(57)【要約】【課題】長期間、常時且つリアルタイムで被検知物質を検知可能な検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムを提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、光ファイバ９、１２内におけるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象を利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブル２であって、検知用光ファイバ９と、被検知物質に接することで検知用光ファイバ９に圧力及び／又は熱を加える反応部材１０と、検知用光ファイバ９に沿って配設され、所定の参照状態となるように周囲を囲われている比較用光ファイバ１２と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2011053146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象を利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブルであって、
検知用光ファイバと、
前記被検知物質に接することで前記検知用光ファイバに圧力及び／又は熱を加える反応部材と、
前記検知用光ファイバに沿って配設される比較用光ファイバと、
前記比較用光ファイバに対して外部から加わる圧力及び／又は熱を緩和するための保護部材と、を備えることを特徴とする検知用ケーブル。
【請求項２】
前記反応部材は、前記検知用光ファイバに沿って連続又は断続に設けられることを特徴とする請求項１に記載の検知用ケーブル。
【請求項３】
前記反応部材は、前記検知用光ファイバを周方向に覆い、前記被検知物質に接することでその体積が変化すると共に前記接した被検知物質の有する熱が前記検知用光ファイバに伝わる素材で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の検知用ケーブル。
【請求項４】
前記反応部材は、接する被検知物質の濃度に応じて変形することを特徴とする請求項３に記載の検知用ケーブル。
【請求項５】
前記検知用光ファイバと前記反応部材とを外側から一括して囲み、外側から前記検知用光ファイバ及び前記反応部材の在る内側への前記被検知物質の透過を許容する選別部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検知用ケーブル。
【請求項６】
前記反応部材を加熱又は加圧可能な除去手段をさらに備え、
前記反応部材は、前記被検知物質と接することで当該被検知物質を吸収又は吸着する一方、前記除去手段によって加熱又は加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の検知用ケーブル。
【請求項７】
前記除去手段は、内部に流体が流通され、この液体が加熱されることで径方向に膨張して前記反応部材を加圧する加圧管を有し、
前記反応部材は、前記加圧管によって加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着することを特徴とする請求項６に記載の検知用ケーブル。
【請求項８】
少なくとも、前記検知用光ファイバ、前記反応部材、前記比較用光ファイバ、前記保護部材、及び前記加圧管を外側から一括して囲むケーブルシースをさらに備え、
前記ケーブルシースは、その外側と内側とを連通して前記被検知物質の通過を許容する連通部を有することを特徴とする請求項７に記載の検知用ケーブル。
【請求項９】
前記保護部材は、前記比較用光ファイバの周囲を囲む保護パイプであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の検知用ケーブル。
【請求項１０】
前記検知用光ファイバに沿って延び、表面に複数の螺旋状の溝を有するスロットをさらに備え、
異なる前記溝に前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバがそれぞれ収容されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の検知用ケーブル。
【請求項１１】
光ファイバを用いて特定の被検知物質を監視する監視システムであって、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の検知用ケーブルと、
前記検知用ケーブルの検知用光ファイバ及び比較用光ファイバに検査光をそれぞれ入射させる光源と、
前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内において前記検査光により生じるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象に基づく散乱光をそれぞれ計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記検知用光ファイバ内における前記散乱光と前記比較用光ファイバ内における前記散乱光とに基づき前記被検知物質を検出する算出手段と、を備えることを特徴とする監視システム。
【請求項１２】
前記計測手段は、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるブリルアン周波数シフト量を導出するブリルアン計測部と、
前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるレイリー散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるレイリー周波数シフト量を導出するレイリー計測部とを有し、
前記算出手段は、前記ブリルアン計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるレイリー周波数シフト量とに基づき、前記検知用光ファイバ周辺の長尺方向における前記被検知物質の濃度分布及び温度分布を算出可能に構成されることを特徴とする請求項１１に記載の監視システム。
【請求項１３】
前記ブリルアン計測部は、前記各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、前記各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を導出し、
前記レイリー計測部は、前記ブリルアン計測部により導出された補正量を用いて前記レイリー周波数シフト量を導出することを特徴とする請求項１２に記載の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の原因の一つとして温室効果ガスの影響が指摘され、特に、二酸化炭素（ＣＯ２）などの温室効果ガスを削減することで、地球の温暖化の進行を防ぐための取り組みが全世界的になされている。このような取り組みの一つとして、工場や発電所等から排出されるＣＯ２を地中に貯留してＣＯ2の排出量を削減する技術（地中貯留）がＣＯ2削減の即効性ある方法と考えられている。
【０００３】
この地中貯留では、工場や発電所等から排出される排ガス中から特定の物質（この場合、ＯＣ２）が抽出され、この特定の物質が枯渇した油田、ガス田、地中深部の塩水性帯水層等に圧入された後、圧入井が塞がれることによって特定の物質が永続的に地中に貯留される。この地中貯留の実用化においては、地中深部に貯留された特定の物質の貯留状態を監視する必要がある。具体的には、圧入された特定の物質が地中深部に貯留されているか否か（即ち、特定の物質を貯留しようとする地中深部の貯留領域において圧入された特定の物質が存在しているか）、及び貯留した特定の物質が漏れ出ていないかを監視する必要がある。
【０００４】
従来、この監視方法としては、特定の物質が貯留された貯留領域における弾性波（Ｐ波）の速度と特定の物質を含まない地中領域における弾性波の速度との違いに基づき、貯留された特定の物質の存在を確認する方法が知られている。具体的には、地表面において微小地震を発生させ、その反射波（Ｐ波）を測定することにより貯留領域に特定の物質が存在しているか否かを判断していた。また、地中において特定の物質の存在する範囲を測定することにより、この範囲の変動に基づいて貯留領域からの特定の物質の漏れを判断していた。
【０００５】
また、特許文献１に記載の監視方法も知られている。この監視方法は、図２９に示されるように、中性子線を照射する中性子銃５０１とγ線を測定する放射線検出器５０２とを用い、地表面から中性子線を地中に照射し、特定の物質（この場合ＣＯ２）が中性子線を照射されることで放出するγ線を測定する。そして、この測定結果を解析することにより貯留された特定の物質の存在を確認すると共に、その範囲の変動に基づき特定の物質の貯留領域からの漏れを判断していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２７９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の方法では、微小地震を常時発生させるのは困難であり、また、放射線の中でも取り扱いに最も注意を要する中性子線を常時照射し続けるのは危険な場合もあるため、地中に貯留された特定の物質を長期間（例えば、数年以上）、常時且つリアルタイムで監視することは困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、長期間、常時且つリアルタイムで被検知物質を検知可能な検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象を利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブルであって、検知用光ファイバと、前記被検知物質に接することで前記検知用光ファイバに圧力及び／又は熱を加える反応部材と、前記検知用光ファイバに沿って配設される比較用光ファイバと、前記比較用光ファイバに対して外部から加わる圧力及び／又は熱を緩和するための保護部材と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この検知用ケーブルによれば、検知用光ファイバ及び比較用光ファイバの各光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較することで、反応部材が被検知物質と接することに起因して検知用光ファイバに加わる圧力及び／又は熱を精度よく計測することができ、これにより当該検知用ケーブルが配置された領域（監視対象領域）における被検知物質の検知を確実且つ高精度に行うことが可能となる。しかも、当該検知用ケーブルでは、両光ファイバに検査光を入射させ、その散乱光を計測することにより被検知物質の検知ができるため、検査光を両ファイバに入射させ続けることにより、被検知物質の検知を、長期間、常時且つリアルタイムに行うことが可能となる。
【００１１】
本発明に係る検知用ケーブルにおいては、前記反応部材は、前記検知用光ファイバに沿って連続又は断続に設けられるのが好ましい。
【００１２】
この場合、検知用光ファイバの長尺方向において、反応部材が設けられた各領域部分における被検知物質の検知が可能となる。即ち、当該検知用ケーブルでは、その長尺方向に沿って連続または断続に被検知物質の検知が可能となる。
【００１３】
また、前記反応部材は、前記検知用光ファイバを周方向に覆い、前記被検知物質に接することでその体積が変化すると共に前記接した被検知物質の有する熱が前記検知用光ファイバに伝わる素材で構成されてもよい。
【００１４】
この場合、反応部材が被検知物質と接することによって検知用光ファイバに圧力及び熱が加わるため、より確実に被検知物質の検知が可能となる。
【００１５】
即ち、当該検知用ケーブルでは、反応部材が被検知物質と接することでその体積が変化して検知用光ファイバに加わる圧力（周方向に覆われる反応部材によって締め付けられる力）が変化すると共に、反応部材に接した被検知物質の有する熱が検知用光ファイバに加わるため、検知用光ファイバに加わる圧力の変化と熱の変化との両方から被検知物質の検知が行われる。
【００１６】
また、前記反応部材は、接する被検知物質の濃度に応じて変形するのがより好ましい。
【００１７】
この場合、反応部材が接した被検知物質の濃度及び温度に応じた圧力及び熱が検知用光ファイバに加わるため、各光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光同士をそれぞれ比較して検知用光ファイバに加わる圧力と熱とをそれぞれ計測することで、監視対象領域における被検知物質の濃度及び温度を精度よく検知することができる。
【００１８】
即ち、当該検知用ケーブルでは、接する被検知物質の濃度に応じて変形、即ち、反応部材の体積の変化量が変わるため、反応部材に接する被検知物質の濃度に応じて検知用光ファイバに加わる圧力（周方向に覆われる反応部材によって締め付けられる力）が変化すると共に、反応部材に接した被検知物質の有する熱に応じて検知用光ファイバに加わる熱が変化するため、被検知物質の濃度及び温度の両方を検知することが可能となる。
【００１９】
前記検知用光ファイバと前記反応部材とを外側から一括して囲み、外側から前記検知用光ファイバ及び前記反応部材の在る内側への前記被検知物質の透過を許容する選別部材をさらに備えるのが好ましい。
【００２０】
この場合、選別部材がその内側へ被検知物質を選択的に透過させることにより、他の物質の反応部材との接触が抑制されると共に被検知物質の反応部材との接触が十分に確保される結果、被検知物質の検知感度が向上する。
【００２１】
または、選別部材が被検知物質を選択的に透過させるため、被検知物質以外の他の物質に接しても検知用光ファイバに圧力及び／又は熱を加える素材であっても反応部材として用いることが可能となり、反応部材の素材選択の自由度が増える。
【００２２】
前記反応部材を加熱又は加圧可能な除去手段をさらに備え、前記反応部材は、前記被検知物質と接することで当該被検知物質を吸収又は吸着する一方、前記除去手段によって加熱又は加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着するのが好ましい。
【００２３】
この場合、定期的又は任意間隔で除去手段によって反応部材に吸収又は吸着された被検知物質を当該反応部材から放出又は脱着させることにより、監視対象領域における被検知物質の経時的な変化の検知が容易になる。
【００２４】
前記除去手段は、内部に流体が流通され、この液体が加熱されることで径方向に膨張して前記反応部材を加圧する加圧管を有し、前記反応部材は、前記加圧管によって加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着してもよい。
【００２５】
この場合、除去手段を簡素な構成とすることができる。しかも、簡素な構成とすることによって、メンテナンス性が向上すると共に長期間の被検知物質の検知に耐えうる十分な耐久性の確保が可能となる。
【００２６】
加圧管が配置される場合、少なくとも、前記検知用光ファイバ、前記反応部材、前記比較用光ファイバ、前記保護部材、及び前記加圧管を外側から一括して囲むケーブルシースをさらに備え、前記ケーブルシースは、その外側と内側とを連通して前記被検知物質の通過を許容する連通部を有するのがより好ましい。
【００２７】
このようにケーブルシースによって囲まれることで、加圧管の膨張による圧力が外に逃げずに効率よく反応部材に伝達される。しかも、外側から一括して囲まれることで、検知用光ファイバ、反応部材、比較用光ファイバ、保護部材、及び加圧管がケーブルシースにより保護されると共に、連通部により検知用ケーブル周辺の被特定物質のケーブルシース内への自由な浸入が許容されているため、ケーブルシースによりその周囲を囲まれていても反応部材と被検知物質との接触が十分に確保される。
【００２８】
前記保護部材は、前記比較用光ファイバの周囲を囲む保護パイプであるのが好ましい。
【００２９】
この場合、簡素な構成によって外部から加わる圧力及び／熱から比較用光ファイバを保護することができる。しかも、簡素な構成とすることによって、メンテナンス性が向上すると共に長期間の被検知物質の検知に耐えうる十分な耐久性の確保が可能となる。
【００３０】
前記検知用光ファイバに沿って延び、表面に複数の螺旋状の溝を有するスロットをさらに備え、異なる前記溝に前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバがそれぞれ収容されるのが好ましい。
【００３１】
この場合、検知用光ファイバと比較用光ファイバとの相対位置が固定されるため、各光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較し易くなる。しかも、スロットに溝が螺旋状に設けられ、この溝に検知用光ファイバ及び比較用光ファイバがそれぞれ収容されることにより、検知用ケーブルの屈曲に起因する各光ファイバの損傷が防止される。
【００３２】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバを用いて特定の被検知物質を監視する監視システムであって、上記のいずれかの検知用ケーブルと、前記検知用ケーブルの検知用光ファイバ及び比較用光ファイバに検査光をそれぞれ入射させる光源と、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内において前記検査光により生じるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象に基づく散乱光をそれぞれ計測する計測手段と、前記計測手段により計測された前記検知用光ファイバ内における前記散乱光と前記比較用光ファイバ内における前記散乱光とに基づき前記被検知物質を検出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００３３】
この監視システムによれば、監視対象領域に配設した検知用ケーブルの各光ファイバ内に入射させた検査光により生じるブリルアン散乱現象及び／又はレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較することで、反応部材が被検知物質と接することに起因して検知用光ファイバに加わる圧力及び／又は熱を精度よく計測することができ、これにより監視対象領域における被検知物質の確実且つ高精度の検知が可能となり、この検知結果に基づいて被検知物質の確実且つ高精度の監視が可能となる。しかも、当該検知用ケーブルの両光ファイバに検査光を入射させ、その散乱光を計測することにより被検知物質の監視ができるため、検査光を両ファイバに入射させ続けることにより、被検知物質の監視を、長期間、常時且つリアルタイムに行うことが可能となる。
【００３４】
前記計測手段は、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるブリルアン周波数シフト量を導出するブリルアン計測部と、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるレイリー散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるレイリー周波数シフト量を導出するレイリー計測部とを有し、前記算出手段は、前記ブリルアン計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるレイリー周波数シフト量とに基づき、前記検知用光ファイバ周辺の長尺方向における前記被検知物質の濃度分布及び温度分布を算出可能に構成されるのが好ましい。
【００３５】
この場合、検知用ケーブル周辺の長尺方向における各領域部分の被検知物質の濃度及び温度を同時に且つ独立して高空間分解能で検知可能となるため、検知用ケーブル周辺の長尺方向における被検知物質の分布を監視することが可能となる。
【００３６】
即ち、ブリルアン散乱現象を利用して各光ファイバ内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各光ファイバ内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ことで、２つの周波数シフト量を用いて各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、これにより検知用ケーブル周辺の長尺方向における被検知物質の濃度分布及び温度分布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。
【００３７】
前記ブリルアン計測部は、前記各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、前記各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を導出し、前記レイリー計測部は、前記ブリルアン計測部により導出された補正量を用いて前記レイリー周波数シフト量を導出するのが好ましい。
【００３８】
この場合、検知用ケーブルが長く、あるいは検知用ケーブルにおける温度変化や歪み変化が大きくても、検知用ケーブル周辺の長尺方向における各領域部分の被検知物質を精度よく検知することができ、これにより監視者から離れた検知対象領域であっても被検知物質の監視を精度よく行うことができる。
【００３９】
即ち、検知用ケーブル内の各光ファイバにおける外力や温度変化による伸縮等が大きく、これにより実際に計測されるブリルアン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の導出のためにブリルアン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できる。しかも、補正量を利用して実測位置とこの実測位置に対応する計測希望位置とのずれを補正することにより、ずれの影響を受け易いレイリー周波数シフト量を確実に導出することができる。
【００４０】
その結果、検知用ケーブル周辺の長尺方向における各領域部分の被検知物質の濃度分布及び温度分布の両方を高精度且つ高空間分解能で計測することができる。
【発明の効果】
【００４１】
以上より、本発明によれば、長期間、常時且つリアルタイムで被検知物質を検知可能な検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態に係る監視システムの設置状態を示す概略図である。
【図２】前記監視システムの検知用ケーブルを示す図であって、（Ａ）は拡大横断面図であり、（Ｂ）は正面図である。
【図３】前記検知用ケーブルにおけるセンサーファイバ部の一部破断斜視図である。
【図４】前記監視システムの監視装置本体のブロック図である。
【図５】前記監視装置本体における光ファイバが接続された状態の検知用計測手段及び比較用計測手段の構成を示すブロック図である。
【図６】実測位置と計測希望位置との関係を説明する図であって、（Ａ）は参照状態の光ファイバにおける実測位置と計測希望位置との関係を示し、（Ｂ）は参照状態の光ファイバに外力が加わった状態の実測位置と計測希望位置との関係を示す図である。
【図７】図５に示す検知用計測手段及び比較用計測手段の動作を説明するための検知用計測手段及び比較用計測手段の概略構成を示すブロック図である。
【図８】前記監視システムでの監視動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】図５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１０】（Ａ）はポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成を説明し、（Ｂ）は整合フィルタを説明するための図である。
【図１１】図５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って、（Ａ）は、パルス光の波長を示し、（Ｂ）はパルス光の波形を示す図である。
【図１２】補正量の導出方法の一例を示す図であって、（Ａ）は参照領域と補正領域とを示し、（Ｂ）は参照領域内の波形と各補正領域内の波形との相関関係を示す図である。
【図１３】中間に異種ファイバが接続された検知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１４】前記検知用計測手段又は比較用計測手段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り、（Ａ）は光ファイバに歪みがある場合と無い場合とのレイリースペクトルを示し、（Ｂ）は歪みがある場合と無い場合との相関関係係数を示し、（Ｃ）は歪みがある場合と無い場合との一方のレイリースペクトルの波形を移動させて重ね合わせた図である。
【図１５】第１実施形態に係る監視システムの設置状態を示す概略図である。
【図１６】前記監視システムの監視装置本体における光ファイバが接続された状態の検知用計測手段及び比較用計測手段の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６に示す検知用計測手段及び比較用計測手段の動作を説明するための検知用計測手段及び比較用計測手段の概略構成を示すブロック図である。
【図１８】図５及び図１６に示す検知用計測手段及び比較用計測手段をＢＯＴＤＲに構成した場合における検知用計測手段及び比較用計測手段の構成を示すブロック図である。
【図１９】狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図であって、（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、（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。
【図２０】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って、（Ａ）は、第１乃至第３ブリルアンスペクトルを示し、（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図である。
【図２１】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２２】図２１（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における検知用計測手段及び比較用計測手段の実験結果を示す図であって、（Ａ）はブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、（Ｂ）はブリルアン周波数シフトを示す。
【図２３】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２４】図２３（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２５】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２６】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】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】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】地中貯留されたＣＯ２の従来の監視方法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、添付図面を参照しつつ説明する。
【００４４】
本実施形態に係る監視システムは、図１に示されるように、地中に貯留されたＣＯ２（被検知物質）を監視するシステムである。具体的に、監視システム１は、地中の貯留層Ｒ（本実施形態では、例えば地下深部塩水層）におけるＣＯ２の存在、ＣＯ２の貯留量、貯留されているＣＯ２の状態、貯留されたＣＯ２の貯留層Ｒからの漏れを監視し、検知用ケーブル２と監視装置本体３とを備える。
【００４５】
検知用ケーブル２は、ＣＯ２の監視を行う監視対象領域（本実施形態では、地中）に配設され、ＣＯ２を検知するためのセンサーとして用いられるケーブルである。この検知用ケーブル２は、図２（Ａ）にも示されるように、センサーファイバ部４と、比較ファイバ部５と、加圧管６と、これらセンサーファイバ部４、比較ファイバ部５及び加圧管６を外側から囲むケーブルシース（cable sheath）７と、ケーブルシース７内におけるセンサーファイバ部４、比較ファイバ部５及び加圧管６のそれぞれの位置決めを行うスロット８とを備える。
【００４６】
センサーファイバ部４は、図３にも示されるように、検知用光ファイバ９と、反応部材１０と、ゲート部材（選別部材）１１とを有する。これら検知用光ファイバ９と、反応部材１０と、ゲート部材１１とは、検知用光ファイバ９を中心にして、それぞれが同軸となるように外側に向かって順に反応部材１０、ゲート部材１１が配置される。
【００４７】
反応部材１０は、特定の被検知物質（本実施形態ではＣＯ２）に接することで検知用光ファイバ９に圧力を加える部材である。この反応部材１０は、検知用光ファイバ９に沿って設けられる。また、反応部材１０は、検知用光ファイバ９を周方向に覆う。この反応部材１０は、ＣＯ２に接することでその体積が変化すると共に、接したＣＯ２の有する熱が検知用光ファイバ９に伝わる素材で構成される。
【００４８】
具体的に、反応部材１０は、ＣＯ２と接することでこのＣＯ２を吸収して変形する。即ち、反応部材１０のＣＯ２と接した部位は、このＣＯ２を吸収して当該部位の体積が変化する（大きくなる）。このように反応部材１０がＣＯ２と接して体積が大きくなると、この反応部材１０によって周方向に覆われている検知用光ファイバ９が反応部材１０によって締め付けられ、即ち、検知用光ファイバ９に対して径方向中心に向かって圧力が加わり、これにより検知用光ファイバ９には変形や歪、伸びが生じる。この反応部材１０の体積の変化量は、反応部材１０が接するＣＯ２の濃度に応じて変化する。即ち、接するＣＯ２の濃度が高いと吸収するＣＯ２の量が多いため反応部材１０における体積の変化量が大きく（即ち、反応部材１０による検知用光ファイバ９の締め付けが強くなり）、濃度が低いと吸収するＣＯ２の量が少ないため体積の変化量が小さい(即ち、反応部材１０による検知用光ファイバ９の締め付けがゆるい)。
【００４９】
また、反応部材１０は、圧力が加えられることで吸収したＣＯ２を放出する。本実施形態の反応部材１０は、加圧管６とスロット８とを有する除去手段ｒｅにより圧力が加えられ、これにより吸収したＣＯ２を放出する。
【００５０】
尚、本実施形態では、反応部材１０が圧力を加えられることで吸収したＣＯ２を放出するため、検知用ケーブル２に除去手段ｒｅが設けられているが、反応部材１０が、その周囲のＣＯ２濃度の変動に応じてＣＯ２を吸収・放出してその体積が変動する場合には、検知用ケーブル２に除去手段ｒｅを設けなくてもよい。
【００５１】
また、反応部材１０は、ＣＯ２と接することで温度が変化する（例えば、発熱する）素材により構成されてもよい。この場合、反応部材１０がＣＯ２と接することで検知用光ファイバ９に熱が加えられ、この熱による検知用光ファイバ９の温度変化を検出することでＣＯ２の検知が可能となる。このような素材が反応部材１０に用いられた場合も、接するＣＯ２の濃度に応じて発熱量が変動する素材が好ましい。
【００５２】
ゲート部材１１は、検知用光ファイバ９と反応部材１０とを外側から一括して囲み、外側（径方向外側）から内側（径方向内側、即ち、検知用光ファイバ９及び反応部材１０の在る側）へのＣＯ２の透過を許容する部材である。
【００５３】
具体的に、ゲート部材１１は、周方向に反応部材１０で覆われた検知用光ファイバ９を反応部材１０のさらに外側から周方向に覆う（図３参照）。このゲート部材１１は、外側から内側へのＣＯ２の透過および内側から外側へのＣＯ２の透過を許容する一方、他の物質（分子）の透過を阻止する。即ち、ゲート部材１１は、周囲（外側）に存在する複数の物質のうちからＣＯ２のみを選択的に反応部材１０側に透過させる。これにより反応部材１０は、他の物質との接触が抑制されると共にＣＯ２との十分な接触が確保される。
【００５４】
比較ファイバ部５は、センサーファイバ部４に沿って配設され、比較用光ファイバ１２と、その周囲を囲う保護パイプ（保護部材）１３と、を有する。本実施形態では、保護パイプ１３として金属管が用いられる。この比較ファイバ部５では、比較用光ファイバ１２の周囲が金属管１３で囲まれることにより、検知用ケーブル２が監視対象領域に配設され検知用ケーブル２周辺のＣＯ２（被検知物質）の状態（濃度や温度等）が変動しても、比較用光ファイバ１２の周囲が所定の参照状態に保たれる。本実施形態の比較ファイバ部５は、いわゆる金属管被覆光ファイバ（ＦＩＭＴ：Fiber In Metal Tube）により構成されている。
【００５５】
加圧管６は、内部に液体（本実施形態では水）が密封された管体であり、密封された液体が加熱されて熱膨張することにより当該加圧管６も径方向に膨らむように構成される。
【００５６】
ケーブルシース７は、センサーファイバ部４、比較ファイバ部５及び加圧管６を内部に収納する管体である。ケーブルシース７は、金属製の管体で、感知部１４と非感知部１５とを有する。感知部１４は、周壁に内部と外部とを連通する連通部１４ａが設けられた部位である。本実施形態の感知部１４には、複数の孔（連通部）１４ａ，１４ａ，…が螺旋状に並ぶように設けられている（図２（Ｂ）参照）。尚、感知部１４に設けられる連通部１４ａの具体的構成は限定されず、本実施形態のように丸孔でもよく、異形の孔やスリット等でもよい。即ち、感知部１４は、ケーブルシース７の外側周辺に存在する物質（本実施形態では、ＣＯ２やＣＯ２を含む物質（例えば、塩水や原油等））がケーブルシース７の内側に自由に出入りできる構成であればよい。これに対し、非感知部１５は、ケーブルシース７において連通部１４ａを有しない部位、即ち、ケーブルシース７の外側周辺に存在する物質が内側に自由に出入りできないように構成される部位である。
【００５７】
本実施形態のケーブルシース７は、先端側（図２（Ｂ）における下側）に１つの感知部１４を有する。しかし、ケーブルシース７は、この構成に限定されず、例えば、ケーブルシース７の長尺方向において、感知部１４を中間位置に有していてもよく、複数箇所に有していてもよい。また、ケーブルシース７は、長尺方向の全域が感知部１４により構成されてもよい（即ち、非感知部１５がなくてもよい）。
【００５８】
スロット８は、ケーブルシース７の内径に対応する外径を有する長尺体であり、表面には溝８ａが設けられている。この溝８ａは、径方向中心に向かって凹むＵ溝であり、検知用ケーブル２の屈曲に対応できるよう、スロットの長尺方向に螺旋状に刻設されている。本実施形態のスロット８は、アルミニウム又はポリテトラフルオロエチレンで形成されている。溝８ａは、センサーファイバ部４、比較ファイバ部５および加圧管６がそれぞれ嵌入できるように３本設けられている。この溝８ａは、スロット８の長尺方向に螺旋状に刻設されている。溝８ａにセンサーファイバ部４、比較ファイバ部５および加圧管６がそれぞれ嵌入された状態でスロット８がケーブルシース７に挿入されることにより、ケーブルシース７内でセンサーファイバ部４、比較ファイバ部５および加圧管６が位置決めされる。
【００５９】
このように構成されるスロット８および前記の加圧管６は、除去手段ｒｅを構成する。この除去手段ｒｅは、反応部材１０に圧力を加える手段である。具体的に、除去手段ｒｅは、以下のようにして反応部材１０に圧力を加える。
【００６０】
先ず、監視装置本体３の加熱手段２３（図４参照）により加圧管６内に密封された液体が加熱されて熱膨張し、加圧管６が径方向に膨らむ。この膨らみにより、加圧管６が嵌め込まれたスロット８の溝８ａが押し広げられる。スロット８は、その周囲を金属製のケーブルシース７により囲まれているため、加圧管６から受けた力（溝８ａを押し広げた力）を外部へ逃すことができず、当該スロット８を伝って加圧管６の嵌め込まれた溝８ａと異なる溝８ａに嵌め込まれたセンサーファイバ部４や比較ファイバ部５に伝える。これにより、センサーファイバ部４（詳細には反応部材１０）に圧力が加わり、反応部材１０は吸収したＣＯ２を放出する。
【００６１】
本実施形態において、ケーブルシース７は、内径が２．８ｃｍ、外径が３．２ｃｍのＳＵＳ製の管体である。また、検知用光ファイバ９及び比較用光ファイバ１２は、それぞれ直径が０．１５５ｃｍの光ファイバである。また、金属管１３は、内径が０．４４ｃｍ、外径が０．８４のＳＵＳ製の管体である。
【００６２】
監視装置本体３は、図４にも示すように、検知用計測手段２０と比較用計測手段２１と比較算出手段２２と加熱手段２３と制御手段２４とを備える。この監視装置本体３には、検知用ケーブル２を当該監視装置本体３に接続するための接続部ｃが設けられている。本実施形態の監視装置本体３には複数本の検知用ケーブル２，２，…が接続される。監視装置本体３は、検知用計測手段２０、比較用計測手段２１、比較算出手段２２及び加熱手段２３を一つのユニットとし、接続可能な検知用ケーブル２の本数に対応する数の前記ユニットを備える。また、この監視装置本体３にはモニター（表示手段）２６が接続される。尚、本実施形態の監視装置本体３では、表示手段２６が別に設けられているが、監視装置本体３に一体に設けられてもよい。また、表示手段２６は、ＣＲＴ表示装置のように画像による表示を行う表示手段に限定されず、ＸＹプロッタやプリンタ等のように印字等によって表示する手段であってもよい。
【００６３】
検知用計測手段２０は、検知用ケーブル２のセンサーファイバ部４の光ファイバ（検知用光ファイバ）９に光学的に接続され、この光ファイバ９内における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ものである。比較用計測手段２１は、検知用ケーブル２の比較ファイバ部５の光ファイバ（比較用光ファイバ）１２に光学的に接続され、この光ファイバ１２内における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ものである。これら検知用計測手段２０と比較用計測手段２１とは、同一の構成であるため、以下では検知用計測手段２０についてのみ、図５も参照しつつ詳細に説明し、比較用計測手段２１の説明を省略する。尚、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。
【００６４】
検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）は、検知用ケーブル２のセンサーファイバ部４の検知用光ファイバ９（又は比較ファイバ部５の比較用光ファイバ１２）に検査光（ポンプ光及びプローブ光）を入射させる光源１０１、１２０と、検知用光ファイバ９内において検査光により生じるブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光を計測する計測手段とを有する。具体的に、検知用計測手段２０は、第１光源１０１と、光カプラ１０２、１０５、１０８、１２１、１２３、１３０と、光パルス生成部１０３と、光スイッチ１０４、１２２と、光強度・偏光調整部１０６と、光サーキュレータ１０７、１１２と、光コネクタ１０９、１２７、１２８と、第１自動温度制御部（以下、「第１ＡＴＣ」と略記する。）１１０と、第１自動周波数制御部（以下、「第１ＡＦＣ」と略記する。）１１１と、制御処理部１１３と、歪み及び温度検出計１１４と、温度検出部１１６と、基準用光ファイバ１１７と、第２自動温度制御部（以下、「第２ＡＴＣ」と略記する。）１１８と、第２自動周波数制御部（以下、「第２ＡＦＣ」と略記する。）１１９と、第２光源１２０と、光強度調整部１２４と、１×２光スイッチ１２９、１３１とを備える。
【００６５】
第１及び第２光源１０１、１２０は、それぞれ、第１及び第２ＡＴＣ１１０、１１８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２ＡＦＣ１１１、１１９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１０１の出力端子（射出端子）は、光カプラ１０２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。第２光源１２０の出力端子（射出端子）は、光カプラ１２１の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。
【００６６】
第１及び第２光源１０１、１２０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。
【００６７】
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１０１は、周波数可変光源としても機能する。
【００６８】
第１及び第２光源１０１、１２０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２ＡＴＣ１１０、１１８へそれぞれ出力する。第１及び第２光源１０１、１２０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２ＡＦＣ１１１、１１９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。
【００６９】
第１及び第２ＡＴＣ１１０、１１８は、それぞれ、制御処理部１１３の制御に従って、第１及び第２光源１０１、１２０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１０１、１２０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。
【００７０】
第１及び第２ＡＦＣ１１１、１１９は、それぞれ、制御処理部１１３の制御に従って、第１及び第２光源１０１、１２０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。
【００７１】
第１及び第２光源１０１、１２０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２ＡＦＣ１１１、１１９とは、第１及び第２光源１０１、１２０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。
【００７２】
光カプラ１０２、１０５、１２１、１２３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１０８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１３０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１０２、１０５、１２１、１２３、１０８、１３０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。
【００７３】
光カプラ１０２の一方の出力端子は、光パルス生成部１０３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１３１の入力端子に光学的に接続される。光カプラ１０５の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部１０６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１１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ１２１の一方の出力端子は、光スイッチ１２２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１２８を介して基準用光ファイバ１１７の他方端に光学的に接続される。光カプラ１２３の一方の出力端子は、光強度調整部１２４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１１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ１０８の一方の入力端子は、光サーキュレータ１０７の第２端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、光強度調整部１２４の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、監視装置本体３の接続部ｃにおいて光コネクタ１０９を介して検知用ケーブル２における検知用光ファイバ９の一方端に光学的に接続される。光カプラ１３０の一方の入力端子は、１×２光スイッチ１３１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１２９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１１４の入力端子に光学的に接続される。
【００７４】
光パルス生成部１０３は、第１光源１０１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。
【００７５】
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。
【００７６】
そして、光パルス生成部１０３は、制御処理部１１３の制御に従って、本実施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知用光ファイバ９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１０３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。
【００７７】
光スイッチ１０４、１２２は、制御処理部１１３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１０４、１２２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１０４、１２２には、制御処理部１１３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１０４の出力端子は、光カプラ１０５の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ１２２の出力端子は、光カプラ１２３の入力端子に光学的に接続される。
【００７８】
光強度・偏光調整部１０６は、制御処理部１１３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１０６の出力端子は、光サーキュレータ１０７の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部１０６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１０６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。
【００７９】
光サーキュレータ１０７、１１２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１０７の第１端子は、光強度・偏光調整部１０６の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光カプラ１０８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１２９の入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１１２の第１端子は、１×２光スイッチ１３１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１２７を介して基準用光ファイバ１１７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１１４の入力端子に光学的に接続される。
【００８０】
光コネクタ１０９、１２７、１２８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。
【００８１】
光強度調整部１２４は、制御処理部１１３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１２４の出力端子は、光カプラ１０８の他方の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部１２４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１２４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、検知用計測手段２０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１２０への伝播を防止する役割を果たす。
【００８２】
１×２光スイッチ１２９、１３１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。
【００８３】
１×２光スイッチ１２９の一方の出力端子は、光カプラ１３０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１１４に光学的に接続される。制御処理部１１３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１１４へ入射されるように、１×２光スイッチ１２９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１３０の他方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ１２９が切り換えられる。
【００８４】
１×２光スイッチ１３１の一方の出力端子は、光サーキュレータ１１２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１３０の一方の入力端子に光学的に接続される。制御処理部１１３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１１２へ入射されるように、１×２光スイッチ１３１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１３０の一方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ１３１が切り換えられる。
【００８５】
ここで、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９は、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。
【００８６】
基準用光ファイバ１１７は、第１及び第２光源１０１、１２０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１１７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。
【００８７】
温度検出部１１６は、基準用光ファイバ１１７の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部１１３へ出力する。
【００８８】
歪み及び温度検出計１１４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。歪み及び温度検出計１１４は、制御処理部１１３と信号を入出力することによって、検知用計測手段２０の各部を制御する。歪み及び温度検出計１１４は、光コネクタ１２７及び光サーキュレータ１１２を介して入力端子に入射された、基準用光ファイバ１１７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１１３へ出力する。
【００８９】
また、歪み及び温度検出計１１４は、制御処理部１１３と信号を入出力することによって、検知用計測手段２０の各部を制御し、１×２光スイッチ１２９は、光サーキュレータ１０７と歪み及び温度検出計１１４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１１４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１１４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、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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。
【００９０】
また、歪み及び温度検出計１１４は、制御処理部１１３と信号を入出力することによって、検知用計測手段２０の各部を制御し、１×２光スイッチ１２９は、光サーキュレータ１０７と光カプラ１３０とを接続し、レイリー後方散乱現象に係る光が、光カプラ１３０を介して歪み及び温度検出計１１４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１１４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、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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。
【００９１】
また、歪み及び温度検出計１１４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、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９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。
【００９２】
また、歪み及び温度検出計１１４は、監視対象領域に検知用ケーブル２が配設された後、この領域内でのＣＯ２の監視を開始する前の状態（参照状態）の検知用光ファイバ９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１１４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、検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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１１４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。
【００９３】
また、歪み及び温度検出計１１４は、参照状態の検知用光ファイバ９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１１４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、検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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１１４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。
【００９４】
また、歪み及び温度検出計１１４は、ＣＰＵにおいて、メモリに格納されている各実測位置の参照ピーク周波数と、検知用ケーブル２によって監視対象領域でのＣＯ２の検知を行っている状態（監視状態）の検知用光ファイバ９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。
【００９５】
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６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６（Ａ）は、参照状態の検知用光ファイバ９を示し、図６（Ｂ）は、参照状態の検知用光ファイバ９に外力が加わった状態を示す図である。
【００９６】
補正量は、実測位置とこの実測位置に対応する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用いられる。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。
【００９７】
実測位置とは、上記のように検知用計測手段２０により、検知用光ファイバ９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６（Ａ）及び図６（Ｂ）の黒丸点参照）。本実施形態では、例えば、検知用光ファイバ９において一方端から５ｃｍ間隔で並ぶ位置である。当該検知用計測手段２０では、光が検知用光ファイバ９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、検知用光ファイバ９が伸縮しても当該検知用光ファイバ９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知用光ファイバ９中の実測位置は、当該検知用光ファイバ９が伸縮しても変化（移動）しない（図６（Ｂ）の黒丸参照）。即ち、監視装置本体３に接続された端部である検知用光ファイバ９の一方端から各実測位置までの距離は、当該検知用光ファイバ９の伸縮に関わらず一定となる。
【００９８】
これに対し、計測希望位置とは、検知用光ファイバ９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６（Ａ）及び図６（Ｂ）の点線参照）。この計測希望位置は、検知用光ファイバ９上の位置であるため、検知用光ファイバ９の歪（伸縮）に伴って実測位置からずれる（図６（Ｂ）の破線参照）。即ち、監視装置本体３に接続された端部である検知用光ファイバ９の一方端から各計測希望位置までの距離は、当該検知用光ファイバ９の伸縮に伴って変わる。
【００９９】
歪み及び温度検出計１１４は、上記の補正量を利用して監視状態の検知用光ファイバ９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、各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１１４は、上記の補正量を利用して監視状態の検知用光ファイバ９における各実測位置のレイリースペクトから、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を推定する。
【０１００】
歪み及び温度検出計１１４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１１４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。
【０１０１】
歪み及び温度検出計１１４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。
【０１０２】
制御処理部１１３は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９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格納するメモリ等を備える。制御処理部１１３は、歪み及び温度検出計１１４と信号を入出力することによって、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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１０１、１２０、第１及び第２ＡＴＣ１１０、１１８、第１及び第２ＡＦＣ１１１、１１９、光パルス生成部１０３、光スイッチ１０４、１２２、光強度・偏光調整部１０６、１×２光スイッチ１２９、１３１、及び光強度調整部１２４を制御する電子回路である。
【０１０３】
制御処理部１１３は、基準用光ファイバ１１７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格納される記憶部と、歪み及び温度検出計１１４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１１７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１０１、１２０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１ＡＦＣ１１１及び／又は第２ＡＦＣ１１９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１１３は、基準用光ファイバ１１７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１ＡＦＣ１１１を制御する周波数設定部を機能的に備えている。
【０１０４】
ここで、検知用光ファイバ９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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
このスペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡ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へ適用することができることを見出した。尚、このスペクトル拡散方式は、後述するＢＯＴＤＲや光ファイバの両端測定でのＢＯＴＤＡにも適用できる。
【０１０７】
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。
【０１０８】
ＢＯＴＤＡでは、検知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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
【数１】
2011053146.tif 000003
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【数２】
2011053146.tif 000004
【０１１４】
【数３】
2011053146.tif 000005
【０１１５】
【数４】
2011053146.tif 000006
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
【数５】
2011053146.tif 000007
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
【数６】
2011053146.tif 000008
【０１２４】
【数７】
2011053146.tif 000009
【０１２５】
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。
【０１２６】
【数８】
2011053146.tif 000010
【０１２７】
【数９】
2011053146.tif 000011
【０１２８】
【数１０】
2011053146.tif 000012
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
【数１１】
2011053146.tif 000013
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
【数１２】
2011053146.tif 000014
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
以上の解析から、本検知用計測手段２０では、検知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。
【０１３８】
また、図５に示す検知用計測手段２０は、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能する。図７は、図５に示す検知用計測手段２０をＢＯＴＤＡとして動作させた場合における検知用計測手段２０の概略構成を示すブロック図である。
【０１３９】
図７に示すように、検知用計測手段２０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、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９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。
【０１４０】
検知用計測手段２０は、歪み及び温度検出計１１４によって検知用光ファイバ９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１１４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。
【０１４１】
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１１４へ通知される。そして、歪み及び温度検出計１１４では、検知用光ファイバ９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。
【０１４２】
尚、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。
【０１４３】
次に、検知用計測手段２０における調整動作について説明する。まず、監視動作前に、第１及び第２光源１０１、１２０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１１７を用いてそれぞれ調整（キャリブレーション）される。
【０１４４】
より具体的には、制御処理部１１３は、第１ＡＴＣ１１０及び第１ＡＦＣ１１１と、第２ＡＴＣ１１８及び第２ＡＦＣ１１９とをそれぞれ制御することによって第１及び第２光源１０１、１２０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１１７に互いに対向するように入射させる。これら第１光源１０１からの連続光及び第２光源１２０からの連続光は、基準用光ファイバ１１７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１１７から光サーキュレータ１１２を介して歪み及び温度検出計１１４に入射される。
【０１４５】
歪み及び温度検出計１１４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１１３へ通知する。制御処理部１１３には、基準用光ファイバ１１７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格納されている。制御処理部１１３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１０１、１２０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１１４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１ＡＦＣ１１１及び第２ＡＦＣ１１９を制御する。これによって第１及び第２光源１０１、１２０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。
【０１４６】
ここで、基準用光ファイバ１１７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。本実施形態では、調整の際に、制御処理部１１３は、温度検出部１１６によって基準用光ファイバ１１７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１１７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。
【０１４７】
このように動作することによって第１及び第２光源１０１、１２０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、監視装置本体３の起動の際に、実行されても良い。
【０１４８】
比較算出手段２２は、検知用計測手段２０及び比較用計測手段２１とそれぞれ接続され、詳細には、検知用計測手段２０の歪み及び温度検出計１１４及び比較用計測手段２１の歪み及び温度検出計１１４とそれぞれ接続され、これら各歪み及び温度検出計１１４のＣＰＵで導出された各ブリルアン周波数シフト量と各レイリー周波数シフト量とから検知用ケーブル２の感知部１４周辺の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布を導出する。具体的に、比較算出手段２２は、検知用計測手段２０で求めた検知用光ファイバ９における感知部１４に対応する部分の長尺方向の圧力分布及び温度分布と、比較用計測手段２１で求めた比較用光ファイバ１２における感知部１４に対応する部分の長尺方向の圧力分布及び温度分布との比較に基づき、検知用ケーブル２周辺（詳細には、感知部１４周辺）の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布を導出する。
【０１４９】
加熱手段２３は、前記のように検知用ケーブル２の加圧管６内に密封された液体を加熱するための手段であり、制御手段２４からの指令信号に基づき加熱動作を行う。
【０１５０】
制御手段２４は、各比較算出手段２２と接続され、検知用計測手段２０、比較用計測手段２１、比較算出手段２２及び加熱手段２３からなる各ユニットを制御する。また、制御手段２４は、これら比較算出手段２２で導出された各検知用ケーブル２の感知部１４周辺の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布のデータを受け取り、モニター２６に各種結果や情報を表示させるための加工を行うと共に、加工後のデータをモニター２６に出力する。
【０１５１】
以上のように構成される監視システム１は、監視に必要な本数の検知用ケーブル２をＣＯ２の監視を行う監視対処領域に配設し、これら配設した検知用ケーブル２を監視装置本体３に接続する。具体的には、図１に示されるように、監視装置本体３が地上の所定位置に配置され、複数本の検知用ケーブル２がＣＯ２の貯留された貯留層Ｒをそれぞれ通過するよう、互いに間隔をおいて配設される。このとき、各検知用ケーブル２は、その基部が地上に位置して監視装置本体３の接続部ｃに接続され、先端側の感知部１４がＣＯ２を監視したい領域（監視対象領域）に位置するように配設される。本実施形態では、監視対象領域は、ＣＯ２が貯留される地下深部塩水層（貯留層）Ｒ、その上方のキャップロックＣＲ及びその周辺領域である。
【０１５２】
尚、検知用ケーブル２の感知部１４の長尺方向における長さは、当該検知用ケーブル２が配設される監視対象領域の大きさ等に合わせて設定されている。また、本実施形態では、検知用ケーブル２の感知部１４が垂直方向に沿って配設されているが、これに限定されず、水平方向や傾斜方向に沿って配設されてもよい。また、感知部１４が直線状に配置される必要もなく、湾曲等してもよく、全ての感知部１４が平行若しくは略平行に配設される必要もない。
【０１５３】
次に、このように設置された監視システム１を用いた地中でのＣＯ２の監視動作について説明する。図８は、本実施形態に係る監視システム１により、地中貯留されたＣＯ２の監視動作を説明するためのフローチャートである。尚、監視装置本体３において、検知用計測手段２０、比較用計測手段２１、比較算出手段２２及び加熱手段２３を１つのユニットとする複数のユニットはそれぞれ同じ動作を行うので、以下でユニットの動作についての説明をするときには、１つのユニットについてのみ説明する。
【０１５４】
先ず、監視システム１が設置されて地中でのＣＯ２の監視を始める前に、検知用計測手段２０及び比較用計測手段２１の各歪み及び温度検出計１１４は、検知用光ファイバ９又は比較用光ファイバ１２が参照状態（本実施形態では検知用ケーブル２の地中への配設直後の状態）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）を測定し、メモリに格納する。
【０１５５】
具体的に、ステップＳ１において、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）の歪み及び温度検出計１１４は、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１０１、１２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１１３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。尚、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。
【０１５６】
次に、ステップＳ２において、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）の歪み及び温度検出計１１４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、以下の処理により、ブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数が得られる。
【０１５７】
まず、制御処理部１１３は、第１ＡＴＣ１１０及び第１ＡＦＣ１１１と、第２ＡＴＣ１１８及び第２ＡＦＣ１１９とを制御することによって、第１及び第２光源１０１、１２０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１０１から射出された連続光は、光カプラ１０２を介して光パルス生成部１０３に入射され、第２光源１２０から射出された連続光は、光カプラ１２１を介して光スイッチ１２２に入射される。
【０１５８】
次に、制御処理部１１３は、光パルス生成部１０３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１１３は、例えば、次のように光パルス生成部１０３を動作させることによって、ポンプ光を生成している。
【０１５９】
図９は、図５に示す光パルス生成部１０３の構成及びその動作を説明するための図である。図１０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１０（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図１０（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。
【０１６０】
光パルス生成部１０３は、例えば、図９に示すように、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器２０１と、ＬＮ強度変調器２０１を駆動するための第１駆動回路を構成する直流電源２０２、乗算器２０３及びタイミングパルス発生器２０４と、入射光の位相を変調するＬＮ位相変調器２１１と、ＬＮ位相変調器２１１を駆動するための第２駆動回路を構成する直流電源２１２、乗算器２１３及び疑似乱数発生器２１４と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２２１と、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器２３１と、ＬＮ強度変調器２３１を駆動するための第３駆動回路を構成する直流電源２３２、乗算器２３３及びタイミングパルス発生器２３４とを備えて構成される。
【０１６１】
ＬＮ位相変調器２１１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。
【０１６２】
ＬＮ強度変調器２０１、２３１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２０１、２３１及びＬＮ位相変調器２１１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。
【０１６３】
第１駆動回路において、直流電源２０２は、強度変調すべく、ＬＮ強度変調器２０１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２０４は、ＬＮ強度変調器２０１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２０３は、直流電源２０２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器２０４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２０１へ出力する回路である。
【０１６４】
第２駆動回路において、直流電源２１２は、位相変調すべく、ＬＮ位相変調器２１１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２１４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２１１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２１３は、直流電源２１２から入力される直流電圧と疑似乱数発生器２１４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２１１へ出力する回路である。
【０１６５】
ＥＤＦＡ２２１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。ＥＤＦＡ２２１は、検知用光ファイバ９又は比較用光ファイバ１２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１０１から検知用光ファイバ９又は比較用光ファイバ１２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。
【０１６６】
第３駆動回路において、直流電源２３２は、オン／オフ制御するようにＬＮ強度変調器２３１を強度変調すべく、ＬＮ強度変調器２３１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２３４は、ＬＮ強度変調器２３１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２３３は、直流電源２３２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器２３４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２３１へ出力する回路である。
【０１６７】
このような光パルス生成部１０３を動作させることによって、例えば、図１０（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成することができる。
【０１６８】
図１０（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１０（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。
【０１６９】
サブ光パルスとメイン光パルスとは、図１０（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。
【０１７０】
図１０（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、図９において、まず、第１光源１０１から射出された連続光Ｌ１は、光カプラ１０２を介して光パルス生成部１０３のＬＮ強度変調器２０１に入射される。
【０１７１】
光パルス生成部１０３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２０４から乗算器２０３へ出力され、直流電源２０２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２０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器２０１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２０１で、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の光パルスＬ２となって射出される。
【０１７２】
そして、光パルス生成部１０３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２１４から乗算器２１３へ順次に出力され、直流電源２１２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２１１の信号電極に順次に印加される。
【０１７３】
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２１１に供給された場合にＬＮ位相変調器２１１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２１１に供給された場合にＬＮ位相変調器２１１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２１１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。
【０１７４】
そして、ＥＤＦＡ２２１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。
【０１７５】
さらに、光パルス生成部１０３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２３４から乗算器２３３へ出力され、直流電源２３２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２３１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２３１で、ＥＤＦＡ２２１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。
【０１７６】
そして、制御処理部１１３は、光パルス生成部１０３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１０４及び光スイッチ１２２をオンする。制御処理部１１３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１１４に通知する。
【０１７７】
光スイッチ１０４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１０５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１０６に入射され、光強度・偏光調整部１０６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１０７、光カプラ１０８及び光コネクタ１０９を介して検知用ケーブル２における検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端に入射される。一方、光カプラ１０５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１１４に入射される。
【０１７８】
歪み及び温度検出計１１４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１１３へ通知する。制御処理部１１３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１ＡＴＣ１１０、第１ＡＦＣ１１１及び光強度・偏光調整部１０６を制御する。
【０１７９】
一方、光スイッチ１２２がオンされると、連続光（プローブ光）は、光カプラ１２３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１２４に入射され、光強度調整部１２４でその光強度が調整され、光カプラ１０８及び光コネクタ１０９を介して検知用ケーブル２における検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端へ入射される。一方、光カプラ１２３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１１４に入射される。
【０１８０】
歪み及び温度検出計１１４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１１３へ通知する。制御処理部１１３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２ＡＴＣ１１８、第２ＡＦＣ１１９及び光強度調整部１２４を制御する。
【０１８１】
ブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検知用ケーブル２における検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端から入射され検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の他方端で反射して検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１０４及び光スイッチ１２２におけるオン／オフのタイミングが制御処理部１１３によって調整される。
【０１８２】
１×２光スイッチ１２９は、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１１４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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端から射出され、光コネクタ１０９、光カプラ１０８、光サーキュレータ１０７及び１×２光スイッチ１２９を介して歪み及び温度検出計１１４に入射される。
【０１８３】
歪み及び温度検出計１１４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１０（Ｂ）に示すように、光パルス生成部１０３のＬＮ位相変調器２１１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。
【０１８４】
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１１４は、制御処理部１１３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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０１８５】
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検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）では、測定毎に光強度・偏光調整部１０６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。
【０１８６】
このような検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１２０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１１３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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０１８７】
以上のようにして、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）の歪み及び温度検出計１１４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知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の長尺方向において、例えば、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。
【０１８８】
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、歪み及び温度検出計１１４のメモリにそれぞれ格納される。
【０１８９】
次に、ステップＳ３において、歪み及び温度検出計１１４は、参照レイリースペクトルを測定する。例えば、以下の処理により、参照レイリースペクトルが得られる。
【０１９０】
先ず、制御処理部１１３は、第１ＡＴＣ１１０及び第１ＡＦＣ１１１を制御することによって、第１光源１０１に所定周波数で連続光を発光させる。第１光源１０１から射出された連続光は、光カプラ１０２を介して光パルス生成部１０３及び１×２光スイッチ１３１に入射され、１×２光スイッチ１３１は、第１光源１０１から射出された連続光を光カプラ１３０へ出力する。なお、参照レイリースペクトルの計測時において、光スイッチ１２２はオフされている。
【０１９１】
次に、制御処理部１１３は、光パルス生成部１０３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１１３は、例えば、以下のように光パルス生成部１０３を動作させることによって、パルス光を生成している。
【０１９２】
図１１は、図５に示す光パルス生成部１０３から射出されるパルス光の一例を示す図であり、図１１（Ａ）は、パルス光の波長を示し、図１１（Ｂ）はパルス光の波形を示している。図１１（Ｂ）に示すパルス光は、所定レベルの矩形波であり、図１１（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１１（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。
【０１９３】
尚、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。
【０１９４】
図１１に示すパルス光を生成するために、第１光源１０１から射出された連続光は、光カプラ１０２を介して光パルス生成部１０３のＬＮ強度変調器２０１に入射される。光パルス生成部１０３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２０４から乗算器２０３へ出力され、直流電源２０２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２０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器２０１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１１（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２１１を介してＥＤＦＡ２２１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２３１を介して光スイッチ１０４へ射出される。
【０１９５】
そして、制御処理部１１３は、光パルス生成部１０３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１０４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１１４に通知する。
【０１９６】
光スイッチ１０４がオンされると、パルス光は、光カプラ１０５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１０６に入射され、光強度・偏光調整部１０６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１０７、光カプラ１０８及び光コネクタ１０９を介して検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端に入射される。一方、光カプラ１０５で分岐された他方のパルス光は、歪み及び温度検出計１１４に入射される。
【０１９７】
歪み及び温度検出計１１４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１１３へ通知する。制御処理部１１３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１ＡＴＣ１１０、第１ＡＦＣ１１１及び光強度・偏光調整部１０６を制御する。
【０１９８】
検知用ケーブル２における検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端に入射したパルス光は、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の一方端から射出され、光コネクタ１０９、光カプラ１０８、光サーキュレータ１０７及び１×２光スイッチ１２９を介して光カプラ１３０に入射される。この結果、光カプラ１３０により混合された２つの光が歪み及び温度検出計１１４に入射される。
【０１９９】
上記のようにして、第１光源１０１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１０３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１０６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１３０は、第１光源１０１からの連続波と検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１１４の受光素子は、これらの光をホモダイン受信する。
【０２００】
このとき、光強度・偏光調整部１０６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１１４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。
【０２０１】
このような検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１１３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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０２０２】
以上のようにして、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）の歪み及び温度検出計１１４は、レイリースペクトルを計測する。本実施形態では、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の長尺方向において、例えば、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。
【０２０３】
このように測定された各実測位置における参照レイリースペクトルは、各歪み及び温度検出計１１４のメモリにそれぞれ格納される。
【０２０４】
以上のように、参照状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）から得られた当該検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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た後、ＣＯ２の監視が開始される。
【０２０５】
このＣＯ２の監視は、以下のようにして行われる。当該監視システム１では、貯留層Ｒ内におけるＣＯ２の濃度や温度等を検知することにより、ＣＯ２の貯留層Ｒへの圧入時にはＣＯ２が貯留層Ｒ内に圧入されているか否か、貯留層Ｒ内に圧入されたＣＯ２の状態（安定しているか否か等）、貯留層Ｒ内のＣＯ２の量、貯留層ＲからのＣＯ２の漏れ等を主に監視し、ＣＯ２の貯留層Ｒへの圧入が終了した後には、貯留層Ｒ内でのＣＯ２の状態や、貯留層ＲからのＣＯ２の漏れ等を主に監視する。また、貯留層Ｒの周辺領域においてＣＯ２の有無や濃度等を検知することにより、貯留層Ｒ内に貯留されたＣＯ２が貯留層Ｒから漏れ出ていないかを監視する。
【０２０６】
具体的に、ＣＯ２の監視は以下のようにして行われる。貯留層Ｒ内及びその周辺領域に位置する検知用ケーブル２の感知部１４では、連通部１４ａを通じて検知用ケーブル２（感知部１４）周辺に存在するＣＯ２又はＣＯ２が溶け込んでいる物質（本実施形態では、ＣＯ２の溶け込んだ塩水）がケーブルシース７内に自由に出入りする。このケーブルシース７の内部に入ったＣＯ２がセンサーファイバ部４のゲート部材１１を透過して反応部材１０に接すると、反応部材１０がこのＣＯ２を吸収し、その濃度に応じた体積変化を生ずる。これにより、検知用光ファイバ９が反応部材１０からＣＯ２の濃度に応じた圧力が加えられる。また、反応部材１０は、吸収したＣＯ２の有する熱が検知用光ファイバ９に伝わる素材で構成されているため、感知部１４周辺のＣＯ２の有する熱が検知用光ファイバ９に加わる。
【０２０７】
一方、比較ファイバ部５では、比較用光ファイバ１２が金属管１３に囲まれているため、検知用ケーブル２周辺のＣＯ２の濃度や温度が変動してもこれに起因する反応部材１０からの圧力や熱が伝わらず、比較用光ファイバ１２の周囲の状態は所定の状態に保たれる。
【０２０８】
そのため、各計測手段２０、２１が検知用光ファイバ９と比較用光ファイバ１２との長尺方向における互い対応する部位の歪みや温度をそれぞれ計測し、比較算出手段２２が当該検知用光ファイバ９と当該比較用光ファイバ１２との互いに対応する位置（各実測位置）同士での歪みや温度を比較することにより、前記各位置周辺におけるＣＯ２の濃度及び温度が導出される。この濃度と温度との計測が連続して（又は定期的に）行われることで、貯留層Ｒ内及びその周辺領域におけるＣＯ２の濃度変化及び温度変化の監視が行われる。
【０２０９】
尚、本実施形態の検知用ケーブル２のセンサーファイバ部４においては、反応部材１０が検知用光ファイバ９の長尺方向において連続するように配置されているため、検知用ケーブル２の長尺方向における感知部１４周辺のＣＯ２の濃度分布及び温度分布を得ることができる。
【０２１０】
詳細には、以下のようにして検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の長尺方向における各実測位置の歪みや温度を求める。
【０２１１】
先ず、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）の歪み及び温度検出計１１４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Ｓ４において、歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ１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１０１、１２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１１３に指示する。
【０２１２】
次に、ステップＳ５において、歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ２と同様に、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０２１３】
そして、ステップＳ６において、歪み及び温度検出計１１４は、メモリに格納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監視状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）から得られたピーク周波数とから、監視状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、前記補正量の導出方法の一例を示す図である。
【０２１４】
先ず、歪み及び温度検出計１１４は、参照状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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、監視状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１１４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長尺方向に並べた波形（図１２（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長尺方向に並べた波形（図１２（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１１４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１２（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１２（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。
【０２１５】
これは、図１３に示されるように、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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長尺方向に順に並べると、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）内の残留歪み（初期残留歪み）等により、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）毎に固有の波形となり、当該検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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１３は、中間に異種ファイバが接続された検知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。
【０２１６】
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、補正領域の長尺方向における範囲を検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０２１７】
歪み及び温度検出計１１４は、参照状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の全ての実測位置に対する補正量が導出される。
【０２１８】
尚、本実施形態では、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との導出が必要となる検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の感知部１４に対応する部位に含まれる各実測位置に対する補正量だけを導出し、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との導出が必要でない非感知部１５に対応する部位に含まれる各実測位置に対する補正量は導出しないように構成されてもよい。このようにすることで、補正量を導出する実測位置の数を限定でき、演算処理にかかる時間を短縮することができる。
【０２１９】
次に、ステップＳ７において、歪み及び温度検出計１１４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。
【０２２０】
歪み及び温度検出計１１４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１１４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。
【０２２１】
歪み及び温度検出計１１４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。
【０２２２】
次に、ステップＳ８において、歪み及び温度検出計１１４は、メモリに格納されている参照状態の検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０２２３】
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、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）の歪み及び温度検出計１１４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。
【０２２４】
先ず、歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ９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を推測し、ステップＳ１０において、推測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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
Δνｂ＝Ｂ１１×Δε＋Ｂ１２×ΔＴ  …（１３）
Δνｒ＝Ｒ１１×Δε＋Ｒ１２×ΔＴ  …（１４）
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。
【０２２７】
このため、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、先ず、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。
【０２２８】
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。
【０２２９】
次に、ステップＳ１１において、歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ３と同様に、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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Ｓ１２において、歪み及び温度検出計１１４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。
【０２３０】
歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ６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１１４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１１４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。
【０２３１】
次に、ステップＳ１３において、歪み及び温度検出計１１４は、メモリに格納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の相関関数係数をそれぞれ計算することによって、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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。
【０２３２】
図１４は、図５に示す検知用計測手段２０及び検知用光ファイバ９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１４（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１４（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相関関係係数を示している。図１４（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、両者の相関関係係数を計算すると、図１４（Ｂ）に示すようになり、両者の相関関係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。
【０２３３】
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１４（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。
【０２３４】
次に、ステップＳ１４において、歪み及び温度検出計１１４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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）の長尺方向の各実測位置における歪みと温度とを検出する。
【０２３５】
即ち、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。
【０２３６】
Δε＝Ｃ１１×Δνｂ＋Ｃ１２×Δνｒ  …（１５）
ΔＴ＝Ｃ２１×Δνｂ＋Ｃ２２×Δνｒ  …（１６）
歪み及び温度検出計１１４は、上記式に、各実測位置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、検知用光ファイバ９又は比較用光ファイバ１２の長尺方向の各実測位置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。
【０２３７】
上記の構成により、検知用計測手段２０（又は比較用計測手段２１）では、ブリルアン散乱現象を利用して検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）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、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）に生じた歪みと温度変化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可能となる。
【０２３８】
また、検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）が長く、あるいは検知用光ファイバ９（又は比較用光ファイバ１２）温度変化、歪み変化が大きく、これにより監視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。しかも、補正量を利用して実測位置とこの実測位置に対応する計測希望位置とのずれを補正することにより、ずれの影響を受け易いレイリー周波数シフト量Δνｒを確実に導出することが可能となる。即ち、レイリースペクトルは、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が、上記の補正量に基づく補正により、レイリー計測を行うのに十分な精度での補正を行うことができる。
【０２３９】
次に、ステップＳ１５において、比較算出手段２２は、検知用計測手段２０及び比較用計測手段２１の各歪み及び温度検出計１１４で導出された検知用光ファイバ９の長尺方向における各領域部分の圧力分布及び温度分布と、この検知用光ファイバ９の前記各領域部分に対応する比較用光ファイバ１２の長尺方向における各領域部分の圧力分布及び温度分布との比較に基づき、検知用ケーブル２の感知部１４周辺の長尺方向に沿ったＣＯ２の濃度分布及びＣＯ２の温度分布を導出する。
【０２４０】
具体的に、比較用光ファイバ１２は、その周囲が金属管１３により囲まれることで、反応部材１０からの圧力や熱が加わらない状態に保たれている。そのため、比較算出手段２２は、検知用光ファイバ９及び比較用光ファイバ１２の対応する実測位置における圧力及び熱同士を比較し、比較用光ファイバ１２に加わる圧力及び熱と検知用光ファイバ９に加わる圧力及び熱との差を、各実測位置においてＣＯ２の濃度や温度等に応じて反応部材１０から検知用光ファイバ９が受ける圧力及び熱として算出する。比較算出手段２２は、ＣＯ２の濃度とこのＣＯ２に反応部材１０が接したときに検知用光ファイバ９が受ける圧力との関係をテーブルにしたものを予めメモリ等に格納しておき、このテーブルに基づいて各実測位置におけるＣＯ２の濃度を算出する。このようにして比較算出手段２２は、検知用ケーブル２の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布を導出する。
【０２４１】
比較算出手段２２は、このようにＣＯ２の濃度分布及び温度分布を導出すると、ステップＳ１６において、このＣＯ２の濃度分布及び温度分布をメモリに格納すると共に、既に格納したＣＯ２の濃度分布及び温度分布がある場合は、新たに導出されたＣＯ２の濃度分布及び温度分布と既に格納しているＣＯ２の濃度分布及び温度分布とを比較して各値の変動の有無を判断する。この判断により変動が認められた場合、貯留層Ｒに貯留されたＣＯ２の状態が変動し、又はＣＯ２が貯留層Ｒから漏れていることが判断できる。
【０２４２】
次に、ステップＳ１７において、制御手段２４は、各比較算出手段２２からの結果を集めてメモリに格納すると共に、予め定められた様式でモニター２６に結果を表示させるためにモニター２６に出力信号を出力する。モニター２６は、これを画面等に表示する。ＣＯ２の監視を停止する場合は、これで終了する（ステップＳ１８）が、監視を続ける場合には、ステップＳ１９において、制御手段２４は、前回の計測から連続し、または所定の時間間隔をおいて、加熱手段２３に指示して検知用ケーブル２の加圧管６に密封された液体を加熱する。これにより、加圧管６が膨張して反応部材１０が加圧され、反応部材１０が吸収したＣＯ２を放出する。そして、ステップＳ４に戻り、このステップＳ４からステップＳ１７までを繰り返す。
【０２４３】
これにより、各検知用ケーブル２周辺の長尺方向におけるＣＯ２の分布（濃度分布及び温度分布）を長期間、常時且つリアルタイムで監視することができる。
【０２４４】
以上のような監視システム１によれば、検知用光ファイバ９及び比較用光ファイバ１２内におけるブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較することで、反応部材１０がＣＯ２と接することに起因して検知用光ファイバ９に加わる圧力及び熱を容易且つ確実に計測することができ、これにより当該検知用ケーブル２が配置された検知対象領域におけるＣＯ２の検知が可能となる。しかも、当該検知用ケーブル２では、両光ファイバ９、１２にポンプ光及びプローブ光を入射させ、これら光に起因する前記散乱光を計測することでＣＯ２の検知ができるため、ポンプ光及びプローブ光を両光ファイバ９、１２に入射させ続けることにより、ＣＯ２の検知を常時行うことができる。しかも、光ファイバ９、１２を用いた検知用ケーブル２をセンサーとして用い、この光ファイバ９、１２内に入射させた光（ポンプ光及びプローブ光）を利用するため、検知用ケーブル２が長くても（例えば、数百ｍ〜数十ｋｍ）瞬時にブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光の測定が可能であり、例えば、地中深部や海底等の監視者から離れた領域におけるＣＯ２の監視もリアルタイムで行うことができる。
【０２４５】
また、監視システム１では、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を計測することで、これら２つの周波数シフト量を用いて各光ファイバ９、１２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、これにより各検知用ケーブル２周辺の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布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可能となる。これにより、長期間、常時且つリアルタイムに各検知用ケーブル２周辺の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布とを同時に且つ独立して高空間分解能で監視することが可能となる。
【０２４６】
また、監視システム１では、検知用光ファイバ９及び比較用光ファイバ１２が長く、あるいはこられ光ファイバ９、１２における温度変化や歪み変化が大きく、これにより監視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。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。
【０２４７】
反応部材１０が検知用光ファイバ９を周方向に覆い、ＣＯ２に接することでその体積が変化すると共に前記接したＣＯ２の有する熱が検知用光ファイバ９に伝わる素材で構成されているため、当該検知用ケーブル２を用いることで、監視対象領域におけるＣＯ２の濃度及び温度を精度よく監視することが可能となる。
【０２４８】
ゲート部材１１が検知用光ファイバ９及び反応部材１０を外側から一括して囲むと共に、ＣＯ２の透過を許容する素材で構成されることで、他の物質の反応部材１０との接触が抑制されると共にＣＯ２の反応部材１０との接触が十分に確保される結果、ＣＯ２の検知感度が向上する。または、ゲート部材１１がＣＯ２を選択的に透過させるため、ＣＯ２以外の物質に接しても検知用光ファイバ９に圧力及び／又は熱を加える素材であっても反応部材として用いることが可能となり、反応部材の素材選択の自由度が増える。
【０２４９】
また、監視システム１では、除去手段ｒｅを備え、反応部材１０がＣＯ２と接することでこれを吸収する一方、除去手段ｒｅによって加圧されることで吸収したＣＯ２を放出するため、監視対象領域におけるＣＯ２の経時的な変化を検知することが可能となる。
【０２５０】
次に、本発明の第２実施形態について図１５及び図１６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。
【０２５１】
監視システム１は、検知用ケーブル２と監視装置本体３とを備える。検知用ケーブル２は、センサーファイバ部４と、比較ファイバ部５と、加圧管６と、ケーブル本体５７と、スロット８とを備え、両端を監視装置本体３の接続部ｃに接続可能に構成される。
【０２５２】
ケーブル本体３７は、長尺方向における中間位置に感知部１４を有する。即ち、本実施形態のケーブル本体３７は、感知部１４を挟むように両端側に非感知部１５、１５を有する。
【０２５３】
このように構成される検知用ケーブル２は、図１５に示すように、中間部の感知部１４が貯留層Ｒを含む監視対象領域を通過し、その両端が地表に位置するように配設される。
【０２５４】
監視装置本体３は、検知用計測手段５０と比較用計測手段５１と比較算出手段２２と加熱手段２３と制御手段２４とを備える。この実施形態においても、第１実施形態同様、検知用計測手段５０と比較用計測手段５１とは同一の構成であるため、以下では検知用計測手段５０についてのみ説明し、比較用計測手段５１の説明を省略する。
【０２５５】
検知用計測手段５０（又は比較用計測手段５１）は、第１実施形態の検知用計測手段２０の構成に加え、光コネクタ１２６と、１×２光スイッチ１２５とをさらに備える。この検知用計測手段５０は、検知用ケーブル２の検知用光ファイバ９の両端がそれぞれ光学的に接続され、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）で動作できると共に、第１実施形態同様の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）でも動作可能に構成されている。
【０２５６】
光コネクタ１２６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部品である。
【０２５７】
１×２光スイッチ１２５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る。この１×２光スイッチ１２５の入力端子は、光強度調整部１２４の出力端子に光学的に接続される。また、１×２光スイッチ１２５の一方の出力端子は、光カプラ１０８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１２６を介して検知用光ファイバ９の他方端に接続可能に構成される。制御処理部１１３の制御（又は手動）に従って、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１２６を介して検知用光ファイバ９の他方端へ入射されるように、１×２光スイッチ１２５が切り換えられ、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１０８８及び光コネクタ１０９を介して検知用光ファイバ９の一方端へ入射されるように、１×２光スイッチ１２５が切り換えられる。
【０２５８】
制御処理部１１３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１１４へ入射されるように、１×２光スイッチ１２９が切り換えられる。
【０２５９】
制御処理部１１３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１１２へ入射されるように、１×２光スイッチ１３１が切り換えられる。
【０２６０】
図１６に示すこの実施形態に係る検知用計測手段５０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１２５、１２９、１３１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１７は、図１６に示す検知用計測手段５０を第１態様で動作させた場合における検知用計測手段５０の概略構成を示すブロック図である。
【０２６１】
図１７に示すように、両端測定時において、検知用計測手段５０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、検知用光ファイバ９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知用光ファイバ９の他方端から入射する。
【０２６２】
検知用計測手段５０は、歪み及び温度検出計１１４によって検知用光ファイバ９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１１４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。
【０２６３】
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１１４へ通知される。そして、歪み及び温度検出計１１４では、検知用光ファイバ９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。
【０２６４】
次に、このように構成される監視システム１を用いた地中でのＣＯ２の監視動作について図８も参照しつつ説明する。尚、検知用計測手段５０と比較用計測手段５１とは同一の構成であるため、以下では検知用計測手段５０についてのみ説明し、比較用計測手段５１の説明を省略する。
【０２６５】
ステップＳ１において、歪み及び温度検出計１１４は、ブリルアン周波数シフト量を推測し、周波数の掃引範囲を決定し、ステップＳ２において、参照ピーク周波数を測定する。このステップＳ２において、制御処理部１１３は、光パルス生成部１０３におけるポンプ光の生成タイミングに応じて、光スイッチ１０４及び光スイッチ１２２をオンする。光スイッチ１２２がオンされると、連続光（プローブ光）は、光カプラ１２３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１２４に入射され、光強度調整部１２４でその光強度が調整され、１×２光スイッチ１２５に入射される。１×２光スイッチ１２５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１２６を介して検知用光ファイバ９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１２６を介して検知用光ファイバ９の他方端へ入射される。
【０２６６】
１×２光スイッチ１２５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１０８及び光コネクタ１０９を介して検知用光ファイバ９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１０８及び光コネクタ１０９を介して検知用光ファイバ９の一方端へ入射される。
【０２６７】
歪み及び温度検出計１１４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１１３へ通知する。制御処理部１１３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２ＡＴＣ１１８、第２ＡＦＣ１１９及び光強度調整部１２４を制御する。
【０２６８】
第１態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検知用光ファイバ９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、検知用光ファイバ９の他方端から入射され検知用光ファイバ９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知用光ファイバ９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、第１実施形態同様、検知用光ファイバ９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、検知用光ファイバ９の一方端から入射され検知用光ファイバ９の他方端で反射して検知用光ファイバ９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知用光ファイバ９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１０４及び光スイッチ１２２におけるオン／オフのタイミングが制御処理部１１３によって調整される。
【０２６９】
１×２光スイッチ１２５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１１４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、検知用光ファイバ９の一方端から射出され、光コネクタ１０９、光カプラ１０８、光サーキュレータ１０７及び１×２光スイッチ１２９を介して歪み及び温度検出計１１４に入射される。
【０２７０】
このようにして参照ピーク周波数の測定が行われると、ステップＳ３において、歪み及び温度検出計１１４は、参照レイリースペクトルの測定を行い、検知用光ファイバ９から得られた当該検知用光ファイバ９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をそれぞれメモリに格納した後、ＣＯ２の監視を開始する。
【０２７１】
ＣＯ２の監視が開始されると、ステップＳ４において、歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ１と同様にして周波数の掃引範囲を決定し、ステップＳ５において、決定した掃引範囲内でブリルアンスペクトルのピーク周波数の測定を行い、ステップＳ６において、補正量を導出する。
【０２７２】
次に、ステップＳ７において、歪み及び温度検出計１１４は、各実側値で得られたピーク周波数から、補正量に基づいて各実測値に対応する計測希望位置でのピーク周波数を導出し、ステップＳ８において、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを導出する。
【０２７３】
次に、ステップＳ９において、歪み及び温度検出計１１４は、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を推測し、ステップＳ１０において、推測したレイリー周波数シフト量Δνｒからパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。この掃引範囲内で、歪み及び温度検出計１１４は、ステップＳ１１において、レイリースペクトルを測定し、ステップＳ１２において、補正量に基づき計測希望位置でのレイリースペクトルを推定し、ステップＳ１３において、レイリー周波数シフト量Δνｒを導出する。そして、ステップＳ１４において、歪み及び温度検出計１１４は、検知用光ファイバ９の長尺方向の各実測位置における歪みと温度とを検出する。
【０２７４】
次に、ステップＳ１５において、比較算出手段２２は、検知用ケーブル２の感知部１４周辺の長尺方向に沿ったＣＯ２の濃度分布及び温度分布を導出し、ステップＳ１６において、既に得られたＣＯ２の濃度分布及び温度分布がある場合には、これとの比較により貯留層Ｒ内でのＣＯ２の状態が変動し、又はＣＯ２が貯留層Ｒから漏れているか否かの判断を行う。
【０２７５】
次に、ステップＳ１７において、制御手段２４は、各比較算出手段２２からの結果を格納すると共に、モニター２６に表示させる。
【０２７６】
監視を続ける場合には、ステップＳ１９において、制御手段２４は、除去手段ｒｅにより検知用ケーブル２のセンサーファイバ部４における反応部材１０に圧力を加えて当該反応部材１０からＣＯ２を放出等させる。そして、ステップＳ４に戻り、このステップＳ４からステップＳ１７までを繰り返す。
【０２７７】
以上のような監視システム１によっても、第１実施形態同様、長期間、常時且つリアルタイムでＣＯ２の監視を行うことができる。しかも、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とを計測することで、これら２つの周波数シフト量Δνｂ及びΔνｒを用いて各光ファイバ９、１２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る。これにより、各検知用ケーブル２周辺の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布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可能となり、その結果、当該監視システム１では、長期間、常時且つリアルタイムに各検知用ケーブル２周辺の長尺方向におけるＣＯ２の濃度分布及び温度分布とを同時に且つ独立して高空間分解能で監視することが可能となる。
【０２７８】
また、この監視システム１によっても、検知用光ファイバ９及び比較用光ファイバ１２が長く、あるいはこれら光ファイバ９、１２における温度変化や歪み変化が大きく、これにより監視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Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを精度よく検出することができる。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Δνｒの検出（レイリー計測）を確実に行うことが可能となる。
【０２７９】
以上のような第１及び第２実施形態に係る検知用計測手段２０、５０及び比較用計測手段２１、５１は、その構成の一部によって、ＢＯＴＤＲを構成することも可能である。
【０２８０】
図１８は、図５及び図１６に示す検知用計測手段２０、５０及び比較用計測手段２１、５１をＢＯＴＤＲに構成した場合におけるブロック図である。尚、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。また、検知用計測手段２０（５０）と比較用計測手段２１（５１）とは同一の構成であるため、以下では検知用計測手段２０（５０）についてのみ説明し、比較用計測手段５１についての説明は省略する。
【０２８１】
図１８において、ＢＯＴＤＲの検知用計測手段２０（５０）は、第１光源１０１と、光パルス生成部１０３と、光スイッチ１０４と、光カプラ１０５と、光強度・偏光調整部１０６と、光サーキュレータ１０７と、光コネクタ１０９と、第１ＡＴＣ１１０と、第１ＡＦＣ１１１と、制御処理部１１３と、歪み及び温度検出計１１４と、検知用光ファイバ９とを備えて構成されている。尚、図１８では、第１光源１０１と光パルス生成部１０３との間に介在する光カプラ１０２、及び、光サーキュレータ１０７と光コネクタ１０９との間に介在する光カプラ１０８は、図５及び図１６に示す検知用計測手段２０（５０）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１２９は、光サーキュレータ１０７と歪み及び温度検出計１１４とを接続している。
【０２８２】
ＢＯＴＤＲの場合では、歪み及び温度検出計１１４は、制御処理部１１３と信号を入出力することによって、検知用計測手段２０（５０）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、検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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。
【０２８３】
歪み及び温度検出計１１４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。
【０２８４】
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。
【０２８５】
光サーキュレータ１０７から歪み及び温度検出計１１４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。
【０２８６】
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。
【０２８７】
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。
【０２８８】
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。
【０２８９】
また、ＢＯＴＤＲの場合では、制御処理部１１３は、歪み及び温度検出計１１４と信号を入出力することによって、検知用光ファイバ９の長尺方向における検知用光ファイバ９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１０１、第１ＡＴＣ１１０、第１ＡＦＣ１１１、光パルス生成部１０３、光スイッチ１０４及び光強度・偏光調整部１０６を制御する。
【０２９０】
このような構成のＢＯＴＤＲの検知用計測手段２０（５０）では、第１光源１０１及び光パルス生成部１０３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１０４、光カプラ１０５、光強度・偏光調整部１０６、光サーキュレータ１０７及び光コネクタ１０９を介して、検知用光ファイバ９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。検知用光ファイバ９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）が検知用光ファイバ９の一方端から射出され、歪み及び温度検出計１１４によって受光される。そして、歪み及び温度検出計１１４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。
【０２９１】
このような構成のＢＯＴＤＲの検知用計測手段２０（５０）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。
【０２９２】
次に、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Δνｂを求める方法を図２０に基づいて説明する。尚、検知用計測手段２０（５０）と比較用計測手段２１（５１）とは同一の構成であるため、以下でも検知用計測手段２０（５０）につてのみ説明し、比較用計測手段２１（５１）についての説明は省略する。
【０２９３】
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。
【０２９４】
尚、第１及び第２実施形態に係るＢＯＴＤＡの検知用計測手段２０（５０）において、まず、制御処理部１１３の制御によって、検知用光ファイバ９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１１４は、この場合に検知用光ファイバ９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１１３の制御によって、検知用光ファイバ９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１１４は、この場合に検知用光ファイバ９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１１４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知用光ファイバ９に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２９５】
あるいは、制御処理部１１３の制御によって、検知用光ファイバ９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１１４は、この場合に検知用光ファイバ９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１１４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知用光ファイバ９に生じた歪み温度を測定してもよい。
【０２９６】
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Δνｂ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Δνｂ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。
【０２９７】
あるいは、例えば、図２０において、まず、検知用計測手段２０（５０）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、検知用計測手段２０（５０）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１１４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１１４は、この求めた差に基づいて検知用光ファイバ９に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０２９８】
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Δνｂ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。
【０２９９】
また、第１及び２実施形態に係るＢＯＴＤＲの検知用計測手段２０（５０）において、まず、制御処理部１１３の制御によって、検知用光ファイバ９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１１４は、この場合に検知用光ファイバ９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１１３の制御によって、検知用光ファイバ９に、メイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１１４は、この場合に検知用光ファイバ９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１１４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知用光ファイバ９に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０３００】
あるいは、制御処理部１１３の制御によって、検知用光ファイバ９に、サブ光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１１４は、この場合に検知用光ファイバ９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１１４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知用光ファイバ９に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０３０１】
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Δνｂをより簡単により高精度に求めることができる結果、検知用光ファイバ９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。
【０３０２】
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１１４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知用光ファイバ９に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
【０３０３】
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Δνｂ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Δνｂ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、検知用光ファイバ９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。
【０３０４】
なお、上述の第１及び第２実施形態では、図１０（Ａ）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２１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。
【０３０５】
図２１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２１（Ａ）は、ポンプ光の他の第１構成を示し、図２１（Ｂ）は、ポンプ光の他の第２構成を示す。
【０３０６】
図１０（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２１（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。
【０３０７】
また、図１０（Ａ）及び図２１（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２１（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。
【０３０８】
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検知用計測手段２０（又は５０）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、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。
【０３０９】
図２２は、図２１（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２２（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図２２（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図２２（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、検知用光ファイバ９の長尺方向における距離（ｍ）である。図２２（Ｂ）の横軸は、検知用光ファイバ９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。
【０３１０】
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。
【０３１１】
検知用光ファイバ９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。
【０３１２】
【表１】
2011053146.tif 000015
【０３１３】
このような検知用光ファイバ９に図２１（Ｂ）に示す構成のポンプ光を入射させ、測定すると、図２２（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２２（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図２２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。
【０３１４】
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。その結果、広範囲の監視対象領域において、高空間分解能でＣＯ２（被検知物質）の濃度分布等が得られ、これにより高空間分解能でＣＯ２の監視を行うことが可能となる。
【０３１５】
さらに、第１及び第２実施形態の検知用計測手段２０（５０）及び比較用計測手段２１（５１）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。
【０３１６】
図２３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２３（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図２３（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。図２４は、図２３（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。
【０３１７】
図２１（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２３（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。
【０３１８】
このような図１３（Ａ）に示す構成のポンプ光は、例えば、図２４に示す構成の光パルス生成部１０３から生成することができる。図２４に示す構成の光パルス生成部１０３では、その構成は、図９に示す光パルス生成部１０３及び光スイッチ１０４の構成と一致し、その動作が、図９に示す光パルス生成部１０３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。
【０３１９】
先ず、図２３（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２０１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。
【０３２０】
第１光源１０１から射出された連続光Ｌ１１（＝Ｌ１）は、光カプラ１０２を介して光パルス生成部１０３のＬＮ強度変調器２０１に入射される。連続光Ｌ１１が入射されると、ＬＮ強度変調器２０１は、前記漏れ光を射出する。
【０３２１】
光パルス生成部１０３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２０４から乗算器２０３へ出力され、直流電源２０２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２０１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２０１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。
【０３２２】
そして、光パルス生成部１０３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２１４から乗算器２１３へ順次に出力され、直流電源２１２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２１１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２１１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。
【０３２３】
そして、ＥＤＦＡ２２１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。
【０３２４】
さらに、光パルス生成部１０３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２３４から乗算器２３３へ出力され、直流電源２３２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２３１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２３１で、ＥＤＦＡ２２１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（ＥＤＦＡ２２１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。
【０３２５】
これら図１０（Ａ）、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）及び図２３（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の検知用計測手段及び比較用計測手段でも、ＢＯＴＤＡの検知用計測手段及び比較用計測手段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。
【０３２６】
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、上述の階段状パルスだけでなく、さらに、以下のようなパルスを用いてもよい。
【０３２７】
図２５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２５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。
【０３２８】
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。
【０３２９】
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２５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。
【０３３０】
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（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。
【０３３１】
図２７（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。
【０３３２】
図２７（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。
【０３３３】
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。
【０３３４】
尚、本発明の検知用ケーブル及びこの検知用ケーブルを備えた監視システムは、上記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。
【０３３５】
検知用ケーブルで検知可能な被検知物質、及び監視システムにおける監視対象となる被検知物質はＣＯ２に限定されず、他の物質でもよく、例えば、ブタンやプロパン等であってもよい。この場合、反応部材は、ブタンやプロパン等の被検知物質と接することで検知用光ファイバ９に圧力及び／又は熱を加える素材により構成される。即ち、検知用ケーブルは、反応部材を構成する素材に応じた種類の被検知物質の検知ができる。また、反応部材が複数の物質と反応して体積や熱が変化する素材である場合には、ゲート部材１１の素材を検知したい特定の物質のみを透過させる素材に変えることにより、他の物質の検知及び監視が可能となる。
【０３３６】
上記実施形態のセンサーファイバ部４では、ゲート部材１１が反応部材１０を外側から囲っているが、反応部材１０がＣＯ２（被検知物質）のみを吸収又は吸着する素材で構成されていれば、反応部材１０の外側にゲート部材１１がなくてもよい。
【０３３７】
上記実施形態の除去手段ｒｅは、反応部材１０に圧力を加える構成であるが、これに限定されない。例えば、反応部材が熱を加えられることにより吸収又は吸着した物質を放出又は脱着する場合には、除去手段は、反応部材に熱を加える構成となる。
【０３３８】
具体的に、除去手段は、ケーブルシース７内において、内部に蒸気を流通させることができる管（蒸気管）を加圧管６の変わりに配置し、この蒸気管内に高温の蒸気を供給するように構成されてもよい。このような構成によれば、蒸気管内を流れる蒸気の熱が管壁を通じて反応部材に伝わり、反応部材が吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着する。
【０３３９】
また、除去手段は、検知用光ファイバ９の表面をコートする金属膜、又は検知用光ファイバ９に沿って配設される金属線（例えば、電線等）によって構成され、これら金属膜や金属線に電気を流して発熱させることで反応部材を加熱するように構成されてもよい。
【０３４０】
上記実施形態の反応部材１０は、長尺方向において、検知用光ファイバ９の略全体に設けられているが、一部だけを覆うように設けられてもよい。即ち、少なくとも検知用ケーブル２の一部に設けられた感知部１４に対応する部位が反応部材１０により覆われていればよい。かかる部位に反応部材１０が設けられていれば、被検知物質の検知及び監視を行うことができる。これは、非感知部１５には連通部１４ａが設けられていないため、検知用ケーブル２の周辺に被検知物質が存在していてもケーブルシース７内に被検知物質が自由に出入りすることができず、反応部材１０が配置されていても、検知用ケーブル２の周辺のＣＯ２の濃度等を精度よくリアルタイムに検知することができないからである。また、反応部材１０は、長尺方向において連続している必要もなく、断続であってもよい。
【０３４１】
上記実施形態の監視システム１では、ブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象の両散乱現象に基づく散乱光を利用して被検知物質の検知及び監視を行っているが、これに限定されず、ブリルアン散乱現象又はレイリー散乱現象のいずれか一方の散乱現象に基づく散乱光を利用して検知及び監視を行ってもよい。即ち、上記実施形態の監視システム１では、両散乱現象に基づく散乱光を利用することで、検知用ケーブル２に沿って被検知物質の濃度分布及び温度分布を同時に且つ独立して高空間分解能で計測しているが、被検知物質の濃度又は温度の一方だけの計測でよい場合や、濃度分布等の空間分解能が低くてもよい場合には、いずれか一方の散乱現象に基づく散乱光を利用して検知及び監視を行う監視システムであってもよい。
【０３４２】
上記実施形態におけるＢＯＴＤＡの検知用計測手段２０（５０）及び比較用計測手段２１（５１）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。
【符号の説明】
【０３４３】
１     監視システム
２     検知用ケーブル
３     監視装置本体
４     センサーファイバ部
５     比較ファイバ部
９     検知用光ファイバ
１０   反応部材
１１   ゲート部材（選別部材）
１２   比較用光ファイバ
１３   金属管（保護部材）
【図１】
2011053146.tif 000016
【図２】
2011053146.tif 000017
【図３】
2011053146.tif 000018
【図４】
2011053146.tif 000019
【図５】
2011053146.tif 000020
【図６】
2011053146.tif 000021
【図７】
2011053146.tif 000022
【図８】
2011053146.tif 000023
【図１０】
2011053146.tif 000024
【図１１】
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【図１２】
2011053146.tif 000026
【図１３】
2011053146.tif 000027
【図１４】
2011053146.tif 000028
【図１５】
2011053146.tif 000029
【図１６】
2011053146.tif 000030
【図１７】
2011053146.tif 000031
【図１８】
2011053146.tif 000032
【図１９】
2011053146.tif 000033
【図２０】
2011053146.tif 000034
【図２１】
2011053146.tif 000035
【図２３】
2011053146.tif 000036
【図２４】
2011053146.tif 000037
【図２５】
2011053146.tif 000038
【図２６】
2011053146.tif 000039
【図２７】
2011053146.tif 000040
【図２８】
2011053146.tif 000041
【図２９】
2011053146.tif 000042
【図９】
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【図２２】
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