JP3222970U - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的応力や温度の分布を高精度、高空間分解能で測定でき、測定距離の増加、測定時間の短縮、信号対雑音比の増加が可能な分布型光ファイバセンサを提供する。【解決手段】第１の放射光の光源１、第２の放射光の光源２、高感度光ファイバ３および光学的放射検出器４を含み、高感度光ファイバの第１端部は第１の放射光の光源に接続され、第２端部は第２の放射光の光源に接続され、それによって第１の放射光と第２の放射光との間にブリルアン光散乱現象を引き起こし、検出器は、ブリルアン光散乱に起因する放射を検出するために、第１端部に、長さが高感度光ファイバの長さの少なくとも半分である光ファイバ伝送路で接続され、第１の放射光の光源および検出器の光ファイバへの接続は、互いに分離された２つの配線経路５、６を使用して行われる。【選択図】図１
Description
本考案は、ブリルアン光散乱現象に基づく分布型光ファイバセンサに関するものであり、感応素子として光ファイバを使用し、機械的応力および／または温度の分布を高精度および高空間分解能で測定するために使用することができる。
高感度光ファイバに沿った温度、変形および静水圧などの物理量の分布を測定するための光ファイバセンサが知られており、それらは散乱放射、すなわちブリルアン散乱、いわゆるマンデルスタム・ブリルアン散乱の微細構造パラメータの分布の記録に基づく方法を使用する。物理的パラメータ（圧力、変形、温度）を測定する位置の決定は、散乱信号のセンシングから記録までの遅延時間を、分析器から散乱部位までの光ファイバを通る放射光の往復に対応する距離に変換することで行われる。
遅延時間の測定は、例えば、既知の光ファイバブリルアン分析器（ロシア実用新案特許第１４０７０７号のＲＦ特許、２０１４年５月２０日公開）のように直接行うことができる。既知の分析器では、時間領域の光反射率測定（ＯＴＤＲ、Optical Time Domain Reflectometry）の原理を使用する時間領域のブリルアン光学解析法（ＢＯＴＤＡ、Brillouin Optical Time Domain Analysis）が使用される。既知の分析器では、ブリルアン散乱に関与する放射光のパルスと、パルスの反対方向に光ファイバ内を伝播するブリルアン散乱現象に起因する光受信機によって記録される信号との間の遅延時間が測定される。
他の遅延時間を測定するための既知の方法（例えば、欧州特許出願公開第２１１０６４６号、２０１３年１２月１１日公開； Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１５巻、第４号、頁６５４〜６６２ １９９７、１９９７年４月１９９７年発行を参照）では、周波数領域の光学反射率測定の原理（ＯＦＤＲ、Optical Frequency Domain Reflectometry）を使用する周波数領域のブリルアン光学解析法（ＢＯＦＤＡ、Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）が使用される。既知の装置では、ブリルアン散乱現象に起因する、光信号の振幅および位相の、一方の光波の変調周波数に対する依存性が測定される。次に、周波数依存性のフーリエ変換によって、時間領域の光学反射率測定法で得られる依存性と同様である信号の時間依存性が計算される。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１５巻、第４号、頁６５４〜６６２ １９９７、１９９７年４月１９９７年発行
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光ファイバ中のブリルアン散乱は、音波によって作られる屈折率の移動する格子からの光の回折とみなすことができる。したがって、格子から反射された信号は、格子が音速で移動するため、周波数によりドップラーシフトする。音速は材質の密度に直接関係し、その温度と内部の機械的応力（変形）の両方に依存する。結果として、ブリルアン周波数シフトの大きさは、散乱点での温度と変形に関する情報を伝える。変形を正確に測定するためには、温度およびブリルアン周波数シフトに対する温度寄与の減算、すなわち熱補償の測定が必要とされる。外部の機械的影響から光ファイバを保護する場合、ブリルアンシフトは温度だけに依存する。したがって、ブリルアン周波数シフトの測定により、温度および変形の測定が可能になる。
市販の、ブリルアン光散乱現象に基づく光ファイバ温度および変形センサは存在しており（例えば、ＵＲＬ：http://www.fibristerre.de/products-and-services/、アクセス日２０１６年５月１３日； ＵＲＬ：http://www.neubrex.com/htm/products.htm、アクセス日２０１６年５月１３日； ＵＲＬ：http://omnisens.ch/ditest/3511-ditest-aim.php、アクセス日２０１６年５月１３日を参照）、これらはパイプラインを通って輸送される製品の漏れ検知システム、地動監視システム、建物および構造物状態監視システム、電線監視システムなどで使用されている。
最も近い技術的解決策（プロトタイプ）は、変形および／または温度を測定するためのブリルアン散乱現象に基づく方法を使用する既知の分布型光ファイバセンサである（２００８年７月２７日公開のＲＦ特許であるロシア特許第２３４６２３５号を参照）。既知のセンサは、中心に向かって増加する段階的な光強度分布を有する光パルスを形成するための段階的な光放射源（光源）と、連続的な放射光放射を形成するための連続的な光放射源とを含む。センサはまた、光パルスがセンシング放射光として入射し、連続放射光がポンピング放射光として入射することによってセンシング放射光とポンピング放射光との間にブリルアン散乱現象が生じる高感度光ファイバと、高感度光ファイバから放出され、ブリルアン散乱現象に起因する放射光からブリルアン減衰スペクトルまたはブリルアン利得スペクトルを決定するための時間領域におけるブリルアン散乱検出器も含む。既知のセンサでは、高感度光ファイバの内部で生じた変形および／または高感度光ファイバの温度の測定は、特定のブリルアン減衰スペクトルまたはブリルアン利得スペクトルに基づいて行われる。
既知のセンサの欠点は、ブリルアン散乱が発生する光ファイバの部分を制限することができず、その結果、検出器が高感度光ファイバの全長にわたって発生するブリルアン散乱に起因する信号を受信し、測定期間の増加と信号／ノイズ比の減少をもたらし、光放射源および検出器から高感度光ファイバの最も遠い部分までの距離を制限してしまうことである。
請求項に記載のセンサによって解決しうる請求項の課題は、技術的および操作的性能の改善、ならびにセンサの構成部品の配置に対する要件が高い光放射源および検出器から十分に大きな距離での測定を可能にするという点である。
請求項に記載のセンサを実行する際に得られる技術的結果は、光放射源および検出器から高感度光ファイバの最も離れた部分までの距離の増加、測定時間の短縮、信号／ノイズ比の増加である。
請求項に記載の技術結果は、第１の放射光の光源、第２の放射光の光源、高感度光ファイバおよび光学的放射検出器を含み、高感度光ファイバの第１端部は第１の放射光の光源に接続され、高感度光ファイバの第２端部は第２の放射光の光源に接続され、それによって第１の放射光と第２の放射光との間にブリルアン光散乱現象を引き起こし、検出器は、高感度光ファイバから出てブリルアン光散乱に起因する放射を検出するために高感度光ファイバの第１端部に長さが高感度光ファイバの長さの少なくとも半分である光ファイバ伝送路で接続され、第１の放射光の光源の高感度光ファイバへの接続、高感度光ファイバの光学的放射検出器への接続は互いに分離された２つの配線経路を使用して行われる、ブリルアン光散乱現象を用いて高感度光ファイバの変形および／または温度を測定するための分布型光ファイバセンサにより達成できる。
高感度光ファイバの光ファイバ伝送路の配線経路への接続は、光サーキュレータによって行なうことが可能である。
高感度光ファイバの変形および／または温度は、特定のブリルアン減衰スペクトルに基づいて測定することが可能である。
高感度光ファイバの変形および／または温度は、特定のブリルアン利得スペクトルに基づいて測定することが可能である。
第１の放射光の光源、第２の放射光の光源および光学的放射検出器は共通のハウジング内に配置されうる。
記載されたセンサのこの利点ならびにその特徴は、添付の図面を使用して説明される。
ブリルアン散乱現象を用いて高感度光ファイバの変形および／または温度を測定するための記載の分布型光ファイバセンサの全体機能図を示す。
ブリルアン散乱現象を用いて高感度光ファイバの変形および／または温度を測定するための分布型光ファイバセンサ（図１）は、第１の放射光の光源１、第２の放射光の光源２、高感度光ファイバ３および光学的放射検出器４を含む。
高感度光ファイバ３の第１の端部は、それぞれ互いに分離された２つの配線経路５および６を使用して、光ファイバ伝送線を介して第１の放射光の光源１および光学的放射検出器４に接続される。接続は光サーキュレータ７を用いて行うことができる。
第１の放射光の光源１、第２の放射光の光源２および光学的放射検出器４は、例えば、従来技術から知られている分散型光ファイバセンサの場合と同様に、共通のハウジング８内に配置することができる。
分布型光ファイバセンサ（図１）は以下のように動作する。
光源１は第１の放射光を放射し、当該第１の放射光は光ファイバ伝送線の配線経路５および光サーキュレータ７を介して高感度光ファイバ３に入り、その中に広がる。配線経路５は、歪みなしに要求される特性を有する第１の放射光を伝送する。光源２は第２の放射光を放射し、当該第２の放射光は高感度光ファイバ３に入り、その中を第１の放射光に向かって伝播する。光源１および光源２は、対応するブリルアン光学分析法で適用できる特徴を有する。高感度光ファイバ３では、ブリルアン散乱現象が第１の放射光と第２の放射光との間で発生し、ブリルアン散乱現象に起因する信号が生成され、その信号は高感度光ファイバ３を伝播し、光ファイバ伝送路の配線経路６を通って光学的放射検出器４に入る。その際、配線経路６は、歪みがないということを要求される特性を有し、放射光を伝送する。光ファイバ伝送路の高感度光ファイバ３、すなわち配線経路５および６への接続は、光サーキュレータ７によって行うことができる。光サーキュレータ７は、光源１に接続された配線経路５からの第１の放射光を高感度光ファイバ３に向け、高感度光ファイバ３からの放射は、検出器４に接続された配線経路６に向ける。サーキュレータ７を使用することにより、第１の放射光が検出器４に寄生して入射することを防ぎ、また高感度光ファイバ３からの放射が光源１に入射することを防ぎ、高感度光ファイバ３から検出器４への放射を低損失で伝送することが可能になる。光サーキュレータは標準的な構成要素であり、市販されている（例えば、ＵＲＬ：https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=373、アクセス日２０１６年５月１３日を参照）。
検出器４は、高感度光ファイバ３から出てブリルアン散乱現象に起因する放射光からブリルアン減衰スペクトルまたはブリルアン利得スペクトルを測定し、特定のブリルアン減衰スペクトルまたはブリルアン利得スペクトルに基づいて高感度光ファイバ３の変形および／または温度を判定する。
高感度光ファイバに沿った測定値の空間分布の測定は、従来技術から知られている方法によって行われる。請求項に記載のセンサでは、第１の放射光がパルスであり、光学的放射検出器が第１の放射光のパルスに対する遅延時間に依存してブリルアン散乱に起因する放射を記録する時間領域のブリルアン光学解析方法（ＢＯＴＤＡ）を使用することができる。測定点までの距離は、対応する遅延時間の変換に基づいて計算される。この場合、光源１、光源２および検出器４は、最も近い技術的解決策（プロトタイプ）と同じ方法で実行することができる。
請求項に記載のセンサでは、第１の放射光が振幅で調和的に変調され、光学的放射検出器が第１の放射光の変調周波数に応じて高感度光ファイバから放出されブリルアン散乱に起因する放射の位相および振幅を記録するとき、周波数領域のブリルアン光解析法（ＢＯＦＤＡ）を使用することもできる。この場合、光源１、光源２および検出器４は、ブリルアン光散乱現象に基づく従来技術から知られている市販のシステムと同じ方法で実行することができる（ＵＲＬ：http://www.fibristerre.de/products-and-services/、アクセス日２０１６年５月１３日を参照）。
通信業界では、光信号を送受信するために光ファイバ伝送路が広く使用されている。光ファイバ伝送路は、統一された光ケーブルを有する光ファイバ伝送システムの配線経路、直線構造体、および保守装置の動作の範囲内でそれを保守するための装置から構成される。光ファイバ伝送路の必須のチャネル形成要素は光ファイバである。光ファイバは、光信号の減衰パラメータと分散特性によって特徴付けられる。通信シングルモード光ファイバにおける波長１５５０ｎｍの放射の典型的な減衰は０．１９〜０．２２ｄＢ ／ ｋｍであり、波長分散は約２０ｐｓ ／（ｎｍ・ｋｍ）である。配線経路５および６に沿って放射光を伝送するとき、光信号の振幅は減衰のために減少し、時間的信号形状は波長分散の寄与のために歪められる可能性がある。
配線経路５および６内の光信号の振幅を回復するために、通信業界で広く使用されている光増幅器、例えばエルビウム光増幅器またはラマン増幅器は、増幅値が光ファイバ伝送路の前区間の総減衰量と光パワー損失を補正するように、一定の距離にわたって設定され、使用されることができる。増幅器がない配線経路の区間の典型的な長さは５０ｋｍであり、それは光信号パワーの１０ｄＢの損失に相当する。
光増幅器の保守装置に加えて、配線経路５および６では、光増幅器のスペクトル雑音から、たとえばエルビウム増幅器からの自然放出から、波長スペクトル有用光信号をフィルタリングするスペクトル光フィルタを使用することができる。信号の時間波形を復元するために、配線経路の前の区間に蓄積された分散を補償する分散補償器（ファイバまたは半導体）を使用することができる。信号の偏光状態を保つ光ファイバを使用することにより、偏光モード分散を防ぎ、伝送路における歪みを低減することが可能になる。光増幅器とそれに直列に設置される分散補償器の配線経路における組み合わせが中継器であり、当該中継器によって配線経路６に沿って伝送される信号の形状を元の状態に復元することができ、すなわち信号を繰り返すことができる。
配線経路６では、互いに向かって伝播する第１の放射光がないため、互いに向かって伝播する第１の放射光および第２の放射光の相互作用によって引き起こされるブリルアン散乱がない。したがって、高感度光ファイバ３を検出器４に接続するための配線経路６の使用は、伝送される放射光の非線形的な歪みを防ぎ、高感度光ファイバ３でブリルアン散乱現象が発生する領域を制限する。
光ファイバ伝送路の長さは、高感度光ファイバ３の長さの半分以上とする。高感度光ファイバ３の長さはＬ値とする。高感度光ファイバ３の長さをＬとする。光ファイバ伝送路の長さがＬ ／ ２（高感度光ファイバ３の長さの半分）の場合、放射光の光源１、放射光の光源２および光学的放射検出器４から高感度光ファイバ３の最も離れた部分までの最大可能距離は３Ｌ ／ ４に等しい。例えば、放射光の光源１、放射光の光源２および光学的放射検出器４が共通ハウジング８内に配置される場合、その距離は、光ファイバ伝送路と高感度光ファイバ３が一直線上に配置されるときに、光ファイバ伝送路が共通ハウジング８からＬ ／ ２の距離で高感度光ファイバに接続され、さらにＬ ／ ４だけ延ばされて折り返され、残りの３Ｌ ／ ４の長さが共通ハウジング８内に位置する放射光の光源１と光学的放射検出器４に接続するようにすることにより、達成される。光ファイバ伝送路がない場合、放射光の光源１、２および光学的放射検出器４から高感度光ファイバ３の最も離れた部分までの最大可能距離は、Ｌ ／ ２になることは明らかである。したがって、経路６を使用した場合、増加する上記距離はＬ ／ ４であり、すなわちＬ ／ ２に対して５０％だけ増加する。したがって、この光ファイバ伝送線路の長さは、高感度光ファイバ３の最も遠い部分から放射光の光源１、２および光学的放射検出器４までの最大到達距離を大幅に長くすることができる。
センサの信号／ノイズ比の増加は、放射光の光源１、２および光学的放射検出器４から離れて測定が必要とされる場合、配線経路６が、放射が高感度光ファイバを伝播する場合に起こる上記の歪みなしに、高感度光ファイバ３から検出器４への放射光の伝送を保つことにより達成される。 また、サーキュレータ７を使用することにより、高感度光ファイバ３からの放射が配線経路５に入るのを防ぎ、それによって、第１および第２の放射光の相互作用によって引き起こされるブリルアン散乱が互いに向かって伝播するのを防ぎ、したがって上記の歪みなしに、光源１から高感度光ファイバ３まで第１の放射光の伝送を保ち、信号／ノイズ比がさらに向上する。
放射光の光源１、２および光学的放射検出器４からの距離において測定が必要とされる場合のセンサのため、配線経路５においてブリルアン散乱が生じないことにより、測定時間の短縮が達成され、その結果、光反射率測定によって解析されるファイバの部分は高感度光ファイバ３までに減少され、第１の放射光が光ファイバ伝送路から光ファイバ３を介して光源２まで伝送し、検出器４に戻る伝搬時間の減少に従って測定時間を減少させる。
また、高感度光ファイバの典型的な最大許容長は５０ｋｍを超えないため、高感度光ファイバ３の長さの半分以上の光ファイバ伝送路の長さは、通信業界における一般的なソリューションを使用して容易に実現できる。
Claims (5)
- 第１の放射光の光源、第２の放射光の光源、高感度光ファイバおよび光学的放射検出器を含み、
前記高感度光ファイバの第１端部は前記第１の放射光の光源に接続され、前記高感度光ファイバの第２端部は前記第２の放射光の光源に接続され、それによって第１の放射光と第２の放射光との間にブリルアン光散乱現象を引き起こし、
前記光学的放射検出器は、高感度光ファイバから出射されてブリルアン光散乱に起因する放射を検出するために、前記高感度光ファイバの前記第１端部に、長さが高感度光ファイバの長さの少なくとも半分である光ファイバ伝送路で接続され、
前記第１の放射光の光源の前記高感度光ファイバへの接続、および前記高感度光ファイバの前記光学的放射検出器への接続は、互いに分離された２つの配線経路を使用して行われる、ブリルアン光散乱現象を用いて高感度光ファイバの変形および／または温度を測定するための分布型光ファイバセンサ。 - 前記高感度光ファイバの前記光ファイバ伝送路の配線経路への接続が、光サーキュレータによって行われる、請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
- 前記高感度光ファイバの変形および／または温度が、特定のブリルアン減衰スペクトルに基づいて測定される、請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
- 前記高感度光ファイバの変形および／または温度が、特定のブリルアン利得スペクトルに基づいて測定される、請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
- 前記第１の放射光の光源、前記第２の放射光の光源および前記光学的放射検出器が共通のハウジング内に配置される、請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
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