JP4518873B2 - 異常部判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＴＤＲを用いて得られた測定波形から光ファイバの異常部を検出する光ファイバの異常部判定方法に関する。

従来より、光ファイバの製造後、その品質を検査するために、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）と呼ばれる光パルス試験器が用いられている。ＯＴＤＲは、光ファイバ内で生じる散乱光、反射光を解析することで、光ファイバの伝送損失量及び距離を測定や、破断点、接続損失等を検出できる測定機器である（例えば非特許文献１参照）。

ＯＴＤＲを用いて光ファイバを検査するには、光パルスを被測定光ファイバに入射すると入射した光パルスの散乱光と反射光が再び入射端に戻ってくるので、これらの散乱光と反射光の受光パワーを測定し、時間領域で解析することにより行う。
入射した光パルスの散乱光は、光ファイバの屈折率分布が不均一であることに起因して生じ、入射端に戻ってきたレーリ散乱光は後方レーリ散乱光（Reyleigh backscattering）と呼ばれる。入射した光パルスの反射光は、コネクタ接続点等の屈折率の不連続点に起因する反射光であり、フレネル反射（Fresnel reflection）と呼ばれる。

図９に、ＯＴＤＲを用いて得られる測定波形の模式図を示す。図９の測定波形において、横軸は時間であり、縦軸は受光パワーを対数表示している。図９において、右下がりの直線が後方レーリ散乱光であり、パルス状の波形がフレネル反射光の波形である。
光ファイバの伝送損失は後方レーリ散乱光の傾き（Ａ／Ｌ）によって算出される。また、接続損失は後方レーリ散乱光の段差Ｂ、そして反射減衰量はフレネル反射のレベルＣをもとにそれぞれ算出される。
（株）オプトロニクス社発行 三木哲也、須藤昭一編「光通信技術ハンドブック」 第３８５頁

光ファイバの検品の際には、上記の光ファイバの接続損失（段差）及びフレネル反射は「異常部」として検出されるが、この異常部の検出は、これまで作業者が測定波形を目視することによって行われてきた。
しかしながら、ＯＴＤＲによる測定波形はノイズと異常部との見分けがつきにくく、異常部を目視によって検出するのに熟練を要する。このため、作業者の熟練度によって、異常部が検出されるか否かにバラつきが生じるという問題があった。また、未熟練者が検出作業を行った場合には、良品の光ファイバを不良品と誤判断して、良品が廃棄される場合があるという不都合があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熟練度に関係なく、常に適正な光ファイバの異常部の判定を行うことができる異常部判定方法を提供することである。

前述した目的を達成するために、本発明にかかる異常部判定方法は、ＯＴＤＲにより測定した測定波形から、光ファイバの異常部を検出するための有効範囲を決定し、光ファイバの異常部を判定を行う異常部判定方法であって、前記有効範囲を決定するに際し、前記測定波形を所定幅の区間に複数分割して、区間毎に区間内の傾きｋiと下記式で表される区間標準偏差ｓiとを算出し、前記区間標準偏差ｓiが閾値を超えている区間が、所定回数連続するとき、その連続する区間の直前区間の終点を前記有効範囲の終点とすることを特徴としている。
ｓi＝ （1/nΣｙ²）^1/2
〔ｙは、区間内のプロットの近似直線（傾きｋi）と各プロットとの偏差を示す。ｎは、区間内のプロット数を示す。〕

このように構成された異常部判定方法においては、ＯＴＤＲで得られた波形を用いて光ファイバの異常部を検出する際に、まず、有効範囲を決定する。この際、ＯＴＤＲ波形を所定幅の複数区間に分割して、各区間内の傾きを算出し、連続する所定数の区間において閾値を超えたときには、この連続する区間の直前区間の終点を有効範囲の終点として以後の区間を有効範囲から除外する。これにより、熟練度に関係なく、客観的に有効範囲の終点を決定することができる。

また、本発明にかかる異常部判定方法は、前記区間内の傾きｋiが予め想定された範囲である区間が、測定波形の最も入射端側で所定回数連続するとき、その連続する区間における最初の区間の始点を前記有効範囲の始点とすることが望ましい。

このように構成された異常部判定方法においては、連続する所定数の区間において、各区間内の傾きが所定範囲内に収まったときに、その最初の区間の始点を有効範囲の始点とする。これにより、熟練度に関係なく、客観的に有効範囲の始点を決定することができる。

また、本発明にかかる異常部判定方法は、前記有効範囲全体の測定波形の傾きを算出し、前記有効範囲全体の傾きと前記有効範囲内における区間内の傾きとの差が所定値以上である区間を検出し、前記所定値以上である区間を異常部と判定することが望ましい。

このように構成された異常部判定方法においては、先に得られた始点を始点として、先に得られた終点を終点とする区間を有効範囲とし、有効範囲全体の測定波形の傾きを算出する。この全体の傾きと、各区間内の傾きとを比較して、差が所定値以上となる部分を異常部として検出するので、従来のように作業者の熟練度が異なる場合でも安定した異常部の検出を行うことができる。

また、本発明にかかる異常部判定方法は、前記有効範囲全体の測定波形の傾きを算出し、前記有効範囲全体の傾きと前記有効範囲内における区間内の傾きとの差が所定値以上である区間を検出し、前記有効範囲内における区間内の傾きの標準偏差に基づいて、前記所定値以上である区間を光ファイバの異常部と判定することが望ましい。

このように構成された異常部判定方法においては、前記有効範囲全体の傾きと前記有効範囲内における区間内の傾きとの差が所定値以上である区間を検出し、前記有効範囲内における区間内の傾きの標準偏差に基づいて、前記所定値以上である区間を光ファイバの異常部と判定することにより、区間内の傾きのバラつきに起因する誤判断を防止することができ、作業者の熟練度が異なる場合でもより一層安定した異常部の検出を行うことができる。

本発明によれば、客観的な光ファイバの異常部判定方法を確立することで、従来のように判断を行う作業者の熟練度によって異常部検出にバラつきが生じ、未熟練者が検出作業を行った場合には、良品の光ファイバを検査の結果不良品と判断して、廃棄される場合があるという問題を解消でき、安定した異常部の検出を行うことができるという効果が得られる。

以下、本発明の異常部判定方法に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、異常部の検出を行う前に、ＯＴＤＲにより光ファイバ内で生じる散乱光、反射光の受光パワーを測定し、ＯＴＤＲによる測定波形（以後、「ＯＴＤＲ波形」という。）を取得する。図８に、ＯＴＤＲ波形を得るためのＯＴＤＲ１０の概略構成図を示す。ＯＴＤＲ波形を取得するには、図８に示すＯＴＤＲ１０にボビン巻きの被測定光ファイバ１２の一方端（上口端）を接続し、パルス発生器１１によって光源１３からの光パルスを発生させ、発生した光パルスを光方向性結合器１５を介して、被測定光ファイバ１２に入射する。

そして、入射端に戻ってきた散乱光と反射光を光方向性結合器１５を介して受光部１７で受光し、電気信号に変換する。増幅装置１８によって所定のレベルまで増幅した後信号処理を行い、ディスプレイ１９にＯＴＤＲ波形を表示させる。ここで得られるＯＴＤＲ波形の一例を図２に示す。図２に示すように、ＯＴＤＲ波形は、時間軸に対する受光パワーの波形として得られる。時間軸は、上口端からの光ファイバの距離に対応している。このＯＴＤＲ波形のデータをデータ処理部１４に伝送し、データ処理部１４において以下の本実施形態に係る異常部の検出を行う。

図１は、本発明に係る異常部判定方法の一実施形態を示すフロー図である。図１に示すように、本実施形態に係る異常部判定方法は、スタートした後（ステップＳＳ）、異常部検出の対象とするための有効範囲を決定するため、まず、図８に示すＯＴＤＲ１０により取得したＯＴＤＲ波形を複数の区間ａ₁〜ａ_Nに分割する（ステップＳ１）。

区間ａ₁〜ａ_Nの分割は、ＯＴＤＲ波形の上口端を始点として、所定幅（所定距離）に分割する。有効範囲内の直線近似性を高めるため、前後の区間にオーバーラップさせて分割するのが望ましい。例えば、長さ１ｋｍの区間に分割する場合は、前半の５００ｍは前の区間に重複させ、後半の５００ｍは次の区間に重複させるように、半分ずつ重複させるのが望ましい。区間幅や重複幅は、光ファイバの全長や光ファイバの屈折率等によって適宜設定することができる。

区間分割した後、各区間ａ₁〜ａ_N毎に区間内の傾きｋ₁〜ｋ_Nを算出する（ステップＳ２）。以後、上口端側からｉ番目の区間ａiにおける区間内の傾きｋｉを、「区間ロスｋｉ」という。区間ロスｋiを求めるには、図３（Ａ）に示すように、区間ａi内のプロットｂを直線Ｌiに近似し、この直線Ｌiの傾きの絶対値を区間ロスｋiとする。直線近似の手段としては、例えば最小二乗法を用いることができる。

また、各区間ａ₁〜ａ_N毎に、区間標準偏差ｓiを算出する（ステップＳ３）。区間標準偏差ｓiは、図３（Ｂ）に示すように、直線Ｌiと区間ａi内の各プロットｂとの偏差ｙの二乗和を区間内のプロット数ｎで割った値の平方根として定義される。すなわち、区間標準偏差ｓiは下記式によって求められる。
ｓi＝ （1/nΣｙ²）^1/2

次に、異常部検出の対象となる有効範囲を決定する（図２）。有効範囲は、その始点ＰＳと終点ＰＥを決定することにより行う（ステップＳ４、Ｓ５）。
始点ＰＳの決定（ステップＳ４）について、図４に基づいて説明する。図４は、上口端付近のＯＴＤＲ波形を示している。図４に示すように、ＯＴＤＲ波形の上口端側付近では、入射端に起因するフレネル反射光４１が観測された後、徐々に一定の傾きＫ_１に近づいていく。

そして、上記傾きＫ_１の値をもとに、範囲Ｋ_1A〜Ｋ_1Bを決定し、区間ロスｋiが始めて連続して範囲Ｋ_1A〜Ｋ_1Bに入っているとき、その連続する区間における最初の区間ａiの始点を有効範囲の始点ＰＳとするのが望ましい。具体的には、フレネル反射４１直後のp -2、p -1、p、p +1、p +2番目（pは正の整数）の区間ａ_{p -2}、…、ａ_{p +2}において、各区間ロスｋ_p-2、…、ｋ_p+2のうち、区間ロスｋ_p、ｋ_p+1、ｋ_p+2からＫ_1A〜Ｋ_1Bの範囲内となった場合、すなわち、
ｋ_p-2,ｋ_p-1＞Ｋ_1B、
Ｋ_1B≧ｋ_p, ｋ_p+1, ｋ_p+2≧Ｋ_1A
である場合、区間ａpの始点をＯＴＤＲ波形全体の有効範囲の始点ＰＳと決定する。

予め想定される範囲Ｋ_1A〜Ｋ_1Bは、光ファイバの予想されるロス値によって決定することができ、例えば、0.31〜0.36ｄB/kmの範囲から決定するのが望ましい。このＫ_1A〜Ｋ_1Bは光ファイバごとに同じ値を用いるのがよい。

終点ＰＥの決定（ステップＳ５）について、図５に基づいて説明する。図５に示すように、ＯＴＤＲ波形の下口端側では、ダイナミックレンジ不足に起因する振幅が大きいノイズ波形５１が現れる。このノイズ波形５１を有効範囲から除去するために終点ＰＥを決定する。
終点ＰＥの決定は、ステップＳ２で求めた区間標準偏差ｓiが、所定の回数連続して閾値Ｓ₁を超えたときに、その連続する区間ａiの直前の区間の終点を有効範囲の終点ＰＥとする。

具体的には、所定回数を例えば３回、閾値Ｓ₁を例えば０．０３とした場合、連続する区間ａq-2, …, ａq+3の区間標準偏差ｓq-2,…, ｓq+3において、
ｓq-2, ｓq-1, ｓq≦０．０３、
ｓq+1, ｓq+2, ｓq+3＞０．０３
である場合、閾値Ｓ₁＝０．０３を超える直前の区間である区間ａqの終点を終点ＰＥと決定する。

なお、下口端まで閾値Ｓ₁を超える区間が存在しない場合、波形の終点を有効範囲の終点ＰＥとする。
閾値Ｓ₁は、測定に用いるＯＴＤＲの直線性の性能により決定することができ、例えば0.015〜0.030ｄBの範囲とするのが望ましい。このＳ₁はＯＴＤＲの性能を確認し、ＯＴＤＲ毎に異なる値を用いるのがよい。

このように、本実施形態に係る異常部判定方法においては、ＯＴＤＲ波形の有効範囲を決定する際に、区間標準偏差ｓiが閾値を超える区間が所定回数連続するときに、この連続する区間の最後の区間の終点を有効範囲の終点ＰＥと決定する。このように、有効範囲の終点ＰＥを決定することにより、それ以後のノイズ波形を有効範囲から確実に除外することができるので、熟練度に関係なく、有効範囲の終点を決定することができ、常に安定した異常部の検出を行うことができる。

上記のようにして始点ＰＳおよび終点ＰＥを決定して有効範囲を決定した後、有効範囲全体の傾きＫ₂（以後、「全体ロスＫ₂」という）を求める（ステップＳ６）。全体の傾きＫ₂の算出について、図６に基づいて説明する。図６に示すように、全体ロスＫ₂を求めるには、有効範囲の始点ＰＳから終点ＰＥまでのプロットｄを直線近似し、この近似直線の傾きを全体ロスＫ₂とする。直線近似の手段としては、例えば最小二乗法を用いることができる。

次に、有効範囲から異常部の判定を行う。異常部を判定するには、図７に示すように、全体ロスＫ₂と区間ロスｋiとの差Ｘiを求め、このＸiを予め決めておいた所定値Ｋ₃とを比較し（ステップＳ７）、その区間ａiが異常部であるか否かを判断する（ステップＳ８，Ｓ９）。

具体的には、Ｘiが所定値Ｋ₃より大きいか、または同じである場合（Ｘi≧Ｋ₃）、その区間ａiに異常部であると判断し（ステップＳ８）、Ｘiが所定値Ｋ₃より小さい場合（Ｘi＜Ｋ₃）には、その区間ａiは異常部でないと判断する。
所定値Ｋ₃は、OTDRの性能及び光ファイバに許容される異常部の大きさによって決定することができ、例えば0.015〜0.030ｄBの範囲とするのが望ましい。この所定値Ｋ₃は、検品する光ファイバの特性等によって、適宜設定することができる。

ステップＳ７〜Ｓ９の各区間が異常部か否かの判定を全区間について行い（ステップＳ１０）、終了する（ステップＳＥ）。
また、光ファイバの他方端（下口端）からも光パルスを入射してＯＴＤＲ波形を得て、以上のステップＳＳからステップＳＥまでを繰り返し、異常部の検出を行う。

なお、前述したステップＳ７においては、Ｘiを所定値Ｋ₃と比較して異常部か否かの判断をしたが、このとき、有効範囲における区間ロスｋiのバラつきに基づいて、異常部の判定をすることが好ましい。
ＯＴＤＲ波形には、「うねり」と呼ばれる低周期なノイズ波形が発生することがあるが、このように有効範囲における区間ロスｋiのバラつきに基づいて異常部の判定をすることにより、うねりの発生を考慮して異常部か否か判断できる。従って、異常部でない区間を異常部として誤判断することを防止し、より一層安定した異常部の検出を行うことができる。

区間ロスｋiのバラつきの指標としては、例えば、有効範囲内で区間ロスｋiの分布から標準偏差σを求めるのがよい。
具体的に標準偏差σに基づいて異常部の判定をするには、Ｘiとσとを比較して、異常部か否かを判断する。つまり、ステップＳ７のＸiとＫ₃との比較に加えて、Ｘiが例えば３σより大きいか否かも合わせて判断する。

例えば、σが小さい場合（すなわち、有効範囲にわたって区間ロスｋiがほぼ一定であり、うねりが小さい場合）、Ｘiが閾値Ｋ₃より小さくても、Ｘi≧３σであれば異常部と判断する。
一方、区間傾きｋｉの標準偏差σが大きい場合（有効範囲にわたって区間ロスｋiの変動が大きく、うねりが大きい場合）は、Ｘiが閾値Ｋ₃以上（Ｘi≧Ｋ₃）でも、Ｘi＜３σであれば異常部と判断しない。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明の異常部判定方法は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。

以下、本発明に係る異常部判定方法の実施例についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（１）ＯＴＤＲ波形の有効範囲の決定
全長50001ｍの光ファイバの上口端を図８に示すＯＴＤＲ１０に接続し、測定波長を０．８５μｍとしてＯＴＤＲ波形を測定した。
ＯＴＤＲ波形を取得した後、区間の幅を１０００ｍとして、ＯＴＤＲ波形を上口端から１００個に区間分割した。区間分割する際に、区間幅の半分（５００ｍ）をオーバーラップさせた。各区間毎に、区間ロス及び区間標準偏差を算出し、これらのデータを下記表１に示す区間データテーブルにまとめた。

有効範囲の始点ＰＳの決定は、表１の最上行から順に区間ロスの値を見て、始めて区間ロスが想定される範囲0.31〜0.36ｄB/kmの範囲に収まる区間が２回以上連続する時、その連続する区間の始点を有効範囲の始点ＰＳと決定することにした。その結果、４番目と５番目の区間で始めて区間ロスｋ1-4及びｋ1-5が上記範囲に収まっていたので、４番目の始点、すなわち１５００ｍを有効範囲の始点ＰＳと決定した。

有効範囲の終点ＰＥの決定は、表１の最上行から順に区間標準偏差の値をみて、区間標準偏差が０．０３以上となる区間が３回以上連続するとき、その連続する区間の始点を有効範囲の終点ＰＥと決定することにした。その結果、５１番目、５２番目、５３番目の区間で区間標準偏差ｓ1-51〜ｓ1-53が０．０３を超えていたので、５０番目の区間の終点、すなわち２５５００ｍを有効範囲の終点ＰＥと決定した。

（２）異常部の判定
上記（１）で決定した有効範囲（１５００〜２５５００ｍ）内の全体ロスを算出し、有効範囲内における区間ロスの分布から標準偏差σを算出した。また、全体ロスと有効範囲における各区間ロスとの差Ｘiと比較して、異常部を検出した。以下に該当する区間を異常部として検出することとした。
・Ｘiが、０．０２ｄＢ／ｋｍ以上であり、かつ３σ以上である区間。
・Ｘiが、０．０１〜０．０２ｄＢ／ｋｍであり、かつ３σ以上である区間。
この結果、３９番目の区間及び４０番目の区間を異常部がある区間として検出した。この結果を下記表２に示す。

本発明に係る異常部判定方法の実施形態を示すフロー図である。 ＯＴＤＲ波形の一例を示すグラフである。 ＯＴＤＲ波形を複数の区間に分割したグラフである。 有効範囲の始点ＰＳの決定を説明する図である。 有効範囲の終点ＰＥの決定を説明する図である。 有効範囲の全体ロスＫ_２の決定を説明する図である。 異常部の一例を示し、異常部の検出を説明する図である。 ＯＴＤＲ波形を得るためのＯＴＤＲの概略図を示している。 一般的なＯＴＤＲ波形を示すグラフである。

符号の説明

ａi 区間
Ｋ_２ 全体ロス（有効範囲全体の傾き）
ｋｉ 区間ロス（区間内の傾き）
ＰＥ 終点
ＰＳ 始点
Ｓ₁ 閾値
ｓi 区間標準偏差
σ 区間ロスの標準偏差（区間内の傾きのバラつき）

Claims (4)

1. ＯＴＤＲにより測定した測定波形から、光ファイバの異常部を検出するための有効範囲を決定し、光ファイバの異常部を判定を行う異常部判定方法であって、
   前記有効範囲を決定するに際し、
   前記測定波形を所定幅の区間に複数分割して、区間毎に区間内の傾きｋiと下記式で表される区間標準偏差ｓiとを算出し、
   前記区間標準偏差ｓiが閾値を超えている区間が、所定回数連続するとき、
   その連続する区間の直前区間の終点を前記有効範囲の終点とすることを特徴とする異常部判定方法。
   ｓi＝ （1/nΣｙ²）^1/2
   〔ｙは、区間内のプロットの近似直線（傾きｋi）と各プロットとの偏差を示す。ｎは、区間内のプロット数を示す。〕
2. 前記区間内の傾きｋiが予め想定された範囲である区間が、測定波形の最も入射端側で所定回数連続するとき、
   その連続する区間における最初の区間の始点を前記有効範囲の始点とすることを特徴とする請求項１に記載の異常部判定方法。
3. 前記有効範囲全体の測定波形の傾きを算出し、
   前記有効範囲全体の傾きと前記有効範囲内における区間内の傾きとの差が所定値以上である区間を検出し、前記所定値以上である区間を異常部と判定することを特徴とする請求項１または２に記載の異常部判定方法。
4. 前記有効範囲全体の測定波形の傾きを算出し、
   前記有効範囲全体の傾きと前記有効範囲内における区間内の傾きとの差が所定値以上である区間を検出し、
   前記有効範囲内における区間内の傾きの標準偏差に基づいて、前記所定値以上である区間を光ファイバの異常部と判定することを特徴とする請求項１または２に記載の異常部判定方法。
   
   

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