JP5242098B2 - 光ファイバセンサ及び変動位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバへの外力（震動、衝撃、変位等）により生じる光ファイバ内伝送
光の偏波変動を観測する事により、落石、侵入等の異常を検知する光ファイバセンサ及び
変動位置検出方法に関し、特にその異常の発生した位置もしくは区間を特定するための技
術に関わるものである。

光ファイバを用いた土砂崩れ、落石検知装置や、侵入検知装置は種種報告されている。
例えば特許文献１には、光ファイバを斜面に張られた防護ネット上に布設し、斜面に異
常が発生した際の光ファイバの歪みを、ブリルアン散乱光の変化として検出する光ファイ
バセンサセンサが開示されている。この方式では、異常の発生と共に、異常が生じた位置
を特定する事ができるが、ブルリアン散乱光は入力信号に対して非常に微弱であるため、
パルス光を数多く繰り返し出力し、散乱反射光を長時間に渡って検出する必要がある。そ
のため、落石や侵入などによる、短い時間範囲での光ファイバの歪みを検出することは困
難である。またブルリアン散乱光を検出するための装置として、一般にＢ−ＯＴＤＲ（Op
tical Time Domain Reflectometry）といった装置が知られているが、非常に高価である
。

また、特許文献２には、布設された光ファイバの断線を検出する光ファイバセンサが開
示されている。この方式では、市販のＯＴＤＲを用いる事で、光ファイバの断線の発生と
その位置を特定することができるが、一度断線してしまうと、断線部を再接続するまでそ
の機能を停止する事になるという問題がある。また、落石の大きさや侵入の仕方によって
は光ファイバが断線しない可能性もあり、検出漏れの懸念が拭えない。

また、特許文献３には光ファイバにファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設け
られ、光ファイバに加わる張力を検出する光ファイバセンサが開示されている。この方法
では、反射波長の異なるＦＢＧを複数配置する事で異常発生位置を特定する事が可能であ
るが、波長の変化をモニタするためには、複数の光源もしくは広帯域な光源と、光スペク
トラムアナライザを用いる必要がある。この場合、光スペクトラムアナライザは、１回の
測定にある一定の時間を要するため、前述の特許文献１の場合と同様に、短い時間範囲で
の光ファイバの異常は検知する事ができない。また、検出区間毎に少なくとも１つのＦＢ
Ｇが必要になるため、広範囲の検出には不向きである。更に、ＦＢＧの設置数が少ないと
、光ファイバの張力変化を検出できないと言った問題が生じる。

また、特許文献４には、光ファイバに加えられる応力を偏波の変動として検出する光フ
ァイバセンサが開示されている。この方法では、光ファイバの変化がリアルタイムで検出
可能であるが、異常発生の位置を特定する事ができない。そのため、特許文献５に示され
ているように複数の光ファイバセンサを区間毎に設置する必要がある。

これを解決する手段として、特許文献６の方法が開示されている。
すなわち、２つの偏波変動検出系を併設して配置し、それぞれの偏波変動の時間の差か
ら偏波変動の位置を特定しようとするものである。

しかしながらこの方法では、２つの測定系が必要になるという問題の他に、下記の問題
がある。すなわち、光ファイバ中での光の速度は、約200,000,000ｍ/sと高速であり、例
えば２百ｍの位置の差を検出する場合に必要な時間分解の幅は１μsと非常に短い事にな
る。一方、震動や衝撃により生じる偏波の変動周波数は、数十μsから数百μsのオーダー
であるから、同発明にて開示された方法では、実用的なレベルでの位置を特定することは
非常に困難である（1,000〜10,000ｍ程度の位置の特定しかできない）。
また、震動や衝撃等に起因する光ファイバへの応力は、例え同じケーブル内の隣り合っ
た光ファイバであっても異なるものである。そのため、偏波の時間的な変動（波形）もそ
れぞれ異なることになり、それぞれの偏波変動を比較し、時間差から位置を特定すること
は困難を極める。

特開平０９−３２９４６９ 特開平１１−１２０４５２ 特開２００２−３６５１４９ 特開２０００−０４０１８７ 特開２０００−１８２１５８ 特開２０００−０４８２６９

このように、特許文献６に開示されているような偏波変動検知式の光ファイバセンサは
、
１） ２つの光源を必要とする点
２） 検出する２つの偏波の変動は、異なる光ファイバに生じるものであるため変化のし
かたが異なり、それらの偏波変動を比較して時間差を特定することが困難である点
３） 偏波変動の発生位置を詳細に特定できない点
等の課題があった。

本願は、かかる点に鑑みなされたもので、第１発明は、外力を受ける被測定部と、前記
被測定部を経由して布設された測定光ファイバと、偏波光を発する偏波光源と、前記偏波
光を分配する光分配器と、前記分配された偏波光を前記測定光ファイバの両端に導き前記
測定光ファイバ中を互いに異なる方向に伝播させる手段と、前記測定光ファイバの両端に
接続され前記測定光ファイバ中を伝播した偏波光を前記測定光ファイバの両端でそれぞれ
取り出す一対の分岐器と、前記一対の分岐器で取出された両偏波光をそれぞれ電気信号に
変換する一対の光検出器と、前記両電気信号からそれぞれ特異点を検出してその特異点の
時間差を計測し、その時間差に基づき前記被測定部の位置もしくは区間を特定する計測部
とで構成されたことを特徴とする光ファイバセンサである。

また本願の第２発明は、偏波光源から発せられた偏波光を２分配し、これらの分配偏波
光のそれぞれを測定光ファイバの両端に導いてそれぞれ前記測定光ファイバ中を異なる方
向に伝播させ、前記測定光ファイバの両端にて前記異なる方向に伝播された偏波光を取り
出し、この取り出された偏波光の偏波変化の時間差を計測して前記測定光ファイバ上で生
じた偏波変動の生じた位置もしくは区間を特定する事を特徴とする変動位置特定方法であ
る。

上記本願の第１発明及び第２発明によれば、２つの光が、１本の光ファイバである共通
線路部を互いに逆方向に伝搬するようにする事で、それぞれの伝搬光が受ける偏波の変動
は、同一の光ファイバの同じ応力変化によって引き起こされるものであるため、偏波の変
動の仕方が似通ったものになる。そのため、それぞれの偏波変動を比較し、その時間差を
特定することが容易になる。更に本第１の発明による光ファイバセンサにおいては、上記
２つの光は１つの光源から出力された出力光であるため、光源が１つあれば良く、偏波の
変化から、その発生位置を精度良くかつ簡単に特定する事が可能となる。

本発明は以下の種々の実施形態を採用することができる。
即ち、測定光ファイバの間に光遅延回路が配置されたことを特徴とする。
測定光ファイバは複数の被測定部間を跨って布設されたことを特徴とする。
複数の被測定部間の測定光ファイバに光遅延回路が介在していることを特徴とする。

これらの実施形態によれば測定光ファイバを複数の分割し、その間に光遅延回路を配置
することにより、一方の被測定部で異常が起こった場合と他方の測定部異常が起こった場
合での２つの偏波変動の時間差が大きくなるため、そのどちらで異常が起こったのかを特
定をすることが容易になる。更に、この被測定部を３つ以上とした場合においても、それ
ぞれの偏波変動検出部の間に遅延回路を設置することで同様の効果が得られる。

更に、以下の実施形態を採用することができる。
即ち、光検出器は検光子と光電変換素子とにより構成されていることを特徴とする。
異なる方向に伝播された偏波光の時間変化による特異点（例えば検出波形のピーク）をそれぞれ少なくとも１つずつ抽出し、それらの特異点の時間の差から、偏波変動が生じた位置もしくは区間を特定することを特徴とする。

特異点の時間の差は、異なる方向に伝播された両偏波光の少なくとも一部の時間範囲内
の波形に対して、一方の偏波光の波形を、他方の偏波光の波形が最小のズレとなるように
時間軸上にて移動させることにより求めることを特徴とする。

特異点の時間の差は、異なる方向に伝播された両偏波光の定常状態から最初に偏波変動
が変化する点の時間の差から求めることを特徴とする。

これらによれば、安価かつ簡易な構成で、偏波の変化からその発生位置を精度良くかつ
簡単に特定する事ができる。

以下、本発明を図示した実施例に基づき説明する。
図１は、本発明の実施例を示す構成図であり、１１は被測定部、１２は被測定部１１を経由して布設された測定光ファイバ、１３は偏波光を発する偏波光源、１４は前記偏波光を２分配する光分配器、１５・１５はそれぞれ光分岐器、１６・１７はそれぞれ前記分岐器１５・１５で取出された偏波光を検出する光検出器、１８は前記両光検出器１６・１７で取り出された変動電気信号の時間差を計測する計測部、１９は被測定部１１間に介在した光遅延回路、２０は落石等の被検出物である。

測定光ファイバ１２は、偏波保持型光ファイバまたは通常のシングルモード型光ファイ
バ等など種々のものが用いられる。測定光ファイバ１２を複数の偏波保持型光ファイバで
構成する場合は、これらの偏波保持型の光学軸を一致させて接続される。
被測定部１１は、鉄板等の板面上に測定光ファイバ１２が所定長、例えば１ｍの長さの
ものが蛇行されて接着剤等により固定され、震動、衝撃、変位等の外力を測定しようとす
る場所に布設されている。

偏波光源１３は、本実施例においては無偏光光源１３ａと偏光子１３ｂとで構成されて
いる。無偏光光源１３ａは、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）型光ファイバア
ンプのＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光（波長１．５５μｍ帯）を用いたも
のが使用され、これにより発生された無偏向の光は偏光子１３ｂを通過することで偏波光
に変換される。

光分配器１４は、本実施例においては溶融型光カプラ（分岐比１：１）が用いられてい
る。これにより２つに分配された上記偏波光は、それぞれ光分岐器１５を介して測定光フ
ァイバ１２の両端に導かれ、そこから測定光ファイバ１２中に入力され、測定光ファイバ
１２中を互いに異なる方向に伝播し、被測定部１１、光遅延回路１９を経由して測定光フ
ァイバ１２の他端まで伝播する。他端まで伝播した偏波光は、その端部に配置された光分
岐器１５・１５によって取り出され、それぞれ光検出器１６・１７に導かれる。
図１には測定光ファイバ１２中を伝播する右回りの偏波光には白抜矢印が、また左周り
に伝播する偏波光には黒塗矢印が示されている。
右回りの偏波光及び左周りの偏波光は、被測定部１２で外部から震動、衝撃、変位等の
外力を受けると、外力を受けたと同時刻にそれぞれ偏波面が回転する。

光分岐器１５は、前記測定光ファイバ１２中を伝播した右回り左まわりのそれぞれの偏
波光を前記測定光ファイバ１２の両端でそれぞれ取り出すもので、本実施例においては、
３端子型の光サーキュレータ１５ａ、１５ｂが用いられ、第１ポートに光分配器１４が、
第２ポートに測定光ファイバ１２の端部が、第３ポートには検光子１６ａ、１７ａがそれ
ぞれ前記測定光ファイバ１２と同種の光線路によって接続されている。これにより、分配
器１４で分配された偏波光は光サーキュレータ１５ａ・１５ｂを介して測定光ファイバ１
２に導かれ、また、測定光ファイバ１２中を右回り及び左回りでそれぞれ伝播してきた偏
波光（測定光）は、それぞれの光サーキュレータ１５ａ・１５ｂを介して光検出器１６及
び１７に導かれるように構成されている。

光検出器１６・１７は、それぞれ上記両測定光をそれぞれ電気信号に変換させるための
ものである。それぞれの光検出器１６・１７は、それぞれ検光子１６ａ・１７aと光電変
換素子１６ｂ・１７ｂとで構成されている。両測定光は、検光子１６ａ・１７ａによって
偏光回転角に応じて通過する透過率が決定される。すなわち、被測定部１１で偏波光の偏
波面の回転が起きると、光の透過率が変化し、光電変換素子１６ｂ・１７ｂに入力される
光のパワーが変化することになる。

計測部１８は、前記一対の光検出器１６・１７で出力された電気信号を入力し、これら両電気信号から信号の特異点を見つけ出し、両電気信号の特異点の時間差を求めて偏波光の変化が起きた被測定部１１の位置を計測する。この計測部１８はパソコン等の演算処理などで構成される。

光遅延回路１９は、測定光ファイバ１２と同様の光ファイバが所定長たとえば２ｋｍの
長さをコイル形状に束ねられて構成されている。光遅延回路１９が通常の通信用の光ファ
イバで２ｋｍ長で構成されていると仮定すると、石英硝子の屈折率が約１．４７であるか
ら、光遅延回路１９中を伝播する光速が約２×１０⁸ m/sとなり、ここで約１０μsの遅延
を発生させることになる。

なお、図中において分配器１４と光サーキュレータ１５ｂとを接続する光線路と、光サーキュレータ１５ａと検光子１６ａとを接続する光線路とに交差部があるが、これらの光線路は独立した線路であり線路同士の結合を意味するものではない。

[実施例の動作]
次に上記実施例を動作と共に詳しく説明する。
偏波光源１３で発生した偏波光は、光分配器１４で２分配され、それぞれが分岐器（光サーキュレータ１５ａ、１５ｂ）を介して測定光ファイバ１２の両端に導かれ、ここで測定光ファイバ１２中に入力される。測定光ファイバ１２中に入力され偏波光は測定光ファイバ１２中を右回り及び左回りでそれぞれ伝播し、複数の被測定部１１及び光遅延回路１９を経由して測定光ファイバ１２の他端に到達し、分岐器１５、検光子１６ａ・１７ａを経由して光電変換素子１６ｂ、１７ｂに入力する。

この際、いずれの被測定部１１でも偏波光の偏波面の変化が起きなければ、光電変換素子１６ｂ、１７ｂに入力される光パワーは一定のままである。
しかしながら、被測定部１１が外部から震動、衝撃、変位等の外力を受けると、右回り及び左回りの偏波光は、それぞれこの被測定部１１で同時刻に偏波面の回転を生じ、検光子１６ａ・１７ａを通過する光のパワーが変化して光電変換素子１６ｂ・１７ｂに入力する光パワーが変化し、これらから出力される電気信号は変化を生じる。

この際の時間的なタイミングは、例えば図１における被測定部１１ａで震動、衝撃、変
位等の外力を受けると、右回りと左回りの偏波光はそれぞれ同時刻に偏波面の回転を生じ
て、右回りの偏波光は、分岐器１５、検光子１７aを経由して光電変換素子１７ｂに到達
する。これに対して、左回りの偏波光は光遅延回路１９、被測定部１１ｂ、分岐器１５、
検光子１６aを経由して光電変換素子１６ｂに到達する。即ち、右回りの偏波光と左回り
の偏波光との間で、両光電変換素子１６ｂ・１７ｂで検出される偏波面の特異点の検出時
刻に時間差を生じる。この時間差は光遅延回路１９の長さに比較して測定光ファイバ１２
の長さが短ければおよそ光遅延回路１９で生じる時間差に近いものになる。

図２は、上記実施例の被測定部１１ａに重さ５kgの鉄アレイを落とした際の計測部１７
に入力される電気信号をオシロスコープにて観察した特性図である。図中の太線がＣｈ１
（左回り測定光）、細線がＣｈ２（右回り測定光）の時間変化（０〜２８００μs）を示
したものである。同図を見ると、２００μs程度までは受光強度に変化が無いが、その後
、Ｃｈ１、Ｃｈ２共に受光強度に変化がある事がわかり、その変化の様子は、強度変化の
正負を逆にして似通った形であることがわかる。これは、重りの落下により被測定部１１
に貼り付けられた測定光ファイバが震動し、偏波が時間的に変動した結果、偏光子を通過
する光の透過率が時間と共に変化し、受信強度が変化した様子を示したものである。なお
、同一の測定光ファイバに対する応力を感知する為、絶対値に差はあるものの、波形の変
化は似通った形になり、被測定部１１に加わった外力により偏波面が回転し、検出される
電気信号に変化が起きていることが確認できた。

図３〜図６は、それぞれ、上記特性の0〜700μs、700〜1400μs、1400〜2100μs、2100
〜2800μsを拡大表示したものである。それぞれ特徴的なピークに番号を付けた。同じ番
号のピークに対して、Ｃｈ２のピークに対して、Ｃｈ１のピークは約10μs遅れて発生し
ている様子が分かる。この様にそれぞれの波形を詳細に観測し、それぞれのピークの時間
的な前後を検出することで、被測定部１１ａ、１１ｂのどちらに衝撃が加えられたのかを
判別することが可能となる。すなわち、Ｃｈ１の変化が早ければ被測定部１１ａに、Ｃｈ
２の変化が早ければ被測定部１１ｂに衝撃が加えられたと判定することができる。また、
定常状態からの波形の変化開始時刻を観測することでも判別することが可能である。

計測部１８は、上記両光電変換素子１６ｂ・１７ｂで出力された電気信号をそれぞれ入力して、前記両偏波面の回転が生じた前記特異点の時間差を計測して、どの被測定部１１で上記偏波面の回転が生じたかを特定し、外力を受けた被測定部１１を特定する。この際、計測部１８は入力された電気信号を常時、一定時間だけメモリに蓄積し、上記偏波面の回転が起きた特異点が検出された時点で計測部１８の内部でトリガを発して、メモリに蓄積された信号を分析して特異点を見つけ、その後その時間差を分析することにより外力を受けた被測定部１１を特定するのが望ましい。

図７は、本発明の他の実施例を示したものである。本実施例においては、被測定部１１
の数が３つ、それらの間に光遅延回路がそれぞれ設置された例を示してある。光遅延回路
は何れも約2kmである。そして、本発明の第一の実施例と同様に何れかの被測定部１１に
衝撃が発生した際には、衝撃の発生に時間差が生じる。その時間差を観測することにより
、衝撃の発生位置を特定することが可能となる。すなわち、被測定部１１ｃに衝撃が発生
した場合はＣｈ１に対してＣｈ２が約20μs遅れた波形となる。また被測定部１１ｄに衝
撃が発生した場合は、Ｃｈ１とＣｈ２の時間差が無い波形となる。また被測定部１１ｅに
衝撃が発生した場合は、Ｃｈ２に対してＣｈ１が約20μs遅れた波形となる。よって、波
形の時間差を把握することで、衝撃が発生した被測定部１１を特定することが可能となる
。

図８には、被測定部１１の数を４つとした場合の本発明の他の実施例を示した。この様
に、被測定部１１及び光遅延回路１９の設置数を適宜設定することにより、１つのシステ
ムで検出箇所を増やしていく事が可能となる。

検出箇所の数が３箇所以上になると、受信強度変化の前後だけではなく、その時間差を
より正確に把握する事が必要となる。この際、複数のピークを検出し、それぞれの比較を
行うことで、より位置を正確に判別することが可能となり、検出の精度が上がる事になる
。

また、波形のずれをより正確に把握するために、次のような方法を行うことも可能であ
る。図９は第一の実施例における受光強度変化の530〜610μsの波形を抽出したものであ
る。この波形に対して、Ｃｈ２の変化の正負を反対にした（−１を乗算）後、Ｃｈ１，Ｃ
ｈ２それぞれの波形を規格化（最大値１，最小値０となるように調整）したものが、図１
０のグラフである。こうすることで波形が更に似通った形になり、時間軸の比較がしやす
くなる。そして、これらのグラフができるだけ重なるように時間軸上の操作を行う。本実
施例においては、Ｃｈ２の波形を１０μs時間軸移動させることで、２つの波形がほぼ重
なる結果となった。すなわち、Ｃｈ１とＣｈ２で受光した光の変化の時間差が１０μsで
あるという事である。なお、この際、例えば最小自乗法等によるフィッティングにより、
波形のずれが最小となる時間変化量を計算的に求めることも可能である。
また、定常状態から偏波変動が始まる部分に着目し、その時間差を観測することで被測
定部１１の位置を特定することも可能である。この場合、例えば波形を時間微分して波形
を描いても良い。

測定したデータから位置を特定する方法については、これらの１つの方法を用いても良
いし、あるいはいくつかを組み合わせて行っても良い。

なお、上記実施例においては、光源部の構成をASE光源＋偏光子としたが、例えば、Ｌ
ＥＤ光源＋デポラライザ（無偏光化回路）＋偏光子としても同様の効果を得ることが可能
となる。また、直線偏光星の高いＤＦＢ(Distributed Feedback)レーザを光源に用いるこ
とで、偏光子が不要となり、そのまま測定光として用いることも可能である。また、本実
施例における光サーキュレータの代わりに光カプラを用いても良い。また、検出する偏波
は１つだけでなく、複数にしてもよい。

以下に、図１２を参照して、ストークスパラメータの測定を用いた偏波変動の測定方法について詳述する。ストークスパラメータは光の偏光状態を示す４つのパラメータであり、それらを要素としたベクトルＳ（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）をストークスベクトルと言う。このストークスベクトルはストークスパラメータを用いて球座標（ポアンカレ球）上の１点として表すことが可能である。
図１２は、ストークスパラメータを用いた偏波の検出方法を示すもので、測定光１および測定光２それぞれのストークスパラメータを測定するものである。図１２の光ファイバセンサは、測定光１および測定光２を測定する部分がストークスパラメータを測定する構成である以外は、図１に示す実施形態と同様の構成となっている。

ストークスパラメータ測定部は、図１２に示すように、特許文献６の図２と同様の構成である。すなわち、測定光１、２をそれぞれ光の強度で分岐するためのハーフミラー等で構成された分岐器（図示されず）と、分岐器により得られた各４つの分岐光のうちの３つに対し、任意の偏光成分のみを透過させる検出用偏光子３４〜３６および１／４波長板３７と、検出用偏光子３４〜３６および１／４波長板３７を透過した光を光電変換するためのＯ／Ｅ変換器１６ｂ、１７ｂと、オシロスコープ３３等で構成された測定・分析部とで構成される。この構成を用いることにより、測定光それぞれの水平偏光成分、対角偏光成分、円偏光成分を測定する事が可能となり、これらを用いてストークスパラメータの値を算出する事が可能となる
なお本実施例においては、特許文献６の図２に記載された偏光成分の測定機能の他に、偏光子を通過しない光のパワー（全光量）も測定する構成としており、偏波変動以外の要因により生ずる光パワーの変動を測定する事も可能としている。なお、本実施例のストークスパラメータ測定部はその一例を示した物であり、光部品の種類や配置，構成は適宜選択変更しても良い。

次に、図１２の光ファイバセンサを用い、偏波変動を用いた位置検出の原理について説明する。
光源より出射した光は、偏光子１３ｂを介して直線偏光光となる。次に光分配器１４（光スプリッタ）で測定光１と測定光２に分岐され、各々の測定光１、２は、サーキュレーター１５ａ、１５ｂを介して測定用線路３１へ入射される。測定用線路３１中で測定光１、測定光２は１本の光ファイバ中を双方向に伝播し、各々のサーキュレーター１５ａ、１５ｂを介して検出部（ストークスパラメータ測定部３２Ａ、３２Ｂ）へ入射される。

ストークスパラメータ測定部３２Ａ、３２Ｂでは、それぞれ測定光１、測定光２がそれぞれ４分岐された後、各々の１つは偏光子を介さず光電変換され（Ｖｔ：全光量）、残りの３つは各々の検出用偏光子（水平偏光子３４、対角偏光子３５、１／４波長板３７+対角偏光子３６）を通過した後に光電変換され、ストークスパラメータの元となる３成分の電圧値（Ｖ₀：水平成分、Ｖ₄₅：対角成分、Ｖ_q45：円偏光成分）がオシロスコープ３３で波形として検出される。尚、測定用線路３１の一部は衝撃検出用の鉄板で形成された被測定部１１が設置されている。また測定線路３１中には、長さ１０００〜１３００ｍ程度の遅延回路１９が挿入されている。

この測定用線路３１の被測定部１１で衝撃が生じると、測定光１および測定光２に偏波変動が生じる。これにより、検出用の偏光子３４〜３６を通過する光強度が変化し、オシロスコープで波形の変化として検出することができる。衝撃が生じた点から光電変換に達するまでの光路長は、同一の光路長のポイントで衝撃が生じない限りは、測定光１と測定光２とで異なる。このため、測定光１と測定光２は、光路長差△Lに対応した時間差△t を生じて光強度の時間変化の波形として測定される。この時、測定用線路３１を伝播する２つの測定光１、２は初期の偏波状態が異なる為、個々のストークスパラメータは異なる変化をすると考えられる。そのため、単に互いのストークスパラメータ同士の変化を比較しても、正確な時間差△t を求めることは困難である。

そこで、複屈折の変化速度が偏波の変動速度（ポアンカレ球上でのストークスベクトルの速度）に相関することに着目し、ストークスパラメータの４成分により偏波の変動速度波形を形成し、それらの波形を比較する事により時間差△t を測定する事とした。２つの測定光１、２の偏波変動は同一の光ファイバ３１の複屈折変化により引き起こされる為、それらの変化速度の波形は同様になると考えられる。従って、波形の比較が容易になり、より正確に△t を求めることが可能になる。

次に測定光１、２の測定結果から偏波の変化速度を求める方法について示す。まず、オシロスコープ３３で測定し、規格化した電圧値（V_t，V₀，V₄₅，V_q45）を式１用いてストークパラメータ（S₀，S₁，S₂，S₃）に変換する。次に、式２を用いて偏波の変動速度成分dS_1,n, dS_2,n,dS_3,nに変換する。最後に、式３を用いてストークスベクトルの変動速度dS_測定光１、dS_測定光2を算出する。この様にして得られたそれぞれの変動速度を、図１３に示すように、同一グラフ上にプロットする事で、測定光１、２のピーク差△t を求めることが可能となる。

※ここでnはデータのサンプリング番号

次に時間差△t を用いて位置を計算する方法について説明する。図１２に示した様に、測定光１、２に対する衝撃発生位置（被測定部１１）から光電変換部までの距離をそれぞれＬ１、Ｌ２とすると、時間差△ｔは、下記の式４で表される。

ここでν は光ファイバ中の光の速度であり、約2.0×10⁸（m/s）である。測定により求めた△t から△Ｌ＝Ｌ２−Ｌ１を算出する事で位置を特定することができる。

図１４は、本発明の実際の設置状態例を模式的に示したものである。本発明を落石検知
装置として使用する場合、斜面下に設置されたフェンス３０の下に被測定部１１を設置す
る。こうすることで、落石が発生した際に被測定部１１の上に石が落下し、被測定部１１
に衝撃が与えられる事になる。そして、区間１，区間２の間に光遅延回路を設置すること
で、図１に示した構成と同様になり、２つの測定光の時間差を観測することで、どちらの
区間で落石が発生したのかを判別することが可能となる。

また、図１５に示すように、センサ線路部を被測定部１１の他にフェンス３０にも這わ
せて設置しても良い。この場合、フェンス３０に加えられた衝撃も検出する事が可能とな
り、より精度のよい落石検知が可能となる。これらの例に於いて、区間数は落石検知場所
の事情に応じて適宜設定すれば良く、それぞれの検出区間の間に光遅延回路１９を設置す
ることで落石発生区間の切り分けが可能となる。また、それぞれの検出区間の間が長い場
合は、光遅延回路１９がなくてもその位置を特定することが可能であるし、あるいは光遅
延回路１９の光ファイバ長を必要な精度に応じて適宜設定しても良い。

また、本発明の被測定部１１の構成は、上記実施例に限定されるものでなく、材質、形
状等を適宜設定することが可能である。例えば、鉄板の代わりに、金属製のチューブ中に
光ファイバを固定した物でも良いし、測定光ファイバ１２は光ケーブルそのものでも良い
。また、測定光ファイバ１２の取り付け方も、接着固定に限らず適宜選択することが可能
である。

本発明の第１の実施例を示した模式図である。 第一の実施例における、偏波変動の検出の様子を受光強度の時間変化として示した特性図である。 図２のグラフの一部を拡大表示した特性図である。 図２のグラフの他の一部を拡大表示した特性図である。 図２のグラフの更に他の一部を拡大表示した特性図である。 図２のグラフの更に他の一部を拡大表示した特性図である。 本発明の他の実施例を示した模式図である。 本発明の更に他の実施例を示した模式図である。 図２のグラフの一部を切りだした特性図である。 図９のグラフのCh２の値に演算処理（-1を乗算し、規格化）を行った特性図ある。 図１０のグラフのCh２を10μs時間軸上にずらしたものである。 本発明の他の実施例を示す測定光の検出部を示すブロック図である。 本発明の他の実施例における測定光１と測定光２の波形例を示す図である。 本発明を落石検地装置として実用する際の設置例を示した説明図である。 本発明を落石検地装置として実用する際の他の設置例を示した説明図である。

符号の説明

１１ 被測定部
１１ａ 被測定部
１１ｂ 被測定部
１１ｃ 被測定部
１１ｄ 被測定部
１１ｅ 被測定部
１２ 測定光ファイバ
１３ 偏波光源
１３ａ 無偏光光源
１３ｂ 偏光子
１４ 光分配器
１５ 光分岐器
１５ａ 光サーキュレータ
１５ｂ 光サーキュレータ
１６ 光検出器
１６ａ 検光子
１６ａ 光電変換素子
１６ｂ 光電変換素子
１７ 計測部
１８ 光遅延回路

Claims (13)

1. 外力を受ける被測定部と、前記被測定部を経由して布設された測定光ファイバと、偏波光を発する偏波光源と、前記偏波光を分配する光分配器と、前記分配された偏波光を前記測定光ファイバの両端に導き前記測定光ファイバ中を互いに異なる方向に伝播させる手段と、前記測定光ファイバの両端に接続され前記測定光ファイバ中を伝播した偏波光を前記測定光ファイバの両端でそれぞれ取り出す一対の分岐器と、前記一対の分岐器で取出された両偏波光をそれぞれ電気信号に変換する一対の光検出器と、前記両電気信号からそれぞれ特異点を検出してその特異点の時間差を計測し、その時間差に基づき前記被測定部の位置もしくは区間を特定する計測部とで構成されたことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 測定光ファイバの間に光遅延回路が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 測定光ファイバは複数の被測定部間を跨って布設されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 複数の被測定部間の測定光ファイバに光遅延回路が介在していることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバセンサ。
5. 光検出器は偏光子と光電変換素子とにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つの項に記載の光ファイバセンサ。
6. 光検出器は２つ以上の光の偏光成分を検出する事を特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１つの項に記載の光ファイバセンサ。
7. 光検出器は、光の全光量成分、水平偏波成分、対角偏光成分、円偏光成分のうち少なくとも２つを検出することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１つの項に記載の光ファイバセンサ。
8. 偏波光源から発せられた偏波光を２分配し、これらの分配偏波光のそれぞれを測定光ファイバの両端に導いてそれぞれ前記測定光ファイバ中を異なる方向に伝播させ、前記測定光ファイバの両端にて前記異なる方向に伝播された偏波光を取り出し、この取り出された偏波光の偏波変化の時間差を計測して前記測定光ファイバ上で生じた偏波変動の生じた位置もしくは区間を特定する事を特徴とする変動位置検出方法。
9. 偏波光の偏波変化はストークスパラメータ乃至はストークスベクトルの変化として観測することを特徴とする請求項８記載の変動位置検出方法。
10. 偏波光の偏波変化はポアンカレ球上におけるストークスベクトルの変動速度の変化として観測することを特徴とする請求項９記載の変動位置検出方法。
11. 異なる方向に伝播された偏波光の時間変化による特異点をそれぞれ少なくとも１つずつ抽出し、それらの特異点の時間の差から、偏波変動が生じた位置もしくは区間を特定することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１つの項に記載の変動位置検出方法。
12. 特異点の時間の差は、異なる方向に伝播された両偏波光の少なくとも一部の時間範囲内の波形に対して、一方の偏波光の波形を、他方の偏波光の波形が最小のズレとなるように時間軸上にて移動させることにより求めることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１つの項に記載の変動位置検出方法。
13. 特異点は定常状態から最初に偏波変動が変化した点であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１つの項に記載の変動位置検出方法。

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