JP5799851B2 - 光ファイバ振動センサ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをフェンス、あるいは石油や天然ガスのパイプラインなどの構造体に固定して、光ファイバに加わる機械的な振動を検出し、侵入者やパイプラインの破壊などの異常を検知する光ファイバ振動センサに関するものである。

従来の光ファイバ振動センサとして、サニャック干渉系を応用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このサニャック干渉系を応用した光ファイバ振動センサでは、振動が加わった位置の情報が得られない。そこで、本発明者らは、サニャック干渉系を２重ループに構成して２つの光学系の感度比から振動が加わった位置を検出する方式の光ファイバ振動センサを提案中である。

また、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）方式により光ファイバの断線や曲がりなどによる損失増加を判定することで異常を検知する方式も一般に知られている。

特開２００８−３０９７７６号公報 特開平７−１９８４７１号公報

しかしながら、上述のサニャック干渉系を用いる方式では、光ファイバの長さが最長で３００ｍ程度と短く、振動の検出対象距離が短いという問題がある。したがって、パイプラインなど長距離への適用が困難である。

また、上述の光ファイバの損失増加を判定する方式では、光ファイバを小さく曲げないと損失が発生しないため検出感度に難があり、人の侵入や異常を検出できず失報になってしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、検出感度が良好で、振動が加わった位置を精度よく検出できると共に、振動の検出対象距離を長くできる低コストな光ファイバ振動センサを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、同じ長さの２本の光ファイバと、パルス光を出射する光源と、光を電気に変換する受光器と、前記光源から入射されたパルス光を分岐して前記２本の光ファイバに出射すると共に、該パルス光が前記２本の光ファイバを伝搬する際に発生し前記両光ファイバを前記パルス光と逆方向に伝搬し入射された散乱光を結合して干渉光とし、その干渉光を前記受光器に出力するカプラと、前記受光器の出力から前記干渉光の光強度を検出し、前記２本の光ファイバの両方または一方に振動が加えられたとき、その振動を前記干渉光の光強度の変動により検知する信号処理回路と、を備え、前記信号処理回路は、前記干渉光の光強度の変動の大きさから、振動強度を検出し、前記パルス光の出射から前記干渉光の光強度の変動が生じるまでの時間から、前記光ファイバに振動が加わった位置を検出するように構成される光ファイバ振動センサである。

前記光源として単一偏波の光を出射するものを用いるか、あるいは、前記光源からの光を単一偏波として前記カプラに出射する偏光子を備え、前記２本の光ファイバとして、偏波保持光ファイバを用いてもよい。

前記光源として無偏光の光を出射するものを用いるか、あるいは、前記光源からの光を無偏光として前記カプラに出射する偏光解消素子を備え、前記２本の光ファイバとして、シングルモード光ファイバを用いてもよい。

前記２本の光ファイバを収容したセンサケーブルを備え、該センサケーブルを振動を検知する構造体に沿って配置するようにしてもよい。

前記２本の光ファイバの一方を、センサケーブルとして振動を検知する構造体に沿って配置し、前記２本の光ファイバの他方を、前記光源、前記受光器、前記カプラ、前記信号処理回路を収容する筐体内に収容するようにしてもよい。

前記２本の光ファイバ、前記光源、前記受光器、前記カプラ、および前記信号処理回路を２セット備え、２本の前記センサケーブルを、一方の先端側が他方の基端側に、一方の基端側が他方の先端側に位置するように、前記構造体に沿って配置してもよい。

前記光源として、可干渉距離が前記パルス光の最大変調周波数で決まる距離分解能以上であるものを用いてもよい。

前記信号処理回路は、検出した振動強度が予め設定した閾値以上であるとき、警報を発するよう構成されてもよい。

本発明によれば、検出感度が良好で、振動が加わった位置を精度よく検出できると共に、振動の検出対象距離を長くできる低コストな光ファイバ振動センサを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。 （ａ）は、図１の光ファイバ振動センサにおいて、センサケーブルに振動が加わっていないときの干渉光の光強度の変化の一例、（ｂ）は、センサケーブルに振動が加わったときの干渉光の光強度の変化の一例を示すグラフ図である。 図１の光ファイバ振動センサにおける各時間毎の光強度の変化の一例を示すグラフ図である。 本発明の他の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。 本発明の他の実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る光ファイバ振動センサの概略構成図である。

図１に示すように、光ファイバ振動センサ１は、同じ長さの２本の光ファイバ２（２ａ，２ｂ）と、パルス光を出射する光源３と、光を電気に変換するＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）などの受光器４と、２入力２出力のカプラ５と、信号処理回路（ＯＴＤＲ信号処理回路）６と、を主に備えている。

本実施の形態では、２本の光ファイバ２ａ，２ｂを収容したセンサケーブル９を備え、このセンサケーブル９を振動を検知する構造体（フェンスやパイプラインなど）に沿って配置するようにした。

光源３と受光器４は、カプラ５を介して２本の光ファイバ２ａ，２ｂと光学的に接続される。これにより、光源３から入射されたパルス光は、カプラ５にて分岐され、２本の光ファイバ２ａ，２ｂに入射されるようになっている。また、光源３からのパルス光が２本の光ファイバ２ａ，２ｂを伝搬する際に発生し両光ファイバをパルス光と逆方向に伝搬する散乱光（レイリー散乱光）は、カプラ５にて結合されて干渉光となり、その干渉光が受光器４にて受光されるようになっている。受光器４からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器７にてデジタル信号に変換され、信号処理回路６に入力されるようになっている。

カプラ５で散乱光を結合する際に、両散乱光の偏波面が直交していると干渉が発生しないので、本実施の形態では、光源３からの光を単一偏波（直線偏光）としてカプラ５に出射する偏光子８を備え、２本の光ファイバ２ａ，２ｂとして、偏波保持光ファイバを用いるようにした。なお、光源３として単一偏波の光を出射するものを用いる場合、偏光子８は省略可能である。

光源３、受光器４、カプラ５、信号処理回路６、Ａ／Ｄ変換器７、および偏光子８は、筐体１０に収容されている。以下、筐体１０を含む光源３、受光器４、カプラ５、信号処理回路６、Ａ／Ｄ変換器７、および偏光子８の全体をセンサ本体１１と呼称する。すなわち、光ファイバ振動センサ１では、センサ本体１１からセンサケーブル９が延出されており、そのセンサケーブル９が振動を検知する構造体に沿って配置されている。

信号処理回路６は、受光器４の出力から干渉光の光強度を検出し、２本の光ファイバ２ａ，２ｂ（センサケーブル９）に振動が加えられたとき、その振動を干渉光の光強度の変動により検知するものである。

本実施の形態では、振動が加わった位置（センサケーブル９の長さ方向に沿った位置）を特定する手段として、ＯＴＤＲ方式を採用している。信号処理回路６では、パルス光を入射してから、戻り光（干渉光）の光強度の変動が生じるまでの時間を計測することにより、振動が加わった位置を検出している。

図２（ａ）に示すように、受光器４で受光される干渉光の光強度は、パルス光を出射してからの時間が長くなるにしたがって（つまりセンサ本体１１からの距離が離れるにしたがって）一定の割合で減衰する。

センサケーブル９に振動が加わると、振動の影響により両光ファイバ２ａ，２ｂが伸縮し、両光ファイバ２ａ，２ｂを伝搬する光の位相が変動する。本実施の形態では２本の光ファイバ２ａ，２ｂに略同様の振動が加わることになるが、２本の光ファイバ２ａ，２ｂで全く同じ変形の挙動となることはなく、光路もそれぞれ独立しているので、両光ファイバ２ａ，２ｂを伝搬する散乱光の位相は互いに無関係に変動する。

２本の光ファイバ２ａ，２ｂを独立に伝搬しカプラ５に入射した両散乱光は、光路差が光源３の可干渉距離以下であれば干渉し、例えば両散乱光の位相が同相であれば明るく、１８０度反転した位相であれば暗くなる。つまり、図２（ｂ）に示すように、センサケーブル９に振動が加わると、両散乱光を結合した干渉光の光強度が変動する。この干渉光の光強度の時間変化を検出すれば、振動強度が求められることになる。

よって、本実施の形態では、干渉光の光強度の変動の大きさから、振動強度を検出し、パルス光の出射から干渉光の光強度の変動が生じるまでの時間から、光ファイバ２ａ，２ｂに振動が加わった位置（センサケーブル９の長さ方向に沿った位置）を検出するように信号処理回路６を構成した。

より詳細には、信号処理回路６は、光源３を制御してパルス光を出射すると共に、受光器４の出力から干渉光の光強度を検出し、パルス光を出射してからの時間をセンサ本体１１からの距離（センサケーブル９の長さ方向の位置）に換算して、図２（ａ）や図２（ｂ）のような２次元データとして記憶する。同様の測定を所定の時間おき（センサケーブル９の長さにもよるが、センサケーブル９が数ｋｍ程度であれば１００μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃ程度に設定すればよい）に繰り返すと、図３に示すように時間のパラメータを加えた３次元データが得られる。

図２（ｂ）、図３に示すように、振動が発生した位置から光の位相がシフトするため、干渉光の光強度の変動は、振動が発生した位置からセンサケーブル９の遠端側まで連続する。よって、干渉光の光強度を距離（パルス光を出射してからの時間）で微分して干渉光の光強度の変化量を求め、その干渉光の光強度の変化量が予め設定した閾値よりも大きくなる最小の距離を、振動が加わった位置として検出するように信号処理回路６を構成すればよい。

また、信号処理回路６は、検出した振動強度が予め設定した閾値以上であるとき、管理者等に警報を発するよう構成されてもよい。このとき、検出した振動が加わった位置を、警戒すべき位置情報として管理者に通知するように構成すればよい。警報や警戒すべき位置情報は、有線または無線で管理者に通知すればよく、光や音により通知したり、管理用のモニタに表示したり、あるいは管理用の携帯端末に通知するなど、種々の手段を用いてよい。

ところで、ＯＴＤＲ方式では、パルス光の時間幅（パルス光の最大変調周波数、Ａ／Ｄ変換器７のサンプリング周波数と同一に設定される）で距離分解能が決まる。光源３の可干渉距離をこの距離分解能以上としないと干渉出力が得られない（つまり散乱光が干渉しない）ため、光源３としては、可干渉距離が距離分解能以上であるものを用いる必要がある。例えば、パルス光の最大変調周波数を１ＭＨｚ（１０^-6秒）とする場合、距離分解能は約１ｍとなるので、光源３として可干渉距離が１ｍ以上のものを用いる必要がある。疑似ランダム変調方式のＯＴＤＲ方式の場合にも、パルス光の最大変調周波数で決まる距離分解能以上に光源３の可干渉距離を設定する必要がある。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１では、光源３から出射したパルス光を分岐して２本の光ファイバ２ａ，２ｂに入射し、パルス光が２本の光ファイバ２ａ，２ｂを伝搬する際に発生し両光ファイバ２ａ，２ｂをパルス光と逆方向に伝搬する散乱光を結合した干渉光を受光器４に入力するようにし、信号処理回路６にて、受光器４の出力から干渉光の光強度を検出し、干渉光の光強度の変動の大きさから振動強度を、パルス光の出射から干渉光の光強度の変動が生じるまでの時間から、光ファイバ２ａ，２ｂに振動が加わった位置を検出するようにしている。

従来のサニャック干渉系を用いた光ファイバ振動センサでは、センサケーブルを３００ｍ程度までしか延長できなかったが、ＯＴＤＲ方式を用いた本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１では、少なくとも１００ｋｍ程度まではセンサケーブル９を延長することが可能となり、振動の検出対象距離を長くすることが可能になるため、石油や天然ガスのパイプラインなどの長距離の用途にも適用可能となる。

また、従来のサニャック干渉系を用いた光ファイバ振動センサでは、サニャック干渉系を２重とし２つの光学測定系を用いなければ振動が加わった位置を検出できなかったが、本発明の光ファイバ振動センサ１では、１つの光学測定系で振動が加わった位置を検出可能であり、低コストである。

また、光ファイバ振動センサ１では、戻り光（散乱光）を結合した干渉光の光強度により振動を検知しているため、両散乱光の位相の差が微少であっても、両散乱光を干渉させた干渉光の光強度が大きく変化するので、振動の検出感度を高めることができる。

つまり、本発明によれば、検出感度が良好で、振動が加わった位置を精度よく検出できると共に、振動の検出対象距離を長くできる低コストな光ファイバ振動センサ１を実現できる。

本発明の他の実施の形態を説明する。

図４に示す光ファイバ振動センサ４１は、図１の光ファイバ振動センサ１において、２本の光ファイバ２ａ，２ｂとして、通信用のシングルモード光ファイバを用いたものである。シングルモード光ファイバでは、偏波の保持性能が低いため、振動が加わると光ファイバ２ａ，２ｂを伝搬する光の偏波が回転する。そのため、光の偏波が回転しても両光ファイバ２ａ，２ｂからの散乱光が干渉するように、無偏光の光を両光ファイバ２ａ，２ｂに入射する必要がある。

光ファイバ振動センサ４１では、光源３からの光を無偏光としてカプラ５に出射する偏光解消素子４２を備え、無偏光の光を両光ファイバ２ａ，２ｂに入射するようにした。なお、光源３として無偏光の光を出射するもの（例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード））を用いる場合、偏光解消素子４２は省略可能である。

また、光ファイバ振動センサ４１では、２本の光ファイバ２ａ，２ｂの一方（ここでは２ａ）を、センサケーブル９として振動を検知する構造体に沿って配置し、２本の光ファイバ２ａ，２ｂの他方（ここでは２ｂ）を、ボビン等に巻いて、光源３、受光器４、カプラ５、信号処理回路６を収容する筐体１０内に収容するようにしている。このように構成することで、センサケーブル９に振動が加わった際にも筐体１０内の光ファイバ２ｂには振動が加わらない（つまり、一方の光ファイバ２ａのみにしか振動が加わらない）ことになるので、センサケーブル９に振動を加えた際の散乱光の位相差をより大きくし、検出感度をより向上させることが可能になる。

図５に示す光ファイバ振動センサ５１は、図４の光ファイバ振動センサ４１を２セット備え、両光ファイバ振動センサ４１のセンサケーブル９を、一方の先端側が他方の基端側に、一方の基端側が他方の先端側に位置するように、構造体に沿って配置したものである。光ファイバ振動センサ５１によれば、センサケーブル９を一度切断された場合であっても、センサケーブル９の全長にわたって振動の検知を継続できる。

なお、図５では、両光ファイバ振動センサ４１のセンサケーブル９を一体に形成した場合を示しているが、別体として両者を沿わせるように配置してもよい。

本発明の光ファイバ振動センサ１，４１，５１は、そのセンサケーブル９をフェンスに敷設することで、侵入検知システムとして用いることができる。また、石油や天然ガスなどのパイプラインにセンサケーブル９を据え付けることで、油漏れやガス漏れ、破壊の検知などを行うセキュリティシステムとして用いることができる。その他にも、例えば、落石検知、地震検知、建物等のヘルスチェックなど、振動検知が有効な分野に広く適用可能である。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では言及しなかったが、光ファイバ振動センサ１，４１，５１を侵入検知システムとして用いる場合、風等の自然現象による振動を除外する機能を信号処理回路６に搭載してもよい。

１ 光ファイバ振動センサ
２ 光ファイバ
３ 光源
４ 受光器
５ カプラ
６ 信号処理回路
７ Ａ／Ｄ変換器
８ 偏光子
９ センサケーブル
１０ 筐体
１１ センサ本体

Claims (5)

1. 同じ長さの２本の光ファイバと、
   パルス光を出射する光源と、
   光を電気に変換する受光器と、
   前記光源から入射されたパルス光を分岐して前記２本の光ファイバに出射すると共に、該パルス光が前記２本の光ファイバを伝搬する際に発生し前記両光ファイバを前記パルス光と逆方向に伝搬し入射された散乱光を結合して干渉光とし、その干渉光を前記受光器に出力するカプラと、
   前記受光器の出力から前記干渉光の光強度を検出し、前記２本の光ファイバの両方または一方に振動が加えられたとき、その振動を前記干渉光の光強度の変動により検知する信号処理回路と、を備え、
   前記信号処理回路は、
   前記干渉光の光強度の変動の大きさから、振動強度を検出し、
   前記パルス光の出射から前記干渉光の光強度の変動が生じるまでの時間から、前記光ファイバに振動が加わった位置を検出する光ファイバ振動センサであって、
   前記２本の光ファイバを収容したセンサケーブルを備え、
   該センサケーブルを振動を検知する構造体に沿って配置するようにした光ファイバ振動センサ。
2. 前記光源として単一偏波の光を出射するものを用いるか、あるいは、前記光源からの光を単一偏波として前記カプラに出射する偏光子を備え、
   前記２本の光ファイバとして、偏波保持光ファイバを用いる
   請求項１記載の光ファイバ振動センサ。
3. 前記光源として無偏光の光を出射するものを用いるか、あるいは、前記光源からの光を無偏光として前記カプラに出射する偏光解消素子を備え、
   前記２本の光ファイバとして、シングルモード光ファイバを用いる
   請求項１記載の光ファイバ振動センサ。
4. 前記光源として、可干渉距離が前記パルス光の最大変調周波数で決まる距離分解能以上であるものを用いる
   請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
5. 前記信号処理回路は、
   検出した振動強度が予め設定した閾値以上であるとき、警報を発するよう構成される 請求項１〜４いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。