と第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、ディジタルかアナログかという点だけで、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の干渉信号及び第２の干渉信号と称することがある。
【0034】
順方向マッハツェンダ型干渉計における第１の光伝送路１２１および第２の光伝送路１２２における電界を
とすると、第１の受光器１３１で観測される干渉波は、
となる。ただし、ＥＡ１及びＥＡ２はそれぞれ第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２を伝搬する光の振幅、ωは第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２を伝搬する光の角周波数、φＡ１及びφＡ２は位相である。
【数1】
【数2】
【数3】
【0035】
このとき、第１の受光器１３１の出力する第１の干渉波信号は、
となる。ここで、振動の発生位置Ｐｖおいて角周波数ων＝２πｆνの振動が付加されると、第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２における位相が変化し、次式を得る。
ただし、ＶＡは振動により与えられる位相変化の係数、θＡは第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２の全長差や偏波状態に起因した位相差である。
【数4】
【数5】
【0036】
数５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6】
【0037】
第１の直流遮断フィルタ２１１を通過後の信号は、
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7】
【0038】
同様に、逆方向マッハツェンダ型干渉計の第２の受光器１３２で出力光を電気信号の第２の干渉波信号に変換して、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位相変化の係数、θＢは第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２の全長差や偏波状態に起因した位相差、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8】
【0039】
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７及び数８で得た干渉信号に基準より時間差ΔＴがあるとすると、
となる。
【数9】
【数10】
【0040】
数７及び数８の各周波数ｆｋ＝ｋων／２π（ｋ＝１、２、・・・、Ｋ）におけるＩ’Ａ及びＩ’Ｂ間の位相差Δφｋには、時間差ΔＴと第１の光伝送路１２１と第２の光伝送路１２２の偏波等の状態による位相差θＡ及びθＢが含まれ、以下で表される。
但し、θＡＢは、位相差θＡ及びθＢによって決まる定数である。数１１はΔφｋ、ｆｋについての１次式である。よって、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11】
【0041】
遅延時間差の推定値を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は第１の光伝送路１２１及び第２の光伝送路１２２の屈折率である。
【数12】
【0042】
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の干渉信号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の干渉信号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】
【0043】
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ＸＡ及び第２の離散周波数信号ＸＢは周波数ｆｋ＝（ｆｓ／２Ｎ）×ｋにおける複素振幅を表す。但し、ｆｓはＡＤ変換器のサンプリング周波数である。
【数15】
【数16】
【0044】
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】
【0045】
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】
【0046】
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（１２）により振動の発生位置Ｐｖまでの距離Ｌｖを求める。
【0047】
これにより、偏波状態等により対向する２つのマッハツェンダ型光ファイバ干渉計で得られる干渉波形に違いがある場合においても、干渉波形に依存しない高精度な振動位置の特定が可能となる。
【0048】
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。
【0049】
第１の光伝送路及び第２の光伝送路として、複数の光ファイバを有する多芯光ファイバケーブルの２本の光ファイバ、複数のコアを有するマルチコア光ファイバの２個のコア、又は複数の伝搬モードを有するマルチ伝搬モード光ファイバの異なる２つの伝搬モードの光伝送路を適用することができる。
【0050】
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】
【0051】
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】
【0052】
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：第１の光伝送路
１２２：第２の光伝送路
１３１：第１の受光器
１３２：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：第１の光伝送路
１２２：第２の光伝送路
１３１：第１の受光器
１３２：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】