(57)【要約】【課題】自己遅延型のホモダイン干渉計を用いて、歪みと温度を分離して取得する。【解決手段】光源部と、分岐部と、干渉信号取得部と、散乱光強度取得部と、信号処理部とを備えて構成される。光源部は、プローブ光を生成する。分岐部は、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、２分岐する。干渉信号取得部は、分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する。散乱光強度取得部は、分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、散乱光の強度を取得する。信号処理部は、干渉信号の強度から取得した周波数シフト量と、散乱光の強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する。ここで、干渉信号取得部では、２分岐された一方の散乱光の位相を変化させることができる。【選択図】図１
2019060743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ光を生成する光源部と、
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、２分岐する分岐部と、
前記分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、
前記分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、前記散乱光の強度を取得する散乱光強度取得部と、
前記干渉信号の強度から取得した周波数シフト量と、前記散乱光の強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する信号処理部と
を備え、
前記干渉信号取得部では、前記２分岐された一方の散乱光の位相を変化させることができる
ことを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、
前記周波数シフト量δν及び前記強度δＰＢ／ＰＢと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃνε、及び、温度依存係数ＣνＴ、並びに、後方ブリルアン散乱の散乱係数の、歪み依存係数ＣＰε、及び、温度依存係数ＣＰＴとから、下記の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【数１】
2019060743.tif 000006
【請求項３】
前記干渉信号取得部は、
入力された散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する干渉計分岐部と、
前記第１光路に設けられ、前記信号処理部からの指示に応じて散乱光の位相を変化させることができる遅延調整部と、
前記第１光路及び第２光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成する干渉計合波部と
を有する自己遅延型のホモダイン干渉計、及び、
前記干渉光を電気信号に変換して干渉信号を生成する干渉光受光部
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【請求項４】
前記自己遅延型のホモダイン干渉計は、空間結合系で構成される
ことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【請求項５】
プローブ光を生成する過程と、
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する過程と、
前記２分岐された一方の散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
前記第１光路を伝搬する散乱光に遅延を与える過程と、
前記第１光路及び前記第２光路を伝播する散乱光を合波して干渉光を生成する過程と、
前記干渉光を光電変換することにより電気信号である干渉信号を生成する過程と、
前記干渉信号の強度から周波数シフト量を取得する過程と、
前記後方ブリルアン散乱光が２分岐された他方の散乱光から、散乱光強度を取得する過程と、
前記周波数シフト量及び前記散乱光強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する過程と
を備えることを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定方法。
【請求項６】
前記周波数シフト量δν及び前記強度δＰＢ／ＰＢと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃνε、及び、温度依存係数ＣνＴ、並びに、後方ブリルアン散乱の散乱係数の、歪み依存係数ＣＰε、及び、温度依存係数ＣＰＴとから、下記の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する
ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。
【数２】
2019060743.tif 000007
【請求項７】
さらに、
前記第１光路を伝播する散乱光の位相を、０から２πまで掃引するように変化させ、各位相においてブリルアン周波数シフトが生じていない参照区間の平均強度を測定する過程と、
前記平均強度の最小値及び最大値を取得する過程と、
前記平均強度が前記最小値と前記最大値の間の基準値になるように前記第１光路を伝播する光の位相を設定する過程と
を備え、
前記周波数シフト量を取得する過程では、前記干渉信号の強度を、前記最小値及び最大値を用いて規格化する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。特に、散乱光を利用する光ファイバセンシングは、点ごとに計測する電気センサとは異なり、長距離の分布としてのセンシングが可能であるため、被測定対象全体の物理量を計測することができる。
【０００３】
分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｇａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）と呼ばれる。ＢＧＳの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｔ）及びブリルアン線幅と呼ばれる。ＢＦＳ及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質および入射光波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長１．５５μｍにおけるＢＦＳの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約１１ＧＨｚ及び約３０ＭＨｚとなることが報告されている。また、非特許文献１からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うＢＦＳの大きさは波長１．５５μｍにおいて、それぞれ０．０４９ＭＨｚ／με、１．０ＭＨｚ／℃である。
【０００５】
ここで、ＢＦＳは歪みと温度に対して依存性を持つため、ＢＯＴＤＲは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物や、地滑りが発生する恐れのある箇所などの監視目的で利用可能として注目されている。  
【０００６】
ＢＯＴＤＲは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２〜３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。
【０００７】
ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保できない。その結果、Ｓ／Ｎ改善のための平均化処理が必要となる。ＢＯＴＤＲを行う従来の光ファイバ歪み測定装置では、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得しているが、平均化処理とこの３次元情報の取得のため、測定時間の短縮が難しい。
【０００８】
これに対し、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する、自然ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この特許文献１に開示されている光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法によれば、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲ（ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲ：Ｓｅｌｆ−Ｄｅｌａｙｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ  ＢＯＴＤＲ）の技術を用いて、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このＳＤＨ−ＢＯＴＤＲでは、周波数掃引を必要としないため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。
【００１０】
ここで、ＢＯＴＤＲに限らずブリルアン散乱を用いた分布型光ファイバセンシングでは、上述のように、歪み及び温度の両方に対してＢＦＳが生じる。従って、歪みと温度を区別することは必須の課題である。この課題に対して、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱係数の、歪み依存係数及び温度依存係数を利用した方法が提案されている（例えば、非特許文献２又は３参照）。
【００１１】
ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲにおいて、歪みと温度を区別する技術として、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法の提案もなされている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１６−１９１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１７−１５６２８９号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ”，ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｃｏｍｍｕｎ．，  ｖｏｌ．Ｅ７６−Ｂ，  ｎｏ．４，  ｐｐ．３８２−３９０  （１９９３）
【非特許文献２】Ｔ．Ｒ．Ｐａｒｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｓｔｒａｉｎ  ａｎｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｆｒｏｍ  ｎｏｉｓｅ−ｉｎｉｔｉａｔｅｄ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ”，ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，  ｖｏｌ．３４，  Ｎｏ．４，  ｐｐ．６４５−６５９  （１９９８）
【非特許文献３】Ｙ．Ｓａｋａｉｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｓｔｒａｉｎ  ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ  ｂｙ  ＢＯＴＤＲ  ａｎｄ  ＯＴＤＲ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，  ｖｏｌ．４９２０，  ｐｐ．２７４−２８４  （２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ここで、ホモダイン干渉計による測定は、特許文献２等に開示されているヘテロダイン干渉計による測定と比べて、３ｄＢの信号雑音比（Ｓ／Ｎ）の改善効果を望める。また、ホモダイン干渉計では、周波数シフタ等のデバイスも削減できるため、装置の小型化、低コスト化にも有効である。
【００１５】
しかしながら、ホモダイン干渉計から出力される信号は直流（ＤＣ）成分であり、ＢＦＳの周波数変化が強度変化として直接観測される。このため、ホモダイン干渉計では、ブリルアン散乱光自身の強度情報を取得することができない。従って、特許文献２に開示されている光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法は、ヘテロダイン干渉計において有効な技術であり、ホモダイン干渉計には、適用できない。
【００１６】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、ホモダイン干渉計を用いたＢＯＴＤＲにおいて、歪みと温度変化を分離して取得することが可能な、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置は、光源部と、分岐部と、干渉信号取得部と、散乱光強度取得部と、信号処理部とを備えて構成される。
【００１８】
光源部は、プローブ光を生成する。分岐部は、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、２分岐する。干渉信号取得部は、分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する。散乱光強度取得部は、分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、散乱光の強度を取得する。信号処理部は、干渉信号の強度から取得した周波数シフト量と、散乱光の強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する。ここで、干渉信号取得部では、２分岐された一方の散乱光の位相を変化させることができる。
【００１９】
この光ファイバ歪み及び温度測定装置の好適実施形態によれば、信号処理部は、周波数シフト量δν及び強度δＰＢ／ＰＢと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃνε、温度依存係数ＣνＴ、並びに、後方ブリルアン散乱の散乱係数の、歪み依存係数ＣＰε及び温度依存係数ＣＰＴとから、以下の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する。ただし、被測定ファイバ中の伝送損失は無視するものとする。
【００２０】
【数１】
2019060743.tif 000003
【００２１】
また、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定方法は、以下の過程を備えて構成される。
【００２２】
先ず、プローブ光を生成する。次に、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する。次に、２分岐された一方の散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する。第１光路を伝搬する散乱光に遅延を与えた後、第１光路及び第２光路を伝播する散乱光を合波して干渉光を生成する。次に、干渉光を光電変換することにより電気信号である干渉信号を生成し、干渉信号の強度から周波数シフト量を取得する。また、後方ブリルアン散乱光が２分岐された他方の散乱光から、散乱光強度を取得する。次に、周波数シフト量及び散乱光強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する。
【００２３】
この光ファイバ歪み及び温度測定方法の実施に当たり、好適には、歪みδε及び温度変化δＴを、周波数シフト量δν及び強度δＰＢ／ＰＢと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃνε、温度依存係数ＣνＴ、並びに、後方ブリルアン散乱の散乱係数の、歪み依存係数ＣＰε及び温度依存係数ＣＰＴとから、上記２元連立方程式（１）を解くことにより取得する。
【発明の効果】
【００２４】
この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法によれば、ホモダイン干渉計を用いて光の周波数変化を位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。また、周波数シフト量と散乱光強度から、歪みと温度変化を分離して取得することができる。
【００２５】
また、ホモダイン干渉計を用いることで、ヘテロダイン干渉計を用いる場合に比べて、Ｓ／Ｎの改善が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】光ファイバ歪み及び温度測定装置の基本構成の模式的なブロック図である。
【図２】ホモダイン干渉計の模式図である。
【図３】光ファイバ歪み及び温度測定装置で行われる規格化を説明する模式図である。
【図４】光ファイバに与えた歪み変化及び温度変化を示す図である。
【図５】ホモダイン干渉により得られた、周波数シフト量を示す図である。
【図６】δＰＢ／ＰＢを示す図である。
【図７】分離後のδεを示す図である。
【図８】分離後のδＴを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各図は、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２８】
（原理）
先ず、この発明の歪み及び温度の測定原理について簡単に説明する。
【００２９】
後方ブリルアン散乱では、周波数シフトだけでなく、その散乱係数も温度依存性、及び、歪み依存性を有することが報告されている。ＢＦＳの歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれＣνε及びＣνＴとし、ブリルアン散乱係数の歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれＣＰε及びＣＰＴとして、これらの係数を予め測定しておけば、次式で示す２元連立方程式（ａ）を解くことによって歪みと温度の分離が可能となる。
【００３０】
【数２】
2019060743.tif 000004
【００３１】
ここで、δνＢはＢＦＳの大きさであり、δＰＢ／ＰＢは、ブリルアン散乱強度の相対変化である。これら、δνＢ及びδＰＢ／ＰＢは、ＢＯＴＤＲで測定される値である。また、δε及びδＴは、それぞれ、歪み及び温度の変化量である。
【００３２】
しかし、自己遅延型のホモダイン干渉計を用いると、自己遅延型のヘテロダイン干渉計を用いる場合と同様に、ＢＦＳに起因する位相差だけでなく、ブリルアン散乱係数の変化に伴う強度変化も位相差として捉えてしまう。すなわち、ホモダイン干渉計で観測される周波数シフトには、ＢＦＳの歪み依存係数Ｃνε及び温度依存係数ＣνＴだけでなく、ブリルアン散乱係数の歪み及び温度の変化に起因する変化分が重畳されている。このため、２元連立方程式（ａ）は、上記式（１）となる。
【００３３】
ホモダイン干渉計の干渉信号から得られたδνＢとδＰＢ／ＰＢと、予め取得しておいた各係数を用いて、上記式（１）の２元連立方程式を解くことにより、δε及びδＴを取得することができる。
【００３４】
上記式（１）の２元連立方程式を解くと、δε及びδＴは、それぞれ以下の式（２）で与えられる。
【００３５】
【数３】
2019060743.tif 000005
【００３６】
(構成例)
図１を参照して、この発明の、光ファイバ歪み及び温度測定装置を説明する。図１は、この発明の、光ファイバ歪み及び温度測定装置（以下、単に測定装置とも称する。）の構成例を示す模式図である。
【００３７】
測定装置は、光源部１０、光サーキュレータ２０、光増幅器３０、光バンドパスフィルタ３２、分岐部３４、干渉信号取得部４０、散乱光強度取得部７０、信号処理部８０及びタイミング制御器９０を備えて構成される。
【００３８】
光源部１０は、プローブ光を生成する。光源部１０は、連続光を生成する光源１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１４を備えて構成される。
【００３９】
ここで、測定装置は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源１２の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅（以下、単に線幅とも称する。）は、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源１２として周波数安定化狭線幅光源が用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ（以下、被測定光ファイバとも称する。）１００の歪みを０．００８％としたとき、ブリルアンシフトは４ＭＨｚに相当する。このため、０．００８％程度の歪みを測定するには、光源１２の周波数揺らぎ及び線幅は４ＭＨｚより十分に小さく、数１０ｋＨｚ以下であることが望ましい。なお、周波数揺らぎ及び線幅が１０ｋＨｚ程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが、既製品として一般に入手可能である。
【００４０】
光パルス発生器１４は、任意好適な従来周知の、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔ  Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器又は電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて構成される。光パルス発生器１４は、タイミング制御器９０で生成された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ１００を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部１０から出力される。
【００４１】
この光源部１０から出力されたプローブ光は、光サーキュレータ２０を経て、被測定光ファイバ１００に入射される。なお、光サーキュレータ２０に換えて、光カプラを用いても良い。
【００４２】
被測定光ファイバ１００からの後方散乱光は、光サーキュレータ２０を経て、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）などで構成される光増幅器３０に送られる。光増幅器３０で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。光バンドパスフィルタ３２は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、後方散乱光のうち自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、分岐部３４に送られる。
【００４３】
分岐部３４は、自然ブリルアン散乱光を２分岐して、一方を干渉信号取得部４０に送り、他方を散乱光強度取得部７０に送る。
【００４４】
干渉信号取得部４０は、自己遅延型のホモダイン干渉計５０と、干渉光受光部６０を備えて構成される。
【００４５】
自己遅延型のホモダイン干渉計５０は、干渉計分岐部５２、遅延調整部５４及び干渉計合波部５６を備えて構成される。ホモダイン干渉計５０に送られた自然ブリルアン散乱光は、干渉計分岐部５２で第１光路及び第２光路に２分岐される。第１光路には遅延調整部５４が設けられている。第１光路に送られた光は遅延調整部５４を経て干渉計合波部５６に送られる。第２光路に送られた光はそのまま干渉計合波部５６に送られる。
【００４６】
干渉計合波部５６は、第１光路及び第２光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成し、この干渉光を干渉光受光部６０に送る。
【００４７】
干渉光受光部６０は、バランスフォトダイオード（ＰＤ）６２及びＦＥＴ増幅器６４で構成される。干渉光は、バランスＰＤ６２で電気信号に変換された後、ＦＥＴ増幅器６４で増幅される。増幅された電気信号は信号処理部８０に送られる。
【００４８】
散乱光強度取得部７０は、強度測定用遅延路７２、及び、散乱光受光部７４を備えて構成される。分岐部３４で２分岐されて散乱光強度取得部７０に送られた散乱光は、強度測定用遅延路７２で所定の遅延を受けた後、散乱光受光部７４に送られる。散乱光受光部７４は、例えば、ＰＤ７６及びＦＥＴ増幅器７８で構成される。散乱光は、ＰＤ７６で電気信号に変換された後、ＦＥＴ増幅器７８で増幅される。増幅された電気信号は信号処理部８０に送られる。
【００４９】
信号処理部８０では、上記式（１）の２元連立方程式を解くことにより、δε及びδＴを取得する。
【００５０】
ここで、偏波変動の影響を防ぐために、自己遅延型のホモダイン干渉計は、いわゆる空間結合系で構成されるのが良い。図２は、空間結合系で構成された、自己遅延型のホモダイン干渉計の模式図である。
【００５１】
自己遅延型のホモダイン干渉計５０は、例えば、第１及び第２のハーフミラー１５２及び１５６と、第１及び第２のミラー１５４及び１５５と、位相制御素子１５３を備えて構成される。
【００５２】
第１のハーフミラー１５２、第１のミラー１５４、第２のミラー１５５、及び第２のハーフミラー１５６は、例えば長方形の頂点に配置される。第１のハーフミラー１５２に入力された光は、第１のハーフミラー１５２で２分岐される。２分岐された一方は、第２のハーフミラー１５６に送られ、他方は、第１のミラー１５４、及び、第２のミラー１５５を経て、第２のハーフミラー１５６に送られる。第２のハーフミラー１５６に入力された光は、干渉光受光部６０に送られる。
【００５３】
また、位相制御素子１５３は、第１のハーフミラー１５２、第１のミラー１５４、第２のミラー１５５及び第２のハーフミラー１５６を結ぶ光路上に設けられる。
【００５４】
この場合、第１のハーフミラー１５２が干渉計分岐部５２として、また、第２のハーフミラー１５６が干渉計合波部５６として機能する。また、第１のミラー１５４、第２のミラー１５５及び位相制御素子１５３が、遅延調整部５４として機能する。
【００５５】
第１のハーフミラー１５２及び第２のハーフミラー１５６を結ぶ辺を第１の辺とし、第１のミラー１５４及び第２のミラー１５５を結ぶ辺を第２の辺とするとき、第２の辺を第１の辺に直交する方向に移動させることで、第１光路を伝播する光の光路長、すなわち、遅延量が変わる。また、位相制御素子１５３は、例えば、信号処理部８０からの電気信号により位相、すなわち、微小な遅延量が変わる。
【００５６】
ここで、ホモダイン検波後の信号はＤＣ信号であり、位相変化量の基準となる初期位相が分からない。このため、ＢＦＳが生じている区間（図３（Ａ）中、ＩＩで示す区間）の強度をみたときに、ＢＦＳが生じていない参照区間（図３（Ａ）中、Ｉで示す区間）の強度に対し、その大きさや変化の方向が定まらない。従って、周波数シフト量を算出するためには、規格化処理が必要となる。この規格化処理は例えば以下のように行われる。
【００５７】
先ず、位相制御素子１５３の電圧を、位相が０から２πまで掃引するように変化させ、ＢＦＳが生じていない参照区間の平均強度を測定し、平均強度の最小値（Ｍｉｎ）と最大値（Ｍａｘ）を取得する（図３（Ｂ）参照）。
【００５８】
次に、参照区間の平均強度が、取得した最小値と最大値の中間値（Ｍｉｄ＝（Ｍａｘ＋Ｍｉｎ）／２）になるように位相制御素子１５３に印加する電圧を調整する。
【００５９】
ＢＦＳが生じた区間の強度Ｐを以下の式で規格化する。
【００６０】
Ｐｎ＝（Ｉ−Ｍｉｄ）／（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）
Ｐｎは、規格化後の強度を示す。この規格化後の強度Ｐｎから、ＢＦＳの周波数シフト量を得ることができる。
【００６１】
ここで、Ｐｎの絶対値が、歪み又は温度変化による周波数シフトの大きさを示す。また、Ｐｎの符号により、歪みが圧縮方向であるか引張り方向であるか、または、温度変化が上昇方向か低下方向であるかがわかる。
【００６２】
また、ここでは、参照区間の平均強度を中間値としたが、これに限定されない。平均強度は、最小値と最大値の間の任意好適な値に設定することができる。  
【００６３】
例えば、温度変化に着目し、参照区間の平均強度を中間値とした場合に、−２５０℃〜＋２５０℃の範囲の温度変化を測定できるのであれば、参照区間の平均強度を中間値より低くすることで、例えば、−１００℃〜＋４００℃の範囲の温度変化を測定可能に設定できる。また、Ｍａｘ−Ｍｉｎは、５００℃の温度範囲に対応する。
【００６４】
図４〜８を参照して、光ファイバに歪み変化及び温度変化を与えたときの周波数シフトについて説明する。
【００６５】
図４は、光ファイバに与えた歪み変化及び温度変化を示す図である。図４では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸に歪み変化［単位：με］及び温度変化［単位：℃］を取って示している。ここでは、光ファイバの長さを１ｋｍとし、光ファイバ歪み及び温度測定装置側の端部から３００〜３２０ｍの区間と９４０〜９６０ｍの区間に、２００μεの歪みを付与し、６２０〜６４０ｍの区間と９４０〜９６０ｍの区間に、２０℃の温度変化を付与した場合について考える。
【００６６】
ここでは、ＢＦＳの歪み依存係数Ｃνεを０．０４９ＭＨｚ／μεとし、温度依存係数ＣνＴを１．０ＭＨｚ／℃としている。また、ブリルアン散乱係数の歪み依存係数ＣＰεを、−７．７×１０−４％／℃とし、温度依存係数ＣＰＴを０．３６％／℃としている。
【００６７】
図５は、ホモダイン検波を施すことにより得られた、周波数シフト量δνを示す図である。図５では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸に周波数シフト量δν［単位：ＭＨｚ］を取って示している。
【００６８】
図６は、散乱光強度取得部７０が取得する、δＰＢ／ＰＢを示す図である。図６では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にδＰＢ／ＰＢ［単位：％］を取って示している。
【００６９】
信号処理部８０では、干渉信号取得部４０から得られたδνと散乱光強度取得部７０から得られたδＰＢ／ＰＢと、予め取得しておいた各係数を用いて、上記式（１）の２元連立方程式を解くことにより、δε及びδＴを取得する。
【００７０】
図５に示すδνと、図６に示すδＰＢ／ＰＢから、上記式（２）により、歪みδε及び温度変化δＴが分離されて求められる。
【００７１】
図７は、分離後のδεを示す図である。図７では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にδε［単位：με］を取って示している。また、図８は、分離後のδＴを示す図である。図８では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にδＴ［単位：℃］を取って示している。
【００７２】
上述したように、自己遅延型のホモダイン干渉計を用いた測定装置及び測定方法により、δε及びδＴをそれぞれ分離して取得することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０    光源部
１２    光源
１４    光パルス発生器
２０    光サーキュレータ
３０    光増幅器
３２    光バンドパスフィルタ
３４    分岐部
４０    干渉信号取得部
５０    自己遅延型のホモダイン干渉計
５２    干渉計分岐部
５４    遅延調整部
５６    干渉計合波部
６０    干渉光受光部
６２    バランスＰＤ
６４、７８    ＦＥＴ増幅器
７０    散乱光強度取得部
７２    強度測定用遅延路
７４    散乱光受光部
７６    ＰＤ
８０    信号処理部
９０    タイミング制御器
１００    被測定光ファイバ
１５２、１５６    ハーフミラー
１５３    位相制御素子
１５４、１５５    ミラー
【図１】
2019060743.tif 000008
【図２】
2019060743.tif 000009
【図３】
2019060743.tif 000010
【図４】
2019060743.tif 000011
【図５】
2019060743.tif 000012
【図６】
2019060743.tif 000013
【図７】
2019060743.tif 000014
【図８】
2019060743.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月11日(2018.5.11)
【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】
プローブ光を生成する光源部と、
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、２分岐する分岐部と、
前記分岐部で２分岐された一方の散乱光が入力されて自己遅延型のホモダイン干渉により干渉信号を生成する干渉信号取得部と、
前記分岐部で２分岐された他方の散乱光が入力されて、前記散乱光の強度を取得する散乱光強度取得部と、
前記干渉信号の強度から取得した周波数シフト量と、前記散乱光の強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する信号処理部と
を備え、
前記干渉信号取得部は、
入力された散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する干渉計分岐部と、
前記第１光路に設けられ、前記信号処理部からの指示に応じて散乱光の位相を変化させることができる遅延調整部と、
前記第１光路及び第２光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成する干渉計合波部と
を有する自己遅延型のホモダイン干渉計、及び、
前記干渉光を電気信号に変換して干渉信号を生成する干渉光受光部
を備え、
前記信号処理部は、
前記第１光路を伝播する散乱光の位相を、０から２πまで掃引するように変化させるよう前記遅延調整部に指示を送り、
各位相においてブリルアン周波数シフトが生じていない参照区間の平均強度を測定し、
前記平均強度の最小値及び最大値を取得し、
前記平均強度が前記最小値と前記最大値の間の基準値になるように前記第１光路を伝播する光の位相を設定し、前記干渉信号の強度を、前記最小値及び最大値を用いて規格化する
ことを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、
前記周波数シフト量δν及び前記強度δＰＢ／ＰＢと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃνε、及び、温度依存係数ＣνＴ、並びに、後方ブリルアン散乱の散乱係数の、歪み依存係数ＣＰε、及び、温度依存係数ＣＰＴとから、下記の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【数１】
2019060743.tif 000016
【請求項３】
前記自己遅延型のホモダイン干渉計は、空間結合系で構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
【請求項４】
プローブ光を生成する過程と、
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を２分岐する過程と、
前記２分岐された一方の散乱光を第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
前記第１光路を伝搬する散乱光に遅延を与える過程と、
前記第１光路及び前記第２光路を伝播する散乱光を合波して干渉光を生成する過程と、
前記干渉光を光電変換することにより電気信号である干渉信号を生成する過程と、
前記干渉信号の強度から周波数シフト量を取得する過程と、
前記後方ブリルアン散乱光が２分岐された他方の散乱光から、散乱光強度を取得する過程と、
前記周波数シフト量及び前記散乱光強度から歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する過程と
を備え、
さらに、
前記第１光路を伝播する散乱光の位相を、０から２πまで掃引するように変化させ、各位相においてブリルアン周波数シフトが生じていない参照区間の平均強度を測定する過程と、
前記平均強度の最小値及び最大値を取得する過程と、
前記平均強度が前記最小値と前記最大値の間の基準値になるように前記第１光路を伝播する光の位相を設定する過程と
を備え、
前記周波数シフト量を取得する過程では、前記干渉信号の強度を、前記最小値及び最大値を用いて規格化する
ことを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定方法。
【請求項５】
前記周波数シフト量δν及び前記強度δＰＢ／ＰＢと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃνε、及び、温度依存係数ＣνＴ、並びに、後方ブリルアン散乱の散乱係数の、歪み依存係数ＣＰε、及び、温度依存係数ＣＰＴとから、下記の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する
ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。
【数２】
2019060743.tif 000017