JP2013505441A - 光学的位置および/または形状センシング - Google Patents
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Abstract
Description
[角度の正確さを増すための位相追尾]
図1は、マルチコアファイバ1の1つの例の断面を示す。マルチコアファイバ1は、中心コア2と、3つの周辺コア3、4、5とを含み、コーティング6によって周囲をコーティングされている。この例に示したこれらのコア3〜5は、近似的に120°離れて配置されている。
この幾何の課題によって得られた洞察は、マルチコアファイバに沿った距離の関数として表される全長さ変化は、局所的なストレインの代わりに使用することができるという点である。つまり、局所的なストレインの測定値における比較的に大きな誤差は、その点に至るまでの全長さ変化に対応したストレインの測定値の積分が正確なに保たれている限りにおいては、許容することができる。極端に高い信号対雑音比を必要とせずに、ナノストレインの精度を達成することができる。これは、比較的長い距離(例えば、10〜1000cm)にわたってナノストレインを算出することができるからである。後の記述で説明するように、長さの変化の追尾はまた、ファイバの長さ方向に沿った回転を評価するためにも使用することができ、ファイバロールの測定、さらにはファイバの軸の周りの回転角度の測定でも、予想される以上の高い精度を達成することができる。
[光ファイバの中の位相追尾]
光ファイバを使用すると、その全体の長さ方向に沿った空間的に連続したセンシング測定を行うことができる。光の位相シフトを使用すると非常に高い分解能の変位測定を行うことができるので、連続した測定は重要である。ファイバの中に本質的に存在する散乱をどのように使用したらこの測定を行うことができるかを後に説明する。しかし、ファイバブラッグ回折格子(FBG)を使用して説明を始める方が概念的には理解しやすい。ファイバブラッグ回折格子はファイバの屈折率を周期的に変化させたものである。各周期はファイバの中の光の波長の約半分である。光の真空中での波長は約1550nmであり、ファイバの中のその波長は約1000nmである。したがって、回折格子の周期は約500nmである。典型的に、ブラッグ回折格子は、そこから反射されたスペクトラムを測定することにより、センサとして使用される。ブラッグ回折格子の条件は、以下に示す式を使用して算出される。
[レーリー散乱に基づいた測定]
上記で説明したように、センシングのためにFBGを使用する場合の典型的な使用方法は、ファイバに沿ってどのくらいか離して設置した個々のブラッグ回折格子から反射したスペクトラムのシフトを測定するステップを含んでいる。各ブラッグ回折格子に対する測定からファイバの各部分に対するストレインが導出される。FBGを使用した形状センシングの場合には、各ストレイン測定は、所与のセグメントが、どの程度曲げられていてどの方向に向いているかを示している。この情報は、測定した全てのセグメントに対して合計されて、全体のファイバ位置および/または形状が求められる。しかしながら、この方法を使用した場合には、各セグメントにおける誤差がファイバに沿って累加される。ファイバが長くなれば、測定における誤差はそれだけ大きくなる。複数のブラッグ回折格子を使用する場合のこの誤差によって、操作の速度と適用性の範囲とが限定される。
[形状センシングファイバの例]
光ファイバのレーリー散乱における歪を追尾ことにより、ストレインの、高い分解能、かつ連続した測定を行うことができる。マルチコア形状センシングファイバの構造を使用して、このマルチコア構造によってファイバの長さ方向に沿ったベンドとベンド方向との両方の測定が可能になる理由を説明する。
[ツイストしたファイバにおけるウォブルの修正]
外側コアからのストレイン信号をベンドおよびベンド方向の情報に変換するためには、外側コアの回転位置が高い精度で求められなければならない。螺旋のスピンレートは一定である(図12参照)と仮定すれば、外側コアの位置は、ファイバに沿った距離から求めることができる。実際には、螺旋状にしたファイバを製造する際に、意図するスピンレートにどのくらいかの変動が伴う。ファイバの長さ方向に沿ったスピンレートの変動によって、公称スピンレートから期待される線形の変化からの角度のずれが生ずる。この角度のずれは、「ウォブル」と呼ばれる。これをウォブル信号W(z)で示すことにする。
[マルチコアファイバの中のツイストセンシング]
ファイバに加えられるねじり力もまた、外側コアの回転方向のシフトを誘起する可能性がある。コアのストレイン信号を正しいベンド方向に適切にマッピングするためには、ウォブルと加えられたツイストの両方が形状センシングファイバの全長に沿って測定されなければならない。螺旋状にしたマルチコアファイバの形状によって、ベンドが誘起するストレインに加えて、ファイバの長さ方向に沿ったツイストをも直接に測定することが可能になる。この点に関しては以下で説明する。
[4コアファイバの中のツイストの計算]
ツイスト測定の感度は、単一のコアの感度に基づいている。しかし、ファイバの長さ方向に沿ったツイストのセンシングは、4つの全てのコアに依存する。外側コアの長さ変化の平均値と中心コアの長さ変化との間の差が既知であれば、ファイバの中に存在するツイスト(角度で表した絶対値)は算出することができる。
[ベンドが誘起するストレインの算出]
形状センシングファイバに加えられるツイストの量を示す情報と共に、マルチコアファイバによって、正規直交座標系の中でベンド情報を抽出することもできる。形状センシングファイバの4つの光コアに対する位相信号を分析することにより、2つの直交した微分ストレイン測定を行うことができる。これを以下で説明する。これらのストレイン値を使用して、ファイバの長さ方向に沿って、ポインティング(pointing)ベクトルを追尾することができ、それにより、終局的に、ファイバの位置および/または形状のメジャーを得ることができる。
式(14)および(15)は、2つの微分直交ストレイン信号を与える。図24は、全てが同一平面上にあるいくつかのベンドを持つ形状に置かれたファイバに対する直交ストレイン曲線を描いている。これらの2つの微分直交ストレイン信号は、処理され、最後に形状センシングファイバの長さ方向に沿って積分が実行されて、ファイバの位置および/または形状を表す、3つの直交座標系信号が生成される。
[複屈折の修正]
光ファイバが曲げられたときには、コアの円周方向の対照性が破れて、ベンドの平面の方向とベンドの平面に垂直な方向とに、「水平」および「垂直」成分が選択的に生成される。この場合、ファイバに沿って進行する光は、その偏波状態に依存する異なる屈折率を経験する。偏波状態の関数として表されるこの屈折率の変化は複屈折と呼ばれる。この複屈折率は、形状測定に対して重大な問題を課するものである。これは、測定される位相変化は、入力の偏波状態に依存し、そしてこの入力状態は、標準ファイバでは制御することができないからである。
[複屈折修正の適用と精度への影響]
以下では、偏波が形状センシングシステムの精度に対して及ぼす影響について説明する。複数回の測定に対して入力偏波を変化させるために、形状センシングファイバと形状センシングシステムとの間に、図34に示すように、ループ偏波制御器を追加する。
Claims (41)
- マルチコアファイバについての測定方法であって、
前記マルチコアファイバにおける複数のコアのうちのいくつかのコアについて当該マルチコアファイバのある地点までの光学長の変化を検出する検出ステップと、
前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点の位置または方向を決定する決定ステップと
を有することを特徴とする測定方法。 - 前記決定ステップは、前記地点における前記位置と前記方向との両方を決定するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記決定された前記位置または前記方向の精度は、前記マルチコアファイバの前記地点までの当該マルチコアファイバの前記光学長の0.5%よりも良いことを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記決定ステップは、前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの少なくとも一部分の形状を決定するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記決定ステップは、
前記地点までの前記検出された光学長の変化に基づいて、前記マルチコアファイバに沿ったいずれかの位置での当該マルチコアファイバの曲りの角度を算出するステップと、
前記算出された曲りの角度に基づいて、前記地点での前記マルチコアファイバの前記部分の形状を決定するステップと
を有することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。 - 前記曲りの角度は、2次元または3次元で算出されることを特徴とする請求項5に記載の測定方法。
- 前記検出ステップは、前記マルチコアファイバの複数のコアのうちのいくつかのコアに関して、複数のセグメント長のそれぞれについて、当該マルチコアファイバのある地点までの光学長の増加的な変化を検出するステップを有し、前記検出された光学長の変化は複数の前記増加的な変化の組み合わせに基づいた変化であることを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記検出ステップは、前記複数のコアのうちの少なくとも2つのコアにおける複数のセグメント長からの、反射してきた光信号の位相応答を検出するステップを有し、前記複数のセグメント長での前記マルチコアファイバの歪みによって前記少なくとも2つのコアにおける前記複数のセグメント長からの前記反射してきた光信号の位相がシフトしていることを特徴とする請求項7に記載の測定方法。
- 前記マルチコアファイバの前記光学長に沿って継続的に前記位相応答を監視するステップをさらに有することを特徴とする請求項8に記載の測定方法。
- セグメント長のそれぞれについて前記反射してきた光信号の反射レーリー散乱パターンを検出するステップと、
前記反射レーリー散乱パターンを、セグメント長のそれぞれについての基準レーリー散乱パターンと比較するステップと、
前記比較の結果に基づいて、セグメント長のそれぞれについて前記位相応答を決定するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の測定方法。 - 前記マルチコアファイバの前記光学長について前記検出された変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点での当該マルチコアファイバのねじれパラメータを求めるステップをさらに有することを特徴とする請求項7に記載の測定方法。
- 前記マルチコアファイバの前記地点の前記位置または前記方向を決定するステップは、前記決定されたねじれパラメータに基づいて実行されるステップであることを特徴とする請求項11に記載の測定方法。
- 前記複数のセグメント長のそれぞれについて前記求められたねじれパラメータを補正するステップをさらに有することを特徴とする請求項11に記載の測定方法。
- 前記マルチコアファイバは、3つの周辺コアを有しており、当該3つの周辺コアは、前記マルチコアファイバの中心に沿って存在する第4のコアから間隔をあけて配置されており、
前記方法は、
4つのコアにける前記セグメント長からの反射してきた光信号の位相応答を決定するステップであって、1つまたはそれ以上の前記セグメント長における前記マルチコアファイバの歪みによって、前記4つのコアのそれぞれにおける前記反射してきた光信号の位相がシフトしている、ステップと、
前記3つの周辺コアについての前記位相応答を平均化するステップと、
前記平均化された位相応答を前記第4のコアの位相応答と合成してコモンモード歪みを除去するステップと、
前記合成された位相応答から前記ねじれパラメータを求めるステップと
をさらに有することを特徴とする請求項11に記載の測定方法。 - 前記複数のセグメント長において前記マルチコアファイバの前記地点における当該マルチコアファイバの向きを判別するステップと、
前記検出した光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点の位置を決定するときに、前記判別した向きを補正するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の測定方法。 - 前記マルチコアファイバは、公称のスピンレートによって特徴づけられており、
前記方法は、
前記マルチコアファイバの前記公称のスピンレートに対する角度回転であって、前記複数のセグメント長のそれぞれでの前記マルチコアファイバの前記地点における前記マルチコアファイバの前記角度回転を求めるステップと、
前記マルチコアファイバを一平面でのまがった向きに制約することによって、前記マルチコアファイバについてのウォブルファクタを決定するステップと、
前記検出した光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点の位置を決定するときに、前記ウォブルファクタを補正するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の測定方法。 - 前記マルチコアファイバはらせん状に巻き付けられており、公称のスピンレートによって特徴づけられており、
前記方法は、
前記マルチコアファイバの前記地点における前記公称のスピンレートの偏差を求めるステップと、
前記スピンレートの前記偏差を補正するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。 - 前記方向は、複数の直交した歪み信号に基づいて決定された、前記マルチコアファイバの前記地点での当該マルチコアファイバの曲り角度に対応していることを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記光学長の変化は、前記マルチコアファイバに沿った前記セグメント長のそれぞれでの光位相の変化を算出し、前記光学長を決定するために前記光位相の変化を巻き戻すことによって、決定されることを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記マルチコアファイバに沿って少なくとも2つの偏波状態で光を送信するステップと、
前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点における前記位置または方向を決定する際に、前記少なくとも2つの偏波状態の光の反射光を合成するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。 - 前記少なくとも2つの偏波状態は、少なくとも公称上は直交した第1偏波状態と第2偏波状態とを含み、
前記方法は、
前記マルチコアファイバに沿って前記第1偏波状態の第1光信号を送信するために偏波制御器を使用するステップと、
前記マルチコアファイバに沿って前記第2偏波状態の第2光信号を送信するために前記偏波制御器を使用するステップと、
前記第1光信号の反射光と前記第2光信号との反射光を使用して、前記マルチコアファイバの前記地点までの前記複数のコアのうちの前記いくつかのコアにおける偏波に依存しない光学長の変化を算出するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項20に記載の測定方法。 - 前記マルチコアファイバに沿った曲りによって誘発した光学長の変化を決定するステップと、
前記ねじれパラメータを求めるときに、前記曲りによって誘発した光学長の変化を求めるステップと
をさらに有することを特徴とする請求項11に記載の測定方法。 - 前記複数のセグメント長のうちの一つのセグメント長における曲りを算出するステップと、
前記算出した曲りを2乗するステップと、
前記2乗した曲りに定数を乗算して曲り積を求めるステップと、
前記曲り積と、前記セグメント長における前記マルチコアファイバのアウターコアについての前記決定した光学長の変化とを合成するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項22に記載の測定方法。 - マルチコアファイバの測定値を作成する装置であって、
前記マルチコアファイバにおける複数のコアのうちのいくつかのコアについて当該マルチコアファイバのある地点までの光学長の変化を検出する検出回路と、
前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点の位置または方向を決定する演算回路と
を有することを特徴とする装置。 - 前記演算回路は、前記地点における前記位置と前記方向との両方を決定するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記決定された前記位置または前記方向の精度は、前記マルチコアファイバの前記地点までの当該マルチコアファイバの前記光学長の0.5%よりも良いことを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記演算回路は、前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの少なくとも一部分の形状を決定するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記演算回路は、前記地点までの前記検出された光学長の変化に基づいて、前記マルチコアファイバに沿ったいずれかの位置での当該マルチコアファイバの曲りの角度を算出し、前記算出した曲りの角度に基づいて、前記地点での前記マルチコアファイバの前記部分の形状を決定するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記検出回路は、前記マルチコアファイバの複数のコアのうちのいくつかのコアに関して、複数のセグメント長のそれぞれについて、当該マルチコアファイバのある地点までの光学長の増加的な変化を検出するように構成されており、
前記検出された光学長の変化は複数の前記増加的な変化の組み合わせに基づいた変化であることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 前記検出回路は、前記複数のコアのうちの少なくとも2つのコアにおける複数のセグメント長からの、反射してきた光信号の位相応答を検出するように構成されており、
前記複数のセグメント長での前記マルチコアファイバの歪みによって前記少なくとも2つのコアにおける前記複数のセグメント長からの前記反射してきた光信号の位相がシフトしていることを特徴とする請求項29に記載の装置。 - 前記検出回路は、前記マルチコアファイバの前記光学長に沿って継続的に前記位相応答を監視するように構成されていることを特徴とする請求項30に記載の装置。
- 前記検出回路は、セグメント長のそれぞれについて前記反射してきた光信号の反射レーリー散乱パターンを検出するように構成されており、
前記演算回路は、前記反射レーリー散乱パターンを、セグメント長のそれぞれについての基準レーリー散乱パターンと比較し、前記比較の結果に基づいて、セグメント長のそれぞれについて前記位相応答を決定するように構成されていることを特徴とする請求項29に記載の装置。 - 前記演算回路は、前記マルチコアファイバの前記光学長について前記検出された変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点での当該マルチコアファイバのねじれパラメータを求めるように構成されていることを特徴とする請求項29に記載の装置。
- 前記マルチコアファイバの前記地点の前記位置または前記方向の決定は、前記決定されたねじれパラメータに基づいて実行されることを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記演算回路は、前記複数のセグメント長のそれぞれについて前記求められたねじれパラメータを補正するように構成されていることを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記マルチコアファイバは、3つの周辺コアを有しており、当該3つの周辺コアは、前記マルチコアファイバの中心に沿って存在する第4のコアから間隔をあけて配置されており、
前記検出回路は、4つのコアにける前記セグメント長からの反射してきた光信号の位相応答を決定するように構成されており、
1つまたはそれ以上の前記セグメント長における前記マルチコアファイバの歪みによって、前記4つのコアのそれぞれにおける前記反射してきた光信号の位相がシフトしており、
前記演算回路は、前記3つの周辺コアについての前記位相応答を平均化し、前記平均化された位相応答を前記第4のコアの位相応答と合成してコモンモード歪みを除去し、前記合成された位相応答から前記ねじれパラメータを求めるように構成されていることを特徴とする請求項33に記載の装置。 - 前記マルチコアファイバは、公称のスピンレートによって特徴づけられており、
前記演算回路は、前記マルチコアファイバの前記公称のスピンレートに対する角度回転であって、前記複数のセグメント長のそれぞれでの前記マルチコアファイバの前記地点における前記マルチコアファイバの前記角度回転を求め、前記マルチコアファイバを一平面でのまがった向きに制約することによって、前記マルチコアファイバについてのウォブルファクタを決定し、前記検出した光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点の位置を決定するときに、前記ウォブルファクタを補正するように構成されていることを特徴とする請求項29に記載の装置。 - 前記演算回路は、前記マルチコアファイバに沿った前記セグメント長のそれぞれでの光位相の変化を算出し、前記光学長を決定するために前記光位相の変化を巻き戻すことによって、前記光学長の変化を決定するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記マルチコアファイバに沿って少なくとも2つの偏波状態で光を送信するレーザーをさらに有し、
前記演算回路は、前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点における前記位置または方向を決定する際に、前記少なくとも2つの偏波状態の光の反射光を合成するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの偏波状態は、少なくとも公称上は直交した第1偏波状態と第2偏波状態とを含み、
前記装置は、
前記マルチコアファイバに沿って前記第1偏波状態の第1光信号を送信するとともに、前記マルチコアファイバに沿って前記第2偏波状態の第2光信号を送信するように構成された偏波制御器をさらに有し、
前記演算回路は、前記第1光信号の反射光と前記第2光信号との反射光を使用して、前記マルチコアファイバの前記地点までの前記複数のコアのうちの前記いくつかのコアにおける偏波に依存しない光学長の変化を算出するように構成されていることを特徴とする請求項39に記載の装置。 - コンピュータ化された測定装置上で実行されることで、当該測定装置にマルチコアファイバについての測定値を作成させるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、前記測定装置に、
前記マルチコアファイバにおける複数のコアのうちのいくつかのコアについて当該マルチコアファイバのある地点までの光学長の変化を検出するステップと、
前記検出された光学長の変化に基づいて前記マルチコアファイバの前記地点の位置または方向を決定するステップと
を実行させることを特徴とする記憶媒体。
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