分布型光ファイバセンサ
【課題】高い空間分解能を維持しつつ、歪み又は温度を高感度且つ高精度に計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、光ファイバ１０と、レイリー散乱現象を利用して光ファイバ１０の歪み又は温度に基づくレイリー周波数シフト量Δνｒを計測するレイリー計測手段１１と、レイリー周波数シフト量Δνｒから光ファイバ１０の歪み又は温度を算出する算出手段とを備え、レイリー計測手段１１は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを光ファイバ１０内に入射させる光パルス出射手段１３と、光ファイバ１０から射出される光に対してスペクトル拡散方式に対応したパルス圧縮を行う整合フィルタ５５１と、整合フィルタ５５１で圧縮された光に基づいてレイリー散乱現象に係る光を検出する検出手段５６０とを有することを特徴とする。
【解決手段】本発明は、光ファイバ１０と、レイリー散乱現象を利用して光ファイバ１０の歪み又は温度に基づくレイリー周波数シフト量Δνｒを計測するレイリー計測手段１１と、レイリー周波数シフト量Δνｒから光ファイバ１０の歪み又は温度を算出する算出手段とを備え、レイリー計測手段１１は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを光ファイバ１０内に入射させる光パルス出射手段１３と、光ファイバ１０から射出される光に対してスペクトル拡散方式に対応したパルス圧縮を行う整合フィルタ５５１と、整合フィルタ５５１で圧縮された光に基づいてレイリー散乱現象に係る光を検出する検出手段５６０とを有することを特徴とする。
【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の歪み又は温度の分布を測定する分布型光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバを用い、その長尺方向についての歪み又は温度の分布測定を行う光ファイバセンシング技術として、光ファイバ中で起こるレイリー散乱現象に基づく方法がある。この方法として、例えば、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、光ファイバが当該光ファイバの設置される環境（計測対象物）における歪み又は温度を検出する媒体として利用される。
【０００３】
具体的に、計測対象物に設置された光ファイバの一方の端部（入力端）からプローブ光として光パルスが入力（入射）される。この光パルスの入力によって光ファイバの長手方向の各領域において発生し、入力端に戻ってきたレイリー後方散乱が測定され、前記各領域におけるレイリー散乱の散乱光のスペクトルデータが得られる。また、光パルスをプローブ光として用いているため、入力端から入力された光パルスが光ファイバ中で散乱して当該入力端に戻ってくるまでの往復時間により、この光パルスの散乱、即ち、レイリー散乱が生じた光ファイバの長尺方向における位置が特定される。
【０００４】
このように得られたスペクトルデータは、各光ファイバ固有のものである。これは、レイリー散乱が光ファイバのコア内のガラス固有の微小な屈折率の揺らぎによって発生し、この揺らぎのパターンは光ファイバの製造時に決まるからである。このレイリースペクトルは、光ファイバに歪みや温度変化が生じたときにも図１３に示されるようにスペクトルの波形を変えず、周波数だけがずれる（即ち、周波数シフトが生じる）。
【０００５】
そこで、光ファイバの長尺方向の各領域における周波数シフトからそのシフト量を検出し、このシフト量に基づくことによって、光ファイバの各領域における歪み又は温度を高感度且つ高精度に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２３６５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の方法では、光ファイバに入力されるプローブ光（光パルス）のパルス幅により空間分解能が決まる。即ち、プローブ光のパルス幅内でレイリー散乱光のスペクトルの周波数シフトの量が大きく変動するとシフト量の検出が困難になるため、高い空間分解能を実現するには、パルス幅を短くする必要があった。
【０００８】
しかし、プローブ光のパルス幅を短くすると各パルスのエネルギーが減少し、これにより、光ファイバの各領域で散乱され入力端に戻ってくる散乱光の信号強度が低下する。そのため、光ファイバの入力端から離れた位置からの散乱光（レイリー散乱光）を精度よく計測することが難しく、歪み又は温度を高感度且つ高精度に測定できないといった問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、高い空間分解能を維持しつつ、歪み又は温度を高感度且つ高精度に計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、センサとして用いられる光ファイバと、レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度に基づくレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量から前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度を算出する算出手段と、を備える。そして、前記レイリー計測手段は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを前記光ファイバ内に入射させる光パルス出射手段と、前記光ファイバから射出される光に対して前記スペクトル拡散方式に対応したパルス圧縮を行う整合フィルタと、前記整合フィルタで圧縮された光に基づいて前記レイリー散乱現象に係る光を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
この分布型光ファイバセンサにおいては、スペクトル拡散方式によりパルス幅を長くした光パルス（プローブ光）を光ファイバに入射させ、戻ってきた光（レイリー後方散乱光）を前記スペクトル拡散方式に対応した圧縮を行うことにより、光ファイバにおける光パルスを入射させた部位から離れた位置における光ファイバの歪み又は光ファイバの温度も高感度且つ高精度に計測することが可能となる。即ち、入射させるパルス幅を大きくしてパルスの有するエネルギーを大きくして遠方で散乱され戻ってくる光の信号強度を確保してＳＮを高めると共に、圧縮により高い空間分解能を確保することが可能となる。
【００１２】
具体的に、前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、前記光パルスに対しチャープによって周波数変調を行うチャープ変調手段と、を備えることにより、光ファイバに生じた歪み又は光ファイバの温度を高感度且つ高精度に計測することができる。
【００１３】
この場合、前記チャープ変調手段では、非線形チャープにより周波数変調が行われてもよく、窓関数により周波数変調が行われてもよい。これらいずれの構成によっても、計測結果におけるレンジサイドローブを抑えることができる。
【００１４】
また、前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、擬似乱数符号を用いて前記光パルスの位相変調を行う拡散変調手段と、を備えてもよい。
【００１５】
かかる構成によっても、光ファイバに生じた歪み又は光ファイバの温度を高感度且つ高精度に計測することができる。
【００１６】
この場合、前記拡散変調手段では、擬似乱数符号として相補符号が用いられること、が好ましい。
【００１７】
このように、２系列の符号である相補符号を用いることにより、位相変調において１系列の符号を用いる場合に比べ、光ファイバに生じた歪み又は光ファイバの温度を高感度且つ高精度に計測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上より、本発明によれば、高い空間分解能を維持しつつ、歪み又は温度を高感度且つ高精度に計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態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る。
【図２】（Ａ）は、前記分布型光ファイバセンサの三角パルス発生手段の動作を説明するための図であり、（Ｂ）は、前記三角パルス発生器において生成される三角波のパターンを示す図である。
【図３】他実施形態に係る分布型光ファイバセンサの光パルス出射手段の構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、前記分布型光ファイバセンサの強度パルス発生手段の動作を説明するための図であり、（Ｂ）は、前記強度パルス発生手段において生成される強度パターンを示す図である。
【図５】前記分布型光ファイバの受信部の構成を示すブロック図である。
【図６】前記受信部の直交検波器の構成を示すブロック図である。
【図７】前記受信部の信号処理手段の構成を示すブロック図である。
【図８】前記信号処理手段の逆チャープフィルタの構成を示すブロック図である。
【図９】前記分布型光ファイバセンサによる歪み及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】前記分布型光ファイバセンサにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。
【図１１】第２実施形態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る。
【図１２】プローブ光の構成及び整合フィルタを説明するための図である。
【図１３】レイリー周波数シフトを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第１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符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、第１実施形態における分布型光ファイバセンサＦＳの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、検出用光ファイバ１０と、レイリー計測手段１１と、制御処理部１２と、を備える。
【００２２】
検出用光ファイバ１０は、歪み又は温度を検出するセンサ用の光ファイバである。この検出用光ファイバ１０は、第１端部（入力端）１０ａと、この第１端部１０ａと反対側の端部である第２端部１０ｂとを有する。検出用光ファイバ１０の入力端１０ａは、当該入力端１０ａからパルス光が検出用光ファイバ１０内に入射され、レイリー散乱現象の作用を受けて戻ってきた光を検出用光ファイバ１０の外部に射出する。ここで、配管、油田管、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又は温度を測定する場合には、当該検出用光ファイバ１０が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。
【００２３】
レイリー計測手段１１は、レイリー散乱現象を利用して検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度に基づくレイリー周波数シフト量（以下、単に「周波数シフト量」とも称する。）を計測する手段である。このレイリー計測手段１１は、光パルス出射手段１３と、受信部５０とを備える。また、本実施形態のレイリー計測手段１１は、光強度・偏光調整手段１４及び光サーキュレータ１５も備える。
【００２４】
光パルス出射手段１３は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを入力端１０ａから検出用光ファイバ１０内に入射させるものであり、光パルス光源２０と、チャープ手段３０とを有する。ここで、スペクトル拡散方式とは、出力信号を本来よりも広い帯域に拡散して出力する方式であり、本実施形態の光パルス出射手段１３におけるスペクトル拡散方式としては、周波数チャープ方式が用いられる。
【００２５】
光パルス光源２０は、多数の光パルスからなるパルス光を生成・出射する光源装置であり、連続光を出射する光源２１と、光源２１からの連続光をパルス光にする光パルス生成手段２２とを有する。
【００２６】
光源２１は、所定周波数の光を射出することができ、制御処理部１２による制御によって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。本実施形態の光源としては、例えば、波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）が用いられる。この光源２１は、周波数可変光源としても機能する。光源２１には三角パルス発生手段３００が接続され、この光源２１の出力端子（射出端子）は、光パルス生成手段２２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。
【００２７】
光パルス生成手段２２は、光源２１からの連続光をパルス光に変換する手段である。本実施形態の光パルス生成手段２２は、強度パルス発生手段３１０が接続され、この強度パルス発生手段３１０からの強度パターン信号に基づいて光源２１からの連続光に間歇的に強度変調を行い、この強度変調を行った部分だけを切り出し、パルス光（チャープパルス）を生成する。
【００２８】
これら光源２１と光パルス生成手段２２に接続される三角パルス発生手段３００と強度パルス発生手段３１０とにより、チャープ手段３０が構成される。このチャープ手段３０は、光パスル光源２０において生成される光パルスに対しチャープによって周波数変調を行う手段である。尚、三角パルス発生手段３００と強度パルス発生手段３１０とには、それぞれ同期信号出力手段３２０が接続されている。
【００２９】
具体的に、三角パルス発生手段３００は、光源２１から出射される光に対して周波数変調（チャープ変調）をかけるための手段である。この三角パルス発生手段３００は、図２（Ａ）に示されるように、メモリー３０１と、ＤＡ変換器３０２とを有する。メモリー３０１は、制御処理部１２において作り出された三角波のパターン（図２（Ｂ）参照）信号を格納し、この三角波のパターン信号を同期信号出力手段３２０からの同期信号に基づいてＤＡ変換器３０２に出力する。ＤＡ変換器３０２は、メモリー３０１からの三角波のパターン信号をＤＡ変換して光源２１に出力する。これにより、光源２１から出射された光に対して間歇的にチャープ変調がかけられる。
【００３０】
詳しくは、メモリー３０１に格納される三角波のパターン信号は、光源２１から発せられる光の周波数が光源２１に入力される電圧ｖに比例するものとすれば、以下の式（１）により与えられる。
【数１】
ここで、ｔが時間、τがパルスの時間幅、Ｔがパルスを発生させる周期、ｂが変調をかけないときの電圧、ａがチャープの周波数変化率に比例した定数である。
【００３１】
このような電圧が光源２１に印加（入力）されることにより、光源２１からは以下の式（２）により示される光信号が光源２１に向けて出力される。
【数２】
【００３２】
光源２１では、この光信号に基づいて変調された光が出力される。
【００３３】
尚、チャープ変調は、本実施形態のように光源２１に対して変調を行う直接変調に限定されず、光源２１から出力された後の光信号に対して行う間接変調でもよい。具体的には、例えば、図３に示されるように、三角パルス発生手段３００が接続された周波数変調手段３０５を光源２１と光パルス生成手段２２との間に設け、三角パルス発生手段３００からの三角波のパターン信号に基づき周波数変調手段３０５が光源２１から出射された光信号に対して間歇的にチャープ変調をかけてもよい。
【００３４】
強度パルス発生手段３１０は、光パルス生成手段２２に対して所定の強度パターン信号を出力するための手段であり、図４（Ａ）に示されるように、メモリー３１１と、ＤＡ変換器３１２とを有する。この強度パルス発生手段３１０は、三角パルス発生手段３００と同期して動作を行う。即ち、強度パルス発生手段３１０が出力する強度パターンは、三角パルス発生手段３００が出力する三角波のパターンとパルス幅τ及び周期Ｔが同一である（図４（Ｂ）参照）。
【００３５】
メモリー３１１は、制御処理部１２において作り出された強度パターンを格納し、この強度パターン信号を同期信号出力手段３２０からの同期信号に基づいてＤＡ変換器３１２に出力する。ＤＡ変換器３１２は、メモリー３１１からの強度パターン信号をＤＡ変換して光パルス生成手段２２に出力する。これにより、光パルス生成手段２２においてチャープパルスが生成され、このチャープパルスがプローブ光として光パルス生成手段２２から検出用光ファイバ１０に向けて出力される。
【００３６】
強度パターンのパルス（強度パルス）は、単純な矩形波でもよいが、本実施形態では、レンジサイドローブを抑えるために、窓関数としてガウス関数が用いられる。尚、窓関数は、ガウス関数に限定されず、ハニング関数やブラックマン・ハリス関数等の他の関数が用いられてもよい。
【００３７】
具体的に、本実施形態のメモリー３１１に格納される強度パターンは、以下に示すようなパターンである。
【００３８】
強度パルスの形状を
【数３】
とすると、メモリー３１１に格納される強度パターンは、
【数４】
【００３９】
となる。ここで、Ｒｐはパルスの時間的広がりに対応した定数である。
【００４０】
このような強度パターン信号がＤＡ変換器３１２によりＤＡ変換されて光パルス生成手段２２に出力されることにより、光パルス生成手段２２において生成されて出力される光（チャープパルス）が、
【数５】
となる。
【００４１】
図１に戻り、光強度・偏光調整手段１４は、制御処理部１２によって制御され、光パルス生成手段２２から出力されたプローブ光（チャープパルス）の光強度を調整するとともに、プローブ光の偏光面をランダムに変更して射出する手段である。光強度・偏光調整手段１４の出力端子は、光サーキュレータ１５の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整手段１４は、例えば、プローブ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可変減衰器と、プローブ光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。
【００４２】
光サーキュレータ１５は、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ともに、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ともに、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ともに、第２端子からは射出されない。光サーキュレータ１５の第１端子は、光強度・偏光調整部１４の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ１６を介して検出用光ファイバ１０の入力端１０ａに光学的に接続され、第３端子は、受信部５０の入力端子に光学的に接続される。
【００４３】
受信部５０は、制御処理部１２により制御され、図５にも示されるように、検出用光ファイバ１０から射出される光に対して光パルス出射手段１３におけるスペクトル拡散方式（本実施形態では、周波数チャープ方式）に対応したパルス圧縮を行い、この圧縮した入力光に基づいてレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）を検出する部位である。この受信部５０は、コヒーレント受信機５００と、信号処理手段５５０とを備える。また、コヒーレント受信機５００と信号処理手段５３０との間には、コヒーレント受信機５００からの出力信号を格納するメモリー５２が設けられている。
【００４４】
コヒーレント受信機５００は、局部発振光発生器（以下、単に「局部発振器」とも称する。）５１が接続され、検出用光ファイバ１０からの入力光と局部発振器５１からの局発光との光へテロダインによりベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを復調し、これらベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを偏波合成することによりベースバンド信号Ｑ，Ｉを得るための回路である。
【００４５】
具体的に、コヒーレント受信機５００への入力光（検出用光ファイバ１０からの光）は、プローブ光（チャープパルス）と検出用光ファイバ１０の応答特性との畳み込みとなる。入力光をｆ（ｔ）、検出用光ファイバの応答特性をｈ（ｔ）とすると、
【数６】
と表せる。
【００４６】
この光は、偏波の角度が未知であるため、コヒーレント受信機５００において互いに直交する２つの偏波（Ｘ偏波とＹ偏波）に分離し、これら入力光のＸ偏波及びＹ偏波と、コヒーレント受信機５００において同様に分離偏波した局発光のＸ偏波及びＹ偏波とによる直交検波が行われ、これにより、ベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱが得られる。
【００４７】
このコヒーレント受信機５００は、第１及び第２偏光子５０１，５０２と、第１及び第２直交検波器５１０，５２０と、偏波合成手段５４０とを備える。第１偏光子５０１（又は第２偏光子５０２）は、入力された光をＸ偏波とＹ偏波とに分離偏波して出力する素子である。
【００４８】
第１直交検波器５１０（又は第２直交検波器５２０）は、直交検波を行うための回路であり、図６に示されるように、局部発振器５１からの局発光のＹ（又はＸ）偏波と検出用光ファイバ１０からの入力光のＹ（又はＸ）偏波とがそれぞれ入力されるビームスプリッタ５１１，５１１’，５１３，５１３’（又は５２１，５２１’，５２３，５２３’）と、（１／４）波長板５１２（又は５２２）と、光検出器５１４，５１４’（又は５２４，５２４’）と、信号強度を増幅する増幅器（アンプ）５１５，５１５’（又は５２５，５２５’）と、フィルタ（本実施形態ではローパスフィルタ）５１６，５１６’（又は５２６，５２６’）と、を備える。本実施形態の第１直交検波器５１０は、入力された局発光のＹ偏波と入力光のＹ偏波とからベースバンド信号ＹＱ，ＹＩを復調する。一方、本実施形態の第２直交検波器５２０は、入力された局発光のＸ偏波と入力光のＸ偏波とからベースバンド信号ＸＱ，ＸＩを復調する。
【００４９】
ビームスプリッタ５１１（又は５２１）は、入力端子から入力された光を分岐し、２つの出力端子からそれぞれ出力する素子である。一方、ビームスプリッタ５１３（又は５２３）は、２つの入力端子からそれぞれ入力された光を合流させ、１つの出力端子から出力する素子である。（１／４）波長板５１２（又は５２２）は、当該波長板５１２（又は５２２）を通過する前と後で光の位相差が９０°となるように光の位相を変換する素子である。光検出器５１４（又５２４）は、入力された光の強度を電気信号に変換して出力する素子である。
【００５０】
第１直交検波器５１０には、復調されたベースバンド信号ＹＱ，ＹＩを出力するための２つの出力端子が設けられている。また、第２直交検波器５２０には、復調されたベースバンド信号ＸＱ，ＸＩを出力するための２つの出力端子が設けられている。これら、第１直交検波器５１０及び第２直交検波器５２０の各出力端子には、ＡＤ変換器５３０ａ〜５３０ｄとメモリー５３１ａ〜５３１ｄとがそれぞれ接続されている。各ＡＤ変換器５３０ａ〜５３０ｄは、第１直交検波器５１０又は第２直交検波器から出力されたベースバンド信号をＡＤ変換し、このＡＤ変換されたベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを対応するメモリー５３１ａ〜５３１ｄがそれぞれ格納する。
【００５１】
偏波合成手段５４０は、第１直交検波器５１０及び第２直交検波器５２０において得られたベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを偏波合成し、ベースバンド信号Ｉ，Ｑとして出力する手段である。具体的に、偏波合成手段５４０は、第１直交検波器５１０及び第２直交検波器５２０で得られ、ＡＤ変換器５３０ａ〜５３０ｄによりデジタル化されたベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱに対して以下の式（７）による演算を行い、この演算により得られたベースバンド信号Ｉ，Ｑを出力する。
【数７】
【００５２】
偏波合成手段５４０には、上記のように得られたベースバンド信号Ｉ，Ｑを出力するための２つの出力端子が設けられ、各出力端子には、メモリー５２ａ，５２ｂが接続されている。これら各メモリー５２ａ，５２ｂは、偏波合成手段５４０から出力されたベースバンド信号Ｉ，Ｑを、同期信号出力手段３２０からの同期信号に基づいて周期Ｔ毎に格納する。
【００５３】
信号処理手段５５０は、検出用光ファイバ１０からの入力光のチャープ成分を圧縮し、これを解析処理する手段であり、図７に示されるように、逆チャープフィルタ（整合フィルタ）５５１と、信号分析部５６０と、を有する。
【００５４】
逆チャープフィルタ５５１は、整合フィルタの一種であり、メモリー５２ａ，５２ｂに格納されたベースバンド信号Ｉ，Ｑのチャープ成分を圧縮する。このとき、逆チャープフィルタ５５１は、圧縮された信号が検出用光ファイバ１０のインパルス応答を得られるように設定されるチャープ条件に基づいて動作する。このチャープ条件は、光源２１及び光パルス生成手段２２により生成されたチャープパルスの動作条件に基づくものであり、逆チャープフィルタ５５１における演算の係数となる。この逆チャープフィルタ５５１への入力がメモリー５２ａ，５２ｂからの２チャンネルで行われ、各入力が実数部と虚数部との複素数として扱われるため、逆チャープフィルタ５５１の係数も複素数として扱う。
【００５５】
具体的に、逆チャープフィルタ５５１の係数は、逆チャープフィルタ５５１に入力される信号からチャープ成分を取り除くため、
【数８】
の形をとる。
【００５６】
詳しくは、逆チャープフィルタ５５１には、メモリー５２ａ，５２ｂから、以下に式（９）に示す形の信号が入力される。
【数９】
【００５７】
このような信号が入力された逆チャープフィルタ５５１では、以下の演算が行われる。
【数１０】
ここでｇｐ（ｔ）がフィルタ係数、｛ ｝の中が入力信号である。
【００５８】
より詳細には、逆チャープフィルタ５５１では、図８及び以下の式（１１）に示す演算によるフィルタ処理が行われる。この演算は、４つの畳み込み計算と２つの加減算に分類できる。尚、チャープ条件及びメモリー５２ａ，５２ｂからの入力信号は、いずれも複素信号であり、Ｉｇ（ｔ），Ｑｇ（ｔ），Ｉｂ（ｔ），Ｑｂ（ｔ）とし、演算により得られた結果をＩｓ＋Ｑｓとする。
【数１１】
ここで、上記の式（１１）において、（ｉ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５２において行われる畳み込み計算を示し、（ｉｉ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５３において行われる畳み込み計算を示し、（ｉｉｉ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５４において行われる畳み込み計算を示し、（ｉｖ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５５において行われる畳み込み計算を示す。また、上記の式（１１）において、（ａ）が図８の加算器５５６において行われる計算を示し、（ｂ）が図８の加算器５５７において行われる計算を示す。
【００５９】
逆チャープフィルタ５５１は、ミキサ５５８によって演算により得られた結果（Ｉｓ＋Ｑｓ）の二乗和を求め、出力信号として出力する。
【００６０】
信号分析部５６０は、逆チャープフィルタ５５１から出力された出力信号のＰｏｗｅｒ（電力）に比例した成分の推移に基づき検出用光ファイバ１０の特性を分析処理し、入力光からレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）のレイリースペクトルを導出する部位（検出手段）である。
【００６１】
さらに、信号分析部５６０は、このようの求めたレイリースペクトルのシフト量（レイリー周波数シフト量）Δνｒを検出し、このレイリー周波数シフト量Δνｒに基づいて検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度を導出する部位（算出手段）である。具体的に、信号分析部５６０は、歪みが生じていない状態（又は温度変化前の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域におけるレイリースペクトルと、歪みが生じている状態（又は温度変化後の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する部分のレイリースペクトルとの相関関数係数をそれぞれ計算する。そして、信号分析部５６０は、この相関関係係数に基づいて、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分におけるレイリー周波数シフト量Δνｒを高感度且つ高精度で導出する。このように求めたレイリー周波数シフト量Δνｒから、信号分析部５６０は、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分における歪み又は温度を導出する。
【００６２】
制御処理部は、分布型光ファイバセンサＦＳの各構成を制御するための部位であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、検出用光ファイバ１０の歪み又は温度の分布を高空間分解能で測定するために必要なデータを記憶するメモリー等を備えている。また、前記のように制御処理部は、チャープパルスを生成するための三角波のパターンや強度パターンの作成等も行う。
【００６３】
次に、以上のような分布型光ファイバセンサＦＳにおける歪み又は温度の計測動作について説明する。図９は、分布型光ファイバセンサＦＳによる歪み又は温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【００６４】
検出用光ファイバ１０が計測対象物に固定された状態で、分布型光ファイバセンサＦＳにより所定範囲でプローブ光の周波数の掃引を行いレイリー周波数シフト量Δνｒが測定される。具体的には、先ず、制御処理部１２は、光パルス出射手段１３（詳しくは、光パルス光源２０及びチャープ手段３０）を制御することにより、レイリー散乱現象を利用するためのパルス光（チャープパルス）を生成させる。詳しくは、制御処理部１２は、同期信号に基づく三角波のパターン（図２（Ｂ）参照）を三角パルス発生手段３００に作成させて光源２１から出射される光に対して間歇的にチャープ変調をかける（ステップＳ１）。そして、制御処理部１２は、同期信号に基づいて三角波のパターンと同期した強度パターン（図４（Ｂ）参照）を強度パルス発生手段３１０に生成させ、これに基づき光パルス生成手段２２において光源２１からの光に強度変調を施す。これにより、検出用光ファイバ１０にプローブ光として入射させるチャープパルスが光パルス生成手段２２において生成される（ステップＳ２）。このように生成されたチャープパルスは、パルス幅が大きいため各パルスの有するエネルギーが高く、検出用光ファイバ１０に入射され入力端１０ａから離れた領域で散乱され戻ってきても所望の信号強度が得られる。
【００６５】
光パルス生成手段２２からのパルス光（チャープパルス）は、光強度・偏光調整部１４に入射され、光強度・偏光調整部１４でその光強度が調整されると共に、その偏光方向がランダム（無作為）に調整される（ステップＳ３）。即ち、光強度・偏光調整部１４は、高速偏波スクランブラーとして機能し、各パルス光にランダムな偏波面を与える。このように、光強度・偏光調整部１４により各パルス光にランダムな偏光面を測定毎に与えているので、受信部５０は、波長の変化分のレイリー後方散乱光を加算して平均を取ることにより平滑なレイリー後方散乱光を得ることができ、このレイリー後方散乱光のレベルから距離の損失を精度よく換算することが可能となる。
【００６６】
その後、パルス光は、光サーキュレータ１５及び光コネクタ１６を介して入力端１０ａから検出用光ファイバ１０内に入射される（ステップＳ４）。
【００６７】
検出用光ファイバ１０の入力端１０ａから入射したパルス光は、検出用光ファイバ１０内で散乱されてレイリー現象を生じさせる（ステップＳ５）。この散乱によって入力端１０ａまで戻ってきたレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）は、入力端１０ａから検出用光ファイバ１０の外部に射出され、光コネクタ１６、光サーキュレータ１５を介して受信部５０まで導光される。
【００６８】
受信部５０に入射した検出用光ファイバ１０からの光（入力光）は、コヒーレント受信機５００において、局部発振光発生器５１からの局発光を用いた直交検波によってベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱに復調された後、偏波合成手段５４０によってベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱの偏波合成が行われ、ベースバンド信号Ｉ，Ｑ（式（７）参照）となる（ステップＳ６）。即ち、レイリー後方散乱光と局発光とのヘテロダイン受信によりＩ，Ｑ分離がなされる。
【００６９】
このベースバンド信号Ｉ，Ｑが信号処理手段５５０の逆チャープフィルタ５５１において逆チャープをかけられて圧縮され（ステップＳ７）、この圧縮された信号が信号分析部５６０において分析される。これにより、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分におけるレイリースペクトルが高精度且つ光分解能で得られる（ステップＳ８）。
【００７０】
そして、信号分析部５６０は、歪みが生じていない状態（又は温度変化前の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域におけるレイリースペクトルと、歪みが生じている状態（又は温度変化後の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する部分のレイリースペクトルとの相関関数係数をそれぞれ計算することによって、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分におけるレイリー周波数シフト量Δνｒを高感度且つ高精度で求める（ステップＳ９）。
【００７１】
信号分析部５６０は、このように求めたレイリー周波数シフト量Δνｒに基づき、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分における歪み又は温度をそれぞれ求める。その結果、検出用光ファイバ１０の長尺方向における歪み又は温度分布が高感度且つ高精度で得られる（ステップＳ１０）。
【００７２】
図１０は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳにより計測されたレイリー周波数シフト量Δνｒの一例を示す図である。図１０（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図１０（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相関関係係数を示している。図１０（Ａ）に示すように、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線であり、両者の相関関係係数を計算すると、図１０（Ｂ）に示すようになり、両者の相関関係係数のピークのオフセット量Δｖｒがレイリー周波数シフト量となる。
【００７３】
このΔｖｒだけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させると、図１０（Ｃ）のようになり、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とがほぼ一致しており、レイリー周波数シフト量を高精度で求めることができたことがわかる。
【００７４】
以上のように、本実施形態の分布型光ファイバセンサＦＳにおいては、スペクトル拡散方式（周波数チャープ変調）によりパルス幅を長くした光パルス（チャープパルス）をプローブ光として検出用光ファイバ１０に入射させ、戻ってきた光（レイリー後方散乱光）を前記スペクトル拡散方式に対応した圧縮を行う（逆チャープをかける）ことにより、検出用光ファイバ１０における入力端１０ａから離れた領域（位置）における当該光ファイバ１０に生じた歪み又は当該光ファイバ１０の温度も高感度且つ高精度に計測することが可能となる。即ち、チャープ変調により入射させるパルス幅を大きくすることによりパルスの有するエネルギーを大きくして遠方で散乱され戻ってくる光の信号強度を確保してＳＮを高めると共に、逆チャープ（圧縮）により高い空間分解能を確保することが可能となる。
【００７５】
次に、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第２実施形態を図面に基づいて説明する。尚、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。図１１は、第２実施形態における分布型光ファイバセンサＦＳの構成を示すブロック図である。
【００７６】
図１１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、検出用光ファイバ１０と、レイリー計測手段１１と、制御処理部１２と、局部発振器５１Ａとを備える。
【００７７】
レイリー計測手段１１は、光パルス出射手段１３と、受信部５０と、を備える。また、本実施形態のレイリー計測手段１１は、光カプラ１７及び変調器１８も備える。
【００７８】
光パルス出射手段１３は、光源２１と、光源２１からの連続光をパルス光にする光パルス生成手段２２Ａとを有する。光パルス生成手段２２Ａは、光源２１が出射した連続光が入射され、制御処理部１２の制御により、この連続光からプローブ光としてのパルス光を生成する手段である。このパルス光を構成する各パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。本実施形態では、スペクトル拡散方式として、図１２（Ａ）に示すような擬似乱数による位相変調方式が用いられる。
【００７９】
位相変調方式としては、例えば、ＰＮ系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。ＰＮ系列は、擬似乱数（pseudo-random number）系列であり、本実施形態では、相補符号を用いる。具体的に、擬似乱数系列として、Ｇｏｌａｙ符号系列が用いられる。
【００８０】
光カプラ１７は、光源２１からの光を分岐させ、光パルス生成手段２２と受信部５０とに出力する。この光カプラ１７は、入力端子が光源２１の出力端子と光学的に接続され、一方の出力端子が光パルス生成手段２２の入力端子と光学的に接続され、他方の出力端子が変調器１８の入力端子と光学的に接続されている。
【００８１】
変調器１８は、局部発振器５１Ａが接続され、この局部発振器５１Ａからのマイクロ波に基づいて光源２１からの光を周波数シフトさせ、受信部５０（詳しくは、ヘテロダイン検波手段１５２）に出力する。
【００８２】
受信部５０は、制御処理部１２により制御され、検出用光ファイバ１０からの入力光に対して光パルス出射手段１３におけるスペクトル拡散方式（本実施形態では、位相変調方式）に対応したパルス圧縮を行い、この圧縮した入力光に基づいてレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）を検出する部位である。この受信部５０は、光へテロダイン検波手段１５１と、ヘテロダイン検波手段１５２と、信号処理手段５５０Ａとを備える。
【００８３】
光へテロダイン検波手段１５１は、検出用光ファイバ１０からの入力光と変調器１８で周波数シフトされた光源２１からの光との光へテロダインにより、入力光をマイクロ波に落とす手段である。また、ヘテロダイン検波手段１５２は、光へテロダイン検波手段１５１によりマイクロ波に落とされた入力光を、さらに、マイクロ波のヘテロダイン受信によりＩ，Ｑ両チャンネルからのベースバンドの複素信号を出力する手段である。
【００８４】
信号処理手段５５０Ａは、ヘテロダイン検波手段１５２からの複素信号に対して本実施形態のスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、この整合フィルタの出力の二乗和を導出し、これに基づいて検出用光ファイバ１０の長尺方向における各領域のレイリースペクトルを導出する検出手段とを有する。さらに、信号処理手段５５０Ａは、第１実施形態の信号処理手段５５０と同様に、レイリースペクトルのシフト量（レイリー周波数シフト量）Δνｒを検出し、このレイリー周波数シフト量Δνｒに基づいて検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度を導出する算出手段も有する。
【００８５】
ここで、本実施形態の整合フィルタは、図１２（Ｂ）に示すような、スペクトル拡散に用いた擬似符号（図１２（Ａ）参照）を時間的に反転し、整合フィルタへの入力との畳み込みを取るものである。
【００８６】
以上のような分布型光ファイバセンサＦＳにおける歪み又は温度の計測動作について説明する。
【００８７】
角周波数ωの光源２１からの光に光パルス生成手段２２Ａにおいて広帯域変調をかけ、これにより生成されたパルス幅Ｄの大きなパルス光を検出用光ファイバ１０に入射させる。光源２１からの光は、その一部が光カプラ１７により分岐され、局部発振器５１Ａで発生させる各周波数ωＬＯのマイクロ波に基づき変調器１８において周波数シフトされる。検出用光ファイバ１０内で散乱して戻ってきた光は、光へテロダイン検波手段１５１において、前記周波数シフトした光と光へテロダインにより中心周波数がωＬＯのマイクロ波に落とされる。さらに、ヘテロダイン検波手段１５２において、前記マイクロ波とのヘテロダイン受信によりそのＩ，Ｑ両チャンネルからの出力でベースバンドの複素信号が取り出される。この信号処理手段５５０Ａにおいて、この複素信号に対して整合フィルタをかけ、その出力の二乗和を出力する。これに基づいて、信号処理手段５５０Ａは、検出用光ファイバ１０の長尺方向における各領域のレイリースペクトルを導出する。
【００８８】
ここで、本実施形態でのプローブ光と信号処理手段５５０Ａの整合フィルタとについて詳しく説明する。
【００８９】
パルス圧縮方式として、本実施形態の光パルス生成手段２２Ａでは、擬似乱数による位相変調を用いている。プローブ光としてパルス幅Ｄの大きなパルスが用いられ、このパルスには、光パルス生成手段２２Ａにおいて図１２（Ａ）に示すような擬似乱数符号による位相変調が施される。一方、信号処理手段５５０Ａでは、整合フィルタを用いてパルス圧縮が行われる。この整合フィルタは、図１２（Ｂ）に示すような擬似乱数の符号列を時間反転させたものである。
【００９０】
プローブ光は、幅Ｄの長いパルスとし、パルス内部は、Ｍ個の幅ｄ＝（Ｄ／Ｍ）のセルに分割される。各セルを
【数１２】
と表す。擬似乱数系列を±１という値を取る数列ｒｍ，ｍ＝１，…，Ｍとし、プローブ光の形状関数を
【数１３】
とする。
【００９１】
擬似乱数は、その自己相関関数が
【数１４】
を満たすことが理想である。そこで、本実施形態では、Ｇｏｌａｙ符号列のように２系列の符号系列を用い、式（１５）を仮定する。ここでδｋ，０は、クロネッカーのデルタを表す。
【００９２】
整合フィルタのインパルス応答は時間積分の値がＭとなるように規格化して
【数１５】
とする。このとき、
【数１６】
となる。Ｄを固定してｄ→０とすると、
【００９３】
【数１７】
となることに注意する。ここで、δ（ｔ）はＤｉｒａｃのδ関数である。
【００９４】
次に、整合フィルタによる復調後のレイリー散乱スペクトルについて説明する。
【００９５】
時間ｔに検出用光ファイバ１０の入力端１０ａに戻るレイリー後方散乱光の電界は、減衰を無視すれば、
【数１８】
と表せる。ここで、Δχは検出用光ファイバ１０の長さ方向の電気感受率の揺らぎであり、ωは検出用光ファイバ１０の入力端１０ａから入射する光の角周波数である。
【００９６】
マイクロ波ωＬＯで周波数シフトさせた光源２１からの光との光へテロダインにより、光ヘテロダイン検波手段１５１においてマイクロ波に落とした入力信号は、直流成分を除けば
【数１９】
と表される。ここで、Δφは２つの光の初期位相差を表す。
【００９７】
このマイクロ波信号をヘテロダイン検波手段１５２でヘテロダインしてベースバンドに落とした複素信号は、
【数２０】
と表され、さらに、整合フィルタをかけた入力信号は、
【数２１】
と表される。従って、復調処理後のレイリー散乱のスペクトルは、
【数２２】
となる。このように、パルス圧縮により得られるレイリースペクトルは、形状関数がｆｐｃ（ｔ）となるようなパルスを用いたときのレイリースペクトルに等しくなっていることがわかる。
【００９８】
ｆｐｃ（ｔ）が式（１６）のような形状を持つ場合には、底辺の幅が２ｄで高さがＭの三角パルスを用いるのと等価になる。
【００９９】
以上のように、本実施形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳにおいても、スペクトル拡散方式（位相変調方式）によりパルス幅を長くした光パルス（プローブ光）を検出用光ファイバ１０に入射させ、戻ってきた光（レイリー後方散乱光）を前記位相変調方式に対応した圧縮を行うことにより、検出用光ファイバ１０における入力端１０ａから離れた領域における検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度も高感度且つ高精度に計測することが可能となる。
【０１００】
尚、本発明の分布型光ファイバセンサは、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１０１】
第１実施形態の光パルス出射手段においては、スペクトル拡散方式として周波数チャープ方式が用いられ、第２実施形態の光パルス出射手段においては、スペクトル拡散方式として位相を変調する位相変調方式が用いられているが、これらに限定されず、周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等であってもよい。
【０１０２】
チャープ手段３０は、光源２１からの光を非線形チャープや窓関数により周波数変調するように構成されることにより、レンジサイドローブが抑えられる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 検出用光ファイバ
１１ レイリー計測手段
１３ 光パルス出射手段
５５０ 信号処理手段（算出手段）
５５１ 逆チャープフィルタ（整合フィルタ）
ＦＳ 分布型光ファイバセンサ
【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の歪み又は温度の分布を測定する分布型光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバを用い、その長尺方向についての歪み又は温度の分布測定を行う光ファイバセンシング技術として、光ファイバ中で起こるレイリー散乱現象に基づく方法がある。この方法として、例えば、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、光ファイバが当該光ファイバの設置される環境（計測対象物）における歪み又は温度を検出する媒体として利用される。
【０００３】
具体的に、計測対象物に設置された光ファイバの一方の端部（入力端）からプローブ光として光パルスが入力（入射）される。この光パルスの入力によって光ファイバの長手方向の各領域において発生し、入力端に戻ってきたレイリー後方散乱が測定され、前記各領域におけるレイリー散乱の散乱光のスペクトルデータが得られる。また、光パルスをプローブ光として用いているため、入力端から入力された光パルスが光ファイバ中で散乱して当該入力端に戻ってくるまでの往復時間により、この光パルスの散乱、即ち、レイリー散乱が生じた光ファイバの長尺方向における位置が特定される。
【０００４】
このように得られたスペクトルデータは、各光ファイバ固有のものである。これは、レイリー散乱が光ファイバのコア内のガラス固有の微小な屈折率の揺らぎによって発生し、この揺らぎのパターンは光ファイバの製造時に決まるからである。このレイリースペクトルは、光ファイバに歪みや温度変化が生じたときにも図１３に示されるようにスペクトルの波形を変えず、周波数だけがずれる（即ち、周波数シフトが生じる）。
【０００５】
そこで、光ファイバの長尺方向の各領域における周波数シフトからそのシフト量を検出し、このシフト量に基づくことによって、光ファイバの各領域における歪み又は温度を高感度且つ高精度に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２３６５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の方法では、光ファイバに入力されるプローブ光（光パルス）のパルス幅により空間分解能が決まる。即ち、プローブ光のパルス幅内でレイリー散乱光のスペクトルの周波数シフトの量が大きく変動するとシフト量の検出が困難になるため、高い空間分解能を実現するには、パルス幅を短くする必要があった。
【０００８】
しかし、プローブ光のパルス幅を短くすると各パルスのエネルギーが減少し、これにより、光ファイバの各領域で散乱され入力端に戻ってくる散乱光の信号強度が低下する。そのため、光ファイバの入力端から離れた位置からの散乱光（レイリー散乱光）を精度よく計測することが難しく、歪み又は温度を高感度且つ高精度に測定できないといった問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、高い空間分解能を維持しつつ、歪み又は温度を高感度且つ高精度に計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、センサとして用いられる光ファイバと、レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度に基づくレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量から前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度を算出する算出手段と、を備える。そして、前記レイリー計測手段は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを前記光ファイバ内に入射させる光パルス出射手段と、前記光ファイバから射出される光に対して前記スペクトル拡散方式に対応したパルス圧縮を行う整合フィルタと、前記整合フィルタで圧縮された光に基づいて前記レイリー散乱現象に係る光を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
この分布型光ファイバセンサにおいては、スペクトル拡散方式によりパルス幅を長くした光パルス（プローブ光）を光ファイバに入射させ、戻ってきた光（レイリー後方散乱光）を前記スペクトル拡散方式に対応した圧縮を行うことにより、光ファイバにおける光パルスを入射させた部位から離れた位置における光ファイバの歪み又は光ファイバの温度も高感度且つ高精度に計測することが可能となる。即ち、入射させるパルス幅を大きくしてパルスの有するエネルギーを大きくして遠方で散乱され戻ってくる光の信号強度を確保してＳＮを高めると共に、圧縮により高い空間分解能を確保することが可能となる。
【００１２】
具体的に、前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、前記光パルスに対しチャープによって周波数変調を行うチャープ変調手段と、を備えることにより、光ファイバに生じた歪み又は光ファイバの温度を高感度且つ高精度に計測することができる。
【００１３】
この場合、前記チャープ変調手段では、非線形チャープにより周波数変調が行われてもよく、窓関数により周波数変調が行われてもよい。これらいずれの構成によっても、計測結果におけるレンジサイドローブを抑えることができる。
【００１４】
また、前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、擬似乱数符号を用いて前記光パルスの位相変調を行う拡散変調手段と、を備えてもよい。
【００１５】
かかる構成によっても、光ファイバに生じた歪み又は光ファイバの温度を高感度且つ高精度に計測することができる。
【００１６】
この場合、前記拡散変調手段では、擬似乱数符号として相補符号が用いられること、が好ましい。
【００１７】
このように、２系列の符号である相補符号を用いることにより、位相変調において１系列の符号を用いる場合に比べ、光ファイバに生じた歪み又は光ファイバの温度を高感度且つ高精度に計測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上より、本発明によれば、高い空間分解能を維持しつつ、歪み又は温度を高感度且つ高精度に計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態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る。
【図２】（Ａ）は、前記分布型光ファイバセンサの三角パルス発生手段の動作を説明するための図であり、（Ｂ）は、前記三角パルス発生器において生成される三角波のパターンを示す図である。
【図３】他実施形態に係る分布型光ファイバセンサの光パルス出射手段の構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、前記分布型光ファイバセンサの強度パルス発生手段の動作を説明するための図であり、（Ｂ）は、前記強度パルス発生手段において生成される強度パターンを示す図である。
【図５】前記分布型光ファイバの受信部の構成を示すブロック図である。
【図６】前記受信部の直交検波器の構成を示すブロック図である。
【図７】前記受信部の信号処理手段の構成を示すブロック図である。
【図８】前記信号処理手段の逆チャープフィルタの構成を示すブロック図である。
【図９】前記分布型光ファイバセンサによる歪み及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】前記分布型光ファイバセンサにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。
【図１１】第２実施形態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る。
【図１２】プローブ光の構成及び整合フィルタを説明するための図である。
【図１３】レイリー周波数シフトを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第１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符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、第１実施形態における分布型光ファイバセンサＦＳの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、検出用光ファイバ１０と、レイリー計測手段１１と、制御処理部１２と、を備える。
【００２２】
検出用光ファイバ１０は、歪み又は温度を検出するセンサ用の光ファイバである。この検出用光ファイバ１０は、第１端部（入力端）１０ａと、この第１端部１０ａと反対側の端部である第２端部１０ｂとを有する。検出用光ファイバ１０の入力端１０ａは、当該入力端１０ａからパルス光が検出用光ファイバ１０内に入射され、レイリー散乱現象の作用を受けて戻ってきた光を検出用光ファイバ１０の外部に射出する。ここで、配管、油田管、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又は温度を測定する場合には、当該検出用光ファイバ１０が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。
【００２３】
レイリー計測手段１１は、レイリー散乱現象を利用して検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度に基づくレイリー周波数シフト量（以下、単に「周波数シフト量」とも称する。）を計測する手段である。このレイリー計測手段１１は、光パルス出射手段１３と、受信部５０とを備える。また、本実施形態のレイリー計測手段１１は、光強度・偏光調整手段１４及び光サーキュレータ１５も備える。
【００２４】
光パルス出射手段１３は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを入力端１０ａから検出用光ファイバ１０内に入射させるものであり、光パルス光源２０と、チャープ手段３０とを有する。ここで、スペクトル拡散方式とは、出力信号を本来よりも広い帯域に拡散して出力する方式であり、本実施形態の光パルス出射手段１３におけるスペクトル拡散方式としては、周波数チャープ方式が用いられる。
【００２５】
光パルス光源２０は、多数の光パルスからなるパルス光を生成・出射する光源装置であり、連続光を出射する光源２１と、光源２１からの連続光をパルス光にする光パルス生成手段２２とを有する。
【００２６】
光源２１は、所定周波数の光を射出することができ、制御処理部１２による制御によって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。本実施形態の光源としては、例えば、波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）が用いられる。この光源２１は、周波数可変光源としても機能する。光源２１には三角パルス発生手段３００が接続され、この光源２１の出力端子（射出端子）は、光パルス生成手段２２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。
【００２７】
光パルス生成手段２２は、光源２１からの連続光をパルス光に変換する手段である。本実施形態の光パルス生成手段２２は、強度パルス発生手段３１０が接続され、この強度パルス発生手段３１０からの強度パターン信号に基づいて光源２１からの連続光に間歇的に強度変調を行い、この強度変調を行った部分だけを切り出し、パルス光（チャープパルス）を生成する。
【００２８】
これら光源２１と光パルス生成手段２２に接続される三角パルス発生手段３００と強度パルス発生手段３１０とにより、チャープ手段３０が構成される。このチャープ手段３０は、光パスル光源２０において生成される光パルスに対しチャープによって周波数変調を行う手段である。尚、三角パルス発生手段３００と強度パルス発生手段３１０とには、それぞれ同期信号出力手段３２０が接続されている。
【００２９】
具体的に、三角パルス発生手段３００は、光源２１から出射される光に対して周波数変調（チャープ変調）をかけるための手段である。この三角パルス発生手段３００は、図２（Ａ）に示されるように、メモリー３０１と、ＤＡ変換器３０２とを有する。メモリー３０１は、制御処理部１２において作り出された三角波のパターン（図２（Ｂ）参照）信号を格納し、この三角波のパターン信号を同期信号出力手段３２０からの同期信号に基づいてＤＡ変換器３０２に出力する。ＤＡ変換器３０２は、メモリー３０１からの三角波のパターン信号をＤＡ変換して光源２１に出力する。これにより、光源２１から出射された光に対して間歇的にチャープ変調がかけられる。
【００３０】
詳しくは、メモリー３０１に格納される三角波のパターン信号は、光源２１から発せられる光の周波数が光源２１に入力される電圧ｖに比例するものとすれば、以下の式（１）により与えられる。
【数１】
ここで、ｔが時間、τがパルスの時間幅、Ｔがパルスを発生させる周期、ｂが変調をかけないときの電圧、ａがチャープの周波数変化率に比例した定数である。
【００３１】
このような電圧が光源２１に印加（入力）されることにより、光源２１からは以下の式（２）により示される光信号が光源２１に向けて出力される。
【数２】
【００３２】
光源２１では、この光信号に基づいて変調された光が出力される。
【００３３】
尚、チャープ変調は、本実施形態のように光源２１に対して変調を行う直接変調に限定されず、光源２１から出力された後の光信号に対して行う間接変調でもよい。具体的には、例えば、図３に示されるように、三角パルス発生手段３００が接続された周波数変調手段３０５を光源２１と光パルス生成手段２２との間に設け、三角パルス発生手段３００からの三角波のパターン信号に基づき周波数変調手段３０５が光源２１から出射された光信号に対して間歇的にチャープ変調をかけてもよい。
【００３４】
強度パルス発生手段３１０は、光パルス生成手段２２に対して所定の強度パターン信号を出力するための手段であり、図４（Ａ）に示されるように、メモリー３１１と、ＤＡ変換器３１２とを有する。この強度パルス発生手段３１０は、三角パルス発生手段３００と同期して動作を行う。即ち、強度パルス発生手段３１０が出力する強度パターンは、三角パルス発生手段３００が出力する三角波のパターンとパルス幅τ及び周期Ｔが同一である（図４（Ｂ）参照）。
【００３５】
メモリー３１１は、制御処理部１２において作り出された強度パターンを格納し、この強度パターン信号を同期信号出力手段３２０からの同期信号に基づいてＤＡ変換器３１２に出力する。ＤＡ変換器３１２は、メモリー３１１からの強度パターン信号をＤＡ変換して光パルス生成手段２２に出力する。これにより、光パルス生成手段２２においてチャープパルスが生成され、このチャープパルスがプローブ光として光パルス生成手段２２から検出用光ファイバ１０に向けて出力される。
【００３６】
強度パターンのパルス（強度パルス）は、単純な矩形波でもよいが、本実施形態では、レンジサイドローブを抑えるために、窓関数としてガウス関数が用いられる。尚、窓関数は、ガウス関数に限定されず、ハニング関数やブラックマン・ハリス関数等の他の関数が用いられてもよい。
【００３７】
具体的に、本実施形態のメモリー３１１に格納される強度パターンは、以下に示すようなパターンである。
【００３８】
強度パルスの形状を
【数３】
とすると、メモリー３１１に格納される強度パターンは、
【数４】
【００３９】
となる。ここで、Ｒｐはパルスの時間的広がりに対応した定数である。
【００４０】
このような強度パターン信号がＤＡ変換器３１２によりＤＡ変換されて光パルス生成手段２２に出力されることにより、光パルス生成手段２２において生成されて出力される光（チャープパルス）が、
【数５】
となる。
【００４１】
図１に戻り、光強度・偏光調整手段１４は、制御処理部１２によって制御され、光パルス生成手段２２から出力されたプローブ光（チャープパルス）の光強度を調整するとともに、プローブ光の偏光面をランダムに変更して射出する手段である。光強度・偏光調整手段１４の出力端子は、光サーキュレータ１５の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整手段１４は、例えば、プローブ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可変減衰器と、プローブ光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。
【００４２】
光サーキュレータ１５は、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ともに、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ともに、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ともに、第２端子からは射出されない。光サーキュレータ１５の第１端子は、光強度・偏光調整部１４の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ１６を介して検出用光ファイバ１０の入力端１０ａに光学的に接続され、第３端子は、受信部５０の入力端子に光学的に接続される。
【００４３】
受信部５０は、制御処理部１２により制御され、図５にも示されるように、検出用光ファイバ１０から射出される光に対して光パルス出射手段１３におけるスペクトル拡散方式（本実施形態では、周波数チャープ方式）に対応したパルス圧縮を行い、この圧縮した入力光に基づいてレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）を検出する部位である。この受信部５０は、コヒーレント受信機５００と、信号処理手段５５０とを備える。また、コヒーレント受信機５００と信号処理手段５３０との間には、コヒーレント受信機５００からの出力信号を格納するメモリー５２が設けられている。
【００４４】
コヒーレント受信機５００は、局部発振光発生器（以下、単に「局部発振器」とも称する。）５１が接続され、検出用光ファイバ１０からの入力光と局部発振器５１からの局発光との光へテロダインによりベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを復調し、これらベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを偏波合成することによりベースバンド信号Ｑ，Ｉを得るための回路である。
【００４５】
具体的に、コヒーレント受信機５００への入力光（検出用光ファイバ１０からの光）は、プローブ光（チャープパルス）と検出用光ファイバ１０の応答特性との畳み込みとなる。入力光をｆ（ｔ）、検出用光ファイバの応答特性をｈ（ｔ）とすると、
【数６】
と表せる。
【００４６】
この光は、偏波の角度が未知であるため、コヒーレント受信機５００において互いに直交する２つの偏波（Ｘ偏波とＹ偏波）に分離し、これら入力光のＸ偏波及びＹ偏波と、コヒーレント受信機５００において同様に分離偏波した局発光のＸ偏波及びＹ偏波とによる直交検波が行われ、これにより、ベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱが得られる。
【００４７】
このコヒーレント受信機５００は、第１及び第２偏光子５０１，５０２と、第１及び第２直交検波器５１０，５２０と、偏波合成手段５４０とを備える。第１偏光子５０１（又は第２偏光子５０２）は、入力された光をＸ偏波とＹ偏波とに分離偏波して出力する素子である。
【００４８】
第１直交検波器５１０（又は第２直交検波器５２０）は、直交検波を行うための回路であり、図６に示されるように、局部発振器５１からの局発光のＹ（又はＸ）偏波と検出用光ファイバ１０からの入力光のＹ（又はＸ）偏波とがそれぞれ入力されるビームスプリッタ５１１，５１１’，５１３，５１３’（又は５２１，５２１’，５２３，５２３’）と、（１／４）波長板５１２（又は５２２）と、光検出器５１４，５１４’（又は５２４，５２４’）と、信号強度を増幅する増幅器（アンプ）５１５，５１５’（又は５２５，５２５’）と、フィルタ（本実施形態ではローパスフィルタ）５１６，５１６’（又は５２６，５２６’）と、を備える。本実施形態の第１直交検波器５１０は、入力された局発光のＹ偏波と入力光のＹ偏波とからベースバンド信号ＹＱ，ＹＩを復調する。一方、本実施形態の第２直交検波器５２０は、入力された局発光のＸ偏波と入力光のＸ偏波とからベースバンド信号ＸＱ，ＸＩを復調する。
【００４９】
ビームスプリッタ５１１（又は５２１）は、入力端子から入力された光を分岐し、２つの出力端子からそれぞれ出力する素子である。一方、ビームスプリッタ５１３（又は５２３）は、２つの入力端子からそれぞれ入力された光を合流させ、１つの出力端子から出力する素子である。（１／４）波長板５１２（又は５２２）は、当該波長板５１２（又は５２２）を通過する前と後で光の位相差が９０°となるように光の位相を変換する素子である。光検出器５１４（又５２４）は、入力された光の強度を電気信号に変換して出力する素子である。
【００５０】
第１直交検波器５１０には、復調されたベースバンド信号ＹＱ，ＹＩを出力するための２つの出力端子が設けられている。また、第２直交検波器５２０には、復調されたベースバンド信号ＸＱ，ＸＩを出力するための２つの出力端子が設けられている。これら、第１直交検波器５１０及び第２直交検波器５２０の各出力端子には、ＡＤ変換器５３０ａ〜５３０ｄとメモリー５３１ａ〜５３１ｄとがそれぞれ接続されている。各ＡＤ変換器５３０ａ〜５３０ｄは、第１直交検波器５１０又は第２直交検波器から出力されたベースバンド信号をＡＤ変換し、このＡＤ変換されたベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを対応するメモリー５３１ａ〜５３１ｄがそれぞれ格納する。
【００５１】
偏波合成手段５４０は、第１直交検波器５１０及び第２直交検波器５２０において得られたベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱを偏波合成し、ベースバンド信号Ｉ，Ｑとして出力する手段である。具体的に、偏波合成手段５４０は、第１直交検波器５１０及び第２直交検波器５２０で得られ、ＡＤ変換器５３０ａ〜５３０ｄによりデジタル化されたベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱに対して以下の式（７）による演算を行い、この演算により得られたベースバンド信号Ｉ，Ｑを出力する。
【数７】
【００５２】
偏波合成手段５４０には、上記のように得られたベースバンド信号Ｉ，Ｑを出力するための２つの出力端子が設けられ、各出力端子には、メモリー５２ａ，５２ｂが接続されている。これら各メモリー５２ａ，５２ｂは、偏波合成手段５４０から出力されたベースバンド信号Ｉ，Ｑを、同期信号出力手段３２０からの同期信号に基づいて周期Ｔ毎に格納する。
【００５３】
信号処理手段５５０は、検出用光ファイバ１０からの入力光のチャープ成分を圧縮し、これを解析処理する手段であり、図７に示されるように、逆チャープフィルタ（整合フィルタ）５５１と、信号分析部５６０と、を有する。
【００５４】
逆チャープフィルタ５５１は、整合フィルタの一種であり、メモリー５２ａ，５２ｂに格納されたベースバンド信号Ｉ，Ｑのチャープ成分を圧縮する。このとき、逆チャープフィルタ５５１は、圧縮された信号が検出用光ファイバ１０のインパルス応答を得られるように設定されるチャープ条件に基づいて動作する。このチャープ条件は、光源２１及び光パルス生成手段２２により生成されたチャープパルスの動作条件に基づくものであり、逆チャープフィルタ５５１における演算の係数となる。この逆チャープフィルタ５５１への入力がメモリー５２ａ，５２ｂからの２チャンネルで行われ、各入力が実数部と虚数部との複素数として扱われるため、逆チャープフィルタ５５１の係数も複素数として扱う。
【００５５】
具体的に、逆チャープフィルタ５５１の係数は、逆チャープフィルタ５５１に入力される信号からチャープ成分を取り除くため、
【数８】
の形をとる。
【００５６】
詳しくは、逆チャープフィルタ５５１には、メモリー５２ａ，５２ｂから、以下に式（９）に示す形の信号が入力される。
【数９】
【００５７】
このような信号が入力された逆チャープフィルタ５５１では、以下の演算が行われる。
【数１０】
ここでｇｐ（ｔ）がフィルタ係数、｛ ｝の中が入力信号である。
【００５８】
より詳細には、逆チャープフィルタ５５１では、図８及び以下の式（１１）に示す演算によるフィルタ処理が行われる。この演算は、４つの畳み込み計算と２つの加減算に分類できる。尚、チャープ条件及びメモリー５２ａ，５２ｂからの入力信号は、いずれも複素信号であり、Ｉｇ（ｔ），Ｑｇ（ｔ），Ｉｂ（ｔ），Ｑｂ（ｔ）とし、演算により得られた結果をＩｓ＋Ｑｓとする。
【数１１】
ここで、上記の式（１１）において、（ｉ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５２において行われる畳み込み計算を示し、（ｉｉ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５３において行われる畳み込み計算を示し、（ｉｉｉ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５４において行われる畳み込み計算を示し、（ｉｖ）が図８におけるＦＩＲフィルタ５５５において行われる畳み込み計算を示す。また、上記の式（１１）において、（ａ）が図８の加算器５５６において行われる計算を示し、（ｂ）が図８の加算器５５７において行われる計算を示す。
【００５９】
逆チャープフィルタ５５１は、ミキサ５５８によって演算により得られた結果（Ｉｓ＋Ｑｓ）の二乗和を求め、出力信号として出力する。
【００６０】
信号分析部５６０は、逆チャープフィルタ５５１から出力された出力信号のＰｏｗｅｒ（電力）に比例した成分の推移に基づき検出用光ファイバ１０の特性を分析処理し、入力光からレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）のレイリースペクトルを導出する部位（検出手段）である。
【００６１】
さらに、信号分析部５６０は、このようの求めたレイリースペクトルのシフト量（レイリー周波数シフト量）Δνｒを検出し、このレイリー周波数シフト量Δνｒに基づいて検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度を導出する部位（算出手段）である。具体的に、信号分析部５６０は、歪みが生じていない状態（又は温度変化前の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域におけるレイリースペクトルと、歪みが生じている状態（又は温度変化後の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する部分のレイリースペクトルとの相関関数係数をそれぞれ計算する。そして、信号分析部５６０は、この相関関係係数に基づいて、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分におけるレイリー周波数シフト量Δνｒを高感度且つ高精度で導出する。このように求めたレイリー周波数シフト量Δνｒから、信号分析部５６０は、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分における歪み又は温度を導出する。
【００６２】
制御処理部は、分布型光ファイバセンサＦＳの各構成を制御するための部位であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、検出用光ファイバ１０の歪み又は温度の分布を高空間分解能で測定するために必要なデータを記憶するメモリー等を備えている。また、前記のように制御処理部は、チャープパルスを生成するための三角波のパターンや強度パターンの作成等も行う。
【００６３】
次に、以上のような分布型光ファイバセンサＦＳにおける歪み又は温度の計測動作について説明する。図９は、分布型光ファイバセンサＦＳによる歪み又は温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
【００６４】
検出用光ファイバ１０が計測対象物に固定された状態で、分布型光ファイバセンサＦＳにより所定範囲でプローブ光の周波数の掃引を行いレイリー周波数シフト量Δνｒが測定される。具体的には、先ず、制御処理部１２は、光パルス出射手段１３（詳しくは、光パルス光源２０及びチャープ手段３０）を制御することにより、レイリー散乱現象を利用するためのパルス光（チャープパルス）を生成させる。詳しくは、制御処理部１２は、同期信号に基づく三角波のパターン（図２（Ｂ）参照）を三角パルス発生手段３００に作成させて光源２１から出射される光に対して間歇的にチャープ変調をかける（ステップＳ１）。そして、制御処理部１２は、同期信号に基づいて三角波のパターンと同期した強度パターン（図４（Ｂ）参照）を強度パルス発生手段３１０に生成させ、これに基づき光パルス生成手段２２において光源２１からの光に強度変調を施す。これにより、検出用光ファイバ１０にプローブ光として入射させるチャープパルスが光パルス生成手段２２において生成される（ステップＳ２）。このように生成されたチャープパルスは、パルス幅が大きいため各パルスの有するエネルギーが高く、検出用光ファイバ１０に入射され入力端１０ａから離れた領域で散乱され戻ってきても所望の信号強度が得られる。
【００６５】
光パルス生成手段２２からのパルス光（チャープパルス）は、光強度・偏光調整部１４に入射され、光強度・偏光調整部１４でその光強度が調整されると共に、その偏光方向がランダム（無作為）に調整される（ステップＳ３）。即ち、光強度・偏光調整部１４は、高速偏波スクランブラーとして機能し、各パルス光にランダムな偏波面を与える。このように、光強度・偏光調整部１４により各パルス光にランダムな偏光面を測定毎に与えているので、受信部５０は、波長の変化分のレイリー後方散乱光を加算して平均を取ることにより平滑なレイリー後方散乱光を得ることができ、このレイリー後方散乱光のレベルから距離の損失を精度よく換算することが可能となる。
【００６６】
その後、パルス光は、光サーキュレータ１５及び光コネクタ１６を介して入力端１０ａから検出用光ファイバ１０内に入射される（ステップＳ４）。
【００６７】
検出用光ファイバ１０の入力端１０ａから入射したパルス光は、検出用光ファイバ１０内で散乱されてレイリー現象を生じさせる（ステップＳ５）。この散乱によって入力端１０ａまで戻ってきたレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）は、入力端１０ａから検出用光ファイバ１０の外部に射出され、光コネクタ１６、光サーキュレータ１５を介して受信部５０まで導光される。
【００６８】
受信部５０に入射した検出用光ファイバ１０からの光（入力光）は、コヒーレント受信機５００において、局部発振光発生器５１からの局発光を用いた直交検波によってベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱに復調された後、偏波合成手段５４０によってベースバンド信号ＹＩ，ＹＱ，ＸＩ，ＸＱの偏波合成が行われ、ベースバンド信号Ｉ，Ｑ（式（７）参照）となる（ステップＳ６）。即ち、レイリー後方散乱光と局発光とのヘテロダイン受信によりＩ，Ｑ分離がなされる。
【００６９】
このベースバンド信号Ｉ，Ｑが信号処理手段５５０の逆チャープフィルタ５５１において逆チャープをかけられて圧縮され（ステップＳ７）、この圧縮された信号が信号分析部５６０において分析される。これにより、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分におけるレイリースペクトルが高精度且つ光分解能で得られる（ステップＳ８）。
【００７０】
そして、信号分析部５６０は、歪みが生じていない状態（又は温度変化前の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域におけるレイリースペクトルと、歪みが生じている状態（又は温度変化後の状態）の検出用光ファイバ１０の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する部分のレイリースペクトルとの相関関数係数をそれぞれ計算することによって、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分におけるレイリー周波数シフト量Δνｒを高感度且つ高精度で求める（ステップＳ９）。
【００７１】
信号分析部５６０は、このように求めたレイリー周波数シフト量Δνｒに基づき、検出用光ファイバ１０の長尺方向の各領域部分における歪み又は温度をそれぞれ求める。その結果、検出用光ファイバ１０の長尺方向における歪み又は温度分布が高感度且つ高精度で得られる（ステップＳ１０）。
【００７２】
図１０は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳにより計測されたレイリー周波数シフト量Δνｒの一例を示す図である。図１０（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図１０（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相関関係係数を示している。図１０（Ａ）に示すように、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線であり、両者の相関関係係数を計算すると、図１０（Ｂ）に示すようになり、両者の相関関係係数のピークのオフセット量Δｖｒがレイリー周波数シフト量となる。
【００７３】
このΔｖｒだけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させると、図１０（Ｃ）のようになり、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とがほぼ一致しており、レイリー周波数シフト量を高精度で求めることができたことがわかる。
【００７４】
以上のように、本実施形態の分布型光ファイバセンサＦＳにおいては、スペクトル拡散方式（周波数チャープ変調）によりパルス幅を長くした光パルス（チャープパルス）をプローブ光として検出用光ファイバ１０に入射させ、戻ってきた光（レイリー後方散乱光）を前記スペクトル拡散方式に対応した圧縮を行う（逆チャープをかける）ことにより、検出用光ファイバ１０における入力端１０ａから離れた領域（位置）における当該光ファイバ１０に生じた歪み又は当該光ファイバ１０の温度も高感度且つ高精度に計測することが可能となる。即ち、チャープ変調により入射させるパルス幅を大きくすることによりパルスの有するエネルギーを大きくして遠方で散乱され戻ってくる光の信号強度を確保してＳＮを高めると共に、逆チャープ（圧縮）により高い空間分解能を確保することが可能となる。
【００７５】
次に、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第２実施形態を図面に基づいて説明する。尚、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。図１１は、第２実施形態における分布型光ファイバセンサＦＳの構成を示すブロック図である。
【００７６】
図１１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、検出用光ファイバ１０と、レイリー計測手段１１と、制御処理部１２と、局部発振器５１Ａとを備える。
【００７７】
レイリー計測手段１１は、光パルス出射手段１３と、受信部５０と、を備える。また、本実施形態のレイリー計測手段１１は、光カプラ１７及び変調器１８も備える。
【００７８】
光パルス出射手段１３は、光源２１と、光源２１からの連続光をパルス光にする光パルス生成手段２２Ａとを有する。光パルス生成手段２２Ａは、光源２１が出射した連続光が入射され、制御処理部１２の制御により、この連続光からプローブ光としてのパルス光を生成する手段である。このパルス光を構成する各パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。本実施形態では、スペクトル拡散方式として、図１２（Ａ）に示すような擬似乱数による位相変調方式が用いられる。
【００７９】
位相変調方式としては、例えば、ＰＮ系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。ＰＮ系列は、擬似乱数（pseudo-random number）系列であり、本実施形態では、相補符号を用いる。具体的に、擬似乱数系列として、Ｇｏｌａｙ符号系列が用いられる。
【００８０】
光カプラ１７は、光源２１からの光を分岐させ、光パルス生成手段２２と受信部５０とに出力する。この光カプラ１７は、入力端子が光源２１の出力端子と光学的に接続され、一方の出力端子が光パルス生成手段２２の入力端子と光学的に接続され、他方の出力端子が変調器１８の入力端子と光学的に接続されている。
【００８１】
変調器１８は、局部発振器５１Ａが接続され、この局部発振器５１Ａからのマイクロ波に基づいて光源２１からの光を周波数シフトさせ、受信部５０（詳しくは、ヘテロダイン検波手段１５２）に出力する。
【００８２】
受信部５０は、制御処理部１２により制御され、検出用光ファイバ１０からの入力光に対して光パルス出射手段１３におけるスペクトル拡散方式（本実施形態では、位相変調方式）に対応したパルス圧縮を行い、この圧縮した入力光に基づいてレイリー散乱現象に係る光（レイリー後方散乱光）を検出する部位である。この受信部５０は、光へテロダイン検波手段１５１と、ヘテロダイン検波手段１５２と、信号処理手段５５０Ａとを備える。
【００８３】
光へテロダイン検波手段１５１は、検出用光ファイバ１０からの入力光と変調器１８で周波数シフトされた光源２１からの光との光へテロダインにより、入力光をマイクロ波に落とす手段である。また、ヘテロダイン検波手段１５２は、光へテロダイン検波手段１５１によりマイクロ波に落とされた入力光を、さらに、マイクロ波のヘテロダイン受信によりＩ，Ｑ両チャンネルからのベースバンドの複素信号を出力する手段である。
【００８４】
信号処理手段５５０Ａは、ヘテロダイン検波手段１５２からの複素信号に対して本実施形態のスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、この整合フィルタの出力の二乗和を導出し、これに基づいて検出用光ファイバ１０の長尺方向における各領域のレイリースペクトルを導出する検出手段とを有する。さらに、信号処理手段５５０Ａは、第１実施形態の信号処理手段５５０と同様に、レイリースペクトルのシフト量（レイリー周波数シフト量）Δνｒを検出し、このレイリー周波数シフト量Δνｒに基づいて検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度を導出する算出手段も有する。
【００８５】
ここで、本実施形態の整合フィルタは、図１２（Ｂ）に示すような、スペクトル拡散に用いた擬似符号（図１２（Ａ）参照）を時間的に反転し、整合フィルタへの入力との畳み込みを取るものである。
【００８６】
以上のような分布型光ファイバセンサＦＳにおける歪み又は温度の計測動作について説明する。
【００８７】
角周波数ωの光源２１からの光に光パルス生成手段２２Ａにおいて広帯域変調をかけ、これにより生成されたパルス幅Ｄの大きなパルス光を検出用光ファイバ１０に入射させる。光源２１からの光は、その一部が光カプラ１７により分岐され、局部発振器５１Ａで発生させる各周波数ωＬＯのマイクロ波に基づき変調器１８において周波数シフトされる。検出用光ファイバ１０内で散乱して戻ってきた光は、光へテロダイン検波手段１５１において、前記周波数シフトした光と光へテロダインにより中心周波数がωＬＯのマイクロ波に落とされる。さらに、ヘテロダイン検波手段１５２において、前記マイクロ波とのヘテロダイン受信によりそのＩ，Ｑ両チャンネルからの出力でベースバンドの複素信号が取り出される。この信号処理手段５５０Ａにおいて、この複素信号に対して整合フィルタをかけ、その出力の二乗和を出力する。これに基づいて、信号処理手段５５０Ａは、検出用光ファイバ１０の長尺方向における各領域のレイリースペクトルを導出する。
【００８８】
ここで、本実施形態でのプローブ光と信号処理手段５５０Ａの整合フィルタとについて詳しく説明する。
【００８９】
パルス圧縮方式として、本実施形態の光パルス生成手段２２Ａでは、擬似乱数による位相変調を用いている。プローブ光としてパルス幅Ｄの大きなパルスが用いられ、このパルスには、光パルス生成手段２２Ａにおいて図１２（Ａ）に示すような擬似乱数符号による位相変調が施される。一方、信号処理手段５５０Ａでは、整合フィルタを用いてパルス圧縮が行われる。この整合フィルタは、図１２（Ｂ）に示すような擬似乱数の符号列を時間反転させたものである。
【００９０】
プローブ光は、幅Ｄの長いパルスとし、パルス内部は、Ｍ個の幅ｄ＝（Ｄ／Ｍ）のセルに分割される。各セルを
【数１２】
と表す。擬似乱数系列を±１という値を取る数列ｒｍ，ｍ＝１，…，Ｍとし、プローブ光の形状関数を
【数１３】
とする。
【００９１】
擬似乱数は、その自己相関関数が
【数１４】
を満たすことが理想である。そこで、本実施形態では、Ｇｏｌａｙ符号列のように２系列の符号系列を用い、式（１５）を仮定する。ここでδｋ，０は、クロネッカーのデルタを表す。
【００９２】
整合フィルタのインパルス応答は時間積分の値がＭとなるように規格化して
【数１５】
とする。このとき、
【数１６】
となる。Ｄを固定してｄ→０とすると、
【００９３】
【数１７】
となることに注意する。ここで、δ（ｔ）はＤｉｒａｃのδ関数である。
【００９４】
次に、整合フィルタによる復調後のレイリー散乱スペクトルについて説明する。
【００９５】
時間ｔに検出用光ファイバ１０の入力端１０ａに戻るレイリー後方散乱光の電界は、減衰を無視すれば、
【数１８】
と表せる。ここで、Δχは検出用光ファイバ１０の長さ方向の電気感受率の揺らぎであり、ωは検出用光ファイバ１０の入力端１０ａから入射する光の角周波数である。
【００９６】
マイクロ波ωＬＯで周波数シフトさせた光源２１からの光との光へテロダインにより、光ヘテロダイン検波手段１５１においてマイクロ波に落とした入力信号は、直流成分を除けば
【数１９】
と表される。ここで、Δφは２つの光の初期位相差を表す。
【００９７】
このマイクロ波信号をヘテロダイン検波手段１５２でヘテロダインしてベースバンドに落とした複素信号は、
【数２０】
と表され、さらに、整合フィルタをかけた入力信号は、
【数２１】
と表される。従って、復調処理後のレイリー散乱のスペクトルは、
【数２２】
となる。このように、パルス圧縮により得られるレイリースペクトルは、形状関数がｆｐｃ（ｔ）となるようなパルスを用いたときのレイリースペクトルに等しくなっていることがわかる。
【００９８】
ｆｐｃ（ｔ）が式（１６）のような形状を持つ場合には、底辺の幅が２ｄで高さがＭの三角パルスを用いるのと等価になる。
【００９９】
以上のように、本実施形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳにおいても、スペクトル拡散方式（位相変調方式）によりパルス幅を長くした光パルス（プローブ光）を検出用光ファイバ１０に入射させ、戻ってきた光（レイリー後方散乱光）を前記位相変調方式に対応した圧縮を行うことにより、検出用光ファイバ１０における入力端１０ａから離れた領域における検出用光ファイバ１０に生じた歪み又は検出用光ファイバ１０の温度も高感度且つ高精度に計測することが可能となる。
【０１００】
尚、本発明の分布型光ファイバセンサは、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１０１】
第１実施形態の光パルス出射手段においては、スペクトル拡散方式として周波数チャープ方式が用いられ、第２実施形態の光パルス出射手段においては、スペクトル拡散方式として位相を変調する位相変調方式が用いられているが、これらに限定されず、周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等であってもよい。
【０１０２】
チャープ手段３０は、光源２１からの光を非線形チャープや窓関数により周波数変調するように構成されることにより、レンジサイドローブが抑えられる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 検出用光ファイバ
１１ レイリー計測手段
１３ 光パルス出射手段
５５０ 信号処理手段（算出手段）
５５１ 逆チャープフィルタ（整合フィルタ）
ＦＳ 分布型光ファイバセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサとして用いられる光ファイバと、
レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度に基づくレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、
前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量から前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度を算出する算出手段と、を備え、
前記レイリー計測手段は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを前記光ファイバ内に入射させる光パルス出射手段と、前記光ファイバから射出される光に対して前記スペクトル拡散方式に対応したパルス圧縮を行う整合フィルタと、前記整合フィルタで圧縮された光に基づいて前記レイリー散乱現象に係る光を検出する検出手段とを有することを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、前記光パルスに対しチャープによって周波数変調を行うチャープ変調手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記チャープ変調手段では、非線形チャープにより周波数変調が行われることを特徴とする請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記チャープ変調手段では、窓関数により周波数変調が行われることを特徴とする請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、擬似乱数符号を用いて前記光パルスの位相変調を行う拡散変調手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記拡散変調手段では、擬似乱数符号として相補符号が用いられることを特徴とする請求項５に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項１】
センサとして用いられる光ファイバと、
レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度に基づくレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、
前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量から前記光ファイバに生じた歪み又は前記光ファイバの温度を算出する算出手段と、を備え、
前記レイリー計測手段は、スペクトル拡散方式を用いた光パルスを生成してこの光パルスを前記光ファイバ内に入射させる光パルス出射手段と、前記光ファイバから射出される光に対して前記スペクトル拡散方式に対応したパルス圧縮を行う整合フィルタと、前記整合フィルタで圧縮された光に基づいて前記レイリー散乱現象に係る光を検出する検出手段とを有することを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、前記光パルスに対しチャープによって周波数変調を行うチャープ変調手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記チャープ変調手段では、非線形チャープにより周波数変調が行われることを特徴とする請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記チャープ変調手段では、窓関数により周波数変調が行われることを特徴とする請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記光パルス出射手段は、光パルスを生成する光パルス光源と、擬似乱数符号を用いて前記光パルスの位相変調を行う拡散変調手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記拡散変調手段では、擬似乱数符号として相補符号が用いられることを特徴とする請求項５に記載の分布型光ファイバセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２３２１３８（Ｐ２０１１−２３２１３８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０１８７７（Ｐ２０１０−１０１８７７）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（３０３０２１６０９）ニューブレクス株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（３０３０２１６０９）ニューブレクス株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
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