JP4056038B2

JP4056038B2 - 光ファイバを利用した積雪センサ、積雪計および積雪計測法

Info

Publication number: JP4056038B2
Application number: JP2002071499A
Authority: JP
Inventors: 一彦藤橋; 大奥津; 宏至小松
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: JP2003270358A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバを利用して積雪量を計測する技術、特に、積雪センサ、積雪計および積雪計測法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、赤外線や超音波を利用した電気式センサにより、積雪量の計測を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気式センサを用いて積雪量を計測する場合、下記のような問題点がある。
(1) 天候や高圧電線等の外的要因に対して、影響を受け易く弱い。
(2) 費用がかかる。
(3) 多点計測を行う場合、積雪計測システムが煩雑になる。
(4) 各センサ毎に電源が必要である。
【０００４】
本発明は従来技術の上記問題点に鑑みてなされたものであり、電気式センサを使用せず、光ファイバを利用することで、積雪量計測が可能な技術の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１発明から第４発明は光ファイバを利用した積雪センサであり、第５発明は光ファイバを利用した積雪計であり、第６発明は光ファイバを利用した積雪計測法である。
【０００６】
第１発明の積雪センサは、支持部材と、前記支持部材にらせん状または直線状の形状をなして上下方向に支持された光ファイバとを備え、前記光ファイバは積雪計測のために光パルス試験器に接続され、前記光ファイバは一定間隔毎に、熱伝導率の異なる材料で被覆されていることを特徴とする。第２発明は、第１発明の積雪センサにおいて、前記支持部材は棒状であり、前記支持部材に前記光ファイバがらせん状に巻き付けられていることを特徴とする。第３発明は、第１発明または第２発明の積雪センサにおいて、前記支持部材の熱伝導率が前記光ファイバの熱伝導率より低いことを特徴とする。第４発明は、第１発明から第３発明いずれかの積雪センサにおいて、前記光ファイバの外面に雪氷の付着を防止する材料が塗布されていることを特徴とする。
【０００７】
第５発明の積雪計は、第１発明から第４発明いずれかの積雪センサと、前記積雪センサの前記光ファイバの一端に接続された光パルス試験器と、前記光パルス試験器に接続された信号処理装置とを備え、前記光パルス試験器は前記光ファイバに光パルスを入射し、ブリルアン散乱光あるいはラマン散乱光を受光して前記光ファイバ内の温度分布に関連する情報を計測し、前記信号処理装置は前記温度分布に関連する情報から積雪量を算定するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
第６発明の積雪計測法は、らせん状または直線状の形状をなす光ファイバを積雪計測対象地点にて上下方向に配置し、前記光ファイバは一定間隔毎に、熱伝導率の異なる材料で被覆され、前記光ファイバの一端に光パルス試験器から光パルスを入射して前記光ファイバ内の温度分布に関連する情報を求め、前記温度分布に関連する情報から積雪量を算定することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１に、本発明の実施の形態に係る積雪センサおよび積雪計の構成を示す。図１中、１は支持部材、２は光ファイバ、３は雪中、４は気中、５は境界面、６は被覆（高熱伝導率）、７は被覆（低熱伝導率）、８は光パルス試験器、９は信号処理装置、１０は積雪センサ、１１は積雪計、１２は温度変化位置、１３は塗料（雪氷付着防止）を示している。
【００１１】
積雪センサ１０は、主として、支持部材１と光ファイバ２で構成される。図１に示す例では、支持部材１は棒状であり、この支持部材１に光ファイバ２をらせん状の形状をなして上下方向に巻く付けることで、上下方向に支持している。積雪センサ１０は積雪量の計測対象地点にて、光ファイバ２のらせん状部分を上下方向（通常は垂直）に配置して建てられる。光ファイバ２の一端は光パルス試験器８に接続される。図１では、らせん状部分のうち上側が光パルス試験器８に接続されているが、光パルス試験器８に接続される側はらせん状部分のうち上下いずれでも良い。
【００１２】
積雪計１１は、積雪センサ１０と、光パルス試験器８と、信号処理装置９で構成される。光パルス試験器８は光ファイバ２に光パルスを入射し、光ファイバ２から後方散乱光分布に関連する情報を計測するように構成されている。信号処理装置９は光パルス試験器８に接続されており、光パルス試験器８で計測した光ファイバ２内の温度分布に関連する情報から、積雪量を算定するように構成されている。
【００１３】
ここで、光ファイバ２を利用した積雪計測の原理を説明する。光ファイバ２の長手方向の温度分布に関して、雪中３と気中４との境界面５に相当する位置１２で、温度が変化する。その理由は、降雪時には雪中３の温度の方が気中４よりも高く、融雪時には気中４の温度の方が雪中３よりも高いというように、雪中３と気中４で温度が異なるからである。
【００１４】
従って、光ファイバ２内の温度分布に関連する情報を計測することにより、光ファイバ２内の温度変化位置（長手方向に関して温度が変化した位置）１２を知ることができる。
【００１５】
そして、光ファイバ２のらせん状部分の既知の形状パラメータ（例えばらせんのピッチやらせんの半径（または直径）、光ファイバの下端位置など）を用いることにより、温度変化位置１２から、境界面５の高さ、つまり積雪量を算定することができる。例えば、通常、温度変化位置１２は、光パルス試験器８側を起点にした光ファイバ２の長手方向距離として計測されるので、図１のようにらせん部分の上側から光ファイバ２が光パルス試験器８に接続されている場合は、光ファイバ２の全長（既知）から温度変化位置１２を減算した長さと、らせん状部分の形状パラメータから、積雪量を計算すれば良い。逆に、温度変化位置１２が光ファイバ２の先端（光パルス試験器８とは反対側）を起点にした長手方向距離として計測される場合は、温度変化位置１２そのもと、らせん状部分の形状パラメータから、積雪量を計算すれば良い。一方、光パルス試験器８側を起点にした光ファイバ２の長手方向距離として計測される場合でも、図１とは反対にらせん部分の下側から光ファイバ２が光パルス試験器８に接続されている場合は、光ファイバ２の光パルス試験器８側かららせん部分下側までの長さ（既知）を温度変化位置１２から減算した長さと、らせん状部分の形状パラメータから、積雪量を計算することができる。図１とは反対にらせん部分の下側から光ファイバ２が光パルス試験器８に接続されている場合でも、逆に、温度変化位置１２が光ファイバ２の先端（光パルス試験器８とは反対側）を起点にした長手方向距離として計測される場合は、光ファイバ２の全長から温度変化位置１２および光パルス試験器８側かららせん部分下側までの長さを減算した長さと、らせん状部分の形状パラメータから、積雪量を計算するこができる。
【００１６】
光ファイバ２内の温度分布に関連する情報は、光パルス試験器８により求めることができる。その理由は、光ファイバ２には温度変化位置１２で、伸びまたは圧縮ひずみが生じ、そのひずみ量は温度変化に対して線形性を有すること、および、光ファイバ２に光パルスを入射したときにひずみ発生位置（つまり温度変化位置１３）で後方散乱光が生じ、その波長シフト（または周波数シフト）量はひずみに比例することであり、光パルスの入射から後方散乱光の到達までの時間と、光ファイバ２中の光パルスの速度（既知）によって、温度変化位置（ひずみ発生位置）１２を計測することができる。
【００１７】
したがって、光ファイバ２内の温度分布に関連する情報としては、後方散乱光分布に関連する情報から得られ、例えば波長シフト（または周波数シフト）情報に限らず、ひずみ情報、あるいは、温度情報そのものがあり、そのうちどれを信号処理装置９が用いるかは光パルス試験器８が有する機能による。
【００１８】
光パルス試験器８の計測出力が後方散乱光の波長シフト（または周波数シフト）情報であれば、信号処理装置９は光パルスの速度と光パルスの入射から後方散乱光の到達までの時間によって温度変化位置１２を計算し、光ファイバ２のらせん状部分の既知の形状パラメータを用いてことにより、積雪量を算定する。
【００１９】
光パルス試験器８の計測出力がひずみ情報であれば、信号処理装置９はひずみ情報からひずみ発生位置を特定して温度変化位置１２とし、光ファイバ２のらせん状部分の既知の形状パラメータを用いてことにより、積雪量を算定する。
【００２０】
光パルス試験器８の計測出力が温度情報そのものであれば、信号処理装置９は温度情報から温度変化位置１２を特定し、光ファイバ２のらせん状部分の既知の形状パラメータを用いてことにより、積雪量を算定する。
【００２１】
いずれの場合も、予め実験等で求めたしきい値と、波長シフト（または周波数シフト）量、ひずみ量あるいは温度変化量と比較することで、雪中３と気中４との境界面５に相当する温度変化位置１２であるかどうか、判定すると良い。
【００２２】
光パルス試験器８として、例えば、光・損失統合型パルス試験器（以下、Ｂ−ＯＴＤＲ）を用いることができる。Ｂ−ＯＴＤＲは、光ファイバ２中に入射した光パルスの光ファイバ２のひずみ（伸びまたは圧縮）に比例するブリルアン散乱光の波長シフト量を検出することによりひずみ量を計測し、ひずみ発生位置（温度変化位置１２）をブリルアン散乱光の到達までの時間によって計測するものである。
【００２３】
温度分布に関連する情報を測定する際に利用可能な後方散乱光は、ブリルアン散乱光およびラマン散乱光であり、Ｂ−ＯＴＤＲに限らず、これらを計測可能な光パルス試験器を用いることができる。
【００２４】
本例では光パルス試験器８と信号処理装置９が別体になっているが、両者の機能を兼ね備えた機器を用いることもできる。
【００２５】
上述したように、本例では、光ファイバ２を棒状の支持部材１にらせん状に貼り付けて積雪センサ１０とし、光ファイバ２の一端に光パルス試験器８を接続して後方散乱光を計測し、光ファイバ２の温度変化位置１２から信号処理装置９で積雪量を算定することにより、下記の効果がある。
(1) 積雪センサ１０では、稼働部や電気的な部品を用いない光ファイバ２自身を測定部として用いるため、外的要因の影響、例えば雷・高圧電線等の誘導による影響を受けず、故障が少なく、厳しい屋外環境下における信頼性の高い積雪計測が可能になる。
(2) 積雪センサ１０は、支持部材１に光ファイバ２を巻き付けたものであるから、構造が簡易であり、安価に製造することができる。
(3) １本の光ファイバ２が積雪センサ１０と光パルス試験器８への伝送部を構成しているので、積雪計測システムの構成が簡素化する。また、遠隔監視が可能であり、また、多点計測の場合、１本の光ファイバ２上に複数の積雪センサ１０を直列に配置した構成がとれるので、さらに積雪計測システムの構成を簡素化することが可能である。これは、複数の積雪センサ１０の各光ファイバ２を直列接続することと等価である。１本の光ファイバ２上に複数の積雪センサ１０を直列配置した場合でも、複数の積雪センサ１０における個々の温度変化位置１２を区別して計測でき、段落［００１５］で述べた手法を個々の積雪センサ１０毎に適用することにより、積雪センサ１０を設置した個々の積雪計測対象地点での積雪量を温度変化位置１２から算定することができる。
(4) 積雪センサ１０には電源（給電）が不要である。
(5) メンテナンス等の稼働・維持管理コストを削減できる。
【００２６】
本発明は、光ファイバ２内の温度変化位置１３が雪中３と気中４との境界面５の温度変化に対応することに着目して積雪量を計測するものであるから、境界面５したがって温度変化位置１２をできるだけ明確にすることが好ましい。そのために以下に述べる工夫をしている。
【００２７】
第１に、光ファイバ２を、一定間隔毎に、熱伝導率の異なる材料で被覆している。これにより、光ファイバ２の雪中３での温度と、気中４での温度との差が明確になる。図１において、２種類の被覆６、７のうち、被覆６（細い実線および破線で示す部分）は高熱伝導率の材料を用いた被覆であり、被覆７（太い実線および破線で示す部分）は低熱伝導率の材料を用いた被覆である。本例では、らせんの４回おきに１回、低熱伝導率の被覆７を施しているがこれに限定されるものではない。
【００２８】
第２に、支持部材１として、熱伝導率が特に低い材料を用いている。言い換えれば、支持部材１の熱伝導率がすくなくとも光ファイバ２の熱伝導率よりも低くなるようにしている。これにより、支持部材１から光ファイバ２への熱伝達を妨げ、温度変化位置１２が不明確になることを防止することができる。なお、上述した２種類の被覆６、７間での熱伝導率の高低関係は相対的なもので良く、光ファイバ２の熱伝導率よりも被覆６の熱伝導率の方が高く、被覆７の熱伝導率の方が低いことは必ずしも必要ではない。
【００２９】
第３に、支持部材１に光ファイバ２を巻き付けた後、超撥水材等、雪氷の付着を防止する材料からなる塗料１３を、少なくとも光ファイバ２の外面に塗布している。この塗料１３は積雪センサ１０全体に塗布しても良い。
【００３０】
さらに、本例では、光ファイバ２の片方の一端を支持部材１の下端に位置させて、一定ピッチで下から上へ、支持部材２の表面にらせん状に１層巻き付けることで、支持部材１により光ファイバ２を上下方向に支持している。光ファイバ２のもう片方の一端は、積雪計測のために光パルス試験器８に接続される。前述したが、これとは逆に、光ファイバ２の片方の一端を支持部材１の上端付近に位置させて、一定ピッチで上から下へ、支持部材２の表面にらせん状に１層巻き付けることで、支持部材１により光ファイバ２を上下方向に支持し、光ファイバ２のもう片方の一端を、積雪計測のために光パルス試験器８に接続するようにしても良い。
【００３１】
そして、支持部材１の表面に一定ピッチのらせん状案内溝を形成し、この案内溝内を利用して、光ファイバ２を一定ピッチで支持部材１に巻き付けている。
【００３２】
図示した積雪センサ１０では支持部材１が断面円形の棒状であるが、原理的には断面形状が限定されるものではなく、板状などであっても良い。
【００３３】
また、光ファイバ２を一定ピッチでらせん状に支持部材１に巻き付けたが、ピッチは必ずしも一定である必要はない。ピッチが一定でなくても光ファイバ２のらせん状部分の形状パラメータが既知であることから、温度変化位置１２から積雪量を計測可能である。
【００３４】
さらに、光ファイバ２は支持部材１に上下方向に支持されればよく、らせん状に巻き付けることに限定されるものではない。例えば、光ファイバ２を上下方向に直線状の形状をなして支持部材１に支持させることも可能である。
【００３５】
即ち、光パルス試験器８としてＢ−ＯＴＤＲ（光・損失統合型パルス試験器）を使用する場合は、温度変化位置１２を計測する場合の分解能が１ｍ程度であるので、光ファイバ２を支持部材１にらせん状に巻き付けることにより、積雪量を１ｍよりずっと小さい分解能で計測することができる。
【００３６】
しかし、温度変化位置１２を例えば１０ｃｍ程度と小さい分解能で計測できる光パルス試験器を使用する場合は、光ファイバ２が直線状であっても、積雪量を例えば１０ｃｍ程度の小さい分解能で計測することができる。
【００３７】
したがって、２種類の被覆６、７を一定間隔毎に施す場合も、温度変化位置１２の計測分解能に応じて間隔を定めることができ、らせんの例えば１回おきに１回、低熱伝導率の被覆７を施すことができる。
【００３８】
同様に、光ファイバ２が直線状の場合でも、温度変化位置１２の計測分解能に応じて、２種類の被覆６、７を一定間隔毎に施すことができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から判るように、本発明によれば、下記の効果がある。
(1) 積雪センサに電気部品を使用しないことにより、天候等の影響を受けず、メンテナンス等の稼働・維持管理コストが削減される。また、安価であるため、従来と同等の費用で、より多点計測が可能になり、積雪量分布の包括的な把握が容易になる。
(2) さらに、１本の光ファイバで、積雪センサと、積雪センサから光パルス試験器への伝送部を構成することができ、多点計測においても積雪計測システムが簡素化する。
(3) 積雪センサに電源が不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図。
【符号の説明】
１支持部材
２光ファイバ
３雪中
４気中
５境界面
６被覆（高熱伝導率）
７被覆（低熱伝導率）
８光パルス試験器
９信号処理装置
１０積雪センサ
１１積雪計
１２温度変化位置
１３塗料（雪氷付着防止）

Claims

支持部材と、前記支持部材にらせん状または直線状の形状をなして上下方向に支持された光ファイバとを備え、前記光ファイバは積雪計測のために光パルス試験器に接続され、前記光ファイバは一定間隔毎に、熱伝導率の異なる材料で被覆されていることを特徴とする積雪センサ。
請求項１において、前記支持部材は棒状であり、前記支持部材に前記光ファイバがらせん状に巻き付けられていることを特徴とする積雪センサ。
請求項１または２に記載の積雪センサにおいて、前記支持部材の熱伝導率が前記光ファイバの熱伝導率より低いことを特徴とする積雪センサ。
請求項１から３いずれかに記載の積雪センサにおいて、前記光ファイバの外面に雪氷の付着を防止する材料が塗布されていることを特徴とする積雪センサ。
請求項１から４いずれかに記載の積雪センサと、前記積雪センサの前記光ファイバの一端に接続された光パルス試験器と、前記光パルス試験器に接続された信号処理装置とを備え、前記光パルス試験器は前記光ファイバに光パルスを入射し、ブリルアン散乱光あるいはラマン散乱光を受光して前記光ファイバ内の温度分布に関連する情報を計測し、前記信号処理装置は前記温度分布に関連する情報から積雪量を算定するように構成されていることを特徴とする積雪計。
らせん状または直線状の形状をなす光ファイバを積雪計測対象地点にて上下方向に配置し、前記光ファイバは一定間隔毎に、熱伝導率の異なる材料で被覆され、前記光ファイバの一端に光パルス試験器から光パルスを入射して前記光ファイバ内の温度分布に関連する情報を求め、前記温度分布に関連する情報から積雪量を算定することを特徴とする積雪計測法。