(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音波検出装置であって、
光パルスを前記光ファイバの一端から当該光ファイバ内に入射させる光パルス射出部と、
前記光パルスの入射によって前記光ファイバ内に生じるレイリー散乱光を受信するレイリー散乱光受信部と、を備え、
前記光パルス射出部は、前記光ファイバの長さ寸法に基づく所定長さを有し、且つ、前記光パルスが所定の幅の複数のセルに分割されるような符号系列を用いて変調された前記光パルスを出力し、
前記レイリー散乱光受信部は、前記光パルス射出部における変調に対応する復調を前記レイリー散乱光に行い、この復調の行われた前記レイリー散乱光からその位相変化を求める位相変化導出部と、前記位相変化導出部により求められた位相変化から前記光ファイバに衝突した音波を求める音波検出部と、を有する分布型光ファイバ音波検出装置において、
前記光パルス射出部は、所定の周波数の光パルスを出力する光源部と、前記光源部から出力される光パルスを前記符号系列によって位相変調する変調部と、を有し、
前記光源部は、第１の光パルスと第２の光パルスとを出力し、
前記変調部は、自己相関関数の和がδ関数となるような第１の符号系列及び第２の符号系列からなる一対の符号系列を用い、前記第１の符号系列によって前記第１の光パルスを位相変調すると共に前記第２の符号系列によって前記第２の光パルスを位相変調する位相変調部と、前記位相変調部においてそれぞれ位相変調された第１の光パルスと第２の光パルスとを一つの光パルスに合成する合成部と、を有し、
前記位相変化導出部は、前記レイリー散乱光を前記第１の光パルスに対応する第１のレイリー散乱光と前記第２の光パルスに対応する第２のレイリー散乱光とに分離する分離部と、この分離部によって分離された第１のレイリー散乱光に対して前記第１の符号系列に対応する復調を行うと共に、前記分離された第２のレイリー散乱光に対して前記第２の符号系列に対応する復調を行う復調部と、これら復調された第１及び第２のレイリー散乱光から前記位相変化を求める導出部と、を有することを特徴とする分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項２】
前記セルの幅は、前記音波の検出における前記光ファイバの長手方向の分解能に基づいている、請求項１に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項３】
前記光源部は、直線偏光の光パルスを出力する光源と、前記光源から出力される光パルスを、直線偏光を維持したままで前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとに分光して出力する分光部と、を有し、
前記合成部は、偏光方向が互いに直交した状態で前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとを合成する、請求項１に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項４】
前記光パルスの位相を測定して当該光パルスにおける前記光源に起因する位相の変化を検出する位相測定部を備え、
前記復調部は、前記位相測定部により検出された位相の変化に基づいてそれぞれ補正された前記第１のレイリー散乱光及び前記第２のレイリー散乱光の復調を行う、請求項３に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項５】
前記光源部は、前記第１の光パルスを出力する第１光源と、前記第２の光パルスを出力する第２光源と、を有し、
前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとは互いに波長が異なる、請求項１に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項６】
前記第１の光パルスの位相を測定して当該第１の光パルスにおける前記第１の光源に起因する位相変化を検出する第１の位相測定部と、前記第２の光パルスを測定して当該第２の光パルスにおける前記第２の光源に起因する位相変化を検出する第２の位相測定部と、を備え、
前記復調部は、前記第１の位相測定部により検出された位相変化に基づいて補正された前記第１のレイリー散乱光と、前記第２の位相測定部により検出された位相変化に基づいて補正された前記第２のレイリー散乱光と、の復調をそれぞれ行う、請求項５に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項７】
前記光源部は、前記光ファイバによって検出する音波の周波数に基づく第１の時間間隔で前記光パルスを出力し、
前記変調部は、前記光源部から出力される光パルス毎に異なる符号系列によって位相変調する、請求項１に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【請求項８】
前記光パルス射出部は、前記光源部と前記変調部とを有する複数のパルスユニットを備え、
各パルスユニットから出力される前記光パルスは、互いに異なる周波数であり、
これら複数のパルスユニットは、各パルスユニットが前記光パルスを前記第１の時間間隔で出力しつつ、各パルスユニット間の光パルスの出力タイミングが前記第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔だけずれるように順に光パルスを出力する、請求項７に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
【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、その長手方向の各領域に到達した音波を高感度かつ高精度で検出し得る分布型光ファイバ音波検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバにプローブ光を入射させることにより生じるレイリー後方散乱光（以下、単に「レイリー散乱光」と称する。）を利用して当該光ファイバの線路特性（光ファイバの損失や破断点の位置等）や当該光ファイバの長手方向についての歪みの分布測定を行う光ファイバセンシング技術として、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）とよばれる方法がある。
【０００３】
このＯＤＴＲにおいて、例えば、線路特性を測定する方法としては、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、光ファイバ内にプローブ光が入力（入射）され、これによって光ファイバ内において生じたレイリー散乱光に基づいて線路特性が測定される。
【０００４】
具体的には、光ファイバの一方の端部（入力端）から光パルスがプローブ光として入力（入射）される。この光パルスの入力によって光ファイバの長手方向の各領域において発生し、入力端に戻ってきたレイリー散乱光が測定される。このように測定されたレイリー散乱光の強度と当該レイリー散乱光の生じた位置とから、光ファイバの線路特性が測定される。ここで、レイリー散乱が生じた光ファイバの長手方向における位置は、入力端から入力された光パルスが光ファイバ中で散乱して入力端に戻ってくるまでの往復時間に基づいて特定される。
【０００５】
また、ＯＴＤＲにおいて、例えば、光ファイバの長手方向についての歪みの分布測定を行う方法としては、光ファイバに歪みが生じたときにこの歪みが発生した領域において生じるレイリー散乱光の周波数シフトを利用した方法が知られている。
【０００６】
この方法では、光ファイバの入力端から光パルスが入力（入射）される。そして、この光パルスの入力によって光ファイバの長手方向の各領域において発生し、入力端に戻ってきたレイリー散乱光がそれぞれ測定される。この測定されたレイリー散乱光は、光ファイバに圧力が加わって当該光ファイバ内に歪が生じると、当該歪みの発生した領域において生じたレイリー散乱光の周波数がシフトしているため、初期状態（前記圧力が加わっていない状態）の光ファイバ内で生じるレイリー散乱光に比べて位相が変化している。この位相変化から、光ファイバに加わる圧力を検出することができる。このとき、光パルスの入力を多数回行って前記各領域でのレイリー散乱光の平均を求めることにより、前記位相変化が精度よく得られる。
【０００７】
このように、上記のＯＴＤＲでは、光ファイバの長手方向の各領域におけるレイリー散乱光の位相変化を検出し、この位相変化に基づくことによって、光ファイバの長手方向の各領域における歪み（光ファイバに加わる圧力）を高感度且つ高精度に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２３６５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のレイリー散乱光の位相変化を利用する方法によれば、光ファイバの長手方向の各領域に生じた歪みを高感度且つ高精度に検出することができるため、当該方法を利用して光ファイバの前記各領域に衝突（到達）した音波を検出することが考えられた。
【００１０】
具体的には、或る音波が気体や液体、固体等の媒質中を伝播して光ファイバに到達、即ち、衝突すると、光ファイバに極僅かな歪みが生じる。この歪みは、光ファイバに衝突した音波の周波数や振幅等に依存する。そこで、光ファイバの前記各領域に生じたこの歪みを上記の位相変化を利用する方法によって検出し、これを解析することによって、前記音波（周波数や振幅等）の検出や、前記音波の発信源の位置の特定等を行うことが可能となる。
【００１１】
上記の方法では、光ファイバに入力されるプローブ光（光パルス）のパルス幅によって、光ファイバの長手方向の各領域において音波を検出する場合の当該長手方向における分解能（長手方向分解能）が決まる。例えば、光ファイバの長手方向に間隔をおいた二点に衝突した音波をそれぞれ検出する場合、前記間隔がプローブ光のパルス幅よりも小さいと、導出したレイリー散乱光の位相変化が前記二点のうちのいずれの点に衝突した音波によって生じたかの区別ができない。このため、高い長手方向分解能を実現するには、パルス幅を小さくする必要がある。
【００１２】
しかし、プローブ光のパルス幅を小さくすると各光パルスのエネルギーが減少し、これにより、光ファイバの各領域で散乱されて入力端に戻ってくる散乱光の信号強度が低下する。
【００１３】
しかも、上記の位相変化を利用する方法では、短い時間では変動しない歪み（光ファイバの歪み）を検出しているため、光ファイバの各領域で生じたレイリー散乱光をそれぞれ多数回測定し、その平均を利用して前記各領域におけるレイリー散乱光の位相変化を精度よく求めているが、音波の衝突による光ファイバの歪みは極短時間で変動するため、前記各領域で生じたレイリー散乱光を多数回測定してその平均を利用する方法を用いることができない。
【００１４】
このように、上記の位相変化を利用する方法では、音波を精度よく検出することが極めて困難であった。
【００１５】
本発明の目的は、音波を高感度且つ高精度に検出すると共に高い分解能を実現することが可能な分布型光ファイバ音波検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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音波検出装置であって、光パルスを前記光ファイバの一端から当該光ファイバ内に入射させる光パルス射出部と、前記光パルスの入射によって前記光ファイバ内に生じるレイリー散乱光を受信するレイリー散乱光受信部と、を備え、前記光パルス射出部は、前記光ファイバの長さ寸法に基づく所定長さを有し、且つ、前記光パルスが所定の幅の複数のセルに分割されるような符号系列を用いて変調された前記光パルスを出力し、前記レイリー散乱光受信部は、前記光パルス射出部における変調に対応する復調を前記レイリー散乱光に行い、この復調の行われた前記レイリー散乱光からその位相変化を求める位相変化導出部と、前記位相変化導出部により求められた位相変化から前記光ファイバに衝突した音波を求める音波検出部と、を有する分布型光ファイバ音波検出装置において、前記光パルス射出部は、所定の周波数の光パルスを出力する光源部と、前記光源部から出力される光パルスを前記符号系列によって位相変調する変調部と、を有し、前記光源部は、第１の光パルスと第２の光パルスとを出力し、前記変調部は、自己相関関数の和がδ関数となるような第１の符号系列及び第２の符号系列からなる一対の符号系列を用い、前記第１の符号系列によって前記第１の光パルスを位相変調すると共に前記第２の符号系列によって前記第２の光パルスを位相変調する位相変調部と、前記位相変調部においてそれぞれ位相変調された第１の光パルスと第２の光パルスとを一つの光パルスに合成する合成部と、を有し、前記位相変化導出部は、前記レイリー散乱光を前記第１の光パルスに対応する第１のレイリー散乱光と前記第２の光パルスに対応する第２のレイリー散乱光とに分離する分離部と、この分離部によって分離された第１のレイリー散乱光に対して前記第１の符号系列に対応する復調を行うと共に、前記分離された第２のレイリー散乱光に対して前記第２の符号系列に対応する復調を行う復調部と、これら復調された第１及び第２のレイリー散乱光から前記位相変化を求める導出部と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、所定の符号系列を用いて変調が行われた光パルス（プローブ光）を光ファイバに入射させると共に、この光パルスによって光ファイバ内に生じたレイリー散乱光に前記変調に対応する復調を行う（即ち、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行う）ことにより、小さなパルス幅（セルの幅に相当するパルス幅）で且つ強い信号強度を持った光パルスを用いて音波の検出を行ったのと同等の効果が得られる。これにより、長尺な光ファイバの長手方向の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができると共に、前記長手方向における高い分解能（以下、単に「長手方向分解能」とも称する。）を実現することができる。
【００１８】
具体的には、所定長さ（光ファイバの長さ寸法に基づく所定長さ）の符号系列を用いて光パルスを変調することにより、光ファイバに入射した光パルスにおいて、音波を検出するための十分なエネルギーを確保することができる。詳しくは、以下の通りである。
【００１９】
長い符号系列によって変調される光パルスのパルス幅は、この符号系列の長さに応じて大きく、そのため、長い符号系列によって変調される光パルスほど大きなエネルギーを有する。そこで、光ファイバの入力端（光パルスを入射させる端部）と反対側の端部近傍で生じたレイリー散乱光を受信したときに、音波の検出に必要な信号強度が十分確保される長さの符号系列によって変調された光パルスを音波の検出に用いる。これにより、長尺な光ファイバの長手方向のいずれの位置で生じたレイリー散乱光を受信しても、このレイリー散乱光が音波の検出に必要な（十分な）信号強度を有しているため、長尺な光ファイバの長手方向の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができる。
【００２０】
しかも、変調によって光パルスが複数のセルに分割されていると、当該光パルスによって光ファイバ内にレイリー散乱光が生じたときに、このレイリー散乱光の各セルが当該レイリー散乱の生じた部位の歪み情報をそれぞれ含む（有する）こととなり、その結果、一つの光パルスによる測定で多くの歪み情報が得られる。即ち、受信したレイリー散乱光を復調することによって各セルに含まれる歪み情報が集約されるため、多数（セルの数に相当する数）の光パルスを用いて前記レイリー散乱が生じた部位の歪みを測定したのと同程度の歪み情報を得ることができる。このように、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行うことによって、一つの光パルスによって生じたレイリー散乱光から当該レイリー散乱光の生じた光ファイバの部位における十分な量の歪み情報が得られる。その結果、音波が衝突することによって光ファイバに生じ、極短時間で変化する歪みであっても、これを精度よく検出することが可能となる。
【００２１】
さらに、変調によって光パルスが所定の幅の複数のセルに分割されることにより、前記セルの幅と同じパルス幅の光パルスを用いて測定した場合と同じ長手方向分解能を得ることも可能となる。即ち、光パルスを上記のような所定長さの符号系列に対応する数のセルに分割することにより、当該光パルスの有するエネルギーを十分に確保して光ファイバにおける入力端から離れた位置に衝突した音波の検出を可能にしつつ、セル幅に応じた高い長手方向分解能を実現することが可能となる。
【００２２】
具体的には、光ファイバの長手方向に間隔をおいた二点においてそれぞれ音波を検出する場合、複数のセルに分割されていない光パルス（シングルパルス）では、この二点間の間隔よりもパルス幅を短くしなければ、各点において生じたレイリー散乱光を受信したときに何れの点で生じたレイリー散乱光かを区別することができない。ここで、光パルスが所定の符号系列を用いた変調によって複数のセルに分割されると、上記のように各セルがパルス幅の小さな光パルスと同じ働きをする。このため、光パルスを、符号系列を用いた変調によって幅の小さな複数のセルに分割することによって、前記各点において生じたレイリー散乱光を区別することが可能となり、これにより、これら各点において生じたレイリー散乱光の位相変化をそれぞれ検出することが可能となる。その結果、前記各点に衝突した音波をそれぞれ検出することができる、即ち、高い長手方向分解能を実現することができる。
【００２３】
また、上記のように光パルスを幅の小さな複数のセルに分割することによって、周波数の高い音波の検出も可能となる。
【００２４】
高い周波数の音波を検出するためには、シングルパルスの場合、この高い周波数の音波が一周期で進む距離よりも短いパルス幅の光パルスを用いて測定しなければならない。ここで、光パルスが所定の符号系列を用いた変調によって複数のセルに分割されると、上記のように各セルがパルス幅の小さな光パルスと同じ働きをする。このため、光パルスを、符号系列を用いた変調によって幅の小さな複数のセルに分割することによって、各セルの幅に対応する高い周波数の音波の検出が可能となる。
【００２５】
尚、前記分布型光ファイバ音波検出装置の光パルス射出部における前記変調は、位相変調でもよく、また、強度変調でもよい。即ち、前記光パルス射出部は、前記符号系列を用いて位相変調されることによって前記複数のセルに分割された光パルスを出力してもよく、また、前記光パルス射出部は、前記符号系列を用いて強度変調されることによって前記複数のセルに分割された光パルスを出力してもよい。いずれの変調であっても、光パルスが複数のセルに分割され、これにより、高感度且つ高精度な音波の検出が可能になると共に、光ファイバでの音波の検出における高い長手方向分解能が実現される。
【００２６】
前記分布型光ファイバ音波検出装置では、前記セルの幅は、前記音波の検出における前記光ファイバの長手方向の分解能に基づいて設定され、この設定された幅のセルが形成されるような符号系列によって光パルスが変調される。
【００２７】
上記のような符号系列を用いたパルス圧縮を行う場合、光ファイバにおけるレイリー散乱光が生じた部位の十分な量の歪み情報が一つの光パルスによって得られるため、光ファイバに入射させる光パルスの周波数をスイープ（掃引）して測定する必要がない。そのため、前記分布型光ファイバ音波検出装置において、前記光パルス射出部が、所定の周波数の光パルスを出力する光源部と、前記光源部から出力される光パルスを前記符号系列によって位相変調する変調部と、を有するように構成されてもよい。即ち、光パルス射出部において、出力する光パルスの周波数が可変な光源部に比べて簡素な構成の光源部を用いても、長尺な光ファイバの長手方向の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができると共に、高い長手方向分解能を実現することができる。
【００２８】
また、上記のパルス圧縮を行う場合、前記光源部は、第１の光パルスと第２の光パルスとを出力し、前記変調部は、自己相関関数の和がδ関数となるような第１の符号系列及び第２の符号系列からなる一対の符号系列を用い、前記第１の符号系列によって前記第１の光パルスを位相変調すると共に前記第２の符号系列によって前記第２の光パルスを位相変調する位相変調部と、前記位相変調部においてそれぞれ位相変調された第１の光パルスと第２の光パルスとを一つの光パルスに合成する合成部と、を有し、前記位相変化導出部は、前記レイリー散乱光を前記第１の光パルスに対応する第１のレイリー散乱光と前記第２の光パルスに対応する第２のレイリー散乱光とに分離する分離部と、この分離部によって分離された第１のレイリー散乱光に対して前記第１の符号系列に対応する復調を行うと共に、前記分離された第２のレイリー散乱光に対して前記第２の符号系列に対応する復調を行う復調部と、これら復調された第１及び第２のレイリー散乱光から前記位相変化を求める導出部と、を有することが好ましい。
【００２９】
このように自己相関関数の和がδ関数となるような一対の符号系列を用いたパルス圧縮を行うことにより、分離部において分離された一対のレイリー散乱光（第１のレイリー散乱光及び第２のレイリー散乱光）から位相変化を求めるときに、この一対のレイリー散乱光以外のレイリー散乱光の影響を排除することができる。これにより、音波の高感度かつ高精度な検出をより確実に行うことができる。
【００３０】
この場合、前記光源部は、直線偏光の光パルスを出力する光源と、前記光源から出力される光パルスを、直線偏光を維持したままで前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとに分光して出力する分光部と、を有し、前記合成部は、偏光方向が互いに直交した状態で前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとを合成するように構成されてもよく、また、前記光源部は、前記第１の光パルスを出力する第１光源と、前記第２の光パルスを出力する第２光源と、を有し、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとは互いに波長が異なるように構成されてもよい。いずれの構成でも、受信したレイリー散乱光を第１のレイリー散乱光と第２のレイリー散乱光とに容易且つ確実に分離することができるため、音波の高感度かつ高精度な検出を確実に行うことができる。但し、光源が出力した光パルスを分光部によって第１の光パルスと第２の光パルスとに分光する構成の方が、光源の数を抑えることができる。
【００３１】
尚、光源部が光源と分光部とを有する場合には、前記光パルスの位相を測定して当該光パルスにおける前記光源に起因する位相の変化を検出する位相測定部を備え、前記復調部は、前記位相測定部により検出された位相の変化に基づいてそれぞれ補正された前記第１のレイリー散乱光及び前記第２のレイリー散乱光の復調を行うことが好ましく、また、光源部が第１光源と第２光源とを有する場合には、前記第１の光パルスの位相を測定して当該第１の光パルスにおける前記第１の光源に起因する位相の変化を検出する第１の位相測定部と、前記第２の光パルスを測定して当該第２の光パルスにおける前記第２の光源に起因する位相の変化を検出する第２の位相測定部と、を備え、前記復調部は、前記第１の位相測定部により検出された位相の変化に基づいて補正された前記第１のレイリー散乱光と、前記第２の位相測定部により検出された位相の変化に基づいて補正された前記第２のレイリー散乱光と、の復調をそれぞれ行うことが好ましい。
【００３２】
これらの構成によれば、光パルスにおける光源に起因する位相の変化を検出し、変調部での変調に応じた復調が復調部において行われる前に、受信したレイリー散乱光に前記測定結果に基づく補正を行うことにより、復調後のレイリー散乱光における前記光源に起因する位相の変化の影響を抑えることができる。その結果、音波の検出をより精度よく行うことができる。詳しくは、以下の通りである。
【００３３】
光源の種類によって、出力する光線（光パルス）の位相が時刻の経過と共に変化するものがあり、この位相の変化（位相の時間変化）には規則性がない。そのため、分布型光ファイバ音波検出装置に前記位相が変化する光源が用いられた場合、受信したレイリー散乱光をそのまま復調すると、復調後のレイリー散乱光が前記光源に起因する位相の変化の影響（位相ノイズ）を含んだ状態となる。そこで、上記のいずれかの構成のように、光パルスの前記光源に起因する位相の変化を測定し、この測定結果に基づく補正を復調前のレイリー散乱光に対して行うことによって位相ノイズが取り除かれ、復調後のレイリー散乱光における位相ノイズの影響を抑えることができる。これにより、出力する光線の位相が時刻の経過と共に変化する光源を用いても、音波を精度よく検出することができる。
【００３４】
また、本発明にかかる分布型光ファイバ音波検出装置では、前記光源部は、前記光ファイバによって検出する音波の周波数に基づく第１の時間間隔で前記光パルスを出力し、前記変調部は、前記光源部から出力される光パルス毎に異なる符号系列によって位相変調することが好ましい。
【００３５】
かかる構成によれば、長尺な光ファイバをセンサとして用い、この光ファイバの長手方向の各領域に衝突した周波数の高い音波（即ち、１周期が短い音波）を当該光ファイバに沿った音波の分布として検出することが可能となる。詳しくは、以下の通りである。
【００３６】
ナイキストのサンプリング定理により、サンプリング周波数は、検出（計測）したい音波の最大周波数の２倍以上にする必要がある。即ち、サンプリング周期（＝１／サンプリング周波数）は、検出対象とする音波の最大周波数の周期の半分以下にする必要がある。ここで、１つの光パルスで検出（走査）可能な音波の分布（光ファイバの長手方向の各領域に衝突した音波の分布）は、前記光パルスが光ファイバ内を前記サンプリング周期の時間で往復できる範囲内のものである。そして、周波数の高い音波（例えば、超音波）は、１周期の時間が短いため、この半分の時間（前記周波数の高い音波の半周期の時間）に光パルスが光ファイバ内を往復できる距離は短い。よって、１つの光パルスによって前記周波数の高い音波を光ファイバに沿った分布として検出できる範囲は狭い（短い）。このため、前記検出する音波の半周期内に光パルスが往復できる範囲よりもセンサとして用いられる光ファイバが長尺である場合、サンプリング周期を光パルスの往復時間以上に設定すると、音波のスペクトルにエイリアシングが生じ、検出した音波に乱れが生じる。また、サンプリング周期を光パルスの往復時間以下に設定すると、当該光ファイバの長手方向の複数の領域からのレイリー散乱光を同時に受信することになり、音波の分布全体を検出することができない。
【００３７】
そこで、検出対象とする音波（検出対象とする音波の周波数帯域が広い場合には前記周波数帯域における最も高い周波数の音波）の半周期よりも短い時間間隔（第１の時間間隔）で光パルスを出力することにより、光ファイバ上において所定の間隔（前記第１の時間間隔に対応する間隔）で複数の光パルスを進ませ、これにより、これら複数の光パルスによって前記半周期内で光ファイバの長手方向の全領域を走査できるようにすると共に、前記長手方向の各領域からのレイリー散乱光を順に受信できるようにした。一方、間隔をおいて出力される各光パルスは互いに異なる（互いに独立した）符号系列によって位相変調されているため、受信したレイリー散乱光を復調することにより、当該レイリー散乱光がどの光パルスによって生じたかを判別することができる。
【００３８】
従って、長尺な光ファイバをセンサとして用いて高い周波数の（１周期が短い）音波を検出する場合でも、第１の時間間隔で光パルスを出力することにより、当該光ファイバに沿った音波の分布を精度よく検出することができる。
【００３９】
この第１の時間間隔で光パルスを出力する構成の場合には、さらに、前記光パルス射出部は、前記光源部と前記変調部とを有する複数のパルスユニットを備え、各パルスユニットから出力される前記光パルスは、互いに異なる周波数であり、これら複数のパルスユニットは、各パルスユニットが前記光パルスを前記第１の時間間隔で出力しつつ、各パルスユニット間の光パルスの出力タイミングが前記第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔だけずれるように順に光パルスを出力してもよい。
【００４０】
かかる構成によれば、周波数の高い音波の光ファイバに沿った分布（即ち、光ファイバの長手方向の各領域に対して同時に衝突した前記音波の分布）を短い時間間隔（第２の時間間隔）毎に検出することができる。即ち、周波数の高い音波の光ファイバに沿った分布を第２の時間間隔に対応する高いサンプリングレート（時間分解能）で検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００４１】
以上より、本発明によれば、音波を高感度且つ高精度に検出すると共に高い分解能を実現することが可能な分布型光ファイバ音波検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１本実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置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音波検出装置の光パルス射出部から出力される位相変調後の光パルスを説明するための図である。
【図３】前記分布型光ファイバ音波検出装置の位相測定部を説明するための図である。
【図４】前記分布型光ファイバ音波検出装置のデジタル信号処理部の回路を示す図である。
【図５】変調後の光パルスと、この光パルスを復調するためのパルス圧縮復元フィルタと、を説明するための概念図である。
【図６】検出用光ファイバの長手方向に沿った、レイリー散乱光の位相変化の分布データを示す図である。
【図７】音波の検出の際のフローを示す図である。
【図８】第２実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】第３実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図１０】複数のパルスユニットから出力される光パルスを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を参照しつつ説明する。
【００４４】
本実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置１０は、光ファイバ（検出用光ファイバ）１２をセンサとして用い、その長手方向の各領域に衝突した音波をそれぞれ高感度かつ高精度に検出すると共に、前記長手方向における高い分解能（以下、単に「長手方向分解能」とも称する。）を実現する。尚、本実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置１０は、検出用光ファイバ１２の長手方向（ｚ軸方向）における特定の位置（部位）に衝突した音波だけでなく、長手方向の各領域に同時に衝突した音波の分布を検出することもできる。
【００４５】
この分布型光ファイバ音波検出装置１０では、マイクロフォンの代わりに検出用光ファイバ１２を用い、音の録音を行うことができる。また、例えば、油井等に検出用光ファイバ１２を挿入して地中を伝播する音波（例えば、１ｋＨｚ程度の音波）を当該検出用光ファイバ１２によって検出することにより、油井の状態や地中内部の様子を観察することが可能となる。また、医療分野において、例えば、人体の内部を伝播する音波（例えば、周波数が３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの超音波）を検出用光ファイバ１２によって検出することにより、人体内部の観察等を行うことが可能となる。
【００４６】
この分布型光ファイバ音波検出装置１０は、図１に示されるように、装置本体１１と、検出用光ファイバ１２と、を備える。装置本体１１は、光パルス射出部２０と、位相測定部５０と、光サーキュレータ１４と、レイリー散乱光受信部３０と、制御処理部１６と、出力部４０と、を備える。
【００４７】
尚、分布型光ファイバ音波検出装置１０では、光パルス射出部２０と光サーキュレータ１４との間にエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦＡ）等の光増幅器が配置されてもよい。
【００４８】
また、分布型光ファイバ音波検出装置１０では、光パルス射出部２０と光サーキュレータ１４との間に、光パルス射出部２０から出力される光パルスの消光比を確保するためのＬＮスイッチが配置されてもよい。この場合、分布型光ファイバ音波検出装置１０において、光パルス射出部２０から出力される光パルスの消光比が数十ｄＢ以上となることが好ましい。
【００４９】
検出用光ファイバ１２は、当該光ファイバ１２に衝突した音波を検出するためのセンサとして用いられる。この検出用光ファイバ１２は、第１端部（一端）１２ａと、この第１端部１２ａと反対側の端部である第２端部１２ｂとを有する長尺な光ファイバである。例えば、具体的に、検出用光ファイバ１２の長さ寸法（全長）Ｌは、当該分布型光ファイバ音波検出装置１０が上記の油井での音波検出に用いられる場合には３０ｋｍ程度であり、上記の医療分野での音波（超音波）検出に用いられる場合には１００ｍ程度である。
【００５０】
この検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから、当該光ファイバ１２内に光パルス（プローブ光）が入射させられると共にこの光パルスに起因して当該検出用光ファイバ１２内において生じたレイリー散乱現象にかかる光（レイリー後方散乱光）を外部に射出する。
【００５１】
光パルス射出部２０は、所定の周波数の光パルスを出力する光源部２２と、光源部２２の出力する光パルスを変調（本実施形態では位相変調）する変調部２４と、を備え、光パルスを検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから当該検出用光ファイバ１２内に入射させる。
【００５２】
光源部２２は、光源２２０と、第１分光部２２２と、第２分光部（分光部）２２４と、を有し、第１の光パルスと第２の光パルスとを出力する。
【００５３】
光源２２０は、所定の周波数の光パルスを出力（射出）することができる。具体的に、光源２２０は、図２に示されるように、所定のパルス幅Ｄを有する光パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…Ｐｉを第１の時間間隔ＴＤで出力することにより、パルス光を生成する。また、光源２２０は、直線偏光の光パルスＰｉ（パルス光）を出力する。この光源２２０は、制御処理部１６によって制御され、この制御処理部１６により温度や駆動電流が変更されることにより、発振波長（発振周波数）を変更する。また、光源２２０は、制御処理部１６によって、光パルスＰｉの出力間隔も制御される。本実施形態の光源２２０は、レーザーダイオード（ＬＤ）である。
【００５４】
各光パルスＰｉのパルス幅Ｄは、検出用光ファイバ１２の長さ寸法Ｌに基づいて設定される。詳しくは、パルス幅Ｄが大きいほど光パルスＰｉの有するエネルギーが大きくなる。そこで、検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから入射した光パルスＰｉによって第２端部１２ｂ近傍に生じたレイリー散乱光をレイリー散乱光受信部３０が受信したときに、当該検出用光ファイバ１２の第２端部１２ｂ近傍に衝突した音波を検出するのに必要な信号強度（レイリー散乱光の強度）が前記受信したレイリー散乱光において十分に確保されるような大きさにパルス幅Ｄが設定される。一般に、検出用光ファイバ１２の長さ寸法Ｌが大きいほど、パルス幅Ｄも大きくなる。
【００５５】
また、各光パルスＰｉ間の時間間隔ＴＤは、当該分布型光ファイバ音波検出装置１０の検出対象とする音波の周波数に基づいて設定される。詳しくは、以下の通りである。
【００５６】
ナイキストのサンプリング定理により、検出対象とする音波は、当該音波の１周期内で少なくとも２回サンプリングされなければならない。そのため、各光パルスＰｉ間の時間間隔ＴＤは、検出対象とする音波の１周期の半分以下でなければならない。即ち、１つの光パルスＰｉで検出（走査）可能な音波の分布（長手方向の各領域に衝突した音波の分布）は、前記光パルスＰｉが検出用光ファイバ１２内を前記サンプリング周期の時間で往復できる範囲内のものである。そして、周波数の高い音波は、１周期が短いために必要なサンプリング周期が短く、これにより、このサンプリング周期内に光パルスＰｉが検出用光ファイバ１２内を往復できる範囲は短い。よって、１つの光パルスＰｉによって周波数の高い音波を検出用光ファイバ１２に沿った分布として検出できる範囲は狭い（短い）。このため、前記検出する音波の周期によって規定されるサンプリング周期の時間で光パルスＰｉが往復できる範囲よりもセンサとして用いられる検出用光ファイバ１２が長尺である場合、サンプリング周期を光パルスの往復時間以上に設定すると、音波のスペクトルにエイリアシングが生じ、検出した音波に乱れが生じる。また、サンプリング周期を光パルスの往復時間以下に設定すると、当該検出用光ファイバ１２の長手方向の複数の領域からのレイリー散乱光を同時に受信することになり、音波の分布全体を検出することができない。
【００５７】
そこで、当該分布型光ファイバ音波検出装置１０では、光パルスＰｉ間の間隔が、検出対象とする音波（検出対象とする音波の周波数帯域が広い場合には前記周波数帯域における最も高い周波数の音波）の１周期の半分よりも短い時間間隔（第１の時間間隔）ＴＤとなるようにし、検出用光ファイバ１２において所定の間隔（前記第１の時間間隔ＴＤに対応する間隔）で複数の光パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…Ｐｉを進行させ、これにより、これら複数の光パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…Ｐｉによって前記サンプリング周期内で検出用光ファイバ１２の長手方向の全領域を走査できるようにすると共に、前記長手方向の各領域からのレイリー散乱光がそれぞれ重複しないように前記長手方向の各領域からのレイリー散乱光を順に受信できるようにした。
【００５８】
尚、本実施形態における第１の時間間隔ＴＤは、検出対象とする音波により規定されるサンプリング周期（前記音波の半周期以下の時間）内の特定の時間間隔である。
【００５９】
一方、第１の時間間隔ＴＤで出力される各光パルスＰｉは、変調部２４において互いに異なる（互いに独立した）符号系列によって位相変調されているため、受信したレイリー散乱光を復調することにより、当該レイリー散乱光がどの光パルスＰｉによって生じたかを判別することができる。
【００６０】
従って、分布型光ファイバ音波検出装置１０では、長尺な検出用光ファイバ１２をセンサとして用い、高い周波数の（例えば、超音波のような１周期が短い）音波を検出する場合でも、第１の時間間隔ＴＤで光パルスＰｉを出力することにより、当該検出用光ファイバ１２に沿った音波の分布を精度よく検出することができる。
【００６１】
図１に戻り、第１分光部２２２は、光源２２０から出力される光パルスＰｉを、直線偏光を維持したまま分光（分岐）し、この分光した光パルスＰｉを第２分光部２２４とレイリー散乱光受信部３０（詳しくは、デジタルコヒーレント受信部３２０）とにそれぞれ出力する。
【００６２】
第２分光部２２４は、第１分光部２２２からの光パルスＰｉを、直線偏光を維持したまま第１の光パルスと第２の光パルスとに分光し、これら第１の光パルス及び第２の光パルス（一対の光パルス）を変調部２４へ出力する。この第２分光部２２４は、入力された光パルスを１／２の比率（５０：５０）で分岐して出力する。本実施形態の第２分光部２２４は、３ｄＢ分光器（３ｄＢスプリッター）である。
【００６３】
変調部２４は、位相変調部２４０と、合成部２４２と、を有し、光源部２２（詳しくは、第２分光部２２４）が出力する第１の光パルスと第２の光パルスとをそれぞれ位相変調し、これら位相変調された第１の光パルスと第２の光パルスとを合成する。
【００６４】
位相変調部２４０は、第１の光パルスの位相変調を行う第１位相変調器２４０ａと、第２の光パルスの位相変調を行う第２位相変調器２４０ｂと、第１の符号系列Ａｉと第２の符号系列Ｂｉとからなる一対の符号系列（ペアコード：図２参照）を作成するコード生成部２４４と、を有する。
【００６５】
第１位相変調器２４０ａは、コード生成部２４４から入力された第１の符号系列Ａｉに基づいて第１の光パルスの位相変調を行う。
【００６６】
第２位相変調器２４０ｂは、コード生成部２４４から入力された第２の符号系列Ｂｉに基づいて第２の光パルスの位相変調を行う。
【００６７】
コード生成部２４４は、前記のように第１の符号系列Ａｉ及び第２の符号系列Ｂｉからなるペアコードを生成し、第１の符号系列Ａｉを第１位相変調器２４０ａに出力すると共に第２の符号系列Ｂｉを第２位相変調器２４０ｂに出力する。このコード生成部２４４が生成するペアコード（第１の符号系列Ａｉ及び第２の符号系列Ｂｉ）は、検出用光ファイバ１２の長さ寸法Ｌに基づく所定長さ（所定の系列長さ）をそれぞれ有し、当該ペアコードによって第１及び第２の光パルスがそれぞれ位相変調されることにより、各光パルスが所定の幅ｄの複数のセルに分割される（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）。即ち、各光パルスが変調速度ｄでそれぞれ位相変調される。
【００６８】
各セルの幅ｄは、音波の検出における検出用光ファイバ１２の長手方向分解能に基づいて設定される。詳しくは、以下の通りである。
【００６９】
例えば、検出用光ファイバ１２における当該光ファイバ１２の長手方向に間隔をおいた二点に衝突した音波をそれぞれ検出する場合に、各点に衝突した音波を独立して検出するためには、シングルパルス（複数のセルに分割されていない光パルス）を用いる場合、この二点間の間隔よりもパルス幅を短くする必要がある。ここで、光パルスＰｉが所定の符号系列を用いた位相変調によって複数のセルに分割されると、これら各セルがパルス幅の小さな光パルスと同じ働きをすることができる。そこで、各セルの幅（セル幅）ｄは、目標とする長手方向分解能よりも短く設定される。
【００７０】
また、このように各光パルスが幅ｄの複数のセルに分割されることによって、周波数の高い音波の検出も可能となる。具体的に、高い周波数の音波を検出するためには、シングルパルスを用いる場合、この高い周波数の音波が一周期で進む距離よりも短いパルス幅の光パルスを用いて測定しなければならない。ここで、光パルスが幅ｄの複数のセルに分割されると、上記のように各セルがパルス幅の小さな光パルスと同じ働きをすることができることから、パルス幅ｄの光パルスによって検出可能な高さの周波数（各セルの幅ｄに対応する高い周波数）の音波の検出が可能となる。
【００７１】
本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０では、このように設定された幅ｄのセルが形成されるような符号系列（ペアコード）によって第１及び第２の光パルスがそれぞれ位相変調される。
【００７２】
本実施形態のコード生成部２４４は、Ｇｏｌａｙ符号系列を出力する。尚、コード生成部２４４が出力する符号系列は、Ｇｏｌａｙ符号系列に限定されない。即ち、コード生成部が出力する符号系列は、自己相関関数の和がδ関数となるペアコード、あるいは自己相関関数が単独でδ関数となる符号であればよく、例えば、Ｍ系列等の擬似乱数による符号系列でもよい。
【００７３】
また、コード生成部２４４は、光源部２２から出力される光パルスＰｉ毎に異なる（独立した）ペアコードを生成する。これにより、検出用光ファイバ１２から戻ってきたレイリー散乱光がどの光パルスＰｉによって生じたものかを判別することが可能となる。
【００７４】
合成部２４２は、位相変調部２４０においてそれぞれ位相変調された第１の光パルスと第２の光パルスとを一つの光パルスＰｉに合成して出力する。
【００７５】
本実施形態の合成部２４２は、一対の入力端子（第１入力端子２４２ａ及び第２入力端子２４２ｂ）を有し、これら一対の入力端子２４２ａ、２４２ｂは、入力される光の偏光（偏波）方向が互いに直交する方向となるようにそれぞれ指定されている。即ち、本実施形態の合成部２４２は、偏光方向が互いに直交した状態で第１の光パルスと第２の光パルスとを合成して出力する。以下では、第１入力端子２４２ａに入力される第１の光パルスをＰ偏波パルスとも称し、第２入力端子２４２ｂに入力される第２の光パルスをＳ偏波パルスとも称する。
【００７６】
光源２２０から合成部２４２までの各構成を接続する光路は、偏波保持光ファイバ（ＰＭファイバ）や偏波状態が維持される導波路によって構成されている。これにより、光源２２０から直線偏光として出力された光パルスＰｉは、第２分光部２２４における分光後もその偏光状態を保っている。そのため、第２分光部２２４と第１入力端子２４２ａとを接続する偏波保持光ファイバ等と、第２分光部２２４と第２入力端子２４２ｂとを接続する偏波保持光ファイバ等とが、その偏光方向が互いに直交するように合成部２４２の入力端子２４２ａ、２４２ｂに接続されることにより、合成部２４２に入力される一対の光パルス（第１及び第２の光パルス）は、偏光方向が互いに直交する状態となる。
【００７７】
位相測定部５０は、光源２２０が出力する光パルスＰｉの位相を測定して、当該光パルスにおける光源２２０に起因する位相の変化（位相の時間変化）を検出する。この位相測定部５０は、光源２２０から延びる光ファイバ（導波路）と、復調部３２４と、に接続され、測定結果に応じた位相信号を復調部３２４へ向けて出力する。復調部３２４がこの位相信号に基づいた補正を行うことにより、光源２２０に起因する位相の変化の影響を復調後の信号から取り除くことができる。
【００７８】
具体的に、位相測定部５０は、図３にも示されるように、Ｉ／Ｑ分離部５２と、位相変化導出部５４と、を備える。
【００７９】
Ｉ／Ｑ分離部５２は、光源２２０から延びる光ファイバ（導波路）から分岐する２つの導光路５２１，５２２と、光カプラ５２３と、９０°位相シフタ５２４と、を有し、光源２２０から出力される光（光パルス）をＩ／Ｑ分離する。
【００８０】
導光路５２１、５２２は、光源２２０から延びる光ファイバ（導波路）中を進行する光の一部を分岐させ、これを光カプラ５２３まで案内する。これら各導光路５２１、５２２の光路長は互いに異なる。具体的には、導光路５２１の光路長Ｅ２が導光路５２２の光路長Ｅ１よりもτ（詳しくは、時間τの間に光パルスが進む距離）だけ長い。
【００８１】
光カプラ５２３は、各導光路５２１、５２２によって案内された光同士を干渉させて出力する。このとき、導光路５２１と導光路５２２との光路長が互いに異なるため、導光路５２１によって案内される光が、導光路５２２によって案内される光よりも時間τだけ遅れて光カプラ５２３に到達する。光カプラ５２３は、この干渉後の光を２つに分岐して位相変化導出部５４に向けて出力する。
【００８２】
９０°位相シフタ５２４は、光カプラ５２３によって分岐された光の一方の位相を９０°シフトする。
【００８３】
以上のようなＩ／Ｑ分離部５２からは、以下に示すＩ，Ｑ信号が出力される。
【数１】
0005948035.tif 000002
【００８４】
位相変化導出部５４は、Ｉ／Ｑ分離部５２からのＩ，Ｑ信号をＡ／Ｄ変換して合成し、光源２２０から出力される光の位相φ（ｔ）を求める。具体的に、位相変化導出部５４は、以下の式（２）によって前記光の位相φ（ｔ）を求める。
【数２】
0005948035.tif 000003
また、位相変化導出部５４は、上記の式（２）により求めた位相φ（ｔ）を時間で微分する（ｄφ（ｔ）／ｄｔ）ことによって、各時刻における位相の変化率を求めることもできる。
【００８５】
位相変化導出部５４は、このようにして求めた光源２２０から出力される光の位相の変化（光パルスにおける光源２２０に起因する位相の変化）φ（ｔ）を位相信号として出力する。
【００８６】
尚、位相測定部５０の具体的な構成は、上記構成に限定されない。即ち、位相測定部５０は、光パルスＰｉにおける光源２２０に起因する位相の変化を検出することができれば他の構成であってもよい。
【００８７】
また、位相測定部５０内において、光源２２０から延びる光ファイバ等から位相変化導出部５４までの各光路（導光路５２１、５２２等）を構成する光ファイバや導波路等も、偏波保持特性を有する。即ち、光源２２０から延びる光ファイバ等から分岐された光は、位相変化導出部５４まで、その偏光方向が維持される。
【００８８】
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、光パルス射出部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、レイリー散乱光受信部３０に接続される。
【００８９】
レイリー散乱光受信部３０は、位相変化導出部３２と、音波検出部３４と、を有し、光パルス（Ｐ偏光パルスとＳ偏光パルスとが合成された光パルス）Ｐｉの入射によって検出用光ファイバ１２内に生じるレイリー散乱光を受信する。
【００９０】
位相変化導出部３２は、デジタルコヒーレント受信部（分離・検波部）３２０と、デジタル信号処理部３２２と、復調部３２４と、導出部３６と、を有し、光パルス射出部２０における位相変調に対応する復調が行われたレイリー散乱光からその位相変化を求める。
【００９１】
デジタルコヒーレント受信部３２０は、検出用光ファイバ１２（詳しくは、光サーキュレータ１４の第３端子１４ｃ）と光源部２２（詳しくは、第１分光部２２４）とにそれぞれ接続され、検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光の、直交する偏波成分（本実施形態では、Ｐ／Ｓ偏波）と直交する位相成分（Ｉ／Ｑチャンネル）との分離をそれぞれ行い、電気信号として出力する。
【００９２】
このデジタルコヒーレント受信部３２０は、偏波分離器３２０ａと、分岐器３２０ｂと、第１の光９０°ハイブリッド３２１ａと、第２の光９０°ハイブリッド３２１ｂと、を有する。
【００９３】
偏波分離器３２０ａは、レイリー散乱光受信部３０が検出用光ファイバ１２から受信したレイリー散乱光を、所定の偏光方向の第１のレイリー散乱光（以下、単に「Ｐ偏波散乱光」とも称する。）と、この第１のレイリー散乱光と直交する偏光方向の第２のレイリー散乱光（以下、単に「Ｓ偏波散乱光」とも称する。）と、に分離（偏波分離）する。
【００９４】
分岐器３２０ｂは、第１分光部２２２からの光パルスＰｉを２つ（光パルスＰｉ１、Ｐｉ２）に分岐する。
【００９５】
第１の光９０°ハイブリッド３２１ａは、分岐器３２０ｂによって分けられた光パルスＰｉ１を局発光（局部発振光）として偏波分離器３２０ａからのＰ偏波散乱光と干渉させることによってＩ成分とＱ成分とに分離し、これをＩ，Ｑ信号（アナログ信号）に変換して出力する。
【００９６】
第２の光９０°ハイブリッド３２１ｂは、分岐器３２０ｂによって分けられた光パルスＰｉ２を局発光（局部発振光）として偏波分離器３２０ａからのＳ偏波散乱光と干渉させることによってＩ成分とＱ成分とに分離し、これをＩ，Ｑ信号（アナログ信号）に変換して出力する。
【００９７】
デジタル信号処理部３２２は、デジタルコヒーレント受信部３２０から出力される各偏波散乱光（Ｐ偏波散乱光及びＳ偏波散乱光）のＩ，Ｑ信号（アナログ信号）をそれぞれＡ／Ｄ変換した後に、図４に示される回路を通過させて、第１の光パルスに対応するＰ偏波散乱光のＩ，Ｑ信号（以下、単に「Ｐ偏波デジタル信号」とも称する。）と、第２の光パルスに対応するＳ偏波散乱光のＩ，Ｑ信号（以下、単に「Ｓ偏波デジタル信号」とも称する。）と、を出力する。具体的に、デジタル信号処理部３２２は、図４の回路においてその下側に示すマトリクスを決定し、このマトリクスを用いることにより、光パルス射出部２０から出力された光パルス（位相変調後の第１の光パルス及び第２の光パルスを合成させた光パルス）Ｐｉによって検出用光ファイバ１２内において生じたレイリー散乱光を前記第１の光パルスに対応するＰ偏波デジタル信号と前記第２の光パルスに対応するＳ偏波デジタル信号とに分離して出力する。
【００９８】
本実施形態では、デジタルコヒーレント受信部３２０及びデジタル信号処理部３２２としてＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）受信モジュールが用いられる。
【００９９】
本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０においては、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光伝送が行われているため、デジタル信号処理部３２２におけるＡ／Ｄ変換の分解能が６ｂｉｔしかない。しかし、当該分布型光ファイバ音波検出装置１０では、Ｇｏｌａｙ符号系列による位相変調によって光パルスＰｉが分割されて２１２個のセルが形成され、これが復調されるときに一つの光パルスＰｉに集約されることにより、１８ｂｉｔ（＝６＋１２）の分解能がある場合と同じ精度が得られる。即ち、検出用光ファイバ１２のレイリー散乱光が生じた部位の歪み情報を当該レイリー散乱光の各セルがそれぞれ含む（有している）ため、これが復調によって集約されることにより前記精度が得られる。このように、デジタル信号処理部３２２におけるＡ／Ｄ変換の分解能が低くても、当該分布型光ファイバ音波検出装置１０のように符号系列を用いたパルス圧縮を行うことにより、高精度な音波の検出が実現される。
【０１００】
復調部３２４は、デジタルコヒーレント受信部３２０及びデジタル信号処理部３２２によって偏波分離されたＰ偏波デジタル信号とＳ偏波デジタル信号とに対し、位相測定部５０からの位相信号に基づく補正をそれぞれ行った後に、変調部２４における位相変調に対応する復調を行う。
【０１０１】
この復調部３２４は、第１復調部３２４ａと第２復調部３２４ｂとを有し、これら第１復調部３２４ａ及び第２復調部３２４ｂは、コード生成部２４４に接続される。
【０１０２】
第１復調部３２４ａは、デジタル信号処理部３２２から出力されるＰ偏波デジタル信号に対し、位相測定部５０からの位相信号に基づく補正を行う。この位相信号は、補正対象のＰ偏波デジタル信号に対応する光パルスＰｉにおける光源に起因する位相の変化を測定することにより得られた信号である。
【０１０３】
詳しくは、Ｐ偏波デジタル信号（第１の符号系列Ａｉによって位相変調された第１の光パルスにより検出用光ファイバ１２内で生じたＰ偏波散乱光に対応するデジタル信号）をＡｉ’とした場合に、第１復調部３２４ａは、以下の式（３）に示す補正を行う。
【数３】
0005948035.tif 000004
即ち、第１復調部３２４ａは、式（３）におけるｅの右肩に示す−ｉφ（ｔ）の「φ（ｔ）」に、位相測定部５０において求められたφ（ｔ）を代入することにより、Ｐ偏波デジタル信号を補正する。これにより、Ｐ偏波デジタル信号から光源２２０に起因する位相の変化の影響が取り除かれる。
【０１０４】
同様に、第２復調部３２４ｂは、デジタル信号処理部３２２から出力されるＳ偏波デジタル信号Ｂｉ’に対し、位相測定部５０からの位相信号（上記の第１復調部３２４ａにおけるＰ偏波デジタル信号の補正に用いられた位相信号）に基づく補正（下記の式（４）に示す補正）を行う。
【数４】
0005948035.tif 000005
【０１０５】
そして、第１復調部３２４ａは、補正後のＰ偏波デジタル信号に対し、第１の光パルスが変調部２４において位相変調されたときのコード（第１の符号系列Ａｉ）に基づいた復調を行う。また、第２復調部３２４ｂは、補正後のＳ偏波デジタル信号に対し、第２の光パルスが変調部２４において位相変調されたときのコード（第２の符号系列Ｂｉ）に基づいた復調を行う。
【０１０６】
例えば、符号系列の長さが１６で、第１の符号系列Ａ１と第２の符号系列Ｂ１とがそれぞれ
Ａ１＝（１,１,１,-１,１,１,-１,１,１,１,１,-１,-１,-１,１,-１）
Ｂ１＝（１,１,１,-１,１,１,-１,１,-１,-１,-１,１,１,１,-１,１）
と表される場合（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）、第１の光パルスは、第１位相変調器２４０ａにおいて上記の第１の符号系列Ａ１に基づいて位相変調され、第２の光パルスは、第２位相変調器２４０ｂにおいて上記の第２の符号系列Ｂ１に基づいて位相変調される。ここで、符号の１,-１は、位相変調の０,πに対応させるものとする。
【０１０７】
この場合、第１復調部３２４ａにおいて、この第１の光パルスに対応するＰ偏波デジタル信号の復調が、第１の符合系列Ａ１に対応するコード（パルス圧縮復元整合フィルタ）Ａ１＊によって行われる。具体的に、第１復調部３２４ａでは、Ａ１’・Ａ１＊の演算によって復調される。また、第２復調部３２４ｂにおいて、第２の光パルスに対応するＰ偏波デジタル信号の復調が、第２の符合系列Ｂ１に対応するコード（パルス圧縮復元整合フィルタ）Ｂ１＊によって行われる。具体的に、第２復調部３２４ｂでは、Ｂ１’・Ｂ１＊の演算によって復調される。ここで、Ａ１＊とＢ１＊とは、Ａ１とＢ１との符号の並びを反対にしたものであり、
Ａ１＊＝（-１,１,-１,-１,-１,１,１,１,１,-１,１,１,-１,１,１,１）
Ｂ１＊＝（１,-１,１,１,１,-１,-１,-１,１,-１,１,１,-１,１,１,１）
で表される（図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）参照）。
【０１０８】
導出部３６は、ペア合成部３６０と、位相導出部３６２と、位相変化導出部３６４と、を備え、復調されたレイリー散乱光の位相変化ΔΦを求める。
【０１０９】
ペア合成部３６０は、復調部３２４においてそれぞれ復調されたＰ偏波散乱光とＳ偏波散乱光との和をとって（合成して）復調信号を求める。具体的には、ペア合成部３６０は、第１復調部３２４ａにおいて復調されたＰ偏波デジタル信号（Ｉ，Ｑ信号：Ｐ偏波散乱光に対応する信号）と、第２復調部３２４ｂにおいて復調されたＳ偏波デジタル信号（Ｉ，Ｑ信号：Ｓ偏波散乱光に対応する信号）と、を合成する。より具体的には、ペア合成部３６０では、第１復調部３２４ａにおいて復調されたＰ偏波デジタル信号と第２復調部３２４ｂにおいて復調されたＰ偏波デジタル信号との合成が、各信号のＩ成分（信号）同士の和と、Ｑ成分（信号）同士の和と、を取ることによって復調信号（Ｉ，Ｑ信号）が生成される。
【０１１０】
このように、復調する、即ち、Ｐ偏波散乱光とＳ偏波散乱光との復調後の信号の和をとることにより、それぞれ複数のセルに分割されていたＰ偏波散乱光とＳ偏波散乱光とが１つの光パルス（シングルパルス）に戻る。このとき、各セル（Ｐ偏波散乱光の各セル及びＳ偏波散乱光の各セル）が有していた、検出用光ファイバ１２におけるレイリー散乱光（前記Ｐ偏波散乱光及び前記Ｓ偏波散乱光）が生じた部位の歪み情報が、セル１つ分のパルス幅のシングルパルス（複数のセルに分割されていない光パルス）に集約される。即ち、本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０では、光パルスＰｉによって検出用光ファイバ１２内に生じたレイリー散乱光に復調を行う（即ち、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行う）ことにより、小さなパルス幅（セル幅ｄに相当するパルス幅）で且つ強い信号強度を持った光パルスを用いて音波の検出を行ったのと同等の効果が得られる。
【０１１１】
位相導出部３６２は、ペア合成部３６０において求められた復調信号から、レイリー散乱光受信部３０が受信したレイリー散乱光の位相Φを求める。具体的に、位相導出部３６２は、ペア合成部３６０により求められた復調信号（Ｉ，Ｑ信号）から、以下の式（５）により、前記レイリー散乱光の位相Φを求める。
【数５】
0005948035.tif 000006
【０１１２】
位相導出部３６２は、このようにして求めたレイリー散乱光の位相Φを位相変化導出部３６４に出力すると共に、制御処理部１６の記憶部１６ａに格納する。
【０１１３】
位相変化導出部３６４は、位相導出部３６２において直近に求められたレイリー散乱光の位相と、前回求められたレイリー散乱光の位相との差（位相変化）ΔΦを求める。例えば、分布型光ファイバ音波検出装置１０により時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…ｔｉにおいて音波の検出を行った場合、位相変化導出部３６４は、時刻ｔｉのときに求められたレイリー散乱光の位相Φｉと、時刻ｔｉ−１のときに求められたレイリー散乱光の位相Φｉ−１との差を位相変化ΔΦとして求める。具体的には、位相変化導出部３６４は、位相導出部３６２からレイリー散乱光の位相Φｉを受け取ると共に、位相導出部３６２により記憶部１６ａに格納された前回求められたレイリー散乱光の位相Φｉ―１を引き出し、これらから、前回求められたレイリー散乱光と次に求められたレイリー散乱光との位相変化ΔΦ（＝Φｉ−Φｉ−１）を求める。
【０１１４】
音波検出部３４は、位相変化導出部３６４から出力されるレイリー散乱光の位相変化ΔΦの大きさから、図６に示されるような各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔｉ毎のｚ軸方向（検出用光ファイバ１２の長手方向）の各位置における位相変化ΔΦの大きさのデータ（ｚ軸に沿った位相変化ΔΦの分布データ）を作成し、この位相変化ΔΦの分布データを記憶部１６ａに格納する。尚、本実施形態では、各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…の間隔ＴＤ２をサンプリングレートとも称する。
【０１１５】
音波検出部３４は、光パルス射出部２０から光パルスＰｉが出力されてから、この光パルスＰｉによって生じたレイリー散乱光がレイリー散乱光受信部３０に受信されるまで、の時間によって、位相変化ΔΦが生じたレイリー散乱光の発生した長手方向の位置を特定する。この長手方向の各位置におけるレイリー散乱光の位相変化ΔΦの大きさが、検出用光ファイバ１２の当該位置に外部から衝突した音波を表す。
【０１１６】
制御処理部１６は、分布型光ファイバ音波検出装置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の記憶部１６ａを備えている。
【０１１７】
また、制御処理部１６は、音波検出部３４により求められて記憶部１６ａに格納された各種データ（位相変化ΔΦの分布等）の演算処理を行い、検出用光ファイバ１２に衝突した音波についての各種情報を求める。例えば、制御処理部１６は、長手方向に沿った位相変化ΔΦの分布から音波の発信源の位置の特定を行うことができる。また、制御処理部１６は、長手方向に沿った位相変化ΔΦの分布の時間変化から、時刻の経過（ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔｉ）に伴う音波の発信源の位置の移動等も検出することができる。
【０１１８】
出力部４０は、表示部４２及びスピーカー部４４を有し、音波検出部３４が記憶部１６ａに格納した位相変化ΔΦの分布に基づいて長手方向の各位置において検出した音波の各種情報を外部に出力する。具体的に、出力部４０は、表示部４２によって、例えば、検出用光ファイバ１２の長手方向の距離を表す軸（ｚ軸）、経過時間を表す軸、検出した音波の強度を表す軸、の３つの軸を有するグラフ等や、制御処理部１６が求めた音波の発信源の位置等を表示する。また、出力部４０は、スピーカー部４４によって、検出用光ファイバ１２の長手方向における任意の位置において検出した音波を出力（再生）する。
【０１１９】
検出した音波を再生する場合、出力部４０は、記憶部１６ａに格納された位相変化ΔΦの分布データにおけるｚ軸上の所定位置に再生ｗｉｎｄｏｗを設定し（図６参照）、この再生ｗｉｎｄｏｗ内の位相変化ΔΦの時刻（ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔｉ）の経過に伴う変化を音（≒電圧）の変化として再生する。
【０１２０】
再生ｗｉｎｄｏｗは、通常、図６において単点の再生ｗｉｎｄｏｗとして示すように、各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…のｚ軸（検出用光ファイバ１２の長手方向）の特定位置を繋ぐ直線上に設定される。このような再生ｗｉｎｄｏｗが設定されることにより、前記特定位置に衝突した音が時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…の経過順に再生される。尚、再生ｗｉｎｄｏｗは、前記直線上に設定されたものに限定されず、例えば、ｚ軸方向に所定の幅を有する再生ｉｎｄｏｗ（図６において単点の再生ｗｉｎｄｏｗの左側に示す再生ｗｉｎｄｏｗ）が設定されてもよい。この場合、各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…において複数の周波数の音が混ざった状態で再生される。
【０１２１】
以上の分布型光ファイバ音波検出装置１０では、図７に示すようにして音波の検出が行われる。詳しくは、以下で説明する。
【０１２２】
先ず、検出用光ファイバ１２が配置される。この検出用光ファイバ１２は、空気中に架設されてもよく、地中や建物等の壁内や、飛行機等の乗り物又は壁等の構造物の表面等に配置されてもよい。また、検出用光ファイバ１２は、人体に巻き付けるように配置されてもよい。
【０１２３】
空気中に架設された場合は、空気中を伝播して検出用光ファイバ１２に到達した音波を検出することができる。また、地中や建物等の壁内、乗り物や構造物の表面等に配置された場合は、地中や壁、乗り物や構造物を構成する各部材を伝播して検出用光ファイバ１２に到達した音波を検出することが可能となる。さらに、建物内において通信用に既に配設されている光ファイバを検出用光ファイバ１２として用いてもよい。この場合、室内で生じた音波（音）が室内の空気、壁等を順に伝播して検出用光ファイバ（通信用に既に配設されている光ファイバ）１２に到達することにより、この音波を検出することができる。また、人体に巻き付けた場合は、人の体の中を伝播して検出用光ファイバ１２に到達した音波（例えば、超音波等）を検出することが可能となる。
【０１２４】
検出用光ファイバ１２が配置されると、制御処理部１６は、光パルス射出部２０から、位相変調された光パルスＰｉを第１の時間間隔ＴＤで出力し、光サーキュレータ１４を介して検出用光ファイバ１２内に入力させる。詳しくは、以下の通りである。
【０１２５】
光源部２２が所定のパルス幅Ｄを有し且つ直線偏光の光パルスＰｉを出力する（ステップＳ１）。この光パルスＰｉは、検出対象とする音（所定の周波数帯域を有する場合は、最も周波数の高い音）の周期に基づいて設定された第１の時間間隔ＴＤで次々に出力される。
【０１２６】
この光パルスＰｉは、第２分光部２２４によって一対の光パルス（第１の光パルス及び第２の光パルス）に分光されて変調部２４に供給される。変調部２４では、各位相変調器２４０ａ、２４０ｂが、コード生成部２４４によって生成されたペアコード（第１の符号系列Ａｉ及び第２の符号系列Ｂｉ）を用いて、対応する一対の光パルス（第２分光部２２４において分光された一対の光パルス）に対して位相変調をそれぞれ行う（ステップＳ２）。即ち、第１位相変調器２４０ａが第１の符号系列Ａｉを用いて第１の光パルスを位相変調すると共に、第２位相変調器２４０ｂが第２の符号系列Ｂｉを用いて第２の光パルスを位相変調する。これにより各光パルスが複数のセルに分割される。
【０１２７】
各位相変調器２４０ａ、２４０ｂにおいて位相変調された一対の光パルスは、合成部２４２において偏光方向が互いに直交した状態で合成され、この合成された光パルスＰｉが光パルス射出部２０から第１の時間間隔ＴＤで出力される（ステップＳ３）。この光パルスＰｉは、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内に入力される。これにより、検出用光ファイバ１２内を複数の光パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｉが第２端部１２ｂに向けて第１の時間間隔ＴＤに対応する間隔で進む（図２参照）。
【０１２８】
このとき、例えば、固体中を伝播する音波の検出を行う場合に、固体中の音波の速度が５０００ｍ／ｓ、検出対象の音波の周波数が２０ｋＨｚであれば、音波の１周期が５０μｓであり、サンプリング周期は、例えば２５μｓ（サンプリング周期はこの値以下であればよい。）となる。このサンプリング周期の時間で光ファイバ中を光パルスＰｉが進む距離は５ｋｍである。従って、第１の時間間隔ＴＤは、２５μｓ（この値以下であればよい。）に設定される。この場合、検出用光ファイバ１２の全長Ｌが１０ｋｍであれば、光パルスＰｉが往復する距離は２０ｋｍであるため、当該光ファイバ１２内を４パルス（４個）の光パルスが第１の時間間隔ＴＤ（２５μｓ間隔または５ｋｍ間隔）で往復する。
【０１２９】
また、例えば、検出対象の音波の周波数が１０ＭＨｚであれば、音波の１周期が０．１μｓ（＝１００ｎｓ）であり、サンプリング周波数は、例えば５０ｎｓ（サンプリング周期はこの値以下であればよい。）になる。このサンプリング周期の時間で光ファイバ中を光パルスＰｉが進む距離は１０ｍである。従って、第１の時間間隔ＴＤは、５０ｎｓ（この値以下であればよい。）に設定される。この場合、検出用光ファイバ１２の全長Ｌが１００ｍであれば、光パルスＰｉが往復する距離は２００ｍであるため、当該光ファイバ１２内を２０パルス（２０個）の光パルスが第１の時間間隔ＴＤ（５０ｎｓ間隔または１０ｍ間隔）で往復する。
【０１３０】
以上のように検出用光ファイバ１２内に光パルスＰｉが入力されると、次に、制御処理部１６は、レイリー散乱光受信部３０により受信したレイリー散乱光から検出用光フィアバ１２に衝突した音波の検出を行う。詳しくは、以下の通りである。
【０１３１】
音波が検出用光ファイバ１２に到達（衝突）すると当該光ファイバ１２にこの音波の衝突による歪みが生じる。この歪みは、検出用光ファイバ１２の長手方向（音波が衝突した位置における検出用光ファイバ１２の中心軸（接線）方向）の歪みである。この歪みが生じた位置でレイリー散乱光が生じると、このレイリー散乱光では、前記歪みが生じていなかったときに同じ位置で生じるレイリー散乱光と比べて位相が変化している。この位相変化ΔΦの大きさは、検出用光ファイバ１２に衝突した音波の大きさや周波数等に対応している。そこで、レイリー散乱光受信部３０は、検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａに戻ってきたレイリー散乱光から、当該検出用光ファイバ１２への音波の衝突に起因するレイリー散乱光の位相変化ΔΦ（歪みの情報）を検出し、この位相変化ΔΦから検出用光ファイバ１２に衝突した音波の検出を行う。即ち、検出用光ファイバ１２内に入射した光パルスＰｉによって生じたレイリー散乱光を受信し、このレイリー散乱光から、音波の衝突によって検出用光ファイバ１２に生じた歪みの情報を取得する。
【０１３２】
より詳しくは、先ず、デジタルコヒーレント受信部３２０が、受信したレイリー散乱光の、直交する偏波成分（Ｐ／Ｓ偏波）と、直交する位相成分（Ｉ／Ｑチャンネル）と、の分離を行い、デジタル信号処理部３２２がＡ／Ｄ変換した後、図４に示される回路によって第１の光パルスに対応するＰ偏波デジタル信号と、第２の光パルスに対応するＳ偏波デジタル信号と、を生成して出力する。そして、第１復調部３２４ａ（第２復調部３２４ｂ）が、Ｐ偏波デジタル信号（Ｓ偏波デジタル信号）に対して第１位相変調器２４０ａ（第２位相変調器２４０ｂ）での位相変調に対応する復調（Ａｉ’・Ａｉ＊、及びＢｉ’・Ｂｉ＊）を行う（ステップＳ４）。
【０１３３】
Ｐ偏波デジタル信号とＳ偏波デジタル信号とがそれぞれ復調されると、ペア合成部３６０は、この復調により求められたＰ偏波散乱光（Ｐ偏波散乱光に対応する信号）とＳ偏波散乱光（Ｓ偏波散乱光に対応する信号）との和をとって復調信号とする。これにより、位相変調によって複数のセルに分割されていたレイリー散乱光（光パルス）に相当する信号がセル１つ分のパルス幅のシングルパルス（複数のセルに分割されていない光パルス）に相当する信号となる。ここで、検出用光ファイバ１２に入力された光パルスＰｉが屈折率の揺らぎによって反射されレイリー散乱光が生じたときに、光パルスＰｉを構成する全てのセルが前記揺らぎによって反射されているため、各セルが当該反射された位置の歪み情報をそれぞれ含むことになる。そのため、復調によってシングルパルス（シングルパルスに相当する信号）となることで各セルに含まれていた歪み情報が集約され、これにより、一つの光パルス（レイリー散乱光）に相当する信号から前記セルの数と同じ数の光パルスを検出用光ファイバ１２に出力した場合に得られる情報量と同程度の歪み情報を得ることが可能となる。
【０１３４】
復調されたＰ偏波デジタル信号とＳ偏波デジタル信号とがペア合成部３６０において合成されて復調信号が生成されると、位相導出部３６２がこの復調信号からこの復調信号に対応するレイリー散乱光の位相を求める。そして、位相変化導出部３６４が、このレイリー散乱光の位相と、位相導出部３６２において前回求められたレイリー散乱光の位相と、からレイリー散乱光の位相変化（即ち、音波の衝突により検出用光ファイバ１２に生じた歪みに起因するレイリー散乱光の位相変化）ΔΦを求める（ステップＳ５）。本実施形態では、音波の衝突による検出用光ファイバ１２の歪みは極めて短時間で変化するため、導出部３６は、前回の測定時（例えば、図６における時刻ｔ１）のレイリー散乱光と、次の測定時（例えば、図６における時刻ｔ２）のレイリー散乱光との位相差から位相変化ΔΦを求める。
【０１３５】
このように位相変化ΔΦが求まると、音波検出部３４は、各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔｉ毎のｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布データをそれぞれ形成して、記憶部１６ａに格納する（ステップＳ６）。このｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布が、ｚ軸方向の各位置に衝突した音波の分布である。
【０１３６】
このとき、一つの光パルスＰｉで検出（走査）可能なｚ軸方向（長手方向）の音波の分布は、光パルスＰｉが検出用光ファイバ１２内を音波（検出対象の音波）のサンプリング周期、即ち、検出対象とする音波の最大周波数の周期の半分の時間で往復することができる範囲内のものであるが、複数の光パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｉが光パルス射出部２０から第１の時間間隔ＴＤで出力されることにより、これら複数の光パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｉによって前記サンプリング周期内で検出用光ファイバ１２のｚ軸方向（長手方向）の全領域を走査することができる。
【０１３７】
以上のようにｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布（音波のｚ軸方向の分布）が検出されると、次に、出力部４０は、ｚ軸方向（長手方向）の特定位置（再生ｗｉｎｄｏｗを設定したｚ軸上の位置）での時刻の経過（ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔｉ）に伴う位相変化ΔΦの変化を電圧の変化に変換し、これにより、検出用光ファイバ１２の前記特定位置に衝突した音波の再生を行う（ステップＳ７）。
【０１３８】
また、制御処理部１６が音波検出部３４によって記憶部１６ａに格納されたｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布から音波の発信源の位置を特定し、出力部４０が表示部４２によってこれを表示する。
【０１３９】
尚、制御処理部１６に、ｚ軸方向の位相変化ΔΦの分布から地中や構造物内部の様子を再現するためのプログラムが組み込まれると、地中や構造物内で伝播した音波が検出用光ファイバ１２によって検出されて前記プログラムが実行されることにより、得られたｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布から制御処理部１６が地中の様子や油井の状態、構造物内部の様子が再現され、出力部４０がこれらの各種情報を表示することが可能となる。また、制御処理部１６にｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布から人体の内部の様子を再現するためのプログラムが組み込まれると、人体内を伝播した音波が検出用光ファイバ１２によって検出されて前記プログラムが実行されることにより、得られたｚ軸方向（長手方向）の位相変化ΔΦの分布から制御処理部１６が人体の内部の様子を検出し、出力部４０がこれを画像として表示することが可能となる。
【０１４０】
以上の分布型光ファイバ音波検出装置１０によれば、所定の符号系列による位相変調が行われた光パルスＰｉを検出用光ファイバ１２に入射させると共に、この光パルスＰｉによって検出用光ファイバ１２内に生じたレイリー散乱光に前記位相変調に対応する復調を行う（即ち、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行う）ことにより、小さなパルス幅（セルの幅ｄに相当するパルス幅）で且つ強い信号強度を持った光パルスを用いて音波の検出を行ったのと同等の効果が得られる。これにより、長尺な検出用光ファイバ１２の長手方向（ｚ軸方向）の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができると共に、高い長手方向分解能を実現することができる。
【０１４１】
具体的には、所定長さ（検出用光ファイバ１２の長さ寸法Ｌに基づく長さ）の符号系列（本実施形態では、Ｇｏｌａｙ符号系列）を用いて光パルスＰｉを位相変調することにより、検出用光ファイバ１２に入射した光パルスＰｉにおいて音波を検出するのに十分なエネルギーを確保することができる。詳しくは、以下の通りである。
【０１４２】
長い符号系列によって位相変調される光パルスＰｉのパルス幅Ｄは、この符号系列の長さに応じて大きく、そのため、長い符号系列によって位相変調される光パルスＰｉほど大きなエネルギーを有する。そこで、検出用光ファイバ１２における第２端部１２ｂ近傍で生じたレイリー散乱光を受信したときに、音波の検出に必要な信号強度が十分確保される長さの符号系列によって位相変調された光パルスＰｉを音波の検出に用いる。これにより、長尺な検出用光ファイバ１２の長手方向のいずれの位置で生じたレイリー散乱光を受信しても、このレイリー散乱光が音波の検出に必要な十分な信号強度を有している。このため、長尺な検出用光ファイバ１２の長手方向の各領域に衝突した音波を高感度且つ高精度に検出することができる。
【０１４３】
しかも、位相変調によって光パルスＰｉが複数のセルに分割されていると、当該光パルスＰｉによって検出用光ファイバ１２内にレイリー散乱光が生じたときに、このレイリー散乱光の各セルが当該レイリー散乱の生じた部位の歪み情報をそれぞれ含む（有する）こととなる。これにより、一つの光パルスＰｉによる測定で多くの歪み情報が得られる。即ち、受信したレイリー散乱光を復調することによって各セルに含まれる歪み情報が集約されるため、多数（セルの数に相当する数）の光パルスを用いて前記レイリー散乱が生じた部位の歪みを測定したのと同程度の歪み情報を得ることができる。このように、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行うことによって、一つの光パルスＰｉによって生じたレイリー散乱光から当該レイリー散乱光の生じた検出用光ファイバ１２の部位における十分な量の歪み情報が得られる。その結果、音波が衝突することによって検出用光ファイバ１２に生じて極短時間で変化する歪みであっても、これを精度よく検出することが可能となる。
【０１４４】
さらに、位相変調によって光パルスＰｉが所定の幅ｄの複数のセルに分割されることにより、前記セルの幅ｄと同じパルス幅の光パルスを用いて測定した場合と同じ長手方向分解能を得ることも可能となる。即ち、光パルスＰｉを上記のような所定長さの符号系列に対応する数のセルに分割することにより、当該光パルスＰｉの有するエネルギーを十分に確保して検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから離れた位置に衝突した音波の検出を可能にしつつ、セル幅に応じた高い長手方向分解能を実現することが可能となる。
【０１４５】
本実施形態のような符号系列を用いたパルス圧縮を行う場合、一つの光パルスＰｉによって検出用光ファイバ１２におけるレイリー散乱光が生じた部位の十分な量の歪み情報が得られるため、検出用光ファイバ１２に入射させる光パルスＰｉの周波数をスイープ（掃引）して測定する必要がない。そのため、当該分布型光ファイバ音波検出装置１０によれば、光パルス射出部２０において、出力する光パルスの周波数が可変な光源部に比べて簡素な構成の光源部２２を用いても、長尺な検出用光ファイバ１２の長手方向の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができると共に、高い長手方向分解能を実現することができる。
【０１４６】
また、本実施形態のように自己相関関数の和がδ関数となるような一対の符号系列（例えばＧｏｌａｙ符号系列）を用いたパルス圧縮を行うことにより、デジタルコヒーレント受信部３２０及びデジタル信号処理部３２２、復調部３２４において分離・復調された一対のレイリー散乱光（Ｐ偏波散乱光及びＳ偏波散乱光）から位相変化を求めるときに、この一対のレイリー散乱光以外のレイリー散乱光の影響を排除することができる。これにより、音波の高感度かつ高精度な検出をより確実に行うことができる。
【０１４７】
即ち、Ｇｏｌａｙ符号系列を用いることで、図２において、
Ａｉ＊Ａｉ＋Ｂｉ＊Ｂｉ＝２Ｍδ
Ａｉ＊Ａｊ＋Ｂｉ＊Ｂｊ＝０
がそれぞれ成り立つ。ここで、＊は、相関演算を表し、Ｍは符号列の長さを表す。
【０１４８】
これにより、前記一対のレイリー散乱光の一方（例えば、Ｐ偏波散乱光）と他のレイリー散乱光との自己相関関数の和が０となるため、前記一対のレイリー散乱光以外のレイリー散乱光の影響を測定結果から排除することができる。
【０１４９】
また、本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０のように、位相測定部５０によって光パルスＰｉにおける光源２２０に起因する位相変化を検出し、変調部２４での位相変調に応じた復調が復調部３２４において行われる前に、受信したレイリー散乱光に位相測定部５０による測定結果に基づく補正を行うことにより、復調後のレイリー散乱光における光源２２０に起因する位相変化の影響を抑えることができる。その結果、本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０では、音波の検出を精度よく行うことができる。具体的には、以下の通りである。
【０１５０】
光源の種類によって、出力する光線（光パルス）の位相が時刻の経過と共に変化するものがあり、この位相変化には規則性がない。そのため、分布型光ファイバ音波検出装置１０に前記位相が変化する光源２２０が用いられた場合、受信したレイリー散乱光をそのまま復調すると、復調後のレイリー散乱光が光源２２０に起因する位相変化の影響（位相ノイズ）を含んだ状態となる。そこで、本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０のように、光パルスＰｉの光源２２０に起因する位相変化を測定し、この測定結果に基づく補正を復調前のレイリー散乱光に対して行うことにより位相ノイズが取り除かれ、復調後のレイリー散乱光における前記位相ノイズの影響が抑えられる。これにより、出力する光線の位相が時刻の経過と共に変化する光源２２０を用いても、音波を精度よく検出することが可能となる。
【０１５１】
次に、本発明の第２実施形態について図８を参照しつつ説明するが、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、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。
【０１５２】
この分布型光ファイバ音波検出装置１０Ａは、装置本体１１と、検出用光ファイバ１２と、を備える。そして、装置本体１１は、光パルス射出部２０Ａと、位相測定部５０Ａ、５０Ｂと、光サーキュレータ１４と、レイリー散乱光受信部３０Ａと、制御処理部１６と、出力部４０と、を備える。
【０１５３】
尚、本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０Ａにおいても、第１実施形態同様、光パルス射出部２０Ａと光サーキュレータ１４との間にエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦＡ）等の光増幅器が配置されてもよい。
【０１５４】
光パルス射出部２０Ａは、所定の周波数の光パルスを出力する光源部２２Ａと、光源部２２Ａの出力する光パルスＰｉを位相変調する変調部２４Ａと、強度変調部２６と、を備え、光パルスを検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから当該検出用光ファイバ１２内に入射させる。
【０１５５】
光源部２２Ａは、第１光源２２０Ａと、第２光源２２０Ｂと、第３分光部２２５と、第４分光部２２６と、を有する。
【０１５６】
第１光源２２０Ａは、特定の波長λ１の第１の光パルスを出力する。また、第２光源２２０Ｂは、波長λ１と異なる波長λ２の第２の光パルスを出力する。即ち、第１の光パルスと第２の光パルスとは、互いに波長λが異なる。
【０１５７】
第３分光部２２５は、第１光源２２０Ａから出力される第１の光パルスを分光（分岐）し、この分光した第１の光パルスを変調部２４Ａとレイリー散乱光受信部３０Ａ（詳しくは、分離・検波部３１２の第１ミキサ３１２ａ）とにそれぞれ出力する。
【０１５８】
第４分光部２２６は、第２光源２２０Ｂから出力される第２の光パルスを分光（分岐）し、この分光した第２の光パルスを変調部２４Ａとレイリー散乱光受信部３０Ａ（詳しくは、分離・検波部３１２の第２ミキサ３１２ｂ）とにそれぞれ出力する。
【０１５９】
変調部２４Ａは、位相変調部２４０Ａと、合成部２４２Ａと、を有し、光源部２２Ａ（詳しくは、第１光源２２０Ａ及び第２光源２２０Ｂ）が出力する第１の光パルスと第２の光パルスとをそれぞれ位相変調して合成する。
【０１６０】
位相変調部２４０Ａは、第１位相変調器２４０ａと、第２位相変調器２４０ｂと、第１の符号系列Ａｉと第２の符号系列Ｂｉとからなる一対の符号系列（ペアコード：図２参照）を作成するパルス発生器（Pulse Generator）２８と、を有する。
【０１６１】
パルス発生器２８は、第１の光パルス及び第２の光パルスの位相変調に用いられるペアコードを生成するコード生成部２４４と、合成後の光パルスＰｉの強度変調用の信号（強度信号）を生成する強度変調信号生成部２４５と、を有する。
【０１６２】
強度変調信号生成部２４５は、強度変調部２６に接続され、コード生成部２４４において生成されるペアコードに対応するパルス幅Ｄ及びパルス間隔（第１の時間間隔）ＴＤで、強度変調用の信号を出力する（図２参照）。
【０１６３】
合成部２４２Ａは、位相変調部２４０Ａにおいてそれぞれ位相変調された第１の光パルスと第２の光パルスとを一つの光パルスＰｉに合成して出力する。本実施形態の合成部２４２Ａは、波長分割多重(WDM: Wavelength Division Multiplex)技術によって、第１の光パルスと第２の光パルスとを一つの光パルスＰｉに合成して出力する。
【０１６４】
強度変調部２６は、パルス発生器２８の強度変調信号生成部２４５からの強度変調用信号に基づいて、合成部２４２Ａから出力される光パルスＰｉの強度変調を行う。
【０１６５】
以上の光パルス射出部２０Ａからは、第１実施形態同様、幅がｄの複数のセルに分割され且つパルス幅Ｄの光パルスＰｉが第１の時間間隔ＴＤで出力される。
【０１６６】
位相測定部（第１の位相測定部）５０Ａは、第１光源２２０Ａが出力する第１の光パルスの位相を測定して、当該第１の光パルスにおける第１光源２２０Ａに起因する位相の変化（位相の時間変化）を検出し、この測定結果に応じた位相信号を第１復調部３２４ａへ向けて出力する。
【０１６７】
位相測定部（第２の位相測定部）５０Ｂは、第２光源２２０Ｂが出力する第２の光パルスの位相を測定して、当該第２の光パルスにおける第２光源２２０Ｂに起因する位相の変化（位相の時間変化）を検出し、この測定結果に応じた位相信号を第２復調部３２４ｂへ向けて出力する。
【０１６８】
レイリー散乱光受信部３０Ａは、位相変化導出部３２Ａと、音波検出部３４と、を有し、光パルス（互いに波長が異なる第１の光パルスと第２の光パルスとが合成された光パルス）Ｐｉの入射によって検出用光ファイバ１２内に生じるレイリー散乱光を受信する。
【０１６９】
位相変化導出部３２Ａは、分光部３１０と、分離・検波部３１２と、復調部３２４と、導出部３６と、を有する。
【０１７０】
分光部３１０は、検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光を１／２の比率（５０：５０）で分岐して、分離・検波部３１２（詳しくは、第１ミキサ３１２ａと第２ミキサ３１２ｂと）に出力する。本実施形態の分光部３１０は、３ｄＢ分光器（３ｄＢスプリッター）である。
【０１７１】
分離・検波部３１２は、第１ミキサ３１２ａと、第２ミキサ３１２ｂと、第１のＡ／Ｄ変換部３１２ｃと、第２のＡ／Ｄ変換部３１２ｄと、を有し、検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光から、第１の光パルスに対応する成分である第１のレイリー散乱光と、第２の光パルスに対応する成分である第２のレイリー散乱光とを、それぞれ抽出する。
【０１７２】
第１ミキサ３１２ａは、第３分光部２２５からの第１の光パルスを局発光として検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光の検波を行って当該レイリー散乱光から第１の光パルスに対応する第１のレイリー散乱光を抽出し、そのＩ，Ｑ信号（アナログ信号）を出力する。
【０１７３】
第２ミキサ３１２ｂは、第４分光部２２６からの第２の光パルスを局発光として検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光の検波を行って当該レイリー散乱光から第２の光パルスに対応する第２のレイリー散乱光を抽出し、そのＩ，Ｑ信号（アナログ信号）を出力する。
【０１７４】
第１のＡ／Ｄ変換部３１２ｃは、第１ミキサ３１２ａから出力される第１のレイリー散乱光のＩ，Ｑ信号をそれぞれＡ／Ｄ変換してデジタル信号とし、復調部３２４（詳しくは、第１復調部３２４ａ）に出力する。また、第２のＡ／Ｄ変換部３１２ｄは、第２ミキサ３１２ｂから出力される第２のレイリー散乱光のＩ，Ｑ信号をそれぞれＡ／Ｄ変換し、デジタル信号として復調部３２４（詳しくは、第２復調部３２４ｂ）に出力する。
【０１７５】
これら各Ａ／Ｄ変換部３１２ｃ、３１２ｄでは、第１実施形態同様、Ａ／Ｄ変換の分解能が６ｂｉｔしかないが、本実施形態においてもＧｏｌａｙ符号系列による位相変調によって光パルスが分割されて２１２個のセルが形成されるため、これが復調されるときに一つの光パルスに集約されることで、１８ｂｉｔ（＝６＋１２）の分解能がある場合と同じ精度が得られる。
【０１７６】
復調部３２４は、第１復調部３２４ａと第２復調部３２４ｂとを有し、各位相測定部５０Ａ、５０Ｂにより検出された位相の変化に基づいて補正された第１のレイリー散乱光と第２のレイリー散乱光との復調をそれぞれ行う。
【０１７７】
具体的には、第１復調部３２４ａは、位相測定部５０Ａにより検出された位相の変化に基づいて第１のレイリー散乱光を補正した後、この補正後の第１のレイリー散乱光に対して第１位相変調器２４０ａにおける位相変調に対応する復調を行う。また、第２復調部３２４ｂは、位相測定部５０Ｂにより検出された位相の変化に基づいて第２のレイリー散乱光を補正した後、この補正後の第２のレイリー散乱光に対して第２位相変調器２４０ｂにおける位相変調に対応する復調を行う。
【０１７８】
本実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置１０Ａによっても、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行うことにより、小さなパルス幅（セルの幅ｄに相当するパルス幅）で且つ強い信号強度を持った光パルスを用いて音波の検出を行ったのと同等の効果が得られる。これにより、長尺な検出用光ファイバ１２の長手方向の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができると共に、高い長手方向分解能を実現することができる。
【０１７９】
また、本実施形態のように、互いに波長の異なる第１の光パルスと第２の光パルスとを合成（ＷＤＭ）した光パルスＰｉを用いても、受信したレイリー散乱光を第１のレイリー散乱光と第２のレイリー散乱光とに容易且つ確実に分離することが可能であるため、第１実施形態同様、音波の高感度かつ高精度な検出をより確実に行うことができる。但し、第１実施形態のように、光源２２０が出力した光パルスを分光部（第２分光部２２４）によって第１の光パルスと第２の光パルスとに分光する構成の方が、光源の数を抑えることができる。
【０１８０】
次に、本発明の第３実施形態について図９を参照しつつ説明するが、上記第１及び第２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。
【０１８１】
この分布型光ファイバ音波検出装置１０Ｂは、装置本体１１と、検出用光ファイバ１２と、を備える。そして、装置本体１１は、光パルス射出部２０Ｂと、光サーキュレータ１４と、レイリー散乱光受信部３０Ｂと、制御処理部１６と、出力部４０と、を備える。この分布型光ファイバ音波検出装置１０Ｂは、光パルスを複数のセルに分割する際に、第１及び第２実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０、１０Ａのように位相変調によって分割するのではなく、強度変調によって分割する。
【０１８２】
光パルス射出部２０Ｂは、所定の周波数の光パルスを出力する光源部２２Ｂと、光源部２２Ｂの出力する光パルスを強度変調する変調部２４Ｂと、パルス強度変調部２６と、を備え、光パルスを検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａから当該光ファイバ１２内に入射させる。
【０１８３】
光源部２２Ｂは、第１光源２２０Ｃと、第２光源２２０Ｄと、第３光源２２０Ｅと、第４光源２２０Ｆと、分光部２３０、２３１、２３２、２３３と、を有する。
【０１８４】
第１光源２２０Ｃは、特定の波長λ１の第１の光パルスを出力する。また、第２光源２２０Ｄは、波長λ２の第２の光パルスを出力する。また、第３光源２２０Ｅは、波長λ３の第３の光パルスを出力する。また、第４光源２２０Ｆは、波長λ４の第４の光パルスを出力する。ここで、波長λ１、波長λ２、波長λ３、及び波長λ４は、互いに異なる。即ち、第１光源２２０Ｃ、第２光源２２０Ｄ、第３光源２２０Ｅ、及び第４光源２２０Ｆは、それぞれ異なる波長λの光パルスを出力する。
【０１８５】
各分光部２３０、２３１、２３２、２３３は、対応する光源２２０Ｃ、２２０Ｄ、２２０Ｅ、２２０Ｆから出力される光パルスを分光（分岐）し、この分光した光パルスを変調部２４Ｂとレイリー散乱光受信部３０Ｂの受信部３１３Ｂとにそれぞれ出力する。
【０１８６】
変調部２４Ｂは、強度変調部２５０と、合成部２４２Ａと、を有し、光源部２２Ｂ（詳しくは、第１光源２２０Ｃ、第２光源２２０Ｄ、第３光源２２０Ｅ、及び第４光源２２０Ｆ）が出力する第１の光パルスと第２の光パルスと第３の光パルスと第４の光パルスとをそれぞれ強度変調して合成する。
【０１８７】
強度変調部２５０は、第１の符号系列Ａｉと第２の符号系列Ｂｉとからなる一対の符号系列（ペアコード）を用いて強度変調に用いる符号系列（コード）を作成するパルス発生器２８Ｂと、第１強度変調器２５１と、第２強度変調器２５２と、第３強度変調器２５３と、第４強度変調器２５４と、を有する。
【０１８８】
パルス発生器２８Ｂは、各光パルス（第１の光パルス、第２の光パルス、第３の光パルス、及び第４の光パルス）の強度変調に用いられる一組みのコードを生成するコード生成部２４４Ｂと、合成後の光パルスＰｉの強度変調用の信号（強度信号）を生成する強度変調信号生成部２４５と、を有する。
【０１８９】
コード生成部２４４Ｂは、第１及び第２実施形態と同様の第１の符号系列Ａｉ及び第２の符号系列Ｂｉからなるペアコードを利用して、第１−１の符号系列Ａ１ｉ、第１−２の符号系列Ａ２ｉ、第２−１の符号系列Ｂ１ｉ、及び第２−２の符号系列Ｂ２ｉからなる一組のコードを生成する。コード生成部２４４Ｂは、これら生成した各符号系列（コード）を各強度変調器２５１、２５２、２５３、２５４に出力する。詳しくは、コード生成部２４４Ｂは、第１−１の符合系列Ａ１ｉを第１強度変調器２５１に出力し、第１−２の符合系列Ａ２ｉを第２強度変調器２５２に出力し、第２−１の符号系列Ｂ１ｉを第３強度変調器２５３に出力し、第２−２の符号系列Ｂ２ｉを第４強度変調器２５４に出力する。
【０１９０】
具体的に、第１−１の符号系列Ａ１ｉは、（１−Ａｉ）／２であり、第１−２の符号系列Ａ２ｉは、（１＋Ａｉ）／２であり、第２−１の符号系列Ｂ１ｉは、（１−Ｂｉ）／２であり、第２−２の符号系列Ｂ２ｉは、（１＋Ｂｉ）／２である。これは、第１及び第２実施形態のように光パルスを位相変調する場合には変調後の値がマイナスとなることが可能であるが、光パルスを強度変調する場合には、変調後の値がマイナスとなることができないため、第１及び第２実施形態におけるペアコードの代わりに、上記のような一組（４つ）のコードが用いられる。従って、本実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０Ｂのように、強度変調によって光パルスを複数のセルに分割する構成においては、少なくとも４つの光源２２０Ｃ、２２０Ｄ、２２０Ｅ、２２０Ｆが必要となる。
【０１９１】
第１強度変調器２５１は、パルス発生器２８Ｂ（コード生成部２４４Ｂ）から入力された第１−１の符号系列Ａ１ｉを用いて第１光パルスの強度変調を行う。また、第２強度変調器２５２は、パルス発生器２８Ｂ（コード生成部２４４Ｂ）から入力された第１−２の符号系列Ａ２ｉを用いて第２光パルスの強度変調を行う。また、第３強度変調器２５３は、パルス発生器２８Ｂ（コード生成部２４４Ｂ）から入力された第２−１の符号系列Ｂ１ｉを用いて第３光パルスの強度変調を行う。また、第４強度変調器２５４は、パルス発生器２８Ｂ（コード生成部２４４Ｂ）から入力された第２−２の符号系列Ｂ２ｉを用いて第４光パルスの強度変調を行う。
【０１９２】
このように、各強度変調器２５１、２５２、２５３、２５４において第１〜第４の光パルスがそれぞれ強度変調されることにより、第１及び第２実施形態同様、各光パルスが所定の幅ｄの複数のセルに分割される。
【０１９３】
レイリー散乱光受信部３０Ｂは、位相変化導出部３２Ｂと、音波検出部３４と、を有し、光パルス（互いに波長が異なる第１の光パルスと第２の光パルスと第３の光パルスと第４の光パルスとが合成された光パルス）Ｐｉの入射によって検出用光ファイバ１２内に生じるレイリー散乱光を受信する。
【０１９４】
位相変化導出部３２Ｂは、散乱光分光部３１０Ｂと、受信部３１３Ｂと、光電変換部３１５Ｂと、復調部３２４Ｂと、導出部３６Ｂと、を有する。
【０１９５】
散乱光分光部３１０Ｂは、検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光を１／４の比率（２５：２５：２５：２５）で４分岐して、受信部３１３Ｂに出力する。本実施形態の散乱光分光部３１０Ｂは、６ｄＢ分光器（６ｄＢスプリッター）である。
【０１９６】
受信部３１３Ｂは、第１〜第４受信器３１３ａ、３１３ｂ、３１３ｃ、３１３ｄを有し、検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光から、第１の光パルスに対応する成分である第１のレイリー散乱光と、第２の光パルスに対応する成分である第２のレイリー散乱光と、第３の光パルスに対応する成分である第３のレイリー散乱光と、第４の光パルスに対応する成分である第４のレイリー散乱光とを、それぞれ抽出する。
【０１９７】
第１受信器３１３ａは、散乱光分光部３１０Ｂに接続され、分光部２３０からの第１の光パルスを局発光として検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光に干渉させ、当該レイリー散乱光から第１の光パルスに対応する第１のレイリー散乱光を抽出する。そして、第１受信器３１３ａは、抽出した第１のレイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とを分離して出力する。また、第２受信器３１３ｂは、散乱光分光部３１０Ｂに接続され、分光部２３１からの第２の光パルスを局発光として検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光に干渉させ、当該レイリー散乱光から第２の光パルスに対応する第２のレイリー散乱光を抽出する。そして、第２受信器３１３ｂは、抽出した第２のレイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とを分離して出力する。また、第３受信器３１３ｃは、散乱光分光部３１０Ｂに接続され、分光部２３２からの第３の光パルスを局発光として検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光に干渉させ、当該レイリー散乱光から第３の光パルスに対応する第３のレイリー散乱光を抽出する。そして、第３受信器３１３ｃは、抽出した第３のレイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とを分離して出力する。また、第４受信器３１３ｄは、散乱光分光部３１０Ｂに接続され、分光部２３３からの第４の光パルスを局発光として検出用光ファイバ１２からのレイリー散乱光に干渉させ、当該レイリー散乱光から第４の光パルスに対応する第４のレイリー散乱光を抽出する。そして、第４受信器３１３ｄは、抽出した第４のレイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とを分離して出力する。
【０１９８】
光電変換部３１５Ｂは、第１〜第４デジタルコヒーレント受信器３１５ａ、３１５ｂ、３１５ｃ、３１５ｄを有し、受信部３１３Ｂの各受信器３１３ａ、３１３ｂ、３１３ｃ、３１３ｄのからの光信号（レイリー散乱光）をデジタル信号に変換する。
【０１９９】
第１デジタルコヒーレント受信器３１５ａは、第１受信器３１４ａからの第１レイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とをＡ／Ｄ変換すると共に合成してデジタル信号ＳＡ１を出力する。また、第２デジタルコヒーレント受信器３１５ｂは、第２受信器３１４ｂからの第２レイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とをＡ／Ｄ変換すると共に合成してデジタル信号ＳＡ２を出力する。また、第３デジタルコヒーレント受信器３１５ｃは、第３受信器３１４ｃからの第３レイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とをＡ／Ｄ変換すると共に合成してデジタル信号ＳＢ１を出力する。また、第４デジタルコヒーレント受信器３１５ｄは、第４受信器３１４ｄからの第４レイリー散乱光のＰ偏波とＳ偏波とをＡ／Ｄ変換すると共に合成してデジタル信号ＳＢ２を出力する。
【０２００】
復調部３２４Ｂは、第１〜第４復調部３２４ｅ、３２４ｆ、３２４ｇ、３２４ｈを有し、光電変換部３１５Ｂの各デジタルコヒーレント受信器３１５ａ、３１５ｂ、３１５ｃ、３１５ｄからのデジタル信号ＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２に対し、当該デジタル信号（第１〜第４のレイリー散乱光）に対応する光パルス（第１〜第４の光パルス）の強度変調部２５０における強度変調に応じて復調する。
【０２０１】
第１復調部３２４ｅは、第１デジタルコヒーレント受信器３１５ａから出力されるデジタル信号（第１のレイリー散乱光に対応する信号）ＳＡ１に対し、第１の光パルスが変調部２４Ｂにおいて強度変調されたときのコード（第１−１の符号系列Ａ１ｉ）に基づいた復調（具体的には、ＳＡ１・Ａ＊）を行う。また、第２復調部３２４ｆは、第２デジタルコヒーレント受信器３１５ｂから出力されるデジタル信号（第２のレイリー散乱光に対応する信号）ＳＡ２に対し、第２の光パルスが変調部２４Ｂにおいて強度変調されたときのコード（第１−２の符号系列Ａ２ｉ）に基づいた復調（具体的には、ＳＡ２・Ａ＊）を行う。また、第３復調部３２４ｇは、第３デジタルコヒーレント受信器３１５ｃから出力されるデジタル信号（第３のレイリー散乱光に対応する信号）ＳＢ１に対し、第３の光パルスが変調部２４Ｂにおいて強度変調されたときのコード（第２−１の符号系列Ｂ１ｉ）に基づいた復調（具体的には、ＳＢ１・Ｂ＊）を行う。また、第４復調部３２４ｈは、第４デジタルコヒーレント受信器３１５ｄから出力されるデジタル信号（第４のレイリー散乱光に対応する信号）ＳＢ２に対し、第４の光パルスが変調部２４Ｂにおいて強度変調されたときのコード（第２−２の符号系列Ｂ２ｉ）に基づいた復調（具体的には、ＳＢ２・Ｂ＊）を行う。
【０２０２】
導出部３６Ｂは、合成部３３０と、位相変化導出部３６４と、を備え、復調されたレイリー散乱光の位相変化ΔΦを求める。
【０２０３】
合成部３３０は、各復調部３２４ｅ、３２４ｆ、３２４ｇ、３２４ｈにおいて復調された第１〜第４のレイリー散乱光に対応するデジタル信号を合成して、受信したレイリー散乱光の位相Φを求める。具体的に、合成部３３０は、第１復調部３２４ｅにより復調された信号ＳＡ１・Ａ＊と、第２復調部３２４ｆにより復調された信号ＳＡ２・Ａ＊と、から、信号（ＳＡ１−ＳＡ２）・Ａ＊を求めると共に、第３復調部３２４ｇにより復調された信号ＳＢ１・Ｂ＊と、第４復調部３２４ｈにより復調された信号ＳＢ２・Ｂ＊と、から、信号（ＳＢ１−ＳＢ２）・Ｂ＊を求める。そして、合成部３３０は、これら信号（ＳＡ１−ＳＡ２）・Ａ＊と信号（ＳＢ１−ＳＢ２）・Ｂ＊とから、レイリー散乱光の位相Φに相当する信号Ｓ＝（ＳＡ・Ａ＊＋ＳＢ・Ｂ＊）を求める。ここで、ＳＡ＝ＳＡ１−ＳＡ２であり、ＳＢ＝ＳＢ１−ＳＢ２である。
【０２０４】
位相変化導出部３６４は、合成部３３０において直近に求められたレイリー散乱光の位相Φと、前回求められたレイリー散乱光の位相Φとの差（位相変化）ΔΦを求める。
【０２０５】
本実施形態に係る分布型光ファイバ音波検出装置１０Ｂのように強度変調によって光パルスを複数のセルに分割する場合であっても、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行うことにより、小さなパルス幅（セルの幅ｄに相当するパルス幅）で且つ強い信号強度を持った光パルスを用いて音波の検出を行ったのと同等の効果が得られる。これにより、長尺な検出用光ファイバ１２の長手方向の各領域に衝突した音波を高感度かつ高精度に検出することができると共に、高い長手方向分解能を実現することができる。
【０２０６】
尚、本発明の分布型光ファイバ音波検出装置は、上記第１〜第３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。
【０２０７】
上記第１〜第３実施形態の光パルス射出部２０、２０Ａ、２０Ｂは、光源部２２、２２Ａ、２２Ｂ及び変調部２４、２４Ａ、２４Ｂを有するユニット（パルスユニット）を１つ備えているが、これに限定されない。即ち、光パルス射出部は、複数のパルスユニットを備えていてもよい。
【０２０８】
この場合、各パルスユニットから出力される光パルスは互いに異なる周波数であり、図１０に示されるように、各パルスユニットが光パルスを第１の時間間隔ＴＤで出力しつつ、各パルスユニット間の光パルスの出力タイミングが第１の時間間隔ＴＤよりも短い第２の時間間隔ＴＤ２だけずれるように順に光パルスを出力するように、制御処理部１６によって制御される。尚、各パルスユニットが出力する光パルスは、同一の検出用光ファイバ１２内に出力される。
【０２０９】
これにより、音波の検出用光ファイバ１２に沿った分布（即ち、検出用光ファイバ１２の長手方向の各領域に対して同時に衝突した前記音波の分布）を短い時間間隔（第２の時間間隔ＴＤ２）毎に検出することができる。即ち、音波の検出用光ファイバ１２に沿った分布を高いサンプリングレート（第２の時間間隔ＴＤ２）で検出することが可能となる。
【０２１０】
また、上記第１〜第３実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０、１０Ａ、１０Ｂでは、検出用光ファイバ１２内を同時に複数の光パルスが第１の時間間隔ＴＤで進行（走査）するが、これに限定されない。光パルス射出部２０、２０Ａ、２０Ｂから一つの光パルスＰ１が出力され、検出用光ファイバ１２の第２端部１２ｂにおいて前記光パルスＰ１によって生じて第１端部１２ａまで戻ってきたレイリー散乱光をレイリー散乱光受信部３０、３０Ａ、３０Ｂが受信した後に、次の光パルスＰ２が出力されるように構成されてもよい。即ち、分布型光ファイバ音波検出装置では、検出用光ファイバ１２内を一つの光パルスのみが進行（走査）するように構成されてもよい。
【０２１１】
上記第１〜第３実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０、１０Ａ、１０Ｂでは、自己相関関数がδ関数となるペアコード（例えば、Ｇｏｌａｙ符号系列）を用いて光パルスを変調しているが、これに限定されない。即ち、光パルスの変調に用いられる符号系列は、自己相関関数が単独でδ関数となるものでもよく、例えば、Ｍ系列等であってもよい。
【０２１２】
上記第３実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０Ｂには、第１及び第２実施形態と同様の位相測定部が設けられてもよい。上記第３実施形態の分布型光ファイバ音波検出装置１０Ｂに位相測定部が設けられる場合、当該位相測定部は、光源（第１〜第４光源２２０Ｃ、２２０Ｄ、２２０Ｅ、２２０Ｆ）毎に設けられる。即ち、出力する光において時刻の経過に伴う位相の変化の小さい光源（例えば、狭線幅レーザ光源（１０ｋＨｚ未満）等）を用いた分布型光ファイバ音波検出装置であれば、位相測定部がなくても音波の検出において精度を確保可能であるが、通常の光通信に用いられる光源（１〜３ＭＨｚ）が用いられる場合は、前記位相の変化が大きいため、位相測定部を設けてこの光源に起因する位相の変化の影響（位相ノイズ）をレイリー散乱光から取り除くことにより、音波の検出精度を確保することができる。
【０２１３】
光源に起因する位相の変化の測定において、光の位相は温度変化や振動による影響を受け易いため、位相測定部は、分布型光ファイバ音波検出装置の装置本体内における温度変化や振動の少ない場所に設けられることが好ましい。例えば、位相測定部５０は、図１に示されるような、光源２２０と第１分光部２２２との間や、第２分光部２２４と第１位相変調器２４０ａ（又は第２位相変調器２４０ｂ）との間、光サーキュレータ１４と検出用光ファイバ１２の第１端部１２ａとの間、等が好ましい。
【符号の説明】
【０２１４】
１０、１０Ａ、１０Ｂ      分布型光ファイバ音波検出装置
１２                      検出用光ファイバ（光ファイバ）
２０、２０Ａ、２０Ｂ      光パルス射出部
２２、２２Ａ、２２Ｂ      光源部
２４、２４Ａ、２４Ｂ      変調部
２４０、２４０Ａ          位相変調部
２４０Ｂ                  強度変調部
２４４、２４４Ｂ          コード生成部
３０、３０Ａ、３０Ｂ      レイリー散乱光受信部
３２、３２Ａ、３２Ｂ      位相変化導出部
３４                      音波検出部
Ａｉ、Ｂｉ                 符号系列（ペアコード）
Ｄ                        パルス幅
ｄ                        セルの幅（又は変調速度）
Ｌ                        検出用光ファイバの長さ寸法（全長）
Ｐｉ                       光パルス
ＴＤ                       第１の時間間隔
ＴＤ２                     サンプリングレート（第２の時間間隔）
Φ                        レイリー散乱光の位相
ΔΦ                      レイリー散乱光の位相変化
【図１】
0005948035.tif 000007
【図２】
0005948035.tif 000008
【図３】
0005948035.tif 000009
【図４】
0005948035.tif 000010
【図５】
0005948035.tif 000011
【図６】
0005948035.tif 000012
【図７】
0005948035.tif 000013
【図８】
0005948035.tif 000014
【図９】
0005948035.tif 000015
【図１０】
0005948035.tif 000016