JP2007232515A

JP2007232515A - 光ファイバ振動検知システム

Info

Publication number: JP2007232515A
Application number: JP2006053316A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Nakao; 由明中尾; Kazunaga Kobayashi; 和永小林
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】２つの監視区間の境界位置近傍で振動が発生した場合にも、その振動が発生した監視区間を正確に判別できる光ファイバ振動検知システムを提供する。
【解決手段】光ファイバリングを構成する光ファイバ２を振動監視ラインに沿って配索し、振動監視ラインを複数の監視区間Ｄ１〜Ｄ４に分割し、前記光ファイバ２内を伝送した出力光より振動レベルを検知し、警報レベル以上の振動を検知した場合には、出力光より演算によって振動位置を求め、振動が発生した監視区間を判別する光ファイバ振動検知システム１Ａであって、光ファイバ２には、監視区間の境界位置に、少なくとも演算による位置誤差相当長さの余長部２ａを設け、この余長部２ａを外的振動によって振動しないように設置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを振動検知センサとして用いる光ファイバ振動検知システムに関する。

港湾、空港、ライフライン施設周辺における不法侵入等を検知するセンサとして光ファイバを利用した光ファイバ検知システムが提案されている。この光ファイバ振動検知システムは、振動監視ラインに沿って配索された光ファイバに外的振動が加えられると、光ファイバ内を伝送する光の光路長が変化する。この光路長の変化が干渉光の位相差、偏光面の変化になって現れることに着目して振動位置を検出するものである（特許文献１及び特許文献２参照）。この光ファイバ振動検知システムは、光ファイバを振動監視ラインに沿って配索すれば良いため、上記した港湾などのように広大な施設監視に非常に有効である。そして、振動監視ラインが広大な施設管理では、不法侵入有りと判断した場合の対処性（例えば、迅速に現場に急行する監視体制を取る必要性）を考慮して、振動監視ラインを複数区間に分割して監視体制を取ることが管理上有効である。
特開２００３−２４７８８７号公報特開２００５−４３０８７号公報

しかしながら、光ファイバを振動検知センサとする場合には、振動位置の演算結果に所定の誤差が想定される。従って、１つの監視区間の中央位置で振動が発生した場合には、その振動が発生した監視区間を誤ることはないが、２つの監視区間の境界位置近傍で振動が発生した場合には、その振動が発生した監視区間を隣りの監視区間と誤判定する恐れがある。

そこで、本発明は、２つの監視区間の境界位置近傍で振動が発生した場合にも、その振動が発生した監視区間を正確に判別できる光ファイバ振動検知システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、光ファイバリングを構成する光ファイバを振動監視ラインに沿って配索し、振動監視ラインを複数の監視区間に分割し、光ファイバ内を伝送した出力光より振動レベルを検知し、警報レベル以上の振動を検知した場合には、出力光より演算によって振動位置を求め、振動が発生した監視区間を判別する光ファイバ振動検知システムであって、光ファイバには、監視区間の境界位置に、少なくとも演算による位置誤差相当長さの余長部を設け、この余長部を外的振動によって振動しないように設置したことを要旨とする。

上記した光ファイバの余長部は、複数の監視区間の内で特定な監視区間の境界位置にのみ設けてもよい。

本発明の第２の特徴は、複数の監視区分に分割された振動監視ラインに沿って配索され、光ファイバリングを構成する光ファイバと、この光ファイバの一部によって各監視区間の境界位置に設けられ、且つ、外的振動によって振動しないように設置され、少なくとも演算による位置誤差相当長さを有する余長部と、光ファイバの光ファイバリングに光を出力し、光ファイバリングを伝送した出力光を受光する検出器本体と、検出器本体からの受光出力より振動レベルを検知し、警報レベル以上の振動を検知した場合には、受光出力より演算によって振動位置を求め、振動が発生した監視区間を判別する振動区間判別部とを備えたことを要旨とする。

なお、光ファイバの両端には波長分割型分岐結合器をそれぞれ有し、各波長分割型結合器を介して光の入出力が可能な単一の光ファイバリングを構成するものであってもよい。ここで、検出器本体は、波長の異なる２波長の光を各分岐結合器を介して光ファイバリングに出力し、光ファイバリングを伝送した各波長の出力光を各分岐結合器でそれぞれ合波して干渉光とし、この２波長の干渉光としてそれぞれ受光する構成であってもよい。

なお、本発明における「振動レベル」とは、この光ファイバ振動検知システムにおける検出器本体において、光ファイバ内を伝播してきた出力光における干渉光の強度変化に伴う出力信号の変化をさすものである。「警報レベル」とは、この光ファイバ振動検知システムの系に明らかに何らかの外的要因が加えられたと判断し得る出力信号の変化を捉えるために、予め設定した出力信号強度であり、これにより異常現象の有無を判断させるためのものである。

本発明によれば、２つの監視区間の境界位置近傍で振動が発生した場合にも、その振動が発生した監視区間を正確に判別できる。すなわち、光ファイバの２つの監視区間の境界位置近傍で外的振動が加えられた場合、実際の振動位置に対して位置誤差相当分を含んだ位置が演算結果として得られる可能性があるが、その誤差が隣りの監視区間側にずれている場合であっても余長部の１／２範囲内に収まる。従って、演算において、余長部の中心を２つの監視区間の境界位置として演算すれば、振動が発生した監視区間を隣りの区間と誤判別する恐れがない。

又、本発明によれば、余長部特定の監視区間の境界位置のみに設けることにより、２つの重要な監視区間の境界位置以外では光ファイバの余長部を設置する必要がない。従って、配索する光ファイバの長さを極力短く抑えつつ、重要な監視区間に発生した振動については正確に区間を判別できる。

さらに、本発明によれば、２波長の光を単一の光ファイバリング内を共に伝送させることができ、２芯（２光路）の光ファイバを使用できる。

以下、本発明の実施の形態に係る光ファイバ振動検知システムを図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１〜図５は本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ振動検知システムを示している。なお、図１は光ファイバ振動検知システムの概略構成図、図２は光ファイバ及び検出器本体の構成図、図３は２波長光を用いて振動位置を演算によって求める原理を説明する概念図、図４は光ファイバの実際の振動位置と演算による振動位置との対応等を示す図、図５は振動が発生した監視区間を判別する処理のフローチャートである。

図１に示すように、光ファイバ振動検知システム１Ａは、例えば四角形の敷地を監視フィールドとし、この監視フィールド内に外部より侵入する者などを監視できるようになっている。監視フィールドの全外周を振動監視ラインとし、この振動監視ラインに沿って光ファイバ２を配索する。監視フィールドの外周が例えばフェンスで囲まれている場合には、フェンスの振動を受けやすい中央位置や最上位置に光ファイバ２を配置する。振動監視ラインは、四角形の各辺ごとに例えば４つの監視区間Ｄ１〜Ｄ４に分割されている。

光ファイバ２には、２つの監視区間Ｄ１〜Ｄ４の境界位置（Ｄ１とＤ２の間、Ｄ２とＤ３の間、Ｄ３とＤ４の間）に、余長部２ａがそれぞれ設けられている。各余長部２ａは、後述する振動位置演算式の位置誤差相当長さに設定されている。つまり、振動位置演算による位置誤差がＥ寸法（実際の振動位置を基準として±Ｅ／２）であれば、余長部３の長さは少なくともＥ寸法に設定されている。又、余長部２ａは、防振ボックス３内に収容され、外的振動によって振動しないように設置されている。

又、図２に示すように、光ファイバ２は、２本の光路５、６と、この各光路５，６の両端に接続された４つの１×２ポートの波長分割型分岐結合器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂと、同一端部に配置された分岐結合器７ａ，７ｂと８ａ，８ｂ同士を連結する２本の結合ファイバ９，１０とを用いて単一の光ファイバリングを構成している。

検出器本体１１は、１．３μｍ帯の波長光を出力する第１発光素子１２及び第１受光素子１３と、１．５５μｍ帯の波長光を出力する第２発光素子１４及び第２受光素子１５とを備えている。第１発光素子１２と第１受光素子１３は、２×２ポートの第１分岐結合器１６を介して光ファイバ２の一端側の波長分割型分岐結合器７ａ，７ｂに接続されている。第２発光素子１４と第２受光素子１５は、２×２ポートの第２分岐結合器１７を介して光ファイバ２の他端側の波長分割型分岐結合器８ａ，８ｂに接続されている。

図３に示すように、第１発光素子１２の１．３μｍ帯の光は、第１分岐結合器１６で２方向に分岐し、この各分岐光が光ファイバ２一端側より共に光ファイバリングに入射される。そして、互いに異なる方向で光ファイバリング内を伝送した２つの分岐光は、一端側の波長分割型分岐結合器７ａ，７ｂを介して射出される。射出された２つの分岐光は、第１分岐結合器１６で合波し、干渉光となって第１受光素子１３に出力される。第２発光素子１４の１．５５μｍ帯の光は、第２分岐結合器８ａ，８ｂで２方向に分岐し、この各分岐光がファイバ２の他端側より光ファイバリングに入射される。互いに異なる方向で光ファイバリング内を伝送した２つの分岐光は、他端側の波長分割型分岐結合器８ａ，８ｂを介して射出される。射出された２つの分岐光は、第２分岐結合器１７で合波し、干渉光となって第２受光素子１５に出力される。

第１受光素子１３及び第２受光素子１５の受光出力は、振動区間判別部１８に出力される（図１参照）。振動区間判別部１８は、各受光素子１３，１５の受光出力より振動レベルを検知し、警報レベル以上の振動を検知した場合には、受光出力より振動位置演算式によって振動位置を求め、次に、振動が発生した区間を判別式より求める。

なお、ここでいう「振動レベル」とは、この光ファイバ振動検知システム１Ａにおける検出器本体１１において、光ファイバ２内を伝播してきた出力光における干渉光の強度変化に伴う出力信号の変化をさすものである。「警報レベル」とは、この光ファイバ振動検知システムの系に明らかに何らかの外的要因が加えられたと判断し得る出力信号の変化を捉えるために、予め設定した出力信号強度であり、これにより異常現象の有無を判断させるためのものである。

以下、振動位置演算式の一例について説明する。図３の光ファイバリング系において、各波長分割型分岐結合器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂは、それぞれの波長の光ファイバリングの中点に配置されている。又、各波長分割型分岐結合器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂと第１、第２発光素子１２，１４及び第１、第２受光素子１３，１５までの距離は、振動点（Ｘ_０）から第１及び第２受光素子１３，１５までの距離に対して十分に小さいものとする。

光ファイバリング中のＸ＝Ｘ_０にて加振されたとき、振動点から第１及び第２受光素子１３，１５までの光の到達時間に対して振動による位相変調が十分に遅く変化する場合、１．３μｍ帯の光、１．５５μｍ帯の光でそれぞれ生じる位相差Δφ_１．３、Δφ_１．５５は、１．３μｍ帯の光では、

１．５５μ帯の光では、

と表すことができる。

但し、

式（１）、（２）より振動点Ｘ_０は、

で与えられ、１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の位相差の比より距離を算出することができる。

又、検出される振動による光路長変化分ｄｘ／ｄｔ、つまり、検出レベルは、

で与えられる。

次に、振動が発生した区間を求める区間判定式を説明する。先ず、図４に示すように、演算上では、各監視区間の境界位置に設けられた余長部２ａの中心を、その２つの監視区間の境界位置として区間を判別する。具体的には、監視区間Ｄ１の長さをｄ１、監視区間Ｄ２の長さをｄ２、監視区間Ｄ３の長さをｄ３，監視区間Ｄ４の長さをｄ４とすると、ｄ１＋（１／２・Ｅ）＞Ｘ_０であれば監視区間Ｄ１、ｄ１＋（１／２・Ｅ）≦Ｘ_０＜ｄ１＋ｄ２＋Ｅであれば監視区間Ｄ２、ｄ１＋ｄ２＋Ｅ≦Ｘ_０＜ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋（３／２・Ｅ）であれば監視区間Ｄ３は、ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋（３／２・Ｅ）≦Ｘ_０であれば監視区間Ｄ４とそれぞれ判別する。

監視用ＰＣ／端末１９は、振動区間判別部１８からの各情報を入力する。具体的には、通常時には各位置の振動レベル情報であり、警報レベル以上の振動を検知した場合には、その振動位置及び及びその監視区間の情報である。監視用ＰＣ／端末１９は、これら情報を画像情報に変換し、表示部にこれら情報を表示する。又、警報時には、図１にて示すように、警報レベル以上の振動が発生したこと、及び、その警報区間を目視できるように表示する。

警報出力手段２０は、監視用ＰＣ／端末１９に接続されている。警報出力手段２０は、監視用ＰＣ／端末の制御に基づいて作動する点灯部及びスピーカ部を有している。そして、警報レベル以上の振動情報が監視用ＰＣ／端末１９に入力されると、監視用ＰＣ／端末１９は警報出力手段２０の警報ランプを点灯したり、警報音声を出力したりする。

次に、光ファイバ振動検知システム１Ａの動作を図５に基づいて説明する。振動区間判別部１８は、検出器本体１１からの受光出力より振動レベルを検知し、振動レベルが警報レベルを超えるか否かを常時監視する（ステップＳ１）。

振動レベルが警報レベルを超えると、振動位置演算式より振動位置（Ｘ_０）を求める（ステップＳ２）。そして、振動位置のデータ（Ｘ_０）に基づき区間判別式によって振動が発生した区間を判別する（ステップＳ３〜Ｓ１０）。

上記振動位置演算式では、実際の振動位置に対して位置誤差相当分を含んだ位置が演算結果として得られる可能性がある。実際の振動位置が監視区間２のほぼ中央位置（図４のａポイント）の場合、実際の振動位置に対して位置誤差相当分を含んだ位置が演算結果として得られても、振動が発生した区間を監視区間２と判別する。

又、実際の振動位置が監視区間２内であるが、監視区間３との境界位置近傍（図４のｂポイント）の場合、実際の振動位置に対して位置誤差相当分を含んだ位置が演算結果として得られる可能性があるが、その誤差が隣りの監視区間３側にずれている場合であっても余長部２ａの１／２範囲内に収まり、振動が発生した区間を監視区間２と判別する。従って、振動が発生した区間を隣りの監視区間３と誤判別する恐れがない。以上より、２つの監視区間の境界位置近傍で振動が発生した場合にも、その振動が発生した監視区間を正確に判別できる。

この第１の実施の形態では、光ファイバ２は、その両端に波長分割型分岐結合器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂをそれぞれ有すると共に各波長分割型結合器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂを介して光の入出力が可能な単一の光ファイバリングを有し、検出器本体１１は、波長の異なる２波長の光を各分岐結合器１６，１７を介して光ファイバ２の光ファイバリングに出力し、光ファイバリングを伝送して来た各波長の出力光を各分岐結合器１６，１７でそれぞれ合波して干渉光とし、この２波長の干渉光としてそれぞれ受光するよう構成されている。従って、光ファイバ２が加振されると、２つの波長光に位相差が発生し、この位相差の比より振動位置を演算によって求めることができる。又、２波長の光を単一の光ファイバリング内を共に伝送させることができるため、２芯（２光路）の光ファイバ２を使用できる。

このように第１の実施の形態では、波長多重方式を用いて振動位置を演算によって算出するよう構成したが、波長多重方式以外の方式によって振動位置を算出する場合にも本発明が適用できることはもちろんである。

尚、この第１の実施の形態では、光ファイバ２の余長部２ａを防振ボックス３に収容することによって外的振動によって振動しないようにしたが、余長部２ａを地中などに埋設することによって振動が加わらないように設置しても良く、余長部２ａの防振構造は光ファイバ２の設置状況などによって種々の手段が考えられる。

尚、この第１の実施の形態では、振動監視ラインの両端に相当する監視区間Ｄ１と監視区間Ｄ４の端部には、光ファイバ２の余長部２ａが設けられていない。これは、区間判別式の演算処理によって正確な区間判別が可能なためであるが、振動監視ラインの両端に相当する監視区間Ｄ１と監視区間Ｄ４の端部にも光ファイバ２の余長部２ａを設けても良い。但し、この第１の実施の形態の如く、振動監視ラインの両端位置に光ファイバ２の余長部２ａを設けない方が配索する光ファイバ２の長さを短く抑えることができるという利点がある。

（第２の実施の形態）
図６及び図７は本発明の第２の実施の形態を示し、図６は光ファイバ振動検知システムの概略構成図、図７は光ファイバ及び検出器本体の構成図である。

図６及び図７に示すように、この第２の実施の形態にかかる光ファイバ検知システム１Ｂでは、４つの監視区間Ｄ１〜Ｄ４の内で、監視区間Ｄ２が他の区間より重要な監視区間として設定されている。そして、光ファイバ２の余長部２ａは、重要な監視区間Ｄ２の境界位置にのみ設けられ、他の監視区間（Ｄ３とＤ４）同士の境界には設けられていない。

他の構成は、前記第１の実施の形態と略同様であるため、説明を省略する。

この第２の実施の形態では、光ファイバ２の余長部２ａは、複数の監視区間Ｄ１〜Ｄ４の内で重要な監視区間Ｄ２の境界位置にのみ設けられているので、２つの重要な監視区間の境界位置以外では光ファイバ２の余長部２ａを設置する必要がない。従って、配索する光ファイバ２の長さを極力短く抑えつつ、重要な監視区間Ｄ２に発生した振動については正確に区間を判別できる。

尚、各実施の形態では、振動監視ラインを４つの監視区間Ｄ１〜Ｄ４に分割したが、２区間や３区間に分割しても、５区間以上に分割しても良いことはもちろんである。

本発明の第１の実施の形態にかかる光ファイバ振動検知システムの概略構成図である。本発明の第１の実施の形態にかかる光ファイバ及び検出器本体の構成図であり、である。２波長光を用いて振動位置を演算によって求める原理を説明する概念図である。光ファイバの実際の振動位置と演算による振動位置との対応等を示す図である。振動が発生した監視区間を判別する処理のフローチャートである。本発明の第２の実施の形態にかかる光ファイバ振動検知システムの概略構成図である。本発明の第２の実施の形態にかかる光ファイバ及び検出器本体の構成図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ光ファイバ振動検知システム
２光ファイバ
２ａ余長部
１１検出器本体
１６，１７分岐結合器
１８振動区間判別部
Ｄ１〜Ｄ４監視区間

Claims

光ファイバリングを構成する光ファイバを振動監視ラインに沿って配索し、前記振動監視ラインを複数の監視区間に分割し、前記光ファイバ内を伝送した出力光より振動レベルを検知し、警報レベル以上の振動を検知した場合には、出力光より演算によって振動位置を求め、振動が発生した監視区間を判別する光ファイバ振動検知システムであって、
前記光ファイバには、監視区間の境界位置に、少なくとも演算による位置誤差相当長さの余長部を設け、この余長部を外的振動によって振動しないように設置したことを特徴とする光ファイバ振動検知システム。
請求項１記載の光ファイバ振動検知システムであって、
前記光ファイバの前記余長部は、複数の監視区間の内で特定の監視区間の境界位置にのみ設けたことを特徴とする光ファイバ振動検知システム。
複数の監視区分に分割された振動監視ラインに沿って配索され、光ファイバリングを構成する光ファイバと、
この光ファイバの一部によって各監視区間の境界位置に設けられ、且つ、外的振動によって振動しないように設置され、少なくとも演算による位置誤差相当長さを有する余長部と、
光ファイバの光ファイバリングに光を出力し、光ファイバリングを伝送して来た出力光を受光する検出器本体と、
検出器本体からの受光出力より振動レベルを検知し、警報レベル以上の振動を検知した場合には、受光出力より演算によって振動位置を求め、振動が発生した監視区間を判別する振動区間判別部と、
を備えたことを特徴とする光ファイバ振動検知システム。
請求項３記載の光ファイバ振動検知システムであって、
前記光ファイバは、その両端に波長分割型分岐結合器をそれぞれ有すると共に前記各波長分割型結合器を介して光の入出力が可能な単一の光ファイバリングを有し、
前記検出器本体は、波長の異なる２波長の光を各分岐結合器を介して前記光ファイバの光ファイバリングに出力し、光ファイバリングを伝送して来た各波長の出力光を各分岐結合器でそれぞれ合波して干渉光とし、この２波長の干渉光としてそれぞれ受光することを特徴とする光ファイバ振動検知システム。