特許 6358277 光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6358277

(24)【登録日】2018年6月29日

(45)【発行日】2018年7月18日

(54)【発明の名称】光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/16 20060101AFI20180709BHJP

   G01K 11/32 20060101ALI20180709BHJP

   G01D 5/26 20060101ALI20180709BHJP

   G01M 11/00 20060101ALI20180709BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/16 G

   G01K11/32 C

   G01D5/26 F

   G01M11/00 U

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-41719(P2016-41719)

(22)【出願日】2016年3月4日

(65)【公開番号】特開2017-156289(P2017-156289A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2017年12月5日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】小泉 健吾

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０７４６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２７９８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１１３６２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００９０９３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 小泉 健吾，村井 仁，ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲによる分布温度測定の特性評価，電子情報通信学会２０１６年総合大会講演論文集，日本，一般社団法人 電子情報通信学会，２０１６年 ３月 １日，p.430

【文献】 Yoshiyuki Sakairi, Haruyoshi Uchiyama, Zhi Xien Li, Shoji Adachi，System for measuring temperature and strain separately by BOTDR and OTDR，Proc. SPIE 4920, Advanced Sensor Systems and Applications，SPIE.，２００２年 ９月 ９日，p.274-284

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００ − １１／３０

Ｇ０１Ｄ ５／２６ − ５／３８

Ｇ０１Ｋ １／００ − １９／００

Ｇ０１Ｍ １１／００ − １１／０８

Ｇ０２Ｂ ６／００

Ｇ０２Ｂ ６／０２

Ｇ０２Ｂ ６／２４５ − ６／２５

Ｇ０２Ｂ ６／４６ − ６／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プローブ光を生成する光源部と、
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する分岐部と、
前記第１光路に設けられた、第１周波数の周波数シフトを与える第１光周波数シフタ部と、
前記第２光路に設けられた、第２周波数の周波数シフトを与える第２光周波数シフタ部と、
前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられた遅延部と、
前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する合波部と、
前記合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力するコヒーレント検波部と、
前記第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する電気信号生成部と、
前記第１電気信号が２分岐された一方と前記第２電気信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量δν_ＳＤＨを取得する周波数シフト量取得部と、
前記第１電気信号から後方ブリルアン散乱光の強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂを取得する信号強度取得部と、
前記周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び前記強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂから歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する信号処理部と
を備えることを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定装置。

【請求項2】

前記信号処理部は、
前記周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び前記強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃ_νε、温度依存係数Ｃ_νＴ、及び後方ブリルアン散乱の散乱係数の歪み依存係数Ｃ_Ｐε、温度依存係数Ｃ_ＰＴとから、下記の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。

【数1】

【請求項3】

プローブ光を生成する過程と、
前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
前記第１光路を伝播する光に、第１周波数の周波数シフトを与える過程と、
前記第２光路を伝播する光に、第２周波数の周波数シフトを与える過程と、
前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方を伝搬する光に遅延を与える過程と、
前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する過程と、
前記合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力する過程と、
前記第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する過程と、
前記第１電気信号が２分岐された一方と前記第２電気信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量δν_ＳＤＨを取得する過程と、
前記第１電気信号から後方ブリルアン散乱光の強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂを取得する過程と、
前記周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び前記強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂから歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する過程と
を備えることを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定方法。

【請求項4】

前記歪みδε及び温度変化δＴを、前記周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び前記強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃ_νε、温度依存係数Ｃ_νＴ、及び後方ブリルアン散乱の散乱係数の歪み依存係数Ｃ_Ｐε、温度依存係数Ｃ_ＰＴとから、下記の２元連立方程式（１）を解くことにより取得する
ことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。

【数2】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。

【0003】

ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｇａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）と呼ばれる。ＢＧＳの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）及びブリルアン線幅と呼ばれる。ＢＦＳ及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質および入射光波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長１．５５μｍにおけるＢＦＳの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約１１ＧＨｚ及び約３０ＭＨｚとなることが報告されている。また、非特許文献１からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うＢＦＳの大きさは波長１．５５μｍにおいて、それぞれ０．０４９ＭＨｚ／με、１．０ＭＨｚ／℃である。

【0004】

ここで、ＢＦＳは歪みと温度に対して依存性を持つため、ＢＯＴＤＲは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物や、地滑りが発生する恐れのある箇所などの監視目的に注目されている。

【0005】

ＢＯＴＤＲは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２〜３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。

【0006】

図１１を参照して、従来のＢＯＴＤＲについて説明する（例えば、特許文献１参照）。図１１は、従来の光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。

【0007】

光源１１２から出射された連続光は、光カプラ１４２によって、２分岐される。２分岐された一方は、参照光として用いられ、他方は、光周波数シフタ１４３によってブリルアン周波数に相当する周波数シフトを受けた後、光パルス発生器１１４により、パルス状のプローブ光となる。

【0008】

このプローブ光は、光カプラ１２０を経て測定対象となる光ファイバ（被測定光ファイバ）１００に入射される。被測定光ファイバ１００からの後方ブリルアン散乱光は、光カプラ１５０において参照光と合波された後、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）１６２及びＦＥＴ増幅器１６４からなるレシーバ１６０によってヘテロダイン検波される。

【0009】

ここで、プローブ光は、光周波数シフタ１４３によってブリルアン周波数程度の周波数シフトが施されているため、ヘテロダイン検波されて生成されるビート信号の周波数は低くなる。これによって、受信側では低域なＰＤ１６２及びＦＥＴ増幅器１６４を使用することが可能になる。ビート信号をミキサー１７０、電気フィルタ１７８により周波数をダウンシフトさせた後、検波回路１７２により２乗検波もしくは包絡線検波することにより得られるＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｃｙ）信号のパワーや振幅を測定する。この結果は、信号処理装置１７４に送られる。

【0010】

なお、ＢＯＴＤＲは、光ファイバの長手方向に対する周波数スペクトル分布の情報を扱うため、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得する必要がある。図１２を参照してＢＯＴＤＲにおいて、時間、振幅及び周波数の３次元の情報の取得方法について説明する。図１２は、従来の光ファイバ歪み測定装置における時間、振幅及び周波数の３次元の情報の取得方法を説明するための模式図である。上述の特許文献１に開示の技術では、ブリルアン周波数スペクトル全体を測定するには、時間ｔ及び振幅Ｉの２次元情報を、局発電気信号源１８３の周波数ｆを掃引して取得する。

【0011】

ここで、ＢＯＴＤＲに限らずブリルアン散乱を用いた分布型光ファイバセンシングでは、上述のように、歪み及び温度の両方に対してＢＦＳが生じる。従って、歪みと温度を区別することは必須の課題である。この課題に対して、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱係数の、歪み依存係数及び温度依存係数を利用した方法が提案されている（例えば、非特許文献２又は３参照）。

【0012】

後方ブリルアン散乱では、周波数シフトだけでなく、その散乱係数も温度、歪み依存性を有することが報告されている。ＢＦＳの歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれＣ_νε及びＣ_νＴとし、ブリルアン散乱係数の歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれＣ_Ｐε及びＣ_ＰＴとして、これらの係数をあらかじめ測定しておけば、次式で示す２元連立方程式（ａ）を解くことによって歪と温度の分離が可能となる。

【0013】

【数1】

【0014】

ここで、δν_ＢはＢＦＳの大きさであり、δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂは、ブリルアン散乱強度の相対変化である。これら、δν_Ｂ及びδＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂは、ＢＯＴＤＲで測定される値である。また、δε及びδＴは、それぞれ、歪み及び温度の変化量である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開２００１−１６５８０８号公報

【非特許文献】

【0016】

【非特許文献1】Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．，“Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ”，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ．Ｅ７６−Ｂ， ｎｏ．４， ｐｐ．３８２−３９０ （１９９３）

【非特許文献2】Ｔ．Ｒ．Ｐａｒｋｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ｎｏｉｓｅ−ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ”，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ｖｏｌ．３４， Ｎｏ．４， ｐｐ．６４５−６５９ （１９９８）

【非特許文献3】Ｙ．Ｓａｋａｉｒｉ ｅｔ ａｌ．，“Ａｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ｂｙ ＢＯＴＤＲ ａｎｄ ＯＴＤＲ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ， ｖｏｌ．４９２０， ｐｐ．２７４−２８４ （２００２）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保できない。その結果、Ｓ／Ｎ改善のための平均化処理が必要となる。この平均化処理と上述の３次元情報の取得のため、従来の光ファイバ歪み測定装置では、測定時間の短縮が難しい。

【0018】

この発明の発明者は、上述の問題点に鑑みて、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する、自然ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法を検討し、その検討結果の一部を特許出願（特願２０１５−０７２５４６号：以後、「先の出願」という。）している。

【0019】

この先の出願の光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法によれば、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲ（ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲ：Ｓｅｌｆ−Ｄｅｌａｙｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ＢＯＴＤＲ）の技術を用いて、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このＳＤＨ−ＢＯＴＤＲでは、周波数掃引を必要としないため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。

【0020】

しかしながら、ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲでは、ＢＦＳに起因する位相差だけでなく、ブリルアン散乱係数の変化に伴う強度変化も位相差として捉えてしまう。すなわち、ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲで観測される周波数シフトには、ＢＦＳの歪み依存係数Ｃ_νε及び温度依存係数Ｃ_νＴだけでなく、ブリルアン散乱係数の歪み及び温度の変化に起因する変化分が重畳されている。このため、従来のＢＯＴＤＲと同様の手法で、歪みと温度変化を分離して取得することができない。

【0021】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲにおいて、歪みと温度変化を分離して取得することが可能な、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0022】

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置は、光源部と、分岐部と、第１光周波数シフタ部と、第２光周波数シフタ部と、遅延部と、合波部と、コヒーレント検波部と、電気信号生成部と、周波数シフト量取得部と、信号強度取得部と、信号処理部とを備えて構成される。

【0023】

光源部は、プローブ光を生成する。プローブ光は、測定対象となる光ファイバ（被測定光ファイバ）に入射される。分岐部は、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。第１光周波数シフタ部は、第１光路に設けられており、第１周波数の周波数シフトを与える。第２光周波数シフタ部は、第２光路に設けられており、第２周波数の周波数シフトを与える。遅延部は、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設けられており、第１光路及び第２光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。合波部は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。コヒーレント検波部は、合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力する。電気信号生成部は、第１周波数と第２周波数の差周波として生成される、いわゆるビート信号である、第２電気信号を生成する。周波数シフト量取得部は、第１電気信号が２分岐された一方と第２電気信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量δν_ＳＤＨを取得する。この第１電気信号は、いわゆるビート信号である。信号強度取得部は、第１電気信号から後方ブリルアン散乱光の強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂを取得する。信号処理部は、周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂから歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する。

【0026】

この光ファイバ歪み及び温度測定装置の好適実施形態によれば、信号処理部は、周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃ_νε、温度依存係数Ｃ_νＴ、及び後方ブリルアン散乱の散乱係数の歪み依存係数Ｃ_Ｐε及び温度依存係数Ｃ_ＰＴとから、以下の２元連立方程式（１）を解くことにより、光ファイバ中の歪みδεと温度変化δＴを取得する。ただし、被測定ファイバ中の伝送損失は無視するものとする。

【0027】

【数2】

【0028】

また、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定方法は、以下の過程を備えて構成される。

【0029】

先ず、プローブ光を生成する。プローブ光は、被測定光ファイバに入射される。次に、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。次に、第１光路を伝播する光に対して、第１周波数の周波数シフトを与え、第２光路を伝播する光に対して、第２周波数の周波数シフトを与える。次に、第１光路及び第２光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。次に、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。次に、合波光をヘテロダイン検波して第１電気信号を生成する。次に、第１周波数と第２周波数の差周波として生成される、いわゆるビート信号である、第２電気信号を生成する。次に、第１電気信号が２分岐された一方と第２電気信号を、ホモダイン検波して、周波数シフト量δν_ＳＤＨを取得する。また、第１電気信号から後方ブリルアン散乱光の強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂを取得する。次に、周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂから歪みδε及び温度変化δＴを分離して取得する。

【0031】

この光ファイバ歪み及び温度測定方法の実施に当たり、好適には、歪みδε及び温度変化δＴを、周波数シフト量δν_ＳＤＨ及び強度情報δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂと、予め求めておいた、光ファイバ中の後方ブリルアン散乱の周波数シフトの歪み依存係数Ｃ_νε、温度依存係数Ｃ_νＴ、及び後方ブリルアン散乱の散乱係数の歪み依存係数Ｃ_Ｐε、温度依存係数Ｃ_ＰＴとから、上記２元連立方程式（１）を解くことにより取得する。

【発明の効果】

【0032】

この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置及び光ファイバ歪み及び温度測定方法によれば、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。

【0033】

また、ビート信号の位相差と強度の両方の情報を用いることで、歪みδε及び温度変化δＴを取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】光ファイバ歪み測定装置の基本構成の模式的なブロック図である。

【図2】ブリルアンシフトとビート信号の位相変化を示す模式図である。

【図3】光ファイバに与えた歪み変化及び温度変化を示す図である。

【図4】基本構成の光ファイバ歪み測定装置で得られるビート信号波形を示す図である。

【図5】ビート信号に対して、ホモダイン検波及びフィルタ処理を施すことにより得られた、周波数シフト量を示す図である。

【図6】第１光ファイバ歪み及び温度測定装置の模式的なブロック図である。

【図7】δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂを示す図である。

【図8】分離後のδεを示す図である。

【図9】分離後のδＴを示す図である。

【図10】第２光ファイバ歪み及び温度測定装置の模式的なブロック図である。

【図11】従来の光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。

【図12】従来の光ファイバ歪み測定装置における時間、振幅及び周波数の３次元の情報の取得方法を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各図は、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0036】

（基本構成）
この発明の理解に資するため、図１を参照して、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定する、光ファイバ歪み測定装置の基本構成について説明する。図１は、光ファイバ歪み測定装置の基本構成の模式的なブロック図である。

【0037】

光ファイバ歪み測定装置は、光源部１０、サーキュレータ２０、光増幅器３０、光バンドパスフィルタ３２、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１及びタイミング制御器９０を備えて構成される。

【0038】

光源部１０は、プローブ光を生成する。光源部１０は、連続光を生成する光源１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１４を備えて構成される。

【0039】

ここで、基本構成の光ファイバ歪み測定装置は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源１２の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅（以下、単に線幅とも称する。）は、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源１２として周波数安定化狭線幅光源が用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ（以下、被測定光ファイバとも称する。）１００の歪みを０．００８％としたとき、ブリルアンシフトは４ＭＨｚに相当する。このため、０．００８％程度の歪みを測定するには、光源１２の周波数揺らぎ及び線幅は４ＭＨｚより十分に小さく、数１０ｋＨｚ以下であることが望ましい。なお、周波数揺らぎ及び線幅が１０ｋＨｚ程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが、既製品として一般に入手可能である。

【0040】

光パルス発生器１４は、任意好適な従来周知の、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器又は電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて構成される。光パルス発生器１４は、タイミング制御器９０で生成された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ１００を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部１０から出力される。

【0041】

この光源部１０から出力されたプローブ光は、サーキュレータ２０を経て、被測定光ファイバ１００に入射される。なお、サーキュレータ２０に換えて、光カプラを用いても良い。

【0042】

被測定光ファイバ１００からの後方散乱光は、サーキュレータ２０を経て、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）などで構成される光増幅器３０に送られる。光増幅器３０で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。光バンドパスフィルタ３２は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られる。この光バンドパスフィルタ３２から出射される自然ブリルアン散乱光の時刻ｔにおける信号Ｅ_０（ｔ）は、以下の式（２）で表される。

【0043】

【数3】

【0044】

ここで、Ａ_０は振幅、η_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱係数、ｆ_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱光の光周波数、φ_０は初期位相を示している。なお、ブリルアン散乱係数η_Ｂ（ｔ）及びブリルアン散乱光の光周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光ファイバ中での局所的な歪みや温度変化により変化するため、時間ｔの関数としている。

【0045】

自己遅延ヘテロダイン干渉計４１は、分岐部４２、光周波数シフタ部４３、遅延部４８、合波部５０、コヒーレント検波部６０、電気信号生成部８０及び信号処理装置７４を備えて構成される。

【0046】

電気信号生成部８０の局発電気信号源８３は、周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を生成する。

【0047】

分岐部４２は、プローブ光により被測定光ファイバ１００で発生する後方ブリルアン散乱光を、光バンドパスフィルタ３２を経て受け取り、第１光路及び第２光路に２分岐する。

【0048】

光周波数シフタ部４３は、第１光路に設けられている。光周波数シフタ部４３は、局発電気信号源８３で生成された周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、周波数ｆ_ＡＯＭの周波数シフトを与える。

【0049】

従来の例えば特許文献１に開示されている測定装置では、ＢＦＳに対応する数十ＧＨｚ程度の周波数シフトを与える。これに対し、この光ファイバ歪み測定装置では、周波数ｆ_ＡＯＭは、数十ＭＨｚ程度である。このため、従来の測定装置に比べて周波数シフタとして小型でかつ安価なものを用いることができる。

【0050】

また、この構成例では、第２光路に遅延部４８が設けられている。遅延部４８は、第２光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。

【0051】

合波部５０は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部５０に入射される、第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）及び第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）は、それぞれ、以下の式（３）及び（４）で表される。

【0052】

【数4】

【0053】

ここで、Ａ_１及びＡ_２は、それぞれＥ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ−τ）の振幅であり、φ_１及びφ_２は、それぞれＥ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ−τ）の初期位相である。

【0054】

コヒーレント検波部６０は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。コヒーレント検波部６０は、例えば、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）６２とＦＥＴ増幅器６４を備えて構成される。ヘテロダイン検波により与えられるビート信号Ｉ_１２は、以下の式（５）で表される。

【0055】

【数5】

【0056】

コヒーレント検波部６０で生成されたビート信号Ｉ_１２は第１電気信号としてミキサー部７０に送られる。また、局発電気信号源８３で生成された電気信号は第２電気信号としてミキサー部７０に送られる。

【0057】

ミキサー部７０は、第１電気信号と、第２電気信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。局発電気信号源８３で生成された電気信号Ｉ_ＡＯＭを以下の式（６）で表す。

【0058】

【数6】

【0059】

ミキサー部７０で生成されたホモダイン信号は、上記式（５）及び式（６）を乗算して得られる、以下の式（７）で表される。

【0060】

【数7】

【0061】

上記式（７）中の和周波成分をローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２で除去すると、以下の式（８）で表される信号が得られる。

【0062】

【数8】

【0063】

上記式（８）のφ₁−φ₂−φ_ＡＯＭと、遅延時間τは一定であるため、ブリルアン周波数の変化ｆ_Ｂ（ｔ）のみが出力強度の差として出力される。

【0064】

ブリルアン周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光源１２の発振周波数の揺らぎと被測定光ファイバ１００の歪みの２つの要因によって変化する。しかし、光源１２として周波数安定化狭線幅光源を用いることで、被測定光ファイバ１００の歪みによる影響が支配的となる。

【0065】

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、ブリルアンシフトとビート信号の位相変化を示す模式図である。図２（Ａ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に周波数を取って示している。また、図２（Ｂ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に、電圧を取って示している。

【0066】

この横軸の時間は、ブリルアン散乱が起こった場所を示している。すなわち、プローブ光が出射された時間に対して、時間ｔ経過後に後方ブリルアン散乱光が入射された場合、被測定光ファイバ内の光の伝播速度をｖとすると、被測定光ファイバの入射端からｖｔ／２の位置で後方ブリルアン散乱が生じたことになる。

【0067】

図２（Ａ）及び（Ｂ）では、時刻ｔ_１からｔ_２までの時間Ｔに対応する区間において、周波数シフトが生じた例を示している。このとき、自己遅延ヘテロダイン干渉計で遅延時間τが与えられているため、位相変化はｔ_１からｔ_１＋τまでの間に変化し、時刻ｔ_２からｔ_２＋τまでの間に元の状態に戻る。すなわち、光ファイバ歪み測定装置で位相差を測定するには、Ｔ≧τの関係を満たす必要があり、測定可能な時間分解能（すなわち、空間分解能）がτによって定まる。さらに測定可能な周波数変化もτの大きさで定まる。すなわち、τが大きくなると、測定可能な周波数範囲が小さくなるが、空間分解能は大きくなる。一方、τが小さくなると、空間分解能は小さくなるが、測定可能な周波数範囲が大きくなる。このように、遅延時間と測定可能な周波数の間にトレードオフの関係がある。

【0068】

図３〜５を参照して、光ファイバに歪み変化及び温度変化を与えたときの、ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲで得られる周波数シフトについて説明する。

【0069】

図３は、光ファイバに与えた歪み変化及び温度変化を示す図である。図３では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸に歪み変化［単位：με］及び温度変化［単位：℃］を取って示している。ここでは、光ファイバの長さを１ｋｍとし、光ファイバ歪み測定装置側の端部から３００〜３２０ｍの区間と９４０〜９６０ｍの区間に、２００μεの歪みを付与し、６２０〜６４０ｍの区間と９４０〜９６０ｍの区間に、２０℃の温度変化を付与した場合について考える。

【0070】

図４は、上述の場合に、光ファイバ歪み測定装置で得られるビート信号波形を示す図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸に信号強度［単位：Ｖ］で取って示している。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＩで示す部分を拡大して示している。

【0071】

ここでは、ＢＦＳの歪み依存係数Ｃ_νεを０．０４９ＭＨｚ／μεとし、温度依存係数Ｃ_νＴを１．０ＭＨｚ／℃としている。また、ブリルアン散乱係数の歪み依存係数Ｃ_Ｐεを、−７．７×１０^−４％／℃とし、温度依存係数Ｃ_ＰＴを０．３６％／℃としている。

【0072】

図４（Ｂ）に示すように、ビート信号中には歪み、温度変化を付与した箇所においてＢＦＳに起因する位相シフト（図４（Ｂ）中、ＩＩで示す部分）とブリルアン散乱係数に起因する強度変化（図４（Ｂ）中、ＩＩＩで示す部分）が生じる。

【0073】

図５は、このビート信号に対して、ホモダイン検波及びフィルタ処理を施すことにより得られた、周波数シフト量δν_ＳＤＨを示す図である。図５では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸に周波数シフト量δν_ＳＤＨ［単位：ＭＨｚ］を取って示している。

【0074】

周波数シフト量δν_ＳＤＨは上記式（１）で与えられる周波数シフト量δν_Ｂにブリルアン散乱係数の変化に起因する強度変化分が重畳した値で以下の式（９）を用いて計算される。

【0075】

【数9】

【0076】

基本構成の光ファイバ歪み測定装置は、ブリルアン散乱の周波数変化を測定する構成である。このため、基本構成の光ファイバ歪み測定装置では、得られた情報から歪みと温度変化を分離するのは困難である。

【0077】

（第１実施形態）
図６を参照して、第１実施形態の光ファイバ歪み及び温度測定装置（以下、第１測定装置とも称する。）について説明する。図６は、第１測定装置の模式的なブロック図である。なお、以下の説明において、光ファイバ歪み測定装置の基本構成と重複する説明を省略することがある。

【0078】

第１測定装置では、コヒーレント検波部６０の出力が２分岐され、一方が、ミキサー部７０、ＬＰＦ７２を経て信号処理装置７５に送られ、他方が、２乗回路９２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）９４、及び１／２乗回路９６を通って信号処理装置７５に送られる点が基本構成の光ファイバ歪み測定装置と異なっている。

【0079】

２乗回路９２、ＬＰＦ９４、及び１／２乗回路９６は、信号強度取得部９１を構成し、コヒーレント検波部６０の出力であるビート信号の包絡線検波の機能を実現する。この結果、ビート信号が、２乗回路９２、ＬＰＦ９４、及び１／２乗回路９６を順に通過すると、ビート信号の強度情報のみが得られる。すなわち、２乗回路９２、ＬＰＦ９４、及び１／２乗回路９６から、上記式（１）におけるδＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂが得られる。

【0080】

図７は、このビート信号に対して、包絡線検波により得られた、δＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂを示す図である。図７では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にδＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂ［単位：％］を取って示している。

【0081】

また、ミキサー部７０、ＬＰＦ７２は、周波数シフト量取得部７１を構成する。周波数シフト量取得部７１から、図５に示した、上記式（９）におけるδν_ＳＤＨが得られる。

【0082】

信号処理装置では、ビート信号から得られたδν_ＳＤＨとδＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂと、予め取得しておいた各係数を用いて、上記式（１）の２元連立方程式を解くことにより、δε及びδＴを取得する。

【0083】

上記式（１）の２元連立方程式を解くと、δε及びδＴは、それぞれ以下の式（１０）で与えられる。

【0084】

【数10】

【0085】

図５に示すδν_ＳＤＨと、図７に示すδＰ_Ｂ／Ｐ_Ｂから、上記式（１０）により、歪みδε及び温度変化δＴが分離されて求められる。

【0086】

図８は、分離後のδεを示す図である。図８では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にδε［単位：με］を取って示している。また、図９は、分離後のδＴを示す図である。図９では、横軸に光ファイバにおける位置［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にδＴ［単位：℃］を取って示している。

【0087】

このように、第１測定装置によれば、δε及びδＴをそれぞれ分離して取得することができる。

【0088】

（第２実施形態）
図１０を参照して、第２実施形態の光ファイバ歪み及び温度測定装置（以下、第２測定装置とも称する。）について説明する。第２測定装置では、第１光路に第１光周波数シフタ部４４が設けられている。また、第２光路に第２光周波数シフタ部４６と遅延部４８が設けられている。

【0089】

電気信号生成部８１は第１局発電気信号源８２、第２局発電気信号源８４、ミキサー部８６及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）８８を備えて構成される。なお、第１局発電気信号源８２、第２局発電気信号源８４は電気信号生成部８１の外部に在っても良い。第１局発電気信号源８２は、第１周波数ｆ_１の電気信号を生成する。第２局発電気信号源８４は、第２周波数ｆ_２の電気信号を生成する。ミキサー部８６は、第１周波数ｆ_１の電気信号と、第２周波数ｆ_２の電気信号から、第１周波数ｆ_１及び第２周波数ｆ_２の和周波数成分と差周波数成分を生成する。ＬＰＦ８８はミキサー部８６で生成される信号から差周波数成分ｆ_ＡＯＭ（＝ｆ_１−ｆ_２）のビート信号を出力する。

【0090】

第１光周波数シフタ部４４は、第１光路に設けられている。第１光周波数シフタ部４４は、第１局発電気信号源８２で生成された第１周波数ｆ_１の電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、第１周波数ｆ_１の周波数シフトを与える。

【0091】

第２光周波数シフタ部４６は、第２光路に設けられている。第２光周波数シフタ部４６は、第２局発電気信号源８４で生成された第２周波数ｆ_２の電気信号を用いて、第２光路を伝播する光に対して、第２周波数ｆ_２の周波数シフトを与える。

【0092】

第２測定装置は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４０において、第１光路及び第２光路の両者に光周波数シフタ部を備える点と、電気信号生成部８１の構成が、第１測定装置と異なっている。その他の構成は、第１測定装置と同様なので、重複する説明を省略する。

【0093】

第１測定装置は、光周波数シフタ部や局発電気信号源が１つであるため、第２測定装置に比べて、製造コストの面で有利である。一方、第２測定装置は、合波部で合波される２つの光の周波数が近い値であるため、ホモダイン検波を行うという観点では、より高精度の測定を行うことができる。

【符号の説明】

【0094】

１０ 光源部
２０ サーキュレータ
３０ 光増幅器
３２ 光バンドパスフィルタ
４０、４１ 自己遅延ヘテロダイン干渉計
４２ 分岐部
４３ 光周波数シフタ部
４４ 第１光周波数シフタ部
４６ 第２光周波数シフタ部
４８ 遅延部
５０ 合波部
６０ コヒーレント検波部
６２ バランス型ＰＤ
６４ ＦＥＴ増幅器
７０、８６ ミキサー部
７１ 周波数シフト量取得部
７２、８８、９４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７４、７５ 信号処理装置
８０、８１ 電気信号生成部
８２ 第１局発電気信号源
８３ 局発電気信号源
８４ 第２局発電気信号源
９０ タイミング制御器
９１ 信号強度取得部
９２ ２乗回路
９６ １／２乗回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】