干渉型光ファイバーセンサー技術を用いた海洋モニタリングの構想検討
中島康行

小畑秀則

光ファイバーセンサーとは、センサー部が光通信で使用（ケーブルの電気抵抗によるが一般に数百m程度）、船舶される光ファイバー及び光学部品で構成され、周囲から加などで計測海域内を航行し電気式の水中音響センサーをわる圧力や歪みにより光ファイバーが伸縮する機構を備え一時的に計測海域へ投入・揚収して行われる。一方、干渉て、センサー部を伝搬する光信号の物理量変化を検出する型光ファイバーセンサーは陸上から計測海域まで多点計センサーである。光ファイバーセンサーは、（1）センサー部測・長距離伝送が可能なため（数十k m以上）、一度、海底への電源供給が不要で電気的雑音の影響を受けにくい、に設置すると、広範囲の海洋生物音を常時、高精度に計測（ 2 ）センサー 周 囲に電 子 回 路が 不 要で信 頼 性が 高い、可能となり、従来よりも大量のデータを、安定して継続的に（3）細径、軽量かつ低損失で多芯化が容易な光ファイバー収集可能である。従って、干渉型光ファイバーセンサーをによる長距離伝送が可能などの特長がある。主な光ファイ海洋生物モニタリングに用いることは非常に有効と言える。

バーセンサーとしては、変化する光信号の物理量により、強度検出型センサー、波長検出型センサー及び干渉型干渉型光ファイバーセンサー（位相検出型）センサーの三つに大別される。
1）

当社では干渉型光ファイバーセンサーの開発 を続け、干渉型光ファイバーセンサーの概要イメージを図1に、既に水中音響センサーや水位センサーなどを商品化して動作原理を図2に示す。光カプラで分岐した片方のファイいる。干渉型光ファイバーセンサーの特長は、より微弱なバーにセンシング機構を備えた光ファイバーコイルがあり、信号を高精度に検出可能で、より多くのセンサーを多重化

音響信号により動的な圧力変化を受けると、光ファイバー可能であり、伝送路の擾乱（じょうらん）による強度変動のコイルが膨張・収縮して光ファイバーの長さが変化する。

影響を受けにくいなどが挙げられる。

光ファイバーの長さが変化すると干渉信号に位相変調が本稿では、当社で水中音響センサーとして開発した干渉発生し、これを位相復調すると図2に示すような干渉型光型光ファイバーセンサーを、海洋生物モニタリングへ応用ファイバーセンサーで受信した音響信号が抽出されるのすることを構想検討した結果を説明する。

で、微弱な信号を高精度に検出可能である。
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海洋生物モニタリング
従来から水質分析などを中心とした海洋環境モニタリン
グが続けられていたが、SDGsに関連して、海洋生物音のග䜹䝥䝷䐡ᖸ΅ಙྕ䐢᚟ㄪฟຊ఩┦᚟ㄪฎ⌮ᖸ΅ᆺග䝣䜯䜲䝞䞊䝉䞁䝃䞊

計測が活発化している2）（以降は、海洋生物モニタリングと呼ぶ）。
海洋での騒音が海の生態系を乱す問題が懸念され、エアガン（海底資源探査に使う音源装置）や大型商船（原油図1䐟 㡢㡪ಙྕ䐡 ᖸ΅ಙྕ䐢 ᚟ㄪฟຊኚᙧ䛺䛧఩┦ኚ໬䛺䛧ฟຊಙྕ䛺䛧ධຊಙྕ䠖ᑠᚤᙅ䛺ಙྕ䜢ᑠ䛥䛟ኚᙧ㻔⭾ᙇ䞉཰⦰㻕 ఩┦ኚ໬䛿⦆䜔䛛 㧗⢭ᗘ䛻᳨ฟྍ⬟

生物を死に至らしめたりする原因になる。これらの騒音による生態系への悪影響を回避するために、海洋生物モニタ䐠 ග䝣䜯䜲䝞䞊䝁䜲䝹ධຊಙྕ䛺䛧

タンカーなど）が発する大きな騒音が、クジラなどの大型生物の活動に影響を与えたり、プランクトンなどの小さな干渉型光ファイバーセンサーの概要図ධຊಙྕ䠖኱

リングシステムの開発が期待されている。
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一般的な海洋生物モニタリングのデータ計測方法は、電気式センサーの伝送距離や電源供給に制約があるため

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図2఩┦ኚ໬䛿ᛴᓧ

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干渉型光ファイバーセンサーの動作原理

本章では、電気式センサーと比較して多点計測・長距離（3）高分解能伝送が可能であること（多重伝送）、他方式の光ファイバー干渉型光ファイバーセンサーで検出される光の位相はセンサーと比較して微小な信号まで高精度に検出可能で式(1)で与えられる。このとき、φ[rad]は干渉信号位相、nはあること（高分解能）を説明する。

光ファイバーの屈折率（約1.47）、L[m]は光ファイバーコイ
ル に 巻 か れる 光ファイバ ー 長 、λ は 光 信 号 の 波 長（ 約1.55×10-6[m]）である。

（1）多重伝送光ファイバーセンサーは多数の信号を多重化して多点計測可能であることが特長である。干渉型光ファイバーセンサーの多重化方式を図3に示す。時分割多重（TDM）は異なるセンサー信号をパルス波形で異なる時間に割り当てて同一の光ファイバー上に伝送する方式であり、図3では

このとき、復調器の最小位相検出レベルはΔφ＝-100dB

光カプラと遅延ファイバーを用いて復調器にパルスが到達

ref 1rad/√Hz 以下の実績があり、この最小位相検出レベルする時間を分離することで、二つのセンサーを多重化してに対応する光ファイバーの長さ変化の分解能（ΔL）は式いる。波長分割多重（WDM）は異なるセンサー信号を異な(2)となる。

る波長の光に割り当てて同一の光ファイバー上に伝送する方式であり、図3では波長分割多重器を用いて多重化している。空間分割多重（SDM）は異なるセンサー信号を異なる光ファイバーで伝送する方式であり、図3では2本の伝送ファイバーを用いて多重化している。
各方式により多重化数する際の分岐損失が異なるため、多重化数を増やすには、これらの3方式の多重化を効率的に組み合わせた構成を設計する。

これは微小粒子状物質（PM2.5）の大きさ（直径2.5μm）の1万分の1以下であり、極めて小さい光ファイバーの長さ変化を検出可能であることが分かる。光ファイバーセンサーの受波感度は-140dB ref 1rad/μPa以上の実績があるため、

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で検出可能である。

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音圧換算での最小検出レベルは40dB ref 1μPa/√Hz以下であり、これは2kHzでの海況0に相当し、非常に小さい音ま㐜ᘏ䢈䡣䡮䢆䢚䡬ග䡺䢙䡷㻙㻞

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海底設置型光ファイバーセンサーアレイ
複数の干渉型光ファイバーセンサー（本節では、センサ―と呼ぶ）を海底に設置することにより、海洋生物音を広範Ἴ㛗囲にモニタリングするシステムが構築可能である。本シス
6'0ග䡲䢈䢛䢓ග※

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テムを海底設置型光ファイバーセンサーアレイと呼ぶ。本節では、システムの検討条件、基本的なセンサーの配置方法及び海底設置型光ファイバーセンサーアレイの検討結

図3

多重化方式の形態

光ファイバー中を伝送する波長1.55μmの光信号のパワー果を説明する。
（1）検討条件

は1kmあたり約5%しか減衰しないが（伝送損失：0.2dB/km）、今回、海洋生物モニタリングシステムを構想検討する際100kmまでの長距離を伝送すると損失が積み重なり99%減に仮定した検討条件を表1に示す。備考欄には論文 3）など衰する。この伝送損失と多重化による分岐損失により多点を参考にした想定を記載した。実際の要求条件が提示さ計測・長距離伝送が可能な範囲が決まるが、数十k m以上れれば今回の想定条件から置き換えることにより具体的の範囲にわたり複数のセンサーを多重伝送可能であり一なシステム規模を試算可能である。

般的な電気式センサーより優れる。

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表1␒ྕ

海洋生物モニタリングの検討条件㡯┠ෆᐜഛ⪃㼍㻕䜿䞊䝤䝹㛗᭱኱㻟㻣㻜㼗㼙㝣ୖ䛛䜙බᾏ䜎䛷䛾⠊ᅖ䜢᝿ᐃ㼎㻕᭱኱῝ᗘ㻞㻜㻜㼙኱㝣Ჴ➼䛾ὸᾏᇦ䜢᝿ᐃ䞉ᾏὒ⏕≀䜔ၟ⯪➼䜢᝿ᐃ䞉䝄䝖䜴䜽䝆䝷䠖㻝㻡㻝䡚㻝㻣㻟㼐㻮㻌㼞㼑㼒㻌㻝䃛㻼㼍䠄㻝㻜㻜䡚㻤㻜㻜㻴㼦䠅䞉኱ᆺၟ⯪䠖㻝㻡㻣㼐㻮㻌㼞㼑㼒㻌㻝䃛㻼㼍䠄㻡㻠㻴㼦䚸㻝㻡㼗㼠䠅㼏㻕ಙྕ࿘Ἴᩘ㻝㻜㻴㼦䡚㻡㼗㻴㼦㼐㻕ಙྕ㡢ᅽ䝺䝧䝹㻿㻸㻩㻝㻡㻜㼐㻮㻌㻾㻹㻿㼑㻕㞧㡢㡢ᅽ䝺䝧䝹㻺㻸㻩㻢㻞㼐㻮㻌㼞㼑㼒㻌㻝䃛㻼㼍㻛䌮㻴㼦㻔㻝㼗㻴㼦௨ୗ䠅ᾏἣ䠄䝅䞊䝇䝔䞊䝖䠅䠎┦ᙜ㼒㻕᳨ฟ᪉ἲ䜿䞊䝤䝹ᩜタ⠊ᅖ䛷఩䛜ྍ⬟䛺㛫㝸䛻䝉䞁䝃䞊䜢タ⨨ᡤせ㻿㻺㻾䠖㻝㻜㼐㻮௨ୖ䠄⏕≀㡢䛾㆑ู䛜ྍ⬟䛺䝺䝧䝹䛸䛧䛶᝿ᐃ䠅஧䛴䛾䝉䞁䝃䞊䛷᳨ฟྍ⬟䛺⠊ᅖ䛿ಙྕ㡢䛾఩⨨䛜ศ䛛䜛䝉䞁䝃䞊䐟㛫㝸䠔䡇䡉䝉䞁䝃䞊䐠ཷἼ⣲Ꮚྛ䝉䞁䝃䇷䛾᳨ฟ⠊ᅖ䠄䝉䞁䝃䞊䛛䜙㻤㼗㼙䛾⌫≧䛾㡿ᇦ䠅

図4センサーの基本配置

以上のようにセンサーが基本配置されたセンサーアレ（2）センサーの基本配置

イの概要イメージを図5に示す。

信号音を検出するには、信号音が周囲環境雑音に埋も䝉䞁䝃䞊㛫㝸䠖⣙㻤㼗㼙

れないようにセンサーを配置する必要がある。即ち、表1の信号音圧レベルが各センサー位置で周囲環境雑音に埋も䜿䞊䝤䝹䝉䞁䝃䞊れない距離間隔でセンサーを配置すると、この間隔で配置されたセンサーアレイがカバーする範囲の信号音を漏れ඘ሸἜ

なく検出可能である。この基本的な考え方に、表1の検討ගᏛ㒊ရ཰⣡ᐜჾ䝩䞊䝇条件を適用すると式(3)となる。このとき、TL[dB]は伝搬損
失、SL[dB]は信号音圧レベル、NL[dB]は周囲環境雑音レベཷἼ⣲Ꮚル、SNR[dB]は信号対雑音比である。

図5

センサーアレイの概要図（3）検討結果
海洋設置型光ファイバーセンサーアレイの検討結果を示す。表1のとおり、設置範囲（伝送距離）が最大370kmまでの範囲で3パターンを検討した。
一般的に、点音源からの伝搬は球面拡散による伝搬損

最初に、パターン①として、光源復調器を1箇所に設置し失を生じるため、伝 搬 損 失 78d B以 下に収まる伝 搬 距 離て、多重伝送可能な距離までセンサーを設置する基本構（R）は式(4)となる成を検討した。この場合、光源から出た光を往路の光ファイバーに入力し、各々のセンサーを伝搬した信号光が復路の光ファイバーを経て復調器へと戻る。
検討の結果、伝送距離は約56kmであった（図6）。センサー数は合計7個、アレイ検出範囲は図6に示す七つの円（検出範囲：半径8km）を繋いだ約56km×16kmである。

また、二つのセンサーから信号音の位置を特定するため、各センサーには複数個の水中音響センサー（本節では受㻣䝉䞁䝃䇷䛾䜰䝺䜲᳨ฟ⠊ᅖ䠖⣙㻡㻢㼗㼙䠄ᶓ䠅㽢㻝㻢㼗㼙䠄⦪䠅㻔ᾏ୰㻕㻣䝉䞁䝃䞊㽢㻤㼗㼙㛫㝸䠙㻡㻢㼗㼙༙ᚄ㻤㼗㼙㽢㻞䠙㻝㻢㼗㼙

波素子と呼ぶ）を配置し、信号音を受信した時間差から、おおよその到来方位を推定する。ここでは、受波素子は最小限の2個とした。受波素子の間隔は、信号周波数の半波長程度の数メートルが適切である。

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このとき、二つの受波素子からなるセンサーが8km間隔で配置され、これをセンサーの基本配置とし、各センサーは式(4)より半径8kmの球状の領域（図4では点線の円弧の範囲内）で発生した150dB以上の信号音を検出可能であり、二つのセンサーで検出することにより信号音のおおよその位置を推定する（図4）。

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図6ྛ䝉䞁䝃䞊䛾᳨ฟ⠊ᅖ䠄༙ᚄ㻤㼗㼙䛾෇䠅

パターン①の概要図

次に、パターン②として、パターン①をベースとして、伝送距離を伸ばすため、光源と復調器とを別々の場所に分けて設置する場合を検討した。この場合、光源から出た光を往実績もあり、これらを組み合わせて多重化することにより、海路の光ファイバーに入力し、各々のセンサーを伝搬した信洋生物モニタリングと海洋環境モニタリングを統合した、
他号光は同一の光ファイバーを経て復調器へと更に進んでい方式では実現し得ないシステムにまで拡張可能である。

くため、パターン①と異なり片道分の伝送損失へと半減し、さらには、広範囲にわたり常時モニタリングすることによ

伝送距離はパターン①の2倍の112kmとなった（図7）。センり、大量の信頼性のあるフィールドデータを収集可能なたサー数は14個、アレイ検出範囲は約112km×16kmである。
㻝㻠䝉䞁䝃䇷䛾䜰䝺䜲᳨ฟ⠊ᅖ䠖⣙㻝㻝㻞㼗㼙䠄ᶓ䠅㽢㻝㻢㼗㼙䠄⦪䠅㻔ᾏ୰㻕

め、AI技術で海洋生物や船舶種類を自動識別することによって、船舶が海洋生態系に及ぼす影響を総合的に観測するシステムへの拡張性も高い。

㻝㻠䝉䞁䝃䞊㽢㻤㼗㼙㛫㝸䠙㻝㻝㻞㼗㼙㻝㻢㼗㼙

以上のように、複数種類のセンサーを組み合わせて、センサーから信号処理までを統合したシステムとして、O K I独ྛ䝉䞁䝃䞊䛾᳨ฟ⠊ᅖ䠄༙ᚄ㻤㼗㼙䛾෇䠅

自の付加価値の高いソリューションが提供できるよう本開䝉䞁䝃䞊㛫㝸䠖㻤㼗㼙

発を進めていきたい。

◆◆

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図7

パターン②の概要図

1）Kenji Saijyou, Chiaki Okawara, Tomonao Okuyama,
最後に、パターン③として、パターン②をベースとして、

Yasuyuki Nakajima and Ryotaku Sato: Fiber Bragg

電源供給を必要とするが、光中継器を伝送路の途中に追grating hydrophone with polarization-maintaining fiber for加して距離を伸ばす場合を検討した。光中継器で光信号

mitigation of polarization-induced fading, Acousticalを+20dB（100倍）以上増幅すると、パターン②の112kmをScience and Technology, 33, 239-246 (2012).

１ブロックとして3ブロック分まで延伸可能と見積もられ、

2）朱夢揺:水産資源モニタリング手法の現状と今後の展望,

伝送距離は336kmとなった（図8）。センサー数は42個、
アOPRI Perspectives No.21(2021)

レイ検出範囲は約336km×16kmである。

3）Koki Tsujii, Tomonori Akamatsu, Ryosuke Okamoto,㻠㻞䝉䞁䝃䇷䛾䜰䝺䜲᳨ฟ⠊ᅖ䠖⣙㻟㻟㻢㼗㼙䠄ᶓ䠅㽢㻝㻢㼗㼙䠄⦪䠅䝤䝻䝑䜽䐡 㻝㻝㻞㼗㼙㻔ᾏ୰㻕‫؞؞؞‬䝤䝻䝑䜽䐟 㻝㻝㻞㼗㼙㻌䝤䝻䝑䜽䐠 㻝㻝㻞㼗㼙㻝㻢㼗㼙‫؞؞؞‬

Kyoichi Mori, Yoko Mitani and Naoya

Umeda: Changein singing behavior of humpback whales caused byshipping noise, PLOS ONE, 13(10), e0204112 (2018).

ྛ䝉䞁䝃䞊䛾᳨ฟ⠊ᅖ䠄༙ᚄ㻤㼗㼙䛾෇䠅ග※㻔㏦ฟഃ㻕䝉䞁䝃䞊䠄㻞ཷἼ⣲Ꮚ䠅

図8ග୰⥅ჾ᚟ㄪჾ㻔ཷගഃ㻕

パターン③の概要図

中島康行：Yasuyuki Nakajima. ソリューションシステム事業本部 特機システム事業部 研究開発部
小畑秀則：Hidenori Obata. ソリューションシステム事業本部
特機システム事業部 ソーナーシステム第二部

まとめ
これまで当社で開発してきた干渉型光ファイバーセンサーを用いて、海洋生物音のモニタリングシステムを構想検討した。干渉型光ファイバーセンサーは高分解能で微小な音まで検出可能なため、広範囲の検出が可能である。
今回、構想検討の結果、最大で300km以上の範囲まで設置可能と試算できた。
我々は、干渉型光ファイバーセンサーを用いて、センサー感度、センサー数、伝送距離によりさまざまな形態の光ファイバーセンサーアレイをシステム設計する手法をこれまでの技術開発の過程で確立している。
また、過去には振動や温度などの物理量を検出する光ファイバーセンサーを試作した

デシベル単位系（dB）
強度がN倍になる相対値を、20log10(N )[dB]として表現する（パワーの場合は10log 10 (N)[dB]）。また、基準の0[dB]での値をref （1 単位系）と追記して絶対値を表す。例えば、
40dB ref
1μPaは基準値0dBが1μPaでの40dB（＝100倍）の音圧を表し、100μPaに等しい。他には、
40dB re. μPa、40dB//μPaなどの表現方法もある。
海況（SS：Sea State、シーステート）
国際気象機関が定めた海面の粗さを表した階級表示であり、SS0（ゼロ）が最も静かな状態を表す。

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