JP4748520B2

JP4748520B2 - 偏波変動による振動位置の検知装置

Info

Publication number: JP4748520B2
Application number: JP2006078166A
Authority: JP
Inventors: 雅英小川; 幸平寺田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: JP2007255966A

Description

本発明は光ファイバセンシングに関し、より詳細には、光ファイバへの物体の衝突等、光ファイバに物理的な振動や衝撃が加わった位置を検知するための装置に関する。

架空送電線の雷撃による事故点（雷撃位置）を標定する方法として、送電線路の方端から、送電線路の架空地線に内蔵されている光ファイバに直線偏光を入力し、光ファイバ中を進行する光波が、雷撃電流によるファラデー効果によって偏波変動し、その変化を送電線路の方端に設置した１／４波長板、検光子、Ｏ／Ｅ（光／電気変換器）で電気的に検知し、光ファイバ中を進行する光波信号の往路と復路とで発生した偏波変動の各々の検知波形の到達時間差を測定することで、事故点（雷撃位置）を標定する技術が既に提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平０３−１５６３８７号公報

上述のような従来技術による雷撃位置標定システムにおいては、光ファイバに加わる雷撃電流により発生する磁界によって生じるファラデー効果が引き起こす、当該光ファイバ中を進行する光波の偏波変動を検知しているため、その偏波変動の検知波形は、雷撃電流の継続時間とほぼ同じ時間の間の波形として観測される。一般的に、雷撃電流の継続時間は数μｓと短いので、往路および復路を進行して時間差をもって到達し観測される各々の偏波変動波形Ａ，Ｂは、図１Aに示すように、互いに重なり合うことがない。このため、各々の波形の到達時間ｔ１およびｔ２を容易に識別でき、到達時間差Δｔ（ｔ２−ｔ１）を計測して雷撃の発生位置Ｘを計算、特定することが可能となる。

いっぽう、光ファイバ中を進行する光波の偏波状態は、磁界等のファラデー効果によって変動するだけでなく、光ファイバに歪や外力が加えられた場合においても変動する。この原理を利用して、光ファイバに落石が衝突した場合にその落石発生位置を検知したり、光ファイバに物体が衝突した位置を検知したり、あるいは外部からの侵入者を検知したりすること等を目的として、防護フェンスや振動を検知したい箇所に光ファイバを敷設することも可能である。しかし、光ファイバに加わった振動や衝突の位置を従来技術を用いて検知しようとする場合には、上述の雷撃電流によって発生する上述の偏波変動と比較して、振動・衝突現象の継続時間は数秒と長いため、光波の偏波変動の検知波形の立ち上がり時間および波形の発生時間（波尾）が長くなる。このため、図１Bに示すように、往路で発生した偏波変動波形Ａは、復路で発生した偏波変動波形Ｂの長い波尾の中に含まれた状態で観測されるので、偏波変動波形ＡおよびＢの各々の到達時間ｔ１、ｔ２を識別してΔｔを計算することが困難となり、結果として振動位置を特定することができないという問題があった。

上述の問題を解決すべく、本発明の検知装置は、偏光させた光波を折返部を介して往復させる並列した往路側導波手段および復路側導波手段と、往路側導波手段上に設けられ、負荷により所定の偏光成分強度に変化をもたらす往路側検知領域と、復路側導波手段上に設けられ、負荷により所定の偏光成分強度に変化をもたらす復路側検知領域と、往路側検知領域で生じた偏光成分強度を検知する第１の受光部と、往路側検知領域および復路側検知領域で生じた偏光成分の強度を検知する第２の受光部を備えたことを特徴とする。本発明の検知装置は、さらに、折返部より先、かつ復路側検知領域より手前に第１の光分波器を備えている。当該第１の光分波器は、復路側光波を２分して一方の光波を復路側検知領域より手前に設けた第１の偏光子を介して第１の受光部に導波し、他方の光波を復路側検知領域より先に設けた第２の偏光子を介して第２の受光部に導波する。上記往路側導波手段は第１の光ファイバであり、また、上記一方の光波は第２の光ファイバを導波し、他方の光波は第３の光ファイバを導波するように構成してもよい。

本発明の検知装置の他の実施例においては、上記往路側導波手段および復路側導波手段の一部は第１の光ファイバであり、上記一方の光波は第２の光ファイバを導波し、上記他方の光波は、所定区間を第１の光合波器で第１の光ファイバに合波されて導波し、第２の受光器手前で第２の光分波器により分波され、第２の偏光子を介して第２の受光器に導波される。

また、本発明の検知装置の他の実施例においては、上記往路側導波手段および復路側導波手段の一部は第１の光ファイバであり、上記偏光された光波は第１及び第２の波長を有し、第１の分波器は第１の波長及び第２の波長に分波する波長分解器であり、上記一方の光波は第１の波長を有し、上記他方の光波は第２の波長を有し、一方の光波が第１の偏光子を通過後に第２の光合波器により他方の光波と合波され、第１の合波器によって第１の光ファイバに合波して所定区間を導波し、第２の光分波器により分波し、さらに第３の光分波器によって第１の波長を有する一方の光波と第２の波長を有する他方の光波に分波し、第１の波長を有する光波は前記第１の受光器へ、第２の波長を有する光波は第２の偏光子を介して第２の受光器へ導波される。

本発明によって、波形の立ち上がり、および、波尾が長い振動や衝撃等の振動発生位置を特定することが可能となる。光ファイバを敷設して、落石の発生位置や、光ファイバ線路への物体の衝突等の発生位置を高い精度で検知したり、侵入フェンスに光ファイバを敷設して、侵入者のフェンスへの加振位を高い精度で検知したりすることが可能な検知装置が提供される。

本発明による光ファイバ検知装置の構成図を図２に示す。図２のシステムは、光源１と、光源から発生した光波を完全偏光にするための偏光子３Ａと、往路の光ファイバ２Ａ上で発生した偏波変動成分Aのみを検知するための光合分波器５、偏光子３C、復路光ファイバ２Ｃ及び受光器B（６Ｂ）と、偏波変動成分Aと復路光ファイバ２Ｂ上で発生した偏波変動成分Ｂとを検知するための復路光ファイバ２Ｂ、偏光子３Ｂ、及び受光器A（６Ａ）とから構成される。

図２の構成において、位置Xで振動が発生すると、光ファイバ中を伝播する光波の偏波状態は、往路光ファイバ２A、復路光ファイバ２B及び復路光ファイバ２Cの位置Xにおいて変動する。往路光ファイバ２Aの位置Xにおいて生じる偏波変動成分をAとし、復路光ファイバ２Bの位置X及び復路光ファイバ２Cの位置Xにおいて生じる偏波変動成分をBとすると、偏波変動成分Bが受光器６A及び６Bの各々にまず入射し、その後、光合分波器５により復路光ファイバ２B及び２Cに分岐された偏波変動成分Aがそれぞれの受光器に入射する。

復路光ファイバ２Bの位置Xにおいて発生した偏波変動成分Ｂは、復路光ファイバ２Bを伝播した後に偏光子３Ｂを通過する。偏光子３Bは特定の偏波状態の光波のみを通過させるので、偏光子３Bから出力される光波の強度は、偏波変動成分Bの偏波変動特性に依存して変動する。したがって、受光器６Ａにより成分Bの偏波変動波形が検知され、偏波変動成分Ｂの立ち上がり時間、すなわち、偏波変動成分Ｂの到達時間ｔ１を観測することができる。一方、復路光ファイバ２Cの位置Xにおいて発生した偏波変動成分Bは復路光ファイバ２Cを伝播するが、復路光ファイバ２Cにおいては、振動発生位置Xから受光器６Bまでの間に偏光子が存在しない。したがって、偏波変動成分Bの偏波変動特性は光波強度の変動に変換されないので、受光器６Bにおいては、成分Bの偏波変動波形が検知されない。

往路光ファイバ２Aの位置Xにおいて発生した偏波変動成分Ａは、光合分波器５により復路光ファイバ２B及び復路光ファイバ２Ｃの各々へ分岐して伝播される。復路光ファイバ２Bへと分岐された偏波変動成分Aは、復路光ファイバ２Bの位置Xにおいて振動による偏波変動をいくらか受けた後、偏光子３Bを通過する。上述の場合と同様に、偏光子３Bから出力される光波の強度は偏波変動成分に依存して変動する。このようにして、受光器６Ａにおいては、往路光ファイバ２Ａ上で発生した偏波変動成分Ａも、偏波変動成分Ｂに続いて複合して検知されるが、偏波変動成分Ｂの波形の立ち上がり時間よりも遅れて到達するため、偏波変動成分Ｂの波形の立ち上がり時間ｔ１の計測には影響しない。一方、復路光ファイバ２Cへと分岐された偏波変動成分Aは、偏光子３Cをまず通過する。偏光子３Cから出力される光波の強度は偏波変動成分Aに依存して変動する。当該出力は復路光ファイバ２Cへ入射され、復路光ファイバ２Cの位置Xにおいて振動発生位置を通過する。復路光ファイバ２Cにおいては、受光器Ｂに至るまでの間に偏光子が存在しないため、復路光ファイバ２C上で振動による偏波変動が発生しても、その偏波変動は光波の強度変動には変換されず、受光器６Ｂはこの発生した偏波変動を検知しない。したがって、受光器６Ｂで検知される偏波変動波形は偏波変動波形Ａ成分のみを表すことになる。

従来技術においては、図２の受光器６Ａに該当する受光器のみを使用して偏波変動成分ＡおよびＢを検知していたため、時間的に先に到達する偏波変動成分Ｂの波形の中に偏波変動成分Ａが埋もれてしまい、偏波変動成分Ａの到達時間ｔ２の判定が困難であった。これに対して、図２に示す本願発明の検知システムにおいては、受光器６Ｂの直前に偏光子が配置されていない復路光ファイバ２Ｃ上では、復路の位置Xにおける振動による偏波変動は光波強度に影響を与えず、復路光ファイバ２Ｃと受光器６Ｂとによって、偏波変動成分Ａのみを検知することとなる。したがって、偏波変動成分Ａの立ち上がり時間、すなわち、偏波変動成分Ａの到達時間ｔ２を精度よく計測することが可能となる。この結果、以下の計算式によって振動発生位置を精度よく検知することが可能となる。

光源１から受光器６Ａ及び６Ｂまでの往路および復路の光ファイバ全長をＬ［ｍ］、光ファイバを伝播する光波の伝播速度をｖ［ｍ／ｓ］、光ファイバの屈折率をn、光速定数をｃ［ｍ／ｓ］、光源１から振動発生位置までの距離をＸとし、偏波変動成分Ａが受光器Ｂに到達するまでの時間をｔ２、偏波変動成分Ｂが受光器Ａに到達するまでの時間をｔ１とすると、到達時間差Δｔは、以下の式で表現される。
ｔ１＝Ｘ／ｖ・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
ｔ２＝（Ｌ−Ｘ）／ｖ・・・・・・・・・・・・（式２）
ｖ＝ｃ／ｎ［ｍ／ｓ］・・・・・・・・・・・・（式３）
Δｔ＝ｔ２−ｔ１＝（ｎ／ｃ）・（Ｌ−２Ｘ）・・（式４）
ゆえに、光源から振動発生位置までの距離Ｘは、下記式で求めることができる。
Ｘ＝（Ｌ−（ｃ／ｎ）・Δｔ）／２・・・・・・（式５）
したがって、到達時間差Δｔを計測することで、振動位置までの距離Ｘを求めることができるため、振動位置の検知が可能となる。

本発明の一実施例を図３に示す。光源として例えば半導体レーザ光源１を、光ファイバとして例えばシングルモード光ファイバを、光合分波器として例えば溶融形光カプラ５を、受光器として例えばフォトダイオードからなる光受信器６Ａ、６Ｂを用いる。半導体レーザ１の出力光波は、偏光子３Ａで完全偏光された光波に変換されて往路光ファイバ２Ａ上を伝播し、振動発生位置Xで偏波変動を受け（偏波変動成分Ａ）、ダミーファイバ４を経由し、光カプラ５で分波される。復路光ファイバ２Ｂはフォトダイオード光受信器６Ａの直前に挿入した偏光子３Ｂを介してフォトダイオード光受信器（６Ａ）に接続され、もう一方の復路光ファイバ２Ｃは、光カプラ５の直後に接続した偏光子３Ｃとフォトダイオード光受信器６Ｂとの間に接続されている。

フォトダイオード光受信器６Ａが出力する電気信号は、復路の光ファイバ２Ｂ上の振動発生位置Xで偏波変動を受けた光波と、往路光ファイバ２Ａ上の振動発生位置Xで偏波変動を受けた光波との両方を電気信号として検知し、受信した波形の観測手段としては、例えばオシロスコープ７が使用される。

一方、復路の光ファイバ２Ｃにおいては、、往路上で発生した偏波変動成分Ａが偏光子３Cにより光強度信号として変換されるが、フォトダイオード光受信器６Ｂの直前には偏光子が存在しない。このため、復路光ファイバ２Ｃ上の振動発生位置Xで偏波変動が生じても、フォトダイオード光受信器６Ｂは復路上の偏波変動を検知せず、偏波変動成分Ａのみを表した電気信号を出力し、この電気信号がオシロスコープ７により観測される。

オシロスコープ７で観測されるフォトダイオード光受信器６Ａおよび６Ｂの２つの電気信号を同時に観測することで、各々の電気信号の観測時間、すなわち偏波変動成分Ａおよび偏波変動成分Ｂの到達時間差Δｔ（ｔ２−ｔ１）を、オシロスコープ７の観測波形の立ち上がり時間から計測することができる。そして、前述した計算式にダミーファイバ４の長さＬｄ［ｍ］を加えた光ファイバの全長Ｌ［ｍ］から、光源１から振動発生位置までの距離Ｘ、すなわち光ファイバに振動が加わった位置を算出することができる。この場合の計算式は、
Ｘ＝（（Ｌ＋Ｌｄ）−（ｃ／ｎ）・Δｔ）／２・・・・・・・（式６）
となる。

往路および復路の光ファイバ長が短く、偏波変動成分ＡおよびＢをオシロスコープ７で観測する場合には、Δｔが小さくなって偏波変動成分A及びBの観測波形の立ち上がりを観測しにくくなる。このような場合には、ダミーファイバ４を挿入することによって、ダミーファイバ４を通過する時間分だけΔｔを長くして、偏波変動波形成分Ａおよび偏波変動波形成分Ｂを判定しやすくすることができる。

また、オシロスコープ７で観測される各波形の到達時間差Δｔは、各波形の到達時間ｔ１およびｔ２を計測することで得られる。その際、フォトダイオード光受信器６Ａで得られる波形は、偏波変動成分Ｂと遅れて到達する偏波変動成分Ａとが複合された波形ではあるが、立ち上がり時間に着目して到達時間を判定することで、偏波変動成分Ａの波形に影響されないで到達時間ｔ１を計測することができる。同様に、フォトダイオード光受信器６Ｂで検知された波形の到達時間ｔ２も、立ち上がり時間に着目して到達時間を判定すればよい。

なお、構成上の注意点として、半導体レーザ光源１からフォトダイオード光受信器６Aまでの長さと半導体レーザ光源１からフォトダイオード光受信器６Bまでの長さとはは同一にしておくこととなる。複数の光ファイバを複合した光ファイバケーブルを用いることにより、この条件を満たすシステムを構築することが可能である。

図２および図３においては、光源１の直後に偏光子３Ａを挿入することで、光源から往路光ファイバに導入される光波を完全偏光としている。しかし、光源１として半導体レーザ１を利用する場合には、その出力光波は半導体レーザから出力された時点ですでに偏光しているため、偏光子３Ａは省略することもできる。

また、図３においては、一例として、光合分波器として溶融型光カプラを用いる構成を示した。しかし、溶融型光カプラを用いると通過光信号の挿入損失が大きくなるため、挿入損失を低減するべく、光サーキュレータを用いてもよい。

さらに、往路光ファイバ及び復路光ファイバとして既設の光ファイバケーブルを利用する場合等、利用できる光ファイバ数に制限があるような場合には、図４に示すように、光合分波器５Ａ、５Ｂ、５Ｃを配置して、往路、復路の光ファイバ数を合計２本にすることもできる。図４の構成においては、光合分波器５A及び５Bとして光サーキュレータを使用することができる。

また、図５に示すように、発光する光の波長が異なる２つの光源１Ａおよび１Ｂと、光波長によって分岐方向が異なるという特性を持つ波長合成分解器（例えば、WDMカプラ）７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Dを用いて、往路および復路の光ファイバを１本で構成することもできる。図５において、光源１から出力される波長λ１の光波と光源２から出力される波長λ２の光波は、WDMカプラ７Aにより合成され、偏光子３Aにより完全偏光に変換され、光合分波器５A（光サーキュレータ）を通過する。これらの光波は、光ファイバ２を伝播した後、もう一つの光合分波器５B（光サーキュレータ）及びダミーファイバ４を介してWDMカプラ７Bにより別々の方向に分岐される。図５においては、分岐された波長λ１の光波は偏光子３Bに入射して、偏波変動に依存した強度変動を伴って出力され、WDMカプラ７Bに入射する。一方、分岐された波長λ２の光波はWDMカプラ７Cに入射し、偏光子から出力された波長λ１の光波と再び合成される。この合成された光波はサーキュレータ５Bを通過して、再び光ファイバ２を伝播するようになっている。

図５の構成において、位置Xで振動が発生すると、光ファイバ２中を図中の右方向及び左方向にそれぞれ伝播する合成光波（波長λ１及びλ２）の偏波状態は変動する。右方向の合成光波に生じる偏波変動成分をAとし、左方向の合成光波に生じる偏波変動成分をBとすると、偏波変動成分Bの方が光サーキュレータ５A及びWDMカプラ７Dを先に通過して受信器６A又は６Bに入射し、その後、偏波変動成分Aが受信器６A又は６Bに遅れて入射する。

光ファイバ２の振動発生位置において発生した偏波変動成分Ｂは、光ファイバ２を伝播した後に光サーキュレータ５Aを通過してWDMカプラ７Dに入射する。合成光波はここで分岐され、偏波変動成分Bを有する波長λ２の光波は偏光子３Cに入射する。偏光子３Cは特定の偏波状態の光波のみを通過させるので、偏光子３Cから出力される波長λ２の光波の強度は、偏波変動成分Bの偏波変動特性に依存して変動する。したがって、受光器６Ａにより成分Bの偏波変動波形が検知され、偏波変動成分Ｂの立ち上がり時間、すなわち、偏波変動成分Ｂの到達時間ｔ１を観測することができる。一方、WDMカプラ７Dにおいて分岐された、偏波変動成分Bを有する波長λ１の光波は受光器６Bに直接入射する。WDMカプラ７Dから受光器６Bまでの間に偏光子が存在しないので、偏波変動成分Bの偏波変動特性は波長λ１の光波の強度変動に変換されない。したがって、受光器６Bにおいては成分Bの偏波変動波形が検知されない。

光ファイバ２の振動発生位置において発生した偏波変動成分Ａは、光サーキュレータ５B及びダミーファイバ４を通過した後、WDMカプラ７Bに入射する。合成光波はここで分岐され、偏波変動成分Aを有する波長λ２の光波はWDMカプラ７Cに直接入射する。一方、偏波変動成分Aを有する波長λ１の光波は、偏光子３Bにより、成分Aの偏波変動特性に依存した強度変動を有する光波に変換された後にWDMカプラ７Bに入射する。再び合成された波長λ１及びλ２の光波は光ファイバ２を伝播し、振動による偏波変動をいくらか受けた後、光サーキュレータ５Aを介してWDMカプラ７Dに入射し、ここで分岐される。波長λ２の光波は偏光子３Cに入射される。偏光子３Cから出力される光波の強度は偏波変動成分に依存して変動する。このようにして、受光器６Ａにおいては、光ファイバ２上で発生した偏波変動成分Ａも、偏波変動成分Ｂに続いて複合して検知されるが、偏波変動成分Ｂの波形の立ち上がり時間よりも遅れて到達するため、偏波変動成分Ｂの波形の立ち上がり時間ｔ１の計測には影響しない。一方、WDMカプラ７Dにおいて分岐された波長λ１の光波は受光器６Bに直接入射する。受光器６Ｂに至るまでの間に偏光子が存在しないため、受光器６Ｂに入射する光波は、偏波変動成分Aのみに依存する強度変動を有する。したがって、受光器６Ｂで検知される偏波変動波形は偏波変動波形Ａ成分のみを表すことになる。

従来技術の構成で観測される偏波変動波形を示す図である。本発明の位置検知装置の構成を示す図である。本発明の位置検知装置の一実施例を示す図である。本発明の位置検知装置の他の実施例を示す図である。本発明の位置検知装置の他の実施例を示す図である。

Claims

偏光させた光波を折返部を介して往復させる並列した往路側導波手段および復路側導波手段と、前記往路側導波手段上に設けられ、負荷により所定の偏光成分強度に変化をもたらす往路側検知領域と、前記復路側導波手段上に設けられ、負荷により所定の偏光成分強度に変化をもたらす復路側検知領域と、前記往路側検知領域で生じた偏光成分強度を検知する第１の受光部と、前記往路側検知領域および復路側検知領域で生じた偏光成分の強度を検知する第２の受光部を備え、
前記折返部より先、かつ前記復路側検知領域より手前に第１の光分波器を備え、復路側光波を２分して一方の光波を前記復路側検知領域より手前に設けた第１の偏光子を介して前記第１の受光部に導波し、他方の光波を前記復路側検知領域より先に設けた第２の偏光子を介して前記第２の受光部に導波することを特徴とする検知装置。
請求項１に記載の検知装置であって、前記往路側導波手段は第１の光ファイバであり、
前記一方の光波は第２の光ファイバを導波し、前記他方の光波は第３の光ファイバを導波することを特徴とする検知装置。
請求項１に記載の検知装置であって、前記往路側導波手段および前記復路側導波手段の一部は第１の光ファイバであり、前記一方の光波は、第２の光ファイバを導波し、前記他方の光波は、所定区間を第１の光合波器で第１の光ファイバに合波されて導波し、前記第２の受光器手前で第２の光分波器により分波され、第２の偏光子を介して第２の受光器に導波されることを特徴とする検知装置。
請求項１に記載の検知装置であって、前記往路側導波手段および前記復路側導波手段の一部は第１の光ファイバであり、前記偏光された光波は、第１及び第２の波長を有し、前記第１の分波器は前記第１の波長及び第２の波長に分波する波長分解器であり、前記一方の光波は、第１の波長を有し、前記他方の光波は第２の波長を有し、前記一方の光波が前記第１の偏光子を通過後に第２の光合波器により他方の光波と合波され、前記第１の合波器によって前記第１の光ファイバに合波して所定区間を導波し、前記第２の光分波器により分波し、さらに第３の光分波器によって第１の波長を有する一方の光波と第２の波長を有する他方の光波に分波し、前記第１の波長を有する光波は前記第１の受光器へ、前記第２の波長を有する光波は前記第２の偏光子を介して前記第２の受光器へ導波されることを特徴とする検知装置。