JP2003247887A - 光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置および振動位置推定方法 - Google Patents
光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置および振動位置推定方法Info
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Abstract
た場合でも、この加振点の位置を検知することができる
光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動
位置推定装置および振動位置推定方法を提供することに
ある。 【解決手段】 発光素子1から出射された光信号を分岐
してループ状の光ファイバ3の両端に出射し、この光フ
ァイバ3中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞ
れの伝搬光を分岐結合素子2に入射して結合しておき、
分岐結合素子2からのい伝搬光を入射して受光素子5に
より電気信号に変換し、この電気信号をA/D変換器2
7によりデジタル化された時間応答データに変換し、時
間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデー
タを算出し、パワースペクトルデータに含まれるディッ
プ点の周波数を探索し、このディップ点の周波数に基づ
いて、光ファイバ3の途中位置において加振された加振
点の距離を同定する。
Description
イバ中にその開放端それぞれから光を入射して光ファイ
バ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、互いに反対側
の開放端から出てくる伝搬光を干渉させてその干渉光の
強度変化からこのループ状光ファイバの途中に振動が加
わった場合でも、この加振点の位置を検知することがで
きる光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける
振動位置推定装置および振動位置推定方法に関する。
知センサとしては、図6に示すような構成のものが報告
されている。
レーザダイオードからなる発光素子(レーザ光源)1か
ら発光されたレーザ光は、分岐結合素子2によって分岐
されてループ状の光ファイバ3の両端に入射され、この
ループ状の光ファイバ3を時計回り方向A及び反時計回
り方向Bに伝搬する。そして、方向Aに伝搬した光信号
(「A波」と称する)及び方向Bに伝搬した光信号
(「B波」と称する)は、ループ状の光ファイバ3のそ
れぞれの反対端に達した後に分岐結合素子2において結
合され、フォトダイオードからなる受光素子5において
干渉光として検出され、この受光素子5により光電変換
され、光強度に応じた電気信号に変換され、さらに増幅
器11によって増幅されて出力される。
振点Pで振動を印加すると、印加された振動により光フ
ァイバ3の加振点Pは応力を受け、伝搬する光信号の光
路長が変化する。
よびB波のそれぞれの光信号の相対的な位相差と偏波面
が変化する。これらの変化は光ファイバ3から分岐結合
素子2を介して受光素子5の端点において合波される際
に、干渉強度の変化として受信される。
検出技術を応用すれば、多数の光ファイバケーブルの中
から目的の光ファイバケーブルを確実に識別することが
できる光ファイバケーブル対照技術に適応することがで
きるという利点を有している。
ファイバリング干渉計型振動検知センサによれば、光フ
ァイバ3の加振点Pで振動を印加しておき、増幅器11
から出力される電気信号が干渉強度の変化を起こす場
合、目的の光ファイバケーブルを識別できる。
渉計型振動検知センサでは、干渉強度の変化を利用した
としても、例えば光ファイバ3上に落石などが生じて加
振点Pに振動が印加された場合、加振点Pの位置を検知
することは困難であった。
その目的としては、光ファイバ上の途中の位置に振動が
印加された場合でも、この加振点の位置を検知すること
ができる光ファイバリング干渉計型振動検知センサにお
ける振動位置推定装置および振動位置推定方法を提供す
ることにある。
上記課題を解決するため、光源から出射された光信号を
分岐してループ状の光ファイバの両端に出射し、この光
ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞ
れの伝搬光を入射して結合する分岐結合素子と、前記分
岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射
して電気信号に変換する受光素子とを備え、前記受光素
子から出力された電気信号をデジタル化された時間応答
データに変換するA/D変換手段と、A/D変換器から
の時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトル
データを算出するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変
換手段により算出されたパワースペクトルデータに含ま
れるディップ点の周波数を探索するディップ点探索手段
と、前記ディップ点探索手段により探索されたディップ
点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置にお
いて加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定
手段とを備えたことを要旨とする。
るため、前記加振点距離同定手段は、前記ディップ点の
周波数と前記光ファイバ中の光速度に基づいて、前記加
振点の距離を同定することを要旨とする。
るため、前記ディップ点探索手段は、前記パワースペク
トルデータから高周波成分を除去するローパスフィルタ
手段と、前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を
除去されたパワースペクトルデータに基づいて、パワー
スペクトルデータの平均値を算出する平均値算出手段
と、前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去
されたパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出
手段により算出された平均値よりも小さく、最も小さく
なるディップ点の周波数を探索することを要旨とする。
るため、光源から出射された光信号を分岐してループ状
の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中を時計
回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を入射
して結合する分岐結合素子と、前記分岐結合素子によっ
て結合されたそれぞれの伝搬光を入射して電気信号に変
換する受光素子と、前記受光素子から出力された電気信
号をデジタル化された時間応答データに変換するA/D
変換手段とを備え、A/D変換器からの時間応答データ
をフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出する
フーリエ変換ステップと、前記フーリエ変換ステップに
より算出されたパワースペクトルデータに含まれるディ
ップ点の周波数を探索するディップ点探索ステップと、
前記ディップ点探索ステップにより探索されたディップ
点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置にお
いて加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定
ステップとを有することを要旨とする。
るため、前記加振点距離同定ステップは、前記ディップ
点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に基づいて、前
記加振点の距離を同定することを要旨とする。
るため、前記ディップ点探索ステップは、前記パワース
ペクトルデータから高周波成分を除去するローパスフィ
ルタステップと、前記ローパスフィルタステップからの
高周波成分を除去されたパワースペクトルデータに基づ
いて、パワースペクトルデータの平均値を算出する平均
値算出ステップとを有し、前記ローパスフィルタステッ
プからの高周波成分を除去されたパワースペクトルデー
タのうち、前記平均値算出ステップにより算出された平
均値よりも小さく、最も小さくなるディップ点の周波数
を探索することを要旨とする。
を参照して説明する。
グ干渉計型振動検知センサを参照して、加振点の位置を
推定するための原理を説明する。
振動検知センサにおける振動位置推定装置20には、図
1に示すように、駆動回路10、発光素子1、分岐結合
素子2、光ファイバ3、受光素子5が順に接続されてい
る増幅器11が直接接続されている。
ザダイオードからなる発光素子(レーザ光源)1から発
光されたレーザ光は、分岐結合素子2によって分岐され
てループ状の光ファイバ3の両端に入射され、このルー
プ状の光ファイバ3を時計回り方向A及び反時計回り方
向Bに伝搬され、そして、方向Aに伝搬したA波及び方
向Bに伝搬したB波は、ループ状の光ファイバ3のそれ
ぞれの反対端に達した後に分岐結合素子2にて結合さ
れ、フォトダイオードからなる受光素子5において干渉
光として検出され、この受光素子5により光電変換さ
れ、光強度に応じた電気信号に変換され、さらに増幅器
11によって増幅されて振動位置推定装置20に出力さ
れる。なお、発光素子1は、上述したレーザダイオード
に代わって、LEDやSLD(スーパールミネッセンダ
イオード)を使用してもよい。
長をLとし、光ファイバ3の中央位置をz=0とし、中
央位置から距離zoの位置に例えば落石による加振点P
があるとする。
れた振動により光ファイバ3の加振点Pは応力を受け、
伝搬する光信号の光路長が変化する。
り方向Aを表すA波および反時計回り方向Bを表すB波
のそれぞれの光信号の相対的な位相差と偏波面が変化す
る。これらの変化は、光ファイバ3から分岐結合素子2
を介して受光素子5の端点において合波される際に、干
渉強度の変化として受信される。
刻を基準とした時間をτとし、ファイバ中の光速で規格
化した振動位置をδとすると、受光素子5により受光さ
れる信号成分P(τ)には、θ(t) の位相変化が生じてい
るので、
=0になる条件は、(2)式から中点z0 =0である。
に進むA波とB波が受光素子5に到達するまでの到達時
間差が振動の周期と一致する場合にも、(1)式に示す
右辺sin(2θδ)=0になる。
分をfとすると、f=1/(2δ)となる周波数成分が
受光素子5での応答に含まれず、ディップ点になること
を表している。
kmの場合に、加振点Pの距離z0を10km、3k
m、1kmに設定したときに、受光素子5に受光される
信号成分P(τ)の強度と周波数を示している。
加振点Pに振動が発生した場合、約10kHzの周波数
fに対する信号成分Pがディップ点になる。従って、信
号成分Pがディップ点になる不感周波数fを抽出するこ
とで、加振点Pの距離z0 を特定することが可能とな
る。
バリング干渉計型振動検知センサの振動位置推定装置2
0の構成を示す図である。
制御部21、ROM23、RAM25、A/D変換器2
7、ディスプレイ29から構成されている。
る制御プログラムに従って振動位置推定処理を実行す
る。ROM23は、振動位置推定処理の制御プログラム
を記憶する。RAM25は、処理データを一時的に記憶
するメモリであり、このメモリに代わってハードディス
クなどの磁気記憶装置を用いてもよい。A/D変換器2
7は、増幅回路11により増幅されたセンサ信号をアナ
ログ/デジタル変換してセンサデータを出力する。ディ
スプレイ29は、例えばLCD(液晶表示装置)からな
り、制御部21により生成された表示データを表示画面
に表示する。
形を参照して、振動位置推定装置20の動作を説明す
る。なお、図5(a)は、光ファイバ3に振動が発生し
たときの時間応答データの波形を示しており、図5
(b)は、この波形をフーリエ変換したものを示してい
る。
れ、レーザダイオードからなる発光素子1から発光され
たレーザ光は、分岐結合素子2によって分岐されてルー
プ状の光ファイバ3の両端に入射され、このループ状の
光ファイバ3を時計回り方向A及び反時計回り方向Bに
伝搬され、そして、方向Aに伝搬したA波及び方向Bに
伝搬したB波は、ループ状の光ファイバ3のそれぞれの
反対端に達した後に分岐結合素子2にて結合され、フォ
トダイオードからなる受光素子5において干渉光として
検出され、この受光素子5により光電変換され、光強度
に応じた電気信号に変換され、さらに増幅器11によっ
て増幅されて振動位置推定装置20に出力される。
S10では、制御部21は測定条件として、A/D変換
器27のサンプリング周波数を例えば1MHz、測定ポ
イント数を例えば200k個としてRAM25上のメモ
リエリアを確保する。
は、A/D変換器27からセンサデータを受け取ってR
AM25上に記憶し、時間応答データを測定する。この
結果、RAM25上には、図5(a)に示すように光フ
ァイバ3の加振点Pに振動が加えられたときのセンサデ
ータが時間応答データとして記憶される。
は、RAM25上に記憶されているセンサデータの時間
応答データに対して、例えば50msecの時間幅をそ
れぞれ有するn個のウインドウに区切る。そして、ステ
ップS35では、制御部21の回数カウント値kをk=
1に設定する。
られたk番目の区間の時間応答データに対して、周知の
FFT演算アルゴリズムによりフーリエ変換してパワー
スペクトルデータを求め、RAM25上に記憶する。こ
の結果、図5(b)に示すように、k番目の区間に対す
るパワースペクトルデータが求められる。
は、RAM25上に記憶されているパワースペクトルデ
ータに対して、低い周波数から高い周波数に向かって近
隣5点のデータの移動平均データを求めてサンプリング
ノイズなどの高周波成分を除去し、ノイズ除去後のパワ
ースペクトルデータとしてRAM25上に記憶する。
後のパワースペクトルデータP(f)の全データを加算
してから全データ数で割ってパワースペクトルデータの
平均値Paを求めておく。そして、制御部21は、P
(f)<Paとなり、かつ、P(f)が最も小さくなる
ディップ点の周波数f´を探索する。
60で求められたディップ点の周波数f´に基づいて、
加振点Pの距離z0 を同定する。すなわち、上述した
(2)式を変形すると、
c))となるので、(3)式にディップ点の周波数f´
を代入して加振点Pの距離z0を算出し、カウント値k
に対応する距離z0 としてRAM25に記憶する。
波数f´(f´=13.9kHz)がステップS60で
の処理において探索された場合、この不感周波数に対応
する加振点Pまでの距離z0 は、光ファイバ3の中点か
ら約7kmであることを推定することができる。
kがnに到達してn番目の区間の時間応答データに対す
る処理が終了したかどうかを判断する。ここで、n番目
の区間までの処理が終了していない場合には、ステップ
S90に進み、カウント値kに1を加えてカウント値k
を更新し、ステップS40に戻る。
場合には、ステップS100に進み、制御部21は、R
AM25に記憶されている1〜n番目の区間にそれぞれ
対応する距離z0 を読み出し、区間の番号と距離z0 を
対応させた表示データを生成し、ディスプレイ29の表
示画面に表示する。
(フィルタリング)、平均化回数や分割数などのデータ
処理方法等については一例を示したものであり、他の処
理方法を用いて同様の結果を求めるように構成してもよ
い。
信号を分岐してループ状の光ファイバ3の両端に出射
し、この光ファイバ3中を時計回りと反時計回りに伝搬
されたそれぞれの伝搬光を分岐結合素子2に入射して結
合しておき、分岐結合素子2によって結合されたそれぞ
れの伝搬光を入射して受光素子5により電気信号に変換
しておく。ここで、受光素子5から出力された電気信号
をA/D変換器27によりデジタル化された時間応答デ
ータに変換し、A/D変換器27からの時間応答データ
をフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出し、
パワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数
を探索し、このディップ点の周波数に基づいて、光ファ
イバ3の途中位置において加振された加振点の距離を同
定するので、光ファイバ上の途中の位置に振動が印加さ
れた場合でも、この加振点の位置を検知することができ
る。
中の光速度に基づいて、加振点の距離を同定するので、
この加振点の位置を検知することができる。
波成分を除去し、高周波成分を除去されたパワースペク
トルデータに基づいて、パワースペクトルデータの平均
値を算出しておき、高周波成分を除去されたパワースペ
クトルデータのうち、算出しておいた平均値よりも小さ
く、最も小さくなるディップ点の周波数を探索するの
で、確実にディップ点の周波数を探索することができ
る。
子から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイ
バの両端に出射し、この光ファイバ中を時計回りと反時
計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を分岐結合素子に
入射して結合しておき、分岐結合素子によって結合され
たそれぞれの伝搬光を入射して受光素子により電気信号
に変換しておく。ここで、受光素子から出力された電気
信号をA/D変換器によりデジタル化された時間応答デ
ータに変換し、A/D変換器からの時間応答データをフ
ーリエ変換してパワースペクトルデータを算出し、パワ
ースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探
索し、このディップ点の周波数に基づいて、光ファイバ
の途中位置において加振された加振点の距離を同定する
ので、光ファイバ上の途中の位置に振動が印加された場
合でも、この加振点の位置を検知することができる。
ンサにおける振動位置推定装置を示すシステム図であ
る。
の関係を示している。
知センサの振動位置推定装置20の構成を示す図であ
る。
フローチャートである。
場合に、受光素子に受光される時間応答波形を示す図
(a)と、時間応答波形をフーリエ変換して得られたパ
ワースペクトルデータ(b)である。
サを示すシステム図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 光源から出射された光信号を分岐してル
ープ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中
を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光
を入射して結合する分岐結合素子と、 前記分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光
を入射して電気信号に変換する受光素子とを備え、 前記受光素子から出力された電気信号をデジタル化され
た時間応答データに変換するA/D変換手段と、 A/D変換器からの時間応答データをフーリエ変換して
パワースペクトルデータを算出するフーリエ変換手段
と、 前記フーリエ変換手段により算出されたパワースペクト
ルデータに含まれるディップ点の周波数を探索するディ
ップ点探索手段と、 前記ディップ点探索手段により探索されたディップ点の
周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置において
加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定手段
とを備えたことを特徴とする光ファイバリング干渉計型
振動検知センサにおける振動位置推定装置。 - 【請求項2】 前記加振点距離同定手段は、 前記ディップ点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に
基づいて、前記加振点の距離を同定することを特徴とす
る請求項1記載の光ファイバリング干渉計型振動検知セ
ンサにおける振動位置推定装置。 - 【請求項3】 前記ディップ点探索手段は、 前記パワースペクトルデータから高周波成分を除去する
ローパスフィルタ手段と、 前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去され
たパワースペクトルデータに基づいて、パワースペクト
ルデータの平均値を算出する平均値算出手段と、 前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去され
たパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出手段
により算出された平均値よりも小さく、最も小さくなる
ディップ点の周波数を探索することを特徴とする請求項
1記載の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにお
ける振動位置推定装置。 - 【請求項4】 光源から出射された光信号を分岐してル
ープ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中
を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光
を入射して結合する分岐結合素子と、 前記分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光
を入射して電気信号に変換する受光素子と、 前記受光素子から出力された電気信号をデジタル化され
た時間応答データに変換するA/D変換手段とを備え、 A/D変換器からの時間応答データをフーリエ変換して
パワースペクトルデータを算出するフーリエ変換ステッ
プと、 前記フーリエ変換ステップにより算出されたパワースペ
クトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索する
ディップ点探索ステップと、 前記ディップ点探索ステップにより探索されたディップ
点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置にお
いて加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定
ステップとを有することを特徴とする光ファイバリング
干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定方法。 - 【請求項5】 前記加振点距離同定ステップは、 前記ディップ点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に
基づいて、前記加振点の距離を同定することを特徴とす
る請求項4記載の光ファイバリング干渉計型振動検知セ
ンサにおける振動位置推定方法。 - 【請求項6】 前記ディップ点探索ステップは、 前記パワースペクトルデータから高周波成分を除去する
ローパスフィルタステップと、 前記ローパスフィルタステップからの高周波成分を除去
されたパワースペクトルデータに基づいて、パワースペ
クトルデータの平均値を算出する平均値算出ステップと
を有し、 前記ローパスフィルタステップからの高周波成分を除去
されたパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出
ステップにより算出された平均値よりも小さく、最も小
さくなるディップ点の周波数を探索することを特徴とす
る請求項4記載の光ファイバリング干渉計型振動検知セ
ンサにおける振動位置推定方法。
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