JPH08190686A - 光ファイバ多次元監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】異なる波長の複数のパルス光源と検出部を備え
て、多数の物理量を同時に測定できる光ファイバ多次元
監視装置を提供する。 【構成】請求項１記載の発明に係る光ファイバ多次元監
視装置は、異なる波長のパルス光を出射する複数個の光
源とパルス駆動装置および光合波器とからなる光源系統
６と、合波されたパルス光を送信する光ファイバ往路基
幹９と、この光ファイバ往路基幹上に分岐配置された複
数個の光センシング部からなる光センシング系統７と、
前記各光センシング部で変調されたパルス光を送信する
光ファイバ復路基幹10と、この光ファイバ復路基幹から
の各パルス信号光を分波し、時系列データとして処理す
る光検出部系統８とからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多点の状態を監視する
多次元計測システムに係り、特に複数のセンシング対象
を同一の計測点で同時に監視する光ファイバ多次元監視
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より光ファイバを用いた多点監視シ
ステムとしては、光パルス反射を利用した光反射パルス
法（以下、ＯＴＤＲ法と呼ぶ）が一般的である。このＯ
ＴＤＲ法を用いた従来の多点監視装置を図８のブロック
構成図に示す。

【０００３】パルス光源１に光分岐器２を介して接続し
た光ファイバライン３の途中に、複数の光センサ４ａ〜
４ｎを適宜の間隔を隔てて設置すると共に、各光センサ
４ａ〜４ｎからの位置情報とセンシング情報を同時に、
光ファイバライン３に介挿した光分岐器２より分岐して
光検出部および信号処理部５において計測するものであ
る。

【０００４】前記各光センサ４ａ〜４ｎからの位置情報
は、信号光の［パルス光源１〜各光センサ４ａ〜４ｎ〜
光検出部５］間の光路長の差による時間情報から求めら
れる。一方センシング情報は、光センサ４ａ〜４ｎにお
ける測定対象による光の増減量の変化より求められる。
さらに、このＯＴＤＲ法による多点監視装置は、光ファ
イバライン３および光センサ４ａ〜４ｎにおいては電源
等を必要とせず、また電磁誘導の影響を受け難いという
優れた特長を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記ＯＴＤＲ法による
光多点計測装置では、検出信号に光学部品でのフレネル
反射が含まれるため、正確なセンシング量を測定するこ
とができ難いという支障があった。また、測定対象が限
定されており、パルス光源１からの信号光が単一波長の
ために、多数の物理量を同一の計測点で同時に測定する
ことができないという問題があった。

【０００６】さらに、光検出部５で測定される光信号
は、パルス光源１および光検出部５から遠ざかるほど減
衰することから、測定値の補正を行わねばならず、した
がって、光検出部および信号処理部５の機構が複雑とな
る欠点があった。

【０００７】本発明の目的とするところは、異なる波長
の複数のパルス光源と検出部を備えて、多数の物理量を
同時に測定できる光ファイバ多次元監視装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る光ファイバ多次元監視装置は、異なる波長のパルス光
を出射する複数個の光源とこの光源を駆動するパルス駆
動装置と各光源からのパルス光を合波する光合波器とか
らなる光源系統と、合波されたパルス光を送信する光フ
ァイバ往路基幹と、この光ファイバ往路基幹上に分岐配
置された複数個の光センシング部からなる光センシング
系統と、前記各センシング部で変調されたパルス光を送
信する光ファイバ復路基幹と、この光ファイバ復路基幹
からのパルス信号光を分波する光分波器と各波長の信号
パルス光に対応した複数個の光検出器と各光検出器から
の時系列データを処理するデータ処理装置からなる光検
出部系統とからなることを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記光ファイバ往路基幹上に分岐配置さ
れた複数個のセンシング部が、異なるセンシング対象の
監視および計測をする光センサとパルス光を前記光ファ
イバ往路基幹から各光センサに分岐する光分岐器および
各光センサで変調と透過してきたパルス光を光ファイバ
復路基幹に送信する光結合器とを備えたことを特徴とす
る。

【００１０】請求項３記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記各センシング部に接続された光分岐
器および光結合部において、ｎ−１番目とｎ番目のセン
シング部間の光ファイバ往路基幹と光分岐器を合わせた
往路側の透過率をＬ_n 、光ファイバ復路基幹と光結合器
を合わせた復路側の透過率をＭ_n とし、ｎ番目の光分岐
器のセンシング部方向および往路伝播方向への分岐比を
１：ｒ_n としたときに、復路側の光結合装置の透過比が
１：０．８〜１：１．２の範囲にあり、かつ往路側の光
分岐器の分岐比がＬ_n ・Ｍ_n ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n ＋１）＝
０．８〜１．２なる関係式に決定されることを特徴とす
る。

【００１１】請求項４記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、異なる波長のパルス光を出射する複数個
の光源とこの光源を駆動するパルス駆動装置と各光源か
らのパルス光を光ファイバを介して合波する光結合器と
からなる光源系統と、光源系統からの合波されたパルス
光を送り出すと共に戻り光を分岐する光分岐装置と、送
信パルス光を伝送すると共に戻りパルス光を伝送する１
ラインの光ファイバ基幹と、この光ファイバ基幹に分岐
配置された複数個の光センシング部と、前記光分岐装置
から分岐された戻り光信号を分波する光分波器と各波長
のパルス信号光に対応した複数個の光検出器と各光検出
器からの時系列データを処理するデータ処理装置からな
る光検出部系統とからなることを特徴とする。

【００１２】請求項５記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記１ラインの光ファイバ基幹上に分岐
配置された複数個のセンシング部が、パルス光を各光セ
ンサに分岐すると共に変調パルス光を光ファイバ基幹に
戻す光分岐器および異なるセンシング対象の監視および
計測をする光センサとを備えたことを特徴とする。

【００１３】請求項６記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記各センシング部に接続された光分岐
器において、ｎ−１番目とｎ番目のセンシング部間の光
ファイバ基幹と光分岐器を合わせた透過率をＬ_n 、ｎ番
目の光分岐器のセンシング部方向および往路伝播方向へ
の分岐比を１：ｒ_n としたときに光分岐器の分岐比がＬ
_n ² ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n ＋１）＝０．８〜１．２、または
Ｌ_n ² ・ｒ_n-1 ² ／（ｒ_n ＋１）² ＝０．８〜１．２な
る関係式に決定されることを特徴とする。

【００１４】請求項７記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記光センサからの出力光強度の調整が
可能な光可変減衰器を各光センシング部に設けたことを
特徴とする。

【００１５】請求項８記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記光ファイバ往路基幹および光ファイ
バ復路基幹または光ファイバ基幹において伝送信号を増
幅する光増幅器を設けたことを特徴とする。

【００１６】請求項９記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記光検出部系統で測定される時系デー
タに含まれるパルス列の時間間隔のばらつきを補正する
光遅延装置をセンシング部または光ファイバ基幹に設け
たことを特徴とする。

【００１７】請求項10記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記光信号伝送用の光ファイバ往路基幹
と光ファイバ復路基幹または光ファイバ基幹を複数の単
体光ファイバで構成したことを特徴とする。

【００１８】請求項11記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記光検出部系統において、光検出器の
前段に特定の波長のみを通過させる光バンドパスフィル
タを設けたことを特徴とする。

【００１９】請求項12記載の発明に係る光ファイバ多次
元監視装置は、前記センシング部に設けた光センサが、
異なる波長のパルス光を合波した信号光を分波する光分
波器と各波長に対応すると共に計測監視対象の数に合わ
せて設けられた複数個の光センサとこの各光センサの出
力信号光を結合させる光結合器とからなる多次元光セン
サ装置としたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】請求項１記載の発明は、光源系統は監視対象数
に合わせた異なる波長の信号パルス光を合波し、光ファ
イバ往路基幹を経由して複数個の光センシング部に送信
する。各光センシング部では信号パルス光を分岐し、そ
の位置における計測情報で変調した上で結合して光ファ
イバ復路基幹を経由してパルスの時系列データとして光
検出部系統に戻す。

【００２１】光検出部系統では、時系列データから到着
時間差から光路長の違いによるセンサ部の位置情報を、
また、変調の度合いによりセンシング情報が得られるの
で多点での多次元情報を計測する。

【００２２】請求項２記載の発明は、センシング部にお
いて光ファイバ往路基幹から光分岐器により所定の信号
パルス光を分岐入力し、光センサを透過することによ
り、その位置における計測情報により変調される。この
変調された信号パルス光は、光結合器により再結合して
光ファイバ復路基幹を経由してパルスの時系列データと
して光検出部系統に伝達される。

【００２３】請求項３記載の発明は、長距離で多点計測
の場合に、センシング部等の光学素子間の接続損失と、
光ファイバ往路基幹および光ファイバ復路基幹等の透過
損失のためにパルス光が減衰して、各光センサからのパ
ルス強度にばらつきが生じて、得られる時系列データの
均一性が失われる。しかし、各センシング部に取付けら
れた光分岐器、または光結合器の分岐比を調整すること
で、各センシング部からのパルス光強度が均一化させ
て、光検出部系統における信号処理が容易となる。

【００２４】請求項４記載の発明は、光源系統からの合
波された異なる波長の信号パルス光は、光分岐装置を介
して１ラインの光ファイバ基幹を経由して送信される。
この信号パルス光は複数個の光センシング部において分
岐し、その位置における計測情報で変調した上で結合し
て再び光ファイバ基幹を経由してパルスの時系列データ
として光検出部系統に戻される。

【００２５】光検出部系統では、時系列データから到着
時間差から光路長の違いによるセンサ部の位置情報を、
また、変調の度合いによりセンシング情報が得て多点で
の多次元情報を計測する。

【００２６】請求項５記載の発明は、センシング部にお
いて１ラインの光ファイバ基幹から光分岐器により所定
の信号パルス光を分岐入力し、光センサを透過すること
により、その位置における計測情報により変調される。
この変調された信号パルス光は、再び光分岐器により再
結合して光ファイバ基幹を経由してパルスの時系列デー
タとして光検出部系統に伝達される。

【００２７】請求項６記載の発明は、長距離で多点計測
の場合に、センシング部等の光学素子間の接続損失、お
よび光ファイバ基幹等の透過損失のためにパルス光が減
衰して、各光センサからのパルス強度にばらつきが生じ
て、得られる時系列データの均一性が失われる。しか
し、各センシング部に取付けられた光分岐器の分岐比を
調整することで、各センシング部からのパルス光強度が
均一化させて、光検出部系統における信号処理が容易と
なる。

【００２８】請求項７記載の発明は、各センシング部の
入力側または出力側に設けた光可変減衰器により、セン
シング部からの出力光信号の微調節をすることにより、
各センシング部からのパルス光強度をさらに均一化する
ことができる。

【００２９】請求項８記載の発明は、光ファイバ往路基
幹および光ファイバ復路基幹または光ファイバ基幹に挿
入した光増幅器で信号光を増強することにより、光源系
統および光検出部系統と各センシング部との距離が長い
場合や、計測点が多いの場合にも相互間の接続損失によ
る信号光の減衰を適正に維持することができる。また、
光源系統および光検出部系統と、各センシング部との距
離を延長したり、計測点を増加させることができる。

【００３０】請求項９記載の発明は、時系データに含ま
れるパルス列の時間間隔のばらつきを補正する光遅延装
置を設けて、各測定点からのパルス光を等しい時間間隔
とすることにより、測定された時系列データ中のパルス
間隔のばらつきがなくなり、光検出部系統における信号
処理が容易となる。

【００３１】請求項10記載の発明は、光ファイバ往路基
幹および光ファイバ復路基幹または光ファイバ基幹にお
いて、伝達損失が低減するので伝送する信号光の光強度
が高く、Ｓ／Ｎ特性が向上すると共に、測定点数を増大
させることができる。また１本の単位光ファイバに欠陥
が生じても、計測機能に影響を与えず、出力強度の変化
を調査することにより断線点の検出もできる。

【００３２】請求項11記載の発明は、光検出器の前段に
波長弁別用の光バンドパスフィルタを挿入したことによ
り、他の波長の信号光からの影響が低減されるのでＳ／
Ｎが向上する。請求項12記載の発明は、センシング部に
設けた光センサを多次元光センサ装置にすると、光ファ
イバ往路基幹および光ファイバ復路基幹または光ファイ
バ基幹上の複数の測定点で、それぞれ複数の監視対象に
対して同時に監視と計測をすることができる。

【００３３】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。なお、上記した従来技術と同じ構成部分には同一符
号を付して詳細な説明は省略する。第１実施例は、図１
の系統構成図を示すように大きくは光源系統６とセンシ
ング系統７、光検出部系統８および光ファイバの往路基
幹９、光ファイバの復路基幹10とで構成されている。

【００３４】光源系統６は、波長の異なるパルス光を発
生する複数個のパルス光源11ａ〜11ｎと、このパルス光
源11ａ〜11ｎを駆動する駆動装置12、およびパルス光を
合波すると共に往路基幹９に送信する方向性の光合波器
13で構成され、パルス光源11ａ〜11ｎは監視対象数に合
わせた数だけ設けられている。

【００３５】センシング系統７は、往路基幹９と復路基
幹10との間の各計測点に並列配置された複数のセンシン
グ部Ｓ₁ 〜Ｓ_N により構成されている。なお、各センシ
ング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N は、異なる対象を監視または計測する
光センサ14と、往路基幹９から各光センサ14に信号光を
分岐する光分岐器15を設けている。

【００３６】さらに、各光センサ14で変調されてきた透
過信号光を光ファイバの復路基幹10に送信する方向性の
光結合器16と、光信号の時間遅れを生じさせる光遅延装
置17、および出力光強度を調整する光可変減衰器18で構
成されている。また、センシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N の間に
は、必要に応じて光増幅器19が往路基幹９および復路基
幹10に介挿される。

【００３７】光検出部系統８は、入力したパルス光を分
波する光分波器20と、各波長に対応した光バンドパスフ
ィルタ21ａ〜21ｎと、各波長に対応した感度を有すると
共に光信号を電気信号に変換する光検出器22ａ〜22ｎ
と、この各光検出器22ａ〜22ｎからの時系列データを処
理するデータ処理装置23から構成されている。

【００３８】ここでは、光検出器22ａ〜22ｎの前段に、
波長弁別が可能な光バンドパスフィルタ21ａ〜21ｎを挿
入することにより、異なる波長の信号光の影響が低減さ
れて信号対ノイズ比であるＳ／Ｎが向上する。また、前
記光源系統６におけるパルス光源の駆動装置12、および
各パルス光源11ａ〜11ｎは、光検出部系統８のデータ処
理装置23と同期信号ライン24で結ばれている。

【００３９】次に、上記構成による作用について説明す
る。光源系統６内のパルス光源11ａ〜11ｎから、それぞ
れ異なる波長のパルス光が出射され、方向性の光合波器
13で合波されて、光ファイバ往路基幹９へ伝播される。

【００４０】この往路基幹９を伝播するパルス光は、並
列配置されたセンシング系統７における各センシング部
Ｓ₁ 〜Ｓ_N の光分岐器15にて分岐され、各光センサ14を
通過して、再び光結合器16により光ファイバ復路基幹10
に送信される。各光センサ14を通過して光ファイバ復路
基幹10に送信されたパルス光は、光検出部系統８の光分
波器20で分波され、各波長に対応する光検出器22ａ〜22
ｎで受光される。なお、この時に光パルス駆動装置12か
ら同期信号ライン24を介して、光検出部系統８に同期信
号が送られる。

【００４１】光検出器22ａ〜22ｎで測定される光信号
は、各光センサ14を通過してきたパルス光が混じった時
系列データである。ここで、パルス光源11ａ〜11ｎから
出射され、各光センサ14を通過して光検出器22ａ〜22ｎ
に到着するまでのパルス光の伝播時間は、その光路長を
伝播速度で除した値となる。したがって、この伝播時間
からセンシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N の位置が同定できる。ま
た、パルス光の変調の度合いから、センシング情報を得
ることもできる。

【００４２】図２の特性図は、本実施例の１つの光検出
器22ａで計測される時系列データの例を示す。ここで
は、６箇所のセンシング部Ｓ₁ 〜Ｓ₆ に対応した信号パ
ルスが表示されており、それぞれのパルス間隔が不均一
であることと、光検出器22ａからの時間経過で遠ざかる
に伴い、光出力強度のパルス強度が減衰していることが
わかる。

【００４３】また、往路基幹９および復路基幹10の光フ
ァイバの長距離化や多点計測化においては、光学素子で
の接続損失や透過損失のために信号光が減衰して、計測
可能な測定点数が制限されてしまう。したがって、光フ
ァイバ往路基幹９および復路基幹10における、適宜の場
所に光増幅器19を介挿することにより、減衰した信号光
が増強されるので、長距離化や測定点数を増加させるこ
とができる。なお、光増幅器19としては、一般に光ファ
イバ増幅器等が挙げられる。

【００４４】第２実施例は、図３の系統構成図に示すよ
うに、光源系統６とセンシング系統25、光検出部系統26
と光ファイバ基幹27、および光分岐装置28により構成さ
れている。光源系統６は、波長の異なるパルス光を発生
する複数個のパルス光源11ａ〜11ｎと、このパルス光源
11ａ〜11ｎを駆動するパルス駆動装置12と、パルス光を
合波すると共に、これを光ファイバ基幹27に送信する方
向性の光合波器13で構成され、パルス光源11ａ〜11ｎは
監視対象数に合わせて設けられている。

【００４５】センシング系統25は、光ファイバ基幹27の
各計測点に分岐配置された複数のセンシング部Ｓ_a1〜Ｓ
_aNにより構成されている。この各センシング部Ｓ_a1〜Ｓ
_aNは、異なるセンシング対象を監視または計測する光セ
ンサ14と、光ファイバ基幹27から光センサ14に信号光を
分岐すると共に、光センサ14で変調された信号光を再び
光ファイバ基幹27に戻す光分岐器29と、出力光強度を調
整する光可変減衰器18とで形成されている。

【００４６】光検出部系統26は、入力されたパルス光を
分波する光分波器20と、各波長に対応した光バンドパス
フィルタ21ａ〜21ｎと、各波長に対応した感度を有する
と共に光信号を電気信号に変換する光検出器22ａ〜22ｎ
と、各光検出器22ａ〜22ｎからの時系列データを処理す
るデータ処理装置30から形成されている。

【００４７】ここでは、光検出器22ａ〜22ｎの前に波長
弁別可能な光バンドパスフィルタ21ａ〜21ｎを挿入する
ことにより、異なる波長の信号光の影響が低減されてＳ
／Ｎが向上する。また光ファイバ基幹27には、各光セン
シング部Ｓ_a1〜Ｓ_aNから戻っくる信号光を分岐して光検
出部系統26に送信する光分岐装置28と、光信号の時間遅
れを生じさせる光遅延装置17を介挿して構成している。

【００４８】次に、上記構成による作用について説明す
る。光源系統６内のパルス光源11ａ〜11ｎからそれぞれ
異なる波長のパルス光が出射され、方向性の光合波器13
で合波されてから、光分岐装置28を介して一本の光ファ
イバ基幹27へ伝播される。このパルス光は光分岐装置28
からセンシング部系統25に送信される。

【００４９】各センシング部Ｓ_a1〜Ｓ_aNでは、信号光が
光分岐器29により分岐されて、分岐光の一部が各光セン
サ14に送られる。光センサ14で変調された信号光は再び
光分岐器29により光ファイバ基幹27に戻され、光ファイ
バ基幹27の光分岐装置28を介して光検出部系統26に到達
する。

【００５０】光検出部系統26では、信号光はまず光分波
器20で分波されて、各波長に対応する光検出器22ａ〜22
ｎで受光される。なお、この時に光パルス駆動装置12か
らは同期信号ライン24を介して光検出部系統26に同期信
号が送られる。光検出器22ａ〜22ｎで測定される光信号
は、各センシング部Ｓ_a1〜Ｓ_aNからのパルス光が混じっ
た時系列データである。

【００５１】ここで光パルスが入射されてから、各光セ
ンサ14を経由し、光検出器22ａ〜22ｎに到達するまでの
伝播時間は、その光路長を伝播速度で除した値となり、
したがって、この伝播時間からセンシング部Ｓ_a1〜Ｓ_aN
の位置が同定できる。また、パルス光の変調の度合いか
らセンシング情報を得ることができる。なお、本装置で
計測されるデータも上記図２に示される測定例と同様な
時系列データとして得られる。

【００５２】第３実施例は、上記第１実施例に適用する
場合で、光信号は各センシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N の光分岐器
15および光結合器16を通過する際の透過損失と、光ファ
イバ基幹９，10での透過損失のために、パルス光源11ａ
〜11ｎおよび光検出器22ａ〜22ｎから遠い光センサ14を
通過する光パルスほど光強度の減衰が大きくなる。

【００５３】たとえば、センシング部Ｓ₁ とＳ₁₀₀ との
光パルスの強度比は−60ｄＢとなる。したがって、光検
出部系統８の光検出器22ａ〜22ｎとしては測定レンジの
広いものが必要とされる。そこで、光分岐器15および光
結合器16の分岐比を調節して、光検出器22ａ〜22ｎで検
出される各光センサ14からの光パルス強度を均一化させ
る。

【００５４】図１に示す各センシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N に接
続された光分岐器15および光結合器16において、図４の
ブロック構成図に示すように、隣り合ったセンシング部
（Ｓ_n-1 〜Ｓ_N ）間の往路側光ファイバ９と光分岐器15
を合わせた透過率をＬ_n とする。また、復路側光ファイ
バ10と光結合器16を合わせた透過損失をＭ_n 、ｎ番目の
光分岐器15のセンシング部Ｓ_n 方向、および往路伝播方
向への分岐比を１：ｒ_n、復路側の光結合器16の透過比
を１：Ａ_n とする。

【００５５】次いで図４に示すように、ｎ−１番目の光
分岐器15_n-1 への入力で、点Ａにおける光入力強度をＰ
としたときに、ｎ−１番目およびｎ番目のセンシング部
（Ｓ_n-1 ，Ｓ_n ）を通過して、ｎ−１番目の光結合器16
_n-1 を通過した点Ｂでの光強度Ｐ_n-1 およびＰ_n は、次
の式 (1)および式 (2)で得られる。

【００５６】Ｐ_n-1 ＝Ｐ・Ｌ_n-1 ／（ｒ_n-1 ＋１）・Ｍ
_n-1 ・Ａ_n-1 …(1) Ｐ_n ＝Ｐ・Ｌ_n-1 ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n-1 ＋１）・Ｌ_n ／
（ｒ_n ＋１）・Ｍ_n ・Ｍ_n-1 …(2)

【００５７】ここで各センシング部（Ｓ_n-1 、Ｓ_n ）か
らの光パルス強度のばらつきを均一にするためには、Ｐ
_n-1 ＝Ｐ_n とする必要がある。この場合に、往路側の光
分岐器15の分岐比は次の式 (3)で決定される。

【００５８】 Ｌ_n ・Ｍ_n ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n ＋１）＝Ａ_n-1 …(3)

【００５９】なお、一般に知られている光ファイバと光
学機器（半導体レーザ等）の接続精度は±10％程度であ
る（参考文献、ＩＳＤＮ時代の光ファイバ技術：理工学
社／pp．6-15／1989.6，光製品総合カタログ1993−199
4：オプトロニクス社／pp．220 ／1993.7）。

【００６０】これから、本実施例のようにセンシング部
Ｓ₁ 〜Ｓ_N で２端接続する場合の変動幅は±20％程度と
なる。したがって、この変動幅に対して光結合器16の透
過比Ａ_n を１：０．８〜１：１．２の範囲で設定するこ
とにより、均一な光パルス列を出力できる。

【００６１】さらに、全てのセンシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N で
の接続変動幅がゼロの場合に、光結合器16の結合比を
１：１とすることにより、均一なピーク強度を有するパ
ルス列が得られる。また、最終段から一つ前のセンシン
グ部（Ｓ_N-1 ）における光分岐器15_n-1 の分岐比を１：
１とすることにより、全センシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N からの
光パルス強度を均一化させて信号処理が容易となる。

【００６２】第４実施例は、上記第２実施例に適用する
場合で、図３に示すように各センシング部Ｓ_a1〜Ｓ_aNに
接続された光分岐器29において、隣り合ったセンシング
部（Ｓ_aN-1〜Ｓ_aN）間の光ファイバ基幹27と光分岐器29
を合わせた透過率をＬ_n とする。また、ｎ番目の光分岐
器29のセンシング部方向および往路伝播方向への分岐比
を１：ｒ_n としたときに、光分岐器29の分岐比は、次ぎ
に示す関係により決定される。

【００６３】（ａ）光分岐器29が光導波路型の場合、光
分岐器29におけるセンシング部からの戻り光の透過比を
１：Ａ_n 、ｎ−１番目の光分岐器29への入力光強度をＰ
としたときに、ｎ−１番目およびｎ番目からｎ−１番目
の光分岐器29への戻り光強度Ｐ_n-1 およびＰ_n は、次の
式 (4)，(5) で示される。

【００６４】Ｐ_n-1 ＝Ｐ・Ｌ_n-1 ／（ｒ_n-1 ＋１）・Ｌ
_n-1 ・Ａ_n-1 …(4) Ｐ_n ＝Ｐ・Ｌ_n-1 ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n-1 ＋１）・Ｌ_n ／
（ｒ_n ＋１）・Ｌ_n ・Ｌ_n-1 …(5)

【００６５】パルス光強度を均一にするために出力強度
をＰ_n-1 ＝Ｐ_n とすると、次の式(6) が得られる。

【００６６】 Ｌ_n ² ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n ＋１）＝Ａ_n-1 …(6)

【００６７】（ｂ）光分岐器29がハーフミラー型の場
合、光分岐器29におけるセンシング部からの戻り光の透
過比を１：Ｂ_n 、ｎ−１番目の光分岐器29への入力光強
度をＰとしたときに、ｎ−１番目およびｎ番目からｎ−
１番目の光分岐器29への戻り光強度Ｐ_n-1 およびＰ
_n は、次の式 (7)，(8) のようになる。

【００６８】Ｐ_n-1 ＝Ｐ・Ｌ_n-1 ／（ｒ_n-1 ＋１）²・
Ｌ_n-1 ・Ｂ_n-1 …(7) Ｐ_n ＝Ｐ・Ｌ_n-1 ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n-1 ＋１）・Ｌ_n ／
（ｒ_n ＋１）² ・Ｌ_n ² ・Ｌ_n-1 …(8)

【００６９】パルス光強度を均一にするために出力強度
をＰ_n-1 ＝Ｐ_n とすると、次の式(9) が得られる。

【００７０】 Ｌ_n ² ・ｒ_n-1 ² ／（ｒ_n ＋１）² ＝Ｂ_n-1 …(9)

【００７１】上述したように、光ファイバと光学機器
（半導体レーザ等）の接続精度は±10％程度であり、各
センシング部Ｓ_a1〜Ｓ_aNを出入りする場合の変動幅も±
20％程度となる。したがって、この変動幅に対して光分
岐器29における光結合の透過比Ａ_n ，Ｂ_n を１：０．８
〜１．２の範囲で設定することにより、均一な光パルス
列を出力できる。

【００７２】さらに、全てのセンシング部での接続変動
幅がゼロの場合、光分岐器29における光の結合比を１：
１とすることにより、均一な強度を有するパルス列が得
られる。また、最終段から一つ前のセンシング部Ｓ_aN-1
における光分岐器22の分岐比を１：１とすることによ
り、全センシング部からの強度を一様にできる。

【００７３】上記から前記第３実施例および第４実施例
に対して、光検出器22ａ〜22ｎで計測されるデータは共
に図５の特性図の通りとなるが、各センシング部Ｓ₁ 〜
Ｓ_Nにおいて未変調の場合は、図５（ａ）に示したよう
に一定のピーク強度を有する等間隔のパルス列となる。
また、一部のセンシング部Ｓ₃ ，Ｓ₄ …Ｓ_n ，Ｓ_n+1 で
変調の場合には、光検出器で得られる時系列データが図
５（ｂ）に示すように、一部のパルス強度が変調された
等間隔のデータが得られる。

【００７４】第５実施例は、上記第１実施例および第２
実施例の図１および図３に示すように、測定パルス強度
の均一化を向上させるために、個々の光センサ14の入力
または、出力側に可変減衰装置18を設置して、パルス光
強度を調整することにより出力光をさらに安定化させる
ことができる。

【００７５】第６実施例は、上記図１および図３におい
て、各センシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N の配置されている測定点
間の距離が一様でない場合には、測定されるパルス信号
の時系列データは、図２に示しているようにパルス間隔
にばらつきが生じることから、測定点の同定や信号処理
が複雑となる。

【００７６】しかしながら、この対策として各光センサ
14の前後、または光ファイバ基幹９，10，27に光遅延装
置17を介挿する。これにより、上記図５に示されている
ような等間隔のパルス列データとして得られることか
ら、信号処理が容易となる。

【００７７】第７実施例は、各センシング部Ｓ₁ 〜Ｓ_N
と共に光源系統６および光検出部８等を結合する光ファ
イバ基幹に係り、上記光ファイバ往路基幹９，光ファイ
バ復路基幹10，光ファイバ基幹27等を、図６の斜視図に
示すように単体光ファイバ31を複数本束ねて光ファイバ
基幹32を構成している。

【００７８】このように複数の光ファイバ31により同一
信号光を送達することにより、信号光を増強でき、Ｓ／
Ｎが向上すると共に、測定点数を増加させることができ
る。さらに、若しも単体光ファイバ31の一部に断線等の
欠陥が生じた場合においても、他の健全な単体光ファイ
バ31により計測が継続できるので、信頼性が高く、ま
た、出力強度の変化から断線点の追跡も容易に行える。

【００７９】第８実施例は、多次元光センサ装置に係
り、図７のブロック構成図に示すように、センシング部
Ｓ₁ 〜Ｓ_N に設ける光センサが、光ファイバ接続部33に
よる光分波器34と、光結合器35の間に複数種類の光セン
サ36ａ〜36ｎを接続して構成した多次元光センサ装置37
である。

【００８０】この多次元光センサ装置37を採用すること
により、入力光は光分波器34により各々の光センサ36ａ
〜36ｎに導かれて、再び光結合器35において結合される
から、一つの計測点において多数の監視対象を同時に監
視することができる。したがって、この多次元光センサ
装置37を第１実施例および第２実施例に備えることによ
り、複数の測定点で、多数の監視対象を同時に監視する
ことができる。

【００８１】

【発明の効果】以上本発明によれば、異なる波長のパル
ス光源および光検出器を測定対象（物理量）数に合わせ
て配設することにより、光学部品の接続部に発生するフ
レネル反射の影響を避けることができると共に、センシ
ング情報と位置情報を同時に得ることができ、多数の物
理量を同一点で同時に計測できる。

【００８２】また、光信号伝送によるものであることか
ら、電気信号伝送に比較して、周辺電磁気の影響を受け
難く、また化学的腐食雰囲気に強く、伝送に要する空間
が小さいことと損失も小さいため、伝送路途中に電源や
電子回路装置等を必要とせず、簡素であることから故障
が少なく、低コストでコンパクトに構築できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例の多次元監視装置の系
統構成図。

【図２】本発明に係る第１実施例の時系列データ特性
図。

【図３】本発明に係る第２実施例の多次元監視装置の系
統構成図。

【図４】本発明に係る第３実施例のブロック構成図。

【図５】本発明に係る第３実施例および第４実施例の時
系列データ特性図。

【図６】本発明に係る第７実施例の光ファイバ基幹の斜
視図。

【図７】本発明に係る第８実施例の多次元光センサ装置
のブロック図。

【図８】従来の多点監視装置の系統構成図。

【符号の説明】

１，11ａ〜11ｎ…パルス光源、２，15，15_n-1 〜15_n ，
29，34…光分岐器、３…光ファイバライン、４ａ〜４
ｎ，14，36ａ〜36ｎ…光センサ、５…光検出部および信
号処理部、６…光源系統、７，25…センシング系統、
８，26…光検出部系統、９…光ファイバ往路基幹、10…
光ファイバ復路基幹、12…パルス光源の駆動装置、13…
方向性の合波器、16，16_n-1 〜16_n ，35…光結合器、17
…光遅延装置、18…光可変減衰器、19…光増幅器、20，
34…光分波器、21ａ〜21ｎ…光バンドパスフィルタ、22
ａ〜22ｎ…光検出器、23，30…データ処理装置、24…同
期信号ライン、27，32…光ファイバ基幹、28…光分岐装
置、31…単体光ファイバ、33…光ファイバ接続部、37…
多次元光センサ装置、Ｓ₁ 〜Ｓ_N ，Ｓ_a1〜Ｓ_aN…センシ
ング部。

フロントページの続き (72)発明者 上原 明雄 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 波平 英夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる波長のパルス光を出射する複数個
   の光源とこの光源を駆動するパルス駆動装置と各光源か
   らのパルス光を合波する光合波器とからなる光源系統
   と、合波されたパルス光を送信する光ファイバ往路基幹
   と、この光ファイバ往路基幹上に分岐配置された複数個
   の光センシング部からなる光センシング系統と、前記各
   センシング部で変調されたパルス光を送信する光ファイ
   バ復路基幹と、この光ファイバ復路基幹からのパルス信
   号光を分波する光分波器と各波長の信号パルス光に対応
   した複数個の光検出器と各光検出器からの時系列データ
   を処理するデータ処理装置からなる光検出部系統とから
   なることを特徴とする光ファイバ多次元監視装置。
2. 【請求項２】 前記光ファイバ往路基幹上に分岐配置さ
   れた複数個のセンシング部が、異なるセンシング対象の
   監視および計測をする光センサとパルス光を前記光ファ
   イバ往路基幹から各光センサに分岐する光分岐器および
   各光センサで変調と透過してきたパルス光を光ファイバ
   復路基幹に送信する光結合器とを備えたことを特徴とす
   る請求項１記載の光ファイバ多次元監視装置。
3. 【請求項３】 前記各センシング部に接続された光分岐
   器および光結合部において、ｎ−１番目とｎ番目のセン
   シング部間の光ファイバ往路基幹と光分岐器を合わせた
   往路側の透過率をＬ_n 、光ファイバ復路基幹と光結合器
   を合わせた復路側の透過率をＭ_n とし、ｎ番目の光分岐
   器のセンシング部方向および往路伝播方向への分岐比を
   １：ｒ_n としたときに、復路側の光結合装置の透過比が
   １：０．８〜１：１．２の範囲にあり、かつ往路側の光
   分岐器の分岐比がＬ_n ・Ｍ_n ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n ＋１）＝
   ０．８〜１．２なる関係式に決定されることを特徴とす
   る請求項１および請求項２記載の光ファイバ多次元監視
   装置。
4. 【請求項４】 異なる波長のパルス光を出射する複数個
   の光源とこの光源を駆動するパルス駆動装置と各光源か
   らのパルス光を光ファイバを介して合波する光結合器と
   からなる光源系統と、光源系統からの合波されたパルス
   光を送り出すと共に戻り光を分岐する光分岐装置と、送
   信パルス光を伝送すると共に戻りパルス光を伝送する１
   ラインの光ファイバ基幹と、この光ファイバ基幹に分岐
   配置された複数個の光センシング部と、前記光分岐装置
   から分岐された戻り光信号を分波する光分波器と各波長
   のパルス信号光に対応した複数個の光検出器と各光検出
   器からの時系列データを処理するデータ処理装置からな
   る光検出部系統とからなることを特徴とする光ファイバ
   多次元監視装置。
5. 【請求項５】 前記１ラインの光ファイバ基幹上に分岐
   配置された複数個のセンシング部が、パルス光を各光セ
   ンサに分岐すると共に変調パルス光を光ファイバ基幹に
   戻す光分岐器および異なるセンシング対象の監視および
   計測をする光センサとを備えたことを特徴とする請求項
   ４記載の光ファイバ多次元監視装置。
6. 【請求項６】 前記各センシング部に接続された光分岐
   器において、ｎ−１番目とｎ番目のセンシング部間の光
   ファイバ基幹と光分岐器を合わせた透過率をＬ_n 、ｎ番
   目の光分岐器のセンシング部方向および往路伝播方向へ
   の分岐比を１：ｒ_n としたときに光分岐器の分岐比がＬ
   _n ² ・ｒ_n-1 ／（ｒ_n ＋１）＝０．８〜１．２、または
   Ｌ_n ² ・ｒ_n-1 ² ／（ｒ_n ＋１）² ＝０．８〜１．２な
   る関係式に決定されることを特徴とする請求項４および
   請求項５記載の光ファイバ多次元監視装置。
7. 【請求項７】 前記光センサからの出力光強度の調整が
   可能な光可変減衰器を各光センシング部に設けたことを
   特徴とする請求項１乃至請求項６記載の光ファイバ多次
   元監視装置。
8. 【請求項８】 前記光ファイバ往路基幹および光ファイ
   バ復路基幹または光ファイバ基幹において伝送信号を増
   幅する光増幅器を設けたことを特徴とする請求項１乃至
   請求項７記載の光ファイバ多次元監視装置。
9. 【請求項９】 前記光検出部系統で測定される時系デー
   タに含まれるパルス列の時間間隔のばらつきを補正する
   光遅延装置をセンシング部または光ファイバ基幹に設け
   たことを特徴とする請求項１乃至請求項８記載の光ファ
   イバ多次元監視装置。
10. 【請求項１０】 前記光信号伝送用の光ファイバ往路基
    幹と光ファイバ復路基幹または光ファイバ基幹を複数の
    単体光ファイバで構成したことを特徴とする請求項１乃
    至請求項１０記載の光ファイバ多次元監視装置。
11. 【請求項１１】 前記光検出部系統において、光検出器
    の前段に特定の波長のみを通過させる光バンドパスフィ
    ルタを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０
    記載の光ファイバ多次元監視装置。
12. 【請求項１２】 前記センシング部に設けた光センサ
    が、異なる波長のパルス光を合波した信号光を分波する
    光分波器と各波長に対応すると共に計測監視対象の数に
    合わせて設けられた複数個の光センサとこの各光センサ
    の出力信号光を結合させる光結合器とからなる多次元光
    センサ装置としたことを特徴とする請求項１乃至請求項
    １１記載の光ファイバ多次元監視装置。