2018 Fiscal Year Annual Research Report
Function enhancement and system simplification of fiber Brillouin optical correlation domain strain/temperature distributed measurement system
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18H01455
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
保立 和夫 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60126159)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 計測システム / 光ファイバセンサ / 分布型センシング / スマート材料・構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光ファイバ中の自然ブリルアン散乱を分布測定して光ファイバに加わる歪分布を得る独自の光ファイバ神経網技術「BOCDR法」に、二つの独自背景光雑音低減手法と二つの独自測定レンジ延伸手法を統合したシステムを稼働させ、5,280m 光ファイバ長で 3.95cm 分解能での分布測定に成功し、性能指数（両者比） 134,000 を達成してきた。一方、システム複雑化が信号強度や測定速度を制限していた。本研究では、BOCDR法の構造物健全性診断機能を維持・向上させつつ、システムを簡素化する研究に挑戦している。
2018年度の研究では、背景光雑音低減法の「光位相変調法：PM法」を簡素化する技術を進化させた。自然ブリルアン散乱のスペクトラム計測には干渉を活用する。PM法では参照光にPM変調を施して信号成分を減じ、疑似背景光雑音を得る。これをシステム出力から減算して背景光雑音の低減を図る。本グループは、この低減原理を数式表現することに成功し、計算処理だけでPM法の光雑音低減機能を実現する簡素化技術を提案してきた。本年度は、「計算PM法」のシミュレーション法と実験系を構築し、背景光雑音を効果的に低減する計算処理フィルタ形状を合成できた。実験データに本フィルタ計算を施し、優れた雑音低減効果と空間分解能向上効果を実現した。計算PM法の計算式の導出には、誘導ブリルアン散乱を活用したBOCDA法の基本式を使用してきた。本年度の研究にて、両技術の基本式が一致することが証明でき、計算PM法の理論的厳密性も実証できた。
「優れたフィルタ形状構築」と「理論厳密化」が2018年度の計画テーマであったが、両者に関し十分な成果を挙げ得た。2年目に研究予定であった背景光雑音低減法「光強度変調法：IM法」についても、BOCDA系での研究にて簡素化技術を提案・実証でき、BOCDR法での活用にも目途がついている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画調書に記載したように、2018年度の具体的な研究テーマは、(1)計算PM法の厳密原理式の導出、ならびに(2)計算PM法で活用するフィルタ形状の最適化、であった。本実績報告書の6項に記載したように、これら二つの具体的テーマに関し、2018年度に十分な成果が得られている。
本研究計画全体としては、「光位相変調法：PM法」と「光強度変調法：IM法」という二つの背景光雑音低減法、ならびに「テンポラルゲート法：TG法」と「二重光周波数変調法：DM法」という二つの測定レンジ延伸法を含めた、合計4つの機能向上手法を組み込んだBOCDRシステムにおいて、本研究で開発するシステム簡素化技術をも統合することによって、高い機能とシステムの簡素化を両立させることを目的としている。
これら4手法のうちのIM法では、従来、光強度変調器をBOCDRシステム中に加えて光源の時間平均スペクトラム形状を整形することにより、背景光雑音を低減した。一方、本研究の計画調書において、BOCDR法での分布測定原理を発現するための光源光周波数変調を特別に合成した波形で施すだけで、光強度変調器を用いないでもIM法の機能を実現できる手法を提示していた。この手法に関しては、2018年度に、BOCDR法の兄弟技術である誘導ブリルアン散乱を活用するBOCDA法の研究において、その原理の有効性を示すことに成功している。つまり、BOCDRシステムにおけるIM法の簡素化の実現にも目途がたっている。その結果、9項で詳述するように、本研究計画の3年目に設定した研究の一部を2年目に前倒しすることが可能となり、研究の進展を加速できる状況となっている。
このように、本研究は、順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
3年計画である本研究の第2年度（2019年度）の当初計画では、二つ目の背景光雑音低減手法IM法の簡素化技術を研究する計画であった。しかし、8項に記載したように、2018年度に、BOCDR法の兄弟技術であるBOCDA法に関して並進させていた研究において、IM法の簡素化技術のひとつを実証することができた。この成果を基盤として、BOCDR法においても、IM法の簡素化が可能であるとの目途がついた。
そこで、4つの要素手法に関する研究の実施順序を入れ替えることで、研究の進展を加速することができると考えた。新たな2019年度の研究計画では、計算PM法により簡素化されたBOCDRシステムに独自測定レンジ延伸手法である「二重光周波数変調法：DM法」を統合し、背景光雑音を低減しつつ測定レンジを延伸した新システム構成に関する研究を展開する。具体的には以下のようである。
(1) シミュレーションによる新システム構成の機能確認：まず、構築したシミュレーション法を駆使して、上記計算PM法のフィルタ機能をさらに向上させる。フィルタ計算で得られる歪量の精度評価によって、さらに優れたフィルタ形状を探索する。DM法を含むBOCDRシステムの出力スペクトラムをシミュレーション計算して、本系における計算PM法の背景光雑音低減と空間分解能改善の効果を検証する。
(2) 基本BOCDRシステムにDM法を実装した実験系の構築： DM法を含むBOCDR実験系を構築し、計算PM法とDM法を併用した際のBOCDR出力を実測する。背景光雑音の低減と測定レンジ・分解能比の向上が実現できることを確認する。
最終年度（2020年度）には、第2の測定レンジ延伸法であるTG法もBOCDR系に導入するとともに、BOCDA法に関するIM法の研究成果を活かして、IM法簡素化技術をもBOCDR系に導入して、本研究計画を完成させる計画である。
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Research Products
(9 results)
