JP7720014B2 - Analysis device and optical fiber sensing method - Google Patents
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Description
本開示は、OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いた光ファイバセンシング装置の解析装置及びそのセンシング方法に関する。 This disclosure relates to an analysis device for an optical fiber sensing device using OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) and its sensing method.
図1は、OFDRを用いたセンシング原理を説明する図である。OFDRは、周波数掃引光をプローブ光として採用する。そして、光ファイバのプローブ光に対するレイリー後方散乱光の波形r(τ)(図1(A))をフーリエ変換することでスペクトルS(ν)(図1(B))を解析することができる(例えば、非特許文献1を参照。)。 Figure 1 illustrates the sensing principle using OFDR. OFDR uses frequency-swept light as the probe light. Then, by Fourier transforming the waveform r(τ) (Figure 1(A)) of the Rayleigh backscattered light corresponding to the probe light from the optical fiber, the spectrum S(ν) (Figure 1(B)) can be analyzed (see, for example, Non-Patent Document 1).
後方散乱光のスペクトルS(ν)は光ファイバの歪みや温度に対して変動する(スペクトルシフト)。このため、参照測定で得られた参照スペクトルSrefが各測定時においてどれだけ移動したか(スペクトルシフトΔν)を検出することで、次式のように光ファイバの歪みや温度の変化量を算出することができる。
OFDRによる光ファイバセンシング装置には、解析しようとする解析位置より手前の振動による光周波数変調が解析位置の距離を変化させるため、一貫した光スペクトルが得にくく、正しい振動解析が困難という基本課題がある。 OFDR-based optical fiber sensing devices have a fundamental issue in that optical frequency modulation caused by vibrations in front of the analysis position to be analyzed changes the distance to the analysis position, making it difficult to obtain a consistent optical spectrum and perform accurate vibration analysis.
図2は、基本課題を説明する図である。図2(A)は、光ファイバのプローブ光に対するレイリー後方散乱光の波形r(τ)である。通常、光ファイバには振動が発生している。このため、解析位置(時間τ1からτ2の区間)より手前(プローブ光入射端側)の光ファイバの振動(周波数オフセット21)により解析したい波形r(τ)の位置が時間的に変動し、時間τ1からτ2の区間に解析対象外の波形r(τ)が含まれることになる。つまり、時刻ごとに解析する波形波形r(τ)が変化するため、波形r(τ)をフーリエ変換したスペクトルS(ν)の波形も光スペクトル構造が変化し、スペクトルシフト量(歪み量)を計算することが困難になる(図2(B))。 Figure 2 illustrates the basic problem. Figure 2(A) shows the waveform r(τ) of Rayleigh backscattered light in response to a probe light beam from an optical fiber. Optical fibers typically vibrate. Therefore, the position of the waveform r(τ) to be analyzed fluctuates over time due to vibrations (frequency offset 21) of the optical fiber before the analysis position (the section from time τ1 to τ2 ) (toward the probe light input end). This causes waveforms r(τ) that are not the subject of analysis to be included in the section from time τ1 to τ2 . In other words, because the waveform r(τ) to be analyzed changes over time, the optical spectral structure of the spectrum S(ν) obtained by Fourier transforming the waveform r(τ) also changes, making it difficult to calculate the amount of spectral shift (amount of distortion) (Figure 2(B)).
この基本課題に対し、非特許文献2は、解析長さの拡大による位置ずれの影響緩和する方法を開示する。この方法は、周波数オフセット21に対して、センサー長さ(時間τ1からτ2の区間)が十分長ければ、位置ずれを抑えることができる(振動に対する耐力をもつ)ことを利用している。しかし、この方法は、解析長さを拡大すれば歪み解析の空間分解能が劣化するという新たな課題が発生する。 To address this fundamental issue, Non-Patent Document 2 discloses a method for mitigating the effects of misalignment due to an increase in the analysis length. This method utilizes the fact that misalignment can be suppressed (has resistance to vibration) if the sensor length (the section from time τ1 to τ2 ) is sufficiently long relative to the frequency offset 21. However, this method presents a new problem: the spatial resolution of strain analysis deteriorates when the analysis length is increased.
また、この基本課題に対し、非特許文献3は、位置ずれ補正を信号処理で行う方法を開示する。この方法は、振動センサーの損失分布波形の相互相関で距離オフセットを推定し、解析したい振動センサーの位置を追跡する信号処理である。しかし、この方法は、相互相関のための信号負荷が大きいという新たな課題が発生する。 In response to this fundamental issue, Non-Patent Document 3 discloses a method for correcting positional deviations using signal processing. This method involves signal processing that estimates the distance offset using the cross-correlation of the loss distribution waveforms of the vibration sensors and tracks the position of the vibration sensor to be analyzed. However, this method presents a new issue: the signal load due to the cross-correlation is large.
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention aims to provide an analysis device for an optical fiber sensing device and an optical fiber sensing method that can suppress the effects of positional deviation due to vibration with a low processing load without degrading spatial resolution.
上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンシング装置及びその方法は、光ファイバのセクションごとのスペクトルシフトから当該セクションの光周波数変調量を求め、解析位置よりも手前に位置する各セクションの光周波数変調量の累積値を用いて解析位置の位置ずれ補正を行うこととした。 To achieve the above objective, the optical fiber sensing device and method of the present invention calculate the amount of optical frequency modulation for each section of the optical fiber from the spectral shift for that section, and correct the positional deviation of the analysis position using the cumulative value of the optical frequency modulation for each section located before the analysis position.
具体的には、本発明に係る光ファイバセンシング装置の解析装置は、OFDRを用いた光ファイバセンシング装置が備える解析装置であって、
光ファイバのセクション毎に測定されたスペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
前記累積値に基づいて前記解析位置を補正すること
を行う。
Specifically, the analysis device for an optical fiber sensing device according to the present invention is an analysis device provided in an optical fiber sensing device using OFDR,
calculating an amount of optical frequency modulation for each section of the optical fiber from the spectral shift measured for each section;
The amounts of optical frequency modulation of the section located closer to the analysis position of the optical fiber are accumulated to calculate an accumulated value, and the analysis position is corrected based on the accumulated value.
また、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、OFDRを用いた光ファイバセンシング方法であって、
光ファイバのセクション毎にスペクトルシフトを測定すること、
前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
前記累積値に基づいて前記解析位置の補正を行うこと
を特徴とする。
Further, an optical fiber sensing method according to the present invention is an optical fiber sensing method using OFDR, comprising:
measuring the spectral shift for each section of optical fiber;
calculating an amount of optical frequency modulation for each of the sections from the spectral shift;
The method is characterized in that the optical frequency modulation amounts of the sections located closer to the analysis position of the optical fiber are accumulated to calculate an accumulated value, and the analysis position is corrected based on the accumulated value.
光ファイバセンシング装置は、各セクションでの歪の積算が振動による光ファイバの伸縮量であるとし、光ファイバを複数のセクションに分けて光周波数変調量を測定し、解析位置よりも手前に位置する各セクションの光周波数変調量の累積値で解析位置の位置ずれ補正する。このため、本発明は、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することができる。 In an optical fiber sensing device, the cumulative strain in each section is considered to be the amount of expansion and contraction of the optical fiber due to vibration. The optical fiber is divided into multiple sections, the amount of optical frequency modulation is measured, and the positional deviation of the analysis position is corrected using the cumulative value of the optical frequency modulation in each section located before the analysis position. Therefore, the present invention can provide an analysis device for an optical fiber sensing device and an optical fiber sensing method that can suppress the effects of positional deviation due to vibration with a low processing load and without degrading spatial resolution.
前記累積値を計算することは、前記近端の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積すること、あるいは任意の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積することとしてもよい。 Calculating the cumulative value may involve accumulating the amount of optical frequency modulation from the section at the near end to the section immediately preceding the analysis position, or accumulating the amount of optical frequency modulation from any of the sections to the section immediately preceding the analysis position.
本発明は、前記解析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。 The present invention is a program for causing a computer to function as the analysis device.
なお、前記解析装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。 In addition, the analysis device can also be realized using a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided via a network.
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。 The above inventions can be combined as much as possible.
本発明は、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することができる。 The present invention provides an analysis device and an optical fiber sensing method for an optical fiber sensing device that can suppress the effects of positional deviation due to vibration with a low processing load without degrading spatial resolution.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. Note that components with the same reference numerals in this specification and drawings are considered to be identical to each other.
(実施形態1)
図3は、本実施形態の光ファイバセンシング装置301を説明する図である。光ファイバセンシング装置301は、測定装置11と解析装置12を備えるセンシングシステムである。測定装置11は、周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバ13へ入力し、光ファイバ13におけるレイリー後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRである。
本明細書では、光ファイバ13の両端のうち、測定装置11に接続される端を「近端」、他端を「遠端」と記載することがある。
(Embodiment 1)
3 is a diagram illustrating an optical fiber sensing device 301 according to this embodiment. The optical fiber sensing device 301 is a sensing system including a measurement device 11 and an analysis device 12. The measurement device 11 is an OFDR that inputs probe light whose frequency has been swept once into an optical fiber 13 and acquires the spectrum of the Rayleigh backscattered light in the optical fiber 13.
In this specification, of the two ends of the optical fiber 13, the end connected to the measuring device 11 may be referred to as the "near end" and the other end as the "far end."
解析装置12は、測定装置11が得た前記スペクトルの時間変動からスペクトルシフトΔνを取得する。そして、解析装置12は、光ファイバ13を長手方向に複数のセクション#i(“i”はセクション番号であり、0からNまでの整数である。)に区分し、光ファイバ13のセクションごとのスペクトルシフトΔν(xi,t)から当該セクションの光周波数変調量f(xi,t)を求め、解析位置よりも手前に位置する各セクションの光周波数変調量の累積値foffset(t)を用いて解析位置の位置ずれ補正を行う。
以下に、解析装置12が行う解析位置の位置ずれ補正の詳細を説明する。
The analysis device 12 obtains the spectral shift Δν from the time variation of the spectrum obtained by the measurement device 11. Then, the analysis device 12 divides the optical fiber 13 into a plurality of sections #i ("i" is the section number and is an integer from 0 to N) in the longitudinal direction, calculates the optical frequency modulation amount f(x i , t) of each section of the optical fiber 13 from the spectral shift Δν(x i , t) of that section, and corrects the positional deviation of the analysis position using the cumulative value f offset (t) of the optical frequency modulation amount of each section located before the analysis position.
The correction of the positional deviation of the analysis position performed by the analysis device 12 will be described in detail below.
図4は、解析装置12が行う光ファイバセンシング方法を説明する図である。
解析装置12は、
測定装置11を利用して光ファイバ13のセクション#i毎にスペクトルシフトΔν(xi,t)を測定すること(ステップS01、S02、Si1、Si2)、
前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量f(xi,t)を計算すること、
光ファイバ13の解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値foffset(t)を計算すること(ステップS03、ステップSi3)、及び
前記累積値に基づいて前記解析位置xiの補正すること(ステップSa1)
を行う。
FIG. 4 is a diagram illustrating the optical fiber sensing method performed by the analysis device 12. In FIG.
The analysis device 12
Measuring the spectral shift Δν(x i , t) for each section #i of the optical fiber 13 using the measurement device 11 (steps S01, S02, Si1, Si2);
calculating an optical frequency modulation amount f(x i , t) for each of the sections from the spectral shift;
accumulating the optical frequency modulation amounts of the sections located closer to the analysis position of the optical fiber 13 to calculate an accumulated value f offset (t) (step S03, step Si3); and correcting the analysis position x i based on the accumulated value (step Sa1).
Do the following.
図5は、本光ファイバセンシング方法における解析位置の位置ずれ補正を説明するイメージ図である。光ファイバ13を複数のセクション#i(iは0からNまでの整数)に分けて検討する。xiはセクション#iの長さ、tは時刻、ε(xi,t)はセクション#iにおける光ファイバ13の歪量である。長さxiは測定装置11が検出可能な歪の空間分解能Lより長く設定する。 5 is an image diagram illustrating the correction of positional deviation of the analysis position in this optical fiber sensing method. The optical fiber 13 is divided into multiple sections #i (i is an integer from 0 to N) for analysis. xi is the length of section #i, t is time, and ε( xi , t) is the amount of strain of the optical fiber 13 in section #i. The length xi is set to be longer than the spatial resolution L of strain detectable by the measurement device 11.
本光ファイバセンシング方法は、各セクション#iの歪量ε(xi,t)から光周波数変調量f(xi,t)を解析し、近端からセクション#iまで伝搬したプローブ光の光周波数変調量は、セクション#0から#iまでの光周波数変調量の蓄積で与えられることを利用する。なお、本光ファイバセンシング方法は、歪量εをスペクトルシフトΔν(xi,t)で表現する。 This optical fiber sensing method analyzes the optical frequency modulation amount f(x i , t) from the strain amount ε(x i , t) of each section #i, and utilizes the fact that the optical frequency modulation amount of the probe light propagated from the near end to section #i is given by the accumulation of the optical frequency modulation amounts from sections #0 to #i. Note that this optical fiber sensing method expresses the strain amount ε as a spectral shift Δν(x i , t).
[ステップS01]
解析装置12は、測定装置11が取得した後方散乱光のうち、セクション#0(近端からの距離がx0の位置)からの戻り光からスペクトルグラムS(x0,t,ν)を取得する。νは光周波数である。
[ステップS02]
そして、解析装置12は、スペクトルグラムS(x0,t,ν)からスペクトルシフトΔν(x0,t)を解析する。なお、スペクトルグラムSからスペクトルシフトΔνを解析する手法は非特許文献1に開示されるような手法でよい。
[ステップS03]
解析装置12は、Δν(x0,t)から次式で光周波数変調量f(x0,t)を算出する。なお、歪量εと位相変化量θとの関係は付録Aにて説明する。
foffset(t)=2f(x0,t)
である。
[ステップSc1]
セクション番号を0から1とする。
[ステップSa1]
図6は、ステップSa1を説明する図である。解析装置12は、振動解析位置(距離xiー1;ステップS03の後であれば距離x0、ステップSi3の後であれば距離xiー1)の位置ずれを次式によって補正する。
[ステップSi1]
解析装置12は、測定装置11が取得した後方散乱光のうち、セクション#i(近端からの距離がxiの位置)からの戻り光からスペクトルグラムS(xi,t,ν)を取得する。νは光周波数である。
[ステップSi2]
そして、解析装置12は、スペクトルグラムS(xi,t,ν)からスペクトルシフトΔν(xi,t)を解析する。
ここで、解析装置12は、セクション#i毎のスペクトルシフトΔν(xi,t)からセクション毎の歪量ε(xi,t)を計算してもよい。歪量ε(xi,t)は所望の解析位置についてのみ算出すればよい。具体的には、歪量ε(xi,t)は、位置ずれを補正した位置xiにおいて付録Aに記載の式(A2)を用いて算出する。
[ステップSi3]
式(2)を用いて、距離x0からxiを往復伝搬した光のビート周波数オフセットfoffset(t)を算出する。
なお、i=Nとなっている場合、本ステップを行わずに終了する。
[Step S01]
The analysis device 12 acquires a spectrogram S(x 0 , t, v) from the light returning from section #0 (position at a distance x 0 from the near end) among the backscattered light acquired by the measurement device 11, where v is the optical frequency.
[Step S02]
The analysis device 12 then analyzes the spectral shift Δν(x 0 , t) from the spectrogram S(x 0 , t, ν). The method for analyzing the spectral shift Δν from the spectrogram S may be the method disclosed in Non-Patent Document 1.
[Step S03]
The analyzer 12 calculates the amount of optical frequency modulation f(x 0 , t) from Δν(x 0 , t) using the following equation: The relationship between the amount of distortion ε and the amount of phase change θ will be explained in Appendix A.
f offset (t)=2f(x 0 , t)
is.
[Step Sc1]
Section numbers range from 0 to 1.
[Step Sa1]
6 is a diagram illustrating step Sa1. The analysis device 12 corrects the positional deviation of the vibration analysis position (distance x i-1 ; distance x 0 after step S03, distance x i-1 after step Si3) using the following equation:
[Step Si1]
The analysis device 12 obtains a spectrogram S(x i , t, v) from the light returning from section #i (position at a distance x i from the near end) among the backscattered light obtained by the measurement device 11, where v is the optical frequency.
[Step Si2]
Then, the analysis device 12 analyzes the spectral shift Δν(x i , t) from the spectrogram S(x i , t, ν).
Here, the analysis device 12 may calculate the distortion amount ε( xi ,t) for each section #i from the spectral shift Δν( xi ,t) for each section #i. The distortion amount ε( xi ,t) needs to be calculated only for the desired analysis position. Specifically, the distortion amount ε( xi ,t) is calculated using equation (A2) described in Appendix A at the position xi after correcting the positional deviation.
[Step Si3]
Using equation (2), the beat frequency offset f offset (t) of the light that has propagated round trip from the distance x 0 to x i is calculated.
If i=N, the process ends without performing this step.
ステップSi3の後、ステップSc2でセクション番号を1つカウントアップしてステップSa1に戻り、振動解析位置(距離xi-1)の位置ずれを式(3)によって補正する。 After step Si3, the section number is counted up by one in step Sc2, and the process returns to step Sa1, where the positional deviation of the vibration analysis position (distance x i-1 ) is corrected by equation (3).
[実施例]
図7は、実験系を説明する図である。光ファイバ13について、近端側を光ファイバ13a、遠端を光ファイバ13bの2つの区間に分けた。光ファイバ13aの長さは60m、光ファイバ13bの長さは160mである。光ファイバ13aのみに30Hzの正弦波の振動を与えた。
測定装置11の空間分解能Lは66cmである。
図8は、本発明の効果を説明する図である。図8(A)は、図7の実験系において、解析装置12で位置ずれ補正を行わなかった歪測定の結果(比較例)である。図8(B)は、図7の実験系において、解析装置12で位置ずれ補正を行った歪測定の結果(実施例)である。
比較例では、距離0~30m程度までは正しく歪εが測定できているが、それ以降で測定エラーが発生している。これは次を意味している。測定装置11の空間分解能は、プローブ光が距離0~30m程度まで伝搬したときの蓄積周波数変調量に対しては耐力があるが、それ以降の距離での蓄積周波数変調量に対しては耐力が不十分である。特に位置ずれが最大となる時刻、又は正弦波状の歪みがゼロとなる時刻近傍において、測定エラーが頻発している。
一方、実施例では、光ファイバ13aの区間及び振動を与えていない光ファイバ13bの区間のいずれにおいても位置ずれが補正され、歪εが正しく測定されている。
(補足)
式(A3)のように、歪εはプローブ光に位相変化θを与える。位相変化θの時間微分が光周波数変調量fである。本実験では正弦波状の歪みを加えたので、光周波数変調量(位置ずれ量)が最大となるのは歪みがゼロとなる時刻である(正弦波の時間微分が最大となるのはゼロ点を通過する時)。実験結果は確かにその様子を表しており、歪みがゼロとなる時刻近傍で測定エラーが発生している。
歪εによる光周波数変調量fはプローブ光の伝搬とともに蓄積されていく。このため、距離0~30m程度までは正しく歪εを測定できるが、それ以降では光周波数変調量の累積値が測定装置11の空間分解能を超えてしまい、測定エラーが発生するようになる。
(補足終了)
[Example]
7 is a diagram illustrating the experimental system. The optical fiber 13 was divided into two sections: the optical fiber 13a at the near end and the optical fiber 13b at the far end. The length of the optical fiber 13a was 60 m, and the length of the optical fiber 13b was 160 m. A 30 Hz sinusoidal vibration was applied only to the optical fiber 13a.
The spatial resolution L of the measuring device 11 is 66 cm.
8A and 8B are diagrams illustrating the effects of the present invention. Fig. 8A shows the results of distortion measurement in the experimental system of Fig. 7 without performing misalignment correction by the analyzer 12 (Comparative Example). Fig. 8B shows the results of distortion measurement in the experimental system of Fig. 7 with misalignment correction by the analyzer 12 (Example).
In the comparative example, the strain ε can be measured correctly up to a distance of approximately 0 to 30 m, but measurement errors occur after that. This means the following: The spatial resolution of the measurement device 11 is strong enough to withstand the amount of accumulated frequency modulation when the probe light propagates up to a distance of approximately 0 to 30 m, but is insufficient to withstand the amount of accumulated frequency modulation at distances beyond that. Measurement errors occur frequently, particularly around the time when the positional deviation is at its maximum or the time when the sinusoidal distortion becomes zero.
On the other hand, in the embodiment, the positional deviation is corrected in both the section of the optical fiber 13a and the section of the optical fiber 13b to which vibration is not applied, and the strain ε is measured correctly.
(supplement)
As shown in equation (A3), the strain ε imparts a phase shift θ to the probe light. The time derivative of the phase shift θ is the optical frequency modulation amount f. In this experiment, a sinusoidal distortion was applied, so the optical frequency modulation amount (positional deviation amount) reaches its maximum when the distortion becomes zero (the time derivative of the sine wave reaches its maximum when it passes through the zero point). The experimental results certainly demonstrate this, with measurement errors occurring near the time when the distortion becomes zero.
The amount of optical frequency modulation f due to the strain ε accumulates as the probe light propagates. Therefore, the strain ε can be measured correctly up to a distance of approximately 0 to 30 m, but beyond that, the accumulated value of the amount of optical frequency modulation exceeds the spatial resolution of the measuring device 11, causing measurement errors.
(End of supplement)
[効果]
本発明に係る光ファイバセンシング方法は、図8で説明したように、信号処理の負荷(微分と足し算)が従来(相互相関)より少なく、歪み解析の空間分解能を劣化させることなく振動分布を測定が可能である。
[effect]
As explained in FIG. 8, the optical fiber sensing method according to the present invention requires less signal processing load (differentiation and addition) than the conventional method (cross-correlation), and can measure vibration distribution without degrading the spatial resolution of strain analysis.
上記実施形態では、近端のセクション#0から解析位置直前のセクション#N-1までの光周波数変調量f(xi,t)を累積し、位置補正を行うことを説明したが、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、式(2)で説明したように、任意の区間(xi~xj)についての周波数オフセットfoffset(t)を計算できる。このため、近端に限らず任意地点のセクションから解析位置直前のセクション#N-1までの光周波数変調量f(xi,t)を累積して位置ずれ量を解析することもできる。従って、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、歪測定の精度とともに利便性も高めることができる。 In the above embodiment, the optical frequency modulation amount f(x i , t) from the near-end section #0 to the section #N-1 immediately before the analysis position is accumulated to perform position correction. However, the optical fiber sensing method according to the present invention can calculate the frequency offset f offset (t) for any section (x i to x j ) as explained in equation (2). Therefore, it is also possible to analyze the amount of positional deviation by accumulating the optical frequency modulation amount f(x i , t) from a section at any point, not just the near - end, to the section #N-1 immediately before the analysis position. Therefore, the optical fiber sensing method according to the present invention can improve convenience as well as the accuracy of strain measurement.
(実施形態2)
解析装置12はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
図9は、システム100のブロック図を示している。システム100は、ネットワーク135へと接続されたコンピュータ105を含む。
(Embodiment 2)
The analysis device 12 can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided via a network.
9 shows a block diagram of a system 100. The system 100 includes a computer 105 connected to a network 135.
ネットワーク135は、データ通信ネットワークである。ネットワーク135は、プライベートネットワーク又はパブリックネットワークであってよく、(a)例えば或る部屋をカバーするパーソナル・エリア・ネットワーク、(b)例えば或る建物をカバーするローカル・エリア・ネットワーク、(c)例えば或るキャンパスをカバーするキャンパス・エリア・ネットワーク、(d)例えば或る都市をカバーするメトロポリタン・エリア・ネットワーク、(e)例えば都市、地方、又は国家の境界をまたいでつながる領域をカバーするワイド・エリア・ネットワーク、又は(f)インターネット、のいずれか又はすべてを含むことができる。通信は、ネットワーク135を介して電子信号及び光信号によって行われる。Network 135 is a data communications network. Network 135 may be a private network or a public network, and may include any or all of the following: (a) a personal area network, e.g., covering a room; (b) a local area network, e.g., covering a building; (c) a campus area network, e.g., covering a campus; (d) a metropolitan area network, e.g., covering a city; (e) a wide area network, e.g., covering an area spanning city, region, or country boundaries; or (f) the Internet. Communications are conducted over network 135 by electronic and optical signals.
コンピュータ105は、プロセッサ110、及びプロセッサ110に接続されたメモリ115を含む。コンピュータ105が、本明細書においてはスタンドアロンのデバイスとして表されているが、そのように限定されるわけではなく、むしろ分散処理システムにおいて図示されていない他のデバイスへと接続されてよい。Computer 105 includes processor 110 and memory 115 connected to processor 110. Although computer 105 is depicted herein as a standalone device, it is not limited to such and may rather be connected to other devices not shown in a distributed processing system.
プロセッサ110は、命令に応答し且つ命令を実行する論理回路で構成される電子デバイスである。 Processor 110 is an electronic device consisting of logic circuits that respond to and execute instructions.
メモリ115は、コンピュータプログラムがエンコードされた有形のコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体である。この点に関し、メモリ115は、プロセッサ110の動作を制御するためにプロセッサ110によって読み取り可能及び実行可能なデータ及び命令、すなわちプログラムコードを記憶する。メモリ115を、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ハードドライブ、読み出し専用メモリ(ROM)、又はこれらの組み合わせにて実現することができる。メモリ115の構成要素の1つは、プログラムモジュール120である。Memory 115 is a tangible, computer-readable storage medium on which a computer program is encoded. In this regard, memory 115 stores data and instructions, i.e., program code, that are readable and executable by processor 110 to control the operation of processor 110. Memory 115 may be implemented as random access memory (RAM), a hard drive, read-only memory (ROM), or a combination thereof. One component of memory 115 is program module 120.
プログラムモジュール120は、本明細書に記載のプロセスを実行するようにプロセッサ110を制御するための命令を含む。本明細書において、動作がコンピュータ105或いは方法又はプロセス若しくはその下位プロセスによって実行されると説明されるが、それらの動作は、実際にはプロセッサ110によって実行される。Program modules 120 include instructions for controlling processor 110 to perform the processes described herein. Although operations are described herein as being performed by computer 105 or a method or process or sub-process thereof, those operations are actually performed by processor 110.
用語「モジュール」は、本明細書において、スタンドアロンの構成要素又は複数の下位の構成要素からなる統合された構成のいずれかとして具現化され得る機能的動作を指して使用される。したがって、プログラムモジュール120は、単一のモジュールとして、或いは互いに協調して動作する複数のモジュールとして実現され得る。さらに、プログラムモジュール120は、本明細書において、メモリ115にインストールされ、したがってソフトウェアにて実現されるものとして説明されるが、ハードウェア(例えば、電子回路)、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせのいずれかにて実現することが可能である。The term "module" is used herein to refer to a functional operation that may be embodied as either a stand-alone component or an integrated configuration of multiple subcomponents. Thus, program module 120 may be implemented as a single module or as multiple modules operating in concert with one another. Furthermore, while program module 120 is described herein as being installed in memory 115 and thus implemented in software, it may be implemented in any of hardware (e.g., electronic circuitry), firmware, software, or a combination thereof.
プログラムモジュール120は、すでにメモリ115へとロードされているものとして示されているが、メモリ115へと後にロードされるように記憶装置140上に位置するように構成されてもよい。記憶装置140は、プログラムモジュール120を記憶する有形のコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体である。記憶装置140の例として、コンパクトディスク、磁気テープ、読み出し専用メモリ、光記憶媒体、ハードドライブ又は複数の並列なハードドライブで構成されるメモリユニット、並びにユニバーサル・シリアル・バス(USB)フラッシュドライブが挙げられる。あるいは、記憶装置140は、ランダムアクセスメモリ、或いは図示されていない遠隔のストレージシステムに位置し、且つネットワーク135を介してコンピュータ105へと接続される他の種類の電子記憶デバイスであってよい。While program module 120 is shown as already loaded into memory 115, it may be configured to reside on storage device 140 for later loading into memory 115. Storage device 140 is a tangible, computer-readable storage medium that stores program module 120. Examples of storage device 140 include compact discs, magnetic tape, read-only memory, optical storage media, a memory unit consisting of a hard drive or multiple parallel hard drives, and a universal serial bus (USB) flash drive. Alternatively, storage device 140 may be random access memory or another type of electronic storage device located in a remote storage system (not shown) and connected to computer 105 via network 135.
システム100は、本明細書においてまとめてデータソース150と称され、且つネットワーク135へと通信可能に接続されるデータソース150A及びデータソース150Bを更に含む。実際には、データソース150は、任意の数のデータソース、すなわち1つ以上のデータソースを含むことができる。データソース150は、体系化されていないデータを含み、ソーシャルメディアを含むことができる。System 100 further includes data source 150A and data source 150B, collectively referred to herein as data sources 150, and communicatively connected to network 135. In practice, data source 150 may include any number of data sources, i.e., one or more data sources. Data source 150 may include unstructured data and may include social media.
システム100は、ユーザ101によって操作され、且つネットワーク135を介してコンピュータ105へと接続されるユーザデバイス130を更に含む。ユーザデバイス130として、ユーザ101が情報及びコマンドの選択をプロセッサ110へと伝えることを可能にするためのキーボード又は音声認識サブシステムなどの入力デバイスが挙げられる。ユーザデバイス130は、表示装置又はプリンタ或いは音声合成装置などの出力デバイスを更に含む。マウス、トラックボール、又はタッチ感応式画面などのカーソル制御部が、さらなる情報及びコマンドの選択をプロセッサ110へと伝えるために表示装置上でカーソルを操作することをユーザ101にとって可能にする。The system 100 further includes a user device 130 operated by the user 101 and connected to the computer 105 via a network 135. The user device 130 includes an input device, such as a keyboard or a voice recognition subsystem, that allows the user 101 to communicate information and command selections to the processor 110. The user device 130 also includes an output device, such as a display device, a printer, or a voice synthesizer. A cursor control, such as a mouse, trackball, or touch-sensitive screen, allows the user 101 to manipulate a cursor on the display device to communicate further information and command selections to the processor 110.
プロセッサ110は、プログラムモジュール120の実行の結果122をユーザデバイス130へと出力する。あるいは、プロセッサ110は、出力を例えばデータベース又はメモリなどの記憶装置125へともたらすことができ、或いはネットワーク135を介して図示されていない遠隔のデバイスへともたらすことができる。The processor 110 outputs the results 122 of the execution of the program module 120 to the user device 130. Alternatively, the processor 110 may provide the output to a storage device 125, such as a database or memory, or via a network 135 to a remote device (not shown).
例えば、図4のフローチャートを行うプログラムをプログラムモジュール120としてもよい。システム100を解析装置12として動作させることができる。 For example, a program that performs the flowchart of Figure 4 may be the program module 120. The system 100 may be operated as the analysis device 12.
用語「・・・を備える」又は「・・・を備えている」は、そこで述べられている特徴、完全体、工程、又は構成要素が存在することを指定しているが、1つ以上の他の特徴、完全体、工程、又は構成要素、或いはそれらのグループの存在を排除してはいないと、解釈されるべきである。用語「a」及び「an」は、不定冠詞であり、したがって、それを複数有する実施形態を排除するものではない。The terms "comprises" or "comprising" should be interpreted as specifying the presence of the stated feature, integer, step, or component, but not excluding the presence of one or more other features, integers, steps, or components, or groups thereof. The terms "a" and "an" are indefinite articles and therefore do not exclude embodiments having a plurality thereof.
(他の実施形態)
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。要するにこの発明は、上位実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In short, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the components can be modified and embodied in the implementation stage without departing from the spirit of the present invention.
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。 In addition, various inventions can be formed by appropriately combining multiple components disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all of the components shown in the embodiments. Furthermore, components from different embodiments may be appropriately combined.
[付録A]
歪量ε、スペクトルシフトΔ、及び位相変化量θの関係を説明する。
レイリー後方散乱光のスペクトルシフトの歪み及び温度依存性は次式で与えられる。
The relationship between the distortion amount ε, the spectrum shift Δ, and the phase change amount θ will be described.
The distortion and temperature dependence of the spectral shift of Rayleigh backscattered light is given by:
[定義]
本明細書で使用されるパラメータは次の通りである。
x:光ファイバの長手方向の位置(近端からの距離)
t:時刻
n:光ファイバの屈折率
Δν:スペクトルシフト
ν0:プローブ光の中心光周波数
c:真空中の光速
L:測定装置が検出できる歪の空間分解能
k:波数
T:光ファイバの温度変化
f0:t=0の振動解析位置
γ:OFDR(測定装置)の周波数掃引速度
[Definition]
The parameters used herein are as follows:
x: longitudinal position of the optical fiber (distance from the near end)
t: time n: refractive index of optical fiber Δν: spectral shift ν 0 : central optical frequency of probe light c: speed of light in vacuum L: spatial resolution of strain that can be detected by the measurement device k: wave number T: temperature change of optical fiber f 0 : vibration analysis position at t=0 γ: frequency sweep speed of OFDR (measurement device)
11:測定装置
12:解析回路
13:光ファイバ
100:システム
101:ユーザ
105:コンピュータ
110:プロセッサ
115:メモリ
120:プログラムモジュール
122:結果
125:記憶装置
130:ユーザデバイス
135:ネットワーク
140:記憶装置
150:データソース
301:光ファイバセンシング装置
11: Measuring device 12: Analysis circuit 13: Optical fiber 100: System 101: User 105: Computer 110: Processor 115: Memory 120: Program module 122: Results 125: Storage device 130: User device 135: Network 140: Storage device 150: Data source 301: Optical fiber sensing device
Claims (7)
光ファイバのセクション毎に測定されたスペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
前記累積値に基づいて前記解析位置を補正すること
を行う解析装置。 An analysis device provided in an optical fiber sensing device using OFDR,
calculating an amount of optical frequency modulation for each section of the optical fiber from the spectral shift measured for each section;
an analysis device that calculates a cumulative value by accumulating the optical frequency modulation amounts of the section located closer to the analysis position of the optical fiber; and correcting the analysis position based on the cumulative value.
光ファイバのセクション毎にスペクトルシフトを測定すること、
前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
前記累積値に基づいて前記解析位置の補正を行うこと
を特徴とする光ファイバセンシング方法。 An optical fiber sensing method using OFDR, comprising:
measuring the spectral shift for each section of optical fiber;
calculating an amount of optical frequency modulation for each of the sections from the spectral shift;
an optical fiber sensing method comprising: calculating a cumulative value by accumulating the optical frequency modulation amounts of the section located closer to an analysis position of the optical fiber; and correcting the analysis position based on the cumulative value.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2022/029795 WO2024029005A1 (en) | 2022-08-03 | 2022-08-03 | Analysis device and optical fiber sensing method |
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Citations (2)
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| US20200264018A1 (en) | 2017-10-02 | 2020-08-20 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | An optical fiber with microgratings and methods and apparatus for making and using same |
| US20210348971A1 (en) | 2020-05-07 | 2021-11-11 | Ut-Battelle, Llc | Post-processing method to extend the functional range of optical backscatter reflectometry in extreme environments |
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| OKAMOTO, Tatsuya et al.,Investigation of Tolerance of OFDR-Based DAS to Vibration-induced Beat Frequency Offset,Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC),2020年 |
| OKAMOTO, Tatsuya et al.,Vibration-Induced Beat Frequency Offset Compensation in Distributed Acoustic Sensing Based on Optical Frequency Domain Reflectometry,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,2019年09月,vol.37, no.18,pp.4896-4901 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPWO2024029005A1 (en) | 2024-02-08 |
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