JP2014190732A - 光ファイバ振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでありながら検知可能な範囲が広範囲である光ファイバ振動センサを提供する。
【解決手段】フェンス１１に沿って所定の間隔で設置された２つ以上の中継箱１２と、中継箱１２のそれぞれから引き出されてフェンス１１に沿って所定の範囲毎に敷設されると共に終端が終端箱１３に収納されたセンサケーブル１４と、センサケーブル１４のそれぞれに光を出力すると共にセンサケーブル１４のそれぞれからの光を入力して、センサケーブル１４のそれぞれに加わる振動を感知するサニャック干渉系を用いたセンサ本体１５と、中継箱１２のそれぞれとセンサ本体１５との間で光を伝搬する光ファイバケーブル１６と、センサ本体１５に電力を供給する電源１７と、センサ本体１５と電源１７とを電気的に接続する電源ライン１８と、を備えている光ファイバ振動センサ１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに加わる振動によって生じる光の位相差から侵入者を検知する侵入検知センサ等に用いられるサニャック干渉型の光ファイバ振動センサに関する。

空港、港湾、及び発電所等の重要施設、又は多くの人が集まる公共施設等では、悪意を持った者等の侵入を防止するために、施設の周囲にフェンスが張り巡らされていることが多い。フェンスは侵入を抑止することには役立つものの、フェンスを越えて侵入されてしまった場合に備えて何等かの手段を講じておく必要がある。

その手段の一つとして、フェンスに侵入検知センサを設置しておき、侵入検知センサによって侵入又はその予兆が検知された場合に警備員等を現場に急行させて侵入を阻止したり侵入者を保護したりすることが考えられる。

侵入検知センサとしては、フェンスに沿って敷設された光ファイバに加わる振動によって生じる光の位相差から侵入者を検知するサニャック干渉型の光ファイバ振動センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３に示すように、従来技術に係る光ファイバ振動センサ３０は、外力が加えられると振動を生ずるフェンス３１に沿って所定の間隔で設置された１つ以上の収納箱３２と、１つ以上の収納箱３２のそれぞれから引き出されてフェンス３１に沿って所定の範囲毎に敷設されると共に終端が終端箱３３に収納された１つ以上のセンサケーブル３４と、１つ以上の収納箱３２のそれぞれに電力を供給する電源３５と、１つ以上の収納箱３２のそれぞれと電源３５とを電気的に接続する電源ライン３６と、を備えている。

図４に示すように、収納箱３２には、所定の波長（例えば、８５０ｎｍ帯）の光Ｌ₁を発光する光源３７と、干渉光Ｌ₂を受光する受光器３８と、光の分岐又は結合を行う第１の光カプラ３９と、光を直線偏光とする偏光子４０と、光の分岐又は結合を行う第２の光カプラ４１と、光の位相を変調する位相変調器４２と、センサケーブル３４に光を出力すると共にセンサケーブル３４からの光を入力するための２つの入出力ポート４３、４４と、光源３７、受光器３８、及び位相変調器４２の信号を処理する信号処理ユニット４５と、が収納又は搭載されている。

また、センサケーブル３４は、光ファイバ４６を終端箱３３の内部で折り返してループ状とした光ファイバループ４７を備えている。光ファイバループ４７の一端は入出力ポート４３に光学的に接続されており、光ファイバループ４７の他端は入出力ポート４４に光学的に接続されている。

この光ファイバ振動センサ３０では、光源３７からの光Ｌ₁を偏光子４０により直線偏光とし、偏光子４０からの光Ｌ₁を第２の光カプラ４１により時計回り光Ｌ_CW（ＣＷ；ClockWise）と反時計回り光Ｌ_CCW（ＣＣＷ；CounterClockWise）とに分岐する。

そして、第２の光カプラ４１からの時計回り光Ｌ_CWを入出力ポート４３から光ファイバループ４７の一端に出力すると共に、第２の光カプラ４１からの反時計回り光Ｌ_CCWの位相を位相変調器４２により変調した後、その反時計回り光Ｌ_CCWを入出力ポート４４から光ファイバループ４７の他端に出力する。

光ファイバループ４７では、入出力ポート４３からの時計回り光Ｌ_CWと入出力ポート４４からの反時計回り光Ｌ_CCWとを互いに逆方向に伝搬させた後、時計回り光Ｌ_CWを入出力ポート４４に入力し、反時計回り光Ｌ_CCWを入出力ポート４３に入力する。

入出力ポート４４からの時計回り光Ｌ_CWと入出力ポート４３からの反時計回り光Ｌ_CCWとを第２の光カプラ４１により干渉させて干渉光Ｌ₂とし、その干渉光Ｌ₂を受光器３８により受光する。

このとき、光ファイバループ４７に振動が加えられていた場合には、光ファイバループ４７を伝搬する時計回り光Ｌ_CWと反時計回り光Ｌ_CCWとの間で位相差が生じるため、受光器３８により受光した干渉光Ｌ₂の光強度が変化することになる。

光強度の変化を信号処理ユニット４５により検出することで、光ファイバループ４７に振動が加えられたことを検知し、侵入又はその予兆を検知することができる。この際、信号処理ユニット４５では、風等の自然現象によるフェンス３１の振動を侵入又はその予兆として検知しないように所定の信号処理がなされる。

特開２０１０−８５３２０号公報

しかしながら、光ファイバ振動センサ３０では、所定の間隔で設置された２つ以上の収納箱３２のそれぞれに電力を供給するために、２つ以上の収納箱３２のそれぞれに対して１つずつ電源３５を設置するか、又は１つの電源３５と２つ以上の収納箱３２のそれぞれとの間で長距離に亘って電源ライン３６を敷設する必要があり、これがコストの上昇を招いていた。

また、１つの電源３５から電源ライン３６によって電力を供給することのできる範囲も限られているため、光ファイバ振動センサ３０で検知可能な範囲は数百メートル程度と狭かった。

そこで、本発明の目的は、低コストでありながら検知可能な範囲が広範囲である光ファイバ振動センサを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、外力が加えられると振動を生ずるフェンスに沿って所定の間隔で設置された２つ以上の中継箱と、前記中継箱のそれぞれから引き出されて前記フェンスに沿って所定の範囲毎に敷設されると共に終端が終端箱に収納されたセンサケーブルと、前記センサケーブルのそれぞれに光を出力すると共に前記センサケーブルのそれぞれからの光を入力して、前記センサケーブルのそれぞれに加わる振動を感知するサニャック干渉系を用いたセンサ本体と、前記中継箱のそれぞれと前記センサ本体との間で光を伝搬する光ファイバケーブルと、前記センサ本体に電力を供給する電源と、前記センサ本体と前記電源とを電気的に接続する電源ラインと、を備えている光ファイバ振動センサである。

前記センサケーブルは、光ファイバを前記終端箱の内部で折り返してループ状とした光ファイバループを備えており、前記光ファイバループは、端部同士が光カプラにより光学的に接続されており、前記光カプラは、前記中継箱に収納されると共に前記光ファイバケーブルを介して前記センサ本体に光学的に接続されていると良い。

２つ以上の前記光ファイバケーブルは、多芯光ファイバケーブルとして纏められていると良い。

前記センサ本体は、所定の波長の光を発光する１つ以上の光源と、光を受光する１つ以上の受光器と、前記光源からの光経路と前記受光器からの光経路とを結合する１つ以上の光カプラと、前記光カプラに光学的に接続された１つ以上の偏光子と、前記偏光子に光学的に接続された１つ以上の入出力ポートと、前記光源や前記受光器の信号を処理する信号処理ユニットと、を備えていると良い。

本発明によれば、低コストでありながら検知可能な範囲が広範囲である光ファイバ振動センサを提供することができる。

本発明に係る光ファイバ振動センサを示す全体図である。 本発明に係る光ファイバ振動センサを示す詳細図である。 従来技術に係る光ファイバ振動センサを示す全体図である。 従来技術に係る光ファイバ振動センサを示す詳細図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１０は、外力が加えられると振動を生ずるフェンス１１に沿って所定の間隔で設置された２つ以上の中継箱１２と、中継箱１２のそれぞれから引き出されてフェンス１１に沿って所定の範囲毎に敷設されると共に終端が終端箱１３に収納されたセンサケーブル１４と、センサケーブル１４のそれぞれに光を出力すると共にセンサケーブル１４のそれぞれからの光を入力して、センサケーブル１４のそれぞれに加わる振動を感知するサニャック干渉系を用いたセンサ本体１５と、中継箱１２のそれぞれとセンサ本体１５との間で光を伝搬する光ファイバケーブル１６と、センサ本体１５に電力を供給する電源１７と、センサ本体１５と電源１７とを電気的に接続する電源ライン１８と、を備えていることを特徴とする。

フェンス１１は、揺すられたりよじ登られたりして加えられた外力により振動を生ずる柔軟性のある構造となっており、一般的には網目状の柵として良く知られているものが挙げられる。即ち、外力が加えられても何ら変形せずに振動を伝達しないような強硬な構造物は除かれる。

中継箱１２は、現実に箱型のものに限定されず、後述する光ファイバループ２０の始点となる部分を指している。図では、一例として、後述する第２の光カプラ２１を保護するために、これを収納する箱型のものを描いている。

終端箱１３は、現実に箱型のものに限定されず、後述する光ファイバループ２０の折り返し点となる部分を指している。図では、一例として、光ファイバループ２０の折り返し点を保護すると共に折り返し点の曲げ径を大きく（例えば、φ６０ｍｍ以上に）して曲げ損失を低減するために、折り返し点を余裕を持って収納する箱型のものを描いている。

図２に示すように、センサケーブル１４は、光ファイバ１９を終端箱１３の内部で折り返してループ状とした光ファイバループ２０を備えており、光ファイバループ２０は、端部同士が光カプラ（第２の光カプラ）２１により光学的に接続されており、第２の光カプラ２１は、中継箱１２に収納されると共に光ファイバケーブル１６を介してセンサ本体１５に光学的に接続されている。

光ファイバ１９としてシングルモード光ファイバ（Single Mode Fiber；ＳＭＦ）を用いた場合には、互いに直交すると共に伝搬定数の僅かに異なる２つの固有偏光モードが伝搬されることになるので、光ファイバ１９に加えられる応力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。

これに対して、光ファイバ１９として偏波面保存光ファイバ（Polarization Maintaining Fiber；ＰＭＦ）を用いた場合には、応力が加えられても偏波面が回転せず干渉雑音の発生を避けることが可能となるので、光ファイバ１９としては、偏波面保存光ファイバを用いることが好ましい。

光ファイバループ２０は、振動が加えられていない通常時に時計回り経路Ｃ_CWと反時計回り経路Ｃ_CCWとが同一の軌跡となるように、チューブ状の外皮２２に包まれてセンサケーブル１４とされている。外皮２２は、フェンス１１からの振動を効率良く光ファイバループ２０に伝達するために、可撓性に優れた材料からなることが好ましい。

ここでは、便宜的に光ファイバループ２０の経路を始点から折り返し点までの２つの経路に分け、時計回り光Ｌ_CWが光ファイバループ２０の始点から折り返し点の方向に伝搬される経路を時計回り経路Ｃ_CWとし、反時計回り光Ｌ_CCWが光ファイバループ２０の始点から折り返し点の方向に伝搬される経路を反時計回り経路Ｃ_CCWとする。

第２の光カプラ２１としては、１入力２出力（又は２入力１出力）の光ファイバカプラを用いる。この光ファイバカプラを構成する光ファイバとしては、前述した理由から、偏波面保存光ファイバを用いることが好ましい。

第２の光カプラ２１は、第１のポートが光ファイバケーブル１６に光学的に接続されており、第２のポートが光ファイバループ２０の一端に光学的に接続されており、第３のポートが光ファイバループ２０の他端に光学的に接続されている。そのため、第２の光カプラ２１によって光ファイバループ２０が閉じられている。

センサ本体１５は、所定の波長（例えば、１．３μｍ帯又は１．５μｍ帯）の光Ｌ₁を発光する１つ以上の光源２３と、干渉光Ｌ₂を受光する１つ以上の受光器２４と、光源２３からの光経路と受光器２４からの光経路とを結合する１つ以上の光カプラ（第１の光カプラ）２５と、第１の光カプラ２５に光学的に接続された１つ以上の偏光子２６と、偏光子２６に光学的に接続された１つ以上の入出力ポート２７と、光源２３や受光器２４の信号を処理する信号処理ユニット２８と、を備えている。

光源２３としては、レーザダイオード（Laser Diode；ＬＤ）と発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）の特性を併せ持つスーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode；ＳＬＤ）を用いることが好ましい。

スーパールミネッセントダイオードからの光Ｌ₁は、単色性が弱くレーザ光のように干渉することが殆ど無いので、光ファイバループ２０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雑音を低減することが可能となるからである。

受光器２４としては、フォトダイオード（PhotoDiode；ＰＤ）等を用いることができる。

第１の光カプラ２５としては、１入力２出力（又は２入力１出力）の光ファイバカプラを用いる。この光ファイバカプラを構成する光ファイバとしては、前述した理由から、偏波面保存光ファイバを用いることが好ましい。

第１の光カプラ２５は、第１のポートが光源２３に光学的に接続されており、第２のポートが受光器２４に光学的に接続されており、第３のポートが偏光子２６に光学的に接続されている。

偏光子２６は、コアの複屈折率が大きな光ファイバをコイル状にしたファイバ型の偏光子であり、光源２３からの光Ｌ₁（通常は、円偏光又は楕円偏光）を直線偏光とするものである。

入出力ポート２７は、偏光子２６と光ファイバケーブル１６とを光学的に接続するポートである。

これらの光源２３、受光器２４、第１の光カプラ２５、偏光子２６、及び入出力ポート２７は、敷設するセンサケーブル１４の数に応じて搭載されている。即ち、１つのセンサケーブル１４に対して１組の受光器２４、第１の光カプラ２５、偏光子２６、及び入出力ポート２７が必要となる。

但し、センサケーブル１４の数が少なく、１つの光源２３からの光Ｌ₁を分岐させて各センサケーブル１４に出力しても光強度が十分に確保できる場合等には、構成の一部を共通化して部品数の削減を図ることができる。

信号処理ユニット２８は、全ての光源２３や受光器２４と共通且つ電気的に接続されており、光源２３の駆動や受光器２４からの信号の処理及びその結果（振動波形や振動の強度等）の出力等を行うものである。

具体的な処理としては、受光器２４からの信号に基づいて、光ファイバループ２０を互いに逆方向に伝搬した時計回り光Ｌ_CWと反時計回り光Ｌ_CCWとの間の位相差を検出して、フェンス１１における振動の発生を検知し、その振動が侵入によるものであると判断された場合に音や光等で警告を発する手段（図示せず）に信号を出力する処理が挙げられる。

フェンス１１における振動が侵入によるものであるか否かの判断は、例えば、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して判断すれば良い。これにより、風等の自然現象による振動であるのか、侵入による振動であるのかを推定することができ、侵入による振動である場合のみ警告を発し、不必要な警告を防止することが可能となる。

光ファイバケーブル１６は、入出力ポート２７と第２の光カプラ２１との間に光学的に接続されており、中継箱１２とセンサ本体１５との間で光源２３からの光Ｌ₁や第２の光カプラ２１からの干渉光Ｌ₂を伝搬するものである。センサケーブル１４が複数ある場合には、全ての光ファイバケーブル１６を多芯光ファイバケーブルとして纏めて敷設性を向上させることが好ましい。

電源１７は、センサ本体１５の近傍に設置され、センサ本体１５の光源２３や信号処理ユニット２８を駆動するために、電源ライン１８を介してセンサ本体１５に電力を供給するものである。

次に、光ファイバ振動センサ１０の動作について説明する。

この光ファイバ振動センサ１０では、光源２３からの光Ｌ₁を偏光子２６により直線偏光とし、偏光子２６からの光Ｌ₁を入出力ポート２７から光ファイバケーブル１６に出力し、光ファイバケーブル１６を介して伝搬された光Ｌ₁を第２の光カプラ２１により時計回り光Ｌ_CWと反時計回り光Ｌ_CCWとに分岐する。

そして、第２の光カプラ２１からの時計回り光Ｌ_CWを光ファイバループ２０の一端、即ち時計回り経路Ｃ_CWに出力すると共に、第２の光カプラ２１からの反時計回り光Ｌ_CCWを光ファイバループ２０の他端、即ち反時計回り経路Ｃ_CCWに出力する。

光ファイバループ２０では、第２の光カプラ２１からの時計回り光Ｌ_CWと第２の光カプラ２１からの反時計回り光Ｌ_CCWとを互いに逆方向に伝搬させた後、時計回り光Ｌ_CWと反時計回り光Ｌ_CCWとを再び第２の光カプラ２１に出力する。

第２の光カプラ２１では、光ファイバループ２０からの時計回り光Ｌ_CWと光ファイバループ２０からの反時計回り光Ｌ_CCWとを干渉させて干渉光Ｌ₂とし、その干渉光Ｌ₂を受光器２４に出力する。

このとき、光ファイバループ２０に振動が加えられていた場合には、光ファイバループ２０を伝搬する時計回り光Ｌ_CWと反時計回り光Ｌ_CCWとの間で位相差が生じるため、受光器２４により受光した干渉光Ｌ₂の光強度が変化することになる。

光強度の変化を信号処理ユニット２８により検出することで、光ファイバループ２０に振動が加えられたことを検知し、侵入又はその予兆を検知することができる。この際、信号処理ユニット２８では、風等の自然現象によるフェンスの振動を侵入又はその予兆として検知しないように所定の信号処理がなされる。

これまで説明してきたように、本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１０によれば、従来技術に係る光ファイバ振動センサ３０の収納箱３２に相当するセンサ本体１５が１つだけしか存在せず、その１つのセンサ本体１５のみに電源１７からの電力を供給すれば良いので、長距離に亘って電源ライン１８を敷設する必要が無く、低コスト化を図ることができる。

また、本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１０によれば、光ファイバケーブル１６を長距離に亘って敷設することになるが、光ファイバケーブル１６は電源ライン１８とは異なり、長距離に亘って光を伝搬しても損失がそれほど多くなる訳では無いので、少なくとも数キロメートルから数十キロメートルまでは十分に光を伝搬することができる。そのため、光ファイバ振動センサ１０によって振動を検知可能な範囲を従来技術に係る光ファイバ振動センサ３０に比べて大幅に広げることが可能となる。

以上の通り、本発明によれば、低コストでありながら検知可能な範囲が広範囲である光ファイバ振動センサ１０を提供することができる。

１０ 光ファイバ振動センサ
１１ フェンス
１２ 中継箱
１３ 終端箱
１４ センサケーブル
１５ センサ本体
１６ 光ファイバケーブル
１７ 電源
１８ 電源ライン
１９ 光ファイバ
２０ 光ファイバループ
２１ 第２の光カプラ
２２ 外皮
２３ 光源
２４ 受光器
２５ 第１の光カプラ
２６ 偏光子
２７ 入出力ポート
２８ 信号処理ユニット

Claims (4)

1. 外力が加えられると振動を生ずるフェンスに沿って所定の間隔で設置された２つ以上の中継箱と、
   前記中継箱のそれぞれから引き出されて前記フェンスに沿って所定の範囲毎に敷設されると共に終端が終端箱に収納されたセンサケーブルと、
   前記センサケーブルのそれぞれに光を出力すると共に前記センサケーブルのそれぞれからの光を入力して、前記センサケーブルのそれぞれに加わる振動を感知するサニャック干渉系を用いたセンサ本体と、
   前記中継箱のそれぞれと前記センサ本体との間で光を伝搬する光ファイバケーブルと、
   前記センサ本体に電力を供給する電源と、
   前記センサ本体と前記電源とを電気的に接続する電源ラインと、
   を備えていることを特徴とする光ファイバ振動センサ。
2. 前記センサケーブルは、光ファイバを前記終端箱の内部で折り返してループ状とした光ファイバループを備えており、
   前記光ファイバループは、端部同士が光カプラにより光学的に接続されており、
   前記光カプラは、前記中継箱に収納されると共に前記光ファイバケーブルを介して前記センサ本体に光学的に接続されている請求項１に記載の光ファイバ振動センサ。
3. ２つ以上の前記光ファイバケーブルは、多芯光ファイバケーブルとして纏められている請求項１又は２に記載の光ファイバ振動センサ。
4. 前記センサ本体は、
   所定の波長の光を発光する１つ以上の光源と、
   干渉光を受光する１つ以上の受光器と、
   前記光源からの光経路と前記受光器からの光経路とを結合する１つ以上の光カプラと、
   前記光カプラに光学的に接続された１つ以上の偏光子と、
   前記偏光子に光学的に接続された１つ以上の入出力ポートと、
   前記光源や前記受光器の信号を処理する信号処理ユニットと、
   を備えている請求項１から３の何れか一項に記載の光ファイバ振動センサ。