(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を入射して結合する分岐結合素子と、
前記分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射して電気信号に変換する受光素子とを備え、
前記受光素子から出力された電気信号をデジタル化された時間応答データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、
Ａ／Ｄ変換器からの時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段により算出されたパワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索するディップ点探索手段と、
前記ディップ点探索手段により探索されたディップ点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置において加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定手段とを備えたことを特徴とする光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置。
【請求項２】
前記加振点距離同定手段は、
前記ディップ点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に基づいて、前記加振点の距離を同定することを特徴とする請求項１記載の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置。
【請求項３】
前記ディップ点探索手段は、
前記パワースペクトルデータから高周波成分を除去するローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータに基づいて、パワースペクトルデータの平均値を算出する平均値算出手段と、
前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出手段により算出された平均値よりも小さく、最も小さくなるディップ点の周波数を探索することを特徴とする請求項１記載の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置。
【請求項４】
光源から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を入射して結合する分岐結合素子と、
前記分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射して電気信号に変換する受光素子と、
前記受光素子から出力された電気信号をデジタル化された時間応答データに変換するＡ／Ｄ変換手段とを備え、
Ａ／Ｄ変換器からの時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出するフーリエ変換ステップと、
前記フーリエ変換ステップにより算出されたパワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索するディップ点探索ステップと、
前記ディップ点探索ステップにより探索されたディップ点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置において加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定ステップとを有することを特徴とする光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定方法。
【請求項５】
前記加振点距離同定ステップは、
前記ディップ点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に基づいて、前記加振点の距離を同定することを特徴とする請求項４記載の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定方法。
【請求項６】
前記ディップ点探索ステップは、
前記パワースペクトルデータから高周波成分を除去するローパスフィルタステップと、
前記ローパスフィルタステップからの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータに基づいて、パワースペクトルデータの平均値を算出する平均値算出ステップとを有し、
前記ローパスフィルタステップからの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出ステップにより算出された平均値よりも小さく、最も小さくなるディップ点の周波数を探索することを特徴とする請求項４記載の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ループ状の光ファイバ中にその開放端それぞれから光を入射して光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、互いに反対側の開放端から出てくる伝搬光を干渉させてその干渉光の強度変化からこのループ状光ファイバの途中に振動が加わった場合でも、この加振点の位置を検知することができる光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置および振動位置推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバリング干渉計型振動検知センサとしては、図６に示すような構成のものが報告されている。
【０００３】
図６において、駆動回路１０で励起され、レーザダイオードからなる発光素子（レーザ光源）１から発光されたレーザ光は、分岐結合素子２によって分岐されてループ状の光ファイバ３の両端に入射され、このループ状の光ファイバ３を時計回り方向Ａ及び反時計回り方向Ｂに伝搬する。そして、方向Ａに伝搬した光信号（「Ａ波」と称する）及び方向Ｂに伝搬した光信号（「Ｂ波」と称する）は、ループ状の光ファイバ３のそれぞれの反対端に達した後に分岐結合素子２において結合され、フォトダイオードからなる受光素子５において干渉光として検出され、この受光素子５により光電変換され、光強度に応じた電気信号に変換され、さらに増幅器１１によって増幅されて出力される。
【０００４】
図６に示すように、この光ファイバ３の加振点Ｐで振動を印加すると、印加された振動により光ファイバ３の加振点Ｐは応力を受け、伝搬する光信号の光路長が変化する。
【０００５】
その結果、光ファイバ３を伝搬するＡ波およびＢ波のそれぞれの光信号の相対的な位相差と偏波面が変化する。これらの変化は光ファイバ３から分岐結合素子２を介して受光素子５の端点において合波される際に、干渉強度の変化として受信される。
【０００６】
このため、上述した光ファイバ干渉型信号検出技術を応用すれば、多数の光ファイバケーブルの中から目的の光ファイバケーブルを確実に識別することができる光ファイバケーブル対照技術に適応することができるという利点を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の光ファイバリング干渉計型振動検知センサによれば、光ファイバ３の加振点Ｐで振動を印加しておき、増幅器１１から出力される電気信号が干渉強度の変化を起こす場合、目的の光ファイバケーブルを識別できる。
【０００８】
しかしながら、従来の光ファイバリング干渉計型振動検知センサでは、干渉強度の変化を利用したとしても、例えば光ファイバ３上に落石などが生じて加振点Ｐに振動が印加された場合、加振点Ｐの位置を検知することは困難であった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、光ファイバ上の途中の位置に振動が印加された場合でも、この加振点の位置を検知することができる光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置および振動位置推定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、光源から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を入射して結合する分岐結合素子と、前記分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射して電気信号に変換する受光素子とを備え、前記受光素子から出力された電気信号をデジタル化された時間応答データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換器からの時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段により算出されたパワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索するディップ点探索手段と、前記ディップ点探索手段により探索されたディップ点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置において加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定手段とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記加振点距離同定手段は、前記ディップ点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に基づいて、前記加振点の距離を同定することを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ディップ点探索手段は、前記パワースペクトルデータから高周波成分を除去するローパスフィルタ手段と、前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータに基づいて、パワースペクトルデータの平均値を算出する平均値算出手段と、前記ローパスフィルタ手段からの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出手段により算出された平均値よりも小さく、最も小さくなるディップ点の周波数を探索することを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、光源から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を入射して結合する分岐結合素子と、前記分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射して電気信号に変換する受光素子と、前記受光素子から出力された電気信号をデジタル化された時間応答データに変換するＡ／Ｄ変換手段とを備え、Ａ／Ｄ変換器からの時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出するフーリエ変換ステップと、前記フーリエ変換ステップにより算出されたパワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索するディップ点探索ステップと、前記ディップ点探索ステップにより探索されたディップ点の周波数に基づいて、前記光ファイバの途中位置において加振された加振点の距離を同定する加振点距離同定ステップとを有することを要旨とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記加振点距離同定ステップは、前記ディップ点の周波数と前記光ファイバ中の光速度に基づいて、前記加振点の距離を同定することを要旨とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ディップ点探索ステップは、前記パワースペクトルデータから高周波成分を除去するローパスフィルタステップと、前記ローパスフィルタステップからの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータに基づいて、パワースペクトルデータの平均値を算出する平均値算出ステップとを有し、前記ローパスフィルタステップからの高周波成分を除去されたパワースペクトルデータのうち、前記平均値算出ステップにより算出された平均値よりも小さく、最も小さくなるディップ点の周波数を探索することを要旨とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（原理）
まず、図１に示す光ファイバリング干渉計型振動検知センサを参照して、加振点の位置を推定するための原理を説明する。
【００１８】
なお、本発明の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置２０には、図１に示すように、駆動回路１０、発光素子１、分岐結合素子２、光ファイバ３、受光素子５が順に接続されている増幅器１１が直接接続されている。
【００１９】
すなわち、駆動回路１０で励起され、レーザダイオードからなる発光素子（レーザ光源）１から発光されたレーザ光は、分岐結合素子２によって分岐されてループ状の光ファイバ３の両端に入射され、このループ状の光ファイバ３を時計回り方向Ａ及び反時計回り方向Ｂに伝搬され、そして、方向Ａに伝搬したＡ波及び方向Ｂに伝搬したＢ波は、ループ状の光ファイバ３のそれぞれの反対端に達した後に分岐結合素子２にて結合され、フォトダイオードからなる受光素子５において干渉光として検出され、この受光素子５により光電変換され、光強度に応じた電気信号に変換され、さらに増幅器１１によって増幅されて振動位置推定装置２０に出力される。なお、発光素子１は、上述したレーザダイオードに代わって、ＬＥＤやＳＬＤ（スーパールミネッセンダイオード）を使用してもよい。
【００２０】
ここで、図１に示す光ファイバ３のリング長をＬとし、光ファイバ３の中央位置をｚ＝０とし、中央位置から距離ｚoの位置に例えば落石による加振点Ｐがあるとする。
【００２１】
加振点Ｐに振動が印加された場合、印加された振動により光ファイバ３の加振点Ｐは応力を受け、伝搬する光信号の光路長が変化する。
【００２２】
その結果、光ファイバ３を伝搬する時計回り方向Ａを表すＡ波および反時計回り方向Ｂを表すＢ波のそれぞれの光信号の相対的な位相差と偏波面が変化する。これらの変化は、光ファイバ３から分岐結合素子２を介して受光素子５の端点において合波される際に、干渉強度の変化として受信される。
【００２３】
いま、ファイバリング中点に光が達する時刻を基準とした時間をτとし、ファイバ中の光速で規格化した振動位置をδとすると、受光素子５により受光される信号成分Ｐ(τ)には、θ(t) の位相変化が生じているので、
【数１】
Ｐ(τ)∝sin（θ(τ＋δ)−θ(τ−δ)）＝sin（2θδ）  …（１）
となる。
【００２４】
ただし、
【数２】
τ＝ｔ−L/２ｃ，δ＝ｚ0／ｃ     …（２）
であり、ｃは光ファイバ中の光速度である。
【００２５】
ここで、（１）式に示す右辺sin（2θδ）＝０になる条件は、（２）式から中点ｚ0 ＝０である。
【００２６】
また、時計回り方向Ａと反時計回り方向Ｂに進むＡ波とＢ波が受光素子５に到達するまでの到達時間差が振動の周期と一致する場合にも、（１）式に示す右辺sin（2θδ）＝０になる。
【００２７】
そこで、加振点Ｐに生じる振動の周波数成分をｆとすると、ｆ＝１／（２δ）となる周波数成分が受光素子５での応答に含まれず、ディップ点になることを表している。
【００２８】
図２は、光ファイバ３のリング長Ｌが２０ｋｍの場合に、加振点Ｐの距離ｚ0 を１０ｋｍ、３ｋｍ、１ｋｍに設定したときに、受光素子５に受光される信号成分Ｐ(τ)の強度と周波数を示している。
【００２９】
図２に示すように、例えば距離１０ｋｍの加振点Ｐに振動が発生した場合、約１０ｋＨｚの周波数ｆに対する信号成分Ｐがディップ点になる。従って、信号成分Ｐがディップ点になる不感周波数ｆを抽出することで、加振点Ｐの距離ｚ0 を特定することが可能となる。
【００３０】
（実施例）
図３は、本発明に係る光ファイバリング干渉計型振動検知センサの振動位置推定装置２０の構成を示す図である。
【００３１】
図３において、振動位置推定装置２０は、制御部２１、ＲＯＭ２３、ＲＡＭ２５、Ａ／Ｄ変換器２７、ディスプレイ２９から構成されている。
【００３２】
制御部２１は、ＲＯＭ２３に記憶されている制御プログラムに従って振動位置推定処理を実行する。ＲＯＭ２３は、振動位置推定処理の制御プログラムを記憶する。ＲＡＭ２５は、処理データを一時的に記憶するメモリであり、このメモリに代わってハードディスクなどの磁気記憶装置を用いてもよい。Ａ／Ｄ変換器２７は、増幅回路１１により増幅されたセンサ信号をアナログ／デジタル変換してセンサデータを出力する。ディスプレイ２９は、例えばＬＣＤ（液晶表示装置）からなり、制御部２１により生成された表示データを表示画面に表示する。
【００３３】
図４に示すフローチャート、図５に示す波形を参照して、振動位置推定装置２０の動作を説明する。なお、図５（ａ）は、光ファイバ３に振動が発生したときの時間応答データの波形を示しており、図５（ｂ）は、この波形をフーリエ変換したものを示している。
【００３４】
上述したように、駆動回路１０で励起され、レーザダイオードからなる発光素子１から発光されたレーザ光は、分岐結合素子２によって分岐されてループ状の光ファイバ３の両端に入射され、このループ状の光ファイバ３を時計回り方向Ａ及び反時計回り方向Ｂに伝搬され、そして、方向Ａに伝搬したＡ波及び方向Ｂに伝搬したＢ波は、ループ状の光ファイバ３のそれぞれの反対端に達した後に分岐結合素子２にて結合され、フォトダイオードからなる受光素子５において干渉光として検出され、この受光素子５により光電変換され、光強度に応じた電気信号に変換され、さらに増幅器１１によって増幅されて振動位置推定装置２０に出力される。
【００３５】
振動位置推定装置２０において、ステップＳ１０では、制御部２１は測定条件として、Ａ／Ｄ変換器２７のサンプリング周波数を例えば１ＭＨｚ、測定ポイント数を例えば２００ｋ個としてＲＡＭ２５上のメモリエリアを確保する。
【００３６】
次いで、ステップＳ２０では、制御部２１は、Ａ／Ｄ変換器２７からセンサデータを受け取ってＲＡＭ２５上に記憶し、時間応答データを測定する。この結果、ＲＡＭ２５上には、図５（ａ）に示すように光ファイバ３の加振点Ｐに振動が加えられたときのセンサデータが時間応答データとして記憶される。
【００３７】
次いで、ステップＳ３０では、制御部２１は、ＲＡＭ２５上に記憶されているセンサデータの時間応答データに対して、例えば５０ｍｓｅｃの時間幅をそれぞれ有するｎ個のウインドウに区切る。そして、ステップＳ３５では、制御部２１の回数カウント値ｋをｋ＝１に設定する。
【００３８】
ステップＳ４０では、制御部２１は、区切られたｋ番目の区間の時間応答データに対して、周知のＦＦＴ演算アルゴリズムによりフーリエ変換してパワースペクトルデータを求め、ＲＡＭ２５上に記憶する。この結果、図５（ｂ）に示すように、ｋ番目の区間に対するパワースペクトルデータが求められる。
【００３９】
次いで、ステップＳ５０では、制御部２１は、ＲＡＭ２５上に記憶されているパワースペクトルデータに対して、低い周波数から高い周波数に向かって近隣５点のデータの移動平均データを求めてサンプリングノイズなどの高周波成分を除去し、ノイズ除去後のパワースペクトルデータとしてＲＡＭ２５上に記憶する。
【００４０】
次いで、ステップＳ６０では、ノイズ除去後のパワースペクトルデータＰ（ｆ）の全データを加算してから全データ数で割ってパワースペクトルデータの平均値Ｐａを求めておく。そして、制御部２１は、Ｐ（ｆ）＜Ｐａとなり、かつ、Ｐ（ｆ）が最も小さくなるディップ点の周波数ｆ´を探索する。
【００４１】
次いで、ステップＳ７０では、ステップＳ６０で求められたディップ点の周波数ｆ´に基づいて、加振点Ｐの距離ｚ0 を同定する。すなわち、上述した（２）式を変形すると、
【数３】
ｚ0＝δｃ ＝｛１／（２ｆ´）｝ｃ            …（３）
（ｃ：光ファイバ中の光速度（約２０万ｋｍ／ｓｅｃ））
となるので、（３）式にディップ点の周波数ｆ´を代入して加振点Ｐの距離ｚ0 を算出し、カウント値ｋに対応する距離ｚ0 としてＲＡＭ２５に記憶する。
【００４２】
例えば、図５（ｂ）に示すディップ点の周波数ｆ´（ｆ´＝１３．９ｋＨｚ）がステップＳ６０での処理において探索された場合、この不感周波数に対応する加振点Ｐまでの距離ｚ0 は、光ファイバ３の中点から約７ｋｍであることを推定することができる。
【００４３】
次いで、ステップＳ８０では、カウント値ｋがｎに到達してｎ番目の区間の時間応答データに対する処理が終了したかどうかを判断する。ここで、ｎ番目の区間までの処理が終了していない場合には、ステップＳ９０に進み、カウント値ｋに１を加えてカウント値ｋを更新し、ステップＳ４０に戻る。
【００４４】
一方、ｎ番目の区間までの処理が終了した場合には、ステップＳ１００に進み、制御部２１は、ＲＡＭ２５に記憶されている１〜ｎ番目の区間にそれぞれ対応する距離ｚ0 を読み出し、区間の番号と距離ｚ0 を対応させた表示データを生成し、ディスプレイ２９の表示画面に表示する。
【００４５】
なお、ステップＳ５０に示す平均化処理（フィルタリング）、平均化回数や分割数などのデータ処理方法等については一例を示したものであり、他の処理方法を用いて同様の結果を求めるように構成してもよい。
【００４６】
このように、発光素子１から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイバ３の両端に出射し、この光ファイバ３中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を分岐結合素子２に入射して結合しておき、分岐結合素子２によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射して受光素子５により電気信号に変換しておく。ここで、受光素子５から出力された電気信号をＡ／Ｄ変換器２７によりデジタル化された時間応答データに変換し、Ａ／Ｄ変換器２７からの時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出し、パワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索し、このディップ点の周波数に基づいて、光ファイバ３の途中位置において加振された加振点の距離を同定するので、光ファイバ上の途中の位置に振動が印加された場合でも、この加振点の位置を検知することができる。
【００４７】
また、ディップ点の周波数と光ファイバ３中の光速度に基づいて、加振点の距離を同定するので、この加振点の位置を検知することができる。
【００４８】
さらに、パワースペクトルデータから高周波成分を除去し、高周波成分を除去されたパワースペクトルデータに基づいて、パワースペクトルデータの平均値を算出しておき、高周波成分を除去されたパワースペクトルデータのうち、算出しておいた平均値よりも小さく、最も小さくなるディップ点の周波数を探索するので、確実にディップ点の周波数を探索することができる。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、発光素子から出射された光信号を分岐してループ状の光ファイバの両端に出射し、この光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬されたそれぞれの伝搬光を分岐結合素子に入射して結合しておき、分岐結合素子によって結合されたそれぞれの伝搬光を入射して受光素子により電気信号に変換しておく。ここで、受光素子から出力された電気信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタル化された時間応答データに変換し、Ａ／Ｄ変換器からの時間応答データをフーリエ変換してパワースペクトルデータを算出し、パワースペクトルデータに含まれるディップ点の周波数を探索し、このディップ点の周波数に基づいて、光ファイバの途中位置において加振された加振点の距離を同定するので、光ファイバ上の途中の位置に振動が印加された場合でも、この加振点の位置を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバリング干渉計型振動検知センサにおける振動位置推定装置を示すシステム図である。
【図２】受光素子に受光される信号成分の強度と周波数の関係を示している。
【図３】本発明に係る光ファイバリング干渉計型振動検知センサの振動位置推定装置２０の構成を示す図である。
【図４】振動位置推定装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】光ファイバ上の途中の位置に振動が印加された場合に、受光素子に受光される時間応答波形を示す図（ａ）と、時間応答波形をフーリエ変換して得られたパワースペクトルデータ（ｂ）である。
【図６】従来の光ファイバリング干渉計型振動検知センサを示すシステム図である。
【符号の説明】
１  発光素子
２  分岐結合素子
３  光ファイバ
５  受光素子
１１  増幅器
１０  駆動回路
２０  振動位置推定装置
２１  制御部
２３  ＲＯＭ
２５  ＲＡＭ
２７  Ａ／Ｄ変換器
２９  ディスプレイ
【図１】
0004058609.tif 000002
【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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