2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Fiber-Optic High-Speed Distributed Sensors Based on Brillouin Spectral Analysis
| Project/Area Number |
17H04930
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
水野 洋輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (30630818)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 光ファイバセンサ / ブリルアン散乱 / 非線形光学 / 防災技術 / 分布計測 / ポリマー光ファイバ / プラスチック光ファイバ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
29年度は、本研究の主な対象である光ファイバ型分布計測システム「傾斜利用ブリルアン光相関領域反射計（SA-BOCDR）」について、次の各方面から性能改善を推進した。すなわち、(1) プラスチック光ファイバ（POF）の適用、(2) 各種の実験条件が測定感度に与える影響の解明、(3) 構造物の実物を模擬したサンプルを用いた実証試験、(4) POFを用いた歪と温度の分離測定可能性および圧力測定可能性の実証、などである。以下、それぞれについて詳述する。
(1) 28年度までの研究では、SA-BOCDRは一般的なシリカガラス光ファイバのみに適用されていた。しかし、POFを用いることができれば、遥かに大きい歪の検出が可能となる。POFはシリカ光ファイバに比べて光伝搬損失が高いため、パワー情報を用いる本システムでは単純な置き換えはできない。この影響を実験的・理論的に解明し、補正を可能とし、実際にPOFを用いた歪と温度の分布測定を実証した。(2) 入射光パワーや空間分解能が歪や温度の測定精度に与える影響を解明し、さまざまな条件下で得られた測定データに対して、正しい歪や温度の分布情報が得られるための補正を可能とした。(3) 炭素繊維プラスチックと鋼材の接合面に光ファイバを埋め込んだサンプルを用意し、三点曲げ試験をした場合のシステム出力を調査した。その結果、圧縮・伸張歪の進展や破断の瞬間などを検知できることを実証した。(4) POF中のブリルアン周波数シフト（BFS）の歪と温度に対する相互依存性を調査し、両者の分離測定のためにはガラス光ファイバでの手法を単純には適用できないこと、しかし補正は可能であることを示した。また、BFSの圧力に対する依存性を調査し、ガラス光ファイバよりも高感度であることとヒステリシスを示すことを明らかにした。以上のように、多方面でSA-BOCDRの性能向上を成し遂げた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、光ファイバ型分布計測システム「傾斜利用ブリルアン光相関領域反射計（SA-BOCDR）」の実用化が大きな柱である。すでに本システムの有用性自体は28年度までに示されていたが、29年度は、さまざまな実験条件におけるシステム出力の補正法を確立させたため、実用化に向けて大きな進展があったといえる。また、これまでおよび本年度の研究成果を踏まえ、複数の企業から共同研究の打診を受けており、その一部とは実際に契約を締結し、29年度半ばから開始している。また、海外（欧州やブラジル）の研究機関からも依頼を受け、共同研究を開始したところである。これらのことは、当初の計画以上の展開である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策としては、(1) SA-BOCDRへの特殊シリカガラス光ファイバの導入、(2) SA-BOCDRへの偏波維持光ファイバ（PMF）の導入、(3) POFを用いた高歪ダイナミックレンジの実証、(4) エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）を用いない場合の性能限界の解明、(5) ヒューズ現象後のPOFのセンシング特性解明、などが挙げられる。以下、それぞれについて詳述する。
(1) 29年度までに、SA-BOCDRにPOFを適用できることを示した。しかし、ブリルアン散乱スペクトルの傾斜パワーを用いる本システムでは、意図しない曲げ損失などが生じると、動作が不安定となるのが問題であった。そこで、屈折率トレンチ型の曲げに強い特殊ガラス光ファイバを用いることで、曲げ損失の影響を受けないシステム動作を実証したい。(2) 更に、偏波状態の変動が不安定性を助長しているため、PMFを導入することでこれを解決したい。従来使われてきた偏波スクランブラを取り除くことができる可能性もある。(3) POF中のBFSの歪に対する影響はすでに解明されていたが、5％程度の歪で細径化現象が生じ、それよりも大きい歪を直接評価することは困難であった。そこで、全長を細径化させたPOFを初期状態として用いることで、従来の限界を超えた歪の検出の可能性を示したい。(4) システムに含まれる複数のEDFAは、小型化およびコスト低減を阻んでいた。そこで、EDFAを除去したシステムを組み、どの程度の性能までは得られるのかを調査したい。(5) POFを用いたBOCDRの研究の過程で、数年前にPOFヒューズという現象を初観測した。この現象後のPOFの使い道について模索していたが、来年度より国外のグループと共同で、歪・温度・湿度・曲げ・電磁場などに対する光伝搬損失の依存性について解明する予定である。
|
