JP2017026503A - Vibration distribution measurement method and vibration distribution measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバを用いた振動センサによる振動分布測定方法及び振動分布測定装置に関する。 The present invention relates to a vibration distribution measuring method and a vibration distribution measuring apparatus using a vibration sensor using an optical fiber.
光ファイバ技術を用いた干渉型のセンサは種々のものが研究、開発されてきた。干渉型のセンサは光の位相変化を測定し、温度や歪など様々な物理量を高感度に測定することができる。例えば、測定物の保全、異常検知を目的とした、構造物に対する振動を検知する振動センサが考えられている。 Various interference-type sensors using optical fiber technology have been researched and developed. The interference type sensor measures the phase change of light and can measure various physical quantities such as temperature and strain with high sensitivity. For example, a vibration sensor that detects vibration of a structure for the purpose of maintenance of a measurement object and detection of an abnormality is considered.
分布センサ技術としては、光ファイバ内部の各点からの反射光を測定するものなどが研究されている。干渉型のセンサとしてはリング型のファイバでの振動検知方式が検討されている（例えば、非特許文献１、参照。）。 As a distributed sensor technique, a technique for measuring reflected light from each point in an optical fiber has been studied. As an interference type sensor, a vibration detection method using a ring type fiber has been studied (for example, see Non-Patent Document 1).
この方法では、リング型ファイバの両端から光を入射し、それぞれにおける振動等での位相変化時の変化量の違いを元に振動位置を検知するものである。この方法では位置が特定できるが、両端から光を入射する必要があり、また振動箇所を見つける方式なので、本質的に分布測定ではない。 In this method, light is incident from both ends of a ring-type fiber, and a vibration position is detected based on a difference in change amount at the time of phase change due to vibration or the like in each. Although the position can be specified by this method, it is necessary to enter light from both ends, and since it is a method of finding a vibration location, it is not essentially a distribution measurement.
反射光を測定するものとして、光ファイバでの光反射時間領域測定法（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いたものが検討されている。この方法では光ファイバ内部の各点からの反射光を測定し、それぞれの反射光を受光した時間により反射位置を特定し、その反射光の位相から振動を検知する（例えば、非特許文献２、参照。）。
As a method for measuring reflected light, a method using an optical reflection time domain measurement method (OTDR: Optical Time Domain Reflectometry) in an optical fiber has been studied. In this method, the reflected light from each point in the optical fiber is measured, the reflection position is specified by the time when each reflected light is received, and vibration is detected from the phase of the reflected light (for example, Non-Patent
ただし、パルスの被試験ファイバへの入射は、最初に入れたパルスがファイバ遠端で反射されて戻ってくるまで待ってからでなければ次のパルスを入射できないため、測定時間が長くなる、その入射間隔よりも高速な状態変化は測定できないなどの課題がある。 However, the incident time of the pulse to the fiber under test is increased until the first pulse is reflected at the far end of the fiber and returned before the next pulse can be incident. There is a problem that a state change faster than the incident interval cannot be measured.
既存の振動センサにおいて、干渉を用いる方法では、振動検知が可能であるが、分布測定になっていない。分布測定を行う関連技術のＯＴＤＲの方法では、片端からのパルス入射で可能だが、ファイバ１往復分の時間ごとにしかパルスを入射できないため、測定できる振動の最大の周波数が往復時間以下の速度のものに限られてしまう。 In the existing vibration sensor, vibration detection is possible with the method using interference, but distribution measurement is not performed. In the OTDR method of related technology that performs distribution measurement, it is possible with the incidence of a pulse from one end, but since the pulse can be incident only at the time of one round-trip of the fiber, the maximum frequency of vibration that can be measured is less than the round-trip time. It is limited to things.
前記課題を解決するために、本発明は、被試験光ファイバの長さに依存することなく、該光ファイバ中の高速な振動の周波数と位置を精度よく測定することができる光ファイバ振動センサを提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an optical fiber vibration sensor capable of accurately measuring the frequency and position of high-speed vibration in an optical fiber without depending on the length of the optical fiber to be tested. The purpose is to provide.
上記目的を達成するため、本発明では、光反射時間領域測定法（ＯＴＤＲ）を用い、光ファイバ内部の各点からの反射光の位相変化から振動の長手方向分布を測定する方法において、試験光として、所望の測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を有する互いに周波数の異なるパルス列を用いる。 In order to achieve the above object, in the present invention, in the method of measuring the longitudinal distribution of vibration from the phase change of the reflected light from each point in the optical fiber using the optical reflection time domain measurement method (OTDR), As described above, pulse trains having different frequencies and having time intervals equal to or less than the reciprocal of the maximum value of the desired measurement frequency range are used.
具体的には、本発明に係る振動分布測定方法は、
複数の被試験光ファイバからの後方散乱光の反射率分布を測定する振動分布測定方法において、
光源がコヒーレント光を発する発光手順と、
前記光源からの出力光を２分岐して局発光と試験光とを生成する分岐手順と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに周波数を変化させる光周波数制御手順と、
光サーキュレータが前記光周波数制御手順で周波数を変化した試験光を前記被試験光ファイバに入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を取り込み出力する光出力手順と、
前記光サーキュレータで出力した前記後方散乱光と、前記分岐手順で生成した前記局発光とを光結合し光信号として出力する光結合手順と、
前記光信号を光受信して電流信号を取得する光受信手順と、
前記電流信号を数値化する数値化手順と、
前記数値化手順で数値化した電流信号を数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の複数の周波数成分による前記被試験光ファイバからの後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する演算処理手順と、を行い、
前記光周波数制御手順において、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定し、前記時間間隔を有するパルス列を構成し、
前記演算処理手順において、
前記光周波数制御手順で構成されたパルス列を有する試験光が入射された前記複数の被試験光ファイバからの各受光時間ごとの後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と前記振動位置の周波数を検出する。
Specifically, the vibration distribution measuring method according to the present invention is:
In a vibration distribution measurement method for measuring the reflectance distribution of backscattered light from a plurality of optical fibers under test,
An emission procedure in which the light source emits coherent light;
A branching procedure for branching the output light from the light source to generate local light and test light;
An optical frequency control procedure for changing the frequency of the test light at predetermined time intervals;
An optical output procedure in which an optical circulator enters the test optical fiber whose frequency is changed by the optical frequency control procedure into the optical fiber under test, and captures and outputs the backscattered light generated at each point of the optical fiber under test;
An optical coupling procedure for optically coupling the backscattered light output by the optical circulator and the local light generated by the branching procedure and outputting the result as an optical signal;
An optical reception procedure for optically receiving the optical signal to obtain a current signal;
A digitization procedure for digitizing the current signal;
The current signal quantified by the quantification procedure is separated into a plurality of frequency components by numerical calculation processing, and each phase distribution of the backscattered light from the optical fiber under test due to the plurality of frequency components of the test light is measured. And an arithmetic processing procedure to
In the optical frequency control procedure,
A time interval equal to or less than the reciprocal of the maximum value of a predetermined measurement frequency range is set between test lights having different frequencies, and a pulse train having the time interval is configured.
In the arithmetic processing procedure,
The phase distribution waveforms of the backscattered light for each light receiving time from the plurality of optical fibers under test on which the test light having the pulse train configured by the optical frequency control procedure is incident are compared, and from the comparison result, the phase distribution waveforms are compared. The amount of change in the phase of the backscattered light from each point of the test optical fiber is extracted to detect the vibration position of the optical fiber under test and the frequency of the vibration position.
本発明に係る振動分布測定方法では、
前記光周波数制御手順は、
周波数の異なる試験光の間の時間間隔において、利用するすべての試験光の周波数と、それぞれのパルス列の幅による周波数範囲の全てと重ならない周波数の補填光で埋めることにより、入射試験光全体の中での光強度の変化をなくし、測定誤差へつながる光ファイバ中の非線形現象を防いでもよい。
In the vibration distribution measuring method according to the present invention,
The optical frequency control procedure includes:
In the time interval between test lights of different frequencies, fill in the entire incident test light by filling in the frequency of all the test lights used and the supplementary light with a frequency that does not overlap the entire frequency range due to the width of each pulse train. It is also possible to eliminate the change in the light intensity in the optical fiber and prevent the nonlinear phenomenon in the optical fiber that leads to a measurement error.
本発明に係る振動分布測定方法では、
前記演算処理手順は、
前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化から振動周波数を計算する場合、入射した試験光において一つのパルス列中の周波数の異なる試験光のパルスからの後方散乱光を比較するとともに演算処理し、演算値が他の周波数の試験光による後方散乱光の演算値と予め定められた閾値を超過する場合に前記演算値の後方散乱光を除外又は２πの倍数の補正処理を行うことにより、後方散乱光の位相が２πの倍数だけ不定なことによる演算結果のずれを補正してもよい。
In the vibration distribution measuring method according to the present invention,
The arithmetic processing procedure is as follows:
When calculating the vibration frequency from the time variation of the backscattered light from each point of the optical fiber under test, the backscattered light from the test light pulses having different frequencies in one pulse train is compared with the incident test light. When the calculation value exceeds the calculation value of the backscattered light by the test light of other frequencies and a predetermined threshold value, the backscattered light of the calculation value is excluded or correction processing of a multiple of 2π is performed. Thus, the deviation of the calculation result due to the phase of the backscattered light being undefined by a multiple of 2π may be corrected.
本発明に係る振動分布測定方法では、
前記光周波数制御手順は、
予め定められた周波数範囲の試験光パルス列を連続して入射する場合、周波数範囲が繰り返されるタイミングごとに異なる長さの時間間隔を加えることにより、入射する試験光パルス列の周波数の繰り返し間隔を不等間隔にし、前記数値演算処理により周波数分離をして、前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した周波数成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防いでもよい。
In the vibration distribution measuring method according to the present invention,
The optical frequency control procedure includes:
When the test optical pulse train in the predetermined frequency range is continuously incident, the frequency repetition interval of the incident test optical pulse train is unequal by adding a time interval having a different length for each timing at which the frequency range is repeated. When the time change of the backscattered light from each point of the optical fiber under test is calculated by dividing the frequency by the numerical calculation processing and calculating the time change of the backscattered light from each point, the frequency components depending on the frequency of each test light are equally spaced It is also possible to prevent the occurrence of a frequency component unrelated to vibration in the calculation of the vibration frequency.
本発明に係る振動分布測定方法では、
前記光周波数制御手順は、
入射する試験光への周波数変調の順番をランダムにする制御指示を前記演算処理手順に対し行うことにより、前記演算処理手順における数値演算処理により周波数分離をして、前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した周波数成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防いでもよい。
In the vibration distribution measuring method according to the present invention,
The optical frequency control procedure includes:
By performing a control instruction to randomize the order of frequency modulation on the incident test light to the arithmetic processing procedure, frequency separation is performed by numerical arithmetic processing in the arithmetic processing procedure, and each point of the optical fiber under test When calculating the time variation of the backscattered light from the frequency, the frequency component depending on the frequency of each test light is prevented from being repeated at equal intervals, and the frequency that is not related to vibration is calculated for the vibration frequency calculation. You may prevent an ingredient from appearing.
本発明に係る振動分布測定方法では、
前記演算処理手順は、
被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化の波形において、短時間離散フーリエ変換処理でスペクトルの時間変化を計算することにより、前記被試験光ファイバ中の時間的に一定ではない振動の非定常的な時間変化を、前記被試験光ファイバ中の各地点で測定してもよい。
In the vibration distribution measuring method according to the present invention,
The arithmetic processing procedure is as follows:
The time-varying vibration in the optical fiber under test is calculated by calculating the temporal change of the spectrum by short-time discrete Fourier transform processing in the time-varying waveform of the backscattered light from each point of the optical fiber under test. May be measured at each point in the optical fiber under test.
具体的には、本発明に係る振動分布測定装置は、
複数の被試験光ファイバからの後方散乱光の反射率分布を測定する振動分布測定装置において、
コヒーレント光を発する光源と、
前記光源からの出力光を２分岐して局発光と試験光とを生成する分岐部と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに周波数を変化させる周波数変調部と、
前記周波数変調部で周波数を変化した試験光を前記被試験光ファイバに入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を取り込み出力する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータで出力した前記後方散乱光と、前記分岐部で生成した前記局発光とを光結合し、光結合した光信号を電流信号に変換するバランスフォトディテクタと、
前記電流信号を数値化し、数値化した電流信号を数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の複数の周波数成分による前記被試験光ファイバからの後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する計算処理部と、を備え、
前記周波数変調部は、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定し、前記時間間隔を有するパルス列を構成し、
前記計算処理部は、前記周波数変調部で構成されたパルス列を有する試験光が入射された前記複数の被試験光ファイバからの各受光時間ごとの後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と前記振動位置の周波数を検出する。
Specifically, the vibration distribution measuring apparatus according to the present invention is:
In a vibration distribution measuring apparatus that measures the reflectance distribution of backscattered light from a plurality of optical fibers under test,
A light source that emits coherent light;
A branching unit that splits the output light from the light source into two to generate local light and test light;
A frequency modulation unit that changes the frequency of the test light at predetermined time intervals; and
An optical circulator that makes the test light whose frequency has been changed by the frequency modulation unit incident on the optical fiber under test, and captures and outputs the backscattered light generated at each point of the optical fiber under test;
A balance photodetector that optically couples the backscattered light output by the optical circulator and the local light generated by the branching unit, and converts the optically coupled optical signal into a current signal;
The current signal is digitized, and the digitized current signal is separated into a plurality of frequency components by numerical calculation processing, and each phase distribution of the backscattered light from the optical fiber under test by the plurality of frequency components of the test light A calculation processing unit for measuring
The frequency modulation unit is
A time interval equal to or less than the reciprocal of the maximum value of a predetermined measurement frequency range is set between test lights having different frequencies, and a pulse train having the time interval is configured.
The calculation processing unit compares respective phase distribution waveforms of backscattered light for each light receiving time from the plurality of optical fibers under test on which test light having a pulse train configured by the frequency modulation unit is incident, The amount of change in the phase of the backscattered light from each point of the optical fiber under test is extracted from the comparison result, and the vibration position of the optical fiber under test and the frequency of the vibration position are detected.
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.
本発明によれば、被試験光ファイバの長さに依存することなく、該光ファイバ中の高速な振動の周波数と位置を精度よく測定することができる光ファイバ振動センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical fiber vibration sensor capable of accurately measuring the frequency and position of high-speed vibration in the optical fiber without depending on the length of the optical fiber to be tested.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. These embodiments are merely examples, and the present invention can be implemented in various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
（実施形態１）
図１は本発明の測定方法を採用する本実施形態に係る振動分布測定装置として機能する試験装置を示すブロック構成図である。１１はコヒーレント光を発する光源である。分岐部１２で光源１１からの光を分岐し、片方を周波数変調部１３で周波数を変調し、光増幅器１４で増幅する。この増幅された周波数変調光は光サーキュレータ１５を通して被試験光ファイバ１６へ入射される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a test apparatus that functions as a vibration distribution measuring apparatus according to this embodiment that employs the measuring method of the present invention. A
被試験光ファイバ１６からの散乱光、反射光が光サーキュレータ１５に戻ってきて、前記分岐部１２で分岐されたもう一方の光と合波され、バランスフォトディテクタ１８で受光される。受光された信号は数値化装置１９によりデジタルデータに変換され、計算処理部２１で数値計算処理される。周波数変調部１３の制御、測定のタイミング制御をタイミング制御信号発生器１７で行う。
Scattered light and reflected light from the
以下に説明する方法により、被試験光ファイバ１６に加わった振動の周波数と位置を特定する。図１の構成で測定を行うと、以下の式（１）に示すように電流ｉが測定される。Ｃは受光器による定数、Ｅｌは参照光の電界である。ｎは周波数多重させた多重数、ｔは時間、Ｔは周波数多重させた各周波数のパルスの時間間隔、Δｆは周波数多重の周波数間隔（ｆｉ＋１−ｆｉ）である。
図２に入射する試験光のパルス列の模式図を示す。Ｔの間で、実際に散乱光を受信するのは幅Ｗの試験光であり、Ｔ−Ｗの時間存在するｆ０の周波数の光は、その間試験光がないと試験光全体でのパワーの変動により、試験光入射時に非線形現象が発生し、周波数変調への雑音となることを防ぐために埋めている。 FIG. 2 shows a schematic diagram of a pulse train of test light incident thereon. It is the test light of width W that actually receives the scattered light during T, and the light with the frequency of f0 that exists for a time of T−W has a fluctuation in power in the whole test light if there is no test light during that time. Therefore, it is buried in order to prevent a nonlinear phenomenon from occurring when the test light is incident and causing noise to the frequency modulation.
また、このように試験に使わないｆ０の光である補填光を埋めることで、実際の試験光の変調において、ＳＳＢ変調器などの周波数変調手段１つのみで済み、強度変調器などの追加の物品を使わなくて済むというメリットもある。式（１）に示すＥｒ（ｔ）は、被試験光ファイバ１６の各点からの反射光及び後方散乱光の電界である。周波数多重させた光に対し時間差をつけて入射しているため、それぞれについて、（ｔ−（ｉ−１）Ｔ）の遅延がある。
In addition, by filling the supplementary light, which is f0 light not used in the test, only one frequency modulation means such as an SSB modulator is required for actual test light modulation, and an additional intensity modulator or the like is added. There is also an advantage that it is not necessary to use the goods. Er (t) shown in Expression (1) is an electric field of reflected light and backscattered light from each point of the
一般的に、光ファイバに振動が加わると、加振部の長さが微小に変動する。この長さの変動が光の通過時間に遅延を与え、それにより光の位相が変化する。これは一般的な光位相変調器と同じ原理である。 In general, when vibration is applied to an optical fiber, the length of the vibrating portion varies slightly. This length variation delays the light transit time, thereby changing the phase of the light. This is the same principle as a general optical phase modulator.
厳密にはこの位相の変化量は光の周波数により変化するが、本発明で与える周波数変調は、大きくてもＧＨｚ程度のオーダーであり、光の搬送波が本来持っている２００ＴＨｚに比べて非常に小さいため、この周波数変調による位相変化の違いは無視できる。 Strictly speaking, the amount of change in phase varies depending on the frequency of light, but the frequency modulation given in the present invention is on the order of GHz at most, which is much smaller than the 200 THz inherent in the optical carrier. Therefore, the difference in phase change due to frequency modulation can be ignored.
このため、周波数を変えた光を多重させてもそれらの位相変化は全て同じとみなすことができる。したがって、この複数の周波数の光の位相変化により振動を検知できる。なお、本発明での測定では、光の位相を測定するため、光源１１のコヒーレンス長よりも長いファイバの場合、スペクトルが広がり位相測定が困難になる。そのため、光源１１のコヒーレンスがファイバ長の限界を決定する。
For this reason, even if the light whose frequency is changed is multiplexed, the phase changes can be regarded as the same. Therefore, vibration can be detected by the phase change of the light having the plurality of frequencies. In the measurement according to the present invention, since the phase of light is measured, in the case of a fiber longer than the coherence length of the
また、上記はバランスＰＤで受信した交流信号を測定しているが、このとき、光９０°ハイブリッド回路を用いるか、受信したデータをヒルベルト変換するなどして、交流信号の複素振幅と位相を測定することにより、以下の処理の精度を上げることも可能である。 In the above, the AC signal received by the balanced PD is measured. At this time, the complex amplitude and phase of the AC signal are measured by using an optical 90 ° hybrid circuit or by performing Hilbert transform on the received data. By doing so, it is possible to improve the accuracy of the following processing.
この受信された電流波形に対して、ある時間幅ごとに区切り、短時間離散フーリエ変換を行う。短時間離散フーリエ変換によって計算された値は一般的に複素数であるため、この計算結果の複素数の振幅を並べれば、図３のようなスペクトルが各測定時間について計算できる（この最初の周波数成分に分解する短時間離散フーリエ変換をＦＦＴ（１）と呼ぶことにする。）。 The received current waveform is divided at certain time intervals and short-time discrete Fourier transform is performed. Since the value calculated by the short-time discrete Fourier transform is generally a complex number, a spectrum as shown in FIG. 3 can be calculated for each measurement time by arranging the complex amplitudes of the calculation results (this first frequency component is included in this spectrum). The short-time discrete Fourier transform to be decomposed will be referred to as FFT (1).)
このとき、例えば１．２５Ｇ／ｓのサンプリング速度で受信した波形に対して、１２５点ずつ短時間離散フーリエ変換の計算をすると（１００ｎｓ）、１０ＭＨｚの分解能となる。このとき、横軸に設定した各変調周波数での値を、各時間での値で並べていくと図４のような遅延を持ったいわゆるＯＴＤＲ波形が繰り返される波形となる（ｎ個の周波数多重で、それぞれの周波数でｍ個の波形を受信したとしている。また、Ａは下記で説明する波形を区別するための名前である。）。 At this time, for example, if a short-time discrete Fourier transform is calculated 125 points at a time for a waveform received at a sampling rate of 1.25 G / s (100 ns), a resolution of 10 MHz is obtained. At this time, when the values at the respective modulation frequencies set on the horizontal axis are arranged with the values at the respective times, a so-called OTDR waveform having a delay as shown in FIG. 4 is repeated (with n frequency multiplexing). , It is assumed that m waveforms are received at each frequency, and A is a name for distinguishing waveforms described below).
しかし、光ファイバの振動は一般的に光損失を伴わず、ファイバ中の光に対して位相変調を及ぼすだけである。したがって短時間離散フーリエ変換の計算結果の複素数の振幅ではなく、位相を計算する必要がある。 However, the vibration of the optical fiber generally does not involve optical loss, and only phase-modulates the light in the fiber. Therefore, it is necessary to calculate the phase, not the complex amplitude of the calculation result of the short-time discrete Fourier transform.
短時間離散フーリエ変換の計算結果の複素数の位相は、物理的には、その周波数の光の計算範囲での初期位相を表し、短時間離散フーリエ変換で求められる位相の時間変化はその周波数の光の、その周波数そのものには依存しない光の位相変化を表し、本発明で求める振動による位相変調を検出することに適した物理量である。 The phase of the complex number in the calculation result of the short-time discrete Fourier transform physically represents the initial phase in the light calculation range of that frequency, and the time change of the phase obtained by the short-time discrete Fourier transform is the light of that frequency. This represents a change in the phase of light that does not depend on the frequency itself, and is a physical quantity suitable for detecting phase modulation due to vibration required by the present invention.
次に、図４のように計算されるそれぞれの周波数の試験光による散乱光の波形群を並べ替える。並べ替える具体的な方法について説明する。入射する試験光のパルス列の数をｍとする。測定時間は、被試験光ファイバ長をＬ、光ファイバ中の光速をｖとすると、以下の式（２）に示す関係を有する。
このとき、それぞれの周波数の光試験パルスによるＯＴＤＲ波形は一つの周波数につきｍ個となり、周波数がｎ個多重されているため、ＯＴＤＲ波形はｎ×ｍ個測定できる。この波形それぞれに対して、
このとき、各周波数が時間的に順番にＴの間隔で入射されるため、ＡｉｊとＡ（ｉ＋１）ｊは、Ｔの時間差でＡ（ｉ＋１）ｊの方が遅い。また、パルス列が繰り返されて入射されるため、ＡｉｍとＡ（ｉ＋１）１はＴの時間差でＡ（ｉ＋１）１の方が遅い。このように考えると波形の順番は、
通常ＯＴＤＲ波形では、散乱位置と散乱時間が一対一の関係があるが、本発明では、この並べ替えをした時点で、散乱位置と散乱時間が独立としたものと考えることが可能になる。また、それぞれの波形のもととなる試験光の周波数も波形を識別するためのパラメータのみの意味になる。この様子を図５に示す。 Normally, in the OTDR waveform, there is a one-to-one relationship between the scattering position and the scattering time, but in the present invention, it is possible to consider that the scattering position and the scattering time are independent at the time of this rearrangement. In addition, the frequency of the test light that is the basis of each waveform is only a parameter for identifying the waveform. This is shown in FIG.
この波形の並べ替えにより、被試験光ファイバ１６のある位置からの散乱光がＴという時間間隔でサンプリングされ、それが被試験光ファイバ１６のあらゆる位置について測定できているということになる。図５ではイメージをわかりやすくするため、短時間離散フーリエ変換の結果の複素数の振幅、つまり散乱光の振幅で書いているが、実際の振動の計算では、複素数の位相によって波形を計算する。
By rearranging the waveforms, the scattered light from a certain position of the optical fiber under
複素数の位相は２πの倍数の不定性があるが、振動による位相変調は、散乱光の周波数による位相とは関係なく加わるため、２πを超えた位相の動きを正しく計算する必要がある。そして、散乱光の位相はその散乱光を発生させる試験光の周波数にも依存する。 Although the phase of the complex number has an indefiniteness of a multiple of 2π, phase modulation due to vibration is added regardless of the phase due to the frequency of the scattered light, so it is necessary to correctly calculate the movement of the phase exceeding 2π. The phase of the scattered light also depends on the frequency of the test light that generates the scattered light.
したがって、２πを超える位相を計算するための位相接続を、試験光のそれぞれの周波数で別個に処理する必要がある。具体的には、図５のｎ×ｍ個の波形の中から、例えばｆ１の周波数の試験光による波形Ａ１ｊ（ｊ＝１〜ｍ）を抽出する。この波形は当然ｍ個ある。 Therefore, it is necessary to process the phase connection for calculating the phase exceeding 2π separately at each frequency of the test light. Specifically, for example, a waveform A1j (j = 1 to m) of test light having a frequency of f1 is extracted from the n × m waveforms in FIG. There are of course m waveforms.
このｍ個の波形において、振動による影響を受ける位相の変化を正しく検出するためには、ある一定の位置からの散乱光の位相の連続性が重要であるため、ある散乱位置での位相の時間変化に対して、位相接続の処理が必要となる。つまり、Ａ１１（ｚ）〜Ａ１ｍ（ｚ）のｍ個の点で位相接続を行う。 In order to correctly detect the phase change affected by vibration in these m waveforms, the continuity of the phase of the scattered light from a certain position is important. A phase connection process is required for the change. That is, phase connection is performed at m points from A11 (z) to A1m (z).
ここでいう位相接続処理は具体的には、π以上の変化に対して、２πの補正を加えてπ以上の変化をなくした上で、±２π以上の値を位相が持つようにする処理であり、ｘ（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）という位相列が位相接続によりｙ（ｉ）という位相列に変化すると、以下の式（３）に示す処理である。ここで、
この処理を被試験光ファイバ１６のすべての点の波形において行い、それらの値による波形を再び図５の順番に戻す。そして、この処理をすべての試験光の周波数において行う。この処理により、散乱光の位相を正しく評価することが可能となる。以下の説明はこの処理を行った位相に対して行う。
This processing is performed on the waveforms at all points of the
図５のある散乱位置ｚ１での各Ａの値を時間軸方向に並べると図６のようになる。各Ａの点がＴ間隔で並ぶ。この波形をＦＦＴすると、スペクトルが計算される。もしこのスペクトルにおいて、図７のようにある強さを持ったピークなどが検出されると、それはこの散乱位置において、その周波数の振動が加わっていることを意味する。この振動の周波数を計算するＦＦＴをＦＦＴ（２）と呼ぶことにする。 FIG. 6 shows values of A at a certain scattering position z 1 in FIG. 5 arranged in the time axis direction. Each A point is arranged at T intervals. When this waveform is FFTed, the spectrum is calculated. If a peak having a certain intensity as shown in FIG. 7 is detected in this spectrum, it means that vibration of that frequency is added at this scattering position. The FFT that calculates the frequency of this vibration is called FFT (2).
また、上記の処理において、位相の変化量が振動として検出されるため、位相接続後の位相ではなく、その時間変化（Ａ１１（ｚ）〜Ａ１ｍ（ｚ）を時間波形とみなしたときの時間微分）を図５のように並べてもよい。また、パルスの往復で測定する本測定では、振動の位置より先から散乱される光は振動を２回受けるため、位相変調を２回受けることにより、ある程度の大きさで図７のようなピークを持つ。 In the above processing, since the amount of change in phase is detected as vibration, it is not the phase after phase connection, but the time change when the time change (A11 (z) to A1m (z) is regarded as a time waveform. ) May be arranged as shown in FIG. Further, in this measurement, which is measured by reciprocating the pulse, the light scattered from the position of the vibration receives the vibration twice, so that the peak as shown in FIG. have.
これは、厳密な振動位置の測定の誤差になる可能性があるため、図７で求まった振動スペクトルを並べて距離方向の分布を求める場合、距離方向で微分して振動スペクトルの大きさの変化量として分布測定をすることで、振動が加わった位置を際立たせることが可能である。 Since this may cause an error in measurement of the exact vibration position, when the vibration spectrum obtained in FIG. 7 is arranged to obtain the distribution in the distance direction, the amount of change in the magnitude of the vibration spectrum is differentiated in the distance direction. As a result of the distribution measurement, it is possible to make the position where the vibration is applied stand out.
以上の処理により被試験光ファイバ１６に加わっている振動を、その振動による試験光の位相変調という形で測定することが可能である。このときの測定できる振動の周波数の最大値は、各位置での散乱光のサンプリング速度Ｔ（サンプリングレート１／Ｔ）に依存し、つまり試験光パルス列の周波数多重させたパルスの間隔で決まる。
The vibration applied to the optical fiber under
通常のＯＴＤＲでは、一つのパルスの往復時間２Ｌ／ｖの間隔が最低必要であったが、本発明の方法では、それよりも十分早く、かつ被試験光ファイバ長Ｌに依存しない、Ｔでサンプリングすることが可能であり、より高速な振動を測定することが可能である。 In normal OTDR, the interval of a round trip time of 2 L / v of one pulse is required at the minimum, but in the method of the present invention, sampling is performed at T, which is sufficiently faster and does not depend on the length L of the optical fiber to be tested. It is possible to measure vibration at a higher speed.
また、関連技術に係るＯＴＤＲでは、散乱光の大きさの変化を測定するために、雑音よりも十分大きなパワーの散乱光が必要であるため、平均化処理による信号対雑音比の改善が必要であった。しかし、本発明では散乱光の位相のみを利用するため、散乱光が少しでも雑音の大きさよりも大きければ十分に位相を測定可能であり、また位相に対する雑音の影響はそれなりにあるが、一般的に雑音は白色雑音のような、測定される周波数範囲で一定の値の雑音とみなせる。 In addition, in the OTDR according to the related art, since the scattered light having a power sufficiently larger than the noise is necessary to measure the change in the size of the scattered light, it is necessary to improve the signal-to-noise ratio by the averaging process. there were. However, since only the phase of the scattered light is used in the present invention, the phase can be measured sufficiently if the scattered light is slightly larger than the noise level, and the influence of the noise on the phase is appropriate. In addition, the noise can be regarded as a constant value of noise in the measured frequency range, such as white noise.
このため、測定される位相に雑音は含まれているが、それらはどの周波数においても定数のようなものであるため、位相の変化を測定する本発明では無視することが可能である。したがって、ＯＴＤＲに必須である平均化を全く行わなくても測定することが可能である。 For this reason, noise is included in the measured phase, but these are constants at any frequency, and therefore can be ignored in the present invention for measuring phase changes. Therefore, it is possible to perform measurement without performing the averaging that is essential for OTDR.
次に、具体的なパラメータの設計等について説明する。まず、測定する際の距離分解能Δｚは、以下の式（４）となる。このときＦＦＴ（１）での計算範囲をこのΔｚよりも広くしてしまうとその分、距離分解能は劣化する。このため、ＦＦＴ（１）での計算範囲、つまりは測定されるデジタルデータのポイント数を小さくすればよいが、のちに説明する振動の周波数を測定するときの条件から制限が加わる。
本発明の方法では、周波数多重により、最初に入射した周波数の試験光が戻ってくる前に次の周波数の光を次々と入射できることが利点であるが、その周波数の数は、その数だけ試験光がファイバ内に収まる数でなければならない。その数に足りないと、同じ周波数の試験光がファイバ内に２つ存在して混ざってしまうからである。 According to the method of the present invention, it is advantageous that light having the next frequency can be incident one after another before the test light having the first incident frequency is returned by frequency multiplexing. It must be a number that allows light to fit in the fiber. If the number is insufficient, two test lights having the same frequency exist in the fiber and are mixed.
このため、以下の式（５）となる。したがって、ＦＦＴ（１）で周波数分離するときには、最低でもこの数の周波数成分に分解できなければならない。信号受信のサンプリングレートをＳ、ＦＦＴ（１）するデータのポイント数をＮとすると、ＦＦＴ（１）で周波数分解するときの周波数の最大値は、Ｓ／２となり、分解されたスペクトルの周波数間隔は、Ｓ／Ｎとなる。
ここで、データ数の関係から、以下の式（６）〜（８）に示す関係である必要がある。また、入射する試験光のそれぞれの周波数の間隔は測定したい振動の周波数の２倍以上離れていなければならない。なお、ｋは任意の正の整数を示す。
振動よりも小さい間隔の場合、振動により各試験光のビート周波数の並びが入れ替わり、識別ができなくなる。測定したい振動の最大値をｆｖｍａｘとすると、以下の式（９）の関係式として示すことができる。
一方、各地点からの散乱光はＴごとの時間変化を取得できることになるため、このＴずつの時間変化よりも早い振動は測定できない。この条件により、ｆｖｍａｘは、以下の式（１０）の関係式を示すこととなる。
変調されたパルスはその時間幅Ｗによりスペクトルに幅がある。このそれぞれのパルスのスペクトルが重なると、各周波数の散乱光が混ざり分離ができなくなるため、以下の式（１１）の関係式を満たすことが必要である。
式（１１）とＷ＜Ｔであることを用いて、式（９）と式（１０）を比べると、式（１２）を示す関係であるため、測定できる最大の振動周波数の条件は、式（１０）のみとなる。また、式（１１）と式（４）より、以下に示す式（１３）を満たすようにΔｆを設定することになる。測定する波形の個数ｍは図７の振動のスペクトルの分解能１／（Ｔ×ｎ×ｍ）にのみ影響を与える。つまりどれだけ細かく振動の周波数を求めたいかによって決まる。
以上により、測定ファイバＬと測定したい距離分解能Δｚ、測定したい振動の最大周波数ｆｖｍａｘを決めると、式（４）より各周波数のパルスの時間幅、式（１０）より多重させるパルスの時間間隔、式（５）より変調させる周波数の数、式（１３）より変調する周波数の間隔、式（８）より受信するサンプリングレート、式（６）及び（７）より、ＦＦＴ（１）する点の数、各パラメータの条件が決まる。 As described above, when the distance resolution Δz to be measured with the measurement fiber L and the maximum frequency f vmax of the vibration to be measured are determined, the time width of the pulse of each frequency from the equation (4), the time interval of the pulses to be multiplexed from the equation (10), The number of frequencies to be modulated from Equation (5), the frequency interval to be modulated from Equation (13), the sampling rate received from Equation (8), and the number of points to be FFT (1) from Equations (6) and (7) The conditions for each parameter are determined.
例えば、ファイバ長Ｌ＝５ｋｍ、距離分解能Δｚ＝１０ｍ、測定したい振動の最大値を１００ｋＨｚとするとｗ＝１００ｎｓ、Ｔ≦５ｕｓ、ｎ≧１０、Δｆ≧２０ＭＨｚ、Ｓ≧４００ＭＳ／ｓ、Ｎ≧２０となる。このように設計したパラメータで上記の測定、処理を行うことで、被試験光ファイバ１６上の振動の周波数と位置を測定することができる。
For example, assuming that the fiber length L = 5 km, the distance resolution Δz = 10 m, and the maximum vibration to be measured is 100 kHz, w = 100 ns, T ≦ 5 us, n ≧ 10, Δf ≧ 20 MHz, S ≧ 400 MS / s, N ≧ 20. Become. By performing the above measurement and processing with the parameters designed in this way, the frequency and position of vibration on the
（実施形態２）
実施形態１の測定と信号処理をする際に、図６に示すような、ある位置での散乱光の位相を時間的に並べた波形では、それぞれの散乱を起こす変調周波数は計算上どの値にも影響しないはずではあるが、そもそもの光の周波数が異なるため、その変調周波数に依存した影響を完全には除去することはできない。
(Embodiment 2)
When the measurement and signal processing of the first embodiment are performed, in the waveform in which the phases of the scattered light at certain positions are arranged in time as shown in FIG. However, since the frequency of light is different in the first place, the influence depending on the modulation frequency cannot be completely removed.
したがって、わずかでも変調周波数に依存した影響が存在することで、図６の点は、ｎ点ずつ同じような傾向を持つ繰り返しになる成分が存在する。このため図６の波形をＦＦＴ（２）した図７の波形は、１／ｎＴの周波数とその倍数の周波数の成分がスペクトルのピークとして存在する（このピークを繰り返し周波数ピークと呼ぶことにする）。 Therefore, even if there is even a slight influence depending on the modulation frequency, there are repetitive components having the same tendency every n points in FIG. For this reason, the waveform of FIG. 7 obtained by performing FFT (2) on the waveform of FIG. 6 has a frequency component of 1 / nT and a multiple thereof as a peak of the spectrum (this peak is referred to as a repeated frequency peak). .
振動によるスペクトルピークに対してこの繰り返し周波数ピークがどの程度の値になるかはその時の振動によるが、振動の周波数が繰り返し周波数ピークの周波数に等しい場合に正しく検出できない、繰り返し周波数ピークの周波数に振動がなくても振動があると誤検出するなど、この繰り返し周波数ピークは大きな誤差になり得る。 The value of the repetition frequency peak with respect to the spectrum peak due to vibration depends on the vibration at that time, but it cannot be detected correctly when the vibration frequency is equal to the frequency of the repetition frequency peak. Even if there is no error, this repeated frequency peak can be a large error, such as erroneously detecting that there is vibration.
この繰り返し周波数ピークの影響を除去するための、実施形態１の処理に更なる修正を加える方法を説明する。大きく分けて３つの方法がある。ここでは１つ目の方法について説明する。実施形態１の測定と信号処理をする際に、試験光パルスの変調した周波数それぞれの波形において、位相接続の処理を行うが、位相の２πの不定性が完全に除去できるわけではない。 A method for further modifying the processing of the first embodiment for removing the influence of the repetition frequency peak will be described. There are three main methods. Here, the first method will be described. When performing the measurement and signal processing of the first embodiment, phase connection processing is performed on each waveform of the modulated frequency of the test light pulse, but the indefiniteness of 2π of the phase cannot be completely removed.
本発明での位相接続はπ以上の変化に対して補正を加えてπ以下の動きになるようにしているため、例えば、本当にπ以上の動きがあった場合に誤った２πの補正を加えることになる。また、例えば２つの点の間で位相が１回転以上している場合、その回転数は検出できず、２πの補正が誤って加わってしまうことになる。 Since the phase connection in the present invention corrects a change of π or more so that the movement becomes less than π, for example, when there is a movement of π or more, an incorrect correction of 2π is added. become. For example, when the phase is more than one rotation between two points, the number of rotations cannot be detected, and 2π correction is erroneously applied.
この不定性は本質的には除去できず、また本発明での位相接続はそれぞれの変調周波数での波形ごとに行うため、この位相接続による誤差はそれぞれの変調周波数ごとに異なる傾向を示すことになり、この周波数依存性が上記の繰り返し周波数ピークを発生させる原因となる。この位相接続の不確定性による誤差は、時間的に近傍の点と比較することにより不自然な値をする場合に更なる補正をすることで修正することが可能である。 This indefiniteness cannot be essentially eliminated, and the phase connection in the present invention is performed for each waveform at each modulation frequency, and therefore the error due to this phase connection tends to be different for each modulation frequency. Thus, this frequency dependency causes the above-mentioned repetitive frequency peak. The error due to the uncertainty of the phase connection can be corrected by performing further correction when an unnatural value is obtained by comparing with a neighboring point in time.
図５の、各波形を正しい時間的順番で並べたものから、ある一定の散乱位置の点を抽出する。この抽出された波形は、図６のように各波形からの点が並ぶ。この中で、それぞれの周波数の波形ｍ個のうち、ｋ番目の波形から抽出された点ｎ個を比較する。具体的には、Ａ１ｋ（ｚ）〜Ａｎｋ（ｚ）のｎ個の点である。 A point at a certain scattering position is extracted from the waveforms in FIG. 5 arranged in the correct temporal order. In this extracted waveform, points from each waveform are arranged as shown in FIG. Among these, n points extracted from the kth waveform among the m waveforms of the respective frequencies are compared. Specifically, there are n points A1k (z) to Ank (z).
このｎ個の点は時間的間隔Ｔでサンプリングされた、同じ点ｚからの散乱光の位相である。ただし、それらはそれぞれの周波数での波形Ａｉｊ（ｚ）（ｊ：１〜ｍ）の点で位相接続された点のｊ＝ｋの点である。位相接続をそれぞれの周波数の波形で行ったことにより、具体的な位相の値はその周波数により異なる。 These n points are phases of scattered light from the same point z sampled at a time interval T. However, they are j = k points that are phase-connected at the points of the waveform Aij (z) (j: 1 to m) at the respective frequencies. Since the phase connection is performed with the waveform of each frequency, the specific phase value varies depending on the frequency.
この異なるというのは、振動による変化以外の違いが存在するという意味である。物理的にはこのｎ個の点はＴごとにサンプリングされた点であり、１／Ｔよりも高速で振動している場合でも、または、極端に遅い、もしくは振動が加わっていない場合でも、このｎ個の点は一定、もしくは同じような値の繰り返しに近い値になるはずである。 This difference means that there are differences other than changes due to vibration. Physically, these n points are points sampled every T, and even if they vibrate at a speed higher than 1 / T, or extremely slow or no vibration is applied. The n points should be constant or close to repeating similar values.
したがって、ｎ個の点の中のある一つの値を選び、その値以外のｎ−１個の値からもっともらしい範囲を求めたときに、その除外した１点がそこから逸脱した値であった場合、その値が正しい位相の値である可能性は非常に低い。 Therefore, when a certain value among n points is selected and a plausible range is obtained from n-1 values other than that value, the excluded one point is a value deviating therefrom. In that case, it is very unlikely that the value is the correct phase value.
以上の考えを用いて修正する方法を説明する。このｎ個の点で、まず、Ａ１ｋ以外のＡ２ｋ〜Ａｎｋのｎ−１個の点で、例えば、平均と標準偏差を計算し、平均±３×標準偏差の範囲を求める。この３という数字は正規分布の場合で利用される値であり、本発明でのｎ点は正規分布ではないが、明らかに不自然な値を検出するためとしては大きく誤った値ではない。 A method of correcting using the above idea will be described. At the n points, first, for example, the average and standard deviation are calculated at n−1 points from A2k to Ank other than A1k, and the range of average ± 3 × standard deviation is obtained. The number 3 is a value used in the case of a normal distribution, and the n point in the present invention is not a normal distribution, but it is not a large erroneous value for detecting an obviously unnatural value.
このもっともらしい範囲を計算する手段は統計学での様々な計算が利用できるもので、上記の平均±３×標準偏差に限ったものではない。そして、除外していたＡ１ｋの点がこの範囲にあるかどうかを比較し、入っていなければ、このＡ１ｋの点に対して、範囲に入るよう２πを加えるか引くかする、もしくは０にするなどの処理をする。 This plausible range calculation means can use various calculations in statistics, and is not limited to the above average ± 3 × standard deviation. Then, it is compared whether or not the excluded A1k point is in this range, and if not included, 2π is added to or subtracted from this A1k point so as to be in the range, or 0 is set. Process.
この処理により、ｎ個の点が大きくばらつくことはなくなる。したがって、この処理によりほかのｎ−１点の平均の範囲外にある点を補正、削除することで、２πの倍数の不定性に由来するような大きな変化を除外することが可能であり、これをすべてのｎ点の組で行うことで、周波数に依存する位相の変化を低減させることができる。 By this processing, n points do not vary greatly. Therefore, by correcting and deleting points that are outside the average range of other n-1 points by this processing, it is possible to exclude a large change resulting from an indefiniteness of a multiple of 2π. Is performed for all sets of n points, the change in phase depending on the frequency can be reduced.
この様子を図８に示す。図８ではＡ３ｋが著しくずれた値であった場合の図である。この処理を実施形態１の処理中に行うことで位相接続による周波数依存成分を低減して繰り返し周波数ピークを低減することができる。ここで、上述した著しくずれた値は、図８に示すようにＡ３ｋ以外のｎ−１点の平均と標準偏差から求まる範囲αを閾値として用いることで、当該閾値と比較しずれの可否を判断してもよい。
This is shown in FIG. FIG. 8 is a diagram in the case where A3k is a significantly deviated value. By performing this process during the process of
（実施形態３）
繰り返し周波数ピークを低減させる２つ目の方法について説明する。図６のある点からの散乱光の位相の時系列波形において、変調周波数が異なる点が同じ順番かつ等間隔で現れるために、周波数依存成分の繰り返しがスペクトルに現れる。したがって、周波数依存成分を低減するのではなく、それらが等間隔ではないようにする方法である。
(Embodiment 3)
A second method for reducing the repetition frequency peak will be described. In the time-series waveform of the phase of the scattered light from a certain point in FIG. 6, since the points with different modulation frequencies appear in the same order and at equal intervals, repetition of frequency-dependent components appears in the spectrum. Therefore, it is a method that does not reduce frequency-dependent components but ensures that they are not equally spaced.
試験光は図２の周波数の順番でｍ回、被試験光ファイバ１６へ入射される。この時、Ｔの間隔のｎ点がｍ回繰り返されることで、１／ｎＴの周波数が図６の波形に存在する。したがって、ｍ回の入射する際にそれぞれの間に少しずつ値の異なる時間差をつける。
The test light is incident on the
例えば１回目のパルス列の後は何も挟まず、２回目の後にはΔｔだけｆ０の時間を追加する。３回目の後には２Δｔだけ時間を追加する。このように、ｍ個の波形の間が非等間隔の時間差をつける。このとき、例えばΔｔをＷ／２やＷなどのＷの倍数、約数の値にするとサンプリングレートなどの調整がしやすくなり、計算量はそれほど変わらない。 For example, nothing is sandwiched after the first pulse train, and a time of f0 is added by Δt after the second pulse train. After the third time, time is added by 2Δt. In this way, time differences of non-uniform intervals are provided between the m waveforms. At this time, for example, if Δt is a multiple or divisor value of W such as W / 2 or W, the sampling rate and the like can be easily adjusted, and the calculation amount does not change much.
また、全体で増える測定時間は（ｍ−１）Δｔ×ｍ／２であるため、Ｗと共に小さい値に設定すれば測定時間などへの影響も小さくすることが可能である。この処理を行えば、図６の波形で、ｎ個の周波数によるｎ点は等間隔ではなくなるため、繰り返し周波数ピークを低減させることができる。この説明では、Δｔずつ増やしていく方法を用いたが、この非等間隔の時間遅延の加え方はどの間隔も同じでないのであればどんな間隔でもよい。 Further, since the measurement time that increases as a whole is (m−1) Δt × m / 2, if the value is set to a small value together with W, the influence on the measurement time and the like can be reduced. If this process is performed, the n points due to the n frequencies are not equally spaced in the waveform of FIG. 6, so that the repeated frequency peak can be reduced. In this description, a method of increasing by Δt is used, but any time interval may be added as long as this time interval is not the same.
乱数を用いたランダムな値でもよい。同じでないことのみが条件である。以下の説明では簡単のため、上記のようなΔｔずつ周期が増える方法について説明する。パラメータは、実施形態１だけの処理でも、式（８）と式（１１）より、式（１４）で示すことができる。
このため、ΔｔをＷ程度としておけば、十分にその時間差を識別できる速度でサンプリングが可能である。そして、図５のようにそれぞれの波形を並べる際に、波形がない時間も０としてデータを用いる。 Therefore, if Δt is set to about W, sampling can be performed at a speed at which the time difference can be sufficiently identified. Then, when arranging the respective waveforms as shown in FIG. 5, the time when there is no waveform is also set to 0 and the data is used.
実施形態１では、図５の時間軸上の点の数はｎ×ｍ個であったが、本実施形態では、時間差を識別するため、Δｔずつ点（ほとんどが０）を加える。つまり時間Ｔごとにあった点の数を時間Δｔごととする。全体で増える時間は上記のとおり、（ｍ−１）Δｔ×ｍ／２であるため、ある位置での時間軸上の点の数は、ｎ×ｍ×Ｔ／Δｔ＋ｍ（ｍ−１）／２となる。 In the first embodiment, the number of points on the time axis in FIG. 5 is n × m. However, in this embodiment, points (mostly 0) are added by Δt in order to identify the time difference. That is, the number of points at every time T is defined as every time Δt. As described above, since the total increasing time is (m−1) Δt × m / 2, the number of points on the time axis at a certain position is n × m × T / Δt + m (m−1) / 2. It becomes.
そして、増えた分の点ｎ×ｍ×（Ｔ／Δｔ−１）＋ｍ（ｍ−１）／２は全て０である。サンプリングレートが１／Ｔから１／Δｔに増えるため、ＦＦＴして得られる図７の周波数範囲が広くなるが、その分点の数も増えるため、図７のスペクトルの周波数分解能は変わらず、また、増えている点の値は０であるため、計算したい振動の周波数に対してこの０の点が影響を与えることはほとんどない。 The points n × m × (T / Δt−1) + m (m−1) / 2 are all 0. Since the sampling rate increases from 1 / T to 1 / Δt, the frequency range of FIG. 7 obtained by FFT becomes wider, but the number of points increases, so the frequency resolution of the spectrum of FIG. 7 does not change, and Since the value of the increasing point is zero, the zero point hardly affects the vibration frequency to be calculated.
また、目的通り、変調周波数依存成分の繰り返しは等間隔ではなくなるため、その成分によるスペクトルもなだらかで低いものとなり、繰り返し周波数ピークを低減できる。この実施形態での入射試験パルス列を図９に示す。 Moreover, since the repetition of the modulation frequency dependent component is not at regular intervals as intended, the spectrum due to the component becomes gentle and low, and the repetition frequency peak can be reduced. FIG. 9 shows an incident test pulse train in this embodiment.
ｋ番目のパルス列に（ｋ−１）Δｔの遅延時間を加える上記の場合のパルス列を表している。この処理を実施形態１の処理中に行うことで変調周波数の繰り返しによる周波数依存成分を低減して繰り返し周波数ピークを低減することができる。 This represents a pulse train in the above case in which a delay time of (k−1) Δt is added to the k-th pulse train. By performing this process during the process of the first embodiment, it is possible to reduce frequency-dependent components due to repetition of the modulation frequency and reduce the repetition frequency peak.
（実施形態４）
繰り返し周波数ピークを低減させる３つ目の方法について説明する。図６のある点からの散乱光の位相の時系列波形において、変調周波数が異なる点が同じ順番かつ等間隔で現れるために、周波数依存成分の繰り返しがスペクトルに現れる。したがって、周波数依存成分を低減するのではなく、それらが等間隔ではないようにする方法の２つ目である。
(Embodiment 4)
A third method for reducing the repetition frequency peak will be described. In the time-series waveform of the phase of the scattered light from a certain point in FIG. 6, since the points with different modulation frequencies appear in the same order and at equal intervals, repetition of frequency-dependent components appears in the spectrum. Therefore, it is the second method of reducing the frequency-dependent components so that they are not equally spaced.
本実施形態では、図２の周波数の順番ｆ１〜ｆｎをｍ個のパルス列それぞれでランダムとする。こうすることで、図６のそれぞれの点のもととなる変調周波数が決まった順番ではなくなるため、変調周波数の繰り返しによるピークを低減させることが可能である。ただし、この発明での測定では、同じ変調周波数の試験光が被試験光ファイバ１６に２つ入射されてはならない。
In the present embodiment, the frequency order f1 to fn in FIG. 2 is random for each of the m pulse trains. By doing so, the modulation frequency that is the basis of each point in FIG. 6 is not in a fixed order, and thus it is possible to reduce a peak due to repetition of the modulation frequency. However, in the measurement according to the present invention, two test lights having the same modulation frequency must not enter the
したがって、ｎ個の周波数を完全ランダムな順番にすると、あるパルス列で最後に入射した周波数が、次のパルス列の先頭の周波数としてあらわれ、前のパルス列の最後で入射された試験光がまだ被試験光ファイバ１６に残っている状態で同じ周波数の試験光が入射されてしまうことになる。
Therefore, when n frequencies are arranged in a completely random order, the last incident frequency in a certain pulse train appears as the top frequency of the next pulse train, and the test light incident at the end of the previous pulse train is still the light under test. The test light having the same frequency is incident while remaining in the
このことを防ぐために、変調周波数の数ｎ’を（２）式で求められる条件の２倍以上、つまり式（１５）で示す関係を満たす必要がある。そして、ｍ個のパルス列を入射する際に、ｍが奇数の時はｆ１〜ｆｎ、ｍが偶数のときはｆｎ＋１〜ｆ２ｎの周波数に変調するという変調の順番とすれば、同じ周波数が被試験光ファイバ１６に２つ入射されることはない。
その他のパラメータの計算も、ｎから、２ｎに変えればよく、主にサンプリングレートＳとＦＦＴ（１）のポイント数を増やすことで対応可能である。図４の波形から図５の波形に並べ替えるときは、ランダムな順番なので、散乱光を受信した後で初めて変調の順番を知る場合は振幅波形での立ち上がりから各周波数の波形の順番を測定し、どのような順番又は、どのような周波数変調で行ったかを求めることにより正しい並べ替えが可能である。 The calculation of other parameters may be changed from n to 2n, and can be handled mainly by increasing the sampling rate S and the number of points of FFT (1). When reordering from the waveform of FIG. 4 to the waveform of FIG. 5, it is a random order, so when you know the modulation order for the first time after receiving scattered light, measure the order of the waveforms of each frequency from the rising edge of the amplitude waveform. The correct rearrangement is possible by determining what order or what frequency modulation is used.
また、別な計算であらかじめランダムな順番をｍ個決めておく場合は、その順番で変調を起こして、散乱光の順番を計算しておく、などの処理で適切に図５のように並べ替えることが可能である。 In addition, when m random orders are determined in advance by another calculation, modulation is performed in that order, and the order of scattered light is calculated, so that the order is appropriately rearranged as shown in FIG. It is possible.
この処理により、変調周波数依存成分の順番はバラバラになるため、そのくりかえしによるスペクトルは非常に弱くなり、繰り返し周波数ピークを低減できる。この処理を実施形態１の処理中に行うことで変調周波数の繰り返しによる周波数依存成分を低減して繰り返し周波数ピークを低減することができる。 By this processing, the order of the modulation frequency dependent components varies, so the spectrum due to the repetition becomes very weak, and the repetition frequency peak can be reduced. By performing this process during the process of the first embodiment, it is possible to reduce frequency-dependent components due to repetition of the modulation frequency and reduce the repetition frequency peak.
（実施形態５）
実施形態１〜実施形態４は、被試験光ファイバ１６に加わっている振動が定常的なものである場合の測定方法である。本実施形態では、非定常的な振動が被試験光ファイバ１６に加わった場合に、その周波数、位置、時間を検出する方法について説明する。図６を求めるところまでは実施形態１〜４と同じである。
(Embodiment 5)
The first to fourth embodiments are measurement methods in the case where the vibration applied to the
本実施形態ではそのあとの処理が変わる。図６の時系列波形をＦＦＴする際に、全体ではなく、短時間離散フーリエ変換を行う。図６の波形はサンプリングレートが１／Ｔ、実施形態３の周期を非等間隔にする方法を用いるのであれば、１／Δｔとなる。そして図６のポイント数は、実施形態１ではｎ×ｍ、実施形態３の方法（説明したようにΔｔずつ周期が増える方法）を用いる場合は、ｎ×ｍ×Ｔ／Δｔ＋ｍ（ｍ−１）／２である。 In the present embodiment, the subsequent processing changes. When the time series waveform of FIG. 6 is FFTed, short time discrete Fourier transform is performed instead of the whole. The waveform of FIG. 6 is 1 / Δt if the sampling rate is 1 / T and the period of the third embodiment is set at non-uniform intervals. The number of points in FIG. 6 is n × m in the first embodiment, and n × m × T / Δt + m (m−1) when the method of the third embodiment (the method in which the period is increased by Δt as described above) is used. / 2.
この場合に、Ｍ点ずつ短時間離散フーリエ変換を行ったとすると、実施形態１の方法だけの場合では、各点のスペクトルは１／ＴＭの分解能で、１／２Ｔまでの周波数が測定され、時間分解能はＭＴで、時間軸上の点の数がｎｍ／Ｍとなる。実施形態１に記載の数値の例で、Ｔ＝５ｕｓ、ｎ＝１０とし、例えばｍ＝１００、Ｍ＝１００とすれば、各点のスペクトルの分解能は２ｋＨｚ、最大１００ｋＨｚ、時間分解能５００ｕｓで、点の数が１０点となる。 In this case, assuming that a short-time discrete Fourier transform is performed for each M point, in the case of only the method of the first embodiment, the spectrum at each point is measured with a resolution of 1 / TM and a frequency of up to 1 / 2T, The resolution is MT, and the number of points on the time axis is nm / M. In the numerical example described in the first embodiment, if T = 5 us and n = 10, for example, m = 100 and M = 100, the spectrum resolution of each point is 2 kHz, the maximum is 100 kHz, and the time resolution is 500 us. Will be 10 points.
実施形態３の周期を非等間隔にする方法を用いて、Δｔ＝Ｗとする場合は、各点のスペクトルの分解能は１／ＷＭで、時間分解能は、ＭＷで、時間軸上の点の数が（ｎｍ×Ｔ／Δｔ＋ｍ（ｍ−１）／２）／Ｍとなる。実施形態３の値の例でＴ＝５ｕｓ、Ｗ＝１００ｎｓ、ｎ＝１０とし、ｍ＝１００、Ｍ＝１００００とすると、各点のスペクトルの分解能は１ｋＨｚで、時間分解能は１ｍｓ、点の数が５〜６点となる。 When Δt = W is set using the method of making the period of the third embodiment non-uniform, the resolution of the spectrum of each point is 1 / WM, the time resolution is MW, and the number of points on the time axis Becomes (nm × T / Δt + m (m−1) / 2) / M. In the example of the value of Embodiment 3, when T = 5 us, W = 100 ns, n = 10, m = 100, M = 10000, the spectrum resolution of each point is 1 kHz, the time resolution is 1 ms, and the number of points is 5 to 6 points.
時間軸上の点の数が少なくなるが、短時間離散フーリエ変換を行う点Ｍの重なりを許容してシフトさせていけば、点の数を増やすことは可能である（総測定時間を変えず、各点が含む時間幅を変えず、その点が含む時間の範囲を少しずつ変えることを意味する。）。以上の処理により、被試験光ファイバ１６に加わっている振動が時間的に一定でない場合もその加わっている時間、周波数、位置を精度よく計算することができる。もちろん実施形態１〜４の処理を随時加えて精度を上げることも可能である。
Although the number of points on the time axis is reduced, the number of points can be increased if the point M for performing short-time discrete Fourier transform is allowed to be shifted and shifted (without changing the total measurement time). , Meaning that the range of time that each point contains is changed little by little without changing the time width that each point contains.) Through the above processing, even when the vibration applied to the
なお、本発明は、上記実施形態例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。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiment examples may be appropriately combined.
ここで、本実施形態に係る振動分布測定装置の動作例を以下に示す。具体的には、被試験光ファイバ１６からの反射光及び後方散乱光の反射率分布を測定する振動分布測定装置において、コヒーレント光を発する光源１１と前記光源１１からの出力光を２分岐して局発光と試験光とを生成する分岐部１２による分岐手順と、前記試験光の周波数を所定の時間間隔ごとに周波数を変化させる周波数変調部１３による光周波数制御手順と、前記光周波数制御手順の出力を光増幅し、前記試験光を被試験光ファイバ１６に入射し、前記被試験光ファイバ１６の各地点で反射または散乱により発生した後方散乱光を取り込み出力する光サーキュレータ１５による光出力手順と、前記後方散乱光と前記局発光を光結合するとともに、前記光結合された光信号を光受信して電流信号を取得するバランスフォトディテクタ１８による光受信手順と、前記電流信号を数値化し、数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離する計算処理部２１による周波数分離手順と、前記試験光の複数の周波数成分による被試験光ファイバ１６からの反射光及び後方散乱光それぞれの位相分布を求める計算処理部２１による演算処理手順とを具備し、計算処理部２１は、各受光時間ごとの前記複数の被試験光ファイバ１６からの反射光及び後方散乱光それぞれの位相分布波形を比較し、被試験光ファイバ１６の各点からの反射光及び後方散乱光の位相の変化量から光ファイバの振動位置とその振動の周波数を検出してもよい。
Here, an example of the operation of the vibration distribution measuring apparatus according to the present embodiment is shown below. Specifically, in a vibration distribution measuring apparatus that measures the reflectance distribution of reflected light and backscattered light from the
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、タイミング制御信号発生器１７によるタイミング制御信号発生手順をさらに備え、タイミング制御信号発生器１７が周波数変調部１３に対し、所望の測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定して、周波数が異なる試験光で間隔があるパルス列を構成することとしてもよい。この構成により、被試験光ファイバ１６の各点での散乱光の時間変化を、被試験光ファイバ長に依存しない、前記周波数範囲の最大値を測定できる速度でサンプリングすることが可能である。
The vibration distribution measuring apparatus according to the present embodiment further includes a timing control signal generation procedure by the timing
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、計算処理部２１は、周波数の異なる試験光によるそれぞれの散乱光の位相波形に関して、同一の周波数の試験光による散乱光波形を時間的に並べて、それらの各点での散乱光の位相の時間波形において、位相がπ以上変化した場合に２πを変化と反対の方向に補正し、位相の時間的な不連続性を低減させる処理を行い、且つ振動によって２πを超えた位相の値の算出により、時間的に連続した位相の変化を計算してもよい。
In the vibration distribution measuring apparatus according to the present embodiment described above, the
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、タイミング制御信号発生器１７が周波数変調部１３に対し制御、測定のタイミング制御を行うことで、周波数の異なる試験光の間の時間間隔において、利用するすべての試験光の周波数と、それぞれのパルスの幅による周波数範囲の全てと重ならない周波数の光で埋めることにより、入射試験光全体の中での光強度の変化をなくし、測定誤差へつながる光ファイバ中の非線形現象を防ぐことができる。
In the vibration distribution measuring apparatus described above according to the present embodiment, the timing
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、計算処理部２１は、被試験光ファイバ１６のある点からの散乱光の時間変化から振動周波数を計算する際に、入射した試験光において一つのパルス列中の周波数の異なる試験光のパルスからの散乱光を比較し、値が他の周波数の試験光による散乱光による値と著しく異なる値の場合にその値の散乱光を除外または２πの倍数補正をすることにより、散乱光の位相が２πの倍数だけ不定なことによる計算結果のずれを補正してもよい。
In the vibration distribution measuring apparatus described above according to the present embodiment, the
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、タイミング制御信号発生器１７が周波数変調部１３に対し、ある周波数範囲の試験光パルス列を連続して入射する場合において、周波数範囲が繰り返されるタイミングでその都度異なる長さの時間間隔を加えることにより、入射する試験光パルス列の周波数の繰り返しの間隔を一定でないものにし、計算処理部２１は、数値計算処理により周波数分離をして、被試験光ファイバ１６のある点からの散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防ぐこととしてもよい。
In the vibration distribution measuring apparatus according to the present embodiment, when the timing
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、タイミング制御信号発生器１７が周波数変調部１３に対し、入射する試験光への周波数変調の順番をランダムにするタイミング制御を行うことにより、計算処理部２１は、数値計算処理により周波数分離をして、被試験光ファイバ１６のある点からの散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防ぐこととしてもよい。
In the vibration distribution measuring apparatus described above according to the present embodiment, the timing
本実施形態に係る前記記載の振動分布測定装置において、計算処理部２１は、被試験光ファイバ１６のある点からの散乱光の時間変化の波形において、短時間離散フーリエ変換などのスペクトルの時間変化を計算する数値計算方法を用いることにより、被試験光ファイバ１６中の時間的に一定ではない振動の非定常的な時間変化を、被試験光ファイバ１６中のあらゆる点で測定してもよい。
In the vibration distribution measuring apparatus according to the present embodiment described above, the
以上説明したように、本発明の技術を用いれば、光ファイバ中の振動について、より高速な振動に対しても、精度よくその周波数と振動している位置を測定することができる。また、その振動の時間変化も測定可能で、高速かつ高精度な振動センサを構築することが可能である。これにより光ファイバ線路保守における振動を検知しての予防保全や、様々なインフラなどの構造物に対する保守管理の効率化に貢献する。 As described above, by using the technique of the present invention, it is possible to accurately measure the vibration frequency in the optical fiber and the position where it vibrates with respect to higher-speed vibration. Moreover, the time change of the vibration can be measured, and a high-speed and highly accurate vibration sensor can be constructed. This contributes to preventive maintenance by detecting vibrations in optical fiber line maintenance and efficiency of maintenance management for various infrastructures and other structures.
本発明は光ファイバ線路において、上部からの片側からの測定で振動を測定し、周波数の多重による高速かつ広帯域な測定方法を提供し、効率的な振動センサを構築することを可能とする。これにより光ファイバ線路保守における振動を検知しての予防保全や、光ファイバを被試験体へ巻くことによって様々なインフラなどの構造物に対する振動センサを構築するものとして利用可能である。 The present invention measures vibration by measuring from one side from the upper side in an optical fiber line, provides a high-speed and wide-band measuring method by frequency multiplexing, and makes it possible to construct an efficient vibration sensor. As a result, it can be used as preventive maintenance by detecting vibrations in optical fiber line maintenance, or as a construction of vibration sensors for various infrastructures such as optical fibers by winding them around a device under test.
１１：光源
１２：分岐部
１３：周波数変調部
１４：光増幅器
１５：光サーキュレータ
１６：被試験光ファイバ
１７：タイミング制御信号発生器
１８：バランスフォトディテクタ
１９：数値化装置
２１：計算処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11: Light source 12: Branch part 13: Frequency modulation part 14: Optical amplifier 15: Optical circulator 16:
Claims (7)
光源がコヒーレント光を発する発光手順と、
前記光源からの出力光を２分岐して局発光と試験光とを生成する分岐手順と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに周波数を変化させる光周波数制御手順と、
光サーキュレータが前記光周波数制御手順で周波数を変化した試験光を前記被試験光ファイバに入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を取り込み出力する光出力手順と、
前記光サーキュレータで出力した前記後方散乱光と、前記分岐手順で生成した前記局発光とを光結合し光信号として出力する光結合手順と、
前記光信号を光受信して電流信号を取得する光受信手順と、
前記電流信号を数値化する数値化手順と、
前記数値化手順で数値化した電流信号を数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の複数の周波数成分による前記被試験光ファイバからの後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する演算処理手順と、を行い、
前記光周波数制御手順において、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定し、前記時間間隔を有するパルス列を構成し、
前記演算処理手順において、
前記光周波数制御手順で構成されたパルス列を有する試験光が入射された前記複数の被試験光ファイバからの各受光時間ごとの後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と前記振動位置の周波数を検出する
ことを特徴とする振動分布測定方法。 In a vibration distribution measurement method for measuring the reflectance distribution of backscattered light from a plurality of optical fibers under test,
An emission procedure in which the light source emits coherent light;
A branching procedure for branching the output light from the light source to generate local light and test light;
An optical frequency control procedure for changing the frequency of the test light at predetermined time intervals;
An optical output procedure in which an optical circulator enters the test optical fiber whose frequency is changed by the optical frequency control procedure into the optical fiber under test, and captures and outputs the backscattered light generated at each point of the optical fiber under test;
An optical coupling procedure for optically coupling the backscattered light output by the optical circulator and the local light generated by the branching procedure and outputting the result as an optical signal;
An optical reception procedure for optically receiving the optical signal to obtain a current signal;
A digitization procedure for digitizing the current signal;
The current signal quantified by the quantification procedure is separated into a plurality of frequency components by numerical calculation processing, and each phase distribution of the backscattered light from the optical fiber under test due to the plurality of frequency components of the test light is measured. And an arithmetic processing procedure to
In the optical frequency control procedure,
A time interval equal to or less than the reciprocal of the maximum value of a predetermined measurement frequency range is set between test lights having different frequencies, and a pulse train having the time interval is configured.
In the arithmetic processing procedure,
The phase distribution waveforms of the backscattered light for each light receiving time from the plurality of optical fibers under test on which the test light having the pulse train configured by the optical frequency control procedure is incident are compared, and from the comparison result, the phase distribution waveforms are compared. A vibration distribution measuring method comprising: extracting a change amount of a phase of backscattered light from each point of a test optical fiber and detecting a vibration position of the optical fiber to be tested and a frequency of the vibration position.
周波数の異なる試験光の間の時間間隔において、利用するすべての試験光の周波数と、それぞれのパルス列の幅による周波数範囲の全てと重ならない周波数の補填光で埋めることにより、入射試験光全体の中での光強度の変化をなくし、測定誤差へつながる光ファイバ中の非線形現象を防ぐ
ことを特徴とする請求項１に記載の振動分布測定方法。 The optical frequency control procedure includes:
In the time interval between test lights of different frequencies, fill in the entire incident test light by filling in the frequency of all the test lights used and the supplementary light with a frequency that does not overlap the entire frequency range due to the width of each pulse train. The vibration distribution measuring method according to claim 1, wherein a change in light intensity at the optical fiber is eliminated and a nonlinear phenomenon in the optical fiber leading to a measurement error is prevented.
前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化から振動周波数を計算する場合、入射した試験光において一つのパルス列中の周波数の異なる試験光のパルスからの後方散乱光を比較するとともに演算処理し、演算値が他の周波数の試験光による後方散乱光の演算値と予め定められた閾値を超過する場合に前記演算値の後方散乱光を除外又は２πの倍数の補正処理を行うことにより、後方散乱光の位相が２πの倍数だけ不定なことによる演算結果のずれを補正する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動分布測定方法。 The arithmetic processing procedure is as follows:
When calculating the vibration frequency from the time variation of the backscattered light from each point of the optical fiber under test, the backscattered light from the test light pulses having different frequencies in one pulse train is compared with the incident test light. When the calculation value exceeds the calculation value of the backscattered light by the test light of other frequencies and a predetermined threshold value, the backscattered light of the calculation value is excluded or correction processing of a multiple of 2π is performed. The vibration distribution measurement method according to claim 1, wherein a deviation of a calculation result due to the phase of the backscattered light being indefinite by a multiple of 2π is corrected.
予め定められた周波数範囲の試験光パルス列を連続して入射する場合、周波数範囲が繰り返されるタイミングごとに異なる長さの時間間隔を加えることにより、入射する試験光パルス列の周波数の繰り返し間隔を不等間隔にし、前記数値演算処理により周波数分離をして、前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した周波数成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防ぐ
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動分布測定方法。 The optical frequency control procedure includes:
When the test optical pulse train in the predetermined frequency range is continuously incident, the frequency repetition interval of the incident test optical pulse train is unequal by adding a time interval having a different length for each timing at which the frequency range is repeated. When the time change of the backscattered light from each point of the optical fiber under test is calculated by dividing the frequency by the numerical calculation processing and calculating the time change of the backscattered light from each point, the frequency components depending on the frequency of each test light are equally spaced 4. The vibration distribution measuring method according to claim 1, wherein a frequency component that is not related to vibration appears in the calculation of vibration frequency. 5.
入射する試験光への周波数変調の順番をランダムにする制御指示を前記演算処理手順に対し行うことにより、前記演算処理手順における数値演算処理により周波数分離をして、前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化を計算する際に、それぞれの試験光の周波数に依存した周波数成分が等間隔で繰り返されることを防ぎ、振動周波数の計算に対して、振動とは関係のない周波数成分が現れるのを防ぐ
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動分布測定方法。 The optical frequency control procedure includes:
By performing a control instruction to randomize the order of frequency modulation on the incident test light to the arithmetic processing procedure, frequency separation is performed by numerical arithmetic processing in the arithmetic processing procedure, and each point of the optical fiber under test When calculating the time variation of the backscattered light from the frequency, the frequency component depending on the frequency of each test light is prevented from being repeated at equal intervals, and the frequency that is not related to vibration is calculated for the vibration frequency calculation. 4. The vibration distribution measuring method according to claim 1, wherein a component is prevented from appearing.
被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の時間変化の波形において、短時間離散フーリエ変換処理でスペクトルの時間変化を計算することにより、前記被試験光ファイバ中の時間的に一定ではない振動の非定常的な時間変化を、前記被試験光ファイバ中の各地点で測定する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動分布測定方法。 The arithmetic processing procedure is as follows:
The time-varying vibration in the optical fiber under test is calculated by calculating the temporal change of the spectrum by short-time discrete Fourier transform processing in the time-varying waveform of the backscattered light from each point of the optical fiber under test. The vibration distribution measuring method according to claim 1, wherein an unsteady temporal change of is measured at each point in the optical fiber under test.
コヒーレント光を発する光源と、
前記光源からの出力光を２分岐して局発光と試験光とを生成する分岐部と、
前記試験光の周波数を予め定めた時間間隔ごとに周波数を変化させる周波数変調部と、
前記周波数変調部で周波数を変化した試験光を前記被試験光ファイバに入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した前記後方散乱光を取り込み出力する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータで出力した前記後方散乱光と、前記分岐部で生成した前記局発光とを光結合し、光結合した光信号を電流信号に変換するバランスフォトディテクタと、
前記電流信号を数値化し、数値化した電流信号を数値演算処理によって複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の複数の周波数成分による前記被試験光ファイバからの後方散乱光のそれぞれの位相分布を測定する計算処理部と、を備え、
前記周波数変調部は、
予め定めた測定周波数範囲の最大値の逆数以下の時間間隔を周波数の異なる試験光の間に設定し、前記時間間隔を有するパルス列を構成し、
前記計算処理部は、前記周波数変調部で構成されたパルス列を有する試験光が入射された前記複数の被試験光ファイバからの各受光時間ごとの後方散乱光のそれぞれの位相分布波形を比較し、比較結果から前記被試験光ファイバの各地点からの後方散乱光の位相の変化量を抽出して前記被試験光ファイバの振動位置と前記振動位置の周波数を検出する
ことを特徴とする振動分布測定装置。 In a vibration distribution measuring apparatus that measures the reflectance distribution of backscattered light from a plurality of optical fibers under test,
A light source that emits coherent light;
A branching unit that splits the output light from the light source into two to generate local light and test light;
A frequency modulation unit that changes the frequency of the test light at predetermined time intervals; and
An optical circulator that makes the test light whose frequency has been changed by the frequency modulation unit incident on the optical fiber under test, and captures and outputs the backscattered light generated at each point of the optical fiber under test;
A balance photodetector that optically couples the backscattered light output by the optical circulator and the local light generated by the branching unit, and converts the optically coupled optical signal into a current signal;
The current signal is digitized, and the digitized current signal is separated into a plurality of frequency components by numerical calculation processing, and each phase distribution of the backscattered light from the optical fiber under test by the plurality of frequency components of the test light A calculation processing unit for measuring
The frequency modulation unit is
A time interval equal to or less than the reciprocal of the maximum value of a predetermined measurement frequency range is set between test lights having different frequencies, and a pulse train having the time interval is configured.
The calculation processing unit compares respective phase distribution waveforms of backscattered light for each light receiving time from the plurality of optical fibers under test on which test light having a pulse train configured by the frequency modulation unit is incident, A vibration distribution measurement characterized by detecting the vibration position of the optical fiber under test and the frequency of the vibration position by extracting the amount of change in the phase of the backscattered light from each point of the optical fiber under test from the comparison result apparatus.
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