JP3740500B2 - Ｏｆｄｒ方式の多点歪計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーブラッググレーティング(ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置したＯＦＤＲ方式の多点歪み計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ埋め込み型のセンサーは、その軽量性、強度、小さなサイズそして柔軟性より、スマート構造・材料への適用が期待されるものであり、その適用先としては、航空・宇宙機器の健全性評価、大型人工衛星等の柔軟構造物の振励計測などが考えられる。最初の健全性評価としては、運用中の航空・宇宙機器の歪みを計測することによる機体構造の健全性評価が可能である。その際必要となるセンサーとしての条件は、高い空間分解能、計測のリアルタイム性が挙げられよう。また、各運用間の構造残留歪みの経年変化をモニタリングすることによる健全性の評価も考えられる。この際必要となる条件は、絶対、歪みが計測可能であるかということになる。
人工衛星の振動計測には、加速度センサーが主に使用されているが、衛星全体システムの制限から、チャンネル数の制限がある。しかし、光ファイバセンサーのような単純構成の分布型センサーが可能となれば、人工衛星の振動特性把握に対する寄与は大きなものとなる。その際には、当然ながら計測周波数に対応した応答性が要求される。
【０００３】
これまで光ファイバを用いたセンサー系としては様々なものが提案されている。その一つに光ファイバのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたFiber Bragg Grating (ＦＢＧ)を、１本の光ファイバに複数個配置し、ＦＢＧが存在する位置の歪み、温度を計測するシステムがある。この方法では、広帯域の波長を有する入射光を用い、反射光の波長の変化量を観測して歪み、温度の計測を行う。ＦＢＧは１０ｍｍ程度の大きさであり一般的な歪みゲージのように局所的な計測を行うことが可能であり、さらに歪みゲージと異なり絶対歪みの計測も可能である。また、現在製品化されているシステムでは、数十Ｈｚ程度の応答速度を有する。因みにこの種のものとして特許文献１「多点型歪み及び温度センサ」がある。これは多点での計測に適し、しかも温度と共に正確な歪みを計測できる多点型歪み及び温度センサを提供することを目的としたもので、図１０に示すように歪みに応じて光反射ピーク波長が変化するＦＢＧａを光ファイバｂに直列に複数挿入し、この光ファイバｂの一端より各ＦＢＧａからの特定波長ｌの反射光量をＯＴＤＲ（Optica1 Time Domain Ref1ectometory）で測定すると共に、光ファイバｂ中からの後方散乱光をＢＯＴＤＲ（Brillouin Optica1 Time Domain Ref1ectometory）で測定することにより光ファイバｂの長手方向に沿った温度分布を求め、この温度分布に基づき各ＦＢＧａの温度依存による反射光量変化分を補正し、この温度補正された反射光量から各ＦＢＧａにおける正確な歪み量を求めるというものである。パルス状の入力光を使用し、反射光の到達時間により位置の特定を行う。しかし、この測定方式は反射光の波長のシフト量を検出するため、計測レンジ及び光源帯域の広さにより、１本の光ファイバ当たりの計測点数(ＦＢＧセンサーの数)が制限される。多重化の方法もいくつか提案されているが、システムが複雑化するため、いずれも安定性、コストなどの面の問題を有している。
【０００４】
これらを踏まえ、本発明者らが注目したのは、Optical Flequency Domain Reflectometry(ＯＦＤＲ)を使用したシステムである。このシステムは、ＦＢＧ型センサーの多重化技術の一つにも分類できるもので、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を１本の光ファイバーに複数個配置すると共に、波長可変型の狭帯域光源を用い、計測部からの反射光と参照反射面からの反射光の干渉による光強度変化を見てＦＢＧセンサーの位置を測定し特定するものである。これまで、Childersらによる８ｍの光ファイバーに８００個のＦＢＧを配置し、４本の光ファイバーで計３０００点以上の歪み同時計測を行った例が報告（非特許文献１，非特許文献２）されているが、計測とデータのオフライン解析には数分の時間を要している。
すなわち、従来の解析方式では高速フーリエ変換及びその逆変換を用いて、個別のＦＢＧに対して反射特性を求めていた。従来技術では静的計測のみを行っていたが、将来的な構造物等の動的計測を念頭に置いた場合、従来の解析手法では計測の高速化は困難であると考える。また、従来の解析手法では、個々のＦＢＧの反射特性を求める方法に関して十分な記載がなされていない。更には、従来の解析手法では、光源の波長出力値を基準にＦＢＧセンサー部での歪み量を求めていた。この場合、計測精度が光源の波長出力精度大きく左右されるといった問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１４１９２２号公報
【非特許文献１】
Brook A. Childers aand etc.,“Use of 3000 Bragg Grating Strain Sensor Distributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of a Composite Structure,”SPIE's 8th International Symposium on Smart Structure and Materials, Newport Beach, Califorornia, March4-8, 2001.
【非特許文献２】
Mark Frogatt and Jason Moore “Distributed measurement of static strain in an optical fober with multiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths”APPLIDE OPTICS Vol.37 No.10, 1 April 1998.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の問題点を踏まえ、光ファイバーに複数個のＦＢＧを配置し、ＯＦＤＲを用いた多点歪み計測システムにおいて、データ解析手法の改善を行い、計測のリアルタイム性、応答速度の向上を目指すことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
提案するＯＦＤＲ式光ファイバー多点歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング(ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用してＦＢＧセンサーの位置を特定し各ＦＢＧの反射光中心光波数の変化量からＦＢＧセンサーが存在する位置の歪みや温度を計測するシステムを応用したものであり、新規の技術的思想として
１ 従来の解析方式では個別のＦＢＧ毎に高速フーリエ変換及びその逆変換を用いていたが、本方式ではこれをデジタルのバンドパスフィルターを利用することでその処理速度を高速化できる。
２ 上記、バンドパスフィルター後の取得データに対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターをかけることで光強度の包絡線を求めて歪み量の解析を行うことで計測時の安定性を確保することが可能となる。
３ ＦＢＧアレイの応用として、ＦＢＧのひとつを光源波長補正及び温度補正のための参照(リファレンス)として利用することで、歪み計測精度の飛躍的な向上が可能となる。
４ ファイバー上にＦＢＧを配置する間隔と同じ光路差の全反射終端をもつ参照用干渉器を備え、該参照用干渉器のディテクタで計測される光強度をトリガーとして、各ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタで計測する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のＯＦＤＲによる歪計測手法の原理について説明する。光ファイバ多点歪み計測において、問題になるのは、計測点の位置と歪みを、如何に特定するかという点である。ここでは、簡単な１個のＦＢＧを有するＯＦＤＲ光ファイバセンサ系を例に挙げ、センサ位置と歪みがその反射特性に与える影響を示す。
まず、光ファイバセンサー系の反射特性についてであるが、波長可変型レーザ光源（ＶＳ）、光強度ディテクタ（Ｄ）、全反射終端（Ｒ）、及びＦＢＧセンサー（ＦＢＧ）を図１に示すように配置して光ファイバで結線する。波長可変型光源から入射されたある波長を持ったレーザー光は、カプラ（Ｃ）で分岐され、反射終端及びＦＢＧセンサー部で反射し、その後カプラで再び合成され、ディテクタでその強度が検出される。ＦＢＧからの反射光は、ある波長の光のみを強く反射するため、横軸を光波数ｋとその反射光強度の関係は、図１下段右のような形となる。また、ピークを示す光波数ｋの値は、ＦＢＧの特性に基づき当該ＦＢＧ部での歪みの大きさに依存して変化する。ここで、光波数ｋと波長λの値は以下の関係を有する。
ｋ＝２π／λ (１)
一方、ＦＢＧからの反射光と全反射終端Ｒからの反射光は光路差２Ｌを有するので、光ファイバの屈折率をｎとするとその光には２ｎＬの位相差が生じ、合成された光信号は以下に示すように、光波数ｋに依存して正弦関数的に変化する。全反射終端Ｒからの反射光とＦＢＧからの反射光の光強度が等しかったとすると次式のように
Ａｍｐ＿ＩＴＦ＝ＡCOS(２ｎＬｋ） (２)
すなわち、この関係は図１下段中央に示すようになる。
前述した二つの作用により、ディテクタで検出される光強度は、光波数ｋに対して図１下段左に示すように、ある周期とピークを持った形で変化するものとなる。この周期から行路差２ＬつまりＦＢＧセンサーの位置を、ピークを示す光波数ｋの値から歪みの値を推定することが可能となる。
ＦＢＧが複数個存在する場合においても、それぞれのＦＢＧに対応して光路差が異なるため、その光路差に依存する周波数に着目することによりそれぞれのＦＢＧの位置が決定され、またそれぞれピークを示す光波数を求めることにより各ＦＢＧでの否みの値を決定することができる。
【０００９】
次ぎにデータの解析手法について説明する。データ解析の大まかな流れを、図２に示した。図中左側にChildersらが行った解析（非特許文献１，２）の流れを、右側に本発明の解析の流れを示している。Childersらは、最初にディテクタで観測された光強度を、光波数ｋの関数としてＰＣに取り込んだ後に解析を行っている。前述したように、観測される光強度を光波数の関数として表した場合、行路差２Ｌは周波数のように作用する。従って、光波数の関数に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうと、光ファイバ上に複数のＦＢＧが存在する場合には、各ＦＢＧからの反射光強度が、図中上のグラフのようにそれぞれの位置に対応して分離された形で表される。一つのＦＢＧに着目して、フィルターを介してその位置の成分のみを抜き出し逆高速フーリエ変換を施すと、着目したＦＢＧからの反射光の強度のみが、図中下のグラフのように光波数の関数として求まる。ここで、ピークを示す光波数はＦＢＧでの歪みの値に比例して変化するので、その変化量を観測することにより、着目したＦＢＧでの歪み量を検出することができる。Childersらは、上記のデータ処理をオフラインで行っている。
【００１０】
ところで、光ファイバ上にＦＢＧを複数配置したとしても、それぞれのセンサーの光ファイバ上での位置を予め把握し確定しておくことは一般に可能なことである。即ち各ＦＢＧ間の距離Ｌを既知としておけば、前述したように光路差２Ｌに基づく位相差２ｎＬが周波数のように作用するので、予め各ＦＢＧに対応してバンドパスフィルターを設計しておき、ディテクタで計測される光強度に対してフィルタリングを行えば、着目したＦＢＧからの反射光を選択的に観測することができる。これが本発明の基本的技術思想である。すなわち、従来手法のＦＦＴ処理から逆ＦＦＴ処理までのプロセスを抜きにして直接下のグラフの信号を抽出する。この信号抽出手法は従来の高速フーリエ変換を行う信号処理に比べ格段に処理時間が短縮できる。その後は、上記と同様の手順で光波数のピーク値の遷移量を求め、着目したＦＢＧでの歪み値が求められる。この信号処理手法は、バンドパスフィルターの設計などの手間はあるが、一旦システムが仕上がれば計測時の演算量が大幅に軽減されるので、オンラインリアルタイムの計測を可能にするものと考えられる。
【００１１】
図３に複数のＦＢＧからの反射光と参照反射面からの反射光が合成された光の強度をディテクタにより計測したときの計測結果を、縦軸に光強度を横軸に光波数をとって表示したものである。右の図はピーク部分の横軸を拡大して表示したものである。行路差による干渉により、光強度が光波数に対して周期的に変化していることが見て取れる。
１つのＦＢＧに着目し、参照反射面との行路差に対応して決まる周波数のみを通すバンドパスフィルターを設計し、図１に示した計測結果に対してこのフィルター処理を施す。これにより、着目したＦＢＧからの反射光の成分のみを抜き出すことができる。図４がその結果であるが、単一周期を持った波が振幅変調している形となっている。図４の左側に示すように、ＦＢＧはある光波数の光のみを強く反射する特性を持つ。反射光の強度が最大になる光波数を中心光波数と呼ぶこととし、該中心光波数はＦＢＧに作用する歪みや温度によって値が変化する。図４の最大値を示す光波数をそのまま中心光波数とすることは可能であるが、右側に示す拡大図から分かるように最大値付近は微妙に振幅が変化しているため、安定した中心光波数を得ることは困難となる。そこで、本発明では安定した中心光波数を抽出する手法を提示する。
【００１２】
本発明では、図４に示される波形の包絡線信号を作り、その信号から中心光波数を得ることとする。すなわち、図４に示す波形に対して絶対値をとり、適当なデジタルローパスフィルターによる処理を施すことにより着目ＦＢＧからの反射特牲が得られる。その得られた信号が図５に示す波形である。この波形のピーク値から光波数を特定することになるがこのピーク値近傍は細かく振れているため、本発明では、包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の所定比率の値を示す上下両側光波数の値の中心値を検出光波数として割り出す方法を採用した。最大振幅値の所定比率として本発明者はピーク値の１／２をとるようにしたが、必ずしも１／２に特定されるものではない。同じ振幅値をとる２つの光波数の中央値を、中心光波数として採用することにより、反射特性最大値付近の細かな変動を取り除くことができ、中心光波数として非常に安定した値を得ることが可能となる。
この処理を複数のＦＢＧに対して施し、各ＦＢＧからの中心光波数を抽出する。５個のＦＢＧを用いた場合の結果をまとめて図６に示す。個々のＦＢＧの反射光の中心光波数は各ＦＢＧに作用する歪みと温度によって変化する。ここでは、歪みが作用しない１つのＦＢＧ（図６ではＦＢＧ５）の中心光波数を基準として、その他のＦＢＧの中心光波数変化を求める。これにより光源の不安定性を取り除くことができるし、また全てのＦＢＧが同一温度であるとすれば温度補正も可能となって、各ＦＢＧセンサー部の正確な歪みを得ることができる。
【００１３】
【実施例１】
次に、本発明に係る光ファイバセンサー系の実施例の概要を示す。図７はその基本構成を示す図で、図中の波線で囲まれた部分が筐体(430mm×330mm×105mm)に収納されており、その重量は6.2ｋｇである。主要構成品は以下の通りである。
Ｄ1,Ｄ2,Ｄ3,Ｄ4 光強度ディテクタ
Ｃ1 ５％−９５％広帯域カップラ
Ｃ2-Ｃ5 ５０％−５０％広帯域カップラ
Ｒ1-Ｒ4 全反射が起きるような終端
ＦＣ／ＰＣ1-3 光ファイバ結合用FC/PCコネクタ
ＢＮＣ1-3 光強度電圧変換出力用BNCコネクタ
ＦＢＧ1-2 ＦＢＧを５個配置した光ファイバ
計測部である５個のＦＢＧを配置した光ファイバの模式図を図８に示す。模式図ではＦＢＧ部は太く記載されているが、実際はレーザー光を用いてファイバ・コア部の屈折率を周期的に変化させることにより製作されており、光ファイバ一般部分と太さの変化はない。また、今回作製したＦＢＧの光透過特性を計測した結果を、図９に示す。このＦＢＧでは波長1550.2ｍｍの光の透過特性が0.18ｄＢとなっている。これは、その波長の光を４％程度ＦＢＧ部で反射していることを表す。他のすべてのＦＢＧも、これとほぼ同じ反射率特性有する。
計測は波長可変型光源よりレーザー光を供給し、波長をスイープさせながらディテクタ部で反射光の強度を測定する。前述したようにデータ処理には高速フーリエ変換やデジタルのフィルターを使用するので、一定間隔の光波数毎に計測を行う必要がある。そのため、本実施例では図７の上部に対応する参照用干渉器を別に用意する。ディテクタＤ1で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔△ｋで周期的に変化する。
△ｋ＝π／ｎＬ （３）
光波数に対して周期的に変化するディテクタＤ1での光強度をトリガーとして使用して、センサー部である各ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタＤ2、Ｄ3で計測する。データ取得には一般的なＡ／Ｄコンバーターを用い、ＰＣにて解析を行なうようにした。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の多点歪計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたＦＢＧを１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用するＯＦＤＲにおいて、検出光信号を予め帯域を設定したバンドパスフィルターを介することにより、特定位置のＦＢＧからの信号を分離抽出するようにしたので、従来の個別のＦＢＧ毎に高速フーリエ変換及びその逆変換をしていた信号処理に較べ格段に解析処理が行なえるようになった。
また、バンドパスフィルター後段のデータ信号に対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターを通すことで周波数に対する光強度の包絡線信号を求める手段と、該包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の例えば１／２などの所定比率の位置にある両側光波数の値の中心値を中心光波数として割り出す手段と、該中心光波数に基づき歪み量の解析を行う手段とを備えた本発明の多点歪計測装置では、安定した中心光波数が得られるため、精度の良い歪量の解析が可能となった。
【００１５】
更に、複数のＦＢＧを配置した中で、歪が掛かっていないひとつのＦＢＧのデータを光源波長補正及び温度補正のためのリファレンスとして利用する本発明の多点歪計測装置は、歪み計測精度の飛躍的な向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基礎となるＯＦＤＲの原理を説明する図である。
【図２】従来技術と本発明の検出データの解析方法の比較図である。
【図３】複数のＦＢＧと参照反射面からの合成反射光の強度を波長に対して示した図である。
【図４】バンドパスフィルタを介して特定のＦＢＧに対応する合成反射光を抽出し、その光の強度を波長に対して示した図である。
【図５】図４の波形の絶対値の包絡線波形から中心波長を決める方法を説明する図である。
【図６】５つのＦＢＧの反射特性を示す図である。
【図７】本発明の１実施例である光ファイバセンサー系の構成を示す図である。
【図８】複数のＦＢＧを１本のファイバに配置したものを模式的に示した図である。
【図９】ＦＢＧの光透過特性を示す図である。
【図１０】従来のＦＢＧを用いた多点歪み及び温度センサの基本構成を示す図である。
【符号の説明】
ＶＳ 波長可変型レーザ光源 Ｄ ディテクタ
Ｒ 全反射終端 Ｃ カップラ
ＦＢＧ ＦＢＧセンサ
ＦＣ／ＰＣ 光ファイバ結合用コネクタ
ＢＮＣ 光強度電圧変換用出力コネクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーブラッググレーティング(ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置したＯＦＤＲ方式の多点歪み計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ埋め込み型のセンサーは、その軽量性、強度、小さなサイズそして柔軟性より、スマート構造・材料への適用が期待されるものであり、その適用先としては、航空・宇宙機器の健全性評価、大型人工衛星等の柔軟構造物の振励計測などが考えられる。最初の健全性評価としては、運用中の航空・宇宙機器の歪みを計測することによる機体構造の健全性評価が可能である。その際必要となるセンサーとしての条件は、高い空間分解能、計測のリアルタイム性が挙げられよう。また、各運用間の構造残留歪みの経年変化をモニタリングすることによる健全性の評価も考えられる。この際必要となる条件は、絶対、歪みが計測可能であるかということになる。
人工衛星の振動計測には、加速度センサーが主に使用されているが、衛星全体システムの制限から、チャンネル数の制限がある。しかし、光ファイバセンサーのような単純構成の分布型センサーが可能となれば、人工衛星の振動特性把握に対する寄与は大きなものとなる。その際には、当然ながら計測周波数に対応した応答性が要求される。
【０００３】
これまで光ファイバを用いたセンサー系としては様々なものが提案されている。その一つに光ファイバのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたFiber Bragg Grating (ＦＢＧ)を、１本の光ファイバに複数個配置し、ＦＢＧが存在する位置の歪み、温度を計測するシステムがある。この方法では、広帯域の波長を有する入射光を用い、反射光の波長の変化量を観測して歪み、温度の計測を行う。ＦＢＧは１０ｍｍ程度の大きさであり一般的な歪みゲージのように局所的な計測を行うことが可能であり、さらに歪みゲージと異なり絶対歪みの計測も可能である。また、現在製品化されているシステムでは、数十Ｈｚ程度の応答速度を有する。因みにこの種のものとして特許文献１「多点型歪み及び温度センサ」がある。これは多点での計測に適し、しかも温度と共に正確な歪みを計測できる多点型歪み及び温度センサを提供することを目的としたもので、図１０に示すように歪みに応じて光反射ピーク波長が変化するＦＢＧａを光ファイバｂに直列に複数挿入し、この光ファイバｂの一端より各ＦＢＧａからの特定波長ｌの反射光量をＯＴＤＲ（Optica1 Time Domain Ref1ectometory）で測定すると共に、光ファイバｂ中からの後方散乱光をＢＯＴＤＲ（Brillouin Optica1 Time Domain Ref1ectometory）で測定することにより光ファイバｂの長手方向に沿った温度分布を求め、この温度分布に基づき各ＦＢＧａの温度依存による反射光量変化分を補正し、この温度補正された反射光量から各ＦＢＧａにおける正確な歪み量を求めるというものである。パルス状の入力光を使用し、反射光の到達時間により位置の特定を行う。しかし、この測定方式は反射光の波長のシフト量を検出するため、計測レンジ及び光源帯域の広さにより、１本の光ファイバ当たりの計測点数(ＦＢＧセンサーの数)が制限される。多重化の方法もいくつか提案されているが、システムが複雑化するため、いずれも安定性、コストなどの面の問題を有している。
【０００４】
これらを踏まえ、本発明者らが注目したのは、Optical Flequency Domain Reflectometry(ＯＦＤＲ)を使用したシステムである。このシステムは、ＦＢＧ型センサーの多重化技術の一つにも分類できるもので、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を１本の光ファイバーに複数個配置すると共に、波長可変型の狭帯域光源を用い、計測部からの反射光と参照反射面からの反射光の干渉による光強度変化を見てＦＢＧセンサーの位置を測定し特定するものである。これまで、Childersらによる８ｍの光ファイバーに８００個のＦＢＧを配置し、４本の光ファイバーで計３０００点以上の歪み同時計測を行った例が報告（非特許文献１，非特許文献２）されているが、計測とデータのオフライン解析には数分の時間を要している。
すなわち、従来の解析方式では高速フーリエ変換及びその逆変換を用いて、個別のＦＢＧに対して反射特性を求めていた。従来技術では静的計測のみを行っていたが、将来的な構造物等の動的計測を念頭に置いた場合、従来の解析手法では計測の高速化は困難であると考える。また、従来の解析手法では、個々のＦＢＧの反射特性を求める方法に関して十分な記載がなされていない。更には、従来の解析手法では、光源の波長出力値を基準にＦＢＧセンサー部での歪み量を求めていた。この場合、計測精度が光源の波長出力精度大きく左右されるといった問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１４１９２２号公報
【非特許文献１】
Brook A. Childers aand etc.,“Use of 3000 Bragg Grating Strain Sensor Distributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of a Composite Structure,”SPIE's 8th International Symposium on Smart Structure and Materials, Newport Beach, Califorornia, March4-8, 2001.
【非特許文献２】
Mark Frogatt and Jason Moore “Distributed measurement of static strain in an optical fober with multiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths”APPLIDE OPTICS Vol.37 No.10, 1 April 1998.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の問題点を踏まえ、光ファイバーに複数個のＦＢＧを配置し、ＯＦＤＲを用いた多点歪み計測システムにおいて、データ解析手法の改善を行い、計測のリアルタイム性、応答速度の向上を目指すことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
提案するＯＦＤＲ式光ファイバー多点歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング(ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用してＦＢＧセンサーの位置を特定し各ＦＢＧの反射光中心光波数の変化量からＦＢＧセンサーが存在する位置の歪みや温度を計測するシステムを応用したものであり、新規の技術的思想として
１ 従来の解析方式では個別のＦＢＧ毎に高速フーリエ変換及びその逆変換を用いていたが、本方式ではこれをデジタルのバンドパスフィルターを利用することでその処理速度を高速化できる。
２ 上記、バンドパスフィルター後の取得データに対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターをかけることで光強度の包絡線を求めて歪み量の解析を行うことで計測時の安定性を確保することが可能となる。
３ ＦＢＧアレイの応用として、ＦＢＧのひとつを光源波長補正及び温度補正のための参照(リファレンス)として利用することで、歪み計測精度の飛躍的な向上が可能となる。
４ ファイバー上にＦＢＧを配置する間隔と同じ光路差の全反射終端をもつ参照用干渉器を備え、該参照用干渉器のディテクタで計測される光強度をトリガーとして、各ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタで計測する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のＯＦＤＲによる歪計測手法の原理について説明する。光ファイバ多点歪み計測において、問題になるのは、計測点の位置と歪みを、如何に特定するかという点である。ここでは、簡単な１個のＦＢＧを有するＯＦＤＲ光ファイバセンサ系を例に挙げ、センサ位置と歪みがその反射特性に与える影響を示す。
まず、光ファイバセンサー系の反射特性についてであるが、波長可変型レーザ光源（ＶＳ）、光強度ディテクタ（Ｄ）、全反射終端（Ｒ）、及びＦＢＧセンサー（ＦＢＧ）を図１に示すように配置して光ファイバで結線する。波長可変型光源から入射されたある波長を持ったレーザー光は、カプラ（Ｃ）で分岐され、反射終端及びＦＢＧセンサー部で反射し、その後カプラで再び合成され、ディテクタでその強度が検出される。ＦＢＧからの反射光は、ある波長の光のみを強く反射するため、横軸を光波数ｋとその反射光強度の関係は、図１下段右のような形となる。また、ピークを示す光波数ｋの値は、ＦＢＧの特性に基づき当該ＦＢＧ部での歪みの大きさに依存して変化する。ここで、光波数ｋと波長λの値は以下の関係を有する。
ｋ＝２π／λ (１)
一方、ＦＢＧからの反射光と全反射終端Ｒからの反射光は光路差２Ｌを有するので、光ファイバの屈折率をｎとするとその光には２ｎＬの位相差が生じ、合成された光信号は以下に示すように、光波数ｋに依存して正弦関数的に変化する。全反射終端Ｒからの反射光とＦＢＧからの反射光の光強度が等しかったとすると次式のように
Ａｍｐ＿ＩＴＦ＝ＡCOS(２ｎＬｋ） (２)
すなわち、この関係は図１下段中央に示すようになる。
前述した二つの作用により、ディテクタで検出される光強度は、光波数ｋに対して図１下段左に示すように、ある周期とピークを持った形で変化するものとなる。この周期から行路差２ＬつまりＦＢＧセンサーの位置を、ピークを示す光波数ｋの値から歪みの値を推定することが可能となる。
ＦＢＧが複数個存在する場合においても、それぞれのＦＢＧに対応して光路差が異なるため、その光路差に依存する周波数に着目することによりそれぞれのＦＢＧの位置が決定され、またそれぞれピークを示す光波数を求めることにより各ＦＢＧでの否みの値を決定することができる。
【０００９】
次ぎにデータの解析手法について説明する。データ解析の大まかな流れを、図２に示した。図中左側にChildersらが行った解析（非特許文献１，２）の流れを、右側に本発明の解析の流れを示している。Childersらは、最初にディテクタで観測された光強度を、光波数ｋの関数としてＰＣに取り込んだ後に解析を行っている。前述したように、観測される光強度を光波数の関数として表した場合、行路差２Ｌは周波数のように作用する。従って、光波数の関数に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうと、光ファイバ上に複数のＦＢＧが存在する場合には、各ＦＢＧからの反射光強度が、図中上のグラフのようにそれぞれの位置に対応して分離された形で表される。一つのＦＢＧに着目して、フィルターを介してその位置の成分のみを抜き出し逆高速フーリエ変換を施すと、着目したＦＢＧからの反射光の強度のみが、図中下のグラフのように光波数の関数として求まる。ここで、ピークを示す光波数はＦＢＧでの歪みの値に比例して変化するので、その変化量を観測することにより、着目したＦＢＧでの歪み量を検出することができる。Childersらは、上記のデータ処理をオフラインで行っている。
【００１０】
ところで、光ファイバ上にＦＢＧを複数配置したとしても、それぞれのセンサーの光ファイバ上での位置を予め把握し確定しておくことは一般に可能なことである。即ち各ＦＢＧ間の距離Ｌを既知としておけば、前述したように光路差２Ｌに基づく位相差２ｎＬが周波数のように作用するので、予め各ＦＢＧに対応してバンドパスフィルターを設計しておき、ディテクタで計測される光強度に対してフィルタリングを行えば、着目したＦＢＧからの反射光を選択的に観測することができる。これが本発明の基本的技術思想である。すなわち、従来手法のＦＦＴ処理から逆ＦＦＴ処理までのプロセスを抜きにして直接下のグラフの信号を抽出する。この信号抽出手法は従来の高速フーリエ変換を行う信号処理に比べ格段に処理時間が短縮できる。その後は、上記と同様の手順で光波数のピーク値の遷移量を求め、着目したＦＢＧでの歪み値が求められる。この信号処理手法は、バンドパスフィルターの設計などの手間はあるが、一旦システムが仕上がれば計測時の演算量が大幅に軽減されるので、オンラインリアルタイムの計測を可能にするものと考えられる。
【００１１】
図３に複数のＦＢＧからの反射光と参照反射面からの反射光が合成された光の強度をディテクタにより計測したときの計測結果を、縦軸に光強度を横軸に光波数をとって表示したものである。右の図はピーク部分の横軸を拡大して表示したものである。行路差による干渉により、光強度が光波数に対して周期的に変化していることが見て取れる。
１つのＦＢＧに着目し、参照反射面との行路差に対応して決まる周波数のみを通すバンドパスフィルターを設計し、図１に示した計測結果に対してこのフィルター処理を施す。これにより、着目したＦＢＧからの反射光の成分のみを抜き出すことができる。図４がその結果であるが、単一周期を持った波が振幅変調している形となっている。図４の左側に示すように、ＦＢＧはある光波数の光のみを強く反射する特性を持つ。反射光の強度が最大になる光波数を中心光波数と呼ぶこととし、該中心光波数はＦＢＧに作用する歪みや温度によって値が変化する。図４の最大値を示す光波数をそのまま中心光波数とすることは可能であるが、右側に示す拡大図から分かるように最大値付近は微妙に振幅が変化しているため、安定した中心光波数を得ることは困難となる。そこで、本発明では安定した中心光波数を抽出する手法を提示する。
【００１２】
本発明では、図４に示される波形の包絡線信号を作り、その信号から中心光波数を得ることとする。すなわち、図４に示す波形に対して絶対値をとり、適当なデジタルローパスフィルターによる処理を施すことにより着目ＦＢＧからの反射特牲が得られる。その得られた信号が図５に示す波形である。この波形のピーク値から光波数を特定することになるがこのピーク値近傍は細かく振れているため、本発明では、包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の所定比率の値を示す上下両側光波数の値の中心値を検出光波数として割り出す方法を採用した。最大振幅値の所定比率として本発明者はピーク値の１／２をとるようにしたが、必ずしも１／２に特定されるものではない。同じ振幅値をとる２つの光波数の中央値を、中心光波数として採用することにより、反射特性最大値付近の細かな変動を取り除くことができ、中心光波数として非常に安定した値を得ることが可能となる。
この処理を複数のＦＢＧに対して施し、各ＦＢＧからの中心光波数を抽出する。５個のＦＢＧを用いた場合の結果をまとめて図６に示す。個々のＦＢＧの反射光の中心光波数は各ＦＢＧに作用する歪みと温度によって変化する。ここでは、歪みが作用しない１つのＦＢＧ（図６ではＦＢＧ５）の中心光波数を基準として、その他のＦＢＧの中心光波数変化を求める。これにより光源の不安定性を取り除くことができるし、また全てのＦＢＧが同一温度であるとすれば温度補正も可能となって、各ＦＢＧセンサー部の正確な歪みを得ることができる。
【００１３】
【実施例１】
次に、本発明に係る光ファイバセンサー系の実施例の概要を示す。図７はその基本構成を示す図で、図中の波線で囲まれた部分が筐体(430mm×330mm×105mm)に収納されており、その重量は6.2ｋｇである。主要構成品は以下の通りである。
Ｄ1,Ｄ2,Ｄ3,Ｄ4 光強度ディテクタ
Ｃ1 ５％−９５％広帯域カップラ
Ｃ2-Ｃ5 ５０％−５０％広帯域カップラ
Ｒ1-Ｒ4 全反射が起きるような終端
ＦＣ／ＰＣ1-3 光ファイバ結合用FC/PCコネクタ
ＢＮＣ1-3 光強度電圧変換出力用BNCコネクタ
ＦＢＧ1-2 ＦＢＧを５個配置した光ファイバ
計測部である５個のＦＢＧを配置した光ファイバの模式図を図８に示す。模式図ではＦＢＧ部は太く記載されているが、実際はレーザー光を用いてファイバ・コア部の屈折率を周期的に変化させることにより製作されており、光ファイバ一般部分と太さの変化はない。また、今回作製したＦＢＧの光透過特性を計測した結果を、図９に示す。このＦＢＧでは波長1550.2ｍｍの光の透過特性が0.18ｄＢとなっている。これは、その波長の光を４％程度ＦＢＧ部で反射していることを表す。他のすべてのＦＢＧも、これとほぼ同じ反射率特性有する。
計測は波長可変型光源よりレーザー光を供給し、波長をスイープさせながらディテクタ部で反射光の強度を測定する。前述したようにデータ処理には高速フーリエ変換やデジタルのフィルターを使用するので、一定間隔の光波数毎に計測を行う必要がある。そのため、本実施例では図７の上部に対応する参照用干渉器を別に用意する。ディテクタＤ1で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔△ｋで周期的に変化する。
△ｋ＝π／ｎＬ （３）
光波数に対して周期的に変化するディテクタＤ1での光強度をトリガーとして使用して、センサー部である各ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタＤ2、Ｄ3で計測する。データ取得には一般的なＡ／Ｄコンバーターを用い、ＰＣにて解析を行なうようにした。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の多点歪計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたＦＢＧを１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用するＯＦＤＲにおいて、検出光信号を予め帯域を設定したバンドパスフィルターを介することにより、特定位置のＦＢＧからの信号を分離抽出するようにしたので、従来の個別のＦＢＧ毎に高速フーリエ変換及びその逆変換をしていた信号処理に較べ格段に解析処理が行なえるようになった。
また、バンドパスフィルター後段のデータ信号に対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターを通すことで周波数に対する光強度の包絡線信号を求める手段と、該包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の例えば１／２などの所定比率の位置にある両側光波数の値の中心値を中心光波数として割り出す手段と、該中心光波数に基づき歪み量の解析を行う手段とを備えた本発明の多点歪計測装置では、安定した中心光波数が得られるため、精度の良い歪量の解析が可能となった。
【００１５】
更に、複数のＦＢＧを配置した中で、歪が掛かっていないひとつのＦＢＧのデータを光源波長補正及び温度補正のためのリファレンスとして利用する本発明の多点歪計測装置は、歪み計測精度の飛躍的な向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基礎となるＯＦＤＲの原理を説明する図である。
【図２】従来技術と本発明の検出データの解析方法の比較図である。
【図３】複数のＦＢＧと参照反射面からの合成反射光の強度を波長に対して示した図である。
【図４】バンドパスフィルタを介して特定のＦＢＧに対応する合成反射光を抽出し、その光の強度を波長に対して示した図である。
【図５】図４の波形の絶対値の包絡線波形から中心波長を決める方法を説明する図である。
【図６】５つのＦＢＧの反射特性を示す図である。
【図７】本発明の１実施例である光ファイバセンサー系の構成を示す図である。
【図８】複数のＦＢＧを１本のファイバに配置したものを模式的に示した図である。
【図９】ＦＢＧの光透過特性を示す図である。
【図１０】従来のＦＢＧを用いた多点歪み及び温度センサの基本構成を示す図である。
【符号の説明】
ＶＳ 波長可変型レーザ光源 Ｄ ディテクタ
Ｒ 全反射終端 Ｃ カップラ
ＦＢＧ ＦＢＧセンサ
ＦＣ／ＰＣ 光ファイバ結合用コネクタ
ＢＮＣ 光強度電圧変換用出力コネクタ
Claims (2)
- 光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を１本の光ファイバーに複数個配置して、計測部からの反射光と参照反射面からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用する測定方式（ＯＦＤＲ）において、光波数の関数として検出される光強度信号を予め帯域を設定したバンドパスフィルターを介することにより、特定位置のＦＢＧからの信号を瞬時に分離する機能をもたせたことを特徴とする多点歪計測装置。
- バンドパスフィルター後段のデータ信号に対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターを通すことで周波数に対する光強度の包絡線信号を求める手段と、該包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の所定比率の値を示す上下両側光波数の中心値を中心光波数として割り出す手段と、該中心光波数に基づき歪み量の解析を行う手段とを備えた請求項１に記載の多点歪計測装置。
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