JP3759798B2

JP3759798B2 - 落雷点標定方法

Info

Publication number: JP3759798B2
Application number: JP31859796A
Authority: JP
Inventors: 正裕黒野; 雅幸栗原
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2016-11-15
Also published as: JPH10148654A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は送電線に併設して設けられる光ファイバ複合架空地線（以下ＯＰＧＷと略称する．）や光ファイバなどの光伝送路において、落雷やせん絡事故によってＯＰＧＷに急峻な電流が流れた場合における光信号の偏波状態を検出して、落雷点や事故点の正確な位置を標定するための落雷点標定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光通信などで用いられている光ファイバの中を伝搬する光信号は、温度や電磁界によってその偏波状態が変化する。例えば磁界による偏波状態の変化はファラデー効果として知られている。落雷電流などにより急峻に変化する磁界が長距離の光ファイバの一部に加わった場合、そこを伝搬する光の偏波状態の変化（偏波変動）の立上がり時間は光信号が伝送路を伝搬する時間より短くなる。このため、例えば図４に示すように、ＯＰＧＷ１１の光ファイバ１２に送信光源１３からの光信号を往復伝送させると、上り下りのそれぞれの伝送路１１１，１１２で発生した偏波変動は、ダミー光ファイバ１２１を含み光の伝搬時間差分のずれを伴って、偏波状態検出装置１４で受信される。なお、偏波状態検出装置１４は光分岐器１５、偏光子１６、光電変換器１７、四則演算回路１８などから構成されている。
【０００３】
従って、理論的には偏波状態の２回の変化点が受信端で観測され、その時間差が偏波変動の発生地点からの往復の伝搬遅延時間になるため、光伝搬速度と伝搬時間との積からその往復距離を算出することができ、ダミー光ファイバの長さを差引いてその半分の距離が折り返し点から落雷点までの距離となり、落雷などの発生位置を標定することができる。なお、偏波状態は一般に楕円偏波になっており、図５（ａ）に示すように楕円主軸の方角を示す偏波主軸角θと楕円の扁平率を角度で表した楕円率角εの２つの量で表され、図５（ｂ）のように、偏波状態は２θと２εを極座標とする半径１の球面上の一点で現され（この球をポアンカレ球と呼ぶ）、その直交座標系はストークスパラメータと呼ばれる。偏波変動はこの球面上の一点が別の場所に移動することを意味する。
【０００４】
具体例として、図４の構成でＯＰＧＷを長さ２００ｍとし、ダミー光ファイバ１２１に１２．７kmの先のファイバを用い、雷電流の代わりに図６に示すインパルス電流を用いて擬似実験を行った。但し、図４の光電変換器１７の出力のＶ0 ，Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 を検出した後の処理はデジタル波形記憶装置と計算機で行うようにしている。その時の偏波状態を示すストークスパラメータＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の測定波形例を図７に示し、偏波変動直前の偏波状態を基準としてそこから変動先までのポアンカレ球上の距離（偏波移動角と呼ぶ）を求めた例を図８に示してある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の偏波状態自身の変化点を検出する方法では以下の３つの問題がある。
（１）一般の光ファイバはわずかに複屈折性を持っており、落雷などの外乱がなくても光の伝搬とともに偏波状態が変化し、受信端の偏波状態は送信端の偏波状態とは異なっている。また、気温や風の影響で受信端の偏波状態はゆっくりと揺らいでいる。このような伝搬状態で伝送路中に落雷などの外乱が加わった場合、受信端の偏波状態は何らかの変化が生ずるが、偏波状態がどの方向（偏波主軸変化と楕円率変化で決まる方向）に変化するかは不明である。更には、複屈折率の影響により偏波状態が変化しながらその変化方向を任意に変える場合もある。このため、図４の構成において、上り下りで発生した２回の偏波変動は方向がまちまちであり、２回の偏波変動を定量化するのが難しい。
【０００６】
（２）また、ＯＰＧＷの場合、落雷電流はＯＰＧＷのの地線部を構成するアルミ覆鋼素線（導体）を流れるが、この素線は螺旋状に撚ってあるため、電流はこの螺旋状に撚った素線に沿って流れることにより内部に磁界が発生し、光ファイバに磁界が加わる。この場合、螺旋状の電流はインダクタンスを持つため、内部に発生する磁界は時定数が数１０μsec 程度の一次遅れを伴って変化する。従って、落雷電流の波頭長（立上がり時間）が短くても偏波変動の立上がりは数１０μsec 程度あり、偏波変動の正確な立上がり時点を検出することは困難となる。また、偏波変動の持続時間もそのインダクタンスにより長くなり、上り下りの間隔が短いと発生した２回の偏波変動が重なり合って判別することが困難となる。
（３）更に、雷電流の持続時間は統計的に数μsec から数ｍsec まで広く分布し、その電流波形も一様ではないこと、或いはＯＰＧＷと送電線間の相互誘導による電流も加わることなどにより、偏波変動は更に複雑かつ長時間にわたることが考えられ、偏波変動の立上がり時間を正確に判別できなくなる場合もあると考えられる。
【０００７】
即ち、偏波状態検出装置１４で検出された偏波状態を示す図７のストークスパラメータＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 では、下りと上りの２回の偏波変動発生時点を識別し難しい。この理由は、前述のように、第一に、ＯＰＧＷのインダクタンスにより偏波変動の立上がりを図６の電流波形に比べてなまるためであり、第二に、偏波状態が変動とともに変動方向を任意に変えるために、１回目（下り）の偏波変動と２回目（上り）の偏波変動とが同じような形で変化しないためである。また、ストークスパラメータＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 のポアンカレ球上の基準点からの変位量である図８に示す偏波移動角［ｄｅｇ］の波形においても印加した電流波形と大きく異なっており、２回目の偏波変動の立上がりもあまり明確ではない。この理由は、前述のように、１回目の偏波変動が収束しないうちに２回目の偏波変動が立ち上がっており、また、２回目の偏波変動の方向が１回目と異なるためであり、最悪の場合、２回目の偏波変動の方向が基準点からの距離が変わらない方向であると幾ら速い立上がりでも波形に全く現れない場合がある。また、このことから、図８の波形を時間微分しても２回目の正確な立上がりは現れない場合がある。
【０００８】
そこで、前述したような上り下りの偏波変動の重なりをなくすには、図４の折り返し点に長距離のダミー光ファイバ１２１を挿入することにより、２回の偏波変動の時間間隔を広げることも考えられるが、時間間隔を１ｍsec 広げるのに２００km程度の光ファイバが必要となり、設備が膨大となり、伝送損失も補償する必要がある。また、伝送路の両端に偏波状態検出装置を設置し、上り下り別々に偏波変動を検出して後で両者の時刻合わせをする方法をとれば偏波変動の重なりは解消できるが、偏波状態検出装置が２台必要となるという問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の落雷点標定方法は、光ファイバ複合架空地線の光伝送路に光信号を一端から送信して、他端で折り返した該光信号を前記一端で受信し、その光信号の上り下りの２方向の偏波変動をストークスパラメータとして検出し、前記上り下りの２つの偏波変動の時間差から落雷点を標定する方法において、前記光信号の前記各ストークスパラメータによる偏波変動の瞬時変化速度を求めて、その瞬時変化速度の急峻な変化から落雷点を標定するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＯＰＧＷなどの光伝送路中において光伝送路中のわずかな複屈折性や気温等のその他の外乱によって偏波状態が複雑に変化する中で、落雷によって生じた偏波変動の発生時点を明確に検出するために、ポアンカレ球で表される偏波状態の瞬時変化速度に着眼し、検出されるストークスパラメータの瞬時値などから偏波状態の瞬時変化速度を導出することにより、雑音となる偏波状態自身や偏波変動方向の任意性に無感応にするとともに、偏波変動の立上がり時点を顕著化するものである。以下図１に示した本発明の落雷点標定方法を実施する装置例に基づき説明する。
【００１１】
図１はＯＰＧＷ１１の１端から半導体レーザなどによる送信光源１３からレーザ光を送信し、ダミー光ファイバ１２１を介してＯＰＧＷ１１中を往復伝送させ、戻ってきた光を偏波状態検出装置１４により受信し、その信号を偏波変動速度算出装置２１に入力してその演算結果に基づく波形を出力する例である。なお、図１の回路構成において、従来例として示した図４と同一部分は同一記号で表しその説明を省略する。
図１において、２１は偏波変動速度算出装置で微分回路２２，自乗回路２３，加算回路２４，平方根演算回路２５，アークサイン（arcsin）演算回路２６から構成されている。ただし、これらの各回路及び偏波状態検出装置１４の四則演算回路１８は、各回路としてハード的構成を要するものではなく、計算機による計算処理手段により構成しても達成し得るものである。また、標定精度との関係から、これら回路構成又は計算処理手段のすべてを必要とするものではなく、後述するようにその一部を省略することができる。
【００１２】
次にこの回路の動作又は計算処理手段を説明する。先ず、従来例として示した図４と同様に、偏波状態検出装置１４は受信した光の瞬時値から偏波状態を測定するものであり、その内部構成は、例えば、受信した光を光分岐器１５により４つに等分割し、１つは偏光子１６を通さずその光強度Ｐ０、１つは主軸が水平方向の偏光子１６１を透過した光強度Ｐ1 、１つは主軸が４５度方向の偏光子１６２を透過した光強度Ｐ2 、１つはλ／４板とその主軸から偏光子の主軸が４５度傾いた偏光子１６３を透過した光強度Ｐ3 を、各々フォトダイオードなどの光電変換器１７で検出し、各光強度Ｐ0 ，Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 それぞれの光分岐器や偏光子の過剰損失などによる感度差を補正して、電気信号Ｖ0 ，Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 に変換し、四則演算回路１８により以下の演算を行う。
【００１３】
【数１】
Ｓ1 ＝２Ｖ1 ／Ｖ0 −１，Ｓ2 ＝２Ｖ2 ／Ｖ0 −１，
Ｓ3 ＝２Ｖ3 ／Ｖ0 −１
ここで、Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 はストークパラメータと呼ばれる偏波状態を表す量であり、この３つの電気信号を出力する。
なお、図１に示した偏波状態検出装置１４の光分岐器１５は、図３（ａ）に示すように２分岐器１５１を３つで構成しているが、図３（ｂ）に示すように光分岐器１５は２分岐器１５１を２つで構成し、偏光子１６の主軸が水平方向の偏光子１６１を偏向ビームスプリッタ１６５に代えてもよい。
次に本発明の主要構成部分に係る偏波変動速度算出装置２１では、前記のストークスパラメータＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の変化量を入力し、それぞれ微分回路２２、自乗回路２３で計算処理され、加算回路２４で加算して、平方根演算回路２５、アークサイン（arcsin）演算回路２６で演算処理されて偏波変動の瞬時変化速度Δβとして出力されるものである。以下にその演算処理を具体的に示す。
【００１４】
先ず、微分回路２２では、ストークスパラメータＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 をそれぞれ時間微分した信号を出力する。
【数２】
ΔＳ1 ＝ｄＳ1 ／ｄｔ，ΔＳ2 ＝ｄＳ2 ／ｄｔ，ΔＳ3 ＝ｄＳ3 ／ｄｔ
次に、自乗回路２３で、ΔＳ1 ，ΔＳ2 ，ΔＳ3 をそれぞれ自乗し、加算回路２４でこの３つの信号を加算し、以下の信号を出力する。
【数３】
Δγ＝ΔＳ1² ＋ΔＳ2² ＋ΔＳ3²
次に、平方根演算回路２５、arcsin演算回路２６によって以下の演算を行う。
【００１５】
【数４】
Δβ＝２arcsin（√Δγ／２）
以上により、偏波状態の瞬時変化速度Δβが算出され、最後にこの信号を出力する。
また、上記の回路構成で、簡単化のため近似的な偏波状態の瞬時変化速度でもよい場合は、arcsin演算回路２６を省略して√Δγを最終出力としてもよい。更にarcsin演算回路２６と平方根演算回路２５を省略してΔγを最終出力としてもよい。また、自乗回路２３を絶対値演算回路に置換えて｜ΔＳ1 ｜＋｜ΔＳ2 ｜＋｜ΔＳ3 ｜によっても近似的な瞬時変化速度を得ることが可能である。
また、前記の演算を例えばＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）で処理したり、Ａ／Ｄ変換器（アナログ・デジタル変換器）と計算機との組合せで処理したり、デジタル波形記憶装置と計算機との組合せで処理したりすることも可能である。
【００１６】
なお、デジタル波形記憶装置と計算機との組合せで処理する場合は、偏波状態検出装置１４の３つの出力のストークスパラメータＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 を時間波形として記憶すれば、その後の偏波変動速度算出装置２１内の演算を全て計算機で計算することが可能である。また、偏波状態検出装置１４の中の光電変換器１７の４つの出力Ｖ0 ，Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 を時間波形として記憶すれば、その後の偏波状態検出装置１４内の演算と偏波変動速度算出装置２１内の演算とを全て計算機で計算することができる。
この図１に示した本発明の実施例による計算処理で求めた、偏波状態の瞬時変化速度Δβの波形を図２に示す。
【００１７】
この図２から明らかなように本発明による処理を行った出力波形は、２回の偏波変動の立上がり部分が図６の印加電流の立上がり部分と同様の波形で明確に現れており、１回目（下り）と２回目（上り）の偏波変動の立上がり時点が明確に識別できる。これにより、２回路の偏波変動の時間間隔を正確に測定することができ、落雷点を正確に標定することができる。図２の波形から具体的に算定すると、時間間隔は６２．８μsec となる。その間の光の伝搬距離は、
（伝搬距離）＝（時間間隔）×（真空中の光速）／（光ファイバの屈折率）
の関係にあるので、真空中の光速を０．２９９８９２km／μsec 、光ファイバの屈折率を１．４６とすると、伝搬距離は１２．９kmとなり、、ダミー光ファイバとＯＰＧＷの合計の長さにほぼ一致し、往復の距離を測定できることが確認された。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明の落雷点標定方法は、偏波状態の瞬時変化速度を検出することにより、求めたい偏波変動の立上がり時点を顕著化するとともに、雑音となる偏波状態自身や偏波変動方向に対して無感応にすることができる。
これにより、落雷発生時点を正確に測定でき、ＯＰＧＷへの落雷地点を簡単かつ正確に標定するできる。また、偏波状態の瞬時変化速度という１つの信号に集約されて出力されるので、この信号の大きさを識別して計算開始のトリガー信号に利用できると共に、２つの信号立上り波形の間隔から距離への変換も容易に計算処理でき、落雷位置標定の全自動化が達成できる。また、送電線に落雷した場合もＯＰＧＷには誘電電流やせん絡電流が流れるので、その電流による偏波変動速度を検出することにより送電線の落雷事故を測定できると考えられる。これにより直ちに落雷点に出向いて設備の点検や復旧作業ができ、停電時間を削減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の落雷点標定方法を説明するブロック回路図である。
【図２】本発明により検出された偏波変動の瞬時変化速度Δβの波形図である。
【図３】図１に示したブロック回路図の偏波状態検出装置の一部を変更したブロック回路図である。
【図４】従来の落雷点標定方法を説明するブロック回路図である。
【図５】偏波状態を説明するベクトル図である。
【図６】落雷の擬似実験を行うためのインパルス電流の電流波形図である。
【図７】偏波状態を示すストークスパラメータの波形図である。
【図８】従来の落雷点標定方法による偏波移動角を示す波形図である。
【符号の説明】
１１光ファイバ複合架空地線（ＯＰＧＷ）
１２光ファイバ
１３送信光源
１４偏波状態検出装置
１５光分岐器
１６偏光子
１７光電変換器
１８四則演算回路
２１偏波変動速度算出装置
２２微分回路
２３自乗回路
２４加算回路
２５平方根演算回路
２６アークサイン（arcsin）演算回路

Claims

光ファイバ複合架空地線の光伝送路に光信号を一端から送信して、他端で折り返した該光信号を前記一端で受信し、その光信号の上り下りの２方向の偏波変動をストークスパラメータとして検出し、２つの偏波変動の時間差から落雷点を標定する方法において、
前記光信号の前記各ストークスパラメータによる偏波変動から瞬時変化速度を求めて、その瞬時変化速度の急峻な変化から落雷点を標定することを特徴とする落雷点標定方法。
前記光信号の受信信号を偏波状態検出装置により３つのストークスパラメータを求め、該各ストークスパラメータを瞬時時間で微分し、該微分値を絶対値演算した後加算して前記瞬時変化速度として求めるようにした請求項１記載の落雷点標定方法。
前記光信号の受信信号を偏波状態検出装置により３つのストークスパラメータを求め、該各ストークスパラメータを瞬時時間で微分し、該各微分値をそれぞれ自乗した後加算して前記瞬時変化速度として求めるようにした請求項１記載の落雷点標定方法。
前記光信号の受信信号を偏波状態検出装置により３つのストークスパラメータとして求め、該各ストークスパラメータを瞬時時間で微分し、該各微分値をそれぞれ自乗して加算し、該加算値を平方根演算して前記瞬時変化速度として求めるようにした請求項１記載の落雷点標定方法。
前記光信号の受信信号を偏波状態検出装置により３つのストークスパラメータとして求め、該各ストークスパラメータを瞬時時間で微分し、該各微分値をそれぞれ自乗して加算し、該加算値を平方根演算した後アークサイン演算して前記瞬時変化速度として求めるようにした請求項１記載の落雷点標定方法。
前記光信号の受信信号を光分岐器，偏光子，光電変換器を通して４つの出力電圧として検出し、該各出力電圧の四則演算により３つのストークスパラメータとして求めるようにした請求項１〜５記載の落雷点標定方法。