WO2022054254A1 - 振動検出装置及び振動検出方法 - Google Patents

振動検出装置及び振動検出方法 Download PDF

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WO2022054254A1
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frequency
intensity
direction vector
scattered light
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佳史 脇坂
大輔 飯田
達也 岡本
奈月 本田
博之 押田
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日本電信電話株式会社
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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
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Definitions

  • the present disclosure relates to a vibration detection device by frequency division using a time domain reflection measurement method and a vibration detection method thereof.
  • the problem of vibration detection of scattered light intensity monitor using probe light of single light frequency is described.
  • the intensity of the OTDR scattered light waveform in which the probe light pulse with pulse number m is incident on the optical fiber to be measured reaches the point at the distance z from the incident end at time tm, and the probe light pulse is backscattered Rayleigh and returned.
  • I (z, tm ) the amount of strain applied to the point z is ⁇ ( tm ) at time tm with time t 0 as the reference state, if ⁇ ( tm ) is as small as 101 nanostrain orders or less , the experiment From experience, it can be considered that the change in intensity linearly changes to the amount of strain at many points.
  • the coefficient C (z) depends on the shape and intensity of the probe light pulse and the distribution of the Rayleigh scattering body at each point, and as a result, it becomes a variable such as I (z, T 0 ).
  • the coefficient C (z) is affected by fading noise due to the interference of scattered light of a large number of Rayleigh scatterers randomly distributed at each point, and its sign and magnitude differ depending on the distance z from each point, that is, the incident end.
  • the magnitude of the signal to be measured is given by the following equation, where n (tm) is the noise added during the intensity measurement at each time.
  • the tilde is used to distinguish the measured value from the ideal value. It can be seen that the sensitivity of vibration detection deteriorates at the point where the coefficient C is small.
  • a method of optical frequency division multiplexing is known as a method of eliminating fading noise (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the scattered light intensity waveform at each optical frequency fk represented by the following equation is calculated from the OTDR waveform obtained at each time by signal processing, and the scattered light intensity waveform is averaged as it is. Used as a signal.
  • the vibration detection of the scattered light intensity monitor is the same, but in the case of vibration detection, when the scattered light intensity waveform of the number 2a is averaged as it is, it is compared with the measurement at a single frequency. There is a problem that it is difficult to avoid the occurrence of points where the sensitivity deteriorates.
  • the change in scattered light intensity at the kth frequency is given by the following equation.
  • the coefficient C k is independent in sign and magnitude.
  • the noise n k (z, tm) is also independent of each other with respect to the frequency number k and the time tm.
  • the signal intensity at the time tm with respect to the reference time t 0 is calculated as follows.
  • K represents a frequency division multiplexing number. It can be seen from the above equation that the noise reduction effect can be obtained by averaging, but since C k can take positive and negative values, the following equation is multiplied by ⁇ (z, tm ) rather than the noise reduction effect. Proportional coefficient It can be seen that the effect that the value becomes smaller than the original Ck becomes larger, and there may be a point where the sensitivity deteriorates.
  • the optical frequency multiplexing method it is common to coherently detect the backscattered light and separate the signal of each optical frequency from the difference in the band in the frequency domain obtained by Fourier transforming the detected signal.
  • the signal is the square root of the squared value of the I component and the squared value of the Q component, that is, the length of the vector on the IQ plane with the I component as the horizontal axis and the Q component as the vertical axis. You can also. It is also possible to detect vibration from this change in vector length.
  • the present invention provides a vibration detection device and a vibration detection method capable of avoiding the occurrence of a point where the detection sensitivity deteriorates in the vibration detection of the scattered light intensity monitor by optical frequency multiplexing.
  • the purpose is.
  • the vibration detection device is to perform vibration detection in two steps of preliminary measurement and main measurement.
  • the preliminary measurement first, the light frequency to be multiplexed is changed for each pulse, and then the Rayleigh scattered light intensity is acquired by the time domain reflection measurement method. Then, the direction vector having the time change of the Rayleigh scattered light intensity obtained in the preliminary measurement as an element is detected by the number obtained by subtracting one from the number of pulses used in the preliminary measurement, and the detected plurality of the direction vectors are statistically processed. By doing so, an approximate direction vector is created at each point of the optical fiber. In this measurement, vibration is detected by processing the signal obtained in this measurement using the approximate direction vector.
  • the vibration detection device is a vibration detection device based on a time domain reflection measurement method.
  • An optical tester that acquires the intensity of Rayleigh backscattered light by injecting an optical frequency multiplex pulse containing multiple basic optical frequencies into an optical fiber.
  • To have the optical tester perform a preliminary measurement to acquire the intensity of Rayleigh rear-scattered light by changing the basic optical frequency by the moving optical frequency for each optical frequency multiplex pulse and incidenting it on the optical fiber.
  • a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the fundamental optical frequency is detected at each point of the optical fiber. Creating an approximate direction vector obtained by statistically processing the direction vector for each moving light frequency.
  • the vibration detection method is a vibration detection method based on a time domain reflection measurement method. Preliminary measurement is performed to acquire the intensity of Rayleigh backward scattered light by changing a plurality of basic optical frequencies included in an optical frequency multiplex pulse by the moving optical frequency for each optical frequency multiplex pulse and incident on the optical fiber. Based on the intensity of the Rayleigh backward scattered light acquired in the preliminary measurement, a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the fundamental optical frequency is detected at each point of the optical fiber. Creating an approximate direction vector obtained by statistically processing the direction vector for each moving light frequency.
  • the optimum basic optical frequency having the best sensitivity to distortion is selected for each point of the optical fiber, and the optical frequency multiplex pulse of the plurality of fundamental optical frequencies is applied to the optical fiber. Performing this measurement to detect vibration from the time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the optimum basic optical frequency at each point of the optical fiber when incident. including.
  • another vibration detection device is a vibration detection device based on a time domain reflection measurement method.
  • An optical tester that acquires the intensity of Rayleigh backscattered light by injecting an optical frequency multiplex pulse containing multiple basic optical frequencies into an optical fiber.
  • To cause the optical tester to perform preliminary measurement to acquire the intensity of Rayleigh rear-scattered light by changing the basic optical frequency by the moving optical frequency for each optical frequency multiplex pulse to enter the optical fiber.
  • Based on the intensity of the Rayleigh backward scattered light acquired in the preliminary measurement a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic light frequency is detected at each point of the optical fiber.
  • the optical tester performs this measurement of detecting a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic light frequency as an element and detecting vibration from the inner product of the direction vector and the approximate direction vector.
  • the vibration detection method is a vibration detection method based on a time domain reflection measurement method.
  • Preliminary measurement is performed to acquire the intensity of Rayleigh backward scattered light by changing a plurality of basic optical frequencies included in an optical frequency multiplex pulse by the moving optical frequency for each optical frequency multiplex pulse and incident on the optical fiber.
  • a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic light frequency is detected at each point of the optical fiber.
  • the present measurement is performed in which a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic light frequency is detected as an element, and vibration is detected from the inner product of the direction vector and the approximate direction vector. including.
  • This vibration detection device and its method perform preliminary measurement that intentionally changes the multiplex optical frequency for each pulse so that the optimum result can be obtained for each point of the optical fiber, and each point of the optical fiber. Since the approximate direction vector in the above is created and the optimum optical frequency with the best sensitivity to distortion changes is selected, it is possible to prevent the occurrence of sensitivity deterioration locally. Therefore, the present invention can provide a vibration detection device and a vibration detection method that can avoid the occurrence of points where the detection sensitivity deteriorates in the vibration detection of the scattered light intensity monitor by optical frequency multiplexing.
  • the present invention can provide a vibration detection device and a vibration detection method capable of avoiding the occurrence of a point where the detection sensitivity deteriorates in the vibration detection of the scattered light intensity monitor by optical frequency multiplexing.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a vibration detection device of the present embodiment.
  • This vibration detection device is a vibration detection device based on the time domain reflection measurement method.
  • An optical tester 21 that acquires the intensity of Rayleigh backscattered light by injecting an optical frequency multiplex pulse containing a plurality of basic optical frequencies fk into the optical fiber 5 and The optical tester 21 is subjected to preliminary measurement in which the basic optical frequency f k is changed by the moving optical frequency ⁇ f (m) for each optical frequency multiplex pulse and incident on the optical fiber 5, and the intensity of Rayleigh backscattered light is acquired.
  • a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic optical frequency fk is detected at each point of the optical fiber 5. Then, to create an approximate direction vector obtained by statistically processing the direction vector for each moving light frequency ⁇ f (m). Using the created approximation direction vector, select the optimum basic optical frequency that has the best sensitivity to distortion for each point of the optical fiber 5, and select the optimum basic optical frequency.
  • the optical frequency multiplex pulse having a plurality of fundamental optical frequencies fk is incident on the optical fiber 5, and vibration is detected from the time change of the intensity of the Rayleigh rearward scattered light with respect to the optimum fundamental optical frequency at each point of the optical fiber 5. Having the optical tester 21 perform this measurement, The control calculator 22 that implements To prepare for.
  • a CW laser is output from the laser 1 and branched into two by the coupler 2 to create local light and probe light.
  • the probe light is passed through the modulator 3 to be shaped into a probe pulse having multiple optical frequencies, and is incident on the optical fiber 5 via the circulator 4.
  • the scattered light generated by the Rayleigh backscattering of the incident probe pulse is incident on the 90-degree light hybrid 6 together with the local light, the in-phase component is the balanced photodiode 7, and the orthogonal component is the balanced photodiode 8. Then, each of them receives light and performs photoelectric conversion.
  • the photoelectrically converted in-phase component is converted into a digital signal by the AD converter 9, and the photoelectrically converted orthogonal component is converted into a digital signal by the AD converter 10.
  • the storage unit 12 stores the digital signal from the AD converter (9, 10) as data.
  • the calculation unit 13 performs the calculation described later using the stored data. Further, the indicating unit 11 instructs the modulator 3 of the optical tester 21 to change the optical frequency.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a vibration detection method performed by the vibration detection device.
  • This vibration detection method is a vibration detection method based on a time domain reflection measurement method. Preliminary measurement is performed to acquire the intensity of Rayleigh backward scattered light by changing a plurality of basic optical frequencies included in the optical frequency multiplex pulse by the moving optical frequency for each optical frequency multiplex pulse and incident on the optical fiber (step S01). ), Based on the intensity of the Rayleigh backward scattered light acquired in the preliminary measurement, a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic light frequency is detected at each point of the optical fiber 5 ( Step S02), creating an approximate direction vector obtained by statistically processing the direction vector for each moving light frequency (step S03).
  • the optimum basic optical frequency having the best sensitivity to distortion is selected for each point of the optical fiber 5 (step S04), and the optical frequency multiplex pulse of the plurality of fundamental optical frequencies is selected.
  • This measurement is performed by incident on the optical fiber (step S05) and detecting vibration from the time change of the intensity of the Rayleigh rearward scattered light with respect to the optimum basic optical frequency at each point of the optical fiber (step S06). , including.
  • This vibration detection method is [Procedure A] Obtaining preliminary data by preparing a frequency-multiplexed pulse in which the frequency is intentionally changed only by the moving frequency. [Procedure B] Selection of the optimum fundamental frequency at each point based on the analysis of preliminary data, and [Procedure C] Perform this measurement with a frequency multiplex pulse whose frequency is fixed to the fundamental frequency, and change the scattered light intensity of the optimum fundamental light frequency. Detects vibration from Consists of.
  • Pulse number 1 to pulse number M (pulse number m; m is an integer from 1 to M) are used for preliminary data acquisition. Although M depends on the magnitude of noise of the measuring instrument, a value of about ten or more is usually sufficient.
  • the probe light at each pulse number is a frequency-multiplexed pulse in which the frequency is multiplexed by K (optical frequency number k; k is an integer from 1 to K).
  • the frequency constituting the frequency multiplex pulse at each pulse number m is defined.
  • the moving frequency is set to f k + ⁇ f (m) using ⁇ f (m). That is, when the oscillation frequency of the laser 1 is f 0 , the external modulator 3 applies frequency modulation of f k + ⁇ f (m) ⁇ f 0 to the laser light, and K optical frequency components f k + ⁇ f (m) are generated. Generate the frequency multiplex pulse included. However, ⁇ f (m) does not depend on the frequency number k. That is, the frequency-multiplexed pulse of pulse number 1 includes K optical frequency components obtained by shifting K optical frequencies f k by ⁇ f (1), respectively.
  • the frequency-multiplexed pulse of pulse number 2 includes K optical frequency components obtained by shifting K optical frequencies f k by ⁇ f (2), respectively.
  • the frequency-multiplexed pulse of pulse number M includes K optical frequency components obtained by shifting K optical frequencies f k by ⁇ f (M), respectively.
  • the probe light intensity at each light frequency is adjusted so as to be constant even if a frequency change of ⁇ f (m) is applied.
  • + f k ⁇ f 0 modulation is given by an optical SSB modulator
  • + ⁇ f (m) modulation is given by an acousto-optic modulator, so that the total f k + ⁇ f (m). It is possible to give a modulation of -f 0 . However, what kind of condition is satisfied as long as the desired modulation can be achieved and the deterioration of the line width inside the frequency-multiplexed pulse with respect to the line width of the laser 1 used for the measurement is less than or equal to the extent to which vibration can be detected.
  • the modulator 3 may be used.
  • the measurement is carried out with a frequency-multiplexed pulse having the frequency set in this way, and the obtained data is stored in the storage unit 12 (step S01).
  • the change in the scattered light intensity of the pulse number m with respect to the scattered light intensity acquired by the pulse number 1. Is calculated by the calculation unit 13, and the following vector is plotted in the K-dimensional space (step S02).
  • the change in the optical frequency of the probe light from f k to f k + ⁇ f (m) can be regarded as equivalent to the distortion of the following equation occurring in the optical fiber 5 while keeping the optical frequency of the probe light unchanged.
  • the coefficient A is a constant having a value of about 0.78 in the case of a normal single-mode fiber (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • the vector of Eq. 5 can be expanded by the following equation in consideration of the distortion change and noise actually applied.
  • ⁇ f (m) is small enough to satisfy Equation 1 and randomly changed in a range larger than the noise, the apparent strain amount will not be correlated with the actual strain, and will be higher than the noise level. It can be changed with a large amplitude. That is, at each point, it is possible to create a situation equivalent to a state in which a distortion having an amplitude larger than that of noise is generated while changing with time.
  • the actual setting of ⁇ f (m) depends on the noise level of the measuring instrument, but considering that the number 1 holds with a strain amount of 101 nanostrain orders or less, it is about -10 MHz to +10 MHz. It can be dealt with by setting the magnitude and the code so as to be random values for each pulse number.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating this procedure.
  • the calculation unit 13 uses these M vectors as original data to perform fitting to a straight line passing through the origin. For example, the usual least squares method can be used.
  • the calculation unit 13 compares the magnitude
  • of each component of the approximation direction vector of the equation 6 (b), and sets the index number giving the largest component to coffee (z). Then, the calculation unit 13 sets the optimum frequency at the position z as fopt (z) f opt ( z).
  • the vector of the number 6 is a constant multiple of the vector (C 1 (z), C 2 (z), ..., C k (z)) except for the influence of noise. Therefore, if an approximate straight line passing through the origin is calculated for the measurement data, the direction of the straight line is the direction of the vector (C 1 (z), C 2 (z), ..., C k (z)). Can be used as an estimate. Since the estimated vector direction is the approximate direction vector of the number 6b, comparing the sizes of the components of the approximate direction vector of the number 6b is to compare the sizes of Ck (z) if the estimation accuracy is sufficiently high. It is the same as. As a result, f- opt (z) is an optical frequency having the highest sensitivity to distortion among the multiple fundamental frequencies in the range where the equation 1 holds. Therefore, f- opt (z) can also be called the optimum fundamental frequency.
  • the scattered light intensity at the optimum frequency fopt (z) at each position z for the pulse number M + 1 is determined. Then, the scattered light intensity measured for pulse numbers M + 2 and later Intensity at pulse number M + 1th The value obtained by subtracting is taken as the signal s (z, tm ), and vibration is detected from the change in this signal. That is,
  • the influence of noise is large, the amount of strain generated in the optical fiber during preliminary measurement is larger than the range in which the number 1 holds, the number 1 does not hold at the optical frequency used for the measurement, and so on. Even if the estimation is incorrect, one of the multiple optical frequencies is selected as the signal, so the vibration detection sensitivity is worse than when one of the signals of each optical frequency used is used alone. In principle, it is possible to prevent the occurrence of points.
  • the vibration detection by the scattered light intensity monitor at a single light frequency and the signal processing method are the same, so the calculation result should be output at high speed. Is possible.
  • the signal s (z, tm) is calculated on the basis of zero at the time t (M + 1) that can be measured first in the main measurement of the procedure C.
  • the optical frequency of the probe optical pulse is intentionally changed from the frequency used for the main measurement at the time of preliminary data acquisition (procedure A), but the fiber section to be measured is limited, and within that section. If it is known that the vibration occurs naturally, or if the vibration can be artificially applied to the section, the change of ⁇ f (m) is not necessary, and the basic optical frequency used for this measurement is used as it is. Then, preliminary data may be acquired without intentionally changing. Further, when vibration is detected after all the measurement data have been acquired, all the measurement data are measured without distinguishing between the preliminary data and the main measurement data, and then the procedure B is used using all the measurement data. And, as the procedure C, vibration detection may be performed from the change in the scattered light intensity at the optical frequency fopt . In that case, if the calculation process up to the procedure B is saved, it is not necessary to perform a new calculation in the procedure C.
  • the change in the light scattered light intensity is processed as a signal, but the change in the vector length on the IQ plane may be processed as a signal.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a vibration detection method performed by the vibration detection device.
  • This vibration detection method is a vibration detection method based on a time domain reflection measurement method. Preliminary measurement is performed to acquire the intensity of Rayleigh backward scattered light by changing a plurality of basic optical frequencies included in the optical frequency multiplex pulse by the moving optical frequency for each optical frequency multiplex pulse and incident on the optical fiber (step S01). ), Based on the intensity of the Rayleigh backward scattered light acquired in the preliminary measurement, a direction vector having a time change of the intensity of the Rayleigh backward scattered light with respect to the basic light frequency is detected at each point of the optical fiber.
  • This vibration detection method is [Procedure D] Prepare frequency-multiplexed pulses with intentionally changed frequencies and acquire preliminary data. [Procedure E] Calculation of approximate direction vector at each point based on analysis of preliminary data, [Procedure F] Vibration is detected from the inner product of the direction vector and the approximate direction vector of the scattered light intensity change obtained by performing this measurement with a frequency multiplex pulse with a fixed frequency. Consists of.
  • the direction vector is calculated as follows (step S16). Dot product of the direction vector of the number 8 and the approximate direction vector of the number 6b Is used for signal detection as the signal s 2 (z, tm ) in the present embodiment (step S17).
  • the number 9 is compared with the signal s (z, tm ) of the number 7 of the first embodiment.
  • ⁇ n is independent of frequency and time.
  • the SN ratio of s 2 (z, tm ) is as follows.
  • the method of the second embodiment can be similarly calculated when the change in the vector length on the IQ plane is treated as a signal, and the comparison of the SN ratio can be explained in the same manner.
  • ⁇ n When considering the measurement at the shot noise limit using coherent detection, it is necessary to consider ⁇ n to be constant in the concrete equation expansion of the SN ratio when treating the change in the vector length on the IQ plane as a signal. Is also established at each point (point corresponding to each distance z from the incident end). On the other hand, when dealing with the intensity of scattered light, it is correct to consider ⁇ n to be constant as an average evaluation, but as an evaluation for each point individually, ⁇ n Note that the dependency on must also be considered.
  • the optical frequency of the probe optical pulse was intentionally changed from the frequency used for this measurement, but the fiber section to be measured is limited. If it is known that vibration occurs naturally in that section, or if vibration can be artificially applied to that section, the optical frequency used for this measurement is used as it is, and changes are intentionally made. Preliminary data may be obtained without giving. Further, in the case of vibration detection after all the measurement data have been acquired, the procedure E is performed using all the measurement data after measuring all the measurement data without distinguishing between the preliminary data and the main measurement data. The vibration may be detected according to the procedure F. It was
  • the present invention is not limited to the first embodiment or the second embodiment as it is, and at the implementation stage, the components and the signal processing method can be changed and embodied within a range not deviating from the gist thereof.
  • the storage unit 12 and the calculation unit 13 included in the vibration detection device of the present invention can be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • vibration detection device of the present invention In vibration measurement using OTDR, as a method of detecting the presence / absence and location of vibration, a method of monitoring an intensity change at each point of an OTDR waveform is known. However, when the vibration is small, the change in strength and the amount of strain are proportional, but the constant of proportionality differs not only in sign but also in magnitude for each point. Therefore, the sensitivity of vibration detection deteriorates at the point where the magnitude of the proportionality constant is small. Therefore, the apparatus and method of the present invention are not a conventional method of simply averaging the signal intensities of each frequency used for obtaining optical loss.
  • the vibration detection device and its method of the present invention can improve the sensitivity of vibration detection by frequency division multiplexing. That is, the probability of false detection of vibration can be efficiently reduced by optical frequency division while maintaining the high speed of calculation, which is an advantage of the intensity monitor. It is not necessary to measure the accurate waveform of vibration, but it can be used for applications where you want to quickly measure the location and time of vibration and the approximate frequency of vibration (such as intruder detection and equipment position identification by hitting on site). You can expect it.

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Abstract

光周波数多重による散乱光強度モニタの振動検知において検出感度が劣化する地点の発生を回避することができる振動検出装置及び振動検出方法を提供することを目的とする。　本発明は、用いる周波数の数だけ次元を持った多次元空間を考え、各軸に各光周波数での散乱光強度変化を対応させ、その前記空間上で散乱光信号をベクトルとしてプロットし、プロットした複数のベクトル点を元データとし前記空間上で原点を通る直線近似を行い、近似の結果得られた近似直線の方向ベクトルを利用し、振動検出を行う

Description

振動検出装置及び振動検出方法
　本開示は、時間領域反射測定法を利用した周波数多重による振動検出装置及びその振動検出方法に関する。
　単一光周波数のプローブ光を用いた散乱光強度モニタの振動検知の問題点について記述する。パルス番号ｍのプローブ光パルスを被測定光ファイバに入射し、入射端からの距離ｚの地点に時刻ｔｍに到達し、プローブ光パルスがレイリー後方散乱されて戻ってきたＯＴＤＲ散乱光波形の強度をＩ（ｚ，ｔｍ）とする。地点ｚに加わった歪量を、時刻ｔ０を基準状態として、時刻ｔｍのときε（ｔｍ）とすれば、ε（ｔｍ）が１０1ナノストレインオーダー以下の小さい場合には、実験等の経験的に多くの地点で強度変化が歪量に線形的に変化するとみなすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ただし厳密には、係数Ｃ（ｚ）は、プローブ光パルスの形状や強度、各地点でのレイリー散乱体の分布に依存し、結果としてＩ（ｚ，Ｔ０）などの変数になる。
　係数Ｃ（ｚ）は各地点でランダムに分布した多数のレイリー散乱体の散乱光の干渉によるフェーディング雑音の影響を受け、符号も大きさも各地点、つまり入射端からの距離ｚによって異なる。測定される信号の大きさは、各時刻の強度測定時に加わる雑音をｎ（ｔｍ）とすれば、下式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 チルダは測定値を理想値と区別するために用いる。係数Ｃが小さい地点では、振動検出の感度が劣化することが分かる。
　ＯＴＤＲを用いて光損失を測定する方法においては、フェーディング雑音を解消する方法として光周波数多重の方法が知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。当該方法は、各パルス番号ｍのプローブ光として、周波数をｆｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）だけ多重させた周波数多重パルスを用いる。そして、当該方法は、各時刻で得られたＯＴＤＲ波形から信号処理によって、次式で表される各光周波数ｆｋでの散乱光強度波形を計算し、当該散乱光強度波形をそのまま平均して信号として用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｉｉｄａ，　Ｙｕｓｕｋｅ　Ｋｏｓｈｉｋｉｙａ，　Ｆｕｍｉｈｉｋｏ　Ｉｔｏ，　ａｎｄ　Ｋｕｎｉａｋｉ　Ｔａｎａｋａ，　"Ｈｉｇｈ－Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ　Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，"　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　３０，　１１２１－１１２６　（２０１２） Ｙａｈｅｉ　Ｋｏｙａｍａｄａ，　Ｍｕｔｓｕｍｉ　Ｉｍａｈａｍａ，　Ｋｅｎｙａ　Ｋｕｂｏｔａ，　ａｎｄ　Ｋａｚｕｏ　Ｈｏｇａｒｉ，　"Ｆｉｂｅｒ－Ｏｐｔｉｃ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｓｔｒａｉｎ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｗｉｔｈ　Ｖｅｒｙ　Ｈｉｇｈ　Ｍｅａｓｕｒａｎｄ　Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｏｖｅｒ　Ｌｏｎｇ　Ｒａｎｇｅ　Ｕｓｉｎｇ　Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ＯＴＤＲ，"　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　２７，　１１４２－１１４６　（２００９）
　散乱光強度を信号として用いる点では、散乱光強度モニタの振動検知も同様であるが、振動検知の場合には数２ａの散乱光強度波形をそのまま平均した場合、単一周波数での測定と比べて感度が劣化する地点の発生を回避することが困難という課題がある。
　当該課題について以下に詳細を説明する。周波数ｋ番目の散乱光強度変化は次式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 係数Ｃｋは符号も大きさも独立となる。また、雑音ｎｋ（ｚ，ｔｍ）も周波数番号ｋや時刻ｔｍに関して互いに独立である。
　単純に強度平均を計算する方法では、以下のように参照時刻ｔ０に対する時刻ｔｍでの信号強度を計算する。Ｋは周波数多重数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 上式から平均化によりノイズ減少の効果が得られることが分かるが、Ｃｋは正負の値を取り得るため、ノイズの減少効果よりも、ε（ｚ，ｔｍ）に乗算される次式の比例係数
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 が元々のＣｋよりも小さくなる効果の方が大きくなり、感度が劣化する地点が発生し得ることが分かる。
　つまり、周波数平均を行う前のどの周波数の信号を使用した振動検出に対しても、平均後の信号を使用した振動検出の感度が劣化してしまう地点が発生し得る。このように、散乱光強度モニタの振動検知においては、必ずしも単純に各周波数の散乱光強度を平均する方法が振動検出の感度向上に最適とはいえない。
　尚、光周波数多重の方法では、後方散乱光をコヒーレント検波し、検波した信号をフーリエ変換した周波数ドメインでの帯域の違いから、各光周波数の信号を分離するのが一般的である。分離された各光周波数におけるＩ（Ｉｎｐｈａｓｅ；同相）成分とＱ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ；直交）成分の値を使用して、Ｉ成分の２乗値とＱ成分の２乗値の和から散乱光強度に相当する信号を得るが、Ｉ成分の２乗値とＱ成分の２乗値の平方根、すなわちＩ成分を横軸でＱ成分を縦軸とするＩＱ平面上でのベクトルの長さを信号とすることもできる。このベクトル長の変化から振動検知を行うことも可能である。
　この場合にも、歪量ε（ｔｍ）の変化が十分に小さい場合には、前記散乱光強度に関する場合と同様の考え方で、同様の結論を得ることができる。具体的に記述すると、散乱光強度Ｉ（ｚ，ｔｍ）はベクトルの長さＬ（ｚ，ｔｍ）の２乗に対応するので、それぞれの変化をΔＩ（ｚ，ｔｍ）とΔＬ（ｚ，ｔｍ）とすれば、変化が微小な範囲内で、
ΔＩ（ｚ，ｔｍ）＝２Ｌ（ｚ，ｔｍ）・ΔＬ（ｚ，ｔｍ）
となる。
　数１を利用すれば、次式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　したがって、Ｃ’（ｚ）＝ｃ（ｚ）／２Ｌ（ｚ，ｔｍ）とすれば、ベクトル長と歪量とは、比例係数Ｃ’（ｚ）で比例する。尚、この比例関係についても、発明者らによる実験による経験則から、１０1ナノストレインオーダー以下の歪量であれば、多くの地点で成立するとみなせる。このことを踏まえると、ＩＱ平面上でのベクトル長の変化を信号として用いた場合でも、各光周波数のベクトル長をＬｋ（ｚ，ｔｍ）としたとき、それらを単純に平均する方法が、感度向上に最適とはいえないことがわかる。
　そこで、本発明は、上記課題を解決するために、光周波数多重による散乱光強度モニタの振動検知において検出感度が劣化する地点の発生を回避することができる振動検出装置及び振動検出方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る振動検出装置は、予備測定と本測定の２工程で振動検出を行うこととした。
　予備測定では、まず、多重する光周波数をパルスごとに変化させた上で、時間領域反射計測法によりレイリー散乱光強度を取得する。そして、予備測定で得られた前記レイリー散乱光強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを予備測定で用いたパルス数から一を引いた数だけ検出し、検出した複数の前記方向ベクトルを統計処理することによって、光ファイバの各地点における近似方向ベクトルを作成する。
　本測定では、前記近似方向ベクトルを用いて、本測定で得られた信号を処理することで、振動を検知する。
　前記近似方向ベクトルを用いることで、前記光ファイバの各地点における歪変化に対する感度が最良となる最適光周波数の選定などが可能になり、ＩＱ平面上でのベクトル長を単純に平均する前述の手法より感度向上を図ることができる。
　具体的には、本発明に係る振動検出装置は、時間領域反射測定法による振動検出装置であって、
　複数の基本光周波数を含む光周波数多重パルスを光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する光試験器と、
　前記基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎に移動光周波数だけ変化させて前記光ファイバに入射させ、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を前記光試験器に行わせること、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、
　作成した前記近似方向ベクトルを用いて前記光ファイバの地点毎に歪みに対する感度が最良となる最適基本光周波数を選定すること、及び、
　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射させ、前記光ファイバの地点毎に、前記最適基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化から振動を検出する本測定を前記光試験器に行わせること、を実施する制御演算器と、を備える。
　その振動検出方法は、時間領域反射測定法による振動検出方法であって、
　光周波数多重パルスに含まれる複数の基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎に移動光周波数だけ変化させて光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を行うこと、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、
　作成した前記近似方向ベクトルを用いて前記光ファイバの地点毎に歪みに対する感度が最良となる最適基本光周波数を選定すること、及び
　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射して、前記光ファイバの地点毎に、前記最適基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化から振動を検出する本測定を行うこと、
を含む。
　また、本発明に係る他の振動検出装置は、時間領域反射測定法による振動検出装置であって、
　複数の基本光周波数を含む光周波数多重パルスを光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する光試験器と、
　前記基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎の移動光周波数だけ変化させて前記光ファイバに入射させ、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を前記光試験器に行わせること、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、及び
　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射させ、前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記方向ベクトルと前記近似方向ベクトルとの内積から振動を検出する本測定を前記光試験器に行わせること、
を実施する制御演算器と、
を備える。
　その振動検出方法は、時間領域反射測定法による振動検出方法であって、
　光周波数多重パルスに含まれる複数の基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎の移動光周波数だけ変化させて光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を行うこと、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、及び
　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記方向ベクトルと前記近似方向ベクトルとの内積から振動を検出する本測定を行うこと、
を含む。
　本振動検出装置及びその方法は、光ファイバの地点ごとに最適な結果を得ることが可能なように、多重する光周波数をパルスごとに故意に変化させる予備測定を実施して光ファイバの各地点における近似方向ベクトルを作成し、歪変化に対する感度が最良な最適光周波数の選定などを行うため、局所的に感度劣化の発生を防ぐことができる。従って、本発明は、光周波数多重による散乱光強度モニタの振動検知において検出感度が劣化する地点の発生を回避することができる振動検出装置及び振動検出方法を提供することができる。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本発明は、光周波数多重による散乱光強度モニタの振動検知において検出感度が劣化する地点の発生を回避することができる振動検出装置及び振動検出方法を提供することができる。
本発明に係る振動検出装置を説明する図である。 本発明に係る振動検出方法を説明する図である。 本発明に係る振動検出方法の原理を説明する図である。 本発明に係る振動検出方法を説明する図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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、本実施形態の振動検出装置を説明する図である。本振動検出装置は、時間領域反射測定法による振動検出装置であって、
　複数の基本光周波数ｆｋを含む光周波数多重パルスを光ファイバ５に入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する光試験器２１と、
　前記基本光周波数ｆｋを前記光周波数多重パルス毎に移動光周波数Δｆ（ｍ）だけ変化させて光ファイバ５に入射させ、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を光試験器２１に行わせること、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて光ファイバ５の地点毎に、前記基本光周波数ｆｋに対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数Δｆ（ｍ）毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、
　作成した前記近似方向ベクトルを用いて光ファイバ５の地点毎に歪みに対する感度が最良となる最適基本光周波数を選定すること、及び、
　複数の基本光周波数ｆｋの前記光周波数多重パルスを光ファイバ５に入射させ、光ファイバ５の地点毎に、前記最適基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化から振動を検出する本測定を光試験器２１に行わせること、
を実施する制御演算器２２と、
を備える。
　まず、光試験器２１を詳細に説明する。レーザ１からＣＷレーザを出力し、カプラ２で２分岐させ、ローカル光とプローブ光を作成する。前記プローブ光を変調器３に通して光周波数を多重したプローブパルスに整形し、サーキュレータ４を介して光ファイバ５に入射する。入射した前記プローブパルスがレイリー後方散乱されることで生じた散乱光を、前記ローカル光とともに、光９０度ハイブリッド６に入射して、同相成分をバランスフォトダイオード７で、直交成分をバランスフォトダイオード８で、それぞれ受光し光電変換する。光電変換された前記同相成分はＡＤ変換器９で、光電変換された前記直交成分はＡＤ変換器１０で、それぞれデジタル信号に変換される。
　次に、制御演算器２２を詳細に説明する。保存部１２はＡＤ変換器（９、１０）からのデジタル信号をデータとして保存する。計算部１３は保存された前記データを用いて後述する計算を実施する。また、指示部１１は光試験器２１の変調器３に対して変化させる光周波数を指示する。
　図２は、本振動検出装置が行う振動検出方法を説明するフローチャートである。本振動検出方法は、時間領域反射測定法による振動検出方法であって、
　光周波数多重パルスに含まれる複数の基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎に移動光周波数だけ変化させて光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を行うこと（ステップＳ０１）、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて光ファイバ５の地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し（ステップＳ０２）、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること（ステップＳ０３）、
　作成した前記近似方向ベクトルを用いて光ファイバ５の地点毎に歪みに対する感度が最良となる最適基本光周波数を選定すること（ステップＳ０４）、及び
　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射して（ステップＳ０５）、前記光ファイバの地点毎に、前記最適基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化から振動を検出する（ステップＳ０６）本測定を行うこと、
を含む。
　図２を用いてより詳細に説明する。本振動検出方法は、
［手順Ａ］故意的に移動周波数だけ周波数変化を与えた周波数多重パルスを準備し予備データの取得、
［手順Ｂ］予備データの解析に基づく各地点での最適基本周波数の選定、及び
［手順Ｃ］基本周波数に周波数を固定した周波数多重パルスで本測定を実施し最適基本光周波数の散乱光強度変化から振動を検出、
からなる。
［手順Ａ］
　パルス番号１からパルス番号Ｍ（パルス番号ｍ；ｍは１からＭまでの整数）までを予備データ取得に用いる。Ｍは測定器のノイズの大きさにもよるが、通常は十数程度の値で十分である。各パルス番号におけるプローブ光は周波数をＫ（光周波数番号ｋ；ｋは１からＫまでの整数）だけ多重した周波数多重パルスとする。特に、手順Ｃの本測定に用いる光周波数をｆｋ（ｋ＝１，２、・・・、Ｋ）として基本周波数と呼ぶと、本手順では各パルス番号ｍにおける周波数多重パルスを構成する周波数を、移動周波数Δｆ（ｍ）を用いてｆｋ＋Δｆ（ｍ）に設定する。すなわち、レーザ１の発振周波数をｆ０としたとき、外部変調器３がレーザ光にｆｋ＋Δｆ（ｍ）－ｆ０の周波数変調を与え、Ｋ個の光周波数成分ｆｋ＋Δｆ（ｍ）が含まれる周波数多重パルスを生成する。ただし、Δｆ（ｍ）は周波数番号ｋには依らないものとする。つまり、パルス番号１の周波数多重パルスは、Ｋ個の光周波数ｆｋをそれぞれΔｆ（１）だけシフトしたＫ個の光周波数成分が含まれる。パルス番号２の周波数多重パルスは、Ｋ個の光周波数ｆｋをそれぞれΔｆ（２）だけシフトしたＫ個の光周波数成分が含まれる。そして、パルス番号Ｍの周波数多重パルスは、Ｋ個の光周波数ｆｋをそれぞれΔｆ（Ｍ）だけシフトしたＫ個の光周波数成分が含まれる。なお、各光周波数でのプローブ光強度はΔｆ（ｍ）の周波数変化を与えても一定なように調整する。
　このようなパルスの生成方法としては、例えば＋ｆｋ－ｆ０の変調を光ＳＳＢ変調器により与え、＋Δｆ（ｍ）の変調を音響光学変調器により与えることで、トータルでｆｋ＋Δｆ（ｍ）－ｆ０の変調を与えることが可能である。しかし、目的とする前記変調を達成でき、かつ測定に用いるレーザ１の線幅に対する周波数多重パルスのパルス内部での線幅の劣化が振動が検出できる程度以下である条件を満たせば、どのような変調器３を使用しても構わない。
　このように設定した周波数を持った周波数多重パルスで測定を実施し、得られたデータを保存部１２に保存する（ステップＳ０１）。各周波数番号ｋ（ｋ＝１，２、・・・、Ｋ）について、つまり各周波数ｆｋ＋Δｆ（ｍ）について、パルス番号１で取得した散乱光強度に対するパルス番号ｍの散乱光強度の変化
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 を計算部１３で計算し、以下のベクトルをＫ次元空間にプロットする（ステップＳ０２）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　プローブ光の光周波数のｆｋからｆｋ＋Δｆ（ｍ）への変化は、プローブ光の光周波数はそのままで、光ファイバ５に次式の歪みが生じたのと等価とみなすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 ここで、係数Ａは通常のシングルモードファイバの場合は０．７８程度の値となる定数である（例えば、非特許文献２を参照。）。
　数５ａのプローブ光の周波数変調による変化は、ｆ０に対するｆｋ－ｆ０の大きさが十分に小さいことから、ｆｋの代わりにｆ０を用いて、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 と近似できる。したがって、実際に加わった歪変化と雑音を考慮して、数５のベクトルは下式に展開できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　ここでｍ＝１におけるΔｆ（１）をゼロに設定すると、実際に光ファイバに加わった歪みとプローブ光の周波数変調による変化をトータルした見かけの歪量は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 となる。
　この見かけの歪量は、Δｆ（ｍ）を、数１を満たす程度に小さく、雑音よりは大きい範囲でランダムに変化させておけば、実際の歪との間の相関はなくなり、ノイズレベルよりも大きな振幅で変化させることができる。つまり、各地点において、雑音よりも大きい振幅を持った歪みが、時間的に変化しながら生じている状態と等価な状況を作ることができる。Δｆ（ｍ）の実際の設定については、測定器の雑音の大きさにも依存するが、数１が１０1ナノストレインオーダー以下の歪量で成立することを考慮すれば、－１０ＭＨｚから＋１０ＭＨｚ程度の間で、大きさと符号について、パルス番号ごとにランダムな値となるように設定するなどして対応できる。
　上述のように、手順Ａでは、ｍ＝１，２、・・・、ＭまでのＭパルス分について数６のベクトルをＫ次元空間にプロットしていることになる。
［手順Ｂ］
　図２は、本手順を説明する概略図である。本手順では、計算部１３で、これらＭ個のベクトルを元データとして、原点を通る直線へとフィッティングを行う。例えば、通常の最小２乗法などを用いることができる。当該フィッティングにより近似直線の方向を示す次式の単位ベクトル（近似方向ベクトル）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 が得られる（ステップＳ０３）。
　計算部１３は、数６（ｂ）の近似方向ベクトルの各成分の大きさ｜ｄｋ（ｚ）｜を比較し、一番大きい成分を与えるインデックス番号をｋｏｐｔ（ｚ）とする。そして、計算部１３は、位置ｚでの最適周波数をｆｏｐｔ（ｚ）＝ｆｋｏｐｔ（ｚ）とする。
　本手順の意味を説明する。数６のベクトルは、ノイズの影響を除けば、ベクトル（Ｃ１（ｚ），Ｃ２（ｚ），・・・，Ｃｋ（ｚ））の定数倍である。したがって、測定データに対して原点を通る近似直線を計算すれば、その直線の方向は、ベクトル（Ｃ１（ｚ），Ｃ２（ｚ），・・・，Ｃｋ（ｚ））の方向の推定値として使用できる。推定したベクトル方向が数６ｂの近似方向ベクトルとなるので、数６ｂの近似方向ベクトルの成分の大きさを比較することは、推定精度が十分高ければ、Ｃｋ（ｚ）の大きさを比較しているのと同じである。結果として、ｆｏｐｔ（ｚ）は、数１が成り立つ範囲で、多重した基本周波数の中で、歪みに対する感度が最も良い光周波数となっている。したがって、ｆｏｐｔ（ｚ）を最適基本周波数と呼ぶこともできる。
［手順Ｃ］
　本手順は本測定である。パルス番号Ｍ＋１以降は、光周波数ｆｋ（ｋ＝１，２，・・・Ｋ）を多重させたパルス（Δｆ（ｍ）だけずらさないパルス）を変調器３で生成し、本測定として光ファイバ５に入射し、数２ａの散乱光強度を測定する（ステップＳ０５）。
　具体的には、パルス番号Ｍ＋１番目について各位置ｚでの最適周波数ｆｏｐｔ（ｚ）における散乱光強度を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 とし、パルス番号Ｍ＋２以降について、測定した散乱光強度
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 からパルス番号Ｍ＋１番目での強度
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 を引いた値を信号ｓ（ｚ，ｔｍ）とし、この信号の変化から振動検知を行う。すなわち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　本手順の意味を説明する。歪みに対する感度が最も良い光周波数ｆｏｐｔにおける強度変化を信号ｓ（ｚ，ｔｍ）として用いるため、手順Ｂにおけるｆｏｐｔの推定が正しさえすれば、使用した全ての周波数において振動検出の感度が悪い場合を除いて、振動検出における感度劣化を防ぐことができる。
　雑音の影響が大きい、予備測定時に光ファイバに生じた歪量が数１の成り立つ範囲よりも大きい、測定に用いた光周波数において数１が成立しない、その他の理由で、手順Ｂにおけるｆｏｐｔの推定を誤った場合であっても、多重した光周波数のどれか一つを信号として選定するので、用いた各光周波数の信号の一つを単独で使用した場合よりも振動検出感度が劣化する地点の発生を原理的に防ぐことができる。
　また、各周波数で数２ａの散乱光強度を計算するプロセス以外には、単一光周波数における散乱光強度モニタによる振動検知と、信号処理の方法は変わらないため、高速に計算結果を出力することが可能である。尚、信号ｓ（ｚ，ｔｍ）は、手順Ｃの本測定において最初に測定できる時刻ｔ（Ｍ＋１）においてゼロとなる基準で計算している。
　本実施形態では、予備データ取得時（手順Ａ）に、プローブ光パルスの光周波数を本測定に使用する周波数から故意に変化させたが、測定したいファイバ区間が限定されており、その区間内で振動が自然に生じていることが分かっている場合や、その区間に人工的に振動を印加できる場合には、Δｆ（ｍ）の変化は必要なく、本測定に使用する基本光周波数をそのまま使用して、故意に変化を与えることなしに、予備データを取得しても良い。さらに、全ての測定データを取得完了した上で振動検出する場合には、予備データと本測定データの区別をつけずに、全ての測定データを測定した後に、全ての測定データを用いて手順Ｂまでを行い、手順Ｃとして光周波数ｆｏｐｔでの散乱光強度変化から振動検出を行っても良い。その場合には、手順Ｂまでの計算過程を保存しておけば、手順Ｃで新たに追加の計算をする必要なない。
　尚、本実施形態では、光散乱光強度の変化を信号として処理しているが、ＩＱ平面上でのベクトル長の変化を信号として処理してもよい。
（実施形態２）
　本実施形態の振動検出装置の構成は図１の振動検出装置の構成と同じである。図４は、本振動検出装置が行う振動検出方法を説明するフローチャートである。本振動検出方法は、時間領域反射測定法による振動検出方法であって、
　光周波数多重パルスに含まれる複数の基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎の移動光周波数だけ変化させて光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を行うこと（ステップＳ０１）、
　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること（ステップＳ０２～Ｓ０３）、及び
　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記方向ベクトルと前記近似方向ベクトルとの内積から振動を検出する本測定を行うこと、
を含む。
　図４を用いてより詳細に説明する。本振動検出方法は、
［手順Ｄ］故意的に周波数変化を与えた周波数多重パルスを準備し予備データの取得、
［手順Ｅ］予備データの解析に基づく各地点での近似方向ベクトルの計算、
［手順Ｆ］周波数を固定した周波数多重パルスで本測定を実施し得られた散乱光強度変化の方向ベクトルと近似方向ベクトルとの内積から振動を検出、
からなる。
［手順Ｄ］
　実施形態１で説明した手順Ａと同じである。
［手順Ｅ］
　実施形態１で説明した手順ＢのステップＳ０３と同じである。ただし、本手順では、ステップＳ０４の最適光周波数の選定を行わない。
［手順Ｆ］
　本手順は本測定である。パルス番号Ｍ＋１以降は、光周波数ｆｋ（ｋ＝１，２，・・・Ｋ）を多重させたパルス（Δｆ（ｍ）だけずらさないパルス）を変調器３で生成し、本測定として光ファイバ５に入射し、数２ａの散乱光強度を測定する（ステップＳ１５）。
　具体的には、計算部１３が、パルス番号Ｍ＋１番目について測定した散乱光強度
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 と、パルス番号Ｍ＋２以降について測定した散乱光強度
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 とから、方向ベクトルを以下のように計算する（ステップＳ１６）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 　数８の方向ベクトルと数６ｂの近似方向ベクトルとの内積
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 を、本実施形態における信号ｓ２（ｚ，ｔｍ）として、信号検知に用いる（ステップＳ１７）。
　本手順の意味を説明する。数６ｂの近似方向ベクトルが正しく推定されていると仮定して、ｓ２（ｚ，ｔｍ）を実際に展開する。ただし、ある比例定数Ｄを用いて
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 とできるものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
　数９を、実施形態１の数７の信号ｓ（ｚ，ｔｍ）と比較する。例えば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
 の値そのものではなく、統計的な意味での雑音レベルの大きさをΔｎとすると、Δｎは周波数や時刻について独立である。仮にΔｎの大きさが一定だとすれば、ｓ２（ｚ，ｔｍ）のＳＮ比は、下記となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 一方、実施形態１のＳＮ比は、最適周波数ｆｏｐｔ（ｚ）＝ｆｋｏｐｔ（ｚ）の選定に誤りがないとすると、下記となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 　数１０と数１１を比較すると、実施形態２の手法は実施形態１の手法に対して、内積を計算する過程を追加することによって、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 以外の周波数での変化も取り込んでいる。このため、近似方向ベクトルｄ（ｚ）を十分に正しい精度で推定できていれば、実施形態２の手法は実施形態１の手法よりも振動検出の感度が改善される。
　実施形態２の手法も、ＩＱ平面上でのベクトル長の変化を信号として扱う場合にも同様に計算でき、前記ＳＮ比の比較についても同様に説明できる。
　尚、コヒーレント検波を使用したショット雑音限界での測定を考えた場合、前記ＳＮ比の具体的な式展開においてΔｎを一定とみなすことは、ＩＱ平面上でのベクトル長の変化を信号として扱う際には各地点（入射端から各距離ｚに対応する地点）においても成立する。一方で、散乱光の強度を扱う場合には、Δｎを一定とみなすことは、平均的な評価としては正しいが、各地点個別の評価としては、Δｎの
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 についての依存性も考慮しなければならないことに注意する。　
　実施形態１の説明と同様で、予備データ取得時（手順Ｄ）に、プローブ光パルスの光周波数を本測定に使用する周波数から故意に変化させたが、測定したいファイバ区間が限定されており、その区間内で振動が自然に生じていることが分かっている場合や、その区間に人工的に振動を印加できる場合には、本測定に使用する光周波数をそのまま使用して、故意に変化を与えることなしに、予備データを取得しても良い。さらに、全ての測定データを取得完了した上で振動検出する場合には、予備データと本測定データの区別をつけずに、全ての測定データを測定した後に、全ての測定データを用いて手順Ｅまでを行い、手順Ｆによって振動検出を行っても良い。　
（他の実施形態）
　本発明は、実施形態１や実施形態２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や信号処理方法を変更して具体化可能である。また、本発明の振動検出装置が備える保存部１２および計算部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。
［付記］
　以下は、本発明の振動検出装置及びその方法を説明したものである。
　ＯＴＤＲを利用した振動計測において、振動の有無や場所を検知する方法として、ＯＴＤＲ波形の各地点での強度変化をモニタする方法が知られている。
　しかし、振動が小さい場合には、強度変化と歪量とは比例はするが、その比例定数は符号だけでなく大きさも地点ごとに異なる。したがって、比例定数の大きさが小さい地点では、振動検出の感度が劣化してしまう。
　そこで、本発明の装置及び方法は、従来の光損失を求めるために使われる各周波数の信号強度を単純に平均化する方法ではなく、
ｉ）用いる周波数の数だけ次元を持った多次元空間を考え、各軸に各光周波数での散乱光強度変化を対応させ、
ｉｉ）その前記空間上で散乱光信号をベクトルとしてプロットし、
ｉｉｉ）プロットした複数のベクトル点を元データとし前記空間上で原点を通る直線近似を行い、
ｉｖ）近似の結果得られた近似直線の方向ベクトルを利用して振動検出を行う
こととした。
　本発明の振動検出装置及びその方法は、周波数多重により振動検出の感度向上を図れるる。つまり、強度モニタの利点である計算の高速性を維持しつつ、振動の誤検知の確率を光周波数多重により効率的に小さくすることができる。振動の正確な波形測定までは必要ないが、振動が起きた場所や時刻、振動のおおよその周波数を素早く測定したい応用先（侵入者検知や現場での打撃による設備位置特定など）への活用が期待できる。
１：レーザ１
２：カプラ
３：変調器
４：サーキュレータ
５：光ファイバ
６：光９０度ハイブリッド
７、８：バランスフォトダイオード
９、１０：ＡＤ変換器
１１：計算器
１２：保存部
１３：計算部
２１：光試験器
２２：制御演算器

Claims (4)

  1. 　時間領域反射測定法による振動検出装置であって、
    　複数の基本光周波数を含む光周波数多重パルスを光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する光試験器と、
    　前記基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎に移動光周波数だけ変化させて前記光ファイバに入射させ、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を前記光試験器に行わせること、
    　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、
    　作成した前記近似方向ベクトルを用いて前記光ファイバの地点毎に歪みに対する感度が最良となる最適基本光周波数を選定すること、及び
    　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射させ、前記光ファイバの地点毎に、前記最適基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化から振動を検出する本測定を前記光試験器に行わせること、
    を実施する制御演算器と、
    を備える振動検出装置。
  2. 　時間領域反射測定法による振動検出装置であって、
    　複数の基本光周波数を含む光周波数多重パルスを光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する光試験器と、
    　前記基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎の移動光周波数だけ変化させて前記光ファイバに入射させ、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を前記光試験器に行わせること、
    　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、及び
    　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射させ、前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記方向ベクトルと前記近似方向ベクトルとの内積から振動を検出する本測定を前記光試験器に行わせること、
    を実施する制御演算器と、
    を備える振動検出装置。
  3. 　時間領域反射測定法による振動検出方法であって、
    　光周波数多重パルスに含まれる複数の基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎に移動光周波数だけ変化させて光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を行うこと、
    　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、
    　作成した前記近似方向ベクトルを用いて前記光ファイバの地点毎に歪みに対する感度が最良となる最適基本光周波数を選定すること、及び
    　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射して、前記光ファイバの地点毎に、前記最適基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化から振動を検出する本測定を行うこと、
    を含む振動検出方法。
  4. 　時間領域反射測定法による振動検出方法であって、
    　光周波数多重パルスに含まれる複数の基本光周波数を前記光周波数多重パルス毎の移動光周波数だけ変化させて光ファイバに入射し、レイリー後方散乱光の強度を取得する予備測定を行うこと、
    　前記予備測定で取得された前記レイリー後方散乱光の強度に基づいて前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記移動光周波数毎の前記方向ベクトルを統計処理した近似方向ベクトルを作成すること、及び
    　前記複数の基本光周波数の前記光周波数多重パルスを前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの各地点毎に、前記基本光周波数に対する前記レイリー後方散乱光の強度の時間変化を要素としてもつ方向ベクトルを検出し、前記方向ベクトルと前記近似方向ベクトルとの内積から振動を検出する本測定を行うこと、
    を含む振動検出方法。
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