(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を分岐結合素子によって分岐して、ループ状光ファイバの両端それぞれから入射させてこのループ状光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、前記ループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、この受光素子からの前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の変化を示す出力信号に基づいて前記ループ状光ファイバへの衝撃・振動位置を検知する方法において、
前記ループ状光ファイバが敷設された監視対象区間をいくつかの区分に分け、この分けた監視区分毎に光ファイバの固有振動の周波数が異なるように固定して弦を構成し、
前記弦の光ファイバに衝撃や振動を加えた際に前記受光素子からの出力される信号の周波数から衝撃や振動の加わった前記監視区分を特定することを特徴とする光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知方法であって、
前記監視区分毎に光ファイバの固有振動の周波数を異ならせるために、前記光ファイバの長さ、張力、及び単位長さ当りの質量の少なくとも１つを異ならせることを特徴とする光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知方法。
【請求項３】
少なくとも、光源と受光素子とループ状光ファイバの開放部の両端とが分岐結合素子に接続されて構成された光ループ干渉計系装置と、
前記ループ状光ファイバが敷設されている監視対象区間を複数の区間に分け、この分けられた監視区間毎に前記ループ状光ファイバの固有振動の周波数が異なるように固定する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバ固定手段により形成された弦の光ファイバに衝撃や振動を加えた際に前記受光素子から出力される電気信号の周波数を抽出する手段と、
前記抽出された周波数と予め前記監視区分毎に記憶されている周波数との比較で衝撃や振動の加わった監視区分を特定する手段と、
を有することを特徴とする光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを使用して光ループ干渉計を形成した状態で、光ファイバを所定の張力状態で弦を構成し、この光ファイバに衝撃や振動が加えられた時に、衝撃や振動のあった場所を特定する光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知方法及び衝撃・振動位置検知装置に関し、落石や振動の場所検知に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ループ干渉計を用いた落石検知装置、振動検知装置はいくつか提案されている。例えば、本出願人が出願した特許出願（特願２０００−３０８４２）がある。この特許出願における落石等の検知装置は、図６に示すように、監視対象領域の下（例えば道路）を通して敷設された光ファイバケーブル１０２の端部の光ファイバを接続してループ状に形成し、他端に振動種類判定装置１０１を接続したものである。
【０００３】
振動種類判定装置１０１では、発光素子（光源）と受光素子とループの光ファイバの両端とが光分岐結合素子に接続されていて、光源から出射された光を光分岐結合素子によって分岐して前記ループ状光ファイバ両端に入射させ、このループ状光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、時計回りに伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記光分岐結合素子に入射させて結合し、この結合された干渉光を受光素子に入射させ、この受光素子から出力される干渉光の強度変化を示す信号は、光ファイバループに外部より加えられた物理的変化に対応するので、このデータを、監視対象領域の崩落（土砂崩れ、落石、出水等）の検知データとして抽出し、この検知データのレベルで崩落の種類を判定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光ループ干渉計を用いた落石検知装置や振動検知装置ではセンサ部（光ファイバをループにした部分）に振動等が加わった際、そのループ内の位置（場所）を特定する事ができない。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するために、光ループ干渉計を利用し、ループ内の監視区分毎にそれぞれ違う長さ又は径の違う光ファイバをある所定の張力状態で弦を構成し、弦の光ファイバに衝撃や振動が加わった際に発生する共振周波数の違いを判断する事で、振動等の加わった位置検知を可能にした方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するため、本発明は、光ファイバループ干渉計を形成した系で、前記光ファイバループが敷設された監視対象区間をいくつかの区間に分け、この分けた監視区分毎に光ファイバの固有振動の周波数が異なるように固定して弦を構成し、弦の光ファイバに衝撃や振動を加えた際に上記光ファイバループ干渉計からの出力される信号の周波数の違いを判断する事で振動等の加わった監視区分を特定することを特徴とする衝撃・振動位置検知方法である。
【０００７】
また、本発明は、前記監視区分毎に光ファイバの固有振動の周波数を異ならせるために、前記光ファイバの長さ、張力、及び単位長さ当りの質量の少なくとも１つを異ならせることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知装置は、少なくとも、光源と受光素子とループ状光ファイバの開放部の両端とが分岐結合素子に接続されて構成された光ループ干渉計系装置と、前記ループ状光ファイバが敷設されている監視対象区間を複数の区間に分け、この分けられた監視区間毎に前記ループ状光ファイバの固有振動の周波数が異なるように固定する光ファイバ固定手段と、光ファイバ固定手段により形成された弦の光ファイバに衝撃や振動を加えた際に前記受光素子から出力される電気信号の周波数を抽出する手段と、前記抽出された周波数と予め前記監視区分毎に記憶されている周波数との比較で振動の加わった監視区分を特定する手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る概略構成図である。
【００１０】
図１において、ループ状光ファイバを敷設された監視対象区間を六つのそれぞれ区間長の異なる区間に分けられ、この分けられた監視区間毎に、光ファイバ２を固定部６にて所定の張力状態で固定され、弦を構成されている。
【００１１】
図１に示すように、光ファイバをループ状に接続した線路１において、装置本体１０の発光素子３から出力された光は光分岐結合素子（カプラ）４により、時計回りと反時計回りに分岐され、前記ループ光ファイバ線路１の同等の光路長を伝搬し、この時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを光分岐結合素子４により結合され、受光素子５に入射される。
【００１２】
この時、時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光の二つの光は同等の光路長であるため受光素子５に入射される光はある一定の干渉状態にある。
【００１３】
そこに前記弦を構成した光ファイバ２に振動を与えると、振動の周波数が弦の光ファイバの張力状態に応じた共振周波数に一致すると弦の光ファイバ２が強く振動する。或は、光ファイバ２に衝撃を加えたり、光ファイバ２が構成している弦をはじいたりすると、その弦の固有振動の周波数で光ファイバ２が振動する。
【００１４】
この振動により、光ファイバの光路長が変化する事で光ファイバ中の伝搬光の位相が変化して上記の一定であった干渉状態に変化が生じる。この干渉状態の変化は受光素子５で検出することができる。
【００１５】
ここで、２点間に張られた光ファイバ（弦の糸に相当）の共振周波数すなわち固有振動の周波数ｆ（ＨＺ）は、次の（１）式
【数１】
0004610091.tif 000002
ただし、ｌ：弦の光ファイバの長さ（ｍ）
ｓ：弦の光ファイバの張力（Ｎ）
ρ：弦の光ファイバの単位長さ当たり質量（ｋｇ／ｍ）
ｎ：振動の次数
であり、この振動のモードは図４に示すような両端が固定された弦の振動の定在波である。
【００１６】
図１において、例えばＬ1監視区分の光ファイバ２を最小の張力で弦を構成することにより、Ｌ1監視区分に衝撃や振動が加わった場合に最も低い周波数信号が検出され、Ｌ6監視区分の光ファイバ２を最大の張力で弦を構成することにより、Ｌ6監視区分に衝撃や振動が加わった場合には最も高い周波数信号が検出される。
【００１７】
この検出した周波数の違いで、どの監視区分に衝撃や振動が加わったのか判断できる。
【００１８】
図３に衝撃・振動位置検知装置本体１０の構成を示す。図３に示すように、光コネクタ１３Ａ，１３Ｂは、光ファイバループ線路１にそれぞれ接続される。光出力安定化回路１１は発光素子３の光出力値を一定に保つ制御回路であり、光アイソレータ１２は、光の方向性結合器であって、発光素子３からの光を光分岐結合素子４に入力すると共に、光分岐結合素子４から発光素子３への光の入力を阻止する（無くても可）。周波数測定部１５は受光素子５からの出力信号の周波数を測定する部分（スペアナ等）である。
【００１９】
既述したように、弦を構成する光ファイバ２に衝撃や振動を加えると、その弦の固有周波数で光ファイバ２が振動する。この振動に対応して受光素子５から出力される電気信号に変化が生じる。この電気信号の周波数は前記光ファイバ２の固有振動の周波数に対応する。
【００２０】
周波数測定部１５で測定した周波数ｆｉを判定処理部１７へ入力する。判定処理部１７は、予めメモリ１６に記憶している監視区分毎の周波数ｆ１，ｆ２，…と入力された周波数ｆｉと比較して、どの監視区分に振動が加わったのか判断する。判定結果は、警報等の表示回路１８に入力される。
【００２１】
次に本発明に係る他の実施の形態を説明する。図２にその概略構成図を示す。図２は、既述した図１と異なるところは光ファイバをループ状に接続した線路１のみである。
【００２２】
図２において、ループ状光ファイバを敷設された監視対象区間を六つの等区間距離の区間に分け、この分けた監視区分毎に前記ループ状光ファイバ２の固有振動数を変えてループを形成され、この分けられた監視区分毎に、光ファイバ２を固定部６にて固有振動数が異るように所定の引張り張力にて固定され、弦を構成されている。
【００２３】
弦を構成する光ファイバ２の固有振動数を決定する要因は、既述した（１）式に示すように、弦の光ファイバの長さ（ｌ）、張力（Ｓ）、質量（ρ）に依存する。
【００２４】
従いまして、これらの要因を変えることによって設定したい固有振動の周波数ｆを得ることは可能である。また、当然これらの要因を組み合わせることによっても可能である。
【００２５】
図２においては、監視区分毎に光ファイバの被覆径を変えた例を示すが、光ファイバのクラッド径を変えたり光ファイバの心線化やコード化及びケーブル化される場合の材料（例えばナイロン、ＵＶ樹脂、ケプラ、塩化ビニルシース、ポリエチレンシース）を含めた弦全体の光ファイバの質量を変えることにより、その弦の固有振動の周波数ｆを得ることが可能である。
【００２６】
また、図１の例のように、光ファイバの材質、形状を共通にして光ファイバの質量を変えずに、監視区分毎に光ファイバ２を異なる張力で張って弦を形成することにより、その弦の固有振動を所定の周波数になるように変えることも可能である。
【００２７】
なお、装置本体１０は図１と同じであり、ここでの説明は省略する。
【００２８】
前記弦を構成した光ファイバ２に衝撃や振動を与えると、弦の光ファイバの被覆径に応じた周波数（上述の（１）式参照）で弦の光ファイバ２が振動する。この振動により、光分岐結合素子４から出力される干渉光に変化が生じる。この干渉光の変化は受光素子（ＰＤ）５で検出することができる。
【００２９】
図２において、例えば光ファイバの被覆径φ１，φ２，…を、
φ１＞φ２＞φ３＞φ４＞φ５＞φ６とすると（１）式の光ファイバの質量ρもこの順になるので、φ１の監視区分の光ファイバ２に衝撃や振動が加わった場合に最も低い周波数信号が検出され、φ６の監視区分の光ファイバ２に衝撃や振動が加わった場合には最も高い周波数信号が検出される。
【００３０】
この検出した周波数の違いで、どの監視区分の振動が加わったのか判断できる。
【００３１】
次に光ファイバ固定部６の実施例を図５に示す。図５は弦の片側における光ファイバ２を固定する態様を示すもので、光ファイバ２をボビン６２に巻付けることによって一定の引張力を与え、この状態で光ファイバ２をゴムやスポンジ６１を用いて挟むようにして固定する。
【００３２】
なお、監視区分毎の光ファイバの固有振動数は、（１）式の振動の次数ｎに応じて、複数の固有振動が存在するので、場合によっては、高次の固有振動数とも異なるよう監視区分毎の張力状態を変える必要がある。又この高次も含めて固有振動数は、区分毎に光ファイバに衝撃や振動を加えた時に周波数測定部１５から出力されるスペアナ信号を分析することにより、予め求めておき、衝撃・振動位置検出装置のメモリ１６に記憶させておくことができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、光ファイバループ干渉計を形成した系で、一つの光ファイバループ内の監視区間をいくつかの区間に分け、それぞれ区間毎に固有振動数が異るように光ファイバを所定の張力状態で固定して弦を構成し、光ファイバを加振した際に光ファイバループ干渉計から出力される電気信号の周波数の違いから加振のあった区間を特定することで、振動の加わった位置検知を可能にしたものであり、その及ぼす経済的効果（コストメリット）は大きなものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の衝撃・振動位置検知装置の基本構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の衝撃・振動位置検知装置の他の基本構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の衝撃・振動位置検知装置本体の詳細構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る弦の振動モードを説明する図である。
【図５】本発明に係る弦を構成する光ファイバの固定部を説明する図である。
【図６】先行技術を説明するための振動種類判定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  ループ状光ファイバ線路
２  光ファイバ
３  発光素子
４  光分岐結合素子
５  受光素子
６  光ファイバ固定部
１０  衝撃・振動位置検知装置本体
【図１】
0004610091.tif 000003
【図２】
0004610091.tif 000004
【図３】
0004610091.tif 000005
【図４】
0004610091.tif 000006
【図５】
0004610091.tif 000007
【図６】
0004610091.tif 000008