(57)【要約】      （修正有）【課題】分布光ファイバ振動計測装置において、フェーディング雑音の影響を低減することができ、高精度かつ高感度な振動計測ができる分布光ファイバ振動計測装置を提供する。【解決手段】分布光ファイバ振動計測装置において、複数の被試験光ファイバの各地点で発生した後方散乱光を試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、被試験光ファイバの各地点で発生した後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、前記位相定数差と前記位相分布データから、被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定し、振動を計測する。【選択図】図３
2020003464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体化された複数の被試験光ファイバのそれぞれに対して、第１の試験光パルスを入射し、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において、
前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、
前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、
前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする分布光ファイバ振動計測装置。
【請求項２】
前記別の光は、第２の後方散乱光であって、前記複数の被試験光ファイバに対して、前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の第２の試験光パルスを、前記第１の試験光パルスとは所定間隔をもって入射させて発生した後方散乱光であることを特徴とする請求項１に記載の分布光ファイバ振動計測装置。
【請求項３】
第１の試験光パルスと、前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の第２の試験光パルスとを被試験光ファイバに対して入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光および第２の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において、
前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記第１の試験光パルスおよび前記第２の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、
前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、
前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする分布光ファイバ振動計測装置。
【請求項４】
前記別の光は、第３の後方散乱光および第４の後方散乱光であって、前記第１の試験光パルスおよび前記第２の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の第３の試験光パルスおよび第４の試験光パルスを前記被試験光ファイバに前記第１の試験光パルスおよび前記第２の試験光パルスとは所定間隔をもって入射させて発生した後方散乱光であることを特徴とする請求項３に記載の分布光ファイバ振動計測装置。
【請求項５】
一体化された複数の被試験光ファイバのそれぞれに対して、第１の試験光パルスを入射し、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測方法において、
前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出ステップと、
前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成ステップと、
前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測ステップとを備えることを特徴とする分布光ファイバ振動計測方法。
【請求項６】
第１の試験光パルスと、前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の第２の試験光パルスとを被試験光ファイバに対して入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光および第２の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測方法において、
前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記第１の試験光パルスおよび前記第２の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出ステップと、
前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成ステップと、
前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測ステップとを備えることを特徴とする分布光ファイバ振動計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバをセンサとして用い、光ファイバの各位置に加わる音波あるいは振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）は、被試験光ファイバに試験光パルスを送出し、被試験光ファイバからのレイリー後方散乱光（以後、単に後方散乱光と称する）を受信、解析することで被試験光ファイバの各地点における光の後方散乱光強度分布（以後、ＯＴＤＲ波形と称する）を測定する方法、装置である。
【０００３】
コヒーレント光を発する光源を用いたＯＴＤＲでは、試験光パルスが被試験光ファイバを伝搬する際、試験光パルスの時間内にランダムかつ多数存在する光ファイバ上の各散乱点からの個々の散乱光同士が互いに干渉した結果が信号として取り出されるため、被試験光ファイバの各地点における散乱光強度分布は被試験光ファイバの長さ方向に対してランダムに上下する（以下、フェーディングとする）ようなジグザグな波形となる。この波形は、コヒーレント光の光周波数や光ファイバの状態が変化しない限り、何度測定を行っても同じジグザグ波形が得られる。
【０００４】
一方で、光ファイバの一部に対して、気体や液体、固体等を通じて音波や振動（以後、まとめて振動とする）が到達すると、光ファイバに極僅かな光路長の変化、すなわちひずみが生じ、該当部分の散乱光強度だけがランダムに変化することで、振動位置や変化の周期から振動周波数が測定される。
【０００５】
後方散乱光強度は振動に対してランダムに変化するため、光ファイバに加わる振動強度に対して、線形な応答を示すものではない。これに対し、ヘテロダイン検波方式等を用いて後方散乱光の位相成分を直接取り出す方法では、被試験光ファイバ上の２地点間の位相差の時間変化が振動振幅と線形に近い関係を有するため、より精密に光ファイバに加わった振動振幅や振動周波数を求めることができるという特徴がある。
【０００６】
例えば、非特許文献１では、コヒーレント光を発する光源からの出力光を光方向性結合器によって試験光と局発光に分岐させ、一方に周波数シフトを付与し、これらをバランス検波するヘテロダイン検波方式を用いた分布光ファイバ振動計測方法が提案されている。このヘテロダイン検波方式を用いた測定方法により、局発光と後方散乱光の干渉によって生じるビート信号が電気信号として検出される。このビート信号の交流成分ｉＡＣ（ｔ）は、光源からのコヒーレント光の出力時間ｔおよび光角周波数（以下、角周波数を周波数と略記する）ω、周波数シフトΔωＡ、試験光パルスのパルス幅Ｗに対して、光ファイバ上に複数個の散乱体が一次元に並んでいる一次元散乱モデルにおいて以下の（式１）で与えられる。
【０００７】
【数１】
2020003464.tif 000003
【０００８】
ここで、ＥＬ、ＥＳはそれぞれ局発光および試験光の電界振幅、Ｎは被試験光ファイバの長さ方向に存在する散乱体の数、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は散乱体の番号、ａｉは散乱体ｉの反射率、τｉは被試験光ファイバの入射端から散乱体ｉまでの往復伝搬遅延時間、θ（ｔ）は試験光の初期位相、θＦＵＴ（τ）は被試験光ファイバに加わる振動によって生じる位相変化であり、測定対象である。また、θＦＵＴの引数τは、被試験光ファイバの長さ方向の位置を被試験光ファイバ内の伝搬時間で表したものである。
【０００９】
交流成分はビート周波数と同じ周波数を有する正弦波電気信号とミキシングして数値化処理後に信号処理にてベースバンド信号に処理される。交流成分をヒルベルト変換または９０度ハイブリッドなどの手段を用いてｓｉｎ成分を作成して逆正接をとることで交流成分の位相成分が算出される。上記（式１）において、ｃｏｓ項の位相成分に着目すると、第２項ΔωＡτｉは光周波数や光ファイバ固有に関係する初期位相項であり、コヒーレント光の光周波数が変化しない限り、時間に対して一定の定数である。第３項θ（ｔ−τｉ）−θ（ｔ）は光源の位相雑音を意味するが、遅延時間τｉが非常に近い光ファイバ上の２地点の位相差を算出するため、光源のコヒーレンス長に対して２地点の遅延時間差τが非常に小さい場合、最終的にはほぼ無視できる。
【００１０】
また、非特許文献２では、局発光を用いる代わりに試験光パルスの後段に周波数シフトされた別の試験光パルスを時間差を設けて入射し、これら複数の試験光パルスの後方散乱光同士の干渉をヘテロダイン検波する手法が提案されている。この手法では、光検波受信器で生じるビート信号の交流成分ｉＡＣ（ｔ）は、下記（式２）のように表される。
【００１１】
【数２】
2020003464.tif 000004
【００１２】
ここで、同様にｃｏｓの中の位相成分に着目すると、ωτｉ−（ω＋ΔωＡ）τｊが光周波数や光ファイバ固有に関係する初期位相項であり、コヒーレント光の光周波数が変化しない限り、時間に対して一定の定数となる。θ（ｔ−τｉ）−θ（ｔ−τｊ）は、光源の位相雑音を意味し、複数の試験光パルスに設けた時間差やパルス幅Ｗが光源のコヒーレンス長に対して遅延時間差｜τｉ−τｊ｜が非常に小さく、実際にはほぼ無視できる。
【００１３】
以上のように、前述のいずれの手法においても、ヘテロダイン検波されるビート信号の交流成分からθＦＵＴ（τ）と定数である光周波数や光ファイバ固有に関係する初期位相項の和が得られ、これを繰り返し測定行うことで得られる測定結果は、時間的に変化するθＦＵＴ（τ）と初期位相定数がオフセットされた形として得られる。したがって時間的に変化するθＦＵＴ（τ）のみの情報が抽出され、被試験光ファイバに加わった振動振幅や振動周波数等の解析が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】G. Tu et al, “The development of an Φ-OTDR system for quantitative vibration measurement”, Photonics Technology letters, Vol.27, No.10, pp.1349-1352 (2015)
【非特許文献２】A. E. Alekseev et al, “A phase-sensitive optical time-domain reflectometer with dual-pulse diverse frequency probe signal”, Laser Physics, Vol.25, No.6 (2015)
【非特許文献３】K. Shimizu et al, “Characteristics and reduction of coherent fading noise in Rayleigh backscattering measurement for optical fibers and components”, Journal of Lightwave Technology, Vol.10, No.7, pp.982-987 (1992)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、非特許文献１および２のいずれの手段においても、前述のビート信号の交流成分が信号として扱われるが、図１に示すように、その元となる信号強度が被試験光ファイバの長さ方向に対してフェーディングにより大小を繰り返すために、信号強度が小さい部分については、光検出器の雑音レベルに近い、あるいはそれを下回る場合があり、このような信号対雑音比が低い部分において算出される被試験光ファイバに加わる振動θＦＵＴ（τ）は、位相ノイズが大きく、例えば光検出器の雑音によって実際当該部分が振動していなくてもあたかも振動しているかのように検知されてしまうという問題がある。このようなフェーディングによって生じ、振動の誤検知の原因となる雑音は、フェーディング雑音と呼ばれている。
【００１６】
フェーディングによるビート信号強度の大小は、光周波数や光ファイバ固有の状態によって一意的に決まるため、フェーディング雑音の発生は不可避である。フェーディングによる問題を解決するために、例えば非特許文献３に記載されているように、繰り返し入射する試験光パルスの光周波数を毎回変化させる手段もあるが、複数回のビート信号を平均化して用いることとなり、結果として振動の時間的サンプリング周波数を低下させてしまうという問題がある。
【００１７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、被試験光ファイバからの後方散乱光を受信、解析することにより、光ファイバの各位置に加わる音波あるいは振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において問題となるフェーディング雑音の影響を低減することができ、高精度かつ高感度な振動計測ができる分布光ファイバ振動計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の分布光ファイバ振動計測装置は、一体化された複数の被試験光ファイバのそれぞれに対して、第１の試験光パルスを入射し、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
他の一実施形態に記載の分布光ファイバ振動計測装置は、第１の試験光パルスと、前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の第２の試験光パルスとを被試験光ファイバに対して入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光および第２の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において、前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記第１の試験光パルスおよび前記第２の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
一実施形態に記載の分布光ファイバ振動計測方法は、一体化された複数の被試験光ファイバのそれぞれに対して、第１の試験光パルスを入射し、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測方法において、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出ステップと、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成ステップと、前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測ステップとを備えることを特徴とする。
【００２１】
他の一実施形態に記載の分布光ファイバ振動計測方法は、第１の試験光パルスと、前記第１の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の第２の試験光パルスとを被試験光ファイバに対して入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光および第２の後方散乱光をヘテロダイン検波することにより前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測方法において、前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記第１の試験光パルスおよび前記第２の試験光パルスの光周波数とは異なる光周波数の別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出ステップと、前記第１の後方散乱光および前記第２の後方散乱光をそれぞれ前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成ステップと、前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測ステップとを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る試験光パルス送出シーケンスを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る試験光パルス送出シーケンスを示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る演算処理装置における演算処理フローを示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る試験光パルス送出シーケンスを示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る試験光パルス送出シーケンスを示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る試験光パルス送出シーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２４】
実施形態で説明する分布光ファイバ振動計測装置は一体化された複数の被試験光ファイバのそれぞれに対して、光源からの光を周波数シフトさせた第１の試験光パルスを入射し、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光を、別の光と干渉させてヘテロダイン検波により前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、前記複数の被試験光ファイバの各地点で発生した前記第１の後方散乱光を前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測手段とを備える。
【００２５】
また、実施形態で説明する分布光ファイバ振動計測装置は、光源からの光を、第１の周波数シフトさせた第１の試験光パルスと、第２の周波数シフトさせた第２の試験光パルスとを被試験光ファイバに対して入射し、前記被試験光ファイバの各地点で発生した第１の後方散乱光および第２の後方散乱光を、別の光と干渉させてヘテロダイン検波により前記被試験光ファイバの各位置に加わる振動を計測する分布光ファイバ振動計測装置において、前記第１の後方散乱光および第２の後方散乱光をそれぞれ前記別の光と干渉させて得られた２つの交流成分から位相定数差を求める位相定数差算出手段と、前記第１の後方散乱光および第２の後方散乱光をそれぞれ前記別の光と干渉させて得られた任意の２つの交流成分それぞれの振幅を比較して、各地点毎に振幅が大きい方の交流成分の位相データを選択して経時的に配列した位相分布データを作成する位相分布データ作成手段と、前記位相定数差と前記位相分布データから、前記被試験光ファイバの任意の２地点間の光路長差を特定することにより被試験光ファイバにおける振動を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする。
【００２６】
この分布光ファイバ振動計測装置によれば、図２に示すように、２種類の信号のうちの信号強度の高いものを選択して採用することにより、信号対雑音比の高い信号を用いて振動検出ができるため、フェーディング雑音の影響が少なくなる。局発光と周波数シフトさせた試験光パルスの後方散乱光を利用し、局発光と後方散乱光の干渉をヘテロダイン検波する方式、あるいは、互いに周波数シフトした複数の試験光パルスを用いて後方散乱光同士の干渉をヘテロダイン検波する方式において、フェーディング雑音を低減した高精度かつ高感度な分布光ファイバ振動測定が可能となる。さらにこの分布光ファイバ振動計測装置によれば、フェーディング雑音にも関与し、低周波の振動を測定する際に雑音要因となる光周波数ドリフトによる雑音の低減にも寄与することができる。
【００２７】
（第１の実施形態）
図３は第１の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。本実施形態の分布光ファイバ振動計測装置では、単一光源からの光を分岐して試験光と局発光として用い、２本の異なる被試験光ファイバに同時に試験光を入射して得られる後方散乱光を局発光と合波してヘテロダイン検波を行い、光検出手段から２つの電気信号の交流成分を取得する。
【００２８】
コヒーレント光を発する光源１からの出力光は分岐素子２で２系統に分岐される。分岐された光の一方は局発光として用いられ、他方は試験光として光周波数制御手段３に入射される。この光周波数制御手段３は、試験光と局発光の間に周波数シフトΔωＡを付与する。
【００２９】
光周波数制御手段３からの試験光は光パルス化手段５で単一パルス化され、光増幅器６、分岐素子８を介して２本の被試験光ファイバ１０に入射される。光パルス化手段５はパルス信号発生手段７からの駆動信号により駆動される。被試験光ファイバ１０で発生した後方散乱光は光サーキュレータ９を介して、分岐素子１１から供給される局発光と合波された後に、バランス型光受信手段１２、１３で電気信号に変換される。バランス型光受信手段１２、１３は、後方散乱光を局発光と合波してヘテロダイン検波を行い、２つの電気信号の交流成分を取得することができる。
【００３０】
バランス型光受信手段１２、１３からの出力は、一部が分岐されてミキサ１８でミキシングした後にフィルタ１７を介して高周波成分を除去した後に、数値化手段１４でデジタル信号に変換され、演算処理手段１５にて信号処理される。また、バランス型光受信手段１２、１３の出力信号は、ミキサ１８への入力と同様に数値化手段１４に入力されており、数値化手段１４でデジタル信号に変換され、演算処理手段１５にて信号処理される。
【００３１】
演算処理手段１５で信号処理された結果は、表示手段１６において適宜表示される。
【００３２】
ここで、２本の被試験光ファイバは、受ける振動が同じになるように一体化されている必要がある。一体化とは、２本の被試験光ファイバの受ける振動が同じとなるように物理的に拘束された状態である。具体的には、例えば光ファイバテープのように同じ被覆樹脂でバンドル化されているもしくはタイトにケーブル化されていてもよく、あるいはマルチコア光ファイバのように複数の導波構造を有する光ファイバを用いてもよい。
【００３３】
ここで、光周波数制御手段３は、具体的には駆動源となる駆動手段４からの電気信号に応じて光周波数を変化させる機能をもつ外部変調器であればよく、音響光学スイッチやＬｉＮｂＯ３を用いた位相変調器や振幅変調器、ＳＳＢ−ＳＣ（搬送波抑圧光単側波帯）変調器がその機能を持つことは良く知られている。
【００３４】
光パルス化手段５は、試験光をパルス化する機能があればよく、高速な可変減衰器、半導体光増幅器、音響光学スイッチなどがその機能を持つことは良く知られている。なお、光パルス化手段５は、音響光学スイッチを用いて、光周波数制御手段３の機能を兼ねることや、半導体光増幅器を用いて、光増幅器６の機能を兼ねることも可能である。
【００３５】
図４は、本実施例に係る試験光パルスの送出シーケンスを示したものである。光源１からの光の光周波数はωであり、光周波数制御手段３によって周波数シフトされたω＋ΔωＡの光周波数を有する試験光パルスが、光パルス化手段５によりパルス幅Ｗで繰り返しパルス化され、光増幅器６で増幅され、分岐素子８で分岐された後、２本の被試験光ファイバ１０へと送出されている。
【００３６】
試験光パルスの繰り返し時間は、被試験光ファイバ１０の最大長さの往復伝搬遅延時間と同じかそれよりも長く設定されている。
【００３７】
ここで、２つのバランス型光受信手段１２、１３から出力されるビート電気信号の交流成分Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）は、光源からのコヒーレント光の出力時間ｔおよび光周波数ω、周波数シフトΔωＡ、試験光パルスのパルス幅Ｗに対して、それぞれ以下の（式３）、（式４）で与えられる。
【００３８】
【数３】
2020003464.tif 000005
【００３９】
【数４】
2020003464.tif 000006
【００４０】
ここで、ＥＬ、ＥＳはそれぞれ局発光および試験光の電界振幅、Ｎは被試験光ファイバの長さ方向に存在する散乱体の数、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は散乱体の番号、ａｉ、ｂｉは各散乱体ｉの反射率、τｉは被試験光ファイバの入射端から散乱体ｉまでの往復伝搬遅延時間、θ（ｔ）は試験光の初期位相、θＦＵＴ（τ）は被試験光ファイバに加わる振動によって生じる位相変化であり、測定対象である。Ｒ１（ｔ）、Ｒ２（ｔ）は各々の被試験光ファイバの後方散乱係数分布であり、ΔθＬ（ｔ）は試験光パルスの出力時と局発光との干渉時における光の初期位相差、すなわちレーザの位相雑音を意味し、２本の被試験光ファイバの間で同じである。θＦＵＴ（τ）は前提条件により、同様に２本の被試験光ファイバの間で同じである。θ１およびθ２はそれぞれフェーディングによる位相定数であり、各被試験光ファイバの間でフェーディングによる干渉条件、つまり光ファイバを形成する散乱体が異なるため、互いに異なる定数となる。
【００４１】
（式３）および（式４）の交流成分は、数値化手段１４によりデジタル信号に変換され、演算処理手段１５に入力される。なお、本実施形態では、交流成分の周波数はΔωＡであり、２つのバランス型光受信手段１２、１３や数値化手段１４は、ナイキストの定理より、２ΔωＡ以上の帯域が必要となる。
【００４２】
２つのバランス型光受信手段１２、１３の後段の数値化手段１４による処理の前において、分岐された各々の電気信号は、ミキサ１８で合成される。この合成された交流信号である合成交流信号は、交流成分の積で与えられ、下記（式５）のようになる。
【００４３】
【数５】
2020003464.tif 000007
【００４４】
ここで、φ１，２＝θ１−θ２である。合成交流信号のスペクトルは、（式５）を見てもわかるように、光周波数制御手段３で付与した周波数シフトΔωＡの倍周波数を中心とする信号成分と直流付近に｜θ１−θ２｜の位相定数差に応じて振幅変調された信号成分から構成されていることがわかる。この直流成分は、ローパスフィルタ（フィルタ１７）を用いて容易にΔωＡの倍周波数を中心とする信号成分と分離可能である。
【００４５】
次に、ｉ（ｉ＝１，２）を交流成分の番号と置くと、（式３）および（式４）に示す２つの交流成分からその各々に対する振幅Ａｉ（ｔ）および位相Ｐｉ（ｔ）は以下の（式６）、（式７）で与えられる。
【００４６】
【数６】
2020003464.tif 000008
【００４７】
【数７】
2020003464.tif 000009
【００４８】
ここで、Ｈ｛Ｉ（ｔ）｝は信号Ｉ（ｔ）のヒルベルト変換を意味し、Ｉ（ｔ）を９０度位相シフトさせた直交信号である。同様に、合成交流信号の直流成分をヒルベルト変換することで、直流成分から位相定数差φ１，２を知ることが出来る。
【００４９】
なお、上記の説明では、（式３）〜（式５）で表される電気信号から全てデジタル信号処理のヒルベルト変換によって振幅および位相を取得しているが、例えばバランス型光受信手段１２、１３の代わりに光９０度ハイブリッドを用いてもよく、または、バランス型光受信手段１２、１３の後段において電気９０度ハイブリッドによってアナログ信号回路により抽出される形態でもよい。
【００５０】
また、（式５）で示された合成交流信号は、アナログ信号回路のミキシングの代わりにデジタル信号処理にて合成されてもよい。この場合、図３におけるミキサ１８とフィルタ１７は省略することができる。
【００５１】
さらに、上記の説明では、合成交流信号の直流成分を用いたが、周波数シフトΔωＡの倍周波数を中心とする信号成分をハイパスフィルタによって取り出し、この信号成分からΔωＡのモニタリングが可能である。このことは、モニタリングしたΔωＡを用いて、（式７）の処理に適用することで、固定の周波数シフトΔωＡを前提とする代わりに、光周波数制御手段３において周波数ドリフトが存在し、ΔωＡがゆるやかに変化する場合にその補償にも用いることができる。この場合には、（式５）の合成交流信号を正しく取得するために数値化手段１４の帯域は４ΔωＡ以上が必要となることに注意が必要である。
【００５２】
図５は、第１の実施形態に係る分布光ファイバ振動計測装置の演算処理手段における演算処理フローを示したものである。
【００５３】
数値化手段１４における電気信号のサンプリング（Ｓ３０１）後に、（式３）〜（式７）の処理によって、各交流成分毎に振幅と位相分布データが作成される（Ｓ３０２）とともに、合成交流成分から位相定数差φｎの分布データが作成される（Ｓ３０４）。
【００５４】
Ｓ３０２の処理の後、さらに、２つの交流成分の振幅を比較し、大きい方の交流成分を選択し、その位相データを経時的に配列化する（Ｓ３０３）。Ｓ３０３では、フェーディングにより、被試験光ファイバの各地点においてどちらが選択されるかはランダムであるが、選択により、より信号対雑音比が高い信号から位相データが作成される。
【００５５】
Ｓ３０３、Ｓ３０４の処理後、被試験光ファイバの同じ地点、すなわち同じ往復伝搬遅延時間における位相の変化量Ｄｎ（ｔ）を算出する（Ｓ３０５）。具体的には、１回前の試験光パルスを入射した際に、得られた位相との差分を計算するが、この際、（ｎ−１）回目の入射で得られた位相の元データとなる交流成分とｎ回目の入射で得られた位相の交流成分が異なる場合には、それらの位相間にはＳ３０４で算出した位相定数差があるため、この位相定数差をさらに位相の変化量から相殺する処理を行う。なお、図５には、位相定数差φｎとしてφ１，２＝θ１−θ２を用いた場合の数式を示しているが、位相定数差φｎとしてφ２，１＝θ２−θ１を用いた場合には、φｎを加減算する際の符号を逆にすればよい。こうして得られた位相変化量Ｄｎ（ｔ）は、さらにＳ３０６において、被試験光ファイバの隣接する任意の２地点、すなわち微小な往復伝搬遅延時間差Δｔを有する２つの位相変化量Ｄｎ（ｔ）同士の差分が、任意区間における位相差変化ΔＤｎ（ｔ）として最終的に出力される。試験光パルスを繰り返し入射することで得られる位相差変化ΔＤｎ（ｔ）が被試験光ファイバの隣接する任意の２地点間の光路長差の時間変化、すなわちひずみ量の時間変化となり、これが振動に対応する。
【００５６】
なお、本実施形態では、前記演算処理ステップとしてＳ３０５の処理の後Ｓ３０６の処理を実行する順序で説明をしたが、Ｓ３０６の処理の後にＳ３０５の処理を実行してもよい。具体的には、Ｓ３０３において信号対雑音比が高い位相データを配列化した後に、Ｓ３０６において任意の２地点の位相差を算出し、Ｓ３０５においてその位相差の時間変化を算出する方法である。これはＳ３０５およびＳ３０６のステップでは、位相および位相定数差の値を単純に減算計算しているに過ぎないことから容易に理解できる。
【００５７】
以上のように、２つの異なる交流成分を２本の被試験光ファイバから取得することで、位相を算出する元信号となる交流成分が１回前の位相を算出する信号と異なる場合に発生する位相定数差を合成交流成分から求めて補償することにより、より信号対雑音比が高いデータを選択できるようになり、高精度な振動計測が可能となる。なお、本実施例では、２本の被試験光ファイバの場合について説明したが、複数の電気信号を取得する受信構成があれば、合成交流信号の組み合わせ数も同様に増やすことを前提として、２本以上の被試験光ファイバでも実施が可能である。
【００５８】
（第２の実施形態）
図６は第２の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。本実施形態の分布光ファイバ振動計測装置は、試験光として、光周波数が異なり時間差を有する２つのパルスを被試験光ファイバに入射して得られる後方散乱光同士の干渉を光検波手段でヘテロダイン検波し、これを２本の異なる被試験光ファイバに対して行うことで２つの電気信号の交流成分を取得するものであり、第１の実施形態で用いた局発光は必要としないものである。すなわち、２つの電気信号の交流成分の取得手段が第１の実施形態と異なるものであって、以降はこの変更に伴う構成および信号処理の異なる点のみについて述べる。
【００５９】
コヒーレント光を発する光源１からの出力光は試験光として光周波数制御手段３に入射される。この光周波数制御手段３は、所定の時間間隔で光周波数を２段階に変調する。この時の光周波数差はΔωＡである。試験光に対して、光パルス化手段５で第１の光周波数ωおよび第２の光周波数ω＋ΔωＡを有する２つのパルスを形成し、光増幅器６および分岐素子８を介して２本の被試験光ファイバ１０に入射する。
【００６０】
前記被試験光ファイバ１０で発生した後方散乱光は光サーキュレータ９を介して、光増幅器２１および光増幅器２２で前置増幅された後に、前記光増幅器２１、２２の自然放出光を除去するための光フィルタ２３および２４を介して、光検波手段２５、２６で電気信号に変換される。光検波手段２５、２６は、互いに光周波数が異なる２つの後方散乱光を合波してヘテロダイン検波を行い、光検波手段２５、２６から２つの電気信号の交流成分を取得することができる。
【００６１】
光検波手段２５、２６の２つの出力の一部は分岐されてミキサ２８に入力され、ミキサ２８で合波された後、フィルタ２７を介して高周波成分を除去した後に、数値化手段１４でデジタル信号に変換され、演算処理手段１５にて信号処理される。また、光検波手段２５、２６の２つの出力信号は、分岐されミキサ２８へ入力すると同様に数値化手段１４に入力されており、数値化手段１４でデジタル信号に変換され、演算処理手段１５にて信号処理される。
【００６２】
図７は、本実施形態に係る試験光パルスの送出シーケンスを示したものである。光源１からの光の光周波数ωと、光周波数制御手段３によって周波数シフトされたω＋ΔωＡの光周波数を有する２つの試験光パルスが、所定の時間差ｔｄを有して繰り返し送出されている。２つの試験光パルスのパルス幅はＷで同じである。試験光パルスの繰り返し時間は、被試験光ファイバ１０の最大長さの往復伝搬遅延時間と同じかそれよりも長く設定されている。
【００６３】
ここで、光検波手段２５、２６から出力されるビート電気信号の交流成分Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）は、光源１からのコヒーレント光の出力時間ｔおよび光周波数ω、周波数シフトΔωＡ、試験光パルスのパルス幅Ｗに対して、それぞれ以下の（式８）、（式９）で与えられる。
【００６４】
【数８】
2020003464.tif 000010
【００６５】
【数９】
2020003464.tif 000011
【００６６】
ここで、ＥＳは試験光の電界振幅、Ｎは被試験光ファイバの長さ方向に存在する散乱体の数、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は散乱体の番号、ａｉ、ｂｉは各散乱体ｉの反射率、τｉは被試験光ファイバの入射端から散乱体ｉまでの往復伝搬遅延時間、θ（ｔ）は試験光の初期位相、θＦＵＴ（τ）は被試験光ファイバに加わる振動によって生じる位相変化であり、測定対象である。Ｒ１（ｔ）、Ｒ２（ｔ）は各々の被試験光ファイバの後方散乱係数分布であり、θＦＵＴ（τ）は前提条件により、同様に２本の被試験光ファイバの間で同じである。ここで、各々の被試験光ファイバに入射される２つの試験光パルスの時間差が、光源のコヒーレンス長よりも十分短い時、レーザの位相雑音を意味するθ（ｔ−τｉ）−θ（ｔ−τｊ）は非常に小さいため、無視できる。θ１およびθ２はそれぞれフェーディングによる位相定数であり、各被試験光ファイバの間でフェーディングによる干渉条件、つまり光ファイバを形成する散乱体が異なるため、互いに異なる定数となる。
【００６７】
（式８）および（式９）を見て分かるように、各交流成分の式の形は、その位相項に着目すれば、レーザの位相雑音を意味する項がこの段階でほぼ無視可能であることを除いて、第１の実施形態の場合とほぼ同様と見ることができる。
【００６８】
光検波手段２５、２６の後段において、分岐された各々の電気信号は、ミキサ２８において合成された後、フィルタ２７にて高周波成分を除去される。ミキサ２８において合成された合成交流信号は、交流成分の積で与えられ、以下のようになる。
【００６９】
【数１０】
2020003464.tif 000012
【００７０】
合成交流信号も同様に、その位相項に着目すれば、レーザの位相雑音を意味する項がこの段階でほぼ無視可能であることを除いて、第１の実施形態の場合と同様に扱うことができる。したがって、本実施形態の演算処理手段における演算処理フローは、図５を参照するに、Ｓ３０６の演算ステップが不要である以外は、第１の実施形態と同様である。これは、本実施形態では、各々の被試験光ファイバに入射される２つの周波数の異なる試験光パルスに時間差を設けているため、この時間差に該当する被試験光ファイバの任意区間の位相変化は、既に（式８）および（式９）で算出される各交流成分で信号θＦＵＴ（τ）として扱われているためである。
【００７１】
以上のように、第１の実施形態と異なり、局発光の代わりに周波数の異なる試験光パルスを時間差を設けて入射して得られた複数の後方散乱光同士の干渉を交流成分として測定する本実施形態においても、精度よく振動計測が実施可能となる。
【００７２】
（第３の実施形態）
図８は第３の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。本実施形態の分布光ファイバ振動計測装置は、光源からの光を分岐して試験光と局発光として用い、この局発光の周波数に対して複数の異なる値だけ周波数シフトした試験光（周波数多重化された試験光）を所定の時間間隔で生成し、１本の被試験光ファイバにこれらの試験光を入射して得られる後方散乱光を局発光と合波してヘテロダイン検波を行い、得られた電気信号を数値化処理した後に、デジタル信号処理を用いて周波数分離を行い、２つの交流成分を取得するものである。第１の実施形態および第２の実施形態と異なる点は、２本の被試験光ファイバや２つのバランス型光受信手段（または２つの光検波手段）を用いる代わりに周波数多重化された試験光をデジタル信号処理で分離する点にあって、以降はこの変更に伴う構成および信号処理の異なる点のみについて述べる。
【００７３】
コヒーレント光を発する光源１からの出力光は分岐素子２で２系統に分岐される。分岐された光の一方は局発光として用いられ、他方は試験光として光周波数制御手段３に入射される。この光周波数制御手段３は、所定の時間間隔で光周波数を２段階に変調（異なる値だけ周波数シフト）する。試験光に対して、光パルス化手段５で光周波数ω＋ω１を有する第１の試験光パルスおよび光周波数ω＋ω２を有する第２の試験光パルスの２つを形成し、光増幅器６を介して被試験光ファイバ１０に入射する。
【００７４】
被試験光ファイバ１０で発生した後方散乱光は光サーキュレータ９を介して、バランス型光受信手段１２で電気信号に変換され、数値化手段１４でデジタル信号に変換され、演算処理手段１５にて信号処理される。バランス型光受信手段１２は、１本の被試験光ファイバに試験光（第１の試験光パルスおよび第２の試験光パルス）を入射して得られる後方散乱光を局発光と合波してヘテロダイン検波を行い、電気信号に変換する。
【００７５】
図９は、本実施形態に係る試験光パルスの送出シーケンスを示したものである。光源１から光周波数制御手段３によって周波数シフトされた光周波数ω＋ω１と、ω＋ω２の光周波数を有する２つの試験光パルスが、所定の時間差ｔｄを有して繰り返し送出されている。２つの試験光パルス（第３の試験光パルス、第４の試験光パルス）のパルス幅はＷで同じである。試験光パルスの繰り返し時間は、被試験光ファイバ１０の最大長さの往復伝搬遅延時間と同じかそれよりも長く設定されている。
【００７６】
ここで、バランス型光受信手段１２から出力され、数値化手段１４で数値化処理された後、演算処理手段１５において、ビート電気信号をデジタルフィルタを採用して、ω１とω２のビート周波数を有する２つの信号に分離する。この時分離されて得られる２つの信号の交流成分Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）は、光源１からのコヒーレント光の出力時間ｔおよび光周波数ω、周波数シフトがω１およびω２、試験光パルスのパルス幅Ｗに対して、それぞれ以下の（式１１）、（式１２）で与えられる。
【００７７】
【数１１】
2020003464.tif 000013
【００７８】
【数１２】
2020003464.tif 000014
【００７９】
ここで、ＥＬ、ＥＳはそれぞれ局発光および試験光の電界振幅、Ｎは被試験光ファイバの長さ方向に存在する散乱体の数、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は散乱体の番号、ａｉは散乱体ｉの反射率、τｉは被試験光ファイバの入射端から散乱体ｉまでの往復伝搬遅延時間、θ（ｔ）は試験光の初期位相、θＦＵＴ（τ）は被試験光ファイバに加わる振動によって生じる位相変化であり、測定対象である。Ｒ１（ｔ）、Ｒ２（ｔ）は各々ω１、ω２における被試験光ファイバの後方散乱係数分布である。ΔθＬ（ｔ）は試験光パルスの出力時と局発光との干渉時における光の初期位相差であり、レーザの位相雑音を意味し、第１実施形態および第２の実施形態と同様、最終的には無視できる。
【００８０】
ここで、本実施形態に係る２つの交流成分は、第１の試験光パルスによる後方散乱光と局発光の干渉と、時間的にｔｄだけ時間差を設けて入射された第２の試験光パルスによる後方散乱光と局発光の干渉の結果を意味しており、ｔｄだけ時間的に異なる振動の影響、すなわちそれぞれθＦＵＴ（τ）とθＦＵＴ（τ−ｔｄ）を含む信号となる。θ１およびθ２はそれぞれフェーディングによる位相定数であり、第１の試験光パルスと第２の試験光パルスの光周波数が異なることから、互いに異なる定数となる。
【００８１】
今、測定可能な振動周波数をＴとすると、ｔｄ＜＜１／Ｔが成立する場合、すなわち振動周期に対して時間差ｔｄが非常に小さい場合には、θＦＵＴ（τ）≒θＦＵＴ（τ−ｔｄ）として扱うことができる。具体例として、測定可能な最大振動周波数を人間の可聴音域の上限である２０ｋＨｚ、ｔｄ＝２００ｎｓとすれば、振動周期５０μｓに対して、２５０分の１の時間差に対応することから、位相変化量に換算して最大でも約０．０３ｒａｄであり、これは無視できるほど小さいことが分かる。
【００８２】
（式１１）および（式１２）に示す交流成分は、演算処理手段１５においてデジタル信号処理により合成される。この合成交流信号は、交流成分Ｉ２（ｔ）が入射時間差ｔｄだけ時間シフトしていることを考慮しこれを補正し、さらにθＦＵＴ（τ）≒θＦＵＴ（τ−ｔｄ）を用いて、以下のようになる。
【００８３】
【数１３】
2020003464.tif 000015
【００８４】
（式１３）で示す合成交流信号は、第１の試験光パルスおよび第２の試験光パルスに与えた光周波数シフトの和ω１＋ω２の周波数成分と、差ω１−ω２の周波数成分から構成されていることが分かる。これらをローパスフィルタを用いて差ω１−ω２の周波数成分を抽出する。第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、９０度シフトした直交成分を用いて位相項を取り出し、第１の試験光パルスおよび第２の試験光パルスに与えた光周波数シフトω１およびω２は既知であるため、これを減算することで位相定数差φ１，２を知ることが出来、以降は第１の実施形態の場合と同様に扱うことができる。
【００８５】
ここで、受信帯域の設計として、試験光パルスの信号帯域が２／Ｗであることを考慮すると、｜ω１−ω２｜≧１／Ｗとなるような条件で第１の試験光パルスおよび第２の試験光パルスの光周波数を設計する必要がある。また、バランス型光受信手段１２および数値化手段１４の帯域は、ナイキストの定理より、２（ω１＋ω２）以上とする必要がある。
【００８６】
以上のように、第１の実施形態と異なり、周波数多重された試験光を生成し、１本の被試験光ファイバに同時に異なる周波数の試験光を入射して得られる後方散乱光を局発光と合波してヘテロダイン検波を行い、１つの光検出手段（バランス型光受信手段１２）からデジタル信号処理を用いて周波数分離を行い２つの交流信号を取得する本実施形態においても、精度よく振動計測が実施可能となる。
【００８７】
なお、本実施形態においても、時間差ｔｄが振動周期に比べて非常に小さい条件であれば、多重する周波数は２より多くてもよく、この場合、合成交流信号の組み合わせ数も同様に増やすことを前提にすれば、３以上の周波数多重でも実施が可能である。
【００８８】
本実施形態によれば、２以上の被試験光ファイバや光検出手段を用いることが無く実施可能であるため、第１の実施形態や第２の実施形態と比較して構成を単純化することができ、経済的な装置を提供することが可能である。
【００８９】
（第４の実施形態）
図１０は第４の実施形態の分布光ファイバ振動計測装置を示すブロック構成図である。本実施形態の分布光ファイバ振動計測装置は、所定の時間間隔で周波数符号化した試験光を用い、被試験光ファイバに試験光を入射して得られる後方散乱光同士の干渉を光検波手段で受信し、数値化処理した後にデジタル信号処理により任意の２つの交流成分に周波数分離するものである。第３の実施形態との違いは、第３の実施形態の第１の試験光パルスおよび第２の試験光パルスに相当する信号がそれぞれ周波数多重され符号化された試験光パルスを用いている点である。すなわち、２つの電気信号の交流成分の取得手段が第３の実施形態と異なるものであって、以降はこの変更に伴う構成および信号処理の異なる点のみについて述べる。
【００９０】
コヒーレント光を発する光源１からの出力光は試験光として光周波数制御手段３に入射される。この光周波数制御手段３は、所定の時間間隔で光周波数を４段階に変調する。試験光に対して、光パルス化手段５で４段階に変調された周波数成分を含む１つの試験光パルス（第３の試験光パルス、第４の試験光パルス、第５の試験光パルス、および第６の試験光パルスが連続して形成される１つの試験光パルス）を形成し、光増幅器６を介して被試験光ファイバ１０に入射する。被試験光ファイバ１０で発生した後方散乱光は光サーキュレータ９を介して、光増幅器３０で前置増幅された後に、光増幅器３０の自然放出光を除去するための光フィルタ３１を介して、光検波手段３２で電気信号に変換され、数値化手段１４でデジタル信号に変換され、演算処理手段１５にて信号処理される。
【００９１】
図１１は、本実施形態に係る試験光パルスの送出シーケンスを示したものである。光源１からの光は、所定の時間間隔ＷでωＡ、ωＢ、ωＡ＋ω１、ωＢ＋ω２の４段階に変調されている。試験光パルスの繰り返し時間は、被試験光ファイバ１０の最大長さの往復伝搬遅延時間と同じかそれよりも長く設定されている。
【００９２】
ここで、受信帯域の設計として、試験光パルスの各周波数成分の信号帯域が２／Ｗであることを考慮すると、｜ω１−ω２｜≧１／Ｗとなるような条件である必要がある。また、光検波手段３２および数値化手段１４の帯域は、ナイキストの定理より、２（ω１＋ω２）以上とする必要がある。さらに、ωＡとωＢとの差は、光検波手段３２および数値化手段１４の受信帯域よりも大きい必要がある。このように設計することで、光検波手段３２において、（ωＡとωＡ＋ω１との差周波成分である）ω１と（ωＢとωＢ＋ω２との差周波成分である）ω２のビート周波数成分が検出される。
【００９３】
ここで、光検波手段３２から出力され、数値化手段１４で数値化処理された後、演算処理手段１５において、ビート電気信号をデジタルフィルタを採用して、ω１とω２のビート周波数を有する２つの信号に分離を行う。この時分離された得られる２つの信号の交流成分Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）は、光源からの前記コヒーレント光の出力時間ｔに対して、それぞれ以下の（式１４）、（式１５）で与えられる。
【００９４】
【数１４】
2020003464.tif 000016
【００９５】
【数１５】
2020003464.tif 000017
【００９６】
ここで、ＥＳは試験光の電界振幅、Ｎは被試験光ファイバの長さ方向に存在する散乱体の数、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は散乱体の番号、ａｉは散乱体ｉの反射率、τｉは被試験光ファイバの入射端から散乱体ｉまでの往復伝搬遅延時間、θ（ｔ）は試験光の初期位相、θＦＵＴ（τ）は被試験光ファイバに加わる振動によって生じる位相変化であり、測定対象である。Ｒ１（ｔ）、Ｒ２（ｔ）は各々ωＡ、ωＢにおける被試験光ファイバの後方散乱係数分布である。ここで、被試験光ファイバに入射されるωＡとωＢの周波数成分の時間差Ｗが、光源のコヒーレンス長よりも十分短い時、レーザの位相雑音を意味するθ（ｔ−τｉ）−θ（ｔ−τｊ）およびθ（ｔ−Ｗ−τｉ）−θ（ｔ−Ｗ−τｊ）は非常に小さいため、無視できる。θ１およびθ２はそれぞれフェーディングによる位相定数であり、２組の試験光パルスの光周波数が異なることから、互いに異なる定数となる。
【００９７】
今、測定可能な振動周波数をＴとすると、Ｗ＜＜１／Ｔが成立する場合、すなわち振動周期に対して時間差Ｗが非常に小さい場合には、θＦＵＴ（τ）≒θＦＵＴ（τ−Ｗ）として扱うことができる。具体例として、測定可能な最大振動周波数を人間の可聴音域の上限である２０ｋＨｚ、Ｗ＝２００ｎｓとすれば、振動周期５０μｓに対して、２５０分の１の時間差に対応することから、位相変化量に換算して最大でも約０．０３ｒａｄであり、これは無視できるほど小さいことが分かる。
【００９８】
（式１４）および（式１５）に示す交流成分は、演算処理手段１５においてデジタル信号処理により合成される。この合成交流信号は、交流成分ｉ２（ｔ）が入射時間差Ｗだけ時間シフトしていることを考慮しこれを補正し、さらにθＦＵＴ（τ）≒θＦＵＴ（τ−Ｗ）を用いて、下記（式１６）のようになる。
【００９９】
【数１６】
2020003464.tif 000018
【０１００】
（式１６）で示す合成交流信号は、２組の試験光パルスに与えた光周波数シフトの和ω１＋ω２の周波数成分と、差ω１−ω２の周波数成分から構成されていることが分かる。これらをローパスフィルタを用いて差ω１−ω２の周波数成分を抽出する。第１および第２の実施形態と同様に、９０度シフトした直交成分を用いて位相項を取り出し、光周波数シフトω１およびω２は既知であるため、これを減算することで位相定数差φ１，２を知ることが出来、以降は第２の実施形態の場合と同様に扱うことができる。
【０１０１】
第１の実施形態から第４の実施形態で説明した分布光ファイバ振動計測装置によれば、取得手段は異なるものの、試験光パルスの光周波数、または被試験光ファイバ、あるいはその双方が異なる条件において、２つの交流成分を取得することで、その合成交流成分からフェーディングに由来する位相定数差を知ることができる。このことは、２つの交流成分の振幅を比較することにより信号対雑音比の高い交流成分を選択し、これを時間方向、すなわち試験光パルスの入射繰り返し毎に選択された交流成分の位相の時間変化を算出する際に、選択された交流成分そのものが変化したとしても、位相定数差の違いを補正することができ、２つの交流成分を用いてよりフェーディング雑音の影響を受けにくい高精度な振動計測が実施可能となる。
【０１０２】
また、後方散乱光の干渉から位相を算出する実施形態に記載の分布光ファイバ振動計測装置によれば、光源や光周波数制御手段における光周波数ドリフトが存在する場合、交流成分あるいは合成交流成分から位相を算出する過程、および時間に対する位相変化を算出する過程において、位相誤差を大きくする直接的な要因となるが、第１の実施形態の中で述べたように、合成交流成分の高周波成分を除去すること無くビート周波数をモニタリングする手段を講じることで、他の実施形態においても同様に、前記光周波数ドリフトを補正することも可能である。
【０１０３】
なお、第１の実施形態から第４の実施形態において、演算処理手段１５は、コンピュータとプログラムとによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【０１０４】
また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１  光源
２  分岐素子
３  光周波数制御手段
４  駆動手段
５  光パルス化手段
６  光増幅器
７  パルス信号発生手段
８  分岐素子
９  光サーキュレータ
１０  被試験光ファイバ
１１  分岐素子
１２、１３  バランス型光受信手段
１４  数値化手段
１５  演算処理手段
１６  表示手段
１７、２７  フィルタ
１８、２８  ミキサ
２３、２４  光フィルタ
２５、２６  光検波手段
２１、２２、３０  光増幅器
３１  光フィルタ
３２  光検波手段
【図１】
2020003464.tif 000019
【図２】
2020003464.tif 000020
【図３】
2020003464.tif 000021
【図４】
2020003464.tif 000022
【図５】
2020003464.tif 000023
【図６】
2020003464.tif 000024
【図７】
2020003464.tif 000025
【図８】
2020003464.tif 000026
【図９】
2020003464.tif 000027
【図１０】
2020003464.tif 000028
【図１１】
2020003464.tif 000029