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JP2018146371A - Temperature-strain sensing device and temperature-strain sensing method - Google Patents

Temperature-strain sensing device and temperature-strain sensing method Download PDF

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JP2018146371A JP2017041300A JP2017041300A JP2018146371A JP 2018146371 A JP2018146371 A JP 2018146371A JP 2017041300 A JP2017041300 A JP 2017041300A JP 2017041300 A JP2017041300 A JP 2017041300A JP 2018146371 A JP2018146371 A JP 2018146371A
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邦弘 戸毛
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Abstract

【課題】センサ媒体の温度変化及び歪を検出装置及び方法を提供する。
【解決手段】複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル(以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。)を複数の空間チャネルについて測定する光反射測定手段と、測定した散乱スペクトルから散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出し、試験光の中心光周波数に対する複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、空間多重光ファイバの温度変化及び空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、空間多重光ファイバの温度変化及び空間多重光ファイバの歪を求める演算手段と、を備えることを特徴とする温度・歪センシング装置である。
【選択図】図3
An apparatus and a method for detecting temperature change and strain of a sensor medium are provided.
Using a spatially multiplexed optical fiber having a plurality of spatial channels as a sensor medium, optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light (hereinafter referred to as “optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light” and “scattering spectrum”) using test light. Light reflection measuring means for measuring a plurality of spatial channels, a scattering spectrum shift is calculated for the plurality of spatial channels from the measured scattering spectrum, and any two of the plurality of spatial channels with respect to the center optical frequency of the test light are calculated. By utilizing the fact that the ratio of the scattering spectrum shift of each of the two spatial channels is expressed by the temperature change of the spatial multiplexing optical fiber and the strain of the spatial multiplexing optical fiber, the temperature change of the spatial multiplexing optical fiber and the spatial multiplexing optical fiber A temperature / strain sensing device, comprising: .
[Selection] Figure 3

Description

本開示は、光ファイバの温度・歪を検出する温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法に関する。   The present disclosure relates to a temperature / strain sensing device and a temperature / strain sensing method for detecting temperature / strain of an optical fiber.

光ファイバは、無誘導、耐腐食、細径、軽量といった特性から、センサ媒体として有用である。光ファイバを用いた高感度なセンシング技術として、非特許文献1に示される後方レイリー散乱光の散乱スペクトルシフトを用いる方法がある。この方法では、光反射測定を用いて光ファイバの任意の距離地点における後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル(以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」を「散乱スペクトル」と称することがある。)を測定し、光ファイバの温度変化及び歪に対して散乱スペクトルがシフトする現象を利用する。以下、「散乱スペクトルのシフト」を「散乱スペクトルシフト」と称する。散乱スペクトルシフトΔνは温度変化ΔT及び歪εに対して次式の関係にある。

Figure 2018146371
The optical fiber is useful as a sensor medium because of its characteristics such as non-induction, corrosion resistance, small diameter, and light weight. As a highly sensitive sensing technique using an optical fiber, there is a method using a scattering spectrum shift of backward Rayleigh scattered light shown in Non-Patent Document 1. In this method, the optical frequency spectrum of the backward Rayleigh scattered light at an arbitrary distance point of the optical fiber using the light reflection measurement (hereinafter, the “optical frequency spectrum of the backward Rayleigh scattered light” may be referred to as “scattering spectrum”). ) And the phenomenon that the scattering spectrum shifts with respect to the temperature change and strain of the optical fiber. Hereinafter, the “scattering spectrum shift” is referred to as “scattering spectrum shift”. The scattering spectrum shift Δν has the following relationship with respect to the temperature change ΔT and strain ε.
Figure 2018146371

ここでνは、光反射測定における試験光の光中心周波数、K及びKεはそれぞれ温度変化、歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数である。KもしくはKεが既知である光ファイバを用いてΔνを測定し、式(1)の関係から温度変化及び歪を求めることができる。 Here, ν 0 is the optical center frequency of the test light in the light reflection measurement, and K T and K ε are the scattering spectrum shift proportional constants with respect to temperature change and strain, respectively. Δν is measured using an optical fiber having a known KT or K ε, and the temperature change and strain can be obtained from the relationship of Equation (1).

D. K. Gifford et al., “Swept−wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing applications,” Proc. SPIE 6770, Fiber Optic Sensors and Applications V, 67700F (2007).D. K. Gifford et al., “Swept-wavelength interferometric interrogation of fibre Rayleigh scatter scatter ic p 67 p Proc. P Pro 70. H. B. Liu et al., “Strain and temperature sensor using a combination of polymer and silica fibre Bragg gratings,” Opt. Commun. 219, 139−142 (2003).H.B. Liu et al., “Strain and temperature sensor using a combination of polymers and silica fiber Bragg gratings,” Opt. Commun. 219, 139-142 (2003). Y. Koyamada et al., “Fiber−optic distributed strain and temperature sensing with very high measurand resolution over long range using coherent OTDR,” J. Lightw. Technol. 27(9), 1142−1146 (2009).Y. Koyamada et al., “Fiber-optic distributed strain and temperature sensing sensation with high high measurement over long range usage.

数式(1)から明らかなように、散乱スペクトルシフトΔνは光ファイバの温度変化と歪の両方の影響を受けるため、両者の影響を区別して測定することができない。多くの場面において温度・歪はどちらも常に変化しているため、正確に測定するためには他のセンシング手段を併用して測定結果の補正等が必要になる。その結果、構成の複雑化、コスト高となるため、必ずしも容易なことではない。また、非特許文献2のように特性の異なる複数の光ファイバを組み合わせる方法もあるが、各光ファイバで生じる温度変化・歪は厳密には異なるため、センシングの正確性に欠ける。   As is clear from Equation (1), since the scattering spectrum shift Δν is affected by both the temperature change and strain of the optical fiber, the influence of both cannot be measured separately. In many scenes, both temperature and strain are constantly changing. Therefore, in order to measure accurately, it is necessary to correct the measurement result in combination with other sensing means. As a result, the configuration becomes complicated and the cost is high, which is not always easy. In addition, there is a method of combining a plurality of optical fibers having different characteristics as in Non-Patent Document 2, but since the temperature change and strain generated in each optical fiber are strictly different, sensing accuracy is lacking.

本開示は、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、後方レイリー散乱光の光周波数スペクトルがシフトすることを利用して、即ち、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することを目的とする。   The present disclosure uses a spatially multiplexed optical fiber as a sensor medium to detect the change in temperature and strain of the sensor medium by using the shift of the optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light, that is, using the scattered spectrum shift. With the goal.

上記目的を達成するために、センサ媒体として空間多重光ファイバを用い、散乱スペクトルを空間多重光ファイバの複数の空間チャネルについて測定し、空間チャネル毎の散乱スペクトルシフトの違いを利用することとした。   In order to achieve the above object, a spatially multiplexed optical fiber is used as a sensor medium, a scattering spectrum is measured for a plurality of spatial channels of the spatially multiplexed optical fiber, and a difference in scattering spectrum shift for each spatial channel is used.

空間多重光ファイバであれば、空間チャネルが複数あり、これらの空間チャネルは、同じ光ファイバ内であるため、温度変化も同じで、歪も同じであると考えてよい。空間多重光ファイバとしては、共通のコア内を複数のモードが伝搬するマルチモード光ファイバや1本の光ファイバ内に複数のコアを有するマルチコア光ファイバが適用できる。マルチモード光ファイバでは、異なるモードを異なる空間チャネルとして利用でき、マルチコア光ファイバでは、異なるコアを異なる空間チャネルとして利用できる。   In the case of a spatially multiplexed optical fiber, there are a plurality of spatial channels, and since these spatial channels are in the same optical fiber, it may be considered that the temperature change is the same and the distortion is also the same. As the spatially multiplexed optical fiber, a multimode optical fiber in which a plurality of modes propagate in a common core or a multicore optical fiber having a plurality of cores in one optical fiber can be applied. In multimode optical fiber, different modes can be used as different spatial channels, and in multicore optical fiber, different cores can be used as different spatial channels.

数式(1)に示される散乱スペクトルシフトにおいて、温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数K、歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数Kεは、センサ媒体としての空間多重光ファイバのコアの実効屈折率nに対して以下の関係にある。

Figure 2018146371
Figure 2018146371
In the scattering spectrum shift shown in Equation (1), the scattering spectrum shift proportional constant K T with respect to temperature change and the scattering spectrum shift proportional constant K ε with respect to strain are expressed as the effective refractive index n of the core of the spatially multiplexed optical fiber as the sensor medium On the other hand, it has the following relationship.
Figure 2018146371
Figure 2018146371

ここで、αは温度変化による物理的伸縮の影響を示す定数、Tは温度、pijは光弾性テンソル、σはポアソン比である。マルチモード光ファイバは同一コア中に実効屈折率の異なる複数の伝搬モードを有するため、数式(1)〜(3)より、温度変化や歪に対して各モードの散乱スペクトルはそれぞれ異なる散乱スペクトルシフトを示す。例として、試験光の中心光周波数に対する散乱スペクトルシフトの比率(Δν/ν)と温度変化(ΔT)との関係を図1に、試験光の中心光周波数に対する散乱スペクトルシフトの比率(Δν/ν)と歪(ε)との関係を図2に示す。図1、図2において、モードによって、温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数K、歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数Kεが異なることを表している。 Here, α is a constant indicating the influence of physical expansion and contraction due to temperature change, T is temperature, p ij is a photoelastic tensor, and σ is Poisson's ratio. Since the multimode optical fiber has a plurality of propagation modes having different effective refractive indexes in the same core, the scattering spectrum of each mode varies depending on the temperature change and strain from the formulas (1) to (3). Indicates. As an example, FIG. 1 shows the relationship between the ratio (Δν / ν 0 ) of the scattering spectrum shift to the center optical frequency of the test light and the temperature change (ΔT), and the ratio of the scattering spectrum shift to the center optical frequency of the test light (Δν / The relationship between (ν 0 ) and strain (ε) is shown in FIG. 1 and 2, the mode scattering spectral shift proportional constant K T to temperature changes, scattering spectral shift proportional constant K epsilon against distortion represent different.

マルチコア光ファイバを用いる場合、用いる光ファイバは実効屈折率の異なるコアを有し、実効屈折率の異なる複数のコアについて散乱スペクトルを測定することとする。   When a multi-core optical fiber is used, the optical fiber to be used has cores having different effective refractive indexes, and the scattering spectrum is measured for a plurality of cores having different effective refractive indexes.

空間チャネル1と空間チャネル2の散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν、Δνとすると、試験光の光中心周波数νに対するΔνとΔνの比率は温度変化及び歪に対して次式の関係にある。

Figure 2018146371
When the scattering spectrum shifts of the spatial channel 1 and the spatial channel 2 are Δν 1 and Δν 2 , respectively, the ratio of Δν 1 and Δν 2 to the optical center frequency ν 0 of the test light has the following relationship with respect to temperature change and strain: is there.
Figure 2018146371

空間チャネル1と空間チャネル2に対して、それぞれの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数及び歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数KT,1,Kε,1,KT,2,Kε,2が既知の空間多重光ファイバを用いて、空間チャネル1と空間チャネル2について散乱スペクトルシフトを測定し、連立方程式である数式(4)を解くことで、温度変化及び歪を個別に求めることができる。数式(4)の解は次式のとおりである。

Figure 2018146371
数式(5)によって、空間多重光ファイバの温度変化及び歪を算出することができる。 For the spatial channel 1 and the spatial channel 2, the scattering spectrum shift proportionality constant for each temperature change and the scattering spectral shift proportionality constant KT, 1 , Kε, 1 , KT, 2 , Kε, 2 for the strain are known. Using the spatially multiplexed optical fiber, the scattering spectrum shift is measured for the spatial channel 1 and the spatial channel 2, and Equation (4), which is a simultaneous equation, is solved, whereby the temperature change and strain can be obtained individually. The solution of Equation (4) is as follows:
Figure 2018146371
The change in temperature and strain of the spatially multiplexed optical fiber can be calculated by Equation (5).

具体的には、本開示の温度・歪センシング装置は、
複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル(以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。)を前記複数の空間チャネルについて測定する光反射測定手段と、
測定した前記散乱スペクトルから散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出し、前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪を求める演算手段と、
を備える。
Specifically, the temperature / strain sensing device of the present disclosure is:
Using a spatially multiplexed optical fiber having a plurality of spatial channels as a sensor medium, an optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light (hereinafter referred to as “optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light” or “scattering spectrum”) using test light. Light reflection measuring means for measuring the plurality of spatial channels;
A scattering spectrum shift is calculated for a plurality of spatial channels from the measured scattering spectrum, and a ratio of a scattering spectrum shift of any two spatial channels of the plurality of spatial channels to a center optical frequency of the test light is calculated as follows. A calculation means for obtaining a temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and a distortion of the spatially multiplexed optical fiber by utilizing the temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and the strain represented by the distortion of the spatially multiplexed optical fiber,
Is provided.

本開示の温度・歪センシング装置により、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   With the temperature / strain sensing device of the present disclosure, it is possible to detect a temperature change and strain of a sensor medium using a spatially multiplexed optical fiber as a sensor medium and using a scattering spectrum shift.

本開示の温度・歪センシング装置では、
前記演算手段は、
前記試験光の中心光周波数をνとし、
前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν、Δνとし、
前記2つの空間チャネルの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKT,1、KT,2とし、
前記2つの空間チャネルの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKε,1、Kε,2とし、
次式を用いて温度変化ΔTもしくは歪εを求めてもよい。

Figure 2018146371
In the temperature / strain sensing device of the present disclosure,
The computing means is
The center optical frequency of the test light is ν 0 ,
The scattering spectrum shifts of any two spatial channels among the plurality of spatial channels are denoted by Δν 1 and Δν 2 , respectively.
The scattering spectral shift proportional constants with respect to temperature changes of the two spatial channels are denoted as K T, 1 and K T, 2 respectively.
The scattering spectral shift proportional constants for the distortions of the two spatial channels are K ε, 1 , K ε, 2 respectively.
The temperature change ΔT or strain ε may be obtained using the following equation.
Figure 2018146371

本開示の温度・歪センシング装置では、
前記光反射測定手段は、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光源から出射された連続光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、被測定光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光及び前記周波数掃引光源からの連続光を合波する光合波器と、
前記光合波器で合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換する受光器と、
前記電気信号に変換されたビート信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記空間多重光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換して、散乱スペクトルを測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えてもよい。
In the temperature / strain sensing device of the present disclosure,
The light reflection measuring means includes
A frequency swept light source that emits continuous light that is frequency swept linearly with respect to time;
A selective excitation separation circuit that makes continuous light emitted from the frequency swept light source incident on a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber and separates backward Rayleigh scattered light from the same spatial channel on which the optical fiber to be measured is incident;
An optical multiplexer for combining the backward Rayleigh scattered light from the selective excitation separation circuit and the continuous light from the frequency swept light source;
A light receiver that converts a beat component obtained by multiplexing with the optical multiplexer into a beat signal of an electrical signal;
After the beat signal converted into the electrical signal is A / D converted into a digital signal, the A / D converted beat signal is Fourier transformed to obtain the scattered light amplitude distribution with respect to the distance in the longitudinal direction of the spatially multiplexed optical fiber. A scattered spectrum measuring circuit that calculates and multiplies a rectangular window centered on a desired distance point to extract an arbitrary interval component, and then inverse Fourier transforms the scattered light amplitude distribution of the arbitrary interval component to measure the scattered spectrum When,
May be provided.

光周波数領域反射測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   Even if the optical frequency domain reflection measurement method is used, the temperature change and strain of the sensor medium can be detected by using the spatially multiplexed optical fiber as the sensor medium and the scattering spectrum shift.

本開示の温度・歪センシング装置では、
前記光反射測定手段は、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射するパルス光出力部と、
前記パルス光出力部から出射された試験光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光を電気信号に変換する受光器と、
前記電気信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記パルス状の試験光の中心光周波数を変えて測定される前記A/D変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えてもよい。
In the temperature / strain sensing device of the present disclosure,
The light reflection measuring means includes
A pulsed light output unit that emits pulsed test light by changing the center optical frequency;
Selective excitation separation circuit for entering test light emitted from the pulsed light output unit into a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber and separating backward Rayleigh scattered light from the same spatial channel on which the spatially multiplexed optical fiber is incident When,
A receiver that converts back Rayleigh scattered light from the selective excitation separation circuit into an electrical signal;
After the A / D conversion of the electrical signal to a digital signal, the A / D conversion is performed by changing the center optical frequency of the pulsed test light using the A / D converted back Rayleigh scattered light signal. A scattering spectrum measuring circuit for measuring the intensity change of the back Rayleigh scattered light signal as a scattering spectrum;
May be provided.

光時間領域反射測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   Even when the optical time domain reflection measurement method is used, the temperature change and strain of the sensor medium can be detected by using the spatially multiplexed optical fiber as the sensor medium and the scattering spectrum shift.

具体的には、本開示の温度・歪センシング方法は、
複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル(以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。)を前記複数の空間チャネルについて予め測定する第1の光周波数スペクトル測定手順と、
温度・歪センシング実施時に、前記複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバに対して、試験光を用いて散乱スペクトルを前記複数の空間チャネルについて再度測定する第2の光周波数スペクトル測定手順と、
前記第1の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルに対する前記第2の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出する散乱スペクトルシフト算出手順と、
前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの前記散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪を求める温度・歪算出手順と、
を備える。
Specifically, the temperature / strain sensing method of the present disclosure is:
Using a spatially multiplexed optical fiber having a plurality of spatial channels as a sensor medium, an optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light (hereinafter referred to as “optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light” or “scattering spectrum”) using test light. A first optical frequency spectrum measurement procedure for measuring in advance for the plurality of spatial channels;
A second optical frequency spectrum measurement procedure for measuring again the scattering spectrum for the plurality of spatial channels using test light with respect to the spatially multiplexed optical fiber having the plurality of spatial channels when performing temperature / strain sensing;
A scattering spectrum shift calculation procedure for calculating a scattering spectrum shift of the scattering spectrum measured in the second optical frequency spectrum measurement procedure with respect to the scattering spectrum measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure for a plurality of spatial channels;
A ratio of each of the scattering spectrum shifts of any two spatial channels among the plurality of spatial channels with respect to the center optical frequency of the test light is expressed by a temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and a distortion of the spatially multiplexed optical fiber. A temperature / strain calculation procedure for determining the temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and the strain of the spatially multiplexed optical fiber,
Is provided.

空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   Using a spatially multiplexed optical fiber as a sensor medium, a change in temperature and strain of the sensor medium can be detected using a scattering spectrum shift.

本開示の温度・歪センシング方法では、
前記温度・歪算出手順は、
前記試験光の中心光周波数をνとし、
前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν、Δνとし、
前記2つの空間チャネルの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKT,1、KT,2とし、
前記2つの空間チャネルの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKε,1、Kε,2とし、
次式を用いて温度変化ΔT又は歪εを求めてもよい。

Figure 2018146371
In the temperature / strain sensing method of the present disclosure,
The temperature / strain calculation procedure is as follows:
The center optical frequency of the test light is ν 0 ,
The scattering spectrum shifts of any two spatial channels among the plurality of spatial channels are denoted by Δν 1 and Δν 2 , respectively.
The scattering spectral shift proportional constants with respect to temperature changes of the two spatial channels are denoted as K T, 1 and K T, 2 respectively.
The scattering spectral shift proportional constants for the distortions of the two spatial channels are K ε, 1 , K ε, 2 respectively.
You may obtain | require temperature change (DELTA) T or distortion (epsilon) using following Formula.
Figure 2018146371

本開示の温度・歪センシング方法では、
前記第1の光周波数スペクトル測定手順又は前記第2の光周波数スペクトル測定手順では、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射し、
前記連続光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光及び前記連続光を合波し、
合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換し、
前記ビート信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記空間多重光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換することで算出し、
前記散乱スペクトルシフト算出手順では、前記第1の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルと前記第2の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出してもよい。
In the temperature / strain sensing method of the present disclosure,
In the first optical frequency spectrum measurement procedure or the second optical frequency spectrum measurement procedure,
Emits continuous light linearly swept in frequency with respect to time,
The continuous light is incident on a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber, and rear Rayleigh scattered light is separated from the same spatial channel on which the spatially multiplexed optical fiber is incident;
Combining the back Rayleigh scattered light and the continuous light;
The beat component obtained by combining is converted into the beat signal of the electric signal,
After the beat signal is A / D converted into a digital signal, the A / D converted beat signal is Fourier transformed to calculate the scattered light amplitude distribution with respect to the longitudinal distance of the spatially multiplexed optical fiber, and a desired distance After extracting the arbitrary interval component by multiplying the rectangular window centered on the point, the scattered light amplitude distribution of the arbitrary interval component is calculated by inverse Fourier transform,
In the scattering spectrum shift calculation procedure, the scattering spectrum shift is calculated in a plurality of spaces from the cross-correlation of the scattering spectrum measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure and the scattering spectrum measured in the second optical frequency spectrum measurement procedure. You may calculate about a channel.

光周波数領域反射測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   Even if the optical frequency domain reflection measurement method is used, the temperature change and strain of the sensor medium can be detected by using the spatially multiplexed optical fiber as the sensor medium and the scattering spectrum shift.

本開示の温度・歪センシング方法では、
前記第1の光周波数スペクトル測定手順又は前記第2の光周波数スペクトル測定手順では、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射し、
前記試験光をセンサ媒体としての前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光を電気信号に変換し、
前記電気信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記試験光の中心光周波数を変えて測定される前記A/D変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定し、
前記スペクトルシフト算出手順では、前記第1の光周波数スペクトル測定手順で測定した光周波数スペクトルと前記第2の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出してもよい。
In the temperature / strain sensing method of the present disclosure,
In the first optical frequency spectrum measurement procedure or the second optical frequency spectrum measurement procedure,
Change the center optical frequency to emit pulsed test light,
The test light is incident on a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber as a sensor medium, and rear Rayleigh scattered light is separated from the same spatial channel on which the spatially multiplexed optical fiber is incident;
Converting the back Rayleigh scattered light into an electrical signal;
After the A / D conversion of the electrical signal into a digital signal, the A / D converted rear Rayleigh is measured by changing the center optical frequency of the test light using the A / D converted rear Rayleigh scattered light signal. Measure the intensity change of the scattered light signal as a scattering spectrum,
In the spectrum shift calculation procedure, the scattering spectrum shift is calculated in a plurality of spaces from the cross-correlation between the optical frequency spectrum measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure and the scattering spectrum measured in the second optical frequency spectrum measurement procedure. You may calculate about a channel.

光時間領域反射測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   Even when the optical time domain reflection measurement method is used, the temperature change and strain of the sensor medium can be detected by using the spatially multiplexed optical fiber as the sensor medium and the scattering spectrum shift.

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。   The above disclosures can be combined as much as possible.

本開示によれば、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   According to the present disclosure, it is possible to detect a temperature change and strain of a sensor medium by using a spatially multiplexed optical fiber as a sensor medium and using a scattering spectrum shift.

本発明で測定されるモード1とモード2の散乱スペクトルシフトの温度変化依存性の例である。It is an example of the temperature change dependence of the scattering spectrum shift of mode 1 and mode 2 measured by this invention. 本発明で測定されるモード1とモード2の散乱スペクトルシフトの歪依存性の例である。It is an example of the strain dependence of the scattering spectrum shift of the mode 1 and mode 2 which are measured by this invention. 本発明の実施形態における測定の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the measurement in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において光周波数領域反射測定法を用いた場合の装置構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of an apparatus structure at the time of using the optical frequency domain reflection measuring method in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において光時間領域反射測定法を用いた場合の装置構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of an apparatus structure at the time of using the optical time domain reflection measuring method in embodiment of this invention.

以下、本開示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、本開示は、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、本開示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 disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this indication is not limited to embodiment shown below. These embodiments are merely examples, and the present disclosure 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.

以下、図面を参照して本実施形態を説明する。ここでは一例として、散乱スペクトルの測定に光周波数領域反射測定法(OFDR:Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いた場合について述べる。   Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. Here, as an example, a case where an optical frequency domain reflectometry (OFDR) is used for measurement of the scattering spectrum will be described.

図3は、本実施形態における温度・歪検出の流れを示すフローチャートである。これらの手順は、図4に示される装置を用いて、散乱スペクトルを空間チャネル1と空間チャネル2について測定する。空間チャネル1と空間チャネル2は、被測定光ファイバにマルチモード光ファイバを用いた場合は、互いに異なるモードであり、被測定光ファイバにマルチコア光ファイバを用いた場合は、互いに異なるコアである。なお、図4において被測定光ファイバ以外はシングルコアシングルモード光ファイバで構成されることとする。   FIG. 3 is a flowchart showing a flow of temperature / strain detection in the present embodiment. These procedures measure the scattering spectrum for spatial channel 1 and spatial channel 2 using the apparatus shown in FIG. The spatial channel 1 and the spatial channel 2 have different modes when a multimode optical fiber is used as the optical fiber to be measured, and have different cores when a multicore optical fiber is used as the optical fiber to be measured. In FIG. 4, the optical fiber other than the optical fiber to be measured is composed of a single core single mode optical fiber.

周波数掃引光源401は、周波数掃引機能を有する光源を用い、時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する。光分波器402は、出射された連続光を2分岐し、一方は被測定ファイバに入射する試験光、もう一方は後方レイリー散乱光をコヒーレント検波する際のローカル光として用いる。試験光は、サーキュレータ403を通って、選択的励起分離回路404に入射される。選択的励起分離回路404は、センサ媒体としての被測定光ファイバ405の所望の空間チャネルに試験光を入射し、被測定光ファイバ405の入射した同じ空間チャネルから試験光によって生じた後方レイリー散乱光を分離する。後方レイリー散乱光はサーキュレータ403を通って、光合波器406に入射する。光合波器406は、後方レイリー散乱光とローカル光を合波する。受光器407は、合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換する。A/D変換器411は、ビート信号をデジタル信号に変換する。演算処理装置412は、デジタル信号に変換されたビート信号を用いて、被測定ファイバの所望の距離地点における散乱スペクトルを算出する。データ保管部413は、算出した散乱スペクトルのデータを保管する。A/D変換器411、演算処理装置412及びデータ保管部413で散乱スペクトル測定回路410を構成する。   The frequency sweep light source 401 uses a light source having a frequency sweep function, and emits continuous light linearly swept in frequency with respect to time. The optical demultiplexer 402 splits the emitted continuous light into two, one used as test light incident on the fiber to be measured, and the other used as local light for coherent detection of backward Rayleigh scattered light. The test light is incident on the selective excitation separation circuit 404 through the circulator 403. The selective excitation separation circuit 404 enters the test light into a desired spatial channel of the measured optical fiber 405 as a sensor medium, and the backward Rayleigh scattered light generated by the test light from the same spatial channel on which the measured optical fiber 405 is incident. Isolate. Back Rayleigh scattered light passes through the circulator 403 and enters the optical multiplexer 406. The optical multiplexer 406 combines the backward Rayleigh scattered light and the local light. The light receiver 407 converts a beat component obtained by multiplexing into a beat signal of an electric signal. The A / D converter 411 converts the beat signal into a digital signal. The arithmetic processing unit 412 calculates a scattering spectrum at a desired distance point of the measured fiber using the beat signal converted into the digital signal. The data storage unit 413 stores the calculated scattering spectrum data. The A / D converter 411, the arithmetic processing unit 412 and the data storage unit 413 constitute a scattering spectrum measurement circuit 410.

光周波数領域反射測定法における第1の光周波数スペクトル測定手順301について説明する。散乱スペクトルは非特許文献1記載の方法により算出する。具体的には、まずビート信号をフーリエ変換して被測定光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換する。上記の方法により空間チャネル1と空間チャネル2について散乱スペクトルを予め測定し、データ保管部413において保管しておく。   The first optical frequency spectrum measurement procedure 301 in the optical frequency domain reflection measurement method will be described. The scattering spectrum is calculated by the method described in Non-Patent Document 1. Specifically, the beat signal is first Fourier-transformed to calculate the scattered light amplitude distribution with respect to the distance in the longitudinal direction of the optical fiber to be measured, and an arbitrary interval component is extracted by multiplying a rectangular window centered at the desired distance point. After that, inverse Fourier transform is performed on the scattered light amplitude distribution of the arbitrary interval component. The scattering spectrum is measured in advance for the spatial channel 1 and the spatial channel 2 by the above method and stored in the data storage unit 413.

光周波数領域反射測定法における第2の光周波数スペクトル測定手順302では、センシング実施の際に上記の散乱スペクトル測定を空間チャネル1と空間チャネル2について再度行い、データ保管部413において保管する。   In the second optical frequency spectrum measurement procedure 302 in the optical frequency domain reflection measurement method, the scattering spectrum measurement is performed again for the spatial channel 1 and the spatial channel 2 at the time of sensing, and stored in the data storage unit 413.

散乱スペクトルシフト算出手順303では、第1の光周波数スペクトル測定手順301と第2の光周波数スペクトル測定手順302で測定した散乱スペクトルについて、空間チャネル1同士、空間チャネル2同士の相互相関をそれぞれ計算し、散乱スペクトルシフトΔν、Δνを得る。空間チャネルmの相互相関R(ν´)は次式により計算する。

Figure 2018146371
In the scattering spectrum shift calculation procedure 303, the cross correlations between the spatial channels 1 and 2 are calculated for the scattering spectra measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure 301 and the second optical frequency spectrum measurement procedure 302, respectively. Scatter spectral shifts Δν 1 and Δν 2 are obtained. The cross-correlation R m (ν ′) of the spatial channel m is calculated by the following equation.
Figure 2018146371

ここでσr,m(ν)及びσs,m(ν)はそれぞれ第1の光周波数スペクトル測定手順301と第2の光周波数スペクトル測定手順302で測定されるモードmの散乱スペクトルである。*は複素共役を表す。σr,m(ν)とσs,m(ν)は次式の関係にある。

Figure 2018146371
Here, σ r, m (ν) and σ s, m (ν) are the scattering spectrum of mode m measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure 301 and the second optical frequency spectrum measurement procedure 302, respectively. * Represents a complex conjugate. σ r, m (ν) and σ s, m (ν) have the following relationship.
Figure 2018146371

数式(6)及び数式(7)より、R(ν´)はν´=Δνで最大値をとる。したがってR(ν´)とR(ν´)を計算し、それぞれ最大値をとるν´の値からΔν、Δνが得られる。 From Equation (6) and Equation (7), R m (ν ′) takes the maximum value at ν ′ = Δν m . Therefore, R 1 (ν ′) and R 2 (ν ′) are calculated, and Δν 1 and Δν 2 are obtained from the values of ν ′ that take the maximum values.

最後に、温度・歪算出手順304において、散乱スペクトルシフト算出手順303で得られたΔν、Δνを用いて数式(5)を計算することにより、センサ媒体としての被測定光ファイバの温度変化と歪が求められる。 Finally, in the temperature / strain calculation procedure 304, the temperature change of the optical fiber to be measured as the sensor medium is calculated by calculating Equation (5) using Δν 1 and Δν 2 obtained in the scattering spectrum shift calculation procedure 303. And distortion is required.

散乱スペクトルシフト算出手順303と温度・歪算出手順304における演算は、光反射測定手段の演算処理装置412及びデータ保管部413で実行してもよいし、これらの演算を実行する演算手段を別途備えてもよい。   The calculations in the scattering spectrum shift calculation procedure 303 and the temperature / strain calculation procedure 304 may be executed by the calculation processing device 412 and the data storage unit 413 of the light reflection measurement means, or separately provided with calculation means for executing these calculations. May be.

次に、他の例として、散乱スペクトルの測定に光時間領域反射測定法(OTDR:Optical Time Domain Reflectometry)を用いた場合について述べる。   Next, as another example, a case where an optical time domain reflectometry (OTDR) is used for measurement of the scattering spectrum will be described.

本実施形態における温度・歪検出の流れを示すフローチャートは図3と同様である。これらの手順は、図5に示される装置を用いて、散乱スペクトルを空間チャネル1と空間チャネル2について測定する。空間チャネル1と空間チャネル2は、被測定光ファイバにマルチモード光ファイバを用いた場合は、互いに異なるモードであり、被測定光ファイバにマルチコア光ファイバを用いた場合は、互いに異なるコアである。なお、図5において被測定光ファイバ以外はシングルコアシングルモード光ファイバで構成されることとする。   The flowchart showing the flow of temperature / strain detection in the present embodiment is the same as FIG. These procedures measure the scattering spectrum for spatial channel 1 and spatial channel 2 using the apparatus shown in FIG. The spatial channel 1 and the spatial channel 2 have different modes when a multimode optical fiber is used as the optical fiber to be measured, and have different cores when a multicore optical fiber is used as the optical fiber to be measured. In FIG. 5, it is assumed that the optical fiber other than the optical fiber to be measured is composed of a single core single mode optical fiber.

パルス光源501は、パルス発光機能を有する光源を用い、パルス発光期間は一定の周波数でパルス光を出射する。光周波数変更部502は、パルス光源501からのパルス光の中心光周波数を所望の値に変えて試験光として出射する。パルス光源501及び光周波数変更部502でパルス光出力部を構成する。パルス光源だけで、発光するパルス状の試験光の中心光周波数を変える構成でもよい。試験光は、サーキュレータ503を通って、選択的励起分離回路504に入射される。選択的励起分離回路504は、センサ媒体としての被測定光ファイバ505の所望の空間チャネルに試験光を入射し、被測定光ファイバ505の入射した同じ空間チャネルから、試験光によって生じた後方レイリー散乱光を分離する。後方レイリー散乱光はサーキュレータ503を通って、受光器507に入射する。受光器507は、後方レイリー散乱光を電気信号に変換する。A/D変換器511は、後方レイリー散乱光の電気信号をデジタル信号に変換する。演算処理装置512は、デジタル信号に変換された後方レイリー散乱光信号を用いて、被測定光ファイバの所望の距離地点における散乱スペクトルを測定する。データ保管部513は、算出した散乱スペクトルのデータを保管する。A/D変換器511、演算処理装置512及びデータ保管部513で散乱スペクトル測定回路510を構成する。   The pulse light source 501 uses a light source having a pulse emission function, and emits pulsed light at a constant frequency during the pulse emission period. The optical frequency changing unit 502 changes the center optical frequency of the pulsed light from the pulsed light source 501 to a desired value and emits it as test light. The pulsed light source 501 and the optical frequency changing unit 502 constitute a pulsed light output unit. The configuration may be such that only the pulse light source changes the center optical frequency of the pulsed test light to be emitted. The test light is incident on the selective excitation separation circuit 504 through the circulator 503. The selective excitation separation circuit 504 makes the test light incident on a desired spatial channel of the optical fiber 505 to be measured as a sensor medium, and the backward Rayleigh scattering caused by the test light from the same spatial channel on which the optical fiber 505 is incident. Separate the light. Back Rayleigh scattered light passes through the circulator 503 and enters the light receiver 507. The light receiver 507 converts the backward Rayleigh scattered light into an electrical signal. The A / D converter 511 converts the electrical signal of the backward Rayleigh scattered light into a digital signal. The arithmetic processing unit 512 measures the scattering spectrum at a desired distance point of the optical fiber to be measured, using the backward Rayleigh scattered light signal converted into the digital signal. The data storage unit 513 stores the calculated scattering spectrum data. The A / D converter 511, the arithmetic processing unit 512, and the data storage unit 513 constitute a scattering spectrum measurement circuit 510.

光時間領域反射測定法における第1の光周波数スペクトル測定手順301について説明する。散乱スペクトルは非特許文献2記載の方法により算出する。具体的には、パルス状の試験光の中心光周波数を変えて、被測定光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光強度分布を複数の中心光周波数について測定し、所望位置における散乱光強度の光周波数に対する変化を散乱スペクトルとする。各中心光周波数における測定は、散乱光強度の信号対雑音比を向上させるため、同一光周波数で複数回測定し、これを加算平均してもよい。上記の方法により空間チャネル1と空間チャネル2について散乱スペクトルを予め測定し、データ保管部513において保管しておく。   The first optical frequency spectrum measurement procedure 301 in the optical time domain reflection measurement method will be described. The scattering spectrum is calculated by the method described in Non-Patent Document 2. Specifically, by changing the center optical frequency of the pulsed test light, the scattered light intensity distribution with respect to the distance in the longitudinal direction of the optical fiber to be measured is measured for a plurality of center optical frequencies, and the scattered light intensity light at the desired position is measured. The change with respect to the frequency is taken as the scattering spectrum. The measurement at each center optical frequency may be measured a plurality of times at the same optical frequency in order to improve the signal-to-noise ratio of the scattered light intensity, and this may be averaged. The scattering spectrum is measured in advance for the spatial channel 1 and the spatial channel 2 by the above method and stored in the data storage unit 513.

光時間領域反射測定法における第2の光周波数スペクトル測定手順302では、センシング実施の際に上記の散乱スペクトル測定を空間チャネル1と空間チャネル2について再度行い、データ保管部513において保管する。   In the second optical frequency spectrum measurement procedure 302 in the optical time domain reflection measurement method, the scattering spectrum measurement is performed again for the spatial channel 1 and the spatial channel 2 at the time of sensing, and stored in the data storage unit 513.

光時間領域反射測定法においても、さらに、散乱スペクトルシフト算出手順303、温度・歪算出手順304を実施することにより、センサ媒体としての空間多重光ファイバの温度変化と歪が求められる。   Also in the optical time domain reflection measurement method, the temperature change and strain of the spatially multiplexed optical fiber as the sensor medium are obtained by performing the scattering spectrum shift calculation procedure 303 and the temperature / strain calculation procedure 304.

散乱スペクトルシフト算出手順303と温度・歪算出手順304における演算は、光反射測定手段の演算処理装置512及びデータ保管部513で実行してもよいし、これらの演算を実行する演算手段を別途備えてもよい。   The calculations in the scattering spectrum shift calculation procedure 303 and the temperature / strain calculation procedure 304 may be executed by the calculation processing device 512 and the data storage unit 513 of the light reflection measurement means, or separately provided with calculation means for executing these calculations. May be.

光周波数領域反射測定法又は光時間領域反射測定法のいずれの測定法を利用しても、空間多重光ファイバをセンサ媒体として、散乱スペクトルシフトを用いて、センサ媒体の温度変化及び歪を検出することができる。   Regardless of the measurement method of optical frequency domain reflectometry or optical time domain reflectometry, a spatially multiplexed optical fiber is used as a sensor medium, and the spectral change of the sensor medium is detected using a scattering spectrum shift. be able to.

本開示は情報通信産業に適用することができる。   The present disclosure can be applied to the information communication industry.

301:第1の光周波数スペクトル測定手順
302:第2の光周波数スペクトル測定手順
303:散乱スペクトルシフト算出手順
304:温度・歪算出手順
401:周波数掃引光源
402:光分波器
403:サーキュレータ
404:選択的励起分離回路
405:センサ媒体としての被測定光ファイバ
406:光合波器
407:受光器
410:散乱スペクトル測定回路
411:A/D変換器
412:演算処理装置
413:データ保管部
501:パルス光源
502:光周波数変更部
503:サーキュレータ
504:選択的励起分離回路
505:センサ媒体としての被測定光ファイバ
507:受光器
510:散乱スペクトル測定回路
511:A/D変換器
512:演算処理装置
513:データ保管部
301: First optical frequency spectrum measurement procedure 302: Second optical frequency spectrum measurement procedure 303: Scattering spectrum shift calculation procedure 304: Temperature / strain calculation procedure 401: Frequency sweep light source 402: Optical demultiplexer 403: Circulator 404: Selective excitation separation circuit 405: optical fiber to be measured 406 as sensor medium: optical multiplexer 407: light receiver 410: scattering spectrum measurement circuit 411: A / D converter 412: arithmetic processing unit 413: data storage unit 501: pulse Light source 502: Optical frequency changing unit 503: Circulator 504: Selective excitation separation circuit 505: Optical fiber to be measured 507: Light receiver 510: Scattering spectrum measurement circuit 511: A / D converter 512: Arithmetic processing unit 513 : Data storage

Claims (8)

複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル(以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。)を前記複数の空間チャネルについて測定する光反射測定手段と、
測定した前記散乱スペクトルから散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出し、前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪を求める演算手段と、
を備えることを特徴とする温度・歪センシング装置。
Using a spatially multiplexed optical fiber having a plurality of spatial channels as a sensor medium, an optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light (hereinafter referred to as “optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light” or “scattering spectrum”) using test light. Light reflection measuring means for measuring the plurality of spatial channels;
A scattering spectrum shift is calculated for a plurality of spatial channels from the measured scattering spectrum, and a ratio of a scattering spectrum shift of any two spatial channels of the plurality of spatial channels to a center optical frequency of the test light is calculated as follows. A calculation means for obtaining a temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and a distortion of the spatially multiplexed optical fiber by utilizing the temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and the strain represented by the distortion of the spatially multiplexed optical fiber,
A temperature / strain sensing device comprising:
前記演算手段は、
前記試験光の中心光周波数をνとし、
前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν、Δνとし、
前記2つの空間チャネルの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKT,1、KT,2とし、
前記2つの空間チャネルの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKε,1、Kε,2とし、
次式を用いて温度変化ΔTもしくは歪εを求めることを特徴とする、請求項1に記載の温度・歪センシング装置。
Figure 2018146371
The computing means is
The center optical frequency of the test light is ν 0 ,
The scattering spectrum shifts of any two spatial channels among the plurality of spatial channels are denoted by Δν 1 and Δν 2 , respectively.
The scattering spectral shift proportional constants with respect to temperature changes of the two spatial channels are denoted as K T, 1 and K T, 2 respectively.
The scattering spectral shift proportional constants for the distortions of the two spatial channels are K ε, 1 , K ε, 2 respectively.
The temperature / strain sensing device according to claim 1, wherein the temperature change ΔT or the strain ε is obtained using the following equation.
Figure 2018146371
前記光反射測定手段は、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する周波数掃引光源と、
前記周波数掃引光源から出射された連続光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、被測定光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光及び前記周波数掃引光源からの連続光を合波する光合波器と、
前記光合波器で合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換する受光器と、
前記電気信号に変換されたビート信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記空間多重光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換して、散乱スペクトルを測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度・歪センシング装置。
The light reflection measuring means includes
A frequency swept light source that emits continuous light that is frequency swept linearly with respect to time;
A selective excitation separation circuit that makes continuous light emitted from the frequency swept light source incident on a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber and separates backward Rayleigh scattered light from the same spatial channel on which the optical fiber to be measured is incident;
An optical multiplexer for combining the backward Rayleigh scattered light from the selective excitation separation circuit and the continuous light from the frequency swept light source;
A light receiver that converts a beat component obtained by multiplexing with the optical multiplexer into a beat signal of an electrical signal;
After the beat signal converted into the electrical signal is A / D converted into a digital signal, the A / D converted beat signal is Fourier transformed to obtain the scattered light amplitude distribution with respect to the distance in the longitudinal direction of the spatially multiplexed optical fiber. A scattered spectrum measuring circuit that calculates and multiplies a rectangular window centered on a desired distance point to extract an arbitrary interval component, and then inverse Fourier transforms the scattered light amplitude distribution of the arbitrary interval component to measure the scattered spectrum When,
The temperature / strain sensing device according to claim 1, further comprising:
前記光反射測定手段は、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射するパルス光出力部と、
前記パルス光出力部から出射された試験光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離する選択的励起分離回路と、
前記選択的励起分離回路からの後方レイリー散乱光を電気信号に変換する受光器と、
前記電気信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記パルス状の試験光の中心光周波数を変えて測定される前記A/D変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定する散乱スペクトル測定回路と、
を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度・歪センシング装置。
The light reflection measuring means includes
A pulsed light output unit that emits pulsed test light by changing the center optical frequency;
Selective excitation separation circuit for entering test light emitted from the pulsed light output unit into a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber and separating backward Rayleigh scattered light from the same spatial channel on which the spatially multiplexed optical fiber is incident When,
A receiver that converts back Rayleigh scattered light from the selective excitation separation circuit into an electrical signal;
After the A / D conversion of the electrical signal to a digital signal, the A / D conversion is performed by changing the center optical frequency of the pulsed test light using the A / D converted back Rayleigh scattered light signal. A scattering spectrum measuring circuit for measuring the intensity change of the back Rayleigh scattered light signal as a scattering spectrum;
The temperature / strain sensing device according to claim 1, further comprising:
複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバをセンサ媒体として、試験光を用いて後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル(以下、「後方レイリー散乱光の光周波数スペクトル」「散乱スペクトル」と称する。)を前記複数の空間チャネルについて予め測定する第1の光周波数スペクトル測定手順と、
温度・歪センシング実施時に、前記複数の空間チャネルを有する空間多重光ファイバに対して、試験光を用いて散乱スペクトルを前記複数の空間チャネルについて再度測定する第2の光周波数スペクトル測定手順と、
前記第1の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルに対する前記第2の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出する散乱スペクトルシフト算出手順と、
前記試験光の中心光周波数に対する前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの前記散乱スペクトルシフトのそれぞれの比率が、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪で表されることを利用して、前記空間多重光ファイバの温度変化及び前記空間多重光ファイバの歪を求める温度・歪算出手順と、
を備えることを特徴とする温度・歪センシング方法。
Using a spatially multiplexed optical fiber having a plurality of spatial channels as a sensor medium, an optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light (hereinafter referred to as “optical frequency spectrum of backward Rayleigh scattered light” or “scattering spectrum”) using test light. A first optical frequency spectrum measurement procedure for measuring in advance for the plurality of spatial channels;
A second optical frequency spectrum measurement procedure for measuring again the scattering spectrum for the plurality of spatial channels using test light with respect to the spatially multiplexed optical fiber having the plurality of spatial channels when performing temperature / strain sensing;
A scattering spectrum shift calculation procedure for calculating a scattering spectrum shift of the scattering spectrum measured in the second optical frequency spectrum measurement procedure with respect to the scattering spectrum measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure for a plurality of spatial channels;
A ratio of each of the scattering spectrum shifts of any two spatial channels among the plurality of spatial channels with respect to the center optical frequency of the test light is expressed by a temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and a distortion of the spatially multiplexed optical fiber. A temperature / strain calculation procedure for determining the temperature change of the spatially multiplexed optical fiber and the strain of the spatially multiplexed optical fiber,
A temperature / strain sensing method comprising:
前記温度・歪算出手順は、
前記試験光の中心光周波数をνとし、
前記複数の空間チャネルのうち任意の2つの空間チャネルの散乱スペクトルシフトをそれぞれΔν、Δνとし、
前記2つの空間チャネルの温度変化に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKT,1、KT,2とし、
前記2つの空間チャネルの歪に対する散乱スペクトルシフト比例定数をそれぞれKε,1、Kε,2とし、
次式を用いて温度変化ΔT又は歪εを求めることを特徴とする、請求項5に記載の温度・歪センシング方法。
Figure 2018146371
The temperature / strain calculation procedure is as follows:
The center optical frequency of the test light is ν 0 ,
The scattering spectrum shifts of any two spatial channels among the plurality of spatial channels are denoted by Δν 1 and Δν 2 , respectively.
The scattering spectral shift proportional constants with respect to temperature changes of the two spatial channels are denoted as K T, 1 and K T, 2 respectively.
The scattering spectral shift proportional constants for the distortions of the two spatial channels are K ε, 1 , K ε, 2 respectively.
6. The temperature / strain sensing method according to claim 5, wherein a temperature change ΔT or strain ε is obtained using the following equation.
Figure 2018146371
前記第1の光周波数スペクトル測定手順又は前記第2の光周波数スペクトル測定手順では、
時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射し、
前記連続光を前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光及び前記連続光を合波し、
合波して得られるビート成分を電気信号のビート信号に変換し、
前記ビート信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された前記ビート信号をフーリエ変換して前記空間多重光ファイバの長手方向の距離に対する散乱光振幅分布を算出し、所望の距離地点を中心とする矩形窓を乗算して任意区間成分を抽出した後、前記任意区間成分の散乱光振幅分布を逆フーリエ変換することで算出し、
前記散乱スペクトルシフト算出手順では、前記第1の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルと前記第2の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出する、
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の温度・歪センシング方法。
In the first optical frequency spectrum measurement procedure or the second optical frequency spectrum measurement procedure,
Emits continuous light linearly swept in frequency with respect to time,
The continuous light is incident on a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber, and rear Rayleigh scattered light is separated from the same spatial channel on which the spatially multiplexed optical fiber is incident;
Combining the back Rayleigh scattered light and the continuous light;
The beat component obtained by combining is converted into the beat signal of the electric signal,
After the beat signal is A / D converted into a digital signal, the A / D converted beat signal is Fourier transformed to calculate the scattered light amplitude distribution with respect to the longitudinal distance of the spatially multiplexed optical fiber, and a desired distance After extracting the arbitrary interval component by multiplying the rectangular window centered on the point, the scattered light amplitude distribution of the arbitrary interval component is calculated by inverse Fourier transform,
In the scattering spectrum shift calculation procedure, the scattering spectrum shift is calculated in a plurality of spaces from the cross-correlation of the scattering spectrum measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure and the scattering spectrum measured in the second optical frequency spectrum measurement procedure. Calculating for the channel,
The temperature / strain sensing method according to claim 5 or 6.
前記第1の光周波数スペクトル測定手順又は前記第2の光周波数スペクトル測定手順では、
中心光周波数を変えてパルス状の試験光を出射し、
前記試験光をセンサ媒体としての前記空間多重光ファイバの所望の空間チャネルに入射し、前記空間多重光ファイバの入射した同じ空間チャネルから後方レイリー散乱光を分離し、
前記後方レイリー散乱光を電気信号に変換し、
前記電気信号をデジタル信号にA/D変換した後、A/D変換された後方レイリー散乱光信号を用い、前記試験光の中心光周波数を変えて測定される前記A/D変換された後方レイリー散乱光信号の強度変化を散乱スペクトルとして測定し、
前記スペクトルシフト算出手順では、前記第1の光周波数スペクトル測定手順で測定した光周波数スペクトルと前記第2の光周波数スペクトル測定手順で測定した散乱スペクトルの相互相関から、前記散乱スペクトルシフトを複数の空間チャネルについて算出する、
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の温度・歪センシング方法。



In the first optical frequency spectrum measurement procedure or the second optical frequency spectrum measurement procedure,
Change the center optical frequency to emit pulsed test light,
The test light is incident on a desired spatial channel of the spatially multiplexed optical fiber as a sensor medium, and rear Rayleigh scattered light is separated from the same spatial channel on which the spatially multiplexed optical fiber is incident;
Converting the back Rayleigh scattered light into an electrical signal;
After the A / D conversion of the electrical signal into a digital signal, the A / D converted rear Rayleigh is measured by changing the center optical frequency of the test light using the A / D converted rear Rayleigh scattered light signal. Measure the intensity change of the scattered light signal as a scattering spectrum,
In the spectrum shift calculation procedure, the scattering spectrum shift is calculated in a plurality of spaces from the cross-correlation between the optical frequency spectrum measured in the first optical frequency spectrum measurement procedure and the scattering spectrum measured in the second optical frequency spectrum measurement procedure. Calculating for the channel,
The temperature / strain sensing method according to claim 5 or 6.



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