2012 Fiscal Year Research-status Report
分布型光ファイバひずみ計測の高性能化についての研究
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24510225
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
成瀬 央 三重大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60402690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立田 光廣 千葉大学, 融合科学研究科(研究院), 教授 (30282445)
三島 直生 三重大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30335145)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 光ファイバ / 不均一ひずみ分布 / ブリルアンゲインスペクトル / 計測 / 円環 / 直径変化 |
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| Research Abstract |
光ファイバで発生するブリルアン散乱光スペクトルすなわちブリルアンゲインスペクトル（以下BGSと略す）の周波数がひずみに比例してシフトする現象に基づく光ファイバひずみ計測は、ひずみの長距離・分布計測が可能なことから、安全安心な社会を実現するための技術の一つとして、インフラ設備などのモニタリングシステムに応用が期待されている。本研究の目的は、この光ファイバひずみ計測をソフト、ハードの両面から高性能化することにある。平成24年度は、空間的に変化するひずみ分布を高精度に計測するための理論解析とそれに基づく計測アルゴリズムの考案、また、ブリルアン散乱光を分布観測するシステムの構築に向けた基礎検討を行った。
トンネルなど円環構造物では、その直径変化や断面における円周方向のひずみが損傷の程度を与える重要な指標となっている。そこでまず、BGS特性、BGS観測条件、円環に生じる空間的不均一ひずみ分布の3つをパラメータとしてBGSの形状をモデル化し、このモデルと、観測されたBGSとが最もよく一致する最適条件からひずみ分布を推定する方法を考案した。円環への最も基本的な荷重として直径方向の荷重を作用させて円環円周上に正弦波状ひずみ分布を形成し、そのひずみを受けている光ファイバで観測されたBGSとモデルとがよく一致すること、また、観測されたBGSから直径変化が計測可能なことも確認した。
次に、平成20～22年度科学研究費助成事業（基盤研究(C)）で構築したシステムを拡張し、光ファイバの長さ方向にBGSを観測し、ひずみを分布計測するシステムの構築を進めた。その第１ステップとして、既存システムにブリルアン散乱光分布観測機能を付加するために、光源からの連続光のパルス化、コヒーレント検波されたブリルアン散乱光の中間周波数へ変換などが行えるシステムに改造し、ひずみ分布計測システム構築の基礎を築いた。
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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
本年度に実施する研究は、円環の空間的不均一ひずみ分布から生じるスペクトルを解析し、トンネルなどの円環構造物のひずみを分布として高精度に計測する方法を開発することであった。それについて「9. 研究実績の概要」で述べたように、BGSの基本特性、BGSの観測条件、そして求めるべき円環の空間的不均一ひずみ分布、の3つをパラメータとしてBGS形状をモデル化し、非線形最小二乗法を用いて、観測されたBGSにモデルが最もよく一致する最適条件からひずみ分布を推定する方法を考案し、そのアルゴリズムを実行するためのソフトウェアも開発した。円環に形成される代表的不均一ひずみ分布である正弦波状ひずみ分布に対して、シミュレーションによる評価を行った。その結果ひずみが急峻に変化する部分で、ひずみ推定精度が低下していた。この原因が最適条件を求めるために用いた非線形最小二乗法にあると考えられるので、来年度はこれを別な方法に変更し、ひずみ推定精度の向上を図る。
本年度のもう一つの研究は、１本の光ファイバ上で複数位置におけるひずみすなわち分布としてひずみを計測するシステムの構築に向け、ブリルアン散乱光分布観測機能を実現することであった。パルスジェネレータからの電気信号でLN変調器を制御することによって光源から出射される連続光をパルス化する、コヒーレント検波され電気信号に変換されたブリルアン散乱光の周波数を、マイクロ波信号発生器からの基準信号を用いて1GHz以下の低周波数に低減することなど、ハードについての基礎的検討を行った。そしてこれらを、平成20～22年度科学研究費助成事業（基盤研究(C)）などで構築したシステムに組み込んだ。今後、ブリルアン散乱光を観測し、この段階での改善点を明確化するとともに、それを反映して、BGSの分布観測機能を実現していく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度（平成24年度）の研究において開発した円環のひずみ分布計測方法では、急峻なひずみ変化部分でひずみ推定精度が低下していた。その原因が最適条件を求める計算に用いている非線形最小二乗法であると考えられることから、最適条件探索方法の再検討を行い、精度向上を図る。また、円環構造物にはさまざまな方向から荷重が作用するから、まずは2方向荷重の下でのBGS形状のモデル化と実験によるそのモデルの妥当性確認を行う。この研究によって、より一般的な荷重条件の下の円環構造物に対しても本方法が適用可能となる。
今年度から新しい課題として、動的に伸縮する計測対象に設置された光ファイバのひずみ計測に取り組む。このような光ファイバは時間的に変動する不均一ひずみを受けるので、観測されるBGSは時間で積分されたものになる。この研究では、観測時間より十分に短い周期で変動する、高い周波数で変化するひずみを対象とする。空間的不均一の場合と同様に時間的不均一ひずみ分布の下でのBGS形状をモデル化し、このモデルを観測されたBGSにあてはめることによって最大ひずみを推定する方法を開発する。また、シミュレーションによってその評価を行う。
平成24年度に構築したシステムを、光ファイバの長さ方向のBGSの分布観測、そしてひずみの分布計測が可能なシステムに拡張する。そのために、中間周波数に変換されたBGSの電気信号を増幅するためのアンプ、ノイズ低減のためのローパスフィルタなどのデバイスを設計、製作するとともにシステムを制御のためのソフトウェアを開発する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし。
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