JPWO2011033649A1 - 複数のセンシング領域を有する分布型光ファイバーセンサー装置 - Google Patents
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Abstract
（要約）（課題）これまで土木・建築構造体のモニタリングに関して、単点センシング技術と分布型センシング技術とが用いられてきたが、それぞれに欠点を有していた。（解決手段）本発明は、これら課題を解決するために、歪みセンシング領域を通過したパルス列を選択的に選択しうる反射器を用いて分布型センシング領域を所要数に分割することにより単点センシング技術及び分布型センシング技術の利点を組み合わせ、各センサー間の計測値の変化を見逃すことなく、測定時間も短く、更に空間分解能に優れた光ファイバーセンサー装置を提供することを目的とする。（選択図）図１
Description
本発明は、多点センシング技術及び分布型センシング技術の利点を兼ね備えた複数のセンシング領域を有する分布型光ファイバーセンサー装置に関する。
土木・建築構造体の損傷及び環境や災害の予兆をモニタリングし、耐用年数期間中の構造体の劣化や地質の変動を知ることは極めて重要である。現在は、歪みゲージ又はサーモカプラのような電気センサー或いは光学センサーを構造体の数カ所に並列配置する手法が用いられている。特にこれまで電磁的ノイズの影響を受けず遠隔監視可能な光ファイバーセンサーは、土木・建築構造体や広域の地質変動のモニタリングに関して優れた性能を発揮してきた。このようなセンシング技術の分野としては、単点センシング技術と分布型センシング技術とに分けられる。単点センシング技術は、単点センサーを多くの場所に各々配置し、単点計測を逐次行う技術である。他方、分布型センシング技術は数メートル以上のファイバーリンクに沿ったあらゆる箇所の変動を計測する技術である。
一般的な単点センシング技術は、光ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）と（特許文献１参照）、外部ファブリー・ペロー型干渉計（ＥＦＰＩ）を用いたものが挙げられる。 これら技術は、広帯域光源からの光信号が、信号線である光ファイバー伝送線路に沿って単点ＦＢＧセンサ或いはＥＦＰＩに届くと、ある特定の光のみが吸収又は反射することを利用してその時の波長を読み取り、その箇所の土木・建築構造体の歪みを遠隔より計測することができる。従って、土木・建築構造体の歪み箇所の特定には大きな力を発揮するが、単点配置個所以外（単点と単点の間）で変動が起こっても検知できない。また、歪み箇所を洩れなく特定するためには、非常に多くのセンサーを配置する必要があるが、センサーの数、測定精度、配置範囲にも限界がある。更に、この技術の大きな欠点は、高精度のセンシングを多点で逐次又は平行に行うために、光源、センサー及び受信器のいずれにも高いダイナミックレンジを必要とすること及び各単点センサー間の計測の劣化を見逃してしまうことが挙げられる。
他方、一般的な分布型センシング技術は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）（特許文献２参照）、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、時間領域反射率計、及び干渉計を用いたものが挙げられる。これら技術は、ファイバー中で生じる光の散乱が光ファイバーに加わる歪みによって変化することを利用して、光ファイバーの長さ方向に沿う歪みを分布的に測定する技術として構築されてきた。この歪みの分布を測定する方法は、光パルスを光ファイバーに入射して後方に散乱する散乱光の周波数変化を測定することにより、歪みの大きさと散乱光の戻るまでの時間を測定し、光ファイバーの歪み箇所の大まかな把握を可能とする。従って分布型センシング技術は、単点センシング技術とは異なり、多くのセンサーの設置を必要としないという利点を有するが、帰還光パワーが小さくＳ／Ｎが不足するため、十分な信頼度を得るために長時間の計測蓄積と複雑な情報処理を必要とする。従って、測定時間が長くなること及び歪み箇所の特定に必要である空間分解能にも制限があり、複雑で大きな土木・建築構造体のリアルタイムの変動を管理するには問題があった。
従って、両技術の有する問題点を克服し、複雑で大きな土木・建築構造体を管理することができる光ファイバーセンサー装置が求められていた。
従って、両技術の有する問題点を克服し、複雑で大きな土木・建築構造体を管理することができる光ファイバーセンサー装置が求められていた。
本発明は、これら課題を解決するために、歪みセンシング領域を通過したパルス列を選択的に選択しうる反射器を用いて分布型センシング領域を所要数に分割することにより単点センシング技術及び分布型センシング技術の利点を組み合わせ、各センサー間の計測値の変化を見逃すことなく、測定時間も短く、更に空間分解能に優れた光ファイバーセンサー装置を提供することを目的とする。
請求項１に係る発明は、光パルス発生器、光カプラ、基準ポート、測定ポート及び光パルスタイミング測定装置を有する光ファイバーセンサー装置であって、前記光パルス発生器は、光パルス発振波長又は光パルス発生タイミングを変更可能であり、前記光カプラは前記パルス発生器より発生する光パルスを２分割し、前記基準ポートは、前記光カプラにより分割される１の光パルスが通されて基準パルス信号として用いられ、前記測定ポートは、前記光カプラにより分割された他の光パルスが通されて測定パルス信号として用いられ、前記光パルスタイミング測定装置は、前記基準パルス信号と前記測定ポートを通された前記測定パルス信号のパルスタイミングの変動を測定することからなり、前記測定ポートに所要数のセンシング領域に固定された歪みセンシング領域と該所要数の歪みセンシング領域間に配されて特定領域を通過したパルス列を選択的に反射する所要数の反射器を有することを特徴とする光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項２に係る発明は、前記光パルス発生器から発生した前記光パルス発振波長が変更可能であるとともに前記反射器が波長選択反射器であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項３に係る発明は、前記光パルス発生器から発生した前記光パルス発生タイミングが変更可能であるとともに前記反射器が部分反射ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項４に係る発明は、前記光パルス発生器が、単一広帯域光源であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項５に係る発明は、前記所要数の反射器が、中心波長の異なるファイバーブラッググレーティングで構成されることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項６に係る発明は、前記ファイバーブラッググレーティングが、配置された各点の温度センサーとして機能することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項７に係る発明は、前記所要数の反射器が波長分割分岐回路であり、前記所要数の歪みセンシング領域が該波長分割分岐回路の分岐ポートのそれぞれに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項８に係る発明は、前記光パルスタイミング測定装置が、複数の２次高調波受信部又は２光子吸収光受信部と、差分信号計測部と、光相関測定部から構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光ファイバーセンサー装置に関する。
請求項１に係る発明によれば、光パルス発生器、光カプラ、基準ポート、測定ポート及び光パルスタイミング測定装置を有する光ファイバーセンサー装置であって、前記光パルス発生器は、光パルス発振波長又は光パルス発生タイミングを変更可能であり、前記光カプラは前記パルス発生器より発生する光パルスを２分割し、前記基準ポートは、前記光カプラにより分割される１の光パルスが通されて基準パルス信号として用いられ、前記測定ポートは、前記光カプラにより分割された他の光パルスが通されて測定パルス信号として用いられ、前記光パルスタイミング測定装置は、前記基準パルス信号と前記測定ポートを通された前記測定パルス信号のパルスタイミングの変動を測定することからなり、前記測定ポートに所要数のセンシング領域に固定された歪みセンシング領域と該所要数の歪みセンシング領域間に配されて特定領域を通過したパルス列を選択的に反射する所要数の反射器を有することから、光パルスタイミング測定装置が、基準パルス信号と測定パルス信号のパルスタイミングの変動を測定することができる。
従って、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、各センサー間の計測の劣化を見逃すことなく、応答速度の速い分布型センシングをすることができる。
従って、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、各センサー間の計測の劣化を見逃すことなく、応答速度の速い分布型センシングをすることができる。
請求項２に係る発明によれば、光パルス発生器から発生した前記光パルス発振波長が変更可能であるとともに前記反射器が波長選択反射器であることから、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、高精度であるとともに多波長を測定することができる。
請求項３に係る発明によれば、光パルス発生器から発生した前記光パルス発生タイミングが変更可能であるとともに前記反射器が部分反射ミラーであることから、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は複雑な構成を必要とすることなく、容易に光ファイバーセンサー装置を構築することができる。更に、時間的に異なる領域でパルス相関信号を個別に測定する高精度であるとともに領域分解能が高いものとなる。
請求項４に係る発明によれば、光パルス発生器が、単一広帯域光源であることから、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、パルス列を選択的に反射する反射器の種類にかかわらず単一の光源で多数（多領域）の反射器に対応でき、同時に他領域を測定することができる。また、単一広帯域光源である光パルス発生器は、非常に短い短パルスであることから、先頭値パワーが大きく、光パルスの占有する時間領域の小さい光源である。従って、光パルス発生タイミングが変更可能である場合、先頭値の大きい信号光源であることから受信感度が向上するとともに空きタイミングの比率が大きいことから測定領域を増やすことができる。
請求項５に係る発明によれば、複数の波長選択反射器が中心波長の異なるファイバーブラッググレーティングで構成されることから、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、ファイバーブラッググレーティングにより検出する歪み領域を分離することができる。
請求項６に係る発明によれば、ファイバーブラッググレーティングが、配置された各点の温度センサーとして機能することから、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、ファイバーブラッググレーティングにより、検出する歪み領域を分離するとともに、所望の点における温度を計測することができる。
請求項７に係る発明によれば、所要数の波長選択反射器が波長分割分岐回路であり、前記所要数の歪みセンシング領域が該波長分割分岐回路の分岐ポートのそれぞれに接続されることから、本請求項に係る光ファイバーセンサー装置は、光分割多重センシングシステムを構築することができる。
請求項８に係る発明によれば、光パルスタイミング測定装置が、複数の２次高調波受信部又は２光子吸収光受信部と、差分信号計測部と、光相関測定部から構成される光ファイバーセンサー装置であり、差分検出技術を用いることができるため、単一伝送路検出の分解能のほぼ２倍の分解能が得られる。
以下、本発明に係る光ファイバーセンサー装置について詳述する。
図１は、単点温度センサー及び多重センシング領域の分布歪みを測定するための光ファイバーセンシング装置の実施形態である。
光パルス発生器１は、光パルス発振波長又は光パルス発生タイミングを変更可能に光パルスを発生する。この光パルス発生タイミングは、変調周波数によって決定される。
光カプラ２は、パルス発生器１より発生する光パルスを２分割する。
分割された光パルスの一方は、基準ポート３に通され基準パルス信号８として用いられ、さらに他方の分割された光パルスは測定ポート４に通され測定パルス信号９として用いられる。
測定ポート４は、所要数の歪みセンシング領域５を有する。測定ポート４が所要数の歪みセンシング領域を有するように、歪みセンシング領域を所要数の反射器６により所要数に分割する。本発明に係る反射器は、歪みセンシング領域を通過したパルス列を選択的に反射することができる。
光パルスタイミング測定装置７は、２か所の入力ポートを有する。
光パルスタイミング測定装置７の１の入力ポートは、測定ポート４と接続されている。測定ポート４の歪みセンシング領域５を通過したパルス列は、反射器６により選択的に反射され、測定パルス信号９が光パルスタイミング測定装置７に到達する。光パルスタイミング測定装置７の他の入力ポートは、基準ポート３を通過するパルス信号を計測するために基準ポート３に接続されている。
光パルスタイミング測定装置７は、基準パルス信号８と選択された測定ポート４を通された測定パルス信号９のパルスタイミングの変動を測定する。尚、選択されない測定領域では、パルス信号が反射されず、測定パルスと基準パルスの変動が測定されない。
図１は、単点温度センサー及び多重センシング領域の分布歪みを測定するための光ファイバーセンシング装置の実施形態である。
光パルス発生器１は、光パルス発振波長又は光パルス発生タイミングを変更可能に光パルスを発生する。この光パルス発生タイミングは、変調周波数によって決定される。
光カプラ２は、パルス発生器１より発生する光パルスを２分割する。
分割された光パルスの一方は、基準ポート３に通され基準パルス信号８として用いられ、さらに他方の分割された光パルスは測定ポート４に通され測定パルス信号９として用いられる。
測定ポート４は、所要数の歪みセンシング領域５を有する。測定ポート４が所要数の歪みセンシング領域を有するように、歪みセンシング領域を所要数の反射器６により所要数に分割する。本発明に係る反射器は、歪みセンシング領域を通過したパルス列を選択的に反射することができる。
光パルスタイミング測定装置７は、２か所の入力ポートを有する。
光パルスタイミング測定装置７の１の入力ポートは、測定ポート４と接続されている。測定ポート４の歪みセンシング領域５を通過したパルス列は、反射器６により選択的に反射され、測定パルス信号９が光パルスタイミング測定装置７に到達する。光パルスタイミング測定装置７の他の入力ポートは、基準ポート３を通過するパルス信号を計測するために基準ポート３に接続されている。
光パルスタイミング測定装置７は、基準パルス信号８と選択された測定ポート４を通された測定パルス信号９のパルスタイミングの変動を測定する。尚、選択されない測定領域では、パルス信号が反射されず、測定パルスと基準パルスの変動が測定されない。
図２は、単点温度センサー及び多重センシング領域の分布歪みを測定するための光ファイバーセンシング装置の実施形態である。
光パルス発生器１は、波長可変レーザーを用い、光パルス発振波長が変更可能に光プラスを発生する。
光カプラ２は、光パルス発生器１より発生する光パルスを２分割する。
分割された光パルスの一方は、基準ポート３に通され基準パルス信号８として用いられ、さらに他方の分割された光パルスは測定ポート４に通され測定パルス信号９として用いられる。
光パルス発生器１は、波長可変レーザーを用い、光パルス発振波長が変更可能に光プラスを発生する。
光カプラ２は、光パルス発生器１より発生する光パルスを２分割する。
分割された光パルスの一方は、基準ポート３に通され基準パルス信号８として用いられ、さらに他方の分割された光パルスは測定ポート４に通され測定パルス信号９として用いられる。
測定ポート４は、所要数のセンシング領域に固定された歪みセンシング領域５と、所要数の歪みセンシング領域５間に配されるとともに特定波長を反射させる波長選択反射器１０（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＷＳＲ）を有している。測定ポート４に入った光パルスは、光サーキュレータ１１を通り抜け、波長選択反射器１０によって分離される所要数の歪みセンシング領域５（Ｓｔｒｅｓｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｇｉｏｎ：ＳＳＲ）に入る。歪みセンシング領域５は、土木・建築構造体の歪みを測定するために構造体に沿って固定されるが、波長選択反射器１０は、構造体に固定されない。
波長選択反射器１０であるＷＳＲ１が光パルスを反射する場合、ＷＳＲ１の反射パルス信号が通過する領域はＳＳＲ１領域のみであり、ＷＳＲ１の反射パルスが有する情報は、ＳＳＲ１領域の歪みに関する情報だけとなる。これに対して、ＷＳＲ２の反射パルス信号はＳＳＲ１及びＳＳＲ２領域の双方を通過するため、ＷＳＲ１及びＷＳＲ２からの２つの反射パルス信号を用いた各々の測定結果を比較除算することにより、ＳＳＲ２領域の歪みに関する情報のみを選択的に読み取ることができる。この構成は、ＳＳＲのｎ領域まで容易に拡張することができる。
光パルスタイミング測定装置７は、２か所の入力ポートを有する。
光パルスタイミング測定装置７の１の入力ポートは、測定ポート４と光サーキュレータ１１を介して接続され、測定ポート４からの反射パルス信号が光パルスタイミング測定装置７に到達する。光パルスタイミング測定装置７の他の入力ポートは、基準ポート３を通過するパルス信号を計測するために基準ポート３に接続されている。
本発明に用いられる光パルス発生器１は、発生するパルスが短パルスであり、発振波長が単一光源であることが望ましい。これにより、相関測定信号のＳ／Ｎは、光パルスピーク値を２乗することにより精度が改善されるとともに広い波長領域を同一パルスで利用できることから反射光を波長選択するだけで測定領域を容易に選択できる。従って、それぞれの測定が高精度であるとともに多波長つまり、他領域を同時に測定するシステムを容易に構築することができる。
光パルスタイミング測定装置７の１の入力ポートは、測定ポート４と光サーキュレータ１１を介して接続され、測定ポート４からの反射パルス信号が光パルスタイミング測定装置７に到達する。光パルスタイミング測定装置７の他の入力ポートは、基準ポート３を通過するパルス信号を計測するために基準ポート３に接続されている。
本発明に用いられる光パルス発生器１は、発生するパルスが短パルスであり、発振波長が単一光源であることが望ましい。これにより、相関測定信号のＳ／Ｎは、光パルスピーク値を２乗することにより精度が改善されるとともに広い波長領域を同一パルスで利用できることから反射光を波長選択するだけで測定領域を容易に選択できる。従って、それぞれの測定が高精度であるとともに多波長つまり、他領域を同時に測定するシステムを容易に構築することができる。
本発明に係る他の実施形態として、反射器６が、ファイバーコネクタ上の部分反射ミラーであってもよい。この際の光パルス発生器１は、光パルス発生タイミングが変更可能であることが必要となる。これにより複雑な構成を必要とすることなく、相関測定のタイミングを変更するだけで測定領域を選択可能な光ファイバーセンサー装置を容易に構築することができる。
本発明に係る光パルス発生器１は、単一広帯域光源であってもよい。これにより、光ファイバーセンサー装置は、高精度であるとともに領域分解能と歪み検知精度のいずれもが高いものとなる。
本発明に係る光パルス発生器１は、単一広帯域光源であってもよい。これにより、光ファイバーセンサー装置は、高精度であるとともに領域分解能と歪み検知精度のいずれもが高いものとなる。
本発明で用いられる波長選択反射器１０は、中心波長の異なるファイバーブラッググレーティング１６（ＦＢＧ）で構成することができる。
この発明においてＦＢＧは、領域分割反射器であるとともに光の共振が温度変化に伴ってわずかに変化することを利用し、各単点の温度センターとして用いることができる。
光パルス発生器１の光波長スキャニングは、ＦＢＧの単温度センサーとしての機能を作動させるだけでなく、異なる歪みセンシング領域５をも測定する。
この発明においてＦＢＧは、領域分割反射器であるとともに光の共振が温度変化に伴ってわずかに変化することを利用し、各単点の温度センターとして用いることができる。
光パルス発生器１の光波長スキャニングは、ＦＢＧの単温度センサーとしての機能を作動させるだけでなく、異なる歪みセンシング領域５をも測定する。
図３に示すように本発明で用いられる反射器６は、波長分割分岐回路１２と反射器６の組合せであってもよい。
所要数の歪みセンシング領域５が波長分割分岐回路１２の分岐ポート１３のそれぞれに接続される構成であってもよい。これにより、光分割多重センシングシステムを構築することができる。
所要数の歪みセンシング領域５が波長分割分岐回路１２の分岐ポート１３のそれぞれに接続される構成であってもよい。これにより、光分割多重センシングシステムを構築することができる。
本発明で用いられる光パルスタイミング測定装置７は、複数の２次高調波受信部又は２光子吸収光受信部と、差分信号計測部と、光相関測定部から構成することができる。光相関測定部は、基準パルスと選択した測定パルスの重複エネルギーの変動を測定する装置部である。差分信号計測部は、光相関測定部の後ろに配され、多くの利点をもたらすことができる。この利点として、差分信号計測部により、時間ドリフト値だけでなく伸縮を識別するためのドリフト方向をも示すことができることが挙げられる。その分解能は単一伝送路検出の分解能のほぼ２倍である。
差分信号計測部は、光パルス発生器１の電源変動の影響を抑えることができる。更に、受信機として複数の２次高調波受信部又は２光子吸収光受信部を有することにより重複エネルギーの変動を感度よく受信することができる。
差分信号計測部は、光パルス発生器１の電源変動の影響を抑えることができる。更に、受信機として複数の２次高調波受信部又は２光子吸収光受信部を有することにより重複エネルギーの変動を感度よく受信することができる。
光タイミング測定装置７によるパルス信号の計測方法について詳述する。
基準パルス信号及び測定パルス信号は、基準ポート３及び測定ポート４の光路長が異なるため、異なる時間で光パルスタイミング測定装置７に到達する。基準ポート３内には、可変遅延ライン１４が配されている。この可変遅延ライン１４は、基準パルス信号８の測定タイミングを遅らせることにより、測定パルス信号９と基準パルス信号８が部分的に重なり、重複したエネルギーを有することが判る。この可変遅延ライン１４の同調性領域は、周波数繰り返しレートの逆数の半分となる。歪みセンシング領域５に応力が加わった場合、測定ポート４内での光路が変化し、基準パルス列及び測定パルス列の間で時間ドリフトが起こる。この時間ドリフトは、双方のパルス列間の重複エネルギーに変化をもたらすことになる。重複エネルギーの変動は、光パルスタイミング測定装置７により測定され、出力電圧の変化（差動出力電圧）として出力される。
図２の右上に示す差し込みグラフには、典型的な差動出力電圧と測定パルスとの相関関係を示す。光パルス発生器１からのパルス列は、同じ間隔でもたらされる。センシングに用いられる差動出力電圧曲線のもっとも重要な部分は、図２の差し込みグラフ中に破線の長円形領域として示している。この破線の長円形領域は、最も高い偏位を示すとともに、ファイバーの伸縮検出のための中心位置を示している。出力との関係は線形であることが非常に重要であるが、図２の差し込みグラフに示されるように破線の長円形領域では高い線形性を有しておりセンシングへの応用に非常に有用である。それぞれのＳＳＲは、中心位置で初期値を持つように調整され、適用される歪みは出力電圧に変換される。
本発明に係る光パルスタイミング測定装置７は、基準パルス及び測定パルスの重複エネルギーの変動を測定することから、測定範囲が広がるとともに高い分解能が得られ、精度の高い測定ができる。
基準パルス信号及び測定パルス信号は、基準ポート３及び測定ポート４の光路長が異なるため、異なる時間で光パルスタイミング測定装置７に到達する。基準ポート３内には、可変遅延ライン１４が配されている。この可変遅延ライン１４は、基準パルス信号８の測定タイミングを遅らせることにより、測定パルス信号９と基準パルス信号８が部分的に重なり、重複したエネルギーを有することが判る。この可変遅延ライン１４の同調性領域は、周波数繰り返しレートの逆数の半分となる。歪みセンシング領域５に応力が加わった場合、測定ポート４内での光路が変化し、基準パルス列及び測定パルス列の間で時間ドリフトが起こる。この時間ドリフトは、双方のパルス列間の重複エネルギーに変化をもたらすことになる。重複エネルギーの変動は、光パルスタイミング測定装置７により測定され、出力電圧の変化（差動出力電圧）として出力される。
図２の右上に示す差し込みグラフには、典型的な差動出力電圧と測定パルスとの相関関係を示す。光パルス発生器１からのパルス列は、同じ間隔でもたらされる。センシングに用いられる差動出力電圧曲線のもっとも重要な部分は、図２の差し込みグラフ中に破線の長円形領域として示している。この破線の長円形領域は、最も高い偏位を示すとともに、ファイバーの伸縮検出のための中心位置を示している。出力との関係は線形であることが非常に重要であるが、図２の差し込みグラフに示されるように破線の長円形領域では高い線形性を有しておりセンシングへの応用に非常に有用である。それぞれのＳＳＲは、中心位置で初期値を持つように調整され、適用される歪みは出力電圧に変換される。
本発明に係る光パルスタイミング測定装置７は、基準パルス及び測定パルスの重複エネルギーの変動を測定することから、測定範囲が広がるとともに高い分解能が得られ、精度の高い測定ができる。
以下、本発明に係る光ファイバーセンサー装置の試験例について説明する。この試験例は、図４に示す光ファイバーセンサー装置に基づいて実施した。
光パルス発生器１としては、可変波長のモードロック光ファイバーレーザー１５（ＭＬ−ＦＬ）が用いられている。他の光パルス発生器１としては、ＭＬ−ＬＤ半導体レーザ、繰り返し周波数可変なＧＳ−ＬＤ利得スイッチレーザ等を用いることもできる。ＭＬ−ＦＬから発せられるパルス列を基準ポート３及び測定ポート４に９０／１０の割合で分けるために、光カプラ２が用いられている。
基準ポート３においては、手動で調節可能な可変遅延ライン１４が配されている。
測定ポート４の接続部には、光サーキュレータ１１が用いられ、光パルスをセンシング領域（ＳＳＲ）及び光パルスタイミング測定装置７に送る。２つのファイバーブラッググレーティング１６（ＦＢＧ）が波長選択反射器（ＷＳＲ）として用いられている。光パルスタイミング測定装置７を構成する光相関測定部及び２つの２次高調波受信部（２光子吸収光受信部を用いてもよい）が、１２ビットのアナログ・デジタル変換装置１７（ＡＤＣ）に接続され、２つの単一伝送路の電圧値が得られる。１２ビットのＡＤＣ１７は、総ダイナミックレンジの０．０２％の分解能を与える。最終的には、これら伝送路の差分出力電圧値はパーソナルコンピューターに記憶される。
光パルス発生器１としては、可変波長のモードロック光ファイバーレーザー１５（ＭＬ−ＦＬ）が用いられている。他の光パルス発生器１としては、ＭＬ−ＬＤ半導体レーザ、繰り返し周波数可変なＧＳ−ＬＤ利得スイッチレーザ等を用いることもできる。ＭＬ−ＦＬから発せられるパルス列を基準ポート３及び測定ポート４に９０／１０の割合で分けるために、光カプラ２が用いられている。
基準ポート３においては、手動で調節可能な可変遅延ライン１４が配されている。
測定ポート４の接続部には、光サーキュレータ１１が用いられ、光パルスをセンシング領域（ＳＳＲ）及び光パルスタイミング測定装置７に送る。２つのファイバーブラッググレーティング１６（ＦＢＧ）が波長選択反射器（ＷＳＲ）として用いられている。光パルスタイミング測定装置７を構成する光相関測定部及び２つの２次高調波受信部（２光子吸収光受信部を用いてもよい）が、１２ビットのアナログ・デジタル変換装置１７（ＡＤＣ）に接続され、２つの単一伝送路の電圧値が得られる。１２ビットのＡＤＣ１７は、総ダイナミックレンジの０．０２％の分解能を与える。最終的には、これら伝送路の差分出力電圧値はパーソナルコンピューターに記憶される。
ＭＬ−ＦＬの条件は、パルス幅が１２．９ｐｓ、出力が３．４ｄＢｍ、周波数が９．９５６１０４ＧＨｚで使用された（パルス繰り返しレート：１００．４ピコ秒）。
ＦＢＧの中心波長は、ＦＢＧ１が１５４８．８６ｎｍであり、ＦＢＧ２が１５４５．８１ｎｍである。
両ＦＢＧとも半値全幅は、０．２６ｎｍであり、反射率は８０％である。ＳＳＲに関しては、ＳＳＲ１及びＳＳＲ２とも単一モードファイバーであり、ＳＳＲ１の長さが４８．５ｃｍで、ＳＳＲ２の長さが５４．８ｃｍである。
光ファイバーセンシング装置は、線形性、安定性、及び分解能を実証することにより特徴づけられる。
ＦＢＧの中心波長は、ＦＢＧ１が１５４８．８６ｎｍであり、ＦＢＧ２が１５４５．８１ｎｍである。
両ＦＢＧとも半値全幅は、０．２６ｎｍであり、反射率は８０％である。ＳＳＲに関しては、ＳＳＲ１及びＳＳＲ２とも単一モードファイバーであり、ＳＳＲ１の長さが４８．５ｃｍで、ＳＳＲ２の長さが５４．８ｃｍである。
光ファイバーセンシング装置は、線形性、安定性、及び分解能を実証することにより特徴づけられる。
（第１試験例）本発明に係る光ファイバーセンシング装置の線形応答試験
第１の試験例では、レーザー光源の波長を、１５４５．８ｎｍに調整した。その後、歪み（５４．８ｃｍの長さのファイバーに１８２．５マイクロストレイン（μｓ）の応力）がＳＳＲ２（歪みセンシング領域）に適用され、差動出力電圧が得られた。適用される歪みを計算するために、先ずＳＳＲ２が弛緩状態である際に決定点を調整した（図１差し込みグラフの破線で示される長円形領域内の点）。その後、ＳＳＲ２に適用される歪みの変化は、差動出力電圧の変化に自動的に変換される。その結果を図５に示す。
本発明に係るセンサーが、センサーに加えられる応力に対する出力電圧のグラフから線形応答を有していることが明確に示された。
測定の安定性は非常に高く、最も安定性が低い場合でも０．２％以下の変動しか観察されなかった。
図５内の差し込みグラフからは、ＳＳＲ２に加えられた応力により、差分出力曲線における時間シフト１８（実線：応力なし、破線：応力あり）が観察され、さらにＳＳＲ２の応力が開放された時には、差分出力曲線は、初期値１９に戻っていることが観察された。
第１の試験例では、レーザー光源の波長を、１５４５．８ｎｍに調整した。その後、歪み（５４．８ｃｍの長さのファイバーに１８２．５マイクロストレイン（μｓ）の応力）がＳＳＲ２（歪みセンシング領域）に適用され、差動出力電圧が得られた。適用される歪みを計算するために、先ずＳＳＲ２が弛緩状態である際に決定点を調整した（図１差し込みグラフの破線で示される長円形領域内の点）。その後、ＳＳＲ２に適用される歪みの変化は、差動出力電圧の変化に自動的に変換される。その結果を図５に示す。
本発明に係るセンサーが、センサーに加えられる応力に対する出力電圧のグラフから線形応答を有していることが明確に示された。
測定の安定性は非常に高く、最も安定性が低い場合でも０．２％以下の変動しか観察されなかった。
図５内の差し込みグラフからは、ＳＳＲ２に加えられた応力により、差分出力曲線における時間シフト１８（実線：応力なし、破線：応力あり）が観察され、さらにＳＳＲ２の応力が開放された時には、差分出力曲線は、初期値１９に戻っていることが観察された。
（第２試験例）センシング領域間でクロスストロークの有無の確認
図６は、２つの歪みのセンシング領域間でクロスストロークが起こっていないことを示す第２の試験例である。先ずレーザー光源を、１５４５．８ｎｍに調節し、ＦＢＧ２によるセンシングを行った。応力は、ＳＳＲ２領域に適用され、出力電圧の変化として図６の破線により示された。さらに、レーザー光源を１５４８．９ｎｍに再調節し、ＦＢＧ１によるセンシングに切り替えた。同様の応力をＳＳＲ２領域に適用した。図６の実線で示されるように作動電圧の変化は全く検出されなかった。従って、センシング領域間でのクロスストロークが起こっていないことが証明された。
図６は、２つの歪みのセンシング領域間でクロスストロークが起こっていないことを示す第２の試験例である。先ずレーザー光源を、１５４５．８ｎｍに調節し、ＦＢＧ２によるセンシングを行った。応力は、ＳＳＲ２領域に適用され、出力電圧の変化として図６の破線により示された。さらに、レーザー光源を１５４８．９ｎｍに再調節し、ＦＢＧ１によるセンシングに切り替えた。同様の応力をＳＳＲ２領域に適用した。図６の実線で示されるように作動電圧の変化は全く検出されなかった。従って、センシング領域間でのクロスストロークが起こっていないことが証明された。
試験例の結果は、光ファイバーセンシングシステムの線形応答を確認するものであり、得られた分解能は、総ダイナミックレンジの０．０２％である。従って、約０．５ｍ長の領域をセンシングするための分解能は、２０００マイクロストレイン（μｓ）以上となる。計測の安定性は、９９．８％以上であった。
本発明は、複数の波長選択反射器を有する分布型光ファイバーセンサー装置に関するものであり、この発明により土木・建築構造体の損傷及び環境モニタリングを正確に行うことができ、土木・建築業界並びに環境分野への応用が期待される。
鉄鋼ライン、油井やガス田探索の様に、全体の環境変化とセンシング領域内の内の大まかな環境変動分布を遠隔から安全にモニターする場合等の用途に使用できる。
鉄鋼ライン、油井やガス田探索の様に、全体の環境変化とセンシング領域内の内の大まかな環境変動分布を遠隔から安全にモニターする場合等の用途に使用できる。
１・・・光パルス発生器
２・・・光カプラ
３・・・基準ポート
４・・・測定ポート
５・・・歪みセンシング領域
６・・・反射器
７・・・光パルスタイミング測定装置
８・・・基準パルス信号
９・・・測定パルス信号
１０・・波長選択反射器
１１・・光サーキュレータ
１２・・波長分割分岐回路
１３・・分岐ポート
１４・・可変遅延ライン
１５・・モードロック光ファイバーレーザー
１６・・ファイバーブラッググレーティング
１７・・１２ビットのアナログ・デジタル変換装置
１８・・時間シフト
１９・・初期値
２・・・光カプラ
３・・・基準ポート
４・・・測定ポート
５・・・歪みセンシング領域
６・・・反射器
７・・・光パルスタイミング測定装置
８・・・基準パルス信号
９・・・測定パルス信号
１０・・波長選択反射器
１１・・光サーキュレータ
１２・・波長分割分岐回路
１３・・分岐ポート
１４・・可変遅延ライン
１５・・モードロック光ファイバーレーザー
１６・・ファイバーブラッググレーティング
１７・・１２ビットのアナログ・デジタル変換装置
１８・・時間シフト
１９・・初期値
Claims (8)
- 光パルス発生器、光カプラ、基準ポート、測定ポート及び光パルスタイミング測定装置を有する光ファイバーセンサー装置であって、
前記光パルス発生器は、光パルス発振波長又は光パルス発生タイミングを変更可能であり、
前記光カプラは前記パルス発生器より発生する光パルスを２分割し、
前記基準ポートは、前記光カプラにより分割される１の光パルスが通されて基準パルス信号として用いられ、
前記測定ポートは、前記光カプラにより分割された他の光パルスが通されて測定パルス信号として用いられ、
前記光パルスタイミング測定装置は、前記基準パルス信号と前記測定ポートを通された前記測定パルス信号のパルスタイミングの変動を測定することからなり、
前記測定ポートに所要数のセンシング領域に固定された歪みセンシング領域と該所要数の歪みセンシング領域間に配されて特定領域を通過したパルス列を選択的に反射する所要数の反射器を有することを特徴とする光ファイバーセンサー装置。 - 前記光パルス発生器から発生した前記光パルス発振波長が変更可能であるとともに前記反射器が波長選択反射器であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサー装置。
- 前記光パルス発生器から発生した前記光パルス発生タイミングが変更可能であるとともに前記反射器が部分反射ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサー装置。
- 前記光パルス発生器が、単一広帯域光源であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光ファイバーセンサー装置。
- 前記所要数の反射器が、中心波長の異なるファイバーブラッググレーティングで構成されることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の光ファイバーセンサー装置。
- 前記ファイバーブラッググレーティングが、配置された各点の温度センサーとして機能することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバーセンサー装置。
- 前記所要数の反射器が波長分割分岐回路であり、
前記所要数の歪みセンシング領域が該波長分割分岐回路の分岐ポートのそれぞれに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサー装置。 - 前記光パルスタイミング測定装置が、複数の２次高調波受信部又は２光子吸収光受信部と、差分信号計測部と、光相関測定部から構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光ファイバーセンサー装置。
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2009/066367 WO2011033649A1 (ja) | 2009-09-18 | 2009-09-18 | 複数のセンシング領域を有する分布型光ファイバーセンサー装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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