WO2023021557A1 - センシングシステム、センシング方法、及び解析装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a sensing system using OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry), a sensing method, and an analyzer therefor.
- OFDR Optical Frequency Domain Reflectometry
- Fig. 1 is a diagram explaining the sensing principle using OFDR.
- OFDR employs frequency swept light as probe light. Then, the spectrum S( ⁇ ) (FIG. 1(B)) can be analyzed by Fourier transforming the waveform r( ⁇ ) (FIG. 1(A)) of the Rayleigh backscattered light for the probe light of the optical fiber ( See, for example, Non-Patent Document 1).
- the spectrum S( ⁇ ) of the backscattered light fluctuates (spectral shift) with respect to the strain and temperature of the optical fiber. For this reason, by detecting how much the reference spectrum S ref obtained in the reference measurement has moved at each measurement (spectral shift ⁇ ), the amount of change in the strain and temperature of the optical fiber can be calculated as follows. (For example, see Non-Patent Document 2.).
- ⁇ is the spectral shift
- ⁇ 0 is the center frequency of the probe light
- ⁇ is the strain
- T is the temperature.
- the cross-correlation between the spectrum obtained in the previous reference measurement and the spectrum obtained in each measurement was calculated. That is, of the spectrum obtained in the reference measurement, the part included in the frequency sweep width ⁇ F is used as the reference spectrum S ref , and the spectrum obtained in each measurement has the same waveform as the reference spectrum S ref .
- the amount of shift was obtained by how much the partial S'ref fluctuated.
- FIG. 2 is a diagram for explaining a problem of the conventional spectral shift amount detection method.
- a portion of the waveform S' ref that is the same as the reference spectrum S ref is within the measurement band (frequency sweep width ⁇ F). Therefore, the cross-correlation between the reference spectrum and the spectrum obtained in the first measurement can be calculated, and the spectral shift ⁇ can be detected.
- the waveform S'ref which is the same as the reference spectrum Sref , fluctuates completely outside the measurement band (frequency sweep width ⁇ F). Therefore, the cross-correlation between the reference spectrum and the spectrum obtained in the second measurement cannot be calculated, and the spectral shift ⁇ cannot be detected.
- the present invention aims to provide a sensing system, a sensing method, and an analysis device using OFDR in which the strain/temperature sensing range is less likely to be limited by the frequency sweep width.
- the sensing system uses the part included in the frequency sweep width ⁇ F of the spectrum acquired in the immediately preceding measurement as the reference spectrum instead of the reference measurement.
- the sensing system is a sensing system comprising a measurement device and an analysis device
- the measuring device is Repeatedly perform measurement using OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) for obtaining the spectrum of backscattered light by inputting the probe light whose frequency has been swept once into the optical fiber
- the analysis device is calculating an individual spectral shift that is the amount of change in the spectrum obtained in the current measurement using the spectrum obtained in the immediately preceding measurement as a reference spectrum;
- the individual spectral shifts at each measurement up to the current measurement are integrated to obtain the spectral shift at the time of the current measurement.
- the sensing method includes: Inputting probe light whose frequency has been swept once into an optical fiber and repeatedly performing measurement using OFDR to obtain a spectrum of backscattered light; calculating an individual spectral shift, which is the amount of change in the spectrum obtained in the current measurement, using the spectrum obtained in the previous measurement as a reference spectrum; and calculating the individual spectrum in each measurement up to the current measurement.
- the shift is integrated to obtain the spectral shift at the time of the current measurement.
- the analysis apparatus inputs the probe light whose frequency has been swept once into the optical fiber, repeats the measurement using OFDR to acquire the spectrum of the backscattered light, and analyzes the spectrum obtained by the measurement.
- the present invention sequentially updates the reference spectrum to the spectrum measured immediately before each measurement by one frequency sweep of the probe light, so that the n-th measurement and (n- 1) Determine the spectral shift from the second measurement, and integrate the spectral shift determined from each measurement.
- the sensing range can be expanded by repeating the spectrum measurement at high speed so as to satisfy this condition and successively updating the reference spectrum.
- the present invention can provide a sensing system, sensing method, and analysis device using OFDR in which the strain/temperature sensing range is less likely to be limited by the frequency sweep width.
- the present invention can provide a sensing system, sensing method, and analysis device using OFDR in which the strain/temperature sensing range is less likely to be limited by the frequency sweep width.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the sensing system of this embodiment.
- This sensing system is a sensing system comprising a measuring device 11 and an analyzing device 12,
- the measurement device 11 inputs the probe light whose frequency has been swept once into the optical fiber 13, and repeatedly performs measurement using OFDR for acquiring the spectrum of the backscattered light,
- the analysis device 12 is calculating an individual spectral shift that is the amount of change in the spectrum obtained in the current measurement using the spectrum obtained in the immediately preceding measurement as a reference spectrum;
- the individual spectral shifts for each measurement up to the current measurement are integrated to give the spectral shift at the time of the current measurement.
- FIG. 4 is a flowchart for explaining the sensing method performed by this sensing system.
- This sensing method is inputting the probe light whose frequency has been swept once into the optical fiber 13, and repeating measurement using OFDR for acquiring the spectrum of the backscattered light (step S11); calculating an individual spectral shift that is the amount of change in the spectrum obtained in the current measurement using the spectrum obtained in the immediately preceding measurement as a reference spectrum (step S12); and in each measurement up to the current measurement to obtain the spectral shift at the time of the current measurement (step S13) characterized by Note that step S01 is a process corresponding to the reference measurement described with reference to FIG. 1, and is the 0th measurement.
- FIG. 5 is a diagram explaining an example of a spectrum acquired by this sensing method.
- the measuring device 11 uses OFDR to measure the spectrum S( ⁇ ) from the Rayleigh backscattered light for the probe light of the optical fiber 13 (step S01a ).
- the analysis device 12 detects a waveform included in the frequency sweep width ⁇ F from the spectrum S( ⁇ ) as the reference spectrum S ref0 (step S01b).
- the measuring device 11 similarly uses OFDR to measure the spectrum S( ⁇ ) from the Rayleigh backscattered light of the probe light of the optical fiber 13 (step S11).
- the analysis device 12 detects the waveform included in the frequency sweep width ⁇ F in the spectrum S( ⁇ ) as the reference spectrum S ref1 and updates it as a new reference spectrum (step S12a).
- the analysis device 12 also calculates how much the reference spectrum S ref0 has moved (spectrum shift ⁇ 1 ) in the spectrum S( ⁇ ) of the first measurement using a mutual function (step S12b).
- This sensing system repeats steps S11 and S12 N times (N is an integer equal to or greater than 2). That is, the measurement device 11 repeats the above measurements N times, and the analysis device 12 sequentially updates the reference spectrum S refn for each measurement, thereby calculating the spectral shift ⁇ n between the nth and n ⁇ 1th measurements. (n is an integer from 1 to N).
- the spectral shift ⁇ n must be smaller than the frequency sweep width ⁇ F because it is calculated using cross-correlation. [Number 5]
- ⁇ F If the spectral shift ⁇ n between the n-th time and the (n ⁇ 1)-th time is within the measurement band, the shift amount can be calculated by cross-correlation. In other words, even when the shift amount from the spectrum S( ⁇ ) of the reference measurement becomes large and the spectrum shift ⁇ cannot be calculated as in the conventional measurement, the present sensing system can detect the reference spectrum S ref(n ⁇ If the shift amount from 1) is within the measurement band, the spectral shift ⁇ n can be calculated.
- the analysis device 12 obtains the spectral shift ⁇ at the time N ⁇ t by finally accumulating the spectral shift ⁇ n with respect to n as in the following equation (step S13).
- ⁇ t is the OFDR sampling rate, which is the reciprocal of the repetition frequency of the probe light.
- the present sensing system can detect the spectrum S( ⁇ ) of the previous measurement whose shift amount is within the measurement band. ) and sequentially updating the reference spectrum, it is possible to make it appear as if the measurement band (sensing range) has been extended without substantially impairing the sensing speed.
- the analysis device described above can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
- FIG. 6 is a diagram explaining the result of comparing the present sensing system and a conventional sensing system.
- the system configuration is shown in FIG. 3, and the measurement conditions are as follows.
- ⁇ OFDR optical frequency sweep range 2 GHz - Vibration given to measurement target 20: sine wave (vibration frequency 10 Hz, amplitude 13 ⁇ )
- ⁇ Conversion factor from spectral shift to distortion -151 MHz/ ⁇ e
- FIG. 6(A) is a spectrum measured with a conventional sensing system.
- the horizontal axis is time (seconds) and the vertical axis is the swept optical frequency (GHz).
- FIG. 6(B) is a distorted waveform obtained by calculating a spectral shift from the spectrum of FIG. 6(A) by cross-correlation (correlation peak search) and converting the spectral shift into distortion.
- the horizontal axis is time (seconds) and the vertical axis is strain ( ⁇ ).
- FIG. 6(C) is the spectrum (cross-correlation with the previously measured spectrum) measured by this sensing system.
- the horizontal axis is time (seconds) and the vertical axis is spectral shift (MHz).
- FIG. 6(D) is obtained by calculating the temporal change of the spectral shift by searching the correlation peak of the spectrum of FIG. 6(C).
- the horizontal axis is time (seconds) and the vertical axis is spectral shift (MHz).
- FIG. 6(E) is a distorted waveform obtained by integrating the time change of the spectral shift in FIG. 6(D) and converting the spectral shift into distortion.
- the horizontal axis is time (seconds) and the vertical axis is strain ( ⁇ ).
- the time change of the spectrum shift is within the frequency sweep width of 2 GHz, and the vibration with an amplitude of 12 ⁇ can be measured correctly.
- the sensing range is expanded by repeating the spectrum measurement at high speed and updating the reference spectrum to satisfy this condition. can be expanded.
- Fig. 7 is a table comparing the performance of a conventional sensing system and this sensing system.
- the sensing performance of OFDR is determined by the type of probe light source. If a variable wavelength light source is used, the repetition frequency of the probe light is 10 Hz at maximum, and the frequency sweep width of the probe light is 2 THz at maximum. In this case, in the conventional sensing system, the maximum strain of 13 m ⁇ and the maximum temperature change of 1500 K are measurement limits, and only low-speed sensing could be realized under extreme environments such as large strain/large temperature change.
- the performance of the conventional sensing system is such that high-speed sensing is possible, while distortion of up to 66 ⁇ , A maximum temperature change of 7.5 K is the measurement limit (small strain/small temperature change).
- Measurement device 12 Analysis device 13: Optical fiber 20: Measurement object
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Abstract
本発明は、ひずみ/温度のセンシングレンジが周波数掃引幅で制限されにくいOFDRを用いたセンシングシステム、センシング方法、及び解析装置を提供することを目的とする。 本発明に係るセンシングシステムは、OFDRを用いたセンシング方法において、プローブ光の1回の周波数掃引による1回の測定ごとに参照スペクトルを直前に測定されたスペクトルに逐次更新することでn回目の測定と(n-1)回目の測定との間のスペクトルシフトを求め、各回の測定で求めたスペクトルシフトを積分する。
Description
本開示は、OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いたセンシングシステム、センシング方法、及びその解析装置に関する。
図1は、OFDRを用いたセンシング原理を説明する図である。OFDRは、周波数掃引光をプローブ光として採用する。そして、光ファイバのプローブ光に対するレイリー後方散乱光の波形r(τ)(図1(A))をフーリエ変換することでスペクトルS(ν)(図1(B))を解析することができる(例えば、非特許文献1を参照。)。
M. Froggatt and J. Moore, "High-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter," Appl. Opt., vol. 37, no. 10, pp. 1735-1740, 1998.
Y. Koyamada, M. Imahara, K. Kubota, and K. Hogari, "Fiber-optic distributed strain and temperature sensing with very high measurand resolution over long range using coherent OTDR," IEEE J. Lightw. Technol., vol. 27, no. 9, pp. 1142-1146, 2009.
図1(B)のスペクトルシフトΔνは相互相関を用いて算出されるため、周波数掃引幅ΔFより小さくなければならない。
[数2]
|Δν|<ΔF
そのため、歪みεと温度Tのセンシングレンジはそれぞれ次式で与えられる。
[数2]
|Δν|<ΔF
そのため、歪みεと温度Tのセンシングレンジはそれぞれ次式で与えられる。
図1(B)で説明するように、従来のスペクトルシフト量検出方法では、事前の参照測定で得られたスペクトルと各回の測定で得られたスペクトルとの相互相関を算出していた。つまり、参照測定で得られたスペクトルのうち、周波数掃引幅ΔFに含まれる部分を参照スペクトルSrefとして基準とし、各回の測定で得たスペクトルに含まれている、参照スペクトルSrefと同じ波形の部分S’refがどれだけ変動したかでシフト量を得ていた。
図2は、従来のスペクトルシフト量検出方法の課題を説明する図である。
1回目の測定では、参照スペクトルSrefと同じ波形S’refの一部が測定帯域(周波数掃引幅ΔF)内にある。このため、参照スペクトルと1回目測定で得られたスペクトルとの間の相互相関を計算でき、スペクトルシフトΔνを検出可能である。
一方、2回目の測定では、参照スペクトルSrefと同じ波形S’refが完全に測定帯域(周波数掃引幅ΔF)の外まで変動している。このため、参照スペクトルと2回目測定で得られたスペクトルとの間の相互相関を計算できず、スペクトルシフトΔνを検出できない。
1回目の測定では、参照スペクトルSrefと同じ波形S’refの一部が測定帯域(周波数掃引幅ΔF)内にある。このため、参照スペクトルと1回目測定で得られたスペクトルとの間の相互相関を計算でき、スペクトルシフトΔνを検出可能である。
一方、2回目の測定では、参照スペクトルSrefと同じ波形S’refが完全に測定帯域(周波数掃引幅ΔF)の外まで変動している。このため、参照スペクトルと2回目測定で得られたスペクトルとの間の相互相関を計算できず、スペクトルシフトΔνを検出できない。
このように、参照測定で得られた参照スペクトルSrefと同じ波形S’refの部分が周波数掃引幅ΔFの範囲の外に変動してしまうと、スペクトルシフトΔνを検出できない。つまり、従来のOFDRを用いたセンシングには、ひずみ/温度のセンシングレンジが周波数掃引幅ΔFで制限されるという課題があった。
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、ひずみ/温度のセンシングレンジが周波数掃引幅で制限されにくいOFDRを用いたセンシングシステム、センシング方法、及び解析装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るセンシングシステムは、参照測定ではなく、直前の測定で取得したスペクトルのうちの周波数掃引幅ΔFに含まれる部分を参照スペクトルとすることとした。
具体的には、本発明に係るセンシングシステムは、測定装置と解析装置を備えるセンシングシステムであって、
前記測定装置は、
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いた測定を繰り返し行い、
前記解析装置は、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする
ことを特徴とする。
前記測定装置は、
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いた測定を繰り返し行い、
前記解析装置は、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする
ことを特徴とする。
また、本発明に係るセンシング方法は、
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行うこと、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算すること、及び
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとすること
を特徴とする。
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行うこと、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算すること、及び
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとすること
を特徴とする。
さらに、本発明に係る解析装置は、周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し、前記測定で得られたスペクトルを解析する解析装置であって、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする
ことを特徴とする。
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする
ことを特徴とする。
本発明は、OFDRを用いたセンシング方法において、プローブ光の1回の周波数掃引による1回の測定ごとに参照スペクトルを直前に測定されたスペクトルに逐次更新することでn回目の測定と(n-1)回目の測定との間のスペクトルシフトを求め、各回の測定で求めたスペクトルシフトを積分する。
スペクトルシフトの変化量がプローブ光の周波数掃引幅より小さければ測定できるため、この条件を満たすようにスペクトル測定を高速に繰り返し行い、参照スペクトルを逐次更新することで、センシングレンジを拡大できる。
従って、本発明は、ひずみ/温度のセンシングレンジが周波数掃引幅で制限されにくいOFDRを用いたセンシングシステム、センシング方法、及び解析装置を提供することができる。
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。
本発明は、ひずみ/温度のセンシングレンジが周波数掃引幅で制限されにくいOFDRを用いたセンシングシステム、センシング方法、及び解析装置を提供することができる。
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。
図3は、本実施形態のセンシングシステムを説明する図である。本センシングシステムは、測定装置11と解析装置12を備えるセンシングシステムであって、
測定装置11は、周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバ13へ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行い、
解析装置12は、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする。
測定装置11は、周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバ13へ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行い、
解析装置12は、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする。
図4は、本センシングシステムが行うセンシング方法を説明するフローチャートである。本センシング方法は、
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバ13へ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行うこと(ステップS11)、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算すること(ステップS12)、及び
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとすること(ステップS13)
を特徴とする。
なお、ステップS01は、図1で説明した参照測定に相当する工程であり、0回目の測定になる。
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバ13へ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行うこと(ステップS11)、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算すること(ステップS12)、及び
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとすること(ステップS13)
を特徴とする。
なお、ステップS01は、図1で説明した参照測定に相当する工程であり、0回目の測定になる。
図5は、本センシング方法で取得するスペクトルの例を説明する図である。図5を用いて本センシングシステムのセンシング原理を説明する。
まず、測定装置11は、0回目の測定として、図1で説明したように、OFDRを利用して、光ファイバ13のプローブ光に対するレイリー後方散乱光からスペクトルS(ν)を測定する(ステップS01a)。解析装置12は、当該スペクトルS(ν)のうち、周波数掃引幅ΔFに含まれる波形を参照スペクトルSref0として検出する(ステップS01b)。
まず、測定装置11は、0回目の測定として、図1で説明したように、OFDRを利用して、光ファイバ13のプローブ光に対するレイリー後方散乱光からスペクトルS(ν)を測定する(ステップS01a)。解析装置12は、当該スペクトルS(ν)のうち、周波数掃引幅ΔFに含まれる波形を参照スペクトルSref0として検出する(ステップS01b)。
次に、測定装置11は、1回目の測定として、同様に、OFDRを利用して、光ファイバ13のプローブ光に対するレイリー後方散乱光からスペクトルS(ν)を測定する(ステップS11)。解析装置12は、当該スペクトルS(ν)のうち、周波数掃引幅ΔFに含まれる波形を参照スペクトルSref1として検出し、新たな参照スペクトルとして更新する(ステップS12a)。また、解析装置12は、参照スペクトルSref0が1回目の測定のスペクトルS(ν)において、どれだけ移動したか(スペクトルシフトΔν1)を相互関数を用いて算出する(ステップS12b)。
本センシングシステムは、ステップS11とステップS12をN回(Nは2以上の整数)繰り返す。つまり、測定装置11は、上記測定をN回繰り返し、解析装置12は、測定ごとに参照スペクトルSrefnを逐次更新することで、n回目とn-1回目の測定間のスペクトルシフトΔνnを算出する(nは1以上N以下の整数)。
ここで、図1(B)で説明したように、スペクトルシフトΔνnは相互相関を用いて算出するため、周波数掃引幅ΔFより小さくなければならない。
[数5]
|Δνn|<ΔF
これは、n回目とn-1回目間のスペクトルシフトΔνnが測定帯域内であれば、シフト量を相互相関で算出可能である。つまり、本センシングシステムは、従来の測定のように、参照測定のスペクトルS(ν)からシフト量が大きくなりスペクトルシフトΔνを算出できないような場合でも、直前の測定の参照スペクトルSref(nー1)からのシフト量が測定帯域内であればスペクトルシフトΔνnを算出可能となる。
[数5]
|Δνn|<ΔF
これは、n回目とn-1回目間のスペクトルシフトΔνnが測定帯域内であれば、シフト量を相互相関で算出可能である。つまり、本センシングシステムは、従来の測定のように、参照測定のスペクトルS(ν)からシフト量が大きくなりスペクトルシフトΔνを算出できないような場合でも、直前の測定の参照スペクトルSref(nー1)からのシフト量が測定帯域内であればスペクトルシフトΔνnを算出可能となる。
そして、解析装置12は、次式のように最終的にスペクトルシフトΔνnをnについて積算することで時刻NΔtにおけるスペクトルシフトΔνを得る(ステップS13)。
ここで、ΔtはOFDRのサンプリングレートであって、プローブ光の繰返し周波数の逆数である。
このように、本センシングシステムは、参照測定のスペクトルS(ν)からのシフト量が測定帯域を超えてしまうような場合でも、シフト量が測定帯域内である、直前の測定のスペクトルS(ν)を利用し、参照スペクトルを逐次更新することで実質的にセンシング速度を損なうことなく測定帯域(センシングレンジ)を拡張したように見せることができる。
(他の実施形態)
上述した解析装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
上述した解析装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
(実施例)
図6は、本センシングシステムと従来のセンシングシステムとを比較した結果を説明する図である。システム構成は図3であり、測定条件は次の通りである。
・OFDRの光周波数掃引範囲:2GHz
・測定対象20へ与える振動:正弦波(振動周波数10Hz、振幅13με)
・スペクトルシフトから歪みへの変換係数:-151MHz/μe
図6は、本センシングシステムと従来のセンシングシステムとを比較した結果を説明する図である。システム構成は図3であり、測定条件は次の通りである。
・OFDRの光周波数掃引範囲:2GHz
・測定対象20へ与える振動:正弦波(振動周波数10Hz、振幅13με)
・スペクトルシフトから歪みへの変換係数:-151MHz/μe
図6(A)は、従来のセンシングシステムで測定したスペクトルである。横軸は時間(秒)であり、縦軸は掃引された光周波数(GHz)である。図6(B)は、図6(A)のスペクトルを相互相関(相関ピーク探索)でスペクトルシフトを算出し、スペクトルシフトから歪みへ変換した歪波形である。横軸は時間(秒)であり、縦軸は歪(με)である。
従来のセンシングシステムは、センシングレンジが振動の振幅換算で6.5με(=2GHz÷151MHz/με÷2)しかないため、測定性能を超えている振幅12μεの振動を測定することができない。
図6(C)は、本センシングシステムで測定したスペクトル(前測定スペクトルとの相互相関)である。横軸は時間(秒)であり、縦軸はスペクトルシフト(MHz)である。図6(D)は、図6(C)のスペクトルを相関ピーク探索でスペクトルシフトの時間変化算出したものである。横軸は時間(秒)であり、縦軸はスペクトルシフト(MHz)である。図6(E)は、図6(D)のスペクトルシフトの時間変化を積分し、スペクトルシフトから歪みへ変換した歪波形である。横軸は時間(秒)であり、縦軸は歪(με)である。
本センシングシステムは、スペクトルシフトの時間変化が周波数掃引幅2GHzに収まっており,振幅12μεの振動を正しく測定できている。
(発明の効果)
従来のセンシングシステムは、数2で説明したように、スペクトルシフトΔνを相互相関を用いて算出するため、スペクトルシフトΔνが周波数掃引幅ΔFより小さくなければ測定できない。
一方、本センシングシステムは、次式のように、スペクトルシフトの変化量d(Δν)/dtを相互相関を用いて算出するため、スペクトルシフトの変化量d(Δν)/dtが周波数掃引幅ΔFより小さければ測定可能である。
つまり、本センシングシステムは、スペクトルシフトの変化量がプローブ光の周波数掃引幅より小さければ測定できるため、この条件を満たすようにスペクトル測定を高速に繰り返し行い、参照スペクトルを更新することでセンシングレンジを拡大できる。
従来のセンシングシステムは、数2で説明したように、スペクトルシフトΔνを相互相関を用いて算出するため、スペクトルシフトΔνが周波数掃引幅ΔFより小さくなければ測定できない。
一方、本センシングシステムは、次式のように、スペクトルシフトの変化量d(Δν)/dtを相互相関を用いて算出するため、スペクトルシフトの変化量d(Δν)/dtが周波数掃引幅ΔFより小さければ測定可能である。
つまり、本センシングシステムは、スペクトルシフトの変化量がプローブ光の周波数掃引幅より小さければ測定できるため、この条件を満たすようにスペクトル測定を高速に繰り返し行い、参照スペクトルを更新することでセンシングレンジを拡大できる。
図7は、従来のセンシングシステムと本センシングシステムとの性能を比較した表である。OFDRのセンシング性能はプローブ光源の種類で決まる。波長可変光源を利用すれば、プローブ光の繰返し周波数は最大10Hz、プローブ光の周波数掃引幅は最大2THzである。この場合、従来のセンシングシステムでは、最大13mεの歪、最大1500Kの温度変化が測定限界であり、歪み大/温度変化大のような極限環境下では低速なセンシングしか実現できなかった。また、プローブ光の繰返し周波数が100Hz以上、プローブ光の周波数掃引幅が最大2THzの外部変調光源を使用した場合、従来のセンシングシステムの性能は、高速センシングが可能となる一方、最大66μεの歪、最大7.5Kの温度変化が測定限界となる(歪み小/温度変化小)。
一方、本センシングシステムにおいて上述の波長可変光源を利用した場合、歪や温度変化の測定限界が無くなり、歪み大/温度変化大のような極限環境下で低速なセンシングが可能となる。また、本センシングシステムにおいて上述の外部変調光源を利用した場合も、歪や温度変化の測定限界が無くなり、歪み大/温度変化大のような極限環境下で高速なセンシングが可能となる。
11:測定装置
12:解析装置
13:光ファイバ
20:測定対象
12:解析装置
13:光ファイバ
20:測定対象
Claims (3)
- 測定装置と解析装置を備えるセンシングシステムであって、
前記測定装置は、
周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いた測定を繰り返し行い、
前記解析装置は、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする
ことを特徴とするセンシングシステム。 - 周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し行うこと、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算すること、及び
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとすること
を特徴とするセンシング方法。 - 周波数を1回掃引したプローブ光を光ファイバへ入力し、後方散乱光のスペクトルを取得するOFDRを用いた測定を繰り返し、前記測定で得られたスペクトルを解析する解析装置であって、
直前の前記測定で得られた前記スペクトルを参照スペクトルとして現在の前記測定で得られた前記スペクトルの変化量である個別スペクトルシフトを計算し、
現在の測定までの各測定での前記個別スペクトルシフトを積分して前記現在の測定の時刻におけるスペクトルシフトとする
ことを特徴とする解析装置。
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Citations (4)
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US20210231526A1 (en) * | 2019-02-22 | 2021-07-29 | Ryan Seeley | Multi-spectral feature sensing techniques and sensors |
-
2021
- 2021-08-16 WO PCT/JP2021/029927 patent/WO2023021557A1/ja active Application Filing
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