JP7006773B2 - 光ファイバセンサ及び解析方法 - Google Patents

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Description

［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２０１８－０６０３８１号（２０１８年３月２７日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、光ファイバセンサ、監視システム、解析方法、及び、プログラムに関する。
光ファイバセンサは、例えば、通信用光ファイバの保守、インフラの異常診断などの用途で幅広く導入されている（例えば、非特許文献１参照）。
通信用光ファイバの保守用途としては、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry；光時間領域後方散乱測定）方式が採用されている。ＯＴＤＲは、測定装置の送信端から光パルスを送信し、光ファイバ内のレイリー散乱光（光の波長よりも小さいサイズの粒子による散乱光）と呼ばれる、送信された光パルスとは逆方向で戻ってくる後方散乱光（波や粒子もしくは信号のきた方向への反射光）の強度変化を測定する方式である。後方散乱光の光強度は、光コネクタなどの光ファイバの接続点で異常な損失がある場合、その場所から増加する。異常箇所は、光パルスを送信してから後方散乱光を測定するまでの伝搬時間から算出することによって特定することができる。
また、インフラの異常診断用途としては、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer；ブリルアン光時間領域反射率計）方式が採用されている。ＢＯＴＤＲは、前述のＯＴＤＲと同様に送信端から光パルスを送信するが、測定する後方散乱光の種類が異なる。ＢＯＴＤＲでは、ブリルアン散乱光（光が物質中で音波と相互作用して振動数がわずかにずれた散乱光）と呼ばれる後方散乱光を測定する。このブリルアン散乱光は光ファイバ上に歪などが加わると周波数シフトを起こす性質があるため、この周波数シフト量を測定することで、ファイバに歪が加わったか否かがわかる。
上記のように、光ファイバセンサは、光ファイバの接続点の異常検出や、歪を測定する目的で幅広く適用されている。
Xiaoyi Bao and Liang Chen, "Recent Progress in Distributed Fiber Optics Sensors", Sensors 2012,12,8601-8639
以下の分析は、本願発明者により与えられる。
近年になって、レーザのスペクトルの狭線幅化や、コヒーレント（Coherent；波動が互いに干渉しあう性質）受信方式などの光ネットワーク用デバイスの革新によって、光ファイバセンシングにも新しい用途が増えてきた。光の位相の状態変化を測定することができることになったことで、光ファイバセンサが検出できるパラメータがこれまでの反射量や歪だけでなく、温度、振動、音などの環境変化にも広がり、環境変化が生じた場所の特定精度の向上が期待される。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、環境変化が生じた場所の特定精度を向上させることに貢献することができる光ファイバセンサ、監視システム、解析方法、及び、プログラムを提供することを目的とする。
第１の視点に係る光ファイバセンサは、光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する光ファイバセンサであって、前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する判断部と、前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する発生領域推定部と、を備える。
前記第１の視点の変形例に係る光ファイバセンサは、光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する光ファイバセンサであって、前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する判断部と、前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する発生領域推定部と、を備え、前記環境変化は、温度変化を除く。
第２の視点に係る監視システムは、光ファイバセンサと、前記光ファイバケーブルが配設されている位置に向けることが可能な監視カメラと、前記光ファイバセンサ及び前記監視カメラと通信可能に接続された監視装置と、を備え、前記監視装置は、前記発生領域推定部で前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定したときに、前記監視カメラを前記発生領域に向けるように制御する。
第３の視点に係る解析方法は、光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する解析方法であって、前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断するステップと、前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定するステップと、を含む。
前記第３の視点の変形例に係る解析方法は、光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する解析方法であって、前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断するステップと、前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定するステップと、を含み、前記環境変化は、温度変化を除く。
第４の視点に係るプログラムは、光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する光ファイバセンサにて実行されるプログラムであって、前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する処理と、前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する処理と、を実行させる。
前記第４の視点の変形例に係るプログラムは、光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する光ファイバセンサにて実行されるプログラムであって、前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する処理と、前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する処理と、を実行させ、前記環境変化は、温度変化を除く。
なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記録することができる。記憶媒体は、半導体メモリ、ハードディスク、磁気記録媒体、光記録媒体等の非トランジェント（non-transient）なものとすることができる。また、本開示では、コンピュータプログラム製品として具現することも可能である。プログラムは、コンピュータ装置に入力装置又は外部から通信インタフェイスを介して入力され、記憶装置に記憶されて、プロセッサを所定のステップないし処理に従って駆動させ、必要に応じ中間状態を含めその処理結果を段階毎に表示装置を介して表示することができ、あるいは通信インタフェイスを介して、外部と交信することができる。そのためのコンピュータ装置は、一例として、典型的には互いにバスによって接続可能なプロセッサ、記憶装置、入力装置、通信インタフェイス、及び必要に応じ表示装置を備える。
前記第１～第４の視点によれば、環境変化が生じた場所の特定精度を向上させることに貢献することができる。
実施形態１に係る光ファイバセンサの構成を模式的に示したブロック図である。 実施形態１に係る光ファイバセンサにおけるデータ処理装置の動作を模式的に示したシーケンスである。 実施形態１に係る光ファイバセンサにおけるデータ処理装置の並列処理部での光パルスの後方散乱光に係るデジタルデータのサンプリング時間毎の並列処理を模式的に示した図である。 実施形態１に係る光ファイバセンサにおけるデータ処理装置の閾値判定部での閾値に対するサンプリング時間毎の変動量の推移の一例を模式的に示した図である。 実施形態１に係る光ファイバセンサにおけるデータ処理装置の比較部での比較処理の概念を模式的に示した図である。 実施形態１に係る光ファイバセンサの光ファイバケーブルの適用例を示したイメージ図である。 実施形態２に係る光ファイバセンサの構成を模式的に示したブロック図である。 実施形態３に係る光ファイバセンサにおけるデータ処理装置の動作を模式的に示したシーケンスである。 実施形態４に係る光ファイバセンサの構成を模式的に示したブロック図である。
以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本出願において図面参照符号を付している場合は、それらは、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。また、下記の実施形態は、あくまで例示であり、本発明を限定するものではない。さらに、以降の説明で参照する図面等のブロック間の接続線は、双方向及び単方向の双方を含む。一方向矢印については、主たる信号（データ）の流れを模式的に示すものであり、双方向性を排除するものではない。さらに、本願開示に示す回路図、ブロック図、内部構成図、接続図などにおいて、明示は省略するが、入力ポート及び出力ポートが各接続線の入力端及び出力端のそれぞれに存在する。入出力インタフェイスも同様である。プログラムはコンピュータ装置を介して実行され、コンピュータ装置は、例えば、プロセッサ、記憶装置、入力装置、通信インタフェイス、及び必要に応じ表示装置を備え、コンピュータ装置は、通信インタフェイスを介して装置内又は外部の機器（コンピュータを含む）と、有線、無線を問わず、交信可能に構成される。
［実施形態１］
実施形態１に係る光ファイバセンサについて図面を用いて説明する。図１は、実施形態１に係る光ファイバセンサの構成を模式的に示したブロック図である。
光ファイバセンサ１００は、センシングの媒体となる光ファイバケーブル１０１を用いて反射量、歪、温度、振動、音などの環境変化を検出する装置である（図１参照）。光ファイバセンサ１００は、光ファイバケーブル１０１と、装置本体１０２と、を有する。
光ファイバケーブル１０１は、光を用いて反射量、歪、温度、振動、音などの環境変化を検出する線状のケーブルである（図１、図２参照）。光ファイバケーブル１０１は、光を伝送する。光ファイバケーブル１０１として、例えば、繊維状に形成した石英ガラス、プラスチック等の光を伝送することが可能な物質を用い、中心部のコアと、当該コアの周囲を覆うクラッドの二層構造になったものを用いることができる。光ファイバケーブル１０１の一端は、装置本体１０２のサーキュレータ１０６に接続されている。光ファイバケーブル１０１は、反射量、歪、温度、振動、音などの環境変化を検出したいもの（検出体）に接続したり、配設したりすることができ、例えば、接続点の異常な損失を検出したい通信用光ファイバケーブルに接続したり、異常を検出したい設備等の外側に配設することができる。
装置本体１０２は、光ファイバセンサ１００の本体である（図１参照）。装置本体１０２は、送信部１０３、サーキュレータ１０６、受信部１０７、及び、出力部１１０を実装する。
送信部１０３は、光を送信する機能部である（図１参照）。送信部１０３は、光源装置１０４と、光変調器１０５と、を有する。
光源装置１０４は、光を出力する機能部である（図１参照）。光源装置１０４は、光を出力する発光素子１０４ａと、発光素子１０４ａを駆動する駆動回路１０４ｂと、を有する。発光素子１０４ａには、コヒーレンス性の高い狭い線幅を有するものを用いることができ、例えば、半導体レーザ、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、波長可変ＬＤ、スーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることができる。駆動回路１０４ｂは、発光素子１０４ａを駆動する回路である。駆動回路１０４ｂは、データ処理装置１０９の制御により、発光素子１０４ａから一定の周期（パルス幅）の光パルスを発振するように、発光素子１０４ａを駆動する。光源装置１０４から出力された光パルスは、光路を介して光変調器１０５に向けて出力される。
光変調器１０５は、光源装置１０４から出力された光パルスを変調する機器（装置）である（図１参照）。光変調器１０５は、データ処理装置１０９の制御により、光の波長、周波数、強度、位相などを変化させることができる。光変調器１０５で変調された光パルスは、光路を介してサーキュレータ１０６に向けて出力される。
サーキュレータ１０６は、光変調器１０５から出力された光パルスを光ファイバケーブル１０１に向けて入射し、かつ、光ファイバケーブル１０１から戻ってきた光パルスの後方散乱光を、光路を介して受信部１０７の光検出器１０８に向けて出力する部品である（図１参照）。
受信部１０７は、後方散乱光を受信する機能部である（図１参照）。受信部１０７は、光検出器１０８と、データ処理装置１０９と、を有する。
光検出器１０８は、受信した後方散乱光をアナログデータに変換する機器（装置、光センサ、受光素子）である（図１参照）。光検出器１０８には、例えば、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Detector）を用いることができる。光検出器１０８から出力されたアナログデータ（後方散乱光に係るアナログデータ）は、データ処理装置１０９に向けて出力される。
データ処理装置１０９は、光検出器１０８から出力された後方散乱光に係るアナログデータを処理（解析）する装置である（図１参照）。データ処理装置１０９には、例えば、半導体集積回路装置を用いることができ、プログラムを実行可能な中央演算処理装置を用いることができ、それらの装置を組み合わせたものを用いることができる。データ処理装置１０９は、アナログ－デジタル変換部１０９ａと、並列処理部１０９ｂと、積算部１０９ｃと、変動量算出部１０９ｄと、閾値判定部１０９ｅと、比較部１０９ｆと、発生領域推定部１０９ｇと、制御部１０９ｈと、を有する。
アナログ－デジタル変換部１０９ａは、光検出器１０８から出力されたアナログデータ（後方散乱光に係るアナログデータ）をデジタルデータに変換する機能部である（図１参照）。アナログ－デジタル変換部１０９ａで変換されたデジタルデータ（後方散乱光に係るデジタルデータ）は、並列処理部１０９ｂに向けて出力される。
並列処理部１０９ｂは、アナログ－デジタル変換部１０９ａから出力された光パルスの後方散乱光に係るデジタルデータを特定の周波数でサンプリングし、サンプリング時間毎に並列処理する機能部である（図１参照）。並列処理の周期は、光ファイバケーブル１０１の最長測定点での光パルスの往復時間に対応する。つまり、送信部１０３から光パルスが送出されて光ファイバケーブル１０１上の最長の測定点（サンプリング時間：ｔｎの時の距離）に到達し、当該測定点から後方散乱光が受信部１０７に戻ってくるまでの時間が並列処理の周期となる。よって、同じ場所から戻ってくる後方散乱光のデータは常に同じ処理面となる。並列処理部１０９ｂで並列処理されたサンプリング時間毎のデジタルデータ（後方散乱光に係るデジタルデータ）は、積算部１０９ｃに向けて出力される。
積算部１０９ｃは、サンプリング時間毎に、予め設定された時間内で、並列処理部１０９ｂで並列処理された後方散乱光に係るデジタルデータを積算した積算データを算出する機能部である（図１参照）。積算部１０９ｃで積算された特定のサンプリング時間毎の積算データ（後方散乱光に係る積算データ）は、変動量算出部１０９ｄに向けて出力される。
変動量算出部１０９ｄは、サンプリング時間毎に、積算部１０９ｃで積算された積算データの変動量（後方散乱光に係る変動量）を算出する機能部である（図１参照）。変動量算出部１０９ｄで算出されたサンプリング時間毎の変動量は、閾値判定部１０９ｅ、比較部１０９ｆに向けて出力される。
閾値判定部１０９ｅは、サンプリング時間毎に、変動量算出部１０９ｄで算出された変動量が、予め設定された閾値を超えたか否かを判定する機能部である（図１参照）。閾値を超えた場合、閾値判定部１０９ｅは、環境変化があったものと判定する。閾値を超えない場合、閾値判定部１０９ｅは、環境変化がないものと判定する。
比較部１０９ｆは、変動量算出部１０９ｄで算出された、サンプリング時間（第１番目から第ｎ－１番目のサンプリング時間）に係る変動量と、当該サンプリング時間（第１番目から第ｎ－１番目のサンプリング時間）の次のサンプリング時間（第２番目から第ｎ番目のサンプリング時間）に係る変動量と、を比較する機能部である（図１参照）。比較部１０９ｆは、比較した変動量間で、変動量が閾値未満の状態から当該閾値以上の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、変動量が閾値以上の状態から当該閾値未満の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する。
発生領域推定部１０９ｇは、環境変化の発生領域を推定する機能部である（図１参照）。発生領域推定部１０９ｇは、比較部１０９ｆで判断した環境変化の測定を開始したサンプリング時間と、環境変化の測定を終了したサンプリング時間と、制御部１０９ｈで光源装置１０４の駆動回路１０４ｂに対して制御しているパルス幅と、に基づいて、光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する。
制御部１０９ｈは、アナログ－デジタル変換部１０９ａ、並列処理部１０９ｂ、積算部１０９ｃ、変動量算出部１０９ｄ、閾値判定部１０９ｅ、比較部１０９ｆ、発生領域推定部１０９ｇ、光源装置１０４の駆動回路１０４ｂ、及び、出力部１１０を制御する機能部である（図１参照）。制御部１０９ｈは、駆動回路１０４ｂを介して発光素子１０４ａを制御することにより、発光素子１０４ａから一定の周期（パルス幅）で光パルスを発振するように制御する。制御部１０９ｈは、出力部１１０に情報を出力（表示、音声出力、印刷など）させるように制御する。制御部１０９ｈは、送信部１０３を受信部１０７と同期させるように制御する。制御部１０９ｈは、サンプリング時間をパルス幅よりも短くなるように制御する。制御部１０９ｈは、光源装置１０４から出力される光パルスの送出タイミングと、光検出器１０８で検出される後方散乱光の検出タイミングと、を同期させる。
出力部１１０は、情報を出力する機能部である（図１参照）。出力部１１０は、制御部１０９ｈの制御により、情報を出力（表示、音声出力、印刷、信号出力など）する。
次に、実施形態１に係る光ファイバセンサの検出原理について説明する。
光ファイバケーブル１０１では、光パルスを光ファイバケーブル１０１で送信したときに、光パルスが通過した光ファイバケーブル１０１の長手方向の全ての場所から、微弱な後方散乱光が、光パルスの進行方向とは逆向きに伝搬してくる。後方散乱光には様々な種類があるが、実施形態１では後方散乱光としてレイリー散乱光を測定する。レイリー散乱光は、送信された光パルスと同じ周波数成分の散乱光となる。光ファイバケーブル１０１上で、振動、音などの環境変化が生じて、当該環境変化が光ファイバケーブル１０１に伝わった場合、当該環境変化の変化が生じた場所から戻ってくる後方散乱光の状態が変化する。具体的には、後方散乱光の強度及び位相が変化する。当該強度及び位相の変化を捉えて、環境変化が生じたことを検知することができる。また、当該強度及び位相の変化が発生した場所の特定については、送信部１０３から光パルスを送信した時間（周期、パルス幅でも可）と、強度及び位相の変化が生じた後方散乱光を測定した時間（測定開始から終了までの時間）と、に基づいて、光ファイバケーブル１０１のどの位置で環境変化が生じたのかを算出することができる。
温度、振動、音などの環境変化を検出する光ファイバセンサにおいては、送信された光パルスの幅（パルス幅）によって距離分解能と距離が決定される。距離分解能とは、２地点間の受信データが分離できる距離を表し、一般的に使用しているパルス幅の半値となる。また、距離は、センシング可能な最大距離を意味し、光パルスのピークパワーを一定とすると、パルス幅が広くなればなるほど、長距離化が可能となる。つまり、距離分解能とセンシング可能な距離とは、パルス幅に依存してトレードオフの関係がある。なお、光ファイバセンサの目的を、環境変化の検出ではなく、環境変化が生じた場所の特定とするのであれば、パルス幅に制限を受ける必要はない。
次に、実施形態１に係る光ファイバセンサにおける受信部の動作について図面を用いて説明する。図２は、実施形態１に係る光ファイバセンサにおける受信部の動作を模式的に示したシーケンスである。図３は、実施形態１に係る光ファイバセンサにおける並列処理部での光パルスの後方散乱光に係るデジタルデータのサンプリング時間毎の並列処理を模式的に示した図である。図４は、実施形態１に係る光ファイバセンサにおける閾値判定部での閾値に対するサンプリング時間毎の変動量の推移の一例を模式的に示した図である。図５は、実施形態１に係る光ファイバセンサにおける比較部での比較処理の概念を模式的に示した図である。なお、光ファイバセンサの構成部については図１を参照されたい。
光ファイバケーブル１０１からの後方散乱光がサーキュレータ１０６を経由して受信部１０７で受信されると、受信部１０７内の光検出器１０８は、後方散乱光をアナログデータに変換し、変換されたアナログデータ（後方散乱光に係るアナログデータ）をデータ処理装置１０９に向けて出力する（ステップＡ１）。
変換されたアナログデータがデータ処理装置１０９に入力されると、受信部１０７内のデータ処理装置１０９のアナログ－デジタル変換部１０９ａは、アナログデータ（後方散乱光に係るアナログデータ）をデジタルデータ（後方散乱光に係るデジタルデータ）に変換し、変換されたデジタルデータを並列処理部１０９ｂに向けて出力する（ステップＡ２）。
変換されたデジタルデータが並列処理部１０９ｂに入力されると、データ処理装置１０９の並列処理部１０９ｂは、デジタルデータ（後方散乱光に係るデジタルデータ）を特定の周波数でサンプリングし、サンプリング時間（ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・・・，ｔｎ－１，ｔｎ）毎のデジタルデータ（後方散乱光に係るデジタルデータ）を並列処理し、並列処理されたサンプリング時間毎のデジタルデータを積算部に向けて出力する（ステップＡ３）。
ここで、並列処理の周期は、光ファイバケーブル１０１の最長測定点での光パルスの往復時間に対応する。つまり、送信部１０３から光パルスが送出されて光ファイバケーブル１０１上の最長の測定点（サンプリング時間：ｔｎの時の距離）に到達し、そこから光パルスの後方散乱光が受信部１０７に戻ってくるまでの時間が並列処理の周期となる。よって、同じ場所から戻ってくる光パルスの後方散乱光のデータは常に同じ処理面となる。
並列処理されたサンプリング時間毎のデジタルデータが積算部１０９ｃに入力されると、データ処理装置１０９の積算部１０９ｃは、サンプリング時間毎に、予め設定された時間内で、デジタルデータ（後方散乱光に係るデジタルデータ）を積算し、積算されたサンプリング時間毎の積算データ（後方散乱光に係る積算データ）を変動量算出部１０９ｄに向けて出力する（ステップＡ４）。
積算されたサンプリング時間毎の積算データが変動量算出部１０９ｄに入力されると、データ処理装置１０９の変動量算出部１０９ｄは、サンプリング時間毎に、積算データ（後方散乱光に係る積算データ）から、予め設定された時間内の変動量を算出し、算出されたサンプリング時間毎の変動量（後方散乱光に係る変動量）を閾値判定部１０９ｅ、比較部１０９ｆに向けて出力する（ステップＡ５）。
算出されたサンプリング時間毎の変動量が閾値判定部１０９ｅに入力されると、データ処理装置１０９の閾値判定部１０９ｅは、サンプリング時間毎に、変動量（後方散乱光に係る変動量）が予め設定された閾値を超えるか否かを判定し、閾値を超えた場合に環境変化があったものと判定し、閾値を超えない場合に環境変化がないものと判定する（ステップＡ６）。
ここで、ステップＡ６では、例えば、環境変化として光ファイバの長手方向のある場所で振動が発生した場合、その場所から戻ってくる後方散乱光の位相に変化が生じ、それが光強度の変化として現れる。よって、特定の時間内では大きな変動量を生じることになる。
算出されたサンプリング時間毎の変動量が比較部１０９ｆに入力されると、データ処理装置１０９の比較部１０９ｆは、サンプリング時間（第１番目から第ｎ－１番目のサンプリング時間）に係る変動量（後方散乱光に係る変動量）と、当該サンプリング時間（第１番目から第ｎ－１番目のサンプリング時間）の次のサンプリング時間（第２番目から第ｎ番目のサンプリング時間）に係る変動量（後方散乱光に係る変動量）と、を比較し、比較した変動量間で、変動量が閾値未満の状態から当該閾値以上の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、変動量が閾値以上の状態から当該閾値未満の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する（ステップＡ７）。
ここで、ステップＡ７では、例えば、サンプリング時間ｔ１の変動量とサンプリング時間ｔ２の変動量との比較を行い、サンプリング時間ｔ２の変動量とサンプリング時間ｔ３の変動量、・・・・・、サンプリング時間ｔｎ－１の変動量とサンプリング時間ｔｎの変動量も同様に比較する。例として、光ファイバケーブル上の図５のＡ点に振動が発生したと仮定し、受信部１０７のサンプリング時間はパルス幅よりも短いものとすると、サンプリング時間ｔ１の変動量とサンプリング時間ｔ２の変動量との比較処理により、サンプリング時間ｔ１の変動量は閾値未満であり、かつ、サンプリング時間ｔ２の変動量は閾値以上なので、サンプリング時間ｔ２で環境変化の測定を開始したことが分かる。また、同様に、サンプリング時間ｔｎ－１の変動量とサンプリング時間ｔｎの変動量の比較処理により、サンプリング時間ｔｎ－１の変動量は閾値以上でサンプリング時間ｔｎの変動量は閾値以下なので、サンプリング時間ｔｎで環境変化の測定を終了したことが分かる。
次に、データ処理装置１０９の発生領域推定部１０９ｇは、ステップＡ７の結果である、環境変化の測定を開始したサンプリング時間（図５ではｔ２）と、環境変化の測定を終了したサンプリング時間（図５ではｔｎ）と、制御部１０９ｈで光源装置１０４の駆動回路１０４ｂに対して制御しているパルス幅に係る情報と、に基づいて、光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域（図５では環境変化の発生場所Ａ）を推定し、推定された環境変化の発生領域に係る情報を制御部１０９ｈに向けて出力する（ステップＡ８）。
ここで、ステップＡ８では、環境変化の測定開始及び測定終了のそれぞれのサンプリング時間とパルス幅は、光ファイバケーブル１０１の長手方向の距離に換算可能であるため、環境変化の発生領域を特定することができる。
推定された環境変化の発生領域に係る情報が制御部１０９ｈに入力されると、データ処理装置１０９の制御部１０９ｈは、環境変化の発生領域に係る情報を、出力部１１０から出力させ（ステップＡ９）、その後、終了する。
次に、実施形態１に係る光ファイバセンサの光ファイバケーブルの適用例を、図面を用いて説明する。図６は、実施形態１に係る光ファイバセンサの光ファイバケーブルの適用例を示したイメージ図である。
光ファイバケーブル１０１は、例えば、工場、発電所、空港、港湾等の重要施設６０１の外周フェンス６０２に取り付けたり（図６参照）、重要施設６０１の外周の地中に埋めたりすることができる。光ファイバケーブル１０１及び装置本体１０２を含む光ファイバセンサ１００は、監視カメラ７０１、７０２及び監視装置７０３を含む監視システム７００と組み合わせて用いることで、侵入者８０１により生じる振動、音などの環境変化を検知することが可能となる。特に、施設６０１の外周が広域の場合、監視カメラ７０１、７０２によってすべての外周を常時監視するのは難しいため、光ファイバセンサ１００は、監視システム７００を補完する用途で用いることができる。つまり、侵入者８０１に対して光ファイバケーブル１０１が振動や音を検知し光ファイバセンサ１００の装置本体１０２が発報すると、その発報をトリガーとして、監視装置７０３の制御により、監視カメラ７０１、７０２を異常発生箇所に向け（監視カメラ７０１、７０２の仰俯角、方位角を制御し）、侵入者８０１の画像情報を記録することができる。
実施形態１によれば、受信した後方散乱光を、アナログデータに変換し、さらにデジタルデータに変換し、特定の周波数でサンプリングし、解析（積算、変動量算出、閾値判定処理、比較処理、推定処理）を行うことで、光ファイバケーブル１０１で環境変化が発生した場所を特定することに貢献することができる。また、サンプリングするタイミングは送信時の光パルスの幅よりも小さいため、環境変化が生じた場所の特定を容易とする。
［実施形態２］
実施形態２に係る光ファイバセンサについて図面を用いて説明する。図７は、実施形態２に係る光ファイバセンサの構成を模式的に示したブロック図である。
実施形態２は、実施形態１の変形例であり、光源装置１０４と光変調器１０５との間の光路に光カプラ４０１を設け、光検出器（図１の光検出器１０８）の代わりに光コヒーレント受信器４０２を用い、光カプラ４０１と光コヒーレント受信器４０２との間を光路で接続したものである。
光カプラ４０１は、光源装置１０４から出力された光パルスを２つに分岐する部品である。光カプラ４０１で分岐された光パルスの一方は光変調器に向けて出力され、他方は受信部１０７の光コヒーレント受信器４０２に向けて出力される。
光コヒーレント受信器４０２は、コヒーレント検波方式により反射散乱光を測定する機器（装置）である。コヒーレント検波方式とは、デジタル領域で位相や偏波の変動に適応的に処理を行うことで、高感度及び低ノイズで反射散乱光を測定する受信方式である。光コヒーレント受信器４０２には、光カプラ４０１からの光パルスと、サーキュレータ１０６からの後方散乱光と、の２つの光が入力される。後方散乱光は、光パルスが光変調器１０５で変調されることによって周波数シフトを生じているため、光コヒーレント受信器４０２には、周波数の異なる光が同時に入力される。光コヒーレント受信器４０２では、これらの２つの周波数の異なる光信号（光パルス、後方散乱光）の干渉により生じるビート周波数を測定する。光コヒーレント受信器４０２で測定されたビート周波数は、後方散乱光に係るアナログデータとして、データ処理装置１０９のアナログ－デジタル変換部１０９ａに向けて出力される。光コヒーレント受信器４０２で受信される後方散乱光の受信タイミングは、制御部１０９ｈの制御によって、光源装置１０４から出力される光パルスの送出タイミングと同期される。
その他の構成及び動作については、実施形態１と同様である。
実施形態２によれば、実施形態１と同様に、光ファイバケーブル１０１で環境変化が発生した場所を特定することに貢献することができる。また、コヒーレント検波方式で反射散乱光を測定することにより、高感度及び低ノイズで反射散乱光を測定することができ、後方散乱光の強度及び位相の変化によって詳細に環境変化の状況が把握できる。
［実施形態３］
実施形態３に係る光ファイバセンサについて図面を用いて説明する。図８は、実施形態３に係る光ファイバセンサにおけるデータ処理装置の動作を模式的に示したシーケンスである。なお、光ファイバセンサの構成ついては、実施形態１と同様であるため、図１を参照されたい。
実施形態３は、実施形態１の変形例であり、光ファイバセンサ１００のデータ処理装置１０９の比較部１０９ｆにおいて、実施形態１のように算出されたサンプリング時間毎の変動量を全て使用する代わりに、ステップＡ６において環境変化がないものと判定された変動量に係るサンプリング時間をステップＡ７’において捨てるようにしたものである。なお、ステップＡ６において閾値を超えた場合に環境変化があったものと判定された変動量に係るサンプリング時間は、ステップＡ７’において選び取る。
ステップＡ１～Ａ６を行った後、ステップＡ７’では、データ処理装置１０９の比較部１０９ｆは、ステップＡ６において環境変化がないものと判定されたサンプリング時間を捨て、環境変化があるものと判定されたサンプリング時間を選び取り、選び取ったサンプリング時間の１つ前のサンプリング時間が捨てられている場合は当該選び取ったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、選び取ったサンプリング時間の１つ後のサンプリング時間が捨てられている場合は当該捨てたサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する（ステップＡ７’）。その後、ステップＡ８を行って終了する。
ステップＡ７’では、図４の例を参考にすると、ステップＡ６において環境変化がない（変動量が閾値を超えない）と判定されたサンプリング時間ｔ１、ｔｎは捨てられ、環境変化がある（変動量が閾値を超えた）と判定されたサンプリング時ｔ２～ｔｎ－１を選び取る。選び取ったサンプリング時間ｔ２の１つ前のサンプリング時間ｔ１が捨てられているので、選び取ったサンプリング時間ｔ２で環境変化の測定を開始したと判断する。また、選び取ったサンプリング時間ｔｎ－１の１つ後のサンプリング時間ｔｎが捨てられているので、捨てたサンプリング時間ｔｎで環境変化の測定を終了したと判断する。なお、選び取ったサンプリング時間ｔ２の１つ後のサンプリング時間ｔ３は選び取ったものなので、この場合は環境変化の測定の終了を判断しない。また、選び取ったサンプリング時間ｔｎ－１の１つ前のサンプリング時間ｔｎ－２は選び取ったものなので、この場合は環境変化の測定の開始を判断しない。また、サンプリング時間ｔ１、ｔｎ－１については、使用パルス幅で決まる距離分解能での場所の特定となる。さらに、サンプリング時間は、任意に設定できることが望ましい。
実施形態３によれば、実施形態１と同様に、光ファイバケーブル１０１で環境変化が発生した場所を特定することに貢献することができる。また、選び取ったサンプリング時間に対応する光ファイバケーブルの距離区間で発生した環境変化の場所のみを詳細に特定することができる。さらに、データ処理にかかる負荷を下げることが可能となる。
［実施形態４］
実施形態４に係る光ファイバセンサについて図面を用いて説明する。図９は、実施形態４に係る光ファイバセンサの構成を模式的に示したブロック図である。
光ファイバセンサ１００は、光ファイバケーブル１０１に光パルスを入射し、その後方散乱光を解析するセンサである。光ファイバセンサ１００は、判断部１１１と、発生領域推定部１１２と、を備える。
判断部１１１は、後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する。
発生領域推定部１１２は、環境変化の測定を開始した時間と、環境変化の測定を終了した時間と、光パルスのパルス幅と、に基づいて、光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する。
実施形態４によれば、受信した後方散乱光に基づいて環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断することにより、環境変化が生じた場所の特定精度を向上させることに貢献することができる。
上記実施形態の一部または全部は以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記）
本発明では、前記第１の視点に係る光ファイバセンサの形態が可能である。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記判断部は、前記後方散乱光に係るデジタルデータを特定の周波数でサンプリングし、サンプリング時間毎にデジタルデータを並列処理する並列処理部と、前記サンプリング時間毎に、前記デジタルデータに係る変動量を算出する変動量算出部と、前記サンプリング時間に係る前記変動量を比較することにより、環境変化の測定を開始したサンプリング時間、及び、環境変化の測定を終了したサンプリング時間を判断する比較部と、を備え、前記発生領域推定部は、前記環境変化の測定を開始したサンプリング時間と、前記環境変化の測定を終了したサンプリング時間と、前記光パルスの前記パルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記サンプリング時間毎に、前記デジタルデータに係る変動量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定することにより、前記閾値を超えた場合に環境変化があったものと判定し、前記閾値を超えない場合に環境変化がないものと判定する閾値判定部をさらに備える。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記比較部は、算出された、前記サンプリング時間に係る前記変動量と、前記サンプリング時間の次の前記サンプリング時間に係る前記変動量と、を比較することにより、比較した前記変動量間で、前記変動量が閾値未満の状態から当該閾値以上の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、前記変動量が閾値以上の状態から当該閾値未満の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記比較部は、前記閾値判定部において環境変化がないものと判定されたサンプリング時間を捨て、環境変化があるものと判定されたサンプリング時間を選び取り、選び取ったサンプリング時間の１つ前のサンプリング時間が捨てられている場合は当該選び取ったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、選び取ったサンプリング時間の１つ後のサンプリング時間が捨てられている場合は当該捨てたサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記光パルスを出力する光源装置と、前記光源装置から出力された前記光パルスを変調し、変調された前記光パルスを出力する光変調器と、前記後方散乱光を検出し、前記後方散乱光に係るアナログデータを出力する光検出器と、前記後方散乱光に係る前記アナログデータを、前記後方散乱光に係る前記デジタルデータに変換するアナログ－デジタル変換部と、前記光変調器から出力された前記光パルスを前記光ファイバケーブルに向けて入射し、かつ、前記光ファイバケーブルから戻ってきた前記後方散乱光を前記光検出器に向けて出力するサーキュレータと、をさらに備える。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記光パルスを出力する光源装置と、前記光源装置から出力された前記光パルスを２つに分岐する光カプラと、前記光カプラから出力された前記光パルスを変調し、変調された前記光パルスを出力する光変調器と、前記光カプラから出力された前記光パルス、及び、前記後方散乱光が入力されるとともに、前記光パルスと前記後方散乱光との干渉により生じるビート周波数を測定し、測定された前記ビート周波数を、前記後方散乱光に係るアナログデータとして出力する光コヒーレント受信器と、前記後方散乱光に係る前記アナログデータを、前記後方散乱光に係る前記デジタルデータに変換するアナログ－デジタル変換部と、前記光変調器から出力された光パルスを前記光ファイバケーブルに向けて入射し、かつ、前記光ファイバケーブルから戻ってきた前記後方散乱光を前記光コヒーレント受信器に向けて出力するサーキュレータと、をさらに備える。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記サンプリング時間毎に、予め設定された時間内で、並列処理された前記デジタルデータを積算した積算データを算出する積算部をさらに備え、前記変動量算出部は、前記サンプリング時間毎に、前記デジタルデータに係る前記変動量として、前記積算データに係る変動量を算出する。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記光源装置から出力される前記光パルスの送出タイミングと、前記光検出器で検出される前記後方散乱光の検出タイミングと、を同期させる制御部をさらに備える。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記光源装置から出力される前記光パルスの送出タイミングと、前記光コヒーレント受信器で受信される前記後方散乱光の受信タイミングと、を同期させる制御部をさらに備える。
前記第１の視点に係る光ファイバセンサにおいて、前記制御部は、前記サンプリング時間を前記パルス幅よりも短くなるように制御する。
本発明では、前記第２の視点に係る監視システムの形態が可能である。
本発明では、前記第３の視点に係る解析方法の形態が可能である。
本発明では、前記第４の視点に係るプログラムの形態が可能である。
なお、上記の非特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（特許請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の全開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択（必要により不選択）が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。また、本願に記載の数値及び数値範囲については、明記がなくともその任意の中間値、下位数値、及び、小範囲が記載されているものとみなされる。
１００ 光ファイバセンサ
１０１ 光ファイバケーブル
１０２ 装置本体
１０３ 送信部
１０４ 光源装置
１０４ａ 発光素子
１０４ｂ 駆動回路
１０５ 光変調器
１０６ サーキュレータ
１０７ 受信部
１０８ 光検出器
１０９ データ処理装置
１０９ａ アナログ－デジタル変換部
１０９ｂ 並列処理部（判断部）
１０９ｃ 積算部
１０９ｄ 変動量算出部（判断部）
１０９ｅ 閾値判定部
１０９ｆ 比較部（判断部）
１０９ｇ 発生領域推定部
１０９ｈ 制御部
１１０ 出力部
１１１ 判断部
１１２ 発生領域推定部
４０１ 光カプラ
４０２ 光コヒーレント受信機
６０１ 重要施設
６０２ 外周フェンス
７００ 監視システム
７０１、７０２ 監視カメラ
７０３ 監視装置
８０１ 侵入者

Claims (10)

  1. 光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する光ファイバセンサであって、
    前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する判断部と、
    前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する発生領域推定部と、
    を備え、
    前記環境変化は、温度変化を除く、
    光ファイバセンサ。
  2. 前記判断部は、
    前記後方散乱光に係るデジタルデータを特定の周波数でサンプリングし、サンプリング時間毎にデジタルデータを並列処理する並列処理部と、
    前記サンプリング時間毎に、前記デジタルデータに係る変動量を算出する変動量算出部と、
    前記サンプリング時間に係る前記変動量を比較することにより、環境変化の測定を開始したサンプリング時間、及び、環境変化の測定を終了したサンプリング時間を判断する比較部と、
    を備え、
    前記発生領域推定部は、前記環境変化の測定を開始したサンプリング時間と、前記環境変化の測定を終了したサンプリング時間と、前記光パルスの前記パルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する、
    請求項１記載の光ファイバセンサ。
  3. 前記サンプリング時間毎に、前記デジタルデータに係る変動量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定することにより、前記閾値を超えた場合に環境変化があったものと判定し、前記閾値を超えない場合に環境変化がないものと判定する閾値判定部をさらに備える、
    請求項２記載の光ファイバセンサ。
  4. 前記比較部は、算出された、前記サンプリング時間に係る前記変動量と、前記サンプリング時間の次の前記サンプリング時間に係る前記変動量と、を比較することにより、比較した前記変動量間で、前記変動量が閾値未満の状態から当該閾値以上の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、前記変動量が閾値以上の状態から当該閾値未満の状態になったサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する、
    請求項２又は３記載の光ファイバセンサ。
  5. 前記比較部は、前記閾値判定部において環境変化がないものと判定されたサンプリング時間を捨て、環境変化があるものと判定されたサンプリング時間を選び取り、選び取ったサンプリング時間の１つ前のサンプリング時間が捨てられている場合は当該選び取ったサンプリング時間で環境変化の測定を開始したと判断し、選び取ったサンプリング時間の１つ後のサンプリング時間が捨てられている場合は当該捨てたサンプリング時間で環境変化の測定を終了したと判断する、
    請求項３記載の光ファイバセンサ。
  6. 前記光パルスを出力する光源装置と、
    前記光源装置から出力された前記光パルスを変調し、変調された前記光パルスを出力する光変調器と、
    前記後方散乱光を検出し、前記後方散乱光に係るアナログデータを出力する光検出器と、
    前記後方散乱光に係る前記アナログデータを、前記後方散乱光に係る前記デジタルデータに変換するアナログ－デジタル変換部と、
    前記光変調器から出力された前記光パルスを前記光ファイバケーブルに向けて入射し、かつ、前記光ファイバケーブルから戻ってきた前記後方散乱光を前記光検出器に向けて出力するサーキュレータと、
    をさらに備える、
    請求項２乃至５のいずれか一に記載の光ファイバセンサ。
  7. 前記光パルスを出力する光源装置と、
    前記光源装置から出力された前記光パルスを２つに分岐する光カプラと、
    前記光カプラから出力された前記光パルスを変調し、変調された前記光パルスを出力する光変調器と、
    前記光カプラから出力された前記光パルス、及び、前記後方散乱光が入力されるとともに、前記光パルスと前記後方散乱光との干渉により生じるビート周波数を測定し、測定された前記ビート周波数を、前記後方散乱光に係るアナログデータとして出力する光コヒーレント受信器と、
    前記後方散乱光に係る前記アナログデータを、前記後方散乱光に係る前記デジタルデータに変換するアナログ－デジタル変換部と、
    前記光変調器から出力された光パルスを前記光ファイバケーブルに向けて入射し、かつ、前記光ファイバケーブルから戻ってきた前記後方散乱光を前記光コヒーレント受信器に向けて出力するサーキュレータと、
    をさらに備える、
    請求項２乃至５のいずれか一に記載の光ファイバセンサ。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一に記載の光ファイバセンサと、
    前記光ファイバケーブルが配設されている位置に向けることが可能な監視カメラと、
    前記光ファイバセンサ及び前記監視カメラと通信可能に接続された監視装置と、
    を備え、
    前記監視装置は、前記発生領域推定部で前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定したときに、前記監視カメラを前記発生領域に向けるように制御する、
    監視システム。
  9. 光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する解析方法であって、
    前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断するステップと、
    前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定するステップと、
    を含み、
    前記環境変化は、温度変化を除く、
    解析方法。
  10. 光ファイバケーブルに光パルスを入射し、その後方散乱光を解析する光ファイバセンサにて実行されるプログラムであって、
    前記後方散乱光に基づいて、環境変化の測定を開始した時間、及び、環境変化の測定を終了した時間を判断する処理と、
    前記環境変化の測定を開始した時間と、前記環境変化の測定を終了した時間と、前記光パルスのパルス幅と、に基づいて、前記光ファイバケーブルの長手方向上での環境変化の発生領域を推定する処理と、
    を実行させ、
    前記環境変化は、温度変化を除く、
    プログラム。
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