JP6893137B2 - Optical fiber vibration detection sensor and its method - Google Patents
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本発明は、光源を用いた光ファイバ振動検知センサおよびその方法に関する。 The present invention relates to an optical fiber vibration detection sensor using a light source and a method thereof.
光ファイバ技術を用いた干渉型のセンサは種々のものが研究、開発されてきた。干渉型のセンサは光の位相変化を測定し、温度や歪など様々な物理量を高感度に測定することができる。例えば、測定物の保全、異常検知を目的とした、構造物に対する振動を検知する振動センサが考えられている。 Various types of interference sensors using optical fiber technology have been researched and developed. The interference type sensor measures the phase change of light and can measure various physical quantities such as temperature and distortion with high sensitivity. For example, a vibration sensor that detects vibration to a structure has been considered for the purpose of maintaining the measured object and detecting an abnormality.
干渉型のセンサとしてはリング型のファイバでの振動検知方式が検討されている(非特許文献1参照)。この方法は、リング型ファイバの両端から光を入射し、それぞれにおける振動等での位相変化時の変化量の違いを元に振動位置を検知するものである。 As an interference type sensor, a vibration detection method using a ring type fiber has been studied (see Non-Patent Document 1). In this method, light is incident from both ends of the ring-type fiber, and the vibration position is detected based on the difference in the amount of change at the time of phase change due to vibration or the like in each.
この方法では位置が特定できるが、両端から光を入射する必要があり、また振動箇所を見つける方式なので、本質的に分布測定ではない。 Although the position can be specified by this method, it is essentially not a distribution measurement because it is a method of finding the vibration point because it is necessary to inject light from both ends.
これに対して、反射光を分布的に測定し、振動を分布測定するものとして、光ファイバでの光反射時間領域測定法(OTDR:Optical Time Domain Reflectometry)を用いたものが検討されている(非特許文献2参照)。この方法では、光ファイバ内部の各点からの反射光を測定し、それぞれの反射光を受光した時間により反射位置を特定し、また参照光と干渉させて生じたビート信号を受信し、その位相、つまり散乱光の位相変化から振動を検知する。 On the other hand, as a method for measuring the reflected light in a distributed manner and measuring the vibration in a distributed manner, a method using an optical time domain reflectometry (OTDR) on an optical fiber is being studied (OTDR). See Non-Patent Document 2). In this method, the reflected light from each point inside the optical fiber is measured, the reflected position is specified by the time when each reflected light is received, and the beat signal generated by interfering with the reference light is received and its phase. That is, vibration is detected from the phase change of scattered light.
このように、一般的にOTDRを用いた振動センサとして、散乱光の位相を測定する位相OTDRが有力な方法として検討されている。しかし、散乱光の位相変化を正しく測定するためには、被測定光ファイバを往復した後の散乱光と、ビート信号を生成するために干渉させる参照光との位相差が定まった値である、つまり、その散乱光と参照光とがコヒーレントな状態である必要がある。 As described above, as a vibration sensor using OTDR, phase OTDR for measuring the phase of scattered light is generally studied as a promising method. However, in order to correctly measure the phase change of the scattered light, the phase difference between the scattered light after reciprocating in the optical fiber to be measured and the reference light that interferes to generate the beat signal is a fixed value. That is, the scattered light and the reference light need to be in a coherent state.
もし試験光やその反射光と参照光とで遅延時間差が長くなり、2つの光がコヒーレントではなくなると、受信した干渉光の位相はランダムなものとなり振動を検知することは不可能である。このため、被測定光ファイバの往復時間を超えたコヒーレンス時間を持った光源として、位相雑音が非常に小さくスペクトル線幅が狭い、純度の高い高級なレーザ光源を用いることが必要である。このような光源は非常に高価で、また取り扱いも難しいため、位相OTDRによる振動センサが広く普及するための障壁となっている。 If the delay time difference between the test light or its reflected light and the reference light becomes long and the two lights are no longer coherent, the phases of the received interference light become random and it is impossible to detect vibration. Therefore, as a light source having a coherence time exceeding the round trip time of the optical fiber to be measured, it is necessary to use a high-purity laser light source having very small phase noise and a narrow spectral line width. Such a light source is very expensive and difficult to handle, which is a barrier to the widespread use of phase OTDR vibration sensors.
さらに、そのような高コヒーレンスな光源でも、位相を定められる遅延時間、すなわちコヒーレンスを維持できる時間には限界があり、測定可能な光ファイバ長の限界が存在する。また、光源のコヒーレンス時間以内の遅延時間で測定できる位置からの散乱光であって、干渉光の位相が定まった状態だとしても、光源の位相雑音による位相の揺らぎ自体は存在し、その揺らぎによって振動の詳細な様子を解析する際の精度が悪化してしまう。 Further, even with such a high coherence light source, there is a limit to the delay time in which the phase can be determined, that is, the time during which coherence can be maintained, and there is a limit to the measurable optical fiber length. Further, even if the scattered light is scattered light from a position that can be measured within the coherence time of the light source and the phase of the interference light is fixed, the phase fluctuation itself due to the phase noise of the light source exists, and the fluctuation causes the phase fluctuation. The accuracy when analyzing the detailed state of vibration deteriorates.
位相OTDRにおいて、光源の持つ周波数ドリフトに対する補正については既に検討されているが(非特許文献3参照)、光源の位相雑音全体を補正してはいないため、上記のコヒーレンス時間を超えた遅延時間が生じる位置からの散乱光の測定という課題は残っている。 In the phase OTDR, the correction for the frequency drift of the light source has already been studied (see Non-Patent Document 3), but since the entire phase noise of the light source is not corrected, the delay time exceeding the above coherence time is not corrected. The problem of measuring scattered light from the position where it occurs remains.
反射光を測定する方法における遅延時間の補正という観点で、参照干渉計を測定系に加え、その干渉計の出力をモニタすることで、光源の位相雑音を補正する方法が検討されている(非特許文献4参照)。この方法では、参照干渉計の遅延ファイバの長さの任意の倍数の遅延時間を計算する方法が提案されている。 From the viewpoint of correcting the delay time in the method of measuring reflected light, a method of correcting the phase noise of the light source by adding a reference interferometer to the measurement system and monitoring the output of the interferometer is being studied (non-). See Patent Document 4). In this method, a method of calculating the delay time of an arbitrary multiple of the length of the delay fiber of the reference interferometer has been proposed.
しかしながら、この方法は光反射周波数領域測定法(OFDR:Optical Frequency Domain Reflectometry)という時間的に光源の周波数を掃引した光を用いた反射測定法であり、位置を表す周波数を遠くの点において補正する目的で用いられている。そのため、参照干渉計のモニタ信号を用いて測定結果を時間的にリサンプリングする必要がある。この方法は、OTDRという時間領域反射光測定方法において、位置が遅延時間で一意に決まる測定のため、上記リサンプリングのような位置補正処理は意味を持たない。 However, this method is a reflection measurement method using light in which the frequency of the light source is swept over time, which is called an optical reflection frequency domain measurement method (OFDR), and corrects the frequency indicating the position at a distant point. It is used for the purpose. Therefore, it is necessary to temporally resample the measurement result using the monitor signal of the reference interferometer. Since this method is a measurement in which the position is uniquely determined by the delay time in the time domain reflected light measurement method called OTDR, the position correction process such as the resampling is meaningless.
また振動測定においては、測定したいパラメータと補正すべきパラメータが同じで、かつ、そのパラメータが遅延時間や散乱位置ではなく位相そのものであるという点が異なるため、非特許文献4の方法をそのまま振動センサに対して利用することはできない。
Further, in the vibration measurement, the parameter to be measured and the parameter to be corrected are the same, and the parameter is not the delay time or the scattering position but the phase itself. Therefore, the method of Non-Patent
既存のOTDRによる振動センサにおいては、光の位相を測定するため、光源の位相雑音が測定精度に大きく影響する。しかしながら、OTDRで測定される散乱光の位相雑音を直接補正する技術はこれまでに考案されておらず、位相雑音を補償する方法がないため、位相雑音の発生自体を非常に小さく抑えられる、高価で取扱いの難しい光源を用いる必要があるという課題がある。また、位相雑音が0の光源は存在しないため、本質的に測定できる光ファイバの長さや振動の測定精度には限界がある。 In the existing OTDR vibration sensor, since the phase of light is measured, the phase noise of the light source greatly affects the measurement accuracy. However, a technique for directly correcting the phase noise of scattered light measured by an OTDR has not been devised so far, and since there is no method for compensating for the phase noise, the generation of the phase noise itself can be suppressed to a very small level, which is expensive. There is a problem that it is necessary to use a light source that is difficult to handle. Further, since there is no light source having zero phase noise, there is a limit to the measurement accuracy of the length and vibration of the optical fiber that can be essentially measured.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、OTDRを用いて、光源の位相雑音による測定距離の制限や測定精度の劣化を補償する光ファイバ振動検知センサおよびその方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is an optical fiber vibration detection sensor that uses an OTDR to compensate for the limitation of the measurement distance and the deterioration of the measurement accuracy due to the phase noise of the light source. And to provide a method for it.
上記の課題を解決するために、本発明は、光ファイバ振動検知センサであって、コヒーレンス性を有する光を出力する光源と、前記光源から出力された光を2分岐する第1の光分岐部と、前記第1の光分岐部で分岐された一方の分岐光を2分岐する第2の光分岐部と、前記第2の光分岐部で分岐された一方の分岐光をパルス変調する光強度変調部と、前記光強度変調部から出力されたパルス光を被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバの後方散乱光を取り出す光サーキュレータと、前記第1の光分岐部で分岐された他方の分岐光に光周波数シフトを付与する光周波数変調部と、前記光周波数変調部から出力された周波数変調光を2分岐する第3の光分岐部と、前記第3の光分岐部から出力された一方の分岐光に前記光源から出力される光のコヒーレンス時間の半分より小さい時間遅延τを付与する遅延回路と、前記後方散乱光と前記第3の光分岐部から出力された他方の分岐光とを合波した第1のビート信号および前記第2の光分岐部から出力された他方の分岐光と前記遅延回路から出力された光とを合波した第2のビート信号を受光し、数値化処理する信号処理部と、基準時刻から前記時間遅延τのN倍(N:自然数)となる時間における前記第1のビート信号I(Nτ)の位相の雑音成分を、前記第2のビート信号の位相X1から算出される
In order to solve the above problems, the present invention is an optical fiber vibration detection sensor, which is a light source that outputs light having coherence property and a first optical branching portion that branches the light output from the light source into two. And, the light intensity that pulse-modulates the second optical branching portion that branches one of the branched lights branched at the first optical branching portion into two and the one branched light branched at the second optical branching portion. The modulation unit, an optical circulator that incidents pulsed light output from the light intensity modulation unit on the optical fiber to be measured and extracts the backward scattered light of the optical fiber to be measured, and the first optical branching unit are branched. An optical frequency modulator that imparts an optical frequency shift to the other branched light, a third optical branch that branches the frequency-modulated light output from the optical frequency modulator into two, and an output from the third optical branch. A delay circuit that imparts a time delay τ that is smaller than half the coherence time of the light output from the light source to one of the branched lights, and the rear-scattered light and the other branch output from the third optical branch. It receives a first beat signal that combines light and a second beat signal that combines the other branch light output from the second optical branch and the light output from the delay circuit. The signal processing unit that performs digitization processing and the noise component of the phase of the first beat signal I (Nτ) at a time that is N times (N: natural number) of the time delay τ from the reference time are combined with the second beat. Calculated from signal phase X 1
を用いて補償する位相雑音補償部と、を備えたことを特徴とする。 It is characterized in that it is provided with a phase noise compensating unit for compensating by using.
さらに、本発明は、光ファイバ振動検知方法であって、コヒーレンス性を有する光を出力するステップと、出力された前記コヒーレンス性を有する光を2分岐する第1の光分岐ステップと、前記第1の光分岐ステップで分岐された一方の分岐光を2分岐する第2の光分岐ステップと、前記第2の光分岐ステップで分岐された一方の分岐光をパルス変調する光強度変調ステップと、前記光強度変調ステップで変調されたパルス光を被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバの後方散乱光を取り出すステップと、前記第1の光分岐ステップで分岐された他方の分岐光に光周波数シフトを付与する光周波数変調ステップと、前記光周波数変調ステップで変調された周波数変調光を2分岐する第3の光分岐ステップと、前記第3の光分岐ステップで分岐された一方の分岐光に前記コヒーレンス性を有する光のコヒーレンス時間の半分より小さい時間遅延τを付与する遅延付与ステップと、前記後方散乱光と前記第3の光分岐ステップで分岐された他方の分岐光とを合波した第1のビート信号および前記第2の光分岐ステップで分岐された他方の分岐光と前記遅延付与ステップで時間遅延τを付与された光とを合波した第2のビート信号を受光し、数値化処理する信号処理ステップと、基準時刻から前記時間遅延τのN倍(N:自然数)となる時間における前記第1のビート信号I(Nτ)の位相の雑音成分を、前記第2のビート信号の位相X1から算出される
Further, the present invention is an optical fiber vibration detection method, wherein a step of outputting light having coherence property, a first optical branching step of bifurcating the output light having coherence property, and the first optical branching step. A second optical branching step in which one of the branched lights branched in the optical branching step is branched into two, a light intensity modulation step in which one of the branched lights branched in the second optical branching step is pulse-modulated, and the above. The pulsed light modulated in the light intensity modulation step is incident on the optical fiber to be measured, and the light is applied to the step of extracting the backward scattered light of the optical fiber to be measured and the other branched light branched in the first optical branching step. An optical frequency modulation step for imparting a frequency shift, a third optical branching step for bifurcating the frequency-modulated light modulated in the optical frequency modulation step, and one branched light branched in the third optical branching step. A delay imparting step of imparting a time delay τ smaller than half of the coherence time of the light having coherence property and the rearward scattered light and the other branched light branched in the third optical branching step were combined. A second beat signal obtained by combining the first beat signal, the other branching light branched in the second optical branching step, and the light to which the time delay τ is added in the delay applying step is received, and a numerical value is received. The signal processing step to be processed and the noise component of the phase of the first beat signal I (Nτ) at a time that is N times (N: natural number) of the time delay τ from the reference time are combined with the second beat signal. Calculated from the phase X 1 of
を用いて補償する計算処理ステップと、を有することを特徴とする。 It is characterized by having a calculation processing step for compensating using.
本発明の技術を用いれば、OTDRによる光ファイバ振動センサにおいて、光源の位相雑音、すなわちスペクトル線幅やドリフト等の制限をなくし、より簡易に、より長距離・高感度な測定を可能となる。これにより、光ファイバを用いた振動センサの簡易化・高度化の実現に貢献することができる。 By using the technique of the present invention, in the optical fiber vibration sensor by OTDR, the phase noise of the light source, that is, the limitation such as the spectral line width and the drift can be eliminated, and the measurement can be performed more easily, over a long distance and with high sensitivity. This can contribute to the realization of simplification and sophistication of vibration sensors using optical fibers.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図1に、本発明の一実施例1に係る光ファイバ振動検知センサの構成を示す。先ず、光源1から出射された光を分岐部2で2分岐し、一方の光は光周波数変調部3に入射され、他方の光は分岐部4に入射される。周波数変調されずに分岐部4に導波された他方の光は2分岐され、一方の光は光強度変調部5によりパルス変調され、光サーキュレータ6を通して被測定光ファイバ7へ入射される。分岐部4で分岐された他方の光は参照干渉計8の一方のポートへ入射される。分岐部2で2分岐された一方の光は、光周波数変調部3で周波数変調された後、分岐部9で2分岐され、一方の光は参照干渉計8の他方のポートに入射される。分岐部9で分岐された他方の光は散乱光とのビート信号を取得するためのローカル光とされる。
FIG. 1 shows the configuration of the optical fiber vibration detection sensor according to the first embodiment of the present invention. First, the light emitted from the
被測定光ファイバ7からの散乱光は光サーキュレータ6を介し、分岐部9で分岐されたローカル光と合波され、バランスフォトディテクタ10で受光される。バランスフォトディテクタ10で生成された電気信号は、信号発生器12から発生させた、光周波数変調部3で加えた周波数と同じ周波数の信号とミキサ11で合波し、測定したい信号の周波数を直流成分に移し、低域透過フィルタ13でその他の雑音成分をカットされる。雑音成分をカットした電気信号は、数値化装置18によりデジタルデータに変換され、計算処理部19で数値計算処理される。
The scattered light from the
参照干渉計8では、光源1のコヒーレンス時間の半分よりも短い遅延時間を持つ遅延光ファイバ14を具備しており、光周波数変調部3で変調された周波数変調光と分岐部4で分岐された試験光が合波され、バランスフォトディテクタ15で参照ビート信号が受光される。バランスフォトディテクタ15で生成された電気信号は、散乱光と同じく、ミキサ16で信号発生器12からの信号と合波され、低域透過フィルタ17で不要な雑音成分をカットされる。雑音成分をカットした電気信号は、数値化装置18によりデジタルデータに変換され、計算処理部19で数値計算処理される。
The
ここで、パルス試験光が被測定光ファイバ7に入射されたときの散乱光は以下の式(1)で表される。
Here, the scattered light when the pulse test light is incident on the
ここで、Eは光振幅、tcはパルス試験光が被測定光ファイバ7内に入射されて被測定光ファイバ7内のある位置において散乱されて散乱光として戻って来るまでの遅延時間、fは光源1の光の周波数、fAは光周波数変調部3で加えられる変調周波数、tは測定開始を0としたときの経過時間、φは測定したい光ファイバに加わっている振動による位相変化、aは振動が加わっている被測定光ファイバ7上の位置、θは光が持つ位相の雑音成分である。この散乱光が次の式(2)であらわされるローカル光と干渉しビート信号として受信される。
Here, E is the optical amplitude, t c is the delay time until the pulse test light is incident in the
ローカル光は被測定光ファイバ7を通っていないため、遅延時間0として扱う。式(1)で表される散乱光と式(2)で表されるローカル光のビート信号は、
Since the local light does not pass through the
となる。計算の中で2πftcは光源1の光周波数fがtcに比べて非常に大きいのでftc=整数(1未満の値を含まない値)となり、無視できる。ここで、測定する被測定光ファイバ7内での遅延の遅延時間tcが光源1のコヒーレンス時間よりも小さくないと、式(3)内の雑音成分θの差分の項がランダムとなり、振動成分φを正しく測定することができない。
Will be. In the calculation, 2πft c has an optical frequency f of the
図2に、ビート信号I(t)をフーリエ変換して算出したビート信号I(t)の周波数スペクトルを示す。遅延時間tcがコヒーレンス時間よりも短い場合、ビート信号I(t)はデルタ関数的なピークを持ち、その広がり、もしくはサイドピークが振動による位相変化φによって現れる。 FIG. 2 shows the frequency spectrum of the beat signal I (t) calculated by Fourier transforming the beat signal I (t). When the delay time t c is shorter than the coherence time, the beat signal I (t) has a delta-functional peak, and its spread or side peak appears due to the phase change φ due to vibration.
しかし、遅延時間tcがコヒーレンス時間よりも長い場合、雑音成分θがランダムになることによって周波数スペクトルがローレンツ関数の形を持った広がりを持ってしまい、これにより位相変化の振動成分φが測定できなくなる。また遅延時間tcがコヒーレンス時間よりも短い場合でも、厳密なデルタ関数ではなく、光源1の位相雑音による周波数スペクトルの幅を持っており、コヒーレンス時間以下の遅延の散乱光でも位相の測定に雑音が混入する。
However, when the delay time t c is longer than the coherence time, the noise component θ becomes random and the frequency spectrum has a spread in the form of a Lorentz function, so that the vibration component φ of the phase change can be measured. It disappears. Even if the delay time t c is shorter than the coherence time, it has a width of the frequency spectrum due to the phase noise of the
これを解決するために、参照干渉計8で生成する参照ビート信号を利用する。参照干渉計8での受信信号を用いた位相雑音補償の方法をまず数式で定量的に説明する。式(3)と同じ計算により、参照干渉計8の参照ビート信号は以下の式(4)の形で表される。
In order to solve this, the reference beat signal generated by the
ここで、τは遅延光ファイバ14による遅延時間である。この時、τは光源1の光周波数fに対して非常に短いためfτ=整数となり、2πfτの項は無視できる。この式(4)で表される電気信号は、ミキサ11において信号発生器12で生成された光源1と同じ周波数fの信号と合波されることにより直流付近の低い周波数に変換されて信号処理される。したがって、参照干渉計8から出力される参照ビート信号の位相として、
Here, τ is the delay time due to the delayed
が測定される。上記X1は位相であるため、実際に受信した信号に対して、ヒルベルト変換を施しsin成分を計算し、cos成分と合わせてtan成分を計算し、その逆tan関数を施すことにより算出するが、その値は−πからπまでの値のみで表される。ここで、遅延時間をN倍した場合の位相は、 Is measured. Since the above X 1 is a phase, it is calculated by performing a Hilbert transform on the actually received signal, calculating the sin component, calculating the tan component together with the cos component, and applying the inverse tan function. , The value is represented only by the value from −π to π. Here, the phase when the delay time is multiplied by N is
となるため、N=1から順次計算しようとすると、 Therefore, if you try to calculate sequentially from N = 1,
と表され、N倍では It is expressed as, and at N times
と表される。これら式(7)、(8)から位相XNを位相X1と遅延時間τのみで表すと下式(9)のようになる。 It is expressed as. From these equations (7) and (8), if the phase X N is expressed only by the phase X 1 and the delay time τ, it becomes as shown in the following equation (9).
この式により、遅延光ファイバ14が1本のときの受信信号の位相X1の時間波形および遅延時間τのみで、N倍(Nは任意の自然数)の遅延時間における雑音成分の位相XNが計算可能である。
According to this equation, the phase X N of the noise component at the delay time of N times (N is an arbitrary natural number) is obtained only by the time waveform and the delay time τ of the phase X 1 of the received signal when one delay
以上の参照ビート信号から計算されたさまざまな遅延の場合の光源1の位相変化のデータは、以降において、散乱光とローカル光とのビート信号の位相雑音を補償するために用いられる。
The data of the phase change of the
次に、被測定光ファイバ7に対しての位相OTDRとしての振動測定について、式(3)に関して説明したコヒーレンス時間による制限について詳細を説明する。バランスフォトディテクタ10に入射される散乱光とローカル光のビート信号は、下式(式(3))の形で測定される。
Next, regarding the vibration measurement as the phase OTDR for the
このビート信号は被測定光ファイバ7のある位置z0からの散乱光の情報を含んでおり、位置z0は往復遅延時間tcと
This beat signal contains information on scattered light from a certain position z 0 of the
の関係にある。ここでVは被測定光ファイバ7中を伝搬する光の速度である。式(3)で表されるビート信号がバランスフォトディテクタ10で電気信号に変換されると、ミキサ11において信号発生器12で生成された周波数fの電気信号と合波される。合波した信号を数値化装置18で数値化するが、このとき、受信される信号はミキサ11で合波し、低域透過フィルタ13を利用することにより、直流付近のパルス幅に相当する周波数帯域の信号にする。この時の数値化装置18に入力される信号は、
There is a relationship of. Here, V is the speed of light propagating in the
となる。この式(11)で表される波形を有する電気信号は、光強度変調部5で生成した試験光パルスを繰り返し被測定光ファイバ7入射することで多数取得される。試験光パルスの入射頻度は、OTDRの動作原理からの要請により、複数のパルスにより式(3)で表されるビート信号の波形が重ないように、被測定光ファイバ7の長さを光が往復する時間より長くとる。この試験光パルスの時間間隔をTとし、被測定光ファイバ7に入射する試験光パルスの数をn、k=1、2、・・・、nとすると、式(11)で表される信号から、
Will be. A large number of electric signals having a waveform represented by the equation (11) are acquired by repeatedly incidenting the test light pulse generated by the light intensity modulation unit 5 on the
と、離散化された信号を取得できる。この信号の位相を、例えばヒルベルト変換でsin成分を求めてから算出すると、図3のように時間により変化する波形として描け、この波形を高速フーリエ変換等の周波数解析手段を用いることにより、位相変動の振動成分φを求めることができるはずである。 And, the discretized signal can be acquired. When the phase of this signal is calculated after obtaining the sine component by, for example, the Hilbert transform, it can be drawn as a waveform that changes with time as shown in FIG. 3, and this waveform can be drawn as a phase fluctuation by using a frequency analysis means such as a fast Fourier transform. It should be possible to obtain the vibration component φ of.
しかし、このとき(12)式の中の雑音成分θの項が振動成分φとkに対して変化が激しい場合、正しく振動成分φが求められない。特に式(12)を見ればわかる通り、雑音成分θの項は遅延時間tcだけ時間がずれた値との差分となっているため、遅延時間tcが光源1のコヒーレンス時間よりも長い場合、雑音成分θの項が定まらず、その雑音的振る舞いにより振動測定のノイズとなる。
However, at this time, if the term of the noise component θ in the equation (12) changes drastically with respect to the vibration components φ and k, the vibration component φ cannot be obtained correctly. In particular as can be seen from equation (12), since the term of the noise component θ has a difference between the value of shift by time delay t c, if the delay time t c is longer than the coherence time of the
一方、遅延時間tcが光源1のコヒーレンス時間よりも短い場合は雑音成分θの項がある一定の値になるが、振動成分φに対して雑音となることに変わりはなく、図3の波形において、測定対象である振動による位相変化φに対するSN比の劣化につながる。
On the other hand, when the delay time t c is shorter than the coherence time of the
一般的に、雑音成分θを確定した値とするためには遅延時間tcをコヒーレンス時間よりも短くする必要があり、これは言い換えると被測定光ファイバ7の長さを光源1のコヒーレンス長よりも短くする必要があるということと同義である。この制限を超えるため、本発明では、参照干渉計8の出力から計算された、下式(式(8))で表される任意の遅延での参照ビート信号の位相を利用する。
Generally, in order to make the noise component θ a definite value, it is necessary to make the delay time t c shorter than the coherence time, in other words, the length of the
式(12)で計算する遅延時間tcに対し、Nτが最も遅延時間tcに近くなるNを求め、その時の参照ビート信号の位相XNを利用する。例えば理想的なtc=Nτの場合は、 With respect to the delay time t c calculated by the equation (12), N for which Nτ is closest to the delay time t c is obtained, and the phase X N of the reference beat signal at that time is used. For example, in the case of ideal t c = Nτ,
となるので、式(12)の位相に加えると、 Therefore, when added to the phase of equation (12),
となり、振動成分φ(と2πfAtc)のみを求めることができる。尚、位相XN(tc+(k−1)T)の値は、式(9)から位相X1と遅延時間τから求めることができる。この計算は、コヒーレンス時間を超えた遅延でも計算できる遅延差であることから、I(k)での遅延がコヒーレンス時間を超えた場合でも正しく雑音成分θの差分を除去することが可能である。また、遅延がコヒーレンス時間以内の場合においてもこの計算により雑音成分θの差分を除去することができ、SN比の改善による高精度な位相の測定が可能である。 Next, it is possible to obtain only the vibration component phi (and 2πf A t c). The value of the phase X N (t c + (k-1) T) can be obtained from the phase X 1 and the delay time τ from the equation (9). Since this calculation is a delay difference that can be calculated even if the delay exceeds the coherence time, it is possible to correctly remove the difference in the noise component θ even when the delay at I (k) exceeds the coherence time. Further, even when the delay is within the coherence time, the difference in the noise component θ can be removed by this calculation, and the phase can be measured with high accuracy by improving the SN ratio.
以下に本実施例の具体的な数値計算方法について説明する。 The specific numerical calculation method of this embodiment will be described below.
まず、測定で関係するパラメータについて整理する。数値化装置18でのサンプリング速度S(Sa/s)は、パルス幅Wで決まり、S≧2/Wとなる。参照ビート信号についても同じことが言えるため、参照ビート信号も同じサンプリング速度S(>2/W)で測定されることとなる。
First, the parameters related to the measurement are summarized. The sampling rate S (Sa / s) in the digitizing
振動測定では、散乱光の時間変化を測定するためパルスを多数入射する。そのため、計算処理部19で受信される波形は図4(a)のようなものとなる。なお、ここでは説明のため、縦軸の位相を、パワーのように表現しているが、実際はビート信号の位相なのでこのようなきれいな形をしていない。また参照干渉計8から同時に受信されるX1(t)の波形と、そこから計算できるX2(t)の波形も図4(b)、(c)に記載している。
In vibration measurement, a large number of pulses are incident to measure the time change of scattered light. Therefore, the waveform received by the
ここで順次XN(t)までを計算していくことになる。X1(t)は上記のとおり、S(≧2/W)でサンプリングされるが、基準のτ(遅延光ファイバ14による遅延時間)だけ離れたX2(t)を離散的に計算するため、 Here, up to X N (t) will be calculated sequentially. As described above, X 1 (t) is sampled at S (≧ 2 / W), but X 2 (t) separated by the reference τ (delay time by the delayed optical fiber 14) is calculated discretely. ,
でなければならない。 Must.
また、参照干渉計8での遅延光ファイバ14による遅延時間τを、前記数値化装置18の最小サンプリング間隔(サンプリング速度S(Sa/s)の逆数)と同一になるようにすれば、雑音成分θの差分で表される光源1の位相雑音除去がサンプリングされるすべての点で厳密となり、より高精度な散乱光位相分布測定が可能となる。
Further, if the delay time τ by the delayed
ここで、図4から改めて考えると、参照干渉計8からの光の波形の列それぞれについて1点ずつのみ抽出されるため、参照干渉計8の位相XNで補正されるのもそれぞれの場所について1点ずつである。したがって、位相XN(t)は上記のとおり信号光と同じくサンプリング速度Sで大量にサンプリングされていく位相X1を元に計算されることになるが、1つの散乱光波形、つまり1回のパルス試験光を入射する時間間隔Tでサンプリングされるビート信号のうち、補正されるのはその中で1点のみとなる。
Here, considering again from FIG. 4, since only one point is extracted for each row of light waveforms from the
つまり、参照ビート信号の位相XN(t)は式(7)、(8)から順次計算されていくことになる。例えばX1(t)はt=τ+(k−1)Tのみ、X2(t)はt=2τ+(k−1)Tの点のみが位相雑音補償に利用される。そして、式(7)での漸化式の計算から分かるように、補償に用いるXN(t)の参照データは、例えばX2(t)の場合は、X1(τ+(k−1)T)とX1(2τ+(k−1)T)の2点から計算され、X3(t)はX2(2τ+(k−1)T)とX1(3τ+(k−1)T)の2点から計算される、というように、XN(Nτ+(k−1)T)の全てのNでの値がそれぞれ2つの点XN-1((N−1)τ+(k−1)T)とX1(Nτ+(k−1)T)から計算できる。これは式(8)で表すと That is, the phase X N (t) of the reference beat signal is sequentially calculated from the equations (7) and (8). For example, X 1 (t) uses only t = τ + (k-1) T, and X 2 (t) uses only the point of t = 2τ + (k-1) T for phase noise compensation. Then, as can be seen from the calculation of the gradual equation in the equation (7), the reference data of X N (t) used for compensation is X 1 (τ + (k-1) in the case of X 2 (t), for example. Calculated from two points, T) and X 1 (2τ + (k-1) T), X 3 (t) is X 2 (2τ + (k-1) T) and X 1 (3τ + (k-1) T). The values of X N (Nτ + (k-1) T) at all N are calculated from the two points of X N-1 ((N-1) τ + (k-1) T). ) T) and X 1 (Nτ + (k-1) T). This can be expressed by equation (8)
である。 Is.
したがって、1回のパルス試験光を入射する時間間隔Tの間にサンプリングされる信号に対して、位相雑音補償に使用する参照ビート信号のデータ点は、自然数2以上のNにおけるXNについて、XN-1((N−1)τ+(k−1)T)とX1(Nτ+(k−1)T)の2点のみである。1つの散乱光波形のサンプリング点数は2LS/v(L:ファイバ長、v:光速)であり、サンプリングレートが上記のとおり遅延τと同等とするとS=2/W=1/τとなる。そのため式(7)で扱うXNのデータ数は、全てのtについて計算すると、計算で算出するXNの点数は2L/τv×Nの行列となり、非常に膨大な数となるが、上記のように実際使う点のみ計算すれば、X1については、2L/τv全て利用することを考慮すると、2(N−1)+2L/τvと非常に少なくなる。 Therefore, for the signal sampled during the time interval T in which one pulse test light is incident, the data point of the reference beat signal used for phase noise compensation is X for X N at N with a natural number of 2 or more. There are only two points, N-1 ((N-1) τ + (k-1) T) and X 1 (Nτ + (k-1) T). The number of sampling points of one scattered light waveform is 2LS / v (L: fiber length, v: speed of light), and if the sampling rate is equivalent to the delay τ as described above, S = 2 / W = 1 / τ. Therefore, when the number of X N data handled by the equation (7) is calculated for all t, the X N score calculated by the calculation is a matrix of 2 L / τv × N, which is a very large number. If only the points actually used are calculated, the amount of X 1 is 2 (N-1) + 2L / τv, which is very small, considering that all 2L / τv is used.
また、以上より、式(7)、式(8)での参照干渉計からの任意の遅延の位相の計算において、基準の遅延光ファイバによる遅延時間τを最小サンプリング時間まで小さくしても、計算で使うデータ量は非常に少なく、一般的なプロセッサで現実的に計算できる分量となり、リアルタイムに近い性能が求められる振動センサにおいて、計算負荷の少ない信号処理を実施する上で非常に有効である。 Further, from the above, in the calculation of the phase of an arbitrary delay from the reference interferometer in the equations (7) and (8), even if the delay time τ due to the reference delay optical fiber is reduced to the minimum sampling time, the calculation is performed. The amount of data used in is very small, and it is an amount that can be calculated realistically with a general processor, and it is very effective in performing signal processing with a small calculation load in a vibration sensor that requires performance close to real time.
以上の方法により、参照ビート信号から計算される任意の遅延時間での位相情報用いて、散乱光とローカル光のビート信号に重畳する位相雑音を補償でき、結果として散乱光の位相状態を高精度に測定することが可能となる。さらには、上記測定を繰り返すことで、時間的に変動する光源1の位相雑音が補償された状態において、被測定光ファイバ上の任意の位置における散乱光の位相が時間的に変動する様子を計測することが可能であり、言い換えれば、被測定光ファイバ上の任意の位置に加わる振動を詳細に解析することが可能である。
By the above method, the phase information superimposed on the beat signal of the scattered light and the local light can be compensated by using the phase information at an arbitrary delay time calculated from the reference beat signal, and as a result, the phase state of the scattered light can be highly accurate. It becomes possible to measure. Furthermore, by repeating the above measurement, it is measured how the phase of the scattered light at an arbitrary position on the optical fiber to be measured fluctuates with time in a state where the phase noise of the
また、上記の計算で光源1の周波数はfで固定していたが、この周波数がレーザの特性としてドリフトする場合は、f(t)=f+δ(t)と書ける。この光周波数のドリフト量δ(t)は測定の経過時間で変動する周波数であることを意味している。この場合でも散乱光を表す式(3)においてドリフト量δ(t)を位相雑音の中に含めることができるので、図4に示すように、信号波形と同時間に取得された参照ビート信号の位相で補償することができる。すなわち、本発明では、光源1の位相雑音のみでなく、光源1の光周波数のドリフト現象も同時に補償可能である。
Further, although the frequency of the
なお、本発明は、上記実施例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。例えば、本実施例では、周波数変調をミキサ11と信号発生器12で直流に移しているが、高精度な数値化装置によりデジタル信号処理で処理をしてもよい。ミキサ11を使わない場合は式(6)〜(8)は
The present invention is not limited to the above embodiment, and at the implementation stage, the components can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof. For example, in this embodiment, the frequency modulation is transferred to direct current by the
と、光周波数変調部3で加えられる変調周波数fAの成分が含まれる形になる。しかし変調周波数fAはあらかじめ分かっているパラメータであるため、容易に信号処理で除去可能であり、ミキサ11を利用した場合と何ら結果は変わらない。
Then, the component of the modulation frequency f A added by the optical frequency modulation unit 3 is included. However, since the modulation frequency f A is a parameter known in advance, it can be easily removed by signal processing, and the result is the same as when the
また、ミキサ11を利用しない場合は、数値化装置18で受信される信号に変調周波数fAが残るため、サンプリング速度は2/Wではなく、2fAにすればよい。
Further, when the
また、本実施例では、光周波数変調部3を光分岐9の手前に配置したヘテロダイン検波構成を用いているが、光分岐4の手前でもよく、この場合は、試験光側の光周波数がシフトされるだけであって、本実施例と同様の結果を得ることができる。
Further, in this embodiment, the heterodyne detection configuration in which the optical frequency modulation unit 3 is arranged in front of the optical branch 9 is used, but it may be in front of the
また、式(5)や式(12)から位相を求めるために、ヒルベルト変換を行うのではなく、光受信部に光90度ハイブリッドを用いたコヒーレント検波を用いてcos成分、sin成分を受信する形にしてもよい。この場合は、数値化装置18で受信する前にcos、sin両方確定しているため、ヒルベルト変換が不要で計算処理が軽くなる。但し、この場合にはコヒーレント検波での光制御による雑音が加わることになる。
Further, in order to obtain the phase from the equation (5) and the equation (12), the coherent detection using the optical 90-degree hybrid is used in the optical receiving unit to receive the cos component and the sin component instead of performing the Hilbert transform. It may be shaped. In this case, since both cos and sin are confirmed before the digitizing
非特許文献4のOFDRにおける位相雑音補償の手段は、周波数掃引光を用いるため、任意の遅延時間をフーリエ変換によって計算するために掃引時間に渡る時間範囲のビート信号及び参照ビート信号の取得が必要であり、光源の位相雑音を補償するためには、上記計測が完了した後に補償のための計算処理を実施する必要がある点において、本実施例と大きく異なる。言い換えれば、非特許文献4の手段においては、掃引時間に渡る時間範囲Tでサンプリングされた参照ビート信号を全て補償に用い、同時間範囲でサンプリングされたビート信号すべてに対しこれを時間的リサンプリングによって補償するのに対して、本発明は、時間範囲Tの間にサンプリングされる信号に対して、位相雑音補償に使用する参照ビート信号のデータ点は、ビート信号Iの測定時刻をNτとすると、その時刻Nτでの遅延時間Nτ(N:自然数)の位相の雑音成分XNの値1点のみであり、さらには時間的リサンプリング処理そのものが不要であるという点において、処理そのものも異なる。さらには、非特許文献4の手段は、光源のコヒーレンス時間を超えた任意の遅延時間(被測定光ファイバの遠くの一点に該当し、波長掃引時間に渡る時間範囲Tより小さい)における位相雑音を補償し、高い距離分解能を達成することが目的であるのに対して、本発明は振動センサであり、繰り返し測定を実施する測定経過時間方向に対して安定して位相状態を取り出すことを目的としており、目的および手段も非なるものである。
Since the phase noise compensation means in OFDR of
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。参照干渉計8の遅延τをパルス幅による分解能よりも広くとっても良いし、測定時間内でいつ数値計算を行わせるかにより、リアルタイム性・同時性の制御も自由に設定できる。
In addition, various inventions can be formed by an appropriate combination of a plurality of components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Further, the components of different embodiments may be combined as appropriate. The delay τ of the
1 光源
2、4、9 分岐部
3 光周波数変調部
5 光強度変調部
6 光サーキュレータ
7 被測定光ファイバ
8 参照干渉計
10、15 バランスフォトディテクタ
11、16 ミキサ
12 信号発生器
13、17 低域透過フィルタ
14 遅延光ファイバ
18 数値化装置
19 計算処理部
1
Claims (6)
前記光源から出力された光を2分岐する第1の光分岐部と、
前記第1の光分岐部で分岐された一方の分岐光を2分岐する第2の光分岐部と、
前記第2の光分岐部で分岐された一方の分岐光をパルス変調する光強度変調部と、
前記光強度変調部から出力されたパルス光を被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバの後方散乱光を取り出す光サーキュレータと、
前記第1の光分岐部で分岐された他方の分岐光に光周波数シフトを付与する光周波数変調部と、
前記光周波数変調部から出力された周波数変調光を2分岐する第3の光分岐部と、
前記第3の光分岐部から出力された一方の分岐光に前記光源から出力される光のコヒーレンス時間の半分より小さい時間遅延τを付与する遅延回路と、
前記後方散乱光と前記第3の光分岐部から出力された他方の分岐光とを合波した第1のビート信号および前記第2の光分岐部から出力された他方の分岐光と前記遅延回路から出力された光とを合波した第2のビート信号を受光し、数値化処理する信号処理部と、
基準時刻から前記時間遅延τのN倍(N:自然数)となる時間における前記第1のビート信号I(Nτ)の位相の雑音成分を、前記第2のビート信号の位相X1から算出される
を備えたことを特徴とする光ファイバ振動検知センサ。 A light source that outputs light with coherence,
A first optical branch that splits the light output from the light source into two,
A second optical branching portion that branches one of the branched lights branched at the first optical branching portion into two, and a second optical branching portion.
An optical intensity modulation unit that pulse-modulates one of the branched lights branched by the second optical branching unit,
An optical circulator that injects pulsed light output from the light intensity modulator into the optical fiber to be measured and extracts backscattered light from the optical fiber to be measured.
An optical frequency modulation unit that imparts an optical frequency shift to the other branched light branched by the first optical branching unit,
A third optical branching section that splits the frequency-modulated light output from the optical frequency modulation section into two, and a third optical branching section.
A delay circuit that imparts a time delay τ smaller than half of the coherence time of the light output from the light source to one of the branched lights output from the third optical branching portion.
The delay circuit and the first beat signal obtained by combining the backward scattered light and the other branch light output from the third optical branch portion, the other branch light output from the second optical branch portion, and the delay circuit. A signal processing unit that receives and digitizes the second beat signal that combines the light output from
The noise component of the phase of the first beat signal I (Nτ) at a time that is N times (N: natural number) of the time delay τ from the reference time is calculated from the phase X 1 of the second beat signal.
An optical fiber vibration detection sensor characterized by being equipped with.
出力された前記コヒーレンス性を有する光を2分岐する第1の光分岐ステップと、
前記第1の光分岐ステップで分岐された一方の分岐光を2分岐する第2の光分岐ステップと、
前記第2の光分岐ステップで分岐された一方の分岐光をパルス変調する光強度変調ステップと、
前記光強度変調ステップで変調されたパルス光を被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバの後方散乱光を取り出すステップと、
前記第1の光分岐ステップで分岐された他方の分岐光に光周波数シフトを付与する光周波数変調ステップと、
前記光周波数変調ステップで変調された周波数変調光を2分岐する第3の光分岐ステップと、
前記第3の光分岐ステップで分岐された一方の分岐光に前記コヒーレンス性を有する光のコヒーレンス時間の半分より小さい時間遅延τを付与する遅延付与ステップと、
前記後方散乱光と前記第3の光分岐ステップで分岐された他方の分岐光とを合波した第1のビート信号および前記第2の光分岐ステップで分岐された他方の分岐光と前記遅延付与ステップで時間遅延τを付与された光とを合波した第2のビート信号を受光し、数値化処理する信号処理ステップと、
基準時刻から前記時間遅延τのN倍(N:自然数)となる時間における前記第1のビート信号I(Nτ)の位相の雑音成分を、前記第2のビート信号の位相X1から算出される
を有することを特徴とする光ファイバ振動検知方法。 Steps to output light with coherence and
The first optical branching step of bifurcating the output light having coherence, and
A second optical branching step in which one of the branched lights branched in the first optical branching step is branched into two, and a second optical branching step.
An optical intensity modulation step that pulse-modulates one of the branched lights branched in the second optical branching step,
A step of incidenting the pulsed light modulated in the light intensity modulation step into the optical fiber to be measured and extracting the backscattered light of the optical fiber to be measured.
An optical frequency modulation step that imparts an optical frequency shift to the other branched light branched in the first optical branching step,
A third optical branching step of bifurcating the frequency-modulated light modulated in the optical frequency modulation step,
A delay imparting step of imparting a time delay τ smaller than half of the coherence time of the light having coherence property to one of the branched lights branched in the third optical branching step,
The delay imparting the first beat signal obtained by combining the backscattered light and the other branched light branched in the third optical branching step, the other branched light branched in the second optical branching step, and the delay imparting. A signal processing step that receives a second beat signal that is combined with light to which a time delay τ is added in the step and digitizes it.
The noise component of the phase of the first beat signal I (Nτ) at a time that is N times (N: natural number) of the time delay τ from the reference time is calculated from the phase X 1 of the second beat signal.
An optical fiber vibration detection method characterized by having.
The optical fiber vibration detection method according to claim 4 or 5 , wherein the minimum sampling time in the digitization process is equal to the time delay τ.
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