JP6489164B2 - 光ファイバセンサ装置及び光ファイバセンサシステム - Google Patents

Description

この発明は、例えば、時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）において、測定距離の長延化を可能にする光ファイバセンサ装置、及びこの光ファイバセンサ装置を用いた光ファイバセンサシステムに関する。

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定するＯＴＤＲが代表的である。

ここで、測定距離を長延化すると、光ファイバが長くなり、レイリー散乱光による雑音が大きくなるという課題がある。

そこで、測定距離の長延化を可能にする、光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度から温度を求める分布型の光ファイバ温度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている光ファイバ温度センサでは、光ファイバの入力側の端部から離れるにしたがって、自然ラマン散乱光発生効率が高くなるように配置されている。

特開平９−６１２６１号公報

この出願に係る発明者らが検討したところ、ＯＴＤＲを用いた光ファイバセンサシステムにおいて、測定距離の長延化の課題を解決する新たな手法として、光ファイバの両側からＯＴＤＲで測定を行うことで、測定距離の長延化が可能になることを見出した。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、測定距離の長延化を行う光ファイバセンサシステムで用いて好適な光ファイバセンサ装置と、この光ファイバセンサ装置を用いた光ファイバセンサシステムを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバセンサ装置は、プローブ光を生成する光源部と、光ファイバで反射された反射光を検出する光検出部と、第１〜４の入出力端子を備え、第１の入出力端子にプローブ光が入力され、第２の入出力端子が終端されている光路切換部とを備えて構成される。

光路切換部は、第１の入出力端子と第３の入出力端子を接続し、かつ、第２の入出力端子と第４の入出力端子を接続する第１の状態と、第１の入出力端子と第４の入出力端子を接続し、かつ、第２の入出力端子と第３の入出力端子を接続する第２の状態とを取ることができる。

また、この発明の光ファイバセンサシステムは、ｎ（ｎは２以上の整数）の上記の光ファイバセンサ装置と、ｎ−１本の光ファイバを備えて構成される。

第ｋ（ｋは１以上ｎ−１以下の整数）の光ファイバセンサ装置の第３の入出力端子は、第ｋの光ファイバに接続されており、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置の第４の入出力端子は、第ｋの光ファイバに接続されている。

この発明の光ファイバセンサ装置及び光ファイバセンサシステムによれば、光ファイバの両側からＯＴＤＲで測定を行うことで、測定距離の長延化が可能になる。

第１の光ファイバセンサシステムを説明するための模式図である。 光路切換部を説明するための模式図（１）である。 第２の光ファイバセンサシステムを説明するための模式図である。 第３の光ファイバセンサシステムを説明するための模式図である。 光路切換部を説明するための模式図（２）である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。なお、各図において共通する構成要素は省略する場合がある。

（第１の光ファイバセンサシステム）
図１を参照して、この発明の第１の実施形態に係る光ファイバセンサシステム（以下、第１の光ファイバセンサシステムとも称する。）について説明する。図１は、第１の光ファイバセンサシステムを説明するための模式図である。図１（Ａ）は、概略的な構成図を示し、図１（Ｂ）は、測定感度を示す。図１（Ｂ）は、横軸に光ファイバの長手方向の位置を示し、縦軸に測定感度を示している。

第１の光ファイバセンサシステムは、ｎの光ファイバセンサ装置１０と、ｎ−１本の光ファイバ９０を備えて構成される。

光ファイバセンサ装置１０は、光源部１２と、サーキュレータ１４と、光検出部１６と、演算部１８と、光路切換部２０とを備えて構成される。

光源部１２は、プローブ光を生成する。光源部１２は、例えば、連続光を生成する光源と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器を備えて構成される。この光パルスが、プローブ光として、光源部１２から出力される。

この光源部１２から出力されたプローブ光は、サーキュレータ１４及び光路切換部２０を経て、光ファイバ９０に入力される。なお、サーキュレータ１４に換えて、光カプラとアイソレータを組み合わせて用いても良い。

光ファイバ９０に入力されたプローブ光は、光ファイバ９０中で反射される。プローブ光が光ファイバ９０で反射された反射光は、光路切換部２０及びサーキュレータ１４を経て光検出部１６に送られる。

光検出部１６は、例えば、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などで構成され、反射光の強度を測定する。

演算部１８は光検出部１６での測定結果、及び、光路切換部２０の状態に基づいて、光ファイバ９０に応力が印加されている位置を取得する。

なお、ＯＴＤＲの中で、自然ブリルアン散乱を測定するＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）を利用する場合は、光検出部を、例えば、特開２０１６−１９１６５９に開示されているような自己遅延ヘテロダイン干渉計で構成し、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）を測定してもよい。ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｇａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）と呼ばれる。ブリルアン周波数シフトは、ＢＧＳの周波数シフトの大きさを示す。

図２を参照して、光路切換部２０について説明する。図２は、光路切換部を説明するための模式図である。光路切換部２０は、第１〜４の入出力端子２０ａ〜２０ｄを備えて構成される。第１〜４の入出力端子２０ａ〜２０ｄは、それぞれ光路切換部２０への入力や光路切換部２０からの出力に用いられる端子である。

第１の入出力端子２０ａは、サーキュレータ１４と接続されており、プローブ光が入力される。また、第１の入出力端子２０ａは、第３又は第４の入出力端子２０ｃ又は２０ｄから入力される反射光を出力し、サーキュレータ１４を経て光検出部１６に送る。

第２の入出力端子２０ｂは終端されていて、他の端子から入力された光を出力した際の反射、散乱等を抑制する。

第３の入出力端子２０ｃ及び第４の入出力端子２０ｄは光ファイバに接続される。光路切換部２０は、例えば、光クロススイッチで構成される。この場合、光路切換部２０は、第１の入出力端子２０ａと第３の入出力端子２０ｃを接続し、かつ、第２の入出力端子２０ｂと第４の入出力端子２０ｄを接続する第１の状態（図２（Ａ））と、第１の入出力端子２０ａと第４の入出力端子２０ｄを接続し、かつ、第２の入出力端子２０ｂと第３の入出力端子２０ｃを接続する第２の状態（図２（Ｂ））とを取ることができる。第１の状態は、バー状態であり、第２の状態はクロス状態である。

光路切換部２０の光路を切り換える構成は、当業者であれば実現可能である。この光路切換部２０の状態は、演算部１８に送られる。

第ｋの光ファイバセンサ装置１０−ｋの第３の入出力端子は、第ｋの光ファイバ９０−ｋに接続されており、また、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１０−（ｋ＋１）の第４の入出力端子は、第ｋの光ファイバ９０−ｋに接続されている。

以下の説明では、第１の状態、すなわち、第ｋの光ファイバセンサ装置１０−ｋが第ｋの光ファイバ９０−ｋに対してプローブ光を送る状態を順方向と称し、第２の状態、すなわち、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１０−（ｋ＋１）が第ｋの光ファイバ９０−ｋに対してプローブ光を送る状態を逆方向と称することもある。

第ｋの光ファイバ９０−ｋに対して、順方向で測定する場合、光ファイバの長さが長くなる、すなわち、測定距離が長延化すると、測定感度が下がっていき、ある長さを超えると閾値を下回り、十分な測定を行うことができなくなる（図１（Ｂ）中、曲線Ｉ）。

同様に、第ｋの光ファイバ９０−ｋに対して、逆方向で測定する場合、光ファイバの長さが長くなると、測定感度が下がっていき、ある長さを超えると閾値を下回り、十分な測定を行うことができなくなる（図１（Ｂ）中、曲線ＩＩ）。

従来は、例えば順方向の一方向のみの測定しか行っていない。このため、測定距離が長くなる場合は、それぞれの光ファイバセンサ装置での測定可能距離ごとに光ファイバセンサ装置が必要となる。

これに対し、第１の光ファイバセンサシステムでは、第ｋの光ファイバに対して、順方向及び逆方向の両者の測定を行うことができる。このため、順方向及び逆方向の両者の測定結果を組み合わせることで、測定感度を高めることができる（図１（Ｂ）中、曲線Ｉ＋ＩＩ）。その結果、それぞれの光ファイバセンサ装置での測定可能距離よりも広い間隔で光ファイバセンサ装置を配置しても、十分な測定感度で測定を行うことができる。

（第２の光ファイバセンサシステム）
図３を参照して、この発明の第２の実施形態に係る光ファイバセンサシステム（以下、第２の光ファイバセンサシステムとも称する。）について説明する。図３は、第２の光ファイバセンサシステムを説明するための模式図である。

第２の光ファイバセンサシステムは、光ファイバセンサ装置１１の、サーキュレータ１４と、光路切換部２０との間に波長フィルタ３０を備える点が、第１の光ファイバセンサシステムと異なっている。他の構成は、第１の光ファイバセンサシステムと同様なので、重複する説明を省略する。

第１の光ファイバセンサシステムでは、１つの光ファイバに対して、順方向及び逆方向の両者の測定を順次に行う。これに対し、光ファイバセンサシステムの用途によっては、よりリアルタイム性が求められることがある。この場合は、１つの光ファイバに対して、順方向及び逆方向の両者の測定を同時に行う必要がある。

この第２の光ファイバセンサシステムは、各光ファイバセンサ装置が備える波長フィルタが透過させる波長帯域（透過波長）が、互いに異なっている。

第ｋの光ファイバ９０−ｋに対して、第ｋの光ファイバセンサ装置１１−ｋが波長λｋの光をプローブ光として順方向測定を行い、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１１−（ｋ＋１）が波長λｋ＋１の光をプローブ光として逆方向測定を行う。第ｋの光ファイバセンサ装置１１−ｋが備える波長フィルタ３０の透過波長がλｋ、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１１−（ｋ＋１）が備える波長フィルタ３０の透過波長がλｋ＋１である場合、第ｋの光ファイバセンサ装置１１−ｋが生成する波長λｋのプローブ光は、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１１−（ｋ＋１）の波長フィルタ３０で遮断され、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１１−（ｋ＋１）が生成する波長λｋ＋１のプローブ光は、第ｋの光ファイバセンサ装置１１−ｋの波長フィルタ３０で遮断される。このため、第ｋの光ファイバセンサ装置１１−ｋと第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置１１−（ｋ＋１）は、同時に同じ光ファイバの測定を行うことができる。

（第３の光ファイバセンサシステム）
図４を参照して、この発明の第３の実施形態に係る光ファイバセンサシステム（以下、 第３の光ファイバセンサシステムとも称する。）について説明する。図４は、第３の光ファイバセンサシステムを説明するための模式図である。図４（Ａ）は、概略的な構成図を示し、図４（Ｂ）は、測定感度を示す。図４（Ｂ）は、横軸に光ファイバの長手方向の位置を示し、縦軸に測定感度を示している。

第３の光ファイバセンサシステムは、光路切換部２１の構成が第１の光ファイバセンサシステムと異なっている。他の構成は、第１の光ファイバセンサシステムと同様なので、重複する説明を省略する。

図５を参照して、光路切換部２１について説明する。図２は、光路切換部を説明するための模式図である。光路切換部２１は、第１〜４の入出力端子を備えて構成される。第１〜４の入出力端子は、それぞれ光路切換部２１への入力や光路切換部２１からの出力に用いられる端子である。

第３の光ファイバセンサシステムでは、光路切換部２１が、２つの光クロススイッチ２２及び２４を備えて構成される。

各光クロススイッチは、第１〜４の端子を備えている。バー状態では、第１の端子と第３の端子が接続され、 かつ、 第２の端子と第４の端子が接続される。また、クロス状態では、第１の端子と第４の端子が接続され、かつ、第２の端子と第３の端子が接続される。

この光路切換部２１は、第１の光クロススイッチ２２の第１及び第２の端子２２ａ及び２２ｂが、それぞれ、光路切換部２１の第１の入出力端子及び第２の入出力端子となる。また、第２の光クロススイッチ２４の第１及び第３の端子２４ａ及び２４ｃがそれぞれ、光路切換部２１の第３及び第４の入出力端子となる。そして、第１の光クロススイッチ２２の第３及び第４の端子２２ｃ及び２２ｄが、それぞれ、第２の光クロススイッチ２４の第２及び第４の端子２４ｂ及び２４ｄと接続される。

第１の光クロススイッチ２２がクロス状態であり、かつ、第２の光クロススイッチがクロス状態の場合（図５（Ａ））は、第１の光クロススイッチの第１の端子２２ａ、第１の光クロススイッチの第４の端子２２ｄ、第２の光クロススイッチの第４の端子２４ｄ及び第２の光クロススイッチの第１の端子２４ａが接続される。このとき、第１の光クロススイッチの第２の端子２２ｂ、第１の光クロススイッチの第３の端子２２ｃ、第２の光クロススイッチの第２の端子２４ｂ及び第２の光クロススイッチの第３の端子２４ｃが接続される。

すなわち、 第１の入出力端子（第１の光クロススイッチの第１の端子２２ａ）と第３の入出力端子（第２の光クロススイッチの第１の端子２４ａ）が接続され、かつ、第２の入出力端子（第１の光クロススイッチの第２の端子２２ｂ）と第４の入出力端子（第２の光クロススイッチの第３の端子２４ｃ）が接続された、第１の状態となる。

また、第１の光クロススイッチ２２がバー状態であり、かつ、第２の光クロススイッチ２４がクロス状態の場合（図５（Ｂ））は、第１の光クロススイッチの第１の端子２２ａ、第１の光クロススイッチの第３の端子２２ｃ、第２の光クロススイッチの第２の端子２４ｂ及び第２の光クロススイッチの第３の端子２４ｃが接続される。このとき、第１の光クロススイッチの第２の端子２２ｂ、第１の光クロススイッチの第４の端子２２ｄ、第２の光クロススイッチの第４の端子２４ｄ及び第２の光クロススイッチの第１の端子２４ａが接続される。

すなわち、第１の入出力端子（第１の光クロススイッチの第１の端子２２ａ）と第４の入出力端子（第２の光クロススイッチの第３の端子２４ｃ）が接続され、かつ、第２の入出力端子（第１の光クロススイッチの第２の端子２２ｂ）と第３の入出力端子（第２の光クロススイッチの第１の端子２４ａ）が接続された、第２の状態となる。

さらに、第１の光クロススイッチ２２がバー状態であり、かつ、第２の光クロススイッチ２４がバー状態の場合（図５（Ｃ））は、第１の光クロススイッチの第１の端子２２ａ、 第１の光クロススイッチの第３の端子２２ｃ、第２の光クロススイッチの第２の端子２４ｂ、第２の光クロススイッチの第４の端子２４ｄ、第１の光クロススイッチの第４の端子２２ｄ及び第１の光クロススイッチの第２の端子２２ｂが接続される。このとき、第２の光クロススイッチの第１の端子２４ａと第２の光クロススイッチの第３の端子２４ｃが接続される。

すなわち、第１の入出力端子（第１の光クロススイッチの第１の端子２２ａ）と第２の入出力端子（第１の光クロススイッチの第２の端子２２ｂ）が接続され、かつ、第３の入出力端子（第２の光クロススイッチの第１の端子２４ａ）と第４の入出力端子（第２の光クロススイッチの第４の端子２４ｄ）が接続された、第３の状態となる。

第ｋの光ファイバセンサ装置１３−ｋの光路切換部２１が第３の状態のときは、第ｋ−１の光ファイバセンサ装置から順方向に出力されたプローブ光は、第ｋ−１の光ファイバを伝播して、第ｋの光ファイバセンサ装置１３−ｋを通過して、さらに第ｋの光ファイバ９０−ｋを伝搬する。そして、第ｋの光ファイバセンサ装置１３−ｋで生成されたプローブ光は終端される。

このように、第ｋの光ファイバセンサ装置の光路切換部が第３の状態のときは、第ｋの光ファイバセンサ装置はスルー状態となり、第ｋ−１の光ファイバと第ｋの光ファイバとがそのまま接続された状態となる。

この第３の光ファイバセンサシステムでは、例えば、第ｋの光ファイバセンサ装置に不具合が生じ、修理が必要になった場合など、第ｋの光ファイバセンサ装置の光路切換部を第３の状態にすることで、他の光ファイバセンサ装置での測定を継続したまま、当該光ファイバセンサ装置の修理等を行うことができる。

また、いくつかの光ファイバセンサ装置の光路切換部を第３の状態にして、この光ファイバセンサ装置をスリープさせることで、消費電力を抑制することもできる。

例えば、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置をスルー状態にしてスリープさせると、光ファイバの長さが２倍以上になるので、十分な感度での測定が行えない場合もある。

しかし、測定感度が低い状態で、測定を行い、異常が示された場合には、第ｋ＋１の光ファイバセンサ装置をアクティブにして、十分な感度での測定を行うなど、省エネルギーの観点でも優れた効果が期待される（図４（Ｂ））。

１０、１１、１３ 光ファイバセンサ装置
１２ 光源部
１４ サーキュレータ
１６ 光検出部
１８ 演算部
２０、２１ 光路切換部
２２、２４ 光クロススイッチ
３０ 波長フィルタ
９０ 光ファイバ

Claims (4)

1. 光源部と、
   光検出部と、
   第１〜４の入出力端子を備えて構成され、前記第２の入出力端子が終端されている光路切換部と
   を備え、
   前記第３の入出力端子と前記第４の入出力端子のいずれか一方又は双方に光ファイバが接続され、
   前記光路切換部は、
   前記第１の入出力端子と前記第３の入出力端子を接続し、かつ、前記第２の入出力端子と前記第４の入出力端子を接続する第１の状態と、
   前記第１の入出力端子と前記第４の入出力端子を接続し、かつ、前記第２の入出力端子と前記第３の入出力端子を接続する第２の状態とを
   取ることができ、
   前記第１の状態及び前記第２の状態では、
   前記光源部がプローブ光を生成し、
   前記プローブ光は、前記第１の入出力端子に入力され、前記第３の入出力端子又は前記第４の入出力端子を経て光ファイバに出力され、
   前記光ファイバで反射された反射光は、前記第３の入出力端子又は前記第４の入出力端子に入力され、前記第１の入出力端子を経て前記光検出部に送られ、
   前記光検出部は、前記反射光を検出する
   ことを特徴とする光ファイバセンサ装置。
2. 前記光源部と前記光路切換部の間に、波長フィルタを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
3. 前記第３の入出力端子と前記第４の入出力端子の双方に光ファイバが接続され、
   前記光路切換部は、さらに
   前記第１の入出力端子と前記第２の入出力端子を接続し、かつ、前記第３の入出力端子と前記第４の入出力端子を接続する第３の状態を取ることができ、
   前記第３の状態では、前記光ファイバから前記第３の入出力端子及び前記第４の入出力端子の一方に入力された光は、前記第３の入出力端子及び前記第４の入出力端子の他方を経て光ファイバに出力される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ装置。
4. ｎ（ｎは２以上の整数）の請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ装置と、ｎ−１本の光ファイバを備え、
   第ｋ（ｋは１以上ｎ−１以下の整数）の前記光ファイバセンサ装置の第３の入出力端子は、第ｋの光ファイバに接続されており、
   第ｋ＋１の前記光ファイバセンサ装置の第４の入出力端子は、前記第ｋの光ファイバに接続されている
   ことを特徴とする光ファイバセンサシステム。

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