JP7435160B2 - Optical fiber vibration detection device and vibration detection method - Google Patents

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この発明は、発電所や工場などの大型の施設における人の不法な侵入行為の検知や、橋梁や道路などの大型の土木構造物に発生する亀裂の検知に利用するのに好適な、光ファイバ振動検知装置及び振動検知方法に関する。 This invention is an optical fiber suitable for use in detecting illegal human intrusion into large facilities such as power plants and factories, and in detecting cracks that occur in large civil engineering structures such as bridges and roads. The present invention relates to a vibration detection device and a vibration detection method.

時間領域反射測定(OTDR:Optical Time Domain Reflectometry)は、光ファイバへ光パルスを入力した際に発生する後方レイリー散乱光(RBS:Rayleigh Back Scattering)を利用して、分布的に光ファイバにおける光の損失を測定する技術である。OTDRでは、コヒーレントなレーザ光源を用いて発生した光パルスを利用することにより、RBSの強度又は位相を測定し、その結果として、光ファイバに加わる振動を分布的に測定できる。 Time domain reflectometry (OTDR) uses Rayleigh back scattering (RBS) generated when a light pulse is input to an optical fiber to measure the light distribution in the optical fiber. It is a technique to measure loss. In OTDR, the intensity or phase of the RBS is measured by using optical pulses generated using a coherent laser light source, and as a result, the vibrations applied to the optical fiber can be measured in a distributed manner.

一般に、RBSの強度の測定は安価な構成で実現できる一方で、外部から加わる振動に対するセンサの応答の線形性に乏しく、再現性が劣る。これに対して、RBSの位相の測定は、強度の測定に対して系が複雑になるものの、良い線形性が得られる。 In general, while RBS strength measurement can be achieved with an inexpensive configuration, the sensor's response to externally applied vibrations has poor linearity and poor reproducibility. On the other hand, when measuring the RBS phase, good linearity can be obtained, although the system is more complex than when measuring the intensity.

RBSの位相は、RBSのヘテロダインまたはホモダイン検波によって測定される。RBSの位相の測定における共通の課題として、フェーディングの影響がある。コヒーレントなレーザ光源を利用して測定されるRBSは、光パルスの伝搬中の光ファイバの散乱中心から生じる不規則な散乱光の干渉の結果として観測される。フェーディングは、この干渉の結果によって、RBSの強度が著しく小さい測定点が発生する現象である。このフェーディングが発生した位置においては、位相は正しく測定されない。 The phase of the RBS is measured by heterodyne or homodyne detection of the RBS. A common problem in RBS phase measurements is the effect of fading. RBS, which is measured using a coherent laser light source, is observed as a result of interference of irregularly scattered light originating from scattering centers in an optical fiber during propagation of a light pulse. Fading is a phenomenon in which, as a result of this interference, measurement points occur where the RBS intensity is significantly small. The phase cannot be measured correctly at the position where this fading occurs.

このフェーディングの影響を取り除くためには、一般に、複数の周波数のパルスに対して測定したRBSをダイバーシティ合成する方法や、プローブ光パルスに変調を施す方法などがある。これらの方法は、特殊な系が必要なため、装置が高価になる傾向がある。 In order to remove the influence of this fading, there are generally a method of diversity combining RBS measured for pulses of a plurality of frequencies, a method of modulating the probe light pulse, and the like. These methods require specialized systems and therefore tend to be expensive equipment.

非特許文献1に記載の方法は、複雑な系を用いずに、フェーディングの影響を取り除く方法である。これは、ヘテロダイン検波したRBSに対して、透過帯域が異なる3つのディジタルバンドパスフィルタを利用して、それらの3つのディジタルバンドパスフィルタの出力をダイバーシティ合成する方法である。 The method described in Non-Patent Document 1 is a method for removing the influence of fading without using a complicated system. This is a method for diversity-combining the outputs of the three digital band-pass filters by using three digital band-pass filters with different transmission bands for the heterodyne-detected RBS.

Yue Wu, et al. “Interference Fading Elimination with Single Rectangular Pulse in Φ-OTDR,” IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 37, no. 13, pp. 3381-3387 (2019)Yue Wu, et al. “Interference Fading Elimination with Single Rectangular Pulse in Φ-OTDR,” IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 37, no. 13, pp. 3381-3387 (2019)

一般に、分布振動検知装置は、光ファイバに加わる異常をリアルタイムに検出することに用いられる。非特許文献1に記載の方法は、高価な装置を利用せずにディジタル信号処理のみによって、フェーディングの影響を取り除くことができる一方で、観測したRBSに対して3つの透過帯域が異なるディジタルフィルタを適用し,それらを新たなフェーディングが発生しないようにダイバーシティ合成する。この様なディジタル信号処理を、膨大な測定点から逐次測定されるRBSに対して適用する必要がある。このため、従来の方
法では、リアルタイムの振動検知が困難である。
In general, distributed vibration detection devices are used to detect abnormalities in optical fibers in real time. The method described in Non-Patent Document 1 can remove the effects of fading only by digital signal processing without using expensive equipment, while using a digital filter with three different transmission bands for the observed RBS. is applied and diversity-combined to prevent new fading from occurring. It is necessary to apply such digital signal processing to RBS that is sequentially measured from a huge number of measurement points. For this reason, real-time vibration detection is difficult with conventional methods.

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、安価な構成で,簡単な信号処理によって,フェーディングの影響を取り除いた測定が可能な、光ファイバ振動検知装置及び振動検知方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber vibration detection device that has an inexpensive configuration and can perform measurements without the influence of fading through simple signal processing. An object of the present invention is to provide an apparatus and a vibration detection 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振動検知装置は、プロー光を生成するプローブ光生成部と、プローブ光が入射されるセンシングファイバと、プローブ光によってセンシングファイバで発生した後方散乱光を受光して、電気信号を生成する受光部と、電気信号から後方散乱光の強度情報及び位相情報を算出し、センシングファイバの長手方向の位置が異なる2点間の位相差から、該2点の中点における位相を算出する信号処理部とを備えて構成される。信号処理部は、2点の中点における位相のセンシングファイバの長手方向の分布に対して、メディアンフィルタを作用させる。 In order to achieve the above-mentioned object, the optical fiber vibration detection device of the present invention includes a probe light generation unit that generates a probe light, a sensing fiber into which the probe light is incident, and a backscatter generated in the sensing fiber by the probe light. A light receiving unit receives light and generates an electrical signal, and calculates intensity information and phase information of backscattered light from the electrical signal, and calculates the intensity information and phase information of the backscattered light from the phase difference between two points at different longitudinal positions of the sensing fiber. and a signal processing unit that calculates the phase at the midpoint of the points. The signal processing section applies a median filter to the distribution of the phase in the longitudinal direction of the sensing fiber at the midpoint between the two points.

この発明の光ファイバ振動検知装置の好適実施形態によれば、信号処理部は、電気信号に対して、ヒルベルト変換を施すヒルベルト変換手段と、ヒルベルト変換手段の出力に対して、4象限逆正接を計算して位相の情報を算出する逆正接演算手段と、逆正接演算手段で算出された位相をもとに、センシングファイバの長手方向の位置ごとの位相を算出する位相演算手段と、位相演算手段で算出されたセンシングファイバの長手方向の位置ごとの位相に対してメディアンフィルタを施すメディアンフィルタ手段とを備える。 According to a preferred embodiment of the optical fiber vibration detection device of the present invention, the signal processing section includes a Hilbert transform means for performing Hilbert transform on the electrical signal, and a four-quadrant arctangent for the output of the Hilbert transform means. an arctangent calculation means that calculates phase information; a phase calculation means that calculates the phase for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber based on the phase calculated by the arctangent calculation means; and a phase calculation means and median filter means for applying a median filter to the phase calculated at each position in the longitudinal direction of the sensing fiber.

また、プローブ光生成部は、連続光を生成するレーザ光源と、連続光を2分岐した一方を周期的な光パルスに変換する光パルス発生器とを備え、光パルスをプローブ光として前記センシングファイバに入射させ、連続光を2分岐した他方を参照信号として受光部に送り、受光部は、後方散乱光と参照光をヘテロダイン干渉させてビート光を生成する光カプラと、ビート光を光電変換してアナログ信号を生成する光電変換器と、アナログ信号をディジタル信号に変換して、ディジタル信号を電気信号として信号処理部に送る、アナログ-ディジタル変換器とを備える構成にすることができる。 Further, the probe light generation section includes a laser light source that generates continuous light, and an optical pulse generator that branches one of the continuous light into two and converts it into a periodic optical pulse, and uses the optical pulse as probe light to connect the sensing fiber to the sensing fiber. The continuous light is split into two and the other is sent as a reference signal to the light receiving unit, and the light receiving unit uses an optical coupler that generates beat light by heterodyne interference between the backscattered light and the reference light, and a photoelectric converter for the beat light. The device can be configured to include a photoelectric converter that generates an analog signal using a photoelectric converter, and an analog-digital converter that converts the analog signal into a digital signal and sends the digital signal as an electrical signal to the signal processing unit.

また、この発明の振動検知方法は、以下の過程を備えて構成される。プローブ光生成過程は、プローブ光を生成する。受光過程は、プローブ光によってセンシングファイバで発生した後方散乱光を受光して、電気信号を生成する。信号処理過程は、電気信号から後方散乱光の強度情報及び位相情報を算出し、センシングファイバの長手方向の位置が異なる2点間の位相差から、2点の中点における位相を算出する。信号処理過程では、2点の中点における位相のセンシングファイバの長手方向の分布に対して、メディアンフィルタを作用させる。 Further, the vibration detection method of the present invention includes the following steps. The probe light generation process generates probe light. In the light receiving process, backscattered light generated in the sensing fiber by the probe light is received and an electrical signal is generated. In the signal processing process, the intensity information and phase information of the backscattered light are calculated from the electrical signal, and the phase at the midpoint between the two points is calculated from the phase difference between the two points at different longitudinal positions of the sensing fiber. In the signal processing process, a median filter is applied to the longitudinal distribution of the phase of the sensing fiber at the midpoint between the two points.

また、この発明の振動検知方法の好適実施形態によれば、信号処理過程は、電気信号に対して、ヒルベルト変換を施すヒルベルト変換過程と、ヒルベルト変換過程の出力に対して、4象限逆正接を計算して位相の情報を算出する逆正接演算過程と、逆正接演算過程で算出された位相をもとに、センシングファイバの長手方向の位置ごとの位相を算出する位相演算過程と、位相演算過程で算出されたセンシングファイバの長手方向の位置ごとの位相に対してメディアンフィルタを施すメディアンフィルタ過程とを備える。 According to a preferred embodiment of the vibration detection method of the present invention, the signal processing step includes a Hilbert transform step of performing Hilbert transform on the electrical signal, and a four-quadrant arctangent of the output of the Hilbert transform step. An arctangent calculation process that calculates phase information, a phase calculation process that calculates the phase for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber based on the phase calculated in the arctangent calculation process, and a phase calculation process that calculates phase information. and a median filtering process of applying a median filter to the phase calculated at each position in the longitudinal direction of the sensing fiber.

また、プローブ光生成過程を、連続光を生成する過程と、連続光を2分岐した一方を周期的な光パルスに変換する過程と、光パルスをプローブ光としてセンシングファイバに入射させる過程とを備える構成として、受光過程を、後方散乱光と、連続光を2分岐した他方の参照光をヘテロダイン干渉させてビート光を生成する過程と、ビート光を光電変換してアナログ信号を生成する過程と、アナログ信号をディジタル信号に変換して、ディジタ
ル信号を電気信号として信号処理部に送る過程とを備える構成にすることができる。
Further, the probe light generation process includes a process of generating continuous light, a process of branching the continuous light into two and converting one of the two into a periodic light pulse, and a process of inputting the light pulse into the sensing fiber as the probe light. As a configuration, the light reception process includes a process of heterodyne interference between the backscattered light and the other reference light obtained by branching the continuous light into two to generate beat light, and a process of photoelectrically converting the beat light to generate an analog signal. The configuration may include a step of converting an analog signal into a digital signal and sending the digital signal as an electrical signal to the signal processing section.

この発明の光ファイバ振動検知装置及び振動検知方法によれば、2点の中点における位相のセンシングファイバの長手方向の分布に対して、メディアンフィルタを作用させることにより、安価な構成で,簡単な信号処理によって,フェーディングの影響を取り除いた測定が可能になる。 According to the optical fiber vibration detection device and vibration detection method of the present invention, by applying a median filter to the distribution of the phase in the longitudinal direction of the sensing fiber at the midpoint of two points, a simple and inexpensive configuration can be achieved. Signal processing enables measurements that remove the effects of fading.

光ファイバ振動検知装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an optical fiber vibration detection device. 光ファイバ振動検知装置で得られる測定波形の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a measurement waveform obtained by an optical fiber vibration detection device. 測定した分布振動の波形である。This is the waveform of the measured distributed vibration. 測定した分布振動の振幅を濃淡で示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the amplitude of measured distributed vibrations in shading. 距離と時間に対する位相を三次元表示で示したものである。This is a three-dimensional representation of the phase relative to distance and time. 加振点における振動波形と周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the vibration waveform and frequency spectrum at an excitation point.

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、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、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、各構成要素の材質及び数値的条件などは、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 shapes, sizes, and arrangement relationships of each component are merely shown schematically to the extent that the present invention can be understood. Further, although preferred configuration examples of the present invention will be described below, the materials and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes and modifications can be made that can achieve the effects of the present invention without departing from the scope of the configuration of the present invention.

図1を参照して、この発明の実施形態に係る光ファイバ振動検知装置について説明する。図1は、光ファイバ振動検知装置の模式図である。 With reference to FIG. 1, an optical fiber vibration detection device according to an embodiment of the invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of an optical fiber vibration detection device.

光ファイバ振動検知装置は、プローブ光生成部100、光サーキュレータ200、センシングファイバ300、受光部400及び信号処理部500を備えて構成される。この光ファイバ振動検知装置は、例えば、OTDRに用いられる。 The optical fiber vibration detection device includes a probe light generation section 100, an optical circulator 200, a sensing fiber 300, a light receiving section 400, and a signal processing section 500. This optical fiber vibration detection device is used, for example, in OTDR.

プローブ光生成部100は、プローブ光として、周期的に光パルスを生成する。プローブ光生成部100は、例えば、レーザ光源110、光源側光カプラ120、音響光学変調器130、パルス発生器140及び光増幅器150を備えて構成される。 The probe light generation unit 100 periodically generates optical pulses as probe light. The probe light generation unit 100 includes, for example, a laser light source 110, a light source-side optical coupler 120, an acousto-optic modulator 130, a pulse generator 140, and an optical amplifier 150.

レーザ光源110は連続光を生成する。レーザ光源110の波長は,いわゆる通信波長帯の、光ファイバの損失が小さい1550nm近傍の波長とするのがよい。また、レーザ光源110として、線幅が数kHz以下の狭線幅レーザを用いるのが望ましい。レーザ光源110が生成した連続光は、光源側光カプラ120に送られる。 Laser light source 110 generates continuous light. The wavelength of the laser light source 110 is preferably in the so-called communication wavelength band, around 1550 nm, where optical fiber loss is small. Further, as the laser light source 110, it is desirable to use a narrow linewidth laser with a linewidth of several kHz or less. Continuous light generated by the laser light source 110 is sent to the light source side optical coupler 120.

光源側光カプラ120は、レーザ光源110が生成した連続光を2分岐する。光源側光カプラ120で2分岐された一方は、音響光学変調器130に送られる。また、光源側光カプラ120で2分岐された他方は、参照光として受光部400に送られる。 The light source side optical coupler 120 branches the continuous light generated by the laser light source 110 into two. The light source-side optical coupler 120 branches the light into two, and one side is sent to the acousto-optic modulator 130. Further, the other light branched into two by the light source side optical coupler 120 is sent to the light receiving section 400 as a reference light.

音響光学変調器130は、光源側光カプラ120を経て受け取った連続光を光パルスに変換する。音響光学変調器130で発生する光パルスの搬送波の周波数は、音響光学効果によってシフトする。音響光学変調器130が生成する光パルスの周期とパルス幅は、音響光学変調器130に供給される電気パルスによって決定される。 The acousto-optic modulator 130 converts the continuous light received via the light source side optical coupler 120 into optical pulses. The frequency of the carrier wave of the optical pulse generated by the acousto-optic modulator 130 is shifted by the acousto-optic effect. The period and pulse width of the optical pulses generated by the acousto-optic modulator 130 are determined by the electrical pulses supplied to the acousto-optic modulator 130.

電気パルスは、パルス発生器140が生成して、音響光学変調器130に送る。音響光
学変調器130が生成する光パルスの周波数とパルス幅は、測定の条件に依存して設定される。
Electrical pulses are generated by pulse generator 140 and sent to acousto-optic modulator 130 . The frequency and pulse width of the optical pulse generated by the acousto-optic modulator 130 are set depending on the measurement conditions.

光パルスの周波数は、測定対象の光ファイバであるセンシングファイバ300の長さに依存する。光パルスは、センシングファイバ300中の伝搬に伴って、1mあたり5nsecの遅延が生じる。OTDRの測定は後方散乱光を観測する。このため、センシングファイバ300の1mあたり、往復で10nsecの遅延が発生する。例えば、センシングファイバ300の長さが25kmの場合、RBSの取得に、250μsecの遅延が発生する。このため、光パルスの周波数を、4kHzより小さく設定する。 The frequency of the optical pulse depends on the length of the sensing fiber 300, which is the optical fiber to be measured. The optical pulse is delayed by 5 nsec per meter as it propagates through the sensing fiber 300. OTDR measurements observe backscattered light. Therefore, a round trip delay of 10 nsec occurs per meter of the sensing fiber 300. For example, when the length of the sensing fiber 300 is 25 km, a delay of 250 μsec occurs in obtaining the RBS. Therefore, the frequency of the optical pulse is set to be lower than 4 kHz.

光パルスのパルス幅は、要求される空間分解能に依存する。例えば、10mの空間分解能が要求される場合、パルス幅を100nsec以下に設定する。 The pulse width of the optical pulse depends on the required spatial resolution. For example, if a spatial resolution of 10 m is required, the pulse width is set to 100 nsec or less.

音響光学変調器130が生成した光パルスは、光増幅器150で必要に応じて所定の増幅を受け、プローブ光として、プローブ光生成部100から出力される。 The optical pulse generated by the acousto-optic modulator 130 is amplified by a predetermined amount as required by the optical amplifier 150, and is outputted from the probe light generation unit 100 as probe light.

プローブ光生成部100から出力されたプローブ光は、光サーキュレータ200を経て、センシングファイバ300に送られる。 The probe light output from the probe light generation section 100 is sent to the sensing fiber 300 via the optical circulator 200.

センシングファイバ300中では,光パルスの伝搬に伴ってRBSが発生する。RBSは、光サーキュレータ200を経て受光部400に送られる。 In the sensing fiber 300, RBS occurs as the optical pulse propagates. The RBS is sent to the light receiving section 400 via the optical circulator 200.

受光部400は、RBSを受光してディジタル電気信号を生成する。受光部400は、例えば、受光側光カプラ410、光電変換器としてのバランスフォトディテクタ(PD)420、アナログ-ディジタル(A/D)変換器430を備えて構成される。 The light receiving unit 400 receives the RBS and generates a digital electrical signal. The light receiving section 400 includes, for example, a light receiving side optical coupler 410, a balanced photodetector (PD) 420 as a photoelectric converter, and an analog-digital (A/D) converter 430.

受光側光カプラ410は、光サーキュレータ200から送られるRBSと、プローブ光生成部100から送られる参照光を合波して、ヘテロダイン干渉させる。このヘテロダイン干渉した光波は、音響光学変調器130で与えられる周波数シフト量のビート光である。受光側光カプラ410で生成されたビート光は、バランスPD420に送られる。 The light-receiving side optical coupler 410 multiplexes the RBS sent from the optical circulator 200 and the reference light sent from the probe light generation section 100 to cause heterodyne interference. This heterodyne-interfered light wave is a beat light having a frequency shift amount given by the acousto-optic modulator 130. The beat light generated by the light receiving side optical coupler 410 is sent to the balance PD 420.

バランスPD420は、ビート光を光電変換して電気信号を生成する。バランスPD420で生成された電気信号は、A/D変換器430に送られる。 The balance PD 420 photoelectrically converts the beat light to generate an electric signal. The electrical signal generated by balance PD 420 is sent to A/D converter 430.

A/D変換器430は、バランスPD420で生成された電気信号を、ディジタル信号に変換する。A/D変換器430の標本化周波数は、ビート光の周波数の2倍より大きいものを用いる。A/D変換器430で生成されたディジタル信号は、信号処理部500に送られる。 A/D converter 430 converts the electrical signal generated by balance PD 420 into a digital signal. The sampling frequency of the A/D converter 430 is greater than twice the frequency of the beat light. The digital signal generated by A/D converter 430 is sent to signal processing section 500.

信号処理部500は、受光部で生成されたディジタル信号から、RBSの強度情報及び位相情報を算出し、センシングファイバ300の互いに異なる2点間の位相差から2点における振動情報を算出する。これにより、センシングファイバ300における分布的な振動情報が計算される。 The signal processing unit 500 calculates RBS intensity information and phase information from the digital signal generated by the light receiving unit, and calculates vibration information at two points from the phase difference between two different points of the sensing fiber 300. As a result, distributed vibration information in the sensing fiber 300 is calculated.

信号処理部500は、クロック抽出手段510、ヒルベルト変換手段520、逆正接演算手段530、位相演算手段540及びメディアンフィルタ手段550を備えて構成される。信号処理部500は、ディジタル信号処理をする部分であり、上記各手段の機能を有する任意好適な構成にすることができる。例えば、信号処理部500を、FPGA(Field-Programmable Gate Array)で構成することができる。 The signal processing section 500 includes a clock extraction means 510, a Hilbert transformation means 520, an arctangent calculation means 530, a phase calculation means 540, and a median filter means 550. The signal processing section 500 is a section that performs digital signal processing, and can have any suitable configuration having the functions of each of the means described above. For example, the signal processing unit 500 can be configured with an FPGA (Field-Programmable Gate Array).

クロック抽出手段510は、順次入力される光パルスに対応する各RBSのタイミングを合わせる。図2は、光ファイバ振動検知装置で得られる測定波形の一例を示す図である。図2では、横軸にセンシングファイバ300の入力端からの距離(km)を取って示し、縦軸に強度(mV)を取って示している。図2(A)は、クロック抽出手段510から出力される信号の典型例を示している。図2(A)は、約14.5kmの長さのセンシングファイバ300を用いて、RBSを測定した例である。図2(A)は、1つの光パルスに対して測定したRBSの波形を示している。光パルスをセンシングファイバ300に入力すると、光パルスの伝搬に伴い、RBSが発生する。センシングファイバ300の各位置からのRBSは、RBSが発生した位置までを光波が往復する時間だけ遅延して観測される。図2(A)は、この遅延時間をもとに、横軸を遅延時間から位置に換算して示している。各光パルスに対応するRBSのタイミングを合わせて並べることで,各位置の振動の情報が得られる。クロック抽出手段510は、これらの各光パルスに対応するRBSのタイミングを同期させる。 The clock extraction means 510 adjusts the timing of each RBS corresponding to the sequentially input optical pulses. FIG. 2 is a diagram showing an example of a measurement waveform obtained by the optical fiber vibration detection device. In FIG. 2, the horizontal axis represents the distance (km) from the input end of the sensing fiber 300, and the vertical axis represents the intensity (mV). FIG. 2(A) shows a typical example of a signal output from the clock extraction means 510. FIG. 2A shows an example in which RBS was measured using a sensing fiber 300 with a length of about 14.5 km. FIG. 2(A) shows the RBS waveform measured for one optical pulse. When a light pulse is input into the sensing fiber 300, RBS occurs as the light pulse propagates. The RBS from each position of the sensing fiber 300 is observed with a delay of the time required for the light wave to travel back and forth to the position where the RBS occurs. FIG. 2A shows the horizontal axis converted from delay time to position based on this delay time. By arranging the RBS corresponding to each optical pulse at the same timing, information on vibration at each position can be obtained. The clock extraction means 510 synchronizes the timing of the RBS corresponding to each of these optical pulses.

クロック抽出手段510における同期の方法は、任意好適な方法とすることができる。例えば、プローブ光生成部100が備えるパルス発生器140から、外部トリガを供給する構成にしてもよい。あるいは、センシングファイバ300が存在しない区間と、RBSが発生している区間の信号レベルの差を基に、各光パルスに対するRBSのタイミングの同期を取ってもよい。図2(A)に示されるように、センシングファイバ300が無い14.5km以降ではRBSは発生しないため観測される電気信号の強度は極めて小さい。図 2(A)の波形の微分値によって、RBSが発生したタイミングが判るため、各光パルスに対応するRBS間の同期がとれる。 The method of synchronization in the clock extraction means 510 can be any suitable method. For example, an external trigger may be supplied from the pulse generator 140 included in the probe light generation section 100. Alternatively, the timing of the RBS for each optical pulse may be synchronized based on the difference in signal level between the section where the sensing fiber 300 is not present and the section where the RBS is occurring. As shown in FIG. 2A, RBS does not occur after 14.5 km where there is no sensing fiber 300, so the intensity of the observed electrical signal is extremely small. Since the timing at which the RBS occurs can be determined from the differential value of the waveform shown in FIG. 2(A), the RBS corresponding to each optical pulse can be synchronized.

クロック抽出手段510から出力されるディジタル信号は、ヒルベルト変換手段520に送られる。 The digital signal output from the clock extraction means 510 is sent to the Hilbert transformation means 520.

ヒルベルト変換手段520は、クロック抽出手段510から出力されたディジタル信号にヒルベルト変換を施すことで,解析信号を生成する。入力信号にヒルベルト変換を施すと、入力信号に対する直交信号を出力信号として生成できることが知られており、ヘテロダイン方式のセンサや通信において広く利用されている。ヒルベルト変換手段520によって出力される解析信号の虚部を、図2(B)に示している。なお、ヒルベルト変換手段520によって出力される解析信号の実部は、図2(A)に示されているクロック抽出手段510から出力されるディジタル信号に対応する。ヒルベルト変換手段520から出力されるディジタル信号は、逆正接演算手段530に送られる。 The Hilbert transformation means 520 generates an analytic signal by performing Hilbert transformation on the digital signal output from the clock extraction means 510. It is known that when an input signal is subjected to a Hilbert transform, a signal orthogonal to the input signal can be generated as an output signal, and this is widely used in heterodyne sensors and communications. The imaginary part of the analytic signal output by the Hilbert transform means 520 is shown in FIG. 2(B). Note that the real part of the analytic signal output by the Hilbert transform means 520 corresponds to the digital signal output from the clock extraction means 510 shown in FIG. 2(A). The digital signal output from the Hilbert transform means 520 is sent to the arctangent calculation means 530.

逆正接演算手段530は、位置ごとに,解析信号の4象限逆正接(arctan)を計算して位相を求める。逆正接演算手段530から出力される位相の情報を含むディジタル信号は、位相演算手段540に送られる。 The arctangent calculating means 530 calculates the four-quadrant arctan (arctan) of the analytic signal for each position to determine the phase. A digital signal containing phase information output from the arctangent calculation means 530 is sent to the phase calculation means 540.

位相演算手段540は、逆正接演算手段530で求めた位相をもとに、センシングファイバ300の長手方向の位置ごとの位相を算出する。センシングファイバ300の任意の位置に振動が加わると、加振点以降のRBSの位相が変化する。従って、一般に、分布的に振動情報を取得するためには、異なる2点の位置の位相の差によって2点間に発生した位相の変化を求める必要がある。この2点間の距離は、ゲージ長と呼ばれる。位相演算手段540は、先ず、逆正接演算手段530で求めた各位置の位相に対して、ゲージ長だけ離れた位置の位相との差を求める。次に、ゲージ長だけ離れた位置の位相の差に対して、位置ごとに位相アンラップをおこない、各位置の位相の変化を算出する。位相演算手段540から出力される、センシングファイバ300の長手方向と経過時間に対する位相の情報を含むディジタル信号は、メディアンフィルタ手段550に送られる。 The phase calculation means 540 calculates the phase for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber 300 based on the phase obtained by the arctangent calculation means 530. When vibration is applied to any position of the sensing fiber 300, the phase of the RBS after the vibration point changes. Therefore, in general, in order to obtain vibration information in a distributed manner, it is necessary to find a phase change that occurs between two different points based on a phase difference between the positions of two different points. The distance between these two points is called the gauge length. The phase calculating means 540 first calculates the difference between the phase at each position calculated by the arctangent calculating means 530 and the phase at a position separated by the gauge length. Next, phase unwrapping is performed for each position with respect to the phase difference between positions separated by the gauge length, and a change in phase at each position is calculated. A digital signal outputted from the phase calculation means 540 and containing information on the phase in the longitudinal direction and elapsed time of the sensing fiber 300 is sent to the median filter means 550.

メディアンフィルタ手段550では、位相演算手段540から出力される、センシングファイバ300の長手方向と経過時間に対する位相の情報を、各光パルスに対応する長手方向の位相データに対して、メディアンフィルタを作用させる。メディアンフィルタは,その長さのサンプル内の中央値を出力として採用する、非線形のディジタルフィルタである。このメディアンフィルタ手段550の出力が,分布振動測定の結果として出力される。 In the median filter means 550, a median filter is applied to the longitudinal direction phase information of the sensing fiber 300 and the elapsed time phase information outputted from the phase calculation means 540 on the longitudinal direction phase data corresponding to each optical pulse. . A median filter is a nonlinear digital filter that takes as its output the median value within samples of its length. The output of this median filter means 550 is output as the result of distributed vibration measurement.

図3~5を参照して、メディアンフィルタ手段550における信号処理を説明する。図3は、測定した分布振動の波形である。図3(A)及び(B)は、横軸にセンシングファイバ300の長手方向の位置として、センシングファイバ300の入力端からの長さ(km)を取って示し、縦軸に、位相(rad)を取って示している。図4は、測定した分布振動の振幅を濃淡で示す図である。図4(A)及び(B)は、横軸にセンシングファイバ300の長手方向の位置として、センシングファイバ300の入力端からの長さ(km)を取って示し、縦軸に、経過時間(msec)を取って示している。図5は、センシングファイバ300の入力端からの長さと時間に対する位相を三次元表示で示したものである。図5(A)及び(B)は、センシングファイバ300の長手方向の位置として、センシングファイバ300の入力端からの長さ(km)と、経過時間(msec)と、位相(rad)を、それぞれ3つの軸に取って示している。図3(A)、図4(A)及び図5(A)は、位相演算手段540の処理結果を示している。また、図3(B)、図4(B)及び図5(B)は、メディアンフィルタ手段550の処理結果を示している。 Signal processing in median filter means 550 will be described with reference to FIGS. 3 to 5. FIG. 3 shows the waveform of the measured distributed vibration. 3A and 3B, the horizontal axis shows the length (km) from the input end of the sensing fiber 300 as the position in the longitudinal direction of the sensing fiber 300, and the vertical axis shows the phase (rad). is shown. FIG. 4 is a diagram showing the amplitude of the measured distributed vibration in shading. 4A and 4B, the horizontal axis shows the length (km) from the input end of the sensing fiber 300 as the position in the longitudinal direction of the sensing fiber 300, and the vertical axis shows the elapsed time (msec). ) is shown. FIG. 5 shows a three-dimensional representation of the length from the input end of the sensing fiber 300 and the phase with respect to time. 5A and 5B show the length (km) from the input end of the sensing fiber 300, the elapsed time (msec), and the phase (rad) as the longitudinal position of the sensing fiber 300, respectively. It is shown along three axes. 3(A), FIG. 4(A), and FIG. 5(A) show the processing results of the phase calculation means 540. 3(B), FIG. 4(B), and FIG. 5(B) show the processing results of the median filter means 550.

先ず、測定した分布振動の波形について説明する。 First, the waveform of the measured distributed vibration will be explained.

図3(A)は、位相演算手段540によって得られる、各位置における位相の時間変化を示している。ここでは、センシングファイバ300として、長さが15kmの光ファイバを用いた。また、パルス発生器140で発生する光パルスの幅を100nsecに、及び、光パルスの周波数を2.5kHzに設定した。この100nsecのパルス幅に相当する空間分解能は10mである。A/D変換器430として、標本化周波数が500MSample/secのものを用いた。また、振動を模擬するためのファイバストレッチャーを、センシングファイバ300の入力端から4.950kmの地点に設置した。ファイバストレチャーは,外部から与えられた電気信号によって、伝搬する光波の位相を動的に制御できる。ファイバストレッチャーには、200Hzの正弦波の電気信号を与えた。 FIG. 3(A) shows the temporal change in phase at each position obtained by the phase calculation means 540. Here, an optical fiber with a length of 15 km was used as the sensing fiber 300. Further, the width of the optical pulse generated by the pulse generator 140 was set to 100 nsec, and the frequency of the optical pulse was set to 2.5 kHz. The spatial resolution corresponding to this pulse width of 100 nsec is 10 m. As the A/D converter 430, one with a sampling frequency of 500 MSample/sec was used. Furthermore, a fiber stretcher for simulating vibration was installed at a point 4.950 km from the input end of the sensing fiber 300. Fiber stretchers can dynamically control the phase of propagating light waves by externally applied electrical signals. A 200 Hz sinusoidal electrical signal was applied to the fiber stretcher.

図3(A)は、位相演算手段540の出力に該当し、フェーディングの影響に対して、何も処理しない場合の位相の測定結果に相当する。このように、位相演算手段540の出力に対して何も処理しない場合、振動を模擬した4.950km以外の位置においは振動を与えていないにもかかわらず,フェーディングの影響によって大きな位相変化として観測される。これは、フェーディングの影響を受けている位置の位相は強度が雑音レベルよりも小さいことから正しく位相が求まらないことと併せて、位相アンラップの誤りによって誤差が累積していくためである。この結果、センシングファイバ300のどの位置に振動が加わっているのかを判断することができない。 FIG. 3(A) corresponds to the output of the phase calculation means 540, and corresponds to the phase measurement result when no processing is performed to deal with the influence of fading. In this way, when no processing is performed on the output of the phase calculation means 540, even though no vibration is applied to the position other than 4.950 km where the vibration is simulated, a large phase change due to the influence of fading may occur. Observed. This is because the intensity of the phase at the position affected by fading is lower than the noise level, so the phase cannot be determined correctly, and errors accumulate due to errors in phase unwrapping. . As a result, it is not possible to determine which position of the sensing fiber 300 the vibration is applied to.

図3(B)は、メディアンフィルタ手段550の出力に該当し、フェーディングの影響に対して、メディアンフィルタを施した場合の位相の測定結果に相当する。メディアンフィルタの長さを、100Sampleとした。このサンプル数をセンシングファイバ300の長さに換算すると20mとなる。RBSの波形は、光パルスがセンシングファイバ300を伝搬する間に、センシングファイバ300の散乱中心から不規則に散乱するコヒーレントな光波の和の結果として観測されるので、長手方向の情報に対して連続的に強度が消失する確率は極めて小さい。従って、センシングファイバ300の長手方向の位相情報に対して、一定の長さのメディアンフィルタを適用することで、空間分解能はメディアン
フィルタの長さだけ損なうものの、フェーディングによる位相測定エラーの影響を避けて測定できる。
FIG. 3B corresponds to the output of the median filter means 550, and corresponds to the phase measurement result when a median filter is applied to deal with the influence of fading. The length of the median filter was set to 100 Samples. When this number of samples is converted into the length of the sensing fiber 300, it becomes 20 m. The RBS waveform is observed as a result of the sum of coherent light waves irregularly scattered from the scattering center of the sensing fiber 300 while the light pulse propagates through the sensing fiber 300, so it is continuous with respect to longitudinal information. The probability that the strength will disappear is extremely small. Therefore, by applying a median filter of a certain length to the phase information in the longitudinal direction of the sensing fiber 300, the effect of phase measurement errors due to fading can be avoided, although the spatial resolution is degraded by the length of the median filter. It can be measured by

次に、測定した分布振動の振幅について説明する。 Next, the amplitude of the measured distributed vibration will be explained.

図4(A)に示すように、メディアンフィルタが無い場合は、不規則に位相の測定エラーが観測されている。一方、図4(B)に示すように、メディアンフィルタを適用した場合は、ファイバストレッチャーにより振動を模擬した4.950km地点においてのみ、200Hzの位相変化を確認できる。 As shown in FIG. 4A, when there is no median filter, phase measurement errors are observed irregularly. On the other hand, as shown in FIG. 4(B), when a median filter is applied, a 200 Hz phase change can be confirmed only at a 4.950 km point where vibration is simulated by a fiber stretcher.

図5(A)及び(B)に示す、距離と時間に対する振動波形を三次元表示についても同様の結果が確認できる。図5(A)に示すように、メディアンフィルタが無い場合は、不規則に位相の測定エラーが観測されている。一方、図5(B)に示すように、メディアンフィルタを適用した場合は、ファイバストレッチャーにより振動を模擬した4.950km地点においてのみ、200Hzの位相変化を確認できる。 Similar results can be confirmed for the three-dimensional display of vibration waveforms with respect to distance and time shown in FIGS. 5(A) and 5(B). As shown in FIG. 5A, when there is no median filter, phase measurement errors are observed irregularly. On the other hand, as shown in FIG. 5(B), when a median filter is applied, a 200 Hz phase change can be confirmed only at a 4.950 km point where vibration is simulated by a fiber stretcher.

図6は、加振点における振動波形と周波数スペクトルを示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the vibration waveform and frequency spectrum at the excitation point.

図6(A)は、加振点である4.950km地点の振動波形を示す。図6(A)では、横軸に時間(msec)を取って示し、縦軸に位相(rad)を取って示している。図6(A)には、ファイバストレッチャーにより振動を模擬した4.950km地点において、外部から加えた200Hzの振動に対応する正弦波が示されている。 FIG. 6(A) shows the vibration waveform at the 4.950 km point, which is the excitation point. In FIG. 6A, the horizontal axis represents time (msec), and the vertical axis represents phase (rad). FIG. 6A shows a sine wave corresponding to a 200 Hz vibration applied from the outside at a 4.950 km point where the vibration was simulated by a fiber stretcher.

図6(B)は、加振点である4.950km地点の周波数スペクトルを示す。図6(B)では、横軸に周波数(Hz)を取って示し、縦軸に信号強度(dB)を取って示している。 FIG. 6(B) shows the frequency spectrum at the 4.950 km point, which is the excitation point. In FIG. 6(B), the horizontal axis represents frequency (Hz), and the vertical axis represents signal strength (dB).

図6(A)及び(B)に示されるように、メディアンフィルタを適用しても、外部から加えた200Hzの正弦波を測定することができる。 As shown in FIGS. 6A and 6B, even if a median filter is applied, a 200 Hz sine wave applied from the outside can be measured.

ここでは、この出願に係る発明の一実施形態としてヘテロダイン型の位相感応OTDRを用いた光ファイバ振動検知装置を説明した。しかしながら、この発明の特徴は、センシングファイバの長手方向に対して測定した後方散乱光に対して、フェーディングの影響を避けるために、長手方向に対してメディアンフィルタを適用することである。従って、この発明の光ファイバ振動検知装置は、ヘテロダイン型の位相感応OTDRに限定されない。例えば、ホモダイン型の位相感応OTDRも、ヘテロダイン型の位相感応OTDRと同様にフェーディングの影響を受けるので、メディアンフィルタによる雑音除去方法を適用できる。 Here, an optical fiber vibration detection device using a heterodyne phase sensitive OTDR has been described as an embodiment of the invention according to this application. However, a feature of the present invention is that a median filter is applied to the backscattered light measured in the longitudinal direction of the sensing fiber in order to avoid the influence of fading. Therefore, the optical fiber vibration sensing device of the present invention is not limited to a heterodyne phase sensitive OTDR. For example, since a homodyne type phase sensitive OTDR is also affected by fading like a heterodyne type phase sensitive OTDR, a noise removal method using a median filter can be applied.

100 プローブ光生成部
110 レーザ光源
120 光源側光カプラ
130 音響光学変調器
140 パルス発生器
150 光増幅器
200 光サーキュレータ
300 センシングファイバ
400 受光部
410 受光側光カプラ
420 パランスフォトダイオード(バランスPD)
430 アナログ-ディジタル変換器(A/D変換器)
500 信号処理部
510 クロック抽出手段
520 ヒルベルト変換手段
530 逆正接演算手段
540 位相演算手段
550 メディアンフィルタ手段
100 Probe light generation unit 110 Laser light source 120 Light source side optical coupler 130 Acousto-optic modulator 140 Pulse generator 150 Optical amplifier 200 Optical circulator 300 Sensing fiber 400 Light receiving unit 410 Light receiving side optical coupler 420 Balanced photodiode (balanced PD)
430 Analog-digital converter (A/D converter)
500 Signal processing section 510 Clock extraction means 520 Hilbert transformation means 530 Arctangent calculation means 540 Phase calculation means 550 Median filter means

Claims (6)

プローブ光を生成するプローブ光生成部と、
前記プローブ光が入射されるセンシングファイバと、
前記プローブ光によって前記センシングファイバで発生した後方散乱光を受光して、電気信号を生成する受光部と、
前記電気信号から前記後方散乱光の強度情報及び位相情報を算出し、前記センシングファイバの長手方向の位置が異なる2点間の位相差から、該2点の中点における位相を算出する信号処理部と
を備え、
前記信号処理部は、前記2点の中点における位相の前記センシングファイバの長手方向の分布に対して、メディアンフィルタを作用させる
ことを特徴とする光ファイバ振動検知装置。
a probe light generation section that generates probe light;
a sensing fiber into which the probe light is incident;
a light receiving unit that receives backscattered light generated by the sensing fiber by the probe light and generates an electrical signal;
a signal processing unit that calculates intensity information and phase information of the backscattered light from the electrical signal, and calculates the phase at the midpoint of the two points from the phase difference between two points at different longitudinal positions of the sensing fiber; and
The optical fiber vibration detection device is characterized in that the signal processing unit applies a median filter to the distribution of the phase in the longitudinal direction of the sensing fiber at the midpoint between the two points.
前記信号処理部は、
前記電気信号に対して、ヒルベルト変換を施すヒルベルト変換手段と、
前記ヒルベルト変換手段の出力に対して、4象限逆正接を計算して位相の情報を算出する逆正接演算手段と、
前記逆正接演算手段で算出された位相をもとに、前記センシングファイバの長手方向の位置ごとの位相を算出する位相演算手段と、
前記位相演算手段で算出された前記センシングファイバの長手方向の位置ごとの位相に対してメディアンフィルタを施すメディアンフィルタ手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ振動検知装置。
The signal processing section includes:
Hilbert transform means for performing Hilbert transform on the electrical signal;
arctangent calculation means for calculating a four-quadrant arctangent to calculate phase information for the output of the Hilbert transformation means;
a phase calculation means for calculating a phase for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber based on the phase calculated by the arctangent calculation means;
2. The optical fiber vibration detection device according to claim 1, further comprising median filter means for applying a median filter to the phase calculated by the phase calculation means for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber.
前記プローブ光生成部は、
連続光を生成するレーザ光源と、
前記連続光を2分岐した一方を周期的な光パルスに変換する光パルス発生器と
を備え、
前記光パルスを前記プローブ光として前記センシングファイバに入射させ、
前記連続光を2分岐した他方を参照として前記受光部に送り、
前記受光部は、
前記後方散乱光と前記参照光をヘテロダイン干渉させてビート光を生成する光カプラと、
前記ビート光を光電変換してアナログ信号を生成する光電変換器と、
前記アナログ信号をディジタル信号に変換して、前記ディジタル信号を前記電気信号として前記信号処理部に送る、アナログ-ディジタル変換器と
を備え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振動検知装置。
The probe light generation section includes:
a laser light source that generates continuous light;
an optical pulse generator that splits the continuous light into two and converts one of the two into a periodic optical pulse;
making the optical pulse enter the sensing fiber as the probe light;
branching the continuous light into two and sending the other one as a reference light to the light receiving section;
The light receiving section is
an optical coupler that generates beat light by heterodyne interference between the backscattered light and the reference light;
a photoelectric converter that photoelectrically converts the beat light to generate an analog signal;
The optical fiber vibration according to claim 1 or 2, further comprising an analog-digital converter that converts the analog signal into a digital signal and sends the digital signal as the electric signal to the signal processing section. Detection device.
プローブ光を生成するプローブ光生成過程と、
前記プローブ光によってセンシングファイバで発生した後方散乱光を受光して、電気信号を生成する受光過程と、
前記電気信号から前記後方散乱光の強度情報及び位相情報を算出し、前記センシングファイバの長手方向の位置が異なる2点間の位相差から、該2点の中点における位相を算出する信号処理過程と
を備え、
前記信号処理過程では、前記2点の中点における位相の前記センシングファイバの長手方向の分布に対して、メディアンフィルタを作用させる
ことを特徴とする振動検知方法。
a probe light generation process that generates probe light;
a light receiving process of receiving backscattered light generated by the sensing fiber by the probe light and generating an electrical signal;
A signal processing process of calculating intensity information and phase information of the backscattered light from the electrical signal, and calculating the phase at the midpoint of the two points from the phase difference between two points at different longitudinal positions of the sensing fiber. and
The vibration sensing method is characterized in that, in the signal processing step, a median filter is applied to the distribution of the phase in the longitudinal direction of the sensing fiber at the midpoint between the two points.
前記信号処理過程は、
前記電気信号に対して、ヒルベルト変換を施すヒルベルト変換過程と、
前記ヒルベルト変換過程の出力に対して、4象限逆正接を計算して位相の情報を算出する逆正接演算過程と、
前記逆正接演算過程で算出された位相をもとに、前記センシングファイバの長手方向の位置ごとの位相を算出する位相演算過程と、
前記位相演算過程で算出された前記センシングファイバの長手方向の位置ごとの位相に対してメディアンフィルタを施すメディアンフィルタ過程と
を備えることを特徴とする請求項4に記載の振動検知方法。
The signal processing process includes:
a Hilbert transform process of performing a Hilbert transform on the electrical signal;
an arctangent calculation process of calculating phase information by calculating a four-quadrant arctangent for the output of the Hilbert transformation process;
a phase calculation step of calculating a phase for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber based on the phase calculated in the arctangent calculation step;
5. The vibration detection method according to claim 4, further comprising a median filtering step of applying a median filter to the phase calculated in the phase calculation step for each position in the longitudinal direction of the sensing fiber.
前記プローブ光生成過程は、
連続光を生成する過程と、
前記連続光を2分岐した一方を周期的な光パルスに変換する過程と、
前記光パルスを前記プローブ光として前記センシングファイバに入射させる過程と
を備え、
前記受光過程は、
前記後方散乱光と、前記連続光を2分岐した他方の参照光をヘテロダイン干渉させてビート光を生成する過程と、
前記ビート光を光電変換してアナログ信号を生成する過程と、
前記アナログ信号をディジタル信号に変換して、前記ディジタル信号を前記電気信号とする過程と
を備えることを特徴とする請求項4又は5に記載の振動検知方法。
The probe light generation process includes:
a process of generating continuous light;
a step of branching the continuous light into two and converting one of the branches into a periodic light pulse;
making the optical pulse enter the sensing fiber as the probe light,
The light receiving process is
generating beat light by heterodyne interference between the backscattered light and the other reference light obtained by branching the continuous light into two;
a step of photoelectrically converting the beat light to generate an analog signal;
6. The vibration detection method according to claim 4, further comprising a step of converting the analog signal into a digital signal and converting the digital signal into the electric signal.
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