(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、光ファイバの折り返し施工時に、折返し部に対しセンサ部のテンションを相対的に強く設定するか又はセンサ部のみにプリテンションを付与すると共に、折返し部の長さの割合よりセンサ部の長さの割合を十分大きくした条件下で、折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルが周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっているブリルアンスペクトルを測定することを特徴とする光ファイバ変位計測装置。
【請求項２】
連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、測定したブリルアンスペクトルの折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルの中、折返し部のブリルアンスペクトルを差し引くためのテンプレートを有することを特徴とする光ファイバ変位計測装置。
【請求項３】
前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部とセンサ部とに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ変位計測装置。
【請求項４】
前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め折返し部のプリテンションよりセンサ部のプリテンションを強く設定して、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル、鉄鋼、コンクリート構築物等の歪（ひび割れ等）を計測するのに好適な光ファイバ変位計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバの散乱光を分析することにより、光ファイバにかかる歪量を計測する歪分布測定器（ＢＯＴＤＲ：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer ）が開発されている。この歪分布測定器（ＢＯＴＤＲ）では、光ファイバの片端からパルス光を入射し、該光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光及びレーリー散乱光の後方散乱光をコヒーレント検波方法により高感度に検出する。このとき、散乱光の光波と光ファイバ中の音波との相互作用により入射したパルス光の光周波数に対して上方及び下方にシフトしたブリルアン散乱光が検出されることを利用し、ブリルアン散乱光のブリルアンスペクトルから光ファイバの歪分布を測定する。
【０００３】
図８は、前記歪分布測定器（ＢＯＴＤＲ）の基本構成を示す図である。光源１から発光した光周波数ｆのＣＷ光は、光周波数シフタ２によりΔｆの周波数シフトを受け、光周波数ｆ＋Δｆのパルス光として被測定光ファイバ３の片端から入射される。すると、パルス光の入射により光ファイバ３内で散乱光が発生する。この散乱光のうち、後方散乱光が光周波数ｆのＣＷ光（ローカル光）と合波され、信号処理装置４へ入射される。
【０００４】
ブリルアン散乱光の周波数は、入射パルス光に対してブリルアン周波数シフトｆＢだけシフトするため、光周波数シフタ２の周波数シフト量ΔｆをｆＢにすることにより、後方散乱光に含まれるブリルアン後方散乱光のみを検出することができる。
【０００５】
光周波数シフタ２の周波数シフト量を変化させながら繰り返し測定を行うことにより、光ファイバ３の長手方向の各位置におけるブリルアンスペクトル、すなわちブリルアン周波数シフトνＢの分布を測定することができる。ブリルアン周波数シフトｆＢは、光ファイバに生じた歪に比例して変化する。その関係を次式（１）に示す。
【０００６】
ｆ（ε）＝ｆＢ（０）×（１＋Ｋ×ε）・・・・・・・・・（１）
ｆ（ε）；実測のブリルアンスペクトルの最大レベルの周波数
ｆＢ（０）；光ファイバの固有ブリルアン周波数シフト
（ゼロ歪の周波数）
Ｋ；歪係数          ε；歪量（％）
【０００７】
そして、前記歪分布測定器（ＢＯＴＤＲ）の距離分解能は、性能上現時点では約１ｍである。そこで、本発明者等は、この１ｍより短距離区間に発生する歪を計測したい場合は、図７に示すように、光ファイバ３の可撓性により、計測対象物の歪発生区間に折り返しで配置（施工）することで、疑似的に１ｍ以下の距離分解能で計測することができ、歪検知感度を数倍に上げられることを実験等で確認すると共に、特開平１０−３５７６７７号等で提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７のような折り返し施工にあっては、通常折返し部３ａが不感帯（歪がかからない区間）となることから、感度が低下する場合が生じる。
【０００９】
例えば、前記折り返し施工において距離分解能を上げるために、光ファイバ３を多数回折り返してセンサ部３ｂ（歪がかかる直線部）の長さをどんどん短くすると、歪がかかる区間の割合と歪がかからない区間の割合がだんだん近くなり、歪の進行時におけるブリルアンスペクトルは、例えば図８のようになり、折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）とセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）との高さが略同じになる。
【００１０】
この場合、計測器の原理からすると、前記二つの波形をトータルしたものから歪を算出する。即ち、前記トータルした二つの波形の近似曲線を求めてその最大値を中心周波数f1とすることになる。因みに、波形の頂点（ピーク）を出す計算方法として、単純にデジタル値の一番大きい値から中心周波数を出すのは、精度が低い。
【００１１】
そして、前記求めた中心周波数f1とシフト前の基準周波数f0とで変化量ΔＦが計測され、これに基づいて歪の進行状況が検知されることになる。この結果、前記基準周波数f0と実際にシフトしたセンサ部３ｂの中心周波数f2とで得られる実際の変化量ΔＦとは異なったものとなり、実際の歪の進行状況とは異なった進行状況が検知されるのである。
【００１２】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、その目的は、光ファイバの折り返し施工を採用した光ファイバ変位計測装置の感度（精度）向上を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の光ファイバ変位計測装置は、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、光ファイバの折り返し施工時に、折返し部に対しセンサ部のテンションを相対的に強く設定するか又はセンサ部のみにプリテンションを付与すると共に、折返し部の長さの割合よりセンサ部の長さの割合を十分大きくした条件下で、折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルが周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっているブリルアンスペクトルを測定することを特徴とする。
【００１４】
また、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、測定したブリルアンスペクトルの折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルの中、折返し部のブリルアンスペクトルを差し引くためのテンプレートを有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部とセンサ部とに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする。
【００１７】
また、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め折返し部のプリテンションよりセンサ部のプリテンションを強く設定して、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバ変位計測装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
［第１実施例］
図１は本発明の第１実施例を示す、光ファイバ変位計測装置の概略構成図、図２は同じく信号処理手順の説明図である。
【００２０】
図１において、従来例を示す図６と異なるのは、計測対象物であるトンネル内壁等のひび割れ部Ｗに一本の光ファイバ３が複数回（図示例では４回）折り返して配置（施工）される点である。そして、ひび割れ部Ｗをまたぐ５本のセンサ部（歪がかかる直線部）３ｂの両端部は適宜の手段で固定される。従って、４箇所の折返し部３ａは歪がかからない不感帯となる。その他の構成は、信号処理装置４における後述する信号処理を除いて、図６と同様なので、図６と同一部材・部位には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００２１】
そして、本実施例では、前記信号処理装置４において、測定されたブリルアンスペクトルの折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）とセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）の中、折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）を無視し、センサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）のみからその中心周波数を出してこれを変化量ΔＦの基準とするようになっている。
【００２２】
具体的には、図２に示すように、折返し部３ａに基づくブリルアンスペクトル（波形）とセンサ部３ｂに基づくブリルアンスペクトル（波形）が周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっている。そのためには、光ファイバ３の折り返し施工時に、予め折返し部３ａのプリテンションよりセンサ部３ｂのプリテンションを強く設定すると共に、折返し部３ａの長さの割合よりセンサ部３ｂの長さの割合を十分大きくしている。
【００２３】
このように構成されるため、計測器の処理特性として、図２の（ａ）のようなブリルアンスペクトルが得られた場合、頂点が高いセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）の頂点から例えば−３dBのところで線を引き（閾値を設定し）、当該閾値以上のデータに基づき中心周波数を出すことになり、この際に、頂点が前記−３dBの線より低い折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）は無視されることになる。
【００２４】
これにより、以後シフト（変形）するのは、図２の（ｂ）に示すように、センサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）だけであり、前記求めた中心周波数を基準周波数f0としシフトしたセンサ部３ｂの中心周波数f1とで得られる変化量ΔＦを計測することで、ひび割れ部Ｗにおける歪の進行状況が感度（精度）良く検知されることになる。
【００２５】
［第２実施例］
図３は本発明の第２実施例を示す、信号処理手順の説明図で、図４は同じく異なった信号処理手順の説明図である。
【００２６】
この実施例は、前記信号処理装置４において、測定されたブリルアンスペクトルの折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）とセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）の中、折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）を無視する手段として、予め用意したテンプレートで折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）を差し引くようにした例である。
【００２７】
具体的には、図３に示すように、先ず、光ファイバ３の折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部３ａとセンサ部３ｂとに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトル（折返し部３ａとセンサ部３ｂとの合成信号の）から折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）に対応した分だけのテンプレート（差し引き基準信号）５を作る。例えば、長さの比が１：１であれば、前記合成信号に１／２を乗じれば、前記差し引き基準信号が得られる（図３の（ａ）〜（ｂ）の手順参照）。
【００２８】
次に、歪が進行し、その時に測定されたブリルアンスペクトルから前記テンプレート５で引き算をすれば、シフトしたセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）だけが残り、その中心周波数f1が得られる（図３の（ｃ）〜（ｄ）の手順参照）。
【００２９】
この後、シフト前のセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）の中心周波数を基準周波数f0とし、これとシフトしたセンサ部３ｂの中心周波数f1とで得られる変化量ΔＦを計測することで、ひび割れ部Ｗにおける歪の進行状況が感度（精度）良く検知される。
【００３０】
尚、前記センサ部３ｂに折返し部３ａより多少大きめにテンションがかかり、センサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）が多少ずれていても、上述したのと同様の信号処理をすれば、十分実用的な精度が得られる。
【００３１】
図４の信号処理手順は、先ず、光ファイバ３の折り返し施工時に、第１実施例と同様に、予め折返し部３ａのプリテンションよりセンサ部３ｂのプリテンションを強く設定して、これから測定されるブリルアンスペクトルにおいて折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）とセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）を完全に分離させる。
【００３２】
次に、前記ブリルアンスペクトルから折返し部３ａのブリルアンスペクトル（波形）に対応した分だけのテンプレート（差し引き基準信号）５を作る（図３の（ａ）〜（ｂ）の手順参照）。
【００３３】
次に、歪が進行し、その時に測定されたブリルアンスペクトルから前記テンプレート５で引き算をすれば、シフト前後のセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）だけが残る（図３の（ｃ）〜（ｄ）の手順参照）。
【００３４】
この後、シフト前のセンサ部３ｂのブリルアンスペクトル（波形）の中心周波数を基準周波数f0とし、これとシフトしたセンサ部３ｂの中心周波数f1とで得られる変化量ΔＦを計測することで、ひび割れ部Ｗにおける歪の進行状況が感度（精度）良く検知される。
【００３５】
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、第１の実施例で折返し部のテンションはゼロとしてセンサ部のみにプリテンションを付与するようにしても良い。また、上記各実施例では、光ファイバの折返し施工において、計測対象物の複数箇所で折り返す場合に本発明を適用した例を説明したが、図５に示すように、一箇所にまとめて折り返す場合に本発明を適用しても良い。この場合には、センサ部の占有面積を大幅に削減できる利点がある。更に、本発明は、ひび割れ測定に限らず、変位計としても適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１に係る光ファイバ変位計測装置は、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、光ファイバの折り返し施工時に、折返し部に対しセンサ部のテンションを相対的に強く設定するか又はセンサ部のみにプリテンションを付与すると共に、折返し部の長さの割合よりセンサ部の長さの割合を十分大きくした条件下で、折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルが周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっているブリルアンスペクトルを測定するので、測定されたブリルアンスペクトルから変形分（センサ部）だけの信号を効果的に取り出せるので、感度（精度）が向上し、光ファイバの折返し施工を採用した変位計測装置の距離分解能向上効果を十分に発揮できるという効果が得られる。
【００３８】
本発明の請求項２に係る光ファイバ変位計測装置は、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、測定したブリルアンスペクトルの折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルの中、折返し部のブリルアンスペクトルを差し引くためのテンプレートを有するので、請求項１と同様の作用・効果が得られる。
【００３９】
本発明の請求項３に係る光ファイバ変位計測装置は、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部とセンサ部とに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とするので、折返し部のブリルアンスペクトルを容易に無視することができ、請求項１と同様の作用・効果が得られる。
【００４０】
本発明の請求項４に係る光ファイバ変位計測装置は、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め折返し部のプリテンションよりセンサ部のプリテンションを強く設定して、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とするので、折返し部のブリルアンスペクトルを容易に無視することができ、請求項１と同様の作用・効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す、光ファイバ変位計測装置の概略構成図である。
【図２】同じく信号処理手順の説明図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す、信号処理手順の説明図である。
【図４】同じく異なった信号処理手順の説明図である。
【図５】光ファイバの折返し施工の異なった例を示す説明図である。
【図６】歪分布測定器（ＢＯＴＤＲ）の概略構成図である。
【図７】光ファイバの折返し施工の一例を示す説明図である。
【図８】光ファイバの折返し施工で測定されるブリルアンスペクトルの不具合を示す説明図である。
【符号の説明】
１  光源
２  光周波数シフタ
３  光ファイバ
３ａ  折返し部
３ｂ  センサ部
４  信号処理装置
５  テンプレート
Ｗ  ひび割れ部
【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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