JP6774375B2 - 光ファイバ位置探索装置及びプログラム - Google Patents

Description

本開示は、配線された光ファイバケーブルの位置や経路を特定する設備探索技術に関するものである。

従来、ケーブルの位置を探索する技術として、例えば非特許文献１のように、導電性のケーブル（メタルケーブルや導電体を有する光ファイバケーブル）に対して、探索用の交流または直流磁界を導電性のケーブルに付与してそれを検出する技術が存在する。一方、導電体を持たない光ファイバケーブルに対しては、主には断線有無を確認する手段ではあるが、例えば非特許文献２のように、波長６００ｎｍ〜８００ｎｍ程度の可視光を光ファイバに入射し、光ファイバケーブルのストレス部や接続部などで発生する漏洩光を視認することで当該のケーブル位置を視認する技術が存在する。

一方、光ファイバケーブルの形状を計測する技術としては、複数のコアを有する光ファイバを内蔵した光ファイバケーブルを用いて、例えば非特許文献３のように、ファイバブラッググレーティングを用いるものや、非特許文献４のように、複数のコアを光ファイバ内で規則的にねじるものなどを用いて、高精度にひずみとひずみのかかった方向を分布的に計測することで、光ファイバの曲がり形状を三次元上で計測する技術が知られている。

ＮＴＴ ＩｎｆｒａＮｅｔ 技術紹介「埋設物位置・状態探査（位置・状態）」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｔｔｉｎｆ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｅｒｖｉｃｅ／ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ／ （２０１７年４月２７日検索） ＮＴＴ ＡＴ 技術紹介「光ファイバ導通チェッカ」、ｈｔｔｐ：／／ｋｅｙｔｅｃｈ．ｎｔｔ−ａｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃ／ｐｒｄ＿００４３．ｈｔｍｌ （２０１７年４月２７日検索） Ｊ．Ｐ．Ｍｏｏｒｅ，ｅｔ ａｌ．， "Ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｃａｂｌｅ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｃｕｒｖｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．２０ ｎｏ．３ ｐｐ．２９６７ Ｅ． Ｍ． Ｌａｌｌｙ， ｅｔ ａｌ．， "Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ８３４５ ８３４５２Ｙ−１

通信事業者の通信ビルやデータセンタビルなどにおいては、数多くの光サービス加入者やサーバ間の配線を行うための光ファイバ設備量は増加の一途をたどっており、設備の更改に伴う撤去や移動を行う際には、特定の光ファイバケーブルの位置やその経路を探索する必要がある。例えば、光ファイバの詳細位置が不明な場合、撤去作業そのものが通信中の光ファイバケーブルにおける通信に影響を及ぼす事故を起こすことがあり、これを回避するために光ファイバケーブルの確認作業が必要である。しかし、この作業には大きな稼働やコストがかかるという課題がある。

さらに、通常こうした通信ビル等で用いられる光ファイバケーブルは、光ファイバにアラミド繊維等を縦添えしたアラミド繊維強化ケーブルであり、導電性が無いため、背景技術にある磁界を利用した探索技術は、適用することができない。また、可視光源を利用する探索技術は、視認できる位置にケーブルが存在し、かつ漏洩部分が確認できる場所に限定されるだけでなく、その経路について知ることは現実的に不可能である。例えば、こうした空間においては、二重床内での配線、ケーブル配線管路などを用いた配線架上の経路、壁内配線など非露出配線の場合が多く、適用することができない。背景技術の高精度なひずみ計測による形状計測技術は、特殊な光ファイバやデバイスが検出原理に必要であるため、通常の光ファイバの探索に適用することができない。このように、既存の背景技術では、上記課題を解決することは困難である。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、目視や手で触れることが困難な既設の光ファイバの位置や経路を探索する光ファイバ位置探索装置及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ位置探索装置は、音波のような弾性波を空中に放出し、当該弾性波が光ファイバに衝突した時に光ファイバに発生する振動をＯＴＤＲ等で観測し、弾性波発生部と当該弾性波が光ファイバに衝突した箇所までの距離を測定することとした。

具体的には、本発明に係る光ファイバ位置探索装置は、
弾性波信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段が生成した前記弾性波信号に基づいて弾性波を発生させ、空気中に出力する弾性波発生部と、
被測定光ファイバの一端に試験光を入射し、前記被測定光ファイバの各点からの戻り光から前記試験光の偏波あるいは位相情報を時間毎に取得する光反射計測部と、
前記弾性波の発生と前記試験光の前記被測定光ファイバへの入射との同期を行うクロック信号を発生させるクロック信号生成部と、
時間毎に取得された前記偏波あるいは前記位相情報の変化から、前記弾性波が前記被測定光ファイバの各点へ到達する伝搬遅延時間を算出し、前記弾性波発生部と前記被測定光ファイバの各点との距離を算出する信号処理部と、
を備える。

空間に出力した弾性波が光ファイバに衝突することで光ファイバが振動し、光ファイバの僅かな伸縮により振動付与部分を透過する試験光に位相変調や偏波変調が加えられる。試験光の位相変調を利用する場合、反射あるいは散乱光の位相変化あるいはスペクトル応答をもって振動を解析するコヒーレントＯＴＤＲやコヒーレントＯＦＤＲ等で弾性波発生部と当該弾性波が光ファイバに衝突した箇所までの距離を測定する。試験光の偏波変調を利用する場合、反射あるいは散乱光の偏波状態の変化を解析する偏波ＯＴＤＲあるいは偏波ＯＦＤＲ等で弾性波発生部と当該弾性波が光ファイバに衝突した箇所までの距離を測定する。

従って、本発明は、目視や手で触れることが困難な既設の光ファイバの位置や経路を探索する光ファイバ位置探索装置を提供することができる。

また、本発明に係る光ファイバ位置探索装置の前記弾性波発生部は、三次元空間の少なくとも２つの出力点からそれぞれ前記弾性波を出力し、前記信号処理部は、前記出力点から出力された前記弾性波それぞれに基づいて前記出力点と前記被測定光ファイバの各点との距離を算出し、前記三次元空間内の前記被測定光ファイバ各点の位置を特定することが好ましい。
このような構成とすると、配線された光ファイバケーブルの位置や経路を三次元的に特定できる。

本発明に係る光ファイバ位置探索装置の前記弾性波発生部は、前記弾性波として１００Ｈｚ以下の低周波音を出力することが好ましい。低周波の音は、壁などの物理的障壁に対して比較的減衰定数の小さく、指向性が低いので、光ファイバケーブルが室内の隅や隠れた箇所に配線されていても特定できる。

本発明に係る光ファイバ位置探索装置の前記信号生成部は、前記弾性波信号に前記弾性波発生部の前記出力点毎に異なる周波数または符号列を付与することが好ましい。取得した情報が弾性波による変調なのか雑音なのかを容易に識別でき、探索精度が向上する。

本発明に係る光ファイバ位置探索装置の前記信号処理部は、測定点の前記偏波あるいは前記位相情報と前記測定点の前記光反射計測部側の点における前記偏波あるいは前記位相情報との差分を計算し、前記偏波あるいは前記位相情報の変化とすることが好ましい。

光ファイバの試験光の入射側で弾性波による振動が加えられた場合、振動付与部分以降の光ファイバを伝搬する試験光は変調された状態なので、その影響は遠端側にも伝わる。このため、光ファイバの各点での偏波あるいは位相成分を得た後に、光ファイバ上の距離方向で隣り合う点同士で偏波あるいは位相成分の差分を取ることで前記影響を低減する。

本発明に係るプログラムは、前記光ファイバ位置経路探索装置の前記信号処理部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。本発明に係る光ファイバ位置探索装置の信号処理部はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

本発明は、目視や手で触れることが困難な既設の光ファイバの位置や経路を探索する光ファイバ位置探索装置及びプログラムを提供することができる。

本発明に係る光ファイバ位置探索装置を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ位置探索装置の原理を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ位置探索装置の演算処理部の演算を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ位置探索装置を用いて光ファイバの位置を探索する手順を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、本実施形態の光ファイバ位置探索装置３０１を説明する図である。光ファイバ位置探索装置３０１は、３次元空間０に配線される被測定光ファイバ１の位置および経路を特定することができる。

光ファイバ位置探索装置３０１は、
弾性波信号を生成する信号生成部３と、
信号生成部３が生成した弾性波信号に基づいて弾性波を発生させ、空気中に出力する弾性波発生部２と、
被測定光ファイバ１の一端に試験光を入射し、被測定光ファイバ１の各点からの戻り光から試験光の偏波あるいは位相情報を時間毎に取得する光反射計測部４と、
弾性波の発生と試験光の被測定光ファイバ１への入射との同期を行うクロック信号を発生させるクロック信号生成部５と、
時間毎に取得された偏波あるいは位相情報の変化から、弾性波が被測定光ファイバ１の各点へ到達する伝搬遅延時間を算出し、弾性波発生部２と被測定光ファイバ１の各点との距離を算出する信号処理部６と、
を備える。

弾性波発生部２は、信号生成部３から入力された信号に対して空中を伝搬する弾性波を発生させるものであればよい。また、詳細は別途記すが、弾性波発生部２の位置は任意とすることができ、且つ、特定する被測定光ファイバ１の位置及び経路はこの弾性波発生部２の位置に依存しない形で特定することができる。

本実施例では、壁などの物理的障壁に対して、比較的減衰定数の小さく、指向性が低い、例えば１００Ｈｚ以下の低周波な音を発生させる音源を弾性波発生部２として用いる場合について示す。この低周波音は、人間の耳のラウドネス特性より、高周波音に対して比較的騒音性が小さいというメリットもある。このため、弾性波発生装置として、サブウーファー等の低周波数特性に特化した音響スピーカーを用いることが可能である。

光反射計測部４は、被測定光ファイバ１の一端から試験光を入射して、被測定光ファイバ１上の各点の反射光あるいは散乱光を解析することで、被測定光ファイバ１に加えられた振動を解析する計測装置である。光反射計測部４の代表的な原理としては、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）や、ＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）がある。

振動検出は、振動が加えられた光ファイバの僅かな伸縮により、振動付与部分を透過する試験光に位相変調や偏波変調が加えられることを利用する。試験光の位相変調を利用する場合、反射あるいは散乱光の位相変化あるいはスペクトル応答をもって振動を解析するコヒーレントＯＴＤＲやコヒーレントＯＦＤＲ等の手段を用いる。試験光の偏波変調を利用する場合、反射あるいは散乱光の偏波状態の変化を解析する偏波ＯＴＤＲあるいは偏波ＯＦＤＲ等の手段を用いる。

クロック信号生成部５のクロック信号に合わせて、信号生成部３を介して弾性波発生部２から低周波音を発生させる。同時にクロック信号により、光反射計測部４において試験光の入射が開始され、繰り返し計測が実施されるとする。すなわち、光反射計測部４では、被測定光ファイバ１の各点における位相あるいは偏波状態が時間的にサンプリングされる。

弾性波発生部２から発生された弾性波は３次元空間０内を伝搬し、被測定光ファイバ１に到達する。弾性波が到達の様子を図２に示す。指向性の低い弾性波は理想的には球面波のように弾性波発生部２から伝搬するため、弾性波発生部２からの距離に応じた経過時間後に被測定光ファイバ１の各点に到達する。弾性波は空気の物理的振動であるため、被測定光ファイバ１は弾性波を受けると弾性波と同じ周波数で振動を始める。この振動により光ファイバを伝搬する光はパワーの偏波成分あるいは位相が変動する。光反射計測部４は、クロックからの経過時刻に対する被測定光ファイバ１の各点における偏波あるいは位相情報を記録し、信号処理部６へ出力する。

光ファイバ中の光速が空気中の弾性波の伝搬速度に比べて十分早く、弾性波の速度が測定する三次元空間０の中で温度がほぼ一定であると仮定する。信号処理部６は、光反射計測部４で記録された被測定光ファイバ１各点の偏波あるいは位相情報から、クロック信号の時刻に対する弾性波が被測定光ファイバ１各点に到達した時刻、すなわち弾性波伝搬遅延時間を解析する。つまり、信号処理部６は、被測定光ファイバ１の各点が弾性波発生部２からどれだけ離れているかを計算できる。

したがって、光ファイバ位置探索装置３０１を用いて、被測定光ファイバ１の３次元空間０内での位置を特定する手順は次の２ステップである。
（手順Ｍ１）
被測定光ファイバ１の各点が弾性波発生部２からどれだけ離れているかを光反射計測部４で測定する。
（手順Ｍ２）
測定した被測定光ファイバ１の各点の弾性波発生部２からの距離を元に３次元空間０内での位置を特定する。

まず、手順Ｍ１について説明する。光反射計測部４による被測定光ファイバ１の弾性波発生部２からの距離測定に関して、光反射計測部４の条件について述べる。測定するパラメータはすでに説明した通り、被測定光ファイバ１の各点での散乱光の位相変化、応答スペクトル変化、偏波状態変化等の振動によって変動するパラメータである。

３次元空間０の一辺の長さを最大１００ｍ、弾性波の速度（音速）を３３０ｍ／ｓと仮定すると、弾性波の最大伝搬時間は１００ｍ÷３３０ｍ／ｓ≒３００ｍｓ程度である。１秒測定すれば十分に部屋全体に弾性波が伝わりその様子が測定できる。また、この部屋全体に光ファイバが配線されていると想定し、ファイバ長を３００ｍ程度と想定すると、光反射計測部４における光ファイバの往復時間は３μｓとなる。これは、これ以上高速に被測定光ファイバ１の各点における偏波あるいは位相情報は取得できないことを意味する。測定する弾性波伝搬遅延時間の検出精度を１００μｓ程度とすると、速度３３０ｍ／ｓより、３次元空間０上の位置精度は３ｃｍとなる。光反射計測部４の光ファイバ上の距離分解能が１０ｃｍであるとすると、対象物の認識精度が１０ｃｍ程度となる。これは、イメージ的に、長さ１０ｃｍ単位の光ファイバの位置が３ｃｍ程度の誤差で把握できることになる。

上記の例から、光反射計測部４に必要な性能は、以下のようになる。
（条件１）必要とされる対象物の認識精度より、光反射計測部４の距離分解能は同等または小さいこと
（条件２）必要とされる３次元空間０上の位置精度÷空間中の弾性波伝搬速度（音速）×２より、光反射計測部４の被測定光ファイバ１の各点における偏波あるいは位相情報の取得周期が同等もしくは短いこと
なお、条件２の「×２」は、ナイキストのサンプリング定理による要請からである。

まず、具体的な測定原理としてＯＴＤＲを考える。対象物の認識精度が１０ｃｍとすると、距離分解能を１０ｃｍ以下とするためパルス幅は１ｎｓとなる。測定するファイバ長を３００ｍで往復時間３μｓと想定するとパルスが往復して光ファイバ全体の波形が測定できるのは最大３μｓ間隔ということを意味する。これは測定したい時間変化間隔１００μｓの半分よりも小さいという条件２を満たす。これらの条件はＯＴＤＲでも十分実現可能である。

次にＯＦＤＲを考える。ＯＦＤＲはある程度の時間測定したあとにフーリエ変換することで周波数分離し光ファイバの各点の散乱光を分離する。ＯＦＤＲの距離分解能は、周波数掃引幅で決まり、１ＧＨｚの場合、１０ｃｍとなる。周波数掃引速度をγ（Ｈｚ／ｓ）、測定時間を５０μｓ以下とすると、１０ｃｍ分解能にするためには約２０ＴＨｚ／ｓのスピードの周波数掃引が必要である。これは波長可変光源を用いれば容易に実現できる範囲である。

以上のようにＯＴＤＲまたはＯＦＤＲでも光反射計測部４として動作可能であるが、光反射計測部４の被測定光ファイバ１の各点における偏波あるいは位相情報から信号処理部６にて弾性波伝搬遅延時間を算出する上で、以下を考慮する必要がある。

光ファイバ位置探索装置３０１は、被測定光ファイバ１の片端から振動計測を行う必要があるため、上記に述べたＯＴＤＲやＯＦＤＲ等の原理を光反射計測部４に用いる。これらの測定では、被測定光ファイバ１の試験光の入射側で弾性波による振動が加えられた場合、被測定光ファイバ１中を透過する試験光に変調が加えられるため、その影響は原理的に遠端側にも伝わってしまう。これを回避するために、被測定光ファイバ１の各点での偏波あるいは位相成分を得た後に、光ファイバ上の距離方向で隣り合う点同士で偏波あるいは位相の差分を取り、この差分を元に処理することが必要となる。つまり、信号処理部６は、測定点の偏波あるいは位相情報と測定点の光反射計測部４側の点における偏波あるいは位相情報との差分を計算し、偏波あるいは位相情報の変化とする。

なお、信号処理部６における弾性波伝搬遅延時間の測定方法として、信号生成部３が弾性波信号に変調を加えることでさらに容易に測定できるようにすることも可能である。弾性波信号に何も変調を加えていない場合、弾性波による位相差の変化の有無、すなわちインパルス的な応答だけで弾性波伝搬遅延時間を測定するため、その他の雑音や位相差の変化が小さい場合に測定誤差を生む。

一方、信号生成部３が弾性波信号に振幅または位相変調を行い何らかの符号列を付与すれば、信号処理部６は試験光の偏波あるいは位相情報と信号生成部３に加えた信号との相互相関を観察し、偏波あるいは位相情報が一致する信号で遅延時間差を算出することが可能である。信号処理部６が行う弾性波伝搬遅延時間の測定精度を上げることが可能となる。

なお、後述するように、２か所以上の点からに弾性波を出力する場合、信号生成部３は、弾性波信号に弾性波発生部２の出力点毎に異なる周波数または符号列を付与することが好ましい。いずれの出力点からの弾性波が試験光に与えた偏波あるいは位相情報であるかを容易に判断できる。

以上の条件を満たした光反射計測部４は被測定光ファイバ１の各点での弾性波到達時刻及び弾性波発生部２からの距離を測定できる。

次に、手順Ｍ２について説明する。
被測定光ファイバ１の点を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、弾性波発生部２の位置（弾性波出力点）を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とした座標系をとることで、被測定光ファイバ１の各点と弾性波発生部２との距離ｒは以下のように書ける。

ここで、弾性波伝搬速度をＶ、弾性波伝搬遅延時間をｔとしている。

弾性波発生部２は、三次元空間の少なくとも２つの出力点からそれぞれ弾性波を出力し、信号処理部６は、出力点から出力された弾性波それぞれに基づいて出力点と被測定光ファイバの各点との距離を算出し、三次元空間内の被測定光ファイバ１各点の位置を特定する。数１が１つだけでは、被測定光ファイバ１の各点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を特定することは不可能である。ため、弾性波発生部２を複数用いて数１を複数作り、連立方程式を解くことで、被測定光ファイバ１の各点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を解くことができる。

このとき、弾性波発生部２の数（出力点の数）によって計算方法が異なる。なお、実際は複数の弾性波発生部２を準備する必要は無く、１つの弾性波発生部２を移動して複数回計測しても良い。

（１）弾性波発生部２の出力点の数が４つの場合
求めたいパラメータは被測定光ファイバ１の各点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と３つであるが、測定できる弾性波発生部２との距離である数１は非線形であるため、解を１つに定めるためには４つの式が必要である。したがってまず基本となる弾性波の出力点が４つの場合を説明する。

弾性波発生部２を、３次元空間０上の任意の位置４点に配置する。３次元空間０内の位置は任意であるが、その４点の位置関係は計算を簡単にするため、４つの弾性波発生部２をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとし、その位置をＡ（０，０，０）、Ｂ（Ｘ，０，０）、Ｃ（０，Ｙ，０）， Ｄ（０，０，Ｚ）となるよう座標系を定める。Ａが（０，０，０）であることから、これは弾性波発生部２を基準とした座標系である。

被測定光ファイバ１の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と各弾性波発生部２との距離（ｒＡ、ｒＢ、ｒＣ，ｒＤ）は、遅延時間から計算できているとすると、距離ｒＡ、ｒＢ、ｒＣ，ｒＤは、

と表せる。以下の計算は２乗して√を消して行う。
数２−数３、数２−数４、数２−数５を計算すると、

となり、一意に被測定光ファイバ１の位置が決定する。

しかし、このままでは、座標系としては弾性波発生部２を基準とした座標で表されており、位置認識のためには弾性波発生部２と被測定光ファイバ１の位置関係、距離を把握しておく必要があり、実用上弾性波発生部２の設置位置に制限が加わる可能性がある。

このため、この求められた、弾性波発生部２を基準とした座標系から、被測定光ファイバ１を基準とした座標系に変換する必要がある。この手順について以下で説明する。

実際に測定する場合、光反射計測部４から試験光を被測定光ファイバ１に入射する際に直接光ファイバを接続することになるため、被測定光ファイバ１の試験光入射端は光反射計測部４と同じ場所で露出された目に見える触れられる場所にある。このため、この被測定光ファイバ１の入射点ｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を基準とすることにする。

まず原点を合わせる。原点は弾性波発生部２Ａ（０，０，０）から被測定光ファイバ１の入射点ｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）に平行移動する。これは、計算された光ファイバの各点（ｘ，ｙ，ｚ）からｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を引けばよい。

次に角度を変換する。これも原点と同じく弾性波発生部２の位置に依存しない形にするよう変換するが、特に方向自体に物理的な意味はないので任意の角度の座標系でよい。ただし、求められた（ｘ，ｙ，ｚ）の向きが３次元空間０内でどちらの方向を向いているかを弾性波発生部２に依存しない形で表すために変換自体は必要である。ここでは、次のような座標系を考える。４つの弾性波発生部２の置き方は任意でよいが、現実的にはｚ軸を鉛直方向に向けたほうが考え易い。つまり、この鉛直方向のｚ軸は変換せず、ｘ軸ｙ軸を変換することを考える。

例えば、被測定光ファイバ１の入射点ｌ０から隣りの次の点ｌ１までの方向とｚ軸で作る面と垂直な方向、つまりｌ０からｌ１の方向とｚ軸の外積を新しいｘ軸として計算する。繰り返しになるが、この軸の取り方には特に意味はないが計算が簡単になるようこのようにとっており、またこの変換をしないと求められた（ｘ，ｙ，ｚ）の方向を把握するために弾性波発生部２の向きと対応させる必要があり、弾性波発生部２の位置の依存性をなくすための必須の変換である。

この変換の対応を図３に示す。以後原点を被測定光ファイバ１の入射点ｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を引いて平行移動させた後の計算を記す。一般的な３次元での直交座標系について、ｚ軸が同じなのでｚ軸を軸とした回転変換を考えると、

と表せる。φは回転角度である。

次にｘ軸を変換する。新しいｘ軸は、ｌ０から次の点のｌ１までの方向とｚ軸の外積となる。ｌ０からｌ１の方向は（ｘ１−ｘ０，ｙ１−ｙ０，ｚ１−ｚ０）であり、これを（ｘ’，ｙ’，ｚ’）としておく。（ｘ’，ｙ’，ｚ’）の長さは定義よりΔｌである。ｌ１−ｌ０のベクトルとｚ軸の間の角度αは内積を利用して

となるので、２つのベクトルの外積をとり、その長さを１に合わせると

と表せる。このベクトルが新しいｘ軸を弾性波発生部２を基準とした座標系で表した形となる。新しいｙ軸はｚ軸とｘ軸の外積なので

と同じように表せる。

これらの表現が新しい座標系でｘ軸、ｙ軸になるので、

と表せる。これらをまとめると

となる。

以上の計算より、弾性波発生部２を基準とした座標系から被測定光ファイバ１の入射点を基準とした座標系への変換は、まず、被測定光ファイバ１の入射点の座標を引いて原点を移動させ、次にｚ軸を軸として回転させればよく、

の式で弾性波発生部２の位置に依存しない座標系（ｘ’’，ｙ’’，ｚ’’）に変換できる。

なお、すでに説明しているが、この変換での新しい座標軸は任意のため、この計算方法に限定されるものではない。ｚ軸を鉛直方向で共通とすることに限定するものでもなく、座標の変換を任意の直交座標系での変換であるオイラー角を用いたもので計算したものでもよいし、直交座標ではなく被測定光ファイバ１の入射点を原点とした極座標表示でもよい。いかなる計算方法でも弾性波発生部２を基準とした座標系から変換することは可能である。

（２）弾性波発生部２の出力点の数が３つの場合
この場合、上記の弾性波発生部２が４つの場合の数２〜数８で、数５と数８が存在せず、数６と数７の式でｘとｙは同じように決定される。数６と数７で求められたｘとｙを数２〜数４のいずれか代入してｚを求めようとしても式が非線形なため±の任意性が残る。このため、ここでは、被測定光ファイバ１が連続的な物体であることを利用する。

計算したい被測定光ファイバ１に試験光を入射する入射点ｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を利用する。この点での、ｘ０とｙ０は数６と数７の式ですでにわかっている。ｚ０が±のどちらかになるかを決める必要がある。この時、入射点ｌ０はすでに説明した通り、光反射計測部４と同じ場所で見える場所にある。このため、弾性波発生部２３つを３次元空間０の端に置く、もしくは床に置くなどの仮定をおいて、例えばｚ０＞０が明らかである環境とすることで、ｚ０を一意に特定することが可能である。これにより、被測定光ファイバ１の入射点ｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）が決定する。

次に被測定光ファイバ１の入射点の隣の点ｌ＝（ｘ，ｙ，ｚ）について計算する。やはりｘとｙについてはすでに計算でわかっている。ここで、ｌとｌ０は光反射計測部４の光ファイバ上の距離分解能（距離サンプリング間隔）Δｌに相当する長さだけ離れていると考える。Δｌは測定方法で決まる既知パラメータである。Δｌよりも短い範囲では光ファイバは直線であるという近似になるが、光反射計測部４で行う光計測方法の分解能と同程度の長さであるため、測定の劣化にはつながらず妥当な近似である。この条件を考えるとｌとｌ０の関係は、

と書ける。数１５に数２と既知の点ｌ０の測定結果

を代入すれば

と書ける。ここで、ｒｌＡ、ｒ０Ａは点ｌ、点ｌ０の弾性波発生部２Ａとの距離である。数１７に数６と数７を代入すればｚに関して線形な式となり、ｚが一意に求められる。

以上の計算によりｌ＝（ｘ，ｙ，ｚ）が一意に計算でき、この点の隣の点も順次計算でき、被測定光ファイバ１上のすべての点の弾性波発生部２からの位置が測定できる。また、この場合も弾性波発生部２が４つの場合と同じくすでに計算できている被測定光ファイバ１の入射点ｌ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と隣の点への方向を基準とすることで、被測定光ファイバ１の位置を、その入射点を基準とした座標系に変換することができ、弾性波発生部２の３次元空間０内の位置に依存しない形に表現できる。

（３）弾性波発生部２の出力点の数が２つの場合
弾性波発生部２が２つの場合では、上記の数２、数３、数６、及び数１１のみとなる。この場合は、数２、数６、及び数１１を連立して解き、被測定光ファイバ１の入射点ｌ０から逐次的に計算すればよい。しかし、すでに説明した通り、この３式ではｙかｚのいずれかが±でどちらか定まらない。特に弾性波発生部２が２つしかないこの場合は、被測定光ファイバ１の入射点ｌ０以外のすべての点においてもｙかｚの±が定まらない。このため、弾性波発生部２つを３次元空間０の端に置く、もしくは床に置くなどの仮定をおいて、被測定光ファイバ１の特定したい配線経路全体が、例えばｙ＞０またはｚ＞０が明らかである環境とすることで、ファイバの位置を一意に特定することが可能である。なお、既に説明しているように、被測定光ファイバ１の入射点ｌ０の位置と隣の点への方向を基準とすることで、弾性波発生部２の位置に依存しない形で表現できることは同じである。

以上の手順により、複数の弾性波発生部２と光反射計測部４で測定した被測定光ファイバ１の各点の距離とを用いて空間内の光ファイバの経路及び位置特定が可能である。また、弾性波発生部２の数は少なくとも２つ以上あればよく、５つ以上ある場合は説明していないが、条件を表す式が増え、４つの場合の計算に加えて数値の精度を向上させる、誤差を減らす計算が可能となる。

なお、本実施例では、複数の弾性波発生部２またはその位置において、全ての弾性波について特に条件を付与していないが、例えば同信号であれば順次測定をすればよいし、例えば、弾性波発生部２からの弾性波の周波数を弾性波発生部２によって変化させる、符号列を弾性波発生部２により直交させるように配置する、などの応用を用いれば複数の弾性波発生部２による測定を同時に行うなどの応用も考えられる。

図４は、光ファイバ位置探索装置３０１を用いて光ファイバの位置を探索する手順を説明する図である。光ファイバの位置を探索する場合、
（ステップＳ１）
任意の位置に弾性波発生部２を設置する。なお、複数個所に弾性波発生部２を設置する場合、直交座標系に合わせた位置の関係になっている場所に弾性波発生部２を設置する。３次元空間０内の位置は問わない。
（ステップＳ２）
クロック信号生成部５からクロックを送信し、そのクロックに合わせて信号生成部３から弾性波発生信号を弾性波発生部２に送信し、弾性波を送出すると同時に、光反射計測部４から被測定光ファイバ１に試験光を入射し後方散乱光の位相変化またはスペクトル応答変化または偏波変動を測定する。
（ステップＳ３）
光反射計測部４で測定した後方散乱光波形から、被測定光ファイバ１の各点での弾性波
到達時間を記録し、信号処理部６に出力する。
（ステップＳ４）
信号処理部６にて各弾性波発生装置と被測定光ファイバの各位置の間隔を元にそれぞれの位置の被測定光ファイバ１の入射点に対しての位置特定を計算する。
（ステップＳ５）
弾性波発生部２を複数設置した場合、弾性波発生部２の数だけステップＳ２とＳ３を繰り返す。

なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

（発明の効果）
以上説明したように、本発明の技術を用いれば、壁などを透過する弾性波による振動を探索対象の光ファイバにあえて引き起こし、これを反射計で検知することで、壁の中や床の中、多くの心線が輻輳して束になった中、などの目視や触れることが不可能な光ファイバ経路を特定・可視化することが可能である。これにより光ファイバ線路運用時における設備更改時など通信設備探索の効率化、通信設備への損害事故予防などに貢献することができる。

０：光ファイバが配線されている３次元空間
１：被測定光ファイバ
２：弾性波発生部
３：信号生成部
４：光反射計測部
５：クロック信号生成部
６：信号処理部
３０１：光ファイバ位置探索装置

Claims (5)

1. 弾性波信号を生成する信号生成手段と、
   前記信号生成手段が生成した前記弾性波信号に基づいて弾性波を発生させ、三次元空間の少なくとも２つの出力点からそれぞれ前記弾性波を空気中に出力する弾性波発生部と、
   被測定光ファイバの一端に試験光を入射し、前記被測定光ファイバの各点からの戻り光から前記試験光の偏波あるいは位相情報を時間毎に取得する光反射計測部と、
   前記弾性波の発生と前記試験光の前記被測定光ファイバへの入射との同期を行うクロック信号を発生させるクロック信号生成部と、
   時間毎に取得された前記偏波あるいは前記位相情報の変化から、前記弾性波が前記出力点から前記被測定光ファイバの各点へ到達する伝搬遅延時間を算出し、前記出力点と前記被測定光ファイバの各点との距離を算出する信号処理部と、
   を備え、
   前記信号処理部は、前記出力点毎に、当該出力点と前記被測定光ファイバの各点のうち所望の測定点との距離を算出し、算出された距離と当該出力点の座標とを用いて方程式を立て、前記出力点毎の前記方程式を連立させて解くことで、前記三次元空間内の前記測定点の位置を特定する
   ことを特徴とする光ファイバ位置経路探索装置。
2. 前記弾性波発生部は、前記弾性波として１００Ｈｚ以下の低周波音を出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ位置経路探索装置。
3. 前記信号生成手段は、前記弾性波信号に前記弾性波発生部の前記出力点毎に異なる周波数または符号列を付与する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ位置経路探索装置。
4. 前記信号処理部は、前記測定点の前記偏波あるいは前記位相情報と前記測定点の前記光反射計測部側の点における前記偏波あるいは前記位相情報との差分を計算し、前記偏波あるいは前記位相情報の変化とする
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ位置経路探索装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ位置経路探索装置の前記信号処理部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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