JP7351365B1 - 光ファイバセンサ及びブリルアン周波数シフト測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＳＥノイズによる干渉成分を除去することで正確なブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）を算出する。【解決手段】基準区間及びノイズ区間の干渉信号の平均強度を取得する基準区間及びノイズ区間平均値計算手段１８０と、ノイズ区間の平均強度を用いて干渉信号からノイズ成分を除去するブリルアン散乱光振幅計算手段１８６と、０から２πまで掃引するように遅延部を制御できる位相制御手段１４２と、強度信号を用いて、干渉信号からブリルアン散乱計数を除去するブリルアン散乱係数除去手段１７６と、位相を０から２πまで掃引して得られた、位相と平均強度Ｉａｖｅの関係を用いて、干渉信号の振幅、及び、初期位相φｏｆｆｓｅｔを取得する位相及び振幅計算手段１８４と、ブリルアン散乱係数が除去された干渉信号を、干渉信号の振幅を用いて規格化する規格化手段１７９と、規格化された干渉信号を用いてＢＦＳを算出するＢＦＳ算出手段１８８とを備える。【選択図】図５

Description

この発明は、ブリルアン散乱光を用いた光ファイバセンサ、及び、ブリルアン周波数シフト測定方法に関する。

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。特に、散乱光を利用する光ファイバセンシングは、点ごとに計測する電気センサとは異なり、長距離の分布としての計測が可能であるため、被測定対象全体の物理量を計測することができる。

長距離の分布としての計測が可能な分布型光ファイバセンシングとして、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。

ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｇａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）と呼ばれる。ＢＧＳの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）及びブリルアン線幅と呼ばれる。ＢＦＳ及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質及び入射される光の波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長１．５５μｍにおけるＢＦＳの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約１１ＧＨｚ及び約３０ＭＨｚとなることが報告されている。また、非特許文献１からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うＢＦＳの大きさは波長１．５５μｍにおいて、それぞれ０．０４９ＭＨｚ／με、１．０ＭＨｚ／℃である。

このように、ＢＦＳは歪みと温度に対して依存性を持つ。このため、ＢＯＴＤＲは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物の劣化診断、プラントの温度モニタリング、及び、地滑りが発生する恐れのある箇所の監視などの目的で利用可能であり、注目されている。

ＢＯＴＤＲでは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２～３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。

ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保できない。その結果、Ｓ／Ｎ改善のための平均化処理が必要となる。ＢＯＴＤＲを行う従来の光ファイバ歪み測定装置では、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得しているが、平均化処理とこの３次元情報の取得のため、測定時間の短縮が難しい。

これに対し、この出願に係る発明者らにより、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲ（ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲ：Ｓｅｌｆ－ｄｅｌａｙｅｄ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ＢＯＴＤＲ）
を利用する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲでは、受信されるビート信号と局発信号の位相比較をすることで、ＢＦＳの変化を、ビート信号中の位相変化として観測する。このように、ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲは、周波数掃引を必要とせずに直接ＢＦＳを算出できるため、高速かつ安価な測定を実現できる。

また、この出願に係る発明者らは、自己遅延干渉計として、自己遅延ホモダイン型のＢＯＴＤＲを利用する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法も提案している（例えば、特許文献２参照）。自己遅延ホモダイン型のＢＯＴＤＲは、構成がより簡便になるだけでなく、Ｓ／Ｎや空間分解能も向上する。

特開２０１６－１９１６５９号公報 特開２０１９－０６０７４３号公報

Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．，"Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ－ｆｉｂｅｒ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ"， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ．Ｅ７６－Ｂ， ｎｏ．４， ｐｐ．３８２－３９０ （１９９３）

ここで、自己遅延ホモダイン型のＢＯＴＤＲでは、干渉計内の２つの光路間の位相差に応じた強度信号が出力される。ここで、位相と強度の関係は通常の測定開始前にキャリブレーション測定により取得することができる。通常、この位相と強度の関係は、ブリルアン散乱光同士が干渉した信号の、位相と強度を意味しており、ブリルアン散乱光以外の信号が干渉計に入力されることは想定されていない。

しかし、実際の動作環境下では、干渉計に入力される信号は、ブリルアン散乱光だけでなく、散乱光が入力されるＥＤＦＡなどの光増幅器からのＡＳＥノイズが重畳されることがある。このＡＳＥノイズが、ＢＦＳの正確な算出を妨げる恐れがある。

この発明は、上述の状況に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、ＡＳＥノイズによる干渉成分を除去することで、正確なＢＦＳを算出する、自己遅延ホモダイン型の光ファイバセンサ、及び、ブリルアン周波数シフト測定方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバセンサは、プローブ光を生成する光源部と、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、２分岐する分岐部と、分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて、自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、散乱光の強度を示す強度信号を生成する強度取得部と、干渉信号及び強度信号から、ブリルアン周波数シフト量を取得するブリルアン周波数シフト取得部とを備えて構成される。

干渉信号取得部は、入力された散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する分岐部と、第１光路に設けられ、ブリルアン周波数シフト取得部からの指示に応じて散乱光の位相を変化させることができる遅延部と、第１光路及び第２光路を経て受け取った光を合波して
干渉光を生成する合波部とを有する自己遅延型のホモダイン干渉計、及び、干渉光を電気信号に変換して干渉信号を生成する干渉光受光部を備える。

ブリルアン周波数シフト取得部は、予め設定された基準区間の平均強度と、光ファイバが設けられていない区間に対応するノイズ区間の平均強度を取得する基準区間及びノイズ区間平均値計算手段と、干渉信号から、ノイズ区間の平均強度であるノイズ成分を除去するブリルアン散乱光振幅計算手段と、第１光路を伝播する散乱光の位相を、０から２πまで掃引するように遅延部を制御できる位相制御手段と、強度信号を用いて、ノイズが除去された干渉信号から、ブリルアン散乱係数を除去する、ブリルアン散乱係数除去手段と、位相を０から２πまで掃引して得られた、基準区間のノイズが除去された干渉信号の平均強度Ｉ_ａｖｅから、位相と平均強度Ｉ_ａｖｅの関係を取得し、関係を用いて、干渉信号の振幅、及び、ブリルアン周波数シフトの測定範囲を規定する初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を取得する、位相及び振幅計算手段と、ブリルアン散乱係数が除去された干渉信号を、ノイズが除去された干渉信号の振幅を用いて規格化する、規格化手段と、規格化された干渉信号を用いてブリルアン周波数シフトを算出するブリルアン周波数シフト算出手段とを備える。

この発明の光ファイバセンサの好適実施形態によれば、位相制御部は、基準区間の平均強度が、初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対応する初期強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}に一致するように、遅延部における位相を制御できる。

また、この発明のブリルアン周波数シフト測定方法は、プローブ光を生成する過程と、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する過程と、２分岐された一方の散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、第１光路を伝搬する散乱光に遅延を与える過程と、第１光路及び第２光路を伝播する散乱光を合波して干渉光を生成する過程と、干渉光を光電変換することにより電気信号である干渉信号を生成する過程と、後方ブリルアン散乱光が２分岐された他方の散乱光から、散乱光強度を示す強度信号を取得する過程と、干渉信号及び強度信号からブリルアン周波数シフトを取得する過程とを備える。

通常の測定前に、キャリブレーション測定が行われ、キャリブレーション測定は、予め設定された基準区間の干渉信号の平均強度と、光ファイバが設けられていない区間に対応するノイズ区間の干渉信号の平均強度を取得する過程と、干渉信号から、ノイズ区間の平均強度であるノイズ成分を除去する過程と、位相を０から２πまで掃引して得られた、基準区間のノイズが除去された干渉信号の平均強度Ｉ_ａｖｅから、位相と、平均強度Ｉ_ａｖｅの関係を取得し、この関係を用いて、干渉信号の振幅、及び、ブリルアン周波数シフトの測定範囲を規定する初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を取得する過程と、遅延部における位相を初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に設定する過程と備える。

この発明のブリルアン周波数シフト測定方法の好適実施形態によれば、通常の測定は、予め設定された基準区間の干渉信号の平均強度と、光ファイバが設けられていない区間に対応するノイズ区間の干渉信号の平均強度を取得する過程と、干渉信号から、ノイズ区間の平均強度であるノイズ成分を除去する過程とを備え、基準区間の干渉信号の平均強度が、初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対応する初期強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}に一致するように、散乱光の位相を制御する。

この発明の光ファイバセンサ及びブリルアン周波数シフト測定方法によれば、ＡＳＥノイズによる干渉成分を除去できるので、正確にＢＦＳを算出できる。

自己遅延ホモダイン型センサを示す模式的なブロック図である。 自己遅延ホモダイン型センサが備えるＢＦＳ取得部の模式的なブロック図である。 キャリブレーション測定を説明するための模式図である。 この発明に係る、キャリブレーション測定を説明するための模式図である。 この発明の自己遅延ホモダイン型センサの構成例を示す模式的なブロック図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各図は、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（本発明の原理）
先ず、図１及び図２を参照して、自己遅延ホモダイン型のＢＯＴＤＲを利用する光ファイバセンサ（以下、自己遅延ホモダイン型センサとも称する。）を説明する。

図１は、この発明の、自己遅延ホモダイン型センサを示す模式的なブロック図である。図２は、自己遅延ホモダイン型センサが備えるＢＦＳ取得部の模式的なブロック図である。

自己遅延ホモダイン型センサは、光源部１０、サーキュレータ２０、光増幅器３０、光バンドパスフィルタ３２、分岐部３４、干渉信号取得部１４０、強度取得部１４１、ＢＦＳ取得部１７０及びタイミング制御器９０を備えて構成される。

光源部１０は、プローブ光を生成する。光源部１０は、連続光を生成する光源１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１４を備えて構成される。

ここで、この自己遅延ホモダイン型センサは、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源１２の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅（以下、単に線幅とも称する。）は、ブリルアン周波数シフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源１２として周波数安定化狭線幅光源が用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ（以下、被測定光ファイバとも称する。）１００の歪みを０．００８％としたとき、ブリルアン周波数シフトは４ＭＨｚに相当する。このため、０．００８％程度の歪みを測定するには、光源１２の周波数揺らぎ及び線幅は４ＭＨｚより十分に小さく、数１０ｋＨｚ以下であることが望ましい。なお、周波数揺らぎ及び線幅が１０ｋＨｚ程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが、既製品として一般に入手可能である。

光パルス発生器１４は、任意好適な従来周知の、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器又は電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて構成される。光パルス発生器１４は、タイミング制御器９０で生成された電気パルスに応じて、連続光から矩形状の光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ１００を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部１０から出力される。

この光源部１０から出力されたプローブ光は、サーキュレータ２０を経て、被測定光ファイバ１００に入射される。なお、サーキュレータ２０に換えて、光カプラを用いても良
い。

被測定光ファイバ１００からの後方散乱光は、サーキュレータ２０を経て、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）などで構成される光増幅器３０に送られる。光増幅器３０で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。光バンドパスフィルタ３２は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この光バンドパスフィルタ３２から出射される自然ブリルアン散乱光の時刻ｔにおける電界Ｅ_Ｂ０（ｔ）は、以下の式（１）で表される。

ここで、Ａ_Ｂ０は振幅、η_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱係数、ｆ_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱光の光周波数、φ_Ｂ０は初期位相を示している。なお、ブリルアン散乱係数η_Ｂ（ｔ）及びブリルアン散乱光の光周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光ファイバ中での局所的な歪みや温度変化により変化するため、時間ｔの関数としている。また、ここでは、簡単のため、被測定光ファイバ１００での損失は考慮しない。

光バンドパスフィルタ３２を透過した光は、分岐部３４に送られる。分岐部３４は、光バンドパスフィルタ３２を透過した光を２分岐して、一方の散乱光を干渉信号取得部１４０に送り、他方の散乱光を強度取得部１４１に送る。

干渉信号取得部１４０は、自己遅延ホモダイン干渉計１５０、干渉光受光部１６０、及び、位相制御回路１４２を備えて構成される。また、自己遅延ホモダイン干渉計１５０は、分岐部１５２、遅延部１５６、及び、合波部１５８を備えて構成される。分岐部１５２及び合波部１５８は、例えば３ｄＢカプラなど、任意好適な従来公知の光カプラで構成できる。

分岐部１５２は、干渉信号取得部１４０に送られた光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。

この構成例では、第１光路に遅延部１５６が設けられている。遅延部１５６は、第１光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。また、遅延部１５６は、位相制御回路１４２からの指示で、伝搬する光の位相を変化させることができる。

合波部１５８は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部１５８に入射される、第１光路を伝播する光信号Ｅ_Ｂ１（ｔ）及び第２光路を伝播する光信号Ｅ_Ｂ２（ｔ－τ）は、それぞれ、以下の式（２）及び（３）で表される。

ここで、Ａ_Ｂ１及びＡ_Ｂ２は、それぞれＥ_Ｂ１（ｔ）及びＥ_Ｂ２（ｔ－τ）の振幅であり、φ_Ｂ１及びφ_Ｂ２は、それぞれＥ_Ｂ１（ｔ）及びＥ_Ｂ２（ｔ－τ）の初期位相である。

自己遅延ホモダイン干渉計１５０で生成された干渉光である合波光は、干渉光受光部１６０に送られる。干渉光受光部１６０は、合波光を受光して干渉信号Ｉ_１２を生成する。干渉光受光部１６０は、例えば、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）１６２、ＦＥＴ増幅器１６４及びアナログ－ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）１６６を備えて構成される。干渉光受光部１６０に送られた合波光は、バランス型ＰＤ１６２に入力される。バランス型ＰＤ１６２は、合波光から電気信号であるバランス検波信号を生成する。バランス検波信号は、ＦＥＴ増幅器１６４において適宜増幅等された後、Ａ／Ｄ１６６において、ディジタル信号に変換されて、干渉信号Ｉ_１２が得られる。この干渉光受光部１６０において生成される干渉信号Ｉ_１２は、ＢＦＳ取得部１７０に送られる。

強度取得部１４１は、遅延部１５７、及び、受光部１６１を備えて構成される。強度取得部１４１に送られた光は、遅延部１５７で所定の遅延を受けた後、受光部１６１に送られれる。受光部１６１は、例えば、ＰＤ１６３、ＦＥＴ増幅器１６５及びＡ／Ｄ１６７で構成される。受光部１６１に送られた光は、ＰＤ１６３で電気信号に変換された後、ＦＥＴ増幅器１６５で適宜増幅される。増幅された電気信号は、Ａ／Ｄ１６７においてディジタル信号に変換されて、強度信号が得られる。この受光部１６１において生成される強度信号は、ＢＦＳ取得部１７０に送られる。

ＢＦＳ取得部７０は、例えば、後述する機能手段を実現するソフトウェアが搭載された、市販のパーソナルコンピュータを用いて構成することができる。また、ＢＦＳ取得部７０を、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成することもできる。

なお、干渉光受光部１６０において生成される干渉信号Ｉ_１２は、非常に微弱である。従って、信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上させるために、後述する平均化処理手段において平均化処理を行う必要がある。この平均化処理は、高速化のために、ＦＰＧＡで実施することが望ましい。

干渉信号取得部１４０が備えるＡ／Ｄ１６６からＢＦＳ取得部１７０に送られた干渉信号は、干渉信号平均化処理手段１７２に送られる。干渉信号平均化処理手段１７２は、干渉信号に対して、平均化処理を施してブリルアン散乱係数除去手段１７６に送る。ここで、干渉信号Ｉ_１２は、以下の式（４）で表される。

また、強度取得部１４１が備えるＡ／Ｄ１６７からＢＦＳ取得部１７０に送られた強度信号は強度信号平均化処理手段１７３に送られる。強度信号平均化処理手段１７３は、強度信号に対して、平均化処理を施して、ブリルアン散乱係数除去手段１７６に送る。

ブリルアン散乱係数除去手段１７６は、上記式（４）で表される干渉信号Ｉ_１２に含まれる、ブリルアン散乱係数η _Ｂ（ｔ）を、強度信号を用いて除去する。この結果、干渉信号は、以下の式（５）になる。

上記式（５）は、ブリルアン周波数の変化ｆ_Ｂ（ｔ）のみが強度変化として出力されることを示している。

上記式（５）を規格化することにより、以下の式（６）が得られ、強度変化からＢＦＳへの換算を容易にする。

上記式（６）を変形すると、以下の式（７）が得られる。ＢＦＳは以下の式（７）で算出される。

上記式（７）に表されるように、ＢＦＳの周波数範囲は、遅延時間τ、及び、第１光路を伝播する光と第２光路を伝播する光の位相差φ_{ｏｆｆｓｅｔ}により決定される。例えば、遅延時間τを１ナノ秒、位相差φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を０とすると、ＢＦＳ値は０～５００ＭＨｚになる。また、φ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝２πＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}とすると、－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}～１／２τ－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}が測定範囲になる。このＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}の設定により、負の値も測定できるようになる。

ここで、上記式（５）から上記式（６）への規格化や、上記式（７）を用いたＢＦＳの算出を行うには、振幅Ａ_Ｂ１Ａ_Ｂ２やφ_{ｏｆｆｓｅｔ}の情報が必要である。しかしながら、自己遅延ホモダイン型センサでは、位相比較の計算をしない。このため、そのままでは、強度と位相の関係を見積もることはできない。また、強度と位相の関係は不変ではなく、入力されるブリルアン散乱光のＳ／Ｎや、受光素子の変換効率などによって変わってしまう。このため、ＢＦＳを一意に決定することができない。

そこで、通常の測定を開始する前にキャリブレーション測定を行い、強度と位相の関係を算出する。

図３を参照して、キャリブレーション測定について説明する。図３は、キャリブレーション測定を説明するための模式図である。

キャリブレーション測定では、遅延部１５６は、位相制御回路１４２からの信号に応答して、第１光路を伝播する光に０から２πまでの位相変化を与える。このとき、各位相状態に対して、図３（Ａ）に示すような波形が得られる。図３（Ａ）では、模式的に、位相φが互いにφ_ａ、φ_ｂ、φ_ｃである場合を示している。

ここで、予め設定された基準とするファイバ区間（以下、単に基準区間とも称する。）
を設け、各位相状態において、平均化処理された干渉信号Ｉ_１２の、基準区間における平均値計算を行う。この結果、図３（Ｂ）に示されるような、位相と基準区間での出力強度の平均値Ｉ_ａｖｅの関係を取得することができる。この平均値Ｉ_ａｖｅの最大値、最小値から、振幅Ａ_Ｂ１Ａ_Ｂ２を算出できる。また、位相と出力強度の関係を取得できることから、ＢＦＳの測定範囲に合わせたφ_{ｏｆｆｓｅｔ}と、強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}を初期値として設定できる。

基準区間を、例えば、被測定光ファイバ１００のうち、長さ１０～２０ｍの部分に設定し、光ファイバセンサの筐体に収納するのがよい。

通常の測定では、キャリブレーション測定で得られた、振幅Ａ_Ｂ１Ａ_Ｂ２を用いて規格化を行って、ＢＦＳを算出する。この結果、図３（Ｃ）に示すように、被測定光ファイバ１００におけるＢＦＳの分布が得られる。

なお、自己遅延ホモダイン干渉計１５０内の位相は、外乱などによって時々刻々と変化する。このため、通常の測定においても、基準区間の平均値Ｉ_ａｖｅを取得し、平均値Ｉ_ａｖｅとＩ_{ｏｆｆｓｅｔ}との差分を計算し、位相をフィードバック制御することで、ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を一定に保つ。

ここで、上述したＢＦＳを算出するまでの過程は、自己遅延ホモダイン干渉計に入力される信号がブリルアン散乱光のみであると仮定している。しかし、実際の測定では、ＥＤＦＡなどの光増幅器３０で発生する自然放射増幅光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔｅｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に起因するノイズ（以下、ＡＳＥノイズとも称する。）も、自己遅延ホモダイン干渉計に入力される。通常、ＡＳＥノイズ同士では干渉しないが、光増幅器３０の後段に設けられている光バンドパスフィルタ３２によって狭窄化されることにより、ＡＳＥが非常に微弱な、線幅の太いレーザ光として振る舞い干渉してしまう場合がある。光バンドパスフィルタ３２によって狭窄化されたＡＳＥノイズを１つの信号成分として、以下の式（８）のように定義する。

ここで、Ａ_Ｎ０は、ＡＳＥノイズの振幅であり、φ_Ｎ０は、ＡＳＥノイズの初期位相である。この信号成分が、自己遅延ホモダイン干渉計５０の分岐部５２で２分岐され、第１光路及び第２光路を伝播した後、合波部１５８に入射されるとき、第１光路を伝播する光信号Ｅ_Ｎ１（ｔ）及び第２光路を伝播する光信号Ｅ_Ｎ２（ｔ－τ）は、それぞれ、以下の式（９）及び（１０）で表される。

ここで、Ａ_Ｎ１及びＡ_Ｎ２は、それぞれＥ_Ｎ１（ｔ）及びＥ_Ｎ２（ｔ－τ）の振幅であり、φ_Ｎ１及びφ_Ｎ２は、それぞれＥ_Ｎ１（ｔ）及びＥ_Ｎ２（ｔ－τ）の初期位相である。

上記式（２）及び（３）で表されるブリルアン散乱光成分と、上記式（９）及び（１０）で表されるＡＳＥノイズ成分とが、自己遅延ホモダイン干渉計１５０で干渉した結果得られる信号Ｉ_{ｔｏｔａｌ}は、以下の式（１１）～（１４）で与えられる。

ここで、Ｉ_Ｂは、ブリルアン散乱光同士による干渉成分、Ｉ_ＮはＡＳＥノイズ同士による干渉成分、Ｉ_ＢＮは、ブリルアン散乱光とＡＳＥノイズによる干渉成分である。上記式（１１）から、干渉信号には、ブリルアン散乱光の成分だけでなく、ＡＳＥノイズの成分も重畳される。このため、ＡＳＥノイズを考慮せずにキャリブレーション測定を行っても、ＢＦＳを算出できない場合がある。

そこで、この発明の自己遅延ホモダイン型センサでは、ＡＳＥノイズの干渉成分を除去可能なキャリブレーション測定を行う。

なお、上記式（１４）で与えられる、ブリルアン散乱光とＡＳＥノイズによる干渉成分Ｉ_ＢＮは、非常に微弱であるため、省略することができる。従って、上記式（１１）は、以下の式（１５）のように書き直せる。

図４は、この発明に係るキャリブレーション測定を説明するための模式図である。

ここで、上述した基準区間だけでなく、予め設定された、被測定光ファイバ１００が存在しない区間（以下、ＡＳＥノイズ区間又は単にノイズ区間とも称する。）も、キャリブレーション測定に用いる。ＡＳＥノイズ区間は、被測定光ファイバ１００が存在しない区間であるため、この区間の信号は、ＡＳＥノイズ成分のみである。被測定光ファイバ１０
０が存在しないＡＳＥノイズ区間は、例えば、光ファイバへ入射するパルス間隔を、光ファイバの往復伝播時間よりも長くすることで設けることができる。

各位相状態において、基準区間と、ＡＳＥノイズ区間のそれぞれについて、平均化処理された干渉信号Ｉ_１２の、平均値計算を行う。この場合、基準区間の平均値Ｉ_{ｔｏｔａｌ}は、ブリルアン散乱光の成分と、ＡＳＥノイズの成分とが重畳されたものである。一方、ＡＳＥノイズ区間の平均値Ｉ_Ｎは、ＡＳＥノイズの成分のみである。従って、基準区間の平均値Ｉ_{ｔｏｔａｌ}から、ＡＳＥノイズの成分Ｉ_Ｎを減算することで、基準区間におけるブリルアン散乱光の成分Ｉ_Ｂが得られる。従って、このＩ_Ｂを、図３を参照して説明したキャリブレーションの平均値Ｉ_ａｖｅとして用いることで、ＡＳＥノイズの成分が除去された、正確なＢＦＳの測定を行うことができる。

なお、通常の測定時においても、ＡＳＥノイズ区間から得られるＡＳＥノイズの成分を、被測定光ファイバ１００が存在する区間の信号から減算して、除去するのがよい。

（構成例）
図５を参照して、この発明の、自己遅延ホモダイン型センサの構成例及び動作を説明する。図５は、この発明の自己遅延ホモダイン型センサの構成例を説明するための模式図である。なお、ＢＦＳ取得部以外は、図１を参照して説明した自己遅延ホモダイン型センサと同様に構成できるので、重複する説明及び図示を省略することもある。

先ず、キャリブレーション測定時について説明する。

ＢＦＳ取得部１７１に送られた干渉信号は干渉信号平均化処理手段１７２に送られる。干渉信号平均化処理手段１７２は、Ｓ／Ｎ改善のために、干渉信号に対して、平均化処理を施す。平均化処理された干渉信号は、基準区間及びノイズ区間平均値計算手段１８０に送られる。基準区間及びノイズ区間平均値計算手段１８０は、平均化処理された干渉信号の基準区間における平均値を取得するとともに、ノイズ区間における平均値を取得する。

ブリルアン散乱光振幅計算手段１８６は、基準区間における平均値Ｉ_{ｔｏｔａｌ}から、ノイズ区間における平均値Ｉ_Ｎを減算することによりノイズ成分を除去して、基準区間のブリルアン散乱光の振幅Ｉ_Ｂの平均値を取得する。得られた平均値は、図３を参照して説明したキャリブレーションにおける平均強度Ｉ_ａｖｅに対応し、位相及び振幅計算手段１８４に送られる。その後、位相制御手段１８２が、位相制御回路１４２に指示を送り、φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を０から２πまで掃引する。φ_{ｏｆｆｓｅｔ}が０から２πまで掃引された後、位相及び振幅計算手段１８４は、図３（Ｂ）に示されるような位相と出力強度の関係を取得し、振幅Ａ_Ｂ１Ａ_Ｂ２を算出する。この振幅Ａ_Ｂ１Ａ_Ｂ２は、通常測定時の規格化に用いられる。また、位相及び振幅計算手段１８４は、位相と出力強度の関係から、初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}と、φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対応する初期強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}と設定する。

次に、通常測定時について説明する。

ＢＦＳ取得部１７１に送られた干渉信号は干渉信号平均化処理手段１７２に送られる。平均化処理された干渉信号は、基準区間及びノイズ区間平均値計算手段１８０に送られる。基準区間及びノイズ区間平均値計算手段１８０は、平均化処理された干渉信号の、基準区間における平均値を取得するとともに、ノイズ区間における平均値を取得する。

ブリルアン散乱光の振幅計算手段１８６は、測定された振幅Ｉ_{ｔｏｔａｌ}からノイズ区間における平均値Ｉ_Ｎを減算する。この結果、被測定光ファイバ１００が設けられている区間について、ＡＳＥノイズの成分が除去され、ブリルアン散乱光の振幅Ｉ_Ｂが得られる
。

ＢＦＳ取得部１７１に送られた強度信号は強度信号平均化処理手段１７３に送られる。強度信号平均化処理手段１７３は、強度信号に対して、平均化処理を施して、ブリルアン散乱係数除去手段１７６に送る。

ブリルアン散乱係数除去手段１７６は、干渉信号Ｉ_１２に含まれる、ブリルアン散乱係数η _Ｂ（ｔ）を、強度信号を用いて除去する。この処理により、上記式（４）から上記式（５）が得られる。

規格化手段１７９は、ブリルアン散乱係数除去手段１７６で、ブリルアン散乱係数η _Ｂ（ｔ）が除去された干渉信号を、キャリブレーション測定時に位相及び振幅計算手段１８４で算出された振幅Ａ_Ｂ１Ａ_Ｂ２を用いて規格化する。この処理により、上記式（６）が得られる。

ＢＦＳ算出手段１８８は、規格化された干渉信号の強度から初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を用いて、上記式（７）に従って、ＢＦＳを算出する。

また、位相制御手段１８２は、平均値Ｉ_ａｖｅが初期強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}に一致するように、位相制御回路１４２に指示を送る、いわゆる、フィードバック制御を行う。

ＢＦＳは歪みと温度に対して依存性を持つので、ＢＦＳを決定した後は、任意好適な従来公知の技術を用いて、被測定光ファイバ１００の歪みや温度を取得できる。すなわち、この発明の光ファイバセンサは、分布型の歪み及び温度センサに適用することができ、また、この発明のブリルアン周波数シフト測定方法は、歪み及び温度測定方法に適用することができる。

以上説明したように、この発明の自己遅延ホモダイン型センサ、及び、ＢＦＳ測定方法によれば、ＡＳＥノイズによる干渉成分を除去できるので、正確にＢＦＳを算出できる。

１０ 光源部
１２ 光源
１４ 光パルス発生器
２０ サーキュレータ
３０ 光増幅器
３２ 光バンドパスフィルタ
３４ 分岐部
９０ タイミング制御器
１００ 被測定光ファイバ
１４０ 干渉信号取得部
１４１ 強度取得部
１４２ 位相制御回路
１５０ 自己遅延ホモダイン干渉計
１５２ 分岐部
１５６、１５７ 遅延部
１５８ 合波部
１６０ 干渉光受光部
１６１ 受光部
１６２ バランス型ＰＤ
１６３ ＰＤ
１６４、１６５ ＦＥＴ増幅器
１６６、１６７ Ａ／Ｄ
１７０、１７１ ＢＦＳ取得部
１７２ 干渉信号平均化処理手段
１７３ 強度信号平均化処理手段
１７６ ブリルアン散乱係数除去手段
１７８、１７９ 規格化手段
１８０ 基準区間及びノイズ区間平均値計算手段
１８２ 位相制御手段
１８４ 位相及び振幅計算手段
１８６ ブリルアン散乱光振幅計算手段
１８８ ＢＦＳ算出手段

Claims (4)

1. プローブ光を生成する光源部と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、２分岐する分岐部と、
   前記分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて、自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、
   前記分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、前記散乱光の強度を示す強度信号を生成する強度取得部と、
   前記干渉信号及び前記強度信号から、ブリルアン周波数シフト量を取得するブリルアン周波数シフト取得部と
   を備え、
   前記干渉信号取得部は、
   入力された散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する分岐部と、
   前記第１光路に設けられ、前記ブリルアン周波数シフト取得部からの指示に応じて散乱光の位相を変化させることができる遅延部と、
   前記第１光路及び前記第２光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成する合波部と
   を有する自己遅延型のホモダイン干渉計、及び、
   前記干渉光を電気信号に変換して干渉信号を生成する干渉光受光部
   を備え、
   前記ブリルアン周波数シフト取得部は、
   予め設定された基準区間及びノイズ区間の、前記干渉信号の平均強度を取得する基準区間及びノイズ区間平均値計算手段と、
   干渉信号から、ノイズ区間の平均強度であるノイズ成分を除去するブリルアン散乱光振幅計算手段と、
   前記第１光路を伝播する散乱光の位相を、０から２πまで掃引するように前記遅延部を制御できる位相制御手段と、
   前記強度信号を用いて、ノイズが除去された干渉信号からブリルアン散乱係数を除去する、ブリルアン散乱係数除去手段と、
   前記位相を０から２πまで掃引して得られた、前記基準区間の、ノイズが除去された干渉信号の平均強度Ｉ_ａｖｅから、位相と前記平均強度Ｉａｖｅの関係を取得し、前記関係
   を用いて、干渉信号の振幅、及び、ブリルアン周波数シフトの測定範囲を規定する初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を取得する、位相及び振幅計算手段と、
   ブリルアン散乱係数が除去された干渉信号を、ノイズが除去された干渉信号の振幅を用いて規格化する、規格化手段と、
   規格化された干渉信号を用いてブリルアン周波数シフトを算出するブリルアン周波数シフト算出手段と
   を備える
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記位相制御手段は、前記基準区間の平均強度Ｉ_ａｖｅが、前記初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対応する初期強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}に一致するように、前記遅延部における位相を制御できる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. プローブ光を生成する過程と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する過程と、
   前記２分岐された一方の散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
   前記第１光路を伝搬する散乱光に遅延を与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する散乱光を合波して干渉光を生成する過程と、
   前記干渉光を光電変換することにより電気信号である干渉信号を生成する過程と、
   前記後方ブリルアン散乱光が２分岐された他方の散乱光から、散乱光強度を示す強度信号を取得する過程と、
   前記干渉信号及び前記強度信号からブリルアン周波数シフトを取得する過程と
   を備え、
   通常の測定前に、キャリブレーション測定が行われ、
   前記キャリブレーション測定は、
   予め設定された基準区間及びノイズ区間の、前記干渉信号の平均強度を取得する過程と、
   前記基準区間の干渉信号の平均強度から、前記ノイズ区間の干渉信号の平均強度であるノイズ成分を除去する過程と、
   位相を０から２πまで掃引して得られた、前記基準区間の、ノイズが除去された干渉信号の平均強度Ｉ_ａｖｅから、位相と前記平均強度Ｉ_ａｖｅの関係を取得し、前記関係を用いて、干渉信号の振幅、及び、ブリルアン周波数シフトの測定範囲を規定する初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}を取得する過程と、
   前記第１光路を伝搬する散乱光の位相における位相を初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に設定する過程と
   を備え、
   前記ブリルアン周波数シフトを取得する過程は、
   前記強度信号を用いて、ノイズが除去された干渉信号からブリルアン散乱係数を除去する過程と、
   ブリルアン散乱係数が除去された干渉信号を、ノイズが除去された干渉信号の振幅を用いて規格化する過程と、
   規格化された干渉信号を用いてブリルアン周波数シフトを算出する過程と
   を備える
   ことを特徴とするブリルアン周波数シフト測定方法。
4. 通常の測定は、
   予め設定された基準区間及びノイズ区間の、前記干渉信号の平均強度を取得する過程と、
   前記基準区間の干渉信号の平均強度から、前記ノイズ区間の干渉信号の平均強度であるノイズ成分を除去する過程と
   を備え、
   前記基準区間の干渉信号の平均強度が、前記初期位相φ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対応する初期強度Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}に一致するように、前記第１光路を伝播する散乱光の位相を制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載のブリルアン周波数シフト測定方法。

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