(57)【要約】【課題】計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる分布型光ファイバセンサを提供する。【解決手段】分布型光ファイバセンサＦＳは、光ファイバ１５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、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアン散乱現象を利用して光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測し、レイリー散乱現象を利用して光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測し、計測されたブリルアン周波数シフト量とレイリー周波数シフト量とから、光ファイバ１５に生じた歪みと温度とを算出する。
2010061718.tif 000002
【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、
ブリルアン散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、
レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、
前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量とから、前記光ファイバに生じた歪みと温度とを算出する算出手段とを備えることを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記レイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で前記パルス光を掃引してレイリー後方散乱光を計測することによりレイリー周波数シフト量を計測することを特徴とする請求項１記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記レイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが温度によるシフト量であるとしたときの温度の変化量から算出した第１のレイリー周波数シフト量を第１の周波数とするとともに、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが歪みによるシフト量であるとしたときの歪みの変化量から算出した第２のレイリー周波数シフト量を第２の周波数とし、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を基に前記掃引範囲を決定することを特徴とする請求項２記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルと前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルとの相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することを特徴とする請求項１〜３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】
前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根と前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根との相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することを特徴とする請求項１〜３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６】
前記ブリルアン計測手段又は前記レイリー計測手段の一方の計測手段は、前記光ファイバ中を伝播する光の移動時間に基づいて定まる実測位置と、前記光ファイバの伸縮に伴って前記実測位置からずれる当該光ファイバ上の計測希望位置とに関する補正量を導出すると共に、この補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の一方を計測し、
他方の計測手段は、前記一方の計測手段により導出された補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の他方を計測することを特徴とする請求項１〜３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７】
前記ブリルアン計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光と、前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光とを用いて前記補正量を導出することを特徴とする請求項６に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項８】
前記ブリルアン計測手段は、前記参照状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた参照用計測値を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納されている前記参照用計測値と前記計測状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいて前記補正量を導出する補正量導出部とを備えることを特徴とする請求項７に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項９】
前記実測位置は、前記光ファイバの長尺方向に沿って間隔をおいて複数設定され、
前記記憶部には、前記参照状態の光ファイバの各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた複数の参照用計測値が格納され、
前記補正量導出部は、前記参照状態の光ファイバにおいて長尺方向の一部に参照領域を設定し、前記記憶部に格納されている前記参照領域内の実測位置の参照用計測値と、前記計測状態の光ファイバにおける各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られる計測値とに基づいて前記補正量を導出することを特徴とする請求項８に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項１０】
前記ブリルアン計測手段は、前記計測状態の光ファイバの各実測位置からの前記ブリルアン後方散乱光から得られた計測値に基づき、これら複数の計測値が前記光ファイバの長尺方向において連続するように前記長尺方向に互いに隣り合う実測位置の計測値間を補間する補間部と、
前記補正量導出部で導出された補正量に基づいて、前記参照領域内に含まれる複数の実測位置から各実測位置に対応する前記計測希望位置をそれぞれ導出し、この計測希望位置と前記補間部で補間された値とに基づいて各計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られる推定計測値を推定する推定部と、
前記推定部により推定された推定計測値と、前記推定計測値が推定された計測希望位置に対応する前記参照状態の光ファイバの実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいてブリルアン周波数シフト量を導出するシフト量導出部とをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項１１】
光の偏光面をランダムに変更する偏波制御手段をさらに備え、
前記ブリルアン計測手段及び前記レイリー計測手段は、前記偏波制御手段を誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用す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１２】
前記ブリルアン計測手段は、
スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
連続光を生成する連続光光源と、
前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・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ブリルアン計測部とを備え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１３】
前記ブリルアン計測手段は、
スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・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ブリルアン計測部とを備え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。
【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及び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、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、光が光ファイバへ入射され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として、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）及びＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）がある。【０００５】
まず、ＢＯＴＤＡでは、誘導ブリルアン散乱現象が利用され、互いに周波数の異なる２つのレーザ光がポンプ光及びプローブ光として検出用光ファイバへ対向して入射され、検出用光ファイバにおける、ポンプ光を入射した端部から射出される誘導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ＢＯＴＤＡでは、ポンプ光及びプローブ光の相互作用によって音響フォノンが励起されている。【０００６】
一方、ＢＯＴＤＲでは、１つのレーザ光がポンプ光として検出用光ファイバの一方端から入射され、前記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光バンドパスフィルタによって検出され、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ている。【０００７】
そして、これらＢＯＴＤＡ及びＢＯＴＤＲにおいて、このような測定がポンプ光の周波数又はＢＯＴＤＡではプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数毎に行われ、検出用光ファイバの長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトル（又はＢＯＴＤＡではブリルアン・ロス・スペクトル）がそれぞれ求められ、この測定結果に基づいて検出用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。上記のポンプ光には、通常、光強度が矩形状である光パルスが用いられ、ＢＯＴＤＡにおけるプローブ光には、連続光（ＣＷ光）が用いられる。【０００８】
ここで、ＢＯＴＤＡでは、プローブ光を基準として、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される一方、プローブ光の周波数をポンプ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ロス・スペクトルが検出される。また、ＢＯＴＤＲでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される。ＢＯＴＤＡでは、これらブリルアン・ゲイン・スペクトル及びブリルアン・ロス・スペクトルのいずれを用いても歪み及び／又は温度が求められる。本明細書では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルとブリルアン・ロス・スペクトルとを、ＢＯＴＤＡでは、適宜、単に「ブリルアンスペクトル」と呼称することとする。【０００９】
このＢＯＴＤＡ及びＢＯＴＤＲの空間分解能は、測定に用いられるポンプ光の光パルスのパルス幅で制限される。光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが、通常使用される一般的な光ファイバでは、音響フォノンの完全な立ち上がりに約２８ｎｓが必要である。このため、ブリルアンスペクトルは、光パルスのパルス幅が約２８ｎｓ以上までは、ローレンツ曲線（Lorentzain curve）であり、それよりも光パルス幅を短くすると、広帯域な曲線となって、中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、中心周波数を求めることが難しくなって、その空間分解能は、通常、約２〜３ｍとされている。【００１０】
そこで、本願発明者は、上記の光パルスを２つの成分から構成することによって、高精度（例えば２００με以下）及び高空間分解能（例えば１ｍ以下）で歪み及び／又は温度の分布を測定する手法を特許文献１で提案した。本願発明者は、本方式をＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ／ＢＯＴＤＲ（Pulse Pre-Pumped BOTDA/BOTDR）と呼んでいる。なお、１００μεは、０．０１％に相当する（１００με＝０．０１％）。また、ブリルアン周波数シフトは、歪みに対して、約５００ＭＨｚ／％である。【００１１】
しかしながら、ブリルアン散乱現象を利用して計測されるブリルアン周波数シフト量は、光ファイバの歪みと温度との２つのパラメータに依存して変化するため、ブリルアン散乱現象を利用して測定できるパラメータは、基本的に歪み又は温度の一方のみであり、歪みと温度とを分離して同時に計測することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第２００６／００１０７１号パンフレット
【発明の概要】
【００１３】
本発明の目的は、計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することである。
【００１４】
そして、この目的を達成するために、本発明に係る分布型光ファイバセンサは、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、ブリルアン散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量とから、前記光ファイバに生じた歪みと温度とを算出する算出手段とを備える。
【００１５】
この分布型光ファイバセンサにおいては、ブリルアン散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、２つの周波数シフト量を用いて光ファイバに生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、光ファイバが付設された計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。
【００１６】
そのため、本発明に係る分布型光ファイバセンサにおいては、被検査対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、図１に示す分布型光ファイバセンサによる歪み及び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５】図５は、図１に示す光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。
【図６】図６は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成及び整合フィルタを説明するための図である。
【図７】図７は、図１に示す光パルス生成部から射出されるパルス光の一例を示す図である。
【図８】図８は、図１に示す分布型光ファイバセンサにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。
【図９】図９は、実測位置と計測希望位置との関係を説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態における分布型光ファイバセンサによる歪み及び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１１】図１１は、補正量の導出方法を説明するための図である。
【図１２】図１２は、中間に異種ファイバが接続された検出用光ファイバの長尺方向における各位置でのブリルアンスペクトルのピーク周波数を示す図である。
【図１３】図１３は、参照レイリースペクトルと測定したレイリースペクトルとの関係を説明するための模式図である。
【図１４】図１４は、参照レイリースペクトル及び測定したレイリースペクトルを示す図である。
【図１５】図１５は、閾値と相互相関係数との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、参照レイリースペクトルに対する測定したレイリースペクトルのシフト量と相互相関係数との関係からレイリー周波数シフト量を求めるための走査範囲を決める方法を説明するための図である。
【図１７】図１７は、補正量による補正の効果を説明するための図である。
【図１８】図１８は、図１に示す分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図１９】図１９は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。
【図２０】図２０は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図である。
【図２１】図２１は、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。
【図２２】図２２は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の構成を説明するための図である。
【図２３】図２３は、図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。
【図２４】図２４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のさらに他の構成及び整合フィルタを説明するための図である。
【図２５】図２５は、図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。
【図２６】図２６は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。
【図２７】図２７は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。
【図２８】図２８は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。
【図２９】図２９は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第１実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、第１実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３、３０と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１自動温度制御部（以下、「第１ＡＴＣ」と略記する。）１０と、第１自動周波数制御部（以下、「第１ＡＦＣ」と略記する。）１１と、制御処理部１３と、歪み及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２自動温度制御部（以下、「第２ＡＴＣ」と略記する。）１８と、第２自動周波数制御部（以下、「第２ＡＦＣ」と略記する。）１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５、２９、３１とを備える。
【００２０】
第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８によって予め設定される所定温度で略一定に保持されるとともに、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９によって予め設定される所定周波数で略一定に保持されることにより、所定周波数の連続光を生成して射出する光源装置である。第１光源１の出力端子（射出端子）は、光カプラ２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。第２光源２０の出力端子（射出端子）は、光カプラ２１の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。
【００２１】
第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、例えば、発光素子と、発光素子の近傍に配置され、この発光素子の温度を検出する温度検出素子（例えば、サーミスタ等）と、発光素子の後方から射出されるバック光を受光して２つに分岐する光カプラ（例えばハーフミラー等）で分岐された一方の光を、周期的フィルタであるファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotetalon Filter）を介して受光する第１受光素子と、光カプラで分岐した他方の光を受光する第２受光素子と、温度調整素子と、これら発光素子、温度検出素子、光カプラ、第１及び第２受光素子、ファブリペローエタロンフィルタ及び温度調整素子が配設される基板とを備えて構成される。
【００２２】
発光素子は、線幅の狭い所定周波数の光を発光するとともに、素子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素子であり、例えば、多量子井戸構造ＤＦＢレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）である。したがって、第１光源１は、周波数可変光源としても機能する。
【００２３】
第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子は、検出した各検出温度を第１及び第２ＡＴＣ１０、１８へそれぞれ出力する。第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備え、各受光光強度に応じた各受光出力を第１及び第２ＡＦＣ１１、１９へそれぞれ出力する。温度調整素子は、発熱及び吸熱を行うことにより基板の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子を備えて構成される。
【００２４】
第１及び第２ＡＴＣ１０、１８は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子の各検出温度に基づいて各温度調整素子を制御することによって、各基板の温度を所定温度に自動的に略一定に保持する回路である。これによって第１及び第２光源１、２０における各発光素子の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。このため、発光素子が発光する光の周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。
【００２５】
第１及び第２ＡＦＣ１１、１９は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子の各受光出力に基づいて各発光素子を制御することによって、各発光素子が発光する光の周波数を所定周波数に自動的に略一定に保持したり、所定の周波数範囲で掃引したりする回路である。
【００２６】
第１及び第２光源１、２０における光カプラ、ファブリペローエタロンフィルタ、第１及び第２受光素子と、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９とは、第１及び第２光源１、２０における発光素子が発光する光の波長（周波数）を略固定する所謂波長ロッカーをそれぞれ構成している。
【００２７】
光カプラ２、５、２１、２３は、１個の入力端子から入射された入射光を２つの光に分配して２個の出力端子へそれぞれ射出する光部品である。光カプラ８は、２個の入力端子のうちの一方の入力端子から入射された入射光を１個の出力端子から射出するとともに、他方の入力端子から入射された入射光を上記の出力端子から射出する光部品である。光カプラ３０は、２個の入力端子から入射された２つの入射光を結合して２個の出力端子から射出する光部品である。光カプラ２、５、２１、２３、８、３０は、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。
【００２８】
光カプラ２の一方の出力端子は、光パルス生成部３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、１×２光スイッチ３１の入力端子に光学的に接続される。光カプラ５の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部６の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２１の一方の出力端子は、光スイッチ２２の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２８を介して基準用光ファイバ１７の他方端に光学的に接続される。光カプラ２３の一方の出力端子は、光強度調整部２４の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ８の一方の入力端子は、光サーキュレータ７の第２端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２５の他方の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に光学的に接続される。光カプラ３０の一方の入力端子は、１×２光スイッチ３１の他方の出力端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２９の一方の出力端子に光学的に接続され、２つの出力端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。
【００２９】
光パルス生成部３は、第１光源１が射出した連続光が入射され、この連続光から、ポンプ光として、メイン光パルスとサブ光パルスとを生成する装置である。メイン光パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。スペクトル拡散方式としては、例えば、周波数を変化させる周波数チャープ方式や、位相を変調する位相変調方式や、これら周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等を挙げることができる。
【００３０】
周波数チャープ方式としては、例えば、周波数を単調に、例えば直線的に変化させる方式等が挙げられる。そして、位相変調方式としては、例えば、ＰＮ系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。ＰＮ系列は、疑似乱数（pseudo-random number）系列であり、ＰＮ系列としては、例えば、Ｍ系列（maximal-length  sequences）やＧｏｌｄ系列等が挙げられる。Ｍ系列は、複数段のシフトレジスタとその複数段の各段における各状態の論理結合をシフトレジスタへフィードバックする論理回路とを備えて構成される回路によって生成することが可能である。また、Ｇｏｌｄ系列は、ｎ次の原始多項式Ｆ１（ｘ）及びＦ２（ｘ）で発生されたＭ系列の０を−１に、１を＋１に対応させた系列をそれぞれＭｉ、Ｍｊとすると、両者の積Ｍｉ・Ｍｊによって生成することが可能である。また、位相変調方式の疑似乱数系列としてＧｏｌａｙ符号系列を用いることもできる。このＧｏｌａｙ符号系列は、自己相関関数のサイドローブが厳密に０になるという優れた特性を有している。サブ光パルスは、変調されていない無変調の光パルスであり、その最大光強度がメイン光パルスの光強度以下であるとともに、パルス幅が音響フォノンの寿命よりも充分に長い。
【００３１】
そして、光パルス生成部３は、制御処理部１３の制御に従って、本実施の形態のブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）では、メイン光パルスがサブ光パルスよりも時間的に先に検出用光ファイバ１５に入射されないように、サブ光パルス及びメイン光パルスを生成する。このような光パルス生成部３によって生成されるポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスについては、後述する。
【００３２】
光スイッチ４、２２は、制御処理部１３の制御に従って、入力端子と出力端子との間で光をオン／オフする光部品である。オンでは、光が透過され、オフでは、光が遮断される。光スイッチ４、２２は、本実施の形態では、例えばＭＺ光変調器や半導体電界吸収型光変調器等の、入射光の光強度を変調する光強度変調器が用いられる。光スイッチ４、２２には、制御処理部１３によって制御され、この光強度変調器を駆動するドライバ回路が含まれる。このドライバ回路は、例えば、光強度変調器を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成する直流電源と、通常オフされている光強度変調器をオンするための電圧パルスを生成するパルス発生器と、この電圧パルスの生成タイミングを制御するタイミング発生器とを備えて構成される。光スイッチ４の出力端子は、光カプラ５の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ２２の出力端子は、光カプラ２３の入力端子に光学的に接続される。
【００３３】
光強度・偏光調整部６は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整するとともに、入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部６の出力端子は、光サーキュレータ７の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部６は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光可変減衰器と、入射光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。光強度・偏光調整部６は、誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用され、光の偏光面をランダムに変更する。
【００３４】
光サーキュレータ７、１２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。すなわち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されるとともに、第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出されるとともに、第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出されるとともに、第２端子からは射出されない。光サーキュレータ７の第１端子は、光強度・偏光調整部６の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光カプラ８の一方の入力端子に光学的に接続され、第３端子は、１×２光スイッチ２９の入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１２の第１端子は、１×２光スイッチ３１の一方の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ２７を介して基準用光ファイバ１７の一方端に光学的に接続され、第３端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。
【００３５】
光コネクタ９、２６、２７、２８は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。
【００３６】
光強度調整部２４は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部２４の出力端子は、光スイッチ２５の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２４は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出する光可変減衰器と、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光アイソレータとを備えて構成される。光強度調整部２４に入射した入射光は、光可変減衰器で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータを介して射出される。この光アイソレータは、分布型光ファイバセンサＦＳ内における各光部品の接続部等で生じる反射光の伝播やサブ光パルス及びメイン光パルスの第２光源２０への伝播を防止する役割を果たす。
【００３７】
１×２光スイッチ２５、２９、３１は、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を２個の出力端子のうちの何れか一方から射出する１入力２出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチ等が利用される。
【００３８】
１×２光スイッチ２５の一方の出力端子は、光カプラ８の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様（両端測定）で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように、１×２光スイッチ２５が切り換えられ、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様（片端測定）で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように、１×２光スイッチ２５が切り換えられる。
【００３９】
１×２光スイッチ２９の一方の出力端子は、光カプラ３０の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計１４に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様、又はブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が歪み及び温度検出計１４へ入射されるように、１×２光スイッチ２９が切り換えられ、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）として動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ３０の他方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ２９が切り換えられる。
【００４０】
１×２光スイッチ３１の一方の出力端子は、光サーキュレータ１２の第１端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光カプラ３０の一方の入力端子に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様、又はブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光サーキュレータ１２へ入射されるように、１×２光スイッチ３１が切り換えられ、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）として動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ３０の一方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ３１が切り換えられる。
【００４１】
検出用光ファイバ１５は、歪み及び温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、ＢＯＴＤＡでは、サブ光パルス及びメイン光パルスと連続光とが入射され、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出され、また、レイリー散乱現象を利用する場合、パルス光が入射され、レイリー散乱現象の作用を受けた光が射出される。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及び温度を測定する場合には、検出用光ファイバ１５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。
【００４２】
基準用光ファイバ１７は、第１及び第２光源１、２０がそれぞれ射出する各光の周波数を調整するために使用される光ファイバであって、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め既知の光ファイバである。また、基準用光ファイバ１７をレイリー後方散乱光の計測に用いられる光の調整に用いてもよい。
【００４３】
温度検出部１６は、基準用光ファイバ１７の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部１３へ出力する。
【００４４】
歪み及び温度検出計１４は、受光素子、光スイッチ、増幅回路、アナログ／ディジタル変換器、信号処理回路、スペクトルアナライザ及びコンピュータ等を備えて構成される。歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御する。歪み及び温度検出計１４は、光コネクタ２７及び光サーキュレータ１２を介して入力端子に入射された、基準用光ファイバ１７から射出した誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を求め、この求めた光強度を制御処理部１３へ出力する。
【００４５】
また、歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御し、１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と歪み及び温度検出計１４とを接続し、誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、歪み及び温度検出計１４内の誘導ブリルアン散乱光用の１入力端子を有する受光素子に入射される。歪み及び温度検出計１４は、内部のスイッチにより誘導ブリルアン散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。
【００４６】
また、歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御し、１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と光カプラ３０とを接続し、レイリー後方散乱現象に係る光が、光カプラ３０を介して歪み及び温度検出計１４内のレイリー後方散乱光用の２入力端子を有する受光素子に入射される。歪み及び温度検出計１４は、内部のスイッチによりレイリー後方散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光したレイリー後方散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のレイリースペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のレイリースペクトルに基づいて各領域部分のレイリー周波数シフト量をそれぞれ求める。
【００４７】
さらに、歪み及び温度検出計１４は、上記のようにして求めたブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量から、検出用光ファイバ１５の歪み分布及び温度分布を同時に且つ独立して検出する。
【００４８】
歪み及び温度検出計１４の各入力端子から入射された各入射光は、それぞれ、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換される。誘導ブリルアン散乱現象に係る光として入射された入射光は、受光素子で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。レイリー後方散乱現象に係る光として入射された入射光は、受光回路で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、レイリースペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。
【００４９】
制御処理部１３は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、検出用光ファイバ１５の歪み及び温度の分布を高空間分解能で測定するために必要な各データを記憶するメモリ等を備える。制御処理部１３は、歪み及び温度検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の歪み及び温度の分布を高空間分解能で且つより遠距離まで測定するように、第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光パルス生成部３、光スイッチ４、２２、光強度・偏光調整部６、１×２光スイッチ２５、２９、３１、及び光強度調整部２４を制御する電子回路である。
【００５０】
制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め記憶される記憶部と、歪み及び温度検出計１４が求めた誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度と基準用光ファイバ１７における既知の前記関係とに基づいて第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する周波数設定部とを機能的に備えている。また、制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、レイリー後方散乱現象を起こす光を射出するように第１ＡＦＣ１１を制御する周波数設定部を機能的に備えている。
【００５１】
なお、これら第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光強度・偏光調整部６、光強度調整部２４及び光強度変調器は、上記特許文献１を参考にすることができる。
【００５２】
ここで、検出用光ファイバに入射する光にスペクトル拡散方式を用いた場合におけるブリルアン周波数シフトについて以下に説明する。
【００５３】
スペクトル拡散方式、あるいはパルス圧縮方式は、いわゆるレーダ分野において、その計測可能距離を伸ばすために利用されている。これは、目標物を探知するために空間に放射されるパルス内部で周波数変調や位相変調等を用いることによってパルスのスペクトルを拡散し、目標物で反射された反射波にパルス圧縮と呼ばれる復調を施すことによって、目標物までの距離を探知するものである。これによって、パルスのエネルギーを大きくすることができ、計測可能距離を伸ばすことができる。スペクトル拡散は、一般に、信号を送信するために本来必要とされる帯域幅よりも意図的にその帯域幅を広くすることである。
【００５４】
このスペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用する場合、ブリルアン周波数シフトが非線形なプロセスを経て生じるため、光パルスのスペクトルを広げる（拡散する）と、これによって、第１に、励起される音響フォノンのスペクトルが広がるとともに、第２に、周波数毎の反射波の時系列信号におけるスペクトルも広がるという、スペクトルに二重の広がりが生じてしまう。このため、単純に、スペクトル拡散符号をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができない。そこで、本願発明者は、以下に解析するように、光パルスをメイン光パルスとサブ光パルスとから構成し、メイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いることによって、スペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができることを見出した。
【００５５】
以下に、ＢＯＴＤＡの場合について説明するが、同様に、ＢＯＴＤＲについても解析を行うことができる。
【００５６】
ＢＯＴＤＡでは、検出用光ファイバの一方端（ｚ＝０）からポンプ光が入射されるとともに、ポンプ光の周波数と異なる周波数のプローブ光が他方端から入射され、励起された音響フォノンの後方散乱がｚ＝０の端点で観測される。ブリルアン・ゲイン・スペクトル（ＢＧＳ）は、プローブ光のパワーの増分である。
【００５７】
まず、このポンプ光Ａｐ（０，ｔ）は、複素包絡線が式（１）によって表される形状を持った光パルスとする。
【００５８】
2010061718.tif 000003
ここで、Ｐｐは、ポンプ光のパワーであり、ｆ（ｔ）は、時刻ｔにおけるポンプ光の振幅を表す関数であって、その絶対値の最大が１となるように規格化されている。
【００５９】
また、式（２）によって関数を定義すると、そのフーリエ変換は、式（３）によって表される。この場合において、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、２次元のコンボルーション（畳み込み、convolution）であり、式（４）によって表される。式（４）の右辺第１項が時変ローレンツスペクトルである。
【００６０】
2010061718.tif 000004
【００６１】
2010061718.tif 000005
【００６２】
2010061718.tif 000006
ここで、上付きの＊は、複素共役であることを表し、ｉは、複素単位である（ｉ２＝−１）。また、γは、利得係数であり、νＢ（ｚ）は、位置ｚにおけるブリルアン周波数シフトである。そして、Ｇ（ν）は、ローレンツスペクトルであり、ｖｇは、ポンプ光の群速度である。演算子＊は、コンボルーションを表し、その上付き文字ｔ，νは、これらの変数に関しての２次元のコンボルーションであることを表している。なお、乗算の演算子・は、記載が省略されている。
【００６３】
ここで、理想的には、式（４）の右辺第１項の時変ローレンツスペクトル自体が観測されることであるが、実際には、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ブリルアン・ゲイン・スペクトルが観測される。このため、点広がり関数ψ（ｔ、ν）が２次元デルタ関数もしくはそれに近いことが必要となる。したがって、ψ（ｔ、ν）≒δ（ｔ）δ（ν）となることが好ましい。
【００６４】
ここで、ポンプ光をメイン光パルスｆ１（ｔ）とサブ光パルスｆ２（ｔ）とから構成する。すなわち、ポンプ光の振幅ｆ（ｔ）は、式（５）となる。
【００６５】
2010061718.tif 000007
【００６６】
このサブ光パルスは、メイン光パルスのために、音響フォノンを励起するように機能するものである。サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂは、少なくとも音響フォノンの寿命に較べて充分に長くする。音響フォノンの寿命は、通常、５ｎｓ程度である。
【００６７】
このメイン光パルスは、音響フォノンで散乱されたエネルギーをプローブ光に渡すように機能するものである。このメイン光パルスは、時間方向に所定の時間幅で複数のセルに分割され、スペクトル拡散方式が用いられて広帯域化される。広帯域とは、音響フォノンのスペクトル線幅（約３０〜４０ＭＨｚ）に較べてである。このセルの時間幅がＢＯＴＤＡの空間分解能を決め、この逆数がスペクトルの幅になる。例えば、セル幅（セル時間幅）が０．１ｎｓである場合には、空間分解能は、１ｃｍとなり、スペクトル幅は、１０ＧＨｚとなる。そして、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、計測可能距離を伸ばすためにポンプ光に与えるエネルギー量を決める。ここで、ＢＯＴＤＡの空間分解能は、上述したように、メイン光パルスのセル幅で決まるため、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、ＢＯＴＤＡの空間分解能とは独立に設定することができる。したがって、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、所望の計測可能距離に応じて適宜に決定可能である。このため、計測可能距離を従来より伸ばすことが可能となる。
【００６８】
このようにポンプ光を２成分で構成した場合に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、３つの成分から構成され、式（６）及び式（７）（式（７−１）〜式（７−３））によって表される。
【００６９】
2010061718.tif 000008
【００７０】
2010061718.tif 000009
【００７１】
そして、その点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式（８）によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式（９）及び式（１０）によって表される。
【００７２】
2010061718.tif 000010
【００７３】
2010061718.tif 000011
【００７４】
2010061718.tif 000012
ここで、スペクトル拡散方式では、その復調に、そのスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタ（マッチドフィルタ）が用いられ、整合フィルタのインパルス応答ｈ（ｔ）がｆ１（Ｄ−ｔ）とされる（ｈ（ｔ）＝ｆ１（Ｄ−ｔ））。整合フィルタは、例えば、スペクトル拡散に用いた信号（スペクトル拡散に符号系列を用いる場合ではその符号）を時間的に反転して、整合フィルタの入力とのコンボルーションを取るものである。
【００７５】
メイン光パルスは、スペクトル拡散方式を用い、サブ光パルスは、無変調で、そのパルス幅が充分に長いとすることから、点広がり関数ψ（ｔ、ν）の成分ψ１，２（ｔ、ν）は、式（１１）のように近似可能であり、前記好ましい型になる。
【００７６】
2010061718.tif 000013
ここで、Ｃｐは、メイン光パルスとサブ光パルスとの振幅比である。
【００７７】
したがって、これに対応するブリルアン・ゲイン・スペクトルは、式（１２）によって表される。
【００７８】
2010061718.tif 000014
【００７９】
なお、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における他の成分Ｖ１，１（ｔ、ν）及びＶ２，１（ｔ、ν）は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されている場合には、フラットなスペクトルとなる。また、他の成分Ｖ２，２（ｔ、ν）は、復調の際における整合フィルタによって抑圧される。
【００８０】
また、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ１，１（ｔ、ν）及びＶ２，２（ｔ、ν）は、ポンプ光をメイン光パルスのみで構成、あるいはサブ光パルスのみで構成し、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを計測することによって抽出可能である。
【００８１】
以上の解析から、本分布型光ファイバセンサでは、検出用光ファイバに入射する光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと無変調のサブ光パルスとの２成分で構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
【００８２】
図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能し、１×２光スイッチ２５、２９、３１を切り換えることによって第１態様（両端測定）として動作する。図２は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。
【００８３】
図２に示すように、両端測定時において、分布型光ファイバセンサＦＳは、光パルス光源ＬＳｐによって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスをポンプ光として、歪み及び温度を検出するための検出用光ファイバ１５の一方端から入射するとともに、連続光光源ＬＳＣＷによって生成された連続光を、プローブ光として検出用光ファイバ１５の他方端から入射する。
【００８４】
分布型光ファイバセンサＦＳは、歪み及び温度検出計１４によって検出用光ファイバ１５で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（ＢＧain−ＯＴＤＡ）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（ＢＬoss−ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフト量を計測する。
【００８５】
光パルス光源ＬＳｐでは、レーザ光源ＬＤから射出されたレーザ光が光信号生成器ＯＳＧにおいて疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数で位相変調されることによって、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスが生成される。疑似乱数発生器ＲＧで生成した疑似乱数は、復調のために、歪み及び温度検出計１４へ通知される。そして、歪み及び温度検出計１４では、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数に応じた整合フィルタＭＦでフィルタリングされ、信号処理部ＳＰでＢＯＴＤＡの信号処理が施されることによって、ブリルアン周波数シフト量が計測される。
【００８６】
なお、以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析は、ブリルアンスペクトラム時間領域分析と適宜略記される。このブリルアンスペクトラム時間領域分析では、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン増幅又は減衰を受けた光である。
【００８７】
また、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能し、光スイッチ２５、２９、３１を切り換えることによって第２態様（片端測定）として動作する。図３は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。
【００８８】
図３に示すように、片端測定時において、分布型光ファイバセンサＦＳは、光パルス光源ＬＳｐによって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスをポンプ光として、そして、連続光光源ＬＳＣＷによって生成された連続光をプローブ光として、検出用光ファイバ１５の一方端から入射する。なお、メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。
【００８９】
分布型光ファイバセンサＦＳは、歪み及び温度検出計１４によって検出用光ファイバ１５で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（ＢＧain−ＯＴＤＡ）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（ＢＬoss−ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフト量を計測する。
【００９０】
次に、分布型光ファイバセンサＦＳの動作について説明する。まず、測定開始に当たって、第１及び第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が基準用光ファイバ１７を用いてそれぞれ調整（キャリブレーション）される。
【００９１】
より具体的には、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１と、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９とをそれぞれ制御することによって第１及び第２光源１、２０を各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させ、これら各連続光を基準用光ファイバ１７に互いに対向するように入射させる。これら第１光源１からの連続光及び第２光源２０からの連続光は、基準用光ファイバ１７で誘導ブリルアン散乱現象を起こし、この誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、基準用光ファイバ１７から光サーキュレータ１２を介して歪み及び温度検出計１４に入射される。
【００９２】
歪み及び温度検出計１４は、この誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、この受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出し、この検出した光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３には、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係がその記憶部に予め記憶されている。制御処理部１３は、この通知を受けると、その周波数設定部によって、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の設定すべき所定周波数差ｆａに対応する基準光強度Ｐａを上記関係から求め、歪み及び温度検出計１４が検出した測定光強度Ｐｄがこの基準光強度Ｐａと一致するように、第１ＡＦＣ１１及び第２ＡＦＣ１９を制御する。これによって第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差は、設定すべき所定周波数差ｆａに調整される。なお、本実施の形態では、光強度Ｐｄは、受光素子で光電変換された電圧値で与えられ、基準光強度Ｐａは、この基準光強度Ｐａに対応する電圧値となる。
【００９３】
ここで、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係は、一般に、温度依存性を有している。本実施の形態では、調整の際に、制御処理部１３は、温度検出部１６によって基準用光ファイバ１７の温度を検出し、この検出温度に応じて基準用光ファイバ１７における上記関係を補正している。このため、より高精度に調整を実行することが可能となる。
【００９４】
このように動作することによって第１及び第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が調整される。このような調整は、測定精度をより向上させる観点から、ブリルアンスペクトルを得る際に、掃引のために周波数が変更される毎に実行されても良いし、あるいは、測定時間を短縮させる観点から、歪み及び温度を測定毎に、又は、所定期間の経過毎に、さらに又は、分布型光ファイバセンサＦＳの起動の際に、実行されても良い。
【００９５】
次に、歪み及び温度の計測動作について説明する。図４は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳによる歪み及び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。
【００９６】
まず、ステップＳ１において、歪み及び温度検出計１４、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを推定し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。ここでのブリルアン周波数シフト量Δνｂの推定は、例えば、予測される最大温度変化量及び最大歪み変化量等を基に行われる。なお、ブリルアン周波数シフト量を測定するための周波数の掃引範囲は狭いので、この周波数の掃引範囲は簡単に推定することができる。
【００９７】
次に、ステップＳ２において、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを測定する。例えば、以下の処理により、ブリルアン周波数シフト量Δνｂが得られる。
【００９８】
まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１と、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９とを制御することによって、第１及び第２光源１、２０に各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３に入射され、第２光源２０から射出された連続光は、光カプラ２１を介して光スイッチ２２に入射される。
【００９９】
次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、所定のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、次のように光パルス生成部３を動作させることによって、ポンプ光を生成している。
【０１００】
図５は、図１に示す光パルス生成部３の構成及びその動作を説明するための図である。図６は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成及び整合フィルタを説明するための図であり、図６（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図６（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。
【０１０１】
光パルス生成部３は、例えば、図５に示すように、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１０１と、ＬＮ強度変調器１０１を駆動するための第１駆動回路を構成する直流電源１０２、乗算器１０３及びタイミングパルス発生器１０４と、入射光の位相を変調するＬＮ位相変調器１１１と、ＬＮ位相変調器１１１を駆動するための第２駆動回路を構成する直流電源１１２、乗算器１１３及び疑似乱数発生器１１４と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２１と、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１３１と、ＬＮ強度変調器１３１を駆動するための第３駆動回路を構成する直流電源１３２、乗算器１３３及びタイミングパルス発生器１３４とを備えて構成される。
【０１０２】
ＬＮ位相変調器１１１は、例えば電気光学効果を有するニオブ酸リチウムの基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成されることで構成され、両電極間に所定の信号を印加することによって生じる電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化をそのまま用いることにより、入射光の位相を変調する装置である。
【０１０３】
ＬＮ強度変調器１０１、１３１は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成して電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化を強度変化に変えることにより、入射光の光強度を変調する装置である。なお、ＬＮ強度変調器１０１、１３１及びＬＮ位相変調器１１１には、ニオブ酸リチウムの基板に代え、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の他の電気光学効果を有する基板が用いられてもよい。
【０１０４】
第１駆動回路において、直流電源１０２は、強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１０４は、ＬＮ強度変調器１０１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、そして、乗算器１０３は、直流電源１０２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器１０４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１０１へ出力する回路である。
【０１０５】
第２駆動回路において、直流電源１１２は、位相変調すべく、ＬＮ位相変調器１１１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、疑似乱数発生器１１４は、入射光をスペクトル拡散方式で変調するようにＬＮ位相変調器１１１を動作させるべく、動作タイミングで疑似乱数を生成する疑似乱数生成回路であり、乗算器１１３は、直流電源１１２から入力される直流電圧と疑似乱数発生器１１４から入力される疑似乱数とを乗算し、疑似乱数に応じた直流電圧を位相変調器１１１へ出力する回路である。
【０１０６】
ＥＤＦＡ１２１は、エルビウムを添加した光ファイバを備えて構成され、入射光を増幅して射出する光部品である。ＥＤＦＡ１２１は、検出用光ファイバ１５における歪み及び温度の検出に適した光強度にすべく、入射光を予め設定された所定の増幅率で増幅する。これによって第１光源１から検出用光ファイバ１５まで伝播する間において、損失（ロス）が発生する場合に、この損失も補償され、所定の計測範囲の測定が可能となる。
【０１０７】
第３駆動回路において、直流電源１３２は、オン／オフ制御するようにＬＮ強度変調器１３１を強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１３４は、ＬＮ強度変調器１３１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、乗算器１３３は、直流電源１３２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器１３４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１３１へ出力する回路である。
【０１０８】
このような光パルス生成部３を動作させることによって、例えば、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成することができる。
【０１０９】
図６（Ａ）に示すポンプ光は、スペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスと、無変調であって、このメイン光パルスと重なることなく（オーバーラップすることなく）時間的に先行するサブ光パルスとから構成されている。メイン光パルスは、所定の時間幅（セル幅）で複数のセルに分割され、本実施の形態では、それら各セルがＭ系列バイナリ符号によって変調（符号化）されている。セル幅は、所望の空間分解能に応じて設定され、メイン光パルスのパルス幅は、所望の計測距離に応じて設定される。また、サブ光パルスは、音響フォノンを完全に立ち上げることができるパルス幅とされ、図６（Ａ）に示す例では、メイン光パルスの光強度と同レベルの光強度とされている。
【０１１０】
サブ光パルスとメイン光パルスとは、図６（Ａ）に示す例では、時間的に連続しているが、時間的に分離していてもよい。時間的に分離している場合には、サブ光パルスによって立ち上げられた音響フォノンが消失しないうちに、メイン光パルスが前記音響フォノンに作用する時間間隔に設定されることが好ましい。通常、音響フォノンの寿命は、約５ｎｓであるので、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間間隔は、約５ｎｓ以内であることが好ましい。
【０１１１】
図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、図５において、まず、第１光源１から射出された連続光Ｌ１は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。
【０１１２】
光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄとに相当するパルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）に相当する時間幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の間、オンされ、連続光Ｌ１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の光パルスＬ２となって射出される。
【０１１３】
そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。
【０１１４】
すなわち、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧は、Ｍ系列バイナリ符号が“＋”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とＭ系列バイナリ符号が“−”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とが互いに１８０度異なるような電圧値である。これによって、光パルスＬ２は、ＬＮ位相変調器１１１で、無変調の部分（サブ光パルスに対応する）とＭ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）とからなる光パルスＬ３となって射出される。
【０１１５】
そして、ＥＤＦＡ１２１では、光パルスＬ３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ４となって射出される。
【０１１６】
さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって、光パルスＬ４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ４に付随した自然放出光（ＡＳＥ）等のノイズが除去され、パルス幅Ｄｓｕｂであって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄであってスペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスとから成るポンプ光Ｌ５となって射出される。
【０１１７】
そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス、光パルスＬ４）の生成タイミングに応じて、光スイッチ４及び光スイッチ２２をオンする。制御処理部１３は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の生成タイミングを歪み及び温度検出計１４に通知する。
【０１１８】
光スイッチ４がオンされると、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のポンプ光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整され、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のサブ光パルス及びメイン光パルスは、歪み及び温度検出計１４に入射される。
【０１１９】
歪み及び温度検出計１４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のスペクトルを計測し、ポンプ光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。
【０１２０】
一方、光スイッチ２２がオンされると、連続光（プローブ光）は、光カプラ２３に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のプローブ光（連続光）は、光強度調整部２４に入射され、光強度調整部２４でその光強度が調整され、１×２光スイッチ２５に入射される。１×２光スイッチ２５は、第１態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射される。
【０１２１】
一方、１×２光スイッチ２５は、第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射される。一方、光カプラ２３で分岐された他方のプローブ光（連続光）は、歪み及び温度検出計１４に入射される。
【０１２２】
歪み及び温度検出計１４は、プローブ光（連続光）のスペクトルを計測し、プローブ光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第２ＡＴＣ１８、第２ＡＦＣ１９及び光強度調整部２４を制御する。
【０１２３】
第１態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の他方端から入射され検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。第２態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の一方端から入射され検出用光ファイバ１５の他方端で反射して検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。このようなポンプ光とプローブ光との相互作用に基づいて光スイッチ４及び光スイッチ２２におけるオン／オフのタイミングが制御処理部１３によって調整される。
【０１２４】
１×２光スイッチ２９は、第１態様又は第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が歪み及び温度検出計１４へ入射されるように切り換えられている。したがって、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８、光サーキュレータ７及び１×２光スイッチ２９を介して歪み及び温度検出計１４に入射される。
【０１２５】
歪み及び温度検出計１４では、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、上述したように直接検波によって抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされる。この整合フィルタは、例えば、図６（Ｂ）に示すように、光パルス生成部３のＬＮ位相変調器１１１でＭ系列バイナリ符号によって位相変調した位相変調パターン（Ｐ１Ｐ２Ｐ３・・・Ｐｎ−１Ｐｎ）を時間的に反転した逆位相変調パターン（ＰｎＰｎ−１・・・Ｐ３Ｐ２Ｐ１）のフィルタである。
【０１２６】
例えば、メイン光パルスの各セルがＭ系列バイナリ符号によって“＋−＋＋−＋・・・＋−”の位相変調パターンで変調されている場合には、整合フィルタは、この位相変調パターンを時間的に反転した“−＋・・・＋−＋＋−＋”の逆パターンとなる。このような整合フィルタを用いることによって、スペクトル拡散符号化されたメイン光パルスに起因した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を精度よく検出することが可能となる。歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３から通知された生成タイミングに基づいて、この受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。
【０１２７】
ここで、誘導ブリルアン散乱現象に係るポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）とプローブ光（連続光）との間における相互作用の程度は、これら各光の偏光面の相対関係に依存するが、本実施の形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳでは、測定毎に光強度・偏光調整部６でポンプ光の偏光面がランダムに変わるので、測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。このため、精度よく誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を得ることができる。
【０１２８】
このような検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布が、例えば第２光源２０から射出されるプローブ光（連続光）の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度且つ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルが高精度且つ高空間分解能で得られる。
【０１２９】
そして、歪み及び温度検出計１４は、歪が生じていない状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数と、歪が生じている状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する領域部分のブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数との差をそれぞれ求めることによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求める。
【０１３０】
再び、図４を参照して、次に、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ３において、上記の処理により求めたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定し、ステップＳ４において、推定したレイリー周波数シフト量Δνｒからレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。
【０１３１】
ここで、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒは、歪みの変化量をΔε、温度の変化量をΔＴとすると、下記式で表される。下記式において、Ｂ１１≒０．０５×１０−３ＧＨｚ／με、Ｂ１２≒１．０７×１０−３ＧＨｚ／℃、Ｒ１１≒−０．１５ＧＨｚ／με、Ｒ１２≒−１．２５ＧＨｚ／℃である。
【０１３２】
Δνｂ＝Ｂ１１×Δε＋Ｂ１２×ΔＴ  …（１３）
Δνｒ＝Ｒ１１×Δε＋Ｒ１２×ΔＴ  …（１４）
【０１３３】
上記の式を比較すると、レイリー周波数シフト量Δνｒの感度は、ブリルアン周波数シフト量Δνｂに比して非常に高いことがわかる。これは、計測精度を向上させるには非常に有利であるが、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲と同様にレイリー周波数シフト量Δνｒを計測するための周波数の掃引範囲を決定した場合、レイリー周波数シフト量Δνｒを計測するための周波数の掃引範囲が非常に広くなり、計測に長時間を要することとなる。
【０１３４】
このため、本実施の形態で、既に測定されたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定する。例えば、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ＝３００ＭＨｚが測定によって得られた場合、まず、すべての変化が温度の影響によるものと仮定すると、Δε＝０となり、式（１３）から、ΔＴ＝３００℃が得られる。このΔＴ＝３００℃を式（１４）へ代入すると、Δνｒ＝−３７５ＧＨｚが得られる。
【０１３５】
次に、すべての変化が歪みの影響によるものと仮定すると、ΔＴ＝０となり、式（１３）から、Δε＝６０００μεが得られる。このΔε＝６０００μεを式（１４）へ代入すると、Δνｒ＝−９００ＧＨｚが得られる。この場合、レイリー周波数シフト量Δνｒを計測するための周波数の掃引範囲として、−３７５ＧＨｚから−９００ＧＨｚまでの範囲が決定される。したがって、−３７５ＧＨｚの近辺から−９００ＧＨｚの近辺までを掃引すれば、短時間でレイリー周波数シフト量Δνｒを計測することが可能となる。なお、周波数の掃引範囲は、上記のようにして求めた２つの周波数をそのまま用いてもよいし、所定の測定マージン量を適宜付加したり、計測時間を短縮するために掃引範囲を所定量だけ狭くする等の種々の変更が可能である。また、この例では、温度変化量の下限は０℃、歪みの大きさは制限無しという想定での場合を示したが、装置の適用対象に応じて温度変化量や歪みの大きさの範囲は変わってもよい。温度変化量に上限と下限、また、歪みの大きさに上限が想定される場合にも、それに応じてレイリー周波数掃引範囲が決定される。
【０１３６】
次に、ステップＳ５において、歪み及び温度検出計１４は、上記のようにして決定した周波数の掃引範囲を用いて、レイリー周波数シフト量Δνｒを測定する。例えば、以下の処理により、レイリー周波数シフト量Δνｒが得られる。
【０１３７】
まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１を制御することによって、第１光源１に所定周波数で連続光を発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３及び１×２光スイッチ３１に入射され、１×２光スイッチ３１は、第１光源１から射出された連続光を光カプラ３０へ出力する。なお、レイリー周波数シフト量の計測時において、光スイッチ２２はオフされており、検出用光ファイバ１５の他方端から光は入射されない。
【０１３８】
次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、レイリー散乱現象を利用するためのパルス光を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、以下のように光パルス生成部３を動作させることによって、パルス光を生成している。
【０１３９】
図７は、図１に示す光パルス生成部３から射出されるパルス光の一例を示す図であり、図７（Ａ）は、パルス光の波長を示し、図７（Ｂ）はパルス光の波形を示している。図７（Ｂ）に示すパルス光は、所定レベルの矩形波であり、図７（Ａ）に示すように、所定数のパルス毎にその周期が所定周波数だけ順次増加される。なお、図７（Ａ）では、図示を容易にするために、周波数が線形的に増加するように模式的に図示しているが、厳密には、数パルス毎にその周波数が増加され、パルス光の周波数はステップ状に増加される。また、後述する加算平均を行わない場合、すなわち、１パルスでレイリー後方散乱光を計測する場合は、１パルス毎にその周波数を増加するようにしてもよい。
【０１４０】
なお、パルス光は、この例に特に限定されず、レイリー散乱現象を利用できれば、種々の形態の光等を用いることができる。また、レイリー散乱現象を利用する光に、上記の誘導ブリルアン散乱現象に利用する光と同様に、Ｍ系列バイナリ符号によって変調（符号化）する等の種々の方法を適用してもよい。
【０１４１】
図７に示すパルス光を生成するために、第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。光パルス生成部３では、パルス光の生成タイミングで、パルス光のパルス幅に相当する動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅に相当する時間幅の間、オンされ、連続光は、図７（Ｂ）に示すパルス幅の光パルスとなって射出される。その後、パルス光は、ＬＮ位相変調器１１１を介してＥＤＦＡ１２１へ入射され、光パルスが所定の光強度となるまで増幅され、ＬＮ強度変調器１３１を介して光スイッチ４へ射出される。
【０１４２】
そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるパルス光の生成タイミングに応じて、光スイッチ４をオンし、パルス光の生成タイミングを歪み及び温度検出計１４に通知する。
【０１４３】
光スイッチ４がオンされると、パルス光は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のパルス光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整されるとともに、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のパルス光は、歪み及び温度検出計１４に入射される。
【０１４４】
歪み及び温度検出計１４は、パルス光のスペクトルを計測し、パルス光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。
【０１４５】
検出用光ファイバ１５の一方端に入射したパルス光は、検出用光ファイバ１５内で散乱されてレイリー散乱現象を生じさせ、レイリー散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８、光サーキュレータ７及び１×２光スイッチ２９を介して光カプラ３０に入射される。この結果、光カプラ３０により混合された２つの光が歪み及び温度検出計１４に入射される。
【０１４６】
上記のようにして、第１光源１は、波長可変光源として機能し、時間とともにパルス光の波長を変化させ、光パルス生成部３は、光強度変調器、光増幅器及び光強度変調器として機能し、所定パルス幅のパルスを作成し、光強度・偏光調整部６は、高速偏波スクランブラーとして機能し、各パルス光にランダムな偏波面を与える。光カプラ３０は、第１光源１からの連続波と検出用光ファイバ１５からのレイリー後方散乱光とを混合させ、歪み及び温度検出計１４の受光素子は、これらの光をホモダイン受信する。
【０１４７】
このとき、光強度・偏光調整部６により各パルス光にランダムな偏光面を測定毎に与えているので、歪み及び温度検出計１４は、波長の変化分のレイリー後方散乱光を加算して平均を取ることにより、平滑なレイリー後方散乱光を得ることができ、このレイリー後方散乱光のレベルから各距離の損失を換算することができる。
【０１４８】
このような検出用光ファイバ１５の長尺方向におけるレイリー散乱現象に係る光の光強度の分布が、パルス光の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度且つ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるレイリースペクトルが高精度且つ高空間分解能で得られる。
【０１４９】
そして、歪み及び温度検出計１４は、歪が生じていない状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域におけるレイリースペクトルと、歪が生じている状態の前記検出用光ファイバ１５の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する領域部分のレイリースペクトルとの相互相関係数をそれぞれ計算することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるレイリー周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求める。
【０１５０】
図８は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。図８（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図８（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相互相関係数を示している。図８（Ａ）に示すように、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線であり、両者の相互相関係数を計算すると、図８（Ｂ）に示すようになり、両者の相互相関係数のピークのオフセット量Δｖｒがレイリー周波数シフト量となる。
【０１５１】
このΔｖｒだけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させると、図８（Ｃ）のようになり、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とがほぼ一致しており、レイリー周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求めることができたことがわかる。
【０１５２】
最後に、ステップＳ６おいて、歪み及び温度検出計１４は、上記のようにして得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂとレイリー周波数シフト量Δνｒとから、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分における歪みと温度とを検出する。
【０１５３】
すなわち、上記の式（１３）、式（１４）から歪みの変化量Δεと温度の変化量ΔＴとを解くと、下記のようになる。下記式において、Ｃ１１≒−１２７５５．１０２με／ＧＨｚ、Ｃ１２≒−１０．９１８×με／ＧＨｚ、Ｃ２１≒１５３０．６１２℃／ＧＨｚ、Ｃ２２≒０．５１０℃／ＧＨｚである。
【０１５４】
Δε＝Ｃ１１×Δνｂ＋Ｃ１２×Δνｒ  …（１５）
【０１５５】
ΔＴ＝Ｃ２１×Δνｂ＋Ｃ２２×Δνｒ  …（１６）
【０１５６】
歪み及び温度検出計１４は、上記式に、各領域部分のブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを代入し、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における歪みの変化量Δε及び温度の変化量ΔＴを求め、求めた歪みの変化量Δε及び温度の変化量ΔＴを所定の基準歪み及び基準温度に加算し、最終的に歪み及び温度を高精度且つ高空間分解能で求める。この求めた検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における歪み及び温度の分布は、ＣＲＴ表示装置やＸＹプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。
【０１５７】
上記の構成により、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳでは、ブリルアン散乱現象を利用して検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、２つの周波数シフト量を用いて検出用光ファイバ１５に生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、検出用光ファイバ１５が付設された計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。この結果、約０．１ｍの空間分解能で且つ約±１５με以下の精度で歪み及び温度を検出することができた。
【０１５８】
次に、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第２実施形態を図面に基づいて説明する。尚、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、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。
【０１５９】
第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサは、第１実施形態と同様に、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３、３０と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１ＡＴＣ１０と、第１ＡＦＣ１１と、制御処理部１３と、歪み及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２ＡＴＣ１８と、第２ＡＦＣ１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５、２９、３１とを備える（図１参照）。
【０１６０】
歪み及び温度検出計１４は、受光素子、光スイッチ、増幅回路、アナログ／ディジタル変換器、信号処理回路、スペクトルアナライザ、コンピュータ（ＣＰＵ）及びメモリ等を備えて構成される。
【０１６１】
歪み及び温度検出計１４は、計測対象物に付設され当該計測対象物からの熱や外力が加わってない状態（参照状態）の検出用光ファイバ１５からの誘導ブリルアン散乱現象に係る光が歪み及び温度検出計１４内の誘導ブリルアン散乱光用の受光素子に入射されると、内部のスイッチにより誘導ブリルアン散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分（実測位置）のブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、この求めた各領域部分（実測位置）のブリルアンスペクトルから、そのピークに対応する周波数（参照ピーク周波数）をそれぞれ求め、この求めた各領域部分（実測位置）の参照ピーク周波数をメモリに格納する。
【０１６２】
また、歪み及び温度検出計１４は、参照状態の検出用光ファイバ１５からのレイリー後方散乱現象に係る光が歪み及び温度検出計１４内のレイリー後方散乱光用の受光素子に入射されると、内部のスイッチによりレイリー後方散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光したレイリー後方散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分（実測位置）のレイリースペクトル（参照レイリースペクトル）をそれぞれ求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、この求めた各領域部分（実測位置）の参照レイリースペクトルをメモリに格納する。
【０１６３】
また、歪み及び温度検出計１４は、ＣＰＵにおいて、メモリに記憶されている各実測位置の参照ピーク周波数と、計測対象物の温度及び歪みを計測している状態（計測状態）の検出用光ファイバ１５における前記各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数とから補正量を導出する。
【０１６４】
ここで、補正量、実測位置及び計測希望位置について説明する。図９は、実測位置と計測希望位置との関係を説明するための図である。図９（Ａ）は、計測対象物が熱等により変形していない状態を示し、図９（Ｂ）は、計測対象物が変形した状態を示す図である。
【０１６５】
補正量は、実測位置と計測希望位置とのずれを補正し、実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られたブリルアンスペクトルのピーク周波数に基づき計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数を推定するときに利用される。また、補正量は、実測位置からのレイリー後方散乱光から得られたレイリースペクトルから計測希望位置からのレイリー後方散乱光から得られたレイリースペクトルを推定するときに用いられる。
【０１６６】
実測位置とは、上記のように当該分布型光ファイバセンサＦＳにより、検出用光ファイバ１５の長尺方向において実際にブリルアンスペクトルやレイリースペクトルが計測される位置である（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の黒丸点参照）。本実施形態では、例えば、検出用光ファイバ１５において一方端から５ｃｍ間隔で並ぶ位置である。当該分布型光ファイバセンサＦＳでは、光が検出用光ファイバ１５中を伝播する時間に基づいてブリルアン後方散乱光を計測するが、検出用光ファイバ１５が伸縮しても当該検出用光ファイバ１５中を伝播する光の速度は変化しないため、前記時間に基づいて計測される前記ブリルアン後方散乱光が生じた検出用光ファイバ１５中の実測位置は、当該検出用光ファイバ１５が伸縮しても変化（移動）しない（図９（Ｂ）の黒丸参照）。即ち、計測対象物に付設された検出用光ファイバ１５の一方端から各実測位置までの距離は、当該検出用光ファイバ１５の伸縮に関わらず一定となる。
【０１６７】
これに対し、計測希望位置とは、検出用光ファイバ１５上に設定された位置であり、参照状態において実測位置と重なる位置である（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の点線参照）。この計測希望位置は、検出用光ファイバ１５上の位置であるため、計測対象物の変形に基づく検出用光ファイバ１５の歪（伸縮）に伴って実測位置からずれる（図９（Ｂ）の破線参照）。即ち、計測対象物に付設された検出用光ファイバ１５の一方端から各計測希望位置までの距離は、当該検出用光ファイバ１５の伸縮に伴って変わる。
【０１６８】
歪み及び温度検出計１４は、上記の補正量を利用して計測状態の検出用光ファイバ１５における各実測位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数から、前記実測位置に対応する計測希望位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数を推定する。また、歪み及び温度検出計１４は、上記の補正量を利用して計測状態の検出用光ファイバ１５における各実測位置のレイリースペクトから、前記実測位置に対応する計測希望位置のレイリースペクトルを推定する。
【０１６９】
歪み及び温度検出計１４は、各実測位置の参照ピーク周波数と、各実測位置に対応する計測希望位置のピーク周波数とに基づいてブリルアン周波数シフト量Δνｂを導出（計測）する。また、歪み及び温度検出計１４は、各実測位置の参照レイリースペクトルと、各実測位置に対応する計測希望位置のレイリースペクトルとに基づいてレイリー周波数シフト量Δνｒを導出（計測）する。
【０１７０】
次に、第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳの歪み及び温度の計測動作について説明する。図１０は、第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳによる歪み及び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。
【０１７１】
まず、計測対象物の歪みと温度との計測（センシング）を始める前に、ステップＳ１１において、歪み及び温度検出計１４は、検出用光ファイバ１５が参照状態（例えば、検出用光ファイバ１５がプラント等に付設された場合に、このプラント等が停止している状態）での各実測位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数（参照ピーク周波数）及びレイリースペクトル（参照レイリースペクトル）がメモリに格納されているか否かを判断する。
【０１７２】
メモリに格納されていない場合、先ず、ステップＳ１２において、歪み及び温度検出計１４は、第１実施形態のステップＳ１と同様、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを推定し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。尚、各実測位置の参照ピーク周波数及び参照レイリースペクトルがメモリに格納されている場合には、ステップＳ１５へ進む。
【０１７３】
ステップＳ１３において、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数を測定する。例えば、第１実施形態のステップＳ２において検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光（ブリルアン後方散乱光）の光強度の分布を測定するのと同様にして、歪み及び温度検出計１４は、前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光強度の分布を測定し、その測定結果から検出用光ファイバ１５の長尺方向における各領域部分のブリルアンスペクトルを求め、これら各ブリルアンスペクトルから参照ピーク周波数をそれぞれ導出する。本実施形態では、検出用光ファイバ１５の長尺方向において５ｃｍ間隔で設定される実測位置のブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数がそれぞれ測定される。
【０１７４】
このように測定された上記の各実測位置（本実施形態では、５ｃｍ間隔で並ぶ実測位置）におけるブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数は、それぞれ歪み及び温度検出計１４のメモリに格納される。
【０１７５】
次に、ステップＳ１４において、歪み及び温度検出計１４は、参照レイリースペクトルを測定する。例えば、第１実施形態のステップＳ５において検出用光ファイバ１５の長尺方向におけるレイリー散乱現象に係る光の光強度の分布を測定するのと同様にして、歪み及び温度検出計１４は、レイリースペクトルを計測する。本実施形態では、検出用光ファイバ１５の長尺方向において５ｃｍ間隔で設定される実測位置の参照レイリースペクトルがそれぞれ測定される。尚、レイリースペクトルの計測において、周波数の掃引範囲は、得られたデータ（レイリースペクトル等）を格納しておくメモリの容量が許す範囲内で、できる限り広く設定するのが好ましい。
【０１７６】
このように測定された上記の各実測位置における参照レイリースペクトルは、それぞれ歪み及び温度検出計１４のメモリに格納される。
【０１７７】
次に、参照状態の検出用光ファイバ１５から得られた当該検出用光ファイバ１５の各実測位置における参照ピーク周波数及び参照レイリースペクトルがそれぞれメモリに格納されている状態で、計測対象物の歪みと温度との計測が行われる。このとき、検出用光ファイバ１５には、計測対象物の歪みや温度変化に基づく外力や熱が当該検出用光ファイバ１５に加わり得る状態（計測状態）となっている。
【０１７８】
歪み及び温度検出計１４がブリルアン計測モードに切り替わる。具体的に、ステップＳ１５において、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ１１と同様に、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを推測し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。
【０１７９】
次に、ステップＳ１６において、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ１３と同様に、検出用光ファイバ１５の各実測位置におけるブリルアンスペクトルのピーク周波数を測定する。
【０１８０】
そして、ステップＳ１７において、歪み及び温度検出計１４は、メモリに記憶されている参照ピーク周波数を引き出し、これら参照ピーク周波数と上記の計測状態の検出用光ファイバ１５から得られたピーク周波数とから、前記計測状態の検出用光ファイバ１５から計測したピーク周波数を補正するときに利用する補正量を導出する。この補正量は、例えば以下のような処理により導出される。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、前記補正量の導出方法の一例を示す図である。
【０１８１】
先ず、歪み及び温度検出計１４は、参照状態の検出用光ファイバ１５を長尺方向において複数の領域に分割し、その一つを参照領域ｒｚとして設定すると共に、計測状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向の一部に前記参照領域ｒｚに対応する長さの補正領域ｓｚを設定する。歪み及び温度検出計１４は、参照領域ｒｚに含まれる各実測位置の参照ピーク周波数の値を前記長尺方向に並べた波形（図１１（Ａ）のｒｚ内参照）と、補正領域ｓｚに含まれる各実測位置のピーク周波数の値を前記長尺方向に並べた波形（図１１（Ａ）のｓｚ内参照）との相互相関係数を算出する。歪み及び温度検出計１４は、補正領域ｓｚを長尺方向に沿って所定間隔で移動させながら（図１１（Ａ）のｓｚ１、ｓｚ２、ｓｚ３、…）相互相関係数の算出を繰り返し、その結果をプロットする（図１１（Ｂ）参照）。相互相関係数が最大となる移動長さ（オフセット量）が補正量となる。
【０１８２】
これは、図１２に示されるように、検出用光ファイバ１５の長尺方向における各実測位置でのブリルアンスペクトルのピーク周波数を前記長尺方向に順に並べると、検出用光ファイバ１５内の残留歪み（初期残留歪み）により、検出用光ファイバ毎に固有の波形となり、当該検出用光ファイバ１５の伸縮によってもこの波形の特徴が失われないことを利用している。ここで、図１２は、中間に異種ファイバが接続された検出用光ファイバにおける長尺方向の各領域部分（実測位置）でのブリルアンスペクトルのピーク周波数の一例を示す図である。
【０１８３】
尚、補正量を導出する方法は、上記のように長尺方向の範囲が等しい参照領域ｒｚと補正領域ｓｚとを用いて導出する方法に限定されない。例えば、前記補正領域の長尺方向における範囲を検出用光ファイバ１５の伸縮に基づき参照領域ｒｚよりも大きく又は小さくしてもよい。これにより、より高精度にブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量を計測することが可能となる。
【０１８４】
歪み及び温度検出計１４は、参照状態の検出用光ファイバ１５を長尺方向に分割した前記複数の領域をそれぞれ参照領域ｒｚとして、上記の補正量の導出を繰り返す。これにより、検出用光ファイバ１５の全ての実測位置に対する補正量が導出される。
【０１８５】
次に、ステップＳ１８において、歪み及び温度検出計１４は、各実測値で得られたピーク周波数から、各実測値に対応する計測希望位置でのピーク周波数をそれぞれ推定する。例えば、以下の処理により計測希望位置でのピーク周波数が得られる。
【０１８６】
歪み及び温度検出計１４は、上記のように参照領域毎に導出した補正量に基づき、各実測位置から当該実測位置に対応する計測希望位置をそれぞれ導出する。一方、歪み及び温度検出計１４は、長尺方向において離散的に（本実施形態では、長尺方向に５ｃｍ間隔で）得られたピーク周波数の値が前記長尺方向に連続するように、互いに隣り合う実測位置同士の計測値（ピーク周波数）間を補間する。本実施形態では、Ｂスプライン補間法により上記の補間を行っているが、これに限定されず、他の補間法や最小２乗法等により行ってもよい。
【０１８７】
歪み及び温度検出計１４は、このようにして得られた各計測希望位置と前記補間された値とに基づいて、当該計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られるピーク周波数をそれぞれ推定する。
【０１８８】
次に、ステップＳ１９において、歪み及び温度検出計１４は、メモリに記憶されている参照状態の検出用光ファイバ１５の各実測位置での参照ピーク周波数と、上記の処理により推定した前記各実測位置に対応する計測希望位置でのピーク周波数との差からブリルアン周波数シフト量Δνｂをそれぞれ導出（計測）する。
【０１８９】
このようにしてブリルアン周波数シフト量Δνｂが導出されると、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアン計測モードからレイリー計測モードへ変更される。
【０１９０】
先ず、歪み及び温度検出計１４は、第１実施形態のステップＳ３及びＳ４と同様に、ステップＳ２０において、上記の処理により求めたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定し、ステップＳ２１において、推定したレイリー周波数シフト量Δνｒからレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。
【０１９１】
次に、ステップＳ２２において、歪み及び温度検出計１４は、第１実施形態のステップＳ５と同様に、検出用光ファイバ１５の各実測位置におけるレイリースペクトルを測定する。そして、ステップＳ２３において、歪み及び温度検出計１４は、各実測位置で得られたレイリースペクトルから、各実測位置に対応する計測希望位置でのレイリースペクトルをそれぞれ推定する。例えば、以下の処理により計測希望位置でのレイリースペクトルが得られる。
【０１９２】
歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ１７において参照領域毎に導出した補正量に基づき、各実測位置から当該実測位置に対応する計測希望位置をそれぞれ導出する。一方、歪み及び温度検出計１４は、長尺方向において離散的に（本実施形態では、長尺方向に５ｃｍ間隔で）得られたレイリースペクトルが前記長尺方向に連続するように、互いに隣り合う実測位置同士の計測値（レイリースペクトル）間を補間する。歪み及び温度検出計１４は、このようにして得られた各計測希望位置と前記補間された値とに基づいて、各計測希望位置からのレイリー後方散乱光から得られるレイリースペクトルをそれぞれ推定する。
【０１９３】
次に、ステップＳ２４において、歪み及び温度検出計１４は、メモリに記憶されている各実測位置での参照レイリースペクトルと、上記の処理により推定した前記各実測位置に対応する計測希望位置でのレイリースペクトルとに基づき、第１実施形態のステップＳ５と同様にして、レイリー周波数シフト量Δνｒをそれぞれ導出（計測）する。
【０１９４】
このとき、レイリー周波数シフト量Δνｒが、測定したレイリースペクトルの周波数の範囲（帯域幅）に比べて十分に小さい場合には、第１実施形態のステップＳ５と同様に、メモリに記憶されている各実測位置での参照レイリースペクトルと各実測位置に対応する計測希望位置で測定されたレイリースペクトル（以下、「対応レイリースペクトル」とも称することがある。）との相互相関係数に基づくことで、レイリー周波数シフト量Δνｒは容易に導出される。しかし、レイリー周波数シフト量Δνｒが、参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて上記のシフト量ほど十分に小さくない場合（即ち、比較的大きな場合）には、相互相関係数を導出するときの参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとの対応する範囲（オーバーラップ部分）が小さくなるため導出した相互相関係数の信頼度が低下し（誤差が大きくなり）、これによりレイリー周波数シフト量Δνｒの導出が困難となる。
【０１９５】
具体的には、レイリー周波数シフト量Δνｒが、参照レイリースペクトルの周波数の範囲及び対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて十分に小さい場合には、横軸を周波数とし、縦軸をスペクトルのレベルとしたグラフ（図８（Ａ）参照）において、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数軸方向（図８においては左右方向）に互いに相対移動させて各相対位置での参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との相互相関係数を導出することにより、容易にレイリー周波数シフト量Δνｒを導出することができる（図８（Ｂ）参照）。尚、本実施形態においては、歪み及び温度検出計１４は、参照レイリースペクトルの波形を固定して対応レイリースペクトルの波形を左右に移動（シフト）させつつ各位置（各シフト量）での相互相関係数を導出している。
【０１９６】
これに対し、図１３に示されるような、レイリー周波数シフト量Δνｒが、歪み及び温度検出計１４のメモリに記憶されている参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲（図１３中のＲａの範囲）に比べて比較的大きい場合には、測定した周波数の範囲Ｒａ内の両スペクトルの波形を周波数軸方向に相対移動させても、オーバーラップする部分（図１３において太線で示す周波数軸方向の範囲）が小さいため、各相対位置で導出された相互相関係数の信頼度が低下する。
【０１９７】
詳細には、両スペクトルの周波数の範囲に対してシフト量が比較的大きくなると、測定した周波数の範囲Ｒａ内の参照レイリースペクトルの波形の部位（図１３の上側の波形の実線の部位）Ｃｏ１に対応する対応レイリースペクトルの波形の部位Ｃｏ２において、そのうちの一部（オーバーラップ部分：図１３の下側の波形の太線の部分）だけしか周波数の範囲Ｒａ内に入らない。しかも、検出用光ファイバ１５における延びや歪みは、長尺方向及びこれと直交する方向の各部位において均一ではない（即ち、不均一である）ため、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との互いに対応する部位Ｃｏ１、Ｃｏ２同士も完全には一致しない。そのため、測定した周波数の範囲Ｒａ内の参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数軸方向に相対移動させつつ各相対位置での相互相関係数を導出しても、オーバーラップ部分同士が重なったときの相互相関係数が最も大きくなる（図８（Ｂ）参照）とは限らず、これによりレイリー周波数シフト量Δνｒの導出が困難となる。
【０１９８】
ここで、レイリー周波数シフト量Δνｒに対して参照レイリースペクトルの周波数の範囲と対応レイリースペクトルの周波数の範囲とを十分大きくすることにより、この困難性を除去することも考えられる。しかし、測定する周波数の範囲が大きくなると、測定に必要な時間が増加するのに加え、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数方向に相対移動させつつ各相対位置で相互相関係数を導出するのに必要な時間も増加するため、時間がかかり過ぎるといった問題が生じる。
【０１９９】
そこで、歪み及び温度検出計１４は、レイリー周波数シフト量Δνｒが参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて比較的大きい場合には、レイリー周波数シフト量決定用の所定の閾値を用い、この所定の閾値と、参照レイリースペクトルの波形及び対応レイリースペクトルの波形の周波数軸方向における各相対位置での相互相関係数とを比較することにより、レイリー周波数シフト量Δνｒの導出を試みる。この歪み及び温度検出計１４では、所定の閾値と各相対位置での相互相関係数との比較、即ち、数値の大小の比較によりレイリー周波数シフト量Δνｒが導出されるため、容易にレイリー周波数シフト量Δνｒが導出される。
【０２００】
検出用光ファイバ１５の長尺方向において、特定の実測位置で所定の時間間隔をおいて実際に測定された参照レイリースペクトルの波形と、この特定の実測位置と対応する計測希望位置での対応レイリースペクトルの波形とは、例えば、図１４に示すような形となる。この図における参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数軸方向に相対移動させ、各相対位置での相互相関係数を導出してプロットすると、図１５に示されるようなグラフが得られる。この図１５に示されるように、実測においては、検出用光ファイバ１５の各部位での伸びや歪み等が不均一となるため多数のピークが現れる場合がある。
【０２０１】
この場合、歪み及び温度検出計１４は、予めメモリに記憶された図１５に示されるような所定の閾値ｔｈを用い、この閾値ｔｈと相互相関係数とを比較することによってレイリー周波数シフト量Δνｒの導出を試みる。
【０２０２】
この閾値ｔｈは、相互相関係数を得たときの参照レイリースペクトルの波形に対する対応レイリースペクトルの波形の周波数軸方向へのシフト量が０のときに最も小さな値となり、シフト量が大きくなるのに伴って大きな値となる。これは、シフト量が小さいときほど、所定の周波数の範囲内において、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との対応する部分のオーバーラップする部分が大きくなるため、両波形の一致度（相互相関係数の大きさ）がシフト量の大きなときに比べて低くても導出された相互相関係数の信頼度が高く、一方、シフト量が大きければ、両スペクトルの波形の対応する部分におけるオーバーラップする部分が小さくなるため、両波形の一致度（相互相関係数）が前記のシフト量の小さなときに比べて高くなければ前記シフト量の小さなときと同じ信頼度が得られないからである。
【０２０３】
具体的に、閾値ｔｈは、参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとの相互相関係数の信頼度に関する確率（誤警報確率）に基づくものであり、参照レイリースペクトルに対する対応レイリースペクトル（又は対応レイリースペクトルに対する参照レイリースペクトル）のシフト量ごとに誤警報確率が一定となるように定められている。ここで、誤警報確率とは、シフト量が正しい値でないときに（即ち、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との対応する部位同士が重なっていないときに）、相互相関係数の値が閾値を超える確率である。この誤警報確率は、参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとが無相関である場合を考えることにより、各シフト量における閾値ごとに理論的に求められる。従って、誤警報確率を指定することによりシフト量ごとの閾値が求められる（図１５の閾値ｔｈ参照）。
【０２０４】
このような閾値ｔｈを用いることで、各相対位置（各シフト量）での相互相関係数のグラフに多数のピークが現れていても、この閾値ｔｈと相互相関係数の値とを比較し、閾値ｔｈを超えた相互相関係数があれば（図１５の矢印α）、この相互相関係数が得られたときの参照レイリースペクトルの波形に対する対応レイリースペクトルの周波数軸方向へのシフト量をレイリー周波数シフト量Δνｒとして容易に導出することができる。
【０２０５】
また、レイリー周波数シフト量Δνｒをさらに確実に導出するため、参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとの相互相関係数の変わりに、参照レイリースペクトルの平方根と対応レイリースペクトルの平方根との相互相関係数を用いてもよい。即ち、歪み及び温度検出計１４は、参照レイリースペクトルの平方根と対応レイリースペクトルの平方根との相互相関係数をシフト量ごとにそれぞれ求め、各シフト量において誤警報確率が一定となる閾値ｔｈを超える相互相関係数のピーク位置からレイリー周波数シフト量Δνｒを導出するよう構成されてもよい。この場合には、参照レイリースペクトルの平方根と対応レイリースペクトルの平方根とが互いに無相関であった場合の相互相関係数のレベルが下がることから誤警報確率が小さくなり、これによりシフト量ごとの誤警報確率を一定とする閾値ｔｈも低下する。その結果、正しいレイリー周波数シフト量Δνｒの検出の確実性が向上する。このようにスペクトル自体でなくその平方根を用いた方が誤警報確率が下がるのは、スペクトルの値の確率分布が指数分布になるのに対しその平方根の値の確率分布がレイリー分布となるため、分布の裾野（テール）において指数分布の方が長くなるからである。
【０２０６】
このように、レイリー周波数シフト量Δνｒが参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて比較的大きな場合に、歪み及び温度検出計１４は、上記のような閾値ｔｈを用いてレイリー周波数シフト量Δνｒの検出を行う。
【０２０７】
しかし、歪み及び温度検出計１４は、上記のような閾値ｔｈを用いても、レイリー周波数シフト量Δνｒを導出できない場合（複数の相互相関係数が閾値ｔｈを超えた場合や、一つも超えなかった場合等）もある。その場合には、歪み及び温度検出計１４において、さらに以下のようにしてレイリー周波数シフト量Δνｒの導出が行われる。
【０２０８】
レイリー周波数シフト量Δνｒを計測（導出）するときには、既に、ステップＳ１９において、ブリルアン周波数シフト量Δνｂが計測（導出）されている。ここで、同じ検出用光ファイバ１５から得られる光の散乱光を用いて計測を行っていることから、ブリルアン周波数シフト量Δνｂとレイリー周波数シフト量Δνｒとの間には所定の対応関係が有る。そこで、歪み及び温度検出計１４は、閾値ｔｈを用いてもレイリー周波数シフト量Δνｒを導出できなかった場合には、既に、導出されているブリルアン周波数シフト量Δνｂを利用してレイリー周波数シフト量Δνｒの導出を試みる。
【０２０９】
具体的に、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ２０（第１実施形態においてはステップＳ３）においてブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推測するときに用いた以下の式（１３）及び式（１４）を利用して、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との相対位置（本実施形態では、参照レイリースペクトルの波形に対する対応レイリースペクトルの波形の周波数軸方向へのシフト量）と、相互相関係数との関係を示す図１６（Ａ）における走査範囲Ｓａを決定し、この走査範囲Ｓａに基づく走査範囲Ｓａ１（図１６（Ｂ）参照）内でレイリー周波数シフト量Δνｒを求める。
【０２１０】
Δνｂ＝Ｂ１１×Δε＋Ｂ１２×ΔＴ  …（１３）
【０２１１】
Δνｒ＝Ｒ１１×Δε＋Ｒ１２×ΔＴ  …（１４）
【０２１２】
詳細には、歪み及び温度検出計１４は、これら式（１３）及び式（１４）において、まず、すべての変化が温度の影響によるものと仮定する。これにより、
Δνｒ＝（Ｒ１１／Ｂ１１）Δνｂ  …（１７）
が得られる。
【０２１３】
次に、歪み及び温度検出計１４は、すべての変化が歪みの影響によるものと仮定する。これにより、
Δνｒ＝（Ｒ１２／Ｂ１２）Δνｂ  …（１８）
が得られる。
【０２１４】
歪み及び温度検出計１４は、得られた式（１７）に、ステップＳ１９で計測されたブリルアン周波数シフト量Δνｂの値と、Ｂ１１、Ｒ１１の具体的な値（例えば、第１実施形態では、Ｂ１１≒０．０５×１０−３ＧＨｚ／με、Ｒ１１≒−０．１５ＧＨｚ／με、）を代入して走査範囲Ｓａの下限値（図１６（Ａ）における左側の実線）を導出すると共に、得られた式（１８）にブリルアン周波数シフト量Δνｂの値と、Ｂ１２、Ｒ１２の具体的な値（例えば、第１実施形態では、Ｂ１２≒１．０７×１０−３ＧＨｚ／℃、Ｒ１２≒−１．２５ＧＨｚ／℃）を代入して走査範囲Ｓａの上限値（図１６（Ａ）における右側の実線）を導出する。このように走査範囲Ｓａの上限値と下限値とが決定した後、歪み及び温度検出計１４は、誤差を考慮して所定の測定マージン（図１６（Ａ）における点線）を付加する。歪み及び温度検出計１４は、このように所定の測定マージンを含む走査範囲Ｓａ１の範囲内において、最も相互相関係数が大きな相対位置（シフト量）の値を求め、この相対位置の値をレイリー周波数シフト量Δνｒとして導出する。
【０２１５】
尚、歪み及び温度検出計１４は、このように閾値ｔｈを用いた方法や、既に得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂの値及び式（１３）、式（１４）を用いた方法に限定される必要はなく、他の方法を用いて、又は上記の方法及び他の方法の両方を順に用いて、ノイズを多く含むデータ（参照レイリースペクトル及び対応レイリースペクトル）からレイリー周波数シフト量Δνｒを導出するように構成されてもよい。
【０２１６】
以上のようにして、ステップＳ２４において、レイリー周波数シフト量Δνｒがそれぞれ導出（計測）されると、最後に、ステップＳ２５において、歪み及び温度検出計１４は、上記の処理により得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂとレイリー周波数シフト量Δνｒとから、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部位における歪みと温度とを検出する。
【０２１７】
上記の構成により、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳでは、検出用光ファイバ１５が長く、あるいは温度変化、歪み変化が大きく、これにより計測状態において実測位置と計測希望位置とのずれが大きくても、このずれに関する補正量をブリルアン後方散乱光から導出し、この補正量を利用することで、ブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量を精度よく検出することができる。また、特にこの補正量を利用することにより、レイリー周波数シフト量の検出（レイリー計測）を確実に行うことが可能となる。これは、レイリースペクトルがメインパルス光の幅に強く依存するため、メインパルス光の幅（本実施形態では１０ｃｍ）程度の精度で位置の補正（実測位置とこれに対応する計測希望位置との補正）を行わなければ、レイリー計測において参照状態と計測状態との相関が取れなくなるからである。
【０２１８】
例えば、検出用光ファイバ１５が３つの異なる状態のときに、それぞれブリルアンスペクトルのピーク周波数を計測すると、図１７（Ａ）に示す結果が得られた。この結果から、上記の構成のように補正量による補正を行うことなく、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを計測して計測対象物から検出用光ファイバ１５に加わる外力を求めると、図１７（Ｃ）の一点鎖線で示す結果となった。これに対し、図１７（Ａ）のように得られた結果を、上記の構成のように検出用光ファイバ１５の伸縮に伴う実測位置と計測希望位置とのずれを補正する補正量を求めて補正することで、図１７（Ｂ）に示す結果が得られた。この結果を用いてブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを計測して計測対象物から検出用光ファイバ１５に加わる外力を求めることで、図１７（Ｃ）の実線で示す結果が得られる。この図１７（Ｃ）からも明らかなように、検出用光ファイバ１５の伸縮に伴う実測位置と計測希望位置とのずれを補正することにより、前記伸縮に起因するノイズが減り、振れの少ない結果が得られた。
【０２１９】
なお、図１に示す構成の分布型光ファイバセンサＦＳは、その構成要素の一部によって、ＢＯＴＤＲを構成することも可能である。
【０２２０】
図１８は、図１に示す分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。なお、図１８においては、ＢＯＴＤＲを構成するために必要なブロックのみを図示しており、一部のブロックの図示を省略している。
【０２２１】
図１８において、ＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳは、第１光源１と、光パルス生成部３と、光スイッチ４と、光カプラ５と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７と、光コネクタ９と、第１ＡＴＣ１０と、第１ＡＦＣ１１と、制御処理部１３と、歪み及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５とを備えて構成されている。なお、図１８では、第１光源１と光パルス生成部３との間に介在する光カプラ２、及び、光サーキュレータ７と光コネクタ９との間に介在する光カプラ８は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳをＢＯＴＤＲに構成した場合では、実質的に機能しないので、その図示を省略し、また、図示を省略した１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と歪み及び温度検出計１４とを接続している。
【０２２２】
ＢＯＴＤＲの場合では、歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。
【０２２３】
歪み及び温度検出計１４の入力端子から入射された各入射光は、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。このとき、光バンドパスフィルタ（以下、「光ＢＰＦ」と略記する。）が用いられ、この光ＢＰＦは、狭い所定の透過周波数帯域の光部品、すなわち、狭い所定の周波数帯域の光を透過するとともに、この所定の周波数帯域を除く帯域の光を遮断する光部品であり、例えば、以下の狭線幅光バンドパスフィルタが用いられる。
【０２２４】
図１９は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。図１９（Ａ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの構成を示すブロック図であり、図１９（Ｂ）乃至（Ｄ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの動作を説明するための図である。
【０２２５】
光サーキュレータ７から歪み及び温度検出計１４の入力端子へ入射された入射光は、例えば、図１９に示す光ＢＰＦによってフィルタリングされ、自然ブリルアン散乱現象に係る光が抽出される。また、入射光は、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。
【０２２６】
光ＢＰＦ３１０は、例えば、図１９（Ａ）に示すように、第１ファブリペローエタロンフィルタ（以下、「ＥＦ」と略記する。）３１１と、第１ＥＦ３１１に光学的に接続される第２ＥＦ３１２とを備えて構成される。第１ＥＦ３１１は、図１９（Ｂ）に示すように、その半値全幅ＦＷＨＭ１が、光ＢＰＦ３１０における所定の透過周波数帯域に相当する周波数幅であるように設定されるとともに、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ１の一つが、光ＢＰＦ３１０における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。
【０２２７】
第２ＥＦ３１２は、図１９（Ｃ）に示すように、そのＦＳＲ（Free Spectral
Range、フリースペクトラムレンジ）２が光パルス（サブ光パルス及びメイン光パルス）の周波数と自然ブリルアン後方散乱光の周波数との間の周波数間隔より広くなるように設定されるとともに、その透過周波数帯域が第１ＥＦ３１１の透過周波数帯域を含むようにするために、その半値全幅ＦＷＨＭ２が第１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１以上に設定され、そして、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ２の一つが光ＢＰＦ３１０における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。
【０２２８】
このような構成の光ＢＰＦ３１０では、第１ＥＦ３１１で、所定の透過周波数帯域に相当する周波数の光が透過する。すなわち、第１ＥＦ３１１のＦＳＲ１毎に半値全幅ＦＷＨＭ１に相当する周波数の光が透過する。そして、第１ＥＦ３１１を透過した光は、第２ＥＦ３１２で、第１ＥＦ３１１の中心周波数ｆａ１の透過周波数帯域に相当する周波数の光のみが透過する。このため、このような構成の狭帯域な光ＢＰＦ３１０の透過周波数特性は、図１９（Ｂ）に示す第１ＥＦ３１１の透過周波数特性と図１９（Ｃ）に示す第２ＥＦ３１２の透過周波数特性とを合成した特性となり、図１９（Ｄ）に示すように、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａが周波数ｆａ１（＝ｆａ２）で、その半値全幅ＦＷＨＭが第１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１で、そして、そのＦＳＲが第２ＥＦ３１２のＦＳＲ２となる。なお、第１ＥＦ３１１と第２ＥＦ３１２とは、逆に光学的に接続されてもよい。
【０２２９】
また、ＢＯＴＤＲの場合では、制御処理部１３は、歪み及び温度検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の歪み及び温度の分布を高空間分解能で且つより遠距離まで測定するように、第１光源１、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１、光パルス生成部３、光スイッチ４及び光強度・偏光調整部６を制御する。
【０２３０】
このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳでは、第１光源１及び光パルス生成部３によって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスは、光スイッチ４、光カプラ５、光強度・偏光調整部６、光サーキュレータ７及び光コネクタ９を介して、検出用光ファイバ１５の一方端から入射される。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。検出用光ファイバ１５で自然ブリルアン散乱現象の作用を受けた光（自然ブリルアン後方散乱光）が検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、歪み及び温度検出計１４によって受光される。そして、歪み及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析（ＢＧain−ＯＴＤＲ）が行われ、ブリルアン周波数シフト量が検出される。なお、自然ブリルアン散乱現象に係る光は、自然ブリルアン後方散乱光である。
【０２３１】
このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳでも、光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
【０２３２】
図２０は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフト量を求める方法を説明するための図である。図２０の横軸は、ＭＨｚ単位で表す周波数であり、その縦軸は、ｍＷ単位で表すブリルアン・ゲインである。図２０（Ａ）は、第１乃至第３ブリルアンスペクトルを示し、図２０（Ｂ）は、全体から第２及び第３ブリルアンスペクトルを減算した結果を示す。そして、図２０（Ａ）の実線は、全体のブリルアンスペクトルである第１ブリルアンスペクトルであり、破線は、その構成要素である第２ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの和である。
【０２３３】
なお、本実施の形態に係るＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＦＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第１ブリルアンスペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第２ブリルアンスペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２３４】
あるいは、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第３ブリルアンスペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み温度を測定してもよい。
【０２３５】
このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。
【０２３６】
あるいは、例えば、図２０において、まず、分布型光ファイバセンサＦＳを上述のように動作させることによって、第１ブリルアンスペクトル（図２０（Ａ）の実線）を求める。次に、分布型光ファイバセンサＦＳを上述のように動作させることによって、第２及び第３ブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。次に、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトル（図２０（Ａ）の実線）と第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和（図２０（Ａ）の破線）との差（図２０（Ｂ））を求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２３７】
このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。
【０２３８】
また、本実施の形態に係るＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、サブ光パルス及びメイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、メイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２３９】
あるいは、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、サブ光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２４０】
このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。
【０２４１】
あるいは、第２及び第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトル及び第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２４２】
このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。
【０２４３】
次に、上記のような無変調のサブ光パルスとスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとからなる光パルスを用いた分布型光ファイバセンサＦＳにおける実験結果について説明する。この実験結果は、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みによるブリルアン周波数シフト量を測定した結果である。
【０２４４】
図２１は、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。図２１（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図２１（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図２１（Ａ）のｘ軸は、周波数（ＭＨｚ）であり、ｙ軸は、ブリルアンゲイン（ｎＷ）であり、ｚ軸は、検出用光ファイバ１５の長尺方向における距離（ｍ）である。図２１（Ｂ）の横軸は、検出用光ファイバ１５の長尺方向における距離（ｍ）であり、その縦軸は、ピーク周波数（ＭＨｚ）である。実線は、測定されたピーク周波数であり、破線は、ブリルアン周波数シフトである。
【０２４５】
本実験では、ポンプ光は、図６（Ａ）に示すように、パルス幅３０ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに連続して後続するパルス幅１２．７ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１２７個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調（符号化）され、スペクトル拡散符号化されている。
【０２４６】
検出用光ファイバ１５には、表１に示すように、ｚ＝１００ｃｍからｚ＝１０１ｃｍまでの第１区間、ｚ＝２００ｃｍからｚ＝２０２ｃｍまでの第２区間、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３０３ｃｍまでの第３区間、ｚ＝４００ｃｍからｚ＝４０４ｃｍまでの第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。
【０２４７】
【表１】
2010061718.tif 000015
【０２４８】
このような検出用光ファイバ１５にスペクトル拡散方式を一部に用いられたポンプ光を入射させ、測定すると、図２１（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図２１（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図２１に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みによるブリルアン周波数シフト量が測定されており、高精度且つ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。
【０２４９】
このようにメイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いても高精度且つ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
【０２５０】
なお、上述の実施の形態では、図６に示す態様のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）が用いられたが、これに限定されるものではなく、例えば、図２２に示す態様のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）が用いられてもよい。
【０２５１】
図２２は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の構成を説明するための図であり、図２２（Ａ）は、ポンプ光の他の第１構成を示し、図２２（Ｂ）は、ポンプ光の他の第２構成を示す。
【０２５２】
図６（Ａ）に示すポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度と同一レベルであったが、例えば、図２２（Ａ）に示すように、ポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さくてもよい。サブ光パルスは、上述したように、メイン光パルスに時間的に先行して音響フォノンを立ち上げる役割を果たすので、メイン光パルスのように大きな光強度が必要ではなく、メイン光パルスの光強度よりも小さくてよい。
【０２５３】
また、図６（Ａ）及び図２２（Ａ）に示す各ポンプ光は、サブ光パルスがメイン光パルスと重なることなくメイン光パルスに時間的に先行するように構成されたが、例えば、図２２（Ｂ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持っていてもよい。このような構成のポンプ光では、メイン光パルスに時間的に先行してサブ光パルスによって音響フォノンを立ち上げる観点から、メイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分がメイン光パルスに対して時間的に先行していることが好ましく、さらに、このメイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分が音響フォノンを完全に立ち上げる時間以上、例えば約３０ｎｓ以上であることがより好ましい。
【０２５４】
ここで、このようなスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、メイン光パルスと重なった部分を持つサブ光パルスとからなるポンプ光を分布型光ファイバセンサＦＳに用いた場合における実験結果について説明する。この実験結果は、図２１に示す実験結果と同様に、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みによるブリルアン周波数シフト量を測定した結果である。
【０２５５】
図２３は、図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。図２３（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図２３（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図２３（Ａ）及び（Ｂ）における各軸は、図２１（Ａ）及び（Ｂ）とそれぞれ同じである。
【０２５６】
本実験では、ポンプ光は、図２２（Ｂ）に示すように、パルス幅１３２．３ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに対し３０ｎｓだけ時間的に遅れてこのサブ光パルスと重なっているパルス幅１０２．３ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１０２３個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調され、スペクトル拡散符号化されている。
【０２５７】
検出用光ファイバ１５には、上述と同様に、表１に示すように、第１ないし第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。
【０２５８】
このような検出用光ファイバ１５に図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光を入射させ、測定すると、図２３（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図２３（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図２３に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みによるブリルアン周波数シフト量が測定されており、高精度且つ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。
【０２５９】
このようにサブ光パルスとメイン光パルスとに重なった部分が存在する場合でも、高精度且つ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
【０２６０】
さらに、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳに用いられるポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の態様について説明する。
【０２６１】
図２４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のさらに他の構成及び整合フィルタを説明するための図であり、図２４（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図２４（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。図２５は、図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。
【０２６２】
図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持ちつつメイン光パルスと重なった部分を持ったサブ光パルスと、メイン光パルスとから構成されたが、図２４（Ａ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持つことなくメイン光パルスと時間的に完全に一致するように重なったサブ光パルスと、メイン光パルスとから構成されてもよい。すなわち、サブ光パルスの立ち上がりタイミング及びその立ち下がりタイミングは、メイン光パルスの立ち上がりタイミング及びその立ち下がりタイミングとそれぞれ一致している。
【０２６３】
このような図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光は、例えば、図２５に示す構成の光パルス生成部３から生成することができる。図２５に示す構成の光パルス生成部３では、その構成は、図５に示す光パルス生成部３及び光スイッチ４の構成と一致し、その動作が、図５に示す光パルス生成部３の動作と異なるものである。このため、ここでは、その構成の説明を省略し、その動作について説明する。
【０２６４】
まず、図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、ＬＮ強度変調器１０１は、サブ光パルスを生成するために、所定のレベルの光（漏れ光）が漏れ出す（射出する）ように、オンされている。
【０２６５】
第１光源１から射出された連続光Ｌ１１（＝Ｌ１）は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。連続光Ｌ１１が入射されると、ＬＮ強度変調器１０１は、前記漏れ光を射出する。
【０２６６】
光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅Ｄの動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄの直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、連続光Ｌ１１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅Ｄの光パルスが漏れ光に重畳された光パルスＬ１２となって射出される。
【０２６７】
そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。これによって、光パルスＬ１２は、ＬＮ位相変調器１１１で、Ｍ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）が漏れ光に重畳された光パルスＬ１３となって射出される。
【０２６８】
そして、ＥＤＦＡ１２１では、前記光パルスＬ１３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ１４となって射出される。
【０２６９】
さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂ（＝メイン光パルスのパルス幅Ｄ）に相当するパルス幅Ｄｓｕｂ（＝Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄｓｕｂ（＝Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって、光パルスＬ１４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ１４に付随した自然放出光等のノイズが除去されるとともに、光パルスＬ１４の前後の漏れ光に起因する光（ＥＤＦＡ１２１で増幅された漏れ光）が除去され、パルス幅Ｄｓｕｂ（＝Ｄ）であって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄ（＝Ｄｓｕｂ）であってスペクトル拡散符号化されたメイン光パルスとから成り、サブ光パルス上にメイン光パルスが時間的に完全に一致して重なったポンプ光Ｌ１５となって射出される。
【０２７０】
これら図６（Ａ）、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）及び図２４（Ａ）に示す構成の光パルス（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、上述のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサでも、ＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサと同様に利用することが可能である。なお、ＢＯＴＤＲでは、上述したように、熱雑音によって励起されている音響フォノンを利用するため、サブ光パルスは、メイン光パルスに必ずしも時間的に先行する必要はない。もちろん、サブ光パルスがメイン光パルスよりも時間的に先行していてもよい。
【０２７１】
また、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）としては、さらに、上記特許文献１に記載される階段状パルスだけでなく、以下のようなパルスを用いてもよい。
【０２７２】
図２６は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。以下の各図の横軸は、ｎｓ単位で表す時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は、光強度である。図２６に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状（光強度Ｐが第１所定パルス幅Ｄ１間において第１所定光強度Ｐ１で一定）であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度Ｐ２の矩形形状（光強度Ｐが第２所定パルス幅Ｄ２間において第２所定光強度Ｐ２で一定）である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。
【０２７３】
例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、７ｎｓの時間が空けられている。
【０２７４】
図２７は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２７に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２で立ち上がって光強度Ｐが時間経過に従って徐々に減少する直角三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち上がりの光強度Ｐ２が０．００５である。
【０２７５】
図２８は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２８（Ａ）に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで時間経過に従って徐々に増加する直角三角形状であり、そして、第１光パルスＯＰｍが第２光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち下がりの光強度Ｐ２が最大光強度であって０．００５である。
【０２７６】
図２８（Ｂ）に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少する二等辺三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであってパルスの中央における最大光強度Ｐ２が０．００５である。
【０２７７】
図２８（Ｃ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少するガウス曲線形状である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって最大光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、４．５ｎｓの時間が空けられている。
【０２７８】
図２９は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２９に示す例では、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２のパルス幅及び光強度が同一であり、第１光パルスＯＰｗ１と第２光パルスＯＰｗ２との間には、所定時間が空けられている。例えば、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２は、パルス幅が１ｎｓであって、光強度が０．０６２であって、所定時間が５ｎｓである。
【０２７９】
なお、上述の実施の形態におけるＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＦＳでは、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の周波数が固定され、プローブ光（連続光）の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されたが、プローブ光の周波数が固定され、ポンプ光の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されてもよい。
【０２８０】
また、上述の実施の形態では、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）用の分布型光ファイバセンサと、ブリルアンスペクトラム時間領域反射分析（ＢＯＴＤＲ）用の分布型光ファイバセンサと、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）とが一体で実行可能なように分布型光ファイバセンサが構成されたが、ブリルアンスペクトラム時間領域分析が実行可能な分布型光ファイバセンサと、ブリルアンスペクトラム時間領域反射分析が実行可能な分布型光ファイバセンサと、レイリー散乱現象を利用する分布型光ファイバセンサとが、それぞれ別体で構成されてもよいし、一部が共用されてもよい。
【０２８１】
また、本実施の形態の分布型光ファイバセンサでは、セル幅は、任意の幅（秒）に設定することが可能である。上記の実験では、セル幅は、０．１ｎｓ（ナノ秒）に設定されたが、例えばピコ秒オーダ等のさらに短く設定することが可能である。したがって、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳは、ミリメートルオーダの超高分解能を実現することが可能であり、光学部品の歪み、例えば光導波路の歪みを計測することに適用することも可能である。
【０２８２】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施の形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施の形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【０２８３】
以上説明した本発明をまとめると以下の通りである。
【０２８４】
すなわち、本発明に係る分布型光ファイバセンサは、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、ブリルアン散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量とから、前記光ファイバに生じた歪みと温度とを算出する算出手段とを備えることを特徴とする。
【０２８５】
この分布型光ファイバセンサによれば、ブリルアン散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、２つの周波数シフト量を用いて光ファイバに生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、光ファイバが付設された計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。
【０２８６】
また、前記発明のレイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で前記パルス光を掃引してレイリー後方散乱光を計測することによりレイリー周波数シフト量を計測することも可能である。
【０２８７】
この場合、計測されたブリルアン周波数シフト量からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲でパルス光を掃引してレイリー後方散乱光を計測しているので、必要十分な狭い掃引範囲でパスル光を掃引し、ブリルアン周波数シフト量の感度に比して非常に高い感度を有するレイリー周波数シフト量を短時間で計測することが可能となる。
【０２８８】
また、前記発明のレイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが温度によるシフト量であるとしたときの温度の変化量から算出した第１のレイリー周波数シフト量を第１の周波数とするとともに、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが歪みによるシフト量であるとしたときの歪みの変化量から算出した第２のレイリー周波数シフト量を第２の周波数とし、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を基に前記掃引範囲を決定することも可能である。
【０２８９】
この場合、計測されたブリルアン周波数シフト量から、レイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を容易に且つ短時間で決定することができるので、ブリルアン周波数シフト量の感度に比して非常に高い感度を有するレイリー周波数シフト量をより短時間で計測することが可能となる。
【０２９０】
また、前記発明の前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルと前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルとの相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することが可能である。
【０２９１】
この場合、相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値を用いることで、光ファイバ内に歪み及び温度が不均一に生じ、これにより相互相関係数のピークが複数現れても、これら複数のピークと閾値とを比較することにより、相互相関係数の正しいピークを選択することが可能となる。
【０２９２】
また、前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根と前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根との相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することが可能である。
【０２９３】
このようにスペクトル自体ではなくスペクトルの平方根を用いることで互いに無相関であった場合の相互相関係数のレベルが低下するため、相互相関係数の複数のピークから正しいピークをより確実に選択することが可能となる。
【０２９４】
また、前記発明のブリルアン計測手段又はレイリー計測手段の一方の計測手段は、前記光ファイバ中を伝播する光の移動時間に基づいて定まる実測位置と、前記光ファイバの伸縮に伴って前記実測位置からずれる当該光ファイバ上の計測希望位置とに関する補正量を導出すると共に、この補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の一方を計測し、他方の計測手段は、前記一方の計測手段により導出された補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の他方を計測することが可能である。
【０２９５】
この場合、実際に計測されるブリルアン後方散乱光（又はレイリー後方散乱光）の生じた光ファイバ中の位置（実測位置）と、ブリルアン周波数シフト量（又はレイリー周波数シフト量）の導出のためにブリルアン後方散乱光（又はレイリー後方散乱光）の計測値を得たい光ファイバにおける位置（計測希望位置）とのずれが大きくても、このずれに関する補正量を前記ブリルアン後方散乱光（又はレイリー後方散乱光）から導出し、この補正量を用いることで、ブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量を精度よく導出することが可能となる。
【０２９６】
また、前記発明のブリルアン計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光と、前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光とを用いて前記補正量を導出することが可能である。
【０２９７】
この場合、前記計測状態の光ファイバから計測したブリルアン後方散乱光の光強度の分布（計測値）と、前記参照状態の光ファイバから計測したブリルアン後方散乱光の光強度の分布（計測値）とからそれぞれピーク周波数を容易に且つ高精度に導出することができ、これら各計測状態でのピーク周波数に基づくことにより前記補正量を容易且つ高精度に導出することが可能となる。
【０２９８】
また、前記発明のブリルアン計測手段は、前記参照状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた参照用計測値を格納する記憶部と、前記記憶部に格納されている前記参照用計測値と前記計測状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいて前記補正量を導出する補正量導出部とを備えることが可能である。
【０２９９】
この場合、光ファイバを計測対象物に付設した後に計測された参照計測値を格納しておくことができるため補正量をより高精度に導出でき、その結果、当該光ファイバが付設された計測対象物の歪と温度とを精度よく計測することが可能となる。
【０３００】
また、前記発明の実測位置は、前記光ファイバの長尺方向に沿って間隔をおいて複数設定され、前記記憶部には、前記参照状態の光ファイバの各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた複数の参照用計測値が格納され、前記補正量導出部は、前記参照状態の光ファイバにおいて長尺方向の一部に参照領域を設定し、前記記憶部に格納されている前記参照領域内の実測位置の参照用計測値と、前記計測状態の光ファイバにおける各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られる計測値とに基づいて前記補正量を導出することが可能である。
【０３０１】
この場合、前記参照状態の光ファイバの長尺方向の一部に参照領域を設定し、この領域内に含まれる実測位置から得られた測定値と、前記計測状態の光ファイバから得られた前記計測値とに基づいて前記補正量を導出することで、前記参照状態の光ファイバから得られた全ての計測値と前記計測状態の光ファイバから得られた全ての計測値とに基づいて補正量を導出する場合に比べ、確実に且つ短時間で補正量を導出することが可能となる。
【０３０２】
また、この参照領域を光ファイバの長尺方向に沿って順次ずらすことで、光ファイバの長さに関わらず当該光ファイバの全ての実測位置に対する補正量の導出も確実に行うことが可能となる。
【０３０３】
また、前記発明のブリルアン計測手段は、前記計測状態の光ファイバの各実測位置からの前記ブリルアン後方散乱光から得られた計測値に基づき、これら複数の計測値が前記光ファイバの長尺方向において連続するように前記長尺方向に互いに隣り合う実測位置の計測値間を補間する補間部と、前記補正量導出部で導出された補正量に基づいて、前記参照領域内に含まれる複数の実測位置から各実測位置に対応する前記計測希望位置をそれぞれ導出し、この計測希望位置と前記補間部で補間された値とに基づいて各計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られる推定計測値を推定する推定部と、前記推定部により推定された推定計測値と、前記推定計測値が推定された計測希望位置に対応する前記参照状態の光ファイバの実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいてブリルアン周波数シフト量を導出するシフト量導出部とをさらに備えることが可能である。
【０３０４】
この場合、光ファイバの長尺方向に離散的にしか得られない複数の計測値間が補間されることで、実測位置に対応する計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られる計測値の推定を容易に行うことが可能となる。
【０３０５】
また、前記発明の分布型光ファイバセンサは、光の偏光面をランダムに変更する偏波制御手段をさらに備え、前記ブリルアン計測手段及び前記レイリー計測手段は、前記偏波制御手段を誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用することも可能である。
【０３０６】
この場合、誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に偏波制御手段を共用しているので、分布型光ファイバセンサの構成を簡略化して装置コストを低減することが可能となる。
【０３０７】
また、前記発明のブリルアン計測手段は、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・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ブリルアン計測部とを備えることが可能である。
【０３０８】
この場合、分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＡとして機能させることができ、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することが可能となる。
【０３０９】
また、前記発明のブリルアン計測手段は、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・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ブリルアン計測部とを備えることが可能である。
【０３１０】
この場合、分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲとして機能させることができ、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０３１１】
以上のように、本発明に係る分布型光ファイバセンサは、被検査対象物の歪みと温度とを計測する分布型光ファイバセンサに有用であり、被検査対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測するのに適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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