(57)【要約】  物理的パラメータの変化を正しい符号で決定する方法は、少なくとも一部分にレイリー散乱体を有する光ファイバ（６０）内に第一のパルス列を入射することを含み、第一のパルス列は、同じパルス時間の、光ファイバ内でその都度少なくとも実質的にコヒーレントな複数の光パルスを有し、第一のパルス列内の光周波数は単調に変化する。第一のパワースペクトルを決定するために、第一のパルス列の光パルスのそれぞれについて、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定する。少なくとも実質的に第一のパルス列、第一のパルス列の順列、第一のパルス列の部分若しくは第一のパルス列の部分の順列に相当し、かつ／又は第二のパルス列内での光周波数が厳密に単調に変化する第二のパルス列を、光ファイバ内に入射する。第二のパワースペクトルを決定するために、第二のパルス列の光パルスのそれぞれについて、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定する。光ファイバの物理的パラメータの変化を正しい符号で決定するために、第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットを決定する。その都度のパルス列を入射する際に、光ファイバ（６０）と連結された連続波レーザ（１０）の供給電流及び／又は温度を厳密に単調に変化させる。
2021515192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の変化を正しい符号で決定する方法であって、前記方法は、
−第一のパルス列を、少なくとも一部分にレイリー散乱体を有する光ファイバ内に入射することと、
−前記第一のパルス列の光パルス（Πｐ）の各々について、前記レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワー（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ））を測定することを含む、第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ）を決定することと、
−第二のパルス列を、前記光ファイバ内に入射することと、
−前記第二のパルス列の前記光パルス（Πｐ）の各々について、前記レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワー（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ）を測定することを含む、第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ）を決定することと、
−前記第二のパワースペクトルと前記第一のパワースペクトルとの間のオフセット（Δνｍ）を決定することを含む、前記光ファイバの物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の変化を正しい符号で決定することとを含み、
前記第一のパルス列は、同じパルス時間（τｄ）の、前記光ファイバ内でその都度少なくとも実質的にコヒーレントないくつか（ｍ＋１）の光パルス（Πｐ）を有し、前記第一のパルス列内の光周波数（νｐ＝ν０＋Δνｐ）は、厳密に単調に変化し、
前記第二のパルス列は、少なくとも実質的に、前記第一のパルス列、前記第一のパルス列の順列、前記第一のパルス列の部分若しくは前記第一のパルス列の部分の順列に相当し、及び／又は前記第二のパルス列内の光周波数（νｐ）は、厳密に単調に変化し、
前記その都度のパルス列の入射は、前記光ファイバと連結された連続波レーザの供給電流（ｉ）及び／又は温度の単調な減少又は増加を含む、
物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の変化を正しい符号で決定する方法。
【請求項２】
前記連続波レーザは、レーザダイオードであり、前記連続波レーザは、前記供給電流（ｉ）と相関して変調される変調器を介して、前記光ファイバと連結されていて、及び／又は前記供給電流（ｉ）は、前記その都度のパルス列の入射の間に線形に減少又は増加される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記連続波レーザの前記供給電流（ｉ）を変更しかつ前記供給電流（ｉ）の関数として前記連続波レーザの光周波数（ν）及び／又は光周波数変化（Δν）を決定することを含む、校正曲線を決定することをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
−前記入射の際の前記供給電流（ｉ）の時間推移を決定するために前記校正曲線を使用し、その結果、入射されたその都度のパルス列の前記光周波数（νｐ）は、前記パルス列のインデックス（ｐ＝０、１、２…ｍ）と共に線形に変化し、及び／又は入射されたその都度のパルス列の互いに連続するパルス（Πｐ）の間の光周波数変化（Δνｐ）は一定であること、又は
−前記校正曲線を前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））と前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））との補正のために使用すること
をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
以下のステップ
−前記第二のパルス列を前記光ファイバ内に入射することと、
−前記第二のパルス列の前記光パルス（Πｐ）の各々について、前記レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワー（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ）を測定することを含めて、前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ）を決定することと、
−前記光ファイバの物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の変化を正しい符号で決定することと
を複数回繰り返す、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
−前記光ファイバを、調査されるべき対象物、特に建築構造物内に少なくとも部分的に埋め込むこと、及び／若しくは前記光ファイバを、前記調査されるべき対象物に取り付けること、
−前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））に、前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））内に相当部を有していない前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））の値のペア（ｂ＊）、及び／若しくは前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））内に相当部を有していない前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））のスペクトル部分を補充すること、
−前記光ファイバの前記物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の正しい符号で決定された変化を、対象物、特に建築構造物及び／若しくは電力供給網の監視のために使用すること、並びに／又は
−前記光ファイバの前記物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の正しい符号で決定された変化を、地面の動き、地震学的信号を決定するために使用すること
をさらに含む、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第二のパルス列は、少なくとも実質的に反転した第一のパルス列に相当し、前記第二のパルス列は、少なくとも実質的に前記第一のパルス列若しくは前記第一のパルス列の順列、前記第一のパルス列の部分若しくは前記第一のパルス列の前記部分の順列に相当し、及び／又は前記第二のパルス列の光周波数の順序は、少なくとも実質的に前記第一のパルス列の光周波数の順序、前記第一のパルス列の光周波数の順序の順列、前記第一のパルス列の部分の光周波数の順序若しくは前記第一のパルス列の前記部分の光周波数の順序の順列に相当し、その都度の前記パルス列は、二つのパルス（Πｐ）よりも多く、少なくとも１０のパルス（Πｐ）、典型的にはそれどころか少なくとも５０のパルス（Πｐ）を有し、前記パルス時間（τｄ）は、最大で１００ｎｓ又はそれどころか最大で５０ｎｓであり、その都度の前記パルス列の時間は、最大で２５０ｍｓ、典型的には最大で５０ｍｓ、最大で１ｍｓ又はそれどころか最大で０．１ｍｓであり、前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））の決定は、ミリ秒毎に少なくとも一回まで行われ、及び／又は前記物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の変化の正しい符号での決定は、ミリ秒毎に少なくとも一回まで行われる、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第一のパルス列は、二重パルスの連続であり、その都度の二重パルスのパルス間のパルス距離は、連続する二重パルスの間のパルス距離よりも短く、前記二重パルスのパルス間のパルス距離は、前記二重パルスのパルスが互いに干渉することができるように選択されていて、前記第一のパルス列中の前記パルス距離（τｐ）は、各時点で前記パルスの最大で二つが前記光ファイバを通して伝搬するように選択されていて、前記第一のパルス列内の光周波数は、前記第二のパルス列内の光周波数よりもより大きな領域にわたるか若しくはより小さな領域にわたるように変化し、前記第一のパルス列のパルス数は、前記第二のパルス列のパルス数とは異なり、前記第一のパルス列内の光周波数の量は、前記第二のパルス列内の光周波数の量に対して分離されていて、並びに／又は前記第一のパルス列内のパルス距離（τｐ）は、各時点で前記パルス（Πｐ）の最大で一つが前記光ファイバを通して伝搬するように選択され、及び／若しくは先行するパルス（Πｐ）のレイリー散乱体により後方散乱された信号成分が減衰されているか若しくは出射されている場合に初めて新たなパルスが前記光ファイバ内に入射されるように選択される、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記正しい符号での決定は、前記物理的パラメータ（Δε，ΔＴ）の振幅の変化の計算を含み、前記物理的パラメータは、ひずみ若しくは温度であり、並びに／又は前記物理的パラメータは、前記ひずみ及び／若しくは前記温度に依存する量、特に湿度若しくは湾曲である、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記物理的パラメータの変化の正しい符号での決定は、周波数軸（Δνｐ）に沿った前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））と前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））との相関分析及び／又は時間軸（ｔｚ）に沿った前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））と前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））との相関分析を含む、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記オフセット（Δνｍ）の決定は、一つの周波数シフト（Δνｑ）だけずらされた第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ＋ｑ））と前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））との間の若しくは前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））と前記一つの周波数シフト（Δνｑ））だけずらされた第二のパワースペクトル（（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ−ｑ））との間の二乗距離の計算、特に、相関関数（Ｒ）の決定のための複数の周波数シフト（Δνｑ）についての二乗距離の合計、前記相関関数の最小化、補間された相関関数の生成のための前記相関関数（Ｒ）の補間及び／若しくは前記補間された相関関数の最小化を含み、並びに／又は前記オフセット（Δνｍ）の決定は、訓練されたニューラルネットを用いて行われ、並びに／又は前記第一のパワースペクトル（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ））と前記第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））との補正は、別の訓練されたニューラルネットを用いて行われる、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記光ファイバ内での前記第一のパワースペクトル及び／若しくは前記第二のパワースペクトル内のパワー値を、位置分解して測定し、並びに／又は前記オフセット（Δνｍ）を、前記光ファイバの複数の位置について決定する、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
−少なくとも一つの部分にレイリー散乱体を有する光ファイバと、
−前記光ファイバと連結された、少なくとも実質的にコヒーレントなレーザ信号を生成するための連続波レーザと、
−前記連続波レーザと前記光ファイバとの間に配置された、前記レーザ信号を光パルス（Πｐ）に変換するための変調器と、
−前記レーザ信号を光パルス（Πｐ）に変換するためにパルス信号を出力するための、前記変調器の制御入力部と接続された第一の信号出力部と、前記連続波レーザの供給電流（ｉ）及び／又は前記連続波レーザの温度調節ユニットために部分的に単調に変化する制御信号を出力するための、前記連続波レーザと接続された第二の信号出力部とを有する信号発生器と、
−前記光ファイバ内を伝播する光パルス（Πｐ）についてその都度のレイリー後方散乱パワー（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ））を測定するための、前記光ファイバと連結された検出ユニットと
を備える、パラメータ（Δε，ΔＴ）の変化を正しい符号で決定する装置。
【請求項１４】
前記光ファイバ内の前記レーザ信号の及び／若しくは前記光ファイバ内の光パルス（Πｐ）のコヒーレンス長は、少なくとも１０ｍであり、前記連続波レーザは、レーザダイオードであり、前記パルス信号は、矩形パルス若しくはガウスパルスを含み、前記制御信号は、部分的に線形の信号及び／若しくは発振信号であり、前記制御信号は、のこぎり波信号、三角波信号、若しくは正弦波信号であり、前記パルス信号は、時間的に前記制御信号と相関し、前記検出ユニットは、その都度のレイリー後方散乱パワー（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ））を前記光ファイバ内で位置分解して決定するように設定されていて、前記部分及び／若しくは前記光ファイバは、少なくとも１０ｍの長さを有し、前記光ファイバは、部分的に、監視されるべき対象物、特に建築構造物及び／若しくは電力供給網のケーブル内に埋め込まれている及び／若しくは前記対象物に取り付けられていて、並びに／又は前記検出ユニットは、光前置増幅器、光フィルタ、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード及び／若しくは前記信号発生器のトリガ信号出力部と接続されたアナログ−デジタル変換器を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記信号発生器と連結されていて、前記検出ユニットと連結されていて、及び／又は請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法を実施するように設定されている、制御及び評価ユニットをさらに備える、請求項１３又は１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理的パラメータの変化を正しい符号で決定する方法、特にひずみ変化を分布型で正しい符号で決定するためのファイバオプティクス法、及び光ファイバを備えた相応する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分布型ファイバオプティクスセンサは、建築構造物監視、石油及びガス分野、並びに電力供給網の監視から、地質工学用途、又は化学用途までの様々な分野で多種多様に使用されている。例えばラマン散乱及びブリユアン散乱のようなガラスファイバケーブル内での非線形散乱現象は、静的（遠隔）温度（ラマン）測定用途及びひずみ／温度（ブリユアン）測定用途のために頻繁に使用される。
【０００３】
高分解能ひずみ測定は、インターフェロメトリーによるレイリー後方散乱アプローチを介して、高い走査速度（動的測定）についても達成することができる。分布型振動センシング（ＤＶＳ、英語でＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｎｇ）のこの技術は、しばしば分布型音響センシング（ＤＡＳ、英語でＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｓｅｎｓｉｎｇ）とも言われ、典型的には、コヒーレントな光学励起源を使用したコヒーレントな光学時間領域反射率測定（Ｃ−ＯＴＤＲ、英語でｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）に基づき、近年では、研究においても、工業用途においてもいくつかの進歩を遂げた。コヒーレントなパルスを用いたファイバの調査は、前方に伝播する光パルスの幅内に存在する散乱中心（レイリー散乱体）の後方散乱レイリーパワーの干渉を引き起こす。したがって、ファイバは、分布型マルチパス干渉計に似ている。安定したファイバ条件では、Ｃ−ＯＴＤＲ後方散乱信号は一定である。例えば局所的ひずみ又は温度変動による散乱体の距離の最小の変化を、後方散乱パワー変動の関数として検出することができる。これらのインターフェロメトリーによるＤＶＳ技術の利点は、高いひずみ感度、高い測定繰り返し率、及び大きな遠隔領域（又は、測定長さ／センサ長さ）にある。これらのＤＶＳ技術は、これまでには、石油及びガス工業における高分解能振動検出、安全及び周囲監視、並びに地球物理学的用途において広く使用されている。土木工学及び建物モニタリング（「Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｈｅａｌｔｈ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ」、ＳＨＭ）における用途は、最近の展開である。測定繰り返し率の要件は、構造物監視用途の場合では大抵は低いが、正確なひずみの大きさの測定並びにひずみ変化の代数的符号の測定は、通常では必要である。この正しい符号での測定は、例えば、橋梁、例えば鉄筋コンクリート製橋梁のような振動する構造物の分布型変形検知及びモーダル分析のための前提条件である。符号を含めた正確なひずみ値は、既知のＤＶＳ技術では決定できないか又は極めて手間をかけて決定できるにすぎない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レイリーに基づくＤＶＳ原理の大半は、振動検出だけを可能にする単一パルス及び単一波長の直接検出アプローチを使用する。定量的ひずみ測定は、ファイバ内でのランダムな散乱分布、ひいては未知のひずみ伝達関数に基づく微分パワー変化評価の場合に不可能である。より複雑なホモダイン−及びヘテロダイン−コヒーレンス検出法が提案され、その中のいくつかは、ひずみ変化の定量検出を可能にした。他の位相分解ＤＶＳ技術（ｐｈａｓｅ−ＯＴＤＲ又はｐｈｉ−ＯＴＤＲ）は、例えばデュアル−パルスアプローチに基づく。交差乗法復調技術又は位相シフトパルスも、ひずみ変化の定量測定を可能にする。これらの位相分解技術は、一般に、単純な直接検出アプローチよりも複雑であり、例えば狭い線幅のレーザ、付加的変調器、ＧＨｚ周波数源、付加的干渉計及び安定化、偏光管理、対称検出又は高い帯域での検出を必要とするにもかかわらず、一般に、ひずみ変化の所望の符号を決定することができない。
【０００５】
ブリユアン散乱に基づく方法は、符号情報を含む絶対ひずみ測定のために使用することができる。しかしながらこの方法は、多くの用途にとって代替法にはならない、というのも典型的にはひずみ分解能が、インターフェロメトリーによるＤＶＳ技術の場合よりも数桁低いためである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の言及を考慮して、本発明は、請求項１による方法及び請求項２５による装置を提案する。
【０００７】
実施例によると、物理的パラメータの変化を正しい符号で決定する方法は、少なくとも一部分にレイリー散乱体を有する光ファイバ内への第一のパルス列の入射を含むので、第一のパルス列は、同じパルス時間の、光ファイバ内でその都度少なくとも実質的にコヒーレントないくつかの光パルスを有し、この場合、第一のパルス列内のパルスの光周波数は、厳密に単調に変化する。第一のパワースペクトルが決定される。第一のパワースペクトルの決定は、第一のパルス列の光パルスのそれぞれについて、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定することを含む。第二のパルス列が光ファイバ内に入射される。第二のパルス列は、少なくとも実質的に第一のパルス列、第一のパルス列の順列、第一のパルス列の部分若しくは第一のパルス列の部分の順列に相当し、及び／又は第二のパルス列内の光周波数は、厳密に単調に変化する。第二のパワースペクトルが決定される。第二のパワースペクトルの決定は、第二のパルス列の光パルスのそれぞれについて、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定することを含む。光ファイバの物理的パラメータの変化の正しい符号での決定が行われる。物理的パラメータの変化の正しい符号での決定は、第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットの決定を含む。その都度のパルス列の入射は、光ファイバ連結された連続波レーザの供給電流及び／又は温度の単調な変化、つまり単調な減少か又は単調な増加、典型的には厳密に単調な変化、つまり厳密に単調な減少又は厳密に単調な増加を含む。
【０００８】
その都度のパルス列の入射は、典型的には、パルス列の生成及び光ファイバ内へのパルス列の導入を含む。
【０００９】
連続波レーザの光周波数／波長は、供給電流（これはポンプ電流とも注入電流とも言われる）にも、連続波レーザの温度にも（厳密に単調に）依存するため、連続波レーザの波長を、供給電流の変化によっても、温度の変化によっても変えることができる。供給電流の変化は、連続波レーザの波長の急激な変動を許容するため、典型的にはこの第一及び第二のパルス列の生成／入射のために、供給電流だけが変化させられる。この場合、温度を安定化することが予定されていてよい。
【００１０】
典型的には、連続波レーザの光周波数は、（パルス列の生成／入射の際に）供給電流を介して、少なくとも２００ＭＨｚ、又はそれどころか５００ＭＨｚ、さらにより典型的には少なくとも１ＧＨｚ、それどころかさらにより典型的には少なくとも２ＧＨｚ又はそれどころか少なくとも５ＧＨｚだけ変えられる。
【００１１】
簡素化の理由から、以下の記載において、主に供給電流の変化に関連して、変動する（平均）光周波数／波長によるパルス列のパルスの生成を説明する。
【００１２】
典型的には、その都度のパルスは、連続波レーザのレーザビーム信号から、特に光ファイバと連結された、レーザビーム信号用の変調器を用いて生成される。典型的には、供給電流と相関して変調される変調器は、例えば電気光学的又は音響光学的変調器（又はスイッチとしての光半導体増幅器）であってよい。
【００１３】
ここで使用されるような「少なくとも実質的にコヒーレントな光パルス」の表現は、パルス幅（パルス時間＊ファイバ内での光の速度）よりも、つまり光ファイバの軸方向で光ファイバ内でのパルスの拡がりよりも少なくとも２倍、より典型的には少なくとも５倍、それどころかさらにより典型的には少なくとも１０倍大きいコヒーレンス長を有する光パルスを説明する。
【００１４】
したがって、レーザビーム信号は、典型的には十分に狭帯域（本質的に単色）である。正確に述べると、レーザビーム信号のコヒーレンス長（長さコヒーレンスとも言う）は、典型的には少なくとも１ｍ、少なくとも１０ｍ又はそれどころか少なくとも５０ｍである。
【００１５】
典型的には、パルスのパルス時間は、最大で１００ｎｓ又はそれどころか最大で５０ｎｓ、さらにより典型的には最大で２０ｎｓ、１０ｎｓ又はそれどころか最大で５ｎｓである。
【００１６】
したがって、パルスのコヒーレンス長は、典型的には、一定の供給電流でレーザビーム信号のコヒーレンス長よりも僅かに短いだけである。
【００１７】
光パルスのコヒーレンス長は、典型的には少なくとも１ｍ、さらにより典型的には少なくとも１０ｍ又はそれどころか少なくとも５０ｍである。
【００１８】
連続波レーザは、典型的にはダイオードレーザ又はレーザダイオード、例えばＩＲ−レーザダイオード（７８０ｎｍ〜１ｍｍの範囲内の波長）又は光の可視スペクトル領域内のレーザダイオード（約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）である。レーザダイオードは、とりわけ、僅かな製造コスト、高い効率、簡単な電力供給、レーザ光の僅かは帯域幅並びに良好な角度コヒーレンス（集束性）及び良好な長さコヒーレンスにより特徴付けられる。したがって、少なくとも実質的にコヒーレントなパルスのパルス列は、レーザダイオードを用いて、特に簡単に、低コストでかつ電流を介して良好に制御可能に生成することができる。結果として、光ファイバの波長走査（及び引き続く評価）のために直接電流変調連続波レーザを備えた、特に簡単でかつ低コストの構造を提供することができる。
【００１９】
光ファイバは、ガラスファイバであっても、ポリマーファイバであってもよい。典型的には、光ファイバは単一モードファイバ（シングルモードファイバ）である。特に、標準ケイ酸塩単一モードファイバであってよい。しかしながら、マルチモードファイバであってもよい。レイリー散乱体は、光ファイバの部分内に高められた濃度を有していてよい。しかしながら、レイリー散乱体は、全体のファイバ内に均一に（少なくともファイバ軸に沿って平均して）分布されていてもよい。したがって、ここに記載された方法及び装置のために制限なしに、比較的低コストの標準ケイ酸塩単一モードファイバを使用してもよい。
【００２０】
連続波レーザの供給電流（及び／又は温度）を、その都度のパルス列のパルスの生成の際に、厳密に単調に変化させることにより、パルス列内のパルス毎の（平均）波長も変化する。
【００２１】
ここで使用されるような、「第二のパルス列は少なくとも実質的に第一のパルス列又は第一のパルス列の順列に相当する」の表現は、第一のパルス列内のその都度の（平均）波長／光周波数を有するそれぞれのパルスに対して、第二のパルス列内の同じ（平均）波長／光周波数（及び同じパルス時間）を有するパルスが存在する（及びその逆も存在する）ことを説明する。典型的には、両方のパルス列内でパルス高さ又はパルスの強度も同じである。換言すると、第二のパルス列は、パルスの順序を除いて第一のパルス列に相当することができる。第二のパルス列は、それどころか第一のパルス列と同一であってよい。しかしながら、第二のパルス列内のパルスの順序は、例えば、第一のパルス列を線形に増加する供給電流を用いて生成しかつ第二のパルス列を線形に減少する供給電流を用いて生成する（又はその逆で生成する）場合に、第一のパルス列のパルスの順序とは逆である（つまり（時間的）に反転した第一のパルス列に相当する）ことができる。
【００２２】
第一のパルス列と第二のパルス列とが、その都度異なるかつ既知の（平均）波長（光周波数）のパルスを含むことは、（インターフェロメトリーによる方法と同様に）物理的パラメータの変化の符号の情報の確実な決定を、ひいては光ファイバの物理的パラメータの変化の正しい符号での決定を可能にする。
【００２３】
典型的には、第一のパルス列と第二のパルス列とは、その都度少なくとも１０のパルス、さらにより典型的にはその都度少なくとも５０のパルス、それどころかさらにより典型的にはその都度少なくとも１００のパルス、例えば１５０又は２００のパルスを含む。
【００２４】
パルス列内のパルスの数を増やすことにより、物理的パラメータの変化の決定の精度を高めることができる。
【００２５】
その都度のパルス列の時間は、最大で２５０ｍｓ（ミリ秒）、典型的には最大で５０ｍｓ又はそれどころか最大で１ｍｓであってよい。その都度のパルス列の時間は、それどころか０．１ｍｓ〜１ｍｓの範囲内にあってよい。これは、物理的パラメータの変化の極端に迅速な（動的な）測定を可能にする。
【００２６】
光ファイバ内の第一のパワースペクトルと第二のパワースペクトルとの内のパワー値は、典型的には位置分解されて決定されるため、つまり十分に迅速に、例えば典型的には少なくとも５０ｎｓ、さらにより典型的には少なくとも１０ｎｓ、それどころかさらにより典型的に少なくとも１ｎｓの時間分解能で検出されるため、物理的パラメータの変化も、その都度の位置依存する第一及び第二のパワースペクトルの比較を介して、光ファイバ内の多くの位置について相当する位置分解能で、正しい符号で決定することができる。例えば、位置分解能（ファイバ軸の方向で）は、少なくとも５ｍ、少なくとも１ｍ又はそれどころか少なくとも０．１ｍであってよい。
【００２７】
ここで使用されるようなパワースペクトルの概念は、（光学では通常であるように）、放射の周波数又は放射の波長の関数としての放射パワーの分布関数を説明する。特に、パワースペクトルは、測定値の相応する（秩序づけられた）テーブル、補間されたテーブル又は回帰分析を用いて適合された相応するモデル関数を有することができる。簡素化の理由から、以下の説明では、パワースペクトルが、周波数の関数としての放射パワー（後方散乱パワーと同じ）の分布関数を表すことから出発する。しかしながら、以下に説明された方法は、波長の関数としての放射パワーの分布関数を表すパワースペクトルに対しても相応して修正して適用することができると解釈される。というのも周波数と波長とは互いに簡単に変換可能であるためである。
【００２８】
さらに、パルス列の光周波数／波長の順序が異なるかどうかとは無関係に、パワースペクトル内の光周波数／波長の順序は同一であると解釈される。これは、場合により、再配列により達成することができる。
【００２９】
典型的には、第一のパワースペクトルは、基準スペクトル（基準パワースペクトル）として、第二のパワースペクトルは変化スペクトル（変化パワースペクトル）として用いられる。さらに、いくつかの、時間的に互いに隔てられた更なる第二のパワースペクトルが決定されてよい。しかしながら、第二のパワースペクトルの一つを、次の一つの第二のパワースペクトル用の、次のいくつかの又はそれどころか全ての第二のパワースペクトル用の新たな基準スペクトルとして用いることも可能である。
【００３０】
どちらも、物理的パラメータの変化の時間依存の調査を可能にする。
【００３１】
基準スペクトル（第一のパワースペクトル）と変化スペクトル（第二のパワースペクトル）とは、（光周波数の）同じ周波数領域について、それどころか同じ光周波数について決定されてよい。
【００３２】
しかしながら、基準スペクトルを、変化スペクトルよりも大きな周波数領域について決定することが予定されていてもよい。したがって、基準スペクトルを生成するためのパルス列（第一のパルス列）は、変化スペクトルを生成するためのパルス列（第二のパルス列）よりも広い領域の光周波数をカバーすることができる。この場合、変化スペクトルを、より広い変化スペクトルと「相関」させることができる。これは、測定領域を簡単に拡張することを許容すると同時に、基準スペクトルによって変化スペクトルを完全に「カバー」することにより結果を改善することを許容する。
【００３３】
発展形態によると、この方法は、光ファイバを、調査されるべき又は監視されるべき対象、特に建築構造物に取り付ける、特に埋め込むことを含む。
【００３４】
これとは別に、すでに存在する光ファイバ（ガラスファイバケーブル）をセンサとして、特に建築構造物監視のため、並びに／又は地面の動き、地震学的信号、電源ケーブル内のひずみ及び／若しくは温度の測定のために使用することもできる。
【００３５】
これは、光ファイバの物理的パラメータの変化の時間的追跡を介して対象物の調査又は監視を可能にする。
【００３６】
物理的パラメータは、典型的には、ひずみ若しくは温度、又は両方のパラメータから誘導される数値、例えば湿度若しくは湾曲であるので、一つ又は複数の温度センサを用いた、例えば相応するファイバオプティクスセンサ（ラマンセンサ又はブリユアンセンサ）を用いた対象物の付加的な、独立した、比較的簡単に実現される温度測定の際に、対象物の長さ又はひずみの迅速で正確な、さらには位置分解された監視を実現することができる。
【００３７】
用途に応じて、第二のパワースペクトルを、ミリ秒毎に少なくとも複数回まで決定することができる。
【００３８】
以下に同様に詳細に説明された有効な評価アルゴリズムに基づき、物理的パラメータの変化の正しい符号での決定を、さらにミリ秒毎に少なくとも一回又はそれどころか複数回まで行うことができる。
【００３９】
もちろん、第二のパワースペクトル又は物理的パラメータの変化の決定は、毎秒数百回、毎秒数回又はさらに大きなサイクルで行うことも可能である。例えば、通常の条件下での建物、橋梁及び堤防のような建築構造物の監視の際の物理的パラメータの変化は、数分の又は数時間のサイクルで行うことができる。
【００４０】
以下に詳細に説明された、物理的パラメータの変化の正しい符号での決定は、その都度のパルス列内でのパルスの光周波数がパルスインデックスと共に（少なくともほぼ若しくは極めて良好な近似で、例えば２％より小さい、より典型的には１パーセントより小さい偏差で）線形に変化し（かつ光周波数変化は、隣接するパルス間では変化しないか僅かにしか変化しない）場合に、典型的には簡素化される。
【００４１】
したがって、予め（第一のパルス列の入射の前に）、供給電流（ｉ）の関数としての連続波レーザの光周波数を説明する校正曲線を決定することができる。このために、連続波レーザの供給電流を変更することができ、かつ連続波レーザのその都度生じるレーザビームを既知の位相差を有する干渉計内に入射し、レーザに生じる光周波数変化をインターフェロメトリーにより決定することができる。
【００４２】
校正曲線を用いて、連続波レーザの供給電流と光周波数との間の（両対数表示での）線形挙動の、場合による偏差を考慮することができる。レーザダイオードの光周波数の供給電流への依存性は、臨界電流強度を越えて多項式として表すことができる。簡素化の理由から、以下に簡素化して頻繁に線形依存性について述べられるが、この線形依存性は、両対数表示においてのみ、かつさらに頻繁に近似的にのみ当てはまる。両対数表示における線形挙動の偏差は、例えば提供された変調信号からのレーザ電流の非線形変化により引き起こされることがある。
【００４３】
実施例によると、校正曲線は、その都度のパルス列の入射の際の供給電流の時間的経過の補正のために使用され、これは、パルス列のパルスの光周波数が時間／パルスインデックスと共に線形に（厳密に単調に増加又は減少するように）変化することを保証する。
【００４４】
供給電流をその都度のパルス列の入射の際に典型的には線形に変化させる他の実施例によると、所定のその都度のパワースペクトルは、校正曲線に応じて補正される。これは、典型的には、数値補間によって達成される。この補正又は補間は、訓練された人工ニューラルネットを用いても同様に達成することができる。訓練された人工ニューラルネットの使用により、補正又は補間を特に迅速に実施することができる。
【００４５】
その都度の第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットの決定は、パワースペクトルの相関分析を用いて、特に周波数軸（又は波長軸）に沿った相関を用いて、例えば相応する交差相関又はピアソン相関係数を用いて行うことができる。しかしながら、この交差相関の計算は、数値的に比較的煩雑であり、したがって特に、物理的パラメータの変化の極めて迅速な決定のために、使用されるハードウェアに高い要求が課される。
【００４６】
その都度の第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットは、訓練された多層の人工ニューラルネットワークを用いて極めて正確に、極端に迅速にかつ（訓練期間の後に）比較的僅かな手間で決定され、この人工ニューラルネットワークは、両方のスペクトルをニューラル入力層用の入力として提示されて受け取り、このオフセットをニューラル出力層で出力することが明らかになっている。この場合、完全にネットワーク化されたニューラルネットワーク（いわゆるニューロンの一つ又は複数の非表示の層を有する多層パーセプトロン）も、ＣＮＮ（英語でＣｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）とも言われる、一つ又は複数の非表示の畳み込み層（英語で「ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ  ｌａｙｅｒ」）を有するいわゆる畳み込みニューラルネットワークも特に適していることが判明した。しかしながら、ＲＮＮとも言われる訓練された回帰型ニューラルネット（英語で「ｒｅｃｕｒｒｅｎｔ  ｎｅｕｒａｌ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ」）も、有効なオフセット決定のために使用することができる。
【００４７】
特にＣＮＮ及びＲＮＮは、さらに、物理的パラメータの変化の正しい符号での決定の際に、その都度の局所的に隣接するパワースペクトルの効率的な考慮も、その都度の時間的に隣接するパワースペクトルの効率的な考慮も許容する（３Ｄデータ分析）。それにより、一つの物理的パラメータ又は複数の物理的パラメータの変化を、さらに高めた精度でかつ／又は信頼性で決定することができる。
【００４８】
特に、制御及び評価ユニットにおいて、ニューラルネットワークは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はこれらの任意の組合せとして実装されていてよい。
【００４９】
ニューラルネットワークを使用する他に、オフセットの効果的な決定のために、互いに周波数シフトされた第一のパワースペクトルと第二のパワースペクトルとの二乗距離又は絶対距離の計算を行うことができる。
【００５０】
このため、一つの（ゼロとは異なる）周波数シフトだけずらされた第一のパワースペクトルと第二のパワースペクトルとの間の又は第一のパワースペクトルと一つの周波数シフトだけずらされた第二のパワースペクトルとの間の（二乗）距離を計算することができる。
【００５１】
互いに相対的に、パワースペクトル内で生じる（線形に変化する）周波数又は周波数シフトだけずらされた第一のパワースペクトルと第二のパワースペクトルとの（二乗）距離の合計により、加数の数に依存する相関関数を計算することができる。
【００５２】
これらのパワースペクトルの間のその都度のオフセットの決定のために、相関関数を加数の関数として最小化し、隣接する周波数の間の、パワースペクトル内の位置とは無関係の一つの周波数シフト又は複数の周波数シフトを乗算することができる。
【００５３】
最小化の前に相関関数を補間する場合に、さらにより高い精度を達成することができる。
【００５４】
さらに、基準スペクトル（第一のパワースペクトル）に、基準スペクトル（第一のパワースペクトル）内に（まだ）相当部が存在しない第二のパワースペクトルのピークの値のペア又は他のスペクトル部分が補充される場合、引き続く測定における物理的パラメータの変化を、典型的にはさらにより正確にかつより広い領域で決定することができる。
【００５５】
光周波数軸／波長軸に沿った説明された相関分析の他に及び／又はこれに補足して、異なる光周波数（波長）についての時間軸に沿った相応する相関分析を行うこともできる。少なくとも二つの異なる光周波数（波長）についての時間軸に沿った相関分析も同様に、物理的パラメータの変化の正しい符号での計算／決定を可能にする。
【００５６】
典型的には、パルス列内のパルス距離は、各時点で、このパルスの最大で一つが、光ファイバを通して伝搬するように選択され、さらにより典型的には、先行するパルスのレイリー散乱体により後方散乱された信号成分が減衰されているか又は出射されている場合に初めて新たなパルスが光ファイバ内に入射されるように選択される。
【００５７】
しかしながら、単調に変化する光周波数を有する二重パルスのその都度の列をファイバ内に入射することも可能である。したがって、二重パルス間の及び二重パルス内のパルス距離は、各時点で、このパルス（異なる光周波数）の最大で二つが光ファイバを通して伝搬するように選択することができる。典型的には、二重パルスのパルス間のパルス距離は、連続する二重パルスの間のパルス距離よりも短い。この場合、典型的には、一つの二重パルス内のパルス距離は、両方のパルスが光ファイバ内で互いに干渉することができるように選択される。
【００５８】
さらに、異なる光周波数を有するいくつかのパルスを同時にこのファイバ内に入射することも可能である。（いくつかの受信機を用いた）スペクトル分離によるか又はベースバンド内での検出後のスペクトル分離により、それにより測定の繰り返し率をさらに高めることができる。
【００５９】
実施形態によると、パラメータの変化を、正しい符号で決定する装置は、少なくとも一部分にレイリー散乱体を有する光ファイバと、少なくとも実質的にコヒーレントなレーザ信号を生成するための光ファイバと連結された連続波レーザと、連続波レーザと光ファイバとの間に設けられた、レーザ信号を光パルスに変換する変調器と、レーザ信号を光パルスに変換するためにパルス信号を出力するための、変調器の制御入力部と接続された第一の信号出力部と、連続波レーザの供給電流用及び／又は連続波レーザの温度調節ユニット用の、部分的に典型的に厳密に単調に変化する制御信号を出力するための、連続波レーザと接続された第二の信号出力部とを有する信号発生器と、光ファイバ内で伝播する光パルス用のその都度のレイリー後方散乱パワーを測定するための光ファイバと連結された検出ユニットとを備える。
【００６０】
任意に、連続波レーザの直接変調が、つまり光パルスの生成のためにも、光パルスのレーザ周波数変調のためにも予定されていてよい。この場合、パルスの光周波数は、無条件に厳格に単調に増加又は減少する必要はない。これは、測定の再現性の低下につながることがあるが、低コストの構造を可能にする。
【００６１】
典型的には、光ファイバ内のレーザ信号及び／又は光パルスのコヒーレンス長は、少なくとも１０ｍである。
【００６２】
連続波レーザは、典型的にはレーザダイオードである。慣用の、比較可能な高価な、変調可能なレーザの使用は、必要ない。
【００６３】
パルス信号は、矩形パルス又はガウスパルスであってよい。
【００６４】
さらに、制御信号は、部分的に線形の信号、特に部分的に線形に増加する及び部分的に線形に降下する信号並びに／又は発振信号であってよい。
【００６５】
例えば、制御信号は、のこぎり波信号、三角波信号、特に対称ののこぎり波信号、又は非対称の三角波信号であるか、又は正弦波信号であってよく、また校正曲線に相応して補正された相応する信号であってもよい。
【００６６】
典型的には、パルス信号は、時間的に制御信号と相関する。
【００６７】
典型的には、この装置は、信号発生器及び検出ユニットと接続されている制御及び評価ユニットを含む。
【００６８】
検出ユニットは、光学前置増幅器、光学フィルタ、及びフォトダイオードを有することができる。フォトダイオードが、アバランシェフォトダイオードである場合、前置増幅器を省くこともできる。
【００６９】
典型的には、検出ユニットは、さらに、制御及び評価ユニットと、信号発生器のトリガ信号出力部とに接続されたアナログデジタル変換器を有する。
【００７０】
さらに、この装置は、典型的には、ここに記載された方法を実施するように設定されている。
【００７１】
特に、この装置は、光ファイバ内のその都度のレイリー後方散乱パワー（レイリー後方散乱パワースペクトル）を位置分解して決定するように設定されていてよい。
【００７２】
レイリー散乱体を有する部分又は光ファイバは、少なくとも１０ｍ、１０００ｍ又はそれどころか５００００ｍの長さを有していてよい。
【００７３】
光ファイバ（特にレイリー散乱体を有する部分）は、監視されるべき対象物、特に建築構造物内に部分的に埋め込まれているか、及び／又は対象物に取り付けられていてよい。
【００７４】
本発明のさらに有利な実施形態、詳細、態様及び特徴は、従属請求項、明細書及び添付の図面から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施例による、パラメータの変化を正しい符号で決定する装置の概略図を示す。
【図２】図１で示された装置についての制御信号及び実施例による装置の光ファイバ内で生じるパルス列を示す。
【図３Ａ】実施例による時間の関数としての光ファイバ内の位置についてのパワースペクトルを示す。
【図３Ｂ】一定の時点についての第一のパワースペクトル及び第二のパワースペクトルを示す。
【図４】実施例による物理的パラメータの変化を正しい符号で決定する方法のブロック図を示す。
【図５】光ファイバ内で測定されたひずみ振幅を示す。
【図６Ａ】出発例によるレーザダイオードのインターフェロメトリーにより決定された校正曲線を示す。
【図６Ｂ】図６Ａに示された校正曲線を用いて補正された、出発例によるパワースペクトルを示す。
【図７Ａ】実施例による時間の関数としての光ファイバ内の位置についての測定されたパワースペクトルを示す。
【図７Ｂ】実施例による時間の関数としての光ファイバ内の位置についての、測定の間に拡大する基準パワースペクトルを示す。
【図７Ｃ】実施例による時間の関数としての光ファイバ内の位置に関する、相関分析により決定されたひずみを示す。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
以下の詳細な説明では、本発明を実施することができる具体的記載に特有の実施形態として示されている添付の図面を参照する。
【００７７】
より良い理解のために、理論的考察を最初に示す。
【００７８】
ガラスファイバ内でのレイリー散乱の原因は、製造プロセスの間にファイバコア内に凍結されたサブ波長サイズ範囲の多数の屈折率変動（レイリー散乱体、以後これを短く散乱体とも言う）にある。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）の後方散乱パワーは、Ｎ個の離散したレイリー散乱体の群としての一次元スペックモデルにより説明することができ、このレイリー散乱体は、ファイバ距離軸ｚに沿って均一な統計的位置分布を有する。入射する光パワーを基準とするレイリー散乱体の個々の反射は、統計的に独立した均一分布によってモデル化されてもよい。
【００７９】
光ファイバは、ピークパワーＩ０とパルス時間τｄとを有する一連の矩形光学パルスにより周期的に呼び出されてよい。これらのパルスは、単色でかつ直線偏光であると想定され、時点ｔｚ＝０まで周期的にファイバ内に入射される。このパルス伝播時間軸ｔｚ（これは光ファイバ内の距離軸に相当する）に加えて、進行する測定時間（パルス列からパルス列まで）の関数としての後方散乱パワーの変化を説明するために第二の時間軸ｔが導入される。前方に進出する光パルスから光検出器により検知された光パワーＩ（ｔ，ｔｚ）は、離散した後方散乱光学フィールド成分の合計の時間平均の二乗の絶対値に相当する。検出された全体のパワーＩ（ｔ，ｔｚ）は、直接合計パワー成分Ｉｄ（ｔｚ）とコヒーレントなパワー成分Ｉｃｏｈ（ｔ，ｔｚ）とから構成される。
【数１】
2021515192.tif 000003
（１）
【００８０】
この場合、Ｅ０は、振幅を表し、ν０は、光学フィールドの周波数を表す。ｉ番目の散乱体の後方散乱信号の戻り時間遅延は、τｉ＝２ｎｇｚｉ／ｃ０により表され、この場合、ｚｉは、ファイバに沿った散乱体の位置であり、ｃ０は、光の真空速度であり、ｎｇは、光ファイバの有効群屈折率である。矩形パルス伝播は、以下の矩形関数を用いて記載される。
【００８１】
ｒｅｃｔ｛［ｔｚ−τｉ（ｔ）］／τｄ｝は、０≦｛［ｔｚ−τｉ（ｔ）］／τｄ｝≦１の場合には１であり、その他の場合には０である。ファイバ部分内の、ファイバ内の伝播パルスの幅ｗの半分以内にある散乱体だけが検出されたパワーに寄与する（ｗ／２＝ｃ０τｄ／（２ｎｇ）。それにより、空間的二点分解能も定義される。これは、τｄ＝１０ｎｓについて、約１ｍの位置分解能に相当する。
【００８２】
パワー成分Ｉｄ（ｔｚ）は、良好な近似で、進行時間ｔにわたる相対散乱シフトとは無関係であるが、コヒーレントなパワー成分Ｉｃｏｈ（ｔ，ｔｚ）は、散乱体の間の時間的遅延変化に対して、例えば局所的なひずみ又は温度変動により敏感に反応する。Ｉｃｏｈ（ｔ，ｔｚ）は、全ての散乱体の位相関係の以下の二重加算により説明することができる。
【数２】
2021515192.tif 000004
（２）
【００８３】
この場合、τｉｅ＝τｉ−τｅ＝２ｎｇｚｉｅ／ｃ０は、散乱体の相対遅延を説明し、ｚｉｅ＝ｚｉ−ｚｅは、個々の散乱体の間の距離を説明する。
【００８４】
以下の考察について、ファイバに沿った伝播損失は無視され、偏光保存は、ｗ／２内であると想定される。式２の位相項ｃｏｓ［２πν０τｉｅ（ｔ）］は、局所的な干渉パワー変動を決定する。光ファイバに沿った任意の物理的変化は、時間的遅延への影響を有することができる。これは、典型的には、光ファイバ内のひずみ変動又は温度変動に起因することができる。
【００８５】
温度変化ΔＴ及びひずみ変化Δε＝Δｚｉｅ／ｚｉｅは、最も一般的な測定量であり、これは、さらに良好な近似で時間的散乱遅延Δτｉｅに線形の影響を及ぼす。相対的時間散乱遅延Δτｉｅ／τｉｅは、光パルスの相対的周波数変化Δνｐ／ν０に比例する。ひずみ係数Ｋε≒−０．７８及び温度係数ＫＴ≒−６．９２×１０−６を有するケイ酸塩ガラスファイバについては、次の関係が生じる。
【数３】
2021515192.tif 000005
（３）
【００８６】
この場合、ｐｅ≒０．２２は、二酸化ケイ素の有効ひずみ光学係数を説明し、ξは、二酸化ケイ素の熱光学係数を説明し、αは、光ファイバの熱膨張係数を説明する。
【００８７】
実際の用途場面について、良好な近似で｜Δτｉｅ／τｉｅ｜≪１及び｜Δνｐ／ν０｜≪１が当てはまる。
【００８８】
したがって、次の結果が生じる。
【数４】
2021515192.tif 000006
（４）
【００８９】
式４内の遅延を相応する周波数変化に置き換えることにより、更なる変換後に、検出された散乱した全体のパワーが最終的に得られる。
【数５】
2021515192.tif 000007
（５）
【００９０】
式（５）は、光周波数変化Δνｐとひずみ変化／温度変化Δε又はΔＴとが位相項内で交換可能な因数であることを示す。したがって、温度変化及びひずみ変化を、同等のパルス光学的周波数変化Δνｐによって補償することができる。ΔＴとΔεとがｗ／２内で等しいという条件下で、この補償は完全である。換言すると、光周波数変化Δνｐの測定を介して、光ファイバ内のひずみ変化／温度変化Δε又はΔＴを決定することができる。
【００９１】
散乱体の絶対位置変化τｉ（ｔ）及びτｅ（ｔ）は、大抵の用途にとって無視することができる。しかしながら、この絶対位置変化は、場合により、パルス位置に対して大きくずれている場合には、相関品質に不利な影響を及ぼすことがある。
【００９２】
ひずみ変化／温度変化Δε又はΔＴの決定のために、レイリー散乱体による後方散乱パワー（信号成分）は、離散した光パルス周波数値の領域にわたり測定することができ、このシフトは、光周波数軸（波長軸）に沿った相関分析を用いて決定することができる。
【００９３】
相関分析は、あるいは、典型的には補足的に、既知の周波数差を有するその都度少なくとも二つの光周波数（波長）について、光時間軸に沿って行うこともできる。相関分析を用いて測定された、後方散乱パワーの、Δε又はΔＴにより引き起こされた変化のオフセットは、時間軸に沿ったひずみ変化又は温度変化に比例する。相関極値（例えば交差相関若しくはピアソン相関係数についての極大値又は最小二乗距離の方式についての極小値）の、時間部分にわたり部分的に計算されたシフトの累積合計は、相関部分の時間に対する相対ひずみ変化値又は温度変化値に相当し、かつ同様にこの変化の符号の決定も許容する。精度の改善は、相関結果の補間により達成される。既知の周波数相違を有する時間軸に沿った相関分析のために複数の光周波数（波長）を使用することにより、平均化を介して、物理的パラメータの変化の決定の際に精度を高めることができる。
【００９４】
典型的には、光周波数軸に沿った相関分析の結果と光時間軸に沿った相関分析の結果とを考慮する場合、物理的パラメータの変化をより正確に決定することができる。それにより、確かに手間は増大する。しかし、特に実際の測定の後に評価がある場合には、高められた数値的な手間はしばしばそれほど重要とはならない。
【００９５】
ここに説明されたアプローチは、例示的に図１に示されているような、できる限り簡単でかつ堅牢なハードウェア器具の使用下で、光周波数軸に沿った相関分析も、光時間軸ｔｚに沿った相関分析も可能にする、高められたひずみ分解能での動的測定を達成する。
【００９６】
この例示的な実施例では、連続する後方散乱測定の場合に、パルス繰り返し周期τｐ（パルス連続周波数ｆｐ＝１／τｐ）を有する同一のパルス列が使用され、この場合、光周波数νｐは、各周期／パルス列で線形に増加する。
【００９７】
さらに、例示的な装置１００の連続波レーザ１０の周波数応答を、レーザ電流の簡単な直接変調により行うことができる。
【００９８】
これは、図１及び図２を参照して、レーザ電流ｉの周期的変調のためののこぎり波信号ｂについて説明され、これは、この例示的な実施例では、変調器５０内でレーザ信号を変調し、引き続き増幅器５２内で増幅し、バンドパスフィルタ５４を用いて波長フィルタリングした後に、同一パルス列｛Π０，Π１，…Πｍ｝の周期的入射、つまりその都度のパルス列時間（以後、パルス列の周期とも言う）τｓ内でのその都度一つのパルス列を生じ、この場合、パルス列｛Πｐ｝内でのパルスΠｐの光周波数νｐ（反転波長）は、厳密に単調に増加する。見やすさの理由から、図２では、二つの連続するパルス列だけが（部分的に）示されている。
【００９９】
この例示的な実施例では、パルスΠｐの光周波数νｐは、νｐ＝ν０＋Δνｐによって決定される。この場合、パルス列のインデックスｐは、その都度０からｍまで（ｐ＝０、１、２…ｍ）である。周波数変化Δνｐ（Δνｐ＝ｐΔν）は、パルスΠｐとΠ０との間の周波数差を説明し、Δνは、直接連続するパルスΠｐ、Πｐ＋１の間の同一の周波数差を説明する。パルスΠｐの光周波数νｐは、パルスインデックスｐと周波数差Δνから簡単に得られるため、以後、極めて大きな値をとる光周波数νｐの代わりに、頻繁に、最初のパルスΠ０の光周波数に対する光周波数変化Δνｐが提供される。
【０１００】
例示的な実施例では、連続する（隣接する）パルス間のパルス距離τｐの整数倍に相当する周期τｓの間に、その都度のレイリー後方散乱パワーＩ（ｔｓ，ｔｚ）が、ｍ＋１パルスΠｐの時間ｔ＝ｔｓに対して測定される。有効測定繰り返し率はｆｓ＝１／τｓである。
【０１０１】
光ファイバ６０の相応するひずみ変化値又は温度変化値Δε（ｔ，ｔｚ）、ΔＴ（ｔ，ｔｚ））は、各ファイバ位置ｚ＝ｔｚｃ０／（２ｎｇ）についてΔνｐ−周波数軸に沿ったＩ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ）の相関分析によって測定することができる。この相関は、典型的には、例えば図１に示された制御及び評価ユニット８０により、有効測定時間（サンプリング時間ｔｓ）ｔ＝ｔｓ＝ｎτｓについて及び基準測定時間ｔ＝ｔｒｅｆに対して相対的に実施される。
【０１０２】
図１に示された例示的ひずみ測定システム１００は、標準ケイ酸塩単一モードファイバ６０と光学的に連結された調整可能な連続波レーザ１０を使用し、この連続波レーザは、比較的低コストの、１．３ＭＨｚの例示的スペクトル幅及び１５４９．８９ｎｍ（ν０≒１９３．３６ＴＨｚ）の平均波長を有する、ｃｗモード（英語で「ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ」）で運転可能なレーザダイオード１０として構成されていてよい。この場合に、レーザダイオード１０と連結されたファイバ６０内のコヒーレンス長は、５０ｍのオーダーにある。したがって、パルス長内のコヒーレンス損失の程度は、数メートルの典型的なパルス幅の場合に無視することができる。
【０１０３】
信号発生器として（１２０ＭＨｚ）マルチチャンネル信号発生器を使用することができ、このマルチチャンネル信号発生器は、レーザダイオード１０の周波数変調（レーザ周波数変調）用の同調されたのこぎり波信号ｕ（ｔ）（曲線ｂ）と、レーザダイオードと連結された変調器５０内でのパルス生成用の矩形波信号と、データ検知のためのアナログ−デジタル変換器４０用のトリガ信号又は同調信号とを提供する。
【０１０４】
光パルスΠｐは、例示的な実施例では、変調器５０としての光半導体増幅器により生成され、この変調器は、７０ｄＢの高い公称消光比を有する高速光スイッチとして図示されていないドライバを介して運転することができる。
【０１０５】
この場合、光半導体増幅器５０の入力パワーを、偏光保持する可変の光減衰器１５を介して調節することを予定することができる。引き続き、この光パルス信号を、増幅器５２によって増幅することができ、例えばエルビウムドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を用いて、定電流運転で、数百ｍＷのピークパワーにまで増幅される。
【０１０６】
自然発生的な放出ノイズを、パルス信号が偏光に敏感でない光サーキュレータ５６を介して標準単一モードファイバ（シングルモードファイバ）６０内に入射される前に、０．２ｎｍの例示的な帯域幅を有する低コストのＤＷＤＭフィルタ５４（英語でｄｅｎｓｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｆｉｌｔｅｒ）によりフィルタリングすることができる。
【０１０７】
ファイバ６０内で後方散乱される全体のパワーを、前置増幅器６２、典型的には、定電流モードで運転されるＥＤＦＡにより増幅し、引き続き第二のＤＷＤＭフィルタ６４によりフィルタリングすることができる。
【０１０８】
例示的な実施例では、前置増幅されかつフィルタリングされた光後方散乱信号は、光検出器７０、例えば１２０ＭＨｚの帯域幅及び統合されたトランスインピーダンス増幅を有するＰＩＮ光検出器により電気信号に変換される。
【０１０９】
これらの電気信号を、信号発生器２０によりトリガされたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４０により、例えば１４Ｂｉｔの例示的分解能及び５００ＭＳ／ｓ（毎秒５００  １０６）の例示的な走査速度を有するＡＤＣにより、走査及びデジタル化することができる。
【０１１０】
５００ＭＳ／ｓの選択された走査時間は、ファイバ６０内での約２０．４ｃｍの空間走査速度に相当する。これは、メートル範囲での空間分解能で、隣接する後方散乱点が、軸方向のひずみ分布及びレイリー散乱寄与の著しい重複を有することができることを意味する。
【０１１１】
ＡＤＣによりデジタル化されたこの強度値Ｉを、測定値として制御及び評価ユニット８０に伝達することができ、この制御及び評価ユニットは、典型的には信号発生器２０を制御することができる。
【０１１２】
制御及び評価ユニット８０として、典型的には、コンピュータ、例えばＡＤＣ４０を提供することもできるＰＣを利用することができる。
【０１１３】
長期間の及び準静的なひずみ測定又は温度測定の達成可能な精度は、実質的にレーザ光源の周波数安定により決定される。このひずみ測定系１００について、Δε≒±１２０ｎε（ナノε）又はΔＴ≒±１３．４ｍＫの、２４時間にわたる最大ひずみ及び温度偏差が生じる。ひずみの単位は、本願明細書内ではεで表され、この場合、ひずみ測定の通常の定義に従って、１ε≒１ｍ／ｍが当てはまる。
【０１１４】
レーザダイオード１０のために非対称の（のこぎり波）電流変調信号を使用することは、後方散乱信号の不連続性から電流変調の位相検知を可能にする。
【０１１５】
したがって、第二のデータ検知チャンネル及び相の修復のための相応する評価を省くことができる。したがって、装置１００を、特に簡単に構築及び運転することができる。
【０１１６】
最大パルス繰り返し率ｆｐ，ｍａｘは、ｆｐ，ｍａｘ＝ｃ０／（２ｎｇｚｍａｘ）によるファイバ長ｚｍａｘにより制限される。
【０１１７】
しかしながら、利用される周波数スキャニングモードの最大測定繰り返し率は、パルス列内の周波数ステップの数によりｆｓに低減される。周波数スキャニングモードでの繰り返し率は、数キロメートルまでのファイバ長の場合、ｋＨｚ範囲にあることができ、これは、膨張する構造の振動分析及び構造監視のための一般的用途のために十分すぎる。この周波数範囲は、約５〜１５０Ｈｚの地震学的測定のために必要な帯域幅もカバーする。
【０１１８】
例示的装置１００の測定モードは、ｆｓ＝７ＭＨｚまでのファイバ長制限された繰り返し率を有する光周波数で微分パワー変化分析に切り替えることもできる。
【０１１９】
さらに、装置１００を用いて、より低いひずみ分解能でかつより低い繰り返し率で、典型的にはより高いひずみ速度用のパワースペクトルの決定を実施することができ、かつ時間軸に沿った相関分析に相応して評価することができる。
【０１２０】
光周波数軸に沿った相関分析を介したひずみ測定系１００を用いて得られた結果を、図５及び図７Ａ〜図７Ｃを参照して以下に説明する。
【０１２１】
しかしながら、まず、図３Ａで、（離散した時点ｔｓに対する）時間の関数として光ファイバ内の位置についてのレイリー後方散乱パワースペクトルＩのシミュレートされた時間推移が示される。この場合、１０００のランダムに分布した散乱体を有する光ファイバの１μεのピーク振幅での正弦波のひずみの間のｆｓ＝１ｋＨｚ及びｆｐ＝２００ｋＨｚを有するパルス列のシミュレートされたレイリー後方散乱パワーを、０〜５ＧＨｚの範囲内の周波数変化Δνｐ＝νｐ−ν０について、カラー又はグレー値で階調して（黒（最小）から白（最大）まで）示した。図３Ｂは、時点ｔｓ＝０についてのパワースペクトル（曲線ａ、第一のパワースペクトル、基準スペクトル）又はｔｓ＝０についてのパワースペクトル（曲線ｂ、第二のパワースペクトル）を示す。
【０１２２】
図３Ｂでは、一方で、互いに周波数シフトされた相関するピークを良好に認識することができる。
【０１２３】
他方で、第二のパワースペクトルでは、ピークｂ＊が存在し、これは、第一のパワースペクトルでは相当部がないか又は部分的な相当部だけがある。したがって、基準スペクトルは、継続する測定の際に、測定の間に新たに追加されるスペクトル部分だけ補充することが有利であることがある。これは、図７Ａ〜図７Ｃを参照して、以下に詳細に説明される。
【０１２４】
図３Ａ若しくは図３Ｂに示されたパワースペクトル又は相応して測定されたスペクトルから、光ファイバ内のひずみの変化を、図４を参照して以下に説明する方法１０００を用いて正確な符号で極めて正確に再構築することができる。
【０１２５】
ステップ１１００では、第一の時点ｔｒｅｆで、同じパルス時間τｄの、及び厳密に単調に変化する光周波数νｐの、レイリー散乱体を有する光ファイバを通して連続して伝搬される（少なくとも実質的に）コヒーレントな光パルスΠｐの第一のパルス列を生成する。
【０１２６】
ステップ１２００では、第一の時点ｔｒｅｆについて、第一のパワースペクトルＩ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ）を決定する。この場合、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワー（Ｉ（ｔｒｅｆ，ｔｚ））を、第一のパルス列の光パルス（Πｐ）のそれぞれについて測定し、その都度のパルス周波数νｐ又はパルス周波数変化Δνｐに割り当てる。
【０１２７】
ステップ１２００の前に行うこともできるステップ１３００では、第二の時点ｔｓ＞ｔｒｅｆで、第二のパルス列の、同じパルス時間τｄの、及び厳密に単調に変化する光周波数νｐの、光ファイバを通して連続して伝搬される（少なくとも実質的に）コヒーレントは光パルスΠｐを生成する。第二のパルス列は、典型的には、少なくとも実質的に第一のパルス列又は第一のパルス列の順列に相当する。
【０１２８】
ステップ１４００では、第二の時点ｔｓについて、第二のパワースペクトル（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ））を決定する。この場合、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワー（Ｉ（ｔｓ，ｔｚ））を、第二のパルス列の光パルス（Πｐ）のそれぞれについて測定し、かつその都度のパルス周波数νｐ又はパルス周波数変化Δνｐに割り当てる。
【０１２９】
最後に、ステップ１５００では、光ファイバのひずみ（又は他の物理的パラメータ）の変化Δεの正しい符号での決定を行う。このために、第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットΔνｍを決定する。
【０１３０】
第一のパルス列と第二のパルス列とは、連続波レーザの供給電流のその都度の変調を介して、及び連続波レーザから放射されるレーザ信号の、供給電流の変調と相関する変調（増幅／減衰）を介して生成される。
【０１３１】
典型的には、その都度のパルス列の生成のための供給電流は、単調に、さらにより典型的には厳密に単調に変化される。
【０１３２】
図４に破線の矢印で示されているように、方法１０００のステップ１３００、１４００、１５００は、更なる時点ｔｓについて複数回繰り返されてよい。この場合、下側の破線の矢印は、測定後に正しい符号での決定を行う実施態様を表し、上側の破線の矢印は、オンライン評価を表す。
【０１３３】
典型的には、ステップ１２００及び１４００で、パワースペクトルをその都度ファイバ軸に沿って多数の位置について（位置分解して）決定する。
【０１３４】
すでに先に説明したように、周波数軸Δνｐに沿った第一のパワースペクトルＩ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ）と第二のパワースペクトルＩ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ）との相関分析を用いて、変化の正しい符号での決定を行うことができる。これに関して、等価の（比例の）周波数シフトΔνｍのひずみ変化又は温度変化の決定のための最小二乗相関分析の実施形態について、以下に、いくらかより詳細に説明する。
【０１３５】
この場合、基準時間ｔｒｅｆでの第一のパワースペクトルに対する時点ｔｓでの第二のパワースペクトルの周波数シフトΔνｍを、以下の式６、７に従って、相関関数Ｒｒｅｆ，ｓ（ｑ）の最小の（ミニマルな）独立変数として決定する。
【数６】
2021515192.tif 000008
（６）
【数７】
2021515192.tif 000009
（７）
【０１３６】
式中、｜ｑ｜＜ｍ。
【０１３７】
この相関アルゴリズムは、標準交差相関分析と比べて、誤った相関結果及び正確性に関して改善された安定性及び性能を示す。
【０１３８】
特に、この提案されたアルゴリズムは、著しく低減された計算の手間で、ピアソン相関係数分析に匹敵する結果を示す。
【０１３９】
さらに、測定された周波数シフトΔνｍの分解能は、相関関数Ｒｒｅｆ，ｓ（ｑ）の補間により、パルス列で光ファイバを走査する際に使用された周波数ステップ幅Δνを越えて二桁大きく上回るほど効果的に高めることができることが判明した。特に、式６、７において、Ｒｒｅｆ，ｓ（ｑ）の代わりに、三次補間多項式Ｒ′ｒｅｆ，ｓ（ｑ′）を使用することにより、周波数シフトを、Ａｒｇｍｉｎ処理（最小値のその都度の関数についての独立変数の決定）により、高い分解能で計算することができる。典型的には、補間係数ｋｐ（ｋｐ＝Δν／Δν′）は、５０以上、さらにより典型的には１００以上である。
【０１４０】
図５に表される結果は、ｋｐ＝５００の例示的な補間係数を用いて達成された。図５は、ピエゾ素子に印加された電圧Ｖｐによって長さが変化された光ファイバのパワースペクトルから決定されたひずみピーク振幅Δεｓを示す。ひずみピーク振幅Δεｓ≒７９ｎεについての値は、Δν≒１１．９４ＭＨｚの等価の測定周波数ステップ幅に相当する。
【０１４１】
ひずみ応答Δεｓは、電圧Ｖｐを用いた両対数プロットにおいて四桁を超えて（４７．５ｐεから７７８ｎεまで）線形に変化し、かつ選択された設定Δντｄ≒０．２４についてΔν等価ひずみ値Δεｓ＝７９ｎε以下で三桁を超えて変化する。これは、補間アプローチの適用性を確認し、かつここに説明された方法及び装置が、ピコεの範囲内で定量的な分布型ひずみ測定のために使用可能であることを示す。
【０１４２】
図５が示す結果を達成するために、図６Ａ、図６Ｂを参照して以下に説明するように、さらに、信号発生器２０の単調に増加又は減少する変調信号による、使用されるレーザダイオードの光周波数の完全には線形ではない依存性の補正を行った。
【０１４３】
補間された相関関数Ｒ′ｒｅｆ，ｓ（ｑ′）のできる限り正確な最小化及び線形ひずみ応答のために、典型的には、相関関数Ｒｒｅｆ，ｓ（ｑ）の最小値の幅がいくつかの走査パルス（サンプル）の幅（いくつかのΔνｍ幅）であることが重要である。これは、Ｉ（Δνｐ）の平均幅が、いくつかの走査パルスの幅であることを意味している（これについては図３Ｂも参照）。
【０１４４】
しかしながら、これは、物理的散乱統計を考慮することにより保証され、それどころか最適化されてもよい。Ｉ（Δνｐ）の後方散乱ピークの平均周期性ひいては平均幅は、ｗ／２以内の平均散乱遅延τｉｅによって統計的に決定されるため、この要件を満たすために、所与のパルス時間τｄについての周波数ステップΔνの適切な値を選択することができる。Ｉ（Δνｐ）の理論的な最大の指標周期性は、最大散乱遅延τｉｅによって制限される。
【０１４５】
調査では、関係係数ｇ＝Δντｄについての実際の値を測定することができ、これは、矩形パルスについてｇ≒０．２５のオーダーにある。この様式で、特定のパルス時間についての繰り返し率及び周波数領域を最大化することができる。
【０１４６】
図６Ａは、使用されたレーザダイオード（いわゆる分布型フィードバック（ＤＦＢ）レーザ）用の校正曲線、つまり、非対称マッハツェンダー干渉計内で位相変換分析から得られたような、レーザ電流変調（レーザダイオードの、時間ｔと共に線形に増加する供給電流）の間に生じる周波数変化Δνｐを示す（ｆｓ＝１ｋＨｚ、ｆｐ＝２００ｋＨｚ、τｄ＝１０ｎｓ、Δν≒２３．０７ＭＨｚ）。比較のために、曲線ｂは、理想的な線形推移を示す。
【０１４７】
典型的には、パルス時間τｄの間の周波数拡大（チャープ）を無視することができるが、レーザダイオードの供給電流とレーザビームの光周波数変化（光周波数）との間の線形関係の偏差は、特に大きなひずみ値にとって、有意な偏差となることがある。したがって、測定されたパワースペクトルは、典型的には、校正曲線に基づいて補正される。図６Ｂは、曲線ａ、ｂで、適切なパワースペクトル（曲線ａ）及び図６Ａでの校正曲線により補正されたパワースペクトル（曲線ｂ）を示す。
その結果、ひずみ変化はΔνｍ（ｔｓ，ｔｚ）から計算することができ、かつ補間された相関関数Ｒ′ｒｅｆ，ｓ（ｑ′）は、
【数８】
2021515192.tif 000010
（８）
【０１４８】
に従って、それぞれの走査時間ｔｓと光ファイバ内のそれぞれの位置ｔｚとについての入力ベクターとして数値的に線形化されたスイープシークエンスＩ（ｔｓ，ｔｚ，Δνｐ）を用いて計算することができる。
【０１４９】
これとは別に、レーザ用の供給電流を校正曲線に相応して適合することもできる。
【０１５０】
ここに説明された波長走査アプローチの利点は、Ｉ（Δνｐ）とひずみとの間のゆがみのない依存性にある。信号シフトが生じるだけである。これは、高い相関の基準との比較により、より大きなひずみ領域にわたり長期間安定した測定を保証する。
【０１５１】
ひずみの関数としてのゆがみのないＩ（ｔｓ，Δνｐ）シフトは、別の有利な影響を有する。測定可能なひずみ領域は、方法上ではレーザースイープΔνｐの周波数シフトの包絡線により制限されるにもかかわらず、この制限を、相関後にΔνｐ境界を越える新たな測定結果Ｉ（ｔｓ，Δνｐ）のひずみシフトの後方散乱パワーデータの使用により引き上げることができる。この新たなデータは、その都度Δνｐの領域を越える新たなパワースペクトル部分を追加することにより、Δνｐを越えてパワー基準スペクトルＩ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ′）を連続的に拡張するために使用することができる。
【０１５２】
光ファイバの振幅変調された調和のとれたひずみ励起の間の測定Ｉ（ｔｓ，Δνｐ）についての例は、図７Ａに示されている。この測定による連続的に拡張される基準スペクトルＩ（ｔｒｅｆ，Δνｐ′）は，図７Ｂに示されている。Ｉ（ｔｒｅｆ，Δνｐ′）との相関分析から生じる測定されたひずみ結果は、図７Ｃに示されている。
【０１５３】
基準スペクトルＩ（ｔｒｅｆ，Δνｐ′）の説明された拡張は、さらに、相関結果を、より大きな相関基準領域により改善することができる。したがって、連続的測定の際のひずみ領域は、ファイバの物理的ひずみ領域によってのみ制限される。調整可能なレーザ光源、調整可能なフィルタ又は広帯域を有する外部変調は必要ない。この場合、唯一の制限は、最大ひずみ速度であり、これは正確な相関のために未だに部分的に重複するスイープ結果を保証し、かつ基準スペクトルの連続的な適合を可能にする。
【０１５４】
拡張された基準スペクトルの記憶により、さらに、中断された測定を再開すること及び／又は不規則な距離で相対的なひずみ変化測定を実施することも可能である。
【０１５５】
Δνの関数としての後方散乱パワー信号は、一義的でかつ非周期的であるため、再開された測定のＩ（ｔｒｅｆ，ｔｚ，Δνｐ′）との相関は、正確でかつ一義的なシフト結果を提供する。
【０１５６】
この機能は、絶対的なひずみ変化についての付加的な情報を必要とする長期間監視の用途にとって極めて有用である。このために、既知の位相復調法は、原則として適していない。
【０１５７】
このため、図１を参照して説明された構造を実際の構造監視の用途で試験した。この場合、静的及びモーダルの振動分析について、全体の長さにわたり貼り付けられた光ファイバを備えた２４．４ｍの長さの鉄筋コンクリート製橋梁モデルを作製した。ひずみ分布を、ホワイトノイズ（＜８０Ｈｚ）での振動励起の間で、繰り返し率ｆｓ＝１ｋＨｚ及び１ｍの位置分解能（τｄ＝１０ｎｓ）で測定し、この場合、起振機を、橋梁上で二つの支柱の間の中心でない位置に配置した。鉄筋コンクリート製橋梁モデルの異なる振動モードの間の移行は、高分解能で分析することができた。しかしながら、ここでは詳細の表示を行わない。
【０１５８】
ここに説明されたスペクトル後方散乱分析は、また、多数のセンサ用途にとって重要であるひずみ変化の代数的符号の決定も可能にする。パラメータの変化を正しい符号で決定するために使用された構造は、簡単で、堅牢でかつ低コストの構造様式を特徴とし、かつ直接レーザ電流変調による波長走査を実現する。
【０１５９】
他の位相分解アプローチは、明らかに手間がかかる。これらのアプローチは、しばしば高コヒーレントな光源、手間のかかる偏光管理、調整可能なレーザ及びフィルタ、干渉計の安定化、高周波数信号の生成並びに／又は広帯域での検出を必要とする。
【０１６０】
一実施形態によると、物理的パラメータの変化を正しい符号で決定する方法は、第一のパルス列を、少なくとも一部分にレイリー散乱体を有する光ファイバ内に入射することを含み、この場合、第一のパルス列は、同じパルス時間の、光ファイバ内でその都度少なくとも実質的にコヒーレントな多数の光パルスを有し、かつ第一のパルス列内のパルスの光周波数は、厳密に単調に変化する。第一のパワースペクトルが決定される。第一のパワースペクトルの決定は、第一のパルス列の光パルスのそれぞれについて、光ファイバ内のレイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定することを含む。第二のパルス列を光ファイバ内に入射し、この場合、第二のパルス列は、少なくとも実質的に第一のパルス列又は第一のパルス列の順列に相当する。第二のパワースペクトルが決定される。第二のパワースペクトルの決定は、第二のパルス列の光パルスのそれぞれについて、光ファイバ内のレイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定することを含む。光ファイバの物理的パラメータ、特にひずみ及び／又は温度の変化を正しい符号で決定することが行われる。物理的パラメータの変化の正しい符号での決定は、第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットの決定を含む。その都度のパルス列の入射は、光ファイバと連結された連続波レーザの供給電流及び／又は温度の（直接）変調を含む。
【０１６１】
典型的には、供給電流の変調は、供給電流の単調な変化、さらにより典型的には厳密に単調な変化を含む。
【０１６２】
典型的には、連続波レーザの供給電流を、その都度のパルス列の入射の全体の期間内で、厳密に単調に変化させる。
【０１６３】
さらに、第一のパワースペクトルと第二のパワースペクトルとは、典型的には、光ファイバのレイリー散乱体を有する部分内の、光ファイバのファイバ軸の方向で互いに離間したいくつかの箇所について決定される。
【０１６４】
実施例によると、物理的パラメータの変化を正しい符号で決定する方法は、少なくとも一部分にレイリー散乱体を有する光ファイバ内への第一のパルス列の入射を含むので、第一のパルス列は、同じパルス時間の、光ファイバ内でその都度少なくとも実質的にコヒーレントないくつかの光パルスを有し、この場合、第一のパルス列内のパルスの光周波数は、厳密に単調に変化する。第一のパワースペクトルが決定される。第一のパワースペクトルの決定は、第一のパルス列の光パルスのそれぞれについて、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定することを含む。第二のパルス列を光ファイバ内に入射するので、第二のパルス列は、同じパルス時間の、光ファイバ内でその都度少なくとも実質的にコヒーレントな、いくつかの光パルスを有し、この場合、第二のパルス列内のパルスの光周波数は、厳密に単調に変化する。第二のパワースペクトルが決定される。第二のパワースペクトルの決定は、第二のパルス列の光パルスのそれぞれについて、レイリー散乱体により後方散乱された信号成分のその都度のパワーを測定することを含む。光ファイバの物理的パラメータの変化の正しい符号での決定が行われる。物理的パラメータの変化の正しい符号での決定は、第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットの決定を含む。その都度のパルス列の入射は、光ファイバと連結された連続波レーザの供給電流及び／又は温度の単調な変化、つまり単調な減少又は単調な増加、典型的には厳密に単調な変化、つまり厳密に単調な減少又は厳密に単調な増加を含む。
【０１６５】
第二のパルス列内のパルス時間は、典型的には、第一のパルス列内のパルス時間に相当する。
【０１６６】
第二のパルス列内のパルスの光周波数は、第一のパルス列内のパルスの光周波数に相当する。
【０１６７】
第二のパルス列の光パルスの光周波数の順序は、少なくとも実質的に、第一のパルス列の光パルスの光周波数の順序又はその順列、特に第一のパルス列の光パルスの光周波数の反対の順序に相当することができる。
【０１６８】
第二のパルス列は、それどころか少なくとも実質的に、第一のパルス列、第一のパルス列の順列、第一のパルス列の部分又は第一のパルス列の部分の順列に相当することができる。
【０１６９】
しかしながら、第一のパルス列の光パルスの光周波数の順序は、第二のパルス列の（関連する）部分の光パルスの光周波数の順序、その順列、特に第二のパルス列の部分の光パルスの光周波数の反対の順序に相当するか、又はそれどころか第一のパルス列は、少なくとも実質的に、第二のパルス列の部分又は第二のパルス列の部分の順列に相当することも可能である。
【０１７０】
第二のパルス列内のパルスの光周波数の量は、第一のパルス列内のパルスの光周波数の（真の）部分量であることができる。
【０１７１】
しかしながら、第二のパルス列内のパルスの光周波数の量は、第一のパルス列内のパルスの光周波数の量に対して分離されていることも可能であり、例えば、連続波レーザの供給電流及び／若しくは温度の減少若しくは増加の際に上昇する絶対値が、第一と第二のパルス列との生成／入射の際に互いに適切に異なる場合、並びに／又は連続波レーザの供給電流及び／若しくは温度の制御のために、連続波レーザの光周波数の、供給電流及び／若しくは温度への非線形の依存性に適切に適合された（周期的）制御信号が使用される（非対称周波数走査）場合に可能である。この場合でも、第二のパワースペクトルと第一のパワースペクトルとの間のオフセットは、数値的に又はニューラルネットワークを用いて正確に決定することができる。
【０１７２】
しかしながら、第二のパルス列内のパルスの光周波数によりカバーされた第二の周波数領域は、典型的には、第一のパルス列内のパルスの光周波数によりカバーされた第一の周波数領域と少なくとも部分的に重複する。
【０１７３】
第二の周波数領域は、第一の周波数領域の（真の）部分領域であってよい。
【０１７４】
例えば、第一のパルス列（基準測定）について、第二のパルス列と比較して、互いに連続する光周波数の間で、より大きな第一の周波数領域及び／又はより高い走査速度／より小さなステップ幅を使用することが予定されていてよい。
【０１７５】
これは、例えば、平均化及び／又は補間を介して、特に低ノイズの基準スペクトルを生成することを可能にする。一つの変化スペクトル（第二のパワースペクトル）又は複数の変化スペクトルを、パルスの比較的低い周波数分解能で決定するため、全体の測定時間はほんの少し延長されるだけである。
【０１７６】
しかしながら、第一の周波数領域は、第二の周波数領域の部分領域であり、及び／又は第一のパルス列内のパルスの光周波数の量は、第二のパルス列内のパルスの光周波数の（真の）部分量であることも可能である。
【０１７７】
本発明を、複数の実施例に基づいて説明した。これらの実施例は、決して本発明を限定するものとは解釈されるべきではない。特に、異なる実施例の個々の特徴は、他の実施形態においても引き継がれてよいか、又は組み合わせられた特徴が技術的理由で相互に排除されない限り、異なる実施例は互いに組み合わされてもよい。
【図１】
2021515192.tif 000011
【図２】
2021515192.tif 000012
【図３Ａ】
2021515192.tif 000013
【図３Ｂ】
2021515192.tif 000014
【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2021515192.tif 000019
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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