2022 Fiscal Year Annual Research Report
光ファイバ型相関領域反射計による歪・温度の高速分布測定：極限性能の追究と実用化
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21H04555
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
水野 洋輔 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30630818)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山根 大輔 立命館大学, 理工学部, 准教授 (70634096)
市毛 弘一 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10313470)
李 ひよん 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (30870787)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、我々が提案した分布型光ファイバセンシング技術「ブリルアン光相関領域反射計（ブリルアンOCDR、BOCDR）」の性能向上を中心に、次の各方面から研究を推進した。すなわち、(1) BOCDRの偏波状態の分布測定への応用、(2) 圧縮センシングに基づくBOCDRの提案、(3) 電気スペクトラムアナライザ（ESA）を用いないOCDRの動作実証、(4) プラスチック光ファイバ（POF）グレーティングに基づく接触センシングの実証、(5) マルチコアPOFを用いた温度センシング法の提案、などである。以下、それぞれについて詳述する。
(1) 既存のBOCDRは温度や歪の分布測定を前提としていたが、今回、測定対象を偏波状態（ストークスパラメータ）の分布にまで拡張することに成功した。この技術を「偏波OCDR（POCDR）」と名付け、その基礎理論を構築するとともに、基本動作を実証した。この結果は、側圧や電磁界の分布センシングの実現可能性を示唆する。(2) 圧縮センシングに基づき、実際のサンプリングレートよりも数倍速いBOCDRの動作速度を達成した。リアルタイムに動的歪を検出する際の性能向上に大きく寄与する成果である。(3) 実験系からESAを撤廃し、その代わりに独自の信号処理を施すことで、OCDRの性能を向上できることを示した。具体的には、空間分解能と測定速度のトレードオフの撤廃を実証した。(4) フェムト秒レーザを用いてPOFに描画したグレーティングを用いて、接触センシングを実証できることを示した。透過パワーと物体（金属およびゴム）の位置の関係を調査し、微小な変位センシングに応用できることも示した。(5) マルチコアPOF中のモード間干渉に基づく温度センシング法を開発した。透過スペクトルに対して機械学習を適用することで、高い精度で温度を推定できることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、高度な信号処理に基づくBOCDRの性能向上に成功した。また、当初は想定していなかったが、BOCDRを偏波状態の測定にまで拡張することに成功した。さらに、ブリルアン散乱を用いないOCDRについてもESA撤廃などの成果を得たほか、POFを用いた新たなセンシングシステムについても複数提案することができた。これらの成果は、13編の査読付学術論文に掲載され、関係者の多数の受賞につながるなど、反響は極めて大きいものであった。よって、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として、(1) BOCDRの測定精度の向上、(2) 簡素化OCDRの理論基盤の構築、(3) OCDRによるレイリー散乱の観測および測定レンジの延伸、(4) POF接触センサの簡素化、を計画している。以下、それぞれの詳細を記す。
(1) BOCDRの測定精度を向上するため、単側波帯変調器を用いた外部変調方式による実装と、注入同期レーザを用いたシステムエラーの抑制に取り組む。前者では、従来の両側波帯変調器を用いた場合と比べ、パワー効率が向上し、信号対雑音比や時間的安定性が向上すると期待される。後者では、マスターとスレーブの２台のレーザを併用することで、光源の性質に起因する歪分布精度の劣化を抑制できると考えられる。また、これらと並行して、低コヒーレンス光源を用いたBOCDRについても歪分布測定精度を評価するとともに、その向上策についても変調方式の観点から模索していく。(2) 現時点では、標準的OCDRの理論は、周波数シフタを用いない簡素化OCDRには適用できないため、より包括的なOCDRの理論基盤を構築する。ビートスペクトルに着目し、新たな空間分解能の表式を得ることを目標とする。(3) OCDRでは微弱なレイリー散乱を観測することは困難であった。しかし、空間分解能を意図的に低減することで、レイリー散乱が観測され、光ファイバの損失等の情報を得ることができるようになると期待される。また、BOCDRの測定レンジ延伸のために提案された二重変調法や時間ゲート法をOCDRにも適用すれば、その測定レンジを延伸することができると考えられる。(4) 昨年度に提案したPOFグレーティングに基づく接触センサは透過型の構成であり、POFの両端を別のファイバに結合する必要があった。そこで、この接触センサを反射型の構成で実装することで、利便性・実用性を向上できると考えらえる。
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