JP2018009798A - Evaluation device of brillouin optical sensing device and evaluation method of brillouin optical sensing device - Google Patents

Evaluation device of brillouin optical sensing device and evaluation method of brillouin optical sensing device Download PDF

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千尋 鬼頭
Chihiro Kito
千尋 鬼頭
央 高橋
Hiroshi Takahashi
央 高橋
邦弘 戸毛
Kunihiro Komo
邦弘 戸毛
真鍋　哲也
Tetsuya Manabe
哲也 真鍋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an evaluation device and an evaluation method of brillouin optical sensing device using Brillouin scattering for evaluating measurement performance of a brillouin optical sensing device capable of simulating dynamic distortion which changes at a high speed and a high dynamic range.SOLUTION: Disclosed evaluation device includes: N (N is a natural number of two or more) optical fibers 11 each having a length identical to each other and Brillouin frequency shift different from each other; and 1×N optical switch 12 which has one multiplexing side port and N branch side ports to which one ends of the N optical fibers 11 are connected respectively, the 1×N optical switch 12 being connected to either of the multiplexing side port or the branch side ports.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、ブリルアン光センシング技術を使用した測定装置の測定性能評価治具及び測定性能評価方法に関する。   The present disclosure relates to a measurement performance evaluation jig and a measurement performance evaluation method for a measurement apparatus using Brillouin optical sensing technology.

ブリルアン光センシング技術はブリルアン周波数シフト（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ：ＢＦＳ）変化を測定することで、ＢＦＳが感度を持つ構造物の歪みや振動、温度変化をモニタリングする技術である。非特許文献１に記載のＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）や、非特許文献２に記載のＢＯＣＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ − ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）、非特許文献３に記載のＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）などが知られている。   The Brillouin optical sensing technique is a technique for monitoring distortion, vibration, and temperature change of a structure having sensitivity to BFS by measuring a Brillouin frequency shift (BFS) change. Non-patent literature 1 BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis), Non-patent literature 2 BOCDA (Brillouin Optical Correlation-domain Reiminism), Non-patent literature 3 BOTDR It has been known.

ブリルアン散乱特性を高サンプリングレートにて測定する技術により、温度や歪の動的な変化量や振動数を測定する技術が盛んに研究されている（例えば、非特許文献４を参照。）。コンクリート構造物の鉄筋や航空機体の構造材料にかかる瞬時的、または周期的な動的歪を測定することで、測定対象構造物のヘルスモニタリングへの応用が期待されている。   A technique for measuring a dynamic change amount and frequency of temperature and strain by a technique for measuring Brillouin scattering characteristics at a high sampling rate has been actively studied (for example, see Non-Patent Document 4). It is expected to be applied to health monitoring of the structure to be measured by measuring the instantaneous or periodic dynamic strain applied to the rebar of the concrete structure and the structural material of the aircraft body.

Ｘｉａｏｙｉ Ｂａｏ， Ｌｉａｎｇ Ｃｈｅｎ， “Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＢＯＴＤＡ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ”， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ７９８２、７９８２０６、（２０１１）．Xiaoyi Bao, Liang Chen, “High performance BOTDA for long range sensing”, Proc. of SPIE Vol. 7982, 798206, (2011). Ｋ． Ｈｏｔａｔｅ ａｎｄ Ｔ． Ｈａｓｅｇａｗａ， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｅ８３−Ｃ， ４０５， （２０００）．K. Hotate and T.W. Hasegawa, IEICE Trans. Electron. E83-C, 405, (2000). Ｈ． Ｏｈｎｏ， Ｈ． Ｎａｒｕｓｅ， Ｍ． Ｋｉｈａｒａ， ａｎｄ Ａ． Ｓｈｉｍａｄａ， “Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＢＯＴＤＲ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｔｒａｉｎ Ｓｅｎｓｏｒ”， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ７， ４５−６４，（２００１）．H. Ohno, H .; Naruse, M.M. Kihara, and A.A. Shimada, “Industrial Applications of the BOTDR Optical Fiber Strain Sensor”, Optical Fiber Technology 7, 45-64, (2001). 張 春宇、岸 眞人、保立 和夫， “ＢＯＣＤＡ 系による５ｋＨｚ ランダムアクセス速度での多点動的歪測定”， 信ソ大， Ｂ−１３−４，（２０１４）．Zhang Chun-yu, Hayato Kishi, Kazuo Hodate, “Multi-point dynamic strain measurement at 5 kHz random access speed by BOCDA system”, Shin-So Univ., B-13-4 (2014). Ｃｈｉｈｉｒｏ Ｋｉｔｏ， Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｋｕｎｉｈｉｒｏ Ｔｏｇｅ， Ｔｅｔｓｕｙａ Ｍａｎａｂｅ， “Ｆｉｒｓｔ ｆｉｅｌｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｄ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｉｎ−ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｏｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｂｒａｎｃｈｅｄ ｆｉｂｅｒｓ ｉｎ ＰＯＮｓ”， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ９６３４， ２４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ， ９６３４１Ｖ， （２０１５）．Chihiro Kito, Hiroshi Takahashi, Kunihiro Toge, Tetsuya Manabe, “First field demonstrable in end-reflective assisted biology.” SPIE 9634, 24th International Conference on Optical Fiber Sensors, 96341V, (2015).

光ファイバセンサヘッドに生じるブリルアン散乱特性の時間変化を測定することで温度や歪の動的な変化量や振動数を測定することができる。光ファイバセンサヘッドに生じる動的な歪の変化は、一般に光ファイバセンサヘッドをピエゾ素子などの圧電素子に巻き付け、圧電素子に時間変動する電圧を加え、光ファイバセンサヘッドを時間的に伸縮させることで生成し、ブリルアン光センシング技術の性能評価系に利用している。   By measuring the time change of the Brillouin scattering characteristic generated in the optical fiber sensor head, the dynamic change amount and frequency of the temperature and strain can be measured. In general, dynamic strain changes in an optical fiber sensor head are obtained by winding the optical fiber sensor head around a piezoelectric element such as a piezo element, applying a time-varying voltage to the piezoelectric element, and expanding or contracting the optical fiber sensor head in time. And used in the performance evaluation system of Brillouin optical sensing technology.

しかしながら、ピエゾ素子に数十ｍ程度の光ファイバを巻きつけた場合の歪量は小さく、国内市販品の一例では最大１００με程度である。一方、コンクリート構造物の鉄筋や航空機体の構造材料の降伏歪は数千μεである。よって、ピエゾ素子による微小な光ファイバ伸縮では、ブリルアン光センシングの実利用対象の歪状態を十分に模擬することが困難という課題がある。   However, the amount of distortion when an optical fiber of about several tens of meters is wound around a piezo element is small, and is about 100 με at the maximum in an example of a domestic product. On the other hand, the yield strain of the reinforcing steel of a concrete structure and the structural material of an aircraft body is several thousand με. Therefore, there is a problem that it is difficult to sufficiently simulate the strain state of the actual application target of Brillouin optical sensing when the optical fiber is expanded and contracted by a piezo element.

また、ピエゾ素子に巻きつけた光ファイバの電圧に対する歪係数は、例えば０．２με／Ｖ程度である。このため、前述の最大歪を加えるためには約４００Ｖの大きな電圧印加が必要であり、所望の歪変化を電圧変化でトレースしようとすれば高スペックで高価な高速電圧増幅器が必要となる。また、１０ｃｍ程度の短い光ファイバをピエゾ素子のストロークによって伸縮させる場合には、比較的大きな８００με程度の歪を印加可能である実験例もあるが、ブリルアン光センシング装置に対して１０ｃｍ以上の高い空間分解能が求められるという課題もある。   Moreover, the distortion coefficient with respect to the voltage of the optical fiber wound around the piezo element is, for example, about 0.2 με / V. For this reason, in order to apply the maximum distortion described above, it is necessary to apply a large voltage of about 400 V, and if a desired distortion change is to be traced by a voltage change, a high-spec and expensive high-speed voltage amplifier is required. In addition, there is an experimental example in which a relatively large strain of about 800 με can be applied when a short optical fiber of about 10 cm is expanded and contracted by the stroke of the piezo element, but a high space of 10 cm or more with respect to the Brillouin optical sensing device. There is also a problem that resolution is required.

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、ブリルアン散乱を利用したブリルアン光センシング技術において、高速かつ高ダイナミックレンジで変化する動的歪を模擬でき、ブリルアン光センシング装置の測定性能を評価するブリルアン光センシング装置の評価治具及び評価方法を提供することを目的とする。   In order to solve the above problems, the present invention evaluates the measurement performance of a Brillouin optical sensing device by simulating dynamic strain changing at a high speed and a high dynamic range in the Brillouin optical sensing technology using Brillouin scattering. An object of the present invention is to provide an evaluation jig and an evaluation method for a Brillouin optical sensing device.

上記目的を達成するために、本発明は、ブリルアン光センシング装置からの試験光をブリルアン周波数シフト（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ：ＢＦＳ）が互いに異なる複数の光ファイバに順に入射することとした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, test light from a Brillouin optical sensing device is sequentially incident on a plurality of optical fibers having different Brillouin frequency shifts (BFS).

具体的には、本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具は、
全て長さが等しく、且つ互いにブリルアン周波数シフトが異なるＮ（Ｎは２以上の自然数）本の光ファイバと、
１つの合波側ポートとＮ本の前記光ファイバの一端がそれぞれ接続されるＮ個の分岐側ポートを有し、前記合波側ポートと前記分岐側ポートのいずれかとを接続する１×Ｎ光スイッチと、
を備える。 Specifically, the evaluation jig of the Brillouin optical sensing device according to the present invention is:
N (N is a natural number of 2 or more) optical fibers, all of which are equal in length and have different Brillouin frequency shifts,
1 × N light that has one branching port and N branching ports to which one end of each of the N optical fibers is connected, and that connects either the multiplexing port or the branching port A switch,
Is provided.

また、本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価方法は、
１つの合波側ポートとＮ個の分岐側ポートを有し、前記合波側ポートと前記分岐側ポートのいずれかとを接続する１×Ｎ光スイッチの前記分岐側ポートそれぞれに、全て長さが等しく、且つ互いにブリルアン周波数シフトが異なるＮ（Ｎは２以上の自然数）本の光ファイバを接続し、
前記１×Ｎ光スイッチの前記合波側ポートにブリルアン光センシング装置からの試験光を結合し、
前記１×Ｎ光スイッチで光路を切り替え前記試験光をＮ本の前記光ファイバに順に結合し、光周波数がブリルアン周波数シフトだけ変動したブリルアン散乱光をそれぞれの前記光ファイバで発生させることを特徴とする。 Moreover, the evaluation method of the Brillouin optical sensing device according to the present invention is:
Each of the branch side ports of the 1 × N optical switch having one multiplexing side port and N branch side ports and connecting either the multiplexing side port or the branch side port has a length. N optical fibers that are equal and have different Brillouin frequency shifts (N is a natural number of 2 or more) are connected,
The test light from the Brillouin optical sensing device is coupled to the multiplexing side port of the 1 × N optical switch,
The optical path is switched by the 1 × N optical switch, the test light is sequentially coupled to the N optical fibers, and Brillouin scattered light whose optical frequency fluctuates by a Brillouin frequency shift is generated in each of the optical fibers. To do.

歪変動を模擬するＮ系統の光ファイバは光ファイバ断面の屈折率プロファイルの違いによって、数千μεに相当するＢＦＳの違い（数百ＭＨｚ）を付加することは容易である。そして、１×Ｎチャネルの光スイッチの出力ポートを順次時間的に切り替えることで試験光が通過するルートを変え、ＢＦＳを時間的に変化させることができる。すなわち、ブリルアン光センシング装置が測定するＢＦＳを変化させ、動的な歪変動を模擬することができる。   It is easy to add a BFS difference (several hundred MHz) corresponding to several thousand με depending on the difference in the refractive index profile of the optical fiber cross section in the N system optical fiber that simulates the strain fluctuation. Then, by sequentially switching the output port of the 1 × N channel optical switch in time, the route through which the test light passes can be changed, and the BFS can be changed in time. That is, the BFS measured by the Brillouin optical sensing device can be changed to simulate dynamic strain fluctuations.

従って、本発明は、ブリルアン散乱を利用したブリルアン光センシング技術において、高速かつ高ダイナミックレンジで変化する動的歪を模擬でき、ブリルアン光センシング装置の測定性能を評価するブリルアン光センシング装置の評価治具及び評価方法を提供することができる。   Therefore, the present invention provides an evaluation jig for a Brillouin optical sensing device that can simulate a dynamic strain changing at a high speed and in a high dynamic range and evaluate the measurement performance of the Brillouin optical sensing device in the Brillouin optical sensing technology using Brillouin scattering. And an evaluation method can be provided.

本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具及び評価方法は、前記１×Ｎ光スイッチのｎ番目とｎ＋１番目（ｎはＮ−１以下の自然数）の前記分岐側ポートに接続される前記光ファイバのブリルアン周波数シフトの違いは、全てのｎで等しいことが好ましい。規則的な周期性のある動的歪の試験が可能になる。   In the evaluation jig and the evaluation method for the Brillouin optical sensing device according to the present invention, the light connected to the n-th and n + 1-th (n is a natural number equal to or less than N−1) branch-side ports of the 1 × N optical switch. The difference in the Brillouin frequency shift of the fiber is preferably equal for all n. It is possible to test dynamic strain with regular periodicity.

本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具は、１つの第１ポートとＮ本の前記光ファイバの他端がそれぞれ接続されるＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートからの光を前記第２ポート全てに分波し、前記第２ポートからの光を前記第１ポートに合波するＮ×１光カプラをさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価方法は、１つの第１ポートとＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートからの光を前記第２ポート全てに分波し、前記第２ポートからの光を前記第１ポートに合波するＮ×１光カプラの前記第２ポートそれぞれに、Ｎ本の前記光ファイバの他端を接続し、前記１×Ｎ光カプラの前記第１ポートにも前記ブリルアン光センシング装置からの試験光を結合することを特徴とする。
このように光ファイバの他端に光カプラを取り付けることで、一端からプローブ光、他端からポンプ光を入射するＢＯＴＤＡやＢＯＣＤＡにも対応できる。 The evaluation jig of the Brillouin optical sensing device according to the present invention has one first port and N second ports to which the other ends of the N optical fibers are respectively connected. An N × 1 optical coupler is further provided that demultiplexes light to all the second ports and multiplexes light from the second port to the first port.
Further, the evaluation method of the Brillouin optical sensing device according to the present invention has one first port and N second ports, demultiplexes light from the first port to all the second ports, The other end of the N optical fibers is connected to each of the second ports of the N × 1 optical coupler that multiplexes light from the second port to the first port, and the first of the 1 × N optical coupler is connected. The test light from the Brillouin optical sensing device is also coupled to one port.
By attaching an optical coupler to the other end of the optical fiber in this way, it is possible to cope with BOTDA and BOCDA in which probe light is incident from one end and pump light is incident from the other end.

本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具は、１つの第１ポートとＮ本の前記光ファイバの他端がそれぞれ接続されるＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートのいずれかとを接続するもう一つの１×Ｎ光スイッチと、前記１×Ｎ光スイッチと前記もう一つの１×Ｎ光スイッチに対して、同じ前記光ファイバを選択するように指示する同期制御部と、をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価方法は、１つの第１ポートとＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートのいずれかとを接続するもう一つの１×Ｎ光スイッチの前記第２ポートそれぞれに、Ｎ本の前記光ファイバの他端を接続し、前記１×Ｎ光スイッチと前記もう一つの１×Ｎ光スイッチに対して、同じ前記光ファイバを選択させ、前記もう一つの１×Ｎ光スイッチの前記第１ポートにも前記ブリルアン光センシング装置からの試験光を結合することを特徴とする。
このように光ファイバの他端にも光スイッチを取り付けることで、一端からプローブ光、他端からポンプ光を入射するＢＯＴＤＡやＢＯＣＤＡにも対応できる上、挿入損失が小さい評価系を構成することができる。 An evaluation jig for a Brillouin optical sensing device according to the present invention has one first port and N second ports to which the other ends of the N optical fibers are respectively connected, and the first port and the Instructs another 1 × N optical switch connected to one of the second ports, the 1 × N optical switch, and the other 1 × N optical switch to select the same optical fiber. And a synchronization control unit.
Further, the evaluation method of the Brillouin optical sensing device according to the present invention includes another first port having one first port and N second ports, and connecting either the first port or the second port. The other end of the N optical fibers is connected to each of the second ports of the × N optical switch, and the same optical fiber is connected to the 1 × N optical switch and the other 1 × N optical switch. The test light from the Brillouin optical sensing device is also coupled to the first port of the other 1 × N optical switch.
By attaching an optical switch to the other end of the optical fiber in this way, it is possible to correspond to BOTDA and BOCDA in which probe light is incident from one end and pump light is incident from the other end, and an evaluation system with low insertion loss can be configured. it can.

本発明は、ブリルアン散乱を利用したブリルアン光センシング技術において、高速かつ高ダイナミックレンジで変化する動的歪を模擬でき、ブリルアン光センシング装置の測定性能を評価するブリルアン光センシング装置の評価治具及び評価方法を提供することができる。   The present invention is a Brillouin optical sensing technology using Brillouin scattering, which can simulate dynamic strain changing at a high speed and in a high dynamic range, and evaluates the measurement performance of the Brillouin optical sensing device. A method can be provided.

本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation jig | tool of the Brillouin optical sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具を使用する評価方法を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation method which uses the evaluation jig | tool of the Brillouin optical sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation jig | tool of the Brillouin optical sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具を使用する評価方法を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation method which uses the evaluation jig | tool of the Brillouin optical sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation jig | tool of the Brillouin optical sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るブリルアン光センシング装置の評価治具を使用する評価方法を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation method which uses the evaluation jig | tool of the Brillouin optical sensing apparatus which concerns on this invention.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

（実施形態１）
図１は、本実施形態の評価治具１０１を説明する図である。評価治具１０１は、
全て長さが等しく、且つ互いにブリルアン周波数シフトが異なるＮ（Ｎは２以上の自然数）本の光ファイバ１１と、
１つの合波側ポートとＮ本の光ファイバ１１の一端がそれぞれ接続されるＮ個の分岐側ポートを有し、前記合波側ポートと前記分岐側ポートのいずれかとを接続する１×Ｎ光スイッチ１２と、
を備える。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram illustrating an evaluation jig 101 according to the present embodiment. The evaluation jig 101 is
N (N is a natural number of 2 or more) optical fibers 11 all having the same length and different Brillouin frequency shifts from each other;
1 × N light having N branching ports to which one multiplexing side port and one end of each of the N optical fibers 11 are respectively connected, and connecting either the multiplexing port or the branching port A switch 12;
Is provided.

評価治具１０１は、長さ（長さは任意）が等しく、ＢＦＳの異なるＮ系統（Ｎは２以上の自然数）の光ファイバ１１の一端に、１×Ｎチャネルの光スイッチ１２を接続する。ＢＦＳの違いは光ファイバ断面の屈折率プロファイルの違いにより、任意に設定できる。屈折率プロファイルの違いは、光ファイバメーカの違いや光ファイバ種別の違いによっても生じることが知られている。同種別の光ファイバでも、メーカが異なることで５０ＭＨｚ程度（１０００μεに相当）ＢＦＳが異なる。また、種別が異なる光ファイバでは１００ＭＨｚ程度（２０００μεに相当）ＢＦＳが異なるとの報告がある（例えば、非特許文献５を参照。）。すなわち、ＢＦＳの違いにより構造材料の降伏歪に相当する大きな歪変化を模擬することが可能となる。   The evaluation jig 101 is equal in length (arbitrary length), and a 1 × N channel optical switch 12 is connected to one end of an optical fiber 11 of N systems (N is a natural number of 2 or more) having different BFS. The difference in BFS can be arbitrarily set depending on the difference in the refractive index profile of the optical fiber cross section. It is known that the difference in refractive index profile is also caused by differences in optical fiber manufacturers and optical fiber types. Even in the same type of optical fiber, the BFS differs by about 50 MHz (equivalent to 1000 με) due to different manufacturers. In addition, there is a report that BFS is different in about 100 MHz (corresponding to 2000 με) in different types of optical fibers (see, for example, Non-Patent Document 5). That is, a large strain change corresponding to the yield strain of the structural material can be simulated by the difference in BFS.

図２は、評価治具１０１を用いてブリルアン光センシング装置３０１を評価する評価方法を説明する図である。ブリルアン光センシング装置３０１は、被測定光ファイバの一端に試験光（プローブ光とポンプ光）を入射するタイプであり、ＢＯＴＤＲやＢＯＣＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）である。   FIG. 2 is a diagram illustrating an evaluation method for evaluating the Brillouin optical sensing device 301 using the evaluation jig 101. The Brillouin optical sensing device 301 is a type in which test light (probe light and pump light) is incident on one end of an optical fiber to be measured, and is BOTDR or BOCDR (Brillouin Optical Correlation-Domain Reflectometry).

図２の評価方法は、
１つの合波側ポートとＮ個の分岐側ポートを有し、前記合波側ポートと前記分岐側ポートのいずれかとを接続する１×Ｎ光スイッチ１２の前記分岐側ポートそれぞれに、全て長さが等しく、且つ互いにブリルアン周波数シフトが異なるＮ（Ｎは２以上の自然数）本の光ファイバ１１を接続し、
１×Ｎ光スイッチ１２の前記合波側ポートにブリルアン光センシング装置３０１からの試験光を結合し、
１×Ｎ光スイッチ１２で光路を切り替え前記試験光をＮ本の光ファイバ１１に順に結合し、光周波数がブリルアン周波数シフトだけ変動したブリルアン散乱光をそれぞれの光ファイバ１１で発生させることを特徴とする。 The evaluation method in FIG.
Each of the branch side ports of the 1 × N optical switch 12 having one multiplexing side port and N branch side ports and connecting either the multiplexing side port or the branch side port has a length. Are connected, and N (N is a natural number of 2 or more) optical fibers 11 having different Brillouin frequency shifts from each other,
The test light from the Brillouin optical sensing device 301 is coupled to the multiplexing side port of the 1 × N optical switch 12,
The optical path is switched by a 1 × N optical switch 12, the test light is sequentially coupled to N optical fibers 11, and Brillouin scattered light whose optical frequency is changed by a Brillouin frequency shift is generated in each optical fiber 11. To do.

制御器２０１は１×Ｎ光スイッチ１２の合波側ポートと分岐側ポートとの接続を切り替える。ブリルアン光センシング装置３０１はプローブ光とポンプ光を１×Ｎ光スイッチ１２の合波側ポートに入射する。当該試験光は１×Ｎ光スイッチ１２によりいずれかの光ファイバ１１に結合される。そして、光ファイバ１１で発生したブリルアン散乱光は１×Ｎ光スイッチ１２の合波側ポートを経由してブリルアン光センシング装置３０１で受光される。試験者は、当該光ファイバで模擬される歪をブリルアン光センシング装置３０１が測定できているか否かを確認する。試験者は、制御器２０１で試験光を結合する光ファイバ１１を切り替え、他の模擬歪もブリルアン光センシング装置３０１が測定できているか否かを確認する。   The controller 201 switches the connection between the multiplexing side port and the branching side port of the 1 × N optical switch 12. The Brillouin optical sensing device 301 makes the probe light and the pump light enter the multiplexing side port of the 1 × N optical switch 12. The test light is coupled to one of the optical fibers 11 by the 1 × N optical switch 12. The Brillouin scattered light generated in the optical fiber 11 is received by the Brillouin optical sensing device 301 via the multiplexing side port of the 1 × N optical switch 12. The tester confirms whether the Brillouin optical sensing device 301 can measure the strain simulated by the optical fiber. The tester switches the optical fiber 11 to which the test light is coupled by the controller 201 and confirms whether the Brillouin optical sensing device 301 can measure other simulated strains.

ここで、１×Ｎ光スイッチ１２のｎ番目とｎ＋１番目（ｎはＮ−１以下の自然数）の前記分岐側ポートに接続される光ファイバ１１のブリルアン周波数シフトの違いは、全てのｎで等しくしておく。つまり、光ファイバ１１のＢＦＳの違いを等間隔で段階的に設定しておく。１×Ｎ光スイッチ１２の接続先を単位時間ごとに順次切り替えることで、規則的な周期性のある動的歪も模擬可能となる。   Here, the difference in Brillouin frequency shift of the optical fiber 11 connected to the n-th and n + 1-th (n is a natural number equal to or less than N−1) of the 1 × N optical switch 12 is the same for all n. Keep it. That is, the difference in BFS of the optical fiber 11 is set stepwise at equal intervals. By sequentially switching the connection destination of the 1 × N optical switch 12 every unit time, it is possible to simulate dynamic distortion with regular periodicity.

（実施形態２）
図３は、本実施形態の評価治具１０２を説明する図である。評価治具１０２は、図１の評価治具１０１に、１つの第１ポートとＮ本の光ファイバ１１の他端がそれぞれ接続されるＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートからの光を前記第２ポート全てに分波し、前記第２ポートからの光を前記第１ポートに合波するＮ×１光カプラ１３をさらに備える。 (Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram illustrating the evaluation jig 102 of the present embodiment. The evaluation jig 102 has N second ports to which one first port and the other ends of the N optical fibers 11 are respectively connected to the evaluation jig 101 of FIG. Is further provided with an N × 1 optical coupler 13 that demultiplexes all of the light into the second port and multiplexes the light from the second port into the first port.

図４は、評価治具１０２を用いてブリルアン光センシング装置３０２を評価する評価方法を説明する図である。ブリルアン光センシング装置３０２は、被測定光ファイバの一端にプローブ光を入射し、他端にポンプ光を入射するタイプであり、ＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲである。   FIG. 4 is a diagram illustrating an evaluation method for evaluating the Brillouin optical sensing device 302 using the evaluation jig 102. The Brillouin optical sensing device 302 is a type in which probe light is incident on one end of an optical fiber to be measured and pump light is incident on the other end, and is BOTDA or BOTDR.

図４の評価方法は、図２で説明した評価方法にさらに次の手順を行う。
１つの第１ポートとＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートからの光を前記第２ポート全てに分波し、前記第２ポートからの光を前記第１ポートに合波するＮ×１光カプラ１３の前記第２ポートそれぞれに、Ｎ本の光ファイバ１１の他端を接続し、
１×Ｎ光カプラ１３の前記第１ポートにもブリルアン光センシング装置３０２からの試験光を結合する。 The evaluation method of FIG. 4 performs the following procedure in addition to the evaluation method described in FIG.
It has one first port and N second ports, demultiplexes light from the first port to all the second ports, and multiplexes light from the second port to the first port. The other end of the N optical fibers 11 is connected to each of the second ports of the N × 1 optical coupler 13,
The test light from the Brillouin optical sensing device 302 is also coupled to the first port of the 1 × N optical coupler 13.

作業者は、図２で説明したように光ファイバ１１で模擬される歪をブリルアン光センシング装置３０２が測定できているか否かを順次確認することができる。   The operator can sequentially confirm whether the Brillouin optical sensing device 302 can measure the strain simulated by the optical fiber 11 as described in FIG.

（実施形態３）
図５は、本実施形態の評価治具１０３を説明する図である。評価治具１０３は、図１の評価治具１０１に、
１つの第１ポートとＮ本の光ファイバ１１の他端がそれぞれ接続されるＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートのいずれかとを接続するＮ×１光スイッチ１４と、
１×Ｎ光スイッチ１２とＮ×１光スイッチ１４に対して、同じ光ファイバ１１を選択するように指示する同期制御部１５と、
をさらに備える。 (Embodiment 3)
FIG. 5 is a diagram illustrating the evaluation jig 103 according to the present embodiment. The evaluation jig 103 is the same as the evaluation jig 101 in FIG.
An N × 1 optical switch that has N second ports to which one first port and the other ends of the N optical fibers 11 are respectively connected, and connects either the first port or the second port 14 and
A synchronization control unit 15 that instructs the 1 × N optical switch 12 and the N × 1 optical switch 14 to select the same optical fiber 11;
Is further provided.

つまり、評価治具１０３は、図４のＮ×１光カプラ１３をＮ×１光スイッチ１４に置き換えたものである。図６は、評価治具１０３を用いてブリルアン光センシング装置３０２を評価する評価方法を説明する図である。   That is, the evaluation jig 103 is obtained by replacing the N × 1 optical coupler 13 in FIG. 4 with the N × 1 optical switch 14. FIG. 6 is a diagram illustrating an evaluation method for evaluating the Brillouin optical sensing device 302 using the evaluation jig 103.

図６の評価方法は、図２で説明した評価方法にさらに次の手順を行う。
１つの第１ポートとＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートのいずれかとを接続するＮ×１光スイッチ１４の前記第２ポートそれぞれに、Ｎ本の光ファイバ１１の他端を接続し、
１×Ｎ光スイッチ１２とＮ×１光スイッチ１４に対して、同じ光ファイバ１１を選択させ、Ｎ×１光スイッチ１４の前記第１ポートにもブリルアン光センシング装置３０２からの試験光を結合する。 The evaluation method of FIG. 6 performs the following procedure in addition to the evaluation method described in FIG.
Each of the second ports of the N × 1 optical switch 14 having one first port and N second ports and connecting either the first port or the second port has N optical fibers. 11 is connected to the other end,
The same optical fiber 11 is selected for the 1 × N optical switch 12 and the N × 1 optical switch 14, and the test light from the Brillouin optical sensing device 302 is also coupled to the first port of the N × 1 optical switch 14. .

Ｎ×１光カプラ１３をＮ×１光スイッチ１４に置換したことで、ポンプ光のパワーを全て所望の光ファイバ１１に結合でき、挿入損失が小さい模擬動的歪評価系を構成することができる。ただし、１×Ｎ光スイッチ１２とＮ×１光スイッチ１４は同期して同チャネルに光路が切り替わるよう同期制御部１５で制御する。具体的には、同期制御部１５から発される同期制御電気信号にて両光スイッチを制御する。また、同期制御電気信号の電気的ジッタは光スイッチのチャネル切り替え時間に対して十分小さい必要がある。また、１×Ｎ光スイッチ１２およびＮ×１光スイッチ１４の切り替え速度は所望の模擬歪の変動速度と同等以上に速い必要がある。   By replacing the N × 1 optical coupler 13 with the N × 1 optical switch 14, all the power of the pump light can be coupled to the desired optical fiber 11, and a simulated dynamic strain evaluation system with a small insertion loss can be configured. . However, the 1 × N optical switch 12 and the N × 1 optical switch 14 are controlled by the synchronization control unit 15 so that the optical path is switched to the same channel in synchronization. Specifically, both optical switches are controlled by a synchronization control electric signal generated from the synchronization control unit 15. Further, the electrical jitter of the synchronization control electrical signal needs to be sufficiently small with respect to the channel switching time of the optical switch. Further, the switching speed of the 1 × N optical switch 12 and the N × 1 optical switch 14 needs to be equal to or higher than the desired fluctuation speed of the simulated distortion.

作業者は、図２で説明したように光ファイバ１１で模擬される歪をブリルアン光センシング装置３０２が測定できているか否かを順次確認することができる。   The operator can sequentially confirm whether the Brillouin optical sensing device 302 can measure the strain simulated by the optical fiber 11 as described in FIG.

（他の実施形態）
上記実施形態の評価治具を複数連結して使用することも可能である。その場合には、光スイッチ（光カプラ）のチャネル数ＮやＮ系統の光ファイバの長さおよび光路を切り替えるタイミングを評価治具間で一致させる必要はない。 (Other embodiments)
It is also possible to connect and use a plurality of the evaluation jigs of the above embodiment. In this case, it is not necessary to match the number of channels of the optical switch (optical coupler), the length of the optical fibers of N systems, and the timing for switching the optical path between the evaluation jigs.

（発明の効果）
本発明によれば、高価な電圧増幅器を利用することなく、構造物材料の降伏歪に相当する大きな歪変動を簡易デバイスのみで実現するブリルアン光センシング技術の模擬動的歪評価系を提供することができる。 (Effect of the invention)
According to the present invention, there is provided a simulated dynamic strain evaluation system of Brillouin optical sensing technology that realizes a large strain variation corresponding to the yield strain of a structural material only with a simple device without using an expensive voltage amplifier. Can do.

１１：光ファイバ
１２：１×Ｎ光スイッチ
１３：Ｎ×１光カプラ
１４：Ｎ×１光スイッチ
１５：同期制御部
１０１、１０２、１０３：評価治具
２０１：制御器
３０１、３０２：ブリルアン光センシング装置 11: Optical fiber 12: 1 × N optical switch 13: N × 1 optical coupler 14: N × 1 optical switch 15: Synchronization control units 101, 102, 103: Evaluation jig 201: Controller 301, 302: Brillouin optical sensing apparatus

Claims (8)

全て長さが等しく、且つ互いにブリルアン周波数シフトが異なるＮ（Ｎは２以上の自然数）本の光ファイバと、
１つの合波側ポートとＮ本の前記光ファイバの一端がそれぞれ接続されるＮ個の分岐側ポートを有し、前記合波側ポートと前記分岐側ポートのいずれかとを接続する１×Ｎ光スイッチと、
を備えるブリルアン光センシング装置の評価治具。 N (N is a natural number of 2 or more) optical fibers, all of which are equal in length and have different Brillouin frequency shifts,
1 × N light that has one branching port and N branching ports to which one end of each of the N optical fibers is connected, and that connects either the multiplexing port or the branching port A switch,
An evaluation jig for a Brillouin optical sensing device. 前記１×Ｎ光スイッチのｎ番目とｎ＋１番目（ｎはＮ−１以下の自然数）の前記分岐側ポートに接続される前記光ファイバのブリルアン周波数シフトの違いは、全てのｎで等しいことを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光センシング装置の評価治具。   The difference in Brillouin frequency shift of the optical fiber connected to the n-th and n + 1-th (n is a natural number equal to or less than N−1) branch-side ports of the 1 × N optical switch is equal for all n. The evaluation jig of the Brillouin optical sensing device according to claim 1. １つの第１ポートとＮ本の前記光ファイバの他端がそれぞれ接続されるＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートからの光を前記第２ポート全てに分波し、前記第２ポートからの光を前記第１ポートに合波するＮ×１光カプラをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のブリルアン光センシング装置の評価治具。   A first port and N second ports to which the other ends of the N optical fibers are respectively connected; demultiplexing light from the first port to all the second ports; The evaluation jig for the Brillouin optical sensing device according to claim 1, further comprising an N × 1 optical coupler that multiplexes light from two ports to the first port. １つの第１ポートとＮ本の前記光ファイバの他端がそれぞれ接続されるＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートのいずれかとを接続するもう一つの１×Ｎ光スイッチと、
前記１×Ｎ光スイッチと前記もう一つの１×Ｎ光スイッチに対して、同じ前記光ファイバを選択するように指示する同期制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のブリルアン光センシング装置の評価治具。 Another 1 ×, which has N second ports to which one first port and the other ends of the N optical fibers are respectively connected, and connects either the first port or the second port N optical switch,
A synchronization control unit that instructs the 1 × N optical switch and the other 1 × N optical switch to select the same optical fiber;
The evaluation jig for the Brillouin optical sensing device according to claim 1, further comprising: １つの合波側ポートとＮ個の分岐側ポートを有し、前記合波側ポートと前記分岐側ポートのいずれかとを接続する１×Ｎ光スイッチの前記分岐側ポートそれぞれに、全て長さが等しく、且つ互いにブリルアン周波数シフトが異なるＮ（Ｎは２以上の自然数）本の光ファイバを接続し、
前記１×Ｎ光スイッチの前記合波側ポートにブリルアン光センシング装置からの試験光を結合し、
前記１×Ｎ光スイッチで光路を切り替え前記試験光をＮ本の前記光ファイバに順に結合し、光周波数がブリルアン周波数シフトだけ変動したブリルアン散乱光をそれぞれの前記光ファイバで発生させることを特徴とするブリルアン光センシング装置の評価方法。 Each of the branch side ports of the 1 × N optical switch having one multiplexing side port and N branch side ports and connecting either the multiplexing side port or the branch side port has a length. N optical fibers that are equal and have different Brillouin frequency shifts (N is a natural number of 2 or more) are connected,
The test light from the Brillouin optical sensing device is coupled to the multiplexing side port of the 1 × N optical switch,
The optical path is switched by the 1 × N optical switch, the test light is sequentially coupled to the N optical fibers, and Brillouin scattered light whose optical frequency fluctuates by a Brillouin frequency shift is generated in each of the optical fibers. To evaluate the Brillouin optical sensing device. 前記１×Ｎ光スイッチのｎ番目とｎ＋１番目の前記分岐側ポートに接続される前記光ファイバのブリルアン周波数シフトの違いは、全てのｎで等しいことを特徴とする請求項５に記載のブリルアン光センシング装置の評価方法。   6. The Brillouin light according to claim 5, wherein a difference in Brillouin frequency shift of the optical fiber connected to the n-th and (n + 1) -th branch side ports of the 1 × N optical switch is equal for all n. Sensing device evaluation method. １つの第１ポートとＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートからの光を前記第２ポート全てに分波し、前記第２ポートからの光を前記第１ポートに合波するＮ×１光カプラの前記第２ポートそれぞれに、Ｎ本の前記光ファイバの他端を接続し、
前記１×Ｎ光カプラの前記第１ポートにも前記ブリルアン光センシング装置からの試験光を結合することを特徴とする請求項５又は６に記載のブリルアン光センシング装置の評価方法。 It has one first port and N second ports, demultiplexes light from the first port to all the second ports, and multiplexes light from the second port to the first port. The other ends of the N optical fibers are connected to the second ports of the N × 1 optical coupler,
7. The method for evaluating a Brillouin optical sensing device according to claim 5, wherein the test light from the Brillouin optical sensing device is also coupled to the first port of the 1 × N optical coupler. １つの第１ポートとＮ個の第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートのいずれかとを接続するもう一つの１×Ｎ光スイッチの前記第２ポートそれぞれに、Ｎ本の前記光ファイバの他端を接続し、
前記１×Ｎ光スイッチと前記もう一つの１×Ｎ光スイッチに対して、同じ前記光ファイバを選択させ、前記もう一つの１×Ｎ光スイッチの前記第１ポートにも前記ブリルアン光センシング装置からの試験光を結合することを特徴とする請求項５又は６に記載のブリルアン光センシング装置の評価方法。 Each of the second ports of another 1 × N optical switch that has one first port and N second ports and connects either the first port or the second port to each of the N ports Connecting the other end of the optical fiber;
The same optical fiber is selected for the 1 × N optical switch and the other 1 × N optical switch, and the first port of the other 1 × N optical switch is also supplied from the Brillouin optical sensing device. The method for evaluating a Brillouin optical sensing device according to claim 5, wherein the test light is combined.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110243301A (en) * 2018-03-08 2019-09-17 桂林电子科技大学 It is a kind of based on dynamic BOTDA by core scan-type multi-core optical fiber shape sensor

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