JP5282982B2

JP5282982B2 - 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

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Publication number: JP5282982B2
Application number: JP2010012584A
Authority: JP
Inventors: 英朗岩城
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: JP2011149881A

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。

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）。

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ν_Ｂ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ν_Ｂ（ε）による次式（１）である。

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δ_ε０と表示する。）とを求め、求めたδ_ε０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δ_ε０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。

岩城英朗、稲田裕、若原敏裕、光ファイバ分布ひずみセンサ（B-OTDR）を用いた長大斜張橋施工時モニタリング、土木学会第62回年次学術講演会、pp．805-806、2007．09 岩城英朗、稲田裕、若原敏裕、光ファイバ分布センサを用いた長大斜張橋モニタリング、土木学会第63回年次学術講演会、pp．61-62、2008．09

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は、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実施例を示す図である。図２は、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第１のステップのフローチャート図である。図３は、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第２のステップのフローチャート図である。図４は、ブリルアン散乱光スペクトルと誤差を示す図である。図５は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルと近似曲線を示す図である。図６は、光ファイバセンサによるひずみ計測結果の一例を示す図であり、（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。図７は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルの一例を示す図である。図８は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルの近似曲線の一例を示す図である。図９は、近似曲線からひずみ計測精度を求める場合の図である。図１０は、従来の静置状態の光ファイバセンサの計測精度の評価方法を示すフローチャート図である。図１１は、従来の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の計測精度の評価方法を示すフローチャート図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、Ｖ_Ｓはブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度、Δν_Ｂはブリルアン散乱光のスペクトル幅（半値全幅）、ν_Ｂ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。

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Ｖ_Ｎのノイズが重畳しているとすると、このノイズによるν_Ｂのばらつきδν_Ｂは、次式（３）のように表すことができる。

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。

ここで、離散化ブリルアン散乱光スペクトルからν_Ｂ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ν_Ｂとする。

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。

Ｖ_Ｓ、Δν_Ｂ、Ｖ_Ｎ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Ｖ_Ｓ、Δν_Ｂ、Ｖ_Ｎを求めた一例を示している。

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。

（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Ｖ_Ｓ０とする。

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Δν_Ｂ０とする。

これらの連続する１００データに対して、Ｖ_Ｓ０の平均値をＶ_{Ｓ０ａｖｅ}とし、Ｖ_Ｓ０の最大値と最小値の差を２Ｖ_Ｎ０とする。また、Δν_Ｂ０の平均値をΔν_{Ｂ０ａｖｅ}とする。

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ν_Ｂ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δν_Ｂ０とする（図２の結果３）。

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δ_ε０を求め、求めたδ_ε０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δν_Ｂ０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、δ_ε０＝Ｃ・δν_Ｂ０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δ_ε０とδν_Ｂ０とに基づいてこの比例係数Ｃを算定する。

（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Ｖ_Ｓ１とする。

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Δν_Ｂ１とする。

これらの連続する１００データに対して、Ｖ_Ｓ１の平均値をＶ_{Ｓ１ａｖｅ}とし、Ｖ_Ｓ１の最大値と最小値の差を２Ｖ_Ｎ１とする。また、Δν_Ｂ１の平均値をΔν_{Ｂ１ａｖｅ}とする。

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δν_Ｂ１とする（図３の結果４）。

そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきδν_Ｂ１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δ_ε１を、δ_ε１＝Ｃ・δν_Ｂ１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。

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。

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δ_ε１は、光ファイバ製造メーカ公表諸元値のひずみ計測精度δ_ε０の１．２５倍程度の値であった。

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。

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。

Claims

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光ファイバセンサの計測精度の評価方法。
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請求項１に記載の光ファイバセンサの計測精度の評価方法。
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光ファイバセンサの計測精度の評価装置。
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請求項３に記載の光ファイバセンサの計測精度の評価装置。