JP4625593B2 - 光ファイバ多点物理量計測システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ等の光伝送手段を媒体とした光波長多重通信のために開発されてきた光ファイバブラッググレーティング素子（以下ＦＢＧという。）を各種物理量計測用のセンシング素子として用いる光ファイバ多点物理量計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＢＧは光ファイバを媒体とした光波長多重通信のためのキーコンポーネントとして開発されてきた素子であるが、これを光ファイバセンシングに利用することはかなり以前から考えられてきた。近年、大規模地震災害等の経験も踏まえ、土木建築物の構造体歪みについてのモニタリング技術の重要性が再認識されており、各方面での研究開発が展開されている。
【０００３】
例えば、Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．， ３２， １０， ６４７， （１９７８）、Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．， ６２， １０， １０３５， （１９９３）、Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ， ｅｔ ａｌ．， “Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ”， ６， １１９ （１９９８）、Ｊ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，“Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ”， １２， １５７ （１９９６）等にも詳しく述べられている。
【０００４】
また、微少歪み計測を軸に、温度やその他の物理量（歪み、変位、圧力等）についても、物理量を微小歪みに変換することで計測しようとする試みがなされ、センサ構造とともに光ファイバ線路を有効に利用する一括多点測定技術の開発も進められている。
【０００５】
従来の光ファイバ多点物理量計測システムは図２２に示すように構成されている。
【０００６】
従来の光ファイバ多点物理量計測システムは、光伝送の基幹をなす光ファイバで構成される光幹線部１と、この光幹線部１で縦列（直列）に接続されている複数のＦＢＧ２と、光幹線部１にＦＢＧ２の反射波長を測定するためのプローブ光を出力する光源部３と、ＦＢＧ２からの反射光を光幹線部１から分岐するための光分岐部４と、この光分岐部４から光ファイバで接続される光検出処理部５と、光源部３や光検出処理部５と時間的な同期条件を考慮しながら制御する信号処理制御部６とデータ処理部７とから構成されている。
【０００７】
光源部３はしばしば白色光源や広帯域光源と呼ばれ、使用しているＦＢＧ２群の反射波長帯をすべてカバーすることのできるような発光スペクトルを有する。ＦＢＧ２からの各反射光は光分岐部４を介して、光導入側とは異なる光ファイバポートに分けられ、光源部３側の光分岐部４から光検出処理部５まで到達する。光検出処理部５では、回折格子や波長干渉・共振原理を用いて高い分解能で波長をフィルタリングする高分解波長走査部８や高分解波長測定部９が含まれる。
【０００８】
光源部３に連続光を使用する場合、ＦＢＧ２からの反射波長としてそれぞれ異なるものを選んでおけば、受光側で波長分析、光スペクトル分析を行うことで、個々のＦＢＧ２からの反射光の反射波長、初期波長からのシフト量などを測定することができ、各反射光と物理量とを対比させることで、対象物理量の計測が可能である。
【０００９】
また、光源部３として連続光ではなく、パルス駆動する半導体レーザや音響光学素子等によるスイッチングで得られるパルス光源を使用した場合、各ＦＢＧ２からの反射光は設置位置に応じた伝播遅延時間を伴いながら光検出処理部５に到達する。
【００１０】
この場合、着目するＦＢＧ２の遅延時間に対応する時間幅内で限定して、高分解能波長計測により着目するＦＢＧ２からの反射波長、初期波長からのシフト量を計測することができる。
【００１１】
波長計測を行うために、一般的にはＦＢＧ２の反射スペクトルの線幅よりも十分狭い線幅の光をプローブ光として作り出し、このプローブ光の波長を走査して最大光強度の波長を探索し、探索された波長をピーク（中心）波長として同定することが一般的に行われている。このように構成された光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、高分解の波長計測機能を含んだシステム構成を用いて、複数個のＦＢＧ２の信号を識別するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、まず高分解能波長計測を装備することが前提となっているため、精密で細かい波長ステップで、必要な波長帯域全てを走査するためには必然的に走査時間を必要とするという問題があった。
【００１３】
個々の波長ステップでの高分解能波長計測を実現するためには、十分な光量が必要となるため、１波長あたりの測定時間、あるいはパルス化した光を使う場合には多数回のパルスに対しての積算測定などが必須となり、単純な光強度測定に対して明らかに長い計測時間を必要とするという問題があった。
【００１４】
もちろん、高分解能の波長計測については、光スペクトラムアナライザや波長計など一般的な装置として市販もされており、光検出器の光入力部分に波長選択のための光学干渉計等が配置された構造として良く知られている。この光ファイバ多点物理量計測システムにおいても同様な構成を部分適用することができるわけであるが、前述のような処理時間がかかるだけではなく、装置コストにおいても非常に高価になるという問題があった。
【００１５】
さらに、ＦＢＧ２の接続数と実際の測定対象へのＦＢＧ２の配置の点でも重大な課題があった。光源として連続光を用い単純にＦＢＧ２を直列接続する体系では、光源の波長帯域内にＦＢＧ２の反射波長相互が重複しないように割り当てることが必要であることから、「光源帯域／ＦＢＧの反射波長スペクトル変化幅＝接続上限個数」という制約があり、せいぜい１つの基幹線に１０〜２０個程度のＦＢＧ２しか接続できないという問題があった。
【００１６】
光をパルス化して時間分割多重方式でデータ処理を行う場合には、遅延時間を重複させなければ同一波長のＦＢＧ２を直列に接続できるものの、光源から遠いＦＢＧ２からの波長λａなる反射光が、より光源に近い方に接続された反射波長λａまで戻ってきた時、光源側に完全に透過せずにＦＢＧ２の設計反射率に応じて反射してしまう。このため、２つの同一波長λａのＦＢＧ２，２間で光が減衰しながら多重に往復を繰り返すことになってしまい、光の有効利用が実現しにくいという問題があった。
【００１７】
さらに、現実的な問題として、ＦＢＧ２の反射光成分にはクラッドでの伝播成分とコアでの伝播成分のモード結合現象等が発生することが知られており、反射スペクトル波長よりも短波長側にもなだらかな反射成分があり、ＦＢＧ２の接続順序や条件によってはこれが迷光成分として光検出処理部５まで戻ってしまい、雑音成分、誤信号として検出されてしまうという問題があった。
【００１８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、より多数のＦＢＧを接続可能で、誤信号をなくし、一括して監視できる光ファイバ多点物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、簡単な光計測とデータ処理で簡便、高速、安価な光ファイバ多点物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００２０】
さらに、本発明は、静的な物理量計測のみならず、動的な物理量計測、例えば、温度と振動状態等の計測を両立可能とする光ファイバ多点物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムは、請求項１に記載したように、複数の物理量計測用の光ファイバブラッググレーティング素子（以下「ＦＢＧ」という。）が光ファイバで接続され、広帯域の連続光を出力する広帯域光源部とこの連続光の任意の波長帯域のみを選択的に透過させることのできる波長可変フィルタ部とフィルタリングされた連続光をパルス光に変換する光スイッチング部とを備える光源部と、この光源部から出力された計測用のパルス光および前記ＦＢＧの反射光を伝送する光幹線部と、この光幹線部に列状に配設され、計測用の光を前記光幹線部から分岐させる複数の光分岐部と、を備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、前記光幹線部の光分岐部間の距離と、前記光分岐路部内の前記ＦＢＧ間の距離と、光分岐部と光分岐部に最も近い位置にあるＦＢＧとの距離が等しくなるように列状に配設された光分岐部と、前記ＦＢＧからの反射光を検出・処理する光検出処理部と、前記光源部と光検出処理部との間の制御を行う信号処理制御部と、全てのＦＢＧの接続位置または距離条件と反射光波長に関する情報が格納されており、信号処理時に格納情報を利用して各ＦＢＧのデータを識別および処理するデータ処理部と、を有し、前記光分岐路部内の複数の前記ＦＢＧは、前記光分岐部から反射光の波長順に順次並べて配設され、前記光源部は、前記波長可変フィルタ部および前記光スイッチング部により、前記広帯域光源部が出力する連続光から着目する前記ＦＢＧの反射波長帯に相当する光を含むパルス状のプローブ光である前記計測用のパルス光を発することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明では、光幹線部上に複数の光分岐路部を分岐配置することで、光幹線部に接続される光分岐路部の接続の自由度を確保した上で、従来からの問題であったＦＢＧの反射光の相互反射やクラッドモード結合による迷光の抑制を実現しながら、多数点のＦＢＧを接続することができ、また、広帯域な波長走査が可能なパルス光を適用することにより、多数のＦＢＧを一括して監視することができる光ファイバ多点物理量計測システムを提供することができる。さらに、前記光幹線部の光分岐部間の距離と、光分岐路部内のＦＢＧ間の距離と、光分岐部と光分岐部に最も近い位置にあるＦＢＧとの距離を等しくなるように光分岐部を列状に配置したので、光源部の波長帯域が複数のＦＢＧ反射波長にまたがるときに、同一遅延時間内では複数種類の反射波長の信号が重なって光検出処理部に戻るが、時間パラメータを固定して波長パラメータを走査することにより一括して複数のＦＢＧの信号処理を行うことができ、簡便、迅速に測定することができる。
【００３１】
また、請求項２に記載したように、前記信号処理制御部がゲート信号発生部を備え、前記データ処理部が二値判定処理部、波長測定部、二値判定処理部と動的波長シフト測定部、および波長測定部と動的波長シフト測定部のうちのいずれかを備えており、前記ゲート信号発生部は、着目するＦＢＧに対して所要の遅延時間でゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ前記光検出処理部が光を検出する機能を有し、前記データ処理部の二値判定処理部は、光検出処理部が光パルスを検出したか否かの二値情報から着目するＦＢＧからの反射光波長が有意な変化をしたか否かを判定し、また前記波長測定部は、観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長を求め、前記動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにしてもよい。
【００３２】
このような計測システムにおいては、二値判定処理部によりある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができる。また、波長測定部として一般的な光スペクトル測定手法を適用することが可能となり、さらに、これらと動的波長シフト測定部を備えることにより、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測が可能となる。
【００３３】
さらに、広帯域光源部、波長可変フィルタ部および光スイッチング部を備える光源部を有する本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項３に記載したように、前記信号処理制御部がゲート信号発生部と波長走査部とを備え、前記データ処理部が波長測定部および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えており、前記信号処理制御部のゲート信号発生部は、着目するＦＢＧに対して所要な遅延時間でゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ前記光検出処理部が光を検出する機能を有し、前記波長走査部は、上記時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部の波長可変フィルタ部を走査し、前記データ処理部の波長測定部では、各波長走査に対して光検出処理部で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、あるいは各波長走査に対して光検出処理部で得られた反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、前記動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めることができる。
【００３４】
このような計測システムにおいては、重心演算や校正曲線を用いる手法により、実効的なＦＢＧの中心反射波長やそのシフト量を求めることができ、また簡素かつ迅速な測定ができる。さらに、動的波長シフト測定部を加えることにより、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測が可能となる。
【００３５】
広帯域光源部、波長可変フィルタ部および光スイッチング部を備える光源部を有する本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項４に記載したように、前記信号処理制御部が時系列データ測定記憶部を備え、前記データ処理部が時系列データ二値判定処理部、または時系列データ二値判定処理部と動的波長シフト測定部を備えており、前記信号処理制御部の時系列データ測定記憶部では、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧからの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、前記データ処理部の時系列データ二値判定処理部は、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して反射光パルスが存在するか否かを判定し、前記動的波長シフト測定部は、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行ない、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにすることができる。
【００３６】
このような計測システムにおいては、プローブ光をＦＢＧの反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくと、ある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができ、また、時系列データを取得するため、時間ゲートの遅延時間を変えた走査が不要となり迅速に測定が行われる。プローブ光を上記波長幅スペクトルとしておくと、複数の同一基本反射波長を持つ複数のＦＢＧの光量変化から波長シフトの時間変化を連続的に追跡し、その周期とシフト量から複数の物理量変化の動的パラメータを測定することができる。さらに、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測も可能となる。
【００３７】
また、広帯域光源部、波長可変フィルタ部および光スイッチング部を備える光源部を有する本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、請求項５に記載したように、前記信号処理制御部が時系列データ測定記憶部と波長走査部とを備え、前記データ処理部が波長測定部および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えており、前記時系列データ測定記憶部は、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧからの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、波長走査部は、この時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部を走査し、前記データ処理部の波長測定部は、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いた重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、またはこれらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、前記動的波長シフト測定部は、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行った結果、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予め前記データ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにしてもよい。
【００３８】
このような計測システムにおいては、重心演算や校正曲線を用いる手法により実効的なＦＢＧの中心反射波長や中心反射波長のシフト量を求めることができる。また、時系列データとして光強度データを取得しているため、簡素かつ迅速な測定ができる。さらに、プローブ光をＦＢＧの反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくと、複数の同一基本反射波長を持つ複数のＦＢＧの光量変化から波長シフトの時間変化を連続的に追跡し、その周期とシフト量から複数の物理量変化の動的パラメータを測定することができる。また、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測も可能となる。
【００３９】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項６に記載したように、光幹線部と光分岐路部の各終端部に、光源部から導入された光が反射手段により反射光として光導入側に戻される終端反射手段を備え、この反射光から前記光幹線部ならびに光分岐路部の接続状態に関する健全性および伝送損失の変化を測定する健全性監視手段を前記データ処理部に備えることができる。
【００４０】
これにより、本発明においては、システム稼動中に光幹線部および光分岐部がすべて断線することなく健全に接続されていることをオンラインで監視することができる。
【００４１】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項７に記載したように、接続されたＦＢＧの接続位置・距離および反射光波長の情報が予め与えられない場合に、前記光源部の光源として、個々のＦＢＧ反射スペクトルの半値幅よりも十分小さい線幅の光を用い、接続されている全てのＦＢＧの反射光波長帯域を網羅する範囲で順次波長走査しながら光幹線部に光を導入する波長走査部と、走査波長に対する反射光パルス列の時系列データを測定し記録する時系列データ測定記憶部と、この時系列データと走査波長情報からＦＢＧの基本反射光波長を算出し、時系列データから抽出して検出された光パルスの遅延時間情報から接続位置・距離情報を算出して、この結果をデータ処理部に記憶させる校正計算処理部とを備えることができる。
【００４２】
これにより、本発明においては、予め設置前のＦＢＧ接続条件がない場合や、設置状態のシステムに増設して新たなセンサ等を加えた場合等、システム稼動後の状態であっても、現実の設置状態に促した校正値を求めることができる。
【００４３】
また、本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項８に記載したように、測定対象の物理量をＦＢＧに対する微小歪みあるいは温度変化に変換する物理量伝達機構部と、予め各ＦＢＧに割り当てられた測定対象の物理量とＦＢＧの波長シフト量との関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶部と、連続的に蓄積したデータから、経年劣化および環境による劣化に起因する経路別の伝送損失の変化を算出するファイバ劣化測定部と、校正曲線記憶部に記録された校正曲線から測定対象の物理量を換算する際に必要な補正をファイバ劣化測定部で算出された伝送損失変化値に基づいて行う換算補正部と、を備えて、１種以上の物理量が混在した計測の監視を行うことができる。
【００４４】
このような構成の計測システムにより、例えば、原子力プラントのＰＣＶ内のような高放射線環境下等の過酷な環境で、しかも人の巡回点検が容易には行えない場所等に設置したセンサシステムのデータの精度、信頼性を高めることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバ多点物理量計測システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００４６】
図１において、本発明の光ファイバ多点物理量計測システムは、全体を符号１０で示す。この光ファイバ多点物理量計測システム１０は、光源部１１と、この光源部１１からの出力光や反射光を伝送する光伝送手段としての光幹線部１２と、光幹線部１２上で直列に列状に設置された複数個の光分岐部１３と、この光分岐部１３で光幹線部１２から分岐される光分岐路部１４と、分岐路部１４内に設置された光ファイバブラッググレーティング素子（以下、ＦＢＧという。）１５と、光幹線部１から反射光を検出・処理する光検出処理部１６と、前記光源部１１と光検出処理部１６との間の制御を行う信号処理制御部１７と、各ＦＢＧ１５のデータを識別および処理するデータ処理部１８とから構成される。光分岐部１３は光幹線部１２からの光または反射光を分岐させる一方、分岐された光およびＦＢＧ１５の反射光をこの分岐路１４内で伝送するようになっている。光幹線部１２や光分岐路部１４は光ファイバに代えてプラスチックファイバ等の光伝送手段で構成してもよい。
【００４７】
また、光分岐路部１４内は光分岐部１３から離れる下流側に向ってＦＢＧ１５の反射光波長が順次長くなるように配設される。図１において、光源部１１と、信号処理制御部１７と、光検出処理部１６およびデータ処理部１８とを相互に接続している線は電気信号の送受信用結線を表す。
【００４８】
光源部１１から出力される多点物理量計測用のプローブ光は光幹線部１２を構成する例えば光ファイバに導入され、最初の光分岐部１３を通り、その出力側の光幹線部１２に案内される一方、途中の各光分岐部１３，１３を順次経て伝播される。各分岐部１３，１３で分岐された光は光伝送手段としての光分岐路部１４に分岐比率に応じて別れていく。分岐された光は光幹線部１２と同様の光ファイバからなる光分岐路部１４内を伝播し、列状に直列配置の物理量計測用のＦＢＧ１５に順次到達する。このＦＢＧ１５は、光分岐部１３から離れるにしたがって反射光の波長が長波長側になるように光分岐路部１４内で配置されている。
【００４９】
光源部１１からの出力光の分岐光が到達したＦＧＢ１５では、その反射波長に応じて反射光を生じ、このＦＢＧ１５からの反射光は、光の導入側に向かって光分岐路部１４を逆に伝播し、光分岐部１３を経て、また、光分岐路１３の位置によっては、さらに光幹線部１２と複数の光分岐部１３，１３を経て、図１では、光源部１１に最も近い光分岐部１３（最初の光分岐部）に到達する。
【００５０】
この反射光は最初の光分岐部１３を介して、光の導入側（光源部側）とは異なる光ファイバポートに案内され、光検出処理部１６まで到達する。
【００５１】
光検出処理部１６では、各ＦＢＧ１５からの反射波長や、初期波長からのシフト量などの変化量を測定する。測定されたデータは電気信号として、光源部１１と光検出処理部１６との間の制御を行う信号処理制御部１７に送られて信号処理される。データ処理部１８では、予め格納してあるＦＢＧ１５の接続位置または距離条件と、反射光波長に関する情報を利用して各ＦＢＧ１５，１５のデータ識別と温度、圧力、歪み量、変化量等の物理量計測処理が行われる。
【００５２】
光源部１１から出力されるプローブ光としてパルス光を用い、時分割多重による信号処理を行う場合、等しい基本反射波長を持つＦＢＧ１５が時間軸上に異なる時間差で並ぶことになるが、ある基本反射波長を持つＦＢＧ１５の反射光は、別の同一基本反射波長を持つＦＢＧ１５に遭遇することなく光検出処理部５まで到達することができる。こうすることで、ＦＢＧ１５，１５間の相互反射や本来の反射スペクトルに伴い短波長側に生じるクラッド伝播モードとコア伝播モードのモード結合に起因する迷光反射光成分の影響を避け、１００％近い反射率設計のＦＢＧ１５を接続することができる。その結果、反射光量が増し、より多段の分岐が可能となり、結果的に多数のＦＢＧセンサの一括計測が可能になる。
【００５３】
また、各光分岐部１３の分岐比率については、実用上全て同一とする方が簡便ではあるが、より接続点数を増やすためには、光源部に近いほど光分岐路部１４側への配分（光分岐比率）を小さくしておき、全体として光分岐路部１４内に導入される光量を平準化することで、計測精度を一様に保つことも有効である。
【００５４】
複数の光幹線部
図１に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０においては、光幹線部１２を１本設けた例を示したが、図２に示すように複数本設けることもできる。光幹線部１２を１２ａ，１２ｂのように、複数本設けることによりセンサ接続数をより多数確保することができるので、光の利用率が上げられ、またより多数の物理量の計測を一括して行うことも可能となる。
【００５５】
例えば、図２の光ファイバ多点物理量計測システム１０Ａに示すように、光源部１１に最も近い位置に接続された光分岐部１３の分岐出力側に複数本の光幹線部１２ａ，１２ｂを直接接続することにより複数本の光幹線部１２ａ，１２ｂを備えた構成となる。また、図３の光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｂに示すように、光源部１１に最も近い位置に接続された光分岐部１２の分岐出力側に、光切替器２０を設置してもよい。光切替器２０は入力側の１本の光幹線部（光ファイバ）と複数本の出力側光幹線部１２ａ，１２ｂとを切替可能に接続するものである。光切替器２０を備えることにより、複数本（個）の光幹線部１２ａ，１２ｂを備えることができる。
【００５６】
図１に示される光ファイバ多点物理量計測システム１０と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
図２では、光源部１１からの光幹線部１２が最初に出会う光分岐部１３には２つの光幹線部１２ａ，１２ｂが接続されている。光幹線部１２の少なくとも一方１２ｂには、図２に示したように、分岐後に伝播遅延が生じるように光幹線部１２ｂの長さが異なるようにしておく。
【００５８】
この遅延時間は、信号処理に応じて都合の良い光幹線部長に設定しておくことにより、２つの光幹線部１２ａ，１２ｂ間の識別ができるようになる。その結果、光ファイバ多点物理量計測システム１０Ａを２系統の光幹線部１２ａ，１２ｂで構成し、この２系統を一括して処理することができるようになる。これにより、より多数のＦＢＧ１５を一括して監視可能なシステムを実現することができる。
【００５９】
通常、光幹線部１２（１２ａ，１２ｂ）となる光ファイバにプローブ光を導入し、同一のラインから戻ってくる反射光を検出する必要から光分岐手段が光分岐部１３，１３に用いられる。光分岐部１３，１３には光分岐手段として、しばしば融着型光分岐器が用いられ、この光分岐器は入出力側に各２ポートの光ファイバをそれぞれ接続することができるため、光源部１１側と光検出処理側の各ポートに相対する側に、光幹線部１２ａ，１２ｂを接続することができる。このように光の利用率を最大限にすることで、少なくとも２倍以上のセンサ接続数を確保することができる。
【００６０】
図３では、光源部１１からの光幹線部１２が最初に出会う光分岐部１３の出力側に光切替器２０が接続され、この光切替器２０の出力側に２系統の光幹線部１２ａ，１２ｂが分岐して接続された光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｂが示されている。この場合、切替対象となる複数の光幹線部１２ａ，１２ｂおよびそれに連なる光分岐路部１４の構成は、互いに等しいものが使用できる。
【００６１】
光切替器２０は信号処理制御部１７とも電気的に接続されており、信号処理制御部１７からの制御信号により、光検出処理やデータ処理動作と同期して光切替器２０の切り替えが実施される。同一接続設計の複数系統の光幹線部１２ａ，１２ｂを光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｂに接続して切り替えながら使用することで、多数個のＦＢＧ１５を一括して監視可能なシステムを実現することができる。また、光切替器２０を用いて光分岐器と組み合せた場合、上述の光分岐器の出力ポート数以上の光幹線部を接続することができる。
【００６２】
分岐間隔
本発明の光ファイバ多点物理量計測システム１０，１０Ａ，１０Ｂにおいては、光分岐部１３，１３間の距離、光分岐路部１４の長さ、光分岐路部１４内のＦＢＧ１５，１５間の距離などについては、特に制限されず、通常、使用する光源部１１の波長帯域、ＦＢＧ１５の信号処理、識別方法等により、適宜決めることができる。
【００６３】
例えば、１つの光幹線部１２において、光分岐部１３，１３間の距離と、光分岐路部１４内のＦＢＧ１５，１５間の距離と、光分岐部１３と光分岐部１３に最も近い位置にあるＦＢＧ１５との距離とを等しくすることができる。
【００６４】
図４に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｃでは、図１に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０と基本的な構成要素は同一であるが、接続条件として長さの制約を付加している。光分岐部１３，１３同士の接続間隔をＬｃ、光分岐部１３と最も近いＦＢＧ１５の接続間隔をＬｓｃ、ＦＢＧ１５，１５同士の接続間隔をＬｓとして、これら全てを等間隔Ｌｓ＝Ｌｃ＝Ｌｓｃとなるように構成する。
【００６５】
パルス化した光と時分割多重を用いた伝播遅延時間を利用したＦＢＧ１５の識別法を適用した場合、すべてのＦＢＧ１５からの反射光パルスについて、同じ遅延時間を持つ同一波長成分はない。逆にいうと、同一遅延時間では互いに異なる波長のＦＢＧ１５の信号が同時に存在可能である。
【００６６】
このため、光源部１１側の波長可変フィルタを信号処理制御部１７でコントロールして走査するか、あるいは光検出処理部１６側に適切な波長フィルタリング、波長走査を施すことで、１つの時間条件に対して一括して複数のＦＢＧ１５の信号処理を行うことができ、簡便、迅速な多点物理量計測システム１０Ｃを実現することができる。
【００６７】
また、この光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｃにおいては、光分岐部１３，１３間の距離が、光分岐路部１４内で光分岐部１３から最も遠い位置にあるＦＢＧ１５と光分岐部１３との距離よりも長くすることができる。
【００６８】
図５に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｄでは、図１と基本的な構成要素は同一であるが、接続条件として長さの制約が付加されている。光分岐部１３，１３同士の接続間隔をＬｃ、光分岐路部１４において光分岐部１３と最も遠いＦＢＧ１５の接続間隔をＬｄとして、Ｌｄ＜Ｌｃとなるように構成する。
【００６９】
パルス化した光と時分割多重を用いた伝播遅延時間を利用したＦＢＧ１５の識別法を適用した場合、すべてのＦＢＧ１５からの反射光パルスが時間軸上に異なる遅延時間で配列される。１つの波長条件に合致するＦＢＧ１５は１回の時間走査測定で取得することができ、簡便かつ迅速な物理量計測システム１０Ｄを実現することができる。
【００７０】
このような接続距離関係を維持すると、ＦＢＧ１５のクラッドモード結合光による迷光や、同一反射波長を持つＦＢＧ１５，１５間での光の相互反射による往復等を引き起こすことなく、前述のように全てのＦＢＧ１５からの反射パルスが時間的にも重なりなく光検出処理部１６に戻ることができ、雑音（ノイズ）や誤信号成分がなく、かつ波長で、あるいは時間的に分離することにより多数個のＦＢＧ１５に対する信号処理を簡潔に行うことができる。
【００７１】
光源部
光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｂ）における光源部１１としては、広帯域発光、白色光のような広い帯域の波長スペクトル光、任意の線スペクトル光、連続光、パルス光などいずれも用いることができ、対象とするＦＢＧ１５の反射波長、ＦＢＧ１５の信号処理、識別方法等により適宜決めることができる。
【００７２】
例えば、図６に示すように、光源部１１として、連続光（ＣＷ）を出力する広帯域光源部２２と、出力された連続光のうち任意の波長帯域のみを選択的に透過させることのできるバンドパスフィルタ等の波長可変フィルタ部２３と、フィルタリングされた光を時間的に断続的に入切することにより連続光をパルス光に変換する光スイッチング部２４を備える。
【００７３】
光ファイバ多点物理量計測システムでは、光源部１１における光源としては、図７（ａ）に示すように、広い発光波長帯で平坦に近い発光特性を持つ広帯域光源（部）２２を用いることが好ましい。具体的には、ユーロピウムなどのような希土類元素をドープした希土類ドープファイバの光増幅作用における自然放出光成分（ＡＳＥ）を用いたＡＳＥ光源やスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、波長可変レーザを用いることができる。
【００７４】
図７（ａ）に示すように、着目するＦＢＧ１５の反射波長帯Δλに相当する光を含むパルス状のプローブ光を作り出すために、波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４を用いる。波長可変フィルタ部２３としては、音響光学素子による線幅の広いフィルタ、あるいは光干渉・共振器を用いた線幅の細いフィルタ素子を使用することができる。また、光スイッチング部２４としては、音響光学素子や誘電体多層膜等を電気制御して、特定波長帯に対する光の実効的透過率を制御することにより、図７（ｂ）に示すように時間的に変化するパルス光を作り出すことができる。
【００７５】
このような光源部１１によって、広帯域発光、白色光という広い帯域の波長スペクトルから任意の線スペクトルを持つ光まで、信号処理形態にあわせて任意にスペクトル特性を調整することができる。また、広い波長帯域にまたがりパルス化した光出力を得ることにより、ＦＢＧ１５による波長多重に加え伝播遅延時間を用いた時分割多重による信号処理が行えるので、ＦＢＧ１５の接続個数を大幅に増大させることができる。
【００７６】
信号処理制御部：ゲート信号発生部
光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える。この光ファイバ多点物理量計測システム１０においては、図８に示すように、信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８に二値判定処理部２６を備える。データ処理部１８には二値判定処理部２６の他、波長測定部、二値判定処理部２６と動的波長シフト測定部、および波長測定部と動的波長シフト測定部のうちのいずれかを備えることにより、良好に多数の物理量を計測することができる。
【００７７】
ゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧ１５に対して適切な遅延時間を伴うゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有する。二値判定処理部２６は、光検出処理部１６が光パルスを検出したか否かの二値情報から、着目するＦＢＧ１５からの反射光波長が有意な変化をしたか否かを判定する。また、データ処理部１８の波長測定部は、観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長を測定しており、動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して、波長を固定した上で時間連続により複数回測定を行い、得られた光強度の相対比と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、ＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期の時間変化情報を求める。
【００７８】
ゲート型デイジタル二値判定
図８および図９に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８に二値判定処理部２６を備えた例を示す。
【００７９】
図８では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５が含まれており、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有し、かつデータ処理部１８の中に、二値判定処理部２６が含まれている。
【００８０】
光源部１１から光幹線部１２に出力されたプローブ光の光パルスに対して、各ＦＢＧ１５，１５からの反射パルスがその接続位置に応じた伝播遅延時間を伴って光検出処理部１６まで戻ってくるが、その中で、ゲート信号発生部２５は、図９（ａ）に示すように、着目するＦＢＧ１５の伝播遅延時間にあわせた遅延時間Ｔｄを伴って、光反射パルスのパルス幅と同等以上の時間幅をもつ時間ゲート信号Ｔｗを発生する。このゲート信号Ｔｗと同期するようにして、光検出処理部１６で着目するＦＢＧ１５の反射光を検出しその信号を取り出すことで、着目するＦＢＧ１５の反射パルス信号が含まれる時間帯のゲート信号を取り出すことができる。
【００８１】
二値判定処理部２６では、ゲート信号に同期して取り出された光強度信号の強度を、予め定めたしきい値以上か否かを判定する。図９（ｂ）に示すように、光源部１１からのプローブ光波長帯（λ±Δλ）を一定にしておき、通常状態では着目するＦＢＧ１５の反射波長をほぼカバーするような波長幅状態ａにしておく。ここで仮に、ＦＢＧ１５の反射波長がｂのように長波長側にシフトしたとする。この場合、光検出処理部１６で検出した反射光信号は、図９（ｃ）に示すように、本来のＦＢＧ１５からの反射パルス光強度ａから小さい値ｂを示すことになる。この光強度変化を、予め設定したしきい値と比較することにより、波長変化があったかどうか、即ち物理量の変化があったかどうかを判定することができる。また、図９（ａ）の遅延時間Ｔｄを順次変えて時間ゲート信号Ｔｗを出すことにより、着目するＦＢＧ１５に関する物理量状態変化の有無を読み出すことができる。
【００８２】
プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提とすれば、ある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができる。
【００８３】
ゲート型波長測定
図１０は光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、しかもデータ処理部１８に波長測定部３０を備えた例を示す。
【００８４】
図１０では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５が含まれており、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有し、かつデータ処理部１８の中に、波長測定部３０が含まれている。
【００８５】
信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８に二値判定処理部２６を備えた上図８に示す例と同様にして、ゲート信号発生部２５により、特定の着目するＦＢＧ１５からの反射パルス光が選択的に光検出処理部１６に入力される。波長測定部３０とゲート信号発生部２５と光検出処理部１６とは互いに同期せしめられて、光検出処理部１６に入力された反射パルス光のスペクトル分析を行う。
【００８６】
具体的には、波長測定部３０で観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長の求め方としては、時間ゲート信号の中に１つのＦＢＧ１５の反射パルスしか含まれない場合には、単純に最も光強度の強い波長を求める方法が取られる。複数の異なるＦＢＧ１５，１５の反射波長の光パルスが混在している場合には、波長走査を行い、走査波長に対して極大となる複数の波長値を探索し、それらを各ＦＢＧ１５，１５からの反射波長として認識する。
【００８７】
このようなゲート信号発生部２５と波長測定部３０を備える光ファイバ多点物理量計測システム１０においては、着目するＦＢＧ１５を遅延時間を伴う時間ゲート信号で特定することが可能であり、その上で波長測定部３０として一般的な光スペクトル測定手法、光スペクトラムアナライザなどの汎用装置を適用することができる。
【００８８】
信号処理制御部：ゲート信号発生部と波長走査部
また、光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備えると、この光ファイバ多点物理量計測システム１０の場合には、信号処理制御部１７がゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８が波長測定部３０および／または動的波長シフト測定部を備えることにより、良好に多数の物理量を計測することができる。
【００８９】
信号処理制御部１７のゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧ１５に対して適切な遅延時間を伴う時間ゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有する。信号処理制御部１７の波長走査部３１は、上記時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部１１の波長可変フィルタ部２３を走査し、波長測定部３１では、各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射パルス光の強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、または各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射パルス光の強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射パルス光の中心波長あるいは波長シフト量を求める。データ処理部１８の動的波長シフト測定部は、前記時間条件に対して波長を固定した上で時間連続により複数回測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求める。
【００９０】
ゲート信号発生部・波長走査部・波長測定部
信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５と波長走査部３１とを備え、データ処理部が波長測定部を備えた光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の例を図１１に示す。
【００９１】
図１１では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５と波長走査部３１が備えられており、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有し、かつデータ処理部１８の中に、各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を演算する波長測定部３０が備えられている。
【００９２】
信号処理制御部１７のゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧの伝播遅延時間にあわせた遅延時間を伴って、光パルスのパルス幅と同等以上の時間幅をもつ時間ゲート信号を発生する。このゲート信号と同期するようにして、光検出処理部１６で反射パルス光を検出し、その信号を取り出すことで、着目するＦＢＧ１５からの反射パルス光が選択的に光検出処理部１６に入力される。信号処理制御部１７の波長走査部３１では、この時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部１１の波長可変フィルタ部２３を複数回走査し、各波長走査に対してそれぞれ得られる反射光パルスの光強度を光検出処理部１６で測定する。データ処理部１８の波長測定部３０では、この光検出処理部１６で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める。
【００９３】
重心演算
重心演算については、図１２（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図１２（ａ）中では反射波長スペクトルに対して、光源部１１から一定の波長広がりを持つパルスプローブ光をλ１〜λ３の３回走査することを示している。各走査で得られた光強度を、図１２（ｂ）に示す。完全にこの３回の波長走査が反射スペクトルに対して対称的であった場合、即ち、走査波長中心値λ２が反射中心波長と完全に一致するのであれば、図１２（ｂ）に示す３回の光相対強度も対称な分布となる。しかしながら、現実的にはλ２と反射中心波長はずれている。
【００９４】
光源部１１から出力されるプローブ光の波長幅を仮にΔとし、図１２（ｂ）中で、反射中心波長が点線位置であり、各波長走査で得られた光相対強度は図中に示すようにＩ１、Ｉ２、Ｉ３であったとする。この場合、中心波長をλ２−ｘとおく。重心演算として以下の式が成立する。
【００９５】
【数１】
【００９６】
これを解いてｘが求められるので、中心波長λ２−ｘを算出することができる。
【００９７】
このような計測システムにおいては、線スペクトル状のプローブ光の多数回の走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数個の波長値に対する光強度測定データとプローブ光の走査中心波長を用いた重心演算から実効的なＦＢＧの中心反射波長を求めることができる。重心演算は最低２回でも計算できるため、極めて少数の波長走査のみでＦＢＧの波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【００９８】
相対比率・校正曲線
次に、図１１と同様に、信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が波長測定部３０を備えるが、データ処理部１８の中に含まれる波長測定部３０における演算手法が異なる例を図１３に示す。
【００９９】
データ処理部１８の波長測定部３０における演算手法は、各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める手法である。図１３はこの波長演算手法を示す。
【０１００】
図１３（ａ）はＦＢＧ１５の反射波長スペクトルに対して、一定の幅Δを持つ波長λ１、λ２での波長走査を行うことを示している。ＦＢＧ１５からの反射波長のシフト方向が図１３（ａ）に示すように一方向のみに特定できる場合を想定する。この場合、図１３（ｂ）に示すように、２回の波長走査でそれぞれ得られる光強度の比率Ｒは波長シフトの量と関係があり、予め波長シフトと光強度の関係を図１３（ｃ）に示すように校正曲線Ａとして多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）に記憶させておくことができる。実際の測定時には、観測されたＲ値を校正曲線Ａに当てはめて波長シフトの量を算出することができる。
【０１０１】
これによれば、２回の波長走査という最低の走査回数で、波長シフト量を算出することができる。
【０１０２】
このような光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）においては、線スペクトル状のプローブ光の多数回走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数回の波長走査値に対する光強度測定データの比率と校正曲線Ａから実効的なＦＢＧ１５の中心反射波長のシフト量を求めることができる。極めて少数の波長走査のみでＦＢＧ１５の波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【０１０３】
ゲート信号発生部・波長走査部・動的波長シフト測定部
図１４は光源部１１に、図５に示すように、広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）において、信号処理制御部１７がゲート信号発生部２５と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が動的波長シフト測定部３３を備えた動的物理量計測システム１０Ｅの例を示す。
【０１０４】
信号処理制御部１７のゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧ１５に対して適切な遅延時間を伴う時間ゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有する。データ処理部１８の動的波長シフト測定部３３は、上記時間条件に対して波長を固定した上で所要時間に複数回光強度の測定を連続的に行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化する周期等の時間変化情報を求めることにより動的物理量の計測を良好に行うことができる。
【０１０５】
この光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｅの例を図１４に示す。
【０１０６】
図１４では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５と波長走査部３１が備えられており、かつデータ処理部１８の中に動的波長測定部３０が備えられている。
【０１０７】
ゲート信号発生部２５の遅延時間に対応した着目するＦＢＧ１５の反射光が光検出処理部１６で測定される。プローブ光の光強度、波長が一定である場合、反射波長スペクトルがシフトしていなければ常に同一強度とみなし得るパルス反射光が検出される。
【０１０８】
しかしながら、ＦＢＧ１５からのパルス反射波長が変化（シフト）する場合、パルス反射光の強度も変化する。かりに、ＦＢＧ１５の伸縮が周期的に起こる場合、パルス反射波長のシフトも周期的となり、その結果、検出される光強度の強弱変化の周期もこれらの周期と等しくなる。サンプリング定理によれば、ＦＢＧ１５の波長シフトを生じさせる物理現象の周波数成分のうち半分以上のサンプリング周波数で、この光強度の変化を測定すれば物理現象変化の周波数を計測することができる。
【０１０９】
このように、波長走査部３１での波長を一旦固定して、時間的に連続して繰り返してデータ収集することにより、その区間におけるＦＢＧの波長変化の周期を動的に検出することができる。
【０１１０】
この計測システム１０Ｅにおいては、ゲート信号発生部１５は、前述のように、着目するＦＢＧ１５の伝播遅延時間にあわせた遅延時間を伴って、光パルスのパルス幅と同等以上の時間幅をもつ時間ゲート信号を発生する。このゲート信号と同期するようにして、光検出処理部１６で光を検出しその信号を取り出すことで、着目するＦＢＧ１５の反射光が光検出処理部１６で測定される。このとき、動的波長シフト測定部は、この測定条件に対して波長を固定した上で時間的に連続して複数回光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期の時間変化情報を求める。
【０１１１】
静的・動的物理量の計測
光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える図６の光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）において、さらに信号処理制御部１７にゲート信号発生部と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８に動的波長シフト測定部３３とを備えて動的物理量を計測する構成とすることにより、動的物理量の計測を行なうことができる。
【０１１２】
この動的物理量を計測する多点物理量計測システム１０Ｅを前述の静的物理量を計測するシステム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）と組み合せることができる。動的多点物理量計測システム１０Ｅは、ゲート信号発生部と二値判定処理部とを備える構成、ゲート信号発生部と波長測定部とを備える構成、ゲート信号発生部と波長走査部と波長測定部と信号処理制御部に備える静的多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）に動的波長シフト測定部３３のデータ処理部１８を組み合せて１つの計測システムとしたものである。
【０１１３】
この静的・動的物理量の計測システム１０Ｅにおいて、動的物理量の計測は、特定の走査波長に固定して、特定のゲート時間に着目するＦＢＧ１５の反射パルスの光強度を時間的に連続して取得することで、ＦＢＧ１５の波長シフトの周期を算出するとともに、波長走査を行うことにより波長シフトの量を算出することにより行われる。これらの手順により、波長シフトの量とその周期の両方を求めることが可能となり、時間的に変化し続けること自体を測定する必要のある物理量、例えば振動計測等と静的な定常状態の計測の両方に用いることができる。
【０１１４】
時系列データ測定記憶部・時系列データ二値判定処理部
上記のような光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｅ）においては、信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部２８を備え、データ処理部１８が時系列データ二値判定処理部２９、または時系列データ二値判定処理部２９と動的波長シフト測定部３３を備えることにより、良好に多数の静的あるいは動的物理量を計測することができる。
【０１１５】
信号処理制御部１７の時系列データ測定記憶部２８では、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧ１５からの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、データ処理部１８の時系列データ二値判定処理部２９は、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して反射光パルスが存在するか否かを判定し、また、動的波長シフト測定部３３は、波長を固定した上である時間に複数回連続的に測定を行い、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ１５からのパルス反射光の光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求めることができる。
【０１１６】
信号処理制御部１７に時系列データ測定記憶部２８を備え、データ処理部１８に時系列データ二値判定処理部２９を備える例を図１５および１６に示す。
【０１１７】
図１５では、信号処理制御部１７の中に、時系列データ測定記憶部２８が備えられており、データ処理部１８の中に、時系列データ二値判定処理部２９が備えられている。
【０１１８】
時系列データ測定記憶部２８は、光源部１１のパルス化タイミングと同期して、一定の遅れ時間を伴って区間から戻ってくるパルス光の波長帯と反射波長が合致するＦＢＧからの反射パルス列の全てを一括して時系列状に測定記憶するものである。ひとつの実用的な方法として、光パルスを光電変換素子により電気パルスに変換したものを、一定時間のサンプリング間隔でＡＤ変換し、そのディジタルデータ列として記憶すれば良い。
【０１１９】
時系列データ二値判定処理部２９では、記憶したこのディジタルデータ列から、着目する各ＦＢＧ１５の接続位置に相当する遅延時間区間に検出されているパルスの有無、あるいはその光強度（波高値）を順次算出判定していく。これにより、最低一回の光パルスの導入により一括して全てのＦＢＧ１５の反射信号を取得することで、各ＦＢＧ１５の変化の有無が検出できる。
【０１２０】
このような手順を採用することで、変化の検出されたＦＢＧ１５だけに限定して、詳細な変化量＝波長シフト量＝測定物理量変化を調べる手順を続けることができるので、合理的かつ最短の時間で処理を行うことができる。
【０１２１】
図１６に示すように、光源部１１でパルス化する波長帯λを順次変化させていくことにより、全てのＦＢＧ１５からの信号を少ない走査回数で取得することができる。図ではλを順次等間隔で、いわば連続的に走査しているが、着目するＦＢＧ１５にあわせて離散的に、任意の波長を指定して、当該波長に対する時系列データを測定記憶することにより測定時間を最小に抑えることができる。
【０１２２】
このような計測システムにおいては、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくと、ある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができる。また、特定の時間窓に対する光強度ではなく、光強度の時間軸に応じたデータ（時系列データ）を取得するため、時間ゲートの遅延時間を変えた走査が不要となり迅速な測定をすることができる。
【０１２３】
信号処理制御部：時系列データ測定記憶部・波長走査部
また、光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、図１７に示すように、信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が波長測定部３０および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えることにより、良好に多数の物理量を計測することができる。
【０１２４】
時系列データ測定記憶部２８は、前述のように、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧ１５，１５からの反射光パルス列を時系列データとして測定記録する。波長走査部３１は、この時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部を走査し、データ処理部１８の波長測定部３０は、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いた重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、またはこれらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める。データ処理部１８に動的波長シフト測定部３３を備えてもよい。この測定部３３は、図１４に示すように、波長を固定した上で所要時間に複数回連続して光強度の測定を行い、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求める。
【０１２５】
時系列データ測定記憶部・波長走査部・波長測定部
信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部と波長走査部とを備え、データ処理部が波長測定部を備える例を図１７に示す。
【０１２６】
図１７では、信号処理制御部１７の中に、時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１が備えられており、かつデータ処理部１８の中に波長測定部３０が備えられている。
【０１２７】
重心演算
信号処理制御部１７の時系列データ測定記憶部２８は、前述のように、光源部１１のパルス化タイミングと同期して、一定の遅れ時間を伴なう区間から戻ってくるパルス光の波長帯と反射波長が合致するＦＢＧ１５からの反射パルス列の全てを一括して時系列状に測定記憶するものである。時系列データ測定記憶部２８は、実用的な例として、光パルスを光電変換素子により電気パルスに変換したものを、一定時間のサンプリング間隔でＡＤ変換し、そのディジタルデータ列として記憶すれば良い。
【０１２８】
信号処理制御部１７の波長走査部３１は、上記時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で光源部１１の波長可変フィルタ部２３を走査し、この波長走査で得られる反射光パルスを光検出処理部１６で検出し、上記時系列データ測定記憶部２８で時系列状に測定記録する。
【０１２９】
着目するＦＢＧ１５からのパルス反射光の波長まわりで複数回の波長走査をして取得した時系列データから各ＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ１５のパルス反射光の光強度値が得られる。この光強度値と走査波長の値を用い、先に図１２を用いて説明した重心演算を行うことにより、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求めることができる。
【０１３０】
時系列データ測定記憶部２８と図１２の重心演算により、複数のＦＢＧ１５に対する物理量データが、必要とする波長走査の回数だけで取得することができる。
【０１３１】
このような物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｅ）においては、線スペクトル状のプローブ光の多数回の走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧの反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことにより、複数個の波長値に対する光強度測定データとプローブ光の中心波長を用いた重心演算から実効的なＦＢＧ１５の中心反射波長を求めることができる。この重心演算は最低２回でも計算可能である。さらに、時間ゲートではなく時系列データとして光強度データを取得しているため、遅延時間走査が不要で、極めて少数の波長走査のみでＦＢＧ１５の波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【０１３２】
相対比率・校正曲線
次に、図１７と同様に、信号処理制御部１７に、時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８に波長測定部３０を備えるが、データ処理部１８に備えられる波長測定部３０の演算手法を異にする例を説明する。
【０１３３】
この波長測定部３０における演算手法は、図１３で示した手法と同様であり、時系列データ測定記憶部２８に記憶された時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と、予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線Ａを用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める手法である。
【０１３４】
この計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｆ）によれば、反射光の波長は等しいが遅延時間が異なる複数のＦＢＧ１５，１５に対して、一括して２回の時間走査という最低の走査回数で波長シフト量を算出できる。
【０１３５】
このような計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｆ）においては、線スペクトル状のプローブ光の多数回の走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数回の波長走査値に対する光強度測定データの比率と校正曲線Ａから実効的なＦＢＧ１５の中心反射波長のシフト量を求めることができる。さらに、時間ゲートではなく時系列データとして光強度データを取得しているため、遅延時間走査が不要で、極めて少数の波長走査のみでＦＢＧ１５の波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【０１３６】
時系列データ測定記憶部・波長走査部・動的波長シフト測定部
図１８は光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が動的波長シフト測定部３３を備えた光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｆを示す。
【０１３７】
この物理量計測システム１０Ｆの信号処理制御部１７の時系列データ測定記憶部２８は、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧ１５からの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、波長走査部３１は、この時系列データを取得するために光源部１１で２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部２３を走査する一方、データ処理部１８の動的波長シフト測定部３３は、波長を固定した上で所要時間に複数回測定を行い、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線Ａを用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求めることにより動的物理量の計測を良好に行うことができる。
【０１３８】
具体的には、信号処理制御部１７の時系列データ記憶測定部２８は、光源部１１のパルス化タイミングと同期して、一定の遅れ時間伴う区間から戻ってくるパルス光の波長帯と反射波長が合致するＦＢＧ１５からの反射パルス列全てを一括して時系列状に測定記憶するものである。
【０１３９】
図１４と同じく、時系列データ記憶測定部２８にはプローブ光の光強度、波長が一定である場合、反射波長スペクトルがシフトしていなければ常に同一強度とみなし得る反射パルス列が測定記憶される。しかしながら、ＦＢＧ１５からの反射波長が変化（シフト）する場合、反射光の強度も変化し、変化する光強度が時系列データとして記憶される。一方、波長走査部３１では波長をいったん固定して、所要時間繰り返しデータを連続して収集し、時系列データに含まれる個々のＦＢＧ１５の信号成分を切出していくことで、先の図１４で説明したケースと同様となる。これにより、特定反射波長帯に属する複数のＦＢＧ１５に対する波長変化周期を動的に検出することができる。
【０１４０】
この計測システム１０Ｆにおいては、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数の同一基本反射波長を持つ複数のＦＢＧ１５の光量変化から波長シフトの時間変化を連続的に追跡し、その周期とシフト量から複数の物理量変化の動的パラメータを測定することができる。
【０１４１】
静的・動的物理量の計測
上記のような光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２１とを備える光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｆにおいては、時系列データ記憶測定部２８と波長走査部３１と動的波長シフト測定部３３とを備えて動的物理量を計測する構成と、前述の静的物理量を計測するシステム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）を組み込んで、１つの計測システムを構成することができる。
【０１４２】
前述の静的物理量を計測するシステム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）としては、信号処理制御部１７に時系列データ測定記憶部２８と、データ処理部１８に時系列データ二値判定処理部２９を備える構成、または信号処理制御部１７に時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを、データ処理部１８に波長測定部３０とを備える構成が挙げられる。
【０１４３】
この静的・動的物理量の計測システム１０Ｆにおいて、動的物理量の計測は、特定の走査波長に固定して、着目対象となる全てのＦＢＧ１５からの反射パルス列の光強度を時間的に連続して取得することで、ＦＢＧ１５の波長シフトの周期を算出するとともに、波長走査を行うことにより波長シフトの量を算出する。
【０１４４】
これら光強度およびは波長シフトを算出する手順により、波長シフトの量とその周期の両方を求めることが可能となり、時間的に変化し続ける物理量自体を測定すること、例えば振動計測等の動的物理量と静的な定常状態物理量の計測の両方に用いることができる。また、時系列データにより複数のＦＢＧ１５の信号を一括して計測することで、測定時間を最小限に抑えることができる。
【０１４５】
自己健全性監視
この光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｆ）においては、図１９に示すように、光幹線部１２や光分岐路部１３が断線することなく全て健全に接続されていることを監視する健全性監視手段３５を備えていることが好ましい。
【０１４６】
例えば、光幹線部１２と光分岐路部１４の各終端部に、光源部１１から導入された光が反射手段により反射して光導入側に戻される終端反射手段３６を備える。終端反射手段３６からの反射光を測定する健全性監視手段３６を備えることにより、光幹線部１２ならびに光分岐路部１４の接続状態に関する健全性および伝送損失の変化を測定して健全性を監視することができる。
【０１４７】
光源部１１からの導入された光の終端反射手段３６としては、光の波長を変化させないフレネル反射、鏡面反射、および乱反射面反射のうちの少なくとも１種の光反射手段が挙げられる。
【０１４８】
健全性監視のための光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｇの構成例を図１９に示す。
【０１４９】
図１９に示される物理量計測システム１０Ｇでは、例えば、データ処理部１８の中に、健全性監視手段３５を備えるとともに、光分岐路部１４および光幹線部１２の各終端部に終端反射手段３６が装着される。
【０１５０】
通常、光ファイバの開放端はフレネル反射を起こすため、場合によってはこの光を吸収、散乱等の作用により反射しないようにする措置が取られることがある。この物理量計測システム１０Ｇでは、終端反射手段３６から反射光を利用しようとするものであり、開放端のまま使うか、あるいは積極的に反射手段（反射体）３６を装着して、光ファイバ終端部分からの光を光幹線部１２まで戻し、光検出処理部１６で検出させるようになっている。
【０１５１】
光源部１１からの光はパルス化されており、波長走査をうけながら光幹線部１２に導入される。いずれの波長の場合にも、光幹線部１２と各光分岐路部１４が健全に接続状態を保っている場合には、終端反射手段３６からの反射光がパルスの導入タイミングに対して既知の遅延時間の後検出される。もちろん、光幹線部１２が途中で分断された場合には、分断ポイント以降に接続された光分岐路部１４の先端からの信号が戻ってこない。また、特定の光分岐路部１４のみが断線した場合は、この光分岐路部１４に装着した終端反射手段３６からの光のみが戻ってこない。これら一連の判断が健全性監視手段３５でなされる。
【０１５２】
さらに、健全性監視手段３５では、反射パルスの戻りの有無のみならず、反射パルスの光強度の経年変化、経時変化にも着目する。反射パルスが戻されるものの、光強度が著しく低下している場合には、線路１２，１４の接続損失や光分岐部（光分岐器）１３の異常などが考えられる。各区間は、複数の信号が重複して通過してくるため、総合的な情報の組み合せにより、光ファイバやそこに接続されている部品等の健全性自体を判定することができる。
【０１５３】
本発明においては、システム稼動中に光幹線部および光分岐路部がすべて断線することなく健全に接続されていることをオンラインで監視することができる。
【０１５４】
自己校正
光ファイバ多点物理量計測システムにおける光分岐部１３やＦＢＧ１５の接続位置は、システム設計時、あるいは敷設時に既知であり、これらの位置・長さ情報を予めシステムに登録しておくのが一般的な方法である。しかし、この光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、接続されたＦＢＧ１５の接続位置・距離、または反射光波長の情報が予め与えられない場合であっても、その場で校正を実施することができる。
【０１５５】
具体的には、光源部１１の光源として、個々のＦＢＧ反射スペクトルの半値幅よりも十分小さい線幅の光を用い、接続されている全てのＦＢＧ１５の反射光波長帯域を網羅する範囲で順次波長走査しながら光幹線部１２に光を導入する波長走査部３１と、走査波長に対する反射光パルス列の時系列データを測定し記録する時系列データ測定記憶部２８と、この時系列データと走査波長情報からＦＢＧ１５の基本反射光波長を算出し、時系列データから抽出した検出された光パルスの遅延時間情報から接続位置・距離情報を算出して、この結果をデータ処理部１８に記憶させる校正計算処理部（図示省略）とを備えることにより、校正することができる。
【０１５６】
この光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１と校正計算処理部とを備えており、波長走査のみを行うことにより、全てのＦＢＧからの反射パルスを測定記録することができる（図２０）。校正計算の対象として取得した全てのＦＢＧ１５からの反射パルスについて、該当する波長と光源部１１からのパルス光に対する遅延時間から、接続されているＦＢＧ１５の遅延時間（位置）、基本反射波長を取得することができる。従って、敷設後等にこれらの探索測定を行い、得られた結果をシステムに登録しておくことで、予め校正情報が与えられない場合でも、「その場校正」を実施することができる。
【０１５７】
予め設置前にＦＢＧ１５の接続条件がない場合に限らず、設置状態のシステムに増設により新たにセンサ等を加えた場合等、システム稼動後の状態で、現実の設置状態に促した校正値を求めることができる。
【０１５８】
自己補正
光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｈにおいては、図２１に示すように、ファイバ劣化等が生ずる環境であっても、計測システムのデータの精度、信頼性を高めることができる補正手段を備えることが好ましい。
【０１５９】
具体的には、測定対象の物理量をＦＢＧ１５に対する微小歪みあるいは温度変化に変換する物理量伝達機構３８と、予め各ＦＢＧ１５に割り当てられた測定対象の物理量（測定対象の種類と歪み変化）とＦＢＧ１５の波長シフト量との関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶部３９と、連続的に蓄積したデータから、経年劣化、および環境による劣化（熱や湿度等による劣化・放射線照射劣化など）に起因する経路別の伝送損失の変化を算出するファイバ劣化測定部４０と、校正曲線記憶部３９に記録された校正曲線から測定対象の物理量を換算する際に必要な補正をファイバ劣化測定部４０で算出された伝送損失変化値に基づいて行う換算補正部４１とを備えることにより、１種以上の物理量が混在した計測の監視が十分にでき、また過酷な環境下においても、データの精度、信頼性を高めることができる。
【０１６０】
図２１は、１つの物理量計測システム１０Ｈで１種以上の物理量を測定監視できる例を示す。図２１に示す物理量計測システム１０Ｈは、図１に示されたシステム１０に加えて、例えば、データ処理部１８の中に、ファイバ劣化測定部３９と換算補正部４１と校正曲線記憶部３９を備えており、さらに光分岐路部１４などの終端には終端反射手段３６を備える構成である。
【０１６１】
さらに、各ＦＢＧ１５には物理量伝達機構３８として、各ＦＢＧ１５に割り当てられた単一種類、あるいは複数種類の測定物理量をＦＢＧ１５の微小歪みに変換して、ＦＢＧ１５の反射波長のシフトを生じさせるような機構を装着してある。
【０１６２】
校正曲線記憶部３９には、各ＦＢＧ１５の波長シフト量と測定対象物理量との関係を示す校正曲線が記憶されている。また、データ処理部１８のファイバ劣化想定部４０では経年劣化や熱、放射線等による光ファイバやＦＢＧ１５自体の劣化に起因する損失、波長変化を測定する。測定された劣化から換算補正部４１では各物理量換算のための補正係数を算出し、校正曲線記憶部３９に記憶された校正曲線から算出される物理量に対して補正を行う。
【０１６３】
これにより、システム１０Ｈの中に異種の計測対象物理量が混在し、かつ光ファイバの劣化等が生じることを前提としたシステムにおいても正しい測定情報を与えることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、ＦＢＧの波長制約条件に拘束されない接続が可能であるので、多数点のＦＢＧを１つのシステムに接続することができる。
【０１６５】
また、本発明では、光強度の変化自体をしきい値判定することにより、ＦＢＧの反射波長変化の有無を高速に検出することができる。
【０１６６】
本発明では、時間と波長の２つのパラメータの走査条件を最小限にとどめ、効率よく波長変化を計測することができる。
【０１６７】
本発明では、動的波長シフト測定することにより、波長変化の周期を捉えることができるため、振動計測など動的に変化している物理量自体を計測することができ、また、効率的な波長走査と波長変化検出手段を併せ持つことで、静的な物理量測定とも両立することができる。
【０１６８】
本発明においては、計測システム自体の自己校正、自己健全性監視、自己補正の機能を有することができるので、物理的な構成条件が変わる場合、あるいはこれらの構成は不変でありながら光学的なパラメータ・特性が変化した場合にも、正常な測定および運用を続行することができる計測システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムの一実施形態を示す説明図。
【図２】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて、複数系統の光幹線部を備えた例を示す説明図。
【図３】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて、複数系統の光幹線部を備えた他の例を示す説明図。
【図４】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける分岐間隔の一例を示す説明図。
【図５】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける分岐間隔の他の例を示す説明図。
【図６】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムに用いられる光源部の説明図。
【図７】（ａ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムの光源部から出力されるプローブ光の発光特性を示す図、（ｂ）は出力プローブ光を制御して作り出されるパルス光の例を示す図。
【図８】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部の関係例を示す説明図。
【図９】（ａ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムの各ＦＢＧからの反射パルスと着目するＦＢＧのゲート信号との関係を示す説明図、（ｂ）は着目するＦＢＧの反射波長のシフト例を示す図、（ｃ）は光検出処理部で検出される光信号例を示す図。
【図１０】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部の関係の他の例を示す説明図。
【図１１】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す説明図。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて光強度と走査波長の関係を示す重心演算による中心波長算出の説明図。
【図１３】（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて比演算による波長シフト量算出の説明図。
【図１４】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す説明図。
【図１５】本発明に係る光ファイバ多点物量計計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部とのさらに他の関係例を示す図。
【図１６】着目するＦＢＧの波長における時系列データの測定例を示す図。
【図１７】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す図。
【図１８】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す図。
【図１９】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける自己健全性監視例を示す説明図。
【図２０】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける自己校正の説明図。
【図２１】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける自己補正の例を示す説明図。
【図２２】従来の物理量計測システムを示す説明図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ〜１０Ｈ 光ファイバ多点物量計測システム
１１ 光源部
１２ 光幹線部（光伝送手段）
１３ 光分岐部
１４ 光分岐路部（光伝送手段）
１５ ＦＢＧ（光ファイバブラッググレーティング素子）
１６ 光検出処理部
１７ 信号処理制御部
１８ データ処理部
２０ 光切替器
２２ 広帯域光源部
２３ 波長可変フィルタ部
２４ 光スイッチング部
２５ ゲート信号発生部
２６ 二値判定処理部
２８ 時系列データ測定記憶部
２９ 時系列データ二値判定処理部
３０ 波長測定部
３１ 波長走査部
３３ 動的波長シフト測定部
３５ 健全性監視手段
３６ 終端反射手段
３８ 物理量伝達機構
３９ 校正曲線記憶部
４０ ファイバ劣化測定部
４１ 換算補正部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ等の光伝送手段を媒体とした光波長多重通信のために開発されてきた光ファイバブラッググレーティング素子（以下ＦＢＧという。）を各種物理量計測用のセンシング素子として用いる光ファイバ多点物理量計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＢＧは光ファイバを媒体とした光波長多重通信のためのキーコンポーネントとして開発されてきた素子であるが、これを光ファイバセンシングに利用することはかなり以前から考えられてきた。近年、大規模地震災害等の経験も踏まえ、土木建築物の構造体歪みについてのモニタリング技術の重要性が再認識されており、各方面での研究開発が展開されている。
【０００３】
例えば、Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．， ３２， １０， ６４７， （１９７８）、Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．， ６２， １０， １０３５， （１９９３）、Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ， ｅｔ ａｌ．， “Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ”， ６， １１９ （１９９８）、Ｊ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，“Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ”， １２， １５７ （１９９６）等にも詳しく述べられている。
【０００４】
また、微少歪み計測を軸に、温度やその他の物理量（歪み、変位、圧力等）についても、物理量を微小歪みに変換することで計測しようとする試みがなされ、センサ構造とともに光ファイバ線路を有効に利用する一括多点測定技術の開発も進められている。
【０００５】
従来の光ファイバ多点物理量計測システムは図２２に示すように構成されている。
【０００６】
従来の光ファイバ多点物理量計測システムは、光伝送の基幹をなす光ファイバで構成される光幹線部１と、この光幹線部１で縦列（直列）に接続されている複数のＦＢＧ２と、光幹線部１にＦＢＧ２の反射波長を測定するためのプローブ光を出力する光源部３と、ＦＢＧ２からの反射光を光幹線部１から分岐するための光分岐部４と、この光分岐部４から光ファイバで接続される光検出処理部５と、光源部３や光検出処理部５と時間的な同期条件を考慮しながら制御する信号処理制御部６とデータ処理部７とから構成されている。
【０００７】
光源部３はしばしば白色光源や広帯域光源と呼ばれ、使用しているＦＢＧ２群の反射波長帯をすべてカバーすることのできるような発光スペクトルを有する。ＦＢＧ２からの各反射光は光分岐部４を介して、光導入側とは異なる光ファイバポートに分けられ、光源部３側の光分岐部４から光検出処理部５まで到達する。光検出処理部５では、回折格子や波長干渉・共振原理を用いて高い分解能で波長をフィルタリングする高分解波長走査部８や高分解波長測定部９が含まれる。
【０００８】
光源部３に連続光を使用する場合、ＦＢＧ２からの反射波長としてそれぞれ異なるものを選んでおけば、受光側で波長分析、光スペクトル分析を行うことで、個々のＦＢＧ２からの反射光の反射波長、初期波長からのシフト量などを測定することができ、各反射光と物理量とを対比させることで、対象物理量の計測が可能である。
【０００９】
また、光源部３として連続光ではなく、パルス駆動する半導体レーザや音響光学素子等によるスイッチングで得られるパルス光源を使用した場合、各ＦＢＧ２からの反射光は設置位置に応じた伝播遅延時間を伴いながら光検出処理部５に到達する。
【００１０】
この場合、着目するＦＢＧ２の遅延時間に対応する時間幅内で限定して、高分解能波長計測により着目するＦＢＧ２からの反射波長、初期波長からのシフト量を計測することができる。
【００１１】
波長計測を行うために、一般的にはＦＢＧ２の反射スペクトルの線幅よりも十分狭い線幅の光をプローブ光として作り出し、このプローブ光の波長を走査して最大光強度の波長を探索し、探索された波長をピーク（中心）波長として同定することが一般的に行われている。このように構成された光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、高分解の波長計測機能を含んだシステム構成を用いて、複数個のＦＢＧ２の信号を識別するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、まず高分解能波長計測を装備することが前提となっているため、精密で細かい波長ステップで、必要な波長帯域全てを走査するためには必然的に走査時間を必要とするという問題があった。
【００１３】
個々の波長ステップでの高分解能波長計測を実現するためには、十分な光量が必要となるため、１波長あたりの測定時間、あるいはパルス化した光を使う場合には多数回のパルスに対しての積算測定などが必須となり、単純な光強度測定に対して明らかに長い計測時間を必要とするという問題があった。
【００１４】
もちろん、高分解能の波長計測については、光スペクトラムアナライザや波長計など一般的な装置として市販もされており、光検出器の光入力部分に波長選択のための光学干渉計等が配置された構造として良く知られている。この光ファイバ多点物理量計測システムにおいても同様な構成を部分適用することができるわけであるが、前述のような処理時間がかかるだけではなく、装置コストにおいても非常に高価になるという問題があった。
【００１５】
さらに、ＦＢＧ２の接続数と実際の測定対象へのＦＢＧ２の配置の点でも重大な課題があった。光源として連続光を用い単純にＦＢＧ２を直列接続する体系では、光源の波長帯域内にＦＢＧ２の反射波長相互が重複しないように割り当てることが必要であることから、「光源帯域／ＦＢＧの反射波長スペクトル変化幅＝接続上限個数」という制約があり、せいぜい１つの基幹線に１０〜２０個程度のＦＢＧ２しか接続できないという問題があった。
【００１６】
光をパルス化して時間分割多重方式でデータ処理を行う場合には、遅延時間を重複させなければ同一波長のＦＢＧ２を直列に接続できるものの、光源から遠いＦＢＧ２からの波長λａなる反射光が、より光源に近い方に接続された反射波長λａまで戻ってきた時、光源側に完全に透過せずにＦＢＧ２の設計反射率に応じて反射してしまう。このため、２つの同一波長λａのＦＢＧ２，２間で光が減衰しながら多重に往復を繰り返すことになってしまい、光の有効利用が実現しにくいという問題があった。
【００１７】
さらに、現実的な問題として、ＦＢＧ２の反射光成分にはクラッドでの伝播成分とコアでの伝播成分のモード結合現象等が発生することが知られており、反射スペクトル波長よりも短波長側にもなだらかな反射成分があり、ＦＢＧ２の接続順序や条件によってはこれが迷光成分として光検出処理部５まで戻ってしまい、雑音成分、誤信号として検出されてしまうという問題があった。
【００１８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、より多数のＦＢＧを接続可能で、誤信号をなくし、一括して監視できる光ファイバ多点物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、簡単な光計測とデータ処理で簡便、高速、安価な光ファイバ多点物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００２０】
さらに、本発明は、静的な物理量計測のみならず、動的な物理量計測、例えば、温度と振動状態等の計測を両立可能とする光ファイバ多点物理量計測システムを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムは、請求項１に記載したように、複数の物理量計測用の光ファイバブラッググレーティング素子（以下「ＦＢＧ」という。）が光ファイバで接続され、広帯域の連続光を出力する広帯域光源部とこの連続光の任意の波長帯域のみを選択的に透過させることのできる波長可変フィルタ部とフィルタリングされた連続光をパルス光に変換する光スイッチング部とを備える光源部と、この光源部から出力された計測用のパルス光および前記ＦＢＧの反射光を伝送する光幹線部と、この光幹線部に列状に配設され、計測用の光を前記光幹線部から分岐させる複数の光分岐部と、を備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、前記光幹線部の光分岐部間の距離と、前記光分岐路部内の前記ＦＢＧ間の距離と、光分岐部と光分岐部に最も近い位置にあるＦＢＧとの距離が等しくなるように列状に配設された光分岐部と、前記ＦＢＧからの反射光を検出・処理する光検出処理部と、前記光源部と光検出処理部との間の制御を行う信号処理制御部と、全てのＦＢＧの接続位置または距離条件と反射光波長に関する情報が格納されており、信号処理時に格納情報を利用して各ＦＢＧのデータを識別および処理するデータ処理部と、を有し、前記光分岐路部内の複数の前記ＦＢＧは、前記光分岐部から反射光の波長順に順次並べて配設され、前記光源部は、前記波長可変フィルタ部および前記光スイッチング部により、前記広帯域光源部が出力する連続光から着目する前記ＦＢＧの反射波長帯に相当する光を含むパルス状のプローブ光である前記計測用のパルス光を発することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明では、光幹線部上に複数の光分岐路部を分岐配置することで、光幹線部に接続される光分岐路部の接続の自由度を確保した上で、従来からの問題であったＦＢＧの反射光の相互反射やクラッドモード結合による迷光の抑制を実現しながら、多数点のＦＢＧを接続することができ、また、広帯域な波長走査が可能なパルス光を適用することにより、多数のＦＢＧを一括して監視することができる光ファイバ多点物理量計測システムを提供することができる。さらに、前記光幹線部の光分岐部間の距離と、光分岐路部内のＦＢＧ間の距離と、光分岐部と光分岐部に最も近い位置にあるＦＢＧとの距離を等しくなるように光分岐部を列状に配置したので、光源部の波長帯域が複数のＦＢＧ反射波長にまたがるときに、同一遅延時間内では複数種類の反射波長の信号が重なって光検出処理部に戻るが、時間パラメータを固定して波長パラメータを走査することにより一括して複数のＦＢＧの信号処理を行うことができ、簡便、迅速に測定することができる。
【００３１】
また、請求項２に記載したように、前記信号処理制御部がゲート信号発生部を備え、前記データ処理部が二値判定処理部、波長測定部、二値判定処理部と動的波長シフト測定部、および波長測定部と動的波長シフト測定部のうちのいずれかを備えており、前記ゲート信号発生部は、着目するＦＢＧに対して所要の遅延時間でゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ前記光検出処理部が光を検出する機能を有し、前記データ処理部の二値判定処理部は、光検出処理部が光パルスを検出したか否かの二値情報から着目するＦＢＧからの反射光波長が有意な変化をしたか否かを判定し、また前記波長測定部は、観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長を求め、前記動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにしてもよい。
【００３２】
このような計測システムにおいては、二値判定処理部によりある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができる。また、波長測定部として一般的な光スペクトル測定手法を適用することが可能となり、さらに、これらと動的波長シフト測定部を備えることにより、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測が可能となる。
【００３３】
さらに、広帯域光源部、波長可変フィルタ部および光スイッチング部を備える光源部を有する本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項３に記載したように、前記信号処理制御部がゲート信号発生部と波長走査部とを備え、前記データ処理部が波長測定部および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えており、前記信号処理制御部のゲート信号発生部は、着目するＦＢＧに対して所要な遅延時間でゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ前記光検出処理部が光を検出する機能を有し、前記波長走査部は、上記時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部の波長可変フィルタ部を走査し、前記データ処理部の波長測定部では、各波長走査に対して光検出処理部で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、あるいは各波長走査に対して光検出処理部で得られた反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、前記動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めることができる。
【００３４】
このような計測システムにおいては、重心演算や校正曲線を用いる手法により、実効的なＦＢＧの中心反射波長やそのシフト量を求めることができ、また簡素かつ迅速な測定ができる。さらに、動的波長シフト測定部を加えることにより、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測が可能となる。
【００３５】
広帯域光源部、波長可変フィルタ部および光スイッチング部を備える光源部を有する本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項４に記載したように、前記信号処理制御部が時系列データ測定記憶部を備え、前記データ処理部が時系列データ二値判定処理部、または時系列データ二値判定処理部と動的波長シフト測定部を備えており、前記信号処理制御部の時系列データ測定記憶部では、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧからの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、前記データ処理部の時系列データ二値判定処理部は、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して反射光パルスが存在するか否かを判定し、前記動的波長シフト測定部は、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行ない、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにすることができる。
【００３６】
このような計測システムにおいては、プローブ光をＦＢＧの反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくと、ある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができ、また、時系列データを取得するため、時間ゲートの遅延時間を変えた走査が不要となり迅速に測定が行われる。プローブ光を上記波長幅スペクトルとしておくと、複数の同一基本反射波長を持つ複数のＦＢＧの光量変化から波長シフトの時間変化を連続的に追跡し、その周期とシフト量から複数の物理量変化の動的パラメータを測定することができる。さらに、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測も可能となる。
【００３７】
また、広帯域光源部、波長可変フィルタ部および光スイッチング部を備える光源部を有する本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、請求項５に記載したように、前記信号処理制御部が時系列データ測定記憶部と波長走査部とを備え、前記データ処理部が波長測定部および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えており、前記時系列データ測定記憶部は、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧからの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、波長走査部は、この時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部を走査し、前記データ処理部の波長測定部は、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いた重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、またはこれらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、前記動的波長シフト測定部は、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行った結果、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予め前記データ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにしてもよい。
【００３８】
このような計測システムにおいては、重心演算や校正曲線を用いる手法により実効的なＦＢＧの中心反射波長や中心反射波長のシフト量を求めることができる。また、時系列データとして光強度データを取得しているため、簡素かつ迅速な測定ができる。さらに、プローブ光をＦＢＧの反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくと、複数の同一基本反射波長を持つ複数のＦＢＧの光量変化から波長シフトの時間変化を連続的に追跡し、その周期とシフト量から複数の物理量変化の動的パラメータを測定することができる。また、静的な物理量と動的な物理量の両方を混在させた計測も可能となる。
【００３９】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項６に記載したように、光幹線部と光分岐路部の各終端部に、光源部から導入された光が反射手段により反射光として光導入側に戻される終端反射手段を備え、この反射光から前記光幹線部ならびに光分岐路部の接続状態に関する健全性および伝送損失の変化を測定する健全性監視手段を前記データ処理部に備えることができる。
【００４０】
これにより、本発明においては、システム稼動中に光幹線部および光分岐部がすべて断線することなく健全に接続されていることをオンラインで監視することができる。
【００４１】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項７に記載したように、接続されたＦＢＧの接続位置・距離および反射光波長の情報が予め与えられない場合に、前記光源部の光源として、個々のＦＢＧ反射スペクトルの半値幅よりも十分小さい線幅の光を用い、接続されている全てのＦＢＧの反射光波長帯域を網羅する範囲で順次波長走査しながら光幹線部に光を導入する波長走査部と、走査波長に対する反射光パルス列の時系列データを測定し記録する時系列データ測定記憶部と、この時系列データと走査波長情報からＦＢＧの基本反射光波長を算出し、時系列データから抽出して検出された光パルスの遅延時間情報から接続位置・距離情報を算出して、この結果をデータ処理部に記憶させる校正計算処理部とを備えることができる。
【００４２】
これにより、本発明においては、予め設置前のＦＢＧ接続条件がない場合や、設置状態のシステムに増設して新たなセンサ等を加えた場合等、システム稼動後の状態であっても、現実の設置状態に促した校正値を求めることができる。
【００４３】
また、本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、請求項８に記載したように、測定対象の物理量をＦＢＧに対する微小歪みあるいは温度変化に変換する物理量伝達機構部と、予め各ＦＢＧに割り当てられた測定対象の物理量とＦＢＧの波長シフト量との関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶部と、連続的に蓄積したデータから、経年劣化および環境による劣化に起因する経路別の伝送損失の変化を算出するファイバ劣化測定部と、校正曲線記憶部に記録された校正曲線から測定対象の物理量を換算する際に必要な補正をファイバ劣化測定部で算出された伝送損失変化値に基づいて行う換算補正部と、を備えて、１種以上の物理量が混在した計測の監視を行うことができる。
【００４４】
このような構成の計測システムにより、例えば、原子力プラントのＰＣＶ内のような高放射線環境下等の過酷な環境で、しかも人の巡回点検が容易には行えない場所等に設置したセンサシステムのデータの精度、信頼性を高めることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバ多点物理量計測システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００４６】
図１において、本発明の光ファイバ多点物理量計測システムは、全体を符号１０で示す。この光ファイバ多点物理量計測システム１０は、光源部１１と、この光源部１１からの出力光や反射光を伝送する光伝送手段としての光幹線部１２と、光幹線部１２上で直列に列状に設置された複数個の光分岐部１３と、この光分岐部１３で光幹線部１２から分岐される光分岐路部１４と、分岐路部１４内に設置された光ファイバブラッググレーティング素子（以下、ＦＢＧという。）１５と、光幹線部１から反射光を検出・処理する光検出処理部１６と、前記光源部１１と光検出処理部１６との間の制御を行う信号処理制御部１７と、各ＦＢＧ１５のデータを識別および処理するデータ処理部１８とから構成される。光分岐部１３は光幹線部１２からの光または反射光を分岐させる一方、分岐された光およびＦＢＧ１５の反射光をこの分岐路１４内で伝送するようになっている。光幹線部１２や光分岐路部１４は光ファイバに代えてプラスチックファイバ等の光伝送手段で構成してもよい。
【００４７】
また、光分岐路部１４内は光分岐部１３から離れる下流側に向ってＦＢＧ１５の反射光波長が順次長くなるように配設される。図１において、光源部１１と、信号処理制御部１７と、光検出処理部１６およびデータ処理部１８とを相互に接続している線は電気信号の送受信用結線を表す。
【００４８】
光源部１１から出力される多点物理量計測用のプローブ光は光幹線部１２を構成する例えば光ファイバに導入され、最初の光分岐部１３を通り、その出力側の光幹線部１２に案内される一方、途中の各光分岐部１３，１３を順次経て伝播される。各分岐部１３，１３で分岐された光は光伝送手段としての光分岐路部１４に分岐比率に応じて別れていく。分岐された光は光幹線部１２と同様の光ファイバからなる光分岐路部１４内を伝播し、列状に直列配置の物理量計測用のＦＢＧ１５に順次到達する。このＦＢＧ１５は、光分岐部１３から離れるにしたがって反射光の波長が長波長側になるように光分岐路部１４内で配置されている。
【００４９】
光源部１１からの出力光の分岐光が到達したＦＧＢ１５では、その反射波長に応じて反射光を生じ、このＦＢＧ１５からの反射光は、光の導入側に向かって光分岐路部１４を逆に伝播し、光分岐部１３を経て、また、光分岐路１３の位置によっては、さらに光幹線部１２と複数の光分岐部１３，１３を経て、図１では、光源部１１に最も近い光分岐部１３（最初の光分岐部）に到達する。
【００５０】
この反射光は最初の光分岐部１３を介して、光の導入側（光源部側）とは異なる光ファイバポートに案内され、光検出処理部１６まで到達する。
【００５１】
光検出処理部１６では、各ＦＢＧ１５からの反射波長や、初期波長からのシフト量などの変化量を測定する。測定されたデータは電気信号として、光源部１１と光検出処理部１６との間の制御を行う信号処理制御部１７に送られて信号処理される。データ処理部１８では、予め格納してあるＦＢＧ１５の接続位置または距離条件と、反射光波長に関する情報を利用して各ＦＢＧ１５，１５のデータ識別と温度、圧力、歪み量、変化量等の物理量計測処理が行われる。
【００５２】
光源部１１から出力されるプローブ光としてパルス光を用い、時分割多重による信号処理を行う場合、等しい基本反射波長を持つＦＢＧ１５が時間軸上に異なる時間差で並ぶことになるが、ある基本反射波長を持つＦＢＧ１５の反射光は、別の同一基本反射波長を持つＦＢＧ１５に遭遇することなく光検出処理部５まで到達することができる。こうすることで、ＦＢＧ１５，１５間の相互反射や本来の反射スペクトルに伴い短波長側に生じるクラッド伝播モードとコア伝播モードのモード結合に起因する迷光反射光成分の影響を避け、１００％近い反射率設計のＦＢＧ１５を接続することができる。その結果、反射光量が増し、より多段の分岐が可能となり、結果的に多数のＦＢＧセンサの一括計測が可能になる。
【００５３】
また、各光分岐部１３の分岐比率については、実用上全て同一とする方が簡便ではあるが、より接続点数を増やすためには、光源部に近いほど光分岐路部１４側への配分（光分岐比率）を小さくしておき、全体として光分岐路部１４内に導入される光量を平準化することで、計測精度を一様に保つことも有効である。
【００５４】
複数の光幹線部
図１に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０においては、光幹線部１２を１本設けた例を示したが、図２に示すように複数本設けることもできる。光幹線部１２を１２ａ，１２ｂのように、複数本設けることによりセンサ接続数をより多数確保することができるので、光の利用率が上げられ、またより多数の物理量の計測を一括して行うことも可能となる。
【００５５】
例えば、図２の光ファイバ多点物理量計測システム１０Ａに示すように、光源部１１に最も近い位置に接続された光分岐部１３の分岐出力側に複数本の光幹線部１２ａ，１２ｂを直接接続することにより複数本の光幹線部１２ａ，１２ｂを備えた構成となる。また、図３の光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｂに示すように、光源部１１に最も近い位置に接続された光分岐部１２の分岐出力側に、光切替器２０を設置してもよい。光切替器２０は入力側の１本の光幹線部（光ファイバ）と複数本の出力側光幹線部１２ａ，１２ｂとを切替可能に接続するものである。光切替器２０を備えることにより、複数本（個）の光幹線部１２ａ，１２ｂを備えることができる。
【００５６】
図１に示される光ファイバ多点物理量計測システム１０と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
図２では、光源部１１からの光幹線部１２が最初に出会う光分岐部１３には２つの光幹線部１２ａ，１２ｂが接続されている。光幹線部１２の少なくとも一方１２ｂには、図２に示したように、分岐後に伝播遅延が生じるように光幹線部１２ｂの長さが異なるようにしておく。
【００５８】
この遅延時間は、信号処理に応じて都合の良い光幹線部長に設定しておくことにより、２つの光幹線部１２ａ，１２ｂ間の識別ができるようになる。その結果、光ファイバ多点物理量計測システム１０Ａを２系統の光幹線部１２ａ，１２ｂで構成し、この２系統を一括して処理することができるようになる。これにより、より多数のＦＢＧ１５を一括して監視可能なシステムを実現することができる。
【００５９】
通常、光幹線部１２（１２ａ，１２ｂ）となる光ファイバにプローブ光を導入し、同一のラインから戻ってくる反射光を検出する必要から光分岐手段が光分岐部１３，１３に用いられる。光分岐部１３，１３には光分岐手段として、しばしば融着型光分岐器が用いられ、この光分岐器は入出力側に各２ポートの光ファイバをそれぞれ接続することができるため、光源部１１側と光検出処理側の各ポートに相対する側に、光幹線部１２ａ，１２ｂを接続することができる。このように光の利用率を最大限にすることで、少なくとも２倍以上のセンサ接続数を確保することができる。
【００６０】
図３では、光源部１１からの光幹線部１２が最初に出会う光分岐部１３の出力側に光切替器２０が接続され、この光切替器２０の出力側に２系統の光幹線部１２ａ，１２ｂが分岐して接続された光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｂが示されている。この場合、切替対象となる複数の光幹線部１２ａ，１２ｂおよびそれに連なる光分岐路部１４の構成は、互いに等しいものが使用できる。
【００６１】
光切替器２０は信号処理制御部１７とも電気的に接続されており、信号処理制御部１７からの制御信号により、光検出処理やデータ処理動作と同期して光切替器２０の切り替えが実施される。同一接続設計の複数系統の光幹線部１２ａ，１２ｂを光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｂに接続して切り替えながら使用することで、多数個のＦＢＧ１５を一括して監視可能なシステムを実現することができる。また、光切替器２０を用いて光分岐器と組み合せた場合、上述の光分岐器の出力ポート数以上の光幹線部を接続することができる。
【００６２】
分岐間隔
本発明の光ファイバ多点物理量計測システム１０，１０Ａ，１０Ｂにおいては、光分岐部１３，１３間の距離、光分岐路部１４の長さ、光分岐路部１４内のＦＢＧ１５，１５間の距離などについては、特に制限されず、通常、使用する光源部１１の波長帯域、ＦＢＧ１５の信号処理、識別方法等により、適宜決めることができる。
【００６３】
例えば、１つの光幹線部１２において、光分岐部１３，１３間の距離と、光分岐路部１４内のＦＢＧ１５，１５間の距離と、光分岐部１３と光分岐部１３に最も近い位置にあるＦＢＧ１５との距離とを等しくすることができる。
【００６４】
図４に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｃでは、図１に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０と基本的な構成要素は同一であるが、接続条件として長さの制約を付加している。光分岐部１３，１３同士の接続間隔をＬｃ、光分岐部１３と最も近いＦＢＧ１５の接続間隔をＬｓｃ、ＦＢＧ１５，１５同士の接続間隔をＬｓとして、これら全てを等間隔Ｌｓ＝Ｌｃ＝Ｌｓｃとなるように構成する。
【００６５】
パルス化した光と時分割多重を用いた伝播遅延時間を利用したＦＢＧ１５の識別法を適用した場合、すべてのＦＢＧ１５からの反射光パルスについて、同じ遅延時間を持つ同一波長成分はない。逆にいうと、同一遅延時間では互いに異なる波長のＦＢＧ１５の信号が同時に存在可能である。
【００６６】
このため、光源部１１側の波長可変フィルタを信号処理制御部１７でコントロールして走査するか、あるいは光検出処理部１６側に適切な波長フィルタリング、波長走査を施すことで、１つの時間条件に対して一括して複数のＦＢＧ１５の信号処理を行うことができ、簡便、迅速な多点物理量計測システム１０Ｃを実現することができる。
【００６７】
また、この光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｃにおいては、光分岐部１３，１３間の距離が、光分岐路部１４内で光分岐部１３から最も遠い位置にあるＦＢＧ１５と光分岐部１３との距離よりも長くすることができる。
【００６８】
図５に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｄでは、図１と基本的な構成要素は同一であるが、接続条件として長さの制約が付加されている。光分岐部１３，１３同士の接続間隔をＬｃ、光分岐路部１４において光分岐部１３と最も遠いＦＢＧ１５の接続間隔をＬｄとして、Ｌｄ＜Ｌｃとなるように構成する。
【００６９】
パルス化した光と時分割多重を用いた伝播遅延時間を利用したＦＢＧ１５の識別法を適用した場合、すべてのＦＢＧ１５からの反射光パルスが時間軸上に異なる遅延時間で配列される。１つの波長条件に合致するＦＢＧ１５は１回の時間走査測定で取得することができ、簡便かつ迅速な物理量計測システム１０Ｄを実現することができる。
【００７０】
このような接続距離関係を維持すると、ＦＢＧ１５のクラッドモード結合光による迷光や、同一反射波長を持つＦＢＧ１５，１５間での光の相互反射による往復等を引き起こすことなく、前述のように全てのＦＢＧ１５からの反射パルスが時間的にも重なりなく光検出処理部１６に戻ることができ、雑音（ノイズ）や誤信号成分がなく、かつ波長で、あるいは時間的に分離することにより多数個のＦＢＧ１５に対する信号処理を簡潔に行うことができる。
【００７１】
光源部
光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｂ）における光源部１１としては、広帯域発光、白色光のような広い帯域の波長スペクトル光、任意の線スペクトル光、連続光、パルス光などいずれも用いることができ、対象とするＦＢＧ１５の反射波長、ＦＢＧ１５の信号処理、識別方法等により適宜決めることができる。
【００７２】
例えば、図６に示すように、光源部１１として、連続光（ＣＷ）を出力する広帯域光源部２２と、出力された連続光のうち任意の波長帯域のみを選択的に透過させることのできるバンドパスフィルタ等の波長可変フィルタ部２３と、フィルタリングされた光を時間的に断続的に入切することにより連続光をパルス光に変換する光スイッチング部２４を備える。
【００７３】
光ファイバ多点物理量計測システムでは、光源部１１における光源としては、図７（ａ）に示すように、広い発光波長帯で平坦に近い発光特性を持つ広帯域光源（部）２２を用いることが好ましい。具体的には、ユーロピウムなどのような希土類元素をドープした希土類ドープファイバの光増幅作用における自然放出光成分（ＡＳＥ）を用いたＡＳＥ光源やスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、波長可変レーザを用いることができる。
【００７４】
図７（ａ）に示すように、着目するＦＢＧ１５の反射波長帯Δλに相当する光を含むパルス状のプローブ光を作り出すために、波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４を用いる。波長可変フィルタ部２３としては、音響光学素子による線幅の広いフィルタ、あるいは光干渉・共振器を用いた線幅の細いフィルタ素子を使用することができる。また、光スイッチング部２４としては、音響光学素子や誘電体多層膜等を電気制御して、特定波長帯に対する光の実効的透過率を制御することにより、図７（ｂ）に示すように時間的に変化するパルス光を作り出すことができる。
【００７５】
このような光源部１１によって、広帯域発光、白色光という広い帯域の波長スペクトルから任意の線スペクトルを持つ光まで、信号処理形態にあわせて任意にスペクトル特性を調整することができる。また、広い波長帯域にまたがりパルス化した光出力を得ることにより、ＦＢＧ１５による波長多重に加え伝播遅延時間を用いた時分割多重による信号処理が行えるので、ＦＢＧ１５の接続個数を大幅に増大させることができる。
【００７６】
信号処理制御部：ゲート信号発生部
光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える。この光ファイバ多点物理量計測システム１０においては、図８に示すように、信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８に二値判定処理部２６を備える。データ処理部１８には二値判定処理部２６の他、波長測定部、二値判定処理部２６と動的波長シフト測定部、および波長測定部と動的波長シフト測定部のうちのいずれかを備えることにより、良好に多数の物理量を計測することができる。
【００７７】
ゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧ１５に対して適切な遅延時間を伴うゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有する。二値判定処理部２６は、光検出処理部１６が光パルスを検出したか否かの二値情報から、着目するＦＢＧ１５からの反射光波長が有意な変化をしたか否かを判定する。また、データ処理部１８の波長測定部は、観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長を測定しており、動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して、波長を固定した上で時間連続により複数回測定を行い、得られた光強度の相対比と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、ＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期の時間変化情報を求める。
【００７８】
ゲート型デイジタル二値判定
図８および図９に示す光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８に二値判定処理部２６を備えた例を示す。
【００７９】
図８では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５が含まれており、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有し、かつデータ処理部１８の中に、二値判定処理部２６が含まれている。
【００８０】
光源部１１から光幹線部１２に出力されたプローブ光の光パルスに対して、各ＦＢＧ１５，１５からの反射パルスがその接続位置に応じた伝播遅延時間を伴って光検出処理部１６まで戻ってくるが、その中で、ゲート信号発生部２５は、図９（ａ）に示すように、着目するＦＢＧ１５の伝播遅延時間にあわせた遅延時間Ｔｄを伴って、光反射パルスのパルス幅と同等以上の時間幅をもつ時間ゲート信号Ｔｗを発生する。このゲート信号Ｔｗと同期するようにして、光検出処理部１６で着目するＦＢＧ１５の反射光を検出しその信号を取り出すことで、着目するＦＢＧ１５の反射パルス信号が含まれる時間帯のゲート信号を取り出すことができる。
【００８１】
二値判定処理部２６では、ゲート信号に同期して取り出された光強度信号の強度を、予め定めたしきい値以上か否かを判定する。図９（ｂ）に示すように、光源部１１からのプローブ光波長帯（λ±Δλ）を一定にしておき、通常状態では着目するＦＢＧ１５の反射波長をほぼカバーするような波長幅状態ａにしておく。ここで仮に、ＦＢＧ１５の反射波長がｂのように長波長側にシフトしたとする。この場合、光検出処理部１６で検出した反射光信号は、図９（ｃ）に示すように、本来のＦＢＧ１５からの反射パルス光強度ａから小さい値ｂを示すことになる。この光強度変化を、予め設定したしきい値と比較することにより、波長変化があったかどうか、即ち物理量の変化があったかどうかを判定することができる。また、図９（ａ）の遅延時間Ｔｄを順次変えて時間ゲート信号Ｔｗを出すことにより、着目するＦＢＧ１５に関する物理量状態変化の有無を読み出すことができる。
【００８２】
プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提とすれば、ある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができる。
【００８３】
ゲート型波長測定
図１０は光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、しかもデータ処理部１８に波長測定部３０を備えた例を示す。
【００８４】
図１０では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５が含まれており、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有し、かつデータ処理部１８の中に、波長測定部３０が含まれている。
【００８５】
信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８に二値判定処理部２６を備えた上図８に示す例と同様にして、ゲート信号発生部２５により、特定の着目するＦＢＧ１５からの反射パルス光が選択的に光検出処理部１６に入力される。波長測定部３０とゲート信号発生部２５と光検出処理部１６とは互いに同期せしめられて、光検出処理部１６に入力された反射パルス光のスペクトル分析を行う。
【００８６】
具体的には、波長測定部３０で観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長の求め方としては、時間ゲート信号の中に１つのＦＢＧ１５の反射パルスしか含まれない場合には、単純に最も光強度の強い波長を求める方法が取られる。複数の異なるＦＢＧ１５，１５の反射波長の光パルスが混在している場合には、波長走査を行い、走査波長に対して極大となる複数の波長値を探索し、それらを各ＦＢＧ１５，１５からの反射波長として認識する。
【００８７】
このようなゲート信号発生部２５と波長測定部３０を備える光ファイバ多点物理量計測システム１０においては、着目するＦＢＧ１５を遅延時間を伴う時間ゲート信号で特定することが可能であり、その上で波長測定部３０として一般的な光スペクトル測定手法、光スペクトラムアナライザなどの汎用装置を適用することができる。
【００８８】
信号処理制御部：ゲート信号発生部と波長走査部
また、光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備えると、この光ファイバ多点物理量計測システム１０の場合には、信号処理制御部１７がゲート信号発生部２５を備え、データ処理部１８が波長測定部３０および／または動的波長シフト測定部を備えることにより、良好に多数の物理量を計測することができる。
【００８９】
信号処理制御部１７のゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧ１５に対して適切な遅延時間を伴う時間ゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有する。信号処理制御部１７の波長走査部３１は、上記時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部１１の波長可変フィルタ部２３を走査し、波長測定部３１では、各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射パルス光の強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、または各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射パルス光の強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射パルス光の中心波長あるいは波長シフト量を求める。データ処理部１８の動的波長シフト測定部は、前記時間条件に対して波長を固定した上で時間連続により複数回測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求める。
【００９０】
ゲート信号発生部・波長走査部・波長測定部
信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５と波長走査部３１とを備え、データ処理部が波長測定部を備えた光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の例を図１１に示す。
【００９１】
図１１では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５と波長走査部３１が備えられており、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有し、かつデータ処理部１８の中に、各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を演算する波長測定部３０が備えられている。
【００９２】
信号処理制御部１７のゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧの伝播遅延時間にあわせた遅延時間を伴って、光パルスのパルス幅と同等以上の時間幅をもつ時間ゲート信号を発生する。このゲート信号と同期するようにして、光検出処理部１６で反射パルス光を検出し、その信号を取り出すことで、着目するＦＢＧ１５からの反射パルス光が選択的に光検出処理部１６に入力される。信号処理制御部１７の波長走査部３１では、この時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部１１の波長可変フィルタ部２３を複数回走査し、各波長走査に対してそれぞれ得られる反射光パルスの光強度を光検出処理部１６で測定する。データ処理部１８の波長測定部３０では、この光検出処理部１６で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める。
【００９３】
重心演算
重心演算については、図１２（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図１２（ａ）中では反射波長スペクトルに対して、光源部１１から一定の波長広がりを持つパルスプローブ光をλ１〜λ３の３回走査することを示している。各走査で得られた光強度を、図１２（ｂ）に示す。完全にこの３回の波長走査が反射スペクトルに対して対称的であった場合、即ち、走査波長中心値λ２が反射中心波長と完全に一致するのであれば、図１２（ｂ）に示す３回の光相対強度も対称な分布となる。しかしながら、現実的にはλ２と反射中心波長はずれている。
【００９４】
光源部１１から出力されるプローブ光の波長幅を仮にΔとし、図１２（ｂ）中で、反射中心波長が点線位置であり、各波長走査で得られた光相対強度は図中に示すようにＩ１、Ｉ２、Ｉ３であったとする。この場合、中心波長をλ２−ｘとおく。重心演算として以下の式が成立する。
【００９５】
【数１】
これを解いてｘが求められるので、中心波長λ２−ｘを算出することができる。
【００９７】
このような計測システムにおいては、線スペクトル状のプローブ光の多数回の走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数個の波長値に対する光強度測定データとプローブ光の走査中心波長を用いた重心演算から実効的なＦＢＧの中心反射波長を求めることができる。重心演算は最低２回でも計算できるため、極めて少数の波長走査のみでＦＢＧの波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【００９８】
相対比率・校正曲線
次に、図１１と同様に、信号処理制御部１７にゲート信号発生部２５と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が波長測定部３０を備えるが、データ処理部１８の中に含まれる波長測定部３０における演算手法が異なる例を図１３に示す。
【００９９】
データ処理部１８の波長測定部３０における演算手法は、各波長走査に対して光検出処理部１６で得られた反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める手法である。図１３はこの波長演算手法を示す。
【０１００】
図１３（ａ）はＦＢＧ１５の反射波長スペクトルに対して、一定の幅Δを持つ波長λ１、λ２での波長走査を行うことを示している。ＦＢＧ１５からの反射波長のシフト方向が図１３（ａ）に示すように一方向のみに特定できる場合を想定する。この場合、図１３（ｂ）に示すように、２回の波長走査でそれぞれ得られる光強度の比率Ｒは波長シフトの量と関係があり、予め波長シフトと光強度の関係を図１３（ｃ）に示すように校正曲線Ａとして多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）に記憶させておくことができる。実際の測定時には、観測されたＲ値を校正曲線Ａに当てはめて波長シフトの量を算出することができる。
【０１０１】
これによれば、２回の波長走査という最低の走査回数で、波長シフト量を算出することができる。
【０１０２】
このような光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）においては、線スペクトル状のプローブ光の多数回走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数回の波長走査値に対する光強度測定データの比率と校正曲線Ａから実効的なＦＢＧ１５の中心反射波長のシフト量を求めることができる。極めて少数の波長走査のみでＦＢＧ１５の波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【０１０３】
ゲート信号発生部・波長走査部・動的波長シフト測定部
図１４は光源部１１に、図５に示すように、広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）において、信号処理制御部１７がゲート信号発生部２５と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が動的波長シフト測定部３３を備えた動的物理量計測システム１０Ｅの例を示す。
【０１０４】
信号処理制御部１７のゲート信号発生部２５は、着目するＦＢＧ１５に対して適切な遅延時間を伴う時間ゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ光検出処理部１６が光を検出する機能を有する。データ処理部１８の動的波長シフト測定部３３は、上記時間条件に対して波長を固定した上で所要時間に複数回光強度の測定を連続的に行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化する周期等の時間変化情報を求めることにより動的物理量の計測を良好に行うことができる。
【０１０５】
この光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｅの例を図１４に示す。
【０１０６】
図１４では、信号処理制御部１７の中に、ゲート信号発生部２５と波長走査部３１が備えられており、かつデータ処理部１８の中に動的波長測定部３０が備えられている。
【０１０７】
ゲート信号発生部２５の遅延時間に対応した着目するＦＢＧ１５の反射光が光検出処理部１６で測定される。プローブ光の光強度、波長が一定である場合、反射波長スペクトルがシフトしていなければ常に同一強度とみなし得るパルス反射光が検出される。
【０１０８】
しかしながら、ＦＢＧ１５からのパルス反射波長が変化（シフト）する場合、パルス反射光の強度も変化する。かりに、ＦＢＧ１５の伸縮が周期的に起こる場合、パルス反射波長のシフトも周期的となり、その結果、検出される光強度の強弱変化の周期もこれらの周期と等しくなる。サンプリング定理によれば、ＦＢＧ１５の波長シフトを生じさせる物理現象の周波数成分のうち半分以上のサンプリング周波数で、この光強度の変化を測定すれば物理現象変化の周波数を計測することができる。
【０１０９】
このように、波長走査部３１での波長を一旦固定して、時間的に連続して繰り返してデータ収集することにより、その区間におけるＦＢＧの波長変化の周期を動的に検出することができる。
【０１１０】
この計測システム１０Ｅにおいては、ゲート信号発生部１５は、前述のように、着目するＦＢＧ１５の伝播遅延時間にあわせた遅延時間を伴って、光パルスのパルス幅と同等以上の時間幅をもつ時間ゲート信号を発生する。このゲート信号と同期するようにして、光検出処理部１６で光を検出しその信号を取り出すことで、着目するＦＢＧ１５の反射光が光検出処理部１６で測定される。このとき、動的波長シフト測定部は、この測定条件に対して波長を固定した上で時間的に連続して複数回光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期の時間変化情報を求める。
【０１１１】
静的・動的物理量の計測
光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える図６の光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）において、さらに信号処理制御部１７にゲート信号発生部と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８に動的波長シフト測定部３３とを備えて動的物理量を計測する構成とすることにより、動的物理量の計測を行なうことができる。
【０１１２】
この動的物理量を計測する多点物理量計測システム１０Ｅを前述の静的物理量を計測するシステム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）と組み合せることができる。動的多点物理量計測システム１０Ｅは、ゲート信号発生部と二値判定処理部とを備える構成、ゲート信号発生部と波長測定部とを備える構成、ゲート信号発生部と波長走査部と波長測定部と信号処理制御部に備える静的多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）に動的波長シフト測定部３３のデータ処理部１８を組み合せて１つの計測システムとしたものである。
【０１１３】
この静的・動的物理量の計測システム１０Ｅにおいて、動的物理量の計測は、特定の走査波長に固定して、特定のゲート時間に着目するＦＢＧ１５の反射パルスの光強度を時間的に連続して取得することで、ＦＢＧ１５の波長シフトの周期を算出するとともに、波長走査を行うことにより波長シフトの量を算出することにより行われる。これらの手順により、波長シフトの量とその周期の両方を求めることが可能となり、時間的に変化し続けること自体を測定する必要のある物理量、例えば振動計測等と静的な定常状態の計測の両方に用いることができる。
【０１１４】
時系列データ測定記憶部・時系列データ二値判定処理部
上記のような光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｅ）においては、信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部２８を備え、データ処理部１８が時系列データ二値判定処理部２９、または時系列データ二値判定処理部２９と動的波長シフト測定部３３を備えることにより、良好に多数の静的あるいは動的物理量を計測することができる。
【０１１５】
信号処理制御部１７の時系列データ測定記憶部２８では、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧ１５からの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、データ処理部１８の時系列データ二値判定処理部２９は、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して反射光パルスが存在するか否かを判定し、また、動的波長シフト測定部３３は、波長を固定した上である時間に複数回連続的に測定を行い、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ１５からのパルス反射光の光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求めることができる。
【０１１６】
信号処理制御部１７に時系列データ測定記憶部２８を備え、データ処理部１８に時系列データ二値判定処理部２９を備える例を図１５および１６に示す。
【０１１７】
図１５では、信号処理制御部１７の中に、時系列データ測定記憶部２８が備えられており、データ処理部１８の中に、時系列データ二値判定処理部２９が備えられている。
【０１１８】
時系列データ測定記憶部２８は、光源部１１のパルス化タイミングと同期して、一定の遅れ時間を伴って区間から戻ってくるパルス光の波長帯と反射波長が合致するＦＢＧからの反射パルス列の全てを一括して時系列状に測定記憶するものである。ひとつの実用的な方法として、光パルスを光電変換素子により電気パルスに変換したものを、一定時間のサンプリング間隔でＡＤ変換し、そのディジタルデータ列として記憶すれば良い。
【０１１９】
時系列データ二値判定処理部２９では、記憶したこのディジタルデータ列から、着目する各ＦＢＧ１５の接続位置に相当する遅延時間区間に検出されているパルスの有無、あるいはその光強度（波高値）を順次算出判定していく。これにより、最低一回の光パルスの導入により一括して全てのＦＢＧ１５の反射信号を取得することで、各ＦＢＧ１５の変化の有無が検出できる。
【０１２０】
このような手順を採用することで、変化の検出されたＦＢＧ１５だけに限定して、詳細な変化量＝波長シフト量＝測定物理量変化を調べる手順を続けることができるので、合理的かつ最短の時間で処理を行うことができる。
【０１２１】
図１６に示すように、光源部１１でパルス化する波長帯λを順次変化させていくことにより、全てのＦＢＧ１５からの信号を少ない走査回数で取得することができる。図ではλを順次等間隔で、いわば連続的に走査しているが、着目するＦＢＧ１５にあわせて離散的に、任意の波長を指定して、当該波長に対する時系列データを測定記憶することにより測定時間を最小に抑えることができる。
【０１２２】
このような計測システムにおいては、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくと、ある一定以上の変化があるか否かを容易に検出することができる。また、特定の時間窓に対する光強度ではなく、光強度の時間軸に応じたデータ（時系列データ）を取得するため、時間ゲートの遅延時間を変えた走査が不要となり迅速な測定をすることができる。
【０１２３】
信号処理制御部：時系列データ測定記憶部・波長走査部
また、光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、図１７に示すように、信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が波長測定部３０および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えることにより、良好に多数の物理量を計測することができる。
【０１２４】
時系列データ測定記憶部２８は、前述のように、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧ１５，１５からの反射光パルス列を時系列データとして測定記録する。波長走査部３１は、この時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部を走査し、データ処理部１８の波長測定部３０は、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いた重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、またはこれらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める。データ処理部１８に動的波長シフト測定部３３を備えてもよい。この測定部３３は、図１４に示すように、波長を固定した上で所要時間に複数回連続して光強度の測定を行い、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求める。
【０１２５】
時系列データ測定記憶部・波長走査部・波長測定部
信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部と波長走査部とを備え、データ処理部が波長測定部を備える例を図１７に示す。
【０１２６】
図１７では、信号処理制御部１７の中に、時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１が備えられており、かつデータ処理部１８の中に波長測定部３０が備えられている。
【０１２７】
重心演算
信号処理制御部１７の時系列データ測定記憶部２８は、前述のように、光源部１１のパルス化タイミングと同期して、一定の遅れ時間を伴なう区間から戻ってくるパルス光の波長帯と反射波長が合致するＦＢＧ１５からの反射パルス列の全てを一括して時系列状に測定記憶するものである。時系列データ測定記憶部２８は、実用的な例として、光パルスを光電変換素子により電気パルスに変換したものを、一定時間のサンプリング間隔でＡＤ変換し、そのディジタルデータ列として記憶すれば良い。
【０１２８】
信号処理制御部１７の波長走査部３１は、上記時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で光源部１１の波長可変フィルタ部２３を走査し、この波長走査で得られる反射光パルスを光検出処理部１６で検出し、上記時系列データ測定記憶部２８で時系列状に測定記録する。
【０１２９】
着目するＦＢＧ１５からのパルス反射光の波長まわりで複数回の波長走査をして取得した時系列データから各ＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ１５のパルス反射光の光強度値が得られる。この光強度値と走査波長の値を用い、先に図１２を用いて説明した重心演算を行うことにより、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求めることができる。
【０１３０】
時系列データ測定記憶部２８と図１２の重心演算により、複数のＦＢＧ１５に対する物理量データが、必要とする波長走査の回数だけで取得することができる。
【０１３１】
このような物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｅ）においては、線スペクトル状のプローブ光の多数回の走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧの反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことにより、複数個の波長値に対する光強度測定データとプローブ光の中心波長を用いた重心演算から実効的なＦＢＧ１５の中心反射波長を求めることができる。この重心演算は最低２回でも計算可能である。さらに、時間ゲートではなく時系列データとして光強度データを取得しているため、遅延時間走査が不要で、極めて少数の波長走査のみでＦＢＧ１５の波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【０１３２】
相対比率・校正曲線
次に、図１７と同様に、信号処理制御部１７に、時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８に波長測定部３０を備えるが、データ処理部１８に備えられる波長測定部３０の演算手法を異にする例を説明する。
【０１３３】
この波長測定部３０における演算手法は、図１３で示した手法と同様であり、時系列データ測定記憶部２８に記憶された時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と、予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線Ａを用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求める手法である。
【０１３４】
この計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｆ）によれば、反射光の波長は等しいが遅延時間が異なる複数のＦＢＧ１５，１５に対して、一括して２回の時間走査という最低の走査回数で波長シフト量を算出できる。
【０１３５】
このような計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｆ）においては、線スペクトル状のプローブ光の多数回の走査によるのではなく、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数回の波長走査値に対する光強度測定データの比率と校正曲線Ａから実効的なＦＢＧ１５の中心反射波長のシフト量を求めることができる。さらに、時間ゲートではなく時系列データとして光強度データを取得しているため、遅延時間走査が不要で、極めて少数の波長走査のみでＦＢＧ１５の波長中心を求めることができるため、簡素かつ迅速な測定ができる。
【０１３６】
時系列データ測定記憶部・波長走査部・動的波長シフト測定部
図１８は光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２４とを備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、信号処理制御部１７が時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを備え、データ処理部１８が動的波長シフト測定部３３を備えた光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｆを示す。
【０１３７】
この物理量計測システム１０Ｆの信号処理制御部１７の時系列データ測定記憶部２８は、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧ１５からの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、波長走査部３１は、この時系列データを取得するために光源部１１で２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部２３を走査する一方、データ処理部１８の動的波長シフト測定部３３は、波長を固定した上で所要時間に複数回測定を行い、これらの時系列データから個々のＦＢＧ１５の信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部１８に記憶されている校正曲線Ａを用いて、着目するＦＢＧ１５の反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期等の時間変化情報を求めることにより動的物理量の計測を良好に行うことができる。
【０１３８】
具体的には、信号処理制御部１７の時系列データ記憶測定部２８は、光源部１１のパルス化タイミングと同期して、一定の遅れ時間伴う区間から戻ってくるパルス光の波長帯と反射波長が合致するＦＢＧ１５からの反射パルス列全てを一括して時系列状に測定記憶するものである。
【０１３９】
図１４と同じく、時系列データ記憶測定部２８にはプローブ光の光強度、波長が一定である場合、反射波長スペクトルがシフトしていなければ常に同一強度とみなし得る反射パルス列が測定記憶される。しかしながら、ＦＢＧ１５からの反射波長が変化（シフト）する場合、反射光の強度も変化し、変化する光強度が時系列データとして記憶される。一方、波長走査部３１では波長をいったん固定して、所要時間繰り返しデータを連続して収集し、時系列データに含まれる個々のＦＢＧ１５の信号成分を切出していくことで、先の図１４で説明したケースと同様となる。これにより、特定反射波長帯に属する複数のＦＢＧ１５に対する波長変化周期を動的に検出することができる。
【０１４０】
この計測システム１０Ｆにおいては、プローブ光をＦＢＧ１５の反射スペクトルの半値幅、あるいは１０分の１幅オーダの波長幅スペクトルとしておくことを前提として、複数の同一基本反射波長を持つ複数のＦＢＧ１５の光量変化から波長シフトの時間変化を連続的に追跡し、その周期とシフト量から複数の物理量変化の動的パラメータを測定することができる。
【０１４１】
静的・動的物理量の計測
上記のような光源部１１に広帯域光源部２２と波長可変フィルタ部２３と光スイッチング部２１とを備える光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｆにおいては、時系列データ記憶測定部２８と波長走査部３１と動的波長シフト測定部３３とを備えて動的物理量を計測する構成と、前述の静的物理量を計測するシステム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）を組み込んで、１つの計測システムを構成することができる。
【０１４２】
前述の静的物理量を計測するシステム１０（１０Ａ〜１０Ｄ）としては、信号処理制御部１７に時系列データ測定記憶部２８と、データ処理部１８に時系列データ二値判定処理部２９を備える構成、または信号処理制御部１７に時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１とを、データ処理部１８に波長測定部３０とを備える構成が挙げられる。
【０１４３】
この静的・動的物理量の計測システム１０Ｆにおいて、動的物理量の計測は、特定の走査波長に固定して、着目対象となる全てのＦＢＧ１５からの反射パルス列の光強度を時間的に連続して取得することで、ＦＢＧ１５の波長シフトの周期を算出するとともに、波長走査を行うことにより波長シフトの量を算出する。
【０１４４】
これら光強度およびは波長シフトを算出する手順により、波長シフトの量とその周期の両方を求めることが可能となり、時間的に変化し続ける物理量自体を測定すること、例えば振動計測等の動的物理量と静的な定常状態物理量の計測の両方に用いることができる。また、時系列データにより複数のＦＢＧ１５の信号を一括して計測することで、測定時間を最小限に抑えることができる。
【０１４５】
自己健全性監視
この光ファイバ多点物理量計測システム１０（１０Ａ〜１０Ｆ）においては、図１９に示すように、光幹線部１２や光分岐路部１３が断線することなく全て健全に接続されていることを監視する健全性監視手段３５を備えていることが好ましい。
【０１４６】
例えば、光幹線部１２と光分岐路部１４の各終端部に、光源部１１から導入された光が反射手段により反射して光導入側に戻される終端反射手段３６を備える。終端反射手段３６からの反射光を測定する健全性監視手段３６を備えることにより、光幹線部１２ならびに光分岐路部１４の接続状態に関する健全性および伝送損失の変化を測定して健全性を監視することができる。
【０１４７】
光源部１１からの導入された光の終端反射手段３６としては、光の波長を変化させないフレネル反射、鏡面反射、および乱反射面反射のうちの少なくとも１種の光反射手段が挙げられる。
【０１４８】
健全性監視のための光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｇの構成例を図１９に示す。
【０１４９】
図１９に示される物理量計測システム１０Ｇでは、例えば、データ処理部１８の中に、健全性監視手段３５を備えるとともに、光分岐路部１４および光幹線部１２の各終端部に終端反射手段３６が装着される。
【０１５０】
通常、光ファイバの開放端はフレネル反射を起こすため、場合によってはこの光を吸収、散乱等の作用により反射しないようにする措置が取られることがある。この物理量計測システム１０Ｇでは、終端反射手段３６から反射光を利用しようとするものであり、開放端のまま使うか、あるいは積極的に反射手段（反射体）３６を装着して、光ファイバ終端部分からの光を光幹線部１２まで戻し、光検出処理部１６で検出させるようになっている。
【０１５１】
光源部１１からの光はパルス化されており、波長走査をうけながら光幹線部１２に導入される。いずれの波長の場合にも、光幹線部１２と各光分岐路部１４が健全に接続状態を保っている場合には、終端反射手段３６からの反射光がパルスの導入タイミングに対して既知の遅延時間の後検出される。もちろん、光幹線部１２が途中で分断された場合には、分断ポイント以降に接続された光分岐路部１４の先端からの信号が戻ってこない。また、特定の光分岐路部１４のみが断線した場合は、この光分岐路部１４に装着した終端反射手段３６からの光のみが戻ってこない。これら一連の判断が健全性監視手段３５でなされる。
【０１５２】
さらに、健全性監視手段３５では、反射パルスの戻りの有無のみならず、反射パルスの光強度の経年変化、経時変化にも着目する。反射パルスが戻されるものの、光強度が著しく低下している場合には、線路１２，１４の接続損失や光分岐部（光分岐器）１３の異常などが考えられる。各区間は、複数の信号が重複して通過してくるため、総合的な情報の組み合せにより、光ファイバやそこに接続されている部品等の健全性自体を判定することができる。
【０１５３】
本発明においては、システム稼動中に光幹線部および光分岐路部がすべて断線することなく健全に接続されていることをオンラインで監視することができる。
【０１５４】
自己校正
光ファイバ多点物理量計測システムにおける光分岐部１３やＦＢＧ１５の接続位置は、システム設計時、あるいは敷設時に既知であり、これらの位置・長さ情報を予めシステムに登録しておくのが一般的な方法である。しかし、この光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、接続されたＦＢＧ１５の接続位置・距離、または反射光波長の情報が予め与えられない場合であっても、その場で校正を実施することができる。
【０１５５】
具体的には、光源部１１の光源として、個々のＦＢＧ反射スペクトルの半値幅よりも十分小さい線幅の光を用い、接続されている全てのＦＢＧ１５の反射光波長帯域を網羅する範囲で順次波長走査しながら光幹線部１２に光を導入する波長走査部３１と、走査波長に対する反射光パルス列の時系列データを測定し記録する時系列データ測定記憶部２８と、この時系列データと走査波長情報からＦＢＧ１５の基本反射光波長を算出し、時系列データから抽出した検出された光パルスの遅延時間情報から接続位置・距離情報を算出して、この結果をデータ処理部１８に記憶させる校正計算処理部（図示省略）とを備えることにより、校正することができる。
【０１５６】
この光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、時系列データ測定記憶部２８と波長走査部３１と校正計算処理部とを備えており、波長走査のみを行うことにより、全てのＦＢＧからの反射パルスを測定記録することができる（図２０）。校正計算の対象として取得した全てのＦＢＧ１５からの反射パルスについて、該当する波長と光源部１１からのパルス光に対する遅延時間から、接続されているＦＢＧ１５の遅延時間（位置）、基本反射波長を取得することができる。従って、敷設後等にこれらの探索測定を行い、得られた結果をシステムに登録しておくことで、予め校正情報が与えられない場合でも、「その場校正」を実施することができる。
【０１５７】
予め設置前にＦＢＧ１５の接続条件がない場合に限らず、設置状態のシステムに増設により新たにセンサ等を加えた場合等、システム稼動後の状態で、現実の設置状態に促した校正値を求めることができる。
【０１５８】
自己補正
光ファイバ多点物理量計測システム１０Ｈにおいては、図２１に示すように、ファイバ劣化等が生ずる環境であっても、計測システムのデータの精度、信頼性を高めることができる補正手段を備えることが好ましい。
【０１５９】
具体的には、測定対象の物理量をＦＢＧ１５に対する微小歪みあるいは温度変化に変換する物理量伝達機構３８と、予め各ＦＢＧ１５に割り当てられた測定対象の物理量（測定対象の種類と歪み変化）とＦＢＧ１５の波長シフト量との関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶部３９と、連続的に蓄積したデータから、経年劣化、および環境による劣化（熱や湿度等による劣化・放射線照射劣化など）に起因する経路別の伝送損失の変化を算出するファイバ劣化測定部４０と、校正曲線記憶部３９に記録された校正曲線から測定対象の物理量を換算する際に必要な補正をファイバ劣化測定部４０で算出された伝送損失変化値に基づいて行う換算補正部４１とを備えることにより、１種以上の物理量が混在した計測の監視が十分にでき、また過酷な環境下においても、データの精度、信頼性を高めることができる。
【０１６０】
図２１は、１つの物理量計測システム１０Ｈで１種以上の物理量を測定監視できる例を示す。図２１に示す物理量計測システム１０Ｈは、図１に示されたシステム１０に加えて、例えば、データ処理部１８の中に、ファイバ劣化測定部３９と換算補正部４１と校正曲線記憶部３９を備えており、さらに光分岐路部１４などの終端には終端反射手段３６を備える構成である。
【０１６１】
さらに、各ＦＢＧ１５には物理量伝達機構３８として、各ＦＢＧ１５に割り当てられた単一種類、あるいは複数種類の測定物理量をＦＢＧ１５の微小歪みに変換して、ＦＢＧ１５の反射波長のシフトを生じさせるような機構を装着してある。
【０１６２】
校正曲線記憶部３９には、各ＦＢＧ１５の波長シフト量と測定対象物理量との関係を示す校正曲線が記憶されている。また、データ処理部１８のファイバ劣化想定部４０では経年劣化や熱、放射線等による光ファイバやＦＢＧ１５自体の劣化に起因する損失、波長変化を測定する。測定された劣化から換算補正部４１では各物理量換算のための補正係数を算出し、校正曲線記憶部３９に記憶された校正曲線から算出される物理量に対して補正を行う。
【０１６３】
これにより、システム１０Ｈの中に異種の計測対象物理量が混在し、かつ光ファイバの劣化等が生じることを前提としたシステムにおいても正しい測定情報を与えることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
本発明の光ファイバ多点物理量計測システムにおいては、ＦＢＧの波長制約条件に拘束されない接続が可能であるので、多数点のＦＢＧを１つのシステムに接続することができる。
【０１６５】
また、本発明では、光強度の変化自体をしきい値判定することにより、ＦＢＧの反射波長変化の有無を高速に検出することができる。
【０１６６】
本発明では、時間と波長の２つのパラメータの走査条件を最小限にとどめ、効率よく波長変化を計測することができる。
【０１６７】
本発明では、動的波長シフト測定することにより、波長変化の周期を捉えることができるため、振動計測など動的に変化している物理量自体を計測することができ、また、効率的な波長走査と波長変化検出手段を併せ持つことで、静的な物理量測定とも両立することができる。
【０１６８】
本発明においては、計測システム自体の自己校正、自己健全性監視、自己補正の機能を有することができるので、物理的な構成条件が変わる場合、あるいはこれらの構成は不変でありながら光学的なパラメータ・特性が変化した場合にも、正常な測定および運用を続行することができる計測システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムの一実施形態を示す説明図。
【図２】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて、複数系統の光幹線部を備えた例を示す説明図。
【図３】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて、複数系統の光幹線部を備えた他の例を示す説明図。
【図４】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける分岐間隔の一例を示す説明図。
【図５】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける分岐間隔の他の例を示す説明図。
【図６】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムに用いられる光源部の説明図。
【図７】（ａ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムの光源部から出力されるプローブ光の発光特性を示す図、（ｂ）は出力プローブ光を制御して作り出されるパルス光の例を示す図。
【図８】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部の関係例を示す説明図。
【図９】（ａ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムの各ＦＢＧからの反射パルスと着目するＦＢＧのゲート信号との関係を示す説明図、（ｂ）は着目するＦＢＧの反射波長のシフト例を示す図、（ｃ）は光検出処理部で検出される光信号例を示す図。
【図１０】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部の関係の他の例を示す説明図。
【図１１】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す説明図。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて光強度と走査波長の関係を示す重心演算による中心波長算出の説明図。
【図１３】（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおいて比演算による波長シフト量算出の説明図。
【図１４】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す説明図。
【図１５】本発明に係る光ファイバ多点物量計計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部とのさらに他の関係例を示す図。
【図１６】着目するＦＢＧの波長における時系列データの測定例を示す図。
【図１７】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す図。
【図１８】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおけるデータ処理部と信号処理制御部のさらに他の関係例を示す図。
【図１９】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける自己健全性監視例を示す説明図。
【図２０】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける自己校正の説明図。
【図２１】本発明に係る光ファイバ多点物量計測システムにおける自己補正の例を示す説明図。
【図２２】従来の物理量計測システムを示す説明図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ〜１０Ｈ 光ファイバ多点物量計測システム
１１ 光源部
１２ 光幹線部（光伝送手段）
１３ 光分岐部
１４ 光分岐路部（光伝送手段）
１５ ＦＢＧ（光ファイバブラッググレーティング素子）
１６ 光検出処理部
１７ 信号処理制御部
１８ データ処理部
２０ 光切替器
２２ 広帯域光源部
２３ 波長可変フィルタ部
２４ 光スイッチング部
２５ ゲート信号発生部
２６ 二値判定処理部
２８ 時系列データ測定記憶部
２９ 時系列データ二値判定処理部
３０ 波長測定部
３１ 波長走査部
３３ 動的波長シフト測定部
３５ 健全性監視手段
３６ 終端反射手段
３８ 物理量伝達機構
３９ 校正曲線記憶部
４０ ファイバ劣化測定部
４１ 換算補正部
Claims (8)
- 複数の物理量計測用の光ファイバブラッググレーティング素子（以下「ＦＢＧ」という。）が光ファイバで接続され、
広帯域の連続光を出力する広帯域光源部とこの連続光の任意の波長帯域のみを選択的に透過させることのできる波長可変フィルタ部とフィルタリングされた連続光をパルス光に変換する光スイッチング部とを備える光源部と、
この光源部から出力された計測用のパルス光および前記ＦＢＧの反射光を伝送する光幹線部と、
この光幹線部に列状に配設され、計測用の光を前記光幹線部から分岐させる複数の光分岐部と、を備える光ファイバ多点物理量計測システムにおいて、
前記光幹線部の光分岐部間の距離と、前記光分岐路部内の前記ＦＢＧ間の距離と、光分岐部と光分岐部に最も近い位置にあるＦＢＧとの距離が等しくなるように列状に配設された光分岐部と、
前記ＦＢＧからの反射光を検出・処理する光検出処理部と、
前記光源部と光検出処理部との間の制御を行う信号処理制御部と、
全てのＦＢＧの接続位置または距離条件と反射光波長に関する情報が格納されており、信号処理時に格納情報を利用して各ＦＢＧのデータを識別および処理するデータ処理部と、を有し、
前記光分岐路部内の複数の前記ＦＢＧは、前記光分岐部から反射光の波長順に順次並べて配設され、
前記光源部は、前記波長可変フィルタ部および前記光スイッチング部により、前記広帯域光源部が出力する連続光から着目する前記ＦＢＧの反射波長帯に相当する光を含むパルス状のプローブ光である前記計測用のパルス光を発することを特徴とする光ファイバ多点物理量計測システム。 - 前記信号処理制御部がゲート信号発生部を備え、前記データ処理部が二値判定処理部、波長測定部、二値判定処理部と動的波長シフト測定部、および波長測定部と動的波長シフト測定部のうちのいずれかを備えており、
前記ゲート信号発生部は、着目するＦＢＧに対して所要の遅延時間でゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ前記光検出処理部が光を検出する機能を有し、
前記データ処理部の二値判定処理部は、光検出処理部が光パルスを検出したか否かの二値情報から着目するＦＢＧからの反射光波長が有意な変化をしたか否かを判定し、また前記波長測定部は、観測された光の最大強度波長あるいは波長スペクトルの中心波長を求め、前記動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにした請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。 - 前記信号処理制御部がゲート信号発生部と波長走査部とを備え、前記データ処理部が波長測定部および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えており、
前記信号処理制御部のゲート信号発生部は、着目するＦＢＧに対して所要な遅延時間でゲート信号を発生し、このゲート信号がアクティブな間のみ前記光検出処理部が光を検出する機能を有し、前記波長走査部は、上記時間条件に対して２つ以上の波長中心値で光源部の波長可変フィルタ部を走査し、
前記データ処理部の波長測定部では、各波長走査に対して光検出処理部で得られた反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いて重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、あるいは各波長走査に対して光検出処理部で得られた反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、前記動的波長シフト測定部は、上記時間条件に対して波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行い、得られた光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにした請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。 - 前記信号処理制御部が時系列データ測定記憶部を備え、前記データ処理部が時系列データ二値判定処理部、または時系列データ二値判定処理部と動的波長シフト測定部を備えており、
前記信号処理制御部の時系列データ測定記憶部では、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧからの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、
前記データ処理部の時系列データ二値判定処理部は、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して反射光パルスが存在するか否かを判定し、前記動的波長シフト測定部は、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行ない、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにした請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。 - 前記信号処理制御部が時系列データ測定記憶部と波長走査部とを備え、前記データ処理部が波長測定部および動的波長シフト測定部の少なくとも一方を備えており、
前記時系列データ測定記憶部は、光スイッチング部のスイッチングタイミングに同期して、複数のＦＢＧからの反射光パルス列を時系列データとして測定記録し、波長走査部は、この時系列データを取得するために２つ以上の波長中心値で波長可変フィルタ部を走査し、
前記データ処理部の波長測定部は、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度値と走査波長の値を用いた重心演算により反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、またはこれらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの強度の相対比率と予めデータ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量を求め、前記動的波長シフト測定部は、波長を固定した上で所要時間に複数回連続的に光強度の測定を行った結果、これらの時系列データから個々のＦＢＧの信号を抽出して、複数の時系列データに属する個々のＦＢＧ反射光パルスの光強度の相対比率と予め前記データ処理部に記憶されている校正曲線を用いて、着目するＦＢＧの反射光の中心波長あるいは波長シフト量とその変化の周期のような時間変化情報を求めるようにした請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。 - 光幹線部と光分岐路部の各終端部に、光源部から導入された光が反射手段により反射光として光導入側に戻される終端反射手段を備え、
この反射光から前記光幹線部ならびに光分岐路部の接続状態に関する健全性および伝送損失の変化を測定する健全性監視手段を前記データ処理部に備える請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。 - 接続されたＦＢＧの接続位置・距離および反射光波長の情報が予め与えられない場合に、前記光源部の光源として、個々のＦＢＧ反射スペクトルの半値幅よりも十分小さい線幅の光を用い、接続されている全てのＦＢＧの反射光波長帯域を網羅する範囲で順次波長走査しながら光幹線部に光を導入する波長走査部と、
走査波長に対する反射光パルス列の時系列データを測定し記録する時系列データ測定記憶部と、
この時系列データと走査波長情報からＦＢＧの基本反射光波長を算出し、時系列データから抽出して検出された光パルスの遅延時間情報から接続位置・距離情報を算出して、この結果をデータ処理部に記憶させる校正計算処理部とを備える請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。 - 測定対象の物理量をＦＢＧに対する微小歪みあるいは温度変化に変換する物理量伝達機構部と、
予め各ＦＢＧに割り当てられた測定対象の物理量とＦＢＧの波長シフト量との関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶部と、
連続的に蓄積したデータから、経年劣化および環境による劣化に起因する経路別の伝送損失の変化を算出するファイバ劣化測定部と、
校正曲線記憶部に記録された校正曲線から測定対象の物理量を換算する際に必要な補正をファイバ劣化測定部で算出された伝送損失変化値に基づいて行う換算補正部と、を備えて、１種以上の物理量が混在した計測の監視を行う請求項１に記載の光ファイバ多点物理量計測システム。
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