JP7464133B2 - 振動分布測定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本開示は、振動分布測定装置及びその方法に関する。

レイリー散乱光スペクトルは振動に応じてスペクトルシフトする。このスペクトルシフトを利用して振動を解析する、ＤＡＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）が提案されている（例えば非特許文献１参照。）。

振動を正しく測定するために、繰り返し測定の周期を振動周波数よりも高くするサンプリング定理を用いた手法や、振動解析長さを振動の空間広がりよりも短くする空間分解能を用いた手法が知られているが、振動の振幅に対する条件は不明確である。

Ｆｒｏｇｇａｔｔ， Ｍａｒｋ， ａｎｄ Ｊａｓｏｎ Ｍｏｏｒｅ．"Ｈｉｇｈ－ｓｐａｔｉａｌ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒ．" Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３７．１０ （１９９８）： １７３５－１７４０． Ｋｏｙａｍａｄａ， Ｙａｈｅｉ， ｅｔ ａｌ．"Ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒａｎｄ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｕｓｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ＯＴＤＲ．" Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２７．９ （２００９）： １１４２－１１４６．

スペクトルシフトを利用した振動解析において、振動を正しく測定するためには、測定対象の振動の振幅に対する条件を適切に設定する必要がある。そこで、本開示は、測定対象に応じた適切な条件で、スペクトルシフトを利用した振動解析を可能にすることを目的とする。

本開示の振動分布測定装置は、
被測定光ファイバでの後方散乱光を異なる時間に複数回測定し、
測定で得られた複数の後方散乱光波形から定められた窓区間の光スペクトルを抽出し、
抽出された前記複数の後方散乱光波形の光スペクトルを用いて、前記被測定光ファイバでの振動分布を測定する振動分布測定装置であって、
前記被測定光ファイバにおける前記窓区間での振動振幅が前記窓区間で定められるしきい値よりも大きくなる窓区間を用いて、当該窓区間の光スペクトルを算出する。

本開示の振動分布測定方法は、
被測定光ファイバでの後方散乱光を異なる時間に複数回測定し、
測定で得られた複数の後方散乱光波形から定められた窓区間の光スペクトルを抽出し、
抽出された前記複数の後方散乱光波形の光スペクトルを用いて、前記被測定光ファイバでの振動分布を測定する振動分布測定装置が実行する振動分布測定方法であって、
前記被測定光ファイバにおける前記窓区間での振動振幅が前記窓区間で定められるしきい値よりも大きくなる窓区間を用いて、当該窓区間の光スペクトルを算出する。

本開示によれば、測定対象の振動の振幅まで考慮してＤＡＳの適用可否を判断することができ、測定対象に応じた測定条件の最適化が可能となる。

ＤＡＳにおいて測定するスペクトルの一例を示す。 ＯＦＤＲの構成例を示す。 振動解析長さｗと測定対象の振動振幅の関係の一例を示す。 本開示における測定条件の一例を示す。 振動分布測定例で用いた測定系である。 空間分解能が０．８ｍの場合の振動分布測定例である。 空間分解能が１．６ｍの場合の振動分布測定例である。 空間分解能が９．５ｍの場合の振動分布測定例である。 ＯＦＤＲを用いて測定されたスペクトルの一例を示す。 スペクトルシフトの時間変化を用いた動的歪み（振動）の測定例を示す。 本開示に係る振動分布測定方法の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（ＯＦＤＲを用いたＤＡＳ）
図１に、ＤＡＳにおいて測定するスペクトルの一例を示す。ＤＡＳでは、異なる複数の時間におけるレイリー後方散乱光を測定する。具体的には、参照測定、１回目の測定、２回目の測定を順に行う。そして、各時点での距離ｚ_１～ｚ_２におけるレイリー後方散乱光波形のスペクトル（歪み）を解析し、振動の時間波形を測定する。レイリー後方散乱光は、例えばＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定することができる。

図２に、本開示のシステム構成例を示す。本開示の振動分布測定装置は、被測定光ファイバ４に接続される。本開示の振動分布測定装置は、ＯＦＤＲと同様の構成を備える。具体的には、振動分布測定装置は、周波数掃引光源１、カプラ２、サーキュレータ３、カプラ５、バランス型受光器６、Ａ／Ｄ変換器７、解析部８を備える。本開示の解析部８は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

カプラ２は、周波数掃引光源１からの光をローカル光用の参照光路とプローブ光用の測定光路に分岐する。測定光路に分岐されたプローブ光用は、カプラ２及びサーキュレータ３を介して被測定光ファイバ４に入射される。カプラ５は、被測定光ファイバ４での後方散乱光であるプローブ光と、カプラ２で分岐されたローカル光と、を合波する。バランス型受光器６は、カプラ５で合波された干渉光を受光する。Ａ／Ｄ変換器７は、バランス型受光器６の出力信号をデジタル信号に変換する。解析部８は、Ａ／Ｄ変換器７からのデジタル信号を用いて解析する。

バランス型受光器６に入射される干渉光は、参照光路と測定光路の光路長差に応じたビート周波数を有する。本開示では、被測定光ファイバ４での後方散乱光波形を少なくとも３度行う。解析部８は、前記干渉光の時間波形を用いて、被測定光ファイバ４における距離ｚ_１～ｚ_２での光スペクトルを求め、光スペクトルの時間変化に基づいて被測定光ファイバ４での振動分布を測定する。このように、本開示では、被測定光ファイバ４における窓区間で定められる一部区間の光スペクトルを用いて、被測定光ファイバ４での振動分布を測定する。

窓区間の抽出によって得られる振動解析長さｗ（光スペクトル解析長さ）は次式で表される。

歪みによるスペクトルシフト量Δν_{ｓｈｉｆｔ}は次式で表される（非特許文献２）。

レイリー散乱光の光周波数分解能Δνは次式で表される。

（振動感度の設計方法）
図３に、解析長さｗと測定対象の振動振幅の関係の一例を示す。●は実測値を示す。εは元の長さに対してどれだけ伸縮したかを表す歪みの単位である。例えば、１ｍの長さのものが１ｎｍ伸縮した場合、１ｎεの歪みと表現する。

レイリー散乱光の光スペクトルの周波数分解能Δνは（３）式で与えられる。光周波数分解能Δνが高くなるほど、歪みによるスペクトルシフト量Δν_{ｓｈｉｆｔ}の感度が上がる。（３）式によれば、解析長さｗが長いほど光周波数分解能Δν（感度）が高くなる。

一方、レイリー散乱光スペクトルの歪みに対するスペクトルシフトは（２）式で与えられ、スペクトルシフト量Δν_{ｓｈｉｆｔ}は歪み量に比例する。従って、図３に示すように、解析長さｗが長いほど微小な歪みを測定できる（感度が高くなる、測定器雑音が小さくなる）が、振動を解析する空間分解能が劣化するというトレードオフの関係にある。

そのため、
・振動振幅に対する感度と振動解析長さｗはトレードオフの関係にある。
・振動を正しく測定できる振動解析長さｗについて、従来知られていた振動の空間広がりよりも小さいことに加え、振動振幅に対する感度の条件も満たす必要がある。

そこで、本開示は、測定対象の振動特性からＯＦＤＲ－ＤＡＳの適用可否を判断する。具体的には、図４に示すように、解析長さｗすなわち測定対象の振動の空間広がりと振動振幅に応じて最適な測定条件を設定する。具体的には、窓区間で抽出される測定対象の振動振幅が、窓区間で定められるしきい値よりも大きくなるよう、窓区間を設定する。

振動を測定するためには下記３つの条件を満たす必要がある。
（１）測定対象となる振動の波数すなわち空間周波数よりも２倍以上高い空間周波数をもつ窓区間ｗであること。すなわち振動の波長の１／２倍以上小さい窓区間ｗであること。
（２）測定対象となる振動の振動数すなわち時間周波数よりも２倍以上高い時間周波数をもつプローブ光の繰返し周波数で測定すること。すなわち振動の周期の１／２倍以上小さい測定周期であること。
（３）測定対象となる振動の振幅よりも高い振動感度であること。

窓区間ｗは上記条件（１）と条件（３）に関わる。条件（１）を満たす窓区間で最大の幅をもつものが振動に対する感度が高いため、最適な窓区間は振動の波長の１／２倍のものになる。また、式（１）より、ＯＦＤＲの空間分解能は窓区間の最小値を決める。このため、ＯＦＤＲの空間分解能は測定できる最小の波長を決定する。

図５及び図６を参照して、架空ケーブルの振動分布測定例を示す。図５は測定系を示す。ＯＦＤＲから距離１５ｍの位置に電柱＃１が配置され、ＯＦＤＲから距離４５ｍの位置に電柱＃２が配置されている。この測定系において、２本の電柱＃１及び電柱＃２の間の架空ケーブルの振動分布を測定した。

図６Ａは空間分解能Δｚが０．８ｍの場合を図６Ａに、空間分解能Δｚが１．６ｍの場合を図６Ｂに、空間分解能Δｚが９．５ｍの場合を図６Ｃに示す。空間分解能Δｚが０．８ｍの場合、図６Ａに示すように、測定感度が低く、ＳＮＲが低い。空間分解能Δｚが１．６ｍの場合、図６Ｂに示すように、空間分解能と感度とも測定条件を満たしている。空間分解能Δｚが９．５ｍの場合、図６Ｃに示すように、測定対象の振動の空間広がりに対して空間分解能が大きく、振動分布を明確に測定できない。

以上より、本開示の解析部８は、被測定光ファイバ４のうちの測定対象の振動振幅に応じて定められた窓区間を用いて、当該窓区間の光周波数応を算出する。これにより、本開示は、ＤＡＳにおいて振動を正しく測定することを可能にする。

図７に、ＯＦＤＲを用いて測定されたスペクトルの一例を示す。ＯＦＤＲはファイバ全体の光周波数応答を測定する。そのため、損失分布波形のある区間の光スペクトルを解析できる。例えば、光ファイバ全体の光周波数応答ｒ（ν）に対してフーリエ変換を行い、損失分布波形ｒ（τ）を求める。そして、損失分布波形ｒ（τ）を用いて窓区間を決定し、窓区間のフーリエ変換を行うことで窓区間のスペクトルＳ（ν）を求める。

一方で、光ファイバはランダムな屈折率分布を持つＦＢＧとモデル化できる。このため図８に示すように、スペクトル解析区間を指定し、動的歪み（振動）をスペクトルシフトの時間変化として測定することができる。

図９に、本開示に係る振動分布測定方法の一例を示す。本開示に係る振動分布測定方法は、ステップＳ１１～Ｓ１５を順に実行する。
Ｓ１１：被測定光ファイバのプローブ光に対する光周波数応答を繰り返し測定し、各時刻における光ファイバ全体の光周波数応答ｒ（ν）を得る。
Ｓ１２：振動（静的歪み）解析する窓区間を指定する。
Ｓ１３：測定時刻ｎにおける後方散乱光波形を測定する。
Ｓ１４：指定区間の光スペクトルを解析する。
Ｓ１５：スペクトログラムから周波数シフト（歪み）の時間波形を解析する。

本開示では、ステップＳ１２において、光周波数応答ｒ（ν）をフーリエ変換し、損失分布波形ｒ（τ）に変換する。そして、損失分布波形ｒ（τ）の振幅を用いて窓区間を設定する。そして、参照測定、１回目の測定及び２回目の測定で得られた損失分布波形ｒ（τ）から、設定した窓区間の光スペクトルを抽出し、抽出された複数の光スペクトルを用いて、被測定光ファイバ４における測定対象の振動分布を測定する。

窓区間を設定は、空間周波数と振動感度を決定する。測定対象の波長や振幅等の振動特性が既知であれば、窓区間の設定において、条件（１）と条件（３）を満たすように窓区間を指定することができる。測定対象となる振動の波長や振幅等の振動特性は未知である場合、窓区間の設定において、図６のように窓区間を変えながら調査することで、振動特性に応じた窓区間の最適化を行う。これにより、本開示は、測定対象の振動の振幅まで考慮してＤＡＳの適用可否を判断することができ、測定対象に応じた測定条件の最適化が可能となる。

本開示は情報通信産業・設備監視・防犯・災害監視に適用することができる。

１：周波数掃引光源
２：カプラ
３：サーキュレータ
４：被測定光ファイバ
５：カプラ
６：バランス型受光器
７：Ａ／Ｄ変換器
８：解析部

Claims (4)

1. 被測定光ファイバでの後方散乱光を異なる時間に複数回測定し、
   測定で得られた複数の後方散乱光波形から窓区間の光スペクトルの抽出を行い、
   抽出された前記複数の後方散乱光波形の光スペクトルを用いて、前記被測定光ファイバでの振動分布を測定する振動分布測定装置であって、
   測定対象の振動の時間周波数の２倍以上の繰返し周波数を有するプローブ光を用い、
   前記光スペクトルの抽出において、窓区間での振動振幅が窓区間で定められるしきい値よりも大きくかつ測定対象の振動の波長の１／２倍以下である窓区間を用いる、
   振動分布測定装置。
2. 前記後方散乱光は、プローブ光に対する窓区間で抽出した区間の光周波数応答であり、
   プローブ光に対する窓区間で抽出した区間の光周波数応答を用いて、複数回測定した各後方散乱光の損失分布波形を生成し、
   各損失分布波形から同一の窓区間での光スペクトルを生成することで、
   前記窓区間の光スペクトルの抽出を行う、
   請求項１に記載の振動分布測定装置。
3. 前記同一の窓区間でのスペクトルシフトを用いて、前記被測定光ファイバでの振動を測定する、
   請求項２に記載の振動分布測定装置。
4. 被測定光ファイバでの後方散乱光を異なる時間に複数回測定し、
   測定で得られた複数の後方散乱光波形から窓区間の光スペクトルの抽出を行い、
   抽出された前記複数の後方散乱光波形の光スペクトルを用いて、前記被測定光ファイバでの振動分布を測定する振動分布測定方法であって、
   測定対象の振動の時間周波数の２倍以上の繰返し周波数を有するプローブ光を用い、
   前記光スペクトルの抽出において、窓区間での振動振幅が窓区間で定められるしきい値よりも大きくかつ測定対象の振動の波長の１／２倍以下である窓区間を用いる、
   振動分布測定方法。

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