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2023-168921ブリルアン位相シフトの検出方法および検出装置と光ファイバ温度センシング方法
(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】P2023168921
(43)【公開日】2023-11-29
(54)【発明の名称】ブリルアン位相シフトの検出方法および検出装置と光ファイバ温度センシング方法
(51)【国際特許分類】
G01D 5/353 20060101AFI20231121BHJP
G01K 11/322 20210101ALI20231121BHJP
【ＦＩ】
G01D5/353 B
G01K11/322
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080308
(22)【出願日】2022-05-16
(71)【出願人】
【識別番号】000125347
【氏名又は名称】学校法人近畿大学
(74)【代理人】
【識別番号】100118924
【弁理士】
【氏名又は名称】廣幸 正樹
(72)【発明者】
【氏名】今宿 亙
【テーマコード（参考）】
2F056
2F103
【Ｆターム（参考）】
2F056AE03
2F056AE05
2F103BA37
2F103CA06
2F103CA07
2F103EB02
2F103EB16
2F103EC09
2F103EC10
2F103EC16
2F103ED27
2F103ED36
2F103ED38
2F103ED39
2F103FA01
2F103FA02
(57)【要約】
【課題】コヒーレント光検波法を用いたブリルアン位相シフトの検出は、局発光の光強度を高くしつつ、局発光とプローブ光の光周波数を同期させることが容易ではなかった。
【解決手段】第１の光源からプローブ光、パイロット光、ポンプ光を生成し、プローブ光とパイロット光をセンサ用光ファイバの一端から入力し、ポンプ光を他端から入力し、他端から得た光を第２の光源から生成したローカル光で検波し、プローブ光に対応するプローブ光電気信号とパイロット光に対応するパイロット光電気信号を分けた後、パイロット光の共役信号をプローブ光に乗算しローカル光成分を除去し、さらにプローブ光とパイロット信号から生成したダウンコンバート信号をさらに乗算することで、直流成分にダウンコンバートしてブリルアン位相信号ｅｘｐ（ｊΔφｂ）を算出し、位相成分を取り出してブリルアン位相シフト量を求める。
【選択図】図１
【解決手段】第１の光源からプローブ光、パイロット光、ポンプ光を生成し、プローブ光とパイロット光をセンサ用光ファイバの一端から入力し、ポンプ光を他端から入力し、他端から得た光を第２の光源から生成したローカル光で検波し、プローブ光に対応するプローブ光電気信号とパイロット光に対応するパイロット光電気信号を分けた後、パイロット光の共役信号をプローブ光に乗算しローカル光成分を除去し、さらにプローブ光とパイロット信号から生成したダウンコンバート信号をさらに乗算することで、直流成分にダウンコンバートしてブリルアン位相信号ｅｘｐ（ｊΔφｂ）を算出し、位相成分を取り出してブリルアン位相シフト量を求める。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、
前記プローブ光と前記パイロット光を合波しセンサ用光ファイバの一端から入力し、
前記第１の光源からの光をポンプ光として前記センサ用光ファイバの他端から入力する光入力工程と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波工程と、
前記ビート電気信号をプローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離工程と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去工程と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、
前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める位相成分算出工程を有するブリルアン位相シフトの検出方法。
前記プローブ光と前記パイロット光を合波しセンサ用光ファイバの一端から入力し、
前記第１の光源からの光をポンプ光として前記センサ用光ファイバの他端から入力する光入力工程と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波工程と、
前記ビート電気信号をプローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離工程と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去工程と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、
前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める位相成分算出工程を有するブリルアン位相シフトの検出方法。
【請求項2】
前記光入力工程は、
前記プローブ光と前記パイロット光をそれぞれ異なる偏波にして合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号の偏波毎に前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項１に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
前記プローブ光と前記パイロット光をそれぞれ異なる偏波にして合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号の偏波毎に前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項１に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
【請求項3】
前記光入力工程は、
前記プローブ光と前記パイロット光を同一偏波で合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号を周波数の違いで前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項１に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
前記プローブ光と前記パイロット光を同一偏波で合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号を周波数の違いで前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項１に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
【請求項4】
前記位相成分算出工程は、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項２または３に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項２または３に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
【請求項5】
前記位相成分算出工程は、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号以外から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項２または３に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号以外から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項２または３に記載されたブリルアン位相シフトの検出方法。
【請求項6】
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、
前記プローブ光と前記パイロット光を合波しセンサ用光ファイバの一端から入力し、
前記第１の光源からの光をポンプ光として前記センサ用光ファイバの他端から入力する光入力工程と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波工程と、
前記ビート電気信号をプローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離工程と、
前記パイロット光電気信号の共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去工程と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、
前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める位相成分算出工程と、
前記プローブ光の光周波数を変化させながら前記光入力工程から前記位相成分算出工程を繰り返す繰り返し工程と、
前記ブリルアン位相シフト量がゼロになる、若しくは誘導ブリルアン利得が最大となるブリルアンシフト周波数を求めるブリルアンシフト周波数取得工程と、
予め用意された温度と前記ブリルアンシフト周波数の関係を表すルックアップテーブルと前記ブリルアンシフト周波数から温度を求める工程を有する光ファイバ温度センシング方法。
前記プローブ光と前記パイロット光を合波しセンサ用光ファイバの一端から入力し、
前記第１の光源からの光をポンプ光として前記センサ用光ファイバの他端から入力する光入力工程と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波工程と、
前記ビート電気信号をプローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離工程と、
前記パイロット光電気信号の共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去工程と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、
前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める位相成分算出工程と、
前記プローブ光の光周波数を変化させながら前記光入力工程から前記位相成分算出工程を繰り返す繰り返し工程と、
前記ブリルアン位相シフト量がゼロになる、若しくは誘導ブリルアン利得が最大となるブリルアンシフト周波数を求めるブリルアンシフト周波数取得工程と、
予め用意された温度と前記ブリルアンシフト周波数の関係を表すルックアップテーブルと前記ブリルアンシフト周波数から温度を求める工程を有する光ファイバ温度センシング方法。
【請求項7】
前記光入力工程は、
前記プローブ光と前記パイロット光をそれぞれ異なる偏波にして合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号の偏波毎に前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項６に記載された光ファイバ温度センシング方法。
前記プローブ光と前記パイロット光をそれぞれ異なる偏波にして合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号の偏波毎に前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項６に記載された光ファイバ温度センシング方法。
【請求項8】
前記光入力工程は、
前記プローブ光と前記パイロット光を同一偏波で合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号を周波数の違いで前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項７に記載された光ファイバ温度センシング方法。
前記プローブ光と前記パイロット光を同一偏波で合波し前記センサ用光ファイバの前記一端から入力し、前記ポンプ光を前記センサ用光ファイバの前記他端から入力する工程であり、
前記分離工程は、
前記ビート電気信号を周波数の違いで前記プローブ光電気信号と前記パイロット光電気信号に分離する工程である請求項７に記載された光ファイバ温度センシング方法。
【請求項9】
前記位相成分算出工程は、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項７または８に記載された光ファイバ温度センシング方法。
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項７または８に記載された光ファイバ温度センシング方法。
【請求項10】
前記位相成分算出工程は、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号以外から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項７または８に記載された光ファイバ温度センシング方法。
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を前記プローブ光生成信号と前記パイロット光生成信号以外から生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算し、ブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める工程である請求項７または８に記載された光ファイバ温度センシング方法。
【請求項11】
センサ用光ファイバのブリルアン位相シフトを検出するブリルアン位相シフトの検出装置であって、
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、前記プローブ光と前記パイロット光を合波しプローブパイロット光として前記センサ用光ファイバの一端から入力するプローブパイロット光生成部と、
前記第１の光源からポンプ光を生成し、前記センサ用光ファイバの他端から入力するポンプ光生成部を有する
光源モジュール部と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波部と、
前記ビート電気信号を前記プローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離部と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去部と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求めるブリルアン位相信号算出部と、
前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求めるブリルアン位相シフト量算出部を有するブリルアン位相シフトの検出装置。
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、前記プローブ光と前記パイロット光を合波しプローブパイロット光として前記センサ用光ファイバの一端から入力するプローブパイロット光生成部と、
前記第１の光源からポンプ光を生成し、前記センサ用光ファイバの他端から入力するポンプ光生成部を有する
光源モジュール部と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波部と、
前記ビート電気信号を前記プローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離部と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去部と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求めるブリルアン位相信号算出部と、
前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求めるブリルアン位相シフト量算出部を有するブリルアン位相シフトの検出装置。
【請求項12】
センサ用光ファイバの温度を計測する光ファイバ温度センシング装置であって、
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、前記プローブ光と前記パイロット光を合波し前記センサ用光ファイバの一端から入力するプローブパイロット光生成部と、
前記第１の光源からポンプ光を生成し、前記センサ用光ファイバの他端から入力するポンプ光生成部を有する
光源モジュール部と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波部と、
前記ビート電気信号を前記プローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離部と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去部と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求めるブリルアン位相信号算出部と、
前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求めるブリルアン位相シフト量算出部と、
前記プローブ光の周波数を変化させながら前記ブリルアン位相シフト量を求めブリルアン位相シフト量がゼロになる、若しくは誘導ブリルアン利得が最大となるブリルアンシフト周波数を求めるブリルアンシフト周波数算出部と、
前記ブリルアンシフト周波数と温度の対応関係を示すルックアップテーブルと、
前記ルックアップテーブルと前記ブリルアンシフト周波数から温度を算出する温度推定部を有する光ファイバ温度センシング装置。
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、前記プローブ光と前記パイロット光を合波し前記センサ用光ファイバの一端から入力するプローブパイロット光生成部と、
前記第１の光源からポンプ光を生成し、前記センサ用光ファイバの他端から入力するポンプ光生成部を有する
光源モジュール部と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波部と、
前記ビート電気信号を前記プローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離部と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去部と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求めるブリルアン位相信号算出部と、
前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求めるブリルアン位相シフト量算出部と、
前記プローブ光の周波数を変化させながら前記ブリルアン位相シフト量を求めブリルアン位相シフト量がゼロになる、若しくは誘導ブリルアン利得が最大となるブリルアンシフト周波数を求めるブリルアンシフト周波数算出部と、
前記ブリルアンシフト周波数と温度の対応関係を示すルックアップテーブルと、
前記ルックアップテーブルと前記ブリルアンシフト周波数から温度を算出する温度推定部を有する光ファイバ温度センシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、温度、歪、振動の広域分布計測が可能なブリルアン光ファイバセンサに関するものである。本発明は、従来技術と比較して、十分な強度を有する局発光をコヒーレント光検波器に設置できるようにして、高い感度を有するブリルアン光ファイバセンサを実現する。
【0002】
本発明のディジタルプロセッシング方法やロジックを用いて、プローブ光と局発光の光位相差を安定的に補償することで、ブリルアン光ファイバセンサの受信感度を１０ｄＢ以上（＝１０倍以上）改善させ、５０～１００ｋｍ先の振動検知を可能とする高感度光ファイバセンサを実現する。
【背景技術】
【0003】
光ファイバセンサは、温度変化、張力（歪）変化、振動を検出可能で、建物や橋梁、災害危険個所の土壌モニタリング、航空機の振動センシングなど産業上の応用が進展している。
【0004】
その中でも、光ファイバで発生するブリルアン散乱光を検出するブリルアン光ファイバセンサは、光ファイバ母材に特殊な加工を施すことなく通信用光ファイバと同一仕様の光ファイバで、その線路上の温度変化、張力（歪）変化、振動を広域に検出できる経済的な遠隔センシング技術である（非特許文献１）。このブリルアン光ファイバセンサの特徴を最大限に生かすと、長さ数十～１００ｋｍ前後に渡る分布計測型地震計も実現できる。
【0005】
温度変化、張力（歪）変化、振動を検出するブリルアン光ファイバセンサの動作原理は以下の通りである。
【0006】
ポンプ光とブローブ光を光ファイバにおいて互いに逆伝搬させる。その際、プローブ光周波数をポンプ光周波数からブリルアンシフト周波数Δｆｂ（石英ファイバの場合、約１０．８ＧＨｚ～１１ＧＨｚ前後）分だけ低周波数側にシフトさせると、誘導ブリルアン散乱現象が発生する。その際、プローブ光は、プローブ光振幅が増大する誘導ブリルアン利得が発生すると共に、ブリルアン位相シフトと呼ばれる光位相シフトも発生する。この誘導ブリルアン散乱現象が発生する周波数帯域は極めて細く、～５０ＭＨｚ程度であることが知られている。
【0007】
ブリルアン光ファイバセンサは、これら誘導ブリルアン利得とブリルアン位相シフトが発生し、鋭い周波数応答特性を示すブリルアンシフト周波数Δｆｂの変化を検出することで、温度変化、張力（歪）変化、ないし振動を検出することができる。特にブリルアン位相シフトの検出は、ポンプ光エネルギーの枯渇現象に対する安定性の確保、ブリルアン光位相シフトスペクトルの直線性の観点で、安定的な温度・歪・振動センシングの実現に有利とされている（非特許文献２）。
【0008】
分布計測型地震計のような条長の長いブリルアン光ファイバセンサを安定的に機能させるには、プローブ光品質の確保と光検波器の感度向上が極めて重要である。光検波器の感度向上の手段としては、コヒーレント光検波法が有利であることが知られており、強度検波と比較して受信感度が６ｄＢ以上改善する（非特許文献３）。
【0009】
また、ブリルアン光位相を検出し所望のセンシング動作を実現するには、コヒーレント光検波法の適用が必須である。これらの理由から、コヒーレント光検波法を応用したブリルアン光位相シフトの検出に関する研究が複数報告されている（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｍ．Ｔａｔｅｄａ， “Ｏｐｔｉｃａｌ－ｆｉｂｅｒ－ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ ｐｌｕｓｅ ａｎｄ ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ，” Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ． １４， ｎｏ．８， ｐｐ． ４０８－４１０，Ａｐｒｉｌ．１９８９．
【非特許文献2】Ａ Ｍｉｎａｒｄｏ， Ｒ．Ｂｅｒｎｉｎｉ， ａｎｄ Ｌ．Ｚｅｎｉ， “Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｐｕｍｐ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｉｎ ｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ，” ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊ．， ｖｏｌ．９， ｎｏ．６， ｐｐ． ６３３－６３４，Ｊｕｎｅ ２００９．
【非特許文献3】Ｋ．Ｋｉｋｕｃｈｉ， “Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，” Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３４， ｎｏ．１， ｐｐ．１５７－１７９， Ａｕｇ． ２０１６．
【非特許文献4】Ａ． Ｚｏｒｎｏｚａ， Ｍ．Ｓａｇｕｅｓ， ａｎｄ Ａ．Ｌｏａｙｓｓａ， “Ｓｅｌｆ－ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＳＮＲ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ＢＯＴＤＡ，” Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３０， ｎｏ．８， ｐｐ．１０６６－１０７２， Ａｐｒ． ２０１２．
【非特許文献5】Ｌ．Ｗａｎｇ，Ｎ．Ｇｏｕ， Ｃ．Ｊｉｎ， Ｋ．Ｚｈｏｎｇ， Ｘ．Ｚｈｏｕ， Ｊ．Ｙｕａｎ， Ｚ．Ｋａｎｇ， Ｂ．Ｚｈｏｕ， Ｃ．Ｙｕ， Ｈ．－Ｙ． Ｔａｍ， ａｎｄ Ｃ．Ｌｕ， “Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ＢＯＴＤＡ ｕｓｉｎｇ ｐｈａｓｅ－ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｄｅｖｅｒｓｉｔｙｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，” ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊ．， ｖｏｌ． １７， ｎｏ．１２， ｐｐ．３７２８－３７３４， Ｊｕｎｅ ２０１７．
【非特許文献6】Ｚ．Ｌｉ， Ｙ．Ｚｈｏｕ， Ｂ．Ｊｉａｎｇ， Ｘ．Ｇａｎ， Ｌ．Ｙａｎ， ａｎｄ Ｊ．Ｚｈａｏ， “Ｐｈａｓｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＢＯＴＤＡ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，” Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．４６， ｎｏ．４，ｐｐ．７５７－７６０， Ｆｅｂ． ２０２１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
コヒーレント光検波法を用いたブリルアン位相シフトの検出は、主に下記の課題を有する。
（１）コヒーレント光検波器に設置される局発光とブリルアン位相シフト情報を有するプローブ光搬送成分の光周波数と光位相を同期させる必要がある。
（２）コヒーレント光検波器に設置させる局発光は十分な光強度を有する必要がある。
（１）コヒーレント光検波器に設置される局発光とブリルアン位相シフト情報を有するプローブ光搬送成分の光周波数と光位相を同期させる必要がある。
（２）コヒーレント光検波器に設置させる局発光は十分な光強度を有する必要がある。
【0012】
これらの課題をクリアする技術として、自己ヘテロダイン光検波法を適用したブリルアン光ファイバセンサが提案されている（非特許文献４：再掲載）。この方法は、プローブ光と局発光を同一光源から生成させ、局発光の光周波数をプローブ光周波数と異なるように制御しつつも、両者の光位相は同期が保たれ、その状態が維持されるよう光ファイバセンサ部において両者を並行して伝搬させる。そのため、前述したコヒーレント光検波法の課題（１）は解決できるものの、光ファイバセンサ部の条長が長くなると、局発光の強度が失われ課題（２）の要求を満たすことが不可能になり、受信感度も－２０ｄＢｍ前後に留まっている。
【0013】
そこで本発明は、従来の自己ヘテロダイン法によるブリルアン位相シフトの検出ではなく、コヒーレント光検波法の一種であるイントラダイン光検波法を適用する。ブリルアン光ファイバセンサにイントラダイン光検波法を適用する提案は、（非特許文献５）で提案されているものの、プローブ光と局発光の光位相差を安定的に補償する技術については、示されていない状況である。
【0014】
また、ローカル光のわずかな光位相シフトを補償する電気的な手段も（非特許文献６）で提案されているものの、イントラダイン光検波法に適用するには機能不足である。
【0015】
本発明は、この課題を解決できるイントラダイン光検波法を適用したブリルアン光ファイバセンサの実現手段を提供する。本発明は、課題（１）の要求条件を満たすだけでなく、十分な強度を有する局発光をコヒーレント光検波器に設置できるようにして課題（２）の要求条件を満足し、プローブ光と局発光の光位相差を安定的に補償することで、ブリルアン光ファイバセンサの受信感度を１０ｄＢ以上改善させる。
【課題を解決するための手段】
【0016】
上記課題を解決するために、本発明は、プローブ光とパイロット光を合波して光ファイバセンサ部に入力し、これらに対して逆伝搬させるポンプ光を用いてプローブ光のみに誘導ブリルアン散乱現象が発生するようにする。その上で、ブリルアン散乱光検波機能にこれらプローブ光とパイロット光を検波する。本発明では、ブリルアン散乱光検波機能は、イントラダイン光検波法が適用される。本発明では、ブリルアン位相シフトを検出する方法と、それを用いた光ファイバ温度センシング方法（および装置）を提供する。
【0017】
より具体的に本発明に係るブリルアン位相シフトの検出方法は、
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、
前記プローブ光と前記パイロット光を合波しセンサ用光ファイバの一端から入力し、
前記第１の光源からの光をポンプ光として前記センサ用光ファイバの他端から入力する光入力工程と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波工程と、
前記ビート電気信号をプローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離工程と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去工程と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、
前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める位相成分算出工程を有することを特徴とする。
第１の光源からの光をプローブ光生成信号とパイロット光生成信号を用いてプローブ光とパイロット光を生成し、
前記プローブ光と前記パイロット光を合波しセンサ用光ファイバの一端から入力し、
前記第１の光源からの光をポンプ光として前記センサ用光ファイバの他端から入力する光入力工程と、
前記センサ用光ファイバの前記他端からの出力光を第２の光源から生成したローカル光を使って検波しビート電気信号を得る検波工程と、
前記ビート電気信号をプローブ光に対応するプローブ光電気信号と前記パイロット光に対応するパイロット光電気信号に分離する分離工程と、
前記パイロット光電気信号の位相共役信号を前記プローブ光電気信号に乗算し前記ローカル光の影響が除去されたプローブパイロット光電気信号を求めるローカル光成分除去工程と、
前記プローブパイロット光電気信号をベースバンド帯域に変換するためのダウンコンバート信号を生成し、
前記プローブパイロット光電気信号に乗算しブリルアン位相信号を求め、前記ブリルアン位相信号からブリルアン位相シフト量を求める位相成分算出工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明により、光ファイバセンサにおいてブリルアン位相シフトを検出する際に、コヒーレント光検波器に設置される局発光とブリルアン位相シフト情報を有するプローブ光搬送成分の光周波数と光位相を同期させる必要がなくなる。また、コヒーレント光検波器に設置させる局発光はプローブ光等と独立して設けることができるので、十分な光強度で駆動することができる。
【0019】
その結果、ブリルアン光ファイバセンサの受信感度を大幅に改善させることが可能になる。その効果により、ブリルアン光ファイバセンサの条長を長くし１００ｋｍを超える分布計測型地震計の開発が可能になるとともに、ブリルアン光ファイバセンサの条長が短い場合でも温度・歪・振動計測のサンプリング速度を１０倍以上に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明に係るブリルアン位相シフトの検出方法および光ファイバ温度センシング方法を実施する全体構成を示す図である。
【図2】第２の実施形態における光源モジュール部の詳細な構成を示す図である。
【図3】光ファイバセンサ部の構成を示す図である。
【図4】ポンプ光、プローブ光、パイロット光、ローカル光の周波数アロケーションを示す図である。
【図5】第２の実施形態におけるブリルアン散乱光検波部の構成を示す図である。
【図6】ポンプ光とプローブ光の周波数差と誘導ブリルアン利得およびブリルアン位相シフトとの関係を例示するグラフである。
【図7】第２の実施形態でプローブ光の周波数を変化させたときのブリルアン位相シフトの変化を例示するグラフである。
【図8】プローブ光の周波数の変化とセンサ用ファイバの温度の関係を示すグラフである。
【図9】プローブ光の利得の変化とセンサ用ファイバの温度の関係を示すグラフである。
【図10】ブリルアンシフト周波数と温度の関係をプロットしたもので、ルックアップテーブルである。（ａ）位相検波方式の場合を示し、（ｂ）強度検波方式の場合を示す。
【図11】プローブ光の受信電力と複合化可能なＳＮ比を表すグラフである。
【図12】センサ用光ファイバの任意の点のブリルアン位相シフト量若しくは誘導ブリルアン利得を測定する原理を示す図である。
【図13】温度測定を行うフローを示す図である。
【図14】ポンプ光、プローブ光、パイロット光、ローカル光の他の周波数アロケーションを示す図である。
【図15】ポンプ光、プローブ光、パイロット光、ローカル光の他の周波数アロケーションを示す図である。
【図16】ポンプ光、プローブ光、パイロット光、ローカル光の他の周波数アロケーションを示す図である。
【図17】第３の実施形態における光源モジュール部の構成を示す図である。
【図18】第３の実施形態におけるブリルアン散乱光検波部の構成を示す図である。
【図19】第４の実施形態におけるブリルアン散乱光検波部の構成を示す図である。
【図20】第５の実施形態の光ファイバ温度センシング方法を実施するハード的な構成を示す図である。
【図21】第５の実施形態における光源モジュール部の構成を示す図である。
【図22】第５の実施形態におけるブリルアン散乱光検波部の構成を示す図である。
【図23】第６の実施形態における光源モジュール部の構成を示す図である。
【図24】第６の実施形態で使用するプローブ光の波形を示す図である。
【図25】第６の実施形態におけるブリルアン散乱光検波部の構成を示す図である。
【図26】第７の実施形態にブリルアン散乱光検波部の構成を示す図である。
【図27】第７の実施形態に複素乗算回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に本発明に係るブリルアン位相シフトの検出方法と、それを用いた光ファイバ（温度）センシング方法およびそれらを実現する装置について図面を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。
【0022】
（第１の実施形態）
本発明に係るブリルアン位相シフトの検出方法を、図１を用いて説明する。なお、ブリルアン位相シフトの検出法を実現する光ファイバ（温度）センシング装置１は、光源モジュール部１１、光ファイバセンサ部２１、ブリルアン散乱光検波部３１、制御部５０を有する。また、光ファイバ（温度）センシング装置１は温度の検出を行うので、光ファイバ温度センシング方法を実施していると言える。
本発明に係るブリルアン位相シフトの検出方法を、図１を用いて説明する。なお、ブリルアン位相シフトの検出法を実現する光ファイバ（温度）センシング装置１は、光源モジュール部１１、光ファイバセンサ部２１、ブリルアン散乱光検波部３１、制御部５０を有する。また、光ファイバ（温度）センシング装置１は温度の検出を行うので、光ファイバ温度センシング方法を実施していると言える。
【0023】
光源モジュール部１１は、ポンプ光Ｌ１、プローブ光Ｌ３、パイロット光Ｌ４を同一の光源（第１の光源）から生成する。これは電気信号発生器（図１には図示せず）によって、安定的に生成される。また、光源モジュール部１１は、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の周波数差に対応する周波数オフセット信号Ｓ５を生成し出力する。
【0024】
光ファイバセンサ部２１は、センサ用光ファイバ２１５を含んでいる。プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４は、光ファイバセンサ部２１の一端２１２から入力され、ポンプ光Ｌ１は他端２１１から入力される。なお、一端２１２および他端２１１は入力ポート２１２、入力ポート２１１とも呼ぶ。
【0025】
ブリルアン散乱光検波部３１は、光ファイバセンサ部２１の他端２１１から出力してきた探査済光Ｌ５を受ける光ポート３１１と光源モジュール部１１が出力した周波数オフセット信号Ｓ５を受ける電気信号ポート３１２を有する。また、ブリルアン散乱光検波部３１は、内部に光源モジュール部１１の光源とは別の光源（第２の光源）で形成されたローカル光ＬＯを生成する局発光部３２２を有している。そして、ローカル光ＬＯで光ポート３１１からブリルアン散乱光検波部３１に入力された探査済光Ｌ５を検波する。
【0026】
探査済光Ｌ５は、ブリルアン散乱光検波部３１に内蔵されている局発光部３２２からのローカル光ＬＯ（ＥＬＯｅｘｐ（ｊ（ωＬＯｔ＋φＬＯ）））と干渉され、同じくブリルアン散乱光検波部３１に内蔵する位相ダイバーシティー差動二乗検波器で検波される。結果、（１）式のビート電気信号Ｓ１（複素振幅電気信号）に変換される。
【0027】
【数1】
【0028】
（１）式においてＢＧは誘導ブリルアン利得ＢＧ
２の二乗根であり、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２は（２）式で表される。また、（１）式におけるブリルアン位相シフトΔφｂは（３）式、（４）式で表される。
【0029】
【数2】
【0030】
（２）式、（３）式および（４）式において、ｚはセンサ用光ファイバ２１５上の検出位置、ｇ０は利得係数、Δωｓｂｓが誘導ブリルアン散乱スペクトル幅（角周波数換算）、ωｂ（ｚ）は検出位置ｚにおけるブリルアンピーク周波数（角周波数換算）、ωｐｐはポンプ光角周波数である。また、（２）式から見て取れるように誘導ブリルアン利得ＢＧ
２はセンサ用光ファイバ２１５上の検出位置「ｚ」に依存する。以下の説明において、センサ用光ファイバ２１５上のある位置の誘導ブリルアン利得ＢＧ
２に関する記述は特に説明をしなくても、検出したビート電気信号Ｓ１の検出タイミングより検出位置情報が算出できるものとする。
【0031】
なお、（２）式、（３）式は、光ファイバ中の誘導ブリルアン利得ＢＧ
２およびブリルアン位相シフトΔφｂの現象を数式モデルとして表したものであり、（２）式、（３）式から誘導ブリルアン利得ＢＧ
２およびブリルアン位相シフトΔφｂを算出することはできない。１つのビート電気信号Ｓ１に対する誘導ブリルアン利得ＢＧ
２およびブリルアン位相シフトΔφｂは以下の様に求める。
【0032】
まず、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２は、ポンプ光Ｌ１がある場合のビート電気信号Ｓ１とポンプ光Ｌ１がない場合のビート電気信号Ｓ１との比較で得ることができる。ブリルアン位相シフトについては、以下のようにローカル光ＬＯの影響を除去する方法を使うことで求めることができる。
【0033】
（１）式の第一項がプローブ光Ｌ３に対する複素振幅電気信号成分であり、第二項がパイロット光Ｌ４に対する複素振幅電気信号成分である。これら電気信号の角周波数は、それぞれローカル光ＬＯとの光周波数と光位相の差が反映されている。これらの周波数差と位相差が、それぞれの複素振幅電気信号の周波数（正確には角周波数）（ωｐｒ－ωＬＯ）、（ωｐｉ－ωＬＯ）と位相（Δφｂ＋φｐｒ－φＬＯ）、（φｐｉ－φＬＯ）になっている。なお、ブリルアン位相シフト量Δφｂは、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４との間の位相シフト量として現れる。
【0034】
次に（１）式のビート電気信号Ｓ１の第一項と第二項を分離する。分離する方法は特に限定されるものではない。具体的な例はとしては、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の偏波面を直交させておく方法や、周波数フィルタで周波数分離する方法を後述する実施形態で示す。分離された第一項と第二項をプローブ光電気信号Ｓ２、パイロット光電気信号Ｓ３と呼び、それぞれ（５）式および（６）式のように表される。
【0035】
【数3】
【0036】
次に（６）式のパイロット光電気信号Ｓ３の位相共役信号を（５）式のプローブ光電気信号Ｓ２に乗ずることでプローブパイロット光電気信号Ｓ４を得る。プローブパイロット光電気信号Ｓ４は、あらわに記載すると（７）式のようになる。
【0037】
【数4】
【0038】
なお、（５）式中Ｅ＊
ｐｉはＥｐｉの位相共役信号である。
【0039】
この（７）式から分かるように、探査済光Ｌ５に対応する電気信号（複素振幅電気信号）は、ローカル光ＬＯの電力｜ＥＬＯ｜２分だけ増幅されている一方、イントラダイン光検波直後の（１）式、（５）式、（６）式に表れていたローカル光ＬＯとの周波数差と位相差に相当する成分が完全に除去される。具体的にはωＬＯやφＬＯの項が除去されている。
【0040】
尚、本実施形態では、パイロット光電気信号Ｓ３の位相共役信号が、（５）式のプローブ光電気信号Ｓ２に乗ずることでプローブパイロット光電気信号Ｓ４を得ているが、パイロット光電気信号Ｓ３と（５）式のプローブ光電気信号Ｓ２の位相共役信号を乗算することで、プローブパイロット光電気信号Ｓ４を得る構成でも、前述の動作を実現できる。
【0041】
これにより、本発明が解決しようとする課題の（１）および（２）を解決することができる。すなわち、探査済光Ｌ５とローカル光ＬＯとの光位相を同期させる必要はなく、またローカル光ＬＯは受信器の内部の独立した光源から出力させることができるため、探査済光Ｌ５に関わらず光強度を自由に設定することができる。
【0042】
（７）式においてパイロット光Ｌ４とプローブ光Ｌ３の周波数差成分となる（８）式は、光源モジュール部１１の電気信号発生器（図２以降で説明する。）で生成されており、きわめて安定的である。この周波数成分の信号が周波数オフセット信号Ｓ５である。この成分を直流成分に下方変換するには、この成分の複素共役である（９）式を（７）式と乗算させればよい。よって、（９）式をダウンコンバート信号Ｓ６と呼ぶ。
【0043】
プローブパイロット光電気信号Ｓ４とダウンコンバート信号Ｓ６を乗算する結果、（１０）式のように、ブリルアン位相シフト情報のみを安定的に抽出できる。（１０）式をブリルアン位相信号Ｓ７と呼ぶ。
【0044】
【数5】
【0045】
この（１０）式のブリルアン位相信号Ｓ７は、ブリルアン散乱光検波部３１から出力され、制御部５０に入力される。制御部５０は、ＣＰＵ、メモリ、入出装置および表示装置で構成することができる。制御部５０は、（１０）式のブリルアン位相信号Ｓ７が入力されたら、その実部と虚部から（１１）式のようにして（１０）式の位相情報（ブリルアン位相シフト量Δφｂ）を得ることができる。
【0046】
【数6】
【0047】
以上のように、本発明は、検出しようとするブリルアン位相シフトΔφｂが、誘導ブリルアン散乱スペクトルの狭帯域性からプローブ光Ｌ３成分のみに重畳される点に着目した。そして、プローブ光Ｌ３から周波数の離れたパイロット光Ｌ４をプローブ光Ｌ３と一緒に光ファイバセンサ部２１に流す。ブリルアン位相シフトの影響を受けないパイロット光Ｌ４がプローブ光Ｌ３と共存していることで、ローカル光ＬＯを用いた検波信号からローカル光ＬＯの影響だけを除去することができ、安定的にブリルアン位相シフトΔφｂを検出する。ブリルアン位相シフトΔφｂを検出するハードウェアはブリルアン位相シフト検出装置を構成する。
【0048】
（第２の実施形態）
本実施の形態では、第１の実施形態で示したブリルアン位相シフトの検出方法を用いた光ファイバ温度センシング装置１について説明する。また、以下の実施形態を含め第１の実施形態で説明した（１）式から（１１）式の関係は、説明なく使用できるものとする。光ファイバ温度センシング装置１の大まかな構成は、図１に示したものと同様である。第１の実施の形態で説明した各ブロックのより詳細な構成を以下に示す。なお、光ファイバ温度センシング装置１は、ブリルアン位相シフト検出装置（ブリルアン位相シフト検出方法）を内包する。また、光ファイバ温度センシング装置１は、光ファイバ温度センシング方法を実行する。
本実施の形態では、第１の実施形態で示したブリルアン位相シフトの検出方法を用いた光ファイバ温度センシング装置１について説明する。また、以下の実施形態を含め第１の実施形態で説明した（１）式から（１１）式の関係は、説明なく使用できるものとする。光ファイバ温度センシング装置１の大まかな構成は、図１に示したものと同様である。第１の実施の形態で説明した各ブロックのより詳細な構成を以下に示す。なお、光ファイバ温度センシング装置１は、ブリルアン位相シフト検出装置（ブリルアン位相シフト検出方法）を内包する。また、光ファイバ温度センシング装置１は、光ファイバ温度センシング方法を実行する。
【0049】
光源モジュール部１１の内部構成を図２に示す。この光源モジュール部１１は、光源１１１（第１の光源）で光ファイバセンサ部２１に入力するポンプ光Ｌ１、プローブ光Ｌ３、パイロット光Ｌ４を発光させる。ここで光源１１１は、半導体レーザーダイオードもしくはファイバリングレーザーなどの固体レーザーで構成することができる。この光源１１１から出力されたレーザー光は、光反射の悪影響を防止する光アイソレータ１１２を通過したのち、光分波器１１３において二分岐される。一方は、ポンプ光Ｌ１、もう一方は、プローブ光Ｌ３およびパイロット光Ｌ４の種光Ｌ２として用いられる。
【0050】
まずポンプ光Ｌ１は、光強度変調器１１４に入力されパルス化される。この光強度変調器１１４は、電気パルス発生器１１５で生成された電気信号により駆動される。ここで光強度変調器１１４は、ニオブ酸リチウム光導波路を用いたものやＫＴＮ（タンタル酸カリウム）結晶などを用いたものが用いられる。
【0051】
光強度変調器１１４から出力されたパルス化されたポンプ光Ｌ１は、偏波スクランブラ１１６に入力される。ここで偏波スクランブラ１１６は、光ファイバセンサ部２１の光ファイバにおけるブリルアン散乱光強度が励起光偏波状態によって変化することから、スクランブリングを実施し、平均値として安定的なブリルアン散乱光強度を確保することを目的とする。
【0052】
続いて、偏波スクランブラ１１６から出力されたポンプ光Ｌ１は、光ファイバ増幅器１１７で増幅され１００ｍＷ以上のピーク電力を有する光パルスとなり、光ファイバ増幅器１１７の自然放出光を除去する光フィルタ１１８を通じて光ファイバセンサ部２１の入力ポート２１１（図１参照）に入力される。なお、ポンプ光Ｌ１の入力ポート２１１への入力は制御部５０によって制御される。光源１１１からポンプ光Ｌ１の入力ポート２１１は、ポンプ光生成部５０２である。
【0053】
一方、光分波器１１３で分岐されたプローブ光Ｌ３およびパイロット光Ｌ４の元となる種光Ｌ２は、ベクトル光変調器１２１に入力される。このベクトル光変調器光１２１は、通信用途で開発された２つの光ＩＱ変調器１２１ａと１２１ｂが集積実装されたもので、入力側で種光Ｌ２が２分岐される。第一の光ＩＱ変調器１２１ａでは、電気信号発生器１２４ａで生成された周波数Δｆｐｒの電気信号（プローブ光生成信号）を入力して、入力された種光Ｌ２の光周波数をΔｆｐｒシフトさせプローブ光Ｌ３を生成する。
【0054】
なお、電気信号発生器１２４ａで生成された電気信号は、さらに二分され一方の信号はヒルベルト変換器１４２に入力され、位相がπ／２ズレた信号となって光ＩＱ変調器１２１ａに入力される。
【0055】
一方、第二の光ＩＱ変調器１２１ｂでは、電気信号発生器１２４ｂで生成された周波数Δｆｐｉの電気信号（パイロット光生成信号）を入力して、種光Ｌ２の光周波数をシフトさせパイロット光Ｌ４を生成する。電気信号発生器１２４ｂで生成された電気信号は、さらに二分され一方の信号はヒルベルト変換器１４２に入力され、位相がπ／２ズレた信号となって光ＩＱ変調器１２１ｂに入力される。
【0056】
電気信号発生器１２４ａおよび１２４ｂで生成される周波数Δｆｐｒと、周波数Δｆｐｉの電気信号は、光源１１１からそれぞれの光周波数が異なるプローブ光Ｌ３およびパイロット光Ｌ４を生成するための生成信号である。電気信号発生器１２４の発振周波数は制御部５０によって制御される。電気信号発生器１２４ａが発振する周波数Δｆｐｒの電気信号はプローブ光生成信号、電気信号発生器１２４ｂが発振する周波数Δｆｐｉの電気信号はパイロット光生成信号と呼ぶ。
【0057】
光ＩＱ変調器１２１ａと１２１ｂの出力がベクトル光変調器１２１の出力側で互いに直交する偏波成分として合波され、ベクトル光変調器１２１から出力される。この出力光は、光ファイバ増幅器１２２で１ｍＷ～１００ｍＷ程度の光電力に増幅されたのち、光ファイバ増幅器１２２の自然放出光を除去する光フィルタ１２３を通じて光ファイバセンサ部２１の入力ポート２１２に入力される。ベクトル光変調器１２１からの出力光をプローブパイロット光と呼ぶ。光源１１１から入力ポート２１２までをプローブパイロット光生成部５００と呼ぶ。
【0058】
上記の構成にて生成されたポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３の光周波数差は、センサ用光ファイバ２１５（図１参照）で発生するブリルアンシフト周波数（石英ファイバの場合、約１０．８ＧＨｚ～１１ＧＨｚ前後）を探索するために制御される。一方、ポンプ光Ｌ１とパイロット光Ｌ４の光周波数差は、固定的に設定され且つプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の光周波数差との光周波数差は、数十ＭＨｚから１０００ＭＨｚ程度の値に設定される。
【0059】
なお、第一の光ＩＱ変調器１２１ａと第二の光ＩＱ変調器１２１ｂで実施する光周波数シフトは、電気信号発生器１２４ａと１２４ｂから出力される周波数ΔｆｐｒとΔｆｐｉの電気信号を用いて行われる。ここで、これら電気信号の一部は、それぞれディバイダ１２５ａと１２５ｂで分岐され、分岐信号はＩＱコヒーレント検波器１２６に入力される。ＩＱコヒーレント検波器１２６からは、２チャネル分の電気信号が出力される。
【0060】
これらは、周波数Δｆｐｒ－Δｆｐｉの複素振幅電気信号となっており、第一チャネルが複素振幅電気信号の実部相当、第二チャネルが複素振幅電気信号の虚部相当になっており第一チャネルから位相がπ／２（ｒａｄ）ずれている。これを周波数オフセット信号Ｓ５（（５）式）としてブリルアン散乱光検波部３１の入力ポート３１２ａと３１２ｂに入力させる。この周波数オフセット信号Ｓ５は、その複素共役信号をダウンコンバート信号Ｓ６と呼ぶ。
【0061】
光ファイバセンサ部２１（図１参照）の構成図を図３に示す。入力ポート２１１と入力ポート２１２は、それぞれ光サーキュレータ２１３と２１４を介して一条のセンサ用光ファイバ２１５に接続されている。センサ用光ファイバ２１５は、石英ガラスシングルモード光ファイバないしはコア径を圧縮させることで非線形係数を増強させた石英ガラス高非線形光ファイバが用いられる。ここで、センサ用光ファイバ２１５の条長は用途に応じて数ｍから１００ｋｍ前後まで選択することができる。
【0062】
本実施形態では、広域分布計測型地震計に利用するものなのでセンサ用光ファイバ２１５の条長は１００ｋｍを選択した。光ファイバ心線は半分の距離の地点で折り返してくるので光ファイバセンサ部２１の条長は５０ｋｍである。
【0063】
光ファイバセンサ部２１の入力ポート２１１から入力されたポンプ光Ｌ１は、光サーキュレータ２１３を介してセンサ用光ファイバ２１５に入力され、光サーキュレータ２１４に到達する。ここで、光サーキュレータ２１４の出力ポートから光終端部２１７に出力される。
【0064】
一方、入力ポート２１２から入力されたプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４のペアは、光サーキュレータ２１４を介してセンサ用光ファイバ２１５に入力され、光サーキュレータ２１３に到達する。センサ用光ファイバ２１５を伝搬してきたプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４は、ブリルアン散乱の影響を受けて探査済光Ｌ５となっている。
【0065】
探査済光Ｌ５は、光サーキュレータ２１３の出力ポートから出力され、光フィルタ２１６を通過したのち、ブリルアン散乱光検波部３１（図１参照）の光ポート３１１に入力される。
【0066】
従って、光源モジュール部１１（図１参照）から出力され入力ポート２１１に入力されたポンプ光Ｌ１と入力ポート２１２に入力されたプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４のペアは互いに逆伝搬することになる。これらの光がセンサ用光ファイバ２１５を伝搬する際に、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３の間で誘導ブリルアン散乱現象を発生させる。つまり、光サーキュレータ２１３に到達したプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４である探査済光Ｌ５はブリルアン散乱の影響を受けている。
【0067】
このときのポンプ光Ｌ１、プローブ光Ｌ３、パイロット光Ｌ４の光周波数配置を図４に示す。ローカル光ＬＯ、パイロット光Ｌ４、プローブ光Ｌ３、ポンプ光Ｌ１の各光周波数は、ｆＬＯ、ｆｐｉ、ｆｐｒ、ｆｐｕｍｐである。また、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３との差分周波数はΔｆｐｒ、ポンプ光Ｌ１とパイロット光Ｌ４との差分周波数はΔｆｐｉである。ブリルアンシフト周波数はポンプ光Ｌ１との差分周波数であり、ΔｆＢで表される。
【0068】
ポンプ光Ｌ１の光周波数ｆｐｕｍｐとプローブ光Ｌ３の光周波数ｆｐｒの差分周波数Δｆｐｒは、センサ用光ファイバ２１５の石英ガラスファイバのブリルアンシフト周波数（石英ファイバの場合、約１０．８ＧＨｚ～１１ＧＨｚ前後）に近い周波数に設定されている。これにより、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３の間でブリルアン相互作用が発生し、Δｆｐｒとブリルアンシフト周波数ΔｆＢが等しくなる場合にはポンプ光Ｌ１からプローブ光Ｌ３へのエネルギー転移効率が最大となりプローブ光Ｌ３の利得（誘導ブリルアン利得ＢＧ
２）が最大化される。また、後述するようにセンサ用光ファイバを伝搬した後のプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４との間に生じる位相差Δφｂがゼロとなる。
【0069】
上記の構成にて生成されたポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３の光周波数差Δｆｐｒは、センサ用光ファイバ２１５（図３参照）で発生するブリルアンシフト周波数（石英ファイバの場合、約１０．８ＧＨｚ～１１ＧＨｚ前後）を探索するために制御される。一方、ポンプ光Ｌ１とパイロット光Ｌ４の光周波数差Δｆｐｉは、固定的に設定され、且つプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の光周波数差ｆｐｒ－ｆｐｉ（「Δｆｐｉ－Δｆｐｒ」でも同じ）は、数十ＭＨｚから１０００ＭＨｚ程度の値になるように設定される。
【0070】
そうすることにより、プローブ光Ｌ３は誘導ブリルアン散乱の影響を受けるのに対し、パイロット光Ｌ４はその影響を受けない。これによりプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の光位相は、ブリルアン位相シフトΔφｂだけ差分位相が発生する。つまり、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の光位相差からブリルアン位相シフトΔφｂを検出することができる。
【0071】
図５にブリルアン散乱光検波部３１（図１参照）の構成を示す。ブリルアン散乱光検波部３１の光ポート３１１には前述のプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４が、入力される。また、電気信号ポート３１２には光源モジュール部１１のＩＱコヒーレント検波器１２６（図２参照）からの出力である周波数オフセット信号Ｓ５が入力される。
【0072】
プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４は、光ポート３１１を介して偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１に入力される。この偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１は、二つの光入力ポートを有しており、もう一方の光入力ポートには、局発光源であるレーザーダイオード３２２から出力されたローカル光ＬＯが入力される。ここでレーザーダイオード３２２は局発光部３２２である。
【0073】
偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１は、この検波器の動作原理（非特許文献３）に従い、入力された光（プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４：探査済光Ｌ５）の偏波面成分毎にローカル光ＬＯの光周波数と光位相を基準にしたビート電気信号Ｓ１（（１）式参照。）を出力する。偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１は（探査済光Ｌ５）を局発光部３２２（第２の光源）から生成したローカル光ＬＯを使って検波し、ビート電気信号Ｓ１を得ているので検波部５０６である。
【0074】
偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１の出力ポートは３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄの４つが存在する。ポート３２２ａと３２２ｂはプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４のＸ偏波成分、３２２ｃと３２２ｄはプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４のＹ偏波成分に対応するビート電気信号が出力する。それぞれＸ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｘ、Ｙ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｙと呼ぶ。
【0075】
また、出力ポート３２２ａと３２２ｂからのビート電気信号（Ｘ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｘ）のペアにおいて、信号位相は９０度シフトしている。そのため、これら２つの信号の組み合わせにより、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の複素振幅が再現される。つまり、偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１は、ビート電気信号Ｓ１をプローブ光Ｌ３に対応するプローブ光電気信号Ｓ２とパイロット光Ｌ４に対応するパイロット光電気信号Ｓ３に分離するので、分離部５０８でもある。
【0076】
Ｘ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｘは、ローカル光ＬＯの光周波数と光位相を基準にしたプローブ光Ｌ３またはパイロット光Ｌ４との周波数差若しくは光位相差を反映した複素振幅電気信号となる。すなわち、第一のチャネル（出力ポート３２２ａ）からの電気信号は、複素振幅電気信号の実部相当であり、第二のチャネル（出力ポート３２２ｂ）からの電気信号は虚部相当で第一チャネルの電気信号に対して位相がπ／２（ｒａｄ）シフトしている。
【0077】
出力ポート３２２ｃと３２２ｄからのＹ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｙのペアにおいても同様の議論が成立する。すなわち、第一のチャンネル（出力ポート３２２ｃ）からの電気信号は、複素振幅電気信号の実部相当であり、第二のチャネル（出力ポート３２２ｄ）からの電気信号は虚部相当で第一チャネルの電気信号に対して位相がπ／２（ｒａｄ）シフトしている。
【0078】
これらの４つの出力ポートから出力されたビート電気信号Ｓ１は、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２３に入力されてアナログ信号からディジタル信号に変換された後、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４に入力される。ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４は、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の光ファイバセンサ部２１（図１参照）で発生した偏波回転をディジタル信号処理により補償する。ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４からは、プローブ光Ｌ３およびパイロット光Ｌ４に対応するプローブ光電気信号Ｓ２とパイロット光電気信号Ｓ３を出力する。
【0079】
本実施形態では、パイロット光Ｌ４とプローブ光Ｌ３の偏波が直交しているため、プローブ光電気信号Ｓ２とパイロット光電気信号Ｓ３を空間的に分離させることができる。プローブ光電気信号Ｓ２は、上述した（５）式で表され、パイロット光電気信号Ｓ３は（６）式で表される。（５）式、（６）式を再掲する。したがって、分離部５０８は偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１からディジタル偏波回転補償フィルタ３２４までと考えてもよい。
【0080】
【数7】
【0081】
それぞれのビート電気信号は、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４から出力されるが、そのうち、パイロット光電気信号Ｓ３はディジタル位相共役演算器３２５に入力され位相共役電気信号に変換される。ここで、ディジタル位相共役演算器３２５に入力され位相共役電気信号に変換されるのは、プローブ光電気信号Ｓ２でも構わない。
【0082】
その上で、プローブ光電気信号Ｓ２と位相共役電気信号となったパイロット光電気信号Ｓ３が、次段のディジタル複素乗算器３２６に入力される。これらの信号は、それぞれローカル光ＬＯとの光周波数と光位相の差に対応した電気信号周波数と位相を有しているが、このディジタル複素乗算器３２６は、これらの信号からローカル光ＬＯとの光周波数と光位相の差を安定的に消去する。具体的には（５）式と（６）式の共役信号の乗算によりωＬＯおよびφＬＯが消去される。このディジタル複素乗算器３２６は、ローカル光成分除去部５１０である。
【0083】
その結果、ディジタル複素乗算器３２６の出力は、パイロット光Ｌ４とプローブ光Ｌ３の光周波数差に相当する周波数ｆｐｒ－ｆｐｉ（角周波数では「ωｐｒ－ωｐｉ」）の電気信号となり、且つその位相はブリルアン位相シフトΔφｂの影響を受けたプローブ光Ｌ３と、パイロット光Ｌ４の光位相差（Δφｂ＋φｐｒ－φｐｉ）となる。ディジタル複素乗算器３２６の出力はプローブパイロット光電気信号Ｓ４となる。これは（７）式で表される。（７）式を再掲する。
【0084】
【数8】
【0085】
なお、ＢＧは誘導ブリルアン利得ＢＧ
２の二乗根である。
【0086】
前述のようにディジタル複素乗算器３２６は、ローカル光ＬＯとの光位相差成分を除去するものの、出力される複素振幅のプローブパイロット光電気信号Ｓ４の周波数はｆｐｒ－ｆｐｉ（角周波数では「ωｐｒ－ωｐｉ」：（７）式参照。「Δｆｐｒ－Δｆｐｉ」と等しい。）である。そのため、ブリルアン位相シフトΔφｂの検出のためには、直流成分を含むベースバンド帯域に変換する必要がある。
【0087】
そこで、ブリルアン散乱光検波部３１の入力ポート３１２ａと３１２ｂに入力されている複素振幅の周波数オフセット信号Ｓ５を用いる。この信号の周波数もΔｆｐｒ－Δｆｐｉである。入力ポート３１２ａと３１２ｂに接続されたアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２７により、複素振幅の周波数オフセット信号Ｓ５はディジタル化される。その上で、ディジタル位相共役演算器３２８に入力し、周波数オフセット信号Ｓ５に対する位相共役信号であるダウンコンバート信号Ｓ６を得る。周波数オフセット信号Ｓ５は（８）式で、位相共役信号であるダウンコンバート信号Ｓ６は（９）式で表される。（８）式、（９）式を再掲する。
【0088】
【数9】
【0089】
その上で、複素振幅のプローブパイロット光電気信号Ｓ４と前述のダウンコンバート信号Ｓ６をディジタル複素乗算器３２９に入力し、周波数Δｆｐｒ－Δｆｐｉである複素振幅のプローブパイロット光電気信号Ｓ４をベースバンド帯に下方変換する。結果ブリルアン位相信号Ｓ７（（１０）式）を得ることができる。
【0090】
【数10】
【0091】
なお、図２のＩＱコヒーレント検波器１２６からディジタル複素乗算器３２９までをブリルアン位相信号算出部５１２とみなすことができる。
【0092】
ディジタル複素乗算器３２９の出力であるブリルアン位相信号Ｓ７は、制御部５０に送られ、（１１）式よりブリルアン位相シフトΔφｂが算出される。なお、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２は、ポンプ光Ｌ１がある場合のビート電気信号Ｓ１とポンプ光Ｌ１がない場合のビート電気信号Ｓ１との比較で得ることができる。よって、制御部５０はブリルアン位相シフト量算出部５１４と言える（図１参照）。
【0093】
【数11】
【0094】
尚、本実施形態では、前述のアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２３とアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２７より下流側で行われるディジタル信号処理は、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＧａｔｅＡｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）素子などの集積回路上に実装されて動作している。
【0095】
本発明の第１の実施形態を用いてブリルアンシフト周波数ΔｆＢを検出するには、電気信号発生器１２４ａ（図２参照）から出力されるプローブ光生成信号の周波数Δｆｐｒを１ＭＨｚステップなどの設定値で順々に変化させ、ブリルアン位相信号Ｓ７（ｅｘｐ（ｊΔφｂ））を求める。そして、（１１）式に基づいてブリルアン位相シフトΔφｂを算出する。また、別途誘導ブリルアン利得ＢＧ
２を算出する。そして、ブリルアン位相シフトΔφｂがゼロになる若しくは誘導ブリルアン利得ＢＧ
２が最大になるプローブ光Ｌ３の周波数ｆｐｒをブリルアンシフト周波数ΔｆＢとして求める。
【0096】
図６は、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３の周波数差Δｆｐｒに対するブリルアン位相シフトΔφｂと誘導ブリルアン利得ＢＧ
２をプロットした一例である。図６を参照して、横軸はポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３との周波数差Δｆｐｒであり、右縦軸は誘導ブリルアン利得ＢＧ
２（ｄＢ）、左縦軸は（１１）式で求められるブリルアン位相シフトΔφｂ（ｒａｄ）である。
【0097】
図６に示すように、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ３との周波数差Δｆｐｒを所定のステップ毎に算出することで、プローブ光Ｌ３の誘導ブリルアン利得ＢＧ
２とブリルアン位相シフトΔφｂを計測でき、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２およびブリルアン位相シフトΔφｂのスペクトルを測定できる。その上で、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２が最大となる、ないしはブリルアン位相シフトΔφｂが０近傍となる周波数をブリルアンシフト周波数ΔｆＢ（ΔωＢ）として算出する。
【0098】
図７は、第２の実施形態の出力より得られる出力の例である。図７（ａ）、図７（ｂ）共に、横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸はブリルアン位相シフト量Δφｂ（ｒａｄ）である。ポンプ光Ｌ１を１０ＭＨｚ繰り返しで光ファイバセンサ部２１（図１参照）に入力するのに合わせて、ブリルアン位相シフト量がプラスからマイナスに変化している。
【0099】
また、電気信号発生器１２４ａから出力されるプローブ光生成信号の周波数Δｆｐｒ（Δωｐｒ）をブリルアンシフト周波数ΔｆＢ（ΔωＢ）よりも低周波数とした場合に表れるブリルアン位相シフト量Δφｂ（図７（ａ））と、高周波数とした場合に表れるブリルアン位相シフト量Δφｂ（図７（ｂ））は互いに位相が反転していることがわかる。
【0100】
具体的には図７の同時刻Ｔ１およびＴ２で図７（ａ）ではブリルアン位相シフト量Δφｂがマイナスで絶対値最大になっているのに対して、図７（ｂ）では、プラスで絶対値最大になっている。ブリルアンシフト周波数ΔｆＢをブリルアン位相シフト量Δφｂから求める方法を位相検波方式と呼び、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２から求める方法を強度検波方式と呼ぶ。
【0101】
図８は、ブリルアン位相シフト量Δφｂを縦軸に、またプローブ光生成信号の周波数Δｆｐｒを横軸にしてグラフ化したものである。また併せて図９に、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２を縦軸に、プローブ光生成信号の周波数Δｆｐｒを横軸にしてグラフ化したものも示す。センサ用ファイバ２１５の一端２１１（図１参照）から３ｋｍの部分の長さ３ｍを恒温槽に入れ、恒温槽の温度を変化させながら測定したものである。これらの図からわかるように、ブリルアン位相シフトが０（ｒａｄ）の電気信号周波数Δｆｐｒで誘導ブリルアン利得が最大化されていることがわかる。また、図８において、０（ｒａｄ）となる電気信号周波数Δｆｐｒは、光ファイバセンサ部２１の環境温度に従ってシフトしていることがわかる。
【0102】
図１０は、光ファイバセンサ部２１の環境温度に対するブリルアンシフト周波数ΔｆＢの変化を示している。図１０（ａ）はブリルアン位相シフト量Δφｂから推定したブリルアンシフト周波数、図１０（ｂ）は誘導ブリルアン利得ＢＧ
２のピークから推定したブリルアンシフト周波数である。いずれの図も横軸は温度（℃）であり、縦軸はブリルアンシフト周波数ΔｆＢ（ＧＨｚ）である。
【0103】
最小二乗法による回帰直線からの分散は、それぞれ４．９×１０－６と６．９×１０－６であり、ブリルアン位相シフト量Δφｂを用いた位相検波方式の方が安定に検知できた。しかし、いずれの方式においても、光ファイバセンサ部２１の環境温度変化に併せて線形に変化しており安定的な温度センシングが達成されていることが分かる。
【0104】
図１０は、ブリルアンシフト周波数と温度の関係を示しており、この対応関係を持っておくことで、ブリルアンシフト周波数が求まれば、温度を測定することができる。ブリルアンシフト周波数と温度の関係はルックアップテーブル５１８として、制御部５０内に保持される。
【0105】
図１１はパイロット光Ｌ４とプローブ光Ｌ３全体の受信電力と、検出したプローブ光電気信号Ｓ２の信号対雑音比の関係を示したグラフである。図１１を参照して、横軸はプローブ光Ｌ３の受信電力（ｄＢｍ）であり、縦軸はプローブ光電気信号Ｓ２のＳＮ比である。図１１中黒四角印および白三角印はそれぞれ、ローカル光ＬＯの励起電力が８００ｍＷの場合と２００ｍＷの場合の結果である。
【0106】
ディジタル復調できるＳＮ比を１８ｄＢ以上と仮定すると、本発明に係るブリルアン位相シフト検出方法では、ローカル光ＬＯの励起電力を大きくすることができるので、プローブ光Ｌ３の受信電力が－４０ｄＢｍであってもプローブ光電気信号Ｓ２のＳＮ比を１８ｄＢ以上に復調させることができる。
【0107】
従来技術として、ローカル光をプローブ光と一緒にセンサ用光ファイバに入力し、そのローカル光を用いてブリルアン位相シフト量を求める場合は、プローブ光の受信電力が－２２ｄＢｍでＳＮ比が１８ｄＢとなってしまう。したがって、本発明に係るブリルアン位相シフト量の検出方法を利用すれば、従来よりも１８ｄＢほどの改善が可能である。
【0108】
このように、センサ用光ファイバ２１５は、温度が変わるとブリルアンシフト周波数ΔｆＢが変化する。したがって、予め図１０のようなルックアップテーブル５１８を持っていればブリルアンシフト周波数ΔｆＢを求めることで、センサ用光ファイバ２１５の温度を知ることができる。なお、ルックアップテーブル５１８は、温度とブリルアンシフト周波数ΔｆＢの関係を示すデータ列であってもよいし、それらの関係を示す数式であってもよい。ルックアップテーブル５１８とブリルアンシフト周波数ΔｆＢから温度を求めるのは温度推定部５２０であり、制御部５０で実施される（図１参照）
さらに、パルス状に出力できるポンプ光Ｌ１をセンサ用光ファイバ２１５に入力した時刻から所定時間経過後の探査済光Ｌ５は、ポンプ光Ｌ１が所定時間センサ用光ファイバ２１５中を移動した地点のブリルアン散乱現象の影響を受けている。したがって、ポンプ光Ｌ１を入力した時刻から探査済光Ｌ５の取得時刻を順次変えていくことで、センサ用光ファイバ２１５の任意の地点の温度を計測することができる。
さらに、パルス状に出力できるポンプ光Ｌ１をセンサ用光ファイバ２１５に入力した時刻から所定時間経過後の探査済光Ｌ５は、ポンプ光Ｌ１が所定時間センサ用光ファイバ２１５中を移動した地点のブリルアン散乱現象の影響を受けている。したがって、ポンプ光Ｌ１を入力した時刻から探査済光Ｌ５の取得時刻を順次変えていくことで、センサ用光ファイバ２１５の任意の地点の温度を計測することができる。
【0109】
図１２にこのような温度測定方法の概念図を示す。センサ用光ファイバ２１５の他端２１１からはポンプ光Ｌ１が入力され、一端２１２からはプローブ光Ｌ３およびパイロット光Ｌ４が入力される。時刻Ｔ＝０でセンサ用光ファイバ２１５に入力されたポンプ光Ｌ１は、ｔｂ秒後に距離Ｄ（ｔｂ）だけセンサ用光ファイバ２１５中を進む。その地点Ａでプローブ光Ｌ３に対してブリルアン散乱の影響を与え、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４は探査済光Ｌ５となる。図１１では、ｋ番目のプローブ光Ｌ３による探査済光Ｌ５であることを「Ｌ５（ｋ）」と示した。
【0110】
探査済光Ｌ５は、時間ｔｂで他端２１１側に到達する。したがって、ポンプ光Ｌ１を入力してから、２ｔｂ秒後の探査済光Ｌ５を検波することで、一端２１２から距離Ｄ（ｔｂ）の地点のブリルアン位相シフト量Δφｂ若しくは誘導ブリルアン利得ＢＧ
２を得ることができる。次にプローブ光Ｌ３の周波数を変化させ（ｋ＋１番目のプローブ光Ｌ３）、ポンプ光Ｌ１を入力してから、２ｔｂ秒後の探査済光Ｌ５を検波すれば、同一地点のブリルアン位相シフトΔφｂ若しくは誘導ブリルアン利得ＢＧ
２を得ることができる。
【0111】
プローブ光Ｌ３の周波数を次々に変化させることで、図６のグラフを得ることができ、ブリルアン位相シフト量Δφｂがゼロになる、若しくは誘導ブリルアン利得ＢＧ
２が最大になる周波数をブリルアンシフト周波数ΔｆＢとして求めることができる。ブリルアンシフト周波数ΔｆＢが求まれば、予め保持しているルックアップテーブル５１８より距離Ｄ（ｔｂ）の地点の温度を推定することができる。
【0112】
また、ポンプ光Ｌ１をセンサ用光ファイバ２１５に入力してから２ｔｂ＋１秒後の探査済光Ｌ５を検波することで、他端２１１から距離Ｄ（ｔｂ＋１）のＢ点での温度を推定することができる。
【0113】
このようにプローブ光Ｌ３の周波数を変化させながら、ブリルアン位相シフト量Δφｂを次々に求め、ブリルアン位相シフト量Δφｂがゼロになる点からブリルアンシフト周波数ΔｆＢを求めるのは、ブリルアンシフト周波数算出部５１６、制御部５０がこれにあたる（図１参照）。
【0114】
【0115】
処理がスタートすると（ステップＳ１００）、前処理が行われる（ステップＳ１０２）。前処理としては、各変数の初期化（＝１）が挙げられる。
【0116】
次にプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４をセンサ用光ファイバ２１５に入力する（ステップＳ１０４）。この時プローブ光Ｌ３の周波数はΔｆｐｒ（ｋ）である。「ｋ」はパラメータでｋがインクリメントすることで、上記の例ではΔｆｐｒが１ＭＨｚずつ変化する。
【0117】
そして、ポンプ光Ｌ１をセンサ用光ファイバ２１５に入力し、時間Ｔ（ｍ）待機する（ステップＳ１０６）。「ｍ」はパラメータで、ｍがインクリメントされると、待機時間が長くなる。この時間はポンプ光Ｌ１が進む速度がわかっているので、センサ用光ファイバ２１５の他端２１１からの距離に換算することができる。
【0118】
時間Ｔ（ｍ）経過後の探査済光Ｌ５をブリルアン散乱光検波部３１で検波し（ステップＳ１０８）、（１０）式で表されるブリルアン位相信号Ｓ７を得る。得られたブリルアン位相信号Ｓ７からは、（１１）式によってブリルアン位相シフト量Δφｂとが算出される。また、別途ポンプ光Ｌ１がある場合のビート電気信号Ｓ１とポンプ光Ｌ１がない場合のビート電気信号Ｓ１との比較で誘導ブリルアン利得ＢＧ
２が求められる（ステップＳ１１０）。
【0119】
次にプローブ光Ｌ３の掃引が終了したかを判断し（ステップＳ１１２）、終了してなければ（ステップＳ１１２のＮ分岐）、周波数をインクリメントし（ステップＳ１１４）、ステップ（Ｓ１０４）からの処理を繰り返す。
【0120】
プローブ光Ｌ３の掃引が終了している場合（ステップＳ１１２のＹ分岐）は、その距離におけるブリルアン位相シフト量Δφｂと誘導ブリルアン利得ＢＧ
２が得られ、図６のグラフが得られる。したがって、図１１で説明したように、図６のグラフよりブリルアンシフト周波数Δφｂを求め、図１０のルックアップテーブルから温度を算出する（ステップＳ１１６）。
【0121】
次に時間パラメータｍが最終になっているかを判断する（ステップＳ１１８）。この判断は、センサ用光ファイバ２１５の全長に渡っての温度測定が終わったか否かの判断と等しい。ｍが最終でなければ（ステップＳ１１８のＮ分岐）、ｍをインクリメントし、ｋを初期化する（ステップＳ１２０）。そして、ステップＳ１０４からの処理を繰り返す。
【0122】
ｍが最終であった場合（ステップＳ１１８のＹ分岐）は、センサ用光ファイバ２１５の全長に渡っての温度測定が終了しているので、停止する（ステップＳ１２２）。以上のように本発明に係る光ファイバ温度センシング装置１は、センサ用光ファイバ２１５の全長に渡り、所望の位置での温度測定をすることができる。
【0123】
本実施の形態では、ポンプ光Ｌ１、プローブ光Ｌ３、パイロット光Ｌ４を図４のように配置したが、他の配置で行うこともできる。まず、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の大小関係は入れ替えてもよい。ただし、いずれかの光が光ファイバセンサ部２１のセンサ用光ファイバ２１５のブリルアンシフト周波数（ｆｐｕｍｐ－ΔｆＢ）に相当する周波数に近いことが必要である。
【0124】
【0125】
図１４は図４と比較してプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の大小を入れ替え、ローカル光ＬＯをポンプ光Ｌ１とブリルアンシフト周波数（ｆｐｕｍｐ－ΔｆＢ）の間に配置した場合である。ブリルアンシフト周波数（ｆｐｕｍｐ－ΔｆＢ）の近傍にはパイロット光Ｌ４を配置している。この場合ブリルアン位相シフトはパイロット光Ｌ４が影響される。
【0126】
図１５は、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の大小は図１３のままで、ローカル光ＬＯをプローブ光Ｌ３の光周波数ｆｐｒより小さくしている。ブリルアンシフト周波数（ｆｐｕｍｐ－ΔｆＢ）の近傍にはプローブ光Ｌ３が配置される。ブリルアン位相シフトはプローブ光Ｌ３が影響される。
【0127】
図１６は、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の大小関係は図４と同じで、ローカル光ＬＯをポンプ光Ｌ１とブリルアンシフト周波数（ｆｐｕｍｐ－ΔｆＢ）の間に配置した場合である。ブリルアン位相シフトはプローブ光Ｌ３が影響される。これらの周波数配置であっても、同様の操作でブリルアンシフト周波数を得ることができる。
【0128】
（第３の実施形態）
本実施の形態における光ファイバ温度センシング装置１の構成は、図１に示したものと同様であるが、光源モジュール部１１とブリルアン散乱光検波部３１の構成に違いがある。
本実施の形態における光ファイバ温度センシング装置１の構成は、図１に示したものと同様であるが、光源モジュール部１１とブリルアン散乱光検波部３１の構成に違いがある。
【0129】
光源モジュール部１１の構成を図１７、同じくブリルアン散乱光検波部３１の構成を図１８示す。光源モジュール部１１における第一の実施形態との違いは、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の偏波が互いに直交関係ではなく同一となっている点にある。
【0130】
光源モジュール部１１の内部に具備されているベクトル光変調器１２１は、第２の実施形態と異なり、一つの光ＩＱ変調器１２１だけが実装されているものを利用している。その代わり、光ＩＱ変調器１２１に入力される電気信号入力ポートの手前に、電気信号発生器１２４で生成された周波数Δｆｐｒと周波数Δｆｐｉの二つの生成信号を周波数分割多重する周波数分割多重回路１４１が具備されている。この信号のうち、光ＩＱ変調器１２１のＱチャネル側に入力される複素振幅電気信号は、ヒルベルト変換器１４２においてヒルベルト変換されている。
【0131】
ヒルベルト変換器１４２は、入力信号をヒルベルト変換し、周波数Δｆｐｒと周波数Δｆｐｉの二つの電気信号に対応する光周波数シフトスペクトル成分を一括して生成させる役割を果たす。より具体的には位相をπ／２（ｒａｄ）ずらす。
【0132】
一方、図１８を参照して、ブリルアン散乱光検波部３１における第２の実施形態の違いは、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４の後段にある。第２の実施形態では、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の偏波が直交していたため、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４の出力では、両者に対応する電気信号が空間的に分離されていた。しかしながら、本実施形態においては両光が同一偏波であるため、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４の出力でも、両者に対応する電気信号は空間的に分離されない。したがって、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４の出力は、１偏波分の出力しかない。
【0133】
そこで、本実施形態では、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４の出力を二分岐させる。一方は、高域通過ディジタルフィルタ３４１に接続され、その出力はプローブ光Ｌ３に対応する電気信号（プローブ光電気信号Ｓ２）が得られる。他方は低域通過ディジタルフィルタ３４２に接続され、その出力はパイロット光Ｌ４に対応する電気信号（パイロット光電気信号Ｓ３）が得られる。本実施の形態では、高域通過ディジタルフィルタ３４１および低域通過ディジタルフィルタ３４２が分離部５０８となる。
【0134】
後段につづくディジタル信号処理については、第２の実施形態と同じである。なお、本実施形態で用いられているディジタル偏波回転補償フィルタ３２４の機能は、偏波・位相ダイバーシティー光検波器３２１の前段に具備する光学的偏波コントローラ３２０で代替することができる。光学的偏波コントローラ３２０は、複数の波長板で構成することができる。
【0135】
本実施形態は、ベクトル光変調器１２１（図１７）の構成が単純になる分、第２の実施形態と比較して低コスト化を図ることができる点でメリットがある。
【0136】
（第４の実施形態）
図１９は本発明の第４の実施形態で、光源モジュール部１１およびブリルアン散乱光検波部３１の構成は第２の実施形態の場合と同じである。ただし、ブリルアン散乱光検波部３１におけるディジタル信号処理をソフトウェアにより実現した場合のものである。第３の実施形態では、ブリルアン散乱光検波部３１に内蔵されたアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２３は、Ｘ偏波ビート電気信号Ｓ１ＸとＹ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｙをディジタル信号に変換する。
図１９は本発明の第４の実施形態で、光源モジュール部１１およびブリルアン散乱光検波部３１の構成は第２の実施形態の場合と同じである。ただし、ブリルアン散乱光検波部３１におけるディジタル信号処理をソフトウェアにより実現した場合のものである。第３の実施形態では、ブリルアン散乱光検波部３１に内蔵されたアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２３は、Ｘ偏波ビート電気信号Ｓ１ＸとＹ偏波ビート電気信号Ｓ１Ｙをディジタル信号に変換する。
【0137】
もう一つのアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２７は、光源モジュール部１１中のＩＱコヒーレント検波器１２６（図１参照）から出力された生成信号をディジタル信号に変換する。そして、これらのアナログディジタル変換器の下流側でディジタル信号処理を実施し、直流成分を含むベースバンド帯のブリルアン位相シフトΔφｂ信号を検出している。
【0138】
これに対して、本発明の構成は、第２の実施形態で説明したディジタル信号処理をソフトウェア処理で実現する。本構成では、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２３とアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２７を組み込んだパーソナルコンピュータ３０１を用いている。このパーソナルコンピュータ３０１上で動作するソフトウェアにより、第３の実施形態で説明したディジタル信号処理が行われ、ブリルアン位相シフト量Δφｂが検出される。第一の実施形態と比較して経済的にシステムを構築できる点で優位性がある。ソフトウェア実装される機能部は、図１８の破線部で示されている。
【0139】
本実施形態は、ディジタル信号処理機能部がソフトウェア実装となる分、第３の実施形態と比較して大幅な低コスト化を図ることができる点でメリットがある。なお、パーソナルコンピュータ３０１は、制御部５０に組み込まれてもよい。
【0140】
（第５の実施形態）
図２０に本実施の形態の光ファイバ温度センシング装置１の構成を示す。本実施の形態では、第１～４の実施形態の場合と比較して、光源モジュール部１１からの周波数オフセット信号Ｓ５が供給されない。図１との比較で削除された周波数オフセット信号Ｓ５を一点鎖線で表した。
図２０に本実施の形態の光ファイバ温度センシング装置１の構成を示す。本実施の形態では、第１～４の実施形態の場合と比較して、光源モジュール部１１からの周波数オフセット信号Ｓ５が供給されない。図１との比較で削除された周波数オフセット信号Ｓ５を一点鎖線で表した。
【0141】
図２１には、光源モジュール部１１の内部を示す。光源モジュール部１１からＩＱコヒーレント検波器１２６および電気信号発生器１２４ａ、１２４ｂから電気信号を分割させるディバイダ１２５ａ、１２５ｂが省略される。省略された部分を一点鎖線で表した。
【0142】
図２２にはブリルアン散乱光検波部３１の構成を示す。光源モジュール部１１から周波数オフセット信号Ｓ５を受信しないので、ブリルアン散乱光検波部３１はディジタル複素振幅電気信号発生器３５１とディジタル複素自己遅延検波回路３５２が備えられている。また、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２７（一点鎖線で表した）が省略されている。
【0143】
ディジタル複素振幅電気信号発生器３５１は、Δｆｐｒ－Δｆｐｉの正確な周波数を発信することができるが、ブリルアン位相シフトの基準位相が不明確となる。そこで、その補償をディジタル複素自己遅延検波回路３５２で実施させる。
【0144】
ディジタル複素自己遅延検波回路３５２の出力は、入力信号との相対的な位相差信号に比例したものになる。したがって、位相基準がθ（ｒａｄ）存在したとしても、相対位相差は０となり、ブリルアン位相シフト量Δφｂに伴う位相変動分のみを出力させることが可能となる。なお、本実施形態では、ディジタル複素振幅電気信号発生器３５１からディジタル複素自己遅延検波回路３５２までをブリルアン位相信号算出部５１２とみなせる。
【0145】
本実施形態は、第２の実施形態における光源モジュール部１１におけるＩＱコヒーレント検波器１２６（図２参照）とアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３２７（図５参照）を利用しておらず、ディジタル偏波回転補償フィルタ３２４（図５参照）も光学的偏波回転補償器３７１に代替されている。これにより、回路の製造コストを削減できる。
【0146】
（第６の実施形態）
図２３は、本発明の第６の実施形態の光源モジュール部１１である。本実施の形態は、第５の実施形態の変形であり、第５の実施形態同様に光源モジュール部１１側にＩＱコヒーレント検波器１２６は省略されている。本実施形態は、電気信号発生器１２４ａから出力される周波数Δｆｐｒのプローブ光生成信号を、乗算器１６２に入力する。ここで、本実施形態で新たに追加するディジタルＳｉｎｃ関数パルス発生器１６１から発生したＳｉｎｃ関数状波形パルス信号（図２４（ａ））と乗算させることで、図２４（ｂ）のような周波数スペクトルを有するディジタルコム信号を生成する。
図２３は、本発明の第６の実施形態の光源モジュール部１１である。本実施の形態は、第５の実施形態の変形であり、第５の実施形態同様に光源モジュール部１１側にＩＱコヒーレント検波器１２６は省略されている。本実施形態は、電気信号発生器１２４ａから出力される周波数Δｆｐｒのプローブ光生成信号を、乗算器１６２に入力する。ここで、本実施形態で新たに追加するディジタルＳｉｎｃ関数パルス発生器１６１から発生したＳｉｎｃ関数状波形パルス信号（図２４（ａ））と乗算させることで、図２４（ｂ）のような周波数スペクトルを有するディジタルコム信号を生成する。
【0147】
この電気信号は、ベクトル光変調器１２１の光ＩＱ変調器１２１ａ、１２１ｂのＩＱ両チャネルに入力されるが、Ｑチャネル側はヒルベルト変換器１４２ａでヒルベルト変換された後、光ＩＱ変調器１２１ａ、１２１ｂそれぞれに入力される。これにより、図２４（ｂ）のような櫛（コム）状のプローブ光スペクトルを得ることができる。
【0148】
第２の実施例では、ブリルアンシフト周波数ΔｆＢを検出するために、プローブ光周波数ｆｐｒを順次移動させながら誘導ブリルアン利得ＢＧ
２ないしブリルアン位相シフト量Δφｂを検出していた。それに対し、本実施例では、プローブ光Ｌ３が常時コム状のスペクトルを有するため、プローブ光周波数ｆｐｒの変更は不要となり、プローブ光周波数ｆｐｒを順次移動なしにブリルアンシフト周波数Δφｂを検出することが可能になる。
【0149】
送信側の機能追加に対応できるブリルアン散乱光検波部３１を図２５に示す。この図に示すように、第５の実施形態（図２２参照）で追加されたディジタル複素自己遅延検波回路３５２の後段に、新たにフーリエ変換器３５３を具備する。
【0150】
この出力から得られる、図２４（ｂ）のコム状スペクトル成分に対応する振幅と位相変化を検出し、誘導ブリルアン利得ＢＧ
２スペクトルとブリルアン位相シフトΔφｂスペクトルの両者を一括処理で測定させる。
【0151】
このように、本実施形態は、プローブ光Ｌ３の周波数ｆｐｒを逐次変更することなしに、一括して誘導ブリルアン利得ＢＧ
２スペクトルとブリルアン位相シフト量Δφｂスペクトル、ひいてはブリルアンシフト周波数ΔｆＢを検出できるようになる。これにより、光ファイバ温度センシング装置１の計測時間が劇的に向上する。例えば、光周波数幅１００ＭＨｚの区間において１ＭＨｚステップで計測する場合、第２から第５の実施例と比較して１００倍速の計測が可能となる。
【0152】
（第７の実施形態）
図２６は、第７の実施形態のブリルアン散乱光検波部３１の構成を示す図である。光ファイバ温度センシング装置１としての全体構成は図１と同じであり、光源モジュール部１１は図１７と同じである。本実施の形態では、ブリルアン散乱光検波部３１におけるディジタル信号処理をアナログ的な電気回路で実現した構成である。但し、本実施形態では、アナログディジタル変換器を利用しておらず、ディジタル偏波回転補償フィルタも光学的偏波回転補償器３７１に代替されている。
図２６は、第７の実施形態のブリルアン散乱光検波部３１の構成を示す図である。光ファイバ温度センシング装置１としての全体構成は図１と同じであり、光源モジュール部１１は図１７と同じである。本実施の形態では、ブリルアン散乱光検波部３１におけるディジタル信号処理をアナログ的な電気回路で実現した構成である。但し、本実施形態では、アナログディジタル変換器を利用しておらず、ディジタル偏波回転補償フィルタも光学的偏波回転補償器３７１に代替されている。
【0153】
本実施形態の光源モジュール部１１は、第３の実施形態の図１７の構成で実現される。すなわち、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４は周波数分割多重され、同一偏波で送信される。図２６を参照して、ブリルアン散乱光検波部３１の光ポート３１１には前述のプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４が、電気信号ポート３１２には光源モジュール部１１のＩＱコヒーレント検波器１２６からの出力である周波数オフセット信号Ｓ５が入力される。
【0154】
プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４は、光ポート３１１を介して光ファイバセンサ部２１で発生した偏波回転を光学的偏波回転補償器３７１で補償された後、位相ダイバーシティー光検波器３３１に入力される。本実施形態では、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の偏波回転が補償されているため、第３の実施例と異なり光検波器には偏波ダイバーシティー構成を採用しておらず、その分経済化が図られている。
【0155】
この位相ダイバーシティー光検波器３３１は、二つの光入力ポートを有しており、もう一方の光入力ポートには、局発光源であるレーザーダイオード３２２から出力されたローカル光ＬＯが入力される。この位相ダイバーシティー光検波器３３１は、ローカル光ＬＯの光周波数と光位相を基準にしたビート電気信号Ｓ１を出力する。
【0156】
ここで、位相ダイバーシティー光検波器３３１の出力ポートは３３２ａ，３３２ｂの２つが存在する。３３２ａと３３２ｂのペアにおいて、信号位相は９０度シフトしている。そのため、これら２つの信号の組み合わせにより、プローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の複素振幅が再現され、ビート電気信号Ｓ１は、ローカル光ＬＯの光周波数と光位相を基準にしたプローブ光Ｌ３ないしパイロット光Ｌ４との周波数差ないし光位相差を反映した電気信号となる。
【0157】
これらの２つの出力ポートから出力されたビート電気信号Ｓ１は、プローブ光Ｌ３に対応するプローブ光電気信号Ｓ２とパイロット光Ｌ４に対応するパイロット光電気信号Ｓ３を周波数フィルタによって分離させる。本実施例では、高域通過フィルタ３４３の出力からプローブ光電気信号Ｓ２、低域通過フィルタ３４４の出力からパイロット光電気信号Ｓ３が得られる構成になっておる。
【0158】
そのうち、パイロット光電気信号Ｓ３は、２つの出力のうちの複素振幅電気信号の虚部に相当する回路側で、極性反転回路３４５に入力され、位相共役電気信号が得られる。ここで、極性反転回路３４５に入力され位相共役電気信号に変換されるのは、プローブ光電気信号Ｓ２でも構わない。
【0159】
その上で、プローブ光電気信号Ｓ２と位相共役電気信号となったパイロット光電気信号Ｓ３が、次段の複素乗算回路３８６に入力される。これらの信号は、それぞれローカル光ＬＯとの光周波数と光位相の差に対応した電気信号周波数と位相を有している。しかし、この複素乗算回路３８６は、これらの信号からローカル光ＬＯとの光周波数と光位相の差を安定的に消去する。その結果、複素乗算回路３８６の出力は、パイロット光Ｌ４とプローブ光Ｌ３の光周波数差に相当する周波数Δｆｐｒ－Δｆｐｉの電気信号となり、且つその位相はプローブ光Ｌ３とパイロット光Ｌ４の光位相差になり、その値は、ブリルアン位相シフトΔφｂの値となる。
【0160】
ここで、複素乗算回路３８６の構成例を図２７に示す。この回路は、複素振幅電気信号の複素乗算を実現するものである。すなわち、Ｘ×Ｙ（ａ＋ｊｂ）×（ｃ＋ｊｄ）＝（ａｃ－ｂｄ）＋ｊ（ｂｃ＋ａｄ）の演算をアナログ乗算回路３６１、３６２、３６３、３６４、減算回路３６５、加算回路３６６で実現する。
【0161】
前述のように複素乗算回路３８６は、ローカル光ＬＯとの光位相差成分を除去するものの、出力される複素振幅のプローブパイロット光電気信号Ｓ４の周波数はΔｆｐｒ－Δｆｐｉである。そのため、ブリルアン位相シフトの検出のためには、直流成分を含むベースバンド帯域に変換する必要がある。
【0162】
そこで、ブリルアン散乱光検波部３１の入力ポート３１２ａと３１２ｂに入力されている複素振幅の周波数オフセット信号Ｓ５を用いる。この信号の周波数もΔｆｐｒ－Δｆｐｉである。入力ポート３１２ａと３１２ｂに接続された極性反転回路３８７に入力し、周波数オフセット信号Ｓ５に対する位相共役であるダウンコンバート信号Ｓ６を得る。
【0163】
その上で、複素振幅のプローブパイロット光電気信号Ｓ４と前述のダウンコンバート信号Ｓ６を複素乗算回路３８８に入力し、周波数Δｆｐｒ－Δｆｐｉである複素振幅のプローブパイロット光電気信号Ｓ４をベースバンド帯に下方変換する。これにより、ブリルアン位相信号Ｓ７が得られ、そこからブリルアン位相シフトΔφｂを算出することができる。
【0164】
本実施形態は、アナログディジタル変換器を利用しておらず、ディジタル偏波回転補償フィルタも光学的偏波回転補償器３７１に代替されている。これにより、回路の製造コストを削減できる。
【産業上の利用可能性】
【0165】
本発明は、建物や橋梁、災害危険個所の土壌モニタリング、航空機の振動センシングなど産業上の応用に加え、広域分布計測型地震計などの社会インフラに適用できる。
【符号の説明】
【0166】
１ 光ファイバ（温度）センシング装置
１ 光ファイバ温度センシング装置
１１ 光源モジュール部
１１１ 光源
１１２ 光アイソレータ
１１３ 光分波器
１１４ 光強度変調器
１１５ 電気パルス発生器
１１６ 偏波スクランブラ
１１７ 光ファイバ増幅器
１２２ 光ファイバ増幅器
１１８ 光フィルタ
１２３ 光フィルタ
１２１ ベクトル光変調器
１２１ａ 光ＩＱ変調器
１２１ｂ 光ＩＱ変調器
１２４ａ 電気信号発生器
１２４ｂ 電気信号発生器
１２５ａ １２５ｂ ディバイダ
１２６ ＩＱコヒーレント検波器
１４１ 周波数分割多重回路
１４２ ヒルベルト変換器
１６１ ディジタルＳｉｎｃ関数パルス発生器
１６２ 乗算器
２１ 光ファイバセンサ部
２１２ 一端
２１１ 他端
２１１ 入力ポート
２１２ 入力ポート
２１３ ２１４ 光サーキュレータ
２１４ 光サーキュレータ
２１５ センサ用光ファイバ
２１６ 光フィルタ
２１７ 光終端部
３１ ブリルアン散乱光検波部
３０１ パーソナルコンピュータ
３１１ 光ポート
３１２ 電気信号ポート
３１２ａ ３１２ｂ 入力ポート
３２０ 光学的偏波コントローラ
３２１ 偏波・位相ダイバーシティー光検波器
３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄ、３３２ａ、３３２ｂ 出力ポート
３２２ 局発光部
３２２ レーザーダイオード
３２３ アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）
３２４ ディジタル偏波回転補償フィルタ
３２５ ディジタル位相共役演算器
３２６ ディジタル複素乗算器
３２７ アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）
３２８ ディジタル位相共役演算器
３２９ ディジタル複素乗算器
３３１ 位相ダイバーシティー光検波器
３４１ 高域通過ディジタルフィルタ
３４２ 低域通過ディジタルフィルタ
３４３ 高域通過フィルタ
３４４ 低域通過フィルタ
３４５ 極性反転回路
３５１ ディジタル複素振幅電気信号発生器
３５２ ディジタル複素自己遅延検波回路
３５３ フーリエ変換器
３６１、３６２、３６３、３６４ アナログ乗算回路
３６５ 減算回路
３６６ 加算回路
３７１ 光学的偏波回転補償器
３８６ 複素乗算回路
３８７ 極性反転回路
３８８ 複素乗算回路
５０ 制御部
５００ プローブパイロット光生成部
５０２ ポンプ光生成部
５０８ 分離部
５０６ 検波部
５１０ ローカル光成分除去部
５１２ ブリルアン位相信号算出部
５１４ ブリルアン位相シフト量算出部
５１６ ブリルアンシフト周波数算出部
５１８ ルックアップテーブル
５２０ 温度推定部
Ｌ１ ポンプ光
Ｌ２ 種光
Ｌ３ プローブ光
Ｌ４ パイロット光
Ｌ５ 探査済光
ＬＯ ローカル光
Ｓ１ ビート電気信号
Ｓ１Ｘ Ｘ偏波ビート電気信号
Ｓ１Ｙ Ｙ偏波ビート電気信号
Ｓ２ プローブ光電気信号
Ｓ３ パイロット光電気信号
Ｓ４ プローブパイロット光電気信号
Ｓ５ 周波数オフセット信号
Ｓ６ ダウンコンバート信号
Ｓ７ ブリルアン位相信号
１ 光ファイバ温度センシング装置
１１ 光源モジュール部
１１１ 光源
１１２ 光アイソレータ
１１３ 光分波器
１１４ 光強度変調器
１１５ 電気パルス発生器
１１６ 偏波スクランブラ
１１７ 光ファイバ増幅器
１２２ 光ファイバ増幅器
１１８ 光フィルタ
１２３ 光フィルタ
１２１ ベクトル光変調器
１２１ａ 光ＩＱ変調器
１２１ｂ 光ＩＱ変調器
１２４ａ 電気信号発生器
１２４ｂ 電気信号発生器
１２５ａ １２５ｂ ディバイダ
１２６ ＩＱコヒーレント検波器
１４１ 周波数分割多重回路
１４２ ヒルベルト変換器
１６１ ディジタルＳｉｎｃ関数パルス発生器
１６２ 乗算器
２１ 光ファイバセンサ部
２１２ 一端
２１１ 他端
２１１ 入力ポート
２１２ 入力ポート
２１３ ２１４ 光サーキュレータ
２１４ 光サーキュレータ
２１５ センサ用光ファイバ
２１６ 光フィルタ
２１７ 光終端部
３１ ブリルアン散乱光検波部
３０１ パーソナルコンピュータ
３１１ 光ポート
３１２ 電気信号ポート
３１２ａ ３１２ｂ 入力ポート
３２０ 光学的偏波コントローラ
３２１ 偏波・位相ダイバーシティー光検波器
３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄ、３３２ａ、３３２ｂ 出力ポート
３２２ 局発光部
３２２ レーザーダイオード
３２３ アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）
３２４ ディジタル偏波回転補償フィルタ
３２５ ディジタル位相共役演算器
３２６ ディジタル複素乗算器
３２７ アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）
３２８ ディジタル位相共役演算器
３２９ ディジタル複素乗算器
３３１ 位相ダイバーシティー光検波器
３４１ 高域通過ディジタルフィルタ
３４２ 低域通過ディジタルフィルタ
３４３ 高域通過フィルタ
３４４ 低域通過フィルタ
３４５ 極性反転回路
３５１ ディジタル複素振幅電気信号発生器
３５２ ディジタル複素自己遅延検波回路
３５３ フーリエ変換器
３６１、３６２、３６３、３６４ アナログ乗算回路
３６５ 減算回路
３６６ 加算回路
３７１ 光学的偏波回転補償器
３８６ 複素乗算回路
３８７ 極性反転回路
３８８ 複素乗算回路
５０ 制御部
５００ プローブパイロット光生成部
５０２ ポンプ光生成部
５０８ 分離部
５０６ 検波部
５１０ ローカル光成分除去部
５１２ ブリルアン位相信号算出部
５１４ ブリルアン位相シフト量算出部
５１６ ブリルアンシフト周波数算出部
５１８ ルックアップテーブル
５２０ 温度推定部
Ｌ１ ポンプ光
Ｌ２ 種光
Ｌ３ プローブ光
Ｌ４ パイロット光
Ｌ５ 探査済光
ＬＯ ローカル光
Ｓ１ ビート電気信号
Ｓ１Ｘ Ｘ偏波ビート電気信号
Ｓ１Ｙ Ｙ偏波ビート電気信号
Ｓ２ プローブ光電気信号
Ｓ３ パイロット光電気信号
Ｓ４ プローブパイロット光電気信号
Ｓ５ 周波数オフセット信号
Ｓ６ ダウンコンバート信号
Ｓ７ ブリルアン位相信号
【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14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
