NTT×東京大学、光ファイバー形状センシング技術における検出可能な曲率半径を10倍以上に拡張

NTTと東京大学大学院工学系研究科（以下、東京大学）は3月19日、既存の光ファイバーケーブル構造を活用したセンシング用光ファイバーケーブルを用いて、緩やかな形状変化（数メートル以上の曲率半径）を検出できる光ファイバーセンシング技術を実証したことを発表した。

従来の光ファイバー形状センシング技術は、検出可能な曲率半径が一般的に数センチメートルから数十センチメートル程度と急峻な変化に限られ、検出距離も数メートル程度と適用シーンが限定的だった。

今回実証した光ファイバーセンシング技術により、長さ数十メートルから数キロメートルにおよぶ大規模なインフラ設備における曲率半径数メートル以上の緩やかな形状変化を、遠隔から監視し検出できるようになる。

この技術により、大型構造物で生じる意図しないわずかな歪みの検出や、地下管路など目に見えない社会インフラの設備形状を可視化し、位置情報をデジタル化できるようになる。

将来的には、大規模設備にセンシング用光ファイバーケーブルを実装することで、大型構造物や社会インフラのデジタルツイン上での可視化、設備の予防保全への活用が期待されるとのことだ。

実証の背景

光ファイバーに沿った形状を検出する光ファイバー形状センシング技術は、マルチコア光ファイバーと呼ばれる、1本の光ファイバー内に複数の光の通り道を持つ構造を用いて、それぞれの光経路に生じる違いから、光ファイバーの曲がり具合や位置を推定する。

この技術は、細い器具やロボットアームなど形状の把握が重要な分野で有用なため、特に医療応用やロボティクスなどで活用されている。

しかし従来技術では、使用する測定器の制限などにより、検出できる長さは数メートル程度、検出可能な曲率半径も数センチメートル以下に限られており、空間的な形状変化が非常に緩やかな大型構造物への適用は困難とされていた。

一方、社会インフラや大型設備は、大型プラントのパイプラインや電力・通信・下水などの地下配管といった、直接観測が困難な構造物が多く存在する。これらの可視化には、カメラ搭載ロボットやレーダーなどが用いられるが、測定精度は環境条件の影響を受けやすく、構造物の長さ方向に沿った継続的な監視には課題があった。

大型構造物では時間の経過とともに生じるわずかな形状変化の蓄積が故障につながる可能性があるため、継続的な監視が重要となる。しかし、従来の技術では、構造物の全長にわたって変化を常時モニタリングすることは困難だった。

こうした課題に対し、NTTと東京大学の村山英晶教授は、NTTが通信設備向けに培った光ファイバーケーブルの設計・評価技術を活用したセンシング用光ファイバーケーブル技術と、村山教授が開発した光ファイバー中で生じる歪みの分布から光ファイバーの敷設形状を推定する形状推定技術とを組み合わせ、曲率半径が数メートル以上の非常に緩やかな形状変化を数キロメートルにわたって検出できる新たな光ファイバー形状センシング技術を検討してきた。

センシング用光ファイバーケーブルと形状センシング技術

歪み分布の逐次解析による光ファイバーケーブルの形状推定

光ファイバー中の長手方向の歪みを分布的に測定できるB-OTDR（Brillouin-Optical Time Domain Reflectometry）を用いて、複数の光経路における歪みの違いから高精度な形状を推定する解析技術を開発。

複数の光経路で生じた歪みとそれらの位置関係から地点ごとの曲げ方向と曲がり量を推定し、それを長手方向に沿って逐次的に計算することで、光ファイバーケーブル全体の形状を推定できるという。

さらに、既知の曲げ形状あるいは直線状態における歪み分布を参照することで、形状推定精度の向上にも成功した。

従来の形状センシングで用いるOFDR（Optical Frequency Domain Reflectometry）方式は測定距離が数メートル以下に制限されるが、B-OTDRを用いた計測手法では数キロメートルにわたる長距離の形状測定も可能にな。

形状センシングに適した多心光ファイバーケーブル構造

光ファイバー形状センシングでは、複数の光経路で生じる異なる情報を解析することで光ファイバーの敷設形状を推定し、検出できる曲率半径の大きさは光経路間の距離に応じて大きくなる。

従来の光ファイバー形状センシングでは、マルチコア光ファイバーと呼ばれる1心の光ファイバーに複数の光経路を有する構造が用いられてきたが、光経路の間隔は光ファイバーの細さで制限されるため数十マイクロメートル程度と小さく、検出可能な曲率半径は数センチメートルから数十センチメートル程度だった。

今回、屋内通信用光ファイバーケーブルとして用いられる、0.25ミリメートル間隔で整列・固定された8心の光ファイバーを実装した多心光ファイバーケーブル構造を用いることで、数メートル以上の曲率半径の検出を可能とした。

この光ファイバーケーブルは長方形の形状を有することから、意図しない捻じれによる解析誤差の低減も期待できるという。

開発技術のターゲットと既存技術との関係

実証実験の概要

実験ではNTT筑波研究開発センタ内に設置した曲率半径3から10メートルの3種類の模擬管路を用意し、光ファイバーケーブルを管路に沿って固定して測定し解析を行った。光ファイバーケーブル内に実装された複数の光ファイバーに加わっている歪み分布をB-OTDRにより取得し、東京大学の村山英晶教授が開発した形状分布の逐次解析法を用いて、光ファイバーケーブルの形状を推定した。

最も曲率半径が大きく、検出が最も難しい曲率半径10メートルの模擬管路における実験では、実際の管路形状と、光ファイバーケーブルの歪み分布から推定された形状との誤差は1%以下となり、高い精度で一致した。

さらに、曲率半径3メートルおよび7メートルの模擬管路でも同様に高い精度で曲げ形状を検出できることを確認した。これにより、従来の光ファイバー形状センシングでは検出が不可能だった曲率半径数メートルの非常に緩やかな形状変化を検出できることを実証した。

なお、今回の実験では平面上に湾曲した最大10メートルの曲げ形状を用いて技術の原理確認実験を行った。今後は曲率半径10メートル以上のより緩やかな形状を含む、より長い距離における3次元状の形状変化の検出についても取り組む予定とのことだ。