JP5282982B2 - Method and apparatus for evaluating measurement accuracy of optical fiber sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置に関するものである。 The present invention relates to an evaluation method and an evaluation apparatus for measurement accuracy of an optical fiber sensor.
従来、光ファイバ全長のひずみ分布、温度分布などを取得可能な、ブリルアン散乱光を利用した光ファイバセンサおよび計測機器が実用化されている（例えば、非特許文献１および２参照）。 Conventionally, optical fiber sensors and measuring instruments using Brillouin scattered light that can acquire strain distribution, temperature distribution, and the like of the entire length of the optical fiber have been put into practical use (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
ここで、ブリルアン散乱光の強度は、入射する光の強度に対して非常に微弱であるため、光を複数回入射して得た反射光スペクトルを増幅、加算処理し、さらに一定の周波数ごとに検知周波数を掃引して強度を取得した離散的なスペクトルを曲線（ローレンツ関数）近似して全体のスペクトルとし、その光強度が最大となる周波数νＢを、ひずみ（あるいは温度）計測値εとして換算している。この場合に用いる換算式はひずみεの関数νＢ（ε）による次式（１）である。 Here, since the intensity of the Brillouin scattered light is very weak with respect to the intensity of the incident light, the reflected light spectrum obtained by entering the light a plurality of times is amplified and added, and further, for each constant frequency. Discrete spectrum obtained by sweeping the detection frequency to obtain the intensity is approximated by a curve (Lorentz function) to obtain the entire spectrum, and the frequency ν B at which the light intensity is maximum is converted as a strain (or temperature) measurement value ε. doing. The conversion formula used in this case is the following formula (1) based on the function ν B (ε) of the strain ε.
この光ファイバセンサによるひずみ分布、温度分布の計測精度は、これまで通信用光ファイバの静置状態（室内試験）で測定した計測値のばらつきを用いて評価していた。例えば、図１０に示すように、連続する１００個のひずみデータにおける計測値の平均値と標準偏差２δ（以下、この標準偏差２δをδε０と表示する。）とを求め、求めたδε０をひずみの計測誤差としていた。なお、通信用光ファイバのδε０としては、製造メーカの公表値で４０μεとしているものがある。 Until now, the measurement accuracy of strain distribution and temperature distribution by this optical fiber sensor has been evaluated using variation in measured values measured in a stationary state (in-house test) of a communication optical fiber. For example, as shown in FIG. 10, the mean value and the standard deviation 2δ measurements in 100 strain continuous data (hereinafter, to display a standard deviation 2δ and [delta] .epsilon.0.) And seeking, the [delta] .epsilon.0 obtained It was a strain measurement error. As the [delta] .epsilon.0 of communication optical fibers, there is that you are 40με with published values of the manufacturer.
ところで、上記の光ファイバセンサを計測対象物に敷設して計測する場合には、ひずみ分布、温度分布にばらつきが生じると考えられるが、この実際の計測環境下での計測精度を把握することは計測管理上重要である。また、一般に光ファイバセンサによる計測は、ひずみゲージなどによるひずみ計測や、熱電対などによる温度計測に対して計測精度が劣ると考えられているが、実際の計測環境下での計測精度に対する優劣は明らかではない。 By the way, when the above optical fiber sensor is laid on a measurement object and measured, strain distribution and temperature distribution are considered to vary, but grasping measurement accuracy in this actual measurement environment is not possible. It is important for measurement management. In general, measurement using an optical fiber sensor is considered to be inferior in measurement accuracy to strain measurement using a strain gauge or temperature measurement using a thermocouple. It is not clear.
また、従来の光ファイバセンサの計測精度は、前述の図１０に示すように、静置状態（室内試験）の光ファイバから取得されるひずみが変化しないデータの標準偏差により評価していた。この方法を実際の計測環境（現場の設置環境）下での光ファイバの計測精度の評価にそのまま適用すると、図１１に示すように、この環境下の光ファイバから取得されるひずみが変化する連続１００個のひずみデータから得られた結果Ｂのひずみ計測精度は、図１０の静置状態の場合の結果Ａに対して大きく悪化して評価されてしまう（例えば１０倍以上数値が低下）。これは、そもそもひずみ値は一定ではなく、ひずみ値が変化している実際の計測環境下では平均値からのばらつきを常に内包しているからである。したがって、このような場合には「標準偏差＝ひずみ計測精度」として評価するのは適切とはいい難い。 In addition, as shown in FIG. 10 described above, the measurement accuracy of the conventional optical fiber sensor has been evaluated based on the standard deviation of data that does not change the strain obtained from the optical fiber in the stationary state (in-house test). When this method is applied as it is to the evaluation of the measurement accuracy of an optical fiber under an actual measurement environment (installation environment on site), as shown in FIG. 11, the strain obtained from the optical fiber under this environment changes continuously. The strain measurement accuracy of the result B obtained from 100 strain data is greatly deteriorated and evaluated with respect to the result A in the stationary state of FIG. 10 (for example, the numerical value is reduced by 10 times or more). This is because the strain value is not constant in the first place and always includes a variation from the average value in an actual measurement environment in which the strain value changes. Therefore, in such a case, it is difficult to evaluate as “standard deviation = strain measurement accuracy”.
このため、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる技術の開発が望まれていた。 For this reason, development of the technique which can evaluate appropriately the measurement accuracy of the optical fiber sensor in an actual measurement environment was desired.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides an evaluation method and an evaluation apparatus for the measurement accuracy of an optical fiber sensor capable of appropriately evaluating the measurement accuracy of the optical fiber sensor in an actual measurement environment. With the goal.
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光ファイバセンサのひずみ計測精度の評価方法は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする。 In order to solve the above problems and achieve the object, the method for evaluating strain measurement accuracy of an optical fiber sensor according to claim 1 of the present invention evaluates the measurement accuracy of an optical fiber sensor laid in an actual measurement environment. The Brillouin scattered light spectrum is obtained from a stationary optical fiber sensor that is not laid in the actual measurement environment, and the average value of the maximum light intensity and the average of the dispersion and spectrum width of the Brillouin scattered light spectrum are obtained. First, a frequency variation with respect to a frequency at which the maximum light intensity is obtained is obtained from the value, a strain of the optical fiber sensor is obtained, a standard deviation thereof is obtained, and a proportional coefficient between the standard deviation and the frequency variation is obtained. And the Brillouin scattered light spectrum is obtained from the optical fiber sensor installed in the actual measurement environment. A second step of obtaining a frequency variation with respect to a frequency at which the maximum light intensity is obtained from an average value and variation of the maximum light intensity of the Luang scattered light spectrum and an average value of the spectrum width, and the frequency obtained in the second step. The measurement accuracy is evaluated based on a value obtained by multiplying the variation by the proportionality coefficient obtained in the first step.
また、本発明の請求項２に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法は、上述した請求項１において、前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the optical fiber sensor measurement accuracy evaluation method according to the first aspect, wherein the variation in the maximum light intensity is a difference between a maximum value and a minimum value. .
また、本発明の請求項３に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する装置であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１の演算手段と、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２の演算手段とを有し、第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする。 An apparatus for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor according to claim 3 of the present invention is an apparatus for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor installed in an actual measurement environment, and is installed in the actual measurement environment. The Brillouin scattered light spectrum is obtained from an optical fiber sensor in a stationary state, and the frequency variation with respect to the frequency at which the maximum light intensity is obtained from the average value and variation of the maximum light intensity and the average value of the spectrum width While obtaining the standard deviation of the optical fiber sensor and obtaining the standard deviation thereof, and laying it in the actual measurement environment and a first computing means for obtaining a proportional coefficient between the standard deviation and the frequency variation. The Brillouin scattered light spectrum is obtained from the optical fiber sensor in the state where And a second computing means for obtaining a frequency variation with respect to the frequency at which the maximum light intensity is obtained from an average value of the dispersion and the spectrum width, and a first computing means for the frequency variation obtained by the second computing means. The measurement accuracy is evaluated on the basis of a value obtained by multiplying the proportionality coefficient obtained in (1).
また、本発明の請求項４に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、上述した請求項３において、前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical fiber sensor measurement accuracy evaluation apparatus according to the third aspect, wherein the variation in the maximum light intensity is a difference between a maximum value and a minimum value. .
本発明によれば、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するので、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる。 According to the present invention, there is provided a method for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor laid in an actual measurement environment, wherein a Brillouin scattered light spectrum is obtained from a stationary optical fiber sensor not laid in an actual measurement environment. Obtaining the frequency variation with respect to the frequency corresponding to the maximum light intensity from the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width, and acquiring the strain of the optical fiber sensor Obtain a standard deviation, obtain a Brillouin scattered light spectrum from a first step of obtaining a proportional coefficient between the standard deviation and the frequency variation, and an optical fiber sensor installed in an actual measurement environment, From the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width, the maximum light Measurement accuracy based on a value obtained by multiplying the frequency variation obtained in the second step by the proportionality factor obtained in the first step. Therefore, it is possible to appropriately evaluate the measurement accuracy of the optical fiber sensor in the actual measurement environment.
以下に、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of an evaluation method and an evaluation apparatus for measuring accuracy of an optical fiber sensor according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
図１に示すように、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサから周波数ばらつき、ひずみの標準偏差および両者間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサから周波数ばらつきを求める第２のステップとを有する。そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するものである。 As shown in FIG. 1, the optical fiber sensor measurement accuracy evaluation method according to the present invention is a method for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor laid in an actual measurement environment, and is laid in an actual measurement environment. First step to obtain frequency variation, standard deviation of distortion and proportional coefficient between them from the stationary optical fiber sensor that has not been placed, and frequency variation from the optical fiber sensor that is laid in the actual measurement environment A second step to obtain. The measurement accuracy is evaluated based on a value obtained by multiplying the frequency variation obtained in the second step by the proportionality coefficient obtained in the first step.
第１のステップは、具体的には、図２の中央右側に示すように、室内試験（実際の計測環境に敷設していない静置状態）において光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルから連続１００個の反射光強度（最大光強度）のデータの平均値およびばらつきと、連続１００個の反射光スペクトル（スペクトル幅）のデータの平均値とを求めるものである。そして、これらの値と反射光スペクトルの誤差を求める式（後述の式（３））を用いて、反射光強度（最大光強度）となる周波数に対する反射光スペクトルの周波数ばらつき（図中、結果３で示す「反射光スペクトルの誤差」。基準値として用いる。）を求めるものである。 Specifically, as shown on the right side of the center of FIG. 2, the first step acquires a Brillouin scattered light spectrum from an optical fiber sensor in an indoor test (a stationary state not laid in an actual measurement environment), From this Brillouin scattered light spectrum, the average value and variation of 100 continuous reflected light intensity (maximum light intensity) data and the average value of 100 continuous reflected light spectrum (spectral width) data are obtained. Then, using these values and an equation for calculating an error between the reflected light spectrum (equation (3) described later), the frequency variation of the reflected light spectrum with respect to the frequency that becomes the reflected light intensity (maximum light intensity) (result 3 in the figure) The “reflected light spectrum error” shown in FIG. 6 is used as a reference value.
また、この第１のステップは、図２の左側に示すように、連続１００個のひずみのデータからその標準偏差（図中、結果１で示す「ひずみ誤差」。基準値として用いる。）を求めるものである。 Further, in the first step, as shown on the left side of FIG. 2, the standard deviation (“strain error” indicated by the result 1 in the figure, used as a reference value) is obtained from 100 continuous strain data. Is.
第２のステップは、具体的には、図３の中央右側に示すように、現場（実際の計測環境に敷設している状態）において光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルから連続１００個の反射光強度（最大光強度）のデータの平均値およびばらつきと、連続１００個の反射光スペクトル（スペクトル幅）のデータの平均値とを求めるものである。そして、これらの値と反射光スペクトルの誤差を求める式（後述の式（３））を用いて、反射光強度（最大光強度）となる周波数に対する反射光スペクトルの周波数ばらつき（図中、結果４で示す「反射光スペクトルの誤差」。現場設置の値として用いる。）を求めるものである。 Specifically, the second step acquires a Brillouin scattered light spectrum from an optical fiber sensor in the field (in a state where it is laid in an actual measurement environment) as shown on the right side of the center of FIG. The average value and variation of 100 continuous reflected light intensity (maximum light intensity) data and the average value of 100 continuous reflected light spectrum (spectral width) data are obtained from the optical spectrum. Then, using these values and an expression for calculating an error between the reflected light spectrum (formula (3) described later), the frequency variation of the reflected light spectrum with respect to the frequency that becomes the reflected light intensity (maximum light intensity) (result 4 in the figure) (Reflected light spectrum error.) Used as a field-installed value).
なお、この第２のステップは、図３の左側に示すように、連続１００個のひずみのデータからその標準偏差（図中、結果２）を求めることも可能であるが、この結果２は本発明には使用しない。また、この第２のステップの後の処理においては、図３の右下の破線のフローチャートに示すように、結果４の周波数ばらつきに対して第１のステップの室内試験で求めた比例係数を乗じ、こうして得られた値を、現場設置のひずみの誤差（図中、結果５）として評価することとなる。 In this second step, as shown on the left side of FIG. 3, it is possible to obtain the standard deviation (result 2 in the figure) from 100 continuous strain data. Not used for invention. Further, in the processing after the second step, as shown in the flowchart in the lower right broken line in FIG. 3, the frequency variation of the result 4 is multiplied by the proportionality coefficient obtained in the laboratory test of the first step. Thus, the value obtained in this way is evaluated as a distortion error (result 5 in the figure) in the field installation.
ここで、第１のステップにより得られた結果３（図２）に比べ、第２のステップにより得られた結果４（図３）は、従来の結果Ａ（図１０）に対する結果Ｂ（図１１）のように大きく変化しないことを本発明者は確認している。また、光強度とスペクトル幅は、設置環境の変化には殆ど影響しないと考えられる。そこで、結果３と結果４の比をひずみ計測精度の変化の度合いと考える。この場合、現場設置（実際の計測環境下）のひずみ計測精度は、（現場設置のひずみ計測精度）＝（結果１）×（（結果４）／（結果３））の算定式により評価することが可能である。
この式は、第１のステップで求めた比例係数をＣと表記すれば、Ｃ＝（結果１）／（結果４）であるので、（現場設置のひずみ計測精度）＝比例係数Ｃ×（結果４）と変形することができる。
Here, compared with the result 3 (FIG. 2) obtained by the first step, the result 4 (FIG. 3) obtained by the second step is the result B (FIG. 11) with respect to the conventional result A (FIG. 10). The present inventor has confirmed that there is no significant change as in (1). Further, it is considered that the light intensity and the spectrum width hardly affect the change in the installation environment. Therefore, the ratio between result 3 and result 4 is considered as the degree of change in strain measurement accuracy. In this case, the strain measurement accuracy in the field installation (under the actual measurement environment) should be evaluated by the following formula: (Strain measurement accuracy in the field installation) = (Result 1) × ((Result 4) / (Result 3)) Is possible.
In this equation, if the proportionality coefficient obtained in the first step is expressed as C, C = (Result 1) / (Result 4), so (on-site strain measurement accuracy) = proportional coefficient C × (result 4) and can be modified.
なお、第１および第２のステップにおいて、最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差を用いることができる。 In the first and second steps, the difference between the maximum value and the minimum value can be used for the variation in the maximum light intensity.
また、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、第１のステップの処理内容をコンピュータにより演算処理する第１の演算手段と、第２のステップの処理内容をコンピュータにより演算処理する第２の演算手段とを備えるように構成することができる。そして、第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するように構成することができる。 The optical fiber sensor measurement accuracy evaluation apparatus according to the present invention also includes a first computing means for computing the processing content of the first step by a computer, and computing the processing content of the second step by a computer. It can comprise so that a 2nd calculating means may be provided. And it can comprise so that measurement accuracy may be evaluated based on the value obtained by multiplying the frequency variation calculated | required by the 2nd calculating means by the proportionality coefficient calculated | required by the 1st calculating means.
次に、第１のステップおよび第２のステップで取得するブリルアン散乱光スペクトルについて説明する。
まず、ブリルアン散乱光の光強度Ｖ（ν）について説明する。このＶ（ν）は、次式（２）で表すことができる。
Next, the Brillouin scattered light spectrum acquired in the first step and the second step will be described.
First, the light intensity V (ν) of Brillouin scattered light will be described. This V (ν) can be expressed by the following equation (2).
ここで、ＶＳはブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度、ΔνＢはブリルアン散乱光のスペクトル幅（半値全幅）、νＢはブリルアン散乱光スペクトルのピーク周波数、νは周波数である。 Here, V S is the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum, Δν B is the spectral width (full width at half maximum) of the Brillouin scattered light, ν B is the peak frequency of the Brillouin scattered light spectrum, and ν is the frequency.
この式（２）のスペクトルに対して、図４に示すように、実効値ＶＮのノイズが重畳しているとすると、このノイズによるνＢのばらつきδνＢは、次式（３）のように表すことができる。 Assuming that the noise of the effective value V N is superimposed on the spectrum of the equation (2) as shown in FIG. 4, the variation δν B of ν B due to this noise is expressed by the following equation (3). Can be expressed as
ブリルアン散乱光の強度は、入射光と比較して非常に微弱であるため、実際の計測では、パルス光を複数回入射し、かつ受光周波数νを段階的に変化させ、その各々の周波数で増幅・加算して後方散乱光を取得し、これらを合わせて離散化ブリルアン散乱光スペクトルを求める。 Since the intensity of Brillouin scattered light is very weak compared to incident light, in actual measurement, pulsed light is incident multiple times, and the received light frequency ν is changed stepwise and amplified at each frequency. Add to obtain backscattered light and combine them to obtain a discrete Brillouin scattered light spectrum.
ここで、離散化ブリルアン散乱光スペクトルからνＢを求める際に量子化誤差を生じる可能性があるため、図５に示すように、離散化ブリルアン散乱光スペクトルに対する近似曲線を求め、そのピーク（最大光強度）を示す周波数をνＢとする。 Here, since there is a possibility that a quantization error occurs when obtaining ν B from the discrete Brillouin scattered light spectrum, an approximate curve for the discrete Brillouin scattered light spectrum is obtained as shown in FIG. A frequency indicating (light intensity) is represented by ν B.
参考として、光ファイバセンサによるひずみ計測結果の一例を図６に示す。図６（ａ）〜（ｃ）は光強度の位置分布図、（ｄ）〜（ｆ）はスペクトル幅の位置分布図である。（ａ）、（ｄ）は通信用光ファイバについて、（ｂ）、（ｅ）は光ファイバセンサ（室内）について、（ｃ）、（ｆ）は光ファイバセンサ（現場）について示してある。 As a reference, FIG. 6 shows an example of a strain measurement result by an optical fiber sensor. FIGS. 6A to 6C are light intensity position distribution diagrams, and FIGS. 6D to 6F are spectrum width position distribution diagrams. (A), (d) is about the optical fiber for communication, (b), (e) is about the optical fiber sensor (indoor), (c), (f) is about the optical fiber sensor (site).
ＶＳ、ΔνＢ、ＶＮは、図７〜図９を用いて求めることができる。ここで、図７は、ある点で計測した離散化ブリルアン散乱光スペクトルの一例を示している。図８は、図７のスペクトルに対して曲線近似した一例を示している。図９は、図８の近似曲線からＶＳ、ΔνＢ、ＶＮを求めた一例を示している。 V S , Δν B , and V N can be obtained using FIGS. 7 to 9. Here, FIG. 7 shows an example of the discrete Brillouin scattered light spectrum measured at a certain point. FIG. 8 shows an example of curve approximation for the spectrum of FIG. FIG. 9 shows an example in which V S , Δν B , and V N are obtained from the approximate curve of FIG.
次に、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の具体的手順を説明する。 Next, a specific procedure of the method for evaluating the measurement accuracy of the optical fiber sensor according to the present invention will be described.
（第１のステップ）
まず、通信用光ファイバの静置状態（室内試験）において、通信用光ファイバの全長から取得したブリルアン散乱光スペクトルから、最大光強度を得る。これをＶＳ０とする。
(First step)
First, the maximum light intensity is obtained from the Brillouin scattered light spectrum acquired from the entire length of the communication optical fiber in the stationary state of the communication optical fiber (in-house test). This is V S0 .
同様に、ブリルアン散乱光スペクトルから、スペクトル幅（最大光強度の半値全幅）を得る。これをΔνＢ０とする。 Similarly, the spectrum width (full width at half maximum of the maximum light intensity) is obtained from the Brillouin scattered light spectrum. This is designated as Δν B0 .
これらの連続する１００データに対して、ＶＳ０の平均値をＶＳ０ａｖｅとし、ＶＳ０の最大値と最小値の差を２ＶＮ０とする。また、ΔνＢ０の平均値をΔνＢ０ａｖｅとする。 For these 100 consecutive data, the average value of V S0 is V S0ave, and the difference between the maximum value and the minimum value of V S0 is 2V N0 . Further, the average value of Δν B0 is assumed to be Δν B0ave .
ここで、ブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度となる周波数νＢに対するばらつきを得る上記の式（３）を、これらの値に対して適用する。求めた値をδνＢ０とする（図２の結果３）。 Here, the above formula (3) for obtaining the variation with respect to the frequency ν B that is the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum is applied to these values. The obtained value is defined as δν B0 (result 3 in FIG. 2).
また、光ファイバから取得した連続する１００個のひずみデータにおける計測値の標準偏差δε０を求め、求めたδε０をひずみの誤差（室内基準値）とする（図２の結果１）。
このひずみの誤差と上記の周波数ばらつきδνＢ０とが比例関係にあると考えれば、この関係は比例係数Ｃを用いて、δε０＝Ｃ・δνＢ０と表記することができる。この比例係数Ｃは敷設の有無に依らず一定と仮定することができる。そこで、上記で求めたδε０とδνＢ０とに基づいてこの比例係数Ｃを算定する。
Further, the standard deviation δ ε0 of measured values in 100 continuous strain data acquired from the optical fiber is obtained, and the obtained δ ε0 is set as a strain error (indoor reference value) (result 1 in FIG. 2).
If it is considered that the distortion error and the frequency variation δν B0 are proportional, this relationship can be expressed as δ ε0 = C · δν B0 by using the proportional coefficient C. This proportionality coefficient C can be assumed to be constant regardless of whether or not it is laid. Therefore, to calculate the proportionality coefficient C based on the [delta] .epsilon.0 and .DELTA..nu B0 obtained above.
（第２のステップ）
一方、光ファイバセンサを敷設した条件下においても同様に、光ファイバセンサの全長から取得したブリルアン散乱光スペクトルから、最大光強度を得る。これをＶＳ１とする。
(Second step)
On the other hand, the maximum light intensity is obtained from the Brillouin scattered light spectrum obtained from the entire length of the optical fiber sensor in the same manner even under the condition where the optical fiber sensor is installed. This is designated as V S1 .
同様に、ブリルアン散乱光スペクトルから、スペクトル幅（最大光強度の半値全幅）を得る。これをΔνＢ１とする。 Similarly, the spectrum width (full width at half maximum of the maximum light intensity) is obtained from the Brillouin scattered light spectrum. This is designated as Δν B1 .
これらの連続する１００データに対して、ＶＳ１の平均値をＶＳ１ａｖｅとし、ＶＳ１の最大値と最小値の差を２ＶＮ１とする。また、ΔνＢ１の平均値をΔνＢ１ａｖｅとする。 For these 100 consecutive data, the average value of V S1 is V S1ave and the difference between the maximum value and the minimum value of V S1 is 2V N1 . Further, an average value of Δν B1 is set to Δν B1ave .
第１のステップと同様に、ばらつきを得る上記の式（３）をこれらの値に対して適用する。求めた値をδνＢ１とする（図３の結果４）。 Similar to the first step, Equation (3) above, which obtains variation, is applied to these values. The obtained value is defined as δν B1 (result 4 in FIG. 3).
そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきδνＢ１および第１のステップで求めた比例係数Ｃを用いて、光ファイバセンサを敷設した条件でのひずみ計測精度δε１を、δε１＝Ｃ・δνＢ１の算定式により求める（図３の結果５）。このようにすることで、光ファイバセンサを敷設した条件下でのひずみ計測精度を適切に評価することができる。 Then, using the frequency variation δν B1 obtained in the second step and the proportionality coefficient C obtained in the first step, the strain measurement accuracy δ ε1 under the condition where the optical fiber sensor is laid is expressed as δ ε1 = C · δν Obtained by the calculation formula of B1 (result 5 in FIG. 3). By doing so, it is possible to appropriately evaluate the strain measurement accuracy under the condition where the optical fiber sensor is laid.
温度計測における計測精度の評価についても、上記のひずみ計測精度の評価と同様に行うことができる。 The evaluation of the measurement accuracy in the temperature measurement can be performed in the same manner as the evaluation of the strain measurement accuracy.
このように、本発明は、光ファイバセンサを敷設した条件下でのひずみ、温度の計測精度を適切に評価することができる。また、ひずみゲージ等の計測精度との定量比較も可能である。なお、本発明を適用して光ファイバセンサを敷設した環境下のひずみ計測精度の評価を行ったところ、敷設環境下での計測精度δε１は、光ファイバ製造メーカ公表諸元値のひずみ計測精度δε０の１．２５倍程度の値であった。 As described above, the present invention can appropriately evaluate the strain and temperature measurement accuracy under the condition where the optical fiber sensor is installed. In addition, quantitative comparison with measurement accuracy such as strain gauge is possible. When the present invention was applied to evaluate the strain measurement accuracy under the environment where the optical fiber sensor was installed , the measurement accuracy δε1 under the installation environment is the strain measurement accuracy of the specifications disclosed by the optical fiber manufacturer. The value was about 1.25 times δε0 .
以上説明したように、本発明によれば、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するので、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる。 As described above, according to the present invention, a method for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor laid in an actual measurement environment, which is a stationary optical fiber sensor not laid in an actual measurement environment The Brillouin scattered light spectrum is obtained from the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width to obtain the frequency variation with respect to the frequency at which the maximum light intensity is obtained. A first step of obtaining strain and obtaining its standard deviation, obtaining a proportional coefficient between the standard deviation and the frequency variation, and Brillouin scattered light from an optical fiber sensor installed in an actual measurement environment The spectrum is acquired, and the average value and variation of the maximum light intensity of this Brillouin scattered light spectrum and the spectrum width are averaged. And a second step of obtaining a frequency variation with respect to the frequency at which the maximum light intensity is obtained from the value, and obtained by multiplying the frequency variation obtained in the second step by the proportionality factor obtained in the first step. Since the measurement accuracy is evaluated based on the value, it is possible to appropriately evaluate the measurement accuracy of the optical fiber sensor in the actual measurement environment.
以上のように、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置は、ブリルアン散乱光を利用した光ファイバセンサの計測精度の評価に有用であり、特に、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を評価するのに適している。 As described above, the optical fiber sensor measurement accuracy evaluation method and evaluation apparatus according to the present invention are useful for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor using Brillouin scattered light, and in particular, light in an actual measurement environment. It is suitable for evaluating the measurement accuracy of fiber sensors.
Claims (4)
実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、
実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、
第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする光ファイバセンサの計測精度の評価方法。 A method for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor laid in an actual measurement environment,
A Brillouin scattered light spectrum is obtained from a stationary optical fiber sensor that is not laid in the actual measurement environment, and the maximum light intensity is calculated from the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width. A first step for obtaining a frequency variation with respect to a frequency to be an intensity, obtaining a strain of the optical fiber sensor to obtain a standard deviation thereof, and obtaining a proportional coefficient between the standard deviation and the frequency variation;
A Brillouin scattered light spectrum is obtained from an optical fiber sensor installed in an actual measurement environment, and the maximum light intensity and the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width are calculated. A second step of determining a frequency variation for a certain frequency,
A method for evaluating measurement accuracy of an optical fiber sensor, wherein the measurement accuracy is evaluated based on a value obtained by multiplying the frequency variation obtained in the second step by the proportionality factor obtained in the first step.
実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１の演算手段と、
実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２の演算手段とを有し、
第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする光ファイバセンサの計測精度の評価装置。 An apparatus for evaluating the measurement accuracy of an optical fiber sensor laid in an actual measurement environment,
A Brillouin scattered light spectrum is obtained from a stationary optical fiber sensor that is not laid in the actual measurement environment, and the maximum light intensity is calculated from the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width. A first computing means for obtaining a frequency variation with respect to a frequency to be an intensity, obtaining a strain of the optical fiber sensor to obtain a standard deviation thereof, and obtaining a proportional coefficient between the standard deviation and the frequency variation;
A Brillouin scattered light spectrum is obtained from an optical fiber sensor installed in an actual measurement environment, and the maximum light intensity and the average value and variation of the maximum light intensity of the Brillouin scattered light spectrum and the average value of the spectrum width are calculated. Second calculating means for obtaining a frequency variation with respect to a certain frequency,
Evaluation of measurement accuracy of an optical fiber sensor, wherein the measurement accuracy is evaluated based on a value obtained by multiplying the frequency variation obtained by the second calculation means by the proportionality coefficient obtained by the first calculation means. apparatus.
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