JP5802895B2 - 光符号変調パルスの相関処理方式 - Google Patents
光符号変調パルスの相関処理方式 Download PDFInfo
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1)位相シフトパルスBOTDA(PSP−BOTDA)
2)符号化PSP−BOTDA
が提案されている(非特許文献1(特にpp.207-208)、非特許文献2(特にpp.33-35)参照)。
時間tの関数として相関符号系列信号C(t)を発生する相関符号系列信号発生器と、
光を前記相関符号系列信号C(t)を含む信号で変調する光変調器と、
光の速度をvとし、前記相関符号系列信号C(t)の1ビットパルス(サブパルス)の時間幅をτとした場合に、長さがv/(2Γ)とほぼ等しいかそれ以下である短い区間からのステップ応答関数がh(t)、前記h(t)の逆数の関数がg(t)=1/h(t)である光システムに、前記光変調器で変調された光信号を入力したときに当該光システムから出力される光を受信して受信信号RC(t)を出力する光受信器と、
前記関数g(t)と前記相関符号系列信号C(t)を乗じた関数をC(t)g(t)とし、前記受信信号RC(t)または前記相関符号系列信号C(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C - (t)を使用した時の受信信号をRC - (t)としたときにRC(t)からRC - (t)を減算した信号と、前記関数C(t)g(t)との相関処理を行う相関処理器とを備えたことを特徴とする。
時間tの関数として相関符号系列信号C1(t)及びその符号要素を逆の順番に並べた逆方向相関符号系列信号C2(t)を発生する相関符号系列信号発生器と、
光を前記相関符号系列信号C1(t)を含む信号及び前記相関符号系列信号C2(t)を含む信号で変調する光変調器と、
光システムに前記光変調器で変調された光信号を入力したときに当該光システムから出力される光を受信して受信信号RC1(t)及び受信信号RC2(t)を出力する光受信器と、
前記受信信号RC1(t)または前記相関符号系列信号C1(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C1 - (t)を使用した時の受信信号をRC1 - (t)としたときにRC1(t)からRC1 - (t)を減算した信号と、前記相関符号系列信号C1(t)との相関処理、及び、前記受信信号RC2(t)または前記相関符号系列信号C2(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C2 - (t)を使用した時の受信信号をRC2 - (t)としたときにRC2(t)からRC2 - (t)を減算した信号と、前記相関符号系列信号C2(t)との相関処理を行う相関処理器と、
前記相関処理器から出力される、前記相関符号系列信号C1(t)との相関処理結果と、前記相関符号系列信号C2(t)との相関処理結果を加算して出力する合成処理器とを備えたことを特徴とする。
時間tの関数として相関符号系列信号C1(t)及びその符号要素を逆の順番に並べた逆方向相関符号系列信号C2(t)を発生する相関符号系列信号発生器と、
光を前記相関符号系列信号C1(t)を含む信号及び前記相関符号系列信号C2(t)を含む信号で変調する光変調器と、
光の速度をvとし、前記相関符号系列信号C1(t)及び前記相関符号系列信号C2(t)の1ビットパルス(サブパルス)の時間幅をτとした場合に、長さがv/(2Γ)とほぼ等しいかそれ以下である短い区間からのステップ応答関数がh(t)、時間tについての1次関数がF(t)=β(1−αt)、前記F(t)を前記h(t)で除した関数がG(t)=F(t)/h(t)である光システムに、前記光変調器で変調された光信号を入力したときに当該光システムから出力される光を受信して受信信号RC1(t)及び受信信号RC2(t)を出力する光受信器と、
前記関数G(t)と前記相関符号系列信号C1(t)を乗じた関数をC1(t)G(t)とし、前記関数G(t)と前記相関符号系列信号C2(t)を乗じた関数をC2(t)G(t)とし、前記受信信号RC1(t)または前記相関符号系列信号C1(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C1 - (t)を使用した時の受信信号をRC1 - (t)としたときにRC1(t)からRC1 - (t)を減算した信号と、前記関数C1(t)G(t)との相関処理、及び、前記受信信号RC2(t)または前記相関符号系列信号C2(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C2 - (t)を使用した時の受信信号をRC2 - (t)としたときにRC2(t)からRC2 - (t)を減算した信号と、前記関数C2(t)G(t)との相関処理を行う相関処理器と、
前記相関処理器から出力される、前記関数C1(t)G(t)との相関処理結果と、前記関数C2(t)G(t)との相関処理結果を加算して出力する合成処理器とを備えたことを特徴とする。
図7は本発明の光符号変調パルスの相関処理方式の第1実施形態、ここではPSP−BOTDAに適用した例を示すもので、図中、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、1は光ファイバ、2はレーザ、3は光変調器、6,11はカップラ、7は光レシーバ、12は光周波数シフタ、13は相関符号系列信号発生器、14は相関処理器、15は合成処理器である。
A1={1,1,1,−1},B1={1,1,−1,1}
とすると、その要素を交換した相補相関符号系列は、1を−1と交換し、−1を1と交換することにより得られ、
A1-={−1,−1,−1,1},B1-={−1,−1,1,−1}
のようになる。
h(t)=exp(−Γt) (3)
で与えられる。
ΔRA1(t)=A1(t)h(t) (4)
である。同様にして、符号系列B1,B1-を使用したときの差信号ΔRB1(t)は、
ΔRB1(t)=B1(t)h(t) (5)
のように表せる。
本実施形態では、第1実施形態と同じく、PSP−BOTDAに本発明を適用している。本発明の第2実施形態である光符号変調パルスの相関処理方式の基本構成は、第1実施形態の構成を示す図7と同じであるが、相関符号系列信号発生器13、相関処理器14及び合成処理器15の機能において、第1実施形態と異なる。
A1={1,1,1,−1},B1={1,1,−1,1}
とすると、その逆方向相補相関符号系列は、
A2={−1,1,1,1},B2={1,−1,1,1}
である。
SNR0=1/σ2
で与えられる。
本実施形態では、第1実施形態と同じく、PSP−BOTDAに本発明を適用している。本発明の第3実施形態である光符号変調パルスの相関処理方式の基本構成は、第1実施形態の構成を示す図7と同じであり、また、相関符号系列信号発生器13及び合成処理器15の機能は第2実施形態と同じであるが、相関処理器14の機能において第2実施形態と異なる。
G(t)=g(t)F(t) (13)
とし、以下の式(14)で表すように、相関処理器14は、A1(t)G(t)とΔRA1(t)との相互相関ΨA1(n)と、A2(t)G(t)とΔRA2(t)との相互相関ΨA2(n)と、B1(t)G(t)とΔRB1(t)との相互相関ΨB1(n)と、B2(t)G(t)とΔRB2(t)との相互相関ΨB2(n)との計算処理を行う。そして合成処理器15は、それらの総合和Ψ(n)を合成する計算処理を行う。
本変形例は、符号変調として、位相シフト変調(PSK; Phase Shift Keying)ではなく、振幅シフト変調(ASK; Amplitude Shift Keying)を使用する場合である。これまで、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態では、符号の要素1,−1に対して光の信号の位相をそれぞれ0,πシフトさせる位相シフト変調(PSK)を使用した。しかしながら、本発明はPSKに限らず、ASKにも適用可能である。
図10は本発明の光符号変調パルスの相関処理方式の第4実施形態、ここではPSP−BOTDAではなく、BOTDRに適用した例を示すもので、図中、第1実施形態乃至第3実施形態及び変形例1と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、1は光ファイバ、2はレーザ、3は光変調器、6,11,21はカップラ、13は相関符号系列信号発生器、14は相関処理器、22は光レシーバ、23はローカル発振器、24はミキサ、25は二乗処理器、26は加算平均処理器である。
RC(t)=cosθC(t)h(t) (18)
である。ここで、θはブリルアン散乱光とローカル光との位相差である。
図12は本発明の光符号変調パルスの相関処理方式の第5実施形態、ここではレイリー散乱を測定する光増幅器型コヒーレントOTDRに適用した例を示すもので、図中、第1実施形態乃至第3実施形態及び変形例1、並びに第4実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、1は光ファイバ、2はレーザ、3は光変調器、6,11,21はカップラ、13は相関符号系列信号発生器、14は相関処理器、15は合成処理器、22は光レシーバ、23はローカル発振器、24はミキサ、25は二乗処理器、26は加算平均処理器、31は光増幅器である。
hOA(t)=exp(−γt) (20)
のように近似できる。この関数は、本発明の第1乃至第3実施形態で考えた、音波の減衰が関係したブリルアン増幅信号のステップ応答と同じく指数関数の形をしている。よって、両者は数学的に同じように扱えるといって良い。従って、第1乃至第3実施形態及びその変形例1で示した、光符号変調パルスの相関処理方式の考え方が、光増幅器型コヒーレントOTDRにおいても有効である。
RA1(t)=cosθA1(t)hOA(t) (21)
である。同様にして、符号系列B1を使用したときのベースバンド電気信号RB1(t)は
RB1(t)=cosθB1(t)hOA(t) (22)
のように表せる。但し、θはレイリー散乱光とローカル光との位相差である。ここで、プローブ光をA1(t)とB1(t)で変調した時間間隔では、レーザ2及びレイリー散乱光の周波数や位相はゆらがないものとした。
本実施形態では、第5実施形態と同じく、レイリー散乱を測定する光増幅器型コヒーレントOTDRに本発明を適用している。第5実施形態の説明の文章中で触れたように、第2実施形態で示した光変調パルスの相関処理方式の考え方は、本発明の第6実施形態にも有効である。本発明の第6実施形態である光符号変調パルスの相関処理方式の基本構成は、第5の実施形態の構成を示す図12と同じであるが、相関符号系列信号発生器13、相関処理器14及び合成処理器15の機能において、第5実施形態と異なる。
本実施形態では、第5実施形態と同じく、レイリー散乱を測定する光増幅器型コヒーレントOTDRに本発明を適用している。第5実施形態の説明の文章中で触れたように、第3実施形態で示した光変調パルスの相関処理方式の考え方は、本発明の第7実施形態にも有効である。本発明の第7実施形態である光符号変調パルスの相関処理方式の基本構成は、第5の実施形態の構成を示す図12と同じであるが、相関符号系列信号発生器13、相関処理器14及び合成処理器15の機能において、第5実施形態と異なる。
またその逆の関数をgOA(t)=1/hOA(t)とする。
GOA(t)=gOA(t)F(t)
とし、以下の式(27)で表すように、相関処理器14は、A1(t)GOA(t)とRA1(t)との相互相関ΨA1(n)と、A2(t)GOA(t)とRA2(t)との相互相関ΨA2(n)と、B1(t)GOA(t)とRB1(t)との相互相関ΨB1(n)と、B2(t)GOA(t)とRB2(t)との相互相関ΨB2(n)の計算処理を行う。そして合成処理器15はそれらの総合和Ψ(n)の計算処理を行う。
本変形例は、光増幅器型コヒーレントOTDRのプローブ光の符号変調として、位相シフト変調(PSK; Phase Shift Keying)ではなく、振幅シフト変調(ASK; Amplitude Shift Keying)を使用する場合である。
図14は本発明の光符号変調パルスの相関処理方式の変形例3、ここでは光増幅器型コヒーレントOTDRのプローブ光の符号変調としてASKを使用し、かつ、相関処理は受信した信号を二乗処理した後に行うようにした例を示すもので、図中、第5乃至第7実施形態及び変形例2と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、1は光ファイバ、2はレーザ、3は光変調器、6,11,21はカップラ、13は相関符号系列信号発生器、14は相関処理器、15は合成処理器、22は光レシーバ、23はローカル発振器、24はミキサ、25は二乗処理器、26は加算平均処理器、31は光増幅器である。
(ここで、2γは、光増幅器出力信号のパワーの減衰率に対応する)
・gm=exp(Γmτ)→exp(2γmτ)
・RA1m,RA2m,RB1m,RB2mは、ミキサ出力信号ではなく、ミキサ出力信号を二乗した信号と読み替える。
・Gm=gmF(t)=exp(Γmτ)F(t)→exp(2γmτ)F(t)
と読み替える。
本変形例は、光増幅器型BOTDRのプローブ光の符号変調として、ASKを使用し、かつ、相関処理は、受信した信号を二乗処理したあとに行う場合である。
図15は本発明の光符号変調パルスの相関処理方式の変形例5、ここでは光増幅器型直接検波方式OTDRに適用した例を示すもので、図中、第1実施形態乃至第3実施形態及び変形例1、並びに第5実施形態乃至第7実施形態及び変形例2と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、1は光ファイバ、2はレーザ、3は光変調器、6はカップラ、7は光レシーバ、13は相関符号系列信号発生器、14は相関処理器、15は合成処理器、26は加算平均処理器、31は光増幅器である。なお、プローブ光の符号変調方式には、ASKを使用する。
図16は本発明の光符号変調パルスの相関処理方式の変形例6、ここでは光増幅器型ASK符号変調BOTDAに適用した例を示すもので、図中、第1実施形態乃至第3実施形態及び変形例1、並びに第5乃至第7実施形態及び変形例2と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、1は光ファイバ、2はレーザ、3は光変調器、6,11はカップラ、7は光レシーバ、12は光周波数シフタ、13は相関符号系列信号発生器、14は相関処理器、15は合成処理器、31は光増幅器である。
・Γ→2γ
(ここで、2γは、光増幅器出力信号のパワーの減衰率に対応する)
・gm=exp(Γmτ)→exp(2γmτ)
・Gm=gmF(t)=exp(Γmτ)F(t)→exp(2γmτ)F(t)
のように読み換えることが必要である。
本変形例は、光増幅器型PSK離散符号化BOTDAに本発明を適用した場合である。その構成は、前記変形例6と同じく、図16で表せる。また、本変形例の構成は、図7の第1実施形態の場合と大きくは変わらない。違いは、光増幅器31を使用していること、及びその使用により、ポンプ光の波形は指数関数状にひずんでいること、並びにポンプ光を符号変調する方式にある。
・Γ→2γ
(ここで、2γは、光増幅器出力信号のパワーの減衰率に対応する)
・gm=exp(Γmτ)→exp(2γmτ)
・Gm=gmF(t)=exp(Γmτ)F(t)→exp(2γmτ)F(t)
の読み換えを行う。
・φ(nτ)=φ(n)→φ(nt3)=φ(n)
・Φ(nτ)=Φ(n)→Φ(nt3)=Φ(n) など
・Ψ(nτ)=Ψ(n)→Ψ(nt3)=Ψ(n) など
・ΔRA1(nτ)=ΔRA1n→ΔRA1(nt3)=ΔRA1n など
・h(nτ)=hn→h(nt3)=hn
・g(nτ)=gn→g(nt3)=gn
のように読み換える。
本変形例は、前記変形例7における符号変調方式を、離散的なPSKから、離散的なASKに変更したことにある。本変形例で使用するポンプ光の例を図18に示す。符号要素1,−1にASKの1,0値を割り当てている。
本変形例は、光増幅器型ラマンOTDRに本発明を適用する。
2,5:レーザ
3:光変調器
4:パルス信号発生器
6,11,21:カップラ
7,22:光レシーバ
12:光周波数シフタ
13:相関符号系列信号発生器
14:相関処理器
15:合成処理器
23:ローカル発振器
24:ミキサ
25:二乗処理器
26:加算平均処理器
31:光増幅器
32:光フィルタ
FE1,FE2:光ファイバの端面
Claims (4)
- 時間tの関数として相関符号系列信号C(t)を発生する相関符号系列信号発生器と、
光を前記相関符号系列信号C(t)を含む信号で変調する光変調器と、
光の速度をvとし、ブリルアン増幅またはブリルアン散乱に関与する音波の振幅の減衰係数をΓとし、前記相関符号系列信号C(t)の1ビットパルス(サブパルス)の時間幅をτとした場合に、長さがv/(2Γ)とほぼ等しいかそれ以下である短い区間からのステップ応答関数がh(t)、前記h(t)の逆数の関数がg(t)=1/h(t)である光システムに、前記光変調器で変調された光信号を入力したときに当該光システムから出力される光を受信して受信信号RC(t)を出力する光受信器と、
前記関数g(t)と前記相関符号系列信号C(t)を乗じた関数をC(t)g(t)とし、前記受信信号RC(t)または前記相関符号系列信号C(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C-(t)を使用した時の受信信号をRC-(t)としたときにRC(t)からRC-(t)を減算した信号と、前記関数C(t)g(t)との相関処理を行う相関処理器とを備えた
ことを特徴とする光符号変調パルスの相関処理方式。 - 時間tの関数として相関符号系列信号C1(t)及びその符号要素を逆の順番に並べた逆方向相関符号系列信号C2(t)を発生する相関符号系列信号発生器と、
光を前記相関符号系列信号C1(t)を含む信号及び前記相関符号系列信号C2(t)を含む信号で変調する光変調器と、
光システムに前記光変調器で変調された光信号を入力したときに当該光システムから出力される光を受信して受信信号RC1(t)及び受信信号RC2(t)を出力する光受信器と、
前記受信信号RC1(t)または前記相関符号系列信号C1(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C1 - (t)を使用した時の受信信号をRC1 - (t)としたときにRC1(t)からRC1 - (t)を減算した信号と、前記相関符号系列信号C1(t)との相関処理、及び、前記受信信号RC2(t)または前記相関符号系列信号C2(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C2 - (t)を使用した時の受信信号をRC2 - (t)としたときにRC2(t)からRC2 - (t)を減算した信号と、前記相関符号系列信号C2(t)との相関処理を行う相関処理器と、
前記相関処理器から出力される、前記相関符号系列信号C1(t)との相関処理結果と、前記相関符号系列信号C2(t)との相関処理結果を加算して出力する合成処理器とを備えた
ことを特徴とする光符号変調パルスの相関処理方式。 - 時間tの関数として相関符号系列信号C1(t)及びその符号要素を逆の順番に並べた逆方向相関符号系列信号C2(t)を発生する相関符号系列信号発生器と、
光を前記相関符号系列信号C1(t)を含む信号及び前記相関符号系列信号C2(t)を含む信号で変調する光変調器と、
光の速度をvとし、ブリルアン増幅またはブリルアン散乱に関与する音波の振幅の減衰係数をΓとし、前記相関符号系列信号C1(t)及び前記相関符号系列信号C2(t)の1ビットパルス(サブパルス)の時間幅をτとした場合に、長さがv/(2Γ)とほぼ等しいかそれ以下である短い区間からのステップ応答関数がh(t)、時間tについての1次関数がF(t)=β(1−αt)、前記F(t)を前記h(t)で除した関数がG(t)=F(t)/h(t)である光システムに、前記光変調器で変調された光信号を入力したときに当該光システムから出力される光を受信して受信信号RC1(t)及び受信信号RC2(t)を出力する光受信器と、
前記関数G(t)と前記相関符号系列信号C1(t)を乗じた関数をC1(t)G(t)とし、前記関数G(t)と前記相関符号系列信号C2(t)を乗じた関数をC2(t)G(t)とし、前記受信信号RC1(t)または前記相関符号系列信号C1(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C1-(t)を使用した時の受信信号をRC1-(t)としたときにRC1(t)からRC1-(t)を減算した信号と、前記関数C1(t)G(t)との相関処理、及び、前記受信信号RC2(t)または前記相関符号系列信号C2(t)の符号系列の要素の極性を反転させた信号C2-(t)を使用した時の受信信号をRC2-(t)としたときにRC2(t)からRC2-(t)を減算した信号と、前記関数C2(t)G(t)との相関処理を行う相関処理器と、
前記相関処理器から出力される、前記関数C1(t)G(t)との相関処理結果と、前記関数C2(t)G(t)との相関処理結果を加算して出力する合成処理器とを備えた
ことを特徴とする光符号変調パルスの相関処理方式。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の光符号変調パルスの相関処理方式において、
相関符号は、相補相関符号またはBarker符号またはM系列符号のいずれかである
ことを特徴とする光符号変調パルスの相関処理方式。
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