JP2005283372A

JP2005283372A - Ａｓｅ光源とラマン増幅を使用したｆｂｇによる温度または歪み測定装置

Info

Publication number: JP2005283372A
Application number: JP2004098519A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Nemoto; 和正根本; Masami Inoue; 政美井上; Tsutomu Oshima; 務大島; Tadayoshi Ota; 忠義太田
Original assignee: OCC Corp
Current assignee: OCC Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP4485236B2

Abstract

【課題】
本発明は、ラマン増幅を行なう励起光源をＦＢＧが遠隔に配置されているセンサファイバとサーキュレータとの間に配置することにより、往復の信号光の低下を補償することができ、より高いパワーでの測定を可能とするとともに、５０ｋｍ以上の遠隔地に配置したＦＢＧにおける歪／温度の高精度な測定を実現することを目的とする。
【解決手段】
本発明による歪／温度測定装置は、ＡＳＥ光源９と、歪／温度を検知するセンサとしてＦＢＧ２〜４が設けられた光ファイバ１５と、ＡＳＥ光源９とＦＢＧ２〜４との間に設けられたサーキュレータ７と、ＦＢＧ２〜４からの反射波をサーキュレータ７を通して入力して測定する歪／温度測定手段を備えた歪／温度測定装置において、サーキュレータ７とＦＢＧ２〜４との間にラマン励起光源１を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は温度または歪み測定装置に係り、特に、建築、土木等の構造物の歪みや温度を、ＡＳＥ（自然放出光Amplified spontaneous emission 以下ＡＳＥという）光源とラマン増幅を使用したＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、以下ＦＢＧという）によって測定する温度または歪み測定装置に関する。

ＦＢＧを用いて歪み又は温度あるいは歪みと温度の両方（まとめて「歪／温度」と記載する）を計測することができる従来技術として、特開平１１−０６４１１９号公報に開示されたものが挙げられる。図３はこの従来技術の「光ファイバ温度歪みセンサおよび温度歪み測定装置」として示されたものである。図３において、光源３９、光ファイバ３７、サーキュレータ３８、光検出器３０、反射型グレーティングを形成したセンシング部３６から構成されている。この従来技術は光ファイバ３７としてＰＡＮＤＡ型偏波面光ファイバコアを用い、ＰＡＮＤＡ型偏波保存光ファイバコアにＦＢＧを施すことにより、歪みと温度を同時に測定できることを特徴としている。光検出器３０は、センシング部３６から歪みまたは温度変化に応じて変化する反射量で反射されて来たＡＳＥ光またはＬＤ光の強度変化を検出し、この出力値から温度または歪みに換算する。

特開平１１−６４１１９号公報

しかしながら、上記従来技術は、遠隔地に配置されたＦＢＧの反射光による歪みや温度を計測する場合には、光源及び光検出器の測定系とＦＢＧまでの往復での光ファイバ中での光損失を受けるため、光検出器に入射する光信号パワーが低下してＳＮ比が劣化するため、高感度で精度の高い測定ができなくなる可能性がある。

例えば、５０ｋｍ隔てて配置したＦＢＧからの戻り信号光は、光ファイバの損失を０．３ｄＢ／ｋｍとすると往復での光損失を受けるから、光ファイバの伝播のみで３０ｄＢ損失を伴い、例えば光源から０ｄＢｍの光パワーを供給しても、光検出器３０に入射する光パワーは−３０ｄＢｍとなり、実際にはサーキュレータその他光デバイスでの光損失も含めると、−３５ｄＢｍ以下の光パワーになる可能性がある。特に、ＡＳＥ光と光フィルタとの組合せによる光源を用いた場合の出力パワーは、−１０ｄＢｍ程度となるため、現実には−４５ｄＢｍ以下の検出パワーとなる。したがって、従来は、ファイバコアにグレーティングを形成したＦＢＧを用いた、歪／温度計測システムにおいて、観測点からＦＢＧを配置する距離は、光ファイバ中を伝播する往復の光損失、使用するサーキュレータ等の光構成部品の損失、光源の出力パワーの制限により、１０ｋｍ程度が限界であった。この様な検出パワーの低下による検出精度の低下を防ぐためには、何らかの方法でＳＮ比を損なわずに光パワーを増幅する手段が必要である。

本発明は、遠隔地に配置したＦＢＧにより、歪／温度を正確計測する問題を解決するために成されたもので、ラマン増幅を行なう励起光源をＦＢＧが遠隔に配置されているセンサファイバとサーキュレータとの間に配置することにより、往復の信号光の低下を補償することができ、より高いパワーでの測定を可能とするとともに、５０ｋｍ以上の遠隔地に配置したＦＢＧにおける歪／温度の高精度な測定を実現することを目的とする。

更に、本発明は、周波数帯域が広帯域でフラットな光強度特性が得られるＡＳＥ光源を用い、光ファイバ上の複数の測定箇所にそれぞれＦＢＧを設けた場合であっても、このＡＳＥ光源の広帯域な周波数の中から特定の周波数を選択して当該複数測定箇所毎に設けられたＦＢＧにそれぞれ異なる周波数を供給したとき、ほぼ同じ強度の光が得られるようにし、光の強度による測定値のばらつきを抑え、測定値の精度を向上することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明の要旨は、光源と、入力光の特定波長の光を反射光として反射して温度または歪みを検知するセンサとしてＦＢＧが設けられた光ファイバと、前記光源と前記ＦＢＧとの間に設けられたサーキュレータと、前記ＦＢＧからの反射光を前記サーキュレータを通して受光して波長の変化量を計測する温度または歪み測定手段を備えた温度または歪み測定装置において、前記サーキュレータと前記ＦＢＧとの間にラマン増幅用励起光源を備えたことを特徴とする温度または歪み測定装置に存する。
また、本発明の請求項２に係る発明の要旨は、ＡＳＥ光源と、入力光の特定波長の光を反射光として反射して温度または歪みを検知するセンサとしてＦＢＧが設けられた光ファイバと、前記ＡＳＥ光源と前記ＦＢＧとの間に設けられたサーキュレータと、前記ＦＢＧからの反射光を前記サーキュレータを通して受光して波長の変化量を計測する温度または歪み測定手段を備えた温度または歪み測定装置において、前記ＡＳＥ光源と前記サーキュレータとの間に異なる周波数帯域を選択して供給するための可変波長フィルタを備えたことを特徴とする温度または歪み測定装置に存する。
また、本発明の請求項３に係る発明の要旨は、ＡＳＥ光源と、入力光の特定波長の光を反射光として反射して温度または歪みを検知するセンサとしてＦＢＧが設けられた光ファイバと、前記ＡＳＥ光源と前記ＦＢＧとの間に設けられたサーキュレータと、前記ＦＢＧからの反射光を前記サーキュレータを通して受光して波長の変化量を計測する温度または歪み測定手段を備えた温度または歪み測定装置において、前記サーキュレータと前記ＦＢＧとの間にラマン増幅用励起光源を備え、前記ＡＳＥ光源と前記サーキュレータとの間に異なる周波数帯域を選択して供給するための可変波長フィルタを備えたことを特徴とする温度または歪み測定装置に存する。
また、本発明の請求項４に係る発明の要旨は、前記ラマン増幅用励起光源は１４５０ｎｍのラマン増幅用励起光源であり、１５５０ｎｍＣバンドでフラットな性能を持つことを特徴とした請求項１、請求項３のいずれか一項に記載の温度または歪み測定装置に存する。
また、本発明の請求項５に係る発明の要旨は、前記ＦＢＧは、前記光ファイバの複数箇所に配置されていることを特徴とした請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の温度または歪み測定装置に存する。
また、本発明の請求項６に係る発明の要旨は、前記ＦＢＧからの反射光を受講するネットワークアナライザと、前記可変波長フィルタと前記サーキュレータの間に配置され前記ネットワークアナライザからの参照波で光強度変調する外部変調器とを備え、前記ＦＢＧからの反射光の位相を解析して前記ＦＢＧの位置を測定することを特徴とした請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度または歪み測定装置に存する。

この発明により、ファイバコアにグレーティングを形成したＦＢＧを用いた、歪／温度計測システムにおいて、光ファイバ中で光ラマン増幅を行なう励起光源を観測装置と遠隔地に配置したＦＢＧと光ファイバの間に用いることにより、光ファイバ中において、信号光が増幅され、測定の距離限界が大幅に拡大される。

更に、本発明は、ＡＳＥ光源を使用する事により、複数箇所毎に設けられたＦＢＧにそれぞれ異なる周波数帯域を選択して供給する際に、ほぼ同じ強度の光が得られ、測定値の精度が向上する。ＬＤ光源では可変波長ＬＤ光源を使用しても波長毎に出力のばらつきがあるが、ＡＳＥ光源は広帯域でほぼフラットな周波数帯域特性を有しているため、可変波長フィルタと組合わせることにより、広帯域で強度の揃った任意の波長を選択することができる。またＡＳＥ光はＦＢＧからの反射光からの干渉が起こりにくいという利点も有する。

ＦＢＧを遠隔地に配置した場合、光ファイバ中を往復することによる光損失の伝播損失が大きい場合や、またＡＳＥ光の様に高出力光が得られない場合、従来技術においては光検出器３０に入射する光パワーの低下のため、高精度での測定ができなくなるが、サーキュレータ３８とセンシング部３６に繋がる光ファイバ３７との間にラマン増幅を行なう励起光源を配置することにより、光ファイバ中を伝播する信号光が増幅し、上記の問題が解決される。

本発明で使用する光増幅の手段は、誘導ラマン散乱を利用する方法で、この誘導ラマン散乱とは、強い単色光を物質に照射したとき、物質の光学フォノンとの相互作用により、固有な波長だけシフトした光が散乱される現象である。光ファイバコアの様な石英系ガラスの場合のシフト量は、約４４０ｃｍ^−１である。例えば、４４０ｃｍ^−１＝４４０００ｍ^−１＝０．０４μｍ^−１であるから、１．５５μｍを信号光とした場合、１／λｐ＝１／λｓ＋０．０４μｍ^−１より、λｐ＝１．４５μｍ（＝１４５０ｎｍ）となる。但し、λｐ、λｓは、それぞれ励起光、信号光の波長である。従って、１．５５μｍ（＝１５５０ｎｍ）を信号とする場合には、励起光の波長を１４５０ｎｍ帯の波長を用いることにより、ラマン増幅によるラマン励起光源が実現される。本発明は、１５５０ｎｍＣバンドでフラットな性能を持つ、１４５０ｎｍラマン増幅用励起光源を設け、信号利得を１０ｄＢ〜１５ｄＢ程度改善し、高感度／高精度での測定を可能とした。

図１は本発明の実施の形態を示したもので、図１には本発明の動作や効果を確認するために組んだ回路や装置も示されている。１が本発明の核となるラマン励起光源であるが、測定系について順を追って説明する。

９はＥＤＦ（エルビウム・ドープ・ファイバ）と励起光源からなるＡＳＥ光源で、光強度が広帯域でほぼフラットな周波数帯域特性を有している光源を使用する。１１は光源９から出力されるＡＳＥ光の所望の波長のみを選択する可変波長フィルタ、１０は可変波長フィルタ１１で選択された所望の波長のＡＳＥ光を増幅するＥＤＦと励起光源からなる光アンプ、１２は光アンプ１０にて増幅されたＡＳＥ光を無偏向光とする無偏光化装置である。無偏光化装置１２の出力は外部変調器８に入力される。

可変波長フィルタは多層膜フィルタの角度を変えて光の入射角度を変えることにより任意に波長を選択することができ、パワーメータの出力をモニターしながら動作させる。

外部変調器８は位相合わせのために配置されたもので、ネットワークアナライザ２１からの参照光、即ち１０ＭＨｚから３ＧＨｚ程度の正弦波により光強度変調光となり、この光強度変調光はサーキュレータ７、ラマン励起光源１を介して光ファイバ１５（確認試験では長さ５０ｋｍとした）を伝播し、無歪み状態で固有の反射波長を持つＦＢＧ２、ＦＢＧ３、ＦＢＧ４（確認試験ではこれらの間の距離Ｌ１、Ｌ２を約５ｍとして配置した）へと伝播する。外部変調器８で位相合わせをして、反射波の位相の回転数を正確に観測することによりＦＢＧまでの距離を測定することができる。

ラマン励起光源１はサーキュレータ７とＦＢＧ２〜４の間に配置され、信号光の往路と復路のそれぞれにおいて光信号出力を増幅する。

ここで、ＦＢＧ２〜４についての補足説明を行なう。ＦＢＧ２〜４は、光ファイバの軸に沿って、コアに周期的な格子（グレーティング）により屈折率分布を持たせたもので、この周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）の光が選択的に反射され、その他の光はそのまま通過する機能を持つ、狭帯域で高性能な反射フィルタである。ＦＢＧ２〜４は温度変化、歪みにより反射波長が変化する性質がある。これは、温度変化に対しては、屈折率の変化により、歪みに対しては格子間隔の変化によるものである。

本発明の動作、効果を確認するために組んだ実験系では、有効性の確認目的で、ＦＢＧ３をステンレステープ５の片面に貼付け、ステンレステープ５の反対面には歪みゲージ６を貼付け、このステンレステープ５を、張力印加装置の固定部２４、移動部２３に固定して張力をかけ、ＦＢＧ３から得られる測定値と歪みゲージ６から得られる測定値の両者の比較を行なえる様になっている。したがって、図１において歪みゲージ６、張力印加装置、歪みアンプ１９は実験系で必要なものであるが、ＦＢＧ２〜４による歪／温度の測定には本来必要なものではない。

以下歪みの測定について説明する。
光ファイバ１５の複数箇所に配置されたＦＢＧ２、３、４は、それぞれ特定の波長（ブラッグ波長）の光で選択的に反射されるようになっている。そして、ＦＢＧ２、３、４のグレーティング間隔を異ならしめておき、ＦＢＧ２、３、４それぞれに対応した特定の波長（ブラッグ波長）を選択することにより、ＦＢＧ２、３、４に対応したそれぞれの特定波長が各ＦＢＧから反射される。したがって反射波の波長を調べることによってどのＦＢＧから反射されたものかを知ることができる。この波長の選択は可変波長フィルタ１１で行われる。可変波長フィルタ１１で、ＦＢＧ３の無歪み状態での波長に波長選択されたＡＳＥ光源９は、外部変調器８で変調される。該変調された強度変調光は、サーキュレータ７、ラマン励起光源１、光ファイバ１５、ＦＢＧ２を通過し、ＦＢＧ３に達する。ここで光は、その波長がＦＢＧ３の反射波長に選択されているので、ＦＢＧ３において反射される。

この状態で、ステンレステープ５に張力を印加して行くと、ＦＢＧ３には歪みが発生し、歪み量と共にグレーティング間隔が変化し、反射光パワーが減少する。ＦＢＧ３から反射した反射光は、サーキュレータ７、光分岐カップラ１３、光スイッチ１６を通過して光パワーメータ１８で測定される。光分岐カップラ１３で分岐された一方の反射波は波長計１４で波長が計測される。

また、１７はＯ／Ｅ変換器で、光信号を電気信号に変換しネットワークアナライザ２１に出力する。ネットワークアナライザ２１は、Ｏ／Ｅ変換器１７からの信号位相により反射波の位相を測定し、これを外部変調器８の出力光の位相と対応して解析し、ＦＢＧ２〜４までの距離を算出することができる。

また、歪みゲージ６の歪み信号は、歪みアンプ１９にて測定できる。光パワーメータ１８の測定パワーに比例した電気出力と歪みアンプ１９の歪みに比例した電気出力は、データロガー２２に入力される。データロガー２２は測定された値を記録し解析する装置で、光パワーメータ１８と歪みアンプ１９から入力された両者を記録し解析することができる。この測定結果は、図２の通りである。この時、ステンレステープには任意の印加スピードで、最大０．０５％の歪みが印加されている。

図２において、ＦＢＧ３からの反射光による歪み測定値と、歪みゲージ６からの信号による測定値は、ほぼ対称の波形を描いている。図２に示された２つの信号変化の方向は反対であるが、これは無歪みで反射光出力が最大となり、歪みがあると反射光にずれが生じて出力が減少するためで、この点を考慮すれば、ＦＢＧ３から正確な歪み情報を得ることが可能であることを示している。

本実施の形態での測定では、ラマン励起光源１が有りの場合と無しの場合の両方で測定して比較し、ラマン励起光源１が有る場合、光パワーメータ１８のレベル変化より約１５ｄＢの光増幅が得られていることを確認した。

また、本実施の形態によれば、光源９は、光強度が広帯域でほぼフラットな周波数帯域特性を有している自然放出光としてのＡＳＥ光源を用い、このＡＳＥ光源の広帯域な周波数帯域の特定周波数をＦＢＧ２〜４の選択周波数としており、また、このＡＳＥ光源をラマン励起光源１で増幅しているので、複数箇所毎に設けられたＦＢＧ２〜４にそれぞれ異なる周波数帯域を選択して供給する際に、各ＦＢＧ２〜４の選択周波数において光強度がほぼ同じとなり、これにより光源の強度による測定値のばらつきが小さくなり、しかもラマン励起光源１の増幅により、５０ｋｍを超える長距離であっても測定に必要な光強度が容易に得られ、測定値の精度が向上するという効果がある。

また、本実施の形態の測定系では、ネットワークアナライザ２１からの１０ＭＨｚ〜３ＧＨｚ程度までの正弦波で外部変調器８にて光強度変調して位相を合わせ、各ＦＢＧ２〜４から反射して戻ってくる位相の回転数を正確に計測できるので、各ＦＢＧ２〜４までの距離を精度よく測定することができる。したがって各ＦＢＧ２〜４間の正確な距離測定も可能であり、ＦＢＧ２〜４での微細なポイント歪みとＦＢＧ２〜４間で発生する平均的な歪みの両方の測定が可能である。このように、本願発明は、遠隔測定が必要な土木、建築、プラント等での有用な歪／温度測定技術である。

また、上記説明では歪み測定について詳細に説明したが、上記従来技術（特許文献１）に記載のＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバを用いると、演算処理によって歪／温度の識別測定が可能で、温度も同様に測定できる。

また、上記説明では、１５５０ｎｍＣバンドでフラットな性能を持つ、１４５０ｎｍラマン増幅用励起光源としたが、他の周波数帯域を有するラマン増幅用励起光源とした場合でも本発明が適用できることは明らかである。

遠隔測定が必要な土木、建築、プラント等での、歪／温度測定として応用することができる。

本発明の実施の形態を示す図である。本発明の実施の形態での測定結果のオシログラムを示す図である。従来技術の歪／温度測定装置を示す図である。

符号の説明

１・・・ラマン励起光源
２〜４・・・ＦＢＧ（反射型グレーティング）
５・・・ステンレステープ
６・・・歪みゲージ
７・・・サーキュレータ
８・・・外部変調器
９・・・ＡＳＥ光（自然放出光）の光源
１０・・・光アンプ
１１・・・可変波長フィルタ
１２・・・無偏光化装置
１３・・・光分岐カップラ
１４・・・波長計
１５・・・光ファイバ
１６・・・光スイッチ
１７・・・Ｏ／Ｅ変換器
１８・・・光パワーメータ
１９・・・歪みアンプ
２１・・・ネットワークアナライザ
２２・・・データロガー
２３・・・張力印加装置の移動部
２４・・・張力印加装置の固定部
３０・・・光検出器
３６・・・センシング部
３７・・・光ファイバ
３８・・・サーキュレータ
３９・・・光源

Claims

光源と、
入力光の特定波長の光を反射光として反射して温度または歪みを検知するセンサとしてＦＢＧが設けられた光ファイバと、
前記光源と前記ＦＢＧとの間に設けられたサーキュレータと、
前記ＦＢＧからの反射光を前記サーキュレータを通して受光して波長の変化量を計測する温度または歪み測定手段を備えた温度または歪み測定装置において、
前記サーキュレータと前記ＦＢＧとの間にラマン増幅用励起光源を備えたことを特徴とする温度または歪み測定装置。
ＡＳＥ光源と、
入力光の特定波長の光を反射光として反射して温度または歪みを検知するセンサとしてＦＢＧが設けられた光ファイバと、
前記ＡＳＥ光源と前記ＦＢＧとの間に設けられたサーキュレータと、
前記ＦＢＧからの反射光を前記サーキュレータを通して受光して波長の変化量を計測する温度または歪み測定手段を備えた温度または歪み測定装置において、
前記ＡＳＥ光源と前記サーキュレータとの間に異なる周波数帯域を選択して供給するための可変波長フィルタを備えたことを特徴とする温度または歪み測定装置。
ＡＳＥ光源と、
入力光の特定波長の光を反射光として反射して温度または歪みを検知するセンサとしてＦＢＧが設けられた光ファイバと、
前記ＡＳＥ光源と前記ＦＢＧとの間に設けられたサーキュレータと、
前記ＦＢＧからの反射光を前記サーキュレータを通して受光して波長の変化量を計測する温度または歪み測定手段を備えた温度または歪み測定装置において、
前記サーキュレータと前記ＦＢＧとの間にラマン増幅用励起光源を備え、前記ＡＳＥ光源と前記サーキュレータとの間に異なる周波数帯域を選択して供給するための可変波長フィルタを備えたことを特徴とする温度または歪み測定装置。
前記ラマン増幅用励起光源は１４５０ｎｍのラマン増幅用励起光源であり、１５５０ｎｍＣバンドでフラットな性能を持つことを特徴とした請求項１、請求項３のいずれか一項に記載の温度または歪み測定装置。
前記ＦＢＧは、前記光ファイバの複数箇所に配置されていることを特徴とした請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の温度または歪み測定装置。
前記ＦＢＧからの反射光を受光するネットワークアナライザと、
前記可変波長フィルタと前記サーキュレータの間に配置され前記ネットワークアナライザからの参照波で光強度変調する外部変調器とを備え、
前記ＦＢＧからの反射光の位相を解析して前記ＦＢＧの位置を測定することを特徴とした請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度または歪み測定装置。