(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４つのコアを周辺部に備えた光ファイバからなる、或いは、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４本の単心光ファイバを束ねることで４つのコアを周辺部に備えた光ファイバセンサヘッドを用いた曲げ形状測定装置であって、
前記光ファイバセンサヘッドの各コアに対して、同一のポンプ光と同一のプローブ光とを入射させるブリルアン解析器と、
前記光ファイバセンサヘッドの出射端にて各コアに設けられ、各コアについてブリルアン周波数シフト量の前記光ファイバセンサヘッドにおける長手方向分布を測定し、各地点における各コアのブリルアン周波数シフト量から当該地点における前記４つのコアのひずみ量を求め、当該地点における前記４つのコアのひずみ量から、前記光ファイバセンサヘッドの曲げの中心と前記光ファイバセンサヘッドの断面中心とを結ぶ直線と、前記４つのコアのいずれかの中心と前記光ファイバセンサヘッドの中心とを結ぶ直線とがなす角θを解析し、前記角θと前記４つのコアのひずみ量とから曲げ半径rを解析し、前記曲げ半径rの分布から前記光ファイバセンサヘッドの曲率分布と当該位置における曲率の方向とを求める受光器と、
を備え、
前記光ファイバセンサヘッドは、その中心軸上にさらに参照コア、或いは、参照コアを備えた単心光ファイバを具備し、
前記受光器は、前記参照コアのブリルアン周波数シフト量の絶対値をブリルアン周波数シフト参照値とし、前記光ファイバセンサヘッドの同地点における前記４つのコアのブリルアン周波数シフト量と前記ブリルアン周波数シフト参照値との差を算出し、当該地点における前記４つのコアの温度変化の影響を排除したひずみ量とする
ことを特徴とする曲げ形状測定装置。
【請求項２】
ブリルアン利得解析手法として、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）、および、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）のいずれかを採用したことを特徴とする請求項１記載の曲げ形状測定装置。
【請求項３】
ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４つのコアを周辺部に備えた光ファイバからなる、或いは、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４本の単心光ファイバを束ねることで４つのコアを周辺部に備えた光ファイバセンサヘッドを用いた曲げ形状測定方法であって、
前記光ファイバセンサヘッドの各コアに対して、同一のポンプ光と同一のプローブ光とを入射させる第１ステップと、
各コアについてブリルアン周波数シフト量の前記光ファイバセンサヘッドにおける長手方向分布を測定し、各地点における各コアのブリルアン周波数シフト量から当該地点における前記４つのコアのひずみ量を求める第２ステップと、
当該地点における前記４つのコアのひずみ量から、前記光ファイバセンサヘッドの曲げの中心と前記光ファイバセンサヘッドの断面中心とを結ぶ直線と、前記４つのコアのいずれかの中心と前記光ファイバセンサヘッドの中心とを結ぶ直線とがなす角θを解析し、前記角θと前記４つのコアのひずみ量とから曲げ半径rを解析し、前記曲げ半径rの分布から前記光ファイバセンサヘッドの曲率分布と当該位置における曲率の方向とを求める第３ステップと、
を有し、
前記光ファイバセンサヘッドは、その中心軸上にさらに参照コア、或いは、参照コアを備えた単心光ファイバを具備し、
前記第２ステップでは、前記参照コアのブリルアン周波数シフト量の絶対値をブリルアン周波数シフト参照値とし、前記光ファイバセンサヘッドの同地点における前記４つのコアのブリルアン周波数シフト量と前記ブリルアン周波数シフト参照値との差を算出し、当該地点における前記４つのコアの温度変化の影響を排除したひずみ量とする
ことを特徴とする曲げ形状測定方法。
【請求項４】
ブリルアン利得解析手法として、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）、および、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）のいずれかを採用したことを特徴とする請求項３記載の曲げ形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバの曲げ形状測定装置及びその曲げ形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いた形状センサとして、例えば、非特許文献１の技術が開示されている。非特許文献１の技術は、軸となる光ファイバの周囲にらせん状に６本の光ファイバを束ねたらせん型光ファイバセンサヘッド（以下、らせん型光ファイバセンサヘッドと称する）を用いるものである。
【０００３】
非特許文献１では、らせん型光ファイバセンサヘッドの長手方向に断続的にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を書き込み、反射波長の変化をＯＦＤＲ（Optical Frequency Domain Reflectometer）で読み出しひずみを計測する方式と、ＯＦＤＲ測定によるレイリー散乱波形の変化からひずみを計測する方式とが開示され、いずれの方式においても各らせん光ファイバにかかるひずみ量の断面の分布から３次元的ならせん型光ファイバセンサヘッドの曲り形状を測定しており、動的な曲り形状の変化を計測することもできる。しかしながら、非特許文献１が開示している上記技術では、ひずみの計測方法にＯＦＤＲを用いているため、光ファイバセンサヘッドの長さはＯＦＤＲ光源のコヒーレンス長に依存することで３０ｍのセンサヘッド長に留まっている。
【０００４】
その他の光ファイバ形状センサとして、例えば非特許文献２には、マルチコアファイバの各コアにＦＢＧを書き込みマルチコア光ファイバセンサヘッドとし、各コアのひずみを計測することでマルチコア光ファイバセンサヘッドの曲り形状を計測する技術が開示されている。しかしながら、曲げ形状の連続的な変化を測定する分解能はＦＢＧを書き込む長手方向の間隔に依存するため、この技術は高分解能かつ長距離の曲げ形状測定には不向きである。同様の技術的課題は、非特許文献１のらせん型光ファイバセンサヘッドにＦＢＧを書き込む方式にも存在する。
【０００５】
一方で、光ファイバ通信網の保守に曲げ形状光ファイバセンサの導入を考えた場合、曲げ形状センシングが可能な光ファイバを通信ケーブル内構造に内蔵する、あるいは光ファイバ網に沿って施工しておくことで、いつでもリアルタイムに光ファイバ通信網の敷設状態を、例えば３次元地図上に表現することができるようになる。光ファイバ通信網を３次元地図上に可視化することができれば、追加で敷設する光ファイバケーブルの配線計画の策定や保守現場での必要工数計画の立案、通信網に付随する設備情報とのリンクによる効率的な保守業務の実現が期待できる。
【０００６】
ただし、光ファイバ通信網の曲げ形状測定のためには、従来開示された上述の技術では不可能である長距離かつシームレスな曲げ形状測定が実現されなされなければならない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ＬＵＮＡ社, "Fiber Optic Shape Sensing", Current State of Technology, June 21st, 2013.
【非特許文献２】D. Barrera et al., “Multipoint two-dimensional curvature optical fibre sensor,” 23rd OFS, Proc. of SPIE 9157, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、光ファイバを用いた曲げ形状センサ技術において、長距離測定かつシームレスな分布測定が可能な光ファイバの曲げ形状計測装置と曲げ形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するためにこの発明の第１の観点は、以下のような構成要素を備えている。すなわち、曲げ形状測定装置は、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４つのコアを周辺部に備えた光ファイバからなる、或いは、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４本の単心光ファイバを束ねることで４つのコアを周辺部に備えた光ファイバセンサヘッドを用いた曲げ形状測定装置であって、前記光ファイバセンサヘッドの各コアに対して、同一のポンプ光と同一のプローブ光とを入射させるブリルアン解析器と、前記光ファイバセンサヘッドの出射端にて各コアに設けられ、各コアについてブリルアン周波数シフト量の前記光ファイバセンサヘッドにおける長手方向分布を測定し、各地点における各コアのブリルアン周波数シフト量から当該地点における前記４つのコアのひずみ量を求め、当該地点における前記４つのコアのひずみ量から、前記光ファイバセンサヘッドの曲げの中心と前記光ファイバセンサヘッドの断面中心とを結ぶ直線と、前記４つのコアのいずれかの中心と前記光ファイバセンサヘッドの中心とを結ぶ直線とがなす角θを解析し、前記角θと前記４つのコアのひずみ量とから曲げ半径rを解析し、前記曲げ半径rの分布から前記光ファイバセンサヘッドの曲率分布と当該位置における曲率の方向とを求める受光器と、を備え、前記光ファイバセンサヘッドは、その中心軸上にさらに参照コア、或いは、参照コアを備えた単心光ファイバを具備し、前記受光器は、前記参照コアのブリルアン周波数シフト量の絶対値をブリルアン周波数シフト参照値とし、前記光ファイバセンサヘッドの同地点における前記４つのコアのブリルアン周波数シフト量と前記ブリルアン周波数シフト参照値との差を算出し、当該地点における前記４つのコアの温度変化の影響を排除したひずみ量とする。
【００１０】
上記目的を達成するためにこの発明の第２の観点は、以下のような構成要素を備えている。すなわち、曲げ形状測定方法は、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４つのコアを周辺部に備えた光ファイバからなる、或いは、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する４本の単心光ファイバを束ねることで４つのコアを周辺部に備えた光ファイバセンサヘッドを用いた曲げ形状測定方法であって、前記光ファイバセンサヘッドの各コアに対して、同一のポンプ光と同一のプローブ光とを入射させる第１ステップと、各コアについてブリルアン周波数シフト量の前記光ファイバセンサヘッドにおける長手方向分布を測定し、各地点における各コアのブリルアン周波数シフト量から当該地点における前記４つのコアのひずみ量を求める第２ステップと、当該地点における前記４つのコアのひずみ量から、前記光ファイバセンサヘッドの曲げの中心と前記光ファイバセンサヘッドの断面中心とを結ぶ直線と、前記４つのコアのいずれかの中心と前記光ファイバセンサヘッドの中心とを結ぶ直線とがなす角θを解析し、前記角θと前記４つのコアのひずみ量とから曲げ半径rを解析し、前記曲げ半径rの分布から前記光ファイバセンサヘッドの曲率分布と当該位置における曲率の方向とを求める第３ステップと、を有し、前記光ファイバセンサヘッドは、その中心軸上にさらに参照コア、或いは、参照コアを備えた単心光ファイバを具備し、前記第２ステップでは、前記参照コアのブリルアン周波数シフト量の絶対値をブリルアン周波数シフト参照値とし、前記光ファイバセンサヘッドの同地点における前記４つのコアのブリルアン周波数シフト量と前記ブリルアン周波数シフト参照値との差を算出し、当該地点における前記４つのコアの温度変化の影響を排除したひずみ量とする。
【発明の効果】
【００１１】
すなわちこの発明によれば、光ファイバを用いた曲げ形状センサ技術において、長距離測定かつシームレスな分布測定が可能な光ファイバの曲げ形状計測装置と曲げ形状計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第一の実施形態に係る曲げ形状測定装置の構成例を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の第一の実施形態の曲げ形状計測装置で用いるポンプ光とプローブ光との周波数の関係の一例を説明する図である。
【図３】図３は、第一の実施形態に係る曲げ形状測定の基本原理の説明図である。
【図４】図４は、第一の実施形態に係る曲げ形状測定方法の一例について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。  
本実施形態では、光ファイバセンサヘッドの各コアにかかる長手方向のひずみ量を解析することで、光ファイバセンサヘッドの曲げ形状を測定する。本実施形態では、長距離かつシームレスな曲げ形状測定をするため、ひずみの計測方法にはブリルアン利得解析法を用いたひずみ分布センシング技術を用いる。ここで、曲げ形状とは、光ファイバセンサヘッドに外力や振動が付与されることによる光ファイバセンサヘッドの曲率変化の分布および各曲率の方向である。
【００１４】
ブリルアン利得解析法は、ひずみの変化量（または温度の変化量）に対してブリルアン周波数シフト量が線形に変化することが知られており、ひずみ測定技術（または温度測定技術）として利用されている。
【００１５】
ここで、ブリルアン利得解析法を用いたひずみ分布センシング技術とは、例えば、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）やＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）である。上記いずれの測定法を用いても、従来不可能であった数ｋｍの長距離曲げ形状測定が可能になる。
【００１６】
図１は、本発明の第一の実施形態に係る曲げ形状測定装置の構成例を説明する図である。  
本実施形態の曲げ形状測定装置は、ブリルアン解析器２０と、複数の受光器２１〜２４と、を有している。本実施形態では、ポンプ光に対するブリルアン周波数シフト量ＢＦＳが共通である３以上のコアを有するマルチコア光ファイバＭＣＦを光ファイバセンサヘッドとしている。
【００１７】
受光器２１〜２４の数は、測定対象であるマルチコア光ファイバＭＣＦのコア数と同じである。図２に示した例では、測定対象であるマルチコア光ファイバＭＣＦは４コアであるので、曲げ形状測定装置は４つの受光器２１〜２４を有している。
【００１８】
ブリルアン解析器２０は、単一の周波数のポンプ光を出力して分岐器Ａ２を介して複数に分岐し、単一周波数のプローブ光を出力して分岐器Ａ１を介して複数に分岐し、同じプローブ光および同じポンプ光をマルチコア光ファイバＭＣＦのコアＣ１〜Ｃ４へ入射する。
【００１９】
受光器２１〜２４は、マルチコア光ファイバＭＣＦの遠端（出射端）にてコアＣ１〜Ｃ４ごとに設けられている。受光器２１〜２４は、マルチコア光ファイバＭＣＦの各コアＣ１〜Ｃ４からの出射光と、ポンプ光とを受光する。受光器２１〜２４は、ブリルアン利得を得たプローブ光を観測し、ブリルアン周波数シフトを解析する。受光器２１〜２４は、ブリルアン解析により、各コアの長手方向のひずみ分布を取得し、後述する曲げ形状解析手段にて各コアＣ１〜Ｃ４のひずみ量から曲げ形状を解析する。なお、受光器２１〜２４の解析結果は、有線あるいは無線の通信手段により外部へ出力されてもよい。
【００２０】
受光器２１〜２４は、例えば、ブリルアン周波数シフト量ＢＦＳ１〜ＢＦＳ４からなる光ファイバセンサヘッドの各コアの各位置におけるひずみ量の変化は、ひずみがかかっていない状態（曲げが加えられていない状態）で予めブリルアン利得スペクトルプロファイルを取得し、曲げが加えられた際のブリルアン利得量の絶対量の変化から、ブリルアン周波数シフト量の変化を解析することで、長手方向にわたって一括して測定可能である。
【００２１】
図２は、第一の実施形態の曲げ形状計測装置で用いるポンプ光とプローブ光との周波数の関係の一例を説明する図である。  
本実施形態では、マルチコア光ファイバＭＣＦのコアＣ１〜Ｃ４のそれぞれに対して、同一のポンプ光と同一のプローブ光とを入射する。図２に示すように、プローブ光の周波数は、ポンプ光が誘起するブリルアンゲインスペクトル（ＢＧＳ）の中央値であるブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）に一致する周波数とする。本実施形態では、マルチコア光ファイバＭＣＦの全コアＣ１〜Ｃ４に共通の上記のポンプ光およびプローブ光を入射することで、各コアＣ１〜Ｃ４のブリルアン利得解析が可能である。
【００２２】
図３は、第一の実施形態に係る曲げ形状測定の基本原理の説明図である。  
以下に述べる方法は本願において曲げ形状解析手段と称する。マルチコア光ファイバの曲げ形状測定の原理として例えば非特許文献２に開示される方式を用いることができる。
【００２３】
曲げ形状は曲りの中心Ｃ、曲げ半径ｒの円弧上に曲がるものとする。このとき、４コアのマルチコア光ファイバＭＣＦにおける曲げ形状は、各コアＣ１〜Ｃ４と光ファイバ中心軸との距離をｄ、曲りの中心Ｃ、各コアＣ１〜Ｃ４にて測定されたひずみ量をそれぞれε１〜ε４とし、曲げの中心とマルチコア光ファイバＭＣＦの中心とを結ぶ直線と、コアＣ１の中心とマルチコア光ファイバＭＣＦの中心とが結ぶ直線がなす角θとすると、
【００２４】
【数１】
0006346852.tif 000002
と表せる。
【００２５】
曲げ形状の付与や変化によって各コアＣ１〜Ｃ４にかかるひずみ量ε１〜ε４を測定することで、曲げ付与部の曲げ半径を求めることができる。この曲げ半径を分布的に測定することでマルチコア光ファイバＭＣＦの曲率を求めることができ、曲げ形状測定が実施可能である。
【００２６】
ただし、上記手段によれば、マルチコア光ファイバＭＣＦにねじれは生じていないか、ねじれの量が既知でなければ曲げ形状の方向を正確に遠隔から測定することはできないため留意が必要である。
【００２７】
図４は、第一の実施形態に係る曲げ形状測定方法の一例について説明するフローチャートである。  
本実施形態では、ポンプ光に対する同一のブリルアン周波数シフト量を有する３以上のコアを備えたマルチコア光ファイバ（もしくはバンドル光ファイバ）を光ファイバセンサヘッドとする。ここでは、同一のブリルアン周波数シフト量を有するコアＣ１〜Ｃ４を備えたマルチコア光ファイバＭＣＦを光ファイバセンサヘッドとする（ステップＡ１）。
【００２８】
ブリルアン解析器２０は、上記光ファイバセンサヘッドの各コアＣ１〜Ｃ４に対して、同一のポンプ光と同一のプローブ光とを入射させる（ステップＡ２）。
【００２９】
次に、受光器２１〜２４は、各コアＣ１〜Ｃ４のブリルアン周波数シフト量の光ファイバセンサヘッドにおける長手方向分布を測定し、各地点における各コアＣ１〜Ｃ４のブリルアン周波数シフト量から当該地点における各コアのひずみ量を求める（ステップＡ３）。
【００３０】
続いて、受光器２１〜２４は、上述の数式を用いて、ある位置における各コアＣ１〜Ｃ４のひずみ量から、曲げの中心Ｃと光ファイバセンサヘッドの断面中心とを結ぶ直線と、光ファイバセンサヘッドの任意コアの中心（又はバンドル光ファイバの任意心線中心）と光ファイバセンサヘッドの断面中心が結ぶ直線がなす角θを解析し、角θと各コアＣ１〜Ｃ４のひずみ量とから曲げ半径rを解析し、曲げ半径rの分布から光ファイバセンサヘッドの曲率分布と各位置における曲率の方向を求める（ステップＡ４）。
【００３１】
以下、ブリルアン利得解析法による曲げ形状の測定精度を更に向上させるための手法について述べる。  
ブリルアン利得解析手法では一般に、光ファイバセンサヘッドにかかるひずみおよび温度変化によってブリルアン周波数シフト量が変化するため、本実施形態においては、温度分布の影響を補償することが曲率分布の高精度測定においては肝要である。
【００３２】
まず、マルチコア光ファイバＭＣＦの断面の中心に参照用のコア（参照コア）を配置する。そのマルチコア光ファイバＭＣＦに曲げが付与された場合、マルチコア光ファイバＭＣＦ断面中心に配置された参照コアに対してブリルアン利得解析法によりひずみ測定を実施しても、圧縮と伸長のひずみの作用が同一コア内で相殺されるため、ひずみによるブリルアン周波数シフト量の変化を検出することはない。
【００３３】
すなわち、マルチコア光ファイバＭＣＦ断面中心に参照コアを配置し、その参照コアのブリルアン周波数シフト量の絶対値をブリルアン周波数シフト参照値とし、同地点の他コアのブリルアン周波数シフト量と上記ブリルアン周波数シフト参照値との差を測定することで、光ファイバセンサヘッド長手方向の温度変化の影響を完全に排除したひずみ測定が可能になる。
【００３４】
換言すると、受光器２１〜２４は、参照コアのブリルアン周波数シフト量を参照ブリルアン周波数シフト量とし、参照ブリルアン周波数シフト量の分布から温度分布を解析し、光ファイバセンサヘッドのコアＣ１〜Ｃ４のブリルアン周波数シフト量と参照コアの参照ブリルアン周波数シフト量との差を算出し、当該地点におけるひずみ量とすることで、マルチコア光ファイバＭＣＦ長手方向の温度変化の影響を完全に排除したひずみ測定が可能になる。
【００３５】
本実施形態によれば、ブリルアン利得解析を用いて光ファイバ長手方向のひずみ分布を測定し、光ファイバの曲げ形状を長距離かつシームレスに測定可能とすることで、例えば光ファイバ通信網の配線状態を遠隔から測定可能とすることで、光ファイバ通信網の運用・管理の効率を向上するための３次元光ケーブルマップの作成に資することができる。
【００３６】
曲げ形状センシングが可能な光ファイバを通信ケーブル内構造の中心に内蔵する、あるいは光ファイバ網に沿って施工しておくことで、いつでもリアルタイムに光ファイバ通信網の敷設状態を、３次元地図上に表現することができるようになり、光ファイバ通信網を３次元地図上に可視化することができれば、追加で敷設する光ファイバケーブルの配線計画の策定や保守現場での必要工数計画の立案、通信網に付随する設備情報とのリンクによる効率的な保守業務の実現ができる。
【００３７】
なお、本実施形態ではマルチコア光ファイバＭＣＦ（Multi-core fiber）を光ファイバセンサヘッドとし、同マルチコア光ファイバＭＣＦの曲げ形状を測定しているが、光ファイバセンサヘッドはマルチコア光ファイバＭＣＦに限らず、複数の単心の光ファイバを束ねたバンドル光ファイバを利用しても良い。ここで、光ファイバセンサヘッドがマルチコア光ファイバＭＣＦでない場合には、光ファイバセンサヘッドの中心（軸）に参照用の単心光ファイバを内蔵すれば上記の温度分布の影響を補償した高精度測定が可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では４コアのマルチコア光ファイバＭＣＦを例に説明したが、３コア以上であれば光ファイバセンサヘッドの曲げ形状を３次元的に測定することができ、コア数（あるいは、束ねる単心光ファイバの数）を多くして、各位置における光ファイバ断面のひずみの面分布を長手方向にわたって測定することで、より精確な曲げ形状測定を実施可能になる。
【００３９】
要するにこの発明は、上記実施形態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を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
２０…ブリルアン解析器、２１〜２４…受光器、Ａ１、Ａ２…光分波器、ＢＦＳ１〜ＢＦＳ４…ブリルアン周波数シフト量、Ｃ１〜Ｃ４…コア、ＭＣＦ…マルチコア光ファイバ
【図１】
0006346852.tif 000003
【図２】
0006346852.tif 000004
【図３】
0006346852.tif 000005
【図４】
0006346852.tif 000006