光センサシステム
【課題】本発明は、光センサシステムにおける予備センサの数を削減することによって運用コストを低くすることを目的とする。
【解決手段】本発明の光センサシステム１０は、波長掃引レーザ１１で発振されたパルス光が入力される全ての光センサ１５−１〜１５−ｍに、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子２２を備え、波長掃引レーザ１１からのパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射させ、この反射パルス光をパルス受信器１６で受信し、異常特定装置１８−１で、その受信された反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知して異常発生の光センサ１５−３を特定可能に構成されている。
【解決手段】本発明の光センサシステム１０は、波長掃引レーザ１１で発振されたパルス光が入力される全ての光センサ１５−１〜１５−ｍに、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子２２を備え、波長掃引レーザ１１からのパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射させ、この反射パルス光をパルス受信器１６で受信し、異常特定装置１８−１で、その受信された反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知して異常発生の光センサ１５−３を特定可能に構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを構造物の歪など各種の物理量を計測するために用いる光センサシステムであって、特に光ファイバ型のセンサに限定されず、平面型光導波路に形成された回折格子も含む導波路回折格子をセンサとして用いる光センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ型のセンサはセンサ部分に電源を必要とせず、電磁誘導による障害の影響も無く、光伝送媒体が細芯、可撓（柔軟）、耐腐食性を備えている等の特長があるため、土木設備や構造物の診断など広域センシングへの応用など様々な分野への応用に期待が高まっている。
【０００３】
従来、このような光センサとしてＦｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ（光ファイバ回折格子：以後「Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ」を「ＦＢＧ」と略記する。）を用いた光センサシステムにおいては、光源として光波が全く干渉しないインコヒーレント光源が幅広く用いられてきた。グレーティング（屈折率周期構造）の周期に波長の合致するブラッグ波長が互いに異なる複数のＦＢＧを直列に接続して配備することで、ブラッグ波長がセンサ位置を表すようになっている。
【０００４】
また、ＦＢＧの反射する波長帯域はセンサ数に比例して広がるため、これらをカバーできる広帯域光源として、出力安定性が非常に優れると共に、広帯域でインコヒーレント光を発するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源などが用いられてきた。
【０００５】
この種の従来技術として、特許文献１に記載のＦＢＧを用いた歪み計測システムがある。このシステムでは、広帯域パルス光源からの光信号が光ファイバを通ると、歪測定用ＦＢＧから反射した光信号が光サーキュレーターを通ってから１×２光コネクタを介して二つに分離されるので、一方の光信号はそのままフォトディテクタにて検出され、他方の光信号はチャープドＦＢＧを通した後にフォトディテクタで検出されるようになっている。ここで、光信号はチャープドＦＢＧに通ることにより、光強度が波長に応じて変化するので、上記の検出された二つの光信号の強度を比較することにより歪計測用ＦＢＧから反射した光信号の波長を計算により求め、構造物の歪を計測するといった構成となっている。
【特許文献１】特開２００５−５１９７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来の光センサシステムにおいて、ブラッグ波長の異なるＦＢＧを直列に配備してブラッグ波長がセンサ位置を表すようにしたシステムでは、ブラッグ波長が各々異なるので各センサの波長は重複が許されないことになる。この場合、ＦＢＧが破損した場合に備え、予備センサを全てのセンサに対して少なくとも１つずつ用意する必要があるので、ＦＢＧ数が多いほどに運用コストが高くなるという課題があった。
【０００７】
また、ＦＢＧの反射する波長帯域がセンサ数に比例して広がることをカバーするためにＡＳＥ光源を用いた場合、スペクトル帯域当たりの電力密度が、レーザのようなコヒーレント光源に比べてはるかに低く、このためＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を高くすることができない。これを解決可能な光源として波長掃引レーザがあり、このレーザを使用すればＳＮＲを向上させることが可能である。しかし、反射波長がセンサを同定する手段である点は従来と変わらず、予備センサを各波長のＦＢＧ毎に用意する必要があるので、上記課題と同様に運用コストが高くなってしまう。
【０００８】
更に、上記特許文献１においても、同様に歪計測用のＦＢＧが複数直列に接続された構成となっているので、予備センサを各々のセンサ毎に用意する必要があり、このため上記課題と同様に運用コストが高くなってしまう。
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、光センサシステムにおける予備センサの数を削減することによって運用コストを低くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、発明者らは、波長掃引レーザで発振されたパルス光が入力される全ての光センサとして、波長掃引レーザの波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子を備え、波長掃引レーザからのパルス光を各導波路回折格子で反射させ、これらの反射パルス光を受信し、この受信反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知して異常が発生した導波路回折格子を特定可能とした。
【００１１】
具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段と、を備えたことを特徴とする光センサシステムである。
【００１２】
この構成によれば、全ての光センサである導波路回折格子のブラッグ反射構造が同じなので、これと同じブラッグ反射構造の導波路回折格子を予備用として少数用意するだけで済む。従って、従来のように少なくとも全光センサに対応した予備の光センサを用意する場合と比較して、大幅に予備の光センサの数を減少させることができるので、運用コストを低くすることができる。
【００１３】
また、具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を備えたことを特徴とする光センサシステムである。
【００１４】
この構成によっても、前述の構成と同様に、同じブラッグ反射構造の導波路回折格子を予備用として少数用意するだけで済むので、大幅に予備の光センサの数を減少させることができ、運用コストを低くすることができる。
【００１５】
更に、具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造とを有し、前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステムである。
【００１６】
この構成によれば、被測定物が大規模である場合などに、より多くの光センサを用いて光センサシステムを構成する場合でも、光分波フィルタに同じ構成の光センサ経路構造を複数接続すればよいので、容易に大規模な光センサシステムを構成することができる。更に、このように多くの光センサを用いる場合でも、前述の構成と同様に、同一経路における全光センサである導波路回折格子のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００１７】
更に、具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造とを有し、前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステムとする。
【００１８】
この構成によっても、前述の構成と同様に、容易に大規模な光センサシステムを構成することができ、更に、同一経路における全光センサである導波路回折格子のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００１９】
本発明の光センサシステムは、接続用光ファイバから分岐された後、導波路回折格子の前段に温度補償光ファイバを更に備え、前記温度補償光ファイバは、温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動が、温度に起因する前記導波路回折格子のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を相殺する長さであることが望ましい。
【００２０】
この構成によれば、導波路回折格子の温度に起因するブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を、温度補償光ファイバの温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動で相殺できるように、温度補償光ファイバの長さが定められているので、温度変化が起因する導波路回折格子のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延時間変動を抑制することができる。
【００２１】
本発明の光センサシステムは、波長掃引レーザから出射されたパルス光を検出し、この検出パルス光の波長掃引速度が一定となるように当該波長掃引レーザからのパルス光の波長を制御する制御手段を更に備えたことが望ましい。
【００２２】
この構成によれば、波長掃引レーザの波長掃引速度が電源変動や経時劣化などによって変動しても、その波長掃引速度を一定に制御することができ、これによって、所定波長のパルス光を光センサである各導波路回折格子へ出射することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光センサシステムにおける予備センサの数を削減することによって運用コストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）に示すＷＢＧセンサの構成図である。
【００２６】
第１の実施形態の光センサシステム１０は、波長掃引レーザ１１と、光サーキュレータ１２と、この光サーキュレータ１２に各々が接続用光ファイバ１３で直列に接続されると共にトンネル構造物等の被測定物１４に配設されたｍ個の光センサ１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，…，１５−ｍと、パルス受信器１６と、異常特定装置１８−１とを備えて構成されている。なお、パルス受信器１６と異常特定装置１８−１の組合せによって受信特定手段が構成される。
【００２７】
波長掃引レーザ１１は、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振するものである。
【００２８】
光サーキュレータ１２は、３つの光の入出力端子ａ，ｂ，ｃを有し、これら光入出力端ａ，ｂ，ｃにおいて入力光を内部の周回導波構成で周回させながら出力するものであり、ここでは、波長掃引レーザ１１から出射されたパルス光を、光入出力端ａから取り込んで、これを光入出力端ｂから接続用光ファイバ１３へ出力し、また逆方向に接続用光ファイバ１３からのパルス光を光入出力端ｂから取り込んで光入出力端ｃからパルス受信器１６へ出力する。
【００２９】
各光センサ１５−１〜１５−ｍは、図１（ｂ）に示すように、１対２型の光分岐器２１と、導波路回折格子２２とを備えて構成されている。
光分岐器２１は、接続用光ファイバ１３からの入力パルス光を２つに分波し、この一方のパルス光を接続用光ファイバ１３を介して導波路回折格子２２へ出力し、他方のパルス光を接続用光ファイバ１３を介して後段の光センサへ出力し、また、その逆方向に導波路回折格子２２で反射された反射パルス光を前段の光センサへ出力するものである。
【００３０】
但し、図１（ｂ）では光センサ１５−１〜１５−ｍに対して前段の光センサ、後段の光センサと表したが、波長掃引レーザ１１に最も近い最前段の第１の光センサ１５−１は、光分岐器２１の１つの光入出力端が光サーキュレータ１２の光入出力端ｂに接続されており、最後段の第ｍの光センサ１５−ｍは、光分岐器２１の分岐側の光入出力端のうち導波路回折格子２２への接続側でない光入出力端部において無反射終端処理が施されている。
【００３１】
導波路回折格子２２は、平面型光導波路に形成された回折格子又はＦＢＧ（光ファイバ回折格子）であって、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定されたブラッグ波長を反射するブラッグ反射構造を有しており、光分岐器２１で分波された一方のパルス光を反射し、この反射パルス光を光分岐器２１へ出力する。導波路回折格子２２は、全ての光センサ１５−１〜１５−ｍにおいて同一のブラッグ反射構造とされている。
【００３２】
各光センサ１５−１〜１５−ｍは、全てが同じブラッグ反射構造の導波路回折格子２２を有しており、各々の導波路回折格子２２での反射パルス光は光分岐器２１を通過して前段へ出力されるので、最終的に光サーキュレータ１２の光入出力端ｂへ到達して入力されるようになっている。
【００３３】
パルス受信器１６は、光サーキュレータ１２の光入出力端ｃから出力される反射パルス光を順次受信し、図２（ａ）のパルス波形図に示すように、その受信時刻ｔ１〜ｔｍ毎に反射パルス光の電力値（又は、受信パルス電力値と称す）Ｐ１〜Ｐｍを検出するものである。
【００３４】
異常特定装置１８−１は、パルス受信器１６で検出された各反射パルス光の受信時刻ｔ１〜ｔｍと電力値Ｐ１〜Ｐｍとの関係より反射パルス光の時間軸ｔ上での所定時間位置からのずれを検知し、これによって異常が発生した光センサ１５−１〜１５−ｍを特定するものである。
【００３５】
この特定方法について説明する。パルス受信器１６で検出された受信パルス電力値Ｐ１〜Ｐｍは、各光センサ１５−１〜１５−ｍからの反射距離が遠いほどに小さくなるので、波長掃引レーザ１１と各々の光センサ１５−１〜１５−ｍとの間の距離が分かれば、各電力値Ｐ１〜Ｐｍの反射パルス光がどの光センサ１５−１〜１５−ｍで反射されたものであるかが認識できる。
【００３６】
従って、異常特定装置１８−１には、予め各電力値Ｐ１〜Ｐｍの反射パルス光がどの光センサ１５−１〜１５−ｍのものかが対応付けられており、所定時間位置ｔ３からｔ３Δのようにずれた反射パルス光の電力値Ｐ３に対応付けられた光センサ１５−３を特定可能となっている。なお、各光センサ１５−１〜１５−ｍは固有情報のセンサＩＤ等で認識できるようになっている。
【００３７】
但し、本実施形態では、電力値Ｐ１の反射パルス光が第１の光センサ１５−１からのものであり、電力値Ｐ２の反射パルス光が第２の光センサ１５−２、電力値Ｐ３の反射パルス光が第３の光センサ１５−３、電力値Ｐ４の反射パルス光が第４の光センサ１５−４、電力値Ｐｍ−１の反射パルス光が図示せぬ第ｍ−１の光センサ、電力値Ｐｍの反射パルス光が第ｍの光センサ１５−ｍからのものである。また、受信時刻ｔ３Δに破線で示す電力値Ｐ３のパルス光の波形は、後述の理由によって受信時刻ｔ３の電力値Ｐ３の反射パルス光がずれたものである。
【００３８】
また、波長掃引レーザ１１と各々の光センサ１５−１〜１５−ｍとの間の距離から各反射パルス光の受信間隔ｔｔも把握可能であり、ここでは、各光センサ１５−１〜１５−ｍ間の距離が一定であるとして、受信間隔ｔｔも一定であるとした。
【００３９】
更に、図２（ｂ）に、波長掃引レーザ１１の波長掃引特性を斜線で示し、波長掃引されながら出射されるパルス光（出射パルス光）を楕円で示し、更に、それら出射パルス光に対応する（ａ）の各電力値Ｐ１〜Ｐｍの反射パルス光を対応付けて示した。
【００４０】
更に、反射パルス光の所定時間位置からのずれ検知によって異常が発生した光センサを特定する処理について説明する。波長掃引レーザ１１は図３に斜線の太線部分３１で示す波長掃引特性を有するが、この特性に応じた波長掃引による出射パルス光のスペクトル波形を同図右側に符号３２で示す。また、その出射パルス光が各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射された際の反射パルス光のスペクトル波形を符号３３で示し、この反射パルス光がパルス受信器１６で受信された際のスペクトル波形を符号３４で示す。また、符号３５で示す波形は、出射パルス光のスペクトル波形３２を時間軸ｔ上に表したものである。
【００４１】
これらスペクトル波形３２，３３，３４，３５の関係から分かるように、出射パルス光が導波路回折格子２２で反射されたスペクトル波形３３で示す反射パルス光と、これがパルス受信器１６で受信されたスペクトル波形３４で示すパルス光とは一致している。しかし、温度や歪の影響により導波路回折格子２２のブラッグ反射波長がずれると、符号３３Δで示すように反射パルス光がずれるので、パルス受信器１６で受信される反射パルス光も符号３４Δで示すように時間軸ｔ上で所定位置からずれる。
【００４２】
つまり、図２（ａ）に示したように、時刻ｔ３で受信されるべき電力値Ｐ３の反射パルス光が、それよりも遅れた時刻ｔ３Δで受信されることになる。この反射パルス光は電力値Ｐ３が予め該当する第３の光センサ１５−３に対応付けられているので、この対応関係から第３の光センサ１５−３に異常が発生したことを、異常特定装置１８−１で特定することが可能となっている。
【００４３】
ここで、本実施形態の波長掃引レーザ１１を用いた光ファイバ歪み検出に関する定量的な評価について説明する。
【００４４】
波長掃引レーザ１１は、図４に示すように、斜線で示す特性の波長掃引速度νλを有し、時間Δｔの間に波長が一様にΔλで掃引されるレーザであるとする。この掃引による出射パルス光が導波路回折格子２２で反射された反射パルス光を符号４１で示し、この反射パルス光波形４１がパルス受信器１６で受信されたパルス光を符号４２で示す。また、波長掃引レーザ１１の波長掃引速度νλは、次式（１）で定義されるものとする。
【数１】
なお、図４では右上がりの直線で示す波長掃引速度νλが正、即ち時間ｔと共に長波長側へシフトしていくパルス光を想定しているが、その逆特性、即ち図示はしないが波長掃引速度νλが左下がりの直線となる負で、時間ｔと共に短波長側にシフトしていくパルス光も利用可能である。
【００４５】
ここで、ΔTなる温度変化による反射波長の変化を考えることにして、これを図示のようにΔλTとし、これによる波長掃引レーザ光の反射時間位置変化を図示のようにΔｔTとする。これら変化に応じてずれたパルス光を４１Δ及び４２Δで示す。
【００４６】
通常、ＯＴＤＲ（以後「ＯＴＤＲ」を「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ：光学式時間領域反射率計」と略記する。）測定では、反射時間位置は光ファイバ反射位置として測定器からの距離に換算されるから、この変化分をΔｌTとすると、下式（２）の関係となる。但し、光ファイバ中でのパルス光の速度をΔνｎとする。ここでｎは実効屈折率の意味であり、真空での光速ｃとはνｎ＝ｃ／ｎの関係がある。
【数２】
【００４７】
この式（２）の関係を逆にして、ＯＴＤＲ装置で観測される反射位置の温度変化率ΔｌT ／ΔＴは次式（３）のようになる。
【数３】
波長掃引レーザ１１の波長掃引速度νλは、その掃引原理に依存して様々であることから、４通りの波長掃引速度νλを仮定して、図５に示す波長掃引速度νλとＯＴＤＲ上でのパルス光位置変化温度依存の関係によって、上式（３）を評価する。
【００４８】
図５の関係から分かることは、波長掃引速度νλが小さすぎるとΔｌ／ΔＴ［ｍ／ｄｅｇ．］で示すように温度変化に対して反射位置が大きく変化しすぎ、光センサであるＦＢＧ（導波路回折格子２２）の反射点のみかけの順序が入れ替わってしまう事態が起こりうる。これは光センサの管理運用を煩雑にする意味で欠点となる。これを具体的に算定すると以下のようになる。
【００４９】
図１に示すように、各光センサ１５−１〜１５−ｍの間隔ｌｓ［ｍ］が一定であり、温度検出範囲をＴＲ［℃］とすると、最大温度変化ＴＲでも反射点は隣の光センサ位置ｌｓに達しない条件として、次式（４）の不等式が成立せねばならない。
【数４】
波長掃引速度νλに対する下限としては、次式（５）のようになる。
【数５】
一方、波長掃引速度νλが大きすぎると、温度変化に対して反射位置変化が鈍感になり、温度変化を検出しにくくなるということがある。運用状態でのＯＴＤＲの空間分解能をδ［ｍ］とすると、次式（６）となる。
【数６】
この式（６）が成立しなければならないから上限の波長掃引速度νλとしては次式（７）のようになる。
【数７】
【００５０】
よって、光センサシステム１０に用いる波長掃引レーザ１１の波長掃引速度に関する下限は式（５）で、上限は式（７）で与えられることになる。なお、光センサシステム１０の主な設計仕様の一例を図６に示す。
【００５１】
次に、このような光センサシステム１０において異常が発生した光センサを特定する際の動作を説明する。
【００５２】
波長掃引レーザ１１での波長掃引によって発振されたパルス光が接続用光ファイバ１３を介して光サーキュレータ１２の光入出力端ａから入力され、光入出力端ｂから出力されて接続用光ファイバ１３を介して第１の光センサ１５−１へ入力される。この入力されたパルス光は、第１の光センサ１５−１の光分岐器２１で分波され、一方は導波路回折格子２２へ出力され、他方は後段の第２の光センサ１５−２へ出力され、以降同様に後段の各光センサ１５−３〜１５−ｍへ最終段まで伝送される。
【００５３】
導波路回折格子２２へ出力されたパルス光は、ここで反射され、光分岐器２１を逆方向に通過して前段の各光センサ１５−２〜１５−ｍ−１（図示せず）へ出力され、最前段の光センサ１５−１から光サーキュレータ１２の光入出力端ｂへ伝送されて入力される。この入力された反射パルス光は、光サーキュレータ１２の光入出力端ｃからパルス受信器１６へ出力され、ここで順次受信される。これらの受信された反射パルス光は、図２（ａ）に示すように、受信時刻ｔ１〜ｔｍ毎に反射パルス光の電力値Ｐ１〜Ｐｍが検出され、異常特定装置１８−１へ出力される。
【００５４】
この異常特定装置１８−１では、その検出された各反射パルス光の受信時刻ｔ１〜ｔｍと電力値Ｐ１〜Ｐｍとの関係より、反射パルス光の時間軸ｔ上での所定時間位置からのずれが検知され、この結果から異常が発生した光センサ１５−１〜１５−ｍが特定される。
ここで、図２（ａ）に時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，…，ｔｍ−１，ｔｍで示すように、ずれが検知されなければ異常無しと判断される。一方、時刻ｔ３Δで示すように、時刻ｔ３からのずれが検知された場合、その所定時間位置からずれた反射パルス光の電力値Ｐ３が認識され、この電力値Ｐ３の反射パルス光に予め対応付けられた第３の光センサ１５−３が特定される。この後は、特定した第３の光センサ１５−３に異常が発生したことを、ランプ点灯点滅やディスプレイ表示、或いは警報音など管理者に認識可能なように警報通知される。
【００５５】
このような第１の実施形態による光センサシステム１０によれば、波長掃引レーザ１１で発振されたパルス光が入力される全ての光センサ１５−１〜１５−ｍに、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子２２を備え、波長掃引レーザ１１からのパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射させ、この反射パルス光をパルス受信器１６で受信し、異常特定装置１８−１で、その受信された反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知して異常発生の光センサ１５−３を特定可能とした。
【００５６】
この構成の場合、全光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２のブラッグ反射構造が同じなので、これと同じブラッグ反射構造の導波路回折格子２２を有する光センサを予備用として少数用意するだけで済む。従って、従来のように少なくとも全光センサに対応した予備の光センサを用意する場合と比較して、大幅に予備の光センサの数を減少させることができるので、運用コストを低くすることができる。
【００５７】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
第２の実施形態の光センサシステム５０が第１の実施形態の光センサシステム１０と異なる点は、光サーキュレータ１２に分光受信器１７を接続し、この分光受信器１７の出力側に異常特定装置１８−２を接続したことにある。なお、分光受信器１７と異常特定装置１８−２の組合せによって受信特定手段が構成される。
【００５８】
分光受信器１７は、光サーキュレータ１２の光入出力端ｃから出力される反射パルス光のうち、図８に示すように、予め設定したブラッグ波長λａからずれた波長λｂの反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルの電力値Ｐａと基準電力値Ｐｂとの差（電力差）Ｄａｂを検知する。
【００５９】
異常特定装置１８−２は、図９に示すように、各光センサ１５−１〜１５−ｍの固有情報であるセンサＩＤに、各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２での反射パルス光の電力値Ｐ１〜Ｐｍと基準電力値Ｐｂの電力差Ｒとが予め対応付けられたテーブルを有しており、分光受信器１７で波長λｂのずれた反射パルス光の電力差Ｐａｂが検知された場合、テーブルから電力差Ｐａｂに等しい電力差Ｒを検索し、この電力差Ｒに対応付けられたセンサＩＤ（例えば「３」）から該当の光センサ１５−３を特定する。
【００６０】
但し、テーブルの各センサＩＤにおける電力差Ｒは、基準電力値Ｐｂを第１の光センサ１５−１からの反射パルス光の電力値Ｐ１として求めた。また、ブラッグ波長λａからずれた波長λｂの反射パルス光スペクトルの電力値Ｐａは、次のように求める。
【００６１】
例えば、光分岐器２１の分岐比がすべて５０％：５０％、つまり３ｄＢカプラを使用しており、導波路回折格子２２の反射率が１００％であるとすると、ｍ番目の導波路回折格子２２からの反射は基準電力値Ｐｂである主スペクトルピークに対してＲ＝３ｍ＋１０ｌｏｇ（１−２−ｍ）［ｄＢ］だけ低いピークとなる。なお、パテーブルに示した１５段の光センサ１５−１〜１５−ｍの電力差Ｒは具体的な数値を引用してあるが、光ファイバ損失は無視している。
【００６２】
このような第２の実施形態による光センサシステム５０によれば、波長掃引レーザ１１で発振されたパルス光が入力される全ての光センサ１５−１〜１５−ｍに、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子２２を備え、波長掃引レーザ１１からのパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射させ、分光受信器１７で、予め設定したブラッグ波長λａからずれた波長λｂの反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルの電力値Ｐａと基準電力値Ｐｂとの差（電力差）Ｐａｂを検知する。異常特定装置１８−２で、パテーブルからその検知された電力差Ｐａｂに等しい電力差Ｒを検索し、この電力差Ｒに対応付けられたセンサＩＤ（例えば「３」）から該当の光センサ１５−３を特定可能とした。
【００６３】
この第２の実施形態の場合も、第１の実施形態と同様に全光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
第３の実施形態の光センサシステム６０は、上記の波長掃引レーザ１１に比べて波長掃引帯域の広い広帯域波長掃引レーザ６１を用い、この広帯域波長掃引レーザ６１に光分波フィルタ６２を介して接続用光ファイバ１３で第１〜第ｐの光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐを接続した点にある。
【００６５】
各光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐは、各々同構成であり、第１の実施形態で説明した波長掃引レーザ１１を除く全ての構成要素を有して成る。即ち、光サーキュレータ１２と、この光サーキュレータ１２に各々が接続用光ファイバ１３で直列に接続されると共に被測定物１４に配設されたｍ個の光センサ１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，…，１５−ｍと、パルス受信器１６と、異常特定装置１８−１とを有して成る。但し、このように複数の光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐを備える光センサシステム６０の場合、被測定物１４は第１の実施形態の場合よりもより大規模なものを想定する。
【００６６】
このような構成において、広帯域波長掃引レーザ６１からの広帯域なスペクトルの出射光を、光分波フィルタ６２で複数の光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐの数だけ一定スペクトル幅のパルス光に分波し、この分波により得られる各パルス光を各光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐに接続用光ファイバ１３を介して入力する。この入力後の動作は第１の実施形態で説明した光センサシステム１０と同様である。
【００６７】
このような第３の実施形態による光センサシステム６０によれば、被測定物１４が大規模である場合などに、より多くの光センサ１５−１〜１５−ｍを用いて光センサシステムを構成する場合でも、光分波フィルタ６２に同じ構成の光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐを複数接続すればよいので、容易に大規模な光センサシステムを構成することができる。更に、このように多くの光センサ１５−１〜１５−ｍを用いる場合でも、第１の実施形態と同様に、全光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００６８】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
第４の実施形態の光センサシステム７０が、第３の実施形態の光センサシステム６０と異なる点は、パルス受信器１６及び異常特定装置１８−１に代え、分光受信器１７及び異常特定装置１８−２を用いた光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐを光分波フィルタ６２に接続用光ファイバ１３で接続した点にある。
【００６９】
従って、各光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐは、各々同構成であり、第１の実施形態で説明した波長掃引レーザ１１を除く全ての構成要素を有して成り、広帯域波長掃引レーザ６１からの広帯域なスペクトルの出射光が、光分波フィルタ６２で複数の光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐの数だけ一定スペクトル幅のパルス光に分波され、この分波により得られる各パルス光が各光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐに接続用光ファイバ１３を介して入力された後は、第１の実施形態で説明した光センサシステム１０と同様の動作となる。
【００７０】
このような第４の実施形態による光センサシステム７０においても、第３の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００７１】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る光センサシステムにおける光センサの構成を示す図である。
第５の実施形態の特徴は、図１２に示すように、光分岐器２１と導波路回折格子２２とを温度補償光ファイバ８１で接続して光センサ８２を構成し、この光センサ８２を第１の実施形態の光センサシステム１０の各光センサ１５−１〜１５−ｍ又は第３の実施形態の光センサシステム６０の各光センサ１５−１〜１５−ｍに代えて用いた点にある。
【００７２】
温度補償光ファイバ８１は、温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動が、温度に起因する導波路回折格子２２のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を相殺する長さとしたものである。この相殺可能な長さを例えば図示のようにコイル状に巻いて実現する。
【００７３】
導波路回折格子２２は、温度上昇による屈折率変化と熱膨張によってその反射波長が変化する。例えば石英系ファイバをベースとしたＦＢＧの場合、反射波長は通常０．０１ｎｍ／℃程度である。例えば、防災を目的とした光センサシステムを想定すると、熱（温度）の影響と、純粋な応力によるＦＢＧの伸び縮みとによる反射波長の変動に分離される。
【００７４】
つまり、温度に起因する膨張収縮によるブラッグ反射構造の変動に応じたパルス光の遅延変動を、光センサ８２のように温度補償光ファイバ８１の膨張収縮が打ち消す構成をとることで、温度変化による影響を相殺するものである。この構成の光センサ８２の適用は時間情報が保存されるパルス受信器１６を用いた場合に限られる。つまり、第１又は第３の実施形態の構成の場合に限られる。
【００７５】
ここで、一般的に、光ファイバケーブルの線膨張率αがその被覆のナイロンで決定されるとすると、それはα＝５×１０−５程度である。そこで、光センサ間の長さｌSの接続用接続用光ファイバ１３の膨張収縮による反射遅延時間の温度係数Δｔ１／ΔＴは、次式（８）で求められる。
【数８】
【００７６】
これを、光分岐器２１と導波路回折格子２２との間に接続した温度補償光ファイバ８１で調整している。一方、ＦＢＧの熱膨張によるブラッグ反射構造の変動に応じた反射パルス光の遅延時間の温度係数Δｔ２／ΔＴは、ブラッグ波長λＢの温度係数（〜０．０１ｎｍ／℃）、波長掃引速度νλ ［ｎｍ／ｓ］と次式（９）のような関係がある。
【数９】
【００７７】
ブラッグ波長λＢの温度係数は、温度補償対策を講じることで一桁程度下げることができる。具体的には負の線膨張係数を持つ材料によるパッケージングや異なる線膨張係数の材料を組み合わせるパッケージングが報告されている。一方、波長掃引速度νλ に関しては、例えばνλ ＝２．８６×１０６ｎｍ／ｓの波長掃引レーザが知られている。これらを勘案して、図１３に、ブラッグ波長λＢの温度係数として１０−２〜１０−４ｎｍ／℃、波長掃引速度νλ として１０５〜１０７ｎｍ／ｓの場合に上式（８）と上式（９）の絶対値が等しくなる光センサ間の温度補償可能な光ファイバの長さを示す。
【００７８】
上記のことから、接続用光ファイバ１３のナイロン被覆の線膨張率による上式（８）の符号は正であるので、上式（９）は波長掃引速度 とブラッグ波長温度係数の積が負になる組合せをとれば、温度変化による反射遅延時間の変動を抑圧することが可能となる。
【００７９】
このような第５の実施形態による光センサ８２を用いた光センサシステムによれば、光分岐器２１と導波路回折格子２２との間に温度補償光ファイバ８１を接続して、導波路回折格子２２の温度に起因するブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を、温度補償光ファイバ８１の温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動で相殺できるように、温度補償光ファイバ８１の長さを定めた。従って、温度変化が起因する導波路回折格子２２のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延時間変動を抑制することができる。
【００８０】
（第６の実施形態）
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る光センサシステムの構成を示す図である。
第６の実施形態の特徴は、第１の実施形態の光センサシステム１０の構成要素に更に、光分岐器９１と、波長掃引モニタ９２と、レーザ制御装置９３とを備えて構成した点にある。
【００８１】
光分岐器９１は、光サーキュレータ１２と第１の光センサ１５−１との間に接続されており、波長掃引レーザ１１からのパルス光を分岐して波長掃引モニタ９２へ出力するものである。
【００８２】
波長掃引モニタ９２は、光分岐器９１からのパルス光の波長掃引速度を検出してレーザ制御装置９３へ出力するものである。更に詳細に説明すると、波長掃引モニタ９２は、図１５（ａ）に示す波長掃引レーザ１１の波長掃引で出射されるパルス光のうち互いに異なる波長λｒ１とλｒ２との２つのパルス光を、（ｂ）に受信パルス電力値で示すように各々通過させる２つの狭帯域通過フィルタを備え、これら狭帯域通過フィルタを通過したパルス光の時間間隔Ｔｎｓを計測し、この計測結果データをレーザ制御装置９３へ出力する。
【００８３】
この他の構成として、波長掃引モニタ９２は、図１５（ｃ）に示す波長掃引レーザ１１の波長掃引で出射されるパルス光のうち異なる２つの波長λｒ１とλｒ２との間の帯域のパルス光を、（ｄ）に受信パルス電力値で示すように通過させる広帯域通過フィルタを備え、この広帯域通過フィルタを通過したパルス光の時間間隔Ｔｎｓを計測し、この計測結果データをレーザ制御装置９３へ出力する。
【００８４】
レーザ制御装置９３は、波長掃引モニタ９２からの計測結果データに示される時間間隔Ｔｎｓが一定となるように、波長掃引レーザ１１からのパルス光の波長を制御する。言い換えれば波長掃引レーザ１１の波長掃引速度が一定となるように、波長掃引レーザ１１からのパルス光の波長を制御する。
【００８５】
つまり、この構成によれば、波長掃引レーザ１１から出射されたパルス光が光分岐器９１で分岐され、この分岐されたパルス光の時間間隔Ｔｎｓが波長掃引モニタ９２で検出され、この検出されたパルス光の波長掃引速度が一定となるようにレーザ制御装置９３で波長掃引レーザ１１からのパルス光の波長が制御される。
【００８６】
このような第６の実施形態の光センサシステム９０によれば、波長掃引レーザ１１の波長掃引速度が電源変動や経時劣化などによって変動しても、その波長掃引速度を一定に制御することができ、これによって、所定波長のパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍへ出射することができる。
【００８７】
また、上記の第６の実施形態の光センサシステム９０は、第１の実施形態の光センサシステム１０に、更に光分岐器９１と、波長掃引モニタ９２と、レーザ制御装置９３とを備えた構成にしたが、これと同様に、第２〜第５の実施形態の何れかの光センサシステムに、更に光分岐器９１と、波長掃引モニタ９２と、レーザ制御装置９３とを備えて構成しても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
但し、広帯域波長掃引レーザ６１を用いた光センサシステムでは、複数の光分岐器９１及び複数の波長掃引モニタ９２が用いられるので、複数の波長掃引モニタ９２からの計測結果データによる時間間隔Ｔｎｓの平均値が一定となるように制御する。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の光センサシステムは、土木設備や構造物の診断等広域センシングへの応用など様々な計測分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）に示すＷＢＧセンサの構成図である。
【図２】（ａ）は受信時刻毎の反射パルス光の電力値（受信パルス電力値）のパルス光の波形図、（ｂ）は波長掃引レーザの波長掃引特性を示す斜線と、波長掃引による出射パルス光を示す楕円を示した図である。
【図３】波長掃引レーザの波長掃引特性と、この波長掃引による出射パルス光、反射パルス光、受信パルス光の各スペクトル波形と、反射パルス光及び受信パルス光がずれた際のスペクトル波形とを示す図である。
【図４】波長掃引レーザの波長掃引特性と、反射パルス光及び受信パルス光の波形と、反射パルス光及び受信パルス光がずれた際の波形とを示す図である。
【図５】波長掃引速度とＯＴＤＲ上でのパルス光位置変化温度依存の関係を示す表の図である。
【図６】第１の実施形態の光センサシステムの主な設計仕様値の一例を示す表の図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施形態の光センサシステムにおける分光受信器で受信される所定のブラッグ波長からずれた反射パルス光を示す電力スペクトル波形図である。
【図９】各光センサのＩＤと、反射パルス光の電力値及び基準電力値の電力差との対応付けテーブルの図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る光センサシステムにおける光センサの構成を示す図である。
【図１３】光センサ間の温度補償可能な光ファイバの長さを示す表の図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る光センサシステム構成を示すブロック図である。
【図１５】（ａ）は波長掃引レーザの波長掃引による異なる２波長のパルス光の波形図、（ｂ）は異なる２帯域の狭帯域通過フィルタの通過パルス光の時間間隔を示す波形図、（ｃ）は波長掃引レーザの波長掃引による２波長間の帯域のパルス光の波形図、（ｄ）は広帯域通過フィルタの通過パルス光の時間間隔を示す波形図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０，５０，６０，７０，９０：光センサシステム
１１：波長掃引レーザ
１２：光サーキュレータ
１３：接続用光ファイバ
１４：被測定物
１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，…，１５−ｍ，８２：光センサ
１６：パルス受信器
１７：分光受信器
１８−１，１８−２：異常特定装置
２１，９１：光分岐器
２２：導波路回折格子
３１：波長掃引特性斜線
３２：出射パルス光スペクトル波形
３３：反射パルス光スペクトル波形
３３Δ：時間軸上でずれた反射パルス光スペクトル波形
３４：受信パルス光スペクトル波形
３４Δ：時間軸上でずれた受信パルス光スペクトル波形
３５：時間軸上の出射パルス光スペクトル波形
４１：反射パルス光波形
４１Δ：時間軸上でずれた反射パルス光波形
４２：受信パルス光波形
４２Δ：時間軸上でずれた受信パルス光波形
６１：広帯域波長掃引レーザ
６２：光分波フィルタ
６３−１〜６３−ｐ，７３−１〜７３−ｐ：光センサ経路構造
８１：温度補償光ファイバ
９２：波長掃引モニタ
９３：レーザ制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを構造物の歪など各種の物理量を計測するために用いる光センサシステムであって、特に光ファイバ型のセンサに限定されず、平面型光導波路に形成された回折格子も含む導波路回折格子をセンサとして用いる光センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ型のセンサはセンサ部分に電源を必要とせず、電磁誘導による障害の影響も無く、光伝送媒体が細芯、可撓（柔軟）、耐腐食性を備えている等の特長があるため、土木設備や構造物の診断など広域センシングへの応用など様々な分野への応用に期待が高まっている。
【０００３】
従来、このような光センサとしてＦｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ（光ファイバ回折格子：以後「Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ」を「ＦＢＧ」と略記する。）を用いた光センサシステムにおいては、光源として光波が全く干渉しないインコヒーレント光源が幅広く用いられてきた。グレーティング（屈折率周期構造）の周期に波長の合致するブラッグ波長が互いに異なる複数のＦＢＧを直列に接続して配備することで、ブラッグ波長がセンサ位置を表すようになっている。
【０００４】
また、ＦＢＧの反射する波長帯域はセンサ数に比例して広がるため、これらをカバーできる広帯域光源として、出力安定性が非常に優れると共に、広帯域でインコヒーレント光を発するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源などが用いられてきた。
【０００５】
この種の従来技術として、特許文献１に記載のＦＢＧを用いた歪み計測システムがある。このシステムでは、広帯域パルス光源からの光信号が光ファイバを通ると、歪測定用ＦＢＧから反射した光信号が光サーキュレーターを通ってから１×２光コネクタを介して二つに分離されるので、一方の光信号はそのままフォトディテクタにて検出され、他方の光信号はチャープドＦＢＧを通した後にフォトディテクタで検出されるようになっている。ここで、光信号はチャープドＦＢＧに通ることにより、光強度が波長に応じて変化するので、上記の検出された二つの光信号の強度を比較することにより歪計測用ＦＢＧから反射した光信号の波長を計算により求め、構造物の歪を計測するといった構成となっている。
【特許文献１】特開２００５−５１９７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来の光センサシステムにおいて、ブラッグ波長の異なるＦＢＧを直列に配備してブラッグ波長がセンサ位置を表すようにしたシステムでは、ブラッグ波長が各々異なるので各センサの波長は重複が許されないことになる。この場合、ＦＢＧが破損した場合に備え、予備センサを全てのセンサに対して少なくとも１つずつ用意する必要があるので、ＦＢＧ数が多いほどに運用コストが高くなるという課題があった。
【０００７】
また、ＦＢＧの反射する波長帯域がセンサ数に比例して広がることをカバーするためにＡＳＥ光源を用いた場合、スペクトル帯域当たりの電力密度が、レーザのようなコヒーレント光源に比べてはるかに低く、このためＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を高くすることができない。これを解決可能な光源として波長掃引レーザがあり、このレーザを使用すればＳＮＲを向上させることが可能である。しかし、反射波長がセンサを同定する手段である点は従来と変わらず、予備センサを各波長のＦＢＧ毎に用意する必要があるので、上記課題と同様に運用コストが高くなってしまう。
【０００８】
更に、上記特許文献１においても、同様に歪計測用のＦＢＧが複数直列に接続された構成となっているので、予備センサを各々のセンサ毎に用意する必要があり、このため上記課題と同様に運用コストが高くなってしまう。
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、光センサシステムにおける予備センサの数を削減することによって運用コストを低くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、発明者らは、波長掃引レーザで発振されたパルス光が入力される全ての光センサとして、波長掃引レーザの波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子を備え、波長掃引レーザからのパルス光を各導波路回折格子で反射させ、これらの反射パルス光を受信し、この受信反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知して異常が発生した導波路回折格子を特定可能とした。
【００１１】
具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段と、を備えたことを特徴とする光センサシステムである。
【００１２】
この構成によれば、全ての光センサである導波路回折格子のブラッグ反射構造が同じなので、これと同じブラッグ反射構造の導波路回折格子を予備用として少数用意するだけで済む。従って、従来のように少なくとも全光センサに対応した予備の光センサを用意する場合と比較して、大幅に予備の光センサの数を減少させることができるので、運用コストを低くすることができる。
【００１３】
また、具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を備えたことを特徴とする光センサシステムである。
【００１４】
この構成によっても、前述の構成と同様に、同じブラッグ反射構造の導波路回折格子を予備用として少数用意するだけで済むので、大幅に予備の光センサの数を減少させることができ、運用コストを低くすることができる。
【００１５】
更に、具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造とを有し、前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステムである。
【００１６】
この構成によれば、被測定物が大規模である場合などに、より多くの光センサを用いて光センサシステムを構成する場合でも、光分波フィルタに同じ構成の光センサ経路構造を複数接続すればよいので、容易に大規模な光センサシステムを構成することができる。更に、このように多くの光センサを用いる場合でも、前述の構成と同様に、同一経路における全光センサである導波路回折格子のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００１７】
更に、具体的には、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造とを有し、前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステムとする。
【００１８】
この構成によっても、前述の構成と同様に、容易に大規模な光センサシステムを構成することができ、更に、同一経路における全光センサである導波路回折格子のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００１９】
本発明の光センサシステムは、接続用光ファイバから分岐された後、導波路回折格子の前段に温度補償光ファイバを更に備え、前記温度補償光ファイバは、温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動が、温度に起因する前記導波路回折格子のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を相殺する長さであることが望ましい。
【００２０】
この構成によれば、導波路回折格子の温度に起因するブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を、温度補償光ファイバの温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動で相殺できるように、温度補償光ファイバの長さが定められているので、温度変化が起因する導波路回折格子のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延時間変動を抑制することができる。
【００２１】
本発明の光センサシステムは、波長掃引レーザから出射されたパルス光を検出し、この検出パルス光の波長掃引速度が一定となるように当該波長掃引レーザからのパルス光の波長を制御する制御手段を更に備えたことが望ましい。
【００２２】
この構成によれば、波長掃引レーザの波長掃引速度が電源変動や経時劣化などによって変動しても、その波長掃引速度を一定に制御することができ、これによって、所定波長のパルス光を光センサである各導波路回折格子へ出射することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光センサシステムにおける予備センサの数を削減することによって運用コストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）に示すＷＢＧセンサの構成図である。
【００２６】
第１の実施形態の光センサシステム１０は、波長掃引レーザ１１と、光サーキュレータ１２と、この光サーキュレータ１２に各々が接続用光ファイバ１３で直列に接続されると共にトンネル構造物等の被測定物１４に配設されたｍ個の光センサ１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，…，１５−ｍと、パルス受信器１６と、異常特定装置１８−１とを備えて構成されている。なお、パルス受信器１６と異常特定装置１８−１の組合せによって受信特定手段が構成される。
【００２７】
波長掃引レーザ１１は、波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振するものである。
【００２８】
光サーキュレータ１２は、３つの光の入出力端子ａ，ｂ，ｃを有し、これら光入出力端ａ，ｂ，ｃにおいて入力光を内部の周回導波構成で周回させながら出力するものであり、ここでは、波長掃引レーザ１１から出射されたパルス光を、光入出力端ａから取り込んで、これを光入出力端ｂから接続用光ファイバ１３へ出力し、また逆方向に接続用光ファイバ１３からのパルス光を光入出力端ｂから取り込んで光入出力端ｃからパルス受信器１６へ出力する。
【００２９】
各光センサ１５−１〜１５−ｍは、図１（ｂ）に示すように、１対２型の光分岐器２１と、導波路回折格子２２とを備えて構成されている。
光分岐器２１は、接続用光ファイバ１３からの入力パルス光を２つに分波し、この一方のパルス光を接続用光ファイバ１３を介して導波路回折格子２２へ出力し、他方のパルス光を接続用光ファイバ１３を介して後段の光センサへ出力し、また、その逆方向に導波路回折格子２２で反射された反射パルス光を前段の光センサへ出力するものである。
【００３０】
但し、図１（ｂ）では光センサ１５−１〜１５−ｍに対して前段の光センサ、後段の光センサと表したが、波長掃引レーザ１１に最も近い最前段の第１の光センサ１５−１は、光分岐器２１の１つの光入出力端が光サーキュレータ１２の光入出力端ｂに接続されており、最後段の第ｍの光センサ１５−ｍは、光分岐器２１の分岐側の光入出力端のうち導波路回折格子２２への接続側でない光入出力端部において無反射終端処理が施されている。
【００３１】
導波路回折格子２２は、平面型光導波路に形成された回折格子又はＦＢＧ（光ファイバ回折格子）であって、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定されたブラッグ波長を反射するブラッグ反射構造を有しており、光分岐器２１で分波された一方のパルス光を反射し、この反射パルス光を光分岐器２１へ出力する。導波路回折格子２２は、全ての光センサ１５−１〜１５−ｍにおいて同一のブラッグ反射構造とされている。
【００３２】
各光センサ１５−１〜１５−ｍは、全てが同じブラッグ反射構造の導波路回折格子２２を有しており、各々の導波路回折格子２２での反射パルス光は光分岐器２１を通過して前段へ出力されるので、最終的に光サーキュレータ１２の光入出力端ｂへ到達して入力されるようになっている。
【００３３】
パルス受信器１６は、光サーキュレータ１２の光入出力端ｃから出力される反射パルス光を順次受信し、図２（ａ）のパルス波形図に示すように、その受信時刻ｔ１〜ｔｍ毎に反射パルス光の電力値（又は、受信パルス電力値と称す）Ｐ１〜Ｐｍを検出するものである。
【００３４】
異常特定装置１８−１は、パルス受信器１６で検出された各反射パルス光の受信時刻ｔ１〜ｔｍと電力値Ｐ１〜Ｐｍとの関係より反射パルス光の時間軸ｔ上での所定時間位置からのずれを検知し、これによって異常が発生した光センサ１５−１〜１５−ｍを特定するものである。
【００３５】
この特定方法について説明する。パルス受信器１６で検出された受信パルス電力値Ｐ１〜Ｐｍは、各光センサ１５−１〜１５−ｍからの反射距離が遠いほどに小さくなるので、波長掃引レーザ１１と各々の光センサ１５−１〜１５−ｍとの間の距離が分かれば、各電力値Ｐ１〜Ｐｍの反射パルス光がどの光センサ１５−１〜１５−ｍで反射されたものであるかが認識できる。
【００３６】
従って、異常特定装置１８−１には、予め各電力値Ｐ１〜Ｐｍの反射パルス光がどの光センサ１５−１〜１５−ｍのものかが対応付けられており、所定時間位置ｔ３からｔ３Δのようにずれた反射パルス光の電力値Ｐ３に対応付けられた光センサ１５−３を特定可能となっている。なお、各光センサ１５−１〜１５−ｍは固有情報のセンサＩＤ等で認識できるようになっている。
【００３７】
但し、本実施形態では、電力値Ｐ１の反射パルス光が第１の光センサ１５−１からのものであり、電力値Ｐ２の反射パルス光が第２の光センサ１５−２、電力値Ｐ３の反射パルス光が第３の光センサ１５−３、電力値Ｐ４の反射パルス光が第４の光センサ１５−４、電力値Ｐｍ−１の反射パルス光が図示せぬ第ｍ−１の光センサ、電力値Ｐｍの反射パルス光が第ｍの光センサ１５−ｍからのものである。また、受信時刻ｔ３Δに破線で示す電力値Ｐ３のパルス光の波形は、後述の理由によって受信時刻ｔ３の電力値Ｐ３の反射パルス光がずれたものである。
【００３８】
また、波長掃引レーザ１１と各々の光センサ１５−１〜１５−ｍとの間の距離から各反射パルス光の受信間隔ｔｔも把握可能であり、ここでは、各光センサ１５−１〜１５−ｍ間の距離が一定であるとして、受信間隔ｔｔも一定であるとした。
【００３９】
更に、図２（ｂ）に、波長掃引レーザ１１の波長掃引特性を斜線で示し、波長掃引されながら出射されるパルス光（出射パルス光）を楕円で示し、更に、それら出射パルス光に対応する（ａ）の各電力値Ｐ１〜Ｐｍの反射パルス光を対応付けて示した。
【００４０】
更に、反射パルス光の所定時間位置からのずれ検知によって異常が発生した光センサを特定する処理について説明する。波長掃引レーザ１１は図３に斜線の太線部分３１で示す波長掃引特性を有するが、この特性に応じた波長掃引による出射パルス光のスペクトル波形を同図右側に符号３２で示す。また、その出射パルス光が各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射された際の反射パルス光のスペクトル波形を符号３３で示し、この反射パルス光がパルス受信器１６で受信された際のスペクトル波形を符号３４で示す。また、符号３５で示す波形は、出射パルス光のスペクトル波形３２を時間軸ｔ上に表したものである。
【００４１】
これらスペクトル波形３２，３３，３４，３５の関係から分かるように、出射パルス光が導波路回折格子２２で反射されたスペクトル波形３３で示す反射パルス光と、これがパルス受信器１６で受信されたスペクトル波形３４で示すパルス光とは一致している。しかし、温度や歪の影響により導波路回折格子２２のブラッグ反射波長がずれると、符号３３Δで示すように反射パルス光がずれるので、パルス受信器１６で受信される反射パルス光も符号３４Δで示すように時間軸ｔ上で所定位置からずれる。
【００４２】
つまり、図２（ａ）に示したように、時刻ｔ３で受信されるべき電力値Ｐ３の反射パルス光が、それよりも遅れた時刻ｔ３Δで受信されることになる。この反射パルス光は電力値Ｐ３が予め該当する第３の光センサ１５−３に対応付けられているので、この対応関係から第３の光センサ１５−３に異常が発生したことを、異常特定装置１８−１で特定することが可能となっている。
【００４３】
ここで、本実施形態の波長掃引レーザ１１を用いた光ファイバ歪み検出に関する定量的な評価について説明する。
【００４４】
波長掃引レーザ１１は、図４に示すように、斜線で示す特性の波長掃引速度νλを有し、時間Δｔの間に波長が一様にΔλで掃引されるレーザであるとする。この掃引による出射パルス光が導波路回折格子２２で反射された反射パルス光を符号４１で示し、この反射パルス光波形４１がパルス受信器１６で受信されたパルス光を符号４２で示す。また、波長掃引レーザ１１の波長掃引速度νλは、次式（１）で定義されるものとする。
【数１】
なお、図４では右上がりの直線で示す波長掃引速度νλが正、即ち時間ｔと共に長波長側へシフトしていくパルス光を想定しているが、その逆特性、即ち図示はしないが波長掃引速度νλが左下がりの直線となる負で、時間ｔと共に短波長側にシフトしていくパルス光も利用可能である。
【００４５】
ここで、ΔTなる温度変化による反射波長の変化を考えることにして、これを図示のようにΔλTとし、これによる波長掃引レーザ光の反射時間位置変化を図示のようにΔｔTとする。これら変化に応じてずれたパルス光を４１Δ及び４２Δで示す。
【００４６】
通常、ＯＴＤＲ（以後「ＯＴＤＲ」を「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ：光学式時間領域反射率計」と略記する。）測定では、反射時間位置は光ファイバ反射位置として測定器からの距離に換算されるから、この変化分をΔｌTとすると、下式（２）の関係となる。但し、光ファイバ中でのパルス光の速度をΔνｎとする。ここでｎは実効屈折率の意味であり、真空での光速ｃとはνｎ＝ｃ／ｎの関係がある。
【数２】
【００４７】
この式（２）の関係を逆にして、ＯＴＤＲ装置で観測される反射位置の温度変化率ΔｌT ／ΔＴは次式（３）のようになる。
【数３】
波長掃引レーザ１１の波長掃引速度νλは、その掃引原理に依存して様々であることから、４通りの波長掃引速度νλを仮定して、図５に示す波長掃引速度νλとＯＴＤＲ上でのパルス光位置変化温度依存の関係によって、上式（３）を評価する。
【００４８】
図５の関係から分かることは、波長掃引速度νλが小さすぎるとΔｌ／ΔＴ［ｍ／ｄｅｇ．］で示すように温度変化に対して反射位置が大きく変化しすぎ、光センサであるＦＢＧ（導波路回折格子２２）の反射点のみかけの順序が入れ替わってしまう事態が起こりうる。これは光センサの管理運用を煩雑にする意味で欠点となる。これを具体的に算定すると以下のようになる。
【００４９】
図１に示すように、各光センサ１５−１〜１５−ｍの間隔ｌｓ［ｍ］が一定であり、温度検出範囲をＴＲ［℃］とすると、最大温度変化ＴＲでも反射点は隣の光センサ位置ｌｓに達しない条件として、次式（４）の不等式が成立せねばならない。
【数４】
波長掃引速度νλに対する下限としては、次式（５）のようになる。
【数５】
一方、波長掃引速度νλが大きすぎると、温度変化に対して反射位置変化が鈍感になり、温度変化を検出しにくくなるということがある。運用状態でのＯＴＤＲの空間分解能をδ［ｍ］とすると、次式（６）となる。
【数６】
この式（６）が成立しなければならないから上限の波長掃引速度νλとしては次式（７）のようになる。
【数７】
【００５０】
よって、光センサシステム１０に用いる波長掃引レーザ１１の波長掃引速度に関する下限は式（５）で、上限は式（７）で与えられることになる。なお、光センサシステム１０の主な設計仕様の一例を図６に示す。
【００５１】
次に、このような光センサシステム１０において異常が発生した光センサを特定する際の動作を説明する。
【００５２】
波長掃引レーザ１１での波長掃引によって発振されたパルス光が接続用光ファイバ１３を介して光サーキュレータ１２の光入出力端ａから入力され、光入出力端ｂから出力されて接続用光ファイバ１３を介して第１の光センサ１５−１へ入力される。この入力されたパルス光は、第１の光センサ１５−１の光分岐器２１で分波され、一方は導波路回折格子２２へ出力され、他方は後段の第２の光センサ１５−２へ出力され、以降同様に後段の各光センサ１５−３〜１５−ｍへ最終段まで伝送される。
【００５３】
導波路回折格子２２へ出力されたパルス光は、ここで反射され、光分岐器２１を逆方向に通過して前段の各光センサ１５−２〜１５−ｍ−１（図示せず）へ出力され、最前段の光センサ１５−１から光サーキュレータ１２の光入出力端ｂへ伝送されて入力される。この入力された反射パルス光は、光サーキュレータ１２の光入出力端ｃからパルス受信器１６へ出力され、ここで順次受信される。これらの受信された反射パルス光は、図２（ａ）に示すように、受信時刻ｔ１〜ｔｍ毎に反射パルス光の電力値Ｐ１〜Ｐｍが検出され、異常特定装置１８−１へ出力される。
【００５４】
この異常特定装置１８−１では、その検出された各反射パルス光の受信時刻ｔ１〜ｔｍと電力値Ｐ１〜Ｐｍとの関係より、反射パルス光の時間軸ｔ上での所定時間位置からのずれが検知され、この結果から異常が発生した光センサ１５−１〜１５−ｍが特定される。
ここで、図２（ａ）に時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，…，ｔｍ−１，ｔｍで示すように、ずれが検知されなければ異常無しと判断される。一方、時刻ｔ３Δで示すように、時刻ｔ３からのずれが検知された場合、その所定時間位置からずれた反射パルス光の電力値Ｐ３が認識され、この電力値Ｐ３の反射パルス光に予め対応付けられた第３の光センサ１５−３が特定される。この後は、特定した第３の光センサ１５−３に異常が発生したことを、ランプ点灯点滅やディスプレイ表示、或いは警報音など管理者に認識可能なように警報通知される。
【００５５】
このような第１の実施形態による光センサシステム１０によれば、波長掃引レーザ１１で発振されたパルス光が入力される全ての光センサ１５−１〜１５−ｍに、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子２２を備え、波長掃引レーザ１１からのパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射させ、この反射パルス光をパルス受信器１６で受信し、異常特定装置１８−１で、その受信された反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知して異常発生の光センサ１５−３を特定可能とした。
【００５６】
この構成の場合、全光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２のブラッグ反射構造が同じなので、これと同じブラッグ反射構造の導波路回折格子２２を有する光センサを予備用として少数用意するだけで済む。従って、従来のように少なくとも全光センサに対応した予備の光センサを用意する場合と比較して、大幅に予備の光センサの数を減少させることができるので、運用コストを低くすることができる。
【００５７】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
第２の実施形態の光センサシステム５０が第１の実施形態の光センサシステム１０と異なる点は、光サーキュレータ１２に分光受信器１７を接続し、この分光受信器１７の出力側に異常特定装置１８−２を接続したことにある。なお、分光受信器１７と異常特定装置１８−２の組合せによって受信特定手段が構成される。
【００５８】
分光受信器１７は、光サーキュレータ１２の光入出力端ｃから出力される反射パルス光のうち、図８に示すように、予め設定したブラッグ波長λａからずれた波長λｂの反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルの電力値Ｐａと基準電力値Ｐｂとの差（電力差）Ｄａｂを検知する。
【００５９】
異常特定装置１８−２は、図９に示すように、各光センサ１５−１〜１５−ｍの固有情報であるセンサＩＤに、各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２での反射パルス光の電力値Ｐ１〜Ｐｍと基準電力値Ｐｂの電力差Ｒとが予め対応付けられたテーブルを有しており、分光受信器１７で波長λｂのずれた反射パルス光の電力差Ｐａｂが検知された場合、テーブルから電力差Ｐａｂに等しい電力差Ｒを検索し、この電力差Ｒに対応付けられたセンサＩＤ（例えば「３」）から該当の光センサ１５−３を特定する。
【００６０】
但し、テーブルの各センサＩＤにおける電力差Ｒは、基準電力値Ｐｂを第１の光センサ１５−１からの反射パルス光の電力値Ｐ１として求めた。また、ブラッグ波長λａからずれた波長λｂの反射パルス光スペクトルの電力値Ｐａは、次のように求める。
【００６１】
例えば、光分岐器２１の分岐比がすべて５０％：５０％、つまり３ｄＢカプラを使用しており、導波路回折格子２２の反射率が１００％であるとすると、ｍ番目の導波路回折格子２２からの反射は基準電力値Ｐｂである主スペクトルピークに対してＲ＝３ｍ＋１０ｌｏｇ（１−２−ｍ）［ｄＢ］だけ低いピークとなる。なお、パテーブルに示した１５段の光センサ１５−１〜１５−ｍの電力差Ｒは具体的な数値を引用してあるが、光ファイバ損失は無視している。
【００６２】
このような第２の実施形態による光センサシステム５０によれば、波長掃引レーザ１１で発振されたパルス光が入力される全ての光センサ１５−１〜１５−ｍに、波長掃引レーザ１１の波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有する導波路回折格子２２を備え、波長掃引レーザ１１からのパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２で反射させ、分光受信器１７で、予め設定したブラッグ波長λａからずれた波長λｂの反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルの電力値Ｐａと基準電力値Ｐｂとの差（電力差）Ｐａｂを検知する。異常特定装置１８−２で、パテーブルからその検知された電力差Ｐａｂに等しい電力差Ｒを検索し、この電力差Ｒに対応付けられたセンサＩＤ（例えば「３」）から該当の光センサ１５−３を特定可能とした。
【００６３】
この第２の実施形態の場合も、第１の実施形態と同様に全光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
第３の実施形態の光センサシステム６０は、上記の波長掃引レーザ１１に比べて波長掃引帯域の広い広帯域波長掃引レーザ６１を用い、この広帯域波長掃引レーザ６１に光分波フィルタ６２を介して接続用光ファイバ１３で第１〜第ｐの光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐを接続した点にある。
【００６５】
各光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐは、各々同構成であり、第１の実施形態で説明した波長掃引レーザ１１を除く全ての構成要素を有して成る。即ち、光サーキュレータ１２と、この光サーキュレータ１２に各々が接続用光ファイバ１３で直列に接続されると共に被測定物１４に配設されたｍ個の光センサ１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，…，１５−ｍと、パルス受信器１６と、異常特定装置１８−１とを有して成る。但し、このように複数の光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐを備える光センサシステム６０の場合、被測定物１４は第１の実施形態の場合よりもより大規模なものを想定する。
【００６６】
このような構成において、広帯域波長掃引レーザ６１からの広帯域なスペクトルの出射光を、光分波フィルタ６２で複数の光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐの数だけ一定スペクトル幅のパルス光に分波し、この分波により得られる各パルス光を各光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐに接続用光ファイバ１３を介して入力する。この入力後の動作は第１の実施形態で説明した光センサシステム１０と同様である。
【００６７】
このような第３の実施形態による光センサシステム６０によれば、被測定物１４が大規模である場合などに、より多くの光センサ１５−１〜１５−ｍを用いて光センサシステムを構成する場合でも、光分波フィルタ６２に同じ構成の光センサ経路構造６３−１〜６３−ｐを複数接続すればよいので、容易に大規模な光センサシステムを構成することができる。更に、このように多くの光センサ１５−１〜１５−ｍを用いる場合でも、第１の実施形態と同様に、全光センサ１５−１〜１５−ｍの導波路回折格子２２のブラッグ反射構造が同じなので、光センサを予備用として少数用意するだけで済み、従来構成と比較して運用コストを低くすることができる。
【００６８】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
第４の実施形態の光センサシステム７０が、第３の実施形態の光センサシステム６０と異なる点は、パルス受信器１６及び異常特定装置１８−１に代え、分光受信器１７及び異常特定装置１８−２を用いた光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐを光分波フィルタ６２に接続用光ファイバ１３で接続した点にある。
【００６９】
従って、各光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐは、各々同構成であり、第１の実施形態で説明した波長掃引レーザ１１を除く全ての構成要素を有して成り、広帯域波長掃引レーザ６１からの広帯域なスペクトルの出射光が、光分波フィルタ６２で複数の光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐの数だけ一定スペクトル幅のパルス光に分波され、この分波により得られる各パルス光が各光センサ経路構造７３−１〜７３−ｐに接続用光ファイバ１３を介して入力された後は、第１の実施形態で説明した光センサシステム１０と同様の動作となる。
【００７０】
このような第４の実施形態による光センサシステム７０においても、第３の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００７１】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る光センサシステムにおける光センサの構成を示す図である。
第５の実施形態の特徴は、図１２に示すように、光分岐器２１と導波路回折格子２２とを温度補償光ファイバ８１で接続して光センサ８２を構成し、この光センサ８２を第１の実施形態の光センサシステム１０の各光センサ１５−１〜１５−ｍ又は第３の実施形態の光センサシステム６０の各光センサ１５−１〜１５−ｍに代えて用いた点にある。
【００７２】
温度補償光ファイバ８１は、温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動が、温度に起因する導波路回折格子２２のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を相殺する長さとしたものである。この相殺可能な長さを例えば図示のようにコイル状に巻いて実現する。
【００７３】
導波路回折格子２２は、温度上昇による屈折率変化と熱膨張によってその反射波長が変化する。例えば石英系ファイバをベースとしたＦＢＧの場合、反射波長は通常０．０１ｎｍ／℃程度である。例えば、防災を目的とした光センサシステムを想定すると、熱（温度）の影響と、純粋な応力によるＦＢＧの伸び縮みとによる反射波長の変動に分離される。
【００７４】
つまり、温度に起因する膨張収縮によるブラッグ反射構造の変動に応じたパルス光の遅延変動を、光センサ８２のように温度補償光ファイバ８１の膨張収縮が打ち消す構成をとることで、温度変化による影響を相殺するものである。この構成の光センサ８２の適用は時間情報が保存されるパルス受信器１６を用いた場合に限られる。つまり、第１又は第３の実施形態の構成の場合に限られる。
【００７５】
ここで、一般的に、光ファイバケーブルの線膨張率αがその被覆のナイロンで決定されるとすると、それはα＝５×１０−５程度である。そこで、光センサ間の長さｌSの接続用接続用光ファイバ１３の膨張収縮による反射遅延時間の温度係数Δｔ１／ΔＴは、次式（８）で求められる。
【数８】
【００７６】
これを、光分岐器２１と導波路回折格子２２との間に接続した温度補償光ファイバ８１で調整している。一方、ＦＢＧの熱膨張によるブラッグ反射構造の変動に応じた反射パルス光の遅延時間の温度係数Δｔ２／ΔＴは、ブラッグ波長λＢの温度係数（〜０．０１ｎｍ／℃）、波長掃引速度νλ ［ｎｍ／ｓ］と次式（９）のような関係がある。
【数９】
【００７７】
ブラッグ波長λＢの温度係数は、温度補償対策を講じることで一桁程度下げることができる。具体的には負の線膨張係数を持つ材料によるパッケージングや異なる線膨張係数の材料を組み合わせるパッケージングが報告されている。一方、波長掃引速度νλ に関しては、例えばνλ ＝２．８６×１０６ｎｍ／ｓの波長掃引レーザが知られている。これらを勘案して、図１３に、ブラッグ波長λＢの温度係数として１０−２〜１０−４ｎｍ／℃、波長掃引速度νλ として１０５〜１０７ｎｍ／ｓの場合に上式（８）と上式（９）の絶対値が等しくなる光センサ間の温度補償可能な光ファイバの長さを示す。
【００７８】
上記のことから、接続用光ファイバ１３のナイロン被覆の線膨張率による上式（８）の符号は正であるので、上式（９）は波長掃引速度 とブラッグ波長温度係数の積が負になる組合せをとれば、温度変化による反射遅延時間の変動を抑圧することが可能となる。
【００７９】
このような第５の実施形態による光センサ８２を用いた光センサシステムによれば、光分岐器２１と導波路回折格子２２との間に温度補償光ファイバ８１を接続して、導波路回折格子２２の温度に起因するブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を、温度補償光ファイバ８１の温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動で相殺できるように、温度補償光ファイバ８１の長さを定めた。従って、温度変化が起因する導波路回折格子２２のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延時間変動を抑制することができる。
【００８０】
（第６の実施形態）
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る光センサシステムの構成を示す図である。
第６の実施形態の特徴は、第１の実施形態の光センサシステム１０の構成要素に更に、光分岐器９１と、波長掃引モニタ９２と、レーザ制御装置９３とを備えて構成した点にある。
【００８１】
光分岐器９１は、光サーキュレータ１２と第１の光センサ１５−１との間に接続されており、波長掃引レーザ１１からのパルス光を分岐して波長掃引モニタ９２へ出力するものである。
【００８２】
波長掃引モニタ９２は、光分岐器９１からのパルス光の波長掃引速度を検出してレーザ制御装置９３へ出力するものである。更に詳細に説明すると、波長掃引モニタ９２は、図１５（ａ）に示す波長掃引レーザ１１の波長掃引で出射されるパルス光のうち互いに異なる波長λｒ１とλｒ２との２つのパルス光を、（ｂ）に受信パルス電力値で示すように各々通過させる２つの狭帯域通過フィルタを備え、これら狭帯域通過フィルタを通過したパルス光の時間間隔Ｔｎｓを計測し、この計測結果データをレーザ制御装置９３へ出力する。
【００８３】
この他の構成として、波長掃引モニタ９２は、図１５（ｃ）に示す波長掃引レーザ１１の波長掃引で出射されるパルス光のうち異なる２つの波長λｒ１とλｒ２との間の帯域のパルス光を、（ｄ）に受信パルス電力値で示すように通過させる広帯域通過フィルタを備え、この広帯域通過フィルタを通過したパルス光の時間間隔Ｔｎｓを計測し、この計測結果データをレーザ制御装置９３へ出力する。
【００８４】
レーザ制御装置９３は、波長掃引モニタ９２からの計測結果データに示される時間間隔Ｔｎｓが一定となるように、波長掃引レーザ１１からのパルス光の波長を制御する。言い換えれば波長掃引レーザ１１の波長掃引速度が一定となるように、波長掃引レーザ１１からのパルス光の波長を制御する。
【００８５】
つまり、この構成によれば、波長掃引レーザ１１から出射されたパルス光が光分岐器９１で分岐され、この分岐されたパルス光の時間間隔Ｔｎｓが波長掃引モニタ９２で検出され、この検出されたパルス光の波長掃引速度が一定となるようにレーザ制御装置９３で波長掃引レーザ１１からのパルス光の波長が制御される。
【００８６】
このような第６の実施形態の光センサシステム９０によれば、波長掃引レーザ１１の波長掃引速度が電源変動や経時劣化などによって変動しても、その波長掃引速度を一定に制御することができ、これによって、所定波長のパルス光を各光センサ１５−１〜１５−ｍへ出射することができる。
【００８７】
また、上記の第６の実施形態の光センサシステム９０は、第１の実施形態の光センサシステム１０に、更に光分岐器９１と、波長掃引モニタ９２と、レーザ制御装置９３とを備えた構成にしたが、これと同様に、第２〜第５の実施形態の何れかの光センサシステムに、更に光分岐器９１と、波長掃引モニタ９２と、レーザ制御装置９３とを備えて構成しても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
但し、広帯域波長掃引レーザ６１を用いた光センサシステムでは、複数の光分岐器９１及び複数の波長掃引モニタ９２が用いられるので、複数の波長掃引モニタ９２からの計測結果データによる時間間隔Ｔｎｓの平均値が一定となるように制御する。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の光センサシステムは、土木設備や構造物の診断等広域センシングへの応用など様々な計測分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）に示すＷＢＧセンサの構成図である。
【図２】（ａ）は受信時刻毎の反射パルス光の電力値（受信パルス電力値）のパルス光の波形図、（ｂ）は波長掃引レーザの波長掃引特性を示す斜線と、波長掃引による出射パルス光を示す楕円を示した図である。
【図３】波長掃引レーザの波長掃引特性と、この波長掃引による出射パルス光、反射パルス光、受信パルス光の各スペクトル波形と、反射パルス光及び受信パルス光がずれた際のスペクトル波形とを示す図である。
【図４】波長掃引レーザの波長掃引特性と、反射パルス光及び受信パルス光の波形と、反射パルス光及び受信パルス光がずれた際の波形とを示す図である。
【図５】波長掃引速度とＯＴＤＲ上でのパルス光位置変化温度依存の関係を示す表の図である。
【図６】第１の実施形態の光センサシステムの主な設計仕様値の一例を示す表の図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施形態の光センサシステムにおける分光受信器で受信される所定のブラッグ波長からずれた反射パルス光を示す電力スペクトル波形図である。
【図９】各光センサのＩＤと、反射パルス光の電力値及び基準電力値の電力差との対応付けテーブルの図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る光センサシステムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る光センサシステムにおける光センサの構成を示す図である。
【図１３】光センサ間の温度補償可能な光ファイバの長さを示す表の図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る光センサシステム構成を示すブロック図である。
【図１５】（ａ）は波長掃引レーザの波長掃引による異なる２波長のパルス光の波形図、（ｂ）は異なる２帯域の狭帯域通過フィルタの通過パルス光の時間間隔を示す波形図、（ｃ）は波長掃引レーザの波長掃引による２波長間の帯域のパルス光の波形図、（ｄ）は広帯域通過フィルタの通過パルス光の時間間隔を示す波形図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０，５０，６０，７０，９０：光センサシステム
１１：波長掃引レーザ
１２：光サーキュレータ
１３：接続用光ファイバ
１４：被測定物
１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，…，１５−ｍ，８２：光センサ
１６：パルス受信器
１７：分光受信器
１８−１，１８−２：異常特定装置
２１，９１：光分岐器
２２：導波路回折格子
３１：波長掃引特性斜線
３２：出射パルス光スペクトル波形
３３：反射パルス光スペクトル波形
３３Δ：時間軸上でずれた反射パルス光スペクトル波形
３４：受信パルス光スペクトル波形
３４Δ：時間軸上でずれた受信パルス光スペクトル波形
３５：時間軸上の出射パルス光スペクトル波形
４１：反射パルス光波形
４１Δ：時間軸上でずれた反射パルス光波形
４２：受信パルス光波形
４２Δ：時間軸上でずれた受信パルス光波形
６１：広帯域波長掃引レーザ
６２：光分波フィルタ
６３−１〜６３−ｐ，７３−１〜７３−ｐ：光センサ経路構造
８１：温度補償光ファイバ
９２：波長掃引モニタ
９３：レーザ制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、
前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段と、
を備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項２】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、
前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段と、
を備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項３】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、
前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造と、
を有し、
前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項４】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、
前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造と、
を有し、
前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項５】
前記接続用光ファイバから分岐された後、前記導波路回折格子の前段に温度補償光ファイバを更に備え、
前記温度補償光ファイバは、温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動が、温度に起因する前記導波路回折格子のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を相殺する長さであることを特徴とする請求項１又は３に記載の光センサシステム。
【請求項６】
前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を検出し、この検出パルス光の波長掃引速度が一定となるように当該波長掃引レーザからのパルス光の波長を制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの光センサシステム。
【請求項１】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、
前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段と、
を備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項２】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子と、
前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段と、
を備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項３】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、
前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記導波路回折格子での反射パルス光を受信し、この反射パルス光の時間軸上での所定位置からのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造と、
を有し、
前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項４】
波長を連続的に変化させる波長掃引を行いながら時間軸上でパルス波形となるパルス光を発振する波長掃引レーザと、
前記波長掃引レーザからの出射光を一定スペクトル幅で複数に分波して出力する光分波フィルタと、
前記光分波フィルタで分波された複数のパルス光をそれぞれ伝搬する接続用光ファイバから分岐接続され、前記波長掃引の範囲内にある予め設定した同一のブラッグ波長の反射構造を有して前記パルス光を反射する複数の導波路回折格子、及び、前記予め設定したブラッグ波長からずれた反射パルス光を受信し、この反射パルス光のスペクトルのピークと基準ピークの差と、予め定められた値とのずれを検知することにより、異常が発生した導波路回折格子を特定する受信特定手段を一組として成る光センサ経路構造と、
を有し、
前記光センサ経路構造を前記光分波フィルタでの光の分波数に対応した数、備えたことを特徴とする光センサシステム。
【請求項５】
前記接続用光ファイバから分岐された後、前記導波路回折格子の前段に温度補償光ファイバを更に備え、
前記温度補償光ファイバは、温度に起因する膨張収縮によるパルス光の遅延変動が、温度に起因する前記導波路回折格子のブラッグ波長偏移による反射パルス光の遅延変動を相殺する長さであることを特徴とする請求項１又は３に記載の光センサシステム。
【請求項６】
前記波長掃引レーザから出射されたパルス光を検出し、この検出パルス光の波長掃引速度が一定となるように当該波長掃引レーザからのパルス光の波長を制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの光センサシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２２９１３４（Ｐ２００９−２２９１３４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７２１５７（Ｐ２００８−７２１５７）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（５０２１９１５５０）フォトニックサイエンステクノロジ株式会社 (24)
【出願人】（５０４２４３７１８）株式会社トリマティス (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（５０２１９１５５０）フォトニックサイエンステクノロジ株式会社 (24)
【出願人】（５０４２４３７１８）株式会社トリマティス (24)
【Ｆターム（参考）】
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