(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、
当該センサの空間分解能に基づくパルス幅の第１パルス光を生成する第１パルス光生成部と、
当該センサの周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の第２パルス光を生成する第２パルス光生成部と、
前記第１パルス光と前記第２パルス光との間に所定の位相差を設けてこれら第１パルス光と第２パルス光とを合成して検査光を生成し、この検査光を前記光ファイバの特定の端部に向けて射出する検査光生成部と、
前記検査光が入射した光ファイバの特定の端部から射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアンスペクトルを検出するスペクトル検出部と、
前記光ファイバに生じた歪み又は／及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するシフト量計測部と、を備え、
前記検査光生成部は、前記位相差が互いに異なる複数の検査光を生成し、
前記スペクトル検出部は、前記ブリルアン散乱現象に係る光に対し、各検査光における第１パルス光と第２パルス光との位相差に対応するフィルタをそれぞれかけることにより前記複数の検査光に対応するブリルアンスペクトルをそれぞれ求める検波部と、この検波部で求められた各ブリルアンスペクトル同士を合成する合成部と、を有し、
前記シフト量計測部は、前記合成部で合成されたブリルアンスペクトルである合成スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測することを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記合成部は、前記検波部で求められた各ブリルアンスペクトルから時間方向の広がりが小さく且つ周波数方向の広がりが小さな成分が抽出されるように前記各ブリルアンスペクトルの重み付き和をとることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記検波部は、信号処理によって前記フィルタの中心周波数を走査することによりブリルアンスペクトルを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記スペクトル検出部は、前記ブリルアン散乱現象に係る光を水直成分と水平成分とに偏波分離する分離部を有し、
前記検波部は、前記分離部で分離されたブリルアン散乱現象に係る光の垂直成分と水平成分とに対して前記位相差に対応するフィルタをそれぞれかけたあとこれらの二乗和をとることによってブリルアンスペクトルを求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項５】
光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、
当該センサの空間分解能に相当する距離を光が往復する時間よりも大きなパルス幅の長パルス光に基づく第１パルス光を生成する第１パルス光生成部と、
当該センサの周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の第２パルス光を生成する第２パルス光生成部と、
前記第１パルス光と前記第２パルス光との間に所定の位相差を設けてこれら第１パルス光と第２パルス光とを合成して検査光を生成し、この検査光を前記光ファイバの特定の端部に向けて射出する検査光生成部と、
前記検査光が入射した光ファイバの特定の端部から射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアンスペクトルを検出するスペクトル検出部と、
前記光ファイバに生じた歪み又は／及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するシフト量計測部と、を備え、
前記第１パルス光生成部は、前記長パルス光を前記空間分解能に基づく幅の複数のセルに分割し、この分割された長パルス光を所定の符号系列を用いて変調して前記第１パルス光を生成し、
前記検査光生成部は、前記位相差が互いに異なる複数の検査光を生成し、
前記スペクトル検出部は、前記ブリルアン散乱現象に係る光に対し、各検査光における第１パルス光と第２パルス光との位相差に対応するフィルタをそれぞれかけると共に前記第１パルス光生成部における変調に対応する復調を行った後にパルス圧縮することにより前記複数の検査光に対応するブリルアンスペクトルをそれぞれ求める検波部と、この検波部で求められた各ブリルアンスペクトル同士を合成する合成部と、を有し、
前記シフト量計測部は、前記合成部で合成されたブリルアンスペクトルである合成スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測することを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項６】
光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、
当該センサの空間分解能に基づくパルス幅の第１パルス光と当該センサの空間分解能の逆数に基づく第２パルス光との間に所定の位相差を設けてこれら第１パルス光と第２パルス光とを合成した合成パルス光を生成する複数の合成パスル光生成部と、
各合成パルス光生成部で生成された合成パルス光を合流させて検査光とし、この検査光を前記光ファイバの特定の端部に向けて射出する合流部と、
前記検査光が入射した光ファイバの特定の端部から射出されるブリルアン散乱現象に係る光を前記合流部での合流前の各合成パルス光と対応する分離光に分離する分離部と、
前記分離した各分離光に対してフィルタをかけることによりブリルアンスペクトルをそれぞれ求める複数の検波部と、
各検波部で求められたブリルアンスペクトル同士を合成する合成部と、
前記合成部で合成されたブリルアンスペクトルである合成スペクトルに基づいてブリルアン周波数シフト量を計測する前記シフト量計測部と、を備え、
前記所定の位相差は、前記合成パルス光生成部毎に異なり、
各検波部は、前記分離光に対応した合成パルス光を構成する第１パルス光と第２パルス光との位相差に応じたフィルタを用いることを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【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、その長尺方向について歪みや温度を高精度で測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において、光ファイバは、当該光ファイバの設置される環境（計測対象物）における歪み及び／又は温度を検出する媒体として利用される。
【０００３】
ブリルアン散乱現象とは、光が光ファイバ内に入射した場合に光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象であり、互いに周波数の異なる２つの光が光ファイバに入射され、これら２つの光の相互作用によって生じる誘導ブリルアン散乱現象と、光が光ファイバに入射され、この光と光ファイバ中の熱雑音によって生じている音響フォノンとの相互作用によって生じる自然ブリルアン散乱現象とがある。このブリルアン散乱現象の際に見られるブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪み及び温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって歪み及び／又は温度が測定される。
【０００４】
このブリルアン散乱現象を利用した歪みや温度の分布を計測する代表的な方式の一つとして、特許文献１に記載のＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）がある。
【０００５】
ＢＯＴＤＲでは、１つのレーザ光がポンプ光（検査パルス光）として光ファイバの一方端から入射され、この一方端から射出される自然ブリルアン散乱現象に係る光が検出され、この検出された自然ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＲでは、熱雑音によって生じている音響フォノンが利用され、前記のポンプ光には、通常、光強度が矩形状であるパルス光が用いられる。
【０００６】
そして、このような測定がポンプ光の周波数を順次に変化させながら周波数毎に行われ、即ち、周波数を走査することにより、光ファイバの長尺方向に沿った各位置のパワースペクトル（以下、単に「ブリルアンスペクトル」と称する。）がそれぞれ求められ、そのブリルアン周波数シフト量から光ファイバの長尺方向に沿った歪み分布及び／又は温度分布が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５７５７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のＢＯＴＤＲにおいては、空間分解能と周波数分解能とを共に向上させるのが困難であった。即ち、空間分解能を向上させるためには、ポンプ光のパルス幅を短くしなければならないが、パルス幅を短くしたポンプ光を用いて観測されるブリルアン散乱現象に係る光のスペクトルが広がるため（即ち、周波数分解能が低下するため）にブリルアン周波数シフト量を精度よく計測することができない。
【０００９】
詳しくは、周波数νを走査して得られるブリルアンスペクトルをＶ（ｔ，ν）とおくと、このブリルアンスペクトルは、
【００１０】
【数１】
0005493089.tif 000002
【００１１】
で表される。ここでγＲは、定数であり、「ｔ，ν＊」は、ｔ，νに関しての２次元のコンボルーション（畳み込み）を表す。式（１）におけるＧ（ｔ，ν）は、ローレンツスペクトルであり、光ファイバの位置ｚにおけるブリルアン周波数シフトをνｂ（ｚ）とおくと、
【００１２】
【数２】
0005493089.tif 000003
【００１３】
で表される。ここで、ｖｇは、光ファイバ中の光速を表す。
【００１４】
また、式（１）におけるΨ（ｔ，ν）は点広がり関数であり、
【００１５】
【数３】
0005493089.tif 000004
【００１６】
で表される。ここで、ｆ（ｔ）は、パルスの形状を表す関数であり、ｈ（ｔ）は、受信部における低域フィルタのインパルスレスポンスであり、Ｆτ[ｆ(τ）ｈ（ｔ−τ）]は、τに関するフーリエ変換を表す。
【００１７】
ローレンツスペクトルＧ（ｔ，ν）は、観測に依らず光ファイバの特性だけで決まるスペクトルであり、点広がり関数Ψ（ｔ，ν）は計測方式に依存して決まる関数である。
【００１８】
ここで、求めたい理想的なブリルアンスペクトルは、ローレンツスペクトルＧ（ｔ，ν）自体（図４（Ｂ）参照）が観測されることであるが、実際の観測では、式（１）に示されるように、ローレンツスペクトルＧ（ｔ，ν）が点広がり関数Ψ（ｔ，ν）とのコンボルーションでぼかされたもの（図１５（Ｂ）参照）が観測される。
【００１９】
従って、空間分解能を向上させるためには、点広がり関数Ψ（ｔ，ν）は、時間と周波数との両方にできるだけ狭い幅をもつものが望ましい。
【００２０】
しかしながら、点広がり関数Ψ（ｔ，ν）を積分して時間方向と周波数方向への広がり関数をそれぞれ
【００２１】
【数４】
0005493089.tif 000005
【００２２】
【数５】
0005493089.tif 000006
【００２３】
と定義し、それぞれの中心μＴ，μＦと半径ΔＴ，ΔＦを
【００２４】
【数６】
0005493089.tif 000007
【００２５】
【数７】
0005493089.tif 000008
【００２６】
と定義すると、以下の式（８）が成立する。
【００２７】
【数８】
0005493089.tif 000009
【００２８】
これは、点広がり関数Ψ（ｔ，ν）の時間方向と周波数方向との広がりを同時に小さくすることができないという不確定性関係を表している。
【００２９】
そこで、高空間分解能で且つ高周波数分解能を有する分布型光ファイバセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、当該センサの空間分解能に基づくパルス幅の第１パルス光を生成する第１パルス光生成部と、当該センサの周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の第２パルス光を生成する第２パルス光生成部と、前記第１パルス光と前記第２パルス光との間に所定の位相差を設けてこれら第１パルス光と第２パルス光とを合成して検査光を生成し、この検査光を前記光ファイバの特定の端部に向けて射出する検査光生成部と、前記検査光が入射した光ファイバの特定の端部から射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアンスペクトルを検出するスペクトル検出部と、前記光ファイバに生じた歪み又は／及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するシフト量計測部と、を備える。そして、前記検査光生成部は、前記位相差が互いに異なる複数の検査光を生成し、前記スペクトル検出部は、前記ブリルアン散乱現象に係る光に対し、各検査光における第１パルス光と第２パルス光との位相差に対応するフィルタをそれぞれかけることにより前記複数の検査光に対応するブリルアンスペクトルをそれぞれ求める検波部と、この検波部で求められた各ブリルアンスペクトル同士を合成する合成部と、を有し、前記シフト量計測部は、前記合成部で合成されたブリルアンスペクトルである合成スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測することを特徴とする。
【００３１】
この分布型光ファイバセンサによれば、異なる複数の検査光を用いた計測によってそれぞれブリルアンスペクトルが求められ、これら複数のブリルアンスペクトルが合成されることにより、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつブリルアンスペクトル（合成スペクトル）を得ることができる。
【００３２】
詳しくは、上記の分布型光ファイバセンサによれば、第１パルス光と第２パルス光との間の位相差が互いに異なる複数の検査光によって得られる各ブリルアンスペクトルを合成することによって、第１パルス光のパルス幅に応じた空間分解能と第２パルス光のパルス幅の逆数に応じた周波数分解能をもつ合成スペクトルが得られる。そこで、第１パルス光として目標とする空間分解能に応じたパルス幅の小さな短パルス光を用い、第２パルス光として目標とする周波数分解能の逆数に応じたパルス幅の大きな長パルス光を用いることで、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつ合成スペクトルを得ることができ、その結果、ブリルアン周波数シフト量を精度よく計測することが可能となる。
【００３３】
具体的に、上記の分布型光ファイバセンサの合成部は、前記検波部で求められた各ブリルアンスペクトルから時間方向の広がりが小さく且つ周波数方向の広がりが小さな成分が抽出されるように前記各ブリルアンスペクトルの重み付き和をとることで、第１パルス光のパルス幅に応じた空間分解能と第２パルス光のパルス幅の逆数に応じた周波数分解能をもつ合成スペクトルを生成する。
【００３４】
本発明に係る分布型光ファイバセンサにおいては、前記検波部は、信号処理によって前記フィルタの中心周波数を走査することによりブリルアンスペクトルを求めてもよい。このように、信号処理によりブリルアンスペクトルを求めることで、計測時間を短縮することができる。詳しくは、従来は、ブリルアン散乱現象に係る光を検波するときに用いられる参照光の周波数を走査しながら周波数毎にブリルアンスペクトルを求めていたが、参照光の周波数を固定して広帯域で受信したあとフィルタの中心周波数を走査する信号処理によって帯域幅内のブリルアンスペクトルをそれぞれ求めることにより、計測時間を短縮することができる。
【００３５】
前記スペクトル検出部は、前記ブリルアン散乱現象に係る光を水直成分と水平成分とに偏波分離する分離部を有し、前記検波部は、前記分離部で分離されたブリルアン散乱現象に係る光の垂直成分と水平成分とに対して前記位相差に対応するフィルタをそれぞれかけたあとこれらの二乗和をとることによってブリルアンスペクトルを求めることが好ましい。
【００３６】
かかる構成によれば、光ファイバ中でのブリルアン散乱現象に係る光の偏波の影響を抑え、ブリルアンスペクトルを精度よく求めることができる。即ち、光ファイバ中で偏光ベクトルの絶対値が保存されることを利用し、偏光ベクトルの２つの成分、即ち、ブリルアン散乱現象に係る光の垂直成分と水平成分とを個別に計測してその二乗和をとることにより、光ファイバ中での偏光の影響を抑えることができる。
【００３７】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、当該センサの空間分解能に相当する距離を光が往復する時間よりも大きなパルス幅の長パルス光に基づく第１パルス光を生成する第１パルス光生成部と、当該センサの周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の第２パルス光を生成する第２パルス光生成部と、前記第１パルス光と前記第２パルス光との間に所定の位相差を設けてこれら第１パルス光と第２パルス光とを合成して検査光を生成し、この検査光を前記光ファイバの特定の端部に向けて射出する検査光生成部と、前記検査光が入射した光ファイバの特定の端部から射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアンスペクトルを検出するスペクトル検出部と、前記光ファイバに生じた歪み又は／及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するシフト量計測部と、を備え、前記第１パルス光生成部は、前記長パルス光を前記空間分解能に基づく幅の複数のセルに分割し、この分割された長パルス光を所定の符号系列を用いて変調して前記第１パルス光を生成し、前記検査光生成部は、前記位相差が互いに異なる複数の検査光を生成し、前記スペクトル検出部は、前記ブリルアン散乱現象に係る光に対し、各検査光における第１パルス光と第２パルス光との位相差に対応するフィルタをそれぞれかけると共に前記第１パルス光生成部における変調に対応する復調を行った後にパルス圧縮することにより前記複数の検査光に対応するブリルアンスペクトルをそれぞれ求める検波部と、この検波部で求められた各ブリルアンスペクトル同士を合成する合成部と、を有し、前記シフト量計測部は、前記合成部で合成されたブリルアンスペクトルである合成スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測することを特徴とする。
【００３８】
この分布型光ファイバセンサによっても、互いに異なる複数の検査光を用いた計測によってそれぞれブリルアンスペクトルが求められ、これら複数のブリルアンスペクトルが合成されることにより、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつ合成スペクトルを得ることができる。尚、この分布型光ファイバセンサの合成部では、第１パルス光のセル幅に応じた空間分解能と第２パルス光のパルス幅の逆数に応じた周波数分解能を持つブリルアンスペクトル（合成スペクトル）が得られる。
【００３９】
さらに、上記分布型光ファイバセンサによれば、第１パルス光として変調を加えた長パルス光を用いて計測を行い、受信時に第１パルス光を復調してパルス圧縮を行うことによって、第１パルス光としてパルス圧縮を行わずに短パルス光を用いる方式に比べて第１パルス光に含まれるエネルギーが多くなるため、ＳＮ比を高くすることができる。
【００４０】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、当該センサの空間分解能に基づくパルス幅の第１パルス光と当該センサの空間分解能の逆数に基づく第２パルス光との間に所定の位相差を設けてこれら第１パルス光と第２パルス光とを合成した合成パルス光を生成する複数の合成パスル光生成部と、各合成パルス光生成部で生成された合成パルス光を合流させて検査光とし、この検査光を前記光ファイバの特定の端部に向けて射出する合流部と、前記検査光が入射した光ファイバの特定の端部から射出されるブリルアン散乱現象に係る光を前記合流部での合流前の各合成パルス光と対応する分離光に分離する分離部と、前記分離した各分離光に対してフィルタをかけることによりブリルアンスペクトルをそれぞれ求める複数の検波部と、各検波部で求められたブリルアンスペクトル同士を合成する合成部と、前記合成部で合成されたブリルアンスペクトルである合成スペクトルに基づいてブリルアン周波数シフト量を計測する前記シフト量計測部と、を備える。そして、前記所定の位相差は、前記合成パルス光生成部毎に異なり、各検波部は、前記分離光に対応した合成パルス光を構成する第１パルス光と第２パルス光との位相差に応じたフィルタを用いることを特徴とする。
【００４１】
この分布型光ファイバセンサによっても、互いに異なる複数の検査光を用いた計測によってそれぞれブリルアンスペクトルが求められ、これら複数のブリルアンスペクトルが合成されることにより、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつ合成スペクトルを得ることができる。しかも、複数の合成パルス光生成部において前記位相差の互いに異なる複数の合成パルス光を同時に生成することができると共に、複数の検波部において各合成パルス光に対応するブリルアンスペクトルを同時に求めることができるため、計測時間を短縮することができる。
【００４２】
また、合成パルス光生成部毎に生成される合成パルス光の第１パルス光と第２パルス光との位相差を固定することができ、これにより、同一部位で前記位相差の異なる複数の合成パルス光を全て生成する場合に比べて位相差を形成する手段の構成を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００４３】
以上より、本発明によれば、高空間分解能で且つ高周波数分解能を有する分布型光ファイバセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態に係る分布型光ファイバセンサの構成を示す機能ブロック図である。
【図２】前記分布型光ファイバセンサの短パルス光生成部（又は長パルス光生成部）を説明するための図である。
【図３】図３（Ａ）は、検査パルス光を構成する短パルス光の形状関数を示し、図３（Ｂ）は、検査パルス光を構成する長パルス光の形状関数を示し、図３（Ｃ）は、低域フィルタを構成する短パルス光に対応する要素のインパルスレスポンスを示し、図３（Ｄ）は、低域フィルタを構成する長パルス光に対応する要素のインパルスレスポンスを示す。
【図４】図４（Ａ）は、前記分布型光ファイバセンサにおける点広がり関数を示し、図４（Ｂ）は、前記分布型光ファイバセンサにおいて求められる合成スペクトルを示す。
【図５】前記分布型光ファイバセンサの光ヘテロダイン検波部を説明するための図である。
【図６】前記分布型光ファイバセンサによる歪み又は温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサの構成を示す機能ブロック図である。
【図８】前記分布型光ファイバセンサによる歪み又は温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】図９（Ａ）は、第１パルス光の形状関数を示し、図９（Ｂ）は、第２パルス光の形状関数を示し、図９（Ｃ）は、第１パルス光に対応する低域フィルタの要素のインパルスレスポンスを示し、図９（Ｄ）は、第２パルス光に対応する低域フィルタの要素のインパルスレスポンスを示す。
【図１０】他実施形態に係る分布型光ファイバセンサの構成を示す機能ブロック図である。
【図１１】２段ヘテロダイン受信における光ヘテロダイン検波部及びヘテロダイン検波部を説明するための図である。
【図１２】他実施形態に係る分布型光ファイバセンサにおける検波部を説明するための図である。
【図１３】複数の検査パルス光射出部を備えた分布型光ファイバセンサを説明するための図である。
【図１４】複数の検査パルス光射出部を備えた分布型光ファイバセンサを説明するための図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、従来の分布型光ファイバセンサにおける点広がり関数を示し、図１５（Ｂ）は、従来の分布型光ファイバセンサにおいて求められるブリルアンスペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ説明する。
【００４６】
<第１実施形態>
本実施形態の分布型光ファイバセンサは、光ファイバ（検出用光ファイバ）をセンサとして用い、その長尺方向における各位置の歪み又は／及び温度を高精度に測定する。この分布型光ファイバセンサは、図１に示されるように、検出用光ファイバ１２と、検査パルス光射出部２０と、光サーキュレータ１４と、スペクトル検出部３０と、シフト量計測部４０と、制御処理部５０と、出力部１６と、を備える。
【００４７】
検出用光ファイバ１２は、歪み又は温度を検出するセンサ用の光ファイバである。この検出用光ファイバ１２は、第１端部（特定の端部）１２ａと、この第１端部１２ａと反対側の端部である第２端部１２ｂとを有する。検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａは、検出用光ファイバ１２内に検査パルス光（検査光）ｆを入射させ、この検査パルス光に起因したブリルアン散乱現象にかかる光を外部に射出する。ここで、配管、油田管、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪み又は／及び温度を測定する場合には、当該検出用光ファイバ１２が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。
【００４８】
検査パルス光射出部２０は、検査パルス光ｆを生成し、この検査パルス光ｆを検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａに向けて射出する。具体的に、検査パルス光射出部２０は、第１光源２１と、光パルス発生回路２２とを備える。
【００４９】
第１光源２１は、所定周波数の光（連続光）を射出することができ、制御処理部５０による制御によって温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる。本実施形態では、第１光源２１としてレーザ光源が用いられ、この第１光源２１からは、例えば、１．５５μｍのコヒーレント光が出力される。
【００５０】
光パルス発生回路２２は、第１光源２１が射出した連続光から短パルス光（第１パルス光）ｆ１と長パルス光（第２パルス光）ｆ２とを生成し、これらを合成することにより検査パルス光ｆを生成する回路である。この光パルス発生回路２２は、光カプラ２３と、短パルス光生成部２４と長パルス光生成部２５と移相器２６と光合成器２７とを備える。
【００５１】
光カプラ２３は、第１光源からの光を２つに分岐し、この分岐した光を短パルス光生成部２４と長パルス光生成部２５とにそれぞれ供給する。
【００５２】
短パルス光生成部２４は、第１光源２１から供給される連続光から短パルス光ｆ１を生成する。具体的に、短パルス光生成部２４は、図２にも示されるように、強度変調器２４１とこの強度変調器２４１に変調信号を入力する変調信号入力部２４２とを有する。本実施形態では、強度変調器２４１としてＬＮ強度変調器が用いられるが、これに限定されない。また、本実施形態では、変調信号入力部２４２としてＢｉａｓ−Ｔが用いられ、このＢｉａｓ−Ｔには、ＤＣ電圧と目標とする短パルス光ｆ１に対応する電気信号としてのパルス信号が入力される。
【００５３】
このように構成される短パルス光生成部２４では、本実施形態の分布型光ファイバセンサ１０の空間分解能に基づくパルス幅の短パルス光ｆ１が生成される。具体的に、例えば、本実施形態の分布型光ファイバセンサ１０の空間分解能が１０ｃｍであれば、光が検出用光ファイバ１２中でその区間（検出用光ファイバ１２の長尺方向における１０ｃｍの区間）を往復する時間に対応する１ｎｓのパルス幅の短パルス光ｆ１が生成される。
【００５４】
長パルス光生成部２５は、第１光源２１から供給される連続光から長パルス光ｆ２を生成する。この長パルス光生成部２５は、前記の短パルス光生成部２４と同様に、強度変調器２５１と変調信号入力部２５２とを有する（図２参照）。本実施形態では、強度変調器２５１としてＬＮ強度変調器が用いられるが、これに限定されない。また、本実施形態では、変調信号入力部２５２としてＢｉａｓ−Ｔが用いられ、このＢｉａｓ−Ｔには、ＤＣ電圧と目標とする長パルス光ｆ２に対応する電気信号としてのパルス信号が入力される。
【００５５】
このように構成される長パルス光生成部２５では、本実施形態の分布型光ファイバセンサ１０の周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の長パルス光ｆ２が生成される。具体的に、例えば、本実施形態の分布型光ファイバセンサ１０の周波数分解能（周波数幅）が１０ＭＨｚであれば、その逆数の１００ｎｓのパルス幅の長パルス光ｆ２が生成される。尚、本実施形態において、周波数幅は、ブリルアンスペクトルを以下の式（９）で表したときのローレンツスペクトルＧ（ｔ，ν）を鈍らせる点広がり関数Ψ（ｔ，ν）の周波数方向への幅を意味する。
【００５６】
【数９】
0005493089.tif 000010
【００５７】
移相器２６は、短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との間に所定の位相差を設ける。この移相器２６は、長パルス光生成部２５と光合成器２７との間に設けられ、制御処理部５０からの指示信号に基づいて、長パルス光ｆ２の位相を短パルス光ｆ１に対してθｊだけシフトさせる。即ち、移相器２６は、短パルス光ｆ１に対して長パルス光ｆ２の位相を所定の範囲内で位相変調させる。本実施形態の移相器２６においては、θｊ，ｊ＝１〜４である。
【００５８】
ここで、検出用光ファイバ１２に入射させる複数の検査パルス光ｆの求め方、即ち、検査パルス光ｆを構成する短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差、及び検査パルス光ｆに対応する整合フィルタ（本実施形態では低域フィルタ）ｈについて以下に説明する。
【００５９】
検査パルス光ｆを構成する要素として、以下の短パルス光ｆ１（ｔ）と長パルス光ｆ２（ｔ）との２つのパルス光を考える。
【００６０】
【数１０】
0005493089.tif 000011
【００６１】
【数１１】
0005493089.tif 000012
【００６２】
ここで、ｒは、短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との振幅比である。
【００６３】
短パルス光ｆ１のパルス幅Ｄ１は、当該分布型光ファイバセンサ１０において目標とする空間分解能に基づいて設定する。また、長パルス光ｆ２のパルス幅Ｄ２は、検出用光ファイバ１２中に検査パルス光ｆを注入したときに生じるフォノンの寿命よりも十分長くなるように設定する。これら短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２とにより構成される検査パルス光に対応する低域フィルタ（信号処理部３５の２乗検波部３５１におけるフィルタ）ｈも２つの要素ｈ１，ｈ２により構成され、それぞれの要素ｈ１，ｈ２は、検査パルス光ｆの要素ｆ１，ｆ２の整合フィルタになっているものとする。即ち、低域フィルタｈ１，ｈ２は、以下のようになる。
【００６４】
【数１２】
0005493089.tif 000013
【００６５】
【数１３】
0005493089.tif 000014
【００６６】
以上の各要素を用いて、検査パルス光ｆと低域フィルタｈ１，ｈ２とは以下のように表される。
【００６７】
【数１４】
0005493089.tif 000015
【００６８】
【数１５】
0005493089.tif 000016
【００６９】
ここで、θとφとは、位相を表すパラメータである。
【００７０】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に、検査パルス光ｆの要素ｆ１，ｆ２の形状関数、及び低域フィルタｈの要素のインパルス応答の例を示す。図３（Ａ）は、検査パルス光ｆを構成する第１要素（短パルス光）ｆ１の形状関数を示し、図３（Ｂ）は、検査パルス光ｆを構成する第２要素（長パルス光）ｆ２の形状関数を示し、図３（Ｃ）は、低域フィルタｈを構成する第１要素（短パルス光に対応する要素）ｈ１のインパルスレスポンスを示し、図３（Ｄ）は、低域フィルタｈを構成する第２要素（長パルス光に対応する要素）ｈ２のインパルスレスポンスを示す。
【００７１】
上記の式（１４）及び式（１５）に対応する点広がり関数は、
【００７２】
【数１６】
0005493089.tif 000017
【００７３】
となる。ここで、式（１６）におけるＲ[…]は実数部を表す。
【００７４】
この点広がり関数は、ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を、
【００７５】
【数１７】
0005493089.tif 000018
【００７６】
と表したときのΨ（ｔ，ν）である。この式（１６）のＦτ{…}は、τに関するフーリエ変換を表す。尚、Ｇ（ｔ，ν）は、ローレンツスペクトルであり、検出用光ファイバ１２の長尺方向の位置ｚ（第１端部１２ａからの距離ｚ）におけるブリルアン周波数シフトをνＢ（ｚ）とおくと、
【００７７】
【数１８】
0005493089.tif 000019
【００７８】
と表される。
【００７９】
また、式（１６）において、
【００８０】
【数１９】
0005493089.tif 000020
【００８１】
とおいた。
【００８２】
この関数Ｆｋｌ（ｔ，ν）は、ｆ１とｆ２とのパルス幅の違いから、
Ｆ１１：時間方向への広がりは小，  周波数方向への広がりは大
Ｆ１２：時間方向への広がりは大，  周波数方向への広がりは大
Ｆ２１：時間方向への広がりは大，  周波数方向への広がりは大
Ｆ２２：時間方向への広がりは大，  周波数方向への広がりは小
という特性をもつ。従って、Ψ（ｔ，ν）の成分の中ではＦ１１Ｆ２２＊だけが、時間方向、周波数方向共に局在するという理想的な特性を持ち、これ以外の成分は時間方向及び周波数方向の少なくとも一方の方向への広がりを持つ。従って、センシングのためには、Ｆ１１Ｆ２２＊だけが抽出したい望ましい成分であり、他は不要な成分となる。
【００８３】
そこで、点広がり関数Ψ（ｔ，ν）の要素Ｒ（Ｆ１１Ｆ２２＊）だけを抽出するような合成方法を求めるために、以下の位相差（検査パルス光ｆを構成する短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との間の位相差θ、及びこれに対応する整合（低域）フィルタｈ１，ｈ２の位相差φ）のペアを考える。
【００８４】
【数２０】
0005493089.tif 000021
【００８５】
即ち、
【００８６】
【数２１】
0005493089.tif 000022
【００８７】
これらに対する点広がり関数Ψ（ｔ，ν）は、
【００８８】
【数２２】
0005493089.tif 000023
【００８９】
【数２３】
0005493089.tif 000024
【００９０】
【数２４】
0005493089.tif 000025
【００９１】
【数２５】
0005493089.tif 000026
【００９２】
となる。これらを以下のように合成する（即ち、重み付き和をとる）ことにより、望ましい成分だけを抽出することができる。
【００９３】
【数２６】
0005493089.tif 000027
【００９４】
本実施形態では、４つの位相差のペア（式（２０）参照）、即ち、短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差が互いに異なる４つの検査パルス光ｆを用いて計測することにより、望ましい成分を抽出して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を求めているが、これに限定されない。
【００９５】
即ち、上記のことを一般化した以下の位相差のペア（θ，φ）により計測を行うことにより、各位相差θの検査パルス光ｆに対応する複数のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）から、時間方向及び周波数方向共に局在する成分を抽出した合成スペクトルＶＳ（ｔ、ν）を得ることができる。
【００９６】
先ず、位相差のペア（θ，φ）を以下のようにｐ種類用意する。
【００９７】
【数２７】
0005493089.tif 000028
【００９８】
検査パルス光ｆとこれに対応する低域フィルタ（整合フィルタ）ｈとのｐ種類のペアを
【００９９】
【数２８】
0005493089.tif 000029
【０１００】
【数２９】
0005493089.tif 000030
【０１０１】
とする。これら式（２８）及び式（２９）と、合成の係数ｃｊ，ｊ＝１，２，…，ｐとが
【０１０２】
【数３０】
0005493089.tif 000031
【０１０３】
を満足するように決められる。検査パルス光ｆと低域フィルタｈとの各ペアに対する点広がり関数をΨｊ（ｔ，ν）とすると、このとき、合成による点広がり関数は、
【０１０４】
【数３１】
0005493089.tif 000032
【０１０５】
となる。尚、本実施形態では、ｐ＝４で、
【０１０６】
【数３２】
0005493089.tif 000033
【０１０７】
である。
【０１０８】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には本実施形態により求めた、合成後の点広がり関数Ψ（ｔ，ν）と合成スペクトル（合成後のブリルアンスペクトル）ＶＳ（ｔ，ν）の一例を示す。図４（Ａ）が点広がり関数Ψ（ｔ，ν）を示し、図４（Ｂ）は合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を示す。合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）は、ノイズを除去して描いてある。また、短パルス光ｆ１のパルス幅が１ｎｓ、長パルス光ｆ２のパルス幅が４０ｎｓとする。図４（Ａ）から分るように、点広がり関数Ψ（ｔ，ν）は時間方向、周波数方向のいずれの方向へも広がりが小さい。また、図４（Ｂ）から分るように、合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）の線幅は、ローレンツスペクトルＧ（ｔ，ν）の線幅と同程度に小さくなる。
【０１０９】
尚、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に、従来のＢＯＴＤＲ（単一のパルスからなる検査パルス光ｆを用いるＢＯＴＤＲ）における点広がり関数ψ（ｔ，ν）と、計測されたブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）との一例を示す。図１５（Ａ）は、点広がり関数ψ（ｔ，ν）を示し、図１５（Ｂ）はブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を示す。ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）は、ノイズを除去して描いてある。この例においてはｆのパルス幅は１ｎｓとしてある。この図１５（Ａ）に示されるように、点広がり関数ψ（ｔ，ν）は、式（８）に示す不確定性関係を有するため、時間方向の広がりを小さくすると周波数方向の広がりが大きくなる。そのため、観測では、図１５（Ｂ）に示されるように、ローレンツスペクトルＧ（ｔ，ν）が前記点広がり関数ψ（ｔ，ν）とのコンボルーションでぼかされたものが観測される。
【０１１０】
光合成器２７は、短パルス光生成部２４で生成された短パルス光ｆ１と、長パルス光生成部２５で生成され移相器２６により位相シフトされた長パルス光ｆ２とを合成して検査パルス光ｆを生成し、この生成した検査パルス光（合成パルス光）ｆを検出用光ファイバ１２に向けて出力（射出）する。
【０１１１】
以上のように構成される検査パルス光射出部２０では、短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との間の位相差θが互いに異なる複数（本実施形態では４つ）の検査パルス光ｆが生成される。
【０１１２】
光サーキュレータ１４は、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。即ち、第１端子１４ａに入射した光は、第２端子１４ｂから射出されるとともに、第３端子１４ｃからは射出されず、第２端子１４ｂに入射した光は、第３端子１４ｃから射出されるとともに、第１端子１４ａからは射出されず、第３端子１４ｃに入射した光は、第１端子１４ａから射出されるとともに、第２端子１４ｂからは射出されない。この光サーキュレータ１４の第１端子１４ａは、検査パルス光射出部２０に接続され、第２端子１４ｂは、検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａに接続され、第３端子１４ｃは、スペクトル検出部３０に接続される。
【０１１３】
スペクトル検出部３０は、検査パルス光ｆが入射した検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから射出されるブリルアン散乱現象に係る光（検出光）に基づいてブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を検出し、検波部３１と、スペクトル合成部３６とを有する。本実施形態のスペクトル検出部３０は、検査パルス光射出部２０から検出パルス光ｆが光サーキュレータ１４を介して検出用光ファイバ１２に射出されることによりこの検出用光ファイバ１２内で生じたブリルアン散乱現象に係る光が検出用光ファイバ１２から光サーキュレータ１４を介して入力され、この光に基づいてブリルアンスペクトルを検出する。
【０１１４】
検波部３１は、ブリルアン散乱現象に係る光（以下、単に「検出光」とも称する。）に対し、検査パルス光射出部２０で生成された各検査パルス光ｆにおける短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θに対応する低域（整合）フィルタｈをそれぞれかけることにより各検査パルス光ｆに対応するブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ求める。この検波部３１は、第２光源３２と、光ヘテロダイン検波部３３と、ＡＤ変換部３４と、信号処理部３５の２乗検波部３５１とを有する。
【０１１５】
第２光源３２は、検出光を光ヘテロダイン検波するときの参照光を射出する光源であり、第１光源２１と同様に、制御処理部５０による制御によって温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる。本実施形態では、第２光源３２としてレーザ光源が用いられる。
【０１１６】
光ヘテロダイン検波部３３は、第２光源３２からの参照光を用いて検出光を検波することにより、検出光をベースバンド信号に変換する。本実施形態の光ヘテロダイン検波部３３は、図５にも示されるように、検出光と第２光源３２からの参照光とを合成したあと２つに分岐させて出力する光カプラ３３１と、光カプラ３３１からの分岐光がそれぞれ入力されるフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と、これらフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からの各出力を増幅するアンプ３３２とを備える。
【０１１７】
光ヘテロダイン検波部３３は、ベースバンド信号をＩ，Ｑの２チャンネルの信号として出力する。本実施形態のベースバンド信号は、−１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ程度の帯域の信号である。
【０１１８】
ＡＤ変換部３４は、アナログ信号をデジタル信号に変換する。即ち、このＡＤ変換部３４は、光ヘテロダイン検波部３３からのＩ，Ｑの２チャンネルの信号をデジタルサンプリングし、デジタル信号として信号処理部３５に出力する。
【０１１９】
信号処理部３５は、２乗検波部３５１と合成部３５２とを有し、上述のように２乗検波部３５１が、検波部３１の一部を構成する。この２乗検波部３５１は、ＡＤ変換部３４から入力されたデジタル信号に、第１パルス光ｆ１と第２パルス光ｆ２との位相差θに対応するフィルタｈをかけて２乗検波を行う。これにより、検査パルス光射出部２０で生成された各検査パルス光ｆに対応するブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）が検出される。
【０１２０】
一方、信号処理部３５の合成部３５２は、スペクトル検出部３０のスペクトル合成部３６を構成し、検波部３１で求められた各ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）同士を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）（図４（Ｂ）参照）を生成する。
【０１２１】
シフト量計測部４０は、スペクトル合成部３６で合成された合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）に基づいてブリルアン周波数シフト量を計測する。詳しくは、検出用光ファイバ１２の長尺方向における各位置においてブリルアン散乱現象が生じ、散乱光は、第１端部１２ａからの距離に比例する遅延時間を伴って第１端部１２ａに戻る。この散乱光には、散乱された位置における検出用光ファイバ１２の歪又は／及び温度の変化量に比例した周波数シフトが生じている（図４（ｂ）参照）。そこで、シフト量計測部４０は、合成部３５２において求められた合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）からこの周波数シフト量を計測し、検出用光ファイバ１２の長尺方向における各位置の歪み又は／及び温度を検出する。
【０１２２】
制御処理部５０は、分布型光ファイバセンサ１０の各構成を制御するための部位であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、必要なデータを記憶するメモリー等を備えている。
【０１２３】
出力部１６は、シフト量計測部４０の計測結果を受けて、検出用光ファイバ１２の長尺方向の各位置における検出用光ファイバ１２の温度又は／及び歪みを出力（表示する。）本実施形態の出力部１６は、検出用光ファイバ１２の長尺方向の各位置における温度又は／及び歪みを画面に表示するが、印字等によって出力（表示）するように構成されてもよい。また、出力部１６は、検出用光ファイバ１２の各位置における温度又は／及び歪みだけでなく、各位置におけるブリルアン周波数シフト量や合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を表示するように構成されてもよい。
【０１２４】
次に、以上のような分布型光ファイバセンサ１０における歪み又は温度の計測動作について説明する。図６は、分布型光ファイバセンサ１０による歪み又は温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【０１２５】
図６において、Ｓ１は、検査パルス光ｆを構成する短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θを変更させて位相差毎に実行されるループであり、Ｓ２は、Ｓ１における位相差θ（即ち、移相器２６における移相量）の選択機能である。本実施形態において、各移相量は、
【０１２６】
【数３３】
0005493089.tif 000034
【０１２７】
で与えられる。
【０１２８】
Ｓ３は、光ヘテロダイン検波部３３で用いられる参照光の周波数νをシフトさせ、シフトさせた周波数毎にブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）の計測が実行されるループであり、Ｓ４は、Ｓ３における周波数シフト量の指定機能である。例えば、全体で２ＧＨｚの帯域を５ＭＨｚ刻みで計測する場合は、ｋ＝４０１となる。即ち、Ｓ３のループが４０１回行われる。
【０１２９】
Ｓ５は、図１の機能ブロック図の内容を実行する。具体的に、第１光源２１は、例えば、波長１．５５μｍのコヒーレント光を出力する。このコヒーレント光は、光パルス発生回路２２において光カプラ２３により２つに分岐され、一方が短パルス光生成部２４に入力され、他方が長パルス光生成部２５に入力される。短パルス光生成部２４は、例えば、当該分布型光ファイバセンサ１０の目標とする空間分解能が１０ｃｍの場合は、検出用光ファイバ１２中でのその区間の往復時間に対応する１ｎｓの短いパルス幅のパルス光（短パルス光）ｆ１を生成する。一方、長パルス光生成部２５は、例えば、当該分布型光ファイバセンサ１０の目標とする周波数分解能が１０ＭＨｚの場合は、その逆数の１００ｎｓの長いパルス幅のパルス光（長パルス光）ｆ２を生成する。移相器２６は、長パルス光ｆ２を短パルス光ｆ１に対してθｊだけ位相をシフトする。そして、光合成器２７は、短パルス光ｆ１と位相シフトされた長パルス光ｆ２とを合成し、合成された複合パルス光である検査パルス光ｆを光サーキュレータ１４を介して第１端部１２ａから検出用光ファイバ１２内に注入する。
【０１３０】
検出用光ファイバ１２では、その長尺方向の全ての位置においてブリルアン散乱現象が生じ、このブリルアン散乱現象に係る光は、第１端部１２ａからの距離に比例する遅延時間を伴って第１端部１２ａから射出される。このブリルアン散乱現象に係る光には、ブリルアン散乱が生じた位置ｚ（即ち、第１端部１２ａからの距離ｚ）における検出用光ファイバ１２の歪み又は／及び温度の変化量に比例したブリルアン周波数シフトνｂ（ｚ）が生じている。
【０１３１】
このブリルアン散乱現象に係る光は、検出光として光サーキュレータ１４を介してスペクトル検出部３０に入力される。スペクトル検出部３０では、光ヘテロダイン検波部３３が第２光源３２から出力されるコヒーレント光を参照光として光へテロダイン検波を行う。この光へテロダイン検波により、検出光がベースバンド信号（電気信号）に変換される。このベースバンド信号は、−１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ程度の帯域のベースバンド信号である。ＡＤ変換部３４は、光ヘテロダイン検波部３３から出力されたＩ，Ｑの２チャンネルの信号をサンプリンしてデジタル変換し、デジタル信号として信号処理部３５の２乗検波部３５１に向けて出力する。
【０１３２】
２乗検波部３５１は、ＡＤ変換部３４から入力された信号に低域（整合）フィルタｈをかけて２乗検波を行う。このとき、低域フィルタｈのインパルス応答は、
【０１３３】
【数３４】
0005493089.tif 000035
【０１３４】
という形とし、式（３４）の右辺の各要素は検査パルス光ｆの要素（短パルス光ｆ１及び長パルス光ｆ２）と、
【０１３５】
【数３５】
0005493089.tif 000036
【０１３６】
という関係にする。低域フィルタｈは、信号処理部３５におけるデジタル処理で用いられるため、離散化して
【０１３７】
【数３６】
0005493089.tif 000037
【０１３８】
とする。光へテロダイン検波の出力信号をサンプリングしたデジタル信号を
【０１３９】
【数３７】
0005493089.tif 000038
【０１４０】
とおくと、２乗検波部３５１の低域フィルタの処理は、
【０１４１】
【数３８】
0005493089.tif 000039
【０１４２】
と表される。このとき、２乗検波部３５１からの出力は、
【０１４３】
【数３９】
0005493089.tif 000040
【０１４４】
と表される。
【０１４５】
Ｓ６は、各ｊについてのブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を求める。具体的に、合成部３５２は、以下の式（４０）により、２乗検波部３５１から入力された各ｊに対応するブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を求め、この合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）をシフト量計測部４０に向けて出力する。
【０１４６】
【数４０】
0005493089.tif 000041
【０１４７】
ここで、係数は、
【０１４８】
【数４１】
0005493089.tif 000042
【０１４９】
Ｓ７は、合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）に基づいてブリルアン周波数シフト量の計測を行う。具体的に、シフト量計測部４０は、合成部３５２から入力された合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）に対し、ｔｎを固定する毎にＶＳ（ｔｎ，νｎ）に放物線や適当な曲線を当てはめ、精密なピーク位置を求め、それをブリルアン周波数シフトの推定値とする（図４（Ｂ）参照）。シフト量計測部４０は、求めた推定値からブリルアン周波数シフト量を計測し、これを出力部１６に出力する。
【０１５０】
Ｓ８では、出力部１６がシフト量計測部４０における測定結果を出力（表示等）する。
【０１５１】
以上説明したように、第１実施形態の分布型光ファイバセンサ１０によれば、異なる複数の検査パルス光ｆを用いた計測によってそれぞれブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）が求められ、これら複数のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）が合成されることにより、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつブリルアンスペクトル（合成スペクトル）ＶＳ（ｔ，ν）を得ることができる。
【０１５２】
詳しくは、第１実施形態の分布型光ファイバセンサ１０によれば、短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との間の位相差θｊが互いに異なる複数の検査パルス光ｆによって得られる各ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成することによって、短パルス光ｆ１のパルス幅に応じた空間分解能と長パルス光ｆ２のパルス幅の逆数に応じた周波数分解能をもつ合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）が得られる。そこで、短パルス光ｆ１として目標とする空間分解能に応じたパルス幅の小さなパルス光を用い、長パルス光ｆ２として目標とする周波数分解能の逆数に応じたパルス幅の十分に大きなパルス光を用いることで、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつ合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を得ることができ、その結果、ブリルアン周波数シフト量を精度よく計測することが可能となる。
【０１５３】
<第２実施形態>
次に、図７及び図８を参照して、本発明の第２実施形態による分布型光ファイバセンサ１０ａの構成について説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。
【０１５４】
この分布型光ファイバセンサ１０ａは、図７に示されるように、検出用光ファイバ１２と、検査パルス光射出部２０と、光サーキュレータ１４と、スペクトル検出部３０ａと、シフト量計測部４０と、制御処理部５０と、出力部１６と、を備える。
【０１５５】
スペクトル検出部３０ａは、検波部３１ａとスペクトル合成部３６（合成部３５２）とを有し、検波部３１ａは、光ヘテロダイン検波部３３と、局部発振器３７と、ヘテロダイン検波部３８と、ＡＤ変換部３４ａと、信号処理部３５ａとを有する。
【０１５６】
光ヘテロダイン検波部３３は、第１実施形態と異なり、第１光源２１から出力されて光パルス発生回路２２に入力する前に光カプラ２８によって分岐されたコヒーレント光を参照光として用い、光へテロダイン検波を行う。これにより、光ヘテロダイン検波部３３は、入力された検出光を周波数が９〜１１ＧＨｚ程度のマイクロ波信号に変換して出力する。
【０１５７】
局部発振器３７は、ヘテロダイン検波部３８においてヘテロダイン検波に用いられる参照信号を出力する。この局部発振器３７は、制御処理部５０によって制御され、参照信号として発振周波数の固定された正弦波信号を出力する。
【０１５８】
ヘテロダイン検波部３８は、局部発振器３７からの参照信号を用いて光ヘテロダイン検波部３３からのマイクロ波信号をヘテロダイン検波することにより、マイクロ波信号をベースバンド信号に変換する。本実施形態のヘテロダイン検波部３８は、ミキサ回路を用いてマイクロ波信号に参照信号を干渉させることにより、ベースバンド信号を生成する。
【０１５９】
ＡＤ変換部３４ａは、ヘテロダイン検波部３８からのベースバンド信号をデジタルサンプリングし、このデジタルサンプリングされた信号を信号処理部３５へ出力する。
【０１６０】
信号処理部３５は、２乗検波部３５１ａと合成部３５２とを有する。２乗検波部３５１ａは、ＡＤ変換部３４ａによりベースバンド信号からデジタルサンプリングされたデジタル信号にνｋを中心周波数とする帯域フィルタをかけて２乗検波を行う。ここで、Ｋ個の周波数νｋ，ｋ＝１，２，…，Ｋとする。例えば、本実施形態の２乗検波部において、全体で２ＧＨｚの帯域を５ＭＨｚ刻みで計測する場合は、Ｋ＝４０１となる。
【０１６１】
このように、本実施形態の２乗検波部３５１ａ（信号処理部３５）は、参照信号の周波数が固定されたヘテロダイン検波部３８からの出力信号を広帯域で受信し、帯域内のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ求める。即ち、ヘテロダイン検波の参照光（参照信号）の周波数を走査する代わりに、参照光の周波数を固定して広帯域で受信したあと高速でデジタルサンプリングし、２乗検波部３５１ａにおいて信号処理により帯域内のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ求める。これにより、ヘテロダイン検波のときに参照光の周波数を走査する場合（第１実施形態等）に比べて、計測の時間を１／Ｋに短縮することができる。
【０１６２】
具体的に、本実施形態のスペクトル検出部３０ａは、第１実施形態のスペクトル検出部３０（図１参照）と以下のように異なる。
【０１６３】
第１実施形態のスペクトル検出部３０は、ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を求めるために、検出光の検波の際に、参照光（参照信号）の周波数を走査しながら各周波数におけるスペクトルの強度を計測している。具体的に、第１実施形態のスペクトル検出部３０は、参照光の周波数を走査しながら離散的な周波数νｋ，ｋ＝１，２，…，ＫについてブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ計測する。例えば、計測する帯域を、−１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ，離散周波数の間隔を５ＭＨｚとすると、Ｋ＝４０１個の周波数についてそれぞれ計測、即ち、Ｋ＝４０１個の周波数について光へテロダイン検波と２乗検波とがそれぞれ行われる。
【０１６４】
これに対し、本実施形態のスペクトル検波部３０ａでは、検出光の検波の際の参照信号（参照光）の周波数が固定され、ＡＤ変換部３４ａがベースバンド信号を高速でデジタルサンプリングし、これを２乗検波部３５１ａが信号処理によって帯域内の各ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を求める。
【０１６５】
詳しくは、ベースバンド信号のサンプリング周期をΔｔとし、サンプリング時間を
【０１６６】
【数４２】
0005493089.tif 000043
【０１６７】
とおく。ここで、ｔ０は、検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから、当該光ファイバ１２中における観測したい区間の開始位置までの検査パルス光ｆの往復時間を表し、Ｎは、デジタル信号の長さを表す。全時間Ｔ＝ＮΔｔは、検出用光ファイバ１２における観測したい区間内を検査パルス光ｆが往復する時間Ｔｉと検査パルス光ｆの時間幅（パルス幅）Ｔｐとの和とする。また、２段階のヘテロダイン（光ヘテロダイン検波部３３におけるヘテロダインと、ヘテロダイン検波部３８におけるヘテロダイン）を経たベースバンド信号のサンプル値を
【０１６８】
【数４３】
0005493089.tif 000044
【０１６９】
とおく。
【０１７０】
低域フィルタｈ（ｔ）のサポートは、[−Ｔｐ，０]にあるとすると、低域フィルタｈ（ｔ）を通過した後の出力は、連続時間では、
【０１７１】
【数４４】
0005493089.tif 000045
【０１７２】
と表され、離散時間では、
【０１７３】
【数４５】
0005493089.tif 000046
【０１７４】
で近似できる。さらに、この出力は、絶対値が取られることになるため、最初の位相だけの項は不要となり、
【０１７５】
【数４６】
0005493089.tif 000047
【０１７６】
となる。そして、２乗検波部３５１ａがこの出力を以下の式（４７）に示すように２乗検波してブリルアンスペクトルＶｎ（ν）を求め、これを出力する。
【０１７７】
【数４７】
0005493089.tif 000048
【０１７８】
尚、式（４６）に示す離散時間での出力Ｙｎ（ν）は、低域フィルタｈのインパルス応答が矩形、又は矩形の組み合わせの場合には再帰型のアルゴリズムが適用できる。詳しくは、まず、検査パルス光ｆが時間幅Ｔｐの矩形パルスで、これに対応する低域フィルタｈが
【０１７９】
【数４８】
0005493089.tif 000049
【０１８０】
とすると、この低域フィルタｈを通過した後の出力は、
【０１８１】
【数４９】
0005493089.tif 000050
【０１８２】
と表され、これを再帰型のアルゴリズムに書き換えると、
【０１８３】
【数５０】
0005493089.tif 000051
【０１８４】
【数５１】
0005493089.tif 000052
【０１８５】
となる。ここで、Ｎｆ＝Ｔｆ／Δｔは検出用光ファイバ１２中の信号の数である。
【０１８６】
当該分布型光ファイバセンサ１０ａのように、検査パルス光ｆを構成する短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θに対応する複数のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を求め、これらを合成してセンシングを行う場合には、パラメータをθとした信号を
【０１８７】
【数５２】
0005493089.tif 000053
【０１８８】
とし、低域フィルタｈを
【０１８９】
【数５３】
0005493089.tif 000054
【０１９０】
【数５４】
0005493089.tif 000055
【０１９１】
【数５５】
0005493089.tif 000056
【０１９２】
とすると、低域フィルタｈを通過した後の出力は、
【０１９３】
【数５６】
0005493089.tif 000057
【０１９４】
となる。この式（５６）を再帰型のアルゴリズムに書き換えると、
【０１９５】
【数５７】
0005493089.tif 000058
【０１９６】
【数５８】
0005493089.tif 000059
【０１９７】
となる。
【０１９８】
次に、以上のような分布型光ファイバセンサ１０ａにおける歪み又は温度の計測動作について説明する。図８は、分布型光ファイバセンサ１０ａによる歪み又は温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、第１実施形態と異なり、ヘテロダインで用いられる参照信号（参照光）の周波数をシフトさせない（参照信号の周波数を固定する）ため、図８のフローチャートにおいて、第１実施形態のフローチャート（図６参照）におけるＳ３に相当するループが行われない。
【０１９９】
以下、具体的に説明する。
【０２００】
図８において、Ｓ１は、検査パルス光ｆを構成する短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θを変更させて位相差毎に実行されるループであり、Ｓ２は、Ｓ１における位相差θ（即ち、移相器２６における移相量）の選択機能である。
【０２０１】
Ｓ５ａは、図７の機能ブロック図の内容を実行する。具体的に、第１光源２１から出力されたコヒーレント光は、光カプラ２８により分岐され、一方が光パルス発生回路２２に入力され、他方が光ヘテロダイン検波部３３において参照光として用いられる。光パルス発生回路２２に入力したコヒーレント光から、短パルス光生成部２４と長パルス光生成部２５とが、所定のパルス幅の短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２とを生成する。そして、移相器２６が長パルス光ｆ２の位相を短パルス光ｆ１に対してθｊだけ遅らせ（位相シフトさせ）、光合成器２７が短パルス光ｆ１と前記位相シフトされた長パルス光ｆ２とを合成し、複合パルス光である検査パルス光ｆを生成する。この検査パルス光ｆは、検出用光ファイバ１２に注入される。
【０２０２】
光ヘテロダイン検波部３３は、第１光源２１からのコヒーレント光を参照光として用い、検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから射出される検出光を光へテロダイン検波する。この光ヘテロダイン検波部３３は、検出光を周波数が９〜１１ＧＨｚ程度のマイクロ波信号に変換する。そして、ヘテロダイン検波部３８は、光ヘテロダイン検波部３３から出力されたマイクロ波信号を局部発振器３７からの参照信号を用いてベースバンド信号に変換する。このベースバンド信号は、−１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ程度の帯域のベースバンド信号である。ＡＤ変換部３４ａは、このベースバンド信号をデジタルサンプリングして信号処理部３５ａに出力する。
【０２０３】
信号処理部３５ａの２乗検波部３５１ａは、ＡＤ変換部３４ａからのベースバンド信号を、νｋを中心周波数とする帯域フィルタを通過させて２乗検波を行う。
【０２０４】
具体的に、２乗検波部３５１ａにおける低域フィルタｈのインパルス応答は、
【０２０５】
【数５９】
0005493089.tif 000060
【０２０６】
という形で表される。この式（５９）の右辺の各要素は、検査パルス光ｆの要素と
【０２０７】
【数６０】
0005493089.tif 000061
【０２０８】
という関係とする。尚、信号を、νｋを中心周波数とする帯域フィルタを通過させることは、信号の周波数をνｋだけ下方にシフトさせてから低域フィルタｈをかけることと等価である。
【０２０９】
低域フィルタｈは、２乗検波部３５１ａの中におけるデジタル処理で用いられるため、離散化されて
【０２１０】
【数６１】
0005493089.tif 000062
【０２１１】
とする。ヘテロダイン検波部３８の出力信号をＡＤ変換部３４ａでサンプリングしたデジタル信号を
【０２１２】
【数６２】
0005493089.tif 000063
【０２１３】
とおくと、２乗検波部３５１ａにおける帯域フィルタの処理は
【０２１４】
【数６３】
0005493089.tif 000064
【０２１５】
で表される。２乗検波部３５１ａは、フィルタ処理された信号を以下の式（６４）に示すように２乗検波し、これを出力する。
【０２１６】
【数６４】
0005493089.tif 000065
【０２１７】
Ｓ６は、各ｊについてのブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を求め、この合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）をシフト量計測部４０に出力する。Ｓ７は、合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）に基づいてブリルアン周波数シフト量の計測を行い、計測結果を出力部１６に出力する。Ｓ８では、出力部１６がシフト量計測部４０における測定結果を出力（表示等）する。
【０２１８】
以上説明したように、第２実施形態の分布型光ファイバセンサ１０ａによれば、ヘテロダイン検波の参照光（参照信号）の周波数を固定して広帯域で受信したあと高速でデジタルサンプリングし、信号処理によって帯域内のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ求めることで、計測時間を短縮することができる。詳しくは、従来は、ブリルアン散乱現象に係る光を検波するときに用いられる参照光の周波数を走査しながら周波数毎にブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を求めていたが、参照光の周波数を固定して広帯域で受信したあとフィルタの中心周波数を走査する、即ち、ＡＤ変換部３４ａで高速でデジタルサンプリングを行ったあと、２乗検波部３５１ａにおいて信号処理により帯域幅内のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ求めることで、計測時間を短縮することが可能となる。
【０２１９】
尚、本発明の分布型光ファイバセンサは、上記第１実施形態及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０２２０】
上記第１実施形態及び第２実施形態では、検査パルス光ｆとして空間分解能に基づくパルス幅の短パルス光ｆ１と周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の長パルス光ｆ２とを合成した複合パルス光ｆが用いられているがこれに限定されない。例えば、符号系列を用いて変調をかけたパルス幅の大きなパルス光ｆ１Ａと、前記の周波数分解能の逆数に基づくパルス幅の長パルス光ｆ２と、を合成して検査パルス光ｆを生成してもよい。かかる検査パルス光ｆを用いることにより、高いＳＮ比を達成することができる。
【０２２１】
具体的には、以下の通りである。
【０２２２】
上記第１実施形態及び第２実施形態での短パルス光ｆ１の代わりにパルス幅の大きなパルス光に符号系列を用いて変調をかけたものを用い、受信時に復調或いは変換を行うことにより、実質的にパルス幅の小さなパルス光で強い信号強度を持つものと同等の効果が得られるようにする。この符号を用いて変調をかける方法には、相関を用いるパルス圧縮の方法（パルス圧縮法）や相関を用いないでアダマール（Ｈａｄａｍａｒｄ）行列を基礎とする方法（行列反転の方法）等があり、いずれの方法においても高いＳＮ比が得られる。
【０２２３】
詳しくは、パルス圧縮法では、第１パルス光ｆ１Ａと第２パルス光ｆ２とにより、検査パルス光ｆが生成される。第２パルス光ｆ２は、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様に、周波数分解の逆数に基づくパルス幅を有する長パルス光である。
【０２２４】
第１パルス光ｆ１Ａは、パルス幅Ｄ１の十分大きなパルス光であり、パルス内部がＭ個のセルに分割されている。各セルの幅ｄは等しく、ｄ＝Ｄ１／Ｍであり、このｄが第１実施形態及び第２実施形態の短パルス光ｆ１のパルス幅同様、分布型光ファイバセンサの空間分解能に基づく幅である。各セルは、
【０２２５】
【数６５】
0005493089.tif 000066
【０２２６】
で表される。そして、擬似乱数系列を±１という値を取る数列ｒｍ，ｍ＝１，２，…，Ｍとすると、第１パルス光ｆ１Ａの形状関数は、
【０２２７】
【数６６】
0005493089.tif 000067
【０２２８】
で表される。
【０２２９】
このとき、擬似乱数は、その自己相関関数が
【０２３０】
【数６７】
0005493089.tif 000068
【０２３１】
を満たすことが理想である。ここでδｋ，０は、クロネッカーのデルタを表す。単一の系列でこの性質を持つものは見つかっていないが、Ｇｏｌａｙ符号系列のように２つの系列の自己相関関数の和でならば実現できる。
【０２３２】
他の構成は、上記第１実施形態及び第２実施形態と同じにする。
【０２３３】
図９は、パルス圧縮を行う場合の検査パルス光ｆの要素（第１パルス光ｆ１Ａ及び第２パルス光ｆ２）の形状関数と、低域フィルタｈの要素（第１パルス光に対応する要素及び第２パルス光に対応する要素）のインパルス応答の例を示す。図９において、（Ａ）は、第１パルス光ｆ１Ａの形状関数を示し、（Ｂ）は、第２パルス光の形状関数を示し、（Ｃ）は、第１パルス光に対応する低域フィルタの要素のインパルスレスポンスを示し、（Ｄ）は、第２パルス光に対応する低域フィルタの要素のインパルスレスポンスを示す。また、図９（Ａ）及び図９（Ｃ）において、＋及び−は、それぞれ＋１及び−１を表す。
【０２３４】
パルス圧縮を行う場合にも合成的方法（第１実施形態及び第２実施形態と同様に複数の検査パルス光ｆに対応する各ブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を求める方法）で得られる点広がり関数は、
【０２３５】
【数６８】
0005493089.tif 000069
【０２３６】
と表される。この式（６８）うち、Ｆ２２（ｔ，ν）は、第２パルス光ｆ２のパルス幅を広くとることにより、周波数方向への広がりが小さくなる。このため、Ｆ２２（ｔ，ν）は、周波数方向へは定数を除くことによりδ（ν）で近似できる。ここでδ（ν）はＤｉｒａｃのδ関数である。従って、Ｆ１１はν＝０の近傍の特性が重要になるが、擬似乱数の性質の式（６７）により、
【０２３７】
【数６９】
0005493089.tif 000070
【０２３８】
となる。この両辺をｔで積分すれば、
【０２３９】
【数７０】
0005493089.tif 000071
【０２４０】
となるから、Ｄ１を固定してｄ→０とすると、
【０２４１】
【数７１】
0005493089.tif 000072
【０２４２】
となることに注意する。
【０２４３】
以上のことから、Ψｓ（ｔ，ν）は、時間、周波数の２次元空間でのδ関数のような振る舞いをする。このとき、δ関数の係数は、Ｍに比例するため、パルス圧縮を行わない場合（Ｍ＝１に相当する場合）に比べて観測されるブリルアンスペクトルの強度は、Ｍ倍になる。これを信号の振幅とみなせば、信号の強度はＭ２に増大することとなる。一方、信号の時間がＭ倍になることからノイズの強度（分散）がＭ倍になる。その結果、ＳＮ比は、Ｍ２／Ｍ＝Ｍ倍に増大することなる。
【０２４４】
ここで、パルス圧縮法における擬似乱数の具体的な構成について、より詳細に説明する。先ず、上記のＧｏｌａｙ符号を用いる方法について説明する。
【０２４５】
長さＭの符号列のペアＡｍ，Ｂｍ，ｋ＝０，１，…，Ｍ−１のそれぞれの自己相関の和が０以外のシフトに対してすべて０となるとき、即ち
【０２４６】
【数７２】
0005493089.tif 000073
【０２４７】
が成立するとき、相補系列と呼ばれる。Ｇｏｌａｙ符号系列は、±１という値をとるバイナリーな相補系列である。
【０２４８】
Ｇｏｌａｙ符号を用いて変調をかけるために、第１パルス光は、以下の式（７３）及び式（７４）の２種類の系列（Ａ系列とＢ系列）を用意する。
【０２４９】
【数７３】
0005493089.tif 000074
【０２５０】
【数７４】
0005493089.tif 000075
【０２５１】
また、これに対応する低域フィルタのインパルス応答を
【０２５２】
【数７５】
0005493089.tif 000076
【０２５３】
【数７６】
0005493089.tif 000077
【０２５４】
とする。
【０２５５】
Ｇｏｌａｙ符号のＡ系列とＢ系列とのそれぞれに合成的方法を適用し、その後でスペクトルの和をとる。このときの点広がり関数は、
【０２５６】
【数７７】
0005493089.tif 000078
【０２５７】
であり、Ｆ１１Ａ（ｔ，ν）＋Ｆ１１Ｂ（ｔ，ν）のν＝０での値は、Ｇｏｌａｙ符号の性質により、
【０２５８】
【数７８】
0005493089.tif 000079
【０２５９】
となる。従って、理想的な擬似乱数を使った場合と同一の結果が得られる。
【０２６０】
次に、単極型のＧｏｌａｙ符号を用いる方法について説明する。
【０２６１】
±１という２つの値を取る符号は双極型と呼ばれ、０，１という２つの値をとる符号は単極型と呼ばれる。双極型の符号は、０，πの２相位相変調で実現することになるが、単極型の符号は、振幅変調または光の強度変調という形で実現することができる。Ｇｏｌａｙ符号系列は、双極型であるが、単極型に変形することができる。
【０２６２】
｛Ａｍ｝，｛Ｂｍ｝をＧｏｌａｙ符号系列として、次の４種類の符号系列を用意する。
【０２６３】
【数７９】
0005493089.tif 000080
【０２６４】
【数８０】
0005493089.tif 000081
【０２６５】
【数８１】
0005493089.tif 000082
【０２６６】
【数８２】
0005493089.tif 000083
【０２６７】
このとき、Ａｍ＋−Ａｍ−＝Ａｍ，Ｂｍ＋−Ｂｍ−＝Ｂｍであるから、
【０２６８】
【数８３】
0005493089.tif 000084
【０２６９】
が成立する。従って、Ａｍ＋，Ａｍ−，Ｂｍ＋，Ｂｍ−の４つの系列を用いて計測を行い、それぞれ、Ａｍ，−Ａｍ，Ｂｍ，−Ｂｍとの相関をとって重ね合わせればＧｏｌａｙ符号と同一のδ関数が得られる。
【０２７０】
次に、パルス圧縮法と同様に、高いＳＮ比が得られる行列反転の方法における行列の具体的な構成について詳細に説明する。先ず、アダマール行列を用いる方法について説明する。
【０２７１】
アダマール（Ｈａｄａｍａｒｄ）行列とは、要素が±１のバイナリーな値を取り、且つ各行が互いに直交するような正方行列である。即ち、Ｍ次のアダマール行列は、
【０２７２】
【数８４】
0005493089.tif 000085
【０２７３】
を満たす。ここで、ＩＭは、Ｍ次の単位行列である。これにより、逆行列は、
【０２７４】
【数８５】
0005493089.tif 000086
【０２７５】
で与えられる。例えば、
【０２７６】
【数８６】
0005493089.tif 000087
【０２７７】
は、アダマール行列になる。
【０２７８】
このアダマール行列を利用して、第１パルス光に次のようなＭ種類の系列を用意する。
【０２７９】
【数８７】
0005493089.tif 000088
【０２８０】
即ち、ｍ番目の第１パルス光は、アダマール行列の第ｍ行に相当する。第１パルス光に対応する低域フィルタは、
【０２８１】
【数８８】
0005493089.tif 000089
【０２８２】
とする。これは、各ｍについて共通である。
【０２８３】
各ｍについて、合成的方法によるＢＯＴＤＲの計測を行ったときに得られるブリルアンスペクトルをＶＳ，ｍ（ｔ，ν），ｍ＝１，２，…，Ｍとおき、ＨＴを掛けて以下の式（８９）に示すようなＭ個のブリルアンスペクトルを求める。
【０２８４】
【数８９】
0005493089.tif 000090
【０２８５】
さらに、これらを時間をずらしながら足し合わせて
【０２８６】
【数９０】
0005493089.tif 000091
【０２８７】
とする。このようにして得られたブリルアンスペクトルは、パルス圧縮を行う場合と同様にＳＮ比がＭ２倍に増大する。尚、Ｍ２は、行列の要素の数に等しく、Ｍ個のセルを用いるパルス圧縮でＳＮ比がＭ倍に増大したのと同様の効果になる。
【０２８８】
上記の行列を用いる方法でのＳＮ比の増大効果を確かめるには、パルス圧縮の場合と同様に点広がり関数の要素のＦ１１（ｔ，０）の挙動を調べればよい。先ず、各第１パルス光に対するものは、
【０２８９】
【数９１】
0005493089.tif 000092
【０２９０】
となる。
【０２９１】
これに、ＨＴを作用させると、
【０２９２】
【数９２】
0005493089.tif 000093
【０２９３】
となる。従って、時間をずらして重ね合わせたものは、
【０２９４】
【数９３】
0005493089.tif 000094
【０２９５】
となり、パルス圧縮の場合と同一の形になる。
【０２９６】
尚、上記のアダマール行列を用いる方法は、他の類似の行列にも拡張でき、同等の効果が得られる。例えば、アダマール行列の第１行と第１列とを除いた行列や、それを単極型に変換したＳ行列を用いる方法等がある。特に、単極型に変換したＳ行列を用いる方法は、シンプレックス法と呼ばれ、ＳＮ比の増大のための方法としてよく知られている。
【０２９７】
上記第１実施形態の分布型光ファイバセンサ１０は、検出用光ファイバ１２からの検出光を光ヘテロダイン検波し、その出力をＡＤ変換して２乗検波する１段へテロダイン受信によってブリルアンスペクトルを計測しているが、これに限定されず、第２実施形態の分布型光ファイバセンサ１０ａと同様に、検出光を光へテロダイン検波した後、さらにヘテロダイン検波し、その出力をＡＤ変換して２乗検波する２段へテロダイン受信によりブリルアンスペクトルを計測してもよい。
【０２９８】
例えば具体的に、図１０に示されるように、スペクトル検出部３０ｂの検波部３１ｂが、光ヘテロダイン検波部３３と、局部発振器３７と、ヘテロダイン検波部（図１０においてはミキサ回路）３８と、ＡＤ変換部３４と、信号処理部３５とを有する。また、スペクトル検出部３０ｂは、第２実施形態と異なり、参照信号の周波数を走査して各周波数でのブリルアンスペクトルの検出を行うために局部発振器３７とヘテロダイン検波部３８との間に周波数シフト部３９を有する。この周波数シフト部３９は、局部発振器３７からの出力される参照信号（基準信号）の周波数を変調するための回路である。本実施形態の周波数シフト部３９には、位相同期回路（ＰＬＬ）が用いられる（図１１参照）。この周波数シフト部（位相同期回路）３９は、位相比較器３９１と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３９２と、増幅器３９３と電圧制御発振器３９４を有する。位相比較器３９１は、入力された２つの信号（本実施形態では、局部発振器３７からの信号、及び電圧制御発振器３９４の出力信号）の位相差を電圧に変換して出力する回路である。ローパスフィルタ３９２は、帰還ループのフィルタであり、フィードバックを含む回路では短周期の信号変動が増幅されることで無用な発振が起きることがあるためこれを避けるために不要な短周期の変動を遮断する。電圧制御発振器３９４は、入力された電圧によって出力周波数を制御する回路である。本実施形態の電圧制御発振器３９４は、ローパスフィルタ３９２を通過した信号及び制御処理部５０からの指示に基づく周波数シフト電圧を増幅器３９３が増幅したものを入力されることにより、前記周波数シフト電圧に応じた周波数の信号をヘテロダイン検波部３８での参照信号として発振する。
【０２９９】
この分布型光ファイバセンサ１０ｂでは、光ヘテロダイン検波部３３が、第１光源２１から分岐されたコヒーレント光を参照光として検出用光ファイバ１２からの検出光を光へテロダイン検波し、周波数が９〜１１ＧＨｚ程度のマイクロ波信号に変換する。そして、ヘテロダイン検波部３８は、光ヘテロダイン検波部３３からのマイクロ波信号をヘテロダイン検波し、周波数が−１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ程度のベースバンド信号に変換する。このヘテロダイン検波部３８においてヘテロダイン検波の参照信号として用いられるのは、局部発振器３７で生成され、周波数シフト部３９でνｋだけ周波数がシフトされた正弦波信号である。ヘテロダイン検波部３８から出力されたＩ，Ｑの２チャンネルの信号は、ＡＤ変換部３４でサンプリングされ、デジタル信号として信号処理部３５（詳しくは２乗検波部３５１）に入力される。尚、ヘテロダイン検波部３８からの出力は、Ｉ，Ｑの２チャンネルの代わりに、ベースバンド信号の帯域を０ＧＨｚ〜２ＧＨｚとした１チャンネルの信号であってもよい。この場合、ＡＤ変換部３４におけるサンプリングレートが２倍となる。
【０３００】
信号処理部３５の２乗検波部３５１は、ＡＤ変換部３４からの信号に低域フィルタｈをかけて２乗検波を行う。このとき、低域フィルタｈのインパルス応答は、第１実施形態同様に、式（３４）という形とし、この式（３４）の右辺の各要素を検査パルス光ｆの要素と式（３５）という関係にすると、低域フィルタｈの処理は、式（３８）で表される。このときの２乗検波部３５１からの出力は、式（３９）と表される。合成部３５２は、式（４０）により、２乗検波部３５１から入力された各ｊに対応するブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を求め、この合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）をシフト量計測部４０に出力する。
【０３０１】
分布型光ファイバセンサは、光ファイバ中で生じた偏光面の変動によるブリルアンスペクトルの値の偏りを抑えるために、検出光を２つの成分に分けて検波し、その２乗和を取ることにより、偏光の影響を抑えるように構成されてもよい。
【０３０２】
詳しくは、光ファイバ中を光が進むことでこの光の偏光状態が変化し（即ち、偏光面の変動が生じ）、光ファイバが長くなるとその制御や予測が困難となるため、従来のＢＯＴＤＲでは、偏波スクランブラーと多数のパルスを用いてランダマイズしていた。しかし、この方法では、非常に多くのパルスを用いる必要があるため長い計測時間が必要であったり、ランダム化が十分でなければ、計測したブリルアンスペクトルの値が偏りを持ち十分な精度が確保できない場合があった。
【０３０３】
ＢＯＴＤＲでは、偏光ベクトルの絶対値は保存されるため、ベクトルの２つの成分（Ｓ波及びＰ波）を個別に計測してその２乗和をとるようにすれば偏光状態の変化の影響が排除され精度よく計測することができる。
【０３０４】
例えば具体的に、図１２に示されるように、検波部３１ｃに、検出光をＳ波とＰ波とに分離する偏波分離器（ＰＳＢ）３１１と、参照光を２つに分離する光カプラ３１２とが設けられると共に、分離されたＳ波からブリルアンスペクトルを検出するための第１の光ヘテロダイン検波部３３ａ、第１のヘテロダイン検波部３８ａ、及び第１のＡＤ変換部３４ａと、分離されたＰ波からブリルアンスペクトルを検出するための第２の光ヘテロダイン検波部３３ｂ、第２のヘテロダイン検波部３８ｂ、及び第２のＡＤ変換部３４ｂと、が設けられる。この検波部３１ｃでは、Ｓ波とＰ波とがそれぞれ光へテロダイン検波、ヘテロダイン検波を経てＡＤ変換部３４ａ，３４ｂでそれぞれＩ，Ｑの２チャンネルに分けてデジタルサンプリングされ、信号処理部３５に入力される。２乗検波部３５１ｃは、偏光のそれぞれの成分（Ｓ波及びＰ波）に対して、Ｋ個の周波数νｋ、ｋ＝１，２，…，Ｋについて、νｋを中心周波数とする帯域フィルタをかけて２乗検波を行う。そして、２乗検波部３５１ｃは、各偏光成分についての２乗検波した出力の和をとり、その和をブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）として出力する。
【０３０５】
検査パルス光を構成する短パルス光ｆ１（又は内部がＭ個のセルに分割されているパルス光ｆ１Ａ）と長パルス光ｆ２との位相差θが互いに異なる複数の検査パルス光ｆを生成する方法は限定されない。上記第１実施形態及び第２実施形態では、共通の光パルス発生回路２２において前記複数の検査パルス光ｆが生成されているが、これに限定されず、例えば、図１３に示されるように、複数の光パルス発生回路２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，…が設けられ、光パルス発生回路２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，…毎に短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θが異なる検査パルス光ｆが生成されるようにしてもよい。この場合、図１４に示されるように、各光パルス発生回路２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，…に対応する検波部３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，…がそれぞれ設けられ、各検波部３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，…により検波されたブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）が共通の合成部３５２において合成される。
【０３０６】
具体的には、波長分割多重（ＷＤＭ）が用いられる。詳しくは、複数（図１３においては４つ）の検査パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…と、第１の光合分波器（合流部）６０と、光サーキュレータ１４と、検出用光ファイバ１２と、第２の光合分波器（分離部）６１と、各検査パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…に対応する（即ち、各検査パルス光ｆにおける短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θに対応する）複数の検波部３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，３１ｇ，…と、合成部３５２と、シフト量計測部４０と、出力部１６と、を備える。
【０３０７】
各検査パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…は、第１光源２１と光パルス発生回路２２ｄ，２２ｅ，２２ｇ，２２ｆ，…とをそれぞれ備える。各光パルス回路２２ｄ，２２ｅ，２２ｇ，２２ｆ，…は、短パルス光生成部２４と、長パルス光生成部２５と、移相変調部材２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，…と、光合成器２７とをそれぞれ備える。
【０３０８】
各移相変調部材２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，…は、上記第１実施形態及び第２実施形態の移相器と異なり、短パルス光ｆ１に対する長パルス光ｆ２の位相シフト量が固定され、移相変調部材２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，…毎に前記位相シフト量がそれぞれ異なる。例えば、各移相変調部材２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，…として、目標とする短パルス光ｆ１と長パルス光ｆ２との位相差θに応じた厚さのガラス等がそれぞれ用いられる。
【０３０９】
第１の光合分波器６１は、例えば光信号多重回路等で構成され、各検査パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…から射出される検査パルス光ｆを重ねて（合成して）検出用光ファイバ１２に出力し、第２の光合分波器６１は、例えば光信号分離回路等で構成され、各検査パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…から射出される検査パルス光ｆに対応するように、検出用光ファイバ１２からの検出光を分離する。
【０３１０】
各検波部３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，３１ｇ，…は、第２光源３２と、光ヘテロダイン検波部３３と、ＡＤ変換部３４と、２乗検波部３５１とをそれぞれ備え、対応する検査パルス光ｆに基づく検出光からブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）をそれぞれ求める。
【０３１１】
合成部３５２は、各検波部３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，３１ｇ，…で求められたブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を合成して合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を生成する。図１４においては、合成部３５２として、位相合成フィルタが用いられている。
【０３１２】
この分布型光ファイバセンサによっても、複数のブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）が合成されることにより、高空間分解能で且つ高周波数分解能をもつ合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）を得ることができる。しかも、複数の検査パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…において前記位相差θの互いに異なる複数の検査パルス光ｆを同時に生成することができると共に、検出用光ファイバ１２からの検出光に基づき複数の検波部３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，３１ｇ，…において各検査パルス光ｆに対応するブリルアンスペクトルＶ（ｔ，ν）を同時に求めることができるため、計測時間を短縮することができる。
【０３１３】
また、検出パルス光射出部２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，…毎に生成される検査パルス光ｆの第１パルス光ｆ１（又はｆ１Ａ）と第２パルス光ｆ２との位相差θを固定することができ、これにより、同一の回路等で前記位相差θの異なる複数の検査パルス光ｆを全て生成する場合に比べて位相差θを形成する部位の構成を簡略化することができる。
【０３１４】
上記第１実施形態及び第２実施形態では、検出用光ファイバ１２の長尺方向のある点における振動は、その点におけるブリルアンスペクトルの周波数軸方向への振動という現象として現れることを利用すれば、検出用光ファイバ１２の長尺方向における各位置の振動を検出することが可能となる。
【０３１５】
例えば、具体的に、合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）をグラフ化したときの（図４（Ｂ）参照）肩の傾きの最も急峻な周波数を一つ特定し、この周波数でのスペクトル強度の振動を計測することにより、当該合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）が得られた位置の検出用光ファイバ１２の振動が計測される。この方法の感度は、スペクトルの傾きに比例するが、上記第１実施形態及び第２実施形態の分布型光ファイバセンサ１０，１０ａ等では、検出される合成スペクトルＶＳ（ｔ，ν）が高い空間分解能を有し線幅を小さく保つことができるため、高空間分解能で且つ高感度な分布振動センサを構成することができる。
【符号の説明】
【０３１６】
１０   分布型光ファイバセンサ
１２   検出用光ファイバ（光ファイバ）
１２ａ 第１端部（特定の端部）
２０   検査パルス光射出部
２２   光パルス発生回路
２４   短パルス光生成部
２５   長パルス光生成部
２６   移相器
２７   光合成器
３０   スペクトル検出部
３１   検波部
３６   スペクトル合成部
４０   シフト量計測部
ｆ     検査パルス光（検査光）
ｆ１   短パルス光（第１パルス光）
ｆ２   長パルス光（第２パルス光）
ｈ     低域（整合）フィルタ（フィルタ）
Ｖ     ブリルアンスペクトル
ＶＳ   合成スペクトル
θ     検査パルス光を構成する短パルス光と長パルス光との位相差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図４】
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【図１５】
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