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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-187087(P2020-187087A)
(43)【公開日】2020年11月19日
(54)【発明の名称】光パルス試験装置
(51)【国際特許分類】
G01D 5/353 20060101AFI20201023BHJP
【ＦＩ】
G01D5/353 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2019-93570(P2019-93570)
(22)【出願日】2019年5月17日
(71)【出願人】
【識別番号】000000572
【氏名又は名称】アンリツ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】牧 達幸
【テーマコード（参考）】
2F103
【Ｆターム（参考）】
2F103BA37
2F103CA07
2F103EB02
2F103EB12
2F103EB18
2F103EB32
2F103EC09
2F103EC10
2F103ED27
(57)【要約】
【課題】計測の所要時間が増大するのを避けると共に、距離分解能などの性能を向上させることが可能な光パルス試験装置を提供すること。【解決手段】波長が異なる複数の光をほぼ同時に発生する複数の光発生デバイス１４Ａ、１４Ｂ、・・・と、波長が異なる複数の光の合波および分波を処理するアレイ導波路回折格子４３と、計測用光ファイバの入射端で受信した戻り光について、互いに波長が異なる複数の光に基づき計測した複数の計測値を合成する波形統合部５２とを備える。送出するパルス光の波長毎に異なる遅延を与えて計測点をシフトする。複数の波長でほぼ同時に計測した複数のデータを統合する際に、複数データを加算して平均化するか、又はデータの並び替えによりサンプリング間隔の間にデータを補完して距離分解能を改善する。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測対象の光ファイバの一端にパルス状の光を送り込み、前記光ファイバ上の任意位置で発生した散乱光を前記光ファイバの前記一端で戻り光として検知する光パルス試験装置であって、
互いに波長が異なる複数の光を発生する複数の光源（１４Ａ、１４Ｂ）と、
前記複数の光に対してそれぞれ異なる遅延を発生する個別遅延発生部（４２）と、
前記複数の光の合波および分波を処理する光多重デバイス（４３）と、
前記光ファイバの前記一端で受信した前記戻り光について、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を合成する合成処理部（５２）と、
を備えた光パルス試験装置。
互いに波長が異なる複数の光を発生する複数の光源（１４Ａ、１４Ｂ）と、
前記複数の光に対してそれぞれ異なる遅延を発生する個別遅延発生部（４２）と、
前記複数の光の合波および分波を処理する光多重デバイス（４３）と、
前記光ファイバの前記一端で受信した前記戻り光について、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を合成する合成処理部（５２）と、
を備えた光パルス試験装置。
【請求項2】
前記合成処理部は、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力する、
請求項１に記載の光パルス試験装置。
請求項１に記載の光パルス試験装置。
【請求項3】
前記合成処理部は、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を加算又は平均化して、同じ計測位置の１つのデータとして出力する、
請求項１に記載の光パルス試験装置。
請求項１に記載の光パルス試験装置。
【請求項4】
前記合成処理部は、切り替え可能な第１モードと第２モードとを有し、
前記第１モードでは、前記合成処理部は前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力し、
前記第２モードでは、前記合成処理部は前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を加算又は平均化して、同じ計測位置の１つのデータとして出力する、
請求項１に記載の光パルス試験装置。
前記第１モードでは、前記合成処理部は前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力し、
前記第２モードでは、前記合成処理部は前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を加算又は平均化して、同じ計測位置の１つのデータとして出力する、
請求項１に記載の光パルス試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光パルス試験装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）と呼ばれる光パルス試験器は、一般的に時間幅の短いパルス状の光を生成し、このパルス光を計測対象の光ファイバの一端に送り込む。光ファイバに入射した光は、光ファイバ内部を伝搬する際に、一部の光が内部のガラスによって跳ね返され散乱光を発生する。この散乱光には「レイリー散乱」と呼ばれるものも含まれる。光ファイバ内部で発生した散乱光の一部は光ファイバ内部を伝搬して入射端に戻るので、光ファイバの入射端で散乱光を観測できる。
【0003】
光ファイバにパルス光を入射してからこの入射端で散乱光が観測されるまでの時間差は、光ファイバの入射端と散乱光が発生した場所との距離に応じて変化する。したがって、光ファイバの入射端で観測される散乱光の受光レベルの時系列変化は、この光ファイバの場所毎の散乱光発生に関する分布状況を表すものとなる。このような分布状況を光パルス試験器で表示することができる。
【0004】
例えば、光ファイバの一部分に歪みなどの変化が発生すると、その歪みが生じた場所の近傍で散乱光の発生状況が変化し、この変化が光ファイバの入射端で観測される。入射端から歪みが生じた場所までの距離の違いは、光ファイバにパルス光を入射してから該当する散乱光が入射端で観測されるまでの時間差に反映される。
【0005】
したがって、光ファイバに光パルス試験器を接続することにより、光ファイバ自体を様々なセンサとして利用することも可能になる。また、このようなセンサの場合は、特定の検出対象点に限らず、光ファイバの長さ方向の全域に亘ってほぼ全ての位置で連続的に検出を行うことが可能である。
【0006】
ここで、光パルス試験器の距離分解能を上げるためには、光ファイバの入射端に戻った散乱光の検出信号をサンプリングする時間間隔を非常に短くする必要があり、電気的な信号処理の制約が大きくなる。例えば、数百ピコ秒オーダの信号処理が要求される場合には、電気回路においてシビアな対応が必要になる。また、長距離の光ファイバの全体を計測対象とする場合には、膨大な量のデータ処理が必要になる。
【0007】
一方、例えば特許文献１のＯＴＤＲ方式測定方法は、高度な電子回路技術を必要とすることなく距離分解能を短くするための技術を示している。すなわち、測定用光ファイバの入射端に（Ｌ／Ｎ）づつ長さの異なるＮ本の短尺ファイバを切替接続して測定し、各々測定結果から（Ｌ／Ｎ）毎の後方散乱光を算出することを示している。
【0008】
また、特許文献２の光パルス試験器は、損失分布特性の波形と波形上に現れるイベントの解析結果を同時に表示する場合に、短時間で精度よくイベントの解析を行うための技術を示している。この光パルス試験器は、表示手段の表示分解能に応じた表示データを作成する表示データ作成手段と、表示データ作成手段で作成した表示データに基づいて仮の損失分布変極点を検出し、仮の損失分布変極点近傍の測定データに基づいて真の損失分布変極点を特定するとともに真の損失分布変極点を含むイベントを解析する解析手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開平４−２８３６４０号公報
【特許文献2】特開２０１３−１０８９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
特許文献１の技術を利用する場合には、高度な電子回路技術を利用しなくても、光パルス試験器における距離分解能を大幅に向上させることが可能である。しかしながら、この技術を採用する場合にはＮ本の短尺ファイバを順番に切替接続するので、同様の測定手順をＮ回、繰り返し行う必要がある。そのため、一般的な測定と比べて計測の所要時間がＮ倍に増大してしまう。
【0011】
したがって、例えば全長が数千ｋｍもあるような光ファイバを利用し、更に距離分解能を上げるためにＮの値を増やす場合には、計測の所要時間が増大するのを避ける必要がある。
【0012】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測の所要時間が増大するのを避けると共に、距離分解能などの性能を向上させることが可能な光パルス試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前述した目的を達成するために、本発明に係る光パルス試験装置は、下記（１）〜（４）を特徴としている。（１） 計測対象の光ファイバの一端にパルス状の光を送り込み、前記光ファイバ上の任意位置で発生した散乱光を前記光ファイバの前記一端で戻り光として検知する光パルス試験装置であって、
互いに波長が異なる複数の光を発生する複数の光源と、
前記複数の光に対してそれぞれ異なる遅延を発生する個別遅延発生部と、
前記複数の光の合波および分波を処理する光多重デバイスと、
前記光ファイバの前記一端で受信した前記戻り光について、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を合成する合成処理部と、
を備えた光パルス試験装置。
【0014】
（２） 前記合成処理部は、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力する、上記（１）に記載の光パルス試験装置。
【0015】
（３） 前記合成処理部は、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を加算又は平均化して、同じ計測位置の１つのデータとして出力する、上記（１）に記載の光パルス試験装置。
【0016】
（４） 前記合成処理部は、切り替え可能な第１モードと第２モードとを有し、前記第１モードでは、前記合成処理部は前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力し、
前記第２モードでは、前記合成処理部は前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を加算又は平均化して、同じ計測位置の１つのデータとして出力する、
上記（１）に記載の光パルス試験装置。
【0017】
上記（１）の構成の光パルス試験装置によれば、計測の所要時間を増大させることなく、例えば距離分解能や計測結果の信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）などの性能を向上させることが可能である。すなわち、波長が異なる複数の光を光ファイバ上で多重化することにより、ほぼ同じタイミングで複数の波長の光を利用して複数回の計測を実施できるので、波長毎にサンプリング間隔よりも小さい所定の遅延量だけ互いにタイミングをずらして計測を実施することにより、距離分解能の向上が見込まれる。また、波長が異なる複数の光を用いた複数の計測結果を平均化して出力した場合には、信号対雑音比等の確実な向上が見込まれる。
【0018】
上記（２）の構成の光パルス試験装置によれば、光ファイバの一端で受信した戻り光のサンプリング間隔よりも遅延量を小さくすることにより、距離分解能の向上が見込まれる。
【0019】
上記（３）の構成の光パルス試験装置によれば、１回の計測手順だけで、波長が異なる複数の光を用いた複数の計測結果を平均化して出力できる。したがって、信号対雑音比が改善される。
【0020】
上記（４）の構成の光パルス試験装置によれば、第１モードと第２モードとを必要に応じて使い分けることが可能になる。第１モードを選択した場合には、光ファイバの一端で受信した戻り光のサンプリング間隔よりも遅延量を小さくすることにより、距離分解能の向上が見込まれる。また、第２モードを選択した場合には、１回の計測手順だけで、波長が異なる複数の光を用いた複数の計測結果を平均化して出力できるので、信号対雑音比が改善される。
【発明の効果】
【0021】
本発明の光パルス試験装置によれば、計測の所要時間を増大させることなく、距離分解能などの性能を向上させることが可能である。したがって、特に全長が長い光ファイバを利用して計測を行う場合に効果的である。
【0022】
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
【0026】
図１に示す光パルス試験装置は、ＯＴＤＲと呼ばれる光パルス試験器である。すなわち、時間幅の短いパルス状の光を生成し、このパルス光を計測用光ファイバ１７の一端に送り込む。計測用光ファイバ１７に入射した光は、この光ファイバ内部を伝搬する際に、一部の光が内部のガラスによって跳ね返され散乱光を発生する。この散乱光には「レイリー散乱」も含まれる。光ファイバ内部で発生した散乱光の一部は光ファイバ内部を伝搬して入射端に戻るので、計測用光ファイバ１７の入射端で散乱光を観測できる。
【0027】
計測用光ファイバ１７にパルス光が入射してからこの入射端で散乱光が観測されるまでの時間差は、計測用光ファイバ１７の入射端と散乱光が発生した場所との距離に応じて変化する。したがって、計測用光ファイバ１７の入射端で観測される散乱光の受光レベルの時系列変化は、この光ファイバの場所毎の散乱光発生に関する分布状況を表すものとなる。図１に示す光パルス試験装置は、このような分布状況を表示することができる。
【0028】
光パルス試験装置は、タイミング制御部１１、ＬＤドライバ１３、光発生デバイス１４、可変光遅延器１５、光方向性結合器１６、受光デバイス２１、増幅器２２、Ａ／Ｄ変換器２３、加算部２４、波形解析部２５、データ統合部２６、および表示部２７を備えている。なお、図１に示す可変電気遅延器１２を接続すれば、これが可変光遅延器１５と同等の機能を果たすので、可変電気遅延器１２を可変光遅延器１５の代用とすることができる。
【0029】
タイミング制御部１１は、光パルス試験装置が動作するために必要な各種のタイミング信号を生成する。例えば、タイミング制御部１１は、送出する光パルスのタイミングを決定する制御信号ＳＧ１や、受信光の計測値を加算するタイミングを決定する制御信号ＳＧ２を生成する。
【0030】
光発生デバイス１４は、パルス状のレーザ光を発生可能なレーザダイオード（ＬＤ）である。本実施形態の光発生デバイス１４は、光通信や計測等の用途に適した特性として、レーザスペクトルの広がりがなく、特定の単一波長のレーザ光のみを出射するようになっている。
【0031】
ＬＤドライバ１３は、タイミング制御部１１から入力される制御信号ＳＧ１に従って、光発生デバイス１４のオンオフ、すなわち発光の有無を高速で切り替える。これにより、制御信号ＳＧ１のタイミングに同期したパルス幅の非常に短い光パルスを、光発生デバイス１４を利用して生成できる。
【0032】
可変光遅延器１５は、光発生デバイス１４から出射される送出側パルス光Ｐｔａを指定量だけ遅延させた送出側パルス光Ｐｔｂを生成する機能を有する。可変光遅延器１５における遅延量（遅延時間）は予め定めた数種類の中から選択可能であり、制御信号ＳＧ３により選択される。また、可変光遅延器１５における遅延量は、光パルス試験装置の受信側の回路で受信光Ｐｒに応じた信号から計測値をサンプリングする各タイミングの時間周期を表すサンプリング間隔Ｌよりも小さい。
【0033】
したがって、サンプリング間隔Ｌよりも小さい時間だけ、計測用光ファイバ１７に入射するパルス光のタイミングを遅れる方向にシフトすることができる。つまり、パルス光が計測用光ファイバ１７に入射するタイミングと、各計測値がサンプリングされるタイミングとの相対的な時間関係が遅延量だけシフトする。
【0034】
そのため、各サンプリングのタイミングで検出する位置がサンプリング間隔Ｌよりも小さい幅（距離）で変更され、距離分解能を上げることが可能になる。例えば、「０」，「Ｌ／５」，「２・Ｌ／５」，「３・Ｌ／５」，「４・Ｌ／５」の５種類の遅延量を可変光遅延器１５が選択できる場合には、距離分解能を５倍に上げることができる。具体例としては、サンプリング間隔Ｌの距離分解能が５［ｃｍ］である場合に、１［ｃｍ］の距離分解能に改良できる。しかも、サンプリング間隔Ｌを変更する必要がないので、電気回路におけるシビアなタイミングの調整が不要であり、実現が容易である。
【0035】
光方向性結合器１６は、光の伝搬方向を制御し、可変光遅延器１５の出力から光方向性結合器１６に入射する送出側パルス光Ｐｔｂを計測用光ファイバ１７側に導くと共に、計測用光ファイバ１７側から光方向性結合器１６に入射する戻り光（散乱光）を受信光Ｐｒとして受光デバイス２１の入力に導く。
【0036】
受光デバイス２１は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であり、光方向性結合器１６から入力される受信光Ｐｒを受信電気信号ＳＧ４に変換する。増幅器（Ａｍｐ）２２は、受光デバイス２１が出力する受信電気信号ＳＧ４を電気的に増幅し、受信電気信号ＳＧ５を出力する。
【0037】
Ａ／Ｄ変換器２３は、増幅器２２から入力される受信電気信号ＳＧ５のアナログ電圧を、サンプリングして量子化した数値、すなわちデジタル信号ＤＳ１に変換する。
【0038】
加算部２４は、計測結果の平均化が必要な場合に、Ａ／Ｄ変換器２３が出力するデジタル信号ＤＳ１、すなわちサンプリングして得られたそれぞれの測定点の計測値について、複数回の計測結果を加算して平均化するためのデジタル処理を行う。
【0039】
例えば、１回目の計測で得られたそれぞれの測定点の計測値を個別に内部メモリで記憶しておき、２回目、３回目、・・・の計測で得られた測定点毎の計測値を、記憶されている１回目の計測値に順次に加算することにより、平均化された結果を出力できる。これにより、計測において発生するノイズの影響を減らし、安定した計測結果を得ることができる。
【0040】
波形解析部２５は、加算部２４の出力に得られるデジタル信号ＤＳ２に基づき所定の波形解析を実行する。通常、計測用光ファイバ１７の入射端から各測定点までの距離が長くなるに従い、戻り光における減衰量が大きくなり、受信光Ｐｒの強度が低下する。したがって、受信光Ｐｒの強度あるいは減衰量と距離および時間との関係を表す分布特性グラフは、傾きがほぼ一定で右下がりの直線のようになだらかな波形として表される。一方、計測用光ファイバ１７上に例えば曲がり、破断、コネクタ接続、終端などの箇所がある場合、これらの箇所の波形に変極点が現れてグラフが非線形になる。波形解析部２５は、波形のデータを解析することにより、各変極点の位置やイベントの種類などを検出することができる。
【0041】
データ統合部２６は、図１の光パルス試験装置が距離分解能を上げるために複数回の計測動作を繰り返し実施する場合に、１回の計測毎に制御信号ＳＧ３を利用して可変光遅延器１５の遅延量を切り替える。更に、データ統合部２６は、１回の計測毎に波形解析部２５が出力するデジタル信号ＤＳ３を順番に入力して複数回の計測結果を統合したデータを生成する。また、複数回の計測結果を統合する際に、データの並べ替えを実施してデータの距離分解能を上げる。
【0042】
例えば、サンプリング間隔Ｌを５［ｃｍ］に定め、５回の計測動作を繰り返す場合には、１回目、２回目、３回目、４回目、および５回目の計測における可変光遅延器１５の遅延量を、それぞれ０［ｃｍ］、１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、および４［ｃｍ］に切り替える。この場合、データ統合部２６は、データ統合の際に次のように並べ替えたデータを生成する。
【0043】
Ｄｎ−１(5)，Ｄｎ(1)，Ｄｎ(2)，Ｄｎ(3)，Ｄｎ(4)，Ｄｎ(5)，Ｄｎ+1(1)，Ｄｎ+1(2)，・・・Ｄｎ−１(5)：ｎ−１番目の測定点の５回目の測定結果の値
Ｄｎ(1)：ｎ番目の測定点の１回目の測定結果の値
Ｄｎ(2)：ｎ番目の測定点の２回目の測定結果の値
Ｄｎ(3)：ｎ番目の測定点の３回目の測定結果の値
Ｄｎ(4)：ｎ番目の測定点の４回目の測定結果の値
Ｄｎ(5)：ｎ番目の測定点の５回目の測定結果の値
Ｄｎ+1(1)：ｎ＋１番目の測定点の１回目の測定結果の値
Ｄｎ+1(2)：ｎ＋１番目の測定点の２回目の測定結果の値
【0044】
この場合、ｎ番目の測定点とｎ＋１番目の測定点との距離はサンプリング間隔Ｌ、すなわち５［ｃｍ］であるが、これらのデータＤｎ(1)、Ｄｎ＋１(1)の間に１［ｃｍ］ずつシフトした各測定点の４つのデータが挿入され補完された統合データになっている。つまり、距離分解能が１［ｃｍ］に向上している。
【0045】
表示部２７は、二次元画面を有し、文字、画像、図形などを可視情報として表示できる。例えば、計測結果を表示する表示形態では、表示部２７は、計測用光ファイバ１７の入射端で検知した散乱光の分布状態を表す波形としてグラフを画面上に表示する。このグラフの横軸は入射端からの距離および時間に相当し、縦軸は検知した散乱光の強度、減衰量等を表す。また、波形解析部２５の解析により検知した各変極点の位置やイベントの種類なども必要に応じて表示する。
【0046】
＜可変光遅延器の構成＞可変光遅延器１５の構成例を図２に示す。
可変光遅延器１５は、光経路切替スイッチ３１、３２、光遅延部３３等を備えている。図２の例では光経路切替スイッチ３１および３２のそれぞれは、５種類の光経路３５および３６のいずれか１つを制御信号ＳＧ３に従い選択することができる。
【0047】
また、光遅延部３３は、互いに長さ（実長）が異なる５つの独立した光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、および３３ｅを内蔵している。例えば、０［ｃｍ］、１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、および４［ｃｍ］の距離に相当する相対的な時間遅延を必要とする場合には、それぞれの実長が１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、４［ｃｍ］、および５［ｃｍ］の光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、および３３ｅを用いる。
【0048】
光経路３４に入射した光は、光経路切替スイッチ３１で光経路３５のいずれか１つに導かれ、光遅延部３３内の光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、および３３ｅのいずれか１つに入射し、その実長の差分に応じた時間遅延を受けた後で、光経路３６のいずれか１つ、および光経路切替スイッチ３２を通って光経路３７に出射される。
【0049】
したがって、可変光遅延器１５においては、これを通過する光の相対的な遅延量が、０［ｃｍ］、１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、および４［ｃｍ］の中から制御信号ＳＧ３により選択される。
【0050】
なお、図２に示した可変光遅延器１５と同等の機能を可変電気遅延器１２を用いて実現することもできる。図示しないが、例えばプリント基板上に実長が互いに異なる５つの導体パターンを配置し、これら５つの導体パターンのいずれか１つの経路を電気信号が通るように制御信号ＳＧ３に従い経路切り替えスイッチで切り替えることにより、電気信号の遅延時間を可変光遅延器１５の場合と同様に切り替えることができる。
【0051】
可変電気遅延器１２は、電気信号の遅延を切り替えるので、これを利用する場合は図１に破線で示したように、タイミング制御部１１とＬＤドライバ１３の間に可変電気遅延器１２を挿入する。これにより、光発生デバイス１４が発光するタイミングの遅延量を可変電気遅延器１２で可変にすることができる。可変電気遅延器１２を利用する場合は、図１に示した可変光遅延器１５は不要になる。
【0052】
＜送出側パルス光および受信光の例＞送出側パルス光および受信光のタイミングの例を図３に示す。
すなわち、図１に示した送出側パルス光Ｐｔｂとして、図３に示した送出側パルス光Ｐｔ０１、Ｐｔ０２が順次に発生し、これらが計測用光ファイバ１７の入射端に送り込まれる。
【0053】
入射端からの距離がＬ１２の位置で計測用光ファイバ１７に曲がりなどの変化が発生している場合、この曲がりの影響を受けた散乱光の変化が、受信光Ｐｒ０１として計測用光ファイバ１７の入射端で観測される。この場合、受信光Ｐｒ０１を観測する時刻ｔ０２は、送出側パルス光Ｐｔ０１を送出した時刻ｔ０１から時間長Ｔ１２を経過した後であり、この時間長Ｔ１２は計測用光ファイバ１７の入射端から受信光Ｐｒ０１に相当する散乱光の発生地点までの距離およびその位置に対応する。
【0054】
同様に、計測用光ファイバ１７の曲がりの影響を受けた散乱光の変化が、受信光Ｐｒ０２として計測用光ファイバ１７の入射端で観測される。この場合、受信光Ｐｒ０２を観測する時刻ｔ０４は、送出側パルス光Ｐｔ０２を送出した時刻ｔ０３から時間長Ｔ３４を経過した後であり、この時間長Ｔ３４は計測用光ファイバ１７の入射端から受信光Ｐｒ０２に相当する散乱光の発生地点までの距離およびその位置に対応する。
【0055】
＜遅延後の複数の送出側パルス光の例＞遅延後の複数の送出側パルス光のタイミングの例を図４に示す。
図４に示した送出側パルス光Ｐｔ０１Ａ、Ｐｔ０２Ａは、図２に示した光経路切替スイッチ３１、３２が光ファイバ３３ａの経路を選択している状態で、光経路３７に出力されるパルス光のタイミングの例を表している。
【0056】
同様に、図４に示した送出側パルス光Ｐｔ０１Ｂ、Ｐｔ０２Ｂは、光ファイバ３３ｂの経路を選択した状態で光経路３７に出力されるパルス光のタイミングを表し、送出側パルス光Ｐｔ０１Ｃ、Ｐｔ０２Ｃは、光ファイバ３３ｃの経路を選択した状態で光経路３７に出力されるパルス光のタイミングを表し、送出側パルス光Ｐｔ０１Ｄ、Ｐｔ０２Ｄは、光ファイバ３３ｄの経路を選択した状態で光経路３７に出力されるパルス光のタイミングを表し、送出側パルス光Ｐｔ０１Ｅ、Ｐｔ０２Ｅは、光ファイバ３３ｅの経路を選択した状態で光経路３７に出力されるパルス光のタイミングを表している。
【0057】
送出側パルス光Ｐｔ０１Ｂは、送出側パルス光Ｐｔ０１Ａに対して遅延時間ΔＴｄだけ遅れたタイミングで出力される。同様に、送出側パルス光Ｐｔ０１Ｃ、Ｐｔ０１Ｄ、およびＰｔ０１Ｅは、それぞれ遅延時間「２・ΔＴｄ」、「３・ΔＴｄ」、「４・ΔＴｄ」、だけ遅れたタイミングで出力される。
【0058】
すなわち、各光ファイバ３３ａ〜３３ｅ内における光の伝搬速度は一定であるので、各光ファイバ３３ａ〜３３ｅの実長の違いに相当する遅延時間差が各送出側パルス光Ｐｔ０１Ａ、Ｐｔ０１Ｂ、Ｐｔ０１Ｃ、Ｐｔ０１Ｄ、およびＰｔ０１Ｅの間に発生する。各送出側パルス光Ｐｔ０２Ａ、Ｐｔ０２Ｂ、Ｐｔ０２Ｃ、Ｐｔ０２Ｄ、およびＰｔ０２Ｅについても同様である。
【0059】
例えば、図２に示した各光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、および３３ｅの実長がそれぞれ１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、４［ｃｍ］、および５［ｃｍ］である場合、各送出側パルス光Ｐｔ０１Ｂ、Ｐｔ０１Ｃ、Ｐｔ０１Ｄ、およびＰｔ０１Ｅは、送出側パルス光Ｐｔ０１Ａに対して、それぞれ１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、および４［ｃｍ］相当の時間（ΔＴｄ〜４・ΔＴｄ）だけ遅延する。
【0060】
また、この遅延時間（ΔＴｄ〜４・ΔＴｄ）はサンプリング間隔Ｌよりも小さいので、サンプリング間隔Ｌに比べて更に微妙なタイミングの調整が可能になる。その結果、サンプリング間隔Ｌを小さくしなくても、例えば１［ｃｍ］単位で計測位置を区別することが可能な距離分解能の高い統合データをデータ統合部２６で作成できる。
【0061】
（第２実施形態）＜概要の説明＞
図１に示した第１実施形態の光パルス試験装置においては、計測したデータの距離分解能を上げるためには、可変光遅延器１５における遅延量を変更しながら同じ測定動作を複数回繰り返す必要がある。したがって、例えば距離分解能を５［ｃｍ］から１［ｃｍ］に改善するために計測動作を５回繰り返す場合には、計測を完了するまでに通常の５倍の所要時間がかかってしまう。特に、例えば計測用光ファイバの全長が数千ｋｍに及ぶような状況で測定を実施する場合には、一層長い時間を要することになる。
そこで、以下に説明する第２実施形態の光パルス試験装置においては、計測動作を複数回繰り返すことなく、距離分解能を改善するための機能を搭載している。
【0062】
＜パルス光送出部の構成＞本発明の第２実施形態におけるパルス光送出部４０の構成例を図５に示す。このパルス光送出部４０は、光パルス試験装置の一部分であり、光パルスの送出機能を担う部位を表している。
【0063】
図５に示すように、パルス光送出部４０は、光発生部４１、光遅延部４２、およびアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）４３を備えている。また、光発生部４１の出力が光経路４４を介して光遅延部４２の入力と接続され、光遅延部４２の出力が光経路４５を介してアレイ導波路回折格子４３の入力と接続されている。アレイ導波路回折格子４３の出力側の光経路４６に、計測用光ファイバ１７が接続される。
【0064】
光発生部４１は、互いに発光波長が異なる５つの独立したパルス光源４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、および４１ｅを備えている。パルス光源４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、および４１ｅの発光波長は、それぞれλ０、λ１、λ２、λ３、およびλ４である。
【0065】
光遅延部４２は、互いに独立した５本の光ファイバ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、および４２ｅを備えている。光ファイバ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、および４２ｅの実長は、それぞれ、例えば１［ｃｍ］、２［ｃｍ］、３［ｃｍ］、４［ｃｍ］、および５［ｃｍ］である。つまり、光ファイバ４２ａ〜４２ｅは、遅延量が互いに異なっている。
【0066】
パルス光源４１ａが発生するパルス光は、光経路４４、光ファイバ４２ａ、光経路４５を通ってアレイ導波路回折格子４３の入力側に送り込まれる。同様に、パルス光源４１ｂが発生するパルス光は、光経路４４、光ファイバ４２ｂ、光経路４５を通ってアレイ導波路回折格子４３の入力側に送り込まれる。パルス光源４１ｃが発生するパルス光は、光経路４４、光ファイバ４２ｃ、光経路４５を通ってアレイ導波路回折格子４３の入力側に送り込まれる。パルス光源４１ｄが発生するパルス光は、光経路４４、光ファイバ４２ｄ、光経路４５を通ってアレイ導波路回折格子４３の入力側に送り込まれる。パルス光源４１ｅが発生するパルス光は、光経路４４、光ファイバ４２ｅ、光経路４５を通ってアレイ導波路回折格子４３の入力側に送り込まれる。
【0067】
パルス光源４１ａ〜４１ｅが発生するパルス光は互いに波長が異なっているので、アレイ導波路回折格子４３は、互いに異なる光経路４５から入力される複数波長のパルス光を１本の光ファイバ上に多重化した状態で光経路４６に出力できる。
【0068】
また、パルス光源４１ａ〜４１ｅが発生するパルス光は、互いに実長が異なる光ファイバ４２ａ〜４２ｅのいずれかを経由してアレイ導波路回折格子４３に入力される。したがって、パルス光源４１ａ〜４１ｅがそれぞれ同じタイミングでパルス光を送出する場合であっても、アレイ導波路回折格子４３が多重化する複数波長のパルス光は、タイミングが光遅延部４２内の遅延量だけ互いにずれた状態になる。
【0069】
＜光パルス試験装置の構成＞本発明の第２実施形態に係る光パルス試験装置の構成例を図６に示す。
この光パルス試験装置は、複数の独立した光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・、測定制御部２０、光遅延部４２、アレイ導波路回折格子４３、波形統合部５２、および表示部５３を備えている。
【0070】
複数の独立した光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・は、それぞれ互いに異なる波長の光を処理する。例えば、図５に示した光発生部４１ａの機能は、光計測ユニット５１Ａ内の光発生デバイス１４Ａに相当し、光発生部４１ｂの機能は光計測ユニット５１Ｂ内の光発生デバイス１４Ｂに相当する。図５の光発生部４１のように５波長分の光発生部４１ａ〜４１ｅを搭載する場合には、５つの光計測ユニットが必要になる。
【0071】
光計測ユニット５１Ａは、図１に示した光パルス試験装置と同様に、タイミング制御部１１、ＬＤドライバ１３、光発生デバイス１４Ａ、光方向性結合器１６、受光デバイス２１、増幅器２２、Ａ／Ｄ変換器２３、加算部２４、および波形解析部２５を備えている。但し、光計測ユニット５１Ａにおける光発生デバイス１４Ａの発光波長はλ０である。
【0072】
光計測ユニット５１Ｂも、光計測ユニット５１Ａとほぼ同様の構成を有している。但し、光計測ユニット５１Ｂにおいては、光発生デバイス１４Ａの代わりに、発光波長がλ１である光発生デバイス１４Ｂを備えている。
【0073】
つまり、図６に示した光パルス試験装置においては、複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・がそれぞれ送出する光パルスの波長が異なっている。したがって、図５に示したパルス光送出部４０の場合と同様に、光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・が、後述する測定制御部２０からの信号によりタイミング制御部１１が同期動作し、複数波長の光パルスを同時に送出し、アレイ導波路回折格子４３で多重化して計測用光ファイバ１７の入射端に送り込む事ができる。
【0074】
また、各光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・の光方向性結合器１６は、光遅延部４２内の互いに異なる光ファイバ４２ａ、４２ｂ、・・・・の経路と接続されている。したがって、アレイ導波路回折格子４３上で多重化する複数波長の光パルスのタイミングは、波長毎に光遅延部４２内の遅延量分だけずれる。
【0075】
複数波長が多重化された光パルスが計測用光ファイバ１７の入射端に送り込まれると、計測用光ファイバ１７内を伝搬した光パルスによって計測用光ファイバ１７上の各位置で散乱光が発生する。この散乱光は、戻り光として計測用光ファイバ１７の入射端に戻り、アレイ導波路回折格子４３に入射する。
【0076】
戻り光としてアレイ導波路回折格子４３に入射する散乱光も、複数波長が多重化されている。アレイ導波路回折格子４３は、多重化された散乱光を波長毎に分離して、波長毎に異なる経路で光遅延部４２に送出する。
【0077】
したがって、例えば分離された波長λ０の散乱光は、アレイ導波路回折格子４３の出力から光ファイバ４２ａを通り、光計測ユニット５１Ａの光方向性結合器１６に入射する。また、分離された波長λ１の散乱光は、アレイ導波路回折格子４３の出力から光ファイバ４２ｂを通り、光計測ユニット５１Ｂの光方向性結合器１６に入射する。また、分離された他の波長の散乱光は、他の光計測ユニットに入射する。そのため、計測用光ファイバ１７の入射端で戻り光として観測される散乱光を、波長毎に区別してそれぞれ独立した複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・で処理できる。
【0078】
各光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・の内部における受信光の基本的な処理については、図１に示した光パルス試験装置の場合と同様である。但し、図６の光パルス試験装置においては複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・を同時に使用できるので、１回の計測動作だけで、複数回の計測と同等の結果を得ることができる。特に、互いに波長が異なる複数の光パルスを利用し、これらをアレイ導波路回折格子４３で多重化するので、ほぼ同時に、複数の波長で複数の計測を実施できる。
【0079】
また、光遅延部４２内で波長毎に異なる遅延が付与された状態で光パルスが光経路４６から計測用光ファイバ１７の入射端に送り込まれるので、各計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・のサンプリング間隔Ｌが一定であっても、波長毎の遅延差の分だけ、タイミングを微妙にずらすことができる。これにより、距離分解能を改善したり、信号対雑音比を改善することが可能になる。しかも、図１に示した光パルス試験装置のように、同じ計測動作を複数回繰り返す必要がないので、計測を完了するまでの所要時間が増えるのを防止できる。そのため、計測用光ファイバ１７の全長が非常に長い場合でも、光パルス試験装置を実用的に運用できる。
【0080】
測定制御部２０は、光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・を統括制御するためのもので、タイミング制御部１１を同期動作する信号を生成し、光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・の各タイミング制御部１１に入力する。これにより、光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・・・は、複数波長の光パルスを同時に送出できる。
【0081】
波形統合部５２は、図６の光パルス試験装置に備わっている複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・の計測結果のデータを各波形解析部２５の出力から取り込んで、統合したデータを生成する。
【0082】
表示部５３は、二次元画面を有し、文字、画像、図形などを可視情報として表示できる。例えば、計測結果を表示する表示形態では、表示部２７は、波形統合部５２により統合されたデータを画面上に表示する。
【0083】
本実施形態では、波形統合部５２は、ユーザのスイッチ操作などに応じて切り替え可能な第１モードと第２モードとを有している。第１モードでは、波形統合部５２は互いに波長が異なる複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力する。
【0084】
例えば、複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・がそれぞれ出力する計測データＤλ０、Ｄλ１、Ｄλ２、Ｄλ３において、Ｄλ０に対するＤλ１、Ｄλ２、Ｄλ３の遅延量がそれぞれ「ΔＴｄ」、「２・ΔＴｄ」、「３・ΔＴｄ」である場合には、次のような順番で並べ替えた統合済みデータＤΣ１を生成する。
【0085】
Ｄλ０(n)、Ｄλ１(n)、Ｄλ２(n)、Ｄλ３(n)、Ｄλ０(n+1)、Ｄλ１(n+1)、・・・Ｄλ０(n)：ｎ番目の測定点の計測データＤλ０
Ｄλ１(n)：ｎ番目の測定点の計測データＤλ１
Ｄλ２(n)：ｎ番目の測定点の計測データＤλ２
Ｄλ３(n)：ｎ番目の測定点の計測データＤλ３
Ｄλ０(n+1)：ｎ＋１番目の測定点の計測データＤλ０
Ｄλ１(n+1)：ｎ＋１番目の測定点の計測データＤλ１
【0086】
この場合、ｎ番目の測定点とｎ＋１番目の測定点との距離はサンプリング間隔Ｌであるが、これらのデータＤλ０(n)、Ｄλ０(n+1)の間に遅延量分ずつシフトした各測定点の複数のデータが挿入され補完された統合データになっている。つまり、距離分解能がサンプリング間隔Ｌよりも向上している。
【0087】
一方、第２モードでは、波形統合部５２は互いに波長が異なる複数の光に基づき計測した複数の計測値を加算又は平均化して、次に示すように同じ計測位置の１つの統合済みデータＤΣ２として出力する。
【0088】
ＤΣ２(n-1)、ＤΣ２(n)、ＤΣ２(n+1)、・・・ＤΣ２(n-1)：ｎ−１番目の測定点の統合済みデータＤΣ２
ＤΣ２(n)：ｎ番目の測定点の統合済みデータＤΣ２
ＤΣ２(n+1)：ｎ＋１番目の測定点の統合済みデータＤΣ２
ＤΣ２(n-1)＝Ｄλ０(n-1)＋Ｄλ１(n-1)＋Ｄλ２(n-1)＋Ｄλ３(n-1)
ＤΣ２(n)＝Ｄλ０(n)＋Ｄλ１(n)＋Ｄλ２(n)＋Ｄλ３(n)
ＤΣ２(n+1)＝Ｄλ０(n+1)＋Ｄλ１(n+1)＋Ｄλ２(n+1)＋Ｄλ３(n+1)
【0089】
これにより、複数の計測データＤλ０〜Ｄλ４を平均化した統合済みデータＤΣ２が得られるので、サンプリング間隔Ｌの距離分解能を下げることなくノイズを低減し、信号対雑音比を改善できる。すなわち、加算するデータ数Ｎに対して信号対雑音比が√(Ｎ)倍になる。
【0091】
各光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・の出力に現れる計測データＤλ０、Ｄλ１、Ｄλ２、・・・のそれぞれは、図７に示すようにサンプリング間隔Ｌ毎の各測定点で得られるデータ数値Ｖが順番に並んだ時系列データである。
【0092】
波形統合部５２が第２モードで動作する場合には、計測データＤλ０、Ｄλ１、Ｄλ２、・・・に基づいて図７に示した統合済みデータＤΣ２が生成される。すなわち、それぞれの測定点について、統合対象の計測データＤλ０のデータ数値Ｖ、計測データＤλ１のデータ数値Ｖ、計測データＤλ２のデータ数値Ｖ、・・・を加算した結果が統合済みデータＤΣ２である。
【0093】
第２モードの場合に生成される統合済みデータＤΣ２については、測定点の総数は計測データＤλ０、Ｄλ１、Ｄλ２、・・・と同じであり、サンプリング間隔Ｌ毎の測定点のそれぞれについて、データ数値Ｖが得られる。したがって、距離分解能は変化しないが、平均化により信号対雑音比が改善される。
【0094】
なお、図６に示した構成では、波形統合部５２の動作モードとは無関係に、複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・が扱う信号のタイミングに、光遅延部４２内の遅延に起因する時間差が発生する。したがって、波形統合部５２が統合する複数の計測データＤλ０、Ｄλ１、Ｄλ２、・・・は、測定点の位置が上記時間差分だけ互いにシフトしている。しかし、これらのシフト量はサンプリング間隔Ｌ以内であるので、サンプリング間隔Ｌ内の複数の点の計測値を平均化した結果が第２モードにおける統合済みデータＤΣ２に反映され、その内容が表示部５３に表示される。したがって、測定点が同じ位置の複数のデータだけを加算する場合と比べて、サンプリング間隔Ｌに相当する領域内の全体の特性が統合済みデータＤΣ２に反映されやすくなる。
【0095】
＜統合済みデータの例−２＞統合済みデータＤΣ１の例を図８に示す。図８に示した例では、分割数Ｎが３の場合を想定している。すなわち、複数の光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・間のタイミングのシフト量が「Ｌ／３」になっている。
【0097】
例えば、サンプリング間隔Ｌと同じタイミングの位置に計測データＤλ０が配置され、そこから「Ｌ／３」だけシフトしたタイミングの位置に次の計測データＤλ１が配置され、そこから更に「Ｌ／３」だけシフトしたタイミングの位置に次の計測データＤλ２が配置された結果が統合済みデータＤΣ１である。
【0098】
つまり、図８に示した統合済みデータＤΣ１においては、サンプリング間隔Ｌの周期で発生する２つの計測データＤλ０の間に、他の２つの計測データＤλ１、Ｄλ２が追加され補完されている。したがって、実質的な測定点の数が３倍に増えて、距離分解能も大幅に改善されている。しかも、サンプリング間隔Ｌを変更する必要がないので、各光計測ユニット５１Ａ、５１Ｂ、・・・の電気回路を容易に構成できる。更に、１回の計測動作だけで高い距離分解能が得られるので、全長が非常に長い計測用光ファイバ１７を使う場合でも長い時間を掛けることなく計測を完了でき、実用的な光パルス試験装置の運用が可能になる。
【0099】
ここで、上述した本発明の実施形態に係る光パルス試験装置の特徴をそれぞれ以下［１］〜［４］に簡潔に纏めて列記する。［１］ 計測対象の光ファイバ（計測用光ファイバ１７）の一端にパルス状の光を送り込み、前記光ファイバ上の任意位置で発生した散乱光を前記光ファイバの前記一端で戻り光として検知する光パルス試験装置であって、
互いに波長が異なる複数の光を発生する複数の光源（光発生デバイス１４Ａ、１４Ｂ）と、
前記複数の光に対してそれぞれ異なる遅延を発生する個別遅延発生部（光遅延部４２）と、
前記複数の光の合波および分波を処理する光多重デバイス（アレイ導波路回折格子４３）と、
前記光ファイバの前記一端で受信した前記戻り光について、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を合成する合成処理部（波形統合部５２）と、
を備えた光パルス試験装置。
【0100】
［２］ 前記合成処理部は、前記複数の光に基づき計測した複数の計測値を、それぞれの遅延量を加味した互いに異なる計測位置のデータとして個別に出力する（図８参照）、上記［１］に記載の光パルス試験装置。
【符号の説明】
【0103】
１１ タイミング制御部１２ 可変電気遅延器
１３ ＬＤドライバ
１４，１４Ａ，１４Ｂ 光発生デバイス
１５ 可変光遅延器
１６ 光方向性結合器
１７ 計測用光ファイバ
２１ 受光デバイス
２２ 増幅器
２３ Ａ／Ｄ変換器
２４ 加算部
２５ 波形解析部
２６ データ統合部
２７ 表示部
３１，３２ 光経路切替スイッチ
３３ 光遅延部
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ 光ファイバ
３４，３５，３６，３７ 光経路
４０ パルス光送出部
４１ 光発生部
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ パルス光源
４２ 光遅延部
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ 光ファイバ
４３ アレイ導波路回折格子
４４，４５，４６ 光経路
５１Ａ，５１Ｂ 光計測ユニット
５２ 波形統合部
Ｐｔａ，Ｐｔｂ，Ｐｔ０１，Ｐｔ０２ 送出側パルス光
Ｐｔ０１Ａ，Ｐｔ０１Ｂ，Ｐｔ０２Ａ，Ｐｔ０２Ｂ 送出側パルス光
Ｐｒ，Ｐｒ０１，Ｐｒ０２ 受信光
ＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３ 制御信号
ＳＧ４，ＳＧ５ 受信電気信号
ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３，ＤＳ４ デジタル信号
ΔＴｄ 遅延時間
Ｔ１２，Ｔ３４ 伝搬遅延時間
Ｖ データ数値
Ｌ サンプリング間隔
Ｄλ０，Ｄλ１，Ｄλ２ 計測データ
ＤΣ１，ＤΣ２ 統合済みデータ