JP2004170313A - 光ファイバグレーティング物理量計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】参照光をファイバブラッググレーティングに照射して得られたＦＢＧ反射液の中心波長を簡易な方法でより精度よく求め、さらにこの中心波長を物理量に変換することにより、温度あるいは歪み等をより高精度で短時間に計測することができる光ファイバグレーティング物理量計測システムである。
【解決手段】光ファイバグレーティング物理量計測システム２０は、参照光を出力する光源２１に接続されその光路にファイバブラッググレーティング２２を設けた光ファイバ２３と、光路を分岐する反射光分岐器２４と、分岐された光路の端部に接続され、反射光を受光してスペクトルを求める光検出処理部２６および反射光のスペクトルに対し所定の波長区間について最小２乗フィッティングを実施して得られた曲線の最大値からファイバブラッググレーティング２２の反射光の波長中心を求める波長中心計測部２８を設けた物理量計測計とを具備する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバブラッググレーティングからの反射光の中心波長の変化量から物理量を計測する光ファイバグレーティング物理量計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバグレーティング物理量計測システムとして図２２に示すシステムが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
この光ファイバグレーティング物理量計測システム１は、光源２に光ファイバ３の一端を接続し、この光ファイバ３に複数のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）４を設けた構成である。この光ファイバ３は、光幹線３ａに複数の光分岐器５を設け、各光分岐器５からは光分岐路３ｂが分岐する。そして、ファイバブラッググレーティング４は各光分岐路３ｂに設けられる。
【０００４】
また、光源２側の光分岐器５ａには、反射光用光ファイバ６が接続され、この反射光用光ファイバ６の端部には光検出処理部７が接続される。さらに、この光検出処理部７には信号ケーブル８を介して波長計測部９および物理量変換部１０が直列に接続される。
【０００５】
光源２から、参照光が出力され光ファイバ３による光幹線３ａ、光分岐器５および光分岐路３ｂを経由して各ファイバブラッググレーティング４に照射される。ファイバブラッググレーティング４は温度や歪み等の物理量に依存して変化する特定波長帯のＦＢＧ反射光を反射する性質がある。そして、各ファイバブラッググレーティング４は、互いに反射するＦＢＧ反射光の特定波長帯が相互に影響しないように異なる特定波長帯となるように構成される。
【０００６】
このため、各ファイバブラッググレーティング４からは物理量に応じた波長帯のＦＢＧ反射光がそれぞれ反射され、光分岐路３ｂ、光分岐器５および光幹線３ａを経由して光源２側の光分岐器５ａに到達する。
【０００７】
各ＦＢＧ反射光は、光分岐器５ａから光検出処理部７に導かれ、この光検出処理部７において各ＦＢＧ反射光はそれぞれ受光される。さらに光検出処理部７において各ＦＢＧ反射光は、波長ごとに走査されて各ＦＢＧ反射光のスペクトルがそれぞれ得られる。
【０００８】
そして、各ＦＢＧ反射光のスペクトルは、波長計測部９に電気信号として送られ、この波長計測部９においてＦＢＧ反射光のスペクトルから重心演算法によりＦＢＧ反射光の波長中心値が求められてそれぞれ物理量変換部１０に送られる。
【０００９】
さらに、物理量変換部１０において予め記憶された物理量波長変換テーブルを参照して、各ＦＢＧ反射光の波長中心値はそれぞれ物理量に変換される。
【００１０】
【非特許文献１】
日本原子力学会「２００２年春の年会」ＩＩＩ−３０５（２００２年３月２７日〜２９日、神戸商船大学）「ファイバブラッググレーティングセンサを用いた光ファイバ多点センシングシステムの開発」
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光ファイバグレーティング物理量計測システム１においては、ＦＢＧ反射光のスペクトルから重心演算法によりＦＢＧ反射光の波長中心が計算される。
【００１２】
しかし、特に光量が最大となるＦＢＧ反射光の波長は、ＦＢＧ反射光の強度が微弱な場合は、光源ノイズに起因する光量ゆらぎの影響により、物理量が一定であっても経時的に一定とならない。また、ＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ）比が小さくなり物理量の計測精度が低下する一方、精度維持のためにはＦＢＧ反射光の波長走査ピッチを精密に制御する必要があるため、物理量の計測時間の増加に繋がる。
【００１３】
また、各ＦＢＧ反射光は共通の光幹線３ａを経由するため、あるファイバブラッググレーティング４に想定を超える物理量変化および物理量応答が存在すると、そのＦＢＧ反射光の波長帯が著しく変化し異常値となって他のＦＢＧ反射光に影響を及ぼす恐れがある。
【００１４】
さらに、光源２や光幹線３ａ、光分岐路３ｂ、光分岐器５、５ａ等の機器に異常がある場合、または健全性を確認するためには、システムを停止し、かつ専用の計測機器を用いて行う必要がある。
【００１５】
また、ＦＢＧ反射光の波長はファイバブラッググレーティング４の温度変化に伴う光幹線３ａおよび光分岐路３ｂの伸縮に依存して変動するため、物理量計測の精度が低下する。
【００１６】
また、参照光およびＦＢＧ反射光は光分岐器５、５ａを通過する際に減衰する。このため、ＦＢＧ反射光の検出が困難になる一方、光分岐器５，５ａの分岐比、各ファイバブラッググレーティング４の反射率、参照光のエネルギ等の条件を調整することが必要となる。
【００１７】
本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、参照光をファイバブラッググレーティングに照射して得られたＦＢＧ反射光の中心波長を簡易な方法でより精度よく求め、さらにこのＦＢＧ反射波長の中心波長を物理量に変換することにより、ファイバブラッググレーティングにおける温度あるいは歪み等の物理量をより高精度で短時間に計測することができる光ファイバグレーティング物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、光源や光ファイバ等の光伝送路の異常あるいは、別のファイバブラッググレーティングからのＦＢＧ反射光の影響による異常を定常的に監視することができる光ファイバグレーティング物理量計測システムを提供することである。
【００１９】
また、本発明の他の目的は、ファイバブラッググレーティングの温度依存性、すなわちＦＢＧ反射光の波長の温度変化による変動を補償することができる光ファイバグレーティング物理量計測システムを提供することである。
【００２０】
また、本発明の他の目的は、より低出力な参照光の使用が可能で、かつより安価で簡易な装置および処理で短時間に物理量を計測することができる光ファイバグレーティング物理量計測システムを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、参照光を出力する光源に接続されその光路にファイバブラッググレーティングを設けた光ファイバと、この光ファイバにより形成される光路を分岐する反射光分岐器と、この反射光分岐器により分岐された光路の端部に接続され、前記ファイバブラッググレーティングの反射光を受光してスペクトルを求める光検出処理部および前記ファイバブラッググレーティングの反射光のスペクトルに対し所定の波長区間について最小２乗フィッティングを実施して得られたフィッティング曲線の最大値から前記ファイバブラッググレーティングの反射光の波長中心を求める波長中心計測部を設けた物理量計測計とを具備することを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、参照光を出力する光源に一端が接続されその光路にファイバブラッググレーティングを設けた光ファイバと、この光ファイバにより形成される光路の他端に接続され、前記ファイバブラッググレーティングの透過光を受光してスペクトルを求める光検出処理部および前記ファイバブラッググレーティングの透過光のスペクトルに対し所定の波長区間について最小２乗フィッティングを実施して得られたフィッティング曲線の最小値から前記ファイバブラッググレーティングの透過光の波長中心を求める波長中心計測部を設けた物理量計測計とを具備することを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第１の実施形態を示す構成図である。
【００２５】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０は、光源２１に光ファイバ２３の一端を接続し、この光ファイバ２３の途中に複数のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）２２を設けた構成である。さらに、光ファイバ２３には、光源２１と光源２１側のファイバブラッググレーティング２２の間に、反射光分岐器２４が設けられ、この反射光分岐器２４から分岐された光ファイバ２３ａの端部に物理量計測計２５を接続した構成である。
【００２６】
光源２１には、任意の波長帯の参照光を波長変更可能に出力することができる光源が使用される。
【００２７】
また、物理量計測計２５は、光検出処理部２６に、データ区間設定部２７、波長中心計測部２８および物理量変換部２９が信号ケーブル３０を介して順次直列に接続された構成である。そして、光検出処理部２６に光ファイバ２３ａが接続される。
【００２８】
次に光ファイバグレーティング物理量計測システム２０の作用を説明する。
【００２９】
まず、光源２１から所定の波長帯に設定された参照光が出力される。この参照光は、光ファイバ２３、反射光分岐器２４、光ファイバ２３を経由して各ファイバブラッググレーティング２２に照射される。
【００３０】
ファイバブラッググレーティング２２は光ファイバコアにブラッグ回折格子を形成したもので、特定の波長帯の光を反射する性質を有する。ファイバブラッググレーティング２２が反射する光の特定波長帯は、温度、応力等の条件により変化する。このため、ファイバブラッググレーティング２２に参照光が照射されると、温度、応力等の条件に応じた特定波長帯の光が反射する。
【００３１】
尚、各ファイバブラッググレーティング２２が反射するＦＢＧ反射光の波長帯は、異なる波長帯とされ、各ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光は、互いに干渉しないように設定される。さらに、光源２１が出力する参照光の波長帯は着目するファイバブラッググレーティング２２が反射するＦＢＧ反射光の波長帯に設定される。
【００３２】
各ファイバブラッググレーティング２２において反射したＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）反射光は、再び光ファイバ２３を経由して反射光分岐器２４にそれぞれ入射される。この反射光分岐器２４において各ＦＢＧ反射光は分岐され、光ファイバ２３ａを経由して光検出処理部２６にそれぞれ導かれる。
【００３３】
そして、光検出処理部２６により各ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光がそれぞれ受光される。光検出処理部２６では、受光した各ＦＢＧ反射光の特定波長帯の波長中心の変化量がそれぞれ計測される。
【００３４】
ここで、ある１つのファイバブラッググレーティング２２において、温度、歪等の物理量が変化すると、この物理量の変化の大きさに対比してそのファイバブラッググレーティング２２が反射する光の特定波長帯も変化する。そこで、予め物理量とＦＢＧ反射光の特定波長帯との関係が分かれば、物理量がある値でのＦＢＧ光の特定波長帯を基準として、ＦＢＧ光の特定波長帯の変化量から換算して物理量を知ることができる。
【００３５】
このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０では、ＦＢＧ光の特定波長帯を計測して、ファイバブラッググレーティング２２における温度や歪等の物理量を計測することができる。
【００３６】
光検出処理部２６はフォトダイオード検出器を具備する。そして、このフォトダイオード検出器で、走査列毎にＦＢＧ反射光を検出処理する。さらにＦＢＧ反射光は、走査列毎の反射光強度に変換される。
【００３７】
この結果、光検出処理部２６でＦＢＧ反射光の波長に対する反射光強度の分布、すなわちスペクトルが得られる。しかし、ファイバブラッググレーティング２２における物理量を計算するためには、ＦＢＧ反射光のスペクトルを基に、ＦＢＧ反射光の波長中心を求める必要がある。
【００３８】
次に、光検出処理部２６において得たＦＢＧ反射光のスペクトルからＦＢＧ反射光の波長中心を求める方法について説明する。
【００３９】
図２は、図１に示す光検出処理部２６において得られたＦＢＧ反射光のスペクトルからＦＢＧ反射光の波長中心を求める方法を説明する概念図である。
【００４０】
図２において縦軸は、ＦＢＧ反射光の相対光強度であり横軸は、ＦＢＧ反射光の波長を示す。また、○印は、ＦＢＧ反射光の光強度データを示す。
【００４１】
図２のように一般に、ＦＢＧ反射光の光強度は上に凸である分布となる。尚、ＦＢＧ反射光の光強度は、実際の光強度とすることもできるが、光強度の傾向を表す分布が得られればよいため、例えば無次元化した光強度のように相対的な光強度を示す分布とされる。
【００４２】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０では、ＦＢＧ反射光のスペクトルから最小２乗フィッティングによりフィッティング曲線を得て、さらにこのフィッティング曲線の最大値に対応するＦＢＧ反射光の波長が、ＦＢＧ反射光の波長中心として求められる。ここで、最小２乗フィッティングを行うためには、計算に含めるＦＢＧ反射光の波長の範囲を設定する必要がある。
【００４３】
そこで、光検出処理部２６で得られたＦＢＧ反射光のスペクトルは電気信号として信号ケーブル３０を介してデータ区間設定部２７に送られる。
【００４４】
そして、データ区間設定部２７において、最小２乗フィッティングを行うための計算に含めるＦＢＧ反射光の波長の範囲が設定される。ＦＢＧ反射光の波長の範囲設定方法は任意であるが、例えば図２に示すように、ＦＢＧ反射光の光強度の最大値の１／２以上の光強度が得られたＦＢＧ反射光の波長を最小２乗フィッティングの計算に含める範囲とすることができる。
【００４５】
ＦＢＧ反射光の波長の範囲が設定されると、この範囲のＦＢＧ反射光のスペクトルが、信号ケーブル３０を介して波長中心計測部２８に電気信号として送られる。そして、波長中心計測部２８において範囲設定されたＦＢＧ反射光のスペクトルは最小２乗フィッティング処理される。
【００４６】
この結果、波長中心計測部２８においてＦＢＧ反射光のスペクトルのフィッティング曲線が得られる。そして、このフィッティング曲線の最大値に対するＦＢＧ反射光の波長が波長中心とされる。
【００４７】
ここで、波長中心計測部２８において実施する最小２乗フィッティングには高次の多項式を適用する方法と、ガウス分布式を適用する方法とがある。
【００４８】
まず、高次の多項式を適用した最小２乗フィッティングによるＦＢＧ反射光の波長中心の計算について説明する。
【００４９】
図３は、図１に示す光検出処理部２６で得られたＦＢＧ反射光のスペクトルと波長中心計測部２８において２次の多項式を適用して得たフィッティング曲線を示す図である。
【００５０】
図３において、縦軸はＦＢＧ反射光の相対光量、横軸はＦＢＧ反射光の波長（ｎｍ）である。◆印はＦＢＧ反射光の相対光量の測定値である。実線は、式（１）に示す２次の多項式を適用して相対光量の測定値から得られたフィッティング曲線である。
【００５１】
【数１】

である。
【００５２】
式（１）において、図３の縦軸はｙ軸、横軸はｘ軸に相当する。
【００５３】
尚、最小２乗フィッティングの計算に含めるＦＢＧ反射光の波長の範囲は、光強度の最大値の１／２以上の光強度が得られたＦＢＧ反射光の波長とした。
【００５４】
式（１）からＦＢＧ反射光の波長中心λ_ｃ（ｎｍ）は、式（２）にように求められる。
【００５５】
【数２】

【００５６】
図４は、図１に示す波長中心計測部２８において２０個の被計測系サンプルに対して高次の多項式により最小２乗フィッティングを実施して得たＦＢＧ反射光の波長中心の偏差を示す図である。
【００５７】
図４において、縦軸はＦＢＧ反射光の波長中心の偏差（ｎｍ），横軸は被計測系サンプルの番号である。■は２次多項式を用いたときのＦＢＧ反射光の波長中心の偏差、◆は４次多項式を用いたときのＦＢＧ反射光の波長中心の偏差である。
【００５８】
被計測系サンプルのＦＢＧ反射光の光強度の計測条件は、ファイバブラッググレーティング２２を一定の温度あるいは歪み等の条件を有する環境に敷設して、光検出処理部２６におけるＦＢＧ反射光の波長走査ピッチを０．０３ｎｍとして計測したものである。
【００５９】
そして、同様な被計測系サンプルのＦＢＧ反射光の光強度の計測を２０回実施して、２０個のＦＢＧ反射光のスペクトルを得る。さらに各スペクトルについて、波長中心計測部２８において２次多項式および４次多項式を用いて最小２乗フィッティングを実施して各ＦＢＧ反射光のそれぞれの波長中心を計算する。この結果、２０個のＦＢＧ反射光の波長中心が計算により得られる。
【００６０】
ここで、ファイバブラッググレーティング２２は一定の温度環境に敷設されるため、理想的には２０個のＦＢＧ反射光の波長中心は一致する。このため、各ＦＢＧ反射光の波長中心の偏差から、高次の多項式により最小２乗フィッティングを実施して得たＦＢＧ反射光の波長中心の精度を把握することができる。
【００６１】
図４によれば、各被計測系サンプルの偏差は、２次多項式あるいは４次多項式により最小２乗フィッティングを実施して計算した場合のいずれも、±０．０２０（ｎｍ）の範囲である。よって、高次の多項式を用いた最小２乗フィッティングによるＦＢＧ反射光の波長中心の計算では、十分な精度が得られることが分かる。
【００６２】
次に、ガウス分布式を適用した最小２乗フィッティングによるＦＢＧ反射光の波長中心の計算について説明する。
【００６３】
図５は、図１に示す光検出処理部２６で得られたＦＢＧ反射光のスペクトルと波長中心計測部２８においてガウス分布式を適用して得たフィッティング曲線を示す図である。
【００６４】
図５において、縦軸はＦＢＧ反射光の相対光量、横軸はＦＢＧ反射光の波長（ｎｍ）である。■印はＦＢＧ反射光の相対光量の測定値である。実線は、式（３）に示すガウス分布式を適用して相対光量の測定値から得られたフィッティング曲線である。
【００６５】
【数３】

である。
【００６６】
式（３）において、図５の縦軸はｙ軸、横軸はｘ軸に相当し、ｍはＦＢＧ反射光の相対光量の平均、σはＦＢＧ反射光の相対光量の標準偏差である。
【００６７】
尚、最小２乗フィッティングの計算に含めるＦＢＧ反射光の波長の範囲は、光強度の最大値の１／２以上の光強度が得られたＦＢＧ反射光の波長とした。
【００６８】
式（３）からＦＢＧ反射光の波長中心は、λ_ｃ＝１５３９．７２８（ｎｍ）となる。ＦＢＧ反射光の波長中心の計算方法は、式（３）において最大値を求める計算であり詳細は省略する。
【００６９】
図６は、図１に示す波長中心計測部２８において２０個の被計測系サンプルに対してガウス分布式により最小２乗フィッティングを実施して得たＦＢＧ反射光の波長中心の偏差を示す図である。
【００７０】
図６において、縦軸はＦＢＧ反射光の波長中心の偏差（ｎｍ），横軸は被計測系サンプルの番号である。◆はガウス分布式を用いたときのＦＢＧ反射光の波長中心の偏差である。
【００７１】
被計測系サンプルのＦＢＧ反射光の光強度の計測条件は、ファイバブラッググレーティング２２を一定の温度あるいは歪み等の条件を有する環境に敷設して、光検出処理部２６におけるＦＢＧ反射光の波長走査ピッチを０．０３ｎｍとして計測したものである。
【００７２】
そして、同様な被計測系サンプルのＦＢＧ反射光の光強度の計測を２０回実施して、２０個のＦＢＧ反射光のスペクトルを得る。さらに各スペクトルについて、波長中心計測部２８においてガウス分布式を用いて最小２乗フィッティングを実施して各ＦＢＧ反射光のそれぞれの波長中心を計算する。この結果、２０個のＦＢＧ反射光の波長中心が計算により得られる。
【００７３】
ここで、ファイバブラッググレーティング２２は一定の温度環境に敷設されるため、理想的には２０個のＦＢＧ反射光の波長中心は一致する。このため、各ＦＢＧ反射光の波長中心の偏差から、ガウス分布式により最小２乗フィッティングを実施して得たＦＢＧ反射光の波長中心の精度を把握することができる。
【００７４】
図６によれば、各被計測系サンプルの偏差は、±０．０２０（ｎｍ）の範囲である。よって、ガウス分布式を用いた最小２乗フィッティングによるＦＢＧ反射光の波長中心の計算では、十分な精度が得られることが分かる。
【００７５】
波長中心計測部２８において最小２乗フィッティングによりＦＢＧ反射光の波長中心が得られると、このＦＢＧ反射光の波長中心の値は電気信号として、信号ケーブル３０を介して物理量変換部２９に送られる。
【００７６】
そして、物理量変換部２９において、ＦＢＧ反射光の波長中心の値は温度あるいは歪み等の物理量に変換される。ＦＢＧ反射光の波長中心の値から物理量への変換方法としては、計測データを蓄積して参照する方法等の任意の方法が可能であるが、例えば、関数を利用した変換方法がある。
【００７７】
図７は、図１に示す物理量変換部２９においてＦＢＧ反射光の波長中心の値をファイバブラッググレーティング２２の温度に変換する際に用いる関数を示す図である。
【００７８】
図７において、左の列はファイバブラッググレーティング２２の番号ＦＢＧ（ｉ）（１≦ｉ≦ｎ）を示す。右の列は、ｉ番目のファイバブラッググレーティング２２における、ＦＢＧ反射光の波長中心の値を温度に変換するための関数λｉ＝ｆｉ（ｔｉ）を示す。ここで、λｉは、ｉ番目のファイバブラッググレーティング２２におけるＦＢＧ反射光の波長中心の値，ｔｉは、ｉ番目のファイバブラッググレーティング２２の温度（℃）を示す。
【００７９】
図７のように各ファイバブラッググレーティング２２に、ＦＢＧ反射光の波長中心の値を温度に変換するための関数λｉ＝ｆｉ（ｔｉ）を理論的または実験的に求めることにより、任意のＦＢＧ反射光の波長中心の値を連続的に温度に変換することができる。
【００８０】
また、ＦＢＧ反射光の波長中心の値と温度との関係を調べるために必要な実験とデータ蓄積量を低減させることができる。さらに、ファイバブラッググレーティング２２の特性の変化あるいは、精度の向上化の際にＦＢＧ反射光の波長中心の値とファイバブラッググレーティング２２の温度との関係を容易に修正することができる。
【００８１】
尚、図７では、ＦＢＧ反射光の波長中心の値をファイバブラッググレーティング２２の温度に変換する関数を示したが、温度に限らず歪み等の他の物理量に変換する関数を求めて、他の物理量に変換するものとしてもよい。
【００８２】
すなわち、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０は、ファイバブラッググレーティング２２に参照光を照射し、そのＦＢＧ反射光のスペクトルを走査して最小２乗フィッティングによりＦＢＧ反射光の波長中心を計算する構成である。そして、得られたＦＢＧ反射光の波長中心を所要の物理量に変換して、物理量を計測するシステムである。
【００８３】
従来の光ファイバグレーティング物理量計測システム１は、ファイバブラッググレーティング４からのＦＢＧ反射光のスペクトルから、重心演算法により波長中心を求めていた。しかし、ＦＢＧ反射光の光強度が微弱であると、光源ノイズによる光量ゆらぎが顕著化する。そして、ＦＢＧ反射光のスペクトルが、特に光量の最大値が経時的に一定でなくなるとともに、ＳＮ比が小さくなるという問題があった。
【００８４】
このため、従来の光ファイバグレーティング物理量計測システム１においては、物理量の計測精度が低下する一方、精度維持のためにはＦＢＧ反射光の波長走査ピッチを精密に制御する必要があるため、物理量の計測に長時間を要した。
【００８５】
しかし、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０では、ＦＢＧの反射光波長の中心値を最小２乗フィッティングにより容易かつ正確に計算することが可能である。
【００８６】
すなわち、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０では、光量ゆらぎが顕著化してＦＢＧ反射光のスペクトル形状が計測毎に一定でなくなっても、最小２乗フィッティングにより得られたフィッティング曲線の最大値はＦＢＧ反射光の波長中心値を正確に示す。従って、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０では、波長中心計測部２８においてＦＢＧ反射光の波長中心値を細かい走査ピッチで計測制御することなく正確かつ短時間に計算することができる。
【００８７】
このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０は、より高精度かつ短時間で容易にファイバブラッググレーティング２２における温度、歪み等の物理量を計測することができる。
【００８８】
尚、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０では、データ区間設定部２７において、最小２乗フィッティングを行うための計算に含めるＦＢＧ反射光の波長の範囲を、ＦＢＧ反射光のスペクトルに基づいて設定したが、データ区間設定部２７を設けずに、予め所定の固定範囲を設定して最小２乗フィッティングを行う構成としてもよい。
【００８９】
また、物理量変換部２９を設けずに、ＦＢＧ反射光の波長中心のみを求める構成としてもよい。
【００９０】
図８は本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第２の実施形態を示す構成図である。
【００９１】
図８に示された、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、物理量計測計２５ａの構成が図１に示す第１の実施形態による光ファイバグレーティング物理量計測システム２０と相違する。他の構成および作用については図１に示す第１の実施形態による光ファイバグレーティング物理量計測システム２０と実質的に異ならないため説明を省略する。
【００９２】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａの物理量計測計２５ａでは、光検出処理部２６に積算比算出部３１、積算比閾値判定部３２および積算比閾値記憶部３３が信号ケーブル３０を介して直列に設けられる。
【００９３】
ところで、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａにおいて、各ファイバブラッググレーティング２２が反射するＦＢＧ反射光の波長帯は、異なる波長帯とされ、各ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光は、互いに干渉しないように設定される。
【００９４】
通常は、各ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の物理量変化に対する波長変動量は予め予測あるいは計測により規定される。そして、あるファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光は、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長が変動しても、重ならないようにされる。すなわち、あるファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長と別のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長とには、互いに影響を及ぼさないように一定の間隔が設けられる。
【００９５】
しかし、あるファイバブラッググレーティング２２における物理量が想定以上に変化して、かつファイバブラッググレーティング２２が想定以上の速度で物理量応答をした場合には、そのＦＢＧ反射光の波長の変動量が規定よりも大きくなる。
【００９６】
そして、規定を超えて変動したＦＢＧ反射光の波長は、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長に近い波長となり、互いに影響を及ぼす。このため、正常なファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長の計測値は、影響を受けた結果、真の値ではなく異常値となり正確な計測値が得られない。
【００９７】
このため、着目するファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光に、別のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光もしくはＦＢＧ透過光が影響を及ぼしているか否かの監視が必要となる。
【００９８】
そこで、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、積算比算出部３１、積算比閾値判定部３２および積算比閾値記憶部３３により、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光もしくはＦＢＧ透過光の影響の有無を監視できるようにしたものである。
【００９９】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａにおける、積算比算出部３１、積算比閾値判定部３２および積算比閾値記憶部３３の、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の影響の監視方法について説明する。
【０１００】
図９は、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の影響を受けたＦＢＧ反射光のスペクトルの例と、その影響の有無を判定する方法を説明する概念図である。
【０１０１】
また、図１０は、着目するファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光が、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光に影響を及ぼしているスペクトルの例と、その影響の有無を判定する方法を説明する概念図である。
【０１０２】
図９および図１０において、縦軸は着目するファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の相対光量を、横軸は着目するファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長をそれぞれ示す。○印は、標準化されたＦＢＧ反射光の相対光量の計測値である。
【０１０３】
一般に、ＦＢＧ反射光のスペクトルは図２に示すように、上に凸な傾向となるが他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光と、着目するファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光とが互いに影響を与えるときは図９あるいは図１０に示すように複数の極大値を有する傾向となる。
【０１０４】
また、着目するファイバブラッググレーティング２２の手前の参照光の入射方向にある他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ透過光が着目するファイバブラッググレーティング２２に影響を与えたときは図示しないが例えばＦＢＧ反射光のスペクトルは一部欠けた形状となる。
【０１０５】
ここで、ＦＢＧ反射光のスペクトルの傾向は、ＦＢＧ反射光の波長形状と波長フィルタに依存するが、ＦＢＧ反射光の波長形状と波長フィルタの物質特性は、ほぼ不変である。
【０１０６】
このため、ＦＢＧ反射光のスペクトルは、何らかの異常が発生しない限り短期的に極端には変化しない。そこで、例えばＦＢＧ反射光のスペクトルの最大値を基準として左右の積分区間（図９および図１０のＡ領域およびＢ領域）を設定する。各積分区間をそれぞれ積算して得た積算比（Ｂ／Ａ）、すなわちスペクトル面積比は、スペクトルと同様に、異常が存在しなければ短期的で極端な変化はない。
【０１０７】
したがって、ＦＢＧ反射光のスペクトル面積比の変化を監視することで、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の影響の有無を判定することができる。すなわち、ＦＢＧ反射光のスペクトル面積比の変化量が、基準となる閾値を超えた場合は、例えば他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光が着目するＦＢＧ反射光に重なって影響している恐れがあり、ＦＢＧ反射光のスペクトル面積比の変化量が基準となる閾値内であれば、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の影響は無視できるものと考えられる。
【０１０８】
このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、積算比算出部３１において、定常時における全てのファイバブラッググレーティング２２について、スペクトル面積比であるスペクトルの積分区間の積算比が予め求められる。このスペクトルの積算比は標準化されて１とされる。すなわち、標準のスペクトルの積算比と、実際のスペクトルの積算比との差分が、ＦＢＧ反射光のスペクトルの積算比の変化量となる。
【０１０９】
そして、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、標準のスペクトルの積算比を１として、実際のスペクトルの積算比との差分が閾値内であるか否かを常時監視する。光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａの積算比閾値記憶部３３には、全てのファイバブラッググレーティング２２について、ＦＢＧ反射光におけるスペクトルの積算比の変化量の閾値が設定され記憶される。
【０１１０】
一方、積算比算出部３１は、光検出処理部２６において検出したＦＢＧ反射光について、定常的にスペクトルの標準化した積算比を計算する。そして、積算比算出部３１は、スペクトルの標準化した積算比を電気信号として、積算比閾値判定部３２に送信する。
【０１１１】
さらに、積算比閾値判定部３２では、積算比閾値記憶部３３から当該ファイバブラッググレーティング２２の閾値を読み込んで、この閾値と積算比算出部３１から送信されたスペクトルの標準化した積算比とを比較して、閾値内であるか否かを判定する。
【０１１２】
そして、積算比閾値判定部３２は、スペクトルの標準化した積算比が、閾値を超えるときは、他のファイバブラッググレーティング２２からの影響があると判定する。
【０１１３】
図９の例では、閾値は１±０．２として積算比閾値記憶部３３に記憶される。図９は、着目するＦＢＧ反射光の波長帯よりも通常は小さい波長帯を有する他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の波長が、異常により大きい波長帯に変動した例である。このため、図９のＡ領域に極大値が現れ、積算比算出部３１において計算したＡ領域の積算値は、通常の場合よりも大きくなる。この結果、積算比算出部３１で計算するスペクトルの積算比Ｂ／Ａは分母が大きくなり通常の１から０．８未満に変化する。
【０１１４】
ここで、積算比閾値記憶部３３に記憶された閾値は１±０．２であるため、スペクトルの積算比Ｂ／Ａが０．８未満となると、積算比閾値判定部３２は他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の影響が存在すると判定する。
【０１１５】
一方、図１０の例では、閾値は１±０．２として積算比閾値記憶部３３に記憶される。図１０は、着目するＦＢＧ反射光の波長帯が異常により大きい波長帯に変動した例である。このため、着目するＦＢＧ反射光の波長帯よりも大きい波長帯を有する他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光に影響を与えている。このため、図１０では、Ｂ領域に極大値が現れ、積算比算出部３１において計算したＢ領域の積算値は、通常の場合よりも大きくなる。この結果、積算比算出部３１で計算するスペクトルの積算比Ｂ／Ａは分子が大きくなり通常の１から１．２より大きな値に変化する。
【０１１６】
ここで、積算比閾値記憶部３３に記憶された閾値は１±０．２であるため、スペクトルの積算比Ｂ／Ａが１．２より大きな値となると、積算比閾値判定部３２は他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の影響が存在すると判定する。
【０１１７】
すなわち光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、積算比算出部３１でスペクトルの最大値もしくは最小値を基準に分割した各積算区間の積算比を計算して、この積算比の変化量と、積算比閾値記憶部３３に記憶された閾値とを積算比閾値判定部３２において比較することにより他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光の影響の有無を判定する構成である。
【０１１８】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、他のファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光の影響を定常的に監視することが可能である。このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａでは、ＦＢＧ反射光のスペクトルあるいは物理量の計測値の異常を容易に発見することができる。
【０１１９】
尚、ＦＢＧ反射光のスペクトル積分区間の設定は、最大値もしくは最小値を基準とするのみならず、任意の波長を基準として任意の区間としてもよい。例えば、所定の波長を基準として積分区間を設定し、各積分区間の積算比（Ｂ／Ａ）を１として標準化してもよい。すなわち、ＦＢＧ反射光のスペクトル面積の重心の位置の変動を監視することができればよい。
【０１２０】
図１１は本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第３の実施形態を示す構成図である。
【０１２１】
図１１に示された、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、物理量計測計２５ｂの構成が図１に示す第１の実施形態による光ファイバグレーティング物理量計測システム２０と相違する。他の構成については図１に示す第１の実施形態による光ファイバグレーティング物理量計測システム２０と実質的に異ならないため説明を省略する。
【０１２２】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂの物理量計測計２５ｂでは、光検出処理部２６に閾値判定部４０および閾値記憶部４１が信号ケーブル３０を介して直列に設けられる。
【０１２３】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂの物理量計測計２５ｂにおける閾値判定部４０および閾値記憶部４１の作用について説明する。
【０１２４】
ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の光強度は、光源２１が発する参照光の光強度、反射光分岐器２４、光ファイバ２３、２３ａにおける光の減衰率、ファイバブラッググレーティング２２の反射率等の光伝送に関する条件により決定される。これら光伝送に関する条件は長期的には経年劣化等の影響により変化するが、短期的には、何らかの異常が発生しない限り極端には変化しない。
【０１２５】
逆に、他のファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ透過光が着目するファイバブラッググレーティング２２に被さったり、光伝送に関わる光学機器に異常があり、光伝送に関する条件が変化すると、ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の光強度は低下する。
【０１２６】
そこで、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の光強度を閾値判定部４０および閾値記憶部４１で監視することで、他のファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ透過光の影響あるいは光源２１、反射光分岐器２４、光ファイバ２３、２３ａ等の機器の健全性を定常的に確認することができる。
【０１２７】
また、図８に示す光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ａにおいて、異なる２つ以上のＦＢＧ反射光が、互いに影響を及ぼしあう場合に、同じ波長において光強度が共に最大値がとなる、すなわち最大値が重なる場合がある。
【０１２８】
また、その逆に他のファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ透過光が着目するファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光に重なると、着目するファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光の光強度が得られない場合がある。
【０１２９】
この場合は、スペクトルの積算比の変化量は大きくならないためＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光の影響の有無が完全には判定できない。
【０１３０】
しかし、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の光強度の積算比ではなく、大きさを閾値判定部４０および閾値記憶部４１で監視する。このため、着目するファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光が、異なるファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光より影響を受けているにも拘らずスペクトルの傾向が変わらない場合においても、ＦＢＧ反射光の光強度は変化するため、互いに影響を与えているか否かを監視することができる。
【０１３１】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、予め閾値記憶部４１に全てのファイバブラッググレーティング２２からの定常時におけるＦＢＧ反射光の光強度の最大値に対する閾値がそれぞれ記憶される。各ＦＢＧ反射光の光強度の最大値は標準化され１とされる。同様に閾値も標準化され、最大値１に対する値とされる。
【０１３２】
一方、光検出処理部２６において検出されたＦＢＧ反射光のスペクトルは、電気信号として信号ケーブル３０を介して閾値判定部４０に定常的に送信される。閾値判定部４０では、光検出処理部２６から入力したＦＢＧ反射光のスペクトルが標準化される。さらに、閾値判定部４０では、閾値記憶部４１からＦＢＧ反射光の光強度の最大値に対する標準化された閾値が読み込まれ、標準化されたＦＢＧ反射光の光強度の最大値と定常的に比較される。
【０１３３】
そして、閾値判定部４０では、標準化されたＦＢＧ反射光の最大値が閾値よりも小さければ、他のファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ透過光の影響あるいは光伝送に関わる光学機器に異常があると判定し、閾値よりも大きければ、異なるファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の最大値が重なっていると判定することができる。
【０１３４】
図１２は、図１１に示す光検出処理部２６で得られたＦＢＧ反射光の光強度が閾値よりも小さい例を示す概念図であり、図１３は、図１１に示す光検出処理部２６で得られたＦＢＧ反射光の光強度が閾値よりも大きい例を示す概念図である。
【０１３５】
図１２および図１３において、縦軸はＦＢＧ反射光の相対光量を示し、横軸はＦＢＧ反射光の波長を示す。○印は、標準化されたＦＢＧ反射光の相対光量の計測値である。
【０１３６】
図１２および図１３では、閾値記憶部４１にはＦＢＧ反射光の最大値の閾値として１±０．２が設定されている。このため、ＦＢＧ反射光の最大値の閾値は０．８から１．２の範囲となる。
【０１３７】
図１２では、標準化されたＦＢＧ反射光の最大値が、閾値である０．８よりも小さい値である。このため、閾値判定部４０は、他のファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ透過光の影響あるいは光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂのうち光伝送に関わる光学機器に異常があると判定する。
【０１３８】
一方、図１３では、標準化されたＦＢＧ反射光の最大値が、閾値である１．２よりも大きい値である。このため、閾値判定部４０は、異なるファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光の最大値が重なって計測されていると判定する。
【０１３９】
すなわち、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、予め閾値記憶部４１に定常時におけるＦＢＧ反射光の光強度の最大値に対する閾値を記憶しておき、さらに、閾値判定部４０において、ＦＢＧ反射光の光強度の最大値と閾値を比較することで、光学機器の異常や異なるＦＢＧ反射光の最大値あるいはＦＢＧ透過光の最小値の重なった状態での影響の有無を判定する構成である。
【０１４０】
このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、システムを停止することなく定常的に光学機器の健全性を監視することができる。さらに、光学機器についての、健全性の確認専用の計測機器を不要とすることができる。
【０１４１】
また、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｂでは、異なるＦＢＧ反射光が最大値が重なる状態で互いに影響を及ぼしあう場合、あるいはＦＢＧ透過光の影響を受けた場合についても、その影響の有無を判定し、監視することができる。
【０１４２】
図１４は本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第４の実施形態を示す構成図である。
【０１４３】
尚、図１に示す第１の実施形態による光ファイバグレーティング物理量計測システム２０と実質的に異ならない部位には同じ符号を付している。
【０１４４】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｃは、光源２１に参照光分岐器２４ａを介してツリー状に形成された複数の光ファイバ２３を設け、各光ファイバ２３に複数のファイバブラッググレーティング２２を設けた構成である。さらに、光源２１側の光分岐器は反射光分岐器２４とされ、この反射光分岐器２４から分岐した光ファイバ２３ａは、物理量計測計５２に接続される。
【０１４５】
尚、反射光分岐器２４は参照光分岐器２４ａとは別に設けられる構成としても、互いに兼ねる構成としてもよい。
【０１４６】
光ファイバ２３は、光幹線５０に反射光分岐器２４と複数の参照光分岐器２４ａを設け、各参照光分岐器２４ａあるいは反射光分岐器２４から複数の光分岐路５１を分岐させた構成である。各光分岐路５１中には複数のファイバブラッググレーティング２２がそれぞれ設けられる。
【０１４７】
そして、光源２１により各光ファイバ２３のファイバブラッググレーティング２２に参照光を照射可能で、かつファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光を物理量計測計５２において受光可能な構成とされる。
【０１４８】
光源２１には、任意の波長帯の参照光を波長変更可能に出力することができる光源が使用される。
【０１４９】
次に、物理量計測計５２の構成について説明する。
【０１５０】
物理量計測計５２は、波長可変フィルタ部５３、検出処理部９、信号制御処理部５４、データ処理部５５、温度分布計測部５６および波長中心計測部５７により構成される。
【０１５１】
反射光分岐器２４から物理量計測計５２側に分岐した光ファイバ２３ａは、波長可変フィルタ部５３を経由して、検出処理部９に導かれる。
【０１５２】
また、検出処理部９には、信号ケーブル３０を介して信号制御処理部５４およびデータ処理部５５が並列に接続される。このデータ処理部５５と信号制御処理部５４との間および、信号制御処理部５４と波長可変フィルタ部５３との間は、信号ケーブル３０を介して接続される。
【０１５３】
また、データ処理部５５には別途、信号ケーブル３０が設けられ、この信号ケーブル３０は２股に分岐してそれぞれ、温度分布計測部５６と波長中心計測部５７とに接続される。さらに、この温度分布計測部５６と波長中心計測部５７とは、信号ケーブル３０を介して互いに接続される。
【０１５４】
次に光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｃの作用を説明する。
【０１５５】
まず、光源２１から着目するファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光の波長帯に応じて設定された参照光が出力される。この参照光は、光幹線５０、反射光分岐器２４、光幹線５０、参照光分岐器２４ａおよび光分岐路５１を経由して各ファイバブラッググレーティング２２に照射される。
【０１５６】
尚、各ファイバブラッググレーティング２２が反射するＦＢＧ反射光の波長帯は、異なる波長帯とされ、各ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光は、互いに干渉しないように設定される。
【０１５７】
各ファイバブラッググレーティング２２において反射したＦＢＧ反射光は、再び光分岐路５１、参照光分岐器２４ａ、光幹線５０を経由して反射光分岐器２４にそれぞれ入射する。この反射光分岐器２４において各ＦＢＧ反射光は分岐され、光ファイバ２３ａを経由して波長可変フィルタ部５３にそれぞれ導かれる。
【０１５８】
ところで、一般に光ファイバ２３内では、光の散乱が発生して光の損失の原因となる。光ファイバ２３内における光の散乱に伴い散乱光が生じる。
【０１５９】
図１５は、光ファイバ２３内における散乱光のスペクトルを示す概念図である。
【０１６０】
図１５において、縦軸は散乱光の相対光量、横軸は散乱光の波長を示す。散乱光のスペクトルは、入射光と同じ波長をもつ成分であるレイリ散乱光と入射光と波長が異なる成分であるラマン散乱光とを有する。
【０１６１】
レイリ散乱光は、通常散乱光の大部分を占め、光ファイバ２３の密度のゆらぎにより発生する。
【０１６２】
一方、ラマン散乱光は、光ファイバ２３の分子振動との相互作用により生じる非線形散乱光であり、光ファイバ２３分子に運動エネルギを与えて波長が増加したストークス光と、光ファイバ２３分子から運動エネルギを得て波長が減少したアンチストークス光とを有する。
【０１６３】
このため、図１５に示すように光ファイバ２３内における散乱光のスペクトルは、レイリ散乱光、ストークス光、アンチストークス光の波長における相対光量が極大値を有する傾向となる。中央の極大値はレイリ散乱光によるもので、最大値となりかつ入射光の波長と一致する。
【０１６４】
すなわち、ＦＢＧ反射光は実際には光ファイバ２３内において光損失し、散乱光が発生する。このため、光ファイバ２３内には、参照光、ＦＢＧ反射光および散乱光が進行する。散乱光は、光ファイバ２３内での損失により発生するため、散乱光のエネルギすなわち波長は、光ファイバ２３の長さに依存する。このため、散乱光のうちラマン散乱光が発生する割合は、光ファイバ２３の温度が変化して、熱膨張あるいは熱収縮により同軸方向の伸縮が発生すると変化する。
【０１６５】
このため、ＦＢＧ反射光は、光ファイバ２３の温度が一定であれば、光損失量も一定であるため、ＦＢＧ反射光の波長は光ファイバ２３の同一点であれば一定となる。しかし、光ファイバ２３の温度に変化がある場合は、光損失量が変化するため、ＦＢＧ反射光の波長は光ファイバ２３の同一点においても変化する。
【０１６６】
光ファイバ２３の温度変化によるＦＢＧ反射光の波長の変化量は約０．０１ｎｍ／℃である。このＦＢＧ反射光の波長の変化量０．０１ｎｍは、ファイバブラッググレーティング２２の歪み計測の場合における換算比により換算すると約１０μｓｔｒａｉｎに相当する。例えば、歪み計測の計測精度が±１０μｓｒａｉｎである場合、光ファイバ２３の温度変化が１℃以上生ずると歪み計測の計測精度を維持することができない。
【０１６７】
このため、特に温度以外の物理量を測定する場合には、ＦＢＧ反射光の温度依存性を補正する必要がある。
【０１６８】
そこで、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）法により、すなわち、温度依存性の高いラマン散乱光であるストークス光およびアンチストークス光の相対光量を測定し、その変化量からＦＢＧ反射光の波長の変化量を求め、補正することができる。
【０１６９】
そのために、ＦＢＧ反射光とストークス光およびアンチストークス光をそれぞれ波長弁別して抽出する必要がある。そこで、波長可変フィルタ部５３において、ＦＢＧ反射光とストークス光およびアンチストークス光が選択透過される。この選択透過されたストークス光およびアンチストークス光およびＦＢＧ反射光は、光検出処理部２６にそれぞれ導かれ受光される。
【０１７０】
このとき、波長可変フィルタ部５３が選択透過する波長帯および光検出処理部２６が受光する波長帯は、信号制御処理部５４により制御される。すなわち、信号制御処理部５４は、ストークス光を選択透過するときには、波長可変フィルタ部５３が選択透過する波長帯および光検出処理部２６が受光する波長帯をストークス光の波長に制御する。同様に、アンチストークス光を選択透過するときには、波長可変フィルタ部５３が選択透過する波長帯および光検出処理部２６が受光する波長帯をアンチストークス光の波長に制御する。
【０１７１】
また、信号制御処理部５４は、データ処理部５５から送られる波長帯情報を参照して、波長可変フィルタ部５３および光検出処理部２６を制御する。すなわち、データ処理部５５からは、選択すべきファイバブラッググレーティング２２に対応したＦＢＧ反射光、ストークス光およびアンチストークス光の波長を示す波長帯情報が送られる。
【０１７２】
そして、信号制御処理部５４は、選択すべきファイバブラッググレーティング２２に対応したＦＢＧ反射光、ストークス光およびアンチストークス光の波長を選択透過して受光するように波長可変フィルタ部５３および光検出処理部２６を制御する。
【０１７３】
光検出処理部２６は、フォトダイオード検出器を具備する。このフォトダイオード検出器でＦＢＧ反射光、ストークス光およびアンチストークス光を検出処理する。そしてＦＢＧ反射光のスペクトル、ストークス光およびアンチストークス光の光量がそれぞれ得られる。
【０１７４】
光検出処理部２６で得られたＦＢＧ反射光のスペクトル、ストークス光およびアンチストークス光の光量は、データ処理部５５に送られる。
【０１７５】
データ処理部５５には、予め全てのファイバブラッググレーティング２２と光検出処理部２６間の距離、全てのファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光の波長帯情報が格納される。
【０１７６】
このため、データ処理部５５では、全てのファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光の波長帯情報に基づいて、いずれのＦＢＧ反射光の波長帯にも該当しない波長を知ることができる。ストークス光およびアンチストークス光の波長は、光ファイバの素励起の振動数および参照光の設定波長とから決定される。このため、ストークス光およびアンチストークス光の波長がいずれのＦＢＧ反射光の波長帯にも該当しない波長となるように参照光の波長が予め設定され、あるいはいずれのＦＢＧ反射光の波長帯にも該当しない波長で発生したストークス光およびアンチストークス光の波長を求めることができる。
【０１７７】
すなわち、データ処理部５５では、全てのファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光の波長帯情報に基づいて、いずれのＦＢＧ反射光の波長帯にも該当しないストークス光およびアンチストークス光の波長である波長帯情報を求めることができる。
【０１７８】
このＦＢＧ反射光、ストークス光およびアンチストークス光の波長帯情報は、データ処理部５５に記憶され、信号制御処理部５４に送られて波長可変フィルタ部５３および光検出処理部２６の制御に用いられる。
【０１７９】
データ処理部５５では、光検出処理部２６から送られたスペクトルあるいは光量が、ＦＢＧ反射光、ストークス光あるいはアンチストークス光のいずれのスペクトルあるいは光量であるかをストークス光およびアンチストークス光の波長帯情報を参照して識別する。
【０１８０】
そして、データ処理部５５は、ストークス光およびアンチストークス光の光量を温度分布計測部５６に、ＦＢＧ反射光のスペクトルを波長中心計測部５７に送る。
【０１８１】
温度分布計測部５６では、データ処理部５５から送られたストークス光とアンチストークス光の相対光量比から着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の長手方向に沿う温度分布が求められる。
【０１８２】
ここで、光ファイバ２３は、光幹線５０から複数の光分岐路５１が分岐した構成であるため、光検出処理部２６から同一の距離となる点が複数個光ファイバ２３上に存在する。光幹線５０内にはＦＢＧ反射光と同一の波長帯の光を含む参照光が通過するため、光幹線５０内で参照光の損失により発生したストークス光とアンチストークス光の波長帯は、光分岐路５１内で発生したストークス光とアンチストークス光の波長帯と同一となる場合がある。
【０１８３】
このため、光検出処理部２６から同一の距離となる光幹線５０および光分岐路５１上の点における温度が異なると、光幹線５０からのストークス光とアンチストークス光が、着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３からのストークス光およびアンチストークス光の光量に影響を及ぼすため、波長弁別ができず温度を正確に計測することができない。
【０１８４】
そこで、光検出処理部２６から同一の距離となる光幹線５０および光分岐路５１上の点における温度環境を同じ条件にする。
【０１８５】
図１６は、図１４に示す光幹線５０および光分岐路５１の敷設方法を示す説明図である。
【０１８６】
光源２１に接続された光幹線５０には反射光分岐器２４が設けられ、この反射光分岐器２４から分岐した光ファイバ２３ａの端部には物理量計測計５２の波長可変フィルタ部（図示せず）を経由して光検出処理部２６が接続される。
【０１８７】
また、参照光分岐器２４ａからは光分岐路５１が分岐し、この光分岐路５１には複数のファイバブラッググレーティング２２が設けられる。
【０１８８】
ここで、光幹線５０上の点と光検出処理部２６との距離を距離Ａ、光分岐路５１上の点と光検出処理部２６との距離を距離Ｂとすると、距離Ａと距離Ｂとが等しくなる点が存在する。
【０１８９】
そして、光検出処理部２６から距離Ｂとなる位置から一定の間隔で複数の物理量計測対象であるファイバブラッググレーティングが設けられる光分岐路５１に、光幹線５０の光検出処理部２６から距離Ｂと等しい距離Ａとなる位置から先の部分を、同じ温度条件下に併設する。
【０１９０】
このため、光幹線５０からのストークス光とアンチストークス光との相対光量比は、光分岐路５１からのストークス光とアンチストークス光との相対光量比を同一となるため、光検出処理部２６により受光するストークス光とアンチストークス光の相対光量比は、光幹線５０からのストークス光とアンチストークス光の影響を受けない。
【０１９１】
すなわち、図１６に示す光幹線５０および光分岐路５１の敷設方法とすることで、着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の正確な温度を計測することが可能となる。
【０１９２】
温度分布計測部５６で求められた、着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の温度分布は、波長中心計測部５７に送られる。
【０１９３】
また、波長中心計測部５７では、データ処理部５５から送られたＦＢＧ反射光のスペクトルから波長中心が求められる。波長中心を求める法は、任意であるが、図１に示す光ファイバグレーティング物理量計測システム２０の場合と同様に、最小２乗フィッティングにより得られたフィッティング曲線の最大値もしくは最小値から求めることができる。
【０１９４】
さらに、波長中心計測部５７では、温度分布計測部５６から送られた光ファイバ２３の温度分布に基づいて、ＦＢＧ反射光の波長中心を補正する。補正の方法としては、光ファイバ２３の温度分布とＦＢＧ反射光の波長中心の変動量との関係を調べて、データの蓄積あるいは関数化による方法がある。
【０１９５】
波長中心計測部５７において得られた補正後のＦＢＧ反射光の波長中心の値は電気信号として、信号ケーブル３０を介して物理量変換部２９に送られる。
【０１９６】
そして、物理量変換部２９において、ＦＢＧ反射光の波長中心の値は温度あるいは歪み等の物理量に変換される。
【０１９７】
すなわち、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｃは、ファイバブラッググレーティング２２に参照光を照射し、そのＦＢＧ反射光のみならず、光ファイバ２３内の光損失に伴い発生したラマン散乱光のスペクトルを波長可変フィルタ部５３により選択透過してそれぞれ個別に光検出処理部２６で計測するシステムである。
【０１９８】
そして、計測されたラマン散乱光の光量比に基づいて光ファイバ２３の温度分布を温度分布計測部５６で求める一方、ＦＢＧ反射光の波長中心を波長中心計測部５７で求め、さらに、光ファイバ２３の温度変化に伴うＦＢＧ反射光の波長中心の変動を光ファイバ２３の温度分布に基づいて補正するシステムである。
【０１９９】
従来、ファイバブラッググレーティング２２の応答には温度依存性があり、光ファイバ２３の光軸方向の伸縮に伴いＦＢＧ反射光の波長が変化するという課題があった。しかし、温度依存性を低減させるために、ファイバブラッググレーティング２２を熱膨張係数の小さい物質で充填固定すると逆に物理量を計測することができない。
【０２００】
また、別途温度計測用のファイバブラッググレーティング２２を併設することも可能であるが、コスト高になる一方、熱電対や測温抵抗体を併設すると電源や信号ケーブルが必要となり、無電源かつ無誘導である光ファイバセンシングの特徴が活かせなくなる。
【０２０１】
しかし、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｃでは、光ファイバ２３内で発生したラマン散乱光のスペクトルを分析することで、他の温度計測系を併設することなくファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の温度分布を計測することができる。
【０２０２】
このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｃでは、全てのファイバブラッググレーティング２２の温度依存性、すなわちＦＢＧ反射光の波長の変動をファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の温度分布に基づいて補正することが可能である。このため、ファイバブラッググレーティング２２が設けられる温度条件が変化しても、より正確にファイバブラッググレーティング２２により、物理量を計測することができる。
【０２０３】
また、光ファイバ２３が、光幹線５０と光分岐路５１とに分岐接続された場合でも、ラマン散乱光の戻り時間が同一となる部位を同じ温度条件下に併設することで、光ファイバ２３の正確な温度分布を計測することができる。
【０２０４】
図１７は本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第５の実施形態を示す構成図である。
【０２０５】
尚、図１に示す第１の実施形態による光ファイバグレーティング物理量計測システム２０と実質的に異ならない部位には同じ符号を付している。
【０２０６】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｄは、光源２１に参照光分岐器２４ａを介してツリー状に形成された複数の光ファイバ２３を接続し、これら光ファイバ２３に反射光分光器として光サーキュレータ６０と複数のファイバブラッググレーティング２２とが設けられる構成である。
【０２０７】
光ファイバ２３は、光幹線５０から複数の、例えば４つの参照光分岐器２４ａから光分岐路５１を分岐させた構成である。そして光幹線５０の一端は、光源２１に接続される。この光源２１には、任意の波長帯の参照光を波長変更可能に出力することができる光源が使用される。
【０２０８】
また、各光分岐路５１中には光サーキュレータ６０と複数のファイバブラッググレーティング２２とがそれぞれ設けられる。
【０２０９】
各光サーキュレータ６０は、参照光分岐器２４ａと参照光分岐器２４ａに最近傍のファイバブラッググレーティング２２との間にそれぞれ設けられる。すなわち、光サーキュレータ６０と参照光分岐器２４ａとの間にはファイバブラッググレーティング２２は存在しない。
【０２１０】
また、各光サーキュレータ６０は光分岐路５１をさらに別の光分岐路６１にそれぞれ分岐する。そして、各光分岐路６１は単一の物理量計測計６２に導かれる。
【０２１１】
次に、光サーキュレータ６０の機能について説明する。
【０２１２】
図１８は、図１７に示す光サーキュレータ６０の機能を説明する図である。
【０２１３】
光サーキュレータ６０は、光ファイバ２３をＴ字型に接続した構成である。このＴ字型の両端に接続される光ファイバ２３をＸ、Ｙ、中央の凸状端に接続される光ファイバ２３をＺとする。
【０２１４】
光サーキュレータ６０では、入射光はＸとされＹに向かって光は通過する。一方、Ｙからの反射光はＸに向かって通過せずに、光サーキュレータ６０においてＺ方向に導かれる。
【０２１５】
すなわち、光サーキュレータ６０は、入射光は通過させるが反射光は分岐する光路に導く機能を有する。
【０２１６】
光サーキュレータ６０のＸは参照光分岐器２４ａを介して光幹線５０に、Ｙはファイバブラッググレーティング２２を設けた光分岐路５１にそれぞれ接続され、Ｚは物理量計測計６２に導かれる光分岐路６１と接続される。
【０２１７】
次に、物理量計測計６２の構成について説明する。
【０２１８】
図１９は、図１７に示す物理量計測計６２の構成図である。
【０２１９】
物理量計測計６２は、一端が光サーキュレータ６０と接続された複数の光分岐路６１が分光用光分岐器２４ｂを介して網目状に接続され、他端が光検出処理部２６に接続された構成である。図１９の例では、４つの光サーキュレータ、４つの分光用光分岐器２４ｂ、３つの光検出処理部２６ａ，２６ｂ，２６ｃで構成される。尚、光サーキュレータ６０の順序および位置は任意である。
【０２２０】
３つの光検出処理部２６のうち１つの光検出処理部２６ｂにはストークス光フィルタ部７０が、別の１つの光検出処理部２６ｃにはアンチストークス光フィルタ部７１が設けられる。残る１つの光検出処理部２６ａには、ストークス光フィルタ部７０、アンチストークス光フィルタ部７１のいずれも設けられない。
【０２２１】
そして、各光サーキュレータ６０からの入射光は、すなわちファイバブラッググレーティング２２を設けた光分岐路５１からのＦＢＧ反射光は、２つの分光用光分岐器２４ｂにより３つの光に分光されるように構成される。そして、分光された３つの光は、ストークス光フィルタ部７０を設けた光検出処理部２６ｂと、アンチストークス光フィルタ部７１を設けた光検出処理部２６ｃと、ストークス光フィルタ部７０およびアンチストークス光フィルタ部７１のいずれも設けられない光検出処理部２６ａとにそれぞれ導かれるように構成される。
【０２２２】
尚、分光用光分岐器２４ｂは、例えば光分岐比が１：１のものとすると、分岐後の光量が共に同じ光量になるため光路ごとの光量のばらつきを低減させることができる。
【０２２３】
次に光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｄの作用を説明する。
【０２２４】
まず、光源２１から着目するファイバブラッググレーティング２２のＦＢＧ反射光の波長帯に応じて設定された参照光が出力される。この参照光は、光幹線５０、参照光分岐器２４ａ、光サーキュレータ６０および光分岐路５１を経由して各ファイバブラッググレーティング２２に照射される。
【０２２５】
尚、各ファイバブラッググレーティング２２が反射するＦＢＧ反射光の波長帯は、異なる波長帯とされ、各ファイバブラッググレーティング２２からのＦＢＧ反射光は、互いに干渉しないように設定される。
【０２２６】
各ファイバブラッググレーティング２２において反射したＦＢＧ反射光は、再び光分岐路５１を経由して、光サーキュレータ６０にそれぞれ導かれる。
【０２２７】
また、各光分岐路５１内では、参照光およびＦＢＧ反射光の損失に伴う散乱光がそれぞれ発生する。これらの散乱光は、ＦＢＧ反射光と共に、光分岐路５１を経由して、光サーキュレータ６０にそれぞれ導かれる。
【０２２８】
各光サーキュレータ６０に導かれたＦＢＧ反射光およびラマン散乱光を含んだ戻り光は、物理量計測計６２側の光分岐路６１にそれぞれ導かれる。さらに、前述の戻り光は、物理量計測計６２において２つの分光用光分岐器２４ｂにより３つの光に分光され、ストークス光フィルタ部７０を設けた光検出処理部２６ｂと、アンチストークス光フィルタ部７１を設けた光検出処理部２６ｃと、ストークス光フィルタ部７０およびアンチストークス光フィルタ部７１のいずれも設けられない光検出処理部２６ａとにそれぞれ導かれる。
【０２２９】
ストークス光フィルタ部７０を設けた光検出処理部２６ｂに入射した戻り光からは、ストークス光フィルタ部７０によりストークス光のみが選択透過され、光検出処理部２６ｂで受光される。
【０２３０】
同様に、アンチストークス光フィルタ部７１を設けた光検出処理部２６ｃに入射した戻り光は、アンチストークス光フィルタ部７１によりアンチストークス光のみが選択透過され、光検出処理部２６ｃで受光される。
【０２３１】
一方、ストークス光フィルタ部７０およびアンチストークス光フィルタ部７１のいずれも設けられない光検出処理部２６ａに入射した戻り光は光検出処理部２６ａで受光される。すなわち、参照光は着目するファイバブラッググレーティング２２の波長帯に可変して光幹線５０に出射されるため、ＦＢＧ反射光を選択透過させる波長フィルタを設けなくてもＦＢＧ反射光を光検出処理部２６ａで受光することができる。
【０２３２】
そして、各光検出処理部２６ａ，２６ｂ，２６ｃにおいて、それぞれ、ストークス光とアンチストークス光の光量、ＦＢＧ反射光のスペクトルが個別に得られる。
【０２３３】
さらに、計測したストークス光とアンチストークス光の光量は、図示しない温度分布計測部５６に送られ、ストークス光とアンチストークス光の相対光量比から着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の長手方向に沿う温度分布が求められる。
【０２３４】
一方、ＦＢＧ反射光のスペクトルは、図示しない波長中心計測部に送られ、ＦＢＧ反射光の波長中心が求められる。さらに、温度分布計測部で求められた、着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光ファイバ２３の温度分布に基づいて、波長中心計測部においてＦＢＧ反射光の波長中心が補正される。この補正後のＦＢＧ反射光の波長中心の値は図示しない物理量変換部に送られ、温度あるいは歪み等の物理量に変換される。
【０２３５】
すなわち、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｄは、光幹線５０から複数の参照光分岐器２４ａでツリー状に光分岐路５１が分岐される系において、光サーキュレータ６０をファイバブラッググレーティング２２により近い光分岐路５１上に設けて光検出処理部２６ａ，２６ｂ，２６ｃにＦＢＧ反射光およびラマン散乱光を含んだ戻り光を導く構成である。
【０２３６】
このため、前述の戻り光が複数の参照光分岐器２４ａを経由せずに、必要最小限の分光用光分岐器２４ｂのみを経由するため、戻り光のエネルギの減衰を抑制することができる。したがって、光源２１が発生する参照光をより低出力にすることができるため、より安価に物理量計測をすることが可能となる。
【０２３７】
さらに、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｄは、ＦＢＧ反射光、ストークス光、アンチストークス光をそれぞれ専用の光検出処理部２６ａ，２６ｂ，２６ｃに導いて受光して各スペクトルを得るため、ＦＢＧ反射光、ストークス光、アンチストークス光の選択あるいは識別をすることなく光分岐路５１の温度分布測定、ＦＢＧ反射光の波長中心の温度補償が可能となる。このため、高精度でより簡易かつ安価な設備での物理量計測が可能となる。
【０２３８】
図２０は、図１９に示す物理量計測計６２の変形例を示す構成図である。
【０２３９】
物理量計測計６２Ａは、図１９に示す物理量計測計６２に対し、光検出処理部２６ａのおよび分光用光分岐器２４ｂの数が相違する。すなわち、図１９に示す物理量計測計６２においては、前述の戻り光を単一のＦＢＧ反射光受光用の光検出処理部２６ａに導く構成であるが、物理量計測計６２Ａは、戻り光を２つのＦＢＧ反射光受光用の光検出処理部２６ａ，２６ａに導く構成である。
【０２４０】
物理量計測計６２Ａでは、戻り光は、光サーキュレータ６０からＦＢＧ反射光受光用の光検出処理部２６ａ，２６ａに到達するまでに単一の分光用光分岐器２４ｂのみを経由する構成とすることができる。
【０２４１】
このため、物理量計測計６２Ａでは、戻り光の減衰を図１９に示す物理量計測計６２よりもさらに低減させることができ、光源２１をより安価で低出力のものにすることができる。
【０２４２】
物理量計測計６２、６２Ａのように、光サーキュレータ６０、分光用光分岐器２４ｂ、光検出処理部２６ａ，２６ｂ，２６ｃの数は任意である。ストークス光フィルタ部７０を設けた光検出処理部２６ｂと、アンチストークス光フィルタ部７１を設けた光検出処理部２６ｃと、ストークス光フィルタ部７０およびアンチストークス光フィルタ部７１のいずれも設けられない光検出処理部２６ａとが少なくとも１つあればよく、かつ各光サーキュレータ６０から入射する戻り光が、分光用光分岐器２４ｂにより分岐あるいは合流されて、ストークス光フィルタ部７０を設けた光検出処理部２６ｂと、アンチストークス光フィルタ部７１を設けた光検出処理部２６ｃと、ストークス光フィルタ部７０およびアンチストークス光フィルタ部７１のいずれも設けられない光検出処理部２６ａに必ず入射する構成であればよい。
【０２４３】
図２１は、本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第７の実施形態を示す構成図である。
【０２４４】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｅは、図１７に示す光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｄに対し、複数のファイバブラッググレーティング２２を設けた光分岐路５１の端部に光検出処理部８０を設けた構成と、物理量計測計６２、６２Ａの代わりに散乱光受光計８１を設けた構成が相違する。
【０２４５】
従って、図１７示す光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｄと実質的に異ならない部位には図示せず、または同じ符号を付して説明を省略する。
【０２４６】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｅでは、複数のファイバブラッググレーティング２２を設けた光分岐路５１の端部に光検出処理部８０が設けられる。すなわち、光分岐路５１は、一端が光幹線５０に設けられた参照光分岐器２４ａに接続され、他端が光検出処理部８０に接続される。
【０２４７】
さらに、光分岐路５１の参照光分岐器２４ａと光検出処理部８０との間には、複数のファイバブラッググレーティング２２が設けられ、さらに参照光分岐器２４ａに最近傍のファイバブラッググレーティング２２と参照光分岐器２４ａとの間に、光サーキュレータ６０が設けられる。
【０２４８】
光サーキュレータ６０から分岐した光分岐路６１は、散乱光受光計８１に導かれる。
【０２４９】
散乱光受光計８１は、分光用光分岐器２４ｂ、ストークス光フィルタ部７０、アンチストークス光フィルタ部７１および２つの光検出処理部２６ｂ，２６ｃで構成される。散乱光受光計８１に接続される光分岐路６１は分光用光分岐器２４ｂで分岐され、一方にはストークス光フィルタ部７０および光検出処理部２６ｂが、他方にはアンチストークス光フィルタ部７１および光検出処理部２６ｃがそれぞれ直列に接続される。
【０２５０】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｅでは、光源２１から発生した参照光が光幹線５０を通り、参照光分岐器２４ａから光分岐路５１に導かれる。そして、参照光は光分岐路５１の各ファイバブラッググレーティング２２にそれぞれ照射される。
【０２５１】
ここで、各ファイバブラッググレーティング２２に参照光が照射されると、特定波長のＦＢＧ反射光が発生し、それ以外の参照光はそのまま透過する。
【０２５２】
また、光分岐路５１内では散乱光が発生する。
【０２５３】
ＦＢＧ反射光は散乱光と共に、参照光と逆方向に光分岐路５１を進み、光サーキュレータ６０に導かれる。光サーキュレータ６０において、ＦＢＧ反射光および散乱光は、分岐する光分岐路６１に導かれ散乱光受光計８１に送られる。
【０２５４】
散乱光受光計８１に導かれたＦＢＧ反射光および散乱光は、分光用光分岐器２４ｂにおいて分岐されるが、分岐されたＦＢＧ反射光および散乱光の一方はストークス光フィルタ部７０を経由してストークス光のみが選択透過されて光検出処理部２６ｂに導かれ、他方はアンチストークス光フィルタ部７１を経由してアンチストークス光のみが選択透過されて光検出処理部２６ｃに導かれてそれぞれ受光される。
【０２５５】
そして、ストークス光を受光した光検出処理部２６ｂでは、ストークス光の光量が、アンチストークス光を受光した光検出処理部２６ｃでは、アンチストークス光の光量が得られる。
【０２５６】
さらに、ストークス光、アンチストークス光のスペクトルは、図示しない温度分布計測部に送られ、ストークス光とアンチストークス光の相対光量比から着目するファイバブラッググレーティング２２近傍の光分岐路５１の長手方向に沿う温度分布が求められる。
【０２５７】
一方、各ファイバブラッググレーティング２２を透過した各ＦＢＧ透過光は、光分岐路５１を進み、光検出処理部８０にそれぞれ導かれる。そして、各ＦＢＧ透過光は光検出処理部８０で受光され、ＦＢＧ透過光のスペクトルが得られる。
【０２５８】
そして、ＦＢＧ透過光のスペクトルは、図示しない波長中心計測部に送られ、ＦＢＧ反射光のスペクトルの場合と同様な方法で、ＦＢＧ透過光の波長中心が求められる。ただし、ＦＢＧ透過光のスペクトルは下に凸となるため、波長中心は最小２乗フィッティング曲線の最小値に基づいて求められる。さらに、図示しない温度分布計測部で求められた、光分岐路５１の温度分布に基づいて、波長中心計測部においてＦＢＧ透過光の波長中心が補正される。この補正後のＦＢＧ透過光の波長中心の値は図示しない物理量変換部に送られ、温度あるいは歪み等の物理量に変換される。
【０２５９】
すなわち、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｅは、光幹線５０が複数の参照光分岐器２４ａで分岐されツリー状に光分岐路５１が形成される系において、ファイバブラッググレーティング２２で発生するＦＢＧ反射光の代わりにＦＢＧ透過光を、光検出処理部８０で受光してそのスペクトルから物理量を計測するシステムである。
【０２６０】
さらに、散乱光のうちストークス光、アンチストークス光を光サーキュレータ６０から専用の光検出処理部２６ｂ，２６ｃに導いて、ストークス光およびアンチストークス光の光量比に基づいて光分岐路５１の温度分布を求め、ＦＢＧ透過光の波長中心を温度補償する構成である。
【０２６１】
光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｅでは、ＦＢＧ反射光の代わりにＦＢＧ透過光を、光分岐路５１端部に設けた光検出処理部８０で受光する構成であり、スペクトルを得るためのＦＢＧ透過光は参照光分岐器２４ａおよび分光用光分岐器２４ｂを経由しない。従って、ＦＢＧ透過光の減衰量は比較的小さく、ＦＢＧ透過光のエネルギはＦＢＧ反射光のエネルギよりも大きい。
【０２６２】
一方、ストークス光、アンチストークス光も単一の分光用光分岐器２４ｂのみ経由するため、減衰量を抑制させることができる。
【０２６３】
このため、光ファイバグレーティング物理量計測システム２０Ｅでは、光源２１をより安価で低出力のものにすることが可能となるため、より安価に物理量を計測することができる。
【０２６４】
尚、各実施形態の光ファイバグレーティング物理量計測システム２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅにおいては、ファイバブラッググレーティング２２を複数としたが単一のファイバブラッググレーティング２２で構成してもよい。
【０２６５】
また、光源２１は任意の波長帯の参照光を波長変更可能に出力することができる光源としたが、代わりに広帯域光源として広範囲の波長の参照光を各ファイバブラッググレーティング２２に照射し、さらに光検出処理部に波長可変フィルタを設けて着目するファイバブラッググレーティング２２に対応するＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光を波長可変フィルタで選択透過する構成としてもよい。
【０２６６】
また、データ区間設定部２７、波長中心計測部２８あるいは積算比算出部３１等の各部は信号ケーブル３０を介して電気信号として情報を伝送する方法に限らず、光信号等の処理可能な信号として伝送可能な構成であれば接続形態および位置は任意であり、また個別でなく一体に構成してもよい。
【０２６７】
また、光源２１、光検出処理部２６、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ等の構成要素を複数個設けて、並行して個別に物理量を計測する構成としてもよい。さらに、各実施形態の光ファイバグレーティング物理量計測システム２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを複合的に構成してもよい。
【０２６８】
例えば、積算比算出部３１、積算比閾値判定部３２および積算比閾値記憶部３３に加えて、閾値判定部４０と閾値記憶部４１とを設ける構成あるいは複数の光分岐路５１中にそれぞれ光サーキュレータ６０を設け、各光サーキュレータ６０から分岐する光分岐路に個別に物理量計測計５２、６２、６２Ａを設ける構成としてもよい。
【０２６９】
【発明の効果】
本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムにおいては、参照光をファイバブラッググレーティングに照射して得られたＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光のスペクトルの、最小２乗フィッティングにより得られたフィッティング曲線からＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光の波長中心を求め、さらにこのＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光の波長中心を温度あるいは歪み等の物理量に変換するため、より高精度で短時間に物理量を計測することができる。
【０２７０】
また、ＦＢＧ反射光のスペクトルの最大値あるいはスペクトル面積比を分析することで、光源や光ファイバ等の光伝送路の異常あるいは、別のファイバブラッググレーティングからのＦＢＧ反射光あるいはＦＢＧ透過光の影響の有無を定常的に監視することができるため、計測した物理量の信頼性が向上するとともにシステム異常の監視用の設備を不要とすることができる。
【０２７１】
また、ファイバブラッググレーティングの温度依存性、すなわちＦＢＧ反射光の波長の温度変化による変動を、別途、ラマン散乱光を計測した光ファイバの温度分布情報に基づいて補償することができるため、より高精度で物理量を計測することができる。
【０２７２】
また、ファイバブラッググレーティング近傍に光検出処理部を設けてＦＢＧ反射光およびラマン散乱光を受光するように構成することで、ＦＢＧ反射光およびラマン散乱光の光量減衰を抑制し、光源がより低出力の安価なものとした装置構成で物理量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第１の実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示す光検出処理部において得られたＦＢＧ反射光のスペクトルからＦＢＧ反射光の波長中心を求める方法を説明する概念図。
【図３】図１に示す光検出処理部で得られたＦＢＧ反射光のスペクトルと波長中心計測部において２次の多項式を適用して得たフィッティング曲線を示す図。
【図４】図１に示す波長中心計測部において２０個の被計測系サンプルに対して高次の多項式により最小２乗フィッティングを実施して得たＦＢＧ反射光の波長中心の偏差を示す図。
【図５】図１に示す光検出処理部で得られたＦＢＧ反射光のスペクトルと波長中心計測部においてガウス分布式を適用して得たフィッティング曲線を示す図。
【図６】図１に示す波長中心計測部において２０個の被計測系サンプルに対してガウス分布式により最小２乗フィッティングを実施して得たＦＢＧ反射光の波長中心の偏差を示す図。
【図７】図１に示す物理量変換部においてＦＢＧ反射光の波長中心の値をファイバブラッググレーティングの温度に変換する際に用いる関数を示す図。
【図８】本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第２の実施形態を示す構成図。
【図９】他のファイバブラッググレーティングからのＦＢＧ反射光の影響を受けたＦＢＧ反射光のスペクトルの例と、その影響の有無を判定する方法を説明する概念図。
【図１０】着目するファイバブラッググレーティングからのＦＢＧ反射光が、他のファイバブラッググレーティングからのＦＢＧ反射光に影響を及ぼしているスペクトルの例と、その影響の有無を判定する方法を説明する概念図。
【図１１】本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第３の実施形態を示す構成図。
【図１２】図１１に示す光検出処理部で得られたＦＢＧ反射光の光強度が閾値よりも小さい例を示す概念図。
【図１３】図１１に示す光検出処理部で得られたＦＢＧ反射光の光強度が閾値よりも大きい例を示す概念図。
【図１４】本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第４の実施形態を示す構成図。
【図１５】光ファイバ内における散乱光のスペクトルを示す概念図。
【図１６】図１４に示す光幹線および光分岐路の敷設方法を示す説明図。
【図１７】本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第５の実施形態を示す構成図。
【図１８】図１７に示す光サーキュレータの機能を説明する図。
【図１９】図１７に示す物理量計測計の構成図。
【図２０】図１９に示す物理量計測計の変形例を示す構成図。
【図２１】本発明に係る光ファイバグレーティング物理量計測システムの第７の実施形態を示す構成図。
【図２２】従来の光ファイバグレーティング物理量計測システムの構成図。
【符号の説明】
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 光ファイバグレーティング物理量計測システム
２１ 光源
２２ ファイバブラッググレーティング
２３，２３ａ 光ファイバ
２４ 反射光分岐器
２４ａ 参照光分岐器
２４ｂ 分光用光分岐器
２５，２５ａ，２５ｂ 物理量計測計
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 光検出処理部
２７ データ区間設定部
２８ 波長中心計測部
２９ 物理量変換部
３０ 信号ケーブル
３１ 積算比算出部
３２ 積算比閾値判定部
３３ 積算比閾値記憶部
４０ 閾値判定部
４１ 閾値記憶部
５０ 光幹線
５１ 光分岐路
５２ 物理量計測計
５３ 波長可変フィルタ部
５４ 信号制御処理部
５５ データ処理部
５６ 温度分布計測部
５７ 波長中心計測部
６０ 光サーキュレータ
６１ 光分岐路
６２，６２Ａ 物理量計測計
７０ ストークス光フィルタ部
７１ アンチストークス光フィルタ部
８０ 光検出処理部
８１ 散乱光受光計

Claims (15)

1. 参照光を出力する光源に接続されその光路にファイバブラッググレーティングを設けた光ファイバと、この光ファイバにより形成される光路を分岐する反射光分岐器と、この反射光分岐器により分岐された光路の端部に接続され、前記ファイバブラッググレーティングの反射光を受光してスペクトルを求める光検出処理部および前記ファイバブラッググレーティングの反射光のスペクトルに対し所定の波長区間について最小２乗フィッティングを実施して得られたフィッティング曲線の最大値から前記ファイバブラッググレーティングの反射光の波長中心を求める波長中心計測部を設けた物理量計測計とを具備することを特徴とする光ファイバグレーティング物理量計測システム。
2. 前記光ファイバは、光幹線から光分岐器を介して光分岐路に分岐するように構成され、この光分岐路に前記ファイバブラッググレーティングを設けたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
3. 前記光ファイバは、光幹線から光分岐器を介して光分岐路に分岐するように構成され、この光分岐路に前記ファイバブラッググレーティングと反射光分岐器とをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
4. 前記光ファイバは、光幹線から複数の光分岐器を介して複数の光分岐路に分岐するように構成され、各光分岐路に前記ファイバブラッググレーティングと反射光分岐器とをそれぞれ設け、各反射光分岐器から分岐する光分岐路を光分岐器により合流あるいは分岐させ、前記ファイバブラッググレーティングの反射光を共通の光検出処理部に導いて受光するように構成したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
5. 参照光を出力する光源に一端が接続されその光路にファイバブラッググレーティングを設けた光ファイバと、この光ファイバにより形成される光路の他端に接続され、前記ファイバブラッググレーティングの透過光を受光してスペクトルを求める光検出処理部および前記ファイバブラッググレーティングの透過光のスペクトルに対し所定の波長区間について最小２乗フィッティングを実施して得られたフィッティング曲線の最小値から前記ファイバブラッググレーティングの透過光の波長中心を求める波長中心計測部を設けた物理量計測計とを具備することを特徴とする光ファイバグレーティング物理量計測システム。
6. 前記光ファイバは、光幹線から光分岐器を介して光分岐路に分岐するように構成され、この光分岐路の光路中に前記ファイバブラッググレーティングを端部に前記光検出処理部をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
7. 前記光ファイバの光路に反射光分岐器を設け、分岐した光分岐路の端部に、ストークス光フィルタ部を設けた光検出処理部と、アンチストークス光フィルタ部を設けた光検出処理部とを接続し、各光検出処理部はストークス光のスペクトルとアンチストークス光のスペクトルとを個別に求めるように構成したことを特徴とする請求項５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
8. 前記波長中心計測部は２次以上の多項式を用いて最小２乗フィッティングを実施するように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
9. 前記波長中心計測部はガウス分布式を用いて最小２乗フィッティングを実施するように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
10. 前記光ファイバは、光幹線から光分岐器を介して光分岐路に分岐するように構成され、前記光幹線と前記光分岐路との光検出処理部からの光路の距離が等しくなる所定の部位は、近接して併設されるように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
11. 前記物理量計測計には、閾値判定部と閾値記憶部とが設けられ、この閾値記憶部には前記ファイバブラッググレーティングの反射光のスペクトルの光量の最大値あるいは透過光スペクトルの光量の最小値の閾値が記憶される一方、前記閾値判定部は前記ファイバブラッググレーティングの反射光のスペクトルの光量の最大値あるいは透過光のスペクトルの光量の最小値と閾値とを比較して閾値範囲内であるか否かを判定するように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
12. 前記物理量計測計にデータ区間設定部と、物理量変換部とを設け、前記データ区間設定部は前記ファイバブラッググレーティングの反射光のスペクトルから所定の波長区間を設定する一方、前記物理量変換部には前記波長中心計測部で求めた波長中心と物理量との関係を示す関数が保存され、前記物理量変換部はこの関数に基づいて前記ファイバブラッググレーティングの反射光の波長中心を物理量に変換するように構成したことを特徴とする１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
13. 前記物理量計測計には、積算比算出部と、積算比閾値判定部と、積算比閾値記憶部とが設けられ、前記積算比算出部は、前記光検出処理部が求めた前記ファイバブラッググレーティングの反射光あるいは透過光のスペクトルから２つの閉区間を設定して各閉区間のスペクトル面積比を計算する一方、前記積算比閾値記憶部には前記スペクトル面積比の閾値が記憶され、さらに前記積算比閾値判定部は前記積算比算出部が計算したスペクトル面積比と前記積算比閾値記憶部から読み込んだ前記スペクトル面積比の閾値とを比較して閾値範囲内であるか否かを判定するように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
14. 前記光検出処理部は、ストークス光フィルタ部を設けた光検出処理部と、アンチストークス光フィルタ部を設けた光検出処理部と、ストークス光フィルタ部あるいはアンチストークス光フィルタ部のいずれも設けない光検出処理部とで構成され、各光検出処理部は前記ファイバブラッググレーティングの反射光あるいは透過光のスペクトルとストークス光のスペクトルとアンチストークス光のスペクトルとを個別に求めるように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。
15. 前記物理量計測計には温度分布計測部が設けられる一方、前記光検出処理部は、ストークス光フィルタ部を設けた光検出処理部と、アンチストークス光フィルタ部を設けた光検出処理部と、ストークス光フィルタ部あるいはアンチストークス光フィルタ部のいずれも設けない光検出処理部とで構成され、各光検出処理部は前記ファイバブラッググレーティングの反射光あるいは透過光のスペクトルとストークス光のスペクトルとアンチストークス光のスペクトルとを個別に求め、さらに前記温度分布計測部はストークス光とアンチストークス光のスペクトルを前記光検出処理部から入力し、ストークス光とアンチストークス光の光量比に基づいて、前記光ファイバの長手方向に沿う温度分布を求めるように構成したことを特徴とする請求項１または５記載の光ファイバグレーティング物理量計測システム。

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