JP5522063B2 - 遠隔測定システム - Google Patents

Description

本発明は、遠隔測定システムに関し、特に、遠隔地にある測定対象物に設置された被測定用光ファイバに波長の異なる２つのレーザ光を入射させ、その際に生じるブリルアン散乱を測定することで測定対象物の状態を診断する遠隔測定システムに関するものである。

従来、光ファイバを利用し、該光ファイバが設置された環境の温度や歪みなどの物理量分布を測定することが行われている。このような光ファイバを用いた物理量の測定方法は、光通信路の保守管理、ダム・堤防等の大規模構造物の保守管理、欠陥・故障についての自己診断機能を有する材料・構造物（スマートマテリアル・ストラクチャ）に利用されている。

光ファイバが設置されている環境における空間歪みや温度などの分布を測定する方法としては、光ファイバ中のブリルアン散乱現象を用いるものが知られている。ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ中で周波数の異なる２つの光波がすれ違うと、高周波数の光から低周波数の光へと、光ファイバ中の音響波を介して光のパワーが移動する現象を意味する。

しかも、移動するパワーが最大となる周波数差は、光ファイバ中の屈折率や音響波の速度に依存し、これらは光ファイバ周辺の温度や光ファイバに付加された歪みに依存することから、ブリルアン散乱による移動パワーが最大となる周波数差や移動が発生している場所を特定することにより、光ファイバが敷設された空間における温度や歪み分布を測定することが可能となる。

ブリルアン散乱を用いた測定方法としては、特許文献１に示されるように、所定の変調周波数で周波数変調された第１の連続発振光と前記所定の変調周波数と等しい変調周波数で周波数変調された第２の連続発振光とを用いるものが述べられている。特に、前記第１の連続発振光を被測定光ファイバの一端面から入射させ、前記第２の連続発振光の中心周波数を周波数シフトし、該周波数シフトにより中心周波数のシフトした前記第２の連続発振光を被測定光ファイバの他端面から入射させ、前記第２の連続発振光の中心周波数の周波数シフト量を変化させて、被測定光ファイバの前記一端面または前記他端面から出射された光のパワーを測定することで、被測定光ファイバにおいて、前記第１および第２の連続発振光の周波数変調の位相が同期し相関値が高まる位置におけるブリルアンゲインスペクトルを測定する方法がある。

具体的には、図１に示すように、信号発生回路２で駆動される半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、光分岐器３により２つに分岐される。分岐された一方のレーザ光は、マイクロ波発生器４で駆動される光強度変調器５により、マイクロ波の周波数に対応してレーザ光の中心周波数がシフトされる。周波数シフトされたレーザ光はプローブ光Ｌ１として、被測定光ファイバ６の一端から入射される。なお、プローブ光は、光強度変調器５により生成される低周波側の側波帯が用いられる。

また、分岐された他方のレーザ光は、ポンプ光Ｌ２として、被測定光ファイバ６の他端から入射される。なお必要に応じて、レーザ光Ｌ２の被測定光ファイバ６に入射するタイミングを調整するため、光遅延器７が介在されている。

被測定光ファイバ６から出射するプローブ光を、サーキュレータなどの光路変換器８で光検出器側に導出し、光波長フィルタ９によりプローブ光Ｌ１の周波数（上述した低周波側の側波帯に対応した周波数）の光波を分離透過させ、光検出器１０で該光波の光強度を検出するものである。

また、別の方法としては、特許文献２に示すように、次のような光ファイバ特性測定装置が開示されている。レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光の一部を被測定光ファイバの一端から連続光のプローブ光として入射させる入射手段と、前記光源から出射されたレーザ光の一部の残りをパルス化して前記被測定光ファイバの他端からポンプ光として入射させるパルス変調器と、前記被測定光ファイバの他端から出射される光のうち、前記被測定光ファイバに設定された測定点近傍からの光のみを通過させるタイミング調整器と、前記タイミング調整器を通過した光を検出して、前記被測定光ファイバの特性を測定する検出器とを備えることを特徴とする光ファイバ特性測定装置である。

具体的には、図２に示すように、信号発生回路２で駆動される半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、光分岐器３により２つに分岐される。分岐された一方のレーザ光は、マイクロ波発生器４で駆動される光強度変調器５により、図１と同様に、マイクロ波の周波数に対応してレーザ光の中心周波数がシフトされる。周波数シフトされたレーザ光はプローブ光Ｌ１として、被測定光ファイバ６の一端から入射される。

また、分岐された他方のレーザ光は、ポンプ光Ｌ２として、被測定光ファイバ６の他端から入射される。なお、レーザ光Ｌ２は、パルス変調器１１によりパルス化されている。

被測定光ファイバ６から出射するプローブ光は、光路変換器８で光検出器側に導出され、被測定光ファイバ６に設定された測定点近傍からの光のみを通過させるタイミング調整器１２に入射される。タイミング調整器１２を通過した光波は、光波長フィルタ９によりプローブ光Ｌ１の周波数の光波が選択され、該光波長フィルタ９を通過した光波の光強度が、光検出器１０により検出される。

さらに、本出願人は、広範な領域に渡って測定可能でありながら１ｍ以下の分解能で被測定用光ファイバのブリルアン散乱を測定でき、被測定用光ファイバが替わっても容易に自動化することが可能なブリルアン散乱測定装置を、特許文献３で提案している。

特許文献３に記載されたブリルアン散乱測定装置の一例では、レーザ光を出射する光源と、該レーザ光の波長を周期的に変化させる変調手段と、該光源から出射されたレーザ光を分岐する分岐部と、分岐した一方のレーザ光の周波数を変換する周波数変換手段と、該周波数変換手段から出力された光波を、被測定用光ファイバの一端に入射し、前記分岐した他方のレーザ光を、該被測定用光ファイバの他端に入射するよう構成された被測定用光ファイバと、該分岐部と該被測定用光ファイバの他端との間に設けられ、被測定用光ファイバの他端から出射する光波を該分岐部以外に導出する導出手段と、該導出手段から導出された光波を検出する光検出器とを有するブリルアン散乱測定装置において、連続光を該変調手段の周期の整数倍の周期でパルス化するパルス変換手段を、該光源と該分岐部との間に設けたことを特徴とする。

具体的には、図３に示すように、半導体レーザ２０には、レーザ光の波長を周期的に変化させる変調手段である信号発生器２１から、所定周波数ｆ１の信号が入力され、半導体レーザ２０からは所定周波数ｆ１で周波数変調されたレーザ光が出射される。

レーザ光はパルス変換手段であるパルス変換器２２により、所定周期Ｔ１（通常、周期Ｔ１は、Ｔ１＝Ｎ／ｆ１，Ｎは自然数となる。つまり、変調手段による変調周期の整数倍の周期となる。）のパルス光に変換される。パルス状に変換されたレーザ光は、分岐部を構成する光分岐器２３により２つのレーザ光に分岐される。

分岐した一方のレーザ光は、周波数を変換する周波数変換手段２４により、特定周波数ｆ２による変調を受け、レーザ光の中心周波数が所定量シフトする。

周波数変換手段２４から出力された光波は、プローブ光Ｌ１として、被測定用光ファイバ２５の一端に入射する。また、前記分岐した他方のレーザ光は、ポンプ光Ｌ２として該被測定用光ファイバ２５の他端に入射するよう構成される。

パルス変換器２２の所定周期を調整することにより、被測定用光ファイバ内に発生するポンプ光とプローブ光とによる定在波の節（ブリルアン散乱が測定される場所）の数を一つに設定する。次に、駆動周波数ｆ１を変化させて、被測定用光ファイバ内で当該節を移動させることが可能となる。

被測定用光ファイバ２５から出射するプローブ光Ｌ１を測定するため、光分岐器２３と該被測定用光ファイバ２５の他端との間に設けられ、被測定用光ファイバの他端から出射するプローブ光Ｌ１を該光分岐器２３以外に導出する導出手段２６を設ける。導出手段は、サーキュレータなどの光路変換器２６を用いることが可能である。

光路変換器２６により導出されたプローブ光Ｌ１は、光検出器２７に入力され、プローブ光の光強度が測定される。なお、プローブ光に係る波長光を正確に測定するため、必要に応じて、光検出器２７の前段に波長フィルタを配置することも可能である。

なお、特許文献３では、プローブ光とポンプ光とでは異なるパルス変換器を同期制御して用いる方法や、複数の光源及び複数のパルス変換器を用いて、プローブ光とポンプ光とを別々に発生させる方法なども開示されている。

ところで、上述した特許文献１乃至３のいずれの技術を用いる場合でも、コンクリート構造物や橋梁などの測定対象物に被測定用光ファイバを設置し、その近傍に測定器を配置する必要がある。しかしながら、測定器を現場付近に持ち込み、測定作業を行う場合には、各所に点在するコンクリート構造物などの測定対象物がある現場へ作業員が移動する必要があり、多大な時間と労力を必要とする。さらに、現場が土砂崩れの恐れがあるような危険地帯では、作業員が現場付近に入り込むことを回避する必要がある。

仮に、図４に示すように、被測定用光ファイバを遠隔地にある測定対象物に設置し、その他の機器を基地局に配置した場合には、最低、２本以上の長距離用光ファイバＦ１及びＦ２が必要となる。仮に、サーキュレータまで、現地に配置する場合には、３本の長距離用光ファイバＦ１，Ｆ４及びＦ３が必要となる。

図４の測定システムでは、一例として、図２に示したポンプ光をパルス化し、タイミング調整して受光検知する方法に類似した構成を採用しているが、これに限定される必要は無い。ただし、いずれの方法を採用しても、被測定用光ファイバにプローブ光とポンプ光を入れると共に、ブリルアン散乱を備えたプローブ光を受光することが不可欠であるため、上述のように２本から３本の光ファイバの敷設が必要となる。

図４では、半導体レーザ（ＬＤ）光を２つに分岐し、一方をプローブ光とするためＳＳＢ変調器（ＳＳＢＭ）を用いて周波数シフトし、一方向の光波のみ通過させるアイソレータ３０を通過して、長距離用光ファイバＦ１に入射する。また、他方の分岐光は、パルス変調器であるマッハツェンダー型変調器（ＭＺ）に導入され、光増幅器３２を通過して、長距離用光ファイバＦ２に入射する。

被測定用光ファイバを通過したプローブ光は、長距離用光ファイバＦ２をポンプ光とは逆方向に伝搬し、サーキュレータにより光ファイバＦ３の方向に振り分けられ、受光素子（ＰＤ）で検知される。検知信号は、ロックインアンプで特定のパルス信号が選択・増幅され、信号処理／表示部で信号処理され測定結果がディスプレイ等に表示される。符号３１は、マッハツェンダー型変調器（ＭＺ）とロックインアンプとの駆動タイミングを決定するパルス発生器である。

上述したように、遠隔地に被測定用光ファイバを設置する場合には複数本の長距離用光ファイバが必要となる。さらに、図４のように被測定用光ファイバのみを遠隔地に設置する場合には、プローブ光とポンプ光は、被測定用光ファイバだけでなく、それに接続される長距離用光ファイバＦ１及びＦ２でも相互作用を生じさせるため、長距離用光ファイバに歪や温度変化があると、測定光に多くのノイズが重畳し、正確な測定が困難となる。また、サーキュレータを被測定用光ファイバの近傍に設置すると、光ファイバＦ２部分は短縮化されるが、依然として長距離用光ファイバＦ１が残るため、測定光の劣化が懸念される。しかも、この場合には、上述したように光ファイバＦ３及びＦ４についても長距離用光ファイバを利用する必要が生じる。

本出願人が提示した特許文献４では、被測定用光ファイバに接続される光ファイバを１本で行う技術を開示しているが、この場合も被測定用光ファイバと基地局とを繋ぐ長距離用光ファイバ上をプローブ光とポンプ光とが相互作用しながら伝搬するため、図４のものと同様に測定光の劣化が発生する。

特許第３６６７１３２号公報 特許第３６０７９３０号公報 特開２００９−３１０４０号公報 特開２００９−２３６８１３号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、遠隔地に被測定用光ファイバを設置しても、遠隔地間を接続する長距離用光ファイバの本数を極力抑制すると共に、測定精度の低下を抑制可能な遠隔測定システムを提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、プローブ光とポンプ光とを生成する測定用光生成手段と、該測定用光生成手段で生成されたプローブ光とポンプ光とを、偏波面が異なる状態で合成する偏波合成手段と、該偏波合成手段からの合成光が一端に入射される送信用光ファイバと、該送信用光ファイバの他端に接続され、プローブ光とポンプ光とを分離する偏波分離手段と、該分離されたプローブ光とポンプ光との偏波面を一致させる偏波面調整手段と、測定対象物に設置される被測定用光ファイバと、該偏波面が一致したプローブ光とポンプ光とを該被測定用光ファイバの両端から入射し、該被測定用光ファイバから出射したプローブ光を検知するプローブ光検知手段とを有することを特徴とする遠隔測定システムである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の遠隔測定システムにおいて、該プローブ光検知手段を該測定用光生成手段が設置された基地局に配置し、該被測定用光ファイバから出射したプローブ光を、受光用光ファイバを用いて、該プローブ光検知手段まで送信することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の遠隔測定システムにおいて、該プローブ光検知手段の出力結果を、無線回線を利用して、該測定用光生成手段が設置された基地局に送信することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、プローブ光とポンプ光とを生成する測定用光生成手段と、該測定用光生成手段で生成されたプローブ光とポンプ光とを、偏波面が異なる状態で合成する偏波合成手段と、該偏波合成手段からの合成光が一端に入射される送信用光ファイバと、該送信用光ファイバの他端に接続され、プローブ光とポンプ光とを分離する偏波分離手段と、該分離されたプローブ光とポンプ光との偏波面を一致させる偏波面調整手段と、測定対象物に設置される被測定用光ファイバと、該偏波面が一致したプローブ光とポンプ光とを該被測定用光ファイバの両端から入射し、該被測定用光ファイバから出射したプローブ光を検知するプローブ光検知手段とを有することを特徴とする遠隔測定システムであるため、プローブ光とポンプ光とを１本の送信用光ファイバで送信でき、しかも、該送信用光ファイバ内では、プローブ光とポンプ光との相互作用も発生ないため、測定信号が劣化することも抑制される。

請求項２に係る発明により、プローブ光検知手段を測定用光生成手段が設置された基地局に配置し、被測定用光ファイバから出射したプローブ光を、受光用光ファイバを用いて、該プローブ光検知手段まで送信するため、被測定用光ファイバの近傍には電源を消費する機器類の設置が不要となり、遠隔地に対して信頼性の高い測定システムを提供することが可能となる。

請求項３に係る発明により、プローブ光検知手段の出力結果を、無線回線を利用して、測定用光生成手段が設置された基地局に送信するため、ブリルアン散乱を備えたプローブ光を基地局まで送信する光ファイバが省略でき、より少ない本数の光ファイバで遠隔測定システムを構築することが可能となる。

特許文献１に開示されたブリルアン散乱を利用した測定システムの概略図である。 特許文献２に開示されたブリルアン散乱を利用した測定システムの概略図である。 特許文献３に開示されたブリルアン散乱を利用した測定システムの概略図である。 従来の測定システムを遠隔地用に設定した場合の構成を示す図である。 本発明の遠隔測定システムの第１の実施例を説明する概略図である。 本発明の遠隔測定システムの第２の実施例を説明する概略図である。

以下、本発明の遠隔測定システムについて、詳細に説明する。
本発明の遠隔測定システムは、プローブ光とポンプ光とを生成する測定用光生成手段と、該測定用光生成手段で生成されたプローブ光とポンプ光とを、偏波面が異なる状態で合成する偏波合成手段と、該偏波合成手段からの合成光が一端に入射される送信用光ファイバと、該送信用光ファイバの他端に接続され、プローブ光とポンプ光とを分離する偏波分離手段と、該分離されたプローブ光とポンプ光との偏波面を一致させる偏波面調整手段と、測定対象物に設置される被測定用光ファイバと、該偏波面が一致したプローブ光とポンプ光とを該被測定用光ファイバの両端から入射し、該被測定用光ファイバから出射したプローブ光を検知するプローブ光検知手段とを有することを特徴とする。

以下では、図４で説明したように、特許文献２に開示されたポンプ光をパルス化する技術を中心に具体的に説明するが、特許文献１や特許文献３など、多種多様なブリルアン散乱を利用した測定システムが、本発明に利用可能であることは言うまでもない。

具体的には、プローブ光とポンプ光とを生成する測定用光生成手段としては、図５に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）からの光波をプローブ光用とポンプ光用に、２つに分岐し、一方を周波数シフトするためにＳＳＢ変調器（ＳＳＢＭ）に導入する。ポンプ光は、パルス変調器であるマッハツェンダー型変調器（ＭＺ）でパルス光に変換される。この時点で、プローブ光の偏波面Ｐ１とポンプ光の偏波面Ｐ２とは同じ偏波面となっている。

プローブ光とポンプ光との偏波面については、半導体レーザ（ＬＤ）から、ＳＳＢ変調器（ＳＳＢＭ）まで、又はマッハツェンダー型変調器（ＭＺ）までの途中に偏光子等を配置すること、並びに両方に偏光子等を配することで、調整することが可能である。

本発明の遠隔測定システムの特徴は、プローブ光とポンプ光とを、偏波面が直交するように調整し、単一の光ファイバで遠隔地まで送信することである。これにより、基地局と遠隔地にあるリモート局とを少ない光ファイバで接続できると共に、プローブ光とポンプ光との送信に際して両者が相互作用を起こすこともないため測定光に重畳されるノイズを抑制できる。このため、測定光が、光ファイバに加わる応力や温度変化の影響も受け難くなる。本発明の「送信用光ファイバ」では、伝搬する光波の偏波面が保持される必要があるため、偏波保持ファイバが使用される。図５では、偏波面を示すＰ１〜Ｐ８においては、偏波保持ファイバを３つの円の合成図で示しており、偏波面の角度を矢印で示している。

偏波合成手段として、図５では、ポンプ光の偏波面Ｐ２を９０度回転させるため、偏波コントローラを利用して偏波面Ｐ３の状態としている。当然、偏波面を調整する光波は、ポンプ光に限らず、プローブ光であっても良い。そして、プローブ光とポンプ光との偏波面が異なる状態で合成される。合成された光波は、光増幅器３２を通過し、送信用光ファイバＦ５に入射する。

リモート局では、送信用光ファイバＦ５の他端に接続され、プローブ光とポンプ光とを分離する偏波分離手段として偏波分離器が設けられている。送信用光ファイバＦ５と偏波分離器との間に逆方向に進行する光波を遮断するためのアイソレータ４０が設けられている。当然、アイソレータは、偏波分離器の後段に配置することも可能である。

分離されたプローブ光の偏波面Ｐ６とポンプ光の偏波面Ｐ７とは異なっており、偏波面調整手段４１により、両者の偏波面を一致するよう調整される。このように偏波面が一致したプローブ光（Ｐ６）とポンプ光（Ｐ８）とは、コンクリート構造物や橋梁などの測定対象物に設置される被測定用光ファイバの両端から入射される。

被測定用光ファイバから出射したプローブ光は、サーキュレータで分離され、光ファイバＦ６を利用して、基地局に送信される。光ファイバＦ６には、ブリルアン散乱を備えた測定光のみが伝搬するため、偏波保持ファイバである必要はない。

基地局側では、受信した測定光を受光素子（ＰＤ）で受光し、電気信号に変換する。測定光が長距離伝送で分散が発生する場合には、分散補償器を用いて分散調整を行うことも可能である。受光素子の信号は、ロックインアンプに入力される。パルス発生器３１からのパルス信号で、パルス変調器であるマッハツェンダー型変調器（ＭＺ）とロックインアンプは駆動タイミングが調整されており、測定光に係る電気信号は、所定のタイミングで選択・増幅され、信号処理及び表示部に入力される。

図６は、本発明の遠隔測定システムの他の実施例を説明する図であり、図５の実施例との違いは、リモート局内に測定光の受光素子を設け、生成した電気信号を無線回線Ｒを利用して基地局まで送信していることである。

図５に係る実施例では、リモート局に電源を消費する機器類の設置が全くないため、遠隔地に対して信頼性の高い測定システムを提供することが可能となる。また、図６に係る実施例では、ブリルアン散乱を備えたプローブ光を基地局まで送信する光ファイバ（図５の光ファイバＦ６）が省略でき、より少ない本数の光ファイバで遠隔測定システムを構築することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、遠隔地に被測定用光ファイバを設置しても、遠隔地間を接続する長距離用光ファイバの本数を極力抑制すると共に、測定精度の低下を抑制可能な遠隔測定システムを提供することが可能となる。

Ｆ１〜Ｆ６ 光ファイバ
Ｐ１〜Ｐ９ 偏波面

Claims (3)

1. プローブ光とポンプ光とを生成する測定用光生成手段と、
   該測定用光生成手段で生成されたプローブ光とポンプ光とを、偏波面が異なる状態で合成する偏波合成手段と、
   該偏波合成手段からの合成光が一端に入射される送信用光ファイバと、
   該送信用光ファイバの他端に接続され、プローブ光とポンプ光とを分離する偏波分離手段と、
   該分離されたプローブ光とポンプ光との偏波面を一致させる偏波面調整手段と、
   測定対象物に設置される被測定用光ファイバと、
   該偏波面が一致したプローブ光とポンプ光とを該被測定用光ファイバの両端から入射し、該被測定用光ファイバから出射したプローブ光を検知するプローブ光検知手段とを有することを特徴とする遠隔測定システム。
2. 請求項１に記載の遠隔測定システムにおいて、該プローブ光検知手段を該測定用光生成手段が設置された基地局に配置し、該被測定用光ファイバから出射したプローブ光を、受光用光ファイバを用いて、該プローブ光検知手段まで送信することを特徴とする遠隔測定システム。
3. 請求項１に記載の遠隔測定システムにおいて、該プローブ光検知手段の出力結果を、無線回線を利用して、該測定用光生成手段が設置された基地局に送信することを特徴とする遠隔測定システム。

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