JP2009512057A - 光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法 - Google Patents

Abstract

光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法が開示される。上記装置は、光ファイバー格子センサー用計測システム、光信号伝達及び感知部の役目を同時に遂行する光ファイバー、及び侵入体感知区域に光ファイバーを媒介にして多重で設置され、互いに異なる反射波長を持つ多数の光ファイバー格子センサーを含む。上記の方法は、光ファイバーと光ファイバー格子センサーを侵入予想区域に設置するステップ、光ファイバー格子センサー用計測システムが持続的に光ファイバーの波長変位または波長強さを測定するステップ、及び測定された波長変位または波長強さを既設定された基準値と比較して侵入の可否を判断するステップを含む。上記装置は、光スイッチ及び光分配器を利用してシステム構築費用を低減し、侵入感知区域を拡大させ、多数個の侵入感知区域を提供する。

Description

本発明は、光ファイバー格子センサーを利用して侵入体を感知する装置及び方法に関し、特に光ファイバー格子センサー、または光ファイバー格子変形率センサー及び光ファイバー格子震動センサーなどを鉄条網のような垣根に設置して垣根などに加えられる物理的圧力及び光伝送線路の切断の可否を感知して侵入の可否を感知できるようにした光ファイバー格子センサーを利用して侵入体を感知する装置及び方法に関する。

一般に、光ファイバー格子センサーは、外部の物理的な圧力により波長が変化され、光伝送経路に減殺がある場合、反射波長の強さが減る特性を持つ。したがって、光ファイバー格子センサーを多重設置して波長変位及び光量変化を計測すると、垣根の物理的な圧力と光伝送線路の断線の可否を判別して、侵入の可否及び位置などを正確に感知することができる。

従来、侵入体及び侵入位置を感知するために、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）方式が使われた。上記ＯＴＤＲ方式によると、垣根に光ファイバーを布設して計測器から出発した光源が布設された光ファイバー内を進行しながらマイクロベンディングや切断がある場合、光の散乱が生じて、計測器に微細な光源が反射されて伝送され、その到着時間を測定して侵入の可否及び侵入位置を把握する。この際、計測器では布設された光ファイバーの長さに比例して演算量が決定され、布設された光ファイバーの状態を診断することになる。しかしながら、データ数が非常に多くて、２００ｍの垣根に設置された光ファイバーから発生する信号を分析するに２〜３秒位かかり、侵入体が垣根を越えたことを感知するために、光ファイバーを網形状で織造して垣根の全面に布設しなければならないという問題がある。

また、マイクロベンディングが容易に起こるようにするためには、光ファイバーと光ファイバーを交差させ、堅い部材で光ファイバーを互いに固定させなければならない。しかしながら、光ファイバーの他に副資材があって、重量が重くなり、かつ体積が大きくなって、雨、風、または雪の影響をたくさん受けて誤作動が多いし、動物と自重による誤作動が頻繁で、誤った警報をよく鳴らす。

また、計測システムが複雑で、高価であるだけでなく、測定方式の特性上、光カプラーのような光分配器を使用することができないので、一筋の光ファイバーで垣根２００ｍ程度を感知することになるが、前段部２０ｍ地点で切断事故がある場合、後段の１８０ｍは無防備状態に置かれることになる問題点があった。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するためのものであって、光ファイバー格子センサーを利用してシステム構築費用を減らし、多数の独立的な垣根に対して侵入感知区域を構成できるようにした光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、垣根の切断事故時、その余波を低減させ、光ファイバーの小型軽量化により風雨による誤作動をなくすことができるようにした光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、光スイッチなどを使用して侵入感知区域を既存の方式に比べて１０倍以上にすることができるようにした光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法を提供することにある。

本発明の更なる他の目的は、設置が容易で、メンテナンスを簡単にすることができる光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の第１実施形態によると、光ファイバー格子センサー用計測システムと、光信号伝達及び感知部の役目を同時に遂行する光ファイバーと、侵入体感知区域に光ファイバーを媒介にして多重で設置され、互いに異なる反射波長を持つ多数の光ファイバー格子センサーと、を含むことを特徴とする光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置が提供される。

本発明の第２実施形態によると、（ａ）光ファイバーと光ファイバー格子センサーを侵入予想区域に設置するステップと、（ｂ）光ファイバー格子センサー用計測システムが持続的に光ファイバーの波長変位または波長強さを測定するステップと、（ｃ）測定された波長変位または波長強さを既設定された基準値と比較して侵入の可否を判断するステップと、を含むことを特徴とする光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知方法が提供される。

本発明の第３実施形態によると、（ａ）光ファイバーと光ファイバー格子センサーを侵入予想区域に設置するステップと、（ｂ）光ファイバー格子センサー用計測システムが持続的に計測される光ファイバー格子センサーの個数を測定するステップと、（ｃ）計測された光ファイバー格子センサーの個数を既設定された基準値と比較して侵入の可否を判断するステップと、を含むことを特徴とする光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知方法が提供される。

本発明の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置及び方法によると、雨、風、雪などの自然的現状に起因した誤作動がないし、固有な反射波長を測定するので、測定速度が非常に速くて、光スイッチなどを使用できるので、システム構築費用が経済的であり、既存の方式に比べて感知区域を１０倍以上拡張することができ、光分配器を使用して多数の独立的な垣根感知区域を構成することができ、切断事故時、その余波を低減させることができる。そして、１種類のセンサーで波長変位、波長強さ、断線などの３種類の感知機能があるので、多様な応用治具を使用して、より精密で、かつ信頼性ある侵入体感知を可能にし、別途の部材がないので、小型軽量であり、設置が容易であり、メンテナンスが非常に簡単であり、システムの優れる互換性により侵入体感知機能の他の光ファイバー格子センサーを用いた構造物健全性監視、火災感知、温度感知、程度感知、圧力感知などの様々な機能を同時に具現することができる長所がある。

以下、添付した図面を参照しながら本発明に係る光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置について詳細に説明する。

図１に示すように、本発明に係る光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置は、光ファイバー格子センサー用計測システム１０、計測システム１０に連結され、光信号伝達と感知部の役目を同時に遂行する光ファイバー５０、及び侵入体感知区域に光ファイバーを媒介にして多重で設置され、互いに異なる反射波長を持つ光ファイバー格子センサー（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、・・・）を含む。

また、計測システム１０と光ファイバー格子センサーとの間に光分配器３０を具備して光伝送路が分離された感知区域を構成することができる。即ち、光分配器３０を使用して感知区域を少なくとも２つ以上の感知区域に分離して波長変位及び波長強さなどを計測することができる。

また、計測システム１０と光ファイバー格子センサーとの間に光スイッチ２０を具備して、独立した侵入体感知チャンネルを一つ以上構成することによって、他のチャンネルと同一な反射波長の光ファイバー格子センサーを使用することができ、独立した新たな感知区域を構成できるようにすることができる。即ち、光スイッチ２０を使用して多数の感知区域の中で感知が必要とされる区域を選択して感知できるようにする。

上記光ファイバー格子センサー設置方法を見ると、次の通りである。

各々異なる反射波長特性を持つ光ファイバー格子センサー（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、・・・）を少なくとも一つ以上垣根感知区域に多重設置することになるが、その位置は垣根の柱が好ましい。これは、侵入体が垣根に接触する時、垣根に物理的圧力が加えられ、垣根の柱にその圧力が伝えられて光ファイバー格子センサーがこれを感知できるためである。

光ファイバー格子センサーと他の光ファイバー格子センサーとの間は、単一モード光ファイバー５０で連結されるが、その方法において、侵入体を感知しようとする垣根をジグザグ形式で布設するが、この際、光ファイバーと光ファイバーとの間の布設幅は侵入体が切断しなくては通過できないように１５ｃｍ以下になるようにすることが好ましくて、光ファイバーと垣根とが一体になるように一定間隔毎に締結部材で光ファイバーと垣根とを固定させることが好ましい。その理由は、侵入体が垣根を切断する際、光ファイバーが共に断線されて侵入位置を把握できるためである。そして、上記の方法の他に、網形状で織造された光ファイバーを使用しても感知可能である。

光ファイバー格子センサーを垣根に多重設置する際、光ファイバー格子センサー設置の前段には光カプラーなどの光分配器３０を使用して感知回線を一つ以上に分けるが、これは感知区域を分割し、光ファイバーを切断する際、その余波により感知できない地点を最小にするためである。ここで、注意すべき点は、感知回線が一つ以上分岐されても設置される光ファイバー格子センサーは互いに異なる反射特性を持つセンサーを設置しなければならないという点である。

独立的な感知区域を追加に構成しなければならない場合、光スイッチを計測器と光分配器との間に設置して独立した新たな感知区域を一つ以上多数で構成することができる。その時には、光スイッチの出力端の数が独立した感知区域の数となり、各々の独立的な侵入者感知区域を構成できるので、同一な反射波長特性を持つ光ファイバー格子センサーを出力端の数だけ使用できるので、感知区域が多い場合、システム費用を低減することができる。

そして、多くの光ファイバー格子センサーを用いた計測システムは、システムにおける広域光源を照射し、光ファイバー格子センサーから反射されて戻る波長を読取って計測するシステムである。この際、計測システムの近くにあるセンサーと遠くにあるセンサーは、光伝送線路の距離差による光ファイバー固有の減殺と接続損失の差が発生するため、同一な反射率を持つセンサーを設置する場合、システムの信頼度が落ちることがある。即ち、計測システムに反射されて戻る波長の強さが互いに所定範囲以上の差が出る場合、上記計測システムは、波長変化が正確に計測できない場合が発生することがある。

したがって、光ファイバー格子センサーを多重設置する時には、計測システムと近い所に設置されるセンサーは反射率が低いセンサーを使用し、遠い所に設置されるセンサーは反射率が高いセンサーを使用することが好ましい。一例として、光ファイバー格子センサーと隣接した光ファイバー格子センサーとの間の往復減殺率が約１０％で、センサーＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５等の５個を順次に多重設置すると、Ｓ１−５０％、Ｓ２−６０％、Ｓ３−７０％、Ｓ４−８０％、Ｓ５−９０％の反射率を持つセンサーをＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の順に設置することが好ましい。そのようにすることで、計測システムに反射されて戻る波長の強さが全て同一になって最も好ましい設置となる。

図２は同一な反射特性を持つ光ファイバー格子センサーを設置した時、計測システムに到達したセンサーの波長を図示したものであり、図３は反射率の少ないセンサーを前方に設置し、反射率の大きいセンサーを後方に設置した後、計測システムに到達したセンサーの波長を図示したものである。

図２に示すように、多数の光ファイバー格子センサーを設置する時、同一な反射率を持つ光ファイバー格子センサーを離隔して設置すると、計測システム１０に到達する光の波長変位及び波長強さが互いに異なるように表れる。即ち、計測システム１０から近い所に位置した光ファイバー格子センサーの波長は大きくて、計測システム１０から遠く離れた所に位置した光ファイバー格子センサーは徐々に小さく表れることになる。

したがって、多数の光ファイバー格子センサーを設置する際、反射率の小さい光ファイバー格子センサーを計測システムから近い所に設置し、反射率の大きい光ファイバー格子センサーを計測システムから遠い所に設置することが好ましい。そのように設置することで、図３に示すように、最終的に計測システムに到達した多数の光ファイバー格子センサーから反射された光の波長変位及び波長強さが全て同一に表れることができる。

一般的な光ファイバー格子センサー用計測システムは、センサーとセンサーの反射波長の強さが−１０ｄＢ（９０％）以上の差が出る場合、光の強さが弱い波長は感知できない。

光ファイバー格子センサーと隣接した光ファイバー格子センサーとの間は一つの侵入体感知区域を表し、通常その距離は５ｍ程度にすることが好ましいが、状況によって非常に流動的であるので距離に制限を置かない。

センサーを垣根に取り付ける場合、センサーによって付着位置が変わるが、第１に、侵入体感知位置のみを認識するに使われる光ファイバー格子センサーの場合、付着位置に制限を受けず、第２に、侵入体感知位置及び垣根の震動を感知する光ファイバー格子を用いた震動センサーの場合、震動変位が大きい垣根柱の上部が好ましくて、第３に、光ファイバー格子を用いた変形率センサーを使用する場合、垣根柱の下部が好ましいが、その理由は垣根に加えられる圧力が垣根柱の下部で変形が最も多く発生するためである。

ここで、侵入体感知方法を見ると、まず垣根を越えて侵入する場合、各々の監視区域にある光ファイバー格子センサーが侵入体の荷重によりセンサーの波長が変化することになり、これをシステムで認識して警報を鳴らし、垣根を切断して侵入を試みる場合は、切断された区域の後段部にあるセンサーの固有反射波長は計測システムに伝えられないが、この特性を利用すると垣根切断部位を正確に探し出すことができる。一例として、多数の光ファイバー格子センサー（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）が順次に設置されて感知区域が設定された場合に、光ファイバー格子センサー（Ｓ３）とそれに隣接した光ファイバー格子センサー（Ｓ４）との間の感知区域で切断されたとすれば、上記計測システムには光ファイバー格子センサー（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の固有反射波長のみ計測され、切断部の後面の光ファイバーセンサー（Ｓ４、Ｓ５）は計測できない。したがって、光ファイバー格子センサー（Ｓ３、Ｓ４）の間で侵入者があったことを容易に知ることができる。

そして、もう一つの方法は、侵入体が光ファイバーを接触するか、その他の付設された機構や垣根の下部に埋設された地下付設物などを触れてマイクロベンディングが生じると、接触部の後段にあるセンサーは、その反射波長の強さがマイクロベンディングによる減殺量によって同一な割合で減ることになるが、この際、一定減殺量以上になると、侵入と見なして警報を鳴らせばよいものである。

本発明での光ファイバー格子センサー用計測システムは、光ファイバー格子センサーの反射波長特性を用いた全てのセンサーを使用できるので、侵入体の監視と構造物の安全診断、火災感知、水位感知、地盤の圧力感知、変位感知などの多様な種類の計測を一つのシステム及び一つの光ファイバーでも計測可能な無限な互換性を持つ、とても有用な方法である。

本発明に係る光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知方法について簡略に説明すると、次の通りである。
（ａ）光ファイバーと光ファイバー格子センサーを侵入予想区域に設置する。
（ｂ）光ファイバー格子センサー用計測システムが持続的に光ファイバーの波長変位、波長強さ、または計測される光ファイバー格子センサーの個数を測定することになる。
侵入者の侵入により光ファイバーが変形されると、それによって波長変位や波長強さが変わることになり、このような変化を計測システムが計測することになる。また、侵入者が光ファイバー格子センサーの間の光ファイバーを切断することになると、計測システムには上記切断された以後の光ファイバー格子センサーの波長が測定できなくなるので、波長信号を伝送する光ファイバー格子センサーの個数を通じて侵入者の侵入の可否を知ることができる。
（ｃ）測定された波長変位、波長強さ、または計測される光ファイバー格子センサーの個数を既設定された基準値と比較して侵入の可否を判断する。

図４は、本発明の光ファイバー設置方法の一例を図示したものである。

図４に示すように、例えば、光ファイバー５０を設置する時、丸い円形状の経路１２０を作って設置することができるが、このようにすることで、侵入者の侵入の可否をより正確で、かつ容易に判断できることになる。上記丸い円形状の経路１２０は、その接する部分に円筒形環１３０を提供して上記円筒形環１３０に光ファイバー５０を挿入して形成することが好ましい。これは、光ファイバーの円形度をより丸くするためである。

光ファイバー５０は、その自体の特性により円形状の経路１２０はその直径が２５ｍｍ以下の場合に光強さの損失が急激に大きくなる。したがって、侵入者が発生して光ファイバーを触る場合に、上記の円が小さくなることになり、それによって、光強さが大きく損失され、結局、減殺率が大きく発生するので、光ファイバーの少ない変位にも計測システムが容易に計測されるので、侵入者の侵入の可否を簡単に知ることができる。

以上、説明した本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者にとって、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であるので、前述した実施形態に限定されるものではない。

本発明の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置を設置した実施形態を示す図である。 同一な反射特性を持つ光ファイバー格子センサーを設置した際、計測システムに到達したセンサーの波長を示す図である。 反射率の少ないセンサーを前方に設置し、反射率の大きいセンサーを後方に設置した後、計測システムに到達したセンサーの波長を示す図である。 本発明の光ファイバーの設置方法の一例を示す図である。

Claims (11)

1. 計測システムと、
   光信号伝達及び感知部の役目を同時に遂行する光ファイバーと、
   侵入体感知区域に光ファイバーを媒介にして多重で設置され、互いに異なる反射波長を持つ多数の光ファイバー格子センサーと、
   を含むことを特徴とする光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
2. 感知区域を分離するために、計測システムと光ファイバー格子センサーとの間に光分配器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
3. 計測システムと光ファイバー格子センサーとの間に光スイッチをさらに含んで、独立した侵入体感知チャンネルを一つ以上構成して他のチャンネルと同一な反射波長のセンサーを使用することができ、独立した新たな感知区域を構成できるようにすることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
4. 前記光ファイバーが円形状の経路を持つことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
5. 光ファイバー格子センサーと光ファイバー格子センサーを互いに連結してくれる信号用光ファイバーは、感知区域に布設されて侵入体が光ファイバーを切断しなくては抜け出れないようにジグザグに一定の距離を置いて往復設置されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
6. 光ファイバー格子センサーと光ファイバー格子センサーを互いに連結してくれる信号用光ファイバーは、感知区域に布設されて侵入体が光ファイバーを切断しなくては抜け出れないように網形状で設置されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
7. 前記感知区域の下部に付属物（針）を埋設し、その付属物に前記光ファイバーを接続して設置することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
8. 前記感知区域の下部に付属物（針）を埋設し、その付属物に前記光ファイバーを接続して設置することを特徴とする請求項６に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
9. 前記多数の光ファイバー格子センサーは、前記計測システムを基準として近い所に設置されるセンサーより遠い所に設置されるセンサーの反射率が大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知装置。
10. （ａ）光ファイバーと光ファイバー格子センサーを侵入予想区域に設置するステップと、
    （ｂ）光ファイバー格子センサー用計測システムが持続的に光ファイバーの波長変位または波長強さを測定するステップと、
    （ｃ）測定された波長変位または波長強さを既設定された基準値と比較して侵入の可否を判断するステップと、
    を含むことを特徴とする光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知方法。
11. （ａ）光ファイバーと光ファイバー格子センサーを侵入予想区域に設置するステップと、
    （ｂ）光ファイバー格子センサー用計測システムが持続的に計測される光ファイバー格子センサーの個数を測定するステップと、
    （ｃ）計測された光ファイバー格子センサーの個数を既設定された基準値と比較して侵入の可否を判断するステップと、
    を含むことを特徴とする光ファイバー格子センサーを用いた侵入体感知方法。

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