(57)【要約】ローカル光を電気光学変調（３）及び音響光学変調（４）することで光パルスを取得し、これを検出パルス光信号（１５）として測定光ファイバ（９）に入力し、取得したレイリー後方散乱光信号（１６）をローカル光とコヒーレント検出させた後に光電変換及び復調することにより、光周波数反射計を実現する、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法及びシステムであって、電気光学変調（３）では単一周波数信号（１１）を用いて変調し、音響光学変調（４）ではパルス信号（１２）を用いて変調し、且つ電気光学変調（３）により得られた光コム信号の複数の周波数成分を同時に掃引することにより、光パルスを取得する、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法及びシステムである。当該光周波数領域反射方法及びシステムは、検出距離が大きく、空間分解能が高く、且つハードウェアコスト及びソフトウェア複雑度が低い。【選択図】図１
2019507327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローカル光を電気光学変調及び音響光学変調することで光パルスを取得し、これを検出パルス光信号として測定光ファイバに入力し、取得したレイリー後方散乱光信号をローカル光とコヒーレント検出させた後に光電変換及び復調することにより、光周波数反射計を実現する、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法であって、
電気光学変調では単一周波数信号を用いて変調し、音響光学変調ではパルス信号を用いて変調し、且つ電気光学変調により得られた光コム信号の複数の周波数成分を同時に掃引することにより、光パルスを取得することを特徴とする周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項２】
前記ローカル光が狭線幅レーザ光であり、前記パルス信号がチャープパルス信号であることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項３】
前記光コム信号の周波数間隔がパルス信号の掃引範囲に等しいことを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項４】
前記電気光学変調とは、高周波の正弦波電気信号を強度変調又は位相変調方式で単一周波数の光信号に変調して、光周波数コム信号を生成することであることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項５】
前記音響光学変調とは、パルス信号で光コム信号を変調することにより、複数周波数の掃引光パルス信号を取得することであることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項６】
前記復調とは、
光電変換で取得した電気信号に基づいて、その周波数成分の数と同じセグメント数のデジタル掃引信号を生成し、
生成した複数セグメントの複素信号に窓関数をそれぞれ乗じるとともに、元データとそれぞれ相互相関演算することにより、対応する相関関数を取得し、
取得した複数の複素関数をそのまま加算してモジュロを求め、複数セグメントのデジタル掃引信号を合成した復調結果を取得することであることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項７】
前記窓関数が、ハニング窓関数であることを特徴とする請求項６に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項８】
参照光分岐路、これと同一光源の変調光分岐路、カップリングユニット及び復調ユニットを有し、参照光分岐路と変調光分岐路の出力端がいずれもカップリングユニットに接続され、カップリングユニットの出力端が復調ユニットに接続された周波数合成に基づいた光周波数領域反射システムであって、
前記変調光分岐路が、順に直列に接続される電気光学変調器、音響光学変調器、エルビウムドープ光ファイバ増幅器、光サーキュレータ及び測定光ファイバを有し、電気光学変調器が単一周波数信号で変調することで光コム信号を生成し、音響光学変調器に入力された光コム信号がパルス信号変調で複数周波数の掃引光パルス信号を取得し、且つエルビウムドープ光ファイバ増幅器にて増幅された後に光サーキュレータ及び測定光ファイバに順に出力され、光サーキュレータの反射端が変調光分岐路の出力端としてカップリングユニットに接続されたことを特徴とする周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項９】
前記参照光分岐路及び変調光分岐路の入力端が同一レーザ装置からの狭線幅レーザ光を受取り、当該レーザ装置が光ファイバカプラを経由して、狭線幅レーザ光を９９：１の分光比率で変調光分岐路と参照光分岐路にそれぞれ出力することを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１０】
前記参照光分岐路には偏波制御器が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１１】
前記電気光学変調器が電気光学強度変調器又は電気光学位相変調器であることを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１２】
前記カップリングユニットには５０：５０光ファイバカプラが用いられ、参照光分岐路からのローカル光と光ファイバサーキュレータから出力されたレイリー後方散乱光が、５０：５０光ファイバカプラでコヒーレント検出されることを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１３】
前記復調ユニットが光電変換モジュール、データ収集ボード及び復調モジュールを有し、データ収集ボードが光電変換モジュールで変換された電気信号を収集して、復調モジュールが復調することを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光センシング分野の技術に関し、具体的には、周波数合成に基づいた光周波数領域反射計方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代以降、光ファイバ通信技術は、非常に広い伝送帯域幅や非常に低い伝送損失等の数多な利点を拠り所にして、急激に発展してきた。光ファイバ通信技術と同時期に急速に発展したものに、光ファイバセンシング技術がある。光ファイバセンシング技術とは、光波をキャリアとし、光ファイバを媒体として、外部からの物理信号（例えば温度や歪み）、或いは光ファイバの各パラメータを測定する技術をいう。従来の機械式又は電磁式センサと比較して、光ファイバセンサには、例えば、電磁干渉による雑音の発生がないため高電磁環境下でも安定して動作できること、光ファイバは不導体であり電気スパークが発生しないため、燃焼や爆発の起こりやすい危険な場所においても動作できること、光ファイバ通信システムとの非常に良好な互換性によって超長距離でのセンシングを実現できること、といった極めて大きな利点がある。
【０００３】
光反射計技術は、光ファイバセンシング技術ファミリーのなかでも重要なメンバーであり、それは、光ファイバの後方散乱光を利用して光ファイバネットワークに対して非破壊検査を行う技術であり、光ファイバの長さ、損失、コネクタ、断裂等の分布を測定することができる。現在最も主要な光反射計技術は、光パルスを用いて検出を行う光時間領域反射計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ，ＯＴＤＲ）技術である。ＯＴＤＲ技術の利点として、光ファイバの検出距離がとても長く、一般的に１００ｋｍ以上であること、他方、システムの構造がシンプル且つ低コストであり、現在すでに商用製品として販売されていること、が挙げられる。しかし、ＯＴＤＲ技術における空間分解能（隣接する２つの「イベントポイント」を識別できる最小距離）は光パルスの幅によって決まるため、光パルスが狭いほど空間分解能が高く、他方、光パルスは、レーザ装置の性能と光ファイバの非線形効果に制限されて、充分に幅狭とはならず、それ故、ＯＴＤＲ技術の空間分解能は劣っており、この点においてＯＴＤＲ技術の応用を制限している。
【０００４】
空間分解能の課題を解決すべく、研究者らは光周波数領域反射計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ，ＯＦＤＲ）技術を提案している。ＯＦＤＲ技術における空間分解能は光源周波数の同調可能範囲によって決まり、光源周波数の同調可能範囲が大きいほど理論空間分解能は高くなる。しかし、ＯＦＤＲ技術は２つの主要な課題に直面している。一つ目は、ＯＦＤＲ技術は検出距離が相対的に短く、最大検出距離は一般的にレーザ装置のコヒーレンス長の半分以下ということである。補助干渉計を用いて位相雑音補償を行うことで、検出距離を向上させたことを報告した文献［Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３２（２２），３２２７〜３２２９（２００７）］があるものの、このような技術のハードウェア複雑度は高く、位相雑音補償のアルゴリズムが複雑であることからデータ処理時間が長く、環境要因による位相雑音の補償もできない。二つ目は、光源周波数の同調可能範囲に限界があり、空間分解能の更なる向上が難しいということである。ＲＦ掃引信号源と単側波帯変調器を用いて狭線幅レーザを変調し、広範囲の線形掃引光源を取得し、高空間分解能を実現することを報告した文献［Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．６，３２８７〜３２９４（２００８）］があり、このような方案は、現在では外部変調型のＯＦＤＲシステムの主なものとして選択される。しかし、単側波帯変調器の欠点は、使用が複雑で、価格が高く、挿入損失が大きい等を有することであり、更に深刻なことは、その他の側波帯を完全に抑制して、単側波帯掃引を実現できないことであり、これは掃引性能に深刻に影響しており、その上、このような方案の掃引範囲は、ＲＦ掃引信号源の性能によって制限されることである。それ故、高空間分解能と長検出距離を実現する光反射計を探すことが強く求められている。
【０００５】
従来技術を検索したところ、中国特許文献第ＣＮ１０３７６３０２２Ａ号（公開日２０１４年４月３０日）が、掃引光源部分、測定光路部分、受信機及び信号処理部分を有し、前記掃引光源部分が狭線幅レーザを初期光源として用いて、出射光が外部変調されて掃引の側波帯光信号を生成する、高次側波帯掃引変調に基づいた高空間分解能の光周波数領域反射計システムを開示していることがわかった。前記外部変調過程では、掃引ＲＦ信号が高出力ＲＦアンプで増幅され、高電圧で半波長電圧の低い電気光学変調器に印加され、複数次の側波帯を発生させ、狭帯域光フィルタで濾波して高次の広帯域掃引の光側波帯を取得し、高次の側波帯を掃引キャリア光源として光路システムに導入し、後方散乱光及び反射された光信号を収集し、ローカルのコヒーレント検出及び信号処理によって光周波数領域反射分析を実現する。しかし、当該技術はハードウェア複雑度が高く、濾波効果がフィルタ性能によって制限され、その他の側波帯を完全に抑制することはできず、掃引性能に深刻に影響し、他方、余分な側波帯を除去した後、光パワー損失が極めて大きく、高倍率の光増幅器で増幅させる必要があり、想定外の位相雑音が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術における上述した不足に対して、電気光学変調器と音響光学変調器を用いて複数周波数同時掃引の光パルス信号を生成し、変調器の性能及びＲＦ掃引信号源の性能における制限を突破し、線形性に優れ、周波数が単一で掃引範囲の大きな光信号を取得し、空間分解能及び検出距離を向上させ、システムのハードウェアコストとソフトウェア複雑度を増加させない、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法及びシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の技術方案により実現される。
【０００８】
本発明に係る周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法は、ローカル光を電気光学変調及び音響光学変調することで光パルスを取得し、これを検出パルス光信号として測定光ファイバに入力し、取得したレイリー後方散乱光信号をローカル光とコヒーレント検出させた後に光電変換及び復調することにより、光周波数反射を実現する、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法であって、電気光学変調では単一周波数信号を用いて変調し、音響光学変調ではパルス信号を用いて変調し、且つ電気光学変調により得られた光コム信号の複数の周波数成分を同時に掃引することにより、光パルスを取得する、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法である。
【０００９】
前記ローカル光は、狭線幅レーザ光である。
【００１０】
前記パルス信号は、チャープパルス信号である。
【００１１】
前記光コム信号の周波数間隔は、パルス信号の掃引範囲に等しい。
【００１２】
前記電気光学変調とは、高周波の正弦波電気信号を強度変調又は位相変調方式で単一周波数の光信号に変調して、光周波数コム信号を生成することである。
【００１３】
前記音響光学変調とは、パルス信号で光コム信号を変調することにより、複数周波数の掃引光パルス信号を取得することである。
【００１４】
本発明に係る周波数合成に基づいた光周波数領域反射システムは、参照光分岐路、これと同一光源の変調光分岐路、カップリングユニット及び復調ユニットを有し、参照光分岐路と変調光分岐路の出力端がいずれもカップリングユニットに接続され、カップリングユニットの出力端が復調ユニットに接続された、周波数合成に基づいた光周波数領域反射システムである。
【００１５】
前記参照光分岐路及び変調光分岐路の入力端は同一レーザ装置からの狭線幅レーザ光を受取り、好ましくは、当該レーザ装置は光ファイバカプラを経由して、狭線幅レーザ光を９９：１の分光比率で変調光分岐路と参照光分岐路にそれぞれ出力する。
【００１６】
前記参照光分岐路には、偏波制御器が設けられていることが好ましい。
【００１７】
前記変調光分岐路は、順に直列に接続される電気光学変調器、音響光学変調器、エルビウムドープ光ファイバ増幅器、光サーキュレータ及び測定光ファイバを有し、電気光学変調器が単一周波数信号で変調することで光コム信号を生成し、音響光学変調器に入力された光コム信号がパルス信号変調で複数周波数の掃引光パルス信号を取得し、且つエルビウムドープ光ファイバ増幅器にて増幅された後に光サーキュレータ及び測定光ファイバに順に出力され、光サーキュレータの反射端は変調光分岐路の出力端としてカップリングユニットに接続されている。
【００１８】
前記電気光学変調器は、電気光学強度変調器又は電気光学位相変調器である。
【００１９】
前記カップリングユニットには５０：５０光ファイバカプラを用いるがこれに限らず、参照光分岐路からのローカル光と光ファイバサーキュレータから出力されたレイリー後方散乱光は、５０：５０光ファイバカプラでコヒーレント検出される。
【００２０】
前記復調ユニットは光電変換モジュール、データ収集ボード及び復調モジュールを有し、データ収集ボードは光電変換モジュールで変換された電気信号を収集して、復調モジュールが復調する。
【発明の効果】
【００２１】
従来技術と比較して、本発明は次の技術的効果を有する。
【００２２】
１）音響光学変調器を用いて狭線幅レーザ光を掃引することにより、更に良好な単側波帯掃引効果を得ることができ、その他側波帯からの干渉を受けず、且つ更に低い挿入損失を備え、使用が容易で、性能が更に安定する。
【００２３】
２）音響光学変調器が検出光信号をパルスカットすることにより、光位相に対するレーザ光位相雑音及び環境の影響を効果的に抑制することができ、本システムの最大検出距離はコヒーレンス長の制限を突破し、且つシステムのハードウェアコスト及びソフトウェア複雑度は増加しない。
【００２４】
３）複数周波数で同時掃引するとともに、デジタルドメインにおいて周波数を合成する方法を採用することにより、音響光学変調器とＲＦ掃引信号源の最大掃引範囲の制限を突破することができ、システムの空間分解能を数倍に向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の模式図である。
【図２】図２は、光パルス信号における光スペクトルの模式図である。
【図３】図３は、実施例において出力される信号曲線図である。
【図４】図４は、実施例の測定光ファイバ７０ｋｍ地点でのＦＣ／ＡＰＣコネクタの反射点において、周波数合成前後を比較した図である。
【００２６】
図中、１は狭線幅光ファイバレーザ装置であり、２は光ファイバカプラであり、３は電気光学変調器であり、４は音響光学変調器であり、５はエルビウムドープ光ファイバ増幅器であり、６は直流電圧源であり、７は２チャネル任意波形発生器であり、８は光ファイバサーキュレータであり、９は測定光ファイバであり、１０は直流バイアス電圧であり、１１は単一周波数の正弦波信号であり、１２は掃引ＲＦパルス信号であり、１３はトリガ及び基準クロック信号であり、１４は偏波制御器であり、１５は検出パルス光信号であり、１６はレイリー後方散乱光信号であり、１７は５０：５０光ファイバカプラであり、１８はバランス検出器であり、１９はデータ収集ボードであり、２０はコンピュータである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例は、本発明の技術方案を前提に実施しており、詳細な実施形態及び具体的な操作過程が提示されるが、本発明の保護範囲は後述の実施例に限定されない。
【００２８】
実施例１
図１に示すように、本実施例は、測定光ファイバ９、信号発生モジュール、順に接続される狭線幅レーザ光源モジュール、光コム生成モジュール、掃引パルスカットモジュール、コヒーレント受信モジュール、光電変換モジュール及びデジタル信号処理モジュールを有し、コヒーレント受信モジュールは測定光ファイバ９に接続されている。
【００２９】
前記信号発生モジュールは、２チャネル任意波形発生器７である。当該２チャネル任意波形発生器７は、光コム生成モジュール及び掃引パルスカットモジュールに対し、増幅した単一周波数の正弦波信号１１と掃引ＲＦパルス信号１２をそれぞれ出力し、且つデジタル信号処理モジュールに対しトリガ及び基準クロック信号を送信する。
【００３０】
前記単一周波数の正弦波信号１１は、周波数が４０ＭＨｚであり、初期位相が０°である。
【００３１】
前記掃引ＲＦパルス信号１２は、開始周波数が１８０ＭＨｚであり、終了周波数が２２０ＭＨｚであり、掃引持続時間が８μｓであり、掃引範囲が４０ＭＨｚである。
【００３２】
前記測定光ファイバ９は、長さ７５ｋｍの一般的なシングルモードファイバであり、一切の隔離処理を施すことなく実験室環境に露出させた。
【００３３】
前記測定光ファイバ９は、２５ｋｍ、３５ｋｍ、４５ｋｍ及び７０ｋｍ地点において、それぞれＦＣ／ＡＰＣコネクタを設けている。
【００３４】
前記掃引ＲＦパルス信号１２は、周波数チャープパルス信号である。
【００３５】
前記狭線幅レーザ光源モジュールは、順に接続される狭線幅光ファイバレーザ装置１及び９９：１光ファイバカプラ２を有し、狭線幅光ファイバレーザ装置１で発生した超狭線幅レーザ光は、９９：１光ファイバカプラ２を通過することでパワー９９％の検出光とパワー１％のローカル光に分割される。
【００３６】
前記光コム生成モジュールは、直流電圧源６及び電気光学変調器３を有し、電気光学変調器３に入力される検出光と単一周波数の正弦波信号１１によって光コム信号が生成されるように、直流電圧源６は電気光学変調器３に入力される直流バイアス電圧１０を調整する。
【００３７】
前記電気光学変調器３は、電気光学強度変調器又は電気光学位相変調器であり、前記検出光が電気光学変調器３を通過することで、複数の周波数成分を有する光コム信号が出力される。
【００３８】
前記周波数成分の数は、変調電圧及び直流バイアス電圧１０の設定によって決まり、このため変動可能であり、そして、周波数成分の数を増加させることで空間分解能がする。本実施例では、周波数成分が５つであり、光コム信号の周波数間隔が４０ＭＨｚであり、各周波数成分の強度は略同一であり、周波数間隔は掃引ＲＦパルス信号１２の掃引範囲と厳密に一致する。
【００３９】
前記掃引パルスカットモジュールは、順に接続される音響光学変調器４及びエルビウムドープ光ファイバ増幅器５を有し、音響光学変調器４に入力された光コム信号及び掃引ＲＦパルス信号１２が同時に掃引及びパルスカットされることで複数周波数の掃引光パルス信号が得られ、且つエルビウムドープ光ファイバ増幅器５で増幅された後に出力される。
【００４０】
前記コヒーレント受信モジュールは、順に接続される光ファイバサーキュレータ８、測定光ファイバ９及び５０：５０光ファイバカプラ１７を有し、複数周波数の掃引光パルス信号は光ファイバサーキュレータ８のポートａから入力され、ポートｂから測定光ファイバ９に入射されて測定され、戻されたレイリー後方散乱光信号１６は光ファイバサーキュレータ８のポートｂから入力されて、ポートｃから射出され、光ファイバカプラ２から出力されたローカル光と光ファイバサーキュレータ８から出力されたレイリー後方散乱光１６は、５０：５０光ファイバカプラ１７でコヒーレント検出される。
【００４１】
前記狭線幅光ファイバレーザ装置１で発生した超狭線幅レーザ光は、９９：１光ファイバカプラ２のポートａから入力して分割され、ポートｂからは検出光が、ポートｃからはローカル光が出力される。
【００４２】
前記光ファイバカプラ２の出力端には、偏波制御器１４が設けられていることが好ましい。
【００４３】
前記光電変換モジュールは、本実施例では、バランス検出器１８によって実現される。
【００４４】
前記デジタル信号処理モジュールは、順に接続されるデータ収集ボード１９及び演算ユニット２０を有し、データ収集ボード１９で収集されたデータが演算ユニット２０で次のように合成及び処理して分析される。
【００４５】
１）演算ユニット２０は、データ収集ボード１９により取得された元データに基づいて、その周波数成分の数と同じセグメント数のデジタル掃引信号（複素信号）を生成する。
【００４６】
電気光学変調器３から出力される光コム信号はＮ個の周波数成分を有し、周波数間隔はΩである。分析を簡易化するためにＮ＝２とすると、光コム信号が掃引パルスカットモジュールを通過した後、２つの周波数の掃引光パルス信号が得られ、これらの掃引速度はいずれもγであり、掃引持続時間はτｐであり、掃引範囲は２πγτｐである。測定光ファイバのある一点におけるレイリー散乱光がコヒーレント受信モジュールにより受信されて得られる元データは、下記式で表される。
【００４７】
【数１】
2019507327.tif 000003
【００４８】
式中、Ａ（τ０）は当該反射点の反射係数であり、τ０は当該反射点の往復時間であり、ωＬはレーザの中心周波数であり、Ｃはレーザの位相雑音及び環境要因による位相雑音であり、ｒｅｃｔ（）は矩形窓関数である。前記２つの周波数のビート周波数信号は同時にデータ収集モジュールに入力されるが、これらの周波数範囲が異なるため、データ処理過程でフィルタによって正確に分離することができる。
【００４９】
前記の互いに対応するデジタル掃引信号は、下記式で表される。
【００５０】
【数２】
2019507327.tif 000004
【００５１】
本実施例は５つのセグメントのデジタル掃引信号（複素信号）を生成しており、その掃引範囲はそれぞれ１００〜１４０ＭＨｚ、１４０〜１８０ＭＨｚ、１８０〜２２０ＭＨｚ、２２０〜２６０ＭＨｚ及び２６０〜３００ＭＨｚであり、持続時間はいずれも８μｓである。
【００５２】
２）復調結果から反射点のサイドローブの影響を除去すべく、生成された複素信号に窓関数をそれぞれ乗じ、且つデータ収集ボード１９により収集された元データと相互相関演算を実施することにより、対応する相関関数（複素関数）を取得する。
【００５３】
本実施例では前記窓関数としてハニング窓関数を用いたが、状況によってはその他の窓関数を用いて実現してもよい。
【００５４】
前記相関関数は、下記式で表される。
【００５５】
【数３】
2019507327.tif 000005
【００５６】
３）取得した複素関数をそのまま加算してモジュロを求め、デジタル掃引信号を合成した復調結果を取得する。
【００５７】
Ω＝２πγτｐの場合、即ち光コム信号の周波数間隔が掃引ＲＦパルス信号の掃引範囲と厳密に同じである場合に限り、下記式で表すように、取得した２つの複素関数をそのまま加算してモジュロを求め、複数セグメントのデジタル掃引信号を合成した復調結果を取得する。
【００５８】
【数４】
2019507327.tif 000006
【００５９】
合成前の復調結果と比較して、合成後の復調結果はピークが更に狭く且つ更に高くなり、空間分解能を向上させるという技術的効果が得られた。
【００６０】
図２に示すように、１セグメントの掃引範囲が４０ＭＨｚである場合に、５つのセグメントの掃引を合成すれば、２００ＭＨｚの掃引範囲と同じ効果がある。
【００６１】
図３より、６つの反射点の存在がはっきりと確認でき、１つ目の反射点は、光ファイバサーキュレータ８のポートｂと測定光ファイバ９のコネクタである。理論分析によれば、１つのセグメントの掃引範囲が４０ＭＨｚである場合、対応する空間分解能は２．５ｍであり、窓関数で復調した後に、理論空間分解能は５ｍとなるはずである。５つのセグメントの掃引を合成した後と同じ効果の掃引範囲は２００ＭＨｚであり、対応する空間分解能は０．５ｍであり、窓関数で復調した後に、理論空間分解能は１ｍとなるはずである。
【００６２】
図４に示すように、測定光ファイバ９の７０ｋｍ地点における反射点では、合成後の空間分解能として１．２ｍを測定することができ、合成前の空間分解能５．８ｍと比較すると約５倍向上したことになり、理論分析と極めて一致する。
【００６３】
前記５０：５０光ファイバカプラ１７が受信するローカル光信号は、周波数が一定の非掃引光信号であり、従来のＯＦＤＲシステムにおける周波数チャープのローカル光とは異なる。
【００６４】
前記２チャネル任意波形発生器７は、データ収集ボード１９に対しトリガ及び基準クロック信号を出力することで、両者のクロックが完全に同期する。
【００６５】
前記バランス検出器１８は、光電変換を行う。
【００６６】
前記デジタル信号は、演算ユニット２０において同じ効果を有する一つの大掃引範囲信号に合成されるため、高空間分解能の光周波数領域反射分析が実現される。
【００６７】
前記検出光は、電気光学変調器３と音響光学変調器４を順に通過することで複数周波数の同時掃引光パルスを形成し、従来のＯＦＤＲシステムにおける単一周波数掃引や光パワーが一定の検出光とは異なる。
【００６８】
前記音響光学変調器４は、従来の単側波帯変調器に代替して、狭線幅レーザ光を掃引することにより、更に良好な単側波帯掃引効果を得ることができ、且つその他側波帯からの干渉を受けず、使用が容易で、挿入損失が低下し、性能が更に安定する。
【００６９】
前記音響光学変調器４は、検出光信号をパルスカットすることにより、光位相に対するレーザ光位相雑音及び環境の影響を効果的に抑制することができ、本実施例の最大検出距離は、コヒーレンス長の制限を突破し、且つシステムのハードウェアコスト及びソフトウェア複雑度は増加しない。
【００７０】
本実施例は、複数周波数で同時掃引するとともに、デジタルドメインにおいて周波数を合成する方法を採用しており、音響光学変調器４とＲＦ掃引信号源の最大掃引範囲の制限を突破することができ、システムの空間分解能を数倍に向上させる。
【００７１】
本実施例の結果から明らかなように、複数周波数で同時掃引するデジタル合成ＯＦＤＲは、ある一面では、空間分解能を倍以上に向上させることができ、向上倍数は周波数の数に等しく、音響光学変調器の掃引範囲の制限を突破し、他の一面では、測定光ファイバ９の７０ｋｍ地点ではすでに光源のコヒーレンス長を超えているにもかかわらず、空間分解能は理論分解能と一致しており、当該システムに対する位相雑音の影響が小さく、本実施例は位相雑音の影響を効果的に抑制したことを説明している。検出光のパワーを強めれば、更に長距離の光ファイバを測定することができ、同様に、光コム信号の周波数成分の数を増やせば、空間分解能を向上させることができる。
【図１】
2019507327.tif 000007
【図２】
2019507327.tif 000008
【図３】
2019507327.tif 000009
【図４】
2019507327.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月22日(2018.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローカル光を電気光学変調及び音響光学変調することで光パルスを取得し、これを検出パルス光信号として測定光ファイバに入力し、取得したレイリー後方散乱光信号をローカル光とコヒーレント検出させた後に光電変換及び復調することにより、光周波数反射を実現する、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法であって、
電気光学変調では単一周波数信号を用いて変調し、音響光学変調ではパルス信号を用いて変調し、且つ電気光学変調により得られた光コム信号の複数の周波数成分を同時に掃引することにより、光パルスを取得することを特徴とする周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項２】
前記ローカル光が狭線幅レーザ光であり、前記パルス信号がチャープパルス信号であることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項３】
前記光コム信号の周波数間隔がパルス信号の掃引範囲に等しいことを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項４】
前記電気光学変調とは、高周波の正弦波電気信号を強度変調又は位相変調方式で単一周波数の光信号に変調して、光コム信号を生成することであることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項５】
前記音響光学変調とは、パルス信号で光コム信号を変調することにより、複数周波数の掃引光パルス信号を取得することであることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項６】
前記復調とは、
光電変換で取得した電気信号に基づいて、その周波数成分の数と同じセグメント数のデジタル掃引信号を生成し、
生成した複数セグメントの複素信号に窓関数をそれぞれ乗じるとともに、元データとそれぞれ相互相関演算することにより、対応する相関関数を取得し、
取得した複数の複素関数をそのまま加算してモジュロを求め、複数セグメントのデジタル掃引信号を合成した復調結果を取得することであることを特徴とする請求項１に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項７】
前記窓関数が、ハニング窓関数であることを特徴とする請求項６に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法。
【請求項８】
参照光分岐路、これと同一光源の変調光分岐路、カップリングユニット及び復調ユニットを有し、参照光分岐路と変調光分岐路の出力端がいずれもカップリングユニットに接続され、カップリングユニットの出力端が復調ユニットに接続された周波数合成に基づいた光周波数領域反射システムであって、
前記変調光分岐路が、順に直列に接続される電気光学変調器、音響光学変調器、エルビウムドープ光ファイバ増幅器、光ファイバサーキュレータ及び測定光ファイバを有し、電気光学変調器が単一周波数信号で変調することで光コム信号を生成し、音響光学変調器に入力された光コム信号がパルス信号変調で複数周波数の掃引光パルス信号を取得し、且つエルビウムドープ光ファイバ増幅器にて増幅された後に光ファイバサーキュレータ及び測定光ファイバに順に出力され、光ファイバサーキュレータの反射端が変調光分岐路の出力端としてカップリングユニットに接続されたことを特徴とする周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項９】
前記参照光分岐路及び変調光分岐路の入力端が同一レーザ装置からの狭線幅レーザ光を受取り、当該レーザ装置が光ファイバカプラを経由して、狭線幅レーザ光を９９：１の分光比率で変調光分岐路と参照光分岐路にそれぞれ出力することを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１０】
前記参照光分岐路には偏波制御器が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１１】
前記電気光学変調器が電気光学強度変調器又は電気光学位相変調器であることを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１２】
前記カップリングユニットには５０：５０光ファイバカプラが用いられ、参照光分岐路からのローカル光と光ファイバサーキュレータから出力されたレイリー後方散乱光が、５０：５０光ファイバカプラでコヒーレント検出されることを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【請求項１３】
前記復調ユニットが光電変換モジュール、データ収集ボード及び復調モジュールを有し、データ収集ボードが光電変換モジュールで変換された電気信号を収集して、復調モジュールが復調することを特徴とする請求項８に記載の周波数合成に基づいた光周波数領域反射システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は光センシング分野の技術に関し、具体的には、周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法及びシステムに関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
前記電気光学変調とは、高周波の正弦波電気信号を強度変調又は位相変調方式で単一周波数の光信号に変調して、光コム信号を生成することである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
前記変調光分岐路は、順に直列に接続される電気光学変調器、音響光学変調器、エルビウムドープ光ファイバ増幅器、光ファイバサーキュレータ及び測定光ファイバを有し、電気光学変調器が単一周波数信号で変調することで光コム信号を生成し、音響光学変調器に入力された光コム信号がパルス信号変調で複数周波数の掃引光パルス信号を取得し、且つエルビウムドープ光ファイバ増幅器にて増幅された後に光ファイバサーキュレータ及び測定光ファイバに順に出力され、光ファイバサーキュレータの反射端は変調光分岐路の出力端としてカップリングユニットに接続されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
式中、Ａ（τ０）は当該反射点の反射係数であり、τ０は当該反射点の往復時間であり、ωＬはレーザの中心周波数であり、Ｃはレーザの位相雑音及び環境要因による位相雑音であり、ｒｅｃｔ（）は矩形窓関数である。前記２つの周波数のビート周波数信号は同時にデータ収集ボードに入力されるが、これらの周波数範囲が異なるため、データ処理過程でフィルタによって正確に分離することができる。
【国際調査報告】
2019507327.tif 000011
2019507327.tif 000012
2019507327.tif 000013
2019507327.tif 000014