(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対をなし時間幅が異なる光パルスを複数個、光ファイバの一端から入射し、この光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化から物理量を検出するブリルアン散乱測定方法であって、
前記対をなす光パルスの各位相が互いに同一あるいは異なる２種類の光パルス対を生成し、
この生成した２種類の光パルス対を入射することにより、発生する後方ブリルアン散乱光を光ヘテロダイン受信器で各別に測定し、
前記光ヘテロダイン受信器による測定で得られる各信号を、時間幅が前記光パルス対の各光パルスの時間幅にそれぞれ等しく、遅延時間が変更可能な２つの窓関数でサンプリングするとともに、
前記２つの窓関数でサンプリングした各信号に予め定めた変換を行い、前記２種類の光パルス対ごとに、この予め定めた変換結果から得た２つの信号の積を求めた後、この求めた各積の差に基づいて、前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とするブリルアン散乱測定方法。
【請求項２】
前記各積の差を２回以上求め、求めた複数の積の差の平均値あるいは加算値から、前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とする請求項１に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項３】
前記光ヘテロダイン受信器による測定で得た各信号をそのまま用いて前記２つの窓関数でサンプリングするとともに、
前記予め定めた変換は、
前記２つの窓関数でサンプリングした各信号を、それぞれフーリエ変換する、第１のフーリエ変換と第２のフーリエ変換であり、
さらに、前記予め定めた変換結果から得た２つの信号は、前記第１のフーリエ変換で得たフーリエ変換信号と、第２のフーリエ変換で得た第２のフーリエ変換信号の複素共役信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項４】
前記光ヘテロダイン受信器による測定で得た各信号を周波数シフトの周波数変換によってベースバンド信号として検出し、前記検出した各ベースバンド信号を、前記２つの窓関数でサンプリングするとともに、
前記予め定めた変換は、
前記２つの窓関数でサンプリングした各信号の時間に関する積分であり、
さらに、前記予め定めた変換結果から得た２つの信号は、前記各信号の時間に関する積分によって得たそれぞれの信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項５】
前記光パルス対の各光パルスの時間幅と各光パルス間の離隔時間は、フォノンの寿命を考慮して定めていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項６】
前記光パルス対の各光パルスの時間幅は、一方がフォノンの寿命より短く、他方がフォノンの寿命より長くしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項７】
前記光パルス対の各光パルス間の離隔時間は、零またはフォノンの寿命より短いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項８】
前記光パルス対の各光パルスの位相が互いに異なる場合、その位相差はπであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項９】
前記光パルス対の各光パルスの光ファイバへの入射順は、時間幅の長短によらず、どちらが先でもよいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブリルアン散乱測定方法。
【請求項１０】
第１の光源、あるいはこれと異なる第２の光源と、
前記２つの光源のいずれか一の光源からの出射光を所望の時間幅をもつ光パルスとして形成するパルス形成器と、を有し、
前記パルス形成器により、対をなし異なる時間幅を持つ光パルスを形成した複数個の光パルスを、光ファイバの一端から入射し、この光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化から物理量を検出するブリルアン散乱測定装置であって、
前記対をなす光パルスの各位相が互いに同一あるいは異なる２種類の光パルス対を生成するパルス位相生成器と、
前記２種類の光パルス対が入力され、この入力された２種類の光パルス対を前記光ファイバに入射するとともに、この光ファイバで発生した後方ブリルアン散乱光を前記２つの光パルス対の入力経路とは異なる経路から出力する第１の光カプラと、
前記第１あるいは前記第２の光源のいずれか一の光源からの出射光と、前記光ファイバで発生した後方ブリルアン散乱光とが入力されるとともに、これら２種類の入力を各別に出力する第２の光カプラと、
この第２の光カプラからの２つの出力が別々に入力されるとともに、入力された信号のバランスを調整し、単一の出力として出力するバランス受光器と、
このバランス受光器からの出力を信号処理する信号処理器と、
を備え、
前記２種類の光パルス対の入射によって発生した後方ブリルアン散乱光を前記信号処理器で各別に測定し、
前記信号処理器による測定で得た各信号を、時間幅が前記光パルス対の各光パルスの時間幅にそれぞれ等しく、遅延時間が変更可能な２つの窓関数でサンプリングするとともに、前記２つの窓関数でサンプリングした各信号に予め定めた変換を行い、前記２種類の光パルス対ごとに、この予め定めた変換結果から得た２つの信号の積を求めた後、この求めた各積の差に基づいて、前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とするブリルアン散乱測定装置。
【請求項１１】
前記各積の差を２回以上求め、求めた複数の積の差の平均値あるいは加算値から、前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とする請求項１０に記載のブリルアン散乱測定装置。
【請求項１２】
前記２つの光源は、ともに分布帰還型レーザダイオードであり、
前記パルス形成器は、ＬＮ強度変調器であり、
前記パルス位相生成器は、ＬＮ位相変調器であるとともに、
前記第２の光カプラ、前記バランス受光器、および前記信号処理器を複数有し、
入力信号を増幅するエルビウム添加光ファイバ増幅器と、
前記２つの光源のうち、いずれか一の光源からの出射光が入力された後、２つの出射光として出力する第３の光カプラと、
入射した光を、入射面に平行に振動する波と入射面に垂直に振動する波に分離して出力する偏波分離カプラと、をさらに備えて、
前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のブリルアン散乱測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導および自然ブリルアン散乱における周波数シフトのひずみや温度依存性を利用した光ファイバ応用センサ技術に関わり、特に光ファイバの一端だけを利用して光パルスを入射して取り出した後方ブリルアン散乱光を利用したブリルアン散乱測定方法およびブリルアン散乱測定装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバを用いた歪検知、あるいは温度分布測定における精度向上、特に距離分解能向上技術については、主として２種類の計測手法による提案、あるいは実証がなされてきた。１つは、光ファイバの両端を使用して計測を行うものであって、時間領域で測定を行うＢＯＴＤＡ(Brillouin Optical Time Domain Analysis)、あるいは相関領域で測定を行うＢＯＣＤＡ(Brillouin Optical Correlation Domain Reflectometry)と呼ばれる方法である。前者の例として、距離分解能はサブメートルであるが高い利得を得られるＰＳＰ（Phase-Shift Pulse）−ＢＯＴＤＡと呼ぶ計測手法がある。後者の例として、距離分解能がミリメートルオーダで前者より優れているものがあるが、一般的に限られた距離の範囲のみで動作し、測定する光ファイバの倍以上の長さの遅延線を必要としている。
【０００３】
これに対して、光ファイバの一端だけを利用して光パルスを入射して取り出した後方ブリルアン散乱光を用いるＢＯＴＤＲ(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)と呼ばれている方法がある。この方法の原理は、ブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化から歪み量などを検出するものであり、光が入射点と反射点を往復する時間から位置を測定するものである。しかしながら、従来、この方法を用いて高い距離分解能（特に測定対象距離が長い場合における高い測定精度）を実現したＢＯＴＤＲの報告は少ない。
また、ＢＯＴＤＲにおいては、不確定性関係により、１回の観測で空間分解能と周波数分解能を同時に向上させることには限界があることが示されており、複数の観測を組み合わせることが必要といわれている（非特許文献１参照）。
【０００４】
ＢＯＴＤＲによって距離分解能を高めた代表的なものとしては、以下の２つの例が挙げられる。第１の例は、ＤＰ（Double‐Pulse）−ＢＯＴＤＲと呼ばれるものである（非特許文献２参照）。第２の例は、Ｓ−ＢＯＴＤＲ(Synthetic-BOTDR)と呼ばれるものであり（特許文献１参照）、上述の不確定性関係による限界を乗り越えるため、複数の観測を組み合わせ、各観測で得られるスペクトルを合成する一手法である。
【０００５】
第１の例は、高い距離分解能を実現した最初のものであり、短い２つのパルスをプローブとして用いている。具体的には、同等の短い持続時間をもつ２個のパルスを１０ｎｓ程度離して光ファイバ内に入射させ、発生した後方ブリルアン散乱光を２つのパルス波の包絡線に相当するフィルタを通過させて、２０ｃｍの距離分解能を得ている。
【０００６】
第２の例では、短い持続時間かつ大振幅のパルスと長い持続時間かつ小振幅のパルスを重ね合わせて発生させた光パルスプローブを用いる。この場合、重ね合わすパルスは四位相偏移変調された大振幅・短パルス（時間幅の短いパルス。以下同様）と小振幅・長パルス（時間幅の長いパルス。以下同様）を重ね合わせた４種類のプローブを生成することで、数１０Ｋｍを超える長距離において優れた距離分解能（１０ｃｍ）を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４９３０８９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K.Nishiguchi et.al,"Synthetic approach for Brillouin optical time-domain reflectometry", 42nd ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications(SSS'10), 2010, pp.81-88
【非特許文献２】Y.Koyamada,"Novel Technique to Improve Spatial Resolution in Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.19, NO.23, DECEMBER 1,2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記非特許文献２に関わるＤＰ−ＢＯＴＤＲによる計測では、位相の種類が１つでパルス長（パルス時間幅のこと。以下同様）が同等の２つのパルス波の包絡線を基にブリルアン散乱の周波数シフトを求めるため、周波数シフトの値を判定する際の誤差が大きく、真の値の判断が困難である。
一方、Ｓ−ＢＯＴＤＲによる計測では、周波数シフトの真値が理論的にも求まるため、周波数シフトの値を誤差なく求めることはできるが、４種類の位相変調を用いて観測した信号を合成してブリルアン散乱の周波数シフトを求める必要があるため、測定系が複雑となり、また真値を求める際に時間がかかる。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、隣接した短パルスと長パルスからプローブとする光パルスを構成し、かつ、その構成した光パルスに二値位相変調したものと位相変調しない２種類のプローブを使用するＢＯＴＤＲを利用したものであって、狭い幅と広い幅の窓関数を使用して取り出した後方散乱光の検出信号から取った相互相関値を利用することで、Ｓ−ＢＯＴＤＲによる計測よりも簡便な方法により、長距離において優れた距離分解能を得ることのできる計測方法及び計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るブリルアン散乱測定方法は、
対をなし時間幅が異なる光パルスを複数個、光ファイバの一端から入射し、この光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化から物理量を検出するブリルアン散乱測定方法であって、
前記対をなす光パルスの各位相が互いに同一あるいは異なる２種類の光パルス対を生成し、
この生成した２種類の光パルス対を入射することにより、発生する後方ブリルアン散乱光を光ヘテロダイン受信器で各別に測定し、
前記光ヘテロダイン受信器による測定で得られる各信号を、時間幅が前記光パルス対の各光パルスの時間幅にそれぞれ等しく、遅延時間が変更可能な２つの窓関数でサンプリングするとともに、
前記２つの窓関数でサンプリングした各信号に予め定めた変換を行い、前記２種類の光パルス対ごとに、この予め定めた変換結果から得た２つの信号の積を求めた後、この求めた各積の差に基づいて、前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明に係るブリルアン散乱測定装置は、
第１の光源、あるいはこれと異なる第２の光源と、
前記２つの光源のいずれか一の光源からの出射光を所望の時間幅をもつ光パルスとして形成するパルス形成器と、を有し、
前記パルス形成器により、対をなし異なる時間幅を持つ光パルスを形成した複数個の光パルスを、光ファイバの一端から入射し、この光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の変化から物理量を検出するブリルアン散乱測定装置であって、
前記対をなす光パルスの各位相が互いに同一あるいは異なる２種類の光パルス対を生成するパルス位相生成器と、
前記２種類の光パルス対が入力され、この入力された２種類の光パルス対を前記光ファイバに入射するとともに、この光ファイバで発生した後方ブリルアン散乱光を前記２つの光パルス対の入力経路とは異なる経路から出力する第１の光カプラと、
前記第１あるいは前記第２の光源のいずれか一の光源からの出射光と、前記光ファイバで発生した後方ブリルアン散乱光とが入力されるとともに、これら２種類の入力を各別に出力する第２の光カプラと、
この第２の光カプラからの２つの出力が別々に入力されるとともに、入力された信号のバランスを調整し、単一の出力として出力するバランス受光器と、
このバランス受光器からの出力を信号処理する信号処理器と、
を備え、
前記２種類の光パルス対の入射によって発生した後方ブリルアン散乱光を前記信号処理器で各別に測定し、
前記信号処理器による測定で得た各信号を、時間幅が前記光パルス対の各光パルスの時間幅にそれぞれ等しく、遅延時間が変更可能な２つの窓関数でサンプリングするとともに、前記２つの窓関数でサンプリングした各信号に予め定めた変換を行い、前記２種類の光パルス対ごとに、この予め定めた変換結果から得た２つの信号の積を求めた後、この求めた各積の差に基づいて、前記後方ブリルアン散乱光のスペクトルを得ることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、光ファイバの一端だけを利用して光パルス対を入射して取り出した後方ブリルアン散乱光におけるＢＯＴＤＲを用いた計測において、従来より簡便な方法で、数Ｋｍ以上の長距離において２０ｃｍ程度の優れた距離分解能を得ることのできる計測方法あるいは計測装置を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定方法、及びブリルアン散乱測定装置に用いる光パルス対の電界の信号波形を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定方法、及びブリルアン散乱測定装置に用いる２種類の矩形窓関数を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定方法、及びブリルアン散乱測定装置におけるブリルアン散乱光の処理方法を概念的に説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定方法、及びブリルアン散乱測定装置における測定方法の一例となるフローチャートを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定方法、及びブリルアン散乱測定装置における測定方法の他の例となるフローチャートを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定装置の基本となる装置構成の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定装置の一例を示す図である。
【図８】図７のブリルアン散乱測定装置を用いて測定したブリルアン周波数シフトの実験結果の一例を示す図である。
【図９】図７のブリルアン散乱測定装置を用いて測定した被測定体のブリルアンスペクトルの一例を示す図である。
【図１０】図７のブリルアン散乱測定装置を用いて測定した被測定体のブリルアンスペクトルの他の例を示す図である。
【図１１】図７のブリルアン散乱測定装置を用いて測定した被測定体のブリルアンスペクトルの他の例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定装置の他の例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係るブリルアン散乱測定装置の装置構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係るブリルアン散乱測定装置あるいはブリルアン散乱測定方法について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１によるブリルアン散乱測定装置に用いるパルスプローブの電界の信号波形を示す図であり、縦軸は光パルスのレベルを示し横軸は時間を示す。
図に示すように、パルスプローブは短パルス（光パルスの時間幅ＴS（「光パルスの時間幅」を以降「パルス長」と呼ぶ））と長パルス（パルス長ＴL）を隣接して構成する。
つまり、ＴS＜ＴLである。次に、図１（ａ）において、記号「＋＋」は、パルス長ＴSの区間とパルス長ＴLの区間とで位相が同一であること、すなわち、図１（ａ）は位相シフトが０（ゼロ）である位相変調の様子を示している。以降このような位相変調をさせたパルスプローブを光パルス対Ａと呼ぶ。また、図１（ｂ）において、記号「＋−」は、パルス長ＴSの区間とパルス長ＴLの区間では位相がπ（１８０度）異なること、すなわち、図１（ｂ）は位相シフトがπである位相変調の様子を示している。以降このような位相変調をさせたパルスプローブを光パルス対Ｂと呼ぶ。
【００１６】
後述するように、本実施の形態におけるブリルアン散乱測定装置における距離分解能とブリルアンスペクトル幅は、パルス長ＴSとパルス長ＴLの持続時間によって決定される。ここでのスペクトルとは、各周波数における信号の強度のことである。このパルスプローブにより生じた後方ブリルアン散乱光を、光ヘテロダイン検波と、周波数シフトｆMの周波数変換によりベースバンド信号として検出する。
【００１７】
ところで、一般にＢＯＴＤＲにおいては、単一の光パルスの距離分解能（空間分解能）Δｚは、ｔLを光パルスの時間幅（パルス長）、Ｖgを光ファイバ中での光速とすると、式（１）で定められる。
【数１】
0006552983.tif 000002
ここで、Ｖgは使用する光ファイバによって決まる物性値であるから、距離分解能を高めるためには、パルス幅が短い（ｔLが小さい）短パルスの光パルスを用いる必要がある。
【００１８】
ところで、ＢＯＴＤＲでは、この光パルスから得た後方ブリルアン散乱光を周波数変換する必要があるため、周波数分解能Δｆも高くする必要がある。ここでΔｆは次式（２）で表される（この式の左辺の値は、この式の右辺の値で近似される）。
【数２】
0006552983.tif 000003
ここで、Δｆbは自然線幅と呼ばれるスペクトル幅で、用いる光ファイバによって決まるローレンツスペクトルの線幅である。本実施の形態に係る計測方法、あるいは計測装置で求められるブリルアンスペクトルは、このローレンツスペクトルと長パルスのフーリエ変換とのコンボルーション（関数Ｆを平行移動しながら関数Ｇを重ね合わせること）で近似される。さらに、そのスペクトル幅は、ローレンツスペクトルと長パルスのフーリエ変換のピーク幅の２乗和の平方根で近似される。この近似された式が上記の式（２）である。
【００１９】
上記短パルスの光パルスを用いた場合には、距離分解能は高いが周波数分解能は低くなる。一方、パルス幅の長い長パルスの光パルスを用いた場合には、周波数分解能は高いが距離分解能は低くなる。
【００２０】
そこで、本実施の形態１では、パルス幅が短い短パルスとパルス幅の長い長パルスを対にした光パルス対を形成するとともに、これら２種類の光パルスを相互作用させ、距離分解能及び周波数分解能が共に高くなるように設定している。
ここで、２種類の光パルスを相互作用させて、高い距離分解能及び周波数分解能を得るためには、短パルスと長パルスは時間的に互いに重ならないようにするとともに、所定の時間以上に離れすぎないようにする必要がある。具体的には、短パルスのパルス立下り時間と長パルスのパルス立上り時間の違いの最大値をフォノンの減衰時間を考慮して、この違いを零とするか、あるいは３０ns（ナノ秒）以下、好ましくは１０ns以下に設定する。
なお、以上においては、短パルスと長パルスの時間幅はＴS＜ＴLである場合について説明したが、これに限らず、ＴS≧ＴLであってもよい。
【００２１】
以上のような事情を考慮して、信号の一部は、図２に示す２つの矩形の窓関数ＷS（ｔ）及びＷL（ｔ）を使用して抽出する。ここでｔは時間を表すパラメータである。
これらの窓関数の時間長は各々、上記パルス長と同じＴSとＴLである。この図に示すように、パルスプローブの入射時間からの遅延時間をＤとし、ＷS（ｔ）を時間Ｄだけ遅延させた窓関数ＷS（ｔ−Ｄ）と、ＷL（ｔ）を時間Ｄ＋ＴSだけ遅延させたＷL（ｔ−Ｄ−ＴS）を使用して、信号の一部を抽出する。
これら２種類の窓関数を使用する場合には、窓関数によるサンプルデータには次のものが含まれている。つまり、ｚを距離として、ｚ＝ＶgＤ／２からｚ＝Ｖg（Ｄ＋ＴS）／２までの短い区間ＳＳからの後方ブリルアン散乱信号と、ｚ＝Ｖg（Ｄ＋ＴS）／２からｚ＝Ｖg（Ｄ＋ＴS＋ＴL）／２までの長い区間ＬＳからの後方ブリルアン散乱信号である。
【００２２】
なお、上記図２の窓関数の説明においては、光パルス対Ａと光パルス対Ｂにおいて、短パルスと長パルスが隣接している場合について説明したが、これに限らず、光パルス対を構成する短パルスと長パルスが離れている場合にも同様に上記窓関数を使用できる。ただし、短パルスと長パルスが離れている場合には、窓関数ＷS（ｔ−Ｄ）とＷL（ｔ−Ｄ−ＴS）もこれら２つの光パルスの離間距離と同じ間隔だけ離して使用することが必要である。
【００２３】
ただし、上述の窓関数によってデータを抽出するだけでは、高い距離分解能の測定かつ精密なブリルアン散乱の周波数シフトを測定することはできない。そこで、２値位相変調された２つのパルスプローブ（光パルス対Ａと光パルス対Ｂ）による測定結果の減算と上述の狭い窓の窓関数ＷS（ｔ）と広い窓の窓関数ＷL（ｔ）でサンプリングした信号の相互相関処理とを組み合わせ、自然ブリルアン散乱光の統計的な特性を踏まえて以下に示すように評価すると、上記の短い区間ＳＳからの長パルスプローブによる後方ブリルアン散乱光のみを抽出することができる。これにより、高い距離分解能で狭い幅のブリルアンスペクトルの正確な測定が可能となり、精密なブリルアン散乱の周波数シフトの評価が可能となる。
【００２４】
具体的には、まず相互相関関数ＣSLを下記の式（３）で定義する。
【数３】
0006552983.tif 000004
ここで、＜＞は加算平均、ｂWS（ｔ）とｂWL（ｔ）は、それぞれ、矩形の窓関数ＷS（ｔ）（狭窓の窓関数）とＷL（ｔ）（広窓の窓関数）で抽出された後方散乱光を表し、τは遅延時間を表す。ｂWS（ｔ）とｂWL（ｔ）は、異なる箇所からの後方ブリルアン散乱光とランダム雑音を含んでいる。
なお、式（３）の積分範囲（ｔの値の範囲）は、理論上は［−∞、∞］であるが、実際には、ｂWS（ｔ）のサポート区間（０(零）でない値を取る区間。以下同様)である［Ｄ、Ｄ＋ＴS］とｂWL（ｔ）のサポート区間である［Ｄ＋ＴS、Ｄ＋ＴS＋ＴL］であり、これらの区間は有界であるため有意に解を求めることができる（実際に計算が可能となる）。
【００２５】
ところで、統計的観点からランダム雑音の相互相関は０（零）となる。また、違った箇所からの後方ブリルアン散乱光は独立して生ずるので、ある箇所の後方ブリルアン散乱光とこれとは異なる箇所の後方ブリルアン散乱光の相互相関も０（零）となる。よって、式（３）を評価するに当たって評価すべきは、同一箇所の後方ブリルアン散乱光のみとなる。そこで以下では３つのケースに分けて後方ブリルアン散乱光を評価する。
【００２６】
（ケース１：ｚ＞Ｖg（Ｄ＋ＴS）／２の箇所からの後方ブリルアン散乱光）
このケースにおいては、ｂWS（ｔ）には後方ブリルアン散乱光は含まれていないのでＣSLは０（零）となる。
【００２７】
（ケース２：ｚ＝ＶgＤ／２〜Ｖg（Ｄ＋ＴS）／２の箇所からの後方ブリルアン散乱光）
このケースにおいては、図１（ａ）、図１（ｂ）における各光パルスによる上記式（３）の計算結果は、逆の符号を持つ（上記式（３）を計算する際に被積分関数の２つの要素の一方の符号を逆にすれば、全体として符号が逆になるため）が同じ絶対値を得るので、相互相関値の減算結果は２倍となる。また、減算をすることによって、狭い区間からの後方ブリルアン散乱光の相互相関値だけを残すことができる。
従って、ベースバンド信号に変換するため、周波数ダウンシフトした後方ブリルアン散乱光の相互相関値を計算することによって、狭い区間における局所的なブリルアンスペクトル成分を得ることができる。
【００２８】
図３は、狭い区間ＳＳ（図中に「区間Ｑ」と表した区間）での後方ブリルアン散乱光の相互相関値を求める際の概念図を示している。
まず左側に示す図中、最上段に後方ブリルアン散乱光の区間を示す。ケース２では、この３つの区間のうち最も狭い区間である区間Ｑからの後方ブリルアン散乱光についての相互相関値を求めることになる。上から２段目の図は、この相互相関値を求める場合に用いる光パルス対の位相の概念を示している。上から３段目の図は、計測に用いる窓関数の概念図である。実線が狭窓の窓関数であるＷS（ｔ）、点線が広窓の窓関数であるＷL（ｔ）をモデル化して表示したものである。上から４段目の図は、光パルス対Ａを用いた場合の窓関数ＷS（ｔ）とＷL（ｔ）でサンプリングした場合の概念図であり、上から５段目の図は、光パルス対Ｂを用いた場合の窓関数ＷS（ｔ）とＷL（ｔ）でサンプリングした場合の概念図である。次に右側に示す図は、光パルス対Ａと光パルス対Ｂを用いて、これらのコンボリュージョン（畳み込み積分した）結果を減算して得られる結果のモデル図を示している。
この右側に示す図から、結果的に、ＣSL+の２倍の値が得られることが判る。
【００２９】
（ケース３：ｚ＜ＶgＤ／２の箇所からの後方ブリルアン散乱光）
このケースにおいては、ｂWS（ｔ）とｂWL（ｔ）は、同じ長パルスによる後方ブリルアン散乱光であるので、ＣSLは不要な成分を含んでいる。ＣSLからこの不要な成分を取り除くため、図１（ａ）、図１（ｂ）に示す０位相シフトさせた光パルス対Ａのプローブとπ位相シフトさせた光パルス対Ｂのプローブ、計２つのプローブでの測定を行う。どちらの測定においても、同じＣSLの値を得ることができ、これらを減算することで不要な相関成分を除去できる。
【００３０】
さらに、ＦＦＴ（フーリエ変換）と相互相関に関する定理を用いることによって、局所的なブリルアンスペクトルを直接評価できる。ＦＦＴを用いる理由は、光ファイバの細分区間ごとの信号スペクトルを得るためであり、１つの時間信号から各周波数成分を求めるためにＦＦＴを用いて分解することでこのことを実現する。
また、ヘテロダイン検波で検出された後方ブリルアン散乱光は、ベースバンド信号に変換されることなく、ＷS（ｔ）とＷL（ｔ）の２つの窓関数を使用してサンプリングされる。上記ＦＦＴは、時間窓で切り出した（サンプリングした）信号へ適用するので、各時間窓の範囲内での局所的なスペクトルが得られる。
そして、時間窓を移動させて光ファイバ全体をカバーするようにして、局所的なスペクトルを光ファイバ全体にわたって得ることができる。
すなわち、あるサンプルデータのＦＦＴと他のサンプルデータのＦＦＴの複素共役を乗算すると、式（３）で与えられている相関関数のＦＦＴが定まり、狭い区間（ここで「狭い区間」とは、短パルスの時間長に対応する区間のことをいう。例えば、短パルスの時間長を２ｎｓとすれば区間の幅は２０ｃｍになる）における後方ブリルアン散乱光のスペクトルが抽出される。この手法を繰り返し行うことによって多くの後方ブリルアン散乱光のスペクトルを取得し、それらの集合平均をとることによって局所的なブリルアンスペクトルを得ることができる。
以上、局所的なブリルアンスペクトルを得る方法を概観したが、以下では、このフーリエ変換によって局所的なブリルアンスペクトルを得る方法の詳細について説明する。
【００３１】
図４は、このフーリエ変換によって局所的なブリルアンスペクトルを得る方法について説明するためのフローチャートである。
まず、図１に示す光パルス対Ａ、光パルス対Ｂを生成し、生成した光パルス対Ａ、光パルス対Ｂを測定センサである光ファイバに入射する（ステップ１１（Ｓ１１））。
次に、光ファイバからの後方ブリルアン散乱光を、光ヘテロダイン受信器で測定し、測定によって得られた干渉信号の時間波形をｘk（ｔ）とする（ステップ１２（Ｓ１２））。
次に、遅延時間Ｄを変えて以下（具体的にはステップ１８（Ｓ１８）まで）の手順を行う（ステップ１３（Ｓ１３））。
次に、窓関数ＷS（ｔ）とＷL（ｔ）をそれぞれＤ、Ｄ＋ＴSだけ遅延させた窓関数ＷS（ｔ−Ｄ）とＷL（ｔ−Ｄ−ＴS）を使用して、干渉信号の時間波形ｘk（ｔ）からサンプリングして信号ｘSk（ｔ、Ｄ）、ｘLk（ｔ、Ｄ）を取得する（ステップ１４（Ｓ１４））。
次に、信号ｘSk（ｔ、Ｄ）、ｘLk（ｔ、Ｄ）をフーリエ変換し、ＸSk（ｆ、Ｄ）、ＸLk（ｆ、Ｄ）を得る。そして、このＸSk（ｆ、Ｄ）とＸLk（ｆ、Ｄ）の複素共役であるＸLk*（ｆ、Ｄ）の積Ｘk（ｆ、Ｄ）、を計算する。つまり、Ｘk（ｆ、Ｄ）＝ＸSk（ｆ、Ｄ）・ＸLk*（ｆ、Ｄ）である。なお、Ｘk（ｆ、Ｄ）＝ＸSk*（ｆ、Ｄ）・ＸLk（ｆ、Ｄ）により、Ｘk（ｆ、Ｄ）を求めてもよい。ここで記号*は複素共役を表す（ステップ１５（Ｓ１５））。
次に、上記Ｘk（ｆ、Ｄ）を用いて、その差分Ｘ（ｆ、Ｄ）をＸ（ｆ、Ｄ）＝Ｘ1（ｆ、Ｄ）−Ｘ2（ｆ、Ｄ）から求める（ステップ１６（Ｓ１６））。
次に、以上の手順、ステップ１１（Ｓ１１）からステップ１６（Ｓ１６）を繰り返して行い、Ｘ（ｆ、Ｄ）の平均あるいは加算値＜Ｘ（ｆ、Ｄ）＞を計算する（ステップ１７（Ｓ１７））。
最後に、＜Ｘ（ｆ、Ｄ）＞の絶対値を計算し、遅延時間Ｄで決定される位置におけるブリルアン散乱光のスペクトル｜＜Ｘ（ｆ、Ｄ）＞｜を求める（ステップ１８（Ｓ１８））。
【００３２】
上述の方法では、広帯域受信とＦＦＴを用いる方法により、周波数を固定した１回の計測で、ブリルアン散乱光のスペクトルを求めることができるという効果を奏する。ここでの「広帯域受信」の方式とは、「周波数掃引方式を用いていない」という程度の意味である。
なお、以上においては、ベースバンド信号に変換することなく、フーリエ変換を用いて局所的なブリルアンスペクトルを得る方法について説明したが、この方法に限らず、ベースバンド信号を利用する周波数掃引によって求める方法もある。以下この周波数掃引によって求める方法についてフローチャートを用いて詳しく説明する。
【００３３】
図５は、この周波数掃引によって局所的なブリルアンスペクトルを得る方法について説明するためのフローチャートである。
まず、図１に示す光パルス対Ａ、光パルス対Ｂを生成し、生成した光パルス対Ａ、光パルス対Ｂを測定センサである光ファイバに入射する（ステップ２１（Ｓ２１））。
次に、光ファイバからの後方ブリルアン散乱光を、光ヘテロダイン受信器で測定し、測定した信号を周波数変換によってベースバンド信号に変換する。このベースバンド信号に変換された周波数ｆの各成分の干渉信号の時間波形をｙk（ｆ、ｔ）とする（ステップ２２（Ｓ２２））。
次に、遅延時間Ｄを変えて以下（（具体的にはステップ２６（Ｓ２６）まで）の手順を行う（ステップ２３（Ｓ２３））。
次に、窓関数ＷS（ｔ）とＷL（ｔ）をそれぞれＤ、Ｄ＋ＴSだけ遅延させた窓関数ＷS（ｔ−Ｄ）とＷL（ｔ−Ｄ−ＴS）を使用して、干渉信号の時間波形ｙk（ｆ、ｔ）からサンプリングして信号ｙSk（ｆ、ｔ、Ｄ）、ｙLk（ｆ、ｔ、Ｄ）を取得する（ステップ２４（Ｓ２４））。
次に、信号ｙSk（ｆ、ｔ、Ｄ）と信号ｙLk（ｆ、ｔ、Ｄ）の時間ｔに関するそれぞれの積分の積Ｉyk（ｆ、Ｄ）＝［∫ｙSk（ｆ、ｔ、Ｄ）ｄｔ］・［∫ｙLk（ｆ、ｔ、Ｄ）ｄｔ］を計算する（ステップ２５（Ｓ２５））。
次に、差分Ｙ（ｆ、Ｄ）を、Ｙ（ｆ、Ｄ）＝Ｉy1（ｆ、Ｄ）−Ｉy2（ｆ、Ｄ）を基に計算して求める（ステップ２６（Ｓ２６））。
最後に、以上の手順、ステップ２１（Ｓ２１）からステップ２６（Ｓ２６）を繰り返して行い、Ｙ（ｆ、Ｄ）の平均あるいは加算値＜Ｙ（ｆ、Ｄ）＞を計算する。この＜Ｙ（ｆ、Ｄ）＞が、遅延時間Ｄで決定される位置におけるブリルアン散乱光のスペクトルである（ステップ２７（Ｓ２７））。
【００３４】
上述の図５に示した方法では、周波数をステップ状に変化させながら多数回の計測を行うが、その計測は、単に光検出器による検出だけであるから実現することが容易であると
いう効果を奏する。
【００３５】
次に、実際の測定装置の基本構成について、図を用いて以下説明する。図６は、本実施の形態１に係る測定方式の基本となる装置構成の一例を説明するための図である。すなわち、実際の測定装置の基本構成は、光源１からのレーザー光を基に、光ファイバへ入射するための短パルスと長パルスの組み合わせとなる光パルス３ａをパルス形成器３で形成し、その形成した光パルスを位相変調して、２種類の位相変調特性（短パルスは２種類とも同じ０（零）変調、長パルスは一方は０（零）変調、他方はπ変調）を持つ光パルス４ａをパルス位相生成器４で生成し、この位相生成した光パルス４ａを、光カプラ５を介して被測定体であるシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）１０に入射する。この入射光である光パルス４ａにより、光ファイバで発生した後方散乱光を、入射光を通した光カプラ５に、入射光とは逆方向に入射し、その出射光を、上記光源１と同種の光源２からの出射光とともに、上記光カプラ５とは別の光カプラ６に別々に入射した後、さらに、それらの出射光である２種類の光をバランス受光器７に別々に入力した後、このバランス受光器７からの単一の出力信号を信号処理器８で信号処理する構成となっている。なお、上記では２つの光源１、２を持つ装置としたが、これに限らず、１つの光源だけを持つ装置構成としてもよい。この場合には、光源から出射された光は、光源の出口側に配置した光カプラなどを用いて、２つの異なる経路に分けられる以外の構成については、上述の構成と同様である。
【００３６】
次に、目的とする距離分解能が達成されていることを、上記の基本構成を備えた実際の実験装置で確認したので、この実験装置の詳細と実験結果について、以下に図を用いて説明する。
【００３７】
まず、実験装置の詳細について、図７を用いて説明する。この図は、光ファイバ内の局所ブリルアンスペクトルを得るために用いた実験装置のブロック図である。図において、ＬＤ(ここでＬＤはLaser Diodeの略称)は半導体レーザー、Ｃ１、Ｃ２は光カプラ、ＰＣ（ここでＰＣはpolarization controllerの略称）は光偏波用コントローラ、ＳＳＢＭ（ここでＳＳＢＭはSingle Side Band carrier-suppressed Modulatorの略称）はシングルサイドバンド変調器、ＥＤＦＡ１、ＥＤＦＡ２（ここでＥＤＦＡはErbium-Doped Fiber Amplifierの略称）はエルビウム添加光ファイバ増幅器、ＭＺＭは、マッハ・ツェンダー変調器、ＰＳ（ここでＰＳはpolarization scramblerの略称）は光偏波スクランブラー、Ｃｉｒはサーキュレータ、ＳＭＦ１、ＳＭＦ２（ここでＳＭＦはSingle Mode Fiberの略称
）はシングルモード光ファイバ、ＢＰＤ(ここでＢＦＤはBalanced Photo Diodeの略称)はバランスド・フォトダイオード、ＤＯ(ここでＤＯはDigital scilloscopeの略称)はデジタルオシロスコープである（図７（ａ）参照）。ここで、光偏波スクランブラーを用いる方式では、偏波変動の平均値を求めている。なお、以下の説明では、上記に示した略称を用いる。
【００３８】
次に、上記サーキュレータの機能を説明するため、図７（ｂ）に、図７（ａ）中に符号Ｅで示した部分の拡大図を示す。この図でＬＤからのレーザー光は上記ＳＳＢＭ、ＥＤＦＡ２などを通過後、符号ｈ１で示した箇所からサーキュレータに入った光は符号ｈ２で示した箇所、つまりセンサであるシングルモード光ファイバ（ＳＭ１、ＳＭ２、…）に入射する。そして、この入射光によりシングルモード光ファイバ部分で発生した後方ブリルアン散乱光は、符号ｈ２で示した箇所を通過後、サーキュレータにより、符号ｈ１で示した箇所ではなく、符号ｈ３で示した方向に進む。すなわち、光カプラＣ１を通過した局発光と合流して光カプラＣ２に入る。
【００３９】
図７に示す実験装置で用いたパルスプローブの持続時間、すなわち、ＴSとＴLはそれぞれ２ｎｓ、３２ｎｓである。なお、ＴLの値はフォノンの寿命を考慮して決めている。また、この実験装置はパルスプローブの持続時間の他、信号処理部分に特徴がある。後方ブリルアン散乱光と局発光との間のビート周波数をＢＰＤの受信可能な最大周波数の半分程度になるようにするため、波長１．５５μｍのプローブ光はＳＳＢＭにより周波数がｆMだけアップされる。具体的なｆMの値は、およそ１０．０８０ＧＨｚである。
これにより、全ての後方ブリルアン散乱光の周波数成分を同時に検出できる。検出された信号は、ＤＯにより、サンプリングされ、前述の手順でＰＣを用いて周波数領域で処理される。
【００４０】
なお、後方ブリルアン散乱光の信号は、図１に示した２つのパルスプローブ（光パルス対Ａ、光パルス対Ｂ）ごとに、５万回取得した（この回数は原理的には２回以上でよい）。また、供試光ファイバには、長さ３００ｍと２０ｍの２つのＳＭＦ１と、長さ４０ｃｍのＳＭＦ２を用いた。この場合において、ＳＭＦ２は、ＳＭＦ１とブリルアン周波数シフト（以下ＢＦＳと略記する）値が約４０ＭＨｚ異なるものを使用し、このＳＭＦ２を２つのＳＭＦ１の間の位置に融着接続により接続した（図７（ａ）参照）。
【００４１】
次に、図７の実験装置で実験した際の実験結果について、以下、図８〜図１２を用いて説明する。
まず、図８は、上記ＳＭＦ２及びこれに隣接する２つのＳＭＦ１のＢＦＳの測定結果を示したものである。横軸は、図７に示す２つのＳＭＦ１のうち、長さが長い方のＳＭＦ１の入射光側の位置を始点とした場合の距離をｍ単位で示したものである。一方、縦軸は測定されたＢＦＳをＧＨｚ単位で示したものである。この測定結果より、ＳＭＦ２の領域でのＢＦＳの変動が適正に測定できており、また、２０ｃｍの距離分解能が達成されていることが確認できた。
【００４２】
次に、図９〜図１２は、ＳＭＦ２とその周辺でのブリルアンスペクトルの理論曲線（図中の実線）と測定結果（複数の小丸印）を示したものである。いずれの図においても、横軸は、周波数で、ｆM＝１０．０８０ＧＨｚを基点周波数とした場合の、検出ビート信号周波数と、この基点周波数との差の周波数の値を示している。また、縦軸は、信号強度を任意スケールで示している。
【００４３】
図９は、距離ｚが３１８．００ｍ地点のＳＭＦ１のブリルアンスペクトルの測定結果と理論曲線を示している。左上の点線の丸印は、この測定位置を図８と関係づけるために示したものである。理論曲線（近似したローレンツ型の曲線）は、スペクトルのピーク付近の測定値とよく一致しており、測定結果は適正であると評価できる結果を得た。
【００４４】
図１０は、距離ｚが３１８．６６ｍ地点のＳＭＦ１とＳＭＦ２との接続点を含む区間でのブリルアンスペクトルの測定結果と理論曲線を示している。スペクトルのピークは７９３ＭＨｚおよび７４２ＭＨｚの２つあることがわかる。
【００４５】
図１１は、距離ｚが３１８．８０ｍ地点のＳＭＦ２のブリルアンスペクトルの測定結果と理論曲線を示している。スペクトルのピークはＳＭＦ２のＢＳＦである７４２ＭＨｚと一致している。なお、８００ＭＨｚ近傍のピークはＳＭＦ１によるブリルアンスペクトルであるが、これはＭＺＭからの光波の漏れ、あるいは図１に示した２つの光パルス対間の強度不均衡が原因と考えられる。
【００４６】
なお、図８〜図１１の測定結果は、上述のように、図７に示した実験装置を用いて得られたものであるが、この装置に限らず、図１２に示すように、図７の実験装置の中の２つのＰＣ（光偏波用コントローラ）が無いものであっても、図７に示した実験装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００４７】
実施の形態２．
上記基本構成を実現する図７の実験装置とは別の装置構成の詳細について、図１３を用いて説明する。図の上側に示した分布帰還型レーザダイオード（Distributed Feed Back Laser Diode。略称ＤＦＢ・ＬＤ。発振周波数ｆ0）１０１から出射されたレーザー光は、最初のＬＮ変調器（ニオブ酸リチウム変調器）１０３で光強度を調整された後、２番目のＬＮ変調器１０４で２種類の位相変調された光に変えられ、エルビウム添加光ファイバ増幅器（Erbium-Doped Fiber Amplifier.略称はＥＤＦＡ。以降ＥＤＦＡと呼ぶ）１０９で出力が増幅された後、３番目のＬＮ変調器１１３に入射されて再び光強度が調整された後、光カプラ１０５を介して被測定体であるシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）１１０に入射される。
この入射光により光ファイバ中に発生した後方散乱光を、入射光を通した光カプラに対して入射光とは逆方向に入射し、その出射光を偏波分離カプラ１１４に入射してＰ波（入射面に平行に振動する波）とＳ波（入射面に垂直に振動する波）に分離して出力する。
これら２種類の出力はそれぞれ別々に、図の下側に示した分布帰還型レーザダイオード（Distributed FeedBack LaserDiode。略称ＤＦＢ・ＬＤ。発振周波数ｆ0±９ＧＨｚ〜１３ＧＨｚ）１０２から出射され上記光カプラとは別の光カプラ１１５に入射した後、この光カプラ１１５から出射されたレーザー光とともに、第３の光カプラ１０６と第４の光カプラ１１６に入射した後、それぞれ別々のバランス受光器Ｐ（符号１０７）、バランス受光器Ｓ(符号１１７)に入力された後、それぞれのバランス受光器Ｐおよびバランス受光器Ｓの出力が、それぞれ別々の信号処理器Ｐ（符号１０８）、信号処理器Ｓ（符号１１８）で、それぞれ独立に信号処理される。なお、ＤＦＢ・ＬＤ１０１、１０２はともに、制御・駆動回路１１１により、レーザ光の発振をオンオフされるとともに、レーザ光の波長を制御される。
【００４８】
本方式（偏波ダイバシティ方式）によれば、偏波スクランブラーを用いる方式に比べ、受光感度をさらに上げることが可能である。また、検波した振幅の揺らぎが最小に抑えられ、その結果として、計測精度を上げることが可能である。
【００４９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、以上においては、光パルス対の位相の組み合わせは、零と零及び零とπの組み合わせの場合について説明したが、これに限らず、πとπ、πと零等の組み合わせの場合にも同様の議論が成り立つ。
【符号の説明】
【００５０】
１、２  光源、３  パルス形成器、４  パルス位相生成器、５、６、１０５、１０６、１１５、１１６  光カプラ、７  バランス受光器、８  信号処理器、１０１、１０２  分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ・ＬＤ）、１０３、１１３  ＬＮ変調器（強度）、１０４  ＬＮ変調器（位相）、１０、１１０  被測定体（光ファイバ）、１０９  エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）  １１１  制御・駆動回路、１１４  偏波分離カプラ、１０７  バランス受光器Ｐ、１０８  信号処理器Ｐ、１１７  バランス受光器Ｓ、１１８  信号処理器Ｓ
【図１】
0006552983.tif 000005
【図２】
0006552983.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
0006552983.tif 000009
【図６】
0006552983.tif 000010
【図７】
0006552983.tif 000011
【図８】
0006552983.tif 000012
【図９】
0006552983.tif 000013
【図１０】
0006552983.tif 000014
【図１１】
0006552983.tif 000015
【図１２】
0006552983.tif 000016
【図１３】
0006552983.tif 000017