振动检测装置和振动检测方法

技术领域

本发明涉及利用时域反射测定法的基于频率复用的振动检测装置及其振动检测方法。

背景技术

描述使用单一光频率的探测光的散射光强度监视器的振动检测的问题。将脉冲编号m的探测光脉冲入射到被测定光纤，在时刻t

[数学式1]

但是，严格地说，系数C(z)依赖于探测光脉冲的形状或强度、各地点上的瑞利散射体的分布，作为结果成为I(z、T

系数C(z)受到在各地点随机分布的多个瑞利散射体的散射光的干涉引起的衰减噪声的影响，符号和大小都根据各地点、即距入射端的距离z而不同。如果将各时刻的强度测定时施加的噪声设为n(t

[数学式2]

波浪线用于将测定值与理想值进行区分。可知在系数C小的地点，振动检测的灵敏度劣化。

在使用OTDR测定光损耗的方法中，作为消除衰减噪声的方法，已知光频率复用的方法(例如参照非专利文献1)。该方法使用将频率复用f

[数学式2a]

现有技术文献

非专利文献1：Hiroyuki Iida,Yusuke Koshikiya,Fumihiko Ito,and KuniakiTanaka,“High-Sensitivity Coherent Optical Time Domain Reflectometry EmployingFrequency-Division Multiplexing,”J.Lightwave Technol.30,1121-1126(2012)

非专利文献2：Yahei Koyamada,Mutsumi Imahama,Kenya Kubota,and KazuoHogari,“Fiber-Optic Distributed Strain and Temperature Sensing With Very HighMeasurand Resolution Over Long Range Using Coherent OTDR,”J.LightwaveTechnol.27,1142-1146(2009)

在将散射光强度用作信号这一点上，散射光强度监视器的振动检测也是同样的，但是在振动检测的情况下，在将数学式2a的散射光强度波形原样进行平均的情况下，与单一频率下的测定相比，存在难以避免产生灵敏度劣化的地点的课题。

以下详细说明该课题。第k个频率的散射光强度变化成为下式。

[数学式3]

系数C

在单纯地计算强度平均的方法中，如下所述，计算相对于参照时刻t

[数学式4]

从上式可知，通过平均化得到噪声减少的效果，C

[数学式4a]

小于原来的C

即，对于使用进行频率平均前的任意频率的信号的振动检测，都可能产生使用平均后的信号的振动检测的灵敏度劣化的地点。由此，在散射光强度监视器的振动检测中，不一定认为单纯地对各频率的散射光强度进行平均的方法最适合于振动检测的灵敏度提高。

另外，在光频率复用的方法中，一般对后向散射光进行相干检波，根据对检波后的信号进行傅立叶变换后的频域中的带宽的差异，分离出各光频率的信号。使用分离出的各光频率的I(Inphase；同相)分量和Q(Quadrature；正交)分量的值，根据I分量的平方值与Q分量的平方值之和得到相当于散射光强度的信号，但是也可以将I分量的平方值与Q分量的平方值的平方根、即以I分量为横轴、以Q分量为纵轴的IQ平面上的矢量的长度作为信号。也可以根据该矢量长度的变化进行振动检测。

在这种情况下，在变形量ε(t

ΔI(z、t

如果利用数学式1，则为下式。

[数学式4b]

因此，如果C’(z)＝c(z)/2L(z、t

发明内容

因此，为了解决上述课题，本发明的目的在于提供振动检测装置和振动检测方法，能够避免在基于光频率复用的散射光强度监视器的振动检测中产生检测灵敏度劣化的地点。

为了达成上述目的，本发明的振动检测装置通过预备测定和正式测定这两个工序进行振动检测。

在预备测定中，首先，在使复用的光频率按每个脉冲而变化的基础上，通过时域反射测量法取得瑞利散射光强度。并且，检测从在预备测定中使用的脉冲数中减去1之后的数量的，将在预备测定中得到的所述瑞利散射光强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，并且对检测出的多个所述方向矢量进行统计处理，由此制作光纤的各地点的近似方向矢量。

在正式测定中，通过使用所述近似方向矢量对在正式测定中得到的信号进行处理来检测振动。

通过使用所述近似方向矢量，能够进行对所述光纤的各地点处的变形变化的灵敏度成为最佳的最佳光频率的选定等，与单纯地对IQ平面上的矢量长度进行平均的前述的方法相比，能够实现灵敏度提高。

具体地说，本发明的振动检测装置是基于时域反射测定法的振动检测装置，包括：

光试验器，使包含多个基本光频率的光频率复用脉冲入射到光纤，取得瑞利后向散射光的强度；以及

控制运算器，实施：

使所述光试验器进行预备测定，所述预备测定使所述基本光频率按每个所述光频率复用脉冲仅变化移动光频率并入射到所述光纤，取得瑞利后向散射光的强度；

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按所述光纤的每个地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，制作对每个所述移动光频率的所述方向矢量进行统计处理后的近似方向矢量；

使用所制作的所述近似方向矢量，按所述光纤的每个地点选定对变形的灵敏度成为最佳的最佳基本光频率；以及

使所述光试验器进行正式测定，所述正式测定使所述多个基本光频率的所述光频率复用脉冲入射到所述光纤，按所述光纤的每个地点，根据相对于所述最佳基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化来检测振动。

该振动检测方法是基于时域反射测定法的振动检测方法，包括：

进行预备测定，所述预备测定使光频率复用脉冲中包含的多个基本光频率按每个所述光频率复用脉冲仅变化移动光频率并入射到光纤，取得瑞利后向散射光的强度；

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按所述光纤的每个地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，制作对每个所述移动光频率的所述方向矢量进行统计处理后的近似方向矢量；

使用所制作的所述近似方向矢量，按所述光纤的每个地点选定对变形的灵敏度成为最佳的最佳基本光频率；以及

进行正式测定，所述正式测定使所述多个基本光频率的所述光频率复用脉冲入射到所述光纤，按所述光纤的每个地点，根据相对于所述最佳基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化来检测振动。

此外，本发明的其他振动检测装置是基于时域反射测定法的振动检测装置，包括：

光试验器，使包含多个基本光频率的光频率复用脉冲入射到光纤，取得瑞利后向散射光的强度；以及

控制运算器，实施：

使所述光试验器进行预备测定，所述预备测定使所述基本光频率仅变化按每个所述光频率复用脉冲的移动光频率并入射到所述光纤，取得瑞利后向散射光的强度；

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按所述光纤的各地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，制作对每个所述移动光频率的所述方向矢量进行统计处理后的近似方向矢量；以及

使所述光试验器进行正式测定，所述正式测定使所述多个基本光频率的所述光频率复用脉冲入射到所述光纤，按所述光纤的各地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，根据所述方向矢量与所述近似方向矢量的内积来检测振动。

该振动检测方法是基于时域反射测定法的振动检测方法，

进行预备测定，所述预备测定使光频率复用脉冲中包含的多个基本光频率仅变化按每个所述光频率复用脉冲的移动光频率并入射到光纤，取得瑞利后向散射光的强度；

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按所述光纤的各地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，制作对每个所述移动光频率的所述方向矢量进行统计处理后的近似方向矢量；以及

进行正式测定，所述正式测定使所述多个基本光频率的所述光频率复用脉冲入射到所述光纤，按所述光纤的各地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，根据所述方向矢量与所述近似方向矢量的内积来检测振动。

本振动检测装置及其方法以能够按光纤的每个地点得到最佳的结果的方式，实施故意使复用的光频率按每个脉冲发生变化的预备测定，制作光纤的各地点的近似方向矢量，进行对变形变化的灵敏度最佳的最佳光频率的选定等，因此能够防止局部产生灵敏度劣化。因此，本发明能够提供振动检测装置和振动检测方法，能够避免在基于光频率复用的散射光强度监视器的振动检测中产生检测灵敏度劣化的地点。

另外，上述各发明能够尽可能地进行组合。

本发明能够提供振动检测装置和振动检测方法，能够避免在基于光频率复用的散射光强度监视器的振动检测中产生检测灵敏度劣化的地点。

附图说明

图1是说明本发明的振动检测装置的图。

图2是说明本发明的振动检测方法的图。

图3是说明本发明的振动检测方法的原理的图。

图4是说明本发明的振动检测方法的图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明不限于以下的实施方式。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。

(实施方式1)

图1是说明本实施方式的振动检测装置的图。本振动检测装置是基于时域反射测定法的振动检测装置，包括：

光试验器21，使包含多个基本光频率f

控制运算器22，实施：

使光试验器21进行预备测定，所述预备测定使所述基本光频率f

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按光纤5的每个地点，检测将相对于所述基本光频率f

使用所制作的所述近似方向矢量，按光纤5的每个地点选定对变形的灵敏度成为最佳的最佳基本光频率；以及

使光试验器21进行正式测定，所述正式测定使多个基本光频率f

首先，对光试验器21进行详细说明。从激光器1输出CW激光，由耦合器2分支为两部分，制作本地光和探测光。使所述探测光通过调制器3，整形为复用了光频率的探测脉冲，经由循环器4入射到光纤5。将通过入射的所述探测脉冲被瑞利后向散射而产生的散射光与所述本地光一起入射到光90度混合器6，由平衡光电二极管7接收同相分量，由平衡光电二极管8接收正交分量，并且进行光电转换。光电转换后的所述同相分量由AD转换器9转换为数字信号，光电转换后的所述正交分量由AD转换器10转换为数字信号。

接着，对控制运算器22进行详细说明。保存部12将来自AD转换器(9、10)的数字信号保存为数据。计算部13使用所保存的所述数据，实施后述的计算。此外，指示部11对光试验器21的调制器3指示变化的光频率。

图2是说明本振动检测装置进行的振动检测方法的流程图。本振动检测方法是基于时域反射测定法的振动检测方法，包括：

进行预备测定，所述预备测定使光频率复用脉冲中包含的多个基本光频率按每个所述光频率复用脉冲仅变化移动光频率并入射到光纤，取得瑞利后向散射光的强度(步骤S01)，

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按光纤5的每个地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量(步骤S02)，制作对每个所述移动光频率的所述方向矢量进行统计处理后的近似方向矢量(步骤S03)，

使用所制作的所述近似方向矢量，按光纤5的每个地点选定对变形的灵敏度成为最佳的最佳基本光频率(步骤S04)，以及

进行正式测定，所述正式测定使所述多个基本光频率的所述光频率复用脉冲入射到所述光纤(步骤S05)，按所述光纤的每个地点，根据相对于所述最佳基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化来检测振动(步骤S06)。

使用图2更详细地进行说明。本振动检测方法由以下步骤构成：

[步骤A]准备故意以移动频率施加了频率变化的频率复用脉冲并取得预备数据，

[步骤B]选定基于预备数据的分析的各地点处的最佳基本频率，以及

[步骤C]利用将频率固定为基本频率的频率复用脉冲来实施正式测定并根据最佳基本光频率的散射光强度变化来检测振动。

[步骤A]

将从脉冲编号1到脉冲编号M(脉冲编号m；m是从1到M的整数)用于预备数据取得。M也取决于测定器的噪声的大小，但是通常是十数左右的值就足够。各脉冲编号中的探测光是将频率复用了K(光频率编号k；k是从1到K的整数)个的频率复用脉冲。特别是如果将用于步骤C的正式测定的光频率设为f

作为这样的脉冲的生成方法，例如通过光SSB调制器施加+f

利用具有以上述方式设定的频率的频率复用脉冲来实施测定，将得到的数据保存于保存部12(步骤S01)。对于各频率编号k(k＝1，2，…，K)，即对于各频率f

[数学式4c]

在K维空间中描绘以下的矢量(步骤S02)。

[数学式5]

探测光的光频率的从f

[数学式5a]

在此，系数A是在通常的单模光纤的情况下成为0.78左右的值的常数(例如参照非专利文献2)。

数学式5a的探测光的频率调制引起的变化由于相对于f

[数学式5b]

因此，考虑实际施加的变形变化和噪声，数学式5的矢量能够展开为下式。

[数学式6]

在此，如果将m＝1中的Δf(1)设定为零，则将实际施加于光纤的变形和由探测光的频率调制引起的变化合计后的表观变形量成为

[数学式6a]

如果使Δf(m)小到满足数学式1的程度、并在比噪声大的范围内随机变化，则该表观变形量与实际的变形之间的相关性消失，能够以比噪声电平大的振幅变化。即，能够在各地点制作与具有比噪声大的振幅的变形随着时间而变化并产生的状态等效的状况。关于Δf(m)的实际的设定，也依赖于测定器的噪声的大小，但是如果考虑数学式1在10

如上所述，在步骤A中，对于到m＝1，2，…，M为止的M脉冲，在K维空间中描绘了数学式6的矢量。

[步骤B]

图2是说明本步骤的概略图。在本步骤中，在计算部13中，将这些M个矢量作为原始数据，并且与通过原点的直线进行拟合。例如，能够使用通常的最小平方法等。通过该拟合得到表示近似直线的方向的下式的单位矢量(近似方向矢量)

[数学式6b]

d(z)＝(d

(步骤S03)。

计算部13对数学式6(b)的近似方向矢量的各分量的大小|d

对本步骤的含义进行说明。如果排除噪声的影响，则数学式6的矢量是矢量(C

[步骤C]

本步骤是正式测定。在脉冲编号M+1以后，由调制器3生成将光频率f

具体地说，对于脉冲编号第M+1个，将各位置z处的最佳频率f

[数学式6c]

对于脉冲编号M+2以后，将从测定出的散射光强度

[数学式6d]

中减去脉冲编号第M+1个的强度

[数学式6e]

后的值设为信号s(z、t

[数学式7]

对本步骤的含义进行说明。由于将对变形的灵敏度最佳的光频率f

即使在由于噪声的影响大、在预备测定时在光纤中产生的变形量大于数学式1成立的范围、在用于测定的光频率中数学式1不成立、以及其他理由，导致步骤B中的f

此外，除了在各频率下计算数学式2a的散射光强度的流程以外，单一光频率下的散射光强度监视器的振动检测和信号处理的方法不变，因此能够高速地输出计算结果。另外，信号s(z、t

在本实施方式中，在预备数据取得时(步骤A)，故意使探测光脉冲的光频率从在正式测定中使用的频率发生变化，但是在想要测定的光纤区间被限定、且已知在该区间内自然地产生振动的情况下，或者在能够对该区间人工地施加振动的情况下，也可以不需要Δf(m)的变化，而是将在正式测定中使用的基本光频率原样使用，可以在没有故意施加变化的情况下取得预备数据。此外，在完成所有测定数据的取得的基础上进行振动检测的情况下，也可以不区分预备数据和正式测定数据，在测定了所有测定数据之后，使用所有测定数据进行到步骤B，作为步骤C，根据光频率f

另外，在本实施方式中，将光散射光强度的变化作为信号进行处理，但是也可以将IQ平面上的矢量长度的变化作为信号进行处理。

(实施方式2)

本实施方式的振动检测装置的结构与图1的振动检测装置的结构相同。图4是说明本振动检测装置进行的振动检测方法的流程图。本振动检测方法是基于时域反射测定法的振动检测方法，包括：

进行预备测定，所述预备测定使光频率复用脉冲中包含的多个基本光频率仅变化按每个所述光频率复用脉冲的移动光频率并入射到光纤，取得瑞利后向散射光的强度(步骤S01)，

基于在所述预备测定中取得的所述瑞利后向散射光的强度，按所述光纤的各地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，制作对每个所述移动光频率的所述方向矢量进行统计处理后的近似方向矢量(步骤S02～S03)；以及

进行正式测定，所述正式测定使所述多个基本光频率的所述光频率复用脉冲入射到所述光纤，按所述光纤的各地点，检测将相对于所述基本光频率的所述瑞利后向散射光的强度的时间变化作为要素而具有的方向矢量，根据所述方向矢量与所述近似方向矢量的内积来检测振动。

使用图4更详细地进行说明。本振动检测方法由以下步骤构成：

[步骤D]准备故意施加了频率变化的频率复用脉冲并取得预备数据；

[步骤E]计算基于预备数据的分析的各地点的近似方向矢量；以及

[步骤F]根据利用将频率固定的频率复用脉冲来实施正式测定而得到的散射光强度变化的方向矢量与近似方向矢量的内积来检测振动。

[步骤D]

与在实施方式1中说明的步骤A相同。

[步骤E]

与在实施方式1中说明的步骤B的步骤S03相同。但是，在本步骤中，不进行步骤S04的最佳光频率的选定。

[步骤F]

本步骤是正式测定。在脉冲编号M+1以后，由调制器3生成将光频率f

具体地说，计算部13根据对脉冲编号第M+1个测定的散射光强度

[数学式7a]

以及对脉冲编号M+2以后测定的散射光强度

[数学式7b]

以如下方式计算方向矢量(步骤S16)。

[数学式8]

将数学式8的方向矢量与数学式6b的近似方向矢量的内积

[数学式8a]

S(z、t

作为本实施方式中的信号s

对本步骤的含义进行说明。假设正确地推定了数学式6b的近似方向矢量，实际展开s

[数学式8b]

d(z)＝D(C

将数学式9

[数学式9]

与实施方式1的数学式7的信号s(z、t

[数学式9a]

[n

的值本身，而是将统计意义上的噪声电平的大小设为Δn，则Δn对于频率、时刻是独立的。假设Δn的大小固定，则s

[数学式10]

另一方面，如果最佳频率f

[数学式11]

如果对数学式10和数学式11进行比较，则实施方式2的方法相对于实施方式1的方法，通过将计算内积的过程追加进去，也取入

[数学式11a]

之外的频率下的变化。因此，如果能够以足够准确的精度推定近似方向矢量d(z)，则实施方式2的方法与实施方式1的方法相比改善了振动检测的灵敏度。

实施方式2的方法在将IQ平面上的矢量长度的变化作为信号进行处理的情况下也能够同样地进行计算，对于所述SN比的比较也能够同样地进行说明。

另外，在考虑使用相干检波的散粒噪声极限下的测定的情况下，在所述SN比的具体公式展开中，将Δn视为是固定，在将IQ平面上的矢量长度的变化作为信号进行处理时在各地点(从入射端与各距离z对应的地点)也成立。另一方面，在处理散射光的强度的情况下，将Δn视为固定，作为平均的评价是正确的，但是需要注意作为各地点单独的评价，还必须考虑关于Δn的对于

[数学式11b]

的依赖性。

与实施方式1的说明同样，在预备数据取得时(步骤D)，故意使探测光脉冲的光频率从在正式测定中使用的频率发生变化，但是在想要测定的光纤区间被限定、且已知在该区间内自然地产生振动的情况下，或者在能够对该区间人工地施加振动的情况下，也可以将在正式测定中使用的光频率原样使用，在没有故意施加变化的情况下取得预备数据。此外，在完成了所有测定数据的取得的基础上进行振动检测的情况下，也可以不区分预备数据和正式测定数据，在测定了所有测定数据之后，使用所有测定数据进行到步骤E为止，通过步骤F进行振动检测。

(其他实施方式)

本发明不仅限于实施方式1、实施方式2，在实施阶段能够在不脱离其主旨的范围内变更构成要素、信号处理方法而具体化。此外，本发明的振动检测装置所具备的保存部12和计算部13也能够通过计算机和程序来实现，程序可以记录于记录介质，也可以通过网络来提供。

[附记]

以下，对本发明的振动检测装置及其方法进行说明。

在利用OTDR的振动测量中，作为检测振动的有无和位置的方法，已知监视OTDR波形的各地点的强度变化的方法。

但是，在振动小的情况下，强度变化与变形量成比例，但是该比例常数不仅符号按每个地点而不同，大小也按每个地点而不同。因此，在比例常数的大小较小的地点，振动检测的灵敏度劣化。

因此，本发明的装置和方法并不是单纯地对以往的用于求出光损耗的各频率的信号强度进行平均化的方法，可以作为：

i)考虑具有所使用的频率数的维数的多维空间，使各光频率处的散射光强度变化与各轴对应，

ii)在所述空间上将散射光信号描绘为矢量，

iii)将所描绘的多个矢量点作为原始数据在所述空间上进行通过原点的直线近似，

iv)利用得到了近似的结果的近似直线的方向矢量来进行振动检测。

本发明的振动检测装置及其方法通过频率复用实现振动检测的灵敏度提高。即，能够维持作为强度监视器的优点的计算的高速性，并且通过光频率复用有效地减小振动的误检测的概率。虽然不需要进行至振动的准确的波形测定，但是能够期待有效地应用于想要快速地测定产生振动的场所、时刻、振动的大致频率的应用对象(入侵者检测、基于现场的打击的设备位置确定等)。

附图标记说明

1：激光器

2：耦合器

3：调制器

4：循环器

5：光纤

6：光90度混合器

7、8：平衡光电二极管

9、10：AD转换器

11：计算器

12：保存部

13：计算部

21：光试验器

22：控制运算器