JP7003807B2 - Optical fiber strain and temperature measuring device and optical fiber strain and temperature measuring method - Google Patents
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Description
この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法に関する。 The present invention relates to an optical fiber strain and temperature measuring device and an optical fiber strain and temperature measuring method using Brillouin scattered light.
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光ファイバセンシングが盛んに研究されている。特に、散乱光を利用する光ファイバセンシングは、点ごとに計測する電気センサを用いる場合と違い、長距離の分布的なセンシングが可能である。このため、測定対象全体の物理量を計測することができる。 With the development of optical fiber communication, optical fiber sensing using the optical fiber itself as a sensing medium is being actively researched. In particular, optical fiber sensing using scattered light enables long-distance distributed sensing, unlike the case of using an electric sensor that measures point by point. Therefore, the physical quantity of the entire measurement target can be measured.
分布的なセンシングを行う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時間領域リフレクトメトリ(OTDR:Optical Time Domain Reflectometry)が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはBOTDR(Brillouin OTDR)と呼ばれる(例えば、非特許文献1参照)。 In distributed optical fiber sensing, which performs distributed sensing, optical pulse is incident from one end of the optical fiber, and the light scattered backward in the optical fiber is measured with respect to time time domain reflectometer (OTDR). Reflectometry) is typical. Backscattering in an optical fiber includes Rayleigh scattering, Brillouin scattering and Raman scattering. Among these, the one that measures natural Brillouin scattering is called BOTDR (Brillouin OTDR) (see, for example, Non-Patent Document 1).
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。BGSの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト(BFS:Brillouin Frequency Shift)及びブリルアン線幅と呼ばれる。BFS及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質および入射光波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長1.55μmにおけるBFSの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約11GHz及び約30MHzとなることが知られている。また、非特許文献1からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うBFSの大きさは波長1.55μmにおいて、それぞれ0.049MHz/με、1.0MHz/℃である。 Brillouin scattering is observed at a position shifted by about GHz to the Stokes side and the anti-Stokes side with respect to the center frequency of the optical pulse incident on the optical fiber, and the spectrum is the Brillouin Gain Spectrum (BGS). Called. The BGS frequency shift and spectral line width are referred to as Brillouin Frequency Shift (BFS) and Brillouin line width, respectively. The BFS and Brillouin line widths vary depending on the material of the optical fiber and the incident light wavelength. For example, in the case of a quartz-based single-mode optical fiber, it is known that the size of BFS and the Brillouen line width at a wavelength of 1.55 μm are about 11 GHz and about 30 MHz, respectively. Further, from Non-Patent Document 1, the magnitudes of BFS due to distortion and temperature change in the single mode fiber are 0.049 MHz / με and 1.0 MHz / ° C., respectively, at a wavelength of 1.55 μm.
このように、BFSは歪みと温度に対して依存性を持つため、BOTDRは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物や、地滑りが発生する恐れのある箇所などの監視目的で利用可能として注目されている。 In this way, since BFS is dependent on strain and temperature, BOTDR is attracting attention as it can be used for monitoring large buildings such as bridges and tunnels, and places where landslides may occur. Has been done.
BOTDRとして、自己遅延ヘテロダイン型のBOTDR(SDH-BOTDR:Self-Delayed Heterodyne BOTDR)が提案されている(例えば、特許文献1参照)。SDH-BOTDRでは、BFSの変化を、コヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の2次元の情報を取得する。このため、SDH-BOTDRでは、周波数掃引が不要であり、安価で高速測定が可能な測定器を実現できる。 As a BOTDR, a self-delayed heterodyne type BOTDR (SDH-BOTDR: Self-Delayed Heterodyne BOTDR) has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In SDH-BOTDR, two-dimensional information of time and phase is acquired by measuring the change of BFS as the phase difference of the beat signal given by coherent detection. Therefore, SDH-BOTDR does not require frequency sweeping, and can realize an inexpensive measuring instrument capable of high-speed measurement.
ここで、BOTDRに限らずブリルアン散乱を用いた分布型光ファイバセンシングでは、上述のように、歪み及び温度の両方に対してBFSが生じる。従って、歪みと温度を区別することは必須の課題である。この課題に対して、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の、歪み依存係数及び温度依存係数を利用した方法が提案されている(例えば、非特許文献2又は3参照)。
Here, not only in BOTDR but also in distributed optical fiber sensing using Brillouin scattering, BFS occurs for both strain and temperature as described above. Therefore, it is an essential task to distinguish between strain and temperature. To solve this problem, a method using a strain-dependent coefficient and a temperature-dependent coefficient of rear Brillouin scattering in an optical fiber has been proposed (see, for example, Non-Patent
後方ブリルアン散乱では、周波数シフトだけでなく、その散乱係数も温度、歪み依存性を有することが報告されている。BFSの歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれCνε及びCνTとし、ブリルアン散乱係数の歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれCPε及びCPTとして、これらの係数をあらかじめ測定しておけば、次式で示す2元連立方程式(1)及び(2)を解くことによって歪みと温度の分離が可能となる。 It has been reported that in backward Brillouin scattering, not only the frequency shift but also the scattering coefficient has temperature and strain dependence. If the strain dependence coefficient and temperature dependence coefficient of BFS are C νε and C νT , respectively, and the strain dependence coefficient and temperature dependence coefficient of Brilluan scattering coefficient are CPε and CPT , respectively, these coefficients are measured in advance. By solving the binary simultaneous equations (1) and (2) shown in the equation, strain and temperature can be separated.
ここで、δνB及びδPBは、それぞれ、BFS及びブリルアン散乱強度の変化率である。これら、δνB及びδPBは、BOTDRで測定される値である。また、δε及びδTは、それぞれ、歪み及び温度の変化量である。 Here, δν B and δP B are the rate of change of BFS and Brillouin scattering intensity, respectively. These δν B and δP B are values measured by BOTDR. Further, δε and δT are strains and temperature changes, respectively.
上記2元連立方程式(1)及び(2)を解くと、次式(3)及び(4)が得られる。 By solving the above binary simultaneous equations (1) and (2), the following equations (3) and (4) are obtained.
BOTDR装置で測定される波形はBGSである。そこで、BGSのピーク周波数からBFSの大きさを算出し、また、BGSのピーク周波数強度から強度変化率を算出する。この2つの測定結果と、あらかじめ測定した、4つの係数Cνε、CνT、CPε及びCPTとから、歪み及び温度の変化量δε及びδTを分離して得ることができる。 The waveform measured by the BOTDR device is BGS. Therefore, the magnitude of BFS is calculated from the peak frequency of BGS, and the intensity change rate is calculated from the peak frequency intensity of BGS. The strain and temperature changes δε and δT can be obtained separately from these two measurement results and the four coefficients C νε , C νT , CPε and CPT measured in advance.
図8を参照して、従来のBOTDR装置における歪み変化量δε及び温度変化量δTの分離を説明する。図8は、従来のBOTDR装置における歪み変化量δε及び温度変化量δTの分離を説明するための模式図である。図8(A)~(D)では、横軸に光ファイバの片端からの距離[単位:m]を取って示している。また、図8(A)及び(D)では、左軸及び右軸に、それぞれ温度変化量δT[単位:℃]及び歪み変化量δε[単位:με]を取って示し、図8(B)では、縦軸にBFS[単位:MHz]を取って示し、図8(C)では、縦軸に強度変化率δPB[単位:%]を取って示している。 With reference to FIG. 8, the separation of the strain change amount δε and the temperature change amount δT in the conventional BOTDR apparatus will be described. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the separation of the strain change amount δε and the temperature change amount δT in the conventional BOTDR apparatus. In FIGS. 8A to 8D, the horizontal axis shows the distance [unit: m] from one end of the optical fiber. Further, in FIGS. 8A and 8D, the temperature change amount δT [unit: ° C.] and the strain change amount δε [unit: με] are shown on the left axis and the right axis, respectively, and FIG. In FIG. 8C, BFS [unit: MHz] is shown on the vertical axis, and the intensity change rate δP B [unit:%] is shown on the vertical axis.
図8(A)は、光ファイバに与えた歪み変化及び温度変化を示す図である。図8(A)では、温度変化を実線Iで示し、歪み変化を点線IIで示す。ここでは、1kmの光ファイバにおいて、光パルスが入射される片端から200~250mの区間に100℃の温度変化(図8(A)のI)、400~450mの区間に1000μεの歪み変化(図8(A)のII)、600~650mの区間に50℃の温度変化と800μεの歪み変化が付与されたものとする。 FIG. 8A is a diagram showing strain changes and temperature changes applied to the optical fiber. In FIG. 8A, the temperature change is shown by the solid line I, and the strain change is shown by the dotted line II. Here, in a 1 km optical fiber, a temperature change of 100 ° C. in a section of 200 to 250 m from one end where an optical pulse is incident (I in FIG. 8 (A)) and a strain change of 1000 με in a section of 400 to 450 m (FIG. It is assumed that a temperature change of 50 ° C. and a strain change of 800 με are applied to the section of II) of 8 (A), 600 to 650 m.
図8(B)は、BFSの測定結果を示す図であり、図8(C)は、強度変化率の測定結果を示す図である。また、図8(D)は、図8(B)及び(C)に示す測定結果から、上記式(3)及び(4)を用いて分離した、歪み及び温度の変化量δε及びδTを示す図である。このように、BOTDR装置で測定されるBGSから、明確に歪み変化(図8(D)のII)、及び温度変化(図8(D)のI)を分離して取得することができる。 FIG. 8B is a diagram showing the measurement result of BFS, and FIG. 8C is a diagram showing the measurement result of the intensity change rate. Further, FIG. 8D shows strain and temperature changes δε and δT separated from the measurement results shown in FIGS. 8B and 8C using the above equations (3) and (4). It is a figure. In this way, the strain change (II in FIG. 8D) and the temperature change (I in FIG. 8D) can be clearly separated and obtained from the BGS measured by the BOTDR apparatus.
上述した分離方法では、光ファイバ中の、歪み変化及び温度変化のみを考慮している。しかしながら、実際の測定環境下では、光ファイバのコネクタ接続や、別種の光ファイバの接続による、強度変化が生じる。 In the separation method described above, only strain changes and temperature changes in the optical fiber are considered. However, in an actual measurement environment, the strength changes due to the connection of an optical fiber connector or the connection of another type of optical fiber.
図9を参照して、コネクタ接続による損失が生じた場合の、歪み変化量δε及び温度変化量δTの分離を説明する。図9は、コネクタ接続による損失が生じた場合の、歪み変化量δε及び温度変化量δTの分離を説明するための模式図である。図9(A)は、強度変化率の測定結果を示す図である。また、図9(B)は、図8(B)及び図9(A)に示す測定結果から、上記式(3)及び(4)を用いて分離した、歪み及び温度の変化量δε及びδTを示す図である。 With reference to FIG. 9, the separation of the strain change amount δε and the temperature change amount δT when a loss occurs due to the connector connection will be described. FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the separation of the strain change amount δε and the temperature change amount δT when a loss occurs due to the connector connection. FIG. 9A is a diagram showing the measurement result of the intensity change rate. Further, FIG. 9B shows strain and temperature changes δε and δT separated from the measurement results shown in FIGS. 8B and 9A using the above equations (3) and (4). It is a figure which shows.
図9(A)及び(B)では、横軸に光ファイバの片端からの距離[単位:m]を取って示している。図9(A)では、縦軸に強度変化率δPB[単位:%]を取って示している。また、図9(B)では、左軸及び右軸に、それぞれ温度変化量δT[単位:℃]及び歪み変化量δε[単位:με]を取って示している。 In FIGS. 9A and 9B, the horizontal axis shows the distance [unit: m] from one end of the optical fiber. In FIG. 9A, the vertical axis shows the intensity change rate δP B [unit:%]. Further, in FIG. 9B, the temperature change amount δT [unit: ° C.] and the strain change amount δε [unit: με] are shown on the left axis and the right axis, respectively.
ここでは、図8(A)を参照して説明した、光ファイバに与えられた歪み変化量及び温度変化量に加えて、光ファイバ中の300mの地点においてコネクタ接続による0.2dB程度の損失が生じたものとする。 Here, in addition to the strain change amount and the temperature change amount given to the optical fiber described with reference to FIG. 8A, a loss of about 0.2 dB due to the connector connection at a point of 300 m in the optical fiber is lost. It shall have occurred.
コネクタ接続による強度損失が生じる場合、図9(A)に示されるように、300m以降の強度変化率に、強度損失の影響がオフセットとして重畳されている。この結果、図9(B)に示されるように、分離後の温度(I)は約15℃、歪み(II)は約260με真値から外れた結果となることが分かる。 When the strength loss occurs due to the connector connection, as shown in FIG. 9A, the influence of the strength loss is superimposed on the strength change rate after 300 m as an offset. As a result, as shown in FIG. 9B, it can be seen that the temperature (I) after separation deviates from the true value of about 15 ° C. and the strain (II) deviates from the true value of about 260 με.
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、測定される強度変化率に対する、光ファイバのコネクタ接続や、別種の光ファイバの接続などに起因する強度損失の影響を除去可能な、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. An object of the present invention is an optical fiber strain and temperature measuring device and an optical fiber capable of eliminating the influence of an optical fiber connector connection, a strength loss due to a connection of another type of optical fiber, etc. on the measured intensity change rate. To provide a strain and temperature measuring method.
上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置は、光源部と、分岐部と、光周波数シフタ部と、遅延部と、合波部と、コヒーレント検波部と、電気信号生成部と、周波数シフト量取得部と、信号強度取得部と、信号処理部とを備えて構成される。 In order to achieve the above-mentioned object, the optical fiber strain and temperature measuring device of the present invention includes a light source unit, a branch unit, an optical frequency shifter unit, a delay unit, a combiner unit, a coherent detection unit, and electricity. It is configured to include a signal generation unit, a frequency shift amount acquisition unit, a signal strength acquisition unit, and a signal processing unit.
光源部は、プローブ光を生成する。プローブ光は、測定対象となる光ファイバ(被測定光ファイバ)に入射される。分岐部は、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第1光路及び第2光路に2分岐する。光周波数シフタ部は、第1光路及び第2光路のいずれか一方に設けられており、ビート周波数の周波数シフトを与える。遅延部は、第1光路及び第2光路のいずれか一方に設けられており、第1光路及び第2光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。合波部は、第1光路及び第2光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。コヒーレント検波部は、合波光をヘテロダイン検波して差周波を第1電気信号として出力する。電気信号生成部は、第1電気信号と同じ周波数を持つ第2電気信号を生成する。周波数シフト量取得部は、第1電気信号が2分岐された一方と第2電気信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量を取得する。この第1電気信号は、いわゆるビート信号である。信号強度取得部は、第1電気信号の強度の情報を強度信号として生成する。 The light source unit generates probe light. The probe light is incident on the optical fiber to be measured (measured optical fiber). The branching portion bifurcates the rear Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light into the first optical path and the second optical path. The optical frequency shifter portion is provided in either the first optical path or the second optical path, and gives a frequency shift of the beat frequency. The delay portion is provided in either one of the first optical path and the second optical path, and gives a delay time difference between the light propagating in the first optical path and the second optical path. The combined wave unit generates combined wave light by combining the light propagating in the first optical path and the second optical path. The coherent detection unit performs heterodyne detection of the combined light and outputs the difference frequency as the first electric signal. The electric signal generation unit generates a second electric signal having the same frequency as the first electric signal. The frequency shift amount acquisition unit acquires the frequency shift amount by homodyne detection of one of the two branches of the first electric signal and the second electric signal. This first electric signal is a so-called beat signal. The signal strength acquisition unit generates information on the strength of the first electric signal as a strength signal.
信号処理部は、参照強度変化率取得手段、強度変化率取得手段、減算手段及び歪み・温度分離手段を有する。参照強度変化率取得手段は、信号強度取得部で得られた強度の情報から、初期状態の強度変化率の情報を、参照強度変化率として取得する。強度変化率取得手段は、信号強度取得部で得られた強度の情報から、強度変化率の情報を取得する。減算手段は、強度変化率取得手段が取得する強度変化率から、参照強度変化率を減算して、オフセット除去強度変化率を取得する。歪み・温度分離手段は、周波数シフト量取得部で取得された周波数シフト量と、オフセット除去強度変化率から、歪み変化量δε及び温度変化量δTを分離して取得する。 The signal processing unit includes a reference intensity change rate acquisition unit, an intensity change rate acquisition unit, a subtraction unit, and a strain / temperature separation unit. The reference intensity change rate acquisition means acquires information on the intensity change rate in the initial state as the reference intensity change rate from the intensity information obtained by the signal intensity acquisition unit. The intensity change rate acquisition means acquires the intensity change rate information from the intensity information obtained by the signal intensity acquisition unit. The subtracting means subtracts the reference intensity change rate from the intensity change rate acquired by the intensity change rate acquisition means to acquire the offset removal intensity change rate. The strain / temperature separation means separates and acquires the strain change amount δε and the temperature change amount δT from the frequency shift amount acquired by the frequency shift amount acquisition unit and the offset removal intensity change rate.
また、光ファイバ歪み及び温度測定装置の他の好適実施形態によれば、光周波数シフタ部に換えて、第1光周波数シフタ部と、第2光周波数シフタ部を備えて構成される。 Further, according to another preferred embodiment of the optical fiber strain and temperature measuring device, the first optical frequency shifter portion and the second optical frequency shifter portion are provided in place of the optical frequency shifter portion.
第1光周波数シフタ部は、第1光路に設けられており、第1周波数の周波数シフトを与える。第2光周波数シフタ部は、第2光路に設けられており、第2周波数の周波数シフトを与える。この場合、第2電気信号は、第1周波数と第2周波数の差周波として生成されるので、いわゆるビート信号となる。 The first optical frequency shifter portion is provided in the first optical path and provides a frequency shift of the first frequency. The second optical frequency shifter portion is provided in the second optical path and provides a frequency shift of the second frequency. In this case, the second electric signal is generated as a difference frequency between the first frequency and the second frequency, so that it is a so-called beat signal.
また、光ファイバ歪み及び温度測定装置の他の好適実施形態によれば、光源部と、分岐部と、自己遅延ホモダイン干渉計と、信号強度取得部と、信号処理部とを備えて構成される。 Further, according to another preferred embodiment of the optical fiber strain and temperature measuring device, the light source unit, the branch unit, the self-delayed homodyne interferometer, the signal strength acquisition unit, and the signal processing unit are provided. ..
光源部は、プローブ光を生成する。分岐部は、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、2分岐する。自己遅延ホモダイン干渉計は、分岐部で2分岐された一方の散乱光が入力されて自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する。信号強度取得部は、分岐部で2分岐された他方の散乱光が入力されて、散乱光の強度を取得する。信号処理部は、干渉信号の強度が示す周波数シフト量と、オフセット除去強度変化率から歪み変化量δε及び温度変化量δTを分離して取得する。ここで、自己遅延ホモダイン干渉計では、2分岐された一方の散乱光の位相を変化させることができる。 The light source unit generates probe light. The branching portion bifurcates the rear Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light. In the self-delayed homodyne interferometer, one of the scattered lights branched into two at the branch portion is input, and an interference signal is generated by self-delayed homodyne interference. The signal intensity acquisition unit acquires the intensity of the scattered light by inputting the other scattered light branched into two at the branching unit. The signal processing unit separately acquires the strain change amount δε and the temperature change amount δT from the frequency shift amount indicated by the intensity of the interference signal and the offset removal intensity change rate. Here, in the self-delayed homodyne interferometer, the phase of one of the two-branched scattered light can be changed.
また、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定方法は、以下の過程を備えて構成される。 Further, the optical fiber strain and temperature measuring method of the present invention is configured to include the following processes.
先ず、プローブ光を生成する。プローブ光は、被測定光ファイバに入射される。次に、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第1光路及び第2光路に2分岐する。次に、第1光路及び第2光路のいずれか一方を伝播する光に対して、ビート周波数の周波数シフトを与える。次に、第1光路及び第2光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。次に、第1光路及び第2光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。次に、合波光をヘテロダイン検波して差周波を第1電気信号として出力する。次に、第1電気信号と同じ周波数を持つ第2電気信号を生成する。次に、第1電気信号が2分岐された一方と第2電気信号を、ホモダイン検波して、周波数シフト量を取得する。また、第1電気信号の強度の情報を強度信号として生成する。 First, probe light is generated. The probe light is incident on the optical fiber to be measured. Next, the rear Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light is bifurcated into the first optical path and the second optical path. Next, a frequency shift of the beat frequency is given to the light propagating in either the first optical path or the second optical path. Next, a delay time difference is given between the light propagating in the first optical path and the second optical path. Next, the light propagating in the first optical path and the second optical path is combined to generate combined light. Next, the combined wave light is heterodyne-detected and the difference frequency is output as the first electric signal. Next, a second electric signal having the same frequency as the first electric signal is generated. Next, one of the two branches of the first electric signal and the second electric signal are homodyne-detected to obtain the frequency shift amount. In addition, information on the strength of the first electric signal is generated as a strength signal.
次に、強度の情報から、強度変化率の情報を取得し、強度変化率から、予め取得しておいた参照強度変化率を減算して、オフセット除去強度変化率を取得する。周波数シフト量と、オフセット除去強度変化率から、歪み変化量δε及び温度変化量δTを分離して取得する。 Next, the information on the intensity change rate is acquired from the intensity information, and the reference intensity change rate acquired in advance is subtracted from the intensity change rate to acquire the offset removal intensity change rate. The strain change amount δε and the temperature change amount δT are separately obtained from the frequency shift amount and the offset removal intensity change rate.
また、光ファイバ歪み及び温度測定方法の他の好適実施形態によれば、第1光路を伝播する光に対して、第1周波数の周波数シフトを与え、及び、第2光路を伝播する光に対して、第2周波数の周波数シフトを与える。 Further, according to another preferred embodiment of the optical fiber strain and temperature measuring method, the light propagating in the first optical path is given a frequency shift of the first frequency, and the light propagating in the second optical path is subjected to the frequency shift. The frequency shift of the second frequency is given.
この光ファイバ歪み及び温度測定方法の実施に当たり、好適には、歪み変化量δε及び温度変化量δTを、周波数シフト量δνB及び強度変化率δPBと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Cνε、温度依存係数CνT、及び後方ブリルアン散乱の散乱係数の歪み依存係数CPε、温度依存係数CPTとから、上記2元連立方程式(1)及び(2)を解くことにより取得する。 In carrying out this optical fiber strain and temperature measuring method, preferably, the strain change amount δε and the temperature change amount δT are obtained as a frequency shift amount δν B and an intensity change rate δP B in the optical fiber. From the distortion-dependent coefficient C ν ε of the frequency shift of the rear Brillouin scattering, the temperature-dependent coefficient C ν T , and the distortion-dependent coefficient C P ε of the scattering coefficient of the rear Brillouin scattering, and the temperature-dependent coefficient C PT , the above binary simultaneous equation (1) and Obtained by solving (2).
この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置及び光ファイバ歪み及び温度測定方法によれば、測定された強度変化率から、予め取得された、参照強度変化率を減算することで、光ファイバのコネクタ接続や、別種の光ファイバの接続などによる、歪み変化や温度変化に起因しない強度損失の影響を相殺し、歪み変化量及び温度変化量を分離して取得することができる。 According to the optical fiber strain and temperature measuring device and the optical fiber strain and temperature measuring method of the present invention, the optical fiber connector connection is performed by subtracting the reference intensity change rate acquired in advance from the measured intensity change rate. Alternatively, the effect of strength loss not caused by strain change or temperature change due to the connection of another type of optical fiber can be offset, and the strain change amount and temperature change amount can be obtained separately.
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、各図は、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、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the respective figures are merely schematic to the extent that the present invention can be understood. Further, although a suitable configuration example of the present invention will be described below, it is merely a suitable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many modifications or modifications can be made to achieve the effects of the present invention without departing from the scope of the configuration of the present invention.
(第1実施形態)
図1~3を参照して、第1実施形態の光ファイバ歪み及び温度測定装置(以下、第1測定装置とも称する。)について説明する。図1は、第1測定装置の模式的なブロック図である。図2は、第1測定装置が備える信号処理部の模式的なブロック図である。図3は、第1測定装置が備える信号処理部の動作を説明する模式図である。
(First Embodiment)
The optical fiber strain and temperature measuring device (hereinafter, also referred to as the first measuring device) of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a schematic block diagram of the first measuring device. FIG. 2 is a schematic block diagram of a signal processing unit included in the first measuring device. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the operation of the signal processing unit included in the first measuring device.
第1測定装置は、光源部10、サーキュレータ20、光増幅器30、光バンドパスフィルタ32、自己遅延ヘテロダイン干渉計40、信号強度取得部80、タイミング制御器88及び信号処理部90を備えて構成される。
The first measuring device includes a
光源部10は、プローブ光を生成する。光源部10は、連続光を生成する光源12と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器14を備えて構成される。
The
ここで、第1測定装置は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源12の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅(以下、単に線幅とも称する。)は、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源12として周波数安定化狭線幅光源が用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ(以下、被測定光ファイバとも称する。)100の歪みを0.008%としたとき、ブリルアンシフトは4MHzに相当する。このため、0.008%程度の歪みを測定するには、光源12の周波数揺らぎ及び線幅は4MHzより十分に小さく、数10kHz以下であることが望ましい。なお、周波数揺らぎ及び線幅が10kHz程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが、既製品として一般に入手可能である。
Here, the first measuring device measures the phase difference according to the frequency change. Therefore, the frequency fluctuation and the frequency spectrum line width (hereinafter, also simply referred to as line width) of the
光パルス発生器14は、任意好適な従来周知の、音響光学(AO:Acoust Optical)変調器又は電気光学(EO:Electric Optical)変調器を用いて構成される。光パルス発生器14は、タイミング制御器88で生成された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ100を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部10から出力される。
The
この光源部10から出力されたプローブ光は、サーキュレータ20を経て、被測定光ファイバ100に入射される。なお、サーキュレータ20に換えて、光カプラを用いても良い。
The probe light output from the
被測定光ファイバ100からの後方散乱光は、サーキュレータ20を経て、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)などで構成される光増幅器30に送られる。光増幅器30で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ32に送られる。光バンドパスフィルタ32は、10GHz程度の透過帯域を有しており、自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計40に送られる。
The backscattered light from the
自己遅延ヘテロダイン干渉計40は、分岐部42、光周波数シフタ部43、遅延部46、合波部48、コヒーレント検波部50及び電気信号生成部70を備えて構成される。
The self-delayed
電気信号生成部70の局発電気信号源72は、周波数fAOMの電気信号を生成する。
The local oscillator
分岐部42は、プローブ光により被測定光ファイバ100で発生する後方ブリルアン散乱光を、光バンドパスフィルタ32を経て受け取り、第1光路及び第2光路に2分岐する。
The branching
光周波数シフタ部43は、第1光路に設けられている。光周波数シフタ部43は、局発電気信号源72で生成された周波数fAOMの電気信号を用いて、第1光路を伝播する光に対して、周波数fAOMの周波数シフトを与える。
The optical
また、この構成例では、第2光路に遅延部46が設けられている。遅延部46は、第2光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。
Further, in this configuration example, the
合波部48は、第1光路及び第2光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。
The combined
コヒーレント検波部50は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。コヒーレント検波部50は、例えば、バランス型フォトダイオード(PD)52とFET増幅器54を備えて構成される。
The
コヒーレント検波部50で生成されたビート信号は2分岐され、一方が第1電気信号としてミキサー部56に送られ、他方が信号強度取得部80に送られる。また、局発電気信号源72で生成された電気信号は第2電気信号としてミキサー部56に送られる。
The beat signal generated by the
ミキサー部56は、第1電気信号と、第2電気信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。ミキサー部56で生成されたホモダイン信号は、ローパスフィルタ(LPF)58を経て、信号処理部90に送られる。ここで、ミキサー部56及びLPF58は、周波数シフト量取得部を構成する。周波数シフト量取得部から、上記式(1)におけるδνBが得られる。
The
信号強度取得部80は、2乗回路82、LPF84、及び1/2乗回路86を備えて構成される。信号強度取得部80は、コヒーレント検波部50の出力であるビート信号の包絡線検波の機能を実現する。この結果、ビート信号が、2乗回路82、LPF84、及び1/2乗回路86を順に通過すると、ビート信号の強度情報が得られる。すなわち、2乗回路82、LPF84、及び1/2乗回路86から、上記式(2)におけるδPBが得られる。ビート信号の強度情報は、信号処理部90に送られる。
The signal
信号処理部90は、例えば、CPU(Central Processing Unit)190、ROM(Read Only Memory)92、RAM(Random Access Memory)94及び記憶部96を備えて構成される。CPU190がROM92に格納されているプログラムを実行することにより参照強度変化率取得手段192、強度変化率取得手段194、減算手段196及び歪み・温度分離手段198が実現される。各機能手段での処理結果は、RAM94に格納される。
The
参照強度変化率取得手段192は、信号強度取得部80で得られたビート信号の強度情報から、初期状態の強度変化率の情報を、参照強度変化率98として取得し、記憶部96に格納する(図3(A)中の点線II)。ここで、初期状態は、例えば、光ファイバを敷設した時点で、歪み及び温度変化が与えられていない状態である。
The reference intensity change
強度変化率取得手段194は、参照強度変化率取得手段192と同様に信号強度取得部80で得られたビート信号の強度情報から、使用状態の測定強度変化率の情報を取得する(図3(A)中の実線I)。ここで、使用状態は、例えば、光ファイバに歪み変化又は温度変化が与えられうる状態である。 Similar to the reference intensity change rate acquisition means 192, the intensity change rate acquisition means 194 acquires information on the measured intensity change rate in the used state from the beat signal intensity information obtained by the signal intensity acquisition unit 80 (FIG. 3 (FIG. 3). A) Solid line in I). Here, the usage state is, for example, a state in which a strain change or a temperature change can be given to the optical fiber.
減算手段196は、強度変化率取得手段194が取得する測定強度変化率から、参照強度変化率を減算し、オフセット除去強度変化率を取得する。これにより、測定強度変化率にオフセットとして重畳されている、光ファイバのコネクタ接続や、別種の光ファイバの接続などによる、歪み変化や温度変化に起因しない強度損失の影響を相殺できる。この結果、歪み変化及び温度変化に由来する強度変化率のみ抽出される(図3(B))。 The subtracting means 196 subtracts the reference intensity change rate from the measured intensity change rate acquired by the intensity change rate acquiring means 194, and acquires the offset removal intensity change rate. As a result, it is possible to offset the influence of the strength loss that is not caused by the strain change or the temperature change due to the connection of the optical fiber connector or the connection of another type of optical fiber, which is superimposed on the measured intensity change rate as an offset. As a result, only the intensity change rate derived from the strain change and the temperature change is extracted (FIG. 3 (B)).
歪み・温度分離手段198は、周波数シフト量取得部で取得された周波数シフト量と、減算手段196で得られたオフセット除去強度変化率から、歪み変化量と温度変化量を分離して取得する。この歪み・温度分離手段198での処理は、上記2元連立方程式(1)及び(2)を解き、上記式(3)及び(4)を得る処理に対応する。 The strain / temperature separating means 198 separates and acquires the strain change amount and the temperature change amount from the frequency shift amount acquired by the frequency shift amount acquisition unit and the offset removal intensity change rate obtained by the subtraction means 196. The process of the strain / temperature separating means 198 corresponds to the process of solving the above two simultaneous equations (1) and (2) to obtain the above equations (3) and (4).
上述した第1測定装置では、光ファイバのコネクタ接続や、別種の光ファイバの接続などによる、歪み変化や温度変化に起因しない強度損失の影響を相殺し、歪み変化量及び温度変化量を分離して取得することができる。 In the above-mentioned first measuring device, the influence of the strength loss not caused by the strain change or the temperature change due to the connection of the optical fiber connector or the connection of another type of optical fiber is offset, and the strain change amount and the temperature change amount are separated. Can be obtained.
(第2実施形態)
図4を参照して、第2実施形態の光ファイバ歪み及び温度測定装置(以下、第2測定装置とも称する。)について説明する。第2測定装置では、自己遅延ヘテロダイン干渉計41の第1光路に第1光周波数シフタ部44が設けられている。また、第2光路に第2光周波数シフタ部45と遅延部46が設けられている。
(Second Embodiment)
The optical fiber strain and temperature measuring device (hereinafter, also referred to as a second measuring device) of the second embodiment will be described with reference to FIG. In the second measuring device, the first optical
電気信号生成部71は第1局発電気信号源73、第2局発電気信号源74、ミキサー部75及びローパスフィルタ(LPF)76を備えて構成される。なお、第1局発電気信号源73、第2局発電気信号源74は電気信号生成部71の外部に在っても良い。第1局発電気信号源73は、第1周波数f1の電気信号を生成する。第2局発電気信号源74は、第2周波数f2の電気信号を生成する。ミキサー部75は、第1周波数f1の電気信号と、第2周波数f2の電気信号から、第1周波数f1及び第2周波数f2の和周波数成分と差周波数成分を生成する。LPF76はミキサー部75で生成される信号から差周波数成分fAOM(=f1-f2)のビート信号を出力する。
The electric
第1光周波数シフタ部44は、第1光路に設けられている。第1光周波数シフタ部44は、第1局発電気信号源73で生成された第1周波数f1の電気信号を用いて、第1光路を伝播する光に対して、第1周波数f1の周波数シフトを与える。
The first optical
第2光周波数シフタ部45は、第2光路に設けられている。第2光周波数シフタ部45は、第2局発電気信号源74で生成された第2周波数f2の電気信号を用いて、第2光路を伝播する光に対して、第2周波数f2の周波数シフトを与える。
The second optical
第2測定装置は、自己遅延ヘテロダイン干渉計41において、第1光路及び第2光路の両者に光周波数シフタ部を備える点と、電気信号生成部71の構成が、第1測定装置と異なっている。その他の構成は、第1測定装置と同様なので、重複する説明を省略する。
The second measuring device is different from the first measuring device in that the self-delayed
第1測定装置は、光周波数シフタ部や局発電気信号源が1つであるため、第2測定装置に比べて、製造コストの面で有利である。一方、第2測定装置は、合波部で合波される2つの光の周波数が近い値であるため、ホモダイン検波を行うという観点では、より高精度の測定を行うことができる。 Since the first measuring device has one optical frequency shifter unit and one local oscillator electric signal source, it is advantageous in terms of manufacturing cost as compared with the second measuring device. On the other hand, in the second measuring device, since the frequencies of the two lights combined in the combined wave portion are close to each other, more accurate measurement can be performed from the viewpoint of performing homodyne detection.
(第3実施形態)
図5を参照して、第3実施形態の光ファイバ歪み及び温度測定装置(以下、第3測定装置とも称する。)について説明する。図5は、第3測定装置の模式的なブロック図である。
(Third Embodiment)
The optical fiber strain and temperature measuring device (hereinafter, also referred to as a third measuring device) of the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic block diagram of the third measuring device.
第3測定装置は、光源部10、光サーキュレータ20、光増幅器30、光バンドパスフィルタ32、分岐部34、自己遅延ホモダイン干渉計140、信号強度取得部180、信号処理部90及びタイミング制御器88を備えて構成される。
The third measuring device includes a
光源部10から光バンドパスフィルタ32までの構成及び動作は、第1測定装置と同様なので重複する説明を省略する。
Since the configuration and operation from the
光バンドパスフィルタ32は、後方散乱光のうち自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、分岐部34に送られる。
The
分岐部34は、自然ブリルアン散乱光を2分岐して、一方を自己遅延ホモダイン干渉計140に送り、他方を信号強度取得部180に送る。
The branching
自己遅延ホモダイン干渉計140は、干渉計分岐部142、遅延調整部144、干渉計合波部146及びコヒーレント検波部50を備えて構成される。自己遅延ホモダイン干渉計140に送られた自然ブリルアン散乱光は、干渉計分岐部142で第1光路及び第2光路に2分岐される。第1光路には遅延調整部144が設けられている。第1光路に送られた光は遅延調整部144を経て干渉計合波部146に送られる。第2光路に送られた光はそのまま干渉計合波部146に送られる。
The self-delayed
干渉計合波部146は、第1光路及び第2光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成し、この干渉光をコヒーレント検波部50に送る。
The
コヒーレント検波部50は、バランス型フォトダイオード(PD)52及びFET増幅器54で構成される。干渉光は、バランス型PD52で電気信号に変換された後、FET増幅器54で増幅される。増幅された電気信号は干渉信号として信号処理部90に送られる。この干渉信号から周波数シフト量を取得する。
The
信号強度取得部180は、強度測定用遅延路182、及び、散乱光受光部184を備えて構成される。分岐部34で2分岐されて信号強度取得部180に送られた散乱光は、強度測定用遅延路182で所定の遅延を受けた後、散乱光受光部184に送られる。散乱光受光部184は、例えば、PD186及びFET増幅器188で構成される。散乱光は、PD186で電気信号に変換された後、FET増幅器188で増幅される。増幅された電気信号は、強度の情報として信号処理部90に送られる。
The signal
信号処理部90は、第1測定装置と同様に構成される。
The
ここで、偏波変動の影響を防ぐために、自己遅延ホモダイン干渉計140は、いわゆる空間結合系で構成されるのが良い。図6は、空間結合系で構成された、自己遅延ホモダイン干渉計の模式図である。
Here, in order to prevent the influence of the polarization fluctuation, the self-delayed
自己遅延ホモダイン干渉計140は、例えば、第1及び第2のハーフミラー152及び156と、第1及び第2のミラー154及び155と、位相制御素子153を備えて構成される。
The self-delaying
第1のハーフミラー152、第1のミラー154、第2のミラー155、及び第2のハーフミラー156は、例えば長方形の頂点に配置される。第1のハーフミラー152に入力された光は、第1のハーフミラー152で2分岐される。2分岐された一方は、第2のハーフミラー156に送られ、他方は、第1のミラー154、及び、第2のミラー155を経て、第2のハーフミラー156に送られる。第2のハーフミラー156に入力された光は、コヒーレント検波部50に送られる。
The
また、位相制御素子153は、第1のハーフミラー152、第1のミラー154、第2のミラー155及び第2のハーフミラー156を結ぶ光路上に設けられる。
Further, the
この場合、第1のハーフミラー152が干渉計分岐部142として、また、第2のハーフミラー156が干渉計合波部146として機能する。また、第1のミラー154、第2のミラー155及び位相制御素子153が、遅延調整部144として機能する。
In this case, the
第1のハーフミラー152及び第2のハーフミラー156を結ぶ辺を第1の辺とし、第1のミラー154及び第2のミラー155を結ぶ辺を第2の辺とするとき、第2の辺を第1の辺に直交する方向に移動させることで、第1光路を伝播する光の光路長、すなわち、遅延量が変わる。また、位相制御素子153は、例えば、信号処理部90からの電気信号により位相、すなわち、微小な遅延量が変わる。
When the side connecting the
次に、図7を参照して光ファイバ歪み及び温度測定装置で行われる規格化を説明する。ここで、ホモダイン検波後の信号は直流(DC)信号であり、位相変化量の基準となる初期位相が分からない。このため、BFSが生じている区間(図7(A)中、IIで示す区間)の強度をみたときに、BFSが生じていない参照区間(図7(A)中、Iで示す区間)の強度に対し、その大きさや変化の方向が定まらない。従って、周波数シフト量を算出するためには、規格化処理が必要となる。この規格化処理は例えば以下のように行われる。 Next, the normalization performed in the optical fiber strain and temperature measuring device will be described with reference to FIG. 7. Here, the signal after homodyne detection is a direct current (DC) signal, and the initial phase that serves as a reference for the amount of phase change is unknown. Therefore, when looking at the intensity of the section in which BFS occurs (the section shown by II in FIG. 7A), the reference section in which BFS does not occur (the section shown by I in FIG. 7A). The magnitude and direction of change are not determined with respect to the strength. Therefore, in order to calculate the frequency shift amount, standardization processing is required. This standardization process is performed as follows, for example.
先ず、位相制御素子153の電圧を、位相が0から2πまで掃引するように変化させ、BFSが生じていない参照区間の平均強度を測定し、平均強度の最小値(Min)と最大値(Max)を取得する(図7(B)参照)。
First, the voltage of the
次に、参照区間の平均強度が、取得した最小値と最大値の中間値(Mid=(Max+Min)/2)になるように位相制御素子153に印加する電圧を調整する。
Next, the voltage applied to the
BFSが生じた区間の強度Pを以下の式で規格化する。 The intensity P of the section where BFS is generated is standardized by the following formula.
Pn=(P-Mid)/(Max-Min)
Pnは、規格化後の強度を示す。この規格化後の強度Pnから、BFSの周波数シフト量を得ることができる。
Pn = (P-Mid) / (Max-Min)
Pn indicates the strength after normalization. From the intensity Pn after this normalization, the frequency shift amount of BFS can be obtained.
ここで、Pnの絶対値が、歪み又は温度変化による周波数シフトの大きさを示す。また、Pnの符号により、歪みが圧縮方向であるか引張り方向であるか、または、温度変化が上昇方向か低下方向であるかがわかる。 Here, the absolute value of Pn indicates the magnitude of the frequency shift due to distortion or temperature change. Further, the sign of Pn indicates whether the strain is in the compression direction or the tension direction, or the temperature change is in the ascending direction or the decreasing direction.
また、ここでは、参照区間の平均強度を中間値としたが、これに限定されない。平均強度は、最小値と最大値の間の任意好適な基準値に設定することができる。 Further, here, the average intensity of the reference section is used as an intermediate value, but the value is not limited to this. The average intensity can be set to any suitable reference value between the minimum and maximum values.
例えば、温度変化に着目し、参照区間の平均強度を中間値とした場合に、-250℃~+250℃の範囲の温度変化を測定できるのであれば、参照区間の平均強度を中間値より低くすることで、例えば、-100℃~+400℃の範囲の温度変化を測定可能に設定できる。また、Max-Minは、500℃の温度範囲に対応する。 For example, if the temperature change in the range of -250 ° C to + 250 ° C can be measured when the average intensity of the reference section is set as the median value, the average intensity of the reference section should be lower than the median value. Therefore, for example, the temperature change in the range of −100 ° C. to + 400 ° C. can be set to be measurable. Also, Max-Min corresponds to a temperature range of 500 ° C.
信号処理部は、干渉信号から、BFSを取得し、第1測定装置と同様に、歪み変化量及び温度変化量を分離して取得することができる。信号処理部90が備える、参照強度変化率取得手段192、強度変化率取得手段194、減算手段196及び歪み・温度分離手段198の構成及び動作は、第1測定装置と同様なので重複する説明を省略する。
The signal processing unit can acquire the BFS from the interference signal, and can separately acquire the strain change amount and the temperature change amount as in the first measuring device. Since the configuration and operation of the reference intensity change
この第3測定装置は、自己遅延ホモダイン干渉計による測定を行うため、ヘテロダイン干渉計による測定と比べて、3dBの信号雑音比(S/N)の改善効果を望める。また、自己遅延ホモダイン干渉計では、周波数シフタ等のデバイスも削減できるため、装置の小型化、低コスト化にも有効である。 Since this third measuring device performs measurement by a self-delayed homodyne interferometer, it can be expected to have an effect of improving the signal-to-noise ratio (S / N) of 3 dB as compared with the measurement by a heterodyne interferometer. In addition, since the self-delayed homodyne interferometer can reduce the number of devices such as frequency shifters, it is also effective in reducing the size and cost of the device.
10 光源部
20 サーキュレータ
30 光増幅器
32 光バンドパスフィルタ
34、42 分岐部
40、41 自己遅延ヘテロダイン干渉計
43 光周波数シフタ部
44 第1光周波数シフタ部
45 第2光周波数シフタ部
46 遅延部
48 合波部
50 コヒーレント検波部
52 バランス型PD
54 FET増幅器
56,75 ミキサー部
58,76,84 ローパスフィルタ(LPF)
70、71 電気信号生成部
72 局発電気信号源
73 第1局発電気信号源
74 第2局発電気信号源
80 信号強度取得部
82 2乗回路
86 1/2乗回路
88 タイミング制御器
90 信号処理部
10
54
70, 71
Claims (5)
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、2分岐する分岐部と、
前記分岐部で2分岐された一方の散乱光が入力されて干渉信号を生成する、自己遅延ホモダイン干渉計と、
前記分岐部で2分岐された他方の散乱光が入力されて、前記散乱光の強度を取得する信号強度取得部と、
参照強度変化率取得手段、強度変化率取得手段、減算手段及び歪み・温度分離手段を有する信号処理部と
を備え、
前記自己遅延ホモダイン干渉計は、
入力された散乱光を第1光路及び第2光路に2分岐する干渉計分岐部と、
前記第1光路に設けられ、前記信号処理部からの指示に応じて散乱光の位相を変化させることができる遅延調整部と、
前記第1光路及び第2光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成する干渉計合波部と、
前記干渉光を電気信号に変換して干渉信号を生成する干渉光受光部と
を備え、
前記参照強度変化率取得手段は、初期状態において前記信号強度取得部で得られた強度の情報から、前記光ファイバの入力端での散乱光の強度を基準とした、前記光ファイバの長手方向に沿った各地点での強度の変化の割合を、参照強度変化率として取得し、
前記強度変化率取得手段は、使用状態において前記信号強度取得部で得られた強度の情報から、前記光ファイバの入力端での散乱光の強度を基準とした、前記光ファイバの長手方向に沿った各地点での強度の変化の割合を、強度変化率として取得し、
前記減算手段は、前記強度変化率取得手段が取得する前記強度変化率から、前記参照強度変化率を減算して、オフセット除去強度変化率を取得し、
前記歪み・温度分離手段は、前記干渉信号から周波数シフト量を取得し、該周波数シフト量と、前記オフセット除去強度変化率から、歪み変化量δε及び温度変化量δTを分離して取得し、
前記信号処理部は、
前記第1光路を伝播する散乱光の位相を、0から2πまで掃引するように変化させるよう前記遅延調整部に指示を送り、
各位相においてブリルアン周波数シフトが生じていない参照区間の平均強度を測定し、
前記平均強度の最小値及び最大値を取得し、
前記平均強度が前記最小値と前記最大値の間の基準値になるように前記第1光路を伝播する光の位相を設定し、前記干渉信号の強度を、前記最小値及び最大値を用いて規格化する
ことを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定装置。 A light source that generates probe light and
A branch portion that bifurcates the rear Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light, and
A self-delayed homodyne interferometer that generates an interference signal by inputting one of the scattered lights branched into two at the branch portion.
A signal intensity acquisition unit that acquires the intensity of the scattered light by inputting the other scattered light that has been branched into two at the branch unit.
A signal processing unit having a reference intensity change rate acquisition means, an intensity change rate acquisition means, a subtraction means, and a strain / temperature separation means is provided.
The self-delayed homodyne interferometer
An interferometer branch that splits the input scattered light into the first and second optical paths,
A delay adjusting unit provided in the first optical path and capable of changing the phase of scattered light in response to an instruction from the signal processing unit.
An interferometer combiner that generates interference light by combining the light received through the first optical path and the second optical path, and
It is provided with an interference light receiving unit that converts the interference light into an electric signal and generates an interference signal.
The reference intensity change rate acquisition means obtains the intensity information obtained by the signal intensity acquisition unit in the initial state in the longitudinal direction of the optical fiber based on the intensity of scattered light at the input end of the optical fiber. The rate of change in intensity at each point along the line is obtained as the reference intensity change rate.
The intensity change rate acquisition means is along the longitudinal direction of the optical fiber based on the intensity of scattered light at the input end of the optical fiber from the intensity information obtained by the signal intensity acquisition unit in the used state. The rate of change in intensity at each point is obtained as the rate of change in intensity .
The subtracting means subtracts the reference intensity change rate from the intensity change rate acquired by the intensity change rate acquisition means to obtain the offset removal intensity change rate.
The strain / temperature separating means acquires a frequency shift amount from the interference signal, and separates and acquires a strain change amount δε and a temperature change amount δT from the frequency shift amount and the offset removal intensity change rate.
The signal processing unit
An instruction is sent to the delay adjusting unit to change the phase of the scattered light propagating in the first optical path so as to sweep from 0 to 2π.
Measure the average intensity of the reference interval where the Brillouan frequency shift does not occur in each phase,
Obtain the minimum and maximum values of the average intensity,
The phase of the light propagating in the first optical path is set so that the average intensity becomes a reference value between the minimum value and the maximum value, and the intensity of the interference signal is determined by using the minimum value and the maximum value. An optical fiber strain and temperature measuring device characterized by standardization.
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。 The optical fiber strain and temperature measuring device according to claim 1 , wherein the self-delayed homodyne interferometer is composed of a space-coupled system.
前記周波数シフト量δν B 及び前記強度変化率δPBと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Cνε、温度依存係数CνT、及び後方ブリルアン散乱の散乱係数の歪み依存係数CPε、温度依存係数CPTとから、下記の2元連立方程式(1)及び(2)を解くことにより、光ファイバ中の歪み変化量δεと温度変化量δTを取得する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
The frequency shift amount δν B and the intensity change rate δP B , the strain-dependent coefficient C νε of the frequency shift of the rear Brillouin scattering in the optical fiber, the temperature-dependent coefficient C νT , and the scattering of the rear Brillouin scattering obtained in advance. By solving the following binary simultaneous equations (1) and (2) from the strain-dependent coefficient CPε and the temperature-dependent coefficient CPT of the coefficient, the strain change amount δε and the temperature change amount δT in the optical fiber are obtained. The optical fiber strain and temperature measuring apparatus according to claim 1 or 2 .
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を2分岐する過程と、
前記2分岐された一方の散乱光を第1光路及び第2光路に2分岐する過程と、
前記第1光路を伝搬する散乱光に遅延を与える過程と、
前記第1光路及び前記第2光路を伝播する散乱光を合波して干渉光を生成する過程と、
前記干渉光を光電変換することにより電気信号である干渉信号を生成する過程と、
前記干渉信号の強度から周波数シフト量を取得する過程と、
前記後方ブリルアン散乱光が2分岐された他方の散乱光から、散乱光の強度を取得する過程と、
強度変化率の情報を取得する過程と、
前記強度変化率から、予め取得しておいた参照強度変化率を減算して、オフセット除去強度変化率を取得する過程と、
前記周波数シフト量と、前記オフセット除去強度変化率から、歪み変化量δε及び温度変化量δTを分離して取得する過程と
を備え、
前記参照強度変化率は、初期状態において取得された強度の情報から、前記光ファイバの入力端での散乱光の強度を基準とした、前記光ファイバの長手方向に沿った各地点での強度の変化の割合として取得され、
前記強度変化率は、使用状態において取得された強度の情報から、前記光ファイバの入力端での散乱光の強度を基準とした、前記光ファイバの長手方向に沿った各地点での強度の変化の割合として取得され、
さらに、
前記第1光路を伝播する散乱光の位相を、0から2πまで掃引するように変化させ、各位相においてブリルアン周波数シフトが生じていない参照区間の平均強度を測定する過程と、
前記平均強度の最小値及び最大値を取得する過程と、
前記平均強度が前記最小値と前記最大値の間の基準値になるように前記第1光路を伝播する光の位相を設定する過程と
を備え、
前記周波数シフト量を取得する過程では、前記干渉信号の強度を、前記最小値及び最大値を用いて規格化する
ことを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定方法。 The process of generating probe light and
The process of bifurcating the rear Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured by the probe light, and
The process of bifurcating one of the two branched light paths into the first optical path and the second optical path,
The process of delaying the scattered light propagating in the first optical path and
A process of combining scattered light propagating in the first optical path and the second optical path to generate interference light.
The process of generating an interference signal, which is an electric signal, by photoelectric conversion of the interference light, and
The process of acquiring the frequency shift amount from the strength of the interference signal and
The process of acquiring the intensity of the scattered light from the other scattered light in which the rear Brillouin scattered light is branched into two, and
The process of acquiring information on the rate of change in intensity and
The process of acquiring the offset removal intensity change rate by subtracting the reference intensity change rate acquired in advance from the intensity change rate, and
A process of separating and acquiring the strain change amount δε and the temperature change amount δT from the frequency shift amount and the offset removal intensity change rate is provided.
The reference intensity change rate is the intensity at each point along the longitudinal direction of the optical fiber, based on the intensity of scattered light at the input end of the optical fiber, based on the intensity information acquired in the initial state. Obtained as a rate of change,
The intensity change rate is a change in intensity at each point along the longitudinal direction of the optical fiber, based on the intensity of scattered light at the input end of the optical fiber, based on the intensity information acquired in the used state. Obtained as a percentage of
Moreover,
The process of changing the phase of the scattered light propagating in the first optical path so as to sweep from 0 to 2π and measuring the average intensity of the reference section in which the Brillouin frequency shift does not occur in each phase.
The process of acquiring the minimum and maximum values of the average intensity and
A process of setting the phase of light propagating in the first optical path so that the average intensity becomes a reference value between the minimum value and the maximum value is provided.
A method for measuring optical fiber strain and temperature, characterized in that, in the process of acquiring the frequency shift amount, the intensity of the interference signal is standardized by using the minimum value and the maximum value.
ことを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。
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