(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリルアン散乱現象を利用して歪み及び／又は温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを生成する階段状光パルス光源と、
連続光を生成する連続光光源と、
前記光パルスがプローブ光として入射されると共に前記連続光がポンプ光として入射され、前記プローブ光と前記ポンプ光との間でブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えること
を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項２】
ブリルアン散乱現象を利用して歪み及び／又は温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
予め設定された時間幅及び光強度の光パルス前方光と予め設定された時間幅及び前記光パルス前方光の光強度よりも大きな光強度の光パルスとを生成する階段状光パルス光源と、
連続光を生成する連続光光源と、
前記光パルス前方光及び前記光パルスがプローブ光として入射されると共に前記連続光がポンプ光として入射され、前記プローブ光と前記ポンプ光との間でブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えること
を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射し、
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
前記検出用光ファイバは、伝播する前記ポンプ光をその他方端で反射し、
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記検出用光ファイバから射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づく前記検出用光ファイバの長尺方向の１ｍ以下の各領域部分におけるブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルが実質的にローレンツ曲線であること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項６】
入射光の光強度を調整すると共に入射光の偏光面をランダムに変更して射出する光強度・偏光調整部と、
入射光の光強度を調整する光強度調整部とをさらに備え、
前記プローブ光は、前記光強度・偏光調整部を介して前記検出用光ファイバに入射し、
前記ポンプ光は、前記光強度調整部を介して前記検出用光ファイバに入射すること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項７】
前記階段状光パルス光源及び前記連続光光源は、
線幅の狭い所定の周波数であって略一定の光強度である光を連続的に発光する発光素子と、
前記発光素子の温度を実質的に一定に保持する温度制御部と、
前記発光素子が発光する前記光の周波数を実質的に一定に保持する周波数制御部とを備えること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項８】
前記階段状光パルス光源は、
線幅の狭い所定の周波数であって略一定の第１光強度である光を連続的に発光する発光素子と、
入射光の光強度を変調する第１及び第２光強度変調器と、
前記第１光強度よりも小さい第２光強度の連続的な光の中に前記第１光強度の光パルスが在るように、前記発光素子から連続的に入射された光の光強度を変調するように第１光強度変調器を駆動する第１光強度変調器駆動部と、
前記光パルスの前後にそれぞれ所定の幅だけ前記第２光強度の連続的な光を残して残余が除去されるように、前記第１光強度変調器から入射された光の光強度を変調するように第２光強度変調器を駆動する第２光強度変調器駆動部とを備えること
を特徴とする請求項１、請求項３及び請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項９】
前記階段状光パルス光源は、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった第１光パルスを生成すると共に、前記第１光パルスの時間幅と等しい時間幅であって、前記第１光パルスの最も低い光強度と等しい光強度である第２光パルスを生成するものであり、
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記階段状光パルス光源に前記第２光パルスを生成させてプローブ光として前記検出用光ファイバに入射させると共に、前記連続光光源に前記連続光を生成させてポンプ光として前記検出用光ファイバに入射させ、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の第１光強度を記憶し、前記階段状光パルス光源に前記第１光パルスを生成させてプローブ光として前記検出用光ファイバに入射させると共に、前記連続光光源に前記連続光を生成させてポンプ光として前記検出用光ファイバに入射させ、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の第２光強度を記憶し、前記記憶した第１光強度及び第２光強度に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定すること
を特徴とする請求項１、請求項３及び請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項１０】
前記検出用光ファイバと同質であって空間分解能に相当する長さであり、かつ、前記光パルスの時間幅の逆数によって表される歪みよりも大きな歪みを持つ基準光ファイバをさらに備え、
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記階段状光パルス光源に前記光パルスを生成させてプローブ光として前記基準光ファイバに入射させると共に、前記連続光光源に前記連続光を生成させてポンプ光として前記基準光ファイバに入射させ、前記基準光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルの中心周波数を求めて基準値として記憶し、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルの中心周波数を検出値として求め、予め記憶された補正値変換式に基づいて前記基準値と前記検出値と前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルとから補正値を求め、求めた前記補正値に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定すること
を特徴とする請求項１、請求項３及び請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項１１】
前記検出用光ファイバは、周期的にブリルアン周波数シフト量が変化する光ファイバであること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項１２】
前記検出用光ファイバは、歪み及び／又は温度を測定すべき計測対象物に固定されること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の分布型光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において光ファイバは、当該光ファイバの置かれる環境における歪み及び／又は温度を検出する媒体として利用される。
【０００３】
ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ中で周波数の異なる２個の光がすれ違うとき、高い周波数の光から低い周波数の光へ、光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象である。すれ違う２光波間の周波数差をνdとするとき、移動するパワーは、近似的に式１で定義されるブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）に比例する。
ＢＳg（νd）＝１／（１＋（２（νd−νb）／△νb）２）                ・・・式１
ここで、νbは、ブリルアン周波数シフトであり、△νbは、ブリルアンゲイン線幅（半値全幅）と呼ばれ、これらはブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）を特徴づけるパラメータである。
【０００４】
ブリルアン周波数シフトνbは、式２で与えられる。
νb＝２ｎｖa／λ                                                     ・・・式２
ここで、ｎは、光ファイバの屈折率であり、ｖaは、光ファイバ中の音速であり、λは、光ファイバに入射する光の波長である。
【０００５】
音速ｖaが光ファイバの歪み及び温度に依存するので、ブリルアン周波数シフトνbを測定することによって歪み及び／又は温度が測定され得る。
【０００６】
従って、光ファイバの長尺方向における光ファイバの歪み分布及び／又は温度分布を測定するためには、光ファイバの各部分におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ測定すればよい。そして、高空間分解能を達成するためには、この部分の長さを短くする必要がある。
【０００７】
図２４は、背景技術に係る分布型光ファイバセンサの構成及びプローブ光を示す図である。図２４（Ａ）は、背景技術に係る分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図であり、図２４（Ｂ）は、第１のプローブ光を示す図であり、そして、図２４（Ｃ）は、第２のプローブ光を示す図である。図２５は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。図２５の横軸は、周波数であり、その縦軸は、ロス／ゲインである。
【０００８】
図２４において、背景技術に係る分布型光ファイバセンサ５００は、プローブ光光源５０１と、光カプラ５０２と、検出用光ファイバ５０３と、ポンプ光光源５０４と、検出器５０５とを備えて構成される。
【０００９】
プローブ光光源５０１は、図２４（Ｂ）に示すパルス状の光パルスを生成し、この生成した光パルスをプローブ光として射出する。プローブ光光源５０１から射出されたプローブ光は、光カプラ５０２を介して検出用光ファイバ５０３の一方端に入射される。検出用光ファイバ５０３は、置かれた環境における歪み及び／又は温度を検出するための光ファイバであり、センサとして用いられている。ポンプ光光源５０４は、プローブ光の周波数よりも低い周波数の連続した光を生成し、この生成した連続光（ＣＷ光）をポンプ光として射出する。ポンプ光光源５０４から射出されたポンプ光は、検出用光ファイバ５０３の他方端に入射される。検出用光ファイバ５０３では、プローブ光とポンプ光とがブリルアン散乱現象を起し、このブリルアン散乱現象に係る光は、光カプラ５０２を介して検出器５０５に入射される。検出器５０５は、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を時間領域で測定する。分布型光ファイバセンサ５００は、ポンプ光又はプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数ごとにブリルアン散乱現象に係る光の光強度を時間領域で測定し、検出用光ファイバ５０３の長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）をそれぞれ求め、検出用光ファイバ５０３に沿った歪み分布及び／又は温度分布を求める。
【００１０】
なお、上述では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）から歪み及び／又は温度を求める方法を示したが、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることにより、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）の代わりにブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）を用いても同様に歪み及び／又は温度を求めることができる。
【００１１】
この分布型光ファイバセンサ５００の空間分解能は、測定に用いられる光パルスの幅で制限される。即ち、光ファイバ中の光の速度をｖｇ［ｍ／ｓ］とした場合に、光パルス幅がＴp［ｓ］の光パルスを用いた測定では、空間分解能△ｚは、ｖｇＴp／２［ｍ］となる。具体的には、光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが通常使用される一般的な光ファイバでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）又はブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）（以下、「ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）」と略記する。）は、光パルスの光パルス幅が３０ｎｓまではローレンツ曲線（Lorentzain curve）（図２５に示す曲線ａ）であり、それよりも光パルス幅を短くすると広帯域な曲線（図２５に示す曲線ｂ）となって中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、空間分解能△ｚは、約２〜３ｍとなる。空間分解能を向上させるためには短い光パルス幅の光パルスを必要とするが、この場合光パルスの持つスペクトル幅が広がるため、結果的に歪みの測定精度が悪くなってしまう。そのため、高精度（例えば２００με以下）で高空間分解（例えば１ｍ以下）に歪み及び／又は温度の分布を測定することは、困難とされ、高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度の分布を測定することが要望されていた。なお、１００με＝０．０１％である。
【００１２】
そのため、例えば、下記文献１乃至文献３に開示されているように、プローブ光光源５０１が図２４（Ｃ）に示すように、微弱な光強度Ｃs２の連続光（漏れ光）を検出用光ファイバ５０３に入射しながら所定の光強度Ａs２の光パルスを入射することによって、図２５において曲線ａで示すように、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）が中心周波数を明らかに認識することができる略中心周波数で急峻なピークを持つ略ローレンツ曲線となるので、高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度を測定することができることが知られている。
【００１３】
ここで、ローレンツ曲線は、ローレンツ関数ｇ（ｘ）の式３で一般に表される。
ｇ（ｘ）＝１／πａ／（ａ２＋（ｘ−ａ）２）                            ・・・式３
【００１４】
文献１
X.Bao and A.Brown,M. DeMerchant,J.Smith,”Characterization of the Brillouin-loss spectrum of single-mode fibers by use of very short(<10-ns)pulses”,OPTICS LETTERS,Vol.24,No.8,April 15,1999
文献２
V.Lecoeuche,D.J.Webb,C.N.Pannell,and D.A.Jackson,”Transient response in high-resolution Brillouin-based distributed sensing using probe pulses shorter than the acoustic relaxation time”,OPTICS LETTERS,Vol.25,No.3,February 1,2000
文献３
Shahraam Afshar V.,Graham A.Ferrier,Xiaoyi Bao,and Liang Chen,”Effect of the finite extinction ratio of an electro-optic modulator on the performance of distributed probe-pump Brillouin sensor systems”,OPTICS LETTERS,Vol.28,No.16,August 15,2003
【００１５】
ところで、漏れ光の光強度Ｃs２の設定は、検出用光ファイバの長さに依存するため、測定のたびに検出用光ファイバのファイバ長に合わせてマニュアルで微妙な調整を行う必要があった。このため、分布型光ファイバセンサを工業製品とした場合に、ユーザがこの難しいマニュアル調整を行う必要があり、このことが分布型光ファイバセンサを工業製品化する妨げとなっていた。
【００１６】
そして、文献２では、その筆者らは、シミュレーションを行うことにより文献１の現象を確認しているが理論解析的には明らかにしていない。文献２では、微弱な光強度の連続光（漏れ光）を検出用光ファイバに入射しながら所定の光強度の光パルスを入射することによって高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度を測定することができるその要因が明らかではなかった。そのため、高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度を測定するために、微弱な光強度の連続光と所定の光強度の光パルスとにおける物理的な諸量をどのように調整すれば良いかが明らかではなかった。
【００１７】
さらに、背景技術に係る分布型光ファイバセンサでは、歪みが広範囲（例えば、設定した空間分解能の２５倍以上）に均等に分布している場合において、その中の２００με以下の微小な歪みを検出することが困難であった。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、かかる現象を理論解析的に明らかにし、この理論解析結果に基づいて、検出用光ファイバのファイバ長に合わせて漏れ光の光強度のマニュアル調整が不要な分布型光ファイバセンサを提供することを目的とする。そして、歪みが広範囲に均等に分布している場合において、その中の２００με以下の微小な歪みを検出可能な分布型光ファイバセンサを提供することを目的とする。
【発明の開示】
【００１９】
上述の目的を達成するために、本発明に係る一態様の、ブリルアン散乱現象を利用して歪み及び／又は温度を測定する分布型光ファイバセンサは、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを生成する階段状光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、階段状の前記光パルスがプローブ光として入射されると共に前記連続光がポンプ光として入射され、前記プローブ光と前記ポンプ光との間でブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る他の一態様の、ブリルアン散乱現象を利用して歪み及び／又は温度を測定する分布型光ファイバセンサは、予め設定された時間幅及び光強度の光パルス前方光と予め設定された時間幅及び前記光パルス前方光の光強度よりも大きな光強度の光パルスとを生成する階段状光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記光パルス前方光及び前記光パルスがプローブ光として入射されると共に前記連続光がポンプ光として入射され、前記プローブ光と前記ポンプ光との間でブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えることを特徴とする。
【００２１】
そして、それら上述の一態様に係る分布型光ファイバセンサにおいて、前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射し、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定することを特徴とする。
【００２２】
また、それら上述の一態様に係る分布型光ファイバセンサにおいて、前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記検出用光ファイバは、伝播する前記ポンプ光をその他方端で反射し、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定することを特徴とする。
【００２３】
さらに、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバから射出したブリルアン散乱現象を受けたポンプ光に基づく前記検出用光ファイバの長尺方向の１ｍ以下の各領域部分におけるブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルが実質的にローレンツ曲線であることを特徴とする。
【００２４】
そして、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、入射光の光強度を調整すると共に入射光の偏光面をランダムに変更して射出する光強度・偏光調整部と、入射光の光強度を調整する光強度調整部とをさらに備え、前記プローブ光は、前記光強度・偏光調整部を介して前記検出用光ファイバに入射し、前記ポンプ光は、前記光強度調整部を介して前記検出用光ファイバに入射することを特徴とする。
【００２５】
また、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記階段状光パルス光源及び前記連続光光源は、線幅の狭い所定の周波数であって略一定の光強度である光を連続的に発光する発光素子と、前記発光素子の温度を実質的に一定に保持する温度制御部と、前記発光素子が発光する前記光の周波数を実質的に一定に保持する周波数制御部とを備えることを特徴とする。
【００２６】
また、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記階段状光パルス光源は、線幅の狭い所定の周波数であって略一定の第１光強度である光を連続的に発光する発光素子と、入射光の光強度を変調する第１及び第２光強度変調器と、前記第１光強度よりも小さい第２光強度の連続的な光の中に前記第１光強度の光パルスが在るように、前記発光素子から連続的に入射された光の光強度を変調するように第１光強度変調器を駆動する第１光強度変調器駆動部と、前記光パルスの前後にそれぞれ所定の幅だけ前記第２光強度の連続的な光を残して残余が除去されるように、前記第１光強度変調器から入射された光の光強度を変調するように第２光強度変調器を駆動する第２光強度変調器駆動部とを備えることを特徴とする。
【００２７】
さらに、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記階段状光パルス光源は、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった第１光パルスを生成すると共に、前記第１光パルスの時間幅と等しい時間幅であって、前記第１光パルスの最も低い光強度と等しい光強度である第２光パルスを生成するものであり、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記階段状光パルス光源に前記第２光パルスを生成させてプローブ光として前記検出用光ファイバに入射させると共に、前記連続光光源に前記連続光を生成させてポンプ光として前記検出用光ファイバに入射させ、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の第１光強度を記憶し、前記階段状光パルス光源に前記第１光パルスを生成させてプローブ光として前記検出用光ファイバに入射させると共に、前記連続光光源に前記連続光を生成させてポンプ光として前記検出用光ファイバに入射させ、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の第２光強度を記憶し、前記記憶した第１光強度及び第２光強度に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定することを特徴とする。
【００２８】
そして、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバと同質であって空間分解能に相当する長さであり、かつ、前記光パルスの時間幅の逆数によって表される歪みよりも大きな歪みを持つ基準光ファイバをさらに備え、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記階段状光パルス光源に前記光パルスを生成させてプローブ光として前記基準光ファイバに入射させると共に、前記連続光光源に前記連続光を生成させてポンプ光として前記基準光ファイバに入射させ、前記基準光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルの中心周波数を求めて基準値として記憶し、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルの中心周波数を検出値として求め、予め記憶された補正値変換式に基づいて前記基準値と前記検出値と前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルとから補正値を求め、求めた前記補正値に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定することを特徴とする。
【００２９】
また、歪みが広範囲に均等に分布している場合において、その中の２００με以下の微小な歪みを検出可能とする観点から、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバは、周期的にブリルアン周波数シフト量が変化する光ファイバであることを特徴とする。
【００３０】
さらに、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバは、歪み及び／又は温度を測定すべき計測対象物に固定されることを特徴とする。
【００３１】
このような構成の分布型光ファイバセンサでは、光強度が階段状になった光パルス（以下、「光強度階段状光パルス」と呼称することとする。）をプローブ光に用いる。このため、最も光強度の強い部分の前方の限られた部分のみに、あるいは、最も光強度の強い部分の前方の限られた部分及び後方の限られた部分のみに背景技術の漏れ光に相当する光強度の弱い部分が存在することになり、背景技術のように連続した漏れ光ではなくなる。その結果、光強度階段状光パルスの波形を予め設定することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバのファイバ長に合わせてプローブ光（光パルス）の漏れ光の光強度Ｃs２をマニュアルで調整する必要がない。よって、本発明に係る分布型光ファイバセンサを工業製品化することも可能である。
【００３２】
そして、以下、光強度階段状光パルスをプローブ光として用いた場合におけるブリルアン散乱現象の理論解析について図１乃至図３を用いて説明し、そして、光強度階段状光パルスの波形について図４及び図５を用いて説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係るブリルアン散乱現象の理論解析を説明するための図である。図１（Ａ）は、本発明に係るブリルアン散乱現象の理論解析における測定系を示し、図１（Ｂ）は、ポンプ光を示し、そして、図１（Ｃ）は、プローブ光を示す。図２は、論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その１）である。図３は、論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その２）である。図４は、光強度階段状光パルスの波形を示す図である。図５は、論理解析に基づく比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）のシミュレーションを示す図である。
【００３４】
まず、理論解析について説明する。図１において、本理論解析は、光強度ＡL２である連続光（ＣＷ）のポンプ光が検出用光ファイバＳＯＦの一方端から入射され、時間幅Ｔfで光強度Ｃs２である光パルス前方光ＯＰfとパルス幅Ｄで光強度（Ａs＋Ｃs）２である光パルスＯＰとからなる光強度階段状光パルスＯＰsがプローブ光として検出用光ファイバＳＯＦの他方端から入射される場合におけるブリルアン・ロス・スペクトルを導出するものである。光強度Ａs２は、光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｃs２を基準とした光強度である。
【００３５】
ここで、本明細書では、この光強度階段状光パルスＯＰsの光パルスＯＰにおける前方に所定の時間幅Ｔfで残された連続的な漏れ光を光パルス前方光ＯＰfと呼称し、光強度階段状光パルスＯＰsの光パルスＯＰにおける後方に所定の時間幅Ｔbで残された連続的な漏れ光を光パルス後方光ＯＰbと呼称することとする。
【００３６】
本理論解析において、検出用光ファイバＳＯＦの長さをＬとし、検出用光ファイバＳＯＦの長尺方向における位置座標をｚ（０≦ｚ≦Ｌ、原点は、検出用光ファイバＳＯＦの一方端とする）とし、そして、時間座標をｔとすると、検出用光ファイバに歪みがある場合のブリルアン散乱の方程式は、式４乃至式６によって表される。
【００３７】
【数１】
0004463818.tif 000002
【００３８】
【数２】
0004463818.tif 000003
【００３９】
【数３】
0004463818.tif 000004
ここで、ｖgは検出用光ファイバＳＯＦ中における光の群速度（ｖg＝ｃ／ｎ、ｃは光速であり、ｎは検出用光ファイバＳＯＦの屈折率である）であり、ＥLはポンプ光の電界強度であり、ＥSはストークス光の電界強度であり、ＥAはΓ×ρ／Λである。＊は共役であることを示す。ΓはΓB／２であり、ρは検出用光ファイバの密度であり、Λは（γ×ｑ×ｑ）／（１６×π×Ω）である。ΓBは、音響フォノンの寿命をτBとするとΓB＝１／τBであり、γは電歪結合定数（Electrostrietive Coupling Constant）と呼ばれ誘電率をεとするとγ＝ρ（δε／δρ）であり、ｑはポンプ光の波数をｋLとしストークス光の波数をｋSとするとｑ＝ｋL＋ｋSであり、Ωは歪みが発生しない場合のブリルアン角周波数シフトであり、ポンプ光の角周波数をωLとしストークス光の角周波数をωSとするとΩ＝ωL−ωSであり、ΩBは或る歪みが生じている場合のブリルアン角周波数シフトであり、ポンプ光の角周波数をωＢＬとしストークス光の角周波数をωＢＳとするとΩＢ＝ωＢＬ−ωＢＳである。ｉは複素単位であり、ｉ×ｉ＝−１である。βはκ×Λ／Γであり、κは（γ×ωL）／（４×ρ０×ｎ×ｃ）≒（γ×ωS）／（４×ρ０×ｎ×ｃ）である。ρ０は、検出用光ファイバの密度の平均値である。また、βは、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の利得係数をｇSBSとすると、ｇSBS＝１６×π×β／（ｎ×ｃ）であり、ｇSBS＝２．５×１０−１１ｍ／Ｗであることが例えば、文献４に示されている。
【００４０】
文献４
A.L.Gaeta and R.W.Boyd,”Stochastic dynamoics of stimulated Brillouin scattering in an optical fiber”,Physical Review A,Vol.44,no.5,1991,pp3205-3209
【００４１】
式４は、ポンプ光に関する式であり、式５は、プローブ光に関する式であり、式６は、音響フォノンの寿命に関する式である。これら式４乃至式６を解いて、近似解として、ブリルアン・ロスＶ（ｔ、Ω）を求めると、式７乃至式１１となる。
【００４２】
【数４】
0004463818.tif 000005
【００４３】
【数５】
0004463818.tif 000006
【００４４】
【数６】
0004463818.tif 000007
【００４５】
【数７】
0004463818.tif 000008
【００４６】
【数８】
0004463818.tif 000009
ここで、ζは検出用光ファイバの長尺方向における位置であり、ｓは時間である。ｃ．ｃは、定数であり、ｈ（ｚ，ｓ）は、検出用光ファイバの全長をＬＬとすると、位置ｚで時間ｓにおけるΓ×ｅ−（Γ＋ｉ（ΩＢ（ｚ）−Ω））であり、ｈｃ（ζ，ｓ）＝ｈ（ｚ，ｓ）＝ｈ（（ＬＬ−ζ）、ｓ）である。
【００４７】
この式８によって示されるＨ1は、光パルスＯＰとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。式９によって示されるＨ2は、光パルス前方光ＯＰfとポンプ光とにより励起されさらに光パルスＯＰとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。式１０によって示されるＨ3は、光パルスＯＰとポンプ光とにより励起されさらに光パルス前方光ＯＰfとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。式１１によって示されるＨ4は、光パルス前方光ＯＰfとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。
【００４８】
一例として、光強度階段状光パルスＯＰsにおけるその時間幅を１４ｎｓ、光パルスＯＰの時間幅Ｄを１ｎｓ、１０×ｌｏｇ（（Ａs＋Ｃs）２／Ｃs２）を２０ｄＢとし、検出用光ファイバＳＯＦ（全長１０ｍの零歪みの束取りファイバ）における３．０５ｍの所に１００μεの歪みが生じ、３．０５ｍ±０．２ｍの所では歪みが生じていない場合について、３．０５ｍ−０．２ｍ、３．０５ｍ、３．０５ｍ＋０．２ｍにおけるＨ1＋Ｈ3、Ｈ2及びＨ4対する各シミュレーションの結果を図２及び図３に示す。図２（Ａ）はＨ1＋Ｈ3の場合であり、図２（Ｂ）はＨ2の場合であり、図３（Ａ）は、Ｈ4の場合であり、図３（Ｂ）は、Ｈ（＝Ｈ1＋Ｈ2＋Ｈ3＋Ｈ4）の場合である。各図の横軸は、周波数であり、実線は、１００μεの歪みがある場合であり、破線は、歪みがない場合である。そして、各図は、ブリルアン・ロス・スペクトルが中心周波数（ブリルアン・ロス・スペクトルのピークにおける周波数）を中心軸として左右対称であることから、右半分について示している。即ち、各図の縦軸が中心周波数であり、中心軸である。図２からＨ2の成分のみが顕著にブリルアン周波数シフトを示していることが分かる。
【００４９】
式７乃至式１１から分かるように、Ｈ3及びＨ4は、プローブ光からポンプ光へのエネルギーの転移が広範囲に亘ることから、局所的な歪みの情報が得難い。一方、Ｈ1及びＨ2は、プローブ光からポンプ光へのエネルギーの転移が局所的に行われることから、局所的な歪みの情報が得易い。ところで、シミュレーションの結果によると、Ｈ3は、他のＨ1、Ｈ2及びＨ4に較べて１桁小さく、Ｈ1の半値全幅は、例えば図２（Ａ）から分かるように約１ＧＨｚに及ぶため、Ｈ2に較べてＨ1は、広帯域な曲線となって中心周波数を見つけ難い。
【００５０】
従って、Ｈ2を検出することができるように設定することによって、短いパルス幅の光パルスを用いて高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度を検出することができる。
【００５１】
次に、このＨ2を検出することができる光強度階段状光パルスＯＰsの波形について説明する。
【００５２】
本発明におけるプローブ光は、波形を予め設定して検出用光ファイバのファイバ長に応じた調整を不要とするために、例えば図４に示す光強度階段状光パルスＯＰsとする必要がある。
【００５３】
ここで、本明細書では、この光強度階段状光パルスＯＰsの光パルスＯＰにおける前方に所定の時間幅Ｔfで残された連続的な漏れ光を光パルス前方光ＯＰfと呼称し、光強度階段状光パルスＯＰsの光パルスＯＰにおける後方に所定の時間幅Ｔbで残された連続的な漏れ光を光パルス後方光ＯＰbと呼称することとする。
【００５４】
この光強度階段状光パルスＯＰsの波形を規定するためには、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰのパルス幅（時間幅）Ｔp及び光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔb、並びに、光パルスＯＰの光強度Ｐ1及び光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2）を規定する必要がある。
【００５５】
まず、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰのパルス幅Ｔp及び光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbについて説明する。
【００５６】
この光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfは、例えば現在一般に使用されている１３００ｎｍ帯シングルモード光ファイバや１５５０ｎｍ帯シングルモード光ファイバを検出用光ファイバＳＯＦに使用する場合に、音響フォノンの立上り時間に応じてその音響フォノンが９０％に立ち上がった場合で、そのブリルアン散乱スペクトルの半値全幅が約３５ＭＨｚであるから、Ｔp＜Ｔf≦（１／３５ＭＨｚ）＝２８．５７ｎｓであればよい。
【００５７】
また、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfを長くすると（Ｔf＞２８．５７ｎｓ）、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の形状がよりローレンツ曲線に近くなるので、ブリルアン周波数シフトの値が精度よく得られ歪み及び／又は温度の精度が良くなる一方で、検出用光ファイバＳＯＦの或る位置におけるブリルアン周波数シフトにこの或る位置の周辺におけるブリルアン周波数シフトの情報が混じってしまうのでこの或る位置におけるブリルアン周波数シフトのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が悪くなってこの或る位置における歪み及び／又は温度の精度が悪くなる。このように光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfを長くすることは、歪み及び／又は温度の精度の点で良くなる方向と悪くなる方向とに作用する。
【００５８】
光パルスＯＰのパルス幅Ｔpは、１ｍ以下の高空間分解能を得るために１０ｎｓ≧Ｔp＞０であればよい。光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbは、Ｔb＜Ｔfであって短い程よく、０でもよい。
【００５９】
そして、本発明では、光強度階段状光パルスＯＰsが検出用光ファイバＳＯＦ内で図２４（Ｃ）ではなく図４の波形で存在する必要がある。このため、上述の範囲で、まず光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰの時間幅Ｔp及び光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbが決定され、この決定された各時間幅を持つ光強度階段状光パルスＯＰsが検出用光ファイバＳＯＦ内で図４の波形で存在する検出用光ファイバＳＯＦの最小の長さが規定される。従って、この規定された最小の長さ以上の光ファイバを検出用光ファイバＳＯＦに使用することにより、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバＳＯＦのファイバ長に応じてプローブ光をマニュアルで調整する必要がなくなる。
【００６０】
次に、光パルスＯＰの光強度Ｐ1及び光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2）について説明する。
【００６１】
ここで、光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2）に対する光パルスＯＰの光強度Ｐ1の比Ｐrxを式１２によって定義する。
Ｐrx＝１０×ｌｏｇ（Ｐ1／Ｐ2）
＝１０×ｌｏｇ（（Ａs＋Ｃs）２／Ｃs２）                        ・・・式１２
【００６２】
そして、上述のＨ2を容易に検出する条件を調べるため、式１２によって定義される比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）をシミュレーションした。なお、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）は、Ｈ1、Ｈ2、Ｈ3及びＨ4の各ピークの値をそれぞれ用いて計算した。一例として、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfが１１ｎｓであり、光パルスＯＰの時間幅Ｔpが１ｎｓであり、そして、光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbが０ｎｓである光強度階段状光パルスＯＰsを用いた場合の論理解析に基づくシミュレーションの結果を図５に示す。図５の横軸はｄＢ単位で表す比Ｐrxであり、図５の縦軸はＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）である。なお、シミュレーションにおける検出用光ファイバＳＯＦ（全長１０ｍの零歪みの光ファイバ）には、３．０５ｍの所で１００μεの歪みが生じ、３．０５±０．２ｍの所では歪みが生じていないと仮定してシミュレーションを行った。
【００６３】
図５から分かるように、比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）を示す曲線は、比Ｐrxが所定の値でピークを持つ上に凸形状の高次曲線である。Ｈ2を検出するためには、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が０．５以上であればよいことから、このような曲線を得ることによって、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が０．５以上となる比Ｐrxの範囲（ａ≦比Ｐrx≦ｂ）を求めることができ、最も精度よくＨ2を検出するためには、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が最高値、即ちピークとなる比Ｐrxの値（比Ｐrx＝ｃ）とすればよい。
【００６４】
従って、各時間幅が上述のように設定した光強度階段状光パルスＯＰsを用いる場合において、高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度を検出するためにはＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が約０．５以上となる比Ｐrxの範囲内の値に、そして、最も高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度を検出するためにはＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）がピークとなる比Ｐrxの値に、光強度階段状光パルスＯＰsの比Ｐrxを設定すればよい。
【００６５】
以上の説明から、高精度で高空間分解能に歪み及び／又は温度を検出し、そして、微小な歪みの変化を検出するためには、上述の各範囲で光強度階段状光パルスＯＰsの各時間幅Ｔf、Ｔp、Ｔbをそれぞれ決定し、この決定した各時間幅Ｔf、Ｔp、Ｔbを持つ光強度階段状光パルスＯＰsにおいて、式１２によって定義される比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）を式８乃至式１１に基づいてシミュレーションし、そして、シミュレーションの結果におけるＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が０．５以上となる比Ｐrx、特にこのＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）がピークとなる比Ｐrxを光強度階段状光パルスの比Ｐrxに設定すればよい。また、この決定した各時間幅Ｔf、Ｔp、Ｔbを持つ光強度階段状光パルスＯＰsから検出用光ファイバＳＯＦにおける使用可能な最小の長さが規定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
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。
【００６７】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態における分布型光ファイバセンサは、歪み及び／又は温度を検出するための検出用光ファイバの一方端から光強度階段状パルス光のプローブ光を入射すると共にこの検出用光ファイバの他方端から連続光のポンプ光を入射して、検出用光ファイバで生じたブリルアン散乱現象に係る光を受光し、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（ＢＧain−ＯＴＤＡ、Brillouin Gain Optical Time Domain Analysis）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（ＢＬoss−ＯＴＤＡ、Brillouin Loss Optical Time Domain Analysis）を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪み及び／又は温度の分布を検出するものである。以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析をブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析と略記する。このブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析では、ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン減衰／増幅を受けた光である。
【００６８】
図６は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図７は、分布型光ファイバセンサにおける階段状光パルス光源の構成を示すブロック図である。図８は、分布型光ファイバセンサにおける自動温度制御器の構成を示すブロック図である。図９は、分布型光ファイバセンサにおける自動周波数制御器の構成を示すブロック図及びその動作原理を説明するための図である。図１０は、階段状光パルスの生成を説明するための図である。図１１は、分布型光ファイバセンサにおける光強度・偏光調整部の構成を示すブロック図である。図１２は、第１の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。図１３は、分布型光ファイバセンサにおける光強度調整部の構成を示すブロック図である。
【００６９】
図６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１は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、光強度・偏光調整部１３と、光サーキュレータ１４と、光コネクタ１５と、制御処理部１６と、ブリルアン時間領域検出計１７と、検出用光ファイバ１８と、ＣＷ光源１９と、光カプラ２０と、光強度調整部２１と、光コネクタ２２とを備えて構成される。
【００７０】
階段状光パルス光源１１は、制御処理部１６によって制御され、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを生成する光源装置である。このような光パルスは、見かけ上、互いに異なる光強度の光パルスが多重されているように見える。階段状光パルス光源１１の出力端子（射出端子）は、光カプラ１２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。
【００７１】
このような階段状光パルス光源１１は、例えば、図７に示すように、基板１０１と、温度検出素子１０２と、発光素子１０３と、光カプラ１０４と、ファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotEtalon Filter以下、「ＥＦ」と略記する。）１０５と、第１受光素子１０６と、第２受光素子１０７と、温度調整素子１０８と、自動温度制御器（Automatic Temperature Controller、以下、「ＡＴＣ」と略記する。）１０９と、自動周波数制御器（Automatic Frequency Controller、以下、「ＡＦＣ」と略記する。）１１０と、第１光強度変調器１１１と、第１光強度変調器駆動部１１２と、第２光強度変調器１１３と、第２光強度変調器駆動部１１４とを備えて構成される。
【００７２】
基板１０１は、温度検出素子１０２、発光素子１０３、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１受光素子１０６及び第２受光素子１０７が載置される架台である。
【００７３】
温度検出素子１０２は、発光素子１０３の近傍に配置され、発光素子１０３の温度を検出するための部品であり、例えば、抵抗値が温度変化に応じて変化することによって温度を検出するサーミスタである。温度検出素子１０２が発光素子１０３の温度を精度よく検出し得る観点から、基板１０１は、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属材料（合金を含む）であることが好ましい。また、基板１０１は、温度変化を少なくすることができるように、その熱容量が大きいことが好ましい。
【００７４】
温度調整素子１０８は、発熱及び吸熱を行うことにより基板１０１の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子である。本実施形態では、Ｐ型とＮ型の熱電半導体を銅電極にはんだ付けしたペルチェ素子が用いられ、発光素子１０３等が配置された基板１０１の面と逆の面にこのペルチェ素子が密着状態で配置される。
【００７５】
ＡＴＣ１０９は、温度検出素子１０２の検出出力に基づいて温度調整素子１０８を制御することによって、基板１０１の温度を所定の温度に自動的に略一定に保持する回路である。
【００７６】
ＡＴＣ１０９は、例えば、図８に示すように、温度検出素子１０２の検出出力と制御処理部１６からの参照電圧Ｖref1とが入力されこれらの差分を出力する増幅器２０１と、増幅器２０１の差分出力が入力される例えばローパスフィルタ回路から成る積分回路２０２と、増幅器２０１の差分出力が入力される例えばハイパスフィルタ回路から成る微分回路２０３と、積分回路２０２の積分出力及び微分回路２０３の微分出力が入力されその比例を出力する比例回路２０４と、比例回路２０４のプラス出力及びマイナス出力に応じて温度調整素子ドライバ２０７を駆動する出力を得る増幅器２０５、２０６と、比例回路２０４の比例出力に応じて温度調整素子１０８の駆動電流を生成するブリッジ回路からなる温度調整素子ドライバ２０７とを備えて構成される。即ち、ＡＴＣ１０９は、温度検出素子１０２の検出出力に基づいて温度調整素子１０８をＰＩＤ制御する構成である。参照電圧Ｖref1は、基板１０１が所定の温度である場合における温度検出素子１０２の検出出力と同じ値に設定される。
【００７７】
このような構成によって、ＡＴＣ１０９は、基板１０１が所定の温度よりも高い場合には、温度調整素子１０８が吸熱するように温度調整素子１０８を駆動し、基板１０１が所定の温度よりも低い場合には、温度調整素子１０８が発熱するように温度調整素子１０８を駆動する。本実施形態では、温度調整素子１０８であるペルチェ素子に吸熱時には＋１．４Ａの電流が供給され、発熱時には−０．６Ａの電流が供給される。このようにＡＴＣ１０９が温度調整素子１０８を駆動することによって基板１０１の温度が所定の温度に自動的に略一定に保持される。その結果、発光素子１０３の温度も所定の温度に自動的に略一定に保持される。そのため、発光素子１０３が発光する光の周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。そして、所定の温度は、発振すべき発振周波数ｆ０で発光素子１０３が発振する場合における温度である。また、比例回路２０４の比例出力は、基板１０１の温度安定度をモニタするために、アナログ／ディジタル変換されて制御処理部１６に出力される。
【００７８】
図７に戻って、発光素子１０３は、線幅の狭い所定の周波数の光を発光すると共に素子温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる素子であり、例えば、多量子井戸構造ＤＦＢレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）である。周波数可変半導体レーザが発光するレーザ光の周波数は、温度に依存するが、上述のようにＡＴＣ１０９によって所定の温度に自動的に略一定に保持されるため発振周波数の温度依存性が抑制され、周波数可変半導体レーザは、駆動電流によって発振周波数を安定的に変更し得る。
【００７９】
光カプラ１０４は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、例えば、ハーフミラー等のビームスプリッタである。ＥＦ１０５は、周波数（波長）の変化に従って周期的に透過光強度が変化する周期的な透過周波数特性（周期的な透過波長特性）を持つ周期的フィルタである。ＥＦ１０５のＦＳＲ（Free Spectral Range）は、本実施形態では１００ＧＨｚである。第１及び第２受光素子１０６、１０７は、受光した光の光強度に応じた電流を発生し、この発生した電流を電圧に変換して出力する光電変換素子であり、例えば、ホトダイオードや抵抗器を備えて構成される。
【００８０】
発光素子１０３の前方及び後方から射出される光（本実施形態では、レーザ光）は、それぞれ第１光強度変調器１１１及び光カプラ１０４に入射される。発光素子１０３の後方から光カプラ１０４に入射された光は、光カプラ１０４で所定の分配比で２つに分配され、分配された一方の光は、第２受光素子１０７に入射され、分配された他方の光は、ＥＦ１０５を介して第１受光素子１０６に入射される。第１及び第２受光素子１０６、１０７は、入射された光の光強度に応じた電圧を受光出力としてそれぞれＡＦＣ１１０へ出力する。
【００８１】
ＡＦＣ１１０は、第１及び第２受光素子１０６、１０７の受光出力ＰＤv1、ＰＤv2に基づいて発光素子１０３を制御することによって、発光素子１０３が発光する光の周波数を所定の周波数に自動的に略一定に保持する回路である。
【００８２】
ＡＦＣ１１０は、例えば、図９（Ａ）に示すように、第１受光素子１０６の受光出力ＰＤv1を増幅する増幅器２１１と、第２受光素子１０７の受光出力ＰＤv2を増幅する増幅器２１２と、増幅器２１１で増幅された第１受光素子１０６の受光出力ＰＤv1を増幅器２１２で増幅された第２受光素子１０６の受光出力ＰＤv2で割る割り算を行う割算回路２１３と、割算回路２１３の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2を増幅しアナログ／ディジタル変換を行って制御処理部１６へ出力する増幅器２１６と、割算回路２１３の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2と制御処理部１６からの参照電圧Ｖref2とが入力されこれらの差分を出力する増幅器２１４と、増幅器２１４の差分出力を増幅しアナログ／ディジタル変換を行って制御処理部１６へ出力する増幅器２１７と、増幅器２１４の差分出力と制御処理部１６からの参照電圧Ｖref3とが入力されこれらの差分を出力する増幅器２１５とを備えて構成される。
【００８３】
発光素子１０３が発光する光の周波数を発光素子１０３が発振すべき所定の周波数ｆ０に自動的に略一定に保持するＡＦＣ１１０の動作について説明する。
【００８４】
上述の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2は、発光素子１０３から周期的な透過周波数特性を持つＥＦ１０５を介して受光した光の光強度（受光出力ＰＤv1）を発光素子１０３から直接受光した光の光強度（受光出力ＰＤv2）で割った値であるから、図９（Ｂ）に示す曲線ｃのように、ＥＦ１０５のＦＳＲに合わせて周波数の変化に従って周期的に変化することになる。
【００８５】
発光素子１０３が発振すべき発振周波数ｆ０（即ち、発光素子１０３が発光すべき光の周波数ｆ０）に対応する曲線ｃ上の点をロックポイント（Lock Point）とし、その割算出力ＰＤv1／ＰＤv2の値をロックポイント値ＬＰ０とする。
【００８６】
従って、仮に発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ０よりも高くなると割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ０よりも大きくなり、逆に、発振周波数ｆ０よりも低くなると割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ０よりも小さくなる。
【００８７】
そこで、ＡＦＣ１１０は、割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ０よりも大きい場合には、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ０よりも高い場合であるから、発光素子１０３の光の周波数が下がるように発光素子１０３を駆動し、一方、割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ０よりも小さい場合には、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ０よりも低い場合であるから、発光素子１０３の光の周波数が上がるように発光素子１０３を駆動すればよい。
【００８８】
このため、上述の参照電圧Ｖref3は、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ０で駆動されている場合の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2と同じ値に設定され、そして、上述の参照電圧Ｖref2は、微調整を行うための参照電圧であり、さらに正確にロックポイント値ＬＰ０に合わせるべく参照電圧Ｖref2が設定される。このように参照電圧Ｖref2、Ｖref3は、発光素子１０３の光の周波数が発振すべき発振周波数ｆ０で駆動するロックポイント値ＬＰ０になるように設定される。
【００８９】
このように参照電圧Ｖref2及びＶref3が設定され、ＡＦＣ１１０が動作することによって、ＡＦＣ１１０は、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ０からズレを生じると、このズレを解消するように発光素子１０３を駆動することができる。本実施形態では、発光素子１０３に周波数可変半導体レーザが用いられるから、ＡＦＣ１１０は、発振すべき発振周波数ｆ０からのズレに応じて注入電流を調整するので、波長可変半導体レーザは、自動的に略一定に保持された所定の周波数ｆ０でレーザ光を発光することができる。
【００９０】
このため、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１及び第２受光素子１０６、１０７及びＡＦＣ１１０は、発光素子１０３が発光する光の波長（周波数）を略固定する所謂波長ロッカーを構成している。
【００９１】
第１及び第２光強度変調器１１１、１１３は、入射光の光強度を変調する光部品であり、例えば、マッハツェンダ型光変調器（以下、「ＭＺ光変調器」と略記する。）や半導体電界吸収型光変調器等である。
【００９２】
ＭＺ光変調器は、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の電気光学効果を有する基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成される。光導波路は、２個のＹ分岐導波路でその中間部分が２本に分かれて第１および第２導波路アームを形成して、マッハ・ツェンダ干渉計（Mach-Zehnder interferometer）を構成する。信号電極は、この２本の導波路アーム上にそれぞれ形成され、接地電極は、所定の間隔で信号電極と平行するように基板上に形成される。ＭＺ光変調器に入射された光は、光導波路を伝播し、第１Ｙ分岐導波路で２つに分岐し、それぞれ各導波路アームを伝播し、第２Ｙ分岐導波路で再び合波され、光導波路から射出される。ここで、各信号電極に電気信号、例えば、高周波信号を印加すると電気光学効果によって各導波路アームの屈折率が変化するため、第１及び第２導波路アームを伝播する第１及び第２光は、進行速度が変化することになる。このため、各電気信号間で所定の位相差を設けることで、第２Ｙ分岐導波路で第１光と第２光とが異なる位相で合波されることになり、合波された光は、入射した光のモードと異なるモード、例えば、高次モードになる。この異なるモードの合波光は、光導波路を伝播することができないので、光が強度変調されることになる。ＭＺ光変調器は、電気信号→屈折率変化→位相変化→強度変化というプロセスで入射光の光強度を変調する。電気光学効果を利用したものの他、磁気光学効果を利用した磁気光学変調器、音響光学効果を利用した音響光学変調器およびフランツ・ケルディッシュ効果（Franz-Keldysh effect）や量子閉込めシュタルク効果（quantum-confined Stark effect ）を利用した電界吸収型光変調器などもある。
【００９３】
第１及び第２光強度変調器駆動部１１２、１１４は、制御処理部１６によってそれぞれ制御され、それぞれ第１及び第２光強度変調器１１１、１１３を駆動するドライバ回路であり、例えば、第１及び第２光強度変調器１１１、１１３に印加する電圧パルスを発生するパルス発生回路と、この電圧パルスの発生タイミングを制御するタイミング発生回路とを備えて構成される。この電圧パルスは、第１及び第２光強度変調器１１１、１１３がＭＺ光変調器である場合には、上述の電気信号に相当する。
【００９４】
このような構成の階段状光パルス光源１１が階段状光パルスを生成する動作について説明する。図１０（Ａ）は、発光素子１０３の出力光（図７に示す矢印Ａの位置）を示す図であり、図１０（Ｂ）は、第１光強度変調器１１１の出力光（図７に示す矢印Ｂの位置）を示す図であり、そして、図１０（Ｃ）は、第２光強度変調器１１３の出力光、即ち、階段状光パルス光源１１の出力光（図７に示す矢印Ｃの位置）を示す図である。
【００９５】
図１０（Ａ）に示すように、発光素子１０３は、制御処理部１６の制御に基づくＡＦＣ１１０によって、線幅の狭い所定の周波数ｆ０であって略一定の光強度Ｐ1である光ＣＷ０を連続的に発光し射出する。この発光素子１０３によって射出された連続光ＣＷ０は、第１光強度変調器１１１に入射される。
【００９６】
背景技術では光強度変調器は、通常状態ではオフであり、所定のタイミングでオン・オフすることによって図２４（Ｂ）に示す光パルスを生成するものである。光強度変調器がマッハツェンダ型光変調器である場合には、導波路に印加される電圧を調整することにより、オフは、第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光との位相差を１８０度に設定することによって実現され、オンは、第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光の位相を揃えることによって実現される。
【００９７】
図１０（Ｂ）に示すように、本実施形態の第１光強度変調器１１１は、通常状態では第１光強度変調器１１１から射出される光の光強度が光強度Ｐ１より小さく微弱な光強度Ｐ２となるように、制御処理部１６の制御に基づく第１光強度変調器駆動部１１２によって駆動され、タイミングＴ1でオンすると共にタイミングＴ2で通常状態に戻るように、制御処理部１６の制御に基づく第１光強度変調器駆動部１１２によって駆動される。このように第１光強度変調器駆動部１１２によって第１光強度変調器１１１が駆動されることによって、第１光強度変調器１１１に入射した連続光ＣＷ０は、タイミングＴ1まで光強度Ｐ2に変調され、タイミングＴ1からタイミングＴ2まで変調を受けずに光強度Ｐ1のままに為され、タイミングＴ2から再び光強度Ｐ2に変調される。即ち、このように第１光強度変調器駆動部１１２によって駆動されることによって、第１光強度変調器１１１は、図１０（Ｂ）に示す光強度Ｐ2の連続的な漏れ光ＣＷLの中に光強度Ｐ1の光パルスＯＰが在る光を射出する。この光強度Ｐ1は、図１及び図４における光強度Ｐ1（＝（Ａs＋Ｃs）２）に対応し、光強度Ｐ2は、図１及び図４に示す光パルス前方光ＯＰf及び光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2（＝Ｃs２）に対応する。光強度変調器がマッハツェンダ型光変調器である場合には、第１光強度変調器駆動部１１２は、マッハツェンダ型光変調器の第１及び第２導波路アームに印加される電圧を調整することにより、通常状態では光強度がＰ2となるように第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光との位相差を調整し、タイミングＴ1では第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光の位相を揃え、タイミングＴ2では通常状態の光強度がＰ2となるように第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光との位相差を調整する。
【００９８】
そして、連続的な漏れ光ＣＷLと光パルスＯＰから成る図１０（Ｂ）に示す波形の光が第１光強度変調器１１１から第２光強度変調器１１３に入射される。図１０（Ｃ）に示すように、第２光強度変調器１１３は、通常状態ではオフであり、タイミングＴ3でオンすると共にタイミングＴ4で通常状態のオフに戻るように、制御処理部１６の制御に基づく第２光強度変調器駆動部１１４によって駆動される。このように第２光強度変調器駆動部１１４によって第２光強度変調器１１１が駆動されることによって、第１光強度変調器１１１から第２光強度変調器１１３に入射した図１０（Ｂ）に示す波形の光は、タイミングＴ3まで光強度０に変調され（オフされ）、タイミングＴ3からタイミングＴ4まで変調を受けずにそのままに為され、タイミングＴ4から再び光強度０に変調される（オフにされる）。即ち、このように第２光強度変調器駆動部１１４によって駆動されることによって、第２光強度変調器１１３は、光パルスＯＰの前方だけ光強度Ｐ2の連続的な漏れ光ＯＰf（光パルス前方光ＯＰf）を残して残余を除去する。これによって第２光強度変調器１１３は、光強度Ｐ2の光パルスの中に光強度Ｐ2よりも大きい光強度Ｐ1の光パルスが在る光強度が一段階変化する階段状であって線幅の狭い光強度階段状光パルスＯＰsを生成する。なお、タイミングＴ4を調整することによって光パルス後方光ＯＰbを持つ光強度階段状光パルスＯＰsとしてもよい。
【００９９】
ここで、この光強度階段状光パルスＯＰsにおける光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰの時間幅Ｔp及び式１２で定義される比Ｐrxは、前述のように設定される。
【０１００】
本実施形態では、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfは、例えば、５ｎｓや１０ｎｓや１５ｎｓや２０ｎｓ等に設定した。また、光パルスＯＰのパルス幅Ｔpは、前述したように１ｍ以下の高空間分解能を得るために１０ｎｓ以下に設定する必要があるが、検出用光ファイバ１８の或る位置におけるブリルアン周波数シフトにこの或る位置の周辺におけるブリルアン周波数シフトの情報が混じることを抑制し得る観点から、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）をブリルアン時間領域検出計１７が測定する場合におけるサンプリング時間間隔に合わせると好適であり、本実施形態では、光パルスＯＰのパルス幅Ｔpは、５ｎｓや２ｎｓや１ｎｓに設定した。そして、比Ｐrxは、前述したように、比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）を式８乃至式１１に基づいてシミュレーションし、そして、そのシミュレーションの結果に基づいて設定される。本実施形態では、ブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークを検出する上で最も良好なローレンツ曲線を得ることができ、最も高精度で高空間分解能に歪み及び／又は温度を検出することができることから、比Ｐrxは、シミュレーションの結果におけるＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）のピークを与える値に設定される。比Ｐrxは、シミュレーションの結果におけるＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）の値が０．５以上となる比Ｐrxの値に設定しても、高精度で高空間分解能に歪み及び／又は温度を検出することができる。例えば、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfが１２ｎｓであって光パルスＯＰの時間幅Ｔpが１ｎｓである場合において、比Ｐrxは、約１５ｄＢ〜約２７ｄＢの間の値に、そして、最も良好なローレンツ曲線を得るためには約２１ｄＢに設定される。
【０１０１】
なお、第１光強度変調器１１１及び第２光強度変調器１１３の損失を補償するために光を増幅する光増幅器１１５を発光素子１０３から光カプラ１２の光路上に配置してもよい。特に、雑音となる自然放出光（ＡＳＥ、Amplifier Spontaneous Emission）の少ないうちに増幅する観点から図７に破線で示すように第１光強度変調器１１１と第２光強度変調器１１３との間の光路上に配置することが好ましい。光増幅器１１５は、例えば、発光素子１０３が発光する光の周波数に対し利得を持つ光ファイバ増幅器や半導体光増幅器である。光ファイバ増幅器は、例えば、エルビウム（元素記号；Ｅｒ）、ネオジム（元素記号；Ｎｄ）、プラセオジウム（元素記号；Ｐｒ）及びツリウム（元素記号；Ｔｍ）等の希土類元素を光ファイバに添加した希土類元素添加光ファイバ増幅器やラマン増幅を利用したラマン増幅光ファイバ増幅器等がある。
【０１０２】
図６に戻って、光カプラ１２、２２は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光カプラ１２の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部１３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第１入力端子に光学的に接続される。
【０１０３】
光強度・偏光調整部１３は、制御処理部１６によって制御され、入射光の光強度を調整すると共に入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部１３の出力端子は、光サーキュレータ１４の第１端子に光学的に接続される。
【０１０４】
光強度・偏光調整部１３は、例えば、図１１に示すように光可変減衰器１２１と、偏光制御器１２２とを備えて構成される。光可変減衰器１２１は、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光部品である。光可変減衰器１２１は、例えば、入射光と射出光との間に減衰円板を挿入し、減衰円板の表面には回転方向に厚みが連続的に変えてある金属膜を蒸着して、この減衰円板を回転させることにより減衰量を調節する光可変減衰器や、入射光と射出光との間に磁気光学結晶およびこの磁気光学結晶の射出側に偏光子を挿入し、磁気光学結晶に磁界を印加してこの磁界の強さを変えることにより減衰量を調整する光可変減衰器等を利用することができる。偏光制御器１２２は、入射光の偏光面をランダムに変えて射出する光部品である。光強度・偏光調整部１３に入射した入射光は、光可変減衰器１２１で制御処理部１６の制御により光強度が所定の光強度に調整されて偏光制御器１２２に入射され、偏光制御器１２２で偏光面がランダムに変えられて射出される。
【０１０５】
光サーキュレータ１４は、第１乃至第３の３端子の光サーキュレータであり、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。即ち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されると共に第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出されると共に第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出されると共に第２端子からは射出されない。光コネクタ１５、２２は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。光サーキュレータ１４の第２端子は、光コネクタ１５を介して検出用光ファイバ１８の一方端に光学的に接続され、光サーキュレータ１４の第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第３入力端子に光学的に接続される。
【０１０６】
ＣＷ光源１９は、制御処理部１６によって制御され、所定の周波数範囲ｆrで光強度が略一定の連続光ＣＷpump1を発光する装置である。ＣＷ光源１９は、例えば、図１２に示すように、基板１３１と、温度検出素子１３２と、発光素子１３３と、光カプラ１３４と、ＥＦ１３５と、第１受光素子１３６と、第２受光素子１３７と、温度調整素子１３８と、ＡＴＣ１３９と、ＡＦＣ１４０とを備えて構成される。即ち、ＣＷ光源１９は、所定の周波数範囲ｆrで光強度が略一定の連続光ＣＷpump1を発光すればよいから、発光素子１３３が射出する連続光を階段状光パルス光源１１のように光強度が階段状の光パルスに形成する必要がないので、階段状光パルス光源１１における第１及び第２光強度変調器１１１、１１３と第１及び第２光強度変調器駆動部１１２、１１４とを備えない構成である。ＣＷ光源１９における基板１３１、温度検出素子１３２、発光素子１３３、光カプラ１３４、ＥＦ１３５、第１受光素子１３６、第２受光素子１３７、温度調整素子１３８、ＡＴＣ１３９及びＡＦＣ１４０は、ＡＦＣ１４０が制御処理部１６の制御に基づき発光素子１３３の光の周波数を変更することを除き、光学的な接続関係や電気的な接続関係を含めて階段状光パルス光源１１における基板１０１、温度検出素子１０２、発光素子１０３、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１受光素子１０６、第２受光素子１０７、温度調整素子１０８、ＡＴＣ１０９及びＡＦＣ１１０とそれぞれ同様なので、その説明を省略する。
【０１０７】
本実施形態の分布型光ファイバセンサ１は、プローブ光である階段状光パルスの周波数ｆ０を固定し、ポンプ光である連続光ＣＷpump1の周波数を所定の周波数範囲ｆrで走査することによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定し、ブリルアン周波数シフトνbを測定するものである。
【０１０８】
そのため、制御処理部１６が走査するための周波数に合わせてＡＦＣ１４０における参照電圧Ｖref2及び参照電圧Ｖref3を変更することによって、ＡＦＣ１４０のロックポイント値ＬＰ０を変更し、走査するための周波数に保持された連続光ＣＷpump1を発光するように構成されている。
【０１０９】
本実施形態では、図９（Ｃ）に示すように、所定の周波数範囲ｆrが４ＧＨｚであり、この所定の周波数範囲ｆrの下限周波数ｆLに対応するロックポイント値をロックポイント値ＬＰLとし、この所定の周波数範囲の上限周波数ｆuに対応するロックポイント値をロックポイント値ＬＰuとすると、ロックポイント値ＬＰ０は、ＬＰL≦ＬＰ０≦ＬＰuの範囲で変更されることになる。
【０１１０】
ＣＷ光源１９の出力端子は、光カプラ２０の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２０の一方の出力端子は、光強度調整部２１の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第２入力端子に光学的に接続される。
【０１１１】
図６に戻って、光強度調整部２１は、制御処理部１６によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部２１の出力端子は、光コネクタ２２を介して検出用光ファイバ１８の他方端に光学的に接続される。
【０１１２】
光強度調整部２１は、例えば、図１３に示すように光可変減衰器１５１と、光アイソレータ１５２とを備えて構成される。光可変減衰器１５１は、光可変減衰器１２１と同様に、入射光の光強度を減衰して射出する光部品である。光アイソレータ１５２は、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光部品であり、例えば、４５度ずれた状態の２つの偏光子の間にファラデー回転子を配置することによって構成することができる。光アイソレータ１５２は、分布型光ファイバセンサ１内における各光部品の接続部などで生じる反射光の伝播やプローブ光のＣＷ光源１９への伝播を防止する役割を果たす。光強度調整部２１に入射した入射光は、光可変減衰器１５１で光強度が所定の光強度に調整されて光アイソレータ１５２を介して射出される。
【０１１３】
なお、検出用光ファイバ１８を伝播したポンプ光は、光コネクタ１５及び光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射するので、光強度・偏光調整部１３や階段状光パルス光源１１に入射することはない。ここで、光サーキュレータ１４の代わりに光カプラを用いる場合には、ポンプ光が光強度・偏光調整部１３や階段状光パルス光源１１に入射することを防止するために、光強度・偏光調整部１３の出力端子に光アイソレータ又はポンプ光を遮断し階段状光パルスＯＰsを透過する光フィルタを配置することが好ましい。
【０１１４】
検出用光ファイバ１８は、歪み及び／又は温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、その一方端からプローブ光が入射され、その他方端からポンプ光が入射され、ブリルアン散乱現象の作用を受けたプローブ光及びポンプ光がその他方端及び一方端からそれぞれ射出される。ここで、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪み及び／又は温度を測定する場合には、検出用光ファイバ１８を計測対象物に固定することによって測定することができる。
【０１１５】
制御処理部１６は、ブリルアン時間領域検出計１７と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源１９及び光強度調整部２１を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、ＡＴＣ１０９用の参照電圧Ｖref1、ＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3、ＡＴＣ１３９用の参照電圧Ｖref1、ＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3、タイミングＴ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4、比Ｐrx等の各データを記憶するメモリ等を備えて構成される。
【０１１６】
ブリルアン時間領域検出計１７は、分布型光ファイバセンサ１の各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光したブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）をそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）に基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトνbをそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトνbに基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxが記憶されており、階段状光パルス光源１１が射出した光強度階段状光パルスＯＰsの光強度を検出し、光強度階段状光パルスＯＰsのＰ1／Ｐ2がこの比Ｐrxとなるように制御処理部１６に通知する。さらに、ブリルアン時間領域検出計１７は、ローレンツ曲線を得るべく最適なプロープ光の光強度及び最適なポンプ光の光強度が記憶されており、階段状光パルス光源１１が射出した光強度階段状光パルスＯＰsの光強度を検出すると共にＣＷ光源１９が射出した連続光ＣＷpump1の光強度を検出し、この最適なプロープ光の光強度及び最適なポンプ光の光強度となるように光強度・偏光調整部１３及び光強度調整部２１を調整すべく制御処理部１６に通知する。ブリルアン時間領域検出計１７は、光スイッチ、スペクトルアナライザ及びコンピュータ等を備えて構成される。
【０１１７】
このようにローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるのは、プローブ光が階段状光パルスであるからである。また、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxがブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶されるので、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバのファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。
【０１１８】
次に、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサの動作について説明する。
【０１１９】
図１４は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルの分布及び距離Ｌ1と距離Ｌ2とにおけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。図１４（Ａ）は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルの分布を示し、ｘ軸は、検出用光ファイバ１８の一方端からの距離であり、ｙ軸は、周波数であり、ｚ軸は、光強度である。図１４（Ｂ）は、距離Ｌ1と距離Ｌ2とにおけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示し、ｘ軸は、周波数であり、ｙ軸は、光強度である。また、説明の都合上、距離Ｌ1では、検出用光ファイバ１８に歪みが生じていないものとし、距離Ｌ2では、検出用光ファイバ１８に歪みが生じているものとする。
【０１２０】
まず、ブリルアン時間領域検出計１７は、光カプラ１２を介して階段状光パルス光源１１からの光のスペクトルを測定するように準備し、階段状光パルス光源１１から光を射出させる信号を制御処理部１６に通知する。
【０１２１】
この信号を受けると、制御処理部１６は、既定のＡＴＣ１０９用の参照電圧Ｖref1とＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3とをＡＴＣ１０９とＡＦＣ１１０とにそれぞれ印加し、発光素子１０３を発光させ、階段状光パルス光源１１から光を射出させる。
【０１２２】
階段状光パルス光源１１から射出された光は、光カプラ１２を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光のスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定結果から階段状光パルス光源１１が所定の発振周波数ｆ０の光を射出しているか否かを確認する。所定の発振周波数ｆ０ではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、所定の発振周波数ｆ０となるようにＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する信号を制御処理部１６に通知する。
【０１２３】
この信号を受けると、制御処理部１６は、所定の発振周波数ｆ０となるようにＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する。階段状光パルス光源１１から射出された光の発振周波数ｆが所定の発振周波数ｆ０になると、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光強度Ｐ1を制御処理部１６に通知する。
【０１２４】
制御処理部１６は、この通知された光強度Ｐ1及び記憶している比Ｐrxに基づいて、光強度階段状光パルスＯＰsにおける光パルス前方光ＯＰf（光パルス後方光ＯＰbがある場合には、光パルス前方光ＯＰf及び光パルス後方光ＯＰb）の光強度Ｐ2に対する光パルスＯＰの光強度Ｐ1の比が前述した所定の比Ｐrxとなるように、第１光強度変調器１１１を第１光強度変調器駆動部１１２を制御すると共に、光強度階段状光パルスＯＰsを射出するように第２光強度変調器１１３を第２光強度変調器駆動部１１３を制御する。
【０１２５】
階段状光パルス光源１１から射出された光強度階段状光パルスＯＰsは、光カプラ１２を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光強度階段状光パルスＯＰsのスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定結果から階段状光パルス光源１１が所定の比Ｐrxの光強度階段状光パルスＯＰsを射出しているか否かを確認する。所定の比Ｐrxではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、所定の比Ｐrxとなるように第１光強度変調器１１１を調整する信号を制御処理部１６に通知する。
【０１２６】
この信号を受けると、制御処理部１６は、所定の比Ｐrxとなるように第１光強度変調器１１１を調整する。このような調整を繰り返し、階段状光パルス光源１１から射出された光強度階段状光パルスＯＰsの比が所定の比Ｐrxになると、ブリルアン時間領域検出計１７は、スペクトルの測定結果から階段状光パルス光源１１が射出した光強度階段状光パルスＯＰsが、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度で検出用光ファイバ１８に入射するように、光強度・偏光調整部１３の減衰量を調整する信号を制御処理部１６に通知する。
【０１２７】
この信号を受けると、制御処理部１６は、光強度・偏光調整部１３の減衰量を調整し、制御処理部１６は、減衰量の調整が終了した旨を示す信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。
【０１２８】
この信号を受けると、ブリルアン時間領域検出計１７は、階段状光パルス光源１１が所定の光強度階段状光パルスＯＰsを射出する準備が整ったと判断し、所定の光強度階段状光パルスＯＰsの射出を止めるように階段状光パルス光源１１を制御処理部１６に制御させる。
【０１２９】
そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の測定を開始する。
【０１３０】
まず、ブリルアン時間領域検出計１７は、光カプラ２０を介してＣＷ光源１９からの光のスペクトルを測定するように準備する。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、走査する周波数範囲における最低の周波数ｆLの連続光をＣＷ光源１９から射出させる信号を制御処理部１６に通知する。
【０１３１】
この通知を受けると、制御処理部１６は、既定のＡＴＣ１３９用の参照電圧Ｖref1と最低の周波数ｆLに対応するＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3とをＡＴＣ１３９とＡＦＣ１４０とにそれぞれ印加し、発光素子１３３を発光させ、ＣＷ光源１９から連続光を射出させる。
【０１３２】
ＣＷ光源１９から射出された連続光は、光カプラ２０を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光のスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、ＣＷ光源１１が最低の周波数ｆLの連続光を射出しているか否かを確認する。最低の周波数ｆLではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、最低の周波数ｆLとなるようにＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する信号を制御処理部１６に通知する。さらに、ブリルアン時間領域検出計１７は、スペクトルの測定結果からＣＷ光源１９が射出した連続光が、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度で検出用光ファイバ１８に入射するように、光強度調整部２１の減衰量を調整する信号を制御処理部１６に通知する。
【０１３３】
これらの信号を受けると、制御処理部１６は、最低の周波数ｆLとなるようにＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する。さらに、制御処理部１６は、光強度調整部２１の減衰量を調整し、制御処理部１６は、減衰量の調整が終了した旨を示す信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。
【０１３４】
この信号を受け、ＣＷ光源１９から射出された光の周波数が最低の周波数ｆLになると、光サーキュレータ１４を介したブリルアン散乱現象に係る光のスペクトルを測定するように準備し、ブリルアン時間領域検出計１７は、階段状光パルス光源１１から光強度階段状光パルスＯＰsを射出させる信号を制御処理部１６に通知する。
【０１３５】
この信号を受けると、制御処理部１６は、階段状光パルス光源１１に光強度階段状光パルスＯＰsを射出させ、射出させたタイミングを知らせる信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。
【０１３６】
階段状光パルス光源１１から射出された光強度階段状光パルスＯＰsは、光カプラ１２を介して光強度・偏光調整部１３に入射され、光強度・偏光調整部１３でその光強度及び偏光面が調整され、光サーキュレータ１４及び光コネクタ１５を介してプローブ光として検出用光ファイバ１８の一方端に入射する。検出用光ファイバ１８の一方端に入射したプローブ光（光強度階段状光パルスＯＰs）は、検出用光ファイバ２２の他方端から入射され検出用光ファイバ１８を伝播するポンプ光（連続光ＣＷpump1）とブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１８の一方端から他方端へ伝播する。
【０１３７】
ブリルアン散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１８の一方端から射出され、光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射される。ブリルアン時間領域検出計１７は、制御処理部１６から通知された光強度階段状光パルスＯＰsを射出したタイミングに基づいて、受光したブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。
【０１３８】
このようにブリルアン時間領域検出計１７は、ＣＷ光源１９に最低の周波数ｆLの連続光をポンプ光として射出させると共に階段状光パルス光源１１に光強度階段状光パルスＯＰsをプローブ光として射出させ、検出用光ファイバ１８でこれらプローブ光及びポンプ光によってブリルアン散乱現象を生じさせ、ブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。このように測定することによって、最低の周波数ｆLのポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布である図１４（Ａ）に示す曲線ｍ１が得られる。
【０１３９】
ここで、ブリルアン散乱現象に係るプローブ光とポンプ光との間における相互作用の程度は、プローブ光の偏光面とポンプ光の偏光面との相対関係に依存する。本実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１は、測定ごとに光強度・偏光調整部１３で光強度階段状光パルスＯＰsの偏光面がランダムに変わるので、最低の周波数ｆLのポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布の測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。そのため、精度よくブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1を得ることができる。本実施形態では、例えば、５００回や１０００回の測定が実行される。
【０１４０】
ブリルアン時間領域検出計１７は、最低の周波数ｆLのポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1の測定が終わると、次の周波数のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定すべく、ブリルアン時間領域検出計１７は、上述と同様の動作によって、まず、ＣＷ光源１９に次の周波数のポンプ光としての連続光を射出させ、階段状光パルス光源１１にプローブ光としての光強度階段状光パルスＯＰsを射出させる。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、検出用光ファイバ１８の一方端から射出され光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射されたブリルアン散乱現象に係る光を、光強度階段状光パルスＯＰsを射出したタイミングに基づいて時間領域分析し、次の周波数に対する、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ2を測定する。
【０１４１】
ブリルアン時間領域検出計１７は、次の周波数のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ2の測定が終わると、次々と順次にポンプ光の周波数を最高の周波数ｆuまで変えて、当該周波数のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnの測定を上述と同様に行う。ここで、分布ｍｎは、走査周波数範囲におけるｎ番目の周波数のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍを表す。
【０１４２】
このように測定することによって、図１４（Ａ）に示すように、走査周波数範囲の各周波数における検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnが高精度かつ高空間分解能で得られ、その結果、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）が高精度かつ高空間分解能で得られる。
【０１４３】
そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、検出用光ファイバ１８に歪みを生じていない部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数を基準に、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数の差を求めることによって、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトνbを高精度かつ高空間分解能で求める。
【０１４４】
例えば、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、検出用光ファイバ１８の一方端から距離Ｌ1の部分では、歪みが無く、距離Ｌ2の部分で歪みが生じているとする。距離Ｌ1におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、図１４（Ｂ）で実線の曲線ｅで示され、距離Ｌ1におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、図１４（Ｂ）で破線の曲線ｆで示されている。この場合では、距離Ｌ1におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数νb1と距離Ｌ2におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数νb2と差を求めて、ブリルアン周波数シフトνb＝νb2−νb1が求められる。
【０１４５】
そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、この各領域部分のブリルアン周波数シフトνbから検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分における歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で求める。この求めた検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分における歪み及び／又は温度の分布は、ＣＲＴ表示装置やＸＹプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。
【０１４６】
このように第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１は、プローブ光に光強度階段状光パルスＯＰsを用いるので、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ１を工業製品化することも可能である。また、論理解析の結果、最適な比Ｐrxに設定し得るので、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、ローレンツ曲線となるから、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。
【０１４７】
（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態における分布型光ファイバセンサは、歪み及び／又は温度を検出するための検出用光ファイバの一方端からプローブ光及びポンプ光を入射して、検出用光ファイバでブリルアン散乱現象の作用を受けたポンプ光を受光し、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析（ＢＧain−ＯＴＤＲ、Brillouin Gain Optical Time Domain Reflectometer）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域反射分析（ＢＬoss−ＯＴＤＲ、Brillouin Loss Optical Time Domain Reflectometer）を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪み及び／又は温度を検出するものである。以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域反射分析をブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析と略記する。このブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析では、ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン散乱光である。
【０１４８】
まず、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成について説明する。図１５は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図１６は、第２の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。
【０１４９】
図１５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２は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、光強度・偏光調整部１３と、光サーキュレータ１４と、光カプラ３３と、光コネクタ１５と、制御処理部３１と、ブリルアン時間領域検出計１７と、検出用光ファイバ１８と、ＣＷ光源３２と、光カプラ２０と、光強度調整部２１とを備えて構成される。
【０１５０】
階段状光パルス光源１１の出力端子は、光カプラ１２の入力端子に光学的に接続される。光カプラ１２の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部１３の入力端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部１３の出力端子は、光サーキュレータ１４の第１端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１４の第２端子は、光カプラ３３の一方の入力端子に光学的に接続される。光カプラ３３の出力端子は、光コネクタ１５を介して検出用光ファイバ１８の一方端に光学的に接続される。
【０１５１】
また、ＣＷ光源３２の出力端子は、光カプラ２０の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２０の一方の出力端子は、光強度調整部２１の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２１の出力端子は、光カプラ３３の他方の入力端子に光学的に接続される。
【０１５２】
そして、光カプラ１２の他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計３１の第１入力端子に光学的に接続され、光カプラ２０の他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計３１の第２入力端子に光学的に接続され、光サーキュレータ１４の第３端子は、ブリルアン時間領域検出計３１の第３入力端子に光学的に接続される。
【０１５３】
これら階段状光パルス光源１１、光カプラ１２、光強度・偏光調整部１３、光サーキュレータ１４、光コネクタ１５、ブリルアン散乱現象検出計１７、検出用光ファイバ１８、光カプラ２０及び光強度調整部２１は、第１の実施形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１５４】
光カプラ３３は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、光カプラ１２、２２と同様の光部品である。
【０１５５】
ＣＷ光源３２は、制御処理部１６によって制御され、所定の周波数範囲ｆrで略一定の連続光ＣＷpump2を発光する装置であり、連続光ＣＷpump2は、所定のタイミングで所定の期間だけ射出される。ＣＷ光源３２は、例えば、図１６に示すように、基板１３１と、温度検出素子１３２と、発光素子１３３と、光カプラ１３４と、ＥＦ１３５と、第１受光素子１３６と、第２受光素子１３７と、温度調整素子１３８と、ＡＴＣ１３９と、ＡＦＣ１４０と、第３光強度変調器１６１と、第３光強度変調器駆動部１６２とを備えて構成される。即ち、ＣＷ光源３２は、連続光ＣＷpump2を所定のタイミングで所定の期間だけ射出する必要があるので、図１２に示すＣＷ光源１９に第３光強度変調器１６１及びこれを駆動する第３光強度変調器駆動部１６２をさらに備えた構成である。ＣＷ光源３２における基板１３１、温度検出素子１３２、発光素子１３３、光カプラ１３４、ＥＦ１３５、第１受光素子１３６、第２受光素子１３７、温度調整素子１３８、ＡＴＣ１３９及びＡＦＣ１４０は、ＡＦＣ１４０が制御処理部１６の制御に基づき発光素子１３３の発振周波数を変更することを除き、光学的な接続関係や電気的な接続関係を含めて階段状光パルス光源１１における基板１０１、温度検出素子１０２、発光素子１０３、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１受光素子１０６、第２受光素子１０７、温度調整素子１０８、ＡＴＣ１０９及びＡＦＣ１１０とそれぞれ同様なので、その説明を省略する。
【０１５６】
第３光強度変調器１６１は、第１及び第２光強度変調器１１１、１１３と同様に、入射光の光強度を変調する光部品である。第３光強度変調器駆動部１６２は、第１及び第２光強度変調器駆動部１１２、１１４と同様に、制御処理部１６によって制御され、第３光強度変調器１６１を駆動するドライバ回路である。発光素子１３３からの光は、第３光強度変調器１６１に入射される。第３光強度変調器１６１は、この発光素子１３３からの連続光ＣＷpump2を第３光強度変調器駆動部１６２の制御に基づいてオン・オフする。第３光強度変調器１６１がオンの場合に第３光強度変調器１６１から射出された光は、ＣＷ光源３２の出力光として光カプラ２０に入射される。ＣＷ光源３２は、このように動作することによって所定のタイミングで所定の期間だけ連続光ＣＷpump2を射出する。
【０１５７】
なお、図１６に破線で示すように、第３光強度変調器１６１の損失を補償するために光を増幅する光増幅器１６３を第３光強度変調器１６１の後に配置してもよい。
【０１５８】
制御処理部３１は、ブリルアン時間領域検出計１７と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１８の一方端に入射したポンプ光が他方端で反射したタイミングでプローブ光が検出用光ファイバ１８の一方端に入射するようにポンプ光及びプローブ光を検出用光ファイバ１８に伝播させ、検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源１９及び光強度調整部２１を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ及びデータを記憶するメモリ等を備えて構成される。
【０１５９】
なお、検出用光ファイバ１８の一方端から他方端へ伝播したポンプ光がこの他方端でパワーを損失することなく効率よく反射するようにするために、検出用光ファイバ１８の他方端にさらに入射光を反射する鏡部を備えてもよく、また、検出用光ファイバ１８の他方端を鏡面処理してもよい。
【０１６０】
次に、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサの動作について説明する。
【０１６１】
第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１と同様の動作によって所定の比Ｐrxを持つ光強度階段状光パルスＯＰsを階段状光パルス光源１１から射出させる。第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１と同様の動作によって、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度で光強度階段状光パルスＯＰsがプローブ光として検出用光ファイバ１８に入射するように、光強度・偏光調整部１３の減衰量を調整する。調整が終了すると、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、所定の光強度階段状光パルスＯＰsの射出を止めるように階段状光パルス光源１１を制御処理部１６に制御させる。
【０１６２】
そして、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１と同様の動作によって、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度にポンプ光の光強度を調整すべくＣＷ光源１１及び光強度調整部２１を制御する。調整が終了すると、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、連続光ＣＷpimp2の射出を止めるようにＣＷ光源１９を制御処理部１６に制御させる。
【０１６３】
そして、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、走査周波数範囲ｆrの各周波数における検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnを高精度かつ高空間分解能で得るべく、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の測定を開始する。
【０１６４】
ここで、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うので、走査周波数範囲ｆrの各周波数において、検出用光ファイバ１８の一方端に入射したポンプ光が他方端で反射したタイミングでプローブ光が検出用光ファイバ１８の一方端に入射するようにポンプ光及びプローブ光を検出用光ファイバ１８に伝播させ、ブリルアン散乱現象に係る光をブリルアン散乱現象検出計１７で分析する。
【０１６５】
こうして高精度かつ高空間分解能で得られた走査周波数範囲ｆrの各周波数における検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnに基づき、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１と同様の動作によって、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分における歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で求め、不図示の出力部に提示する。
【０１６６】
このように第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ２は、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１と同様に、プローブ光に階段状光パルスを用いるので、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ２を工業製品化することも可能である。また、論理解析の結果、最適な比Ｐrxに設定し得るので、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、ローレンツ曲線となるから、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。
【０１６７】
（第３の実施形態）
本発明に係る第３の実施形態における分布型光ファイバセンサは、１台でブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析及びブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うことができるものである。
【０１６８】
まず、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成について説明する。図１７は、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【０１６９】
図１７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３は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、光強度・偏光調整部１３と、光サーキュレータ１４と、光カプラ３３と、光コネクタ１５と、制御処理部４１と、ブリルアン時間領域検出計１７と、検出用光ファイバ１８と、ＣＷ光源３２と、光カプラ２０と、光強度調整部２１と、光スイッチ４２と、光コネクタ２２とを備えて構成される。
【０１７０】
階段状光パルス光源１１の出力端子は、光カプラ１２の入力端子に光学的に接続される。光カプラ１２の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部１３の入力端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部１３の出力端子は、光サーキュレータ１４の第１端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１４の第２端子は、光カプラ３３の一方の入力端子に光学的に接続される。光カプラ３３の出力端子は、光コネクタ１５を介して検出用光ファイバ１８の一方端に光学的に接続される。
【０１７１】
また、ＣＷ光源３２の出力端子は、光カプラ２０の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２０の一方の出力端子は、光強度調整部２１の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２１の出力端子は、光スイッチ４２の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ４２の一方の出力端子は、光カプラ３３の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、コネクタ２４を介して検出用光ファイバ１８の他方端に光学的に接続される。
【０１７２】
そして、光カプラ１２の他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第１入力端子に光学的に接続され、光カプラ２０の他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第２入力端子に光学的に接続され、光サーキュレータ１４の第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第３入力端子に光学的に接続される。
【０１７３】
制御処理部４１は、ブリルアン時間領域検出計１７の出力が入力され、また、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源３２、光強度調整部２１及び光スイッチ４２をそれぞれ制御する。
【０１７４】
これら階段状光パルス光源１１、光カプラ１２、光強度・偏光調整部１３、光サーキュレータ１４、光コネクタ１５、ブリルアン時間領域検出計１７、検出用光ファイバ１８、光カプラ２０、光強度調整部２１及び光コネクタ２２は、第１の実施形態と同様なので、その説明を省略する。そして、ＣＷ光源３２及び光カプラ３３は、第２の実施形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１７５】
また、光スイッチ４２は、１入力２出力である１×２の光スイッチであり、制御処理部４１の制御に基づいて入力端子から入射された光を２個の出力端子の何れか一方に選択的に射出する。
【０１７６】
光スイッチ４２は、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチなどを利用することができる。機械式光スイッチは、プリズム、ロッドレンズおよび鏡などの微少光学素子や光ファイバ自体を移動・回転させることによって光路を切り換える光学部品である。さらに、半導体微細加工技術を用いて光導波路間に屈折率整合液を封入して該整合液を機械的に動かしたり、鏡を静電アクチュエータで動かしたりする光微少電気機械システム（Opto Micro ElectroMechanical Systems ）の光スイッチもある。光導波路スイッチは、例えば、光導波路でマッハ・ツェンダ型干渉型を構成し、各光導波路アームに電界を印加することによって各光導波路アームの屈折率を変化させ、光路を切り換える光学部品である。また、キャリア注入による屈折率変化を利用した半導体光スイッチや光半導体増幅器をオン・オフのゲートとして用いた分配合流型の半導体光スイッチも知られている。
【０１７７】
制御処理部３１は、ブリルアン時間領域検出計１７と信号を入出力することによって、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析及びブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析により、検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源１９、光強度調整部２１及び光スイッチ４２を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ及びデータを記憶するメモリ等を備えて構成される。
【０１７８】
次に、第３の実施形態に係る分布型光ファイバセンサの動作について説明する。
【０１７９】
まず、第３の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ３を用いてブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析を行う場合には、制御処理部４１は、入力端子から入射された光が光コネクタ２２を介して検出用光ファイバ１８の他方端に光学的に接続される出力端子から射出するように光スイッチ４２を制御する。そして、第３の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ３は、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサと同様に動作するので、その説明を省略する。
【０１８０】
次に、第３の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ３を用いてブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行う場合には、制御処理部４１は、入力端子から入射された光が光カプラ３３及び光コネクタ１５を介して検出用光ファイバ１８の一方端に光学的に接続される出力端子から射出するように光スイッチ４２を制御する。そして、第３の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ３は、第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサと同様に動作するので、その説明を省略する。
【０１８１】
なお、この場合において、検出用光ファイバ１８でプローブ光とブリルアン散乱現象の相互作用を受け、検出用光ファイバ１８の一方端から射出されるポンプ光は、光カプラ３３で２つに分配され、その一方が光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射されることになる。即ち、相互作用を受けたポンプ光は、光カプラ３３でそのパワーが損失する。そのため、この損失を補償するために、光サーキュレータ１４からブリルアン時間領域検出計１７までの光路上に光増幅器をさらに備えてもよい。あるいは、ポンプ光を受光素子で受光し光電変換した後に増幅するように増幅器をブリルアン時間領域検出計１７にさらに備えてもよい。
【０１８２】
このように第３の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ３は、第１及び第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１、２と同様に、プローブ光に階段状光パルスを用いるので、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ３を工業製品化することも可能である。また、論理解析の結果、最適な比Ｐrxに設定し得るので、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、ローレンツ曲線となるから、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。
【０１８３】
（第４の実施形態）
第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３は、プローブ光に光強度階段状光パルスＯＰsを用いることによって検出用光ファイバ１８の長さに応じて光パルスをマニュアル調整することなく高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定するものである。第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、第１乃至第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ１、２、３の構成で、光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2のパルス光と光強度階段状光パルスＯＰsとにおけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布Ｍ1、Ｍ2をそれぞれ測定し、これら測定したブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布Ｍ1、Ｍ2の差Ｍ2−Ｍ1を求めて、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を求めることによって、第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３で検出した結果に生じる誤差、特に、１／（Ｔp＋Ｔf）の付近に生じる誤差を改善するものである。
【０１８４】
そして、第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、このように構成することにより誤差を改善することができるから、第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３では光強度階段状光パルスＯＰsの光パルス前方光ＯＰfの時間幅ＴfをＴp＜Ｔf≦（１／３５ＭＨｚ）＝２８．５７ｎｓの範囲内の値に設定したが、第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、Ｔp＜Ｔf≦２８．５７ｎｓの範囲を越えた光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、例えば時間幅Ｔf＝５０ｎｓを用いることができる。もちろん、Ｔp＜Ｔf≦２８．５７ｎｓの範囲内の光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfを用いることができることは言うまでもない。さらに、第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、このように構成することにより誤差を改善することができるから、歪みが広範囲に均等に分布している場合においてその中の２００με以下の微小な歪みを検出する場合に好適である。
【０１８５】
第４の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成は、ブリルアン時間領域検出計１７が後述するように動作することにより検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を求めることを除き、第１乃至第３の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【０１８６】
図１８は、第４の実施形態における光強度階段状光パルス及び漏れ光光パルスを示す図である。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の動作を示す図である。
【０１８７】
図１９において、第４の実施形態では、ブリルアン時間領域検出計１７は、まず、連続光のポンプ光を射出させると共に、階段状光パルス光源１１にプローブ光として図１８（Ｂ）に示す漏れ光光パルスＯＰLを射出させ（Ｓ１０１）、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布Ｍ1を測定し、この測定結果を記憶する（Ｓ１０２）。
【０１８８】
図１８（Ａ）に示す時間幅Ｔpで光強度Ｐ1の光パルスＯＰと時間幅Ｔfで光強度Ｐ2の光パルス前方光ＯＰfとからなる光強度階段状光パルスＯＰsを光強度階段状光パルスに用いる場合、漏れ光光パルスＯＰLは、図１８（Ｂ）に示すように、時間幅（Ｔp＋Ｔf）で光強度Ｐ2の光パルスである。即ち、漏れ光光パルスＯＰLは、その時間幅が光強度階段状光パルスＯＰsの時間幅であって、その光強度が光強度階段状光パルスＯＰsにおける最も光強度が小さい光パルス前方光ＯＰfの光強度である。
【０１８９】
図１９に戻って、次に、ブリルアン時間領域検出計１７は、連続光のポンプ光を射出させると共に、階段状光パルス光源１１にプローブ光として図１８（Ａ）に示す光強度階段状光パルスＯＰsを射出させ（Ｓ１０３）、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布Ｍ2を測定し、この測定結果を記憶する（Ｓ１０４）。
【０１９０】
次に、ブリルアン時間領域検出計１７は、処理Ｓ１０２における分布Ｍ1と処理Ｓ１０４における分布Ｍ2との差分Ｍ2−Ｍ1を求め、この差分Ｍ2−Ｍ1を記憶する（Ｓ１０５）。この差分Ｍ2−Ｍ1が第１の実施形態におけるｍに対応する。
【０１９１】
このような処理Ｓ１０１乃至処理Ｓ１０５の動作を走査周波数範囲の各周波数において実行し（Ｓ１０６）、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnを求め、これらから検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を求め、求めたブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）に基づいて検出用光ファイバ１８の長尺方向における歪み分布及び／又は温度分布を求める（Ｓ１０７）。
【０１９２】
このように動作することによって、第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３よりも誤差が改善され、また、光パルス前方光ＯＰfの時間幅ＴfがＴp＜Ｔf≦２８．５７ｎｓの範囲を越えた時間幅の光強度階段状光パルスＯＰsを用いたとしても、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。そして、第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、歪みが広範囲に均等に分布している場合においてその中の２００με以下の微小な歪みを検出することができる。また、言うまでもなく、第４の実施形態においても、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ３を工業製品化することも可能である。
【０１９３】
（第５の実施形態）
第４の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、第１乃至第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ１、２、３の構成で、プローブ光として光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2のパルス光と光強度階段状光パルスＯＰsとを用いることにより、第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３で検出した結果に生じる誤差を改善するものであるが、第５の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、第１乃至第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ１、２、３の構成において基準光ファイバを検出用光ファイバ１８の一方端に接続し、基準光ファイバから求めた基準値に基づいて測定結果のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）における中心周波数を補正することにより、第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３で検出した結果に生じる誤差を改善するものである。
【０１９４】
図２０は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサに対応する第５の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【０１９５】
図２０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５の構成は、検出用光ファイバ１８の一方端、図２０に示す例では、ポンプ光が入射される端に基準光ファイバ５１をさらに接続し、ブリルアン時間領域検出計１７の代わりに、後述の補正値変換式を記憶すると共に、後述するように動作することにより基準光ファイバ５１から求めた基準値に基づいて補正値変換式から補正値を求め、測定結果のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）における中心周波数をこの補正値で補正するブリルアン時間領域検出計５２を用いることを除き、第１乃至第３の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【０１９６】
基準光ファイバ５１は、検出用光ファイバ１８と同質であって、この分布型光ファイバセンサ５の空間分解能に相当する長さである光ファイバである。そして、基準光ファイバ５１には、この分布型光ファイバセンサ５に用いる光強度階段状光パルスＯＰsの時間幅（Ｔp＋Ｔf）の逆数によって表される歪みよりも充分に大きな歪み、例えば、２／（Ｔp＋Ｔf）によって表される歪みや３／（Ｔp＋Ｔf）によって表される歪みや４／（Ｔp＋Ｔf）によって表される歪みが与えられる。
【０１９７】
図２１は、第５の実施形態における分布型光ファイバセンサの動作を示す図である。図２２は、周波数誤差比に対する補正値を表す周波数誤差比−補正値特性曲線を示す図である。
【０１９８】
図２１において、ブリルアン時間領域検出計５２は、まず、基準光ファイバ５１におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を求め、求めたブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークにおける周波数（中心周波数）を求めて基準値ｆＨ０とする（Ｓ２０１）。即ち、ブリルアン時間領域検出計５２は、走査周波数範囲の各周波数における基準光ファイバ５１におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度をそれぞれ測定する。次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、この測定した各光強度から基準光ファイバ５１におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を求める。そして、ブリルアン時間領域検出計５２は、そのブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）における中心周波数を求め、その値を基準値ｆＨ０とする。
【０１９９】
次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、第１乃至第３の実施形態と同様の動作によって、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を求め、これら各領域部分において、各ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークにおける周波数（中心周波数）をそれぞれ求めて各検出値ｆＨｎとする（Ｓ２０２）。即ち、ブリルアン時間領域検出計５２は、走査周波数範囲の各周波数における検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnを測定する。次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、この測定した分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnから検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）をそれぞれ求め、各ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の中心周波数をそれぞれ求め、それら各値を各検出値ｆＨｎとする。ここで、検出値ｆＨｎは、ｎ番目の領域部分における検出値ｆＨを表す。
【０２００】
次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、各領域部分において、式１３によって定義される、基準値ｆＨ０に対する検出値ｆＨの比ｆrx（周波数誤差比）をそれぞれ求め（Ｓ２０３）、求めた各周波数誤差比ｆrxnを補正値変換式に用いて周波数誤差比ｆrxnに対応する補正値ｆＥｎをそれぞれ求める（Ｓ２０４）。ここで、周波数誤差比ｆrxnは、ｎ番目の領域部分における周波数誤差比ｆrxを表し、補正値ｆＥｎは、ｎ番目の領域部分における補正値ｆＥを表す。補正値変換式は、Ｈ4がＨ2に与える誤差分に関する式であり、プローブ光として用いる光強度階段状光パルスＯＰsに応じて、検出用光ファイバに所定の歪みを与えたと仮定して上述の式７乃至式１１を用いてシミュレーションを行って得た値とその所定の歪みとの差に基づいて求めた関数式であり、例えば図２２に示すような周波数誤差比ｆrxに対する補正値ｆＥを表す周波数誤差比−補正値特性曲線の関数式である。図２２に示す周波数誤差比−補正値特性曲線は、Ｔp＝１ｎｓ、Ｔｆ＝１４ｎｓ、比Ｐrx＝２２ｄＢの条件でシミュレーションしたものである。
ｆrx＝（ｆＨ０−ｆＨ）／ｆＨ０                                      ・・・式１３
【０２０１】
なお、本実施形態では、ブリルアン時間領域検出計５２は、関数式の形態で記憶した補正値変換式を用いて周波数誤差比ｆrxから補正値に変換したが、テーブルの形態で記憶した周波数誤差比ｆrxと補正値とを対応付けたルックアップ・テーブルを用いて周波数誤差比ｆrxから補正値に変換してもよい。
【０２０２】
次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）において、その各検出値ｆＨｎから低周波数側におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の各面積ＳＬｎ、及び、その検出値ｆＨｎから高周波数側におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の各面積ＳＲｎをそれぞれ求める（Ｓ２０５）。ここで、面積ＳＬｎは、ｎ番目の領域部分における面積ＳＬを表し、面積ＳＲｎは、ｎ番目の領域部分における面積ＳＲを表す。
【０２０３】
そして、ブリルアン時間領域検出計５２は、各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）において、求めた各面積ＳＬｎ及び各面積ＳＲｎに基づいて処理Ｓ２０４で求めた各補正値ｆＥｎの符号をそれぞれ決定する（Ｓ２０６）。即ち、ブリルアン時間領域検出計５２は、面積ＳＬ＞面積ＳＲの場合には、処理Ｓ２０４で求めた補正値ｆＥの符号をマイナス（−）とし、面積ＳＬ＜面積ＳＲの場合には、処理Ｓ２０４で求めた補正値ｆＥの符号をプラス（＋）とする。なお、面積ＳＬ＝面積ＳＲの場合は、補正値ｆＥ＝０である。
【０２０４】
次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、各領域部分において、処理Ｓ２０２で求めたブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の各検出値ｆＨｎに処理Ｓ２０６による各符号付き補正値ｆＥｎをそれぞれ加算し（補正値ｆＥの符号がプラスの場合は検出値ｆＨに補正値ｆＥを加え、補正値ｆＥの符号がマイナスの場合は検出値ｆＨから補正値ｆＥを引く）、補正後のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の検出値ｆＨｎ（補正後検出値ｆＨＥｎ）をそれぞれ求める（Ｓ２０７）。
【０２０５】
次に、ブリルアン時間領域検出計５２は、検出用光ファイバ１８に歪みを生じていない部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の中心周波数を基準に、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の補正後検出値ｆＨＥｎとの差を求めることによって、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトνbをそれぞれ求め、ブリルアン時間領域検出計５２は、求めた検出用光ファイバ１８の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトνbに基づいて検出用光ファイバ１８の長尺方向における歪み分布及び／又は温度分布を求める（Ｓ２０８）。
【０２０６】
なお、上述では、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサ１の構成に対応する第５の実施形態における分布型光ファイバセンサ５について説明したが、第２及び第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ２、３の構成において上述の処理Ｓ２０１乃至処理２０８を実行することによって、同様に、第２及び第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ２、３の構成に対応する第５の実施形態における分布型光ファイバセンサを構成することができる。
【０２０７】
このように動作することによって、第５の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、第１乃至第３の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサ１、２、３よりも誤差が改善され、より高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。そして、第５の実施形態にかかる分布型光ファイバセンサは、歪みが広範囲に均等に分布している場合においてその中の２００με以下の微小な歪みを検出することができる。また、言うまでもなく、第５の実施形態においても、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ３を工業製品化することも可能である。
【０２０８】
また、第１乃至第３の実施形態において、歪みが広範囲に均等に分布している場合において、その中の２００με以下の微小な歪みを検出可能とする観点から、周期的にブリルアン周波数シフト量が変化する光ファイバを検出用光ファイバ１８に用いてもよい。
【０２０９】
図２３は、検出用光ファイバの長尺方向におけるブリルアン周波数シフト量を示す図である。
【０２１０】
このような周期的にブリルアン周波数シフト量が変化する検出用光ファイバ１８は、例えば、図２３に示すように、第１のブリルアン周波数シフト量νb（１）を持つ長さｌ1の部分ＤＭl1と第１のブリルアン周波数シフト量νb（１）とは異なる第２のブリルアン周波数シフト量νb（２）を持つ長さｌ2の部分ＤＭl2とが繰り返された光ファイバである。この第１及び第２のブリルアン周波数シフト量νb（１）、νb（２）は、光ファイバに適宜歪みを与えることによって実現することができる。
【０２１１】
なお、第１乃至第５の実施形態において、分布型光ファイバセンサ１、２、３は、プローブ光である階段状光パルスの周波数ｆ０を固定し、ポンプ光である連続光ＣＷpump1の周波数を所定の周波数範囲ｆrで走査することによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定し、ブリルアン周波数シフトνbを測定するものである。このため、階段状光パルス光源１１の発光素子１０３は、必ずしも周波数可変半導体レーザである必要はなく、半導体レーザでもよい。また、上述の実施形態において、分布型光ファイバセンサ１、２、３は、プローブ光である階段状光パルスの周波数ｆ０を所定の周波数範囲ｆrで走査し、ポンプ光である連続光ＣＷpump1の周波数を固定することによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定し、ブリルアン周波数シフトνbを測定するように構成してもよい。
【０２１２】
本願発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本願発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【０２１３】
【図１】図１は、本発明に係るブリルアン散乱現象の理論解析を説明するための図である。
【図２】図２は、論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その１）である。
【図３】図３は、論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その２）である。
【図４】図４は、光強度階段状光パルスの波形を示す図である。
【図５】図５は、論理解析に基づく比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）のシミュレーションを示す図である。
【図６】図６は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、分布型光ファイバセンサにおける階段状光パルス光源の構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、分布型光ファイバセンサにおける自動温度制御器の構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、分布型光ファイバセンサにおける自動周波数制御器の構成を示すブロック図及びその動作原理を説明するための図である。
【図１０】図１０は、階段状光パルスの生成を説明するための図である。
【図１１】図１１は、分布型光ファイバセンサにおける光強度・偏光調整部の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、第１の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、分布型光ファイバセンサにおける光強度調整部の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルの分布及び距離Ｌ1と距離Ｌ2とにおけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、第２の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、第４の実施形態における光強度階段状光パルス及び漏れ光光パルスを示す図である。
【図１９】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の動作を示す図である。
【図２０】図２０は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサに対応する第５の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図２１】図２１は、第５の実施形態における分布型光ファイバセンサの動作を示す図である。
【図２２】図２２は、周波数誤差比に対する補正値を表す周波数誤差比−補正値特性曲線を示す図である。
【図２３】図２３は、検出用光ファイバの長尺方向におけるブリルアン周波数シフト量を示す図である。
【図２４】図２４は、背景技術に係る分布型光ファイバセンサの構成及びプローブ光を示す図である。
【図２５】図２５は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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