JP2015031594A - Multichannel fbg sensor monitor system and multichannel fbg sensor monitor method - Google Patents

Multichannel fbg sensor monitor system and multichannel fbg sensor monitor method Download PDF

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斉藤 崇記
Takanori Saito
崇記 斉藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multichannel FBG sensor monitor system and a multichannel FBG sensor monitor method capable of measuring physical quantities at a plurality of places.SOLUTION: The present invention connects, to each output port of an optical coupler 14, an FBG line to which a plurality of FBGs are connected in line; outputs, to each output port of the optical coupler 14, measurement light inputted from an input port; shifts the timing for input, to the optical coupler 14, of the reflected light of the measurement light reflected by any FBG of the FBG line 30 by using an optical delay device 18 inserted between the output ports of the optical coupler 14 and the FBG line 30; and separates, for each wavelength, the reflected light returned to the optical coupler 14 by an AWG 15, and receives the separated light by a PD 16.

Description

本発明は、複数のブラッグ回折格子(以下、FBG(Fiber Bragg Grating)と記載する。)が縦列に接続されたFBGラインを用いて物理量を測定する多チャンネルFBGセンサモニタシステム及び方法に関する。   The present invention relates to a multi-channel FBG sensor monitor system and method for measuring physical quantities using FBG lines in which a plurality of Bragg gratings (hereinafter referred to as FBG (Fiber Bragg Grating)) are connected in series.

測定光が入射される光ファイバに一以上のFBGが形成され、各FBGからの反射波長を測定して各FBGの位置における温度や歪み等の物理量を測定するFBGセンサモニタシステムが提案されている。FBGセンサモニタシステムでは、各FBGからの反射光をアレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)に入射させ、このAWGで分離された各波長の光強度を、受光器を用いて検出する。これにより、FBGの反射波長を測定する。   There has been proposed an FBG sensor monitor system in which one or more FBGs are formed in an optical fiber into which measurement light is incident, and a physical quantity such as temperature and strain at the position of each FBG is measured by measuring a reflection wavelength from each FBG. . In the FBG sensor monitor system, the reflected light from each FBG is incident on an arrayed waveguide grating (AWG), and the light intensity of each wavelength separated by the AWG is detected using a light receiver. Thereby, the reflection wavelength of FBG is measured.

特許文献1の発明は、各受光器の波長感度がほぼ直線的であるような波長範囲を用い、2次関数を用いて波長測定を行う。これにより、AWGの波長チャネル間隔よりも高い精度でFBGの反射波長を測定することを可能にする。
特許文献2の発明は、隣接する波長チャネルの光強度を用いて、反射波長が長波長側にシフトしたのか短波長側にシフトしたのかを判定する。これにより、特許文献2の発明は、FBGの反射波長がAWGの波長チャネルの中心波長付近である場合であってもFBGの反射波長を正確に測定することを可能にする。
In the invention of Patent Document 1, wavelength measurement is performed using a quadratic function using a wavelength range in which the wavelength sensitivity of each light receiver is substantially linear. This makes it possible to measure the reflected wavelength of the FBG with higher accuracy than the wavelength channel spacing of the AWG.
The invention of Patent Document 2 uses the light intensity of the adjacent wavelength channel to determine whether the reflected wavelength is shifted to the long wavelength side or the short wavelength side. As a result, the invention of Patent Document 2 makes it possible to accurately measure the reflected wavelength of the FBG even when the reflected wavelength of the FBG is near the center wavelength of the wavelength channel of the AWG.

特開2000−180270号公報JP 2000-180270 A 特開2008−151574号公報JP 2008-151574 A

近年、CFRP(Carbon−Fiber−Reinforced Plastic)を機体部材に使用した航空機が運用されている。CFRPは金属と比較して高強度、軽量の特徴を持つが、衝撃が印加された場合、表面は無傷でも内部に亀裂が入る場合があり、この亀裂が成長して機体強度を低下させる恐れがある。そこでCFRP表面に歪センサーとしてFBGを貼り付け、衝撃印加時の歪など、いわゆる動的歪み(動的物理量)をFBGで測定する研究が進められている。機体表面積は広大であるため、もれなく衝撃を検知するためには数十のFBGが必要である。FBGは、その反射波長をずらしながら、1つのFBGラインに縦列に接続できるが、その数は10程度である。   In recent years, aircraft using CFRP (Carbon-Fiber-Reinforced Plastic) as airframe members have been operated. CFRP has characteristics of high strength and light weight compared to metal, but when an impact is applied, the surface may be intact even if the surface is intact, and there is a risk that this crack will grow and reduce the strength of the aircraft. is there. Therefore, research is underway to measure what is called dynamic strain (dynamic physical quantity) such as strain at the time of applying an impact by using FBG as a strain sensor on the CFRP surface. Since the airframe surface area is vast, several tens of FBGs are required to detect an impact without any loss. FBGs can be connected in a column to one FBG line while shifting the reflection wavelength, but the number is about 10.

複数のFBGラインを用いて複数個所の物理量をほぼ同時に測定することが要求されている。しかし、特許文献1及び2の発明は、1本のFBGラインの測定を前提として構成となっているため、同時に測定できる箇所は高々10程度である。   It is required to measure physical quantities at a plurality of locations almost simultaneously using a plurality of FBG lines. However, since the inventions of Patent Documents 1 and 2 are configured on the premise of measuring one FBG line, the number of locations that can be measured simultaneously is about 10 at most.

そこで、本発明は、測定箇所を飛躍的に向上させた多チャンネルFBGセンサモニタシステム及び多チャンネルFBGセンサモニタ方法の提供を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a multi-channel FBG sensor monitor system and a multi-channel FBG sensor monitor method in which measurement points are dramatically improved.

本願発明の多チャンネルFBGセンサモニタシステムは、
複数のFBG(Fiber Bragg Grating)が縦列に接続されたFBGラインが並列に配置された各出力ポートに接続可能であり、入力ポートから入力された測定光を各出力ポートに分岐して出力する光カプラ(14)と、
前記FBGラインに備わるFBGの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を出射する光源(12)と、
前記光カプラの出力ポートと前記FBGラインの間に接続され、前記光源からの測定光が前記光カプラの各出力ポートから出力された後に前記FBGラインのいずれかのFBGで反射された反射光を、異なるタイミングで前記光カプラに入力させる光遅延器(18)と、
前記光遅延器で遅延後の反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離する分光器(15)と、
前記分光器で分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光器(16)と、
を備える。
The multi-channel FBG sensor monitor system of the present invention is
Light that can be connected to each output port in which FBG lines in which a plurality of FBGs (Fiber Bragg Gratings) are connected in series are arranged in parallel and that branches the measurement light input from the input port to each output port and outputs the light A coupler (14);
A light source (12) that emits measurement light including a reflection wavelength of at least one of the FBGs included in the FBG line;
Reflected light that is connected between the output port of the optical coupler and the FBG line and reflected by any FBG of the FBG line after measurement light from the light source is output from each output port of the optical coupler. An optical delay unit (18) for inputting to the optical coupler at different timings;
A spectroscope (15) for separating reflected light delayed by the optical delay device for each predetermined wavelength;
A light receiver (16) for detecting the light intensity of the reflected light separated by the spectroscope for each wavelength;
Is provided.

本願発明の多チャンネルFBGセンサモニタシステムは、
複数のFBGが縦列に接続されたFBGラインを光カプラ(14)の各出力ポートに接続した状態で、前記FBGラインに備わるFBGの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を前記光カプラの入力ポートに入力し、前記光カプラに入力された測定光を分岐して前記FBGラインに向けて出力する光出力手順と、
前記光カプラの出力ポートと前記FBGラインの間に接続された光遅延器(18)を用いて、前記測定光が前記光カプラの各出力ポートから出力された後に前記FBGラインのいずれかのFBGで反射された反射光を、異なるタイミングで前記光カプラに入力させる光遅延手順と、
前記光遅延器で遅延後の反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離し、分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光手順と、
を順に有する。
The multi-channel FBG sensor monitor system of the present invention is
In a state where FBG lines in which a plurality of FBGs are connected in series are connected to each output port of the optical coupler (14), measurement light including at least one of the reflection wavelengths of the FBGs provided in the FBG lines is input to the optical coupler. An optical output procedure for inputting to the port, branching the measurement light input to the optical coupler, and outputting the measurement light toward the FBG line;
Using the optical delay device (18) connected between the output port of the optical coupler and the FBG line, the FBG of any one of the FBG lines is output after the measurement light is output from each output port of the optical coupler. An optical delay procedure for inputting the reflected light reflected by the optical coupler to the optical coupler at different timings;
A light receiving procedure for separating the reflected light after being delayed by the optical delay unit for each predetermined wavelength, and detecting the light intensity of the separated reflected light for each wavelength;
In order.

本発明によれば、複数個所の物理量を同時に測定することの可能な多チャンネルFBGセンサモニタ方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a multi-channel FBG sensor monitoring method capable of simultaneously measuring physical quantities at a plurality of locations.

本発明の第1の実施形態に係る多チャンネルFBGセンサモニタシステムの一例を示す。1 shows an example of a multi-channel FBG sensor monitor system according to a first embodiment of the present invention. 本実施形態に係る測定光の一例であり、(a)は光カプラ14の各入出力ポート142から出力される測定光Pmを示し、(b)は入出力ポート142#1に接続されている光遅延器18からFBGライン30へ出力される測定光Pm#1を示し、(c)は入出力ポート142#2に接続されている光遅延器18からFBGライン30へ出力される測定光Pm#2を示し、(d)は入出力ポート142#kに接続されている光遅延器18からFBGライン30へ出力される測定光Pm#kを示す。It is an example of the measurement light which concerns on this embodiment, (a) shows the measurement light Pm output from each input / output port 142 of the optical coupler 14, (b) is connected to the input / output port 142 # 1. The measurement light Pm # 1 output from the optical delay device 18 to the FBG line 30 is shown, and (c) shows the measurement light Pm output from the optical delay device 18 connected to the input / output port 142 # 2 to the FBG line 30. (D) shows the measurement light Pm # k output to the FBG line 30 from the optical delay device 18 connected to the input / output port 142 # k. 本実施形態に係る反射光の一例であり、(a)は光カプラ14の各入出力ポート142から出力される測定光Pmを示し、(b)は入出力ポート142#1に入力される反射光Pr#1を示し、(c)は入出力ポート142#2に入力される反射光Pr#2を示し、(d)は入出力ポート142#kに入力される反射光Pr#kを示し、(e)は入出力ポート141から出力される反射光Pr#1・・・Pr#kを示す。It is an example of the reflected light which concerns on this embodiment, (a) shows the measurement light Pm output from each input / output port 142 of the optical coupler 14, (b) is the reflection input into input / output port 142 # 1. (C) shows the reflected light Pr # 2 input to the input / output port 142 # 2, and (d) shows the reflected light Pr # k input to the input / output port 142 # k. , (E) shows the reflected light Pr # 1... Pr # k output from the input / output port 141. FIG. 分光器15から出力される反射光の反射レベルの一例を示す。An example of the reflection level of the reflected light output from the spectroscope 15 is shown. 受光器16で受光される1波長チャネルあたりの反射光レベルの一例を示す。An example of the reflected light level per one wavelength channel received by the light receiver 16 is shown. 時刻tにおけるch1〜ch48の反射光レベルの一例を示す。It shows an example of the reflected light level of ch1~ch48 at time t 3. 反射光のスペクトラムの一例であり、(a)は白色光源12から出射されたパルス幅wの測定光を示し、(b)は分光器15に入力された反射光Pr#kのうちの測定光Pm#kの入出力端に最も近い位置に接続されているFBG31からの反射光のスペクトラムを示し、(c)は分光器15に入力された反射光Pr#kのうちの測定光Pm#kの入出力端に2番目に近い位置に接続されているFBG31からの反射光のスペクトラムを示し、(d)は分光器15に入力された反射光Pr#kのうちの測定光Pm#kの入出力端に最も遠い位置に接続されているFBG31からの反射光のスペクトラムを示し、(e)は分光器15に入力された反射光Pr#kのスペクトラムを示す。Is an example of a spectrum of the reflected light, (a) shows measurement light pulse width w p which is emitted from the white light source 12, (b) the measurement of the reflected light Pr # k input to the spectroscope 15 The spectrum of the reflected light from the FBG 31 connected to the position closest to the input / output end of the light Pm # k is shown. (C) shows the measurement light Pm # of the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15. The spectrum of the reflected light from the FBG 31 connected to the second closest position to the input / output terminal of k is shown, and (d) shows the measurement light Pm # k of the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15. 2 shows the spectrum of the reflected light from the FBG 31 connected to the position farthest from the input / output terminal, and (e) shows the spectrum of the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15. 反射光レベルの総和スペクトラムの一例であり、(a)は反射光Pr#kの反射光レベルを示し、(b)は反射光Pr#k+1の反射光レベルを示す。It is an example of the sum total spectrum of a reflected light level, (a) shows the reflected light level of reflected light Pr # k, (b) shows the reflected light level of reflected light Pr # k + 1. 光カプラ14が8分岐である場合に分光器15に入力される反射光レベルの総和スペクトラムの一例を示す。An example of a total spectrum of reflected light levels input to the spectroscope 15 when the optical coupler 14 has eight branches is shown.

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の例であり、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。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

(第1の実施形態)
図1に、本実施形態に係る多チャンネルFBGセンサモニタシステムの一例を示す。本実施形態に係る多チャンネルFBGセンサモニタシステムは、パルス信号源11と、白色光源12と、光サーキュレータ13と、光カプラ14と、分光器15と、受光器16と、光遅延器18と、信号処理部17を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of a multi-channel FBG sensor monitor system according to this embodiment. The multi-channel FBG sensor monitoring system according to the present embodiment includes a pulse signal source 11, a white light source 12, an optical circulator 13, an optical coupler 14, a spectroscope 15, a light receiver 16, an optical delay device 18, A signal processing unit 17 is provided.

光カプラ14は、入出力ポート141に光サーキュレータ13が接続され、入出力ポート142に光遅延器18が接続される。各光遅延器18に、FBGライン30が接続される。FBGライン30は、光ファイバに複数のFBG31が縦列に接続されている。   In the optical coupler 14, the optical circulator 13 is connected to the input / output port 141, and the optical delay device 18 is connected to the input / output port 142. An FBG line 30 is connected to each optical delay unit 18. In the FBG line 30, a plurality of FBGs 31 are connected in series to an optical fiber.

本実施形態に係る多チャンネルFBGセンサモニタ方法は、光出力手順と、光遅延手順と、受光手順と、を順に有する。
光出力手順では、測定光を光カプラ14の入出力ポート141に入力し、光カプラ14に入力された測定光を各入出力ポート142に分岐してFBGライン30に向けて出力する。
光遅延手順では、光カプラ14の入出力ポート142とFBGライン30の間に接続された光遅延器18を用いて、測定光が光カプラ14の各入出力ポート142から出力された後にFBGライン30のいずれかのFBG31で反射された反射光を、異なるタイミングで光カプラ14に入力させる。
受光手順では、光遅延器18で遅延後の反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離し、分離された反射光の光強度を波長ごとに検出する。
The multi-channel FBG sensor monitoring method according to this embodiment includes an optical output procedure, an optical delay procedure, and a light receiving procedure in order.
In the optical output procedure, the measurement light is input to the input / output port 141 of the optical coupler 14, and the measurement light input to the optical coupler 14 is branched to each input / output port 142 and output to the FBG line 30.
In the optical delay procedure, the measurement light is output from each input / output port 142 of the optical coupler 14 using the optical delay device 18 connected between the input / output port 142 of the optical coupler 14 and the FBG line 30. The reflected light reflected by any one of the FBGs 31 is input to the optical coupler 14 at different timings.
In the light receiving procedure, the delayed delayed light 18 is separated for each predetermined wavelength by the optical delay unit 18, and the light intensity of the separated reflected light is detected for each wavelength.

白色光源12は、パルス信号源11からのパルス信号に従ったパルス光を、測定光として光サーキュレータ13へ出力する。白色光源12は、例えばSLD(Super Luminescent Diode)、ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源で構成される。光サーキュレータ13は、測定光を光カプラ14へ出力する。光カプラ14は、入力された測定光を分岐して、各入出力ポート142に出力する。これにより、各光遅延器18に測定光が入力される。光遅延器18は、あらかじめ定められた時間にわたって、測定光を遅延させる。   The white light source 12 outputs pulsed light according to the pulse signal from the pulse signal source 11 to the optical circulator 13 as measurement light. The white light source 12 includes, for example, an SLD (Super Luminescent Diode) or an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source. The optical circulator 13 outputs measurement light to the optical coupler 14. The optical coupler 14 branches the input measurement light and outputs it to each input / output port 142. As a result, the measurement light is input to each optical delay device 18. The optical delayer 18 delays the measurement light for a predetermined time.

光遅延器18を通過した測定光は、FBGライン30に入力され、各FBG31で反射される。その反射光が光遅延器18を通過し、光カプラ14の入出力ポート142に入力される。光カプラ14は、各入出力ポート142から入力された反射光を合波して入出力ポート141から出力する。光サーキュレータ13は、光カプラ14の入出力ポート141から出力された反射光を分光器15へ出力する。分光器15は、反射光を波長ごとに分波して受光器16へ出力する。受光器16は、波長ごとに反射光の光強度である反射光レベルを検出する。例えば、48chのPD(Photodiode)を用いて、各波長チャネルの反射光レベルを検出する。   The measurement light that has passed through the optical delay device 18 is input to the FBG line 30 and reflected by each FBG 31. The reflected light passes through the optical delay device 18 and is input to the input / output port 142 of the optical coupler 14. The optical coupler 14 combines the reflected lights input from the input / output ports 142 and outputs the combined light from the input / output ports 141. The optical circulator 13 outputs the reflected light output from the input / output port 141 of the optical coupler 14 to the spectrometer 15. The spectroscope 15 demultiplexes the reflected light for each wavelength and outputs it to the light receiver 16. The light receiver 16 detects the reflected light level that is the light intensity of the reflected light for each wavelength. For example, the reflected light level of each wavelength channel is detected using a 48ch PD (Photodiode).

信号処理器17は、受光器16の検出した各波長の反射光レベルを用いて、FBG31の反射波長を算出する。これにより、本実施形態に係る多チャンネルFBGセンサモニタシステムは、FBGライン30を用いて物理量を測定することができる。   The signal processor 17 calculates the reflected wavelength of the FBG 31 using the reflected light level of each wavelength detected by the light receiver 16. Thereby, the multi-channel FBG sensor monitor system according to the present embodiment can measure a physical quantity using the FBG line 30.

図2に、本実施形態に係る測定光の一例を示す。図2(a)は光カプラ14の各入出力ポート142から出力される測定光Pmを示し、図2(b)は入出力ポート142#1に接続されている光遅延器18からFBGライン30へ出力される測定光Pm#1を示し、図2(c)は入出力ポート142#2に接続されている光遅延器18からFBGライン30へ出力される測定光Pm#2を示し、図2(d)は入出力ポート142#kに接続されている光遅延器18からFBGライン30へ出力される測定光Pm#kを示す。図2(b)から図2(d)に示すように、光遅延器18からFBGライン30への入力タイミングを、FBGライン30ごとにずらす。   FIG. 2 shows an example of measurement light according to the present embodiment. 2A shows the measurement light Pm output from each input / output port 142 of the optical coupler 14, and FIG. 2B shows the FBG line 30 from the optical delay device 18 connected to the input / output port 142 # 1. FIG. 2C shows the measurement light Pm # 2 output to the FBG line 30 from the optical delay unit 18 connected to the input / output port 142 # 2. 2 (d) shows the measurement light Pm # k output to the FBG line 30 from the optical delay device 18 connected to the input / output port 142 # k. As shown in FIG. 2B to FIG. 2D, the input timing from the optical delay device 18 to the FBG line 30 is shifted for each FBG line 30.

図3に、本実施形態に係る反射光の一例を示す。 図3(a)は光カプラ14の各入出力ポート142から出力される測定光Pmを示し、図3(b)は入出力ポート142#1に入力される反射光Pr#1を示し、図3(c)は入出力ポート142#2に入力される反射光Pr#2を示し、図3(d)は入出力ポート142#kに入力される反射光Pr#kを示し、図3(e)は入出力ポート141から出力される反射光Pr#1・・・Pr#kを示す。図3(e)に示すように、各反射光Pr#1・・・Pr#kはタイミングが異なっており、パルスが重なりあわないようになっている。   FIG. 3 shows an example of reflected light according to the present embodiment. 3A shows the measurement light Pm output from each input / output port 142 of the optical coupler 14, and FIG. 3B shows the reflected light Pr # 1 input to the input / output port 142 # 1. 3 (c) shows the reflected light Pr # 2 input to the input / output port 142 # 2, and FIG. 3 (d) shows the reflected light Pr # k input to the input / output port 142 # k. e) shows the reflected light Pr # 1... Pr # k output from the input / output port 141. As shown in FIG. 3E, the reflected lights Pr # 1... Pr # k have different timings so that pulses do not overlap.

図4に、受光器16の検出した各波長の反射光レベルの一例を示す。図4(a)は波長チャネルch1を示し、図4(b)は波長チャネルch2を示し、図4(c)は波長チャネルch48を示す。時刻tに反射光Pr#1が検出され、時刻tに反射光Pr#2が検出され、・・・時刻tに反射光Pr#kが検出される。 FIG. 4 shows an example of the reflected light level of each wavelength detected by the light receiver 16. 4A shows the wavelength channel ch1, FIG. 4B shows the wavelength channel ch2, and FIG. 4C shows the wavelength channel ch48. Reflected light Pr # 1 is detected at time t 1, the reflected light Pr # 2 are detected in the time t 2, the reflected light Pr # k is detected ... time t k.

図5に示す反射光レベルを参照しながら、信号処理器17の動作について説明する。図5に示す反射光レベルは、たとえば、図4に示す反射光Pr#3の波長チャネルch2の反射光レベルである。信号処理器17は、受光器16からのアナログ信号をサンプリングする。このときのサンプリング周期は、例えば0.02μs(=1/50MHz)である。1チャネルあたりの反射光レベルは、末広がりの台形のような形になる。そこで、信号処理部17は、白丸で示された末広がりの部分のサンプリングポイントpを廃棄し、それらに挟まれた黒丸で示されたほぼ平坦な部分のサンプリングポイントpを採用する。 The operation of the signal processor 17 will be described with reference to the reflected light level shown in FIG. The reflected light level shown in FIG. 5 is, for example, the reflected light level of wavelength channel ch2 of reflected light Pr # 3 shown in FIG. The signal processor 17 samples the analog signal from the light receiver 16. The sampling period at this time is, for example, 0.02 μs (= 1/50 MHz). The reflected light level per channel is like a trapezoid with a widening end. Therefore, the signal processing unit 17 discards the sampling point p d flared portion indicated by a white circle, to employ a sampling point p u substantially planar portions indicated by black circles put between them.

信号処理器17は、サンプリングポイントpを、時刻などの入出力ポート142を識別可能な情報と、受光器16の波長チャネルと、に関連付けて記憶する。このとき、記憶部23は、複数のサンプリングポイントpを平均化処理した後の反射光レベルを記憶してもよい。信号処理器17は、記憶されている各波長チャネルの反射光レベルを用いて、FBGライン30に備わる各FBG31の反射波長を算出する。 The signal processor 17 stores the sampling point pu in association with information such as time that can identify the input / output port 142 and the wavelength channel of the light receiver 16. At this time, the storage unit 23 may store the reflected light level after averaging the plurality of sampling points pu . The signal processor 17 calculates the reflection wavelength of each FBG 31 provided in the FBG line 30 using the stored reflected light level of each wavelength channel.

信号処理器17は、共通のFBGライン30に関連付けて記憶されている各波長チャネルの反射光レベルを読み出す。例えば、図4に示す時刻tにおけるch1〜ch48の反射光レベルを読み出す。図6に、時刻tにおけるch1〜ch48の反射光レベルの一例を示す。1つのFBGライン30に10個のFBG31が接続され、各FBG31の反射波長が受光器16の受光範囲内である場合、48chの波長チャネルの中には、極大となる波長チャネルが10個存在する。それぞれの極大波長チャネルの波長を用いれば、各FBGライン30に備わる各FBG31の反射波長を測定することができる。 The signal processor 17 reads the reflected light level of each wavelength channel stored in association with the common FBG line 30. For example, it reads the reflected light level of ch1~ch48 at time t 3 when shown in Fig. 6 shows an example of the reflected light level of ch1~ch48 at time t 3. When 10 FBGs 31 are connected to one FBG line 30 and the reflection wavelength of each FBG 31 is within the light receiving range of the light receiver 16, there are 10 wavelength channels that are maximum in the wavelength channel of 48ch. . If the wavelength of each maximum wavelength channel is used, the reflection wavelength of each FBG 31 provided in each FBG line 30 can be measured.

本実施形態では、検出した反射光の光強度のうちの極大値が得られる波長チャネルを検出し、当該極大値及び当該波長チャネルに隣接する少なくとも2つの波長チャネルの光強度を用いて、FBG31の反射波長を算出する。例えば、波長λに相当する波長チャネルchp3に極大波長チャネルが存在し、その反射光レベルがyであり、これに隣接するチャネルch(p3−1)及びch(p3+1)の反射光レベルがそれぞれy−1及びy+1であり、波長チャネルの波長間隔がwである場合、次式を用いて反射波長λFBGを求めることができる。

Figure 2015031594
In the present embodiment, a wavelength channel in which the maximum value of the detected light intensity of the reflected light is obtained is detected, and the light intensity of the FBG 31 is determined using the maximum value and the light intensity of at least two wavelength channels adjacent to the wavelength channel. Calculate the reflection wavelength. For example, there is a maximum wavelength channel in the wavelength channel chp3 corresponding to the wavelength λ P , the reflected light level is y 0 , and the reflected light levels of the adjacent channels ch (p3-1) and ch (p3 + 1) are When y −1 and y +1 , respectively, and the wavelength interval of the wavelength channel is w c , the reflection wavelength λ FBG can be obtained using the following equation.
Figure 2015031594

波長チャネルchp3と同様に、10本の各FBG31の反射波長λFBGを求める。これにより、1つのFBGライン30に備わる各FBG31の反射波長λFBGを求めることができる。なお、本実施形態では、隣接する2つの波長チャネルを用いたが、極大波長チャネルの存在する2以上の波長チャネルを用いて反射波長λFBGを求めてもよい。 Similar to the wavelength channel chp3, the reflection wavelength λ FBG of each of the ten FBGs 31 is obtained. Thereby, the reflection wavelength λ FBG of each FBG 31 provided in one FBG line 30 can be obtained. In the present embodiment, two adjacent wavelength channels are used. However, the reflection wavelength λ FBG may be obtained using two or more wavelength channels in which a maximum wavelength channel exists.

時刻tと同様の処理を各時刻において行うことで、各FBGライン30に備わるすべてのFBG31の反射波長λFBGを求めることができる。 By performing processing similar to that at time t 3 at each time, the reflection wavelengths λ FBG of all the FBGs 31 provided in each FBG line 30 can be obtained.

なお、光部品に光スイッチを用いた場合、光スイッチの偏波特性によって反射光の一部しか分光器15に到達しない場合がある。本実施形態に係る発明は、光スイッチを用いずに光カプラ14を用いているため、偏波依存性の影響を受けにくくすることができる。したがって、本実施形態に係る発明は、偏波依存性の影響を受けにくく、かつ、複数個所の物理量を同時に測定することの可能な多チャンネルFBGセンサモニタシステム及び多チャンネルFBGセンサモニタ方法を提供することができる。   When an optical switch is used as the optical component, only a part of the reflected light may reach the spectrometer 15 depending on the polarization characteristics of the optical switch. Since the invention according to the present embodiment uses the optical coupler 14 without using the optical switch, it can be hardly affected by the polarization dependence. Therefore, the invention according to this embodiment provides a multi-channel FBG sensor monitor system and a multi-channel FBG sensor monitor method that are not easily affected by polarization dependence and that can simultaneously measure physical quantities at a plurality of locations. be able to.

(第2の実施形態)
本実施形態では、接続できるFBGライン30の最大ファイバ長、測定光のパルス幅、測定時間の関係について説明する。
測定光のパルス幅をw、白色光源12から光遅延器18までの光伝搬距離をA、光遅延器18から分光器15までの光伝搬距離をA、k番目(kは任意の正数。)の入出力ポート142#kに接続された光遅延器18の長さをLとする。また、入出力ポート142#kに接続されたFBGライン30に関し、測定光Pm#kの入出力端に最も近い位置に接続されているFBG31の当該入出力端からの光伝搬距離をMIN、測定光の入出力端に最も遠い位置に接続されているFBG31の当該入出力端からの光伝搬距離をMAXとする。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the relationship between the maximum fiber length of the connectable FBG line 30, the pulse width of the measurement light, and the measurement time will be described.
The pulse width of the measurement light is w p , the light propagation distance from the white light source 12 to the optical delay device 18 is A 1 , the light propagation distance from the optical delay device 18 to the spectroscope 15 is A 2 , kth (k is an arbitrary value) positive number.) the length of the input and output ports 142 # k are connected to the optical delay 18 and L k of. Further, regarding the FBG line 30 connected to the input / output port 142 # k, the light propagation distance from the input / output end of the FBG 31 connected to the position closest to the input / output end of the measurement light Pm # k is defined as MIN k , The light propagation distance from the input / output end of the FBG 31 connected to the position farthest from the input / output end of the measurement light is defined as MAX k .

図7は、反射光のスペクトラムの一例を示す説明図である。図7(a)は白色光源12から出射されたパルス幅wの測定光を示す。図7(b)は、分光器15に入力された反射光Pr#kのうち、測定光Pm#kの入出力端に最も近い位置に接続されているFBG31からの反射光のスペクトラムを示す。図7(c)は、分光器15に入力された反射光Pr#kのうち、測定光Pm#kの入出力端に2番目に近い位置に接続されているFBG31からの反射光のスペクトラムを示す。図7(d)は、分光器15に入力された反射光Pr#kのうち、測定光Pm#kの入出力端に最も遠い位置に接続されているFBG31からの反射光のスペクトラムを示す。図7(e)は、分光器15に入力された反射光Pr#kのスペクトラムを示す。 FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a spectrum of reflected light. FIG. 7A shows measurement light having a pulse width w p emitted from the white light source 12. FIG. 7B shows the spectrum of the reflected light from the FBG 31 connected to the position closest to the input / output end of the measurement light Pm # k among the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15. FIG. 7C shows the spectrum of the reflected light from the FBG 31 connected to the second closest position to the input / output end of the measurement light Pm # k among the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15. Show. FIG. 7D shows the spectrum of the reflected light from the FBG 31 connected to the position farthest from the input / output end of the measurement light Pm # k among the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15. FIG. 7E shows the spectrum of the reflected light Pr # k input to the spectrometer 15.

k番目の入出力ポート142に接続された全てのFBG31からのk番目の総和スペクトラムは、図7(e)に示すように、階段状になり、k番目の入出力ポート142に接続された全てのFBGからの反射光のスペクトラムが同時に分光器に入射できるのは時間領域Bとなる。
k番目の入出力ポート142に接続されたすべてのFBG31からの反射光のスペクトラムをT秒間測定するためには、
(数1)
B>T 式(1)
である必要がある。
The k-th total spectrum from all the FBGs 31 connected to the k-th input / output port 142 is stepped as shown in FIG. In the time domain B, the spectrum of the reflected light from the FBG can enter the spectroscope at the same time.
In order to measure the spectrum of reflected light from all the FBGs 31 connected to the kth input / output port 142 for T seconds,
(Equation 1)
B> T Formula (1)
Need to be.

したがって、

Figure 2015031594
を満たす必要がある。ここで、nは光ファイバの屈折率、cは光速である。 Therefore,
Figure 2015031594
It is necessary to satisfy. Here, n is the refractive index of the optical fiber, and c is the speed of light.

整理すると、

Figure 2015031594
となる。 Organize
Figure 2015031594
It becomes.

この式から、パルス幅wと測定時間Tが決まっている場合、MAXは上限があることがわかる。この上限、つまり接続可能なFBGライン30の最大ファイバ長をE(E>MAX)とする。また、FBG31を光ポートの直後に接続できれば、MIN=0となり、

Figure 2015031594
となる。 From this equation, it can be seen that MAX k has an upper limit when the pulse width w p and the measurement time T are determined. This upper limit, that is, the maximum fiber length of the connectable FBG line 30 is defined as E (E> MAX k ). If the FBG 31 can be connected immediately after the optical port, MIN k = 0,
Figure 2015031594
It becomes.

図8は、反射光レベルの総和スペクトラムの一例を示す。図8(a)は反射光Pr#kの反射光レベルを示し、図8(b)は反射光Pr#k+1の反射光レベルを示す。それぞれを時間軸上で分離して測定するためには、

Figure 2015031594
を満たす必要がある。 FIG. 8 shows an example of the total spectrum of reflected light levels. FIG. 8A shows the reflected light level of the reflected light Pr # k, and FIG. 8B shows the reflected light level of the reflected light Pr # k + 1. In order to measure each separately on the time axis,
Figure 2015031594
It is necessary to satisfy.

この式を整理すると、

Figure 2015031594
となる。 Organizing this formula,
Figure 2015031594
It becomes.

また、2つの総和スペクトラムが分光器に到達する時間の差は

Figure 2015031594
となる。 Also, the difference in time for the two summed spectra to reach the spectrometer is
Figure 2015031594
It becomes.

式(4)及び式(6)より、

Figure 2015031594
の関係が導出せる。 From Formula (4) and Formula (6),
Figure 2015031594
The relationship can be derived.

パルス幅wを1μs、測定時間Tを0.4μsとすれば、
E<60[m]
k+1−L>100[m]
となる。ただし、光ファイバの屈折率nは1.5であり、光速cは3×10[m/s]とした。
If the pulse width w p is 1 μs and the measurement time T is 0.4 μs,
E <60 [m]
L k + 1 −L k > 100 [m]
It becomes. However, the refractive index n of the optical fiber was 1.5, and the speed of light c was 3 × 10 8 [m / s].

たとえば、10%の余裕があるようにLk+1−L=110[m]とする。この場合、分岐数Nが8の光カプラ14の入出力ポート142に接続される光遅延器18の各長さは、L=0m、L=110m、L=220m、L=330m、L=440m、L=550m、L=660m、L=770m、となる。この場合、図9に示すように、1.1μsごとに反射光が分光器15に入力される。 For example, L k + 1 −L k = 110 [m] is set so that there is a margin of 10%. In this case, the lengths of the optical delay devices 18 connected to the input / output port 142 of the optical coupler 14 having the branch number N of 8 are L 1 = 0 m, L 2 = 110 m, L 3 = 220 m, and L 4 = 330 m. , L 5 = 440 m, L 6 = 550 m, L 7 = 660 m, and L 8 = 770 m. In this case, as shown in FIG. 9, the reflected light is input to the spectrometer 15 every 1.1 μs.

本発明は情報通信産業に適用することができる。   The present invention can be applied to the information communication industry.

11:パルス信号源
12:白色光源
13:光サーキュレータ
14:光カプラ
15:分光器
16:受光器
17:信号処理器
18:光遅延器
30:FBGライン
31:FBG
141:第1の入出力ポート
142:第2の入出力ポート
11: Pulse signal source 12: White light source 13: Optical circulator 14: Optical coupler 15: Spectroscope 16: Light receiver 17: Signal processor 18: Optical delay device 30: FBG line 31: FBG
141: First input / output port 142: Second input / output port

Claims (2)

複数のFBG(Fiber Bragg Grating)が縦列に接続されたFBGラインが並列に配置された各出力ポートに接続可能であり、入力ポートから入力された測定光を各出力ポートに分岐して出力する光カプラ(14)と、
前記FBGラインに備わるFBGの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を出射する光源(12)と、
前記光カプラの出力ポートと前記FBGラインの間に接続され、前記光源からの測定光が前記光カプラの各出力ポートから出力された後に前記FBGラインのいずれかのFBGで反射された反射光を、異なるタイミングで前記光カプラに入力させる光遅延器(18)と、
前記光遅延器で遅延後の反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離する分光器(15)と、
前記分光器で分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光器(16)と、
を備える多チャンネルFBGセンサモニタシステム。
Light that can be connected to each output port in which FBG lines in which a plurality of FBGs (Fiber Bragg Gratings) are connected in series are arranged in parallel and that branches the measurement light input from the input port to each output port and outputs the light A coupler (14);
A light source (12) that emits measurement light including a reflection wavelength of at least one of the FBGs included in the FBG line;
Reflected light that is connected between the output port of the optical coupler and the FBG line and reflected by any FBG of the FBG line after measurement light from the light source is output from each output port of the optical coupler. An optical delay unit (18) for inputting to the optical coupler at different timings;
A spectroscope (15) for separating reflected light delayed by the optical delay device for each predetermined wavelength;
A light receiver (16) for detecting the light intensity of the reflected light separated by the spectroscope for each wavelength;
A multi-channel FBG sensor monitor system comprising:
複数のFBGが縦列に接続されたFBGラインを光カプラ(14)の各出力ポートに接続した状態で、前記FBGラインに備わるFBGの少なくともいずれかの反射波長を含む測定光を前記光カプラの入力ポートに入力し、前記光カプラに入力された測定光を分岐して前記FBGラインに向けて出力する光出力手順と、
前記光カプラの出力ポートと前記FBGラインの間に接続された光遅延器(18)を用いて、前記測定光が前記光カプラの各出力ポートから出力された後に前記FBGラインのいずれかのFBGで反射された反射光を、異なるタイミングで前記光カプラに入力させる光遅延手順と、
前記光遅延器で遅延後の反射光をあらかじめ定められた波長ごとに分離し、分離された反射光の光強度を前記波長ごとに検出する受光手順と、
を順に有する多チャンネルFBGセンサモニタ方法。
In a state where FBG lines in which a plurality of FBGs are connected in series are connected to each output port of the optical coupler (14), measurement light including at least one of the reflection wavelengths of the FBGs provided in the FBG lines is input to the optical coupler. An optical output procedure for inputting to the port, branching the measurement light input to the optical coupler, and outputting the measurement light toward the FBG line;
Using the optical delay device (18) connected between the output port of the optical coupler and the FBG line, the FBG of any one of the FBG lines is output after the measurement light is output from each output port of the optical coupler. An optical delay procedure for inputting the reflected light reflected by the optical coupler to the optical coupler at different timings;
A light receiving procedure for separating the reflected light after being delayed by the optical delay unit for each predetermined wavelength, and detecting the light intensity of the separated reflected light for each wavelength;
A multi-channel FBG sensor monitoring method comprising:
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