CN114245862A - 振动分布测定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种不使用对距离波动进行补偿的数字信号处理而准确地测定传感光纤的指定位置的振动的装置。简化了数字信号处理，该数字信号处理对起因于作为测定对象的振动的、由差频信号的频率偏移引起的测定距离的波动进行校正。在本公开中，不使用对距离波动进行补偿的数字信号处理而准确地测定传感光纤的指定位置的振动。将后向散射光的电场E(τn)的频谱解析长度设定为比由由于动态应变而产生的频率调制引起的延迟偏差Nd长。还明确了振动分布测定对于延迟偏差Nd的耐力的指标。

Description

振动分布测定装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感，更具体而言涉及一种振动分布测定装置。
背景技术
光纤传感技术能测量/感测温度、应变、位移、振动、压力等各种各样的物理/化学量，具有电传感器所没有的细径、轻量、挠性、耐久性、耐电磁噪声性等优势。也能够用作可沿光纤在特定的或者任意的位置进行测量的分布式传感器。能够根据使探测光穿过配置于测定对象的传感光纤而得到的透射光、反射光、后向散射光等来对测定对象的各种物理量进行测定。也能够在传感光纤长尺寸方向的不同的位置处对由于测定对象的机械振动而施加于传感光纤的应变的时间变化(动态应变)进行分布测定。
作为振动分布测量技术，已知非专利文献1(以下，称为现有技术)所公开的光频域反射技术(OFDR：Optical Frequency Domain Reflectometry)。在OFDR中，将来自频率扫描光源的频率扫描光作为探测光输入至传感光纤。获取从传感光纤返回的后向散射光与从频率扫描光分支出的本地光之间的差频信号。差频信号的差频对应于传感光纤上的到散射体的距离。利用该差频与距离的关系，测定距传感光纤入射端的各距离的后向散射光的波形，即后向散射光的分布波形。切出分布波形的任意的区间，将与其对应的传感光纤的区间作为应变传感器区间。应变传感器区间中的分布波形的傅里叶变换(绝对值的平方)表示应变传感器区间中的后向散射光的光频谱。
在OFDR中，通过光源反复进行频率扫描，将探测光反复输入至传感光纤，由此，可以捕捉观测对象的振动现象本身即振动的时间波形。在现有技术中，为了测定动态应变，将频率扫描探测光以比传感光纤中可能产生的振动的频率高的频度入射至传感光纤。由在传感光纤中传播的光的振动引起的频率调制在由受光器观测到的差频信号中产生频率偏移。在OFDR中，因由作为测定对象的振动产生的频率偏移，所测定的散射体的距离会波动。因此，现有技术提出了通过数字信号处理对测定的距离的波动进行补偿来高精度地测定距离探测光入射点的指定的位置处的振动的方式。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：T.Okamoto,D.Iida,K.Toge,and T.Manabe,“Spurious vibrationcompensation in distributed vibration sensing based on optical frequencydomain reflectometry”,2018年,in Proc.26th Int.Conf.Optical Fiber Sensors,paper TuE14.
非专利文献2：M.Froggatt and J.Moore,“High-spatial-resolutiondistributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter,”,1998年,Appl.Opt.,vol.37,no.10,pp.1735-1740
非专利文献3：P.Healey,“Statistics of Rayleigh backscatter from asingle-mode fiber”,1987年,IEEE Trans.Commun.,vol.35,no.2,pp.210-214
非专利文献4：M.E.Froggatt and D.K.Gifford,“Rayleigh backscatteringsignatures of optical fibers－Their properties and applications,”,2013年,inProc.Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the NationalFiber Optic Engineers Conference,Anaheim,United States,paper OW1K.6
非专利文献5：D.P.Zhou,Z.Qin,W.Li,L.Chen,and X.Bao,“Distributedvibration sensing with time-resolved optical frequency-domain reflectometry,”2012年,Opt.Exp.,vol.20,no.12,pp.13138-13145
发明内容
发明所要解决的问题
提供一种不使用对距离波动进行补偿的信号处理，而高精度地测定指定位置的振动的振动分布测定装置。还明确了进一步简化振动分布测定装置的、振动分布测定对于距离波动(距离偏移)的耐力的指标。
用于解决问题的方案
本公开的一个实施方案是一种测定传感光纤的动态应变的装置，其特征在于，具备：光回路部，反复向所述传感光纤供给频率扫描光，接收来自所述传感光纤的后向散射光，对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波；以及受光/解析部，从所述本地光和所述后向散射光生成差频信号，对所述差频信号执行傅里叶变换，求出后向散射光波形，在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中执行傅里叶变换来求出光频谱，基于通过参考测定得到的频谱与根据针对所述频率扫描光的一次扫描的所述后向散射光得到的频谱之间的频谱移位量，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，所述频谱解析区间的长度被设定为比起因于所述动态应变而由频率调制产生的所述频谱解析区间的距离偏差量Nd长。
本公开的另一实施方案是一种测定传感光纤的动态应变的方法，其特征在于，具备以下步骤：反复向所述传感光纤供给频率扫描光；接收来自所述传感光纤的后向散射光；对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波，生成差频信号；对所述差频信号执行傅里叶变换，求出后向散射光波形；在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中执行傅里叶变换来求出光频谱；以及，基于通过参考测定得到的频谱与根据针对所述频率扫描光的一次扫描的所述后向散射光得到的频谱之间的频谱移位量，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，所述频谱解析区间的长度被设定为比起因于所述动态应变而由频率调制产生的所述频谱解析区间的距离偏差量Nd长。
本公开的又一实施方案是一种测定动态应变的装置，其特征在于，具备：光回路部，反复向传感光纤供给频率扫描光，接收来自所述传感光纤的后向散射光，对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波；以及受光/解析部，从所述本地光和所述后向散射光生成差频信号，根据所述差频信号求出后向散射光波形，在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中求出光频谱，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，针对起因于成为测定对象的所述动态应变的、所假定的距离偏差量Nd，所述频谱解析区间的长度N被设定为，如果进行了参考测定的频谱与所述光频谱的相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
此外，本公开的又一实施方案是一种测定动态应变的方法，其特征在于，具备以下步骤：反复向传感光纤供给频率扫描光；接收来自所述传感光纤的后向散射光；对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波，生成差频信号；根据所述差频信号求出后向散射光波形；在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中求出光频谱；以及求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，针对起因于成为测定对象的所述动态应变的、所假定的距离偏差量Nd，所述频谱解析区间的长度N被设定为，如果进行了参考测定的频谱与所述光频谱的相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
发明效果
提供不增加信号处理的负担而准确地测定动态应变的振动分布测定装置。
附图说明
图1是表示本公开的振动分布测定装置的构成的图。
图2是在振动分布测定***中假定的传感光纤的模型的图。
图3是表示由动态应变区间中的机械振动引起的相位调制的波形的图。
图4是在时域中示出频率调制对信号光的影响的图。
图5是在差频域中示出频率调制对信号光的影响的图。
图6是对由振动引起的频率调制而产生的测定区间的距离偏差进行说明的图。
图7是表示进行了振动分布的解析的传感光纤的构成的图。
图8是示出在现有技术和本公开之间对振动分布的解析结果进行比较的图。
图9是本公开的振动分布解析方法中的参考波形指定的流程图。
图10是本公开的振动分布解析方法的动态应变解析的流程图。
图11是用于求出动态应变测定的耐力的理论值的流程图。
图12是对求出动态应变测定的耐力的理论值的处理进行说明的示意图。
图13是不进行参考测定而测定动态应变的N－Nd坐标空间的概率分布。
图14是对N－Nd坐标空间的概率值的妥当性进行验证的振动***的构成图。
图15是表示选择了两个不同的N的值的情况的振动测定结果的图。
具体实施方式
本公开的振动分布测定装置提供传感光纤上的、减轻了信号处理的负担的振动分布的测定。本公开的振动分布测定装置基于OFDR，能够测定传感光纤上的任意的位置处的动态应变。作为测定对象的动态应变意思是指应变量随时间进行变动的现象，包括从应变量呈正弦波状周期性地变动的振动到应变量随时间随机地变化的非周期性的振动。即是包括包含一个或多个频率分量的振动的概念。此外，还包括检测例如在传感光纤上放置物体的瞬间压力发生变化的情况那样的一次应变量的变化。
在后文中加以记述的动态应变通过对相对于在参考测定中得到的光频谱的频谱变化(移位)进行检测来进行测定。因此，本公开的振动分布测定装置中的动态应变将应变量(强度)随时间进行变化的所有的现象作为检测对象。如果列举利用方式的例子，则有以下例子等：利用传感光纤测定由风导致的电缆振动来测定风压，或者对在传感光纤的周边产生的声音进行检测/再生来使其作为拾音麦克风发挥功能。以下的本公开的振动分布测定装置及测定方法并不限于上述利用方式，可以应用于各种领域。
在现有技术中，通过数字信号处理来对起因于作为测定对象的振动的、由差频信号的频率偏移引起的测定距离的波动进行校正。针对每次光频率的扫描，确定传感光纤上的指定位置处的距离偏移，测定校正后的距离处的应变，但用于确定距离偏移的信号处理需要时间以及算力。在传感光纤整体的多个测定点分布地测定振动的情况下、长时间地测定动态应变的情况下，会导致振动分布测定装置的信号处理的负担增加。本公开鉴于现有技术的问题，提供不使用对距离波动进行补偿的数字信号处理而准确地测定指定位置的振动的装置。
－第一实施方式－
图1是表示本公开的振动分布测定装置的构成的图。振动波形解析装置100大致划分为：光回路部，供给频率扫描光，接收信号光；传感光纤6；以及受光/解析部，将来自传感光纤6的信号光转换为差频信号并进行解析。光回路部包含频率扫描光源1、光分支器4、光环行器5以及光合波器7。频率扫描光源1例如是能高速地进行频率扫描的激光器，接收来自触发源2的触发信号而以规定的扫描周期反复输出频率扫描光。频率扫描光被光分支器4分为两个分支，一方的分支成为被供给至光环行器5的探测光Lprobe，另一方的分支成为被供给至光合波器7的本地光Llocal。
探测光Lprobe经由作为定向耦合元件的光环行器5入射至传感光纤6，由于传感光纤6内的散射体而被后向散射，返回至入射侧。叠加了来自传感光纤6的各位置的后向散射光Lbs的信号光Lsignal从传感光纤6出来，经由光环行器5传播至光合波器7。因此，光回路部反复向所述传感光纤供给频率扫描光，接收来自所述传感光纤的后向散射光，对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波。
受光/解析部包含平衡型受光器8、A/D转换器9、集录数据储存器(存储器)10以及解析部11。信号光Lsignal和来自光分支器4的本地光Llocal由光合波器7合波，通过平衡型受光器8作为电信号输出Lsignal与Llocal之间的差频信号Sbeat。差频信号Sbeat一边与向频率扫描光源1的触发信号同步，一边被A/D转换器9采样，作为数字信号被测定。测定出的各时刻的差频信号被储存于集录数据储存器10，在解析部11中进行振动分布的测定、振动波形的解析。利用图1所示的振动分布测定装置，能够测定传感光纤6的任意的区间中的后向散射光频谱，并且测定并解析振动分布和振动波形。
如果对受光/解析部的动作进行概括，则以如下方式进行动作：从本地光和后向散射光生成差频信号，对所述差频信号执行傅里叶变换，求出后向散射光波形，在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中执行傅里叶变换来求出光频谱，基于通过参考测定得到的频谱与根据针对所述频率扫描光的一次扫描的所述后向散射光得到的频谱之间的频谱移位量，求出对应于所述频谱解析区间的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量。
“动态应变”是传感光纤区间中的应变量的时间变化，根据反复供给的所述频率扫描光的每次扫描的所述应变量而得到。
也可以将图1的振动分布测定装置100的整体理解为振动分布测定***。此外，动态应变的振动时间波形的解析例如能够作为由利用中央控制装置(CPU)、数字信号处理器(DSP)等的解析部8进行的运算(计算)处理来实施。本公开也具有作为解析程序这一侧面，该解析程序实施包含后文加以记述的处理步骤的方法。以下，对作为现有技术和本公开中共同的课题的、起因于作为测定对象的振动的、由差频信号的频率偏移产生的测定距离的波动进行说明。
图2是表示振动分布测定***中假定的传感光纤中的后向散射光的产生情形的模型图。在图2的传感光纤模型200中，从未图示的左端的测定***的输入端入射的探测光Lprobe在传感光纤6的第一动态应变区间12中进行传播。穿过第一动态应变区间12的探测光Lprobe由于构成第二动态应变区间13的散射体而被后向散射，再次在第一动态应变区间12中向反方向进行传播而返回至传感光纤输入端。示出了如下情形：后向散射光Lbs作为信号光Lsignal从输入端射出，被输入至图1中的光环行器5。
由于第一动态应变区间12的机械振动，射出的信号光Lsignal如后所述受到相位调制。根据现有技术，信号光Lsignal由于第一动态应变区间12的机械振动而受到的相位调制如下文进行说明。
图3是表示由动态应变区间中的机械振动引起的相位调制的波形的一个例子的图。在图3中，示出了由于图2所示的第一动态应变区间12的机械振动而产生的相位调制波形的一个周期量Pmod的时间区间。在Pmod的时间区间中，在测定期间(Mes1～MesN)进行N次差频信号测定，各测定期间最大为频率扫描光的一个扫描周期。
考虑往返时间，该往返时间是如图2所示，探测光Lprobe在第一动态应变区间12中进行传播，由于第二动态应变区间13的散射体而被后向散射，再次在第一动态应变区间12中进行传播为止的时间。在该往返时间与相位调制的周期Pmod相比足够短的情况下，去路中的相位调制波形和回路中的相位调制波形能够视为相同。因此，在第一动态应变区间12中进行往返传播的光所受到的相位调制量成为去路中的相位调制的两倍。往返传播后的信号光Lsignal的一次测定量的电场波形Esignal(t)由以下的数式(1)表示。
[数式1]
Figure BDA0003506540250000081
在此，ν0表示频率扫描的初期频率，γ表示频率扫描速度，
Figure BDA0003506540250000082
表示往返传播的光所受到的相位调制波形。由数式(1)表示的电场波形的瞬时频率νinst.(t)由以下的数式(2)表示。
[数式2]
Figure BDA0003506540250000083
在数式(2)的瞬时频率中，右边第三项对应于由动态应变引起的频率调制。如图3所示，在差频信号的测定时间(Mes1、……、MesN)与通过施加于传感光纤的多个动态应变而产生的频率调制(相位调制)中的最小周期(图3的周期Pmod)相比足够短的情况下，由动态应变引起的相位调制能够近似为线性相位调制。差频信号的测定时间为图3的“Mes1”以及“Mes2”的各时间区间，因此在Mes1，Mes2＜＜Pmod成立时，由动态应变引起的相位调制成为具有固定值的频率调制量的频率调制。固定值的频率调制量相当于图3的“瞬时频率νinst.”的箭头的斜率。因此，通过进一步对数式(2)进行近似，电场波形的瞬时频率νinst.(t)如数式(3)那样表示。
[数式3]
Figure BDA0003506540250000084
在数式(3)的瞬时频率中，νoffset表示作为线性近似的相位调制而施加给信号光的频率偏移。在OFDR中，测定本地光与信号光之间的差频信号，将差频信号Sbeat的差频与从传感光纤的入射端至作为对象的应变区间的距离建立对应。具有由数式(3)给出的频率偏移的信号光与本地光之间的差频fbeat由以下的数式(4)得到。
[数4]
Figure BDA0003506540250000085
在数式(4)中，z表示距离，c表示光纤中的光速，2z/c表示本地光与作为来自第二动态应变区间的后向散射光的信号光之间的迟延时间。此外，zoffset表示由频率偏移νoffset产生的距离偏移。
图4是在时域中示出频率调制对信号光的影响的图。在图4中，针对两次光频率扫描的测定(测定期间Mes1、Mes2)，示出了各自的本地光Llocal和信号光Lsignal(后向散射光)以及两者之间的差频信号Sbeat的差频fbeat的时间变化的情况。在各次的测定中，本地光Llocal和信号光Lsignal的迟延为τ，仅着眼于来自作为对应于迟延τ的测定对象的一个动态应变区间(应变传感器)的后向散射。因此，要注意的是，输入至受光器的信号光是来自传感光纤的所有的动态应变区间的迟延时间不同的后向散射光叠加后的信号。从受光器输出的差频信号也包含来自所有的动态应变区间的不同的差频分量。
如图4所示，对应于迟延τ的动态应变区间中的信号光Lsignal(后向散射光)与本地光Llocal之间的差频信号Sbeat的差频由于频率偏移νoffset因动态应变而变动为νoffset1、νoffset2，因此按测定波动为fbeat1、fbeat2。差频信号1的fbeat1与差频信号2的fbeat2不同的意味着在将差频与从光纤的入射端至动态应变区间的距离建立对应的OFDR中，测定距离产生了波动。
图5是将频率调制对信号光的影响表示为差频域中的频谱变化的图。如图5所示，相对于没有频率偏移的情况下的频谱S0的峰值位置，由于由动态应变引起的频率偏移νoffset而按各次测定分配的距离偏移zoffset发生变化。其结果是，导致与作为测定对象的动态应变区间(应变传感器)的距离也波动地被测定。在基于OFDR的动态应变分布测定中，在传感光纤上的任意的距离处，测定由机械振动引起的应变传感器的频谱的时间变化。在上述数式(4)中，距离偏移zoffset也在每次测定时因作为动态应变的机械振动而发生变化，能够理解与想要测定的应变传感器的距离在每次测定时发生变化。由于该测定距离的波动，无法提高振动分布测定装置的测定精度。
在现有技术(非专利文献1)中，针对反复上述频率扫描的每次测定的距离偏移zoffset的变化，在每次测定时计算出距离偏移量，使应变传感器区间移动计算出的距离偏移量来计算后向散射光的频谱。更具体而言，在从由差频信号得到的后向散射光的电场E(τn)中，将“用于解析光频率响应的窗区间”错开计算出的距离偏移量。然而，这样的距离偏移量的计算、伴随着应变传感器区间的移位计算的补偿运算在振动分布测定装置的解析部中需要较大的算力。在传感光纤整体的多个测定点分布地测定振动的情况下、长时间地测定动态应变的情况下，振动分布测定装置中的信号处理的负担增加。
本发明人发现，通过在OFDR的动态应变的解析中新加入追加的条件，即使不像现有技术那样进行距离偏移的补偿运算处理，也能通过图1所示的振动分布测定装置来高精度地解析振动。
像非专利文献2也公开的那样，OFDR以频率扫描光为探测光，因此能够测定传感光纤的任意的位置处的瑞利后向散射光的频谱S(ν)。
[数式5]
Figure BDA0003506540250000101
τn＝2zn/c (5)
在以上的数式(5)的频谱S(ν)中，ν表示光频率，E(τn)表示来自迟延τn(距离zn＝cτn/2)的后向散射光的电场，c表示光纤中的光速，N1表示解析光频率响应的位置，N2表示用于解析光频率响应的长度。
如以上述数式(1)～数式(4)进行研究的那样，瑞利后向散射光的频谱根据传感光纤的长尺寸方向的应变量而进行线性移位。在本实施方式的振动分布测定装置中，为了测定某传感器区间中的动态应变，在传感光纤受到的振动的周期与探测光的频率扫描的周期相比足够长的条件下，首先进行用于计算出频谱移位的参考测定。接着，通过计算出通过该参考测定得到的频谱Sref(ν)与通过第n次测定得到的频谱Ssig(ν)的相互相关峰值，解析频谱移位量(应变量)。
然而，在像上述那样地将差频与距离建立对应的OFDR中，若将动态应变(振动)施加于传感光纤，则由于起因于振动的光频率调制，解析应变的区间发生变化。因此，在通过参考测定得到的频谱Sref(ν)和通过第n次测定得到的频谱Ssig(ν)中，产生距离偏移量的“偏差”而分配不同的光纤区间。
[数式6]
Figure BDA0003506540250000111
[数式7]Nd＝T·voffset (7)
在以上的数式(6)和数式(7)中，Nd是由于因振动而产生的频率调制而引起的距离偏差量(延迟偏差量)，νoffset表示因振动而产生的频率调制量，γ表示频率扫描光的频率扫描速度，T表示差频信号的测定时间。需要说明的是，距离偏差量Nd例如像非专利文献1中的那样，通过根据参考测定的后向散射光的波形与各测定的后向散射光的波形的相互相关来推定差频偏移的信号处理来求出。
图6是对由振动引起的频率调制的结果而产生的测定区间的距离偏差进行说明的图。图6示出了将差频信号进行傅里叶变换后的后向散射光的电场波形，横轴对应于差频。如已经说明的那样，在OFDR中，差频与距传感光纤的入射端的距离对应。图6的上侧的波形示出了参考测定的后向散射光的电场波形。在用于对与长度N2对应的光频率响应进行解析的窗区间中，示出没有距离偏移(距离偏差)的情况下的采样点。图6的下侧的波形是第n次测定的后向散射光的电场波形，示出产生了距离偏移Nd的状态的采样点。若针对上述N2的窗区间进一步进行傅里叶变换，则得到窗区间的频谱Sref(ν)、Ssig(ν)。
如非专利文献3、非专利文献4所公开的那样，后向散射光的电场E(τn)在任意的区间(τ1～τN的区间)中的光纤的长尺寸方向上，其分布符合高斯分布。因此，若后向散射光的电场E(τn)因由振动引起的频率调制而产生距离偏差，在每次测定时分配为频谱解析区间的光纤区间(传感器区间)完全不同，则它们的频谱间不相关。因此，通过参考测定得到的Sref(ν)和通过第n次测定得到的频谱Ssig(ν)不相关，无法计算出由动态应变引起的频谱移位。
然而，若后向散射光的电场E(τn)的频谱解析长度N2比由于动态应变而产生的频率调制引起的延迟偏差Nd长，则通过图6所示出的共同部分确保频谱的相关。当对数式(6)给出的Sref(ν)、Ssig(ν)这两个频谱的相互相关峰值进行解析时，得到以下数式。
[数式8]
Figure BDA0003506540250000121
在数式(8)中，PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio：峰值信噪比)表示相互相关峰值的信噪比。在数式(8)中，PSNR表示如果频谱解析长度N2比由频率调制引起的距离偏差Nd长，则相互相关具有峰值而没有被噪声电平埋没。因此，PSNR是在振动分布测定中测定方法本身相对于作为观测对象的振动的耐力的指标，成为表示进行使用了OFDR的振动分布测定时的振动测定性能的项目之一。
图7和图8是用现有技术和本公开的各装置来比较说明在不同的两个位置施加了振动的传感光纤的振动分布的测定例的图。图7是表示进行了振动分布的解析的传感光纤的构成的图。图8是在现有技术与本公开的振动分布测定装置之间比较示出振动分布的解析结果的图。
参照图7，测定对象的传感光纤的全长为237m，从位于附图的左端的OFDR装置侧的输入端至12m的区间(0～12m)为处于振动的状态。接着，在长度62m的区间(12～74m)施加有频率30Hz的振动。在接下来的长度56m的区间(74～130m)中再次成为无振动的状态，接着在长度57m的区间(130～187m)施加有频率10Hz的振动。最后，长度50m的区间(187～237m)处于无振动状态。传感光纤终端在APC(Angled Physical Contact：成角物理接触)研磨状态下成为开放端。
从图1所示的振动分布测定装置对图7的构成的传感光纤反复入射225次反复频率为900Hz的频率扫描光的探测光，从后向散射光获取差频信号，解析了动态应变的分布。探测光的起始光频率为193.6THz，频率扫描速度为8GHz/ms。
在图8的(a)中针对现有技术的振动分布测定装置，在图8的(b)中针对本公开的振动分布测定装置，比较示出上述测定条件下振动分布的解析结果。都是纵轴表示传感光纤的距离，对应于大致237m的长度。横轴表示时间，虽然在图8中未显示颜色，但通过在纵轴的距离和横轴的时间的坐标面中示出的区域的浓淡，示出应变的强度的空间分布和时间变动。图8的(b)的曲线图的原图中在右端按颜色示出了应变量(με)，但在图8中仅以浓淡进行参考性表示。此外，示出图8的(b)的相当于距离130～187m的10Hz的振动的应变的+峰值和－峰值的大致时间位置。
在图8的(a)的现有技术的情况下，将图6所示的频谱解析区间的长度设为40cm，在上述测定条件下，30Hz、10Hz的振动源施加的距离偏差Nd分别为14cm、4cm。与频谱解析区间的长度40cm相比，由30Hz的振动源引起的距离偏差N d的14cm占30％以上，不能说频谱解析区间的长度与距离偏差Nd相比足够长。在图8的(a)中，至距离50m左右为止，能够沿横轴看到对应于频率30Hz的振动的浓淡，当距离超过50m时，噪声占优势，频率10Hz的振动的时间变动不清楚。示出在后向散射光的电场波形的解析区间产生偏差，数式(8)中的PSNR降低后的状态。在现有技术的振动分布测定装置中，由于由动态应变引起的频率调制而产生距离偏差量，传感光纤的观测点的距离越长，频率调制量越进行累积。从累积后的频率调制量即距离偏差Nd超过N2的位置起，如图8的(a)所示成为无法测定。
另一方面，在图8的(b)的本公开的振动分布测定装置的测定中，将频谱解析区间的长度设为200cm，满足频谱解析区间与30Hz、10Hz的振动源施加的距离偏差Nd(14cm、4cm)相比足够长的条件。在传感光纤230m的整个区域中，明确地测定出图7所示的两个振动。即，在纵轴的相当于12～74m的范围内，能够观察到对应于频率30Hz的振动的浓淡(0.25秒下应变强度的7.5次增减，相当于30Hz)。而且，在纵轴的相当于130～187m的范围内，能够观察到对应于频率10Hz的振动的浓淡(应变强度5次的增减，相当于10Hz)。像这样，通过将本实施方式的后向散射光的电场E(τn)的频谱解析长度N2设为比由由于动态应变而产生的频率调制引起的延迟偏差Nd长，能够没有PSNR恶化地测定动态应变。
图9是表示能够由本公开的振动分布测定装置实施的振动分布解析方法中的参考波形的指定程序的流程图。是成为动态应变的测定的前段的程序的参考波形的指定步骤。参考测定基于在所述传感光纤中不存在动态应变的状态下的频谱。然而，如果是将信号测定时间设定为与施加于传感光纤的动态应变的最小周期相比足够短而测定的波形，则即使是振动状态下的波形也能够作为参考波形来使用。即，如图3中说明的那样，只要Mes1、Mes2＜＜Pmod成立即可。在这样的情况下，例如也可以将初次的测定结果的分布波形直接作为参考波形。
步骤(9－1)：进行后向散射光的分布波形的测定(差频信号的傅里叶变换)。在此，测定传感光纤整体的光频率响应(差频信号)。
步骤(9－2)：进行频谱解析区间的指定。在此，设定后向散射光的电场E(τn)的频谱解析长度N2。在此，后向散射光的电场E(τn)的频谱解析区间的长度N2设定为比由由于动态应变而产生的频率调制引起的延迟偏差Nd长。
步骤(9－3)：进行指定的频谱解析区间的后向散射光频谱测定。在此，通过对指定的频谱解析区间中的光频率响应进行傅里叶变换，来解析对应于频谱解析区间的各距离的频谱。能够提取后向散射光波形的任意的频谱解析区间，得到传感光纤的任意的区间的后向散射光的频谱。
与现有技术的不同点在于，在步骤(9－2)中，作为新的解析条件，相对于延迟偏差N d限制频谱解析长度N2。
图10是表示能够由本公开的振动分布测定装置实施的振动分布解析方法中的动态应变的时间波形的解析程序的流程图。
在本解析程序中，首先在测定时刻i＝0～N－1这N次反复进行以下的步骤(10－1)～(10－2)。图10中的N是OFDR的反复测定的次数(参照图3)。
(10－1)进行测定时刻i的后向散射光的分布波形的测定(差频信号的傅里叶变换)。
(10－2)计算测定时刻i的后向散射光频谱。
以上的反复步骤结束后，作为步骤(10－3)，解析应变传感器(频谱解析区间)的频谱的时间变化。
接着，在i＝0～N－1这N次反复进行以下的步骤(10－4)～(10－5)。
(10－4)求出测定时刻i的频谱与参照频谱的相互相关。
(10－5)计算测定时刻i的频谱移位。任意的区间的光频谱根据应变量而进行频谱移位，因此按i＝0～N－1这N次的每次测定对相对于通过参考测定得到的光频谱的频谱移位量进行解析。
最后作为步骤(10－6)，根据步骤(10－4)～(10－5)的频谱移位的结果，在时刻i＝0～N－1的范围内求出动态应变的时间波形并使程序结束。
图9和图10的上述各步骤中的傅里叶变换运算处理、频谱和频谱移位量的计算处理可以在通过图1的振动分布测定装置的集录数据储存器10积蓄一定次数的差频信号数据，结束一系列的测定后实施。需要注意的是，未必需要与将实际的频率扫描光施加于传感光纤同步地实时地实施上述运算处理。
因此，本公开的测定传感光纤的动态应变的方法在图1所示的装置中，可以作为以下方法来实施，所述方法具备以下步骤：反复向所述传感光纤供给频率扫描光；接收来自所述传感光纤的后向散射光；对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波，生成差频信号；对所述差频信号执行傅里叶变换，求出后向散射光波形；在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中执行傅里叶变换来求出光频谱；以及基于通过参考测定得到的频谱与根据针对所述频率扫描光的一次扫描的所述后向散射光得到的频谱之间的频谱移位量，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，所述频谱解析区间的长度被设定为比起因于所述动态应变而由频率调制产生的所述频谱解析区间的距离偏差量Nd长。
图9和图10的各步骤由构成图1的解析部11的计算机上的程序来执行，但也可以将图1的解析部11和可选地集录数据储存器10配置在与图1的构成要素1～9分离的场所，采用网络连接。
本发明的实施方式的振动分布测定***、振动分布测定装置能够通过执行上述解析方法的计算机和程序来实现，可以将程序记录于记录媒体也可以通过网络来提供。
在上述实施方式中，包含频谱移位的计算处理，但在以下的实施方式中明确关于针对距离偏差量Nd的频谱解析区间的长度N设定的更详细的条件。
－第二实施方式－
在上述第一实施方式的振动分布测定装置中，能够在将针对后向散射光的频谱解析区间的长度设定为比由由于动态应变而产生的频率调制引起的延迟偏差Nd长的条件下，高精度地测定传感光纤中的动态应变。然而，求出参考波形(图9)，将起因于振动现象而产生的延迟偏差Nd推定为距离偏移(步骤10－4～10－5)，将频谱解析区间错开Nd，计算动态应变(步骤10－6)。这些与距离偏移有关的计算需要处理时间。
发明人对能够进一步对振动分布测定装置中的运算处理进行简化，缩短处理时间的方法进一步进行了研究。进一步考虑瑞利后向散射光的统计上的性质来研究在第一实施方式的振动分布测定装置中关注的频谱解析区间的长度与延迟偏差Nd的关系，提出了新的“对于距离偏移的耐力”的概念。在以下说明的第二实施方式的振动分布测定装置中，对“耐力”的概念进行详细的说明，并且对基于耐力而构成的、更简化了的振动分布测定装置和测定方法进行叙述。在以下的说明中，将延迟偏差Nd称为距离偏移Nd，但作为相同的意思进行使用。需要注意的是，第一实施方式的频谱解析中的光频率上的频谱移位与换算成传感光纤上的距离的距离偏移Nd对应。
更定量地掌握在OFDR中的后向散射光的测定中，起因于测定对象的振动而在成为对象的测定区间产生距离偏移(延迟偏差)的影响。因此，通过统计解析瑞利后向散射光的性质，求出动态应变测定对于距离偏移Nd的“耐力”。将“耐力”的理论值作为即使存在距离偏移也能准确地测定振动的概率，利用“频谱解析区间的长度”和“距离偏移Nd”这两个参数进行记述。
图11是表示用于求出动态应变测定对于距离偏移Nd的耐力的理论值的流程的图。在图11的流程图中，通过模拟而以“频谱解析区间的长度N”和“距离偏移Nd”的不同的组合产生瑞利后向散射光的电场波形。在与所产生的电场波形对应的光频谱中，求出参考测定与试行测定之间的相关峰值超过相关噪声电平的概率。在模拟中，针对作为N和Nd的不同的组合的大致20万个组合，反复进行了实施相关峰值的计算的试行测定。通过这些试行测定，将N和Nd作为参数，求出能够检测到相关峰值的概率。
图12是示意性地说明动态应变测定的耐力的模拟的各过程中的处理的图。以下，一边交替地参照图11的步骤和图12的处理的说明的示意图，一边对模拟方法进行说明。如后所述，图12的(a)对应于图11的步骤11－3，图12的(b)对应于图11的步骤11－4，图12的(c)对应于图11的步骤11－5。
返回到图11，在步骤11－1中开始模拟，在步骤11－2中设定用于一次试行测定的N和Nd。在接下来的步骤11－3中，分别生成参考波形和试行测定的波形。即，如图12的(a)所示，生成参考测定和试行测定的各自的电场波形E(τ)。在此，电场波形作为其振幅的平均值为0且符合正态分布的概率变量而生成。分别在参考测定和试行测定中，针对频谱解析区间的某个长度N，设定距离偏移Nd。针对参考测定和试行测定，距离偏移Nd分别随机地设定于频谱解析区间的前后的任一个。因此，在生成的两个波形之间，分别存在Nd个非共同部分。
接着在图11的步骤11－4中，对参考测定和试行测定中的各电场波形进行频谱解析，求出频谱S(ν)。即，如图12的(b)所示，求出参考测定的频谱和试行测定的频谱。若未产生距离偏移，则像图12的(b)那样两个频谱大致一致。若产生有距离偏移，则成为对传感光纤的不同的区间的频谱进行解析，频谱形状也变得不一致。
在图11的步骤11－5中，对参考测定和试行测定中的各频谱进行频谱相关的解析，判断相关峰值的有无。即如图12的(c)所示，根据参考测定的频谱和试行测定的频谱求出光频率移位Δν。在此，对于所计算出的相关值而言，如果在参考测定的电场波形与试行测定的电场波形之间存在共同部分，则如图12的(c)所示超过噪声电平而出现相关值的峰值。将相关峰值电平超过噪声电平的情况定义为能够正确地测定振动的状态。在相关峰值电平超过噪声电平的情况下，能够正确地测定应变量，因此，能够不根据距离偏移量使频谱解析区间偏移地求出施加于传感光纤的应变量。在一次试行测定中，进行相关峰值电平是否超过噪声电平的判定，针对N和Nd的一个组合，反复进行(NTrial次)试行测定来判定振动测定是否被正确地进行。通过步骤11－3～11－5的反复，能够在N－Nd空间中模拟能无参考测定地正确地测定振动的概率分布。
返回到图11，在步骤11－5中判定出相关峰值的有无后，返回步骤11－3，反复NTrial次步骤11－3～11―5。当全部试行次数NTrial次的反复结束时，在步骤11－6中，计算在N－Nd的空间的某个点上能无参考测定地正确地测定振动的概率分布。具体而言，将检测到相关峰值的次数NSuccess除以试行次数NTrial，计算出概率。在计算出概率后，在接下来的步骤11－7中变更Nd或者N，返回到步骤11－2。在步骤11－7中，以作为对象的范围和粒度确定Nd和N的组合，在N－Nd的坐标空间的所有点上求出概率。在设定所有的Nd和N的组合，求出概率后，在步骤11－8中结束模拟。
如图11和图12中所说明的那样，在N和Nd的组合中，能够求出能无参考测定地正确地测定振动的概率分布。如果能够预先在测定前知道在测定对象中假定的距离偏移Nd，则仅通过基于该概率分布来适当地选择频谱解析区间的长度N，就能够无参考测定地正确地测定振动。
图13是表示以N和Nd为参数的能够无参考测定地正确地测定振动(动态应变)的概率分布的图。图13的(a)是以浓淡表示针对N和Nd的组合的概率分布的图。横轴示出了频谱解析区间的长度N，纵轴示出了距离偏移Nd。由于将彩色的原图转换成了单色的浓淡，所以难以看出，但成为从图表的左上角向右下角逐渐地概率值P从0.5向1.0增加的分布。图13的(b)是以频谱解析区间的长度N为参数来示出距离偏移Nd与能无参考测定地正确地测定振动的概率P的关系的图。
参照图13的(a)可知，频谱解析区间的长度N越长，越能够针对更长的距离偏移Nd以概率P＝1检测到相关峰值。即，将N设定得越大，对于距离偏移的耐力越上升，能无参考测定地正确地测定振动(动态应变)的概率越高。更具体而言，参照图13的(b)，在作为对象的动态应变的测定中，例如若所假定的距离偏移为Nd＝10cm，则能够从N＝80cm的曲线读取的概率P为0.99以上，大致接近1。图13示出了在对象的测定中假定Nd＝10cm的情况下，如将N设定为80cm以上，则能够以99％以上的概率无参考测定地正确地测定振动。在假定不同的值的Nd的情况下，能够按照图13的各图，以规定的概率值P确定能无参考测定地正确地测定振动的频谱解析区间的长度N。
图13所示的N－Nd坐标空间中的概率值P的分布通过图11和图12所说明的模拟而得到，示出了动态应变的测定，即振动分布测定中的对于距离偏移Nd的耐力。仅通过N和Nd这两个参数，就能够知道能无参考测定地正确地测定振动的极限的条件，能应用于振动分布测定的对于距离偏移Nd的耐力设计。在以不需要参考测定的方式设定了频谱解析区间的长度N的情况下，意味着不需要距离偏移的计算。接下来，在基于图13所示出的N－Nd坐标空间中的理论的概率值P选择N的情况下，对通过模拟而得到的概率分布作为对于Nd的耐力的指标的妥当性进行验证。
图14是表示N－Nd坐标空间中的理论的概率值的作为耐力指标的妥当性验证中使用的振动***的构成的图。从OFDR装置的信号输入端至测定对象的传感光纤的终端为止的全长为300m，从输入端至50m的区间(0～50m)施加有频率30Hz的振动。在接下来的长度250m的区间(50～300m)中处于无振动的状态。传感光纤终端在APC(Angled Physical Contact：成角物理接触)研磨状态下成为开放端。在图14的振动***中，在最初的区间的频率30Hz的振动中假定的距离偏移为26cm(Nd＝17)。需要说明的是，Nd＝17是将距离偏移26cm除以OFDR的空间分辨率1.5cm而得到的无量纲量。
图15是表示选择了两个不同的N的值的情况的振动测定的结果的图。针对图14所示的构成的振动***，示出了将频谱解析区间的长度N分别设定为47cm、141cm的情况的振动测定结果。需要注意的是，在任一测定中都是在“无距离偏移的运算处理”下进行了测定。在图15的(b)和图15的(d)中，横轴示出了时间(ms)，纵轴示出了传感光纤的距离，是与图8同样的图，示出了在图14的长度300m的传感光纤中检测出的振动状态。虽然在图15中没有显示出颜色，但通过在横轴的时间和纵轴的距离的坐标面中示出的区域的浓淡，示出应变的强度的空间分布和时间变动。在图15的(d)的图表中在右端原本按颜色表示了应变量(με)，但对此仅以浓淡来参考性表示。此外，在图15的(d)的距离0～50m的范围内，示出了30zHz的振动(周期为33ms)的应变的+峰值和－峰值的大致时间位置。
图15的(b)示出了在将频谱解析区间的长度N设定为47cm的情况下所测定出的振动状态。在距离0～50m的区间中观测到30Hz的振动，但峰值位置沿时间轴方向波动并观察到噪声，并且振动不明确。在此，参照图13的(a)的模拟理论值，Nd＝26cm、N＝47cm的位置的概率P为0.7左右，相当于能无参考测定地正确地测定振动的概率为0.7的状态。
另一方面，图15的(d)示出了在将频谱解析区间的长度N设定为141cm的情况下所测定出的振动状态。在距离0～50m的区间中非常明确地示出了30Hz的振动，也没有沿时间轴方向的波动、噪声。再次参照图13的(a)，Nd＝26cm、N＝141cm的位置为图表外但概率P大致为1.0，能无参考测定地正确地测定振动的概率为1.0，相当于能100％正确地测定振动的状态。从图15的(b)和图15的(d)能够理解，基于图13所示的N－Nd坐标空间中的理论的概率分布来选择N的两个测定结果与相关值的峰值超过噪声电平的概率值P对应，N－Nd坐标空间中的理论的概率分布示出了对于距离偏移Nd的耐力。
图15的(a)和图15的(c)示出在处于无振动状态的传感光纤的距离为50～300m的区间中，作为测定结果被解析为“无振动状态”的概率。分别在横轴表示时间(ms)，在纵轴表示被解析为“无振动状态”的概率，在50～300m的区间中，被解析为无振动的概率原本必须为1。
在此，参照频谱解析区间的长度N被设定为47cm的图15的(a)，周期性地被解析为“无振动状态”的概率降低至接近0.6。这对应于在对应的图15的(b)的50～300m的区间中，会周期性地错误地观测到各种各样的电平的应变(με)，出现噪声。在图15的(a)和图15的(c)中，一并记载了实测值和理论值，可知在被设定为N＝47cm的情况下对于“无振动状态”也观测到了假的振动。
另一方面，参照频谱解析区间的长度N被设定为141cm的图15的(c)，被解析为“无振动状态”的概率不会低于0.99，可以说是大致始终接近1.0的状态。也就是说，处于无振动状态的传感光纤的距离50～300m的区间以几乎100％的概率被正确地解析为“无振动状态”。这对应于在对应的图15的(d)的50～300m的区间中，在几乎无噪声的状态下应变电平被显示为0。
从图15的(a)和图15的(c)可以理解，基于图13所示的N－Nd坐标空间中的理论的概率分布来选择N的两个测定结果与相关值的峰值超过噪声电平的概率值P对应，N－Nd坐标空间中的理论的概率分布示出了对于距离偏移Nd的耐力。因此，若根据在图13中得到的N－Nd坐标空间中的理论的概率分布来选择频谱解析区间的长度N，则即使无参考测定、且不实施偏移距离的运算处理也能够正确地测定动态应变。此时的频谱解析区间的长度N被选择为，针对所假定的某个距离偏移Nd的值，如果对参考测定的频谱进行了相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
发现通过将使用了图13所示的N、Nd这两个参数的、相关值峰值电平超过噪声电平的概率分布作为耐力的指标来选择适当的N，能够无参考测定和距离偏移等运算处理地正确地测定振动。针对假定的距离偏移Nd，基于N－Nd坐标空间中的理论的概率来选择如果对参考测定的频谱进行了相关测定则相关峰值超过噪声电平的概率大致为1的N，由此，能实现具有对于距离偏移Nd的较高的耐力的振动测定。
可以根据对振动测定装置要求的精度、测定对象的振动现象，将上述概率P的值设定为接近1的期望的值。例如，在对测定值要求较高的精度的环境下，将期望的值的概率值P设为0.99，针对所假定的距离偏移Nd确定频谱解析区间的长度N即可。此外，在没有对测定值要求较高的精度的环境下，将所望的值的概率值P设为0.90，针对所假定的Nd能够从更宽的范围来确定N。
如上所述，通过基于N－Nd坐标空间中的理论的概率，设定对于距离偏移Nd具有耐力的频谱解析区间的长度N，本实施方式的振动分布测定装置/方法与第一实施方式相比能够大幅度简化其构成。在图10的流程中，针对频谱解析区间的长度N，选择对于所假定的距离偏移Nd具有耐力的值即可。
因此，第二实施方式的振动分布测定装置/方法中的应变测定可以通过以下的步骤来实施。
步骤0：针对包含最初成为对象的振动的被测定***，确定所假定的最大的距离偏移(距离偏差量)Nd。若Nd的最大值已知，则可以使用该Nd。因此，在以下所说明的步骤之前，作为准备阶段，也可以通过第一实施方式的构成来实测距离偏移Nd。
步骤I：指定对成为对象的振动进行解析的区间。
步骤II：基于所确定的Nd，基于使用了图13的N和Nd这两个参数的、相关值峰值电平超过噪声电平的概率P的分布，设定如果对参考测定的频谱进行了相关测定则相关峰值超过噪声电平的概率大致为1那样的频谱解析区间的长度N。
步骤III：对测定时刻n的后向散射光的分布波形进行测定。
步骤IV：对指定的解析区间的光频谱进行解析。
步骤V：反复进行步骤III和步骤IV，直至求出动态应变所需的N次为止。
步骤VI：对后向散射光的光频谱的时间变化进行解析来计算出应变量，求出动态应变的时间波形(振动波形)。
上述的步骤III对应于图10的步骤10－1，步骤IV对应于图10的步骤10－2，步骤V对应于图10的步骤10－1、10－2的反复，步骤VI对应于图10的步骤10－3、10－4和10－5的反复、10－6。此外，上述的步骤I～步骤VI与反复进行N次静态应变测定实质上相同。
因此，本公开的测定动态应变的方法能够作为以下的方法来实施，该方法的特征在于，具备以下步骤：反复向传感光纤供给频率扫描光；接收来自所述传感光纤的后向散射光；对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波，生成差频信号；根据所述差频信号求出后向散射光波形；在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中求出光频谱；以及求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，针对起因于成为测定对象的所述动态应变的、所假定的距离偏差量Nd，所述频谱解析区间的长度N被设定为，如果进行了参考测定的频谱与所述光频谱的相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
此外，作为振动分布测定装置的构成，没有从图1的构成的变更，作为解析部11的与第一实施方式不同的处理，实施上述步骤I～步骤VI即可。因此，本公开的测定动态应变的装置能够作为以下装置来实施，该装置的特征在于，具备：光回路部，反复向传感光纤供给频率扫描光，接收来自所述传感光纤的后向散射光，对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波；以及受光/解析部，从所述本地光和所述后向散射光生成差频信号，根据所述差频信号求出后向散射光波形，在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中求出光频谱，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，针对起因于成为测定对象的所述动态应变的、所假定的距离偏差量Nd，所述频谱解析区间的长度N被设定为，如果进行了参考测定的频谱与所述光频谱的相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
如上所述，本实施方式的简化了图9和图10的流程的一系列的过程不包括关联的距离偏移的计算运算处理。因此，仅为在OFDR中测定静态应变的过程。成为与利用OFDR测定施加于传感光纤的不随时间变动的静态应变量而不是振动现象等动态应变的状态相同的状态。因此，通过仅周期性反复进行“静态应变”的测定，能测定作为时间上的应变的变动的“动态应变”。如果动态应变是稳定的，那么作为在上述步骤0中说明的准备阶段，一旦进行距离偏移Nd最大值的实测来确定了N，就能省略距离偏移的处理步骤，因此，能够大幅缩短测定时间。即，能够实现不使用对距离波动进行补偿的数字信号处理而准确地测定指定位置的振动的装置及测定方法。
针对在对象的测定中假定为Nd＝10cm的情况，图13中示出的使用了N和Nd这两个参数的、相关值峰值电平超过噪声电平的概率分布示出了将N设定为80cm以上的例子。在N－Nd坐标空间中，概率值P能够确定为大致为1的区域(边界)。即，在图13(a)中给出的概率值P中，P(N,Nd)＝1的区域。
如以上所详细说明的那样，本公开的振动分布测定装置提供不使用对距离波动进行补偿的数字信号处理而准确地测定指定位置的振动的装置及测定方法。
产业上的可利用性
本发明能够应用于光纤传感。

Claims (10)

1.一种测定传感光纤的动态应变的装置，其特征在于，具备：
光回路部，反复向所述传感光纤供给频率扫描光，接收来自所述传感光纤的后向散射光，对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波；以及
受光/解析部，从所述本地光和所述后向散射光生成差频信号，对所述差频信号执行傅里叶变换，求出后向散射光波形，在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中执行傅里叶变换来求出光频谱，基于通过参考测定得到的频谱与根据针对所述频率扫描光的一次扫描的所述后向散射光得到的频谱之间的频谱移位量，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，
所述频谱解析区间的长度被设定为比起因于所述动态应变而由频率调制产生的所述频谱解析区间的距离偏差量Nd长。
2.根据权利要求1所述的测定传感光纤的动态应变的装置，其特征在于，
将T作为所述频率扫描光的测定时间，νoffset作为因振动而产生的频率调制量，通过Nd＝T·νoffset求出所述距离偏差量。
3.根据权利要求1所述的测定传感光纤的动态应变的装置，其特征在于，
所述动态应变是传感光纤区间中的应变量的时间变化，根据反复供给的所述频率扫描光的每次扫描的所述应变量来得到。
4.根据权利要求1所述的测定传感光纤的动态应变的装置，其特征在于，
所述参考测定基于在所述传感光纤不存在动态应变的状态下的频谱。
5.一种测定传感光纤的动态应变的方法，其特征在于，具备以下步骤：
反复向所述传感光纤供给频率扫描光；
接收来自所述传感光纤的后向散射光；
对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波，生成差频信号；
对所述差频信号执行傅里叶变换，求出后向散射光波形；
在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中执行傅里叶变换来求出光频谱；以及
基于通过参考测定得到的频谱与根据针对所述频率扫描光的一次扫描的所述后向散射光得到的频谱之间的频谱移位量，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，
所述频谱解析区间的长度被设定为比起因于所述动态应变而由频率调制产生的所述频谱解析区间的距离偏差量Nd长。
6.根据权利要求5所述的测定传感光纤的动态应变的方法，其特征在于，
将T作为所述频率扫描光的测定时间，将νoffset作为因振动而产生的频率调制量，通过Nd＝T·νoffset求出所述距离偏差量，所述动态应变是传感光纤区间中的应变量的时间变化，根据反复供给的所述频率扫描光的每次扫描的所述应变量来得到。
7.一种测定动态应变的装置，其特征在于，具备：
光回路部，反复向传感光纤供给频率扫描光，接收来自所述传感光纤的后向散射光，对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波；以及
受光/解析部，从所述本地光和所述后向散射光生成差频信号，根据所述差频信号求出后向散射光波形，在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中求出光频谱，求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，
针对起因于成为测定对象的所述动态应变的、所假定的距离偏差量Nd，所述频谱解析区间的长度N被设定为，如果进行了参考测定的频谱与所述光频谱的相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
8.根据权利要求7所述的测定动态应变的装置，其特征在于，
所述概率通过Nd－N坐标空间来表示，该Nd－N坐标空间示出基于参考测定和试行测定而获取的、所述相关峰值超过噪声电平的概率，所述长度N位于该坐标空间中的给出所述期望的值的区域。
9.一种测定动态应变的方法，其特征在于，具备以下步骤：
反复向传感光纤供给频率扫描光；
接收来自所述传感光纤的后向散射光；
对作为所述频率扫描光的一部分的本地光和所述后向散射光进行合波，生成差频信号；
根据所述差频信号求出后向散射光波形；
在所述后向散射光波形的任意的频谱解析区间中求出光频谱；以及
求出与所述频谱解析区间对应的所述传感光纤的区间中的所述动态应变的应变量，
针对起因于成为测定对象的所述动态应变的、所假定的距离偏差量Nd，所述频谱解析区间的长度N被设定为，如果进行了参考测定的频谱与所述光频谱的相关测定，则相关峰值超过噪声电平的概率为接近1的期望的值以上。
10.根据权利要求9所述的测定动态应变的方法，其特征在于，
所述概率通过Nd－N坐标空间来表示，该Nd－N坐标空间示出基于参考测定和试行测定而获取的、所述相关峰值超过噪声电平的概率，所述长度N从该坐标空间中的给出所述期望的值的区域选出。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005147900A (ja) * 2003-11-17 2005-06-09 Japan Aerospace Exploration Agency Ｏｆｄｒ方式の歪連続分布計測装置
CN101523183A (zh) * 2006-10-06 2009-09-02 普拉德研究及开发股份有限公司 使用跟踪信号测量来自光纤的布里渊反向散射
CN102589592A (zh) * 2012-02-21 2012-07-18 南京大学（苏州）高新技术研究院 基于多波长光源的布里渊光时域反射仪
CN102937416A (zh) * 2012-11-20 2013-02-20 南京大学 一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法和装置
CN103743354A (zh) * 2014-01-06 2014-04-23 桂林电子科技大学 一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置
CN103940361A (zh) * 2014-04-30 2014-07-23 中国科学院半导体研究所 一种光纤光栅低频应变传感解调***
CN103954226A (zh) * 2014-04-03 2014-07-30 华南理工大学 长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置
JP2015190917A (ja) * 2014-03-28 2015-11-02 アンリツ株式会社 光周波数領域反射測定方法、光周波数領域反射測定装置およびそれを用いた位置または形状を測定する装置
JP2016133443A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 アンリツ株式会社 Ｏｆｄｒ装置
JP2017072389A (ja) * 2015-10-05 2017-04-13 日本電信電話株式会社 光線路特性解析装置及び光線路特性解析方法
CN109556754A (zh) * 2017-09-27 2019-04-02 冲电气工业株式会社 光纤应变和温度测定装置以及光纤应变和温度测定方法
CN109556527A (zh) * 2017-09-25 2019-04-02 冲电气工业株式会社 光纤应变测定装置和光纤应变测定方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014105911A1 (en) * 2012-12-24 2014-07-03 Luna Innovations Incorporated Dispersion correction in optical frequency-domain reflectometry
GB2529116B (en) * 2013-06-13 2020-08-12 Schlumberger Holdings Fiber optic distributed vibration sensing with wavenumber sensitivity correction
JP6706192B2 (ja) * 2016-12-12 2020-06-03 日本電信電話株式会社 空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法及び空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置
JP7010147B2 (ja) * 2018-06-04 2022-01-26 日本電信電話株式会社 振動分布測定システム、振動波形解析方法、振動波形解析装置、および解析プログラム

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005147900A (ja) * 2003-11-17 2005-06-09 Japan Aerospace Exploration Agency Ｏｆｄｒ方式の歪連続分布計測装置
CN101523183A (zh) * 2006-10-06 2009-09-02 普拉德研究及开发股份有限公司 使用跟踪信号测量来自光纤的布里渊反向散射
CN102589592A (zh) * 2012-02-21 2012-07-18 南京大学（苏州）高新技术研究院 基于多波长光源的布里渊光时域反射仪
CN102937416A (zh) * 2012-11-20 2013-02-20 南京大学 一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法和装置
CN103743354A (zh) * 2014-01-06 2014-04-23 桂林电子科技大学 一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置
JP2015190917A (ja) * 2014-03-28 2015-11-02 アンリツ株式会社 光周波数領域反射測定方法、光周波数領域反射測定装置およびそれを用いた位置または形状を測定する装置
CN103954226A (zh) * 2014-04-03 2014-07-30 华南理工大学 长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置
CN103940361A (zh) * 2014-04-30 2014-07-23 中国科学院半导体研究所 一种光纤光栅低频应变传感解调***
JP2016133443A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 アンリツ株式会社 Ｏｆｄｒ装置
JP2017072389A (ja) * 2015-10-05 2017-04-13 日本電信電話株式会社 光線路特性解析装置及び光線路特性解析方法
CN109556527A (zh) * 2017-09-25 2019-04-02 冲电气工业株式会社 光纤应变测定装置和光纤应变测定方法
CN109556754A (zh) * 2017-09-27 2019-04-02 冲电气工业株式会社 光纤应变和温度测定装置以及光纤应变和温度测定方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TATSUYA OKAMOTO: "Vibration-Induced Beat Frequency Offset Compensation in Distributed Acoustic Sensing Based on Optical Frequency Domain Reflectometry", IEEE, 7 August 2019 (2019-08-07) *

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