片端光入射によるリアルタイム分布型光ファイバーセンサーの開発
Single-end-access real-time distributed optical fiber sensing

100 kHz のサンプリングレート*2 を達成し、たわみ変形の伝搬を追跡することでリアルタイム動作を実証した[1]。本システムは、防災・危機管理技術としての応用範囲を広げ、生活の安全性向上に寄与するとともに、ロボットの新たな「神経」としての応用も期待できる。

水野 洋輔 (Yosuke MIZUNO, Dr. Eng.)

１．序論

東京工業大学 科学技術創成研究院 助教

1960 年代から 1970 年代にかけての高度経済成長期(Associate Professor, Institute of Innovative Research, Tokyo
Institute of Technology)に、集中的に建設された社会インフラの経年劣化が進んでいる。また、地震等の自然災害による損傷も蓄積

IEEE Photonics Society 応用物理学会 電子情報通信学会
受賞：第 39 回 応用物理学会講演奨励賞 (2016) 平成 26 年度 コニカミノルタ画像科学奨励賞 (2015) 平成 25 年度 東工大挑戦的研究賞 (2014)
平成 24 年度 手島精一記念研究賞（中村健二郎賞）(2013) 2012 年度 エヌエフ基金研究開発奨励賞 (2013) 第 25 回 安藤博記念学術奨励賞(2012) 第 10 回 船井研究奨励賞 (2011) 第 22 回 独創性を拓く先端技術大賞 フジテレビジョン賞 (2008) 第 2 回 東京大学電気系学科優秀卒業論文賞 (2005)
著書：“Distributed Brillouin Sensing Using Polymer Optical Fibers”, in
H. Alemohammad, Fiber Optic Sensors: Research, Technology, andApplications in Mechanical Sensing, Elsevier, to appear.
研究専門分野：光電子工学 計測光学 非線形光学 光ファイバー 超音
波工学

して大きな社会問題に浮上してきている。この有力な対策として構造物に光ファイバーを「神経」のように埋め込むことで、構造物内の変形や温度を分布的に測定するシステムが使われつつある。長距離にわたって測定が可能なうえ、電磁ノイズに強い等の利点があり、注目を集めている（図 1）。

図１

分布型光ファイバーセンサーの概念

光ファイバー中の変形（伸び）と温度を検特に、光ファイバー中のブリルアン散乱*3 の周波数

出できる分布型光ファイバーセンサーの性能向上に取シフト（BFS）を用いた分布型の伸び・温度センサー

り組み、片端からの光入射とリアルタイム動作の両立

は、他の手法に比べて高精度・高安定であることが知に世界で初めて成功した。近年、社会インフラの経年られている。中でも、ブリルアン光相関領域反射計

劣化や、地震等の自然災害対策が大きな社会問題とし（BOCDR）*4 と呼ばれる手法は、光ファイバーの片て浮上しているが、ビル、トンネル、橋梁などの構造

端から光を入射するだけでの動作、および、高空間分

物に光ファイバーを「神経」として埋め込むことによ

解能*5、低コストなどの利点を併せ持っている。すでって、構造物の変形を正確に監視できる。これまでのに、1 cm 以下の分解能の実現など、多くの成果が得ら

手法は、光ファイバーの両端から光を入射していたが、れている[2]-[7]。しかし、サンプリングレートは 19 Hz

センサーの敷設に手間がかかるばかりか、光ファイバが最高であり、結果として分布測定に比較的長時間（数ーが途中で 1 か所でも破断すると動作が停止してしま

十秒～数分）がかかるという問題があった。

あらまし

う難点があった。今回、位相検波*1 技術に基づいて、そこで本研究では、BOCDR を高速化することで、片端からの光入射による分布型光ファイバーセンサー

片端光入射での動作、高空間分解能、および、リアルの超高速化に成功し、これらの問題点を克服した。そタイム動作という特徴を併せ持つ分布測定手法を世界の結果、従来法の 5000 倍以上となる測定速度であるに先駆けて実現した[1]。

1

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fm を制御すれば、相関ピークに対応した位置でのブリ

２．従来手法の原理
センシング原理となる光ファイバー中の散乱現象とルアン散乱信号のみが抽出できる。さらに fm を掃引す

して、レイリー散乱やラマン散乱が知られている。こることで、相関ピークを測定ファイバーに沿って移動

れらの現象を応用した分布センサーは、実装が比較的させ、ブリルアン散乱スペクトルや BFS の分布情報容易であるが、散乱光の強度情報を利用するため安定を得ることができる。これまでに、ガラス光ファイバ

性・精度が低かった。そこで、筆者らを含むいくつかーで 6 mm の空間分解能が実現されている。

の研究グループは、光ファイバー中の超音波と光の相互作用である「ブリルアン散乱」を利用した分布型センサーに着目している。ブリルアン散乱による反射光
は、光ファイバー中の超音波によってドップラー効果を受け、周波数が「ブリルアン周波数シフト（BFS）」と呼ばれる量だけ減少することが知られている。このBFS は、光ファイバーに印加された歪の大きさや温度に比例して変化するため、BFS を測定することでそれらを決定することが可能となる。この手法は、散乱光の強度ではなく周波数を利用するため、安定性・精度が高いのが特長である。

図２

BOCDR の実験系

ブリルアン散乱を用いた分布測定の手法は、光パルスを用いた時間領域法、フーリエ変換を用いた周波数
領域法、および、光のコヒーレンス制御を用いた相関領域法の 3 種類に大別される。一般に、時間領域法で３．新手法の提案と実験結果

は空間分解能が低く、周波数領域法では動作速度が遅従来の BOCDR の実験系では、ブリルアン散乱スペ

いことが知られており、高空間分解能と高速動作を両

クトル全体を電気スペクトルアナライザーの周波数掃立する手法として、筆者らは相関領域法に着目した。

引機能を用いて取得した後、そのピーク値を与える周相関領域法では、入射光に巧みな周波数変調を施すこ

波数（BFS）を算出していた。その結果、サンプリンとで、光ファイバーのある特定の箇所で生じたブリル

グレートは 19 Hz に制限されていた。そこで、電圧制

アン散乱信号のみを選択的に抽出し、分布測定を実現

御発振器を用いて周波数掃引を行うことで、高速なスする。相関領域法のうち、片端からの光入射で動作す

ペクトルの取得を実現した（図 3 左）
。これは、BFS

る「ブリルアン光相関領域リフレクトメトリの取得を周波数領域から時間領域に変換したと解釈で（BOCDR）」の実験系を図 2 に示す。レーザの出力光きる。しかし、そのままでは BFS の算出が速度を制の中心周波数に変調周波数 fm で正弦波変調を施すこ

限してしまい、サンプリングレートは最高でも 200 Hzとで、測定ファイバー中にはブリルアン散乱光と参照

程度に制限されてしまった。そのため、さらに取得し光の周波数差が時間的に変動しない（両光の時間平均

たスペクトルを狭帯域通過フィルター（BPF）により的な相関が高い）箇所が生じる一方、それ以外の領域

正弦波に近似して、排他的論理和（XOR）の論理ゲー

では両光の周波数差は時間的に変動する（両光の時間

トと低域通過フィルター（LPF）を用いて位相検波を

平均的な相関が低い）。ここで、相関が高い箇所を「相行った（図 3 右）。これにより、BFS と 1 対 1 対応と関ピーク」と呼ぶ。いま、光周波数は正弦波変調されなる量を直接取得することが可能となった。結果としているので、相関ピークは周期的に立ち並び、その間て、100 kHz を超えるサンプリングレートを達成する

隔は変調周波数 fm に反比例する。これを利用し、測定ことができた。これは、光ファイバー中の任意の位置

ファイバー中にただ一つの相関ピークが立つようにでの伸びや温度変化を、1 秒間に 10 万回測定できるよ
2

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うになったことを意味しており、この値は従来法のであり、ビデオから算出した値とほぼ一致した。また、変5000 倍以上の速度である。

形の大きさも理論値と良い一致を示した。以上により、リ

続いて、本手法の有用性を実験により実証した。まアルタイム動作が確認できた。東京工業大学公式アカウン

ず、測定光ファイバーの任意の位置に最大 1 kHz まで

トより YouTube に関連動画をアップロードしたので、ぜのさまざまな局所振動を発生させ、これらを検出でき

ひご覧頂きたい（https://youtu.be/0TKUivvYbH0）。

ることを示した。各振動の周波数はもちろん、得られ最後に、ガラス光ファイバーに比べて柔軟性に富むた振動の振幅も他の手法（レーザードップラー法）でプラスチック光ファイバー *6[8]-[23]にも本手法を適測った値と一致した。次に、光ファイバーをたわませ用し、高速な局所振動検出および分布測定が可能であて発生させた変形が伝搬する様子を検出した（図 4）。

ることを示した。

本手法により得られたたわみ変形の伝搬速度は約 10 m/s

図３

超高速化の原理

図４ 伝搬するたわみ変形のリアルタイム検出

3

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Single-end-access real-time distributed optical fiber sensing*4 ブリルアン光相関領域反射計（BOCDR）

４．まとめと将来の展開
本研究では、位相検波技術を駆使し、片端からの光

入射光に巧みな周波数変調を施すことで、光ファ入射により動作する分布型光ファイバーセンサーの超イバーのある特定の箇所で生じたブリルアン散乱

高速化に成功した。その結果、従来法の 5000 倍以上

信号のみを選択的に抽出し、分布測定を実現するとなる 100 kHz のサンプリングレートを達成し、たわ手法。光ファイバーの片端からの光入射で動作す

み変形の伝搬を追跡することでリアルタイム動作を実るのが最大の特長である。
*5 空間分解能証した。また、プラスチック光ファイバーの適用可能性も実証した。本手法は、伸び縮み（振動）や温度変検出可能な伸びや温度変化区間の最短の長さ。
*6 プラスチック光ファイバー化の分布情報を片端からの光入射で、リアルタイムかつ高空間分解能で取得できるため、様々な構造物（ビアクリルなどの高分子材料で構成された光ファイ

ル・橋梁・トンネル・ダム・堤防・パイプライン・風バー。ガラス光ファイバーよりも丈夫で柔軟性に車の羽根・航空機の翼など）に関わる防災・危機管理

富む一方、光伝搬損失が大きいため比較的近距離技術として幅広く活用することができる。また、アーの通信に用いられることが多い。また、プラスチ

ムに巻き付けることで、任意の位置で接触や変形、温ック光ファイバーはコア径が大きいためにブリル

度変化を検出するロボットの新しい「神経」としての

アン散乱光が微弱であり、信号対雑音比が劣化す

応用も期待できる。今後は、更なる性能向上を推進するため、ガラス光ファイバーよりも分布測定は困るとともに、システムの小型化・低コスト化やフィー難である[8]-[23]。

ルドテストにも注力し、数年後の実用化を目指す計画
である。
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用語解説*1 位相検波
2 つの正弦波が時間的にどれくらいずれているかを検出すること。
*2 サンプリングレート
光ファイバー中のある 1 点の伸びや温度を、1 秒間あたりに測定できる回数。例えば、サンプリン
グレートが 100 kHz であるとは、ある位置での伸びや温度を 1 秒間に 10 万回測定できることを意味する。
*3 ブリルアン散乱
光ファイバー中に存在する微弱な超音波により入射光が散乱され、周波数のダウンシフトを伴って反射される現象。周波数シフト量（BFS）が伸びや温度に依存するため、センシングの原理として利用されている。

4

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片端光入射によるリアルタイム分布型光ファイバーセンサーの開発
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5TELECOM FRONTIER No.94 2017 WINTER

片端光入射によるリアルタイム分布型光ファイバーセンサーの開発
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この研究は、平成２４年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２５～２７年度に実施されたものです。

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