JP5070874B2 - 測定装置、異常検知装置及び異常検知方法 - Google Patents

測定装置、異常検知装置及び異常検知方法 Download PDF

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Description

本発明は、ブリルアン散乱を利用して温度又は歪の状態を判断する測定装置、異常検知装置及び異常検知方法に関する。
光ファイバ内で発生するブリルアン散乱によって得られた利得を示すブリルアンゲインスペクトル（以下「ＢＧＳ」という）は、光ファイバの温度及び歪により変化する。このＢＧＳの変化を利用して光ファイバの温度又は歪を測定する技術が知られている。
下記非特許文献１には、光ファイバ内の各位置におけるＢＧＳを測定する技術が記載されている。非特許文献１に記載された技術では、まず、ポンプ光及びプローブ光を光ファイバの両端から対向入射させる。すると、ポンプ光が光ファイバ中を伝搬することによりブリルアン散乱が発生し、プローブ光がこのブリルアン散乱によってブリルアン利得を受ける。ポンプ光及びプローブ光はともに正弦波状に周波数変調されており、プローブ光は、ポンプ光とプローブ光との相関が高まる相関ピーク位置で主にブリルアン利得を得る。
光ファイバにおける相関ピーク位置を固定し、その相関ピーク位置におけるポンプ光とプローブ光との周波数差を掃引してプローブ光が受けるブリルアン利得を測定することにより、ＢＧＳを測定する。このＢＧＳの形状は、相関ピーク位置における光ファイバの温度及び歪によって変化するので、光ファイバの長手方向に沿った各位置を相関ピーク位置に設定してそれぞれＢＧＳを測定することにより、光ファイバの長手方向に沿った温度分布又は歪分布の状態を知ることができる。
Kazuo Hotate and Sean Ong Soon Leng, "A Correlation-BasedContinuous-Wave technique for measurement of dynamic strain along an opticalfiber using Brillouin scattering with fully distributed ability", TechnicalDigest of OFS-15, PD5 (2002)
ところで、超電導体は、温度、磁界、又は電流密度のいずれか１つでも臨界点を越えると、超電導状態が壊れて（常電導状態になって）発熱し、超電導体の温度が急上昇する。このような現象を防止するために、超電導体の温度分布を測定し、常時監視する必要がある。そこで、光ファイバを超電導体に巻きつけ、光ファイバの長手方向に沿った温度を非特許文献１に記載された技術を用いて測定することにより、超電導体の温度分布を測定することが考えられる。この場合、温度分布の測定速度が問題となる。
非特許文献１には、周波数差を１０．８〜１１．０ＧＨｚの範囲で掃引し、間隔２ＭＨｚ、サンプリングレート８．８Ｈｚで、プローブ光が受けるブリルアン利得を周波数差１００点に亘って測定することにより、ＢＧＳを測定した旨が記載されている。すなわち、非特許文献１に記載された方法では、光ファイバ１箇所の温度測定に約０．１１４秒かかることとなる。よって、光ファイバの長手方向に沿って１００箇所の温度測定を行って光ファイバの温度分布を測定する場合は、測定に１１．４秒程度かかることとなる。
このような非特許文献１に記載された方法による測定速度は遅いため、温度上昇の検知が遅くなり、超電導体の温度が急上昇する現象を防止することができない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光ファイバの温度又は歪の状態をより迅速に判断することが可能な測定装置、異常検知装置及び異常検出方法を提供することを目的とする。
本発明の測定装置は、ポンプ光及びプローブ光を出力する光源と、光源によって出力されたポンプ光とプローブ光とが光ファイバの両端からそれぞれ入力される光ファイバと、光ファイバからの出力され、ポンプ光が光ファイバ中を伝搬することにより発生するブリルアン散乱によって利得を得た、プローブ光を受光するフォトダイオードとを備え、光ファイバの長手方向に沿った所定の位置において、一つ以上のプローブ光とポンプ光との周波数差に対して、フォトダイオードから出力された電気信号に基づき、プローブ光が受ける利得を解析する解析部と、解析部による解析結果のプローブ光が受ける利得に基づいて、光ファイバの温度又は歪に関する異常の有無を判断する判断部と、を備え、光ファイバ内の所定の位置におけるポンプ光とプローブ光との周波数差は、所定範囲内に設定され、所定範囲は、光ファイバの温度又は歪が基準状態であるときにプローブ光が受ける利得の基準利得スペクトルにおいてピーク値をとる周波数差を含むと共に、基準利得スペクトルの線幅以下の幅に設定されることを特徴とする。
本発明の測定装置によれば、解析部によるブリルアン利得の解析は、基準利得スペクトルのピーク値をとる周波数差が含まれた所定範囲の周波数差に対してなされるので、光ファイバの温度又は歪に関する状態を判断するにあたって、十分な情報を得ることができる。そして、その解析は、基準利得スペクトルの線幅以下の所定範囲の周波数差に対してなされ、所定範囲外の周波数差に対して解析を行う必要がない。よって、ブリルアン利得の測定時間を短縮することができる。よって、より迅速に温度又は歪の状態の判断を行うことができる。
本発明の異常検知装置は、上記測定装置と、判断部の判断結果に基づいて温度又は歪の異常を報知するアラーム信号を出力するアラーム信号出力部と、を備えることを特徴とする。
本発明の異常検知装置によれば、より迅速に温度又は歪の状態の判断を行うことができ、異常を報知するアラーム信号を出力するので、異常を迅速に知らせることができる。
好ましくは、解析部は、所定範囲内の周波数差に対してプローブ光が受ける利得のスペクトルを解析し、判断部は、解析部によって解析されたスペクトルにおける極大値の有無に基づいて異常の有無を判断する。
この場合、解析部によって解析されたスペクトルに極大値が含まれていないことは、プローブ光が得るブリルアン利得のスペクトルにおいてピーク値をとる周波数差が所定値以上ずれたことを示す。これは、光ファイバの温度又は歪が所定以上変化し、異常が発生したことを意味する。よって、上記所定範囲内の周波数差に対してプローブ光が受ける利得のスペクトルにおける極大値の有無に基づいて、光ファイバの異常を的確に判断することができる。
好ましくは、解析部は、所定範囲内の周波数差に含まれる２つの周波数差に対してプローブ光が受ける利得をそれぞれ解析し、判断部は温度又は歪が基準状態となる基準利得スペクトルにおけるプローブ光が受ける所定の２つの周波数差の利得の比が所定比として設定され、、解析部によって解析された２つの利得の比と、所定比とを比較することにより、異常の有無を判断する。
この場合、解析部によって解析された２つの利得の比が、所定比に対して所定値以上ずれていることは、プローブ光が得るブリルアン利得のスペクトルが所定以上変化したことを示す。これは、光ファイバの温度又は歪が所定以上変化し、異常が発生したことを意味する。よって、解析部によって解析された２つの利得の比と、所定比とを比較することにより、光ファイバの異常を的確に判断することができる。
好ましくは、解析部は、所定範囲内の周波数差に含まれる１つの周波数差に対してプローブ光が受ける利得を解析し、判断部は、温度又は歪が基準状態となる基準利得スペクトルにおけるプローブ光が受ける所定の周波数差の利得が所定値として設定され、解析部によって解析された１つの利得と、所定値とを比較することにより、異常の有無を判断する。
この場合、解析部によって解析された１つの利得が、所定値に対して所定値以上ずれていることは、プローブ光が得るブリルアン利得のスペクトルが所定以上変化したことを示す。これは、光ファイバの温度又は歪が所定以上変化し、異常が発生したことを意味する。よって、解析部によって解析された１つの利得と、所定値とを比較することにより、光ファイバの異常を的確に判断することができる。
好ましくは、光源から出力されたポンプ光とプローブ光とを分岐する第１のカプラと、第１のカプラによって分岐されたポンプ光又はプローブ光に遅延を与えて前記光ファイバへ出力する遅延手段と、光ファイバにおいて利得を得て前記光ファイバから出力されたプローブ光を取り出すための第２のカプラと、第２のカプラから出力されたプローブ光を受光するフォトダイオードと、を備え、光源は、ポンプ光及びプローブ光を交互に出力する１台の光源である。
この場合、１台の光源からポンプ光とプローブ光とを交互に出力するので、その周波数差を精緻に制御することが可能となる。そして、光源から出力されたポンプ光とプローブ光とが第１のカプラによって分岐され、遅延手段によって遅延が与えられることにより、ポンプ光とプローブ光が光ファイバに入射するタイミングを調整することができる。続いて、光ファイバにおいて利得を得たプローブ光が、第２のカプラによって分岐されることにより取り出され、フォトダイオードによって受光される。フォトダイオードから出力される電気信号に基づいて、解析部が上記解析を行うこととなる。このようにすることにより、精度よく解析を行うことができ、異常を的確に判断することができる。
本発明の異常検知方法は、光ファイバを被測定物に配置し、上記測定装置又は上記異常検知装置を用いて被測定物の異常を検知する。この場合、被測定物の温度又は歪の変化に応じて光ファイバの温度又は歪が変化するので、光ファイバの異常を判断することにより、被測定物の異常を判断することができる。
本発明によれば、光ファイバの温度又は歪の状態をより迅速に判断することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態に係る異常検知装置は、ブリルアン散乱現象を利用して被測定物の温度分布又は歪分布の異常を検知し、アラーム信号を発信する装置である。ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ中を光（ポンプ光）が伝搬するとき、ポンプ光によってファイバ中に音響波が発生し、そのポンプ光と音響波の相互作用により、ポンプ光の一部が低周波数側にシフトされると共に後方へ散乱される現象である。
例えばＢＯＣＤＡ（Brillouin OpticalCorrelation Domain Analysis）を用いる場合、ポンプ光と対向してプローブ光を光ファイバに入力すると、ポンプ光とプローブ光との相関が高まる相関ピーク位置で、ブリルアン散乱によってプローブ光が利得を得る。このプローブ光が受ける利得は、相関ピーク位置におけるポンプ光とプローブ光との周波数差νと、相関ピーク位置における光ファイバの温度及び歪によって変化する。
光ファイバにおける相関ピーク位置を固定し、その相関ピーク位置におけるポンプ光とプローブ光との周波数差νを掃引してプローブ光が受けるブリルアン利得を測定することにより、ＢＧＳを得ることができる。ＢＧＳは、式（１）で示されるローレンツ型スペクトルである。
Figure 0005070874
式（１）において、ｇＢ（ν）はプローブ光が受けたブリルアン散乱による利得を示し、ｇ０はピーク値を示し、νＢはピーク値をとる周波数差νを示し、ΔνＢは半値全幅を示す。
このＢＧＳの形状は、相関ピーク位置における温度及び歪によって変化するので、図１に示すように、光ファイバの長手方向に沿った各位置を相関ピーク位置に設定してＢＧＳを測定することにより、光ファイバの温度分布又は歪分布の状態を知ることができる。図１は、光ファイバにおける長手方向の各位置におけるＢＧＳを示すグラフである。図１は、Ｘ軸が周波数差νを示し、Ｙ軸が利得の強度を示し、Ｚ軸が光ファイバにおける長手方向の位置Ｚ１〜Ｚｍを示す。
相関ピーク位置が位置Ｚ１となるように設定してポンプ光とプローブ光とを光ファイバに対向入射させると共に、ポンプ光とプローブ光の周波数差νを掃引して、プローブ光が得たブリルアン利得を測定することにより、ＢＧＳ１を得ることができる。同様にして光ファイバの各位置Ｚ２〜ＺｍについてそれぞれＢＧＳ２〜ＢＧＳｍを得ことができる。
本実施形態に係る異常検知装置は、ＢＯＣＤＡを用いて、光ファイバの長手方向に沿った各位置でプローブ光が得たブリルアン利得を測定することにより、光ファイバの温度分布又は歪分布の異常を検知する。図２は、本実施形態に係る異常検知装置の構成を示す図である。
本実施形態に係る異常検知装置１は、光源３を備え、この光源３は、次のようにしてポンプ光及びプローブ光を出力する。まず、波形発生器６から矩形波状の直接周波数変調をかけてＬＤ５を発振させることにより、一つのＬＤ５から時分割で交互にポンプ光とプローブ光とを発生させる。矩形波状直接周波数変調の振幅は１０〜１１ＧＨｚ程度であり、高周波側をポンプ光として用い、低周波側をプローブ光として用いる。直接周波数変調の振幅は、光源３から出力される際におけるポンプ光の中心周波数とプローブ光の中心周波数との周波数差νに相当する。光源３は、直接周波数変調の振幅を変化させることにより、周波数差νを制御する。本実施形態では、１台の光源３を用いてポンプ光とプローブ光とを出力するので、ポンプ光とプローブ光との周波数差を精緻に制御可能となる。
直接周波数変調の波形には、波形発生器６によって振幅１GHz程度の正弦波成分が加えられる。光源３は、このポンプ光とプローブ光とに加えられた正弦波成分の位相差を制御することにより、センシングファイバ１７においてポンプ光とプローブ光との周波数差νが常に一定となる相関ピーク位置を制御する。プローブ光は、相関ピーク位置において主にブリルアン利得を得るので、相関ピーク位置におけるブリルアン利得を測定する。
ＬＤ５から出力されたポンプ光およびプローブ光はカプラ７で２つの経路に分岐される。カプラ７によって分岐された一方の光は、偏波コントローラ９を通過し、続いて強度変調器１１を通過する。強度変調器１１では周期的にゲートの開閉が行われ、ポンプ光のみが取り出される。取り出されたポンプ光は、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）１３により光強度を増幅された後、アイソレータ１５を通過し、異常検知装置１が備えるセンシングファイバ１７へ導光される。
カプラ７によって分岐された他方の光は、プローブ光として使用される。ポンプ光と同時にプローブ光がセンシングファイバ１７を通過するように、プローブ光はファイバディレイ１９を通過することにより時間遅延が与えられる。遅延が与えられたプローブ光は、偏波コントローラ２０を通過し、続いてアイソレータ２１を通過して、ポンプ光導入端とは反対の端からセンシングファイバ１７へ導入される。
このようにして光源３から出力されたポンプ光とプローブ光とは、センシングファイバ１７の両端からそれぞれ対向入力される。そして、ポンプ光が、センシングファイバ１７内を伝搬することによりブリルアン散乱が発生する。このブリルアン散乱により、主に相関ピーク位置においてプローブ光が利得を得る。
ブリルアン散乱による利得を得たプローブ光は、ポンプ光導入端から出射され、センシングファイバ１７とアイソレータ１５との間に配置されたカプラ２３を通して取り出される。取り出されたプローブ光は、光フィルタ２５によってプローブ光以外の成分が除去され、ブリルアン散乱による利得を得たプローブ光のみが取り出される。このプローブ光は、ＰＤ２７に受光されて電気信号に変換される。各周波数差に設定されたポンプ光とプローブ光とがセンシングファイバ１７に対向入射することによりブリルアン利得を得たプローブ光をＰＤ２が受光することにより、ＢＧＳが測定される。そして、ブリルアン利得を得たプローブ光の電気信号は、ロックインアンプ２９に入力される。ロックインアンプ２９では、強度変調器１１と同期した同期検出を行う。更にロックインアンプ２９に入力された電気信号は増幅され、コンピュータ３１へ入力される。
異常検知装置１が備えるコンピュータ３１は、ハードウエアとしてＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ、ハードディスク等を備えて、解析部３３、異常判断部３５、及び報知部３７として機能する。
解析部３３は、ブリルアン利得を得たプローブ光の電気信号を入力して、プローブ光がブリルアン散乱によって得たブリルアン利得を解析する。異常判断部３５は、解析部３３による解析結果に基づいて、センシングファイバ１７の温度又は歪の異常を判断する。報知部３７は、異常判断部３５が異常と判断した場合に、異常を報知するアラーム信号を出力し、異常を報知する。なお、本実施形態に係る測定装置は、上述した光源３、解析部３３、及び異常判断部３５を備えて構成される。
異常検知装置１では、図３に示すようにセンシングファイバ１７を被測定物Ｍに対して配置して、被測定物Ｍの温度又は歪の異常を検知する。図３は、本実施形態に係る異常検知装置が備えるセンシングファイバの配置例を示す図である。
被測定物Ｍは、例えば、高温超電導モータの超電導コイルである。超電導コイルを超電導状態に保つためには、超電導材を一定温度以下に保つ必要がある。また、超電導材に流すことのできる電流は、超電導材の温度に依存する。これらの理由から、超電導コイルの温度分布を測定することは重要である。被測定物Ｍは、超電導材をリール状に巻いて環状に形成された複数巻のリールを重ねて中空円筒状に形成されている。
センシングファイバ１７は、被測定物Ｍの内側面及び外側面に沿って螺旋状に巻かれて、各リールの内側面及び外側面をそれぞれ１周するように設置されている。このようにして、センシングファイバ１７の長手方向に沿った各位置が被測定物Ｍの各位置と対応するように配置することが好ましい。
引き続いて、上述した異常検知装置１による第１〜第３の異常検知方法について説明する。
（第１の異常検知方法）
第１の異常検知方法では、光源３は、ポンプ光とプローブ光との周波数差νを所定範囲内で掃引し、解析部３３は、所定範囲内の周波数差νに対しプローブ光が受けるブリルアン利得を解析する。図４は、本実施形態に係る第１の異常検知方法を説明するためのグラフである。図４において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある相関ピーク位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度である。
図４に破線曲線で示すＢＧＳは、センシングファイバ１７の温度及び歪が基準状態であるときの基準ＢＧＳａである。基準状態とは、センシングファイバ１７が配置された被測定物Ｍの温度が正常な状態である。基準ＢＧＳａにおける極大値は、ピーク値ｇ０であり、ピーク値ｇ０をとる周波数差νがピーク周波数差νＢである。
上述した所定範囲は、基準ＢＧＳａにおけるピーク周波数差νＢを含む周波数差νstartから周波数差νstopまでの範囲に設定される。かつ、所定範囲の幅は、基準ＢＧＳａの線幅以下の幅に設定される。好ましくは、所定範囲の幅は、被測定物Ｍの正常温度範囲においてセンシングファイバ１７を用いてＢＧＳを測定した場合に得られるピーク周波数差のシフト量に基づいて設定される。
被測定物Ｍが超電導コイルである場合、超電導コイルは液体窒素に浸けられて運転されており、被測定物Ｍの温度が６７〜７７Ｋの範囲であれば、高温超電導モータが正常に運転していると言える。この場合は、周波数差νstartがセンシングファイバ１７の温度が６７Ｋであるときのピーク周波数差に設定され、周波数差νstopがセンシングファイバ１７の温度が７７Ｋであるときのピーク周波数差に設定されることが望ましい。このときの所定範囲の幅は、数ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度である。もちろん、温度のマージンを見て所定範囲の幅をより狭く設定してもよい。
解析部３３は、センシングファイバ１７の各位置において、周波数差νstartから周波数差νstopまでの範囲のブリルアン利得を解析し、各位置に対応するＢＧＳｂを得る。ＢＧＳｂは、図１に示すＢＧＳ１の一部分に相当する。異常検知装置１における異常の検知プロセスにおいて、解析部３３は通常、所定範囲外の周波数差νに対してブリルアン利得を解析しない。
異常判断部３５は、解析部３３が解析したＢＧＳｂにおいて極大値Ｐがあるか否かに基づいて、異常を判断する。異常判断部３５が異常を判断するに当たって、利用する解析部３３による解析結果は、所定範囲内の周波数差νを有するポンプ光とプローブ光とを用いて解析部３３によって解析された結果であって、所定範囲外の周波数差νを有するポンプ光とプローブ光とを用いて解析部３３によって解析された結果を含まない。
ＢＧＳｂに極大値Ｐがある場合、ピーク値が所定範囲内に存在し、センシングファイバ１７の温度変化は基準状態から所定値以内であることを意味する。よって、異常判断部３５は、図４に示すように、解析したＢＧＳｂに極大値Ｐがある場合に異常なしと判断する。ＢＧＳｂが単純増加又は単純減少であって極大値Ｐがない場合、ピーク値が所定範囲外に存在し、センシングファイバ１７の温度又は歪が基準状態から所定値より大きく変化したことを意味する。よって、異常判断部３５は、極大値Ｐがない場合に異常ありと判断する。
異常判断部３５は、極大値Ｐがある場合に、そのピーク周波数差に基づいて、センシングファイバ１７の温度を測定する。具体的には、異常判断部３５は、予めピーク周波数差とセンシングファイバ１７の温度とを関連付けたデータベースを格納し、そのデータベースにおいて測定したピーク周波数差と関連付けられた温度を温度測定値とする。
引き続いて、第１の異常検知方法を用いた場合の異常検知装置１の動作について説明する。測定が開始されると、まず、相関ピーク位置がセンシングファイバ１７の測定開始位置となるように、ポンプ光とプローブ光の位相差が光源３によって設定される。そして、ポンプ光とプローブ光との周波数差νを周波数差νstartから周波数差νstopまで掃引して、所定範囲内のＢＧＳｂを解析部３３によって解析する。
解析されたＢＧＳｂにおいて極大値Ｐがあるか否かに基づいて、異常判断部３５によって異常の有無が判断される。異常判断部３５によって異常が無いと判断された場合は、相関ピーク位置が次の測定位置となるように設定される。このように異常判断部３５によって異常が無いと判断されると、次々にセンシングファイバ１７の長手方向に沿った各位置のＢＧＳｂが測定され、異常が判断される。いずれかの位置で、異常判断部３５によって異常ありと判断された場合は、異常を報知するアラーム信号が、アラーム信号出力部によって出力される。
例えば、アラーム信号に応じて、超電導モータの制御部（図示せず）は、超電導コイル（被測定物Ｍ）の温度が下がるように制御してもよいし、又は、超電導モータの運転をＯＦＦにするように設定してもよい。このようにして、超電導コイルの焼損を防ぐことができる。
以上説明した異常検知装置１によれば、解析部３３によるブリルアン利得の解析は、基準利得スペクトルのピーク値をとる周波数差が含まれた所定範囲の周波数差に対してなされるので、センシングファイバ１７の温度又は歪に関する状態を判断するにあたって、十分な情報を得ることができる。そして、その解析は、基準利得スペクトルの線幅以下の所定範囲の周波数差に対してなされ、所定範囲外の周波数差に対して解析を行う必要がないので、ブリルアン利得の測定及び解析時間を短縮することができる。これにより、より迅速に温度又は歪の状態の判断を行うことができる。更に、異常を報知するアラーム信号を出力するので、異常を迅速に知らせることができる。
解析部３３は、所定範囲内の周波数差に対してプローブ光が受ける利得のスペクトルを解析し、異常判断部３５は、解析部３３によって解析されたスペクトルにおける極大値の有無に基づいて異常の有無を判断する。この場合、解析部３３によって解析されたスペクトルに極大値が含まれていないということは、プローブ光が得るブリルアン利得のスペクトルにおいてピーク値をとる周波数差が所定値以上ずれたことを示す。これは、センシングファイバ１７の温度又は歪が所定以上変化したことを意味する。すなわち、上記所定範囲内の周波数差に対してプローブ光が受ける利得のスペクトルにおける極大値の有無に基づいて、センシングファイバ１７の温度異常を的確かつ迅速に判断することができる。
そして、センシングファイバ１７を被測定物Ｍに配置しているので、被測定物Ｍの温度変化に応じてセンシングファイバ１７の温度が変化するので、センシングファイバ１７の異常を判断することにより、被測定物の異常を判断することができる。
例えば、間隔２ＭＨｚ、サンプリングレート８．８Ｈｚで、ブリルアン利得を測定し、解析する場合について、従来の装置と本実施形態に係る異常検知装置１とを比較する。従来の装置では、ブリルアン利得を周波数差１０．８〜１１．０ＧＨｚの範囲で掃引して、図１に示すように裾野の部分も含めてＢＧＳ全体を解析する。よって、従来の装置では、センシングファイバ１箇所の温度状態を把握するのに、ブリルアン利得を１００点の周波数差において測定及び解析を行うこととなる。すなわち、センシングファイバ１箇所の温度状態を把握するのに、約０．１秒かかる。よって、センシングファイバの長手方向に沿って１００箇所の温度測定を行ってセンシングファイバの温度分布を測定する場合は、測定に１０秒程度かかることとなる。
それに対して、本実施形態に係る異常検知装置１では、被測定物Ｍの温度正常範囲が１０℃である場合、汎用的なシングルモードファイバでは温度変化に対するピーク周波数の変化が1MHz/℃程度なので、所定範囲の幅νstop−νstartは１０ＭＨｚ程度である。このとき、センシングファイバ１箇所の温度状態を把握するのに、ブリルアン利得を５点の周波数差において測定し、解析することとなる。１つの周波数差においてブリルアン利得を測定して解析するのにかかる時間は１ｍｓで、センシングファイバ１７の長手方向に沿って１００箇所の温度測定を行ってセンシングファイバの温度分布を測定する場合は、測定に１ｍｓ×５×１００=０．５ｓ程度かかる。すなわち、本実施形態の異常検知装置では、０．５秒間隔で温度異常検知ができ、従来の装置より、２０倍程度細かい時間間隔で異常を検知することができる。
また、従来の装置のように、広い周波数範囲でブリルアン利得を測定しようとすると、光フィルタの透過波長を変化させる必要がある。それに対して、本実施形態の異常検知装置１では、測定及び解析する周波数範囲を所定範囲の狭い範囲に抑えるので、光フィルタ２５の透過波長は固定できる。つまりより安価かつシンプルな装置を提供することができる。
また、直接周波数変調においては、ＬＤへの印加電流を変えることにより周波数差を変えるので、測定する周波数範囲が広いと、印加電流と発振周波数との線形性が保たれないことがある。本実施形態の異常検知装置１では、周波数範囲が従来の装置より狭いので、線形性が高く保たれる。これにより、光源３において周波数差νを精度よく制御することができる。
上記実施形態では、所定範囲の幅を基準ＢＧＳａの線幅以下とした。例えば、所定範囲の幅は、ＢＧＳの10%全幅（ブリルアン利得がピーク値の10%となるときの全幅）以下であっても良い。センシングファイバ１７として汎用的なシングルモードファイバを用いた場合、ＢＧＳの10%全幅は90MHz程度である。また、例えば、所定範囲の幅は、ＢＧＳのBGSの20%全幅（ブリルアン利得がピーク値の20%となるときの全幅）以下であっても良い。センシングファイバ１７として汎用的なシングルモードファイバを用いた場合、ＢＧＳの２０%全幅は60MHz程度である。
また、例えば、所定範囲の幅は、BGSの半値全幅以下であっても良い。センシングファイバ１７として汎用的なシングルモードファイバを用いた場合、ＢＧＳの半値全幅は30MHz程度である。また、例えば、所定範囲の幅は、BGSの半値幅以下であっても良い。センシングファイバ１７として汎用的なシングルモードファイバを用いた場合、ＢＧＳの半値幅は15MHz程度である。
（第２の異常検知方法）
第２の異常検知方法では、各測定位置に対して、解析部３３は、上記所定範囲に含まれる２つの周波数差ν１，ν２に対してプローブ光が受けるブリルアン利得ｇ１ｂ，ｇ２ｂをそれぞれ解析する。異常判断部３５は、解析部３３によって解析された２つのブリルアン利得ｇ１ｂ，ｇ２ｂの比ｇ１ｂ／ｇ２ｂと、所定比とを比較することにより、異常の有無を判断する。上記所定比は、センシングファイバ１７の温度及び歪が基準状態（正常状態）であるときに得られる基準ＢＧＳａにおける周波数差ν１のブリルアン利得ｇ１と周波数差ν２のブリルアン利得ｇ２との比ｇ１／ｇ２である。
図５は、本実施形態に係る第２の異常検知方法を説明するためのグラフである。図５において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある相関ピーク位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。図５において示す破線曲線は、基準状態で得られる基準ＢＧＳａである。２点鎖線で示す曲線は、周波数差をＢＧＳの線幅程度の範囲で掃引して測定した場合のＢＧＳｂを示す。
例えば、図５に示すように周波数差ν１を基準ＢＧＳａのピーク値をとる周波数差に設定すると、ブリルアン利得ｇ１は基準ＢＧＳａにおいて最大値となるので、所定比ｇ１／ｇ２は最大となる。よって、解析した比ｇ１ｂ／ｇ２ｂが所定比ｇ１／ｇ２より小さくなるほど、センシングファイバ１７の温度及び歪が基準状態からずれていることとなる。
この場合、異常判断部３５は、解析した比ｇ１ｂ／ｇ２ｂと所定比ｇ１／ｇ２とを比較し、比ｇ１ｂ／ｇ２ｂが所定比ｇ１／ｇ２の所定割合以下になると、異常ありと判断する。異常判断部３５は、比ｇ１ｂ／ｇ２ｂが所定比ｇ１／ｇ２の所定割合より大きいと、異常なしと判断する。このようにすることにより、センシングファイバ１７の温度異常を的確に判断することができる。特に、この第２の異常検知方法は、被測定物Ｍの正常温度幅がより狭いときであっても、感度よく測定することができる。
異常検知装置１において第２の異常検知方法を用いると、２つの周波数差ν１，ν２に対するブリルアン利得を測定及び解析することで異常を判断できるので、異常の検知間隔を短くすることができる。例えば、１つのブリルアン利得を測定するのにかかる時間が１ｍｓ程度であって、センシングファイバ１７の長手方向に沿って１００箇所の温度測定を行ってセンシングファイバの温度分布を測定する場合は、測定に１ｍｓ×２回×１００箇所=０．２ｓ程度かかる。すなわち、本実施形態の異常検知装置では、０．２秒間隔で温度異常検知ができる。
図６，７は、本実施形態に係る第２の異常検知方法の変形例を説明するためのグラフである。図６，７において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある相関ピーク位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。
例えば、図６に示すように周波数差ν１及び周波数差ν２を、両者の平均が基準ＢＧＳａのピーク周波数となるように設定すると、所定比ｇ１／ｇ２は１となる。この場合、図６に示すように、センシングファイバ１７の温度が高くなると、ＢＧＳｂは高周波側にシフトし、解析した比ｇ１ｂ／ｇ２ｂは小さくなる。また、図７に示すように、センシングファイバ１７の温度が低くなると、ＢＧＳｂは低周波側にシフトし、解析した比ｇ１ｂ／ｇ２ｂは大きくなる。
異常判断部３５は、解析した比ｇ１ｂ／ｇ２ｂと所定比ｇ１／ｇ２とを比較し、比ｇ１ｂ／ｇ２ｂが１の所定割合より小さく又は大きくなると異常ありと判断する。異常判断部３５は、解析した比ｇ１ｂ／ｇ２ｂと所定比ｇ１／ｇ２とを比較し、比ｇ１ｂ／ｇ２ｂが１の所定割合内の変化ならば、異常なしと判断する。
解析する周波数差ν1と周波数差ν2との差は、ＢＧＳ半値全幅以下でも良い。例えば、汎用的なシングルモードファイバでは、ＢＧＳ半値全幅である３０ＭＨｚ以下となるように設定することが好ましい。
（第３の異常検知方法）
第３の異常検知方法では、各測定位置に対して、解析部３３は、上記所定範囲に含まれる１つの周波数差ν１に対してプローブ光が受ける利得を解析する。異常判断部３５は、解析部３３によって解析された１つの利得ｇ０ａと、所定値とを比較することにより、異常の有無を判断する。この所定値は、センシングファイバ１７の温度及び歪が基準状態（正常状態）であるときに得られる基準ＢＧＳａにおける周波数差ν１のブリルアン利得ｇ１である。
図８は、本実施形態に係る第３の異常検知方法を説明するためのグラフである。図８において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある相関ピーク位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。図８において示す破線曲線は、基準状態で得られる基準ＢＧＳａである。２点鎖線で示す曲線は、周波数差をＢＧＳの線幅程度の範囲で掃引して測定した場合のＢＧＳｂを示す。
例えば、図８に示すように周波数差ν１を基準ＢＧＳａのピーク値をとる周波数差νＢに設定すると、ブリルアン利得ｇ１は基準ＢＧＳａにおいて最大値（ピーク値ｇ０）をとる。よって、解析されるブリルアン利得ｇ０ａが所定値（ピーク値ｇ０）より小さくなるほど、センシングファイバ１７の温度及び歪が基準状態からずれていることとなる。
異常判断部３５は、周波数差ν１（νＢ）に対して測定したブリルアン利得ｇ０ａと所定値ｇ０を比較し、ブリルアン利得ｇ０ａが所定値ｇ０の所定割合以下になると、異常ありと判断する。異常判断部３５は、ブリルアン利得ｇ０ａが所定値ｇ０の所定割合内であれば、異常なしと判断する。このようにすることにより、センシングファイバ１７の温度異常を的確に判断することができる。特に、この第３の異常検知方法は、高い測定速度が要求される場合に有効である。
異常検知装置１において第３の異常検知方法を用いて測定すると、１つの周波数差ν１に対するブリルアン利得を測定し解析することで異常を判断できるので、異常の検知間隔を短くすることができる。例えば、１つのブリルアン利得を測定するのにかかる時間は１ｍｓで、センシングファイバ１７の長手方向に沿って１００箇所の温度測定を行ってセンシングファイバの温度分布を測定する場合は、測定に１ｍｓ×１００箇所=０．１ｓ程度かかる。すなわち、本実施形態の異常検知装置では、０．１秒間隔で温度異常検知ができる。
図９は、本実施形態に係る第３の異常検知方法の第１の変形例を説明するためのグラフである。図９において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある相関ピーク位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。
図９に示すように、周波数差ν１を上述した所定範囲内の高周波側、かつ基準ＢＧＳａにおいてブリルアン利得ｇ１が比較的小さい値に設定する。この場合、センシングファイバ１７の温度が上昇し、ＢＧＳｂが高周波側にシフトすると、解析されるブリルアン利得ｇ１ａは所定値ｇ１より大きくなり、センシングファイバ１７の温度が基準状態からずれていることが検知できる。
この場合、異常判断部３５は、周波数差ν１に対して解析したブリルアン利得ｇ１ａと所定値ｇ１を比較し、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定倍以上になると、異常ありと判断する。異常判断部３５は、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定倍より小さければ、異常なしと判断する。
例えば、センシングファイバ１７が正常温度範囲内の最高温度であるときに周波数差ν１において得られるブリルアン利得ｇ１を基準値として設定すれば、センシングファイバ１７が正常温度範囲より高温になったことを直ちに検知することができる。
図１０は、本実施形態に係る第３の異常検知方法の第２の変形例を説明するためのグラフである。図１０において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある相関ピーク位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。
図１０に示すように周波数差ν１を上述した所定範囲内の高周波側、かつ基準ＢＧＳａにおいてブリルアン利得ｇ１が比較的大きい値に設定する。この場合、センシングファイバ１７の温度が低下し、ＢＧＳｂが低周波側にシフトすると、解析されるブリルアン利得ｇ１ａは所定値ｇ１より小さくなり、センシングファイバ１７の温度が基準状態からずれていることが検知できる。
この場合、異常判断部３５は、周波数差ν１に対して解析したブリルアン利得ｇ１ａと所定値ｇ１とを比較し、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定割合以下になると、異常ありと判断する。異常判断部３５は、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定割合より大きければ、異常なしと判断する。
例えば、センシングファイバ１７が正常温度範囲内の最低温度であるときに周波数差ν１において得られるブリルアン利得ｇ１を基準値として設定すれば、センシングファイバ１７が正常温度範囲より低温になったことを直ちに検知することができる。
図１１は、本実施形態に係る第３の異常検知方法の第３の変形例を説明するためのグラフである。図１１において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある測定位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。
図１１に示すように周波数差ν１を上述した所定範囲内の低周波側、かつ基準ＢＧＳａにおいてブリルアン利得ｇ１が比較的大きい値に設定する。この場合、センシングファイバ１７の温度が上昇し、ＢＧＳｂが高周波側にシフトすると、解析したブリルアン利得ｇ１ａは所定値ｇ１より小さくなり、センシングファイバ１７の温度が基準状態からずれていることが検知できる。
この場合、異常判断部３５は、周波数差ν１に対して解析したブリルアン利得ｇ１ａと所定値ｇ１とを比較し、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定割合以下になると、異常ありと判断する。異常判断部３５は、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定割合より大きければ、異常なしと判断する。
図１２は、本実施形態に係る第３の異常検知方法の第４の変形例を説明するためのグラフである。図１２において、横軸は周波数差νを示し、縦軸はある測定位置でプローブ光が受けるブリルアン利得の強度を示す。
図１２に示すように周波数差ν１を上述した所定範囲内の低周波側、かつ基準ＢＧＳａにおいてブリルアン利得ｇ１が比較的小さい値に設定する。この場合、センシングファイバ１７の温度が低下し、ＢＧＳｂが低周波側にシフトすると、解析したブリルアン利得ｇ１ａは所定値ｇ１より大きくなり、センシングファイバ１７の温度が基準状態からずれていることが検知できる。
この場合、異常判断部３５は、周波数差ν１に対して解析したブリルアン利得ｇ１ａと所定値ｇ１とを比較し、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定倍以上になると、異常ありと判断する。異常判断部３５は、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１の所定倍より小さければ、異常なしと判断する。
例えば、周波数差ν１を上述した所定範囲内の最小の周波数差に設定すると、ｇ１は所定範囲内低周波側の最小値をとる。よって、ブリルアン利得ｇ１ａが所定値ｇ１より大きくなるほど、センシングファイバ１７の温度及び歪が基準状態からずれていることとなる。
上記本実施形態では、被測定物Ｍを超電導コイルとしたが、本発明に係る異常検知装置の測定対象物は、超電導体に限られない。また、上記実施形態では、異常検知装置１を温度異常を検知する装置として説明したが、異常検知装置１は、歪変化に対しても同様に測定することができ、歪異常を検知する装置として用いることができる。また、上記実施形態では、異常検知装置１はＢＯＣＤＡを用いてブリルアン利得を測定することとしたが、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）、ＢＯＴＤＡ（Brillouin OpticalTime Domain Analysis）を用いて測定してもよい。
一般的なＢＯＣＤＡによるＢＧＳ測定結果を示すグラフである。 本実施形態に係る異常検知装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る異常検知装置が備えるセンシングファイバの配置例を示す図である。 本実施形態に係る第１の異常検知方法を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第２の異常検知方法を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第２の異常検知方法の変形例を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第２の異常検知方法の変形例を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第３の異常検知方法を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第３の異常検知方法の第１の変形例を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第３の異常検知方法の第２の変形例を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第３の異常検知方法の第３の変形例を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る第３の異常検知方法の第４の変形例を説明するためのグラフである。
符号の説明
１…異常検知装置、３…光源、７…カプラ（第１のカプラ）、１７…センシングファイバ（光ファイバ）、１９…ファイバディレイ、２３…カプラ（第２のカプラ）、２７…ＰＤ（フォトダイオード）、３３…解析部、３５…異常判断部（判断部）、３７…報知部（アラーム信号出力部）、Ｍ…被測定物。

Claims (7)

  1. ポンプ光及びプローブ光を出力する光源と、
    前記光源によって出力された前記ポンプ光と前記プローブ光とが光ファイバの両端からそれぞれ入力される光ファイバと、
    前記光ファイバからの出力され、前記ポンプ光が前記光ファイバ中を伝搬することにより発生するブリルアン散乱によって利得を得た、前記プローブ光を受光するフォトダイオードとを備え、
    前記光ファイバの長手方向に沿った所定の位置において、一つ以上の前記プローブ光と前記ポンプ光との周波数差に対して、前記フォトダイオードから出力された電気信号に基づき、前記プローブ光が受ける利得を解析する解析部と、
    前記解析部による解析結果の前記プローブ光が受ける利得に基づいて、前記光ファイバの温度又は歪に関する異常の有無を判断する判断部と、を備え、
    前記光ファイバ内の前記所定の位置における前記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差は、所定範囲内に設定され、
    前記所定範囲は、前記光ファイバの温度又は歪が基準状態であるときに前記プローブ光が受ける利得の基準利得スペクトルにおいてピーク値をとる周波数差を含むと共に、前記基準利得スペクトルの線幅以下の幅に設定されることを特徴とする測定装置。
  2. 請求項１に記載の測定装置と、
    前記判断部の判断結果に基づいて温度又は歪の異常を報知するアラーム信号を出力するアラーム信号出力部と、
    を備えることを特徴とする異常検知装置。
  3. 前記解析部は、前記所定範囲内の前記周波数差に対して前記プローブ光が受ける利得のスペクトルを解析し、
    前記判断部は、前記解析部によって解析された前記スペクトルにおける極大値の有無に基づいて前記異常の有無を判断することを特徴とする請求項２記載の異常検知装置。
  4. 前記解析部は、前記所定範囲内の前記周波数差に含まれる２つの周波数差に対して前記プローブ光が受ける利得をそれぞれ解析し、
    前記判断部は、温度又は歪が基準状態となる基準利得スペクトルにおける前記プローブ光が受ける所定の２つの周波数差の利得の比が所定比として設定され、前記解析部によって解析された２つの利得の比と、前記所定比とを比較することにより、前記異常の有無を判断することを特徴とする請求項２記載の異常検知装置。
  5. 前記解析部は、前記所定範囲内の前記周波数差に含まれる１つの周波数差に対して前記プローブ光が受ける利得を解析し、
    前記判断部は、温度又は歪が基準状態となる基準利得スペクトルにおける前記プローブ光が受ける所定の周波数差の利得が所定値として設定され、前記解析部によって解析された１つの利得と、前記所定値とを比較することにより、前記異常の有無を判断することを特徴とする請求項２記載の異常検知装置。
  6. 前記光源から出力されたポンプ光とプローブ光とを分岐する第１のカプラと、
    前記第１のカプラによって分岐されたポンプ光又はプローブ光に遅延を与えて前記光ファイバへ出力する遅延手段と、
    前記光ファイバにおいて利得を得て前記光ファイバから出力されたプローブ光を取り出すための第２のカプラと、
    前記第２のカプラによって取り出されたプローブ光を受光するフォトダイオードと、
    を備え、
    前記光源は、前記ポンプ光及び前記プローブ光を交互に出力する１台の光源であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の異常検知装置。
  7. 前記光ファイバを被測定物に配置し、請求項１に記載の測定装置又は請求項２〜６のうちいずれか１項に記載の異常検知装置を用いて前記被測定物の異常を検知する異常検知方法。
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