2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of high-speed and real-time vibration measurement system for optical fiber sensor with wavelength-swept laser
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20K14754
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
山口 達也 日本大学, 理工学部, 助手 (90822205)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 振動センサ / 光ファイバセンサ / ファイバブラッググレーティング / 波長掃引レーザ / 実時間計測システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ファイバブラッググレーティング（fiber Bragg grating, FBG）は防爆性や耐腐食性に優れた光ファイバセンサであり、長期的かつ安定的に運用できる振動センサとして知られている。本研究の目的はバッファ光学系を用いた波長掃引レーザを構築し、300kHzの測定レートを実現するFBGの実時間振動計測システムを開発することである。
令和２年度はバッファ光学系による波長掃引レーザと計測システムの開発を行った。バッファ光学系を用いる方法は、バッファ光学系の光路数を増加させることで、波長掃引レーザを高速化させることができる。そこで、バッファ光学系の光路数による波長掃引レーザの高速化を図った。これと並行して、計測システムのリアルタイム処理を実現するため、Field Programmable Gate Array (FPGA)を利用した高速ディジタル回路を設計した。これにより、繰り返し周波数を150kHzとした波長掃引レーザの順掃引と逆掃引の掃引光を用いることで、300kHzの測定レートを実現する超高速計測システムを開発した。
また、波長掃引レーザを用いる測定方法の課題となっているのが、波長掃引レーザとFBGを設置する場所まで敷設する光ファイバで発生する伝搬時間（遅延）の影響である。この遅延の影響はFBGの測定精度を低下させる原因となっている。そこで、バッファ光学系を用いた波長掃引レーザに適応できる考案した遅延補正方法を計測システムに組み込んでいる。さらに、FBGの設置位置による影響についても実験的に検討した。これら、令和２年度に得られた知見を国内の諸学会で発表した。また、本研究成果の発表によって、電気学会 基礎・材料・共通部門より令和2年電気学会研究会（LAV-20-008）での論文発表に対し、優秀論文発表賞を受賞した。
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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
令和２年度はバッファ光学系による波長掃引レーザと計測システムの開発について検討した。波長掃引レーザは波長フィルタを用いたリング型レーザであり、波長フィルタを正弦波信号により変調することで、発振波長を正弦波状に掃引している。しかし、一般的に用いられる波長フィルタが機械的振動方式であるため、掃引周波数が数十kHzに制限される問題がある。そこで、バッファ光学系を用いた波長掃引レーザを構築した。この方法により、バッファ光学系の光路数を増加させることで、波長掃引レーザの高速化が図れることが実験的に得られた。申請者は光路数を３本としたバッファ光学系を用いることで、繰り返し周波数150kHzの波長掃引レーザを構築した。さらに、信号処理システムの処理能力を高めるため、FPGAを用いた超高速実時間計測システムを開発した。これにより、300kHzの測定レートによるFBGの実時間計測を行った。また、FBGの広範囲設置を実現するため、バッファ光学系を用いた波長掃引レーザに適応できるよう考案した遅延補正処理を組み込んだ計測システムを開発し、実時間計測できることを実証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は同一ファイバに多点化したFBGの自動認識及び遅延補正方法について検証する。令和２年度で開発した計測システムにおいて、高速光スイッチを導入し、多点化したFBGの反射光の自動認識機能を付与する。これにより、多点化したFBGの反射信号の自動認識および遅延補正方法を用いた設置範囲の検証を実施する。多点化したFBGの設置を広範囲の距離で検証し、自動認識機能および遅延補正機能の有効性を明らかにする。また、多点化したFBGをランダムに配置し、本システムが自由度の高い実時間計測システムであることを明らかにする。
令和２年度の成果によって、バッファ光学系を用いた波長掃引レーザによる実時間計測システムがすでに構築済みである。また、FBGの設置位置による遅延の影響ついて実験的検討を行っており、多点化したFBGの自動認識を計測システムに組み込む。さらに、バッファ光学系を用いた波長掃引レーザに適応できる遅延補正処理について広範囲な距離での有効性を実証する。これらのことから、令和３年度以降の研究計画を推進していく。
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