CN113316710B - 振动检测方法、信号处理装置和存储介质 - Google Patents

振动检测方法、信号处理装置和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供振动检测方法、信号处理装置和程序，能够以简单的判断基准准确地检测物理施加于光纤的振动。本发明的振动检测方法由同相分量和正交分量的矢量表示被测定光纤的任意的对象区间的散射光，将由对象区间的近端侧矢量和远端侧矢量形成的三角形的形状作为追踪的物理量。即，通过该三角形的形状相对于基准状态的变化来判断有无振动。在组合了DAS‑I和DAS‑P的检测方法中，采用三角形的形状变化的简单的判断基准，能够降低振动检测的遗漏。

Description

振动检测方法、信号处理装置和存储介质
技术领域
本发明涉及检测施加于光纤的物理振动的振动检测方法、信号处理装置和程序。
背景技术
作为对施加于光纤的物理振动沿光纤长边方向分布性地进行测量的手段，已知向被测定光纤射入脉冲测试光并检测基于瑞利散射的后向散射光的被称为DAS(DistributedAcoustic Sensing分布式声学传感)的方法(例如参照非专利文献1)。
在DAS中，捕捉由施加于光纤的物理振动引起的光纤的光路长度变化，进行振动的传感。通过检测振动，能够检测被测定光纤周边的物体的移动等。
作为DAS中的后向散射光的检测方法具有测定来自被测定光纤的各点位的散射光强度并观测散射光强度的时间变化的方法，被称为DAS-I(DAS-intensity分布式声学传感-强度)。DAS-I具有能够使装置结构简单的特征，但是不能根据散射光强度定量地计算由振动引起的光纤的光路长度变化，因此是定性的测定方法(例如参照非专利文献2)。
另一方面，也研究开发了作为测定来自被测定光纤的各点位的散射光的相位并观测相位的时间变化的方法的DAS-P(DAS-phase分布式声学传感-相位)。虽然DAS-P的装置结构和信号处理比DAS-I复杂，但是相对于由振动引起的光纤的光路长度变化，相位线性地变化，由于该变化率在光纤长边方向上也相同，所以能够进行振动的定量测定，能够忠实地再现施加于被测定光纤的振动(例如参照非专利文献2)。
作为检测散射光的强度、相位的装置结构具有将来自被测定光纤的后向散射光通过光电二极管等直接进行检波的结构、使用将其与另外准备的参照光合波并进行检测的相干检波的结构(例如参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献1：Ali.Masoudi,T.P.Newson,“Contributed Rview：Distributedoptical fibre dynamic strain sensing.”Review of Scientific Instruments,vol.87,pp011501(2016)
非专利文献2：西口宪一、李哲贤、GUZIK Artur、横山光德、增田欣增“光纤的分布型声波传感器的试制及其信号处理”信学技报，115(202)，pp29-34(2015)
在基于DAS的测定中，存在用于检测光的PD的热噪声、此后的电气阶段的噪声、由光引起的散粒噪声等测定器的噪声。因此，在测定的散射光的强度、相位中也出现由测定器的噪声产生的影响。因此，为了准确地检测物理施加的振动，需要判断由实际振动引起的散射光的强度、相位的变化是否被测定器的噪声淹没。
在DAS-P中，为了判断在各时刻的各位置上测定的散射光的相位变化是否被测定器的噪声淹没，不仅需要散射光的相位的值，还需要散射光的强度的值。这是因为在各时刻的各位置上测定的散射光的相位变化的不确定度依赖于测定器的噪声和散射光的强度。作为从被测定光纤的各点位散射的散射光干涉的结果，散射光的强度根据时刻或位置而变化，因此不能在散射光的相位变化大的情况下简单地视为检测到振动，为了视为检测到振动，存在的课题是需要更复杂的判断基准。此外，由于仅着眼于散射光的相位变化，所以在即使散射光的强度变化大但相位变化小的情况下，也存在振动检测困难的课题。
在DAS-I中，根据测定器的噪声，确定在各时刻的各位置上测定的散射光的强度的不确定度。因此，是否被测定器的噪声淹没的判断能够在各时刻的各位置上使用相同的判断基准。但是，在DAS-I中，散射光强度的变化的大小和由振动引起的光纤的光路长度变化的大小不能定量地关联。因此，在即使实际上较大的振动施加于光纤但散射光强度的变化小的情况下，该变化被噪声淹没，也存在振动检测困难的课题。
发明内容
在此为了解决上述课题，本发明的目的在于提供能够以简单的判断基准准确地检测物理施加于光纤的振动的振动检测方法、信号处理装置和程序。
为了达成上述目的，本发明的振动检测方法通过追踪与散射光的相位和强度不同的物理量的变化，检测物理施加于光纤的振动。
具体地说，本发明的振动检测方法进行：
测定步骤，测定由射入被测定光纤的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量取得步骤，取得在所述测定步骤中测定的所述散射光的同相分量和正交分量中、由基准状态的所述被测定光纤的任意的对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的基准矢量、以及由任意时刻的所述被测定光纤的所述对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的测定矢量；以及
检测步骤，分别对在所述矢量取得步骤中取得的所述基准矢量和所述测定矢量，假定由所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量和远端侧的矢量形成的三角形，在由所述测定矢量形成的三角形中相对于由所述基准矢量形成的三角形的形状变化在规定值以上时，判断为在所述被测定光纤的所述对象区间施加了物理振动。
此外，本发明的信号检测装置包括：
矢量取得单元，接收由射入被测定光纤的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量，取得所述散射光的同相分量和正交分量中、由基准状态的所述被测定光纤的任意的对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的基准矢量、以及由任意时刻的所述被测定光纤的所述对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的测定矢量；以及
检测单元，分别对所述矢量取得单元取得的所述基准矢量和所述测定矢量，假定由所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量和远端侧的矢量形成的三角形，在由所述测定矢量形成的三角形中相对于由所述基准矢量形成的三角形的形状变化在规定值以上时，判断为在所述被测定光纤的所述对象区间施加了物理振动。
本振动检测方法由同相分量和正交分量的矢量表示被测定光纤的任意的对象区间的散射光，将由对象区间的近端侧矢量和远端侧矢量形成的三角形的形状作为追踪的物理量。即，通过该三角形的形状相对于基准状态的变化来判断有无振动。在组合了DAS-I和DAS-P的检测方法中，采用三角形的形状变化这样的简单的判断基准，能够降低振动检测的遗漏。
因此，本发明能够提供能够以简单的判断基准准确地检测物理施加于光纤的振动的振动检测方法和信号处理装置。
作为捕捉三角形的形状变化的方法具有以下两种。
一种方法的特征在于，在所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧和远端侧，计算使所述测定矢量以旋转阵列旋转后的矢量与所述基准矢量的差分，将使基于所述旋转阵列的旋转发生变化时的所述差分的最小值作为所述形状变化。
例如，可以对所述最小差分预先设定阈值，基于超过了阈值，判断为产生了振动。
另一种方法的特征在于，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r1、相对于同相分量的轴的角度作为θ1，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r2、相对于同相分量的轴的角度作为θ2，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r3、相对于同相分量的轴的角度作为θ3，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r4、相对于同相分量的轴的角度作为θ4
时，将由式(C1)得到的值Dmin作为所述形状变化。
[数C1]
例如，可以对Dmin预先设定阈值，基于超过了阈值，判断为产生了振动。
本发明的振动检测方法的特征在于，使所述对象区间在所述被测定光纤的长边方向上移动，反复进行所述矢量取得步骤和所述检测步骤，取得施加于所述被测定光纤的振动的长边方向分布。
本发明的程序是用于使计算机发挥作为所述信号处理装置的功能的程序。本发明的信号处理装置也能够通过计算机和程序来实现，可以将程序记录于记录介质，也可以通过网络提供。
本发明能够提供能够以简单的判断基准准确地检测物理施加于光纤的振动的振动检测方法、信号处理装置和程序。
附图说明
图1是说明本发明的信号处理装置的图。
图2是说明本发明的振动检测方法的流程图。
图3是说明本发明的振动检测方法的矢量图。
图4是说明本发明的效果的图。
图5是说明相位的不确定度的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明不限于以下的实施方式。另外，在本说明书和附图中附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。
图1表示用于检测散射光的装置结构。在图1中，为了检测散射光使用如下结构：进行将散射光与另外准备的参照光合波并进行检测的相干检波，在检测部中使用光90度混合器。以下，将该结构作为具体例，对本发明的振动检测方法进行说明。
从CW光源1射出单一波长的连续光，通过耦合器2分支为参照光和探测光。探测光由强度调制器3脉冲化，并通过移频器4变更频率。强度调制器和移频器的种类可以是任意的，有时数量为多个，也可以使用强度调制器和移频器的功能一体化的设备。例如，可以通过LN调制器或AO调制器进行脉冲化、频移。此外，也可以是基于移频器的频移量为零、即没有移频器的结构。脉冲化的探测光经由循环器5而射入被测定光纤6。在光纤6的长边方向的各点散射的光作为后向散射光返回到循环器5，射入90度光混合器7的一个输入端。由耦合器2分支的参照光射入90度光混合器7的另一个输入端。
90度光混合器的内部结构只要具备90度光混合器的功能，则可以是任意的。图1表示结构例。后向散射光射入50：50分支比的耦合器8，被分支的散射光射入50：50分支比的耦合器12和50：50的耦合器11的输入端。参照光射入50：50分支比的耦合器9，被分支为两路的参照光的一方直接射入耦合器11的输入端。被分支的另一方的参照光通过在参照光的波长中使相位移动π/2的移相器10进行移相之后，射入耦合器12的输入端。由平衡检测器13检测耦合器11的两个输出，取得电信号15。由平衡检测器14检测耦合器12的两个输出，取得电信号16。电信号15和电信号16发送到信号处理装置17，该信号处理装置17包括能够对信号的频带无混叠地进行采样的AD转换功能元件17a和AD转换功能元件17b。在信号处理装置17中，基于分别从AD转换功能元件17a和AD转换功能元件17b输出的数字化的同相分量和正交分量的信号，通过信号处理部17c进行相位的计算。另外，信号处理装置17是本发明的信号处理装置，是进行以下说明的振动检测方法的装置。另外，信号处理装置17也能够通过计算机和程序来实现，可以将程序记录于记录介质，也可以通过网络提供。
在DAS测定中，在时刻t将脉冲化的探测光射入被测定光纤，检测来自距光纤的入射端的长边方向的距离为l的点位的散射光。通过将脉冲光以时间间隔T反复射入被测定光纤，测定由n为整数、时刻t＝nT的各探测光产生的散射光，以时间间隔T追踪散射光的时间变化。另外，如果将探测光入射的时刻作为nT，将在光纤中传播的光往返距离l的时间作为τ，则检测到来自距离l的点位的散射光的时刻为nT+τ。但是，如果是来自同一点位的(即距离l相同的)散射光，则该延迟量τ不依赖于n而固定。因此在以后的说明中，为了避免繁杂，对散射光的时刻也省略τ而标记为nT。
信号15是对没有噪声时的散射光的同相分量I(l，nT)施加了噪声的测定值Imeasure(l，nT)。信号16是对没有噪声时的散射光的正交分量Q(l，nT)施加了噪声的测定值Qmeasure(l，nT)。即，如果将分别与同相分量和正交分量重叠的噪声作为NI和NQ，则为下式。
[数1]
Imeasure(l，nT)＝I(l，nT)+NI(l，nT) (1)
[数2]
Qmeasure(l，nT)＝Q(l，nT)+NQ(l,nT) (2)
在此，由于同相分量和正交分量由不同的平衡检测器检测，所以NI和NQ是独立的，成为相互不相关的波形。
在同相分量I(l，nT)中仅具有噪声NI的标准偏差σ(NI)的不确定度。此外，在正交分量Q(l，nT)中仅具有噪声NQ的标准偏差σ(NQ)的不确定度。在参照光的强度足够大的情况下，参照光的散粒噪声成为主要的噪声，但是射入图1中的两个平衡检测器13、14的光强度视为同等程度，因此噪声NI和NQ的标准偏差也能够视为相同大小，所以同相分量和正交分量的不确定度相同。即使在PD的热噪声等电气阶段以后的噪声不能忽略的情况下，两个平衡检测器13、14的噪声特性也视为相同，所以不确定度在同相分量和正交分量中相同。
即，如果将同相分量I(l，nT)和正交分量Q(l，nT)的不确定度分别作为ΔI(l，nT)和ΔQ(l，nT)，则两者相同，作为不依赖于距离1、时刻nT的量而成为下式。
[数3]
ΔI(l，nT)＝ΔQ(l,nT)＝N (3)
在DAS-I中，虽然对散射光的强度进行追踪，但是作为与散射光的强度对应的量，使用以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴时的相当于同相分量和正交分量的测定值所构成的矢量的大小的以下的信号振幅A(l，nT)。
[数4]
在实际的测定中，使用作为同相分量和正交分量的测定值的Imeasure(l，nT)和Qmeasure(l，nT)，计算信号振幅A(l，nT)的测定值Ameasure(l，nT)。由于正交分量和同相分量的不确定度相同，所以信号振幅A(l，nT)的不确定度ΔA(l，nT)为下式。
[数5]
ΔA(l,nT)＝N (5)
由此在DAS-I中的散射光的强度的测定中，不确定度不依赖于距离l、时刻nT，因此通过将A(l，nT)的时间变化与不确定度N进行比较，能够容易判定有无振动。即，能够判断为A(l，nT)的时间变化越大，施加振动的概率越高。
但是，由于根据A(l，nT)的时间变化不能定量地求出振动的大小，所以例如实际施加了较大的振动，但是也存在A(l，nT)的变化较小的点位。由于仅追踪信号振幅A(l，nT)，所以在这种点位可能发生振动的遗漏。
根据DAS-I的种类，有时也追踪与信号功率相当的A2(l，nT)。在追踪A2(l，nT)的情况下，也同样产生在追踪信号振幅A(l，nT)的情况下产生的振动的遗漏的课题。
在DAS-P中，测定散射光的相位θ(l，nT)，使用同相分量和正交分量，以如下方式计算相位的测定值θmeasure(l，nT)。
[数6]
运算符Arctan表示四象限反正切。
在DAS-P中，将施加于从光纤长边方向的距离l到距离l+δl的任意对象区间的振动作为以下给出的相位的空间上的差分来进行追踪。另外，有时将距离l记载为该对象区间的近端，将距离l+δl记载为该对象区间的远端。
[数7]
δθ(l,nT)＝θ(l+δl,nT)-θ(l,nT) (7)
其中，δl是由脉冲化的探测光的脉冲宽度确定的测定装置的空间分辨率以上的任意值。但是，如果增大δl，则由于激光的相位噪声等的影响，不能进行准确的测定，因此优选为测定装置的空间分辨率程度。
在实际的测定中，根据测定值θmeasure(l+δl，nT)和θmeasure(l，nT)，计算测定值δθmeasure(l，nT)。相位差δθ(l，nT)相对于振动的大小的增加而线性地增加，增加率也不依赖于距离l而相同，因此可以认为如果相位差大，则振动也大。
但是，相位差δθ(l，nT)的不确定度Δδθ(l，nT)依赖于A(l，nT)。这是因为相位差δθ(l，nT)的不确定度Δδθ(l，nT)根据不确定度的传播规则，使用θ(l，nT)的不确定度Δθ(l，nT)，计算为下式，
[数8]
各距离l中的相位的不确定度Δθ(l，nT)依赖于A(l，nT)。实际上在信号振幅A(l，nT)比不确定度N大的情况下，能够如下式对不确定度Δθ(l，nT)进行评价。
[数9]
图5是说明该情况的图。如果在以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的二维平面上，将没有噪声时的式(9A)的矢量，
[数9A]
r(l,nT)measure＝(Imeasure(l,nT),Qmeasure(l,nT)) (9A)
以箭头101来表示，则其大小为A(l，nT)。不确定度是以矢量r(l，nT)measure为中心的半径N的圆。因此，矢量的角度的不确定度Δθ(l，nT)也能够评价为角度103左右。
因此，由于相位差δθ(l，nT)的不确定度经由A(l，nT)而依赖于距离l、时刻nT，所以不能简单地判断为δθmeasure(l，nT)的变化越大，产生振动的概率越大。
此外，如上所述，在施加了相同的振动的情况下，A(l，nT)的变化量也依赖于距离l、时刻nT而变化。因此，即使δθmeasure(l，nT)的时间变化小，也存在A(l，nT)的时间变化大的点位、时刻，在这种情况下，如果仅测定δθmeasure(l，nT)，则导致振动的遗漏。
在本实施方式的振动检测方法中，不是仅追踪散射光的强度和相位中的任意一方，而是追踪以同相分量为横轴、正交分量为纵轴时的同相分量和正交分量的测定值所构成的矢量的变化，由此考虑强度和相位两方的变化来测定振动。并且，在本振动检测方法中，以任意时刻的光纤的状态等为基准，测定相对于基准的状态的其他时刻的振动。
图2是说明本振动检测方法的流程图。本振动检测方法进行：
测定步骤，测定由射入被测定光纤的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量取得步骤，取得在所述测定步骤中测定的所述散射光的同相分量和正交分量中、由基准状态的所述被测定光纤的任意的对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的基准矢量、以及由任意时刻的所述被测定光纤的所述对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的测定矢量；以及
检测步骤，分别对在所述矢量取得步骤中取得的所述基准矢量和所述测定矢量，假定由所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量和远端侧的矢量形成的三角形，在由所述测定矢量形成的三角形中相对于由所述基准矢量形成的三角形的形状变化在规定值以上时，判断为在所述被测定光纤的所述对象区间施加了物理振动。
在图2中，步骤(A)、(B)的两个相当于所述测定步骤和所述矢量取得步骤，从步骤(C)到(G)相当于所述检测步骤。
在以下的例子中，说明以第一个脉冲的光纤的状态为基准(基准状态)的情况。
在步骤(A)中，测定第一个脉冲(n＝1)的由式(9B)表示的距离1处的矢量和由式(9C)表示的距离l+δl处的矢量。以下，将这些矢量称为基准矢量。
[数9B]
r(l，T)measure＝(Imeasure(l，T)，Qmeasure(l，T)) (9B)
[数9C]
r(l+δl，T)measure＝(Imeasure(l+δl,T),Qmeasure(l+δl，T)) (9C)
在此，如图5所示，在以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的二维平面上定义各矢量。
在步骤(B)中，测定第n个脉冲的由式(9D)表示的距离l处的矢量和由式(9E)表示的距离l+δl处的矢量。以下，将这些矢量称为测定矢量。
[数9D]
r(l，nT)measure＝(Imeasure(l，nT)，Qmcasure(l，nT)) (9D)
[数9E]
r(l+δl，nT)measure＝(Imeasure(l+δl，nT)，Qmeasure(l+δl，nT)) (9E)
如果忽略噪声，则在从距离l到距离l+δ1的区间中的成为基准的射入了第一个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态与射入了第n个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态相同的情况下，r(l，nT)measure和r(l+δl，nT)measure相对于r(l，T)measure和r(l+δl，T)measure旋转了相同的角度。即，使用表示某旋转角度的旋转的旋转阵列R(l，n)，成为下式。
[数10]
r(l，nT)measure＝R(l，n)r(l，T)measure (10)
[数11]
r(l+δl，nT)measure＝R(l，n)r(l+δl，T)measure (11)
因此，如果将与旋转阵列R(l，n)反向旋转相同量的逆旋转阵列R-1(l，n)计算为时刻nT的测定矢量，则如式(12)和式(13)所示与时刻T的基准矢量一致。
[数12]
R-1(l，n)r(l，nT)measure＝r(l，T)measure (12)
[数13]
R-1(l，n)r(l+δl，nT)measure＝r(l+δl，T)measure (13)
另一方面，在通过施加于从距离l到距离l+δl的区间的振动，成为基准的射入第一个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态和射入第n个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态发生变化的情况下，r(l，nT)measure与r(l+δl，nT)measure所成的角度、各矢量的大小产生变化，因此不存在如上所述的逆旋转阵列R-1(l，n)。
换句话说，如果忽略噪声，则在从距离l到距离l+δl的区间中的成为基准的射入第一个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态与射入第n个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态相同的情况下，在矢量存在的二维平面上，将
原点(0，0)、
(Imeasure(l，nT)、Qmeasure(l，nT))以及
(Imeasure(l+δl，nT)，Qmeasure(l+δl，nT))
作为顶点的三角形的形状不发生变化。另一方面，在通过施加于从距离l到距离l+δl的区间的振动，成为基准的射入第一个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态和射入第n个脉冲的时刻的光纤的伸缩状态发生变化的情况下，三角形的形状发生变化。
(实施例1)
在本实施例中，通过以下方法，追踪三角形的形状变化。
特征在于，在所述检测步骤中，在所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧和远端侧，计算使所述测定矢量以旋转阵列旋转后的矢量与所述基准矢量的差分，将使基于所述旋转阵列的旋转发生变化时的所述差分的最小值即最小差分Dmin作为所述形状变化。
在步骤(C)中，注目于某距离l。在步骤(D)中，制作与旋转角度ξ对应的旋转阵列L(ξ)，生成将L(ξ)计算为测定矢量r(l，nT)measure和r(l+δl，nT)measure的矢量。并且，分别对生成的矢量计算相对于成为参照的基准矢量r(l，T)measure和r(l+δl，T)measure的差分。具体地说，在步骤(E)中，计算以下的量D(ξ)。
[数14]
在[0，2π)弧度范围内扫描旋转角度ξ，反复进行步骤(D)、(E)，作为ξ的函数而求出D。并且，在步骤(F)中，求出D成为最小的在旋转角度ξmin处的Dmin。对其他距离l也进行相同的处理，在步骤(G)中得到Dmin(l，nT)。在本实施例中，代替散射光的强度、相位，计算各时刻的Dmin(l，nT)的物理量并进行追踪，由此测定振动。
以下说明在各点位追踪Dmin的意义。由于旋转阵列R(l，n)的旋转量也依赖于在比距离l靠向眼前侧产生的振动，所以测定者不能事先知道所述逆旋转阵列R-1(l，n)。但是，通过一边扫描旋转角度ξ、一边计算旋转阵列L(ξ)，如果忽略噪声，则在没有振动时，L(ξ)与R-1(l，n)一致时，最小值Dmin为零。
图3的(a)和图3的(b)说明了最小值Dmin为零时(在对象区间没有振动时)的矢量。矢量31和矢量32分别是基准矢量r(l，T)measure和r(l+δl，T)measure。即使在振动未施加于作为对象区间的从距离l到距离l+δl的区间的情况下，如果在比距离l靠向眼前侧产生了振动，则由于其影响，如由矢量33和矢量34分别表示的测定矢量r(l，nT)measure和r(l+δl，nT)measure那样，相对于时刻T的基准矢量产生旋转。在此，在扫描旋转角度ξ而旋转阵列L(ξ)的旋转量与R-1(l，n)的旋转量一致时，如图3的(b)所示，由于与时刻T的基准矢量一致，所以Dmin为零。
另一方面，在对从距离l到距离l+δl的区间施加振动，从作为基准的被测定光纤的伸缩状态产生了变化的情况下，测定矢量r(l，nT)measure与r(l+δl，nT)measure所成的角度、各测定矢量的大小中的任意一个必定与时刻T的基准矢量相比具有变化，因此Dmin不为零。特别是相位变化、强度变化越大，Dmin越增加，因此能够以Dmin的大小进行振动检测。
图3的(c)和图3的(d)说明了Dmin≠0时(在对象区间具有振动时)的矢量。矢量35和矢量36分别是测定矢量r(l，nT)measure和r(l+δl，nT)measure。如果对对象区间施加振动，则如矢量35和矢量36那样，在测定矢量中，矢量之间所成的角度、各矢量的大小相对于作为基准矢量的矢量31和矢量32产生变化。因此，即使在对测定矢量计算了给出Dmin的旋转阵列L(ξ)的情况下，也如图3的(d)的粗线37、粗线38那样，存在相对于作为基准矢量的矢量31和矢量32的差异，因此Dmin不为零。
(实施例2)
在本实施例中，通过以下的方法，追踪三角形的形状变化。
特征在于，在所述检测步骤中，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r1、相对于同相分量的轴的角度作为θ1，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r2、相对于同相分量的轴的角度作为θ2，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r3、相对于同相分量的轴的角度作为θ3，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r4、相对于同相分量的轴的角度作为θ4，
此时，将由式(C1)得到的值Dmin作为所述形状变化。
[数C1]
在本实施例中，在步骤(C)后不进行步骤(D)、(E)，而进行步骤(H)。在步骤(H)中，根据r(l，T)measure、r(l+δl，T)measure、r(l，nT)measure和r(l+δl，nT)measure的测定值，以如下方式求出Dmin。首先，使用矢量的大小和角度，以如下方式表示各测定的矢量。
[数15]
r(l，T)measure＝(r1cosθ1，r1sinθ1) (15)
[数16]
r(l+δl，T)measure＝(r2cosθ2，r2sinθ2) (16)
[数17]
r(l，nT)measure＝(r3cosθ3，r3sinθ3) (17)
[数18]
r(l+δl,nT)measure＝(r4cosθ4，r4sinθ4) (18)
使用ξ以如下方式计算D。
[数19]
在此，W和满足下式。
[数20]
Wcosφ＝-2r1r3cos(θ1-θ3)-2r2r4cos(θ2-θ4) (20)
[数21]
Wsinφ＝-2r1r3sin(θ1-θ3)-2r2r4sin(θ2-θ4) (21)
特别是如果将W和作为以下矢量
[数21A]
(-2r1r3cos(θ1-θ3)-2r2r4cos(θ2-θ4)，-2r1r3sin(θ1-θ3)-2r2r4sin(θ2-θ4))
(21A)
的大小和方向，则能够以W为非负且成为[0，2π)的范围的方式进行选择。根据式(20)、(21)，W如下式。
[数22]
Dmin在成为-1的角度ξ时实现，成为下式。
[数23]
因此，可以不是如步骤(D)、(E)那样一边在[0，2π)弧度范围内扫描旋转角度ξ、一边反复进行D的计算，而是如步骤(H)那样根据式(22)计算W，根据式(23)计算Dmin。
(发明的效果)
在本实施方式中说明的振动检测方法通过追踪Dmin，取入了散射光的强度和相位的变化两者，因此能够克服在DAS-P中进行振动测定时相位变化小而强度变化大时的振动的遗漏、以及在DAS-I中进行振动测定时强度变化小而相位变化大时的振动的遗漏。
例如，图4表示克服DAS-I的遗漏的例子。将没有噪声时的基准矢量r(l，T)measure和r(l+δl，T)measure作为矢量41和矢量42。为了简化，如果视为在时刻nT时相对于时刻T在比距离l靠向眼前侧未施加振动的情况下，则没有噪声时的测定矢量r(l，nT)measure为矢量41，与基准矢量相同。振动施加在距离l和距离l+δl之间，测定矢量r(l+δl，nT)measure变化为矢量43(没有噪声)。
在DAS-I中，对作为基准矢量的矢量42和作为测定矢量的矢量43的大小进行比较。另一方面，在本振动检测方法中，通过计算给出Dmin的旋转阵列L(ξ)，测定矢量r(l，nT)measure和r(l+δl，nT)measure转移到矢量44和矢量45。没有噪声时的Dmin成为将距离48的平方与距离49的平方相加并取平方根的值。
由于在实际的测定值中伴随噪声，所以如虚线圆46所示，矢量41、矢量42和矢量43存在不确定度N左右的偏差。此外，由于噪声的影响，给出Dmin的旋转阵列L(ξ)也变化，但是矢量44和矢量45的不确定度也如虚线圆47所示为N左右。因此，距离48和距离49的不确定度分别为√2×N左右，如果距离48和距离49独立，则Dmin的不确定度也为√2×N左右。如图4所示，由于距离49足够长，所以即使考虑不确定度，Dmin也可评价为零以上的值，能够检测振动。但是，在对作为基准矢量的矢量42和作为测定矢量的矢量43的大小进行比较的DAS-I中，由于矢量的大小的变化小，所以如果考虑不确定度，则不能进行振动的检测。
另一方面，对于克服DAS-P的遗漏，通过考虑作为测定矢量的矢量43相对于作为基准矢量的矢量42虽然相位变化小但矢量的大小的变化大的情况，能够同样地理解。此外，即使在比距离l靠向眼前侧施加振动的情况下，上述不确定度的考虑方式也同样成立，因此能够克服DAS-I和DAS-P中的振动的遗漏。
此外，在DAS-P中，在各时刻的各位置测定的散射光的相位变化的不确定度依赖于测定器的噪声和散射光的强度，因此存在各时刻的各位置上的不确定度变化的课题。相对于此，在追踪Dmin的情况下，即使r(l，nT)measure与r(l+δl，nT)measure所成的角度的变化相同，散射光的强度越大，Dmin的值也越大，因此Dmin的不确定度是由测定器的噪声N确定的√2×N左右，能够在各时刻的各位置上共用。
(其他实施方式)
在以上的说明中，说明了如图1所示使用90度光混合器并通过相干检波来检测散射光的方法，但是只要能够检测各时刻的来自各位置的散射光的同相分量和正交分量，则不限定于使用90度光混合器的相干检波。例如，也可以测定散射光的同相分量，通过希尔伯特变换推定正交分量。此外，不与参照光合波，而通过耦合器仅使散射光分支，对一方赋予延迟，再次通过耦合器进行合波等来进行检波，测定正交分量和同相分量，在这样的结构中本振动检测方法也是有效的。
在以上的说明中，根据Imeasure(l，nT)、Qmeasure(l，nT)直接计算D(ξ)，但是为了除去噪声，也可以是在本振动检测方法的原理成立的范围内使电信号15、电信号16通过电滤波器的结构。此外，也可以对从AD转换功能元件17a和AD转换功能元件17b输出的数字化的同相分量和正交分量的信号进行通过数字滤波器的信号处理。
在本振动检测方法中，提出了通过追踪Dmin的各距离上的时间变化来检测振动，基准的状态除了将图2的步骤(A)所示的第一个脉冲作为基准以外，也可以将其他脉冲的时刻作为基准。此外，在能够预先准备光纤的静止状态的情况下，也可以将静止状态下的基准作为基于多个测定的反复测定的平均来进行计算。此外，作为将计算射入某脉冲的时刻nT的Dmin时的基准选择为时刻(n-1)T的射入前一个脉冲的时刻的结构，也可以是追踪在哪个时刻之间检测到振动的使用方法。
此外，也可以应用于如下信号处理：使用本振动检测方法，通过追踪Dmin的各距离处的时间变化，对有意义地检测到振动的各距离的各时刻，通过DAS-P计算相位，忠实地再现振动的伸缩量。
另外，本发明并不仅限于上述实施方式例，除了上述说明的以外，也可以在实施阶段在不脱离其宗旨的范围内对构成要素进行变形而具体化。
[附记]
以下，说明本实施方式的振动检测方法和信号处理装置。
(1)：
本振动检测方法执行如下步骤：
向被测定光纤射入光脉冲并测定射入的光脉冲在被测定光纤中传播时产生的后向散射光的同相分量和正交分量的步骤；
确定由被测定光纤的基准状态下的后向散射光的同相分量和正交分量构成的基准矢量的步骤；
使由被测定光纤的各时刻的后向散射光的同相分量和正交分量构成的测定矢量通过旋转阵列旋转的步骤；
对旋转后的测定矢量与基准矢量进行比较并计算成为差分的量的步骤；以及
求出相对于旋转阵列的旋转量的差分量的最小值的步骤，
通过对被测定光纤的长边方向的各区间追踪差分量的最小值的时间变化，判定在被测定光纤的长边方向的各区间是否产生了振动。
(2)：
上述(1)所记载的信号处理方法的特征在于，
在确定所述差分量的最小值的步骤中，
在将基准矢量中的长边方向的各区间的远端侧的端点中的基准矢量的大小作为r1、角度作为θ1，将各区间的近端侧的端点中的基准矢量的大小作为r2、角度作为θ2，将各时刻的测定矢量中的各区间的远端侧的端点中的测定矢量的大小作为r3、角度作为θ3，将各区间的近端侧的端点中的测定矢量的大小作为r4、角度作为θ4时，由式(C1)确定所述差分量的最小值Dmin。
本信号处理装置的特征在于，
相位OTDR包括：激光光源，输出连续光；分支单元，将激光光源分支为参照光和探测光；入射单元，将探测光射入被测定光纤；90度光混合器，将所述被测定光纤中的探测光的后向散射光和所述参照光作为输入；第一平衡检测器，射入所述90度光混合器的同相分量侧的两个输出而得到同相分量的电信号；以及第二平衡检测器，射入所述90度光混合器的正交分量侧的两个输出而得到正交分量的电信号，本信号处理装置与该相位OTDR连接，使用所述被测定光纤的长边方向上的各点位中的散射光的测定值，进行上述(1)或(2)所记载的信号处理方法。
(效果)
在本发明中，提出了通过追踪与散射光的相位和强度不同的物理量的变化，准确地检测物理施加的振动的方法。通过使用所提出的方法，能够不变更实施现有的DAS-P的结构(相位OTDR装置)，消除DAS-P中的依赖于时刻、位置的不确定度的变化，并且降低单独使用DAS-I、DAS-P时的振动检测的遗漏。
附图标记说明
1：光源
2、8、9、11、12：耦合器
3：强度调制器
4：移频器
5：循环器
6：被测定光纤
7：90度光混合器
10：移相器
13、14：平衡检测器
15、16：电信号
17：信号处理装置
17a、17b：AD转换功能元件
17c：信号处理部
31～36、41～45、101：矢量
46、47、102：不确定度
37、38、48、49：矢量间的距离
103：角度

Claims (8)

1.一种振动检测方法，其特征在于进行：
测定步骤，测定由射入被测定光纤的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量取得步骤，取得在所述测定步骤中测定的所述散射光的同相分量和正交分量中由基准状态的所述被测定光纤的任意的对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的基准矢量以及由任意时刻的所述被测定光纤的所述对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的测定矢量；以及
检测步骤，在以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的二维平面上，由原点、所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的测定矢量和远端侧的测定矢量形成的三角形相对于由原点、所述对象区间的近端侧的基准矢量和远端侧的所述基准矢量形成的三角形的形状变化在规定值以上时，判断为在所述被测定光纤的所述对象区间施加了物理振动。
2.根据权利要求1所述的振动检测方法，其特征在于，在所述检测步骤中，在所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧和远端侧，计算使所述测定矢量以旋转阵列旋转后的矢量与所述基准矢量的差分，将使基于所述旋转阵列的旋转发生变化时的所述差分的最小值作为所述形状变化。
3.根据权利要求1所述的振动检测方法，其特征在于，
在所述检测步骤中，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r1、相对于同相分量的轴的角度作为θ1，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r2、相对于同相分量的轴的角度作为θ2，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r3、相对于同相分量的轴的角度作为θ3，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r4、相对于同相分量的轴的角度作为θ4
时，将由式(C1)得到的值Dmin作为所述形状变化，
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的振动检测方法，其特征在于，使所述对象区间在所述被测定光纤的长边方向上移动，反复进行所述矢量取得步骤和所述检测步骤，取得施加于所述被测定光纤的振动的长边方向分布。
5.一种信号处理装置，其特征在于包括：
矢量取得单元，接收由射入被测定光纤的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量，取得所述散射光的同相分量和正交分量中由基准状态的所述被测定光纤的任意的对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的基准矢量以及由任意时刻的所述被测定光纤的所述对象区间的两端中的同相分量和正交分量构成的测定矢量；以及
检测单元，在以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴的二维平面上，由原点、所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的测定矢量和远端侧的测定矢量形成的三角形相对于由原点、所述对象区间的近端侧的基准矢量和远端侧的所述基准矢量形成的三角形的形状变化在规定值以上时，判断为在所述被测定光纤的所述对象区间施加了物理振动。
6.根据权利要求5所述的信号处理装置，其特征在于，所述检测单元在所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧和远端侧，计算使所述测定矢量以旋转阵列旋转后的矢量与所述基准矢量的差分，将使基于所述旋转阵列的旋转发生变化时的所述差分的最小值作为所述形状变化。
7.根据权利要求5所述的信号处理装置，其特征在于，
所述检测单元在
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r1、相对于同相分量的轴的角度作为θ1，
将所述基准矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r2、相对于同相分量的轴的角度作为θ2，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的远端侧的矢量的大小作为r3、相对于同相分量的轴的角度作为θ3，
将所述测定矢量中的所述被测定光纤的所述对象区间的近端侧的矢量的大小作为r4、相对于同相分量的轴的角度作为θ4
时，将由式(C1)得到的值Dmin作为所述形状变化，
8.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，计算机通过执行所述程序而发挥作为如权利要求5至7中任意一项所述的信号处理装置的功能。
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