(57)【要約】【課題】２種のパルス光と、これにより収得される２種の後方散乱光とを用いてより向上された空間分解能として当該構造物の物理量及びその分布を測定できるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法を提供する。【解決手段】光繊維を構造物に設け、パルス幅が互いに異なる各パルス光を対として設定して光繊維に順次進行させ、各後方散乱光及び各ブリルアンゲインスペクトルを獲得した後、各ブリルアンゲインスペクトルの対比から正規スペクトルを算出し、これに基づいてブリルアン周波数を獲得する方法に関するものである。このように獲得したブリルアン周波数に当該構造物の物理量に関する換算係数を掛けて当該物理量を獲得することができる。このような本発明による方法によると、感知信号を取得できる光繊維の区間が短くなり、結果的に、空間分解能が向上され得る特徴がある。【選択図】      図１
2005241643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光繊維のブリルアン散乱を用いた物理量測定方法において、
光繊維１００を感知構造として所定の構造物に設ける段階Ｓ１０００；
パルス幅が互いに異なり、パルス幅対比対をなす第１のパルス光及び第２のパルス光を選定する段階Ｓ２０００；
前記各パルス光を前記光繊維１００に順次進行させて各ブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３０００；
前記各ブリルアンゲインスペクトルを対比させて正規スペクトルを獲得する段階Ｓ４０００；
前記正規スペクトルから最高点にあるブリルアン周波数を決める段階Ｓ５０００；及び
測定しようとする当該物理量の換算係数を前記ブリルアン周波数と掛けて当該物理量を算出／獲得する段階Ｓ６０００；を含むことを特徴とするブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項２】
前記光繊維はカップラー構造から分岐され、カップラー構造に復帰される単一筋として設けることを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項３】
前記各パルス光を伝送する場合、取得される後方散乱光の信号処理のために平均化回数、サンプリング個数、サンプリング速度、周波数照射範囲、周波数の段階的な増加幅などの基本的な変数を予め設定することを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項４】
前記基本的な変数のうち、平均化回数は２００回、周波数照射範囲は１０．７９ＭＨｚ〜１０．８９ＭＨｚ、周波数の段階的な増加幅は１ＭＨｚ、第１のパルス光のパルス幅は１００ｎｓｅｃ、第２のパルス光のパルス幅は９０ｎｓｅｃであることを特徴とする請求項３に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項５】
前記第１のパルス光のパルス幅が前記第２のパルス光に比べて相対的に大きいことを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項６】
前記各ブリルアンゲインスペクトルを取得する段階は、
相対的にパルス幅が大きい前記第１のパルス光を前記光繊維に進行させ、当該探触光を進行させて第１のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階；及び
相対的にパルス幅が小さい前記第２のパルス光を前記光繊維に進行させ、当該探触光を進行させて第２のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階；からなることを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項７】
前記第１のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階は、
前記当該探触光の周波数を所定の周波数照射範囲で最初の周波数に設定する段階；
前記第１のパルス光及び当該探触光を進行させ、第１の後方散乱光を取得する段階；
前記第１の後方散乱光を、設定された平均化回数ほど繰返し取得して平均化処理する段階；
前記平均化処理回数が完了したかを判断する段階；
完了しなかった場合、前記第１の後方散乱光の取得段階から更に進行し、完了した場合、前記探触光の周波数が前記周波数照射範囲で最終周波数であるかを判断する段階；
最終周波数でない場合、設定された周波数の段階的な増加幅に該当するだけを当該探触光の使用周波数に加えて更新し、前記第１の後方散乱光の取得段階Ｓ３１２０から更に進行する段階；及び
最終周波数である場合、前記第１の後方散乱光に関する第１のブリルアンゲインスペクトルを完成する段階；を含むことを特徴とする請求項６に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項８】
前記第１のブリルアンゲインスペクトルが次の式で示されることを特徴とする請求項７に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【数１】
2005241643.tif 000007
【請求項９】
前記平均化回数は２００回、前記周波数照射範囲は１０．７９ＭＨｚ〜１０．８９ＭＨｚ、前記周波数の段階的な増加幅は１ＭＨｚ、第１のパルス光のパルス幅は１００ｎｓｅｃであることを特徴とする請求項７に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項１０】
前記第２のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階は、
前記当該探触光の周波数を所定の周波数照射範囲で最初の周波数に設定する段階；
前記第２のパルス光及び当該探触光を進行させ、第２の後方散乱光を取得する段階；
前記第２の後方散乱光を設定された平均化回数ほど繰返し取得して平均化処理する段階；
前記平均化処理回数が完了したかを判断する段階；
完了しなかった場合、前記第２の後方散乱光の取得段階から更に進行し、完了した場合、前記探触光の周波数が前記周波数照射範囲で最終周波数であるかを判断する段階；
最終周波数でない場合、設定された周波数の段階的な増加幅に該当するだけを当該探触光の使用周波数に加えて更新し、前記第２の後方散乱光の取得段階から更に進行する段階；及び
最終周波数である場合、前記第２の後方散乱光に関する第２のブリルアンゲインスペクトルを完成する段階；を含むことを特徴とする請求項６に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項１１】
前記第２のブリルアンゲインスペクトルが次の式で示されることを特徴とする請求項１０に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【数２】
2005241643.tif 000008
【請求項１２】
前記平均化回数は２００回、前記周波数照射範囲は１０．７９ＭＨｚ〜１０．８９ＭＨｚ、前記周波数の段階的な増加幅は１ＭＨｚ、第２のパルス光のパルス幅は９０ｎｓｅｃであることを特徴とする請求項１０に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項１３】
前記正規スペクトルを獲得する段階では、次の式を用いて前記正規化スペクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【数３】
2005241643.tif 000009
【請求項１４】
前記構造物は両端の下部が支持されるほぼ８ｍ長さの中空四角単純梁であることを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【請求項１５】
前記単純梁の表面にほぼ４ｋｍ長さの光繊維を設け、ほぼ２００ｇの重さの錘の集中荷重を適用した場合、変形感知主要区間がほぼ２．４４ｋｍ〜２．５ｋｍであることを特徴とする請求項１４に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光繊維及び光繊維のブリルアン散乱（Brillouin scattering）を用いて静的構造物（橋梁、建物など）、または動的構造物（航空機、自動車など）の物理的な変化（例えば、温度、変形率など）を測定する方法に関し、もっと詳しくは、２種のパルス光と、これにより収得される２種の後方散乱光とを用いてより向上された空間分解能として当該構造物の物理量及びその分布を測定できるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ブリルアン散乱は気体、液体、または固体内で物理的に励起された分子運動により発生した音波と関連されていると知られている。
このようなブリルアン散乱が光繊維に応用されたものとしてブリルアン光繊維センサーが開発されている。ブリルアンセンサー構造は、光繊維にパルス光が伝送される時、光繊維内部の振動波と作用して上記パルス光とは異なる周波数帯域に散乱されるものである。もし、光繊維に対して特定物理量（熱、荷重など）が加えられた場合、これにより励起された光繊維の分子は音波を形成し、パルス光と作用することになる。従って、散乱されたパルス光は音波によって入射される時と異なる周波数を有することになり、これを検出することにより当該物理量を測定できるので、感知構造として活用することができる。
【０００３】
図８は従来のブリルアンセンサーの構成図であり、図９は図８に図示されたセンサーを使用して特定構造物の分布温度を測定し、獲得したブリルアンゲインスペクトルである。まず、図８に図示されたように、光繊維１０の両端にパルス光及び探触光を光繊維へ伝送する各光源部２０、３０が対向配置されている。
【０００４】
光繊維１０の一端に配置された第１の光源部２０では光繊維１０の他端に向けてポンピングパルス光（pumping pulse light）を伝送する。そして、光繊維１０の他端に配置された第２の光源部３０では連続される波形の探触光（continous wave probe light）を光繊維１０の一端に向けて伝送する。また、各光源部２０、３０間に露出された光繊維１０の区間は特定構造物（例えば、建物、橋梁）に取り付けられることにより感知区間として機能することになる。
【０００５】
そして、光繊維１０に光受信機４０を連係させたら、上記構造物に取り付けられた光繊維１０部分が感知構造として機能することになり、構造物の温度変化に従って搬送される散乱光周波数と、ポンピングパルス光及び探触光の周波数差異を比較することができ、また、散乱光周波数は温度変化が激しいほど大きくなるので、これに基づいて温度を測定できる装置構造が設けられることができる。
【０００６】
光繊維１０の両端にポンピングパルス光と探触光とを配置して光繊維１０に光を入射させる時、ポンピングパルス光の周波数をνｐであるとし、探触光の周波数をνＣＷであるとすれば、パルス光と探触光との周波数差異はΔν＝νｐ−νＣＷである。
このようなΔνを光繊維１０のブリルアン周波数遷移（shift）と一致されるように周波数を調整することになると、ポンピングパルス光は誘導ブリルアン散乱によって探触光で光エネルギー変換をし、これにより、探触光は光繊維１０内でブリルアン光増幅をすることになる。これにより、ブリルアン信号の解釈が容易となる。
【０００７】
増幅された探触光の光信号は光受信機４０によって電気信号に変換され、この電気信号はΔν及び光受信機に検出される時間によって図９のようなブリルアンゲインスペクトルの特性を有する。
構造物の表面に取り付け／設置された光繊維１０が温度などによって変化を経ることになると、当該光繊維１０のブリルアン周波数値が図９でのように変わる。
【０００８】
光繊維分子は探触光がポンピングパルス光と会うことになると、熱的に励起されて所定の音響振動を起こし、ブリルアン散乱光を発生する。このようなブリルアン散乱増幅現象は最初に入射されたパルス光と探触光との周波数差異が一定した値を有する時発生することになり、これがブリルアン周波数値である。このようなブリルアン周波数は光繊維自体の物性として外部から作用する温度や変形率のような物理量に比例して変化される。
【０００９】
このような周波数遷移値は上記Δνと一致する時、最大の出力を見せる。図２ではΔνの値を１０．８ＧＨｚ、１０．８５ＧＨｚ、１０．９ＧＨｚ、１０．９５ＧＨｚに設定した周波数表示軸と、光密度軸ｍＷと、光繊維１０の感知区間の設置距離ｋｍによって周波数遷移値の分布を表している。これに基づいて温度変化を表示した例示グラフが上部に図示されている。上記Δνの周波数変化段階がより多く設定されるほどもっと精密な分布を得ることができる。
【００１０】
しかし、従来のブリルアンセンサー構造は、基準として設定される上記Δνに関するデータを獲得するために２個の光源部、即ち、第１の光源部２０及び第２の光源部３０が光繊維１０の両端に配置される構造と、第２の光源部３０の探触光がパルス光の形態で出射されることにより測定結果を得るために、かなり長い時間を必要とする問題点を有している。
【００１１】
従って、もし、大型構造物に適用した場合、温度変化を起こさせる要因、例えば、火災が発生した場合、これを直ちに把握できないなどの短所がある。
合わせて、ブリルアン光繊維センサー構造で、光繊維を感知部として使用しながら、特定位置で測定される物理量が幾らくらいの長さ内で感知区間として有効なのかがとても重要である。このように、ブリルアン光繊維センサー構造で、任意の位置での測定値を基準として分布物理量の影響を受けることになる区間の大きさ（または長さ）を空間分解能であるという。
【００１２】
即ち、ある光繊維センサー構造の空間分解能が１ｍであるとしたら、当該区間の光繊維の長さ１ｍ以内で感知信号１個を得ることになるということを意味する。このような空間分解能は光繊維センサー構造でそのポンピングパルス光の幅に直接的に比例すると知られている。
【００１３】
ポンピングパルス光が光繊維において後方に散乱される区間はパルス光が光繊維内で占めることになる長さの１／２倍であるため、パルス幅が１０ｎｓｅｃである場合、光繊維の内部を進行する光の速度である約２００，０００ｋｍ／ｓを考慮すると、２００，０００ｋｍ／ｓ×１０ｎｓｅｃ×１／２の計算に基づいて空間分解能は１ｍになる。
【００１４】
従って、１０ｎｓｅｃのパルス幅を有するポンピングパルス光を使用して光繊維センサー構造を作動させる場合、１ｍの空間分解能を有する信号を得ることになる。また、光繊維の当該長さにおいてもっと精密な信号を得ようとしたら、空間分解能を小さくして作動させることが必要である。ところが、このような場合、ポンピングパルス光のエネルギーが小さくなり、散乱光増幅を起こす増幅度が落ちる問題が発生する。
【００１５】
一般的に、ブリルアン散乱を起こすためには、少なくとも１０ｎｓｅｃ以上のパルス光を使用してはじめてブリルアン散乱光増幅が発生し、５０ｎｓｅｃ以下のパルス幅ではブリルアン散乱スペクトルの線幅が大きく増加されてゲイン最高点を決めるのに困難さがあると調査されたところがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は上記のような従来の問題点に鑑みて案出されたものであって、本発明の第１の目的は、パルスが互いに異なる一対のパルス光を用い、獲得した各ゲインスペクトルを対比させて物理量を測定できるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法を提供することである。
【００１７】
そして、本発明の第２の目的は、各ゲインスペクトルの対比で後方散乱光の累積空間の短い正規スペクトルを獲得し、これに基づいて物理量を測定することにより、感知信号を短い光繊維区間で測定することが可能であり、これにより、空間分解能を大幅的に向上させることができるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法を提供することである。このような測定方法は図８の制御機５０によって主に具現されるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような本発明の目的などは、光繊維のブリルアン散乱を用いた物理量測定方法において、
光繊維１００を感知構造として所定の構造物に設ける段階Ｓ１０００；
パルス幅が互いに異なり、パルス幅対比対をなす第１のパルス光及び第２のパルス光を選定する段階Ｓ２０００；
各パルス光を前記光繊維１００に順次進行させて各ブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３０００；
各ブリルアンゲインスペクトルを対比させて正規スペクトルを獲得する段階Ｓ４０００；
正規スペクトルから最高点にあるブリルアン周波数を決める段階Ｓ５０００；及び
測定しようとする当該物理量の換算係数を前記ブリルアン周波数と掛けて当該物理量を算出／獲得する段階Ｓ６０００；を含むことを特徴とするブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法によって達成される。
【００１９】
ここで、各ブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３０００は、相対的にパルス幅が大きい第１のパルス光を光繊維１００に進行させ、当該探触光を進行させて第１のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３１００と、
相対的にパルス幅が小さい第２のパルス光を光繊維１００に進行させ、当該探触光を進行させて第２のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３２００とからなるのが望ましい。
【００２０】
そして、正規スペクトル獲得する段階Ｓ４０００では、第１のブリルアンゲインスペクトルを第２のブリルアンゲインスペクトルに分けて前記正規化スペクトルを算出するのが望ましい。
また、第１のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３１００は、当該探触光の周波数を所定の周波数照射範囲で最初の周波数に設定する段階Ｓ３１１０と、
第１のパルス光及び当該探触光を進行させ、第１の後方散乱光を取得する段階Ｓ３１２０と、
第１の後方散乱光を、設定された平均化回数ほど繰返し取得して平均化処理する段階Ｓ３１３０と、
平均化処理回数が完了したかを判断する段階Ｓ３１４０と、
完了しなかった場合、第１の後方散乱光の取得段階Ｓ３１２０から更に進行し、完了した場合、探触光の周波数が周波数照射範囲で最終周波数であるかを判断する段階Ｓ３１５０と、
最終周波数でない場合、設定された周波数の段階的な増加幅に該当するだけを当該探触光の使用周波数に加えて更新し、第１の後方散乱光の取得段階Ｓ３１２０から更に進行する段階Ｓ３１６０と、
最終周波数である場合、第１の後方散乱光に関する第１のブリルアンゲインスペクトルを完成する段階Ｓ３１７０とを含むのが望ましい。
【００２１】
合わせて、第２のブリルアンゲインスペクトルを取得する段階Ｓ３２００は、当該探触光の周波数を所定の周波数照射範囲で最初の周波数に設定する段階と、
第２のパルス光及び当該探触光を進行させ、第２の後方散乱光を取得する段階Ｓ３２１０と、
第２の後方散乱光を、設定された平均化回数ほど繰返し取得して平均化処理する段階Ｓ３２３０と、
平均化処理回数が完了したかを判断する段階Ｓ３２４０と、
完了しなかった場合、第２の後方散乱光の取得段階Ｓ３２２０から更に進行し、完了した場合、探触光の周波数が周波数照射範囲で最終周波数であるかを判断する段階Ｓ３２５０と、
最終周波数でない場合、設定された周波数の段階的な増加幅に該当するだけを当該探触光の使用周波数に加えて更新し、第２の後方散乱光の取得段階Ｓ３２２０から更に進行する段階Ｓ３２６０と、
最終周波数である場合、第２の後方散乱光に関する第２のブリルアンゲインスペクトルを完成する段階Ｓ３２７０とを含むのが望ましい。
【００２２】
本発明のその他の目的、特定した長所など及び新規な特徴などは添付された図面などと関連される以下の詳細な説明及び望ましい実施例などからもっと明らかになるだろう。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法において、単純梁２００構造物を用いた実施例の場合、４ｋｍの光繊維１００に対して言及したが、これは例示に過ぎないだけであり、当該構造物の構造、測定しようとする物理量、大きさなどにより光繊維１００の設置長さを異にして使用することができることはもちろんである。また、変形率に対する実施例に関して言及したが、他に、熱発生による温度に関する測定も本発明による方法として可能である。
【００２４】
本発明によるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法によると、対をなすパルス光を用い、また、各ゲインスペクトルの対比を通じて正規スペクトルを算出する。これに基づいてブリルアン周波数を獲得するため、短い光繊維区間で感知信号を取得できるなど、空間分解能が大幅的に向上されることができる特徴がある。
【００２５】
例え、本発明が上記言及された望ましい実施例と関連して説明されたが、発明の要旨と範囲から外れることなく、多様な修正や変形をすることが可能である。従って、添付された特許請求の範囲は本発明の要旨に属するこのような修正や変形を含むであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明によるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法に関して添付された図面と共に説明する。
図１は本発明により取得される信号処理過程を説明するために後方散乱光の累積区間を図式化した概念図である。本発明は、互いに異なるパルス幅を有する各パルス光を使用し、これにより取得される各後方散乱光と対比することにより、感知信号の取得をより短い感知区間で実現できる方法に関するものである。
【００２７】
図１に図示されたように、互いに異なるパルス幅を有し、パルス幅対比対をなす２個のパルス光を単一の光繊維１００に沿って順次進行させ、取得された２個のブリルアン散乱光が当該光繊維１００での位置によって図式化されている。
第１のブリルアン散乱光は、ｘからｘ＋Δｚ２の位置まで累積されて表示されており、第２のブリルアン散乱光は、ｘからｘ＋Δｚ１の位置まで累積されて表示されている。この時、各ブリルアン散乱光の差異、即ち、Δｚ２の−Δｚ１に該当する区間で、第１のブリルアン散乱光と第２のブリルアン散乱光とのその累積量の差異をみせている。この差異は各ブリルアン散乱光より相対的に小さい区間で表れており、これにより、各ブリルアン散乱光を通じて得られる空間分解能、特に、光繊維１００の長さとして表示される空間分解能の大きさより相対的に小さくなる。
【００２８】
従って、結果的に、より短い光繊維１００の長さ、即ち、区間で、感知信号を取得できる方式が設けられる。一般的に、より短くなった光繊維１００の長さから感知信号を取得する場合、空間分解能が向上されたとするところ、本発明でのように、各ブリルアン散乱光の対比を通じて導出される差異から、より短い光繊維１００の区間で感知信号を取得できるので、空間分解能の向上が具現され得る。
【００２９】
下記の数学式１、２、３は前述した本発明による空間分解能向上のための後方散乱光の信号処理方式の原理を示すものである。
【００３０】
【数４】
2005241643.tif 000003
【００３１】
【数５】
2005241643.tif 000004
上記の数学式１、２は、互いに異なるパルス幅を有する各パルス光より引き返される各後方散乱光の大きさでありながら、各ブリルアンゲインスペクトルを意味する。ここで、ｘは各後方散乱光が戻ってくる位置であり、Ｉ（Ｌ，ν）は後方散乱光の大きさである。そして、Ｌは感知光繊維１００の長さであり、αは光繊維１００の損失係数である。また、ｇ（ｚ'，ν）はブリルアンゲイン係数であり、ΔＩｐｕ（ｚ'，ν）はパルス光の強さである。
【００３２】
数学式１、２において、各積分区間は（Δｚ２−Δｚ１）の差異を置いていることがわかる。そして、ｘからｘ＋Δｚ１までの区間での積分は各数学式に同一に含まれる。この部分は下記の数学式３でのように、各ブリルアンゲインスペクトル信号の比を取る場合除去され、これにより、正規ブリルアンゲインスペクトルが獲得される。
【００３３】
【数６】
2005241643.tif 000005
ここで、ＮＢＧＳ（ｘ，ν）は正規ブリルアンゲインスペクトルを意味する。即ち、Δｚ２−Δｚ１区間での累積された後方散乱光であって、最初取得された各後方散乱光の差異に該当する部分である。
この時、Δｚ２−Δｚ１区間での差異が小さい場合、即ち、各後方散乱光の差異が小さい場合には、それだけ短い光繊維１００区間でも感知信号を獲得できることを意味するので、結果的に、優れた空間分解能の具現が可能である。このような信号の処理過程を通じて獲得されたブリルアン周波数は当該物理量に関する換算係数との掛け算を通じて当該物理量の算出に寄与することができる。
【００３４】
ここで、各数学式を通じてなされる本信号処理過程を用いることになると、ブリルアンゲイン発生の限界値である１０ｎｓｅｃより十分に大きいパルス幅を用いながらも、空間分解能は光繊維１００の長さとして約１ｍまたはその以下でも具現が可能である。
【００３５】
そして、正規ブリルアンゲインスペクトルであるＮＢＧＳも空間分解能が約５ｍ以下と小さくなるにつれてスペクトルゲインが減少したり線幅が広くなる現象を避けることができる。従って、パルス光を上昇時間と下降時間とがとても短いパルス信号に変調させることができる場合、このような信号処理を通じて空間分解能を１ｍ以内に減らすことができる。
【００３６】
図２は本発明によるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法の順序図である。本発明による測定方法は、パルス幅が互いに異なる各パルス光を対として設定／選択し、これを同一な光繊維１００へ伝送する場合、取得される各後方散乱光を先に説明した信号処理方式を通じて処理する。そうすると、各後方散乱光の差異をゲインスペクトルの比として算出することができ、結果的に、得られる正規ゲインスペクトルに基づいてブリルアン周波数を獲得することができる。
【００３７】
このように得られるブリルアン周波数から感知される当該物理量を算出できるが、前述したように、各ゲインスペクトルの比を用いることになり、そして、これは各後方散乱光の当該区間での差異によって算出されるので、最初取得された各後方散乱光乃至各ゲインスペクトルより相対的に小さいことを意味する。従って、結果的に、より短くなった光繊維１００区間で感知信号の取得を容易にすることができる。
【００３８】
図２に図示されたように、ブリルアン感知構造として、周知された設置方法に基づいて光繊維１００を特定構造物（例えば、建物、橋梁、航空機、船舶など）に設けるＳ１０００。この時、光繊維１００はカップラー構造から分岐され、カップラー構造に復帰される単一筋として設けるのが望ましい。そして、各パルス光を伝送する場合取得される後方散乱光の信号処理のために基本的な変数である平均化回数、サンプリング個数、サンプリング速度、周波数照射範囲、周波数の段階的な増加幅などを設定する。これにより、各パルス光を伝送する準備が終わる。
【００３９】
以後、使用する第１のパルス光と第２のパルス光とを設定するが、この時、各パルス光を対に規定しながら、その基準は各パルス光のパルス幅である。第２のパルス光に比べて第１のパルス光のパルス幅が相対的に大きなものを選択する。この時、選択される各パルス光のパルス幅及び／または各パルス幅の差異は以後、空間分解能を決め付ける要素である。従って、当該構造物の大きさ（特に、面積）、区画区間の配置構造、感知する物理量（温度、荷重、または変形率）によって使用するパルス光の各パルス幅を予め設定するのが望ましいＳ２０００。
【００４０】
以後、第１のパルス光及び第２のパルス光を順次的に光繊維１００を介して伝送させ、第１の後方散乱光と第２の後方散乱光とを取得し、これに基づいて第１のブリルアンゲインスペクトル及び第２のブリルアンスゲインペクトルを取得するＳ３０００。
このような各ブリルアンスペクトルの取得過程を詳しく説明すれば、次の通りである。
【００４１】
まず、相対的にパルス幅が大きい第１のパルス光を当該光繊維１００の一側から伝送させる。この時、連続的な波形の探触光（continuous wave probe light）が光繊維１００の他側から伝送され、光繊維１００には特定物理量が作用する。従って、図１で説明したような、相対的に大きい累積区間を有する第１の後方散乱光が取得されるところ、前述した数学式１を用いて第１のブリルアンゲインスペクトルを算出／獲得するＳ３１００。
【００４２】
そして、第１のパルス光に対してパルス幅対比対をなす第２のパルス光を当該光繊維１００の一側から伝送させる。そうすると、探触光とのブリルアン散乱が当該物理量により発生し、第１の後方散乱光に比べて相対的に小さい累積区間を有する第２の後方散乱光が取得される。また、数学式２を用いて第２のブリルアンゲインスペクトルを算出／獲得するＳ３２００。これにより、第１のパルス光及び第２のパルス光を使用して第１のブリルアンゲインスペクトル及び第２のブリルアンゲインスペクトルを獲得する。
【００４３】
そして、このように獲得した各ブリルアンゲインスペクトルを、数学式３を用いて正規スペクトルを獲得する。即ち、相対的に累積区間が大きい第１のブリルアンゲインスペクトルを小さい累積区間を有する第２のブリルアンゲインスペクトルに分けて第１のブリルアンゲインスペクトルと第２のブリルアンゲインスペクトルとの比である正規スペクトルを算出するＳ４０００。
【００４４】
以後、算出／獲得された正規スペクトルから最大出力の周波数を探す。このように探し出した周波数がブリルアン周波数であるＳ５０００。この時、決められたブリルアン周波数は各後方散乱光の累積区間で、その差異に該当する区間、即ち、各後方散乱光より小さい累積区間を有する部分により決められたものであるところ、より向上された空間分解能を具現できる方式が提供されている。そして、決められたブリルアン周波数に当該物理量の換算係数を掛けて当該物理量を最終的に算出するＳ６０００。
【００４５】
図３ａ及び３ｂは図２に図示された各ブリルアンゲインスペクトルの獲得過程を細部的に表す順序図である。図３ａ、３ｂに図示されたように、第１のブリルアンゲインスペクトルまたは第２のブリルアンゲインスペクトルを取得する場合、まず、探触光の周波数を基本変数設定過程で設定された周波数照射範囲で一番初期の周波数値に設定するＳ３１１０、Ｓ３２１０。
【００４６】
そして、第１のパルス光及び第２のパルス光を伝送し、探触光を進行させながら、第１の後方散乱光及び第２の後方散乱光を取得するＳ３１２０、Ｓ３２２０。
以後、基本変数設定過程で設定したもののうち、平均化回数に応じるように後方散乱光を、設定された平均化回数ほど繰返し的に取得する平均化処理を遂行するＳ３１３０、Ｓ３２３０。そして、平均化回数の条件に合うかを判断するが、もし、設定された平均化回数条件が３０回である場合、３０回の平均化回数を満足条件とし、これを満足する時まで各後方散乱光の取得を繰り返すＳ３１４０、Ｓ３２４０。
【００４７】
当該条件を満足する場合には次の過程を進行し、そうでない場合、最初の後方散乱光取得過程Ｓ３１２０、Ｓ３２２０に復帰して先に列挙した過程を繰り返す。当該条件を満足した場合、探触光の現在使用周波数が先に設定された周波数照射範囲で最終周波数であるかを判断するＳ３１５０、Ｓ３２５０。
【００４８】
もし、最終周波数でない場合、設定された周波数の段階的な増加幅から所定の増加幅に該当するだけを現在使用周波数に加える更新過程を進行するＳ３１６０、Ｓ３２６０。そして、各後方散乱光の最初取得過程Ｓ３１２０、Ｓ３２２０に進行して先に列挙した過程などを更に遂行する。
【００４９】
しかし、もし、最終周波数である場合、各後方散乱光に関する各ブリルアンゲインスペクトルが完成／獲得されるＳ３１７０、Ｓ３２７０。このような各過程などを通じて前述した各ゲインスペクトルの取得過程Ｓ３１００、Ｓ３２００が遂行され得る。
図４ａは本発明による測定方法を梁形状の構造物を使用して実施する模様の概念図であり、図４ｂは図４ａのＡ−Ａ線による断面図であり、図５は図４ａの実施例により獲得されるブリルアンゲインスペクトルである。まず、図４ａ、図４ｂに図示されたように、梁形状の構造物に光繊維１００を設け、本発明による測定方法を行う。
【００５０】
このように備えられた構造物は、両端の下部が支持される中空の四角単純梁２００である。本実施例では約８ｍくらいの長さの単純梁２００を設け、約４ｋｍに達する長さの光繊維１００を単純梁２００の表面に設けた。そして、単純梁２００に物理量が加えられるように特定位置に約２００ｇの重さの錘３００を載せて集中荷重を誘発した。また、単純梁２００自体による荷重も作用している。
【００５１】
このように、光繊維１００が設けられた状態で、各パルス光を光繊維１００に進行させ、探触光の周波数を基本変数設定過程で設定された周波数照射範囲内で、また、設定された周波数の段階的な増加幅に基づいて増加させる。これにより、探触光の周波数を当該周波数照射範囲の最初周波数から最終周波数まで段階別に増加させながら各後方散乱光を測定する。
【００５２】
そうすると、図５に図示されたようなブリルアンゲインスペクトルを得ることになる。獲得されたゲインスペクトルにおいて、単純梁２００の自重と重さの錘３００による集中荷重により変形が感知される主要区間は２．４４ｋｍ〜２．５ｋｍである。そして、この時に表示された周波数範囲は１０．７７〜１０．９２ＧＨｚであり、このような範囲から発生される光密度は０．００７ｍＷ〜０．０４７ｍＷの範囲を有する。ここで、光繊維１００の長さ方向に獲得されるそれぞれの周波数中で後方散乱光の大きさのうち、最大値を表す当該周波数がブリルアン周波数である。
【００５３】
図６は図４ａの構造物に関する信号処理前／後の変形率測定結果を比較して図示したグラフ図である。図６に図示されたように、Ｘ軸は位置をｍ単位に表しており、Ｙ軸は変形率を表している。前述した実施例で獲得されたブリルアン周波数を下記の数学式４を用いて計算することになると、図６のような信号処理後の変形率結果を得ることになる。
【００５４】
【数７】
2005241643.tif 000006
数学式４において、νｂｏは変形率がない場合のブリルアン周波数であり、νｂは変形率がある場合のブリルアン周波数である。そして、Ｃは変形率係数である。これにより、εに表示される変形率が算出される。
以下、図６の信号処理後の変形率結果を得るための過程を詳しく説明する。まず、周波数照射範囲は１０．７９ＭＨｚ〜１０．８９ＭＨｚ、段階的な周波数増加幅は１ＭＨｚ、平均化回数は２００回として基本変数などを設定する。そして、１００ｎｓｅｃパルス幅と９０ｎｓｅｃパルス幅とを有する第１のパルス光と第２のパルス光とを選定する。また、このうち、１００ｎｓｅｃを有する第１のパルス光を入射させながら、探触光の最初周波数を１０．７９ＧＨｚに設定し、後方散乱光を２００回くらい繰返し取得して平均化処理した。
【００５５】
以後、探触光の周波数を１ＭＨｚくらい段階的に増加させながら後方散乱光を２００回にかけて取得して平均化処理する。このような過程を探触光の周波数が最終周波数に設定した１０．８９ ＧＨｚになる時まで繰り返す。そうすると、数学式１に表現される第１の後方散乱光スペクトル、即ち、第１のブリルアンゲインスペクトルを求めることができる。
【００５６】
その後、９０ｎｓｅｃのパルス幅を有する第２のパルス光を用いて同一に遂行すれば、数学式２に表現される第２のブリルアンゲインスペクトルをさらに得ることになる。そうすると、空間分解能１ｍである信号を得るために各ゲインスペクトルを数学式３を用いて互いに分ける。従って、正規ブリルアンゲインスペクトルを求めることができる。以後、最大出力を表すブリルアン周波数を求め、数学式４を通じて変形率に変えると、図６の信号処理後の変形率分布を得ることができる。図６の信号処理前の変形率分布データはただパルス幅５０ｎｓｅｃのポンピングパルス光を使用して得た変形率分布データである。この二つのデータから新たに開発された信号処理方法が優れた結果を持ってくることをみることができる。
【００５７】
図７は本発明による信号処理前／後のスペクトル線幅を空間分解能と比較したグラフ図である。図７に図示されたように、Ｘ軸は空間分解能をｍ単位に表しており、Ｙ軸は線幅をＭＨｚ単位に表している。まず、信号処理以前の１ｍの空間分解能に関する線幅が１０ｍの空間分解能に比べて約５０％以上増加した。
【００５８】
ところが、信号処理が進行された以後には、ほとんど一定したものであると確認された。これは、本発明による空間分解能向上信号処理を進行させる場合、ブリルアンゲインスペクトルで最高点を決めるのにおいての正確度が向上されることを意味し、結果的には、物理量の測定正確度が向上されたことを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明により取得される信号処理過程を説明するために後方散乱光の累積区間を図式化した概念図。
【図２】本発明によるブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法の順序図。
【図３ａ】図２に図示された各ブリルアンゲインスペクトルの獲得過程を細部的に表す順序図。
【図３ｂ】図２に図示された各ブリルアンゲインスペクトルの獲得過程を細部的に表す順序図。
【図４ａ】本発明による測定方法を梁形状の構造物を使用して行う模様の概念図。
【図４ｂ】図４ａのＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】図４ａの実施例によって獲得されるブリルアンゲインスペクトル。
【図６】図４ａの構造物に関する信号処理前／後の変形率測定結果を比較して図示したグラフ図。
【図７】本発明による信号処理前／後のスペクトル線幅を空間分解能と比較したグラフ図である。
【図８】従来のブリルアン光繊維センサーの構成図。
【図９】図８に図示されたセンサーを使用して特定構造物の分布温度を測定し、獲得したブリルアンゲインスペクトル。
【符号の説明】
【００６０】
１００…光繊維  ２００…単純梁  ３００…錘
【図１】
2005241643.tif 000010
【図２】
2005241643.tif 000011
【図３ａ】
2005241643.tif 000012
【図３ｂ】
2005241643.tif 000013
【図４ａ】
2005241643.tif 000014
【図４ｂ】
2005241643.tif 000015
【図５】
2005241643.tif 000016
【図６】
2005241643.tif 000017
【図７】
2005241643.tif 000018
【図８】
2005241643.tif 000019
【図９】
2005241643.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月12日(2005.4.12)
【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】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
前記第１のブリルアンゲインスペクトルが次の式で示されることを特徴とする請求項７に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【数１】
2005241643.tif 000021
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
前記第２のブリルアンゲインスペクトルが次の式で示されることを特徴とする請求項１０に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【数２】
2005241643.tif 000022
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
前記正規スペクトルを獲得する段階では、次の式を用いて前記正規化スペクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載のブリルアン光繊維センサーを用いた物理量測定方法。
【数３】
2005241643.tif 000023
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
【数４】
2005241643.tif 000024
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
【数５】
2005241643.tif 000025
上記の数学式１、２は、互いに異なるパルス幅を有する各パルス光より引き返される各後方散乱光の大きさでありながら、各ブリルアンゲインスペクトルを意味する。ここで、ｘは各後方散乱光が戻ってくる位置であり、Ｉ（Ｌ，ν）は後方散乱光の大きさである。そして、Ｌは感知光繊維１００の長さであり、αは光繊維１００の損失係数である。また、ｇ（ｚ'，ν）はブリルアンゲイン係数であり、ΔＩｐｕ（ｚ'，ν）はパルス光の強さである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
【数６】
2005241643.tif 000026
ここで、ＮＢＧＳ（ｘ，ν）は正規ブリルアンゲインスペクトルを意味する。即ち、Δｚ２−Δｚ１区間での累積された後方散乱光であって、最初取得された各後方散乱光の差異に該当する部分である。
この時、Δｚ２−Δｚ１区間での差異が小さい場合、即ち、各後方散乱光の差異が小さい場合には、それだけ短い光繊維１００区間でも感知信号を獲得できることを意味するので、結果的に、優れた空間分解能の具現が可能である。このような信号の処理過程を通じて獲得されたブリルアン周波数は当該物理量に関する換算係数との掛け算を通じて当該物理量の算出に寄与することができる。