JP7533382B2 - Spectral analysis device, spectral analysis method, and spectral analysis program - Google Patents
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Description
本発明は、スペクトル解析装置、スペクトル解析方法、及びスペクトル解析プログラムに関する。 The present invention relates to a spectrum analysis device, a spectrum analysis method, and a spectrum analysis program.
光ファイバに光を入射させることによって発生するブリルアン散乱光は、光ファイバの温度や歪みの変化によってスペクトル(周波数)が変化する。このような性質を利用した光ファイバセンサは、ブルリアン散乱光の周波数の変化(ブリルアン周波数シフト(BFS))を光ファイバの長さ方向に亘って検出することで、光ファイバの長さ方向の温度分布や歪み分布を測定する。 The spectrum (frequency) of the Brillouin scattered light generated by irradiating light into an optical fiber changes with changes in the temperature and strain of the optical fiber. Optical fiber sensors that utilize this property measure the temperature and strain distribution along the length of the optical fiber by detecting changes in the frequency of the Brillouin scattered light (Brillouin frequency shift (BFS)) along the length of the optical fiber.
このような光ファイバセンサの代表的なものとして、以下の特許文献1に開示されたBOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)方式のものや、以下の特許文献2に開示されたBOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)方式のもの等が知られている。また、以下の非特許文献1,2に示されている通り、測定に用いる光ファイバが、温度又は歪みの異なる2つの領域に跨がるときに、測定されるブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピーク(ダブルピーク)が現れることが知られている。
Typical examples of such optical fiber sensors include the BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry) type disclosed in
ところで、上述した非特許文献1,2に示されている通り、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合において、何れか一方のピークの強度が何れか他方のピークの強度に比べて優位に高ければ、最大ピークを誤検知することは殆ど無い。しかしながら、2つのピークの強度が拮抗する状態のときには、例えば、光ファイバセンサ固有の雑音がブリルアン散乱光のスペクトルに重畳することによって、最大ピークを誤検知することがあるという問題があった。
As shown in the above-mentioned
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合における最大ピークの誤検知を防止することができるスペクトル解析装置、スペクトル解析方法、及びスペクトル解析プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a spectrum analysis device, a spectrum analysis method, and a spectrum analysis program that can prevent erroneous detection of the maximum peak when two peaks appear in the spectrum of Brillouin scattered light.
上記課題を解決するために、本発明の一態様によるスペクトル解析装置(10)は、光ファイバ(FUT)の長さ方向における異なる位置で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得する取得部(11)と、前記スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する分離抽出部(13)と、前記第1ピークの強度と前記第2ピークの強度とが近接する前記スペクトルデータが得られた前記光ファイバ上の位置を特定する特定部(15)と、前記特定部によって特定された位置における前記第1ピークの強度の傾斜と前記第2ピークの強度の傾斜とを算出する傾斜算出部(16)と、前記傾斜算出部で算出された傾斜に基づいて、前記第1ピーク及び前記第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する判定部(17)と、を備える。 In order to solve the above problem, a spectrum analysis device (10) according to one aspect of the present invention includes an acquisition unit (11) that acquires spectrum data indicating the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the longitudinal direction of an optical fiber (FUT), a separation and extraction unit (13) that separates and extracts a first peak and a second peak for each of the spectrum data, an identification unit (15) that identifies a position on the optical fiber where the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other and where the spectrum data was obtained, a gradient calculation unit (16) that calculates the gradient of the intensity of the first peak and the gradient of the intensity of the second peak at the position identified by the identification unit, and a determination unit (17) that determines which of the first peak and the second peak is appropriate as the maximum peak based on the gradient calculated by the gradient calculation unit.
また、本発明の一態様によるスペクトル解析装置は、前記取得部で取得された前記スペクトルデータの各々の強度を正規化する正規化部(12)を更に備える。 The spectral analysis device according to one aspect of the present invention further includes a normalization unit (12) that normalizes the intensity of each of the spectral data acquired by the acquisition unit.
また、本発明の一態様によるスペクトル解析装置は、前記取得部が、BOTDR方式又はBOTDA方式の光ファイバセンサで検出された前記スペクトルデータを取得する。 In addition, in one aspect of the present invention, the acquisition unit of the spectrum analysis device acquires the spectrum data detected by a BOTDR or BOTDA optical fiber sensor.
また、本発明の一態様によるスペクトル解析装置は、前記分離抽出部が、前記スペクトルデータの各々について、任意の半値幅を有するローレンツ分布関数又はフォークト関数を用いたカーブフィッティングを行って前記第1ピークと前記第2ピークとを分離抽出する。 In addition, in a spectral analysis device according to one aspect of the present invention, the separation and extraction unit performs curve fitting using a Lorentz distribution function or a Voigt function having an arbitrary half-width for each of the spectral data to separate and extract the first peak and the second peak.
また、本発明の一態様によるスペクトル解析装置は、前記傾斜算出部が、前記特定部によって特定された位置における前記第1ピーク及び当該位置の前後の位置における前記第1ピークに対する線形回帰分析を行って前記第1ピークの強度の傾斜を算出し、前記特定部によって特定された位置における前記第2ピーク及び当該位置の前後の位置における前記第2ピークに対する線形回帰分析を行って前記第2ピークの強度の傾斜を算出する。 In addition, in a spectral analysis device according to one aspect of the present invention, the slope calculation unit performs linear regression analysis on the first peak at the position identified by the identification unit and on the first peak at positions before and after the position to calculate the slope of the intensity of the first peak, and performs linear regression analysis on the second peak at the position identified by the identification unit and on the second peak at positions before and after the position to calculate the slope of the intensity of the second peak.
また、本発明の一態様によるスペクトル解析装置は、前記判定部によって最大ピークとして適正と判定されたピークの周波数を出力するピーク周波数出力部(18)を備える。 The spectrum analysis device according to one aspect of the present invention also includes a peak frequency output unit (18) that outputs the frequency of the peak that is determined by the determination unit to be appropriate as the maximum peak.
また、本発明の一態様によるスペクトル解析装置は、前記ピーク周波数出力部から出力される周波数から求められる前記光ファイバの特性を出力するファイバ特性出力部(19)を備える。 The spectrum analysis device according to one aspect of the present invention also includes a fiber characteristic output unit (19) that outputs the characteristics of the optical fiber determined from the frequency output from the peak frequency output unit.
本発明の一態様によるスペクトル解析方法は、光ファイバ(FUT)の長さ方向における異なる位置で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得する取得ステップ(S11)と、前記スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する分離抽出ステップ(S13)と、前記第1ピークの強度と前記第2ピークの強度とが近接する前記スペクトルデータが得られた前記光ファイバ上の位置を特定する特定ステップ(S15)と、前記特定ステップによって特定された位置における前記第1ピークの強度の傾斜と前記第2ピークの強度の傾斜とを算出する傾斜算出ステップ(S16)と、前記傾斜算出ステップで算出された傾斜に基づいて、前記第1ピーク及び前記第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する判定ステップ(S17)と、を有する。 The spectral analysis method according to one aspect of the present invention includes an acquisition step (S11) of acquiring spectral data showing the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the longitudinal direction of an optical fiber (FUT), a separation and extraction step (S13) of separating and extracting a first peak and a second peak for each of the spectral data, a specification step (S15) of identifying a position on the optical fiber where the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other and where the spectral data was obtained, a slope calculation step (S16) of calculating the slope of the intensity of the first peak and the slope of the intensity of the second peak at the position identified by the specification step, and a determination step (S17) of determining which of the first peak and the second peak is appropriate as the maximum peak based on the slope calculated in the slope calculation step.
本発明の一態様によるスペクトル解析プログラムは、コンピュータを、光ファイバ(FUT)の長さ方向における異なる位置で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得する取得手段(11)と、前記スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する分離抽出手段(13)と、前記第1ピークの強度と前記第2ピークの強度とが近接する前記スペクトルデータが得られた前記光ファイバ上の位置を特定する特定手段(15)と、前記特定手段によって特定された位置における前記第1ピークの強度の傾斜と前記第2ピークの強度の傾斜とを算出する傾斜算出手段(16)と、前記傾斜算出手段で算出された傾斜に基づいて、前記第1ピーク及び前記第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する判定手段(17)と、して機能させる。 The spectral analysis program according to one aspect of the present invention causes a computer to function as an acquisition means (11) for acquiring spectral data showing the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the length direction of an optical fiber (FUT), a separation and extraction means (13) for separating and extracting a first peak and a second peak for each of the spectral data, a determination means (15) for determining a position on the optical fiber where the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other and where the spectral data was obtained, a slope calculation means (16) for calculating the slope of the intensity of the first peak and the slope of the intensity of the second peak at the position determined by the determination means, and a determination means (17) for determining which of the first peak and the second peak is appropriate as the maximum peak based on the slope calculated by the slope calculation means.
本発明によれば、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合における最大ピークの誤検知を防止することができるという効果がある。 The present invention has the effect of preventing erroneous detection of the maximum peak when two peaks appear in the spectrum of Brillouin scattered light.
以下、図面を参照して本発明の実施形態によるスペクトル解析装置、スペクトル解析方法、及びスペクトル解析プログラムについて詳細に説明する。以下では、まず本発明の実施形態の概要について説明し、続いて本発明の実施形態の詳細について説明する。 The following describes in detail a spectrum analysis device, a spectrum analysis method, and a spectrum analysis program according to an embodiment of the present invention with reference to the drawings. First, an overview of the embodiment of the present invention will be described, followed by a detailed description of the embodiment of the present invention.
〔概要〕
本発明の実施形態は、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合における最大ピークの誤検知を防止することができるようにするものである。具体的には、ブリルアン散乱光のスペクトルに現れる2つのピークの強度が拮抗する状態のときに、例えば、光ファイバセンサ固有の雑音がブリルアン散乱光のスペクトルに重畳したとしても、最大ピークの誤検知を防止することができるようにするものである。
〔overview〕
The embodiment of the present invention makes it possible to prevent erroneous detection of the maximum peak when two peaks appear in the spectrum of Brillouin scattered light. Specifically, when the intensities of two peaks appearing in the spectrum of Brillouin scattered light are competitive, for example, even if noise inherent to the optical fiber sensor is superimposed on the spectrum of Brillouin scattered light, it makes it possible to prevent erroneous detection of the maximum peak.
上述した非特許文献1では、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合に、ブリルアン周波数シフトの検出距離に誤差が生じることは論じられている。しかしながら、2つのピークの強度が拮抗する状態のときに、生じ得る最大ピークの誤検知については何ら論じられていない。この最大ピークの誤検知の問題は、光ファイバセンサの雑音を低減することによって発生頻度を改善することが可能であるが、それだけでは完全に解決することはできない。
The above-mentioned
上述した非特許文献2には、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合の問題点を解決し得るピーク追跡トレンド解析法が開示されている。このピーク追跡トレンド解析法は、第1のステップ(ピーク追跡)と、第2のステップ(トレンド解析)とを有する。
The above-mentioned
第1のステップ(ピーク追跡)では、まず、ブリルアン散乱光のスペクトル(以下、「ブリルアン散乱スペクトル」という場合もある)において、最大ピークとその次に大きいピークとを見つけてローレンツ分布を仮定したピーク抽出を行う。次に、それら2つのピークの周波数に従って分類するグループ番号を割り当てる。続いて、グループにはピーク周波数とスペクトル強度とを保持させ、保持しているピーク周波数から所定の周波数範囲内に含まれるピークはグループ番号と同一のグループとして扱う。そして、光ファイバの長さ方向に亘ってピーク周波数が変化したときに同一グループであればグループの保持するピーク周波数を更新し、最大ピークと次に大きいピークとをグループ番号で追跡して記録する。 In the first step (peak tracking), the maximum peak and the next largest peak are found in the spectrum of the Brillouin scattered light (hereinafter sometimes referred to as the "Brillouin scattered spectrum"), and peak extraction is performed assuming a Lorentzian distribution. Next, group numbers are assigned to classify the two peaks according to their frequencies. The peak frequency and spectral intensity are then stored in the group, and peaks that fall within a specified frequency range from the stored peak frequency are treated as belonging to the same group as the group number. Then, if the peak frequency changes along the length of the optical fiber and they are in the same group, the peak frequency stored in the group is updated, and the maximum peak and the next largest peak are tracked and recorded by group number.
第2のステップ(トレンド解析)では、まず、記録された同一グループ番号の連続出現回数をカウントする。次に、カウントにおいてスペクトル強度が上昇/下降したら出現回数を増加/減少させ、カウント値の増減によってスペクトル強度の上昇・下降トレンドを解析する。2つのグループに含まれるピーク周波数が一方から他方へ遷移するときに、新しく最大ピークとなる周波数におけるスペクトル強度は上昇トレンドになるのが自然の理である。このため、上昇トレンドのピークから下降トレンドのピークに遷移するような場合には誤検知であると解すべきであり、その遷移は無効と判断される。 In the second step (trend analysis), first, the number of consecutive occurrences of the same recorded group number is counted. Next, if the spectral intensity rises/falls in the count, the number of occurrences is increased/decreased, and the increasing/decreasing count value is used to analyze the rising/falling trend of the spectral intensity. When the peak frequencies contained in two groups transition from one to the other, it is natural that the spectral intensity at the frequency that becomes the new maximum peak will trend upwards. For this reason, a transition from an upward trending peak to a downward trending peak should be interpreted as a false positive, and the transition is deemed invalid.
このようなピーク追跡トレンド解析法では、光ファイバの長さ方向に亘る全ての測定データに対して第1ステップ(ピーク追跡)の処理が行われる。最大ピークの強度と次に大きいピークの強度とが拮抗しないような場合には、誤検知を生じる可能性はなく処理が無駄になる。また、第1ステップ(ピーク追跡)におけるグループ分けに用いる所定の周波数範囲は、ブリルアン散乱の固有スペクトル半値全幅を用いることを目安の閾値としているが、その範囲内は誤検知を判定しないという制約になっている。 In this type of peak tracking trend analysis method, the first step (peak tracking) is performed on all measurement data along the length of the optical fiber. If the intensity of the largest peak is not competitive with the intensity of the next largest peak, there is no possibility of a false positive and the process is wasted. In addition, the predetermined frequency range used for grouping in the first step (peak tracking) is set as a threshold value based on the intrinsic full width at half maximum spectrum of Brillouin scattering, but there is a constraint that false positives are not judged within that range.
本発明の実施形態では、まず、光ファイバの長さ方向における異なる位置で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得し、スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する。次に、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接するスペクトルデータが得られた光ファイバ上の位置を特定し、特定された位置における第1ピークの強度の傾斜と第2ピークの強度の傾斜とを算出する。そして、算出された傾斜に基づいて、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定するようにしている。これにより、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合における最大ピークの誤検知を防止することができる。 In an embodiment of the present invention, first, spectral data showing the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the length direction of the optical fiber is obtained, and a first peak and a second peak are separated and extracted for each of the spectral data. Next, a position on the optical fiber where the spectral data was obtained where the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other is identified, and the gradient of the intensity of the first peak and the gradient of the intensity of the second peak at the identified position are calculated. Then, based on the calculated gradient, it is determined which of the first peak and the second peak is appropriate as the maximum peak. This makes it possible to prevent erroneous detection of the maximum peak when two peaks appear in the spectrum of the Brillouin scattered light.
また、本発明の実施形態では、上述した非特許文献2に開示されたピーク追跡トレンド解析法で行われている不要な処理を無くすとともに、誤検知の判定を行わない周波数範囲の制約を無くし、より簡潔な手法にて最大ピークの誤検知を防止することができる。具体的には、ブリルアン散乱スペクトル強度のトレンド解析のみに着目し、2つのピークの強度が近接するときの、各々のピークの強度の傾斜を用いることで、最大ピークの誤検知を防止することができる。
Furthermore, in an embodiment of the present invention, unnecessary processing performed in the peak tracking trend analysis method disclosed in the above-mentioned
〔詳細〕
〈スペクトル解析装置〉
図1は、本発明の一実施形態によるスペクトル解析装置の要部構成を示すブロック図である。図1に示す通り、本実施形態のスペクトル解析装置10は、スペクトルデータ取得部11(取得部、取得手段)、スペクトル強度正規化部12(正規化部)、ピーク分離抽出部13(分離抽出部、分離抽出手段)、ピーク情報記憶部14、ピーク強度近接特定部15(特定部、特定手段)、ピーク強度傾斜算出部16(傾斜算出部、傾斜算出手段)、ピーク判定部17(判定部、判定手段)、ピーク周波数出力部18、及びファイバ特性出力部19を備える。
〔detail〕
Spectral Analysis Device
Fig. 1 is a block diagram showing the main components of a spectral analysis device according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig. 1, the
このようなスペクトル解析装置10は、光ファイバセンサ本体20とともに、光ファイバセンサシステム1を構成する。光ファイバセンサシステム1は、光ファイバセンサ本体20で検出されたスペクトルデータをスペクトル解析装置10が取得して解析することにより、光ファイバFUTの長さ方向における特性(温度や歪みの分布)を求めるシステムである。
The above-described
光ファイバセンサ本体20は、BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)方式のものであっても良く、BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)方式のものであっても良い。
The optical
上記のBOTDR方式のものは、光ファイバFUTの一端からパルス光を入射させる。そして、光ファイバFUTの同じ一端から射出される後方ブリルアン散乱光を順次検出することにより、光ファイバFUTの特性を求めるものである。 The above BOTDR method involves injecting pulsed light into one end of the optical fiber FUT. The characteristics of the optical fiber FUT are then determined by sequentially detecting the backscattered Brillouin light emitted from the same end of the optical fiber FUT.
上記のBOTDA方式のものは、光ファイバFUTの一端から周波数が可変であるパルス光(ポンプ光)を入射させるとともに光ファイバFUTの他端から連続光であるプローブ光を入射させる。そして、誘導ブリルアン散乱現象によって生じる強い散乱光の変化成分を順次測定することで、光ファイバFUTの特性を求めるものである。 In the BOTDA method, a pulsed light (pump light) with a variable frequency is input from one end of the optical fiber FUT, and a probe light, which is a continuous light, is input from the other end of the optical fiber FUT. The characteristics of the optical fiber FUT are obtained by sequentially measuring the changing components of the strong scattered light generated by the stimulated Brillouin scattering phenomenon.
スペクトルデータ取得部11は、光ファイバセンサ本体20から出力されるスペクトルデータを取得する。ここで、スペクトルデータは、光ファイバFUT内で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すデータである。光ファイバセンサ本体20は、通常、光ファイバFUTの長さ方向に沿って設定された複数の測定点で測定を行う。このため、スペクトルデータ取得部11は、各々の測定点で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得する。
The spectral
スペクトルデータ取得部11で取得されるスペクトルデータは、光ファイバFUTの長さ方向の位置(距離)の情報と、ブリルアン散乱スペクトルの周波数軸の情報と、ブリルアン散乱スペクトルの強度の情報とが組み合わされた、いわば3次元のデータである。尚、スペクトルデータ取得部11で取得されるスペクトルデータに雑音が多く重畳されている場合には、ローパスフィルタ処理を用いて雑音を低減してもよい。
The spectral data acquired by the spectral
スペクトル強度正規化部12は、スペクトルデータ取得部で取得された各スペクトルデータの強度を正規化する。例えば、スペクトル強度正規化部12は、ブリルアン散乱スペクトルの面積が所定の値(例えば、「1」)となるように、各スペクトルデータの強度を正規化する。このような正規化を行うのは、光ファイバFUTから得られるブリルアン散乱スペクトルの光強度が、光ファイバFUTの材質、温度特性、伝送距離といった要因に起因して変化するためである。
The spectral
例えば、光ファイバFUTが、複数の光ファイバを融着接続又はコネクタ接続したものである場合には、ブリルアン散乱スペクトルの光強度は、それぞれの光ファイバの材質に依存して異なる場合がある。また、光ファイバFUTが、長さ方向に切れ目のない1本の光ファイバであっても、周囲温度が低温の場所から得られるブリルアン散乱スペクトルの光強度よりも、周囲温度が高温の場所から得られるブリルアン散乱スペクトルの光強度の方が大きいことが知られている。また、光ファイバFUTには伝搬損失があるため、ブリルアン散乱スペクトルの光強度は、伝搬距離が長くなるにつれて小さくなる。このような要因に起因して生ずる光強度の変化を排除するために、上記の正規化を行っている。 For example, if the optical fiber FUT is a fusion spliced or connectorized combination of multiple optical fibers, the light intensity of the Brillouin scattering spectrum may differ depending on the material of each optical fiber. Even if the optical fiber FUT is a single optical fiber with no breaks in its length, it is known that the light intensity of the Brillouin scattering spectrum obtained from a location with a high ambient temperature is greater than the light intensity of the Brillouin scattering spectrum obtained from a location with a low ambient temperature. Furthermore, because the optical fiber FUT has propagation loss, the light intensity of the Brillouin scattering spectrum decreases as the propagation distance increases. The above normalization is performed to eliminate changes in light intensity caused by such factors.
ピーク分離抽出部13は、スペクトル強度正規化部12によって正規化されたスペクトルデータの各々について、最大ピークと、その次に大きいピークとの少なくとも2つのピークを分離抽出する。ここで、ブリルアン散乱スペクトルを構成するピークはそれぞれ本来ローレンツ分布であることが知られている。このため、ピーク分離抽出部13は、任意の半値幅を有するローレンツ分布関数、或いは、ランダム成分にともなうガウス分布を任意の半値幅を有するローレンツ分布に加えたフォークト(Voigt)関数の線形和で表されるスペクトルから、上記の2つのピークを分離抽出することもできる。
The peak
ここで、上記の2つのピークのみを用いるとブリルアン周波数シフト(BFS)の抽出精度が劣化する場合がある。このため、3つ以上のピークを分離抽出したり、ベースラインの傾斜を除去するShirly法等を適用したりして、精度向上を図るようにしても良い。尚、ピークの見つけ方としては、単純に最大値を見つける局所探索法によるもの、一次導関数が0と交差する点を見つける方法、平均値から標準偏差の数倍乖離した点を見つける方法、カーブフィッティングを用いる方法等がある。 Here, if only the above two peaks are used, the accuracy of the Brillouin frequency shift (BFS) extraction may deteriorate. For this reason, it is possible to improve accuracy by extracting three or more peaks separately or by applying the Shirly method, which removes the slope of the baseline. Methods for finding peaks include a local search method that simply finds the maximum value, a method that finds the point where the first derivative crosses zero, a method that finds a point that is several times the standard deviation away from the average value, and a method that uses curve fitting.
図2は、本発明の一実施形態において、ピーク分離抽出部で行われる処理を説明するための図である。図2に示すグラフは、ブリルアン散乱スペクトルを示すものであり、横軸に周波数をとり、縦軸に光強度をとってある。図2(a)において、丸印でプロットしたスペクトルBS1は、ブリルアン散乱スペクトルを所定の周波数間隔でサンプルして正規化したデータ(スペクトル強度正規化部12で強度が正規化されたスペクトルデータ)である。 Figure 2 is a diagram for explaining the processing performed in the peak separation and extraction unit in one embodiment of the present invention. The graph shown in Figure 2 shows the Brillouin scattering spectrum, with frequency on the horizontal axis and light intensity on the vertical axis. In Figure 2(a), spectrum BS1 plotted with circles is data obtained by sampling and normalizing the Brillouin scattering spectrum at a specified frequency interval (spectral data whose intensity has been normalized by the spectrum intensity normalization unit 12).
ピーク分離抽出部13は、局所探索法を用いてスペクトルBS1のピークを探索する。図2(a)に例示するスペクトルBS1は、ピーク周波数が近い2つのピークを内包しているが、局所探索法では1つのピークP1m(周波数f1、光強度I1m)しか見つけることができない。1つのピークしか見つけることができなかった場合、ピーク分離抽出部13は、スペクトルBS1から破線で示されるローレンツ分布D1(周波数f1、光強度I1m)を差し引き、図2(b)に示すスペクトルBS2を得る。そして、ピーク分離抽出部13は、局所探索法を用いてスペクトルBS2のピークを探索する。これにより、ピークP1mの次に大きいピークP2m(周波数f2、光強度I2m)を見つけることができる。
The peak
以上の処理にて、最大ピークであるピークP1mと、その次に大きいピークであるピークP2mとが分離抽出される。但し、スペクトルデータの周波数間隔が十分に精密ではない場合には、以上の処理で分離抽出されたピークP1m及びピークP2mの周波数や光強度は正確ではないため、これらは次に述べるカーブフィッティングの初期値を与えるために用いられる。 By the above process, the maximum peak, peak P1m , and the next largest peak, peak P2m , are separated and extracted. However, if the frequency interval of the spectrum data is not sufficiently precise, the frequencies and optical intensities of peaks P1m and P2m separated and extracted by the above process are not accurate, and so these are used to provide initial values for curve fitting, which will be described next.
図3は、本発明の一実施形態において、ピーク分離抽出部で行われる他の処理を説明するための図である。図3に示すグラフは、図2に示すグラフと同様に、ブリルアン散乱スペクトルを示すものであり、横軸に周波数をとり、縦軸に光強度をとってある。図3(a)において、丸印でプロットしたスペクトルBSは、ブリルアン散乱スペクトルを所定の周波数間隔でサンプルして正規化したデータ(スペクトル強度正規化部12で強度が正規化されたスペクトルデータ)である。 Figure 3 is a diagram for explaining another process performed in the peak separation and extraction unit in one embodiment of the present invention. The graph shown in Figure 3, like the graph shown in Figure 2, shows the Brillouin scattering spectrum, with frequency on the horizontal axis and light intensity on the vertical axis. In Figure 3(a), the spectrum BS plotted with circles is data obtained by sampling and normalizing the Brillouin scattering spectrum at a specified frequency interval (spectral data whose intensity has been normalized by the spectrum intensity normalization unit 12).
ピーク分離抽出部13は、図2に示す2つのピークP1m及びP2mの各々について、ピークを中心とした左右数点のサンプルに対する二次関数のカーブフィッティングを行う。例えば、ピークP1mを中心として左右数点のサンプルが含まれる領域R1内のサンプルに対してカーブフィッティングを行うことで二次曲線C1を得る。また、ピークP2mを中心として左右数点のサンプルが含まれる領域R2内のサンプルに対してカーブフィッティングを行うことで二次曲線C2を得る。二次曲線C1,C2の係数から、最大値ピークP1mの近傍に周波数f1と光強度I1とを有する第1ピーク(高周波側のピーク)が得られるとともに、次に大きいピークP2mの近傍に周波数f2と光強度I2とを有する第2ピーク(低周波側のピーク)が得られる。
The peak separation and
ピーク分離抽出部13は、二次関数の代わりに、任意の半値幅を有するローレンツ分布関数、或いは、ランダム成分にともなうガウス分布を任意の半値幅を有するローレンツ分布に加えたフォークト(Voigt)関数によるカーブフィッティングを行うことも可能である。例えば、図3(b)に示す通り、2つの関数の線形和で定義される曲線を、スペクトルBSのサンプルに対してカーブフィッティングすることで、曲線L1,L2が得られる。これにより、図3(a)に示す例と同様に、最大値ピークP1mの近傍に周波数f1と光強度I1とを有する高周波側の第1ピークが得られるとともに、次に大きいピークP2mの近傍に周波数f2と光強度I2とを有する低周波側の第2ピークが得られる。
The peak separation and
尚、図2の説明で得られたピーク(第1ピーク及び第2ピーク)の周波数及び光強度を、図3(b)に説明したカーブフィッティングの初期値として用いてもよい。また、前述した非特許文献2に示されている行列演算を用いて光強度を調整してもよい。更に、ピーク分離抽出部13で行われるピークの分離抽出手法は、分光学におけるスペクトル解析手法として一般に知られる他のピーク分離抽出手法であってもよい。
The frequency and light intensity of the peaks (first and second peaks) obtained in the explanation of FIG. 2 may be used as the initial values for the curve fitting explained in FIG. 3(b). The light intensity may also be adjusted using the matrix calculation shown in the aforementioned
ピーク情報記憶部14は、ピーク分離抽出部13によって分離抽出されたピーク情報(周波数及び強度)を位置(光ファイバFUTの一端からの距離)とともに記憶する。情報の記憶は、コンピュータ又は電子回路によって読み取り可能な記録媒体により実現される。記録媒体は、例えば、磁気記録媒体(ハードディスクドライブ、光磁気ディスク等)や半導体メモリ(フラッシュメモリ、RAM(random access memory))を含む。
The peak
ピーク強度近接特定部15は、スペクトルデータの各々について、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接する場合には、そのスペクトルデータが得られた光ファイバFUT上の位置(光ファイバFUTの一端からの距離)を特定する。ピーク強度近接特定部15は、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接するか否かは、第1ピークの強度と第2ピークの強度との差が、予め規定された閾値以下であるか否かによって判断する。
For each piece of spectral data, if the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other, the peak intensity
例えば、光強度Iを5log10(I)のようにデシベル単位で表すとき、第1ピークの強度と第2ピークの強度との差が閾値0.1dB以内であれば、ピーク強度近接特定部15は、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接すると判断する。この閾値は、例えば、光ファイバセンサ本体20の測定器部分の雑音の程度によって変更することができる。尚、ピーク強度近接特定部15によって、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接すると判断されたスペクトルデータの数(特定された光ファイバFUT上の位置の数)をuとする。
For example, when the light intensity I is expressed in decibel units such as 5 log 10 (I), if the difference between the intensity of the first peak and the intensity of the second peak is within a threshold value of 0.1 dB, the peak intensity
ピーク強度傾斜算出部16は、ピーク強度が近接していると特定されたu箇所の位置のそれぞれにおいて、光ファイバFUTの長さ方向におけるピーク強度の傾斜を算出する。ピーク強度傾斜算出部16は、ピーク強度の傾斜を算出しようとしている位置のピーク強度に加え、その位置の前後の位置におけるピーク強度を用いてピーク強度の傾斜を算出する。ピーク強度傾斜算出部16は、周波数が低い側と高い側とに分けてピーク強度の傾斜を算出する。即ち、ピーク強度傾斜算出部16は、低周波側におけるピーク強度の傾斜を算出する場合には低周波側のピーク強度(第2ピークの強度)のみを用い、高周波側におけるピーク強度の傾斜を算出する場合には高周波側のピーク強度(第1ピークの強度)のみを用いる。
The peak intensity
図4は、本発明の一実施形態において、ピーク強度傾斜算出部で行われる処理を説明するための図である。図4に示すグラフは、光ファイバFUTの長手方向における第1ピーク及び第2ピークの強度変化を示すグラフであり、横軸に光ファイバFUT上の位置をとり、縦軸に光強度をとってある。尚、図4に示すグラフの横軸の原点位置は、光ファイバFUTの一端の位置を示している。 Figure 4 is a diagram for explaining the processing performed by the peak intensity slope calculation unit in one embodiment of the present invention. The graph shown in Figure 4 is a graph showing the intensity change of the first peak and the second peak in the longitudinal direction of the optical fiber FUT, with the horizontal axis representing the position on the optical fiber FUT and the vertical axis representing the light intensity. Note that the origin position of the horizontal axis of the graph shown in Figure 4 indicates the position of one end of the optical fiber FUT.
図4に示す通り、例えば、光ファイバFUT上の位置dk(kは整数)において得られたk番目のスペクトルデータから分離抽出された第1ピークの強度と第2ピークの強度との差が、予め規定された閾値以下であるとする。尚、図4では、周波数が高い第1ピーク(周波数がfHであるピーク)を丸印のプロットで示しており、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)を菱形のプロットで示している。 As shown in Fig. 4, for example, assume that the difference between the intensity of the first peak and the intensity of the second peak separated and extracted from the kth spectrum data obtained at a position dk (k is an integer) on the optical fiber FUT is equal to or less than a predefined threshold value. In Fig. 4, the first peak having a high frequency (peak having a frequency fH ) is shown by a circle plot, and the second peak having a low frequency (peak having a frequency fL ) is shown by a diamond plot.
図4に示す例において、原点位置(位置0)では、周波数が高い第1ピーク(周波数がfHであるピーク)の光強度が、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)の光強度よりも高い。原点位置から離れるにつれて、周波数が高い第1ピーク(周波数がfHであるピーク)の強度が低くなっていき、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)の強度が高くなっていく。そして、光ファイバFUT上の位置dk-2になると、第1ピークの強度と第2ピークの強度との大小関係は逆転する。これにより、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)が新たな最大ピークになり、最大ピークの周波数が高周波側(周波数f1)から低周波側(周波数f2)へ遷移する。このような周波数遷移においてダブルピークの誤検知を生じる可能性がある。 In the example shown in FIG. 4, at the origin position (position 0), the light intensity of the first peak (peak with a frequency of fH ) with a high frequency is higher than the light intensity of the second peak (peak with a frequency of fL ) with a low frequency. As the distance from the origin position increases, the intensity of the first peak (peak with a frequency of fH ) with a high frequency decreases, and the intensity of the second peak (peak with a frequency of fL ) with a low frequency increases. Then, at the position dk-2 on the optical fiber FUT, the magnitude relationship between the intensity of the first peak and the intensity of the second peak is reversed. As a result, the second peak (peak with a frequency of fL ) with a low frequency becomes the new maximum peak, and the frequency of the maximum peak transitions from the high frequency side (frequency f1 ) to the low frequency side (frequency f2 ). In such a frequency transition, there is a possibility that a double peak may be erroneously detected.
上記の周波数遷移の後、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)が最大ピークとなるのが正しい結果である。しかしながら、図4に示す例では、光ファイバFUT上の位置dkにおいて、重畳雑音の影響によって、第1ピークの強度と第2ピークの強度との大小関係が再び逆転し、周波数が高い第1ピーク(周波数がfHであるピーク)が最大ピークになる。 After the above frequency transition, the correct result is that the second peak with a lower frequency (the peak with a frequency of fL ) becomes the maximum peak. However, in the example shown in Fig. 4, at the position dk on the optical fiber FUT, the magnitude relationship between the intensities of the first peak and the second peak is reversed again due to the influence of the superimposed noise, and the first peak with a higher frequency (the peak with a frequency of fH ) becomes the maximum peak.
ピーク強度傾斜算出部16は、このようなピークの強度の再逆転が、雑音により生じたのか否か判断する目的で、ピーク強度の傾斜を算出する。ピーク強度傾斜算出部16は、光ファイバFUT上の位置dkに加え、位置dkの前後の複数の位置(例えば、位置dk-2からdk+2までの5地点分)におけるピーク強度を用いてピーク強度の傾斜を直線回帰により算出する。尚、他の算出方法として、最小二乗法や単調な関数のカーブフィッティングでもよい。ピーク強度傾斜算出部16によって算出された高周波側のピーク強度の傾斜をSHとし、低周波側のピーク強度の傾斜をSLとする。
The peak intensity
ピーク判定部17は、ピーク強度傾斜算出部16によって算出されたピーク強度の傾斜を用いて、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する。具体的に、ピーク判定部17は、ピーク強度近接特定部15によって特定された位置における上記の最大ピークの周波数遷移が、雑音等の影響により生じたものであるか否か判定することによって、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する。
The
ここで、正しいピーク位置から得られるブリルアン散乱スペクトルは強度が高いため、正しいピークへの遷移は徐々にスペクトル強度の増加をともなうことが自然の理である。図4に示す位置dkにおいて、周波数遷移により新しく最大ピークとなった高周波側のピーク強度の傾斜SHは負(SH<0)であり、低周波側のピーク強度の傾斜SLは正(SL>0)である。このため、ピーク判定部17は、位置dkにおける低周波側から高周波側への遷移は雑音等の影響により生じたもの(誤検知)であり、この位置における最大ピークとして、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)が適正であると判定する。尚、ピーク情報記憶部14に記憶されたピーク情報は、ピーク判定部17の判定結果に基づいてピーク判定部17によって修正される。
Here, since the Brillouin scattering spectrum obtained from the correct peak position has a high intensity, it is natural that the transition to the correct peak is accompanied by a gradual increase in the spectrum intensity. At the position d k shown in FIG. 4, the slope S H of the peak intensity on the high frequency side, which has become a new maximum peak due to the frequency transition, is negative (S H <0), and the slope S L of the peak intensity on the low frequency side is positive (S L >0). Therefore, the
より具体的に、ピーク判定部17は、高周波側のピーク強度の傾斜SHと低周波側のピーク強度の傾斜SLとの差(SH-SL)を求め、以下の表1の内容に従って、上述した判定を行う。尚、SH-SL<0の場合には、周波数が低い第2ピーク(周波数がfLであるピーク)が最大ピークであり、SH-SL>0の場合には、周波数が高い第1ピーク(周波数がfHであるピーク)が最大ピークである。
More specifically, the
ここで、ピーク強度の傾斜の差が0である場合(SH-SL=0の場合)には、最大ピークの周波数遷移を誤検知であると判断しても良く、正しい遷移と判断しても良い。或いは、SH-SL=0の場合には、ピーク強度傾斜算出部16において用いた地点数を増加(例えば、位置dkを含む5地点から7地点に増加)して傾斜を再計算した後、改めてSH-SLを求めて判定してもよい。
Here, when the difference in the slope of the peak intensities is 0 (when S H - S L = 0), the frequency transition of the maximum peak may be determined to be an erroneous detection, or may be determined to be a correct transition. Alternatively, when S H - S L = 0, the number of points used in the peak intensity
尚、ピーク判定部17は、ピーク強度近接特定部15によってピーク強度が近接していると特定されたu箇所の位置の各々について、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する。但し、その処理過程における判定結果によっては、u箇所よりも少ない処理回数となることがある。例えば、最大ピークの周波数が、高周波側(周波数f1)から低周波側(周波数f2)へ遷移した後、再び高周波側(周波数f1)に遷移する場合において、最初の遷移が誤検知であると判定された場合には、次の遷移について判定を行う必要が無くなる。
The
図5は、本発明の一実施形態において行われるピーク情報の修正処理を説明するための図である。図5に示すグラフは、光ファイバFUTの長手方向におけるブリルアン周波数シフト(BFS)を示すグラフであり、横軸に光ファイバFUT上の位置をとり、縦軸にブリルアン周波数シフト(BFS)をとってある。尚、図5に示すグラフの横軸の原点位置は、光ファイバFUTの一端の位置を示している。 Figure 5 is a diagram for explaining the peak information correction process performed in one embodiment of the present invention. The graph shown in Figure 5 is a graph showing the Brillouin frequency shift (BFS) in the longitudinal direction of the optical fiber FUT, with the horizontal axis representing the position on the optical fiber FUT and the vertical axis representing the Brillouin frequency shift (BFS). Note that the origin position of the horizontal axis of the graph shown in Figure 5 indicates the position of one end of the optical fiber FUT.
ここでは、説明を簡単にするために、光ファイバFUTの長手方向における第1ピーク(周波数がfHであるピーク)及び第2ピーク(周波数がfLであるピーク)の強度変化は、図4に示すものと同じであるとする。つまり、第1ピークの強度と第2ピークの強度との大小関係が、光ファイバFUT上の位置dk-2において逆転し、光ファイバFUT上の位置dkにおいて再逆転するものとする。 For ease of explanation, it is assumed here that the intensity changes of the first peak (peak with frequency fH ) and the second peak (peak with frequency fL ) in the longitudinal direction of the optical fiber FUT are the same as those shown in Fig. 4. In other words, it is assumed that the magnitude relationship between the intensity of the first peak and the intensity of the second peak is reversed at position dk-2 on the optical fiber FUT, and is reversed again at position dk on the optical fiber FUT.
このような強度変化が生ずる場合には、図5(a)に示す通り、ブリルアン周波数シフトは、位置dk-2において周波数fHから周波数fLに遷移し、位置dkにおいて周波数fLから周波数fHに遷移する。ピーク判定部17は、位置dkにおける遷移(周波数fLから周波数fHへの遷移)が誤検知であると判定した場合には、図5(b)に示す通り、位置dkにおけるブリルアン周波数シフトが周波数fLとなるように、ピーク情報記憶部14に記憶されたピーク情報を修正する。
When such an intensity change occurs, as shown in Fig. 5(a), the Brillouin frequency shift transitions from frequency fH to frequency fL at position dk-2 , and transitions from frequency fL to frequency fH at position dk . When the
ここで、位置dkと隣り合う位置(位置dk-1又は位置dk+1)との間隔は、光ファイバセンサ本体20で測定を行うときの設定によるが、一般的にこれをサンプリング間隔又はサンプリング分解能等と呼ぶ。BOTDRのサンプリング間隔は1m程度である。このサンプリング間隔は、温度や歪みの変化する領域よりも十分に狭い(サンプリング分解能が高い)ことが必要である。
Here, the interval between position d k and the adjacent position (position d k-1 or position d k+1 ) depends on the setting when performing measurement with the optical
例えば、光ファイバセンサ本体20が、サンプリング間隔1mのBOTDRであり、光ファイバセンサシステム1が、構造物に張り巡らされた光ファイバFUTに加わる歪みを測定することで、構造物に生ずる歪みを測定するものであるとする。測定対象である構造物が、歪みが10cm単位で大きく変化するような構造物である場合には、ピーク強度傾斜算出部16でピーク強度の傾斜を適切に得ることができない。このため、ピーク判定部17では、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定することができない。
For example, suppose that the optical
これに対し、測定対象である構造物が、サンプリング間隔の数倍以上(例えば、10m)にわたって徐々に歪みが変化するような構造物(例えば、パイプライン等)である場合には、ピーク強度傾斜算出部16でピーク強度の傾斜を適切に得ることができる。このため、ピーク判定部17では、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定することが可能になる。尚、光ファイバセンサシステム1を用いる前提として、光ファイバセンサ本体20のサンプリング間隔が、光ファイバセンサ本体20の空間分解能(ピークを識別する理論的な限界)よりも短い間隔であることが挙げられる。
In contrast, when the structure to be measured is a structure (e.g., a pipeline) in which the distortion changes gradually over several times the sampling interval (e.g., 10 m), the peak intensity
また、例えば、光ファイバセンサ本体20が、サンプリング間隔50cm且つ空間分解能1mのBOTDRであり、光ファイバセンサシステム1が、歪みではなく温度の変化を測定するものであるとする。このような光ファイバセンサシステム1では、サンプリング間隔と空間分解能とが適切であれば、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定することができる。
Also, for example, assume that the optical
ここで、空間分解能1mは、位置dk±50cmの範囲における温度を正しく測定できることを意味する。また、サンプリング間隔50cmは、位置dk-1と位置dkとの間隔が50cmであることを意味する。隣り合う50cm毎の位置における温度が大きく乖離して不連続(例えば、0℃と200℃)になるという状況において、スペクトル強度の傾斜を適切に得ることにより、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定することができる。 Here, a spatial resolution of 1 m means that the temperature can be accurately measured within a range of position d k ±50 cm. Furthermore, a sampling interval of 50 cm means that the interval between positions d k-1 and d k is 50 cm. In a situation where the temperatures at adjacent positions every 50 cm are significantly different and discontinuous (e.g., 0° C. and 200° C.), it is possible to determine whether the first peak or the second peak is the maximum peak by appropriately obtaining the slope of the spectral intensity.
ピーク周波数出力部18は、ピーク判定部17によって誤検知であると判定されて、正しい周波数に修正された後の最大ピークのピーク周波数を出力する。ピーク周波数出力部18の出力は、ピーク強度近接特定部15によってピーク強度が近接していると特定されたu箇所の位置におけるもののみでなく、光ファイバFUTの長さ方向に亘って分布する全ての位置又は一部におけるブリルアン周波数シフトを含んでも良い。
The peak
ファイバ特性出力部19は、ピーク周波数出力部18から出力されるブリルアン周波数シフトから得られる光ファイバFUTの特性(歪みや温度)を出力する。具体的に、ファイバ特性出力部19は、上記のブリルアン周波数シフトに対し、光ファイバFUTに応じた所定の変換係数を乗算して得られる光ファイバFUTの特性(歪みや温度)を出力する。
The fiber
ピーク周波数出力部18及びファイバ特性出力部19は、ピーク周波数(ブリルアン周波数シフト)や光ファイバFUTの特性(歪みや温度)を出力する表示器を備えていても良い。表示器としては、例えば、陰極線管(CRT)、液晶表示器(LCD)、有機電界発光(EL)表示器、プラズマ表示器(PDP)、投影型技術等が挙げられる。
The peak
〈スペクトル解析方法〉
図6は、本発明の一実施形態によるスペクトル解析方法を示すフローチャートである。図6に示すフローチャートの処理は、例えば、スペクトル解析装置10の使用者の指図又は操作があった場合に開始される。
Spectral analysis method
6 is a flowchart showing a spectrum analysis method according to an embodiment of the present invention. The process of the flowchart shown in FIG. 6 is started, for example, when an instruction or operation is received from a user of the
図6に示すフローチャートの処理が開始されると、まず、光ファイバセンサ本体20から出力されるスペクトルデータを取得する処理がスペクトルデータ取得部11で行われる(ステップS11:取得ステップ)。スペクトルデータの取得回数は1回以上であれば良い。実用上は、スペクトルデータを複数回(例えば、100回)取得し、取得した複数回のスペクトルデータを加算平均して1つのスペクトルを求めても良い。
When the process of the flowchart shown in FIG. 6 is started, first, the spectral
また、図6のフローチャートには図示していないが、スペクトルデータに雑音が多い場合には、前処理としてメジアンや移動平均等のフィルタ処理を行ってノイズ除去を行ってもよい。フィルタ処理は、データに重畳している雑音の特性に合った適切なフィルタを選択するのが望ましい。 Although not shown in the flowchart of FIG. 6, if the spectrum data contains a lot of noise, noise may be removed by preprocessing using a filter such as a median or moving average. For the filter processing, it is desirable to select an appropriate filter that matches the characteristics of the noise superimposed on the data.
次に、取得された各スペクトルデータの強度を正規化する処理がスペクトル強度正規化部12で行われる(ステップS12)。例えば、ブリルアン散乱スペクトルの面積が所定の値(例えば、「1」)となるように、各スペクトルデータの強度が正規化される。この処理は、光ファイバFUTの材質、温度特性、伝送距離といった要因を排除し、ブリルアン散乱スペクトルの比較を容易にするために行われる。
Next, the spectral
次いで、正規化したスペクトルデータから、1つ以上のピークを見つけて分離抽出する処理が行われる(ステップS13:分離抽出ステップ)。尚、正規化したスペクトルデータにダブルピークが含まれている場合には、最大ピークと、その次に大きいピークとの少なくとも2つのピークを分離抽出する処理が行われる。 Next, a process is performed to find and separate and extract one or more peaks from the normalized spectrum data (step S13: separation and extraction step). If the normalized spectrum data contains a double peak, a process is performed to separate and extract at least two peaks, the maximum peak and the next largest peak.
この処理では、図3に示す通り、例えば、2つのローレンツ関数の線形和で表される曲線を、スペクトルBSのサンプルに対してカーブフィッティングする処理が行われる。これにより、周波数f1と光強度I1とを有する第1ピークと、周波数f2と光強度I2とを有する第2ピークとが分離抽出される。 In this process, for example, a curve represented by a linear sum of two Lorentzian functions is curve-fitted to the sample of spectrum BS as shown in Fig. 3. As a result, a first peak having frequency f1 and optical intensity I1 and a second peak having frequency f2 and optical intensity I2 are separated and extracted.
分離抽出されたピーク情報(周波数及び強度)は、位置(光ファイバFUTの一端からの距離)とともにピーク情報記憶部14に記憶される(ステップS14)。ピーク情報は、例えば、磁気記録媒体や半導体メモリにデータベース或いは配列等の形式で記憶され、パーソナルコンピュータ(PC)で実行されるソフトウェア等のプログラムにより自由に読み出し又は書き換えが可能なものとする。
The separated and extracted peak information (frequency and intensity) is stored in the peak
続いて、ピーク情報記憶部14に記憶されたピーク情報に基づいて、光ファイバFUT上の各位置において、第1ピークの強度と第2ピークの強度とを比較し、近接している場合には、その位置を特定する処理がピーク強度近接特定部15で行われる(ステップS15:特定ステップ)。尚、第1ピークの強度と第2ピークとの強度とが近接するか否かは、第1ピークの強度と第2ピークの強度との差が、予め規定された閾値以下であるか否かによって判断される。
Next, based on the peak information stored in the peak
例えば、光強度Iを5log10(I)のようにデシベル単位で表すとき、第1ピークの強度と第2ピークの強度との差が閾値0.1dB以内であれば、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接すると判断される。この閾値は、例えば、光ファイバセンサ本体20の測定器部分の雑音の程度によって変更することができる。尚、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接すると判断されたスペクトルデータの数(特定された光ファイバFUT上の位置の数)をuとする。
For example, when the light intensity I is expressed in decibel units such as 5 log 10 (I), if the difference between the intensity of the first peak and the intensity of the second peak is within a threshold value of 0.1 dB, the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are determined to be close to each other. This threshold value can be changed depending on, for example, the level of noise in the measuring device of the optical fiber sensor
続いて、ピーク強度が近接していると特定されたu箇所のうちの1箇所において、光ファイバFUTの長さ方向におけるピーク強度の傾斜を算出する処理がピーク強度傾斜算出部16によって行われる(ステップS16:傾斜算出ステップ)。このとき、ピーク強度の傾斜を算出しようとしている位置のピーク強度に加え、その位置の前後の位置におけるピーク強度を用いてピーク強度の傾斜が算出される。
Then, at one of the u locations identified as having close peak intensities, the peak intensity
また、ピーク強度の傾斜は、周波数が低い側と高い側とに分けて算出される。即ち、低周波側におけるピーク強度の傾斜を算出する場合には低周波側のピーク強度(第2ピークの強度)のみを用い、高周波側におけるピーク強度の傾斜を算出する場合には高周波側のピーク強度(第1ピークの強度)のみを用いる。この処理が行われることで、例えば、図4に示す高周波側のピーク強度の傾斜SH、低周波側のピーク強度の傾斜SLが求められる。 The slope of the peak intensity is calculated separately for the low frequency side and the high frequency side. That is, when calculating the slope of the peak intensity on the low frequency side, only the peak intensity on the low frequency side (the intensity of the second peak) is used, and when calculating the slope of the peak intensity on the high frequency side, only the peak intensity on the high frequency side (the intensity of the first peak) is used. By performing this process, for example, the slope S H of the peak intensity on the high frequency side and the slope S L of the peak intensity on the low frequency side shown in FIG. 4 are obtained.
続いて、ピーク強度の傾斜が求められた箇所における最大ピークの周波数遷移が、誤検知であるか否かを判定する処理がピーク判定部17によって行われる(ステップS17:判定ステップ)。正しいピーク位置から得られるブリルアン散乱スペクトルは強度が高いため、正しいピークへの遷移は徐々にスペクトル強度の増加をともなうことが自然の理である。
Then, the
前述した表1の内容に基づいて、最大ピークの周波数遷移が、周波数fLから周波数fHへの遷移であり、SH-SL<0の場合には、誤検知であると判定される。また、最大ピークの周波数遷移が、周波数fHから周波数fLへの遷移であり、SH-SL>0の場合にも、誤検知であると判定される。誤検知であると判定された場合には、ピーク情報記憶部14に記憶されたピーク情報が修正される。具体的には、SH-SL<0の場合における最大ピークの周波数はfLに修正され、SH-SL>0の場合における最大ピークの周波数はfHに修正される。
Based on the contents of Table 1 described above, if the frequency transition of the maximum peak is a transition from frequency fL to frequency fH and S H -S L < 0, it is determined to be a false detection. Also, if the frequency transition of the maximum peak is a transition from frequency fH to frequency fL and S H -S L > 0, it is determined to be a false detection. If it is determined to be a false detection, the peak information stored in the peak
続いて、ステップS15にて、ピーク強度が近接していると特定されたu箇所の全てについて、ステップS17の判定が行われたか否かがピーク判定部17によって判断される(ステップS18)。u箇所の全てについて判定が行われていないと判断された場合(判断結果が「NO」の場合)には、ステップS16の処理に戻る。
Then, the
これに対し、u箇所の全てについて判定が行われたと判断された場合(判断結果が「YES」の場合)には、ピーク判定部17によって誤検知であると判定されて、正しい周波数に修正された後の最大ピークのピーク周波数を出力する処理がピーク周波数出力部18によって行われる(ステップS19)。ここでの出力は、ピーク強度近接特定部15によってピーク強度が近接していると特定されたu箇所の位置におけるもののみでなく、光ファイバFUTの長さ方向に亘って分布する全ての位置又は一部におけるブリルアン周波数シフトを含んでも良い。
In contrast, if it is determined that the determination has been performed for all u locations (if the determination result is "YES"), the
以上の処理が終了すると、出力されたピーク周波数を、温度又は歪みに変換する必要があるか否かがファイバ特性出力部19によって判断される(ステップS20)。変換の必要があると判断した場合(判断結果が「YES」)には、光ファイバFUTに応じた所定の変換係数を乗算することで温度又は歪みを出力する処理がファイバ特性出力部19によって行われる(ステップS21)。これに対し、変換の必要がないと判断した場合(判断結果が「NO」)には、温度又は歪みを出力する処理は行われず、図6に示す一連の処理が終了する。
When the above process is completed, the fiber
図6のフローチャートに示す処理は、例えば、使用者によって定めた所定のデータ量を処理した後に自動的に終了する。或いは、使用者の定めた所定の回数実施又は所定の時間経過後に終了しても良い。更には、使用者の指示によって手動で終了してもよい。 The process shown in the flowchart of FIG. 6 may end automatically after processing a predetermined amount of data determined by the user, for example. Alternatively, the process may end after a predetermined number of executions or a predetermined period of time determined by the user. Furthermore, the process may end manually at the user's instruction.
以上の通り、本実施形態では、まず、光ファイバFUTの長さ方向における異なる位置で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得し、スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する。次に、第1ピークの強度と第2ピークの強度とが近接するスペクトルデータが得られた光ファイバ上の位置を特定し、特定された位置における第1ピークの強度の傾斜と第2ピークの強度の傾斜とを算出する。そして、算出された傾斜に基づいて、第1ピーク及び第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定するようにしている。これにより、ブリルアン散乱光のスペクトルに2つのピークが現れる場合における最大ピークの誤検知を防止することができる。 As described above, in this embodiment, first, spectral data showing the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the length direction of the optical fiber FUT is obtained, and the first peak and the second peak are separated and extracted for each of the spectral data. Next, the position on the optical fiber where the spectral data in which the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other is identified, and the gradient of the intensity of the first peak and the gradient of the intensity of the second peak at the identified position are calculated. Then, based on the calculated gradient, it is determined which of the first peak and the second peak is appropriate as the maximum peak. This makes it possible to prevent erroneous detection of the maximum peak when two peaks appear in the spectrum of the Brillouin scattered light.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、光ファイバセンサシステム1が、スペクトル解析装置10と光ファイバセンサ本体20とから構成されている例について説明した。しかしながら、光ファイバセンサシステム1をなすスペクトル解析装置10は、光ファイバセンサ本体20内に設けられていても良い。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be freely modified within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, an example was described in which the optical
また、スペクトル解析装置10に設けられる各構成部は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせにより実現できる。また、上記のスペクトル解析方法も、各構成部の協調により行なわれ、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせにより実現できる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。
In addition, each component provided in the
プログラムは、様々なコンピュータ読み取り可能な記録媒体を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えば、磁気記録媒体(例えば、フレキシブルディスク、ハードディスクドライブ、光磁気ディスク)、DVD-ROM(Read Only Memory)、DVD-R、DVD-R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。 The program can be stored and supplied to a computer using various computer-readable recording media. Computer-readable recording media include, for example, magnetic recording media (e.g., flexible disks, hard disk drives, magneto-optical disks), DVD-ROMs (Read Only Memory), DVD-Rs, DVD-R/Ws, and semiconductor memories (e.g., mask ROMs, PROMs (Programmable ROMs), EPROMs (Erasable PROMs), flash ROMs, and RAMs (random access memories)).
また、上述した実施形態は、装置単体で実現されるもののほか、ネットワークを介してクラウドコンピューティングによって実現されていてもよい。 The above-described embodiments may be realized by a single device, or may be realized by cloud computing over a network.
10 スペクトル解析装置
11 スペクトルデータ取得部
12 スペクトル強度正規化部
13 ピーク分離抽出部
15 ピーク強度近接特定部
16 ピーク強度傾斜算出部
17 ピーク判定部
18 ピーク周波数出力部
19 ファイバ特性出力部
FUT 光ファイバ
REFERENCE SIGNS
Claims (9)
前記スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する分離抽出部と、
前記第1ピークの強度と前記第2ピークの強度とが近接する前記スペクトルデータが得られた前記光ファイバ上の位置を特定する特定部と、
前記特定部によって特定された位置における、前記第1ピークの強度の前記光ファイバの長さ方向における傾斜と前記第2ピークの強度の前記光ファイバの長さ方向における傾斜とを算出する傾斜算出部と、
前記傾斜算出部で算出された傾斜に基づいて、前記第1ピーク及び前記第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する判定部と、
を備えるスペクトル解析装置。 an acquisition unit that acquires spectral data indicating the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the length direction of the optical fiber;
a separation/extraction unit that separates and extracts a first peak and a second peak from each of the spectrum data;
an identifying unit that identifies a position on the optical fiber where the spectrum data in which the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other was obtained;
a gradient calculation unit that calculates a gradient of the intensity of the first peak in the length direction of the optical fiber and a gradient of the intensity of the second peak in the length direction of the optical fiber at the position identified by the identification unit ;
a determination unit that determines whether the first peak or the second peak is a maximum peak based on the gradient calculated by the gradient calculation unit;
A spectrum analysis device comprising:
前記スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する分離抽出ステップと、
前記第1ピークの強度と前記第2ピークの強度とが近接する前記スペクトルデータが得られた前記光ファイバ上の位置を特定する特定ステップと、
前記特定ステップによって特定された位置における、前記第1ピークの強度の前記光ファイバの長さ方向における傾斜と前記第2ピークの強度の前記光ファイバの長さ方向における傾斜とを算出する傾斜算出ステップと、
前記傾斜算出ステップで算出された傾斜に基づいて、前記第1ピーク及び前記第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する判定ステップと、
を有するスペクトル解析方法。 an acquisition step of acquiring spectral data indicating the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the length direction of the optical fiber;
a separation and extraction step of separating and extracting a first peak and a second peak from each of the spectrum data;
a step of identifying a position on the optical fiber from which the spectral data, in which the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other, were obtained;
a gradient calculation step of calculating a gradient of the intensity of the first peak in the length direction of the optical fiber and a gradient of the intensity of the second peak in the length direction of the optical fiber at the position specified by the specifying step ;
a determining step of determining whether the first peak or the second peak is appropriate as a maximum peak based on the gradient calculated in the gradient calculating step;
A spectrum analysis method having the following structure:
光ファイバの長さ方向における異なる位置で発生するブリルアン散乱光のスペクトルを示すスペクトルデータをそれぞれ取得する取得手段と、
前記スペクトルデータの各々について、第1ピークと第2ピークとを分離抽出する分離抽出手段と、
前記第1ピークの強度と前記第2ピークの強度とが近接する前記スペクトルデータが得られた前記光ファイバ上の位置を特定する特定手段と、
前記特定手段によって特定された位置における、前記第1ピークの強度の前記光ファイバの長さ方向における傾斜と前記第2ピークの強度の前記光ファイバの長さ方向における傾斜とを算出する傾斜算出手段と、
前記傾斜算出手段で算出された傾斜に基づいて、前記第1ピーク及び前記第2ピークの何れが最大ピークとして適正かを判定する判定手段と、
して機能させるスペクトル解析プログラム。 Computer,
an acquisition means for acquiring spectral data indicating the spectrum of Brillouin scattered light generated at different positions in the length direction of the optical fiber;
a separation/extraction means for separating and extracting a first peak and a second peak from each of the spectrum data;
a means for identifying a position on the optical fiber where the spectral data in which the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are close to each other was obtained;
a gradient calculation means for calculating a gradient of the intensity of the first peak in the length direction of the optical fiber and a gradient of the intensity of the second peak in the length direction of the optical fiber at the position specified by the specifying means ;
a determining means for determining whether the first peak or the second peak is a maximum peak based on the gradient calculated by the gradient calculating means;
A spectrum analysis program that functions as a
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