JP2010256288A

JP2010256288A - 光ファイバ歪み測定装置

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Publication number: JP2010256288A
Application number: JP2009109489A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Oishi; 和司大石
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP5218852B2

Abstract

【課題】ダブルパルスを用いた光ファイバ歪み測定装置に特有の非干渉成分に起因する測定誤差を軽減でき、測定精度を改善できる光ファイバ歪み測定装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバ中におけるブリルアン散乱光を利用し、ダブルパルスによる周期スペクトルに基づきピーク周波数を検出する光ファイバ歪み測定装置において、ピーク周波数検出手段の前段に、前記ダブルパルスの前方パルスと後方パルスで生じる非干渉の散乱信号を除去する非干渉成分除去手段を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの長手方向における歪みを測定する光ファイバ歪み測定装置に関し、詳しくは、測定精度の改善に関するものである。

近年、高層ビル、橋梁、ダム、船舶などの巨大構造物の歪みや温度を測定する方法として、光ファイバ中にパルス光を入射することにより発生するブリルアン散乱光の中心周波数を測定し、光ファイバが設置された環境における歪みや温度分布を測定する方法が注目されている。

この測定方法によれば、設置する光ファイバ自体を歪みまたは温度を検出する媒体として利用するため、多数の点型センサを配列する方法と比べて単純な構成で歪みや温度分布を測定することができる。

このような測定方法の中には、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）方式とＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）方式がある。

ＢＯＴＤＲ方式は、歪みや温度に依存して速度が変化する音響波によって反射された自然ブリルアン散乱光（後方ブリルアン散乱光）の周波数シフト量を測定する方法であり、光ファイバの一端からパルス光を入射することによって光ファイバの同じ一端から出射される後方ブリルアン散乱光を検出する。

一方、ＢＯＴＤＡ方式は、光ファイバの一端から所定の閾値以上の光強度の光パルス（ポンプ光）を入射して光ファイバの他端から連続光のプローブ光を入射し、ポンプ光の誘導ブリルアン散乱現象によるプローブ光の変化成分を測定する。

そして、これら各方式において、光ファイバにダブルパルス（ＤＰ）光を入射するように構成された光ファイバ歪み測定装置も提案されている（特許文献１）。

図８はこのような光ファイバ歪み測定装置の一例を示すブロック図であり、ヘテロダイン検波方式の例を示している。図８において、半導体レーザ１（ＤＦＢ−ＬＤ，Distributed Feedback LD：分布帰還型半導体レーザ）から出力される連続光は光カプラ２で分岐され、一方は偏波スクランブラ３に入力され、他方は光スイッチ４に入力されている。

偏波スクランブラ３は偏波面がランダム化された光を出力し、この出力光はヘテロダイン検波の参照光として用いられる。

光スイッチ４ではパルス生成回路５の出力パルスによる光強度変調で、ダブルパルス光が生成出力され、光ファイバアンプ６で増幅された後、光サーキュレータ７を介して被測定光ファイバ８へ入射される。

被測定光ファイバ８内で発生した前後のパルス光によるブリルアン後方散乱光は、光カプラ９に入力されて参照光と合波され、ダブルバランスフォトダイオード１０で検出される。

このブリルアン後方散乱光の周波数に注目すると、入射パルス光の周波数ν₀に対してブリルアン周波数シフトν_Bだけ周波数シフトしているため、ν₀±ν_Bとなる。

ブリルアン周波数シフト量ν_Bは、被測定光ファイバ８の長手方向における歪み(または温度)に依存する。ブリルアン周波数シフト量ν_Bと参照光とのビートを取ることにより、ブリルアン後方散乱光ν_Bのみを検出できる。

バランスＰＤ１０で電気信号に変換されたブリルアン散乱信号は広帯域アンプ１１により増幅され、ミキサー１２の一方の入力端子に入力される。ミキサー１２の他方の入力端子には周波数掃引の役割を担うシンセサイザ１３の出力信号が入力されている。これにより、ミキサー１２から低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１４にベースバンドまでビートダウンされた信号が入力され、高周波成分が除去される。

これら前方パルスと後方パルスによって生成され受信される散乱信号にはパルス間隔分のずれが生じるが、整合フィルタ１５により距離軸の整合が取られ、２つの散乱信号は干渉する。ブリルアン後方散乱光の干渉性に関しては、被測定光ファイバ８中のほぼ同一点(音響波の走行距離範囲内)において、短い時間間隔（音響波の寿命以内）をおいて散乱された２つの光波は相互の位相関係が保たれ干渉するという性質がある。

この後、信号処理部１６において乗算、加算平均処理され、高速Ａ／Ｄによってデジタルデータに変換される。距離軸は、散乱信号の受信タイミングから換算される。

図９は、シンセサイザ１３の周波数を掃引することにより得られるブリルアンスペクトル例図である。シングルパルスによるスペクトルと比較すると、ダブルパルスによる干渉スペクトルは急峻化されるためピークの周波数を捉え易くなる。

距離分解能がパルス幅に依存することから、距離分解能を上げるためにパルス幅を短くすると、スペクトルの広がりによるピーク検出精度の低下を招くことになり、従来のシングルパルス法では距離分解能１ｍ程度が限界であった。これに対し、ダブルパルス法によれば、距離分解能を上げても干渉によってスペクトルが急峻化されピーク検出精度の低下を防ぐことができ、高距離分解能を実現できる。

図１０は図９のダブルパルスによる干渉スペクトルのピーク周波数の検出方法の一例を示す説明図であり、（Ａ）はフローチャート、（Ｂ）は波形例図である。はじめに最小自乗法を用いてピーク近傍のデータを２次関数で近似し（Ｓ１）、その近似曲線からピークの周波数ｆ_peakを算出する（Ｓ２）。このピーク周波数から測定対象の歪み値が換算算出される。

特許文献１には、ダブルパルスを用いた光ファイバ特性測定装置の構成例が記載されている。

特開２００８−１４５３９８号公報

図１１は、図８の動作説明図である。図１１に示すようにブリルアン周波数ｆの光ファイバ８中に、異なるブリルアン周波数ｆ＋ｄｆの歪み点が存在する場合を考える。ダブルパルス光は、この光ファイバ８の長手方向に連続的にブリルアン後方散乱光を生成しながら伝播する。同じ位置で生成された散乱信号同士を干渉させるために、整合フィルタ１５によって前方パルスで生成された散乱信号をパルス間隔分遅延させ、後方パルスで生成された散乱信号とを合成する。このとき、前方パルスと後方パルスによって別の位置で生成された非干渉の散乱信号が干渉成分に重畳されて誤差要因となる。

たとえば、歪み点の中心からパルス間隔分ずれた位置で生成された散乱信号には、
１）ピーク周波数ｆの干渉成分
２）ピーク周波数ｆの非干渉成分
３）ピーク周波数ｆ＋ｄｆの非干渉成分
が含まれることになり、ピーク周波数の真値ｆに対する誤差が生じる。

すなわち、歪み点および歪み点の中心からパルス間隔分ずれた位置(両側)には、ダブルパルスを用いた光ファイバ歪み測定装置に特有の非干渉成分に起因する測定誤差が生じてしまう。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、ダブルパルスを用いた光ファイバ歪み測定装置に特有の非干渉成分に起因する測定誤差を軽減でき、測定精度を改善できる光ファイバ歪み測定装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光ファイバ中におけるブリルアン散乱光を利用し、ダブルパルスによる周期スペクトルに基づきピーク周波数を検出する光ファイバ歪み測定装置において、
ピーク周波数検出手段の前段に、前記ダブルパルスの前方パルスと後方パルスで生じる非干渉の散乱信号を除去する非干渉成分除去手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置において、
前記非干渉の散乱信号を除去する非干渉成分除去手段は、
前記非干渉の散乱信号を含むブリルアン散乱光に不連続性を解消するための窓関数を乗算する窓関数乗算部と、
この窓関数乗算部の出力から干渉成分を抽出するＦＦＴ処理部と、
このＦＦＴ処理部の出力を前記窓関数で除算する窓関数除算部、
とで構成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置において、
前記ピーク周波数検出手段は、
前記ダブルパルスによる周期スペクトルに基づき、複数のピーク周波数を検出してこれら複数のピーク周波数の中心値を求めることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置において、
前記光ファイバ歪み測定装置は、ヘテロダイン検波型であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置において、
前記光ファイバ歪み測定装置は、ホモダイン検波型であることを特徴とする。

本発明によれば、ダブルパルスを用いた光ファイバ歪み測定装置に特有の非干渉成分に起因する測定誤差を軽減でき、測定精度を改善できる。

本発明で用いる信号処理部１６の具体例を示すブロック図である。図１の動作の流れを説明するフローチャートである。図２のフローチャートの各処理における波形例図である。ハミング窓処理の説明図である。ホモダイン検波方式ＤＰ−ＢＯＴＤＲの具体例を示すブロック図である。誘導ブリルアン散乱を利用したＤＰ−ＢＯＴＤＡの具体例を示すブロック図である。図６のＤＰ−ＢＯＴＤＡにおける測定誤差の説明図である。光ファイバ歪み測定装置の一例を示すブロック図である。シンセサイザ１３の周波数を掃引することにより得られるブリルアンスペクトル例図である。図９のダブルパルスによる干渉スペクトルのピーク周波数の検出方法の一例を示す説明図である。図８の動作説明図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明で用いる信号処理部１６の主要部の具体例を示すブロック図である。図１において、信号処理部１６は、非干渉成分除去部１６１とピーク周波数検出部１６２で構成されている。

具体的には、非干渉成分除去部１６１は窓関数乗算部１６１ａとＦＦＴ処理部１６１ｂと窓関数除算部１６１ｃとで構成され、ピーク周波数検出部１６２は近似処理部１６２ａと複数ピーク周波数算出部１６２ｂとピーク周波数中心算出部１６２ｃとで構成されている。

窓関数乗算部１６１ａは、非干渉の散乱信号を含むブリルアン散乱光スペクトルに、不連続性を解消するための窓関数、たとえば「ハミング窓関数」を乗算する。

ＦＦＴ処理部１６１ｂは、窓関数乗算部１６１ａの出力から干渉スペクトルの周期成分のみをフィルタで切り出して、逆ＦＦＴ処理を施す。

窓関数除算部１６１ｃは、ＦＦＴ処理部１６１ｂの出力を、窓関数乗算部１６１ａと同じ窓関数で除算する。

このように構成される非干渉成分除去部１６１によれば、非干渉の散乱信号を含むブリルアン散乱光スペクトルから周期的な干渉成分のみを持った波形を抽出でき、測定誤差の要因となる非干渉成分を除去できる。

近似処理部１６２ａは、非干渉成分除去部１６１の出力波形の複数ピークに対してたとえば最小自乗法を用いて２次関数曲線でそれぞれ近似する。

複数ピーク周波数算出部１６２ｂは、この各近似曲線から各ピークの周波数を求める。

ピーク周波数中心算出部１６２ｃは、これら各ピークの周波数のうち、実測スペクトルのピーク周波数と最も近い周波数をｆ₀として、この周波数ｆ₀を中心に複数のピーク周波数を用いて平均化する。この中心周波数ｆ_peakは次式で表される。
ｆ_peak＝ｆ_-ｎ+・・・+ｆ_-2+ｆ_-1+ｆ₀+ｆ₊₁+ｆ₊₂+・・・+ｆ_+ｎ／(２ｎ+１) （１）

図２は図１の動作の流れを説明するフローチャート、図３は図２のフローチャートの各処理における波形例図であり、図３（Ａ）の点線はステップＳ１において「ハミング窓関数」乗算前の実測波形を示して実線は「ハミング窓関数」乗算後の波形を示し、図３（Ｂ）はステップＳ２においてＦＦＴ処理された後の波形とフィルタ特性を示し、図３（Ｃ）の点線はステップＳ３において「ハミング窓関数」で除算した波形を示して実線はステップＳ４における２次関数近似曲線を示している。

はじめに、ステップＳ１において、窓関数乗算部１６１ａにより、図３（Ａ）の点線で示す非干渉の散乱信号を含むブリルアン散乱光に対し、たとえば「ハミング窓関数」を乗算することによって図３（Ａ）の実線で示す波形が得られる。

続いて、ステップＳ２において、ＦＦＴ処理部１６１ｂは、窓関数乗算部１６１ａの出力から図３（Ｂ）に示すように干渉スペクトルの周期成分のみをフィルタで切り出して、逆ＦＦＴ処理を施し、複数の局所ピークを有する干渉成分を抽出する。

その後、ステップＳ３において、窓関数除算部１６１ｃは、ＦＦＴ処理部１６１ｂの出力を、窓関数乗算部１６１ａと同じ「ハミング窓関数」で除算する。これにより、図３（Ｃ）に点線で示すような波形が得られる。

そして、ステップＳ４において、近似処理部１６２ａは、非干渉成分除去部１６１の出力波形に対してたとえば最小自乗法を用いて近似処理を行い、図３（Ｃ）に実線で示すような２次関数近似曲線を得る。

続いて、ステップＳ５において、複数ピーク周波数算出部１６２ｂにより、この図３（Ｃ）に実線で示す各２次関数近似曲線から各ピークの周波数を求める。

さらに、ステップＳ６において、ピーク周波数中心算出部１６２ｃにより、これら各ピークの周波数の中心周波数を算出する。

前述のように、ダブルパルスを用いた光ファイバ歪み測定装置では、前方パルスと後方パルスで生じる非干渉の散乱信号が測定信号に重畳されることにより、歪み点およびその近傍で測定誤差が発生する。

ところが、これら干渉信号と非干渉信号のスペクトルは周期が大きく異なる。そこで、ＦＦＴ処理部１６１ｂを用いてＦＦＴ処理を施すことにより両者を分離できる。そして、干渉成分のみを抽出することにより測定誤差の要因となる非干渉成分を除去でき、歪み分布測定精度を高めることができる。

また、干渉スペクトルを利用し、複数のピーク周波数を用いて平均化することで更なる精度向上が図れるが、複数のピーク周波数を用いて平均化するためにはハミング窓処理が必要になる。その理由を図４を用いて説明する。

図４（Ａ）はブリルアン周波数が２５ＭＨｚ異なる非干渉成分を含むスペクトルであって、非対称な波形になる。ＦＦＴ処理部１６１ｂはこの波形を１周期として繰り返す連続波形という前提の下に計算されるため、非対称な波形で不連続点が生じると計算誤差につながる。

図４（Ｂ）は、中心値を求める際にピーク数を変えた場合のブリルアン周波数を示している。ハミング窓処理を行わない場合には、「△」のプロットで示すようにピーク数に応じて大きく中心周波数が変動してしまう。これは不連続点による計算誤差が原因で低周波側と高周波側で干渉の周期が変動してしまったためである。ハミング窓関数は不連続点の影響を緩和する代表的な窓関数であり、このような計算誤差の低減にあたり非常に有効である。ハミング窓処理を施すことにより、「○」のプロットで示すように、中心値を求める際にピーク数を変えてもブリルアン周波数は大きく変動しなくなる。

なお、上記実施例では、ＦＦＴ処理による計算誤差を軽減するために、代表的なハミング窓関数を用いる場合について説明したが、不連続点の影響を解消する窓関数であればハミング窓に限るものではない。

また、上記実施例では、ピーク周波数を求める際の最小自乗法による近似にあたり、２次関数を用いているが、必ずしも２次関数による近似である必要はない。

また、本発明はブリルアン散乱信号取得後の信号処理技術であって、図５に示すようなホモダイン検波方式のＤＰ−ＢＯＴＤＲにも適用可能である。図５の構成例では、シンセサイザ１３が接続されたＳＳＢ変調器１７を偏波スクランブラ３の出力側に接続し、光の領域で一気にベースバンド信号を得る。このホモダイン検波方式のＤＰ−ＢＯＴＤＲにおいても、図８の構成と同様な周期的なスペクトルが得られるため、本発明のピーク周波数検出アルゴリズムを適用できる。

また、本発明は、図６に示すように、誘導ブリルアン散乱を利用したＤＰ−ＢＯＴＤＡにも適用できる。ＤＰ−ＢＯＴＤＡは、図８や図５のＤＰ−ＢＯＴＤＲとは大きく原理が異なる。

図６において、被測定ファイバ８の一端からカプラ１８を介してダブルパルス光(ポンプ光)が入射され、他端には半導体レーザ１９から連続光(プローブ光)が入射されて、これらダブルパルス光および連続光は対向伝播される。

これらダブルパルス光と連続光間に誘起されるエネルギー交換を音響波を介してモニタし、光ファイバ８の長手方向に沿ったブリルアン利得を求める。エネルギー交換の測定はダブルパルス光と連続光間の周波数差を変えつつ繰り返して行い、各点におけるブリルアン・ゲイン・スペクトル(ＢＧＳ)を求めて、そのピーク周波数よりブリルアン周波数を決定する。

ダブルパルス光の前方パルスと後方パルスの中心間の時間間隔は、光ファイバ８中の音響波の寿命と同程度にする。ＤＰ−ＢＯＴＤＡの距離分解能は後方パルスの幅で決まる。前方パルスの幅は後方パルスの幅と異なってもよいが、前方パルスと後方パルス間の時間間隔より短く設定する。

ダブルパルス光を光ファイバ８中に送信することにより、前方パルスによって誘起された音響波と後方パルスによって誘起された音響波が干渉する。ポンプ光とプローブ光の周波数差νp−νsがブリルアン周波数に一致する場合、前方パルスで誘起された音響波と後方パルスで誘起された音響波が同位相で重畳されて強め合う。この結果、距離分解能を上げるために後方パルスのパルス幅を狭くしてもＢＧＳは周期的で急峻なものとなり、ブリルアン周波数、すなわち歪み(温度)を精度よく測定できる。

図７は、図６のＤＰ−ＢＯＴＤＡにおける測定誤差の説明図である。図６のように構成されるＤＰ−ＢＯＴＤＡの場合には、図７に示すように後方パルスによって生成される干渉信号に、前方パルスによって生成される非干渉の散乱信号が重畳されるため測定誤差が発生する。したがって、干渉信号のみを抽出してピーク周波数を検出する本発明が有効になる。

以上説明したように、本発明によれば、ダブルパルスを用いた光ファイバ歪み測定装置に特有の非干渉成分に起因する測定誤差を軽減でき、測定精度を改善できる光ファイバ歪み測定装置が実現できる。

１６信号処理部
１６１非干渉成分除去部
１６１ａ窓関数乗算部
１６１ｂＦＦＴ処理部
１６１ｃ窓関数除算部
１６１ピーク周波数検出部
１６２ａ近似処理部
１６２ｂ複数ピーク周波数算出部
１６２ｃピーク周波数中心算出部

Claims

光ファイバ中におけるブリルアン散乱光を利用し、ダブルパルスによる周期スペクトルに基づきピーク周波数を検出する光ファイバ歪み測定装置において、
ピーク周波数検出手段の前段に、前記ダブルパルスの前方パルスと後方パルスで生じる非干渉の散乱信号を除去する非干渉成分除去手段を設けたことを特徴とする光ファイバ歪み測定装置。
前記非干渉の散乱信号を除去する非干渉成分除去手段は、
前記非干渉の散乱信号を含むブリルアン散乱光に不連続性を解消するための窓関数を乗算する窓関数乗算部と、
この窓関数乗算部の出力から干渉成分を抽出するＦＦＴ処理部と、
このＦＦＴ処理部の出力を前記窓関数で除算する窓関数除算部、
とで構成されたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
前記ピーク周波数検出手段は、
前記ダブルパルスによる周期スペクトルに基づき、複数のピーク周波数を検出してこれら複数のピーク周波数の中心値を求めることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
前記光ファイバ歪み測定装置は、ヘテロダイン検波型であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
前記光ファイバ歪み測定装置は、ホモダイン検波型であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。