特許 6535006 光ファイバセンサ、地震探査方法、石油、天然ガス貯留層分布の計測方法、歪み検知方法および地層の割れ目位置特定方法

(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】6535006

(24)【登録日】2019年6月7日

(45)【発行日】2019年6月26日

(54)【発明の名称】光ファイバセンサ、地震探査方法、石油、天然ガス貯留層分布の計測方法、歪み検知方法および地層の割れ目位置特定方法

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/353 20060101AFI20190617BHJP

   G01V 1/00 20060101ALI20190617BHJP

   E21B 47/00 20120101ALI20190617BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/353 B

   G01V1/00 C

   E21B47/00

【請求項の数】19

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2016-540740(P2016-540740)

(86)(22)【出願日】2015年8月6日

(86)【国際出願番号】JP2015072371

(87)【国際公開番号】WO2016021689

(87)【国際公開日】20160211

【審査請求日】2018年4月11日

(31)【優先権主張番号】62/034,558

(32)【優先日】2014年8月7日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】特願2015-48733(P2015-48733)

(32)【優先日】2015年3月11日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(74)【代理人】

【識別番号】100142712

【弁理士】

【氏名又は名称】田代 至男

(72)【発明者】

【氏名】忠隈 昌輝

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００３−５０５７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００４／０４０２４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−３８８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１６８７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／３５３

Ｅ２１Ｂ ４７／００

Ｇ０１Ｖ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定光ファイバ中に、同時刻に互いの波長が異なり両方あるいは一方の波長が時間的に変化する二つの光を出力する送信部と、
前記被測定光ファイバから出力された後方散乱光を受光し前記二つの光の干渉状態を測定する測定部と、
を備え、前記測定部は、前記二つの光の干渉状態を測定することにより、前記被測定光ファイバの長手方向における任意の区間での光位相の時間的変化を検出することを特徴とする光ファイバセンサ。

【請求項2】

前記送信部は、波長が周期的に変化する光を発生する光源部と、前記光源部から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１分岐カプラから出力された他方の光を二分岐する第２分岐カプラと、前記第２分岐カプラから出力された一方の光を伝搬する第１遅延光ファイバと、前記第１周波数シフタから出力された光と前記第１遅延光ファイバから出力された光とを合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、前記第２分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせて参照光を生成する第２周波数シフタと、を備え、
前記測定部は、前記参照光と、前記後方散乱光とを受光し、該参照光と該後方散乱光とにより発生したビート信号を含む電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号の所望の周波数領域に対して周波数解析を行う周波数解析部と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項3】

前記測定部は、前記電気信号を二分岐する分岐器と、前記分岐器から出力された二つの電気信号をそれぞれ透過する、互いに透過周波数帯の異なる二つのバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの一方を透過した電気信号と正弦波信号とを合波するミキサと、前記合波された電気信号を伝搬する遅延線路と、前記遅延線路を伝搬した電気信号と前記バンドパスフィルタの他方を通過した電気信号とを結合して前記周波数解析部に出力する結合器と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。

【請求項4】

前記測定部は、前記後方散乱光及び前記参照光をそれぞれ二つの偏波成分に分離し、各偏波成分ごとに合波して前記受光部に出力する偏波ダイバーシティ部をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載の光ファイバセンサ。

【請求項5】

前記被測定光ファイバに出力する二つの光の少なくとも一方または前記参照光が偏波スクランブルされていることを特徴とする請求項２または３に記載の光ファイバセンサ。

【請求項6】

前記送信部は、波長が周期的に変化する光を発生する光源部と、前記光源部から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１分岐カプラから出力された他方の光を二分岐する第２分岐カプラと、前記第２分岐カプラから出力された一方の光を伝搬する第１遅延光ファイバと、前記第１周波数シフタから出力された光と前記第１遅延光ファイバから出力された光とを合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、前記第２分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせて参照光を生成する第２周波数シフタと、を備え、
前記測定部は、前記後方散乱光を二分岐する第３分岐カプラと、前記第３分岐カプラから出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる第３周波数シフタと、前記第３周波数シフタから出力された光を伝搬する第２遅延光ファイバと、前記第３分岐カプラから出力された他方の光と第２遅延光ファイバから出力された光とを合波する第２合波カプラと、前記参照光と前記後方散乱光とを受光し、該参照光と該後方散乱光とにより発生したビート信号を含む電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号の所望の周波数領域に対して周波数解析を行う周波数解析部と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項7】

前記光源部は、光源と、前記光源から出力された光の周波数を時間的に変調する変調器とを備えることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。

【請求項8】

前記光源部は、光源と、前記光源を駆動する、時間的に変調された電流を前記光源に供給する駆動部とを備えることを特徴する請求項２〜６のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。

【請求項9】

前記送信部は、光源と、前記光源から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の波長を周期的に変化させる第１変調器と、前記第１分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１周波数シフタから出力された光の波長を周期的に変化させる第２変調器と、前記第１及び第２変調器から出力された光を合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、を備え、
前記測定部は、前記後方散乱光を受光して電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項10】

前記送信部は、光源と、前記光源から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の波長を周期的に変化させる第１変調器と、前記第１分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１変調器から出力された光と前記第１周波数シフタから出力された光とを合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、を備え、
前記測定部は、前記後方散乱光を受光して電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項11】

前記測定部は、前記後方散乱光を二分岐する第２分岐カプラと、前記第２分岐カプラから出力された一方の光を伝搬する第２遅延光ファイバと、前記第２遅延光ファイバから出力された光の周波数を一定量シフトさせる第３周波数シフタと、前記第２分岐カプラから出力された他方の光と前記第３周波数シフタから出力された光とを合波する第３合波カプラと、前記第３合波カプラから出力された光を受光して電気信号を発生させるバランスドフォトディテクタと、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の光ファイバセンサ。

【請求項12】

前記送信部は、光源と、前記光源から出力された光の側帯波の光を発生させるとともに、該側帯波の光の波長を周期的に変化させて、前記二つの光として出力する変調器と、を備え、
前記測定部は、前記後方散乱光を受光して電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項13】

前記送信部から出力された前記二つの光の一部を分岐する補助干渉計用分岐カプラと、前記分岐した光が入力される、タイミング調整用電気信号を出力する補助干渉計と、をさらに備え、
前記タイミング調整用電気信号は、前記送信部または前記測定部に入力され、前記送信部における前記二つの光の波長の時間的変化のタイミングおよび前記測定部における電気信号検出のタイミングの少なくとも一方の調整に使用されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。

【請求項14】

前記送信部は、該送信部を通過する光の偏波状態を保持するための偏波保持光ファイバおよび偏波保持光部品を備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。

【請求項15】

測定距離が最大１０ｋｍ、距離分解能が１０ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。

【請求項16】

請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする地震探査方法。

【請求項17】

請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする石油、天然ガス坑井内の石油、天然ガス貯留層分布の計測方法。

【請求項18】

請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とするパイプラインの歪み検知方法。

【請求項19】

請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする水圧破砕法使用時に発生する地層の割れ目位置の特定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバセンサおよびこれを用いた地震探査方法、石油、天然ガス貯留層分布の計測方法、歪み検知方法ならびに地層の割れ目位置特定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

石油ガス探掘時に地震探鉱が多く用いられている。探鉱の際、地下深部や海底へ伝搬していく音響波を測定する方法として、近年光ファイバを用いたセンシングが行われている。現状で行われている音響波光ファイバセンシングは、マイケルソン干渉計を用いた干渉計型センサ（非特許文献１）や、光伝送路に光パルスを入射し、その光パルスから発生する後方散乱光を観測することで障害点の位置を特定する光時間領域反射測定法（ＯＴＤＲ）が用いられている。

【0003】

ＯＴＤＲは光ファイバ通信伝送路の管理・監視の目的で、光伝送路中に生じた破断点や障害点を探索する方法として多く用いられている（非特許文献２）。この測定法では光ファイバの長手方向での反射点の距離分解能（光ファイバ中で発生する事象が分離して識別できる最少距離）は、入射する１つの光パルスが光ファイバ中をそのパルスの時間幅の間に進む距離で定まる。そのため距離分解能は、通常１００〜１０ｍ程度、小さい場合でも１ｍ程度である。現状で行われているＯＴＤＲによる音響波光ファイバセンシングでも距離分解能は最少でも１ｍ程度である。

【0004】

また、ＯＴＤＲよりも高距離分解能を実現する測定方法として、光周波数領域反射法（ＯＦＤＲ:Optical Frequency Domain Reflectometry）がファイバ光通信技術として使用されている。ＯＦＤＲは光源から発生する光の周波数を時間に対して直線的に掃引したのち信号光と参照光とに分波し、信号光を被測定光ファイバに入射させ、被測定光ファイバ中で発生する後方散乱光と参照光とを合波してヘテロダイン検波する。このとき後方散乱光と参照光との周波数差は、両光の光路長差と比例関係にある。したがって、周波数領域における反射光強度分布を測定することにより、光ファイバ中での後方散乱光の発生位置が特定できるようになっている。ＯＦＤＲでは受信部での測定周波数帯域幅を狭くすることにより距離分解能を高めることができる（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平５−２０３４１０号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Proceedings of 32nd Meeting on Lightwave Sensing Technology LST32-13,pp.93-98

【非特許文献2】Journal of Lightwave Technology, VOL. LT-3, No.4, pp.876-886

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来の技術として石油ガス探索用に使用されている音響波光ファイバセンサはＯＴＤＲを用いたものであるが、石油ガス探掘の精度を向上させるには、より距離分解能の高い測定方法、装置が求められている。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い距離分解能で音響波を検出することができる光ファイバセンサおよびこれを用いた地震探査方法、石油、天然ガス貯留層分布の計測方法、歪み検知方法ならびに地層の割れ目位置特定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、被測定光ファイバ中に、同時刻に互いの波長が異なり両方あるいは一方の波長が時間的に変化する二つの光を出力する送信部と、前記被測定光ファイバから出力された後方散乱光を受光し前記二つの光の干渉状態を測定する測定部と、を備え、前記測定部は、前記二つの光の干渉状態を測定することにより、前記被測定光ファイバの長手方向における任意の区間での光位相の時間的変化を検出することを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部は、波長が周期的に変化する光を発生する光源部と、前記光源部から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１分岐カプラから出力された他方の光を二分岐する第２分岐カプラと、前記第２分岐カプラから出力された一方の光を伝搬する第１遅延光ファイバと、前記第１周波数シフタから出力された光と前記第１遅延光ファイバから出力された光とを合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、前記第２分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせて参照光を生成する第２周波数シフタと、を備え、前記測定部は、前記参照光と、前記後方散乱光とを受光し、該参照光と該後方散乱光とにより発生したビート信号を含む電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号の所望の周波数領域に対して周波数解析を行う周波数解析部と、を備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記測定部は、前記電気信号を二分岐する分岐器と、前記分岐器から出力された二つの電気信号をそれぞれ透過する、互いに透過周波数帯の異なる二つのバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの一方を透過した電気信号と正弦波信号とを合波するミキサと、前記合波された電気信号を伝搬する遅延線路と、前記遅延線路を伝搬した電気信号と前記バンドパスフィルタの他方を通過した電気信号とを結合して前記周波数解析部に出力する結合器と、をさらに備えることを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記測定部は、前記後方散乱光及び前記参照光をそれぞれ二つの偏波成分に分離し、各偏波成分ごとに合波して前記受光部に出力する偏波ダイバーシティ部をさらに備えることを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記被測定光ファイバに出力する二つの光の少なくとも一方または前記参照光が偏波スクランブルされていることを特徴とする。

【0014】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部は、波長が周期的に変化する光を発生する光源部と、前記光源部から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１分岐カプラから出力された他方の光を二分岐する第２分岐カプラと、前記第２分岐カプラから出力された一方の光を伝搬する第１遅延光ファイバと、前記第１周波数シフタから出力された光と前記第１遅延光ファイバから出力された光とを合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、前記第２分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせて参照光を生成する第２周波数シフタと、を備え、前記測定部は、前記後方散乱光を二分岐する第３分岐カプラと、前記第３分岐カプラから出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる第３周波数シフタと、前記第３周波数シフタから出力された光を伝搬する第２遅延光ファイバと、前記第３分岐カプラから出力された他方の光と第２遅延光ファイバから出力された光とを合波する第２合波カプラと、前記参照光と前記後方散乱光とを受光し、該参照光と該後方散乱光とにより発生したビート信号を含む電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号の所望の周波数領域に対して周波数解析を行う周波数解析部と、を備えることを特徴とする。

【0015】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記光源部は、光源と、前記光源から出力された光の周波数を時間的に変調する変調器とを備えることを特徴とする。

【0016】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記光源部は、光源と、前記光源を駆動する、時間的に変調された電流を前記光源に供給する駆動部とを備えることを特徴する。

【0017】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部は、光源と、前記光源から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の波長を周期的に変化させる第１変調器と、前記第１分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１周波数シフタから出力された光の波長を周期的に変化させる第２変調器と、前記第１及び第２変調器から出力された光を合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、を備え、前記測定部は、前記後方散乱光を受光して電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備えることを特徴とする。

【0018】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部は、光源と、前記光源から出力された光を二分岐する第１分岐カプラと、前記第１分岐カプラから出力された一方の光の波長を周期的に変化させる第１変調器と、前記第１分岐カプラから出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせる第１周波数シフタと、前記第１変調器から出力された光と前記第１周波数シフタから出力された光とを合波し、前記二つの光として出力する第１合波カプラと、を備え、前記測定部は、前記後方散乱光を受光して電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備えることを特徴とする。

【0019】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記測定部は、前記後方散乱光を二分岐する第２分岐カプラと、前記第２分岐カプラから出力された一方の光を伝搬する第２遅延光ファイバと、前記第２遅延光ファイバから出力された光の周波数を一定量シフトさせる第３周波数シフタと、前記第２分岐カプラから出力された他方の光と前記第３周波数シフタから出力された光とを合波する第３合波カプラと、前記第３合波カプラから出力された光を受光して電気信号を発生させるバランスドフォトディテクタと、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備えることを特徴とする。

【0020】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部は、光源と、前記光源から出力された光の側帯波の光を発生させるとともに、該側帯波の光の波長を周期的に変化させて、前記二つの光として出力する変調器と、を備え、前記測定部は、前記後方散乱光を受光して電気信号を発生させる受光部と、前記電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部と、前記選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部と、を備えることを特徴とする。

【0021】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部から出力された前記二つの光の一部を分岐する補助干渉計用分岐カプラと、前記分岐した光が入力される、タイミング調整用電気信号を出力する補助干渉計と、をさらに備え、前記タイミング調整用電気信号は、前記送信部または前記測定部に入力され、前記送信部における前記二つの光の波長の時間的変化のタイミングおよび前記測定部における電気信号検出のタイミングの少なくとも一方の調整に使用されることを特徴とする。

【0022】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、前記送信部は、該送信部を通過する光の偏波状態を保持するための偏波保持光ファイバおよび偏波保持光部品を備えることを特徴とする。

【0023】

本発明の一態様に係る光ファイバセンサは、測定距離が最大１０ｋｍ、距離分解能が１０ｃｍ以下であることを特徴とする。

【0024】

本発明の一態様に係る地震探査方法は、本発明の一態様に係る光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする。

【0025】

本発明の一態様に係る石油、天然ガス貯留層分布の計測方法は、本発明の一態様に係る光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする。

【0026】

本発明の一態様に係る歪み検知方法は、本発明の一態様に係る光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする。

【0027】

本発明の一態様に係る地層の割れ目位置の特定方法は、本発明の一態様に係る光ファイバセンサを音響波センサとして用いることを特徴とする。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、高い距離分解能で音響波を検出することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1A】図１Ａは、実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成図である。

【図1B】図１Ｂは、光源部の別の構成例を示す図である。

【図2】図２は、図１に示す変調器の一例の構成図である。

【図3】図３は、図１に示す変調器の別の一例の構成図である。

【図4】図４は、実施の形態１に係る光ファイバセンサにおける後方散乱光の波長の時間的変化の関係を示す図である。

【図5A】図５Ａは、バランスドＰＤで受ける光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、ある時刻に得られた干渉強度の周波数を示す図である。

【図5C】図５Ｃは、測定される波形の時間変化を示す図である。

【図6】図６は、実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成図である。

【図7A】図７Ａは、バランスドＰＤで受ける光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図7B】図７Ｂは、バンドパスフィルタを通過する電気信号の内容を示す図である。

【図7C】図７Ｃは、バンドパスフィルタを通過する電気信号の内容を示す図である。

【図7D】図７Ｄは、ミキサと遅延線路との作用を示す図である。

【図7E】図７Ｅは、結合器の作用を示す図である。

【図7F】図７Ｆは、測定される波形の時間変化を示す図である。

【図8】図８は、実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成図である。

【図9A】図９Ａは、光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図9B】図９Ｂは、光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図9C】図９Ｃは、光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図10】図１０は、実施の形態４に係る光ファイバセンサの構成図である。

【図11A】図１１Ａは、光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図11B】図１１Ｂは、光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図11C】図１１Ｃは、後方散乱光の干渉光の干渉周波数の時間的変化を示す図である。

【図12A】図１２Ａは、実施の形態４に係る光ファイバセンサの測定部の構成の他の例の説明のための図である。

【図12B】図１２Ｂは、後方散乱光の説明のための図である。

【図13A】図１３Ａは、二つの光の波長の時間的変化の関係を示す図である。

【図13B】図１３Ｂは、二つの光の波長の時間的変化の関係を示す図である。

【図13C】図１３Ｃは、二つの光の波長の時間的変化の関係を示す図である。

【図13D】図１３Ｄは、二つの光の波長の時間的変化の関係を示す図である。

【図13E】図１３Ｅは、二つの光の波長の時間的変化の関係を示す図である。

【図14A】図１４Ａは、二つの光の波長の時間的変化の関係の他の例を示す図である。

【図14B】図１４Ｂは、二つの光の波長の時間的変化の関係の他の例を示す図である。

【図14C】図１４Ｃは、二つの光の波長の時間的変化の関係のさらに他の例を示す図である。

【図14D】図１４Ｄは、二つの光の波長の時間的変化の関係のさらに他の例を示す図である。

【図15】図１５は、実施の形態５に係る光ファイバセンサの構成図である。

【図16A】図１６Ａは、実施の形態５に係る光ファイバセンサにおける二つの光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図16B】図１６Ｂは、後方散乱光の干渉光の干渉周波数の時間的変化を示す図である。

【図17】図１７は、実施の形態６に係る光ファイバセンサの構成図である。

【図18A】図１８Ａは、実施の形態６に係る光ファイバセンサにおける二つの光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図18B】図１８Ｂは、実施の形態６に係る光ファイバセンサにおける二つの光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。

【図18C】図１８Ｃは、後方散乱光の干渉光の干渉周波数の時間的変化を示す図である。

【図19】図１９は、測定部の他の例の構成図である。

【図20】図２０は、タイミング調整部の構成図である。

【図21A】図２１Ａは、光源部の他の例の構成図である。

【図21B】図２１Ｂは、光源部のさらに他の例の構成図である。

【図22A】図２２Ａは、地震探査方法の説明図である。

【図22B】図２２Ｂは、地震探査方法の説明図である。

【図23】図２３は、貯留層分布の計測方法の説明図である。

【図24】図２４は、歪み検知方法の説明図である。

【図25】図２５は、地層の割れ目位置の特定方法の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバセンサ、地震探査方法、石油、天然ガス貯留層分布の計測方法、歪み検知方法および地層の割れ目位置特定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0031】

はじめに、光ファイバセンサにおける音響波検出の原理を説明する。被測定光ファイバを音響波（周波数：数十Ｈｚから１００Ｈｚ程度）が伝わると、その振動により光ファイバが伸縮する。したがって、被測定光ファイバからの後方散乱光の位相の時間変化を観測することができれば、いつ、どこの位置に、どのくらいの周波数の音響波が存在しているかを特定できる。位相変化の観測方法としては、１）被測定光ファイバ全長にわたる後方散乱光分布を時間的に繰り返し測定し、その時間的差分から求める方法がある。一方、２）被測定光ファイバの任意の二点間からの後方散乱光の相関（干渉状態）の時間的変化を観測すれば、その二点間における音響波の発生状態を特定することができる。

【0032】

本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサでは、被測定光ファイバ中に、同時刻に互いの波長が異なり両方あるいは一方の波長が時間的に変化する二つの光を出力する送信部と、被測定光ファイバから出力された後方散乱光を受光し二つの光の干渉状態を測定する測定部と、を備えている。測定部は、二つの光の後方散乱光の干渉状態を測定することにより、被測定光ファイバの長手方向における任意の区間での光位相の時間的変化を検出する。

【0033】

二つの光は同時刻に常に異なる波長であり、かつその波長が時間的に変化している。以下、光の波長を周波数で表す場合がある。二つの光の周波数は両方あるいは一方は時間的に直線的に変化するように変調されており、一定の同じ周期で変調を繰り返している。変調の周期は、上記二つの光が、所定の長さの被測定光ファイバ中を往復する時間で定まる周期と等しいかそれより長い周期である。

【0034】

ここで、二つの光を同時刻に常に異なる波長にすることで、同時刻に後方散乱された光の周波数を、後方散乱された位置に対応付けることができる。このとき、二つの光の波長の変化量で距離分解能を設定することができる。ここで、二つの光の波長の変化量は高精度に調整、設定することができる。したがって本発明の実施の形態によれば、高い距離分解能で音響波を検出することができる。

【0035】

（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成図である。図１Ａに示すように、光ファイバセンサ１００は、光源１と、変調器２と、信号発生器３と、分岐カプラ４と、音響光学変調器（ＡＯＭ）である周波数シフタ５と、分岐カプラ６と、遅延光ファイバ７と、合波カプラ８と、エルビウム添加光ファイバ増幅器であるＥＤＦＡ９と、バンドパスフィルタ１０と、ＡＯＭである周波数シフタ１１とを備える送信部１２と、光サーキュレータ１３とを備えている。光源１と、変調器２と、信号発生器３とは光源部を構成している。なお、光源部は、図１Ｂのように光源１と信号発生器３とで構成してもよい。光ファイバセンサ１００は、さらに、合波カプラ１４と、受光部であるバランスドフォトディテクタ（バランスドＰＤ）１５と、周波数解析部１６とを備える測定部１７を備えている。なお、信号発生器３から周波数解析部１６にはタイミング調整用のトリガ信号が入力されている。

【0036】

光源１は、レーザ光などの単一周波数の連続光を出力する。変調器２は、信号発生器３から供給された変調信号によって、光源１から出力された光の波長（周波数）を時間的に周波数変調する。変調の周期は、光が被測定光ファイバＦＵＴ中を往復する時間に対応する周期と等しくされている。なお、光源部を、図１Ｂのように構成する場合は、信号発生器３から光源１に変調信号を重畳した駆動電流を供給することによって直接変調を行い、光源１から出力された光の波長を時間的に周波数変調する。このとき、信号発生器３は、時間的に変調された駆動電流を光源１に供給する駆動部として機能する。

【0037】

変調器２は、たとえば図２に示す一般にＩＱ ｍｏｄｕｌａｔｏｒと呼ばれる変調器によるシングルサイドバンド変調方式を用いることができる。図２に示す変調器２は、光入力部２ａ、光出力部２ｂ、ＭＺ干渉計２ｃ、２ｄ、２ｅ、および位相遅延部２ｆとを備えている。電圧Ｖ（ｔ）に位相遅延部２ｆにて遅延を与えたバイアス電圧Ｖ_DC1（Δφ１）、Ｖ_DC2（Δφ２）をＭＺ干渉計２ｃ、２ｄに印加するとともに、ＭＺ干渉計２ｅにバイアス電圧Ｖ_DC3（Δφ３）（Δφ１、Δφ２、Δφ３は位相差）を印加する。これにより、変調器２はシングルサイドバンド変調を行うことができる。また、図２に示す変調器２に代えて、図３に示す干渉型の強度変調器と位相変調器とを直列に接続した構成を用いることもできる。変調器２´は、光入力部２´ａ、光出力部２´ｂ、強度変調器２´ｃ、位相変調器２´ｄ、位相遅延部２´ｆおよびバイアスコントローラ２´ｅとを備えるものである。

【0038】

図１Ａに戻って、分岐カプラ４は変調器２から出力された光を二分岐する。周波数シフタ５は分岐カプラ４から出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせ、光Ｌ１として出力する。光Ｌ１の、波長を変調していない時点での波長をλ１とする。分岐カプラ６は分岐カプラ４から出力された他方の光を二分岐する。遅延光ファイバ７は分岐カプラ６から出力された一方の光を伝搬する。遅延光ファイバ７を伝搬した光を光Ｌ２とする。光Ｌ２の、波長を変調していない時点での波長をλ２とする。合波カプラ８は、周波数シフタ５から出力された光Ｌ１と遅延光ファイバ７から出力された光Ｌ２とを合波し、二つの光Ｌ１，Ｌ２として出力する。

【0039】

ＥＤＦＡ９は、光Ｌ１，Ｌ２を光増幅する。バンドパスフィルタ１０は、光Ｌ１，Ｌ２を透過しつつ、ＥＤＦＡ９で発生したＡＳＥ（増幅された自然放出光）を除去する。送信部１２は、光サーキュレータ１３を介して光Ｌ１，Ｌ２を被測定光ファイバＦＵＴに出力する。なお、ＥＤＦＡ９とバンドパスフィルタ１０とは、光源１の出力光強度や被測定光ファイバＦＵＴの長さなどに応じて適宜使用されるものであり、省略してもよい。

【0040】

一方、周波数シフタ１１は、分岐カプラ６から出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせて参照光ＬＲを生成する。なお、分岐カプラ４，６の分岐比は特に限定されないが、光Ｌ１と光Ｌ２との光強度が等しくなるように各分岐比を設定することが好ましい。

【0041】

光Ｌ１，Ｌ２が、被測定光ファイバＦＵＴに入力すると、レイリー散乱により光Ｌ１，Ｌ２から後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａが発生する。後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａは、被測定光ファイバＦＵＴを光Ｌ１，Ｌ２とは逆方向に伝搬し、光サーキュレータ１３により測定部１７に出力される。

【0042】

測定部１７において、合波カプラ１４は、参照光ＬＲと後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａとを合波する。バランスドＰＤ１５は、合波された光を受光し、参照光ＬＲと該後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａとにより発生した干渉光によるビート信号を含む電気信号を発生させ、周波数解析部１６に出力する。周波数解析部１６は、電気信号の所望の周波数領域に対して周波数解析を行う。周波数解析部１６は例えばスペクトラムアナライザである。

【0043】

ここで、光源部で変調される波長の時間的変化率をγ（単位：Ｈｚ／ｓ）、変調周期をｆ（Ｈｚ）、被測定光ファイバＦＵＴの条長をＬ（ｍ）とする。このときｆは、ｆ≦ｃ／ｎＬ（ｃ：光速、ｎ：被測定光ファイバＦＵＴの実効屈折率）を満たすように設定する。光Ｌ１，Ｌ２は、同時刻に周波数シフタ５で、或る一定量の周波数シフト（Δｆとし、周波数増加方向を＋方向とする）と、分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差（Δｌとする。Δｌには遅延光ファイバ７の長さも含まれる）による周波数シフト差γ×ｎΔｌ／ｃとだけ異なる波長で被測定光ファイバＦＵＴに入力する。そのため、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向各地点から同一時刻に後方散乱される二つの異なる光（後方散乱光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａ）の波長差（周波数差）はΔｆ＋γｎΔｌ／ｃである。

【0044】

図４は、実施の形態１に係る光ファイバセンサにおける後方散乱光の波長の時間的変化の関係を示す図である。図４に示すように、後方散乱光Ｌ１Ａを示す線（上側の線）と後方散乱光Ｌ２Ａを示す線（下側の線）とは、時間的に波長（周波数）が線形に変化する。シフトＳ１は周波数シフタ５により受ける周波数シフトであり、そのシフト量はここではΔｆである。遅延Ｄ１は分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差による遅延時間である。

【0045】

図５Ａは、バランスドＰＤで受ける光の時間的波長（周波数）変化を示している。周波数シフタ１１で光が受ける周波数シフト（シフトＳ２）の方向は周波数シフタ５で光が受ける周波数シフト（シフトＳ１）の方向と逆である。なお、線ｌｒは参照光ＬＲの波長変化を示す。線ｌ１、ｌ２はそれぞれ後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａの波長変化を示す。被測定光ファイバＦＵＴの異なる点で散乱された光は異なる線種で表しており、矢印Ａｒ１の向きに行くほど、被測定光ファイバＦＵＴの入力側から遠い点で散乱された光を表している。したがって、実線が入力側に近い点、点線が入力側から遠い点で散乱された光を表している。参照光ＬＲと光Ｌ２による後方散乱光Ｌ２Ａの干渉光の周波数領域をＢ１２、参照光ＬＲと光Ｌ１による後方散乱光Ｌ１Ａとの干渉光の周波数領域をＢ１１とする。バランスドＰＤ１５で変換された電気信号から、その後Ｂ１１及びＢ１２の二つの光の周波数掃引領域に対応した周波数の信号を周波数解析装置によって測定することにより、干渉光の周波数に対する強度分布波形（ＯＦＤＲ波形）が得られる。

【0046】

図５Ｂは、ある時刻に得られたＢ１１及びＢ１２での干渉強度の周波数特性を示している。横軸の周波数は被測定光ファイバＦＵＴの長手方向の距離、および後方散乱光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａの周波数変化時間に比例している。点Ｐ１は被測定光ファイバＦＵＴの光入力端の末端（近端）を示し、点Ｐ２は被測定光ファイバＦＵＴの遠端を示している。この二つの波形を比較することで、ある時刻での被測定光ファイバＦＵＴの長手方向各地点での位相変化を求めることができる。この測定を時間的に連続的に行うことにより、被測定光ファイバＦＵＴを伝搬する音響波の時間的変化を観測することができる。

【0047】

図５Ｃは、測定される波形の時間変化を示す図である。上述したように、横軸の周波数は被測定光ファイバＦＵＴの長手方向の距離に比例しており、点Ｐ１は被測定光ファイバＦＵＴの近端、点Ｐ２は被測定光ファイバＦＵＴの遠端に対応している。図５Ｃでは時間経過とともに波形に現れるピークが変化している。このピークは後方散乱光Ｌ１ＡまたはＬ２Ａの音響波による位相変化に起因するものである。したがって、このピークは、その時間にこのピークの周波数に対応する被測定光ファイバＦＵＴの位置に音響波が発生していることを意味する。

【0048】

本発明の実施の形態１によれば、後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａの干渉状態を、参照光ＬＲを介して測定することにより、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向における任意の区間での光位相の時間的変化を２箇所同時に検出する。このとき、被測定光ファイバＦＵＴに２つの光Ｌ１、Ｌ２を入力させることで、二つの光Ｌ１、Ｌ２の波長の変化量で距離分解能を設定することができる。したがって本発明の実施の形態１によれば、高い距離分解能で音響波を検出することができる。

【0049】

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成図である。図６に示すように、光ファイバセンサ２００は、送信部２１と光サーキュレータ１３とを備える。送信部２１は、図１Ａに示す光ファイバセンサ１００の送信部１２において、ＥＤＦＡ９とバンドパスフィルタ１０とを変調器２と分岐カプラ４との間に移動したものである。光ファイバセンサ２００は、さらに、合波カプラ１４と、バランスドＰＤ２２と、分岐器２３と、バンドパスフィルタ２４ａ、２４ｂと、ミキサ２５と、信号発生器２６と、遅延線路２７と、結合器２８と、周波数解析部１６とを備える測定部２９を備えている。

【0050】

送信部２１の機能は送信部１２の機能と同様なので説明を省略する。
測定部２９について説明する。合波カプラ１４は、参照光ＬＲと後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａとを合波する。バランスドＰＤ２２は、合波された光を受光し、参照光ＬＲと該後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａとにより発生した干渉光によるビート信号を含む電気信号を発生させる。分岐器２３は、電気信号を二分岐する。二つのバンドパスフィルタ２４ａ、２４ｂは、互いに透過周波数帯の異なるものであり、分岐器２３から出力された二つの電気信号をそれぞれ透過する。ミキサ２５は、バンドパスフィルタ２４ａを透過した電気信号と信号発生器２６から出力された所定の周波数の正弦波信号とを合波する。ミキサ２５は周波数成分の混合器であり、二つの異なる周波数の成分を入力すると周波数の差成分が出力される特性を持つ。そのためミキサ２５からの出力は、バンドパスフィルタ２４ａを透過した電気信号と信号発生器２６から出力された正弦波信号との差の周波数成分の電気信号となる。遅延線路２７は、ミキサ２５から出力された電気信号を伝搬する。結合器２８は、遅延線路２７を伝搬した電気信号とバンドパスフィルタ２４ｂを通過した電気信号とを結合して周波数解析部１６に出力する。

【0051】

ここで、正弦波信号の周波数は、周波数シフタ５による周波数シフト量と一致するように設定される。また、遅延線路２７による電気信号の遅延時間は、送信部２１における分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差による遅延時間と一致するように設定される。また、バンドパスフィルタ２４ａ、２４ｂの透過周波数帯は、それぞれ後述する周波数領域Ｂ２１、Ｂ２２に対応している。

【0052】

図７Ａは、バランスドＰＤで受ける光の時間的波長（周波数）変化を示している。周波数シフタ１１で光が受ける周波数シフト（シフトＳ２）の方向は周波数シフタ５で光が受ける周波数シフト（シフトＳ１）の方向と逆である。なお、線ｌｒは参照光ＬＲの波長変化を示す。線ｌ１、ｌ２はそれぞれ後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａの波長変化を示す。被測定光ファイバＦＵＴの異なる点で散乱された光は異なる線種で表しており、矢印Ａｒ１の向きに行くほど、被測定光ファイバＦＵＴの入力側から遠い点で散乱された光を表している。遅延Ｄ１は分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差による遅延量である。参照光ＬＲと光Ｌ２による後方散乱光Ｌ２Ａの干渉光の周波数領域をＢ２２、参照光ＬＲと光Ｌ１による後方散乱光Ｌ１Ａとの干渉光の周波数領域をＢ２１とする。

【0053】

図７Ｂは、図７Ａにおいて、バンドパスフィルタ２４ａを通過する側の電気信号の内容を表している。図７Ｃは、図７Ａにおいて、バンドパスフィルタ２４ｂを通過する側の電気信号の内容を表している。後方散乱光Ｌ１Ａに起因する電気信号はバンドパスフィルタ２４ａを通過し、後方散乱光Ｌ２Ａに起因する電気信号はバンドパスフィルタ２４ｂを通過する。

【0054】

その後、後方散乱光Ｌ１Ａに起因する電気信号は、ミキサ２５と遅延線路２７との作用によって図７Ｄに示すように、シフトＳ１と絶対値は同じだが符号が異なるシフトＳ３だけ周波数シフトされ、かつ遅延Ｄ１と同じ量の遅延Ｄ２を受ける。その後、結合器２８は、遅延線路２７を伝搬した電気信号とバンドパスフィルタ２４ｂを通過した電気信号とを結合すると、図７Ｅに示すように２つの電気信号の特性が重畳される。その結果、周波数解析部１６にて観測される、干渉光の周波数に対する強度分布波形（ＯＦＤＲ波形）は、図７Ｆに示すようにＢ２１及びＢ２２での干渉強度の周波数特性を重畳したものとなる。すなわち、ここで得られるＯＦＤＲ波形は、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向各地点で、分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長と同じ距離だけ離れた二点からの後方散乱光の強度を合わせた値となる。この強度分布の時間的な変化を観測することにより、二点間における平均的な値としての、被測定光ファイバＦＵＴ中に伝搬する音響波の強度及び周波数の時間的変動を求めることができる。

【0055】

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成図である。図８に示すように、光ファイバセンサ３００は、図１Ａに示す光ファイバセンサ１００と同様に送信部１２と光サーキュレータ１３とを備える。光ファイバセンサ３００は、さらに、分岐カプラ３１と、周波数シフタ３２と、遅延光ファイバ３３と、合波カプラ３４と、合波カプラ１４と、バランスドＰＤ１５と、周波数解析部１６とを備える測定部３５を備えている。

【0056】

送信部１２の機能については説明を省略する。
測定部３５について説明する。分岐カプラ３１は、後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａを二分岐する。周波数シフタ３２は、分岐カプラ３１から出力された一方の光の周波数を一定量シフトさせる。遅延光ファイバ３３は、周波数シフタ３２から出力された光を伝搬する。合波カプラ３４は、分岐カプラ３１から出力された他方の光と遅延光ファイバ３３から出力された光とを合波する。合波カプラ１４は、参照光ＬＲと合波カプラ３４から出力された光とを合波する。バランスドＰＤ１５は、合波された光を受光し、参照光ＬＲと該後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａとにより発生した干渉光によるビート信号を含む電気信号を発生させ、周波数解析部１６に出力する。周波数解析部１６は、電気信号の所望の周波数領域に対して周波数解析を行う。

【0057】

ここで、遅延光ファイバ３３による遅延時間は、送信部１２における分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差による遅延時間と一致するように設定される。周波数シフタ３２による周波数シフト量については後述する。

【0058】

図９Ａ〜９Ｃは、光の時間的波長（周波数）変化を示す図である。まず、図９Ａに示すように、後方散乱光Ｌ１ＡはシフトＳ１だけ周波数シフトを受けている。また、遅延Ｄ１は分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差による遅延時間である。つぎに、図９Ｂは周波数シフタ３２および遅延光ファイバ３３を通過した後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａの状態を示している。図９Ｂに示すように、周波数シフタ３２で後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａを、シフトＳ１のシフト方向とは反対側に大きくシフトさせる（シフトＳ４とする）。さらに、後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａは遅延光ファイバ３３により遅延Ｄ３だけ遅延される。遅延Ｄ３は遅延Ｄ１と同じ量である。このときの後方散乱光Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａの、λ１、λ２に対応する波長（すなわち変調していない時点での波長）をλ１´、λ２´とする。

【0059】

図９Ｃは、合波カプラ３４が、分岐カプラ３１から出力された他方の光と遅延光ファイバ３３から出力された光とを合波し、さらに合波カプラ１４が参照光ＬＲと合波した後の状態を示している。図９Ｃに示すように、周波数シフタ３２を透過した後方散乱光Ｌ１Ａ（λ１´）と周波数シフタ３２を透過しない後方散乱光Ｌ２Ａ（λ２）は同じように波長が変化し、重畳され干渉する。そこで、このλ１´＋λ２の光と参照光ＬＲとの干渉光の周波数領域（Ｂ３）のみを周波数解析部１６で測定する。これにより、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向において、分岐カプラ４と合波カプラ８の間の二光路の光路長差Δｌだけ離れた２点間の干渉の分布状態が測定できる。さらにその分布状態の時間変化から被測定光ファイバＦＵＴ中の音響波の振る舞いを測定することができる。

【0060】

（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４に係る光ファイバセンサの構成図である。図１０に示すように、光ファイバセンサ４００は、光源１と、分岐カプラ４と、変調器４１と、信号発生器４２と、周波数シフタ５と、変調器４３と、信号発生器４４と、合波カプラ８と、ＥＤＦＡ９と、バンドパスフィルタ１０とを備える送信部４５と、光サーキュレータ１３とを備える。光ファイバセンサ４００は、さらに、受光部であるＰＤ４６と、ミキサ２５と、信号発生器２６と、バンドパスフィルタ４７と、時間的変動検出部４８とを備える測定部４９を備えている。なお、信号発生器４２，４４から時間的変動検出部４８にはタイミング調整用のトリガ信号が入力されているが、図示は省略している。なお、以降の実施の形態においても、信号発生器から時間的変動検出部４８にはタイミング調整用のトリガ信号が入力されている。

【0061】

送信部４５において、分岐カプラ４は、光源１から出力された光を二分岐する。変調器４１は、信号発生器４２から供給された変調信号によって、分岐カプラ４から出力された一方の光の波長を周期的に変化させる。周波数シフタ５は、分岐カプラ４から出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせる。変調器４３は、信号発生器４４から供給された変調信号によって、周波数シフタ５から出力された光の波長を周期的に変化させる。合波カプラ８は、変調器４１、４３から出力された光Ｌ３，Ｌ４を合波し、二つの光Ｌ３，Ｌ４として出力する。光Ｌ３，Ｌ４の、波長を変調していない時点での波長をそれぞれλ１，λ２とする。

【0062】

光Ｌ３，Ｌ４が、被測定光ファイバＦＵＴに入力すると、レイリー散乱により光Ｌ３，Ｌ４から後方散乱光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａが発生する。後方散乱光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａは、被測定光ファイバＦＵＴを光Ｌ３，Ｌ４とは逆方向に伝搬し、光サーキュレータ１３により測定部４９に出力される。

【0063】

測定部４９において、ＰＤ４６は、後方散乱光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａを受光して電気信号を発生させる。ミキサ２５は、ＰＤ４６が出力した電気信号と信号発生器２６から出力された所定の周波数の正弦波信号とを合波する。バンドパスフィルタ４７は、正弦波信号の周波数の周波数成分の電気信号を透過し、時間的変動検出部４８に出力する。なお、ここではバンドパスフィルタ４７はローパスフィルタでもよい。ミキサ２５、信号発生器２６、バンドパスフィルタ４７は、電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部として機能する。時間的変動検出部４８は、選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する。

【0064】

ここで信号発生器２６からミキサ２５に入力される正弦波信号の周波数を周波数シフタ５で与えられる周波数シフト量に設定する。このときミキサ２５から出力される電気信号を、低周波数のみを透過させるバンドパスフィルタ４７（ローパスフィルタ）に透過させる。これにより、最終的に被測定光ファイバＦＵＴから後方散乱される後方散乱光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａの同一地点から同時刻に散乱される二波長の光の干渉信号が得られることになる。この信号の時間的強度変化を変調周波数ｆに同期して測定する。すると、被測定光ファイバＦＵＴ全長における干渉信号の分布がわかるので、これを変調掃引毎にデータを収集する。掃引毎に得られた干渉光の時間的強度変化について差分をとることにより、掃引間での干渉状態の時間変化が求められる。時間的変動検出部４８では、送信部４５にて変調器４１，４３に与えている変調信号の周期と同期して信号を検出する。これにより、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向各地点での干渉強度の時間的変化を観測することができる。さらに、その時間的干渉強度の変化から位相変化、すなわち被測定光ファイバＦＵＴ中を伝搬している音響波の強度及び周波数を算出することができる。時間的変動検出部４８には電気信号の時間的変化を計測できる装置を用いることができ、例えばオシロスコープやアナログ電圧信号をデジタル変換した後コンピュータ等で解析する装置を用いることができる。

【0065】

一方、送信部４５においては、光源１から出力される光は、変調器４１，４３によって光の波長がある周期で変化される。波長の変化は、それぞれ時間変化に対して線形に変化する。ここで変調器４１，４３の変調周期は同じである。周期は被測定光ファイバＦＵＴの条長によって決定され、被測定光ファイバＦＵＴの全長を光が往復する時間を、変調周期として定めることができる。また、変調器４３の前段に周波数シフタ５が設けられているが、周波数シフタ５は変調器４３の後段に設けてもよいし、変調器４１の前段または後段に設けてもよい。周波数シフタ５により、一定の周波数量をシフトさせることにより、被測定光ファイバＦＵＴの近端付近での二つの光の周波数差を広げることができるので、近端でも明確に干渉周波数を測定することができる。

【0066】

図１１Ａ〜１１Ｃは、光の時間的波長（周波数）変化、および後方散乱光の干渉光の干渉周波数の時間的変化を示す図である。図１１Ａは光Ｌ３，Ｌ４の時間的波長（周波数）変化を示している。線ｌ３は光Ｌ３，線ｌ４は光Ｌ４を示している。図１１Ａに示すように、本実施の形態４では、変調器４１，４３による光Ｌ３，Ｌ４の波長の時間変化量が異なるようにしているので、線ｌ３，ｌ４は傾きが異なっている。図１１Ｂは、被測定光ファイバＦＵＴの特定の地点ａからの後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａの干渉周波数（周波数差）の時間的変化を示している。光Ｌ３，Ｌ４の波長の時間変化量が異なるようにしているので干渉周波数も時間的に変化する。なお、被測定光ファイバＦＵＴの地点ａ以外の他の地点からの後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａの干渉周波数（周波数差）も、図１１Ｂの場合と同様な時間的変化をする。例えば、図１１Ｃは、被測定光ファイバＦＵＴの地点ａ、ｂ、ｃからの後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａの干渉周波数（周波数差）の時間的変化を示している。ここで、地点ａ、ｂ、ｃは、ａ、ｂ、ｃの順で送信部４５に近い地点であるとする。

【0067】

図１１Ｃに示すように、各地点からの後方散乱光の干渉周波数の変化の傾きは同じであるが、被測定光ファイバＦＵＴの近端からの距離が異なる分、周波数がずれている。したがって、測定部４９において、周波数選択部により干渉周波数領域の任意の周波数成分（図１１Ｃではｆ１で示している）を選択・抽出し、その成分の時間的変化を測定すれば、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向からの後方散乱光の干渉光の分布を測定することができる。なお、音響波が被測定光ファイバＦＵＴを伝搬する際には被測定光ファイバＦＵＴが伸縮するため、測定された二つの後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａの干渉光の干渉状態も変化する。そのため、干渉光の位相変化から、被測定光ファイバＦＵＴ中を伝搬している音響波の伝搬位置、周波数、強度情報を算出することができる。

【0068】

図１２Ａは、実施の形態４に係る光ファイバセンサ４００の測定部の構成の他の例の説明図である。本構成例では、測定部５７は、後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａを二分岐する分岐カプラ５１と、分岐カプラ５１から出力された一方の光を伝搬する遅延光ファイバ５２と、遅延光ファイバ５２から出力された光の周波数を一定量シフトさせる周波数シフタ５３と、分岐カプラ５１から出力された他方の光と周波数シフタ５３から出力された光とを合波する合波カプラ５４と、合波カプラ５４から出力された光を受光して電気信号を発生させるバランスドＰＤ５５と、電気信号から特定の周波数成分を選択する周波数選択部を構成するバンドパスフィルタ５６、ミキサ２５、信号発生器２６、バンドパスフィルタ４７と、選択した周波数成分の電気信号の時間的な変動を検出する時間的変動検出部４８と、を備える。

【0069】

ここで、図１０及び図１２Ａに示す構成の測定部を用いた音響波測定における音響波算出のための測定対象として、図１２Ｂに示すように、被測定光ファイバＦＵＴの任意の距離だけ離れた任意の２点Ｐ３，Ｐ４から同時刻に発生した後方散乱光同士の干渉を考える。なお、点Ｐ３では光Ｌ３から後方散乱光Ｌ３Ａが発生し、点Ｐ４では光Ｌ４から後方散乱光Ｌ４Ａが発生する。図１０及び図１２Ａに示す構成の測定部では、後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａの干渉状態の時間変化を測定し、任意の２点Ｐ３，Ｐ４間での光の位相変化、強度変化を求める。そして、この位相変化から２点Ｐ３，Ｐ４間の光ファイバ中に伝搬する音響波の周波数、振動強度の時間変化が求められる。そのため干渉を観測する２点Ｐ３，Ｐ４間の距離がこの場合の距離分解能ＲＥＳとなる。

【0070】

図１２Ａに示す測定部５７について説明する。ここで、図１０に示す送信部４５から出力される光Ｌ４を変調光（１）とし、光Ｌ４が周波数シフタ５で受ける周波数シフト量をΔｆａとする。光Ｌ３を変調光（２）とする。

【0071】

光Ｌ３，Ｌ４による後方散乱光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａは、分岐カプラ５１で二分岐される。分岐カプラ５１から出力された一方の光は、遅延光ファイバ５２を伝搬した後、周波数シフタ５３で一定量の周波数シフトが与えられる。この周波数シフト量をΔｆｂとする。分岐カプラ５１から出力された他方の光は、合波カプラ５４にて周波数シフタ５３から出力された光と合波される。このとき分岐カプラ５１と合波カプラ５４間の二つの光路差をΔｌａとし、遅延光ファイバ５２側の光路が長いこととする。ここで変調光（１）に対して周波数シフタ５３で与えられる周波数シフト量Δｆｂは、後述する周波数シフト後の変調光（１）´の周期的周波数変化領域と変調光（１）の周期的周波数変化領域とが重ならないように設定する。被測定光ファイバＦＵＴの条長をＬとし、変調光（１）の光周波数の時間的変化率をγ（単位：Ｈｚ／ｓ）とすると、Δｆｂの条件は以下のようになる。
Δｆｂ＞γｎＬ／ｃ（ｃ：光速、ｎ：被測定光ファイバＦＵＴの実効屈折率）

【0072】

図１３Ａ〜１３Ｅは、二つの光の時間的な周波数変化を示している。図１３Ａにおいて線ｌ５は変調光（１）による後方散乱光、線ｌ６は変調光（２）による後方散乱光を示している。図１３Ｂは、図１２Ａに示す分岐カプラ５１で分岐され遅延光ファイバ５２を伝搬しさらに周波数シフタ５３を通過後の光の時間的な周波数変化を示している。ここで、変調光（１）及び（２）はそれぞれ変調光（１）´、（２）´となる。遅延Ｄ５は遅延光ファイバ５２による遅延であり、シフトＳ５は周波数シフタ５３による周波数シフトである。図１３Ｃは、合波カプラ５４で合波された光の時間的な周波数変化を示している。ここで変調光（１）、（２）、（１）´、（２）´の間で干渉が発生する。図１３Ｄはこれら４つの光の間での干渉ビート周波数の時間変化を示している。たとえば（１）´＋（２）は、変調光（１）´と変調光（２）との間の干渉ビート周波数の時間変化を示している。なお、干渉ビート周波数には２つの変調光の周波数差が現れる。したがって、たとえば（１）＋（１）´の干渉ビート周波数は時間的に一定である。

【0073】

ここで音響波を算出するために必要となる干渉信号は、周波数が時間的に変化する、変調光（１）と（２）´または変調光（１）´と（２）の間の干渉信号である。そのため、図１３Ｅで示されたように、周波数領域を、Ｂａ（変調光（１）と（２）´との干渉信号を含む領域）、Ｂｂ（変調光（１）´と（１）、変調光（２）と（２）´、変調光（１）と（２）、変調光（１）´と（２）´の干渉信号を含む領域）、Ｂｃ（変調光（１）´と（２）との干渉信号を含む領域）に分けると、ＢａまたはＢｃの領域の周波数成分のみを検出すれはよいことがわかる。そのため図１２Ａに示す測定部５７では、バランスドＰＤ５５の出力からＢａまたはＢｃの領域の任意の一定の周波数を抽出し、その周波数成分の時間変化を測定が可能なように設定する。具体的には、バランスドＰＤ５５から出力された電気信号はＢａまたはＢｃの領域を透過するバンドパスフィルタ５６を通過後、ミキサ２５で信号発生器２６からの正弦波信号と合波される。ここでミキサ２５からの出力は、バンドパスフィルタ５６を透過した電気信号と信号発生器２６から出力された正弦波信号との差の周波数成分の電気信号となる。この差の周波数がＢａまたはＢｃの領域の所望の周波数になるように正弦波信号の周波数を設定する。ミキサ２５からの出力は高周波成分をカットする特性を持つフィルタ（ローパスフィルタ）としてのバンドパスフィルタ４７を透過し、時間的変動検出部４８に出力される。時間的変動検出部４８は、例えばオシロスコープであり、入力された、ＢａまたはＢｃの領域の所望の周波数を有する電気信号の時間的変化を測定することができる。これにより、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向での２つの後方散乱光の干渉状態の分布を測定することができる。

【0074】

なお、図１０の送信部４５において、変調器４１、４３で与える時間的な波長の掃引の向き（初期状態から波長が増加あるいは減少する向き）を変調器４１と４３とで互いに逆方向（波長増加と波長減少）に設定してもよい。図１４Ａは、線ｌ７で示す光Ｌ３と、線ｌ８で示す光Ｌ４とが、時間の経過にしたがって波長差が大きくなっていくように設定されている場合を示している。シフトＳ１は周波数シフタ５により受ける周波数シフトである。この場合、図１４Ｂに示すように、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向の任意の地点ａで後方散乱し、測定部で観測される干渉周波数は、時間の経過にしたがって二つの光の周波数差が大きくなるように変化する。一方、図１４Ｃは、線ｌ７で示す光Ｌ３と、線ｌ８で示す光Ｌ４とが、時間の経過にしたがって波長差が小さくなっていくように設定されている場合を示している。この場合、図１４Ｄに示すように、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向の任意の地点ａで後方散乱し、測定部で観測される干渉周波数は、時間の経過にしたがって二つの光の周波数差が小さくなるように変化する。

【0075】

（実施の形態５）
図１５は、実施の形態５に係る光ファイバセンサの構成図である。図１５に示すように、光ファイバセンサ５００は、送信部５８と、光サーキュレータ１３と、光ファイバセンサ４００と同様の構成の測定部４９とを備えている。

【0076】

送信部５８は、光源１と、分岐カプラ４と、変調器４１と、信号発生器４２と、周波数シフタ５と、合波カプラ８と、ＥＤＦＡ９と、バンドパスフィルタ１０とを備えている。

【0077】

分岐カプラ４は、光源１から出力された光を二分岐する。変調器４１は、信号発生器４２から供給された変調信号によって、分岐カプラ４から出力された一方の光の波長を周期的に変化させる。周波数シフタ５は、分岐カプラ４から出力された他方の光の周波数を一定量シフトさせる。合波カプラ８は、変調器４１、周波数シフタ５から出力された光Ｌ７，Ｌ８を合波し、二つの光Ｌ７，Ｌ８として被測定光ファイバＦＵＴに出力する。光Ｌ７，Ｌ８の、波長を変調していない時点での波長をそれぞれλ１，λ２とする。

【0078】

この送信部５８では、分岐カプラ４から出力された一方の光の波長を周期的に変化させるが、分岐カプラ４から出力された他方の光は周波数を一定量シフトさせるものの、波長は周期的に変化させない。

【0079】

図１６Ａ、１６Ｂは、光の時間的波長（周波数）変化、および後方散乱光の干渉光の干渉周波数の時間的変化を示す図である。図１６Ａは光Ｌ７，Ｌ８の時間的波長（周波数）変化を示している。線ｌ９は光Ｌ７，線ｌ１０は光Ｌ８を示している。図１６Ａに示すように、本実施の形態５では、変調器４１により光Ｌ７のみ波長を周期的に変化させているので、線ｌ９は傾斜し、ｌ１０は傾いていない。図１６Ｂは、被測定光ファイバＦＵＴの特定の地点ａからの光Ｌ７，Ｌ８による後方散乱光の干渉周波数（周波数差）の時間的変化を示している。光Ｌ７，Ｌ８の波長の時間変化量が異なるようにしているので干渉周波数も時間的に変化する。なお、被測定光ファイバＦＵＴの地点ａ以外の他の地点からの後方散乱光の干渉周波数（周波数差）も、図１６Ｂの場合と同様な時間的変化をする。すなわち、２つの後方散乱光の干渉光の干渉周波数は被測定光ファイバＦＵＴの長手方向各地点において異なる値となる。そのため実施の形態４の場合と同様に、測定部４９においてＰＤ４６で検出した電気信号の干渉周波数領域から任意の周波数成分を抽出し、その時間的強度変化を測定することにより、被測定光ファイバＦＵＴ中での２つの後方散乱光の干渉強度の変化を求めることができ、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向での２つの後方散乱光の干渉状態の分布を測定することができる。

【0080】

なお、実施の形態５では光Ｌ７は周波数シフトさせたものであるが、周波数シフトは必ずしもさせなくてもよい。

【0081】

（実施の形態６）
図１７は、実施の形態６に係る光ファイバセンサの構成図である。図１７に示すように、光ファイバセンサ６００は、送信部６３と、光サーキュレータ１３と、光ファイバセンサ４００と同様の構成の測定部４９とを備えている。送信部６３は、光源１と、変調器６１と、信号発生器６２と、ＥＤＦＡ９と、バンドパスフィルタ１０とを備えている。

【0082】

変調器６１は、信号発生器６２から供給された正弦波信号により、光源１から出力された、波長がλ１の単一周波数の連続光である光を変調する。ここで、変調器６１による変調方法としては、変調器６１に入力される光の中心周波数（キャリア周波数）成分を中心として、変調周波数分だけキャリア周波数から離れた両側に側帯波成分が発生するようにする。なお、変調方式によっては、キャリア周波数成分が残存する場合と、キャリア周波数成分が減少する場合があるが、本変調方法としてはどちらを採用してもよい。本実施の形態６ではキャリア周波数成分が減少し変調周波数分だけキャリア周波数から離れた両側に側帯波成分が発生する変調方法であるキャリア抑圧変調（ＣＳ−ＲＺ変調）を採用するとする。

【0083】

図１８Ａ〜１８Ｃは、実施の形態６に係る光ファイバセンサにおける二つの光の時間的波長（周波数）変化、および後方散乱光の干渉光の干渉周波数の時間的変化を示す図である。図１８Ａに示すように、ＣＳ−ＲＺ変調を行うと、キャリア周波数成分は減少して十分に小さくなり、その側帯波成分のみが現れる。このとき、信号発生器６２から供給する正弦波信号の周波数を周期的に時間的に増加させることにより、側帯波がその周波数（波長）がキャリアから周期的に時間的に離れていくように変化する。すると、側帯波として二つの光Ｌ９，Ｌ１０の波長は、図１８Ｂに示すようにキャリア周波数に対応する波長であるλ１を中心として、周期的に時間的に増加するように変化する。送信部６３は、この二つの光Ｌ９，Ｌ１０をＥＤＦＡ９、バンドパスフィルタ１０を通過させた後に被測定光ファイバＦＵＴに出力する。すると、図１８Ｃに示すように、被測定光ファイバＦＵＴの特定の地点ａからの光Ｌ９，Ｌ１０による後方散乱光の干渉周波数（周波数差）が時間的に変化する。なお、被測定光ファイバＦＵＴの地点ａ以外の他の地点からの後方散乱光の干渉周波数（周波数差）も、図１８Ｃの場合と同様な時間的変化をする。すなわち、２つの後方散乱光の干渉光の干渉周波数は被測定光ファイバＦＵＴの長手方向各地点において異なる値となる。そのため実施の形態４の場合と同様に、測定部４９においてＰＤ４６で検出した電気信号の干渉周波数領域から任意の周波数成分を抽出し、その時間的強度変化を測定することにより、被測定光ファイバＦＵＴ中での２つの後方散乱光の干渉強度の変化を求めることができ、被測定光ファイバＦＵＴの長手方向での２つの後方散乱光の干渉状態の分布を測定することができる。

【0084】

なお、信号発生器６２から供給する正弦波信号の周波数は周期的に時間的に増加させる場合に限られず、周期的に時間的に減少させてもよい。

【0085】

（測定部の他の構成）
図１９は、測定部の他の例の構成図である。この測定部８１は、実施の形態１〜３に係る光ファイバセンサの測定部として使用できるものであって、偏波ダイバーシティ受信を行うように構成されている。偏波ダイバーシティ受信とは、光信号を二つの偏波状態に分離し、それぞれの干渉状態を観測することにより、光ファイバ中での光の偏波変動による干渉ノイズを低減し、干渉状態の変化を安定化させる方式である。

【0086】

図１９に示すように、測定部８１は、合分波カプラ８２と、偏波ビームスプリッタ８３ａ、８３ｂと、バランスドＰＤ８４ａ、８４ｂと、ＡＤ変換部８５ａ、８５ｂと、信号処理部８６とを備えている。合分波カプラ８２と、偏波ビームスプリッタ８３ａ、８３ｂとは偏波ダイバーシティ部を構成している。

【0087】

合分波カプラ８２は、参照光ＬＲ（例えば実施の形態１参照）と被測定光ファイバＦＵＴからの光Ｌ１，Ｌ２による後方散乱光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａとを合波した後二分岐し、偏波ビームスプリッタ８３ａ、８３ｂに出力する。偏波ビームスプリッタ８３ａ、８３ｂは、それぞれ、入力された光を二つの偏光状態の光（Ｐ波とＳ波）に分離する。このＰ波は参照光ＬＲのＰ波成分と後方散乱光Ｌ１Ａ，Ｌ２ＡのＰ波成分を含む。また、Ｓ波は参照光ＬＲのＳ波成分と後方散乱光Ｌ１Ａ，Ｌ２ＡのＳ波成分を含む。バランスドＰＤ８４ａは、偏波ビームスプリッタ８３ａ、８３ｂのそれぞれからＰ波が入力され、入力された光に対応する電気信号を発生する。バランスドＰＤ８４ｂは、偏波ビームスプリッタ８３ａ、８３ｂのそれぞれからＳ波が入力され、入力された光に対応する電気信号を出力する。ＡＤ変換部８５ａ、８５ｂは、それぞれ、バランスドＰＤ８４ａ、８４ｂのそれぞれから入力された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。信号処理部８６は、周波数解析部として機能し、入力されたデジタル信号を信号処理し、解析する。これにより、より安定した干渉状態の測定を行うことができる。

【0088】

なお、上記実施の形態における送信部の光源１から光サーキュレータ１３までの構成部分（光源、変調器、分岐カプラ、周波数シフタ、遅延光ファイバ、合波カプラ、ＥＤＦＡ、バンドパスフィルタ、光サーキュレータ及びこれらを接続している光ファイバなど）は、光の偏波状態を保持するための偏波保持光ファイバ及び偏波保持光部品を備えることが好ましい。すなわち、これらの構成部品において光源１から出力される光が通過する部分については、通過する光の偏波状態を保持する偏波保持光ファイバ及び偏波保持光部品で構成することにより、被測定光ファイバＦＵＴに出力される二つの光の偏波変動の影響が回避される。これにより、より安定した測定を行うことができる。

【0089】

また、被測定光ファイバＦＵＴに出力する二つの光の少なくとも一方または参照光が偏波スクランブルされていれば、光の偏波変動による干渉ノイズを低減し、干渉状態の変化を安定化させることができる。これを実現するためには、二つの光の少なくとも一方または参照光の光路に公知の偏波スクランブラを設ければよい。

【0090】

（タイミング調整部を備える構成）
上記各実施の形態に係る光ファイバセンサでは、信号発生器から周波数解析部または時間的変動検出部にはタイミング調整用のトリガ信号が入力されている。しかし、送信部にて光の波長を時間的に周期的に変化させるときに、たとえば線形に変化させようとしたが非線形に変化してしまう場合がある。この場合は信号発生器からのトリガ信号だけでは周波数解析部または時間的変動検出部において掃引の同期が十分にとれない場合がある。これを解決するために、光ファイバセンサにおいて以下に説明するタイミング調整部をさらに備えるようにしてもよい。

【0091】

図２０は、タイミング調整部の構成図である。タイミング調整部９０は、送信部から出力された二つの光の一部を分岐する補助干渉計用分岐カプラ９１と、補助干渉計用分岐カプラ９１が分岐した光が入力され、これを２分岐する分岐カプラ９２と、分岐カプラ９２から出力された一方の光を伝搬する遅延光ファイバ９３と、分岐カプラ９２から出力された他方の光と遅延光ファイバ９３から出力された光とを合波する合波カプラ９４と、合波カプラ９４から出力された光を受光し、タイミング調整用電気信号としての検出トリガ信号ＴＳを出力するバランスドＰＤ９５と、を備えている。分岐カプラ９２、遅延光ファイバ９３、合波カプラ９４、バランスドＰＤ９５は自己干渉型の補助干渉計を構成している。

【0092】

検出トリガ信号ＴＳは、送信部の信号発生器または測定部の周波数解析部または時間的変動検出部に入力され、送信部における二つの光の波長の時間的変化のタイミングおよび測定部における電気信号検出のタイミングの少なくとも一方の調整に使用される。

【0093】

たとえば、検出トリガ信号ＴＳを周波数解析部や時間的変動検出部での検出タイミングを制御するトリガ信号として使用する。これによって送信部において光源から出力される周波数変動（意図しない変動）を補正したタイミングで、検出を行えるため、送信部での波長変調の非線形性が補償される。

【0094】

このようなタイミング調整部９０は、たとえば上記実施の形態１〜６のいずれにも付加して使用できる。さらに、このようなタイミング調整部９０と、図１９に示したような偏波ダイバーシティ受信を行う構成とを、実施の形態の光ファイバセンサに一緒に組み込んで使用することもできる。

【0095】

（光源部の他の例）
図２１Ａ、２１Ｂは、光源部の他の例の構成図である。図２１Ａは光源部１Ａを示す。光源部１Ａは、互いに波長が異なる（たとえばそれぞれ波長λ１，λ２）光を出力する二つの光源１ａ、１ｂと、二つの光源１ａ、１ｂから出力された光を合波するＷＤＭカプラ１ｃと、ＷＤＭカプラ１ｃから出力された光を変調する変調器２と、変調器２に変調信号を供給する信号発生器３とで構成される。図２１Ｂは光源部１Ｂを示す。光源部１Ｂは、互いに波長が異なる（たとえばそれぞれ波長λ１，λ２）光を出力する二つの光源１ａ、１ｂと、二つの光源１ａ、１ｂから出力された光をそれぞれ変調する変調器１ｄ、１ｅと、変調器１ｄ、１ｅに変調信号を供給する信号発生器１ｆと、信号発生器１ｆから変調器１ｅに供給される変調信号に遅延を与える遅延部１ｇと、変調器１ｄ、１ｅから出力された光を合波するＷＤＭカプラ１ｃとで構成される。このように、光源部は、２つの光源を備えていてもよい。なお、光源部１Ａ，１Ｂは、たとえば上記実施の形態１〜５のいずれにおいても、その光源部と置き換えて使用できる。さらに、このような光源部１Ａ，１Ｂと、図１９に示したような偏波ダイバーシティ受信を行う構成とを、光ファイバセンサに一緒に組み込んで使用することもできる。

【0096】

上記実施の形態に係る光ファイバセンサにおいて、被測定光ファイバＦＵＴの条長を１０ｋｍとすることにより、音響波を測定する測定距離を最大１０ｋｍとすることができる。また、上述したように、上記実施の形態に係る光ファイバセンサによる音響波の測定の距離分解能は、干渉状態を観測する被測定光ファイバＦＵＴの長手方向における異なる２点間の距離に相当する。そのため例えば、図１０で示される構成において、変調器４１および４３に与える変調周波数を調整しバンドパスフィルタ４７の透過周波数を調整することにより、距離分解能１０ｃｍまたはそれ以下の測定を実現することができる。具体的には被測定光ファイバＦＵＴの条長を１０ｋｍとした場合、バンドパスフィルタ４７の透過帯域幅を１０ｋＨｚとする。変調器４１および４３で与えられる周波数変化を図１４Ａで示される変化とする場合、その周波数の時間的変化率γ（単位：Ｈｚ／ｓ）を１０ＴＨｚ／ｓとすることにより実現される。

【0097】

（光ファイバセンサを用いた測定方法）
本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサを音響波センサとして用いる各種測定方法について説明する。なお、以下では実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００を用いる場合を説明するが、上記各実施の形態に係る光ファイバセンサのいずれを使用してもよい。

【0098】

図２２Ａ、２２Ｂは、本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサを用いて行う反射型地震探査法と呼ばれる地震探査方法の説明図である。地震探査方法は、人工的に地震波を発生させ、そこから地球内部の構造を調査する方法である。反射型地震探査法では、地表で発生させた音響波が、地中の反射面（主に速度や密度が変化する地層境界面）で反射して返ってくる状態をとらえ、その到達時間などの情報を用いて地下構造を探索する。この方法は、主に石油や石炭などの資源探査に用いられ、また地震の多発に伴う断層調査や海域における大陸棚の調査などにも用いられている。

【0099】

図２２Ａは陸上における地震探査の例を示している。本例では、震源車１００１と、被測定光ファイバとしての光ファイバケーブル１００２と、光ファイバセンサ１００とを備える地震探査システム１０００を用いて地震探査方法を実施している。本方法では、震源車１００１から音響波を発生させると、地下の地層ＧＬの境界面Ｂから反射音響波ＲＷが戻ってきて、地上に設置した光ファイバケーブル１００２に到達する。反射音響波ＲＷにより光ファイバケーブル１００２の光ファイバで発生する音響波を光ファイバセンサ１００にて測定する。

【0100】

図２２Ｂは海中における地震探査の例を示している。本例では、地震探査システム２０００を用いて地震探査を実施している。地震探査システム２０００は、探査船２００１と、探査船２００１に搭載されたエアガン２００２と、被測定光ファイバとしての光ファイバケーブル２００３と、探査船２００１に搭載された光ファイバセンサ１００とを備える。本方法では、探査船２００１から海Ｓｅの海面に光ファイバケーブル２００３を浮遊させる。探査船２００１からエアガン２００２で音響波を発生させると、海中を伝わり海底の地層ＧＬの境界面Ｂから反射音響波ＲＷが戻ってきて、海面に浮遊させた光ファイバケーブル２００３に到達する。反射音響波ＲＷにより光ファイバケーブル２００３の光ファイバで発生する音響波を光ファイバセンサ１００にて測定する。

【0101】

図２３は、貯留層分布の計測方法の説明図である。本例では、エアガン３００１と、被測定光ファイバとしての光ファイバケーブル３００２と、光ファイバセンサ１００とを備える計測システム３０００を、海底にある石油あるいは天然ガスの抗井付近に設置して計測を実施している。

【0102】

海Ｓｅの海底の地下Ｇにある石油・天然ガスの貯留層ＲＬに対して、その上部の海底に光ファイバケーブル３００２を敷設する。海Ｓｅの海面上に設置された海上リグＲ１，Ｒ２のうち海上リグＲ１に光ファイバセンサ１００を設置する。海上リグＲ１からエアガン３００１により音響波を発生させ海中に伝搬させる。音響波は海底から石油・天然ガスが存在する貯留層ＲＬに伝わり、地層との境界面で反射する。反射音響波ＲＷは海底に設置された光ファイバケーブル３００２に到達する。反射音響波ＲＷにより光ファイバケーブル３００２の光ファイバで発生する音響波を光ファイバセンサ１００にて測定する。貯留層ＲＬでの石油・天然ガスの貯留状態によって音響波の反射状態が変化することから、貯留層ＲＬでの石油・天然ガスの分布状態を把握することができる。

【0103】

図２４は、歪み検知方法の説明図である。図２４では、石油やガスを輸送するパイプラインＰＬ中の側面あるいは外側側面に沿って設置される測定光ファイバとしての光ファイバ４００１と、光ファイバセンサ１００とにより検知システム４０００が構成されている。パイプラインＰＬ中を通る石油やガスの流量の変化に応じて光ファイバ４００１が受ける振動（音響波）が変化する。これにより光ファイバ４００１で発生する音響波を光ファイバセンサ１００にて測定する。これにより、パイプラインＰＬの長手方向にわたってどのように石油・ガスが流れているかを把握することができる。

【0104】

図２５は、地層の割れ目位置の特定方法の説明図である。図２５では、シェールガスなどを採掘する際に使用される水圧破砕法を用いる際に発生する地層の割れ目位置を特定する場合を説明する。本例では測定光ファイバとしての光ファイバ５００１と、光ファイバセンサ１００により構成される特定システム５０００を使用して割れ目位置を特定する。水圧破砕法は、地下Ｇの岩体に超高圧の水を注入して貯留層ＲＬ内の空洞Ｈに割れ目ＣＲを生じさせる手法である。割れ目ＣＲの発生時には微小地震が起こり、その振動波ＳＷが伝わっていく。そこで超高圧水を注入する地点の井戸Ｗ２とは別に調査のための井戸Ｗ１を掘り、井戸Ｗ１内に光ファイバ５００１を敷設する。水圧破砕によって生じた割れ目ＣＲからの振動波ＳＷは地中を伝わり、井戸Ｗ１内の光ファイバ５００１に到達する。振動波ＳＷにより光ファイバ５００１で発生する音響波を光ファイバセンサ１００にて測定する。光ファイバ５００１で検出する振動波の位置や伝搬速度などから、発生した地層の割れ目位置を特定することができる。

【0105】

なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0106】

以上のように、本発明に係る光ファイバセンサは、地震探査方法、石油、天然ガス貯留層分布の計測方法、歪み検知方法、地層の割れ目位置特定方法等に利用して好適なものである。

【符号の説明】

【0107】

１、１ａ、１ｂ 光源
１Ａ、１Ｂ 光源部
１ｃ ＷＤＭカプラ
１ｄ、１ｅ、２、２´、４１、４３、６１ 変調器
１ｆ、３、２６、４２、４４、６２ 信号発生器
１ｇ 遅延部
２´ｄ 位相変調器
２ｆ、２´ｆ 位相遅延部
２ａ、２´ａ 光入力部
２ｂ、２´ｂ 光出力部
２´ｃ 強度変調器
２´ｅ バイアスコントローラ
２ｃ、２ｄ、２ｅ ＭＺ干渉計
４、６、３１、５１、９２ 分岐カプラ
５、１１、３２、５３ 周波数シフタ
７、３３、５２、９３ 遅延光ファイバ
８、１４、３４、５４、９４ 合波カプラ
９ ＥＤＦＡ
１０、２４ａ、２４ｂ、４７、５６ バンドパスフィルタ
１２、２１、４５、５８、６３ 送信部
１３ 光サーキュレータ
１５、２２、５５、８４ａ、８４ｂ、９５ バランスドＰＤ
１６ 周波数解析部
１７、２９、３５、４９、５７、８１ 測定部
２３ 分岐器
２５ ミキサ
２７ 遅延線路
２８ 結合器
４６ ＰＤ
４８ 時間的変動検出部
８２ 合分波カプラ
８３ａ、８３ｂ 偏波ビームスプリッタ
８５ａ、８５ｂ ＡＤ変換部
８６ 信号処理部
９０ タイミング調整部
９１ 補助干渉計用分岐カプラ
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 光ファイバセンサ
１０００、２０００ 地震探査システム
１００１ 震源車
１００２、２００３、３００２ 光ファイバケーブル
２００１ 探査船
２００２、３００１ エアガン
３０００ 計測システム
４０００ 検知システム
４００１、５００１ 光ファイバ
５０００ 特定システム
Ａｒ１ 矢印
Ｂ 境界面
ＣＲ 割れ目
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５ 遅延
ＦＵＴ 被測定光ファイバ
Ｇ 地下
ＧＬ 地層
Ｈ 空洞
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０ 光
Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａ、Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａ 後方散乱光
ＬＲ 参照光
ＰＬ パイプライン
Ｒ１、Ｒ２ 海上リグ
ＲＥＳ 距離分解能
ＲＬ 貯留層
ＲＷ 反射音響波
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ シフト
Ｓｅ 海
ＳＷ 振動波
ＴＳ 検出トリガ信号
Ｗ１、Ｗ２ 井戸

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図13E】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図15】

【図16A】

【図16B】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図22A】

【図22B】

【図23】

【図24】

【図25】