(57)【要約】【課題】複雑なアルゴリズムを要することなく、高精度に凍結の有無を判断できる光ファイバ凍結センサを提供する。【解決手段】光ファイバ凍結センサは、水１１が閉じ込められている容器１２と、その容器に固定された光ファイバ１３と、その光ファイバに光を入射する光源１４と、歪測定器１５とを有する。水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が容器を通して光ファイバに伝わる。歪測定器は、光ファイバに生じた歪をブリルアン散乱光周波数の歪依存性から検知し、その歪の有無を以って凍結の有無を判断する。光源としてパルス光源を用い、光ファイバに沿って容器を連続して設ければ、光ファイバに沿って連続的に凍結状況の分布を得ることが可能となる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水が閉じ込められている１または複数個の容器と、
前記容器に固定された光ファイバと、
前記光ファイバに光を入射する光源と、
前記光源から入射された光によって前記光ファイバによって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定する測定装置とを有し、
前記測定装置は、前記水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が前記容器を通して前記光ファイバに伝わった結果、該光ファイバに生じた歪をブリルアン散乱光周波数の歪依存性から検知し、前記歪の有無を以って凍結の有無を判断することを特徴とする光ファイバ凍結センサ。
【請求項２】
前記容器を前記光ファイバに沿って連続して配置し、前記光源としてパルス光源を用い、前記測定装置は、前記ブリルアン散乱光のパワースペクトルを時間分解して測定することにより、前記光ファイバに生じた前記歪を該光ファイバに沿って連続的に測定し、該測定結果に基づき凍結の有無を連続的に判断することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ凍結センサ。
【請求項３】
水が閉じ込められている１または複数個の容器と、
前記容器に固定され、該固定位置にファイバグレーティングが形成されている光ファイバと、
前記光ファイバに光を入射する光源と、
前記光源から入射された光が前記ファイバグレーティングによって反射された波長を測定する測定装置とを有し、
前記測定装置は、前記水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が前記容器を通して前記光ファイバに伝わった結果、該光ファイバに生じた歪を前記ファイバグレーティングの反射波長の歪依存性から検知し、前記歪の有無を以って凍結の有無を判断することを特徴とする光ファイバ凍結センサ。
【請求項４】
前記水の相転移点における膨張の際に前記容器も膨張するが、該容器の膨張が該容器の材料がもつ弾性範囲内であるように、該容器の材料および構造が設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光ファイバ凍結センサ。
【請求項５】
前記光ファイバは光ファイバの心線であり、前記容器は該光ファイバの被覆であり、前記水が該光ファイバの被覆に多数個、水胞状態で閉じ込められていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光ファイバ凍結センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、路面や農地などの凍結および凍結の融解を光ファイバを利用して検知する光ファイバ凍結センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速道路及び一般道路において、降雪や降雨によって路面が凍結すると、通常スリップ事故の発生確率が増加するため、路面状況をリアルタイムに検知して自動車運転者に注意を喚起する必要がある。
【０００３】
また、農地では霜や凍結により農作物に被害が出るため、気温を測定して適切な凍結防止策を講じる必要がある。
【０００４】
そのため、このような路面あるいは農地の凍結状況を検知する手段として、通常の気象情報の他に、現場に設置した温度計や湿度計からの情報を用いて、路面の凍結を予測している。そのような温度計には、金属の抵抗や熱電対を利用した電子温度計、赤外線放射を検知するサーモグラフィが従来から一般的に使用されていたが、近年では、光ファイバに生じるラマン散乱のストークス光、あるいはアンチストークス光の強度比から温度を求める光ファイバ温度センサ、光ファイバに生じるブリルアン散乱光の周波数やファイバグレーティングの反射波長から温度を求める光ファイバ温度センサなどが開発され、利用され初めている。そして、これら従来の光ファイバ温度センサでは、例えば降雨後に温度計の指示が０℃以下となった場合に凍結と判断している（特開平５−７１１１１号公報，特開平９−１６６６６６号公報，特開平１０−９６６６８号公報，特開平１０−１０４３６３号公報など参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の温度計を用いた凍結判断方法では、従来の温度計の精度が１℃程度と低いため、０℃付近において凍結しているのか否かの判断が、不正確なものとならざるを得なかった。さらに、路面に水分がある場合には、気化熱で気温が氷点以上であっても凍結することがあるし、逆に、地熱等の影響で気温が０℃以下であっても必ずしも凍結しない場合がある。
【０００６】
このようなことから、気温だけでは凍結したかどうかは判断できないため、地中の温度や風速などの情報を組み合わせて精度を高めようとする試みもなされているが、凍結の有無の判断精度を高めようとすると、気象情報や湿度情報など多くのデータが必要となるため、凍結判断のアルゴリズムが複雑化するばかりでなく、部分的に観測者の主観を含んでしまい、予期せぬ判断ミスを招く危険性もある。
【０００７】
また、金属の抵抗や熱電対を利用した電子温度計では、測定位置が設置点のみに限られ、赤外線放射を検知するサーモグラフィでは２次元的に表面温度を測定できるが、範囲が狭く、そのため道路全体について測定するには非常に多数の測定装置の設置を必要とするという実用面での難点があった。
【０００８】
本発明は、上述のような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、複雑なアルゴリズムを要することなく、高精度に凍結の有無を判断できる光ファイバ凍結センサを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の付随する目的は、光ファイバの任意の位置の凍結状況を検知することができる光ファイバ凍結センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光ファイバ凍結センサは、路面等が凍結しているか否かの判断を正確にかつ客観的に行うために、凍結の原因となる水そのものをセンサの材料として利用し、水の凍結による膨張を光ファイバの歪に変換し、この歪の大きさから凍結を検知することを特徴とする。この特徴構成により、本発明は、凍結判断のために複雑なアルゴリズムを必要とせずに、センサ材料である水の凍結の有無から、センサが設置された場所の凍結の有無を正確に、かつ、簡易に、低コストで判断できる。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の形態の光ファイバ凍結センサは、水が閉じ込められている１または複数個の容器と、前記容器に固定された光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光源から入射された光によって前記光ファイバによって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定する測定装置とを有し、前記測定装置は、前記水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が前記容器を通して前記光ファイバに伝わった結果、該光ファイバに生じた歪をブリルアン散乱光周波数の歪依存性から検知し、前記歪の有無を以って凍結の有無を判断することを特徴とする。
【００１２】
ここで、好ましくは、前記容器を前記光ファイバに沿って連続して配置し、前記光源としてパルス光源を用い、前記測定装置は、前記ブリルアン散乱光のパワースペクトルを時間分解して測定することにより、前記光ファイバに生じた前記歪を該光ファイバに沿って連続的に測定し、該測定結果に基づき凍結の有無を連続的に判断する。
【００１３】
また、本発明の第２の形態の光ファイバ凍結センサは、水が閉じ込められている１または複数個の容器と、前記容器に固定され、該固定位置にファイバグレーティングが形成されている光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光源から入射された光が前記ファイバグレーティングによって反射された波長を測定する測定装置とを有し、前記測定装置は、前記水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が前記容器を通して前記光ファイバに伝わった結果、該光ファイバに生じた歪を前記ファイバグレーティングの反射波長の歪依存性から検知し、前記歪の有無を以って凍結の有無を判断することを特徴とする。
【００１４】
ここで、好ましくは、前記水の相転移点における膨張の際に前記容器も膨張するが、該容器の膨張が該容器の材料がもつ弾性範囲内であるように、該容器の材料および構造が設定されている。
【００１５】
また、好ましくは、前記光ファイバは光ファイバの心線であり、前記容器は該光ファイバの被覆であり、前記水が該光ファイバの被覆に多数個、水胞状態で閉じ込められている。
【００１６】
本発明は、上記構成のように、凍結の原因となる水そのものをセンサ材料として利用し、凍結による膨張を光ファイバの歪に換算するようにしているので、凍結判断のために複雑なアルゴリズムを必要とせずに、センサである水の凍結の有無からセンサが設置された場所の凍結の有無を判断できる。凍結に関しては現場環境に非常に近いセンシング機構であることと、凍結の際急激な膨張を伴うため、それによって生じる歪を検知するのは容易であり、温度測定などに比べ、Ｓ／Ｎが非常に高く、従って、検出精度も高い。もちろん、気象情報や湿度センサ等の情報も併用して複合的な判断を行うことを妨げるものではなく、むしろ既存の路面等の状況検知システムに、凍結情報を追加できるという使用方法もあり得る。
【００１７】
凍結の際、水の凝固熱があるため、急激な温度変化があった場合には、センサとして使用している水の凍結が、センサ設置場所の凍結に比べて遅延するが、水の量を調節することにより、相転移の際の凝固熱量を小さくして、この遅延を実用上問題ない程度まで微小にすることが可能である。また、光ファイバを通過する光信号の減衰は、導線を流れる電気信号のそれに比べて非常に小さいため、光ファイバをセンサおよび伝送路として利用することで、１０ｋｍ以上遠く離れた点の凍結をその地点には無給電で判断することが可能になる。
【００１８】
さらに、光源としてパルス光源を用いる場合には、光ファイバに沿って連続的に凍結状況の分布を得ることが可能となる。あるいは、ある領域に光ファイバを縦横に張り巡らすことにより、２次元的、３次元的な凍結分布を得ることも可能となる。
【００１９】
また、光ファイバ凍結センサの容器の構造あるいは材料を適切に選ぶことにより、膨張による容器の変形が弾性範囲内となるようにすることで、センサとなる水を囲む容器が凍結で膨張したときでも、その材料の持つ弾性範囲内での変形しか生じなければ、温度が上昇し氷が融解した場合でも残留歪が無く、繰り返し使用できる。水と一緒に空気などの気体を容器に閉じ込めることで、凍結の膨張によって容器に生じる応力を緩和することもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による光ファイバ凍結センサの概略構成を図１に示す。図１に示すように、この光ファイバ凍結センサ１０は、凍結の原因となる水１１がセンサの材料としてあらかじめ閉じ込められている、筒状または箱状の容器１２と、その容器１２の壁内に固定用治具（図示しない）、接着、埋め込み固着等の適切な固定手段により固定された光ファイバ１３と、その光ファイバ１３に光を入射する光源１４と、その光源１４から入射された光によってその光ファイバ１３によって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定する歪測定器１５とを備えている。容器１２は路面や農地に配設されるため、容器１２を外部からの衝撃から保護するためのパイプ状の剛体１６が被覆されている。
【００２２】
容器１２内に閉じ込められている水１１が、温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力は、容器１２を通して光ファイバ１３に伝わる。歪測定器１５は、光ファイバ１３に生じた歪をブリルアン散乱光周波数の歪依存性から検知し、その歪の有無を以って凍結の有無を判断し、判断結果を表示装置等（図示しない）に出力する。
【００２３】
本実施形態の光ファイバ凍結センサ１０は、光ファイバ１３に生じた歪を光学的に検出するためにブリルアン散乱光周波数の歪依存性を利用することを特徴としている（文献［１］Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｕｓｉｎｇＢｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．１３，ｎｏ．７，ｐｐ．１２９６−１３２，　Ｊｕｌｙ　１９９５参照）。
【００２４】
ブリルアン散乱光の周波数や、後述のファイバグレーティングの反射波長は、歪依存性を持つばかりでなく、温度依存性も持つ（文献［２］Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ，　Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ，　ａｎｄ　Ｍ．　Ｔａｔｅｄａ，“Ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｈｉｆｔ　ｉｎ　ｊａｃｋｅｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．　Ｏｐｔ．，　Ｖｏｌ．　２９，　２２１９−２２２２，　１９９０）ため、図２に示すように温度変化に伴って変動する。図２から分かるように、ブリルアン散乱光の周波数シフトあるいはファイバグレーティングの反射波長の逆数は、０℃において凍結による歪の影響による顕著な変化が現れる。従って、この特性を利用すれば、高精度で、かつ凍結を判断する機能を失うことなく温度も同時に計測することができる。
【００２５】
本発明によるセンサメカニズムの理解をさらに容易にするため、次の例で凍結による歪の発生について説明する。
【００２６】
図１のように充満して閉じ込められている水１１と容器１２が両方とも長さＬの円筒形であって、容器側面が摩擦の無い剛体１６で覆われているとした場合のセンサ構造についての歪について考える。また、説明を簡単にするため、容器１２、水１１、氷１１１の熱膨張は無視することとする。容器１２の内径、外形をそれぞれ、ｄ１，ｄ２と置くと、それらの断面積はそれぞれ、Ａ１＝πｄ１２／４，Ａ２＝πｄ２２／４となる。
【００２７】
凍結による膨張は容器１２の軸方向（長手方向）のみに生じ、その凍結による膨張率をβとすると、図３に示すように、凍結後の氷１１１がもし容器１２に閉じ込められていなければ、その長さは（１＋β）Ｌとなる。しかし、容器１２に閉じ込められている凍結後の氷１１１は、容器１２と一体となって変形するので、図４に示すように実際は容器１２も氷１１１も等しく長さＬ＋ΔＬとなる。このことに注意すると、この変形による内部応力によって氷１１１、容器１２それぞれに発生する応力σｉｃｅ，σｐは、
【００２８】
【数１】
2004003889.tif 000003
【００２９】
と書くことができる。ここで、Ｅｉｃｅ，Ｅｐはそれぞれ氷１１１，容器１２のヤング率である。
外力が働かないため、力はつりあっており、
【００３０】
【数２】
2004003889.tif 000004
【００３１】
である。この式（１）、（２）から、光ファイバ１３が感知する歪ε＝ΔＬ／Ｌを求めると、
【００３２】
【数３】
2004003889.tif 000005
【００３３】
となる。
【００３４】
凍結による膨張率であるβは、９％程度の値であることが知られており、膨張による容器１２の変形が弾性範囲内、つまり降伏しない条件にしたい場合には、この凍結による歪が、降伏歪εｃより小さくなるように、容器１２の断面積や材料を選ぶ必要がある。すなわち、光ファイバ凍結センサは、凍結により膨張した容器が材料的に降伏してしまうと、その後もとの長さに戻らず、繰り返し使用できないが、容器１２の断面積や材料を上記のように適切に選ぶことにより、その課題を解決することができる。
【００３５】
また、水１１と一緒に空気などの気体を容器１２に閉じ込めることで、凍結の膨張によって容器１２に生じる応力を緩和することもできる。
【００３６】
図１の歪測定器１５と光源１４を含む測定装置としては、例えば、本出願人による特開平１０−０４８０６７号公報（特許第３２３７７４５号）で開示されている、図５に示すような構成の歪・温度分布測定装置が利用できる。
【００３７】
この装置を簡潔に説明すると、図５中、５０１は周波数が安定で発振線幅の狭い、第１の周波数安定化狭線幅光源である。５０２は光パルス変調器、５０３は光増幅器、５０４は光方向性結合器、１３は光ファイバ、５０７は光フィルタ、５０８は光検出器、５０９は増幅器、５１０はＡＤ変換器、５１１はディジタル信号処理装置、５１２はタイミング信号発生器である。
【００３８】
また、５１３は第２の周波数安定化狭線幅光源である。５１４は第１の周波数安定化狭線幅光源５０１と第２の周波数安定化狭線幅光源５１３の発振周波数、あるいは両光源の周波数差を制御する第１の光周波数制御装置である。５１５は光ファイバ１３に入射する光パルスの入射端を切り替えると同時に、第２の周波数安定化狭線幅光源５１３からの出力光が光パルスと対向して光ファイバ１３を伝搬するように、第２の周波数安定化狭線幅光源５１３からの出力光を光ファイバ１３に入射させるための２×２光切替スイッチである。また、５１６は第２の周波数安定化狭線幅光源５１３と２×２光切替スイッチ５１５間に接続した光ＯＮ／ＯＦＦスイッチである。
【００３９】
光ファイバ１３における後方ブリルアン散乱係数の歪み依存性係数Ｃ１、その温度依存係数Ｃ２、ブリルアン周波数シフトの歪み依存性係数Ｃ３、その温度依存係数Ｃ４を予め求めておき、光フアイバ１３に光を入射し、光フアイバ１３の各点の後方ブリルアン散乱光の散乱係数ηの相対変化δη／ηと、ブリルアン周波数シフトの変化δνＢの両方を光検出器５０８を介して検出し、光ファイバに発生した歪みの変化δεと光フアイバの温度の変化δＴに関する２元連立方程式
δη／η＝Ｃ１・δε＋Ｃ２・δＴ
δνＢ　　＝Ｃ３・δε＋Ｃ４・δＴ
を演算により解くことにより、光ファイバ１３に発生した歪みの変化δεと光ファイバ１３の温度の変化δＴをそれぞれ区別して同時に測定することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
上述の本発明の第１の実施形態においては、光ファイバによって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定することで、凍結を検出している。
【００４１】
これに対し、本発明の第２の実施形態の光ファイバ凍結センサは、構成は図１とほぼ同様であるが、歪を検出するために、光ファイバに刻み込まれた周期的な屈折率変化である、ファイバグレーティング（図示しない）を用いる。
【００４２】
ファイバグレーティングで反射する光の波長が歪依存性を持つことを利用することで、凍結を検出できる（文献［３］Ａ．　Ｄ．Ｋｅｒｓｅｙ，“Ｆｉｂｅｒ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｓｅｎｓｏｒｓ，”Ｊ．　Ｌｉｇｈｔ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　Ｖｏｌ．　１５，　１４４２−１４６３（１９９７）。
【００４３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の分布型光ファイバ凍結センサは、歪を１点だけでなく、光ファイバに沿って連続的に分布として得るために、構成は図１とほぼ同様であるが、光源１４としてパルス光源を用い、水１１が密閉された円筒状の容器１２を光ファイバ１３に沿って連続的に設け、歪測定器１５により、ブリルアン散乱光のパワースペクトルを時間分解して測定することにより、光ファイバ１３に生じた歪を光ファイバに沿って連続的に測定し、その結果に基づき凍結の有無を連続的に判断する。
【００４４】
このように、光源としてパルス光源を用いる場合には、光ファイバに沿って連続的に凍結状況の分布を得ることが可能となるので、例えば、ある領域に光ファイバを縦横にマトリックス状に張り巡らすことにより、２次元的、３次元的な凍結分布を得ることも可能である。
【００４５】
（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態における分布型光ファイバ凍結センサの概略構成を示す。この光ファイバ凍結センサでは、図１に示したと同様な構造の水が密閉された円筒状の容器（センサ１，２，３…）を複数個、光ファイバケーブル１３１に沿って、必要箇所に固定治具６１を用いて取り付け、歪測定器１５により遠隔より光ファイバ１３１を通じて凍結による歪の有無を判断する。
【００４６】
例えば、センサ１，２，３のうち１のみが凍結している場合には、図７に示すのような歪が歪測定器１５のディスプレイ（図示しない）等で観測されるので、遠隔より複数のセンサの凍結を個別に正確に判断することができる。
【００４７】
（第５の実施形態）
図８は本発明の第５の実施形態における光ファイバ凍結センサの概略構成を示す。この光ファイバ凍結センサは、光ファイバケーブル８０の被覆８１内に密封された多数の小さな水胞部８２を設けることにより、光ファイバの被覆８１が図１等で説明した容器１２となる構造のものである。８３は光ファイバケーブル８０の心線であり、図１の光ファイバ１３に相当するもので、光源１４と歪測定器１５に接続している。
【００４８】
このような構造にすることにより、本実施形態の光ファイバ凍結センサは、自由に曲げることができるため、設置環境の範囲を広げることができる。また水胞８２の大きさが歪計測の空間分解能と同程度以下であれば、連続的な歪計測を行うことができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複雑なアルゴリズムを要することなく、路面や農地の温度管理だけでなく、高精度でかつ、客観的な凍結管理を行うことができる。
【００５０】
また、本発明によれば、凍結検知をヒータのスイッチとすることで、凍結の被害を防止するためのヒータの使用電力を必要最低限にすることが可能となる。
【００５１】
また、本発明によれば、通信用の光ファイバケーブルの一部を第４の実施形態で述べたような凍結センサとすることにより、敷設光ファイバの凍結による通信障害地点の早期発見に効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２および第３の実施形態における光ファイバ凍結センサの円筒容器の構造例を示す概略模式図である。
【図２】ブリルアン散乱光周波数、あるいは、ファイバグレーティング反射波長の温度依存性を凍結による急激な歪と併せて示すグラフである。
【図３】凍結後の氷と容器のそれぞれについて、互いに拘束されない場合の状態を示す仮想的な模式図である。
【図４】図１で示す光ファイバ凍結センサについて、凍結後の状態を示す模式図である。
【図５】本発明で用いる光源・歪測定器として利用可能な公知の歪・温度分布測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施形態として、光ファイバケーブルに後で複数のセンサを設置した構成例を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施形態における凍結監視結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第５の実施形態として、光ファイバ被覆に水胞を設けてセンサとした構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０　光ファイバ凍結センサ
１１　水
１１１　氷
１２　容器
１３　光ファイバ
１３１　光ファイバケーブル
１４　光源
１５　歪測定器
１６　剛体
６１　固定治具
８０　光ファイバ
８１　光ファイバの被覆
８２　水胞（水胞部）
８３　光ファイバの心線
【図１】
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【図２】
2004003889.tif 000007
【図３】
2004003889.tif 000008
【図４】
2004003889.tif 000009
【図５】
2004003889.tif 000010
【図６】
2004003889.tif 000011
【図７】
2004003889.tif 000012
【図８】
2004003889.tif 000013