(57)【要約】【課題】光ファイバに加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる光ファイバセンサシステムを提供する。【解決手段】光ファイバセンサシステム１Ａは、光ファイバに加えられた応力によって測定光Ｌ１を変調させる変調部２０と、変調部２０に測定光Ｌ１を供給する光ファイバ５２と、変調部２０からの測定光Ｌ１を受け、変調部２０において応力が加えられたことを検出する第１計測部３０と、変調部２０における測定光Ｌ１の戻り光Ｌ３を光ファイバ５２から取り出す光ファイバ５６と、光ファイバ５６に導かれた戻り光Ｌ３を受け、該戻り光Ｌ３が生じた位置に関する情報を検出する第２計測部４０とを備える。【選択図】図１
2016099249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに加えられた応力によって測定光を変調させる変調部と、
前記変調部に前記測定光を供給する第１光経路と、
前記変調部からの前記測定光を受け、前記変調部において前記応力が加えられたことを検出する第１計測部と、
前記変調部における前記測定光の戻り光を前記第１光経路から取り出す第２光経路と、
前記第２光経路に導かれた前記戻り光を受け、該戻り光が生じた位置に関する情報を検出する第２計測部と、
を備える、光ファイバセンサシステム。
【請求項２】
前記測定光を入力する第１ポート、前記測定光の一部を出力する第２ポート、及び前記測定光の残部を参照光として出力する第３ポートを有する第１カプラを更に備え、
前記第１計測部は、前記変調部を経た前記測定光と前記参照光とを結合して第１干渉光を生成する第２カプラを有し、前記変調部に前記応力が加えられたことを前記第１干渉光の強度変動に基づいて検出する、請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項３】
前記第１カプラの前記第２ポートに光結合された第１ポート、該第１ポートから入力された前記測定光を前記第１光経路に出力する第２ポート、及び該第２ポートを介して前記第１光経路から入力された前記戻り光を前記第２光経路に出力する第３ポートを有する光サーキュレータを更に備える、請求項２に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項４】
前記第１カプラの前記第３ポートから出力された前記参照光を入力する第１ポート、前記参照光の一部を前記第２カプラに出力する第２ポート、及び前記参照光の残部を出力する第３ポートを有する第３カプラを更に備え、
前記第２計測部は、前記第３カプラの前記第３ポートからの前記参照光と前記第２光経路に導かれた前記戻り光とを結合して第２干渉光を生成する第４カプラを有し、前記戻り光が生じた位置に関する情報を前記第２干渉光の強度変動に基づいて検出する、請求項２または３に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項５】
前記変調部は、中継用光ファイバを介して互いに直列に接続された複数のセンサヘッドを有し、
各センサヘッドは、
前記応力を伝える芯材と、
前記芯材に巻き付けられた前記光ファイバと、
前記光ファイバの両端に取り付けられ、前記中継用光ファイバに接続される光コネクタと、
を有し、
前記戻り光は前記光コネクタからの反射光である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項６】
前記変調部は透過型のリング型干渉光学系を含む、請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
【請求項７】
前記変調部は透過型のマッハツェンダ型干渉光学系を含む、請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、振動計測装置および振動計測方法が開示されている。この振動計測装置および振動計測方法では、光ファイバ曲げ部に入力された光が、当該曲げ部に印加される振動によって周波数変化し、この周波数変化に基づいて振動が計測される。特許文献１には、振動を検出するための複数のコイル部が直列に配置された形態が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００３／００２９５６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、音響波（振動）により光ファイバに生じる応力によって該光ファイバを伝搬する光が変調されることを利用したセンサシステムが研究されている。このようなセンサシステムにおいて、応力を受ける光ファイバを複数箇所に設置し、これらを直列に接続することにより、複数箇所の応力を１つのセンサシステムによって計測する方式が考えられている（例えば特許文献１を参照）。しかしながら、このような方式では、計測された応力がいずれの箇所において発生したものであるのかを特定することができない。本発明は、光ファイバに加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる光ファイバセンサシステム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】
【０００５】
本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサシステムは、光ファイバに加えられた応力によって測定光を変調させる変調部と、変調部に測定光を供給する第１光経路と、変調部からの測定光を受け、変調部の或る位置において応力が加えられたことを検出する第１計測部と、変調部における測定光の戻り光を第１光経路から取り出す第２光経路と、第２光経路に導かれた戻り光を受け、該戻り光が生じた位置に関する情報を検出する第２計測部と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、光ファイバに加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態のセンサヘッドの具体的構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、第１実施形態の変形例に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【図４】図４は、第２実施形態に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【図５】図５は、第３実施形態に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【図６】図６は、第２計測部においてＯＣＤＲ計測を行った結果を示すグラフである。
【図７】図７は、第４実施形態に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【図８】図８は、第４実施形態の変形例に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明に係る光ファイバセンサシステムは、光ファイバに加えられた応力によって測定光を変調させる変調部と、変調部に測定光を供給する第１光経路と、変調部からの測定光を受け、変調部において応力が加えられたことを検出する第１計測部と、変調部における測定光の戻り光を第１光経路から取り出す第２光経路と、第２光経路に導かれた戻り光を受け、該戻り光が生じた位置に関する情報を検出する第２計測部とを備える。
【０００９】
上記の光ファイバセンサシステムでは、変調部において変調された測定光に基づき、光ファイバに応力が加えられたことを第１計測部が検出する。一方、変調部の光ファイバに応力が加えられると、光ファイバに生じる歪み等によって測定光の戻り光が生じる。第２計測部は、この戻り光を受けて、戻り光が生じた位置に関する情報、すなわち応力が発生した位置に関する情報を検出する。したがって、この光ファイバセンサシステムによれば、光ファイバに加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる。また、応力を計測するための光の経路と、応力が発生した位置を検出するための光の経路とを明確に分離することができるので、応力及び応力発生位置のそれぞれを精度よく検出することができる。
【００１０】
また、光ファイバセンサシステムは、測定光を入力する第１ポート、測定光の一部を出力する第２ポート、及び測定光の残部を参照光として出力する第３ポートを有する第１カプラを更に備え、第１計測部は、変調部を経た測定光と参照光とを結合して第１干渉光を生成する第２カプラを有し、変調部に応力が加えられたことを第１干渉光の強度変動に基づいて検出しても良い。このように、測定光と参照光との干渉を利用して応力を計測することにより、応力の検出精度が高い光ファイバセンサシステムを簡易に構成することができる。
【００１１】
また、光ファイバセンサシステムは、第１カプラの第２ポートに光結合された第１ポート、該第１ポートから入力された測定光を第１光経路に出力する第２ポート、及び該第２ポートを介して第１光経路から入力された戻り光を第２光経路に出力する第３ポートを有する光サーキュレータを更に備えても良い。これにより、第１光経路から戻り光を取り出す構成を容易に実現することができる。また、第１カプラとして２入力２出力の光カプラを用いることにより、戻り光を取り出すことも可能である。しかし、このような構成に代えて光サーキュレータを用いることにより、測定光、参照光、及び戻り光にクロストークが生じることを抑制できる。したがって、検出精度の良い光ファイバセンサシステムを簡易に構成することができる。
【００１２】
また、光ファイバセンサシステムは、第１カプラの第３ポートから出力された参照光を入力する第１ポート、参照光の一部を第２カプラに出力する第２ポート、及び参照光の残部を出力する第３ポートを有する第３カプラを更に備え、第２計測部は、第３カプラの第３ポートからの参照光と第２光経路に導かれた戻り光とを結合して第２干渉光を生成する第４カプラを有し、戻り光が生じた位置に関する情報を第２干渉光の強度変動に基づいて検出しても良い。このように、戻り光と参照光との干渉を利用して応力発生位置を検出することにより、応力発生位置の検出精度が高い光ファイバセンサシステムを簡易に構成することができる。また、参照光が一本の光経路によって導かれた後、第３カプラによって２つに分岐され、第１計測部及び第２計測部に供給される。これにより、システム全体の光経路の総延長を短くすることができるので、システム構成を簡素化することができる。
【００１３】
また、変調部は、中継用光ファイバを介して互いに直列に接続された複数のセンサヘッドを有し、各センサヘッドは、応力を伝える芯材と、芯材に巻き付けられた光ファイバと、光ファイバの両端に取り付けられ、中継用光ファイバに接続される光コネクタとを有し、戻り光は光コネクタからの反射光であってもよい。これにより、光コネクタにおいて生じる定常的な反射光の絶対位置及び相対位置の変化に基づいて応力発生位置を検出することができる。したがって、反射光が微弱な場合であっても、応力発生位置を高い精度で検出することができる。
【００１４】
また、変調部は透過型のリング型干渉光学系を含んでも良い。或いは、変調部は透過型のマッハツェンダ型干渉光学系を含んでも良い。これらの何れかにより、第１計測部及び第２計測部に干渉系を用いる必要がないので、光ファイバセンサシステムの低コスト化が可能となる。
【００１５】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら、本発明の光ファイバセンサシステムの一態様について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサシステム１Ａの構成を示す図である。図１に示されるように、本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ａは、光源１１、第１カプラ１２、第３カプラ１３、変調部２０、第１計測部３０、及び第２計測部４０を備えている。また、光ファイバセンサシステム１Ａは、これらを互いに接続する光ファイバ５１〜５６を備えている。
【００１７】
光源１１は、測定光Ｌ１を発生する。本実施形態の光源１１は、周期的なパルス状のレーザ光を発生するレーザ光源１１ａと、レーザ光源１１ａから出力されたレーザ光の周波数を所定の周波数に変調する光周波数変調器１１ｂとによって構成されている。
【００１８】
第１カプラ１２は、２入力２出力の光カプラである。第１カプラ１２は、一対の入力ポートとしての第１ポート１２ａ及び第４ポート１２ｄ、並びに一対の出力ポートとしての第２ポート１２ｂ及び第３ポート１２ｃを有する。第１ポート１２ａは、光ファイバ５１を介して光周波数変調器１１ｂと光学的に結合されており、測定光Ｌ１を入力する。第２ポート１２ｂは、第１ポート１２ａから入力された測定光Ｌ１の一部を分岐して出力する。第３ポート１２ｃは、分岐された測定光Ｌ１の残部を、参照光Ｌ２として出力する。第４ポート１２ｄは、測定光Ｌ１の戻り光Ｌ３（後述）を出力する。
【００１９】
変調部２０は、音響波（振動）等により光ファイバに加えられた応力によって測定光Ｌ１を変調させる。本実施形態の変調部２０は、中継用光ファイバ５８を介して互いに直列に接続された複数のセンサヘッド２１を有する。そして、先頭のセンサヘッド２１は、光ファイバ５２（第１光経路）を介して第１カプラ１２の第２ポート１２ｂと光学的に結合されている。光ファイバ５２は、変調部２０に測定光Ｌ１を供給する。
【００２０】
ここで、図２は、本実施形態のセンサヘッド２１の具体的構成を示す斜視図である。図２に示されるように、センサヘッド２１は、音響波（振動）等による応力を伝える円柱状の芯材２１ａと、芯材２１ａに複数回コイル状に巻き付けられ、中継用光ファイバ５８に接続される光ファイバ２２とを有する。例えば近傍で機械的破壊等（図１の符号Ｂ１）が生じると、音響波（図１の符号Ｂ２）が発生し、センサヘッド２１において、芯材２１ａを介して光ファイバ２２に応力が加えられる。これにより光ファイバ２２が伸縮し、当該部分の屈折率がわずかに変化する。測定光Ｌ１がこの部分を通過するとき、測定光Ｌ１の位相が変調される。なお、応力によって測定光Ｌ１の偏波状態が変動しないように、光ファイバ２２は偏波保持光ファイバであることが好ましい。また、本実施形態のように光ファイバ２２が芯材２１ａに複数回巻き付けられていることにより、検出感度を向上させることができる。
【００２１】
再び図１を参照する。第３カプラ１３は、１入力２出力の光カプラである。第３カプラ１３は、一対の入力ポートとしての第１ポート１３ａ、並びに一対の出力ポートとしての第２ポート１３ｂ及び第３ポート１３ｃを有する。第１ポート１３ａは、光ファイバ５３（第３光経路）を介して第１カプラ１２の第３ポート１２ｃと光学的に結合されており、第３ポート１２ｃから出力された参照光Ｌ２を入力する。第２ポート１３ｂは、第１ポート１３ａから入力された参照光Ｌ２の一部を分岐して出力する。第３ポート１３ｃは、分岐された参照光Ｌ２の残部を出力する。
【００２２】
第１計測部３０は、変調部２０からの測定光Ｌ１を受け、測定光Ｌ１における位相変調の有無を検知することにより、変調部２０において応力が加えられたことを検出する。本実施形態の第１計測部３０は、第２カプラ３１及び平衡光検出器３２によって構成されている。第２カプラ３１は、２入力２出力の光カプラであって、一対の入力ポートとしての第１ポート３１ａ及び第２ポート３１ｂ、並びに一対の出力ポートとしての第３ポート３１ｃ及び第４ポート３１ｄを有する。第１ポート３１ａは、光ファイバ５４（第４光経路）を介して、変調部２０における末端のセンサヘッド２１と光学的に結合されている。第１ポート３１ａは、変調部２０において変調された測定光Ｌ１を受ける。第２ポート３１ｂは、光ファイバ５５（第５光経路）を介して、第３カプラ１３の第２ポート１３ｂと光学的に結合されている。第２ポート３１ｂは、第２ポート１３ｂから出力された参照光Ｌ２を受ける。第２カプラ３１は、第１ポート３１ａから入力された測定光Ｌ１と、第２ポート３１ｂから入力された参照光Ｌ２とを結合して、第１干渉光Ｌ４を生成する。第１干渉光Ｌ４は、第３ポート３１ｃ及び第４ポート３１ｄから平衡光検出器３２へ出力される。
【００２３】
平衡光検出器３２は、変調部２０に応力が加えられたことを第１干渉光Ｌ４の強度変動に基づいて検出する。具体的には、平衡光検出器３２は第１干渉光Ｌ４のホモダイン検波を行う。すなわち、変調部２０において測定光Ｌ１に位相変調が加えられると、当該位相変調に基づくビート信号が第１干渉光Ｌ４から検出されるので、変調部２０に応力が加えられたことを検出できる。
【００２４】
第２計測部４０は、光ファイバ５３に導かれて第３カプラ１３により分岐された戻り光Ｌ３を受け、戻り光Ｌ３が生じた位置に関する情報を検出する。本実施形態の第２計測部４０は、第４カプラ４１及び平衡光検出器４２によって構成されている。第４カプラ４１は、２入力２出力の光カプラであって、一対の入力ポートとしての第１ポート４１ａ及び第２ポート４１ｂ、並びに一対の出力ポートとしての第３ポート４１ｃ及び第４ポート４１ｄを有する。第１ポート４１ａは、光ファイバ５６（第２光経路）を介して、第１カプラ１２の第４ポート１２ｄと光学的に結合されている。光ファイバ５６は、変調部２０において生じる測定光Ｌ１の戻り光Ｌ３を光ファイバ５２から取り出す。ここで、戻り光Ｌ３は、例えば変調部２０において生じる反射光である。すなわち、図２に示された光ファイバ２２の一部分に応力が加わると、光ファイバ２２の屈折率が変化する。このとき測定光Ｌ１が当該部分を通過すると、その測定光Ｌ１の一部が反射して戻り光Ｌ３となる。第１ポート４１ａは、光ファイバ５６を介して、この戻り光Ｌ３を受ける。第２ポート４１ｂは、光ファイバ５７（第６光経路）を介して、第３カプラ１３の第３ポート１３ｃと光学的に結合されている。第２ポート４１ｂは、第３ポート１３ｃから出力された参照光Ｌ２を受ける。第４カプラ４１は、第１ポート４１ａから入力された戻り光Ｌ３と、第２ポート４１ｂから入力された参照光Ｌ２とを結合して、第２干渉光Ｌ５を生成する。第２干渉光Ｌ５は、第３ポート４１ｃ及び第４ポート４１ｄから平衡光検出器４２へ出力される。
【００２５】
平衡光検出器４２は、戻り光Ｌ３が生じた位置に関する情報を、第２干渉光Ｌ５の強度変動に基づいて検出する。具体的には、平衡光検出器４２は第２干渉光Ｌ５を用いたＯＣＤＲ（Optical coherence dowain reflectometry）測定を行う。すなわち、第２干渉光Ｌ５からビート信号を抽出し、当該ビート信号の周波数が線路長（光源１１から第４カプラ４１までの光経路の長さ）に依存することから、変調部２０において戻り光Ｌ３が生じた位置を特定することができる。
【００２６】
以上に説明した本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ａによって得られる効果について説明する。光ファイバセンサシステム１Ａでは、変調部２０において変調された測定光Ｌ１に基づき、光ファイバ２２に応力が加えられたことを第１計測部３０が検出する。一方、変調部２０の光ファイバ２２に応力が加えられると、光ファイバ２２に生じる歪み等によって測定光Ｌ１の戻り光Ｌ３が生じる。第２計測部４０は、この戻り光Ｌ３を受けて、戻り光Ｌ３が生じた位置に関する情報、すなわち応力が発生した位置に関する情報を検出する。したがって、この光ファイバセンサシステム１Ａによれば、光ファイバ２２に加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる。また、応力を計測するための光の経路（光ファイバ５４）と、応力が発生した箇所を検出するための光の経路（光ファイバ５６）とを明確に分離することができるので、応力及び応力発生位置のそれぞれを精度よく検出することができる。
【００２７】
また、前述したように、本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ａは、測定光Ｌ１を分岐して一部を参照光Ｌ２として出力する第１カプラ１２を備えている。更に、第１計測部３０は、変調部２０を経た測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とを結合して第１干渉光Ｌ４を生成する第２カプラ３１を有し、変調部２０に応力が加えられたことを第１干渉光Ｌ４の強度変動に基づいて検出する。このように、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２との干渉を利用して応力を計測することにより、応力の検出精度が高い光ファイバセンサシステム１Ａを簡易に構成することができる。
【００２８】
また、前述したように、本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ａは、参照光Ｌ２を２つに分岐する第３カプラ１３を備えている。そして、第２計測部４０は、参照光Ｌ２と戻り光Ｌ３とを結合して第２干渉光Ｌ５を生成する第４カプラ４１を有し、戻り光Ｌ３が生じた位置に関する情報を第２干渉光Ｌ５の強度変動に基づいて検出する。このように、戻り光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉を利用して応力発生位置を検出することにより、応力発生位置の検出精度が高い光ファイバセンサシステム１Ａを簡易に構成することができる。また、参照光Ｌ２が一本の光経路（光ファイバ５３）によって導かれた後、第３カプラ１３によって２つに分岐され、第１計測部３０及び第２計測部４０に供給されるので、システム全体の光経路の総延長を短くすることができるので、システム構成を簡素化することができる。
【００２９】
また、本実施形態のように、第１計測部３０及び第２計測部４０は、干渉による計測を行うことが好ましい。これにより、検出精度が高い光ファイバセンサシステム１Ａを提供できる。特に、第２計測部４０にこのような構成を適用することにより、例えばＯＣＤＲやＯＦＤＲ（Optical Frequency Domain reflectometry）といった方式を用いて位置検出分解能を高めることができる。従って、例えば変調部２０に多数のセンサヘッド２１を直列に、且つ密に配置した場合であっても、いずれのセンサヘッド２１において応力を受けたかを、精度良く検出できる。
【００３０】
なお、後述する各実施形態において示されるように、変調部２０において測定光Ｌ１に生じる変調は、位相変調に限られず、強度変調であってもよい。そのような場合であっても、第１計測部３０の構成を適宜変更することにより、応力の発生を好適に検知することができる。また、第１計測部３０及び第２計測部４０は、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmeter）計測方式を適用しても良い。
【００３１】
（第１変形例）
図３は、第１実施形態の変形例に係る光ファイバセンサシステム１Ｂの構成を示す図である。本変形例に係る光ファイバセンサシステム１Ｂと上記実施形態とは、戻り光Ｌ３を取り出すための構成において相違する。すなわち、本変形例の光ファイバセンサシステム１Ｂは、上記実施形態の第１カプラ１２に代えて、第１カプラ１４及び光サーキュレータ１５を備えている。
【００３２】
第１カプラ１４は、１入力２出力の光カプラである。第１カプラ１４は、入力ポートとしての第１ポート１４ａ、並びに一対の出力ポートとしての第２ポート１４ｂ及び第３ポート１４ｃを有する。第１ポート１４ａは、光ファイバ５１を介して光周波数変調器１１ｂと光学的に結合されており、測定光Ｌ１を入力する。第２ポート１４ｂは、第１ポート１４ａから入力された測定光Ｌ１の一部を分岐して、光サーキュレータ１５へ出力する。第３ポート１４ｃは、分岐された測定光Ｌ１の残部を、参照光Ｌ２として第３カプラ１３へ出力する。
【００３３】
光サーキュレータ１５は、入力ポートである第１ポート１５ａ、入出力ポートである第２ポート１５ｂ、及び出力ポートである第３ポート１５ｃを有する。第１ポート１５ａは、第１カプラ１４の第２ポート１４ｂと光結合されており、第２ポート１４ｂから出力された測定光Ｌ１を受ける。第２ポート１５ｂは、第１ポート１５ａから入力された測定光Ｌ１を光ファイバ５２に出力する。第３ポート１５ｃは、第２ポート１５ｂを介して光ファイバ５２から入力された戻り光Ｌ３を光ファイバ５９に出力する。なお、光ファイバ５９は本変形例における第２光経路であり、変調部２０において生じる戻り光Ｌ３を光ファイバ５２から取り出すために設けられている。光ファイバ５９は、第４カプラ４１の第１ポート４１ａに接続されており、第１ポート４１ａに戻り光Ｌ３を供給する。
【００３４】
本変形例によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例のように、光サーキュレータ１５を用いて戻り光Ｌ３を取り出しても良い。これにより、光ファイバ５２から戻り光Ｌ３を取り出す構成を容易に実現することができる。また、上記実施形態のように２入力２出力の光カプラ（第１カプラ１２）を用いる場合と比較して、測定光、参照光、及び戻り光にクロストークが生じることを抑制できる。したがって、検出精度の良い光ファイバセンサシステム１Ｂを簡易に構成することができる。
【００３５】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る光ファイバセンサシステム１Ｃの構成を示す図である。本実施形態に係る光ファイバセンサシステム１Ｃと上記変形例（図３を参照）とは、第２計測部の構成において相違する。すなわち、本変形例の第２計測部４３は、上記変形例の第４カプラ４１及び平衡光検出器４２に代えて、光検出器４５を有する。光検出器４５は、光ファイバ５９を介して光サーキュレータ１５の第３ポート１５ｃと光学的に結合されており、戻り光Ｌ３を受ける。そして、第２計測部４３は、この戻り光Ｌ３を用いたＯＴＤＲ計測を行う。すなわち、光源１１から光ファイバ５２に位置検出用の光パルスを入射させ、変調部２０において反射されて光ファイバ５２に戻る光パワーの距離分布を解析することによって、反射点（すなわち応力発生位置）までの距離を検出する。
【００３６】
本実施形態では、このように第２計測部４３の構成が上記変形例と異なるので、第３カプラ１３が設けられていない。そして、本実施形態の第１計測部３３は、第１カプラ１４の第３ポート１４ｃと光ファイバ５０を介して光学的に結合されている。なお、本実施形態の第１計測部３３は、上記変形例の第２カプラ３１及び平衡光検出器３２に代えて、第２カプラ３４及び光検出器３５を有する。第２カプラ３４は、２入力１出力の光カプラであって、一対の入力ポートとしての第１ポート３４ａ及び第２ポート３４ｂ、並びに出力ポートとしての第３ポート３４ｃを有する。第１ポート３４ａは、光ファイバ５４を介して、変調部２０における末端のセンサヘッド２１と光学的に結合されている。第１ポート３４ａは、変調部２０において変調された測定光Ｌ１を受ける。第２ポート３４ｂは、光ファイバ５０を介して第１カプラ１４の第３ポート１４ｃと光学的に結合されており、参照光Ｌ２を受ける。第２カプラ３４は、第１ポート３４ａから入力された測定光Ｌ１と、第２ポート３４ｂから入力された参照光Ｌ２とを結合して、第１干渉光Ｌ４を生成する。第１干渉光Ｌ４は、第３ポート３４ｃから光検出器３５へ出力される。
【００３７】
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態では、上記第１実施形態及び変形例と異なり、第２計測部４３において干渉光を用いていない。従って、図１及び図３に示された第３カプラ１３及び光ファイバ５７が不要となり、部品点数を削減して低コスト化に寄与できる。なお、ＯＴＤＲはＯＣＤＲ及びＯＦＤＲと比較して距離分解能の点で劣るが、直列に接続された複数のセンサヘッド２１の間隔が十分に離れており、高分解能が不要である場合に有効である。
【００３８】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る光ファイバセンサシステム１Ｄの構成を示す図である。本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ｄと第１実施形態との相違点は、変調部の構成である。すなわち、本実施形態の変調部２４を構成する複数のセンサヘッド２５のそれぞれは、図２に示された芯材２１ａ及び光ファイバ２２に加えて、光コネクタ２３を有する。光コネクタ２３は、光ファイバ２２の両端に取り付けられ、中継用光ファイバ２８に取り付けられた光コネクタに接続される。これにより、複数のセンサヘッド２５は互いに直列に接続されている。そして、本実施形態では、戻り光Ｌ３として、光コネクタ２３において定常的に生じる反射光が用いられる。
【００３９】
光コネクタ２３における反射光を用いて位置検出を行う原理について説明する。図６は、第２計測部４０においてＯＣＤＲ計測を行った結果を示すグラフである。図６において、横軸は反射位置を表し、縦軸は反射率（ｄＢ）を表す。また、グラフＧ１は、光ファイバ５２側から数えて２つめのセンサヘッド２５において応力が発生した場合を示し、グラフＧ２は、いずれのセンサヘッド２５においても応力が発生していない場合を示している。
【００４０】
グラフＧ１及びＧ２のいずれにおいても、１つめのセンサヘッド２５における反射光発生位置ｚ１及びｚ２は、光コネクタ２３の位置であって変動していない。しかし、２つめのセンサヘッド２５では、応力によって光ファイバ２２が伸びるので、その伸びた分だけ、後端側の光コネクタ２３の位置がずれ、前端側の反射光発生位置ｚ３と後端側の反射光発生位置ｚ４との間隔が伸びる。一方、更に後段の３つめのセンサヘッド２５は、２つめのセンサヘッド２５の伸びを受けて全体として後方側へ移動しているが、当該センサヘッド２５の光コネクタ２３の間隔（すなわち反射光発生位置ｚ５，ｚ６の間隔）は変化していない。従って、３つめのセンサヘッド２５には応力が加わっていないことがわかる。以上から、応力が発生したのは２つめのセンサヘッド２５であると特定できる。このように、第２計測部４０において、各センサヘッド２５における定常的な反射位置と、その絶対位置（全体として動いた距離）、および相対位置（光コネクタ２３の間隔）を計測することによって、応力が生じたセンサヘッド２５が特定される。これにより、変調部２４において応力が発生した位置を検出することができる。
【００４１】
本発明における戻り光Ｌ３は、本実施形態のように光コネクタ２３において生じる反射光であってもよい。第１実施形態のように光コネクタ２３の応力印加部分において生じる反射光を戻り光Ｌ３とする場合、その反射光が微弱であると、変調部２０に含まれる光コネクタ等からの反射光に埋もれてしまい、検出が困難となることがある。そのような場合であっても、本実施形態のように、変調部２４に含まれる光コネクタ２３からの反射光を戻り光Ｌ３として用いることにより、応力発生位置を精度よく検出することができる。
【００４２】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る光ファイバセンサシステム１Ｅの構成を示す図である。本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ｅは、光源１１、第１計測部７０、及び第２計測部８０を含む装置本体２と、光サーキュレータ１６と、変調部６０とを備えている。また、光ファイバセンサシステム１Ａは、これらを互いに接続する光ファイバ９１〜９４を備えている。なお、光源１１の構成は、前述した第１実施形態と同様である。
【００４３】
光サーキュレータ１６は、入力ポートである第１ポート１６ａ、入出力ポートである第２ポート１６ｂ、及び出力ポートである第３ポート１６ｃを有する。第１ポート１６ａは、光ファイバ９１を介して光源１１と光学的に結合されており、光源１１から出力された測定光Ｌ１を受ける。第２ポート１６ｂは、第１ポート１６ａから入力された測定光Ｌ１を光ファイバ９２（第１光経路）に出力する。第３ポート１６ｃは、第２ポート１６ｂを介して光ファイバ９２から入力された戻り光Ｌ６を光ファイバ９３に出力する。なお、光ファイバ９３は本実施形態における第２光経路であり、変調部６０において生じる戻り光Ｌ６を光ファイバ９２から取り出すために設けられている。光ファイバ９３は、第２計測部８０に接続されており、第２計測部８０に戻り光Ｌ６を供給する。なお、戻り光Ｌ６については後に述べる。
【００４４】
変調部６０は、音響波（振動）等により光ファイバに加えられた応力によって測定光Ｌ１を変調させる。本実施形態の変調部６０は、中継用光ファイバ９５を介して互いに直列に接続された複数（図では２つを例示）のセンサヘッド６１を有する。そして、先頭のセンサヘッド６１は、光ファイバ９２を介して光サーキュレータ１６の第２ポート１６ｂと光学的に結合されている。光ファイバ９２は、変調部６０に測定光Ｌ１を供給する。
【００４５】
センサヘッド６１は、リング型の干渉光学系を構成している。具体的には、センサヘッド６１は、音響波（振動）等による応力を伝える芯材６１ａと、芯材６１ａに複数回コイル状に巻き付けられた光ファイバ６２と、光カプラ６３とを有する。光カプラ６３は、２入力２出力の光カプラである。光カプラ６３は、一対の入力ポートとしての第１ポート６３ａ及び第４ポート６３ｄと、一対の出力ポートとしての第２ポート６３ｂ及び第３ポート６３ｃとを有する。
【００４６】
初段に位置するセンサヘッド６１の第１ポート６３ａは、光ファイバ９２を介して光サーキュレータ１６の第２ポート１６ｂと接続されており、第２ポート１６ｂから測定光Ｌ１を受ける。また、２段目以降のセンサヘッド６１の第１ポート６３ａは、前段のセンサヘッド６１の第４ポート６３ｄから光ファイバ９５を介して測定光Ｌ１を受ける。各センサヘッド６１の光カプラ６３は、この測定光Ｌ１を分岐して、第２ポート６３ｂ及び第３ポート６３ｃから出力する。第２ポート６３ｂは光ファイバ６２の一端に接続され、第３ポート６３ｃは光ファイバ６２の他端に接続されている。光ファイバ６２は、芯材６１ａに巻かれた第１巻き付け部６２ａと、第１巻き付け部６２ａとは別の箇所で芯材６１ａに巻かれた第２巻き付け部６２ｂと、第１巻き付け部６２ａと第２巻き付け部６２ｂとの間に設けられるループ部６２ｃとを有する。
【００４７】
第１巻き付け部６２ａの長さ及び巻き数は、例えば、第２巻き付け部６２ｂの長さ及び巻き数と同一である。第１巻き付け部６２ａと第２巻き付け部６２ｂとは、互いに所定の間隔Ｈを有して巻かれている。また、芯材６１ａには、外部から振動等を受けることによって応力が加えられる。芯材６１ａにおける応力は、例えば音響波として伝搬する。芯材６１ａを通じて第１巻き付け部６２ａ及び第２巻き付け部６２ｂに応力が加えられると、これらの各々において測定光Ｌ１が変調される。
【００４８】
伝搬する応力の速度をｖｓとすると、応力が第１巻き付け部６２ａと第２巻き付け部６２ｂとの間を伝搬する時間ｔは、ｔ＝Ｈ／ｖｓとなる。従って、第１巻き付け部６２ａにおける応力により測定光Ｌ１が変調されるタイミングと、第２巻き付け部６２ｂにおける応力により測定光Ｌ１が変調されるタイミングとは僅かに異なる。すなわち、例えば第２巻き付け部６２ｂ側から応力が芯材６１ａに加えられた場合、第１巻き付け部６２ａには、第２巻き付け部６２ｂよりも時間ｔだけ遅れて応力が伝搬される。
【００４９】
光カプラ６３における分岐比をａ：１（ａは正の実数）とすると、ａの値は、１を除く実数であり、好ましくは１００以上である。すなわち、光カプラ６３における測定光Ｌ１の分岐比は１：１以外の分岐比であり、第２ポート６３ｂから出力される測定光Ｌ１の光強度と、第３ポート６３ｃから出力される測定光Ｌ１の光強度とは互いに異なっている。これにより、いわゆる透過型のリング型干渉光学系を好適に実現できる。例えば、第２ポート６３ｂから出力される測定光Ｌ１の光強度と、第３ポート６３ｃから出力される測定光Ｌ１の光強度との比を１００：１とすると、第３ポート６３ｃから出力される測定光Ｌ１に対し、第２ポート６３ｂから出力される測定光Ｌ１の光強度は１００倍となる。
【００５０】
第２ポート６３ｂから出力された測定光Ｌ１は、第１巻き付け部６２ａ、ループ部６２ｃ及び第２巻き付け部６２ｂをこの順で通って第３ポート６３ｃに達する。この測定光Ｌ１は、第４ポート６３ｄから光ファイバ９５へ出力される。また、最終段のセンサヘッド６１では、測定光Ｌ１は第４ポート６３ｄから光ファイバ９４を介して第１計測部７０へ出力される。
【００５１】
第１計測部７０は、変調部６０からの測定光Ｌ１を受け、変調部６０において応力が加えられたことを検出する。すなわち、応力が加わっていない通常の状態においては、第１ポート６３ａから入力された測定光Ｌ１のうち、第１ポート６３ａから出力される測定光Ｌ１の光量が小さくなり、第４ポート６３ｄから出力される測定光Ｌ１の光量が十分に大きくなる。そして、いずれかのセンサヘッド６１に応力が加わると、そのセンサヘッド６１において、第１巻き付け部６２ａ、第２巻き付け部６２ｂをそれぞれ伝搬する測定光Ｌ１の位相が変調される。その結果、第１ポート６３ａから出力される測定光Ｌ１と、第４ポート６３ｄから出力される測定光Ｌ１との強度比が変化する。このことを利用して、第１計測部７０は、第４ポート６３ｄから出力される測定光Ｌ１の通常時からの強度変化を測定することにより、変調部６０において応力が加えられたことを検出する。
【００５２】
また、第２計測部８０は、各センサヘッド６１の第１ポート６３ａから出力される測定光Ｌ１を、戻り光Ｌ６として、光ファイバ９３を介して受ける。いずれかのセンサヘッド６１に応力が加わると、戻り光Ｌ６の光強度が変化し、典型的には相加して、パルス状の戻り光Ｌ６が得られる。第２計測部８０は、このパルス状の戻り光Ｌ６をＯＴＤＲにより検出することによって、応力が印加されたセンサヘッド６１を特定する。
【００５３】
以上に説明した本実施形態の光ファイバセンサシステム１Ｅによれば、センサヘッド６１に加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる。また、上記各実施形態と異なり第１計測部及び第２計測部に干渉系を適用する必要がないので、干渉系のための光学部品（例えば図３に示された光ファイバ５３、５５及び５７、第１カプラ１２、第３カプラ１３）が不要となり、システム全体の部品点数を削減して低コスト化が可能となる。なお、本実施形態のように、変調部からの戻り光は、上記各実施形態のような反射光に限られるものではない。
【００５４】
（第２変形例）
図８は、第４実施形態の変形例に係る光ファイバセンサシステム１Ｆの構成を示す図である。本変形例の光ファイバセンサシステム１Ｆにおいて第４実施形態と異なる点は、各センサヘッドの構成である。すなわち、本変形例の各センサヘッド６４は、第１巻き付け部６２ａ及び第２巻き付け部６２ｂとループ部６２ｃとの間に接続された２入力２出力の光カプラ６６を更に有する。光カプラ６６は、一対の入力ポートとしての第１ポート６６ａ及び第２ポート６６ｂと、一対の出力ポートとしての第３ポート６６ｃ及び第４ポート６６ｄを有する。第１ポート６６ａは第１巻き付け部６２ａに接続され、第２ポート６６ｂは第２巻き付け部６２ｂに接続されている。第３ポート６６ｃ及び第４ポート６６ｄは、ループ部６２ｃの両端にそれぞれ接続されている。このような構成により、各センサヘッド６４はマッハツェンダ型干渉光学系を構成することができる。更に、本変形例では、光カプラ６３の分岐比と、光カプラ６６の分岐比とが共に例えば１：１とされる。これにより、いわゆる透過型のマッハツェンダ型干渉光学系を好適に実現することができる。
【００５５】
本変形例においても、センサヘッド６４に加えられた応力を計測するとともに、該応力がいずれの箇所において発生したかを特定することができる。また、第１計測部及び第２計測部に干渉系を適用する必要がないので、干渉系のための光学部品が不要となり、システム全体の部品点数を削減して低コスト化が可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１Ａ〜１Ｆ…光ファイバセンサシステム、２…装置本体、１１…光源、１１ａ…レーザ光源、１１ｂ…光周波数変調器、１２，１４…第１カプラ、１３…第３カプラ、１５，１６…光サーキュレータ、２０，２４，６０…変調部、２１，２５…センサヘッド、２２…光ファイバ、２３…光コネクタ、２８…中継用光ファイバ、３０，３３…第１計測部、３１，３４…第２カプラ、３２…平衡光検出器、３５…光検出器、４０，４３…第２計測部、４１…第４カプラ、４２…平衡光検出器、４５…光検出器、５０〜５７，５９…光ファイバ、５８…中継用光ファイバ、Ｌ１…測定光、Ｌ２…参照光、Ｌ３，Ｌ６…戻り光、Ｌ４…第１干渉光、Ｌ５…第２干渉光。
【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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