WO2021234887A1 - ブリルアン光センシング装置および光センシング方法 - Google Patents

ブリルアン光センシング装置および光センシング方法 Download PDF

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篤志 中村
千尋 鬼頭
大輔 飯田
順一 川高
博之 押田
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    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354—Sensor working in reflection
    • G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
    • G01D5/35364—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using inelastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Brillouin or Raman backscattering

Definitions

  • This disclosure relates to a sensing device and a sensing method using Brilluan optical sensing technology.
  • Brillouin optical sensing technology is a technology that monitors changes in strain, vibration, and temperature applied to an optical fiber by measuring changes in the Brillouin frequency shift (BFS).
  • BFS Brillouin frequency shift
  • a BOTDR Boilloin Optical Time Domain Reflectometry
  • Non-Patent Document 1 BOTDR incidents an optical pulse on the optical fiber to be measured and analyzes the time response of Brillouin scattered light generated in the optical fiber to be measured.
  • BOTDR is expected to be applied to health monitoring of social infrastructure structures and the like.
  • the spread of BOTDR is limited.
  • the device configuration of the BOTDR is more complicated than that of the OTDR, and the introduction cost of the measuring device is high.
  • the light receiving portion required for measuring the Brillouin scattered light requires a frequency bandwidth of 10 GHz or more in order to acquire the Brillouin frequency shift amount in the optical fiber, and the components of the measuring device become expensive. That is, the Brilluan optical sensing device has a problem that it is difficult to reduce the introduction cost.
  • An object of the present invention is to provide a Brilluan optical sensing device and an optical sensing method that can reduce the introduction cost in order to solve the above problems.
  • the present invention is obtained by using two optical fibers having different BFS characteristics arranged in parallel as a sensor medium in Brillouin optical sensing and combining the scattered light of Brillouin. We decided to measure and analyze the beat signal.
  • the Brilluan optical sensing device is A sensing fiber in which multiple optical fibers with different Brillouin frequency shift characteristics are arranged in parallel, An optical measuring instrument that injects optical pulses into at least two optical fibers of the sensing fiber to generate Brillouin scattered light and measures the beat frequency of the beat signal between the Brillouin scattered lights at an arbitrary position of the sensing fiber.
  • An arithmetic processing unit that acquires the physical quantity of the sensing fiber at the arbitrary position from the beat frequency acquired by the optical measuring instrument, and To prepare for.
  • the optical sensing method according to the present invention is Brillouin scattering light is generated by injecting an optical pulse into each of the optical fibers of a sensing fiber in which a plurality of optical fibers having different Brillouin frequency shift characteristics are arranged in parallel, and generating Brillouin scattered light in each of the optical fibers. Measuring the beat frequency of the beat signal of each Brillouin scattered light at an arbitrary position of the sensing fiber, and obtaining the physical quantity of the sensing fiber at the arbitrary position from the beat frequency. I do.
  • the Brillouin optical sensing apparatus and the optical sensing method are used to measure and analyze a beat signal obtained by combining Brillouin scattered light in at least two optical fibers having different BFS characteristics arranged in parallel.
  • the frequency bandwidth required for the receiver of the electric stage can be narrower than before. That is, it is not necessary to expand the frequency band of the receiving unit, and it is possible to reduce the cost of Brilluan optical sensing.
  • the present invention can provide a Brillouin optical sensing device and an optical sensing method that can reduce the introduction cost.
  • the Brillouin optical sensing device further includes a storage unit for storing the correspondence between the beat frequency and the physical quantity of the sensing fiber.
  • the arithmetic processing unit The beat frequency acquired by the optical measuring instrument is collated with the corresponding relationship of the storage unit, and the physical quantity of the sensing fiber is acquired.
  • the plurality of optical fibers of the sensing fiber of the Brilluan optical sensing device according to the present invention are characterized by being a tape core wire or an optical fiber core wire constituting an optical cable.
  • an optical fiber tape core wire manufactured on a general production line can be used as a sensing fiber, and further cost reduction can be realized.
  • the optical measuring instrument of the Brillouin optical sensing device incidents an optical pulse on three or more of the optical fibers of the sensing fiber, and the arithmetic processing unit is a beat frequency of a beat signal between the Brillouin scattered light.
  • the physical amount of the sensing fiber is acquired at a beat frequency at which the fluctuation with respect to the change of the physical amount of the sensing fiber is the maximum or the minimum.
  • the present invention can provide a Brillouin optical sensing device and an optical sensing method that can reduce the introduction cost.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a Brilluan optical sensing device 10 of the present embodiment.
  • the Brill Ann optical sensing device 10 is A sensing fiber 90 in which a plurality of optical fibers having different Brillouin frequency shift characteristics are arranged in parallel, With the optical measuring instrument 11 that injects an optical pulse into at least two optical fibers of the sensing fiber 90 to generate Brillouin scattered light and measures the beat frequency of the beat signal between the Brillouin scattered lights at an arbitrary position of the sensing fiber 90. , An arithmetic processing unit 12 that acquires the physical quantity of the sensing fiber 90 at the arbitrary position from the beat frequency acquired by the optical measuring instrument 11 and To prepare for.
  • the "physical quantity” is described by the temperature, strain amount, or curvature of the optical fiber.
  • the "physical quantity” is not limited to this example, and may be any quantity as long as it can be detected by Brillouin scattered light.
  • the sensing fiber 90 is a group of optical fibers to be measured 90 composed of two or more optical fibers arranged in parallel.
  • the sensing fiber 90 is used as a sensor medium and is laid at a place or an object for measuring a temperature or a strain amount or a curvature of an optical fiber.
  • at least two optical fibers included in the sensing fiber 90 and used for measurement need to satisfy the following two conditions for Brillouin scattering characteristics.
  • Condition 1 Show different BFS under the same temperature, the same strain, or the same curvature.
  • Condition 2 There is a difference in the amount of BFS change with respect to a change in temperature, a change in strain, or a change in curvature.
  • the BFS of an optical fiber under a certain temperature and strain condition is described by the following equation (1).
  • n is the refractive index of the optical fiber
  • V a is the acoustic velocity in the optical fiber
  • lambda represents a wavelength.
  • BFS changes linearly with changes in temperature or strain, and is described by the following equations (2) and (3).
  • ⁇ is the amount of strain applied to the optical fiber.
  • t is the temperature of the optical fiber, and tr is the reference temperature.
  • C s and C t is the proportionality factor to strain and temperature.
  • condition 1 can be easily achieved by using an optical fiber having a different refractive index or a cross-sectional refractive index profile that affects the speed of sound.
  • condition 2 of said formula (2) and need only differ from each other in the C s and C t 2 core optical fiber of the formula (3), C s and C t is also still in the speed of sound in the optical fiber Since it is a linked characteristic, it is a condition that can be easily achieved as in condition 1.
  • a two-core wire satisfying condition 1 can be obtained by converting an optical fiber core wire having the same characteristics into a tape core wire.
  • An example is shown in FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a BFS of a tape inner core wire and a tape outer core wire that occurs when a tape core wire composed of optical fibers having the same characteristics is bent. That is, two of the commercially available tape cores manufactured in the general manufacturing process can be used as the sensing fiber 90 for measuring the change in strain or the change in the curvature of the optical fiber.
  • the fact that the BFS characteristics of the two core wires are different by converting the optical fiber core wires having the same characteristics into tape core wires is the same as the cable conversion of the optical fiber core wires. That is, a commercially available optical cable manufactured in the general manufacturing process can also be used as the sensing fiber 90.
  • the Brillouin optical sensing device 10 does not use the expensive multi-core optical fiber disclosed in Non-Patent Document 2 as the sensing fiber, but uses a commercially available tape core wire or an optical cable to change the strain or the curvature of the optical fiber. It is possible to measure the change of.
  • the optical measuring instrument 11 measures the beat frequency of the beat signal of the Brillouin scattered light generated in each optical fiber when an optical pulse is incident on the two optical fibers included in the sensing fiber 90.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the optical measuring instrument 11.
  • the optical measuring instrument 11 includes a pulse light source 21, an optical branching portion 22, a plurality of optical circulators 23, an optical coupler 24, an optical receiver 25, and an electric spectrum analyzer 26.
  • the test optical pulse output from the pulse light source 21 is incident on the two optical fibers (91, 92) of the sensing fiber 90 via the optical branch portion 22 and the optical circulator 23 (in the present embodiment, the optical fiber is used). Example of two).
  • the scattered light generated by each of the two optical fibers (91, 92) is combined with the optical coupler 24 after passing through the optical circulator 23.
  • the combined light is photoelectrically converted by the optical receiver 25.
  • the photoelectrically converted signal is input to the electric spectrum analyzer 26.
  • the electric spectrum analyzer 26 the beat frequency of the Brillouin scattered light component generated in each of the two optical fibers (91, 92) is measured.
  • the optical measuring instrument 11 generates a test optical pulse at an arbitrary position on the two optical fibers (91, 92) by controlling the timing at which the test optical pulse is incident on the sensing fiber 90 and the timing at which the beat frequency is measured by the electric spectrum analyzer 26. It is possible to measure the beat frequency between the Brillouin scattered lights. That is, the optical measuring instrument 11 can measure the beat frequency distribution data in the longitudinal direction of the sensing fiber 90 by the timing control.
  • the point of the present invention is to set the difference in frequency shift (beat frequency) of the Brillouin scattered light generated in each of the two optical fibers (91, 92) from several MHz to the assumed change range of the measured temperature and strain.
  • the value should be as small as 1 GHz. Since the beat frequency to be measured is a small value, the frequency band required for the optical receiver 25 and the electric spectrum analyzer 26 can be narrowed from the frequency band required for the conventional BOTDR (usually 10 GHz or more). That is, since the optical receiver 25 and the electric spectrum analyzer 26 used for the optical measuring instrument 11 are inexpensive and have a narrow frequency band, the cost of the Brillouin optical sensing device 10 can be reduced.
  • the optical receiver 25 having a narrow reception band can reduce the thermal noise and improve the measurement accuracy of the Brilluan optical sensing device 10. can.
  • the arithmetic processing unit 12 calculates the temperature distribution, strain distribution, or curvature distribution of the optical fiber of the sensing fiber 90 using the beat frequency measured by the optical measuring instrument 11.
  • the Brillouin optical sensing device 10 further includes a storage unit 13 that stores the correspondence between the beat frequency and the physical quantity of the sensing fiber 90, and the arithmetic processing unit 12 stores the beat frequency acquired by the optical measuring instrument 11.
  • the physical quantity of the sensing fiber 90 is acquired by collating with the corresponding relationship of the storage unit 13.
  • the storage unit 13 stores the relationship between the beat frequency and the temperature, the amount of strain, or the curvature of the optical fiber, which is measured in advance using the sensing fiber 90.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between the temperature or distortion of the sensing fiber 90 and BFS.
  • the Brill Ann optical sensing device 10 needs to measure the characteristics shown in FIG. 3 in advance and store them in the storage unit 13.
  • the beat signal of the Brillouin scattered light generated in each optical fiber has a finite frequency.
  • the arithmetic processing unit 12 can measure the amount of change in temperature or strain by comparing it with the value measured for the relationship between the beat frequency stored in the storage unit 13 and the temperature, the amount of strain, or the curvature of the optical fiber.
  • the correspondence stored in the storage unit 13 is the amount of change in BFS when a known temperature change, change in strain amount, or change in curvature of the optical fiber is given to each optical fiber contained in the sensing fiber 90. Can be obtained by measuring in advance.
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating an optical sensing method executed by the Brillouin optical sensing device 10.
  • This optical sensing method is An optical pulse is incident on each of the optical fibers of the sensing fiber 90 in which a plurality of optical fibers having different Brillouin frequency shift characteristics are arranged in parallel, and Brillouin scattered light is generated in each of the optical fibers (step S01). ), Measuring the beat frequency of the beat signal of each Brillouin scattered light at an arbitrary position of the sensing fiber 90 (step S02), and acquiring the physical quantity of the sensing fiber 90 at the arbitrary position from the beat frequency (step S03). ), I do.
  • Step S01 The optical measuring instrument 11 incidents an optical pulse on two or more optical fibers of the sensing fiber 90.
  • Step S02 The optical measuring instrument 11 measures the beat frequency of the Brillouin scattered light generated by the plurality of optical fibers.
  • Step S03 The arithmetic processing unit 12 compares the measured beat frequency with the reference data of the temperature or strain amount measured in advance or the curvature of the optical fiber, and calculates the distribution of the change amount of the temperature or strain of the sensing fiber 90.
  • the present invention can provide a Brillouin optical sensing device and a Brillouin optical sensing method that can be realized by an inexpensive receiving unit toward the spread of Brillouin optical sensing technology using BOTDR.
  • the optical measuring instrument 11 of the Brillouin optical sensing device 10 of the present embodiment incidents an optical pulse on three or more of the optical fibers of the sensing fiber 90.
  • the arithmetic processing unit 12 acquires the physical quantity of the sensing fiber 90 at the beat frequency of the beat signal during the Brillouin scattered light, in which the fluctuation with respect to the change in the physical quantity of the sensing fiber 90 is the maximum or the minimum. It is a feature.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between temperature or strain and BFS for the three optical fibers included in the sensing fiber 90.
  • a combination in which the change in beat frequency with respect to the change in the physical quantity to be measured is large is used in order to improve the sensitivity.
  • the beat frequency between the optical fiber 1 and the optical fiber 2 or the optical fiber 3 is used.
  • the beat frequency between the optical fiber 2 and the optical fiber 3 is used.
  • the arithmetic processing unit 12 and the storage unit 13 of the Brill Ann optical sensing device 10 can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified and implemented without departing from the gist of the present invention.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and at the implementation stage, the components can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof.
  • various inventions can be formed by an appropriate combination of the plurality of components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be removed from all the components shown in the embodiments. In addition, components from different embodiments may be combined as appropriate.
  • Brilluan optical sensing device 11 Brilluan optical sensing device 11: Optical measuring instrument 12: Arithmetic processing unit 13: Storage unit 21: Pulse light source 22: Optical branch unit 23: Optical circulator 24: Optical coupler 25: Optical receiver 26: Electrical spectrum analyzer 90: Sensing Fiber 91: Optical fiber 92: Optical fiber

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Abstract

本発明は、導入コストを低減できるブリルアン光センシング装置及び光センシング方法を提供することを目的とする。本発明に係るブリルアン光センシング装置は、　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバ９０と、センシングファイバ９０の少なくとも２つの光ファイバに光パルスを入射してブリルアン散乱光を発生させ、センシングファイバ９０の任意位置における、ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数を測定する光計測器１１と、光計測器１１で取得したビート周波数から前記任意位置におけるセンシングファイバ９０の物理量を取得する演算処理部１２と、を備える。

Description

ブリルアン光センシング装置および光センシング方法
　本開示は、ブリルアン光センシング技術を使用したセンシング装置およびセンシング方法に関する。
　ブリルアン光センシング技術は、ブリルアン周波数シフト（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ：ＢＦＳ）の変化を測定することで、光ファイバに加わる歪みや振動、温度の変化をモニタリングする技術である。ブリルアン光センシング技術を実現する装置や方法としては、例えば、非特許文献１に記載のＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が知られている。ＢＯＴＤＲは、光パルスを被測定光ファイバに入射し、被測定光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の時間応答を解析する。
　ＢＯＴＤＲを用いた光ファイバの一端からの測定により、構造物等に取り付けた光ファイバ長手方向での温度や歪み変化の分布を連続的に取得することができる。この特徴から、ＢＯＴＤＲは、社会インフラ構造物等のヘルスモニタリングへの応用が期待されている。
Ｔ．　Ｋｕｒａｓｈｉｍａ，　Ｔ．　Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ，　Ｈ．　Ｉｚｕｍｉｔａ，　ａｎｄ　Ｙ．　Ｋｏｙａｍａｄａ，　"Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ－ｆｉｂｅｒ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，"　ＩＥＩＣＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｃｏｍｍｕｎ．，　Ｅ７６－Ｂ，　ｎｏ．　４，　ｐｐ．　３８２－３９０　（１９９３）．
Ｚｈｉｙｏｎｇ　Ｚｈａｏ，　Ｍａｒｃｅｌｏ　Ａ．　Ｓｏｔｏ，　Ｍｉｎｇ　Ｔａｎｇ，　ａｎｄ　Ｌｕｃ　Ｔｈｅｖｅｎａｚ，　"Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｈａｐｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒｓ，"　Ｏｐｔ．　Ｅｘｐｒｅｓｓ　２４，　２５２１１－２５２２３　（２０１６）
　光センシング装置として、広く普及したＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）と異なり、ＢＯＴＤＲの普及は限定的である。その理由の一つとして、ＯＴＤＲに比べてＢＯＴＤＲの装置構成が複雑であり、測定装置の導入コストが高くなることが挙げられる。特に、ブリルアン散乱光の測定に必要となる受光部は、光ファイバ中におけるブリルアン周波数シフト量を取得するために１０ＧＨｚ以上の周波数帯域幅が必要とされ、測定装置の構成部品が高価になる。つまり、ブリルアン光センシング装置には、導入コストを低減することが困難という課題がある。
　本発明は、上記課題を解決するために、導入コストを低減できるブリルアン光センシング装置及び光センシング方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は、ブリルアン光センシングにおいて、センサ媒体として平行に配置された異なるＢＦＳ特性を有する２本の光ファイバを用い、それらのブリルアン散乱光を合波して得られるビート信号を測定および解析することとした。
　具体的には、本発明に係るブリルアン光センシング装置は、
　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバと、
　前記センシングファイバの少なくとも２つの前記光ファイバに光パルスを入射してブリルアン散乱光を発生させ、前記センシングファイバの任意位置における、前記ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数を測定する光計測器と、
　前記光計測器で取得したビート周波数から前記任意位置における前記センシングファイバの物理量を取得する演算処理部と、
を備える。
　また、本発明に係る光センシング方法は、
　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバの前記光ファイバのそれぞれに光パルスを入射し、前記光ファイバのそれぞれでブリルアン散乱光を発生させること、
　前記センシングファイバの任意位置における、それぞれの前記ブリルアン散乱光のビート信号のビート周波数を測定すること、及び
　前記ビート周波数から前記任意位置における前記センシングファイバの物理量を取得すること、
を行う。
　本ブリルアン光センシング装置及び本光センシング方法は、平行に配置された異なるＢＦＳ特性を有する少なくとも２本の光ファイバにおけるブリルアン散乱光を合波して得られるビート信号を測定および解析するため、光段および電気段の受信部に必要とされる周波数帯域幅が従来に比べて狭帯域とすることができる。つまり、受信部の周波数帯域を拡大する必要がなく、ブリルアン光センシングの低コスト化が可能となる。
　従って、本発明は、導入コストを低減できるブリルアン光センシング装置及び光センシング方法を提供することができる。
　また、本発明に係るブリルアン光センシング装置は、前記ビート周波数と前記センシングファイバの物理量との対応関係を記憶する記憶部をさらに備え、
　前記演算処理部は、
　前記光計測器で取得したビート周波数を、前記記憶部の前記対応関係に照合し、前記センシングファイバの物理量を取得する
ことを特徴とする。
　さらに、本発明に係るブリルアン光センシング装置の前記センシングファイバの前記複数の光ファイバは、テープ心線または光ケーブルを構成する光ファイバ心線であることを特徴とする。本ブリルアン光センシング装置は、一般製造ラインにて製造された光ファイバテープ心線をセンシングファイバとして用いることができ、さらなるコスト低減を実現することができる。
　本発明に係るブリルアン光センシング装置の前記光計測器は、前記センシングファイバの３以上の前記光ファイバに光パルスを入射し、前記演算処理部は、前記ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数のうち、前記センシングファイバの物理量の変化に対する変動が最大又は最小であるビート周波数にて前記センシングファイバの物理量を取得することを特徴とする。センシングファイバの物理量の変化に対して高感度化又は低感度化することで、適切に物理量を測定することができる。
　本発明は、導入コストを低減できるブリルアン光センシング装置及び光センシング方法を提供することができる。
本発明に係るブリルアン光センシング装置を説明する図である。 本発明に係るブリルアン光センシング装置の光計測器を説明する図である。 センシングファイバの温度又は歪みとＢＦＳの関係を説明する図である。 本発明に係る光センシング方法を説明する図である。 同一特性の光ファイバで構成されるテープ心線に曲げを加えた場合に生じる、テープ内側心線とテープ外側心線のＢＦＳを説明する図である。 センシングファイバの温度又は歪みとＢＦＳの関係を説明する図である。
　以下、本発明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、本発明は、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、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した携帯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。
（実施形態１）
　図１は、本実施形態のブリルアン光センシング装置１０を説明する図である。ブリルアン光センシング装置１０は、
　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバ９０と、
　センシングファイバ９０の少なくとも２つの光ファイバに光パルスを入射してブリルアン散乱光を発生させ、センシングファイバ９０の任意位置における、ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数を測定する光計測器１１と、
　光計測器１１で取得したビート周波数から前記任意位置におけるセンシングファイバ９０の物理量を取得する演算処理部１２と、
を備える。
　なお、本実施形態では、「物理量」を、光ファイバの温度、歪み量、又は曲率で説明する。ただし、「物理量」は、本例に限らず、ブリルアン散乱光で検出できる量であれば、どのような量であってもよい。
　センシングファイバ９０は、平行に配置された２本以上の光ファイバで構成される被測定光ファイバ群９０である。センシングファイバ９０は、センサ媒体として用いられ、温度または歪み量または光ファイバの曲率を計測する場所や対象に敷設されている。ここで、センシングファイバ９０に含まれる、計測に使用する少なくとも２本の光ファイバは、ブリルアン散乱特性について、以下の２つの条件を満たす必要がある。
条件１：　同一の温度、同一の歪み、または同一の曲率の条件下で異なるＢＦＳを示すこと。
条件２：　温度の変化、または歪みの変化、または曲率の変化に対するＢＦＳ変化量に差があること。
　一般に、ある温度、歪み条件下における光ファイバのＢＦＳは、以下の式（１）で記述される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、νＢはＢＦＳ、ｎは光ファイバの屈折率、Ｖａは光ファイバ中の音速、λは波長を表す。
　また、温度または歪みの変化に対してＢＦＳは線形に変化し、以下の式（２）および（３）で記述される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、εは光ファイバに加わる歪み量である。ｔは光ファイバの温度、ｔｒは基準とする温度である。ＣｓおよびＣｔは歪みおよび温度に対する比例係数である。
　また、光ファイバの曲率と歪み量には相関があるため（例えば、非特許文献２を参照。）、歪の変化に基づいて光ファイバの曲率変化も導出できる。
　式（１）の通り、前記の条件１は光ファイバの屈折率、または音速に影響する断面屈折率プロファイルの異なる光ファイバを利用することで容易に達成可能である。また、前記の条件２は、式（２）および式（３）のＣｓとＣｔを２心の光ファイバで互いに異なっていればよく、ＣｓとＣｔもやはり光ファイバ中の音速に紐づく特性であるため、条件１と同様に容易に達成可能な条件である。
　なお、同一特性の光ファイバ心線をテープ心線化することで条件１を満たす２心線を得ることができる。図５に一例を示す。図５は、同一特性の光ファイバで構成されるテープ心線に曲げを加えた場合に生じる、テープ内側心線とテープ外側心線のＢＦＳを説明する図である。つまり、一般製造工程で製造された市販のテープ心線のうち２心線を、歪みの変化、または光ファイバの曲率の変化を測定するセンシングファイバ９０として用いることができる。
　また、同一特性の光ファイバ心線をテープ心線化することで２心線のＢＦＳ特性を違えることは、光ファイバ心線のケーブル化でも同様である。つまり、一般製造工程で製造された市販の光ケーブルもセンシングファイバ９０として用いることができる。
　従って、ブリルアン光センシング装置１０は、非特許文献２に開示される高価なマルチコア光ファイバをセンシングファイバに用いることなく、市販のテープ心線や光ケーブルを用いて、歪みの変化、または光ファイバの曲率の変化を計測することができる。
　光計測器１１は、センシングファイバ９０に含まれる２本の光ファイバに光パルスを入射した際にそれぞれの光ファイバで発生するブリルアン散乱光のビート信号のビート周波数を測定する。図２は、光計測器１１の構成例を説明する図である。光計測器１１は、パルス光源２１、光分岐部２２、複数の光サーキュレータ２３、光カプラ２４、光受信器２５、電気スペクトルアナライザ２６を備える。パルス光源２１から出力された試験光パルスは、光分岐部２２および光サーキュレータ２３を介して、センシングファイバ９０の２本の光ファイバ（９１、９２）に入射される（本実施形態は光ファイバが２本である例）。２本の光ファイバ（９１、９２）それぞれで発生した散乱光は、光サーキュレータ２３を介したのちに、光カプラ２４で合波される。合波された光は光受信器２５で光電変換される。光電変換された信号は電気スペクトルアナライザ２６に入力される。電気スペクトルアナライザ２６において、２本の光ファイバ（９１、９２）それぞれで発生したブリルアン散乱光成分のビート周波数を測定する。
　光計測器１１は、試験光パルスをセンシングファイバ９０に入射するタイミングと電気スペクトルアナライザ２６でビート周波数を測定するタイミングを制御することで、２本の光ファイバ（９１、９２）の任意位置で発生したブリルアン散乱光同士のビート周波数を測定可能である。つまり、光計測器１１は、前記タイミング制御でセンシングファイバ９０の長手方向にビート周波数の分布データを測定できる。
　ここで、本発明のポイントは、想定する測定温度や歪みの変化範囲において、２本の光ファイバ（９１、９２）それぞれで発生するブリルアン散乱光の周波数シフトの差（ビート周波数）を数ＭＨｚ～１ＧＨｚ程度の小さな値にすることである。測定するビート周波数が小さい値なので、光受信器２５や電気スペクトルアナライザ２６に必要とされる周波数帯域を従来のＢＯＴＤＲに必要な周波数帯域（通常１０ＧＨｚ以上）より狭めることができる。つまり、光計測器１１に使用する光受信器２５や電気スペクトルアナライザ２６は周波数帯域の狭い安価なもので十分であるため、ブリルアン光センシング装置１０の低コスト化を実現できる。
　また、光受信器で生じる熱雑音は受信可能帯域に比例して増加することから、受信帯域が狭い光受信器２５は熱雑音を低減でき、ブリルアン光センシング装置１０の測定精度を向上することもできる。
　演算処理部１２は、光計測器１１の測定したビート周波数を用いて、センシングファイバ９０の温度分布、歪み分布または光ファイバの曲率分布を算出する。具体的には、ブリルアン光センシング装置１０は、ビート周波数とセンシングファイバ９０の物理量との対応関係を記憶する記憶部１３をさらに備え、演算処理部１２は、光計測器１１で取得したビート周波数を、記憶部１３の前記対応関係に照合し、センシングファイバ９０の物理量を取得する。
　記憶部１３は、センシングファイバ９０を用いて予め測定された、ビート周波数と温度、歪み量または光ファイバの曲率の関係を記憶する。
　図３は、センシングファイバ９０の温度又は歪みとＢＦＳの関係の一例を説明する図である。ブリルアン光センシング装置１０は、図３に示された特性を予め測定し、記憶部１３に記憶しておく必要がある。前記条件１および２を満たすため、それぞれの光ファイバで発生するブリルアン散乱光のビート信号は有限な周波数をもつ。演算処理部１２は、記憶部１３に保管されたビート周波数と温度、歪み量または光ファイバの曲率の関係を測定した値と比較することで温度又は歪みの変化量を測定できる。
　なお、記憶部１３に保管された前記対応関係は、センシングファイバ９０に含まれる光ファイバごとに既知の温度の変化、歪み量の変化、または光ファイバの曲率の変化を与えた際のＢＦＳ変化量をあらかじめ測定しておくことで得られる。
　図４は、ブリルアン光センシング装置１０が実行する光センシング方法を説明するフロー図である。本光センシング方法は、
　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバ９０の前記光ファイバのそれぞれに光パルスを入射し、前記光ファイバのぞれぞれでブリルアン散乱光を発生させること（ステップＳ０１）、
　センシングファイバ９０の任意位置における、それぞれの前記ブリルアン散乱光のビート信号のビート周波数を測定すること（ステップＳ０２）、及び
　前記ビート周波数から前記任意位置におけるセンシングファイバ９０の物理量を取得すること（ステップＳ０３）、
を行う。
　ステップＳ０１：光計測器１１は、センシングファイバ９０の２以上の光ファイバに光パルスを入射する。
　ステップＳ０２：光計測器１１は、複数の光ファイバで発生したブリルアン散乱光のビート周波数を測定する。
　ステップＳ０３：演算処理部１２は、測定したビート周波数を予め測定された温度または歪み量または光ファイバの曲率の参照データと比較し、センシングファイバ９０の温度又は歪みの変化量の分布を算出する。
　このように、本発明は、ＢＯＴＤＲを用いたブリルアン光センシング技術の普及に向けて、安価な受信部により実現可能なブリルアン光センシング装置およびブリルアン光センシング方法を提供することができる。
（実施形態２）
　実施形態１では、センシングファイバ９０としてＢＦＳ特性の異なる２本の光ファイバを用いたが、ＢＦＳ特性の異なる３本以上の光ファイバを用いてもよい。
　つまり、本実施形態のブリルアン光センシング装置１０の光計測器１１は、センシングファイバ９０の３以上の前記光ファイバに光パルスを入射し、
　演算処理部１２は、前記ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数のうち、センシングファイバ９０の物理量の変化に対する変動が最大又は最小であるビート周波数にてセンシングファイバ９０の物理量を取得する
ことを特徴とする。
　具体例を図６で説明する。図６は、センシングファイバ９０に含まれる３本の光ファイバについての温度又は歪みとＢＦＳの関係を説明する図である。例えば、測定したい温度ひずみ量の変化が小さいときには、感度を向上させるために、測定対象の物理量変化に対するビート周波数変化が大きい組み合わせを用いる。具体的には、光ファイバ１と光ファイバ２または光ファイバ３との間のビート周波数を使う。逆に、測定したい温度ひずみ量の変化が大きいときには、感度を下げるために、測定対象の物理量変化に対するビート周波数変化が小さい組み合わせを用いる。具体的には、光ファイバ２と光りファイバ３との間のビート周波数を使う。
（他の実施形態）
　ブリルアン光センシング装置１０の演算処理部１２及び記憶部１３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。
　なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
　要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１０：ブリルアン光センシング装置
１１：光計測器
１２：演算処理部
１３：記憶部
２１：パルス光源
２２：光分岐部
２３：光サーキュレータ
２４：光カプラ
２５：光受信器
２６：電気スペクトルアナライザ
９０：センシングファイバ
９１：光ファイバ
９２：光ファイバ

Claims (6)

  1. 　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバと、
    　前記センシングファイバの少なくとも２つの前記光ファイバに光パルスを入射してブリルアン散乱光を発生させ、前記センシングファイバの任意位置における、前記ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数を測定する光計測器と、
    　前記光計測器で取得したビート周波数から前記任意位置における前記センシングファイバの物理量を取得する演算処理部と、
    を備えるブリルアン光センシング装置。
  2. 　前記ビート周波数と前記センシングファイバの物理量との対応関係を記憶する記憶部をさらに備え、
    　前記演算処理部は、
    　前記光計測器で取得したビート周波数を、前記記憶部の前記対応関係に照合し、前記センシングファイバの物理量を取得する
    ことを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光センシング装置。
  3. 　前記センシングファイバの前記複数の光ファイバは、テープ心線または光ケーブルを構成する光ファイバ心線であることを特徴とする請求項１または２に記載のブリルアン光センシング装置。
  4. 　前記光計測器は、前記センシングファイバの３以上の前記光ファイバに光パルスを入射し、
    　前記演算処理部は、前記ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数のうち、前記センシングファイバの物理量の変化に対する変動が最大であるビート周波数にて前記センシングファイバの物理量を取得する
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のブリルアン光センシング装置。
  5. 　前記光計測器は、前記センシングファイバの３以上の前記光ファイバに光パルスを入射し、
    　前記演算処理部は、前記ブリルアン散乱光の間のビート信号のビート周波数のうち、前記センシングファイバの物理量の変化に対する変動が最小であるビート周波数にて前記センシングファイバの物理量を取得する
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のブリルアン光センシング装置。
  6. 　ブリルアン周波数シフト特性が互いに異なる複数の光ファイバを並列させたセンシングファイバの前記光ファイバのそれぞれに光パルスを入射し、前記光ファイバのぞれぞれでブリルアン散乱光を発生させること、
    　前記センシングファイバの任意位置における、それぞれの前記ブリルアン散乱光のビート信号のビート周波数を測定すること、及び
    　前記ビート周波数から前記任意位置における前記センシングファイバの物理量を取得すること、
    を行う光センシング方法。
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