JP6824784B2

JP6824784B2 - 温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法

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Publication number: JP6824784B2
Application number: JP2017041300A
Authority: JP
Inventors: 槙悟大野; 飯田　大輔; 大輔飯田; 邦弘戸毛; 真鍋　哲也; 哲也真鍋
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Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2037-03-06
Also published as: JP2018146371A

Description

本開示は、光ファイバの温度・歪を検出する温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法に関する。

光ファイバは、無誘導、耐腐食、細径、軽量といった特性から、センサ媒体として有用である。光ファイバを用いた高感度なセンシング技術として、非特許文献１に示される後方レイリー散乱光の散乱スペクトルシフトを用いる方法がある。この方法では、光反射測定を用いて光ファイバの任意の距離地点における後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル（以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」を「散乱スペクトル」と称することがある。）を測定し、光ファイバの温度変化及び歪に対して散乱スペクトルがシフトする現象を利用する。以下、「散乱スペクトルのシフト」を「散乱スペクトルシフト」と称する。散乱スペクトルシフトΔνは温度変化ΔＴ及び歪εに対して次式の関係にある。

ここでν_０は、光反射測定における試験光の光中心周波数、Ｋ_Ｔ及びＫ_εはそれぞれ温度変化、歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数である。Ｋ_ＴもしくはＫ_εが既知である光ファイバを用いてΔνを測定し、式（１）の関係から温度変化及び歪を求めることができる。

Ｄ. Ｋ. Ｇｉｆｆｏｒｄｅｔａｌ., "Ｓｗｅｐｔ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒＲａｙｌｅｉｇｈｓｃａｔｔｅｒｆｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｅｎｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，" Ｐｒｏｃ. ＳＰＩＥ６７７０，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＶ，６７７００Ｆ（２００７）．Ｈ. Ｂ．Ｌｉｕｅｔａｌ., "ＳｔｒａｉｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｍｅｒａｎｄｓｉｌｉｃａｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓ," Ｏｐｔ. Ｃｏｍｍｕｎ. ２１９, １３９−１４２（２００３）. Ｙ. Ｋｏｙａｍａｄａｅｔａｌ., "Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｔｒａｉｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｗｉｔｈｖｅｒｙｈｉｇｈｍｅａｓｕｒａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｖｅｒｌｏｎｇｒａｎｇｅｕｓｉｎｇｃｏｈｅｒｅｎｔＯＴＤＲ," Ｊ. Ｌｉｇｈｔｗ. Ｔｅｃｈｎｏｌ. ２７（９）, １１４２−１１４６（２００９）.

数式（１）から明らかなように、散乱スペクトルシフトΔνは光ファイバの温度変化と歪の両方の影響を受けるため、両者の影響を区別して測定することができない。多くの場面において温度・歪はどちらも常に変化しているため、正確に測定するためには他のセンシング手段を併用して測定結果の補正等が必要になる。その結果、構成の複雑化、コスト高となるため、必ずしも容易なことではない。また、非特許文献２のように特性の異なる複数の光ファイバを組み合わせる方法もあるが、各光ファイバで生じる温度変化・歪は厳密には異なるため、センシングの正確性に欠ける。

本開示は、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、後方レイリー散乱光の光周波数スペクトルがシフトすることを利用して、即ち、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することを目的とする。

上記目的を達成するために、センサ媒体として空間多重光ファイバを用い、散乱スペクトルを空間多重光ファイバの複数の空間チャネルについて測定し、空間チャネル毎の散乱スペクトルシフトの違いを利用することとした。

空間多重光ファイバであれば、空間チャネルが複数あり、これらの空間チャネルは、同じ光ファイバ内であるため、温度変化も同じで、歪も同じであると考えてよい。空間多重光ファイバとしては、共通のコア内を複数のモードが伝搬するマルチモード光ファイバや１本の光ファイバ内に複数のコアを有するマルチコア光ファイバが適用できる。マルチモード光ファイバでは、異なるモードを異なる空間チャネルとして利用でき、マルチコア光ファイバでは、異なるコアを異なる空間チャネルとして利用できる。

数式（１）に示される散乱スペクトルシフトにおいて、温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数Ｋ_Ｔ、歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数Ｋ_εは、センサ媒体としての空間多重光ファイバのコアの実効屈折率ｎに対して以下の関係にある。

ここで、αは温度変化による物理的伸縮の影響を示す定数、Ｔは温度、ｐ_ｉｊは光弾性テンソル、σはポアソン比である。マルチモード光ファイバは同一コア中に実効屈折率の異なる複数の伝搬モードを有するため、数式（１）〜（３）より、温度変化や歪に対して各モードの散乱スペクトルはそれぞれ異なる散乱スペクトルシフトを示す。例として、試験光の中心光周波数に対する散乱スペクトルシフトの比率（Δν／ν_０）と温度変化（ΔＴ）との関係を図１に、試験光の中心光周波数に対する散乱スペクトルシフトの比率（Δν／ν_０）と歪（ε）との関係を図２に示す。図１、図２において、モードによって、温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数Ｋ_Ｔ、歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数Ｋ_εが異なることを表している。

マルチコア光ファイバを用いる場合、用いる光ファイバは実効屈折率の異なるコアを有し、実効屈折率の異なる複数のコアについて散乱スペクトルを測定することとする。

空間チャネル１と空間チャネル２の散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν_１、Δν_２とすると、試験光の光中心周波数ν_０に対するΔν_１とΔν_２の比率は温度変化及び歪に対して次式の関係にある。

空間チャネル１と空間チャネル２に対して、それぞれの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数及び歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数Ｋ_Ｔ，１，Ｋ_ε，１，Ｋ_Ｔ，２，Ｋ_ε，２が既知の空間多重光ファイバを用いて、空間チャネル１と空間チャネル２について散乱スペクトルシフトを測定し、連立方程式である数式（４）を解くことで、温度変化及び歪を個別に求めることができる。数式（４）の解は次式のとおりである。

数式（５）によって、空間多重光ファイバの温度変化及び歪を算出することができる。

具体的には、本開示の温度・歪センシング装置は、
複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル（以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。）を前記複数の空間チャネルについて測定する光反射測定手段と、
測定した前記散乱スペクトルから散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出し、前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の空間チャネルのうち任意の２つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪を求める演算手段と、
を備える。

本開示の温度・歪センシング装置により、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。

本開示の温度・歪センシング装置では、
前記演算手段は、
前記試験光の中心光周波数をν_０とし、
前記複数の空間チャネルのうち任意の２つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν_１、Δν_２とし、
前記２つの空間チャネルの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_Ｔ，１、Ｋ_Ｔ，２とし、
前記２つの空間チャネルの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_ε，１、Ｋ_ε，２とし、
次式を用いて温度変化ΔＴもしくは歪εを求めてもよい。

本開示の温度・歪センシング装置では、
前記光反射測定手段は、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光源から出射された連続光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、被測定光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光及び前記周波数掃引光源からの連続光を合波する光合波器と、
前記光合波器で合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換する受光器と、
前記電気信号に変換されたビート信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記空間多重光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換して、散乱スペクトルを測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えてもよい。

光周波数領域反射測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。

本開示の温度・歪センシング装置では、
前記光反射測定手段は、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射するパルス光出力部と、
前記パルス光出力部から出射された試験光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光を電気信号に変換する受光器と、
前記電気信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記パルス状の試験光の中心光周波数を変えて測定される前記Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えてもよい。

光時間領域反射測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。

具体的には、本開示の温度・歪センシング方法は、
複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル（以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。）を前記複数の空間チャネルについて予め測定する第１の光周波数スペクトル測定手順と、
温度・歪センシング実施時に、前記複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバに対して、試験光を用いて散乱スペクトルを前記複数の空間チャネルについて再度測定する第２の光周波数スペクトル測定手順と、
前記第１の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルに対する前記第２の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出する散乱スペクトルシフト算出手順と、
前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の空間チャネルのうち任意の２つの空間チャネルの前記散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪を求める温度・歪算出手順と、
を備える。

空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。

本開示の温度・歪センシング方法では、
前記温度・歪算出手順は、
前記試験光の中心光周波数をν_０とし、
前記複数の空間チャネルのうち任意の２つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν_１、Δν_２とし、
前記２つの空間チャネルの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_Ｔ，１、Ｋ_Ｔ，２とし、
前記２つの空間チャネルの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_ε，１、Ｋ_ε，２とし、
次式を用いて温度変化ΔＴ又は歪εを求めてもよい。

本開示の温度・歪センシング方法では、
前記第１の光周波数スペクトル測定手順又は前記第２の光周波数スペクトル測定手順では、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射し、
前記連続光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光及び前記連続光を合波し、
合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換し、
前記ビート信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記空間多重光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換することで算出し、
前記散乱スペクトルシフト算出手順では、前記第１の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルと前記第２の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出してもよい。

本開示の温度・歪センシング方法では、
前記第１の光周波数スペクトル測定手順又は前記第２の光周波数スペクトル測定手順では、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射し、
前記試験光をセンサ媒体としての前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光を電気信号に変換し、
前記電気信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記試験光の中心光周波数を変えて測定される前記Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定し、
前記スペクトルシフト算出手順では、前記第１の光周波数スペクトル測定手順で測定した光周波数スペクトルと前記第２の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出してもよい。

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。

本発明で測定されるモード１とモード２の散乱スペクトルシフトの温度変化依存性の例である。本発明で測定されるモード１とモード２の散乱スペクトルシフトの歪依存性の例である。本発明の実施形態における測定の流れを示すフローチャートである。本発明の実施形態において光周波数領域反射測定法を用いた場合の装置構成の一例を示すブロック図である。本発明の実施形態において光時間領域反射測定法を用いた場合の装置構成の一例を示すブロック図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

以下、図面を参照して本実施形態を説明する。ここでは一例として、散乱スペクトルの測定に光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ：ＯｐｔｉｃａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いた場合について述べる。

図３は、本実施形態における温度・歪検出の流れを示すフローチャートである。これらの手順は、図４に示される装置を用いて、散乱スペクトルを空間チャネル１と空間チャネル２について測定する。空間チャネル１と空間チャネル２は、被測定光ファイバにマルチモード光ファイバを用いた場合は、互いに異なるモードであり、被測定光ファイバにマルチコア光ファイバを用いた場合は、互いに異なるコアである。なお、図４において被測定光ファイバ以外はシングルコアシングルモード光ファイバで構成されることとする。

周波数掃引光源４０１は、周波数掃引機能を有する光源を用い、時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する。光分波器４０２は、出射された連続光を２分岐し、一方は被測定ファイバに入射する試験光、もう一方は後方レイリー散乱光をコヒーレント検波する際のローカル光として用いる。試験光は、サーキュレータ４０３を通って、選択的励起分離回路４０４に入射される。選択的励起分離回路４０４は、センサ媒体としての被測定光ファイバ４０５の所望の空間チャネルに試験光を入射し、被測定光ファイバ４０５の入射した同じ空間チャネルから試験光によって生じた後方レイリー散乱光を分離する。後方レイリー散乱光はサーキュレータ４０３を通って、光合波器４０６に入射する。光合波器４０６は、後方レイリー散乱光とローカル光を合波する。受光器４０７は、合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器４１１は、ビート信号をデジタル信号に変換する。演算処理装置４１２は、デジタル信号に変換されたビート信号を用いて、被測定ファイバの所望の距離地点における散乱スペクトルを算出する。データ保管部４１３は、算出した散乱スペクトルのデータを保管する。Ａ／Ｄ変換器４１１、演算処理装置４１２及びデータ保管部４１３で散乱スペクトル測定回路４１０を構成する。

光周波数領域反射測定法における第１の光周波数スペクトル測定手順３０１について説明する。散乱スペクトルは非特許文献１記載の方法により算出する。具体的には、まずビート信号をフーリエ変換して被測定光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換する。上記の方法により空間チャネル１と空間チャネル２について散乱スペクトルを予め測定し、データ保管部４１３において保管しておく。

光周波数領域反射測定法における第２の光周波数スペクトル測定手順３０２では、センシング実施の際に上記の散乱スペクトル測定を空間チャネル１と空間チャネル２について再度行い、データ保管部４１３において保管する。

散乱スペクトルシフト算出手順３０３では、第１の光周波数スペクトル測定手順３０１と第２の光周波数スペクトル測定手順３０２で測定した散乱スペクトルについて、空間チャネル１同士、空間チャネル２同士の相互相関をそれぞれ計算し、散乱スペクトルシフトΔν_１、Δν_２を得る。空間チャネルｍの相互相関Ｒ_ｍ（ν´）は次式により計算する。

ここでσ_ｒ，ｍ（ν）及びσ_ｓ，ｍ（ν）はそれぞれ第１の光周波数スペクトル測定手順３０１と第２の光周波数スペクトル測定手順３０２で測定されるモードｍの散乱スペクトルである。＊は複素共役を表す。σ_ｒ，ｍ（ν）とσ_ｓ，ｍ（ν）は次式の関係にある。

数式（６）及び数式（７）より、Ｒ_ｍ（ν´）はν´＝Δν_ｍで最大値をとる。したがってＲ_１（ν´）とＲ_２（ν´）を計算し、それぞれ最大値をとるν´の値からΔν_１、Δν_２が得られる。

最後に、温度・歪算出手順３０４において、散乱スペクトルシフト算出手順３０３で得られたΔν_１、Δν_２を用いて数式（５）を計算することにより、センサ媒体としての被測定光ファイバの温度変化と歪が求められる。

散乱スペクトルシフト算出手順３０３と温度・歪算出手順３０４における演算は、光反射測定手段の演算処理装置４１２及びデータ保管部４１３で実行してもよいし、これらの演算を実行する演算手段を別途備えてもよい。

次に、他の例として、散乱スペクトルの測定に光時間領域反射測定法（ＯＴＤＲ：ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いた場合について述べる。

本実施形態における温度・歪検出の流れを示すフローチャートは図３と同様である。これらの手順は、図５に示される装置を用いて、散乱スペクトルを空間チャネル１と空間チャネル２について測定する。空間チャネル１と空間チャネル２は、被測定光ファイバにマルチモード光ファイバを用いた場合は、互いに異なるモードであり、被測定光ファイバにマルチコア光ファイバを用いた場合は、互いに異なるコアである。なお、図５において被測定光ファイバ以外はシングルコアシングルモード光ファイバで構成されることとする。

パルス光源５０１は、パルス発光機能を有する光源を用い、パルス発光期間は一定の周波数でパルス光を出射する。光周波数変更部５０２は、パルス光源５０１からのパルス光の中心光周波数を所望の値に変えて試験光として出射する。パルス光源５０１及び光周波数変更部５０２でパルス光出力部を構成する。パルス光源だけで、発光するパルス状の試験光の中心光周波数を変える構成でもよい。試験光は、サーキュレータ５０３を通って、選択的励起分離回路５０４に入射される。選択的励起分離回路５０４は、センサ媒体としての被測定光ファイバ５０５の所望の空間チャネルに試験光を入射し、被測定光ファイバ５０５の入射した同じ空間チャネルから、試験光によって生じた後方レイリー散乱光を分離する。後方レイリー散乱光はサーキュレータ５０３を通って、受光器５０７に入射する。受光器５０７は、後方レイリー散乱光を電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器５１１は、後方レイリー散乱光の電気信号をデジタル信号に変換する。演算処理装置５１２は、デジタル信号に変換された後方レイリー散乱光信号を用いて、被測定光ファイバの所望の距離地点における散乱スペクトルを測定する。データ保管部５１３は、算出した散乱スペクトルのデータを保管する。Ａ／Ｄ変換器５１１、演算処理装置５１２及びデータ保管部５１３で散乱スペクトル測定回路５１０を構成する。

光時間領域反射測定法における第１の光周波数スペクトル測定手順３０１について説明する。散乱スペクトルは非特許文献２記載の方法により算出する。具体的には、パルス状の試験光の中心光周波数を変えて、被測定光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光強度分布を複数の中心光周波数について測定し、所望位置における散乱光強度の光周波数に対する変化を散乱スペクトルとする。各中心光周波数における測定は、散乱光強度の信号対雑音比を向上させるため、同一光周波数で複数回測定し、これを加算平均してもよい。上記の方法により空間チャネル１と空間チャネル２について散乱スペクトルを予め測定し、データ保管部５１３において保管しておく。

光時間領域反射測定法における第２の光周波数スペクトル測定手順３０２では、センシング実施の際に上記の散乱スペクトル測定を空間チャネル１と空間チャネル２について再度行い、データ保管部５１３において保管する。

光時間領域反射測定法においても、さらに、散乱スペクトルシフト算出手順３０３、温度・歪算出手順３０４を実施することにより、センサ媒体としての空間多重光ファイバの温度変化と歪が求められる。

散乱スペクトルシフト算出手順３０３と温度・歪算出手順３０４における演算は、光反射測定手段の演算処理装置５１２及びデータ保管部５１３で実行してもよいし、これらの演算を実行する演算手段を別途備えてもよい。

光周波数領域反射測定法又は光時間領域反射測定法のいずれの測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

３０１：第１の光周波数スペクトル測定手順
３０２：第２の光周波数スペクトル測定手順
３０３：散乱スペクトルシフト算出手順
３０４：温度・歪算出手順
４０１：周波数掃引光源
４０２：光分波器
４０３：サーキュレータ
４０４：選択的励起分離回路
４０５：センサ媒体としての被測定光ファイバ
４０６：光合波器
４０７：受光器
４１０：散乱スペクトル測定回路
４１１：Ａ／Ｄ変換器
４１２：演算処理装置
４１３：データ保管部
５０１：パルス光源
５０２：光周波数変更部
５０３：サーキュレータ
５０４：選択的励起分離回路
５０５：センサ媒体としての被測定光ファイバ
５０７：受光器
５１０：散乱スペクトル測定回路
５１１：Ａ／Ｄ変換器
５１２：演算処理装置
５１３：データ保管部

Claims

複数の伝搬モードを有するマルチモード光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル（以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」を「散乱スペクトル」と称する。）を前記複数の伝搬モードについて測定する光反射測定手段と、
測定した前記散乱スペクトルから散乱スペクトルシフトを複数の伝搬モードについて算出し、前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の伝搬モードのうち実効屈折率の異なる任意の２つの伝搬モードの散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記マルチモード光ファイバの温度変化及び前記マルチモード光ファイバの歪で表されることを利用して、前記マルチモード光ファイバの温度変化及び前記マルチモード光ファイバの歪を求める演算手段と、
を備えることを特徴とする温度・歪センシング装置。
前記演算手段は、
前記試験光の中心光周波数をν_０とし、
前記複数の伝搬モードのうち実効屈折率の異なる任意の２つの伝搬モードの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν_１、Δν_２とし、
前記２つの伝搬モードの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_Ｔ，１、Ｋ_Ｔ，２とし、
前記２つの伝搬モードの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_ε，１、Ｋ_ε，２とし、
次式を用いて温度変化ΔＴもしくは歪εを求めることを特徴とする、請求項１に記載の温度・歪センシング装置。
前記光反射測定手段は、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光源から出射された連続光を前記マルチモード光ファイバの所望の伝搬モードで入射し、前記マルチモード光ファイバの入射した同じ伝搬モードの後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光及び前記周波数掃引光源からの連続光を合波する光合波器と、
前記光合波器で合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換する受光器と、
前記電気信号に変換されたビート信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記マルチモード光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換して、散乱スペクトルを測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度・歪センシング装置。
前記光反射測定手段は、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射するパルス光出力部と、
前記パルス光出力部から出射された試験光を前記マルチモード光ファイバの所望の伝搬モードで入射し、前記マルチモード光ファイバの入射した同じ伝搬モードの後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光を電気信号に変換する受光器と、
前記電気信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記パルス状の試験光の中心光周波数を変えて測定される前記Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度・歪センシング装置。
複数の伝搬モードを有するマルチモード光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル（以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」を「散乱スペクトル」と称する。）を前記複数の伝搬モードについて予め測定する第１の光周波数スペクトル測定手順と、
温度・歪センシング実施時に、前記複数の伝搬モードを有するマルチモード光ファイバに対して、試験光を用いて散乱スペクトルを前記複数の伝搬モードについて再度測定する第２の光周波数スペクトル測定手順と、
前記第１の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルに対する前記第２の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの散乱スペクトルシフトを複数の伝搬モードについて算出する散乱スペクトルシフト算出手順と、
前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の伝搬モードのうち実効屈折率の異なる任意の２つの伝搬モードの前記散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記マルチモード光ファイバの温度変化及び前記マルチモード光ファイバの歪で表されることを利用して、前記マルチモード光ファイバの温度変化及び前記マルチモード光ファイバの歪を求める温度・歪算出手順と、
を備えることを特徴とする温度・歪センシング方法。
前記温度・歪算出手順は、
前記試験光の中心光周波数をν_０とし、
前記複数の伝搬モードのうち実効屈折率の異なる任意の２つの伝搬モードの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν_１、Δν_２とし、
前記２つの伝搬モードの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_Ｔ，１、Ｋ_Ｔ，２とし、
前記２つの伝搬モードの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれＫ_ε，１、Ｋ_ε，２とし、
次式を用いて温度変化ΔＴ又は歪εを求めることを特徴とする、請求項５に記載の温度・歪センシング方法。
前記第１の光周波数スペクトル測定手順又は前記第２の光周波数スペクトル測定手順では、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射し、
前記連続光を前記マルチモード光ファイバの所望の伝搬モードで入射し、前記マルチモード光ファイバの入射した同じ伝搬モードの後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光及び前記連続光を合波し、
合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換し、
前記ビート信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記マルチモード光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換することで算出し、
前記散乱スペクトルシフト算出手順では、前記第１の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルと前記第２の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の伝搬モードについて算出する、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の温度・歪センシング方法。
前記第１の光周波数スペクトル測定手順又は前記第２の光周波数スペクトル測定手順では、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射し、
前記試験光をセンサ媒体としての前記マルチモード光ファイバの所望の伝搬モードで入射し、前記マルチモード光ファイバの入射した同じ伝搬モードの後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光を電気信号に変換し、
前記電気信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換した後、Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記試験光の中心光周波数を変えて測定される前記Ａ／Ｄ変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定し、
前記スペクトルシフト算出手順では、前記第１の光周波数スペクトル測定手順で測定した光周波数スペクトルと前記第２の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の伝搬モードについて算出する、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の温度・歪センシング方法。