JP4869480B2 - 対向伝播信号法を用いて構造を監視しイベントの位置を見つけるための装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、光ファイバ感知システムにおけるイベントを見つけるための導波路伝送対向伝播信号法及び関連のシステムを用いた構造を監視するための装置及び方法に関する。
【０００２】
本明細書並びに特許請求の範囲に用いられる用語「構造」とは、１つの場所からもう１つの場所にデータを伝送するための通信リンクとして働く導波路はもちろん、当該装置及び方法が適用され得る機械、建物、パイプラインのような下部構造、等をも意味することを理解されたい。
【０００３】
同様に、本明細書並びに特許請求の範囲に用いられる用語「光」とは、電磁放射スペクトルの可視部分及び非可視部分の双方を意味することを理解されたい。
【０００４】
技術背景
光学装置は、工業及び化学において一般に用いられており、レーザ空洞、導波路、レンズ、フィルタ及び他の光学素子並びにそれらの組合せを含んでいる。かかる光学装置は、種々の機器及び設備に用いられている。
【０００５】
光量子技術は、通信及びセンサの分野に変革をもたらした。これは、主に、光及び光・電子装置の急速な発展に起因している。広範な種類のガラス材料、材料ドーパント（微小添加物）並びに導波路構造が利用可能であり、本発明は、ファイバ光感知システムにおけるイベントを見つけるための導波路伝送対向伝播信号法及び関連のシステムに関する。
【０００６】
現在、機械、建物及び光ファイバ通信リンクのような構造物の完全性及び状態をリアルタイムで監視することができるセンサ及びシステムに対する非常に高い需要がある。特に、ファイバ光センサは、それらの誘電特性のために、それらの微細なサイズのために、それらの遠隔的に配置される能力のために、そして固有のセンサの場合には、急速な応答時間のために、これらの応用に対して非常に有望視されている。これらセンサは、また、危険な環境において特別な長所を有している。さらに、それらセンサは、大量の光測定、分圧電極、抵抗性ホイル・ゲージ及び圧電トランスジューサのような現存の通常の感知技術を超える幾つかの明瞭な長所を有している。
【０００７】
工作された構造体は、通常のセンサを感知環境に組込むのが困難なために、そしてセンサの制限のために、一般に、リアルタイムでは監視されない。さらに、通常のセンサは概して点感知装置であり、それ故、問題となっている広い面積もしくは長い長さを包摂するためには非常に多くのセンサが必要である。このことに引き続いて起こることは、このようなシステムの価格及び複雑さであり、これによりほとんどの場合、実行不可能なものとなっている。
【０００８】
光ファイバ・センサは、それらの固有の特性によりこれらの困難性の多くを克服する。さらに、光センサ及び光処理システムは、極端に高速であり、電子の対応部品とは違って、電磁干渉（ＥＭＩ）を蒙らない。当該技術は、監視応用に対して広い承認を得ており、新しい次世代の工学センサを提供する、構造の完全性及び機械の状態のリアルタイムの監視システムの実現において主要な役割を果たすことが期待されている。
【０００９】
ファイバ光センサ技術は、ここ１０年間、急速なペース進歩してきた。特定のパラメータを監視するために、多くの異なった感知技術が開発されてきた。ファイバ感知装置の異なった形態が特定のパラメータを監視するために開発されてきており、その各々は、光変調の原理により異なっている。ファイバ光センサは、ファイバが感知素子であるかまたは情報の搬体であるかに依存して、それぞれ内在的でもあり得るし、外在的でもあり得る。それらは、感知するゲージ長さが個別の領域に局所化される場合には、「点」センサと称される。センサが、測定される場をその全長さに渡って連続的に感知することができる場合には、それは「分配」センサとして知られており、「擬似分配」センサは、ファイバの長さに沿って種々の場所に点センサを用いる。ファイバ光センサは、透過性であっても良いし、また、ファイバの端面を鏡面にすることにより反射形態で用いることもできる。従って、ファイバ光センサは、実際、感知装置の類である。それらは、電気ひずみ計及び圧電トランスジューサのような多くの通常のセンサとは違って、単一の形態及び動作に制限されない。
【００１０】
しかしながら、今日までのところ、ほとんどのファイバ光センサ・システムは、点感知装置に基礎を置いており、従って、再度、広い面積もしくは長い長さを包摂するためには、多くの数のセンサが必要である。
【００１１】
分配技術はほとんど開発されてきてはおらず、商業的にほとんど入手可能ではない。開発されてきたもののうち、ファイバの長さに沿って感知されたパラメータもしくは障害の領域または位置を実際に見つける能力を有するものはまだ少なく、それらは、単に、イベントが発生したということを検出し、警告し、そして時には量化するだけである。
【００１２】
感知されたパラメータの位置を見つけることができる、分配された感知のために従来技術において工夫された方法は、以下の通りである：
【００１３】
・ ファイバ光ケーブルの完全性を監視するための現在最も一般に行われている技術は、光時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）（すなわち、鋭利な屈曲、ファイバ破砕、ファイバ減衰、コネクタ損失、等）を用いた静止しているもしくはゆっくり変化する測定に基づいている。この方法は、本質的に光レーダ技術に基づいており、その場合、光ファイバ内に発進された非常に狭い光パルスが、その長さに沿ったファイバ材料もしくは構造内の異常（すなわち、破砕、局所化された圧縮、欠陥、等）により、散乱し戻されるかもしくは反射し戻され、その測定された飛行時間が異常の場所を決定する。
【００１４】
・ 光ファイバの全長に沿って、並びにファイバが取付けられている任意の表面または構造に沿って、連続的に温度を測定するために、光ファイバが分配された温度センサ（ＤＴＳ）システムが開発されてきた。分配温度感知の大多数において、ストークス及び反ストークス戻り信号の強度の比は、光時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）形態で測定される。最終結果は、センサの全長に沿った温度プロフィルの真実の測定である。
【００１５】
・ ひずみ及び圧力測定のための種々のＯＴＤＲ散乱戻り技術も研究されてきたが、未だ商業的な技術は利用可能でない。
【００１６】
・ 分配ファイバ障害検出及び測量のために、特定の場所もしくは幾何学的形態にサグナック（Ｓａｇｎａｃ）干渉計ループを物理的に配置することも用いられてきている。サグナック干渉計ループにおいて、感知ファイバ・ループの両端に光が送り出され、それにより２つのビームがループを通して反対方向に循環し、次に再結合して、単一の光検出器上に位相干渉パターンを生成する。これらの方法では、対向伝播信号間の走行時間もしくは時間遅延は用いられない。
【００１７】
イベントを見つけるための最も共通した方法は、実際の感知パラメータ（すなわち、温度、ひずみ、圧力、等）に関するさらなる情報を抽出するために感知機構の幾つかの他の形態と結合された、極端に狭いレーザ光パルスの散乱戻りもしくは反射戻りを用いた技術に基づいている。しかしながら、光量子装置における現代の進歩が非常に精密かつ正確なシステムを開発し商業化するのを可能としてきているとは言え、それらはしばしば非常に複雑で高価である。これらユニットが複雑で高価である主な理由は、大部分、極端に狭いレーザ光パルスを発生し、極端に低いパワーの光信号を検出し（これはしばしば、光子のカウント及び信号の重要な平均を含む）、そして光パルスの飛行時間測定に対する極端に正確なタイミングを提供するために必要とされる非常に高い精度及び高速の構成要素に対する要求のためである。
【００１８】
非常に狭く低いパワーのパルスの飛行時間を測定し平均を取ることの要求のために、これら技術はしばしば、静止的であるかもしくは非常にゆっくりと変化するパラメータを監視することに制限されている。さらに、今日、この原理に基づいたほとんどのシステムは温度だけを監視する。しかしながら、これらシステムは、本出願のものを含め他のほとんどの技術を超えた１つの重要な長所を提供し得る。すなわち、ファイバの全長に沿って感知パラメータのプロフィルを提供することができるという長所である。
【００１９】
それにもかかわらず、光ファイバに対する何等かの形態の障害に関する、特に、ＯＴＤＲ技術で検出するにはあまりにも急速に発生し過ぎる過渡イベントに関する、リアルタイムで、準静止的かつ動的な情報をも得ることができるならば、それは相当な進歩であろう。これは、イベントを見つけることができない分配感知技術を、イベントを見つけることができる適合性の技術と組合わせることにより達成され得る。このことは、ファイバの近くの任意の構造または材料、もしくはファイバが取付けられる任意の構造または材料を監視するというさらなる長所を有するであろう。このような能力は、構造の完全性監視、パイプラインの漏れ検出、接地監視、機械状態監視及び高い安全保障領域の侵入検出のような本当の分配感知応用を可能とするはずである。
【００２０】
簡単な発明の概要
本発明の目的は、導波路感知システムにおけるイベントを見つけるための導波路伝送（透過）対向伝播信号法及び関連のシステムを提供することである。
【００２１】
本発明は、構造を監視しイベントの位置を見つけるための装置であって、
光源と、
導波路に沿って両方向に光を伝播させるように該光源からの光を受信し、それにより導波路内に対向伝播光信号を提供する導波路であって、対向伝播光信号もしくは該信号の幾つかの特性を、イベントによって生じるもしくはイベントを示す外部パラメータによって変更させるかもしくは生じさせて、変更対向伝播光信号を提供することができる導波路と、
パラメータによって生じた変更対向伝播光信号を検出し、イベントの場所を決定するために、変更対向伝播光信号間の時間遅延もしくは時間差を決定するための検出器手段と、
を備えた装置を提供するものである。
【００２２】
本発明は、同じイベントによって影響された伝送対向伝播光信号間の時間遅延もしくは時間差を測定することに依存している。この新規の配列において、光信号、好ましくは連続波の（ＣＷ）の光信号は、好ましくは単一の光源から導波路に発進され、２つの別の光検出器のような検出器によって同時に検出される。光信号のパルス化は、幾つかの配列においては用いられ得るが、必要なものではない。対向伝播信号を変更するよう作用する幾つかの感知されたパラメータが、同じ態様で両方の信号に影響を与えるが、影響された対向伝播信号は、各々、それぞれの光検出器まで、導波路長さの残りを走行し続けなければならないので、検出される信号間に結果の時間遅延もしくは時間差がある。時間遅延は、導波路長さに沿った感知されたイベントの場所に直接比例する。従って、時間遅延もしくは時間差が検出されかつ測定されたならば、イベントの場所が決定され得る。同時に、適合性の感知機構が用いられているならば、感知されたイベントは、量化され及び／または識別され得る（すなわち、ひずみ、振動、音響発射、温度過渡、等）。さらに、伝送対向伝播信号間にさらなる遅延を追加するために、かつ不感知のリード・ファイバを提供するために、非感知の光ファイバ遅延線が、いずれかの端もしくは両端において導波路に接続され得る。これは、当該技術を実際の作業システムに工作するのを援助し得る。
【００２３】
本発明はまた、実質的に現存する任意の型の伝送分配ファイバ光センサで動作し、導波路を形成する光ファイバの長さに沿ったいずれの場所においても動的及び過渡のイベントを検出し、量化しそして見つけるのを可能とするという長所を有する。さらに、それは伝送形態で動作し、従って、実質的に全光信号及びパワーを検出器に送出し戻して信号平均を必要とせず、そしてそれは、同じ障害によって生じた対向伝播光信号間の時間遅延測定を介してイベントの場所を決定する。
【００２４】
何等制限を課することなく、本発明が適合性を有し得る、非配置の分配ファイバ光感知技術の例は、以下の通りである：
・ モダルメトリック（Ｍｏｄａｌｍｅｔｒｉｃ）干渉計
・ サグナック（Ｓａｇｎａｃ）干渉計
・ マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計
・ 長距離ファブリ・ぺロット（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計
・ マッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計
・ ２つのモードの（Ｔｗｏ−ｍｏｄｅ）干渉計
【００２５】
好ましくは、導波路はシリカ導波路である。
【００２６】
好ましくは、光源からの光は、導波路の両端内に同時に発進される。
【００２７】
好ましくは、光源は、単一の光源である。しかしながら、他の実施例においては、２つのＣＷもしくは同期化された光源が、導波路の両端に同時に光を発進させるために用いられ得る。
【００２８】
好ましくは、導波路は、イベント感知光ファイバを形成する１つ以上の光ファイバである。
【００２９】
好ましくは、伝送対向伝播信号間にさらなる遅延を追加するために、かつ不感知リード導波路を提供するために、いずれかの端もしくは両端において感知導波路にもう１つのシリカ導波路が接続される。
【００３０】
好ましくは、検出器手段は、
シリカ導波路における対向伝播信号からの放射を同時に受信するための第１及び第２の光検出器と、
同じ障害から生じた信号間の時間遅延もしくは時間差を決定し、従って感知されたイベントの場所を決定するために、第１及び第２の光検出器からの信号を受信する処理手段と、
を備える。
【００３１】
好ましくは、光源と光検出器とシリカ導波路との間に導波路カプラもしくはカプラの組が配列され、それにより光源からシリカ導波路の両端に光が同時に送信され得、検出器手段もカプラもしくは複数のカプラに接続され、それにより対向伝播伝送放射はカプラもしくは複数のカプラを介してシリカ導波路から検出器手段に向けられ得る。
【００３２】
本発明はまた、構造を監視してイベントの位置を見つけるための方法であって、
導波路に沿って両方向に光が伝播されるよう導波路内に光を発進させ、それにより導波路内に対向伝播光信号を提供する段階であって、導波路は、対向伝播光信号もしくは該信号の幾つかの特性を、イベントによって生じる外部パラメータによって変更させるかもしくは生じさせて、対向伝播光信号を提供することができる、前記段階と、
パラメータによって生じた変更対向伝播光信号を検出し、イベントの場所を決定するために、変更対向伝播光信号間の時間遅延もしくは時間差を決定する段階と、を含んだ方法を提供する。
【００３３】
好ましくは、対向伝播信号を提供するよう導波路の両端に光が発進される。
【００３４】
好ましくは、単一の光源から導波路の両端に光が発進される。
【００３５】
好適な実施例は、光導波路内のイベントを見つけるための導波路伝送対向伝播信号方法及び関連のシステムであって、
対向伝播光信号を同時に伝送するよう設計された導波路材料から形成された光ファイバ（単一モードもしくはマルチモード化された）を提供する段階と、
センサ感度及び検出能力を最適にするよう設計された光導波路におけるイベントを見つけるために、任意の適切な導波路長さ、任意の適切な幾何学形状を有し、導波路伝送対向伝播信号方法及び関連のシステムと適合性のある、センサ形態（単一モードもしくはマルチモード化された）を提供する段階と、
感知ファイバ、感知及び探知システム光学系及び光電子機器インターフェース間で不感知光ガイドとして働く導波路材料から形成されたリード光ファイバ（単一モードもしくはマルチモードとされた）を提供する段階と、
感知ファイバ及び励起源間で不感知光ガイドとして働く導波路材料から形成されたリード光ファイバ（単一モードもしくはマルチモードとされた）を提供する段階と、
導波路の芯が結合において整列され固定されたままであるように、センサ導波路とリード光ファイバとを溶融結合するかもしくは接続する段階と、
対向伝播信号間の時間遅延または時間差が測定されて、感知されたイベントの場所を決定するために用いられるよう、導波路センサからリード光ファイバを介して適切な光及び電子配列に対向伝播信号を送出する段階と、
感知されたパラメータが量化され及び／または識別され得るように、適合性の或る感知技術と共に用いられ得る導波路センサ光信号の何等かの変化を登録する段階と、
を含んだ方法及び関連のシステムを提供する。
【００３６】
好適な実施例は、また、光導波路内のイベントを見つけるための導波路伝送対向伝播信号方法及び関連のシステムを生成するための方法にあるということもでき、制限的ではないが、以下の段階を含む。
【００３７】
・ 対向伝播光信号を同時に伝送するよう設計された導波路材料から形成された光ファイバ（単一モードもしくはマルチモード化された）を準備する段階。
【００３８】
・ センサ感度及び検出能力を最適にするよう設計された光導波路におけるイベントを見つけるために、任意の適切な導波路長さ、任意の適切な幾何学形状を有し、導波路伝送対向伝播信号方法及び関連のシステムと適合性のある、センサ形態（単一モードもしくはマルチモード化された）を準備する段階。
【００３９】
・ 平坦で円滑な表面を創設するようそれらの端を裂くかもしくは磨くこといより、導波路センサ及び光ファイバ・リードを準備する段階。裂かれたもしくは磨かれた導波路センサ及びファイバ・リードの端面から何等かの汚染物を取除くために必要な予防策を講じた後、導波路センサ及びファイバ・リードは、溶融結合装置内に端と端を合わせて置かれ、適切なもしくは所望の溶融回数及び流れを用いて一緒に溶融される。溶融結合の手順は、必要に応じて何回か繰り返され得る。導波路センサ及びファイバ・リードの芯及び全直径は制限されるものではなく、そして溶融結合手順の前に導波路センサ及びファイバ・リードの芯を中央に整列させるために、溶融結合装置に変換段もしくはＶ溝を用いても良い。導波路センサ及びファイバ・リードの異なった組合わせは、異なったもしくは独特の組の溶融結合パラメータを必要とし得る。
【００４０】
・ 平坦で円滑な表面を創設するために溶融結合後、導波路センサを任意の場所で裂くかもしくは磨く段階。裂かれたもしくは磨かれた表面の位置は、センサの局所化された長さもしくは感知領域を創設する。裂かれたもしくは磨かれた導波路センサの端面から何等かの汚染物を取除くために必要な予備策を講じた後、それは、所望の場所において第２のファイバ・リードに溶融結合される。
【００４１】
・ 光導波路におけるイベントを見つけるための伝送対向伝播信号方法を達成する信号処理電子機器、光検出器、カプラ、光源の適切な組合わせ及び配列にファイバ・リードを装着し、接続し、溶融結合し、もしくは結合するのを容易にする任意の態様で、ファイバ・リードの自由端を準備しもしくは接続（コネクタライジング）する段階。
【００４２】
・ 好ましくは、製造されたセンサ及び／または露出された溶融結合領域は、所望の領域を適切な装置または材料（すなわち、ねつ収縮溶融結合プロテクタ、アクリレート、エナメル、エポキシ樹脂、ポリイミド、等）で包むもしくはコーティングすることにより保護され得る。
【００４３】
・ 好適な実施例において、センサ導波路はマルチモード・ファイバであり、リード・ファイバは単一モードファイバである。
【００４４】
・ 他の実施例においては、複数のマルチモード・ファイバと単一モード・ファイバとが、端と端との関係で溶融結合されて、全ファイバ・アセンブリに沿って幾つかの感知及び不感知領域を形成する。
【００４５】
・ 他の実施例においては、複数の単一モード・ファイバがそれぞれのマルモード・ファイバに溶融結合され、複数の単一モード・ファイバがカプラに接続され、カプラは、次に、さらなる単一モード・ファイバに接続されて多重化されたセンサ配列を形成する。
【００４６】
・ 代替的な配列においては、センサ・ファイバは、２つ以上の適切に構成された光ファイバ（単一モードもしくはマルチモードとされた）によって置き換えられ得、そして複数のセンサ・ファイバをファイバ光リードに接続するためにさらなるカプラが用いられ得る。この配列において、さらなる数のカプラ及び光検出器が、増加された数の感知及びリード・ファイバを容易にするために、計測操業において必要とされ得る。
【００４７】
・ 上述の代替的な配列の好適な実施例において、感知部分は、２つの適切に構成された単一モード・ファイバによって形成され、そして不感知リードは単一モード・ファイバである。２つの感知ファイバは、いずれかの端または両端において単一モード・カプラを用いることによってリード・ファイバに接続される。
【００４８】
本発明は、伝送形態に配列され得る任意の光導波路分配感知技術において効果的である。制限的ではないが、好適な実施例において、分配感知技術は、不感知単一モード・ファイバの感知マルチモード・ファイバへの溶融結合を用いたモダルメトリック技術に基づいている。制限的ではないが、さらにもう１つの好適な実施例においては、分配感知技術は、感知領域として２つの単一モード・ファイバを用いたマッハツェンダまたはマイケルソン干渉計に基づいている。
【００４９】
好ましくは、導波路は、少なくとも１つの光ファイバ及び／または少なくとも１つの光ファイバ装置を備えている。本発明の幾つかの実施例においては、導波路は、何等追加の素子なしで光ファイバだけを備えていても良い。しかしながら、光ファイバは、その長さに沿って受動または能動素子を含むことができる。さらに、光ファイバは、その長さに沿って感知素子を含むことができ、そしてこれら感知素子は、適用環境における所望のパラメータ変化に応答する装置を含んでいて良く、該装置は、導波路における電磁放射伝播の属性及び特性に影響を与え、それによりパラメータ変化の支持を与える。
【００５０】
好ましくは、任意の適切なＣＷまたはパルス化された単一周波数もしくは多数の波長源あるいは複数の源が用いられ得る。制限的ではないが、好適な実施例においては、ＣＷまたはパルス化されたコヒレント・レーザ・ダイオードが、光信号を供給するために用いられる。代替的な配列においては、同じまたは変化する波長の多数の光源が、対向伝播信号を発生するために用いられ得る。本発明の好適な実施例は、レーザ・ダイオード、発光ダイオード、光検出器、カプラ、アイソレータ、サーキュレータ及びフィルタと共に、すべてファイバで低価格の光装置を用いることの可能性を提供する。任意の適切な光源、カプラ及び光検出器配列が、センサ及び位置確認システムと共に用いられる。好適な実施例においては、光源の必要とされる光特性は、光が単一モード導波路内に発進されて伝播され得るようなものである。局所限定のために、単一モード・ファイバ内を伝播される光は、単一モード・ファイバ内の走行の全期間中、単一モードのままとされなければならない。光が単一モード・ファイバからマルチモード・ファイバに発進されると、幾つかのモードが励起され、そしてマルチモードとされたファイバは、種々のパラメータに対して感度を有する。光がマルチモード・ファイバから単一モード・ファイバに発進し戻されると、単一モードだけが支持されそしてシステムの光構成要素に走行する。引込み／引出しファイバの脱感作並びにセンサの局所限定はこのような態様で達成される。実際的な応用において、単一モード・ファイバは、すべてのクラッド・モードを減衰させて信号対雑音比を改善するのに充分に長く作られるべきである。この好適な実施例は、伝送対向伝播光信号の両方向の走行に対して適用される。
【００５１】
導波路センサ内を伝播する電磁放射の属性及び特性を用いれば、監視を非破壊的な態様で行うことができる。従って、センサは、所望のパラメータを監視しかつ見つけるために、必然的に、損傷され、破砕されもしくは破壊されることはない。
【００５２】
該方法において、本発明の好適な実施例によれば、ピグテール化されたレーザ・ダイオード、ファイバ・レーザもしくは発光ダイオードのような光源から、光ファイバのような光導波路（単一またはマルチモードとされた）に電磁放射が発進され、光導波路に沿って伝播する。光導波路は、光導波路光スプリッタまたはカプラの一方の腕に（一時的または永久的に）接続され、電磁放射が光スプリッタに到達したとき、該電磁放射は、光スプリッタの２つの出力導波路腕に分岐され得る。この光スプリッタの出力腕の各々は、他のカプラに溶融結合され、これにより、レーザ源からの光放射は、他の２つのカプラの各々に同時に発進される。これら２つのカプラは、上述の二重端部の対向伝播法に対する発進及び検出ポートを形成する。光信号は、カプラの出力導波路腕に同時に発進される。一方の出力腕だけが各々のカプラにおいて用いられ、他方は、反射戻りを避けるために破砕されるか、そうでなければ終端される。カプラの出力腕は、導波路感知素子、または該導波路感知素子に（一時的または永久的に）接続されるリード光導波路のいずれかに直接（一時的または永久的に）接続される。光スプリッタの出力導波路腕のいずれか一方は、電磁放射を光導波路リードを介してセンサ導波路に送出するために用いられ得る。同様に、複数の出力導波路腕は、電磁放射を幾つかの個別のまたは多重化された導波路センサに送出するよう用いられ得る。導波路センサに送信される対向伝播信号の各々は、それらが反対の端部に達し最初の発進信号とは反対方向に後者のカプラに発進し戻されるまで、導波路の全長に沿って伝播する。信号は、各々、後者のカプラを介して逆方向にスプリットもしくは分割される。信号の部分は、第１のカプラ及びレーザに向かって走行し戻され、信号の残りの部分は、光検出器で終端されている後者のカプラの未使用の腕に沿って走行する。光信号は、２つの光検出器によって同時に監視される。適切な電子機器、信号処理機構及びアルゴリズムが各検出器からの信号を処理し、同じ障害によって生じた信号間の時間遅延または時間差を決定することにより、感知されたイベントの場所を提供する。不感知ファイバ光リードは、光信号間にさらなる時間遅延を提供するために非常に長くて良い。このことは、実際の作業システムに当該技術を設計するもしくは工作するのを援助する。
【００５３】
当該方法において、本発明の代替的の好適な実施例によれば、感知部分は２つ以上の適切に構成されたファイバ（単一またはマルチモードとされた）により形成され、そして不感知リードは、単一モード・ファイバである。複数の感知ファイバは、感知ファイバのいずれかの端もしくは両端においてさらなる単一モード・カプラを用いることによりリード・ファイバに接続される。
【００５４】
好ましくは、機器の光及び電子配列は、雑音最小技術を用いるであろう。
【００５５】
好ましくは、全ての光及び電気構成要素は、個々の光ファイバ入力ポートを有した単一の機器制御ボックス内に配置されるであろう。
【００５６】
当該システムに、電気光装置、音響光装置、磁石光装置及び／または集積光装置もまた用いることができる。
【００５７】
本発明は、内部にデータ信号が発進されかつそこからデータ信号が受信される光ファイバ通信リンクを監視し、該リンクへの障害の位置を見つけるための装置であって、
リンクに沿って両方向に光を伝播させるように光をリンクに発進させ、それによりリンク内に対向伝播光信号を提供する光源であって、リンクが、対向伝播光信号もしくは該信号の幾つかの特性を、障害によって変更させるかもしくは生じさせて、変更対向伝播光信号を提供することができる光源と、
変更対向伝播光信号を検出し、障害の場所を決定するために、変更対向伝播光信号間の時間遅延もしくは時間差を決定するための検出器手段と、
を備えた装置を提供する。
【００５８】
本発明は、さらに、その中にデータ信号が発進されかつそこからデータ信号が受信される光ファイバ通信リンクを監視し、リンクに対する障害の位置を見つけるための方法であって、
リンクに沿って両方向に光が伝播されるようリンク内に光を発進させ、それによりリンク内に対向伝播光信号を提供する段階であって、リンクは、対向伝播光信号もしくは該信号の幾つかの特性を、障害によって変更させるかもしくは生じさせて、対向伝播光信号を提供することができる、前記段階と、
障害によって生じた変更対向伝播光信号を検出し、障害の場所を決定するために、変更対向伝播光信号間の時間遅延もしくは時間差を決定する段階と、
を含んだ方法を提供する。
【００５９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例をさらに説明する。
【００６０】
好適な実施例の詳細な説明
図１を参照すると、総括的な構成が示されており、分配センサ１０に対して、或る任意の長さの感知を行わないファイバ・リード１４ａ及び１４ｂが先行しており、該分配センサ１０はそれらリードに続いている。感知しないファイバ・リード１４ａ及び１４ｂの一方もしくは双方は当該方法のために必要とされるものではないということを強調することは重要である。それらは、単に、感知しないリード・ファイバを提供するために、及び／または感知領域の特定の配置を容易にするために、伝送（透過）対向伝播信号間にさらなる遅延を追加するための追加の光遅延線を提供するだけである。これは、当該技術を実際に働くシステムに設計するのを援助し得る。感知しないリード１４ａ及び１４ｂは、感知するファイバ１０に溶融結合１７され得るか、そうでなければ該ファイバ１０に結合され得る。
【００６１】
光ファイバ・リンク（全距離ｄ_x）は、長さｄ_bの感知部分１０に１７で溶融結合され、最後に、長さｄ_cの第３の不感知部分１４ｂに１７で再度溶融結合され
る、長さｄ_aの不感知部分１４ａから成る。当該構成の目的は、ファイバ・リン
ク１０（点Ｂ及びＤの間）の感知部分に沿った障害１８（点Ｃにある）を見つけることである。点Ａ及びＥの双方に同時にレーザを注入することにより、ファイバ・リンクは、２つの対向伝播する光ビームを有する。ファイバ・リンク１０の感知部分に沿ったどこでも摂動１８は、２つの同一の摂動信号をそれぞれ交互の方向に伝播させる、すなわち、点Ｃから点Ｅに向かって、そして点Ｃから点Ａに向かって伝播させる。（それぞれ点Ａ及びＥにおける）各信号の到着時間の差が既知ならば、次に、ｄ_bに沿った障害が生じた点は、以下の式を用いて計算するこ
とができる。
【００６２】
【数１】
ｄ_x＝ｄ_a＋ｄ_b＋ｄ_c
＝ｄ_a＋ｄ_b1＋ｄ_b2＋ｄ_c （１）
【００６３】
（それぞれ点Δｔ及びＥにおける）各信号の到着時間の差は以下の式で与えられる。
【数２】
Δｔ＝（Δｔ_b2＋Δｔ_c）−（Δｔ_b1＋Δｔ_a） （２）
ここに、Δｔ_a、Δｔ_b1、Δｔ_b2、Δｔ_cは、光信号がそれぞれｄ_a、ｄ_b1、ｄ_b2、及びｄ_cに沿って走行するのにかかる時間に言及しており、ｔ＝ｄ／νを用いて既知の距離に対して計算され得、νはｃ／ｎ_fibreによって与えられる光信号
の速度であり、ｃは真空中の光の速度（３ｘ１０⁸ｍ／秒）であり、ｎ_fibreは光ファイバの有効屈折率である。
【００６４】
Δｔに対して式を書き直すと以下の式となる。
【数３】
Δｔ＝（ｄ_b2＋ｄ_c−ｄ_b1−ｄ_a）／ν （３）
【００６５】
ｄ_xに対して当該式を用いて、ｄ_b2＝ｄ_x−ｄ_a−ｄ_c−ｄ_b1と置換することができ、以下の式が得られる。
【数４】
Δｔ＝（ｄ_x−ｄ_a−ｄ_c−ｄ_b1＋ｄ_c−ｄ_b1−ｄ_a）／ν
＝（ｄ_x−２ｄ_a−２ｄ_b1）／ν
＝（ｄ_x−２（ｄ_a＋ｄ_b1））／ν （４）
【００６６】
従って、点Ａから引用される障害の点は以下の式によって与えられる。
【数５】
（障害の点）_A＝（ｄ_a＋ｄ_b1）＝（ｄ_x−（νΔｔ））／２ （５）
【００６７】
同様に、点Ｅから引用される障害の点は以下の式によって与えられる。
【数６】
（障害の点）_E＝（ｄ_c＋ｄ_b2）＝（ｄ_x＋（νΔｔ））／２ （６）
【００６８】
この結果が、全ファイバ・リンクの長さｄ_xを知ることだけを必要とし、シス
テムにおける種々の感知及び不感知ファイバ領域のそれぞれの長さを知ることは必要でないということを示しているということに留意することは興味あることである。この情報は、プロジェクトの設計及び設置段階において、もしくはＯＴＤＲを用いることによって設置後において容易に得ることができる。次に、全長が知られ、時間遅延Δｔがシステムによって測定されると、感知されたイベントの場所を決定することは、式５または６を用いた簡単な計算である。
【００６９】
図２の実施例において、ピグテール化されたレーザ・ダイオード２０及びファイバ・アイソレータ２２から単一モードの光ファイバ１５にＣＷコヒレント・レーザ光が発進されて、光ファイバ１５に沿って伝播する。光ファイバ１５は、単一モードのファイバ光カプラ２４の一方の腕に４１で溶融結合されており、光がカプラ２４に達すると、該光はカプラ２４の２つの出力腕に分岐される。このカプラ２４の出力腕の各々は、それぞれ他の単一モードのファイバ・カプラ２６ａ及び２６ｂに４２ａ及び４２ｂで溶融結合され、これによりレーザ源２０からの光は他の２つのカプラ２６ａ及び２６ｂの各々に同時に発進される。これら２つのカプラ２６ａ及び２６ｂは、モダルメタリック的な感知技術を用いた二重終端される対向伝播法のための発進及び検出ポートを形成する。光信号は、カプラ２６ａ及び２６ｂの出力腕２７ａ及び２７ｂに同時に発進される。各カプラ２６ａ及び２６ｂからのそれぞれ出力腕２７ａ及び２７ｂの１つだけが用いられ、カプラの使用されない他のすべての腕は、反射戻り１９を避けるために破砕されるかそうでなければ終端される。カプラ２６ａ及び２６ｂの出力腕２７ａ及び２７ｂは、単一モードの光ファイバ・バルクヘッド・コネクタ（直通アダブタ）２８ａ及び２８ｂにおいて終端される。コネクタライズドされたもしくは接続された単一モードのファイバ・リード１４ａは、直通アダプタ２８ａに接続され、それによりカプラ２６ａからの光はファイバ・リンクに一方向に発進される。同様に、対向伝播信号に対して、コネクタライズドされた単一モードのファイバ・リード１４ｂは直通アダプタ２８ｂに接続され、これによりカプラ２６ｂからの光はファイバ・リンクに反対方向に発進される。単一モードのファイバ・リード１４ａはマルチモードの感知ファイバ１０の一端に４３で溶融結合され、単一モードのファイバ・リード１４ｂはマルチモードの感知ファイバ１０の反対の端に４４で溶融結合され、これにより、必要とされる伝送（透過）対向伝播感知ループ形態を形成している。ファイバ・センサ１０を通して伝送される対向伝播信号の各々は、それらが反対の端に達するまでファイバ・リンクの全長に沿って伝播し、そしてリード１４ａ及び１４ｂ並びにバルクヘッド直通アダプタ２８ａ及び２８ｂを通してそれぞれカプラ２６ａ及び２６ｂに、最初の発進信号とは反対方向に発進し戻される。該信号は、各々、カプラ２６ａ及び２６ｂを通して逆方向にスプリットされるもしくは分割される。信号の部分は、第１のカプラ２４及びレーザ２０に向かって走行し戻され、信号の残りのものは、それぞれ、後者のカプラ２６ａ及び２６ｂの腕１６ａ及び１６ｂに沿って走行する。腕１６ａ及び１６ｂは光検出器３０ａ及び３０ｂで終端する。ファイバ・アイソレータ２２は、レーザ・ダイオードに発進し戻される光の量を減ずるために用いられる。光信号は、２つの光検出器３０ａ及び３０ｂによって同時に監視される。適切な電子機器、信号処理機構及びアルゴリズムが、各検出器３０ａ及び３０ｂからの信号を処理し、同じ障害によって生じた信号間の時間遅延もしくは時間差を決定することにより、感知されたイベントの場所１８を提供する。不感知ファイバ光リード１４ａ及び１４ｂは、所望ならば、光信号間にさらなる時間遅延を与えるために非常に長くても良い。
【００７０】
図３の実施例において、ピグテール化されたレーザ・ダイオード２０及びファイバ・アイソレータ２２から単一モードの光ファイバ１５にＣＷコヒレント・レーザ光が発進されて、光ファイバ１５に沿って伝播する。光ファイバ１５は、単一モードのファイバ光カプラ２４の一方の腕に４１で溶融結合されており、光がカプラ２４に達すると、該光はカプラ２４の２つの出力腕に分岐される。このカプラ２４の出力腕の各々は、それぞれ他の単一モードのファイバ・カプラ２６ａ及び２６ｂに４２ａ及び４２ｂで溶融結合され、これによりレーザ源２０からの光は他の２つのカプラ２６ａ及び２６ｂの各々に同時に発進される。これら２つのカプラ２６ａ及び２６ｂは、マッハツェンダ干渉計の感知技術を用いた二重終端される対向伝播法のための発進及び検出ポートを形成する。光信号は、カプラ２６ａ及び２６ｂの出力腕２７ａ、２７ｃ及び２７ｂに同時に発進される。各カプラ２６ｂからの１つの出力腕２７ｂだけが用いられ、カプラの使用されない他のすべての腕は、反射戻り１９を避けるために破砕されるかそうでなければ終端される。カプラ２６ａ及び２６ｂの出力腕２７ａ、２７ｃ及び２７ｂは、単一モードの光ファイバ・バルクヘッド・コネクタ（直通アダブタ）２８ａ、２８ｃ及び２８ｂにおいて終端される。コネクタライズドされたもしくは接続された単一モードの感知ファイバ１０ａ及び１０ｃは、それぞれ直通アダプタ２８ａ及び２８ｃに接続され、それによりカプラ２６ａからの光はファイバ・リンクに一方向に同時に発進される。代替的には、腕２７ｃ及び直通アダプタ２８ｃと置き換えるために、さらなるカプラを腕１０ａ及び１０ｃと共に用いることができる。同様に、対向伝播信号に対して、コネクタライズドされた単一モードのファイバ・リード１４は直通アダプタ２８ｂに接続され、これによりカプラ２６ｂからの光はファイバ・リンクに反対方向に発進される。単一モードの感知ファイバ１０ａ及び１０ｃは単一モードのカプラ６０の一端にそれぞれ４５及び４６で溶融結合され、単一モードのファイバ・リード１４は反対側でカプラ６０の一方の腕に４７で溶融結合され、これにより、必要とされる伝送（透過）対向伝播感知ループ形態を形成している。カプラ６０の使用されない腕は、反射戻り１９を避けるために、破砕されるかもしくはそうでなければ終端される。ファイバ配列を通して伝送される対向伝播信号の各々は、それらが反対の端に達するまでファイバ・リンクの全長に沿って伝播し、そしてバルクヘッド・コネクタ２８ａ、２８ｃ及び２８ｂを通してそれぞれカプラ２６ａ及び２６ｂに、最初の発進信号とは反対方向に発進し戻される。該信号は、各々、カプラ２６ａ及び２６ｂを通して逆方向にスプリットされるもしくは分割される。信号の部分は、第１のカプラ２４及びレーザ２０に向かって走行し戻され、信号の残りのものは、それぞれ、後者のカプラ２６ａ及び２６ｂの腕１６ａ及び１６ｂに沿って走行する。腕１６ａ及び１６ｂは光検出器３０ａ及び３０ｂで終端する。ファイバ・アイソレータ２２は、レーザ・ダイオードに発進し戻される光の量を減ずるために用いられる。光信号は、２つの光検出器３０ａ及び３０ｂによって同時に監視される。適切な電子機器、信号処理機構及びアルゴリズムが、各検出器３０ａ及び３０ｂからの信号を処理し、同じ障害によって生じた信号間の時間遅延もしくは時間差を決定することにより、感知されたイベントの場所１８を提供する。不感知ファイバ光リード１４は、所望ならば、光信号間にさらなる時間遅延を与えるために非常に長くても良い。
【００７１】
図４は、モダルメタリック的な（ｍｏｄａｌｍｅｔｒｉｃ）感知技術を用いた、集積光ファイバ感知及び通信システムを示しており、以下の例でさらに詳細に説明する。
【００７２】
図５は、本発明の実行可能性を確認するために用いられる本発明の実施例を示す図であり、以下の例でさらに詳細に説明する。図６は、１４．７１ｋｍファイバ・リンクのファイバに摂動が作用する際に、図５で詳細に示され以下の実施例でさらに詳細に示される本発明の好適な実施例の方法により形成されるシステムの実際の応答を示すオシロスコープのプロットを示す図である。図７は、１４．７１ｋｍファイバ・リンクのファイバに摂動が作用する際に、図５で詳細に示され以下の実施例でさらに詳細に示される本発明の好適な実施例の方法により形成されるシステムの実際の応答を示すもう１つのオシロスコープのプロットを示す図である。
【００７３】
図８は、モダルメトリック感知技術並びに本発明の好適な実施例の方法により形成される障害を見つけるための能力を用いた、結合された光ファイバ感知及び通信配列を示す図である。この技術の実際的な応用において、普通、対向伝播信号の双方の発進点が同じ物理位置にあることが望ましい。このことは、単一終端されたシステムを効果的に形成するであろうマルチファイバ・ケーブルを用いることによって容易に達成される。この配列において、１つの単一モードのファイバが通信ファイバとして用いられ、他方、問題の特定の領域（影になった領域）に渡ってモダルメトリック侵入センサ（イベント検出及び場所決定）を構成するためには、１つの単一モード及び１つのマルチモードの２つのファイバが必要である。影になった領域におけるマルチモード・ファイバに沿ったいずれかの場所における摂動は、２つの対向伝播摂動信号を発生するであろう。リンクのトランスミッタ端へのそれらそれぞれの到達時間における時間差を測定すれば、障害の場所を決定することが可能である。
【００７４】
図８を参照すると、通信ファイバ１５１を含んだ通信ケーブル１５０が示されている。ファイバ１５１の一端はトランスミッタ１５２に接続され、他端はレシーバ１５３に接続されている。トランスミッタ１５２は、レシーバ１５３によって受信されるよう、データをファイバ１５１に送信する。
【００７５】
ケーブル１５０はまた、結合点１５７において単一モード・ファイバ１５６に結合されるマルチモード・ファイバ１５５を含んでいる。更なる単一モードのファイバ１５８が、１５９においてマルチモード・ファイバ１５５に結合される。ファイバ１５５、１５６及び１５８は、ケーブル１５０内でループ形態に形成され、それによりファイバ１５５、１５６及び１５８によって形成される連続ファイアの端１６０及び１６１は互いに隣接している。
【００７６】
前述したように、対向伝播信号は、ファイバ１５５、１５６及び１５８の２つの端１６０及び１６１内に発進され、検出器（図示せず）は、２つの端１６０及び１６１から発する２つの対向伝播信号を検出するように配列されている。
【００７７】
ファイバ１５１に物理的にアクセスするようケーブル１５０に乱入する何等かの試みは、感知ファイバであるマルチモード・ファイバ１５５を必然的に乱し、従って、２つの対向伝播摂動信号が生成されて、前述した態様で端部１６０及び１６１において検出されるであろう。２つの変更されたもしくは摂動信号の受信間の時間差を決定することにより、試みられた乱入の場所が決定され得る。
【００７８】
図８に示された好適な実施例において、ファイバ１５５、１５６及び１５８が互いにループバックし、２つの端１６０及び１６１が互いに隣接しているけれども、ファイバ１５１と概して平行に走る単一の感知マルチモード・ファイバを設け、ケーブル１５０の反対の端からファイバの両端に光を発進させ、両端からの光を検出し、そして時間差を得て試みられた乱入の位置を見つけるように光検出器を同期させることも可能であろう。
【００７９】
好適な実施例の例
本発明の好適な実施例は、以下の例に示されるように検査されてきた。光ファイバ伝送対向伝播信号法及び関連のシステムは、ここに記載された本発明を生成する実行可能性を示すように構成された。以下に詳細にされるものは今日までに得られた結果の全てではない。
【００８０】
例：モダルメトリック効果を用いた障害の点の場所
マルチモード光ファイバが乱されるとき、モードの分配が影響されるということは長く知られている。マルチモード・ファイバにおけるモダル分配のこの変調は、モダルメトリック効果として知られている。マルチモード・ファイバにおけるモダルメトリック効果は、ファイバ自体の振動、乱入、または移動、もしくはファイバのスペックル・パターン出力における強度変化を検出することにより、ファイバが取付けられる任意の構造もしくは物体を感知して監視するために用いられ得る。従って、モダルメトリック・センサは、構造監視における振動センサとして、高電圧設備の状態監視として、ケーブルまたはパイプラインの侵入検出として、そして囲い内の周囲の安全保障として用いることができる。
【００８１】
最初に、光ファイバは、主に長距離かつ高速の電話通信システムに配備された。しかしながら、光ファイバ・ケーブル、光電子源及び検出器の価格上昇に伴い、光ファイバは今や、ＬＡＮ／ＷＡＮバックボーンのような他の多くの通信応用において、そして多くの小規模及び大規模な組織（すなわち、銀行、国防、政府、公益事業及び多国籍企業）の使用の通信ネットワークにおいて、主な搬体として使用されている。これら通信ネットワークの多くは、通信リンクの安全保障を高い優先順位にしてきた感知情報の転送に関連している。
【００８２】
モダルメトリック効果は、光ファイバ・ケーブルへの何等かの侵入もしくは光ファイバ・ケーブルに不正な変更を加えることに対して防備するよう容易かつ効果的に用いられ得る。感知がファイバ通信システムに一体化された代表的な構成が図４に示されている。
【００８３】
感知システム１００ａ（すなわち、レーザ）及び１００ｂ（検出器及びプロセッサ）、並びに通信システム２００ａ（トランスミッタ）及び２００ｂ（レシーバ）の双方は、同じ光ファイバ１０に一体化されている。感知システムの波長は、通信信号（波長多重送信を介して）と干渉しないように、かつまたファイバ・リンクが感知波長に対してマルチモード化されるように選択される。幾つかの他の形態が可能であるが、それらは全て同じ原理で働く。モダルメトリック処理ユニットはファイバ・リンクに沿った任意の点において任意の摂動を検出するであろう。
【００８４】
今までの所、モダルメトリック感知効果は、障害の正確な点を見つけることができずに、分配されたマルチモード光ファイバ感知長さに沿って障害を感知する能力を有するだけであった。発明者による最近の実験によれば、ここに説明された本発明の方法により、２つの対向伝播信号間の時間遅延を決定することによって障害を見つけることが今や可能であると言うことが示された。実験の作業を図５に示される配列に対して以下に説明する。
【００８５】
図５に記載された構成は、図１のものと同様であり、ファイバ・リンクにおける２つの対向伝播光信号Ａ¹及びＢ¹を有している。再度、感知ファイバ１０（例えば２ｋｍの長さであり、結合点１０５及び１０７間に位置する）は、ファイバ・ケーブルにおける専用のファイバであって良く、もしくは通信ファイバと同じファイバであって良い。ファイバ１０は、導波路ネットワークの端を形成する不感知リード・ファイバ１０９及び１１１に接続される。リード・ファイバ１０９は、結合１１５を介して相当な長さ（例えば５ｋｍ）の不感知ファイバ１１３に接続され、ファイバ１１３は、結合１１７を介する感知マルチモード・ファイバ１１９に１１７において結合される。ファイバ１１９は、８．８ｋｍのような相当な長さのものであって良い。示された点（点Ａ）においてマルチモード・ファイバに摂動Ｐが与えられたならば、２つの同様のもしくは同一の時間変化する光信号が、モダルメトリック効果と調和して発生され、その各々は反対方向に走行する。入力１（ＰＳＩ）と調和した摂動信号は、入力２（ＰＳ２）と調和した摂動信号がポート１（出力２）に到達する前に、ポート２（出力１）に到達する。これは、ＰＳ２が、例えば１４．７１ｋｍ（Ａからポート１までと、Ａからポート２までとの間の距離差）のＰＳ１以上の光ファイバを通して伝播することが必要であると言う事実に起因している。２つの摂動信号間の時間遅延を測定することにより、障害の場所が計算され得る。上述の構成において、１．４５７のファイバに対する屈折率を仮定すると、次に、２つの信号間の時間差は以下のように計算され得る。
【００８６】
【数７】
Δｔ＝１４．７１ｘ１０³ｍ／［（３ｘ１０⁸ｍ／秒）／（１．４５７）］
＝７１．４９μ秒
【００８７】
図５に記載された伝送対向伝播ファイバ配列に関して幾つかの測定が行われた。図２に詳細にされたものと同じ実験構成が摂動信号を測定するために用いられた。そしてヒューレット・パッカード５４８１０Ａインフィニウム（Ｉｎｆｉｎｉｕｍ）デジタル化オシロスコープが、摂動信号をサンプリングして結果の時間差を手動で測定するために用いられた。図６及び７は、このような２つのデータ取得からの結果を示す。双方の取得から分かるように、それぞれ６５μ秒及び７０μ秒として測定された、２つの摂動信号間には明瞭に遅延があり、７１．５μ秒の理論計算と良く匹敵している。誤差（事実上３００ｍ）は、ファイバの有効屈折率の値の仮定の結果であり、時間遅延の手動測定における不正確さによる。これらの誤差は、ファイバの実際の有効屈折率を知ることにより、そして時間遅延を正確に決定するためにデジタル信号処理手段を用いることにより減じることができる。
【００８８】
図９及び図１０は、本発明のさらなる実施例を示しており、それにおいて、データの双方の伝送のために共通の導波路が用いられ（例えばファイバ通信リンク）、そして該共通の導波路はファイバと干渉する何等かの試みを決定するための感知ファイバをも形成する。これらの実施例は、通信リンクを安全にすることに対して、並びに通信リンクからデータを盗聴するために通信リンクに侵入する何等かの試みを示すことに対して、特定の応用を有する。図１０は、ループ構成を示し、図９は、ループのない構成を示す。
【００８９】
図９において、光ファイバ２００は、データを１つの場所からもう１つの場所へ伝送するための通信リンクを形成する。ファイバ２００は、１５５０ｎｍの波長（データ伝送波長である）においては単一モードとされるのが好ましく、そして８５０ｎｍの波長（感知周波数である）においてはマルチモードとされるのが好ましい。データはトランスミッタ２１０からファイバ２００に発進される。トランスミッタ２１０は、一体化されたアイソレータを有するピグテール化されたレーザ・ダイオードを含んでいて良く、これによりデータ信号が１５５０ｎｍの波長において単一モードとされたファイバ２１２に発進される。ファイバ２１２は、カプラ２１６の一方の腕に接続された２１４に２１３で結合される。カプラ２１６の出力はファイバ２００に２１８で結合される。ファイバ２００は、また、カプラ２２０に２１８で結合される。カプラ２２０の腕の一方は、さらなる単一モード・ファイバ２２４に２２２で結合される単一モード化されたファイバ２２１に結合される。ファイバ２２１及び２２４は、１５５０ｎｍの波長において単一モードとされる。ファイバ２２４は、１５５０ｎｍの波長に対して感知を行う検出器２２６に接続される。
【００９０】
第１の対向伝播感知システム２４０は、単一モード・ファイバ２４１、及び結合２４３において一緒に結合されるカプラ２１６のマルチモード・ファイバ腕２４２により、カプラ２１６の他方の腕に接続される。ファイバ２４１及び２４２は、図９の実施例に用いられる感知波長である８５０ｎｍの波長においてそれぞれ単一モード化及びマルチモード化されている。対向伝播感知システム２４０は、８５０ｎｍの波長の光をファイバ２４１に発進するためのピグテール化されたレーザ・ダイオードのようなトランスミッタと、以後に説明されるような態様でファイバ２４１から発する光を検出するための検出器とを含んでいる。システム２４０は、図２を参照して説明したピグテール化されたレーザ・ダイオード２０及び検出器３０ａと同一であって良い。システム２４０は、光がピグテール化されたレーザ・ダイオードからファイバ２４１に発進されるのを可能とし、かつ検出器がファイバ２４１からの光を受信するのを可能とする適切なカプラを含んでいて良い。このように、感知光信号は、８５０ｎｍの波長で対向伝播システム２４０からファイバ２４１に発進され、トランスミッタ２１０からのデータ伝送信号とカプラ２１６において結合される。１５５０ｎｍの波長のデータ伝送信号と、８５０ｎｍの波長の感知信号との双方は、ファイバ２００を通して走行する。
【００９１】
カプラ２２０は、マルチモード・ファイバ２４９に接続される第２の腕を有し、マルチモード・ファイバ２４９は、もう１つの単一モード・ファイバ２５１に２５０において結合される。ファイバ２４９及び２５１は、８５０ｎｍの波長において、それぞれマルチモード及び単一モードとされている。ファイバ２５１は、システム２４０と同一の対向伝播感知システム２６０に接続される。このように、システム２６０は、システム２４０によって発進された信号に対してファイバ２００における対向伝播のために、８５０ｎｍまたは６７０ｎｍの波長における感知光信号をファイバ２５１及び２４９に発進し及び受信することの双方を行う。
【００９２】
ファイバ２００に沿って走行する１５５０ｎｍの波長のデータ信号は、８５０ｎｍ信号の幾つかと共にカプラ２２０によりファイバ２２１及び２２４に結合される。検出器２２６は、１５５０ｎｍの波長における信号、従ってトランスミッタ２１０から伝送されたデータだけを検出し、ＩｎＧａＡｓである。システム２４０及び２６０におけるレトラクタはＳｉタイプであり、８５０ｎｍまたは６７０ｎｍ波長に対してのみ感度を有する。
【００９３】
システム２４０及び２６０により発進された対向伝播感知信号は、８５０ｎｍまたは６７０ｎｍの波長においてマルチモードとされているファイバ２００に沿って反対方向に走行する。このように、マルチモードとされたファイバ２００は、それが８５０ｎｍまたは６７０ｎｍの波長においてマルチモードとされているので、その全長に沿って感知ファイバを形成し、従って、ファイバ２００からデータを盗聴するようファイバ２００に侵入しようとする何等かの試みは、ファイバ２００に発進された８５０ｎｍまたは６７０ｎｍの波長における光信号に対し変化を生じ、それ故、試みられた侵入によって引き起こされた障害によって変更された変更対向伝播信号は、システム２４０及び２６０の各々における検出器によって受信される。試みられた侵入の場所は、システム２４０及びシステム２６０における変更信号の受信間の時間差を決定することにより、先の実施例で説明した態様で決定され得、これによりファイバ２００の長さに沿った位置が決定され得る。
【００９４】
システム２４０及び２６０における検出器は、互いに適切に時間同期され、これにより、システム２４０における変更信号の受信と、システム２６０における変更信号の受信との間の時間差が決定され得る。
【００９５】
図１０は、図９の実施例と同様の更なる実施例を示すが、以下の点で異なっている。図１０は、２つの対向伝播感知システム２４０及び２６０を有するのではなく、単一のシステム２７０が用いられ、かつ戻りループ・ファイバ２７１がカプラ２２０に結合され、これによりファイバ２００は、図２、３、５及び８を参照して説明したのと同じ態様で単一のシステム２７０に効果的にループバックされる。ファイバ２７１は、それが不感知であるように感知波長において単一モードとされており、従って、ファイバ２００に侵入しようとする何等かの試みは、ファイバ２００に発進された対向伝播信号に対し変更を生じるが、ファイバ２７１の障害は、ファイバ２７１における信号に対して何等変更を生ぜず、従って、ファイバ２２０における試みられた侵入の点が検出され得る。
【００９６】
この実施例において、対向伝播信号は、トランスミッタ２１０から発進されるデータ信号と同時に、システム２７０からファイバ２４１に発進され、またファイバ２００に沿った対向伝播のためにファイバ２７１にも発進される。データ信号は、図９を参照して説明したのと同じ態様で検出器２２６によって受信される。この実施例は、対向伝播信号を検出するための検出器を同じ場所に配置するという長所を有し、それにより、図９の実施例におけるような異なった場所にある検出器の遠隔同期の必要性を避けている。
【００９７】
本発明の好適な実施例において、検出器によって検出された変更信号は、感知ファイバに対する障害によって変更された光信号の任意のパラメータである。該パラメータは、信号の強度であって良く、それにより対向伝播信号を検出するための検出器は、受信される信号の強度を効果的に見ることができ、そして強度が変化したとき、このことは、感知ファイバへの障害によって引き起こされた変更信号の受信を示すこととなる。
【００９８】
好適な実施例の応用
本発明の方法により為された光装置及びシステムは、広範な種々の応用及び分野において有用である。包括的ではなく、説明的に、以下の例は、ここに説明された光ファイバ感知及び配置方法の幾つかの内在的使用を示している。
【００９９】
・ 道路、レール、ダム及び橋の保守会社
・ 基本的施設の所有者、経営者及び保証人
・ パイプラインの工事会社、請負人及びオペレータ
・ 石油及び石油化学会社
・ 海岸から離れた油用機械のオペレータ及び保守会社
・ 周辺囲いまたは壁の警備会社
・ 警備会社
・ 政府及び軍隊組織
・ 電力発電及び配分産業
・ 電力、水及び燃料設備
・ 塔の所有者及びオペレータ
・ 飛行機製造者、修理者及びオペレータ
・ 非破壊鑑定会社及び設備製造者
・ Ｒ＆Ｄ会社及び研究所
・ 機器及び感知器製造者
・ スポーツ機材及び施設の製造者並びにオペレータ
・ 鉱山オペレータ
・ 艦船の所有者、オペレータ及び保証人
・ 品質保証及び安全会社
・ 建物管理会社
・ 産業設備のオペレータ及び製造者
・ 原子力プラントの製造者、所有者及びオペレータ
・ 電気通信会社またはオペレータ
・ 光ファイバ・ケーブルへの障害の検出、測定及び位置確認を必要とするあらゆる応用。
【０１００】
特許請求の範囲に記載された発明は、現存する多くの光ファイバ分配感知技術の欠点及び制限を克服する。さらに、それは、動的かつ過渡のイベントを検出して位置確認することができ、障害を見つけることができる他のほとんどの光ファイバ分配センサよりも複雑ではなくかつ低価格である。かかるシステムは、現存の技術よりも低価格で動作性及び安全性が高められたという長所を有し、プラント及び生態環境において短期間及び長期間の設備監視が可能である。
【０１０１】
本発明の精神及び範囲内での変更は、当業者によって容易に行われ得るので、本発明は、例によってここに説明された特定の実施例に制限されるものではないということを理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の総括的な実施例を図である。
【図２】 モダルメトリック感知技術を用いた本発明の実施例を示す図である。
【図３】 マッハツェンダ干渉計感知技術を用いた本発明の更なる実施例を示す図である。
【図４】 モダルメトリック感知技術を用いた一体化された光ファイバ感知及び通信システムを示す図である。
【図５】 本発明のさらにもう１つの実施例を示す図である。
【図６】 １４．７１ｋｍファイバ・リンクのファイバに摂動が作用する際に、図５で詳細にされた本発明の好適な実施例の方法により形成されたシステムの実際の応答を示すオシロスコープのプロットを示す図である。
【図７】 １４．７１ｋｍファイバ・リンクのファイバに摂動が作用する際に、図５で詳細にされた本発明の好適な実施例の方法により形成されたシステムの実際の応答を示すもう１つのオシロスコープのプロットを示す図である。
【図８】 モダルメトリック感知技術、及び本発明の好適な実施例の方法により形成された障害を見つけるための能力を用いた、組合わされた光ファイバ感知及び通信配列を示す図である。
【図９】 本発明の更なる実施例を示す図である。
【図１０】 本発明のさらにもう１つの実施例を示す図である。

Claims (13)

1. 構造を監視しイベントの位置を見つけるための装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光を受信する導波路（１０ａ，１０ｃ，１４）であって、その受信した光を前記導波路に沿って両方向に伝播させて、前記導波路内を両方向に伝播する対向伝播光信号を提供する前記導波路であって、当該両方向に伝播する対向伝播光信号がイベントによる変更を受けたときに、前記導波路に沿って両方向に伝播し続ける変更対向伝播光信号を生成することができる前記導波路と、
   前記イベントの位置を決定するために、前記変更対向伝播光信号をそれぞれ別々に検出し、当該別々に検出した変更対向伝播光信号の受信時間差を判定する検出器（３０ａ、３０ｂ）を含む検出器手段とを備え、前記導波路が、
   マッハツェンダ干渉計を形成するように相互に接続された第１の感知導波経路（１０ａ）及び第２の感知導波経路（１０ｃ）によって形成される導波路センサと、
   前記光源からの光を受信し、当該受信した光が、前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を第１の方向に伝播するように当該光を前記導波路センサに供給する第１のカプラ（２４）と、
   前記第１のカプラから光を受信するとともに、その光が前記第１及び第２の感知導波経路を前記第１の方向とは反対の第２の方向に伝播するように前記導波路センサと接続される第３の不感知導波経路（１４）とを備え、当該第３の不感知導波経路は、前記導波路センサの前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を前記第１の方向に伝播した光を受信して前記検出器（３０ｂ）へと伝送するものであり、反対方向である前記第１及び第２の方向に伝送された光が前記対向伝播光信号を形成する前記装置。
2. 前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を前記第３の不感知導波経路（１４）に結合する第２のカプラ（６０）であって、前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を前記第１の方向に伝播している光を前記第３の不感知導波経路（１４）に沿って前記第１の方向に前記検出器（３０ｂ）へと伝播させるべく、当該光を前記第３の不感知導波経路（１４）に供給する第２のカプラ（６０）とを備え、当該第２のカプラ（６０）は更に、前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を前記第２の方向に伝播している光が前記検出器（３０ａ）へ伝播するように、前記第３の不感知導波経路（１４）からの光を前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）へと供給する請求項１に記載の装置。
3. 前記導波路は、シリカ導波路である請求項１に記載の装置。
4. 前記光源は、前記導波路の両端に接続されて前記導波路の両端内に同時に光を供給する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記光源は、単一の光源である請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記導波路は、複数の光ファイバを備える請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 前記導波路の総伝送距離を延長し、かつ不感知リード導波路を提供する更なるシリカ導波路が前記導波路のいずれかの端もしくは両端に接続される請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 前記検出器（３０ａ、３０ｂ）は、
   前記導波路における対向伝播光信号をそれぞれ受信する第１及び第２の光検出器と、
   前記第１及び第２の光検出器からの信号を受信して、同じイベントによって変更された信号間の時間遅延を判定して感知されたイベントの位置を判定する処理手段と、
   を備えた請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 前記導波路はループ形状に設けられ、単一の光源から前記導波路の両端に同時に光が供給される請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
10. 前記検出器（３０ａ、３０ｂ）は、
    前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を前記第１の方向に伝送される光を検出するための第１の検出器（３０ｂ）と、
    前記第１の検出器とは別の第２の検出器であって、前記第１及び第２の感知導波経路（１０ａ、１０ｃ）を前記第２の方向に伝送される光を検出するための第２の検出器（３０ａ）とを備える請求項１に記載の装置。
11. 構造を監視してイベントの位置を見つける方法であって
    導波路に沿って両方向に光を伝播させて前記導波路内を両方向に伝播する対向伝播光信号を提供するように前記導波路内に光を供給する段階であって、前記導波路は、前記対向伝播光信号がイベントによる変更を受けたときに、前記導波路に沿って両方向に伝播し続ける変更対向伝播光信号を生成することができるものである、前記供給する段階と、
    変更対向伝播光信号を連続的かつ同時に監視して、イベントが生じたときに当該イベントによる変更を受けた変更対向伝播光信号を別々に検出する段階と、
    当該別々に検出された前記変更対向伝播光信号の検出時間差を判定し、前記イベントの位置を判定する段階とを備え、
    前記導波路内に光を供給する段階は、
    マッハツェンダ干渉計を形成する第１の感知導波経路及び第２の感知導波経路の両方に光を供給して第１の方向に伝送させ、前記第１及び前記第２の感知導波経路から、当該第１及び第２の感知導波経路に結合された第３の不感知導波経路に前記光を供給して前記第１の方向に伝送させる工程と、前記第３の不感知導波経路に光を供給し、その供給された光を前記第３の不感知導波経路及びそれに引き続く前記第１及び第２の感知導波経路を前記第１の方向と反対の第２の方向に伝送させる工程とを含み、反対方向である前記第１及び第２の方向に伝送される光が前記対向伝播光信号を形成する、前記方法。
12. 前記光を前記導波路の両端に供給して、前記対向伝播光信号を生成させる請求項１１に記載の方法。
13. 前記光は単一の光源から前記導波路の両端に供給される請求項１１に記載の方法。

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