JP2003322588A - Reflection type method and instrument for measuring brillouin spectrum distribution - Google Patents

Reflection type method and instrument for measuring brillouin spectrum distribution

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JP2003322588A
JP2003322588A JP2002077199A JP2002077199A JP2003322588A JP 2003322588 A JP2003322588 A JP 2003322588A JP 2002077199 A JP2002077199 A JP 2002077199A JP 2002077199 A JP2002077199 A JP 2002077199A JP 2003322588 A JP2003322588 A JP 2003322588A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To highly accurately measure the positional distribution of a Brillouin spectrum with a distance resolution not larger than 1 m, without cross talk, or without increasing the width of the Brillouin spectrum intrinsic to a measured medium. <P>SOLUTION: A plurality of beams are obtained, being referred to as first and second beams, by branching an incoherent continuous oscillation beam having a line width larger than the width of the Brillouin spectrum of the measured medium. The first beam is launched from one end of the medium and a beam rearward Brillouin-scattered in the medium is made to flow together with the second beam. The confluent beam is converted into an electric signal by a photo-detector to measure the frequency and power of an electric beat signal caused by an interference of a rearward Brillouin-scattered beam included in the electric signal with the second beam. Relative delay time τ<SB>12</SB>between the first beam rearward Brillouin-scattered in the medium and the second beam or the other branched beam is changed to make the relative delay time τ<SB>12</SB>concerning the beam rearward Brillouin-scattered from a desired scatter position z<SB>0</SB>T in the medium substantially zero. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ブリルアンスペク
トルの空間的分布を測定する反射式ブリルアンスペクト
ル分布測定方法および装置に関する。特に、本発明は、
空間分解能を向上させた測定技術を提供するものであっ
て、被測定媒質の物性の空間的分布を測定可能であるば
かりでなく、被測定媒質を光ファイバなどの光導波路と
したときには、光導波路に加わった応力による歪みや、
光導波路の置かれた環境における温度などの空間的分
布、すなわち光導波路の長さに沿った分布を測定するこ
とが可能となるため、分布センサへの応用も可能であ
る。
The present invention relates to a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring method and apparatus for measuring the spatial distribution of a Brillouin spectrum. In particular, the present invention
It provides a measurement technique with improved spatial resolution, not only can measure the spatial distribution of physical properties of the medium to be measured, but also when the medium to be measured is an optical waveguide such as an optical fiber, the optical waveguide Distortion due to stress applied to
Since it is possible to measure a spatial distribution such as temperature in the environment where the optical waveguide is placed, that is, a distribution along the length of the optical waveguide, it is also possible to apply the present invention to a distribution sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】媒質にコヒーレントな単色光を入射した
とき、音響波との非線型相互作用により周波数がシフト
した後方散乱光が観測される。これをブリルアン散乱と
呼ぶ。また、この散乱光のスペクトルは、次式(1)に
示すように、ローレンツ型の形状を示す。 S b(ν) ∝ (Δνb)2 / { 4(ν−νb)2 + (Δνb)2 } (1) ここでνは、入射光とブリルアン散乱光の周波数差、ν
bは散乱光のスペクトル強度が最大となり、その中心周
波数における周波数差(ブリルアン周波数シフトと呼
ぶ)、また、Δνbはブリルアン散乱光のスペクトルの
半値全幅である。媒質が石英系光ファイバ、入射光の波
長が1.55μmの場合、νb〜11GHz、Δνb〜20MHzであ
る。
2. Description of the Related Art When coherent monochromatic light is incident on a medium, backscattered light whose frequency is shifted by nonlinear interaction with an acoustic wave is observed. This is called Brillouin scattering. Further, the spectrum of the scattered light has a Lorentzian shape as shown in the following equation (1). S b (ν) ∝ (Δν b ) 2 / {4 (ν−ν b ) 2 + (Δν b ) 2 } (1) where ν is a frequency difference between incident light and Brillouin scattered light, ν
b is the maximum intensity of the spectrum of the scattered light, the frequency difference at the center frequency (referred to as Brillouin frequency shift), and Δν b is the full width at half maximum of the spectrum of the Brillouin scattered light. When the medium is a silica-based optical fiber and the wavelength of incident light is 1.55 μm, ν b 11 GHz and Δν b 2020 MHz.

【0003】なお、上式(1)のブリルアン散乱のスペ
クトルS b(ν)は、後述するブリルアン光増幅の光周波
数特性を示すブリルアン利得スペクトルと同一のプロフ
ァイルであるため、ここでは、以後、両者ともブリルア
ンスペクトルと呼ぶこととする。
Since the Brillouin scattering spectrum S b (ν) of the above equation (1) has the same profile as a Brillouin gain spectrum indicating the optical frequency characteristic of Brillouin light amplification described later, hereafter, both will be described. Both are referred to as Brillouin spectra.

【0004】このブリルアンスペクトルは、光ファイバ
に加わった応力による歪みや、光ファイバの置かれた環
境の温度により変化することが知られている。例えば、
石英ガラスを材料とした光ファイバのブリルアン周波数
シフトνbは、歪みに対して、約500MHz / %、また温度
に対して、約1MHz / ℃の依存性を示す。したがって、
これらの空間的な変化を、すなわち光ファイバの長さに
沿ったブリルアンスペクトルの変化を検出することによ
り、光ファイバをセンサとした、歪み・温度分布測定が
実現されている。また、その測定系の空間(距離)分解
能よりも短いピッチでνbが変化している場合には、見
かけ上、ブリルアンスペクトルの半値全幅であるΔνb
が広がるため、Δνbの変化を検出することにより、歪
み・温度などの変化幅を測定することも可能となってい
る。
[0004] It is known that the Brillouin spectrum changes depending on the strain caused by the stress applied to the optical fiber and the temperature of the environment where the optical fiber is placed. For example,
The Brillouin frequency shift ν b of an optical fiber made of quartz glass exhibits a dependency of about 500 MHz /% on strain and about 1 MHz / ° C. on temperature. Therefore,
By detecting these spatial changes, that is, changes in the Brillouin spectrum along the length of the optical fiber, strain / temperature distribution measurement using the optical fiber as a sensor has been realized. When ν b changes at a pitch shorter than the spatial (distance) resolution of the measurement system, Δν b which is apparently the full width at half maximum of the Brillouin spectrum
Therefore, by detecting a change in Δν b , it is also possible to measure a change width such as strain and temperature.

【0005】これまで、光ファイバのブリルアンスペク
トルの空間的分布を測定可能な技術として、BOTDR(Bri
llouin optical time domain reflectometry:ブリルア
ン光時間領域反射測定法)またはBOTDA(Brillouin opt
ical time domain analysis:ブリルアン光時間領域解
析)が実現されている(文献[1] T. Horiguchi et a
l.,“Development of a distributed sensing techniqu
e using Brillouin scattering”, J. Lightwave Techn
ol., vol.13, no.7, pp.1296-1302, July 1995)。
As a technique capable of measuring the spatial distribution of the Brillouin spectrum of an optical fiber, BOTDR (Bri
llouin optical time domain reflectometry: Brillouin optical time domain reflectometry or BOTDA (Brillouin opt)
ical time domain analysis (Brillouin optical time domain analysis) has been realized (Ref. [1] T. Horiguchi et a)
l., “Development of a distributed sensing techniqu
e using Brillouin scattering ”, J. Lightwave Techn
ol., vol.13, no.7, pp.1296-1302, July 1995).

【0006】BOTDRは、コヒーレントな単色光の光パル
スを光ファイバに入射し、その光パルスによって発生す
る後方ブリルアン散乱光のスペクトルを、時間の関数と
して分光測定する技術である。光パルスを入射後、後方
ブリルアン散乱光が再び入射ファイバ端に戻ってくるま
での遅延時間は、そのファイバ端から、後方ブリルアン
散乱光が発生した光ファイバ中の位置までの距離に比例
するため、光ファイバの長さ方向に沿った、ブリルアン
散乱光のスペクトル分布、すなわちブリルアンスペクト
ル分布が測定可能となる。
[0006] BOTDR is a technique in which a light pulse of coherent monochromatic light is incident on an optical fiber, and the spectrum of backward Brillouin scattered light generated by the light pulse is spectroscopically measured as a function of time. After the light pulse is injected, the delay time until the back Brillouin scattered light returns to the incident fiber end is proportional to the distance from the fiber end to the position in the optical fiber where the back Brillouin scattered light is generated. The spectral distribution of Brillouin scattered light, that is, the Brillouin spectral distribution, along the length direction of the optical fiber can be measured.

【0007】また、BOTDAも同様に、コヒーレントな単
色光の光パルスを光ファイバに入射するが、BOTDAの場
合は、入射した光パルスによって発生したブリルアン利
得を利用してブリルアンスペクトルを測定する。ブリル
アン利得は、入射光パルスよりも、ブリルアン周波数シ
フトと呼ばれる量、すなわちνbだけ、周波数がシフト
した周波数の近傍のみで発生し、その利得のスペクトル
形状は、上記BOTDRで測定する後方ブリルアン散乱光の
スペクトルと同一であることが知られている。そのた
め、光ファイバの他の端から、光パルスとの周波数差が
ほぼνbのプローブ光を入射させると、プローブ光は対
向して伝搬する前記光パルスによって光増幅されるの
で、この光増幅により増加したプローブ光のパワー変化
を、光パルスとプローブ光の周波数差を変えて測定する
ことにより、ブリルアンスペクトルが測定される。
Similarly, in BOTDA, a coherent monochromatic light pulse is incident on an optical fiber. In the case of BOTDA, a Brillouin spectrum is measured using the Brillouin gain generated by the incident light pulse. Brillouin gain occurs only in the vicinity of the frequency at which the frequency is shifted by an amount called Brillouin frequency shift, that is, ν b , rather than the incident light pulse, and the spectral shape of the gain is the backward Brillouin scattered light measured by the BOTDR. Is known to be identical to the spectrum of Therefore, when probe light whose frequency difference from the optical pulse is approximately ν b is incident from the other end of the optical fiber, the probe light is optically amplified by the optical pulse propagating in the opposite direction. The Brillouin spectrum is measured by measuring the increased power change of the probe light while changing the frequency difference between the light pulse and the probe light.

【0008】光増幅されたプローブ光が、光パルス入射
ファイバ端で測定されるまでの遅延時間は、プローブ光
が光パルスとで出会い、光増幅される光ファイバ中の位
置までの距離に比例するため、プローブ光の光増幅によ
るパワー変化を、上記BOTDRのときと同様に、時間の関
数として測定することにより、光ファイバの長さ方向に
沿った、ブリルアンスペクトルの分布が測定可能とな
る。
The delay time before the optically amplified probe light is measured at the end of the optical pulse incident fiber is proportional to the distance to the position in the optical fiber where the probe light meets the optical pulse and is optically amplified. Therefore, the distribution of the Brillouin spectrum along the length direction of the optical fiber can be measured by measuring the power change due to the optical amplification of the probe light as a function of time as in the case of the BOTDR.

【0009】しかしながら、BOTDRまたはBOTDAの距離分
解能Δzrtdは光パルス幅Tで制限され、次式(2)で与
えられる。 Δzrtd = vT / 2 (2) ここでvは、光ファイバ中の光速であり、約2×108m/sで
ある。たとえば、T=1μsのとき、Δzrtd =100mとなる。
これよりも距離分解能を良くするためには、光パルス幅
Tをさらに細くし、また光信号の受信系の帯域Bを1/T以
上に広げる必要があるが、このとき、BOTDRまたはBOTDA
で検出する光信号強度は、光パルス幅Tに比例して減少
し、さらに、受信系の雑音が帯域Bの拡大とともに増加
するため、信号パワーと雑音パワーの比であるS/Nが劣
化する。
However, the distance resolution Δz rtd of BOTDR or BOTDA is limited by the optical pulse width T and is given by the following equation (2). Δz rtd = vT / 2 (2) where v is the speed of light in the optical fiber, which is about 2 × 10 8 m / s. For example, when T = 1 μs, Δz rtd = 100 m.
For better distance resolution, the light pulse width
It is necessary to further narrow T and broaden the bandwidth B of the optical signal receiving system to 1 / T or more. At this time, BOTDR or BOTDA
The optical signal intensity detected by the method decreases in proportion to the optical pulse width T, and the noise of the receiving system increases with the expansion of the band B, so that the S / N, which is the ratio between the signal power and the noise power, deteriorates. .

【0010】加えて、測定されるブリルアンスペクトル
は、光ファイバに入射する光パルスのスペクトルと上式
(1)のスペクトルとの重ね合わせ積分となるため、そ
の半値全幅は、Δνb + (2/T ) に広がる。ちなみに、
前述のように、Δνb =20MHzとすると、Δzrtd =100m,
1mのとき、それぞれ、Δνb + (2/T )=22MHz, 220MHzと
なる。すなわち、距離分解能を100mから1mに向上させた
とき、測定されるブリルアンスペクトルの半値全幅は10
倍広がり、その中心周波数であるブリルアン周波数シフ
トを精度良く測定することが困難となる。
In addition, since the measured Brillouin spectrum is a superposition integral of the spectrum of the optical pulse incident on the optical fiber and the spectrum of the above equation (1), the full width at half maximum is Δν b + (2 / T). By the way,
As described above, if Δν b = 20 MHz, Δz rtd = 100 m,
At 1 m, Δν b + (2 / T) = 22 MHz and 220 MHz, respectively. That is, when the distance resolution is improved from 100 m to 1 m, the full width at half maximum of the measured Brillouin spectrum is 10
It spreads twice, and it becomes difficult to accurately measure the Brillouin frequency shift, which is the center frequency.

【0011】さらに、ブリルアンスペクトルの半値全幅
が光パルスのスペクトルの半値全幅で殆ど決定されてし
まうため、ブリルアンスペクトルの半値全幅の変化量か
ら、Δzrtd よりも短いピッチで変化するブリルアン周
波数シフトの変化幅を測定することも困難となる。
Further, since the full width at half maximum of the Brillouin spectrum is almost determined by the full width at half maximum of the spectrum of the optical pulse, the change in the Brillouin frequency shift, which changes at a pitch shorter than Δz rtd, from the change in the full width at half maximum of the Brillouin spectrum It is also difficult to measure the width.

【0012】このような理由から、これまでのBOTDRお
よびBOTDAの距離分解能は、実効上、1m程度が限界であ
った。
For these reasons, the range resolution of BOTDR and BOTDA up to now has been practically limited to about 1 m.

【0013】これに対し、最近、位相変調(Phase Modul
ation)された連続光(Continuous Wave)を使用してブリ
ルアンスペクトルの分布を測定する方法が提案された
(文献[2] K. Hotate and T. Hasegawa,“Measurement
of Brillouin Gain Spectrum Distribution along an
Optical Fiber Using a Correlation-Based Technique
− Proposal, Experiment and Simulation −”, IEICE
TRANS. ELECTRON., vol.E83-C, no.3, pp.405-412, Ma
rch 2000)。この方法(以後、PMCW(Phase Modulation
Continuous Wave)法と略称することとする)では、被測
定光ファイバのブリルアンスペクトル幅よりも狭い発振
線幅を有するコヒーレントな連続光を所定の周波数で位
相変調し、その位相変調された連続光を2分岐し、分岐
された一方の光を周波数シフトさせてポンプ光を生成
し、そのポンプ光を光ファイバの一端から入射させる。
さらに、他方の分岐された光をプローブ光とし、そのプ
ローブ光を光ファイバの他端から入射させる。ポンプ光
とプローブ光の位相の相関は、両光が光ファイバ中で出
会う位置によって異なり、相関が高い位置では、ブリル
アン利得が大きくなり、相関が低い位置では、ブリルア
ン利得は小さくなる。
On the other hand, recently, phase modulation (Phase Modul
The method of measuring the distribution of Brillouin spectrum using the continuous wave (Continuous Wave) which has been proposed (Reference [2] K. Hotate and T. Hasegawa, “Measurement
of Brillouin Gain Spectrum Distribution along an
Optical Fiber Using a Correlation-Based Technique
− Proposal, Experiment and Simulation − ”, IEICE
TRANS. ELECTRON., Vol.E83-C, no.3, pp.405-412, Ma
rch 2000). This method (hereinafter referred to as PMCW (Phase Modulation
Continuous Wave) method), the coherent continuous light having an oscillation line width narrower than the Brillouin spectrum width of the measured optical fiber is phase-modulated at a predetermined frequency, and the phase-modulated continuous light is Pump light is generated by frequency-shifting one of the two branched light beams, and the pump light is incident from one end of the optical fiber.
Further, the other branched light is used as probe light, and the probe light is made incident from the other end of the optical fiber. The correlation between the phase of the pump light and the phase of the probe light differs depending on the position where the two lights meet in the optical fiber. The Brillouin gain increases when the correlation is high, and decreases when the correlation is low.

【0014】その相関が高い位置は周期的に複数個現れ
るが、位相変調の変調周波数fmおよび、ポンプ光とプロ
ーブ光の相対遅延時間を適当に選ぶことにより、光ファ
イバ中で一箇所のみ、相関を高くすることが可能であ
る。そこで、ポンプ光の中心周波数とプローブ光の中心
周波数の周波数差νcを、光ファイバのブリルアン周波
数シフトの近傍で掃引すると、相関が高くなる位置で、
ブリルアン利得が選択的に大きくなるため、このブリル
アン利得により光増幅されたプローブ光のパワー変化を
測定することにより、相関が高くなる位置におけるブリ
ルアンスペクトルを測定することができる。さらに、相
関が高くなる位置は、位相変調の変調周波数fmにより変
えられるため、ブリルアンスペクトルの分布測定が実現
される。
[0014] As has high correlation position appears periodically plurality, the modulation frequency f m and the phase modulation, by selecting the relative time delay of the pump light and the probe light appropriately, one point in an optical fiber only, It is possible to increase the correlation. Therefore, when the frequency difference ν c between the center frequency of the pump light and the center frequency of the probe light is swept near the Brillouin frequency shift of the optical fiber, at a position where the correlation becomes high,
Since the Brillouin gain is selectively increased, the Brillouin spectrum at the position where the correlation becomes high can be measured by measuring the power change of the probe light optically amplified by the Brillouin gain. Further, since the position where the correlation becomes high can be changed by the modulation frequency f m of the phase modulation, the distribution measurement of the Brillouin spectrum is realized.

【0015】位相変調信号を、m sin(2πfmt)とする
と、PMCW法の距離分解能は次式(3)で与えられる。 Δzrpm = (Δνb / fm) / (v / 2πmfm) (3) 一例として、v = 2×108m/s、Δνb = 20MHz、fm = 7.5
MHz、 mfm = 360MHzとすると、Δzrpm = 25cmを得る。
If the phase modulation signal is m sin (2πf m t), the distance resolution of the PMCW method is given by the following equation (3). Δz rpm = (Δν b / f m) / (v / 2πmf m) (3) As an example, v = 2 × 10 8 m / s, Δν b = 20MHz, f m = 7.5
MHz, When mf m = 360 MHz, obtain Δz rpm = 25cm.

【0016】なお、PMCW法で測定される、相関が最大と
なる点におけるブリルアンスペクトルの幅は、上記のよ
うに距離分解能を高くしても、BOTDRやBOTDAのように広
がることはない。それは、ブリルアン散乱の元となる、
ポンプ光とプローブ光のビート信号のスペクトルは、両
光の相関が最大となる位置においては広がらず、デルタ
関数状となるからである。PMCW法はこのような特長を有
するため、BOTDRやBOTDAに比べて、高距離分解能化を容
易に達成できる。
Note that the Brillouin spectrum width at the point where the correlation is maximized, measured by the PMCW method, does not spread as in BOTDR or BOTDA even if the distance resolution is increased as described above. It is the source of Brillouin scattering,
This is because the spectrum of the beat signal of the pump light and the spectrum of the beat signal of the probe light do not spread at the position where the correlation between the two lights becomes the maximum, and becomes a delta function. Since the PMCW method has such features, higher distance resolution can be easily achieved as compared with BOTDR and BOTDA.

【0017】以上のように、PMCW法は非常に優れた方法
であるが、以下に示す少なくとも3つの解決すべき課題
を有している。
As described above, the PMCW method is a very excellent method, but has at least the following three problems to be solved.

【0018】第1の課題は、分布測定におけるクロスト
ークの発生である。上記のようにポンプ光とプローブ光
の位相相関を光ファイバ中の一点において選択的に高く
できるが、その一点を除いた他の位置における位相相関
は完全にはゼロでなく、また無視できない値を有するた
め、分布測定におけるクロストークが発生し、測定位置
のブリルアンスペクトルと、漏れ込んだ他の個所のブリ
ルアンスペクトルとの区別が困難となる。
The first problem is the occurrence of crosstalk in distribution measurement. As described above, the phase correlation between the pump light and the probe light can be selectively increased at one point in the optical fiber, but the phase correlation at other positions except for the one point is not completely zero and has a value that cannot be ignored. Therefore, crosstalk occurs in the distribution measurement, and it becomes difficult to distinguish between the Brillouin spectrum at the measurement position and the Brillouin spectrum at another leaked location.

【0019】第2の課題は、ブリルアンスペクトルの周
波数軸上の拡散である。上述の説明では、PMCW法で測定
されるブリルアンスペクトルの幅は、高距離分解能測定
を行ったときにおいても広がらないとした。しかし、そ
れは、ポンプ光とプローブ光の位相相関が高くなる一点
のみであり、その位置から離れるに従い、位相相関は徐
々に低下し、それとともに両光のビートスペクトル、す
なわちそれを反映したブリルアンスペクトルは広がって
ゆく。
The second problem is spreading of the Brillouin spectrum on the frequency axis. In the above description, it is assumed that the width of the Brillouin spectrum measured by the PMCW method does not increase even when high-range resolution measurement is performed. However, it is only one point where the phase correlation between the pump light and the probe light becomes high, and as the distance from the position increases, the phase correlation gradually decreases, and the beat spectrum of both lights, that is, the Brillouin spectrum reflecting it, It spreads.

【0020】したがって、上式(3)によって定まる距
離分解能の範囲においても、ブリルアンスペクトルの幅
は一定値Δνbではなく、最大その数倍程度まで増加し
ている。ブリルアンスペクトルの中心周波数であるブリ
ルアン周波数シフトの分布を測定する応用では、このブ
リルアンスペクトルの幅の増加は問題とならない。しか
し上述した、距離分解能よりも短いピッチでブリルアン
周波数シフトνbが変化しているときに観測されるブリ
ルアンスペクトル幅Δνbの変化量を利用したセンサへ
の応用では、この位相相関が低下することによるブリル
アンスペクトル幅の増加が問題となる。
Therefore, even in the range of the distance resolution determined by the above equation (3), the width of the Brillouin spectrum is not a constant value Δν b but increases up to several times the maximum value. In an application for measuring the distribution of the Brillouin frequency shift, which is the center frequency of the Brillouin spectrum, the increase in the width of the Brillouin spectrum does not matter. However described above, by short pitch than the distance resolution application to sensor using a variation of the observed Brillouin spectrum width .DELTA..nu b when Brillouin frequency shift [nu b is changed, the phase correlation is reduced Increases the Brillouin spectrum width.

【0021】このような課題の解決法として、逆畳み込
み積分を行う方法が提案されている(前述の参考文献
[2])。すなわち、第1の課題に関しては、測定された
ブリルアンスペクトル分布に対して、光ファイバの長さ
方向に関する逆畳み込み積分を計算機を使用して行うこ
とにより、クロストークを除去する方法が提案されてい
る。また、第2の課題に関しては、測定されたブリルア
ンスペクトル分布に対して、周波数に関する逆畳み込み
積分を計算機を使用して行うことにより、本来のブリル
アンスペクトル幅を再生させる方法が提案されている。
しかしながら、このような計算機を使用した信号処理技
術は一定の効果が得られるものの、雑音などの影響を受
けた多数の測定データを使用して数値計算処理を行うた
め、処理データの発散など予期せぬ結果を得ることがあ
り、問題の本質的な解決には至っていない。
As a solution to such a problem, a method of performing deconvolution integration has been proposed (see the above-mentioned reference document).
[2]). That is, regarding the first problem, there has been proposed a method of removing crosstalk by performing deconvolution integration on the measured Brillouin spectrum distribution in the length direction of the optical fiber using a computer. . Regarding the second problem, there has been proposed a method of reproducing the original Brillouin spectrum width by performing deconvolution integration on the frequency with respect to the measured Brillouin spectrum distribution using a computer.
However, although the signal processing technology using such a computer has a certain effect, it performs numerical calculation processing using a large number of measurement data affected by noise and so on. The result may be unexpected, and the problem has not been solved.

【0022】さらに、第3の課題は、PMCW法は被測定媒
質の両端において、光を入出力する必要があることであ
る。そのため、PMCW法では、被測定媒質の経時変化を把
握するために、複数回の測定を行うときには、その測定
の度に、被測定媒質の両端において光を入出力するため
の取り付け作業を行わなければならず、著しく作業性が
劣化する。また、それ以上に重要な点は、光の入出力が
一方の端のみでしかできない被測定媒質の場合には、PM
CW法による測定が不可能となることである。
A third problem is that the PMCW method needs to input and output light at both ends of the medium to be measured. Therefore, in the PMCW method, when performing multiple measurements in order to grasp the change over time of the medium to be measured, mounting work for inputting and outputting light at both ends of the medium to be measured must be performed each time the measurement is performed. And the workability deteriorates significantly. More importantly, in the case of a medium under measurement where light input and output can be performed only at one end, the PM
This makes measurement by the CW method impossible.

【0023】[0023]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
光パルスを使用した従来のBOTDRやBOTDAでは、距離分解
能が1m程度が実効上の限界であった。また、この限界を
打ち破るものとして提案された、従来のPMCW法は、1m以
下の距離分解能が実現可能ではあるが、測定位置とその
他の位置のブリルアンスペクトルのクロストークの問題
や、被測定媒質の本来のブリルアンスペクトル幅を再生
できないという問題を、複雑な数値処理をしないと解決
できなかった。さらに、被測定媒質の両端において光を
入出力できなければならないという厳しい測定条件もあ
った。
As described above,
In conventional BOTDR and BOTDA using optical pulses, the effective resolution was about 1 m in distance resolution. In addition, the conventional PMCW method, which was proposed to overcome this limitation, can achieve a distance resolution of 1 m or less. The problem that the original Brillouin spectrum width cannot be reproduced cannot be solved without complicated numerical processing. Further, there is a strict measurement condition that light must be input and output at both ends of the medium to be measured.

【0024】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するためになされたもので、その目的は、被測定媒
質の片端において光を入出力するだけで、1m以下の距離
分解能で、クロストークがなく、かつ、被測定媒質の本
来のブリルアンスペクトル幅を広げることなく、高精度
にブリルアンスペクトルの位置に関する分布を測定する
ことができる反射式ブリルアンスペクトル分布測定方法
および装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to input and output light at one end of a medium to be measured, and to achieve a distance resolution of 1 m or less. To provide a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring method and apparatus capable of measuring distribution with respect to the position of the Brillouin spectrum with high accuracy without crosstalk and without expanding the original Brillouin spectrum width of the medium to be measured. is there.

【0025】さらに、本発明の付随する目的は、ブリル
アンスペクトルの温度あるいは歪み依存性を利用した、
光ファイバの長さ方向に沿った温度あるいは歪み分布
の、作業効率に優れ、高距離分解能で、かつ高精度な測
定が可能となるように図ることにある。
A further object of the present invention is to utilize the temperature or strain dependence of the Brillouin spectrum,
It is an object of the present invention to measure the temperature or strain distribution along the length of an optical fiber with high work efficiency, high distance resolution, and high accuracy.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、被測定媒質のブリルアンスペクトル幅
以上の広い線幅を有するインコヒーレントな連続発振光
を分岐し、それらを第1の光と第2の光などとし、被測
定媒質中で後方ブリルアン散乱された第1の光と、分岐
されたもう一方の光である第2の光との相対遅延時間を
ほぼゼロとなるように可変光遅延器などで調節してか
ら、両光を合流させ、かつ、この合流光を光検出器で検
出することにより、両光の干渉性を高めて干渉によるビ
ート電気信号のスペクトルを測定することにより、第1
の光が散乱された位置におけるブリルアンスペクトル
を、選択的に高効率に、かつ、被測定媒質の一端で光を
入出力するだけで、測定することを可能とした。
In order to achieve the above object, according to the present invention, an incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of a medium to be measured is branched and converted into a first light. And the second light, etc., and the relative delay time between the first light that is backward-Brillouin scattered in the medium to be measured and the second light that is the other branched light is variable so as to be substantially zero. After adjusting with an optical delay device, the two lights are combined, and the combined light is detected by a photodetector to enhance the coherence of both lights and measure the spectrum of the beat electric signal due to the interference. By the first
The Brillouin spectrum at the position where the light is scattered can be measured selectively and with high efficiency by simply inputting and outputting light at one end of the medium to be measured.

【0027】すなわち、本発明の請求項1の反射式ブリ
ルアンスペクトル分布測定方法は、被測定媒質のブリル
アンスペクトル幅以上の広い線幅を有するインコヒーレ
ントな連続発振光を光分岐手段により少なくとも第1の
光および第2の光に分岐し、前記第1の光を前記被測定
媒質の片端aから入射し、該入射された第1の光が該被
測定媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱され、再
び該被測定媒質の片端aに到達して該被測定媒質から出
射される第1の光と、前記第2の光とを合流させ、該合
流された光を光検出手段により検出して電気信号に変換
し、前記電気信号に含まれる、前記後方にブリルアン散
乱された第1の光と前記第2の光との干渉により発生す
るビート電気信号のパワーおよび周波数ζを測定する方
法であって、前記第1の光が前記光分岐手段から出発し
て前記被測定媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱
され、前記光検出手段に到達するまでの遅延時間τ
1と、前記第2の光が前記光分岐手段から出発して前記
光検出手段に到達するまでの遅延時間τ2との差である
相対遅延時間τ121−τ2を変化させ、該相対遅延時
間τ12をほぼゼロとすることにより、他の位置よりも前
記位置z0Tで後方に散乱されたブリルアン散乱光と前記
第2の光との干渉性を高めて、前記ビート電気信号を選
択的に測定することにより、前記位置z0Tにおけるブリ
ルアンスペクトルを測定することを特徴とする。
That is, according to the reflection type Brillouin spectrum distribution measuring method of the present invention, the incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of the medium to be measured is converted into at least the first light by the optical branching means. The first light is incident from one end a of the medium to be measured, and the incident first light is Brillouin scattering backward at a position z 0T in the medium to be measured. Then, the first light reaching the one end a of the medium to be measured again and emitted from the medium to be measured is merged with the second light, and the merged light is detected by light detecting means. A power and a frequency ビ ー ト of a beat electric signal included in the electric signal, which is generated by interference between the first light and the second light, which are Brillouin scattered backward, and which are included in the electric signal. And said It said first light starting from the light branching means is Brillouin scattered backwards position z 0T in a measurement medium, the delay time until reaching the light detecting means τ
1 and a relative delay time τ 12 = τ 1 −τ 2 which is a difference between a delay time τ 2 until the second light departs from the optical branching means and reaches the light detecting means, By making the relative delay time τ 12 substantially zero, the coherence between the Brillouin scattered light scattered backward at the position z 0T and the second light from other positions is increased, and the beat electric signal Is selectively measured to measure the Brillouin spectrum at the position z 0T .

【0028】また、本発明の請求項2の反射式ブリルア
ンスペクトル分布測定方法は、被測定媒質のブリルアン
スペクトル幅以上の広い線幅を有するインコヒーレント
な連続発振光を光分岐手段により少なくとも第1の光お
よび第2の光に分岐し、該第1の光を前記被測定媒質の
片端aから入射し、該入射された第1の光が前記被測定
媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱され、再び前
記被測定媒質の片端aに到達して被測定媒質から出射さ
れる第1の光と、前記第2の光とを合流させ、該合流さ
れた光を光検出手段により検出して電気信号に変換し、
前記電気信号に含まれる、前記後方にブリルアン散乱さ
れた第1の光と前記第2の光との干渉により発生するビ
ート電気信号のパワーおよび周波数ζを測定する方法で
あって、前記第1の光が前記光分岐手段から出発し、前
記被測定媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱さ
れ、前記光検出手段に到達するまでの遅延時間τ1と、
前記第2の光が前記光分岐手段から出発し、前記光検出
手段に到達するまでの遅延時間τ2との差である相対遅
延時間τ121−τ2を変化させ、該相対遅延時間τ12
をほぼゼロとすることにより、他の位置よりも前記位置
0Tで後方に散乱されたブリルアン散乱光と前記第2の
光との干渉性を高めて、前記ビート電気信号を選択的に
測定することにより得られるブリルアンスペクトルD
T(ζ)を測定し、さらに、前記光分岐手段により分岐さ
れた第1の光が前記被測定媒質と光学的に接続あるいは
接した参照媒質に入射され、該第1の光が前記光分岐手
段から出発して前記参照媒質中の位置z0Rで後方にブリ
ルアン散乱され、前記光検出手段に到達するまでの遅延
時間τ1Rと、前記第2の光が前記光分岐手段から出発し
て前記光検出手段に到達するまでの遅延時間τ2Rとの差
である相対遅延時間τ12R1R−τ2Rをほぼゼロとする
ことにより、他の位置よりも前記参照媒質中の位置z0R
で後方に散乱されたブリルアン散乱光と前記第2の光と
の干渉性を高めて、両光のビート電気信号を選択的に測
定することにより得られるブリルアンスペクトルDR(ζ)
を測定し、かつ前記ブリルアンスペクトルDT(ζ)と前記
ブリルアンスペクトルDR(ζ)の関係を利用して、前記位
置z0Tにおける補正されたブリルアンスペクトルを求め
ることを特徴とする。
In the reflection Brillouin spectrum distribution measuring method according to a second aspect of the present invention, the incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of the medium to be measured is converted into at least a first light by the optical branching means. The first light is incident on one end a of the medium to be measured, and the incident first light is Brillouin scattered backward at a position z 0T in the medium to be measured. Then, the first light reaching the one end a of the medium to be measured again and emitted from the medium to be measured is merged with the second light, and the merged light is detected by light detection means. Convert to electrical signals,
A method for measuring a power and a frequency ビ ー ト of a beat electric signal included in the electric signal, the beat electric signal being generated by interference between the first light and the second light that have been Brillouin scattered backward, wherein the first The light departs from the light branching means, is Brillouin scattered backward at the position z 0T in the medium to be measured, and has a delay time τ 1 until it reaches the light detecting means,
The relative delay time τ 12 = τ 1 −τ 2 , which is a difference from the delay time τ 2 from the time when the second light departs from the optical branching means and reaches the light detecting means, is changed. Time τ 12
Is substantially zero, thereby increasing the coherence between the Brillouin scattered light scattered backward at the position z 0T and the second light from other positions, and selectively measuring the beat electric signal. Brillouin spectrum D obtained by
T (ζ) is measured, and the first light branched by the light branching means is incident on a reference medium optically connected or in contact with the medium to be measured, and the first light is separated by the light branching. Brillouin scattering backward at a position z 0R in the reference medium starting from the means, a delay time τ 1R until reaching the light detecting means, and the second light starting from the light branching means and By making the relative delay time τ 12R = τ 1R −τ 2R , which is the difference from the delay time τ 2R until the light reaches the light detecting means, substantially zero, the position z 0R in the reference medium is higher than the other positions.
The Brillouin spectrum D R (ζ) obtained by increasing the coherence between the Brillouin scattered light scattered backward and the second light and selectively measuring the beat electric signal of both lights.
And a corrected Brillouin spectrum at the position z 0T is obtained using the relationship between the Brillouin spectrum D T (ζ) and the Brillouin spectrum D R (ζ).

【0029】また、本発明の請求項3の反射式ブリルア
ンスペクトル分布測定装置は、被測定媒質のブリルアン
スペクトル幅以上の広い線幅を有するインコヒーレント
な連続発振光を出力する光源と、該連続発振光を分岐し
て少なくとも第1の光と第2の光を出力する光分岐手段
と、該第1の光を前記被測定媒質中に入射させる第1の
光学的手段と、前記被測定媒質中で後方にブリルアン散
乱されて該被測定媒質から出力する前記第1の光の少な
くとも一部を取り出す第2の光学的手段と、該第2の光
学的手段により取り出された後方にブリルアン散乱され
た第1の光と、前記第2の光とを合流させる光合流手段
と、該光合流手段によって合流した合流光を電気信号に
変える光検出手段と、前記電気信号を入力信号として、
前記後方ブリルアン散乱された第1の光と前記第2の光
との干渉により発生するビート電気信号を通過させるフ
ィルタと、該フィルタを通過したビート電気信号のパワ
ーと周波数ζとを測定する測定手段と、前記第1の光が
前記光分岐手段から出発して、前記被測定媒質中の位置
0Tで後方にブリルアン散乱され、前記光検出手段に到
達するまでの遅延時間τ1と、前記第2の光が前記光分
岐手段から出発して、前記光検出手段に到達するまでの
遅延時間τ2との差である相対遅延時間τ121−τ2
変化させる可変光遅延手段とを備え、かつ、前記相対遅
延時間τ12がほぼゼロとなる前記位置z0Tを前記可変光
遅延手段により変化させて、前記被測定媒質のブリルア
ンスペクトル分布を測定することを特徴とする。
A reflection type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus according to a third aspect of the present invention comprises: a light source for outputting incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of a medium to be measured; Light branching means for splitting light to output at least a first light and a second light; first optical means for causing the first light to enter the medium to be measured; Second optical means for extracting at least a part of the first light output from the medium to be Brillouin scattered backward by the second optical means, and Brillouin scattered backward extracted by the second optical means A light converging unit that converges the first light and the second light, a light detecting unit that converts the converged light merged by the light merging unit into an electric signal, and the electric signal as an input signal,
A filter for passing a beat electric signal generated by interference between the first light and the second light that have been subjected to the backward Brillouin scattering, and a measuring means for measuring the power and frequency の of the beat electric signal that has passed through the filter And a delay time τ 1 until the first light starts from the light branching unit, is Brillouin scattered backward at a position z 0T in the measured medium, and reaches the light detection unit, A variable optical delay unit that changes a relative delay time τ 12 = τ 1 −τ 2 which is a difference from a delay time τ 2 until the light of No. 2 departs from the optical branching unit and reaches the light detection unit; And measuring the Brillouin spectrum distribution of the medium to be measured by changing the position z 0T at which the relative delay time τ 12 becomes substantially zero by the variable optical delay means.

【0030】また、本発明の請求項4の反射式ブリルア
ンスペクトル分布測定装置は、被測定媒質のブリルアン
スペクトル幅以上の広い線幅を有するインコヒーレント
な連続発振光を出力する光源と、該連続発振光を分岐し
て少なくとも第1の光と第2の光を出力する光分岐手段
と、前記被測定媒質と光学的に接続されたまたは接した
参照媒質と、前記第1の光を前記被測定媒質中および前
記参照媒質に入射させる第1の光学的手段と、前記被測
定媒質中および前記参照媒質中で前記後方にブリルアン
散乱された第1の光の少なくとも一部を取り出す第2の
光学的手段と、前記被測定媒質で後方に散乱されたブリ
ルアン散乱光と前記参照媒質で後方に散乱されたブリル
アン散乱光とをそれぞれ前記第2の光に合流させる光合
流手段と、該光合流手段により合流した合流光を電気信
号に変える光検出手段と、前記電気信号が入力され、前
記被測定媒質中および前記参照媒質中で前記後方にブリ
ルアン散乱された第1の光と、前記第2の光との干渉に
より発生するビート電気信号を通過させて出力するフィ
ルタと、前記フィルタを通過したビート電気信号のパワ
ーと周波数ζを測定する測定手段と、前記第1の光が前
記光分岐手段から出発して前記被測定媒質中の位置z0T
で後方にブリルアン散乱され、前記光検出手段に到達す
るまでの遅延時間τ1と前記第2の光が前記光分岐手段
から出発して前記光検出手段に到達するまでの遅延時間
τ2との差である相対遅延時間τ12 1−τ2を変化さ
せ、また、前記第1の光が前記光分岐手段から出発して
前記参照媒質中の位置z0Rで後方にブリルアン散乱さ
れ、前記光検出手段に到達するまでの遅延時間τ1Rと前
記第2の光が前記光分岐手段から出発して前記光検出手
段に到達するまでの遅延時間τ2Rとの差である相対遅延
時間τ12R1R−τ2Rを調整する、少なくとも1つは可
変光遅延手段である1つまたは複数の光遅延手段と、前
記可変光遅延手段により前記被測定媒質中からの後方ブ
リルアン散乱光に関わる前記相対遅延時間τ12がほぼゼ
ロとなる前記位置z0Tを変化させ、また、前記光遅延手
段により前記参照媒質中からの後方ブリルアン散乱光に
関わる相対遅延時間τ12Rを前記位置z0Rでほぼゼロと
することにより、前記被測定媒質中の位置z0Tおよび前
記参照媒質中の位置 z0Rにおいて、それぞれの前記相
対遅延時間τ12およびτ12Rをほぼゼロとしたときのブ
リルアンスペクトルを測定し、測定した該ブリルアンス
ペクトルのそれぞれをDT(ζ)およびDR(ζ)としたとき、
該DT(ζ)とDR(ζ)の関係を利用して、前記位置z0Tにお
ける補正されたブリルアンスペクトルを求めるデータ処
理手段とを有することを特徴とする。
The reflection type briller according to claim 4 of the present invention.
The spectral distribution measuring device uses the Brillouin
Incoherent with a line width wider than the spectral width
A light source that outputs a continuous wave light,
Optical branching means for outputting at least a first light and a second light
And optically connected to or in contact with the medium to be measured
A reference medium and the first light in and before the medium to be measured.
First optical means for entering the reference medium;
Brillouin behind in the constant medium and in the reference medium
A second extracting at least a portion of the scattered first light
Optical means, and a blister scattered backward by the medium to be measured.
Luang scattered light and brill scattered back by the reference medium
Optical combining for combining the unscattered light and the second light respectively
And a converging light which is merged by the optical converging means.
Signal, and the electric signal is inputted,
The rearward blow in the measured medium and the reference medium
The interference between the first light that has been scattered by Luang and the second light
A filter that passes and outputs a beat electrical signal
Filter and the power of the beat electrical signal passing through the filter.
Measuring means for measuring the frequency and frequency ζ, and the first light
Starting from the optical branching means, the position z in the medium to be measured0T
Brillouin scattering backwards and reaches the light detecting means
Delay time τ1And the second light is the light splitting means.
Delay time from departure to reaching the light detection means
τTwoRelative delay time τ12= τ 1−τTwoChanged
And the first light starts from the light splitting means.
Position z in the reference medium0RBrillouin scattered backward by
And a delay time τ until the light reaches the light detecting means.1RAnd before
The second light starts from the light branching means and the light detection means
Delay time τ to reach the stage2RRelative delay which is the difference between
Time τ12R= τ1R−τ2RAdjust, at least one is acceptable
One or more optical delay means which are variable delay means;
The rear optical path from the medium to be measured is changed by the variable optical delay means.
The relative delay time τ related to Lilouin scattered light12But almost
The position z which becomes b0TAnd the optical delay hand
Steps to convert back Brillouin scattered light from within the reference medium
Relative delay time τ involved12RAt the position z0RWith almost zero
By doing so, the position z in the medium to be measured0TAnd before
Position z in the reference medium0RIn each of the above phases
Delay time τ12And τ12RIs almost zero.
The rilluan spectrum was measured, and the measured Brilliance was measured.
D for each of the vectorsT(ζ) and DR(ζ),
The DT(ζ) and DRUsing the relationship (ζ), the position z0TIn
Data processing to obtain a corrected Brillouin spectrum
And a control means.

【0031】ここで、好ましくは、請求項4の構成にお
いて、前記光分岐手段からの一方の出力光である前記第
1の光を分岐するための第2の光分岐手段と、該第2の
光分岐手段の一方の出力光を入力としてその入力された
光の遅延量を変化させて出力する遅延量可変の第2の可
変光遅延手段と、該第2の可変光遅延手段より遅延量を
変化させた光を入力としてその入力された光を周波数f
SD1の変調信号で変調して出力する第1の光変調手段
と、前記第2の光分岐手段の他方の出力光を入力として
該入力された光の遅延量を変化させて出力する遅延量可
変の第3の可変光遅延手段と、該第3の可変光遅延手段
により遅延量を変化させた光を入力としてその入力され
た光を周波数fSD2 (≠ fSD1)の変調信号で変調して出力
する第2の光変調手段と、前記第1の光変調手段の出力
光と前記第2の光変調手段の出力光とを合流して再び第
1の光として出力する第2の光合流手段と、該第2の光
合流手段で合流された該第1の光を前記参照媒質および
前記被測定媒質に導くとともにそれらの媒質中で後方に
ブリルアン散乱された光を取り出すための光学手段であ
る第3の光分岐手段とを更に有し、前記測定手段には、
前記周波数fSD1, fSD2の同期信号に同期して前記ビー
ト電気信号のパワーを測定する同期検波受信器を含む。
Preferably, in the configuration of claim 4, a second light branching means for branching the first light, which is one of the output lights from the light branching means, and the second light branching means. A second variable optical delay unit having a variable delay amount, which receives one output light of the optical branching unit as an input and changes and outputs a delay amount of the input light, and a delay amount by the second variable optical delay unit. The changed light is used as an input and the input light is used as the frequency f
A first light modulating means for modulating and outputting the modulated light with the modulation signal of SD1 , and a variable delay amount for changing the delay amount of the inputted light with the other output light of the second optical branching means as an input and outputting the same; The third variable optical delay means and the light whose delay amount has been changed by the third variable optical delay means are input, and the input light is modulated by a modulation signal having a frequency f SD2 (≠ f SD1 ). A second light modulating means for outputting, and a second light merging means for merging the output light of the first light modulating means and the output light of the second light modulating means and outputting the same as the first light again. And optical means for guiding the first light combined by the second light combining means to the reference medium and the medium to be measured, and extracting light Brillouin scattered backward in the medium. And a third optical branching unit, wherein the measuring unit includes:
A synchronous detection receiver for measuring the power of the beat electric signal in synchronization with the synchronous signals of the frequencies f SD1 and f SD2 is included.

【0032】また、この好ましくは、請求項3の構成に
おいて、前記第1の光を周波数fSDの変調信号で変調す
る光変調手段を更に有し、前記測定手段には、前記周波
数fSD の同期信号に同期して前記ビート電気信号のパ
ワーを測定する同期検波受信器を含む。
Further, this is preferably in the configuration of claim 3, wherein the first further comprising a light modulating means for modulating at a frequency f SD of the modulation signal light, the said measuring means, of the frequency f SD A synchronous detection receiver for measuring the power of the beat electric signal in synchronization with the synchronous signal is included.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】(発明の原理と作用)本発明の具
体的な実施形態を説明する前に、本発明の理解を容易に
するために、本発明の原理および作用を、図面を用いて
以下に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Principle and Operation of the Invention) Before describing a specific embodiment of the present invention, the principle and operation of the present invention will be described with reference to the drawings to facilitate understanding of the present invention. This is described below.

【0034】本発明では、前述したように、被測定媒質
のブリルアンスペクトル幅以上の広い線幅を有するイン
コヒーレントな連続発振光を使用するが、その原理の理
解を容易にするために、はじめに、連続発振光として単
色光を使用したときの光ファイバ中の後方ブリルアン散
乱について説明する。また、その後方ブリルアン散乱を
連続発振光と合流させ、その干渉に基づくビート電気信
号について説明する。この説明は、本発明の基本となる
図1、図2、および図3の構成を用いて行うこととす
る。図1、図2、および図3は、本発明で基本となる、
後方ブリルアン散乱光によるビート電気信号を得るため
の構成の第1例、第2例、および第3例を説明する図で
ある。図1の符号17は後述の第2の光を反射する反射
ミラーである。
In the present invention, as described above, incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of the medium to be measured is used. Back Brillouin scattering in an optical fiber when monochromatic light is used as continuous wave light will be described. Further, the backward Brillouin scattering is combined with the continuous wave light, and a beat electric signal based on the interference will be described. This description will be made using the configurations shown in FIGS. 1, 2 and 3 which are the basis of the present invention. 1, 2 and 3 are the basis of the present invention,
FIG. 9 is a diagram illustrating a first example, a second example, and a third example of a configuration for obtaining a beat electric signal by backward Brillouin scattered light. Reference numeral 17 in FIG. 1 is a reflection mirror that reflects a second light described later.

【0035】これら図1、図2、図3の構成に示すよう
に、光源1からの出力光を光分岐器2で分岐し、分岐さ
れたその1つである第1の光を、被測定媒体5である光
ファイバの一端から入射する。また、光の伝搬方向は、
z軸で表す。第1の光は周波数F、伝搬定数はKの単色光
であり、+z方向に伝搬しているものとすると、その電界
は、E1 exp[ i (2πFt - Kz )]で表される。今、光ファ
イバ5中には、非常に広い帯域にわたった音響波が熱的
に励起されており、その中の1つの成分の周波数を、F-
f、速度をVaとすると、 K + k = 2π(F-f ) / Va (4) の位相整合条件を満足する、周波数がf、伝搬定数がk、
伝搬方向方向が−z方向の散乱光、EBS exp[ i (2πf t
+k z )]が効率的に発生する。これをブリルアン散乱と
言う。
As shown in the configurations of FIGS. 1, 2 and 3, the output light from the light source 1 is split by the optical splitter 2, and one of the split first light is measured. The light enters from one end of the optical fiber as the medium 5. The light propagation direction is
Expressed on the z-axis. The first light is monochromatic light having a frequency F and a propagation constant K, and assuming that the light propagates in the + z direction, the electric field is represented by E 1 exp [i (2πFt−Kz)]. Now, an acoustic wave over a very wide band is thermally excited in the optical fiber 5, and the frequency of one of the components is changed to F-
f, when the speed is V a, K + k = 2π (Ff) / V a satisfies the phase matching condition (4), the frequency is f, SIZE propagation constant k,
Scattered light whose propagation direction is −z direction, E BS exp [i (2πf t
+ kz)] occurs efficiently. This is called Brillouin scattering.

【0036】また、上式(4)を満足する周波数差、F-
fをνbとすると、これをブリルアン周波数シフトと呼称
する。このブリルアン散乱は、以下のように解釈でき
る。
The frequency difference satisfying the above equation (4), F−
If f is ν b , this is called a Brillouin frequency shift. This Brillouin scattering can be interpreted as follows.

【0037】すなわち、周波数がνbである音響波は光
弾性効果により、光ファイバの屈折率をその長さ方向に
変調するため、第1の光と同じ方向(+z方向)に進み、
かつそのピッチがVabである回折格子を光ファイバ
中に形成する。この移動する回折格子により、周波数F
の第1の光の一部は、周波数νb =F-fだけドップラーシ
フトを受けて後方散乱され、周波数fの光となる。
That is, the acoustic wave having a frequency of ν b modulates the refractive index of the optical fiber in its length direction by the photoelastic effect, and therefore travels in the same direction (+ z direction) as the first light.
And the pitch to form a diffraction grating is V a / ν b in the optical fiber. Due to this moving grating, the frequency F
Is subjected to a Doppler shift by the frequency ν b = Ff and is backscattered to become light of the frequency f.

【0038】この後方ブリルアン散乱光を、図1、図
2、図3の構成が示すように、分岐された他の光である
第2の光と合流させ、これを光検出器7で検出すること
を考える。後方ブリルアン散乱光は上述のように周波数
がνbだけシフトされたものであるので、光検出器7の
出力には、周波数がνbのビート電気信号が観測され、
そのパワーは、第1の光および第2の光のパワーの積
の、|E12 |E22、に比例する。
The backward Brillouin scattered light is combined with the second light, which is another branched light, as shown in the configurations of FIGS. Think about it. Since the backward Brillouin scattered light has a frequency shifted by ν b as described above, a beat electric signal having a frequency of ν b is observed at the output of the photodetector 7,
The power is proportional to | E 1 | 2 | E 2 | 2 , which is the product of the powers of the first light and the second light.

【0039】実際には、音響波の減衰により、後方ブリ
ルアン散乱のパワースペクトル密度は、F-νbを中心と
した±Δνb / 2の光周波数範囲で大きくなるので、上
述のビート電気信号のパワースペクトル密度PB(ζ)は、
次式(5)で与えられるローレンツ型を示す。 PB(ζ) = H (Δνb)2 / { 4 (ζ-νb )2 + (Δνb)2 } (5) ここでζは、ビート電気信号の周波数である。Hは、検
出系の感度や前述の第1の光および第2の光のパワーに
比例した係数であり、ζ=νb、のときのPB(ζ)のピーク
値を表す。また、Δνbは前述したようにブリルアンス
ペクトルの半値全幅である。上式(5)は、ζ= F-f =
νとすると、ブリルアンスペクトルを表す上式(1)
と、比例係数を除き、一致する。そこで、ここでは、上
述のビート電気信号のパワースペクトル密度PB(ζ)もブ
リルアンスペクトルと呼ぶこととする。また、既に説明
したように、光ファイバが石英ガラス製のとき、光源の
波長を1.55μmとすると、νbはほぼ11GHz、Δνbはほぼ
20MHz、である。
In practice, the power spectrum density of the backward Brillouin scattering increases in the optical frequency range of ± Δν b / 2 around F-ν b due to the attenuation of the acoustic wave. The power spectral density P B (ζ) is
The Lorentz type given by the following equation (5) is shown. P B (ζ) = H (Δν b ) 2 / {4 (ζ−ν b ) 2 + (Δν b ) 2 } (5) where ζ is the frequency of the beat electric signal. H is a coefficient proportional to the sensitivity of the detection system and the power of the first light and the second light, and represents a peak value of P B (ζ) when と き = ν b . Δν b is the full width at half maximum of the Brillouin spectrum as described above. The above equation (5) is given by ζ = Ff =
Assuming that ν, the above equation (1) representing the Brillouin spectrum
With the exception of the proportionality coefficient. Therefore, here, the power spectral density P B (ζ) of the beat electric signal described above is also referred to as a Brillouin spectrum. Further, as already described, when the optical fiber is made of silica glass, and the wavelength of the light source and 1.55 .mu.m, [nu b is approximately 11 GHz, .DELTA..nu b almost
20 MHz.

【0040】次に、以上説明した単色光を使用したとき
のブリルアン散乱の理論を基にして、本発明によるとこ
ろの、被測定媒質のブリルアンスペクトル幅Δνb以上
の広い線幅を有するインコヒーレントな連続発振光を使
用したときのブリルアン散乱について説明する。今、本
発明で使用する連続発振光のスペクトルの一例を、図4
に示す。ここで第1の光と第2の光はともに同一の連続
発振光源1から得たものであり、そのスペクトルの中心
周波数、および、半値全幅はともに、それぞれ、Fc
および、ΔνS ( >Δνb) とする。
Next, based on the theory of Brillouin scattering when monochromatic light described above is used, an incoherent light having a wide line width equal to or larger than the Brillouin spectrum width Δν b of the medium to be measured according to the present invention is described. Brillouin scattering when using continuous wave light will be described. Now, an example of the spectrum of the continuous wave light used in the present invention is shown in FIG.
Shown in Here, the first light and the second light are both obtained from the same continuous wave light source 1, and the center frequency and the full width at half maximum of the spectrum are respectively Fc ,
And Δν S (> Δν b ).

【0041】まず、第1の光の周波数Fの電界成分E1(F
)だけについて考える。このときは、単色光の場合と同
様に考えることができるため、F-f =νbのとき、E1(F )
の一部は、周波数がνbの音響波により、周波数fの後方
ブリルアン散乱光に変換される。またその電界成分EBS
(f )は、次式のようにE1(F )に比例する。 EBS (f ) ∝ E1(F ) ∝ ELS(F ) (6.1) f = F-νb (6.2) ここで、ELS(F )は、第1の光と第2の光のもととなっ
た光源の出力光の電界成分である。
First, the electric field component E 1 (F
Think only about). In this case, since it can be considered as in the case of the monochromatic light, when Ff = ν b, E 1 ( F)
Is converted into backward Brillouin scattered light of frequency f by an acoustic wave of frequency ν b . The electric field component E BS
(f) is proportional to E 1 (F) as in the following equation. E BS (f) ∝E 1 (F) ∝E LS (F) (6.1) f = F−ν b (6.2) where E LS (F) is the first light and the second light Is the electric field component of the output light of the light source from which the light was generated.

【0042】上式(6.1)と(6.2)は、第1の光
の全ての周波数成分に対して成立するので、後方ブリル
アン散乱光のスペクトルは、図4に示したように、第1
の光の周波数を、−νbだけシフトしたものと見なせる
(実際には、音響波の減衰により、図4の破線で示した
ように、Δνbだけスペクトルは広がるが、簡単のた
め、この広がりは省略して説明する)。この後方ブリル
アン散乱光と、第1の光と同一のスペクトルを有する第
2の光(その周波数Fの電界成分をE2(F )とする)を合
流させ、光検出器7で電気信号に変換すると、両者のビ
ート電気信号が観測される。
Since the above equations (6.1) and (6.2) hold for all the frequency components of the first light, the spectrum of the backward Brillouin scattered light is as shown in FIG. First
Can be considered to have shifted the frequency of the light by −ν b (actually, the spectrum spreads by Δν b as shown by the broken line in FIG. 4 due to the attenuation of the acoustic wave. Will be omitted.) The backward Brillouin scattered light and the second light having the same spectrum as the first light (the electric field component of the frequency F is E 2 (F)) are combined, and converted into an electric signal by the photodetector 7. Then, both beat electric signals are observed.

【0043】上記の説明から分かるように、両光のスペ
クトルとも、ΔνS の広がりを持つため、周波数ζのビ
ート電気信号のパワースペクトル密度PB(ζ)は、νb
中心周波数とし、幅は約2ΔνS の非常に広いものとな
る。
As can be understood from the above description, since the spectra of both lights have a spread of Δν S , the power spectral density P B (ζ) of the beat electric signal having the frequency 、 has a center frequency of ν b and a width of Is very wide, about 2Δν S.

【0044】ビート電気信号の全電力PBTは次式(7)
で与えられる。 PBT =∫PB(ζ)dζ ∝|∫E2(F ) dF ∫EBS (f )* df |2 ∝ (|E12|E22/|ELS4) |∫|ELS(F )|2 dF|2 =|E12|E22 (7) ただし、 |E12 = ∫|E1(F )|2 dF (8.1) |E22 = ∫|E2(F )|2 dF (8.2) |ELS2 = ∫|ELS(F )|2 dF (8.3) とする。
The total power P BT of the beat electric signal is given by the following equation (7).
Given by P BT = ∫P B (ζ) dζ α | ∫E 2 (F) dF ∫E BS (f) * df | 2 α (| E 1 | 2 | E 2 | 2 / | E LS | 4) | ∫ | E LS (F) | 2 dF | 2 = | E 1 | 2 | E 2 | 2 (7) However, | E 1 | 2 = ∫ | E 1 (F) | 2 dF (8.1) | E 2 | 2 = ∫ | E 2 (F) | 2 dF (8.2) | E LS | 2 = ∫ | E LS (F) | 2 dF (8.3).

【0045】また、上式(7)の導出に当っては、光源
の出力光の異なる周波数成分は互いに独立であることを
利用した。上式(7)から分かるように、ビート電気信
号の全電力は、第1の光の全パワー|E12と第2の光
の全パワー|E22の積に比例しており、これは単色光
の場合と同じである。しかし、そのスペクトルは、前述
の通り、約2ΔνS であり、単色光のときのΔνbに比較
して非常に広がっている。そのため、パワースペクトル
密度は単色光の場合の約Δνb / (2ΔνS)倍に低下す
る。ちなみに、Δνb = 20MHz、2ΔνS = 2GHz、を想定
すると、この値は、1/100となる。
In deriving the above equation (7), the fact that different frequency components of the output light of the light source are independent of each other is used. As can be seen from the above equation (7), the total power of the beat electric signal is proportional to the product of the total power | E 1 | 2 of the first light and the total power | E 2 | 2 of the second light. This is the same as for monochromatic light. However, as described above, the spectrum is about 2Δν S, which is much wider than Δν b for monochromatic light. Therefore, the power spectrum density is reduced to about Δν b / (2Δν S ) times that of the case of monochromatic light. Incidentally, assuming that Δν b = 20 MHz and 2Δν S = 2 GHz, this value is 1/100.

【0046】さらに、以上のビート電気信号のスペクト
ルは、光ファイバ中で後方にブリルアン散乱される位置
に依存せずに得られる。この特徴は、次に説明するが、
別のビート電気信号のスペクトルの特徴と大きく異な
り、後に明らかになるように本発明において重要な特徴
の1つである。
Further, the spectrum of the beat electric signal described above can be obtained without depending on the position where the Brillouin scattering occurs backward in the optical fiber. This feature is explained next,
Significantly different from the spectral features of another beat electrical signal, and as will become apparent, is one of the important features of the present invention.

【0047】以上のパワースペクトル密度PB(ζ)(これ
をPBI(ζ)または、単にPBIとする)を導出するにあた
り、第1の光および第2の光は、同一の光源1の出力光
を分岐して得たものであるとした。しかし、実際には、
上記の導出過程からも分かるように、第1の光と第2の
光を、独立な別の光源から得た場合でも、PBI(ζ)につ
いては同一の結果を得ることができる。実は、本発明の
ように、第1の光と第2の光を同一の光源から得ている
場合には、上記PBIに加え、新たなパワースペクトル密
度PBIIが現れるのである。このパワースペクトル密度P
BIIの源は、同一の周波数を持つ、複数のビート電気信
号の各位相が揃って重なることにより、大きな振幅のビ
ート電気信号が形成されることによるものである。
In deriving the above power spectrum density P B (ζ) (this is referred to as P BI (ζ) or simply P BI ), the first light and the second light are generated by the same light source 1 It was assumed that the output light was obtained by branching. But in fact,
As can be seen from the above derivation process, the same result can be obtained for P BI (ζ) even when the first light and the second light are obtained from different independent light sources. In fact, as in the present invention, if they obtain the first light and the second light from the same light source, in addition to the above P BI, it appear a new power spectral density P BII. This power spectral density P
The source of BII is due to the fact that beat electric signals having a large amplitude are formed when the phases of a plurality of beat electric signals having the same frequency are aligned and overlapped.

【0048】今、先に、PBIを導出したときと同様に、
その電界成分EBS (f )が上式(6)で表される後方ブリ
ルアン散乱光と、電界成分E2(F )がE2(F ) ∝E1(F )で
ある第2の光との干渉によって、光検出器出力に現れる
ビート電気信号を考える。今、F-f=νbの関係を満たす
両光の成分によって光検出器の出力に発生する複数のビ
ート電気信号に着目する。後方ブリルアン散乱光は、第
1の光が光ファイバ中でブリルアン散乱されたものであ
り、またその第1の光と、第2の光は同一光源から得ら
れたものである。したがって、後方ブリルアン散乱光の
本来のスペクトル幅Δνbを無視すると、後方ブリルア
ン散乱光と第2の光はお互いの周波数をνbだけシフト
させただけのものと見なすことが可能であるので、第1
の光が光分岐器2から出発して光ファイバを伝搬し、あ
る位置(以後、この位置を位置z0 Tと呼ぶ)で後方にブ
リルアン散乱され、第2の光と合流して光検出器で電気
信号に変換されるまでの遅延時間τ1と、第2の光が光
分岐器2から出発して後方ブリルアン散乱光と合流して
光検出器7で電気信号に変換されるまでの遅延時間τ2
との差である、相対遅延時間τ121−τ2がゼロとな
るときには、後方ブリルアン散乱光と第2の光の各周波
数成分間の位相は同期している。
Now, as in the case where PBI was first derived,
The backward Brillouin scattered light whose electric field component E BS (f) is expressed by the above equation (6) and the second light whose electric field component E 2 (F) is E 2 (F) ∝E 1 (F) Consider the beat electrical signal that appears at the photodetector output due to the interference of Now, attention is paid to a plurality of beat electrical signal generated at the output of the photodetector by both light components of which satisfy the relationship of Ff = ν b. The backward Brillouin scattered light is the first light obtained by Brillouin scattering in the optical fiber, and the first light and the second light are obtained from the same light source. Therefore, ignoring the original spectrum width Δν b of the backward Brillouin scattered light, the backward Brillouin scattered light and the second light can be regarded as those obtained by shifting each other's frequency by ν b . 1
Light propagates through the optical fiber starting from the optical splitter 2 and is Brillouin-scattered backward at a certain position (hereinafter, this position is referred to as position z 0 T ), and merges with the second light to form a photodetector. in delays between the delay time tau 1 until it is converted into an electric signal, until converted into an electrical signal by a photodetector 7 by the second light starting from the optical splitter 2 joins the backward Brillouin scattered light Time τ 2
When the relative delay time τ 12 = τ 1 −τ 2 , which is the difference from the above, becomes zero, the phases between the frequency components of the backward Brillouin scattered light and the second light are synchronized.

【0049】なお、ここで、ブリルアン散乱するとき
の、音響波との相互作用時に受ける位相変化にも注意す
る必要がある。しかし、今、本発明で着目して使用す
る、第1の光の全ての波と相互作用する音響波は、独立
して多数存在する中の、周波数ν bの音響波だけである
ため、全ての波は共通の位相シフトを受けるに過ぎな
い。したがって、光検出器出力に現れる、周波数νb
複数のビート電気信号は、位相が全て揃って重なり、そ
の振幅は大きくなることが分かる。このように重なり合
った周波数νbのビート電気信号のパワーは、以下の式
(9)に比例する。 |∫E2(F ) EBS* (F−νb ) d F|2 ∝ | E1 E2 {∫|ELS(F)|2dF /|ELS2 }|2 = |E12|E22 (9)
Here, when Brillouin scattering is performed,
Also note the phase change that occurs when interacting with acoustic waves.
Need to be However, the present invention is focused on and used in the present invention.
Acoustic waves that interact with all waves of the first light
Frequency ν bOnly acoustic waves
Therefore, all waves only experience a common phase shift
No. Therefore, the frequency ν, which appears at the photodetector output,bof
A plurality of beat electric signals overlap in phase with each other.
It can be seen that the amplitude of Like this
Frequency νbThe power of the beat electrical signal is given by the following equation
It is proportional to (9).     | ∫ETwo(F) EBS* (F−νb ) d F |Two       ∝ | E1 ETwo {∫ | ELS(F) |TwodF / | ELS|Two } |Two        = | E1|Two| ETwo|Two                                    (9)

【0050】すなわち、周波数νbのビート電気信号の
パワーは、前述のPBIの場合のように減少することな
く、単色光の場合と同じものが得られる。そのパワース
ペクトル密度(以後、前述のPBI(ζ)と区別するため、P
BII(ζ)、または単にPBIIと記す)も単色光の場合と同
じとなる。ただし、注意すべきは、以上の周波数νb
ビート電気信号のパワーは、前述の相対遅延時間τ12
ゼロとなる光ファイバ中の位置z0Tで後方にブリルアン
散乱された光に対してのみ実現されることである。位置
z0Tから、距離zだけ離れた位置で第1の光が後方ブリル
アン散乱された場合には、周波数の違いから、第2の光
と後方ブリルアン散乱光との位相差は、次式(10)と
なる。 2π(F−Fc )z /v + 2π(f−fc )z /v = 2π(F−Fc )(2z /v ) (10) ここで、vは、光ファイバ中の光速である。この位相差
を考慮すると、上式(9)は以下の式(11)のように
修正される。
That is, the power of the beat electric signal of the frequency ν b is the same as that of the monochromatic light without being reduced as in the case of the above-mentioned PBI . The power spectrum density (hereinafter, P BI (ζ)
BII (ζ) or simply PBII ) is the same as in the case of monochromatic light. However, it should be noted that the power of the beat electric signal of the above frequency ν b is only for the light Brillouin scattered backward at the position z 0T in the optical fiber where the relative delay time τ 12 becomes zero. It is to be realized. position
If the first light is backward-Brillouin-scattered at a distance z from z 0T , the phase difference between the second light and the backward Brillouin-scattered light is given by the following equation (10) due to the difference in frequency. Becomes 2π (F-F c) z / v + 2π (f-f c) z / v = 2π (F-F c) (2z / v) (10) where, v is the velocity of light in the optical fiber . In consideration of this phase difference, the above equation (9) is modified as the following equation (11).

【0051】 |∫E2(F ) EBS* (F−νb) exp[ i 2π(F−Fc )(2z /v ) ] d F|2 ∝ | E1 E2 {∫|ELS(F )|2 exp[ i 2π(F−Fc )(2z /v) ] dF /|ELS2 }|2 = |E12|E22 |γ(2z /v )|2 (11) ここで、 γ(2z /v ) = ∫|ELS(F )|2 exp[ i 2π(F−Fc )(2z /v ) ] dF / |ELS2 (12) は、干渉計測などにおいて重要な役割を果たす光源の干
渉性を表す関数、コヒーレンス関数と一致する。すなわ
ち、周波数νbのビート電気信号の振幅の大きさは、光
源1のコヒーレンス関数に比例することが分かった。
| ∫E 2 (F) E BS * (F−ν b ) exp [i 2π (F−F c ) (2z / v)] d F | 2 || E 1 E 2 {∫ | E LS (F) | 2 exp [i 2π (F-F c) (2z / v)] dF / | E LS | 2} | 2 = | E 1 | 2 | E 2 | 2 | γ (2z / v) | 2 (11) where, γ (2z / v) = ∫ | E LS (F) | 2 exp [i 2π (F-F c) (2z / v)] dF / | E LS | 2 (12) is , A function representing the coherence of the light source, which plays an important role in interferometry and the like, and a coherence function. That is, it was found that the magnitude of the amplitude of the beat electric signal having the frequency ν b is proportional to the coherence function of the light source 1.

【0052】一般に、|γ(2z /v )|2は、z = 0のと
き、1であり、|z|が大きくなるにつれ急速にゼロに
近付くという性質を有する。すなわち、相対遅延時間τ
12をゼロとしたときのビート電気信号のパワーは、単色
光使用時と同じく大きな値となるが、それが得られる位
置は、相対遅延時間τ12がゼロとなる光ファイバ中の後
方ブリルアン散乱の位置z0Tの近傍に限られることがわ
かる。本発明は、この特徴を積極的に活用し、後方ブリ
ルアン散乱された第1の光と、分岐された他方の光であ
る第2の光の相対遅延時間τ12を可変光遅延器を使用し
て変化させることにより、光ファイバ中の任意の位置の
ブリルアンスペクトルを測定する。このとき、PBIによ
るブリルアンスペクトルも重畳されて測定されるが、前
述のように、PBIによるブリルアンスペクトルは非常に
広帯域であり、ビート電気信号の周波数の違いによるパ
ワー変化は少ないため、測定されるブリルアンスペクト
ルから、PBIIに基づくものだけを抽出することは比較的
容易である。
In general, | γ (2z / v) | 2 is 1 when z = 0, and has a property of rapidly approaching zero as | z | increases. That is, the relative delay time τ
The power of the beat electric signal when 12 is set to zero is a large value as in the case of using monochromatic light, but the position where it is obtained is due to the backward Brillouin scattering in the optical fiber where the relative delay time τ 12 becomes zero. It can be seen that it is limited to the vicinity of the position z0T . The present invention positively utilizes this characteristic, and uses a variable optical delay device to set the relative delay time τ 12 between the first light subjected to the backward Brillouin scattering and the second light which is the other branched light. To change the Brillouin spectrum at an arbitrary position in the optical fiber. At this time, the Brillouin spectrum by P BI is also determined are superimposed, as described above, the Brillouin spectrum by P BI is very wide band, because power change is small due to the frequency of the beat electrical signals difference is measured It is relatively easy to extract only those based on PBII from the Brillouin spectrum.

【0053】以上、詳細な計算過程は省略して、本発明
の原理のエッセンスのみを説明した。しかし、線幅の広
い光源を使用するために、上記後方ブリルアン散乱光の
周波数と第2の光の周波数との組み合わせは多数あり、
一見、上述したPBIおよびPBI I以外のビート電気信号ス
ペクトルも存在するかのように考えられる。そこで、本
願の発明者らは厳密な解析を行い、それ以外の大きなビ
ート電気信号スペクトルは存在しないことを明らかにす
るとともに、本発明によるブリルアンスペクトル分布測
定方法および装置において、単位長の光ファイバから後
方にブリルアン散乱された光を、第2の光と干渉させた
ときに得られるビート電気信号のパワースペクトル密度
を表す、以下の簡潔な式(13.1)、(13.2)を
導いた。 PBI(ζ,z ) = H (Δνb+ 2ΔνS) (Δνb) / {4 (ζ−νb)2 + (Δνb+ 2Δ νS)2 } (13.1) PBII (ζ,z ) = H|γ(2z /v )|2 (Δνb)2 / { 4(ζ−νb)2 + (Δνb)2 } (13.2) ここで、Hは、第1および第2の光のパワー、光検出器
などの感度に比例した係数である。また、式中のブリル
アン周波数シフトνbは、前述したように、歪みまたは
温度などにより変化するため、明示的には書いていない
が、位置zの関数である。
The detailed calculation process has been omitted, and only the essence of the principle of the present invention has been described. However, in order to use a light source having a large line width, there are many combinations of the frequency of the backward Brillouin scattered light and the frequency of the second light,
At first glance, it is considered that there exists a beat electric signal spectrum other than the PBI and PBI I described above. Therefore, the inventors of the present application performed a strict analysis and revealed that there was no other large beat electric signal spectrum, and in the Brillouin spectrum distribution measuring method and apparatus according to the present invention, a unit length optical fiber was used. The following simple equations (13.1) and (13.2) representing the power spectral density of the beat electrical signal obtained when the backward Brillouin-scattered light interferes with the second light were derived. . P BI (ζ, z) = H (Δν b + 2Δν S ) (Δν b ) / {4 (ζ−ν b ) 2 + (Δν b + 2Δν S ) 2 } (13.1) P BII (ζ , z) = H | γ (2z / v) | 2 (Δν b ) 2 / {4 (ζ−ν b ) 2 + (Δν b ) 2 } (13.2) where H is the first and It is a coefficient proportional to the power of the second light and the sensitivity of the photodetector and the like. As described above, the Brillouin frequency shift ν b in the equation varies depending on strain or temperature, and is thus not explicitly written, but is a function of the position z.

【0054】なお、光源のスペクトル形状を、半値全幅
がΔνSのローレンツ型とすると、次式(14)とな
る。 |γ(2z /v )|2 = exp{−2πΔνS|2z /v|} (14) 前述したように、位置z0T(z = 0)では|γ|2 = 1で
あるが、z0Tから離れるにしたがい急速にゼロに近付
く。そこで、|γ|2 = 0.5となるz0Tの両側の点間の距
離を、本発明の分布測定における距離分解能Δzrとする
と、Δzrは次式(15)で与えられる(図5を参照)。 Δzr = 0.11 v /ΔνS (15) 上式(13.1)、(13.2)が示すように、本発明
による測定法では、後方ブリルアン散乱光と第2の光の
干渉による2種類のスペクトル PBI と PBIIが測定さ
れる。両スペクトルともスペクトルアナライザ等を使用
することにより測定可能である。
When the spectrum shape of the light source is a Lorentzian shape having a full width at half maximum of Δν S , the following equation (14) is obtained. | Γ (2z / v) | 2 = exp {−2πΔν S | 2z / v |} (14) As described above, at the position z 0T (z = 0), | γ | 2 = 1, but z 0T It approaches zero rapidly as you move away from it. Therefore, assuming that the distance between the points on both sides of z 0T where | γ | 2 = 0.5 is the distance resolution Δz r in the distribution measurement of the present invention, Δz r is given by the following equation (15) (see FIG. 5). ). Δz r = 0.11 v / Δν S (15) As shown in the above equations (13.1) and (13.2), in the measurement method according to the present invention, two types of interference are caused by the back Brillouin scattered light and the interference of the second light. Spectrums PBI and PBII are measured. Both spectra can be measured by using a spectrum analyzer or the like.

【0055】上式(13.1)が示すように、スペクト
ルPBI(ζ,z ) は光ファイバの長さ方向のどの位置でも
ほぼ同じである。その帯域は非常に広く、Δνb+ 2Δν
Sである。ビート周波数ζがνbのとき、スペクトルP
BI(ζ,z )は最大値をとるが、その値は、光源の線幅が
ブリルアンスペクトル幅に対して無視できるときの値H
の、Δνb / (Δνb+ 2ΔνS)倍に低下している。な
お、この係数 Δνb / (Δνb+ 2ΔνS)は、先の本発
明のエッセンスの説明時には、Δνb / (2ΔνS) であ
るとしており、違いがある。この違いは、厳密な解析で
は、音響波の減衰によるスペクトルの広がり、Δνb
を考慮していることに起因する。
As shown in the above equation (13.1), the spectrum P BI (ζ, z) is almost the same at any position in the length direction of the optical fiber. Its band is very wide, Δν b + 2Δν
S. When the beat frequency ζ is ν b, the spectrum P
BI (ζ, z) takes the maximum value, which is the value H when the line width of the light source is negligible with respect to the Brillouin spectrum width.
Δν b / (Δν b + 2Δν S ) times that of Note that this coefficient Δν b / (Δν b + 2Δν S ) is different from Δv b / (2Δν S ) in the description of the essence of the present invention. In the rigorous analysis, this difference is due to the spread of the spectrum due to the attenuation of the acoustic wave, Δν b
Is considered.

【0056】さて、以上のPBI(ζ,z )に対して、上式
(13.2)が示すように、スペクトルPBII(ζ,z )
は、第1の光による後方ブリルアン散乱光と第2の光と
の相対遅延時間τ12がゼロとなる散乱の位置z0Tとその
近傍のみで、大きな値をとり、その最大値は、Hと一致
する。その他の位置では、z0Tから離れるにつれ、式
(14)に従い、指数関数状に急速にゼロに近付く。こ
の様子を図5に示す。図5には、相対遅延時間τ12がゼ
ロとなる位置z0Tにおけるブリルアンスペクトル(a)と、
z0Tから徐々に離れた位置におけるブリルアンスペクト
ル(b)(c)(d)を示している。
Now, for the above P BI (ζ, z), the spectrum P BII (ζ, z) is obtained as shown by the above equation (13.2).
Takes a large value only at and near the scattering position z 0T where the relative delay time τ 12 between the backward Brillouin scattered light by the first light and the second light is zero, and the maximum value is H Matches. At other positions, it approaches exponentially rapidly to zero as it moves away from z 0T according to equation (14). This is shown in FIG. FIG. 5 shows a Brillouin spectrum (a) at a position z 0T where the relative delay time τ 12 is zero,
9 shows Brillouin spectra (b), (c), and (d) at positions gradually away from z 0T .

【0057】以上の本発明により観測されるブリルアン
スペクトルPBII(ζ,z )と比較するために、図6に、PMC
W法で得られるブリルアン利得のスペクトルを示す。図
6では、位相変調され、かつ周波数シフトされた2つの
光の相関が最大となる位置z0 pm におけるブリルアン利
得のスペクトル(a)と、z0pmから徐々に離れた位置にお
けるブリルアン利得のスペクトル(b)(c)(d)を示してい
る。スペクトルを示す図の横軸は、PMCW法で使われるポ
ンプ光の中心周波数とプローブ光の中心周波数の周波数
差νcを示している。
For comparison with the Brillouin spectrum P BII (ζ, z) observed according to the present invention, FIG.
4 shows a spectrum of Brillouin gain obtained by the W method. In FIG. 6, the spectrum (a) of the Brillouin gain at a position z 0 pm where the correlation between the phase-modulated and frequency-shifted two lights is maximum, and the spectrum of the Brillouin gain at a position gradually distant from z 0pm ( (b), (c) and (d) are shown. The horizontal axis of shows the spectrum shows the frequency difference [nu c of the center frequency of the center frequency and the probe light of the pump light used in PMCW method.

【0058】図6から、確かに、PMCW法においても、位
置z0pmにおいて、最大利得g0が得られ、その他の位置に
おける利得はg0よりも小さくなることがわかる。しか
し、z0 pmから徐々に離れたとき、PMCW法のブリルアン利
得は、離れる距離に比例して緩慢に減少する(文献[2]
を参照)。
FIG. 6 clearly shows that the maximum gain g 0 is obtained at the position z 0pm even in the PMCW method, and the gains at other positions are smaller than g 0 . However, when gradually away from z 0 pm, Brillouin gain PMCW method decreases slowly in proportion to the distance away (Ref
See).

【0059】一方、本発明のPBII(ζ,z )は、上式(1
4)に従い、z0Tから離れるにつれて指数関数状に急速
に減少する。これは、本発明が、PMCW法よりもクロスト
ーク特性において格段に優れていることを示している。
On the other hand, P BII (ζ, z) of the present invention is obtained by the above formula (1)
According to 4), it decreases exponentially as it moves away from z0T . This indicates that the present invention is much better in crosstalk characteristics than the PMCW method.

【0060】さらに、図5と図6の比較から分かるよう
に、PBII(ζ,z )のスペクトル形状は、半値全幅がΔνb
のローレンツ型で、位置に依存しないが、PMCW法の利得
のスペクトル形状は位置に依存し、その半値全幅は、z
0pm からの距離にほぼ比例して増加する。これは、被
測定光ファイバの本来のブリルアンスペクトル形状を変
形することなく測定するという点において、本発明は、
PMCW法に勝っていることを示している。
Further, as can be seen from a comparison between FIG. 5 and FIG. 6, the spectrum shape of P BII (ζ, z) has a full width at half maximum Δν b.
Is Lorentz-type and does not depend on the position, but the spectral shape of the gain of the PMCW method depends on the position, and its full width at half maximum is z
It increases almost in proportion to the distance from 0pm . This is that the present invention measures in that the original Brillouin spectrum shape of the measured optical fiber is measured without deformation.
It shows that it is superior to the PMCW method.

【0061】したがって、本発明では、このようなビー
ト電気信号のスペクトルの特徴を活用し、後方ブリルア
ン散乱された第1の光と、分岐された他方の光である第
2の光の相対遅延時間τ12を可変光遅延器(図7〜図9
の符号3を参照)を使用して変化させることにより、光
ファイバ中の任意の位置のブリルアンスペクトルを正確
に、かつ、光ファイバの片端で光を入出力させるだけで
測定することが可能になるように構成している。また、
そのときの距離分解能は上式(15)で与えられる。
Therefore, in the present invention, the relative delay time between the first light subjected to the backward Brillouin scattering and the second light which is the other branched light is utilized by utilizing the characteristic of the spectrum of the beat electric signal. τ 12 is a variable optical delay (FIGS. 7 to 9)
Of the optical fiber, it is possible to accurately measure the Brillouin spectrum at an arbitrary position in the optical fiber and to input and output light at one end of the optical fiber. It is configured as follows. Also,
The distance resolution at that time is given by the above equation (15).

【0062】実際には、図5から分かるように、本発明
では、PBI(ζ,z )による信号、DI (ζ)= C1∫PBI(ζ,z
) dzと、PBII(ζ,z )による信号、DII (ζ)= C1∫PBII
(ζ,z) dzの和、D (ζ)= DI (ζ)+ DII(ζ)が測定され
る(ここでC1は比例係数)。したがって、被測定媒質の
本来のブリルアンスペクトルを測定するためには、DI I
(ζ)をD (ζ)から分離、抽出しなければならないことが
わかる。しかし、上式(13.1)、(13.2)が示
唆するように、ΔνS > Δνb とした場合には、ζの
違いに対するDI (ζ)の変化は非常に緩やかであるのに
比べ、DII (ζ)は急峻な峰上の変化を示す。すなわち、
DII (ζ)が大きな値をとるζの範囲においては、DI
(ζ)はほぼ一定とみなすことが可能となるので、全体の
信号D (ζ)から、その一定値を差し引くことにより、D
II (ζ)のみを抽出することが可能である。また、ζの
違いに対するDI (ζ)の変化が緩やかではあるが無視で
きない場合でも、それを、DII (ζ)が大きな値をとるζ
の範囲以外のデータから、適当なζに関する近似関数を
得て、その近似関数を基に、DII (ζ)が大きな値をとる
ζの範囲におけるDII (ζ)の推定値を得ることは可能で
ある。
Actually, as can be seen from FIG. 5, in the present invention, a signal based on P BI (ζ, z), D I (ζ) = C 1 ∫P BI (ζ, z
) dz and P BII (ζ, z) signal, D II (ζ) = C 1 ∫P BII
The sum of (ζ, z) dz, D (ζ) = D I (ζ) + D II (ζ), is measured (where C 1 is the proportionality factor). Therefore, in order to measure the original Brillouin spectrum of the medium to be measured, D I I
It can be seen that (ζ) must be separated and extracted from D (ζ). However, as suggested by the above equations (13.1) and (13.2), when Δν S > Δν b , the change of D I (ζ) with respect to the difference of ζ is very slow. D II (ζ) shows a steep peak change. That is,
In the range of ζ where D II (ζ) takes a large value, D I
(ζ) can be regarded as almost constant, so by subtracting that constant value from the entire signal D (ζ),
It is possible to extract only II (ζ). Further, even when the change of D I (ζ) with respect to the difference of ζ is gradual but not negligible, D II (ζ) takes a large value.
It is possible to obtain an approximate function for ζ from data outside the range of, and to obtain an estimated value of D II (ζ) in the range of ζ where D II (ζ) takes a large value based on the approximate function. It is possible.

【0063】そこで、全体の信号D (ζ)から、その推定
値を差し引くことにより、DII (ζ)のみを抽出すること
が可能となる。これらの信号処理は、DIb) < DII
b)または、DIb)〜 DIIb)のときには容易に
実行可能である。
Therefore, by subtracting the estimated value from the entire signal D (ζ), only D II (全体) can be extracted. These signal processings are based on D Ib ) <D II
b ) or D Ib ) to D IIb ).

【0064】しかし、パワースペクトル密度PBI(ζ,z )
は、PBII(ζ,z )の最大値に比べて小さいと言えども、
光ファイバの全長にわたってほぼ同じ値をとるため、光
ファイバが長い場合には、その長さについての積分値で
あるDIが大きくなり、DI b ) >> DIIb) とな
る。このときには、前述のような信号処理では誤差が非
常に大きくなる。
However, the power spectral density PBI(ζ, z)
Is PBIIAlthough it is smaller than the maximum value of (ζ, z),
Since the value is almost the same over the entire length of the optical fiber,
If the fiber is long, the integral over that length
A DIBecomes larger and DI (ν b ) >> DII (νb)
You. At this time, the error is not detected in the signal processing as described above.
Always grow.

【0065】そこで、本発明では、後述の図8、図9で
示すように、被測定光ファイバ5と、ブリルアンスペク
トルが既知である参照媒質11とを光学的に接続して測
定を行う。このとき、被測定媒質5中の点で後方ブリル
アン散乱された第1の光と、分岐された他方の光である
第2の光の相対遅延時間τ12をゼロとなるようにしたと
きの測定信号をD T (ζ)とし、参照媒質11中の点で後
方ブリルアン散乱された第1の光と分岐された他方の光
である第2の光の相対遅延時間τ12Rをゼロとなるよう
にしたときの測定信号をD R (ζ)としたとき、それらD
T (ζ)、D R (ζ)は次式(16)、(17)で与えられ
る。 D T (ζ)= DITR (ζ)+ C1T PBII(ζ,z )dz (16) D R (ζ)= C2 [DITR (ζ)+ C1R PBII(ζ,z )dz ] (17) ここで、 DITR(ζ) = C1T PBI(ζ,z)dz + C1R PBI(ζ,z )dz (18) である。また、∫T および∫R は、それぞれ、被測定
光ファイバ区間および参照媒質区間における積分を表
す。C2は、D T (ζ)およびD R (ζ)とを測定するときの
測定系の違いを較正するための比例係数である。同一測
定系のときは、C2 =1、である。
Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 8 and 9 described later, measurement is performed by optically connecting the optical fiber 5 to be measured and the reference medium 11 having a known Brillouin spectrum. At this time, the measurement is performed when the relative delay time τ 12 between the first light that is backward-Brillouin scattered at a point in the medium 5 to be measured and the second light that is the other branched light is set to zero. The signal is set to D T (ζ), and the relative delay time τ 12R of the first light that is backward-Brillouin-scattered at a point in the reference medium 11 and the second light that is the other branched light is set to zero. When the measured signal at this time is D R (ζ),
T (ζ) and D R (ζ) are given by the following equations (16) and (17). D T (ζ) = D ITR (ζ) + C 1T P BII (ζ, z) dz (16) D R (ζ) = C 2 [D ITR (ζ) + C 1R P BII (ζ , z) dz] (17) where it is D ITR (ζ) = C 1 ∫ T P BI (ζ, z) dz + C 1 ∫ R P BI (ζ, z) dz (18). Also, ∫ T and ∫ R each represent an integration of the measured optical fiber section and the reference medium segment. C 2 is a proportional coefficient for calibrating the difference between the measurement systems when measuring D T (ζ) and D R (ζ). In the case of the same measurement system, C 2 = 1.

【0066】上式(16)、(17)から、次式(1
9)を得る。 D DIF (ζ) = D T (ζ)−[D R (ζ) / C2 ] = C1T PBII(ζ,z )dz − C1R PBII(ζ,z )dz (19) C2は、予め求めておくことが可能なため、上式(19)
における、D T (ζ)−[DR (ζ) / C2 ]の計算処理は容
易に可能である。また、参照媒質のブリルアンスペクト
ルは既知であるので、上式(19)の右辺第2項 C1R
PBII(ζ,z )dzは容易に得られる。特に、参照媒質に、
測定する周波数の範囲で、後方ブリルアン散乱光のパワ
ーが無視可能なほど小さな媒質を使用する場合には、上
式(19)の右辺第2項はゼロとみなせるので、D T
(ζ)−[D R (ζ) / C2 ]の計算処理は更に簡単になる。
このような参照媒質としては、空気や、被測定光ファイ
バと材料あるいは材料成分比が異なる光ファイバなどが
使用可能である。光ファイバへ光を入射する端5−aと
反対側の端5−bの先が、空気となっていることが明確
な場合は、その空気となっている区間が、以上説明した
参照媒質とみなせば良い。
From the above equations (16) and (17), the following equation (1)
9) is obtained. D DIF (ζ) = D T (ζ) - [D R (ζ) / C 2] = C 1 ∫ T P BII (ζ, z) dz - C 1 ∫ R P BII (ζ, z) dz (19 Since C 2 can be obtained in advance, the above equation (19)
, The calculation process of D T (−) − [D R (/) / C 2 ] can be easily performed. Also, since the Brillouin spectrum of the reference medium is known, the second term C 1R on the right side of the above equation (19)
P BII (ζ, z) dz is easily obtained. In particular, the reference medium
In the range of the measurement frequency, when the power of the backward Brillouin scattered light using a negligibly small medium, since the second term of the equation (19) can be regarded as zero, D T
The calculation process of (ζ) − [D R ( 2 ) / C 2 ] is further simplified.
As such a reference medium, air, an optical fiber having a different material or material component ratio from the measured optical fiber, or the like can be used. If it is clear that the tip of the end 5-b opposite to the end 5-a from which light is incident on the optical fiber is air, the section where the air is located is the same as the reference medium described above. You should consider it.

【0067】このようにして、本発明では、パワースペ
クトル密度PBI(ζ,z )の影響を受けることなく、D T
(ζ)およびD R (ζ)と上式(19)の関係を使用するこ
とにより、被測定光ファイバのブリルアンスペクトルで
ある、C1T PBII(ζ,z )dzを測定することが可能とな
る。さらに同様にして、第1の光が後方ブリルアン散乱
された光と第2の光の相対遅延時間がゼロとなる被測定
光ファイバ中の散乱位置を変化させた測定を繰り返すこ
とにより、被測定光ファイバのブリルアンスペクトルの
分布の測定が可能となる。
As described above, according to the present invention, D T is not affected by the power spectral density P BI (ζ, z).
(zeta) and by using the relation of the equation (19) and D R (zeta), be measured is a Brillouin spectrum of the optical fiber to be measured, a C 1 ∫ T P BII (ζ , z) dz It becomes possible. Further, similarly, the measurement is performed by changing the scattering position in the optical fiber to be measured in which the relative delay time between the first light and the second light is Brillouin-scattered backward and the second light is zero. The distribution of the Brillouin spectrum of the fiber can be measured.

【0068】以下、図面を参照して本発明の実施の形態
を詳細に説明する。 (第1の実施の形態)図7に、本発明の第1の実施形態
である反射式ブリルアンスペクトル分布測定装置の構成
を示す。この反射式ブリルアンスペクトル分布測定装置
は、光源1と、光分岐器2と、光変調器10と、可変光
遅延器3と、被測定媒質5と、光分岐器6と、光検出器
7と、フィルタ8と、同期検波受信器9とを有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 7 shows a configuration of a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. This reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus includes a light source 1, an optical splitter 2, an optical modulator 10, a variable optical delay unit 3, a medium to be measured 5, an optical splitter 6, a photodetector 7, , A filter 8 and a synchronous detection receiver 9.

【0069】光源1は、被測定媒質5のブリルアンスペ
クトル幅以上の広い線幅を有するインコヒーレントな連
続発振光を出力する。光分岐器2は、光源1からの出力
光を分岐して、第1の光と第2の光などを出力する。光
変調器10は、その第1の光を周波数fSDの変調信号で
変調する。遅延量可変の可変光遅延器3は、上記第2の
光を入力とし、その遅延量を変化させて出力する。光分
岐器6は、上記第1の光が被測定媒質5の片端5−aか
ら入射されてその被測定媒質5中で後方にブリルアン散
乱された光と、遅延量を変化させた第2の光とを合流さ
せる。光検出器7は、光分岐器6から出力される合流光
を電気信号に変換する。フィルタ8は、その電気信号か
ら、上記後方ブリルアン散乱光と上記遅延量を変化させ
た第2の光との干渉に基づくビート電気信号を選択して
通過させる。同期検波受信器9は周波数fSDの同期信号
に同期して、そのビート電気信号のパワーを測定する。
The light source 1 outputs incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of the medium 5 to be measured. The optical splitter 2 splits output light from the light source 1 and outputs first light, second light, and the like. The optical modulator 10 modulates the first light at the frequency f SD of the modulated signal. The variable optical delay device 3 having a variable delay amount receives the second light as input, changes the delay amount, and outputs the changed light. The optical splitter 6 is configured such that the first light is incident from one end 5-a of the measured medium 5 and is Brillouin scattered backward in the measured medium 5 and a second light whose delay amount is changed. Merge with light. The photodetector 7 converts the combined light output from the optical splitter 6 into an electric signal. The filter 8 selects and passes a beat electric signal based on the interference between the backward Brillouin scattered light and the second light having the delayed amount changed from the electric signal. Synchronous detection receiver 9 in synchronism with the frequency f SD of the synchronization signal, measures the power of the beat electrical signals.

【0070】光源1には、発光ダイオード、スーパール
ミネッセントダイオード、光増幅媒質から出力される自
然放出光を利用したASE(Amplified Spontaneous Emissi
on)光源、あるいは、それらの光源の出力光を所望の帯
域の光フィルタで切り出した連続発振光源などが使用で
きる。また、線幅の広い半導体レーザなども光源1とし
て使用可能である。
The light source 1 includes an ASE (Amplified Spontaneous Emissi
on) A light source, or a continuous wave light source obtained by cutting out the output light of the light source with an optical filter of a desired band can be used. Also, a semiconductor laser having a wide line width can be used as the light source 1.

【0071】可変光遅延器3は、後方ブリルアン散乱さ
れた第1の光と分岐された他方の光である第2の光の相
対遅延時間τ12をゼロとなるように設定可能とするもの
である。可変光遅延器3として、微調用のものは、反射
ミラーあるいはプリズム反射器と移動光学ステージの組
み合わせなどにより実現できる。また、可変光遅延器3
として、粗調用のものは、長さの異なる複数の光ファイ
バを光スイッチで切り替える方式のものなどが使用可能
である。
The variable optical delay device 3 enables the relative delay time τ 12 of the first light subjected to backward Brillouin scattering and the second light, which is the other light branched, to be set to zero. is there. The variable optical delay device 3 for fine adjustment can be realized by a combination of a reflection mirror or a prism reflector and a moving optical stage. In addition, the variable optical delay unit 3
As a coarse adjustment type, a type in which a plurality of optical fibers having different lengths are switched by an optical switch can be used.

【0072】光検出器7は、後方ブリルアン散乱光と上
記第2の光との干渉に基づくビート電気信号を得るため
のものである。ビート電気信号の周波数は、ほぼブリル
アン周波数シフトνbであり、被測定媒質5が石英系光
ファイバの場合には、νb〜11GHzであるので、光検出器
7には、非常に周波数が高い信号を受信可能なフォトダ
イオードなどを使用する。
The photodetector 7 is for obtaining a beat electric signal based on the interference between the backward Brillouin scattered light and the second light. The frequency of the beat electric signal is substantially Brillouin frequency shift ν b , and when the medium to be measured 5 is a silica-based optical fiber, the frequency is ν b 1111 GHz, so that the photodetector 7 has a very high frequency. Use a photodiode that can receive signals.

【0073】フィルタ8は、上記ビート電気信号を選択
して通過させるものであり、その通過周波数を可変とす
ることにより、ブリルアンスペクトルの周波数を測定す
ることが可能となる。
The filter 8 is for selectively passing the beat electric signal, and by making the passing frequency variable, the frequency of the Brillouin spectrum can be measured.

【0074】光変調器10は、第1の光により後方ブリ
ルアン散乱された光を同期検波するために、第1の光ま
たは後方ブリルアン散乱された光を光強度変調、あるい
は光位相変調するものであり、変調周波数fSDが低い場
合には、機械式チョッパによる光強度変調器や、圧電素
子に光ファイバを巻きつけた光位相変調器などが使用で
きる。また、変調周波数fSDが高い場合には、音響光学
的光変調器やリチウムニオベート結晶などを使用した電
界効果型光変調器が光変調器10として使用できる。
The optical modulator 10 modulates the light intensity or the phase of the first light or the light Brillouin scattered backward to perform synchronous detection of the light Brillouin scattered backward by the first light. If the modulation frequency fSD is low, an optical intensity modulator using a mechanical chopper or an optical phase modulator in which an optical fiber is wound around a piezoelectric element can be used. When the modulation frequency f SD is high, an acousto-optic light modulator or a field-effect light modulator using a lithium niobate crystal can be used as the light modulator 10.

【0075】光分岐器6には、光パワースプリッタの他
に、光サーキュレータ、あるいは、波長の異なる光を分
離して出力する光分波器などが使用可能である。
As the optical splitter 6, in addition to the optical power splitter, an optical circulator or an optical demultiplexer for separating and outputting lights having different wavelengths can be used.

【0076】また、上述のフィルタ8と同期検波受信器
9を一体化した測定装置として、スペクトラムアナライ
ザなどが使用可能である。
A spectrum analyzer or the like can be used as a measuring device integrating the filter 8 and the synchronous detection receiver 9 described above.

【0077】なお、本発明の実施形態における被測定媒
質5が光ファイバの場合には、前述したように、歪みや
温度の分布計測が可能となるが、本発明の測定対象は光
ファイバに限定されないことは言うまでも無い。これに
ついては、以降、説明する本発明の種々の実施形態につ
いても同様である。
When the medium 5 to be measured in the embodiment of the present invention is an optical fiber, strain and temperature distribution can be measured as described above. Needless to say, it will not be done. This is the same for various embodiments of the present invention described below.

【0078】このようにして構成した本発明の第1の実
施形態では、光源1の出力光を光分岐器2によって分岐
し、被測定媒質5に入射される第1の光と、被測定媒質
5からの後方ブリルアン散乱と干渉させるための第2の
光を得る。第1の光の一部が被測定媒質5中で後方にブ
リルアン散乱され、その後方ブリルアン散乱光は、光分
岐器2によって光源1からの出力光と分離されて、光分
岐器6に導かれる。
In the first embodiment of the present invention configured as described above, the output light of the light source 1 is split by the optical splitter 2, and the first light incident on the medium to be measured 5 and the medium to be measured Obtain a second light to interfere with backward Brillouin scattering from 5. A part of the first light is Brillouin scattered backward in the medium 5 to be measured, and the backward Brillouin scattered light is separated from the output light from the light source 1 by the optical splitter 2 and guided to the optical splitter 6. .

【0079】一方、第2の光は、可変光遅延器3により
所定の遅延量を与えられて、光分岐器6に導かれる。こ
のようにして、光分岐器6に入力され、合流した後方ブ
リルアン散乱光と第2の光は、干渉を起こし、その干渉
によるビート電気信号を光検出器7によって得る。
On the other hand, the second light is given a predetermined delay amount by the variable optical delay device 3 and is guided to the optical branch device 6. In this way, the rear Brillouin scattered light and the second light that have been input to the optical branching device 6 and merged cause interference, and a beat electric signal due to the interference is obtained by the photodetector 7.

【0080】今、第1の光が被測定媒質5中で後方にブ
リルアン散乱された位置を、位置z 0Tとする。そして、
第1の光が光分岐器2から出発して、その位置z0Tにて
後方にブリルアン散乱され、光分岐器6で第2の光と合
流され、光検出器7に至るまでの遅延時間τ1と、第2
の光が光分岐器2から出発して、光分岐器6で上記後方
ブリルアン散乱光と合流され、光検出器7に至るまでの
遅延時間τ2との差である相対遅延時間τ121−τ2
ゼロとなるように、可変光遅延器3の遅延量を調節した
とする。このとき、前述のように、ビート電気信号は大
きくなり、そのスペクトルは、前述の式(13.2)の
PBII (ζ,z )で示されるように、上記位置z0Tにおける
ブリルアンスペクトルを与える。したがって、このビー
ト電気信号の周波数とパワーとを、フィルタ8を介して
同期検波受信器9により測定することにより、あるい
は、スペクトルアナライザ(図示しない)などを使用し
て測定することにより、上記位置z 0Tにおけるブリルア
ンスペクトルを選択的に測定することができる。
Now, the first light is reflected backward in the medium 5 to be measured.
The position scattered by Lilouin is represented by 0TAnd And
The first light departs from the optical splitter 2 at its position z0TAt
The light is Brillouin scattered backward and is combined with the second light by the light branching device 6.
Delay time τ from flowing to the photodetector 71And the second
Starts from the optical branching device 2 and passes through the optical branching device 6 to the rear side.
It is combined with Brillouin scattered light and reaches the photodetector 7
Delay time τTwoRelative delay time τ12= τ1−τTwoBut
The delay amount of the variable optical delay unit 3 was adjusted to be zero.
And At this time, as described above, the beat electric signal is large.
And the spectrum is calculated according to the above equation (13.2).
PBII As shown by (ζ, z), the position z0TIn
Gives the Brillouin spectrum. So this bee
The frequency and power of the electrical signal through the filter 8
By measuring with the synchronous detection receiver 9,
Use a spectrum analyzer (not shown)
The position z0TBrillua in
Spectrum can be measured selectively.

【0081】さらに、可変光遅延器3の遅延量を変化さ
せ、同様の測定を繰り返すことにより、被測定媒質5に
おけるブリルアンスペクトルの空間分布が測定される。
なお、大きなビート電気信号PBII (ζ,z )が発生する範
囲は、上記のz0Tを中心として、上式(15)に示した
幅Δzr の範囲である。したがって、Δzr がブリルアン
スペクトル分布測定の空間(距離)分解能を与える。例
えば、ΔνS= 2 GHzとすると、被測定媒質5が石英ガラ
スファイバであるとき、v = 2x108m/sであるから、Δzr
= 1.1 cm が実現される。
Further, the spatial distribution of the Brillouin spectrum in the medium 5 to be measured is measured by changing the delay amount of the variable optical delay device 3 and repeating the same measurement.
Note that the range in which the large beat electric signal P BII (, z) is generated is the range of the width Δz r shown in the above equation (15) with the above z 0T as the center. Therefore, Δz r gives the spatial (distance) resolution of the Brillouin spectral distribution measurement. For example, when Δν S = 2 GHz, when the measured medium 5 is quartz glass fibers, because it is v = 2x10 8 m / s, Δz r
= 1.1 cm.

【0082】以上の説明では、PBII (ζ,z )とともに、
被測定媒質5の中の全ての位置で発生するPBI (ζ,z )
が、PBII (ζ,z )の測定に及ぼす影響は少ないとして無
視した。この仮定は、すでに説明したように、被測定媒
質5の長さが比較的短く、PB I (ζ,z )による検出信号D
I (ζ)と、PBII (ζ,z )による検出信号DII (ζ)とが、
DIb) < DIIb) または、DIb) 〜 DIIb)
のとき有効である。この仮定が成立しない、DIb) >
> DIIb) の場合については、以下の実施形態の中で
説明する。
In the above description, together with P BII (ζ, z),
P BI (ζ, z) generated at all positions in the measured medium 5
However, the influence on the measurement of P BII (ζ, z) was small and ignored. As described above, this assumption is based on the fact that the length of the medium 5 to be measured is relatively short and the detection signal D by P B I (ζ, z)
I (ζ) and the detection signal D II (ζ) based on P BII (ζ, z)
D Ib ) <D IIb ) or D Ib ) to D IIb )
It is effective when This assumption does not hold, D Ib )>
The case of> D IIb ) will be described in the following embodiment.

【0083】(第2の実施形態)図8に、本発明の第2
の実施形態である、反射式ブリルアンスペクトル分布測
定装置の構成を示す。本実施形態においては、被測定媒
質5の片端5−aに、参照媒質11を光学的に接続して
いる。この参照媒質11も含めたものを図7における被
測定媒質5とみなせば、図8のその他の構成物品は、図
7の構成物品と同一である。13は同期検波受信器9か
ら出力するデータ(測定信号)を処理して、ブリルアン
スペクトル分布測定を行うためのデータ処理装置であっ
て、例えば、パーソナルコンピュータのような汎用の計
算機を利用することができる。
(Second Embodiment) FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention.
1 shows a configuration of a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus which is an embodiment of the present invention. In the present embodiment, a reference medium 11 is optically connected to one end 5-a of the medium 5 to be measured. If the medium including the reference medium 11 is regarded as the medium 5 to be measured in FIG. 7, the other components in FIG. 8 are the same as the components in FIG. A data processing device 13 processes data (measurement signal) output from the synchronous detection receiver 9 and performs Brillouin spectrum distribution measurement. For example, a general-purpose computer such as a personal computer can be used. it can.

【0084】ここで参照媒質11には、そのブリルアン
スペクトルが既知のものを使用する。また、参照媒質1
1は、測定時間中にそのブリルアンスペクトルが変化す
ることがない安定な媒質、あるいは、不要な応力付与
や、温度変化などがない安定環境下においた媒質である
とする。
Here, a reference medium 11 whose Brillouin spectrum is known is used. Reference medium 1
Reference numeral 1 denotes a stable medium whose Brillouin spectrum does not change during the measurement time, or a medium placed in a stable environment free from unnecessary stress application and temperature change.

【0085】このようにして構成した本発明の第2の実
施形態では、第1の実施形態のときと同様にして、被測
定媒質5と参照媒質11におけるブリルアンスペクトル
分布を測定する。このとき、被測定媒質5中の点で後方
ブリルアン散乱された第1の光と分岐された他方の光で
ある第2の光の相対遅延時間τ12をゼロとなるようにし
たときの測定信号をD T (ζ)とし、参照媒質11中の点
で後方ブリルアン散乱された第1の光と、分岐された他
方の光である第2の光の相対遅延時間τ12Rをゼロとな
るようにしたときの測定信号をD R (ζ)としたとき、そ
れらD T (ζ)、D R (ζ)は、すでに説明したように、上
式(16)および上式(17)で与えられる。両測定信
号D T (ζ)、D R (ζ)には、ビート電気信号パワーP
BI(ζ,z )による不要な測定信号DI (ζ)が含まれるが、
それらは共通なため、上式(19)に示した簡単な計算
処理を、データ処理装置13で実施することにより、ビ
ート電気信号パワーPBII(ζ,z )による求むべき測定信
号DII (ζ)を分離、抽出することができる。
In the second embodiment of the present invention configured as described above, the Brillouin spectrum distribution in the measured medium 5 and the reference medium 11 is measured in the same manner as in the first embodiment. At this time, the measurement signal when the relative delay time τ 12 of the first light subjected to the backward Brillouin scattering at the point in the medium 5 to be measured and the second light which is the other branched light is set to zero. Is defined as D T (ζ), and the relative delay time τ 12R of the first light that is backward-Brillouin-scattered at a point in the reference medium 11 and the second light that is the other branched light becomes zero. Assuming that the measured signal at this time is D R (ζ), D T (ζ) and D R (ζ) are given by the above equations (16) and (17), as already described. Both measurement signals D T (ζ) and D R (ζ) have the beat electric signal power P
Unnecessary measurement signal D I (ζ) by BI (ζ, z) is included,
Since they are common, the simple calculation process shown in the above equation (19) is performed by the data processing device 13 to obtain the measurement signal D II (ζ) to be obtained by the beat electric signal power P BII (ζ, z). ) Can be separated and extracted.

【0086】以上の説明から分かるように、本実施形態
は、DIb) >> DIIb)の場合に特に有効である。
As can be seen from the above description, this embodiment is particularly effective in the case of D Ib ) >> D IIb ).

【0087】(第3の実施形態)図9に、本発明の第3
の実施形態である、反射式ブリルアンスペクトル分布測
定装置の構成を示す。本実施形態では、第2の光との相
対遅延時間がゼロとなる後方ブリルアン散乱光の散乱位
置が、被測定媒質5中の点となる光と、参照媒質11中
の点となる光を同時に生成するものである。
(Third Embodiment) FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention.
1 shows a configuration of a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus which is an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the scattering position of the backward Brillouin scattered light at which the relative delay time with respect to the second light becomes zero is the point light in the measured medium 5 and the point light in the reference medium 11 at the same time. To generate.

【0088】そのために、本実施形態では、光分岐器2
からの一方の出力光である第1の光を分岐するための光
分岐器14と、この光分岐器14の一方の出力光を入力
としてその入力された光の遅延量を変化させて出力する
遅延量可変の可変光遅延器3−1と、この可変光遅延器
3−1により遅延量を変化させた光を入力としてその入
力された光を周波数fSD1の変調信号で変調して出力する
光変調器10−1と、光分岐器14の他方の出力光を入
力としてその入力された光の遅延量を変化させて出力す
る遅延量可変の可変光遅延器3−2と、この可変光遅延
器3−2により遅延量を変化させた光を入力としてその
入力された光を周波数fSD2 (≠ fSD1)の変調信号で変調
して出力する光変調器10−2と、上記の光変調器10
−1の出力光と上記の光変調器10−2の出力光とを合
流して再び第1の光として出力する光分岐器15と、そ
の合流された第1の光を参照媒質11および被測定媒質
5に導くとともにそれらの媒質中で後方にブリルアン散
乱された光を取り出すための光学手段である光分岐器1
6とを有しており、さらに、図8におけるその他の構成
品も合わせたものを有している。ただし、図9における
同期検波受信器9は、変調周波数が異なる(f
SD1、fSD2)2種類の信号を検波可能なものとする。
For this purpose, in the present embodiment, the optical splitter 2
An optical splitter 14 for splitting a first light, which is one output light from the optical splitter, and one output light of the optical splitter 14 is input and the output light is output while changing the delay amount of the input light. A variable optical delay unit 3-1 having a variable delay amount and light whose delay amount is changed by the variable optical delay unit 3-1 are input, and the input light is modulated by a modulation signal having a frequency f SD1 and output. An optical modulator 10-1; a variable optical delay unit 3-2 which receives the other output light of the optical splitter 14 as an input, changes the delay amount of the input light, and outputs the variable delay amount; An optical modulator 10-2 that receives light whose delay amount is changed by the delay unit 3-2 as an input, modulates the input light with a modulation signal of a frequency f SD2 (≠ f SD1 ), and outputs the modulated light; Modulator 10
-1 and the output light of the optical modulator 10-2 are combined and output again as the first light, and the combined first light is transmitted to the reference medium 11 and the receiving medium. An optical splitter 1 which is an optical means for guiding light to the measurement medium 5 and extracting light Brillouin scattered backward in the medium.
6 as well as other components in FIG. However, the synchronous detection receiver 9 in FIG. 9 has a different modulation frequency (f
SD1, f SD2 ) Two types of signals can be detected.

【0089】図8の構成と、図9の構成の違いは以下の
通りである。図8においては、光分岐器2は、光源1の
出力光を第1の光と第2の光に分岐する役割と、第1の
光を被測定媒質5に導くと共に、その中で後方にブリル
アン散乱された光を取り出すための役割も行う光学手段
であったが、図9においては、光分岐器2は、光源1の
出力光を第1の光と第2の光に分岐する役割だけを行う
光学手段であり、第1の光を被測定媒質5に導くと共
に、その中で後方にブリルアン散乱された光を取り出す
ための役割を果たす光学手段は、上述のように別に設け
た光分岐器16になっていることである。このような構
成とすることにより、本実施形態では、異なった遅延量
をうけ、かつ、異なった変調周波数(fSD1、および、f
SD2。ただし、fSD2≠fSD1 )で識別された2種類の第1
の光を、同時に参照媒質11と被測定媒質5に入射し、
それらの媒質からの後方ブリルアン散乱光を、入射した
第1の光から分離して取り出すことが可能となる。
The difference between the configuration in FIG. 8 and the configuration in FIG. 9 is as follows. In FIG. 8, the optical splitter 2 functions to split the output light of the light source 1 into a first light and a second light, and guides the first light to the medium 5 to be measured, and backward in the medium. Although the optical means also serves to take out the Brillouin-scattered light, in FIG. 9, the optical splitter 2 only serves to split the output light of the light source 1 into the first light and the second light. The optical means which guides the first light to the medium 5 to be measured and plays the role of taking out the Brillouin-scattered light backward in the medium is an optical branch provided separately as described above. That is, it is a container 16. With such a configuration, in the present embodiment, different delay amounts are received and different modulation frequencies (f SD1 and f
SD2 . However, the first two types identified by f SD2 ≠ f SD1 )
Are simultaneously incident on the reference medium 11 and the measured medium 5,
Back Brillouin scattered light from those media can be separated and extracted from the incident first light.

【0090】本発明の第3の実施形態は、このような構
成となっているため、周波数fSD1で変調された第1の光
の一部の光は、被測定媒質5の測定のために使用すると
ともに、周波数fSD2で変調された第1の光の残りの光は
参照媒質11の測定のために同時に使用することが可能
となる。よって、前述のD T (ζ)およびD R (ζ)の測定
が同時に可能となる。これにより、D T (ζ)およびD R
(ζ)の測定時刻が異なることによる、光源パワーや光源
周波数のドリフトなどに起因した測定誤差の発生を抑圧
することが可能となる。
Since the third embodiment of the present invention has such a configuration, a part of the first light modulated at the frequency f SD1 is used for measuring the medium 5 to be measured. In use, the remaining light of the first light modulated at the frequency f SD2 can be used simultaneously for the measurement of the reference medium 11. Therefore, the above-described measurement of D T (ζ) and D R (ζ) can be simultaneously performed. This gives D T (ζ) and D R
It is possible to suppress the occurrence of a measurement error due to the drift of the light source power or the light source frequency due to the difference in the measurement time in (ζ).

【0091】(変形例および他の実施形態)ここで、こ
れまでの本発明の実施形態の説明について、いくつかの
補足説明を行う。
(Modifications and Other Embodiments) Here, some supplementary explanations will be given for the description of the embodiments of the present invention thus far.

【0092】まず、可変光遅延器3、可変光遅延器3−
1、および可変光遅延器3−2の位置について補足説明
する。これらの可変光遅延器の目的は、後方ブリルアン
散乱された第1の光と分岐された他方の光である第2の
光の相対遅延時間を変化させることであるので、その位
置は、図7〜図9に示した位置の他に、光分岐器2から
光分岐器6を経由して被測定媒質5の端5−aに至る光
路上の任意の個所、あるいは、光分岐器2から光分岐器
6に至る光路上の任意の個所、あるいは光分岐器16か
ら光分岐器6に至る光路上の任意の個所で良い。
First, the variable optical delay device 3, the variable optical delay device 3-
1 and the position of the variable optical delay unit 3-2 will be supplementarily described. Since the purpose of these variable optical delay devices is to change the relative delay time of the first light that has been back-Brillouin scattered and the second light that is the other light that has been branched, its position is shown in FIG. 9 in addition to the positions shown in FIG. 9, any position on the optical path from the optical splitter 2 via the optical splitter 6 to the end 5-a of the medium 5 to be measured, or light from the optical splitter 2 Any location on the optical path leading to the splitter 6 or any location on the optical path from the optical splitter 16 to the optical splitter 6 may be used.

【0093】なお、図9における可変光遅延器3−1、
および可変光遅延器3−2の何れか一方は、参照媒質1
1の測定のために使用することから、参照媒質11の位
置が固定されている場合には、参照媒質11の測定用の
光遅延器の遅延量は可変である必要はないことは言うま
でも無い。同様に、図9における可変光遅延器3の遅延
量は固定であっても良い。
The variable optical delay units 3-1 and 3-1 shown in FIG.
One of the variable optical delay unit 3-2 and the reference medium 1
1 is used for the measurement, it is needless to say that when the position of the reference medium 11 is fixed, the delay amount of the optical delay unit for measuring the reference medium 11 does not need to be variable. There is no. Similarly, the delay amount of the variable optical delay unit 3 in FIG. 9 may be fixed.

【0094】次に、光変調器10−1、および光変調器
10−2の位置について補足説明する。これらの光変調
器の目的は、第1の光を変調することにあるので、その
位置は、図9に示した可変光遅延器の出力側の他に、可
変光遅延器の入力側であっても良い。
Next, the positions of the optical modulator 10-1 and the optical modulator 10-2 will be supplementarily described. Since the purpose of these optical modulators is to modulate the first light, their positions are not only the output side of the variable optical delay unit shown in FIG. 9 but also the input side of the variable optical delay unit. May be.

【0095】次に、同期検波受信器9について補足説明
する。同期検波受信器9の目的は、光変調器10を使用
して被測定媒質に入射する第1の光を変調周波数fSD
変調することにより、または後方ブリルアン散乱光を直
接変調することにより発生する後方ブリルアン散乱光の
周波数fSDの成分を同期して検波することにより、信号
対雑音電力比を改善し、後方ブリルアン散乱光のパワー
を測定することである。
Next, the synchronous detection receiver 9 will be supplementarily described. The purpose of the synchronous detection receiver 9, by modulating the first light incident on the measured medium by using an optical modulator 10 at a modulation frequency f SD, or generated by modulating a backward Brillouin scattered light directly by synchronously detects the frequency f SD component of backward Brillouin scattered light, and improve the signal-to-noise power ratio is to measure the power of the backward Brillouin scattered light.

【0096】したがって、同期検波より、性能は劣る
が、同様な信号対雑音電力比の改善が期待できる、中心
周波数fSDの帯域通過型電気フィルタを内蔵した電気信
号受信器を、同期検波受信器9の代わりに使用しても良
い。この場合には、その電気信号受信器に入力される同
期信号は必要ない。また、後方ブリルアン散乱光の大き
な信号が得られる場合には、このような同期検波受信器
9や、中心周波数fSDの帯域通過型電気フィルタは不用
である。この場合には、同期検波受信器9、あるいは、
上述の中心周波数fSDの帯域通過型電気フィルタを内蔵
した電気信号受信器とペアで使用される、光変調器10
も不用である。
[0096] Thus, from the synchronous detection, although performance is inferior, can be expected improvement of the same signal-to-noise power ratio, an electric signal receiver with a built-in band-pass electrical filter having a center frequency f SD, synchronous detection receiver 9 may be used instead. In this case, no synchronization signal is required to be input to the electric signal receiver. Further, when a large signal backward Brillouin scattering light is obtained, such and synchronous detection receiver 9, band-pass electrical filter having a center frequency f SD is unnecessary. In this case, the synchronous detection receiver 9 or
The optical modulator 10 used as a pair with an electric signal receiver having a built-in band-pass electric filter having the center frequency f SD described above.
Is also unnecessary.

【0097】次に、参照媒質11の位置について補足説
明する。参照媒質11の使用の目的は、参照媒質11と
被測定媒質5と一体化して測定することにより、後方ブ
リルアン散乱された第1の光と分岐された他方の光であ
る第2の光の相対遅延時間がゼロとなる位置にかかわら
ず共通して発生する信号(前述のDI (ζ) )を除去する
ことにある。したがって、その位置は、図8、図9に示
した位置の他に、被測定媒質5の他端5−b側であって
も良い。また被測定媒質5を分割し、分割したものの中
間の位置であっても良い。
Next, the position of the reference medium 11 will be supplementarily described. The purpose of the use of the reference medium 11 is to measure the totality of the reference medium 11 and the medium to be measured 5 so that the first light that has been back-Brillouin scattered and the second light that is the other light that has been branched off may be used. is to remove the commonly signal generated regardless of the position where the delay time is zero (the aforementioned D I (ζ)). Therefore, the position may be on the other end 5-b side of the medium 5 to be measured in addition to the positions shown in FIGS. Further, the medium 5 to be measured may be divided, and the medium may be located at an intermediate position of the divided medium.

【0098】次に、光増幅器(図示しない)の使用につ
いて補足説明する。本発明で測定する信号は非常に微弱
なため、高精度な測定をするためには、光増幅器を使用
することが有効である。光増幅器は、図7〜図9におけ
る光路上の任意の位置で使用可能である。
Next, the use of an optical amplifier (not shown) will be supplementarily described. Since a signal to be measured in the present invention is very weak, it is effective to use an optical amplifier to perform highly accurate measurement. The optical amplifier can be used at any position on the optical path in FIGS.

【0099】次に、ブリルアン周波数シフト、νb = Fc
- fc、について補足説明する。これまで、図4に示す
ように、本発明では第1の光の周波数に対してダウンシ
フトした後方ブリルアン散乱光を測定するとして説明し
てきた。実は、このとき、ダウンシフトした後方ブリル
アン散乱光だけでなく、アップシフトした後方ブリルア
ン散乱光も発生する。しかし、いずれの後方ブリルアン
散乱光とも、第2の光とのビート電気信号の周波数は同
一である。したがって、これまでの説明は、アップシフ
トした後方ブリルアン散乱光に対しても全く同様に有効
である。
Next, the Brillouin frequency shift, ν b = F c
-Supplementary explanation about f c is given. Until now, as shown in FIG. 4, the present invention has been described as measuring backward Brillouin scattered light down-shifted with respect to the frequency of the first light. In fact, at this time, not only down-shifted backward Brillouin scattered light but also up-shifted backward Brillouin scattered light is generated. However, in any of the backward Brillouin scattered lights, the frequency of the beat electric signal with the second light is the same. Therefore, the above description is equally valid for the up-shifted backward Brillouin scattered light.

【0100】最後に、光周波数変換器(図示しない)の
使用について説明する。これまでの説明から分かるよう
に、ビート電気信号の周波数は非常に高周波である。そ
こで、低速のフォトダイオードを使用して、このブリル
アンスペクトルを測定可能とするために、光源1の出力
光、第1の光、第2の光、または後方ブリルアン散乱光
の周波数を変換し、ビート電気信号の周波数を低周波に
ダウンシフトすることが有効である。このような光周波
数変換器の位置は、図7〜図9における、光源1から光
分岐器6に至る光路上の任意の個所で良い。また、この
ような光周波数変換器には、リチウムニオベート結晶な
どを使用した電界効果型光強度変調器や光位相変調器な
どが使用できる。なぜなら、光強度変調器や位相変調器
の変調により発生させた1つあるいは複数のサイドバン
ド光は、光変調器に入射した光の周波数を変換したもの
とみなせるからである。
Finally, the use of an optical frequency converter (not shown) will be described. As can be seen from the above description, the frequency of the beat electric signal is very high. Therefore, in order to be able to measure this Brillouin spectrum using a low-speed photodiode, the frequency of the output light of the light source 1, the first light, the second light, or the backward Brillouin scattered light is converted, and the beat is converted. It is effective to downshift the frequency of the electric signal to a low frequency. The position of such an optical frequency converter may be any position on the optical path from the light source 1 to the optical splitter 6 in FIGS. Further, as such an optical frequency converter, a field effect type light intensity modulator using lithium niobate crystal or the like, an optical phase modulator, or the like can be used. This is because one or a plurality of sideband lights generated by the modulation of the light intensity modulator or the phase modulator can be regarded as having converted the frequency of the light incident on the light modulator.

【0101】また、周波数をシフトさせる音響光学的周
波数シフタ(図示しない)も使用可能である。そのシフ
ト量が、被測定媒質5のブリルアン周波数シフトνb
比べ、小さい場合には、その音響光学的光周波数シフタ
と、光増幅器、および、光分岐回路などをリング状に結
び、光を多数回、音響光学的光周波数シフタを通過さ
せ、νb程度の大きな周波数シフトを受けた光を取り出
すことの可能なリング光回路(文献[3] K. Shimizu et
al.,“Technique for translating light-wavefrequen
cy by using an optical ring circuit containing a f
requency shifter”, Opt. Lett., vol.17, no.18, pp.
1307-1309, Sept. 1992)が使用可能である。
An acousto-optic frequency shifter (not shown) for shifting the frequency can also be used. If the shift amount is smaller than the Brillouin frequency shift ν b of the medium 5 to be measured, the acousto-optic optical frequency shifter, the optical amplifier, the optical branching circuit, etc. are connected in a ring shape, and a large amount of light is A ring optical circuit that can pass through an acousto-optic optical frequency shifter and extract light that has undergone a large frequency shift of about ν b (Ref. [3] K. Shimizu et
al., “Technique for translating light-wavefrequen
cy by using an optical ring circuit containing af
requency shifter ”, Opt. Lett., vol.17, no.18, pp.
1307-1309, Sept. 1992) can be used.

【0102】なお、光周波数変換器を使用した場合に
は、上述のダウンシフトした後方ブリルアン散乱光とア
ップシフトした後方ブリルアン散乱光に関するそれぞれ
のビート電気信号の周波数は異なるようになるため、両
者を区別して測定することも可能となる。
When an optical frequency converter is used, the frequencies of the beat electric signals of the down-shifted backward Brillouin scattered light and the up-shifted backward Brillouin scattered light differ from each other. It is also possible to measure separately.

【0103】[0103]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定媒質のブリルアンスペクトル幅以上の広い線幅を
有するインコヒーレントな連続発振光を分岐して複数の
光を得、これを第1の光と第2の光などとし、第1の光
を被測定媒質の一端から入射し、被測定媒質中で後方に
ブリルアン散乱された光と、上記第2の光を合流させ、
その合流光を光検出器で電気信号に変換し、その電気信
号に含まれる、後方ブリルアン散乱光と第2の光との干
渉によるビート電気信号の周波数とパワーを測定し、こ
のとき、被測定媒質中で後方ブリルアン散乱された第1
の光と分岐された他方の光である第2の光との相対遅延
時間τ12を変化させて、被測定媒質中の所望の散乱位置
0Tからの後方ブリルアン散乱光に関する相対遅延時間
τ12をほぼゼロとすることにより、他の位置よりもその
位置z0Tからの後方ブリルアン散乱光に関する上記ビー
ト電気信号を効率的に検出するようにしたため、連続発
振光の線幅の逆数に光速を乗じた値で決定される、1m以
下の優れた空間分解能でブリルアンスペクトル分布を測
定可能となる。
As described above, according to the present invention,
The incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of the medium to be measured is branched to obtain a plurality of lights, which are used as a first light and a second light. The light incident from one end of the measurement medium and the Brillouin-scattered light backward in the medium to be measured is combined with the second light,
The combined light is converted into an electric signal by a photodetector, and the frequency and power of the beat electric signal included in the electric signal due to the interference between the backward Brillouin scattered light and the second light are measured. First Brillouin backscattered in a medium
And the relative delay time τ 12 of the backward Brillouin scattered light from the desired scattering position z 0T in the medium to be measured by changing the relative delay time τ 12 between To be substantially zero, the beat electric signal relating to the backward Brillouin scattered light from the position z 0T is more efficiently detected than the other positions. Brillouin spectrum distribution can be measured with an excellent spatial resolution of 1 m or less, which is determined by the measured value.

【0104】また、本発明によれば、被測定媒質と光学
的に接続された、そのブリルアンスペクトルが既知の参
照媒質を設け、その参照媒質中での後方ブリルアン散乱
光によるビート電気信号も測定可能となるようにしたた
め、被測定媒質および参照媒質からの後方ブリルアン散
乱光によるそれぞれのビート電気信号に共通して存在す
る不要な信号を除去し、被測定媒質のブリルアンスペク
トルを正確に測定可能となる。
According to the present invention, a reference medium having a known Brillouin spectrum optically connected to a medium to be measured is provided, and a beat electric signal due to backward Brillouin scattered light in the reference medium can be measured. As a result, unnecessary signals common to respective beat electric signals due to backward Brillouin scattered light from the medium to be measured and the reference medium are removed, and the Brillouin spectrum of the medium to be measured can be accurately measured. .

【0105】また、本発明では、従来の高空間分解能ブ
リルアンスペクトル分布測定技術に比べ、クロストーク
が少ないため、測定位置の選択特性が格段に向上すると
ともに、被測定媒質の本来のブリルアンスペクトルを変
形することなく測定可能であり、従来技術で必要とされ
た複雑な計算機による数値演算処理を伴うことなく、格
段に高精度なブリルアンスペクトル分布の測定が可能と
なる。
Further, according to the present invention, the crosstalk is less than in the conventional high spatial resolution Brillouin spectrum distribution measurement technique, so that the measurement position selection characteristics are significantly improved and the original Brillouin spectrum of the medium to be measured is deformed. The Brillouin spectrum distribution can be measured with extremely high accuracy without the need for complicated arithmetic processing by a complicated computer required in the related art.

【0106】さらに、本発明は、被測定媒質の一端のみ
を使用して光の入出力を行うため、被測定媒質の両端に
おいて光を入出力する必要のある従来技術に比べて測定
の効率が上がるとともに、測定対象物に関する制約が大
幅に緩和される。
Further, in the present invention, since light is input and output using only one end of the medium to be measured, the efficiency of measurement is lower than that of the prior art which requires input and output of light at both ends of the medium to be measured. As it rises, the restrictions on the object to be measured are greatly relaxed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明で基本となる、後方ブリルアン散乱光に
よるビート電気信号を得るための構成の第1例を説明す
る模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a first example of a configuration for obtaining a beat electric signal based on backward Brillouin scattered light, which is a basis of the present invention.

【図2】本発明で基本となる、後方ブリルアン散乱光に
よるビート電気信号を得るための構成の第2例を説明す
る模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a second example of a configuration for obtaining a beat electric signal based on backward Brillouin scattered light, which is a basis of the present invention.

【図3】本発明で基本となる、後方ブリルアン散乱光に
よるビート電気信号を得るための構成の第3例を説明す
る模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a third example of a configuration for obtaining a beat electric signal based on backward Brillouin scattered light, which is a basis of the present invention.

【図4】本発明で使用する第1の光、第2の光、および
後方ブリルアン散乱光のスペクトルの一例を説明する波
形図である。
FIG. 4 is a waveform diagram illustrating an example of spectra of first light, second light, and backward Brillouin scattered light used in the present invention.

【図5】本発明で測定する後方ブリルアン散乱光による
2種類のビート電気信号のスペクトルと、その後方ブリ
ルアン散乱光の散乱位置の関係を示す波形図である。
FIG. 5 is a waveform diagram showing a relationship between spectra of two types of beat electric signals due to backward Brillouin scattered light measured in the present invention and scattering positions of the backward Brillouin scattered light.

【図6】従来の高空間分解能ブリルアンスペクトル分布
測定技術により測定されるブリルアン利得のスペクトル
と、その発生位置の関係を示す波形図である。
FIG. 6 is a waveform diagram showing a relationship between a Brillouin gain spectrum measured by a conventional high spatial resolution Brillouin spectrum distribution measurement technique and a generation position thereof.

【図7】本発明の第1の実施形態の反射式ブリルアンス
ペクトル分布測定装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施形態の反射式ブリルアンス
ペクトル分布測定装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施形態の反射式ブリルアンス
ペクトル分布測定装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 光分岐器 3、3−1、3−2 可変光遅延器 5 被測定媒質 6 光分岐器 7、7−1 光検出器 8 フィルタ 9 同期検波受信器 10、10−1、10−2 光変調器 11 参照媒質 13 データ処理装置 14、15、16 光分岐器 17 反射ミラー 1 light source 2 Optical branching device 3,3-1,3-2 Variable optical delay unit 5 Medium to be measured 6 Optical branching device 7,7-1 Photodetector 8 Filter 9 Synchronous detection receiver 10, 10-1, 10-2 optical modulator 11 Reference medium 13 Data processing device 14, 15, 16 Optical splitter 17 Reflection mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島田 明佳 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 及川 壽雄 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 泉田 史 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 2F103 BA08 BA10 BA37 BA43 CA07 CA08 EB06 EB12 EC09 EC10 EC11 EC16 2G086 CC04 DD04 DD05    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Akika Shimada             2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Sun             Within the Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Toshio Oikawa             2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Sun             Within the Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Fumi Izumida             2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Sun             Within the Telegraph and Telephone Corporation F term (reference) 2F103 BA08 BA10 BA37 BA43 CA07                       CA08 EB06 EB12 EC09 EC10                       EC11 EC16                 2G086 CC04 DD04 DD05

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定媒質のブリルアンスペクトル幅以
上の広い線幅を有するインコヒーレントな連続発振光を
光分岐手段により少なくとも第1の光および第2の光に
分岐し、 前記第1の光を前記被測定媒質の片端aから入射し、該
入射された第1の光が該被測定媒質中の位置z0Tで後方
にブリルアン散乱され、再び該被測定媒質の片端aに到
達して該被測定媒質から出射される第1の光と、前記第
2の光とを合流させ、 該合流された光を光検出手段により検出して電気信号に
変換し、 前記電気信号に含まれる、前記後方にブリルアン散乱さ
れた第1の光と前記第2の光との干渉により発生するビ
ート電気信号のパワーおよび周波数ζを測定する方法で
あって、 前記第1の光が前記光分岐手段から出発して前記被測定
媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱され、前記光
検出手段に到達するまでの遅延時間τ1と、前記第2の
光が前記光分岐手段から出発して前記光検出手段に到達
するまでの遅延時間τ2との差である相対遅延時間τ12=
τ1−τ2を変化させ、 該相対遅延時間τ12をほぼゼロとすることにより、他の
位置よりも前記位置z 0Tで後方に散乱されたブリルアン
散乱光と前記第2の光との干渉性を高めて、前記ビート
電気信号を選択的に測定することにより、前記位置z0T
におけるブリルアンスペクトルを測定することを特徴と
する反射式ブリルアンスペクトル分布測定方法。
1. The Brillouin spectrum width of a medium under measurement
Incoherent continuous wave light with wide line width
At least the first light and the second light by the light branching means
Branch, The first light is incident from one end a of the medium to be measured, and
The incident first light is located at a position z in the measured medium.0TBack
Is Brillouin scattered and reaches one end a of the medium to be measured again.
The first light that has reached and exited from the measured medium;
Merge with 2 lights, The combined light is detected by the light detecting means and converted into an electric signal.
Converted, Brillouin scattering back into the electrical signal
The video generated by the interference between the first light and the second light
By measuring the power and frequency お よ び of the electrical signal
So, The first light is emitted from the optical branching means and the measured light
Position z in the medium0TBrillouin scattering backward at the light
Delay time τ to reach the detection means1And the second
Light departs from the light branching means and reaches the light detection means
Delay time τTwoRelative delay time τ12=
τ1−τTwoTo change The relative delay time τ12By making zero nearly zero, other
Position z rather than position 0TBrillouin scattered backward by
The coherence between the scattered light and the second light is increased, and the beat
By selectively measuring the electrical signal, the position z0T
Measuring the Brillouin spectrum at
Reflective Brillouin spectrum distribution measurement method.
【請求項2】 被測定媒質のブリルアンスペクトル幅以
上の広い線幅を有するインコヒーレントな連続発振光を
光分岐手段により少なくとも第1の光および第2の光に
分岐し、 該第1の光を前記被測定媒質の片端aから入射し、該入
射された第1の光が前記被測定媒質中の位置z0Tで後方
にブリルアン散乱され、再び前記被測定媒質の片端aに
到達して被測定媒質から出射される第1の光と、前記第
2の光とを合流させ、 該合流された光を光検出手段により検出して電気信号に
変換し、 前記電気信号に含まれる、前記後方にブリルアン散乱さ
れた第1の光と前記第2の光との干渉により発生するビ
ート電気信号のパワーおよび周波数ζを測定する方法で
あって、 前記第1の光が前記光分岐手段から出発し、前記被測定
媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱され、前記光
検出手段に到達するまでの遅延時間τ1と、前記第2の
光が前記光分岐手段から出発し、前記光検出手段に到達
するまでの遅延時間τ2との差である相対遅延時間τ12=
τ1−τ2を変化させ、 該相対遅延時間τ12をほぼゼロとすることにより、他の
位置よりも前記位置z 0Tで後方に散乱されたブリルアン
散乱光と前記第2の光との干渉性を高めて、前記ビート
電気信号を選択的に測定することにより得られるブリル
アンスペクトルDT(ζ)を測定し、 さらに、前記光分岐手段により分岐された第1の光が前
記被測定媒質と光学的に接続あるいは接した参照媒質に
入射され、該第1の光が前記光分岐手段から出発して前
記参照媒質中の位置z0Rで後方にブリルアン散乱され、
前記光検出手段に到達するまでの遅延時間τ1Rと、前記
第2の光が前記光分岐手段から出発して前記光検出手段
に到達するまでの遅延時間τ2Rとの差である相対遅延時
間τ12R1R−τ2Rをほぼゼロとすることにより、他の
位置よりも前記参照媒質中の位置z0Rで後方に散乱され
たブリルアン散乱光と前記第2の光との干渉性を高め
て、両光のビート電気信号を選択的に測定することによ
り得られるブリルアンスペクトルDR(ζ)を測定し、 かつ前記ブリルアンスペクトルDT(ζ)と前記ブリルアン
スペクトルDR(ζ)の関係を利用して、前記位置z0Tにお
ける補正されたブリルアンスペクトルを求めることを特
徴とする反射式ブリルアンスペクトル分布測定方法。
2. The Brillouin spectrum width of the measured medium
Incoherent continuous wave light with wide line width
At least the first light and the second light by the light branching means
Branch, The first light is incident from one end a of the medium to be measured, and
The emitted first light is located at a position z in the measured medium.0TBack
Brillouin scattering occurs again at one end a of the medium to be measured.
A first light which reaches and is emitted from the medium to be measured;
Merge with 2 lights, The combined light is detected by the light detecting means and converted into an electric signal.
Converted, Brillouin scattering back into the electrical signal
The video generated by the interference between the first light and the second light
By measuring the power and frequency お よ び of the electrical signal
So, The first light starts from the light branching means, and
Position z in the medium0TBrillouin scattering backward at the light
Delay time τ to reach the detection means1And the second
Light departs from the light splitting means and reaches the light detecting means
Delay time τTwoRelative delay time τ12=
τ1−τTwoTo change The relative delay time τ12By making zero nearly zero, other
Position z rather than position 0TBrillouin scattered backward by
The coherence between the scattered light and the second light is increased, and the beat
Brills obtained by selectively measuring electrical signals
Unspectrum DT(ζ) is measured, Further, the first light split by the light splitting means is forward.
The reference medium that is optically connected to or in contact with the medium to be measured
And the first light is emitted from the light splitting means and
Position z in the reference medium0RBrillouin scattering backward at
Delay time τ until the light reaches the light detecting means1RAnd the said
A second light starting from the light branching means and the light detecting means
Τ until it reaches2RRelative delay, which is the difference from
Interval τ12R= τ1R−τ2RBy making zero nearly zero, other
Position z in the reference medium rather than position0RBackscattered by
The coherence between the Brillouin scattered light and the second light.
By selectively measuring the beat electrical signals of both lights.
Brillouin spectrum D obtainedR(ζ) is measured, And the Brillouin spectrum DT(ζ) and the Brillouin
Spectrum DRUsing the relationship (ζ), the position z0TIn
To obtain a corrected Brillouin spectrum
A reflection type Brillouin spectrum distribution measuring method.
【請求項3】 被測定媒質のブリルアンスペクトル幅以
上の広い線幅を有するインコヒーレントな連続発振光を
出力する光源と、 該連続発振光を分岐して少なくとも第1の光と第2の光
を出力する光分岐手段と、 該第1の光を前記被測定媒質中に入射させる第1の光学
的手段と、 前記被測定媒質中で後方にブリルアン散乱されて該被測
定媒質から出力する前記第1の光の少なくとも一部を取
り出す第2の光学的手段と、 該第2の光学的手段により取り出された後方にブリルア
ン散乱された第1の光と、前記第2の光とを合流させる
光合流手段と、 該光合流手段によって合流した合流光を電気信号に変え
る光検出手段と、 前記電気信号を入力信号として、前記後方ブリルアン散
乱された第1の光と前記第2の光との干渉により発生す
るビート電気信号を通過させるフィルタと、 該フィルタを通過したビート電気信号のパワーと周波数
ζとを測定する測定手段と、 前記第1の光が前記光分岐手段から出発して、前記被測
定媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱され、前記
光検出手段に到達するまでの遅延時間τ1と、前記第2
の光が前記光分岐手段から出発して、前記光検出手段に
到達するまでの遅延時間τ2との差である相対遅延時間
τ121−τ2を変化させる可変光遅延手段とを備え、 かつ、前記相対遅延時間τ12がほぼゼロとなる前記位置
0Tを前記可変光遅延手段により変化させて、前記被測
定媒質のブリルアンスペクトル分布を測定することを特
徴とする反射式ブリルアンスペクトル分布測定装置。
3. A light source for outputting an incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of a medium to be measured, and branching the continuous oscillation light into at least a first light and a second light. A light branching means for outputting; a first optical means for causing the first light to enter the medium to be measured; and a second optical means for performing Brillouin scattering backward in the medium to be measured and outputting from the medium to be measured. Second optical means for extracting at least a part of the first light; light for merging the second light extracted by the second optical means and backwardly Brillouin-scattered; and the second light Converging means; light detecting means for converting the converging light merged by the light converging means into an electric signal; interference between the backward Brillouin-scattered first light and the second light using the electric signal as an input signal; Beat caused by A filter for passing the electric signal; a measuring means for measuring the power and frequency ζ of the beat electric signal passing through the filter; and the first light starting from the optical branching means, and Brillouin scattering backward at the position z 0T , and a delay time τ 1 from when the light reaches the light detecting means,
Variable light delay means for changing a relative delay time τ 12 = τ 1 −τ 2 which is a difference from the delay time τ 2 until the light of the light departs from the light branch means and reaches the light detection means. A reflection type Brillouin spectrum, wherein the position z 0T at which the relative delay time τ 12 becomes substantially zero is changed by the variable optical delay means, and the Brillouin spectrum distribution of the medium to be measured is measured. Distribution measuring device.
【請求項4】 被測定媒質のブリルアンスペクトル幅以
上の広い線幅を有するインコヒーレントな連続発振光を
出力する光源と、 該連続発振光を分岐して少なくとも第1の光と第2の光
を出力する光分岐手段と、 前記被測定媒質と光学的に接続されたまたは接した参照
媒質と、 前記第1の光を前記被測定媒質中および前記参照媒質に
入射させる第1の光学的手段と、 前記被測定媒質中および前記参照媒質中で前記後方にブ
リルアン散乱された第1の光の少なくとも一部を取り出
す第2の光学的手段と、 前記被測定媒質で後方に散乱されたブリルアン散乱光と
前記参照媒質で後方に散乱されたブリルアン散乱光とを
それぞれ前記第2の光に合流させる光合流手段と、 該光合流手段により合流した合流光を電気信号に変える
光検出手段と、 前記電気信号が入力され、前記被測定媒質中および前記
参照媒質中で前記後方にブリルアン散乱された第1の光
と、前記第2の光との干渉により発生するビート電気信
号を通過させて出力するフィルタと、 前記フィルタを通過したビート電気信号のパワーと周波
数ζを測定する測定手段と、 前記第1の光が前記光分岐手段から出発して前記被測定
媒質中の位置z0Tで後方にブリルアン散乱され、前記光
検出手段に到達するまでの遅延時間τ1と前記第2の光
が前記光分岐手段から出発して前記光検出手段に到達す
るまでの遅延時間τ2との差である相対遅延時間τ12
1−τ2を変化させ、また、前記第1の光が前記光分岐手
段から出発して前記参照媒質中の位置z0Rで後方にブリ
ルアン散乱され、前記光検出手段に到達するまでの遅延
時間τ1Rと前記第2の光が前記光分岐手段から出発して
前記光検出手段に到達するまでの遅延時間τ2Rとの差で
ある相対遅延時間τ12R1R−τ2Rを調整する、少なく
とも1つは可変光遅延手段である1つまたは複数の光遅
延手段と、 前記可変光遅延手段により前記被測定媒質中からの後方
ブリルアン散乱光に関わる前記相対遅延時間τ12がほぼ
ゼロとなる前記位置z0Tを変化させ、また、前記光遅延
手段により前記参照媒質中からの後方ブリルアン散乱光
に関わる相対遅延時間τ12Rを前記位置z0Rでほぼゼロ
とすることにより、前記被測定媒質中の位置z0Tおよび
前記参照媒質中の位置 z0Rにおいて、それぞれの前記
相対遅延時間τ12およびτ12Rをほぼゼロとしたときの
ブリルアンスペクトルを測定し、測定した該ブリルアン
スペクトルのそれぞれをDT(ζ)およびDR(ζ)としたと
き、該DT(ζ)とDR(ζ)の関係を利用して、前記位置z0T
における補正されたブリルアンスペクトルを求めるデー
タ処理手段とを有することを特徴とする反射式ブリルア
ンスペクトル分布測定装置。
4. A light source for outputting an incoherent continuous oscillation light having a line width wider than the Brillouin spectrum width of the medium to be measured, and branching the continuous oscillation light into at least a first light and a second light. An output light branching unit, a reference medium optically connected to or in contact with the measured medium, and a first optical means for causing the first light to be incident on the measured medium and on the reference medium. Second optical means for extracting at least a part of the first light Brillouin scattered backward in the medium to be measured and the reference medium; and Brillouin scattered light scattered backward in the medium to be measured. Light converging means for converging the Brillouin scattered light scattered backward by the reference medium with the second light; light detecting means for converting the converged light converged by the light converging means into an electric signal; An electric signal is input, and a beat electric signal generated by interference between the first light that has been Brillouin scattered backward in the medium to be measured and the reference medium and the second light passes therethrough and is output. A filter, measuring means for measuring the power and frequency ビ ー ト of the beat electric signal passing through the filter, and the first light starting from the light branching means and rearward at a position z 0T in the medium to be measured, Brillouin. scattered, relative delay time tau 1 and the second light to reach the light detecting means is a difference between the delay time tau 2 to reach the light detecting means, starting from said light branching means Delay time τ 12 = τ
1− τ 2, and a delay time until the first light is Brillouin scattered backward from the light branching means at a position z 0R in the reference medium and reaches the light detecting means. tau 1R and the second light is adjusted relative delay time τ 12R = τ 1R2R is the difference between the delay time tau 2R to reach the light detecting means, starting from said light branching means, At least one of which is a variable optical delay means, one or more optical delay means, and the variable optical delay means makes the relative delay time τ 12 relating to backward Brillouin scattered light from within the measured medium substantially zero. By changing the position z 0T, and by making the relative delay time τ 12R related to the backward Brillouin scattered light from within the reference medium by the optical delay means substantially zero at the position z 0R , position z 0T and the reference medium In the position z 0R in the Brillouin spectrum when each of the relative delay time tau 12 and tau 12R substantially zero is measured, respectively D T of the measured the Brillouin spectrum (zeta) and D R (zeta) Then, by utilizing the relationship between D T (ζ) and D R (ζ), the position z 0T
And a data processing means for obtaining a corrected Brillouin spectrum.
【請求項5】 前記光分岐手段からの一方の出力光であ
る前記第1の光を分岐するための第2の光分岐手段と、 該第2の光分岐手段の一方の出力光を入力としてその入
力された光の遅延量を変化させて出力する遅延量可変の
第2の可変光遅延手段と、 該第2の可変光遅延手段より遅延量を変化させた光を入
力としてその入力された光を周波数fSD1の変調信号で変
調して出力する第1の光変調手段と、 前記第2の光分岐手段の他方の出力光を入力として該入
力された光の遅延量を変化させて出力する遅延量可変の
第3の可変光遅延手段と、 該第3の可変光遅延手段により遅延量を変化させた光を
入力としてその入力された光を周波数fSD2 (≠ fSD1)の
変調信号で変調して出力する第2の光変調手段と、 前記第1の光変調手段の出力光と前記第2の光変調手段
の出力光とを合流して再び第1の光として出力する第2
の光合流手段と、 該第2の光合流手段で合流された該第1の光を前記参照
媒質および前記被測定媒質に導くとともにそれらの媒質
中で後方にブリルアン散乱された光を取り出すための光
学手段である第3の光分岐手段とを更に有し、 前記測定手段には、前記周波数fSD1, fSD2 の同期信
号に同期して前記ビート電気信号のパワーを測定する同
期検波受信器を含むことを特徴とする請求項4に記載の
反射式ブリルアンスペクトル分布測定装置。
5. A second light splitting means for splitting the first light which is one output light from the light splitting means, and one output light of the second light splitting means as an input. A second variable optical delay means for changing the delay amount of the input light and outputting the same, and the light having the delay amount changed from the second variable optical delay means is input as the input. A first light modulating means for modulating light with a modulation signal of a frequency f SD1 and outputting the light, and the other output light of the second light branching means as an input and changing the delay amount of the inputted light to output A third variable optical delay means having a variable delay amount, and a light having a delay amount changed by the third variable optical delay means as an input and modulating the input light with a frequency f SD2 (≠ f SD1 ) signal. Second light modulating means for modulating and outputting the light, and output light of the first light modulating means and the second light modulating means. Second output as an output light and a first light again joins the light modulation means
A light converging means for guiding the first light converged by the second light converging means to the reference medium and the medium to be measured, and extracting light Brillouin scattered backward in the medium. A third optical branching unit that is an optical unit, wherein the measuring unit includes a synchronous detection receiver that measures the power of the beat electric signal in synchronization with the synchronous signals of the frequencies f SD1 and f SD2. 5. The reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring device according to claim 4, wherein:
【請求項6】 前記第1の光を周波数fSD の変調信号
で変調する光変調手段を更に有し、 前記測定手段には、前記周波数fSD の同期信号に同期
して前記ビート電気信号のパワーを測定する同期検波受
信器を含むことを特徴とする請求項3に記載の反射式ブ
リルアンスペクトル分布測定装置。
6. further comprising a light modulating means for modulating the modulation signal of the first optical frequency f SD, the said measuring means, said beat electrical signals in synchronism with the frequency f SD of the synchronization signal The reflection-type Brillouin spectrum distribution measuring apparatus according to claim 3, further comprising a synchronous detection receiver for measuring power.
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