JP6494459B2 - 振動分布測定方法及び振動分布測定装置 - Google Patents
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Description
複数の被試験光ファイバからの後方散乱光の反射率分布を測定する振動分布測定方法において、
光源がコヒーレント光を発する発光手順と、
前記光源からの出力光を2分岐して局発光と試験光とを生成する分岐手順と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに周波数を変化させる光周波数制御手順と、
光サーキュレータが前記光周波数制御手順で周波数を変化した試験光を前記被試験光ファイバに入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を取り込み出力する光出力手順と、
前記光サーキュレータで出力した前記後方散乱光と、前記分岐手順で生成した前記局発光とを光結合し光信号として出力する光結合手順と、
前記光信号を光受信して電流信号を取得する光受信手順と、
前記電流信号を数値化する数値化手順と、
前記数値化手順で数値化した電流信号を数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の複数の周波数成分による前記被試験光ファイバからの後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する演算処理手順と、を行い、
前記光周波数制御手順において、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定し、前記時間間隔を有するパルス列を構成し、
前記演算処理手順において、
前記光周波数制御手順で構成されたパルス列を有する試験光が入射された前記複数の被試験光ファイバからの各受光時間ごとの後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と前記振動位置の周波数を検出する。
前記光周波数制御手順は、
周波数の異なる試験光の間の時間間隔において、利用するすべての試験光の周波数と、それぞれのパルス列の幅による周波数範囲の全てと重ならない周波数の補填光で埋めることにより、入射試験光全体の中での光強度の変化をなくし、測定誤差へつながる光ファイバ中の非線形現象を防いでもよい。
前記演算処理手順は、
前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化から振動周波数を計算する場合、入射した試験光において一つのパルス列中の周波数の異なる試験光のパルスからの後方散乱光を比較するとともに演算処理し、演算値が他の周波数の試験光による後方散乱光の演算値と予め定められた閾値を超過する場合に前記演算値の後方散乱光を除外又は2πの倍数の補正処理を行うことにより、後方散乱光の位相が2πの倍数だけ不定なことによる演算結果のずれを補正してもよい。
前記光周波数制御手順は、
予め定められた周波数範囲の試験光パルス列を連続して入射する場合、周波数範囲が繰り返されるタイミングごとに異なる長さの時間間隔を加えることにより、入射する試験光パルス列の周波数の繰り返し間隔を不等間隔にし、前記数値演算処理により周波数分離をして、前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した周波数成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防いでもよい。
前記光周波数制御手順は、
入射する試験光への周波数変調の順番をランダムにする制御指示を前記演算処理手順に対し行うことにより、前記演算処理手順における数値演算処理により周波数分離をして、前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した周波数成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防いでもよい。
前記演算処理手順は、
被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化の波形において、短時間離散フーリエ変換処理でスペクトルの時間変化を計算することにより、前記被試験光ファイバ中の時間的に一定ではない振動の非定常的な時間変化を、前記被試験光ファイバ中の各地点で測定してもよい。
複数の被試験光ファイバからの後方散乱光の反射率分布を測定する振動分布測定装置において、
コヒーレント光を発する光源と、
前記光源からの出力光を2分岐して局発光と試験光とを生成する分岐部と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに周波数を変化させる周波数変調部と、
前記周波数変調部で周波数を変化した試験光を前記被試験光ファイバに入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を取り込み出力する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータで出力した前記後方散乱光と、前記分岐部で生成した前記局発光とを光結合し、光結合した光信号を電流信号に変換するバランスフォトディテクタと、
前記電流信号を数値化し、数値化した電流信号を数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の複数の周波数成分による前記被試験光ファイバからの後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する計算処理部と、を備え、
前記周波数変調部は、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定し、前記時間間隔を有するパルス列を構成し、
前記計算処理部は、前記周波数変調部で構成されたパルス列を有する試験光が入射された前記複数の被試験光ファイバからの各受光時間ごとの後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と前記振動位置の周波数を検出する。
図1は本発明の測定方法を採用する本実施形態に係る振動分布測定装置として機能する試験装置を示すブロック構成図である。11はコヒーレント光を発する光源である。分岐部12で光源11からの光を分岐し、片方を周波数変調部13で周波数を変調し、光増幅器14で増幅する。この増幅された周波数変調光は光サーキュレータ15を通して被試験光ファイバ16へ入射される。
と名前をつける。
という順番になり、それぞれの間隔は等間隔でTとなる。
は、x以下の最大の整数という意味である。
実施形態1の測定と信号処理をする際に、図6に示すような、ある位置での散乱光の位相を時間的に並べた波形では、それぞれの散乱を起こす変調周波数は計算上どの値にも影響しないはずではあるが、そもそもの光の周波数が異なるため、その変調周波数に依存した影響を完全には除去することはできない。
繰り返し周波数ピークを低減させる2つ目の方法について説明する。図6のある点からの散乱光の位相の時系列波形において、変調周波数が異なる点が同じ順番かつ等間隔で現れるために、周波数依存成分の繰り返しがスペクトルに現れる。したがって、周波数依存成分を低減するのではなく、それらが等間隔ではないようにする方法である。
繰り返し周波数ピークを低減させる3つ目の方法について説明する。図6のある点からの散乱光の位相の時系列波形において、変調周波数が異なる点が同じ順番かつ等間隔で現れるために、周波数依存成分の繰り返しがスペクトルに現れる。したがって、周波数依存成分を低減するのではなく、それらが等間隔ではないようにする方法の2つ目である。
実施形態1〜実施形態4は、被試験光ファイバ16に加わっている振動が定常的なものである場合の測定方法である。本実施形態では、非定常的な振動が被試験光ファイバ16に加わった場合に、その周波数、位置、時間を検出する方法について説明する。図6を求めるところまでは実施形態1〜4と同じである。
12:分岐部
13:周波数変調部
14:光増幅器
15:光サーキュレータ
16:被試験光ファイバ
17:タイミング制御信号発生器
18:バランスフォトディテクタ
19:数値化装置
21:計算処理部
Claims (11)
- 被試験光ファイバからの後方散乱光の反射率分布に基づき前記被試験光ファイバの振動分布を測定する振動分布測定方法において、
光源によりコヒーレント光を発する発光手順と、
前記コヒーレント光を2分岐して局発光と試験光とを生成する分岐手順と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに変化させる光周波数制御手順と、
光サーキュレータにより、周波数を変化させた前記試験光を前記被試験光ファイバに入射するとともに、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を出力する光入出力手順と、
前記後方散乱光と前記局発光とを光結合した光信号を電気信号に変換する光受信手順と、
前記電気信号を周波数成分毎に分離し、各周波数の前記試験光による前記後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する演算処理手順と、を行い、
前記光周波数制御手順では、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる前記試験光の間に設けることでパルス列を構成し、
前記演算処理手順では、
受光時間ごとの前記後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの前記後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と振動周波数を検出する
ことを特徴とする振動分布測定方法。 - 前記光周波数制御手順では、
周波数の異なる前記試験光の間を前記試験光の周波数のいずれとも異なる周波数の補填光で埋める
ことを特徴とする請求項1に記載の振動分布測定方法。 - 前記演算処理手順では、
前記後方散乱光の時間変化から振動周波数を計算する際に、一組の前記パルス列に含まれる周波数の異なる前記試験光のパルスによる前記後方散乱光を比較するとともに演算処理し、位相の演算値が他の周波数の試験光による後方散乱光の位相の演算値から定められた範囲内にない場合に当該演算値を除外又は当該演算値に2πの倍数の補正処理を行う
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の振動分布測定方法。 - 前記光周波数制御手順では、
予め定められた周波数範囲の前記試験光からなる前記パルス列を繰り返して入射し、前記パルス列が繰り返されるタイミングごとに前記試験光の間に異なる長さの時間間隔を加える
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の振動分布測定方法。 - 前記光周波数制御手順では、
前記試験光の周波数の変更の順番をランダムにする
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の振動分布測定方法。 - 前記演算処理手順では、
前記被試験光ファイバの各地点からの前記後方散乱光の時間変化の波形に対して短時間離散フーリエ変換処理でスペクトルの時間変化を計算することにより、前記被試験光ファイバ中の各地点の振動の非定常的な時間変化を測定する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の振動分布測定方法。 - 被試験光ファイバからの後方散乱光の反射率分布に基づき前記被試験光ファイバの振動分布を測定する振動分布測定装置において、
コヒーレント光を発する光源と、
前記コヒーレント光を2分岐して局発光と試験光とを生成する光分岐部と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに変化させる光周波数制御部と、
周波数を変化させた前記試験光を前記被試験光ファイバに入射するとともに、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を出力する光サーキュレータと、
前記後方散乱光と前記局発光とを光結合した光信号を電気信号に変換する光ディテクタと、
前記電気信号を周波数成分毎に分離し、各周波数の前記試験光による前記後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する計算処理部と、を備え、
前記光周波数制御部は、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる前記試験光の間に設けることでパルス列を構成し、
前記計算処理部は、
受光時間ごとの前記後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの前記後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と振動周波数を検出する
ことを特徴とする振動分布測定装置。 - 前記計算処理部は、
前記後方散乱光の時間変化から振動周波数を計算する際に、一組の前記パルス列に含まれる周波数の異なる前記試験光のパルスによる前記後方散乱光を比較するとともに演算処理し、位相の演算値が他の周波数の試験光による後方散乱光の位相の演算値から定められた範囲内にない場合に当該演算値を除外又は当該演算値に2πの倍数の補正処理を行う
ことを特徴とする請求項7に記載の振動分布測定装置。 - 前記光周波数制御部は、
予め定められた周波数範囲の前記試験光からなる前記パルス列を繰り返して入射し、前記パルス列が繰り返されるタイミングごとに前記試験光の間に異なる長さの時間間隔を加える
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の振動分布測定装置。 - 前記光周波数制御部は、
前記試験光の周波数の変更の順番をランダムにする
ことを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の振動分布測定装置。 - 前記計算処理部は、
前記被試験光ファイバの各地点からの前記後方散乱光の時間変化の波形に対して短時間離散フーリエ変換処理でスペクトルの時間変化を計算することにより、前記被試験光ファイバ中の各地点の振動の非定常的な時間変化を測定する
ことを特徴とする請求項7から10のいずれかに記載の振動分布測定装置。
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