(57)【要約】【課題】被測定ファイバに振動等の外乱が加わる環境下において、外乱を解析する、または補償して高空間分解能を実現する光反射測定装置及びその方法を提供すること。【解決手段】周波数掃引光源１０１から出射された連続光を光分波器１１１で２分岐し、一方は光合分波器１１２から周回光路１０２に入射し、もう一方は反射（散乱）光をコヒーレント検波する際のローカル光とする。周回光路１０２伝搬後の連続光は、光合分波器１１２、光サーキュレータ１０８および光位相参照用ダミーファイバ１０９を介して被測定ファイバ２００に入射され、位相参照用ダミーファイバ１０９及び被測定ファイバ２００中で反射（散乱）される。光合波器１１３から出力される反射（散乱）光とローカル光とのビート信号を受光器１０５で電気信号に変換し、演算処理装置１０７において、被測定ファイバ２００中で生じた外乱による位相雑音を補償する信号処理を施す。【選択図】図４
2019052938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数掃引した連続光を出射する光源と、
前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力する干渉計であって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬前の連続光および前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射して前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記干渉計と、
前記ビート信号を電気信号に変換する光検出手段と、
前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出する演算処理手段と、
を備え、前記演算処理手段は、
前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出し、
複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出し、
前記位相の時間変化に基づき算出した時間列で前記ビート信号をリサンプリングし、
前記リサンプリングされたビート信号をフーリエ変換し、前記被測定光ファイバの位相揺らぎが補償された反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出することを特徴とする光反射測定装置。
【請求項２】
周波数掃引した連続光を出射する光源と、
前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力する干渉計であって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記干渉計と、
前記ビート信号を電気信号に変換する光検出手段と、
前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出する演算処理手段と
を備え、前記演算処理手段は、
前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出し、
複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出し、
前記位相の時間変化から前記被測定光ファイバに生じた振動の周波数を解析することを特徴とする光反射測定装置。
【請求項３】
前記第１の光経路は、前記周回光路と前記被測定光ファイバと間に位相参照用ダミー光ファイバを含み、
前記演算処理手段は、前記位相の時間変化として、前記被測定光ファイバの反射光又は散乱光と前記位相参照用ダミー光ファイバの反射光又は散乱光との位相差の時間変化を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反射測定装置。
【請求項４】
光源から周波数掃引した連続光を出射するステップと、
前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力するステップであって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬前の連続光および前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射して前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記ビート信号を出力するステップと、
前記ビート信号を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出するステップと、
前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出するステップと、
複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出するステップと、
前記位相の時間変化に基づき算出した時間列で前記ビート信号をリサンプリングするステップと、
前記リサンプリングされたビート信号をフーリエ変換し、前記被測定光ファイバの位相揺らぎが補償された反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出するステップと、
を有することを特徴とする光反射測定方法。
【請求項５】
光源から周波数掃引した連続光を出射するステップと、
前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力するステップであって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬前の連続光および前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射して前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記ビート信号を出力するステップと、
前記ビート信号を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出するステップと、
前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出するステップと、
複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出するステップと、
前記位相の時間変化に基づき算出した時間列で前記ビート信号をリサンプリングするステップと、
前記位相の時間変化から前記被測定光ファイバに生じた振動の周波数を解析するステップと、
を有することを特徴とする光反射測定方法。
【請求項６】
前記第１の光経路は、前記周回光路と前記被測定光ファイバと間に位相参照用ダミー光ファイバを含み、
前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出するステップは、前記位相の時間変化として、前記被測定光ファイバの反射光又は散乱光と前記位相参照用ダミー光ファイバの反射光又は散乱光との位相差の時間変化を用いることを特徴とする請求項４または５記載の光反射測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ中の反射光もしくは後方レイリー散乱光振幅分布を測定する光反射測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの損失分布測定や光ファイバセンシングに用いられる光反射測定法の１つに光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ）がある（例えば非特許文献１参照）。ＯＦＤＲは、周波数掃引した連続光を２分岐し、そのうち一方を試験光として被測定ファイバに入射し、被測定ファイバからの反射光もしくは後方散乱光と分岐した他方の連続光とを合波して得られるビート信号の周波数領域から反射（散乱）地点を解析する方法である。ＯＦＤＲにおける試験光をＥ（ｔ）、ビート信号をＩ（ｔ）とするとそれぞれ以下のように表される。
【０００３】
【数１】
2019052938.tif 000003
【０００４】
【数２】
2019052938.tif 000004
【０００５】
ここでＥ0、ν0、γはそれぞれ試験光の光振幅、初期光周波数、周波数掃引速度、ｒFUTとτFUTは、被測定ファイバの反射（散乱）地点の反射率と光往復伝搬時間、θFUT（ｔ）は被測定ファイバに加わる振動等の外乱による位相雑音である。なお、ここでは簡単のため光源由来の位相雑音は無視している。また、τFUTが十分小さいことからτFUTの２乗項は無視している。
【０００６】
式（２）からわかるように、位相雑音θFUT（ｔ）を無視するとＩ（ｔ）は周波数γτFUTの正弦波であるため、Ｉ（ｔ）のフーリエ変換により反射（散乱）光の反射位置と振幅が解析される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W.Eickhohh et al, “Optical frequency domain reflectometry in single-mode fiber,” Applied Physics Letters 39(9), pp.693-695 (1981).
【非特許文献２】S.Kreger et al, “Distributed Rayleigh scatter dynamic strain sensing above the scan rate with optical frequency domain reflectometry,” Proc. SPIE 9480, Fiber Optic Sensors and Applications XII, 948006 (2015).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述では振動等の外乱による位相雑音θFUT（ｔ）を無視できることとしているが、実際の測定場面では外乱によりビート信号のスペクトルが広がるため、ＯＦＤＲの空間分解能が劣化するという課題がある。
【０００９】
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定ファイバに振動等の外乱が加わる環境下において、外乱を解析する、または補償して高空間分解能を実現する光反射測定装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、光反射測定装置であって、周波数掃引した連続光を出射する光源と、前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力する干渉計であって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬前の連続光および前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射して前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記干渉計と、前記ビート信号を電気信号に変換する光検出手段と、前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出する演算処理手段と、を備え、前記演算処理手段は、前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出し、複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出し、前記位相の時間変化に基づき算出した時間列で前記ビート信号をリサンプリングし、前記リサンプリングされたビート信号をフーリエ変換し、前記被測定光ファイバの位相揺らぎが補償された反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出することを特徴とする光反射測定装置。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、光反射測定装置であって、周波数掃引した連続光を出射する光源と、前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力する干渉計であって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記干渉計と、前記ビート信号を電気信号に変換する光検出手段と、前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出する演算処理手段とを備え、前記演算処理手段は、前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出し、複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出し、前記位相の時間変化から前記被測定光ファイバに生じた振動の周波数を解析することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光反射測定装置であって、前記第１の光経路は、前記周回光路と前記被測定光ファイバと間に位相参照用ダミー光ファイバを含み、前記演算処理手段は、前記位相の時間変化として、前記被測定光ファイバの反射光又は散乱光と前記位相参照用ダミー光ファイバの反射光又は散乱光との位相差の時間変化を用いることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、光反射測定方法であって、光源から周波数掃引した連続光を出射するステップと、前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力するステップであって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬前の連続光および前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射して前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記ビート信号を出力するステップと、前記ビート信号を電気信号に変換するステップと、前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出するステップと、前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出するステップと、複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出するステップと、前記位相の時間変化に基づき算出した時間列で前記ビート信号をリサンプリングするステップと、前記リサンプリングされたビート信号をフーリエ変換し、前記被測定光ファイバの位相揺らぎが補償された反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出するステップと、を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、光反射測定方法であって、光源から周波数掃引した連続光を出射するステップと、前記連続光を第１の光経路と第２の光経路とに分波して前記第１の光経路伝搬後の連続光と前記第２の光経路伝搬後の連続光とを合波してビート信号を出力するステップであって、前記第１の光経路は遅延時間τLoopを与える周回光路を含み、前記第１の光経路伝搬後の連続光は前記周回光路伝搬前の連続光および前記周回光路伝搬後の連続光を被測定光ファイバに入射して前記被測定光ファイバで生じた反射光又は散乱光である、前記ビート信号を出力するステップと、前記ビート信号を電気信号に変換するステップと、前記電気信号を用いて反射光又は散乱光の光振幅分布波形を算出するステップと、前記ビート信号を時間領域でτLoop単位に分割してフーリエ変換し、前記τLoop単位毎の複素スペクトルを複数算出するステップと、複数の前記複素スペクトルのそれぞれの最も高周波側に現れる反射光又は散乱光振幅分布波形の任意地点の位相成分を抽出して前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出するステップと、前記位相の時間変化に基づき算出した時間列で前記ビート信号をリサンプリングするステップと、前記位相の時間変化から前記被測定光ファイバに生じた振動の周波数を解析するステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項４または５記載の光反射測定方法において、前記第１の光経路は、前記周回光路と前記被測定光ファイバと間に位相参照用ダミー光ファイバを含み、前記反射光又は散乱光の位相の時間変化を算出するステップは、前記位相の時間変化として、前記被測定光ファイバの反射光又は散乱光と前記位相参照用ダミー光ファイバの反射光又は散乱光との位相差の時間変化を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、振動等の外乱が加わる環境下でも高分解能で損失分布測定や光ファイバセンシング等のＯＦＤＲを用いた応用を実現できる。さらに、本発明で得られる反射（散乱）光の位相変化をフーリエ変換して周波数解析することで、被測定ファイバに生じた振動の周波数を解析できるため、光ファイバ振動センシングとしての応用も可能である。ＯＦＤＲを用いた従来の振動センシング手法（例えば非特許文献２）では事前に無振動状態で取得した参照データを必要とするが、本発明による手法では参照データが不要であるため、従来法に比べて容易に振動センシングを実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明における反射（散乱）光の位相解析方法の概念図でり、（ａ）はビート信号を示す図であり、（ｂ）はビート信号をフーリエ変換して得られる複素スペクトルを示す図であり、（ｃ）は反射（散乱）光の位相の時間変化を示す図である。
【図２】本発明で計算されるビート信号の位相の時間変化の一例である。
【図３】本発明で得られるビート信号のパワースペクトル波形の一例である。
【図４】本発明の第１及び第２の実施形態に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る光反射測定装置における測定の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る光反射測定装置における測定の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明ではＯＦＤＲ測定系に周回光路を設け、試験光に用いられる周波数掃引連続光を周回光路に通すことで周回時間ごとに複数の試験光を被測定ファイバに入射し、これら複数の試験光による反射（散乱）光の位相を個別解析することで周回時間ごとの位相変化を測定し、得られた位相変化情報に基づいて位相雑音の影響を補償することで、上記課題を解決する。
【００１９】
抑々ＯＦＤＲにおいて外乱由来の位相雑音の影響を補償するためには、ビート信号取得時間内における反射（散乱）光の位相の時間変化情報を得ることが必要となるが、従来のＯＦＤＲ測定の試験光は１回のＯＦＤＲ測定につき１つの周波数掃引連続光であるため、１回の測定中に発生する位相変化情報を得ることが不可能であった。
【００２０】
一方、本発明では周回光路を通すことにより複数の周波数掃引連続光を作り出すことができ、またそれらは被測定ファイバ到達時刻がそれぞれ異なるため、各周波数掃引連続光による反射（散乱）光信号を個別解析することで反射（散乱）光の位相変化情報を得ることができる。
【００２１】
さらに周回光路伝搬中も光源で周波数掃引を続ける（掃引を繰り返すのではなく、１回の掃引を長く続ける）ことで、周回光路伝搬光による信号と同時に従来のＯＦＤＲビート信号（非周回光による信号）を同時に得ることができ、周回光路伝搬光から得られた位相変化情報を用いて非周回光による信号に雑音補償を施すことができる。本発明における周回光路伝搬後の試験光Ｅ’（ｔ）は次式で表される。
【００２２】
【数３】
2019052938.tif 000005
【００２３】
【数４】
2019052938.tif 000006
【００２４】
【数５】
2019052938.tif 000007
【００２５】
ここでｎは周回光路における周回数、τLoopとΔφは１周回あたりの伝搬遅延時間と位相変化である。なお、τLoopが十分小さいことからτLoopの２乗項は無視している。このとき、光源の周波数掃引に係る時間幅ＴはＴ＞２τLoopを満たし、Ｎ（ｔ）は１以上かつＴ／τLoop以下の整数とする。Ｅ’（ｔ）を試験光に用いると、得られるビート信号Ｉ’（ｔ）は次式のようになる。
【００２６】
【数６】
2019052938.tif 000008
【００２７】
なお、ここでは遅延時間τFUT、τLoopの２乗項は無視している。
【００２８】
図１に、ビート信号Ｉ’（ｔ）を用いた反射（散乱）光の位相解析の概念図を示す。反射（散乱）光の位相変化情報は、ビート信号Ｉ’（ｔ）をｉτLoop＜ｔ＜（ｉ＋１）τLoop（ｉは０以上の整数）の範囲で短時間フーリエ変換して得られる複素スペクトルＳi（ｆ）を周回光路における周回数毎に計算し、算出した各複素スペクトルＳi（ｆ）の位相成分から得る。正の周波数成分（ｆ＞０）のみを考慮すると、Ｉ’（ｔ）の短時間フーリエ変換は次式のようになる。
【００２９】
【数７】
2019052938.tif 000009
【００３０】
なお、ここでは周回光路の１周回あたりの伝搬遅延時間τLoopが被測定ファイバ２００の位相雑音θFUT（ｔ）の変動周期よりも十分短く、ｉτLoop＜ｔ＜（ｉ＋１）τLoopの時間間隔ではθFUT（ｔ）はほぼ一定であり、θFUT（ｉτLoop）とみなせることとした。
【００３１】
式（６）に示されるように、Ｓ0（ｆ）では１個の反射（散乱）光振幅分布波形がビート周波数領域で現れ、Ｓi（ｆ）（ｉが１〜Ｎ−１の整数）ではＮ個の反射（散乱）光振幅分布波形がビート周波数領域で現れる（図１（ｂ））。すなわちｉが１〜Ｎ−１の整数の場合にはＳi（ｆ）は周回光路の周回数の異なる光とのビート信号に対応する複数の反射（散乱）光振幅分布波形を含む。Ｓi（ｆ）のｆ＝γ（τFUT＋ｉτLoop）（ｉは０〜Ｎ−１の整数）での値は被測定ファイバ２００の伝搬遅延時間τFUTに対応する地点におけるｉτLoop＜ｔ＜（ｉ＋１）τLoop時点の反射（散乱）光の電界複素振幅を示す。
【００３２】
Ｓi（ｆ）を異なるｉについて計算すると、各Ｓi（ｆ）において最も高周波側の反射（散乱）光振幅分布波形（ｆ＝γ（τFUT＋ｉτLoop））、すなわち周回光路の周回数が最も多い光とのビート信号に対応する反射（散乱）光振幅分布波形は、それぞれ異なる時刻に発生した同一光周波数の反射（散乱）光振幅分布波形を示す。したがって、Ｓi（γ（τFUT＋ｉτLoop））の位相成分を各ｉの値について求めることで、図１（ｃ）に示すように反射（散乱）光の位相の時間変化を解析することができる。Ｓi（γ（τFUT＋ｉτLoop））の位相成分は次式のようになる。
【００３３】
【数８】
2019052938.tif 000010
【００３４】
なお、ここではＳi（ｆ）において現れる複数の反射（散乱）光振幅分布波形のビート周波数差（γτFUT）がスペクトル分解能（〜１／τLoop）よりも十分大きいことから、下記のように近似した。
【００３５】
【数９】
2019052938.tif 000011
【００３６】
ｉτLoop＝ｔ’と置き換えると、式（７）は次式のように書き換えられる。
【００３７】
【数１０】
2019052938.tif 000012
【００３８】
したがって、位相雑音θFUT（ｔ’）は次式により求められる。
【００３９】
【数１１】
2019052938.tif 000013
【００４０】
次に、図２に示すように位相雑音θFUT（ｔ）が重畳されたＯＦＤＲビート信号の位相の時間変化を算出し、単位位相変化に対応する時間列を算出し、各時間列におけるＩ’（ｔ）を時間軸上で等間隔に並べる（リサンプリングする）ことにより、Ｉ’（ｔ）における位相雑音の影響を補償する。すなわち、次式を満たす時間列ｔm（ｍは自然数）でＩ’（ｔ）をリサンプリングする。
【００４１】
【数１２】
2019052938.tif 000014
【００４２】
ここでωは任意の角周波数、δは任意の位相定数である。
【００４３】
【数１３】
2019052938.tif 000015
【００４４】
と置き換えると、リサンプリング後のビート信号
【００４５】
【数１４】
2019052938.tif 000016
【００４６】
は次式のようになる。
【００４７】
【数１５】
2019052938.tif 000017
【００４８】
【数１６】
2019052938.tif 000018
【００４９】
のフーリエ変換の一例を図３に示す。ビート周波数領域において、低周波側から順にｎ＝０，１，２，・・・の反射（散乱）光振幅分布波形が現れる。最も低周波側（ｎ＝０）の波形において、遅延τFUT＝ω／２πγに対応する地点で位相雑音θFUT（ｔ）項が０となり、位相雑音が補償される。他の地点についても、上記の位相解析からリサンプリングまでの一連の処理を異なるτFUTについて実施することで位相雑音補償が可能である。
【００５０】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態は本発明の構成の一例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
【００５１】
（第１の実施形態）
以下に説明する第１の実施形態は、被測定ファイバに振動等の外乱が加わる環境下において、外乱による位相雑音を補償し、高空間分解能光反射測定を行う目的で実施される。
【００５２】
図４に、本発明の第１の実施形態に係る光反射測定装置１００の構成を示す。光源には周波数掃引手段を有する周波数掃引光源１０１を用い、時間に対して線形に周波数掃引された連続光が出射される。出射された連続光を光分波器１１１で２分岐し、一方は光合分波器１１２から周回光路１０２に入射し、もう一方は反射（散乱）光をコヒーレント検波する際のローカル光とする。
【００５３】
周回光路１０２に入射した連続光は、被測定ファイバ長の２倍以上の長さを有する遅延ファイバ１０４を伝搬後、光増幅器１０３において遅延ファイバ伝搬による光損失が補償される。なお、周回光路１０２伝搬による光損失が生じても反射（散乱）光の位相解析に十分な信号強度が得られる場合は、ここでの光増幅器１０３は必ずしも用いなくてもよい。
【００５４】
周回光路１０２伝搬後の連続光は、光合分波器１１２、光サーキュレータ１０８および光位相参照用ダミーファイバ１０９を介して被測定ファイバ２００に入射され、位相参照用ダミーファイバ１０９及び被測定ファイバ２００中で反射、レイリー散乱される。なお、ここでの位相参照用ダミーファイバ１０９は振動等の外乱が加わらない環境に設置する。
【００５５】
位相参照用ダミーファイバ１０９及び被測定ファイバ２００からの反射（散乱）光は、光サーキュレータ１０８を介して光合波器１１３に入射されてローカル光と合波され、光合波器１１３からビート信号が出力される。このように光反射測定装置１００において、光分波器１１１、光合波器１１３、およびそれらの間の光経路により光干渉計を構成する。
【００５６】
光合波器１１３から出力されるビート信号を受光器１０５で電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器１０６でデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１０６では時間幅ＮτLoop（Ｎは自然数、τLoopは周回光路１０２の１周伝搬に係る遅延時間）のビート信号を収録する。
【００５７】
次に演算処理装置１０７において、被測定ファイバ２００中で生じた外乱による位相雑音を補償する信号処理を施し、被測定ファイバ２００長手方向の反射（散乱）光振幅分布を得る。
【００５８】
図５に、本発明の第１の実施形態に係る光反射測定装置１００の演算処理装置１０７で行われる演算処理の流れを示すフローチャートを示す。
【００５９】
初めにステップＳ５０１において、図１に示されるようにビート信号をｉτLoop＜ｔ＜（ｉ＋１）τLoop（ｉ＝０〜Ｎ−１）の範囲で短時間フーリエ変換し、各分割信号をフーリエ変換してＮ個の複素スペクトルＳi（ｆ）を得る。
【００６０】
次にステップＳ５０２において、Ｓi（γ（τRef＋ｉτLoop））の位相成分を各ｉについて求めることにより、位相参照用ダミーファイバ１０９の任意地点における散乱光の位相変化ΘRef（ｉτLoop）を解析する。ここでのτRefは、位相参照用ダミーファイバ１０９のファイバ長をＬRefとして２ＬRef／ｖ（ｖはファイバ中の光速）以下の任意の値を用いる。このとき、ΘRef（ｉτLoop）は次式で与えられる。
【００６１】
【数１７】
2019052938.tif 000019
【００６２】
なお、ここでは位相参照用ダミーファイバ１０９が外乱の加わらない環境に設置されていることから、位相参照用ダミーファイバ１０９を伝搬中の位相雑音は無視できることする。
【００６３】
次にステップＳ５０３において、Ｓi（γ（τFUT＋ｉτLoop））の位相成分を各ｉについて求めることにより、被測定ファイバ２００の任意地点における散乱光の位相変化ΘFUT（ｉτLoop）を解析する。ここでのτFUTは、被測定ファイバ長をＬFUTとして２ＬRef／ｖ＜τFUT＜２ＬFUT／ｖを満たす任意の値とする。ΘFUT（ｉτLoop）は次式で与えられる。
【００６４】
【数１８】
2019052938.tif 000020
【００６５】
なお、ステップＳ５０２とステップＳ５０３は実施する順序が逆でもよい。
【００６６】
次にステップＳ５０４において、ΘFUT（ｉτLoop）とΘRef（ｉτLoop）の位相差から位相雑音を算出する。ΘFUT（ｉτLoop）とΘRef（ｉτLoop）の位相差ΔΘ（ｉτLoop）は次式のようになる。
【００６７】
【数１９】
2019052938.tif 000021
【００６８】
ｉτLoop＝ｔ’と置き換えると、式（１５）は次式のように書き換えられる。
【００６９】
【数２０】
2019052938.tif 000022
【００７０】
次にステップＳ５０５において、ステップＳ５０６で実施されるリサンプリング処理に用いる時間列を算出する。時間列ｔmは次式により算出する。
【００７１】
【数２１】
2019052938.tif 000023
【００７２】
次にステップＳ５０６において、時間列ｔmに基づいてビート信号をリサンプリングする。リサンプリングの結果、ビート信号は式（１２）に示される形になる。
【００７３】
最後にステップＳ５０７において、ステップＳ５０６でリサンプリングしたビート信号をフーリエ変換することにより、反射（散乱）光振幅分布波形を得る。フーリエ変換後に複数現れる振幅分布波形のうち、最も低周波側が位相雑音補償後の波形を示す。
【００７４】
上記演算処理により、遅延τFUTに対応する地点の反射（散乱）光の位相雑音が補償される。異なる地点について位相雑音補償する場合、異なるτFUTについて上記ステップＳ５０３からステップＳ５０７までを実施する。異なるτFUTについて得た反射（散乱）光振幅分布波形の各τFUTを中心とする任意区間の波形データを切り出し、それらをつなぎ合わせることにより、複数地点で位相雑音補償された反射（散乱）光振幅分布波形を得ることができる。
【００７５】
（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、被測定ファイバ２００に加わった振動の周波数を解析する目的で実施される。
【００７６】
本実施形態で用いられる装置構成は第１の実施形態と同様であり、図４における演算処理装置１０７で行われる演算処理が第１の実施形態と異なる。
【００７７】
初めに図４に示される装置を用いて被測定ファイバ２００の反射光とローカル光との合波によるビート信号を取得する。ビート信号は第１の実施形態と同様の方法で取得する。
【００７８】
次に演算処理装置１０７において、上記ビート信号を用いて被測定ファイバ２００に加わった振動の周波数を解析する。
【００７９】
図６に、本発明の第２の実施形態に係る光反射測定装置１００の演算処理装置１０７で行われる演算処理の流れを示すフローチャートを示す。
【００８０】
初めにステップＳ６０１からステップＳ６０４の処理により、被測定ファイバの反射（散乱）光の位相の時間変化ΔΘ（ｔ’）を解析する。ステップＳ６０１からステップＳ６０４までは第１の実施形態と同じ処理のため、ここでは説明を省略する。
【００８１】
次にステップＳ６０５において、ΔΘ（ｔ’）を用いて被測定ファイバに加わった振動の周波数を解析する。被測定ファイバ２００に振動が加わると、反射（散乱）光は振動周波数で位相変調される。すなわち、ΔΘ（ｔ’）は次式のように記述される。
【００８２】
【数２２】
2019052938.tif 000024
【００８３】
ここでθvは振動による位相変調振幅、ｆvは振動周波数である。式（１８）から明らかなように、ΔΘ（ｔ’）をフーリエ変換して周波数解析することにより、被測定ファイバ２００に加わった振動の周波数を解析することができる。
【００８４】
尚、第１および第２の実施形態における演算処理装置１０７は、汎用のコンピュータと上記光反射測定方法を実行させるためのプログラムとによっても実現でき、そのプログラムを記録媒体に記録することも、通信ネットワークを通して提供することも可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１００  光反射測定装置
１０１  周波数掃引光源
１０２  周回光路
１０３  光増幅器
１０４  遅延ファイバ
１０５  受光器
１０６  Ａ／Ｄ変換器
１０７  演算処理装置
１０８  光サーキュレータ
１０９  光位相参照用ダミーファイバ
１１１  光分波器
１１２  光合分波器
１１３  光合波器
２００  被測定ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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