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DISTRIBUTION TYPE SENSOR SYSTEM BY OPTICAL SPECTRUM PATTERN MATCHING METHOD meetings

Patent code P08A014042
Posted date Nov 14, 2008
Application number P2007-073986
Publication number P2008-232878A
Patent number P4742274
Date of filing Mar 22, 2007
Date of publication of application Oct 2, 2008
Date of registration May 20, 2011
Inventor
  • (In Japanese)佐野 安一
  • (In Japanese)窪田 純
Applicant
  • (In Japanese)独立行政法人国立高等専門学校機構
Title DISTRIBUTION TYPE SENSOR SYSTEM BY OPTICAL SPECTRUM PATTERN MATCHING METHOD meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems that a signal-to-noise ratio is small because variation of a reflected light amount is very little even when a central wavelength is varied in an optical fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) used in an optical fiber distribution measurement system and a measurement value of the central wavelength extremely fluctuates due to external electromagnetic noise to a light reception element in a wavelength detector.
SOLUTION: A plurality of sensors made by connecting two ring waveguides by one optical directional coupler, incorporating a Bragg grating in one ring waveguide, and connecting the other ring waveguide to a signal transmission optical fiber by an optical directional coupler are connected in series. A comb type tunable filter capable varying the wavelength of the reflected light from the sensors is guided to an array waveguide grating of one-input multi-channel output. A wavelength band of each channel is equal to a wavelength band of the Bragg grating of each sensor. The temperature of each sensor is measured with a sufficient signal-to-noise ratio by measuring a tunable filter control voltage at which the channel output of each channel is the maximum.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


本発明の背景技術として第一の背景技術及び第二の背景技術を説明する。まず、第一の背景技術につき説明する。図3を用いて従来技術を用いた分布型温度センサについて説明する。広帯域光源1からの光は光方向性結合器2を経てシングルモード光ファイバSMFに入力され該SMFには1個または複数のFBGが描画されている。検出すべき温度はセンサのFBGの反射中心波長と相関があるため、これらの反射中心波長を測定することにより各センサの温度を測定することができる。各々のFBGの反射中心波長はそれらの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。FBGからの反射光は前記SMFを逆にたどって広帯域光源1側に戻っていき該光源直前に設置されている前記光方向性結合器2によりファブリペロー干渉計などの光学干渉計から構成される波長検波器3に入力される(非特許文献1参照)。各々のFBGの反射中心波長は該波長検波器3により検波、すなわち測定される。ファブリペロー干渉計は狭帯域な櫛型帯域通過フィルタである。一方、圧電素子を使用し時間に対して鋸波状の電圧を該圧電素子に印加させると圧電素子はその電圧により変位を生ずるため該干渉計の半透鏡を圧電素子に接続しておけば2つの半透鏡の間隔を変化させることができる。従って圧電素子に印加する電圧を周期的に変化させればファブリペロー干渉計の狭帯域な櫛型帯域通過フィルタスペクトルを周期的に変化させることができる。図4はこの従来技術を用いた分布型温度計測システムのスペクトラムの相互の関係を示す図である。使用される複数のFBGの占有する全波長帯域より広いフリースペクトルレンジ(以下FSR)になるように波長検波器3を構成するファブリペロー干渉計を設計しておく。更に該ファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の1つ通過中心波長が前記圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引されるようにシステム設計を行う。これにより各々のFBGの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき大になるかをそれぞれ別々に計測することにより測定することが可能となる。これはあらかじめ該印加電圧と前記複数のFBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のFBGの反射中心波長を測定することができるからである。図3に示す波長温度変換部4はProgramable Read Only Memory(以下PROM)などのメモリから構成されている。あらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を測定しておきこれをデータとして上記メモリに記憶させておく。これにより波長温度変換部4は波長検波器3に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。



次に第二の背景技術を説明する。これは「非特許文献2」により公知の技術である。図5はこの第二の背景技術を用いた分布型温度センサのシステム構成図である。第一の背景技術と異なる点は波長検波器3である。他の個所は皆同一である。その特徴は第一の背景技術の波長検波器3はファブリペロー型干渉計の干渉中心波長を圧電素子などを使って機械的に掃引する方式であるが、この第二の背景技術はファブリペロー型干渉計ではなくアレイ導波路格子AWGを用いることにより機械的な可動部をなくし第一の背景技術よりも波長検波器3の信頼性をあげると同時に、並列信号処理により高速に波長検波できる点が大きな特徴である。次に図6を用いてこのAWGから成る波長検波器の動作を説明する。FBGの反射中心波長をλbi、AWGの隣接するチャンネルmとチャンネルm+1の透過中心波長をそれぞれλam、λa,m+1 とする。λbiがλam及びλa,m+1の中心波長と一致している場合、AWGのチャンネルmとチャンネルm+1から出射する光量は同一であるのでそれらを受光素子で光電変換した後の電流値の比は1である。仮にλbiが短波長側にシフトすればその比は1より小さくなり長波長側にシフトすれば比は1より大きくなる。λbiはλam<λbi<λa,m+1の範囲で変動するようシステム設計される。FBGの反射中心波長λbiはFBGの温度と一対一で対応している。従ってFBGの温度と前記の比の関係も一対一の関係となる。この関係をシステム製作段階であらかじめ求めておきPROMなどの記憶装置に記憶させておく。図5の波長温度変換部4はこの記憶装置である。このようにして構成されたシステムを用い同図に示すように光電変換素子5、プリアンプ6により光電変換された後の電流値を使ってマイクロコンピュータ7により比演算を行い、演算結果を前記の記憶装置に入力させれば記憶装置の出力はそのときのFBGの温度となる。一般にAWGは2つ以上の多数のチャンネルを備えているので複数のFBGの反射中心波長を並列に同時に計測できる。これが第二の背景技術である。
【非特許文献1】
A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, Multipleded fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter, Optics Lett., Vol.18, No.16, PP.1370-1372, 1993
【非特許文献2】
Y. Sano and T. Yoshino, Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors, J. Lightwave Technol., vol.21, pp.132-139, 2003
【非特許文献3】
S. Suzuki, K. Oda, and Y. Hibino, Integrated-optic Double-Ring Resonators with a Wide Spectral Range of 100 GHz, J. Lightwave Tecnolo.,vol.13, no.8, pp.1766-1771, 1995
【非特許文献4】
Y. Sano, T. Hirayama, J. K. Kurihara, T. Goto, K. Taniguchi, J. Nishii, K. Kintaka, and T. Yoshino, Planar Waveguide Bragg Grating Pressure Sensor on a Micro-Machined Silicon Diaphragm, in Proc. Of OFS-16, pp.694-696, 2003

Field of industrial application (In Japanese)


光ファイバブラッググレーティング(以下FBG)を用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいは光サーキュレータに入射させ、該光方向性結合器あるいは光サーキュレータからの出射光を光信号伝送ライン経由で1個のセンサに導き、あるいは複数のセンサを光信号伝送ラインを用いて直列に接続した直列回路に導き、前記センサからの反射光は逆の経路をたどって前記光方向性結合器あるいは光サーキュレータ経由で波長検波器に導かれ、該波長検波器において前記センサからの反射スペクトルを計測することにより温度を測定する計測システムであって、
前記センサは、第一のリング導波路と、ブラッググレーティングを内蔵した第二のリング導波路とを第一の光方向性結合器で結合すると同時に、前記第一のリング導波路を第二の光方向性結合器を介して前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し、該第一のリング共振器の入射ポートからドロップポートへの通過帯域フィルタ特性が帯域特性を持った櫛型フィルタ特性となるように前記第一のリング導波路のリング長が決定され、前記第二のリング導波路内の前記ブラッググレーティングの反射帯域幅を前記第一のリング共振器のフリースペクトルレンジFSRよりも広くすることにより前記ブラッググレーティングの反射帯域においては前記センサのスペクトルパタンを帯域の前記反射スペクトルからなるスペクトルパタン特性とし、同時に前記ブラッググレーティングの透過帯域における前記第一のリング共振器の前記入射ポートから出射ポートへの透過スペクトルを前記第一のリング導波路と前記第二のリング導波路のコアの光長を同一にすることにより平坦なスペクトルとしたことを特徴とする計測システム。

【請求項2】
 
前記光信号伝送ラインには複数の前記センサが直列に接続された直列回路が構成され、
前記複数のセンサ内にそれぞれ設けられた前記ブラッググレーティングの反射帯域を前記センサごとに異なるように設定し、
前記複数のセンサのそれぞれの反射スペクトルに基づく前記波長検波器による測定範囲をそれぞれ前記センサ内に設けられた前記ブラッググレーティングの反射帯域の帯域幅以下とすることを特徴とする請求項1に記載の計測システム。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2007073986thum.jpg
State of application right Registered
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