光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置
【課題】実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置を提供する。
【解決手段】実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価する。
【解決手段】実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバ全長のひずみ分布、温度分布などを取得可能な、ブリルアン散乱光を利用した光ファイバセンサおよび計測機器が実用化されている（例えば、非特許文献１および２参照）。
【０００３】
ここで、ブリルアン散乱光の強度は、入射する光の強度に対して非常に微弱であるため、光を複数回入射して得た反射光スペクトルを増幅、加算処理し、さらに一定の周波数ごとに検知周波数を掃引して強度を取得した離散的なスペクトルを曲線（ローレンツ関数）近似して全体のスペクトルとし、その光強度が最大となる周波数νＢを、ひずみ（あるいは温度）計測値εとして換算している。この場合に用いる換算式はひずみεの関数νＢ（ε）による次式（１）である。
【０００４】
【数１】
【０００５】
この光ファイバセンサによるひずみ分布、温度分布の計測精度は、これまで通信用光ファイバの静置状態（室内試験）で測定した計測値のばらつきを用いて評価していた。例えば、図１０に示すように、連続する１００個のひずみデータにおける計測値の平均値と標準偏差２δ（以下、この標準偏差２δをδε０と表示する。）とを求め、求めたδε０をひずみの計測誤差としていた。なお、通信用光ファイバのδε０としては、製造メーカの公表値で４０μεとしているものがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】岩城英朗、稲田裕、若原敏裕、光ファイバ分布ひずみセンサ（B-OTDR）を用いた長大斜張橋施工時モニタリング、土木学会第62回年次学術講演会、pp．805-806、2007．09
【非特許文献２】岩城英朗、稲田裕、若原敏裕、光ファイバ分布センサを用いた長大斜張橋モニタリング、土木学会第63回年次学術講演会、pp．61-62、2008．09
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の光ファイバセンサを計測対象物に敷設して計測する場合には、ひずみ分布、温度分布にばらつきが生じると考えられるが、この実際の計測環境下での計測精度を把握することは計測管理上重要である。また、一般に光ファイバセンサによる計測は、ひずみゲージなどによるひずみ計測や、熱電対などによる温度計測に対して計測精度が劣ると考えられているが、実際の計測環境下での計測精度に対する優劣は明らかではない。
【０００８】
また、従来の光ファイバセンサの計測精度は、前述の図１０に示すように、静置状態（室内試験）の光ファイバから取得されるひずみが変化しないデータの標準偏差により評価していた。この方法を実際の計測環境（現場の設置環境）下での光ファイバの計測精度の評価にそのまま適用すると、図１１に示すように、この環境下の光ファイバから取得されるひずみが変化する連続１００個のひずみデータから得られた結果Ｂのひずみ計測精度は、図１０の静置状態の場合の結果Ａに対して大きく悪化して評価されてしまう（例えば１０倍以上数値が低下）。これは、そもそもひずみ値は一定ではなく、ひずみ値が変化している実際の計測環境下では平均値からのばらつきを常に内包しているからである。したがって、このような場合には「標準偏差＝ひずみ計測精度」として評価するのは適切とはいい難い。
【０００９】
このため、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる技術の開発が望まれていた。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光ファイバセンサのひずみ計測精度の評価方法は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法は、上述した請求項１において、前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する装置であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１の演算手段と、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２の演算手段とを有し、第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、上述した請求項３において、前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するので、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の実施例を示す図である。
【図２】図２は、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の第１のステップのフローチャート図である。
【図３】図３は、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の第２のステップのフローチャート図である。
【図４】図４は、ブリルアン散乱光スペクトルと誤差を示す図である。
【図５】図５は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルと近似曲線を示す図である。
【図６】図６は、光ファイバセンサによるひずみ計測結果の一例を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は光強度の位置分布図、（ｄ）〜（ｆ）はスペクトル幅の位置分布図である。
【図７】図７は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルの一例を示す図である。
【図８】図８は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルの近似曲線の一例を示す図である。
【図９】図９は、近似曲線からひずみ計測精度を求める場合の図である。
【図１０】図１０は、従来の静置状態の光ファイバセンサの計測精度の評価方法を示すフローチャート図である。
【図１１】図１１は、従来の実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサの計測精度の評価方法を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
図１に示すように、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサから周波数ばらつき、ひずみの標準偏差および両者間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサから周波数ばらつきを求める第２のステップとを有する。そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するものである。
【００１９】
第１のステップは、具体的には、図２の中央右側に示すように、室内試験（実際の計測環境に敷設していない静置状態）において光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルから連続１００個の反射光強度（最大光強度）のデータの平均値およびばらつきと、連続１００個の反射光スペクトル（スペクトル幅）のデータの平均値とを求めるものである。そして、これらの値と反射光スペクトルの誤差を求める式（後述の式（３））を用いて、反射光強度（最大光強度）となる周波数に対する反射光スペクトルの周波数ばらつき（図中、結果３で示す「反射光スペクトルの誤差」。基準値として用いる。）を求めるものである。
【００２０】
また、この第１のステップは、図２の左側に示すように、連続１００個のひずみのデータからその標準偏差（図中、結果１で示す「ひずみ誤差」。基準値として用いる。）を求めるものである。
【００２１】
第２のステップは、具体的には、図３の中央右側に示すように、現場（実際の計測環境に敷設している状態）において光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルから連続１００個の反射光強度（最大光強度）のデータの平均値およびばらつきと、連続１００個の反射光スペクトル（スペクトル幅）のデータの平均値とを求めるものである。そして、これらの値と反射光スペクトルの誤差を求める式（後述の式（３））を用いて、反射光強度（最大光強度）となる周波数に対する反射光スペクトルの周波数ばらつき（図中、結果４で示す「反射光スペクトルの誤差」。現場設置の値として用いる。）を求めるものである。
【００２２】
なお、この第２のステップは、図３の左側に示すように、連続１００個のひずみのデータからその標準偏差（図中、結果２）を求めることも可能であるが、この結果２は本発明には使用しない。また、この第２のステップの後の処理においては、図３の右下の破線のフローチャートに示すように、結果４の周波数ばらつきに対して第１のステップの室内試験で求めた比例係数を乗じ、こうして得られた値を、現場設置のひずみの誤差（図中、結果５）として評価することとなる。
【００２３】
ここで、第１のステップにより得られた結果３（図２）に比べ、第２のステップにより得られた結果４（図３）は、従来の結果Ａ（図１０）に対する結果Ｂ（図１１）のように大きく変化しないことを本発明者は確認している。また、光強度とスペクトル幅は、設置環境の変化には殆ど影響しないと考えられる。そこで、結果３と結果４の比をひずみ計測精度の変化の度合いと考える。この場合、現場設置（実際の計測環境下）のひずみ計測精度は、（現場設置のひずみ計測精度）＝（結果１）×（（結果４）／（結果３））の算定式により評価することが可能である。
この式は、第１のステップで求めた比例係数をＣと表記すれば、Ｃ＝（結果１）／（結果４）であるので、（現場設置のひずみ計測精度）＝比例係数Ｃ×（結果４）と変形することができる。
【００２４】
なお、第１および第２のステップにおいて、最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差を用いることができる。
【００２５】
また、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、第１のステップの処理内容をコンピュータにより演算処理する第１の演算手段と、第２のステップの処理内容をコンピュータにより演算処理する第２の演算手段とを備えるように構成することができる。そして、第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するように構成することができる。
【００２６】
次に、第１のステップおよび第２のステップで取得するブリルアン散乱光スペクトルについて説明する。
まず、ブリルアン散乱光の光強度Ｖ（ν）について説明する。このＶ（ν）は、次式（２）で表すことができる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
ここで、ＶＳはブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度、ΔνＢはブリルアン散乱光のスペクトル幅（半値全幅）、νＢはブリルアン散乱光スペクトルのピーク周波数、νは周波数である。
【００２９】
この式（２）のスペクトルに対して、図４に示すように、実効値ＶＮのノイズが重畳しているとすると、このノイズによるνＢのばらつきδνＢは、次式（３）のように表すことができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
ブリルアン散乱光の強度は、入射光と比較して非常に微弱であるため、実際の計測では、パルス光を複数回入射し、かつ受光周波数νを段階的に変化させ、その各々の周波数で増幅・加算して後方散乱光を取得し、これらを合わせて離散化ブリルアン散乱光スペクトルを求める。
【００３２】
ここで、離散化ブリルアン散乱光スペクトルからνＢを求める際に量子化誤差を生じる可能性があるため、図５に示すように、離散化ブリルアン散乱光スペクトルに対する近似曲線を求め、そのピーク（最大光強度）を示す周波数をνＢとする。
【００３３】
参考として、光ファイバセンサによるひずみ計測結果の一例を図６に示す。図６（ａ）〜（ｃ）は光強度の位置分布図、（ｄ）〜（ｆ）はスペクトル幅の位置分布図である。（ａ）、（ｄ）は通信用光ファイバについて、（ｂ）、（ｅ）は光ファイバセンサ（室内）について、（ｃ）、（ｆ）は光ファイバセンサ（現場）について示してある。
【００３４】
ＶＳ、ΔνＢ、ＶＮは、図７〜図９を用いて求めることができる。ここで、図７は、ある点で計測した離散化ブリルアン散乱光スペクトルの一例を示している。図８は、図７のスペクトルに対して曲線近似した一例を示している。図９は、図８の近似曲線からＶＳ、ΔνＢ、ＶＮを求めた一例を示している。
【００３５】
次に、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の具体的手順を説明する。
【００３６】
（第１のステップ）
まず、通信用光ファイバの静置状態（室内試験）において、通信用光ファイバの全長から取得したブリルアン散乱光スペクトルから、最大光強度を得る。これをＶＳ０とする。
【００３７】
同様に、ブリルアン散乱光スペクトルから、スペクトル幅（最大光強度の半値全幅）を得る。これをΔνＢ０とする。
【００３８】
これらの連続する１００データに対して、ＶＳ０の平均値をＶＳ０ａｖｅとし、ＶＳ０の最大値と最小値の差を２ＶＮ０とする。また、ΔνＢ０の平均値をΔνＢ０ａｖｅとする。
【００３９】
ここで、ブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度となる周波数νＢに対するばらつきを得る上記の式（３）を、これらの値に対して適用する。求めた値をδνＢ０とする（図２の結果３）。
【００４０】
また、光ファイバから取得した連続する１００個のひずみデータにおける計測値の標準偏差δε０を求め、求めたδε０をひずみの誤差（室内基準値）とする（図２の結果１）。
このひずみの誤差と上記の周波数ばらつきδνＢ０とが比例関係にあると考えれば、この関係は比例係数Ｃを用いて、δε０＝Ｃ・δνＢ０と表記することができる。この比例係数Ｃは敷設の有無に依らず一定と仮定することができる。そこで、上記で求めたδε０とδνＢ０とに基づいてこの比例係数Ｃを算定する。
【００４１】
（第２のステップ）
一方、光ファイバセンサを敷設した条件下においても同様に、光ファイバセンサの全長から取得したブリルアン散乱光スペクトルから、最大光強度を得る。これをＶＳ１とする。
【００４２】
同様に、ブリルアン散乱光スペクトルから、スペクトル幅（最大光強度の半値全幅）を得る。これをΔνＢ１とする。
【００４３】
これらの連続する１００データに対して、ＶＳ１の平均値をＶＳ１ａｖｅとし、ＶＳ１の最大値と最小値の差を２ＶＮ１とする。また、ΔνＢ１の平均値をΔνＢ１ａｖｅとする。
【００４４】
第１のステップと同様に、ばらつきを得る上記の式（３）をこれらの値に対して適用する。求めた値をδνＢ１とする（図３の結果４）。
【００４５】
そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきδνＢ１および第１のステップで求めた比例係数Ｃを用いて、光ファイバセンサを敷設した条件でのひずみ計測精度δε１を、δε１＝Ｃ・δνＢ１の算定式により求める（図３の結果５）。このようにすることで、光ファイバセンサを敷設した条件下でのひずみ計測精度を適切に評価することができる。
【００４６】
温度計測における計測精度の評価についても、上記のひずみ計測精度の評価と同様に行うことができる。
【００４７】
このように、本発明は、光ファイバセンサを敷設した条件下でのひずみ、温度の計測精度を適切に評価することができる。また、ひずみゲージ等の計測精度との定量比較も可能である。なお、本発明を適用して光ファイバセンサを敷設した環境下のひずみ計測精度の評価を行ったところ、敷設環境下での計測精度δε１は、光ファイバ製造メーカ公表諸元値のひずみ計測精度δε０の１．２５倍程度の値であった。
【００４８】
以上説明したように、本発明によれば、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するので、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置は、ブリルアン散乱光を利用した光ファイバセンサの計測精度の評価に有用であり、特に、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を評価するのに適している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバ全長のひずみ分布、温度分布などを取得可能な、ブリルアン散乱光を利用した光ファイバセンサおよび計測機器が実用化されている（例えば、非特許文献１および２参照）。
【０００３】
ここで、ブリルアン散乱光の強度は、入射する光の強度に対して非常に微弱であるため、光を複数回入射して得た反射光スペクトルを増幅、加算処理し、さらに一定の周波数ごとに検知周波数を掃引して強度を取得した離散的なスペクトルを曲線（ローレンツ関数）近似して全体のスペクトルとし、その光強度が最大となる周波数νＢを、ひずみ（あるいは温度）計測値εとして換算している。この場合に用いる換算式はひずみεの関数νＢ（ε）による次式（１）である。
【０００４】
【数１】
【０００５】
この光ファイバセンサによるひずみ分布、温度分布の計測精度は、これまで通信用光ファイバの静置状態（室内試験）で測定した計測値のばらつきを用いて評価していた。例えば、図１０に示すように、連続する１００個のひずみデータにおける計測値の平均値と標準偏差２δ（以下、この標準偏差２δをδε０と表示する。）とを求め、求めたδε０をひずみの計測誤差としていた。なお、通信用光ファイバのδε０としては、製造メーカの公表値で４０μεとしているものがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】岩城英朗、稲田裕、若原敏裕、光ファイバ分布ひずみセンサ（B-OTDR）を用いた長大斜張橋施工時モニタリング、土木学会第62回年次学術講演会、pp．805-806、2007．09
【非特許文献２】岩城英朗、稲田裕、若原敏裕、光ファイバ分布センサを用いた長大斜張橋モニタリング、土木学会第63回年次学術講演会、pp．61-62、2008．09
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の光ファイバセンサを計測対象物に敷設して計測する場合には、ひずみ分布、温度分布にばらつきが生じると考えられるが、この実際の計測環境下での計測精度を把握することは計測管理上重要である。また、一般に光ファイバセンサによる計測は、ひずみゲージなどによるひずみ計測や、熱電対などによる温度計測に対して計測精度が劣ると考えられているが、実際の計測環境下での計測精度に対する優劣は明らかではない。
【０００８】
また、従来の光ファイバセンサの計測精度は、前述の図１０に示すように、静置状態（室内試験）の光ファイバから取得されるひずみが変化しないデータの標準偏差により評価していた。この方法を実際の計測環境（現場の設置環境）下での光ファイバの計測精度の評価にそのまま適用すると、図１１に示すように、この環境下の光ファイバから取得されるひずみが変化する連続１００個のひずみデータから得られた結果Ｂのひずみ計測精度は、図１０の静置状態の場合の結果Ａに対して大きく悪化して評価されてしまう（例えば１０倍以上数値が低下）。これは、そもそもひずみ値は一定ではなく、ひずみ値が変化している実際の計測環境下では平均値からのばらつきを常に内包しているからである。したがって、このような場合には「標準偏差＝ひずみ計測精度」として評価するのは適切とはいい難い。
【０００９】
このため、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる技術の開発が望まれていた。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光ファイバセンサのひずみ計測精度の評価方法は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法は、上述した請求項１において、前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する装置であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１の演算手段と、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２の演算手段とを有し、第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、上述した請求項３において、前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するので、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の実施例を示す図である。
【図２】図２は、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の第１のステップのフローチャート図である。
【図３】図３は、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の第２のステップのフローチャート図である。
【図４】図４は、ブリルアン散乱光スペクトルと誤差を示す図である。
【図５】図５は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルと近似曲線を示す図である。
【図６】図６は、光ファイバセンサによるひずみ計測結果の一例を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は光強度の位置分布図、（ｄ）〜（ｆ）はスペクトル幅の位置分布図である。
【図７】図７は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルの一例を示す図である。
【図８】図８は、離散化ブリルアン散乱光スペクトルの近似曲線の一例を示す図である。
【図９】図９は、近似曲線からひずみ計測精度を求める場合の図である。
【図１０】図１０は、従来の静置状態の光ファイバセンサの計測精度の評価方法を示すフローチャート図である。
【図１１】図１１は、従来の実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサの計測精度の評価方法を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
図１に示すように、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法は、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサから周波数ばらつき、ひずみの標準偏差および両者間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサから周波数ばらつきを求める第２のステップとを有する。そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するものである。
【００１９】
第１のステップは、具体的には、図２の中央右側に示すように、室内試験（実際の計測環境に敷設していない静置状態）において光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルから連続１００個の反射光強度（最大光強度）のデータの平均値およびばらつきと、連続１００個の反射光スペクトル（スペクトル幅）のデータの平均値とを求めるものである。そして、これらの値と反射光スペクトルの誤差を求める式（後述の式（３））を用いて、反射光強度（最大光強度）となる周波数に対する反射光スペクトルの周波数ばらつき（図中、結果３で示す「反射光スペクトルの誤差」。基準値として用いる。）を求めるものである。
【００２０】
また、この第１のステップは、図２の左側に示すように、連続１００個のひずみのデータからその標準偏差（図中、結果１で示す「ひずみ誤差」。基準値として用いる。）を求めるものである。
【００２１】
第２のステップは、具体的には、図３の中央右側に示すように、現場（実際の計測環境に敷設している状態）において光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルから連続１００個の反射光強度（最大光強度）のデータの平均値およびばらつきと、連続１００個の反射光スペクトル（スペクトル幅）のデータの平均値とを求めるものである。そして、これらの値と反射光スペクトルの誤差を求める式（後述の式（３））を用いて、反射光強度（最大光強度）となる周波数に対する反射光スペクトルの周波数ばらつき（図中、結果４で示す「反射光スペクトルの誤差」。現場設置の値として用いる。）を求めるものである。
【００２２】
なお、この第２のステップは、図３の左側に示すように、連続１００個のひずみのデータからその標準偏差（図中、結果２）を求めることも可能であるが、この結果２は本発明には使用しない。また、この第２のステップの後の処理においては、図３の右下の破線のフローチャートに示すように、結果４の周波数ばらつきに対して第１のステップの室内試験で求めた比例係数を乗じ、こうして得られた値を、現場設置のひずみの誤差（図中、結果５）として評価することとなる。
【００２３】
ここで、第１のステップにより得られた結果３（図２）に比べ、第２のステップにより得られた結果４（図３）は、従来の結果Ａ（図１０）に対する結果Ｂ（図１１）のように大きく変化しないことを本発明者は確認している。また、光強度とスペクトル幅は、設置環境の変化には殆ど影響しないと考えられる。そこで、結果３と結果４の比をひずみ計測精度の変化の度合いと考える。この場合、現場設置（実際の計測環境下）のひずみ計測精度は、（現場設置のひずみ計測精度）＝（結果１）×（（結果４）／（結果３））の算定式により評価することが可能である。
この式は、第１のステップで求めた比例係数をＣと表記すれば、Ｃ＝（結果１）／（結果４）であるので、（現場設置のひずみ計測精度）＝比例係数Ｃ×（結果４）と変形することができる。
【００２４】
なお、第１および第２のステップにおいて、最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差を用いることができる。
【００２５】
また、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価装置は、第１のステップの処理内容をコンピュータにより演算処理する第１の演算手段と、第２のステップの処理内容をコンピュータにより演算処理する第２の演算手段とを備えるように構成することができる。そして、第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するように構成することができる。
【００２６】
次に、第１のステップおよび第２のステップで取得するブリルアン散乱光スペクトルについて説明する。
まず、ブリルアン散乱光の光強度Ｖ（ν）について説明する。このＶ（ν）は、次式（２）で表すことができる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
ここで、ＶＳはブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度、ΔνＢはブリルアン散乱光のスペクトル幅（半値全幅）、νＢはブリルアン散乱光スペクトルのピーク周波数、νは周波数である。
【００２９】
この式（２）のスペクトルに対して、図４に示すように、実効値ＶＮのノイズが重畳しているとすると、このノイズによるνＢのばらつきδνＢは、次式（３）のように表すことができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
ブリルアン散乱光の強度は、入射光と比較して非常に微弱であるため、実際の計測では、パルス光を複数回入射し、かつ受光周波数νを段階的に変化させ、その各々の周波数で増幅・加算して後方散乱光を取得し、これらを合わせて離散化ブリルアン散乱光スペクトルを求める。
【００３２】
ここで、離散化ブリルアン散乱光スペクトルからνＢを求める際に量子化誤差を生じる可能性があるため、図５に示すように、離散化ブリルアン散乱光スペクトルに対する近似曲線を求め、そのピーク（最大光強度）を示す周波数をνＢとする。
【００３３】
参考として、光ファイバセンサによるひずみ計測結果の一例を図６に示す。図６（ａ）〜（ｃ）は光強度の位置分布図、（ｄ）〜（ｆ）はスペクトル幅の位置分布図である。（ａ）、（ｄ）は通信用光ファイバについて、（ｂ）、（ｅ）は光ファイバセンサ（室内）について、（ｃ）、（ｆ）は光ファイバセンサ（現場）について示してある。
【００３４】
ＶＳ、ΔνＢ、ＶＮは、図７〜図９を用いて求めることができる。ここで、図７は、ある点で計測した離散化ブリルアン散乱光スペクトルの一例を示している。図８は、図７のスペクトルに対して曲線近似した一例を示している。図９は、図８の近似曲線からＶＳ、ΔνＢ、ＶＮを求めた一例を示している。
【００３５】
次に、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法の具体的手順を説明する。
【００３６】
（第１のステップ）
まず、通信用光ファイバの静置状態（室内試験）において、通信用光ファイバの全長から取得したブリルアン散乱光スペクトルから、最大光強度を得る。これをＶＳ０とする。
【００３７】
同様に、ブリルアン散乱光スペクトルから、スペクトル幅（最大光強度の半値全幅）を得る。これをΔνＢ０とする。
【００３８】
これらの連続する１００データに対して、ＶＳ０の平均値をＶＳ０ａｖｅとし、ＶＳ０の最大値と最小値の差を２ＶＮ０とする。また、ΔνＢ０の平均値をΔνＢ０ａｖｅとする。
【００３９】
ここで、ブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度となる周波数νＢに対するばらつきを得る上記の式（３）を、これらの値に対して適用する。求めた値をδνＢ０とする（図２の結果３）。
【００４０】
また、光ファイバから取得した連続する１００個のひずみデータにおける計測値の標準偏差δε０を求め、求めたδε０をひずみの誤差（室内基準値）とする（図２の結果１）。
このひずみの誤差と上記の周波数ばらつきδνＢ０とが比例関係にあると考えれば、この関係は比例係数Ｃを用いて、δε０＝Ｃ・δνＢ０と表記することができる。この比例係数Ｃは敷設の有無に依らず一定と仮定することができる。そこで、上記で求めたδε０とδνＢ０とに基づいてこの比例係数Ｃを算定する。
【００４１】
（第２のステップ）
一方、光ファイバセンサを敷設した条件下においても同様に、光ファイバセンサの全長から取得したブリルアン散乱光スペクトルから、最大光強度を得る。これをＶＳ１とする。
【００４２】
同様に、ブリルアン散乱光スペクトルから、スペクトル幅（最大光強度の半値全幅）を得る。これをΔνＢ１とする。
【００４３】
これらの連続する１００データに対して、ＶＳ１の平均値をＶＳ１ａｖｅとし、ＶＳ１の最大値と最小値の差を２ＶＮ１とする。また、ΔνＢ１の平均値をΔνＢ１ａｖｅとする。
【００４４】
第１のステップと同様に、ばらつきを得る上記の式（３）をこれらの値に対して適用する。求めた値をδνＢ１とする（図３の結果４）。
【００４５】
そして、第２のステップで求めた周波数ばらつきδνＢ１および第１のステップで求めた比例係数Ｃを用いて、光ファイバセンサを敷設した条件でのひずみ計測精度δε１を、δε１＝Ｃ・δνＢ１の算定式により求める（図３の結果５）。このようにすることで、光ファイバセンサを敷設した条件下でのひずみ計測精度を適切に評価することができる。
【００４６】
温度計測における計測精度の評価についても、上記のひずみ計測精度の評価と同様に行うことができる。
【００４７】
このように、本発明は、光ファイバセンサを敷設した条件下でのひずみ、温度の計測精度を適切に評価することができる。また、ひずみゲージ等の計測精度との定量比較も可能である。なお、本発明を適用して光ファイバセンサを敷設した環境下のひずみ計測精度の評価を行ったところ、敷設環境下での計測精度δε１は、光ファイバ製造メーカ公表諸元値のひずみ計測精度δε０の１．２５倍程度の値であった。
【００４８】
以上説明したように、本発明によれば、実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価するので、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を適切に評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明に係る光ファイバセンサの計測精度の評価方法および評価装置は、ブリルアン散乱光を利用した光ファイバセンサの計測精度の評価に有用であり、特に、実際の計測環境における光ファイバセンサの計測精度を評価するのに適している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、
実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、
実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、
第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする光ファイバセンサの計測精度の評価方法。
【請求項２】
前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサの計測精度の評価方法。
【請求項３】
実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する装置であって、
実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１の演算手段と、
実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２の演算手段とを有し、
第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする光ファイバセンサの計測精度の評価装置。
【請求項４】
前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバセンサの計測精度の評価装置。
【請求項１】
実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する方法であって、
実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１のステップと、
実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２のステップとを有し、
第２のステップで求めた周波数ばらつきに対して第１のステップで求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする光ファイバセンサの計測精度の評価方法。
【請求項２】
前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサの計測精度の評価方法。
【請求項３】
実際の計測環境に敷設された光ファイバセンサの計測精度を評価する装置であって、
実際の計測環境に敷設していない静置状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める一方、前記光ファイバセンサのひずみを取得してその標準偏差を求め、この標準偏差と前記周波数ばらつきとの間の比例係数を求める第１の演算手段と、
実際の計測環境に敷設している状態の光ファイバセンサからブリルアン散乱光スペクトルを取得し、このブリルアン散乱光スペクトルの最大光強度の平均値およびばらつきとスペクトル幅の平均値とから前記最大光強度となる周波数に対する周波数ばらつきを求める第２の演算手段とを有し、
第２の演算手段で求めた周波数ばらつきに対して第１の演算手段で求めた比例係数を乗じて得られる値に基づいて計測精度を評価することを特徴とする光ファイバセンサの計測精度の評価装置。
【請求項４】
前記最大光強度のばらつきは、最大値および最小値の差であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバセンサの計測精度の評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１４９８８１（Ｐ２０１１−１４９８８１Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２５８４（Ｐ２０１０−１２５８４）
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第６４回年次学術講演会講演概要集 平成２１年８月３日
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第６４回年次学術講演会講演概要集 平成２１年８月３日
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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