JP7255700B2 - 水圧センシングシステム並びに感度補正方法 - Google Patents

Description

本開示は、水圧変化を感受する光ファイバケーブル及び水圧センシングシステム並びに感度補正方法に関する。

波浪、潮位、津波等、海洋で生じる様々な事象を観測したいというニーズが存在する。水面の波の観測を行う技術として、超音波式波高計やＧＰＳ（Global Positioning System）波浪計などが一般的に用いられている。また、波が海底に生じさせる水圧変化を、海底に置いた水圧センサにより観測する手法も一般的に用いられている。この手法は特に沖合にて津波を検知する目的に有効とされる（特許文献１）。また、海底ケーブル自体が水圧の影響を受けて変化する様子を陸地で検出する技術も開示されている（特許文献２）。

しかし、超音波式波高計やＧＰＳ波浪計、海底に置かれた水圧センサを用いて上記事象を観測する技術は、電気配線が必要であることや装置が大型化するために装置の耐久性に難があり、また、メンテナンスも煩雑になるため、高費用になるという問題がある。

また、海底ケーブルが被る水圧変化の影響を、長大な光干渉計を組んで検出する方法も、海底ケーブルの各区間ごとの水圧変化を知るには、長大な光干渉計を多数構成しなければならず、多くの心線を必要とし、経済性に難があった。

その一方、光ファイバをセンサとして用いる光ファイバセンシングシステムは、安価且つ容易で広範囲にわたるセンシングが可能である。そのため、近年は、様々な光ファイバセンシングシステムが提案されている。

例えば、特許文献３には、光ファイバにグレーティングを書き込んだ光ファイバグレーティング（以下、ＦＢＧと称す）をセンサ媒体として使用する技術が開示されている。特許文献３に開示された技術によれば、ＦＢＧの外周面の垂直方向から静水圧がかかると、ＦＢＧは長手方向に伸長し、回折格子のピッチが伸長する。このＦＢＧはファイバーレーザー共振器ミラーとなっており、ＦＢＧ反射波長が変化するとレーザー発振波長が変化することを利用して、静水圧を検出する。

また、特許文献４には、絞りカシメという固定方法を用いて、金属管の内部に光ファイバを固定する技術が開示されている。特許文献４に開示された技術によれば、光ファイバに入射した光から生ずるブリルアン散乱光を用いて、光ファイバに生じた歪みを検出する。

米国特許第７２８９９０７号明細書 特許第２５８６８３８号公報 特開平１１－２４８５８１号公報 特開２００５－２７４２００号公報

しかし、特許文献３に開示された技術は、光ファイバにＦＢＧという特殊な部品を用いる必要がある。また、特許文献４に開示された技術は、金属管の内部に光ファイバを固定するのに、絞りカシメという特殊な固定方法を用いる必要がある。
そのため、特許文献３，４に開示された技術は、光ファイバセンシングシステムの特長の一つである、光ファイバケーブルがそのままセンサとしても機能するという利点が得られず、安価且つ容易に、ケーブルに沿って広範囲かつ分布的にセンシングを行うことが難しいという問題がある。

そこで本開示の目的は、上述した課題を解決し、安価且つ容易に光ファイバを用いた水圧変化のセンシングを行うことができる光ファイバケーブル及び水圧センシングシステム並びに感度補正方法を提供することにある。

一態様による光ファイバケーブルは、
長尺の管と、
前記管の内部に保持され通線された少なくとも１つの光ファイバと、を備え、
前記管は、前記管の外側の水圧が変化すると、長手方向に伸縮する構造であり、
前記光ファイバは、前記管が長手方向に伸縮すると、前記管の長手方向の伸縮が伝わり、長手方向に伸縮する構造である。
一態様による感度補正方法は、
前記光ファイバケーブルの感度補正方法であって、
前記光ファイバケーブル上の水面波が起こす水底水圧変化の波、もしくは海底地面を伝播する地震の波が、前記光ファイバケーブルを長手方向に通過していく様子を記録した測定値データから、前記波が通過していく際の連続性を基に、前記光ファイバケーブル各点における感度係数を算出し、
この感度係数を算出するステップを、前記波の進行方向や立ち方が異なる複数の条件下で複数回行い、
得られた各点の感度係数を、前記光ファイバケーブルの観測域全体に渡って不整合が最小となるようにつなぎ合わせ、
かつ複数回の平均を行い、
前記光ファイバケーブルの各点ごとの感度較正係数とし、
以降の測定において、前記光ファイバケーブル上の各点で得た測定値を、前記感度較正係数で除することにより、前記光ファイバケーブル上の各点ごとの感度不均一性を補正する。

一態様による水圧センシングシステムは、
前記光ファイバケーブルと、
前記光ファイバケーブルの前記光ファイバに入射光を入射すると共に、前記光ファイバ上の各点で発生した後方散乱光を受信する受信部と、
前記後方散乱光のパターンに基づいて、前記光ファイバ上の各点の長手方向の伸縮状態を検出することにより、前記管の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する検出部と、を備える。

上述の態様によれば、安価且つ容易に光ファイバを用いた水圧変化のセンシングを行うことができる光ファイバケーブル及び水圧センシングシステム並びに感度補正方法を提供できるという効果が得られる。

実施の形態に係る光ファイバケーブルの構成例を示す外観斜視図である。 水面波の進行による水圧変化が、水底面を変形させながら進む様子の説明図である。 実施の形態に係る光ファイバケーブルの構成例を示す断面図である。 実施の形態に係る光ファイバケーブルの構成例を示す断面図である。 実施の形態に係る光ファイバケーブルの構成例を示す断面図である。 実施の形態に係る光ファイバケーブルの構成例を示す断面図である。 実施の形態に係る水圧センシングシステムの構成例を示す図である。 波による水圧の変化を検出した一例を示す図である。 図８の２．６ｋｍ地点の水圧変化を２次元グラフで表した説明図である。 波による水圧の変化を検出した一例を示す図である。 水面波を利用してケーブル各点に依存した感度不均一性を求めたグラフの一例である。 光ファイバセンシング機器を実現するコンピュータのハードウェア構成の例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。なお、以下の記載及び図面は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、以下の各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態＞
＜光ファイバケーブル＞
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る光ファイバケーブル１０の構成例について説明する。なお、本実施の形態に係る光ファイバケーブル１０は、例えば、海、河川、湖沼、ダム等の水域に敷設されるものである。

図１に示されるように、本実施の形態に係る光ファイバケーブル１０は、長尺の管１１と、管１１の内部に保持され通線された光ファイバ１２と、を備えている。なお、図１においては、光ファイバケーブル１０には１本の光ファイバ１２が設けられているが、光ファイバケーブル１０は、少なくとも１本の光ファイバ１２を備えていれば良い。

管１１の外側の水圧が変化した際に、管１１が長手方向に伸縮するメカニズムには２つ考えられる。
第一のメカニズムは、管１１の外側の水圧が変化すると、管１１は径方向に伸縮すると同時に、長手方向に伸縮する、というものである。言い換えれば、管１１は、管１１の外側の水圧が変化しても、圧潰せず、長手方向に伸縮する構造となっている。管１１の外側の水圧が増加すると、管１１は、径方向に圧縮すると同時に、長手方向に伸長する。水底では平均水深に相当する水圧が常に加わっているため、管１１は常に長手方向にある程度伸びた状態にある。そのため、管１１の外側の水圧が減少すると、管１１は、径方向に拡張すると同時に、長手方向には縮むように、復元変形する。

第二のメカニズムは、図２に示すように、水圧により海底地面が押されて弾性変形し、水面波の進行により水圧の高低場所の移動に応じて、海底の弾性変形も移動する、というものである。光ファイバケーブル１０は海底に這わせるもしくは埋設してあるので、海底地面の変形により光ファイバケーブル１０の長手方向に伸縮が生じる。このメカニズムが働くには、光ファイバケーブル１０と海底地面との間に摩擦が必要となる。特に海底に埋設されていると海底地面の弾性変形と連動しやすい。光ファイバケーブル１０が伸縮すれば、その中の管１１も連動して伸縮するので、それ以降、光ファイバ１２の伸縮につながることは第一のメカニズムと同様である。

実際に、水圧変化が光ファイバ１２の伸縮をもたらすメカニズムとしては、これら２つが混在していると考えられる。
ここで述べた光ファイバ１２の伸縮量は極めて僅かであるが、測定に用いる光の、光ファイバ１２内の波長（典型的には約１μｍ）を基準に見れば十分に検知可能な量である。なお、管１１は、管１１の外側の水圧が直接光ファイバ１２の側圧になることを防ぐ耐圧構造となっている。

また、管１１は、例えば、金属管からなる管状構造体である。ここで管状構造体は必ずしも継ぎ目のない一体構造である必要はなく、複数の部材を組み合わせて形成されても良い。

光ファイバ１２は、管１１が長手方向に伸縮すると、管１１の長手方向の伸縮が伝わり、長手方向に伸縮する構造となっている。
以下、図３～図６を参照して、管１１と光ファイバ１２との配置関係の幾つかの例について説明する。

図３の例では、光ファイバ１２は、光ファイバ１２の外径が管１１の内径よりも小さく、管１１の略中心付近に配置されている。また、管１１と光ファイバ１２との間に空隙が形成されている。図３の場合、管１１に曲がり部があれば、その曲がり部にて光ファイバ１２が管１１の内壁に接触して摩擦が生じる。そのため、管１１の長手方向の伸縮に連動して、光ファイバ１２が長手方向に伸縮することになる。

図４の例では、図３の空隙部分に充填剤１３が充填されている。図４の充填剤１３がジェル(gel)である場合、ジェルの潤滑性により管１１と充填剤１３との間の摩擦は小さくなるものの、管１１が水圧で伸びれば光ファイバ１２も必ずどこかで管１１との間に摩擦を生じて伸びることになる。そのため、管１１の長手方向の伸縮に連動して、光ファイバ１２が長手方向に伸縮することになる。なお、充填剤１３の充填率が１００％であると、外圧により管１１の内径が縮小したときに、光ファイバ１２に圧力が直接伝わって支障となるほどの側圧を生じる恐れがある。そのため、充填剤１３の充填率を１００％とはせずに少し空気を残すことが通例であるが、その場合でも管１１と光ファイバ１２とが連動して伸縮する作用が得られることは変わりない。

また、図４の充填剤１３が樹脂である場合、光ファイバ１２と充填剤１３が一体化されているので、管１１と充填剤１３との間に大きな摩擦が生じる。そのため、管１１の長手方向の伸縮と光ファイバ１２の長手方向の伸縮はより連動しやすい。

図５の例では、光ファイバ１２は、光ファイバ１２の外径が管１１の内径よりも小さく、管１１の内壁に接触している。そのため、図５の場合、管１１の長手方向の伸縮に連動して、光ファイバ１２が長手方向に伸縮することになる。なお、図５の場合、光ファイバ１２は、長手方向の全長にわたって、管１１の内壁に接触している必要はなく、長手方向の一部が管１１の内壁に接触していれば良い。また、図５の場合、管１１の内壁に光ファイバ１２が接触する箇所では、接着剤などを用いて管１１の内壁に光ファイバ１２を固定しても良い。また、図５の場合、充填剤の有無に拘わらず、管１１の長手方向の伸縮に連動して、光ファイバ１２が長手方向に伸縮する。そのため、管１１と光ファイバ１２との間は、図５のように空隙が形成されても良いし、充填剤が充填されても良い。

図６の例では、光ファイバ１２は、光ファイバ１２の外径が管１１の内径と略同一となっており、管１１の内壁に密着している。そのため、図６の場合、管１１の長手方向の伸縮に連動して、光ファイバ１２が長手方向に伸縮することになる。この構成では外圧が光ファイバ１２の側圧となりやすいが、その側圧が光ファイバ１２の使用や寿命に問題のない程度であればこのような簡易な構成も適用できる。

＜水圧センシングシステム＞
続いて、図７を参照して、本実施の形態に係る水圧センシングシステムの構成例について説明する。なお、図７は、光ファイバケーブル１０を海底ケーブルとして海に敷設した例である。

図７に示されるように、本実施の形態に係る水圧センシングシステム１００は、上述した光ファイバケーブル１０、受信部２０、及び検出部３０を備えている。
光ファイバケーブル１０は、例えば大陸間を結ぶ海底ケーブルとして海に敷設されている。そのため、光ファイバケーブル１０は、浜から沖に向かって伸びている。

光ファイバケーブル１０は、上述の構造となっている。すなわち、管１１の外側の水圧が変化すると、管１１は、長手方向に伸縮し、管１１の長手方向の伸縮が光ファイバ１２に伝わり、光ファイバ１２が長手方向に伸縮する。

また、光ファイバケーブル１０は、海底に置かれているか、海底に埋設されている。水深が変化するなどで海底付近の水圧が変化すると、それに応じて海底が僅かに変形する。海底と光ファイバケーブル１０との間の摩擦のため、光ファイバケーブル１０の長手方向の伸縮が生じて、それが光ファイバ１２に伝わる。

そのため、光ファイバ１２の長手方向の伸縮状態を検出することにより、管１１の外側の水圧の変化を検出することが可能となる。このとき、光ファイバ１２上の各点の長手方向の伸縮状態を検出することにより、管１１の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出することも可能となる。

受信部２０は、光ファイバケーブル１０を構成する光ファイバ１２に入射光としてパルス光を入射する。また、受信部２０は、パルス光が光ファイバ１２を伝送されることに伴い、光ファイバ１２上の各点で発生した後方散乱光を受信する。

検出部３０は、例えば、受信部２０が光ファイバ１２にパルス光を入射した時刻と、受信部２０が光ファイバ１２から後方散乱光を受信した時刻と、の時間差に基づいて、その後方散乱光が発生した光ファイバ１２上の位置（受信部２０からの光ファイバケーブル１０のケーブル長）を特定する。そして、検出部３０は、光ファイバ１２上の各点で発生した後方散乱光に基づいて、光ファイバ１２上の各点の長手方向の伸縮状態を検出する。

ここで、光ファイバ１２上の任意の点が長手方向に伸縮すると、その任意の点では光ファイバ１２の歪み量も変化する。この歪み量の変化は、その任意の点で発生する後方散乱光のうちのブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化として現れる。そのため、特許文献４のようにブリルアン散乱光の周波数を精緻に測定して、光ファイバ１２上の各点の歪み量の変化を検出し、その検出結果に基づいて、光ファイバ１２上の各点の長手方向の伸縮状態を検出することも可能である。

しかし、ブリルアン散乱光は、レイリー散乱光と比較して、戻り光パワーが微弱であり、且つ、ブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化も微小である。そのため、ブリルアン散乱光を用いる場合は、微弱なブリルアン散乱光の、微小な周波数変化を検出する必要があって技術的難易度が高い。光ファイバ１２中の減衰のため長距離の測定が難しく、高精度の検出のために多数回の測定値の平均化を要するため比較的長い測定時間を要する。

これに対して、本実施の形態においては、検出部３０は、光ファイバ１２上の各点で発生したレイリー散乱光を測定するため、比較的長い距離を比較的短時間で十分な精度をもって測定が可能となる。
検出部３０は、上述のようにして、光ファイバ１２上の各点の長手方向の伸縮状態を検出することにより、管１１の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する。

光ファイバ１２の長手方向の伸縮現象は、レイリー後方散乱光を変調する。その変調されたレイリー散乱光を検出する技術としては、ＤＡＳ（Distributed Acoustic Sensor）又はＤＶＳ（Distributed Vibration Sensor）などが好適である。
ＤＡＳ及びＤＶＳはどちらも、光ファイバが局所的に伸縮してレイリー散乱点が局在的に移動する様子を、レイリー後方散乱光への位相変調の形で検出する技術である。

本実施の形態では、ＤＡＳ，ＤＶＳはそれぞれ次のような、レイリー散乱光の位相変化の検出手段を持つものとして説明している。ＤＡＳではコヒーレント検波が使われる。すなわち、ＤＡＳは、レイリー散乱戻り光と、典型的には局発光とを干渉させて、レイリー散乱戻り光の位相回転を検出する。一方、ＤＶＳはレイリー散乱戻り光の瞬時パワーを検出する。ＤＶＳは、光ファイバ１２内で、位相変調されたレイリー散乱光が多重干渉して自然に強度変調光に変換されるため、その強度変調を検出するものである。ＤＶＳは、感度の安定性や入出力直線性がＤＡＳに比べてやや劣るものの、構成が簡易で低コスト化しやすいという利点がある。

以下、一例として、図８及び図９を参照して、検出部３０にＤＡＳを用いて、光ファイバケーブル１０周辺の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する様子を説明する。
図８は、受信部２０からの光ファイバケーブル１０のケーブル長が６ｋｍまでの範囲の水圧変化を観測した例である。６ｋｍ沖の水深は１２０ｍであり、遠浅の海岸である。

検出部３０は、ＤＡＳを用いて、水圧の変化に起因して、光ファイバ１２上の各点に生じた伸縮の様子を表すレイリー散乱光のパターンを取得し、そこから図８に示される水圧変化の結果が得られる。

図８において、横軸は、受信部２０からの光ファイバケーブル１０のケーブル長［ｍ］を示し、左側が浜で、右にいくほど沖となっている。また、縦軸は、時間［ｓｅｃ］を示し、上に向かうほど新しい時間となり、約２分間の結果を示している。また、色の濃淡は、ケーブルが感じている水圧の高低を単極性で表しており、色が明るいほど水圧が大きいことを示している。

図８において、観測範囲を伝わる水面波の高低は明暗で表されている。水面波を示す線の傾きの正負は、水面波の方向を示しており、傾きが負であれば、水面波が浜に向かっていることを示している。また、水面波を示す線の傾きの大きさは、水面波の速度を示しており、傾きが大きいほど速度が遅いことを示している。

したがって、図８からは、水面波が沖から浜に近づいていること、また、水面波が沖から浜に近づくほど、すなわち、水深が浅くなるほど、水面波の速度が遅くなっていることがわかる。

同様のパターンは、ＤＶＳを用いても得ることができる。図１０は、図８と同じ光ファイバケーブル１０内の別心線にて、同じ場所、同時刻の水面波をＤＶＳを用いて検出したものである。どちらの検出方式であっても同様に波を検出できていることが分かる。

また、図９は、図８中のケーブル距離が２．６ｋｍ、水深が約５０ｍ地点の水圧変化を取り出してグラフ化したグラフである（同時刻ではない）。図９において、横軸は、時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸は、水圧の大きさを示している。図９から、この時の２．６ｋｍ沖の水面波の周期は約１０秒と読み取れる。

上述のように、検出部３０は、ＤＡＳまたはＤＶＳを用いることにより、水圧の変化に起因して、光ファイバ１２上の各点の長手方向の伸縮の変化を表すレイリー散乱光のパターンを取得し、取得したレイリー散乱光のパターンに基づいて、管１１の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出することができる。

＜ケーブル設置場所ごとの感度の較正＞
図８及び図１０を見ると、縦方向に暗い筋が何本か見える。これは、光ファイバケーブル１０のこの部分が、特に水圧の変化の影響を受けにくい、すなわちセンサ感度が低いことを表している。このような感度のばらつきは、短時間で変化するものではなく、ほぼ場所ごとに固定的であることが経験的に分かっている。そのため、このような感度ばらつきは、光ファイバケーブル１０が海底と接している状況、もしくは埋設されている状況が、長手方向に不均一であることに起因していると考えられる。

そこで、例えば光ファイバケーブル１０上の水面を進む波を利用して、光ファイバケーブル１０上の各点ごとの感度の高低係数を取得し、感度の不均一性を補正することができる。
砕波していない波が水面を進むとき、その振幅は急に変化したりはせず、ほぼ一定の振幅を保って進む。その波が光ファイバケーブル１０上を進むと、出力データ上にその波が進む様子が現れ、追跡することができる。例えば波の高い部分を追跡していき、記録値が急に上下する場所があれば、それはその場所のセンサ感度が他の地点からずれていると考えられる。このような感度の不均一性の由来としては、例えば光ファイバケーブル１０の海底との摩擦の大小が考えられる。光ファイバケーブル１０が部分的に水底から浮き上がっていたり、かなり弛んだ状態で海底表面におかれていたりする状態だと、海底地面と光ファイバケーブル１０との間の摩擦による伸縮が生じにくく、海底地面の変形については光ファイバケーブル１０に伝わりにくくなる。

ところで水深が波の波長の1/2よりも浅い領域では、波の高さ（と速度）は水深に応じて変化することが知られている。そこで例えば図８及び図１０のような遠浅の、水深が徐々に変化する場所では、水深に応じた波の変化傾向を予測し、その予測した変化分は、ケーブル設置状況による感度の不均一性に起因する成分ではないとして除外できる。すなわち、波の追跡値がその予測線から外れて上下し、しかもその発生場所が固定的であるものを、ケーブル設置状況による感度の不均一性の成分と考えて、補正するのが好適である。

光ファイバケーブル１０と波との位置関係によって、複数の波がぶつかり合うなどすれば波の高さが急に変化したように観測されることもありうる。そのため、検出部３０は、波の進行方向や立ち方が異なる複数の条件下で、複数回データを取得し、その平均を光ファイバケーブル１０の各点ごとの較正係数とすることが好適である。

また、光ファイバケーブル１０は、特には数10km、数100kmもの長さを持つので、１つの波だけを追跡して光ファイバケーブル１０全体を一度に感度較正することは難しく、複数の事象から得られた部分区間の較正係数を、不連続性が生じないように重ね合わせて光ファイバケーブル１０全体に渡る感度係数を得ることが好適である。

具体的な感度不均一性の一例として図１１を示す。図１１は、図８、図１０と同じケーブル区間の、ケーブル長1000～4500ｍの範囲における、浜に近づく水面波を追跡して、ケーブル長の各点における波の振幅の変化を求めたグラフである。この海域の水深は、浜からの距離におおよそ比例して深くなっている。ケーブル長で約3100～4000mの範囲は、水深が浅くなることに応じて振幅が増大している様子が現れている。

約3100～4000mの区間よりも浜に近い区間は全体的な傾向よりも高かったり低かったりしている。例えば、約2200～2600mの区間は周辺より感度が高く、約2700～3100mの区間は周辺より感度が低い。また、約1450mの区間や、約1900mの区間では、狭い範囲で感度が急に低くなっている。
これらの傾向は図８、図１０にも見えており、場所に依存した感度の不均一性を表している。この図１１から、少なくともこの浅海区間においては、光ファイバケーブル１０が水圧変化を感じるメカニズムとしては、海底地面の変形がケーブルに伝わるメカニズムがかなりの割合を占めていること、故に光ファイバケーブル１０と海底との摩擦の状況が感度に無視できぬ影響を与え、その補正が重要となること、が理解される。

感度が低くなる理由としては、光ファイバケーブル１０が埋設されておらず海底に弛みを持った状態で置かれただけの区間のために海底地面の変形の影響を受けにくいため、などが考えられる。
感度が高くなる理由としては、感度が高い区間の水深が全体の傾向よりも局所的に浅くなっている、または、埋設工事時の光ファイバケーブル１０の張力が高めに残留しておりかつ周囲の土砂との摩擦が強いために海底面の変形が光ファイバケーブル１０に伝わりやすい、などが考えられる。

このようにして得た、光ファイバケーブル１０各点ごとの感度係数で測定値を除することで、光ファイバケーブル１０の場所による感度の不均一性を補正することができる。ただし、水深に応じて変化する分は別途補正したいという要望もあると思われるので、補正係数からは除外することが望まれる場合もある。

また、感度が周辺と比べて極端に違う区間は、測定信頼度が低い区間としてマークすることが望まれる場合もある。図１１の例で言えば、約1450mの区間、約1900mの区間付近は大幅に感度が低くなっており、補正して拡大すると誤差も拡大されてしまう可能性がある。
例えばこのセンサシステムの出力を津波警報システムの情報として利用する場合に、不安定で信頼度の低い出力値が警報の誤発報を引き起こす恐れがある。ケーブルの前後の反応と比較することにより、出力値が極端に違う、時間的に感度が大きく変動するなどの不安定性がある、などの区間を、測定信頼度が低い区間と判定してマーキングすることができる。またその区間のデータに低信頼性データであることを示すマークを付加することができる。これらの処置も感度補正処理の一環として行うことができる。
測定信頼度が低い区間としてマークしたにも関わらず、その場所の測定値データがどうしても得たい場合に、その区間の前後区間のデータから補間生成する方法も考えられる。

図１１では、ケーブル長4000m、水深約80mの海域よりも深い海域の補正情報を得られていないが、これは比較的穏やかな海象時の波を利用したためで、より大きなうねりがある時や潮汐や規模の小さな津波を利用してもよい。広範囲に広がる波を人工的に起こすのは容易ではないが、そのような人工的な波を利用してもよい。

以上の通り、波などを利用して、光ファイバケーブル１０上の各点ごとの感度不均一性を補正する方法を示した。これをまとめると、以下のとおりである。

光ファイバケーブル１０上の水面を伝搬する波が起こす水底水圧変化の波が、光ファイバケーブル１０を長手方向に通過する際の測定データを、水底水圧変化の波が連続して観測できる範囲に渡って記録する。そして、記録されたデータから、水底水圧変化の波を追跡して、光ファイバケーブル１０各点に応じた感度係数を算出する。

この感度係数を算出するステップを、光ファイバケーブル１０の水面波の、進行方向や立ち方が異なる複数の条件下で繰り返し行い、複数回取得して得た各点の係数を、光ファイバケーブル１０の観測域全体に渡って不整合が最小となるようにつなぎ合わせ、かつ複数回の平均を採る。そして、このようにして得られた各点の係数を光ファイバケーブルの各点ごとの感度較正係数として記憶する。

以降では、光ファイバケーブル１０上の各点で発生した後方散乱光のデータを、上記の感度較正係数で除することにより、光ファイバケーブル１０上の各点ごとの感度不均一性を補正した測定値を得る。

本実施の形態では、砕波していない自然の波を較正用の信号として利用する例で説明したが、人工的に起こした波でも良いし、潮汐や津波など、水圧の変化が周辺に伝搬する様子が本水圧センシングシステムで把握できる現象であれば、どのような現象でも較正用の信号として利用できる。

地震も、較正用の信号として利用できる。地震から得られる感度補正係数は、水圧変化の感度補正係数と必ずしも一致はしないが相関はある。なぜなら地震から得られる感度補正係数には、上述のように海底地面と光ファイバケーブル１０との間の摩擦状態に関する情報が含まれているためである。

以上説明したように本実施の形態によれば、光ファイバケーブル１０は、長尺の管１１と、管１１の内部に保持され通線された光ファイバ１２と、を備える。管１１は、管１１の外側の水圧が変化すると、長手方向に伸縮する構造である。また、光ファイバケーブル１０は、水底面と摩擦を持って接しており、水底水圧の変化が水底面を変形させると管１１が長手方向に伸縮する。管１１が長手方向に伸縮すると、光ファイバ１２にその伸縮が伝わる構造である。

したがって、光ファイバ１２の長手方向の伸縮状態を検出することにより、管１１の外側の水圧の変化を検出することができる。このとき、管１１及び光ファイバ１２は、上述した構造であれば良く、特許文献３のように、ＦＢＧという特殊な部品を用いたり、特許文献４のように、絞りカシメという特殊な固定方法を用いたりする必要はない。よって、安価且つ容易に光ファイバ１２を用いた水圧変化のセンシングを行うことができる。

また、本実施の形態によれば、水圧センシングシステム１００は、光ファイバケーブル１０と、光ファイバ１２上の各点で発生した後方散乱光を受信する受信部２０と、後方散乱光のパターンに基づいて、光ファイバ１２上の各点の長手方向の伸縮状態を検出することにより、管１１の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する検出部３０と、を備える。したがって、管１１の外側の水圧変化を、水圧の分布及び水圧の時間変動として詳細に検出することができる。

また、検出部３０は、後方散乱光のうちのレイリー散乱光のパターンに基づいて、管１１の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する。このように、レイリー散乱光を用いることにより、ブリルアン散乱光を用いる場合と比較して、管１１の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を高精度に検出することができる。

＜他の実施の形態＞
上述した実施の形態においては、検出部３０は、受信部２０が光ファイバ１２にパルス光を入射した時刻と、受信部２０が光ファイバ１２から後方散乱光を受信した時刻と、の時間差に基づいて、その後方散乱光が発生した光ファイバ１２上の位置（受信部２０からの光ファイバケーブル１０のケーブル長）を特定している。ただし、緯度経度座標系で表されるような位置と、光ファイバ１２上の位置との対応関係は、敷設ルート情報からの推測であり、誤差を持つ。

そのため、光ファイバ１２上の位置と実際の位置との関係を較正することが好適である。例えば、光ファイバケーブル１０に受信部２０及び検出部３０を一時的に接続し、光ファイバケーブル１０を叩く、触る等して、光ファイバケーブル１０に振動や音を発生させて、そのときの光ファイバ１２上の位置を特定する。今日では実際の位置はたとえ洋上であってもGNSS（Global Navigation Satellite System）衛星電波を受信して正確に把握できるので、特定した光ファイバ１２上の位置と実際の位置との対応が較正できる。なお、この較正を実施する地点の間隔は、光ファイバ１２に沿って密に行わなければならないものではなく、比較的長い間隔で実行しても位置精度向上の効果は得られる。

また、上述した実施の形態においては、受信部２０及び検出部３０は、それぞれ独立した構成要素として図面に図示していたが、１つの装置（光ファイバセンシング機器）に設けられても良いし、複数の装置に分散して設けられていても良い。

＜光ファイバセンシング機器のハードウェア構成＞
上述したように、受信部２０及び検出部３０は、１つの装置（光ファイバセンシング機器）に設けることができる。そこで、続いて以下では、図１２を参照して、受信部２０及び検出部３０を備えた光ファイバセンシング機器を実現するコンピュータ４０のハードウェア構成について説明する。

図１２に示されるように、コンピュータ４０は、プロセッサ４１、メモリ４２、ストレージ４３、入出力インタフェース（入出力Ｉ／Ｆ）４４、及び通信インタフェース（通信Ｉ／Ｆ）４５等を備える。プロセッサ４１、メモリ４２、ストレージ４３、入出力インタフェース４４、及び通信インタフェース４５は、相互にデータを送受信するためのデータ伝送路で接続されている。

プロセッサ４１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の演算処理装置である。メモリ４２は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリである。ストレージ４３は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、またはメモリカード等の記憶装置である。また、ストレージ４３は、ＲＡＭやＲＯＭ等のメモリであっても良い。

ストレージ４３は、光ファイバセンシング機器が備える構成要素（受信部２０及び検出部３０）の機能を実現するプログラムを記憶している。プロセッサ４１は、これら各プログラムを実行することで、光ファイバセンシング機器が備える構成要素の機能をそれぞれ実現する。ここで、プロセッサ４１は、上記各プログラムを実行する際、これらのプログラムをメモリ４２上に読み出してから実行しても良いし、メモリ４２上に読み出さずに実行しても良い。また、メモリ４２やストレージ４３は、光ファイバセンシング機器が備える構成要素が保持する情報やデータを記憶する役割も果たす。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータ（コンピュータ４０を含む）に供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc-ROM）、ＣＤ－Ｒ（CD-Recordable）、ＣＤ－Ｒ／Ｗ（CD-ReWritable）、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭを含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されても良い。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

入出力インタフェース４４は、表示装置４４１、入力装置４４２、音出力装置４４３等と接続される。表示装置４４１は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、モニタのような、プロセッサ４１により処理された描画データに対応する画面を表示する装置である。入力装置４４２は、オペレータの操作入力を受け付ける装置であり、例えば、キーボード、マウス、及びタッチセンサ等である。表示装置４４１及び入力装置４４２は一体化され、タッチパネルとして実現されていても良い。音出力装置４４３は、スピーカのような、プロセッサ４１により処理された音響データに対応する音を音響出力する装置である。

通信インタフェース４５は、外部の装置との間でデータを送受信する。例えば、通信インタフェース４５は、有線通信路または無線通信路を介して外部装置と通信する。

以上、実施の形態を参照して本開示を説明したが、本開示は上述した実施の形態に限定されるものではない。本開示の構成や詳細には、本開示のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１９年１０月１８日に出願された日本出願特願２０１９－１９１４９３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０ 光ファイバケーブル
１１ 管
１２ 光ファイバ
１３ 充填剤
２０ 受信部
３０ 検出部
４０ コンピュータ
４１ プロセッサ
４２ メモリ
４３ ストレージ
４４ 入出力インタフェース
４４１ 表示装置
４４２ 入力装置
４４３ 音出力装置
４５ 通信インタフェース
１００ 水圧センシングシステム

Claims (9)

1. 光ファイバケーブルの感度補正方法であって、
   前記光ファイバケーブルは、
   長尺の管と、
   前記管の内部に保持され通線された少なくとも１つの光ファイバと、を備え、
   前記管は、前記管の外側の水圧が変化すると、長手方向に伸縮する構造であり、
   前記光ファイバは、前記管が長手方向に伸縮すると、前記管の長手方向の伸縮が伝わり、長手方向に伸縮する構造であり、
   前記感度補正方法は、
   前記光ファイバケーブル上の水面波が起こす水底水圧変化の波、もしくは海底地面を伝播する地震の波が、前記光ファイバケーブルを長手方向に通過していく様子を記録した測定値データから、前記波が通過していく際の連続性を基に、前記光ファイバケーブル各点における感度係数を算出し、
   この感度係数を算出するステップを、前記波の進行方向や立ち方が異なる複数の条件下で複数回行い、
   得られた各点の感度係数を、前記光ファイバケーブルの観測域全体に渡って不整合が最小となるようにつなぎ合わせ、
   かつ複数回の平均を行い、
   前記光ファイバケーブルの各点ごとの感度較正係数とし、
   以降の測定において、前記光ファイバケーブル上の各点で得た測定値を、前記感度較正係数で除することにより、前記光ファイバケーブル上の各点ごとの感度不均一性を補正する、
   感度補正方法。
2. 前記感度較正係数を求めた結果、感度が周辺に比べて著しく異なる区間及び感度が時間的に大きく変化する区間を、測定信頼度が低い区間と判定してマークし、マークした区間の測定データにマーキングをつける、
   請求項１に記載の感度補正方法。
3. 水圧センシングシステムであって、
   光ファイバケーブルと、
   前記光ファイバケーブルの光ファイバに入射光を入射すると共に、前記光ファイバ上の各点で発生した後方散乱光を受信する受信部と、を備え、
   前記光ファイバケーブルは、
   長尺の管と、
   前記管の内部に保持され通線された少なくとも１つの前記光ファイバと、を備え、
   前記管は、前記管の外側の水圧が変化すると、長手方向に伸縮する構造であり、
   前記光ファイバは、前記管が長手方向に伸縮すると、前記管の長手方向の伸縮が伝わり、長手方向に伸縮する構造であり、
   前記水圧センシングシステムは、
   前記後方散乱光のパターンに基づいて、前記光ファイバ上の各点の長手方向の伸縮状態を検出することにより、前記管の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する検出部をさらに備え、
   前記検出部は、
   前記光ファイバケーブル上の水面波が起こす水底水圧変化の波、もしくは海底地面を伝播する地震の波が、前記光ファイバケーブルを長手方向に通過していく様子を記録した測定値データから、前記波が通過していく際の連続性を基に、前記光ファイバケーブル各点における感度係数を算出し、
   この感度係数を算出するステップを、前記波の進行方向や立ち方が異なる複数の条件下で複数回行い、
   得られた各点の感度係数を、前記光ファイバケーブルの観測域全体に渡って不整合が最小となるようにつなぎ合わせ、
   かつ複数回の平均を行い、
   前記光ファイバケーブルの各点ごとの感度較正係数とし、
   以降の測定において、前記光ファイバケーブル上の各点で得た測定値を、前記感度較正係数で除することにより、前記光ファイバケーブル上の各点ごとの感度不均一性を補正する、
   水圧センシングシステム。
4. 前記検出部は、前記後方散乱光のうちのレイリー散乱光のパターンに基づいて、前記管の外側の水圧の分布及び水圧の時間変動を検出する、
   請求項３に記載の水圧センシングシステム。
5. 前記管は、前記管の外側の水圧が直接前記光ファイバの側圧になることを防ぐ構造である、
   請求項３又は４に記載の水圧センシングシステム。
6. 前記管は、一体構造の管状構造体である、
   請求項３から５のいずれか１項に記載の水圧センシングシステム。
7. 前記管は、複数の部材を組み合わせて成る管状構造体である、
   請求項３から５のいずれか１項に記載の水圧センシングシステム。
8. 前記管は、前記管の外側の水圧増加に応じて、径方向に圧縮されると同時に長手方向に伸長し、また、水圧減少に応じてその復元変形をするような構造である、
   請求項３から７のいずれか１項に記載の水圧センシングシステム。
9. 前記光ファイバケーブルは、海底に這わせて、もしくは埋設して設置され、
   海底地面は、水圧の変化に応じて押されて弾性変形しており、
   前記管は、前記水圧の変化に伴う前記海底地面の変形に応じて、長手方向に伸縮する、
   請求項３から７のいずれか１項に記載の水圧センシングシステム。

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