JP2019211309A - 振動分布測定システム、振動波形解析方法、振動波形解析装置、および解析プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】ＯＦＤＲに基づく動的歪み分布測定において、上記の周波数変調の影響を考慮し、動的歪みの時間波形を分布測定できるシステムを提供する。【解決手段】センシングファイバに印加された振動の分布を測定する振動分布測定システムであって、周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光とに２分岐する光分岐手段と、前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た、前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波する光合波手段と、前記光合波手段の出力光から得たビート信号を解析する解析部とを備え、前記解析部は、前記センシングファイバの振動の周期よりも十分短い測定時間で前記ビート信号を測定することで、前記信号光の分布波形を測定して得た測定結果から距離オフセットを推定し、前記距離オフセットを補償して任意の位置における振動の分布を測定することを特徴とする振動分布測定システムとした。【選択図】図１
Description
本発明は、光ファイバセンシングによる振動分布測定システム、振動波形解析方法、振動波形解析装置および解析プログラムに関する。
光ファイバをセンサーとして用いた光ファイバセンシングの分野では、測定対象に配置されたセンシングファイバにプローブ光を通過させて得られる透過光、反射光、後方散乱光などから、測定対象の種々の物理量を測定することができる。特に、測定対象の機械的な振動によってセンシングファイバに印加された歪みの時間変化（以下、動的歪みと呼ぶ）を、センシングファイバの長手方向の異なる位置で分布測定することができる。
従来、このような動的歪みの分布測定については、非特許文献１（以下、従来技術１と呼ぶ。）と非特許文献２（以下、従来技術２と呼ぶ。）に報告がある。また、非特許文献３（以下、従来技術３と呼ぶ。）には、後方散乱光のスペクトルシフト量測定に基づく静的歪み分布測定技術の記載があり、従来技術１は、この従来技術３の測定繰返し周波数を上げて後方散乱光のスペクトルシフト量の時間変化を測定することで実現されている。
まず、従来技術１記載の動的歪み分布測定技術について述べる。従来技術１は、光周波数領域反射計測技術（Optical Frequency Domain Reflectometry：ＯＦＤＲ）と呼ばれる技術であって、周波数掃引光源からの周波数掃引光をプローブ光としてセンシングファイバに入力して、センシングファイバから戻ってくる後方散乱光と周波数掃引光を分岐したローカル光とのビートを取る。ビート信号のビート周波数が散乱体までの距離に対応することを利用して、各距離における後方散乱光の波形、すなわち後方散乱光の分布波形を繰り返し測定するものである。分布波形の任意の区間を切り出し、これに対応するセンシングファイバの区間を歪みセンサー区間とする。歪みセンサー区間の分布波形のフーリエ変換（の絶対値の2乗）は、歪みセンサー区間における後方散乱光の光周波数スペクトル（以下、スペクトル）を表す。
後方散乱光のスペクトルは、歪みセンサー区間に対応するセンシングファイバの区間に含まれる散乱体の反射率や配列間隔によって決まる。この様な散乱体は、センシングファイバの製造時に意図的に組み込まれ、あるいはファイバの媒質の組成などの自然な変動により生成されている。
一様な歪みが歪みセンサー区間に印加された場合、散乱体の配列間隔は一様に変化し、後方散乱光のスペクトルが歪み量に応じてスペクトルシフト（周波数軸上でシフト）する。参照基準となるスペクトルと歪み印加時のスペクトルの周波数領域に於ける相互相関を計算し、スペクトルシフト量を測定することで、歪み量を測定することができる。従来技術１における測定繰返し周波数は50Hzであり、動的歪みの時間波形の分布測定を実現している。
従来技術２記載の動的歪み分布測定も、同様なＯＦＤＲに基づくものである。従来技術２では、無振動状態と振動状態のそれぞれでセンシングファイバの損失分布波形を測定し比較する。動的歪み印加区間とその周波数のみを測定しているが、動的歪みの大きさを測定することについては明確な記載はない。ＯＦＤＲで測定される損失分布波形は、ローカル光と後方散乱光のビート信号のスペクトルで与えられる。距離がビート周波数に割り当てられるが、動的歪み印加区間を伝搬した信号光のビート周波数は動的歪みの周波数で変調され、スペクトル構造が変化する。損失分布波形において、スペクトル構造が変化した地点を特定することで、動的歪みの印加箇所とその周波数を分布測定するものである。
D. P. Zhou, et. al., "Distributed dynamic strain measurement using optical frequency-domain reflectometry", Appl. Opt., vol. 55, no. 24, pp. 6735-6739, 2016.
Z. Ding, et. al., "Long-range OFDR-based distributed vibration optical fiber sensor by multicharacteristics of Rayleigh scattering", IEEE Photon. J., vol. 9, no. 5, 2017.
M. Froggatt and J. Moore, "High-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter", Appl. Opt., vol. 37, no. 10, pp. 1735-1740, 1998.
一般的にセンシングファイバに印加される時間的に変動する動的歪みは、センシングファイバの後方散乱光に周波数変調を発生させる。動的歪みの分布測定では、センシングファイバのプローブ光入射端から数えて第Ｎ番目の動的歪み区間からの後方散乱光は、第１番目〜第（Ｎ−１）番目の動的歪みの区間をプローブ光として伝搬し、第Ｎ番目の動的歪み区間で後方散乱され、第（Ｎ−１）番目〜第１番目の動的歪み区間を伝搬する。第１番目〜第（Ｎ−１）番目の動的歪み区間を往復することで、各動的歪みによる周波数変調を２回受ける。最終的に動的歪み区間の複数の散乱体からの後方散乱光が、センシングファイバの入力端で合成されて信号光として観測される。
ＯＦＤＲでは、周波数掃引光源からの周波数掃引光を分岐したローカル光と、センシングファイバからの後方散乱光で構成された信号光の間のビート周波数のスペクトルに基づいてセンシングファイバの状態を測定するため、動的歪みによる周波数変調は、いわばカメラに於ける手振れのように測定結果に影響を与える。
従来技術１では、動的歪みの時間波形を分布的に測定しているが、動的歪みによる周波数変調が与える影響に言及されておらず、動的歪みの時間波形を分布的に測定できる条件は明らかにされていない。従来技術２では、ビート周波数スペクトルが周波数変調によって変化することを利用して動的歪み区間の特定やその周波数を測定できる方法が報告されているが、動的歪みの大きさ（振動の振幅）を測定することができない。以上のように、動的歪みの時間波形を分布的に測定できる条件や技術は未確立である。
本発明の実施形態では、従来技術の上記問題を鑑み、ＯＦＤＲに基づく動的歪みの分布測定において、上記の周波数変調の影響を考慮し、動的歪みの時間波形を分布測定できる装置を提供することを目的とする。
本発明の実施形態は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
センシングファイバに印加された振動の分布を測定する振動分布測定システムであって、
周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光とに２分岐する光分岐手段と、
前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波する光合波手段と、
前記光合波手段の出力光から得たビート信号を解析する解析部とを備え、
前記解析部は、前記センシングファイバの振動の周期よりも十分短い測定時間で前記ビート信号を測定することで前記ビート信号の分布波形を測定して得た測定結果から距離オフセットを推定し、前記距離オフセットを補償して任意の位置における振動の分布を測定する
ことを特徴とする振動分布測定システム。
センシングファイバに印加された振動の分布を測定する振動分布測定システムであって、
周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光とに２分岐する光分岐手段と、
前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波する光合波手段と、
前記光合波手段の出力光から得たビート信号を解析する解析部とを備え、
前記解析部は、前記センシングファイバの振動の周期よりも十分短い測定時間で前記ビート信号を測定することで前記ビート信号の分布波形を測定して得た測定結果から距離オフセットを推定し、前記距離オフセットを補償して任意の位置における振動の分布を測定する
ことを特徴とする振動分布測定システム。
（構成２）
前記解析部は、振動による距離オフセットを前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて推定し、歪み測定区間の距離を補正する
ことを特徴とする構成１に記載の振動分布測定システム。
前記解析部は、振動による距離オフセットを前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて推定し、歪み測定区間の距離を補正する
ことを特徴とする構成１に記載の振動分布測定システム。
（構成３）
前記周波数掃引光の周波数掃引時間よりも長い周期を持つ振動に対して、
前記センシングファイバの振動状態における分布波形を前記参照波形として利用する
ことを特徴とする構成２に記載の振動分布測定システム。
前記周波数掃引光の周波数掃引時間よりも長い周期を持つ振動に対して、
前記センシングファイバの振動状態における分布波形を前記参照波形として利用する
ことを特徴とする構成２に記載の振動分布測定システム。
（構成４）
コンピュータが、センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析方法において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析方法であって、
前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正するステップと、
測定時刻における分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求めるステップと
を有することを特徴とする振動波形解析方法。
コンピュータが、センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析方法において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析方法であって、
前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正するステップと、
測定時刻における分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求めるステップと
を有することを特徴とする振動波形解析方法。
（構成５）
センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析装置において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析装置であって、
前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正する手段と、
測定時刻における前記分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求める手段と
を備えたことを特徴とする振動波形解析装置。
センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析装置において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析装置であって、
前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正する手段と、
測定時刻における前記分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求める手段と
を備えたことを特徴とする振動波形解析装置。
（構成６）
コンピュータに、構成４記載の振動波形解析方法を実行させるための解析プログラム。
コンピュータに、構成４記載の振動波形解析方法を実行させるための解析プログラム。
以上記載したように、本発明の実施形態によれば、従来技術の上記問題を鑑み、ＯＦＤＲに基づく動的歪み分布測定において、上記の周波数変調の影響を考慮し、動的歪みの時間波形を分布測定できる装置を提供することが可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（測定系の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る振動分布測定システム（振動波形解析装置を含む）の実施例を示す図である。図１には、周波数掃引光源１、トリガ源２、トリガ信号分岐器３、光分岐器４、光サーキュレータ５、センシングファイバ６、光合波器７、バランス型受光器８、Ａ／Ｄ変換器９、集録データ格納器１０、解析部１１が示される。
図１は、本発明の実施形態に係る振動分布測定システム（振動波形解析装置を含む）の実施例を示す図である。図１には、周波数掃引光源１、トリガ源２、トリガ信号分岐器３、光分岐器４、光サーキュレータ５、センシングファイバ６、光合波器７、バランス型受光器８、Ａ／Ｄ変換器９、集録データ格納器１０、解析部１１が示される。
周波数掃引光源１は例えば高速に周波数掃引が可能なレーザであって、トリガ源２からのトリガ信号を受けて周波数掃引光を所定の掃引周期で繰り返し出力する。周波数掃引光は光分岐器４によって２分岐され、一方は光サーキュレータ５に供給されるプローブ光Ｌprobeとなり、他方は光合波器７に供給されるローカル光Ｌlocalとなる。
プローブ光Ｌprobeは、方向性結合素子である光サーキュレータ５を介してセンシングファイバ６に入射し、センシングファイバ６内の散乱体によって後方散乱され、入射側に戻ってくる。センシングファイバ６の各位置からの後方散乱光Ｌbsを重ね合わせた信号光Ｌsignalは、センシングファイバ６を出て、光サーキュレータ５を介して光合波器７に伝搬する。信号光Ｌsignalは、光合波器７で光分岐器４からのローカル光Ｌlocalと合波され、受光器であるバランス型受光器８によってそれらのビート信号Ｓbeatが電気信号として出力される。ビート信号Ｓbeatは、周波数掃引光源１とトリガ源２を共有するＡ／Ｄ変換器９によって標本化され、デジタル信号として測定される。
測定された各時刻のビート信号は、集録データ格納器１０に格納され、振動波形解析装置にあたる解析部１１において解析されて、振動分布の測定、振動波形の解析が行われる。図１記載の測定装置を備えたシステムで、センシングファイバの任意の区間における後方散乱光スペクトルを測定し、振動分布および振動波形を測定、解析することができる。
（想定しているセンシングファイバのモデル）
図２は、図１の測定システムにおいて想定しているセンシングファイバ６の状況を示すモデルの図である。図２では、図示しない左端の測定システムから入射したプローブ光Ｌprobeがセンシングファイバ６の第１の動的歪み区間１２を伝搬し、第２の動的歪み区間１３を構成する散乱体によって後方散乱され、再び第１の動的歪み区間１２を伝搬して入力端に戻り、信号光Ｌsignalとして出射する状況を示している。
図２は、図１の測定システムにおいて想定しているセンシングファイバ６の状況を示すモデルの図である。図２では、図示しない左端の測定システムから入射したプローブ光Ｌprobeがセンシングファイバ６の第１の動的歪み区間１２を伝搬し、第２の動的歪み区間１３を構成する散乱体によって後方散乱され、再び第１の動的歪み区間１２を伝搬して入力端に戻り、信号光Ｌsignalとして出射する状況を示している。
前述のように、この様な散乱体は、センシングファイバの製造時に意図的に組み込まれたもの、あるいはファイバの媒質の組成などの自然な変動により生成されたものであってもよい。
第１の動的歪み区間１２の機械的振動により、出射する信号光Ｌsignalは次に述べるような位相変調を受けている。
（振動による位相変調の例）
図３は、図２の第１の動的歪み区間１２で発生する機械的な振動による位相変調の波形の一例を示す図である。図３では、第１の動的歪み区間１２の機械的な振動によって発生する位相変調波形の１周期分Ｐmodの時間区間を示す。Ｐmodの時間区間において、Ｎ回のビート信号測定Ｍｅｓ１〜ＭｅｓＮが行われ、各測定期間は最大で周波数掃引光の１掃引周期となる。
図３は、図２の第１の動的歪み区間１２で発生する機械的な振動による位相変調の波形の一例を示す図である。図３では、第１の動的歪み区間１２の機械的な振動によって発生する位相変調波形の１周期分Ｐmodの時間区間を示す。Ｐmodの時間区間において、Ｎ回のビート信号測定Ｍｅｓ１〜ＭｅｓＮが行われ、各測定期間は最大で周波数掃引光の１掃引周期となる。
プローブ光Ｌprobeが第１の動的歪み区間１２を伝搬し、第２の動的歪み区間１３を構成する散乱体で後方散乱され、再び第１の動的歪み区間１２を伝搬するまでの往復時間が、位相変調の周期Ｐmodに比べて十分短い場合、往路での位相変調波形と復路での位相変調波形は同一と見なせる。よって、往復で伝搬した光が受ける位相変調量は、往路での位相変調の２倍となる。往復伝搬した信号光Ｌsignalの１測定分の電界波形Ｅsignal(t)は、次式（１）で表される。
ここで、ν0は周波数掃引における初期周波数、γは周波数掃引速度、φ(t)は往復で伝搬した光が受ける位相変調波形を表す。式（１）で表される電界波形の瞬時周波数νinst.(t)は、次式（２）で表される。
式（２）の右辺第３項は、動的歪みによる周波数変調である。図３に示すように、センシングファイバに印加される複数の動的歪みにより発生する周波数変調（位相変調）のうち最小周期のもの（図３の「位相変調の周期Ｐmod」の時間区間）よりも、ローカル光と信号光間のビート信号を測定する時間（図３の「１回目の測定Ｍｅｓ１」、または「２回目の測定Ｍｅｓ２」の時間区間）が十分に短い場合には、動的歪みによる位相変調は線形的な位相変調に近似できる。すなわち、位相変調は一定の周波数変調量を持つ周波数変調（図３の「瞬時周波数νinst.」の矢印の傾きに相当）となる。したがって、式（２）は次式（３）のように近似して表される。
ここで、νoffsetは線形的に近似された位相変調として信号光に与えられる周波数オフセットを表す。ＯＦＤＲではローカル光と信号光のビート信号を測定し、ビート信号Ｓbeatのビート周波数を距離に割り当てる。式（３）で与えられる周波数オフセットを持つ信号光とローカル光の間のビート周波数fbeatは、次式（４）になる。
ここで、ｚは距離、ｃはファイバ中の光速、２ｚ／ｃは信号光とローカル光の間の遅延時間、ｚoffsetは周波数オフセットνoffsetによる距離オフセットを表す。
（周波数変調の影響）
図４、図５は、本発明の実施形態に於ける周波数変調の影響を説明する図である。図４は、周波数変調の影響を時間領域に於ける周波数の変化として示す図であり、図５は、周波数変調の影響を、ビート周波数領域に於けるスペクトル変化として示す図である。
図４、図５は、本発明の実施形態に於ける周波数変調の影響を説明する図である。図４は、周波数変調の影響を時間領域に於ける周波数の変化として示す図であり、図５は、周波数変調の影響を、ビート周波数領域に於けるスペクトル変化として示す図である。
図４には、２回分の測定Ｍｅｓ１、Ｍｅｓ２におけるローカル光Ｌlocalと信号光Ｌsignal（後方散乱光Ｌbs）および両者の間のビート信号Ｓbeatのビート周波数ｆbeatの時間変化の様子を示す。図４に示すように、周波数オフセットνoffsetによって、ある遅延τにおける信号光Ｌsignal（後方散乱光Ｌbs）とローカル光Ｌlocalの間のビート信号Ｓbeatのビート周波数ｆbeatは、測定ごとに揺らぐ。
言い換えれば図５に示すように、周波数オフセットが無い場合のスペクトルＳ0のピーク位置に対して、周波数オフセットνoffsetによって割り当てられる距離オフセットｚoffsetが、各回の測定ごとに変化するため、測定対象の歪みセンサーへの距離が揺らいで測定されてしまう。従来技術１のＯＦＤＲによる動的歪み分布測定では、任意の距離における歪みセンサーのスペクトルの時間変化を測定するが、前記式（４）で与えられるように動的歪みによる距離オフセットｚoffsetによって、対象とする歪みセンサーへの距離が測定ごとに変化してしまい、測定精度を上げることができなかった。
（周波数オフセットの補償）
本発明の実施形態では、図６，７の周波数オフセットの補償の図に示すように、測定ごとに距離が変化する歪みセンサーを精度よく測定し続けるために、参照波形との相互相関を利用して測定ごとに距離オフセットを推定する。
本発明の実施形態では、図６，７の周波数オフセットの補償の図に示すように、測定ごとに距離が変化する歪みセンサーを精度よく測定し続けるために、参照波形との相互相関を利用して測定ごとに距離オフセットを推定する。
すなわちまず、図６の後方散乱光の分布波形の測定の図に示すように、振動状態に於ける測定対象の歪みセンサーの後方散乱光の分布波形の一つを参照波形Ｗrefとする。ついで、各回の測定時刻（Ｍｅｓ１、Ｍｅｓ２）ごとに得られる後方散乱光の分布波形と参照波形Ｗrefとの相互相関を計算する。そして、図７のビート周波数オフセットの推定の図に示すように、原点Ｏから測った各測定に於ける相互相関の相関ピークを与えるビート周波数オフセット（距離オフセットｚoffset）を推定する。
本発明の実施形態では、センシングファイバに加わる動的歪みの最小周期よりも信号測定時間を十分短くして測定した波形であれば、振動状態に於ける波形であっても参照波形として用いることが可能である。例えば、初回の測定結果の分布波形をそのまま参照波形としても良い。図７の原点Ｏが参照波形Ｗrefの参照波形Ｗrefとの相互相関、すなわち自己相関のピークにあたる。
参照波形で測定された距離に、各測定毎に推定された距離オフセットを加算することで、各測定毎に測定対象の歪みセンサーへの距離を補正することができる。補正された距離において、歪みセンサーの後方散乱光スペクトルを解析する。測定時刻ごとに、相互相関で距離オフセットを推定し、補正された距離における歪みセンサーの後方散乱光スペクトルを解析することで、測定対象の歪みセンサーの後方散乱光スペクトルの時間変化を高精度に測定することが可能となる。
最後に、参照波形のフーリエ変換から得られる参照基準となる後方散乱光スペクトルと、測定時刻ごとの分布波形のフーリエ変換から得られる後方散乱光スペクトルとの間のスペクトルシフト量を、両スペクトル間の周波数領域に於ける相互相関で計算する。求めたスペクトルシフト量に対応する距離のシフト量を、測定時刻に於ける振動の変位とすることで、動的歪みの時間波形を得ることができる。（後述の図９のステップ９−７）
（振動分布測定システム）
以上の説明を踏まえると本願発明の振動分布測定システムは、
センシングファイバに印加された振動の分布を測定する振動分布測定システムであって、周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光とに２分岐する光分岐手段と、前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た、前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波する光合波手段と、前記光合波手段の出力光から得たビート信号を解析する解析部とを備え、
前記解析部は、前記センシングファイバの振動の周期よりも十分短い測定時間で前記ビート信号を測定することで、前記ビート信号の分布波形を測定して得た測定結果から距離オフセットを推定し、前記距離オフセットを補償して任意の位置における振動の分布を測定することを特徴とする振動分布測定システム、であるということができる。
以上の説明を踏まえると本願発明の振動分布測定システムは、
センシングファイバに印加された振動の分布を測定する振動分布測定システムであって、周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光とに２分岐する光分岐手段と、前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た、前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波する光合波手段と、前記光合波手段の出力光から得たビート信号を解析する解析部とを備え、
前記解析部は、前記センシングファイバの振動の周期よりも十分短い測定時間で前記ビート信号を測定することで、前記ビート信号の分布波形を測定して得た測定結果から距離オフセットを推定し、前記距離オフセットを補償して任意の位置における振動の分布を測定することを特徴とする振動分布測定システム、であるということができる。
この場合、前記解析部は、振動による距離オフセットを前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて推定し、歪み測定区間の距離を補正する振動分布測定システムであり、
さらに、前記周波数掃引光の周波数掃引時間よりも長い周期を持つ振動に対して、前記センシングファイバの振動状態における分布波形を前記参照波形として利用する 振動分布測定システムであるということができる。
さらに、前記周波数掃引光の周波数掃引時間よりも長い周期を持つ振動に対して、前記センシングファイバの振動状態における分布波形を前記参照波形として利用する 振動分布測定システムであるということができる。
（解析方法）
図８および９に、本発明の実施形態の解析方法における動的歪みの時間波形の解析ステップのフローチャートを示す。
図８および９に、本発明の実施形態の解析方法における動的歪みの時間波形の解析ステップのフローチャートを示す。
（参照波形の指定）
図８は、本発明の実施形態の解析方法における前段のステップとなる、参照波形の指定ステップ８１を示すフローチャートである。
ステップ（８−１）では、後方散乱光の分布波形の測定を行う（ビート信号をフーリエ変換する）。
ステップ（８−２）では、歪みセンサー区間の指定を行う。
ステップ（８−３）では、指定した歪みセンサー区間の後方散乱光スペクトル測定を行う。
図８は、本発明の実施形態の解析方法における前段のステップとなる、参照波形の指定ステップ８１を示すフローチャートである。
ステップ（８−１）では、後方散乱光の分布波形の測定を行う（ビート信号をフーリエ変換する）。
ステップ（８−２）では、歪みセンサー区間の指定を行う。
ステップ（８−３）では、指定した歪みセンサー区間の後方散乱光スペクトル測定を行う。
（動的歪みの時間波形の解析）
図９は、本発明の実施形態の解析方法における動的歪みの時間波形の解析ステップ９２のフローチャートである。本解析ステップでは、まず、測定時刻ｉ＝０〜Ｎ−１のＮ回にわたり、以下のステップ（９−１）〜（９−５）を繰り返す。なお、図９におけるＮは、ＯＦＤＲの繰り返し測定の回数である（図３参照）。
（９−１）測定時刻ｉにおける後方散乱光の分布波形の測定を行う（ビート信号をフーリエ変換する）。
（９−２）求めた分布波形と参照波形との相互相関を計算する。
（９−３）相互相関の相関ピークを与える距離オフセット量を解析する。
（９−４）参照波形の距離に解析された距離オフセット量を加算し、定めた歪みセンサー区間をフーリエ変換する。
（９−５）測定時刻ｉにおける後方散乱光スペクトルを測定する。
図９は、本発明の実施形態の解析方法における動的歪みの時間波形の解析ステップ９２のフローチャートである。本解析ステップでは、まず、測定時刻ｉ＝０〜Ｎ−１のＮ回にわたり、以下のステップ（９−１）〜（９−５）を繰り返す。なお、図９におけるＮは、ＯＦＤＲの繰り返し測定の回数である（図３参照）。
（９−１）測定時刻ｉにおける後方散乱光の分布波形の測定を行う（ビート信号をフーリエ変換する）。
（９−２）求めた分布波形と参照波形との相互相関を計算する。
（９−３）相互相関の相関ピークを与える距離オフセット量を解析する。
（９−４）参照波形の距離に解析された距離オフセット量を加算し、定めた歪みセンサー区間をフーリエ変換する。
（９−５）測定時刻ｉにおける後方散乱光スペクトルを測定する。
以上の反復ステップの終了後、ステップ（９−６）として、歪みセンサーのスペクトルの時間変化を解析する。
つぎに、ｉ＝０〜Ｎ−１のＮ回にわたり、以下のステップ（９−７）〜（９−８）を繰り返す。
（９−７）測定時刻ｉにおけるスペクトルと参照スペクトルとの相互相関を求める。
（９−８）測定時刻ｉにおけるスペクトルシフトを算出する。
（９−７）測定時刻ｉにおけるスペクトルと参照スペクトルとの相互相関を求める。
（９−８）測定時刻ｉにおけるスペクトルシフトを算出する。
最後にステップ（９−９）として、以上の結果より動的歪みの時間波形を求めて手順を終了する。
これらのステップは、図１の解析部１１を構成するコンピュータ上のプログラムによって実行されるが、図１の解析部１１および任意的に集録データ格納器１０は、図１の構成要素１〜９とは離れた場所に配置して、ネットワーク接続とすることができる。
本発明の実施形態の測定システム、解析装置は、上記の解析方法を実行するコンピュータとプログラムによって実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
（振動波形解析方法および振動波形解析装置）
以上の説明を踏まえると本願発明の振動波形解析方法は、
コンピュータが、センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析方法において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析方法であって、前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正するステップと、測定時刻における分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求めるステップとを有することを特徴とする振動波形解析方法、であるということができる。
以上の説明を踏まえると本願発明の振動波形解析方法は、
コンピュータが、センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析方法において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析方法であって、前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正するステップと、測定時刻における分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求めるステップとを有することを特徴とする振動波形解析方法、であるということができる。
また更に、本発明の振動波形解析装置は、
センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析装置において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析装置であって、前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正する手段と、測定時刻における前記分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求める手段とを備えたことを特徴とする振動波形解析装置、であるということができる。
センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析装置において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析装置であって、前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正する手段と、測定時刻における前記分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求める手段とを備えたことを特徴とする振動波形解析装置、であるということができる。
本発明の実施形態による振動分布測定システム、振動波形解析方法、振動波形解析装置は、従来技術に対して以下の優位性を持つ。
従来技術１では、振動による周波数変調が考慮されておらず、振動分布測定が可能となる条件が明確化されていないが、本発明の実施形態では、振動分布測定が可能となる条件を明確化している。
従来技術２では、動的歪みの位置と周波数を分布的に測定できるが、その大きさを測定することができず、動的歪みの時間波形を解析することができなかった。また、動的歪みの分布測定のために、無振動状態の参照波形が必要だった。一方、本発明の実施形態では、センシングファイバに印加される複数の動的歪みのうち最小となる周期よりも短い測定時間で、センシングファイバを測定することにより、振動状態における波形を参照波形として利用可能である。また動的歪みの大きさ、周波数、位置を測定でき、動的歪みの時間波形を解析可能である。これは、無振動状態を確保することが困難な現用の測定対象の場合に大きな利点となる。
また振動が引き起こす周波数変調由来の歪みセンサーの距離変化を補正することができ、センシングファイバの異なる複数の位置に印加される複数の振動それぞれの時間波形を、その振動が実際に印加された正しい位置に対応させつつ同時に測定することが可能となり、測定精度を大幅に向上することが可能になる。
以上記載したように、本発明の実施形態によれば、ＯＦＤＲに基づく動的歪み分布測定において、周波数変調の影響を考慮し、動的歪みの時間波形を分布測定できる振動分布測定システム、振動波形解析方法、振動波形解析装置、プログラムを提供することが可能となる。
１ 周波数掃引光源
２ トリガ源
３ トリガ信号分岐器
４ 光分岐器
５ 光サーキュレータ
６ センシングファイバ
７ 光合波器
８ バランス型受光器
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ 集録データ格納器
１１ 解析部
１２ 第１の動的歪み区間
１３ 第２の動的歪み区間
２ トリガ源
３ トリガ信号分岐器
４ 光分岐器
５ 光サーキュレータ
６ センシングファイバ
７ 光合波器
８ バランス型受光器
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ 集録データ格納器
１１ 解析部
１２ 第１の動的歪み区間
１３ 第２の動的歪み区間
Claims (6)
- センシングファイバに印加された振動の分布を測定する振動分布測定システムであって、
周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光とに２分岐する光分岐手段と、
前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波する光合波手段と、
前記光合波手段の出力光から得たビート信号を解析する解析部とを備え、
前記解析部は、前記センシングファイバの振動の周期よりも十分短い測定時間で前記ビート信号を測定することで前記ビート信号の分布波形を測定して得た測定結果から距離オフセットを推定し、前記距離オフセットを補償して任意の位置における振動の分布を測定する
ことを特徴とする振動分布測定システム。 - 前記解析部は、振動による距離オフセットを前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて推定し、歪み測定区間の距離を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動分布測定システム。 - 前記周波数掃引光の周波数掃引時間よりも長い周期を持つ振動に対して、
前記センシングファイバの振動状態における分布波形を前記参照波形として利用する
ことを特徴とする請求項２に記載の振動分布測定システム。 - コンピュータが、センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析方法において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析方法であって、
前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正するステップと、
測定時刻における分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求めるステップと
を有することを特徴とする振動波形解析方法。 - センシングファイバに印加された振動の波形を解析する振動波形解析装置において、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を前記センシングファイバに入射して得た前記センシングファイバからの後方散乱光を信号光として前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、前記振動波形解析装置であって、
前記分布波形と参照波形との相互相関を用いて振動による距離オフセットを推定して振動測定区間までの距離を補正する手段と、
測定時刻における前記分布波形のスペクトルと参照波形のスペクトルとの相互相関を求めて、測定時刻におけるスペクトルシフトを算出し、振動の波形を求める手段と
を備えたことを特徴とする振動波形解析装置。 - コンピュータに、請求項４記載の振動波形解析方法を実行させるための解析プログラム。
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