WO2021111691A1

WO2021111691A1 - 光ファイバセンシングシステム、測定装置及び測定方法

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Publication number: WO2021111691A1
Application number: PCT/JP2020/033811
Authority: WO
Inventors: 矢野　隆
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US20220299358A1; JP7347538B2; JPWO2021111691A1

Abstract

通信や給電のインフラがない遠隔地にインテロゲーターを設置可能として遠隔センシングすること。光通信ケーブルシステムに、光ファイバセンシング機能を追加した光ファイバセンシングシステムであって、光ファイバセンシングは、インテロゲーターによって、光ファイバにプローブ光を送出し、プローブ光の後方散乱光を検波して光ファイバの周囲の環境情報をセンシングする。光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に設置された第一のセンシング装置は、インテロゲーターと、光通信ケーブルシステムを介して受電して当該装置内に給電する電源部と、第二のセンシング装置と通信する通信部を備える。インテロゲーターは、第一のセンシング装置に接続されている光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成する。通信部は、センシングデータを第二のセンシング装置に送信する。

Description

光ファイバセンシングシステム、測定装置及び測定方法

　本発明は光ファイバセンシングシステム、測定装置及び測定方法に関する。

　光ファイバは、通信用に広く使用されている。例えば、海を挟んだ陸地間を結ぶ通信ケーブルシステムは、国際通信網の実現手段として、今日、世界中に広く敷設され、使用されている。また、光ファイバは、センサとしても使用される。例えば、光ファイバに音波を当てたり、振動を加えたりすると、光ファイバを通過する光が変調され、その反射光または透過光を検波することで、遠隔地の音や振動をセンシングすることができる。このようなセンサシステムは、近年、一般的に、ＤＡＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｓｅｎｓｉｎｇ）と呼称されている。ＤＡＳにおいては、インテロゲーター（Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ）と呼ばれる計測装置が用いられる。

　主に光ファイバの伝送損失により、光ファイバ中を通る光は減衰する。その減衰を補償するため光増幅中継装置が用いられる。たとえ損失が補償されても光信号が伝送可能な距離には制約がある。それは、光ノイズの蓄積による光ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ）劣化や、光ファイバ中の非線形光学効果による劣化などの制約である。光通信システムは、回線設計の最適化により、例えば日米間の太平洋横断回線も光増幅中継で実現されている。

　一方、光ファイバセンシングも、通信の光と同様に、伝送損失を被るので、その減衰を補償するための光増幅中継装置が有効である。損失が補償されてもセンシング可能距離には制約があることも通信と同様である。ただし、その可能距離は、通信が可能な距離に比べて一般的に短い。これには２つの理由が考えられる。一つは、ＤＡＳは後方散乱光を観測するものであるが、発生する後方散乱光が微弱のため、ノイズの影響を受けやすいことである。

　もう一つの理由は、後方散乱光を観測するというＤＡＳの原理に起因するもので、インテロゲーターが光を送出してから後方散乱光が戻ってこなくなるまで次の光を送出できないという制約である。センシング距離を長くすると、サンプリング周波数を下げざるを得なくなり、必要とされる観測周波数帯域を満たせなくなる。例えば１０００ｋｍの光ファイバを光が往復する時間は約０．０１秒であるから、インテロゲーターが光を送出できる周波数は１００Ｈｚ未満に制限される。その結果、サンプリング定理により、５０Ｈｚより早い現象が光ファイバに起きると正しい観測ができない。波長を異ならせて次々送出するなどの工夫も提案されているがコスト高となる。光増幅中継を用いてセンシング可能距離を拡大するとしても、極端に長くするとこのサンプリング周波数の制約が現れて、実用価値が損なわれる。

特開昭５９－１４８８３５号公報特開２０１６－２０１９８９号公報特開２０１４－１９７７８８号公報

　ＤＡＳによってセンシングする位置によっては、インテロゲーターを人間の居住エリアから離れた、通信インフラも給電インフラもない遠隔地に設置したい場合もある。しかし、インテロゲーターを上記のような遠隔地に設置してセンシングする具体的な方法の開示は無かった。このような遠隔地に装置を置く他用途のケーブルシステムに、例えば海底光通信ケーブルシステムがあるが、当該システムの中にインテロゲーターを組み合せる方法の開示もこれまで無かった。

　本開発の目的は、かかる事情に鑑み、通信インフラも給電インフラもない遠隔地にインテロゲーターを設置して遠隔センシングすることができる光ファイバセンシングシステム、測定装置及び測定方法の提供にある。

　一実施の形態に係る光ファイバセンシングシステムは、
　光増幅中継装置を含む長距離の光通信ケーブルシステムに、光ファイバセンシング機能を追加した光ファイバセンシングシステムであって、
　前記光ファイバセンシングは、インテロゲーターによって、光ファイバにプローブ光を送出し、前記プローブ光の後方散乱光を検波して前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングするものであって、
　前記光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に第一のセンシング装置が設置され、
　前記端局には前記第一のセンシング装置と通信する第二のセンシング装置が設置され、
　前記第一のセンシング装置は、前記インテロゲーターと、前記光通信ケーブルシステムを介して受電して当該第一のセンシング装置内に給電する電源部と、前記第二のセンシング装置と通信する通信部を備え、
　前記インテロゲーターは、前記第一のセンシング装置に接続されている前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって前記光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成し、
　前記通信部は、前記センシングデータを前記第二のセンシング装置に送信する。

　一実施の形態に係る測定装置は、
　光増幅中継装置を含む長距離の光通信ケーブルシステムに、追加された光ファイバセンシング機能を実現する測定装置であって、
　前記光ファイバセンシングは、インテロゲーターによって、光ファイバにプローブ光を送出し、前記プローブ光の後方散乱光を検波して前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングするものであって、
　前記光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に設置された第一のセンシング装置と、
　前記端局に設置され、前記第一のセンシング装置と通信する第二のセンシング装置と、を含み、
　前記第一のセンシング装置は、前記インテロゲーターと、前記光通信ケーブルシステムを介して受電して当該第一のセンシング装置内に給電する電源部と、前記第二のセンシング装置と通信する通信部を備え、
　前記インテロゲーターは、前記第一のセンシング装置に接続されている前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって前記光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成し、
　前記通信部は、前記センシングデータを前記第二のセンシング装置に送信する。

　一実施の形態に係る測定方法は、
　光増幅中継装置を含む長距離の光通信ケーブルシステムに、光ファイバセンシング機能を追加した光ファイバセンシングシステムにおける測定方法であって、
　前記光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に設置された第１のセンシング装置は、
　前記光通信ケーブルシステムを介して受電して前記第１のセンシング装置内に給電し、
　前記第１のセンシング装置内に設置されたインテロゲーターによって、前記第一のセンシング装置に接続されている光ファイバにプローブ光を送出し、前記プローブ光の後方散乱光を検波して前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって前記光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成し、
　前記センシングデータを、前記端局に設置された第二のセンシング装置に送信する。

　一実施の形態によれば、通信インフラも給電インフラもない遠隔地にインテロゲーターを設置して遠隔センシングすることができる光ファイバセンシングシステム、測定装置及び測定方法を提供することができる。

実施形態１に係る測定システムを例示した構成図である。実施形態１に係る測定システムの第一の構成例を示した構成図である。実施形態１に係る測定システムの第一の構成例を示した構成図である。波長配置を例示した説明図である。実施形態１に係る測定システムの第一および第二の構成例における、端局側の測定装置を示した構成図である。比較例に係る測定システムを例示した構成図である。実施形態１に係る測定システムの第三の構成例を示した構成図である。実施形態１に係る測定システムの第四の構成例を示した構成図である。実施形態２に係る測定システムの第一の構成例を示した構成図である。実施形態２に係る測定システムの第二の構成例を示した構成図である。実施形態２に係る測定システムの第三の構成例を示した構成図である。

　（実施形態１）
　実施形態１に係る測定システムの第一の構成例を説明する。図１は、実施形態１に係るケーブルシステム１０を例示した構成図である。ケーブルシステム１０は、通信システム及び測定システムにより構成される。

　この例では、ケーブルシステム１０の通信システムの部分は、構成が最もシンプルなｐｏｉｎｔ－ｔｏ－ｐｏｉｎｔのネットワーク構成で説明している。

　この実施形態では、測定システムは、通信ケーブルシステムと組み合わされており、センサとなるケーブルは通信用ケーブルと共用である。図１に示すように、通信システムおよび測定システムは、端局２１及び２２、当該ケーブルＣＢ１、増幅中継装置ＲＥＰ３ｎを備えている。加えて測定システムは、測定装置ＭＣ１、測定装置ＭＳ１を備えている。

　端局に置かれる測定装置ＭＣ１と、遠隔に置かれる測定装置ＭＳ１は互いに通信しあう構成である。図１では測定装置ＭＣ１は端局２１に置かれている。

　ケーブルＣＢ１は、例えば、複数の中継装置ＲＥＰ３ｎを介して一方向に延びている。例えば、複数の中継装置ＲＥＰ３１～ＲＥＰ３（ｎ＋１）は、ケーブルＣＢ１に所定の長さＬおきに設けられている。所定の長さは例えば６０ｋｍである。図１では、ケーブルＣＢ１は直線状に示されているが、ケーブルＣＢ１は湾曲してもよいし、Ｕ字状に敷設されてもよい。

　図２及び図３は、実施形態１に係るケーブルシステム１０を例示した構成図であり、図１の詳細図である。図２及び図３に示すように、ケーブルシステム１０において、ケーブルＣＢ１は、内部に、複数の光ファイバ心線対４１１～４１４および給電線を含んでいる。以降では光ファイバ心線対をファイバペア（ＦＰ：　Ｆｉｂｅｒ　Ｐａｉｒ）とも呼ぶ。この例では、全ての光ファイバ心線対は端局２１と端局２２の間の波長多重通信に使用されている。

　通信システムの端局装置は複数の波長多重分離機と複数のトランスポンダを主要構成要素として備えるが、図２及び図３においては、ＦＰ４１１に接続された波長多重分離器１１２及び１２２とトランスポンダ群１１１及び１２１のみを図示する。ＦＰ４１２乃至４１４に接続された波長多重分離器及びトランスポンダ群は、図の煩雑さを避けるため省略してある。

　測定装置ＭＣ１と測定装置ＭＳ１間の通信波長（後述のλｓ）と、センシング光の波長（後述のλａ）は、通信用の波長とは波長が異なるようにアサインされている。図４はそのような波長配置の一例である。なお、以下の説明においては、センシング光は、プローブ光と後方散乱光の両方をまとめて指す言葉として用いる。

　図２及び図３では、測定装置ＭＣ１と測定装置ＭＳ１間の通信は、ＦＰ４１４を通じて波長λｓにて行われている。またセンシング光は、図２においてはＦＰ４１２を通じて測定装置ＭＳ１から端局２２方向（矢印ＰＬが示す方向）に向かって波長λａで出力され、矢印ＲＬ１が示す方向で戻ってくる。

　図３においては、センシング光は、ＦＰ４１２のうちの片方の光ファイバ心線を通じて測定装置ＭＳ１から端局２２方向（矢印ＰＬ１が示す方向）に向かって波長λａで出力され、矢印ＲＬが示す方向で戻ってくる。

　同一のケーブルＣＢ１内に束ねられている心線は、ケーブルＣＢ１が置かれた環境の影響（例えば音や温度）をほぼ同様に受けているので、どれか１つの心線をセンシングすれば一般的には十分である。図２以降において、本開示技術によって周囲の環境をセンシング可能となるケーブルを、ケーブルに加わる振動を検出している様子で示しているが、振動をセンシングすることは一例である。

　センシング光を通すファイバペアもしくは光ファイバ心線の光増幅器には、追加の部品が必要である。その内部構成は本開示技術の内容ではないため詳しくは述べないが、図２では、当該光増幅器に、後方散乱光を増幅して対向側の光ファイバ心線に合波する経路が追加で設けられている。また図３では、当該光増幅器が一心双方向増幅器の構成となっている。

　ケーブルシステム１０においては、中継装置ＲＥＰ３ｎなどに電力を送るために、端局２１及び端局２２は給電装置を備え、ケーブルＣＢ１は給電線を備えている。各遠隔の装置はその内部に電源部を備え、ケーブルＣＢ１から受電した電力を装置内の電気回路などに給電している。同様の電源部が測定装置ＭＳ１にも備えられており、ケーブルＣＢ１から受電して、装置内に給電している。

　図２及び図３の例では、測定装置ＭＣ１及び測定装置ＭＳ１間の通信を行うファイバペアと、センシングを行うファイバペアが別である。一方で、測定装置ＭＣ１及び測定装置ＭＳ１間の通信に用いられる光の波長とセンシング光の波長が互いに異なっていれば、同一のファイバペアを用いて通信及びセンシングを行っても構わないことは言うまでもない。

　図２及び図３では、波長多重通信用とセンシング用で心線を共用しているが、心線を、波長多重通信用として用いずに実質的にセンシング専用として用いても同様の効果を得られることは言うまでもない。

　図２及び図３では、ファイバペアは４対であるが、これより多くても少なくても構わない。

　測定装置ＭＳ１は、インテロゲーターＩＴＧ１１、通信制御部、ＯＡＤＭ（Ｏｐｔｉｃａｌ　ａｄｄ　ｄｒｏｐ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）λａ、ＯＡＤＭ λｓ、及び電源部などを有している。また関与しない光ファイバ心線はスルー接続されている。光ファイバ心線をスルー接続するとは、光ファイバ心線を測定装置ＭＳ１の筐体を通過させる一方で、装置内の部品と光ファイバ心線とを光学的に接続しないことを示す。したがって通信システムの回線設計において、測定装置ＭＳ１の影響を考慮する必要がほぼない。図２及び図３においては、例えば、ＦＰ４１１及びＦＰ４１３が、測定装置ＭＳ１とスルー接続されている。

　インテロゲーターＩＴＧ１１は、ＯＡＤＭ λａを介してＦＰ４１２の端局２２方向にプローブ光ＰＬ１を出力する。プローブ光ＰＬ１は、例えば、パルス光である。ＦＰ４１２に出力されたプローブ光ＰＬ１からは、後方散乱光ＲＬ１が生じる。後方散乱光ＲＬ１は、ＯＡＤＭ λａを介してＩＴＧ１１に戻る。よって、インテロゲーターＩＴＧ１１は、光ファイバ中でプローブ光ＰＬ１から生じた後方散乱光ＲＬ１を取得し、検波、分析する。分析により、センシング範囲にある光ファイバケーブルの各点における環境情報（振動や温度など）を示すセンシングデータが生成される。図２及び図３に示される例においては、インテロゲーターＩＴＧ１１は、ＦＰ４１２の各点の周囲の環境情報をセンシングすることによって、ＦＰ４１２上の各点のセンシングデータを生成する。

　通信制御部は、生成したセンシングデータを波長λｓの光に重畳し、ＦＰ４１４通じて端局２１にある測定装置ＭＣ１に伝達する。

　所定の長さＬおきにケーブルＣＢ１に設けられた中継装置３ｎは、波長多重通信光、ＦＰ４１２中を伝送するプローブ光ＰＬ１、後方散乱光ＲＬ１、およびＦＰ４１４中を伝送される測定装置間通信用光信号ＴＬ１、ＴＬ２を増幅中継する。

　図５は、実施形態１に係る測定システムにおいて、端局２１に置かれる測定装置ＭＣ１を例示した構成図である。

　測定装置ＭＣ１は、少なくとも光送受信部、通信制御部を有しており、測定装置ＭＳ１へ制御コマンドなどを送信し、測定装置ＭＳ１から遠隔地域のセンシングデータを受信する。受信したセンシングデータは、更なる分析処理のために、例えばデータセンターに向けて送信されたり、可搬型記憶媒体に記録される。ＧＰＳ　ＣＬＫについては後述する。

　ここまでの構成の効果を説明する。
　背景技術で述べたように、一般に、光ファイバセンシングのセンシング可能距離は、通信システムの通信可能距離よりも短い。そのため端局に設けられたインテロゲーターからセンシングできる範囲までしか測定できなかった。しかし本願が提供する技術を用いれば、遠隔測定が可能となる。すなわち遠隔地点にインテロゲーターＩＴＧ１１を設置して、周囲のケーブルのセンシングを行い、得られたセンシングデータを端局２１に送信することが可能となる。これにより、通信システムの全長に渡ってセンシングを行うことも可能となる。

　加えて、通信システムと測定システムの互いの独立性が高く、通信システムに測定システムを追加してもあるいは取り除いても、通信システムの設計にはほとんど影響しない。例えば図２を参照して、遠隔にある測定装置ＭＳ１を取り除くことを想像しても、通信システムの設計にほとんど影響しないことが理解される。これは測定装置ＭＳ１を中継装置と分離した構成にしているために得られる効果である。加えて測定装置ＭＳ１の内部では、自身がアクセスする心線の中の特定の波長以外は装置が存在しないのと同等の透過構成としているために得られる効果である。

　端局２１に設置している測定装置ＭＣ１は波長多重通信装置におけるトランスポンダ群１１１と同様に通信システムへの接続、取り外しを考慮した設計となっている。

　第１の実施形態の第一の構成例に、タイムスタンプの工夫を加えた第二の構成例を説明する。
　図５において、測定装置ＭＣ１は、端局２１内の時刻供給装置から時刻情報を受け取り、遠隔の測定装置ＭＳ１に伝える機能を有する。時刻供給装置の典型例は、後述するＧＮＳＳ衛星電波を受信して時刻を得るものである。測定装置ＭＳ１では、インテロゲーターＩＴＧ１１で得たセンシングデータと時刻データを一体化することで、センシングデータがいつのデータであるかの情報を付与することができる。これはタイムスタンプと呼ばれる。

　さらに測定装置ＭＣ１と測定装置ＭＳ１の間の光ファイバ伝送における伝搬遅延が少なからず生じるので、その補正を行ってもよい。実際に生じる遅延量は、光ファイバ２００ｋｍ伝送に対して約１ミリ秒である。

　信号の往復時間を測定することで伝搬遅延量を求めることができる。例えば測定装置ＭＣ１から信号を出し、測定装置ＭＳ１はその情報を受信したら直ちに測定装置ＭＣ１に向けて折り返し送信する。測定装置ＭＣ１は送信してから受信するまでの往復に要した時間を確認できる。測定装置ＭＳ１が受信から送信までに要する時間を予め把握しておけば、往復に要した時間から差し引くことでより正確に光ファイバ伝搬遅延量を求めることができる。

　この往復時間測定は、測定装置ＭＳ１から測定装置ＭＣ１に向かって行うこともできるし、どちらか一方が把握した伝搬遅延量を通信で他方に伝えることもできる。

　このようにして、測定装置ＭＳ１が入手した時刻情報は、真の時刻よりわずかに遅れており、その遅れの量も分かるので、データにタイムスタンプを付加する際に遅延を補正することができる。

　データのタイムスタンプ付加は、測定装置ＭＣ１でも行うことができるが、データが発生した測定装置ＭＳ１側で付加する方が望ましい。測定装置ＭＣ１側でタイムスタンプ付加しても、伝搬遅延補正が必要なことには変わりがないことは言うまでもない。

　この伝搬遅延時間の測定は、常時通信している中で同時並行で行って構わない。

　以上の第二の構成例の効果を説明する。この構成は特に海底ケーブルでの実施において効果を発揮する。なぜなら測定装置ＭＳ１は海底にあってＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）衛星電波が届かず、時刻情報を得ることができないためである。測定装置ＭＣ１は陸上端局にあって高精度の時刻情報が得られるので、その時刻を通信路を通じて伝える手段が望まれる。

　さらに、伝搬遅延時間の補正の重要性については、例えば地震の震源を同定する処理などで重要となる。この処理では複数の異なる地点で観測された同一の地震の到達時刻の差から、震源が算出されている。タイムスタンプが数ミリ秒でもずれていれば、震源の同定に影響することが理解される。

　第１の実施形態の第三の構成例を説明する。
　測定装置ＭＣ１と測定装置ＭＳ１の機能分割において、測定装置ＭＳ１の処理機能を最小化する手段の提供である。

　図６Ａは本技術を用いていない比較例に係る構成の説明図、図６Ｂは本技術を適用した構成の説明図である。図６Ａに書かれている一般的なインテロゲーターでは、プローブ光を送出し、後方散乱光を受光、検波して得た電気信号をＡＤ変換して、デジタル信号処理回路に渡す。光を検波して得た電気信号の波形は、反射戻り光の瞬時瞬時の強度や位相を表す生の受光信号である。デジタル信号処理回路は、生の受光信号を、所定のデジタル演算により処理して、光ファイバ各点における環境情報（振動や温度など）を示すセンシングデータに変換する。そのセンシングデータが通信制御部によって光通信システムの信号として測定装置ＭＣ１に送られる。（図６Ａ、図６Ｂの測定装置ＭＳ１において、クロック源（ＣＬＫ）と制御部（ＣＯＮＴ）は、通信制御部とインテロゲーターＩＴＧの両方に属しているが、これは一例である。）

　これに対して図６Ｂでは、デジタル信号処理回路を測定装置ＭＣ１側に移したことが特徴である。測定装置ＭＳ１では、インテロゲーターＩＴＧはプローブ光ＰＬ１の送出と、後方散乱光ＲＬ１を受光、検波して得た電気信号をＡＤ変換するまでの処理を行い、ＡＤ変換して得た分析前のデジタルデータにタイムスタンプを付ける処理と通信可能なようにフレーム多重する処理（ＭＵＸと記載）のみ行い、送信装置ＭＣ１に送信する。測定装置ＭＣ１に備えられたデジタル信号処理回路は、ＡＤ変換された後方散乱光ＲＬ１のデータを分析して、光ファイバ各点における環境情報（振動や温度など）を示すセンシングデータに変換して出力する。結果的に図６Ａと図６Ｂでは同じ出力が得られる。

　通常は、光を検波したばかりの電気信号を装置の外部に出力することはしない。なぜなら、その測定条件や測定対象の情報との紐づけが一度失われてしまうと、意味のあるセンサ出力データに復元することはできない、無意味なノイズのような信号のためである。

　以上の第三の構成例の効果を説明する。この構成は特に海底ケーブルでの実施において効果を発揮する。測定装置ＭＳ１は海底に設置されるので、故障時の修理が容易でないため、高い信頼度が求められる。その実現のためには、測定装置ＭＳ１で行う処理をできるだけ減らして、部品点数を減らすことが重要である。また海底ケーブルを介して送れる電力には制約があり、また海底に設置する装置筐体からの放熱の問題もあるため、海底装置筐体内の消費電力を極力抑える必要がある。海底に設置される装置は、高い水圧に耐えられるように、また高い電圧に耐えるように作られており、内部で発生した熱が外部に放散されにくいためである。これに対しても本開示技術は有効である。デジタル信号処理回路の消費電力が移せるためである。これらの課題が、本開示技術によって低減される。

　図６Ｂに示したインテロゲーターＩＴＧの内部構成は一例である。ここでは比較的故障率が高い部品である光源を２つ用意して冗長化している。またその出力の一方を、受信光とｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒでコヒーレント検波して、ＩＱ位相、ＸＹ偏波のそれぞれの干渉出力を得ている。すなわちＩｘ，Ｉｙ，Ｑｘ，Ｑｙの４つの出力を得て、それらをＡＤ変換している。それをデジタル信号処理により光ファイバ上の各位置のセンサ出力の形に変換して出力している。ここに挙げた構成は一例であり、本開示技術の説明に必要とする以外の構成要素や結線の全ては説明していない。本技術の開示するところはＡＤ変換後のデジタル信号処理をＭＣ１側で処理できるようにする技術であり、それだけで前記の効果を得ることができる。

　第１の実施形態の第四の構成例を図７を用いて説明する。図３からの差分で示している。
　１台の測定装置ＭＳ１に対して複数の測定装置ＭＣ１を持たせて、経路冗長、装置冗長を実現する手段の提供である。

　例えば図３において、測定装置ＭＳ１が、端局にある測定装置ＭＣ１と通信するために使用している経路はＦＰ４１４の端局２１と測定装置ＭＳ１の間のみである。ＦＰ４１４の端局２２と測定装置ＭＳ１の間のλsの波長は使用されていない。ここで図７のように端局２２にも測定装置ＭＣ１ｂを設置し、測定装置ＭＳ１から二つの測定装置ＭＣ１ａ及び測定装置ＭＣ１ｂ（測定装置ＭＣ１ａ及び測定装置ＭＣ１ｂをまとめてＭＣ１と呼ぶ。）に向けて同一の環境情報又はＡＤ変換して得た分析前のデジタルデータを含む光信号を送信すれば、経路冗長、装置冗長が実現できる。

　測定装置ＭＳ１において、通信用の同一の光送信信号を複数作り出すには、光カプラによる分岐を用いても良いし、複数の光送受信装置を測定装置ＭＳ１内に備えて電気信号の段階で分配して、同じ光信号を別の行先に送信しても良い。後者の場合、光送受信器の故障に対する冗長構成の効果も持つ。

　複数の測定装置ＭＣ１で受信されたデータは、さらにデータセンタに送信され、そこで正常に受信している１台を選択して、他の測定装置ＭＣ１が受信したデータは破棄する。もし、正常に受信できていた１台の測定装置ＭＣ１が正しく受信しなくなった時には、自動的に他の測定装置ＭＣ１の受信データを利用するように切り替える。切替え部分にデータの途切れが生じないようにする処理の工夫が行われることもある。

　また、複数の測定装置ＭＣ１から測定装置ＭＳ１への制御コマンドや時刻情報の通信は、測定装置ＭＳ１側でどれか１つを受信するように自動選択切替する仕組みを備える。こちらは正常に受信できている測定装置ＭＣ１を選べばよい。

　以上の第１の実施形態の第四の効果をいくつかの障害発生事例で説明する。図７において、通常、測定装置ＭＳ１は端局２２の時刻供給装置から測定装置ＭＣ１ｂを経由して時刻情報を得ている。端局２１からも測定装置ＭＣ１ａを経由して時刻情報が測定装置ＭＳ１に送られているが測定装置ＭＳ１は破棄している。測定装置ＭＳ１は、測定データを測定装置ＭＣ１ａと測定装置ＭＣ１ｂの双方に送信している。

　ここで端局２２の時刻供給装置が故障した場合、測定装置ＭＳ１は時刻情報の異常を検知してソースを測定装置ＭＣ１ａ側に切り替える。これにより測定システムの稼働が維持される。

　また測定装置ＭＳ１よりＥａｓｔ側のケーブルシステムもしくは端局２２のどこかに障害が発生したが、測定装置ＭＳ１やそこよりＥａｓｔ側の数中継装置は稼働していて、しかし測定装置ＭＳ１と測定装置ＭＳ１ｂの通信が不能となった場合を考える。前述のように時刻供給装置は端局２１側に切り替わる。この場合、Ｅａｓｔ側の測定情報は普段以上に重要であるが、その情報は端局２１の通信装置ＭＣ１ａに伝えられている。これにより測定システムの稼働が維持される。

　（実施形態２）
　以上の実施形態では、遠隔に設置した測定装置ＭＳ１は、１つのインテロゲーターを持つ構成、すなわち、１方路の光ファイバケーブルをセンシングする構成であった。実施形態２は、１つの測定装置ＭＳ１から複数の方路の光ファイバケーブルをセンシングするケーブルシステム１００を提供する。

　第２の実施形態のケーブルシステム１００の第一の構成例を、図８を用いて説明する。遠隔に設置した測定装置ＭＳ１は、２つのインテロゲーターＩＴＧ１１、ＩＴＧ１２を備え、２方路の光ファイバケーブルをセンシングしている。この例では、インテロゲーターＩＴＧ１１はＷｅｓｔ方向のケーブルを、インテロゲーターＩＴＧ１２はＥａｓｔ方向のケーブルをセンシングしている。図８の構成は図３の構成にインテロゲーターを１つ追加してＷｅｓｔ側のケーブルもセンシング可能としたものであり、他の部分は図３と同様である。両端局２１，２２とそこに含まれる装置は煩雑さを避けるため図示を省略している。図８においては、センシング光に対応した中継装置ＲＥＰ３ｎとして、一心双方向型光増幅器の例で説明している。

　遠隔の測定装置ＭＳ１は、通常、通信ケーブルシステムの途中に設けられるので、当該装置の基本構成においてケーブルとの接続点は２箇所が標準となる。すなわち２方路のケーブルのセンシングまでは標準的な構成である。

　当該インテロゲーターと中継装置の組合せでセンシング可能な距離が例えば５００ｋｍであったとすると、Ｅａｓｔ，Ｗｅｓｔ両方向に５００ｋｍずつ、合計１０００ｋｍの範囲を、１台の遠隔測定装置ＭＳ１でカバーできる。１０００ｋｍごとに遠隔測定装置ＭＳ１を配置すれば、数１０００ｋｍの範囲もカバーできることになる。遠隔測定装置ＭＳ１の置ける距離の限界は、測定装置ＭＣ１と測定装置ＭＳ１の間の通信可能距離の限界で決まる。本測定システムは通信システムの中に内包されているので、原理上は通信システム全体をセンシング可能となる。

　図８の構成例では、インテロゲーターＩＴＧ１１とインテロゲーターＩＴＧ１２は独立したインテロゲーターとして説明したが、同一装置内に複数のインテロゲーターを備える場合、いくつかの部分を共用化して低コスト化を図ることも可能となる。代表的な部分がプローブ光の送出部分である。例えば一つの光源からプローブ信号を生成したのち、光カプラで分岐して異なる心線に送出することも可能である。

　第２の実施形態のケーブルシステム１００の第二の構成例を、図９を用いて説明する。通信システムのトポロジーは、Ｗｅｓｔ－Ｅａｓｔ方向に幹線（ｔｒｕｎｋ　ｌｉｎｅ）があり、その途中に分岐装置ＢＵ１（Ｂｒｕｎｃｈｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）が挿入されており、Ｓｏｕｔｈ方向に分岐線（ｂｒｕｎｃｈ　ｌｉｎｅ）が伸びている構成である。

　遠隔の測定装置ＭＳ１は分岐線上の分岐装置ＢＵ１に隣接した場所に配置されており、測定装置ＭＳ１と通信する測定装置ＭＣ１は図示せぬＳｏｕｔｈ端の端局に設置されている。

　遠隔の測定装置ＭＳ１は３つのインテロゲーターＩＴＧ１１，ＩＴＧ１２、ＩＴＧ１３を備えている。インテロゲーターＩＴＧ１１はＳｏｕｔｈ側ケーブルを、インテロゲーターＩＴＧ１２は分岐装置ＢＵ１を経由してＷｅｓｔ側ケーブルを、インテロゲーターＩＴＧ１３は分岐装置ＢＵ１を経由してＥａｓｔ側ケーブルをセンシングしている。

　このように、通信システム側の分岐装置ＢＵ１を利用することで、測定装置ＭＳ１自体に分岐機能が無くても２方路より多い方路をセンシング可能である。

　第２の実施形態の第三の構成例を、図１０を用いて説明する。遠隔の測定装置ＭＳ２は光ファイバケーブルの分岐機能を持つ。ケーブルＣＢ２は、測定装置ＭＳ２によってケーブルＣＢ１から分岐されている。当該枝線ケーブルＣＢ２は、通信機能は持たないセンシング専用ケーブルである。他は図３と同様であるので説明を省略する。

　ケーブルＣＢ２は、光ファイバ心線１３の他に、複数の光ファイバ心線を含んでもよい。また、光ファイバ心線１３は、双方向の光を増幅する双方向光増幅中継装置によって中継されることにより延設されてもよい。

　ケーブルＣＢ２は、光ファイバ心線１３を含んでいる。光ファイバ心線１３は、インテロゲーターＩＴＧ１１に接続されている。

　なお、測定装置ＭＳ２は、実施形態１と同様に、インテロゲーターＩＴＧ１２及びＩＴＧ１３を有してもよい。そして、測定装置ＭＳ２は、ケーブルＣＢ１をセンシングしてもよい。

　第２の実施形態の第三の構成例の効果を説明する。本構成を用いると、通信システムの構成要素であるケーブルＣＢ１から、センシング用のケーブルＣＢ２を分岐させることができる。よって、ケーブルＣＢ１に沿った領域とは別の領域、すなわち、ケーブルＣＢ２に沿った領域をセンシングすることができる。一般に通信ケーブルの敷設ルートは、地勢的に安定な場所が選ばれる。一方、地勢的に不安定な場所、例えば地震や地滑りが起きやすい場所、高温の鉱泉が噴出しやすい場所などがセンシングにおいては関心の高い領域であることもある。本構成を用いるとケーブルの役割を分けることができるので、このようなケースで効果を発揮する。

　さらに、光センシング自体は電線を必要としない、つまり光ファイバだけが敷設されていればよい。ケーブルＣＢ２上に給電を要する装置を置けなくはなるものの、ケーブルＣＢ２から給電機能を除けば、絶縁不良による障害は生じず、そのようなリスクがある場所にも配置しやすくなる。

　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１及び２の各構成を組み合わせた測定システム、測定装置及び測定方法も、実施形態１及び２の技術思想の範囲内である。

　インテロゲーターにおいて、サンプリング時間（パルス送出時間間隔）を狭めるために、波長を異ならせて複数平行測定することも可能であり、本開示技術と組み合わせても良い。

　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　この出願は、２０１９年１２月３日に出願された日本出願特願２０１９－２１８７７４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０、１００　ケーブルシステム
１３　光ファイバ心線
２１、２２　端局
１１１、１２１　トランスポンダ群
１１２、１２２　波長多重分離器
ＢＵ１　分岐装置
ＣＢ１　ケーブル
ＦＰ４１１、ＦＰ４１２、ＦＰ４１３、ＦＰ４１４　光ファイバペア
ＩＴＧ、ＩＴＧ１１、ＩＴＧ１２、ＩＴＧ１３　インテロゲーター
ＰＬ１　プローブ光
ＲＥＰ３１、ＲＥＰ３２、ＲＥＰ３３、ＲＥＰ３ｎ、ＲＥＰ３（ｎ＋１）　増幅中継装置
ＲＬ１　後方散乱光
ＴＬ１、ＴＬ２　測定装置間通信用光信号
ＭＣ１、ＭＣ１ａ、ＭＣ１ｂ、ＭＳ１　測定装置

Claims

　光増幅中継装置を含む長距離の光通信ケーブルシステムに、光ファイバセンシング機能を追加した光ファイバセンシングシステムであって、
　前記光ファイバセンシングは、インテロゲーターによって、光ファイバにプローブ光を送出し、前記プローブ光の後方散乱光を検波して前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングするものであって、
　前記光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に第一のセンシング装置が設置され、
　前記端局には前記第一のセンシング装置と通信する第二のセンシング装置が設置され、
　前記第一のセンシング装置は、前記インテロゲーターと、前記光通信ケーブルシステムを介して受電して当該第一のセンシング装置内に給電する電源部と、前記第二のセンシング装置と通信する通信部を備え、
　前記インテロゲーターは、前記第一のセンシング装置に接続されている前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって前記光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成し、
　前記通信部は、前記センシングデータを前記第二のセンシング装置に送信する、
光ファイバセンシングシステム。
　前記第一のセンシング装置は、前記光通信ケーブルシステムにケーブルを介して接続されている複数の光増幅中継装置とは筐体が分離された上で、前記ケーブルに接続されており、
　前記光通信ケーブルシステムの通信サービス用波長、前記第一のセンシング装置と前記第二のセンシング装置が互いに通信する波長、並びに、前記プローブ光及び前記後方散乱光の波長、は互いに異なり、
　前記第一のセンシング装置内において、
　前記プローブ光及び前記後方散乱光は、前記ケーブルの中の所定の前記光ファイバにおいて所定の方向に波長合分波及び伝搬されており、
　前記第二のセンシング装置と通信するための光は、前記ケーブルの中の所定の光ファイバにおいて所定の方向に波長合分波及び伝搬されており、
　前記ケーブル中の複数の光ファイバのうち、前記プローブ光、前記後方散乱光及び前記第二のセンシング装置と通信するための光が伝搬する光ファイバ以外の光ファイバは、スルー接続されている、
請求項１に記載の光ファイバセンシングシステム。
　前記第二のセンシング装置は、時刻情報を取得して、前記第一のセンシング装置に伝達する機能を備え、
　前記第一のセンシング装置は、前記センシングデータと前記時刻情報とを一体化して、前記第二のセンシング装置に送信する機能を備え、
　前記第一のセンシング装置及び前記第二のセンシング装置の少なくとも一方は、前記ケーブルの伝搬遅延時間を自動的に検出して前記時刻情報を補正する機能を備える、
請求項１または２に記載の光ファイバセンシングシステム。
　前記インテロゲーターは、前記環境情報を含んだ前記後方散乱光を検波して得た電気信号をＡＤ変換して得た分析前のデータを、前記第二のセンシング装置に送信し、
　前記第二のセンシング装置は、ＡＤ変換された前記後方散乱光のデータを分析して前記光ファイバケーブル上の各点のセンシングデータを得る分析処理部を備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバセンシングシステム。
　前記光通信ケーブルシステムの複数の端局に前記第二のセンシング装置を複数備え、
　前記第一のセンシング装置は、前記複数の第二のセンシング装置に向けて同一の前記環境情報を送信することで冗長機能を付加した、
請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバセンシングシステム。
　前記第一のセンシング装置は、複数の前記インテロゲーターを備え、
複数の所定の光ファイバ心線の所定の方向に前記プローブ光及び前記後方散乱光を波長合分波する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバセンシングシステム。
　前記第一のセンシング装置内の前記複数のインテロゲーターがセンシングする光ファイバは、
前記光通信ケーブルシステムに含まれるケーブル分岐装置を通じて異なる方路のケーブルに通じている、
請求項６に記載の光ファイバセンシングシステム。
　前記第一のセンシング装置は、前記光通信ケーブルシステムとは異なる方路のセンシング用ケーブルとのケーブル分岐機能も備え、
　当該センシング用ケーブルに含まれる光ファイバの周囲の環境情報をセンシングして、前記第二のセンシング装置に前記環境情報を伝達する、
請求項１から７のいずれか１項に記載の光ファイバセンシングシステム。
　光増幅中継装置を含む長距離の光通信ケーブルシステムに追加された光ファイバセンシング機能を実現する測定装置であって、
　前記光ファイバセンシングは、インテロゲーターによって、光ファイバにプローブ光を送出し、前記プローブ光の後方散乱光を検波して前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングするものであって、
　前記光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に設置された第一のセンシング装置と、
　前記端局に設置され、前記第一のセンシング装置と通信する第二のセンシング装置と、を含み、
　前記第一のセンシング装置は、前記インテロゲーターと、前記光通信ケーブルシステムを介して受電して当該第一のセンシング装置内に給電する電源部と、前記第二のセンシング装置と通信する通信部を備え、
　前記インテロゲーターは、前記第一のセンシング装置に接続されている前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって前記光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成し、
　前記通信部は、前記センシングデータを前記第二のセンシング装置に送信する、
　測定装置。
　前記第一のセンシング装置は、前記光通信ケーブルシステムにケーブルを介して接続されている複数の光増幅中継装置とは筐体が分離された上で、前記ケーブルに接続されており、
　前記光通信ケーブルシステムの通信サービス用波長、前記第一のセンシング装置と前記第二のセンシング装置が互いに通信する波長、並びに、前記プローブ光及び前記後方散乱光の波長、は互いに異なり、
　前記第一のセンシング装置内において、
　前記プローブ光及び前記後方散乱光は、前記ケーブルの中の所定の前記光ファイバにおいて所定の方向に波長合分波及び伝搬されており、
　前記第二のセンシング装置と通信するための光は、前記ケーブルの中の所定の光ファイバにおいて所定の方向に波長合分波及び伝搬されており、
　前記ケーブル中の複数の光ファイバのうち、前記プローブ光、前記後方散乱光及び前記第二のセンシング装置と通信するための光が伝搬する光ファイバ以外の光ファイバは、スルー接続されている、
請求項９に記載の測定装置。
　前記第二のセンシング装置は、時刻情報を取得して、前記第一のセンシング装置に伝達する機能を備え、
　前記第一のセンシング装置は、前記センシングデータと前記時刻情報とを一体化して、前記第二のセンシング装置に送信する機能を備え、
　前記第一のセンシング装置及び前記第二のセンシング装置の少なくとも一方は、前記ケーブルの伝搬遅延時間を自動的に検出して前記時刻情報を補正する機能を備える、
請求項９または１０に記載の測定装置。
　前記インテロゲーターは、前記環境情報を含んだ前記後方散乱光を検波して得た電気信号をＡＤ変換して得た分析前のデータを、前記第二のセンシング装置に送信し、
　前記第二のセンシング装置は、ＡＤ変換された前記後方散乱光のデータを分析して前記光ファイバケーブル上の各点のセンシングデータを得る分析処理部を備える、
請求項９から１１のいずれか１項に記載の測定装置。
　前記光通信ケーブルシステムの複数の端局に前記第二のセンシング装置を複数備え、
　前記第一のセンシング装置は、前記複数の第二のセンシング装置に向けて同一の前記環境情報を送信することで冗長機能を付加した
請求項９から１２のいずれか１項に記載の測定装置。
　前記第一のセンシング装置は、複数の前記インテロゲーターを備え、
複数の所定の光ファイバ心線の所定の方向に前記プローブ光及び前記後方散乱光を波長合分波する、
請求項９から１３のいずれか１項に記載の測定装置。
　前記第一のセンシング装置内の前記複数のインテロゲーターがセンシングする光ファイバは、
前記光通信ケーブルシステムに含まれるケーブル分岐装置を通じて異なる方路のケーブルに通じている、
請求項１４に記載の測定装置。
　前記第一のセンシング装置は、前記光通信ケーブルシステムとは異なる方路のセンシング用ケーブルとのケーブル分岐機能も備え、
　当該センシング用ケーブルに含まれる光ファイバの周囲の環境情報をセンシングして、前記第二のセンシング装置に前記環境情報を伝達する、
請求項９から１５のいずれか１項に記載の測定装置。
　光増幅中継装置を含む長距離の光通信ケーブルシステムに、光ファイバセンシング機能を追加した光ファイバセンシングシステムにおける測定方法であって、
　前記光通信ケーブルシステムの端局とは別の遠隔地点に設置された第一のセンシング装置は、
　前記光通信ケーブルシステムを介して受電して前記第一のセンシング装置内に給電し、
　前記第一のセンシング装置内に設置されたインテロゲーターによって、前記第一のセンシング装置に接続されている光ファイバにプローブ光を送出し、前記プローブ光の後方散乱光を検波して前記光ファイバの周囲の環境情報をセンシングすることによって前記光ファイバ上の各点のセンシングデータを生成し、
　前記センシングデータを、前記端局に設置された第二のセンシング装置に送信する、
　測定方法。
　前記第一のセンシング装置は、前記光通信ケーブルシステムにケーブルを介して接続されている複数の光増幅中継装置とは筐体が分離された上で、前記ケーブルに接続されるようにし、
　前記光通信ケーブルシステムの通信サービス用波長、前記第一のセンシング装置と前記第二のセンシング装置が互いに通信する波長、および、前記プローブ光及び前記後方散乱光の波長、は互いに異なるようにし、
　前記第一のセンシング装置は、
　前記プローブ光及び前記後方散乱光を、前記ケーブルの中の所定の前記光ファイバにおいて所定の方向に波長合分波及び伝搬させ、
　前記第二のセンシング装置と通信するための光を、前記ケーブルの中の所定の光ファイバにおいて所定の方向に波長合分波及び伝搬させ、
　前記ケーブル中の複数の光ファイバのうち、前記プローブ光、前記後方散乱光及び前記第二のセンシング装置と通信するための光が伝搬する光ファイバ以外の光ファイバを、スルー接続させる、
請求項１７に記載の測定方法。
　前記第二のセンシング装置は、時刻情報を取得して、前記第一のセンシング装置に伝達する機能を備えるようにし、
　前記第一のセンシング装置は、前記センシングデータと前記時刻情報とを一体化して、前記第二のセンシング装置に送信する機能を備えるようにし、
　前記第一のセンシング装置及び前記第二のセンシング装置の少なくとも一方は、前記ケーブルの伝搬遅延時間を自動的に検出して前記時刻情報を補正する機能を備えるようにする、
請求項１７または１８に記載の測定方法。
　前記インテロゲーターによって、前記環境情報を含んだ後方散乱光を検波して得た電気信号をＡＤ変換して得た分析前のデータを、前記第二のセンシング装置に送信し、
　前記第二のセンシング装置は、ＡＤ変換された前記後方散乱光のデータを分析して前記光ファイバケーブル上の各点のセンシングデータを得る分析処理部を備えるようにする、
請求項１７から１９のいずれか１項に記載の測定方法。
　前記光通信ケーブルシステムの複数の端局に前記第二のセンシング装置を複数備えるようにし、
　前記第一のセンシング装置は前記複数の第二のセンシング装置に向けて同一の前記環境情報を送信することで冗長機能を付加されるようにする、
請求項１７から２０のいずれか１項に記載の測定方法。
　前記第一のセンシング装置は、複数の前記インテロゲーターを備えるようにし、
複数の所定の光ファイバ心線の所定の方向に前記プローブ光及び前記後方散乱光を波長合分波する、
請求項１７から２１のいずれか１項に記載の測定方法。
　前記第一のセンシング装置内の前記複数のインテロゲーターがセンシングする光ファイバを、
前記光通信ケーブルシステムに含まれるケーブル分岐装置を通じて異なる方路のケーブルに通じるようにする、
請求項２２に記載の測定方法。
　前記第一のセンシング装置は、前記光通信ケーブルシステムとは異なる方路のセンシング用ケーブルとのケーブル分岐機能も備えるようにし、
　当該センシング用ケーブルに含まれる光ファイバの周囲の環境情報をセンシングして、前記第二のセンシング装置に前記環境情報を伝達する、
請求項１７から２３のいずれか１項に記載の測定方法。