JP2009098021A

JP2009098021A - 分布型光ファイバ歪みセンサ

Info

Publication number: JP2009098021A
Application number: JP2007270426A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kashiwagi; 正浩柏木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-05-07

Abstract

【課題】安価な装置構成で歪み変化を検出可能な分布型光ファイバ歪みセンサの提供。
【解決手段】ブリルアンスペクトルに複数のピークをもつ被測定光ファイバと、該被測定光ファイバに測定光を入射する光源と、被測定光ファイバで発生したブリルアン散乱光を測定し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する歪み分布検出手段とを有することを特徴とする分布型光ファイバ歪みセンサ。
【選択図】図６

Description

本発明は、ブリルアン散乱を用いた分布型光ファイバ歪みセンサに関し、特に、安価な装置構成で歪み変化を検出可能な分布型光ファイバ歪みセンサに関する。

ブリルアン散乱光のスペクトラムは、入射光に対して約１１ＧＨｚ低い周波数（ブリルアン周波数）にピークを持つ。このピークは、図１のように歪みによりピーク周波数がシフトし、周波数シフト量は、図２のように歪み変化量に対して線形に変化する。従って、周波数シフト量から歪み変化量を知ることができる（例えば、特許文献１参照。）。

図１のように、１つの大きなブリルアンピークを持つ光ファイバを用いた従来の分布型光ファイバ歪みセンサでは、ブリルアン周波数の変化を知るために、約１１ＧＨｚのブリルアン周波数を光スペクトラムアナライザで直接観察するか、コヒーレント検波をして高周波用電気スペクトラムアナライザーでピーク周波数を検出していた。これらの装置は、構造が複雑で、コストもかかることから、分布型光ファイバ歪みセンサの実用化を図る上で問題になっている。

一方で近年、図３のように複数のブリルアンピークを持つ光ファイバを用いた分布型光ファイバセンサが提案されている。この手法は図４のように各ピークが歪み変化と温度変化に対して周波数シフト量が異なることから、温度と歪みを分離して同時に測定する方法である（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、この従来技術においても、ブリルアン周波数の変化は従来通り光スペクトラムアナライザか高周波用電気スペクトラムアナライザを用いて測定していることから、構造が複雑で、コストもかかるなど、前述した分布型光ファイバ歪みセンサと同様の問題を抱えている。
特開平１０−４８０６７号公報 C. C. Lee et al., "Utilization of a Dispersion-Shifted Fiber for Simultaneous Measurement of Distributed Strain and Temperature Through Brillouin Frequency Shift", IEEE Photonics Technology letters, Vol. 13, No. 10, October 2001.

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、安価な装置構成で歪み変化を検出可能な分布型光ファイバ歪みセンサの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ブリルアンスペクトルに複数のピークをもつ被測定光ファイバと、該被測定光ファイバに測定光を入射する光源と、被測定光ファイバで発生したブリルアン散乱光を測定し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する歪み分布検出手段とを有することを特徴とする分布型光ファイバ歪みセンサを提供する。

本発明の分布型光ファイバ歪みセンサにおいて、前記歪み分布検出手段が、前記光源と被測定光ファイバとの間に介在した光サーキュレータを介して被測定光ファイバで発生したブリルアン散乱光を測定するように配置された受光回路と、該受光回路から出力されるブリルアン散乱光測定データを入力し、この測定データを、予め測定・記憶された所定条件下でのデータと比較し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する信号処理部とを有することが好ましい。

本発明の分布型光ファイバ歪みセンサにおいて、前記被測定光ファイバが、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差が３ＧＨｚ以下の複数のピークを持つファイバであることが好ましい。

本発明の分布型光ファイバ歪みセンサにおいて、前記被測定光ファイバが、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間のピーク差が３０ｄＢ以下の複数のピークを持つファイバであることが好ましい。

本発明の分布型光ファイバ歪みセンサは、ブリルアンスペクトルに複数のピークをもつ被測定光ファイバと、該被測定光ファイバに測定光を入射する光源と、被測定光ファイバで発生したブリルアン散乱光を測定し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する歪み分布検出手段とを有する構成としたので、低周波の電気信号をスペクトル解析すればよい。そのため光スペクトラムアナライザや高周波用電気スペクトラムアナライザを必要とせず、安価な装置構成で歪み変化を検出可能な分布型光ファイバ歪みセンサを提供することができる。

本発明の分布型光ファイバ歪みセンサは、図３のようにブリルアンスペクトルに複数のピークを持つ光ファイバを被測定ファイバとして用いる。このファイバは、石英系の光ファイバで、台形状の屈折率分布をしており、コア径６μｍ、比屈折率差Δ＝０．４％となっている。
コア部はＧｅＯ_２を添加しているが、中心部半径２μｍ内にはＦも共添加している。

このブリルアンスペクトルにおける各ピークのブリルアン周波数は、歪みにより線形に変化するが、図４のように各ピークの周波数シフト量の歪み依存係数が異なることから、図５に示すように、歪み変化に対して各ピーク間の周波数差も線形に変化する。

初期歪みでのピーク間の周波数差を記憶しておくことで、歪み変化を各ピークの周波数差の変化として検出することが可能となる。ピーク間の周波数差は最大でも３ＧＨｚ程度であることから、低周波でフーリエ解析することが可能となり、各ピークの周波数シフト量を測定するために、安価な装置を用いることが可能となる。

図６は、本発明の分布型光ファイバ歪みセンサの一例を示す構成図である。図６中符号１はパルス光源、２は光サーキュレータ、３は被測定光ファイバ、４は受光回路、５は信号処理部である。この被測定光ファイバ３は、前述したように、ブリルアンスペクトルに複数のピークをもつ光ファイバである。

この分布型光ファイバ歪みセンサは、ブリルアンスペクトルに複数のピークをもつ被測定光ファイバ３と、該被測定光ファイバに測定光を入射するパルス光源１と、被測定光ファイバ３で発生したブリルアン散乱光を測定し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する歪み分布検出手段とを備えて構成されている。

前記歪み分布検出手段は、パルス光源１と被測定光ファイバ３との間に介在した光サーキュレータ２を介して被測定光ファイバ３で発生したブリルアン散乱光を測定するように配置された受光回路４と、受光回路４から出力されるブリルアン散乱光測定データを入力し、この測定データを、予め測定・記憶された所定条件下でのデータと比較し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する信号処理部５とからなっている。

本発明の分布型光ファイバ歪みセンサにおいて、被測定光ファイバ３は、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差が３ＧＨｚ以下の複数のピークを持つファイバ及び／又はブリルアンスペクトルにおける各ピーク間のピーク差が３０ｄＢ以下の複数のピークを持つファイバであることが好ましい。

この分布型光ファイバ歪みセンサにおいて、パルス光源１から出た光パルスは、光サーキュレータ２を通り、被測定光ファイバ３に入射される。被測定光ファイバ３内では、パルス光が後方ブリルアン散乱され、各ピークに対するブリルアン散乱光が生じる。このブリルアン散乱光は、光サーキュレータ２を通り、受光回路４に入射し、ここで光から電気信号に変換される。

受光回路４においては、各ピークに対するブリルアン散乱光同士の干渉成分がピーク間の周波数差に相当する周波数の電気信号となる。受光回路４から出力された電気信号は、信号処理部５に入力され、信号処理部において電気信号のピーク周波数を検出し、初期に記憶した周波数と比較することで歪み変化に換算する。

被測定光ファイバ３の長手方向の歪み分布を測定するには、パルス光源１から信号処理部５にトリガー信号を送る事で、その時間により被測定光ファイバ３のどの位置から到達したブリルアン散乱光かを判断し、歪みを測定することで、被測定光ファイバ３の長手方向の歪み分布を測定することができる。

ブリルアン散乱光のスペクトラムの歪みによる変化を示すグラフである。歪み変化量とブリルアン周波数の周波数シフト量の線形な関係を示すグラフである。複数のピークをもつ光ファイバにおいて観測されたブリルアン散乱光のスペクトラムを示すグラフである。異なるピークの歪み変化量に対するブルルアン周波数の周波数シフト量の違いを示すグラフである。歪み変化量とブリルアン周波数のピーク間の周波数差の線形な関係を示すグラフである。本発明の分布型光ファイバ歪みセンサの一例を示す構成図である。

符号の説明

１…パルス光源、２…光サーキュレータ、３…被測定光ファイバ、４…受光回路、５…信号処理部。

Claims

ブリルアンスペクトルに複数のピークをもつ被測定光ファイバと、該被測定光ファイバに測定光を入射する光源と、被測定光ファイバで発生したブリルアン散乱光を測定し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する歪み分布検出手段とを有することを特徴とする分布型光ファイバ歪みセンサ。
前記歪み分布検出手段が、前記光源と被測定光ファイバとの間に介在した光サーキュレータを介して被測定光ファイバで発生したブリルアン散乱光を測定するように配置された受光回路と、該受光回路から出力されるブリルアン散乱光測定データを入力し、この測定データを、予め測定・記憶された所定条件下でのデータと比較し、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差の変化から、被測定光ファイバの歪み分布を測定する信号処理部とを有することを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバ歪みセンサ。
前記被測定光ファイバが、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間の周波数差が３ＧＨｚ以下の複数のピークを持つファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の分布型光ファイバ歪みセンサ。
前記被測定光ファイバが、ブリルアンスペクトルにおける各ピーク間のピーク差が３０ｄＢ以下の複数のピークを持つファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分布型光ファイバ歪みセンサ。