JP2024033286A - Optical fiber sensor and method of measuring filter property - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ブリルアン散乱光を用いた光ファイバセンサ、及び、この光ファイバセンサで行うことができるフィルタ特性測定方法に関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor using Brillouin scattered light, and a method for measuring filter characteristics that can be performed using this optical fiber sensor.
光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。特に、散乱光を利用する光ファイバセンシングは、点ごとに計測する電気センサとは異なり、長距離の分布としての計測が可能であるため、被測定対象全体の物理量を計測することができる。 With the development of optical fiber communications, distributed optical fiber sensing, in which optical fiber itself is used as a sensing medium, has been actively researched. In particular, optical fiber sensing that uses scattered light can measure a long-distance distribution, unlike an electric sensor that measures point by point, so it can measure physical quantities of the entire object to be measured.
長距離の分布の計測が可能な分布型光ファイバセンシングとして、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ(OTDR:Optical Time Domain Reflectometry)が代表的である(例えば、非特許文献1参照)。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはBOTDR(Brillouin OTDR)と呼ばれる(例えば、非特許文献2参照)。 Time-domain reflectometry (OTDR) is a distributed optical fiber sensing method that can measure long-distance distributions, in which a light pulse is input from one end of an optical fiber and the backscattered light in the optical fiber is measured over time. Optical Time Domain Reflectometry) is a typical example (see, for example, Non-Patent Document 1). Backscattering in optical fibers includes Rayleigh scattering, Brillouin scattering, and Raman scattering. Among these, the one that measures natural Brillouin scattering is called BOTDR (Brillouin OTDR) (for example, see Non-Patent Document 2).
ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にGHz程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル(BGS:Brillouin Gain Spectrum)と呼ばれる。BGSの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト(BFS:Brillouin Frequency Shift)及びブリルアン線幅と呼ばれる。BFS及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質及び入射される光の波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長1.55μmにおけるBFSの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約11GHz及び約30MHzとなることが報告されている。また、非特許文献1からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うBFSの大きさは波長1.55μmにおいて、それぞれ0.049MHz/με、1.0MHz/℃である。
Brillouin scattering is observed at positions shifted in frequency by approximately GHz toward the Stokes side and the anti-Stokes side with respect to the center frequency of the optical pulse incident on the optical fiber, and its spectrum is called the Brillouin Gain Spectrum (BGS). Called. The frequency shift and spectral linewidth of BGS are called Brillouin Frequency Shift (BFS) and Brillouin linewidth, respectively. BFS and Brillouin linewidth vary depending on the material of the optical fiber and the wavelength of the incident light. For example, in the case of a silica-based single mode optical fiber, it has been reported that the BFS size and Brillouin linewidth at a wavelength of 1.55 μm are approximately 11 GHz and approximately 30 MHz, respectively. Furthermore, from
このように、BFSは歪みと温度に対して依存性を持つ。このため、BOTDRは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物の劣化診断、プラントの温度モニタリング、及び、地滑りが発生する恐れのある箇所の監視などの目的で利用可能であり、注目されている。 Thus, BFS has strain and temperature dependence. For this reason, BOTDR is attracting attention because it can be used for purposes such as deterioration diagnosis of large structures such as bridges and tunnels, temperature monitoring of plants, and monitoring of areas where landslides may occur. .
BOTDRでは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて2~3桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。 In BOTDR, in order to measure the spectral waveform of naturally Brillouin scattered light generated in an optical fiber, it is common to perform heterodyne detection with a separately prepared reference light. The intensity of natural Brillouin scattered light is two to three orders of magnitude smaller than that of Rayleigh scattered light. For this reason, heterodyne detection is also useful in improving the minimum light receiving sensitivity.
ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比(S/N)を確保できない。その結果、S/N改善のための平均化処理が必要となる。BOTDRを行う従来の光ファイバ歪み測定装置では、時間、振幅及び周波数の3次元の情報を取得しているが、平均化処理とこの3次元情報の取得のため、測定時間の短縮が難しい。 Here, since the natural Brillouin scattered light is very weak, a sufficient signal-to-noise ratio (S/N) cannot be ensured even if heterodyne detection is applied. As a result, averaging processing is required to improve the S/N. Conventional optical fiber strain measurement devices that perform BOTDR acquire three-dimensional information of time, amplitude, and frequency, but it is difficult to shorten the measurement time due to averaging processing and acquisition of this three-dimensional information.
これに対し、自己遅延ヘテロダイン型のBOTDR(SDH-BOTDR:Self-
delayed heterodyne BOTDR)を利用する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。SDH-BOTDRでは、受信されるビート信号と局発信号の位相比較をすることで、BFSの変化を、ビート信号中の位相変化として観測する。このように、SDH-BOTDRは、周波数掃引を必要とせずに直接BFSを算出できるため、高速かつ安価な測定を実現できる。
In contrast, self-delaying heterodyne BOTDR (SDH-BOTDR)
An optical fiber strain measuring device and an optical fiber strain measuring method using a delayed heterodyne BOTDR (Delayed Heterodyne BOTDR) have been proposed (for example, see Patent Document 1). In SDH-BOTDR, a change in BFS is observed as a phase change in the beat signal by comparing the phases of the received beat signal and the local signal. In this way, SDH-BOTDR can directly calculate BFS without requiring frequency sweep, and therefore can realize high-speed and inexpensive measurement.
SDH-BOTDRでは、レイリー散乱光の成分とブリルアン散乱光の成分を含む受信光から、ブリルアン散乱光の成分を抽出する必要がある。レイリー散乱光の成分とブリルアン散乱光の成分の周波数の差が小さいため、受信光に対するフィルタとして、狭帯域のFBG(Fiber Bragg Grating)フィルタが通常用いられる。 In SDH-BOTDR, it is necessary to extract the Brillouin scattered light component from the received light that includes the Rayleigh scattered light component and the Brillouin scattered light component. Since the difference in frequency between the Rayleigh scattered light component and the Brillouin scattered light component is small, a narrow band FBG (Fiber Bragg Grating) filter is usually used as a filter for the received light.
この狭帯域のFBGフィルタを用いる場合、環境温度の変化や、経時劣化によるフィルタ特性の変化によって、所望のブリルアン散乱光を抽出できなくなる可能性がある。 When using this narrow band FBG filter, there is a possibility that the desired Brillouin scattered light cannot be extracted due to changes in environmental temperature or changes in filter characteristics due to deterioration over time.
この発明は、上述の状況に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、FBGフィルタの特性を検知可能な、光ファイバセンサ及びフィルタ特性測定方法を提供することにある。 This invention was made in view of the above-mentioned situation. An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor and a filter characteristic measuring method that can detect the characteristics of an FBG filter.
上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバセンサは、光源部と、光スイッチ部と、フィルタ部と、干渉部と、信号処理部とを備えて構成される。光源部は、可変波長光源を備え、所定の周波数のプローブ光を生成する。光スイッチ部は、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光と、所定の周波数の特性測定用光を選択して測定光としてフィルタ部に送る。フィルタ部は、測定光の特定の周波数成分を透過させる。干渉部は、特定の周波数成分が抽出された測定光を自己遅延干渉させて干渉光を生成する。信号処理部は、干渉光の信号強度と、特性測定用光の周波数に基いて、フィルタ部の透過特性を取得する。 In order to achieve the above object, the optical fiber sensor of the present invention includes a light source section, an optical switch section, a filter section, an interference section, and a signal processing section. The light source section includes a variable wavelength light source and generates probe light of a predetermined frequency. The optical switch section selects the backward Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light and the characteristic measurement light of a predetermined frequency, and sends the selected light to the filter section as measurement light. The filter section transmits a specific frequency component of the measurement light. The interference unit generates interference light by self-delay interference of the measurement light from which a specific frequency component has been extracted. The signal processing section obtains the transmission characteristics of the filter section based on the signal strength of the interference light and the frequency of the characteristic measurement light.
この発明の光ファイバセンサの好適実施形態によれば、特性測定用光の周波数は、フィルタ部が透過させる周波数帯域を含む範囲にわたって変更可能である。特性測定用光を生成する特性測定用光源をさらに備える構成にすることができる。また、光源部が備える可変波長光源が生成した連続光を2分岐して、一方をプローブ光として、他方を特性測定用光として用いる構成にすることもできる。 According to a preferred embodiment of the optical fiber sensor of the present invention, the frequency of the characteristic measuring light can be changed over a range including the frequency band transmitted by the filter section. The configuration may further include a characteristic measurement light source that generates characteristic measurement light. Further, it is also possible to have a configuration in which the continuous light generated by the variable wavelength light source included in the light source section is split into two, and one is used as the probe light and the other is used as the characteristic measurement light.
光スイッチ部は、一方の側に1のポートを有し、他方の側にn(nは2以上の整数)のポートを有する光スイッチを備える構成にしてもよい。光スイッチは、一方の側の1のポ
ートと、他方の側のnのポートから選択された1のポートと光学的に接続する。光スイッチの他方の側の第nのポートに特性測定用光が入力され、光スイッチの他方の側の第1~(n-1)のポートの少なくとも1つに測定対象となる光ファイバが接続される。
The optical switch section may include an optical switch having one port on one side and n ports (n is an integer of 2 or more) on the other side. The optical switch optically connects one port on one side and one port selected from n ports on the other side. Light for characteristic measurement is input to the n-th port on the other side of the optical switch, and an optical fiber to be measured is connected to at least one of the first to (n-1) ports on the other side of the optical switch. be done.
また、干渉部は、入力された測定光を第1光路及び第2光路に2分岐する分岐部と、第1光路及び第2光路のいずれか一方に設けられ、伝搬する光に周波数シフトを与える周波数シフタ部と、第1光路及び第2光路のいずれか一方に設けられ、伝搬する光に遅延を与える遅延部と、第1光路及び第2光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成する合波部とを有する自己遅延型のヘテロダイン干渉計としてもよい。 Further, the interference section is provided at a branching section that branches the input measurement light into a first optical path and a second optical path, and at either one of the first optical path and the second optical path, and provides a frequency shift to the propagating light. A frequency shifter section, a delay section that is provided on either the first optical path or the second optical path and delays the propagating light, and combines the lights received through the first optical path and the second optical path to produce interference light. It is also possible to use a self-delay type heterodyne interferometer having a multiplexing section that generates .
また、この発明のフィルタ特性測定方法は、上述の光ファイバセンサで実施することができ、信号強度取得過程及び透過周波数取得過程を備える。 Moreover, the filter characteristic measuring method of the present invention can be implemented with the above-mentioned optical fiber sensor, and includes a signal strength acquisition process and a transmission frequency acquisition process.
信号強度取得過程では、特性測定用光の周波数を、フィルタ部が透過させる周波数を含む範囲にわたって、順次変更して、特性測定用光の各周波数における、合波光の信号強度を取得する。 In the signal strength acquisition process, the frequency of the characteristic measuring light is sequentially changed over a range including the frequency transmitted by the filter section, and the signal strength of the combined light at each frequency of the characteristic measuring light is acquired.
透過周波数取得過程では、合波光の信号強度が最大となるときの、特性測定用光の周波数を、フィルタ部の透過周波数として取得する。 In the transmission frequency acquisition process, the frequency of the characteristic measuring light at which the signal intensity of the combined light becomes maximum is acquired as the transmission frequency of the filter section.
信号強度取得過程及び透過周波数取得過程は、光ファイバを選択した測定を行っている期間中、定期的にかつ低頻度で行われるのがよい。 The signal strength acquisition process and the transmission frequency acquisition process are preferably performed periodically and infrequently during the period when the selected optical fiber is being measured.
この発明の光ファイバセンサフィルタ特性測定方法によれば、FBGフィルタの特性を検知可能である。その結果として、所望のブリルアン散乱光の成分を抽出できなくなることを防ぐことも可能になる。 According to the optical fiber sensor filter characteristic measuring method of the present invention, it is possible to detect the characteristics of an FBG filter. As a result, it is also possible to prevent a desired component of Brillouin scattered light from being unable to be extracted.
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、各図は、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、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。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but each drawing is only schematically shown to the extent that the invention can be understood. Further, although preferred configuration examples of the present invention will be described below, these are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes and modifications can be made that can achieve the effects of the present invention without departing from the scope of the configuration of the present invention.
(第1実施形態)
図1を参照して、この発明の第1実施形態に係る、SDH-BOTDRを利用する光ファイバセンサ(以下、第1光ファイバセンサとも称する。)を説明する。図1は、第1光ファイバセンサの模式的なブロック図である。
(First embodiment)
Referring to FIG. 1, an optical fiber sensor (hereinafter also referred to as a first optical fiber sensor) using SDH-BOTDR according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic block diagram of a first optical fiber sensor.
第1光ファイバセンサは、光源部100、光スイッチ部300、フィルタ部600、干渉部800及び信号処理部900を備えて構成される。
The first optical fiber sensor includes a
光源部100は、プローブ光を生成する。光源部100は、例えば、波長可変光源110及び光パルス発生器130を備えて構成される。
The
波長可変光源110は、任意好適な従来公知の波長可変レーザで構成することができる。波長可変光源110は、所定の波長の連続光を生成して、光パルス発生器130に送る。
The wavelength tunable
光パルス発生器130は、任意好適な従来公知の、音響光学(AO:Acoust Optical)変調器又は電気光学(EO:Electric Optical)変調器を用いて構成することができる。光パルス発生器130は、外部から入力される電気パルスに応じて、連続光から矩形状の光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、光源部から出力されたプローブ光に含まれる光パルスが、測定対象となる光ファイバである被測定光ファイバ(FUT)400を往復するのに要する時間よりも長く設定される。
光パルス発生器130で生成された光パルスは、プローブ光として、サーキュレータ200に送られる。なお、光源部100が、さらに、増幅器や光フィルタなどを備えることもあるが、ここでは、図示及び説明を省略する。
The optical pulses generated by the
サーキュレータ200は、第1~第3の入出力ポートを有している。第1の入出力ポートに入力された光が、第2の入出力ポートから出力され、第2の入出力ポートに入力された光が、第3の入出力ポートから出力される。光源部100からサーキュレータ200に送られたプローブ光は、第1の入出力ポートに入力され、第2の入出力ポートから出力される。サーキュレータ200の第2の入出力ポートから出力されたプローブ光は、光スイッチ部300に送られる。
なお、サーキュレータ200に換えて、光カプラを用いても良い。
Note that an optical coupler may be used instead of the
光スイッチ部は、基準点ファイバ320、特性測定用光源310と光スイッチ330を備えて構成される。特性測定用光源310は、光源部100が備える波長可変光源110と同様に、所定の波長の連続光を生成することができる。光スイッチ330は、一方の側に1のポートを備え、他方の側にn(nは2以上の整数)ポートを備えている。ここでは、光スイッチ330の一方のポートをポート0(port-0)と称し、他方の側のポートを第1~第nのポート(port-1~port-n)と称する。
The optical switch section includes a
光スイッチ330は、他方の側のnのポート(port-1~port-n)から1のポートを選択し、一方の側のポート(port-0)と、他方の側の選択された第k(kは1以上n以下の整数)のポート(port-k)とを光学的に接続する。光スイッチ330では、port-0に入力された光が、port-kから出力され、port-kに入力された光が、port-0から出力される。
The
ここでは、nが2である場合、すなわち、光スイッチ330が、他方の側に第1のポート(port-1)と第2のポート(port-2)の2つのポートを備える場合を説明する。
Here, we will explain the case where n is 2, that is, the case where the
光スイッチ330の一方の側では、ポート0(port-0)に、基準点ファイバ320が接続される。また、光スイッチ330の他方の側では、ポート1(port-1)にFUT400が接続され、ポート2(port-2)に特性測定用光源310が接続される。
On one side of the
FUT400は、橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物、プラント、及び、地滑
りが発生する恐れのある箇所などに設けられ、温度や歪の測定に用いられる。
The
プローブ光は、FUT400を伝搬する間に、後方散乱する。後方散乱光は、FUT400から光スイッチ330に送られる。
The probe light is backscattered while propagating through
なお、光スイッチ300の他方の側に3以上のポートを備える場合は、第nのポート(port-n)に特性測定用光源310を接続し、第1~第n-1のポート(port-1~port-(n-1))のそれぞれにFUT400を接続してもよい。この場合、光スイッチ330の切替だけで、複数の系統の測定を行うことができる。
Note that when the
第1光ファイバセンサは、温度や、構造物の歪みなどの測定に用いられる。基準点ファイバ320は、測定対象の温度変化や歪の影響を受けない箇所に設けられ、温度や歪の測定の基準に用いられる。基準点ファイバ320の一端は、サーキュレータ200の第2の入出力ポートに光学的に接続される。また、基準点ファイバ320の他端は、光スイッチ330のport-0に光学的に接続される。光スイッチ部300では、光源部100から受け取ったプローブ光を、基準点ファイバ320を伝搬させて、光スイッチ330に送る。
The first optical fiber sensor is used to measure temperature, distortion of a structure, and the like. The
なお、温度や歪について、FUT400の各位置の相対的な変化が分かればよい場合は、基準点ファイバ320を備えない構成にしてもよい。また、基準点ファイバ320を光スイッチ330とFUT400の間に設けてもよい。これらの場合は、サーキュレータ200の第2の入出力ポートと、光スイッチ300のport-0が基準点ファイバ320を経ずに光学的に接続される。
Note that if it is sufficient to know relative changes in each position of the
特性測定用光源310は、光減衰器(ATT)340及び光アイソレータ(ISO)350を経て、光スイッチ330の第nのポート(port-n)に、図1に示す構成例では、port-2に接続される。
The characteristic
ここで、特性測定用光源310で生成された連続光である特性測定用光は、光スイッチ330のport-nに入力された後、後方散乱光と同じ経路を通り、信号処理部900で電気信号に変換される。以下の説明では、後方散乱光と特性測定用光を測定光と称することもある。
Here, the characteristic measuring light, which is a continuous light generated by the characteristic measuring
ブリルアン散乱光の強度は、一般的には小さく、電気信号への変換は、後述のように、例えば、アバランシェフォトダイオード(APD)で行われる。APDに過大な強度の光が入力されるとAPDが破損する恐れがある。このため、ブリルアン散乱光の強度との差を少なくするために、ATT340が用いられる。なお、特性測定用光源310で生成される連続光の光強度をAPDの破損を招かない程度に小さくできる場合は、ATT340を備えなくてもよい。
The intensity of the Brillouin scattered light is generally small, and conversion into an electrical signal is performed using, for example, an avalanche photodiode (APD) as described below. If excessively intense light is input to the APD, the APD may be damaged. Therefore, the
光スイッチ330が他方の側のポートとしてport-nを選択している場合は、特性測定用光が光スイッチ330のport-nに入力されるとともに、光スイッチ330のport-nからプローブ光が出力されている。このport-nから出力されるプローブ光が特性測定用光源310等に入力されないように、プローブ光を遮断するためにISO350が設けられるのがよい。ISO350は、順方向の光を透過させ、逆方向の光を遮断する。
When the
後方散乱光又は特性測定用光である測定光は、光スイッチ部330からサーキュレータ200、フィルタ部600、干渉部800を経て信号処理部900に送られる。信号処理部900は、測定光を電気信号に変換した後、BFSや、BFSに基いて温度や歪を得る
。
The measurement light, which is backscattered light or characteristic measurement light, is sent from the
測定光は、サーキュレータ200の第2の入出力ポートに入力され、第3の入出力ポートから出力される。サーキュレータ200の第3の入出力ポートから出力された測定光は、光増幅器500に送られる。
The measurement light is input to the second input/output port of the
光増幅器500は、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)などで構成される。光増幅器500は、測定光を増幅する。光増幅器500で増幅された測定光は、フィルタ部600を透過して、1:99カプラ700に送られる。
The
フィルタ部600は、直列に接続されている第1フィルタ610及び第2フィルタ620を備えて構成される。フィルタ部600に送られた測定光は、第1フィルタ及び第2フィルタを順に透過する。第1フィルタ及び第2フィルタは、同様に構成され、この構成例では、狭帯域のFBGフィルタである。同様の構成のFBGフィルタを直列に設けることで、フィルタ部600の透過特性をシャープにすることができる。
The
先ず、第1フィルタ610について説明する。第1フィルタ610は、サーキュレータ612と、FBG614とを備えて構成される。第1フィルタ610が備えるサーキュレータ612の第1の入出力ポートは、光増幅器500に接続され、第2の入出力ポートは、FBG部614の一端に接続され、第3の入出力ポートは、第2フィルタ620に接続される。また、FBG部614の他端は終端部616において終端されるのが良い。
First, the
第1フィルタ610に送られた測定光は、サーキュレータ612の第1の入出力ポートに入力されて、第2の入出力ポートから出力される。第2の入出力ポートから出力される後方散乱光は、FBG614で、回折条件を満たす波長の光が反射され、サーキュレータ612の第2の入出力ポートに入力される。サーキュレータ612の第2の入出力ポートに入力された測定光は、第3の入出力ポートから出力され、第2フィルタ620に送られる。
The measurement light sent to the
第2フィルタ620は、第1フィルタ610と同様に、サーキュレータ622と、FBG624とを備えて構成される。第2フィルタ620が備えるサーキュレータ622の第1の入出力ポートは、第1フィルタ610が備えるサーキュレータ612の第3の入出力ポートに接続され、第2の入出力ポートは、FBG624の一端に接続され、第3の入出力ポートは、1:99カプラ700に接続される。また、FBG624の他端は終端部626において終端されるのが良い。
The
第2フィルタ620に送られた測定光は、サーキュレータ622の第1の入出力ポートに入力されて、第2の入出力ポートから出力される。第2の入出力ポートから出力される後方散乱光は、FBG624で、回折条件を満たす波長の光が反射され、サーキュレータ622の第2の入出力ポートに入力される。サーキュレータ622の第2の入出力ポートに入力された測定光は、第3の入出力ポートから出力され、1:99カプラ700に送られる。
The measurement light sent to the
1:99カプラ700は、第2フィルタ620から送られた測定光を2分岐して、一方を干渉部800に送り、他方をモニターポートから外部に出力する。このモニターポートから外部に出力される光は、波長可変光源110と、特性測定用光源310を同じ設定値としたときの、実際の周波数の差分を測定する場合などに用いることができる。
The 1:99
干渉部800は、分岐部810と、周波数シフタ部820、遅延部830及び合波部840を備える、自己遅延ヘテロダイン干渉計として構成される。
The
分岐部810は、1:99カプラ700を経て測定光を受け取り、第1光路及び第2光路に2分岐する。
The branching
周波数シフタ部820は第1光路及び第2光路のいずれか一方、この例では第1光路に設けられおり、第1光路を伝搬する光に、ビート周波数Δfの周波数シフトを与える。ビート周波数Δfについては、局発電気信号源で生成される電気信号により与えられる。局発電気信号源については、従来公知の構成にすることができるので、図示及び説明を省略する。
The
遅延部830は第1光路及び第2光路のいずれか一方、この例では第2光路に設けられており、第2光路を伝搬する光に、時間τの遅延を与える。
The
合波部840は、第1光路及び第2光路を伝搬する光を合波して干渉光を生成する。干渉光は、信号処理部900に送られる。
The
信号処理部900は、2つのAPD912及び914と受信電気回路920を備えて構成される。2つのAPD912及び914は、バランス型フォトダイオードを構成し、干渉光を電気信号に変換する。2つのAPD912及び914で得られる電気信号は、受信電気回路920に送られる。受信電気回路920は、アナログ-ディジタル変換器、ミキサ、ローパスフィルタ、ディジタル信号処理部などを備えて構成される。
The
APD912及び914で生成されるアナログ電気信号は、ADCでディジタル信号に変換される。その後、ミキサ及びローパスフィルタで、ディジタル信号と局発電気信号源で生成される電気信号とのビート信号が得られる。ビート信号はディジタル信号処理部に送られる。
Analog electrical signals generated by
ディジタル信号処理部は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)及び記憶部を備えて構成される。CPUがROMに格納されているプログラムを実行することにより、BFSの算出や、BFSに基いて得られる、温度や歪の算出、さらに、フィルタ特性の取得が行われる。 The digital signal processing unit includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and a storage unit. When the CPU executes a program stored in the ROM, calculation of BFS, calculation of temperature and strain obtained based on BFS, and acquisition of filter characteristics are performed.
干渉部800の構成及び動作、並びに、信号処理部900の構成及び動作は、例えば、特許文献1に開示されている、従来公知の技術で実現できるので、ここでは、図示及び詳細な説明を省略する。
The configuration and operation of the
(フィルタ特性測定方法)
図2を参照して、フィルタ特性測定方法を説明する。図2は、フィルタ特性測定方法を説明するための模式図である。図2(A)は、フィルタ特性を示す図であり、横軸に周波数を取って示し、縦軸に、第1フィルタの透過率を取って示している。図2(B)は、特性測定用光源310の出力を示す図であり、横軸に周波数を取って示し、縦軸に光強度を取って示している。図2(C)は、受信電気回路で測定される電気信号強度を示す図であり、横軸に周波数を取って示し、縦軸に電気信号強度として電圧を取って示している。
(Method of measuring filter characteristics)
A filter characteristic measuring method will be explained with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a filter characteristic measuring method. FIG. 2(A) is a diagram showing filter characteristics, in which the horizontal axis represents the frequency, and the vertical axis represents the transmittance of the first filter. FIG. 2B is a diagram showing the output of the characteristic measuring
通常の測定を行う際は、光スイッチ330において、第1のポート(port-1)を選択して、FUT400での後方散乱光を測定する。一方、フィルタ特性の測定を行う際は、光スイッチ330において、第2のポート(port-2)を選択して、特性測定用光源310で生成される特性測定用光を測定する。
When performing normal measurement, the first port (port-1) is selected in the
フィルタ特性の測定では、信号強度取得過程において、特性測定用光源310の周波数設定値を、第1フィルタ610及び第2フィルタ620のフィルタ帯域を含む範囲で徐々に変更(スイープ)しながら、受信電気回路920で振幅値を取得する。例えば、周波数が低い方(図2(B)の左側)から、周波数が高い方(図2(B)の右側)に向けて、フィルタ部600の透過周波数帯域の幅よりも小さい変化量で、等間隔で徐々に、周波数設定値を順次変更する。その後、透過周波数取得過程において、干渉光の信号強度が最大となるときの、特性測定用光の周波数を、フィルタ部の透過周波数として取得する。
In the measurement of filter characteristics, in the signal strength acquisition process, while gradually changing (sweeping) the frequency setting value of the characteristic
この結果、図2(C)に示される、周波数設定値と、電気信号の強度から、フィルタ特性が得られる。ここで得られるフィルタ特性は、フィルタに入力される光の周波数と、フィルタを透過する光強度の関係を示す透過特性である。また、フィルタがFBGである場合、フィルタ特性をFBG特性とも称する。周波数設定値を徐々に変更するにあたっては、光源が備える周波数スイープ機構を用いることができる。この場合、周波数設定値を取得するために、予め、受信光の受信時刻から、その受信光に対応する周波数設定値が算出できるようにしておくのが良い。 As a result, filter characteristics are obtained from the frequency setting value and the intensity of the electrical signal, as shown in FIG. 2(C). The filter characteristics obtained here are transmission characteristics that indicate the relationship between the frequency of light input to the filter and the intensity of light transmitted through the filter. Furthermore, when the filter is an FBG, the filter characteristics are also referred to as FBG characteristics. To gradually change the frequency setting value, a frequency sweep mechanism included in the light source can be used. In this case, in order to obtain the frequency setting value, it is preferable to be able to calculate the frequency setting value corresponding to the received light in advance from the reception time of the received light.
また、各周波数設定値において、複数回測定して平均化するなどして、ノイズ低減を図ることも有効と考えられる。 It is also considered effective to reduce noise by measuring multiple times and averaging each frequency setting value.
また、port-1での通常の測定に対して、時分割多重の要領で、低頻度で、port-2の測定を挿入することで、通常の測定を行っている期間内に、常時、FBG特性を監視することができる。 In addition, by inserting the measurement of port-2 at low frequency in a time-division multiplexing manner to the normal measurement of port-1, FBG Characteristics can be monitored.
図3を参照して、FBG特性の監視について説明する。図3は、FBG特性の監視を説明するための模式図である。図3(A)は、nが3の場合の光スイッチの模式図である。を示し、図3(B)は、FUTでの通常測定と、FBGの特性測定の時系列を示す模式図である。図3(C)は、通常測定時の、光スイッチ331の切換を示し、図3(D)は、特性測定時の光スイッチ331の切換を示している。
With reference to FIG. 3, monitoring of FBG characteristics will be explained. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining monitoring of FBG characteristics. FIG. 3(A) is a schematic diagram of an optical switch when n is 3. FIG. 3(B) is a schematic diagram showing a time series of normal measurement with FUT and characteristic measurement of FBG. FIG. 3(C) shows switching of the
なお、FBG特性の測定は常時行うのが良いが、FBG特性の測定を行っている間は、通常測定ができない。従って、FBGの特性測定の頻度、及び、その時間は、通常測定に与える影響を無視できる程度に決定するのが良い。すなわち、特性測定は、定期的かつ低頻度で行うのが良い。 Note that, although it is preferable to measure the FBG characteristics at all times, normal measurements cannot be performed while the FBG characteristics are being measured. Therefore, the frequency and time of measuring the characteristics of the FBG should be determined to such an extent that the influence on normal measurements can be ignored. That is, it is preferable to measure the characteristics periodically and infrequently.
図3(B)に示すように、特性測定にかかる時間は、通常測定にかかる時間よりも短く設定される。通常測定時は、図3(C)に示すように、port-1とport-2を切り換えて行われ、2系統の測定を常時行う。これに対し、特性測定時は、図3(D)に示すように、port-1~port-3を切り換えて測定を行う。 As shown in FIG. 3(B), the time required for characteristic measurement is set to be shorter than the time required for normal measurement. During normal measurement, as shown in FIG. 3(C), port-1 and port-2 are switched, and two systems of measurement are always performed. On the other hand, when measuring characteristics, measurements are performed by switching ports-1 to port-3, as shown in FIG. 3(D).
(第2光ファイバセンサ)
図4を参照して、第2光ファイバセンサを説明する。図4は、第2光ファイバセンサの模式図である。
(Second optical fiber sensor)
The second optical fiber sensor will be described with reference to FIG. 4. FIG. 4 is a schematic diagram of the second optical fiber sensor.
第1光ファイバセンサは、光スイッチ部300に特性測定用光源310を備えているが、第2光ファイバセンサは、特性測定用光源310、ATT340及びISO350を、特性測定用光源部301として、光ファイバセンサの外部に設けている。これ以外の構成は、第1光ファイバセンサと同様なので、重複する説明を省略する。
The first optical fiber sensor includes a characteristic
この第2光ファイバセンサでは、光スイッチ330のport-nに、特性測定用光源部301のISO350を接続するためのコネクタが必要となる。このため、port-nでのコネクタ接続によるフレネル反射の影響等で特性が劣化する可能性がある。また、特性測定用光源310の制御に用いるインタフェースを別途用意しなければならない。
This second optical fiber sensor requires a connector for connecting the
しかしながら、従来の構成を拡張する形で実施可能という利点がある。 However, it has the advantage that it can be implemented as an extension of the conventional configuration.
(第3光ファイバセンサ)
図5を参照して、第3光ファイバセンサを説明する。図5は、第3光ファイバセンサの模式図である。
(Third optical fiber sensor)
The third optical fiber sensor will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5 is a schematic diagram of the third optical fiber sensor.
第1光ファイバセンサは、光スイッチ部300に特性測定用光源310を備えているが、第3光ファイバセンサは、光源部103が備える波長可変光源110を特性測定用光源として利用する。このため、第3光ファイバセンサの光源部103は、第1光源部の光源部の構成に対して、1:99カプラ120、ATT140及びISO150をさらに備える。
The first optical fiber sensor includes a characteristic
波長可変光源110で生成された連続光は、1:99カプラ120で2分岐され、一方は、光パルス発生器130に送られプローブ光として用いられる。他方は、ATT140及びISO150を経て、光スイッチ部300が備える光スイッチ330のport-nに送られる。第3光ファイバセンサは、第1光ファイバセンサに比べて、1:99カプラ120の挿入損失やクロストークによって特性が劣化することが懸念される。また、特性測定の際に、波長可変光源110の周波数を徐々に変化させるので、特性測定のたびに、通常測定での波長設定をやり直すことになるので、特性測定にかかる時間が長くなる。
The continuous light generated by the wavelength tunable
その一方、特性測定用光源を別途設ける必要がないので、製造コストを抑えることができる。また、通常測定と特性測定とで、同じ波長可変光源を用いるので、2つの光源の差が生じない。このため、第1光ファイバセンサなどで行われる、波長可変光源110と、特性測定用光源310を同じ設定値としたときの、実際の周波数の差分を測定する必要がない。
On the other hand, since there is no need to separately provide a light source for measuring characteristics, manufacturing costs can be reduced. Furthermore, since the same variable wavelength light source is used for normal measurement and characteristic measurement, there is no difference between the two light sources. Therefore, it is not necessary to measure the actual frequency difference when the variable wavelength
以上説明したように、この発明の、第1~第3光ファイバセンサ及びフィルタ特性測定方法によれば、FBGフィルタの特性を検知可能である。フィルタ特性の測定の結果、FBGフィルタの特性が変化した場合は、波長可変光源の周波数を変更するなどして、所望のブリルアン散乱光の成分を抽出できなくなることを防ぐことも可能になる。 As described above, according to the first to third optical fiber sensors and filter characteristic measuring method of the present invention, it is possible to detect the characteristics of an FBG filter. If the characteristics of the FBG filter change as a result of measuring the filter characteristics, it is possible to prevent the desired Brillouin scattered light component from being unable to be extracted by, for example, changing the frequency of the variable wavelength light source.
なお、特性測定を定期的に行うだけでなく、波長可変光源及び特性測定用光源の、周波数設定値と、実際の出力周波数についても、1:99カプラ700の出力を利用するなどして、定期的に監視するのが望ましい。
In addition to periodically measuring the characteristics, the frequency settings and actual output frequencies of the wavelength tunable light source and the light source for measuring characteristics are also periodically measured using the output of the 1:99
100、103 光源部
110 可変波長光源
120、 700 1:99カプラ
130 光パルス発生器
140、340 光減衰器(ATT)
150、350 光アイソレータ(ISO)
200、612、614 サーキュレータ
300 光スイッチ部
310 特性測定用光源
320 基準点ファイバ
330、331 光スイッチ
400 被測定光ファイバ(FUT)
500 光増幅器
600 フィルタ部
610 第1フィルタ
614、624 FBG
616、626 終端部
620 第2フィルタ
800 干渉部
810 分岐部
820 周波数シフタ部
830 遅延部
840 合波部
900 信号処理部
912、914 アバランシェフォトダイオード(APD)
920 受信電気回路
100, 103
150, 350 optical isolator (ISO)
200, 612, 614
500
616, 626 terminating
920 Receiving electrical circuit
Claims (8)
を備え、
前記光源部は、可変波長光源を備え、所定の周波数のプローブ光を生成し、
前記光スイッチ部は、前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光と、所定の周波数の特性測定用光を選択して測定光として前記フィルタ部に送り、
前記フィルタ部は、前記測定光の特定の周波数成分を透過させ、
前記干渉部は、特定の周波数成分が抽出された前記測定光を自己遅延干渉させて干渉光を生成し、
前記信号処理部は、前記干渉光の信号強度と、前記特性測定用光の周波数に基いて、前記フィルタ部の透過特性を取得する
ことを特徴とする光ファイバセンサ。 Comprising a light source section, an optical switch section, a filter section, an interference section, and a signal processing section,
The light source section includes a variable wavelength light source and generates probe light of a predetermined frequency,
The optical switch section selects backward Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light and characteristic measurement light of a predetermined frequency, and sends the selected light to the filter section as measurement light;
The filter section transmits a specific frequency component of the measurement light,
The interference unit generates interference light by self-delay interference of the measurement light from which a specific frequency component has been extracted;
The optical fiber sensor is characterized in that the signal processing section acquires the transmission characteristic of the filter section based on the signal intensity of the interference light and the frequency of the characteristic measurement light.
ことを特徴とする請求項1の光ファイバセンサ。 2. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the frequency of the characteristic measuring light can be changed over a range including a frequency band transmitted by the filter section.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to claim 1 or 2, further comprising a characteristic measuring light source that generates the characteristic measuring light.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバセンサ。 3. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the continuous light generated by the variable wavelength light source is split into two branches, one of which is used as the probe light and the other as the characteristic measuring light.
一方の側に1のポートを有し、
他方の側にn(nは2以上の整数)のポートを有する
光スイッチを備え、
前記光スイッチは、前記一方の側の1のポートと、前記他方の側のnのポートから選択された1のポートとを光学的に接続し、
前記他方の側の第nのポートに前記特性測定用光が入力され、
前記他方の側の第1~(n-1)のポートの少なくとも1つに測定対象となる光ファイバが接続される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバセンサ。 The optical switch section is
Has 1 port on one side,
An optical switch having n (n is an integer of 2 or more) ports on the other side,
The optical switch optically connects one port on the one side and one port selected from the n ports on the other side,
the characteristic measurement light is input to the n-th port on the other side;
3. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein an optical fiber to be measured is connected to at least one of the first to (n-1) ports on the other side.
入力された測定光を第1光路及び第2光路に2分岐する分岐部と、
前記第1光路及び前記第2光路のいずれか一方に設けられ、伝搬する光に周波数シフトを与える周波数シフタ部と、
前記第1光路及び前記第2光路のいずれか一方に設けられ、伝搬する光に遅延を与える遅延部と、
前記第1光路及び前記第2光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成する合波部と
を有する自己遅延型のヘテロダイン干渉計である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバセンサ。 The interference part is
a branching section that branches the input measurement light into a first optical path and a second optical path;
a frequency shifter section provided in either the first optical path or the second optical path and giving a frequency shift to the propagating light;
a delay section that is provided on either the first optical path or the second optical path and delays the propagating light;
According to claim 1 or 2, the interferometer is a self-delaying heterodyne interferometer, comprising a multiplexing section that multiplexes light received through the first optical path and the second optical path to generate interference light. Optical fiber sensor as described.
前記特性測定用光の周波数を、前記フィルタ部が透過させる周波数を含む範囲にわたっ
て順次変更して、前記特性測定用光の各周波数における、前記合波光の信号強度を取得する信号強度取得過程と、
前記合波光の信号強度が最大となるときの、前記特性測定用光の周波数を、前記フィルタ部の透過周波数として取得する透過周波数取得過程と
を備えることを特徴とするフィルタ特性測定方法。 A method for measuring filter characteristics in an optical fiber sensor according to claim 1, comprising:
a signal strength acquisition step of sequentially changing the frequency of the characteristic measuring light over a range including the frequency transmitted by the filter section, and acquiring the signal strength of the combined light at each frequency of the characteristic measuring light;
A method for measuring filter characteristics, comprising: obtaining a transmission frequency of the characteristic measurement light when the signal strength of the multiplexed light reaches a maximum as a transmission frequency of the filter section.
前記光ファイバを選択した測定を行っている期間中、定期的にかつ低頻度で行われる
ことを特徴とする請求項7に記載のフィルタ特性測定方法。 The signal strength acquisition process and the transmission frequency acquisition process include:
8. The filter characteristic measuring method according to claim 7, wherein the filter characteristic measuring method is performed periodically and infrequently during a period when the selected optical fiber is being measured.
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