JP5315347B2 - 光ファイバセンシングシステム - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバを利用して、測定対象の物理量を測定する光ファイバセンシングシステムに関する。
近年、光ファイバを、例えば地盤の変動、構造物のひずみや歪み等を検出するセンサとして利用する方法が提案されており、その代表的なものの一つとして、ＦＢＧ(Fiber Bragg Grating) 法が挙げられる。
このFBG法は、光ファイバの特定のコア部に紫外レーザー光を照射して、ファイバ長手方向に周期的な屈折率変調を作り、周期に合致した特定の波長の光のみが反射し、他の波長の光は通過すことを利用するものである。
この紫外レーザーが照射された部分に、外部から圧力が加わったり周りの温度が変化したりすると、屈折率が変化して該部分が反射する光の波長がシフトする。この戻り光の波長のシフトの変化を測定することによって上記した地盤の変動、液体の温度、構造物の変位やひずみ等を検出するものである。
例えば、特許文献１には、FBGを用いて複合素材に対しての衝撃の有無や位置や大きさを精度良く特定する技術が開示されている。また、特許文献２には、FBGを用いて測定対象の歪みを測定する技術が開示されている。
特開２００８−１３９１７１号公報 特開２００４−３０９２１８号公報
しかしながら、光源の射出パワー、ファイバの挿入損、受光器の感度や増幅器等の変動、
また光ファイバを曲げることによる光エネルギーの損失（曲げ損失）、光ファイバ同士を繋げるコネクタによる光エネルギーの損出（コネクタ損出）、プラットフォームに備えられた電気回路系の利得変動等の影響等の測定対象の物理量以外の外乱の影響が、測定対象の物理量の測定に影響を及ぼして精度の高い測定ができない場合があり、これら外乱の影響を防止し精度の高い測定が可能な光ファイバセンシングシステムが待ち望まれている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記した測定対象の物理量以外の外乱の影響を防ぐことによって精度の高い測定が可能な光ファイバセンシングシステムを提供することを課題とする。
上記課題は、以下の手段によって解決される。
請求項１に係る発明は、物理計測光を出力する光源が第１のポートに接続されたサーキュレータと、前記サーキュレータの第２のポートに接続された第１光ファイバと、
前記第１光ファイバの終端に接続され、物理計測光を測定対象の物理量変化に応じて変調された反射スペクトルを前記第１光ファイバに戻す少なくとも１つの反射センサと、
前記サーキュレータの第３のポートに接続され前記反射センサからの戻り光の強度が該反射スペクトルの変化に応じて相補的に変化する２つの光に分離する光分離手段と、
前記分離手段からの２つの光のそれぞれの光路である第２光ファイバと第３光ファイバと、
前記第２光ファイバに接続され前記分離手段で分離された一方の光に対し所定の時間差を付与するダミーファイバと、
第３光ファイバの末端と前記ダミーファイバの末端とを結合する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラからの光を受光する受光手段と、
前記２つの光の強度比に基づいて前記測定対象の物理的変化量を算出し検出する手段と、により構成したことを特徴とする光ファイバセンシングシステムである。
請求項２に係る発明は、前記光分離手段が、波長傾斜フィルタとサーキュレータとから構成される請求項１に記載の光ファイバセンシングシステムである。
請求項３に係る発明は、前記光分離手段が、波長傾斜フィルタから構成される請求項１に記載の光ファイバセンシングシステムである。
請求項４に係る発明は、前記光分離手段の周辺温度を一定に保つ温度制御機構を備えている請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステムである。
請求項５に係る発明は、物理計測光を出力する光源に接続された光ファイバと、前記光ファイバの終端に第２の光カプラを接続する一方、該第２の光カプラから２つに分岐する一方の支線に接続され、物理計測光を測定対象の物理量変化に応じて強度が相補的に変化する２つの光に分離して分離した一方の光を前記第２の光カプラに戻す光分離手段と、前記光分離手段に接続され分離した他方の光に対し所定の時間差を与えるダミーファイバとを含み、前記光カプラの他方の支線と前記ダミーファイバの他端と接続して形成され、分離した他方の光を前記ダミーファイバを介して前記第２の光カプラに戻す反射センサユニットと、前記光ファイバが第２のポートに接続されたサーキュレータと、前記サーキュレータの第３のポートに接続され、分離された２つの光を受光する受光手段と、前記受光手段により受光した２つの光の強度比に基づいて前記測定対象の物理的変化量を算出し検出する手段と、により構成したことを特徴とする光ファイバセンシングシステムである。
請求項６に係る発明は、前記光ファイバは、第３の光カプラで分岐するように構成され、分岐した光路に前記反射センサを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステムである。
請求項７に係る発明は、前記光ファイバは、第３の光カプラで複数の光路に分岐するように構成され、分岐した各光路に前記反射センサを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステムである。
請求項８に係る発明は、前記物理的変化量を算出し検出する手段は、擬似ランダム信号を生成するＰＮ符号生成器と、ＰＮ符号生成器で生成された擬似ランダム信号に基づいて物理計測光を変調する手段と、前記受光手段によって受光した２つの光を電気信号に変換する手段と、変換された電気信号と前記ＰＮ符号生成器からの擬似ランダム信号とで相関演算することによって２つの光の強度を算出する手段と、を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステムである。
請求項１に記載の発明によれば、測定対象の物理量に応じて強度が相補的に変化する２つの光に分離し当該２つの光の強度比から測定対象の物理量に関する情報を検出するので、光ファイバの捻じれ等の測定対象以外の物理量以外の外乱要素を相殺することができるので、精度の高い測定が可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、光分離手段が波長傾斜フィルタとサーキュレータとから構成されるので波長傾斜フィルタを用いて反射センサからの戻り光を２つの光に分離でき、また反射センサからの戻り光と分離された光を所定の方向に導くことが可能となる。
請求項３に記載の発明によれば、波長傾斜フィルタのみを用いて反射センサの戻り光を分離し、分離された２つの光を所定の方向に導くことができるので安価に光分離手段を制作することが可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、光分離手段の周辺温度を一定とすることによって温度変化が測定結果に及ぼす影響を防止することができる。
請求項５に記載の発明によれば、反射センサ部で測定対象の物理量に応じて強度が相補的に変化する２つの光に分離することが可能となる。また、当該２つの光の強度比から測定対象の物理量に関する情報を検出するので、光ファイバの捻じれ等の測定対象以外の物理量以外の外乱要素を相殺することができるので、精度の高い測定が可能となる。
請求項６に記載の発明によれば、反射センサを縦続的に複数設置することができるので同時多点測定が可能となる。
請求項７に記載の発明によれば、反射センサを放射状に複数設置することができるので同時多点測定が可能となる。
請求項８に記載の発明によれば、疑似乱ダム符号を用いての測定が可能となる。これにより、疑似ランダム符号によって光ファイバに導入する光のダイナミックレンジを容易に制御することができる。例えば、符号長を大きくすることによって測定対象の物理量の微小な変化を測定することが可能となる。
第一実施形態に係る光ファイバセンシングシステムの全体構成を示した図である。 (a)PN符号生成器で生成される擬似ランダム符号の一例を示した図であり、(b)は光ファイバに導入される物理計測光を示した図である。 波長傾斜フィルタ２５aに入射したセンサ反射光の波長に対する透過率及び反射率を示した図である。 (a)及び(b)は、光ファイバ２３aに導入された物理計測光に対する反射光の利得及び物理計測光に対する透過光の利得との比較を示した図である。 波長シフトの算出方法を説明するための図である。 反射パルスと透過パルスのシフトを示した図である。 (a)は広帯域光源２２から光ファイバ２３aに導入される光を示した図であり、(b)はその一部を拡大して表示した図である。 (a)は、FBG４a、４b、４cからの光をガウス型フィルタによって分離した後の透過光と反射光の波形を表したものであり、(b)は、透過光と反射光とを合成した波の波形を示した図である。 ( a)は、PD２７によって受光した合成反射波を、PN符号生成器２０によって生成された擬似ランダム符号によって相互相関をとった図であり、(ｂ)は、FBG温度に対する検出値の関係を示した図である・ 光ファイバセンシングシステム１を用いて容器内の液体の温度を測定する際の構成を示した図である。 広帯域光源２２の発光スペクトルを示した図である。 帯域フィルタの反射スペクトルを示した図である。 温度に対する波長の変化を示した図である。 中心波長の温度特性を示した図である。 水の温度が３０℃の時の波形応答を示した図である。 水の温度が５６℃の時の波形応答を示した図である。 較正曲線を示した図である。 容器に７０℃のお湯を入れ、そこにFBG４aと温度計とを浸して、自然冷却させていったときの測定結果を示した図である。 温度計による温度指示値と測定した温度との相関関係を示した図である。 第一実施形態に係る光ファイバセンシングシステムの第一変形例を示した図である。 第一実施形態に係る光ファイバセンシングシステムの第二変形例を示した図である。 第二実施形態における光ファイバセンシングシステムの一例を示した図である。 (a)PN符号生成器で生成される擬似ランダム符号の一例を示した図であり、(b)は光ファイバに導入される物理計測光を示した図である。 変位センサユニットの構成の一例を示した図である。 変位センサの断面を示した図である。 印加変位に対する透過板及び反射板の位置と、透過光及び反射光の強度を示した図である。 (a)は、変位に対する透過率・反射率の変化を示した図であり、(b)は変位に対する透過率/反射率比を示した図である。 コリメート光の断面分布を表した図である。 コリメート光の断面強度分布を示した図である。 物理計測光のビーム径ｗで規格化した変位x/wに対する透過レベルと反射レベルの変化の表した図である。 正規変位x/wに対する透過率/反射率比(ζ)の変化を、｜x/w｜＜１の範囲で表した図である。 物理計測光のビーム径wをパラメータとして変位(x)に対する透過率/反射率比(ζ)の変化を表した図である。 物理計測光のビーム径ｗで規格化した変位x/wに対する透過率/反射率比(ζ)の変化を表した図である。 計測実験を行う際の装置構成を示した図である。 変位印加装置からの印加変位が、0.21mmの場合の反射応答波形を示した図である。 変位印加装置からの印加変位が、0.11mmの場合の反射応答波形を示した図である。 変位(x)に対する透過光の受光レベルおよび反射光の受光レベルを表した図である。 変位(x)と透過受光レベル/反射受光レベル比(ζ)との関係を示した図である。 実施例２に係る温度センサユニットの構成を示した図である。 傾斜フィルタの入射光に対する反射率と透過率とを表した図である。 温度と透過反射パワ比との関係を示した図である。 実施例３に係る温度センサユニットの構成を示した図である。 実施例４における変位センサユニットと温度センサユニットとを設置し、変位と温度とを同時に測定する際の構成を示した図である。 変位センサユニットと温度センサユニットのそれぞれの反射応答を示した図である。 反射センサユニットの変形例を示した図である。 光ファイバの接続形態を説明するための図である。
以下、本願請求項に係る発明（以下では、単に「本発明」という）を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
（第一実施形態）
最初に、本発明に係る第一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（全体構成）
図１は、第一実施形態に係る光ファイバセンシングシステムの全体構成を示した図である。
図に示すように、光ファイバセンシングシステム１は、計測装置２、光カプラ３a、３b、ＦＢＧ４a，４b，４c等を備えており、スルー本線５に２つの光カプラ３a、３bが挿入されている。また、光カプラ３a、３bの分岐路にはFBG４a、４ｂがそれぞれ接続され、スルー本線５の終端にはFBG４cが接続されている。
計測装置２は、PN符号生成器２０、光源ドライバー２１、広帯域光源２２、光ファイバ２３a、２３ｂ、２３ｃ、２3d、２3e、サーキュレータ２４a、２４ｂ、温度制御機構２５、波長傾斜フィルタ２５a、ダミーファイバ２６、光カプラ３c、ＰＤ（フォトダイオード）２７、プレアンプ２８、Ａ/Ｄ２９、相関器３０及びシフト解析器３１等を備えている。
PN符号生成器２０は、図２(a)に示すような符号長Nを有するM系列の擬似ランダム符号（以下では、擬似ランダム符号という）を所定のチップ速度で生成し、光源ドライバー２１及び相関器３０に擬似ランダム信号を送出する。
擬似ランダム符号の符号長が大きいほど、０と１との生起確率が等しくなり精度の高い符号を生成することができ、また光ファイバに導入される光のピーク値が高くなるので反射レベルが小さい戻り光（例えば、レイリー散乱）を高い精度で測定することが可能となる。例えば、レイリー散乱の反射利得を−６０ｄBとすると、符号の長さとしては、N＝２21−１（利得６３ｄBに相当）以上にすることによって精度の高い測定が可能となる。
本実施形態では、M系列の擬似ランダム符号を用いるものとしたが、これに限定されず、例えばGold系列等の他の擬似ランダム符号でも良い。
光源ドライバー２１は、PN符号生成器２０からの擬似ランダム信号によって駆動され、
PN符号生成器２０からの擬似ランダム信号に基づいて広帯域光源２２から発光される光に対してPN変調を行い（以下では、変調後の光を物理計測光という）、物理計測光は光ファイバ２３aに導入される。
例えば、PN符号生成器２０によって図２(a)に示される符号長Nの擬似ランダム符号が生成された場合、広帯域光源２２からは図２(b)に示す物理計測光が光ファイバ２３aに導入される。
ここで、広帯域光源２２としては、一般的にスーパールミネッセントダイオード（SLD）を使用するが、測定のダイナミックレンジが狭くてよい場合は発光ダイオードとコア径の大きな多モードファイバとを組み合わせても良い。
サーキュレータ２４a、２４bは、３つの入出力ポートを有し、第１のポートに入射した光は第２のポートから出力され、第２のポートに入射した光は第３のポートから出力されるが、第２のポートから第１のポート、第３のポートから第２のポートおよび第１のポート、第１のポートから第３のポートの方向への光は遮断され伝達されない。
例えば、サーキュレータ２４aは、光ファイバ２３aから入射して来た光をスルー本線５に出力する一方、スルー本線５からサーキュレータ２４aに入射してきた光に対しては、光ファイバ２３bに出力する。また、サーキュレータ２４bは、光ファイバ２３bから入射してきた光を光ファイバ２３ｃに出力させる一方、光ファイバ２３cから入射してきた光を光ファイバ２３eに出力させる。
温度制御機構２５は、波長傾斜フィルタ２５aの温度を一定に保つものである。
波長傾斜フィルタ２５aは、FBG４a、４b及び４cからの戻り光の波長に応じて、強度が相補的に変化する透過光と反射光とに分離する。
なお、サーキュレータ２４bと波長傾斜フィルタ２５aで光分離手段が構成されており、また波長傾斜フィルタ２５aとしては、光ファイバの端面に誘電体多層膜フィルタを蒸着させた傾斜フィルタや、エッジフィルタ等を使用する。
図３は、波長傾斜フィルタ２５aに入射した光の波長に対する透過率及び反射率をそれぞれ示した図である。
図に示すように、光の波長がλ0である場合反射率と透過率とが等しくなるように設定され、透過率と反射率との和はフィルタの損失を無視すれば常に１になるように相補的に変化する。
図４(a)、(b)は、透過光と反射光との応答波形を示す図である。
傾斜フィルタ２５aに入射してきた光の波長がλ0である場合、上述したように反射率と透過率とは等しくなるので、図４(a)に示すように透過光レベル３０と反射光のレベル３１とはそれぞれ同じになる。
一方、測定対象の物理量に変化が生じて戻り光の波長がシフトした場合、例えばλ0＋δに変化した場合、図３(a)に示すように、透過率はhだけ増加する一方、反射率はhだけ減少する。その結果、図４(b)に示すように、透過光のレベル３２は増加する一方、反射光のレベル３３は減少する。
ダミーファイバ２６は、波長傾斜フィルタ２５aによって分離された反射光と透過光とに計測装置２が有する距離分解能以上の光路差を与える。ここで、ダミーファイバ２６の長さはPN符号生成器２０のチップ速度によって決まる距離分解能以上であれば良い。
距離分解能は以下の式によって算出される。
距離分解△L＝４×(100/fc) （m）
（但し、fcはPN符号生成器２０のチップ速度）
例えば、チップ速度が10MHｚである場合、ダミーファイバ２６は、４０m以上であれば良い。
なお、本実施形態では、ダミーファイバ２６を光ファイバ２３eに設けているが、ダミーファイバ２６を光ファイバ２３dに設けても良い。
光カプラ３cは、光ファイバ２３eからの反射波と光ファイバ２３dからの透過光を合波する。
ＰＤ２７はフォトダイード等からなり、透過光及び反射光を与えられた光路差に応じた時間差を以て受光する。
プリアンプ２８は、ＰＤ２７で受光した透過光と反射光とを増幅させる。
Ａ/Ｄ２９は、プリアンプ２８によって増幅された透過光と反射光とを電気信号にそれぞれ変換する。
相関器３０は、A/D２９からの電気信号とPN符号生成器２０からの擬似ランダム符号とで相関をと取ることによって透過光と反射光との強度に応じて物理計測光に対する利得をそれぞれ算出する。
シフト解析機器３１は、相関器３０で算出された透過光のピーク時の利得と反射光のピーク時の利得とから、（透過率/反射率）比を求め、この比から波長シフトを算出し、測定対象の物理量の情報を検出する。
光カプラ３a、３ｂは、スルー本線５を通過する光のエネルギーを所定の比率で２本の光ファイバに分岐させる。この実施形態では、FBG４a、４b及び４cそれぞれに等しいエネルギーの光が配分されるように設定されている。
ＦＢＧ４a、４b及び４cは、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating）
であり、計測装置２の距離分解能よりも十分長い距離を以てそれぞれ設置されている。また、測定対象の物理量に変化がない場合、ＦＢＧ４a、４b及び４cは、戻り光として波長λ0を有する光を反射させる一方、測定対象の物理量が変化した場合には測定対象の物理量の変化に応じて戻り光の波長をシフトさせる。
ここで、ＦＢＧ４a、４b及び４cの設置間隔は、PN符号生成器２０のチップ速度によって決まる距離分解能以上であれば良い。
距離分解能は以下の式によって算出される。
距離分解△L＝４×(100/fc) （m）
（但し、fcはPN符号生成器２０のチップ速度で単位はMHzである）
例えば、チップ速度が10MHｚである場合、FBG４a、４b及び４cの設置間隔は、それぞれ４０m以上であれば良い。なお、本実施形態では、透過光と反射光とのレベルを算出する場合の基準を物理計測光の強度としたがこれには限定されず、その他を基準として透過光のレベルと反射光のレベルとを算出してもよい。
次に、光ファイバセンシングシステム１による測定対象物理量の測定方法を説明する。
まず、PN符号生成器２０によって、図２(a)に示す擬似ランダム符号が生成されると、この符号によって光源ドライバー２１が駆動され、広帯域光源２２から出力される光に対してPN変調がなされ、図２の(b)に示す物理計測光が広帯域光源２２から光ファイバ２３aに導入される。
光ファイバ２３aに導入された物理計測光は、スルー本線５を通り、光カプラ３a、３bによって分岐され、FBG４a、４b及び４cにそれぞれ入射する。FBG４a、４b及び４cでは、測定対象の物理量に応じた波長をもつ光が反射される。
FBG４a、４b及び４cからの光は、設置間隔に応じた時間差を以て計測装置２にそれぞれ入射する。
最初に、計測装置２に最も近い位置に設置されたFBG４aからの戻り光が、サーキュレータ２４aに入射し、光ファイバ２３bに出力される。
光ファイバ２３bに出力された光はサーキュレータ２４bに入射し、光ファイバ２３cに出力される。
光ファイバ２３cに出力された光は波長傾斜フィルタ２５aに入射し、波長に応じて強度が相補的に変化する透過光と反射光とに分離される。
透過光は、光ファイバ２３ｄを進みPD２７で受光される。一方、反射光は光ファイバ２３ｃをサーキュレータ２４ｂの方向に進み、サーキュレータ２４ｂに入射する。入射光は、光ファイバ２３eに出力され、ダミーファイバ２６によって計測装置２が有する距離分解能以上の光路差が付与された後、PD２７に受光される。
次に、反射光及び透過光はプリアンプ２８で増幅された後、A/D２９で電気信号に変換され、相関器３０に送られる。
相関器３０では、A/D２９からの電気信号に対してPN符号生成器２０から送られてきた擬似ランダム符号で相関が取られ、物理計測光に対する反射光及び透過光のそれぞれの利得が算出され、解析機器３１に射出される。
解析機器３１では、透過光のピーク時の利得と反射光のピーク時の利得とのデシベル差を求める。
以下、このデシベル差に基づいて波長シフトを算出し、シフト量から測定対象の物理量を算出する。
なお、ＦＢＧ４b及び４ｃからの戻り光も上記と同様に処理され、それぞれの測定対象の物理量が検出される。
（波長シフトの算出方法）
次に、上記デシベル差から波長のシフト量を算出する方法を、図面を参照しながら説明する。
図５は、波長のシフト量の算出方法を説明するために、図３に示した図を簡略化したものであり、横軸に周波数(MHz)を、縦軸に透過率(dB)及び反射率(dB)を、それぞれとったものである。
曲線５１は、波長に対する波長傾斜フィルタ２５aに入射してきた光の透過率を示したものあり、
Figure 0005315347
 で表わされる。
一方、曲線５２は、波長に対する波長傾斜フィルタ２５aに入射してきた光の反射率を示したものであり、
Figure 0005315347
 で表わされる。
なお、上記２つの式からもわかるように透過率と反射率とは相補的に変化して、一方が増加すると他方は減少し、その和は常に１である。
透過率と反射率との比をとると、
Figure 0005315347
 となる。
ここで、測定対象の物理量が変化してFBGが反射させる光の波長が△λだけシフトし、λ＝λ0＋△λに変化した場合、透過率と反射率との比は、上式より
Figure 0005315347
 となり、これより波長のシフト量△λは、
Figure 0005315347
 となる。
以上のようにして、FBGからの戻り光を、波長傾斜フィルタ２５aによって波長に応じた反射率と透過率で反射光と透過光とに分離し、これら２つの光の利得のデシベル差から波長のシフトを算出する。
（シミュレーション）
本発明に係る光ファイバセンシングシステム１を用いて、以下の表に示す条件でシミュレーションを行った。
ミュレーション条件一覧
Figure 0005315347
 また、波長傾斜フィルタ２５aとしてシングルキャビティ型のSiO2/TiO2多層膜による帯域フィルタを使用し、特性として図６に示すようにガウス型とした。
図６の図において、曲線５３は透過率を、曲線５４は反射率を、それぞれ表しており、波長1530.2nmで透過率と反射率とが等しくなっている。なお、横軸は波長[nm]を、縦軸に透過率・反射率[dB]を、それぞれとったものである。
図７(a)は、広帯域光源２２から光ファイバ２３aに導入される光を示した図である。
図７に示すように、PN符号生成器２０からの擬似ランダム信号によってon-offにデジタル変調されている。また図７(b)は、その一部を拡大して表示した図であり、いずれも、縦軸に電圧[V]を、横軸に時間[μs]を、それぞれとったものである。
図８(a)は、FBG４a、４b、４cからの光を上記ガウス型フィルタによって分離した後の透過光と反射光の波形を表したものであり、また図８(b)は、透過光と反射光とを合成した波の波形（成反射波形）を表したものである。なお、いずれの図においても縦軸に電圧[V]を、横軸に時間[μs]を、それぞれとったものである。
図８(a)に見られるように、反射光３６は透過光３５よりダミーファイバ２６によって光路差（100ｍ）が付与されているため、その分だけ遅れて立ち上がっていることがわかる。なお、最初の１１μｓから１２μｓまで直線的に増加しているのはレイリー散乱の反射分布が連続だからである。
図８(b)は、上記したように透過光３５と反射光３６とを合成した波の波形（合成反射波形）を表したものであり、これがPD２７によって受光される。
図９(a)は、PD２７によって受光した合成反射波を、PN符号生成器２０によって生成された擬似ランダム符号によって相互相関を取ったものであり、横軸に距離[ｍ]を、縦軸に透過率・反射率[ｄB]を、それぞれとったものである。
図９(a)で示されるように、100μs付近の地点Aでレイリー後方散乱レベルが３dBアップしている。これは、この地点Aで反射光と透過光とが加算されるからである。
図９(a)に示されているように、透過光のピークが点B(1000m)の付近に、また反射光のピークが(1100m)の付近にそれぞれ出現しており、ダミーファイバ２６によって付与された光路差（100m）をもって隣接して検出されていることがわかる。
この２つのピーク値のデシベル差が求める透過率/反射率比(ｔ/ｒ)、即ち測定対象 の物理
量の情報であり、これがFBGの反射波長に相当する。
両ピーク値のデシベル差から、較正曲線等を用いて測定対象の物理量を求める。
図９(b)は、一例として上記の手順によって得られたFBG温度に対する検出値（反射率/透過率）の関係を示した図であり、横軸にFBG温度[℃]を、縦軸に反射率/透過率比（ｔ/ｒ比）[dB]を、それぞれとったものである。図９(b)にみられるように、FBG温度と透過率/反射率比とには直線的があることがわかる。即ち、物理量の変化によって、反射光の透過率と反射率とは和が１であることを保ちながら相補的に変化し、物理量と反射率/透過率との関係は、図９(b)に示すように一次関係になることがわかる。
（実測例）
次に、本実施形態に係る光ファイバセンシングシステムを用いて、容器内の液体の温度を測定した。
図１０は、本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１を用いて容器内の液体の温度を測定する際の構成を示した図である。
図に示すように、計測装置２、水で満たされた容器４０、及び水に浸されたFBG４a等を備えている。
次に、プラットフォーム等の詳細を説明する。
次の表は、主要諸元を示した表である。
Figure 0005315347
 表に示したように、スルー本線５の長さは、1,000mであり、PN符号生成器２０として符号長、チップ速度6.25MHzのものを用いる。また、ダミーファイバ２６の長さは、200mとする。
また、広帯域光源２２として、温度25℃で図１１に示す発光スペクトルを有し、高速変調が可能でかつFBG４aの波長のシフトの変化範囲を包含する連続スペクトルを有するSLDを使用する。
波長傾斜フィルタ２５aとして、図１２に示す反射スペクトルを有する帯域フィルタを用いる。
なお、図１２において、範囲AはFBG４aが反射させるインパルス光の範囲を示しており、横軸に波長[nm]を、縦軸に反射利得[dB]を、それぞれとったものである。なお、波長傾斜フィルタ２５aは温度制御機構２５で２５℃に保った。
FBG４aとして、図１３に示す温度特性を有するものを使用する。
図１３は、温度に対する戻り光の波長の変化を示した図であり、横軸に波長[nm]を、縦軸に入射光に対する反射利得[mW]を、それぞれ取ったものである。
図に示すように温度が上昇するにつれてFBG４aの戻り光の波長が大きくなっていることがわかる。
また、図１４は中心波長の温度特性を示した図であり、横軸に温度[℃]を、縦軸に中心波長[nm]をそれぞれ取っている。図１４に示すように、温度と中心波長は温度係数が２８pm/℃の一次関係にあることがわかる。
図１５は、水の温度が３０℃の時の、また図１６は水の温度が５６℃の時の波形応答をそれぞれ示した図である。
図１５において、点５５は透過光のピーク（透過ピーク）を、また点５６は反射光のピーク（反射ピーク）をそれぞれ示している。また、図１６において点５７は透過光のピークを、また点５８は反射光のピークをそれぞれ示している。
図１５及び図１６から、透過ピークと反射ピークとが時間軸上で隣接しており、また温度によって両ピークレベルがプッシュプルに変化していることが見て取れる。
図１７は、較正曲線５９を示した図であり、横軸にデシベル差[dB]を、縦軸に温度[℃]を、それぞれとったものである。この較正曲線５９を使用することにより、デシベル差から温度を算出する。なお、プロットされた点は、測定値である。
例えば、図１５において、透過ピークと反射ピークとの反射応答の差は、おおよそ1.1であるので、較正曲線５９より容器内の液体の温度は３０℃と算出される。
また、図１６において、透過ピークと反射ピークとの反射応答の差は、おおよそ3.4であるので、較正曲線５９より容器内の液体の温度は５６℃と算出される。
図１８は、容器に７０℃のお湯を入れ、そこにFBG４aと温度計とを浸して、自然冷却させていったときの測定結果を示した図であり、横軸に時間[min]を、縦軸に温度[T]を、それぞれ取ったものである。
図に示す実線６０は温度計による温度指示値を示したものであり、またプロットがFBG４aを用いて測定した測定値である。
図に示すように、FBG４aを用いて測定された温度の温度計による実際の温度への高い追従性が見られる。
図１９は、温度計による温度指示値と測定した温度との相関関係を示した図であり、横軸に実際の温度[℃]を、縦軸に測定温度[℃]を、それぞれ取ったものである。
図に示すように、高い一次の相関がみられ（標準偏差：0.34）、高い精度で測定されていることがわかる。
なお、上記光ファイバセンシングシステムでは、光分離手段としてサーキュレータ２４bと波長傾斜フィルタ２５aとを組み合せる構成としたが、これには限定されず、例えば図２０に示すように光分離手段としてフィルタ２４cを用いる構成としても良い。これによって、フィルタ２４cのみで透過光と反射光とに分離することができるので、サーキュレータを使用するのと比べて光ファイバセンシングシステムを低廉な費用で製作することができる。また、フィルタ２４cは、光ファイバ２３bに対して斜め４５度に設置されている。
次に、上記光ファイバセンシングシステムの改良型を、図面を参照しながら説明する。
これまでの光ファイバセンシングシステムでは、透過光の光路である光ファイバ２３dやと反射光の光路である光ファイバ２３c、２３eにおいて伝送損失が温度や湿度などによって変動する場合があり、このような場合測定結果に大きな誤差を生じる恐れがある。
以下では、透過光路と反射光路とにおける伝送損失の変動が測定結果に影響を及ぼすのを防ぐことが可能な光ファイバセンシングシステムを提供する。
図２１は、改良型の光ファイバセンシングシステム１aの全体構成を示した図である。
なお、以下の説明では、光ファイバセンシングシステム１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を割愛する。
図に示すように、光ファイバセンシングシステム１aは、ＦＢＧからの戻り光を分岐比ζ：１−ζに分岐させる光カプラ２４d、ファイバ長Ｌのダミーファイバ２６、傾斜フィルタ２５c等を備えている。また、分岐路２３fでの伝送損失率比をa、分岐路２３gでの伝送損失率をbとする。ここで、傾斜フィルタ２５cは誘電体多層膜によるフィルタでも、広帯域ＦＢＧでもよい。
次に、ＦＢＧからの戻り光の流れを説明する。
ＦＢＧからの戻り光はサーキュレータ２４aに入射し、光ファイバ２３bに射出され光カプラ２４dに入射する。
光カプラ２４dに入射した戻り光は、分岐比ξ：１−ξで光路２３fと光路２３gとに分岐される。
光路２３fに分岐された光は透過フィルタ２５aに入射しt：rの比で透過光1と反射光1とに分離され、反射光1は光路２３fを透過光１は光路２３gにそれぞれ射出される。
また、光カプラ２４dによって光路２３gに分岐された光はダミーファイバ２６を通過した後、透過フィルタ２５aに入射しt：rの比で透過光2と反射光2とに分離され、透過光2は光路２３fに反射光2は光路２３gにそれぞれ射出される。
次に、上記した各光の強度を求める。なお、ＦＢＧからの戻り光の強度を１とする。
反射光１の強度をＲ１とすると、
Figure 0005315347
 で与えら、この強度を持つ光がＰＤ２７によって受光される。
また、透過光1と透過光2とは光カプラ２４dで合波され、この波の強度をＲ２とすると
Figure 0005315347
 と与えられこの強度を持つ光がＰＤ２７によって受光される。
反射光2の強度をＲ３とすると、
Figure 0005315347
 で与えられこの強度を持つ光がＰＤ２７によって受光される。
ここで、ダミーファイバ２６のファイバ長はＬであるから、反射光１、透過光１と透過光２との合波及び反射光２の相対距離は、反射光１を基準（０）とすると、それぞれＬ、２Ｌである。
次に、計算量を次のように定義する。
Figure 0005315347
 上式にＲ１、Ｒ２及びＲ３を代入すると
Figure 0005315347
 即ち、
Figure 0005315347
 となり、挿入損失a、bが相殺され、ＰＤ２７で受光される光の強度は傾斜フィルタ２５aの透過率と反射率だけの比となる。
なお、上記計算はシフト解析器３１によってなされる。
このように、上記構成とすれば、反射光路や透過路の伝送損失率が温度や湿度によって変化してもその変化に影響されず、精度の高い測定が可能となる。
なお、本実施形態では、反射センサとしてFBGを利用したが、これには限定されずFBG以外の反射センサ、例えば狭帯域の透過または反射フィルタであるファイバ・ファブリー・ペロー・エタロンを用いても良い。
また、光ファイバの終端面に多層膜反射フィルタを蒸着した狭帯域の反射センサとして用いても良い
次に、本発明の第二実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図２２は、本発明の第二実施形態における光ファイバセンシングシステム１bの構成を示した図である。
図に示すように、光ファイバセンシングシステム１bは、計測装置１０２、サーキュレータ１０３a、光カプラ１０３b、光ファイバに導入された光を測定対象の物理量に応じて強度が変化する２つの光である透過光と反射光とに分離して射出する反射センサユニット４d、４e等を備えている。
スルー本線５にサーキュレータ１０３a、光カプラ１０３bがそれぞれ挿入され、光カプラ１０３bからの支線の終端に反射センサユニット４dが、またスルー本線５の終端に反射センサユニット４eがそれぞれ接続されている。
計測装置１０２は、PN符号生成器１２１、光源ドライバー１２２、広域帯源１２３、フォトダイード（ＰＤ）１２４、プリアンプ１２５、アナログデジタル変換器（Ａ/Ｄ）１２６、相関器１２７及び解析器１２８等を備えている。
PN符号生成器１２１は、図２(a)に示すような符号長Nを有するM系列の擬似ランダム符号（以下では、擬似ランダム符号という）を所定のチップ速度で生成し、光源ドライバー１２２及び相関器１２７に擬似ランダム信号を射出する。
なお、擬似ランダム符号の符号長が大きいほど、０と１との生起確率が等しくなりランダムに近づき精度の高い符号を生成することができる。また、相関利得が高くなるので、反射レベルが小さい戻り光（例えば、レイリー散乱）を精度の高い測定をするには擬似ランダム符号の符号長を大きくすれば良い。
例えば、レイリー散乱の反射利得を−６０ｄBとすると、符号の長さとしては、N＝２21−１（利得６３ｄBに相当）以上にすることによって精度の高い測定が可能となる。また、本実施形態では、M系列の擬似ランダム符号を用いるものとしたが、これに限定されず、例えばGold系列等の他の擬似ランダム符号でも良い。
光源ドライバー１２２は、PN符号生成器１２１からの擬似ランダム信号によって駆動され、PN符号生成器１２１からの擬似ランダム信号に基づいて、広域帯源１２３から発光される光に対してPN変調を行う。
広域帯源１２３としては、ファブリペローレーザー、DFBレーザー、スーパールミネッセントダイオード（SLD）などが使用可能である。これらのレーザダイオードを擬似ランダム符号によってPN変調し（以下では、これを物理計測光という）、光ファイバ１０５aに導入する。
例えば、PN符号生成器１２１によって図２(a)に示される符号長Nの擬似ランダム符号が生成された場合、広域帯源１２３からは図２(b)に示す物理計測光が光ファイバ１０５aに導入される。
ＰＤ１２４は、反射センサユニット４d、４eから射出された透過光と反射光とを受光する。
プリアンプ１２５は、フォトダイード１２４で受光した透過光信号と反射光信号とを増幅させる。
Ａ/Ｄ１２６は、プリアンプ１２５によって増幅されたアナログ信号である透過光信号と反射光信号とをデジタルデータ化する。
相関器１２７は、Ａ/Ｄ１２６からのそれぞれの電気信号に対してPN符号生成器１２１からの擬似ランダム符号で相関をとり、光のレベルとして物理計測光に対する利得を算出する。
解析器１２８は、相関器１２７で算出された透過光の利得と反射光の利得との比（デシベル差）を取り、この比（デシベル差）に基づいて測定対象の物理量を検出する。なお、本実施形態では、透過光と反射光とのレベルを算出する場合の基準を物理計測光の強度としたがこれには限定されず、その他を基準として透過光のレベルと反射光のレベルとを算出してもよい。
サーキュレータ１０３aは、光ファイバ１０５aからの物理計測光をスルー本線５に射 出
する一方、スルー本線５からの光を光ファイバ１０５bに射出する。
また、光カプラ１０３ｂは、スルー本線５を通過する光のエネルギーを同じ比率で２本の光ファイバに分岐させる。
反射センサユニット４d及び４eは、計測装置１０２からの物理計測光を測定対象の物理量に応じて強度が変化する２つの光である透過光と反射光とに分離し、計測装置１０２が有する距離分解能以上の光路長差をダミーファイバで付与した後、射出する。
ここで、反射センサユニット４eは、反射センサユニット４dのダミーファイバ長より十分長い距離を以て設置されている。
ここで最小ダミーファイバ長は以下の式によって算出される。
最小ダミーファイバ長 L＝４×(100/fc) （m）
（但し、fcはPN符号生成器１２１のチップ速度で単位はMHzである）
例えば、チップ速度が10MHｚである場合、反射センサユニット４a及び４bの設置間隔は、それぞれ４０m以上であれば良い。なお、反射センサユニットの構成等については、後述する。
次に、光ファイバセンシングシステム１ｂの測定対象の物理量の測定方法を説明する。
まず、PN符号生成器１２１によって、図２(a)に示す擬似ランダム符号が生成されると、この符号によって光源ドライバー１２２が駆動され、広域帯源１２３から出力される光に対してPN変調がなされ、図２の(b)に示す物理計測光が広域帯源１２３から光ファイバ１０５aに導入される。
光ファイバ１０５aに導入された物理計測光は、スルー本線５を通り、光カプラ１０３bによって分岐され、分岐された物理計測光は反射センサユニット４d及び４eに入射する。反射センサユニット４d及び４eからは、計測装置１０２が有する距離分解能以上の光路差が付与された反射光と透過光との２つの光が射出される。
反射センサユニット４dと４eとから射出された光は、設置間隔に応じた時間差を以て計測装置１０２にそれぞれ入射する。
まず、計測装置１０２に最も近い位置に設置された反射センサユニット４dからの反射光と透過光とが、サーキュレータ１０３aに入射し、光ファイバ１０５bに出力された後、ＰＤ１２４によって受光される。
次に、反射センサユニット４eからの反射光と透過光とが、サーキュレータ１０３aに入射し、光ファイバ１０５bに出力された後、ＰＤ１２４によって受光される。
それぞれの反射光信号及び透過光信号はプリアンプ１２５で増幅された後、Ａ/Ｄ１２６でデジタルデータに変換され、相関器１２７に送られる。
相関器１２７では、Ａ/Ｄ１２６からのデジタルデータに対してPN符号生成器１２１から送られてきた擬似ランダム符号で相関が取られ、物理計測光に対する反射光及び透過光のそれぞれの利得が算出され、解析機器１２８に射出される。
解析器１２８では、透過光のピーク時の利得と反射光のピーク時の利得との比（デシベル差）が取られ、測定対象の物理量が得られる。
（実施例１）
次に、反射センサユニットとして、測定対象の物理量の情報として変位を検出する際に用いる変位センサユニット１３０を説明する。
図２４は、変位センサユニット１３０の構成を示した図である。
図に示すように、変位センサユニット１３０は、光カプラ１３１、光ファイバコリメータ系１３２、ダミーファイバ１３３、アイソレータ１３４等を備えている。
光ファイバコリメータ系１３２は、非球面レンズ対向型（または、ロッドレンズ対向型）からなるレンズ１３２a、１３２b、ホウケイ酸クラウン光学ガラスからなる透明板１３２c、ホウケイ酸クラウン光学ガラスに金蒸着（または、多層膜蒸着）することによって形成された反射板１３２d等を備えており、反射板１３２d及び透過板１３２cは、光の入射方向に対して垂直に配置されている。
透明板１３２cの一端は、バネ１３２eを介して変位センサユニット１３０の外壁等に固定されおり、測定対象の物理量が変化してＡ方向から力が加わると、反射板１３２ｄが変位し、それに連動して透過板１３２cも変位する。
ダミーファイバ１３３は、光ファイバコリメータ系１３２によって、分離された透過光と反射光とに計測装置１０２が有する距離分解能以上の光路差を付与するものである。
なお、ダミーファイバ１３３の長さは、PN符号生成器１２１のチップ速度によって決まる距離分解能の4倍以上であれば良い。
ここで最小ダミーファイバ長は以下の式によって算出される。
最小ダミーファイバ長L＝４×(100/fc) （m）
（但し、fcはPN符号生成器１２１のチップ速度で単位はMHｚである）
例えば、チップ速度が10MHｚである場合、ダミーファイバ１３３ は、４０m以上であれば良い。
アイソレータ１３４は、コリメータ系１３２からの光のみを通過させ、光カプラ１３１からの光が直接コリメータ系１３２の方向に流れるのを防止する。
次に、変位センサユニット１３０の動きを説明する。
図２５は、光ファイバコリメータ系１３２を、反射板１３２dに沿って、光の入射方向に対して垂直に切断した断面を表した図である。
Ａ方向から力が加わり、反射板１３２dが位置１３６から位置１３７まで変位（変位量をxとする）すると、物理計測光（入射光）１３５が反射板１３２dによって反射される反射部分１３５aが大きくなる一方、透過板１３２cによって透過される透過部分１３５bが小さくなる。換言すれば、反射する光の強度が増大する一方、透過する光の強度が減少する。
図２６(a)、(b)、(c)は、Ａ方向からの力を変化させた際の、反射板１３２dの変位と透過率・反射率との関係を表した図であり、Ａ方向からの力は、図２６ (a)、図２６(b)、図２６(c)の順で高くなっている。
図からわかるように、(a)、(b)、(c)の順で反射板１３２dの変位xの値が大きくなっており、これに連動して反射率r（換言すれば、反射光の強度）が増大する一方、透過率t（換言すれば、透過光の強度t）は減少する。
次に、変位センサユニット１３０の動きを説明する。
計測装置１０２からの物理計測光は、光カプラ１３１に入射し、光ファイバ１０５cに出力された後、ダミーファイバ１３３を通過し光ファイバコリメータ系１３２に入射する。
光ファイバコリメータ系１３２では、物理計測光を測定物理量の変化によって生じた変位に応じた強度で入射光を反射光と透過光とに分離される。
透過光は光ファイバ１０５dに出力される。
一方、反射光は光ファイバ１０５cに射出され、ダミーファイバ１３３によって計測装置１０２が有する距離分解以上の光路差が与えられる。
反射光と透過光とは、光カプラ１３１で透過光と合波され、スルー本線５を介して計測装置１０２に入射して、ＰＤ１２４で受光される。
次に、反射板１３２dの変位(x)と透過率/反射率比(ζ)との関係を説明する。
図２７(a)は、透過板１３２ｃおよび反射板１３２dの変位と透過率・反射率との関係を示した図である。
図に示す曲線１４０は反射率を、曲線１４１は透過率をそれぞれ表し、横軸に透過板１３２ｃおよび反射板１３２dの変位(x)[mm]を、縦軸に透過率・反射率 [dB]を、それぞれとったものである。
図に示すように、透過板１３２ｃおよび反射板１３２dの変位xが大きくなるにつれて、反射率が増大する一方、透過率が減少し、反射率と透過率と相補的に変化していることがわかる。
図２７(b)は、透過板１３２ｃおよび反射板１３２dの変位と透過率/反射率比(ζ)との関係を示した図であり、横軸に変位(x)[mm]を、縦軸に透過率/反射率比を、それぞれとったものである。
図から、変位と透過率/反射率比との関係は曲線１４２に示すように、一対一対応の関係があることがわかる。
以上から、測定対象の物理量の情報である変位と透過率/反射率比との関係は１対１に対応していることがわかる。
次に、変位(x)から透過率/反射率比(ζ)を算出する方法を説明する。
レンズ１３２aによって、平行化された光（コリメート光）をGaussianとする。
図２８は、コリメート光の断面分布を表した図であり、縦軸、横軸は、変位(x)を表している。
また、図２９は、コリメート光の断面強度分布を示した図であり、横軸に距離を、縦軸に光の強度を、それぞれ取ったものである。
図２８に示した断面分布を
Figure 0005315347
 とする。（但し、w：ビーム径の1/2乗根（１/e幅）を表している）
透過板１３２ｃおよび反射板１３２dの位置がxである時、反射光の強度と透過光の強度とは以下のような体積積分P1(x)、P2(x)で表わすことができる。
反射光の強度
Figure 0005315347
 透過光の強度
Figure 0005315347
ここで、P1(x)、P2(x)に比、即ち透過/反射比をζ(x)とすると、
Figure 0005315347
 となる。
ここで、変位がビーム径より十分小さいときは、
Figure 0005315347
Figure 0005315347
 と近似できるから、透過/反射率比(ζ)は
Figure 0005315347
 と表わされ、これをデシベルであらわせば、
Figure 0005315347
 で与えられる。
即ち、透過/反射率比(ζ)のデシベル値はビーム幅で規格化した変位に等しくなることがわかる。
以上のようにして、変位(x)から透過/反射率比(ζ)を求めることができる。逆に言えば、透過率と反射率とから、測定対象の物理量の情報である変位を求めることができる。
次に、図２８に示した断面分布、及び図２９に示した断面強度分布を有するコリメート光を用いてシミュレーションを行った。
図３０は、物理計測光のビーム径ｗで規格化した変位である正規変位x/wに対する透過率と反射率との変化の表した図であり、図に示すように反射率と透過率とは相補的に変化している。
図３１は、正規変位x/wに対する透過率/反射率比(ζ)の変化を、｜x/w｜＜１の範囲で表した図であり、｜x/w｜が小さい程直線性は良くなる。
図３２は、ビーム径wをパラメータとして変位(x)に対する透過率/反射率比(ζ)の変化を表した図であり、図からわかるようにビーム径wが小さい方が変位(x)に対する透過率/反射率(ζ)の利得が大きくなると共に、直線からの乖離が大きくなることがわかる。
図３３は、正規変位x/wに対する透過率/反射率(ζ)の変化を示した図であり、図からわかるように｜x/w｜＜１の範囲で綺麗な直線関係が成り立っている。
（実験的検証）
次に、変位センサユニット１３０と計測装置１０２とを接続して、実験を行った。
図３４は、 実験構成を示した図である。
図に示すように、計測装置１０２からスルー本線５を伸ばし、１Km先で光カプラ１０３bによりセンサ支線を分岐させ、スルー本線５はさらに１Ｋｍで無反射終端１９７に接続させる。
なお、計測装置１０２のＰＮ符号生成器１２１のチップ速度を、12.5MHz、符号長とした。また、計測装置１０２の距離分解能は△Ｌ＝８mである。
カプラ１０３b、１３１のコネクタ反射と変位センサとの反射ピークとを分離するため、距離分解能△Ｌより長い６０mのダミーファイバ１４０bを設けた。
また、反射光と透過光とに計測装置２が有する距離分解能よりも大きな光路差を付与するために、長さ400ｍからなるダミーファイバ１３３を設けた。
また、図２４に示す光ファイバコリメータ系１３２を用い、ビーム径0.4のレンズ（コリメータ）１３２a、１３２bを、検出対象の変位に連動した透過板１３２cおよび反射板１３２dで垂直遮断するセットアップを作成し、透過板１３２cおよび反射板１３２dに対してロードセル等の変位印加装置(図示せず）から変位を印加する。
図３５は、変位印加装置からの印加変位が、0.21mmの場合の反射応答波形を示した図であり、横軸に距離[ｍ]を、縦軸に反射レベル[dB]をそれぞれとったものである。
図に示す反射ピーク２１０は、光カプラ１０３b前後及び光カプラ１３１前後のコネクタによる反射応答である。なお、光カプラ１０３bと光カプラ１３１の設置間隔は計測装置１０２の距離分解能以下なので、反射ピークは１つとなって現れている。
一方、反射ピーク２１２は、透過板１３２cおよび反射板１３２dによる反射光の反射応答であり、また反射ピーク２１３は、透過光の反射応答である。
図３６は、変位センサの印加変位が、0.11mmの場合の反射応答を示した図である。
図に示す反射ピーク２１０aは光カプラ１０３b前後及び光カプラ１３１前後のコネクタによる反射応答である。図３５と同様に、前記２つの光カプラの設置間隔は計測装置１０２の距離分解能以下なので、反射ピークは１つとなって現れている。
反射ピーク２１２aは、透過板１３２cおよび反射板１３２dによる反射光の反射応答であり、反射ピーク２１３aは透過光の反射応答である。
図３５及び図３６からわかるように、反射ピークと透過ピークとがプッシュプル（相補的）変化していることがわかる。
図３７は、変位(x)に対する透過光の受光レベルおよび反射光の受光レベルを表した図であり、横軸に変位[mm]を、縦軸に透過光の受光レベルおよび反射光の受光レベルを、それぞれとったものである。
図に示す曲線２２０は透過光の受光レベルを、曲線２２１は反射光の受光レベルをそれぞれ表しており、これらも同様にプッシュプル（相補的）に変化していることがわかる。
図３８は、変位(x)と透過受光レベル/反射受光レベル比(ζ)との関係を示した図であり、横軸に変位[x]を、縦軸に透過受光レベルと反射受光レベルのデシベル差[dB]を、それぞれとったものである。
図に示すように、変位とデシベル差とは、直線２２２の一次関係で表わされ、直線性の良いセンシングができていることがわかる。直線２２２を較正カーブとして、得られた透過率/反射率比(ζ)の値から変位を割り出せば良い。
以上より、変位センサユニットからの透過光と反射光とから、測定対象の物理量の情報である変位を求めることができる。
（実施例２）
次に、本発明に係る実施例２を説明する。
本実施例では、測定対象の物理量の情報として温度の情報を検出する際に用いる温度センシング用の反射センサユニットを構成する。
図３９は、温度センシング用の反射センサユニットである温度センサユニット２３０の構成を示した図である。
図に示すように、温度センサユニット２３０は光カプラ２３１、反射系２３２、ダミーファイバ２３３及びアイソレータ１３４等を備えている。
反射系２３２は、第1のフェルール２３２a、スリーブ２３２b、第２のフェルール２３２ｄ等を備えている。
第２のフェルール２３２ｄの端面には誘電体多層膜による傾斜フィルタ２３２cが蒸着されている。傾斜フィルタ２３２cは測定対象の温度変化に応じて反射率が変化する性質を有している。
次に、温度センサユニット２３０の動作を説明する。
計測装置１０２からの物理計測光は、光カプラ２３１に入射した後、ダミーファイバ２３３を通過し、光ファイバ１０５cに出力された後、反射系１３２に入射する。
反射系１３２では、測定対象の温度に応じた反射率及び透過率で、入射光を反射光と透過光とに分離する。
透過光は光ファイバ１０５dに射出され、アイソレータ１３４を通過した後、光カプラ１３１に入射する。
一方、反射光は光ファイバ１０５cに射出され、ダミーファイバ２３３によって計測装置２が有する距離分解能以上の光路差が与えられ、光カプラ1３１に入射し、透過光と合波する。
反射光と透過光とが合波された合成波はスルー本線５を介して、計測装置１０２に入射して、ＰＤ１２４に受光される。
なお、計測装置１０２での受光された光の処理は、実施例１と同じなので、ここでは詳細は割愛する。
次に、温度センサユニット２３０を、計測装置１０２に接続して計測を行った。
計測装置１０２から光ファイバに導入される物理計測光の波長は、1537.64[nm]とし、傾斜フィルタとしては、シングルキャビティ（光屈折率材：TiO2、低屈折率材：SiO2）の誘電体多層膜帯域通過フィルタのスペクトルの左半分を利用した。
図４０は、温度上昇と傾斜フィルタの透過と反射のスペクトルとの関係を示した図であり、横軸に波長[nm]を、縦軸に透過・反射減衰量[dB]を、それぞれとったものである。
図４０に示す実線２５０aと点線２５０bとが、温度−１５℃のときの透過特性と反射特性を表す曲線（以下では、透過特性曲線）、また実線２５１aと点線２５１bとが、温度５５℃のときの透過特性と反射特性（以下では、反射特性曲線）を、それぞれ表している。
図に示すように、温度が上昇するにつれて、透過特性曲線と反射特性曲線とは、長波長側にシフトすることがわかる。
図４１は、透過率/反射率比(ζ)と温度との関係を示した図であり、横軸に透過反射パワ比(ζ)を、縦軸にフィルタ直近に設けた白金の抵抗温度計による実際温度(℃)をそれぞれとったものである。
図に示す曲線２５２は、白金の抵抗温度計によって測定した実際温度であり、図上のプロットは、温度センサユニット１４０を用いて求めた温度である。
図に示すように、白金の抵抗温度計によって測定した実際温度と透過/反射パワ比とは、１対１に対応しており、この図を較正曲線として温度を求めれば良い。
（実施例３）
次に、本発明に係る実施例３を説明する。
本実施例においても、測定対象の物理量の情報として温度の情報を検出する際に用いる温度センサユニットを説明する。
図２１は、温度センシング用の温度センサユニット２４０の一例を示した図である。
図に示すように、反射センサユニット２４０は、光カプラ２４１、反射系２４２、ダミーファイバ２４３及びアイソレータ１３４等を備えている。
反射系１４２は、ポリイミド等のフィルム上に誘電体多層膜を蒸着させた傾斜フィルタ２４２ｃ（または、基盤レスフィルタ）を蒸着し、これを２つのフェルール２４２a、２４２dをスリーブ２４２b内で挟み込む。
温度センサユニット２４０を計測装置１０２に接続し、実施例２と同様の実験を行った。
この場合も、図４０と同様の傾斜フィルタ２４２cの入射光に対する反射率と透過率とを表したグラフが得られた。
傾斜フィルタ２４２cの透過率と反射率とも、実施例２と同様に図４０に示すように測定対象の温度が変化することによって透過率と反射率とがプッシュプル（相補的）に変化する。
図４０の説明、及び温度センサユニット１４０の動作、計測装置１０２の処理等については実施例２と同じなのでここでは詳細を割愛する。
以上より、光ファイバに導入された物理計測光は、フィルタによって測定対象の温度に応じてプッシュプル（相補的）に光の強度が変化する透過光と反射光とに分離され、計測装置に射出される。そして、計測装置によって透過光の利得と反射光の利得との比が取られ、温度の情報が検出される。
（実施例４）
次に、実施例４を説明する。
本実施例は、計測装置１０２に、変位センサユニット２５０と温度センサユニット２５１とを同じ光ファイバ上に設置し、変位と温度とを同時に測定するものである。
図４３に示すように、光ファイバセンシングシステム１cは、計測装置１０２、光カプラ１０３f、変位センサユニット１３０、温度センサユニット２４０等を備え、計測装置１０２から、１Kmの地点に変位センサユニット１３０を、また２Kmの地点に温度センサユニット２４０を、それぞれ接続している。
また、変位センサユニット１３０、温度センサユニット２４０に含まれるダミーファイバの長さは、それぞれ200ｍとした。なお、計測装置１０２、光カプラ１０３f、変位センサユニット１３０、温度センサユニット２４０の機能や構成等は上記実施例と同じなので詳細な説明は割愛する。
図４４は、変位センサユニット１３０と温度センサユニット２４０のそれぞれの反射応答を示した図であり、横軸に距離[m]を、縦軸に反射レベル[dB]をそれぞれとったものである。
図に示す反射ピーク２６０は、変位センサユニット１３０からの透過光の応答であり、計測装置１０２から変位センサユニット１３０までの距離（１ｋｍ）に対して、ダミーファイバ(200m)の半分だけ透過光が遅れている。
反射応答２６１は変位センサユニット１３０からの反射光の応答であり、計測装置１０２から変位センサユニット１３０までの距離（１ｋｍ）に対して、ダミーファイバ(200m)の分だけ反射光が遅れている。
また、反射ピーク２６２は、温度センサユニット２４０からの透過光の応答であり、計測装置１０２から温度センサユニット２４０までの距離（２ｋｍ）に対して、ダミーファイバ(200m)の半分だけ透過光が遅れている。
反射応答２６３は温度センサユニット２４０からの反射光の応答であり、計測装置１０２から温度センサユニット２４０までの距離（２ｋｍ）に対して、ダミーファイバ(200m)の分だけ反射光が遅れている。
このように、例えば変位と温度等のように測定対象の物理量が異なる場合であっても１つの光ファイバセンシングシステムで測定することができる。
次に、第二実施形態で説明した光ファイバセンシングシステムの改良型を説明する。
これまでの反射センサユニットには、アイソレータが含まれているため反射センサユニットの製作費用が高く付くという問題や、反射センサユニットの構成要素の変動が測定に影響するという問題もある。そこで以下では上記問題を解決する反射センサユニットを提供する。
図４５は、改良型の反射センサユニットを示した図である。
図に示すように、反射センサユニット２７０は物理計測光を分岐比ξ：１−ξに分岐させる分光器２７１、ファイバ長Ｌのダミーファイバ２７３、光ファイバコリメータ系１３２等を備えている。
また、分岐路２７２aの伝送損失率比をa、分岐路２７２bの伝送損失率をbとする。
次に、計測装置１０２からの物理計測光の流れを説明する。
分光器２７１に入射した物理計測光は、分岐比ξ：１−ξで光路２７２aと光路２７２bとに分岐される。光路２７２aに分岐された光は光ファイバコリメータ系１３２に入射しt：rの比で透過光1と反射光1とに分離され、反射光1は光路２７２aに、透過光1は光路２７２bにそれぞれ射出される。
一方、光路２７２ｂに射出された光は、ダミーファイバ２７３を通過した後、光ファイバコリメータ系１３２に入射しt：rの比で透過光2と反射光2とに分離され、透過光2は光路２７２aに、反射光2は光路２７２bにそれぞれ射出される。
次に、ＰＤ１２４に受光される光の強度を求める。
最初に、反射光１がＰＤ１２４に受光され。
この光の強度は
Figure 0005315347
 で与られる。
次に、透過光1と透過光2とが光カプラ２７１で合波された後、ＰＤ１２４で受光される。
この光の強度は、
Figure 0005315347
 で与えられる。
最後に、反射光2がＰＤ１２４で受光される。
この光の強度は、
Figure 0005315347
 で与えられる。
ここで、ダミーファイバ２６のファイバ長はＬであるから、反射光１、透過光１と透過光２及び反射光２の相対距離は、反射光１を基準（０）とすると、それぞれＬ、２Ｌである。
次に、計算量ζを次のように定義する。
Figure 0005315347
 これに、上記算出したＲ１、Ｒ２及びＲ３を代入すると、
Figure 0005315347
即ち、
Figure 0005315347
 となって、ζはξ, a, bとは無関係となる。つまり、反射センサユニットのパラメータが変動しても、それらの影響を受けない。
なお、上記計算はシフト解析器１３１によってなされる。
以上のような構成とすれば、反射光路や透過路伝送損失率が温度や湿度によって変化してもその変化に影響されず、精度の高い測定が可能となる。
以上、第一実施形態、第二実施形態でみてきたように、本発明に係る光ファイバセンシングシステムでは、反射センサユニットにおいて光ファイバに導入された物理計測光が、反射光と透過光とに分離され、これら光の利得の比（デシベル差）をとることによって、これらの変動や影響が相殺され、高精度な計測が可能となる。
計測装置は透過光と反射光とを一つの受光器で受光できるので、例えば透過光と反射光とを異なる受光器で受光するのに比べて、受光素子の特性差を回避することができるので精度の高い測定が可能となる。
さらに、疑似ランダム符号相関方式によって測定対象の物理量を測定するので、PN符号長によって光ファイバに導入する光のダイナミックレンジを容易に制御することができる。例えば、符号長を大きくすることによって測定対象の物理量の微小な変化を測定することが可能となる。
なお、本実施形態では、図４６(a)に示すように光ファイバに対して縦続的に複数の光カプラを挿入して、それぞれの光カプラからの光ファイバの終端に１つのＦＢＧ等を接続した形態としたが、これには限定されず、例えば、図４５(b)に示すように光ファイバに１つの光カプラを挿入し、該光カプラから伸びる複数の光ファイバの終端のそれぞれに１つのＦＢＧ等を接続した形態としても良い。

Claims (8)

  1. 物理計測光を出力する光源が第１のポートに接続されたサーキュレータと、前記サーキュレータの第２のポートに接続された第１光ファイバと、
    前記第１光ファイバの終端に接続され、物理計測光を測定対象の物理量変化に応じて変調された反射スペクトルを前記第１光ファイバに戻す少なくとも１つの反射センサと、
    前記サーキュレータの第３のポートに接続され前記反射センサからの戻り光の強度が該反射スペクトルの変化に応じて相補的に変化する２つの光に分離する光分離手段と、
    前記分離手段からの２つの光のそれぞれの光路である第２光ファイバと第３光ファイバと、
    前記第２光ファイバに接続され前記分離手段で分離された一方の光に対し所定の時間差を付与するダミーファイバと、
    第３光ファイバの末端と前記ダミーファイバの末端とを結合する第１の光カプラと、
    前記第１の光カプラからの光を受光する受光手段と、
    前記２つの光の強度比に基づいて前記測定対象の物理的変化量を算出し検出する手段と、により構成したことを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
  2. 前記光分離手段が、波長傾斜フィルタとサーキュレータとから構成される請求項１に記載の光ファイバセンシングシステム。
  3. 前記光分離手段が、波長傾斜フィルタから構成される請求項１に記載の光ファイバセンシングシステム。
  4. 前記光分離手段の周辺温度を一定に保つ温度制御機構を備えている請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
  5. 物理計測光を出力する光源に接続された光ファイバと、
    前記光ファイバの終端に第２の光カプラを接続する一方、該第２の光カプラから２つに分岐する一方の支線に接続され、物理計測光を測定対象の物理量変化に応じて強度が相補的に変化する２つの光に分離して分離した一方の光を前記第２の光カプラに戻す光分離手段と、前記光分離手段に接続され分離した他方の光に対し所定の時間差を与えるダミーファイバとを含み、前記光カプラの他方の支線と前記ダミーファイバの他端と接続して形成され、分離した他方の光を前記ダミーファイバを介して前記第２の光カプラに戻す反射センサユニットと、
    前記光ファイバが第２のポートに接続されたサーキュレータと、
    前記サーキュレータの第３のポートに接続され、分離された２つの光を受光する受光手段と、
    前記受光手段により受光した２つの光の強度比に基づいて前記測定対象の物理的変化量を算出し検出する手段と、
    により構成したことを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
  6. 前記光ファイバは、第３の光カプラで分岐するように構成され、分岐した光路に前記反射センサを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
  7. 前記光ファイバは、第３の光カプラで複数の光路に分岐するように構成され、分岐した各光路に前記反射センサを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
  8. 前記物理的変化量を算出し検出する手段は、
    擬似ランダム信号を生成するＰＮ符号生成器と、
    ＰＮ符号生成器で生成された擬似ランダム信号に基づいて物理計測光を変調する手段と、
    前記受光手段によって受光した２つの光を電気信号に変換する手段と、
    変換された電気信号と前記ＰＮ符号生成器からの擬似ランダム信号とで相関演算することによって２つの光の強度を算出する手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
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