JP6947125B2 - 光ファイバ経路探索方法、光ファイバ経路探索システム、信号処理装置およびプログラム - Google Patents

Description

本開示は、配線された光ファイバケーブルの位置や経路を特定する設備探索技術に関するものである。

弾性波が光ファイバまで伝播すると、弾性波の振動によって光ファイバ長手方向の各地点において長さの伸縮や屈折率の増減が起こり、結果として光路長変化が生じることが知られている。

生じた光ファイバ長手各点での光路長の経時変化は、光ファイバ内に光反射計測装置からプローブ光を入射し、入射したプローブ光の光ファイバ長手各点での散乱や反射した光を受信することで検出可能である。原理としては、散乱や反射されるプローブ光が、光ファイバ長手各点での光路長変化により位相変調を受け、その位相変調を検出器により検出することによる。このような光ファイバを通した弾性波のセンシングはＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ（以下、ＤＡＳ）として研究開発が行われている（例えば、非特許文献１を参照。）。具体的な測定原理としてＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）や、ＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）がある。

また、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）は、衛星から電波信号を発信し、発信した信号を受信機で受信する。衛星と受信機で時刻を共有し、電波信号に衛星から発信した時刻情報を載せておくことで、発信した信号が衛星から受信機に伝播するのに要した到達時間を知ることができる。衛星から発信した信号は、球面波とみなせるため、到達時間に電波信号の速度を乗算することで、衛星と受信機との距離が分かる。異なる場所にある複数の衛星について、各衛星と受信機との距離を求めることで、各衛星の位置情報から、受信機の位置が分かる。

光ファイバ長手各点に到達した弾性波の波形が、光反射計測装置を用いたＤＡＳでセンシングできる特長を用いれば、ＧＰＳの原理を応用して、光ファイバ長手各点の位置を求めることが可能となり、光ファイバの経路探索ができる。

衛星から電波信号を発信する代わりに、振動源から弾性波を球面的に発信する。そして、光ファイバ長手各点を受信機に見立て、光ファイバ長手各点まで弾性波を伝播させ、光路長変化を誘起する。誘起された光路長変化をＤＡＳでモニタすることで、光ファイバ長手各点に弾性波が到達した時刻を測定できる。振動源とＤＡＳとの時刻を共有しておけば、振動源から光ファイバ長手各点に弾性波が伝播するのに要した到達時間が分かるので、速度を乗算することで、振動源と光ファイバ長手各点との距離が分かる。あるいは、弾性波によって誘起された光路長変化の大きさは、振動源と光ファイバ長手各点との距離に反比例するため、誘起された光路長変化の大きさを測定することで、振動源と光ファイバ長手各点との距離が分かる。異なる場所にある複数の振動源について、振動源と光ファイバ長手各点との距離を求めることで、各振動源の位置から、光ファイバ長手各点の位置が分かる。これにより、光ファイバの経路が分かる。

Ａｌｉ． Ｍａｓｏｕｄｉ， Ｔ． Ｐ． Ｎｅｗｓｏｎ， "Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｖｉｅｗ： Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｉｎｇ"， Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， ｖｏｌ．８７， ｐ．０１１５０１ （２０１６）

上記のＧＰＳの原理を応用した光ファイバ経路探索方法を利用して、通信設備・ビルで利用している光ファイバケーブルに内包されている光ファイバの経路を求め、光ファイバケーブルの探索ができるが、ＧＰＳと同様の原理を応用した光ファイバ経路探索方法の適用時には、以下で述べる課題がある。

通常、光ファイバケーブルは壁等の下に、空気層を介して存在しており、長手方向の数点が支持具等で壁に固定されている。壁下の光ファイバケーブルを探索するために、壁上から弾性波を振動源から発振すると、空気層を介して球面波として直接光ファイバ長手各点に届くだけではなく、支持具やファイバ外皮等の固体を経由して伝播した弾性波も光ファイバの長手方向の各点に届く。そのため、光ファイバ長手各点でＤＡＳによりセンシングする弾性波には、支持具やファイバ外皮等の固体を伝播した波が空気層を伝播した球面波に重ねあわさるため、光ファイバ経路探索に必要な、空気を伝搬した弾性波による振動の強度や到達時間を測定できず、光ファイバ経路の特定が困難となる。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、空気を伝搬した弾性波によって生じる信号のみを抽出し、壁や支持具等の影響を排除できる光ファイバ経路探索方法、光ファイバ経路探索システム、信号処理装置、及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ経路探索方法は、所望のキャリア周波数と所望波形の弾性波を生成して光ファイバの探索領域に放射し、光反射計測部が受信した戻り光の信号から空間を伝搬して直接、光ファイバに到達した弾性波によって生じる信号のみを抽出するハイパスフィルタ処理を施すこととした。

具体的には、本発明に係る光ファイバ経路探索方法は、弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索方法であって、
所定の領域に振動源から弾性波を与える弾性波付与手順と、
光ファイバの一端に接続した光反射計測装置で、前記弾性波付与手順で付与した弾性波による前記光ファイバの他端から前記光ファイバの各点までの光路長変化の振動を測定する振動測定手順と、
前記振動測定手順で測定した前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出する選別手順と、
前記選別手順で抽出した信号成分を用いて前記振動源と前記光ファイバの各点との距離を算出する演算手順と、
を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバ経路探索システムは、弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索システムであって、
所定の領域に弾性波を与える振動源と、
光ファイバの一端に接続し、前記振動源が付与した弾性波による前記光ファイバの他端から前記光ファイバの各点までの光路長変化の振動を測定する光反射計測装置と、
前記光反射計測装置が測定した前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出し、前記信号成分を用いて前記振動源と前記光ファイバの各点との距離を算出する信号処理装置と、
を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る信号処理装置は、弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索システムの信号処理装置であって、
所定の領域に振動源から弾性波を与え、光ファイバの一端に接続した光反射計測装置で測定した前記弾性波による前記光ファイバの他端から前記光ファイバの各点までの光路長変化の振動の信号を受信し、前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出し、前記信号成分を用いて前記振動源と前記光ファイバの各点との距離を算出する演算部を備えることを特徴とする。

本発明では、空気中を伝搬する弾性波による光ファイバの光路長変化の周期（高周波）と固体中を伝搬する弾性波による光ファイバの光路長変化の周期（低周波）との差を利用し、ハイパスフィルタで後者を除去している。そして、振動源を３か所以上動かし、光ファイバ各点の座標を取得することで光ファイバの位置を特定することが可能である。従って、本発明は、空気を伝搬した弾性波によって生じる信号のみを抽出し、壁や支持具等の影響を排除できる光ファイバ経路探索方法、光ファイバ経路探索システム、及び信号処理装置を提供することができる。

なお、光ファイバの配置（振動源と光ファイバの各測定点との距離）によっては、空気中を伝搬する弾性波による光ファイバの光路長変化の周期と固体中を伝搬する弾性波による光ファイバの光路長変化の周期との差が小さく、ハイパスフィルタで空気を伝搬した弾性波によって生じる信号も除去されることもある。このような場合、次のように対処する。

前記選別手順で前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記振動源の位置を変えて前記弾性波付与手順から前記選別手順を繰り返し、前記高周波側の信号成分を抽出できたときに前記演算手順で前記距離を特定することを特徴とする。
空気を伝搬した弾性波によって生じる信号は、弾性波の発生源から光ファイバまでの距離によって光ファイバの光路長変化の周期が変化する。具体的には、弾性波の発生源から光ファイバまでの距離が長いほど光ファイバの光路長変化の周期が短くなる（高周波となる）ため、弾性波の発生源から離れた箇所での弾性波によって生じる信号はハイパスフィルタで除去されない場合がある。

上述のように対処しても空気を伝搬した弾性波によって生じる信号を得られない場合、探索領域には光ファイバは存在しないと判断する。すなわち、前記選別手順で前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記所定領域に前記光ファイバが存在しないと判断することを特徴とする。

本発明は、前記信号処理装置としてコンピュータを機能させるプログラムである。本発明に係る信号処理装置はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

本発明は、空気を伝搬した弾性波によって生じる信号のみを抽出し、壁や支持具等の影響を排除できる光ファイバ経路探索方法、光ファイバ経路探索システム、信号処理装置、及びプログラムを提供することができる。

本発明に係る光ファイバ経路探索システムを使用して壁の中にある光ファイバの経路を探索する方法を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ経路探索システムを使用して壁の中にある光ファイバの経路を探索する方法を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ経路探索システムの動作原理を説明する図である。ファイバ中に記載した実線５１，５３は光路長の変化の極大点、破線５２，５４は光路長の変化の極小点を表している。 弾性波が生じさせる光ファイバ長手方向での光路長変化を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ経路探索システムを使用して壁の中にある光ファイバの経路を探索する方法を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１及び図２は、本実施形態の光ファイバ経路探索システムを使用して壁の中にある光ファイバの経路を探索する方法を説明する図である。本光ファイバ経路探索システムは、弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索システムであって、
所定の領域に弾性波を与える振動源３０４と、
光ファイバ３０２の一端に接続し、振動源３０４が付与した弾性波による光ファイバ３０２の他端から光ファイバ３０２の各点までの光路長変化の振動を測定する光反射計測装置３０５と、
光反射計測装置３０５が測定した前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出し、前記信号成分を用いて振動源３０４と光ファイバ３０２の各点との距離を算出する信号処理装置３１３と、
を備えることを特徴とする。

図１のように壁３０１の下に空気の層３１１を挟んで光ファイバ芯線３０２を内包する光ファイバケーブル３０３が存在し、光ファイバケーブル３０３を支持する留め具３０７が存在する。図１を立体的に見た図が図２であり、留め具３０７は複数存在する。光ファイバケーブル内光ファイバ芯線の片端にはアクセス可能である環境にて、壁３０１の下にある光ファイバケーブル３０３の位置を探索することを目的とする。

以下の具体例では、壁３０１に対する光ファイバケーブル３０３の垂直方向への距離は一定であり、図１に一定距離３１４で示したように、ｚ軸方向を壁と垂直な軸とした際に、ｚ軸方向に壁と光ファイバケーブルが一定距離ｚ_０だけ離れている一般的な場合に、ケーブル３０３の経路を探索する方法について説明する。

また、光ファイバケーブルを探索するために、後述する手法においては、振動源３０４から弾性波を発振するが、球面的に空気層を伝播し光ファイバ長手方向の各点に到達する弾性波の大きさに対して、光ファイバケーブル３０３を支持する留め具３０７等を経由して光ファイバ３０２自体や光ファイバケーブル３０３外皮等の固体を伝播する弾性波の影響が無視できない大きさの場合に、その影響を除去して、測定結果に誤りの少ないケーブル探索を行う手法の実施例について記述する。

本手法は、
所定の領域に振動源３０４から弾性波を与える弾性波付与手順と、
光ファイバ３０２の一端に接続した光反射計測装置３０５で、前記弾性波付与手順で付与した弾性波による光ファイバ３０２の他端から光ファイバ３０２の各点までの光路長変化の振動を測定する振動測定手順と、
前記振動測定手順で測定した前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出する選別手順と、
前記選別手順で抽出した信号成分を用いて振動源３０４と光ファイバ３０２の各点との距離を算出する演算手順と、
を行う。

（弾性波付与手順）
まず、光ファイバケーブル３０３内の前記光ファイバ芯線３０２の、位置が既知である片端に、ＤＡＳを備えた光反射計測装置３０５を予め接続する。

次に、振動源３０４から弾性波を発振し光ファイバケーブル３０３内部の光ファイバ芯線３０２まで伝播させる。弾性波の波形は信号生成装置３１２により制御する。以下の実施例では、振動源３０４は所望の周波数を有する弾性波（キャリア）を発振するものとし、信号生成装置３１２が振動源３０４の発振タイミングを制御することで、パルス形状の包絡線を有する弾性波を生成する。但し、包絡線の形状はこれに限定されるものではない。

（振動測定手順）
信号生成装置３１２と光反射計測装置３０５を同期させ、信号生成装置３１２が弾性波を発振させるタイミングに合わせて、光ファイバ長手各点における光路長変化を経時的に測定する。光反射計測装置３０５で計測した光ファイバ長手各点における光路長の経時変化は、信号処理装置３１３に送信される。光反射計測装置３０５がＤＡＳを行う原理は、後述する具体的手法を実施するのに要求される仕様を満たせば、位相ＯＴＤＲやＯＦＤＲが使用できる。

信号処理装置３１３に送信された、光反射計測装置３０５で計測した光ファイバ長手方向の各点での光路長の経時変化には、ケーブル探索に使用するための球面的に空気層を伝播した弾性波による振動に加えて、ケーブル探索には使用しないファイバ固体中やファイバ外皮固体中を、留め具３０７等を介して伝播する弾性波による振動が含まれる。

例えば、図１に示すように、光ファイバ長手方向のある地点３０６における光路長の時間変化には、振動源３０４から地点３０６に空気層３１１を介して直線的に伝わる経路３０８を伝播した弾性波に加えて、振動源３０４から地点３０６とは別の部分に到達してから光ファイバ固体中や光ファイバ外皮を伝播する経路３０９による弾性波や、壁３０１や留め具３０７等の固体を経由して、光ファイバ固体中や光ファイバ外皮を伝播する経路３１０による弾性波が存在する。

（選別手順）
このような経路３０９や経路３１０による弾性波の振動の影響を、前記の信号処理装置３１３に送信された、光反射計測装置３０５で計測した光ファイバ長手方向の各点での光路長の経時変化から除去して、経路３０８による振動のみを分離するために、固体と気体との振動伝播の速度差から生じる、光ファイバ長手方向における空間波長の違いの情報を、信号処理装置３１３における信号処理で利用する。

具体的に、信号処理装置３１３は次の事実を信号処理で利用する。固体を伝播する弾性波の速度Ｖ_ｓｏｌが一般的に約１×１０^３ｍ／ｓ以上であり、空気を伝播する弾性波の速度Ｖ_ａｉｒである約３×１０^２ｍ／ｓよりも速い。したがって、弾性波の周波数ｆと伝播速度ｖを用いてλ＝ｖ／ｆと表される空間波長λが、固体を伝播する弾性波の方が空気を伝播する弾性波よりも長い。

図３で示すように、経路３０８を伝播した弾性波が生じさせる光ファイバ長手方向での光路長変化は、光路長が長くなる実線５１で示した箇所と光路長が小さくなる点線５２で示した箇所が交互に表れる。したがって、各測定時刻において、図４のような横軸を光ファイバ長手方向の遠端からの距離、縦軸を光路長の経時変化のその時刻での値としたグラフを考えると、距離５５で示したような、光路長が大きくなる箇所の間隔で振動する波形となる。経路３０８を伝播した弾性波が生じさせる光路長変化が大きい箇所の間隔５５は、光ファイバ長手方向の遠端からの距離に応じて変化し、光ファイバ長手方向に振動源から十分に離れた地点では、空気中での弾性波の波長に漸近する。

一方、経路３０９や３１０を伝播した弾性波の振動が生じさせる光ファイバ上の光路長変化についても、横軸と縦軸が同様のグラフを考えると、距離５６で示した間隔で振動している波形となる。経路３０９や３１０を伝播した弾性波が生じさせる光路長変化が大きい箇所の間隔５６は、固体中の弾性波の波長の値で一定である。

間隔５６が一定であるため、信号処理装置３１３における信号処理において、カットオフ周波数を、間隔５６の周期振動に対応する空間周波数よりも高い値に設定した空間的なハイパスフィルタを、光路長の経時変化に乗算することで、経路３１０等の固体中を伝播した弾性波の振動が生じさせる光ファイバ上の光路長変化を以下のように取り除くことができる。

まず前記の信号処理装置３１３に送信された、光反射計測装置３０５で計測した光ファイバ長手方向の各点での光路長の経時変化のデータをＤ（ｔ，ｌ）とする。ここで、時刻ｔ、光ファイバ長手方向の遠端からの距離ｌとする。信号処理装置３１３によって、データＤ（ｔ，ｌ）を各時刻ｔにおける光ファイバ長手方向での光路長変化として並べる。そして、長手方向の各点での光路長変化に対して、間隔５６に対応する空間周波数よりも高い周波数にカットオフ周波数を持つ空間的なハイパスフィルタＨＰＦ（ｆ_ｌ）を乗算することで、経路３１０等の固体中を伝播した弾性波の振動を除去した信号Ｄ’（ｔ，ｌ）を生成する。

ここで、ＦＴとＩＦＴはｌに関するフーリエ変換と逆フーリエ変換であり、ｆ_ｌは距離ｌと対をなす空間周波数である。

続いて信号処理装置３１３で、経路３０９や経路３１０の固体中を伝播した弾性波の振動を除去した信号Ｄ’（ｔ，ｌ）を、光ファイバ長手方向の遠端から各距離ｌにおいて、時刻ｔに関する経時変化として並べる。

光ファイバ長手方向の遠端から距離ｌにある地点において、間隔５５に対応する空間周波数が、ハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも大きいならば、間隔５５で振動する波形がハイパスフィルタによって除去されないため、経路３０８を伝播した弾性波による振動のみの影響が抽出されている。したがって、弾性波による振動の包絡線の立ち上がりから、弾性波が経路３０８を経由して到達した時刻Ｔ（ｌ）を求めることができる。

信号生成装置３１２と光反射計測装置３０５は同期させてあるため、信号生成装置３１２が弾性波の発振を開始させた時刻をｔ＝０としても一般性は失われない。したがって、振動源から弾性波が到達する所要時間はＴ（ｌ）となる。このとき、振動源と光ファイバ長手方向の遠端から距離ｌにある地点との距離ｒ（ｌ）は、所要時間Ｔ（ｌ）と空気を伝播する振動の速度Ｖ_ａｉｒを用いて、

である。また、空気を伝播する振動の速度Ｖ_ａｉｒ［ｍ］は一般に温度Ｃ［℃］と、

の関係にある。したがって、温度測定によってＶ_ａｉｒを求め、前記手法によって得られた振動の所要時間Ｔ（ｌ）とともに式（２）に代入することによって、ｒ（ｌ）は一意に定まる。

一方で、光ファイバ長手方向の遠端から距離ｌにある地点において、間隔５５に対応する空間周波数が、ハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも小さいならば、ハイパスフィルタによって間隔５５で振動する波形も除去されてしまうため、Ｄ’（ｔ，ｌ）には振動源から発振した弾性波による振動は検出されない。このような場合が発生する状況を以下に説明する。

光ファイバ長手方向の各地点における間隔５５に対応する空間周波数と、ハイパスフィルタのカットオフ周波数との大小関係は、ハイパスフィルタの設定値や、振動源と光ファイバ長手方向の各地点との位置関係、発振する弾性波の周波数によって変化する。特に、光ファイバ上の地点が、ｘｙ平面方向に振動源から近くなる程、距離５５は大きくなる。図２及び図３で示した位置に振動源３０４があり、振動源３０４からの空間的な距離が最短である地点を点Ｐとする。この場合、図３のように、点Ｐにおける距離５５が他の地点での距離５５と比較して最も長くなる。また、光ファイバの地点が、ｘｙ平面方向に振動源から十分に遠くなると距離５５は空気の波長に漸近する。

例えば、振動源から発振する弾性波の周波数を３×１０^２Ｈｚと設定すると、空気中での波長は約１ｍとなり、固体中での振動の空間波長は３ｍ以上と見積もれる。そこで、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を１／３［ｍ^−１］としておけば、前記信号処理方法によって、固体中を伝播した振動を除去した信号Ｄ’（ｔ，ｌ）を生成できる。ｘｙ平面方向に振動源から十分に遠い光ファイバ上の地点では、距離５５が空気中での波長である約１ｍに漸近するため、ハイパスフィルタを乗じても除去されず、式（２）に基づき、振動源との距離を算出することが可能である。

一方で、振動源から点Ｐまでのｚ軸方向の距離が４ｍ以上である場合、点Ｐ周辺の距離５５が３ｍ以上となってしまうため、ハイパスフィルタによって除去されることになる。

そこで、本光ファイバ経路探索システムでは、前記選別手順で前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、振動源３０４の位置を変えて前記弾性波付与手順から前記選別手順を繰り返し、前記高周波側の信号成分を抽出できたときに前記演算手順で前記距離を特定する。つまり、光ファイバの長手方向の各点について、ハイパスフィルタによって、固体を伝播した振動は除去し、空気を伝播した振動のみ除去しない条件を満たす振動源の位置範囲で、振動源を複数回動かすことで、光ファイバの長手方向の各点の位置を特定し、光ファイバの経路を探索する。以下に具体的な振動源の動かし方を説明する。

光ファイバ長手方向に遠端から距離ｌにある地点を探索することを考える。まず、振動源の位置をある場所に固定して、Ｄ（ｔ，ｌ）を測定し、固体中を伝播した振動を除去できるカットオフ周波数に設定したハイパスフィルタを用いて、Ｄ’（ｔ，ｌ）を計算する。Ｄ’（ｔ，ｌ）の遠端から距離ｌの経時変化に、振動源３０４から発振した経路３０８を伝播した弾性波による振動が存在するか確認する。もし、振動が観測されていれば、振動の包絡線の立ち上がりから式（２）に従い、振動源３０４からの距離を計算する。

もし、振動源３０４から発振した弾性波による振動が検出できない場合は、図２及び図３における振動源と点Ｐのように、振動源３０４からのｘｙ平面方向の距離が近いか、またはｚ軸方向の距離が遠いためにハイパスフィルタによって経路３０８を伝播した弾性波の振動が除去されている可能性があるので、経路３０８を伝播した弾性波の振動が検出できるように、振動源３０４の位置を移動させる。この際に、発振する弾性波の大きさを十分に大きくすることで、振動源３０４からの距離が遠くなり、弾性波が減衰し光反射計測装置３０５によって弾性波による振動が検出できないという状況を回避できる。

前記動作を繰り返し、Ｄ’（ｔ，ｌ）の遠端から距離ｌの経時変化に、振動源３０４から発振した経路３０８を伝播した弾性波による振動が存在する振動源３０４の位置を、壁上の同一直線上にはない３箇所で特定する。その３箇所を点Ａ、Ｂ、Ｃとする。式（２）に従い、点Ａ、Ｂ、Ｃと光ファイバ長手方向の遠端から距離ｌにある地点との距離ｒ_Ａ（ｌ）、ｒ_Ｂ（ｌ）、ｒ_Ｃ（ｌ）を計算する。また、座標がＡ（０，０，０）、Ｂ（Ｘ，０，０）、Ｃ（０、Ｙ，０）となるように点Ａ、Ｂ、Ｃとｘ軸およびｙ軸とを設定すれば、光ファイバ長手方向に距離ｌにある点の座標を（ｘ（ｌ），ｙ（ｌ），−ｚ_０）と表した時、

となる。式（４）、式（５）及び式（６）を用いて、

が導出できる。

式（７）と式（８）にｒ_Ａ（ｌ）、ｒ_Ｂ（ｌ）、ｒ_Ｃ（ｌ）と振動源３０４の座標を代入することで、ｘ（ｌ）とｙ（ｌ）を一意に計算できる。式（４）にｒ_Ａ（ｌ）、ｒ_Ｂ（ｌ）、ｒ_Ｃ（ｌ）を代入し、正であることが分かっているｚ_０が一意に定まる。このようにして、光ファイバ長手方向に遠端から距離ｌにある地点の位置が求まる。光ファイバ長手方向に遠端から任意の距離にある点について同様に位置が求まるため、結果として、光ファイバの経路が特定できる。

前記ハイパスフィルタ処理を含む光ファイバ探索を行うための装置構成について述べる。まず、ハイパスフィルタ処理を行うためには、距離５６に対応する固体中での弾性波の空間波長に対応する空間周波数を除去し、光ファイバ上のｘｙ平面方向に振動源３０４からの距離が十分に離れた地点における距離５５の最小値である空気中での弾性波の空間波長に対応する空間周波数は抽出可能なハイパスフィルタを作成する必要がある。そのため、光ファイバ長手方向に十分な測定距離を要する。

しかし、ハイパスフィルタ処理を実施するために必要な測定距離が、測定する壁３０１と同等のスケールである壁３０１下の光ファイバ３０２の長さよりも長い場合、ハイパスフィルタを実施する距離が必要な長さよりも短くなり、経路３１０等の固体中を伝播した弾性波を除去する際に、経路３０８を伝播した弾性波も同時に除去されてしまう。この場合は、振動源３０４から発振する弾性波の周波数を大きくすれば、光ファイバ長手方向に必要な測定距離が小さくなるため、測定対象である壁３０１のスケールよりも小さくすることで対応が可能である。つまり、測定対象である壁３０１のスケールに応じて、発振する弾性波の周波数を調節すれば良い。例えば、壁の大きさが５ｍ程度の場合には、弾性波の周波数は１００Ｈｚ以上であれば良い。また、ハイパスフィルタ処理を行う際に、式（１）中でフーリエ変換ＦＴ［Ｄ（ｔ、ｌ）］を計算するが、計算の際に、距離５５や距離５６の周期に対応する空間周波数においてエイリアシングが起きることは避ける必要がある。例えば、弾性波の周波数が１００Ｈｚの場合には、光反射計測装置３０５の空間分解能は１．６ｍよりも細かく設定すれば良い。

前記がハイパスフィルタを行うための装置構成となるが、手法全体を通して要求される振動源３０４から発振する振動の周波数については、前記ハイパスフィルタリングをするために要求される周波数以上という条件を満たした上で、図２における壁３０１下に存在する光ファイバ３０２まで伝播する弾性波を振動源３０４から発振し、光反射計測装置３０５で検出しなければならないことから、媒質中での減衰率が小さい、できるだけ低い周波数の振動を使用することが望ましい。したがって、振動源３０４から発振する弾性波の周波数は、前記ハイパスフィルタリングをするために要求される周波数の下限値に近い値に設定すれば良い。また、手法全体を通して要求される光反射計測装置の空間分解能については、前記ハイパスフィルタリングをするために要求される空間分解能と、光ファイバ探索において必要となる精度を達成するために要求される空間分解能とを比較した際の、より細かい方に設定すれば良い。

（実施形態２）
実施形態１では、弾性波が振動源から光ファイバ長手方向の各点に到達する所要時間から、式（２）と式（３）に基づいて、振動源３０４と光ファイバ長手方向の各点との距離を算出したが、光ファイバ長手方向の各点における弾性波の振動の振幅から、振動源３０４と光ファイバ長手方向の各点との距離を算出することもできる。

振動源３０４から発振した弾性波は、球面波の場合、振動源３０４からの距離ｒが大きくなる程、振動の振幅ｐは単調減少し、一般に振動源からの距離ｒに反比例する。

一方で、振動源３０４から発振した弾性波が、光ファイバ長手方向の光反射測定装置３０５を接続した片端から距離ｌにある点に生じさせる光路長の時刻ｔに対する経時変化は、振動源３０４から発振した周波数と同一周波数で振動する。その光路長の振動変化の振幅Ｌ（ｌ）は、一般に光ファイバ長手方向の各点に実際に加わった弾性波の振動の振幅ｐ（ｌ）に比例する。そのため、振動源３０４と光ファイバの試験光を入射する遠端から長手方向の距離ｌにある点との距離ｒ（ｌ）は、光反射計測装置３０５で測定する光ファイバの光路長の振動変化の振幅Ｌ（ｌ）と、

の関係にある。距離ｒも光路長の振動変化の振幅Ｌも前記定義では正なので、正の比例定数ｋを用いて、

である。

実施形態１と同様に、光反射計測装置３０５によりＤ（ｔ、ｌ）を測定し、ハイパスフィルタ処理によりＤ’（ｔ、ｌ）を生成すれば、Ｄ’（ｔ、ｌ）からＬ（ｌ）が算出でき、式１１により振動源３０４との距離ｒ（ｌ）と対応させることができる。

そのため、式（４）、式（５）及び式（６）を用いた実施形態１と同様にして、複数回振動源３０４を動かすことで光ファイバの長手方向の各点の位置を求められる。ただし、ｋは未知定数となるため、実施形態１における点Ａ、Ｂ、Ｃに加えて点Ｄ（０，Ｙ_２，０）での測定を実施することでｋを求める。ただし、点Ｃと点Ｄは異なるとする。具体的には、式（１１）より、

である。そして、式（１２）、式（１４）及び式（１５）を用いて、

である。

式（１６）に振動源３０４の座標値と光反射計測装置３０５による測定結果を代入することで、ｋ^２を計算する。ｋ^２を式（１２）、式（１３）及び式（１４）に代入することでｒ_Ａ（ｌ）、ｒ_Ｂ（ｌ）、ｒ_Ｃ（ｌ）が一意に定まる。これにより、式（１２）、式（１３）及び式（１４）が式（４）、式（５）及び式（６）と同じになるので、実施形態１と同様の処理で光ファイバの経路探索ができる。点Ｄの座標は点Ｂとは異なる（Ｘ_２，０，０）であっても良い。

本実施形態の場合、振動源３０４から発振する弾性波は単一周波数の連続的な波形で良い。

（実施形態３）
図５は、本実施形態の光ファイバ経路探索システムを使用して壁の中に光ファイバが埋設されているか否かを判断する方法を説明する図である。本実施形態では、実施形態１及び２で説明した光ファイバ経路探索システムを用い、前記信号処理装置が、前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記所定領域に前記光ファイバが存在しないと判断することを特徴とする。

図５のように壁４０１と、片端の位置が既知でありアクセス可能な光ファイバ４０３を内包する光ファイバケーブル４０４が存在する。壁４０１の下に光ファイバケーブル４０４が存在するか判定することを目的とする。ただし、壁４０１には隣接する壁等が存在して、隣接する壁の下には対象とする光ファイバケーブルが存在し、壁４０１には対象とする光ファイバケーブルが存在しない場合であっても、壁４０１に当てた振動源３０４から弾性波を発振した時、固体中を伝播する弾性波が隣接する壁下にある光ファイバケーブルまで伝播し、光路長変化を生じさせる可能性があるものとする。

例えば、図５に示すように、壁４０１に隣接する壁４０２の下に、対象とする光ファイバケーブル４０４があり、壁４０１の下には光ファイバケーブル４０４はないとする。この場合に、壁４０１の下でのケーブル有無を判断するために振動源４０６から弾性波を発振した時に、壁４０１や壁４０２、ケーブル４０４を壁４０２に支持するための留め具４０５を介して経路４１０等を伝播することで、光ファイバ４０３の光路長を変化させる可能性がある一般的な場合について、壁４０１の下での光ファイバケーブル４０４の有無を誤検知の割合を減らして判定することについて説明する。

まず、光ファイバ芯線４０３の、位置が既知である片端に光反射計測装置４０８を予め接続する。信号生成装置４０７より制御信号を振動源４０６に送信し、振動源４０６から弾性波を発振する。弾性波は単一周波数の連続波で良いが、壁４０１の下の確認したい深さまで伝播し、光ファイバケーブルが存在する場合には、内部にある光ファイバ芯線の光路長を、光反射計測装置４０８で検出可能なレベルまで変化させる振幅強度を持つ出力とする。

振動源４０６を壁４０１上の１箇所で固定して有無を判断する場合には、壁４０１全体の下部に過不足なく伝播する弾性波を発振する。弾性波の発振と同時に光反射計測装置４０８により光ファイバ４０３の長手各点での光路長変化Ｄ（ｔ，ｌ）を計測する。測定した光路長変化Ｄ（ｔ，ｌ）に対して、空間的なハイパスフィルタＨＰＦ（ｆ_ｌ）を乗じることにより、経路４１０などの固体中を伝播した弾性波による振動を除去した信号Ｄ’（ｔ，ｌ）を生成する。

原理および計算方法は、実施形態１において図１の経路３０９や経路３１０などの固体中を伝播した弾性波による振動を除去したのと同様である。また、ハイパスフィルタリングを行うための光反射計測装置の空間分解能と振動源の周波数の条件についても、実施形態１での説明と同様に対象とする壁の大きさを目安に決定される。

次に、信号処理装置４０９を用いて、長手方向の全ての点において、信号Ｄ’に振動源から発振した弾性波による振動が検出されるか確認する。振動源から発振した弾性波が長手方向のいずれかの点で検出されれば壁４０１の下に光ファイバケーブル４０４が存在すると判断し、全ての点で検出されなければ壁４０１の下に光ファイバケーブル４０４は存在しないと判断する。

振動源４０６を壁４０１上の１箇所で固定し、壁４０１全体の下部に過不足なく伝播する弾性波を発振するのではなく、壁４０１上で振動源４０６を動かして測定を繰り返すことで、壁４０１下でのケーブル４０４の存在有無の判定をすることもできる。この場合には、壁４０１をＮ個の区画に分割し、１番からＮ番まで番号をつけて区別する。そして、Ｎ回測定を行うとして、第ｉ番目の測定の時には、第ｉ番目の区画の上に振動源４０６を置き、第ｉ番目の区画の壁下に過不足なく伝播する弾性波を発振する。発振した弾性波が光反射計測装置４０８によって検出された場合、壁ｉ番目の下にケーブルがあると判断し、発振した弾性波が光反射計測装置４０８によって検出されなければ、壁ｉ番目の下にケーブルがないと判断する。

発振した弾性波が光反射計測装置４０８によって検出されるかどうかの判断は、前記と同様に、信号処理装置４０９によって、光反射計測装置４０８によって取得した信号に対して、固体中を伝播する弾性波による振動をハイパスフィルタリングによって除去した信号に基づいて行う。この操作をＮ回繰り返すことにより、壁４０１のＮ個の全ての区画の下でのケーブルの存在可否が判断できるので、壁４０１の下にケーブルが存在するかどうか判断することができる。

壁４０１上で振動源４０６を動かして測定を繰り返す以外にも、壁４０１を分割したＮ個の区画上にＮ個の振動源を設置して、それぞれの振動源からそれぞれの区画下に弾性波を伝播させることで、１回の測定により、ケーブル４０４の壁４０１下での有無を判断することが可能である。また、壁４０１上の特定の位置に振動源４０６は固定し、壁４０１を分割したＮ個の区画に対して、Ｎ回の測定を行うとして、第ｉ回目の測定の時には第ｉ番目の区画下にのみ伝播するような指向性のある弾性波を発振することで、Ｎ回の測定で壁４０１下でのケーブル４０４の有無を判定する方法などが可能である。

（他の実施形態）
実施形態１〜３で説明した信号処理装置３１３と４０９はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

［付記］
本発明は、ビルなどの建物の壁中や床下など目視できない部分に埋設された光ファイバ心線がどのような経路で配置されているか、あるいは所望の範囲に光ファイバ心線が埋設されているか否かを壁や床を破壊せずに認知する手法を提供することを目的とする。

本発明では、ＤＡＳとＧＰＳの原理を利用し、次の信号処理を行うことを特徴とする。
（１）：本信号処理は、
周囲が空気層である光ファイバや光ファイバを内包する光ファイバケーブルが存在し、振動源から発した弾性波を光ファイバまで伝播させ、光ファイバの片端に繋いだ光反射計測装置によって、光ファイバ長手方向の各点での光路長変化を計測し、振動源から空気を伝搬してきた波長の短い弾性波による短い波長に対応した光路長の伸びた部分と縮んだ部分の間隔が短い振動と、固体を伝搬してきた波長の長い弾性波に対応した光路長の伸びた部分と縮んだ部分の間隔が長い振動が、重ね合わさったものがファイバ中の振動分布として計測され、この重ね合わさった、距離方向の光路長の伸縮分布を光ファイバの長手方向の空間的な波と見なして、伸縮間隔がより短い波形のみが残るような波数フィルタ処理を行うことで、空気を伝搬した伸縮間隔が短い振動のみを抽出することを特長とする。

（２）：また、本システムは、
周囲が空気層となっている光ファイバが存在し、光ファイバまで振動源から発した弾性波を伝播させ、光ファイバの片端に繋いだ光反射計測装置によって、光ファイバ長手方向の各点に対する光路長変化を計測し、計測した信号に前記（１）の信号処理を適用し、振動源から空気を経由して直接光ファイバ長手の各点に届く波長の短い弾性波によって生じた光路長変化のみを抽出し、抽出した信号から、振動源と光ファイバ長手方向の各点との距離を測定するということを、振動源の位置を複数回変えて繰り返す事で、光ファイバ長手方向の各点の位置情報を取得することにより、光ファイバの位置を探索する。

（３）：また、本計測手法は、
ある注目した空間内において、空間全体に伝播する弾性波を一回または複数回に分けて振動源から発信すると同時に、空間内での有無を確認したい光ファイバの片端に繋いだ光反射計測装置によって光ファイバ長手各点での光路長変化を検出し、検出した光路長変化に前記（１）の信号処理を適用することで、振動源から空気を経由して直接光ファイバ長手の各点に届く波長の短い弾性波によって生じた光路長変化のみを抽出した信号を生成し、生成した信号上に弾性波によって生じた光ファイバの光路長変化が観測されるか否かの情報を使用することで、対象とする光ファイバの前記注目した空間内における有無を判定する。

（発明の効果）
本発明により、壁下や地下の配管等に存在する光ファイバケーブル内部の光ファイバの経路を正確に把握することができ、光ファイバケーブルの位置を探索することが可能となる。また、より簡便な方法にて、対象とする壁下範囲における光ファイバケーブルの有無を判断することも可能である。光ファイバを利用した通信設備を導入している建物・ビルにおいて、壁下に存在する光ファイバケーブルの位置が不明となっている部分に対して、本手法を用いてケーブル位置を探索することにより、対象とする壁に関する工事等の作業における事故予防や光ファイバケーブルよりなる光配線の取り回しを効率的に行うことを可能とする。また通信設備間の配線で、光ファイバケーブルが地下の配管内部に存在する場合にも、本発明は適用することが可能であり、地下配管周囲の工事等の作業時に光ファイバケーブルの経路探索を通して地下配管の位置確認を行うことで、安全な作業の実施が可能となる。

３０１：壁
３０２：光ファイバ
３０３：光ファイバケーブル
３０４：振動源
３０５：光反射計測装置
３０６：光ファイバ長手方向のあるモニタ地点
３０７：留め具
３０８：光ファイバ探索時に使用する振動伝播経路
３０９：光ファイバ探索時に使用しない固体を伝播する振動伝播経路
３１０：光ファイバ探索時に使用しない留め具を経由して固体を伝播する振動伝播経路
３１１：空気層
３１２：信号生成装置
３１３：信号処理装置
３１４：壁との距離
４０１：壁１
４０２：壁２
４０３：光ファイバ
４０４：光ファイバケーブル
４０５：留め具
４０６：振動源
４０７：信号生成装置
４０８：光反射計測装置
４０９：信号処理装置
４１０：光ファイバ有無確認時に使用しない留め具を経由して固体を伝播する振動伝播経路

Claims (8)

1. 弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索方法であって、
   所定の領域に振動源から弾性波を与える弾性波付与手順と、
   光ファイバの一端に接続した光反射計測装置で、前記弾性波付与手順で付与した弾性波による前記光ファイバの他端から前記光ファイバの各点までの光路長変化の振動を測定する振動測定手順と、
   前記振動測定手順で測定した前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出する選別手順と、
   前記選別手順で抽出した信号成分を用いて前記振動源と前記光ファイバの各点との距離を算出する演算手順と、
   を行うことを特徴とする光ファイバ経路探索方法。
2. 前記選別手順で前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記振動源の位置を変えて前記弾性波付与手順から前記選別手順を繰り返し、前記高周波側の信号成分を抽出できたときに前記演算手順で前記距離を特定することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ経路探索方法。
3. 前記選別手順で前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記所定の領域に前記光ファイバが存在しないと判断することを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ経路探索方法。
4. 弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索システムであって、
   所定の領域に弾性波を与える振動源と、
   光ファイバの一端に接続し、前記振動源が付与した弾性波による前記光ファイバの他端から前記光ファイバの各点までの光路長変化の振動を測定する光反射計測装置と、
   前記光反射計測装置が測定した前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出し、前記信号成分を用いて前記振動源と前記光ファイバの各点との距離を算出する信号処理装置と、
   を備えることを特徴とする光ファイバ経路探索システム。
5. 前記信号処理装置は、前記振動源の位置を変えても前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記所定の領域に前記光ファイバが存在しないと判断することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ経路探索システム。
6. 弾性波センシング（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ）を利用した光ファイバ経路探索システムの信号処理装置であって、
   所定の領域に振動源から弾性波を与え、光ファイバの一端に接続した光反射計測装置で測定した前記弾性波による前記光ファイバの他端から前記光ファイバの各点までの光路長変化の振動の信号を受信し、前記光路長変化の振動の信号から予め設定したカットオフ周波数より高い高周波側の信号成分を抽出し、前記信号成分を用いて前記振動源と前記光ファイバの各点との距離を算出する演算部を備えることを特徴とする信号処理装置。
7. 前記演算部は、前記振動源の位置を変えても前記高周波側の信号成分を抽出できないとき、前記所定の領域に前記光ファイバが存在しないと判断することを特徴とする請求項６に記載の信号処理装置。
8. 請求項６又は７に記載の信号処理装置としてコンピュータを機能させるプログラム。

Images