(57)【要約】本発明は、構造物の歪みや温度を高空間分解能に過渡現象を考慮して測定し得る分布型光ファイバセンサシステムに関する。本発明の分布型光ファイバセンサシステムは、被測定物に設置される光ファイバと、音響フォノンの過渡応答時間以上のパルス幅である第１パルス光を発光し、音響フォノンの振動が維持される時間間隔で続けて第２パルス光を発光して、光ファイバに供給する光源部と、第２パルス光の光ファイバ中で生じたブリルアン散乱光の散乱利得スペクトルを、第２パルスのパルス幅を等分割して得られる時間の２倍に相当する時間間隔で検出する検出部と、各時間間隔の各散乱利得スペクトルに対応する光ファイバの各微小区間について、各散乱利得スペクトルに基づいて歪み及び／又は温度を演算する制御演算部とを備える。
2004040241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に設置されるセンサ用の光ファイバと、
音響フォノンの過渡応答時間以上のパルス幅である第１パルス光を発光すると共に、音響フォノンの振動が実質的に維持される時間間隔で前記第１パルス光に続けて第２パルス光を発光し、該第１及び第２パルス光を前記光ファイバに供給する光源と、
前記第２パルス光によって前記光ファイバ中で生じたブリルアン散乱光の散乱利得スペクトルを、前記第２パルスのパルス幅を等分割して得られる時間の２倍に相当する時間間隔で検出する検出手段と、
前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに対応する前記光ファイバの各微小区間について、前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに基づいて歪み及び／又は温度を演算する演算手段とを備えたこと
を特徴とする分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項２】
前記検出手段は、
所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光カプラと、
前記光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
所定の周波数の電気信号を発振する発振器と、
前記受光器の出力と前記発振器の出力とを合波するミキサと、
前記ミキサの出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、
前記バンド・パス・フィルタの出力を記憶するバッファと、
前記散乱利得スペクトルが得られる範囲で前記発振器の所定の周波数を掃引する制御手段と備えること
を特徴とする請求の範囲１に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項３】
前記検出手段は、前記バッファに記憶されているバンド・パス・フィルタの２個の出力を用いて、該２個の出力の間のデータを補間する補間手段をさらに備えること
を特徴とする請求の範囲２に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項４】
前記検出手段は、
所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光カプラと、
前記光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、
前記バンド・パス・フィルタの出力を時間・周波数解析する時間・周波数解析手段とを備えること
を特徴とする請求の範囲１に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項５】
前記検出手段は、
所定の周波数の光を前記第２パルス光と対向するように前記光ファイバに入射する入射手段と、
前記所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光カプラと、
前記光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、
前記バンド・パス・フィルタの出力を記憶するバッファと、
前記散乱利得スペクトルが得られる範囲で前記光の所定の周波数を掃引する制御手段とを備えること
を特徴とする請求の範囲１に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項６】
前記検出手段は、ヘテロダイン検波をするように前記所定の周波数の光の周波数を変換する光周波数変換手段を更に備えることを
を特徴とする請求の範囲５に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項７】
前記所定の周波数の光と第２パルス光とが前記光ファイバ中で複数回相互作用するように構成したこと
を特徴とする請求の範囲５又は請求の範囲６に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項８】
前記演算手段は、
前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに対応する前記光ファイバの各微小区間について、前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに基づいて前記被測定物にかかる側圧をさらに演算すること
を特徴とする請求の範囲７に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【請求項９】
前記検出手段は、
所定の周波数の光を２つに分配する第１光カプラと、
前記第１光カプラで分配された一方の光を透過又は遮断する光スイッチと、
前記光スイッチからの光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波して２つに分配すると共に、分配した一方の光を前記光ファイバに入射させる第２光カプラと、
前記第１光カプラで分配された他方の光と前記第２光カプラで分配された他方の光とを合波する第３光カプラと、
前記第３光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、
前記バンド・パス・フィルタの出力を時間・周波数解析する時間・周波数解析手段とを備えること
を特徴とする請求の範囲１に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、橋、トンネル、建物等の構造物に生じた歪みや温度を光ファイバを用いて高空間分解能に過渡現象を考慮して測定し得る分布型光ファイバセンサシステムに関する。
【背景技術】  従来、光ファイバ中で生じるブリルアン散乱の周波数シフト量を光ファイバに沿って計測することにより歪み分布を計測する分布型光ファイバセンサや、光ファイバ中で生じるラマン散乱のストークス光と反ストークス光との光強度比を光ファイバに沿って計測することによって温度分布を計測する分布型光ファイバセンサが知られており、例えば、「次世代光テクノロジー集成」（オプトロニクス社）Ｐ３２５〜Ｐ３２７に記載されている。これら分布型光ファイバセンサの空間分解能は、その測定方法から数ｍオーダーが限界であった。
そこで、本願発明の発明者は、サブｃｍオーダーの高空間分解能の分布型光ファイバセンサシステムをその発明者の一人として特願平１１−１５０６１８号で提案し、この出願は、特開２０００−０７４６９７号公報として開示された。
図２３は、特開２０００−０７４６９７号公報開示の分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図２３において、この分布型光ファイバセンサシステム１０００は、光ファイバ１００２と、ポンプ光源１００３と、プローブ光源１００４と、光強度検出器１００５と、光カプラ１００６と、光フィルタ１００７と、演算手段１００８と、制御手段１０２０とを備えて構成される。
歪みや温度を検出するセンサ部分である光ファイバ１００２は、被測定物である構造物１００１に設置される。この光ファイバ１００２の一端からは、ポンプ光源１００３から射出された不連続ポンプ光が光カプラ１００６を介して入射され、他端からは、プローブ光源１００４から射出された不連続プローブ光が入射される。不連続ポンプ光は、光ファイバ１００２の非線形性等によってブリルアン散乱、ラマン散乱及びレーリー散乱等の各種散乱を生じさせる。生じた各種散乱は、不連続プローブ光と周波数が一致していると不連続プローブ光を増幅し、光カプラ１００６によって光フィルタ１００７に導かれる。光フィルタ１００７は、これら各種散乱光等からブリルアン増幅された不連続プローブ光（ブリルアン散乱光）を主に透過させる。透過したブリルアン散乱光は、光強度検出器１００５によってその光強度が検出され、検出結果は、演算手段１００８に出力される。制御手段１０２０は、不連続プローブ光の周波数の設定、構造物１００１の測定箇所で不連続プローブ光と不連続ポンプ光とが重なり合うようにプローブ光源１００４及びポンプ光源１００３の発光制御、及び、相互作用の結果生じたブリルアン散乱光を検出することができるように光強度検出器１００５におけるサンプリングタイミングの制御等を行う。
演算手段１００８は、光強度検出器１００５の検出結果に基づき光ファイバ１００２の歪みや温度を演算する。この演算において、分布型光ファイバセンサシステム１０００は、不連続プローブ光と不連続ポンプ光とが重なり合う重合区間を更に複数の微小区間に分割することによって高空間分解能を達成していた。
ところで、ブリルアン散乱の原因となる音響フォノンは、機械波動であるため、瞬時に振動を始めることができず、過渡現象（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）が存在することが知られている（Ｊ．Ｓｍｉｔｈ，Ａ．Ｂｒｏｗｎ，Ｍ．ＤｅＭｅｒｃｈａｎｔ，Ｘ．Ｂａｏ，”Ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．１６８（１９９９），Ｐ３９３−Ｐ３９８）。そのため、ブリルアン散乱を利用して歪みや温度をより正確に計測するためには、この過渡現象を考慮する必要がある。
本発明は、上記事情に鑑みて為された発明であり、ポンプ光を周波数が互いに異なる第１及び第２ポンプ光とすることにより過渡現象に対応した高空間分解能の分布型光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。
【発明の開示】
上述の目的を達成するために、本発明に係る分布型光ファイバセンサシステムは、被測定物に設置されるセンサ用の光ファイバと、音響フォノンの過渡応答時間以上のパルス幅である第１パルス光を発光すると共に、音響フォノンの振動が実質的に維持される時間間隔で前記第１パルス光に続けて第２パルス光を発光し、該第１及び第２パルス光を前記光ファイバに供給する光源と、前記第２パルス光によって前記光ファイバ中で生じたブリルアン散乱光の散乱利得スペクトルを、前記第２パルスのパルス幅を等分割して得られる時間の２倍に相当する時間間隔で検出する検出手段と、前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに対応する前記光ファイバの各微小区間について、前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに基づいて歪み及び／又は温度を演算する演算手段とを備えて構成される。
そして、上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記検出手段は、所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光カプラと、前記光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、所定の周波数の電気信号を発振する発振器と、前記受光器の出力と前記発振器の出力とを合波するミキサと、前記ミキサの出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、前記バンド・パス・フィルタの出力を記憶するバッファと、前記散乱利得スペクトルが得られる範囲で前記発振器の所定の周波数を掃引する制御手段と備えて構成される。さらに、このような分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記検出手段は、前記バッファに記憶されているバンド・パス・フィルタの２個の出力を用いて、該２個の出力の間のデータを補間する補間手段をさらに備えることで構成される。
また、上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記検出手段は、所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光カプラと、前記光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、前記バンド・パス・フィルタの出力を時間・周波数解析する時間・周波数解析手段とを備えて構成される。
さらに、上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記検出手段は、所定の周波数の光を前記第２パルス光と対向するように前記光ファイバに入射する入射手段と、前記所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光カプラと、前記光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、前記バンド・パス・フィルタの出力を記憶するバッファと、前記散乱利得スペクトルが得られる範囲で前記光の所定の周波数を掃引する制御手段と備えて構成される。そして、この分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記検出手段は、ヘテロダイン検波をするように前記所定の周波数の光の周波数を変換する光周波数変換手段を更に備えて構成される。また、これら分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記所定の周波数の光と前記ブリルアン散乱光とが前記光ファイバ中で複数回相互作用するように構成される。そして、このような分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記演算手段は、前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに対応する前記光ファイバの各微小区間について、前記各時間間隔の各散乱利得スペクトルに基づいて前記被測定物にかかる側圧をさらに演算することで構成される。
また、上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、前記検出手段は、所定の周波数の光を２つに分配する第１光カプラと、前記第１光カプラで分配された一方の光を透過又は遮断する光スイッチと、前記光スイッチからの光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波して２つに分配すると共に、分配した一方の光を前記光ファイバに入射させる第２光カプラと、前記第１光カプラで分配された他方の光と前記第２光カプラで分配された他方の光とを合波する第３光カプラと、前記第３光カプラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド・パス・フィルタと、前記バンド・パス・フィルタの出力を時間・周波数解析する時間・周波数解析手段とを備えて構成される。
このような分布型光ファイバセンサシステムは、第１パルス光を伝播させた後に、測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第２パルス光を伝播させるので、測定用のブリルアン散乱光には過渡現象が生じない。このため、従来より正確に歪み及び温度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図２は、光周波数変換器から射出されるポンプ光を説明するための図である。
図３は、第１パルス光及び第２パルス光による音響フォノンの様子を説明するための図である。
図４は、各光の周波数関係を示す図である。
図５は、発振器の周波数とブリルアン散乱光のスペクトルとの関係を示す図である。
図６は、仮想的な微小空間と光ファイバとの関係を示す図である。
図７は、散乱利得スペクトルを示すである。
図８は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示すフローチャートである。
図９は、Ｓ１７における動作を示すフローチャートである。
図１０は、２次元ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
図１１は、計測点と計測点から得た補間点との関係を示す図である。
図１２は、パルス光が矩形の場合における式３の行列ａ（ｉ，ｊ）を示す図である。
図１３は、ＣＴ処理で使用されるフィルタの特性を示す図である。
図１４は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図１５は、時間・周波数解析部４４の入力波形の一例を示す図である。
図１６は、各タイム・ウィンドウにおける周波数スペクトルを示す図である。
図１７は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示すフローチャートである。
図１８は、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図１９は、第４の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図２０は、第５の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図２１は、第５の実施形態における物理過程を説明するための図である。
図２２は、側圧を求める場合におけるフローチャートを示す図である。
図２３は、特開２０００−０７４６９７号公報開示の分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】    以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
（第１の実施形態の構成）
図１は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図１において、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０は、光源１１、光カプラ１２、１９、２２、制御器１３、光周波数変換器１４、ＲＦ信号源１５、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８、光ファイバ２１、受光器２３、ミキサ２４、発振器２５、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２６、増幅器２７、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）２８、バッファ２９及び制御演算部３０を備えて構成される。
光源１１は、歪みや温度を測定するために光ファイバ２１にブリルアン散乱光の線幅より狭いスペクトル線幅の光を制御演算部３０の制御の下に供給する。光源１１は、例えば、分布帰還型半導体レーザ、分布ブラッグ反射型半導体レーザなど各種半導体レーザを利用することができる。本実施形態では、波長１５５０ｎｍ（その周波数をｆ０とおく。）のＣＷ光を発光する半導体レーザを用いた。光カプラ１２、１９、２２は、入射光を結合及び分岐して射出する部品である。なお、光カプラ１９は、光サーキュレータを使用してもよい。
ＲＦ信号源１５は、制御演算部３０の制御の下にＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）周波数の電気信号を発生する。光周波数変換器１４は、入射した光の周波数（波長）を所定の周波数に変換する部品であり、例えば、本実施形態の場合には、ＲＦ信号源１５から供給される電気信号の周波数に応じて入射光の周波数を変換するＳＳＢ（ｓｉｎｇｌｅ  ｓｉｄｅ  ｂａｎｄ）−ＬＮ光変調器である。制御器１３は、制御演算部３０の制御下に、光周波数変換器１４及びＲＦ信号源１５を制御することによって光周波数変換器１４の入射光を所定の周波数、所定の期間及び所定のタイミングで射出する。光増幅器１６は、入射光を所定の光強度まで増幅する部品であり、例えば、増幅する入射光の波長に合わせた希土類元素を添加した光ファイバ増幅器が用いられる。波長１５００ｎｍ帯の光を増幅する場合には、希土類元素としてエルビウム（ｅｒｂｉｕｍ、原子番号６８）元素が使用される。光アイソレータ１７は、光を一方向のみに透過させることを意図した部品である。
偏光制御器１８は、制御演算部３０の制御の下に、入射光の偏光面を所定の偏光面に変換して射出する部品である。光ファイバ２１は、参照光ファイバ部２１−１と検出光ファイバ部２１−２との各部に分けられ、例えば、石英系の光ファイバである。参照光ファイバ部２１−１は、被測定物に固定されないで配置され、検出光ファイバ部２１−２は、橋、トンネル及び建物等の構造物（被測定物）１の内部又は表面に固定される。なお、歪みを計測しないで温度のみを計測する場合には、必ずしも検出光ファイバ部２１−２を固定する必要はない。
受光器２３は、入射光の光強度を検出する部品であり、受光した光強度に応じた強度の電気信号に変換する。ミキサ２４は、入力された複数の電気信号を合波して出力する。発振器２５は、制御演算部３０の制御の下に、所定の周波数ｆ１の電気信号を発振する。ＢＰＦ２６は、所定の周波数帯のみを透過するフィルタである。増幅器２７は、入力信号を所定の振幅に増幅する。Ａ／Ｄ２８は、アナログ信号をディジタル信号に変換する。バッファ２９は、Ａ／Ｄ２８の出力を一時的に記憶する。制御演算部３０は、分布型光ファイバセンサシステム１０の各部を制御すると共に、後述のように歪み及び温度を高空間分解能で演算する部品であり、例えば、マイクロプロセッサなどで構成されるパーソナル・コンピュータである。
次に、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０の動作について説明する。
（第１の実施形態の動作）
まず、光源１１から射出されたＣＷレーザ光が分布型光ファイバセンサシステム１０においてどのように作用するかについて説明する。
光源１１から射出された周波数ｆ０のＣＷレーザ光は、光カプラ１２のポートａに入射され、２つに分配される。分配された一方のレーザ光は、ポートｄから射出され、光カプラ２２のポートｑに入射される。他方のレーザ光は、ポートｃから射出され、光周波数変換器１４に入射される。入射したレーザ光は、ＲＦ信号源１５のＲＦ周波数に従って光周波数変換器１４で周波数が所定の周波数に調整され、かつ、制御器１３によって光周波数変換器１４の射出時間が調整される。
図２は、光周波数変換器から射出されるポンプ光を説明するための図である。図２の横軸は時間軸であり、縦軸は光強度である。
光カプラ１２から光周波数変換器１４に入射されたＣＷレーザ光は、制御器１３の制御信号及びＲＦ信号源１５のＲＦ周波数に従って、パルス幅Ｔｗ１の第１パルス光とパルス幅Ｔｗ２の第２パルス光とに形成される。第１パルス光は、音響フォノンの運動を開始させ、かつ、安定化させるためのパルスであるので、そのパルス幅Ｔｗ１は、過渡応答が終了するだけの期間が必要である。過渡応答の継続時間は、光ファイバの材質、パルスの光強度などに応じて変化するが通常約２０ｎｓ程度である。そこで、例えば、本実施形態では、マージンを見込んで１００ｎｓに設定した。また、第２パルス光は、歪みや温度を計測するためのパルスであるので、そのパルス幅Ｔｗ２は、計測に必要な期間であれば良く（Ｔｗ２＝ｄｔ×ｍ）、例えば、本実施形態では、３０ｎｓに設定した。また、第１パルス光と第２パルス光との間隔Ｔｗｒは、第１パルス光の周波数から第２パルス光の周波数に変更するために要する期間であり、専ら制御器１３、光周波数変換器１４及びＲＦ信号源の性能に左右される。第１パルス光の終了によって音響フォノンの振動が減衰を開始するので、この間隔Ｔｗｒは、短い程好ましい。例えば、本実施形態では、２ｎｓである。なお、この２ｎｓでは、音響フォノンの減衰は実質的に無いので、歪みや温度の計測に間隔Ｔｗｒの影響は実質的に生じない。
また、第１パルス光の周波数ｆ１と第２パルス光の周波数ｆ２は、光ファイバ２１中でほぼ同様な音響フォノンを生じさせ、かつ、ミキサ２４で発振器２５の周波数ｆｅの電気信号で合波された結果ＢＰＦ２６で効率良くフィルタリングすることが可能な周波数に設定される。例えば、本実施形態では、第１パルス光の周波数ｆ１は１２ＧＨｚに設定され、第２パルス光の周波数ｆ２は１０．８ＧＨｚに設定された。
光周波数変換器１４から射出された第１パルス光及び第２パルス光は、光アイソレータ１７、偏光制御器１８、光カプラ１９、２２及び光ファイバ２１における損失や各接続損失などを考慮して、検出光ファイバ部２１−２で歪みや温度を計測するのに充分な非線形光学効果を生じさせる程度に、光増幅器１６で増幅される。なお、本実施形態では、光増幅器１６の出力を最大値２０ｄＢｍにした。
増幅された第１パルス光及び第２パルス光は、光アイソレータ１７を介して偏光制御器１８で偏光面を調整され、光カプラ１９の一方のポートｅに入射される。光カプラ１９のポートｇから射出された第１パルス光及び第２パルス光は、光ファイバ２１に入射される。
図３は、第１パルス光及び第２パルス光による音響フォノンの様子を説明するための図である。図３の横軸は光ファイバ２１上の位置を示す。また、図３のＡ，Ｂ，Ｃ及びＤの各点は、図２に示すＡ’，Ｂ’，Ｃ’及びＤ’の各点に対応する。
光ファイバ２１では、第１パルス光及び第２パルス光によって図３に示す音響フォノンが生じる。第１パルス光の開始点Ａ’が到達すると光ファイバ２１中では振動が開始されるが（点Ａ）、音響フォノンは瞬時に立ち上がることはできず、図３に示すように徐々に立ち上がる（点Ａ〜点Ｓ）。この過渡応答は、上記した通り通常約２０ｎｓであり、３倍の６０ｎｓ（点Ｓ）を経過すれば、音響フォノンは、充分安定状態に達すると考えられる。その後、第１パルス光の終了点Ｂ’が到達するまで安定状態が続く（点Ｓ〜点Ｂ）。そして、第１パルス光が終了し第２パルス光が到達するまでの期間Ｔｗｒは、光がなくなるが、この期間Ｔｗｒは短いので、慣性により音響フォノンは、そのままの状態を維持する（点Ｂ〜点Ｃ）。その後、第２パルス光の開始点Ｃ’が到達するが、既に音響フォノンは安定状態で振動しているので、過渡応答なく最初から安定な第２パルス光による音響フォノンが生じる。このため、第２パルス光によるブリルアン散乱は、安定に生じる。なお、第１パルス光と第２パルス光とは、実質的にほぼ同じ音響フォノンを生じさせる。この安定状態は、第２パルス光の終了点Ｄ’が到達するまで継続する（点Ｃ〜点Ｄ）。そして、第２パルス光が終了すると音響フォノンは徐々に減衰して基底状態に戻る（点Ｄ〜点Ｅ）。なお、点Ｄにおいても安定的な音響フォノンを維持するために、第２パルス光の終了後に所定の時間間隔を空けて第２パルスと周波数の異なる第３パルスを光ファイバ２１に入射してもよい。
光ファイバ２１中の音響フォノンによって生じたブリルアン散乱光は、光カプラ１９のポートｇに入射され、ポートｆから射出される。ポートｆから射出されたブリルアン散乱光は、光カプラ２２のポートｒに入射される。ポートｑから入射されたＣＷポンプ光とポートｒから入射されたブリルアン散乱光は、光カプラ２２で結合されて２つに分配される。
図４は、各光の周波数関係を示す図である。図４の横軸は周波数であり、縦軸は強度であるが、各光の周波数の相互関係を示すだけなので、その強度は実態とは異なる。
図４において、周波数ｆ０はＣＷポンプ光であり、周波数ｆ１は第１パルス光であり、周波数ｆ２は第２パルス光である。そして、周波数Ｓｂ１は第１パルス光によって生じたブリルアン散乱光の周波数であり、周波数Ｓｂ２は第２パルス光によって生じたブリルアン散乱光の周波数である。なお、ｆ１−Ｓｂ１＝ｆ２−Ｓｂ２＝ｆＢの関係にある。バンド幅Ｂは受光器２３の周波数バンドであり、ωは受光器２３の中心周波数であり、本実施形態ではＢ／２である。また、図４には、以下の説明と無関係であるので、ブリルアン散乱光の反ストークス光及びラマン散乱光は示されていない。
ここで、ｆＢは、１０．５ＧＨｚの光ファイバを使用した場合には、光カプラ２２における干渉（合波）により、ｆ１−ｆ０＝１２ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０＝１０．８ＧＨｚ（レーリー散乱光に対応する。）、ｆ１−ｆ０−ｆＢ＝１．５ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０−ｆＢ＝０．３ＧＨｚ（３００ＭＨｚ）となるので、バンド幅Ｂを６００ＭＨｚ以下に選定すれば、第２パルス光によるブリルアン散乱光だけ受光器２３から出力させることができる。このように本実施形態では、光源１１のＣＷレーザ光を光カプラ２２で相互作用させ、受光器２３のバンド幅Ｂを適当に選定することにより、第２パルス光によるブリルアン散乱光に対応する出力を受光器２３より得ている。受光器２３のバンド幅Ｂは、変数ｘの絶対値をａｂｓ［ｘ］で表示するとすれば、上記より、
ａｂｓ［ｆ１−ｆ０−ｆＢ］≫Ｂ＞ａｂｓ［ｆ２−ｆ０−ｆＢ］  ・・・（１）
が成立するように設定すればよい。
そして、分配された光は、受光器２３に入力され、光電変換される。受光器２３は、光源１１で生じるノイズをキャンセルする観点から、例えば、本実施形態では、バランスド・レシーバ（ｂａｌａｎｃｅｄ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ、ＢＲ）を用いた。受光器２３の出力は、ミキサ２４で発振器２５から入力される周波数ｆｅの正弦波電気信号を合波され、ＢＰＦ２６に入力される。例えば、本実施形態では、周波数ｆｅは１．３ＧＨｚに設定され、ＢＰＦ２６の透過特性は、中心周波数ωｅが１．０ＧＨｚで透過周波数範囲が１ＭＨｚに設定された。
ＢＰＦ２６の出力は、所定のレベルまで増幅され、Ａ／Ｄ２８でアナログ信号からディジタル信号に変換される。そして、ブリルアン散乱光に応じた光強度Ｐｓ（ｔ）に変換するためにさらに２乗される。
ここで、上述の場合において、Ａ／Ｄ２８のサンプリングレートを５ＧＳに設定すれば、ａｂｓ［ｆｅ−ω］＝１．０ＧＨｚにおいてもブリルアン散乱光による信号を記録することができる。
また、ｐｓ（ｔ）のｓは、周波数を示し、図４のＳｂ２である。本実施形態では、
ｓ＝Ｓｂ２
＝（ｆ２−ｆＢ）−ｆ０＋ｆｅ                              ・・・（２）
である。このＰｓ（ｔ）は、バッファ２９に入力されて一時的に記憶される。
このようにして図５に斜線で示す周波数ｓに対応するスペクトルＰｆｅが得られる。図５は、発振器の周波数とブリルアン散乱光のスペクトルとの関係を示す図である。図５の横軸は周波数であり、縦軸はブリルアン散乱光の強度である。
ここで、本実施形態では、１ＧＨｚのＲＦ振幅に整理するのであるからｄｔ＝１ｎｓであり、そのためＰｓ（ｔ）は、第２パルス光が光ファイバ２１中を１ｎｓだけ伝播する間に生じるブリルアン散乱光の光強度である。一方、１ｎｓの間に第２パルス光は、光速Ｖ＝２００ｍｍ／ｎｓであるから光ファイバ２１中をｄｚ＝ｄｔ×Ｖ／２＝１０ｃｍだけ伝播することとなり、結局、Ｐｓ（ｔ）は、光ファイバ２１における１０ｃｍおきのブリルアン散乱光の光強度となる。
従って、このＰｓ（ｔ）を用いて後述のように演算すると、本実施形態では、１０ｃｍの空間分解能で光ファイバ２１に生じる歪み及び温度を計測することができることになる。
次に、この歪み及び温度の演算方法について説明する。図６は、仮想的な微小空間と光ファイバとの関係を示す図である。
図６において、光ファイバ２１の長尺方向に参照ファイバ部２１−１の起点を座標原点とするＺ軸を設定する。そして、参照光ファイバ２１−１をｍ個の微小空間に分割し、検出ファイバ部２１−２をｎ−１個の微小空間に分割する。また、第２パルスは、仮想的に微少時間ｄｔのｍ個の区間に分割されているものと考える。なお、本実施形態の場合には、上述より微小空間の長さは１０ｃｍとなる。この場合において、ブリルアン散乱利得行列は、式３のように表される。
2004040241.tif 000003
ここで、Ｑｓ（ｉ）（ｉは１≦ｉ≦ｎの整数）は、少なくとも、第２パルス光の設定周波数ｆ２における、図６に示す複数の微小区間ｚ（ｉ）〜ｚ（ｉ＋ｎ−１）に関するブリルアン散乱光の光強度及び光ファイバ２１に入射した第２パルス光の光強度によって決まる変数であり、ｇｓ（ｊ）は周波数ｓに対応するｊ番目の微小区間ｚ（ｊ）の散乱利得係数であり、ａ（ｉ，ｊ）は変数Ｑｓ（ｉ）に対するｊ番目の微小区間ｚ（ｊ）（ｊ＝ｉ〜（ｉ＋ｍ−１））に関するブリルアン散乱光の光強度の割合を示す寄与率である。
Ｑｓ（ｉ）は、第２パルスによるブリルアン散乱光の光強度と第２パルスの光ファイバ２１中の伝播損失を考慮すると、式４のように表される。
Ｑｓ（ｉ）＝ｌｎＰｓ（ｔｉ）＋αＬ−η                      ・・・（４）
ここで、αは光ファイバ２１の減衰係数であり、Ｌは光ファイバ２１の長さである。ηは定数であるが、簡単のためにη＝０としてもよい。
そして、発振器２５の周波数ｆｅを５ＭＨｚ間隔で走査すると、ブリルアン散乱光のタイム・ドメイン・スペクトル（ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｓｐｅｃｔｒａ）を計測することができる。
さらに、或る区間ｉで式３及び式４を用いて得られたａ（ｉ，ｊ）を周波数軸で表すと、当該区間ｉの散乱利得スペクトルを得ることができる。
図７は、散乱利得スペクトルを示すである。図７の横軸は周波数であり、縦軸は散乱利得係数である。図７の実線は計測した散乱利得スペクトルＡであり、破線は参照光ファイバ部２１−１における散乱利得スペクトルＢである。△ｇは、これら計測した散乱利得スペクトルＡの最大値と参照光ファイバ部２１−１における散乱利得スペクトルＢの最大値との差であり、△νは、計測した散乱利得スペクトルＡの最大値を与える周波数と参照光ファイバ部２１−１における散乱利得スペクトルＢの最大値を与える周波数との差である。
当該区間ｉにおける歪み及び温度と参照光ファイバ部２１−１における歪み及び温度をそれぞれ、εｉ、Ｔｉ、εｒ、Ｔｒとおくと、式５が成り立つことが知られている。
2004040241.tif 000004
ここで、△ε＝εｒ−εｉ、△Ｔ＝Ｔｒ−Ｔｉであり、ｇｒは参照ファイバ部２１−１の最大利得係数、Ｃεν、Ｃεｐ、ｃｔν及びＣｔｐは光ファイバ２１に固有な定数である。
このように計測結果を式３及び式４に用いて、図７に示す散乱利得係数シフト△ｇ及び周波数シフト△νを求めて、式５に用いることによって、微小区間ｚ（ｉ）における歪みεｉ＝εｒ＋△ε及び温度Ｔｉ＝Ｔｒ＋△Ｔを求めることができる。
次に、分布型光ファイバセンサシステム１０を用いて実際に歪み及び温度を計測する場合の動作について説明する。
図８は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示すフローチャートである。
まず、演算制御部３０は、各部を初期化し、ＲＦ信号源１５及び発信器２５を作動させる等の初期設定を行う（Ｓ１１）。次に、演算制御部３０は、光周波数変換器１４より上述した第１パルス光及び第２パルス光が射出されるように、制御器１３を制御する（Ｓ１２）。次に、演算制御部３０は、光源１１を作動させ、ＣＷレーザ光を発光させる。発光したＣＷレーザ光は、上述したように制御器１３及びＲＦ信号源１５によって、光周波数変換器１４から第１パルス光及び第２パルス光となって射出される（Ｓ１３）。射出された第１パルス光及び第２パルス光は、上述のように各部で作用し、第２パルス光によるブリルアン散乱光がサンプリングされる（Ｓ１４）。次に、このブリルアン散乱光のサンプリングが所定の期間に亘って行われることによって、検出光ファイバ部２１−２の全長に亘ってサンプリングが行われる（Ｓ１５）。所定の期間は、光ファイバ２１の全長をＬとすれば、光が光ファイバ２１を往復する時間であるから２Ｌ／Ｖである。
次に、制御演算部３０は、ブリルアン散乱光が発生すると予測される周波数範囲で、発振器２５の周波数ｆｅを所定の周波数分だけずらしながら、Ｓ１２乃至Ｓ１５を繰り返す（Ｓ１６）。こうして図７に示す計測した散乱利得スペクトルＡを得るためのデータが光ファイバ２１の各微小区間毎にそれぞれ得られる。
ここで、偏光による影響を抑制するために、制御演算部３０は、偏光制御器１８を制御することにより、第１及び第２パルス光の偏光面を所定の角度だけ回転させ、Ｓ１２乃至Ｓ１６を繰り返し、図７に示す計測した散乱利得スペクトルＡを得るための平均的なデータを得るようにしてもよい。これによって光ファイバ２１における偏波効果が平均化され、より正確な特性曲線Ｃが得られるので、歪みをより正確に計測することができる。
次に、制御演算部３０は、バッファ２９のデータを用いて各微小区間について歪み及び温度を高空間分解能で上述した式３乃至式５に基づき演算する（Ｓ１７）。
以上のように、本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０は、光ファイバ２１を微小区間に仮想的に分割し、この微小区間におけるブリルアン散乱光に基づき歪み及び温度を演算するので、従来の分布型光ファイバセンサシステムに較べて高空間分解能で歪み及び温度を計測することができる。本実施形態の空間分解能は、光ファイバ中の光速とサンプリングレートとによって決まる。そして、本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０は、第１パルス光を伝播させた後に、測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第２パルス光を伝播させるので、測定用のブリルアン散乱光には過渡現象が生じない。このため、より正確に歪み及び温度を計測することができる。
ここで、第１の実施形態のＳ１７を改良することにより、さらに高分解能で歪み及び温度を計測する手法について説明する。
図９は、Ｓ１７における動作を示すフローチャートである。図１０は、２次元ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。図１０（ａ）は、或る時間における２次元ローパスフィルタの周波数特性を示す図であり、図１０（ａ）の横軸は周波数であり、縦軸は入出力比である。図１０（ｂ）は、或る周波数における２次元ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。図１０（ｂ）の横軸は時間であり、縦軸は入出力比である。図１１は、計測点と計測点から得た補間点との関係を示す図である。図１２は、パルス光が矩形の場合における式３の行列ａ（ｉ，ｊ）を示す図である。図１３は、ＣＴ処理で使用されるフィルタの特性を示す図である。
図９において、制御演算部３０は、バッファ２９の計測データを図１０に示す周波数特性Ｌｐを持つ２次元ローパスフィルタによってフィルタリングする（Ｓ３１）。ここで、図１０に示す遮断周波数νＣは、ブリルアン散乱の線幅に依存し、例えば３５ＭＨｚの場合では１００ＭＨｚである。次に、制御演算部３０は、２点の計測データの間におけるデータを例えば線形補間又は非線形補間によって所望数だけ補間する（Ｓ３２）。図１１では、２点の計測データ○の間における２点のデータ□を線形補間によって補間した状況を示している。次に、制御演算部３０は、図１３に示す特性曲線を用いてＣＴ処理フィルタリングを行う（Ｓ３３）。そして、制御演算部３０は、Ｓ３１乃至Ｓ３３の処理後のデータを用いて各微小区間について歪み及び温度を上述した式３乃至式５に基づき演算する（Ｓ３４）。これによって、さらに高分解能で歪み及び温度を計測することができる。上述の補間では、Ａ／Ｄ２８で決まる計測データ○の間隔よりも三倍細かいデータ□間隔で高分解能で歪み及び温度を計測することができる。
次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態の構成）
第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０は、図８に示すＳ１６において、所定の周波数範囲で繰り返しＳ１２乃至Ｓ１５の処理を行うことによって、図７に示す計測した散乱利得スペクトルＡを得るためのデータを得ていたが、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１１は、時間・周波数解析手法（ｔｉｍｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いてデータを得る実施形態である。
図１４は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。図１４において、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１１は、光源１１、光カプラ１２、１９、２２、制御器１３、光周波数変換器１４、ＲＦ信号源１５、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８、光ファイバ２１、受光器２３、ＢＰＦ４１、増幅器４２、Ａ／Ｄ４３、時間・周波数解析部４４及び制御演算部４５を備えて構成される。
次に、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１１の動作について説明する。
（第２の実施形態の動作）
光源１１から射出された周波数ｆ０のＣＷレーザ光は、光カプラ１２を介して光周波数変換器１４に入射される。入射したＣＷレーザ光は、光周波数変換部１４で周波数ｆ１＝５ＧＨｚ、パルス幅１００ｎｓの第１パルス光と、２ｎｓの時間間隔を空けて、周波数ｆ２＝１０．３ＧＨｚ、パルス幅３０ｎｓの第２パルス光に変換され、光増幅器１６に入射される。その後、これら第１及び第２パルス光は、第１の実施形態と同様に作用しながら、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８及び光カプラ１９を介して光ファイバ２１に入射される。
光ファイバ２１中で第２パルス光によって生じたブリルアン散乱光は、光カプラ１９を介して光カプラ２２のポートｒに入射される。ポートｑから入射されたＣＷレーザ光とポートｒから入射されたブリルアン散乱光は、光カプラ２２で結合されて２つに分配され、それぞれ受光器２３に入射される。
ここで、ｆＢは、１０．７ＧＨｚの光ファイバを使用した場合には、光カプラ２２における干渉（合波）により、ｆ１−ｆ０＝５ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０＝１０．７ＧＨｚ（レーリー散乱光に対応する。）、ｆ１−ｆ０−ｆＢ＝５．７ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０−ｆＢ＝０．４ＧＨｚ（４００ＭＨｚ）となるので、バンド幅Ｂを２ＧＨｚ以下に選定すれば、第２パルス光によるブリルアン散乱光だけ受光器２３から出力させることができる。受光器２３のバンド幅Ｂは、第１の実施形態と同様に式１が成立するように設定する。
そして、分配された光は、受光器２３に入力され、光電変換される。受光器２３の出力は、ＢＰＦ４１に入力される。例えば、本実施形態では、ＢＰＦ４１の透過特性は、中心周波数が３００ＭＨｚで透過周波数範囲が４００ＭＨｚに設定された。このため、ＢＰＦ４１の出力は、最大周波数が５００ＭＨｚ、最小周波数が１００ＭＨｚとなる。
ＢＰＦ４１の出力は、増幅器４２で所定のレベルまで増幅され、Ａ／Ｄ４３でアナログ信号からディジタル信号に変換される。ここで、上述の場合において、Ａ／Ｄ４３のサンプリングレートを４×５００＝２０００ＭＳ以上に設定する。本実施形態では、８ＧＳに設定された。そして、Ａ／Ｄ４３の出力は、時間・周波数解析部４４に入力される。
図１５は、時間・周波数解析部４４の入力波形の一例を示す図である。図１５の横軸は時間であり、縦軸は振幅である。また、図１６は、各タイム・ウィンドウにおける周波数スペクトルを示す図である。図１６のｘ軸は時間を示し、ｙ軸は周波数を示し、ｚ軸は強度を示す。
時間・周波数解析部４４は、図１５に示すように一定期間Ｔのタイム・ウィンドウ（ｔｉｍｅ−ｗｉｎｄｏｗ）Ｗ１を設定し、このタイム・ウィンドウＷ１中のデータに対してフーリエ変換を行うことにより、周波数スペクトルＳｐｗ１を求める。そして、タイム・ウィンドウＷ１をタイム・ウィンドウＷ２、タイム・ウィンドウＷ３、・・・のように一定時間ｄｗだけ順次にずらすことによって、図１６に示すように各時間における周波数スペクトルＳｐｗ２、Ｓｐｗ３、・・・をリアルタイムで求める。ここで、Ｓｐｗ２は、Ｓｐｗ１に対して時刻（Ｔ＋ｄｗ）／２の周波数スペクトルとなっている。
例えば、本実施形態では、一定期間Ｔは４００ｎｓに設定され、この期間Ｔ中において３２００個のデータを得て、フーリエ変換を行い周波数スペクトルを求める。また一定時間ｄｗは１０ｎｓに設定され、各時刻における周波数スペクトルが求められる。
このような時間・周波数解析部４４としては、例えば、リアルタイム・スペクトラム・アナライザなどがある。また、本実施形態では、各時刻における周波数スペクトルを求める手法として、時間・周波数解析法を用いたが、ウェーブレット変換法も用いることができる。
そして、制御演算部４５は、時間・周波数解析部４４で求めた各時刻における周波数スペクトルを用いて、第１の実施形態と同様に、式３乃至式５を用いて１０ｃｍの空間分解能で光ファイバ２１に生じる歪み及び温度を計測する。
次に、分布型光ファイバセンサシステム１１を用いて実際に歪み及び温度を計測する場合の動作について説明する。
図１７は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示すフローチャートである。
図１７において、まず、演算制御部４５は、各部を初期化し、ＲＦ信号源１５を作動させる等の初期設定を行う（Ｓ２１）。次に、演算制御部４５は、光周波数変換器１４より上述した第１パルス光及び第２パルス光が射出されるように、制御器１３を制御する（Ｓ２２）。次に、演算制御部４５は、光源１１を作動させ、ＣＷレーザ光を発光させ、光周波数変換器１４より第１パルス光及び第２パルス光を射出させる（Ｓ２３）。射出された第１パルス光及び第２パルス光は、上述のように各部で作用し、第２パルス光によるブリルアン散乱光がサンプリングされる（Ｓ２４）。次に、このブリルアン散乱光のサンプリングが所定の期間に亘ってサンプリングされることによって、検出光ファイバ部２１−２の全長に亘ってサンプリングが行われる（Ｓ２５）。
このようにして各微小区間毎に図１６に示すような周波数スペクトル、即ち、散乱利得スペクトルを得るためのデータが得られる。次に、制御演算部４５は、時間・周波数解析部４４のデータを用いて各微小区間について歪み及び温度を高空間分解能で上述した式３乃至式５に基づき演算する（Ｓ２６）。
以上のように、本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１１は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０の効果に加えてさらに、データ取得に時間・周波数解析の手法を用いるから、第１の実施形態のように周波数走査をしないで済むので、計測時間を短くすることができ、しかも、リアルタイムで計測することができる。よって、動的に歪み及び温度が変化する測定対象でも計測可能となる。
次に、別の実施形態について説明する。
（第３の実施形態）
第３の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムは、第１及び第２パルス光から成るポンプ光と、第１及び第２パルス光の進行方向に対向するようにプローブ光とを光ファイバに入射し、第２パルス光によるブリルアン散乱によってプローブ光を増幅し、ブリルアン増幅されたプローブ光（ブリルアン散乱光）を検出することによって歪み及び温度を求める実施形態である。
図１８は、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。
図１８において、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１２は、光源１１、光カプラ１２、１９、２２、５１、制御器１３、光周波数変換器１４、ＲＦ信号源１５、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８、光ファイバ２１、受光器２３、ＬＰＦ５２’、増幅器５３、Ａ／Ｄ５４、バッファ５５及び制御演算部５６を備えて構成される。
次に、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１２の動作について説明する。
（第３の実施形態の動作）
光源１１から射出された周波数ｆ０のＣＷレーザ光は、光カプラ１２を介して光周波数変換器１４に入射される。入射したＣＷレーザ光は、光周波数変換部１４で周波数ｆ１＝１２ＧＨｚ、パルス幅１００ｎｓの第１パルス光と、２ｎｓの時間間隔を空けて、周波数ｆ２＝１０．８ＧＨｚ、パルス幅３０ｎｓの第２パルス光に変換され、光増幅器１６に入射される。その後、これら第１及び第２パルス光は、第１の実施形態と同様に作用しながら、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８及び光カプラ１９を介して光ファイバ２１の一方端に入射される。
一方、光カプラ１２で分配されポートｄから射出されたＣＷレーザ光は、光カプラ５１のポートｊに入射され、２つに分配される。分配された一方は、ポートｌから射出され、光カプラ２２のポートｑに入射される。そして、分配された他方は、ポートｋから射出され、光ファイバ２１の他方端に入射される。この光ファイバ２１の他方端から入射されたＣＷレーザ光がプローブ光となる。
光ファイバ２１中で第２パルス光のブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光（ブリルアン散乱光）は、光カプラ１９を介して光カプラ２２のポートｒに入射される。ポートｑから入射されたＣＷレーザ光とポートｒから入射されたブリルアン散乱光は、光カプラ２２で結合されて２つに分配され、それぞれ受光器２３に入射される。即ち、ホモダイン（ｈｏｍｏｄｙｎｅ）検波となる。
ここで、ｆＢは、１０．５ＧＨｚの光ファイバを使用した場合には、光カプラ２２における干渉（合波）により、ｆ１−ｆ０＝１２ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０＝１０．８ＧＨｚ、ｆ１−ｆ０−ｆＢ＝１．５ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０−ｆＢ＝０．３ＧＨｚ（３００ＭＨｚ）となるので、バンド幅Ｂを１ＧＨｚに選定すれば、第２パルス光によるブリルアン散乱光だけ受光器２３から出力させることができる。受光器２３のバンド幅Ｂは、第１の実施形態と同様に式１が成立するように設定する。
そして、分配された光は、受光器２３に入力され、光電変換される。受光器２３の出力は、ＬＰＦ５２’に入力される。例えば、本実施形態では、ＬＰＦ５２’の透過特性は、透過周波数範囲が１００ＭＨｚに設定された。
ＬＰＦ５２’の出力は、増幅器５２で所定のレベルまで増幅され、Ａ／Ｄ５４でアナログ信号からディジタル信号に変換される。ここで、上述の場合において、Ａ／Ｄ５４のサンプリングレートを１６００ＭＳ以上に設定する。ＲＦ信号の強度に換算する。本実施形態では、２ＧＳに設定された。バッファ５５は、Ａ／Ｄ５４の出力を一時的に記憶する。制御演算部３０は、分布型光ファイバセンサシステム１０の各部を制御すると共に、バッファ５５のデータを用いて第１の実施形態と同様に、式３乃至式５によって５ｃｍの空間分解能で光ファイバ２１に生じる歪み及び温度を計測する。
なお、分布型光ファイバセンサシステム１２を用いて実際に歪み及び温度を計測する場合の動作は、図８に示す第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１１の動作と同様なので、その説明を省略する。
以上のように、本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１２は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０の効果に加えてさらに、プローブ光を用いるので、より強い信号光が得られ、計測距離をより長距離化することができる。
次に、別の実施形態について説明する。
（第４の実施形態）
第３の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１２は、ホモダイン検波によりブリルアン散乱光を検出したが、第４の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１３は、ヘテロダイン（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ）検波によりブリルアン散乱光を検出する実施形態である。
図１９は、第４の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す図である。図１９において、第４の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１３は、光源１１、光カプラ１２、１９、２２、５１、制御器１３、光周波数変換器１４、５７、ＲＦ信号源１５、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８、光ファイバ２１、受光器２３、ＢＰＦ５２、増幅器５３、Ａ／Ｄ５４、バッファ５５及び制御演算部５６を備えて構成される。
次に、第４の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１２の動作について説明する。
（第４の実施形態の動作）
光源１１から射出された周波数ｆ０のＣＷレーザ光は、光カプラ１２を介して光周波数変換器１４に入射される。入射したＣＷレーザ光は、光周波数変換部１４で周波数ｆ１＝１２ＧＨｚ、パルス幅１００ｎｓの第１パルス光と、２ｎｓの時間間隔を空けて、周波数ｆ２＝１０．８ＧＨｚ、パルス幅３０ｎｓの第２パルス光に変換され、光増幅器１６に入射される。その後、これら第１及び第２パルス光は、第１の実施形態と同様に作用しながら、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８及び光カプラ１９を介して光ファイバ２１の一方端に入射される。
一方、光カプラ１２で分配されポートｄから射出されたＣＷレーザ光は、光カプラ５１のポートｊに入射され、２つに分配される。分配された一方は、ポートｌから射出され、光周波数変換部５７で所定の周波数（ｆａｏ）に変換され、光カプラ２２のポートｑに入射される。そして、分配された他方は、ポートｋから射出され、光ファイバ２１の他方端に入射される。この光ファイバ２１の他方端から入射されたＣＷレーザ光がプローブ光となる。
光ファイバ２１中で第２パルス光のブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光（ブリルアン散乱光）は、光カプラ１９を介して光カプラ２２のポートｒに入射される。ポートｑから入射された所定の周波数のＣＷレーザ光とポートｒから入射されたブリルアン散乱光は、光カプラ２２で結合されて２つに分配され、それぞれ受光器２３に入射される。所定の周波数（ｆａｏ）は、１２０ＭＨｚに設定されるので、ヘテロダイン検波となる。
そして、分配された光は、受光器２３に入力され、光電変換される。受光器２３の出力は、ＢＰＦ５２に入力される。例えば、本実施形態では、ＢＰＦ５２の透過特性は、中心周波数が１２０ＭＨｚで透過周波数範囲が１ＭＨｚに設定された。
ＢＰＦ５２の出力は、増幅器５２で所定のレベルまで増幅され、Ａ／Ｄ５４でアナログ信号からディジタル信号に変換される。ここで、上述の場合において、Ａ／Ｄ５４のサンプリングレートを５００ＭＳ以上に設定する。本実施形態では、１ＧＳに設定された。そして、Ａ／Ｄ５４の出力は、バッファ５５に一時的に記憶される。制御演算部３０は、分布型光ファイバセンサシステム１０の各部を制御すると共に、バッファ５５のデータを用いて第１の実施形態と同様に、式３乃至式５によって１０ｃｍの空間分解能で光ファイバ２１に生じる歪み及び温度を計測する。
なお、分布型光ファイバセンサシステム１３を用いて実際に歪み及び温度を計測する場合の動作は、図８に示す第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１１の動作と同様なので、その説明を省略する。
以上のように、本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１３は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０の効果に加えてさらに、プローブ光を用いるので、測定範囲の長距離化や高精度化を図ることができる。
次に、別の実施形態について説明する。
（第５の実施形態）
第５の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムは、第２パルス光によるブリルアン散乱光をループさせることによって増幅し、増幅されたブリルアン散乱光を検出することによって歪み及び温度を求める実施形態である。
図２０は、第５の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムを示す図であり、図２０（ａ）はその構成を示し、図２０（ｂ）は光ゲートスイッチの動作及び光周波数変換器の動作を示すタイミングチャートである。図２１は、第５の実施形態における物理過程を説明するための図である。
図２０（ａ）において、第５の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１４は、光源１１、光カプラ１２、１９、２２、６１、６４、制御器１３、光周波数変換器１４、５７、ＲＦ信号源１５、光増幅器１６、６３、光アイソレータ１７、偏光制御器１８、光ファイバ２１、受光器２３、光ゲートスイッチ６２、ＢＰＦ６５、増幅器６６、Ａ／Ｄ６７、バッファ６８及び制御演算部６９を備えて構成される。光ゲートスイッチ６２は、入射光を制御信号に応じて透過（オン）又は遮断（オフ）する光スイッチである。
次に、第５の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１４の動作について説明する。
（第５の実施形態の動作）
光源１１から射出された周波数ｆ０のＣＷレーザ光は、光カプラ１２を介して光周波数変換器１４に入射される。入射したＣＷレーザ光は、光周波数変換部１４で周波数ｆ１＝１２ＧＨｚ、パルス幅１００ｎｓの第１パルス光と、２ｎｓの時間間隔を空けて、周波数ｆ２＝１０．８ＧＨｚ、パルス幅３０ｎｓの第２パルス光に変換され、図２０（ｂ）に示すタイミングで光増幅器１６に入射される。その後、これら第１及び第２パルス光は、第１の実施形態と同様に作用しながら、光増幅器１６、光アイソレータ１７、偏光制御器１８及び光カプラ１９を介して光ファイバ２１の一方端に入射される。
一方、光カプラ１２で分配されポートｄから射出されたＣＷレーザ光は、光カプラ６１のポートｎに入射され、２つに分配される。分配された一方は、ポートｏから射出され、図２０（ｂ）に示すタイミングで光ゲートスイッチ６２を介して光カプラ６４のポートｖに入射される。光カプラ６１で分配された他方は、ポートｐから射出され、光周波数変換部５７で所定の周波数に変換され、光カプラ２２のポートｑに入射される。
また、光カプラ６４のポートｖに入射されたＣＷレーザ光は、ポートｗから射出され、光ファイバ２１の他方端に入射される。この光ファイバ２１の他方端から入射されたＣＷレーザ光がプローブ光となる。一方、光ファイバ２１中で第２パルス光のブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光（ブリルアン散乱光）は、光カプラ１９のポートｆから射出され、光増幅器６３で所定のレベルに増幅され、光カプラ６４のポートｕに入射される。ポートｕに入射したブリルアン散乱光は、光カプラ６４で分配され、ポートｗから射出されたブリルアン散乱光は、光ファイバ２１の他方端に入射される。こうして光ゲートスイッチ６２から射出されたＣＷレーザ光（プローブ光）は、光カプラ６４→光ファイバ２１→光カプラ１９→光増幅器６３→光カプラ６４のループを所定回数だけ周回する。その周回の間に、光周波数変換器１４から射出された第１及び第２パルスは、この周回するプローブ光に対し同じタイミングで相互作用するように制御演算部６９の制御によって、図２０（ｂ）に示す如く周回時間ＴＬｏｏｐごとに光周波数変換器１４から射出する。ループを所定回数だけ周回することにより光ファイバ２１中で繰り返し相互作用するため、光ファイバ２１の歪みや温度をより反映した状態になると共に、第２パルスとプローブ光との偏光状態が平均化される。そのため、ダイナミックに変化する歪み変化や温度変化にも対応することができる。
一方、カプラ６４で分配された他方のブリルアン散乱光は、カプラ２２のポートｒに入射される。ポートｑから入射されたＣＷレーザ光とポートｒから入射されたブリルアン散乱光は、光カプラ２２で結合されて２つに分配され、それぞれ受光器２３に入射され、光電変換される。ここで、ブリルアン散乱光が所定回数、例えば、４０回ループを周回したタイミングで制御演算部６９の制御により受光器２３の出力がＢＰＦ６５に出力される。
ここで、ｆＢは、１０．５ＧＨｚの光ファイバを使用した場合には、光カプラ２２における干渉（合波）により、ｆ１−ｆ０＝１２ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０＝１０．８ＧＨｚ、ｆ１−ｆ０−ｆＢ＝１．５ＧＨｚ、ｆ２−ｆ０−ｆＢ＝０．３ＧＨｚ（３００ＭＨｚ）となるので、中心周波数が１２０ＭＨｚで透過周波数範囲が１ＭＨｚに選定すれば、第２パルス光によるブリルアン散乱光だけ受光器２３から出力させることができる。
ＢＰＦ６５の出力は、増幅器６６で所定のレベルまで増幅され、Ａ／Ｄ６７でアナログ信号からディジタル信号に変換される。ここで、上述の場合において、Ａ／Ｄ６７のサンプリングレートを４００ＭＳ以上に設定する。そして、図９を用いて説明した手順によれば、実質的に２０００ＭＳに補間される。本実施形態では、２ＧＳに設定された。バッファ５５は、Ａ／Ｄ５４の出力を一時的に記憶する。制御演算部３０は、分布型光ファイバセンサシステム１０の各部を制御すると共に、バッファ５５のデータを用いて第１の実施形態と同様に、式３乃至式５によって５ｃｍの空間分解能で光ファイバ２１に生じる歪み及び温度を計測する。
ここで、式３におけるＱｓ（ｉ）は、次のようにして求められる。図２１において、光ファイバ部２１の長尺方向に参照光ファイバ部２１−１の起点を座標原点とするＺ軸を設定する。また、図２１のＤＬは、光カプラ６４→光ファイバ２１→光カプラ１９→光増幅器６３→光カプラ６４のループにおける損失をまとめて代表させたものである。ｋ回目にＺ＝Ｌから入射して周回するプローブ光は、式６のように表される。
2004040241.tif 000005
ここで、Ｐｓ（ｋ）（ｚ）はｋ回目ｚ位置における周波数ｓのプローブ光強度を示す。Ｒ（ｋ）（ｚ）は、ｋ回目ｚ位置における第２パルス光とプローブ光との偏波係数を示し、シングルモード光ファイバにおいては０から１までの乱数である。γ（ｚ、ｓ）は位置ｚにおける周波数ｓに対するブリルアン増幅係数であり、基本的に波長が決まると歪み及び温度に依存する。αｓは光ファイバ２１の減衰係数であり、Ｓｐ（ｚ）は第２パルス光のエネルギー密度であり、式７のように表される。
2004040241.tif 000006
ここで、Ａｅｆｆは、光ファイバ２１の有効断面積である。また、図２１より式８が成立する。
2004040241.tif 000007
以上、式６乃至式８をまとめて、検出光ファイバ部２１−２を長さｄｚの複数の微小区間に等分割して差分方程式で整理すると、式９乃至式１２にまとめることができる。
2004040241.tif 000008
ここで、添え字ｉ，ｊは微小区間の番号である。式１１から分かるように、Ｒｊｋは、乱数の平均値であるから、周回数ｋを大きくすると各微小区間の値は同じ定数で近似することができる。
以上のように、本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１４は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム１０の効果に加えてさらに、ブリルアン散乱光をループさせるので、光ファイバ２１の歪みや温度をより反映した状態になると共に、第２パルスとプローブ光との偏光状態が平均化される。そのため、ダイナミックに変化する歪み変化や温度変化にも対応することができる。
一方、上述の第１乃至第５の実施形態において、構造物１に側圧がかかると同時に光ファイバ２１にも側圧がかかり、光ファイバ２１の径方向に歪みが生じる。この径方向の歪みは、様々な偏光に対する平均な散乱利得スペクトル（平均散乱利得スペクトル）と或る特定の偏光に対する散乱利得スペクトル（特定散乱利得スペクトル）とを比較することによって各微小区間の側圧を求めることができる。
図２２は、側圧を求める場合におけるフローチャートを示す図である。図２２において、まず、偏光制御器１８の偏光面を適当な偏光面に調整し（Ｓ４１）、図８を用いて説明したＳ１２乃至Ｓ１６により、散乱利得スペクトルを求める（Ｓ４２）。平均を求めるのに適当な所定回数だけ偏光偏を変えながらＳ４１及びＳ４２を繰り返し（Ｓ４３）、所定回数だけ繰り返したら、各偏光面に対する散乱利得スペクトルを平均することによって平均散乱利得スペクトルを求める（Ｓ４４）。
次に、偏光制御器１８の偏光面を或る特定の偏光面に維持し（Ｓ４５）、Ｓ１２乃至Ｓ１６によりこの特定な偏光面に対する散乱利得スペクトル（特定散乱利得スペクトル）を求める（Ｓ４６）。平均散乱利得スペクトルと特定散乱利得スペクトルとから偏光係数を求め、側圧を求める（Ｓ４７）。
このように第１乃至第５の実施形態における分布型光ファイバセンサを利用することによって光ファイバ２１の径方向に生じた歪みも測定することができる。
【産業上の利用可能性】  以上のように、本発明に係る分布型光ファイバセンサシステムは、第１パルス光を伝播させた後に、測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第２パルス光を伝播させるので、測定用のブリルアン散乱光には過渡現象が生じない。このため、従来より正確に歪み及び温度を計測することができる。
【図１】
2004040241.tif 000009
【図２】
2004040241.tif 000010
【図３】
2004040241.tif 000011
【図４】
2004040241.tif 000012
【図５】
2004040241.tif 000013
【図６】
2004040241.tif 000014
【図７】
2004040241.tif 000015
【図８】
2004040241.tif 000016
【図９】
2004040241.tif 000017
【図１０】
2004040241.tif 000018
【図１１】
2004040241.tif 000019
【図１２】
2004040241.tif 000020
【図１３】
2004040241.tif 000021
【図１４】
2004040241.tif 000022
【図１５】
2004040241.tif 000023
【図１６】
2004040241.tif 000024
【図１７】
2004040241.tif 000025
【図１８】
2004040241.tif 000026
【図１９】
2004040241.tif 000027
【図２０】
2004040241.tif 000028
【図２１】
2004040241.tif 000029
【図２２】
2004040241.tif 000030
【図２３】
2004040241.tif 000031
【国際調査報告】
2004040241.tif 000032
2004040241.tif 000033