JP2012198193A - 光ファイバ振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向全長にわたって検出感度が良好であり、かつ、侵入者が侵入した位置をより細かく特定可能な光ファイバ振動センサを提供する。
【解決手段】２つの光ファイバループ２ａ，２ｂは、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように配置されると共に、一方の光ファイバループ２ａの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて減少し、かつ、他方の光ファイバループ２ｂの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて増加するように配置され、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和を基に、構造体に振動が発生したかを判定する振動発生判定部１８ｂと、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で除した出力比を基に、構造体に振動が発生した位置を判定する振動位置判定部１８ｃと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバをフェンスなどの構造体に固定して、光ファイバに加わる機械的な振動を検出し、侵入者などを検知する光ファイバ振動センサに係り、特に、サニャック干渉型の光ファイバ振動センサに関するものである。

侵入者による盗難や破壊、情報の流出を抑制するため、あるいは人身の安全を確保するため、フィジカルセキュリティ技術への関心が高まっている。特に、空港や港湾、発電所などの重要施設では、敷地境界にフェンスを設けて不法侵入を阻止する措置がとられているが、フェンスの物理的な高さや強度には限界があり、不法侵入行為を検知する侵入検知センサの併設が必要になっている。

このような侵入検知センサとして、フェンスなどの構造体に固定し、その構造体の振動を検知する振動センサが注目されており、低コスト化やフィールドでの耐久性が期待できることから、サニャック干渉系を用いたサニャック干渉型の光ファイバ振動センサが注目されている。

図１３に示すように、従来のサニャック干渉型の光ファイバ振動センサ１３１では、光ファイバループ１３２の一部を振動検知用のセンサ検知部として用い、この光ファイバループ１３２をフェンスなどの構造体に沿って配置している。

この光ファイバ振動センサ１３１では、光源１３３から出射した光は、第１の光カプラ１３４を伝搬し、偏光子１３５で直線偏光にされ、第２の光カプラ１３６で２つに分岐されて、光ファイバループ１３２の異なる端にそれぞれ入射する。光ファイバループ１３２に入射した光のうち、一方を右回り光Ｌcw、他方を左回り光Ｌccwとする。

これら左右回り光Ｌcw，Ｌccwは、位相変調器１３７で光の位相を変調され、光ファイバループ１３２を一周して再び第２の光カプラ１３６に入射する。第２の光カプラ１３６に入射した左右回り光Ｌcw，Ｌccwは、第２の光カプラ１３６で干渉して干渉光となり、偏光子１３５を伝搬し、第１の光カプラ１３４で再び２つの光に分岐され、分岐された一方の光は受光器１３８で受光される。

光ファイバループ１３２が振動していないときは、受光器１３８は常に一定の光強度を検出しているが、光ファイバループ１３２が振動すると、左右回り光Ｌcw，Ｌccwに位相差が生じ、受光器１３８で検出する光強度が変化する。この光強度の変化を信号処理ユニット１３９により検出することで、光ファイバループ１３２の振動を検知する。

ところで、図１３に示した光ファイバ振動センサ１３１において、光ファイバループ１３２の中間点付近では、左右両周りの光がほぼ同時刻に通過するため、振動による位相差が発生しにくく、検出感度が低下するという問題がある。特に、光ファイバループ１３２の中間点では検出感度はゼロとなる。

この問題を解決するため、特許文献１では、光ファイバループを構成する光ファイバのうち、少なくとも半分の長さの光ファイバを、遅延用光ファイバとして振動センサ本体内に収容し、感度がゼロとなる光ファイバループの中間点を振動センサ本体内（あるいは振動センサ本体の出口）に配置することで、長手方向の感度を均一にし、検出感度の向上を図った光ファイバ振動センサが提案されている。

また、近年、サニャック干渉型の光ファイバ振動センサを利用して、例えば、侵入者を検知するだけでなく、どこから侵入者が侵入したのかという侵入位置情報を特定したいというニーズがある。

そこで、特許文献２では、フェンスなどの構造体に沿って長さの異なる光ファイバループを配置し、振動を検出した光ファイバループの組合せにより、どの領域で振動が発生したかを特定する光ファイバ振動センサが提案されている。

特開２００８−３０９７７６号公報 特開２０１０−４８７０６号公報

しかしながら、特許文献２の光ファイバ振動センサでは、侵入者が侵入した位置、すなわち振動が発生した位置をより細かく特定するためには、光ファイバループの数を増やす必要があり、装置構成が複雑となりコスト高となってしまう問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、長手方向全長にわたって検出感度が良好であり、かつ、侵入者が侵入した位置をより細かく特定可能な光ファイバ振動センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、構造体に沿って配置される光ファイバループと、前記構造体で発生した振動を前記光ファイバループを介して検出する振動センサ本体と、を備えたサニャック干渉型の光ファイバ振動センサにおいて、前記光ファイバループを２つ備え、該２つの光ファイバループは、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように配置されると共に、一方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて減少し、かつ、他方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて増加するように配置され、前記振動センサ本体は、前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の和を基に、前記構造体に振動が発生したかを判定する振動発生判定部と、前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の差を、前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の和で除した出力比を基に、前記構造体に振動が発生した位置を判定する振動位置判定部と、を有する光ファイバ振動センサである。

前記２つの光ファイバループは、一方の光ファイバループの基端側に他方の光ファイバループの先端側が位置し、一方の光ファイバループの先端側に他方の光ファイバループの基端側が位置するように逆向きに配置されていてもよい。

また、本発明は、構造体に沿って配置される光ファイバループと、前記構造体で発生した振動を前記光ファイバループを介して検出する振動センサ本体と、を備えたサニャック干渉型の光ファイバ振動センサにおいて、前記光ファイバループを２つ備え、該２つの光ファイバループは、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように配置されると共に、一方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側にかけて一定であり、かつ、他方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて減少または増加するように配置され、前記振動センサ本体は、前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の和、あるいは前記一方の光ファイバループを介して得られた出力を基に、前記構造体に振動が発生したかを判定する振動発生判定部と、前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の出力比を基に、前記構造体に振動が発生した位置を判定する振動位置判定部と、を有する光ファイバ振動センサである。

前記一方の光ファイバループは、該一方の光ファイバループを構成する光ファイバの全長の少なくとも半分の長さの光ファイバを、遅延用光ファイバとして前記センサ本体内に収容してなってもよい。

前記２つの光ファイバループは、それぞれの基端側と先端側が一致するように同じ向きに配置され、かつ、前記一方の光ファイバループの長さが、前記他方の光ファイバループの長さ以上となるように形成されていてもよい。

前記２つの光ファイバループのそれぞれを構成する光ファイバを、共通の円筒状のピエゾセラミック素子に巻回して、共通の位相変調器を形成してもよい。

前記振動位置判定部は、前記２つの光ファイバループのうち一つの光ファイバループのみで振動を検出したときには、当該振動を検出した光ファイバループのみが配置された領域にて振動が発生したと判定するように構成されてもよい。

前記振動位置判定部は、前記構造体に振動が発生したと判定し、かつ、前記振動位置判定部は、前記構造体に振動が発生した位置を判定することができないときには、自然現象によって前記構造体に振動が発生したと判定するように構成されてもよい。

本発明によれば、長手方向全長にわたって検出感度が良好であり、かつ、侵入者が侵入した位置をより細かく特定可能な光ファイバ振動センサを提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。 図１の光ファイバ振動センサの検出感度を説明する図であり、（ａ）は第１光ファイバループの検出感度、（ｂ）は第２光ファイバループの検出感度、（ｃ）はそれら検出感度の和、（ｄ）は検出感度比を示す図である。 図１の光ファイバ振動センサの変形例を示す概略構成図である。 図１の光ファイバ振動センサの変形例を示す概略構成図である。 図１の光ファイバ振動センサの変形例を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。 図６の光ファイバ振動センサの検出感度を説明する図であり、（ａ）は第１光ファイバループの検出感度、（ｂ）は第２光ファイバループの検出感度、（ｃ）は検出感度比を示す図である。 図６の光ファイバ振動センサの変形例を示す概略構成図である。 図８の光ファイバ振動センサの検出感度を説明する図であり、（ａ）は第１光ファイバループの検出感度、（ｂ）は第２光ファイバループの検出感度、（ｃ）は検出感度比を示す図である。 図６の光ファイバ振動センサの変形例を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。 図１０の光ファイバ振動センサの検出感度を説明する図であり、（ａ）は第１光ファイバループの検出感度、（ｂ）は第２光ファイバループの検出感度、（ｃ）はそれら検出感度の和、（ｄ）は検出感度比を示す図である。 従来の光ファイバ振動センサの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１は、第１の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。

図１に示すように、光ファイバ振動センサ１は、フェンスなどの構造体（図示せず）に沿って配置される光ファイバループ２と、構造体で発生した振動を光ファイバループ２を介して検出する振動センサ本体３とを備える。

本実施の形態では、光ファイバ振動センサ１は、光ファイバループ２と振動センサ本体３とを２つずつ備えている。以下、図１における左側の振動センサ本体３を第１振動センサ本体３ａ、図１における右側の振動センサ本体３を第２振動センサ本体３ｂと呼称し、第１振動センサ本体３ａに接続された光ファイバループ２を第１光ファイバループ２ａ、第２振動センサ本体３ｂに接続された光ファイバループ２を第２光ファイバループ２ｂと呼称する。

振動センサ本体３ａ，３ｂのそれぞれは、光源１１、フォトダイオードなどの受光器１２、光を入出力するための３つのポート１７ａ〜１７ｃを有する第１の光カプラ１３、偏光子１４、光を入出力するための３つのポート１７ｄ〜１７ｆを有する第２の光カプラ１５、位相変調器１６を備え、さらに、信号処理ユニット１８とこれらを収容する筐体１９とを備える。

光源１１としては、例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いるとよい。これにより、光ファイバループ２からの戻り光とレイリー散乱光とが干渉して発生する干渉ノイズを低減することができる。

光カプラ１３，１５としては、図１中に図示した１×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いる。なお、光カプラ１３，１５として２×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いることもできる。

第１の光カプラ１３の第１ポート１７ａは、光源１１に光学的に接続され、第１の光カプラ１３の第２ポート１７ｂは、受光器１２に光学的に接続され、第１の光カプラ１３の第３ポート１７ｃは、偏光子１４の一端に光学的に接続されている。

第２の光カプラ１５の第１ポート１７ｄは、偏光子１４の他端に光学的に接続され、第２の光カプラ１５の第２ポート１７ｅは、光ファイバループ２ａ，２ｂの一端に光学的に接続され、第２の光カプラ１５の第３ポート１７ｆは、光ファイバループ２ａ，２ｂの他端に光学的に接続される。

光ファイバループ２ａ，２ｂの他端の近傍には、位相変調器１６がそれぞれ設けられる。偏光子１４は、コアの複屈折率を大きくし、コイル状に形成したファイバ型の偏光子であり、光源１１からの光を直線偏光にするためのものである。

位相変調器１６は、光ファイバループ２を互いに反対方向に伝搬する光に相対的に時間遅れのある位相変調をかけるものである。受光器１２で検出される光の強度は、光ファイバループ２を互いに反対方向に伝搬する光の位相差の余弦に比例するため、零付近の位相差、すなわち微少な振動に対する感度が低い。よって、位相変調器１６により位相変調を行って位相差の正弦に比例させることにより、微少な振動に対する感度を向上させることができる。

位相変調器１６としては、振動子とする円筒状のピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）を用い、これに光ファイバループ２を構成する光ファイバの一部を巻き付けた。この位相変調器１６では、ＰＺＴへ印加する電圧により、ＰＺＴに巻き付けた光ファイバを伸縮させることで、光の位相を変調することができる。

信号処理ユニット１８は、光源１１の駆動、受光器１２で検出された光信号が光電変換された電気信号の処理、位相変調器１６の変調レベルの制御、処理結果（振動波形、振動の強度など）の出力などを行うためのものである。信号処理ユニット１８は、光源１１、受光器１２、および位相変調器１６と電気的に接続される。信号処理ユニット１８には、受光器１２からの電気信号を基に、光ファイバループ２を互いに逆方向に伝搬して光ファイバループ２の両端から出射された光の位相差を検出する位相差検出部１８ａが搭載されている。さらに、第１振動センサ本体３ａの信号処理ユニット１８には、後述する振動発生判定部１８ｂと振動位置判定部１８ｃが搭載されている。

両振動センサ本体３ａ，３ｂの信号処理ユニット１８同士は、ケーブル２０により電気的に接続されており、ケーブル２０を介して相互にデータを送受信できるようになっている。なお、信号処理ユニット１８同士のデータの送受信は、無線通信により行うことも勿論可能である。

光ファイバループ２ａ，２ｂのそれぞれは、互いに沿うように並列配置された２本の光ファイバの先端部同士を接続して形成される。図１では省略して示しているが、本実施の形態では、２本の光ファイバを可とう性を有するチューブに収容した２心の光ファイバケーブルを用い、その光ファイバケーブルの先端部にて、２本の光ファイバを融着接続して光ファイバループ２ａ，２ｂを形成した。２本の光ファイバを接続する接続部では、接続部で発生する光損失（曲げ損失）を低減するため、光ファイバの曲げ半径が所定の曲げ半径以上（例えばφ６０ｍｍ以上）となるようにすることが望ましい。

光ファイバループ２ａ，２ｂを構成する光ファイバとしては、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）を用いることが望ましい。例えば、光ファイバループ２ａ，２ｂを構成する光ファイバとしてシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）を用いた場合、ＳＭＦでは互いに直交した伝搬定数のわずかに異なる２つの固有偏光モードが伝搬するために、振動や温度変化などの外乱によりモード変換が発生し、このモード変換による干渉雑音が発生してしまう。このような干渉雑音を避けるため、光ファイバループ２ａ，２ｂを構成する光ファイバとしては、偏波面保存光ファイバを用いる。なお、光カプラ１３，１５の各ポート１７ａ〜１７ｆを構成する光ファイバとしても、偏波面保存光ファイバを用いることが望ましい。

本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂは、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように近接して配置されると共に、一方の光ファイバループ２ａの振動を検出する感度が一端側（図示左側）から他端側（図示右側）に向けて減少し、かつ、他方の光ファイバループ２ｂの振動を検出する感度が一端側（図示左側）から他端側（図示右側）に向けて増加するように配置される。このように光ファイバループ２ａ，２ｂを近接して配置することにより、同じ振動を検出することが可能になる。

上述のように、光ファイバループ２ａ，２ｂの中間点付近（つまり先端部）では、左右両周りの光がほぼ同時刻に通過するため振動による位相差が発生しにくく、光ファイバループ２ａ，２ｂの基端側から先端側にかけて徐々に振動を検出する感度が低下し、光ファイバループ２の中間点で振動を検出する感度はゼロとなる。よって、本実施の形態では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを、第１光ファイバループ２ａの基端側に第２光ファイバループ２ｂの先端側が位置し、第１光ファイバループ２ａの先端側に第２光ファイバループ２ｂの基端側が位置するように逆向きに配置した。

また、本実施の形態では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを同じ長さ（ケーブル長という）Ｌに形成し、これら２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを全長にわたって互いに沿うように並列配置するよう構成した。第１光ファイバループ２ａの先端部は第２振動センサ本体３ｂ内に、第２光ファイバループ２ｂの先端部は第１振動センサ本体３ａ内に収容される。

本実施の形態においては、両振動センサ本体３ａ，３ｂの間の領域が振動検出可能領域（測定領域）となる。以下、第１光ファイバループ２ａの基端（第２光ファイバループ２ｂの先端）を基準０として、第１振動センサ本体３ａの筐体１９までの距離をＬ₁、第２振動センサ本体３ｂの筐体１９までの距離をＬ₂、第１光ファイバループ２ａの先端（第２光ファイバループ２ｂの基端）までの距離をＬ₃とする（距離Ｌ₃は光ファイバループ２ａ，２ｂのケーブル長Ｌと等しい）。この場合、振動検出可能領域は距離Ｌ₁からＬ₂の範囲となる。

本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１は、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和を基に、構造体に振動が発生したかを判定する振動発生判定部１８ｂと、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で除した出力比を基に、構造体に振動が発生した位置を判定する振動位置判定部１８ｃと、を有している。ここでは、振動発生判定部１８ｂと振動位置判定部１８ｃは、第１振動センサ本体３ａの信号処理ユニット１８に搭載される。なお、ここでいう出力とは、位相差検出部１８ａが検出する位相差のことである。

また、光ファイバ振動センサ１は、図示しない警報手段を備え、信号処理ユニット１８の振動発生判定部１８ｂは、構造体に振動が発生したと判定したとき、警報手段を作動させるよう構成される。

警報手段は、例えば、音及び／又は光を発することにより侵入者に対して威圧を与えるものであり、光ファイバループ２ａ，２ｂの近傍に配置される。振動発生判定部１８ｂは、検出した振動レベル（２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和）に応じて、「警報」、あるいは「注意」のアラームを発報し、侵入があったことを監視者等に通知すると共に、検出した振動レベルが所定の強度以上である場合に、警報手段を作動させる。

また、振動発生判定部１８ｂは、光ファイバループ２ａ，２ｂより得られる振動波形をフーリエ変換し、周波数特性から振動の要因を分析できるようにしてもよい。これにより、雨や風などの自然現象による振動であるか、あるいは人的な要因による振動であるかを推定し、人的な要因による振動である場合のみ警報手段を作動させることが可能となる。
あるいは、振動発生判定部１８ｂは、構造体に振動が発生したと判定したが、振動位置判定部１８ｃは、構造体に振動が発生した位置を判定（特定）することができない場合は、構造体全体に振動が発生したと判定し、雨や風などの自然現象による振動であると判定するようにしても良い。具体的には、振動発生判定部１８ｂは、構造体に振動が発生したと判定した後に、振動位置判定部１８ｃは、振動が発生した位置の判定処理を行ったが、位置を判定できない場合に自然現象による振動であると判断するか、または、信号処理ユニット１８は、振動発生判定部１８ｂで振動の発生有無の判定と、振動位置判定部１８ｃの発生位置の判定とを並行して処理させ、振動は発生したが、位置は判定できない場合は、自然現象による振動であると判断する（振動は発生し、位置も判定できる場合は、人的な要因による振動である判断し、それ以外の場合は、振動は発生していないと判断する）ようにすると良い。

ここで、光ファイバ振動センサ１における振動を検出する感度（以下、検出感度という）について説明する。

図２（ａ）に示すように、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａは、距離０からＬ₃にかけて、すなわち第１光ファイバループ２ａの基端から先端にかけて、徐々に減少する。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、第２光ファイバループ２ｂの検出感度Ｂは、距離０からＬ₃にかけて、すなわち第２光ファイバループ２ｂの先端から基端にかけて、徐々に増加する。

これら検出感度Ａ，Ｂを足し合わせると、図２（ｃ）に示すように、検出感度の和Ａ＋Ｂは一定の値となる。このことから、振動発生判定部１８ｂを２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で振動の発生を判定するように構成することで、長手方向の感度を均一にし、長手方向全長にわたって検出感度を良好にできる（つまり検出感度が０となる位置を無くすことができる）ことが分かる。

また、検出感度Ａ，Ｂの差を検出感度Ａ，Ｂの和で除した検出感度比は、図２（ｄ）に示すように、距離０からＬ₃にかけて、１から−１の値まで徐々に減少する。図２（ｄ）では縦軸を検出感度比とした場合を示しているが、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で除した出力比を縦軸とした場合も、図２（ｄ）と同様の関係となるので、この出力比の値から、距離０からＬ₃のどの位置で振動が発生したかを判定することが可能である。

なお、両光ファイバループ２ａ，２ｂの出力の差だけでなく、これを出力の和で除した出力比を用いている理由は、構造物で発生した振動の強度により出力の差は変化するので、出力の差だけではどの位置で振動が発生したかを判定することが困難なためである。つまり、上述の出力比を用いることで、規格化がなされ、振動の強度の大小にかかわらずどの位置で振動が発生したかを判定できるようになる。

次に、光ファイバ振動センサ１の動作を説明する。

両振動センサ本体３ａ，３ｂにおいて、光源１１から出射した光は、第１の光カプラ１３を伝搬し、偏光子１４で直線偏光にされ、第２の光カプラ１５に入射する。第２の光カプラ１５では、入射した光が２つに分岐され、分岐された光は光ファイバループ２ａ，２ｂの異なる端にそれぞれ入射する。

光ファイバループ２ａ，２ｂを伝搬する左右回り光は、位相変調器１６で位相変調され、光ファイバループ２を一周して再び第２の光カプラ１５に入射する。第２の光カプラ１５に入射した左右回り光は、第２の光カプラ１５で干渉して干渉光となる。この干渉光は、偏光子１４を伝搬し、第１の光カプラ１３で再び２つの光に分岐され、分岐された一方の光は受光器１２で受光される。

光ファイバループ２ａ，２ｂが振動していないときは、受光器１２は常に一定の光強度を検出しているが、光ファイバループ２ａ，２ｂが振動すると、光ファイバループ２ａ，２ｂを伝搬する左右回り光に位相差が生じ、受光器１２で検出する光強度が変化する。受光器１２で受光する光強度は左右回り光の位相差の正弦に比例するので、光ファイバループ２に与えられた振動が大きいほど、位相差が大きくなり、受光器１２で受光する光強度の変化も大きくなる。

信号処理ユニット１８の位相差検出部１８ａは、受光器１２からの電気信号に基づき、受光器１２で受光する光強度の変化を検出し、左右回り光の位相差を検出する。第２振動センサ本体３ｂの位相差検出部１８ａは、ケーブル２０を介して、検出した位相差を第１振動センサ本体３ａの信号処理ユニット１８に送信する。

振動発生判定部１８ｂは、第１振動センサ本体３ａの位相差検出部１８ａが検出した位相差と、第２振動センサ本体３ｂの位相差検出部１８ａが検出した位相差の和、すなわち２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和を計算し、その値が所定の閾値を超えたとき、構造体に振動が発生したと判定する。振動発生判定部１８ｂは、構造体に振動が発生したと判定すると、上述の出力の和の大きさに応じて警報手段を作動させる。なお、ここでは、光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力として位相差を用いているが、受光器１２で受光する光強度の変化量自体を出力として用いることも可能である。

振動位置判定部１８ｃは、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力（位相差）の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力（位相差）の和で除して出力比を計算し、その出力比を基に、構造体に振動が発生した位置を判定する。振動位置判定部１８ｃは、判定した振動が発生した位置を図示しない表示器等に表示するなどして、監視者等に通知する。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように近接して配置すると共に、一方の光ファイバループ２ａの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて減少し、かつ、他方の光ファイバループ２ｂの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて増加するように配置し、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和を基に、構造体に振動が発生したかを判定し、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で除した出力比を基に、構造体に振動が発生した位置を判定するようにしている。

これにより、長手方向全長にわたって検出感度が０となる箇所を無くして、長手方向全長にわたって検出感度を良好とすることができ、かつ、構造体に振動が発生した位置、すなわち侵入者が侵入した位置をより細かくピンポイントで特定することが可能となる。

また、光ファイバ振動センサ１では、光ファイバループ２ａ，２ｂを、互いに沿うように並列配置された２本の光ファイバの先端部同士を接続して形成している。例えば、光ファイバループ２ａ，２ｂにおいて、一端から中間点までの光ファイバ（往路）と、中間点から他端までの光ファイバ（復路）との距離が大きく離れていると、振動の影響が偏るなどして誤差が生じ、振動が発生した位置を正確に判定できなくなるが、本実施の形態では、往路と復路の光ファイバを互いに沿うように並列配置しているため、このような誤差がなくなる。

［第１の実施の形態の変形例］
次に、第１の実施の形態の変形例について説明する。

図３に示す光ファイバ振動センサ３１は、図１の光ファイバ振動センサ１において、信号処理ユニット１８を１つにまとめ、第１振動センサ本体３ａに搭載するようにしたものである。第２振動センサ本体３ｂ内の光源１１，受光器１２，位相変調器１６と、第１振動センサ本体３ａ内の信号処理ユニット１８とは、ケーブル３２により電気的に接続される。なお、受光器１２で得られる電気信号が微弱である場合には、受光器１２からの電気信号を増幅する増幅器を備えるようにしてもよい。この場合、第１振動センサ本体３ａ内における受光器１２と信号処理ユニット１８との間、および第２振動センサ本体３ｂ内における受光器１２とケーブル３２との間に、同じ増幅率の増幅器を設けるようにすればよい。

図４に示す光ファイバ振動センサ４１は、図３の光ファイバ振動センサ３１において、さらに光源１１も共通としたものである。光ファイバ振動センサ４１では、光源１１からの光は第３の光カプラ４２で分岐されて、分岐された一方の光が第１振動センサ本体３ａ内の第１の光カプラ１３に入射され、分岐された他方の光が、両振動センサ本体３ａ，３ｂ間を繋ぐ中継用光ファイバ４３を介して、第２振動センサ本体３ｂ内の第１の光カプラ１３に入射されるようになっている。

図５に示す光ファイバ振動センサ５１は、図３の光ファイバ振動センサ３１において、第２振動センサ本体３ｂ内の光源１１、受光器１２、第１の光カプラ１３、偏光子１４を第１振動センサ本体３ａ内に移動したものである。その移動した偏光子１４からの光は、両振動センサ本体３ａ，３ｂ間を繋ぐ中継用光ファイバ５２を介して、第２振動センサ本体３ｂ内の第２の光カプラ１５に入射されるようになっている。なお、光ファイバ振動センサ５１において光源１１を共通とすることももちろん可能である。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

図６に示す光ファイバ振動センサ６１は、図３の光ファイバ振動センサ３１において、第１光ファイバループ２ａに遅延用光ファイバ（遅延用光ファイバコイル）６２を形成したものである。

第１光ファイバループ２ａは、第１光ファイバループ２ａを構成する光ファイバの全長の少なくとも半分の長さの光ファイバを巻回して、遅延用光ファイバ６２として第１振動センサ本体３ａ内に収容して形成される。ここでは、第１光ファイバループ２ａの位相変調器１６側の端部（図示下側の端部）に遅延用光ファイバ６２を形成しているが、第１光ファイバループ２ａの位相変調器１６と反対側の端部（図示上側の端部）に遅延用光ファイバ６２を形成してもよい。

遅延用光ファイバ６２を形成することで、検出感度が０となる位置が遅延用光ファイバ６２に含まれることとなり、図７（ａ）に示すように、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａは、長手方向で一定の値となる。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、第２光ファイバループ２ｂの検出感度Ｂは、距離０からＬ₃にかけて、すなわち第２光ファイバループ２ｂの先端から基端にかけて、徐々に増加する。

ここでは、第１光ファイバループ２ａの検出感度ＡがＳであり、第２ファイバループ２ｂの基端における検出感度Ｂが２Ｓであるとする。このとき、両光ファイバループ２ａ，２ｂの検出感度の差を、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａで除した検出感度比は、図７（ｃ）に示すようになり、図２（ｄ）に示す光ファイバ振動センサ１の場合と同じになる。なお、両光ファイバループ２ａ，２ｂの検出感度Ａ，Ｂの関係はこれに限定されるものではなく、第２ファイバループ２ｂの基端における検出感度Ｂが、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａの２倍となっていなくてもよい。この場合、図７（ｃ）に示すグラフの傾きが変化したり、グラフ全体が上下方向に移動したりすることになるが、基本的には同様の特性となる。

光ファイバ振動センサ６１では、振動位置判定部１８ｃは、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の出力比を基に、構造体に振動が発生した位置を判定するように構成される。ここでいう出力比とは、第１光ファイバループ２ａの出力（位相差）をＸａ、第２光ファイバループ２ｂの出力（位相差）をＸｂとすると、Ｘｂ／Ｘａで表され、第２光ファイバループ２ｂの出力Ｘｂを単純に第１光ファイバループ２ａの出力Ｘａで除したものであり、上述の第１の実施の形態で述べた出力比とは異なるものである。なお、上述の検出感度比のように、（Ｘａ−Ｘｂ）／Ｘａを用いて判定を行うようにしてもよいが、（Ｘａ−Ｘｂ）／Ｘａを変形すると−（Ｘｂ／Ｘａ−１）となることからも分かるように、縦軸をＸｂ／Ｘａ、横軸を距離としたグラフを、反転して平行移動したものを用いて判定を行う、といった違いしかなく、実質的にはＸｂ／Ｘａを用いた判定と同じに
なる。

また、光ファイバ振動センサ６１では、振動発生判定部１８ｂは、上述の光ファイバ振動センサ１と同様に、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和を基に、構造体に振動が発生したかを判定するように構成される。ただし、光ファイバ振動センサ６１のように、振動検出可能領域（測定領域）の全域にわたって、検出感度が一定である光ファイバループ２ａが配置されているような場合には、検出感度が一定である光ファイバループ２ａの出力のみに基づいて、構造体に振動が発生したかを判定するように振動発生判定部１８ｂを構成することも可能である。

［第２の実施の形態の変形例］
次に、第２の実施の形態の変形例を説明する。

図８に示す光ファイバ振動センサ８１は、図６の光ファイバ振動センサ６１において、第２振動センサ本体３ｂ内の光源１１、受光器１２、第１の光カプラ１３、偏光子１４、第２の光カプラ１５、位相変調器１６を第１振動センサ本体３ａ内に移動すると共に第２振動センサ本体３ｂを省略し、かつ、第２光ファイバループ２ｂの向きを反転させて、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを、それぞれの基端側と先端側が一致するよう同じ向きに配置したものである。この光ファイバ振動センサ８１では、振動検出可能領域は、Ｌ₁〜Ｌ₃の範囲となる。

光ファイバ振動センサ８１では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを同じ長さとしているが、検出に遅れ等が生じない範囲であれば、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂの長さは異なっていてもよい。ただし、この場合、検出感度が一定である第１光ファイバループ２ａの長さを、検出感度に勾配がある第２光ファイバループ２ｂの長さ以上とする必要がある。これは、第２光ファイバループ２ｂの方が長くなると、第２光ファイバループ２ｂのみが配置される領域ができ、その領域には検出感度が０となる中間点を含む検出感度の低い第２光ファイバループ２ｂの先端部が配置されることになり、当該領域で精度良く振動を検出できなくなるためである。なお、図６の光ファイバ振動センサ６１のように２つの光ファイバループ２ａ，２ｂが逆向きに配置される場合には、第１光ファイバループ２ａの長さが第２光ファイバループ２ｂの長さ未満であっても問題はない。

第１光ファイバループ２ａを第２光ファイバループ２ｂよりも長く形成した場合、振動位置判定部１８ｃを、第１光ファイバループ２ａのみで振動を検出し、第２光ファイバループ２ｂで振動を検出しないときに、第１光ファイバループ２ａのみが配置された領域にて振動が発生したと判定するよう構成するとよい。

光ファイバ振動センサ８１では、図９（ａ）に示すように、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａは、長手方向で一定の値となるが、第２光ファイバループ２ｂの検出感度Ｂは、図９（ｂ）に示すように、距離０からＬ₃にかけて、すなわち第２光ファイバループ２ｂの基端から先端にかけて、徐々に減少する。よって、第１光ファイバループ２ａの検出感度ＡがＳであり、第２ファイバループ２ｂの基端における検出感度Ｂが２Ｓであるとすると、両光ファイバループ２ａ，２ｂの検出感度の差を、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａで除した検出感度比は、図９（ｃ）に示すようになり、図７（ｃ）で示した光ファイバ振動センサ６１の検出感度比のグラフと比較して左右反転したものになる。

光ファイバ振動センサ８１によれば、第２振動センサ本体３ｂを省略可能となるので、装置全体をコンパクト化することが可能である。

図１０に示す光ファイバ振動センサ１０１は、図８の光ファイバ振動センサ８１において、さらに、光源１１と位相変調器１６とを共通としたものである。光ファイバ振動センサ１０１では、第１の光カプラ１３を省略し、光源１１からの光を第３の光カプラ１０２で分岐して、偏光子１４のそれぞれに入射するよう構成すると共に、第２の光カプラ１５を２×２入出力ポートを有する光ファイバカプラで構成し、受光器１２を第２の光カプラ１５に光学的に接続するよう構成した。

位相変調器１６は、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂのそれぞれを構成する光ファイバを、共通の円筒状のピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）に巻回して形成するとよい。

光ファイバ振動センサ１０１によれば、光源１１と位相変調器１６が共通となり、また使用する光カプラの数を減らすことができるので、装置をさらにコンパクト化し、低コスト化を図ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態を説明する。

図１１に示す光ファイバ振動センサ１１１は、図１の光ファイバ振動センサ１において、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂの長手方向の一部のみが互いに沿うように配置されたものである。ここでは、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂが互いに逆向きに配置されているので、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂは、その先端部同士が重なり合うことになる。ここで、第１光ファイバループ２ａの基端を基準０として、第１振動センサ本体３ａの筐体１９までの距離をＬ₁、第２光ファイバループ２ｂの先端までの距離をＬ₄、第１光ファイバループ２ａの先端までの距離をＬ₅、第２振動センサ本体３ｂの筐体１９までの距離をＬ₂、第２光ファイバループ２ｂの基端までの距離をＬ₃、とする。振動検出可能領域は距離Ｌ₁〜Ｌ₂の範囲となり、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂが両方共に配置されている領域は距離Ｌ₄〜Ｌ₅の範囲となる。また、ここでは、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂが同じケーブル長Ｌであるとする。Ｌ₅は第１光ファイバループ２ａのケーブル長Ｌと等しく、Ｌ₃−Ｌ₄は第２光ファイバループ２ｂのケーブル長Ｌと等しくなる。

光ファイバ振動センサ１１１では、振動検出可能領域は、第１光ファイバループ２ａのみが配置されている距離Ｌ₁からＬ₄の領域（以下、領域Ｘという）、両光ファイバループ２ａ，２ｂが配置されている距離Ｌ₄からＬ₅の領域（以下、領域Ｙという）、及び第２光ファイバループ２ｂのみが配置されている距離Ｌ₅からＬ₂の領域（以下、領域Ｚという）の３つの領域から構成される。

光ファイバ振動センサ１１１では、振動位置判定部１８ｃは、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂのうち一つの光ファイバループ２ａ（または２ｂ）のみで振動を検出したときには、当該振動を検出した光ファイバループ２ａ（または２ｂ）のみが配置された領域Ｘ（またはＺ）にて振動が発生したと判定するように構成される。また、振動位置判定部１８ｃは、光ファイバループ２ａ，２ｂの両方で振動を検出したときに、両光ファイバループ２ａ，２ｂが配置された領域Ｙで振動が発生したと判定し、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で除した出力比を基に、領域Ｙ内において構造体に振動が発生した位置をピンポイントで判定するように構成される。

ここで、光ファイバ振動センサ１１１における検出感度について説明する。

図１２（ａ）に示すように、第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａは、距離０からＬ₅にかけて、すなわち第１光ファイバループ２ａの基端から先端にかけて、徐々に減少する。距離Ｌ₅からＬ₃の領域では、第１光ファイバループ２ａが配置されていないので、検出感度Ａは０になる。

これに対して、図１２（ｂ）に示すように、第２光ファイバループ２ｂの検出感度Ｂは、距離Ｌ₄からＬ₃にかけて、すなわち第２光ファイバループ２ｂの先端から基端にかけて、徐々に増加する。距離０からＬ₄の領域では、第２光ファイバループ２ｂが配置されていないので、検出感度Ｂは０になる。

これら検出感度Ａ，Ｂを足し合わせると、図１２（ｃ）に示すように、検出感度の和Ａ＋Ｂは、領域Ｘでは第１光ファイバループ２ａの検出感度Ａと等しく、領域Ｚでは第２光ファイバループ２ｂの検出感度Ｂと等しく、領域Ｙでは一定の値となる。よって、振動発生判定部１８ｂを、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で振動の発生を判定するよう構成することで、長手方向全長にわたって検出感度を良好にできることが分かる。領域Ｘ，Ｚは、光ファイバループ２ａ，２ｂの基端部近傍でありもともと検出感度が高く、領域Ｙでは、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂの出力を足し合わせることで検出感度を向上して、検出感度が０となる位置を無くすことができる。

また、検出感度Ａ，Ｂの差を検出感度Ａ，Ｂの和で除した検出感度比を図１２（ｄ）に示す。図１２（ｄ）に示すように、領域Ｘでは、検出感度Ｂ＝０であるから、検出感度比（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝１で一定となる。また、領域Ｚでは、検出感度Ａ＝０であるから、検出感度比（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝−１で一定となる。領域Ｙでは、距離Ｌ₄からＬ₅にかけて、１から−１の値まで徐々に減少する。したがって、領域Ｙにおいては、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の差を、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを介して得られた出力の和で除した出力比の値から、距離Ｌ₄からＬ₅のどの位置で振動が発生したかをピンポイントで判定することが可能である。

このように、光ファイバ振動センサ１１１では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂのそれぞれが振動を検出するか否かによって、３つの領域Ｘ、Ｙ，Ｚのどの領域で振動が発生したかを判定することができ、かつ、領域Ｙで振動が発生した場合には、上述の出力比からどの位置で振動が発生したかをピンポイントで判定することが可能である。

光ファイバ振動センサ１１１によれば、光ファイバループ２ａ，２ｂの長さ（ケーブル長Ｌ）を短くした場合であっても、広い領域で振動を検出し、振動が発生した位置、すなわち侵入者が侵入した位置を特定することができる。

なお、光ファイバ振動センサ１１１では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂのうち一つの光ファイバループ２ａ（または２ｂ）のみで振動を検出したときに、当該振動を検出した光ファイバループ２ａ（または２ｂ）のみが配置された領域Ｘ（またはＺ）にて振動が発生したと判定するように振動位置判定部１８ｃを構成したが、出力比が１であるときに領域Ｘ、出力比が−１であるときに領域Ｚで振動が発生したと判定するよう振動位置判定部１８ｃを構成することも可能である。

また、第３の実施の形態では、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂの長さを同じとする場合を説明したが、検出に遅れ等が生じない範囲であれば、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂの長さは異なっていてもよい。

さらに、２つの光ファイバループ２ａ，２ｂのうち一方の光ファイバループ２ａに遅延用光ファイバを設け、一方の光ファイバループ２ａの検出感度を一定としてもよい。この場合、領域Ｙで振動が発生した場合には、他方の光ファイバループ２ｂの出力を一方の光ファイバループ２ａの出力で除した出力比を基に、どの位置で振動が発生したかを判定するとよい。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、２心の光ファイバケーブルを２本用いて２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを形成したが、４心の光ファイバケーブルを用いて、その２心ずつを対として２つの光ファイバループ２ａ，２ｂを形成するようにしてもよい。さらに、例えば図４の光ファイバ振動センサ４１のように中継用光ファイバ４３が必要な場合には、その中継用光ファイバ４３も含めた５心の光ファイバケーブルを用いるようにしてもよい。

１ 光ファイバ振動センサ
２ａ，２ｂ 光ファイバループ
３ａ，３ｂ 振動センサ本体
１８ 信号処理ユニット
１８ａ 位相差検出部
１８ｂ 振動発生判定部
１８ｃ 振動位置判定部

Claims (8)

1. 構造体に沿って配置される光ファイバループと、前記構造体で発生した振動を前記光ファイバループを介して検出する振動センサ本体と、を備えたサニャック干渉型の光ファイバ振動センサにおいて、
   前記光ファイバループを２つ備え、該２つの光ファイバループは、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように配置されると共に、一方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて減少し、かつ、他方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて増加するように配置され、
   前記振動センサ本体は、
   前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の和を基に、前記構造体に振動が発生したかを判定する振動発生判定部と、
   前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の差を、前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の和で除した出力比を基に、前記構造体に振動が発生した位置を判定する振動位置判定部と、を有する
   ことを特徴とする光ファイバ振動センサ。
2. 前記２つの光ファイバループは、一方の光ファイバループの基端側に他方の光ファイバループの先端側が位置し、一方の光ファイバループの先端側に他方の光ファイバループの基端側が位置するように逆向きに配置されている
   請求項１記載の光ファイバ振動センサ。
3. 構造体に沿って配置される光ファイバループと、前記構造体で発生した振動を前記光ファイバループを介して検出する振動センサ本体と、を備えたサニャック干渉型の光ファイバ振動センサにおいて、
   前記光ファイバループを２つ備え、該２つの光ファイバループは、長手方向の少なくとも一部が互いに沿うように配置されると共に、一方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側にかけて一定であり、かつ、他方の光ファイバループの振動を検出する感度が一端側から他端側に向けて減少または増加するように配置され、
   前記振動センサ本体は、
   前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の和、あるいは前記一方の光ファイバループを介して得られた出力を基に、前記構造体に振動が発生したかを判定する振動発生判定部と、
   前記２つの光ファイバループを介して得られた出力の出力比を基に、前記構造体に振動が発生した位置を判定する振動位置判定部と、を有する
   ことを特徴とする光ファイバ振動センサ。
4. 前記一方の光ファイバループは、該一方の光ファイバループを構成する光ファイバの全長の少なくとも半分の長さの光ファイバを、遅延用光ファイバとして前記センサ本体内に収容してなる
   請求項３記載の光ファイバ振動センサ。
5. 前記２つの光ファイバループは、それぞれの基端側と先端側が一致するように同じ向きに配置され、かつ、前記一方の光ファイバループの長さが、前記他方の光ファイバループの長さ以上となるように形成されている
   請求項３または４記載の光ファイバ振動センサ。
6. 前記２つの光ファイバループのそれぞれを構成する光ファイバを、共通の円筒状のピエゾセラミック素子に巻回して、共通の位相変調器を形成した
   請求項１〜５いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
7. 前記振動位置判定部は、前記２つの光ファイバループのうち一つの光ファイバループのみで振動を検出したときには、当該振動を検出した光ファイバループのみが配置された領域にて振動が発生したと判定するように構成される
   請求項１〜６いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
8. 前記振動位置判定部は、前記構造体に振動が発生したと判定し、かつ、前記振動位置判定部は、前記構造体に振動が発生した位置を判定することができないときには、自然現象によって前記構造体に振動が発生したと判定するように構成される
   請求項１〜７いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。

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