JP2006215649A

JP2006215649A - ブラッグ格子センサの検出方法、その歪量検出方法及びその検出装置

Info

Publication number: JP2006215649A
Application number: JP2005025380A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Takezaki; 智康竹崎; Hiroshi Kikuchi; 宏菊地; Atsushi Mogi; 篤志茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】光ファイバブラッグ格子センサを用い多様な侵入現象の検知に対応でき、管理上も効率のよい侵入検知装置を得る。
【解決手段】監視領域の敷地境界に敷設した少なくとも一系統の光ファイバケーブル上に、入射光のうちの特定波長の光を反射するブラッグ格子をファイバ内に形成した複数の光ファイバブラッグ格子センサを適宜間隔を設けて直列に配置し、光出射・監視光処理装置により、光ファイバケーブルに広帯域光を入射し、光ファイバブラッグ格子センサからの反射光の波長を測定して歪が生じた光ファイバブラッグ格子センサの位置を分析検出すると共に、報知の要否判別処理を行って、必要に応じて所定の報知信号を出力する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば空港、軍事基地、研究機関等の重要施設のセキュリティ監視領域への侵入物体を検知し報知する侵入検知装置に関するものである。

光ファイバケーブルは、例えば張力などの外力が加わった部分に歪みが生じ、その部分の屈折率分布が変化して当該部分を通過する光の偏波状態が変化する性質がある。従来、この性質を利用し、光ファイバケーブルを、例えば施設の敷地境界上のフェンスや塀に敷設しておき、外力が加わった部分の通過光を偏波変動検出器（ＯＴＤＲ）で受け、光の各偏波成分の受光量の変動を検出することにより、侵入物体の侵入場所を検知して報知するようにした侵入検知装置がある（例えば、特許文献１参照）。また、この侵入検知装置では、光ケーブルが侵入物体により切断された場合、切断個所からの反射光が戻らないことで侵入場所を特定できるようにしている。

特開２０００−１８２１５８号公報

従来の光ファイバを利用した侵入検知装置は、以上のように構成されているが、光ファイバケーブルの歪みが生じた部分の通過光の偏波状態の変化を検知するという単一現象のみに的を絞った単機能検知である。そのため、それ以外の侵入現象に対しては別の機能の検知装置を設置し対処しなければならず、装置の設置および管理上で非常に効率が悪く、コスト的にも問題となっていた。また、上記従来の侵入検知装置に用いられている偏波変動検出器は、例えば台風などの強風により光ファイバケーブルに張力が加わった場合にも侵入と検知し、間違った警報を出すというように、警戒レベルに応じた適切な感度の設定が出来ないという問題があった。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、光ファイバブラッグ格子センサを用い多様な侵入現象の検知に対応でき、管理上も効率のよい侵入検知装置を得ることを目的とする。

この発明に係る侵入検知装置は、監視領域の敷地境界に侵入者を検知するセンサを設置し、侵入場所を検知して報知する侵入検知装置において、敷地境界に敷設した少なくとも一系統の光ファイバケーブル上に、入射光のうちの特定波長の光を反射するブラッグ格子をファイバ内に形成した複数の光ファイバブラッグ格子センサを適宜間隔を設けて直列に配置し、光ファイバケーブルに広帯域光を入射し、光ファイバブラッグ格子センサからの反射光の波長を測定して歪が生じた光ファイバブラッグ格子センサの位置を分析検出すると共に、報知の要否判別処理を行って、必要に応じて所定の報知信号を出力する光出射・監視光処理装置を備えたものである。

この発明によれば、同一系統の光ファイバケーブル上に同一原理の光ファイバブラッグ格子センサを任意の順番で複数接続する構成とすることで、光ファイバブラッグ格子センサ個々の歪みによる波長変動から侵入検出を行うので、処理を集中管理することができる効果がある。また、光ファイバブラッグ格子センサを用いて多様な侵入現象のセンサとして対応できるので、設置および運用管理上も効率のよい侵入検知装置を実現できる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明による光ファイバブラッグ格子センサを用いた侵入検知装置の回路構成を示すブロック図である。侵入検知装置は監視領域２０と、監視領域２０への光の出射と侵入物体を監視し検知する光信号を集中管理する光出射・監視光処理装置１０とに大別される。光出射・監視光処理装置１０は、広帯域光源１１、光チャンネルセレクタ１２、光サーキュレータ１５、光波長測定装置１６、信号処理装置１７、警報出力装置１８などを備えている。監視領域２０は、光ファイバブラッグ格子センサ２を複数個直列にそれぞれ設けた複数系統の光ファイバからなる光ファイバブラッグ格子センサ群１３を備えている。光ファイバブラッグ格子センサ群１３には、光出射・監視光処理装置１０の光チャンネルセレクタ１２から導出された光ファイバケーブル１４が接続され、光が供給されるようになっている。

図７は光ファイバブラッグ格子センサ２の原理を示す説明図である。
光ファイバブラッグ格子センサ２は、光ファイバの一部にブラッグ格子３１と呼ばれる処理が施されたものである。光ファイバに曲げなどの力が加わらない正常な場合、入射光の殆どはこのブラッグ格子３１を通過するが、ブラッグ格子間隔に応じた特定波長（色）の光のみがこの格子部で反射されて元の方向に戻る性質がある。ブラッグ格子３１の部分に力が加わり、その格子間隔が変化すると、反射光の波長λがλ’にシフトする。このシフトした波長λ’を測定することにより、光ファイバの伸縮量を検出することができる。また、光ファイバブラッグ格子センサ２を設けた光ファイバケーブルを使用した場合、数ｋｍ先まで検出できるので、広範囲の監視に適用可能である。
この発明では、ブラッグ格子３１により反射光の波長を各種特定した複数の光ファイバブラッグ格子センサ２を直列接続して監視領域２０に設置することにより各設置位置を特定できるようにして、侵入検知装置として適用できるようにしている。そのために、光ファイバブラッグ格子センサ２は、例えば図３から図５で後述するように、例えば複合材料と組み合わせて振動検知センサ２１、張力検知センサ２２、荷重検知センサ２３として構成することで、単一現象（例えば張力）の検知だけでなく、侵入によって起きる他の現象、「振動」、「荷重」も検知可能になる。すなわち、同種の光ファイバブラッグ格子センサのみを使用して、監視領域の敷地境界に設けられたフェンスや塀などの構造に応じて柔軟に設置できる侵入検知センサを構築できる。

次に、図１の侵入検知装置の動作について説明する。
広帯域光源１１から広帯域光（レーザ光）が出射され、広帯域光は光サーキュレータ１５を介して光チャンネルセレクタ１２に送られる。光チャンネルセレクタ１２は、信号処理装置１７によって制御され、広帯域光の供給先を選択する。広帯域光は、選択された系統の光ファイバケーブル１４を介して、対応する光ファイバブラッグ格子センサ群１３に入射される。光ファイバブラッグ格子センサ２は、ブラッググ格子に応じた特定波長の光を反射する。その反射光は光ファイバケーブル１４および光チャンネルセレクタ１２を介して戻り、光サーキュレータ１５によって光波長測定装置１６に入射される。光波長測定装置１６では、入射された反射光の波長と強度を計測し、信号処理装置１７に出力する。信号処理装置１７では、その計測データをモニタし、侵入物体によって光ファイバブラッグ格子センサ２に歪が生じた際に発生する波長変動から歪が生じた光ファイバブラッグ格子センサ２の位置を分析検出すると共に、報知の要否判別処理を行い、警報出力装置１８に対して接点情報を出力する。警報出力装置１８は、その接点情報に基づき侵入があった位置を示す報知出力を生成し、音声、画像、文字などによる報知手段（図示せず）へ送出する。

図２は光ファイバブラッグ格子センサの配置例を示す説明図である。
図２において、フェンス２５ａ、２５ｂおよび塀２６に対して光ファイバブラッグ格子センサで構成した振動検知センサ２１、張力検知センサ２２および荷重検知センサ２３が対応して設置されている状態が示されている。これらの検知センサ２１，２２，２３は、屋外用密閉型光接続器２４を中継して直列に接続され一系統の光ファイバケーブルを構成している。
振動検知センサ２１は、フェンス２５の上部に設置され、侵入者が接触した時に生じる振動を検知する。この振動検知センサ２１は、例えば図３に示すように、感知ロッド３２、光ファイバケーブル３３および光ファイバブラッグ格子センサ２を備えている。振動検知センサ２１は、光ファイバブラッグ格子センサ２と光接続された光ファイバケーブル３３を感知ロッド３２内の中空の縁に内包し、感知ロッド３２を光ファイバブラッグ格子センサ２の部分で切り欠き、樹脂等でコーティングした構造となっている。感知ロッド３２は、円筒中空の剛体であり、耐候性も考慮して、例えばＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）素材にて製造されるのが望ましい。そのため、光ファイバブラッグ格子センサ２の設置部分は軟性の特性となり、フェンス２５ａのネットの振動が感知ロッド３２の剛体個所に加わった場合にも荷重が光ファイバブラッグ格子センサ２の部分へ集中し歪ませる構造となっている。したがって、光ファイバブラッグ格子センサ２による反射光の変化から侵入を検知することが可能となる。

また、張力検知光センサ２２は、フェンス２５ｂの上部の忍び返しとして設置された張力検知ワイヤ２２０に加わる張力（侵入物体により張力検知ワイヤ２２０に加わった荷重）を検知する。この張力検知センサ２２は、例えば図４に示すように、張力検知モジュール４２、張力検知ワイヤ２２０および張力調整冶具４４を備えている。張力検知モジュール４２は、カンチレバー４２０と、カンチレバー４２０の屈曲可能な面に貼り付けられ、光ファイバブラッグ格子センサ２と、カンチレバー４２０の曲がりを制限するカンチレバー留め４２１とから構成されている。張力検知ワイヤ２２０は、一端がカンチレバー４２０の自由端側に留められ、他端が張力調整する張力調整冶具４４で保持されるように設定される。張力検知ワイヤ４３は、侵入物体により設定張力以上の荷重が加わると、その外力を張力変化に変え、カンチレバー４２０をカンチレバー留め４２１側に曲げ変形させる。この動作により、カンチレバー４２０に貼り付けられた光ファイバブラッグ格子２に歪が生じ、光ファイバブラッグ格子４１での反射光の変化から侵入を検知することが可能となる。

また、荷重検知センサ２３は、塀２６の上部で長手方向に多数配列され、侵入者が乗越えようとした際に塀２６の上部に加わる荷重を検知する。この荷重検知センサ２３は、例えば図５に示すように、荷重検知バー５２、光ファイバブラッグ格子センサ２および歪み調整冶具５３を備えている。歪み調整冶具５３は、光ファイバブラッグ格子センサ２が貼り付けられ、荷重検知バー５２の歪みを調整するための部材で、荷重がかかる前の通常状態では５３ａの状態であり、荷重検知バー５２に設定張力以上の荷重が加わった場合、５３ｂのように変形する。この変形により、歪み調整冶具５３に貼り付けられた光ファイバブラッグ格子センサ２が歪むので、その反射光の変化から侵入を検知することが可能となる。
なお、上記光ファイバブラッグ格子を用いた各検知センサ２１，２２，２３の配置順は、監視領域におけるフェンスや塀等の配置構成により自由に選択することが可能である。

以上のように、監視領域の敷地境界に敷設した少なくとも一系統の光ファイバケーブル上に、入射光のうちの特定波長の光を反射するブラッグ格子をファイバ内に形成した複数の光ファイバブラッグ格子センサを適宜間隔を設けて直列に配置し、光出射・監視光処理装置により、光ファイバケーブルに広帯域光を入射し、光ファイバブラッグ格子センサからの反射光の波長を測定して歪が生じた光ファイバブラッグ格子センサの位置を分析検出すると共に、報知の要否判別処理を行って、必要に応じて所定の報知信号を出力するようにしたので、反射波長の異なるいずれかの光ファイバブラッグ格子センサが侵入を検知した場合、その反射光の波長変動から、その侵入位置を特定することができる。また、同一系統の光ファイバケーブル上の複数の光ファイバブラッグ格子センサを、その設置位置に応じて振動、張力あるいは荷重を検知するセンサとして構成しているので、侵入によって起きる多様な現象、例えば「張力」、「振動」、「荷重」等を同一原理のセンサを用いて検知可能にしている。さらに、光ファイバブラッグ格子センサごとに特定される情報の処理は同レベルのデータを扱うため、一台の信号処理装置で一元化して集中管理することができ、運営管理上で効率のよい侵入検知装置を実現できる。

図６は侵入検出装置の光ファイバブラッグ格子センサの有効的な配置例を示す説明図である。
図６において、例えば一つの監視区間Ｎｏ．１では、同一波長λ１の光を反射する光ファイバブラッグ格子センサ（ここでは振動検知センサ２１）を複数個配置している。この場合、その光ファイバブラッグ格子センサのうちのいずれかが反応することにより、その監視区間に異常が発生したことを特定することができる。また、全区間の光ファイバブラッグ格子センサの使用数に対して、監視区間ごとに波長を割り当てて設定できるので、限りある波長資源を有効に活用することができる。
また、監視区間Ｎｏ．３では、同一系統の光ファイバブラッグ格子センサ（ここでは張力検知センサ２２用の張力検知ワイヤ２２０）と接続用の光ファイバケーブル１４１を平行に組み合わせて配置している。光ファイバケーブル１４１のいずれかの部分が切り破り侵入により切断された場合、入射側に残された光ファイバブラッグ格子センサの数を計数することにより、切断位置（侵入位置）を検出することを可能にしている。この場合は、光ファイバブラッグ格子センサによる侵入検出と二重の監視（いずれかの侵入検出）を行うことができる。

また、直列接続された光ファイバブラッグ格子センサに入射する広帯域光の向きを、光チャンネルセレクタにより、同一系統の光ファイバケーブルのＡ端とＢ端に対して時間的に交互に切り替えて入力するようにしてもよい。このことにより、光ファイバケーブルが監視領域のどこかで切断された場合にも、反対側から入射による反射光によって、少なくとも２個所の切断位置の検出が可能となり、冗長性の高いシステムの構築を可能にする。
さらに、同一系統の光ファイバケーブルに複数の光ファイバブラッグ格子センサを設けて構成できるようにしているので、光ファイバブラッグ格子センサごとに特定される情報の管理を一台の信号処理装置で一元化することができるが、その場合、信号処理装置の管理パラメータで光ファイバブラッグ格子センサの反射光の検知信号に対して閾値を個々に設定し、個々の光ファイバブラッグ格子センサの検知感度を決めることができる。その結果、監視領域の規模や警戒状況に応じた対応のために設置現場へ出向いて個々のセンサの設定調整を行う必要もなく、迅速に実施でき、保守管理費用の大幅な削減が期待できる。また、光ファイバブラッグ格子センサの検知感度の設定により、光ファイバブラッグ格子センサの設置形態に応じて、例えば風圧などによる誤検出が発生しないようにすることができる。

この発明の実施の形態１による侵入検知装置の回路構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る光ファイバブラッグ格子センサの配置例を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る振動検知光ファイバブラッグ格子センサの構造例を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る張力検知光ファイバブラッグ格子センサの構造例を示す説明図であるこの発明の実施の形態１に係る荷重検知光ファイバブラッグ格子センサの構造例を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る光ファイバブラッグ格子センサの有効的な配置例を示す説明図である。光ファイバブラッグ格子センサの原理を示す説明図である。

符号の説明

２光ファイバブラッグ格子センサ、１０光出射・監視光処理装置、１１広帯域光源、１２光チャンネルセレクタ、１３光ファイバブラッグ格子センサ群、１４，３３，１４１光ファイバケーブル、１５光サーキュレータ、１６光波長測定装置、１７信号処理装置、１８警報出力装置、２０監視領域、２１振動検知センサ、２２張力検知センサ、２３荷重検知センサ、３１ブラッグ格子。

Claims

監視領域の敷地境界に侵入者を検知するセンサを設置し、侵入場所を検知して報知する侵入検知装置において、
敷地境界に敷設する少なくとも一系統の光ファイバケーブル上に、入射光のうちの特定波長の光を反射するブラッグ格子をファイバ内に形成した複数の光ファイバブラッグ格子センサを適宜間隔を設けて直列に配置し、
前記光ファイバケーブルに広帯域光を入射し、前記光ファイバブラッグ格子センサからの反射光の波長を測定して歪が生じた光ファイバブラッグ格子センサの位置を分析検出すると共に、報知の要否判別処理を行って、必要に応じて所定の報知信号を出力する光出射・監視光処理装置を備えたことを特徴とする侵入検知装置。
複数の光ファイバブラッグ格子センサは、一系統の光ファイバケーブル上で、設置位置に応じて振動、張力あるいは荷重を検知するセンサとして構成されていることを特徴とする請求項１記載の侵入検知装置。
同一系統の光ファイバケーブルを複数の監視区間に分け、少なくとも一つの監視区間に直列に配置された複数の光ファイバブラッグ格子センサの反射光を同一波長に設定したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の侵入検知装置。
光出射・監視光処理装置は、各光ファイバブラッグ格子センサの検知感度を、それぞれの反射光の検知信号に対する閾値により個々に設定することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の侵入検知装置。
光出射・監視光処理装置は、光ファイバケーブルの切断を検出し、切断された位置を特定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の侵入検知装置。
光出射・監視光処理装置は、広帯域光の入射と反射光を取り込む光ファイバケーブルの端部を、時間的に交互に他端と切り替えることを特徴とする請求項５記載の侵入検知装置。