WO2020054143A1 - 振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法 - Google Patents

振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法 Download PDF

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light
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moving average
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祥宏 神田
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沖電気工業株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • the present disclosure is a vibration detection optical fiber suitable for use in detecting illegal intrusion of humans in large facilities such as power plants and factories, and detecting cracks generated in large civil engineering structures such as bridges and roads.
  • the present invention relates to a sensor and a vibration detection method.
  • vibration transmitted to an optical fiber can be detected only by exchanging a laser used for generating an optical pulse as input light with a laser having a small frequency drift and a small line width (for example, J. C. Juarez, See W. Maier, K. N. Choi, and H. F. Taylor, "Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System," IEEE JLT, vol. 23, No. 6, June 2005, pp. 2081-2087).
  • the waveform of the light intensity of the backscattered light is a strong interference of coherent backscattered light generated at a plurality of scattering centers in the optical fiber while the optical pulse propagates through the optical fiber. Observed as a result.
  • the refractive index and birefringence of the optical fiber change only at that position.
  • the relative phase difference between the plurality of coherent backscattered lights from the plurality of scattering centers at the position where the vibration is applied changes.
  • the waveform changes when the relative phase difference between the waveforms changes. Therefore, in the observed OTDR waveform, only the waveform at the time corresponding to the position where the vibration is applied changes.
  • the occurrence and position of vibration can be detected by calculating the difference between the observed OTDR waveform and the OTDR waveform observed at a previous time.
  • phase-sensitive OTDR This method is called phase-sensitive OTDR or ⁇ -OTDR.
  • a difference from the OTDR waveform at the previous time is obtained.
  • moving average moving ⁇ averaging
  • moving difference moving differential
  • Moving average is a method of reducing noise when calculating a difference by calculating a moving average for each position with respect to a plurality of OTDR waveforms observed over time.
  • the moving difference is calculated not as the difference between the OTDR waveforms adjacent to each other on the time axis but as the difference between the OTDR waveform observed at a slightly different time. Is a method of calculating If the duration of the vibration is sufficiently long compared to the time interval for acquiring the OTDR waveform, a large difference value can be obtained as compared with the method of calculating the difference between the OTDR waveforms adjacent on the time axis.
  • the ratio of the value with and without abnormal vibration is about several times.
  • the magnitude of the difference when there is an abnormal vibration is, in principle, at most the difference between the maximum value and the minimum value of the possible amplitude of the OTDR waveform.
  • the operation of the vibration detecting optical fiber sensor is unstable.
  • the phase sensitive OTDR can detect even slight vibrations, the degree of noise depends on the environment in which the optical fiber is laid. For this reason, it is difficult to distinguish the presence or absence of an abnormality in an environment affected by wind or the like.
  • the present disclosure for example, in a phase-sensitive OTDR, in addition to using a moving average and a moving difference, uses a property of noise to statistically evaluate a change in the OTDR waveform and clearly determine the presence or absence of abnormal vibration.
  • a vibration detecting optical fiber sensor and a vibration detecting method are provided.
  • a first aspect of the present disclosure is a vibration detection optical fiber sensor, which includes a light source unit, an optical fiber, a light intensity acquisition unit, an OTDR waveform acquisition unit, a moving average acquisition unit, a difference waveform acquisition unit, A statistical information acquisition unit, an abnormality degree acquisition unit, and an abnormality determination unit are provided.
  • the light source unit generates an optical pulse as probe light.
  • the probe light is input to the optical fiber, and the light intensity acquiring unit acquires the intensity of the output light obtained by the probe light being backscattered by the optical fiber.
  • the OTDR waveform acquisition unit sequentially acquires and stores the OTDR waveform that is the waveform of the output light for each optical pulse sent from the light intensity acquisition unit.
  • the moving average obtaining section obtains a k-th moving average waveform by averaging temporally continuous OTDR waveforms from k-th (k is an integer of 1 or more) to k + M-1 (M is an integer of 2 or more). And memorize.
  • the difference waveform acquisition unit acquires a difference waveform between the k + M + N (N is an integer of 2 or more) OTDR waveform and the k-th moving average waveform.
  • the statistical information acquisition unit acquires the sample average ⁇ and the standard deviation ⁇ of the difference waveform.
  • the abnormality degree acquisition unit acquires an abnormality degree waveform indicating the degree of abnormality by calculating the degree of abnormality at each position using the following equation (1).
  • the abnormality determination unit obtains, from the value of the abnormality degree, the presence or absence of abnormal vibration and, if there is abnormal vibration, its position.
  • the light source unit may include a narrow line width laser, a function generator, and an intensity modulator.
  • the narrow line width laser is a light source that generates laser light, and may have a line width of 10 kHz or less.
  • the function generator may generate an electric pulse at a constant frequency.
  • the intensity modulator may generate an optical pulse by optically pulsing the laser light with an electric pulse.
  • a third aspect of the present disclosure is a vibration detection method, which includes an optical pulse generation step, a light intensity acquisition step, an OTDR waveform acquisition step, a moving average acquisition step, a difference acquisition step, and a statistical information acquisition step.
  • the method includes a process, an abnormality degree obtaining process, and an abnormality determining process.
  • an optical pulse is generated as probe light.
  • the intensity of the output light obtained by the probe light being backscattered by the optical fiber is acquired.
  • the OTDR waveform acquisition process the OTDR waveform, which is the waveform of the output light for each light pulse, acquired in the light intensity acquisition process is sequentially acquired and stored.
  • a k-th moving average waveform is acquired by averaging the k-th (k is an integer of 1 or more) to k + M-1 (M is an integer of 2 or more) OTDR waveforms that are continuous in time. And memorize.
  • a difference waveform of the k + M + N (N is an integer of 2 or more) OTDR waveform and the k-th moving average waveform is acquired.
  • a sample average ⁇ of the difference waveform and a standard deviation ⁇ are acquired.
  • the abnormal degree obtaining process the abnormal degree at each position is calculated by using the above equation (1), thereby obtaining an abnormal degree waveform indicating the abnormal degree.
  • the abnormality determination process the presence / absence of abnormal vibration and the position of abnormal vibration, if any, are acquired from the value of the degree of abnormality.
  • the light pulse generating step includes a step of generating a laser beam using a narrow line width laser having a line width of 10 kHz or less, and a step of generating an electric pulse at a constant frequency.
  • the method may include a step of generating the light pulse and a step of generating an optical pulse by turning the laser light into an electric pulse.
  • the vibration detection optical fiber sensor and the vibration detection method of the present disclosure not only take a difference waveform between the OTDR waveform and the moving average waveform, but also use the sample average and the standard deviation of the difference waveform to determine the degree of abnormality. Is obtained, and the presence or absence of abnormal vibration is determined from the value of the degree of abnormality.
  • the vibration detection optical fiber sensor and the vibration detection method of the present disclosure the ratio of the peak value in the case where there is an abnormality and the ratio of the peak value in the case where there is no abnormality is larger than the ratio of the peak value in the differential waveform, and the presence or absence of the abnormality is more. Can be clearly distinguished.
  • FIG. 2B is a diagram illustrating an OTDR waveform, and is a diagram illustrating a part of FIG. 2A in an enlarged manner.
  • FIG. 2B is a diagram showing a moving average waveform, and is a diagram showing a part of FIG. 2B in an enlarged manner.
  • It is a figure showing a difference waveform. It is a figure showing a difference waveform in the state where abnormal vibration is not applied. It is a figure showing distribution of noise in the state where abnormal vibration is not applied. It is a figure which shows an abnormal degree.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the vibration detecting optical fiber sensor.
  • This vibration detecting optical fiber sensor includes a light source unit 10, an optical fiber 20, an optical circulator 30, and a measuring unit 40. This vibration detecting optical fiber sensor is used for OTDR.
  • the light source unit 10 periodically generates an optical pulse as the probe light.
  • the spatial resolution of the vibration detecting optical fiber sensor depends on the width of the light pulse. Further, the measurement distance of the vibration detecting optical fiber sensor depends on the frequency of the light pulse.
  • the optical pulse requires 5 ns to propagate 1 m through the optical fiber 20. When observing the backscattered light, a round trip time for forward propagation and backward propagation is required, so that a delay of 10 ns per m is generated. For example, when the pulse width is 100 ns and the frequency is 5 kHz, the spatial resolution is 10 m, and the maximum measurement distance is 20 km.
  • the light source unit 10 includes, for example, a laser light source 12, an intensity modulator 14, a function generator 16, and an optical amplifier 18.
  • the laser light source 12 generates laser light as continuous light in the communication wavelength band.
  • a so-called narrow line width laser having a line width of 10 kHz or less is preferably used.
  • the vibration detecting optical fiber sensor can be used for a phase-sensitive OTDR.
  • the wavelength of the laser light may be arbitrary, but it is preferable to use a standard single-mode optical fiber with a low loss of 1550 nm.
  • the laser light generated by the laser light source 12 is sent to the intensity modulator 14.
  • the function generator 16 generates a rectangular electric pulse. This electric pulse is sent to the intensity modulator 14.
  • the electric pulse generated by the function generator 16 has, for example, a pulse width of 100 nsec and a repetition frequency of 5 kHz.
  • the output of the function generator 16 is also sent to an analog-digital (A / D) converter 44, which will be described later, and is used as a trigger signal.
  • the intensity modulator 14 generates a light pulse by turning the laser light into an electric pulse with an electric pulse. This light pulse is sent to the optical amplifier 18.
  • the pulse width and frequency of the light pulse generated by the intensity modulator 14 are the same as the electric pulse generated by the function generator 16. In this example, the light pulse has a pulse width of 100 nsec and a repetition frequency of 5 kHz.
  • the optical pulse generated by the intensity modulator 14 is subjected to predetermined amplification by the optical amplifier 18 and then sent to the optical fiber 20 via the optical circulator 30 as probe light.
  • the probe light sent to the optical fiber 20 propagates through the optical fiber 20, and backscattered light is generated with the propagation of the probe light. This backscattered light is sent to the measuring unit 40 via the optical circulator 30 as output light.
  • the measurement unit 40 includes a photodetector 42 and an A / D converter 44 as a light intensity acquisition unit, and an arithmetic unit 50.
  • the output light input from the optical fiber 20 to the measurement unit 40 is sent to the photodetector 42.
  • the photodetector 42 can be constituted by, for example, a photodiode (PD).
  • the photodetector 42 converts the output light into an electric signal by performing square detection, and sends the electric signal to the A / D converter 44.
  • the light intensity of the backscattered light is small. For this reason, it is desirable that the photodetector 42 has a sensitivity that can receive light even at about ⁇ 30 dBm.
  • the A / D converter 44 converts an electric signal received from the photodetector 42 into a digital signal.
  • the sampling frequency of the A / D converter 44 may be large enough to sample the OTDR waveform, and about 200 MHz is sufficient.
  • the digital signal obtained by the A / D converter 44 is sent to the arithmetic unit 50.
  • the arithmetic unit 50 statistically evaluates the change in the OTDR waveform using the digital signal, detects the presence or absence of abnormal vibration, and specifies the position of the vibration.
  • arithmetic unit 50 for example, a commercially available personal computer (PC) in which a program for detecting the presence or absence of abnormal vibration and specifying the position of the vibration is installed can be used.
  • the arithmetic unit 50 is described as including a CPU (Central Processing Unit) 60, a RAM (Random Access Memory) 52, a ROM (Read Only Memory) 54, and a storage unit 56.
  • the CPU 60 executes the programs stored in the ROM 54, thereby realizing each functional unit described later.
  • the processing result of each functional unit is temporarily stored in the RAM 52.
  • the OTDR waveform is periodically sent from the A / D converter 44 to the arithmetic unit 50.
  • the OTDR waveform acquisition unit 62 sequentially stores, that is, stores M OTDR waveforms (M is an integer of 2 or more) that are temporally continuous in the storage unit 56. After the M waveforms are stored, the oldest waveform is deleted, and a new waveform is stored in the storage unit 56.
  • the moving average acquisition unit 64 selects the k-th (k is an integer of 1 or more) to k + M-1 (M is an integer of 2 or more) consecutive in time.
  • the k-th moving average waveform is obtained by averaging the M OTDR waveforms.
  • the k-th moving average waveform is stored in the storage unit 56.
  • the moving average waveforms of N (N is an integer of 2 or more) consecutive in time acquired by the moving average acquisition unit 64 are sequentially stored in the storage unit 56. After the N moving average waveforms are stored, the oldest moving average waveform is deleted, and a new moving average waveform is stored in the storage unit 56.
  • the difference waveform acquisition unit 66 acquires a difference waveform by taking the difference between the newly received k + M + N OTDR waveform and the k-th moving average waveform stored in the storage unit 56. Note that this difference may be referred to as a moving difference. As described above, the k-th moving average waveform is an average of the k-th to (k + M-1) -th OTDR waveforms.
  • the statistic information acquisition unit 68 acquires the sample mean ⁇ of the difference waveform and the standard deviation ⁇ .
  • the abnormality degree acquiring unit 70 acquires a waveform indicating the degree of abnormality (hereinafter, also referred to as an abnormality degree waveform) by calculating the degree of abnormality at each position using the above equation (1).
  • the abnormality determination unit 72 determines whether or not there is abnormal vibration from the degree of abnormality.
  • the threshold value used for determining the presence or absence of the abnormality degree may be set to a suitable value by monitoring the influence of the environment of the installation location.
  • the number M of waveforms at the time of calculating the moving average is determined based on the line width of the laser light source 12, for example.
  • the line width of the laser light source 12 is 500 Hz
  • M can be set to 20.
  • the moving average waveform is an average of a time of 4 msec.
  • the statistical information acquisition unit 68 acquires the sample mean ⁇ and the standard deviation ⁇ , it is preferable to perform the calculation without abnormal vibration. Therefore, for example, when the abnormality determination unit 72 determines that there is abnormal vibration, the statistical information acquisition unit 68 acquires the sample mean ⁇ and the standard deviation ⁇ except for the sample corresponding to the position. It can be. Further, when the abnormality determination unit 72 determines that there is abnormal vibration, the moving average acquisition unit 64 may acquire a moving average waveform excluding the corresponding OTDR waveform.
  • the time difference between the OTDR waveform and the moving average waveform is preferably set to be equal to or longer than the period of the abnormal vibration.
  • the frequency of the light pulse is 5 kHz
  • the frequency of the vibration generated by hitting the optical fiber is about several hundred Hz.
  • the time difference is preferably set to about 4 msec.
  • the laser light source 12 was a narrow line width laser having a line width of 500 Hz.
  • the pulse width and frequency of the light pulse were set to 100 nsec and 5 kHz, respectively.
  • the number M of waveforms used for calculating the moving average was set to 20, and the time difference when acquiring the difference waveform was set to 4 msec. This time difference of 4 msec is equivalent to 20 light pulses N. That is, in this test, the number M of waveforms used in calculating the moving average and the number N of light pulses converted from the time difference in obtaining the difference waveform are both equal to 20.
  • FIGS. 2A to 3B are diagrams showing an OTDR waveform and a moving average waveform.
  • the horizontal axis indicates the distance (unit: m) from the input end of the optical fiber, and the vertical axis indicates the signal intensity (unit: mV).
  • This signal strength is given, for example, as an output voltage of an A / D converter.
  • FIGS. 3A and 3B show enlarged waveforms around 8.5 km where abnormal vibration is applied.
  • FIG. 4 is a diagram showing the difference waveform acquired by the difference waveform acquisition unit.
  • the horizontal axis shows the distance (unit: m) from the input end of the optical fiber
  • the vertical axis shows the difference (unit: mV).
  • the difference is a difference between the (k + M + N) -th OTDR waveform and the k-th moving average waveform acquired from the (k-th) to (k + M-1) -th OTDR waveforms.
  • the moving difference is a difference between the first moving average waveform acquired from the first to twentieth OTDR waveforms and the fortieth OTDR waveform.
  • the movement difference is simply referred to as a difference.
  • the magnitude of the movement difference at the 8.5 km position where the abnormal vibration is applied is 5.6 compared to the magnitude of the movement difference at other places where the abnormal vibration is not applied. It is about twice. In this characteristic test, the measurement is performed under the condition that there is no fluctuation of the optical fiber other than the applied abnormal vibration.
  • FIG. 5 is a diagram showing a differential waveform in a state where abnormal vibration is not applied and a noise distribution.
  • FIG. 5A is a diagram showing a differential waveform, in which the horizontal axis indicates the distance (unit: m) from the input end of the optical fiber, and the vertical axis indicates the moving difference (unit: mV). I have.
  • FIG. 5B is a diagram showing the distribution of noise, in which the vertical axis indicates the moving difference (unit: mV), and the horizontal axis indicates the number of samples for each value of the moving difference. In the noise distribution shown in FIG. 5B, the sample average ⁇ is 24.4 and the standard deviation ⁇ is 25.2.
  • the abnormality degree acquisition unit acquires a waveform indicating the degree of abnormality (hereinafter, also referred to as an abnormality degree waveform) by calculating the degree of abnormality at each position using the above equation (1).
  • FIG. 6 is a diagram showing the degree of abnormality.
  • the horizontal axis shows the distance (unit: m) from the input end of the optical fiber
  • the vertical axis shows the degree of abnormality calculated using the above equation (1).
  • the calculation is performed using the same data as shown in FIG.
  • the magnitude of the abnormal degree at the 8.5 km position where the abnormal vibration is applied is 46.4 compared to the magnitude of the abnormal degree at other places where the abnormal vibration is not applied. It is about twice. The presence / absence of an abnormality is clearer than 5.6 times obtained by the movement difference.
  • the threshold used for determining the presence or absence of abnormal vibration may be set to a suitable value by monitoring the influence of the environment at the installation location.
  • the values of the portions determined to have abnormal vibration are not used, and only the values of the portions without abnormal vibration are used.

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Abstract

光強度取得部は、プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する。ＯＴＤＲ波形取得部は、光強度取得部から送られてくる、光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶する。移動平均取得部は、時間的に連続する第ｋ～第ｋ＋Ｍ－１のＯＴＤＲ波形を平均して第ｋの移動平均波形を取得して記憶する。差分波形取得部は、第ｋ＋Ｍ＋ＮのＯＴＤＲ波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形を取得する。統計情報取得部は、差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する。異常度取得部は、各位置の異常度を計算して、異常度を示す異常度波形を取得する。異常判定部は、異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する。

Description

振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法
　本開示は、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の検知や、橋梁や道路などの大型の土木構造に発生する亀裂の検知に利用するのに好適な、振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法に関する。
　光波を光ファイバへ入力すると、伝搬に伴って後方散乱光が発生していく。光ファイバの長手方向の各位置において発生した後方散乱光は、入力される光波（以下、入力光）が光ファイバの入力端から後方散乱光が発生する位置までの往復に要する時間だけ遅れて観測される。光ファイバの長手方向に、破断点や、伝搬する光を大きく減衰させる点がある場合、その位置に対応する後方散乱光の光強度が変化する。この原理は、通信用光ファイバの破断点の検知に利用され、時間領域反射測定（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）として知られている。
　ＯＴＤＲにおいて、入力光としての光パルスの発生に利用するレーザを、周波数ドリフトが小さく、線幅が狭いレーザに交換するのみで、光ファイバに伝わる振動を検知できる（例えば、J. C. Juarez, W. Maier, K. N. Choi, and H. F. Taylor, “Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System,” IEEE JLT, vol. 23, No. 6, June 2005, pp. 2081-2087参照）。
　このようなレーザを利用したＯＴＤＲでは、後方散乱光の光強度の波形は、光パルスが光ファイバを伝搬する間に光ファイバ内の複数の散乱中心で発生するコヒーレントな後方散乱光の強い干渉の結果として観測される。
　光ファイバに振動が加わると、その位置のみ光ファイバの屈折率や複屈折が変化する。これにより、振動が加わった位置の複数の散乱中心からの複数のコヒーレントな後方散乱光間の相対的な位相差が変化する。コヒーレント波の重ね合わせでは、波形間の相対的な位相差が変化すると波形が変化する。このため、観測されるＯＴＤＲ波形において、振動が加わった位置に相当する時刻の波形のみ変化する。この現象を利用すれば、観測したＯＴＤＲ波形と、以前の時刻において観測したＯＴＤＲ波形の差を計算することにより、振動の発生と位置を検出できる。
　この方法は、位相感応ＯＴＤＲやφ－ＯＴＤＲと呼ばれる。位相感応ＯＴＤＲでは、以前の時刻のＯＴＤＲ波形との差分を求める。この際に、異常な振動が無い場合においても、ＯＤＴＲ波形の振幅の揺らぎが大きいと大きな雑音となる。これは、異常な振動を検知するといった目的に対して、異常な振動の有無の見逃しや誤検知の原因となる。この雑音を低減するために、移動平均（ｍｏｖｉｎｇ　ａｖｅｒａｇｉｎｇ）と移動差分（ｍｏｖｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）と呼ばれる方法が知られている（例えば、Y. Lu, T. Zhu, L. Chen, and X. Bao, “Distributed Vibration Sensor Based on Coherent Detection of Phase-OTDR,” IEEE JLT, vol. 28, No. 22, Nov. 15, 2010, pp.3243-3249参照）。
　移動平均は、時間の経過と共に観測した複数のＯＴＤＲ波形に関し、位置ごとに移動平均を求めることにより、差分を計算した場合の雑音を低減する方法である。移動差分は、異なる時刻で観測したＯＴＤＲ波形の差分を計算する際に、時間軸上で隣り合ったＯＴＤＲ波形との差分を計算するのではなく、少し離れた時刻において観測したＯＴＤＲ波形との差分を計算する方法である。ＯＴＤＲ波形を取得する時間の間隔と比較して振動の持続時間が十分に長い場合、時間軸上で隣り合ったＯＴＤＲ波形との差分を計算する方法と比較して大きな差分の値を得られる。
　しかしながら、ＯＴＤＲ波形に対して移動平均と移動差分を利用しても、異常な振動が有る場合と無い場合の値の比は数倍程度である。差分のみで振動の有無を評価する限り、異常な振動が有る場合の差分の大きさは、原理的に、最大でもＯＴＤＲ波形のとり得る振幅の最大値と最小値の差に留まる。このように、異常な振動が有る場合と無い場合の値の比が小さいため、振動検知光ファイバセンサの動作は不安定である。さらに、位相感応ＯＴＤＲは僅かな振動も検知できる一方で、雑音の程度は光ファイバが敷設された環境に依存する。このため、風などの影響を受ける環境下では、異常の有無を見分けることが難しい。
　本開示は、例えば、位相感応ＯＴＤＲにおいて、移動平均と移動差分の利用に加えて、雑音の性質を利用することで、ＯＴＤＲ波形の変化を統計的に評価し、異常な振動の有無を明瞭に判別する、振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法を提供する。
　本開示の第１の態様は、振動検知光ファイバセンサであって、光源部と、光ファイバと、光強度取得部と、ＯＴＤＲ波形取得部と、移動平均取得部と、差分波形取得部と、統計情報取得部と、異常度取得部と、異常判定部とを備える。
　光源部は、プローブ光として、光パルスを生成する。光ファイバには、プローブ光が入力され、光強度取得部は、プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する。
　ＯＴＤＲ波形取得部は、光強度取得部から送られてくる、光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶する。移動平均取得部は、時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）～第ｋ＋Ｍ－１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する。差分波形取得部は、第ｋ＋Ｍ＋Ｎ（Ｎは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形を取得する。統計情報取得部は、差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する。異常度取得部は、以下の式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　異常判定部は、異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する。
　本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、光源部は、狭線幅レーザと、関数発生器と、強度変調器とを備えていてもよい。また、狭線幅レーザは、レーザ光を生成する光源であって、線幅が１０ｋＨｚ以下であってもよい。また、関数発生器は、一定の周波数で電気パルスを生成してもよい。さらに、強度変調器は、レーザ光を電気パルスで光パルス化することにより、光パルスを生成してもよい。
　また、本開示の第３の態様は、振動検知方法であって、光パルス生成過程と、光強度取得過程と、ＯＴＤＲ波形取得過程と、移動平均取得過程と、差分取得過程と、統計情報取得過程と、異常度取得過程と、異常判定過程とを備える。
　光パルス生成過程では、プローブ光として、光パルスを生成する。光強度取得過程では、プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する。ＯＴＤＲ波形取得過程では、光強度取得過程で取得された、光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶する。移動平均取得過程では、時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）～第ｋ＋Ｍ－１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する。差分取得過程では、第ｋ＋Ｍ＋Ｎ（Ｎは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形を取得する。統計情報取得過程では、差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する。異常度取得過程では、上記式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する。異常判定過程では、異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する。
　本開示の第４の態様は、上記第３の態様において、光パルス生成過程は、線幅が１０ｋＨｚ以下の狭線幅レーザを用いてレーザ光を生成する過程と、一定の周波数で電気パルスを生成する過程と、レーザ光を電気パルスで光パルス化することにより、光パルスを生成する過程とを備えていてもよい。
　上記態様によれば、本開示の振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法は、単にＯＴＤＲ波形と移動平均波形との差分波形を取るだけでなく、差分波形の標本平均及び標準偏差を用いて異常度を取得し、この異常度の値から異常振動の有無を判定する。この結果、本開示の振動検知光ファイバセンサ及び振動検知方法は、異常がある場合と無い場合のピーク値の比が、差分波形でのピーク値の比に比べて大きくなり、異常の有無がより明確に判別できる。
振動検知光ファイバセンサの概略的構成を示すブロック図である。 ＯＴＤＲ波形を示す図である。 移動平均波形を示す図である。 ＯＴＤＲ波形を示す図であって、図２Ａの一部を拡大して示す図である。 移動平均波形を示す図であって、図２Ｂの一部を拡大して示す図である。 差分波形を示す図である。 異常な振動が加えられていない状態の差分波形を示す図である。 異常な振動が加えられていない状態の雑音の分布を示す図である。 異常度を示す図である。
　以下、図を参照して、本開示の例示的実施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、本開示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、本開示の好適な構成例につき説明するが、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、本開示は以下の例示的実施形態に限定されるものではなく、本開示の構成の範囲を逸脱せずに本開示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。
　（振動検知光ファイバセンサ）
　図１を参照して、振動検知光ファイバセンサの実施形態について説明する。図１は、振動検知光ファイバセンサの概略的構成を示すブロック図である。
　この振動検知光ファイバセンサは、光源部１０、光ファイバ２０、光サーキュレータ３０、及び、計測部４０を備えて構成される。この振動検知光ファイバセンサは、ＯＴＤＲに用いられる。
　光源部１０は、プローブ光として、周期的に光パルスを生成する。振動検知光ファイバセンサの空間分解能は、この光パルスの幅に依存する。また、振動検知光ファイバセンサの測定距離は、光パルスの周波数に依存する。光パルスは、光ファイバ２０を１ｍ伝搬するのに５ｎｓの時間を要する。後方散乱光を観測する場合は，順方向の伝搬と，逆方向の伝搬の往復の時間を要するので、１ｍあたり１０ｎｓの遅延が発生する。例えば、パルス幅を１００ｎｓ、周波数を５ｋＨｚとしたとき、空間分解能は１０ｍとなり、最大の測定距離は２０ｋｍとなる。
　光源部１０は、例えば、レーザ光源１２、強度変調器１４、関数発生器１６及び光増幅器１８を備えて構成される。
　レーザ光源１２は、通信波長帯の連続光として、レーザ光を生成する。レーザ光源１２として、線幅が１０ｋＨｚ以下のいわゆる狭線幅レーザを用いるのが良い。レーザ光源１２として狭線幅レーザを用いると、この振動検知光ファイバセンサは、位相感応ＯＴＤＲに用いることができる。レーザ光の波長は、任意で良いが、標準単一モード光ファイバで低損失の１５５０ｎｍにするのが良い。レーザ光源１２で生成されたレーザ光は、強度変調器１４に送られる。
　関数発生器１６は、矩形状の電気パルスを生成する。この電気パルスは、強度変調器１４に送られる。関数発生器１６が生成する電気パルスは、例えば、パルス幅が１００ｎｓｅｃ幅で、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。また、関数発生器１６の出力は、後述するアナログ－ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器４４にも送られ、トリガー信号として用いられる。
　強度変調器１４は、レーザ光を電気パルスで光パルス化して、光パルスを生成する。この光パルスは、光増幅器１８に送られる。強度変調器１４が生成する光パルスのパルス幅と周波数は、共に関数発生器１６が生成する電気パルスと同じである。この例では、光パルスは、パルス幅が１００ｎｓｅｃで、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。
　強度変調器１４で生成された光パルスは、光増幅器１８で所定の増幅を受けた後、プローブ光として、光サーキュレータ３０を経て光ファイバ２０に送られる。
　光ファイバ２０に送られたプローブ光は、光ファイバ２０を伝播し、プローブ光の伝播に伴って後方散乱光が発生する。この後方散乱光は、出力光として光サーキュレータ３０を経て計測部４０に送られる。
　計測部４０は、光強度取得部としての光検出器４２及びＡ／Ｄ変換器４４と、演算器５０とを備えて構成される。光ファイバ２０から計測部４０に入力された出力光は、光検出器４２に送られる。
　光検出器４２は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）で構成することができる。光検出器４２は、出力光を２乗検波することにより電気信号に変換して、Ａ／Ｄ変換器４４に送る。ここで、後方散乱光の光強度は小さい。このため、光検出器４２は、－３０ｄＢｍ程度でも受光できる感度があることが望ましい。
　Ａ／Ｄ変換器４４は、光検出器４２から受けとった電気信号をディジタル信号に変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器４４の標本化周波数は、ＯＴＤＲ波形を標本化できる程度に大きければよく、２００ＭＨｚ程度あれば十分である。
　Ａ／Ｄ変換器４４で得られるディジタル信号は、演算器５０に送られる。
　演算器５０は、ディジタル信号を用いて、ＯＴＤＲ波形の変化を統計的に評価し、異常な振動の有無の検知及び振動の位置の特定を行う。演算器５０としては、例えば、異常な振動の有無の検知及び振動の位置の特定を行うプログラムがインストールされた市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を利用できる。ここでは、一例として、演算器５０が、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）６０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）５２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）５４及び記憶部５６を備えて構成されるものとして説明する。ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ５４に格納されているプログラムを実行することにより、後述する各機能部を実現する。各機能部での処理結果は、一時的にＲＡＭ５２に格納される。
　ＯＴＤＲ波形は、Ａ／Ｄ変換器４４から演算器５０に周期的に送られてくる。ＯＴＤＲ波形取得部６２は、時間的に連続するＭ個分（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を順に記憶部５６に格納、すなわち記憶する。Ｍ個分の波形が格納された後は、一番古い波形を削除して、新しい波形を記憶部５６に格納していく。
　移動平均取得部６４は、ＯＴＤＲ波形をＡ／Ｄ変換器４４から受け取るたびに、時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）～第ｋ＋Ｍ－１（Ｍは２以上の整数）のＭ個分のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得する。第ｋの移動平均波形は、記憶部５６に格納される。移動平均取得部６４が取得した時間的に連続するＮ個分（Ｎは２以上の整数）の移動平均波形は、順に記憶部５６に格納される。Ｎ個分の移動平均波形が格納された後は、一番古い移動平均波形を削除して、新しい移動平均波形を記憶部５６に格納していく。
　差分波形取得部６６は、新たに受け取った第ｋ＋Ｍ＋ＮのＯＴＤＲ波形と、記憶部５６に格納されている、第ｋの移動平均波形の差分を取ることにより、差分波形を取得する。なお、この差分を移動差分と称することもある。上述の通り、第ｋの移動平均波形は、第ｋ～第ｋ＋Ｍ－１のＯＴＤＲ波形の平均である。
　統計情報取得部６８は、差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する。
　異常度取得部７０は、上記式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す波形（以下、異常度波形とも称する。）を取得する。
　その後、異常判定部７２が、異常度から異常振動の有無を判断する。なお、異常度の有無を判定する際に用いるしきい値については、設置場所の環境による影響をモニタするなどして、好適な値に設定すればよい。
　移動平均を計算する際の波形の数Ｍは、例えば、レーザ光源１２の線幅に基づいて定められる。レーザ光源１２の線幅が５００Ｈｚの場合は、２ｍｓｅｃ（＝１／５００Ｈｚ）以下の時間の平均になるようにするのが良い。光パルスの周波数が５ｋＨｚの場合は、例えば、Ｍを２０にすることができる。この場合、移動平均波形は、４ｍｓｅｃの時間の平均になる。
　なお、統計情報取得部６８が標本平均μ及び標準偏差σを取得するにあたり、異常振動が無い状態で計算するのが良い。従って、統計情報取得部６８は、例えば、異常判定部７２において、異常振動が有ったと判定された場合は、その位置に対応する標本を除いて、標本平均μ及び標準偏差σを取得する構成とすることができる。また、異常判定部７２において、異常振動が有ったと判定された場合は、移動平均取得部６４が、該当するＯＴＤＲ波形を除いて移動平均波形を取得する構成にしてもよい。
　差分波形を取得する際の、ＯＴＤＲ波形と移動平均波形の時間差は、異常振動の周期以上に設定するのが良い。例えば、光パルスの周波数が５ｋＨｚの場合、光パルスの周期は、０．２ｍｓｅｃ（＝１／５ｋＨｚ）である。これに対し、光ファイバを叩いたことにより発生する振動の周波数は数１００Ｈｚ程度である。この場合、周期は、数ｍｓｅｃ程度であるので、時間的に隣接するＯＴＤＲ波形の差が小さい。このため、時間差を４ｍｓｅｃ程度にするのが良い。
　（特性試験）
　この振動検知光ファイバセンサの特性試験について説明する。ここでは、光ファイバ２０の長さを１８ｋｍとした。光ファイバ２０の、入力端側から８．５ｋｍの位置の光ファイバを叩いて、異常な振動を加えた。ここでは、光ファイバ２０の、光サーキュレータ３０に接続される側が入力端側である。
　レーザ光源１２は、線幅５００Ｈｚの狭線幅レーザとした。光パルスのパルス幅及び周波数をそれぞれ１００ｎｓｅｃ及び５ｋＨｚとした。また、移動平均を計算する際に用いる波形の数Ｍを２０とし、差分波形を取得する際の時間差を４ｍｓｅｃとした。この時間差の４ｍｓｅｃは、光パルスの数Ｎに換算すると２０個分になる。すなわち、この試験では、移動平均を計算する際に用いる波形の数Ｍと、差分波形を取得する際の時間差から換算される光パルスの数Ｎはともに２０で等しい。記憶部には、Ｍ（＝２０）個のＯＴＤＲ波形と、Ｎ（＝２０）個の移動平均波形が格納されている。
　図２Ａ～図３Ｂを参照して、ＯＴＤＲ波形と移動平均波形を説明する。図２Ａ～図３Ｂは、いずれもＯＴＤＲ波形と移動平均波形を示す図である。
　図２Ａ～図３Ｂは、横軸に光ファイバの入力端からの距離（単位：ｍ）を取って示し、縦軸に、信号強度（単位：ｍＶ）を取って示している。この信号強度は、例えばＡ／Ｄ変換器の出力電圧として与えられる。
　図２Ａ及び図３Ａは、Ｍ（＝２０）個分のＯＴＤＲ波形を示している。また、図２Ｂ及び図３Ｂは、Ｎ（＝２０）個分の移動平均波形を示している。ここで、図３Ａ及び図３Ｂは、異常な振動を与えた８．５ｋｍ付近の波形を拡大して示している。
　与えられた異常な振動の影響を受けていない、８４００～８５００ｍと８６５０～９０００ｍの範囲に着目する。この範囲において、図３Ａに示す各ＯＴＤＲ波形では、信号強度にばらつきがある。一方、図３Ｂに示す各移動平均波形では、信号強度にばらつきがなく、ほぼ等しい。
　図４は、差分波形取得部で取得された差分波形を示す図である。図４は、横軸に光ファイバの入力端からの距離（単位：ｍ）を取って示し、縦軸に、差分（単位：ｍＶ）を取って示している。ここで、差分は、第ｋ＋Ｍ＋ＮのＯＴＤＲ波形と、第ｋ～第ｋ＋Ｍ－１のＯＴＤＲ波形から取得された第ｋの移動平均波形との差分とする。ｋが１の場合、移動差分は、第１～第２０のＯＴＤＲ波形から取得された第１の移動平均波形と、第４０のＯＴＤＲ波形との差分になる。以下の説明では、移動差分を単に差分とも称する。
　図４に示すように、異常な振動を加えた８．５ｋｍの位置での移動差分の大きさは、他の、異常な振動を加えていない箇所の移動差分の大きさに比べて５．６倍程度である。なお、この特性試験では、加えた異常な振動以外には、光ファイバの揺らぎがない条件で測定を行っている。
　ここで、移動差分の測定では、風の影響などにより僅かに光ファイバが揺らいだだけでも大きな差分が発生する。移動差分では、ＯＴＤＲ波形の最大値と最小値の差以上の値は得られない。このため、風などで光ファイバが揺らいだ場合に、加えた異常な振動による移動差分のピークが、風の影響によるピークと判別が難しい場合がある。
　そこで、さらに、差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する。
　図５は、異常な振動が加えられていない状態の差分波形と、雑音の分布を示す図である。図５Ａは、差分波形を示す図であって、横軸に光ファイバの入力端からの距離（単位：ｍ）を取って示し、縦軸に、移動差分（単位：ｍＶ）を取って示している。図５Ｂは、雑音の分布を示す図であって、縦軸に、移動差分（単位：ｍＶ）を取って示し、横軸に、移動差分の値ごとの、標本数を取って示している。図５Ｂに示す雑音の分布では、標本平均μが２４．４であり、標準偏差σが２５．２である。
　異常度取得部は、上記式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す波形（以下、異常度波形とも称する。）を取得する。
　図６は、異常度を示す図である。図６は、横軸に光ファイバの入力端からの距離（単位：ｍ）を取って示し、縦軸に、上記式（１）を用いて計算した異常度を取って示している。ここでは、図４に示したのと同じデータを用いて計算している。
　図６に示すように、異常な振動を加えた８．５ｋｍの位置での異常度の大きさは、他の、異常な振動を加えていない箇所の異常度の大きさに比べて４６．４倍程度である。移動差分により得られる５．６倍と比べて、異常の有無がより明確になっている。
　その後、異常度から異常振動の有無を判断する。なお、異常振動の有無を判定する際に用いるしきい値については、設置場所の環境による影響をモニタするなどして、好適な値に設定すればよい。
　なお、差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得するにあたり、異常振動有りと判断された箇所の値は用いずに、異常振動のない箇所の値のみを用いる。
　（他の実施形態）
　ここでは、光強度取得部にＰＤを用いて、後方散乱光の強度を測定する例を説明したが、これに限定されない。後方散乱光を観測するにあたり、Y. Lu, T. Zhu, L. Chen, and X. Bao, “Distributed Vibration Sensor Based on Coherent Detection of Phase-OTDR,” IEEE JLT, vol. 28, No. 22, Nov. 15, 2010, pp.3243-3249に記載しているように、後方散乱光をレーザ光源で生成されたレーザ光と干渉させて、コヒーレント検波を行ってもよい。また、光９０度ハイブリッド受信機を用いて後方散乱光の位相変化を観測してもよい。また、後方散乱光に対してヘテロダイン検波をしてもよい。
　日本出願特願２０１８－１７１４３８の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (8)

  1. 　プローブ光として、光パルスを生成する光源部と、
    　前記プローブ光が入力される光ファイバと、
    　前記プローブ光が前記光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する光強度取得部と、
    　前記光強度取得部から送られてくる、前記光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶するＯＴＤＲ波形取得部と、
    　時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）～第ｋ＋Ｍ－１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する、移動平均取得部と、
    　第ｋ＋Ｍ＋Ｎ（Ｎは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形を取得する差分波形取得部と、
    　前記差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する統計情報取得部と、
    　以下の式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する異常度取得部と、
    　前記異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する異常判定部と、
    　を備える、振動検知光ファイバセンサ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  2. 　前記統計情報取得部は、前記異常判定部において異常振動が有ったと判定された場合は、その位置に対応する標本を除いて、標本平均μ及び標準偏差σを取得する、請求項１に記載の振動検知光ファイバセンサ。
  3. 　前記移動平均取得部は、前記異常判定部において異常振動が有ったと判定された場合は、該当するＯＴＤＲ波形を除いて移動平均波形を取得する、請求項１に記載の振動検知光ファイバセンサ。
  4. 　前記光源部は、
    　レーザ光を生成する光源であって、線幅が１０ｋＨｚ以下の狭線幅レーザと、
    　一定の周波数で電気パルスを生成する関数発生器と、
    　前記レーザ光を前記電気パルスで光パルス化することにより、前記光パルスを生成する強度変調器と、
    　を備える、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の振動検知光ファイバセンサ。
  5. 　プローブ光として、光パルスを生成する光パルス生成過程と、
    　前記プローブ光が光ファイバで後方散乱した出力光の強度を取得する光強度取得過程と、
    　前記光強度取得過程で取得された、前記光パルスごとの出力光の波形であるＯＴＤＲ波形を順次取得して記憶するＯＴＤＲ波形取得過程と、
    　時間的に連続する第ｋ（ｋは１以上の整数）～第ｋ＋Ｍ－１（Ｍは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形を平均することにより第ｋの移動平均波形を取得して記憶する移動平均取得過程と、
    　第ｋ＋Ｍ＋Ｎ（Ｎは２以上の整数）のＯＴＤＲ波形と、第ｋの移動平均波形の差分波形を取得する差分取得過程と、
    　前記差分波形の標本平均μと、標準偏差σを取得する統計情報取得過程と、
    　以下の式（１）を用いて、各位置の異常度を計算することにより、異常度を示す異常度波形を取得する異常度取得過程と、
    　前記異常度の値から、異常振動の有無と、異常振動が有った場合はその位置を取得する異常判定過程と、
    　を備える、振動検知方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  6. 　前記統計情報取得過程では、前記異常判定過程において異常振動が有ったと判定された場合は、その位置に対応する標本を除いて、標本平均μ及び標準偏差σを取得する、請求項５に記載の振動検知方法。
  7. 　前記移動平均取得過程では、前記異常判定過程において異常振動が有ったと判定された場合は、該当するＯＴＤＲ波形を除いて移動平均波形を取得する、請求項５に記載の振動検知方法。
  8. 　前記光パルス生成過程は、
    　線幅が１０ｋＨｚ以下の狭線幅レーザを用いてレーザ光を生成する過程と、
    　一定の周波数で電気パルスを生成する過程と、
    　前記レーザ光を前記電気パルスで光パルス化することにより、前記光パルスを生成する過程と、
    　を備える、請求項５～請求項７のいずれか一項に記載の振動検知方法。
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