JP2005030890A - Method and apparatus for measuring fiber bragg grating physical quantity - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバブラッググレーティング素子を用いて温度、機械的歪み等の物理量を計測するファイバブラッググレーティング物理量計測方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating 以降FBGと略す)素子は元来、光波長多重通信のキーコンポーネントとして開発されたものであるが、近年ではセンサとしての応用が盛んに行われ、種々のFBG素子を用いた光ファイバセンシングシステムが開発されている。日本国内でも多くの特許出願がなされており、センサの構造や信号処理の方法、設置・敷設の方法などが数多く提案されている状況である。FBG素子は光センシングに共通の多くの利点を持つと共に、従来の光ファイバ分布センシングの課題であった測定・応答の遅さ、感度不足といったデメリットを克服できる技術として期待されている。
【0003】
FBG素子を使った物理量のセンシング原理はすべて、光ファイバコア中に作られたブラッグ回折格子のピッチの変化による反射波長の変化に基づいている。温度以外にも歪や振動、圧力、水位などの物理量を回折格子間隔の変化に変換するメカニズムを設けてセンサが構成されている。
【0004】
FBG素子の感度は、例えば温度センサの場合、1℃あたり0.01nm程度の極めて小さい波長変化である。このため、高い波長分解能が必要とされるとともに、その再現性、安定度などを測定システム全体として確保することが重要である。しかしながら、一般的な光スペクトルアナライザの機器仕様などをみても、これをみたすに必要な精度が確保されているものは少なく、周囲温度の僅かなドリフトが問題となる場合が多い。
【0005】
よく知られているFBG波長計測装置として商品化されているものに、米国のマイクロンオプテック社の製品があり、WEBサイトhttp://www.micronoptics.com/mechsense.htmに掲載されている。ここでも波長計測における温度依存性の影響は避けられないものとみえ、これを補正するために、温度補償された反射源としてpicoWaveと称する機器を追加することが述べられており(http://www.micronoptics.com/ffpi.htm)、http://www.micronoptics.com/fbgis.htmには「10pmの校正精度を実現できる」と述べられている。
【0006】
しかしながら、10pmの波長精度というのは温度換算すると1℃に相当するため、FBG素子の持つ高感度性が活かされていない。また、波長校正がpicoWaveの供給する1点の波長情報であるが故に、システムスタートアップ時にこの装置の波長可変フィルタに用いられているピエゾ圧電素子の機械的なずれや経年変化に対する補正についてはまだしも、システムに非線形な温度依存性が内在するような場合には対応ができない。
【0007】
このように、従来のシステムではFBG素子の高感度性が逆効果となり、周囲温度に対して非常に不安定で測定データの信頼性が得られないという結果に陥ることがある。
【0008】
これは、精密波長計測をするために光学部品類の特性の温度係数が問題となるという課題に対して同様同質な光学部品だけを用いた補償を行うというところに起因するものであり、必然的にその温度補償効果に限界が生じるという問題がある。従って、通常のシステム動作温度範囲内で、システムの起動時の波長オフセット補正や波長可変フィルタの非線形な温度依存性の補償などを実現することが必要とされている。
【0009】
さらに第二の問題点として、信号処理技術上の問題がある。FBG素子を用いた物理量計測では波長多重伝送の特長を活かした多点計測がしばしば行われるが、これに加えて時間領域での多重化手法も適用できることが知られている(下記特許文献1参照)。即ち、光源をパルス化して、FBG素子からなるセンサの光ファイバ伝送路中での接続位置とパルスの伝播遅延時間との関係を位置情報として利用するものである。
【0010】
この場合、最終的に光検出器に到達する光は光のパルス列(パルストレイン)として扱われる場合が多い。多くのセンサを接続するためには光パルスの幅をより小さく、時間的により接近した状態となるように構成するのが常套手段である。微弱な高速パルス列を検出するために、光検出器のプリアンプは、高速応答可能な周波数特性を良好に保つために比較的ゲインを小さくした複数段のカスケードアンプなどがしばしば用いられる。従って、最終的に処理すべき信号を得るために、アンプが飽和しないように直流オフセットの影響を受けなくする必要があり、コンデンサによるAC結合が用いられる。
【0011】
実際には、パルス列の幅、間隔、周期、パルス波高など全てのパラメータが常に一定ではないため、センサの状態によりパルスのベースライン(無信号レベル)が変動することになり、正確な光パルスのパワー値、電圧値を測定することが困難になる。
【0012】
このように、波長多重と時間多重の2種類の手法を組み合わせることにより極めて多数点のセンサによって計測するシステムが構築できるが、この場合にもセンサの状態に伴い、AC結合によりベースラインが変動することに起因する誤差が生じ、場合とその程度によっては、多数点のセンサの高精度と高信頼の測定が実現できなくなる現象が発生する可能性がある。
【0013】
【特許文献1】
特開2002−352369号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことのできるファイバブラッググレーティング物理量計測方法および装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、波長帯域に広がりのある光を発生する広帯域光源と、前記光から所定の波長帯の帯域光を選択的に抽出する波長可変フィルタと、前記帯域光から光パルスを生成する光パルス化装置と、物理量計測対象に設けられ光ファイバを介して前記光パルス化装置に接続されたセンシング用FBG素子とを備え、前記広帯域光源および前記波長可変フィルタは前記広帯域光源および前記波長可変フィルタの動作周囲温度を所定の範囲に納める温度調整部に収容され、前記広帯域光源の特定のピーク波長を基準波長値として用いて前記波長可変フィルタの設定指示値と実際に抽出される波長値との違いを利用して前記波長可変フィルタの特性の温度依存性を抑制する温度補償部とを備えている構成とする。
【0016】
請求項2の発明は、前記温度補償部は、温度を入力として前記波長可変フィルタの波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部と、前記広帯域光源の参照波の波長値と前記波長可変フィルタの前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部と、前記差分波長および前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定しドリフト温度を算出するドリフト温度算出部と、前記ドリフト温度から特定の波長帯に対する前記波長可変フィルタの波長ドリフト値を算出しドリフト波長を求めるドリフト波長算出部と、前記センシング用FBG素子の観測波長読み取り値と前記ドリフト波長から真の観測波長を求める観測波長算出部とを備えている構成とする。
【0017】
請求項3の発明は、前記温度補償部は、温度を入力として前記波長可変フィルタの波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部と、前記広帯域光源の参照波の波長値と前記波長可変フィルタの前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部と、前記差分波長および前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定しドリフト温度を算出するドリフト温度算出部と、前記ドリフト温度から特定の波長帯に対する前記波長可変フィルタの波長ドリフト値を算出しドリフト波長を求めるドリフト波長算出部と、前記センシング用FBG素子の観測波長を読み取るために設定する波長値に対してあらかじめ前記ドリフト波長分を用いて真の設定波長値を決める観測波長決定部とを備えている構成とする。
【0018】
請求項4の発明は、請求項2または3の発明において、前記差分波長算出部において求められた差分波長を前記センシング用FBG素子の観測波長から物理量への換算式に含めることにより前記波長可変フィルタの起動時の機械的ズレなどによるオフセット波長成分を補正するオフセット補正部を備えている構成とする。
【0019】
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記広帯域光源は複数の波長帯域の光を発生するASE光源であり、差分波長算出部は複数個の参照波長値から得た複数個の差分波長算出値の平均値を最終的な差分波長として採用する構成とする。
【0020】
請求項6の発明は、波長帯域に広がりのある光を発生する広帯域光源と、前記光から所定の波長帯の帯域光を選択的に抽出する波長可変フィルタと、前記帯域光から光パルスを生成する光パルス化装置と、物理量計測対象に設けられ光ファイバを介して前記光パルス化装置に接続されたセンシング用FBG素子と、前記光ファイバに接続された基準波長用FBG素子とを備え、前記広帯域光源と前記波長可変フィルタと前記基準波長用FBG素子は前記広帯域光源と前記波長可変フィルタと前記基準波長用FBG素子の動作周囲温度を所定の範囲に納める温度調整部に収容され、前記基準波長用FBG素子のピーク波長を基準波長値として用いて前記波長可変フィルタの設定指示値と実際に抽出される波長値との違いを利用して前記波長可変フィルタの温度依存性を抑制する温度補償部を備えている構成とする。
【0021】
請求項7の発明は、請求項6の発明において、前記温度補償部は、温度を入力として前記波長可変フィルタの波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部と、前記基準波長用FBG素子の参照波の波長値と前記波長可変フィルタの前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部と、前記差分波長と前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定しドリフト温度を算出するドリフト温度算出部と、前記ドリフト温度から特定の波長帯に対する前記波長可変フィルタの波長ドリフト値を算出しドリフト波長を求めるドリフト波長算出部と、前記センシング用FBG素子の観測波長読み取り値と前記ドリフト波長から真の観測波長を求める観測波長算出部とを備えている構成とする。
【0022】
請求項8の発明は、請求項6の発明において、前記温度補償部は、温度を入力として前記波長可変フィルタの波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部と、前記基準波長用FBG素子の参照波の波長値と前記波長可変フィルタの前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部と、前記差分波長と前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定しドリフト温度を算出するドリフト温度算出部と、前記ドリフト温度から特定の波長帯に対する前記波長可変フィルタの波長ドリフト値を算出しドリフト波長を求めるドリフト波長算出部と、前記センシング用FBG素子の観測波長を読み取るために設定する波長値に対してあらかじめ前記ドリフト波長分を用いて真の観測波長設定値を決める観測波長決定部とを備えている構成とする。
【0023】
請求項9の発明は、請求項7または8の発明において、前記差分波長算出部において求められた差分波長を前記センシング用FBG素子の観測波長から物理量への換算式に含めることにより前記波長可変フィルタの起動時の機械的ズレなどによるオフセット波長成分を補正するオフセット補正部を備えている構成とする。
【0024】
請求項10の発明は、請求項9の発明において、前記基準波長用FBG素子を複数個備え、前記差分波長算出部は複数個の参照波長値から得た複数個の差分波長算出値の平均値を最終的な差分波長として採用する構成とする。
【0025】
請求項11の発明は、請求項1の発明において、前記広帯域光源の特定のスペクトル領域のピーク、あるいは前記センシング用FBG素子または基準波長用FBG素子の反射光の波長帯を含む波長領域を前記波長可変フィルタで走査して得られたスペクトルの特定の領域中の最大光強度を示す波長位置を求める手段として、スペクトルデータを偶数次数の多項式に関数適合させ、関数の最大値を示す点からピーク波長あるいは中心波長を算出する演算手段を備えている構成とする。
【0026】
請求項12の発明は、請求項1の発明において、前記広帯域光源の特定のスペクトル領域のピーク、あるいは前記センシング用FBG素子または基準波長用FBG素子の反射光の波長帯を含む波長領域を前記波長可変フィルタで走査して得られたスペクトルの特定の領域中の最大光強度を示す波長位置を求める手段として、スペクトルデータの光強度データを自然対数変換し、二次の係数が負である二次式に関数適合させ、得られた関数の最大値を示す点からピーク波長あるいは中心波長を算出する演算手段を備えている構成とする。
【0027】
請求項13の発明は、請求項1の発明において、前記広帯域光源の特定のスペクトル領域のピーク、あるいは前記センシング用FBG素子または基準波長用FBG素子の反射光の波長帯を含む波長領域を前記波長可変フィルタで走査して得られたスペクトルの特定の領域中の最大光強度を示す波長位置を求める手段として、スペクトルデータの光強度データを平滑化一次微分することにより光強度の分布データであるスペクトルデータから微係数の変化データに変換する微分処理手段と、前記スペクトルデータのピーク値を含む領域の微係数データ列を直線あるいは多項式に関数適合させ、微係数値がゼロをクロスする点からピーク波長あるいは中心波長を抽出する波長抽出手段とを備えている構成とする。
【0028】
請求項14の発明は、請求項1または6の発明において、前記センシング用FBG素子からの複数の反射パルスが時間的に並んだ光パルス列を電気パルスに変換して増幅する光検出部と、前記増幅された電気パルス列信号を処理する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、コンデンサによる交流結合部分および前記交流結合部分の後に接続されたベースライン再生回路を備えている構成とする。
【0029】
請求項15の発明は、請求項1または6の発明において、前記センシング用FBG素子からの複数の反射パルスが時間的に並んだ光パルス列を電気パルスに変換して増幅する光検出部と、前記増幅された電気パルス列信号を処理する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記波長可変フィルタの波長走査機能を用いてパルス列の特定の時間窓に到来する特定のセンサ用FBG素子からの光パルスの波長スペクトル測定により中心波長を求める波長演算部と、パルス列の中でパルスが到来しない時間窓に対して特定のセンサ用FBG素子に対する波長走査と同様の波長走査を行い、そのときに観測される各波長に対する直流成分をベースラインスペクトルとして取得するベースライン測定部と、前記特定のセンサ用FBG素子について得られた波長スペクトルから前記ベースラインスペクトルを減算することによって真の波長スペクトルを得る補正演算部とを備えている構成とする。
【0030】
請求項16の発明は、請求項1の発明において、前記広帯域光源の出力光をモニタするために検出する光検出器を備え、前記広帯域光源から前記光検出器にいたる光伝送を行う光ファイバ並びに付帯部品は許容範囲内での曲げや捩じれ等の形状変化の加わり方が時間的に変化しないように固定器具で固定されてなる構成とする。
【0031】
請求項17の発明は、請求項1または6の発明において、物理量換算のために前記センシング用FBG素子の反射波の中心波長を取得する中心波長取得手段と、前記センシング用FBG素子の反射特性を示すスペクトル情報を取得するスペクトル情報取得手段と、前記取得されたスペクトル情報と当該センシング用FBG素子の稼動初期に取得されたスペクトル情報とを比較することにより当該センシング用FBG素子の機械的健全性あるいは形状的変化の有無を判断する健全性診断部とを備えている構成とする。
【0032】
請求項18の発明は、ファイバブラッググレーティング物理量計測方法であり、波長帯域に広がりのある光を発生する広帯域光源と、前記光から所定の波長帯の帯域光を選択的に抽出する波長可変フィルタと、前記帯域光から光パルスを生成する光パルス化装置と、物理量計測対象に設けられ光ファイバを介して前記光パルス化装置に接続されたセンシング用FBG素子とを備えたファイバブラッググレーティング物理量計測装置において、前記広帯域光源および前記波長可変フィルタの動作周囲温度が所定の範囲に納まるように調整し、前記広帯域光源の特定のピーク波長を基準波長値として用いて前記波長可変フィルタの設定指示値と実際に抽出される波長値との違いを利用して前記波長可変フィルタの特性の温度依存性を抑制する構成とする。
【0033】
請求項19の発明は、ファイバブラッググレーティング物理量計測方法であり、波長帯域に広がりのある光を発生する広帯域光源と、前記光から所定の波長帯の帯域光を選択的に抽出する波長可変フィルタと、前記帯域光から光パルスを生成する光パルス化装置と、物理量計測対象に設けられ光ファイバを介して前記光パルス化装置に接続されたセンシング用FBG素子と、前記光ファイバに接続された基準波長用FBG素子とを備え備えたファイバブラッググレーティング物理量計測装置において、前記広帯域光源と前記波長可変フィルタと前記基準波長用FBG素子の動作周囲温度が所定の範囲に納まるように調整し、前記基準波長用FBG素子のピーク波長を基準波長値として用いて前記波長可変フィルタの設定指示値と実際に抽出される波長値との違いを利用して前記波長可変フィルタの温度依存性を抑制する構成とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態を図1,図2を参照して説明する。(ASE温度補償フレームワーク)
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、図1に示すように、温度調整部1に設けられた広帯域光源2および波長可変フィルタ3と、波長可変フィルタ3に接続された光パルス化装置4と、第1光検出器9と、第2光検出器10と、温度補償部12を備えた信号処理装置11と、制御部8と、光ファイバ5と、光分岐器6を介して光ファイバ5に接続されたセンシング用FBG素子7を備えている。
【0035】
この計測装置は、FBG素子7を光ファイバ5で接続した光ファイバセンシングシステムである。複数のセンシング用FBG素子7が接続されているが、これらは必要な計測対象である物理量をセンシング用FBG素子7の伸縮に変換するような機構を備えており、種々の物理量センサとして構成される。
【0036】
一般的に特性・性能の温度依存性が特に大きいと考えられる広帯域光源2と波長可変フィルタ3は温度調整部1により温度コントロールされている。この温度調整部1は箱状容器の中に広帯域光源2と波長可変フィルタ3を収納した上で温度を所定の範囲内に保つ恒温槽や電子温調器であったり、あるいは通常のエアコンディショナーなどで所定の範囲内の温度に保たれる部屋であってもよい。
【0037】
広帯域光源2から出る光は波長可変フィルタ3で制御部8により指定された波長帯について選択的に抽出された後、同じく制御部8により与えられる信号により光パルス化装置4を動作させてパルス光にされる。このパルス光はしばしば一定の周期で送り出されるように制御部8により制御される。
【0038】
送り出されたパルス光は光ファイバ5を伝播し、それぞれ光分岐器6でセンシング用FBG素子7が接続されている光ファイバ5の支線に分配される。パルス光の波長帯と合致する反射特性を有するセンシング用FBG素子7に遭遇すると、そこで光パルスは反射される。反射された光パルスは第1光検出器9まで戻り、光−電気変換により電気パルスとなる。この電気パルスは信号処理装置11に入力される。
【0039】
波長可変フィルタ3は狭帯域の波長フィルタであるため、対象とするセンシング用FBG素子7の反射波長帯が含まれるような波長領域で制御部8によりステップ状に波長走査することで、信号処理装置11では着目するセンシング用FBG素子7の反射スペクトル情報を得ることができる。このスペクトルから中心波長が得られ、その波長値をあらかじめ用意された物理量換算式に代入することで最終的に目的とする物理量が得られる。
【0040】
またFBG素子7が振動センサとして機能している場合には、反射波長帯(スペクトル)自体が時刻とともに波長軸上で変化している。この場合は、制御部8により波長可変フィルタ3を適切な波長値に固定し、第1光検出器9では光強度の時系列変化データが得られる。この時系列データをFFT(高速フーリエ変換)することで周波数、加速度、変位などの振動データが得られる。
【0041】
本実施の形態ではさらに図1中に示すように、第2光検出器10を備え、波長可変フィルタ3でフィルタリングされた広帯域光源2の出力が光ファイバ5と光分岐器6を介して到達するようにしている。制御部8で波長可変フィルタ3の波長ステップと走査範囲を適切に選ぶことで、広帯域光源2の発光スペクトルが得られる。
【0042】
広帯域光源2としてはSLD(Super Luminescence Diode)光源やASE(Amplified Spontaneous Emission自然放出光)光源などが一般的に用いられるが、いずれの場合にもFBG素子のブラッグ反射のような鋭いピークではないものの、いくつかのピークが見られる。一例として、CバンドとLバンドを兼ね備えたファイバーラボ株式会社製の広帯域ASE光源ASE−FL700xシリーズのスペクトルを図2に示す。
【0043】
この例では1560nm近傍に鋭くはないものの特徴的なピークが存在することがわかる。このピークはASE光源装置の中で用いられている希土類ドープファイバのドープ材に依存する励起/遷移エネルギー準位に関連したものであるため、温度による影響を受けにくい。従って、温度調整部1により広帯域光源2の周囲温度があらかじめ一定温度範囲内に制御されている場合、先のピーク波長は変化しない基準波長値として用いることができる。
【0044】
波長可変フィルタ3の走査により得られた広帯域光源2のスペクトル上のピーク波長に関して、波長可変フィルタ3がドリフトした場合、観測されたピーク波長と基準波長値との差分が波長可変フィルタ3のドリフト成分と見なすことができる。この結果から計測データに対して、あるいは制御部8の動作に対してドリフト量を相殺するような演算・制御を行う機能を備えたものが温度補償部12である。
【0045】
以上説明した本発明の第1の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置によれば、広帯域光源2および波長可変フィルタ3の特性の温度ドリフトを最小限に抑えるとともに残余の温度ドリフトを補償して、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0046】
つぎに本発明の第2の実施の形態を図3,図4を参照して説明する。(ASE温度補償、テーブル参照、波長依存性考慮(静的))
この実施の形態は、センシング用FBG素子7の反射スペクトルが観測時間内に変化しない、つまり温度やひずみなどの静的物理量に対応する場合である。
【0047】
この実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、図3に示すように、温度補償部12が、温度を入力として波長可変フィルタ3の波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部13と、広帯域光源2の参照波の波長値と波長可変フィルタ3の前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部14と、前記差分波長および前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定しドリフト温度を算出するドリフト温度算出部15と、算出されたドリフト温度から着目する特定の波長帯に対する波長可変フィルタ3の波長ドリフト値を算出しドリフト波長を求めるドリフト波長算出部16と、各センシング用FBG素子7の観測波長読み取り値と前記ドリフト波長から真の観測波長を求める観測波長算出部17とからなる。
【0048】
温度係数算出部13は、図4に示すような波長(nm)vs.温度ドリフト係数D(nm/℃)の関係を示す関数あるいは数値テーブルを備え、波長を入力として与えるとその波長の温度ドリフト係数Dを求め出力する。
【0049】
前述の広帯域光源2の特徴的なピークを基準マーカとして扱い、この中心波長値を「基準波長値λr」と定義する。このマーカ領域を波長可変フィルタ3で走査して得られたデータから求めたピーク波長値を「基準マーカ観測値λsm」として定義すると、差分波長算出部14では下記のドリフト波長値(Δλ0)が得られる。
Δλ0=基準マーカ観測値λsm(nm)−基準波長値λr(nm)
波長可変フィルタ3がドリフトしている場合、制御部8が設定した値と実際に抽出され透過した波長値の間に違いが出てくる。これが前述のΔλ0に相当する。
【0050】
このΔλ0なる量は基準波長値λr(nm)に対するドリフト量であるが、一方基準波長値λr(nm)における温度ドリフト係数Dは、前述の温度係数算出部から得られる。この2つの値から、可変波長フィルタ3に生じている温度変化、即ち換算ドリフト温度Tcを逆に推定することができる。
【0051】
ドリフト温度算出部15は、この換算ドリフト温度Tcを求める手段であり、
Tc=Δλ0÷D
で得られる。
このデータが揃った段階で各センシング用FBG素子7の反射波長測定結果λmに対する補正を行うことができる。
【0052】
温度係数算出部13では、物理量計測で得た各対象FBG素子7の波長中心値=λmに対する単位ドリフト係数D(nm/℃)を求める。
ドリフト係数Dが既知であり、ドリフト温度Tcも既知となっているため、ドリフト波長算出部16で波長の補正係数Coe(nm)を求めることができる。即ち、
Coe(nm)=Tc(℃)×D(nm/℃)
このようにして得られた補正係数Coeは、当該FBG7素子に対する波長補正量に相当する。従って、波長算出部17ではλm(nm)+Coe(nm)とすることで真の波長λt(nm)を求めることができる。
【0053】
以上説明した本発明の第2の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、センシング用FBG素子7による観測波長の温度補償を効果的に行って、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0054】
つぎに本発明の第3の実施の形態を説明する。(ASE温度補償、テーブル参照、波長依存性考慮(動的))
この実施の形態は、動的物理量、即ち振動センサとしてFBG素子7が使われている場合である。
【0055】
この実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、図3に示すように、温度補償部12が、温度を入力として波長可変フィルタ3の波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部13と、広帯域光源2の参照波の波長値と波長可変フィルタ3の前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部14と、前記差分波長および前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定しドリフト温度を算出するドリフト温度算出部15と、算出されたドリフト温度から着目する特定の波長帯に対する波長可変フィルタ3の波長ドリフト値を算出しドリフト波長を求めるドリフト波長算出部16と、各センシング用FBG素子7の観測波長を読み取るために設定する波長値に対してあらかじめ前記ドリフト波長分を用いて真の設定値を決める観測波長決定部18とからなる。
【0056】
この実施の形態においては、波長可変フィルタ3は走査せず一定の波長値に固定しておき、時系列データとして第1光検出器9で得られた信号を観測する。 一定の波長値として設定すべき値は、各FBG素子7に対してあらかじめ適切な値λs0が決められているが、これに対して前述のドリフト波長算出部16で得られたCoe(nm)値によるドリフト補正を行う。即ち、波長決定部18では波長可変フィルタ3の設定すべき波長値λs(nm)=λs0(nm)+Coe(nm)なる演算を行い、波長可変フィルタ3に対して設定すべき波長値を決定する。
【0057】
この第3の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、センシング用FBG素子によって観測する光の波長を受光前に決定して効率のよい物理量計測を行うことができる。
【0058】
つぎに本発明の第4の実施の形態を説明する。(ASE温度補償、立ち上げ時の初期オフセット補正)
この第4の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、前記第1ないし第3の実施の形態において、広帯域光源2の参照波の波長値と波長可変フィルタ3の前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部14と、この差分波長を各センシング用FBG素子7の波長から物理量への換算式に含めることで波長可変フィルタ3の起動時の機械的ズレなどによるオフセット波長成分を補正する機能を有するオフセット補正部とを備え、特にシステム起動時の換算係数温度補償を行うようにしたものである。
【0059】
温度調整部1が室温空調器による温度制御ではなく、特に精密な温度制御、例えば広帯域光源2と波長可変フィルタ3を収納する恒温装置として構成されている場合において、ファイバブラッググレーティング物理量計測装置について電源投入後充分なウォームアップ時間が経過した時点で、図3における差分波長算出部14で得られたΔλ0値が有意であった場合、これは波長可変フィルタ3の機械的オフセット、あるいは経年変化等により発生したものと考えられる。この場合、波長可変フィルタ3の設定値動作・読み取り動作の全てにおいて、このΔλ0値をオフセット定数として加味して、制御・演算することで、波長可変フィルタ3のオフセットの影響を低減することができる。
【0060】
つぎに本発明の第5の実施の形態を説明する。(オフセット補正時のASE波長中心の扱い)
この第5の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、前記第4の実施の形態において、広帯域光源2として特に複数のバンドからなるASE光源を用いることで、差分波長算出部14において、複数個の参照波長値から得た複数個の差分波長算出値の平均値を最終的な差分波長として採用するようにしたものである。
【0061】
前記第4の実施の形態においては、差分波長演算部14は、単一の基準波長値からドリフト波長値Δλ0を決定していた。しかしながら、前記図2のASE光源のスペクトル例を見ると、1560nmの特徴的なピーク以外にも、1600nmあるいは1520−1530nmあたりの領域が特徴的な形状を呈しているため、この部分の特長抽出を行うことで基準波長として複数個の情報を使うことができる。
即ち、スペクトルの中から3箇所の特徴的波長を基準波長λr1〜λr3とする。
【0062】
Δλ01=基準マーカ観測値λsm1(nm)−基準波長値λr1(nm)
Δλ02=基準マーカ観測値λsm2(nm)−基準波長値λr2(nm)
Δλ03=基準マーカ観測値λsm3(nm)−基準波長値λr3(nm)
Δλ0はΔλ01,Δλ02,Δλ03の平均値として決定することによって、より精度の高いオフセット補正を行うことができる。
【0063】
つぎに本発明の第6の実施の形態を説明する。(FBG素子温度補償フレームワーク)
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、図5に示すように、温度調整部1に設けられた広帯域光源2、波長可変フィルタ3および基準波長用FBG素子19と、波長可変フィルタ3に接続された光パルス化装置4と、第1光検出器9と、温度補償部12を備えた信号処理装置11と、制御部8と、光ファイバ5と、光分岐器6を介して光ファイバ5に接続されたセンシング用FBG素子7を備えている。
【0064】
この第6の実施の形態は前記第1の実施の形態(図1)の構成と共通する部分が多いが、第2光検出器10を備えていないこと、温度調整部1の中に、基準波長用FBG素子19が設けられていることが異なる点である。
【0065】
温度調整部1は広域光源2と波長可変フィルタ3と基準波長用FBG素子19の動作周囲温度を一定の範囲に納める。温度補償部12は、基準波長用FBG素子19のピーク波長を基準波長値として用いて波長可変フィルタ3の設定指示値と実際に抽出され透過する波長値との違いを利用して波長可変フィルタ3の温度依存性を抑制する。
【0066】
前記第1ないし第5の実施の形態においては基準波長として広帯域光源2のスペクトルから特徴抽出して得られる値を用いるが、第6の実施の形態では基準波長用FBG素子19からの反射波長を基準波長として参照する。このように第6の実施の形態では参照する光は反射光であるが、場合によっては基準波長用FBG素子19の透過光が受光されるように配置・接続してもよい。
【0067】
基準波長用FBG素子19については、いわゆる温度補償されたFBG素子とする場合には、温度調整部1には一般的な空調機程度でも使える場合があるが、高精度を要求する場合には、温度調整部1は恒温装置とするのがよい。
【0068】
この第6の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、温度補償用の光検出器(10)を必要とせず簡略な装置によって周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0069】
つぎに本発明の第7の実施の形態を説明する。(FBG温度補償:テーブル参照、波長依存性考慮(静的))
この実施の形態は、図5の構成において、前記第2の実施の形態におけると同様の静的測定のための温度補償手段(図3)を備えた構成である。
【0070】
即ち、温度補償部12が、温度を入力として波長可変フィルタ3の波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部13と、基準波長用FBG素子19の参照波の波長値と波長可変フィルタ3の前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部14と、前記差分波長および前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定するドリフト温度算出部15と、算出されたドリフト温度から特定の波長帯に対する波長可変フィルタ3の波長ドリフト値を算出するドリフト波長算出部16と、各センシング用FBG素子7の観測波長読み取り値と前記ドリフト波長から真の観測波長を求める観測波長算出部17とからなる。
【0071】
この第7の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、基準波長用FBG素子19の参照波の波長値によってセンシング用FBG素子7の観測波長の温度補償を行い、周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0072】
つぎに本発明の第8の実施の形態を説明する。(FBG温度補償:テーブル参照、波長依存性考慮(動的))
この実施の形態は、図5の構成において、前記第3の実施の形態におけると同様の動的測定のための温度補償手段(図3)を備えた構成である。
【0073】
即ち、温度補償部12が、温度を入力として波長可変フィルタ3の波長別温度ドリフト係数を算出する温度係数算出部13と、基準波長用FBG素子19の参照波の波長値と波長可変フィルタ3の前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部14と、前記差分波長および前記参照波長と前記波長別温度ドリフト係数とを用いて基準温度からの温度変化を推定するドリフト温度算出部15と、算出されたドリフト温度から特定の波長帯に対する波長可変フィルタ3の波長ドリフト値を算出するドリフト波長算出部16と、各センシング用FBG素子7の波長を読み取るために設定する波長値に対してあらかじめ前記ドリフト波長分を用いて真の観測波長設定値を決める観測波長決定部18とからなる。
【0074】
この第8の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、基準波長用FBG素子19の参照波の波長値によってセンシング用FBG素子7の観測波の波長値を算定して、周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0075】
つぎに本発明の第9の実施の形態を説明する。(FBG温度補償、立ち上げ時の初期オフセット補正)
この実施の形態は、図5の構成において、前記第4の実施の形態におけると同様の動的測定のための温度補償手段を備えた構成である。
【0076】
即ち、基準波長用FBG素子19の参照波の波長値と波長可変フィルタ3の前記参照波に対する抽出波の波長値との差分波長を求める差分波長算出部14と、この差分波長を各センシング用FBG素子7の波長から物理量への換算式に含めることで波長可変フィルタ3の起動時の機械的ズレなどによるオフセット波長成分を補正する機能を有するオフセット補正部とを備え、特にシステム起動時の換算係数温度補償を行うようにしたものである。
【0077】
この第9の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、波長可変フィルタ3のオフセットの影響を低減して、周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0078】
つぎに本発明の第10の実施の形態を説明する。(オフセット補正時のFBG波長中心の扱い)
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、図6に示すように、温度調整部1に設けられた広帯域光源2、波長可変フィルタ3および3個の基準波長用FBG素子19と、波長可変フィルタ3に接続された光パルス化装置4と、第1光検出器9と、温度補償部12を備えた信号処理装置11と、制御部8と、光ファイバ5と、光分岐器6を介して光ファイバ5に接続されたセンシング用のFBG素子7を備えている。
【0079】
この第10の実施の形態は、前記第6の実施の形態(図5)の構成において、基準波長用FBG素子19を3個(複数)直列に接続したものである。3個の基準波長用FBG素子19は互いに異なる反射波長を有している。いずれも温度一定条件下にあり、3つの基準波長として参照することができる。差分波長算出部14において、複数個の参照波長値から得た複数個の差分波長算出値の平均値を最終的な差分波長として採用する。即ち、第5の実施の形態で説明したと同様のオフセット補正手段として機能する。
【0080】
この第10の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、計測光の波長補正を精密に行い、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0081】
つぎに本発明の第11の実施の形態を説明する。(広帯域光源・FBG用のピーク波長算出(二次))
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、前記第1ないし第10の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置における広帯域光源2の特定のスペクトル領域のピーク、あるいは基準波長用FBG素子19の反射光の波長帯を含む波長領域を波長可変フィルタ3で走査して得られたスペクトルの特定の領域中の最大光強度を示す波長位置を求める手段として、スペクトルデータを偶数次数の多項式に関数適合させ、関数の最大値を示す点からピーク波長や中心波長を算出する演算手段を備えた構成である。
【0082】
この第11の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、広帯域光源2やセンシング用FBG素子7、基準波長用FBG素子19のスペクトルや反射光あるいは透過光の波長を測定する際、いずれも波長可変フィルタ3の波長を走査し、各波長に対して光パワーを測定した結果得られる離散データ組による光スペクトルから中心波長を決定する。
【0083】
このとき、特にピーク状のスペクトルが得られる場合には、得られた離散データ組の中で、ピークが含まれると考えられる領域のデータを抽出して偶数次の多項式近似を行うことで、得られた関数値からピーク中心を求めることができる。上に突のピークの場合は最大値であるが、特に反射光ピークの場合は下に突であり、この場合は最小値がピーク中心値に該当する。
【0084】
この第11の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、広帯域光源2あるいはセンシング用FBG素子7あるいは基準波長用FBG素子19のピーク波長を正確に求めて、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0085】
つぎに本発明の第12の実施の形態を説明する。(広帯域光源・FBG用のピーク波長算出(LogE,2次式、ガウスフィット))
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、前記第1ないし第10の実施の形態の装置における広帯域光源2の特定のスペクトル領域のピーク、センシング用FBG素子7あるいは基準波長用FBG素子19の反射光の波長帯を含む波長領域を波長可変フィルタ3で走査して得られたスペクトルの特定の領域中の最大光強度を示す波長位置を求める手段として、スペクトルデータの光強度データを自然対数変換し、二次の係数が負である二次式に関数適合させ、得られた関数の最大値を示す点からピーク波長や中心波長を算出する演算手段を備えた構成である。
【0086】
この第12の実施の形態では、前記第11の実施の形態における偶数次の多項式近似にかわって、部分的に抽出したデータ組の光パワー値のデータを自然対数を取った後に二次式に関数適合することで、近似的にガウス関数近似をする。
【0087】
この第12の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、広帯域光源2あるいはセンシング用FBG素子7あるいは基準波長用FBG素子19のピーク波長を正確に求めて、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0088】
つぎに本発明の第13の実施の形態を説明する。(広帯域光源・FBG用のピーク波長算出(一次導関数のゼロクロス点))
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、前記第1ないし第10の実施の形態の装置における広帯域光源2の特定のスペクトル領域のピーク、センシング用FBG素子7あるいは基準波長用FBG素子19の反射光の波長帯を含む波長領域を波長可変フィルタ3で走査して得られたスペクトルの特定の領域中の最大光強度を示す波長位置を求める手段として、スペクトルデータの光強度データを平滑化一次微分することで光強度の分布データであるスペクトルデータから微係数の変化データに変換する微分処理手段と、元のスペクトルデータのピーク値を含む領域の微係数データ列を直線あるいは多項式に関数適合させ、微係数値がゼロをクロスする点からピーク波長や中心波長を抽出する波長抽出手段とを備えた構成である。
【0089】
平滑化一次微分は、着目データの前後を含めた区間に対する多項式近似によるスムージングをかけながら一次微分値を求めるフィルタ演算手法であり、例えば下記文献に記載されている。
【0090】
A.Savitzky,M.J.E.Golay,”Smoothing and Differentiation of Data by Simplified Least Squares Procedures”,Analytical Chemistry,vol.36,No.8,pp.1627−1639,1964.
前記第11の実施の形態におけるスペクトルデータの偶数次の多項式近似を行う場合、センシング用FBG素子7、基準波長用FBG素子19のスペクトルのように比較的半値幅の狭い鋭いピーク形状については多項式近似やガウス関数近似が適用しやすいが、広帯域光源2のスペクトルは広がりの大きいピークであったり、第5の実施の形態の説明でも述べたように、はっきりしたピークではなく、勾配の途中で一度平坦部が現れすぐまた勾配状態になるような形状から基準波長を決める場合、関数近似が難しい。
【0091】
拡がってはいてもピーク形状を呈する場合には、平滑化一次微分値を求め、その値がゼロクロスするポイントを波長中心として考えればよい。平坦の場合は、平滑化一次微分値がゼロ近傍の値となる区間を決め、その区間から元のスペクトルの平坦部に関する基準波長を設定する。ゼロクロスポイントをみつけるためには、実際にゼロクロスした点の前後の離散データ群を抽出し、そのデータ群に対して直線あるいは多項式適合を行い、得られた関数式(Y:微係数、X:波長)がゼロクロスする点を目的とする波長値として採用する。
【0092】
この第13の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、揺らぎを伴いかつ範囲の拡がったスペクトルの特徴抽出を行い、基準波長を再現性よく求めて、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0093】
つぎに本発明の第14の実施の形態を説明する。(直流再生回路(べースラインリストアラ))
この実施の形態は、FBG素子の温度や機械力による回折格子ピッチの変化に伴う反射波長の変化を利用したファイバブラッググレーティング物理量計測装置において、センシング用FBG素子7からの複数の反射パルスが時間的に並んだ光パルス列を電気パルスに変換して増幅する光検出器9と、その増幅された電気パルス列信号を処理する信号処理装置11とを備え、当該信号処理装置11の内部回路においてコンデンサによる交流結合部分とその後に接続されたベースライン再生回路とを備えた構成である。
【0094】
センシング用FBG素子7から光ファイバ5を通って光検出器9に到達する信号はパルス列となる。これは、センシング用FBG素子7の接続ポイントがそれぞれ異なるため、ひとつの光パルスの送り出しに伴い、時間差を持って反射パルスが戻されてくるためである。
【0095】
高速かつ微弱な光信号検出をするためには、多段の高利得の増幅段が用意される。直流オフセットの増幅による後段の出力飽和を避けるためAC(交流)結合が用いられる。パルス列の中から個々のパルスの波高値は、直接あるいはボックスカー積分器と呼ばれる時間ゲートを伴った積分器等を介してAD変換器等で取得される。この場合、図7に示すように正の振幅を持つパルストレインであった場合、ベースラインはパルス列の波高値に依存したマイナス値に沈むことになる。もちろん、無信号時にはAC(交流)結合であるためベースラインは電圧ゼロのレベルになる。
【0096】
一般的に、電圧のゼロレベルに対して、時間平均的に、正負の電圧値×時間が相殺するようなレベルにベースラインはシフトする。従って、パルスの繰り返し周波数が高いほど、パルスの波高値が高いほどベースラインのシフトは大きくなる。従って、この状態で特定パルスに相当する時間窓を設定し、そこに到来するパルスの波高値を取得しようとする場合、真のパルス波高値よりも小さい値と誤認されてしまう。
【0097】
また、波長走査によりセンシング用FBG素子7の反射光を測定する場合、走査ステップの中ごろでは反射光のスペクトル中心近傍であるため光透過量が大きく、反射される光パルス信号の波高値も大きい。一方、走査ステップのはじめと終わりは、スペクトル上ではピーク両側で光パワーの落ちている領域であるため、パルストレインの時間間隔条件は変化しないが、パルス波高値は小さくなる。そのため、平均的なベースライン値は波長走査プロセスが中心波長(ピーク波長)領域を中心として両側に拡大した領域を波長走査する場合、走査がはじまると徐々にシフトし、中心波長近傍で最もシフト量が大きく、それからまた元の値に復帰するというような変化を辿る。
【0098】
従って、AD変換で得られた観測値はY軸(光パワー)方向に圧縮されたスペクトルとなり、しかもその圧縮は一様ではない。このため、このようにして得られた光スペクトルの中心を求めても、もはやそこに真の情報は含まれない。
【0099】
本実施の形態においては、ベースラインの変化を防止する手段として、ベースライン再生回路を適用する。ベースライン再生回路については様々な回路構成があるが、基本的な構成を図8に示す。ベースライン再生回路構成自体は、γ線やX線のスペクトロメトリー用の線型増幅器に用いられる回路としてはよく知られており、AD変換器の前でランダムパルスの到来によるベースラインのゼロレベルの変動を安定化するために用いられるものである。
【0100】
図8において、矢印の向きに信号が入力、出力されるものとする。ACカップリングされた出力側にグランドに対して並列にスイッチ20が設けられている。無信号時にはスイッチ20は閉じられており出力はグランド電位(ゼロレベル)に保たれている。信号が入ってきた瞬間にスイッチ20が開放され、出力信号はゼロレベルから立ち上がる。信号がなくなる瞬間にまたスイッチ20は閉じられる。このようにして、信号の振幅、周期に依存せず、ベースラインがゼロレベルに保たれる。
【0101】
実際の実現回路としては、パッシブな方式や能動素子を用いたアクティブな方式も考えられるが、パルストレインにおいてパルスとパルスの谷間の時間がベースライン再生回路の動作時間であるため、その時間幅に動作可能な高速応答な回路構成を採用することが必須である。
【0102】
放射線計測はランダムパルスを扱うが、本発明のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、パルスの時間間隔は一定であるため、変化するパラメータは波高値だけである。このため、信号があるときと無信号時の切り分けは極めて容易であり、光パルス化装置4でのパルス送出ダイミングは既知、光ファイバ5とセンシング用FBG素子7の接続位置や長さも既知であれば、反射してくるパルストレインの時間パラメータも全て既知となる。この情報を利用することで、前記図8の概念上のスイッチ20の開閉制御動作を厳密に行うことができるため、高精度でのベースライン再生を実現することができる。
【0103】
この第14の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、センシング用FBG素子7から返ってくる光パルス列を正確に信号処理して、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0104】
つぎに本発明の第15の実施の形態を説明する。(ソフトによる直流再生補正)この実施の形態は、FBG素子の温度や機械力による回折格子ピッチの変化に伴う反射波長の変化を利用したファイバブラッググレーティング物理量計測装置において、センシング用FBG素子7からの複数の反射パルスが時間的に並んだ光パルス列を電気パルスに変換して増幅する光検出器9と、その増幅された電気パルス列信号を処理する信号処理装置11とを備え、信号処理装置11は、波長可変フィルタ3の波長走査機能を用いてパルス列の特定の時間窓に到来する特定のセンシング用FBG素子7からの光パルスの波長スペクトル測定により中心波長を求める演算部と、パルス列の中でパルスが到来しない時間窓に対して特定のセンシング用FBG素子7に対する波長走査と同様の波長走査を行い、そのときに観測される各波長に対する直流成分をベースラインスペクトルとして取得するベースライン測定部と、当該特定のセンシング用FBG素子7について得られた波長スペクトルから前記ベースラインスペクトルを減算することによって真の波長スペクトルを得る補正演算部とを備えている構成である。
【0105】
反射光パルスのベースラインが波長走査により変動変化する現象に対して本実施の形態では信号処理により対処する。今、図9に示すパルストレインに対して、着目する特定のセンシング用FBG素子7に対して波長走査をする場合、そのセンシング用FBG7の反射光が含まれる時間窓を設定する。
【0106】
実際には、波長走査の中の1ステップ(1波長値)に対して、次々と時間窓自体も走査しながら各センシング用FBG素子7からの反射光パルスの波高値を取得していく。この図9の例で時間窓を走査していく場合、FBG素子7のデータを取得するためには5つの時間窓が必要である。本実施の形態ではさらに、パルストレインの中で有効なパルスがない時間、図9の例では、最後尾のパルスのさらに後ろのタイミングで6つめの時間窓を設定する。こうすることで、各波長ステップにおけるベースラインが取得できる。
【0107】
図10に、波長走査が終わったときセンシング用FBG素子7について得られるスペクトルa)と、同じく得られるベースラインに対するスペクトルb)(実際にはベースラインの変化特性)をに示す。これより、真のスペクトルはa)−b)の演算により得られる。
【0108】
この第15の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においては、センシング用FBG素子7から返ってくる光パルス列を正確に信号処理して、周囲温度の変化の影響が少なく精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0109】
つぎに本発明の第16の実施の形態を説明する。(ソフト&ハード)
本実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、第14の実施の形態の構成並びに第15の実施の形態の構成を兼ね備えたものである。第14および第15の実施の形態においてそれぞれ電子回路あるいはデータ処理・演算によるパルスベースラインの変動を補償・補正する構成を示したが、これらを併用することが有効である。特に、多数のセンシング用FBG素子7の中に振動センサを含む場合には、波長走査の1ステップの中でも常に反射光の強度自体が振動すること、その振動周波数と読み出しタイミングは非同期であることなどから、AD変換した値にこれに起因する余分のばらつきが加わる可能性がある。従って、本来の事象自体を抑制する効果のある電子回路による対策と、電子回路で完全に補償しきれずに残った成分に対してデータ処理・演算による補正を行うことができるため、より高精度の測定が実現できる。
【0110】
つぎに本発明の第17の実施の形態を説明する。(ASE伝送ファイバ)
この実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置は、前記第1ないし第5の実施の形態における広帯域光源2の出力光を光検出器10によって検出しモニタして温度補償を行う構成において、広帯域光源2から光検出器10にいたる光伝送を行う光ファイバ5並びに付帯部品が許容範囲内での曲げや捩じれ等の形状変化の加わり方が時間的に変化しないように固定器具で固定した構成である。
【0111】
広帯域光源2のスペクトル形状をモニタして温度補償や波長可変フィルタ3のオフセット補正を行う装置では、広帯域光源2のスペクトル自体を歪ませてはならない。光ファイバ5として1.55μmシングルモードファイバを使用した場合は、光ファイバ5の曲げやひずみにより広帯域光の透過損失は波長に大きく依存するため、その結果スペクトルが歪むことになる。
【0112】
センシング用FBG素子7による反射波長をみる場合には、使用する波長帯は極めて狭く、そのスペクトル全体のひずみの影響は無視できる程度である。しかしながら、広帯域光源2のスペクトル全体から特徴抽出して決定するような前述の基準波長については、時間的にスペクトルが変化すること自体が大き問題である。
【0113】
このため、広帯域光源2の出射光のスペクトルを測定する系については、光ファイバの曲げやひずみを一定の状態に保つ必要がある。一例として示す図11は図1と同じ回路構成であるが、図中に1点鎖線で光ファイバ5、光分岐器6を囲っている。この部分については固定器具で固定することで、時間的に変化のない安定したスペクトル形状を保つことができ、それにより高精度の温度補償やオフセット補正などを実現することができる。
【0114】
つぎに本発明の第18の実施の形態を説明する。(スペクトルモニタ)
この実施の形態は、FBG素子の温度や機械力による回折格子ピッチの変化に伴う反射波長の変化を利用したファイバブラッググレーティング物理量計測装置において、物理量換算のためにセンシング用FBG素子7からの反射波の中心波長を取得する手段と、FBG素子7自体の反射特性を示すスペクトル情報を取得する手段と、得られた特定のFBG素子のスペクトル情報と当該FBG素子7のシステム稼動初期に取得されたスペクトル情報とを比較することで当該FBG素子7の機械的健全性あるいは形状的変化の有無を判断する機能を有する健全性診断部とを備えた構成である。
【0115】
前述してきたように、着目する特定のセンシング用FBG素子7については、波長走査によりあらかじめ光スペクトルに相当するデータを取得し、それから第11ないし第13の実施の形態に示した方法で中心波長を求める。計測物理量と波長との換算についてはこの中心波長の測定値で充分であるが、このスペクトルデータにはFBG素子7自体の健全性データが含まれている。即ち、もしFBG素子7自体が異常なひずみ、不均一なひずみをうけていたり、特に機械的な変形や損傷を受け透過損失が変化した場合には、観測される光スペクトルの形状が変化する。
【0116】
計測装置の敷設・稼動開始などの初期に取得された各FBG素子7に対するスペクトル情報を記録しておき、各測定時に得られたスペクトルと前述の初期スペクトルの変化の有無を判断することで、FBG素子7自体の健全性を担保し、周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことができる。
【0117】
【発明の効果】
本発明によれば、周囲温度の変化の影響が少なく、精度と信頼性の高い物理量計測を行うことのできるファイバブラッググレーティング物理量計測方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置の構成を示す回路図。
【図2】本発明の第1の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置に備えられる広帯域光源(ASE)のスペクトルを示す曲線図。
【図3】本発明の第2および第3の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置に備えられる温度補償部を示す回路図。
【図4】波長可変フィルタの温度ドリフト係数の波長依存性を例示し、本発明の第2および第3の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置の動作を説明する曲線図。
【図5】本発明の第6の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置の構成を示す回路図。
【図6】本発明の第10の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置の構成を示す回路図。
【図7】本発明の第14の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置においてAC結合で沈むパルストレインを示す波形図。
【図8】本発明の第14の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置におけるパルストレインのベースライン再生回路を示す図。
【図9】本発明の第15の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置におけるデータ処理によるパルストレインのベースライン再生を説明する波形図。
【図10】本発明の第15の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置におけるデータ処理によるパルストレインのベースライン再生を説明し、a)はFBG信号の曲線図、b)はベースライン信号の曲線図。
【図11】本発明の第17の実施の形態のファイバブラッググレーティング物理量計測装置の構成を示す回路図。
【符号の説明】
1…温度調整部、2…広帯域光源、3…波長可変フィルタ、4…光パルス化装置、5…光ファイバ、6…光分岐器、7…センシング用FBG素子、8…制御部、9…第1光検出器、10…第2光検出器、11…信号処理装置、12…温度補償部、13…温度係数算出部、14…差分波長算出部、15…ドリフト温度算出部、16…ドリフト波長算出部、17…観測波長算出部、18…観測波長決定部、19…基準波長用FBG素子、20…スイッチ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fiber Bragg grating physical quantity measuring method and apparatus for measuring physical quantities such as temperature and mechanical strain using a fiber Bragg grating element.
[0002]
[Prior art]
Fiber Bragg Grating (hereinafter abbreviated as FBG) element was originally developed as a key component of optical wavelength division multiplexing, but in recent years it has been actively applied as a sensor, and various FBG elements have been developed. The optical fiber sensing system used has been developed. Many patent applications have been filed in Japan, and many sensor structures, signal processing methods, installation / laying methods, etc. have been proposed. The FBG element has many advantages common to optical sensing, and is expected as a technique that can overcome the disadvantages of conventional optical fiber distributed sensing, such as slow measurement / response and insufficient sensitivity.
[0003]
The physical quantity sensing principle using the FBG element is all based on the change of the reflection wavelength due to the change of the pitch of the Bragg diffraction grating formed in the optical fiber core. In addition to temperature, a sensor is provided with a mechanism for converting physical quantities such as strain, vibration, pressure, and water level into changes in the diffraction grating spacing.
[0004]
For example, in the case of a temperature sensor, the sensitivity of the FBG element is a very small wavelength change of about 0.01 nm per 1 ° C. For this reason, high wavelength resolution is required, and it is important to ensure the reproducibility and stability of the entire measurement system. However, even when looking at the equipment specifications of general optical spectrum analyzers, there are few that have the accuracy required to meet this, and a slight drift in the ambient temperature often becomes a problem.
[0005]
As a well-known FBG wavelength measuring device, there is a product of Micron Optec Inc. in the United States, and the WEB site http: // www. microoptics. com / mechsense. It is posted on htm. Again, it seems that the influence of temperature dependence on wavelength measurement is inevitable, and in order to correct this, it is described that a device called picoWave is added as a temperature compensated reflection source (http: // www) .. micronoptics.com/ffpi.htm), http: // www. microoptics. com / fbgis. htm states that “a calibration accuracy of 10 pm can be realized”.
[0006]
However, since the wavelength accuracy of 10 pm corresponds to 1 ° C. in terms of temperature, the high sensitivity of the FBG element is not utilized. In addition, because wavelength calibration is one point of wavelength information supplied by picoWave, correction for mechanical deviation and aging of the piezoelectric element used in the wavelength tunable filter of this device at the time of system start-up is still not possible. If the system has nonlinear temperature dependence, it cannot be handled.
[0007]
As described above, in the conventional system, the high sensitivity of the FBG element has an adverse effect, which may result in being extremely unstable with respect to the ambient temperature and failing to obtain reliability of measurement data.
[0008]
This is due to the fact that only the same quality optical parts are compensated for the problem that the temperature coefficient of the characteristics of optical parts becomes a problem for precise wavelength measurement. However, there is a problem that the temperature compensation effect is limited. Therefore, it is necessary to realize wavelength offset correction at system startup and compensation for nonlinear temperature dependence of the wavelength tunable filter within the normal system operating temperature range.
[0009]
A second problem is signal processing technology. In physical quantity measurement using an FBG element, multipoint measurement utilizing the characteristics of wavelength multiplexing transmission is often performed, but in addition to this, it is known that a multiplexing method in the time domain can also be applied (see
[0010]
In this case, the light finally reaching the photodetector is often handled as a pulse train (pulse train) of light. In order to connect a large number of sensors, it is a conventional means to make the light pulse width smaller and closer to the time. In order to detect a weak high-speed pulse train, a multi-stage cascade amplifier having a relatively small gain is often used as a preamplifier of the photodetector in order to maintain a good frequency characteristic capable of high-speed response. Therefore, in order to finally obtain a signal to be processed, it is necessary to avoid the influence of the direct current offset so that the amplifier is not saturated, and AC coupling by a capacitor is used.
[0011]
Actually, all parameters such as the width, interval, period, and pulse height of the pulse train are not always constant, so the baseline (no signal level) of the pulse varies depending on the sensor state, and the exact optical pulse It becomes difficult to measure the power value and the voltage value.
[0012]
In this way, a system for measuring with a very large number of sensors can be constructed by combining two types of methods of wavelength multiplexing and time multiplexing. In this case, however, the baseline fluctuates due to AC coupling according to the state of the sensor. In some cases, depending on the case and the degree of the error, there is a possibility that a high-precision and high-reliability measurement of a multipoint sensor cannot be realized.
[0013]
[Patent Document 1]
JP 2002-352369 A
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fiber Bragg grating physical quantity measuring method and apparatus that can perform physical quantity measurement with high accuracy and reliability with little influence of changes in ambient temperature.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0016]
According to a second aspect of the present invention, the temperature compensation unit includes a temperature coefficient calculating unit that calculates a temperature drift coefficient for each wavelength of the wavelength tunable filter using temperature as an input, a wavelength value of a reference wave of the broadband light source, and the wavelength tunable filter. A difference wavelength calculation unit for obtaining a difference wavelength between a wavelength value of the extracted wave with respect to the reference wave and a drift by estimating a temperature change from a reference temperature using the difference wavelength, the reference wavelength, and the temperature drift coefficient for each wavelength. A drift temperature calculation unit that calculates temperature; a drift wavelength calculation unit that calculates a wavelength drift value of the wavelength tunable filter for a specific wavelength band from the drift temperature to obtain a drift wavelength; and an observation wavelength reading value of the sensing FBG element And an observation wavelength calculation unit for obtaining a true observation wavelength from the drift wavelength.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, the temperature compensation unit includes a temperature coefficient calculation unit that calculates a temperature drift coefficient for each wavelength of the wavelength tunable filter using temperature as an input, a wavelength value of a reference wave of the broadband light source, and the wavelength tunable filter. A difference wavelength calculation unit for obtaining a difference wavelength between a wavelength value of the extracted wave with respect to the reference wave and a drift by estimating a temperature change from a reference temperature using the difference wavelength, the reference wavelength, and the temperature drift coefficient for each wavelength. A drift temperature calculation unit that calculates temperature; a drift wavelength calculation unit that calculates a wavelength drift value of the wavelength tunable filter for a specific wavelength band from the drift temperature to obtain a drift wavelength; and reads an observation wavelength of the sensing FBG element An observation wavelength determining unit that determines a true set wavelength value using the drift wavelength component in advance with respect to a set wavelength value. For example the Configurations.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the wavelength tunable filter according to the second or third aspect, wherein the differential wavelength obtained by the differential wavelength calculation unit is included in a conversion formula from an observation wavelength of the sensing FBG element to a physical quantity. An offset correction unit that corrects an offset wavelength component due to a mechanical shift at the time of startup is provided.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the invention, the broadband light source is an ASE light source that generates light of a plurality of wavelength bands, and the difference wavelength calculation unit is a plurality of differences obtained from a plurality of reference wavelength values. The average value of the wavelength calculation values is adopted as the final difference wavelength.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a broadband light source that generates light having a broad wavelength band, a tunable filter that selectively extracts band light of a predetermined wavelength band from the light, and an optical pulse generated from the band light. An optical pulsing device, a sensing FBG element connected to the optical pulsing device via an optical fiber provided in a physical quantity measurement target, and a reference wavelength FBG element connected to the optical fiber, The broadband light source, the wavelength tunable filter, and the reference wavelength FBG element are accommodated in a temperature adjustment unit that keeps the operating ambient temperature of the broadband light source, the wavelength tunable filter, and the reference wavelength FBG element in a predetermined range, and the reference wavelength The wavelength variable by utilizing the difference between the setting instruction value of the wavelength variable filter and the actually extracted wavelength value using the peak wavelength of the FBG element for reference as the reference wavelength value A configuration that includes a temperature compensating unit for suppressing the temperature dependency of the filter.
[0021]
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the invention, the temperature compensation unit includes: a temperature coefficient calculating unit that calculates a temperature drift coefficient for each wavelength of the wavelength tunable filter using the temperature as an input; and the reference wavelength FBG element. Using a difference wavelength calculation unit for obtaining a difference wavelength between a wavelength value of a reference wave and a wavelength value of an extracted wave with respect to the reference wave of the wavelength tunable filter, and using the difference wavelength, the reference wavelength, and the temperature drift coefficient for each wavelength A drift temperature calculation unit that estimates a temperature change from a reference temperature and calculates a drift temperature; a drift wavelength calculation unit that calculates a wavelength drift value of the wavelength tunable filter for a specific wavelength band from the drift temperature and obtains a drift wavelength; and A configuration comprising an observation wavelength calculation unit for obtaining a true observation wavelength from the observation wavelength reading value of the sensing FBG element and the drift wavelength To.
[0022]
The invention according to
[0023]
The invention according to claim 9 is the wavelength tunable filter according to the invention according to
[0024]
The invention of claim 10 is the invention of claim 9, comprising a plurality of the reference wavelength FBG elements, wherein the difference wavelength calculation unit is an average value of a plurality of difference wavelength calculation values obtained from a plurality of reference wavelength values. Is adopted as the final difference wavelength.
[0025]
The invention according to claim 11 is the invention according to
[0026]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, a wavelength region including a peak of a specific spectral region of the broadband light source or a wavelength band of reflected light of the sensing FBG element or the reference wavelength FBG element is the wavelength. As a means of obtaining the wavelength position indicating the maximum light intensity in a specific region of the spectrum obtained by scanning with a variable filter, the light intensity data of the spectrum data is naturally logarithmically converted and the second order coefficient is negative. A configuration is provided in which arithmetic means for calculating the peak wavelength or the center wavelength from the point indicating the maximum value of the obtained function is applied to the function.
[0027]
The invention according to
[0028]
A fourteenth aspect of the present invention is the optical detector according to the first or sixth aspect, wherein the light detection unit that converts and amplifies an optical pulse train in which a plurality of reflected pulses from the sensing FBG element are arranged in time, to the electric pulse; A signal processing unit that processes the amplified electric pulse train signal, and the signal processing unit includes an AC coupling portion by a capacitor and a baseline regeneration circuit connected after the AC coupling portion.
[0029]
A fifteenth aspect of the present invention is the light detection unit according to the first or sixth aspect, wherein the optical pulse train in which a plurality of reflected pulses from the sensing FBG element are temporally arranged is converted into an electric pulse and amplified, A signal processing unit that processes the amplified electrical pulse train signal, the signal processing unit using a wavelength scanning function of the wavelength tunable filter from a specific sensor FBG element that arrives at a specific time window of the pulse train. A wavelength calculation unit that obtains the center wavelength by measuring the wavelength spectrum of the optical pulse, and a wavelength scan similar to the wavelength scan for the specific FBG element for the sensor for the time window in which no pulse arrives in the pulse train, and then observed Obtained with respect to a baseline measurement unit that obtains a direct current component for each wavelength as a baseline spectrum and the FBG element for the specific sensor. A structure in which and a correction operation unit for obtaining the true wavelength spectrum from the wavelength spectrum by subtracting the baseline spectrum.
[0030]
A sixteenth aspect of the invention is the optical fiber according to the first aspect of the invention, comprising an optical detector for detecting the output light of the broadband light source, and performing optical transmission from the broadband light source to the photodetector; Ancillary parts are configured to be fixed by a fixing device so that the manner of shape change such as bending or twisting within an allowable range does not change with time.
[0031]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the first or sixth aspect of the invention, there is provided a central wavelength acquisition means for acquiring a central wavelength of a reflected wave of the sensing FBG element for physical quantity conversion, and a reflection characteristic of the sensing FBG element. Spectrum information acquisition means for acquiring the spectrum information to be shown, and comparing the acquired spectrum information with the spectrum information acquired in the initial operation of the sensing FBG element, A soundness diagnosis unit that determines the presence or absence of a shape change is provided.
[0032]
The invention of
[0033]
The invention of claim 19 is a fiber Bragg grating physical quantity measuring method, a broadband light source that generates light having a broad wavelength band, and a wavelength tunable filter that selectively extracts band light of a predetermined wavelength band from the light; , An optical pulsing device that generates an optical pulse from the band light, a sensing FBG element that is provided in a physical quantity measurement object and is connected to the optical pulsing device via an optical fiber, and a reference that is connected to the optical fiber In a fiber Bragg grating physical quantity measuring device comprising a wavelength FBG element, the operating ambient temperature of the broadband light source, the wavelength tunable filter, and the reference wavelength FBG element is adjusted to fall within a predetermined range, and the reference wavelength Using the peak wavelength of the FBG element for reference as the reference wavelength value, the setting instruction value of the wavelength tunable filter and the actual extracted value are extracted. That by utilizing a difference between the wavelength value and suppresses constituting the temperature dependency of the wavelength tunable filter.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. (ASE temperature compensation framework)
As shown in FIG. 1, the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the present embodiment includes a
[0035]
This measuring device is an optical fiber sensing system in which FBG elements 7 are connected by an optical fiber 5. A plurality of sensing FBG elements 7 are connected, and these are equipped with a mechanism for converting a physical quantity that is a necessary measurement target into expansion and contraction of the sensing FBG element 7, and are configured as various physical quantity sensors. .
[0036]
The
[0037]
The light emitted from the
[0038]
The sent pulse light propagates through the optical fiber 5 and is distributed to the branch line of the optical fiber 5 to which the sensing FBG element 7 is connected by the optical splitter 6. When a sensing FBG element 7 having reflection characteristics matching the wavelength band of the pulsed light is encountered, the light pulse is reflected there. The reflected light pulse returns to the first photodetector 9 and becomes an electric pulse by photoelectric conversion. This electric pulse is input to the signal processing device 11.
[0039]
Since the wavelength
[0040]
When the FBG element 7 functions as a vibration sensor, the reflection wavelength band (spectrum) itself changes on the wavelength axis with time. In this case, the
[0041]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the output of the
[0042]
As the
[0043]
In this example, it can be seen that there is a characteristic peak in the vicinity of 1560 nm although it is not sharp. Since this peak is related to the excitation / transition energy level depending on the doping material of the rare earth doped fiber used in the ASE light source device, it is not easily influenced by temperature. Therefore, when the ambient temperature of the
[0044]
When the wavelength
[0045]
According to the fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus of the first embodiment of the present invention described above, the temperature drift of the characteristics of the
[0046]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. (ASE temperature compensation, table reference, wavelength dependence consideration (static))
In this embodiment, the reflection spectrum of the sensing FBG element 7 does not change within the observation time, that is, corresponds to a static physical quantity such as temperature or strain.
[0047]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of this embodiment, as shown in FIG. 3, the
[0048]
The temperature
[0049]
The characteristic peak of the
Δλ0 = reference marker observation value λsm (nm) −reference wavelength value λr (nm)
When the wavelength
[0050]
The amount Δλ0 is a drift amount with respect to the reference wavelength value λr (nm), while the temperature drift coefficient D at the reference wavelength value λr (nm) is obtained from the above-described temperature coefficient calculation unit. From these two values, the temperature change occurring in the
[0051]
The drift
Tc = Δλ0 ÷ D
It is obtained by.
When this data is ready, the reflected wavelength measurement result λm of each sensing FBG element 7 can be corrected.
[0052]
The temperature
Since the drift coefficient D is known and the drift temperature Tc is also known, the
Coe (nm) = Tc (° C.) × D (nm / ° C.)
The correction coefficient Coe obtained in this way corresponds to the wavelength correction amount for the FBG7 element. Accordingly, the
[0053]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the second embodiment of the present invention described above, the temperature compensation of the observation wavelength by the sensing FBG element 7 is effectively performed, and the influence of the change in the ambient temperature is small and accurate. Highly reliable physical quantity measurement can be performed.
[0054]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. (ASE temperature compensation, table reference, wavelength dependence consideration (dynamic))
In this embodiment, the FBG element 7 is used as a dynamic physical quantity, that is, a vibration sensor.
[0055]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of this embodiment, as shown in FIG. 3, the
[0056]
In this embodiment, the wavelength
[0057]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the third embodiment, it is possible to determine the wavelength of light observed by the sensing FBG element before light reception and perform efficient physical quantity measurement.
[0058]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. (ASE temperature compensation, initial offset correction at startup)
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the fourth embodiment, the wavelength value of the reference wave of the
[0059]
When the
[0060]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. (Handling of ASE wavelength center during offset correction)
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the fifth embodiment, in the fourth embodiment, by using an ASE light source composed of a plurality of bands as the
[0061]
In the fourth embodiment, the
That is, three characteristic wavelengths in the spectrum are set as the reference wavelengths λr1 to λr3.
[0062]
Δλ01 = reference marker observation value λsm1 (nm) −reference wavelength value λr1 (nm)
Δλ02 = reference marker observed value λsm2 (nm) −reference wavelength value λr2 (nm)
Δλ03 = reference marker observation value λsm3 (nm) −reference wavelength value λr3 (nm)
By determining Δλ0 as an average value of Δλ01, Δλ02, and Δλ03, offset correction with higher accuracy can be performed.
[0063]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. (FBG element temperature compensation framework)
As shown in FIG. 5, the fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus of the present embodiment includes a
[0064]
Although the sixth embodiment has many parts in common with the configuration of the first embodiment (FIG. 1), the second photodetector 10 is not provided, and the
[0065]
The
[0066]
In the first to fifth embodiments, a value obtained by feature extraction from the spectrum of the
[0067]
As for the reference wavelength FBG element 19, in the case of a so-called temperature compensated FBG element, the
[0068]
The fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus according to the sixth embodiment does not require a temperature-compensating photodetector (10), and is a simple apparatus that is less affected by changes in ambient temperature and has high accuracy and reliability. Measurement can be performed.
[0069]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. (FBG temperature compensation: see table, wavelength dependence consideration (static))
This embodiment is a configuration provided with temperature compensation means (FIG. 3) for static measurement similar to that in the second embodiment in the configuration of FIG.
[0070]
That is, the
[0071]
The fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the seventh embodiment compensates the temperature of the observation wavelength of the sensing FBG element 7 by the wavelength value of the reference wave of the reference wavelength FBG element 19, and the influence of the change in the ambient temperature is affected. It is possible to perform physical quantity measurement with little and high accuracy and reliability.
[0072]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. (FBG temperature compensation: table reference, wavelength dependence consideration (dynamic))
This embodiment is a configuration provided with temperature compensation means (FIG. 3) for dynamic measurement similar to that in the third embodiment in the configuration of FIG.
[0073]
That is, the
[0074]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the eighth embodiment, the wavelength value of the observation wave of the sensing FBG element 7 is calculated from the wavelength value of the reference wave of the reference wavelength FBG element 19 to change the ambient temperature. Therefore, it is possible to perform physical quantity measurement with high accuracy and reliability.
[0075]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. (FBG temperature compensation, initial offset correction at startup)
This embodiment is a configuration provided with temperature compensation means for dynamic measurement similar to that in the fourth embodiment in the configuration of FIG.
[0076]
That is, the difference
[0077]
The fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the ninth embodiment can reduce the influence of the offset of the wavelength
[0078]
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described. (Handling of FBG wavelength center during offset correction)
As shown in FIG. 6, the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the present embodiment includes a
[0079]
In the tenth embodiment, in the configuration of the sixth embodiment (FIG. 5), three (plural) reference wavelength FBG elements 19 are connected in series. The three reference wavelength FBG elements 19 have different reflection wavelengths. All are under a constant temperature condition and can be referred to as three standard wavelengths. The difference
[0080]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus according to the tenth embodiment, the wavelength of the measurement light is precisely corrected, and the physical quantity can be measured with high accuracy and reliability with little influence of changes in the ambient temperature.
[0081]
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described. (Broadband light source / FBG peak wavelength calculation (secondary))
The fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the present embodiment includes a peak in a specific spectral region of the
[0082]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus of the eleventh embodiment, when measuring the spectrum of the
[0083]
At this time, in particular, when a peak-like spectrum is obtained, it is obtained by extracting even-order polynomial approximation by extracting data of a region considered to contain a peak from the obtained discrete data set. The peak center can be obtained from the obtained function value. In the case of a peak that protrudes upward, the maximum value is reached, but particularly in the case of the reflected light peak, it protrudes downward, and in this case, the minimum value corresponds to the peak center value.
[0084]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the eleventh embodiment, the peak wavelength of the
[0085]
Next, a twelfth embodiment of the present invention will be described. (Peak wavelength calculation for broadband light source / FBG (LogE, quadratic, Gaussian fit))
The fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the present embodiment includes a peak of a specific spectral region of the
[0086]
In the twelfth embodiment, instead of the even-order polynomial approximation in the eleventh embodiment, the optical power value data of the partially extracted data set is taken as a natural logarithm and then converted into a quadratic expression. Approximate Gaussian function approximation by fitting function.
[0087]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus according to the twelfth embodiment, the peak wavelength of the
[0088]
Next, a thirteenth embodiment of the present invention will be described. (Peak wavelength calculation for broadband light source and FBG (zero cross point of first derivative))
The fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the present embodiment includes a peak of a specific spectral region of the
[0089]
The smoothed first derivative is a filter calculation method for obtaining a first derivative value while performing smoothing by polynomial approximation on a section including before and after the data of interest, and is described in, for example, the following document.
[0090]
A. Savitzky, M.M. J. et al. E. Golay, “Smoothing and Differentiation of Data by Simulated Least Squares Procedures”, Analytical Chemistry, vol. 36, no. 8, pp. 1627-1639, 1964.
When even-order polynomial approximation of spectrum data in the eleventh embodiment is performed, polynomial approximation is used for sharp peak shapes with relatively narrow half-value widths, such as the spectra of the sensing FBG element 7 and the reference wavelength FBG element 19. Or the Gaussian function approximation is easy to apply, but the spectrum of the
[0091]
If the peak shape is exhibited even if it has spread, a smoothed first derivative value is obtained and the point at which the value crosses zero can be considered as the wavelength center. In the case of flatness, a section where the smoothed primary differential value is a value near zero is determined, and a reference wavelength for the flat portion of the original spectrum is set from the section. In order to find the zero cross point, a discrete data group before and after the actual zero cross point is extracted, a straight line or polynomial fit is performed on the data group, and the obtained function formula (Y: derivative, X: wavelength) ) Is used as the target wavelength value.
[0092]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus according to the thirteenth embodiment, the characteristics of the spectrum with fluctuations and the expanded range are extracted, the reference wavelength is obtained with good reproducibility, and the influence of the change in the ambient temperature is small and accurate. And reliable physical quantity measurement.
[0093]
Next, a fourteenth embodiment of the present invention will be described. (DC regeneration circuit (baseline lister))
In this embodiment, in a fiber Bragg grating physical quantity measuring device using a change in reflection wavelength accompanying a change in diffraction grating pitch due to the temperature or mechanical force of the FBG element, a plurality of reflected pulses from the sensing FBG element 7 are temporally transmitted. And a signal processing unit 11 for processing the amplified electrical pulse train signal, and an AC circuit by a capacitor in the internal circuit of the signal processing unit 11. This is a configuration including a coupling portion and a baseline regeneration circuit connected thereafter.
[0094]
A signal reaching the photodetector 9 from the sensing FBG element 7 through the optical fiber 5 becomes a pulse train. This is because the connection points of the sensing FBG elements 7 are different, and the reflected pulse is returned with a time difference as one optical pulse is sent out.
[0095]
In order to detect a weak optical signal at high speed, a multi-stage high gain amplification stage is prepared. AC (alternating current) coupling is used to avoid subsequent output saturation due to amplification of the direct current offset. The peak value of each pulse in the pulse train is acquired by an AD converter or the like directly or via an integrator with a time gate called a boxcar integrator. In this case, when the pulse train has a positive amplitude as shown in FIG. 7, the baseline sinks to a negative value depending on the peak value of the pulse train. Of course, when there is no signal, the base line is at a voltage zero level because of AC (alternating current) coupling.
[0096]
In general, the baseline shifts to such a level that the positive and negative voltage values × time cancel each other with respect to the zero level of the voltage in terms of time average. Therefore, the higher the pulse repetition frequency and the higher the pulse peak value, the larger the baseline shift. Therefore, when a time window corresponding to a specific pulse is set in this state and a peak value of a pulse arriving there is to be acquired, it is mistaken for a value smaller than the true pulse peak value.
[0097]
Further, when the reflected light of the sensing FBG element 7 is measured by wavelength scanning, the light transmission amount is large in the middle of the scanning step because it is near the spectrum center of the reflected light, and the peak value of the reflected optical pulse signal is also large. On the other hand, the beginning and end of the scanning step are regions where the optical power is reduced on both sides of the peak on the spectrum, so the time interval condition of the pulse train does not change, but the pulse peak value becomes small. Therefore, the average baseline value gradually shifts when the wavelength scanning process is performed in the wavelength scanning process in which the center wavelength (peak wavelength) region is expanded on both sides centering on the center wavelength (peak wavelength) region. It follows a change that is large and then returns to the original value.
[0098]
Therefore, the observed value obtained by AD conversion becomes a spectrum compressed in the Y-axis (optical power) direction, and the compression is not uniform. For this reason, even if the center of the optical spectrum obtained in this way is obtained, true information is no longer included therein.
[0099]
In the present embodiment, a baseline regeneration circuit is applied as means for preventing a change in the baseline. Although there are various circuit configurations for the baseline regeneration circuit, the basic configuration is shown in FIG. The baseline regeneration circuit configuration itself is well known as a circuit used for linear amplifiers for γ-ray and X-ray spectrometry, and fluctuations in the zero level of the baseline due to the arrival of random pulses in front of the AD converter It is used to stabilize
[0100]
In FIG. 8, a signal is input and output in the direction of the arrow. A
[0101]
As an actual implementation circuit, a passive method or an active method using an active element can be considered, but since the time between the pulses and the valley of the pulse is the operation time of the baseline reproduction circuit in the pulse train, It is essential to adopt a circuit configuration that can operate at high speed.
[0102]
Although radiation measurement deals with random pulses, in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the present invention, the time interval between pulses is constant, so the only parameter that changes is the peak value. Therefore, it is very easy to distinguish between when there is a signal and when there is no signal, pulse transmission dimming in the optical pulsing device 4 is known, and the connection position and length of the optical fiber 5 and the sensing FBG element 7 are also known. For example, the time parameters of the reflected pulse train are all known. By using this information, the conceptual opening / closing control operation of the
[0103]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the fourteenth embodiment, the optical pulse train returned from the sensing FBG element 7 is accurately signal-processed, and is less affected by changes in the ambient temperature and highly accurate and reliable. Physical quantity measurement can be performed.
[0104]
Next, a fifteenth embodiment of the present invention will be described. (DC regeneration correction by software) In this embodiment, in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device using the change in the reflection wavelength due to the change in the diffraction grating pitch due to the temperature of the FBG element and the mechanical force, the FBG element 7 from the sensing FBG element 7 An optical detector 9 that converts and amplifies an optical pulse train in which a plurality of reflected pulses are arranged in time into electrical pulses, and a signal processing device 11 that processes the amplified electrical pulse train signal. A calculation unit that obtains a center wavelength by measuring a wavelength spectrum of an optical pulse from a specific sensing FBG element 7 that arrives at a specific time window of the pulse train by using the wavelength scanning function of the wavelength
[0105]
In this embodiment, the phenomenon in which the base line of the reflected light pulse fluctuates and changes due to wavelength scanning is dealt with by signal processing. Now, when wavelength scanning is performed on a specific sensing FBG element 7 of interest with respect to the pulse train shown in FIG. 9, a time window including the reflected light of the sensing FBG 7 is set.
[0106]
Actually, the peak value of the reflected light pulse from each sensing FBG element 7 is acquired while scanning the time window one after another for one step (one wavelength value) in the wavelength scanning. When scanning the time window in the example of FIG. 9, five time windows are required to acquire the data of the FBG element 7. In the present embodiment, a sixth time window is set at a time when there is no valid pulse in the pulse train, and in the example of FIG. 9, a timing after the last pulse. In this way, a baseline at each wavelength step can be acquired.
[0107]
FIG. 10 shows a spectrum a) obtained with respect to the sensing FBG element 7 when the wavelength scanning is completed, and a spectrum b) (actually a change characteristic of the baseline) with respect to the obtained baseline. From this, a true spectrum can be obtained by the calculation of a) -b).
[0108]
In the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the fifteenth embodiment, the optical pulse train returned from the sensing FBG element 7 is accurately signal-processed, and is less affected by changes in ambient temperature and highly accurate and reliable. Physical quantity measurement can be performed.
[0109]
Next, a sixteenth embodiment of the present invention will be described. (Soft & Hard)
The fiber Bragg grating physical quantity measuring device of the present embodiment has both the configuration of the fourteenth embodiment and the configuration of the fifteenth embodiment. In the fourteenth and fifteenth embodiments, the configuration for compensating / correcting the fluctuation of the pulse baseline due to the electronic circuit or data processing / calculation has been shown. In particular, when a number of sensing FBG elements 7 include vibration sensors, the intensity of the reflected light itself constantly vibrates within one step of wavelength scanning, and the vibration frequency and readout timing are asynchronous. Therefore, there is a possibility that extra variation resulting from this is added to the AD converted value. Therefore, it is possible to perform correction by data processing / calculation for the remaining components that cannot be fully compensated by the electronic circuit, and measures by the electronic circuit that has the effect of suppressing the original event itself. Measurement can be realized.
[0110]
Next, a seventeenth embodiment of the present invention will be described. (ASE transmission fiber)
The fiber Bragg grating physical quantity measuring apparatus according to this embodiment has a configuration in which the output light of the
[0111]
In an apparatus that monitors the spectrum shape of the
[0112]
When looking at the reflection wavelength by the sensing FBG element 7, the wavelength band to be used is extremely narrow, and the influence of the distortion of the entire spectrum is negligible. However, with respect to the above-mentioned reference wavelength, which is determined by extracting features from the entire spectrum of the
[0113]
For this reason, in the system for measuring the spectrum of the emitted light from the
[0114]
Next, an eighteenth embodiment of the present invention will be described. (Spectrum monitor)
In this embodiment, a reflected wave from a sensing FBG element 7 is used for physical quantity conversion in a fiber Bragg grating physical quantity measuring device that uses a change in reflection wavelength accompanying a change in diffraction grating pitch due to temperature or mechanical force of the FBG element. Means for obtaining the center wavelength of the FBG element 7, means for obtaining spectral information indicating the reflection characteristics of the FBG element 7 itself, spectrum information of the obtained specific FBG element, and spectrum obtained at the initial stage of system operation of the FBG element 7. This is a configuration including a soundness diagnosis unit having a function of determining the presence or absence of mechanical soundness or shape change of the FBG element 7 by comparing with information.
[0115]
As described above, for the specific sensing FBG element 7 of interest, data corresponding to the optical spectrum is acquired in advance by wavelength scanning, and then the center wavelength is set by the method shown in the eleventh to thirteenth embodiments. Ask. For the conversion between the measured physical quantity and the wavelength, the measured value of the central wavelength is sufficient, but the spectrum data includes the soundness data of the FBG element 7 itself. That is, if the FBG element 7 itself is subjected to abnormal strain or non-uniform strain, or if the transmission loss changes due to mechanical deformation or damage, the shape of the observed optical spectrum changes.
[0116]
By recording the spectrum information for each FBG element 7 acquired at the initial stage such as laying / starting operation of the measuring device, and determining whether the spectrum obtained during each measurement and the above-mentioned initial spectrum have changed, the FBG The soundness of the element 7 itself can be ensured, and the influence of changes in the ambient temperature is small, and physical quantity measurement with high accuracy and reliability can be performed.
[0117]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a fiber Bragg grating physical quantity measuring method and apparatus capable of performing physical quantity measurement with high accuracy and reliability with little influence of changes in ambient temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a curve diagram showing a spectrum of a broadband light source (ASE) provided in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a temperature compensation unit provided in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the second and third embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a curve diagram illustrating the wavelength dependence of the temperature drift coefficient of the wavelength tunable filter and explaining the operation of the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the second and third embodiments of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to a sixth embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a waveform diagram showing a pulse train that sinks by AC coupling in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a pulse train baseline regeneration circuit in a fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to a fourteenth embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a waveform diagram for explaining baseline regeneration of a pulse train by data processing in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the fifteenth embodiment of the present invention;
FIGS. 10A and 10B illustrate pulse train baseline regeneration by data processing in the fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to the fifteenth embodiment of the present invention, wherein a) is a curve diagram of an FBG signal, and b) is a baseline signal. Curve diagram.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a fiber Bragg grating physical quantity measuring device according to a seventeenth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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