JP2001033218A - Optical fiber distortion measuring method and recording medium for realizing the method - Google Patents

Optical fiber distortion measuring method and recording medium for realizing the method

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JP2001033218A
JP2001033218A JP11203809A JP20380999A JP2001033218A JP 2001033218 A JP2001033218 A JP 2001033218A JP 11203809 A JP11203809 A JP 11203809A JP 20380999 A JP20380999 A JP 20380999A JP 2001033218 A JP2001033218 A JP 2001033218A
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optical
scattered light
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央 成瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make measurable distortion with high accuracy by providing a recording medium having recorded a program to be executed by a computer thereon, and determining a peak frequency, a peak value and a half value full width so that the power of Brillouin rear scattered light becomes maximum, taking the incident light pulse width into account. SOLUTION: The measured value of power spectrum of Brillouin scattered light in each measuring points in the longitudinal direction along an optical fiber used as a sensor in a recording medium is analyzed taking an optical frequency as a variable. Subsequently, the power spectrum of Brillouin scattered light taking the incident light power distribution when the incident light pulse time width is short into account is stored including the peak frequency, peak value and half value full width of the power spectrum to be determined in variables, and the measured spectrum is subjected to fitting to the spectrum of scattered light by a least square method to determine the peak frequency, peak value and half value full width of the spectrum to be determined. Thus, operation for determining the respective values on all longitudinal measuring points to be obtained of the optical fiber is repeated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバをセン
サとして用いてひずみを計測する光ファイバひずみ計測
方法及びその方法を実現するための記録媒体に関し、よ
り詳細には、コンクリートや鉄鋼構造物、地盤などの計
測対象にセンシング用の光ファイバを固定して、計測対
象に生じているひずみを連続的に計測する光ファイバひ
ずみ計測技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber strain measuring method for measuring strain using an optical fiber as a sensor and a recording medium for realizing the method, and more particularly, to a concrete or steel structure, The present invention relates to an optical fiber strain measurement technique for fixing a sensing optical fiber to a measurement target such as the ground and continuously measuring strain generated in the measurement target.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般的に用いられているひずみ計測の1
つとしてひずみゲージがある。このひずみゲージは、空
間分解能が数mmから数cm程度のゲージ長と同程度に
高く、しかも簡単に局所的なひずみを高精度に計測する
ことができるという利点がある。しかしながら、このひ
ずみ計測はゲージが取り付けられた離散点で行われるた
め、連続した計測には多くのゲージを密に取り付ける必
要がある。また、信号線を兼ねた電力線を介してゲージ
に給電する必要があり、多点計測ではその電力線の取り
扱いが煩雑であるばかりでなく、落雷などの電磁雑音の
影響を受けるなどの欠点がある。
2. Description of the Related Art One of commonly used strain measurement methods
One is a strain gauge. This strain gauge has the advantage that the spatial resolution is as high as a gauge length of about several mm to several cm, and that local strain can be easily measured with high accuracy. However, since this strain measurement is performed at discrete points where gauges are attached, it is necessary to attach many gauges densely for continuous measurement. In addition, it is necessary to supply power to the gauge through a power line that also serves as a signal line, and multipoint measurement has drawbacks in that not only the handling of the power line is complicated, but also that it is affected by electromagnetic noise such as lightning.

【0003】これに対して、光ファイバをセンサとして
用いたひずみ計測方法では、光ファイバに沿って連続的
に数kmから数10kmにわたる長距離計測が可能であ
るばかりでなく、上述したような電磁雑音の影響を受け
ないという利点がある。このように、ひずみゲージは、
注目すべきひずみの発生位置が既知あるいは予想可能で
あり、かつ計測範囲が狭い場合に適しているのに対し
て、光ファイバひずみ計測技術は、ひずみ発生位置が未
知で広範囲の計測が要求される場合に適している。この
ような特徴から、光ファイバひずみ計測技術は、トンネ
ルなどの大型構造物や堤防などの土木構造物への適用が
期待されている。
On the other hand, a strain measurement method using an optical fiber as a sensor not only enables long distance measurement over several km to several tens km along the optical fiber, but also makes it possible to perform electromagnetic measurement as described above. There is an advantage that it is not affected by noise. Thus, the strain gauge
Optical fiber strain measurement technology requires a wide range of measurement where the strain generation location is unknown, whereas the location where the remarkable strain occurs is known or predictable and the measurement range is narrow. Suitable for the case. Because of these features, the optical fiber strain measurement technology is expected to be applied to large structures such as tunnels and civil structures such as embankments.

【0004】従来の光ファイバひずみ計測技術の一例と
して、例えば特開平10−90121号公報に示された
光ファイバ歪測定装置は、図9に示されているもので、
図中符号1は、単一波長の連続光を出射する光源で、こ
の光源1は、光分岐器2の入射端と光ファイバ11によ
って接続されている。また、光分岐器2は、光源1から
出射された連続光を2つの出射端に強度比1対1で出射
するように構成されている。光分岐器2から出射される
一方の分岐光、つまり後述する光周波数シフタ3に入射
される分岐光が信号光であり、もう一方の分岐光、つま
り後述する光合成器6に入射される分岐光が参照光であ
る。
[0004] As an example of a conventional optical fiber strain measuring technique, an optical fiber strain measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-90121 is shown in FIG.
In the figure, reference numeral 1 denotes a light source that emits continuous light of a single wavelength, and this light source 1 is connected to an incident end of an optical splitter 2 by an optical fiber 11. The optical splitter 2 is configured to emit continuous light emitted from the light source 1 to two emission ends at an intensity ratio of 1: 1. One of the split lights emitted from the optical splitter 2, that is, the split light incident on the optical frequency shifter 3 described later is the signal light, and the other split light, that is, the split light incident on the optical combiner 6 described later. Is a reference light.

【0005】符号3は光周波数シフタで、その入射端は
光分岐器2の一方の出射端と光ファイバ12で接続され
ていて、入射される信号光の光周波数を所定の周期をも
って階段状に変化させるとともに、時間幅が約2μsの
光パルス列に変換するように構成されている。4はパル
ス化装置で、このパルス化装置4の入射端は、光周波数
シフタ3の出射端と光ファイバ13を介して接続されて
いて、入射される光パルス列を時間幅10ns〜1μs
程度の光パルスに変換するように構成されている。
Reference numeral 3 denotes an optical frequency shifter, whose input end is connected to one output end of the optical splitter 2 by an optical fiber 12, and the optical frequency of the incident signal light is stepped at a predetermined period. The pulse width is changed so that the pulse width is converted to an optical pulse train having a time width of about 2 μs. Reference numeral 4 denotes a pulser. The input end of the pulser 4 is connected to the output end of the optical frequency shifter 3 via an optical fiber 13, and the pulse width of the incident optical pulse train is 10 ns to 1 μs.
It is configured to convert light pulses into the same order.

【0006】符号5は光方向性結合器で、入射端5aと
入出射端5bと出射端5cとを有し、入射端5aから入
射された光を入出射端5bから出射し、入出射端5bか
ら入射された光を出射端5cから出射するように構成さ
れている。光方向性結合器5の入射端5aは、パルス化
装置4と光ファイバ14で接続され、光パルスが入射さ
れる。光方向性結合器5から出射された光は、センシン
グ用光ファイバ10に入射される。この出射された光に
より、センシング用光ファイバ10内で生じた後方散乱
光がこの入出射端5bに入射される。
Reference numeral 5 denotes an optical directional coupler, which has an input end 5a, an input / output end 5b, and an output end 5c, emits light incident from the input end 5a from the input / output end 5b, and outputs the light. The light incident from 5b is emitted from the emission end 5c. The incident end 5a of the optical directional coupler 5 is connected to the pulser 4 via an optical fiber 14, and an optical pulse is incident. The light emitted from the optical directional coupler 5 is incident on the sensing optical fiber 10. Due to the emitted light, backscattered light generated in the sensing optical fiber 10 is incident on the input / output end 5b.

【0007】符号6は、2つの入射端と1つの出射端を
有する光合波器で、一方の入射端と前述した光分岐器2
の出射端とは光ファイバ15によって接続され、もう一
方の入射端と光方向性結合器5の出射端5cとが光ファ
イバ16で接続されている。この光合波器6は、センシ
ング用光ファイバ10から出射される後方散乱光と、光
分岐器2とから出射される参照光とが入射されて合波さ
れるように構成されている。
Reference numeral 6 denotes an optical multiplexer having two incident ends and one output end, and one of the incident ends and the optical splitter 2 described above.
Are connected by an optical fiber 15, and the other input end is connected to the output end 5 c of the optical directional coupler 5 by an optical fiber 16. The optical multiplexer 6 is configured such that the backscattered light emitted from the sensing optical fiber 10 and the reference light emitted from the optical splitter 2 are incident and multiplexed.

【0008】符号7は光検出器で、この光検出器7の入
射端は、光合波器6の出射端と光ファイバ17で接続さ
れていて、入射光に対してコヒーレント検波を行い、入
射光パワーを電力に変換して出力するように構成されて
いる。符号8は信号処理部で、検出された光パワーに基
づいてセンシング用光ファイバ10に生じたひずみに応
じた特性の測定波形を出力するように構成されている。
Reference numeral 7 denotes a photodetector. The input end of the photodetector 7 is connected to the output end of the optical multiplexer 6 by an optical fiber 17, and performs coherent detection on the incident light. It is configured to convert power to power and output it. Reference numeral 8 denotes a signal processing unit which is configured to output a measured waveform having a characteristic corresponding to a distortion generated in the sensing optical fiber 10 based on the detected optical power.

【0009】このような構成において、光源1から出射
された連続光は、光分岐器2に入射され、信号光と参照
光とに分岐される。信号光は、光周波数シフタ3に入射
され、光周波数が時系列で階段状に変化されるととも
に、約2μsの時間幅を有する光パルス列に変換され
る。光周波数シフタ3より出射された光パルス列は、パ
ルス化装置4に入射され、時間幅が10ns〜1μs程
度の光パルスに変換される。光周波数シフタ3とパルス
化装置4によって、所望の光周波数を有する光パルスが
生成される。パルス化装置4から出射された光パルス
は、光方向性結合器5を介してセンシング用光ファイバ
10に入射される。
In such a configuration, continuous light emitted from the light source 1 enters the optical splitter 2 and is split into signal light and reference light. The signal light is incident on the optical frequency shifter 3, and the optical frequency is changed stepwise in time series, and is converted into an optical pulse train having a time width of about 2 μs. The optical pulse train emitted from the optical frequency shifter 3 enters the pulsing device 4 and is converted into an optical pulse having a time width of about 10 ns to 1 μs. The optical frequency shifter 3 and the pulser 4 generate an optical pulse having a desired optical frequency. The light pulse emitted from the pulsing device 4 enters the sensing optical fiber 10 via the optical directional coupler 5.

【0010】光パルスがセンシング用光ファイバ10に
入射されると、センシング用光ファイバ10中でレイリ
ー散乱(コアの屈折率の不均一性による散乱損失)やブ
リルアン散乱を受けて後方散乱光が生じる。この後方散
乱光は、光方向性結合器5と光ファイバ16を介して光
合波器6の一方の入射端に入射される。
When an optical pulse is incident on the sensing optical fiber 10, it is subjected to Rayleigh scattering (scattering loss due to non-uniformity of the refractive index of the core) and Brillouin scattering in the sensing optical fiber 10 to generate backscattered light. . This backscattered light is incident on one incident end of the optical multiplexer 6 via the optical directional coupler 5 and the optical fiber 16.

【0011】また、光分岐器2から出射された参照光
は、光ファイバ15を介して光合波器6へ入射されて後
方散乱光と合波される。光合波器6から出射される合波
光は、光検出器7に入射されてコヒーレント検波され、
受信されたパワーに対応した検出信号が信号処理部8に
出力される。
The reference light emitted from the optical splitter 2 enters the optical multiplexer 6 via the optical fiber 15 and is combined with the backscattered light. The multiplexed light emitted from the optical multiplexer 6 enters the photodetector 7 and is coherently detected.
A detection signal corresponding to the received power is output to the signal processing unit 8.

【0012】次に、ブリルアン散乱光の特性とひずみと
の関係について説明する。
Next, the relationship between the characteristics of Brillouin scattered light and distortion will be described.

【0013】ブリルアン散乱光は、物質に入射した光が
物質中を伝搬する際に、物質に屈折率の周期的変化を起
しながら散乱されて入射端に戻る光であり、上述した歪
測定装置を用いると、散乱光のパワーPB(z,ν)は
次のように与えられる。
The Brillouin scattered light is light that is scattered while causing a periodic change in the refractive index of the material when the light incident on the material propagates through the material and returns to the incident end. Is used, the power P B (z, ν) of the scattered light is given as follows.

【0014】[0014]

【数1】 (Equation 1)

【0015】[0015]

【数2】 (Equation 2)

【0016】[0016]

【数3】 (Equation 3)

【0017】[0017]

【数4】 (Equation 4)

【0018】ここで、zは光ファイバに沿った光パルス
入射端からの距離、νはブリルアン散乱光に関わる光周
波数、cは真空中での光速、n0は光ファイバのガラス
の屈折率、Pは入射光のパルス時間幅τとパワーとの
積、αzは光ファイバの損失係数である。なお、入射端
と散乱位置との往復分の損失を受けるために、式(1)
のzの係数は2になっている。g(ν,νB)はブリル
アン散乱光の利得スペクトルであり、式(2)で表され
るローレンツ関数で与えられる。νBはg(ν,νB)の
ピーク値hを与えるピーク周波数、wはg(ν,νB
の半値全幅である。p12は光ファイバのガラスの光弾性
係数、λは入射する光パルスの波長、ρは光ファイバの
ガラスの密度、vAは光ファイバ内での音速である。受
信パワーPB(z,ν)を与える式(1)において、
Here, z is the distance from the light pulse incident end along the optical fiber, ν is the optical frequency related to Brillouin scattered light, c is the speed of light in vacuum, n 0 is the refractive index of the glass of the optical fiber, P is the product of the pulse time width τ of the incident light and the power, and α z is the loss factor of the optical fiber. In order to receive the loss of the round trip between the incident end and the scattering position, the equation (1)
Has a coefficient of z of 2. g (ν, ν B ) is a gain spectrum of Brillouin scattered light, and is given by a Lorentz function represented by Expression (2). [nu B is g (ν, ν B) peak frequency at which a peak value h of, w is g (ν, ν B)
Is the full width at half maximum of p 12 photoelastic coefficient of the glass of the optical fiber, lambda is the wavelength of the light pulses incident, [rho is the density of the glass of the optical fiber, v A is the speed of sound in the optical fiber. In equation (1) that gives the reception power P B (z, ν),

【0019】[0019]

【外1】 [Outside 1]

【0020】の項は光ファイバの損失の影響を表し、散
乱位置zによって変化する。ところが、その周波数分布
g(ν,νB)はzに依存しないと考えられる。
The term represents the effect of optical fiber loss and varies with the scattering position z. However, it is considered that the frequency distribution g (ν, ν B ) does not depend on z.

【0021】光周波数がf0の光パルスを入射し、それ
によってピーク周波数がνBのブリルアン散乱光を生じ
たとする。この差sB(=f0−νB)はブリルアン周波
数シフトと呼ばれ、次式で与えられる。
Assume that an optical pulse having an optical frequency of f 0 is incident, thereby generating Brillouin scattered light having a peak frequency of ν B. This difference s B (= f 0 −ν B ) is called a Brillouin frequency shift and is given by the following equation.

【0022】[0022]

【数5】 (Equation 5)

【0023】ただしvAWhere v A is

【0024】[0024]

【数6】 (Equation 6)

【0025】で与えられる。ここで、Eはヤング率、κ
はポアソン比である。光ファイバにひずみが発生する
と、式(6)の関係にしたがってvAが変化し、その結
果、式(5)のsBも変化する。したがって、f0を一定
に保つと、ひずみの変化に応じてνBが変化することに
なる。このピーク周波数νBの変化は、光ファイバに作
用している応力によって生じるひずみの大きさと比例関
係があることが見出されている(例えば、T.Horiguchi,
T.Kurashima,and M.Tateda,"Tensile strain dependenc
e of Brillouin frequency shift in silica optical f
ibers," IEEE Photonics Technol.Lett.,Vol.1,No.5,p
p.107-108,1989.5参照)。そこで、予め、ひずみεの変
化Δεと、ブリルアン散乱光のパワースペクトルのピー
ク周波数νBの変化ΔνBとの関係を求めておくことによ
り、得られたピーク周波数νBの値からひずみεを求め
ることができる。ひずみの計測点、すなわちセンシング
用光ファイバ10の入射端からの距離zは、光パルスを
光ファイバに入射してからブリルアン散乱光を検出する
までの時間Tからz=Tc/(2n0)で求められる。
また空間分解能Δzは、光ファイバに入射する光パルス
時間をτとすると、Δz=cτ/(2n0)で与えられ
る。
Is given by Where E is Young's modulus, κ
Is the Poisson's ratio. When distortion occurs in the optical fiber, v A changes according to the relationship of Expression (6), and as a result, s B of Expression (5) also changes. Therefore, if f 0 is kept constant, ν B changes according to the change in strain. It has been found that this change in the peak frequency ν B is proportional to the magnitude of the strain caused by the stress acting on the optical fiber (for example, T. Horiguchi,
T.Kurashima, and M.Tateda, "Tensile strain dependenc
e of Brillouin frequency shift in silica optical f
ibers, "IEEE Photonics Technol. Lett., Vol. 1, No. 5, p
p.107-108, 1989.5). Therefore, in advance, obtains a change Δε strain epsilon, by previously obtained relation between the change .DELTA..nu B of the peak frequency [nu B of the power spectrum of the Brillouin scattered light, the epsilon strain from the obtained value of the peak frequency [nu B be able to. The measurement point of the strain, that is, the distance z from the incident end of the sensing optical fiber 10 is z = Tc / (2n 0 ) from the time T from when the light pulse enters the optical fiber to when the Brillouin scattered light is detected. Desired.
The spatial resolution Δz is given by Δz = cτ / (2n 0 ), where τ is the light pulse time incident on the optical fiber.

【0026】ブリルアン散乱光のパワースペクトルは、
ひずみだけでなく温度の影響も受ける。温度の変化と、
それによって生じるピーク周波数、ピーク値の変化とは
比例し、半値全幅とは反比例する
The power spectrum of Brillouin scattered light is
It is affected not only by strain but also by temperature. Changes in temperature,
The resulting peak frequency is proportional to the change in peak value and inversely proportional to the full width at half maximum

【0027】[0027]

【外2】 [Outside 2]

【0028】そのためそれらのうちの2つ、たとえば、
ピーク周波数とピーク値と、ひずみと温度との関係を連
立させて解くことにより、ひずみに与える温度の影響を
取り除いたり、両者を同時に求める方法も提案されてい
る(例えば、T.R.Parker,M.Farhadiroushan,V.A.Handere
k,and A.J.Rogers,"Temperature and strain dependenc
e of the power level and frequency of spontaneous
Brillouin backscattering in optical fibers," Opt.L
ett.,vol.22,no.11,pp.787-789,1997参照)。このよう
に、ひずみの計測精度を向上させるためには、ブリルア
ン散乱光のパワースペクトルを与えるピーク周波数
νB、ピーク値h、半値全幅wを精度良く求める必要が
あり、これまでにそのための検討が種々なされてきてい
る。
Therefore, two of them, for example,
By simultaneously solving the relationship between the peak frequency and the peak value and the strain and the temperature, it is possible to remove the influence of the temperature on the strain or to obtain both simultaneously (for example, TRParker, M. Farhadiroushan, VAHandere
k, and AJRogers, "Temperature and strain dependenc
e of the power level and frequency of spontaneous
Brillouin backscattering in optical fibers, "Opt.L
ett., vol. 22, no. 11, pp. 787-789, 1997). As described above, in order to improve the measurement accuracy of the strain, it is necessary to accurately determine the peak frequency ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w that give the power spectrum of the Brillouin scattered light. Various things have been done.

【0029】図10は、ピーク周波数がνB、ピーク値
h、半値全幅wの算出方法について説明するためのフロ
ーチャートである。
FIG. 10 is a flowchart for explaining a method of calculating the peak frequency ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w.

【0030】まず、第1のステップは、センシング用光
ファイバに沿った各計測点について、光周波数を変数と
して解析を行うための準備をするステップであり、各計
測点について、光周波数を変数として、計測されたブリ
ルアン散乱光のパワーをソートするステップである。上
述したように、従来の歪測定装置では、光周波数を固定
して光パルスを入射し、そのブリルアン散乱光のパワー
を計測し、次いで、光周波数をある所定量だけ変化させ
て再び光周波数を固定し、散乱光パワーを計測すること
を繰り返す。この処理によって、各光周波数について計
測点を変数としたパワーが得られるので、これを光周波
数に関してソートする。より具体的には、i番目の計測
点までの距離をzi(i=1〜I、Iは全計測点数)、
j番目の光周波数をνj(j=1〜J,Jは全計測周波
数)、その時のパワーの計測値を
First, the first step is a step of preparing for analysis at each measurement point along the sensing optical fiber using the optical frequency as a variable. For each measurement point, the optical frequency is used as a variable. And sorting the measured Brillouin scattered light power. As described above, in the conventional strain measuring apparatus, an optical pulse is injected with a fixed optical frequency, the power of the Brillouin scattered light is measured, and then the optical frequency is changed by a predetermined amount to change the optical frequency again. Fixing and measuring the scattered light power are repeated. By this processing, power with the measurement point as a variable is obtained for each optical frequency, and this is sorted with respect to the optical frequency. More specifically, the distance to the i-th measurement point is represented by z i (i = 1 to I, I is the total number of measurement points),
The j-th optical frequency is ν j (j = 1 to J, J is all measured frequencies), and the measured power value at that time is

【0031】[0031]

【外3】 [Outside 3]

【0032】とすると、まずνjを所定の光周波数値に
セットし、ziを変化させて
Then, ν j is set to a predetermined optical frequency value, and z i is changed.

【0033】[0033]

【外4】 [Outside 4]

【0034】を計測し、距離zIまでの計測が終わった
ところでνjを次の光周波数へと変化させνJまで計測を
行っていく。この第1のステップでは、ある距離zi
選択・固定し、光周波数νjについて
After the measurement up to the distance z I is completed, ν j is changed to the next optical frequency and measurement is performed up to ν J. In this first step, a certain distance z i is selected and fixed, and for a light frequency v j

【0035】[0035]

【外5】 [Outside 5]

【0036】をソートするステップである。その結果、
得られた
This is the step of sorting. as a result,
Got

【0037】[0037]

【外6】 [Outside 6]

【0038】は、同一の距離ziを有し、光周波数νj
変数としてソートされたものであること、また各zi
ついて独立に処理がなされることから、表記を簡単化す
るために以下ではこれを
Have the same distance z i , are sorted with the optical frequency ν j as a variable, and are processed independently for each z i. In the following this

【0039】[0039]

【外7】 [Outside 7]

【0040】と記載する。Will be described.

【0041】第2のステップは、第1のステップにおい
て得られたパワー
The second step is the power obtained in the first step.

【0042】[0042]

【外8】 [Outside 8]

【0043】に対して、前述のブリルアン散乱光のパワ
ースペクトルを与えるピーク周波数νB、ピーク値h、
半値全幅wを算出するステップである。式(2)は光周
波数νについての非線形関数であるため、解析解は得ら
れない。そこで、以下のように線形化して解かれる方法
が提案されている(例えば、C.N.Pannell,J.Dhliwayo,D.
J.Webb,"How to estimate the accuracy of a Brilloui
n distributed temperature sensor," Proc. OFS'97,p
p.524-527,1997 参照)。ただし、この文献ではピーク周
波数νBについてのみしか取り扱っていないため、ピー
ク値h、半値全幅wの算出方法も付け加えて説明する。
この方法では、式(2)の逆数をとり、評価関数Er
して
On the other hand, the peak frequency ν B giving the power spectrum of the Brillouin scattered light, the peak value h,
This is the step of calculating the full width at half maximum w. Since the equation (2) is a nonlinear function for the optical frequency ν, an analytical solution cannot be obtained. Therefore, a method of linearizing and solving as follows is proposed (for example, CNPannell, J. Dhliwayo, D.
J.Webb, "How to estimate the accuracy of a Brilloui
n distributed temperature sensor, "Proc. OFS'97, p
p.524-527, 1997). However, since this document deals only with the peak frequency ν B , a method of calculating the peak value h and the full width at half maximum w will also be described.
In this method, the reciprocal of the equation (2) is calculated, and the evaluation function Er is obtained.

【0044】[0044]

【数7】 (Equation 7)

【0045】を考える。ここで、係数a1,a2,a3
それぞれ、
Consider the following. Here, the coefficients a 1 , a 2 and a 3 are respectively

【0046】[0046]

【数8】 (Equation 8)

【0047】[0047]

【数9】 (Equation 9)

【0048】[0048]

【数10】 (Equation 10)

【0049】であり、Wmは逆数をとったことによる変
化を避けるための重み、σmはパワーの計測値に含まれ
るノイズの標準偏差である。また、計測値の全体に対し
てあてはめ計算を行うのではなく、通常はあるしきい値
を設定し、それ以上の値を有するピーク周波数の近傍に
対してあてはめ計算が行われるので、その計算に用いる
部分を表わすパラメータとしてmを用いている。すなわ
ち、m(=1〜M)はj(=1〜J)の一部である。式
(8)〜(10)よりピーク周波数がνB、ピーク値
h、半値全幅wは、
Where W m is a weight for avoiding a change caused by taking the reciprocal, and σ m is a standard deviation of noise included in the measured value of power. Also, instead of performing the fitting calculation on the entire measured value, a certain threshold is usually set, and the fitting calculation is performed on the vicinity of the peak frequency having a higher value. M is used as a parameter representing a portion to be used. That is, m (= 1 to M) is a part of j (= 1 to J). From equations (8) to (10), the peak frequency is ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w are:

【0050】[0050]

【数11】 [Equation 11]

【0051】[0051]

【数12】 (Equation 12)

【0052】[0052]

【数13】 (Equation 13)

【0053】と求められる。式(7)を最小化する条件
から最小二乗法を用いて、係数a1,a2,a3を求め、
この結果を式(11)〜(13)に代入することによ
り、ピーク周波数νB、ピーク値h、半値全幅wを算出
する。
Is obtained. The coefficients a 1 , a 2 , and a 3 are obtained from the condition for minimizing the equation (7) using the least squares method.
The peak frequency ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w are calculated by substituting the results into the equations (11) to (13).

【0054】第3のステップは、光ファイバに沿った求
めるべき全ての計測点について第2のステップを繰り返
すステップである。すなわち、距離zi変化させながら
The third step is a step of repeating the second step for all measurement points to be obtained along the optical fiber. That is, while changing the distance z i

【0055】[0055]

【外9】 [Outside 9]

【0056】からFrom

【0057】[0057]

【外10】 [Outside 10]

【0058】を得て、距離zIまで第2のステップを繰
り返すステップである。
Then, the second step is repeated until the distance z I.

【0059】[0059]

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の歪
測定方法では、入射光パルスの時間幅が十分に長く、散
乱光のパワースペクトルが式(2)で表されるローレン
ツ関数で与えられる場合が想定されている。しかし、空
間分解能を上げるために光パルスの時間幅を短くしてい
くと、散乱光のパワースペクトルはローレンツ関数とは
異なり、パワーが広範囲に分布するようになることが指
摘されている
In the conventional strain measuring method described above, the time width of the incident light pulse is sufficiently long and the power spectrum of the scattered light is given by the Lorentz function expressed by the equation (2). Is assumed. However, it has been pointed out that if the time width of the light pulse is shortened to increase the spatial resolution, the power spectrum of the scattered light differs from the Lorentz function, and the power will be distributed over a wide range.

【0060】[0060]

【外11】 [Outside 11]

【0061】これまでこのパワースペクトルの解析がな
されていなかったため、あてはめるべき適切な関数も明
らかにされておらず、ピーク周波数νB、ピーク値h、
半値全幅wの計測精度が劣化するという問題があった。
また、実用的な重みWmとして、vm 4が用いられている
が、これは明確な根拠がないばかりでなく、計測データ
の解析にあたって誤差をともなう一因ともなっていた。
Since the power spectrum has not been analyzed so far, an appropriate function to be applied has not been clarified, and the peak frequency ν B , the peak value h,
There was a problem that the measurement accuracy of the full width at half maximum w deteriorated.
In addition, v m 4 is used as a practical weight W m , but this has not only a clear basis but also causes an error in analyzing the measurement data.

【0062】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、ブリルアン散乱光
のパワースペクトルを求めてひずみの計測精度を向上さ
せることのできる光ファイバひずみ計測方法及びこの方
法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録
したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an optical fiber strain measurement method capable of obtaining the power spectrum of Brillouin scattered light and improving the accuracy of strain measurement. Another object of the present invention is to provide a computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute the method is recorded.

【0063】[0063]

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を達成するために、センサとして用いる光ファイバに
光パルスを入射し、該入射光パルスにより発生した後方
散乱光の一つであるブリルアン散乱光のパワースペクト
ルを計測し、該パワースペクトルのピーク値と、該ピー
ク値を与えるピーク周波数と、半値全幅とを決定して、
前記光ファイバに発生している長さ方向のひずみ分布を
求める光ファイバひずみ計測方法において、前記光ファ
イバに沿った長さ方向の各計測点について、光周波数を
変数としてブリルアン散乱光のパワーの計測値をソート
する第1のステップと、前記入射光パルスの時間幅が短
いときの入射光パワー分布を考慮したブリルアン散乱光
のパワースペクトルを、決定すべきパワースペクトルの
ピーク周波数とピーク値と半値全幅とを変数に含んだ形
で記述し、計測されたパワースペクトルを前記ブリルア
ン散乱光のパワースペクトルに対して最小二乗法による
フィッティングを行い、前記決定すべきパワースペクト
ルのピーク周波数とピーク値と半値全幅とを決定する第
2のステップと、前記光ファイバの求めるべき長さ方向
の全ての計測点について、前記第2のステップを繰り返
して行う第3のステップとからなるものである。
According to the present invention, in order to achieve the above object, an optical pulse is incident on an optical fiber used as a sensor, and this is one of backscattered light generated by the incident optical pulse. Measure the power spectrum of the Brillouin scattered light, determine the peak value of the power spectrum, the peak frequency that gives the peak value, and the full width at half maximum,
In the optical fiber strain measuring method for obtaining a strain distribution in a length direction generated in the optical fiber, the measurement of the power of the Brillouin scattered light using the optical frequency as a variable for each measurement point in the length direction along the optical fiber. A first step of sorting the values, and the power spectrum of the Brillouin scattered light in consideration of the incident light power distribution when the time width of the incident light pulse is short, the peak frequency, peak value and full width at half maximum of the power spectrum to be determined. Is described in the form of variables, the measured power spectrum is subjected to least squares fitting to the power spectrum of the Brillouin scattered light, the peak frequency, peak value and full width at half maximum of the power spectrum to be determined A second step of determining the above, and for all measurement points in the length direction to be determined of the optical fiber There are, is made of a third step of repeatedly performing the second step.

【0064】また、上記各ステップを有する光ファイバ
ひずみ計測方法をコンピュータに実行させるためのプロ
グラムを記録した記録媒体を提供し、入射光パルス幅を
考慮して、ブリルアン後方散乱光のパワーが最大になる
ピーク周波数とピーク値と半値全幅とを決定し、ひずみ
を高精度に計測可能とするものである。
Further, the present invention provides a recording medium on which a program for causing a computer to execute the optical fiber strain measurement method having the above steps is provided, and the power of the Brillouin backscattered light is maximized in consideration of the incident light pulse width. The peak frequency, the peak value, and the full width at half maximum are determined so that distortion can be measured with high accuracy.

【0065】[0065]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について説
明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0066】図1は、本発明の光ファイバひずみ計測方
法の一実施例を示すためのフローチャートである。光フ
ァイバひずみ計測装置については、図9に示した従来の
歪測定装置を用いることが可能である。
FIG. 1 is a flowchart showing one embodiment of the optical fiber strain measuring method of the present invention. As the optical fiber strain measuring device, the conventional strain measuring device shown in FIG. 9 can be used.

【0067】そこで、まず光パルス幅を狭くした場合も
考慮して、計測されるブリルアン散乱光のパワースペク
トルを理論的に求め、次に計測されたパワーをその分布
にあてはめる方法について以下に説明する。
Therefore, a method for theoretically obtaining the power spectrum of the measured Brillouin scattered light in consideration of the case where the light pulse width is narrowed, and then applying the measured power to the distribution will be described below. .

【0068】入射光パルスとして、時間領域ではパルス
幅がτの方形波であり、周波数領域では光周波数f0
パワーが集中した、理想的な光パルスを考える。この光
パルスの電界EP(t)は、E0を定数として
As an incident light pulse, an ideal light pulse in which the pulse width is τ in the time domain and the power is concentrated at the optical frequency f 0 in the frequency domain is considered. The electric field E P (t) of this light pulse is expressed by E 0 as a constant.

【0069】[0069]

【数14】 [Equation 14]

【0070】で与えられ、この光パルスのパワースペク
トルPP(f,f0)は、
The power spectrum P P (f, f 0 ) of this light pulse is given by

【0071】[0071]

【数15】 (Equation 15)

【0072】で与えられる。ただし、P0は定数であ
り、入射光パルスのパワースペクトルは、入射光パルス
に関わる光周波数fと、上述した入射光パルスパワーが
集中している光周波数f0の関数になるので、これらを
明示的に表すためにPP(f,f0)と記載する。図2
は、式(15)の概形を示す図である。つまり、光パル
スの時間幅τが十分に長い場合には、1/τ≒0とな
り、パワーがf0に集中した光パルスを光ファイバに入
射することになる。逆に、光パルスの時間幅τが短くな
るにつれて、ピーク値が小さくなるとともに、パワーが
広範囲に分布するスペクトルを有する光パルスを光ファ
イバに入射することになる。
Is given by Here, P 0 is a constant, and the power spectrum of the incident light pulse is a function of the optical frequency f related to the incident light pulse and the optical frequency f 0 at which the incident light pulse power is concentrated. It is described as P P (f, f 0 ) for explicit representation. FIG.
Is a diagram showing an outline of the equation (15). That is, when the time width τ of the optical pulse is sufficiently long, 1 / τ ≒ 0, and the optical pulse whose power is concentrated at f 0 is incident on the optical fiber. Conversely, as the time width τ of the optical pulse becomes shorter, the peak value becomes smaller and an optical pulse having a spectrum in which power is distributed over a wide range is incident on the optical fiber.

【0073】いま、入射光パルスによって生じたブリル
アン散乱光は電界に位相相関がなく、パワーについて重
ね合わせの原理が成り立つと仮定し、式(15)で表さ
れたPP(f,f0)が入射した場合のブリルアン散乱光
のパワースペクトルを近似的に求める。ここで、ブリル
アン散乱光の周波数依存成分
Now, assuming that the Brillouin scattered light generated by the incident light pulse has no phase correlation in the electric field and the principle of superposition of power is satisfied, P P (f, f 0 ) expressed by equation (15) The power spectrum of the Brillouin scattered light when is incident is approximately determined. Here, the frequency-dependent component of Brillouin scattered light

【0074】[0074]

【数16】 (Equation 16)

【0075】について考える。入射光パルスの光周波数
0がブリルアン散乱光のピーク周波数νBにシフトする
と、入射光パルスとそのブリルアン散乱光のパワースペ
クトルの関係は、図3に示したようになる。つまり、ブ
リルアン散乱光の光周波数は、入射光パルスの光周波数
0から、そのパワーが最大となる光周波数νBのまわり
の光周波数νへシフトする。入射光パルスのパワースペ
クトルPP(f,f0)上に、光周波数f近傍に微小な光
周波数幅dfを考えると、それによって生じるブリルア
ン散乱光のパワースペクトルは、ピーク周波数がf−s
Bで、半値全幅がwのローレンツ関数になる。なお、上
述したように、このブリルアン周波数シフトsBはf0
νBの差である。このdf内に含まれる入射光パルスパ
ワーPP(f,f0)dtによって生じるブリルアン散乱
光のパワーdH(ν)dνは次式で与えられる。
Is considered. When the optical frequency f 0 of the incident light pulse shifts to the peak frequency ν B of the Brillouin scattered light, the relationship between the incident light pulse and the power spectrum of the Brillouin scattered light becomes as shown in FIG. That is, the optical frequency of the Brillouin scattered light shifts from the optical frequency f 0 of the incident optical pulse to an optical frequency ν around the optical frequency ν B at which the power is maximum. Considering a small optical frequency width df near the optical frequency f on the power spectrum P P (f, f 0 ) of the incident light pulse, the power spectrum of the Brillouin scattered light generated thereby has a peak frequency of f−s.
In B , the full width at half maximum becomes a Lorentz function of w. As described above, this Brillouin frequency shift s B is the difference between f 0 and ν B. Incident light pulse power P P (f, f 0) contained in the df power dH (ν) dν of Brillouin scattered light generated by dt is given by the following equation.

【0076】[0076]

【数17】 [Equation 17]

【0077】したがって、式(17)の積分Therefore, the integration of equation (17)

【0078】[0078]

【数18】 (Equation 18)

【0079】を計算することによって、ブリルアン散乱
光全体のパワースペクトルH(ν)が得られる。ただ
し、式を簡単化するために、定数P0を1とした。式
(18)を積分すると、H(ν)は次のように求められ
る。
The power spectrum H (ν) of the entire Brillouin scattered light is obtained by calculating the following equation. However, in order to simplify the formula, the constant P 0 was set to 1. By integrating the equation (18), H (ν) is obtained as follows.

【0080】[0080]

【数19】 [Equation 19]

【0081】ただし、α,AはそれぞれWhere α and A are respectively

【0082】[0082]

【数20】 (Equation 20)

【0083】[0083]

【数21】 (Equation 21)

【0084】である。したがって、十分に狭い光周波数
範囲内にパワーが集中し、連続光かあるいは連続光とみ
なせるほど十分に光パルスの時間幅τが長い(A=πτ
wが大きい)場合には、上式において
Is as follows. Therefore, power is concentrated in a sufficiently narrow optical frequency range, and the time width τ of the optical pulse is long enough to be regarded as continuous light or continuous light (A = πτ).
w is large) in the above equation

【0085】[0085]

【数22】 (Equation 22)

【0086】とみなせるので、それによって生じるブリ
ルアン散乱光のパワースペクトルはもとのローレンツ関
数となる。しかし、入射光パルスの時間幅τが短かくな
るにつれて、式(19)の第2項の効果により、ブリル
アン散乱光のパワースペクトルはピーク値が小さくなる
とともにパワーが広範囲に分布することになる。
Therefore, the power spectrum of the Brillouin scattered light generated thereby becomes the original Lorentz function. However, as the time width τ of the incident light pulse becomes shorter, the peak value of the power spectrum of the Brillouin scattered light becomes smaller and the power is distributed over a wider range due to the effect of the second term of the equation (19).

【0087】入射光パルスの時間幅τを考慮した場合の
パワーのピーク値H(0)は、τh(A−1+e-A)/
Aであるのに対し、考慮しない(ローレンツ関数の)場
合がhであることから、ピーク値はτ(A−1+e-A
/A倍になっている。また、ローレンツ関数の半値全幅
を基準として、入射光パルスの時間幅τを変化させた場
合のH(α)の半値全幅を理論と実験で求めた結果を図
4に示す。図4において、図中の●印は、図9に示した
歪測定装置による実験結果であり、実線は本発明の理論
の結果である。図4から分かるように、両者はよく一致
していることが確認される。
The power peak value H (0) in consideration of the time width τ of the incident light pulse is τh (A−1 + e −A ) /
The peak value is τ (A−1 + e −A ) since h is the case where A is not considered (in the case of the Lorentz function).
/ A times. FIG. 4 shows the results of theoretically and experimentally determining the full width at half maximum of H (α) when the time width τ of the incident light pulse is changed based on the full width at half maximum of the Lorentz function. In FIG. 4, the black circles in the figure indicate the results of the experiment using the strain measuring device shown in FIG. 9, and the solid lines indicate the results of the theory of the present invention. As can be seen from FIG. 4, it is confirmed that they are well matched.

【0088】以上により、入射光パルスの時間幅を考慮
した、ブリルアン後方散乱光のパワースペクトルH
(ν)が得られる。
As described above, the power spectrum H of the Brillouin backscattered light in consideration of the time width of the incident light pulse.
(Ν) is obtained.

【0089】次に、本発明の方法で得られたパワースペ
クトルに、計測されたパワースペクトルをあてはめるの
に用いる共役勾配法について説明する。
Next, the conjugate gradient method used to apply the measured power spectrum to the power spectrum obtained by the method of the present invention will be described.

【0090】共役勾配法は、制約なしの代表的な非線形
最適化手法の一つであり、関数e=q(y)を最小にす
るyを逐次近似法の形で求める手法である(例えば、茨
木俊秀、福島雅夫、“最適化の手法,”共立出版,19
96参照)。この共役勾配法では、第k近似解をyk
した場合、これにΔykの修正を加えて次の第k+1近
似解yk+1
The conjugate gradient method is one of the typical non-linear optimization methods without restrictions, and is a method of obtaining y that minimizes the function e = q (y) in the form of a successive approximation method (for example, Toshihide Ibaraki, Masao Fukushima, "Optimization Methods," Kyoritsu Shuppan, 19
96). In this conjugate gradient method, when the k-th approximate solution is y k , a correction of Δy k is added to the k-th approximate solution to obtain the next (k + 1) -th approximate solution y k + 1 .

【0091】[0091]

【数23】 (Equation 23)

【0092】と更新していく。この更新の際、Δyk
修正量μkと修正方向ベクトルdkとの積として
Is updated. At the time of this update, Δy k is defined as the product of the correction amount μ k and the correction direction vector d k

【0093】[0093]

【数24】 (Equation 24)

【0094】と与え、これらのμk,dkを次のようにし
て決定する。ここでは、dkとして共役方向ベクトルを
用いることとする。この場合、e=q(y)が2次関数
であるとすると、共役方向ベクトルdkは、勾配方向ベ
クトルrkすなわち
And μ k and d k are determined as follows. Here, a conjugate direction vector is used as d k . In this case, if e = q (y) is a quadratic function, the conjugate direction vector d k becomes the gradient direction vector r k, that is,

【0095】[0095]

【数25】 (Equation 25)

【0096】を用いて、By using

【0097】[0097]

【数26】 (Equation 26)

【0098】と表せる。ただし、上式においてd1=r1
である。一方、修正量μkについてはdkを用いて関数
Can be expressed as follows. Where d 1 = r 1
It is. On the other hand, the correction amount mu k with d k function

【0099】[0099]

【数27】 [Equation 27]

【0100】を考え、μk>0の条件下でφ(μk)を最
小化する値として求める。このようにして決定されたμ
k,dkからΔykを算出し、さらにこの結果を式(2
3)に代入する一連の繰り返し計算により、近似解の精
度を次々に上げていく。関数eの極小点においては
In consideration of the above, the value is determined as a value that minimizes φ (μ k ) under the condition of μ k > 0. Μ determined in this way
k , d k, and Δy k is calculated.
The accuracy of the approximate solution is increased one after another by a series of repeated calculations substituted into 3). At the minimum point of the function e

【0101】[0101]

【数28】 [Equation 28]

【0102】となるので、式(28)の条件を満たすま
で繰り返し計算を行ない、関数eの極小点を実際に数値
的に算出する。
Therefore, the calculation is repeatedly performed until the condition of Expression (28) is satisfied, and the minimum point of the function e is actually calculated numerically.

【0103】次に、共役勾配法を用いた場合のあてはめ
計算方法について説明する。
Next, a description will be given of a fitting calculation method when the conjugate gradient method is used.

【0104】いま、m番目の計測周波数をνmで、そこ
で計測されたパワーを
Now, the m-th measurement frequency is ν m , and the power measured there is

【0105】[0105]

【外12】 [Outside 12]

【0106】で表わし、評価関数ErとしてAnd the evaluation function E r

【0107】[0107]

【数29】 (Equation 29)

【0108】を考える。ここでMは、計測に用いた光周
波数の数であるため予め与えられる。上述したyk,rk
はそれぞれ
Consider the following. Here, M is given in advance because it is the number of optical frequencies used for measurement. Y k , r k described above
Are each

【0109】[0109]

【数30】 [Equation 30]

【0110】[0110]

【数31】 (Equation 31)

【0111】となるので、実際にrkの成分であるピー
ク周波数νB、ピーク値h、半値全幅wの勾配方向のベ
クトル∂Er/∂νB,∂Er/∂h,∂Er/∂wを計算
すると、以下のようになる。
Since the [0111], actually peak frequency [nu B is a component of r k, the peak value h, the gradient direction of the full width at half maximum w vector ∂E r / ∂ν B, ∂E r / ∂h, ∂E r Calculating / ∂w is as follows.

【0112】[0112]

【数32】 (Equation 32)

【0113】[0113]

【数33】 [Equation 33]

【0114】[0114]

【数34】 (Equation 34)

【0115】ただし、However,

【0116】[0116]

【数35】 (Equation 35)

【0117】[0117]

【数36】 [Equation 36]

【0118】[0118]

【数37】 (37)

【0119】である。Is as follows.

【0120】以下、図1に示したフローチャートに基づ
いて本発明の光ファイバひずみ計測方法についてより具
体的に説明する。
Hereinafter, the optical fiber strain measuring method of the present invention will be described more specifically with reference to the flowchart shown in FIG.

【0121】本発明の第1のステップ(S1)は、従来
の方法の第1のステップと同様で、センシング用光ファ
イバに沿った各計測点について、光周波数を変数として
計測されたブリルアン散乱光のパワー
The first step (S1) of the present invention is similar to the first step of the conventional method, and the Brillouin scattered light measured using the optical frequency as a variable at each measurement point along the sensing optical fiber is used. Power of

【0122】[0122]

【外13】 [Outside 13]

【0123】をソートするステップであり、このステッ
プでは、各計測点において、光周波数についてソートし
たパワー
In this step, the power sorted at each measurement point with respect to the optical frequency is

【0124】[0124]

【外14】 [Outside 14]

【0125】を得るステップである。This is the step of obtaining

【0126】第2のステップ(S2)は、入射光パルス
の時間幅が短いときの入射光パワー分布を考慮したブリ
ルアン散乱光のパワースペクトルを、決定すべきパワー
スペクトルのピーク周波数νB、ピーク値h、半値全幅
wとを変数に含んだ形で記述し、計測されたパワースペ
クトルを前記ブリルアン散乱光のパワー計測値
The second step (S2) is to determine the power spectrum of the Brillouin scattered light in consideration of the incident light power distribution when the time width of the incident light pulse is short, to determine the peak frequency ν B and peak value of the power spectrum to be determined. h and the full width at half maximum w are described as variables, and the measured power spectrum is the measured power of the Brillouin scattered light.

【0127】[0127]

【外15】 [Outside 15]

【0128】に対して最小二乗法によるフィッティング
を行い、前記決定すべきパワースペクトルのピーク周波
数νB、ピーク値h、半値全幅wとを決定するステップ
である。なお、
In this step, the peak frequency ν B , peak value h, and full width at half maximum w of the power spectrum to be determined are determined by performing fitting by the least square method. In addition,

【0129】[0129]

【外16】 [Outside 16]

【0130】は、従来技術の説明個所で述べたように、As described in the description of the prior art,

【0131】[0131]

【外17】 [Outside 17]

【0132】のうちしきい値以上のパワーを有する部分
である。これらの決定すべき変数、つまりピーク周波数
νB、ピーク値h、半値全幅wを含んだ形で記述したブ
リルアン散乱光の周波数分布H(ν)を表す式(19)
〜(21)と、全計測周波数について計測されたパワー
に含まれる計測誤差の合計を表す式(29)に対し、最
小二乗法によるフィッティングを行い、前記決定すべき
パワースペクトルのピーク周波数νB、ピーク値h、半
値全幅wを求める。
The portion having power equal to or higher than the threshold value. Equation (19) representing the frequency distribution H (ν) of the Brillouin scattered light described in a form including these variables to be determined, that is, the peak frequency ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w.
To (21) and the equation (29) representing the sum of the measurement errors included in the power measured for all the measurement frequencies, by fitting using the least squares method, the peak frequency ν B of the power spectrum to be determined, The peak value h and the full width at half maximum w are obtained.

【0133】次に、シュミレーションにより本発明の計
測方法を具体的に説明するとともに、本発明のひずみ計
測方法の有効性について説明する。
Next, the measurement method of the present invention will be specifically described by simulation, and the effectiveness of the strain measurement method of the present invention will be described.

【0134】ピーク周波数νB、ピーク値h、半値全幅
wの真値の一例として、それぞれピーク周波数νBを1
0.5GHz、ピーク値hを1、半値全幅wを81.4
MHzとし、光パルスの時間幅τを10nsとした。こ
れらの値を式(19)〜(21)に代入し、10MHz
ごとにH(α)を計算した。この計算値をパワースペク
トルの真値として、それにH(0)の1/100の値を
標準偏差とする正規ノイズを加え、ブリルアン散乱光パ
ワーの計測値
As an example of the true values of the peak frequency ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w, the peak frequency ν B is set to 1
0.5 GHz, peak value h is 1, and full width at half maximum is 81.4.
MHz, and the time width τ of the light pulse was 10 ns. Substituting these values into equations (19) to (21) gives 10 MHz
H (α) was calculated for each case. The calculated value is taken as the true value of the power spectrum, and normal noise having a standard deviation of 1/100 of H (0) is added thereto, and the measured value of the Brillouin scattered light power is obtained.

【0135】[0135]

【外18】 [Outside 18]

【0136】とした。ピーク値の1/5をしきい値とし
て、それより大きい光周波数部分のパワー計測値
[0136] Using 1/5 of the peak value as the threshold value, the power measurement value of the optical frequency part larger than that

【0137】[0137]

【外19】 [Outside 19]

【0138】について計算を行ってピーク周波数νB
ピーク値h、半値全幅wを求めた。図5は、本発明の方
法で得られたパワースペクトルに、計測されたパワース
ペクトルをあてはめた結果の一例を示す図である。図5
において、ローレンツ関数で与えられた散乱光のパワー
スペクトルの真値と光パルスの時間間隔が10nsの散
乱光のパワースペクトルの真値を細線で、上述の手順で
得た計測値を図中○印で表わし、この○印に対して従来
の方法で説明した逆数をとってあてはめる方法で得られ
た曲線と本発明の方法で求められた曲線を実線と破線で
示している。本発明の方法で求められたピーク周波数ν
B、ピーク値h、半値全幅wは、それぞれ10.500
0GHz、1.0015、80.33MHzであり、従
来の方法では10.4998GHz、0.6539、1
31.41MHzであった。従来の方法では、光パルス
の時間幅を考慮せず、単にローレンツ関数にあてはめて
いるために、ピーク値h、半値全幅wが正しく求められ
ていない。それにもかかわらず、図5に示したように、
ピーク周波数νBが精度よく求められているのは、計測
値もあてはめるローレンツ関数もピーク周波数νBに関
して対称なためである。
The calculation is performed for the peak frequency ν B ,
The peak value h and the full width at half maximum w were determined. FIG. 5 is a diagram showing an example of a result obtained by applying a measured power spectrum to a power spectrum obtained by the method of the present invention. FIG.
In the figure, the true value of the power spectrum of the scattered light given by the Lorentz function and the true value of the power spectrum of the scattered light with a time interval of the light pulse of 10 ns are represented by a thin line, and the measured values obtained by the above-described procedure are indicated by circles The curve obtained by the method of applying the reciprocal described in the conventional method and the curve obtained by the method of the present invention are indicated by solid lines and broken lines. Peak frequency ν determined by the method of the present invention
B , the peak value h, and the full width at half maximum w are 10.500, respectively.
0 GHz, 1.0015, 80.33 MHz, and 10.4998 GHz, 0.6539, 1
31.41 MHz. In the conventional method, the peak value h and the full width at half maximum w are not correctly obtained because the time width of the light pulse is not taken into account and the method is simply applied to the Lorentz function. Nevertheless, as shown in FIG.
The peak frequency ν B is accurately determined because the Lorentz function to which the measured value is applied is also symmetric with respect to the peak frequency ν B.

【0139】第3のステップは、求めるべき全ての計測
点のデータについて第2のステップを繰り返すステップ
であり、1000組の
The third step is a step of repeating the second step for the data of all the measurement points to be obtained.

【0140】[0140]

【外20】 [Outside 20]

【0141】を求め、それらに対して第2のステップを
繰り返して実施する。
Are obtained, and the second step is repeatedly performed on them.

【0142】求められたピーク周波数νB、ピーク値
h、半値全幅wの度数分布を図6〜図8にそれぞれ実線
で示す。また、比較のために、従来の方法で得られた分
布を細線で示している。ピーク周波数νBについては、
いずれの方法においても計算結果は真値のまわりに分布
している。これは、上述したように、いずれの方法もピ
ーク周波数νBに関して対称な関数にあてはめているか
らである。それに対してピーク値h、半値全幅wについ
ては、真値とは異なる値のまわりに分布しており、正し
く求められていないことが図7および図8より理解でき
る。
The obtained frequency distributions of the peak frequency ν B , the peak value h, and the full width at half maximum w are shown by solid lines in FIGS. For comparison, the distribution obtained by the conventional method is shown by a thin line. For the peak frequency ν B ,
In each case, the calculation results are distributed around the true value. This is because, as described above, each method is applied to a function symmetrical with respect to the peak frequency ν B. On the other hand, it can be understood from FIGS. 7 and 8 that the peak value h and the full width at half maximum w are distributed around values different from the true values, and are not correctly obtained.

【0143】ここで、得られたピーク周波数νB、ピー
ク値h、半値全幅wの分布について、メジアン値を用い
て定量的に比較する。ピーク周波数νBについては、本
発明の方法も従来の方法も10.50000GHzであ
り、この結果はひずみの誤差に換算して1×10-6以下
と十分な精度である。一方、ピーク値hについては、本
発明の方法では0.9988と真値1のまわりに分布す
るのに対して、従来の方法では0.6523のまわりに
分布している。また、半値全幅wについても、本発明の
方法では80.1725MHzと真値80MHzのまわ
りに分布しているのに対して、従来の方法では130.
5703MHzのまわりに分布している。この結果、本
発明の方法は、従来の方法に比べて計測精度がピーク値
h、半値全幅wとも300倍程度向上していることがわ
かる。
Here, the distribution of the obtained peak frequency ν B , peak value h, and full width at half maximum w is quantitatively compared using the median value. Regarding the peak frequency ν B , both the method of the present invention and the conventional method are 10.50000 GHz, and the result is sufficient accuracy of 1 × 10 −6 or less in terms of distortion error. On the other hand, the peak value h is distributed around 0.9988 and the true value 1 in the method of the present invention, while it is distributed around 0.6523 in the conventional method. Also, the full width at half maximum w is distributed around 80.1725 MHz and the true value of 80 MHz in the method of the present invention, whereas it is 130.times. In the conventional method.
Distributed around 5703 MHz. As a result, it can be seen that the measurement accuracy of the method of the present invention is improved by about 300 times in both the peak value h and the full width at half maximum w compared to the conventional method.

【0144】なお、上述の結果を、ピーク値hについて
は従来の方法による結果をτ(A−1+e-A)/Aで割
って、また、半値全幅wについては図4の関係を用いて
補正した場合、それぞれピーク値hが1.0283、ま
た半値全幅wが77.5450MHzと算出され、従来
の方法により算出された結果を補正しても、本発明の方
法は、従来の方法に比べて24倍、15倍程度高精度に
求められていることが確認される。これは、パワーの計
測値が式(19)で与えられるパワースペクトルである
にもかかわらず、それとは異なるローレンツ関数にあて
はめられているからである。
The above result is corrected by dividing the result by the conventional method for the peak value h by τ (A-1 + e− A ) / A, and correcting the full width at half maximum w by using the relationship in FIG. In this case, the peak value h is calculated to be 1.0283, and the full width at half maximum w is calculated to be 77.5450 MHz. Even if the result calculated by the conventional method is corrected, the method of the present invention can be compared with the conventional method. It is confirmed that the precision is required about 24 times and about 15 times. This is because, although the measured power value is the power spectrum given by the equation (19), it is applied to a different Lorentz function.

【0145】また、上述した光ファイバひずみ計測方法
をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録し
たコンピュータ読み取り可能な記録媒体を用いることに
より、コンピュータによるひずみ計測処理が容易にな
る。つまり、記録媒体に、センサとして用いる光ファイ
バに沿った長さ方向の各計測点におけるブリルアン散乱
光のパワーの計測値を、光周波数を変数として解析する
ステップと、入射光パルスの時間幅が短いときの入射光
パワー分布を考慮したブリルアン散乱光のパワースペク
トルを、決定すべきパワースペクトルのピーク周波数と
ピーク値と半値全幅とを変数に含んだ形で記憶し、計測
されたパワースペクトルをブリルアン散乱光のパワース
ペクトルに対して最小二乗法によるフィッティングを行
い、決定すべきパワースペクトルのピーク周波数とピー
ク値と半値全幅とを決定するステップと、光ファイバの
求めるべき長さ方向の全ての計測点について、ピーク周
波数とピーク値と半値全幅とを決定するステップを繰り
返して行うステップとを有する光ファイバひずみ計測方
法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録
しておくことにより、ひずみ計測の演算処理を容易にす
ることができる。
Further, by using a computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute the above-described optical fiber strain measurement method is used, the computer can easily perform the strain measurement process. That is, on the recording medium, the step of analyzing the measured value of the Brillouin scattered light power at each measurement point in the length direction along the optical fiber used as a sensor, using the optical frequency as a variable, and the time width of the incident light pulse is short. The power spectrum of the Brillouin scattered light considering the incident light power distribution is stored in a form that includes the peak frequency, peak value, and full width at half maximum of the power spectrum to be determined as variables, and the measured power spectrum is Brillouin scattered. A step of performing fitting by the least squares method on the power spectrum of light to determine the peak frequency, peak value, and full width at half maximum of the power spectrum to be determined, and all measurement points in the length direction of the optical fiber to be determined. Repeating the step of determining the peak frequency, peak value and full width at half maximum; and The program for executing the optical fiber strain measuring method in a computer having By recording, it is possible to facilitate the calculation of strain measurement.

【0146】[0146]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入射光パルス幅を考慮して、ブリルアン後方散乱光のパ
ワーが最大になるピーク周波数、ピーク値、半値全幅を
決定しているので、パルス幅の大きさに関係なく最適な
あてはめ計算が可能となり、その結果、高精度にピーク
周波数、ピーク値、半値全幅が決定できる。これによっ
て、ひずみが高精度に計測可能となるばかりではなく、
温度の影響を精度よく取り除くことが可能となる。
As described above, according to the present invention,
In consideration of the incident light pulse width, the peak frequency, peak value, and full width at half maximum where the power of the Brillouin backscattered light is maximum are determined, so that the optimal fitting calculation can be performed regardless of the pulse width. As a result, the peak frequency, peak value, and full width at half maximum can be determined with high accuracy. This not only makes it possible to measure strain with high accuracy,
It is possible to remove the influence of temperature with high accuracy.

【0147】また、ひずみ計測方法を実現する各ステッ
プを、コンピュータに実行させるためのプログラムとし
て記録媒体にコンピュータ読み取り可能に記録している
ため、この記録媒体を用いて、ひずみ計測の演算処理を
容易にすることができる。
Further, since the steps for realizing the strain measurement method are recorded on a recording medium in a computer-readable manner as a program for causing a computer to execute, it is possible to easily use the recording medium to perform a calculation process for strain measurement. Can be

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光ファイバひずみ計測方法の一実施例
を示すピーク周波数、ピーク値、半値全幅を算出する方
法を説明するためのフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of calculating a peak frequency, a peak value, and a full width at half maximum, showing an embodiment of an optical fiber strain measurement method according to the present invention.

【図2】入射光パルスのパワースペクトルを説明するた
めの図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a power spectrum of an incident light pulse.

【図3】入射光パルスとそれによって生じるブリルアン
散乱光のパワースペクトルの関係を説明するための図で
ある。
FIG. 3 is a diagram for explaining a relationship between an incident light pulse and a power spectrum of Brillouin scattered light generated thereby.

【図4】光パルスの時間幅を考慮して求めた半値全幅と
考慮しない場合の半値全幅との比較図である。
FIG. 4 is a comparison diagram of a full width at half maximum obtained in consideration of a time width of an optical pulse and a full width at half maximum without consideration;

【図5】本発明の方法で得られたパワースペクトルに、
計測されたパワースペクトルをあてはめた結果の一例を
示す図である。
FIG. 5 shows the power spectrum obtained by the method of the present invention,
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a result obtained by applying a measured power spectrum.

【図6】求められたピーク周波数の度数分布を説明する
ための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a frequency distribution of the obtained peak frequency.

【図7】求められたピーク値の度数分布を説明するため
の図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a frequency distribution of the obtained peak values.

【図8】求められた半値全幅の度数分布を説明するため
の図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a frequency distribution of the obtained full width at half maximum;

【図9】従来の光ファイバを用いた歪測定装置の一例を
説明したブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating an example of a conventional strain measurement device using an optical fiber.

【図10】計測されたブリルアン散乱光のピーク周波
数、ピーク値、半値全幅についての従来の算出方法を説
明するためのフローチャートである。
FIG. 10 is a flowchart for explaining a conventional calculation method for the measured peak frequency, peak value, and full width at half maximum of Brillouin scattered light.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 光分岐器 3 光周波数シフタ 4 パルス化装置 5 光方向性結合器 6 光結合器 7 光検出器 8 信号処理部 10 センシング用光ファイバ REFERENCE SIGNS LIST 1 light source 2 optical splitter 3 optical frequency shifter 4 pulser 5 optical directional coupler 6 optical coupler 7 photodetector 8 signal processing unit 10 sensing optical fiber

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 AA65 CC00 CC40 DD03 FF12 FF42 GG22 LL00 LL02 LL57 PP22 QQ18 QQ29 QQ44 QQ45 UU05 2G086 CC02 DD05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA06 AA65 CC00 CC40 DD03 FF12 FF42 GG22 LL00 LL02 LL57 PP22 QQ18 QQ29 QQ44 QQ45 UU05 2G086 CC02 DD05

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 センサとして用いる光ファイバに光パル
スを入射し、該入射光パルスにより発生した後方散乱光
の一つであるブリルアン散乱光のパワースペクトルを計
測し、該パワースペクトルのピーク値と、該ピーク値を
与えるピーク周波数と、半値全幅とを決定して、前記光
ファイバに発生している長さ方向のひずみ分布を求める
光ファイバひずみ計測方法において、 前記光ファイバに沿った長さ方向の各計測点について、
光周波数を変数としてブリルアン散乱光のパワーの計測
値をソートする第1のステップと、 前記入射光パルスの時間幅が短いときの入射光パワー分
布を考慮したブリルアン散乱光のパワースペクトルを、
決定すべきパワースペクトルのピーク周波数とピーク値
と半値全幅とを変数に含んだ形で記述し、計測されたパ
ワースペクトルを前記ブリルアン散乱光のパワースペク
トルに対して最小二乗法によるフィッティングを行い、
前記決定すべきパワースペクトルのピーク周波数とピー
ク値と半値全幅とを決定する第2のステップと、 前記光ファイバの求めるべき長さ方向の全ての計測点に
ついて、前記第2のステップを繰り返して行う第3のス
テップと、 からなることを特徴とする光ファイバひずみ計測方法。
1. A light pulse is incident on an optical fiber used as a sensor, a power spectrum of Brillouin scattered light which is one of backscattered light generated by the incident light pulse is measured, and a peak value of the power spectrum is measured. In the optical fiber strain measuring method for determining the peak frequency giving the peak value and the full width at half maximum and determining the strain distribution in the length direction generated in the optical fiber, the length in the length direction along the optical fiber For each measurement point,
A first step of sorting the measured value of the power of Brillouin scattered light with the optical frequency as a variable, and the power spectrum of the Brillouin scattered light considering the incident light power distribution when the time width of the incident light pulse is short,
The peak frequency and peak value of the power spectrum to be determined and the peak value and the full width at half maximum are described in a form including variables, and the measured power spectrum is subjected to fitting by the least square method with respect to the power spectrum of the Brillouin scattered light,
A second step of determining the peak frequency, peak value, and full width at half maximum of the power spectrum to be determined; and repeating the second step for all measurement points in the length direction of the optical fiber to be determined. 3. A method for measuring optical fiber strain, comprising: a third step;
【請求項2】 光ファイバの各計測点におけるブリルア
ン散乱光のパワーの計測値を、光周波数を変数として解
析するステップと、 入射光パルスの時間幅を考慮したブリルアン散乱光のパ
ワースペクトルを、決定すべきパワースペクトルのピー
ク周波数とピーク値と半値全幅とを変数に含んだ形で記
録し、計測されたパワースペクトルを前記ブリルアン散
乱光のパワースペクトルに対して最小二乗法によるフィ
ッティングを行い、前記決定すべきパワースペクトルの
ピーク周波数とピーク値と半値全幅とを決定するステッ
プと、 前記各計測点のすべてについて、前記ピーク周波数とピ
ーク値と半値全幅とを決定する前記ステップを繰り返し
て行うステップとを有し、 光ファイバひずみ計測方法をコンピュータに実行させる
ためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能
な記録媒体。
2. A step of analyzing the measured value of the power of Brillouin scattered light at each measurement point of the optical fiber using the optical frequency as a variable, and determining the power spectrum of the Brillouin scattered light in consideration of the time width of the incident light pulse. The peak frequency, peak value, and full width at half maximum of the power spectrum to be recorded are recorded in the form of variables, and the measured power spectrum is subjected to least squares fitting to the power spectrum of the Brillouin scattered light. Determining the peak frequency, peak value and full width at half maximum of the power spectrum to be performed, and for all of the measurement points, repeating the step of determining the peak frequency, peak value and full width at half maximum, A program for causing a computer to execute the optical fiber strain measurement method. A computer-readable recording medium that has been recorded.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103644974A (en) * 2013-12-11 2014-03-19 李智忠 Calculation and measurement method of fiber Prague grating reflection spectrum central wavelength shift
CN105181152A (en) * 2015-08-28 2015-12-23 苏州光格设备有限公司 Calculation method for frequency shift of distributed Brillouin scattered spectrum
WO2022064597A1 (en) * 2020-09-24 2022-03-31 日本電信電話株式会社 Device and method for detecting trend of increase and decrease of microbending loss in optical fiber

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