JP2016053525A - 光ファイバの温度・歪み分布測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度に測定する方法を提供すること。【解決手段】 ＯＦＤＲによる後方レイリー散乱光測定を複数回にわたって実施する。各回の測定で得られた後方レイリー散乱光波形のそれぞれに生じている、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響を、連結参照法により補償する。そして、位相雑音補償を行った後の複数の後方レイリー散乱光波形を比較することで、周波数掃引光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離でも温度・歪分布を高精度に測定する方法を提供する。【選択図】 図２

Description

この発明は、光ファイバの温度・歪み分布測定方法および装置に関する。

光時間領域反射測定法（Optical Time Domain Reflectometry：ＯＴＤＲ）、および光周波数領域反射測定法（Optical Frequency Domain Reflectometry:ＯＦＤＲ）は、光通信技術における測定技術として著名である。これらの光リフレクトメトリ測定方法によれば、光ファイバの伝送損失分布や、温度・歪み分布を測定することができる。例えば非特許文献１および非特許文献２に、不規則なジグザグを描く後方レイリー散乱光波形を用いて、温度・歪み分布を高精度に測定する技術が提案されている。

ＯＦＤＲは、周波数掃引光源からのローカル光を光ファイバからの後方散乱光と干渉させて生じるビート信号を解析して、光ファイバにおける後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定するという技術である。しかしながら周波数掃引光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離では後方散乱光とローカル光との干渉性が失われ、ビート信号のスペクトル幅が広がってしまうので損失分布の測定精度が劣化する。そこで、出力光のコヒーレンス特性に基づいて測定結果を補償することで、損失分布を測定距離によらず高精度に得られるようにする技術が発案され、特許出願されている（例えば特許文献１）。このほか非特許文献３にも、光源の位相雑音の影響を補償する方法が開示されている。

再公表ＷＯ２００８／１０５３２２号公報

Y. Koyamada, S. Hirose, S. Nakamura, and K. Hogari, "Novel fiber-optic distributed strain and temperature sensor with very high resolution," IEICE TRANS. COMMUN., Vol. E89-B, No. 5, pp. 1722-1725, 2006. S. T. Kreger, A. K. Sang, D. K. Gifford, and M. E. Froggatt, "Distributed strain and temperature sensing in plastic optical fiber using Rayleigh scatter," Proc. of SPIE Vol. 7316, 73160A, 2009. X. Fan, Y. Koshikiya, and F. Ito, "Phase-noise-compensated optical frequency-domain reflectometry," IEEE J. Quantum Electron., Vol. 45, No. 6, pp. 594-602, 2009.

光信号の損失分布の測定精度は、光リフレクトメトリ測定方法を用いて、長距離においても一定の水準で達成されている。しかしながら温度・歪み分布を高精度に測定できる距離は依然として、周波数掃引光源のコヒーレンス長の１／２程度に制限されている。光リフレクトメトリ測定方法を用いて、温度・歪み分布を長距離においても高精度に測定可能とする技術が要望されている。

この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度に測定する方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の態様を以下に述べる。
（１）本発明に係わる温度・歪み分布測定方法は、第１乃至第９のステップを具備する。第１ステップは、光周波数を掃引される光源からの出力光を測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、出力光の位相雑音の影響を測定するステップである。第２ステップは第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップである。第３ステップは、第１ステップとは異なる時に光源からの出力光を測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、出力光の位相雑音の影響を測定するステップである。第４ステップは、第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップである。第５ステップは、第２ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形と、第４ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形とのそれぞれについて測定対象とする区間を抽出するステップである。第６ステップは、第５ステップで抽出された区間の波形を逆フーリエ変換して、第２ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、第４ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとを算出するステップである。第７ステップは、第２ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、第４ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとの相互相関により周波数シフト量を算出するステップである。第８ステップは、周波数シフト量に基づいて測定対象の温度・歪みを算出するステップである。第９ステップは、第５ステップ乃至第８ステップを繰り返して、測定対象における温度・歪みの光の伝播方向に対する分布を算出するステップである。

すなわち（１）の態様によれば、光源の位相雑音の影響を補償された複数の後方レイリー散乱波形に基づいて温度・歪み分布を測定することができる。従って位相雑音の影響の大きい長距離区間においても、温度・歪み分布の測定精度を高められる。

（２）本発明に係わる温度・歪み分布測定方法は、（１）において、第２ステップは、光源のコヒーレンス時間程度の遅延を与える参照干渉計から出力されるビート信号の位相を連結して光源の位相雑音の影響を補償する連結参照法により、第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップであり、第４ステップは、連結参照法により、第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップである。

すなわち（２）の態様によれば、後方レイリー散乱光波形に対し位相雑音の影響を連結参照法により補償することができる。

この発明によれば、光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度に測定する方法および装置を提供できる。

図１は、実施形態に係る光リフレクトメトリ測定装置の一例を示す図である。 図２は、実施形態に係る、ＯＦＤＲによる温度・歪み分布測定の手順の一例を示すフローチャートである。 図３は、被測定光ファイバ４の各点における相互相関ピーク強度の一例を示す図である。

図１は、実施形態に係る光リフレクトメトリ測定装置の一例を示す図である。この実施形態ではＯＦＤＲにより後方レイリー散乱光波形を観測することを想定する。
図１において、周波数掃引連続光光源１は連続光を出射する。周波数掃引連続光光源１は、連続光の周波数を時間に対して線形に掃引する。この出力光２は分岐素子３により分岐され、一方は参照干渉計６に参照光７として入射され、他方は主干渉計５に入射される（入射光１３）。

参照干渉計６に入射された参照光７は分岐素子８により２分岐され、一方の光のみが遅延ファイバ９により遅延されたのち互いに合分岐素子１０で合波される。合波された光は受光素子１１で電気信号に変換される。アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２はこの電気信号をディジタルデータに変換し、データ処理装置２２に入力する。

一方、主干渉計５への入射光１３は分岐素子１４でさらに２分岐され、一方はローカル光１６として合分岐素子１９に入射され、他方が測定光１５として被測定光ファイバ４に入射される。

測定光１５は被測定光ファイバ４を伝搬する過程でレイリー散乱され、後方散乱光１８が生じる。後方散乱光１８は光サーキュレータ１７により取り出され、合分岐素子１９によりローカル光１６と合波されたのち受光素子２０で電気信号に変換される。この電気信号は、後方散乱光１８とローカル光１６との干渉により生じる干渉ビート信号を含む。アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２１は干渉ビート信号をディジタルデータに変換し、データ処理装置２２に入力する。

データ処理装置２２は、主干渉計５からのディジタルデータおよび参照干渉計６からのディジタルデータに基づく周波数解析により、被測定光ファイバ４の各位置からの後方散乱光強度分布を得る。次に、図１の構成を基礎として、被測定光ファイバ４の温度・歪み分布を測定する一般的な手法を説明する。

まず、少なくとも２回のＯＦＤＲ測定を行う。例えば初回の測定で得られた被測定光ファイバ４の後方レイリー散乱光波形をｐ_１（ｚ）とし、次回以降の測定で得られた被測定光ファイバ４の後方レイリー散乱光波形をｐ_２（ｚ）とする。また、初回の測定での温度をＴ_１、歪みをε_１とし、次回以降の測定での温度をＴ_２、歪みをε_２とする。

次に、ｐ_１（ｚ）、ｐ_２（ｚ）のそれぞれについて温度・歪み測定対象とする区間を切り出す（抽出する）。切り出された区間の後方レイリー散乱光波形を逆フーリエ変換することにより、切り出された区間におけるレイリー散乱光スペクトルｓ_１（ν）、ｓ_２（ν）を得ることができる。ｓ_１（ν）とｓ_２（ν）との相互相関Ｒ_１，２（ν′）は式（１）により算出でき、周波数シフト量Δνを求めることができる。

Δνが求まれば、式（２）により、温度Ｔ_２、歪みε_２を求めることができる。

複数の区間を切り出して式（１）および（２）により温度、歪みを算出することで、被測定光ファイバ４における温度・歪み分布を求めることができる。

ＯＦＤＲにおいては、後方散乱光１８とローカル光１６とが合波して生じる干渉ビート信号の周波数が、被測定光ファイバ４の長手方向の距離に対応する。干渉ビート信号をフーリエ変換すれば被測定光ファイバ４の後方レイリー散乱光波形を得ることができる。

簡単のためにＫ個の散乱体が一次元方向に並んだモデルを考える。このようなモデルにおいてＯＦＤＲで測定される干渉ビート信号Ｉ（ｔ）は、式（３）で与えられる。

式（３）において、ａ_ｉはｉ番目の散乱体による散乱光の振幅、γは試験光の周波数掃引速度、ν_０は試験光の初期周波数、τ_ｉはｉ番目の散乱体までの距離ｚ_ｉに対応する遅延時間を示す。等式τ_ｉ＝２ｎｚ_ｉ／ｃ（ｎは屈折率、ｃは真空における光速）が成り立つ。

θ（ｔ）は周波数掃引連続光光源１の位相雑音を示す。位相雑音θ（ｔ）は、測定中に、また、測定の度にランダムに発生する。光源のコヒーレンス時間τ_ｃに対してτ_ｉ＞τ_ｃとなる測定距離では、θ（ｔ）−θ（ｔ−τ_ｉ）の影響が大きくなり、このことが測定の空間分解能を低下させる。

測定距離が光源のコヒーレンス長に対して十分短く（時間次元でτ_Ｋ＜＜τ_ｃが成り立ち）、θ（ｔ）−θ（ｔ−τ_ｉ）≒０と見做せるならば、Ｉ（ｔ）のフーリエ変換ｐ（ｆ）は式（４）で近似される。

τ_ｉ＝２ｎｚ_ｉ／ｃであるから、ｆは被測定光ファイバの長手方向の距離に対応し、ｐ（ｆ）は後方レイリー散乱光波形を表す。ｐ（ｆ）について、任意の区間を抽出する（切り出す）、すなわちｎ_１≦ｉ≦ｎ_２の範囲の足し合わせのみを考え、逆フーリエ変換すると、式（５）および（６）に示されるレイリー散乱光スペクトルｓ（ν）を得ることができる。

温度・歪み変化があると、光ファイバが伸縮し、τ_ｉが変化する。光ファイバ（被測定光ファイバ）の状態が温度Ｔ_１、歪みε_１から温度Ｔ_２、歪みε_２に変化し、ｉ番目の散乱点に対応する遅延量がτ_ｉ，１からτ_ｉ，２に変化したとすると、ｓ（ν）は式（７）を満たすΔνだけ横軸方向にシフトする。

周波数シフト量Δνは、式（１）に示されるｓ_１（ν）とｓ_２（ν）の相互相関Ｒ_１，２（ν′）により求められる。ｓ（ν）がΔνだけ周波数シフトしたとすると、Ｒ_１，２（ν′）はν′＝Δνにおいてピークとなる。求められたΔνを用いて、式（１）を計算することにより温度Ｔ_２、歪みε_２を求める。これを被測定光ファイバ４の各位置について実施して、温度・歪み分布を求めることができる。

ところで、ＯＦＤＲの有する課題の一つは、レイリー散乱光波形がどの程度の距離まで再現性良く得られるかということである。仮に、被測定光ファイバの温度・歪み分布状態が全く変化しない環境、つまりａ_ｉ、τ_ｉが一定である環境を考える。このような環境でＯＦＤＲによる測定が２回実施されたとして、それぞれの測定で観測される干渉ビート信号Ｉ_１（ｔ）、Ｉ_２（ｔ）はそれぞれ式（８）、式（９）のように記述できる。

光源の位相雑音は測定の度にランダムに発生するので、θ_１（ｔ）≠θ_２（ｔ）である。光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離では、光源の位相雑音の影響θ（ｔ）−θ（ｔ−τ_ｉ）が無視できない大きさになり、観測されるビート信号はＩ１（ｔ）≠Ｉ２（ｔ）となる。この結果から分かるように、たとえ被測定光ファイバの温度・歪み状態が変化しなくとも、光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離では後方レイリー散乱光波形を再現性良く得ることができず、温度・歪分布測定を行うことができない。実施形態ではこのような事態を克服するための技術について説明する。

図２は、実施形態に係る、ＯＦＤＲによる温度・歪み分布測定の手順の一例を示すフローチャートである。図２に示されるフローチャートにおいても図１に示される構成を基礎とする。先に述べた一般的な手法と比べて特徴的なのは、後方レイリー散乱光波形の測定と同時に、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響を測定することである。

先ず、データ処理装置２２はＯＦＤＲにより、後方レイリー散乱光波形ｐ_１（ｚ）と、この測定で発生した周波数掃引連続光光源１の位相雑音（θ_１とする）の影響とを同時に測定する（ステップＳ１）。次に、データ処理装置２２は、ｐ_１（ｚ）に対し、位相雑音θ_１の影響を補償する処理を施す（ステップＳ２）。位相雑音の影響を補償する処理としては、例えば非特許文献３にも提示される連結参照法（concatenative reference method）を用いることができる。この測定における温度をＴ_１、歪みをε_１とする。

次に、データ処理装置２２は温度Ｔ_２、歪みε_２との環境下でも同様に、ＯＦＤＲにより、後方レイリー散乱光波形ｐ_２（ｚ）と、周波数掃引連続光光源１の位相雑音（θ_２とする）の影響とを同時に測定する（ステップＳ３）。また、データ処理装置２２は、ｐ_２（ｚ）に対し、位相雑音θ_２の影響を補償する処理を施す（ステップＳ４）。

次に、データ処理装置２２は、ｐ_１（ｚ）、ｐ_２（ｚ）のそれぞれについて温度・歪み測定対象とする任意の区間を切り出す（抽出する）（ステップＳ５）。次に、データ処理装置２２は、切り出された区間の波形を逆フーリエ変換し、レイリー散乱光スペクトルｓ_１（ν）、ｓ_２（ν）を算出する（ステップＳ６）。

次にデータ処理装置２２は、ｓ_１（ν）とｓ_２（ν）の相互相関により周波数シフト量Δνを求める（ステップＳ７）。そしてデータ処理装置２２は、求められたΔνを用いて、式（１）を計算することにより温度Ｔ_２、歪みε_２を求める（ステップＳ８）。ステップＳ５〜ステップＳ８の手順は、温度・歪み分布測定対象の全ての領域について温度Ｔ_２、歪みε_２が得られるまで繰り返される（ステップＳ９）。そして、ステップＳ９において全領域への測定が完了したと判定されると、被測定光ファイバ４の各位置についての温度・歪み分布を求めることができる。

次に、ステップＳ２およびステップＳ４における、位相雑音θの影響を補償する処理について説明する。データ処理装置２２は光の伝搬途中で生じる位相雑音θの影響を、連結参照法と称される方法で補償する機能を備える。以下にその詳細を説明する。

［１］ステップＳ２およびステップＳ４において、データ処理装置２２は、被測定光ファイバ４の後方散乱光１８とローカル光１６との干渉ビート信号Ｉ（ｔ）の測定と同時に、参照干渉計６のビート信号Ｉ_ｒｅｆ（ｔ）を測定する。Ｉ_ｒｅｆ（ｔ）は式（１０）で与えられる。

Ｉ（ｔ）はＡ／Ｄ変換器２１により一定の時間間隔でサンプリングされる。同様にＩ_ｒｅｆ（ｔ）はＡ／Ｄ変換器１２により一定の時間間隔でサンプリングされる。

［２］ データ処理装置は、例えば式（１１）に示されるＩ_ｒｅｆ（ｔ）のヒルベルト変換により、Ｉ（ｔ）の位相Ｘ_１（ｔ）を求める。

［３］ 次にデータ処理装置２２は、Ｘ_１（ｔ）について、位相間隔Ｓ_１ごとの時間列、すなわちＸ_１（ｔ_Ｍ，１）＝ＭＳ_１（Ｍは整数）となる時間列ｔ_Ｍ，１を求める。

［４］ 次にデータ処理装置２２は、時間列ｔ_Ｍ，１に従ってＩ（ｔ）を再度サンプリングする。処理後の信号Ｉ′（ｔ_Ｍ，１）は式（１２）に示されるようになる。

ここで、処理後に残留する位相雑音Φ_ｉ，１（ｔ）は式（１３）に示される。

式（１２）から、τ_ｉ＝τ_ｒｅｆとなる位置、つまり被測定光ファイバ４の長手方向に対してＬ_ｒｅｆ／２＝ｃτ_ｒｅｆ／２ｎの地点においてΦ_ｉ（ｔ）＝０となることがわかる。これは、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響が完全に補償されることを、意味する。

［５］ 次にデータ処理装置２２は、式（１２）をフーリエ変換し、０≦ｚ＜３Ｌ_ｒｅｆ／４の区間を切り出す。
［６］ 次にデータ処理装置２２は、Ｎτ_ｒｅｆの遅延を与える参照干渉計６のビート信号に相当する位相Ｘ_Ｎ（ｔ）を、式（１４）に示す位相Ｘ_１（ｔ）の連結により計算する。これにより、周波数掃引連続光光源１のコヒーレンス長を超える地点においても位相雑音の影響を補償することができる。

［７］ 次にデータ処理装置２２は、［３］の手順と同様にして、Ｎ≧２であるＮについてもＸ_Ｎ（ｔ）について位相間隔Ｓ_Ｎごとの時間列ｔ_Ｍ，Ｎを求める。

［８］ データ処理装置２２は、［４］の手順と同様にして時間列ｔ_Ｍ，Ｎに従ってＩ（ｔ）を再度サンプリングする。処理後の信号Ｉ′（ｔ_Ｍ，Ｎ）は式（１５）に示される。

処理後に残留する位相雑音Φ_ｉ，Ｎ（ｔ）は式（１６）に示される。

以上の計算から分かるように、（Ｎ−１）回の位相連結処理により、ＮＬ_ｒｅｆ／２の地点では周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響が完全に補償される。

［９］ 次にデータ処理装置２２は、式（１５）をフーリエ変換し、（Ｎ＋１）Ｌ_ｒｅｆ／４≦ｚ＜（Ｎ＋２）Ｌ_ｒｅｆ／４の区間を切り出す。

［１０］ データ処理装置２２は、［６］〜［９］の手順を２≦Ｎ≦（２Ｌ_ＦＵＴ／Ｌ_ｒｅｆ）＋１の範囲で実施する。

［１１］ データ処理装置２２は、［５］および［１０］で得られた結果を接続し、後方散乱光波形を得る。

毎回のＯＦＤＲによる測定で［１］〜［１１］の処理を実施することで、ＮＬ_ｒｅｆ／２の地点で周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響が完全に補償される。よって、温度・歪み状態が変化しないと仮定すれば、後方レイリー散乱光波形の再現性はＮＬ_ｒｅｆ／２の地点で最も良くなる。

図３は、被測定光ファイバ４の各地点（位置）における相互相関ピーク強度の一例を示す図である。図３に示されるグラフにおいて光源からの距離が横軸に、相互相関ピーク強度が縦軸にプロットされる。図３のグラフを得た実験では、２回の測定を行い、各測定の結果のそれぞれに対して連結参照法による位相雑音補償を実施した。実線が位相雑音補償（Phase noise compensation：ＰＮＣ）の有るケース（with PNC）を示す。比較のためＰＮＣの無いケース（without PNC）を一点鎖線で示す。

各地点での相互相関を、５００点（２４．６ｍの長さに相当）の点数のレイリー散乱光波形で計算した。２回の測定間の時間間隔を２００ｍｓ（ミリ秒）とし、よって外部環境の変化が無視できる程度に小さいと仮定できる。試験光の周波数掃引速度を５００ＧＨｚ／ｓ、掃引幅を２．５ＧＨｚ、測定時間を５ｍｓとした。被測定光ファイバ４に４０ｋｍ長の光ファイバを用い、参照干渉計６に４．９２ｋｍ長のファイバを用い、１６回の位相連結処理を行った。図３のグラフによればＬ_ｒｅｆ／２＝２．４６ｋｍの周期で波形の再現性が回復し、位相雑音補償の効果が弱くなる（２Ｎ−１）Ｌ_ｒｅｆ／４の地点（補償ワースト点）においても相関係数０．７程度の高い再現性が保たれることが確認された。

以上述べたように実施形態では、ＯＦＤＲによる後方レイリー散乱光測定を複数回にわたって実施する。時間的に前後する１回目の測定と２回目の測定を、それぞれ被測定光ファイバ４の温度・歪みの変化前、変化後に位置付けることができる。そして実施形態では、各回の測定で得られた後方レイリー散乱光波形のそれぞれに、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響を補償する処理を施す。

発生する位相雑音は測定毎に異なるので、実施形態では毎回の測定において、被測定光ファイバ４の後方散乱光と、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響とを観測する。そして各回の測定で取得された位相雑音の情報に基づいて、それぞれの後方散乱光の測定結果に対し位相雑音の影響を補償する。これにより、τ_ｉ＞τ_ｃの測定距離においても、θ（ｔ）−θ（ｔ−τ_ｉ）≒０とする近似を成立させることができるので、同じ温度・歪み状態において、後方レイリー散乱光波形の再現性を長距離においても保つことができる。従って、光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える長距離においても、高精度で温度・歪み分布を測定することが可能になる。

光源の位相雑音の影響は、光源のコヒーレンス時間程度の遅延τ_ｒｅｆを与える参照干渉計を設け、この参照干渉計から出力されるビート信号の位相をモニタリングすることで補償できる。連結参照法は、モニタリングした位相を連結させることにより、τ_ｒｅｆ×（連結回数＋１）の範囲で位相雑音の影響を補償することができる。

連結参照法は、既存の技術においては光源の位相雑音の影響で低下したＯＦＤＲの空間分解能を改善するために用いられてきた。これに対し実施形態では、全く異なる着眼点から連結参照法を用いている。つまり、複数回の測定においてそれぞれ異なる位相雑音の影響を受けた結果に対して、各測定で連結参照法による位相雑音補償を行うことで後方レイリー散乱光波形から位相雑音の影響を除去し、得られた波形を比較するようにしている。

ＯＦＤＲで測定された後方レイリー散乱光波形を用いて、高精度の温度・歪み分布測定が可能であるが、ＯＦＤＲでは光源のコヒーレンス長の１／２程度を超えた測定距離では光源の位相雑音の影響が顕著になる。発生する位相雑音は測定の度に異なるので、コヒーレンス長の１／２程度を超える距離では、たとえ温度・歪み変化がなくとも散乱光波形を再現性良く得ることができない。長距離の温度・歪み分布測定に向けて、光源のコヒーレンス長を超える長距離で後方レイリー散乱光波形を再現性良く得ることが重要である。

そこで実施形態では、温度・歪み変化前と変化後等の複数回のレイリー散乱光測定において、各測定において発生する位相雑音の影響を観測し、位相雑音の影響を補償する処理をそれぞれの測定で得られたレイリー散乱光波形に施す。これにより、位相雑音の影響が測定のたびに異なっていても、温度・歪み状態が同じであれば波形を再現性良く得ることが可能になる。従って光源のコヒーレンス長を超える長距離にかけて温度・歪み分布を測定することができる。

また、ＯＦＤＲで測定された後方レイリー散乱光波形を用いた温度・歪み分布測定の空間分解能は、ステップＳ５で切り出す後方レイリー散乱光波形の長さで決まる。切り出す後方レイリー散乱光波形を短くするほど、より局所的な（高空間分解能で）温度・歪みを測定することができるが、式（１）の相互相関において、ν′≠Δνの部分の強度が増加し、ν′＝Δνの位置のピークを認識しにくくなる。これにより、Δνを正確に求めることが困難になる。つまり、高い空間分解能での温度・歪み分布測定のためには、ν′＝Δνで高い相関係数を持つことが求められる。

従来のＯＦＤＲを用いた手法では、測定距離が長くなるほど位相雑音の影響が顕著になるため、式（１）においてν′＝Δνの相関係数が低くなり、切り出す後方レイリー散乱光波形を長くとる必要がある。つまり、測定距離が長くなるほど、温度・歪み分布の空間分解能を低下させざるを得なくなる。光源のコヒーレンス長を超えた測定距離では、もはや温度・歪みを分布的に測定できなくなる。

それに対し本発明では、被測定光ファイバのＮＬ_ｒｅｆ／２の地点では位相雑音の影響が完全に補償され、式（１）の相互相関においてν′＝Δνで高い相関係数が得られる。これにより、ＮＬ_ｒｅｆ／２の地点では切り出す後方レイリー散乱光波形を短くできるため、より高空間分解能かつ長距離で温度・歪み分布を測定することを可能とする。

また、本発明において被測定光ファイバの（２Ｎ−１）Ｌ_ｒｅｆ／４の地点では位相雑音補償の効果が弱いため、ＮＬ_ｒｅｆ／２の地点に比べて相関係数が低くなるが、適切なＬ_ｒｅｆの参照干渉計を用いることで、図３に示したように温度・歪み分布測定をするのに十分な相関係数を得ることができる。したがって、本発明は（２Ｎ−１）Ｌ_ｒｅｆ／４の地点を含む全ての地点で温度・歪み分布測定を可能とするものであり、ＮＬ_ｒｅｆ／２の地点では特に高い空間分解能で温度・歪み分布を測定できる。

逆に、切り出す後方レイリー散乱光波形を長くとった場合、温度・歪み分布測定の空間分解能が悪くなるが、ステップＳ６で算出されるレイリー散乱光スペクトルの周波数分解能は向上するため、温度・歪みの測定精度が向上する。つまり、温度・歪み分布測定の空間分解能と、温度・歪みの測定精度はトレードオフの関係にあり、これらは後方レイリー散乱光波形の取得と位相雑音補償後のステップＳ５で、温度・歪みを測定可能な範囲で自由に調節することができる。

これらのことから、光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度、高空間分解能で測定する方法および装置を提供することが可能となる。

なお、この発明は、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、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

１…周波数掃引連続光光源、２…出力光、３…分岐素子、４…被測定光ファイバ、５…主干渉計、６…参照干渉計、７…参照光、８…分岐素子、９…遅延ファイバ、１０…合分岐素子、１１…受光素子、１２…アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、１３…入射光、１４…分岐素子、１５…測定光、１６…ローカル光、１７…光サーキュレータ、１８…後方散乱光、１９…合分岐素子、２０…受光素子、２１…アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２２…データ処理装置

Claims (4)

1. 光周波数を掃引される光源からの出力光を測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、前記出力光の位相雑音の影響を測定する第１ステップと、
   前記第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償する第２ステップと、
   前記第１ステップとは異なる時に前記光源からの出力光を前記測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、前記出力光の位相雑音の影響を測定する第３ステップと、
   前記第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償する第４ステップと、
   前記第２ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形と、前記第４ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形とのそれぞれについて測定対象とする区間を抽出する第５ステップと、
   前記第５ステップで抽出された区間の波形を逆フーリエ変換して、前記第２ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、前記第４ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとを算出する第６ステップと、
   前記第２ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、前記第４ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとの相互相関により周波数シフト量を算出する第７ステップと、
   前記周波数シフト量に基づいて前記測定対象の温度・歪みを算出する第８ステップと、
   前記第５ステップ乃至前記第８ステップを繰り返して、前記測定対象における温度・歪みの光の伝播方向に対する分布を算出する第９ステップとを具備することを特徴とする、光ファイバの温度・歪み分布測定方法。
2. 前記第２ステップは、前記光源のコヒーレンス時間程度の遅延を与える参照干渉計から出力されるビート信号の位相を連結して前記光源の位相雑音の影響を補償する連結参照法により、前記第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償し、
   前記第４ステップは、前記連結参照法により、前記第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバの温度・歪み分布測定方法。
3. 光周波数を掃引される光源から測定対象に入射された光の後方レイリー散乱光波形を得るデータ処理部を具備する光ファイバの温度・歪み分布測定装置において、
   前記データ処理部は、
   前記光源からの出力光を測定対象に入射して前記後方レイリー散乱光波形を得るとともに、前記出力光の位相雑音の影響を測定し、
   前記後方レイリー散乱光波形に対し前記測定された位相雑音の影響を補償し、
   前記後方レイリー散乱光波形の取得と当該後方レイリー散乱光波形に対する前記位相雑音の影響の補償とを複数回実施し、
   前記位相雑音の影響を補償された複数の後方レイリー散乱光波形のそれぞれについて測定対象とする区間を抽出し、
   前記抽出された区間の波形を逆フーリエ変換して、前記位相雑音の影響を補償された複数の後方レイリー散乱光波形のそれぞれに基づく複数のレイリー散乱光スペクトルを算出し、
   前記複数のレイリー散乱光スペクトルの相互相関により周波数シフト量を算出し、
   前記周波数シフト量に基づいて前記測定対象の温度・歪みを算出し、
   前記区間を抽出することと、前記複数のレイリー散乱光スペクトルを算出することと、前記周波数シフト量を算出することと、前記温度・歪みを算出することとを繰り返して、前記測定対象における温度・歪みの光の伝播方向に対する分布を算出することを特徴とする、光ファイバの温度・歪み分布測定装置。
4. さらに、前記光源のコヒーレンス時間程度の遅延を与える参照干渉計を具備し、
   前記データ処理部は、前記参照干渉計から出力されるビート信号の位相を連結して前記光源の位相雑音の影響を補償する連結参照法により、前記後方レイリー散乱光波形に対し前記測定された位相雑音の影響を補償することを特徴とする、請求項３に記載の光ファイバの温度・歪み分布測定装置。