JP3935631B2 - 光ファイバ歪計測装置及び方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの散乱光を分析することにより、光ファイバにかかる歪分布を計測する光ファイバ歪計測装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ファイバの散乱光を分析することにより、光ファイバにかかる歪量を計測する以下のような方法が開発されている。この方法では、後方ブリルアン散乱光の周波数シフト、すなわち入射光の光周波数からブリルアン散乱光スペクトルの中心周波数を引いた値が光ファイバに加わった引っ張り応力、すなわちそれと等価な引っ張り応力による相対伸びである光ファイバの伸び歪とともに増大することに着目し、ブリルアン周波数シフトの増加から、光ファイバ(あるいは光ケーブル)の異常点を検索する。
【0003】
この方法では、光ファイバの片端からパルス光を入射し、該光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光の後方散乱光をコヒーレント検波方法により高感度に検出する。このとき、ブリルアン散乱光が、光波と光ファイバ中の音波との相互作用により誘起され、光周波数をシフトさせることを利用し、ブリルアン散乱光の周波数シフト分布から光ファイバの歪み分布を測定する。
【0004】
ブリルアン散乱光の周波数シフトと歪量との関係は、次式(1)で与えられる。
【0005】
fb(ε)=fb(0)(1+Cε) …(1)
ここでfb(0)は、歪量ε(%)がゼロのときのブリルアン周波数シフト(入射光の周波数からブリルアン散乱のスペクトルの中心周波数を引いた値)であり、入射光の波長が1500nmのときの値は、11GHzである。また、Cは比例係数であり、約4.5である。上式(1)をεについて解くと、
ε={fb(ε)−fb(0)}/{Cfb(0)} …(2)
となる。したがって、ブリルアン周波数シフトを測定することにより、光ファイバの歪みを求めることができる。
【0006】
このブリルアン周波数シフトを計測するためには、微弱なブリルアン散乱光を効率よく受光する必要がある。この方法として、BOTDA(Brillouin Optical Fiber Domain Analysis)やBOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry )等の方法が報告されている。
【0007】
BOTDAは、ブリルアン利得分光法を応用するものであり、ポンプパルス光により発生した後方ブリルアン散乱光の光パワーを、プローブ光により増大させることができる。一方BOTDRは、コヒーレント受信等の手段を使った高感度の受信により、微弱なブリルアン散乱光を受信するものである。
【0008】
このように、BOTDAとBOTDRは高感度の測定ができるとともに、高精度な相対光周波数の測定も可能であるため、どちらの方法を用いても光ファイバのブリルアン周波数シフトの分布を測定できる。これらの方法は、文献(信学論誌、B-I Vol.J73-B-I,No.2,pp.144-152,1990;Technical Digest of International Quantum Electrinics Conference(IQEC'92),paper no. MoL.4,pp.42-43,1992)に開示されている。
【0009】
これらの方法では、ブリルアン周波数シフトを求めるために、投入光あるいは受光部の周波数をスキャンしてブリルアン散乱光の中心周波数を求めている。また、入射光をパルス状にして散乱光が入射端に戻ってくるまでの時間を計測することにより、光ファイバの各部分での歪の分布を求めることができる。
【0010】
図7の(a)は、上述した後方ブリルアン散乱光の周波数シフトにより光ファイバの歪量を計測する従来の光ファイバ歪計測装置の構成を示す図である。図7の(a)では、光源101に光ファイバ102が接続されており、光ファイバ102は光カプラ103を介して光ファイバ104に接続されている。また、光カプラ103には光ファイバ105を介して受光器106が接続されており、受光器106には比較器108を介して警報器109が接続されている。
【0011】
光源101から出射されたパルス光が光ファイバ102及び光カプラ103を介して光ファイバ104に入射されると、光ファイバ104内で生じるブリルアン散乱光の後方散乱光が光カプラ103及び光ファイバ105を介して受光器106で受光される。このようにして測定する光の周波数変化を検出するため、受光器の検出周波数をスキャンさせ、ブリルアン散乱光の中心周波数を求め、これを歪として換算する。
【0012】
図7の(b)は、上述した歪計測装置で計測した歪εの変化を示す図である。図7の(b)に示すように、歪の測定値εは、歪の変化点にて基準値ε0 と比較して変化量Δε分例えば増加する。この変化点が光ファイバ104において歪の変化が生じた箇所であり、その距離xと変化量Δεは、それぞれ下式(2)(3)で示される。
【0013】
距離x=(光パルスの戻る時間)/2×(光の速度)×(屈折率)…(2)
変化量Δε=ε(x)−ε0 (x) …(3)
そして、比較器108により算出された変化量Δεが規定値を越えた場合、警報器109から警報が発せられる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上述した歪計測装置に限らず、一般にOTDRによって位置を特定する方法では、受光系の帯域の制限等から計測値に位置ずれが生じるという問題がある。この位置ずれは約±70cmの範囲といわれている。
【0015】
図8の(a)は、上記光ファイバ歪計測装置による歪分布測定結果の例を示す図であり、図8の(b)は光ファイバの距離に対する変化量Δεを示す図である。図8の(a)に示すように、測定値εと基準値ε0 とに距離方向の位置ずれが生じると、図8の(b)に示すように、変化量Δεに位置ずれによる影響が現われる。よって、光ファイバにおける歪の経時変化を求めようとすると、各位置で経時的な比較ができないという問題がある。
【0016】
本発明の目的は、検出された光ファイバにおける歪発生箇所の位置ずれに影響されず歪計測を行なえる光ファイバ歪計測装置及び方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光ファイバ歪計測装置及び方法は以下の如く構成されている。
【0018】
(1)本発明の光ファイバ歪計測装置は、光ファイバの後方散乱光を計測することで該光ファイバにて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測装置であり、前記光ファイバの適当な箇所又は所定距離毎に予め指標となる歪を設け、前記光ファイバにて歪の検出された位置が前記指標の位置に対応するよう補正し、その位置における変化量が規定値を越えた場合に警報を発するための変化量を求める補正手段を備えた。
【0019】
(2)本発明の光ファイバ歪計測装置は、光ファイバの後方散乱光を計測することで該光ファイバにて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測装置であり、前記光ファイバにて歪の基準値からの変化量が規定値以上になる箇所を検出する検出手段と、この検出手段で検出された箇所付近の基準値と前記変化量との差が前記規定値未満になる箇所が、位置ずれが予想される範囲にあるか否かを判定する判定手段と、を備えた。
【0020】
(3)本発明の光ファイバ歪計測方法は、光ファイバの後方散乱光を計測することで該光ファイバにて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測方法であり、前記光ファイバを、張力を一定にすることで得られる測定値が一定の傾向を示すように布設し、基準値と前記測定値との変化量が規定値を越え変曲点が生じた箇所で歪が発生したものと判定する。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置の構成を示す図である。当該光ファイバ歪計測装置は、上述した後方ブリルアン散乱光の周波数シフトにより光ファイバの歪量を計測するBOTDRの方法を用いている。
【0022】
図1では、光源1に光ファイバ2が接続されており、光ファイバ2は光カプラ3を介して光ファイバ4に接続されている。また、光カプラ3には光ファイバ5を介して受光器6が接続されており、受光器6には補正器7及び比較器8を介して警報器9が接続されている。光源1から出射されたパルス光が光ファイバ2及び光カプラ3を介して光ファイバ4に入射されると、光ファイバ4内で生じるブリルアン散乱光の後方散乱光が光カプラ3及び光ファイバ5を介して受光器6で受光される。
【0023】
このようにして測定する光の周波数変化を検出するため、受光器の検出周波数をスキャンさせ、ブリルアン散乱光の中心周波数を求め、これを歪として換算する。
【0024】
図2は、当該光ファイバ歪計測装置による歪分布測定結果の例を示す図である。本第1の実施の形態では、布設した光ファイバ4の適当な箇所例えば所定距離毎に、予め指標となる歪等の特徴を設ける。そして、受光器6で受光された図2に示すような後方散乱光の測定値εにおける距離x1 ,x2 の位置、すなわち光ファイバ4にて歪の生じた位置を、指標xb1,xb2の位置に対応するよう、補正器7にて下式(4)のように距離x’の位置へ補正する。
【0025】
x’=(xb2−xb1)/(x2 −x1 )×(x−x1 )+xb1 …(4)
さらに補正器7にて、距離x’における変化量Δεを下式(5)で求める。
【0026】
Δε=ε(x)−ε0 (x’) …(5)
そして、比較器8により算出された変化量Δεが規定値を越えた場合、光ファイバ4にて過度の歪が発生したとみなされ、警報器9から警報が発せられる。
【0027】
このように、計測された歪発生箇所に位置ずれが生じた場合でも、歪の生じた位置を指標xb1,xb2の位置に対応するよう補正しているため、位置ずれに影響されることなく、光ファイバ4の各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0028】
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置の構成を示す図である。図3において図1と同一な部分には同一符号を付してある。当該光ファイバ歪計測装置は、上述した後方ブリルアン散乱光の周波数シフトにより光ファイバの歪量を計測するBOTDRの方法を用いている。
【0029】
図3では、光源1に光ファイバ2が接続されており、光ファイバ2は光カプラ3を介して光ファイバ4に接続されている。また、光カプラ3には光ファイバ5を介して受光器6が接続されており、受光器6には検出器10及び判定器11を介して警報器9が接続されている。光源1から出射されたパルス光が光ファイバ2及び光カプラ3を介して光ファイバ4に入射されると、光ファイバ4内で生じるブリルアン散乱光の後方散乱光が光カプラ3及び光ファイバ5を介して受光器6で受光される。
【0030】
このようにして測定する光の周波数変化を検出するため、受光器の検出周波数をスキャンさせ、ブリルアン散乱光の中心周波数を求め、これを歪として換算する。
【0031】
図4は、当該光ファイバ歪計測装置の動作手順を示すフローチャートである。当該光ファイバ歪計測装置では、まずステップS1で、受光器6で受光された後方散乱光の測定値εと基準値ε0とから、検出器10にて、光ファイバ4の距離xにおける変化量Δεを上式(3)で求める。そして検出器10は、変化量Δεが規定値(例えば、測定誤差)以上になった箇所を検出する。この位置をxpとする。
【0032】
次にステップS2で、判定器11は、検出器10による検出箇所の前後である位置ずれが予想される範囲(約±70cm、この値は計測器の性能から決定される)内で、微小量Δxづつxをずらしながら測定値ε(xp )とε0 (x)から変化量Δεを下式(6)で求める。
【0033】
Δε=ε(xp )−ε0 (xp ±η・Δx) …(6)
η=1〜70cm/Δx
これにより、前記範囲内で変化量Δεが前記規定値未満になる箇所を探す。
【0034】
そしてステップS3で、判定器11は、前記範囲内で変化量Δεが規定値未満になる箇所がある場合、ステップS4で、前記範囲内で位置ずれが生じ、歪は発生していないと判定する。またステップS3で、前記範囲内で変化量Δεが規定値未満になる箇所がない場合、ステップS5で歪が発生したと判定し、警報器9から警報を発する。
【0035】
このように、測定値εにおいて位置ずれが生じたのか、あるいは光ファイバ4に歪が発生したのかを判定できるため、位置ずれに影響されることなく、光ファイバ4の各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0036】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置の構成は、図7の(a)に示したものと同一である。さらに、光ファイバ104を布設する際に、例えば光ファイバ104の全長に亘る張力を一定にすることで、予め光ファイバ104から得られる測定値εが一定の傾向を示すようにする。
【0037】
図5の(a)は、当該光ファイバ歪計測装置による歪分布測定結果の例を示す図であり、図5の(b)は図5の(a)から求められる光ファイバの距離に対する変化量Δεを示す図である。
【0038】
測定された歪の測定値εにおいて、図5の(b)に示すような変曲点が生じた光ファイバ104の箇所で、下式(7)に示すように前回の測定と異なる状態になる。
【0039】
|dΔε/dx|>(0または所定値) …(7)
この場合、比較器108はその箇所で歪が発生したものと判定する。そして、比較器108により算出された変化量Δεが規定値を越えた場合、光ファイバ4にて過度の歪が発生したとみなされ、警報器109から警報が発せられる。
【0040】
このように、光ファイバ104を布設する際に、光ファイバ104から得られる測定値εが一定の傾向を示すようにしているので、測定値εにて変曲点が生じた箇所で歪が発生したものと判定でき、位置ずれに影響されることなく、光ファイバ104の各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0041】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施できる。例えば、上記実施の形態では歪について述べたが、同様な方法で光ファイバの伝送損失、温度分布計測、散乱光強度計測にも適用することができる。
【0042】
例えば、上記第3の実施の形態の変形例として、図6の(a)は光ファイバの伝送損失測定結果示す図であり、図6の(b)は図6の(a)から求められる光ファイバの距離に対する変化量ΔV=V(x)−V0 (x)を示す図である。
【0043】
測定された後方散乱光の強度Vにおいて、図6の(b)に示すような変曲点が生じた光ファイバの箇所で、下式(8)に示すように前回の測定と異なる状態になる。
【0044】
|dΔV/dx|>(0または所定値) …(8)
この場合、その箇所で伝送損失の変化が発生したものと判定する。
【0045】
このように得られた値をVとし、上記第1〜第3の実施の形態のεと置き換えることにより、歪以外の計測にも適用できる。
【0046】
(実施の形態のまとめ)
実施の形態に示された構成及び作用効果をまとめると次の通りである。
【0047】
[1]実施の形態に示された光ファイバ歪計測装置は、光ファイバ4の後方散乱光を計測することで該光ファイバ4にて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測装置であり、前記光ファイバ4の適当な箇所又は所定距離毎に予め指標となる歪を設け、前記光ファイバ4にて歪の検出された位置が前記指標の位置に対応するよう補正し、その位置における変化量が規定値を越えた場合に警報を発するための変化量を求める補正手段(7)を備えた。
【0048】
したがって上記光ファイバ歪計測装置によれば、光ファイバ4にて歪の検出された位置が指標の位置に対応するよう補正するので、検出された歪発生箇所の位置ずれに影響されず歪計測を行なえ、光ファイバ4の各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0049】
[2]実施の形態に示された光ファイバ歪計測装置は、光ファイバ4の後方散乱光を計測することで該光ファイバ4にて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測装置であり、前記光ファイバ4にて歪の基準値からの変化量が規定値以上になる箇所を検出する検出手段(10)と、この検出手段(10)で検出された箇所付近の基準値と前記変化量との差が前記規定値未満になる箇所が、位置ずれが予想される範囲にあるか否かを判定する判定手段(11)と、を備えた。
【0050】
したがって上記光ファイバ歪計測装置によれば、光ファイバ4にて歪の基準値からの変化量が規定値以上になる箇所を検出するとともに、前記箇所付近の基準値と前記変化量との差が前記規定値未満になる箇所が、位置ずれが予想される範囲にあるか否かを判定するので、得られた測定値に位置ずれが生じたのか、あるいは光ファイバ4に歪が発生したのかを判定できるため、位置ずれに影響されることなく、光ファイバ4の各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0051】
[3]実施の形態に示された光ファイバ歪計測方法は、光ファイバ4の後方散乱光を計測することで該光ファイバ4にて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測方法であり、前記光ファイバ4を、張力を一定にすることで得られる測定値が一定の傾向を示すように布設し、基準値と前記測定値との変化量が規定値を越え変曲点が生じた箇所で歪が発生したものと判定する。
【0052】
したがって上記光ファイバ歪計測方法によれば、光ファイバ4を、得られる測定値が一定の傾向を示すように布設し、基準値と前記測定値との変化量が規定値を越え変曲点が生じた箇所で歪が発生したものと判定するので、検出された歪発生箇所の位置ずれに影響されることなく、前記光ファイバ4の各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0053】
【発明の効果】
本発明の光ファイバ歪計測装置によれば、前記光ファイバの適当な箇所又は所定距離毎に予め指標となる歪を設け、光ファイバにて歪の検出された位置が指標の位置に対応するよう補正し、その位置における変化量が規定値を越えた場合に警報を発するための変化量を求めるので、検出された歪発生箇所の位置ずれに影響されず歪計測を行なえ、光ファイバの各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0054】
本発明の光ファイバ歪計測装置によれば、光ファイバにて歪の基準値からの変化量が規定値以上になる箇所を検出するとともに、前記箇所付近の基準値と前記変化量との差が前記規定値未満になる箇所が、位置ずれが予想される範囲にあるか否かを判定するので、得られた測定値に位置ずれが生じたのか、あるいは光ファイバに歪が発生したのかを判定できるため、位置ずれに影響されることなく、光ファイバの各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【0055】
本発明の光ファイバ歪計測方法によれば、光ファイバを、張力を一定にすることで得られる測定値が一定の傾向を示すように布設し、基準値と前記測定値との変化量が規定値を越え変曲点が生じた箇所で歪が発生したものと判定するので、検出された歪発生箇所の位置ずれに影響されることなく、前記光ファイバの各位置での歪の経時変化を求めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置の構成を示す図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置による歪分布測定結果の例を示す図。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置の構成を示す図。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ歪計測装置の動作手順を示すフローチャート。
【図5】本発明の第3の実施の形態に係る図であり、(a)は光ファイバ歪計測装置による歪分布測定結果の例を示す図、(b)は光ファイバの距離に対する変化量Δεを示す図。
【図6】本発明の第3の実施の形態に係る図であり、(a)は光ファイバの伝送損失測定結果示す図、(b)は光ファイバの距離に対する変化量ΔVを示す図。
【図7】本発明の第3の実施の形態及び従来例に係る図であり、(a)は光ファイバ歪計測装置の構成を示す図、(b)は測定された歪の測定値εの変化を示す図。
【図8】従来例に係る図であり、(a)は光ファイバ歪計測装置による歪分布測定結果の例を示す図、(b)は光ファイバの距離に対する変化量Δεを示す図。
【符号の説明】
1…光源
2…光ファイバ
3…光カプラ
4…光ファイバ
5…光ファイバ
6…受光器
7…補正器
8…比較器
9…警報器
10…検出器
11…判定器
Claims (3)
- 光ファイバの後方散乱光を計測することで該光ファイバにて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測装置であり、
前記光ファイバの適当な箇所又は所定距離毎に予め指標となる歪を設け、前記光ファイバにて歪の検出された位置が前記指標の位置に対応するよう補正し、その位置における変化量が規定値を越えた場合に警報を発するための変化量を求める補正手段を備えたことを特徴とする光ファイバ歪計測装置。 - 光ファイバの後方散乱光を計測することで該光ファイバにて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測装置であり、
前記光ファイバにて歪の基準値からの変化量が規定値以上になる箇所を検出する検出手段と、
この検出手段で検出された箇所付近の基準値と前記変化量との差が前記規定値未満になる箇所が、位置ずれが予想される範囲にあるか否かを判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする光ファイバ歪計測装置。 - 光ファイバの後方散乱光を計測することで該光ファイバにて生じた歪を検出する光ファイバ歪計測方法であり、
前記光ファイバを、張力を一定にすることで得られる測定値が一定の傾向を示すように布設し、基準値と前記測定値との変化量が規定値を越え変曲点が生じた箇所で歪が発生したものと判定することを特徴とする光ファイバ歪計測方法。
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