JP2015105909A - Ofdr optical fiber measuring method using group delay calculation and device implementing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光周波数領域リフレクトメトリを用いた光ファイバセンシング技術における信号処理に関する。 The present invention relates to signal processing in an optical fiber sensing technique using optical frequency domain reflectometry.
光ファイバのコアに紫外線を照射して、規則的な縞(回折格子)を作ると、光ファイバの中を透過していく光の様々な波長の中でその縞の周期(屈折率)に合う波長だけが跳ね返(反射)される。この縞の周期は歪みや温度によって伸縮するため、このような光ファイバはセンサ(Fiber Bragg Grating:FBG)になる。このFBGを1本の光ファイバに複数個配置した周波数多重化(Optical Frequency Domain Reflectometry:OFDR)方式は、ファイバ全体を使って静歪み、変位、圧力、温度を計測するのに優れたものとして知られている。 When a regular fringe (diffraction grating) is formed by irradiating the core of an optical fiber with ultraviolet rays, it matches the period (refractive index) of the fringe among various wavelengths of light transmitted through the optical fiber. Only the wavelength is bounced (reflected). Since the period of the stripes expands and contracts due to strain and temperature, such an optical fiber becomes a sensor (Fiber Bragg Grating: FBG). The optical frequency domain reflectometry (OFDR) system, in which multiple FBGs are placed on a single optical fiber, is known to be excellent for measuring static strain, displacement, pressure, and temperature using the entire fiber. It has been.
FBGは通常、反射スペクトルのシフトを観測することでひずみ(あるいは温度)を計測する。FBGの反射スペクトルを観測する最も代表的な機器がスペクトラムアナライザである。代表例としてアンリツ社のスペクトラムアナライザは掃引速度が数Hzである。この場合、掃引速度がすなわち測定速度(周波数)となる。同社のFBGセンサモニタはFBG計測用に特化した使用となっており、これは1.2kHz以上の測定速度を有する。 The FBG usually measures strain (or temperature) by observing the shift of the reflection spectrum. The most representative device for observing the FBG reflection spectrum is a spectrum analyzer. As a typical example, an Anritsu spectrum analyzer has a sweep speed of several Hz. In this case, the sweep speed is the measurement speed (frequency). The company's FBG sensor monitor is specially used for FBG measurement, which has a measurement speed of 1.2 kHz or higher.
FBGの反射スペクトルそのものを直接観測するのではなく、反射信号の強度変調を追跡することで被測定物のひずみ・振動を計測する例もある。図12のようにFBGからの反射信号を受光器で観測する。受光器には図11に示すような波長依存の光起電力特性を持たせておく。これにより被測定物のひずみ変化により生じるブラッグ波長シフトが起電力の変化として観測される。この手法により最大250Hzでの測定が実証された。
このようにFBGを利用した高速測定の例は見られるが、これらはあくまでFBGを単点測定用に利用したものである。FBGセンサモニタの場合はFBGを多重化して計測することで準分布型の測定が可能である。
There is an example in which the distortion / vibration of the object to be measured is measured by tracking the intensity modulation of the reflected signal, instead of directly observing the FBG reflection spectrum itself. As shown in FIG. 12, the reflected signal from the FBG is observed with a light receiver. The light receiver has a wavelength-dependent photovoltaic characteristic as shown in FIG. As a result, a Bragg wavelength shift caused by a strain change of the object to be measured is observed as a change in electromotive force. This technique has demonstrated measurements at up to 250Hz.
As described above, examples of high-speed measurement using the FBG can be seen, but these use the FBG only for single point measurement. In the case of an FBG sensor monitor, quasi-distribution type measurement is possible by multiplexing and measuring FBGs.
特許文献1に示された例で、OFDR方式の多点歪計測装置の概要を示す。図13はその基本構成を示す図で、主要構成品は以下の通りである。
D1,D2,D3,D4: 光強度ディテクタ
C1: 5%−95%広帯域カップラ
C2-C5: 50%−50%広帯域カップラ
R1-R4: 全反射が起きるような終端
FC/PC1-3: 光ファイバ結合用FC/PCコネクタ
BNC1-3: 光強度電圧変換出力用BNCコネクタ
FBG1-2: FBGを5個配置した光ファイバ
計測は波長可変型光源よりレーザー光を供給し、波長をスイープさせながらディテクタ部で反射光の強度を測定する。データ処理には高速フーリエ変換やデジタルのフィルターを使用するので、一定間隔の光波数毎に計測を行う必要がある。ディテクタD1で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔△k(=π/nL)で周期的に変化する。光波数に対して周期的に変化するディテクタD1での光強度をトリガーとして使用して、センサ部である各FBGからの反射光の強度をディテクタD2、D3で計測する。
In the example shown in Patent Document 1, an outline of an OFDR multi-point strain measurement apparatus is shown. FIG. 13 is a diagram showing the basic configuration, and the main components are as follows.
D1, D2, D3, D4: Light intensity detector C1: 5% -95% broadband coupler C2-C5: 50% -50% broadband coupler R1-R4: Termination where total reflection occurs FC / PC1-3: Optical fiber FC / PC connector for coupling BNC1-3: BNC connector for light intensity voltage conversion output FBG1-2: Optical fiber with five FBGs placed in the detector The laser beam is supplied from a wavelength tunable light source and the detector is swept while the wavelength is swept Measure the intensity of reflected light. Since data processing uses a fast Fourier transform or a digital filter, it is necessary to perform measurement at every light wave number at regular intervals. The light intensity measured by the detector D1 periodically changes at a light wave number interval Δk (= π / nL) expressed by the following equation. Using the light intensity at the detector D1, which periodically changes with respect to the light wave number, as a trigger, the intensity of the reflected light from each FBG as the sensor unit is measured by the detectors D2, D3.
本発明者らが開発したOFDR式分布測定システムは、光源にその波長掃引速度が最高100nm/secのものを用いており、当研究室のシステムの測定速度は10Hzとなっている。観測した干渉信号の信号処理効率も測定速度に大きく影響する。現在のOFDR測定では波長掃引幅8nm,リファレンスアームであるL長(ディテクタD1信号用の二つの全反射端の行路長差)20mの条件で、一回の計測でバイナリ形式のファイルが0.76MBのサイズとなる。このサイズの大きさがデータ保存速度に影響し、測定速度に影響している。またこれは10Hzで5分間測定するとゆうに2GBを超える計算になり、長時間測定の場合は大きなストレージを用意しなくてはならない。実験室で測定データの取得を行った後に、解析作業を行いひずみ情報を算出する。ブラッグ波長分布を出力する解析は一つの測定データに対して1秒弱の時間がかかることになる。
現状では実験室でリアルタイムにひずみをモニタリングするのは難しい。というのは測定データの保存と解析、ひずみ情報の信号処理を並行して高速で行うことが出来ないためである。これらを並行して行うには、経験的に、一度の計測に一秒以上はかかってしまう。上述したように測定速度が10Hzといったときには測定データの保存だけを意味しており、ひずみ変動については実験後に解析を行ってからようやく把握している状況にある。
The OFDR type distribution measurement system developed by the present inventors uses a light source whose wavelength sweep speed is 100 nm / sec at the maximum, and the measurement speed of our laboratory system is 10 Hz. The signal processing efficiency of the observed interference signal also greatly affects the measurement speed. The current OFDR measurement uses a wavelength sweep width of 8 nm and a reference arm of L length (the difference in path length between the two total reflection ends for the detector D1 signal) of 20 m. A binary file is 0.76 MB in one measurement. It becomes size. This size affects the data storage speed and the measurement speed. Also, if this is measured at 10Hz for 5 minutes, it will be more than 2GB, and if you are measuring for a long time, you will have to prepare a large storage. After obtaining measurement data in the laboratory, analysis work is performed to calculate strain information. The analysis for outputting the Bragg wavelength distribution takes a little less than 1 second for one measurement data.
Currently, it is difficult to monitor strain in the laboratory in real time. This is because the storage and analysis of measurement data and the signal processing of strain information cannot be performed in parallel at high speed. To do these in parallel, experientially, it takes more than a second to make a single measurement. As described above, when the measurement speed is 10 Hz, it means that only the measurement data is stored, and the strain fluctuation is finally grasped after analysis after the experiment.
本発明者らのOFDR式分布測定システムの信号処理は短時間フーリエ変換(STFT:Short time Fourier transform)に基づいた手法を採用している。短時間フーリエ変換は測定データの解析、ひずみ情報の信号処理を高速に行うための手法で、特許文献1に提示されている。ただし、特許文献1ではスペクトログラム解析との用語で記載されている。図10にSTFTの概念図を示す。干渉信号に対して、ある波長を中心波長とした窓関数をかけることで干渉信号の一定波数区間を取り出す。取り出された窓関数内の干渉信号区間について高速フーリエ変換(FFT:fast Fourier transformation)解析を行うことで周波数スペクトルが算出される。周波数はファイバ位置に対応するので、FFTによりとある波長における反射光強度の空間分布を取得したことになる。すなわち、スペクトログラムにおける縦方向断面の一つである。そして窓関数をオーバーラップさせながら次々にずらして同様にFFT演算をしていくことで、すべての波数(波長)に亘って反射強度空間分布を算出できる。すなわちスペクトログラムを波長方向に掃引するように描画できる。なお、本手法では窓関数にハミングウィンドウを採用している。
表1に本研究で用いたことのあるSTFT演算の条件例を示す。この場合はデータ点数7455個の区間に対するFFTを1400回しなくてはならない。STFTはFFTを数多く演算する、CPU高負荷な演算である。
Table 1 shows examples of STFT calculation conditions that have been used in this study. In this case, the FFT must be performed 1400 times for the interval of 7455 data points. STFT is a CPU-intensive operation that calculates many FFTs.
本発明が解決する課題は、従来のSTFTによる信号処理よりも格段に高速処理が可能で、かつCPUへの負担が軽い、OFDR方式の計測装置におけるあらたな高効率の信号処理手法を提案することにある。 The problem to be solved by the present invention is to propose a new highly efficient signal processing technique in an OFDR measurement device that can perform processing much faster than conventional STFT signal processing and has a light burden on the CPU. It is in.
本発明のOFDR方式光ファイバ計測の信号処理方法は、FBGを1本の光ファイバに複数個配置したOFDR方式の光ファイバ計測装置において、観測されたブラッグ波長の初期信号とシフトされた信号から群遅延を演算してブラッグ波長シフトの分布を求めることを特徴とする。
前記群遅延の演算の第1の形態は、前記群遅延の演算は、初期信号とシフトされた信号の位相を検出し、位相のアンラッピングを行い、それぞれの位相誘導計算をしてその差から時間群遅延計算を行う位相微分方式を用いるものである請求項1に記載のOFDR方式光ファイバ計測の信号処理方法。
前記群遅延の演算の第2の形態は、初期信号とシフトされた信号の位相を検出し、それぞれにフーリエ変換を施し、周波数応答を求め、逆フーリエ変換によりインパルス応答を算出し、該インパルス応答を用いて群遅延を計算するZ変換方式を用いるものとした。
前記群遅延の演算の第3の形態は、初期信号とシフトされた信号の位相を検出し、それぞれにフーリエ変換を施し、周波数応答を求め、畳み込み積分によりインパルス応答を算出し、該インパルス応答を用いて群遅延を計算するZ変換方式を用いるものとした。
上記形態において、ノイズ処理のためインパルス応答h(k)およびk h(k)に窓関数をかけて特定の区間における次の関数を取り出し、その抜き出す位置を変えてFFTを繰り返し計算し、それらの総和で群遅延を計算するものとした。
The signal processing method of OFDR optical fiber measurement according to the present invention is a group of an initial signal of an observed Bragg wavelength and a shifted signal in an OFDR optical fiber measurement device in which a plurality of FBGs are arranged in one optical fiber. It is characterized by calculating a Bragg wavelength shift distribution by calculating a delay.
In the first form of the group delay calculation, the group delay calculation detects the phases of the initial signal and the shifted signal, performs phase unwrapping, calculates the respective phase inductions, and calculates the difference between them. 2. The signal processing method for OFDR optical fiber measurement according to claim 1, wherein a phase differential method for performing time group delay calculation is used.
The second form of the group delay calculation is to detect the phase of the initial signal and the shifted signal, perform a Fourier transform on each of them, obtain a frequency response, calculate an impulse response by an inverse Fourier transform, and calculate the impulse response. The Z conversion method for calculating the group delay using the above is used.
In the third form of the group delay calculation, the phase of the initial signal and the shifted signal is detected, Fourier transform is performed on each of the signals, a frequency response is obtained, an impulse response is calculated by convolution integration, and the impulse response is calculated. It was assumed that a Z conversion method was used to calculate the group delay.
In the above embodiment, the impulse response h (k) and kh (k) are subjected to a window function for noise processing to extract the next function in a specific section, and the FFT is calculated repeatedly by changing the extraction position. The group delay was calculated as the sum.
本発明のOFDR方式光ファイバ計測装置は、FBGを1本の光ファイバに複数個配置して、光の干渉強度周期的変化を利用するOFDR方式の計測装置において、ブラッグ波長の初期信号とシフトされた信号から群遅延を演算し、ブラッグ波長シフトの分布を求める信号処理手段を備えたことを特徴とする。 The OFDR optical fiber measurement apparatus of the present invention is shifted from the initial signal of the Bragg wavelength in the OFDR measurement apparatus using a plurality of FBGs arranged on one optical fiber and utilizing the periodic change of the interference intensity of light. And a signal processing means for calculating a Bragg wavelength shift distribution by calculating a group delay from the obtained signal.
本発明のOFDR方式光ファイバ計測の信号処理方法は、従来のSTFTによる信号処理よりも格段に高速処理が可能で、かつCPUへの負担が軽く、OFDR方式の計測装置における高効率の信号処理が実現できる。
Z変換による手法では、波長掃引幅に依存しない傾向を示しており、従来のSTFTによる手法よりも高い空間分解能を示す。また、計測時間については位相微分による群遅延手法と比べてもこのZ変換による手法の方が数倍速くなっている。
また、畳み込み積分によりインパルス応答を算出し、該インパルス応答を用いて群遅延を計算するZ変換方式においては、従来のSTFT手法の数十倍の計算効率が得られる。
The signal processing method of the OFDR optical fiber measurement of the present invention can perform processing at a much higher speed than the signal processing by the conventional STFT, and the burden on the CPU is light. realizable.
The Z conversion technique shows a tendency not to depend on the wavelength sweep width, and shows a higher spatial resolution than the conventional STFT technique. In addition, regarding the measurement time, the method using the Z transformation is several times faster than the group delay method using phase differentiation.
Further, in the Z conversion method in which the impulse response is calculated by convolution integration and the group delay is calculated using the impulse response, the calculation efficiency is several tens of times that of the conventional STFT method.
本発明のOFDR方式光ファイバ計測装置は、ブラッグ波長の初期信号とシフトされた信号から群遅延を演算し、ブラッグ波長シフトの分布を求める信号処理手段を備えたものであるから、従来のSTFTによる計測装置より、信号処理よりも格段に高速処理が可能で、かつCPUへの負担が軽く、高効率の信号処理が実現可能なOFDR方式の計測装置を提供することができる。 The OFDR optical fiber measuring device of the present invention includes a signal processing means for calculating a group delay from an initial signal of a Bragg wavelength and a shifted signal and obtaining a distribution of the Bragg wavelength shift. The measurement apparatus can provide an OFDR measurement apparatus that can perform processing at a significantly higher speed than signal processing, can reduce the burden on the CPU, and can realize highly efficient signal processing.
本発明が提案する新たなOFDR信号処理である群遅延演算の原理・特徴について説明する。OFDRにより生成される干渉信号は、各位置に準じた周波数を有する搬送波がのったブラッグスペクトルの重ね合わせである。とある位置(とある周波数)におけるブラッグスペクトルを取り出すと図1のようになる。搬送波の周波数は同じ位置を見ている限り一定であり、ブラッグ波長シフトは信号の包絡線(振幅変調)シフトで表される。この包絡線シフトが“群遅延”に対応する。
OFDRが取得するFBG反射光の干渉信号は、FBG長を微小区間に区切って考えると、各微小区間における反射スペクトルの重ね合わせである。各々の反射スペクトルは区間位置に線形相関した周波数を持つ搬送波がブラッグスペクトルに乗算されたものである。すなわち反射スペクトルの包絡線はブラッグスペクトルに対応する。ひずみ変動を経験する前後の包絡線シフトを算出すればひずみ変動を計測できるが、包絡線シフトは群遅延に相当する。従って周波数領域で群遅延を算出すれば、FBG内各区間におけるひずみ変動を分布的に取得できる。
The principle and characteristics of group delay calculation, which is a new OFDR signal processing proposed by the present invention, will be described. The interference signal generated by OFDR is a superposition of the Bragg spectrum with a carrier wave having a frequency according to each position. When a Bragg spectrum at a certain position (a certain frequency) is taken out, it is as shown in FIG. The frequency of the carrier wave is constant as long as the same position is seen, and the Bragg wavelength shift is expressed by an envelope (amplitude modulation) shift of the signal. This envelope shift corresponds to “group delay”.
The interference signal of the FBG reflected light acquired by the OFDR is a superposition of reflection spectra in each minute section when the FBG length is divided into minute sections. Each reflection spectrum is obtained by multiplying a Bragg spectrum by a carrier having a frequency linearly correlated with a section position. That is, the envelope of the reflection spectrum corresponds to the Bragg spectrum. By calculating the envelope shift before and after experiencing the strain variation, the strain variation can be measured, but the envelope shift corresponds to the group delay. Therefore, if the group delay is calculated in the frequency domain, the strain variation in each section in the FBG can be acquired in a distributed manner.
ひずみ変化前の干渉信号をf1(k)、ひずみ変化後の干渉信号をf2(k)とすると、これら二つはインパルス応答h(k)を用いて
STFTと群遅延計算では演算の意味合いでどのような差があるのかを説明すれば、STFTは反射光強度の空間分布を波長成分全域に亘って算出する。わかりやすくするため軸を違う方向からみれば、ブラッグ“スペクトル”の空間分布を算出する演算である。一方群遅延計算ではブラッグ“波長シフト”の空間分布を演算する。図2のように、STFTによる出力の方がスペクトル形状を観測できるために情報量が豊富だが、演算コストも高くなる。もちろんブラッグ波長シフトを出力するためにはシフト前と後の二つの信号に対してSTFT演算を施さなくてはならない。それに対して群遅延計算ではブラッグ波長シフトしか算出されないためにひずみ変化といった情報しか引き出せないが、その分演算コストは低くなる。 If the difference between STFT and group delay calculation is explained in terms of calculation, the STFT calculates the spatial distribution of reflected light intensity over the entire wavelength component. To make it easier to understand, if you look at the axis from different directions, it is an operation that calculates the spatial distribution of the Bragg “spectrum”. On the other hand, in the group delay calculation, the spatial distribution of Bragg “wavelength shift” is calculated. As shown in FIG. 2, the output from the STFT has a larger amount of information because the spectrum shape can be observed, but the calculation cost is higher. Of course, in order to output the Bragg wavelength shift, the STFT operation must be performed on the two signals before and after the shift. On the other hand, since only the Bragg wavelength shift is calculated in the group delay calculation, only information such as distortion change can be extracted, but the calculation cost is reduced accordingly.
本発明では従来のSTFT演算による信号処理に代わる信号処理手法として群遅延計算に基づく新たなアプローチを提案する。本発明では群遅延計算に基づく信号処理手法として二種類のアプローチを提案する。一つは「位相微分を用いる方法」であり、これは直接的に群遅延を計算する手法である。もう一つは「Z変換を用いる方法」である。これは微分演算をZ領域に持ち込む手法である。
まず、位相微分を用いる方法であるが、この手法では式に示したように周波数応答の位相微分を行うことで群遅延を計算する。ここで位相アンラッピングの手間と不確定性について考えなければならない。周波数応答の位相は図3で例示されるように−π〜πの範囲で周期的に変動する。位相の微分を行うためには位相の“アンラッピング”を行わなくてはいけない。つまり位相が−πかπの境界をまたいだときに、図4に示す様に位相に±2πする必要が出てくる。ここでさらに問題となるのがアンラッピングの“不確定性”である。位相変動が−πかπの境界をまたいだのかどうかの判断には不確定性がつきまとう。例えば0であった位相が次点で2π/3になったとき、2π/3分の位相の増加によって2π/3となったのか、−4π/3分の位相の減少で2π/3となったのかはわからない。−4π/3分の位相減少の場合は境界をまたいでいるため、アンラッピングが必要である。点間における位相変化幅の許容基準を設けるなどしてアンラッピングする又はしないかの判断をしなくてはならない。
図5に本手法の演算フローを示す。本手法では二つの信号f1,f2それぞれについて位相を求め、アンラッピングを行う。位相の微分を行ったのちに二つの値の差を計算することで群遅延を求める。しかし、上記の手法は計算スピードにおいては従来のSTFT法に比べ、格段の改善がなされるのであるが、アンラッピングの手間・不確定性の問題を伴いリアルタイムの信号処理と動作安定性において十分に満足できるものではなかった。
The present invention proposes a new approach based on group delay calculation as a signal processing technique that replaces the conventional signal processing by STFT operation. In the present invention, two types of approaches are proposed as signal processing techniques based on group delay calculation. One is a “method using phase differentiation”, which is a method for directly calculating the group delay. The other is a “method using Z transformation”. This is a technique for bringing a differential operation into the Z region.
First, a method using phase differentiation is used. In this method, the group delay is calculated by performing phase differentiation of the frequency response as shown in the equation. Here, it is necessary to consider the labor and uncertainty of phase unwrapping. The phase of the frequency response periodically varies in the range of −π to π as illustrated in FIG. In order to perform phase differentiation, phase “unwrapping” must be performed. That is, when the phase crosses the boundary of −π or π, it is necessary to make the phase ± 2π as shown in FIG. A further problem here is unwrapping “uncertainty”. There is uncertainty in determining whether the phase variation crosses the boundary of -π or π. For example, when the phase that was 0 becomes 2π / 3 at the next point, it becomes 2π / 3 due to an increase in phase by 2π / 3, or 2π / 3 by a decrease in phase by -4π / 3. I don't know if it was. In the case of a phase decrease of −4π / 3 minutes, the boundary is crossed, so unwrapping is necessary. It is necessary to determine whether or not to unwrap, for example, by setting an acceptance criterion for the phase change width between points.
FIG. 5 shows the calculation flow of this method. In this method, the phase is obtained for each of the two signals f 1 and f 2 and unwrapping is performed. After differentiating the phase, the group delay is obtained by calculating the difference between the two values. However, although the above method is much improved in calculation speed compared to the conventional STFT method, it is sufficiently troublesome in real-time signal processing and operation stability with problems of unwrapping and uncertainty. It was not satisfactory.
そこで、本発明らが推奨する手法は「Z変換を用いる方法」である。これは微分演算をZ領域に持ち込む手法である。
このZ変換を用いる方法について以下に説明する。位相微分を用いる方法で述べたアンラッピングの手間・不確定性を気にしなくていいのがZ変換を用いる方法である。一般に計算コストが高い微分演算を行わなくてもよいこともこの手法の特徴である。この手法では微分演算をZ領域に持ち込むことで巧みに回避している。数式的な導出を以下に示す。
周波数応答Hを振幅Aと位相πで表すと
式(13)より、微分およびアンラッピングを行わずに群遅延を計算できる。しかしフーリエ変換や、周波数応答Hからインパルス応答hを算出するときに逆フーリエ変換を用いるため、演算過程でノイズ除去を行う必要が出てくる。
Therefore, the method recommended by the present inventors is the “method using Z transformation”. This is a technique for bringing a differential operation into the Z region.
A method using this Z conversion will be described below. The method using the Z transformation does not have to worry about the unwrapping effort and uncertainty described in the method using phase differentiation. It is also a feature of this method that it is generally not necessary to perform a differential operation with a high calculation cost. This technique skillfully avoids differential operations by bringing them into the Z region. The mathematical derivation is shown below.
When frequency response H is expressed by amplitude A and phase π
From Equation (13), the group delay can be calculated without performing differentiation and unwrapping. However, since the inverse Fourier transform is used when calculating the impulse response h from the Fourier transform or the frequency response H, it is necessary to remove noise in the calculation process.
図6に上記手法の演算フローを示す。基本的には二つの信号f1,f2それぞれにフーリエ変換を施し、周波数応答を求め、逆フーリエ変換によりインパルス応答を算出する。インパルス応答を用いて群遅延を計算する。
ノイズ除去のために窓関数(ハン窓)を演算するタイミングが二度、ゼロパッディングを行うタイミングが一度ある。逆フーリエ変換によるノイズを除去するため、図6に示されるウィンドウ2のタイミングでインパルス応答hに行う演算は必須である。二つの干渉信号f1,f2それぞれをフーリエ変換する前に窓関数をかけるウィンドウ1の場合は、この演算の有無で群遅延計算結果の特性が変わってくる。ハン窓を用いるのは窓両端で振幅が0になるからである。本手法ではハン窓を採用した。
ゼロパッディングはf1信号の後ろに、f2信号の前に同じ長さの0列を付け足す行程である。これにより周波数応答を算出するときにノイズが出にくくなる場合がある。しかしデータ量が二倍になるため計算コストもそれだけ高くなる。
FIG. 6 shows a calculation flow of the above method. Basically, each of the two signals f 1 and f 2 is subjected to Fourier transform, a frequency response is obtained, and an impulse response is calculated by inverse Fourier transform. The group delay is calculated using the impulse response.
There are two timings for calculating the window function (Han window) for noise removal and one timing for zero padding. In order to remove noise due to the inverse Fourier transform, an operation performed on the impulse response h at the timing of the window 2 shown in FIG. 6 is essential. In the case of window 1 in which a window function is applied before Fourier transform of each of the two interference signals f 1 and f 2 , the characteristics of the group delay calculation result change depending on the presence or absence of this calculation. The Han window is used because the amplitude becomes zero at both ends of the window. In this method, a Hann window was adopted.
Zero padding is a process of adding 0 columns of the same length after the f 1 signal and before the f 2 signal. This may make it difficult to generate noise when calculating the frequency response. However, since the amount of data is doubled, the calculation cost increases accordingly.
前述した位相微分、Z変換を用いた群遅延計算による信号処理手法の性能比較を実証データで表2に示す。Z変換はウィンドウ1と2の演算を施している。信号処理性能はいずれの手法においてもL長には依らず、波長掃引幅(sweep幅)に依存していたため、波長掃引幅7nm,14nm,21nmの3ケースを取り上げた。計測時間は同等の測定結果をもたらすSTFT演算にかかる時間を1としている。
本発明者らは上記の信号処理手法に追加修正する形で更なる改良型のZ変換を用いた信号処理方法を開発した。
この手法を以下に説明する。
前述したように、周波数応答H(ω)の位相をφ(ω)とすれば、群遅延Tg(ω)は式(3)で表される。これはインパルス応答hを用いれば
図7を参照しながら信号処理の流れを説明する。
この手法ではインパルス応答h(k)は畳み込み積分により求める。
h(k)=(f2*f1)(k) (15)
フーリエ変換後の関数を高速フーリエ変換fft ( )を用いて
H(ω)=fft (h(k)) (16)
Hk(ω)=fft (k h(k)) (17)
とすれば、求める群遅延は
HkやHはhkやhのフーリエ変換なので、
This technique will be described below.
As described above, when the phase of the frequency response H (ω) is φ (ω), the group delay T g (ω) is expressed by Expression (3). If the impulse response h is used,
The flow of signal processing will be described with reference to FIG.
In this method, the impulse response h (k) is obtained by convolution integration.
h (k) = (f 2 * f 1 ) (k) (15)
Using the fast Fourier transform fft ()
H (ω) = fft (h (k)) (16)
H k (ω) = fft (kh (k)) (17)
If so, the desired group delay is
H k and H are Fourier transforms of h k and h, so
ノイズ処理を行う場合には図8に示すように、上記の信号処理手法に追加修正する形でノイズ処理手法となる。
インパルス応答h(k)およびk h(k)に窓関数をかけて特定の区間における次の関数を取り出す。
その一部分について群遅延を求めると
図9に示すように、この抜き出す位置を変えて(窓関数をずらして)
この処理はFFT長の縮小により算出されるひずみ点数が減少する、すなわち空間分解能が低下する反面、ノイズを大きく低減する効果がある。空間分解能、ノイズ低減効果、信号処理時間は窓関数とそのスライドの長さにより調整される。この作業はSTFT演算中の計算過程に似ているが、窓関数の長さ、窓関数をスライドする長さともにSTFTの場合よりはるかに大きく設定しても十分な効果が得られることが大きなメリットである。
In the case of performing noise processing, as shown in FIG. 8, the noise processing method is obtained by additionally modifying the above signal processing method.
A window function is applied to the impulse responses h (k) and kh (k) to extract the next function in a specific interval.
If we find the group delay for that part
As shown in Fig. 9, change the extraction position (shift the window function)
This processing reduces the number of strain points calculated by reducing the FFT length, that is, the spatial resolution is lowered, but has the effect of greatly reducing noise. Spatial resolution, noise reduction effect, and signal processing time are adjusted by the window function and its slide length. This work is similar to the calculation process during STFT operation, but it is a great merit that a sufficient effect can be obtained even if the length of the window function and the length of sliding the window function are set much larger than in the case of STFT. It is.
本発明に係る改良型のZ変換による群遅延演算を用いたOFDR方式光ファイバ計測装置の効果をシミュレーションにより検証したデータを以下に示す。
この試験では図13に示されるOFDRシステムを使用し、センシング領域を5m(これはリファレンスアーム長L=10mに相当)とし、波長可変光源波長掃引を10nmとした。そして、群遅延演算におけるノイズ処理のための窓関数の幅を1.35nm、窓関数のスライド長さを0.7nmとした。FBG観測信号を生成したシミュレーション条件の詳細は表3に示す通りである。
本発明の群遅延演算は信号処理速度において従来のSTFTの数十倍の性能が得られることが確認できた。
Data obtained by verifying the effect of the OFDR optical fiber measurement device using the group delay calculation by the improved Z conversion according to the present invention by simulation is shown below.
In this test, the OFDR system shown in FIG. 13 was used, the sensing area was 5 m (this corresponds to the reference arm length L = 10 m), and the wavelength variable light source wavelength sweep was 10 nm. The width of the window function for noise processing in the group delay calculation is 1.35 nm, and the slide length of the window function is 0.7 nm. Details of the simulation conditions for generating the FBG observation signal are as shown in Table 3.
It has been confirmed that the group delay calculation of the present invention can achieve several tens of times the performance of the conventional STFT at the signal processing speed.
D1,D2,D3,D4: 光強度ディテクタ
C1: 5%−95%広帯域カップラ
C2-C5: 50%−50%広帯域カップラ
R1-R4: 全反射が起きるような終端
D1, D2, D3, D4: Light intensity detector C1: 5% -95% broadband coupler C2-C5: 50% -50% broadband coupler R1-R4: Termination where total reflection occurs
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