JP2009020003A - 光ファイバセンサ及び歪観測システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ブリルアン後方散乱光解析にて歪分布データε(X)を得る歪観測システム40において、入射光パルス幅S相当の固定ピッチYで光ファイバ23を鞘体24などの可撓性長尺支持体に固定した光ファイバセンサ50には、標本化ピッチDと入射光パルス幅S及び固定ピッチYとの中間の歪目印部長Nを持つ強歪εn の歪目印部52を点在か散在させ、歪分布データε(X)を処理する二次演算部には、歪分布データε(X)から分別幅Nn(N≦Nn<S,Y)より幅Wの短いパルス状波形部分を抽出して歪目印位置Xnを特定する歪目印検出手段と、その歪目印に基づいて歪分布データε(X)に位置修正処理を施す位置修正手段を設ける。
【選択図】 図1
Description
光ファイバセンサは、その可撓性に基づいて設置箇所や装着対象物の外面形状に適合するので広範囲のセンサとして使い易いものであり、光データ解析装置の観測端(検出子・検出端・プローブ)として有用である。
ブリルアン後方散乱光解析装置としては、BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)や,BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysys)が挙げられ、ラマン後方散乱光解析装置としては、ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometry)が挙げられる。
制御演算部12は(図7(b)参照)、光ファイバセンサ20を光路とする送受光を行って温度分布データTを得るラマン後方散乱光解析装置13と、やはり光ファイバセンサ20を光路とする送受光を行ってその受信光に基づいて歪分布データεを得るブリルアン後方散乱光解析装置14と、その歪分布データεをブリルアン後方散乱光解析装置14から得るとともに温度分布データTをラマン後方散乱光解析装置13から得てそれらのデータε,Tを操作表示部11に表示させたり記録データを蓄積したりする二次演算部30とを具えている。
歪データ収集ルーチン31は、例えば一定周期で起動されて、その度に次の一連の処理が実行されるようになっている(ステップS11〜S14)。すなわち、ブリルアン後方散乱光解析装置14を作動させて歪分布データεを得る歪分布観測が実行されるとともに(ステップS11)、ラマン後方散乱光解析装置13を作動させて温度分布データTを得る温度布観測も実行され(ステップS12)、それから歪の影響の小さい温度分布データTに基づいて温度の影響の大きい歪分布データε(X)を修正する歪データ修正演算が実行され(ステップS13)、修正後の歪分布データε(X)が歪分布データ記憶装置32に記録されて蓄積保存されるようになっている(ステップS14)。
歪分布比較ルーチン33は、例えば手動操作で不定期に起動されて例えば次の処理を実行するものである。すなわち、歪分布データ記憶装置32に蓄積されている歪分布データε(X)のうちから二つが選出されるのを待ち、歪分布データεXi,εXj が選択されると、例えば、対応する標本区間ごとに歪分布データεXiと歪分布データεXjとの差Δε=(εXi−εXj )を算出して、その差Δεを単独で又は両歪分布データεXi,εXj と共に操作表示部11に画面表示するようになっている。
そして、監視対象物が伸縮すると、それに対応した歪が光ファイバセンサ20にも生じるので、監視対象物の変動状態を反映した歪分布データε(X)が蓄積される。
こうして、この歪観測システム10にあっては、歪分布データの収集や歪の経時変化の確認が容易になされる。
図10はそのような解決すべき技術課題を説明するためのものであり、(a)が両歪分布データεXi,εXj のグラフ表示、(b)が両歪分布データεXi,εXj の差Δεのグラフ表示、(c)が歪目印つき歪分布データεXi,εXj のグラフ表示、(d)がファイバ予歪分布図と周波数スペクトル図と歪分布データのグラフ表示である。
ところが、位置合わせの目印にファイバ予歪を採用して歪目印が歪分布データに含まれるようにした場合、歪目印の取得は容易に行えても、本来の測定対象歪が予想を超えて大きくなったときや測定対象歪が歪目印の近くで大きくなったときまで含めて常に確実に歪目印を測定対象歪から分離抽出するのは容易でなかった。
そして、そのような特性を利用することで、検出の不要な小さな歪みの影響が歪分布データには成る可く及ばないようにすべく、光ファイバ23を固定ピッチYで鞘体24に固定している光ファイバセンサ20では、入射光パルス幅Sに相当するピッチが固定ピッチYに採用されており、局所平均処理等の簡便なノイズ処理でもノイズが良く除去できるようになっている。
そこで、このような特質を利用することによりコストアップを抑制しつつ歪目印の検出確度を向上させることが技術的な課題となる。
また、本発明の歪観測プログラム(請求項4)は、上記の請求項2記載の歪観測プログラムであって更に、前記歪目印検出手段が、パルス幅検出に先立ってピーク検出を行い、そのピーク値に応じてパルス幅検出用の閾値を変化させるものである、ことを特徴とする。
歪測定部では、入射光パルス幅に相当する固定ピッチで光ファイバが可撓性長尺支持体に固定されていることから、測定対象物の歪は、光ファイバに伝達されるときに固定ピッチの各区間で局所平均値に一様化されるので、ブリルアン後方散乱光解析装置による歪分布データには単発のパルス状波形部分かパルス状波形部分の連なりとなって反映されるが、そのパルス幅は入射光パルス幅や固定ピッチと同等かそれより長くなる。
このように、歪分布データにおいて、歪目印用の歪は歪目印部長より短いパルス状波形で発現するのに対し、測定対象物の歪は入射光パルス幅や固定ピッチ以上に広がって発現するので、両者の波形が区別可能になる。しかも、両者の間には開きがあるので、歪分布データから歪目印を抽出することが確実に行えることとなる。
しかも、本発明はファイバ固定距離の一部変更やデータ処理プログラムの一部改造で具現化されるので、コストアップは小さく抑えられる。
したがって、この発明によれば、コストアップを抑制しつつ歪目印の検出確度を向上させることができる。
そのため、歪目印部のところまで測定対象物の歪が及んだ場合でも歪目印が明瞭に維持されるので、歪目印はファイバ長手方向のどこでも任意に付けることが許される。
また、本発明の光ファイバセンサ(請求項7,請求項8)にあっては、把持部材の装着にて所要の歪目印部が形成され、歪目印後付具や温調器にて歪目印用ファイバ予歪が付与されるようにしたことにより、既存の光ファイバセンサに例えそれが敷設済みであっても歪目印を追加することができる。
この歪観測システム40が既述した歪観測システム10と相違するのは、光ファイバセンサ20が歪目印つきの光ファイバセンサ50になった点と(図1参照)、二次演算部30のプログラムに基準位置設定ルーチン41の追加と歪分布比較ルーチン33から歪分布比較ルーチン43への改造が施された点である(図2参照)。
基準位置設定ルーチン41と歪分布比較ルーチン43は、新規な歪目印検出サブルーチンを利用するようになっている。
歪目印用ファイバ予歪εn は(図1(c)参照)、ファイバ予歪εa より小さく方に設定してもブリルアン後方散乱光解析装置14で測定されるが、ブリルアン後方散乱光解析装置14で明瞭に測定されるよう、通常はファイバ二倍歪2εaより大きく設定される。歪分布データε(X)に発現した歪目印用パルス状波形部分においてもそのピークがファイバ二倍歪2εaを超えるよう(図1(d),(e)参照)、予歪εn は十分に大きいのが好ましい。
また、上記手法で分別基準に用いられた分別幅Nnは(図1(d),(e)参照)、歪目印用パルス状波形部分の幅と測定対象物の歪のパルス状波形部分の幅との間に確実になるよう、歪目印部長N以上であって入射光パルス幅S未満であることと、歪目印部長N以上であって固定ピッチY未満であること、という条件で予め選定されている。
そうすると、初期の歪分布データε(X)が求められ、それから歪目印検出サブルーチンの実行によって初期の歪目印位置Xn…が求められ、それが後の位置修正用の基準位置として基準位置データ42に記憶される。
また、蓄積された歪分布データε(X)を利用して或る時から別の時までの変動を目視確認したいときには、二次演算部30に歪分布比較ルーチン43を起動させて所望の時刻を二つ指定すると、該当する歪分布データεXi,εXj や両者の差Δεが操作表示部11にグラフ等で表示される。
例えば収集時期の大きく異なる歪分布データεXi,εXj を一緒にグラフ表示したときでも、従来は不所望なまで大きくなることのあったファイバ長手方向の「みかけのずれ」が歪観測システム40では目につかないのである(図2の操作表示部11を参照)。
二次演算部30の他のプログラムはそのまま引き継がれている。また、光ファイバセンサ50やブリルアン後方散乱光解析装置14などのハードウェアも歪観測システム10から同じものがそのまま引き継がれている。
なお、位置Xと歪εとの組データからなる歪分布データε(X)に対する位置修正には、各標本区間の位置Xを修正する遣り方を採用しても良く、標本区間の個数や各標本区間の位置Xが基準位置データ42の基準値に一致するよう歪εまで修正する遣り方を採用しても良い。
また、このファイバ固定強化部63は(図4(d)参照)、ファイバ予歪が歪測定部51側のファイバ予歪εa から歪目印部62側の歪目印用ファイバ予歪εn へ段階的に増加するものとなっている。
歪目印後付具70は、一対の把持部材である固定部クランプ71及び遊配部クランプ72と、それらの離隔距離を拡縮しうる本体部とを具えている。
クランプ71,72は、それぞれ、例えば開閉式であって開いて光ファイバセンサ20を挟み込んでからネジ止め等にて強く閉めることにより、鞘体24を光ファイバ23と共に把持して光ファイバ23を鞘体24に固定するようになっている。
固定部クランプ71と遊配部クランプ72の離隔距離は上述の歪目印部長Nを含む範囲で拡縮されるようになっており、その拡縮範囲は歪目印部長Nと歪目印用ファイバ予歪εn との積より長くなっている。
温調器80は、光ファイバセンサ20における歪目印部長Nの部分を加温または冷却できるものであれば足り、例えば、一定の設定温度に維持する恒温槽でも良く、外気温に応じて温度コントロールするヒートポンプ等でも良い。
遊配部クランプ72は、上述した歪目印後付具70から分離したものであり、温調器80に取り付けても取り付けなくても良い。
なお、上記実施形態では、光ファイバセンサにおける可撓性長尺支持体が、光ファイバを遊挿しうる金属製鞘体であったが、可撓性長尺支持体は、鞘体に限られる訳でなく、樹脂チューブや索条など、他の断面形状のものであっても、固定ピッチや歪目印部長の離散位置で光ファイバを固定できるものであれば良い。
また、上記実施形態では、光ファイバセンサにおける固定ピッチが入射光パルス幅と同じになっていたが、両者は多少なら相違していても良く、固定ピッチが入射光パルス幅の80%〜150%程度になっていれば、固定ピッチが入射光パルス幅に相当していると言える。
また、上記実施形態では、歪目印用パルス状波形部分が歪分布データε(X)に残されたままになっていたが、比較以外のデータ処理など行うときなどに歪目印用パルス状波形部分が邪魔な場合には、例えば、歪分布データε(X)において歪目印位置Xnを中心とした歪目印部長Nの部分データを一旦消去してから、その部分のデータ値を線形補間で補う、といった前処理を施せば良い。
11…操作表示部、12…制御演算部(光データ解析装置)、
13…ラマン後方散乱光解析装置、
14…ブリルアン後方散乱光解析装置、
20…光ファイバセンサ、21…ファイバ遊挿部、
22…ファイバ固定部、23…光ファイバ、24…鞘体、
30…二次演算部、31…歪データ収集ルーチン、
32…歪分布データ記憶装置、33…歪分布比較ルーチン、
40…歪観測システム、
41…基準位置設定ルーチン、42…基準位置データ、
43…歪分布比較ルーチン、44…歪データ収集ルーチン、
50…光ファイバセンサ、51…歪測定部、52…歪目印部、
60…歪観測システム、61…光ファイバセンサ、
62…歪目印部、63…ファイバ固定強化部、
70…歪目印後付具、71…固定部クランプ、
72…遊配部クランプ、80…温調器、
D…標本化ピッチ、N…歪目印部長、
S…入射光パルス幅、Y…固定ピッチ
Claims (8)
- 入射光パルス幅を標本区間幅とし該入射光パルス幅よりも短い標本化ピッチ毎における標本区間のブリルアン後方散乱光の測定データに係るスペクトルに基づいて各標本区間の歪データを求めることにより歪分布データを得るブリルアン後方散乱光解析装置と、前記入射光パルス幅に相当する固定ピッチで光ファイバを鞘体などの可撓性長尺支持体に固定した光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサ沿いの歪分布データを前記ブリルアン後方散乱光解析装置から得てデータ比較などのデータ処理を行う二次演算部とを備えた歪観測システムにおいて、
前記光ファイバセンサには、前記標本化ピッチより長いが前記入射光パルス幅および前記固定ピッチより短い幅間隔で前記光ファイバを前記可撓性長尺支持体に固定した歪目印部が、前記ブリルアン後方散乱光解析装置で計測可能なファイバ予歪を付与された状態で、点在または散在しており、
前記二次演算部には、前記歪目印部より長く前記入射光パルス幅および前記固定ピッチより短い分別幅を分別基準に用いて、処理対象の歪分布データからそれに含まれているパルス状波形部分のうちでパルス幅が前記分別幅より短いものを抽出することにより前記歪目印部に対応した歪目印を特定する歪目印検出手段と、その歪目印に基づいて前記処理対象歪分布データに係る位置修正処理を行う位置修正手段とが、設けられている、
ことを特徴とする歪観測システム。 - 入射光パルス幅を標本区間幅とし該入射光パルス幅よりも短い標本化ピッチ毎における標本区間のブリルアン後方散乱光の測定データに係るスペクトルに基づいて各標本区間の歪データを求めることにより歪分布データを得るブリルアン後方散乱光解析装置から光ファイバセンサに沿いの歪分布データを得てデータ比較などのデータ処理を行う二次演算部にインストールされて、この二次演算部を、
前記光ファイバセンサが前記入射光パルス幅に相当する固定ピッチで光ファイバを鞘体などの可撓性長尺支持体に固定したものであり而も前記光ファイバセンサには前記標本化ピッチより長いが前記入射光パルス幅および前記固定ピッチより短い幅間隔で前記光ファイバを前記可撓性長尺支持体に固定した歪目印部が前記ブリルアン後方散乱光解析装置で計測可能なファイバ予歪を付与された状態で点在または散在していることを前提条件として且つ前記歪目印部より長く前記入射光パルス幅および前記固定ピッチより短い分別幅を分別基準に用いて処理対象の歪分布データからそれに含まれているパルス状波形部分のうちでパルス幅が前記分別幅より短いものを抽出することにより前記歪目印部に対応した歪目印を特定する歪目印検出手段と、その歪目印に基づいて前記処理対象歪分布データに係る位置修正処理を行う位置修正手段として機能させる歪観測プログラム。 - 前記歪目印検出手段が、パルス幅検出に先立ってピーク検出を行い、そのピーク値に応じてパルス幅検出用の閾値を変化させるものである、ことを特徴とする請求項1記載の歪観測システム。
- 前記歪目印検出手段が、パルス幅検出に先立ってピーク検出を行い、そのピーク値に応じてパルス幅検出用の閾値を変化させるものである、ことを特徴とする請求項2記載の歪観測プログラム。
- 入射光パルス幅を標本区間幅とし該入射光パルス幅よりも短い標本化ピッチ毎における標本区間のブリルアン後方散乱光の測定データに係るスペクトルに基づいて各標本区間の歪データを求めることにより歪分布データを得るブリルアン後方散乱光解析装置に接続されてブリルアン後方散乱光測定用センサとして機能させるため、前記入射光パルス幅に相当する固定ピッチで光ファイバを鞘体などの可撓性長尺支持体に固定した光ファイバセンサにおいて、
前記標本化ピッチより長いが前記入射光パルス幅および前記固定ピッチより短い幅間隔で前記光ファイバを前記可撓性長尺支持体に固定した歪目印部が、前記ブリルアン後方散乱光解析装置で計測可能なファイバ予歪を付与された状態で、点在または散在している、ことを特徴とする光ファイバセンサ。 - 前記歪目印部の両端部における前記光ファイバの前記可撓性長尺支持体への固定がファイバ長手方向に近接した複数箇所でなされていることを特徴とする請求項5記載の光ファイバセンサ。
- 前記可撓性長尺支持体を前記光ファイバと共に把持して前記光ファイバを前記可撓性長尺支持体に固定する把持部材を一対具備しており而もそれら把持部の離隔距離を拡縮しうる歪目印後付具が装着され、前記把持部材による把持部位を両端部として前記歪目印部が形成され、そこに対するファイバ予歪の付与が前記歪目印後付具によってなされている、ことを特徴とする請求項5記載の光ファイバセンサ。
- 前記可撓性長尺支持体を前記光ファイバと共に把持して前記光ファイバを前記可撓性長尺支持体に固定する把持部材が装着され、前記把持部材による把持部位を両端部の一方または双方として前記歪目印部が形成され、そこに対するファイバ予歪の付与が加温用の又は冷却用の温調器によってなされている、ことを特徴とする請求項5記載の光ファイバセンサ。
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