(57)【要約】【課題】動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る水面検知装置３０１の水面検知方法は、ＯＴＤＲ１に接続された光ファイバ８の遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した前記光パルスを遠端６で受光し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知する水面検知方法であって、少なくとも遠端６部分の光ファイバ８がデュアルモードファイバであり、前記光パルスが前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力されており、水面７で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光することを特徴とする。【選択図】図８
2011174713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＴＤＲ（光パルス試験器：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）に接続された光ファイバの遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知する水面検知方法であって、
少なくとも前記遠端部分の前記光ファイバがデュアルモードファイバであり、
前記光パルスが前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力されており、
前記水面で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光することを特徴とする水面検知方法。
【請求項２】
ＯＴＤＲに接続された光ファイバの遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知する水面検知方法であって、
前記光ファイバの前記遠端の周囲にコーナーキューブアレイが配置され、
前記光パルスが前記遠端から重力方向に出力されており、
前記水面で反射した前記光パルスを前記コーナーキューブアレイで反射させ、前記遠端から前記コーナーキューブまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする水面検知方法。
【請求項３】
ＯＴＤＲに接続された光ファイバの遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知する水面検知方法であって、
前記光ファイバの前記遠端と異なる位置にコーナーキューブアレイが配置され、
前記光パルスが前記遠端から重力方向に対して前記コーナーキューブアレイの方向に傾斜した方向に出力されており、
前記水面で反射した前記光パルスを前記コーナーキューブアレイで反射させ、前記遠端から前記コーナーキューブアレイまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする水面検知方法。
【請求項４】
ＯＴＤＲに接続された光ファイバの遠端から、水面に配置されて前記水面に応じて動揺するコーナーキューブアレイに向けて重力方向に光パルスを出力し、前記コーナーキューブアレイで反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知することを特徴とする水面検知方法。
【請求項５】
少なくとも前記遠端部分の前記光ファイバがデュアルモードファイバであり、前記光パルスを前記デュアルモードファイバの内側コア又は外側コアで受光することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の水面検知方法。
【請求項６】
遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光する光ファイバと、
前記光ファイバの前記遠端の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知するＯＴＤＲと、
を備える水面検知装置であって、
前記光ファイバは、少なくとも前記遠端部分がデュアルモードファイバであり、前記光パルスを前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光することを特徴とする水面検知装置。
【請求項７】
遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光する光ファイバと、
前記光ファイバの前記遠端の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知するＯＴＤＲと、
を備える水面検知装置であって、
前記光ファイバの前記遠端の周囲に配置されたコーナーキューブアレイをさらに備え、
前記光ファイバは、前記遠端から前記光パルスを重力方向に出力し、
前記コーナーキューブアレイは、前記水面で反射した前記光パルスを反射し、前記遠端から前記コーナーキューブアレイまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする水面検知装置。
【請求項８】
遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光する光ファイバと、
前記光ファイバの前記遠端の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知するＯＴＤＲと、
を備える水面検知装置であって、
前記光ファイバの前記遠端と異なる位置に配置されたコーナーキューブアレイをさらに備え、
前記光ファイバは、前記遠端から前記光パルスを重力方向から前記コーナーキューブアレイの方向に傾斜した方向に出力し、
前記コーナーキューブアレイは、前記水面で反射した前記光パルスを反射し、前記遠端から前記コーナーキューブアレイまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする水面検知装置。
【請求項９】
少なくとも前記遠端部分の前記光ファイバがデュアルモードファイバであり、前記光パルスを前記デュアルモードファイバの内側コア又は外側コアで受光することを特徴とする請求項７又は８に記載の水面検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＯＴＤＲ（光パルス試験器：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて、それに接続されるファイバの遠端から水面までの距離を測る水面検知方法及び水面検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の水面検知方法を説明する図である。従来の水面検知方法は、ＯＴＤＲにより出射された１５５０ｎｍのレーザパルス光をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の出射端（遠端）からレンズによりコリメートし、離れた位置にある水面へ鉛直に照射し、水面から反射されてきた光パルスの遅延を計測することにより水面までの距離を計測していた。図２は、従来の水面検知方法で水面検知を行った結果である。図２に示すようにファイバ遠端の反射と水面からの反射の距離の差Ｌ（ｍ）にファイバ屈折率を乗算することでファイバ遠端から水面までの空間距離が得られる。これは市販のＯＴＤＲの距離表示がファイバ長に換算しているので、これを空間距離に戻すためである（例えば、非特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】大窪央・山林由明，“レーザによる水面検知及び近接高度計”，“第３９回光波センシング技術研究会講演論文集”，ｎｏ．ＬＳＴ３９−２３，ｐｐ．１４３−１４８，Ｊｕｎｅ２００７．
【非特許文献２】田野辺博正（ＮＴＴ）・小林  勝（ＮＴＴ−ＡＴ）・長瀬  亮・界  義久（ＮＴＴ），  信学技報，ｖｏｌ．１０７，ｎｏ．１９０，ＯＣＳ  ２００７−３７，ｐｐ．２７−３２，２００７年８月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常水面とは波立っている（動揺）ことが多く、動揺した水面を検知可能とする必要がある。しかし、従来の水面検知方法は、ＯＴＤＲから遠端までのファイバ配線にシングルモードファイバを使用しており、動揺した水面で反射した光パルスが遠端のコアに戻る確率が低く、水面を検知することが困難という課題があった。
【０００５】
一方、ＯＴＤＲは、プローブとなる光パルスを数千発出射し、その反射して戻る光の光強度を平均化して雑音成分を除去し、距離に対する戻り光の光強度からなるＯＴＤＲ波形の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させる平均化処理を行なうことができる。しかし、動揺する水面で反射して遠端のコアに戻らない光パルスが多い場合、平均化処理をすると遠端に戻った光パルスの信号成分がほとんど消去されることになる。このため、ＯＴＤＲで平均化処理を行なったとしても、従来の水面検知方法は、水面を検知することが困難という課題があった。
【０００６】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置は、動揺する水面で反射した光パルスの多くを遠端に戻らせる手段を採用することとした。
【０００８】
具体的には、本発明に係る第１の水面検知方法は、ＯＴＤＲ（光パルス試験器：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）に接続された光ファイバの遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知する水面検知方法であって、少なくとも前記遠端部分の前記光ファイバがデュアルモードファイバであり、前記光パルスが前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力されており、前記水面で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る第１の水面検知装置は、遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光する光ファイバと、前記光ファイバの前記遠端の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知するＯＴＤＲと、を備える水面検知装置であって、前記光ファイバは、少なくとも前記遠端部分がデュアルモードファイバであり、前記光パルスを前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光することを特徴とする。
【００１０】
本水面検知方法及び水面検知装置は、遠端部分にデュアルモードファイバ（ＤＭＦ）を用いる。デュアルモードファイバは、図３に示すようにシングルモードのコアをマルチモードのコア中心部に形成したもので、一本のファイバでシングルモードとマルチモード両方の光伝送方式に対応することができるばかりでなく、シングルモードに対してダブルクラッド構造となり曲げ損失が小さいという特徴を有する（例えば、非特許文献２を参照。）。
【００１１】
デュアルモードファイバを遠端部分に用いることでコア部分が広がり、シングルモードファイバのコア部分に戻らなかった光パルスも、デュアルモードファイバのマルチモードのコア部分に戻ることができる。このため、ＯＴＤＲで動揺する水面までの距離を測定することができる。また、光パルスが遠端のコア部分に戻る確率が高まり、光パルスの受信量が多くなるのでＯＴＤＲで平均化処理を行なうことができる。
【００１２】
従って、本発明は、動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することができる。
【００１３】
本発明に係る第２の水面検知方法は、ＯＴＤＲに接続された光ファイバの遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知する水面検知方法であって、前記光ファイバの前記遠端の周囲にコーナーキューブアレイが配置され、前記光パルスが前記遠端から重力方向に出力されており、前記水面で反射した前記光パルスを前記コーナーキューブアレイで反射させ、前記遠端から前記コーナーキューブまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る第２の水面検知装置は、遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光する光ファイバと、前記光ファイバの前記遠端の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知するＯＴＤＲと、を備える水面検知装置であって、前記光ファイバの前記遠端の周囲に配置されたコーナーキューブアレイをさらに備え、前記光ファイバは、前記遠端から前記光パルスを重力方向に出力し、前記コーナーキューブアレイは、前記水面で反射した前記光パルスを反射し、前記遠端から前記コーナーキューブアレイまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする。
【００１５】
本水面検知方法及び水面検知装置は、遠端の周囲に水面に向けたコーナーキューブアレイを配置する。コーナーキューブアレイは、図４に示すように自転車などの反射板などに用いられる再帰性反射をする。再帰性反射とは、図４に示すように、入射光を各々の鏡面で一回ずつ反射させ、入射角のいかんにかかわらず、入射光が入射した方向へ戻す性質の反射である。
【００１６】
コーナーキューブアレイを遠端の周囲に置くことで、水面で乱反射した光パルスを再帰性反射を利用して逆進させ、遠端のコア部分に再集光させることができる。このため、水面の傾きが大きすぎたり、水面によって光が散乱される場合でも、ＯＴＤＲで水面までの距離を測定することができる。また、水面で反射した光パルスの量が多くなるのでＯＴＤＲで平均化処理を行なうことができる。
【００１７】
従って、本発明は、動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することができる。
【００１８】
本発明に係る第３の水面検知方法は、ＯＴＤＲに接続された光ファイバの遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知する水面検知方法であって、前記光ファイバの前記遠端と異なる位置にコーナーキューブアレイが配置され、前記光パルスが前記遠端から重力方向に対して前記コーナーキューブアレイの方向に傾斜した方向に出力されており、前記水面で反射した前記光パルスを前記コーナーキューブアレイで反射させ、前記遠端から前記コーナーキューブアレイまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る第３の水面検知装置は、遠端から水面に向けて光パルスを出力し、前記水面で反射した前記光パルスを前記遠端で受光する光ファイバと、前記光ファイバの前記遠端の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知するＯＴＤＲと、を備える水面検知装置であって、前記光ファイバの前記遠端と異なる位置に配置されたコーナーキューブアレイをさらに備え、前記光ファイバは、前記遠端から前記光パルスを重力方向から前記コーナーキューブアレイの方向に傾斜した方向に出力し、前記コーナーキューブアレイは、前記水面で反射した前記光パルスを反射し、前記遠端から前記コーナーキューブアレイまでの光路と同一の光路で前記光パルスを前記遠端に結合することを特徴とする。
【００２０】
本水面検知方法及び水面検知装置は、遠端から一定距離だけ離れた箇所に水面に向けたコーナーキューブアレイを配置する。そして、光パルスを重力方向から傾けて、水面に斜めになるように照射する。水面で反射した光パルスは、コーナーキューブアレイに到達する。この光パルスをコーナーキューブアレイの再帰性反射を利用して逆進させ、遠端のコア部分に再集光させることができる。このため、水面によって光が散乱される場合でも、ＯＴＤＲで水面までの距離を測定することができる。また、水面で反射した光パルスの量が多くなるのでＯＴＤＲで平均化処理を行なうことができる。
【００２１】
従って、本発明は、動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することができる。
【００２２】
本発明に係る第４の水面検知方法は、ＯＴＤＲに接続された光ファイバの遠端から、水面に配置されて前記水面に応じて動揺するコーナーキューブアレイに向けて重力方向に光パルスを出力し、前記コーナーキューブアレイで反射した前記光パルスを前記遠端で受光し、前記光パルスが前記遠端から出力され前記遠端で受光されるまでの伝搬時間を測定することで前記遠端から前記水面までの距離を検知することを特徴とする。
【００２３】
本水面検知方法は、遠端方向に向けたコーナーキューブアレイを水面に配置する。このコーナーキューブアレイは、水面の動揺に合わせて動揺するが、再帰性反射をするので、光パルスを逆進させ、遠端のコア部分に再集光させることができる。このため、水面の傾きが大きすぎたり、水面によって光が散乱される場合でも、ＯＴＤＲで水面までの距離を測定することができる。また、水面で反射した光パルスの量が多くなるのでＯＴＤＲで平均化処理を行なうことができる。
【００２４】
従って、本発明は、動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することができる。
【００２５】
本発明に係る第２から４の水面検知方法及び第２から３の水面検知装置は、少なくとも前記遠端部分の前記光ファイバがデュアルモードファイバであり、前記光パルスを前記デュアルモードファイバの内側コア又は外側コアで受光することを特徴とする。デュアルモードファイバを遠端部分に用いることでコア部分が広がり、シングルモードファイバのコア部分に戻らなかった光パルスも、デュアルモードファイバのマルチモードのコア部分に戻ることができる。このため、ＯＴＤＲで動揺する水面までの距離を測定することができる。また、光パルスが遠端のコア部分に戻る確率が高まり、光パルスの受信量が多くなるのでＯＴＤＲで平均化処理を行なうことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、動揺した水面を検知可能とする水面検知方法及び水面検知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の水面検知方法を説明する図である。
【図２】従来の水面検知方法で水面検知を行った結果である。
【図３】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図４】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図５】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図６】テーパファイバを説明する図である。
【図７】ＯＴＤＲを説明する図である。
【図８】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図９】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図１０】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図１１】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図１２】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【図１３】本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
（実施形態１）
図８は、本実施形態の水面検知装置３０１を説明する図である。水面検知装置３０１は、遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した前記光パルスを遠端６で受光する光ファイバ８と、遠端６の反対側の端から前記光パルスを光ファイバ８に入力し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知するＯＴＤＲ１と、を備える。
【００３０】
光ファイバ８は、少なくとも遠端６部分がデュアルモードファイバであり、前記光パルスを前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力し、水面７で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光する。
【００３１】
また、水面検知装置３０１の水面検知方法は、ＯＴＤＲ１に接続された光ファイバ８の遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した前記光パルスを遠端６で受光し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知する水面検知方法であって、少なくとも遠端６部分の光ファイバ８がデュアルモードファイバであり、前記光パルスが前記デュアルモードファイバの内側コアから重力方向に出力されており、水面７で反射した前記光パルスを前記デュアルモードファイバの外側コアで受光することを特徴とする。
【００３２】
図７は、ＯＴＤＲ１を説明する図である。ＯＴＤＲ１は、レーザダイオード（ＬＤ）２１、フォトダイオード（ＰＤ）２２、ＬＤ出力ファイバ２３、ＰＤ入力ファイバ２４、入出力ファイバ２５、及び光合分波器２７を有する。ＬＤ２１は光パルスを出力する。この光パルスは、ＬＤ出力ファイバ２３、光合分波器２７、及び入出力ファイバ２５を経由して外部に出力される。一方、入出力ファイバ２５は外部から光パルスを受信する。光合分波器２７は、この光パルスをＰＤ入力ファイバ２４に結合する。ＰＤ２２はＰＤ入力ファイバ２４が伝搬する光パルスを受光する。
【００３３】
ＬＤ出力ファイバ２３はシングルモードファイバ、ＰＤ入力ファイバ２４はマルチモードファイバ、出力する光パルス及び受信した光パルスが伝搬する入出力ファイバ２５はシングルモードファイバとマルチモードファイバの両方に対応できるデュアルモードファイバである。このような構成とすることで、ＯＴＤＲ１と遠端６との間の光ファイバ８を全てデュアルモードファイバとすることができる。
【００３４】
光ファイバ８は、デュアルモードファイバである遠端６の内側コアから光パルスを重力方向に出力する。レンズ３は遠端６からの光パルスを平行光として水面７へ照射する。照射されたパルスは水面７で反射される。ここで、図３に示すように、水面７は動揺しており、反射された光パルスは水面７の傾きによって水面７へ向う光パルスと異なる光路で遠端６へ向う。このため、反射された光パルスはデュアルモードファイバのシングルモード動作用の内側コアに戻ることはできないが、マルチモード動作用の外側コアに戻ることができる。
【００３５】
光ファイバ８は、受信した反射された光パルスをＯＴＤＲ１へ結合する。ＯＴＤＲ１は、遠端６で反射される光パルスから得られる遠端６までの距離と水面７で反射される光パルスとから得られる水面７までの距離の差にファイバ屈折率を乗算することで遠端６から水面７までの空間距離を算出することができる。
【００３６】
（実施形態２）
図５は、光ファイバ８が他の形態である水面検知装置３０２を説明する図である。図５の水面検知装置３０２のＯＴＤＲ１は、マルチモードファイバ用である。光ファイバ８は、テーパファイバ１５、サーキュレータ１６、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１７、デュアルモードファイバ１１、及びシングルモードファイバ２を含む。テーパファイバ１５は、図６に示すように、シングルモードファイバのコアとマルチモードファイバのコア同士をテーパ１９で接続したものである。テーパファイバ１５は、ＯＴＤＲ１から出射されるマルチモードファイバ用光パルスのスポットサイズを変換し、高効率でシングルモードファイバ２に結合する。
【００３７】
テーパファイバ１５でシングルモード用に変換された光パルスは、ＥＤＦＡ１７で増幅され、デュアルモードファイバ１１に結合される。遠端６から出力される光パルスの挙動は図８での説明と同様である。水面７で反射された光パルスは、図８での説明と同様に遠端６で受信され、サーキュレータ１６でＥＤＦＡ１７を回避されてＯＴＤＲ１に結合される。水面検知装置３０２も水面検知装置３０１同様に遠端６から水面７までの空間距離が得られる。水面検知装置３０２は、ＥＤＦＡ１７で光パルスを増幅しているため、ＯＴＤＲ波形のＳＮＲが向上し、測定精度が向上する。
【００３８】
（実施形態３）
図１１は、本実施形態の水面検知装置３０３を説明する図である。水面検知装置３０３は、遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した前記光パルスを遠端６で受光する光ファイバ８と、光ファイバ８の遠端６の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知するＯＴＤＲ１と、を備える。
【００３９】
図８の水面検知装置３０１との違いは、光ファイバ８の遠端６の周囲にコーナーキューブアレイ１３をさらに備えていることである。コーナーキューブアレイ１３は、水面７で反射した前記光パルスを反射し、遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの光路と同一の光路で前記光パルスを遠端６に結合する。
【００４０】
水面検知装置３０３の水面検知方法は、ＯＴＤＲ１に接続された光ファイバ８の遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した光パルスを遠端６で受光し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知する水面検知方法であって、光ファイバ８の遠端６の周囲にコーナーキューブアレイ１３が配置され、前記光パルスが遠端６から重力方向に出力されており、水面７で反射した前記光パルスをコーナーキューブアレイ１３で反射させ、遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの光路と同一の光路で前記光パルスを遠端６に結合することを特徴とする。
【００４１】
コーナーキューブアレイ１３は、図４に示すように入射光を各々の鏡面で一回ずつ反射させ、入射角のいかんにかかわらず、光を入射光の方向へ戻す再帰性反射を行なう。遠端６の周囲に配置したコーナーキューブアレイ１３は、動揺する水面７の傾きが大きく乱反射した光パルスを再帰性反射し、再度水面７で反射させ遠端６に結合することができる。
【００４２】
ＯＴＤＲ１は、図８で説明したように遠端６から水面７までの空間距離を算出することができる。なお、水面検知装置３０３の遠端６は、水面７と遠端６との間のみを往復する光パルス（これを「直帰光パルス」と記載する。）と、水面７とコーナーキューブアレイ１３との間をさらに往復する光パルス（これを「再帰性反射光パルス」と記載する。）と、を受光する。このため、水面検知装置３０３は遠端６が受光した光パルスが直帰光パルスであるか、再帰性反射光パルスであるかを判断して遠端６から水面７までの空間距離を算出する。具体的には、ＯＴＤＲ波形において３つの光パルスの波形が観測されるため、水面検知装置３０３は、最も短い距離に生ずる波形が遠端６で反射した光パルスのもの、最も遠い距離に生ずる波形が再帰性反射光パルスのもの、その間に生ずる波形が直帰光パルスのものと判断する。そして、直帰光パルスの波形ならば、水面検知装置３０３は、実施形態１で説明したように遠端６から水面７までの空間距離を算出する。再帰性反射光パルスの波形ならば、遠端６から水面７までの距離だけでなく、水面７からコーナーキューブアレイ１３までの距離も含まれているので、水面検知装置３０３は、遠端６までの距離と再帰性反射光パルスの波形から得られる距離の差にファイバ屈折率を乗算し、１／２することで遠端６から水面７までの空間距離を算出する。
【００４３】
なお、図９のように水面７から遠端６までの距離と水面７からコーナーキューブアレイ１３までの距離が異なる場合、遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの重力方向の距離Ｌｃを予め取得しておく必要がある。そして、再帰性反射光パルスの波形から得られる距離に距離Ｌｃを加算し、１／２することで遠端６から水面７までの空間距離Ｌｗを算出する。
【００４４】
また、水面検知装置３０３は、光ファイバ８にシングルモードファイバを使用することができるが、少なくとも遠端６部分の光ファイバ８がデュアルモードファイバであり、光パルスをデュアルモードファイバの内側コア又は外側コアで受光することが望ましい。遠端６で光パルスを受光できる確率が高まるため、遠端６から水面７までの空間距離の測定精度が向上する。
【００４５】
さらに、水面検知装置３０３は、実施形態２で説明した光ファイバ８としてもよい。水面検知装置３０３は、ＥＤＦＡ１７で光パルスを増幅するため、ＯＴＤＲ波形のＳＮＲが向上し、測定精度が向上する。
【００４６】
（実施形態４）
図１２は、本実施形態の水面検知装置３０４を説明する図である。水面検知装置３０４は、遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した前記光パルスを遠端６で受光する光ファイバ８と、光ファイバ８の遠端６の反対側の端に前記光パルスを入力し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知するＯＴＤＲ１と、を備える。
【００４７】
水面検知装置３０４と図１１の水面検知装置３０３との違いは、コーナーキューブアレイ１３の位置と遠端６から出力される光パルスの方向である。すなわち、水面検知装置３０４は、光ファイバ８の遠端６と異なる位置に配置されたコーナーキューブアレイ１３をさらに備える。光ファイバ８は、遠端６から前記光パルスを重力方向からコーナーキューブアレイ１３の方向に傾斜した方向に出力する。コーナーキューブアレイ１３は、水面７で反射した前記光パルスを反射し、遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの光路と同一の光路で前記光パルスを遠端６に結合することを特徴とする。
【００４８】
水面検知装置３０４の水面検知方法は、ＯＴＤＲ１に接続された光ファイバ８の遠端６から水面７に向けて光パルスを出力し、水面７で反射した前記光パルスを遠端６で受光し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知する水面検知方法であって、光ファイバ８の遠端６と異なる位置にコーナーキューブアレイ１３が配置され、前記光パルスが遠端６から重力方向に対してコーナーキューブアレイ１３の方向に傾斜した方向に出力されており、水面７で反射した前記光パルスをコーナーキューブアレイ１３で反射させ、遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの光路と同一の光路で前記光パルスを遠端６に結合することを特徴とする。
【００４９】
遠端６は、重力方向に対してθだけ傾斜した方向に光パルスを出力する。コーナーキューブアレイ１３は、この光パルスが動揺がない水面７で反射して進む方向に配置する。遠端６から出力された光パルスは、水面７で反射してコーナーキューブアレイ１３に到達する。コーナーキューブアレイ１３は、動揺する水面７の傾きが大きく乱反射した光パルスを再帰性反射し、再度水面７で反射させ遠端６に結合することができる。
【００５０】
水面検知装置３０４は、図１１の水面検知装置３０３と異なり、再帰性反射光パルスのみ遠端６で受光する。このため、ＯＴＤＲ１は、遠端６までの距離と再帰性反射光パルスの波形から得られる距離の差にファイバ屈折率を乗算した距離、すなわち遠端６から水面７を経由してコーナーキューブアレイ１３までの往復の空間距離Ｌｐを測定する。水面検知装置３０４は空間距離Ｌから遠端６と水面７との間の空間距離Ｌｗを次式で算出する。
（数式１）
Ｌｗ＝（Ｌｐ／２）・ｃｏｓθ
【００５１】
また、図１３のように水面７から遠端６までの距離と水面７からコーナーキューブアレイ１３までの距離が異なる場合、遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの重力方向の距離Ｌｃを予め取得しておく必要がある。この場合、水面検知装置３０４は、空間距離Ｌｗを次式で算出する。
（数式２）
Ｌｗ＝｛（Ｌｐ＋Ｌｃ）／２｝・ｃｏｓθ
【００５２】
また、水面検知装置３０４は、水面検知装置３０３と同様に光ファイバ８にシングルモードファイバを使用することができるが、デュアルモードファイバを使用することが望ましい。
【００５３】
さらに、水面検知装置３０４は、実施形態２で説明した光ファイバ８としてもよい。水面検知装置３０４は、ＥＤＦＡ１７で光パルスを増幅するため、ＯＴＤＲ波形のＳＮＲが向上し、測定精度が向上する。
【００５４】
（実施形態５）
図１０は、本実施形態の水面検知方法を説明する図である。本水面検知方法は、ＯＴＤＲ１に接続された光ファイバ８の遠端６から、水面７に配置されて水面７に応じて動揺するコーナーキューブアレイ１３に向けて重力方向に光パルスを出力し、コーナーキューブアレイ１３で反射した前記光パルスを遠端６で受光し、前記光パルスが遠端６から出力され遠端６で受光されるまでの伝搬時間を測定することで遠端６から水面７までの距離を検知する。
【００５５】
本水面検知方法は、図１、図５、図８及び図１１で説明した水面検知装置を使用して行なう。さらに、本水面検知方法は、図１０のように水面７にコーナーキューブアレイ１３を遠端６に向けて浮かせておく。例えば、水に流されないよう紐や筒状の網などで支柱３５に結び付けておく。
【００５６】
水面検知装置の遠端６から重力方向に光パルスを出力すれば、コーナーキューブアレイ１３はこの光パルスを再帰性反射するため、水面７が動揺していたとしても反射した光パルスを遠端６に結合することができる。ＯＴＤＲ１が、図８で説明したように遠端６からコーナーキューブアレイ１３までの空間距離を算出することで、水面検知装置は遠端６から水面７までの空間距離を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明に係る水面検知方法及び水面検知装置は、川や湖の水面を検知する防災システムや工場での液面監視などに適用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１：ＯＴＤＲ
２：シングルモードファイバ
３：レンズ
４：液体
５：容器
６：遠端
７：水面
８：光ファイバ
９：内側コア
１０：外側コア
１１：デュアルモードファイバ
１３：コーナーキューブアレイ
１５：テーパファイバ
１６：サーキュレータ
１７：ＥＤＦＡ
１９：テーパ
２１：ＬＤ
２２：ＰＤ
２３：ＬＤ出力ファイバ
２４：ＰＤ入力ファイバ
２５：入出力ファイバ
２７：光合分波器
３５：支柱
３００、３０１、３０２、３０３、３０４：水面検知装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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