JP2019525181A - 分散型光ファイバセンシングシステム及びその振動検知位置決め方法 - Google Patents
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Abstract
分散型光ファイバセンシングシステム及びその振動検知位置決め方法である。前記システムは、信号発生モジュールと、光源モジュールと、光周波数コム生成モジュールと、掃引カットモジュールと、光サーキュレータと、センシング用光ファイバと、ビートモジュールと、光電変換モジュールと、検出位置決めモジュールとを有する。前記方法は、検出位置決めモジュール中の位置決めユニットが、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタを生成することにより、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルフィルタリングして、センシング用光ファイバにおける複数本の反射率曲線を取得し、反射率曲線に対してフェージング除去処理を実施して、干渉フェージング及び偏光フェージングが存在しない複数本の総合反射率曲線を取得し、総合反射率曲線に対して位相処理を実施して、位相分散曲線を取得し、位相分散曲線の分散に基づいて振動点を判定し、最終的に振動点の位置及び振動波形を取得する。本発明は位置決め精度が高く、振動周波数応答の範囲が広く、振動波形のＳＮ比が高い。【選択図】図１
Description
本発明は光ファイバセンシング分野の技術に関し、具体的には、分散型光ファイバセンシングシステム及びその振動検知位置決め方法に関する。
１９７０年代に光ファイバが発明されてから、それに追従するように光ファイバセンシング技術も急速な成長を遂げてきた。光ファイバは、長距離高速通信に利用できるだけでなく、外部の物理パラメータを検知する能力も有している。こうした高感度特性を利用して、研究者らは一連の光ファイバセンサデバイスを発明してきた。なかでも、ここ数年は分散型光ファイバ振動センサが研究対象として注目されている。従来の振動センサと比較して、分散型光ファイバ振動センサは、例えば防水防湿性、耐電磁干渉性、使用安全性といった多くの利点を有するほか、最も重要な点として、分散型センシング及び長距離センシングの機能を有している。
現在のところ最も幅広く用いられており、且つ研究が最も盛んなものとして、光時間領域反射計に基づいた分散型光ファイバセンシングシステムがあり、この種のシステムは、構造がコンパクトであること、復調アルゴリズムがシンプルであること、位置決め精度が高いこと、ＳＮ比が高いこと等の利点を有する。しかし、２つの重大な欠点が存在する。一つ目は、システムの振動周波数応答帯域幅とセンシング距離とが対立することである。従来の光時間領域反射計に基づいた分散型光ファイバ振動センシングシステムでは、周波数応答帯域幅がシステムから出射される検出パルス周波数の半分であるのに対して、出射される検出パルス周波数の逆数、即ち出射パルスの出射時間間隔は、センシング用光ファイバ全体における光の往復伝送時間よりも大きくなければならず、そのために、センシング用光ファイバの長さが長いほど振動応答帯域幅は小さくなり、逆もまた然りである。この欠点によって、この種の分散型光ファイバ振動センシングシステムは、高周波振動センシング分野での応用が深刻に制限される。二つ目は、システムの空間分解能と最大検出距離とが対立することである。高い空間分解能を得るには検出光パルスの持続時間を短くする必要があるが、それによって、検出光パルスのパワーが低下してしまい、検出距離が制限される。
振動周波数応答帯域幅とセンシング距離との対立については、現在のところ次のいくつかの解決方案が挙げられる。まず、光周波数領域反射計に基づいた分散型光ファイバ振動センシングシステムが挙げられる。このシステムは、高周波振動の周波数情報を取得できるものの、振動の時間領域情報を取得することができない。次に、干渉計に基づいた分散型光ファイバセンシングシステムが挙げられる。このシステムは、振動周波数応答の範囲を広く取れるものの、復調アルゴリズムの複雑化や位置決め精度の低さといった欠点を有する。次に、干渉計と光時間領域反射計を組合せて構成される分散型光ファイバセンシングシステムが挙げられる。このシステムは、二種類のシステムの利点を有するものの、システム自体が複雑になっており、更には、センシング用光ファイバを環状構造とする必要があり、シングルエンド測定が不可能となる。そして、周波数分割多重化技術と光時間領域反射計に基づいた分散型センシングシステムが挙げられる。このシステムは、総合的な性能（空間分解能、測定可能範囲、ＳＮ比）の更なる向上が待たれる。
従来技術においては、検出パルスの出射周波数がセンシング距離によって制限されることが多く、且つ、用いられる音波位置特定の計算方法が強度に基づいて復調するため、ＳＮ比が低いだけでなく、偏光フェージング及び干渉フェージングの雑音を除去できず、位相を復調した振動波形情報にエラーが生じる等の問題が生じやすいことから、本発明は、光周波数コム信号を発生させるとともに、干渉フェージング及び偏光フェージングを除去可能な位相復調アルゴリズムを組合せることにより、センシング用光ファイバの反射率曲線における極めて弱い反射点を除去してＳＮ比及び位置決め精度を向上させ、他方、周波数分割多重化技術によって振動周波数応答帯域幅を倍増させることにより、出射される掃引光パルスによって空間分解能と検出距離との対立を解消させる、分散型光ファイバセンシングシステム及びその振動検知位置決め方法を提供する。
本発明は、以下の技術方案により実現される。
本発明に係る分散型光ファイバセンシングシステムは、信号発生モジュールと、光源モジュールと、光周波数コム生成モジュールと、掃引カットモジュールと、光サーキュレータと、センシング用光ファイバと、ビートモジュールと、光電変換モジュールと、検出位置決めモジュールとを有する分散型光ファイバセンシングシステムであって、前記信号発生モジュールは、前記掃引カットモジュールと前記光周波数コム生成モジュールとに対し、増幅した掃引ＲＦパルスシーケンスと増幅した単一周波数正弦波信号とをそれぞれ入力するとともに、前記信号発生モジュールは前記検出位置決めモジュールに対しトリガ信号を送信し、前記光源モジュールにより生成された超狭線幅レーザ光は、検出光路と参照光路とに分岐して、前記光周波数コム生成モジュールと前記ビートモジュールとにそれぞれ出力され、前記光周波数コム生成モジュールは前記掃引カットモジュールに対し光周波数コム信号を入力し、前記掃引カットモジュールは増幅された掃引検出光パルスシーケンスを出力して前記サーキュレータから前記センシング用光ファイバへと入力し、前記センシング用光ファイバで生成されたレイリー後方散乱光は、前記サーキュレータから前記ビートモジュールに入力され、前記ビートモジュールにおいて参照光とうなりを生じて、発生した光ビート信号が前記光電変換モジュールに入力され、前記光電変換モジュールが前記光ビート信号を電気信号に変換して前記検出位置決めモジュールに入力することにより、振動点における検出及び位置決めを行う分散型光ファイバセンシングシステムである。
前記信号発生モジュールは、任意の信号発生器と２つのＲＦ信号増幅器とを有し、前記２つのＲＦ信号増幅器は、それぞれ、前記任意の信号発生器における２つの出力チャネルに接続される。
前記任意の信号発生器における一方のチャネルは掃引ＲＦパルスシーケンスを繰り返し出力し、他方のチャネルは単一周波数正弦波信号を出力する。
前記掃引ＲＦパルスシーケンスは、等時間間隔で同一パルス幅、且つ掃引範囲が互いに異なっており重複しない複数の掃引ＲＦパルス信号を含む。
前記時間間隔と前記掃引ＲＦパルス信号の個数との積は、前記光センシング用光ファイバにおける光の往復伝送時間に等しい。
前記光源モジュールは、順に接続される狭線幅光ファイバレーザと、光ファイバカプラと、偏光コントローラとを有する。
好ましくは、前記光ファイバカプラの分岐比は９０：１０である。
前記光周波数コム生成モジュールは、直流電圧源と光変調器とを有し、前記直流電圧源は、前記光変調器に入力される直流バイアス電圧を調整するとともに、前記光周波数コム信号を生成する。
前記光変調器は、光強度変調器又は光位相変調器である。
前記掃引カットモジュールは、互いに接続される音響光学変調器又は単側波帯変調器と、エルビウムドープファイバ増幅器とを有する。
前記センシング用光ファイバは、シングルモード通信光ファイバである。
前記ビートモジュールは、５０：５０光ファイバカプラである。
前記光電変換モジュールは、バランス検出器である。
前記検出位置決めモジュールは、互いに接続されるデータ収集ボードと、位置決めユニットとを有し、前記データ収集ボードは、入力された前記電気信号をサンプリングして、元データを前記位置決めユニットに入力することにより位相を復調させる。
本発明に係る上記システムに基づいた振動検知位置決め方法は、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタで、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルフィルタリングすることにより、前記センシング用光ファイバにおける複数本の反射率曲線を取得し、その後、前記反射率曲線に対してフェージング除去処理を実施することにより、干渉フェージング及び偏光フェージングが存在しない複数本の総合反射率曲線を取得し、前記総合反射率曲線に対して位相処理を実施することにより、位相分散曲線を取得し、前記位相分散曲線の分散に基づいて振動点を判定し、最終的に振動点の位置及び振動波形を取得する振動検知位置決め方法である。
前記反射率曲線は以下の方法で取得される：前記位置決めユニットは、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタを生成し、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルバンドパスフィルタと同一数量のサブデータセグメントに分割し、更に、サブデータセグメントと、対応するデジタルマッチドフィルタとの間で相互相関演算を実施して、前記センシング用光ファイバにおける反射率曲線の集合が取得される。
前記フェージング除去処理は、１本の前記反射率曲線の共役をとって、その他の前記反射率曲線と乗算することでゼロ復帰位相の反射率曲線の集合を取得するとともに、ゼロ復帰位相の反射率曲線に対して平均演算を実施することで、前記干渉フェージング及び偏光フェージングの存在しない総合反射率曲線を取得することである。
前記位相処理は、各前記総合反射率曲線の位相項を位相曲線としてとって、当該位相曲線を遅延させてから、時間シフト前後のこれら位相曲線に対して差分をとることで差分位相曲線を取得するとともに、当該差分位相曲線に対して分散を求めることで前記位相分散曲線を取得することである。
前記振動点の判定は、もし前記位相分散曲線上のある点における分散が０．０２より大きければ、当該点を振動点とすることである。
前記センシング用光ファイバにおける前記振動点の位置は数式１であり、ここで、ｃ’は光ファイバにおける光の伝達速度であり、ｔｓはデータ収集ボードによるサンプリングレートであり、ｋ０は振動点に対応するインデックス値である。
前記振動点の振動波形は、差分位相曲線上の振動点における差分位相成分からなる新たなシーケンスである。
従来技術と比較して、本発明は、高空間分解能と長い検出距離をともに取得することができるので、振動周波数の応答帯域幅が倍増するだけでなく、更に、反射率曲線上の極めて弱い点を効果的に除去することができるので、位相復調のエラーが解消されて、ＳＮ比の向上と、振動点の正確な検出及び位置決めという目的を達成させる。
図中、１は任意の信号発生器であり、２と３はＲＦ信号増幅器であり、４は狭線幅光ファイバレーザであり、５は光ファイバカプラであり、６は偏光コントローラであり、７は直流電圧源であり、８は光変調器であり、９は音響光学変調器であり、１０はエルビウムドープファイバ増幅器であり、１１は光サーキュレータであり、１２はセンシング用光ファイバであり、１３は５０：５０光ファイバカプラであり、１４はバランス検出器であり、１５はデータ収集ボードであり、１６は位置決めユニットである。
次に、本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例は、本発明の技術方案を前提に実施しており、詳細な実施形態及び具体的操作過程が提示されるが、本発明の保護範囲は後述の実施例に限定されない。
実施例１
図１に示すように、本実施例は、信号発生モジュールと、光源モジュールと、光周波数コム生成モジュールと、掃引カットモジュールと、光サーキュレータ１１と、センシング用光ファイバ１２と、ビートモジュールと、光電変換モジュールと、検出位置決めモジュールとを有し、前記信号発生モジュールは、前記掃引カットモジュールと前記光周波数コム生成モジュールとに対し、増幅した掃引ＲＦパルスシーケンスと増幅した単一周波数正弦波信号とをそれぞれ入力するとともに、前記信号発生モジュールは前記検出位置決めモジュールに対しトリガ信号を送信し、前記光源モジュールにより生成された超狭線幅レーザ光は、検出光路と参照光路とに分岐して、前記光周波数コム生成モジュールと前記ビートモジュールとにそれぞれ出力され、前記光周波数コム生成モジュールは前記掃引カットモジュールに対し光周波数コム信号を入力し、前記掃引カットモジュールは増幅された掃引検出光パルスシーケンスを出力して、前記光サーキュレータ１１のａポートから入力するとともにｂポートから前記センシング用光ファイバ１２へと出力し、前記センシング用光ファイバ１２で生成されたレイリー後方散乱光は、前記光サーキュレータ１１のｂポートから前記光サーキュレータ１１に入力されるとともにｃポートから前記ビートモジュールに入力され、前記ビートモジュールにおいて参照光とうなりを生じて、発生した光ビート信号が前記光電変換モジュールに入力され、前記光電変換モジュールが前記光ビート信号を電気信号に変換して前記検出位置決めモジュールに入力することにより、振動点における検出及び位置決めを行う。
図１に示すように、本実施例は、信号発生モジュールと、光源モジュールと、光周波数コム生成モジュールと、掃引カットモジュールと、光サーキュレータ１１と、センシング用光ファイバ１２と、ビートモジュールと、光電変換モジュールと、検出位置決めモジュールとを有し、前記信号発生モジュールは、前記掃引カットモジュールと前記光周波数コム生成モジュールとに対し、増幅した掃引ＲＦパルスシーケンスと増幅した単一周波数正弦波信号とをそれぞれ入力するとともに、前記信号発生モジュールは前記検出位置決めモジュールに対しトリガ信号を送信し、前記光源モジュールにより生成された超狭線幅レーザ光は、検出光路と参照光路とに分岐して、前記光周波数コム生成モジュールと前記ビートモジュールとにそれぞれ出力され、前記光周波数コム生成モジュールは前記掃引カットモジュールに対し光周波数コム信号を入力し、前記掃引カットモジュールは増幅された掃引検出光パルスシーケンスを出力して、前記光サーキュレータ１１のａポートから入力するとともにｂポートから前記センシング用光ファイバ１２へと出力し、前記センシング用光ファイバ１２で生成されたレイリー後方散乱光は、前記光サーキュレータ１１のｂポートから前記光サーキュレータ１１に入力されるとともにｃポートから前記ビートモジュールに入力され、前記ビートモジュールにおいて参照光とうなりを生じて、発生した光ビート信号が前記光電変換モジュールに入力され、前記光電変換モジュールが前記光ビート信号を電気信号に変換して前記検出位置決めモジュールに入力することにより、振動点における検出及び位置決めを行う。
前記信号発生モジュールは、任意の信号発生器１と２つのＲＦ信号増幅器２，３とを有し、前記２つのＲＦ信号増幅器２，３は、それぞれ、前記任意の信号発生器１における２つの出力チャネルに接続されている。
前記任意の信号発生器１における一方のチャネルは掃引ＲＦパルスシーケンスを繰り返し出力し、他方のチャネルは単一周波数正弦波信号を出力する。
上記の繰り返し出力される掃引ＲＦパルスシーケンスは、繰り返し回数がＬ＝１６であり、等時間間隔Ｔ（２０μｓ）で同一パルス幅τＰ（２μｓ）、且つ掃引範囲が互いに異なっており重複しない１５０〜１７０ＭＨｚ、１７０〜１９０ＭＨｚ、１９０〜２１０ＭＨｚ、２１０〜２３０ＭＨｚ及び２３０〜２５０ＭＨｚである、個数Ｎ＝５の掃引ＲＦパルス信号を含む。
前記時間間隔Ｔと前記掃引ＲＦパルス信号の個数Ｎとの積ＮＴは、センシング用光ファイバ１２における光の往復伝送時間に等しく、１００μｓである。
前記単一周波数正弦波信号の周波数は１００ＭＨｚである。
前記光源モジュールは、順に接続される狭線幅光ファイバレーザ４と、光ファイバカプラ５と、偏光コントローラ６とを有する。
前記光ファイバカプラ５の分岐比は９０：１０である。
前記狭線幅光ファイバレーザ４の線幅は１ｋＨｚである。
前記光周波数コム生成モジュールは、直流電圧源７と光変調器８とを有し、直流電圧源７は、光変調器８に入力される直流バイアス電圧を調整するとともに、前記光周波数コム信号を生成する。
前記光周波数コム信号は、光変調器８に入力される検出光と単一周波数正弦波信号から生成される光周波数成分が２Ｍ＋１＝３個の光周波数コム信号であり、Ｍは光変調器８で生成される側波帯の次数である。
前記光変調器８は、光強度変調器である。
前記掃引カットモジュールは、互いに接続される音響光学変調器９と、エルビウムドープファイバ増幅器１０とを有する。
図２に示すように、前記掃引カットモジュールから出力される掃引検出光パルスシーケンスは、時間間隔がＴ＝２０μｓであり、パルス幅がτＰ＝２μｓであり、掃引範囲であるＦ１が５０〜７０ＭＨｚ、７０〜９０ＭＨｚ、９０〜１１０ＭＨｚ、１１０〜１３０ＭＨｚ、１３０〜１５０ＭＨｚであり、Ｆ２が１５０〜１７０ＭＨｚ、１７０〜１９０ＭＨｚ、１９０〜２１０ＭＨｚ、２１０〜２３０ＭＨｚ、２３０〜２５０ＭＨｚであり、Ｆ３が２５０〜２７０ＭＨｚ、２７０〜２９０ＭＨｚ、２９０〜３１０ＭＨｚ、３１０〜３３０ＭＨｚ、３３０〜３５０ＭＨｚである。
前記センシング用光ファイバ１２はシングルモード通信光ファイバであり、全長が１０ｋｍである。
前記ビートモジュールは、５０：５０光ファイバカプラ１３である。
前記光電変換モジュールは、バランス検出器１４である。
前記バランス検出器１４の帯域幅は４００ＭＨｚである。
前記検出位置決めモジュールは、互いに接続されるデータ収集ボード１５と、位置決めユニット１６とを有し、データ収集ボード１５は、入力された電気信号をサンプリングして、元データを位置決めユニット１６に入力することにより位相を復調させる。
前記データ収集ボード１５のサンプリングレートｔｓは１ＧＳａ／ｓであり、分解能は８ｂｉｔである。
本実施例に係る上記システムに基づいた検出位置決め方法は、以下のステップを含む。
ステップ１：位置決めユニット１６は、データ収集ボード１５によってサンプリングされたＮＬ個の掃引検出光パルスからの元データセグメントを、時系列で数式２とマーキングし、ここで、Ｋは１つの掃引検出光パルスからの元データのデータ量であり、そして、周波数帯域が異なっており且つ重複しない２Ｍ＋１個のデジタルバンドパスフィルタである数式３を生成し、マーキングした元データセグメントを２Ｍ＋１個のサブデータセグメントに分割してから、数式４とマーキングする。
ステップ２：前ステップで取得したＮＬ（２Ｍ＋１）個のサブデータセグメントと、それぞれに対応するデジタルマッチドフィルタである数式５との間で相互相関演算を実施し、センシング用光ファイバ１２におけるＮＬ（２Ｍ＋１）本の反射率曲線を取得する。
前記反射率曲線は、数式６で表され、ここで、κはインデックス符号であり、＊は共役を表し、取得される反射率はいずれも複素数である。
前記反射率曲線上には、干渉フェージング及び偏光フェージングが存在する。
２つの隣り合う検出光パルス間の時間間隔ＴはＮＴよりも遥かに小さく、即ち、センシング用光ファイバ１２における光の最大往復伝送時間よりも小さいため、２つの隣り合う検出光パルスのレイリー後方散乱光は時間的に一部重複している。しかし、２つの隣り合う検出光パルスは周波数が異なり、且つ対応するマッチドフィルタも異なっているため、バンドパスフィルタとマッチドフィルタとを用いることで、適合しない検出光パルスの後方反射信号を抑制して、後方散乱光信号を分離するという目的を達成することができる。
ステップ３：マーキングが１である掃引検出光パルスからの反射率曲線である数式７の共役である数式８をとって、その他の反射率曲線と乗じることで、ＮＬ（２Ｍ＋１）本のゼロ復帰位相の反射率曲線である数式９を取得する。
ステップ４：前ステップで取得したゼロ復帰位相の反射率曲線に対して平均演算を実施して、ＮＬ本の干渉フェージング及び偏光フェージングの存在しない総合反射率曲線である数式１０を取得する。
ステップ５：前ステップで取得したＮＬ本の総合反射率曲線の位相項をとって、ＮＬ本の位相曲線である数式１１を取得する。
ステップ３〜５は次のように解釈される。ｎ＝１の場合を例にすると、２Ｍ＋１本の反射率曲線である数式１２は、同一の掃引検出光パルスからのレイリー後方散乱光について２Ｍ＋１個部分を復調し、この２Ｍ＋１本の反射率曲線上には深刻な干渉フェージング及び偏光フェージングの点が存在するが、これらフェージングの点は反射率の絶対値が小さく、ノイズの影響を受けるため、これらの点の位相の復調においてエラーが生じてしまう。しかし、この２Ｍ＋１個部分は周波数がそれぞれ異なっていることから、この２Ｍ＋１本の反射率曲線もまたそれぞれ異なり、即ち、この２Ｍ＋１本の反射率曲線上における干渉フェージング及び偏光フェージングに起因する極めて弱い点の位置もそれぞれ異なっている。この２Ｍ＋１本の反射率曲線に対して平均演算を実施すればこれらの極めて弱い点を除去することができ、結果としてこれらの点で出現する位相復調のエラーが除去される。但し、反射率は複素数であるため、複素数の加法についての知識から明らかなように、複素数を加算したとしても絶対値が必ずしも大きくなるとは限らず、小さくなる場合もある。反射率を加算した後の絶対値を最大化するためには、予め反射率を回転させて、それらの夾角をゼロにした後で、加算する必要がある。
ステップ６：前ステップで取得したＮＬ本の位相曲線に対して、ユニットＤ個のユニットだけ遅延させた後、時間シフト前後のこれら位相曲線に対して差分をとることで、ＮＬ本の差分位相曲線である数式１３を取得する。
ステップ７：前ステップで取得したＮＬ本の差分位相曲線に対して分散を求め、位相分散曲線である数式１４を取得する。
ステップ８：前ステップで取得した位相分散曲線上のｋ＝ｋ０における分散が０．０２よりも大きければ、当該点は振動点であり、センシング用光ファイバ１２における位置は数式１５であり、ここで、ｃ’は光ファイバにおける光の伝達速度であり、ｔｓはデータ収集ボード１５によるサンプリングレートであり、ｋ０は振動点に対応するインデックス値であり、振動点における振動波形は、ステップ６において取得されたＮＬ本の差分位相曲線上のｋ＝ｋ０における差分位相からなる新たなシーケンスであって、数式１６で表される。
本実施例の空間分解能Δｚは掃引検出光パルスの掃引範囲により決定され、数式１７であり、ここで、γは掃引速度である。
本実施例の振動周波数応答帯域幅は掃引検出光パルスの出射時間間隔によって決定され、１／２Ｔである。従来の方案と比較して、理論上の振動周波数応答帯域幅はＮ倍増加する。
本実施例では、１つの振動点を設置して、センシング用光ファイバ１２の９．９３ｋｍの箇所において周波数２１ｋＨｚの単一周波数振動を発生させたところ、当該振動点における振動影響範囲は１０ｍであった。
本実施例では、Ｋ＝１０００００、Ｎ＝５、Ｌ＝１６、ＮＬ＝８０、Ｍ＝１、Ｄ＝１００であって、３つのデジタルバンドパスフィルタの周波数帯域幅は、それぞれ５０〜１５０ＭＨｚ、１５０〜２５０ＭＨｚ及び２５０〜３５０ＭＨｚであって、即ち、８０個の掃引検出光パルスの元データセグメントの時系列にされたマーキングは、数式１８であり、分割された８０×３＝２４０個のサブデータセグメントにされたマーキングは、数式１９であった。
本実施例で取得された反射率曲線は数式２０であって、ゼロ復帰位相の反射率曲線は数式２１であって、総合反射率曲線は数式２２であって、位相曲線は数式２３であって、差分位相曲線は数式２４であって、位相分散曲線は数式２５であった。
位相分散曲線において、ｋ０＝９９３００における分散は０．０２よりも大きいため、当該点は振動点であると判断され、センシング用光ファイバ１２上の振動点の位置は数式２６であり、設定された振動位置と一致していた。振動点の振動波形は数式２７であり、図３に示すように、取得された振動波形のＳＮ比は２５ｄＢに達していた。
センシング用光ファイバ１２の全長は１０ｋｍであり、従来の光時間領域反射計に基づいた分散型光ファイバセンシングシステムにおける測定可能な最大振動周波数が５ｋＨｚにとどまるのに対して、本実施例は２１ｋＨｚの振動周波数までの測定に成功するとともに、高いＳＮ比を有することから、本実施例は、センシング用光ファイバ１２の長さに起因する振動周波数応答範囲の制限を突破した。
従来技術においては、検出パルスの出射周波数がセンシング距離によって制限されることが多く、且つ、用いられる音波位置特定の計算方法が強度に基づいて復調するため、ＳＮ比が低いだけでなく、偏光フェージング及び干渉フェージングの雑音を除去できず、位相を復調した振動波形情報にエラーが生じる等の問題が生じやすいことから、本発明は、光周波数コム信号を発生させるとともに、干渉フェージング及び偏光フェージングを除去可能な位相復調アルゴリズムを組合せることにより、センシング用光ファイバのレイリー散乱信号における極めて弱い反射点を除去してＳＮ比及び位置決め精度を向上させ、他方、周波数分割多重化技術によって振動周波数応答帯域幅を倍増させることにより、出射される掃引光パルスによって空間分解能と検出距離との対立を解消させる、分散型光ファイバセンシングシステム及びその振動検知位置決め方法を提供する。
本発明に係る分散型光ファイバセンシングシステムは、信号発生モジュールと、光源モジュールと、光周波数コム生成モジュールと、掃引カットモジュールと、光サーキュレータと、センシング用光ファイバと、ビートモジュールと、光電変換モジュールと、検出位置決めモジュールとを有する分散型光ファイバセンシングシステムであって、前記信号発生モジュールは、前記掃引カットモジュールと前記光周波数コム生成モジュールとに対し、増幅した掃引ＲＦパルスシーケンスと増幅した単一周波数正弦波信号とをそれぞれ入力するとともに、前記信号発生モジュールは前記検出位置決めモジュールに対しトリガ信号を送信し、前記光源モジュールにより生成された超狭線幅レーザ光は、検出光路と参照光路とに分岐して、前記光周波数コム生成モジュールと前記ビートモジュールとにそれぞれ出力され、前記光周波数コム生成モジュールは前記掃引カットモジュールに対し光周波数コム信号を入力し、前記掃引カットモジュールは増幅された掃引検出光パルスシーケンスを出力して前記光サーキュレータから前記センシング用光ファイバへと入力し、前記センシング用光ファイバで生成されたレイリー後方散乱光は、前記光サーキュレータから前記ビートモジュールに入力され、前記ビートモジュールにおいて参照光とうなりを生じて、発生した光ビート信号が前記光電変換モジュールに入力され、前記光電変換モジュールが前記光ビート信号を電気信号に変換して前記検出位置決めモジュールに入力することにより、振動点における検出及び位置決めを行う分散型光ファイバセンシングシステムである。
本発明に係る上記システムに基づいた振動検知位置決め方法は、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタで、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルフィルタリングすることにより、前記センシング用光ファイバにおける複数本のレイリー散乱信号を取得し、その後、前記レイリー散乱信号に対してフェージング除去処理を実施することにより、干渉フェージング及び偏光フェージングが存在しない複数本の総合レイリー散乱信号を取得し、前記総合レイリー散乱信号に対して位相処理を実施することにより、位相分散曲線を取得し、前記位相分散曲線の分散に基づいて振動点を判定し、最終的に振動点の位置及び振動波形を取得する振動検知位置決め方法である。
前記レイリー散乱信号は以下の方法で取得される：前記位置決めユニットは、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタを生成し、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルバンドパスフィルタと同一数量のサブデータセグメントに分割し、更に、サブデータセグメントと、対応するデジタルマッチドフィルタとの間で相互相関演算を実施して、前記センシング用光ファイバにおけるレイリー散乱信号の集合が取得される。
前記フェージング除去処理は、１本の前記レイリー散乱信号の共役をとって、その他の前記レイリー散乱信号と乗算することでゼロ復帰位相のレイリー散乱信号の集合を取得するとともに、ゼロ復帰位相のレイリー散乱信号に対して平均演算を実施することで、前記干渉フェージング及び偏光フェージングの存在しない総合レイリー散乱信号を取得することである。
前記位相処理は、各前記総合レイリー散乱信号の位相項を位相曲線としてとって、当該位相曲線を遅延させてから、時間シフト前後のこれら位相曲線に対して差分をとることで差分位相曲線を取得するとともに、当該差分位相曲線に対して分散を求めることで前記位相分散曲線を取得することである。
従来技術と比較して、本発明は、高空間分解能と長い検出距離をともに取得することができるので、振動周波数の応答帯域幅が倍増するだけでなく、更に、レイリー散乱信号上の極めて弱い点を効果的に除去することができるので、位相復調のエラーが解消されて、ＳＮ比の向上と、振動点の正確な検出及び位置決めという目的を達成させる。
ステップ２：前ステップで取得したＮＬ（２Ｍ＋１）個のサブデータセグメントと、それぞれに対応するデジタルマッチドフィルタである数式５との間で相互相関演算を実施し、センシング用光ファイバ１２におけるＮＬ（２Ｍ＋１）本のレイリー散乱信号を取得する。
前記レイリー散乱信号は、数式６で表され、ここで、κはインデックス符号であり、＊は共役を表し、取得される反射率はいずれも複素数である。
前記レイリー散乱信号には、干渉フェージング及び偏光フェージングが存在する。
２つの隣り合う検出光パルス間の時間間隔ＴはＮＴよりも遥かに小さく、即ち、センシング用光ファイバ１２における光の最大往復伝送時間よりも小さいため、２つの隣り合う検出光パルスのレイリー後方散乱光は時間的に一部重複している。しかし、２つの隣り合う検出光パルスは周波数が異なり、且つ対応するマッチドフィルタも異なっているため、バンドパスフィルタとマッチドフィルタとを用いることで、適合しない検出光パルスの後方散乱信号を抑制して、後方散乱光信号を分離するという目的を達成することができる。
ステップ３：マーキングが１である掃引検出光パルスからのレイリー散乱信号である数式７の共役である数式８をとって、その他のレイリー散乱信号と乗じることで、ＮＬ（２Ｍ＋１）本のゼロ復帰位相のレイリー散乱信号である数式９を取得する。
ステップ４：前ステップで取得したゼロ復帰位相のレイリー散乱信号に対して平均演算を実施して、ＮＬ本の干渉フェージング及び偏光フェージングの存在しない総合レイリー散乱信号である数式１０を取得する。
ステップ５：前ステップで取得したＮＬ本の総合レイリー散乱信号の位相項をとって、ＮＬ本の位相曲線である数式１１を取得する。
ステップ３〜５は次のように解釈される。ｎ＝１の場合を例にすると、２Ｍ＋１本のレイリー散乱信号である数式１２は、同一の掃引検出光パルスからのレイリー後方散乱光について２Ｍ＋１個部分を復調し、この２Ｍ＋１本のレイリー散乱信号には深刻な干渉フェージング及び偏光フェージングの点が存在するが、これらフェージングの点は反射率の絶対値が小さく、ノイズの影響を受けるため、これらの点の位相の復調においてエラーが生じてしまう。しかし、この２Ｍ＋１個部分は周波数がそれぞれ異なっていることから、この２Ｍ＋１本のレイリー散乱信号もまたそれぞれ異なり、即ち、この２Ｍ＋１本のレイリー散乱信号における干渉フェージング及び偏光フェージングに起因する極めて弱い点の位置もそれぞれ異なっている。この２Ｍ＋１本のレイリー散乱信号に対して平均演算を実施すればこれらの極めて弱い点を除去することができ、結果としてこれらの点で出現する位相復調のエラーが除去される。但し、反射率は複素数であるため、複素数の加法についての知識から明らかなように、複素数を加算したとしても絶対値が必ずしも大きくなるとは限らず、小さくなる場合もある。反射率を加算した後の絶対値を最大化するためには、予め反射率を回転させて、それらの夾角をゼロにした後で、加算する必要がある。
本実施例で取得されたレイリー散乱信号は数式２０であって、ゼロ復帰位相のレイリー散乱信号は数式２１であって、総合レイリー散乱信号は数式２２であって、位相曲線は数式２３であって、差分位相曲線は数式２４であって、位相分散曲線は数式２５であった。
Claims (12)
- 信号発生モジュールと、光源モジュールと、光周波数コム生成モジュールと、掃引カットモジュールと、光サーキュレータと、センシング用光ファイバと、ビートモジュールと、光電変換モジュールと、検出位置決めモジュールとを有する分散型光ファイバセンシングシステムであって、
前記信号発生モジュールは、前記掃引カットモジュールと前記光周波数コム生成モジュールとに対し、増幅した掃引ＲＦパルスシーケンスと増幅した単一周波数正弦波信号とをそれぞれ入力するとともに、前記信号発生モジュールは前記検出位置決めモジュールに対しトリガ信号を送信し、
前記光源モジュールにより生成された超狭線幅レーザ光は、検出光路と参照光路とに分岐して、前記光周波数コム生成モジュールと前記ビートモジュールとにそれぞれ出力され、
前記光周波数コム生成モジュールは前記掃引カットモジュールに対し光周波数コム信号を入力し、前記掃引カットモジュールは増幅された掃引検出光パルスシーケンスを出力して前記サーキュレータから前記センシング用光ファイバへと入力し、
前記センシング用光ファイバで生成されたレイリー後方散乱光は、前記サーキュレータから前記ビートモジュールに入力され、前記ビートモジュールにおいて参照光とうなりを生じて、発生した光ビート信号が前記光電変換モジュールに入力され、
前記光電変換モジュールが前記光ビート信号を電気信号に変換して前記検出位置決めモジュールに入力することにより、振動点における検出及び位置決めを行うことを特徴とする分散型光ファイバセンシングシステム。 - 前記信号発生モジュールは、任意の信号発生器と２つのＲＦ信号増幅器とを有し、前記２つのＲＦ信号増幅器は、それぞれ、前記任意の信号発生器における２つの出力チャネルに接続され、
前記任意の信号発生器における一方のチャネルは掃引ＲＦパルスシーケンスを繰り返し出力し、他方のチャネルは単一周波数正弦波信号を出力し、
前記掃引ＲＦパルスシーケンスは、等時間間隔で同一パルス幅、且つ掃引範囲が互いに異なっており重複しない複数の掃引ＲＦパルス信号を含むことを特徴とする請求項１に記載の分散型光ファイバセンシングシステム。 - 前記時間間隔と前記掃引ＲＦパルス信号の個数との積は、前記光センシング用光ファイバにおける光の往復伝送時間に等しいことを特徴とする請求項２に記載の分散型光ファイバセンシングシステム。
- 前記光源モジュールは、順に接続される狭線幅光ファイバレーザと、光ファイバカプラと、偏光コントローラとを有し、
前記光ファイバカプラの分岐比は９０：１０であることを特徴とする請求項１に記載の分散型光ファイバセンシングシステム。 - 前記光周波数コム生成モジュールは直流電圧源と光変調器とを有し、
前記直流電圧源は、前記光変調器に入力される直流バイアス電圧を調整するとともに、前記光周波数コム信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の分散型光ファイバセンシングシステム。 - 前記掃引カットモジュールは、互いに接続される音響光学変調器又は単側波帯変調器と、エルビウムドープファイバ増幅器とを有することを特徴とする請求項１に記載の分散型光ファイバセンシングシステム。
- 前記検出位置決めモジュールは、互いに接続されるデータ収集ボードと、位置決めユニットとを有し、
前記データ収集ボードは、入力された前記電気信号をサンプリングして、元データを前記位置決めユニットに入力することにより位相を復調させることを特徴とする請求項１に記載の分散型光ファイバセンシングシステム。 - 上記請求項のいずれかに記載のシステムに基づいた振動検知位置決め方法であって、
前記位置決めユニットは、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタを生成することにより、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルフィルタリングして、前記センシング用光ファイバにおける複数本の反射率曲線を取得し、
前記反射率曲線に対してフェージング除去処理を実施して、干渉フェージング及び偏光フェージングが存在しない複数本の総合反射率曲線を取得し、
前記総合反射率曲線に対して位相処理を実施して、位相分散曲線を取得し、
前記位相分散曲線の分散に基づいて振動点を判定し、最終的に振動点の位置及び振動波形を取得することを特徴とする振動検知位置決め方法。 - 前記反射率曲線を以下の方法で取得することを特徴とする請求項８に記載の振動検知位置決め方法：
前記位置決めユニットは、周波数帯域が異なっており且つ重複しない複数のデジタルバンドパスフィルタを生成し、複数の掃引検出光パルスからの元データセグメントをデジタルバンドパスフィルタと同一数量のサブデータセグメントに分割し、更に、サブデータセグメントと、対応するデジタルマッチドフィルタとの間で相互相関演算を実施して、前記センシング用光ファイバにおける反射率曲線の集合を取得する。 - 前記フェージング除去処理は、１本の前記反射率曲線の共役をとって、その他の前記反射率曲線と乗算することでゼロ復帰位相の反射率曲線の集合を取得するとともに、ゼロ復帰位相の反射率曲線に対して平均演算を実施することで、前記干渉フェージング及び偏光フェージングの存在しない総合反射率曲線を取得することであることを特徴とする請求項８に記載の振動検知位置決め方法。
- 前記位相処理は、各前記総合反射率曲線の位相項を位相曲線としてとって、当該位相曲線を遅延させてから、時間シフト前後のこれら位相曲線に対して差分をとることで差分位相曲線を取得するとともに、当該差分位相曲線に対して分散を求めることで前記位相分散曲線を取得することであることを特徴とする請求項８に記載の振動検知位置決め方法。
- 前記振動点の判定は、前記位相分散曲線上のある点における分散が０．０２より大きい場合には、当該点を振動点とすることであり、
前記センシング用光ファイバにおける前記振動点の位置はｚ＝ｃ’ｋ０ｔｓ／２であり、ｃ’は光ファイバにおける光の伝達速度であり、ｔｓはデータ収集ボードによるサンプリングレートであり、ｋ０は振動点に対応するインデックス値であり、
前記振動点の振動波形は、差分位相曲線上の振動点における差分位相成分からなる新たなシーケンスであることを特徴とする請求項８に記載の振動検知位置決め方法。
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