(57)【要約】【課題】ファイバブラッググレーティング３−１，３−２が設けられた光ファイバ４に錘５−１、５−２、５−３、５−４を配し、洗堀現象の観測を遠隔から短時間に測定することを可能にする。【解決手段】反射波長の異なる複数のファイバブラッググレーティング３−１、３−２が設けられた光ファイバ４と、その光ファイバ４に取り付けられ河川近傍に設置される錘５−１、５−２、５−３、５−４と、上記光ファイバ４の一端から広波長帯域の光を入射し、上記ファイバブラッググレーティング３−１、３−２からの反射光の波長を測定する波長測定装置と、どのファイバブラッググレーティングの反射波長が変化したかを検知し、その反射波長の変化量から上記光ファイバ３−１、３−２に加わる歪の大きさを演算する演算装置とを備えたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射波長の異なる複数のファイバブラッググレーティングが設けられた光ファイバと、その光ファイバに取り付けられ河川近傍に設置される錘と、上記光ファイバの一端から広波長帯域の光を入射し、上記ファイバブラッググレーティングからの反射光の波長を測定する波長測定装置と、どのファイバブラッググレーティングの反射波長が変化したかを検知し、その反射波長の変化量から上記光ファイバに加わる歪の大きさを演算する演算装置とを備えることを特徴とするファイバブラッググレーティングを用いた洗堀センサ。
【請求項２】
光ファイバに介在物を介して取り付けられ河川近傍に設置される錘を備えた請求項１記載のファイバブラッググレーティングを用いた洗堀センサ。
【請求項３】
上記介在物として管体が設けられ、管体内に上記光ファイバが収納され、上記ファイバブラッググレーティングが板状部材を介して上記管体に貼り付けられ、上記管体が河川近傍に設置されることを特徴とする請求項２記載のファイバブラッググレーティングを用いた洗堀センサ。
【請求項４】
上記管体に１以上の錘を取り付けた請求項２または請求項３記載のファイバブラッググレーティングを用いた洗堀センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバブラッググレーティングを用いた河川堤体の洗堀現象を検知する洗堀センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川堤体の洗堀現象を検知する従来の技術としては、光ファイバ歪分布測定装置（ＢＯＴＤＲ＝Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いた光ファイバセンサシステムがある（特許文献１参照）。
【０００３】
このシステムは、一定間隔に錘が取り付けられた光ファイバとＢＯＴＤＲとから構成される。一定間隔に錘が取り付けれた光ファイバは河川堤体の高水敷や表法面に敷設される。河川堤体の洗堀現象が起きた場合、錘が移動し光ファイバに力が加わり歪を生じる。ＢＯＴＤＲは光ファイバの歪を検知し、洗堀現象の発生した規模を検知する。
【０００４】
ＢＯＴＤＲは、光ファイバの一端から測定用のパルス光を入射し、光ファイバの中から戻ってくるブリルアン散乱光の周波数分布を検知・解析することで、光ファイバの途中に生じている長手方向の歪を高精度に検知することができるものである。
【０００５】
ブリルアン散乱光は、光源から光ファイバに入射した光が光ファイバを通過する過程で生じる周期的な光ファイバの屈折率の揺らぎによる散乱光で、この散乱光の周波数は光ファイバの材質固有のものである。光ファイバに外部から引っ張り等により力が加えられ光ファイバの長手方向に歪を生じた際に、生じた歪の程度に応じて周波数の変化が大きくなる。ＢＯＴＤＲは、この散乱光の周波数の変化を検知し、光ファイバの歪の大きさを定量化しているのである。
【０００６】
このＢＯＴＤＲを用いることにより、敷設された光ファイバに沿って河川堤体の洗堀現象を遠隔から連続的に多点検知できるという利点がある。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２９６１５１号公報
【特許文献２】
特開２００１−５０８６１号公報
【特許文献３】
特開２００１−５０７８２号公報
【特許文献４】
特開平１１−９４５４７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＢＯＴＤＲを用いた光ファイバセンサシステムでは、一回の測定に数分〜２０分程度掛かる。
【００１０】
また、光ファイバで河川監視を行う場合、河川堤体の洗堀現象を監視するだけでなく、水位や流向、流速等の監視も要求される。しかし、ＢＯＴＤＲでは、洗堀センサとともに水位センサ、流向センサ、流速センサを河川監視を行うセンサの同じ系統に取り付けることは困難である。ＢＯＴＤＲでは、距離分解能が粗く（一般的に、距離分解能２ｍ以上）、ＢＯＴＤＲで水位や流向を測定する場合、少なくとも光ファイバの２ｍ以上の区間に亘って水位や流向に依る歪を生じることが検知の条件となってしまうため、センサが大きくなってしまい実用に適さないためである。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、洗堀現象を短時間に検知するセンサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、反射波長の異なる複数のファイバブラッググレーティングが設けられた光ファイバと、その光ファイバに取り付けられ河川近傍に設置される錘と、上記光ファイバの一端から広波長帯域の光を入射し、上記ファイバブラッググレーティングからの反射光の波長を測定する波長測定装置と、どのファイバブラッググレーティングの反射波長が変化したかを検知し、その反射波長の変化量から上記光ファイバに加わる歪の大きさを演算する演算装置とを備えるものである。
【００１３】
請求項２の発明は、光ファイバに介在物を介して取り付けられ河川近傍に設置される錘を備えたものである。
【００１４】
請求項３の発明は、上記介在物として管体が設けられ、管体内に上記光ファイバが収納され、上記ファイバブラッググレーティングが板状部材を介して上記管体に貼り付けられ、上記管体が河川近傍に設置されるものである。
【００１５】
請求項４の発明は、上記管体に１以上の錘を取り付けたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１７】
図１は、本発明の好適実施の形態を示す。
【００１８】
本発明に係るファイバブラッググレーティング（ＦＢＧと記す）３を用いた洗堀センサ１７は、図示しない光源に、その光源からの光を通す歪センサ１６を順次連結して構成される。
【００１９】
歪センサ１６は、図示しない光源と、その光源からの光を導く光ファイバ４と、光ファイバ４に所定間隔で設けられたＦＢＧ３−１、３−２と、光ファイバ４を保護するセンサカバー１と、センサカバー１に取り付けられた錘５−１、５−２、５−３、５−４と、センサカバー１の接続部２１とで構成される。
【００２０】
歪センサ１６は、複数個長手方向に並べて、順次接続部２１で接続される。
【００２１】
図１に示す形態では、錘５−１、５−２，５−３、５−４は光ファイバ４に直接ではなくセンサカバー１を介して取り付けられている。勿論錘５−１、５−２、５−３、５−４を光ファイバ４に直接取り付けてもよい。
【００２２】
錘５−１、錘５−３は、歪センサ１６の接続部２１やＦＢＧ３−１、３−２が設けられていない部分に、錘５−２、錘５−４はＦＢＧ３−１、３−２が設けられている部分にそれぞれ光ファイバ４の長手方向に一定間隔で取り付けられているが、任意の位置・間隔に取り付けることを妨げない。
【００２３】
図２に図１に用いられている洗堀センサ１７の一部分である歪センサ１６の構造を示す。
【００２４】
本発明に係るＦＢＧ３を用いた歪センサ１６は、光ファイバ４に所定の間隔で周期的に設けられたＦＢＧ３と、光ファイバ４を保護すると共に介在物としてのセンサカバー１と、センサカバー１に光ファイバ４のＦＢＧ３を間接的に貼り付けるための板状部材２とから構成される。
【００２５】
センサカバー１は、任意の長さ（例えば数メートル）の断面矩形状管若しくは丸形状管などで構成するもので内部に光ファイバ４を収納することで光ファイバ４を保護するカバーとしての機能を有し、そのセンサカバー１の内部に光ファイバ４を通し且つ、錘５−１、５−２、５−３、５−４が移動した際にその錘５−１、５−２、５−３、５−４の移動距離に応じた曲げ歪を受けるものである。センサカバー１が錘５−１、５−２、５−３、５−４から受けた曲げ歪は、センサカバー１及び板状部材２を介在物として光ファイバ４のＦＢＧ３には、長手方向に引っ張られた引っ張り歪として検知される。
【００２６】
板状部材２（例として、金属板等を使用する）にはＦＢＧ３を密着して貼り付け、固定する。板状部材２に変形歪が生じた場合にその変形歪に応じてＦＢＧ３に歪を生じさせることができる。さらに板状部材２は、センサカバー１の内壁に密着して貼り付けられる。センサカバー１が錘５の移動により変形歪を受けた際に、センサカバーの歪を板状部材２を介して伝達するためである。
【００２７】
図示していないが、光ファイバ４の一端からは、光源から広波長帯域を有した連続光が入射される。
【００２８】
ここで、ＦＢＧ３とは光ファイバ４の長手方向に一定間隔で屈折率の異なる部分（グレーティング）を設けたものである。ＦＢＧ３への入射光のうちグレーティング間隔の２倍の波長の光は、ＦＢＧ３で共振反射し入射側へ戻される。その他の波長の光がＦＢＧ３を通過した際には、光は通過し反射しない。光ファイバ４が外部から力を受けて長手方向に伸縮すれば、光ファイバ４の伸縮に応じＦＢＧ３で反射する光の波長も変化（シフト）する。そのため、反射波長のシフト量を測定することにより、ＦＢＧ３に生じている伸縮量を検知することが可能である。
【００２９】
本実施形態では、ＦＢＧ３−１、３−２等の複数のＦＢＧ３における反射波長は、それぞれ異なる固有の値である。従って、多点のＦＢＧ３に対しては、光源から各ＦＢＧ３に固有の波長を含む広波長帯域の光を入射することで、多点のそれぞれの歪を独立に検知することが可能である。
【００３０】
図３は、上記図１に示した洗堀センサ１７が洗堀現象により歪を生じる状況を示すが、図３（ａ）では洗堀現象は錘５−２の部分すなわちＦＢＧ３が存在する位置で発生しており、図３（ｂ）では洗堀現象は錘５−３の部分すなわちＦＢＧ３が存在しない位置で発生している点が異なる。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、河川堤体の或る部分で洗堀現象が発生し土砂が崩壊したとする。土砂の崩壊部分６若しくはその近傍の錘５−２は崩壊により土砂による支えを失って、錘５−２の自重によりセンサカバー１を引っ張る形で下方にずれる。崩壊部分６から離れている錘５−１、５−３は、初期の敷設位置を保持しているため、３点の錘５−１、５−２、５−３の間で錘５−２の取り付けられている場所を中心にしてセンサカバー１に引っ張り歪が加わり、センサカバー１の管壁が下方にたわむことにより、センサカバー１の内壁に沿って固定されている板状部材２が共に下方にたわむ。板状部材２が下方にたわむことにより板状部材に貼り付けられたＦＢＧ３が共にたわみ、たわんだＦＢＧ３が設けられた光ファイバ４は長手方向に引っ張られる状態となる。センサカバー１の歪に対応してＦＢＧ３に歪が生じる。ＦＢＧ３で生じた歪による反射波長の変化が図４及び図５で後述する波長測定装置１０により検知される。
【００３２】
図３（ｂ）に示すように、ＦＢＧ３−１、ＦＢＧ３−２を有する光ファイバ４の間でセンサカバー１の接続部分または、ＦＢＧ３が設けられていない部分で洗堀現象が生じ土砂の崩壊が発生した場合には、崩壊により錘５−３が図３（ａ）における錘５−２と同様にセンサカバー１を引っ張る形で下方にずれ、センサカバー１のたわみに応じてＦＢＧ３−１、３−２を引っ張ることにより光ファイバ４のＦＢＧ３−１，ＦＢＧ３−２にそれぞれ歪が生じる。ＦＢＧ３−１、３−２で生じた歪による反射波長の変化が図４及び図５で後述する波長測定装置１０により検知される。
【００３３】
図４は、上記洗堀センサ１７を用いた河川監視システムの敷設概要を示す。
【００３４】
図４のように河川監視システムが敷設される河川堤体３０の一般的な構造は、河川堤体３０の表法面７と、河川堤体３０の高水敷８よりなる。本発明の洗堀センサ１７が表法面７、高水敷８の土壌表面若しくは土中に敷設される。
【００３５】
河川監視システムは、洗堀現象を検知する洗堀センサ１７−１、１７−２、１７−３と、洗堀センサ１７−１、１７−２、１７−３にそれぞれ取り付けられた錘５と、遠隔地に設置された河川監視装置１８と、河川監視装置１８と洗堀センサ１７−１、１７−２、１７−３とを繋ぐ光ファイバ４とにより構成される。
【００３６】
河川監視装置１８は、上記ＦＢＧ３からの反射光の波長を測定する波長測定装置１０と、波長測定装置１０の検知データから洗堀現象の位置及び規模を演算する演算装置１１と、演算装置１１の演算結果等を表示する表示装置１９とにより構成される。
【００３７】
河川堤体３０の表法面７若しくは高水敷８に洗堀センサ１７−１、１７−２、１７−３を複数本（一本でも可）設置する。
【００３８】
このとき、複数の洗堀センサ１７−１、１７−２、１７−３は図示のように、直列若しくは蛇行する形態で展開すれば一本のラインとして一筆書きとなるように光ファイバ４を繋ぐ。そして、光ファイバ４の一端は、遠隔地に設置された河川監視装置１８の光源を有した波長測定装置１０と演算装置１１と演算装置１１の演算結果等を表示する表示装置１９に接続される。
【００３９】
これによって、遠隔による河川の洗堀現象６の監視を河川堤体３０の表法面７、高水敷８においての多点、分布的に行うことが可能となり、従来ＢＯＴＤＲでは、距離分解能が粗く（一般的に、距離分解能２ｍ以上）、ＢＯＴＤＲで水位や流向を測定する場合、少なくとも光ファイバの２ｍ以上の区間に亘って水位や流向に依る歪を生じることが検知の条件となっていた課題が解消し、距離分解能を向上させることが出来、形状を小型化させることが可能となった。
【００４０】
図５は、上記洗堀センサ１７を用いた河川監視システムの他の敷設形態を示す。
【００４１】
図４では複数の洗堀センサ１７を直列若しくは蛇行する形態で一筆書きになるように光ファイバ４で繋いだが、図示のように複数の洗堀センサ１７を並列に敷設してもよい。他の河川堤体３０に同様の洗堀センサ１７等を敷設し、遠隔地に設置された河川監視装置１８に接続してもよい。
【００４２】
図６に、ＦＢＧ３を用いた上記洗堀センサ１７を他のＦＢＧ３を用いた河川監視センサ（水位センサ１３、流向センサ１４等）と共に取り付ける場合の実施形態を示す。
【００４３】
図示した河川監視システムの構造について説明する。
【００４４】
河川監視システムは、河川監視センサ群１０１〜１０５と、遠隔地に設置された河川監視装置１８と、河川センサ群１０１〜１０５と河川監視装置１８とを接続する光ファイバ４とから構成されている。河川監視センサ群１０１〜１０５は、図５に示すように同じ河川９及び河川堤体３０の表法面７及び河川堤体３０の高水敷８に設置される場合や、異なる河川９及び河川堤体３０の表法面７及び河川堤体３０の高水敷８に設置される場合がある。いずれの場合も、河川監視装置１８において光スイッチ１２の切替により、河川監視センサ群１０１〜１０５の選択が可能となる。
【００４５】
河川監視センサ群１０１〜１０５は、洗堀現象を検知する洗堀センサ１７と、河川９の水位を検知するＦＢＧ３を設けた水位センサ１３と、河川９の流速を検知するＦＢＧ３を設けた流速センサ１４と、河川９の流向を検知するＦＢＧ３を設けた流向センサ２０とで構成される。洗堀センサ１７は河川堤体３０の表法面７及び河川堤体３０の高水敷８に敷設され、水位センサ１３と、流速センサ１４と、流向センサ２０とは、河川９の水面、水中に設置される。
【００４６】
遠隔地に設置された河川監視装置１８は、洗堀センサ１７の歪を検知する波長測定装置１０と、波長測定装置１０に接続される河川監視センサ群１０１〜１０５のラインを選択し切り替える光スイッチ１２と、波長測定装置１０で検知された歪のデータを演算する演算装置１１と、演算装置１１の演算結果等を表示する表示装置１９とにより構成される。
【００４７】
洗堀センサ１７及び他のＦＢＧ３を用いた河川監視センサを組み合わせた河川監視センサ群１０１〜１０５を用いることにより、河川監視センサ群１０１〜１０５の多点、分布的な監視が出来、また場所の異なる河川９及び河川堤体３０の表法面７及び河川堤体３０の高水敷８の短時間での測定が可能になり、総合的な河川監視システムが構築できる。
【００４８】
河川監視センサ群１０１〜１０５と河川監視装置１８は、光ファイバ４で接続され、河川監視センサ群１０１〜１０５の選択は河川監視装置１８に設置された光スイッチ１２によって行われる。
【００４９】
記述の河川監視システムでは、洗堀現象の検知にＦＢＧ３を用いることにより、測定時間を短縮できる。ＦＢＧ３の反射波長測定は、サンプリング周波数５０Ｈｚで行うことが可能なので、リアルタイムに河川堤体３０の洗堀現象を監視することができる。
【００５０】
また、洗堀センサ１７のセンサカバー１の歪を検知することによりＦＢＧ３の設けられた部分以外の洗堀現象をも検知出来るようになり、距離分解能を向上させ、形状を小型化させることが可能となった。
【００５１】
また、河川堤体３０の洗堀現象だけでなく、河川の水位や流向、流速も監視することが可能となる。ＦＢＧ３を用いた水位センサ１３や流向センサ１４、流速センサ２０は既に提案されており、その水位センサ１３や流向センサ１４等と、本発明に係る洗堀センサ１７を一本の光ファイバ上に設置することによって、一組の河川監視装置１８で河川の水位、流向及び河川堤体３０の洗堀現象を監視するが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、洗堀現象を短時間に検知することができるといった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】洗堀センサの形態を示す側面図である。
【図２】洗堀センサに用いられる歪センサの形態を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は、洗堀センサが洗堀現象により錘５−２の部分で歪を生じた状態を示す側面図である。図３（ｂ）は、洗堀センサが洗堀現象により錘５−３の部分で歪を生じた状態を示す側面図である。
【図４】ＦＢＧを用いた河川監視システムの敷設を示す概観図である。
【図５】ＦＢＧを用いた河川監視システムの敷設を示す概観図である。
【図６】ＦＢＧを用いた洗堀センサの他のＦＢＧセンサと同時に取り付ける場合の河川監視システムの概略図である。
【符号の説明】
１  管体（センサカバー）
３−１、３−２  ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
４  光ファイバ
５−１、５−２、５−３、５−４  錘
１６  歪センサ
１７  洗堀センサ
２１  接続部
【図１】
2004361323.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004361323.tif 000005
【図４】
2004361323.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004361323.tif 000008