「準分散型センシング」とは？ | What is quasi-distributed sensing?

OFSCN 全球技術センター OFSCN 技術知識ベース
1

これは、どこでも測定できる分布型センシング（DTS）とはどう違うのですか？

2

光ファイバーセンシング工学の分野では、**準分布型光ファイバーセンシング（Quasi-Distributed Sensing）と全分布型光ファイバーセンシング（Fully Distributed Sensing、通常DTSなどの技術を指す）**は、どちらも伝送媒体として光ファイバーを使用していますが、その根本的な物理メカニズム、空間的連続性、および適用シナリオには本質的な違いがあります。

以下に、両者のコア技術比較と物理的解析を示します。

1. コンセプトと空間的連続性のコアな違い

  • 全分布型光ファイバーセンシング（Fully Distributed Sensing、例：DTS）
    • 原理：**光ファイバー全体が伝送媒体であると同時に「連続的なセンサー」**となります。
    • 特徴：光ファイバー上の任意の点（あらゆるところ）が物理量の測定に参加します。
    • 位置特定メカニズム：光時間領域反射（OTDR）または光周波数領域反射（OFDR）技術を利用し、光が光ファイバー内を伝播する時間差または周波数差に基づいて、物理量変化が発生した正確な空間位置を特定します。光ファイバー内部の格子振動や密度変動によって生じる固有の後方散乱光（ラマン散乱、ブリルアン散乱、レイリー散乱など）を収集して測定を実現します。
  • 準分布型光ファイバーセンシング（Quasi-Distributed Sensing、例：FBG）
    • 原理：センサーは光ファイバー上の「特定の離散点」にのみ分布し、光ファイバー自体はセンシングに参加しません。
    • 特徴：通常、単一の光ファイバーの特定の位置に複数のファイバーグレーティング（FBG）を書き込むことで、「センサー列/アレイ」を形成します。グレーティングが書き込まれた点（測定点）でのみ温度やひずみなどのデータを取得でき、2つのグレーティング間の通常の光ファイバー部分にはセンシング能力がありません（測定されない領域（ブラインドエリア）となります）。
    • 位置特定メカニズム：主に波長分割多重（WDM）技術を利用し、各グレーティングに異なる初期反射波長 \lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda を与え、デモジュレータが異なるスペクトル波長を識別することで、各測定点の位置を区別します。

2. 技術指標と性能比較

指標次元 準分布型光ファイバーセンシング（FBGシステムを例に） 全分布型光ファイバーセンシング（Raman-DTS / OFDRを例に）
物理信号メカニズム ファイバーグレーティングの狭帯域反射（信号は非常に強い） 光ファイバー自体の固有の後方散乱（信号は非常に弱い）
空間的連続性 離散的な複数点、測定点間に測定されない領域（ブラインドエリア）が存在 空間的に完全に連続、理論上測定されない領域（ブラインドエリア）は存在しない
測定速度（サンプリングレート） 非常に高速。データサンプリング周波数は通常 10\text{ Hz} から 100\text{ Hz} 、場合によっては \text{kHz} レベルに達し、動的な振動や過渡的なプロセスの測定に極めて適しています。 比較的遅い。後方散乱信号は通常 -50\text{ dB} 以下であるため、大量の光パルス積算と信号平均が必要となり、単一の完全なスキャンには通常数秒から数分かかります（特殊なDASを除く）。
単一チャネルの測定点上限 デモジュレータ光源の波長帯域幅（通常 1525\text{ nm} から 1565\text{ nm} の 40\text{ nm} の帯域幅）に制限され、隣接する測定点の波長が重ならないようにするため、単一の光ファイバーでは通常 5 から 10 個の測定点に制限されます。 ほぼ無制限。 10\text{ km} の光ファイバーが 1\text{ m} の空間分解能を持つ場合、 10,000 個の連続した測定点に相当します。
精度と信号対雑音比（SNR） 反射率は通常 10\% から 99\% 以上で、反射スペクトル線は急峻であり、極めて高い信号対雑音比、波長分解能、測定精度を備えています。 信号が微弱であり、ノイズや長距離光ファイバーの損失の影響を受けやすいため、複雑なアルゴリズムで微弱な信号を抽出する必要があります。

3. 大成永盛（OFSCN®）関連製品および応用

大成永盛（OFSCN®）は、これら両技術の方向性において、高性能・高信頼性のカプセル化センサー、センシング光ファイバーケーブル、およびデモジュレーションシステムを提供しています。

A. 準分布型センシングシステム関連製品

多点、高速、高精度の局所的な離散物理量の測定が必要な場合は、ファイバーグレーティング（FBG）ベースの準分布型センサー列およびデモジュレータの選択を推奨します。

  1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

  2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

    • 技術的利点：複数点直列設計をサポートし、極限高温環境下で優れた波長安定性を提供します。単一センサー内の測定点数は 5 個以下を推奨します。

  3. OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter)

    • 技術的利点：準分布型ひずみ測定用に特別に設計されており、複数の測定セグメントのカスタマイズが可能です。

  4. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator

B. 完全分布型センシングシステム関連製品

「ラマン散乱 Raman-DTS」または「レイリー散乱 OFDR」ベースの完全分布型センシング装置一式を使用している場合、大成永盛（OFSCN®）が提供する特殊シームレス鋼管分布型センシング光ファイバーケーブルは、長距離・全連続測定のための安定した物理的保護を提供します。

  1. OFSCN® 200°C Distributed Fiber Temperature Sensor

  2. OFSCN® 85°C Distributed Fiber Temperature Sensor

  3. OFSCN® 300°C Distributed Fiber Temperature Sensor

  4. OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor

4. まとめと選定ガイド

  • 「全体的な傾向」（例：ダム全体の浸漏、長距離パイプラインの漏洩、トンネル火災監視）を測定したい場合：**全分布型光ファイバーセンシング（DTS）**が唯一実行可能なソリューションです。なぜなら、漏洩がどの1メートルで発生するかを予測できないからです。
  • 「局所的な高周波、精密な詳細」（例：バッテリーセルの局部的な温度上昇、医療用機械の刺入過程での受力、高速橋梁や翼の振動監視）を測定したい場合：FBGベースの準分布型光ファイバーセンシングは、その超高信号対雑音比と極めて高速な物理応答速度により、より優れたエンジニアリング選択肢となります。