JP2020153704A

JP2020153704A - 振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法

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Publication number: JP2020153704A
Application number: JP2019050121A
Authority: JP
Inventors: 祥宏神田; Yoshihiro Kanda
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: WO2020188888A1; JP7238507B2

Abstract

【課題】移動平均と移動差分の利用に加えて、雑音の性質を利用することで、OTDR波形の変化を統計的に評価し、異常な振動の有無を明瞭に判別する。【解決手段】光強度取得部は、プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する。OTDR波形取得手段は、光強度取得部から送られてくる、光パルスごとの出力光の波形であるOTDR波形を順次取得して記憶する。移動平均取得手段は、時間的に連続する第k〜第k＋M−1のOTDR波形を平均して第kの移動平均波形を取得して記憶する。差分波形取得手段は、第k＋M＋NのOTDR波形と、第kの移動平均波形の差分波形p'(x)を取得する。位置別統計情報取得手段は、第k〜第k＋i−1（iは2以上の整数）の差分波形について、各位置の標本平均μ(x)及び標準偏差σ(x)を取得する。異常度取得手段は、各位置の異常度を計算する。異常判定手段は、異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する。【選択図】図１

Description

この発明は、発電所や工場などの大型の施設における人の不法な侵入の検知や、橋梁や道路などの大型の土木構造に発生する亀裂の検知に利用するのに好適な、振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法に関する。

光波を光ファイバへ入力すると、伝搬に伴って後方散乱光が発生していく。光ファイバの長手方向の各位置において発生した後方散乱光は、入力される光波（以下、入力光）が光ファイバの入力端から後方散乱光が発生する位置までの往復に要する時間だけ遅れて観測される。光ファイバの長手方向に、破断点や、伝搬する光を大きく減衰させる点がある場合、その位置に対応する後方散乱光の光強度が変化する。この原理は、通信用光ファイバの破断点の検知に利用され、時間領域反射測定（ＯＴＤＲ：ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）として知られている。

ＯＴＤＲにおいて、入力光としての光パルスの発生に利用するレーザを、周波数ドリフトが小さく、線幅が狭いレーザに交換するのみで、光ファイバに伝わる振動を検知できる（例えば、非特許文献１参照）。

このようなレーザを利用したＯＴＤＲでは、後方散乱光の光強度の波形は、光パルスが光ファイバを伝搬する間に光ファイバ内の複数の散乱中心で発生するコヒーレントな後方散乱光の強い干渉の結果として観測される。

光ファイバに振動が加わると、その位置のみ光ファイバの屈折率や複屈折が変化する。これにより、振動が加わった位置の複数の散乱中心からの複数のコヒーレントな後方散乱光間の相対的な位相差が変化する。コヒーレント波の重ね合わせでは、波形間の相対的な位相差が変化すると波形が変化する。このため、観測されるＯＴＤＲ波形において、振動が加わった位置に相当する時刻の波形のみ変化する。この現象を利用すれば、観測したＯＴＤＲ波形と、以前の時刻において観測したＯＴＤＲ波形の差を計算することにより、振動の発生と位置を検出できる。

この方法は、位相感応ＯＴＤＲやφ−ＯＴＤＲと呼ばれる。位相感応ＯＴＤＲでは、以前の時刻のＯＴＤＲ波形との差分を求める。この際に、異常な振動が無い場合においても、ＯＴＤＲ波形の振幅の揺らぎが大きいと大きな雑音となる。これは、異常な振動を検知するといった目的に対して、異常な振動の有無の見逃しや誤検知の原因となる。この雑音を低減するために、移動平均（ｍｏｖｉｎｇａｖｅｒａｇｉｎｇ）と移動差分（ｍｏｖｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）と呼ばれる方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。

移動平均は、時間の経過と共に観測した複数のＯＴＤＲ波形に関し、位置ごとに移動平均を求めることにより、差分を計算した場合の雑音を低減する方法である。移動差分は、異なる時刻で観測したＯＴＤＲ波形の差分を計算する際に、時間軸上で隣り合ったＯＴＤＲ波形との差分を計算するのではなく、少し離れた時刻において観測したＯＴＤＲ波形との差分を計算する方法である。ＯＴＤＲ波形を取得する時間の間隔と比較して振動の持続時間が十分に長い場合、時間軸上で隣り合ったＯＴＤＲ波形との差分を計算する方法と比較して大きな差分の値を得られる。

J. C. Juarez, W. Maier, K. N. Choi, and H. F. Taylor, "Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System," IEEE JLT, vol. 23, No. 6, June 2005, pp. 2081-2087 Y. Lu, T. Zhu, L. Chen, and X. Bao, "Distributed Vibration Sensor Based on Coherent Detection of Phase-OTDR," IEEE JLT, vol. 28, No. 22, Nov. 15, 2010, pp.3243-3249

しかしながら、ＯＴＤＲ波形に対して移動平均と移動差分を利用しても、異常な振動が有る場合と無い場合の値の比は数倍程度である。差分のみで振動の有無を評価する限り、異常な振動が有る場合の差分の大きさは、原理的に、最大でもＯＴＤＲ波形のとり得る振幅の最大値と最小値の差に留まる。このように、異常な振動が有る場合と無い場合の値の比が小さいため、振動検知光ファイバセンサの動作は不安定である。さらに、位相感応ＯＴＤＲは僅かな振動も検知できる一方で、雑音の程度は光ファイバが敷設された環境に依存する。このため、風などの影響を受ける環境下では、異常の有無を見分けることが難しい。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、ＯＴＤＲ、例えば、位相感応ＯＴＤＲにおいて、移動平均と移動差分の利用に加えて、雑音の性質を利用することで、ＯＴＤＲ波形の変化を統計的に評価し、異常な振動の有無を明瞭に判別する、振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の振動検知光ファイバセンサは、光源部と、光ファイバと、光強度取得部と、ＯＴＤＲ波形取得手段と、移動平均取得手段と、差分波形取得手段と、位置別統計情報取得手段と、異常度取得手段と、異常判定手段とを備えて構成される。

光源部は、プローブ光として、光パルスを生成する。光ファイバにはプローブ光が入力され、光強度取得部は、プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する。

ＯＴＤＲ波形取得手段は、光強度取得部から送られてくる、光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶する。移動平均取得手段は、時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）〜第ｋ＋Ｍ−１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する。差分波形取得手段は、第ｋ＋Ｎ−１（Ｎは２以上の整数）の移動平均波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形ｐ'（ｘ）を取得する。位置別統計情報取得手段は、第ｋ〜第ｋ＋ｉ−１（ｉは２以上の整数）の差分波形について、各位置の、標本平均μ（ｘ）と、標準偏差σ（ｘ）を取得する。異常度取得手段は、以下の式（１）を用いて、各位置の異常度ａ（ｐ'）を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する。

異常判定手段は、異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する。

この発明の振動検知光ファイバセンサの好適な実施形態によれば、光源部は、狭線幅レーザと、関数発生器と、強度変調器とを備えて構成される。狭線幅レーザは、レーザ光を生成する光源であって、線幅が１０ｋＨｚ以下である。関数発生器は、一定の周波数で電気パルスを生成する。強度変調器は、レーザ光を電気パルスで光パルス化することにより、光パルスを生成する。

また、この発明の振動検知方法は、光パルス生成過程と、光強度取得過程と、ＯＴＤＲ波形取得過程と、移動平均取得過程と、差分波形取得過程と、位置別統計情報取得過程と、異常度取得過程と、異常判定過程とを備える。

光パルス生成過程では、プローブ光として、光パルスを生成する。光強度取得過程では、プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する。ＯＴＤＲ波形取得過程では、光強度取得過程で取得された、光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶する。移動平均取得過程では、時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）〜第ｋ＋Ｍ−１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する。差分波形取得過程では、第ｋ＋Ｎ−１（Ｎは２以上の整数）の移動平均波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形ｐ'（ｘ）を取得する。位置別統計情報取得過程では、第ｋ〜第ｋ＋ｉ−１（ｉは２以上の整数）の差分波形について、各位置の標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する。異常度取得過程では、上記式（１）を用いて、各位置の異常度ａ（ｐ'）を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する。異常判定過程では、異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する。

この発明の振動検知方法の好適な実施形態によれば、光パルス生成過程は、線幅が１０ｋＨｚ以下の狭線幅レーザを用いてレーザ光を生成する過程と、一定の周波数で電気パルスを生成する過程と、レーザ光を電気パルスで光パルス化することにより、光パルスを生成する過程とを備える。

この発明の振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法によれば、単にＯＴＤＲ波形と移動平均波形との差分波形を取るだけでなく、差分波形の、各位置の標本平均及び標準偏差を用いて異常度を取得し、この異常度の値から異常振動の有無を判定する。この結果、異常がある場合と無い場合のピーク値の比が、差分波形でのピーク値の比に比べて大きくなり、異常の有無がより明確になる。さらに、光ファイバの入力端からの距離に対する感度の依存性を抑圧した、分布的な異常振動の検知を明瞭に判断できる。

振動検知光ファイバセンサの概略的構成を示すブロック図である。異常振動の判定の概念を示す模式図である。特性試験の結果を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（振動検知光ファイバセンサ）
図１を参照して、振動検知光ファイバセンサの実施形態について説明する。図１は、振動検知光ファイバセンサの概略的構成を示すブロック図である。

この振動検知光ファイバセンサは、光源部１０、光ファイバ２０、光サーキュレータ３０、及び、計測部４０を備えて構成される。この振動検知光ファイバセンサは、ＯＴＤＲに用いられる。

光源部１０は、プローブ光として、周期的に光パルスを生成する。振動検知光ファイバセンサの空間分解能は、この光パルスの幅に依存する。また、振動検知光ファイバセンサの測定距離は、光パルスの周波数に依存する。光パルスは、光ファイバ２０を１ｍ伝搬するのに５ｎｓの時間を要する。後方散乱光を観測する場合は，順方向の伝搬と，逆方向の伝搬の往復の時間を要するので、１ｍあたり１０ｎｓの遅延が発生する。例えば、パルス幅を１００ｎｓ、周波数を５ｋＨｚとしたとき、空間分解能は１０ｍとなり、最大の測定距離は２０ｋｍとなる。

光源部１０は、例えば、レーザ光源１２、強度変調器１４、関数発生器１６及び光増幅器１８を備えて構成される。

レーザ光源１２は、通信波長帯の連続光として、レーザ光を生成する。レーザ光源１２として、線幅が１０ｋＨｚ以下のいわゆる狭線幅レーザを用いるのが良い。レーザ光源１２として狭線幅レーザを用いると、この振動検知光ファイバセンサは、位相感応ＯＴＤＲに用いることができる。レーザ光の波長は、任意で良いが、標準単一モード光ファイバで低損失の１５５０ｎｍにするのが良い。レーザ光源１２で生成されたレーザ光は、強度変調器１４に送られる。

関数発生器１６は、矩形状の電気パルスを生成する。この電気パルスは、強度変調器１４に送られる。関数発生器１６が生成する電気パルスは、例えば、パルス幅が１００ｎｓｅｃ幅で、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。また、関数発生器１６の出力は、後述するアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器４４にも送られ、トリガー信号として用いられる。

強度変調器１４は、レーザ光を電気パルスで光パルス化して、光パルスを生成する。この光パルスは、光増幅器１８に送られる。強度変調器１４が生成する光パルスのパルス幅と周波数は、共に関数発生器１６が生成する電気パルスと同じである。この例では、光パルスは、パルス幅が１００ｎｓｅｃで、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。

強度変調器１４で生成された光パルスは、光増幅器１８で所定の増幅を受けた後、プローブ光として、光サーキュレータ３０を経て光ファイバ２０に送られる。

光ファイバ２０に送られたプローブ光は、光ファイバ２０を伝播し、プローブ光の伝播に伴って後方散乱光が発生する。この後方散乱光は、出力光として光サーキュレータ３０を経て計測部４０に送られる。

計測部４０は、光強度取得部としての光検出器４２及びＡ／Ｄ変換器４４と、演算器５０とを備えて構成される。光ファイバ２０から計測部４０に入力された出力光は、光検出器４２に送られる。

光検出器４２は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）で構成することができる。光検出器４２は、出力光を２乗検波することにより電気信号に変換して、Ａ／Ｄ変換器４４に送る。ここで、後方散乱光の光強度は小さい。このため、光検出器４２は、−３０ｄＢｍ程度でも受光できる感度があることが望ましい。

Ａ／Ｄ変換器４４は、光検出器４２から受けとった電気信号をディジタル信号に変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器４４の標本化周波数は、ＯＴＤＲ波形を標本化できる程度に大きければよく、２００ＭＨｚ程度あれば十分である。

Ａ／Ｄ変換器４４で得られるディジタル信号は、演算器５０に送られる。

演算器５０は、ディジタル信号を用いて、ＯＴＤＲ波形の変化を統計的に評価し、異常な振動の有無の検知及び振動の位置の特定を行う。演算器５０としては、例えば、異常な振動の有無の検知及び振動の位置の特定を行うプログラムがインストールされた市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を利用できる。ここでは、一例として、演算器５０が、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）６０、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）５２、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）５４及び記憶手段５６を備えて構成されるものとして説明する。ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ５４に格納されているプログラムを実行することにより、後述する各機能手段を実現する。各機能手段での処理結果は、一時的にＲＡＭ５２に格納される。

ＯＴＤＲ波形は、Ａ／Ｄ変換器４４から演算器５０に周期的に送られてくる。ＯＴＤＲ波形は、例えば、横軸に光ファイバ２０の入力端からの距離を示すｘを取り、縦軸に距離ｘにおける信号強度ｐ（ｘ、ｋ）を取ることで表される。ここで、ｋは１以上の整数であり、光ファイバ２０に入力される光パルスの番号に対応する。この光パルスの番号ｋは、経過時間を示す。なお、光ファイバ２０の光サーキュレータ３０と接続される側の端部を入力端としている。

ＯＴＤＲ波形取得手段６２は、時間的に連続するＭ個分（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形である第ｋ〜第ｋ＋Ｍ−１のＯＴＤＲ波形を順に記憶手段５６に格納、すなわち記憶する。Ｍ個分のＯＴＤＲ波形が格納された後は、一番古いＯＴＤＲ波形を削除して、新しいＯＴＤＲ波形を記憶手段５６に格納していく。

移動平均取得手段６４は、ＯＴＤＲ波形をＡ／Ｄ変換器４４から受け取るたびに、時間的に連続する第ｋ〜第ｋ＋Ｍ−１のＭ個分のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得する。第ｋの移動平均波形は、記憶手段５６に格納される。移動平均取得手段６４が取得した時間的に連続するＮ個分（Ｎは２以上の整数）の移動平均波形は、順に記憶手段５６に格納される。Ｎ個分の移動平均波形が格納された後は、一番古い移動平均波形を削除して、新しい移動平均波形を記憶手段５６に格納していく。

差分波形取得手段６６は、記憶手段５６に格納されている、第ｋ＋Ｎ−１の移動平均波形と、第ｋの移動平均波形の差分を取ることにより、第ｋの差分波形ｐ'（ｘ）を取得する。なお、この差分を移動差分と称することもある。第ｋの移動平均波形は、記憶手段５６に格納される。移動平均取得手段６４が取得した時間的に連続するｉ個分（ｉは２以上の整数）の移動平均波形は、順に記憶手段５６に格納される。ｉ個分の移動平均波形が格納された後は、一番古い移動平均波形を削除して、新しい移動平均波形を記憶手段５６に格納していく。

位置別統計情報取得手段６８は、第ｋ〜第ｋ＋ｉ−１の差分波形について、各位置の標本平均μ（ｘ）と、標準偏差σ（ｘ）を取得する。

ここで、標本平均μ（ｘ）と、標準偏差σ（ｘ）は、例えば、この振動検知光ファイバセンサの空間分解能程度の間隔で取得することができる。あるいは、Ａ／Ｄ変換器４４で取得されたディジタルデータでみたときに、光ファイバ２０の長手方向に隣接する測定点の間隔としてもよい。

異常度取得手段７０は、上記式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す波形（以下、異常度波形とも称する。）を取得する。

その後、異常判定手段７２が、異常度から異常振動の有無を判断する。なお、異常度の有無を判定する際に用いるしきい値については、設置場所の環境による影響をモニタするなどして、好適な値に設定すればよい。

移動平均を計算する際の波形の数Ｍは、例えば、レーザ光源１２の線幅に基づいて定められる。レーザ光源１２の線幅が５００Ｈｚの場合は、２ｍｓｅｃ（＝１／５００Ｈｚ）以下の時間の平均になるようにするのが良い。光パルスの周波数が５ｋＨｚの場合は、例えば、Ｍを２０にすることができる。この場合、移動平均波形は、４ｍｓｅｃの時間の平均になる。

なお、位置別統計情報取得手段６８が標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得するにあたり、異常振動が無い状態で計算するのが良い。従って、位置別統計情報取得手段６８は、例えば、異常判定手段７２において、異常振動が有ったと判定された場合は、その位置に対応する標本を除いて、標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する構成とすることができる。また、異常判定手段７２において、異常振動が有ったと判定された場合は、移動平均取得手段６４が、該当するＯＴＤＲ波形を除いて移動平均波形を取得する構成にしてもよい。

差分波形を取得する際の、ＯＴＤＲ波形と移動平均波形の時間差は、異常振動の周期以上に設定するのが良い。例えば、光パルスの周波数が５ｋＨｚの場合、光パルスの周期は、０．２ｍｓｅｃ（＝１／５ｋＨｚ）である。これに対し、光ファイバを叩いたことにより発生する振動の周波数は数１００Ｈｚ程度である。この場合、周期は、数ｍｓｅｃ程度であるので、時間的に隣接するＯＴＤＲ波形の差が小さい。このため、時間差を４ｍｓｅｃ程度にするのが良い。

位置別統計情報取得手段６８が、各位置の標本平均μ（ｘ）と、標準偏差σ（ｘ）を取得する際の差分波形の数ｉは、移動平均を計算する際の波形の数Ｍと同様に、例えば、レーザ光源１２の線幅に基づいて定められる。レーザ光源１２の線幅が５００Ｈｚの場合は、２ｍｓｅｃ（＝１／５００Ｈｚ）以下の時間の平均になるようにするのが良い。光パルスの周波数が５ｋＨｚの場合は、例えば、ｉを２０にすることができる。

ここで、図２を参照して、この発明で用いられる異常振動の判定の概念を説明する。図２は、異常振動の判定の概念を説明するための模式図である。図２（Ａ）は、差分波形を示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す差分波形に基づいて得られる異常度を示している。図２（Ａ）では、例として、ｉ＝４とし、第１〜第４までの４つの差分波形を示している。

図２（Ａ）の３つの軸は、光ファイバ２０の入力端からの距離、経過時間、差分波形の光強度を示している。また、図２（Ｂ）は、横軸に光ファイバの入力端からの距離を取って示し、縦軸に異常度を取って示している。

図２（Ａ）に示すように、光ファイバ２０に、位置により異なる外乱が加えられている場合、外乱が加えられている区間は、異常振動が無い場合であっても、差分波形の値が大きくなる。

これに対し、この発明の振動検知光ファイバセンサでは、位置別統計情報取得手段６８が、各位置の標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得し、異常判定手段７２が、異常度から異常振動の有無を判断する。このように、各位置の標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）によって正規化することで、図２（Ｂ）に示すように、外乱が常に加わっている区間の異常度は小さくなり、その影響は低く評価される。このため、外乱の位置依存性を抑圧することができる。

（特性試験）
この振動検知光ファイバセンサの特性試験について説明する。ここでは、光ファイバ２０の長さを１８．２ｋｍとした。光ファイバ２０の、入力端側から１５．６〜１５．８ｋｍの位置の光ファイバに加振し、異常な振動を加えた。

レーザ光源１２は、線幅５００Ｈｚの狭線幅レーザとした。光パルスのパルス幅及び周波数をそれぞれ１００ｎｓｅｃ及び５ｋＨｚとした。また、移動平均を計算する際に用いるＯＴＤＲ波形の数Ｍを２０とし、差分波形を取得する際の時間差を４ｍｓｅｃとした。この時間差の４ｍｓｅｃは、光パルスの数Ｎに換算すると２０個分になる。また、標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する際の差分波形の数ｉを２０とした。

すなわち、この試験では、移動平均を計算する際に用いる波形の数Ｍと、差分波形を取得する際の時間差から換算される光パルスの数Ｎと、標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する際の差分波形の数ｉは、いずれも２０で等しい。記憶手段には、Ｍ（＝２０）個のＯＴＤＲ波形と、Ｎ（＝２０）個の移動平均波形と、ｉ（＝２０）個の移動差分波形が格納されている。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、特性試験の結果を示す図である。図３（Ａ）は、移動差分を示す図であり、横軸に光ファイバ２０の入力端からの距離［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、信号レベル［単位：ｍＶ］を取って示している。図３（Ｂ）は異常度を示す図であり、横軸に光ファイバ２０の入力端からの距離［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、異常度を取って示している。

図３（Ａ）に示すように、０〜１５．６ｋｍの範囲と、１５．８〜１８．２ｋｍの範囲において、移動差分の信号レベルは、異常振動が加えられていないにも関わらず、信号レベルが、距離に対してばらついている。

一方、図３（Ｂ）に示すように、この発明の振動検知光ファイバセンサでは、上記式（１）を用いて異常度を計算しており、その結果、０〜１５．６ｋｍの範囲と、１５．８〜１８．２ｋｍの範囲において、異常度はほとんど０であり、異常振動が加えられた１５．６〜１５．８ｋｍの区間の異常度と、明確に区別できる。

このように、この振動検知光ファイバセンサでは、各位置におけるＯＴＤＲ波形の揺らぎを、それぞれ、時間の経過とともに、各時刻近傍を統計的に評価する。これにより、光ファイバ２０の入力端からの距離に対する感度の依存性を抑圧した、分布的な異常振動の検知を明瞭に判断できる。さらに、外部環境がゆるやかに変化しても、振動検知の感度への影響を抑圧する効果も期待できる。

（他の実施形態）
ここでは、光強度取得部にＰＤを用いて、後方散乱光の強度を測定する例を説明したが、これに限定されない。後方散乱光を観測するにあたり、非特許文献２に記載されているように、後方散乱光をレーザ光源で生成されたレーザ光と干渉させて、コヒーレント検波を行ってもよい。また、光９０度ハイブリッド受信機を用いて後方散乱光の位相変化を観測してもよい。また、後方散乱光に対してヘテロダイン検波をしてもよい。

１０光源部
１２レーザ光源
１４強度変調器
１６関数発生器
１８光増幅器
２０光ファイバ
３０光サーキュレータ
４０計測部
４２ＰＤ
４４Ａ／Ｄ変換器
５０演算器
５２ＲＡＭ
５４ＲＯＭ
５６記憶手段
６０ＣＰＵ
６２ＯＴＤＲ波形取得手段
６４移動平均取得手段
６６差分波形取得手段
６８位置別統計情報取得手段
７０異常度取得手段
７２異常判定手段

Claims

プローブ光として、光パルスを生成する光源部と、
前記プローブ光が入力される光ファイバと、
前記プローブ光が前記光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する光強度取得部と、
前記光強度取得部から送られてくる、前記光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶するＯＴＤＲ波形取得手段と、
時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）〜第ｋ＋Ｍ−１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する、移動平均取得手段と、
第ｋ＋Ｎ−１（Ｎは２以上の整数）の移動平均波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形ｐ'（ｘ）を取得する差分波形取得手段と、
第ｋ〜第ｋ＋ｉ−１（ｉは２以上の整数）の差分波形について、各位置の、標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する位置別統計情報取得手段と、
以下の式（１）を用いて、各位置の異常度ａ（ｐ'）を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する異常度取得手段と、
前記異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する異常判定手段と
を備えることを特徴とする振動検知光ファイバセンサ。
前記位置別統計情報取得手段は、前記異常判定手段において異常振動が有ったと判定された場合は、その位置に対応する標本を除いて、標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検知光ファイバセンサ。
前記移動平均取得手段は、前記異常判定手段において異常振動が有ったと判定された場合は、該当するＯＴＤＲ波形を除いて移動平均波形を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検知光ファイバセンサ。
前記光源部は、
レーザ光を生成する光源であって、線幅が１０ｋＨｚ以下の狭線幅レーザと、
一定の周波数で電気パルスを生成する関数発生器と、
前記レーザ光を前記電気パルスで光パルス化することにより、前記光パルスを生成する強度変調器と
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動検知光ファイバセンサ。
プローブ光として、光パルスを生成する光パルス生成過程と、
前記プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する光強度取得過程と、
前記光強度取得過程で取得された、前記光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶するＯＴＤＲ波形取得過程と、
時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）〜第ｋ＋Ｍ−１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する移動平均取得過程と、
第ｋ＋Ｎ−１（Ｎは２以上の整数）の移動平均波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形ｐ'（ｘ）を取得する差分波形取得過程と、
第ｋ〜第ｋ＋ｉ−１（ｉは２以上の整数）の差分波形について、各位置の標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する位置別統計情報取得過程と、
以下の式（１）を用いて、各位置の異常度ａ（ｐ'）を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する異常度取得過程と、
前記異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する異常判定過程と
を備えることを特徴とする振動検知方法。
前記位置別統計情報取得過程では、前記異常判定過程において異常振動が有ったと判定された場合は、その位置に対応する標本を除いて、標本平均μ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を取得する
ことを特徴とする請求項５に記載の振動検知方法。
前記移動平均取得過程では、前記異常判定過程において異常振動が有ったと判定された場合は、該当するＯＴＤＲ波形を除いて移動平均波形を取得する
ことを特徴とする請求項５に記載の振動検知方法。
前記光パルス生成過程は、
線幅が１０ｋＨｚ以下の狭線幅レーザを用いてレーザ光を生成する過程と、
一定の周波数で電気パルスを生成する過程と、
前記レーザ光を前記電気パルスで光パルス化することにより、前記光パルスを生成する過程と
を備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の振動検知方法。