JP5213125B2 - Distributed optical fiber sensor - Google Patents

Distributed optical fiber sensor Download PDF

Info

Publication number
JP5213125B2
JP5213125B2 JP2009041162A JP2009041162A JP5213125B2 JP 5213125 B2 JP5213125 B2 JP 5213125B2 JP 2009041162 A JP2009041162 A JP 2009041162A JP 2009041162 A JP2009041162 A JP 2009041162A JP 5213125 B2 JP5213125 B2 JP 5213125B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
optical fiber
brillouin
pulse
spectrum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2009041162A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010008400A (en
Inventor
憲一 西口
哲賢 李
欣増 岸田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Neubrex Co Ltd
Original Assignee
Neubrex Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Neubrex Co Ltd filed Critical Neubrex Co Ltd
Priority to JP2009041162A priority Critical patent/JP5213125B2/en
Publication of JP2010008400A publication Critical patent/JP2010008400A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5213125B2 publication Critical patent/JP5213125B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長尺方向について歪みおよび/または温度を高精度で測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。   The present invention relates to a distributed optical fiber sensor that can measure strain and / or temperature with high accuracy in the longitudinal direction using an optical fiber as a sensor.

従来、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において光ファイバは、当該光ファイバの置かれる環境における歪みおよび/または温度を検出する媒体として利用される。   Conventionally, as a technique for measuring strain and temperature, there is a method based on the Brillouin scattering phenomenon that occurs in an optical fiber. In this method, the optical fiber is used as a medium for detecting strain and / or temperature in the environment where the optical fiber is placed.

ブリルアン散乱現象とは、光が光ファイバへ入射された場合に光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象であり、互いに周波数の異なる2つの光が光ファイバに入射され、これら2つの光の相互作用によって生じる誘導ブリルアン散乱現象と、光が光ファイバに入射され、この光と光ファイバ中の熱雑音によって生じている音響フォノンとの相互作用によって生じる自然ブリルアン散乱現象とがある。このブリルアン散乱現象の際に見られるブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪みおよび温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって歪みおよび/または温度が測定される。   The Brillouin scattering phenomenon is a phenomenon in which power moves through an acoustic phonon in an optical fiber when light enters the optical fiber, and two lights having different frequencies are incident on the optical fiber. There is a stimulated Brillouin scattering phenomenon caused by the interaction of light, and a natural Brillouin scattering phenomenon caused by the interaction of this light with acoustic phonons caused by thermal noise in the optical fiber. The Brillouin frequency shift seen during this Brillouin scattering phenomenon is proportional to the speed of sound in the optical fiber, and the speed of sound depends on the strain and temperature of the optical fiber. For this reason, strain and / or temperature are measured by measuring the Brillouin frequency shift.

このブリルアン散乱現象を利用した歪みや温度の分布を計測する代表的な方式として、BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)およびBOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)がある。BOTDAでは、誘導ブリルアン散乱現象が利用され、互いに周波数の異なる2つのレーザ光がポンプ光およびプローブ光として検出用光ファイバへ対向して入射され、検出用光ファイバにおける、ポンプ光を入射した端部から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度が時間領域で測定される。このBOTDAでは、ポンプ光およびプローブ光の相互作用によって音響フォノンが励起されている。一方、BOTDRでは、1つのレーザ光がポンプ光として検出用光ファイバの一方端から入射され、前記一方端から射出される自然ブリルアン散乱現象にかかる光が光バンドパスフィルタによって検出され、この検出された自然ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度が時間領域で測定される。このBOTDRでは、熱雑音によって生じている音響フォノンが利用されている。そして、これらBOTDAおよびBOTDRにおいて、このような測定がポンプ光の周波数またはBOTDAではプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数ごとに行われ、検出用光ファイバの長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトル(またはBOTDAではブリルアン・ロス・スペクトル)がそれぞれ求められ、この測定結果に基づいて検出用光ファイバの長尺方向に沿った歪み分布および/または温度分布が測定される。前記ポンプ光には、通常、光強度が矩形状である光パルスが用いられ、BOTDAにおけるプローブ光には、連続光(CW光)が用いられる。   Typical methods for measuring strain and temperature distribution using the Brillouin scattering phenomenon include BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) and BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer). In BOTDA, the stimulated Brillouin scattering phenomenon is utilized, and two laser beams having different frequencies are incident on the detection optical fiber as pump light and probe light, and the end of the detection optical fiber where the pump light is incident The light intensity of the light that is emitted from the stimulated Brillouin scattering phenomenon is measured in the time domain. In this BOTDA, acoustic phonons are excited by the interaction of pump light and probe light. On the other hand, in BOTDR, one laser beam is incident as a pump beam from one end of a detection optical fiber, and light applied to a natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the one end is detected by an optical bandpass filter. The light intensity of light applied to the natural Brillouin scattering phenomenon is measured in the time domain. In this BOTDR, acoustic phonons generated by thermal noise are used. In these BOTDA and BOTDR, such measurement is performed for each frequency while sequentially changing the frequency of the pump light or the frequency of the probe light in BOTDA, and at each part along the longitudinal direction of the optical fiber for detection. A Brillouin gain spectrum (or Brillouin loss spectrum in BOTDA) is obtained, and a strain distribution and / or a temperature distribution along the longitudinal direction of the detection optical fiber are measured based on the measurement result. For the pump light, a light pulse having a rectangular light intensity is usually used, and for the probe light in BOTDA, continuous light (CW light) is used.

ここで、BOTDAでは、プローブ光を基準として、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される一方、プローブ光の周波数をポンプ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ロス・スペクトルが検出される。また、BOTDRでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される。BOTDAでは、これらブリルアン・ゲイン・スペクトルおよびブリルアン・ロス・スペクトルのいずれを用いても歪みおよび/または温度が求められる。本明細書では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルとブリルアン・ロス・スペクトルとを、BOTDAでは、適宜、単に「ブリルアンスペクトル」と呼称することとする。   Here, in BOTDA, the Brillouin gain spectrum is detected by making the pump light frequency higher than the probe light frequency with respect to the probe light, while the probe light frequency is made higher than the pump light frequency. By raising it, the Brillouin loss spectrum is detected. In BOTDR, a Brillouin gain spectrum is detected. In BOTDA, strain and / or temperature are obtained using any of these Brillouin gain spectrum and Brillouin loss spectrum. In this specification, the Brillouin gain spectrum and the Brillouin loss spectrum are simply referred to as “Brillouin spectrum” in the BOTDA as appropriate.

このBOTDAおよびBOTDRの空間分解能は、測定に用いられるポンプ光の光パルスのパルス幅で制限される。光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが通常使用される一般的な光ファイバでは、音響フォノンの完全な立ち上がりに約28nsが必要である。このため、ブリルアンスペクトルは、光パルスのパルス幅が約28ns以上までは、ローレンツ曲線(Lorentzain curve)であり、それよりも光パルス幅を短くすると広帯域な曲線となって中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、中心周波数を求めることが難しくなって、その空間分解能は、通常、約2〜3mとされている。   The spatial resolution of these BOTDA and BOTDR is limited by the pulse width of the optical pulse of the pump light used for measurement. Although the speed of light in the optical fiber is slightly different depending on the material of the optical fiber, in a general optical fiber that is usually used, about 28 ns is required for complete rise of the acoustic phonon. For this reason, the Brillouin spectrum is a Lorentzain curve until the pulse width of the optical pulse is about 28 ns or more. If the optical pulse width is shortened, the Brillouin spectrum becomes a wide-band curve with a sharpness near the center frequency. The lost shape becomes a gentle shape. For this reason, it becomes difficult to obtain the center frequency, and the spatial resolution is usually about 2 to 3 m.

そこで、本願発明者は、前記光パルスを2つの成分から構成することによって、高精度(例えば200με以下)および高空間分解能(例えば1m以下)で歪みおよび/または温度の分布を測定する手法を特許文献1で提案した。本願発明者は、本方式をPPP−BOTDA/BOTDR(Pulse Pre-Pumped BOTDA/BOTDR)と呼んでいる。なお、100μεは、0.01%に相当する(100με=0.01%)。また、ブリルアン周波数シフトは、歪みに対して、約500MHz/%である。   Therefore, the inventor of the present application patented a method for measuring strain and / or temperature distribution with high accuracy (for example, 200 με or less) and high spatial resolution (for example, 1 m or less) by configuring the optical pulse from two components. Proposed in Reference 1. The inventor of the present application calls this method PPP-BOTDA / BOTDR (Pulse Pre-Pumped BOTDA / BOTDR). Note that 100 με corresponds to 0.01% (100 με = 0.01%). The Brillouin frequency shift is about 500 MHz /% with respect to the distortion.

国際公開第2006/001071号パンフレットInternational Publication No. 2006/001071 Pamphlet

ところで、前記特許文献1に提案した手法では、サブ光パルスで予め音響フォノンを立ち上げているので、メイン光パルスのパルス幅を短くすることができ、これによって高空間分解能を可能にしている。しかしながら、メイン光パルスのパルス幅を短くすると、平均パワーが減少するため、検出用光ファイバによって数km程度しか歪みや温度を検出することができなかった。また、BOTDRでも同様に、メイン光パルスのパルス幅を短くすると、平均パワーが減少するため、検出用光ファイバによって数km程度しか歪みや温度を検出することができなかった。   By the way, in the method proposed in Patent Document 1, since the acoustic phonon is activated in advance by the sub light pulse, the pulse width of the main light pulse can be shortened, thereby enabling high spatial resolution. However, when the pulse width of the main light pulse is shortened, the average power is reduced, so that only a few km of strain and temperature can be detected by the detection optical fiber. Similarly, in BOTDR, when the pulse width of the main light pulse is shortened, the average power is reduced, so that the strain and temperature can be detected only about several kilometers by the detection optical fiber.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、歪みおよび/または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる分布型光ファイバセンサを提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the object thereof is to extend the measurable distance and measure farther, while allowing distortion and / or temperature to be measured with high spatial resolution. It is to provide a distributed optical fiber sensor.

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明にかかる一態様では、誘導ブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび/または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えることを特徴とする。そして、好ましくは、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、前記連続光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射され、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定することである。また、好ましくは、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、前記連続光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、前記検出用光ファイバは、伝播する前記連続光をその他方端で反射し、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出した前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定することである。なお、Aおよび/またはBは、AおよびBのうち少なくとも一方を意味する。   As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, according to one aspect of the present invention, in a distributed optical fiber sensor that measures strain and / or temperature using the stimulated Brillouin scattering phenomenon, a main light pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub light pulse. An optical pulse light source that generates continuous light, a continuous light source that generates continuous light, and the sub light pulse and the main light pulse are incident so that the main light pulse is not incident temporally before the sub light pulse. The continuous light is incident and a detection optical fiber in which a stimulated Brillouin scattering phenomenon occurs between the sub light pulse and the main light pulse and the continuous light, and light emitted from the detection optical fiber is filtered. To detect the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, and to match the matching spectrum corresponding to the spread spectrum method. And a Brillouin gain spectrum or Brillouin loss spectrum based on the light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon detected by the matched filter, and the obtained Brillouin gain spectrum or Brillouin loss spectrum is obtained. And a Brillouin time domain detector for measuring strain and / or temperature generated in the optical fiber for detection based on the above. Preferably, in the above-described distributed optical fiber sensor, the sub light pulse and the main light pulse are incident from one end of the detection optical fiber, and the continuous light is input to the other end of the detection optical fiber. The Brillouin time domain detector is used to determine a Brillouin gain spectrum or a Brillouin loss spectrum based on light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from one end of the detection optical fiber. Further, the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber is measured based on the Brillouin gain spectrum or the Brillouin loss spectrum. Preferably, in the above-described distributed optical fiber sensor, the sub light pulse and the main light pulse are incident from one end of the detection optical fiber, and the continuous light is one end of the detection optical fiber. The detection optical fiber reflects the propagating continuous light at the other end, and the Brillouin time domain detector is subjected to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from one end of the detection optical fiber. Brillouin gain spectrum or Brillouin loss spectrum is obtained based on light, and strain and / or temperature generated in the detection optical fiber is measured based on the obtained Brillouin gain spectrum or Brillouin loss spectrum. It is to be. A and / or B means at least one of A and B.

このような構成の分布型光ファイバセンサは、BOTDAであって、歪みおよび/または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。   The distributed optical fiber sensor having such a configuration is a BOTDA, and can measure the distance and / or the temperature by extending the measurable distance while allowing the strain and / or temperature to be measured with high spatial resolution.

そして、本発明にかかる他の一態様では、自然散乱によるブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび/または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えることを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, in a distributed optical fiber sensor that measures strain and / or temperature using a Brillouin scattering phenomenon caused by natural scattering, a main light pulse using a spread spectrum method and non-modulation are used. A light pulse light source for generating a sub-light pulse, and a detection light in which the sub-light pulse and the main light pulse are incident, and the sub-light pulse and the main light pulse cause a natural Brillouin scattering phenomenon by sound waves due to thermal noise A fiber, a matched filter corresponding to the spread spectrum method for detecting light applied to the natural Brillouin scattering phenomenon by filtering light emitted from the detection optical fiber, and the natural filter detected by the matched filter Based on the Brillouin scattering phenomenon, the Brillouin gain spectrum Seeking Torr, characterized in that it comprises a Brillouin time domain detector that measures the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber based on this the Brillouin gain spectrum obtained.

このような構成の分布型光ファイバセンサは、BOTDRであって、歪みおよび/または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。   The distributed optical fiber sensor having such a configuration is a BOTDR, and can measure the distance and / or temperature by extending the measurable distance while allowing the strain and / or temperature to be measured with high spatial resolution.

検出用光ファイバに入射する光にスペクトル拡散方式を用いた場合におけるブリルアン周波数シフトについて以下に説明する。   The Brillouin frequency shift when the spread spectrum method is used for light incident on the detection optical fiber will be described below.

スペクトル拡散方式、あるいはパルス圧縮方式は、いわゆるレーダ分野において、その計測可能距離を伸ばすために利用されている。これは、目標を探知するために空間に放射されるパルス内部で周波数変調や位相変調等を用いることによって前記パルスのスペクトルを拡散し、前記目標で反射された反射波にパルス圧縮と呼ばれる復調を施すことによって、前記目標までの距離を探知するものである。これによって前記パルスのエネルギーを大きくすることができ、計測可能距離を伸ばすことができる。スペクトル拡散は、一般に、信号を送信するために本来必要とされる帯域幅よりも意図的にその帯域幅を広くすることである。   The spread spectrum method or the pulse compression method is used to extend the measurable distance in the so-called radar field. This is because the spectrum of the pulse is diffused by using frequency modulation or phase modulation inside the pulse radiated to the space to detect the target, and the demodulation called pulse compression is applied to the reflected wave reflected by the target. By applying, the distance to the target is detected. Thereby, the energy of the pulse can be increased, and the measurable distance can be extended. Spread spectrum is generally deliberately increasing the bandwidth that is originally required to transmit a signal.

このスペクトル拡散方式をBOTDAやBOTDRへ適用する場合、ブリルアン周波数シフトが非線形なプロセスを経て生じるため、光パルスのスペクトルを広げる(拡散する)と、これによって、第1に、励起される音響フォノンのスペクトルが広がるとともに、第2に、周波数ごとの反射波の時系列信号におけるスペクトルも広がるという、スペクトルに二重の広がりが生じてしまう。このため、単純に、スペクトル拡散符号をBOTDAやBOTDRへ適用することができない。そこで、本願発明者は、以下に解析するように、光パルスをメイン光パルスとサブ光パルスとから構成し、メイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いることによって、スペクトル拡散方式をBOTDAやBOTDRへ適用することができることを見出した。   When this spread spectrum method is applied to BOTDA and BOTDR, since the Brillouin frequency shift occurs through a non-linear process, when the spectrum of the optical pulse is broadened (spread), this firstly causes the acoustic phonon to be excited. As the spectrum spreads, secondly, the spectrum in the time-series signal of the reflected wave for each frequency also spreads, resulting in a double spread in the spectrum. For this reason, the spread spectrum code cannot simply be applied to BOTDA or BOTDR. Therefore, the inventor of the present application applies the spread spectrum method to BOTDA and BOTDR by configuring the light pulse from the main light pulse and the sub light pulse and using the spread spectrum method for the main light pulse, as will be analyzed below. Found that you can.

以下に、BOTDAの場合について説明するが、同様に、解析を行うことによってBOTDRについても解析を行うことができる。   In the following, the case of BOTDA will be described. Similarly, it is possible to analyze BOTDR by performing analysis.

BOTDAでは、検出用光ファイバの一方端(z=0)からポンプ光が入射されるとともに、前記ポンプ光の周波数と異なる周波数のプローブ光が他方端から入射され、励起された音響フォノンの後方散乱がz=0の端点で観測される。ブリルアン・ゲイン・スペクトル(BGS)は、プローブ光のパワーの増分である。   In BOTDA, pump light is incident from one end (z = 0) of a detection optical fiber, and probe light having a frequency different from that of the pump light is incident from the other end, and backscattering of excited acoustic phonons is performed. Is observed at the end point of z = 0. Brillouin gain spectrum (BGS) is an increase in the power of the probe light.

まず、このポンプ光A(0,t)は、複素包絡線が式1によって表される形状を持った光パルスとする。 First, the pump light A p (0, t) is an optical pulse having a shape in which a complex envelope is expressed by Equation 1.

ここで、Pは、ポンプ光のパワーであり、f(t)は、時刻tにおけるポンプ光の振幅を表す関数であって、その絶対値の最大が1となるように規格化されている。 Here, P p is the power of the pump light, and f (t) is a function representing the amplitude of the pump light at time t, and is normalized so that the maximum of its absolute value is 1. .

また、式2によって関数を定義すると、そのフーリエ変換は、式3によって表される。この場合において、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)は、2次元のコンボルーション(畳み込み、convolution)であり、式4によって表される。式4の右辺第1項が時変ローレンツスペクトルである。   When the function is defined by Expression 2, the Fourier transform is expressed by Expression 3. In this case, the Brillouin gain spectrum V (t, ν) is a two-dimensional convolution and is expressed by Equation 4. The first term on the right side of Equation 4 is a time-varying Lorentz spectrum.

ここで、上付きの*は、複素共役であることを表し、iは、複素単位である(i=−1)。また、γは、利得係数であり、ν(z)は、位置zにおけるブリルアン周波数シフトである。そして、G(ν)は、ローレンツスペクトルであり、vは、ポンプ光の群速度である。演算子*は、コンボルーションを表し、その上付き文字t,νは、これらの変数に関しての2次元のコンボルーションであることを表している。なお、乗算の演算子・は、記載が省略されている。 Here, the superscript * represents a complex conjugate, and i is a complex unit (i 2 = −1). Further, γ is a gain coefficient, and ν B (z) is a Brillouin frequency shift at the position z. G (ν) is a Lorentz spectrum, and vg is a group velocity of pump light. The operator * represents convolution, and the superscripts t and ν represent two-dimensional convolution with respect to these variables. Note that the multiplication operator • is not shown.

ここで、理想的には、式4の右辺第1項の時変ローレンツスペクトル自体が観測されることであるが、実際には、点広がり関数ψ(t、ν)とのコンボルーションでぼかされたブリルアン・ゲイン・スペクトルが観測される。このため、前記点広がり関数ψ(t、ν)が2次元デルタ関数もしくはそれに近いことが必要となる。したがって、ψ(t、ν)≒δ(t)δ(ν)となることが好ましい。   Here, ideally, the time-varying Lorentz spectrum itself of the first term on the right-hand side of Equation 4 is observed, but in reality, it is blurred by convolution with the point spread function ψ (t, ν). The observed Brillouin gain spectrum is observed. For this reason, the point spread function ψ (t, ν) needs to be a two-dimensional delta function or close thereto. Therefore, it is preferable that ψ (t, ν) ≈δ (t) δ (ν).

ここで、ポンプ光をメイン光パルスf(t)とサブ光パルスf(t)とから構成する。すなわち、ポンプ光の振幅f(t)は、式5となる。 Here, the pump light is composed of the main light pulse f 1 (t) and the sub light pulse f 2 (t). That is, the amplitude f (t) of the pump light is expressed by Equation 5.

このサブ光パルスは、メイン光パルスのために、音響フォノンを励起するように機能するものである。サブ光パルスのパルス幅Dsubは、少なくとも音響フォノンの寿命に較べて充分に長くする。音響フォノンの寿命は、通常、5ns程度である。 This sub light pulse functions to excite acoustic phonons for the main light pulse. The pulse width D sub of the sub light pulse is made sufficiently longer than at least the lifetime of the acoustic phonon. The lifetime of acoustic phonons is usually about 5 ns.

このメイン光パルスは、音響フォノンで散乱されたエネルギーをプローブ光に渡すように機能するものである。このメイン光パルスは、時間方向に所定の時間幅で複数のセルに分割され、スペクトル拡散方式が用いられて広帯域化される。広帯域とは、音響フォノンのスペクトル線幅(約30〜40MHz)に較べてである。このセルの時間幅がBOTDAの空間分解能を決め、この逆数がスペクトルの幅になる。例えば、セル幅(セル時間幅)が0.1nsである場合には、空間分解能は、1cmとなり、スペクトル幅は、10GHzとなる。そして、メイン光パルスのパルス幅Dは、計測可能距離を伸ばすためにポンプ光に与えるエネルギー量を決める。ここで、BOTDAの空間分解能は、上述したように、メイン光パルスのセル幅で決まるため、メイン光パルスのパルス幅Dは、BOTDAの空間分解能とは独立に設定することができる。したがって、メイン光パルスのパルス幅Dは、所望の計測可能距離に応じて適宜に決定可能である。このため、計測可能距離を従来より伸ばすことが可能となる。   The main light pulse functions to pass the energy scattered by the acoustic phonon to the probe light. The main light pulse is divided into a plurality of cells with a predetermined time width in the time direction, and is broadened by using a spread spectrum system. Broadband is compared to the spectral linewidth (approximately 30-40 MHz) of acoustic phonons. The time width of this cell determines the spatial resolution of BOTDA, and this reciprocal is the width of the spectrum. For example, when the cell width (cell time width) is 0.1 ns, the spatial resolution is 1 cm and the spectrum width is 10 GHz. The pulse width D of the main light pulse determines the amount of energy given to the pump light in order to extend the measurable distance. Here, since the spatial resolution of BOTDA is determined by the cell width of the main optical pulse as described above, the pulse width D of the main optical pulse can be set independently of the spatial resolution of BOTDA. Therefore, the pulse width D of the main light pulse can be appropriately determined according to a desired measurable distance. For this reason, it becomes possible to extend measurable distance conventionally.

このようにポンプ光を2成分で構成した場合に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)は、3つの成分から構成され、式6および式7(式7−1〜式7−3)によって表される。   When the pump light is composed of two components in this way, the Brillouin gain spectrum V (t, ν) is composed of three components, and Equations 6 and 7 (Equations 7-1 to 7-3) Represented by

そして、その点広がり関数ψ(t、ν)は、式8によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ(t、ν)は、式9および式10によって表される。   The point spread function ψ (t, ν) is expressed by Equation 8, and since the pump light is composed of the main light pulse and the sub light pulse, the point spread function ψ (t, ν) is It is represented by Equation 9 and Equation 10.

ここで、スペクトル拡散方式では、その復調に、そのスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタ(マッチドフィルタ)が用いられ、整合フィルタのインパルス応答h(t)がf(D−t)とされる(h(t)=f(D−t))。整合フィルタは、例えば、スペクトル拡散に用いた信号(スペクトル拡散に符号系列を用いる場合ではその符号)を時間的に反転して、整合フィルタの入力とのコンボルーションを取るものである。 Here, in the spread spectrum method, a matched filter (matched filter) corresponding to the spread spectrum method is used for demodulation, and the impulse response h (t) of the matched filter is set to f 1 (Dt) ( h (t) = f 1 (D−t)). The matched filter, for example, inverts the signal used for spread spectrum (the code in the case of using a code sequence for spread spectrum) with respect to time and takes the convolution with the input of the matched filter.

メイン光パルスは、スペクトル拡散方式を用い、サブ光パルスは、無変調で、そのパルス幅が充分に長いとすることから、点広がり関数ψ(t、ν)の成分ψ1,2(t、ν)は、式11のように近似可能であり、前記好ましい型になる。 The main light pulse uses a spread spectrum system, and the sub light pulse is unmodulated and its pulse width is sufficiently long. Therefore, the components ψ 1,2 (t, ν) can be approximated as in Equation 11 and is the preferred type.

ここで、Cは、メイン光パルスとサブ光パルスとの振幅比である。 Here, C p is an amplitude ratio between the main light pulse and the sub light pulse.

したがって、これに対応するブリルアン・ゲイン・スペクトルは、式12によって表される。   Therefore, the corresponding Brillouin gain spectrum is represented by Equation 12.

なお、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における他の成分V1,1(t、ν)およびV2,1(t、ν)は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されている場合には、フラットなスペクトルとなる。また、他の成分V2,2(t、ν)は、復調の際における整合フィルタによって抑圧される。 The other components V 1,1 (t, ν) and V 2,1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are spectrally spread by the pseudorandom numbers of the main light pulse. In some cases, the spectrum is flat. The other components V 2,2 (t, ν) are suppressed by the matched filter at the time of demodulation.

また、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V1,1(t、ν)およびV2,2(t、ν)は、ポンプ光をメイン光パルスのみで構成、あるいはサブ光パルスのみで構成し、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを計測することによって抽出可能である。 Further, the components V 1,1 (t, ν) and V 2,2 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are composed of only the main light pulse or the sub light pulse. And can be extracted by measuring the Brillouin gain spectrum.

以上の解析から、前記構成の分布型光ファイバセンサでは、検出用光ファイバに入射する光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと無変調のサブ光パルスとの2成分で構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みおよび/または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。   From the above analysis, in the distributed optical fiber sensor having the above-described configuration, the light pulse incident on the detection optical fiber is composed of two components of the main light pulse using the spread spectrum method and the unmodulated sub light pulse. Thus, the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, so that the measurable distance can be extended and further measured while the strain and / or temperature can be measured with a high spatial resolution.

また、上述のBOTDAの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第1誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第1ブリルアン・ロス・スペクトルと、前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第2誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第2ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第2ブリルアン・ロス・スペクトル、および/または、前記サブ光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第3誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第2ブリルアン・ロス・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定することである。   In the BOTDA distributed optical fiber sensor described above, preferably, the Brillouin time domain detector is configured such that the sub-light pulse, the main light pulse, and the continuous light are incident on the detection optical fiber. The first Brillouin gain spectrum or the first Brillouin loss spectrum obtained based on the light related to the first stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber, the main light pulse, and the continuous light; Is incident on the detection optical fiber, the second Brillouin gain spectrum or the second Brillouin loss spectrum obtained based on the light related to the second stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber. The spectrum and / or the sub-light pulse and the continuous light are transmitted to the detection optical fiber. The difference between the third Brillouin gain spectrum or the second Brillouin loss spectrum obtained based on the light related to the third stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber when the light is emitted is obtained. Then, based on the obtained difference, the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber is measured.

この構成によれば、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。   According to this configuration, when the Brillouin frequency shift is obtained, unnecessary components of the Brillouin spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift can be obtained more easily and with high accuracy. And / or the temperature can be determined more easily and with higher accuracy.

また、これら上述のBOTDAの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記サブ光パルスは、前記メイン光パルスに対して時間的に先行して前記検出用光ファイバに入射されることである。   In the above-described BOTDA distributed optical fiber sensor, preferably, the sub light pulse is incident on the detection optical fiber in advance of the main light pulse in time.

この構成によれば、サブ光パルスがメイン光パルスに対して時間的に先行して検出用光ファイバに入射される分布型光ファイバセンサが提供される。サブ光パルスは、メイン光パルスと時間的に分離されていてもよく、また、メイン光パルスと時間的に連続していてもよく、さらにその一部がメイン光パルスと時間的に重なって(オーバラップして)いてもよい。サブ光パルスをメイン光パルスから時間的に分離する場合には、サブ光パルスのパルス幅は、音響フォノンが充分に励起されるように約30ns以上であることが好ましく、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間的な間隔は、音響フォノンの寿命以下であることが好ましい。サブ光パルスをメイン光パルスにオーバラップさせる場合には、サブ光パルスのパルス幅もメイン光パルスのパルス幅も任意の長さとすることが可能である。したがって、ポンプ光のエネルギーを所望の値に設定することが可能となり、計測可能距離を適宜に設定することが可能となる。なお、この場合において、音響フォノンを充分に励起すべく、サブ光パルスは、メイン光パルスに対し30ns程度だけ先行させることが好ましい。   According to this configuration, a distributed optical fiber sensor in which the sub light pulse is incident on the detection optical fiber in advance of the main light pulse in time is provided. The sub light pulse may be temporally separated from the main light pulse, may be temporally continuous with the main light pulse, and a part thereof overlaps with the main light pulse in time ( May overlap). When the sub light pulse is temporally separated from the main light pulse, the pulse width of the sub light pulse is preferably about 30 ns or more so that the acoustic phonon is sufficiently excited. The time interval with the pulse is preferably less than the life of the acoustic phonon. When the sub light pulse is overlapped with the main light pulse, both the pulse width of the sub light pulse and the pulse width of the main light pulse can be set to arbitrary lengths. Therefore, the energy of the pump light can be set to a desired value, and the measurable distance can be set appropriately. In this case, in order to sufficiently excite the acoustic phonon, it is preferable that the sub light pulse precedes the main light pulse by about 30 ns.

また、これら上述のBOTDAの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記メイン光パルスと前記サブ光パルスとは、時間的に重なった部分が存在することである。   In the above-described BOTDA distributed optical fiber sensor, it is preferable that the main light pulse and the sub light pulse have a portion overlapping in time.

この構成によれば、メイン光パルスとサブ光パルスとに時間的に重なった部分(オーバラップした部分)を持つ分布型光ファイバセンサが提供される。サブ光パルスがメイン光パルスと重ねることによって、上述したように、サブ光パルスのパルス幅を任意の長さとすることが可能となり、計測可能距離をより伸ばすことができる。時間的に重なった部分は、両者がその一部分で時間的に重なっていてもよく、また、両者が時間的に完全に一致するように重なっていてもよい。   According to this configuration, a distributed optical fiber sensor having a portion (overlapped portion) overlapping the main light pulse and the sub light pulse in terms of time is provided. By overlapping the sub light pulse with the main light pulse, as described above, the pulse width of the sub light pulse can be set to an arbitrary length, and the measurable distance can be further extended. The part overlapped in time may be overlapped in part in the part, or may overlap so that they coincide completely in time.

また、上述のBOTDRの分布型光ファイバセンサにおいて、好ましくは、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第1自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第2自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第2ブリルアン・ゲイン・スペクトル、および/または、前記サブ光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第3自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定することである。   In the BOTDR distributed optical fiber sensor described above, preferably, the Brillouin time domain detector includes the detection optical fiber when the sub optical pulse and the main optical pulse are incident on the detection optical fiber. The first Brillouin gain spectrum obtained based on the light that is emitted from the first natural Brillouin scattering phenomenon, and when the main light pulse is incident on the detection optical fiber, The detection light when the second Brillouin gain spectrum obtained based on the emitted light related to the second natural Brillouin scattering phenomenon and / or the sub-light pulse is incident on the detection optical fiber. 3rd Briller determined based on the light applied to the 3rd natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the fiber - a gain spectrum, determining a difference, to measure the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber based on the difference obtained by this determined.

この構成によれば、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。   According to this configuration, when the Brillouin frequency shift is obtained, unnecessary components of the Brillouin spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift can be obtained more easily and with high accuracy. And / or the temperature can be determined more easily and with higher accuracy.

本発明にかかる分布型光ファイバセンサでは、歪みおよび/または温度が高空間分解能で、そして、より遠くまで測定可能となる。   In the distributed optical fiber sensor according to the present invention, the strain and / or temperature can be measured with a high spatial resolution and further.

実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the distributed optical fiber sensor in embodiment. 図1に示す分布型光ファイバセンサを第1態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor illustrated in FIG. 1 is operated in a first mode. 図1に示す分布型光ファイバセンサを第2態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the distributed optical fiber sensor at the time of operating the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 in a 2nd aspect. 光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure and operation | movement of an optical pulse production | generation part. ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の構成および整合フィルタを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure and matched filter of pump light (a sub light pulse and a main light pulse). 図1に示す分布型光ファイバセンサをBOTDRに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is configured as a BOTDR. 狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a narrow line | wire width optical band pass filter. 全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図ある。It is a figure for demonstrating the method of calculating | requiring a Brillouin frequency shift by subtracting a component from the whole. 図5(A)に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical experiment result of the distributed optical fiber sensor at the time of using the pump light of the structure shown to FIG. 5 (A). ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の他の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other structure of pump light (a sub light pulse and a main light pulse). 図10(B)に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical experiment result of the distributed optical fiber sensor at the time of using the pump light of the structure shown to FIG. 10 (B). ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)のさらに他の構成および整合フィルタを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the further another structure and matching filter of pump light (a sub light pulse and a main light pulse). 図12(A)に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure and operation | movement of an optical pulse production | generation part for producing | generating the pump light of the structure shown to FIG. 12 (A). 点広がり関数の一計算結果を示す図である。It is a figure which shows one calculation result of a point spread function. ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2、1(t、ν)を取り除いてブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)を求めるための信号処理部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the signal processing part for remove | eliminating component V2, 1 (t, (nu)) in Brillouin gain spectrum V (t, (nu)) and calculating | requiring Brillouin gain spectrum V (t, (nu)). is there. メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的短い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。The figure which shows the numerical experiment result of the distributed optical fiber sensor in the case of using the pump light which has the part which the main light pulse and the sub light pulse overlapped in time, and giving distortion to a comparatively short section width It is. メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的長い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。The figure which shows the numerical-experimental result of the distributed optical fiber sensor when using the pump light which has the part which the main light pulse and the sub light pulse overlapped in time, and giving distortion to a comparatively long section width It is.

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.

図1は、実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図2は、図1に示す分布型光ファイバセンサを第1態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。図3は、図1に示す分布型光ファイバセンサを第2態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor according to an embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is operated in the first mode. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is operated in the second mode.

本発明にかかる実施形態の図1に示す分布型光ファイバセンサS(S1)は、BOTDAであって、後述するように光スイッチ25を切り換えることによって第1態様(両端測定)として動作し、大略、図2に示すように、光パルス光源LSによって生成されたサブ光パルスおよびメイン光パルス光をポンプ光として、歪みおよび/または温度を検出するための検出用光ファイバOF(15)の一方端から入射するとともに、連続光光源LSCWによって生成された連続光をプローブ光としてこの検出用光ファイバOF(15)の他方端から入射して、ブリルアン時間領域検出計BD(14)によって検出用光ファイバOF(15)で生じた誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を受光し、ブリルアン時間領域検出計BD(14)によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析(BGain−OTDA)またはブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析(BLoss−OTDA)を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪みおよび/または温度の分布を検出するものである。光パルス光源LSでは、レーザ光源LDから射出されたレーザ光が光信号生成器OSGにおいて疑似乱数発生器RGからの疑似乱数で位相変調されることによって、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスが生成される。疑似乱数発生器RGで生成した疑似乱数は、復調のために、ブリルアン時間領域検出計BD(14)へ通知される。そして、ブリルアン時間領域検出計BD(14)では、検出用光ファイバOF(15)から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光が、疑似乱数発生器RGからの疑似乱数に応じた整合フィルタMFでフィルタリングされ、信号処理部SPでBOTDAの信号処理が施されることによって、ブリルアン周波数シフトに基づいた歪みおよび/または温度の分布が検出される。なお、以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析またはブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析は、ブリルアンスペクトラム時間領域分析と適宜略記される。このブリルアンスペクトラム時間領域分析では、誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、ブリルアン増幅または減衰を受けた光である。 The distributed optical fiber sensor S (S1) shown in FIG. 1 according to the embodiment of the present invention is a BOTDA and operates as a first mode (both-end measurement) by switching an optical switch 25 as will be described later. 2, one of the detection optical fibers OF (15) for detecting strain and / or temperature using the sub light pulse and the main light pulse light generated by the light pulse light source LS p as pump light. While entering from the other end, the continuous light generated by the continuous light source LS CW enters as the probe light from the other end of the detection optical fiber OF (15) and is detected by the Brillouin time domain detector BD (14). It receives light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generated in the optical fiber OF (15), and is received by the Brillouin time domain detector BD (14). By performing Riruan gain spectrum time domain analysis and (B Gain -OTDA) or the Brillouin loss spectrum time domain analysis (B Loss -OTDA), detects the strain distribution and / or temperature based on the Brillouin frequency shift Is. In the optical pulse light source LS p , the laser light emitted from the laser light source LD is phase-modulated by the pseudo random number from the pseudo random number generator RG in the optical signal generator OSG, so that the main optical pulse using the spread spectrum system is generated. Generated. The pseudo random number generated by the pseudo random number generator RG is notified to the Brillouin time domain detector BD (14) for demodulation. In the Brillouin time domain detector BD (14), the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber OF (15) is transmitted by the matched filter MF corresponding to the pseudo random number from the pseudo random number generator RG. By filtering and BOTDA signal processing by the signal processing unit SP, a strain and / or temperature distribution based on the Brillouin frequency shift is detected. Hereinafter, Brillouin gain spectrum time domain analysis or Brillouin loss spectrum time domain analysis is abbreviated as Brillouin spectrum time domain analysis as appropriate. In this Brillouin spectrum time domain analysis, the light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is light that has undergone Brillouin amplification or attenuation.

そして、この図1に示す分布型光ファイバセンサS(S2)は、BOTDAであって、後述するように光スイッチ25を切り換えることによって第2態様(片端測定)として動作し、大略、図3に示すように、光パルス光源LSによって生成されたサブ光パルスおよびメイン光パルス光をポンプ光として、そして、連続光光源LSCWによって生成された連続光をプローブ光として、検出用光ファイバOF(15)の一方端から入射して、ブリルアン時間領域検出計BD(14)によって検出用光ファイバOF(15)で生じた誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を受光し、ブリルアン時間領域検出計BD(14)によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析(BGain−OTDA)またはブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析(BLoss−OTDA)を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪みおよび/または温度の分布を検出するものである。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。 The distributed optical fiber sensor S (S2) shown in FIG. 1 is a BOTDA and operates as a second mode (one-end measurement) by switching the optical switch 25 as will be described later. As shown, the sub optical pulse and the main optical pulse light generated by the optical pulse light source LS p are used as pump light, and the continuous light generated by the continuous light source LS CW is used as probe light, and the detection optical fiber OF ( 15) is incident on one end of the light beam, and receives light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generated in the detection optical fiber OF (15) by the Brillouin time domain detector BD (14), and the Brillouin time domain detector BD (14) ) Brillouin gain spectrum time domain analysis (B Gain -OTDA) or Brillouin loss spectrum By performing inter-domain analysis (B Loss- OTDA), strain and / or temperature distribution is detected based on the Brillouin frequency shift. A spread spectrum system is used for the main light pulse.

このような分布型光ファイバセンサS(S1、S2)は、より具体的には、図1に示すように、第1光源1と、光カプラ2、5、8、21、23と、光パルス生成部3と、光スイッチ4、22と、光強度・偏光調整部6と、光サーキュレータ7、12と、光コネクタ9、26、27、28と、第1自動温度制御部(以下、「第1ATC」と略記する。)10と、第1自動周波数制御部(以下、「第1AFC」と略記する。)11と、制御処理部13と、ブリルアン時間領域検出計14と、検出用光ファイバ15と、温度検出部16と、基準用光ファイバ17と、第2自動温度制御部(以下、「第2ATC」と略記する。)18と、第2自動周波数制御部(以下、「第2AFC」と略記する。)19と、第2光源20と、光強度調整部24と、1×2光スイッチ25とを備えて構成される。   More specifically, such a distributed optical fiber sensor S (S1, S2) includes a first light source 1, optical couplers 2, 5, 8, 21, 23, and an optical pulse as shown in FIG. The generating unit 3, the optical switches 4 and 22, the light intensity / polarization adjusting unit 6, the optical circulators 7 and 12, the optical connectors 9, 26, 27, and 28, and a first automatic temperature control unit (hereinafter referred to as “first”). 1 ATC ”), a first automatic frequency control unit (hereinafter abbreviated as“ first AFC ”) 11, a control processing unit 13, a Brillouin time domain detector 14, and a detection optical fiber 15. A temperature detection unit 16, a reference optical fiber 17, a second automatic temperature control unit (hereinafter abbreviated as “second ATC”) 18, and a second automatic frequency control unit (hereinafter referred to as “second AFC”). Abbreviated) 19, second light source 20, light intensity adjustment unit 24, × constructed and a 2 optical switch 25.

第1および第2光源1、20は、それぞれ、第1および第2ATC10、18によって予め設定される所定温度で略一定に保持されると共に第1および第2AFC11、19によって予め設定される所定周波数で略一定に保持されることにより、所定周波数の連続光を生成し射出する光源装置である。第1光源1の出力端子(射出端子)は、光カプラ2の入力端子(入射端子)に光学的に接続される。第2光源20の出力端子(射出端子)は、光カプラ21の入力端子(入射端子)に光学的に接続される。   The first and second light sources 1 and 20 are held substantially constant at a predetermined temperature preset by the first and second ATCs 10 and 18, respectively, and at a predetermined frequency preset by the first and second AFCs 11 and 19, respectively. It is a light source device that generates and emits continuous light of a predetermined frequency by being held substantially constant. The output terminal (emission terminal) of the first light source 1 is optically connected to the input terminal (incident terminal) of the optical coupler 2. The output terminal (emission terminal) of the second light source 20 is optically connected to the input terminal (incident terminal) of the optical coupler 21.

このような第1および第2光源1、20は、それぞれ、例えば、発光素子と、発光素子の近傍に配置されこの発光素子の温度を検出する例えばサーミスタ等の温度検出素子と、発光素子の後方から射出されるバック光を受光して2つに分岐する例えばハーフミラー等の光カプラと、光カプラで分岐された一方の光を、周期的フィルタであるファブリペローエタロンフィルタ(Fabry-perotetalon Filter)を介して受光する第1受光素子と、光カプラで分岐した他方の光を受光する第2受光素子と、温度調整素子と、これら発光素子、温度検出素子、光カプラ、第1および第2受光素子、ファブリペローエタロンフィルタおよび温度調整素子が配設される基板とを備えて構成される。   Such first and second light sources 1 and 20 are, for example, a light emitting element, a temperature detecting element such as a thermistor that is disposed in the vicinity of the light emitting element and detects the temperature of the light emitting element, and the rear of the light emitting element. For example, an optical coupler such as a half mirror that receives the back light emitted from the light and splits it into two, and one of the lights branched by the optical coupler is a periodic filter, a Fabry-Perot etalon filter (Fabry-perotetalon Filter) A first light receiving element that receives light via the optical coupler, a second light receiving element that receives the other light branched by the optical coupler, a temperature adjusting element, the light emitting element, the temperature detecting element, the optical coupler, and the first and second light receiving elements. And a substrate on which a Fabry-Perot etalon filter and a temperature adjusting element are disposed.

発光素子は、線幅の狭い所定周波数の光を発光すると共に素子温度や駆動電流を変更することによって発振波長(発振周波数)を変えることができる素子であり、例えば、多量子井戸構造DFBレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ(周波数可変半導体レーザ)である。第1および第2光源1、20における各温度検出素子は、検出した各検出温度を第1および第2ATC10、18へそれぞれ出力する。第1および第2光源1、20における第1および第2受光素子は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備え、各受光光強度に応じた各受光出力を第1および第2AFC11、19へそれぞれ出力する。温度調整素子は、発熱および吸熱を行うことにより基板の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子を備えて構成される。   A light-emitting element is an element that emits light of a predetermined frequency with a narrow line width and can change an oscillation wavelength (oscillation frequency) by changing an element temperature or a drive current. For example, a multi-quantum well structure DFB laser, A tunable semiconductor laser (frequency tunable semiconductor laser) such as a tunable wavelength distribution Bragg reflection laser. The temperature detection elements in the first and second light sources 1 and 20 output the detected temperatures to the first and second ATCs 10 and 18, respectively. The first and second light receiving elements in the first and second light sources 1 and 20 are provided with photoelectric conversion elements such as photodiodes, for example, and each light receiving output corresponding to each received light intensity is output to the first and second AFCs 11 and 19, respectively. To do. The temperature adjustment element is a component that adjusts the temperature of the substrate by generating heat and absorbing heat, and includes a thermoelectric conversion element such as a Peltier element or a Seebeck element, for example.

第1および第2ATC10、18は、それぞれ、制御処理部13の制御に従って、第1および第2光源1、20における各温度検出素子の各検出温度に基づいて各温度調整素子を制御することによって、各基板の温度を所定温度に自動的に略一定に保持する回路である。これによって第1および第2光源1、20における各発光素子の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。このため、発光素子が発光する光の周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。   The first and second ATCs 10 and 18 respectively control the temperature adjusting elements based on the detected temperatures of the temperature detecting elements in the first and second light sources 1 and 20 according to the control of the control processing unit 13, respectively. This circuit automatically keeps the temperature of each substrate at a predetermined temperature substantially constant. As a result, the temperature of each light emitting element in the first and second light sources 1 and 20 is automatically kept substantially constant at a predetermined temperature. For this reason, when the frequency of the light emitted from the light emitting element has temperature dependency, the temperature dependency is suppressed.

第1および第2AFC11、19は、それぞれ、制御処理部13の制御に従って、第1および第2光源1、20における第1および第2受光素子の各受光出力に基づいて各発光素子を制御することによって、各発光素子が発光する光の周波数を所定周波数に自動的に略一定に保持する回路である。   The first and second AFCs 11 and 19 respectively control the light emitting elements based on the light reception outputs of the first and second light receiving elements in the first and second light sources 1 and 20 according to the control of the control processing unit 13, respectively. Thus, the frequency of the light emitted from each light emitting element is automatically kept substantially constant at a predetermined frequency.

これら第1および第2光源1、20における光カプラ、ファブリペローエタロンフィルタ、第1および第2受光素子と第1および第2AFC11、19とは、第1および第2光源1、20における発光素子が発光する光の波長(周波数)を略固定する所謂波長ロッカーをそれぞれ構成している。   These optical couplers, Fabry-Perot etalon filters, first and second light receiving elements and first and second AFCs 11 and 19 in the first and second light sources 1 and 20 are light emitting elements in the first and second light sources 1 and 20, respectively. So-called wavelength lockers that substantially fix the wavelength (frequency) of the emitted light are configured.

光カプラ2、5、21、23は、1個の入力端子から入射された入射光を2つの光に分配して2個の出力端子へそれぞれ射出する光部品である。光カプラ8は、2個の入力端子のうちの一方の入力端子から入射された入射光を1個の出力端子から射出すると共に他方の入力端子から入射された入射光を前記出力端子から射出する光部品である。光カプラ2、5、21、23、8は、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。   The optical couplers 2, 5, 21, and 23 are optical components that distribute incident light incident from one input terminal into two light beams and emit the light beams to two output terminals, respectively. The optical coupler 8 emits incident light incident from one of the two input terminals from one output terminal and emits incident light incident from the other input terminal from the output terminal. It is an optical component. The optical couplers 2, 5, 21, 23, and 8 use, for example, a micro optical element type optical branch coupler such as a half mirror, an optical fiber type optical branch coupler of a molten fiber, an optical waveguide type optical branch coupler, or the like. be able to.

光カプラ2の一方の出力端子は、光パルス生成部3の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光サーキュレータ12の第1端子に光学的に接続される。光カプラ5の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部6の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計14の第2入力端子に光学的に接続される。光カプラ21の一方の出力端子は、光スイッチ22の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ28を介して基準用光ファイバ17の他方端に光学的に接続される。光カプラ23の一方の出力端子は、光強度調整部24の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計14の第4入力端子に光学的に接続される。光カプラ8の一方の入力端子は、光サーキュレータ7の第2端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、1×2光スイッチ25の他方の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、光コネクタ9を介して検出用光ファイバ15の一方端に光学的に接続される。   One output terminal of the optical coupler 2 is optically connected to the input terminal of the optical pulse generator 3, and the other output terminal is optically connected to the first terminal of the optical circulator 12. One output terminal of the optical coupler 5 is optically connected to the input terminal of the light intensity / polarization adjusting unit 6, and the other output terminal is optically connected to the second input terminal of the Brillouin time domain detector 14. The One output terminal of the optical coupler 21 is optically connected to the input terminal of the optical switch 22, and the other output terminal is optically connected to the other end of the reference optical fiber 17 via the optical connector 28. . One output terminal of the optical coupler 23 is optically connected to the input terminal of the light intensity adjusting unit 24, and the other output terminal is optically connected to the fourth input terminal of the Brillouin time domain detector 14. One input terminal of the optical coupler 8 is optically connected to the second terminal of the optical circulator 7, and the other input terminal is optically connected to the other output terminal of the 1 × 2 optical switch 25. Is optically connected to one end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 9.

光パルス生成部3は、第1光源1が射出した連続光が入射され、この連続光から、ポンプ光として、メイン光パルスとサブ光パルスとを生成する装置である。メイン光パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。スペクトル拡散方式としては、例えば、周波数を変化させる周波数チャープ方式や、位相を変調する位相変調方式や、これら周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等を挙げることができる。周波数チャープ方式としては、例えば、周波数を単調に、例えば直線的に変化させる方式等が挙げられる。そして、位相変調方式としては、例えば、PN系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。PN系列は、疑似乱数(pseudo-random number)系列であり、PN系列としては、例えば、M系列(maximal-length sequences)やGold系列等が挙げられる。M系列は、複数段のシフトレジスタとその複数段の各段における各状態の論理結合をシフトレジスタへフィードバックする論理回路とを備えて構成される回路によって生成することが可能である。また、Gold系列は、n次の原始多項式F1(x)およびF2(x)で発生されたM系列の0を−1に、1を+1に対応させた系列をそれぞれMi、Mjとすると、両者の積Mi・Mjによって生成することが可能である。また、位相変調方式の疑似乱数系列としてGolay符号系列を用いることもできる。このGolay符号系列は、自己相関関数のサイドローブが厳密に0になるという優れた特性を有している。サブ光パルスは、変調されていない無変調の光パルスであり、その最大光強度がメイン光パルスの光強度以下であるとともにパルス幅が音響フォノンの寿命よりも充分に長い。そして、光パルス生成部3は、制御処理部13の制御に従って、本実施形態のブリルアンスペクトラム時間領域分析(BOTDA)では、メイン光パルスがサブ光パルスよりも時間的に先に検出用光ファイバ15に入射されないように、サブ光パルスおよびメイン光パルスを生成する。このような光パルス生成部3によって生成されるポンプ光としてのサブ光パルスおよびメイン光パルスについては、後述でさらに詳述する。   The optical pulse generator 3 is a device that receives continuous light emitted from the first light source 1 and generates a main light pulse and a sub light pulse as pump light from the continuous light. The main light pulse is an optical pulse using a spread spectrum method. Examples of the spread spectrum method include a frequency chirp method that changes the frequency, a phase modulation method that modulates the phase, and a hybrid method that combines the frequency chirp method and the phase modulation method. Examples of the frequency chirp method include a method of changing the frequency monotonously, for example, linearly. Examples of the phase modulation method include a method of modulating the phase using a PN sequence. The PN sequence is a pseudo-random number sequence, and examples of the PN sequence include an M sequence (maximal-length sequences) and a Gold sequence. The M series can be generated by a circuit including a plurality of shift registers and a logic circuit that feeds back a logical combination of each state in each of the plurality of stages to the shift register. Also, the Gold sequence is defined as M, Mj generated by n-order primitive polynomials F1 (x) and F2 (x), where 0 is -1 and 1 is +1. Can be generated by the product Mi · Mj. Also, a Golay code sequence can be used as a phase modulation type pseudo-random number sequence. This Golay code sequence has an excellent characteristic that the side lobe of the autocorrelation function is strictly zero. The sub light pulse is an unmodulated unmodulated light pulse, the maximum light intensity of which is less than or equal to the light intensity of the main light pulse, and the pulse width is sufficiently longer than the lifetime of the acoustic phonon. In the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) of the present embodiment, the optical pulse generator 3 detects the optical fiber 15 for detection earlier in time than the sub optical pulse in accordance with the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) of the present embodiment. The sub light pulse and the main light pulse are generated so as not to be incident on the light beam. The sub light pulse and the main light pulse as the pump light generated by the light pulse generator 3 will be described in detail later.

光スイッチ4、22は、制御処理部13の制御に従って、入力端子と出力端子との間で光をオンオフする光部品である。オンでは、光が透過され、オフでは、光が遮断される。光スイッチ4、22は、本実施形態では、例えばMZ光変調器や半導体電界吸収型光変調器等の、入射光の光強度を変調する光強度変調器が用いられる。光スイッチ4、22には、制御処理部13によって制御され、この光強度変調器を駆動するドライバ回路が含まれる。このドライバ回路は、例えば、光強度変調器を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成する直流電源と、通常オフされている光強度変調器をオンするための電圧パルスを生成するパルス発生器と、この電圧パルスの生成タイミングを制御するタイミング発生器とを備えて構成される。光スイッチ4の出力端子は、光カプラ5の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ22の出力端子は、光カプラ23の入力端子に光学的に接続される。   The optical switches 4 and 22 are optical components that turn light on and off between the input terminal and the output terminal according to the control of the control processing unit 13. When on, light is transmitted, and when off, light is blocked. In this embodiment, the optical switches 4 and 22 are light intensity modulators that modulate the light intensity of incident light, such as an MZ light modulator or a semiconductor electroabsorption optical modulator. The optical switches 4 and 22 include a driver circuit that is controlled by the control processing unit 13 and drives the light intensity modulator. This driver circuit is, for example, a DC power source that generates a DC voltage signal for turning off the light intensity modulator in a normal state, and a pulse generator that generates a voltage pulse for turning on the light intensity modulator that is normally turned off. And a timing generator for controlling the generation timing of the voltage pulse. The output terminal of the optical switch 4 is optically connected to the input terminal of the optical coupler 5. The output terminal of the optical switch 22 is optically connected to the input terminal of the optical coupler 23.

光強度・偏光調整部6は、制御処理部13によって制御され、入射光の光強度を調整すると共に入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部6の出力端子は、光サーキュレータ7の第1端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部6は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光可変減衰器と、入射光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。   The light intensity / polarization adjusting unit 6 is a component that is controlled by the control processing unit 13 to adjust the light intensity of incident light and to randomly change the polarization plane of the incident light and emit the light. The output terminal of the light intensity / polarization adjustment unit 6 is optically connected to the first terminal of the optical circulator 7. For example, the light intensity / polarization adjustment unit 6 attenuates the light intensity of the incident light and emits it, and changes the amount of attenuation, and changes the polarization plane of the incident light at random. And a polarization controller that can be configured.

光サーキュレータ7、12は、第1乃至第3の3端子の光サーキュレータであり、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。すなわち、第1端子に入射した光は、第2端子から射出されると共に第3端子からは射出されず、第2端子に入射した光は、第3端子から射出されると共に第1端子からは射出されず、第3端子に入射した光は、第1端子から射出されると共に第2端子からは射出されない。光サーキュレータ7の第1端子は、光強度・偏光調整部6の出力端子に光学的に接続され、第2端子は、上述したように、光カプラ8の一方の入力端子に光学的に接続され、第3端子は、ブリルアン時間領域検出計14の第3入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ12の第1端子は、上述したように、光カプラ2の他方の出力端子に光学的に接続され、第2端子は、光コネクタ27を介して基準用光ファイバ17の一方端に光学的に接続され、第3端子は、ブリルアン時間領域検出計14の第1入力端子に光学的に接続される。   The optical circulators 7 and 12 are first to third three-terminal optical circulators, and are irreversible optical components in which incident light and outgoing light have a cyclic relationship with their terminal numbers. That is, light incident on the first terminal is emitted from the second terminal and is not emitted from the third terminal, and light incident on the second terminal is emitted from the third terminal and from the first terminal. Light that is not emitted but is incident on the third terminal is emitted from the first terminal and is not emitted from the second terminal. The first terminal of the optical circulator 7 is optically connected to the output terminal of the light intensity / polarization adjusting unit 6, and the second terminal is optically connected to one input terminal of the optical coupler 8 as described above. The third terminal is optically connected to the third input terminal of the Brillouin time domain detector 14. As described above, the first terminal of the optical circulator 12 is optically connected to the other output terminal of the optical coupler 2, and the second terminal is optically connected to one end of the reference optical fiber 17 via the optical connector 27. The third terminal is optically connected to the first input terminal of the Brillouin time domain detector 14.

光コネクタ9、26、27、28は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。   The optical connectors 9, 26, 27, and 28 are optical components that optically connect optical fibers or optical components and optical fibers.

光強度調整部24は、制御処理部13によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部24の出力端子は、光スイッチ25の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部24は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出する光可変減衰器と、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光アイソレータとを備えて構成される。光強度調整部24に入射した入射光は、光可変減衰器で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータを介して射出される。この光アイソレータは、分布型光ファイバセンサS内における各光部品の接続部等で生じる反射光の伝播やサブ光パルスおよびメイン光パルスの第2光源20への伝播を防止する役割を果たす。   The light intensity adjusting unit 24 is a component that is controlled by the control processing unit 13 to adjust the light intensity of incident light and emit the light. The output terminal of the light intensity adjusting unit 24 is optically connected to the input terminal of the optical switch 25. The light intensity adjusting unit 24 includes, for example, an optical variable attenuator that attenuates and emits light intensity of incident light, and an optical isolator that transmits light only in one direction from the input terminal to the output terminal. The incident light that has entered the light intensity adjusting unit 24 is emitted through an optical isolator after the light intensity is adjusted to a predetermined light intensity by an optical variable attenuator. This optical isolator plays a role of preventing the propagation of the reflected light generated at the connection part of each optical component in the distributed optical fiber sensor S and the propagation of the sub light pulse and the main light pulse to the second light source 20.

1×2光スイッチ25は、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を2個の出力端子のうちの何れか一方から射出する1入力2出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチ等が利用される。1×2光スイッチ25の一方の出力端子は、上述したように、光カプラ8の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ26を介して検出用光ファイバ15の他方端に光学的に接続される。手動または制御処理部13の制御に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析(BOTDA)の第1態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ26を介して検出用光ファイバ15の他方端へ入射されるように1×2光スイッチ25が切り換えられ、ブリルアンスペクトラム時間領域分析(BOTDA)の第2態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ8および光コネクタ9を介して検出用光ファイバ15の一方端へ入射されるように1×2光スイッチ25が切り換えられる。   The 1 × 2 optical switch 25 is a 1-input 2-output optical switch that emits light incident from an input terminal from one of two output terminals by switching an optical path. An optical switch, an optical waveguide switch, or the like is used. As described above, one output terminal of the 1 × 2 optical switch 25 is optically connected to the other input terminal of the optical coupler 8, and the other output terminal is connected to the detection optical fiber 15 via the optical connector 26. Is optically connected to the other end. When operating in the first mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) manually or under the control of the control processing unit 13, the light incident from the input terminal is connected to the other end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 26. When the 1 × 2 optical switch 25 is switched so as to be incident on the end and operated in the second mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA), the light incident from the input terminal is coupled to the optical coupler 8 and the optical connector. The 1 × 2 optical switch 25 is switched so as to be incident on one end of the detection optical fiber 15 via 9.

検出用光ファイバ15は、歪みおよび/または温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、サブ光パルスおよびメイン光パルスと連続光とが入射され、BOTDAでは、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出される。ここで、配管、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪みおよび/または温度を測定する場合には、検出用光ファイバ15が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。   The detection optical fiber 15 is an optical fiber for a sensor that detects strain and / or temperature, and a sub light pulse, a main light pulse, and continuous light are incident thereon. In BOTDA, the detection optical fiber 15 is affected by stimulated Brillouin scattering. Light is emitted. Here, when measuring distortion and / or temperature generated in a measurement object such as a structure such as a pipe, a bridge, a tunnel, a dam, a building, or the ground, the detection optical fiber 15 is used as an adhesive, a fixing member, or the like. Is fixed to the measurement object.

基準用光ファイバ17は、第1および第2光源1、20がそれぞれ射出する各光の周波数を調整するために使用される光ファイバであって、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第1および第2光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との関係が予め既知の光ファイバである。   The reference optical fiber 17 is an optical fiber used for adjusting the frequency of each light emitted from the first and second light sources 1 and 20, and the first and second light causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon. The optical fiber is known in advance for the relationship between the frequency difference and the light intensity of light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon.

温度検出部16は、基準用光ファイバ17の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部13へ出力する。   The temperature detection unit 16 is a circuit that detects the temperature of the reference optical fiber 17 and outputs the detected temperature to the control processing unit 13.

ブリルアン時間領域検出計14は、制御処理部13と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサS(S1、S2)の各部を制御する。ブリルアン時間領域検出計14は、光コネクタ27および光サーキュレータ12を介して第1入力端子に入射された、基準用光ファイバ17から射出した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度を求め、この求めた光強度を制御処理部13へ出力する。ブリルアン時間領域検出計14は、制御処理部13と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサSの各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を検出することによって検出用光ファイバ15の長尺方向における検出用光ファイバ15の各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトに基づいて検出用光ファイバ15の歪み分布および/または温度分布を検出する。第1、第2および第4入力端子から入射された各入射光は、それぞれ、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ/ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。そして、第3入力端子から入射された入射光は、誘導ブリルアン散乱現象にかかる光として、受光素子で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ/ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。ブリルアン時間領域検出計14は、光スイッチ、スペクトルアナライザおよびコンピュータ等を備えて構成される。   The Brillouin time domain detector 14 controls each part of the distributed optical fiber sensor S (S1, S2) by inputting and outputting signals to and from the control processing unit 13. The Brillouin time domain detector 14 obtains the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the reference optical fiber 17 that is incident on the first input terminal via the optical connector 27 and the optical circulator 12. The light intensity is output to the control processing unit 13. The Brillouin time domain detector 14 controls each part of the distributed optical fiber sensor S by inputting / outputting signals to / from the control processing unit 13, and detects light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon received at a predetermined sampling interval. Accordingly, the Brillouin spectrum of each region portion of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is obtained, and the Brillouin frequency shift of each region portion is obtained based on the obtained Brillouin spectrum of each region portion. Then, the strain distribution and / or the temperature distribution of the detection optical fiber 15 are detected based on the Brillouin frequency shift of each area portion thus obtained. Each incident light incident from the first, second, and fourth input terminals is converted into an electric signal corresponding to the amount of received light by a light receiving element that performs photoelectric conversion, and the electric signal is digitally converted by an analog / digital converter. And is used to obtain a Brillouin spectrum. The incident light incident from the third input terminal is directly detected by being converted into an electrical signal by the light receiving element as light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, filtered by a matched filter, and then by an analog / digital converter. It is converted into a digital electrical signal and used to determine the Brillouin spectrum. Further, if necessary, the electric signal is amplified by the amplifier circuit before being digitally converted. The Brillouin time domain detector 14 includes an optical switch, a spectrum analyzer, a computer, and the like.

制御処理部13は、ブリルアン時間領域検出計14と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ15の長尺方向における検出用光ファイバ15の歪みおよび/または温度の分布を高空間分解能でかつより遠距離まで測定するように、第1および第2光源1、20、第1および第2ATC10、18、第1および第2AFC11、19、光パルス生成部3、光スイッチ4、22、光強度・偏光調整部6および光強度調整部24を制御する電子回路である。制御処理部13は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、および、検出用光ファイバ15の歪みおよび/または温度の分布を高空間分解能で測定するために必要な各データを記憶するメモリ等を備えて構成される。そして、制御処理部13は、基準用光ファイバ17における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第1および第2光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との関係が予め記憶される記憶部と、ブリルアン時間領域検出計14が求めた誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度と基準用光ファイバ17における既知の前記関係とに基づいて第1および第2光源1、20における第1および第2発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第1AFC11および/または第2AFC19を制御する周波数設定部とを機能的に備えている。   The control processing unit 13 inputs / outputs a signal to / from the Brillouin time domain detector 14, so that the strain and / or temperature distribution of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 can be obtained with high spatial resolution. First and second light sources 1 and 20, first and second ATCs 10 and 18, first and second AFCs 11 and 19, optical pulse generator 3, optical switches 4 and 22, It is an electronic circuit that controls the polarization adjusting unit 6 and the light intensity adjusting unit 24. The control processing unit 13 includes, for example, a microprocessor, a working memory, and a memory that stores data necessary for measuring the strain and / or temperature distribution of the detection optical fiber 15 with high spatial resolution. Composed. The control processing unit 13 stores in advance a relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17. And the first and second light sources 1 and 20 based on the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon obtained by the Brillouin time domain detector 14 and the known relationship in the reference optical fiber 17. A frequency setting unit that controls the first AFC 11 and / or the second AFC 19 is functionally provided so that the frequency difference of each light emitted by the second light emitting element becomes a predetermined frequency difference set in advance.

なお、これら第1および第2光源1、20、第1および第2ATC10、18、第1および第2AFC11、19、光強度・偏光調整部6、光強度調整部24および光強度変調器は、前記特許文献1を参考にすることができる。   The first and second light sources 1 and 20, the first and second ATCs 10 and 18, the first and second AFCs 11 and 19, the light intensity / polarization adjusting unit 6, the light intensity adjusting unit 24, and the light intensity modulator are Patent Document 1 can be referred to.

次に、実施形態にかかる分布型光ファイバセンサSの動作について説明する。   Next, the operation of the distributed optical fiber sensor S according to the embodiment will be described.

まず、測定開始に当たって、第1および第2光源1、20から射出される各連続光の各周波数が基準用光ファイバ17を用いてそれぞれ調整(キャリブレーション)される。   First, at the start of measurement, each frequency of each continuous light emitted from the first and second light sources 1 and 20 is adjusted (calibrated) using the reference optical fiber 17.

より具体的には、制御処理部13は、第1ATC10および第1AFC11ならびに第2ATC18および第2AFC19をそれぞれ制御することによって第1および第2光源1、20を各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させ、これら各連続光を基準用光ファイバ17に互いに対向するように入射させる。これら第1光源1からの連続光および第2光源20からの連続光は、基準用光ファイバ17で誘導ブリルアン散乱現象を起こし、この誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、基準用光ファイバ17から光サーキュレータ12を介してブリルアン時間領域検出計14に入射される。ブリルアン時間領域検出計14は、この誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を受光し、この受光した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度を検出し、この検出した光強度を制御処理部13へ通知する。制御処理部13には、基準用光ファイバ17における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第1および第2光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との関係がその記憶部に予め記憶されており、制御処理部13は、この通知を受けると、その周波数設定部によって、第1および第2光源1、20における第1および第2発光素子が発光する各光の設定すべき所定周波数差faに対応する基準光強度Paを前記関係から求め、ブリルアン時間領域検出計14が検出した測定光強度Pdがこの基準光強度Paと一致するように、第1AFC11および第2AFC19を制御する。これによって第1および第2光源1、20における第1および第2発光素子が発光する各光の周波数差は、設定すべき所定周波数差faに調整される。なお、本実施形態では、光強度Pdは、受光素子で光電変換された電圧値で与えられ、基準光強度Paは、この基準光強度Paに対応する電圧値となる。   More specifically, the control processing unit 13 controls the first ATC 10 and the first AFC 11 and the second ATC 18 and the second AFC 19 to cause the first and second light sources 1 and 20 to emit respective continuous lights at respective predetermined frequencies. These continuous lights are incident on the reference optical fiber 17 so as to face each other. The continuous light from the first light source 1 and the continuous light from the second light source 20 cause a stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17, and the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is transmitted from the reference optical fiber 17. The light enters the Brillouin time domain detector 14 via the circulator 12. The Brillouin time domain detector 14 receives the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, detects the light intensity of the received light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, and notifies the control processing unit 13 of the detected light intensity. . In the control processing unit 13, the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17 is stored in advance in the storage unit. When the control processing unit 13 receives this notification, the frequency setting unit sets a predetermined frequency to be set for each light emitted by the first and second light emitting elements in the first and second light sources 1 and 20. The reference light intensity Pa corresponding to the difference fa is obtained from the above relationship, and the first AFC 11 and the second AFC 19 are controlled so that the measured light intensity Pd detected by the Brillouin time domain detector 14 coincides with the reference light intensity Pa. As a result, the frequency difference between the lights emitted by the first and second light emitting elements in the first and second light sources 1 and 20 is adjusted to a predetermined frequency difference fa to be set. In this embodiment, the light intensity Pd is given by a voltage value photoelectrically converted by the light receiving element, and the reference light intensity Pa is a voltage value corresponding to the reference light intensity Pa.

ここで、基準用光ファイバ17における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第1および第2光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度との前記関係は、一般に、温度依存性を有している。本実施形態では、前記調整の際に、制御処理部13は、温度検出部16によって基準用光ファイバ17の温度を検出し、この検出温度に応じて基準用光ファイバ17における前記関係を補正している。このため、より高精度に前記調整を実行することが可能となる。   Here, the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17 generally has temperature dependence. ing. In the present embodiment, at the time of the adjustment, the control processing unit 13 detects the temperature of the reference optical fiber 17 by the temperature detection unit 16, and corrects the relationship in the reference optical fiber 17 according to the detected temperature. ing. For this reason, it is possible to execute the adjustment with higher accuracy.

このように動作することによって第1および第2光源1、20から射出される各連続光の各周波数が調整される。このような調整は、測定精度をより向上させる観点から、ブリルアンスペクトルを得る際に、掃引のために周波数が変更されるごとに実行されても良いし、あるいは、測定時間を短縮させる観点から、歪みおよび/または温度を測定ごとに、または、所定期間の経過ごとに、さらにまたは、分布型光ファイバセンサSの起動の際に、実行されても良い。   By operating in this way, each frequency of each continuous light emitted from the first and second light sources 1 and 20 is adjusted. Such adjustment may be performed every time the frequency is changed for sweeping when obtaining the Brillouin spectrum from the viewpoint of further improving the measurement accuracy, or from the viewpoint of shortening the measurement time. Strain and / or temperature may be performed for each measurement, or for the elapse of a predetermined period, and / or upon activation of the distributed optical fiber sensor S.

次に、歪みおよび/または温度の測定動作について説明する。   Next, the strain and / or temperature measurement operation will be described.

まず、制御処理部13は、第1ATC10および第1AFC11ならびに第2ATC18および第2AFC19を制御することによって、第1および第2光源1、20に各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させる。第1光源1から射出された連続光は、光カプラ2を介して光パルス生成部3に入射され、第2光源20から射出された連続光は、光カプラ21を介して光スイッチ22に入射される。   First, the control processing unit 13 controls the first ATC 10 and the first AFC 11 and the second ATC 18 and the second AFC 19 to cause the first and second light sources 1 and 20 to emit the continuous lights at the predetermined frequencies, respectively. The continuous light emitted from the first light source 1 is incident on the optical pulse generator 3 via the optical coupler 2, and the continuous light emitted from the second light source 20 is incident on the optical switch 22 via the optical coupler 21. Is done.

次に、制御処理部13は、光パルス生成部3を制御することによって、所定のポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)を生成させる。より具体的には、制御処理部13は、例えば、次のように光パルス生成部3を動作させることによって、ポンプ光を生成している。   Next, the control processing unit 13 controls the optical pulse generation unit 3 to generate predetermined pump light (sub optical pulse and main optical pulse). More specifically, the control processing unit 13 generates pump light by operating the optical pulse generation unit 3 as follows, for example.

図4は、光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。図5は、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の構成および整合フィルタを説明するための図であり、図5(A)は、ポンプ光の構成を示し、図5(B)は、整合フィルタを示す図である。   FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration and operation of the optical pulse generator. FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and the matched filter. FIG. 5 (A) shows the configuration of the pump light, and FIG. It is a figure which shows a matched filter.

光パルス生成部3は、例えば、図4に示すように、入射光の光強度を変調するLN強度変調器101と、このLN強度変調器101を駆動するための第1駆動回路を構成する直流電源102、乗算器103およびタイミングパルス発生器104と、入射光の位相を変調するLN位相変調器111と、このLN位相変調器111を駆動するための第2駆動回路を構成する直流電源112、乗算器113および疑似乱数発生器114と、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)121と、入射光の光強度を変調するLN強度変調器131と、このLN強度変調器131を駆動するための第3駆動回路を構成する直流電源132、乗算器133およびタイミングパルス発生器134とを備えて構成される。   For example, as shown in FIG. 4, the optical pulse generator 3 has an LN intensity modulator 101 that modulates the light intensity of incident light and a direct current that constitutes a first drive circuit for driving the LN intensity modulator 101. A power source 102, a multiplier 103, a timing pulse generator 104, an LN phase modulator 111 that modulates the phase of incident light, and a DC power source 112 that constitutes a second drive circuit for driving the LN phase modulator 111, Multiplier 113, pseudorandom number generator 114, erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 121, LN intensity modulator 131 that modulates the light intensity of incident light, and a third for driving this LN intensity modulator 131 A DC power supply 132, a multiplier 133, and a timing pulse generator 134 that constitute a drive circuit are provided.

LN位相変調器111は、例えば電気光学効果を有するニオブ酸リチウムの基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成されることで構成され、両電極間に所定の信号を印加することによって生じる電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化をそのまま用いることで、入射光の位相を変調する装置である。LN強度変調器101、131は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成して電気光学効果による屈折率変化に伴うこの位相変化を強度変化に変えることで、入射光の光強度を変調する装置である。なお、LN強度変調器101、131およびLN位相変調器111には、ニオブ酸リチウムの基板に代え、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の他の電気光学効果を有する基板が用いられてもよい。   The LN phase modulator 111 is formed by, for example, forming an optical waveguide, a signal electrode, and a ground electrode on a lithium niobate substrate having an electro-optic effect, and by applying a predetermined signal between the electrodes. The apparatus modulates the phase of incident light by directly using the phase change accompanying the refractive index change caused by the electro-optic effect. The LN intensity modulators 101 and 131 are devices that modulate the light intensity of incident light by configuring, for example, a Mach-Zehnder interferometer and changing this phase change accompanying a change in refractive index due to the electro-optic effect into an intensity change. The LN intensity modulators 101 and 131 and the LN phase modulator 111 have other electro-optic effects such as lithium tantalate, lithium niobate / lithium tantalate, and the like instead of the lithium niobate substrate. A substrate may be used.

第1駆動回路において、直流電源102は、強度変調すべく、LN強度変調器101の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器104は、LN強度変調器101を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、そして、乗算器103は、直流電源102から入力される直流電圧とタイミングパルス生成器104から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をLN強度変調器101へ出力する回路である。   In the first drive circuit, the DC power supply 102 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101 in order to modulate the intensity, and the timing pulse generator 104 includes the LN intensity modulator 101. A pulse generation circuit that generates an operation timing pulse for operation, and a multiplier 103 multiplies the DC voltage input from the DC power supply 102 by the operation timing pulse input from the timing pulse generator 104, This is a circuit that outputs a DC voltage corresponding to the operation timing pulse to the LN intensity modulator 101.

また、第2駆動回路において、直流電源112は、位相変調すべく、LN位相変調器111の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、疑似乱数発生器114は、入射光をスペクトル拡散方式で変調するようにLN位相変調器111を動作させるべく、動作タイミングで疑似乱数を生成する疑似乱数生成回路であり、乗算器113は、直流電源112から入力される直流電圧と疑似乱数発生器114から入力される疑似乱数とを乗算し、疑似乱数に応じた直流電圧をLN強度変調器101へ出力する回路である。   In the second drive circuit, the DC power supply 112 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN phase modulator 111 in order to perform phase modulation, and the pseudorandom number generator 114 has a spectrum of incident light. In order to operate the LN phase modulator 111 so as to perform modulation by the spread method, the pseudo random number generation circuit generates a pseudo random number at an operation timing. The multiplier 113 generates a DC voltage input from the DC power source 112 and a pseudo random number. This circuit multiplies the pseudo random number input from the device 114 and outputs a DC voltage corresponding to the pseudo random number to the LN intensity modulator 101.

EDFA121は、エルビウムを添加した光ファイバを備えて構成され、入射光を増幅して射出する光部品である。EDFA121は、検出用光ファイバ15における歪みおよび/または温度の検出に適した光強度にすべく、入射光を予め設定された所定の増幅率で増幅する。これによって第1光源1から検出用光ファイバ15まで伝播する間において、損失(ロス)が発生する場合に、この損失も補償され、所定の計測範囲の測定が可能となる。   The EDFA 121 is an optical component that includes an optical fiber doped with erbium, and amplifies and emits incident light. The EDFA 121 amplifies incident light at a predetermined amplification factor set in advance so as to obtain a light intensity suitable for detecting distortion and / or temperature in the detection optical fiber 15. As a result, when a loss occurs during propagation from the first light source 1 to the detection optical fiber 15, this loss is also compensated, and measurement in a predetermined measurement range becomes possible.

そして、第3駆動回路において、直流電源132は、オン/オフ制御するようにLN強度変調器131を強度変調すべく、LN強度変調器131の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器134は、LN強度変調器131を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、乗算器133は、直流電源132から入力される直流電圧とタイミングパルス生成器134から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をLN強度変調器131へ出力する回路である。   In the third drive circuit, the DC power supply 132 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 131 so as to modulate the intensity of the LN intensity modulator 131 so as to perform on / off control. The timing pulse generator 134 is a pulse generation circuit that generates an operation timing pulse to operate the LN intensity modulator 131. The multiplier 133 is a DC voltage input from the DC power supply 132 and a timing pulse generator. This circuit multiplies the operation timing pulse input from 134 and outputs a DC voltage corresponding to the operation timing pulse to the LN intensity modulator 131.

このような光パルス生成部3を動作させることによって、例えば、図5(A)に示す構成のポンプ光を生成することができる。   By operating such an optical pulse generator 3, for example, pump light having a configuration shown in FIG. 5A can be generated.

図5(A)に示すポンプ光は、スペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスと、無変調であって、このメイン光パルスと重なることなく(オーバラップすることなく)時間的に先行するサブ光パルスとから構成されている。メイン光パルスは、所定の時間幅(セル幅)で複数のセルに分割され、本実施形態では、それら各セルがM系列バイナリ符号によって変調(符号化)されている。セル幅は、所望の空間分解能に応じて設定され、メイン光パルスのパルス幅は、所望の計測距離に応じて設定される。また、サブ光パルスは、音響フォノンを完全に立ち上げることができるパルス幅とされ、図5(A)に示す例では、メイン光パルスの光強度と同レベルの光強度とされている。サブ光パルスとメイン光パルスとは、図5(A)に示す例では、時間的に連続しているが、時間的に分離していてもよい。時間的に分離している場合には、サブ光パルスによって立ち上げられた音響フォノンが消失しないうちに、メイン光パルスが前記音響フォノンに作用する時間間隔に設定されることが好ましい。通常、音響フォノンの寿命は、約5nsであるので、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間間隔は、約5ns以内であることが好ましい。   The pump light shown in FIG. 5A is unmodulated with the main light pulse encoded by the spread spectrum method, and precedes in time without overlapping (without overlapping) the main light pulse. And sub-light pulses. The main light pulse is divided into a plurality of cells with a predetermined time width (cell width), and in the present embodiment, each cell is modulated (encoded) by an M-sequence binary code. The cell width is set according to the desired spatial resolution, and the pulse width of the main light pulse is set according to the desired measurement distance. Further, the sub light pulse has a pulse width that can completely raise the acoustic phonon, and in the example shown in FIG. 5A, the light intensity is the same as the light intensity of the main light pulse. The sub light pulse and the main light pulse are continuous in time in the example shown in FIG. 5A, but may be separated in time. In the case of temporal separation, it is preferable to set the time interval at which the main light pulse acts on the acoustic phonon before the acoustic phonon raised by the sub light pulse disappears. Usually, since the acoustic phonon has a lifetime of about 5 ns, the time interval between the sub light pulse and the main light pulse is preferably within about 5 ns.

この図5(A)に示す構成のポンプ光を生成するために、図4において、まず、第1光源1から射出された連続光L1は、光カプラ2を介して光パルス生成部3のLN強度変調器101に入射される。   In order to generate the pump light having the configuration shown in FIG. 5A, in FIG. 4, first, the continuous light L1 emitted from the first light source 1 is transmitted through the optical coupler 2 to the LN of the optical pulse generator 3. The light enters the intensity modulator 101.

光パルス生成部3では、ポンプ光の生成タイミングで、サブ光パルスのパルス幅Dsubとメイン光パルスのパルス幅Dとに相当するパルス幅(Dsub+D)の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器104から乗算器103へ出力され、直流電源102から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅(Dsub+D)の直流電圧がLN強度変調器101の信号電極に印加される。これによってLN強度変調器101は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅(Dsub+D)に相当する時間幅(Dsub+D)の間、オンされ、前記連続光L1は、LN強度変調器101で、パルス幅(Dsub+D)の光パルスL2となって射出される。 In the light pulse generation unit 3, at the generation timing of the pump light, the pulse width (D sub + D) operation timing pulse is a timing pulse generator which corresponds to the pulse width D of the pulse width D sub and main light pulse of the sub light pulse The voltage is output from 104 to the multiplier 103, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 102, and a DC voltage having a pulse width (D sub + D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101. As a result, the LN intensity modulator 101 is turned on for a time width (D sub + D) corresponding to the pulse width (D sub + D) according to the operation timing pulse, and the continuous light L1 is turned on by the LN intensity modulator 101. Thus, an optical pulse L2 having a pulse width (D sub + D) is emitted.

そして、光パルス生成部3では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Dに相当する時間幅Dの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器114から乗算器113へ順次に出力され、直流電源112から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Dで、M系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでLN位相変調器111の信号電極に順次に印加される。すなわち、M系列バイナリ符号で変調された直流電圧は、M系列バイナリ符号が“+”の場合に対応する直流電圧がLN位相変調器111に供給された場合にLN位相変調器111から射出される光の位相とM系列バイナリ符号が“−”の場合に対応する直流電圧がLN位相変調器111に供給された場合にLN位相変調器111から射出される光の位相とが互いに180度異なるような電圧値である。これによって前記光パルスL2は、LN位相変調器111で、無変調の部分(サブ光パルスに対応する)とM系列バイナリ符号で変調された部分(メイン光パルスに対応する)とからなる光パルスL3となって射出される。   Then, in the optical pulse generation unit 3, the pseudo random number is multiplied from the pseudo random number generator 114 by the time timing of the cell width during the time width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse at the generation timing of the main optical pulse. The DC voltage is sequentially output to 113, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 112, and the DC voltage modulated with the M-sequence binary code from the generation timing of the main optical pulse is modulated with the time width D. The signals are sequentially applied to the signal electrodes of the phase modulator 111. That is, the DC voltage modulated by the M-sequence binary code is emitted from the LN phase modulator 111 when the DC voltage corresponding to the case where the M-sequence binary code is “+” is supplied to the LN phase modulator 111. The phase of light and the phase of light emitted from the LN phase modulator 111 are 180 degrees different from each other when a DC voltage corresponding to the case where the M-sequence binary code is “−” is supplied to the LN phase modulator 111. It is a correct voltage value. Thus, the optical pulse L2 is an optical pulse composed of an unmodulated portion (corresponding to the sub optical pulse) and a portion modulated by the M-sequence binary code (corresponding to the main optical pulse) by the LN phase modulator 111. Injected as L3.

そして、EDFA121では、前記光パルスL3が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスL4となって射出される。   In the EDFA 121, the light pulse L3 is amplified until it reaches a predetermined light intensity, and is emitted as a light pulse L4.

さらに、光パルス生成部3では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Dsubとメイン光パルスのパルス幅Dに相当するパルス幅(Dsub+D)の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器134から乗算器133へ出力され、直流電源132から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅(Dsub+D)の直流電圧がLN強度変調器131の信号電極に印加される。これによって前記光パルスL4は、LN強度変調器131で、EDFA121で光パルスL4に付随した自然放出光(ASE)等のノイズが除去され、パルス幅Dsubであって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Dであってスペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスとから成るポンプ光L5となって射出される。 Further, in the optical pulse generation unit 3, operation timing pulses having a pulse width (D sub + D) corresponding to the pulse width D sub of the sub optical pulse and the pulse width D of the main optical pulse are timing according to the generation timing of the pump light. The pulse generator 134 outputs to the multiplier 133 and is multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 132, and a DC voltage having a pulse width (D sub + D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 131. As a result, the optical pulse L4 is an LN intensity modulator 131 from which noise such as spontaneous emission light (ASE) associated with the optical pulse L4 is removed by the EDFA 121, and the sub-optical pulse that has a pulse width D sub and is not modulated. And pump light L5 having the pulse width D and the main light pulse encoded by the spread spectrum method.

そして、制御処理部13は、光パルス生成部3におけるポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス、光パルスL4)の生成タイミングに応じて、光スイッチ4および光スイッチ22をオンする。制御処理部13は、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の生成タイミングをブリルアン時間領域検出計14に通知する。   Then, the control processing unit 13 turns on the optical switch 4 and the optical switch 22 according to the generation timing of the pump light (sub optical pulse, main optical pulse, and optical pulse L4) in the optical pulse generation unit 3. The control processing unit 13 notifies the Brillouin time domain detector 14 of the generation timing of the pump light (sub light pulse and main light pulse).

光スイッチ4がオンされると、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)は、光カプラ5に入射され、2つに分岐される。分岐された一方のポンプ光は、光強度・偏光調整部6に入射され、光強度・偏光調整部6でその光強度が調整され、その偏光方向がランダム(無作為)に調整され、光サーキュレータ7、光カプラ8および光コネクタ9を介して検出用光ファイバ15の一方端に入射される。一方、光カプラ5で分岐された他方のサブ光パルスおよびメイン光パルスは、ブリルアン時間領域検出計14に入射される。   When the optical switch 4 is turned on, the pump light (sub optical pulse and main optical pulse) enters the optical coupler 5 and is branched into two. One of the branched pump lights is incident on the light intensity / polarization adjustment unit 6, the light intensity is adjusted by the light intensity / polarization adjustment unit 6, and the polarization direction is adjusted randomly (randomly). 7, and enters one end of the detection optical fiber 15 through the optical coupler 8 and the optical connector 9. On the other hand, the other sub optical pulse and the main optical pulse branched by the optical coupler 5 enter the Brillouin time domain detector 14.

ブリルアン時間領域検出計14は、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)のスペクトルを計測し、ポンプ光の周波数および光強度を制御処理部13へ通知する。制御処理部13は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第1ATC10、第1AFC11および光強度・偏光調整部6を制御する。   The Brillouin time domain detector 14 measures the spectrum of the pump light (sub light pulse and main light pulse), and notifies the control processing unit 13 of the frequency and light intensity of the pump light. Upon receiving this notification, the control processing unit 13 controls the first ATC 10, the first AFC 11, and the light intensity / polarization adjusting unit 6 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.

一方、光スイッチ22がオンされると、連続光(プローブ光)は、光カプラ23に入射され、2つに分岐される。分岐された一方のプローブ光(連続光)は、光強度調整部24に入射され、光強度調整部24でその光強度が調整され、1×2光スイッチ25に入射される。1×2光スイッチ25は、第1態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析(BOTDA)が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ26を介して検出用光ファイバ15の他方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光(連続光)は、光コネクタ26を介して検出用光ファイバ15の他方端へ入射される。一方、1×2光スイッチ25は、第2態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析(BOTDA)が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ8および光コネクタ9を介して検出用光ファイバ15の一方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光(連続光)は、光カプラ8および光コネクタ9を介して検出用光ファイバ15の一方端へ入射される。一方、光カプラ23で分岐された他方のプローブ光(連続光)は、ブリルアン時間領域検出計14に入射される。   On the other hand, when the optical switch 22 is turned on, continuous light (probe light) enters the optical coupler 23 and is branched into two. One of the branched probe lights (continuous light) is incident on the light intensity adjusting unit 24, the light intensity of which is adjusted by the light intensity adjusting unit 24, and incident on the 1 × 2 optical switch 25. When the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is executed in the first mode, the 1 × 2 optical switch 25 is configured such that light incident from the input terminal is connected to the other end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 26. The probe light (continuous light) is incident on the other end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 26. On the other hand, when the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is executed in the second mode, the 1 × 2 optical switch 25 detects light incident from the input terminal via the optical coupler 8 and the optical connector 9. The probe light (continuous light) is switched to be incident on one end of the optical fiber 15, and is incident on one end of the detection optical fiber 15 via the optical coupler 8 and the optical connector 9. On the other hand, the other probe light (continuous light) branched by the optical coupler 23 is incident on the Brillouin time domain detector 14.

ブリルアン時間領域検出計14は、プローブ光(連続光)のスペクトルを計測し、プローブ光の周波数および光強度を制御処理部13へ通知する。制御処理部13は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第2ATC18、第2AFC19および光強度調整部24を制御する。   The Brillouin time domain detector 14 measures the spectrum of the probe light (continuous light), and notifies the control processing unit 13 of the frequency and light intensity of the probe light. Upon receiving this notification, the control processing unit 13 controls the second ATC 18, the second AFC 19 and the light intensity adjusting unit 24 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.

第1態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ15の一方端に入射したポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)は、検出用光ファイバ15の他方端から入射され検出用光ファイバ15を伝播するプローブ光(連続光)と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ15の一方端から他方端へ伝播する。第2態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ15の一方端に入射したポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)は、検出用光ファイバ15の一方端から入射され検出用光ファイバ15の他方端で反射して検出用光ファイバ15を伝播するプローブ光(連続光)と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ15の一方端から他方端へ伝播する。このようなポンプ光とプローブ光との相互作用に基づいて光スイッチ4および光スイッチ22におけるオン/オフのタイミングが制御処理部13によって調整される。   In the Brillouin spectrum time domain analysis of the first aspect, pump light (sub-light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 15 is incident from the other end of the detection optical fiber 15 and is detected. The detection optical fiber 15 propagates from one end to the other end while causing a probe light (continuous light) propagating 15 and a stimulated Brillouin scattering phenomenon. In the Brillouin spectrum time domain analysis of the second aspect, the pump light (sub light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 15 is incident from one end of the detection optical fiber 15 and is detected. The probe light (continuous light) that is reflected at the other end of the light 15 and propagates through the detection optical fiber 15 is propagated from one end to the other end of the detection optical fiber 15 while causing a stimulated Brillouin scattering phenomenon. On / off timings of the optical switch 4 and the optical switch 22 are adjusted by the control processing unit 13 based on the interaction between the pump light and the probe light.

誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、検出用光ファイバ15の一方端から射出され、光コネクタ9、光カプラ8および光サーキュレータ7を介してブリルアン時間領域検出計14に入射される。ブリルアン時間領域検出計14では、誘導ブリルアン散乱現象にかかる光は、上述したように直接検波によって抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされる。この整合フィルタは、例えば、図5(B)に示すように、光パルス生成部3のLN位相変調器111でM系列バイナリ符号によって位相変調した位相変調パターン(P・・・Pn−1)を時間的に反転した逆位相変調パターン(Pn−1・・・P)のフィルタである。例えば、メイン光パルスの各セルがM系列バイナリ符号によって“+−++−+・・・+−”の位相変調パターンで変調されている場合には、整合フィルタは、この位相変調パターンを時間的に反転した“−+・・・+−++−+”の逆パターンとなる。このような整合フィルタを用いることによって、スペクトル拡散符号化されたメイン光パルスに起因した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を精度よく検出することが可能となる。ブリルアン時間領域検出計14は、制御処理部13から通知された前記生成タイミングに基づいて、この受光した誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を時間領域分析し、検出用光ファイバ15の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度の分布を測定する。 Light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is emitted from one end of the detection optical fiber 15 and is incident on the Brillouin time domain detector 14 via the optical connector 9, the optical coupler 8, and the optical circulator 7. In the Brillouin time domain detector 14, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is extracted by direct detection as described above, converted into an electric signal by the light receiving element, and filtered by the matched filter. For example, as shown in FIG. 5B, the matched filter is a phase modulation pattern (P 1 P 2 P 3 ... Phase-modulated by an M-sequence binary code in the LN phase modulator 111 of the optical pulse generator 3. P n-1 P n ) is a filter of an antiphase modulation pattern (P n P n-1 ... P 3 P 2 P 1 ) obtained by temporally inverting the P n-1 P n ). For example, when each cell of the main optical pulse is modulated with an M-sequence binary code with a phase modulation pattern of “+ − ++ − +... + −”, The matched filter temporally converts this phase modulation pattern. The reverse pattern of “− +... + − ++ − +” is inverted. By using such a matched filter, it is possible to accurately detect light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon caused by the spread spectrum encoded main light pulse. Based on the generation timing notified from the control processing unit 13, the Brillouin time domain detector 14 performs time domain analysis on the received light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, and guides the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction. The light intensity distribution of the Brillouin scattering phenomenon is measured.

ここで、誘導ブリルアン散乱現象にかかるポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)とプローブ光(連続光)との間における相互作用の程度は、これら各光の偏光面の相対関係に依存するが、本実施形態にかかる分布型光ファイバセンサSでは、測定ごとに光強度・偏光調整部6でポンプ光の偏光面がランダムに変わるので、測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。このため、精度よく誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度の分布を得ることができる。   Here, the degree of interaction between the pump light (sub light pulse and main light pulse) and the probe light (continuous light) related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon depends on the relative relationship between the polarization planes of these lights. In the distributed optical fiber sensor S according to the present embodiment, since the polarization plane of the pump light randomly changes in the light intensity / polarization adjustment unit 6 for each measurement, the measurement is performed a plurality of times and the average value is adopted. Thus, this dependency can be substantially eliminated. For this reason, it is possible to obtain a light intensity distribution of light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon with high accuracy.

このような検出用光ファイバ15の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象にかかる光の光強度の分布が、例えば第2光源20から射出されるプローブ光(連続光)の周波数を制御処理部13の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度かつ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ15の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルが高精度かつ高空間分解能で得られる。   The distribution of the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is, for example, the frequency of the probe light (continuous light) emitted from the second light source 20. By sweeping in a predetermined frequency range at predetermined frequency intervals by control, measurement is performed with high accuracy and high spatial resolution at each frequency. As a result, a Brillouin spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.

そして、ブリルアン時間領域検出計14は、検出用光ファイバ15に歪みを生じていない部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数を基準に、検出用光ファイバ15の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数の差を求めることによって、検出用光ファイバ15の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトを高精度かつ高空間分解能で求める。   Then, the Brillouin time domain detector 14 uses the frequency corresponding to the peak of the Brillouin spectrum in the portion where the detection optical fiber 15 is not distorted as a reference, and the Brillouin in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15. By obtaining the frequency difference corresponding to the peak of the spectrum, the Brillouin frequency shift in each part of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction is obtained with high accuracy and high spatial resolution.

そして、ブリルアン時間領域検出計14は、この各領域部分のブリルアン周波数シフトから検出用光ファイバ15の長尺方向の各領域部分における歪みおよび/または温度を高精度かつ高空間分解能で求める。この求めた検出用光ファイバ15の長尺方向の各領域部分における歪みおよび/または温度の分布は、CRT表示装置やXYプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。   Then, the Brillouin time domain detector 14 obtains the distortion and / or temperature in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 with high accuracy and high spatial resolution from the Brillouin frequency shift of each region. The obtained strain and / or temperature distribution in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is presented to an output unit (not shown) such as a CRT display device, an XY plotter, or a printer.

このような構成に分布型光ファイバセンサS(S1、S2)では、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みおよび/または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。計測可能距離は、従来、数kmであったが、本実施形態では、100km程度が可能である。   In the distributed optical fiber sensor S (S1, S2) having such a configuration, the pump light is composed of a main light pulse and a sub light pulse using a spread spectrum method, thereby obtaining a spatial resolution and a measurable distance. Since it can be set independently, the strain and / or temperature can be measured with high spatial resolution, and the measurable distance can be extended and measured further. Conventionally, the measurable distance has been several kilometers, but in this embodiment, about 100 km is possible.

なお、図1に示す構成の分布型光ファイバセンサSは、その構成要素の一部によって、BOTDRを構成することも可能である。   Note that the distributed optical fiber sensor S having the configuration shown in FIG. 1 can also constitute a BOTDR with a part of its constituent elements.

図6は、図1に示す分布型光ファイバセンサをBOTDRに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図7は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。図7(A)は、狭線幅光バンドパスフィルタの構成を示すブロック図であり、図7(B)ないし(D)は、狭線幅光バンドパスフィルタの動作を説明するための図である。   FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is configured as BOTDR. FIG. 7 is a diagram for explaining a narrow linewidth optical bandpass filter. FIG. 7A is a block diagram showing the configuration of a narrow linewidth optical bandpass filter, and FIGS. 7B to 7D are diagrams for explaining the operation of the narrowlinewidth optical bandpass filter. is there.

図6において、このBOTDRの分布型光ファイバセンサS(S3)は、第1光源1と、光パルス生成部3と、光スイッチ4と、光カプラ5と、光強度・偏光調整部6と、光サーキュレータ7と、光コネクタ9と、第1ATC10と、第1AFC11と、制御処理部13と、ブリルアン時間領域検出計14と、検出用光ファイバ15とを備えて構成されている。なお、図6では、第1光源1と光パルス生成部3との間に介在する光カプラ2、および、光サーキュレータ7と光コネクタ9との間に介在する光カプラ8は、図1に示す分布型光ファイバセンサSをBOTDRに構成した場合では、実質的に機能しないので、図6では、その図示を省略してある。   In FIG. 6, the BOTDR distributed optical fiber sensor S (S3) includes a first light source 1, an optical pulse generator 3, an optical switch 4, an optical coupler 5, a light intensity / polarization adjuster 6, The optical circulator 7, the optical connector 9, the first ATC 10, the first AFC 11, the control processing unit 13, the Brillouin time domain detector 14, and the detection optical fiber 15 are configured. In FIG. 6, the optical coupler 2 interposed between the first light source 1 and the optical pulse generator 3 and the optical coupler 8 interposed between the optical circulator 7 and the optical connector 9 are shown in FIG. In the case where the distributed optical fiber sensor S is configured as BOTDR, it does not function substantially, so that illustration thereof is omitted in FIG.

BOTDRの場合では、ブリルアン時間領域検出計14は、制御処理部13と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサS(S3)の各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した自然ブリルアン散乱現象にかかる光を検出することによって検出用光ファイバ15の長尺方向における検出用光ファイバ15の各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトに基づいて検出用光ファイバ15の歪み分布および/または温度分布を検出する。第2入力端子から入射された各入射光は、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ/ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。第3入力端子から入射された入射光は、例えば図7に示す光バンドパスフィルタ(以下、「光BPF」と略記する。)によって自然ブリルアン散乱現象にかかる光が抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ/ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。   In the case of BOTDR, the Brillouin time domain detector 14 controls each part of the distributed optical fiber sensor S (S3) by inputting and outputting signals to and from the control processing unit 13, and receives natural Brillouin light received at a predetermined sampling interval. By detecting the light applied to the scattering phenomenon, the Brillouin gain spectrum of each region portion of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is obtained, and the Brillouin gain · Based on the spectrum, the Brillouin frequency shift of each region portion is obtained, and the strain distribution and / or temperature distribution of the detection optical fiber 15 is detected based on the obtained Brillouin frequency shift of each region portion. Each incident light incident from the second input terminal is converted into an electric signal corresponding to the amount of received light by a light receiving element that performs photoelectric conversion, and the electric signal is converted into a digital electric signal by an analog / digital converter, and the Brillouin is converted. • Used to determine the gain spectrum. The incident light incident from the third input terminal is extracted by, for example, an optical bandpass filter (hereinafter abbreviated as “optical BPF”) shown in FIG. , Filtered by a matched filter, converted to a digital electrical signal by an analog / digital converter, and used to determine the Brillouin gain spectrum. Further, if necessary, the electric signal is amplified by the amplifier circuit before being digitally converted.

前記第3入力端子に光学的に接続される前記光BPFは、狭い所定の透過周波数帯域の光部品、すなわち、狭い所定の周波数帯域の光を透過すると共にこの所定の周波数帯域を除く帯域の光を遮断する光部品である。このような光BPF31は、例えば、図7(A)に示すように、第1ファブリペローエタロンフィルタ(以下、「EF」と略記する。)311と、第1EF311に光学的に接続される第2EF312とを備えて構成される。第1EF311は、図7(B)に示すように、その半値全幅FWHM1が、光BPF31における所定の透過周波数帯域に相当する周波数幅であるように設定されるとともに、その透過周波数帯域の中心周波数fa1の一つが、光BPF31における透過周波数帯域の中心周波数faと一致するように設定される。第2EF312は、図7(C)に示すように、そのFSR(Free Spectral Range、フリースペクトラムレンジ)2が光パルス(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の周波数と自然ブリルアン後方散乱光の周波数との間の周波数間隔より広くなるように設定されるとともに、その透過周波数帯域が第1EF311の透過周波数帯域を含むようにするために、その半値全幅FWHM2が第1EF311の半値全幅FWHM1以上に設定され、そして、その透過周波数帯域の中心周波数fa2の一つが光BPF31における透過周波数帯域の中心周波数faと一致するように設定される。このような構成の光BPF31では、第1EF311で、前記所定の透過周波数帯域に相当する周波数の光が透過する。すなわち、第1EF311のFSR1ごとに半値全幅FWHM1に相当する周波数の光が透過する。そして、第1EF311を透過した光は、第2EF312で、第1EF311の中心周波数fa1の透過周波数帯域に相当する周波数の光のみが透過する。このため、このような構成の狭帯域な光BPF31の透過周波数特性は、図7(B)に示す第1EF311の透過周波数特性と図7(C)に示す第2EF312の透過周波数特性とを合成した特性となり、図7(D)に示すように、その透過周波数帯域の中心周波数faが周波数fa1(=fa2)で、その半値全幅FWHMが第1EF311の半値全幅FWHM1で、そして、そのFSRが第2EF312のFSR2となる。なお、第1EF311と第2EF312とは、逆に光学的に接続されてもよい。   The optical BPF optically connected to the third input terminal transmits an optical component having a narrow predetermined transmission frequency band, that is, light in a band excluding the predetermined frequency band while transmitting light having a narrow predetermined frequency band. It is an optical component that blocks Such an optical BPF 31 is, for example, as shown in FIG. 7A, a first Fabry-Perot etalon filter (hereinafter abbreviated as “EF”) 311 and a second EF 312 optically connected to the first EF 311. And is configured. As shown in FIG. 7B, the first EF 311 is set such that the full width at half maximum FWHM1 is a frequency width corresponding to a predetermined transmission frequency band in the optical BPF 31, and the center frequency fa1 of the transmission frequency band is set. Is set to coincide with the center frequency fa of the transmission frequency band in the optical BPF 31. As shown in FIG. 7C, the second EF 312 has an FSR (Free Spectral Range) 2 between the frequency of the optical pulse (sub optical pulse and main optical pulse) and the frequency of the natural Brillouin backscattered light. The full width at half maximum FWHM2 is set to be equal to or greater than the full width at half maximum FWHM1 of the first EF 311 so that the transmission frequency band includes the transmission frequency band of the first EF 311. , One of the center frequencies fa2 of the transmission frequency band is set to coincide with the center frequency fa of the transmission frequency band in the optical BPF 31. In the optical BPF 31 having such a configuration, light having a frequency corresponding to the predetermined transmission frequency band is transmitted by the first EF 311. That is, light of a frequency corresponding to the full width at half maximum FWHM1 is transmitted for each FSR1 of the first EF 311. The light transmitted through the first EF 311 is transmitted through the second EF 312, and only the light having a frequency corresponding to the transmission frequency band of the center frequency fa1 of the first EF 311 is transmitted. For this reason, the transmission frequency characteristic of the narrowband optical BPF 31 having such a configuration is obtained by combining the transmission frequency characteristic of the first EF 311 shown in FIG. 7B and the transmission frequency characteristic of the second EF 312 shown in FIG. 7C. As shown in FIG. 7D, the center frequency fa of the transmission frequency band is the frequency fa1 (= fa2), the full width at half maximum FWHM is the full width at half maximum FWHM1 of the first EF 311, and the FSR is the second EF 312. Of FSR2. Note that the first EF 311 and the second EF 312 may be optically connected in reverse.

また、BOTDRの場合では、制御処理部13は、ブリルアン時間領域検出計14と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ15の長尺方向における検出用光ファイバ15の歪みおよび/または温度の分布を高空間分解能でかつより遠距離まで測定するように、第1光源1、第1ATC10、第1AFC11、光パルス生成部3、光スイッチ4および光強度・偏光調整部6を制御する。   Further, in the case of BOTDR, the control processing unit 13 inputs and outputs signals to and from the Brillouin time domain detector 14, so that the strain and / or temperature of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 The first light source 1, the first ATC 10, the first AFC 11, the optical pulse generation unit 3, the optical switch 4, and the light intensity / polarization adjustment unit 6 are controlled so as to measure the distribution with a high spatial resolution to a longer distance.

このような構成のBOTDRの分布型光ファイバセンサS(S3)では、第1光源1および光パルス生成部3によって生成されたサブ光パルスおよびメイン光パルス光は、光スイッチ4、光カプラ5、光強度・偏光調整部6、光サーキュレータ7および光コネクタ9を介して、検出用光ファイバ15の一方端から入射される。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。検出用光ファイバ15で自然ブリルアン散乱現象の作用を受けた光(自然ブリルアン後方散乱光)が検出用光ファイバ15の一方端から射出され、ブリルアン時間領域検出計14によって受光される。そして、ブリルアン時間領域検出計14によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析(BGain−OTDR)が行われ、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪みおよび/または温度が検出される。なお、自然ブリルアン散乱現象にかかる光は、自然ブリルアン後方散乱光である。 In the BOTDR distributed optical fiber sensor S (S3) having such a configuration, the sub light pulse and the main light pulse light generated by the first light source 1 and the light pulse generation unit 3 are the optical switch 4, the optical coupler 5, The light is incident from one end of the detection optical fiber 15 through the light intensity / polarization adjusting unit 6, the optical circulator 7, and the optical connector 9. A spread spectrum system is used for the main light pulse. Light (natural Brillouin backscattered light) subjected to the effect of the natural Brillouin scattering phenomenon in the detection optical fiber 15 is emitted from one end of the detection optical fiber 15 and received by the Brillouin time domain detector 14. A Brillouin gain spectrum time domain reflection analysis (B Gain -OTDR) is then performed by the Brillouin time domain detector 14 to detect strain and / or temperature based on the Brillouin frequency shift. In addition, the light concerning a natural Brillouin scattering phenomenon is a natural Brillouin backscattered light.

このような構成のBOTDRの分布型光ファイバセンサS(S3)でも、光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みおよび/または温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。   Even in the BOTDR distributed optical fiber sensor S (S3) having such a configuration, the spatial resolution and the measurable distance can be obtained by configuring the optical pulse by the main optical pulse and the sub optical pulse using the spread spectrum method. Since it can be set independently, the strain and / or temperature can be measured with high spatial resolution, and the measurable distance can be extended and measured further.

図8は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図ある。図8の横軸は、MHz単位で表す周波数であり、その縦軸は、mW単位で表すブリルアン・ゲインである。図8(A)は、第1ないし第3ブリルアンスペクトルを示し、図8(B)は、全体から第2および第3ブリルアンスペクトルを減算した結果を示す。そして、図8(A)の実線は、全体のブリルアンスペクトルである第1ブリルアンスペクトルであり、破線は、その構成要素である第2ブリルアンスペクトルと第3ブリルアンスペクトルとの和である。   FIG. 8 is a diagram for explaining a method for obtaining a Brillouin frequency shift by subtracting components from the whole. The horizontal axis in FIG. 8 is the frequency expressed in MHz, and the vertical axis is the Brillouin gain expressed in mW. FIG. 8A shows the first to third Brillouin spectra, and FIG. 8B shows the result of subtracting the second and third Brillouin spectra from the whole. 8A is the first Brillouin spectrum that is the entire Brillouin spectrum, and the broken line is the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum that are constituent elements.

なお、本実施形態にかかるBOTDAの分布型光ファイバセンサSにおいて、まず、制御処理部13の制御によって、検出用光ファイバ15に、ポンプ光としてのサブ光パルスおよびメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、ブリルアン時間領域検出計14は、この場合に検出用光ファイバ15から射出される第1誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第1ブリルアンスペクトルを求める。次に、制御処理部13の制御によって、検出用光ファイバ15に、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、ブリルアン時間領域検出計14は、この場合に検出用光ファイバ15から射出される第2誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第2ブリルアンスペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計14は、これら第1ブリルアンスペクトルと第2ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定してもよい。あるいは、次に、制御処理部13の制御によって、検出用光ファイバ15に、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、ブリルアン時間領域検出計14は、この場合に検出用光ファイバ15から射出される第3誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第3ブリルアンスペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計14は、これら第1ブリルアンスペクトルと第3ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定してもよい。このように構成することによって、BOTDAにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。   Note that, in the BOTDA distributed optical fiber sensor S according to the present embodiment, first, under the control of the control processing unit 13, the sub optical pulse as the pump light, the main optical pulse, and the probe light are applied to the detection optical fiber 15. In this case, the Brillouin time domain detector 14 obtains a first Brillouin spectrum based on the light related to the first stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15. Next, under the control of the control processing unit 13, the main optical pulse as the pump light and the continuous light as the probe light are made incident on the detection optical fiber 15, and the Brillouin time domain detector 14 in this case A second Brillouin spectrum is obtained based on the light related to the second stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the optical fiber 15. Then, the Brillouin time domain detector 14 obtains a difference between the first Brillouin spectrum and the second Brillouin spectrum, and measures strain and / or temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference. Also good. Alternatively, under the control of the control processing unit 13, the sub optical pulse as the pump light and the continuous light as the probe light are incident on the detection optical fiber 15, and the Brillouin time domain detector 14 in this case A third Brillouin spectrum is obtained based on light related to the third stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15. Then, the Brillouin time domain detector 14 obtains a difference between the first Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum, and measures the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference. Also good. With this configuration, in BOTDA, when the Brillouin frequency shift is obtained, unnecessary components of the Brillouin spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift can be obtained more easily and with high accuracy. The strain and / or temperature generated in the fiber can be determined more easily and with higher accuracy.

あるいは、例えば、図8において、まず、分布型光ファイバセンサS(S1、S2)を上述のように動作させることによって、第1ブリルアンスペクトル(図8(A)の実線)を求める。次に、分布型光ファイバセンサS(S1、S2)を上述のように動作させることによって、第2および第3ブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。次に、ブリルアン時間領域検出計14は、これら第1ブリルアンスペクトル(図8(A)の実線)と第2ブリルアンスペクトルおよび第3ブリルアンスペクトルの和(図8(A)の破線)との差(図8(B))を求める。そして、ブリルアン時間領域検出計14は、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定してもよい。このように構成することによって、BOTDAにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。   Alternatively, for example, in FIG. 8, first, the first Brillouin spectrum (solid line in FIG. 8A) is obtained by operating the distributed optical fiber sensor S (S1, S2) as described above. Next, the second and third Brillouin spectra are obtained by operating the distributed optical fiber sensor S (S1, S2) as described above. Next, the Brillouin time domain detector 14 determines the difference between the first Brillouin spectrum (solid line in FIG. 8A) and the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum (broken line in FIG. 8A) ( FIG. 8 (B)) is obtained. The Brillouin time domain detector 14 may measure strain and / or temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference. By configuring in this way, in BOTDA, when obtaining the Brillouin frequency shift, unnecessary components of the Brillouin spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift can be obtained more easily and with higher accuracy. The strain and / or temperature generated in the detection optical fiber can be determined more easily and with higher accuracy.

また、本実施形態にかかるBOTDRの分布型光ファイバセンサSにおいて、まず、制御処理部13の制御によって、検出用光ファイバ15に、サブ光パルスおよびメイン光パルスを入射させ、ブリルアン時間領域検出計14は、この場合に検出用光ファイバ15から射出される第1自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。次に、制御処理部13の制御によって、検出用光ファイバ15に、メイン光パルスを入射させ、ブリルアン時間領域検出計14は、この場合に検出用光ファイバ15から射出される第2自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第2ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計14は、これら第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第2ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定してもよい。あるいは、次に、制御処理部13の制御によって、検出用光ファイバ15に、サブ光パルスを入射させ、ブリルアン時間領域検出計14は、この場合に検出用光ファイバ15から射出される第3自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、ブリルアン時間領域検出計14は、これら第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定してもよい。このように構成することによって、BOTDRにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。   Further, in the BOTDR distributed optical fiber sensor S according to the present embodiment, first, the sub optical pulse and the main optical pulse are incident on the detection optical fiber 15 under the control of the control processing unit 13, and the Brillouin time domain detector In this case, the first Brillouin gain spectrum is obtained based on the light related to the first natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15 in this case. Next, under the control of the control processing unit 13, the main light pulse is incident on the detection optical fiber 15, and the Brillouin time domain detector 14 in this case emits the second natural Brillouin scattering emitted from the detection optical fiber 15. A second Brillouin gain spectrum is obtained based on the light applied to the phenomenon. Then, the Brillouin time domain detector 14 calculates the difference between the first Brillouin gain spectrum and the second Brillouin gain spectrum, and based on the calculated difference, the distortion generated in the detection optical fiber 15 and / or Alternatively, the temperature may be measured. Alternatively, under the control of the control processing unit 13, the sub optical pulse is incident on the detection optical fiber 15, and the Brillouin time domain detector 14 is in this case emitted from the detection optical fiber 15. A third Brillouin gain spectrum is obtained based on the light associated with the Brillouin scattering phenomenon. Then, the Brillouin time domain detector 14 obtains a difference between the first Brillouin gain spectrum and the third Brillouin gain spectrum, and based on the obtained difference, the distortion generated in the detection optical fiber 15 and / or Alternatively, the temperature may be measured. By configuring in this way, when obtaining the Brillouin frequency shift in the BOTDR, unnecessary components of the Brillouin gain spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift can be obtained more easily and with high accuracy. The strain and / or temperature generated in the detection optical fiber can be obtained more easily and with higher accuracy.

あるいは、第2および第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、そして、ブリルアン時間領域検出計14は、これら第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第2ブリルアン・ゲイン・スペクトルおよび第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定してもよい。このように構成することによって、BOTDRにおいて、ブリルアン周波数シフトを求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフトをさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。   Alternatively, the second and third Brillouin gain spectra are determined, respectively, and the Brillouin time domain detector 14 determines the first Brillouin gain spectrum, the second Brillouin gain spectrum, and the third Brillouin gain spectrum. Alternatively, the difference and the sum may be measured, and the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber 15 may be measured based on the obtained difference. With this configuration, when the Brillouin frequency shift is determined in BOTDR, unnecessary components of the Brillouin gain spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift can be determined more easily and with higher accuracy. As a result, the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber can be determined more easily and with higher accuracy.

このような無変調のサブ光パルスとスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとからなる光パルスを用いた分布型光ファイバセンサSにおける数値実験結果(シミュレーション結果)について説明する。この数値実験結果は、例えば、BOTDAにおいて、第1ブリルアンスペクトルと第2ブリルアンスペクトルおよび第3ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定した結果である。   A numerical experiment result (simulation result) in the distributed optical fiber sensor S using an optical pulse composed of such an unmodulated sub optical pulse and a main optical pulse using a spread spectrum system will be described. The result of the numerical experiment is, for example, that the difference between the first Brillouin spectrum and the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum in BOTDA is obtained, and the distortion and / or Or it is the result of measuring temperature.

図9は、図5(A)に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図9(A)は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図9(B)は、ブリルアン周波数シフトを示す。図9(A)のx軸は、周波数(MHz)であり、y軸は、ブリルアンゲイン(nW)であり、z軸は、検出用光ファイバ15の長尺方向における距離(m)である。図9(B)の横軸は、前記距離(m)であり、その縦軸は、ピーク周波数(MHz)である。実線は、測定されたピーク周波数であり、破線は、ブリルアン周波数シフトである。   FIG. 9 is a diagram showing a numerical experiment result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration shown in FIG. 5A is used. FIG. 9A shows the Brillouin gain spectrum and FIG. 9B shows the Brillouin frequency shift. In FIG. 9A, the x-axis is frequency (MHz), the y-axis is Brillouin gain (nW), and the z-axis is the distance (m) in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15. The horizontal axis in FIG. 9B is the distance (m), and the vertical axis is the peak frequency (MHz). The solid line is the measured peak frequency and the dashed line is the Brillouin frequency shift.

本実験では、ポンプ光は、図5(A)に示すように、パルス幅30nsのサブ光パルスと、このサブ光パルスに連続して後続するパルス幅12.7nsのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅0.1nsの127個のセルに分割されており、各セルは、M系列バイナリ符号で変調(符号化)され、スペクトル拡散符号化されている。   In this experiment, as shown in FIG. 5A, the pump light is composed of a sub-light pulse with a pulse width of 30 ns and a main light pulse with a pulse width of 12.7 ns following the sub-light pulse, The main optical pulse is divided into 127 cells having a cell width of 0.1 ns, and each cell is modulated (encoded) with an M-sequence binary code and subjected to spread spectrum encoding.

検出用光ファイバ15には、表1に示すように、z=100cmからz=101cmまでの第1区間、z=200cmからz=202cmまでの第2区間、z=300cmからz=303cmまでの第3区間、z=400cmからz=404cmまでの第4区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で80MHzの歪み(=約1600με)が予め与えられている。   As shown in Table 1, the detection optical fiber 15 includes a first section from z = 100 cm to z = 101 cm, a second section from z = 200 cm to z = 202 cm, and from z = 300 cm to z = 303 cm. The third section, each section of the fourth section from z = 400 cm to z = 404 cm, is given in advance a distortion of 80 MHz (= about 1600 με) in terms of Brillouin frequency shift.

このような検出用光ファイバ15にスペクトル拡散方式を一部に用いられた前記ポンプ光を入射させ、測定すると、図9(A)に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図9(B)に示すブリルアン周波数シフトが得られる。   When the pump light partially using the spread spectrum method is incident on such a detection optical fiber 15 and measured, the Brillouin gain spectrum shown in FIG. 9A is obtained. As a result, FIG. The Brillouin frequency shift shown in (B) is obtained.

図9に示すように、表1に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みが測定されており、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。   As shown in FIG. 9, it is understood that a strain having a predetermined magnitude is measured at each strain position shown in Table 1, and the strain is obtained with high accuracy and high spatial resolution.

このようにメイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いても高精度かつ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。   As described above, distortion can be obtained with high accuracy and high spatial resolution even if the spread spectrum method is used for the main light pulse. As described above, by configuring the pump light with the main light pulse and the sub light pulse using the spread spectrum method, the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, so that the distortion is reduced. While being able to measure with high spatial resolution, the measurable distance can be extended to measure farther.

なお、上述の実施形態では、図5に示す態様のポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)が用いられたが、これに限定されるものではなく、例えば、図10に示す態様のポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)が用いられてもよい。   In the above-described embodiment, the pump light (sub light pulse and main light pulse) shown in FIG. 5 is used. However, the present invention is not limited to this. For example, the pump light shown in FIG. (Sub light pulse and main light pulse) may be used.

図10は、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の他の構成を説明するための図であり、図10(A)は、ポンプ光の他の第1構成を示し、図10(B)は、ポンプ光の他の第2構成を示す。   FIG. 10 is a diagram for explaining another configuration of the pump light (sub light pulse and main light pulse). FIG. 10A shows another first configuration of the pump light, and FIG. ) Shows another second configuration of the pump light.

図5(A)に示すポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度と同一レベルであったが、例えば、図10(A)に示すように、ポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さくてもよい。サブ光パルスは、上述したように、メイン光パルスに時間的に先行して音響フォノンを立ち上げる役割を果たすので、メイン光パルスのように大きな光強度が必要ではなく、メイン光パルスの光強度よりも小さくてよい。   In the pump light shown in FIG. 5A, the light intensity of the sub light pulse is the same level as the light intensity of the main light pulse. For example, as shown in FIG. The light intensity of the pulse may be smaller than the light intensity of the main light pulse. As described above, the sub-light pulse plays a role in raising the acoustic phonon in advance of the main light pulse in time, so that a large light intensity is not required unlike the main light pulse, and the light intensity of the main light pulse. Smaller than that.

また、図5(A)および図10(A)に示す各ポンプ光は、サブ光パルスがメイン光パルスと重なることなくメイン光パルスに時間的に先行するように構成されたが、例えば、図10(B)に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持っていてもよい。このような構成のポンプ光では、メイン光パルスに時間的に先行してサブ光パルスによって音響フォノンを立ち上げる観点から、メイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分がメイン光パルスに対して時間的に先行していることが好ましく、さらに、このメイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分が音響フォノンを完全に立ち上げる時間以上、例えば約30ns以上であることがより好ましい。   Each pump light shown in FIGS. 5A and 10A is configured such that the sub light pulse precedes the main light pulse in time without overlapping the main light pulse. As shown in FIG. 10B, the pump light may have a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time. In the pump light having such a configuration, from the viewpoint of starting the acoustic phonon by the sub light pulse temporally preceding the main light pulse, the portion of the sub light pulse that does not overlap the main light pulse is relative to the main light pulse. It is preferable that the time is preceded, and it is more preferable that the portion of the sub light pulse that does not overlap with the main light pulse is longer than the time for which the acoustic phonon is completely activated, for example, about 30 ns or more.

ここで、このようなスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと前記メイン光パルスと重なった部分を持つサブ光パルスとからなるポンプ光を分布型光ファイバセンサSに用いた場合における数値実験結果について説明する。この数値実験結果は、図9に示す数値実験結果と同様に、例えば、BOTDAにおいて、第1ブリルアンスペクトルと第2ブリルアンスペクトルおよび第3ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定した結果である。   Here, a numerical experiment result in the case where pump light composed of a main light pulse using such a spread spectrum system and a sub light pulse having a portion overlapping with the main light pulse is used in the distributed optical fiber sensor S. explain. Similar to the numerical experimental result shown in FIG. 9, for example, in BOTDA, the numerical experimental result is obtained by calculating a difference between the first Brillouin spectrum and the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum, and based on the obtained difference. This is a result of measuring strain and / or temperature generated in the detection optical fiber.

図11は、図10(B)に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図11(A)は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図11(B)は、ブリルアン周波数シフトを示す。図11(A)および(B)における各軸は、図9(A)および(B)とそれぞれ同じである。   FIG. 11 is a diagram illustrating a numerical experiment result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration illustrated in FIG. 10B is used. FIG. 11A shows the Brillouin gain spectrum, and FIG. 11B shows the Brillouin frequency shift. Each axis in FIGS. 11A and 11B is the same as that in FIGS. 9A and 9B.

本実験では、ポンプ光は、図10(B)に示すように、パルス幅132.3nsのサブ光パルスと、このサブ光パルスに対し30nsだけ時間的に遅れてこのサブ光パルスと重なっているパルス幅102.3nsのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅0.1nsの1023個のセルに分割されており、各セルは、M系列バイナリ符号で変調され、スペクトル拡散符号化されている。   In this experiment, as shown in FIG. 10B, the pump light overlaps with the sub light pulse having a pulse width of 132.3 ns and the sub light pulse with a time delay of 30 ns from the sub light pulse. The main optical pulse is divided into 1023 cells having a cell width of 0.1 ns, and each cell is modulated with an M-sequence binary code to be spread spectrum encoded. Has been.

検出用光ファイバ15には、上述と同様に、表1に示すように、第1ないし第4区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で80MHzの歪み(=約1600με)が予め与えられている。   Similarly to the above, as shown in Table 1, the detection optical fiber 15 is preliminarily provided with 80 MHz distortion (= about 1600 με) in terms of Brillouin frequency shift in each of the first to fourth sections. ing.

このような検出用光ファイバ15に図10(B)に示す構成の前記ポンプ光を入射させ、測定すると、図11(A)に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図11(B)に示すブリルアン周波数シフトが得られる。   When the pump light having the configuration shown in FIG. 10B is incident on the detection optical fiber 15 and measured, the Brillouin gain spectrum shown in FIG. 11A is obtained. As a result, FIG. The Brillouin frequency shift shown in B) is obtained.

図11に示すように、表1に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みが測定されており、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。   As shown in FIG. 11, it is understood that a distortion having a predetermined magnitude is measured at each distortion position shown in Table 1, and the distortion is obtained with high accuracy and high spatial resolution.

このようにサブ光パルスとメイン光パルスとに重なった部分が存在する場合でも、高精度かつ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することかができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。   Thus, even when there is an overlapping portion between the sub light pulse and the main light pulse, distortion can be obtained with high accuracy and high spatial resolution. As described above, since the pump light is composed of the main light pulse and the sub light pulse using the spread spectrum method, the spatial resolution and the measurable distance can be set independently. Can be measured with a high spatial resolution, and the measurable distance can be extended to a greater distance.

さらに、本実施形態の分布型光ファイバセンサSに用いられるポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の他の態様について説明する。   Furthermore, another aspect of pump light (sub light pulse and main light pulse) used in the distributed optical fiber sensor S of the present embodiment will be described.

図12は、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)のさらに他の構成および整合フィルタを説明するための図であり、図12(A)は、ポンプ光の構成を示し、図12(B)は、整合フィルタを示す図である。図13は、図12(A)に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成およびその動作を説明するための図である。   FIG. 12 is a diagram for explaining still another configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and a matched filter. FIG. 12A shows the configuration of the pump light, and FIG. ) Is a diagram showing a matched filter. FIG. 13 is a diagram for explaining the configuration and operation of an optical pulse generator for generating pump light having the configuration shown in FIG.

図10(B)に示す構成のポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持ちつつメイン光パルスと重なった部分を持ったサブ光パルスと、前記メイン光パルスとから構成されたが、図12(A)に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持つことなくメイン光パルスと時間的に完全に一致するように重なったサブ光パルスと、前記メイン光パルスとから構成されてもよい。すなわち、サブ光パルスの立ち上がりタイミングおよびその立ち下がりタイミングは、メイン光パルスの立ち上がりタイミングおよびその立ち下がりタイミングとそれぞれ一致している。   The pump light having the configuration shown in FIG. 10B is composed of a sub light pulse having a portion that temporally precedes the main light pulse and having a portion overlapping the main light pulse, and the main light pulse. However, as shown in FIG. 12 (A), the pump light does not have a portion that temporally precedes the main light pulse, and the sub light pulse overlapped so as to completely coincide with the main light pulse in time, The main light pulse may be included. In other words, the rising timing and the falling timing of the sub optical pulse coincide with the rising timing and the falling timing of the main optical pulse, respectively.

このような図12(A)に示す構成のポンプ光は、例えば、図13に示す構成の光パルス生成部3から生成することができる。図13に示す構成の光パルス生成部3では、その構成は、図4に示す光パルス生成部3および光スイッチ4の構成と一致し、その動作が、図4に示す光パルス生成部3の動作と異なるものである。このため、ここでは、その構成の説明を省略し、その動作について説明する。   Such pump light having the configuration shown in FIG. 12A can be generated from, for example, the optical pulse generator 3 having the configuration shown in FIG. In the optical pulse generator 3 having the configuration shown in FIG. 13, the configuration matches the configurations of the optical pulse generator 3 and the optical switch 4 shown in FIG. 4, and the operation thereof is the same as that of the optical pulse generator 3 shown in FIG. 4. It is different from the operation. For this reason, description of the structure is abbreviate | omitted here and the operation | movement is demonstrated.

まず、図12(A)に示す構成のポンプ光を生成するために、LN強度変調器101は、サブ光パルスを生成するために、所定のレベルの光(漏れ光)が漏れ出す(射出する)ように、オンされている。   First, in order to generate pump light having the configuration shown in FIG. 12A, the LN intensity modulator 101 leaks (emits) a predetermined level of light (leakage light) in order to generate a sub-light pulse. ) So that it is on.

第1光源1から射出された連続光L11(=L1)は、光カプラ2を介して光パルス生成部3のLN強度変調器101に入射される。連続光L11が入射されると、LN強度変調器101は、前記漏れ光を射出する。   The continuous light L11 (= L1) emitted from the first light source 1 is incident on the LN intensity modulator 101 of the optical pulse generator 3 via the optical coupler 2. When the continuous light L11 is incident, the LN intensity modulator 101 emits the leakage light.

光パルス生成部3では、ポンプ光の生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Dに相当するパルス幅Dの動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器104から乗算器103へ出力され、直流電源102から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Dの直流電圧がLN強度変調器101の信号電極に印加される。これによって前記連続光L11は、LN強度変調器101で、パルス幅Dの光パルスが漏れ光に重畳された光パルスL12となって射出される。   In the optical pulse generator 3, an operation timing pulse having a pulse width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse is output from the timing pulse generator 104 to the multiplier 103 and input from the DC power supply 102 at the generation timing of the pump light. The obtained DC voltage is multiplied, and a DC voltage having a pulse width D is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101. Thus, the continuous light L11 is emitted by the LN intensity modulator 101 as an optical pulse L12 in which an optical pulse having a pulse width D is superimposed on leakage light.

そして、光パルス生成部3では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Dに相当する時間幅Dの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器114から乗算器113へ順次に出力され、直流電源112から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Dで、M系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでLN位相変調器111の信号電極に順次に印加される。これによって前記光パルスL12は、LN位相変調器111で、M系列バイナリ符号で変調された部分(メイン光パルスに対応する)が漏れ光に重畳された光パルスL13となって射出される。   Then, in the optical pulse generation unit 3, the pseudo random number is multiplied from the pseudo random number generator 114 by the time timing of the cell width during the time width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse at the generation timing of the main optical pulse. The DC voltage is sequentially output to 113, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 112, and the DC voltage modulated with the M-sequence binary code from the generation timing of the main optical pulse is modulated with the time width D. The signals are sequentially applied to the signal electrodes of the phase modulator 111. As a result, the optical pulse L12 is emitted as an optical pulse L13 in which a portion (corresponding to the main optical pulse) modulated by the M-sequence binary code is superimposed on the leakage light by the LN phase modulator 111.

そして、EDFA121では、前記光パルスL13が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスL14となって射出される。   In the EDFA 121, the light pulse L13 is amplified until it reaches a predetermined light intensity, and is emitted as a light pulse L14.

さらに、光パルス生成部3では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Dsub(=メイン光パルスのパルス幅D)に相当するパルス幅Dsub(=D)の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器134から乗算器133へ出力され、直流電源132から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Dsub(=D)の直流電圧がLN強度変調器131の信号電極に印加される。これによって前記光パルスL14は、LN強度変調器131で、EDFA121で光パルスL14に付随した自然放出光等のノイズが除去されるとともに、光パルスL14の前後の漏れ光に起因する光(EDFA121で増幅された漏れ光)が除去され、パルス幅Dsub(=D)あって無変調であるサブ光パルスとパルス幅D(=Dsub)であってスペクトル拡散符号化されたメイン光パルスとから成り、サブ光パルス上にメイン光パルスが時間的に完全に一致して重なったポンプ光L15となって射出される。 Furthermore, in the light pulse generation unit 3, according to the generation timing of the pump light, the operation timing of the pulse width D sub corresponding to the pulse width D sub of the sub light pulse (= pulse width D of the main light pulse) (= D) The pulse is output from the timing pulse generator 134 to the multiplier 133, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 132, and the DC voltage having the pulse width D sub (= D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 131. Is done. As a result, the LN intensity modulator 131 removes noise such as spontaneous emission light accompanying the optical pulse L14 by the EDFA 121, and the light pulse L14 is light caused by leakage light before and after the optical pulse L14 (in the EDFA 121). Amplified leakage light) is removed, and the sub-light pulse having the pulse width D sub (= D) and unmodulated and the main light pulse having the pulse width D (= D sub ) and spread spectrum encoded Thus, the main light pulse is superimposed on the sub light pulse in time and is emitted as the pump light L15 that overlaps.

ここで、図10(B)や図12(A)に示すように、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合には、分布型光ファイバセンサS(S1、S2)は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2、1(t、ν)に対応するブリルアン周波数シフトを時系列データとして複数求める場合に、現時点の成分V2、1(t、ν)を成分V2、1(t、ν)に対応する過去のブリルアン周波数シフトに基づいて所定の関数式を用いることによって推定し、上述した前記第1ブリルアンスペクトルから前記第2ブリルアンスペクトルおよび前記第3ブリルアンスペクトルを減算した結果から、さらに前記推定結果^V2、1(t、ν)を減算するように構成されてもよい。このように構成することによって、より高精度に検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定することが可能となる。 Here, as shown in FIGS. 10B and 12A, when using pump light having a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time, the distributed optical fiber sensor S is used. (S1, S2) is the current component V 2 when a plurality of Brillouin frequency shifts corresponding to the components V 2, 1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are obtained as time series data. 1 (t, ν) is estimated by using a predetermined function formula based on the past Brillouin frequency shift corresponding to the component V 2 , 1 (t, ν), and the first Brillouin spectrum is The estimation result { circumflex over (V) } 2, 1 (t, ν) may be further subtracted from the result of subtracting the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum. With this configuration, it is possible to measure the strain and / or temperature generated in the detection optical fiber 15 with higher accuracy.

このメイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合では、より正確には、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)は、4つの成分から構成され、式13および式14(式14−1〜式14−4)によって表される。   In the case of using pump light having a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap with each other in time, more accurately, the Brillouin gain spectrum V (t, ν) is composed of four components, It is represented by Formula 13 and Formula 14 (Formula 14-1 to Formula 14-4).

なお、式14−1、式14−2および式14−4は、それぞれ、上述の式7−1、式7−2および式7−3と同じである。   Expressions 14-1, 14-2, and 14-4 are the same as Expressions 7-1, 7-2, and 7-3, respectively.

そして、その点広がり関数ψ(t、ν)は、上述の式8によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ(t、ν)は、上述の式9および式10によって表される。なお、図14に、点広がり関数ψ(t、ν)の計算例を示す。図14(A)は、点広がり関数ψ1,1(t、ν)を示し、図14(B)は、点広がり関数ψ1,2(t、ν)を示し、図14(C)は、点広がり関数ψ2,1(t、ν)を示し、そして、図14(D)は、点広がり関数ψ2,2(t、ν)を示す。 The point spread function ψ (t, ν) is expressed by the above-described equation 8, and the pump light is composed of the main light pulse and the sub light pulse, so this point spread function ψ (t, ν) Is represented by Equation 9 and Equation 10 above. FIG. 14 shows a calculation example of the point spread function ψ (t, ν). 14A shows the point spread function ψ 1,1 (t, ν), FIG. 14B shows the point spread function ψ 1,2 (t, ν), and FIG. , Shows the point spread function ψ 2,1 (t, ν), and FIG. 14D shows the point spread function ψ 2,2 (t, ν).

メイン光パルスとサブ光パルスから成るポンプ光と連続光のプローブ光とを検出用光ファイバ15に入射させた場合に、V1,1(t,ν)は、検出用光ファイバ15から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、メイン光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにメイン光パルスが散乱されて生じる成分であり、V1,2(t,ν)は、前記場合に、検出用光ファイバ15から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、サブ光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにメイン光パルスが散乱されて生じる成分であり、V2,1(t,ν)は、前記場合に、検出用光ファイバ15から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、メイン光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにサブ光パルスが散乱されて生じる成分であり、そして、V2,2(t,ν)は、検出用光ファイバ15から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、サブ光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにサブ光パルスが散乱されて生じる成分である。 When the pump light composed of the main light pulse and the sub light pulse and the continuous probe light are incident on the detection optical fiber 15, V 1,1 (t, ν) is emitted from the detection optical fiber 15. Among the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, the main light pulse is scattered by the phonons excited by the main light pulse and the probe light, and V 1,2 (t, ν) Of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15, this is a component generated by the main light pulse being scattered by the phonons excited by the sub light pulse and the probe light, and V 2,1 ( t, v) is the phono excited by the main light pulse and the probe light among the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15 in the above case. In a component caused the sub light pulse is scattered and, V 2,2 (t, ν), of the light pertaining to the stimulated Brillouin scattering phenomenon that is output from the detection optical fiber 15, the sub light pulse and the probe This is a component generated by scattering a sub-light pulse on a phonon excited by light.

なお、このV1,1(t,ν)は、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを検出用光ファイバ15に入射させ、この場合に検出用光ファイバ15から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づくものであり、また、V2,2(t,ν)は、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを検出用光ファイバ15に入射させ、この場合に検出用光ファイバ15から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づくものである。 The V 1,1 (t, ν) causes the main light pulse as the pump light and the continuous light as the probe light to enter the detection optical fiber 15, and in this case, is emitted from the detection optical fiber 15. V 2,2 (t, ν) is incident on the detection optical fiber 15 as a sub-light pulse as pump light and continuous light as probe light. In this case, it is based on the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15.

例えば歪み区間の幅が比較的短くかつそれ以外では歪みがない場合には、[課題を解決するための手段]の欄で説明したように、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2,1(t、ν)は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されているため、フラットなスペクトルとなり、図11に示すように、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められるが、より一般的には、歪みおよび/または温度を高精度かつ高空間分解能で求めるために、この成分V2,1(t、ν)を考慮する必要がある。この成分V2,1(t、ν)は、次のように考慮され、分布型光ファイバセンサS(S1、S2)は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合に、より一般的に、歪みおよび/または温度を高精度かつ高空間分解能で求めること可能となる。 For example, when the width of the distortion section is relatively short and there is no other distortion, the components in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are described as described in the section “Means for solving the problem”. V 2,1 (t, ν) is a flat spectrum because the main light pulse is spectrally spread by a pseudo-random number, and as shown in FIG. 11, distortion is required with high accuracy and high spatial resolution. More generally, this component V 2,1 (t, v) needs to be taken into account in order to determine the strain and / or temperature with high accuracy and high spatial resolution. This component V 2,1 (t, ν) is considered as follows, and the distributed optical fiber sensor S (S1, S2) has a portion in which the main light pulse and the sub light pulse overlap in time. When pump light is used, more generally, distortion and / or temperature can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.

この成分V2、1(t、ν)における点広がり関数ψ2,1(t、ν)は、式15のように表され、このうちのsに関する積分は、t<0である場合には、式16のように表される。ここで、t<0の場合には常にt−|τ|<0であることから、メイン光パルスがスペクトル拡散(パルス圧縮)される場合には、式16によって表される積分値は、0となる。したがって、この場合、点広がり関数ψ2,1(t、ν)は、0に近似される。このことは、図14(C)からも理解される。 The point spread function ψ 2,1 (t, ν) in this component V 2 , 1 (t, ν) is expressed as shown in Equation 15, and the integral with respect to s among them is when t <0. , Expressed as Equation 16. Here, when t <0, t− | τ | <0 is always satisfied. Therefore, when the main light pulse is subjected to spectrum spreading (pulse compression), the integral value represented by Expression 16 is 0. It becomes. Therefore, in this case, the point spread function ψ 2,1 (t, ν) is approximated to 0. This can also be understood from FIG.

そして、この点広がり関数ψ2,1(t、ν)がt≧0の範囲においてのみ0ではない値を持つことは、式17が、ν(vs/2)、s≦tによって決定され、ν(vs/2)、s>tには、依存しないことを意味する。このことから、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2、1(t、ν)は、時間tにおいて、前記時間tまでのブリルアン周波数シフトν(s)、t−D≦s≦tから推定することが可能となる。すなわち、時間tにおけるブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2、1(t、ν)の推定値は、式18のように表され、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)は、式19のように表され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2,1(t、ν)の影響を略取り除くことが可能となる。 The fact that this point spread function ψ 2,1 (t, ν) has a non-zero value only in the range of t ≧ 0 indicates that Equation 17 satisfies ν B (v g s / 2) and s ≦ t. Means ν B (v g s / 2), s> t. From this, the components V 2, 1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are Brillouin frequency shifts ν B (s) up to the time t at time t, t−D ≦ It is possible to estimate from s ≦ t. That is, the estimated value of the component V 2, 1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) at time t is expressed as in Equation 18, where the main light pulse and the sub light pulse are timed. The Brillouin gain spectrum V (t, ν) in the case of using pump light having overlapping portions is expressed as shown in Equation 19, and the component V 2 in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) 1 (t, v) can be substantially eliminated.

なお、上記式中において、成分V2,1(t、ν)の推定値は、推定値であることを表す符号“^”をオーバラップさせた“V”で表記されている。 In the above formula, the estimated value of the component V 2,1 (t, ν) is represented by “V” in which a sign “^” representing an estimated value is overlapped.

上述の式18および式19によって表される処理は、例えば、次の信号処理部によって実現される。   The processing represented by the above-described equations 18 and 19 is realized by, for example, the following signal processing unit.

図15は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2、1(t、ν)を取り除いてブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)を求めるための信号処理部の構成を示すブロック図である。図15における添え字nは、時間を離散化してt=n△t(n=1、2、3、・・・)とした場合において、当該変数が時間tにおける値であることを表す。なお、時間刻み幅△tは、メイン光パスルを周波数拡散する場合における前記セル幅と同程度かそれ以下に設定される。 FIG. 15 shows the configuration of a signal processing unit for obtaining the Brillouin gain spectrum V (t, ν) by removing the components V 2, 1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν). FIG. The subscript n in FIG. 15 represents that the variable is a value at the time t n when the time is discretized and t n = nΔt (n = 1, 2, 3,...). . The time step width Δt is set to be approximately equal to or less than the cell width when the main optical pulse is subjected to frequency spreading.

この信号処理部41は、例えば、図15に示すように、減算部411と、ブリルアン周波数シフト推定部(BFS推定部)412と、ブリルアン周波数シフト推定値記憶部(BFS推定値記憶部)413と、V2,1成分推定部414とを備えて構成される。信号処理部41は、例えばブリルアン時間領域検出計14にさらに搭載され、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合に利用される。信号処理部41は、ハードウェア的に構成されてもよく、また、ソフトウェア的に構成されてもよい。ソフトウェア的に構成される場合には、信号処理部41は、ブリルアン時間領域検出計14に実装されたマイクロコンピュータ上に機能的に実現される。 For example, as illustrated in FIG. 15, the signal processing unit 41 includes a subtraction unit 411, a Brillouin frequency shift estimation unit (BFS estimation unit) 412, a Brillouin frequency shift estimation value storage unit (BFS estimation value storage unit) 413, and , V 2,1 component estimation unit 414. The signal processing unit 41 is further mounted on, for example, the Brillouin time domain detector 14 and is used when pump light having a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time is used. The signal processing unit 41 may be configured in hardware or may be configured in software. When configured in software, the signal processing unit 41 is functionally realized on a microcomputer mounted on the Brillouin time domain detector 14.

減算部411は、入力信号Y(ν)からV2,1成分推定部414からの出力信号^V2、1(tn−1、ν)を減算し、この減算結果X(ν)を出力する回路である。この入力信号Y(ν)は、上述した前記第1ブリルアンスペクトルから前記第2ブリルアンスペクトルおよび前記第3ブリルアンスペクトルを減算した信号である。すなわち、入力信号Y(ν)は、観測雑音(外乱雑音)をζ(ν)とすれば、式20のように表される。 The subtracting unit 411 subtracts the output signal V 2, 1 (t n−1 , ν) from the V 2, 1 component estimating unit 414 from the input signal Y n (ν), and the subtraction result X n (ν) Is a circuit that outputs. This input signal Y n (ν) is a signal obtained by subtracting the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum from the first Brillouin spectrum. That is, the input signal Y n (ν) is expressed as shown in Equation 20 when the observation noise (disturbance noise) is ζ (ν).

減算部411から出力される減算結果X(ν)は、観察雑音ζ(ν)や推定誤差が無ければ、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2,1(t、ν)となる。すなわち、減算部411から出力される減算結果X(ν)は、観察雑音ζ(ν)や推定誤差を含んだ、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2,1(t、ν)である。 The subtraction result X n (ν) output from the subtraction unit 411 is the component V 2,1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) if there is no observation noise ζ (ν) or estimation error. ) That is, the subtraction result X n (ν) output from the subtraction unit 411 includes the component V 2,1 (t in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) including the observation noise ζ (ν) and the estimation error. , Ν).

BFS推定部412は、減算部411から出力される減算結果X(ν)をブリルアン・ゲイン・スペクトルとして扱うことによって、減算結果X(ν)のピーク値からブリルアン周波数シフト(BFS)を求め、この求めたブリルアン周波数シフトを離散時間tにおけるブリルアン周波数シフトの推定値^νB,nとするものである。ここでは、記載の都合上、推定値であることを表す符号“^”は、“ν”の前に記載されているが、式中では、“^”は、“ν”にオーバラップさせて表記されている。以下、同様である。この推定では、減算結果X(ν)のピーク付近で減算結果X(ν)またはその対数に放物線を当てはめるようにすることによって、比較的精度よく推定することが可能となる。BFS推定部412の推定結果^νB,1、^νB,2、^νB,3、・・・、^νB,nは、信号処理部41の出力とされると共に、BFS推定値記憶部413へ出力される。 The BFS estimation unit 412 obtains a Brillouin frequency shift (BFS) from the peak value of the subtraction result X n (ν) by treating the subtraction result X n (ν) output from the subtraction unit 411 as a Brillouin gain spectrum. , it is an estimated value ^ [nu B, n Brillouin frequency shift of Brillouin frequency shift thus determined at discrete time t n. Here, for the convenience of description, the sign “^” representing an estimated value is described before “ν”. However, in the formula, “^” is overlapped with “ν”. It is written. The same applies hereinafter. In this estimation, by allowing fitting a parabola to the subtraction result X n (ν) or logarithmic near the peak of the result of subtraction X n (ν), it is possible to relatively accurately estimate. The estimation results ^ ν B, 1 , ^ ν B, 2 , ^ ν B, 3 ,..., ^ Ν B, n of the BFS estimation unit 412 are output from the signal processing unit 41 and BFS estimation values The data is output to the storage unit 413.

BFS推定値記憶部413は、BFS推定部412から出力される推定結果^νB,1、^νB,2、^νB,3、・・・、^νB,nを記憶するものである。BFS推定値記憶部413は、これら記憶している全てのブリルアン周波数シフトの推定値^νB,1、^νB,2、^νB,3、・・・、^νB,nをV2,1成分推定部414へ出力する。 The BFS estimated value storage unit 413 stores the estimation results ^ ν B, 1 , ^ ν B, 2 , ^ ν B, 3 ,..., ^ Ν B, n output from the BFS estimating unit 412. is there. BFS estimation value storage unit 413, an estimate of all the Brillouin frequency shift to which they store ^ ν B, 1, ^ ν B, 2, ^ ν B, 3, ···, a ^ ν B, n V The result is output to the 2- and 1- component estimation unit 414.

2,1成分推定部414は、BFS推定値記憶部413に記憶されている離散時間tよりも前の時間に推定されたブリルアン周波数シフトの推定結果^νB,1、^νB,2、^νB,3、・・・、^νB,nに基づいて、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2,1(t、ν)を推定し、この推定したV2,1成分推定値^V2,1(t、ν)を減算部411へ出力するものである。この減算部411へ出力されるV2,1成分推定値^V2,1(t、ν)は、減算部411に入力されてくる次の入力信号Y(ν)に対し、1ステップ(=△t)の時間遅れ(Z−1)が生じており、離散時刻tn−1におけるV2,1成分推定値^V2,1(tn−1、ν)となる。より具体的には、V2,1成分推定部414は、式18を離散化した式21を演算することによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V2,1(t、ν)の推定値^V2,1(t、ν)を求める。 The V 2, 1 component estimation unit 414 estimates the Brillouin frequency shift estimated at a time before the discrete time t n stored in the BFS estimated value storage unit 413 ^ ν B, 1 , ^ ν B, 2 , ^ ν B, 3 ,..., ^ Ν B, n are used to estimate the component V 2,1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν). V 2,1 component estimated value ^ V 2,1 (t n , ν) is output to the subtracting unit 411. The V 2,1 component estimated value { circumflex over (V) } 2, 1 (t n , ν) output to the subtraction unit 411 is one step with respect to the next input signal Y n (ν) input to the subtraction unit 411. There is a time delay (Z −1 ) of (= Δt), which is V 2,1 component estimated value ^ V 2,1 (t n−1 , ν) at discrete time t n−1 . More specifically, the V 2 , 1 component estimation unit 414 calculates the component V 2,1 (t, v) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) by calculating the equation 21 obtained by discretizing the equation 18. Estimate value ν V 2,1 (t, ν) of ν) is obtained.

このV2,1成分推定値^V2,1(tn−1、ν)を用いると、減算部411の減算結果X(ν)は、式22のように表される。 When this V 2,1 component estimated value ^ V 2,1 (t n−1 , ν) is used, the subtraction result X n (ν) of the subtracting unit 411 is expressed as in Expression 22.

このように構成することによって、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合において、分布型光ファイバセンサS(S1、S2)は、より高精度に検出用光ファイバ15に生じた歪みおよび/または温度を測定することが可能となる。   With this configuration, the distributed optical fiber sensor S (S1, S2) can detect with higher accuracy when using pump light having a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time. It is possible to measure the strain and / or temperature generated in the optical fiber 15 for use.

図16は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的短い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図16(A)および(B)は、図15に示す信号処理部41による信号処理を実行していない場合の結果を示し、図16(C)および(D)は、図15に示す信号処理部41による信号処理を実行している場合の結果を示す。図16(A)および(C)は、ブリルアン周波数シフトの推定値を示し、その横軸は、m単位で表す距離であり、その縦軸は、MHz単位で表すブリルアン周波数シフト値である。図16(B)および(D)は、その推定誤差を示し、その横軸は、m単位で表す距離であり、その縦軸は、MHz単位で表す誤差値である。CRBは、いわゆるクラメール・ラオの限界と呼ばれる理論的な性能限界であり、よい推定値ほど誤差がこの限界に近づくという性質を有している。   FIG. 16 shows a numerical experiment of the distributed optical fiber sensor in the case where pump light having a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time is used and distortion is given to a relatively short section width. It is a figure which shows a result. 16A and 16B show the results when the signal processing by the signal processing unit 41 shown in FIG. 15 is not executed, and FIGS. 16C and 16D show the signal processing shown in FIG. The result when the signal processing by the part 41 is performed is shown. FIGS. 16A and 16C show the estimated value of the Brillouin frequency shift, the horizontal axis is the distance expressed in m units, and the vertical axis is the Brillouin frequency shift value expressed in MHz units. FIGS. 16B and 16D show the estimation error, the horizontal axis is a distance expressed in m units, and the vertical axis is an error value expressed in MHz units. CRB is a theoretical performance limit called the so-called Kramer-Lao limit, and the better the estimated value, the more the error approaches this limit.

図16に示す実験では、図5(A)等の場合と同様に、検出用光ファイバ15には、表1に示すように、z=100cmからz=101cmまでの第1区間、z=200cmからz=202cmまでの第2区間、z=300cmからz=303cmまでの第3区間、z=400cmからz=404cmまでの第4区間の各区間のそれぞれに、80MHzのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、これ以外の箇所では歪みが与えられていない(ブリルアン周波数シフトが0である)。   In the experiment shown in FIG. 16, as shown in Table 1, the detection optical fiber 15 has a first section from z = 100 cm to z = 101 cm, z = 200 cm, as in FIG. Corresponds to a Brillouin frequency shift of 80 MHz for each of the second section from z to 202 cm, the third section from z = 300 cm to z = 303 cm, and the fourth section from z = 400 cm to z = 404 cm. Distortion is given and no distortion is given elsewhere (Brillouin frequency shift is 0).

図16(A)および(B)と図16(C)および(D)とを較べて見ると分かるように、区間幅2cmの第2区間および区間幅3cmの第3区間において、本信号処理部41による信号処理を実行した方がよい推定値が得られており、これら推定誤差は、略理論限界に近い。   As can be seen from a comparison between FIGS. 16A and 16B and FIGS. 16C and 16D, the signal processing unit is used in the second section having a section width of 2 cm and the third section having a section width of 3 cm. The estimated value which is better when the signal processing by 41 is executed is obtained, and these estimation errors are substantially close to the theoretical limit.

図17は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的長い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図17(A)および(B)は、図15に示す信号処理部41による信号処理を実行していない場合の結果を示し、図17(C)および(D)は、図15に示す信号処理部41による信号処理を実行している場合の結果を示す。図17(A)および(C)は、ブリルアン周波数シフトの推定値を示し、その横軸は、m単位で表す距離であり、その縦軸は、MHz単位で表すブリルアン周波数シフト値である。図17(B)および(D)は、その推定誤差を示し、その横軸は、m単位で表す距離であり、その縦軸は、MHz単位で表す誤差値である。   FIG. 17 shows a numerical experiment of the distributed optical fiber sensor in the case where pump light having a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time is used and distortion is given to a relatively long section width. It is a figure which shows a result. FIGS. 17A and 17B show the results when the signal processing by the signal processing unit 41 shown in FIG. 15 is not executed, and FIGS. 17C and 17D show the signal processing shown in FIG. The result when the signal processing by the part 41 is performed is shown. FIGS. 17A and 17C show estimated values of Brillouin frequency shift, the horizontal axis is a distance expressed in m units, and the vertical axis is a Brillouin frequency shift value expressed in MHz units. FIGS. 17B and 17D show the estimation error, the horizontal axis is a distance expressed in m units, and the vertical axis is an error value expressed in MHz units.

図17に示す実験では、検出用光ファイバ15には、z=60cmからz=80cmまでの第11区間に10MHzのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、z=140cmからz=160cmまでの第12区間に20MHzのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、z=220cmからz=240cmまでの第13区間に30MHzのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、z=300cmからz=320cmまでの第14区間に40MHzのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、z=380cmからz=400cmまでの第15区間に50MHzのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、これ以外の箇所では歪みが与えられていない(ブリルアン周波数シフトが0である)。   In the experiment shown in FIG. 17, the detection optical fiber 15 is given distortion corresponding to the Brillouin frequency shift of 10 MHz in the 11th section from z = 60 cm to z = 80 cm, and from z = 140 cm to z = 160 cm. A strain corresponding to a Brillouin frequency shift of 20 MHz is given to the 12th section, and a strain corresponding to a Brillouin frequency shift of 30 MHz is given to the 13th section from z = 220 cm to z = 240 cm, and z = 300 cm to z = 320 cm. The distortion corresponding to the Brillouin frequency shift of 40 MHz is given to the 14th section until, and the distortion corresponding to the Brillouin frequency shift of 50 MHz is given to the 15th section from z = 380 cm to z = 400 cm. No distortion (Brillouin frequency shift is 0) ).

このような比較的長い区間幅(図17に示す例では20cm)である場合には、図17(A)および(B)と図16(C)および(D)とを較べて見ると分かるように、本信号処理部41による信号処理を実行しない場合には推定値に比較的大きな誤差が含まれているが、本信号処理部41による信号処理を実行した場合には、推定誤差がほとんどなく、よい推定値が得られている。   In the case of such a relatively long section width (20 cm in the example shown in FIG. 17), it can be understood by comparing FIGS. 17 (A) and 17 (B) with FIGS. 16 (C) and (D). If the signal processing by the signal processing unit 41 is not executed, the estimated value includes a relatively large error. However, when the signal processing by the signal processing unit 41 is executed, there is almost no estimation error. A good estimate is obtained.

また、これら図5(A)、図10(A)、図10(B)および図12(A)に示す構成の光パルス(サブ光パルスおよびメイン光パルス)は、上述のBOTDRの分布型光ファイバセンサS(S3)でも、BOTDAの分布型光ファイバセンサS(S1、S2)と同様に利用することが可能である。なお、BOTDRでは、上述したように、熱雑音によって励起されている音響フォノンを利用するため、サブ光パルスは、メイン光パルスに必ずしも時間的に先行する必要はない。もちろん、サブ光パルスがメイン光パルスよりも時間的に先行していてもよい。   The optical pulses (sub optical pulse and main optical pulse) having the configurations shown in FIGS. 5A, 10A, 10B, and 12A are the BOTDR distributed light described above. The fiber sensor S (S3) can be used in the same manner as the BOTDA distributed optical fiber sensor S (S1, S2). Note that, as described above, since BOTDR uses acoustic phonons excited by thermal noise, the sub light pulse does not necessarily precede the main light pulse in terms of time. Of course, the sub light pulse may precede the main light pulse in terms of time.

また、上述の実施形態におけるBOTDAの分布型光ファイバセンサS(S1、S2)は、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の周波数を固定し、プローブ光(連続光)の周波数を所定周波数範囲で掃引することによってブリルアンスペクトルを測定するものである。このため、第1光源1の発光素子は、必ずしも周波数可変半導体レーザである必要はなく、周波数固定の半導体レーザであってもよい。   The BOTDA distributed optical fiber sensor S (S1, S2) in the above-described embodiment fixes the frequency of the pump light (sub light pulse and main light pulse) and sets the frequency of the probe light (continuous light) to a predetermined frequency. The Brillouin spectrum is measured by sweeping in a range. For this reason, the light-emitting element of the first light source 1 is not necessarily a frequency variable semiconductor laser, and may be a frequency fixed semiconductor laser.

また、上述の実施形態におけるBOTDAの分布型光ファイバセンサS(S1、S2)では、ポンプ光(サブ光パルスおよびメイン光パルス)の周波数が固定され、プローブ光(連続光)の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されたが、プローブ光の周波数が固定され、ポンプ光の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されてもよい。   In the BOTDA distributed optical fiber sensor S (S1, S2) in the above-described embodiment, the frequency of the pump light (sub light pulse and main light pulse) is fixed, and the frequency of the probe light (continuous light) is predetermined. Although the Brillouin spectrum is measured by sweeping in the frequency range, the Brillouin spectrum may be measured by fixing the frequency of the probe light and sweeping the frequency of the pump light in a predetermined frequency range.

また、上述の実施形態では、ブリルアンスペクトラム時間領域分析(BOTDA)とブリルアンスペクトラム時間領域反射分析(BOTDR)とが一体で実行可能なように分布型光ファイバセンサS(S1、S2、S3)が構成されたが、ブリルアンスペクトラム時間領域分析が実行可能な分布型光ファイバセンサS1、S2とブリルアンスペクトラム時間領域反射分析が実行可能な分布型光ファイバセンサS3とで別体で構成されても良い。   In the above-described embodiment, the distributed optical fiber sensor S (S1, S2, S3) is configured so that Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) and Brillouin spectrum time domain reflection analysis (BOTDR) can be executed integrally. However, the distributed optical fiber sensors S1 and S2 capable of performing Brillouin spectrum time domain analysis and the distributed optical fiber sensor S3 capable of performing Brillouin spectral time domain reflection analysis may be configured separately.

また、本実施形態の分布型光ファイバセンサS(S1、S2、S3)では、セル幅は、任意の幅(秒)に設定することが可能である。前記実験では、セル幅は、0.1ns(ナノ秒)に設定されたが、例えばピコ秒オーダ等のさらに短く設定することが可能である。したがって、本実施形態の分布型光ファイバセンサSは、ミリメートルオーダの超高分解能を実現することが可能であり、光学部品の歪み、例えば光導波路の歪みを計測することに適用することも可能である。   In the distributed optical fiber sensor S (S1, S2, S3) of this embodiment, the cell width can be set to an arbitrary width (seconds). In the experiment, the cell width is set to 0.1 ns (nanoseconds), but can be set to a shorter value such as a picosecond order. Therefore, the distributed optical fiber sensor S according to the present embodiment can realize an ultra-high resolution on the order of millimeters, and can also be applied to measure distortion of an optical component, for example, distortion of an optical waveguide. is there.

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。   In order to express the present invention, the present invention has been appropriately and fully described above with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Accordingly, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not limited to the scope of the claims. To be construed as inclusive.

S、S1、S2、S3 分布型光ファイバセンサ
3 光パルス生成部
13 制御処理部
14 ブリルアン時間領域検出計
111 LN位相変調器
114 疑似乱数発生器
S, S1, S2, S3 Distributed optical fiber sensor 3 Optical pulse generator 13 Control processor 14 Brillouin time domain detector 111 LN phase modulator 114 Pseudo random number generator

Claims (8)

誘導ブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび/または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
連続光を生成する連続光光源と、
前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えること
を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
In a distributed optical fiber sensor that measures strain and / or temperature using the stimulated Brillouin scattering phenomenon,
An optical pulse light source that generates a main optical pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub optical pulse;
A continuous light source that generates continuous light;
The sub light pulse and the main light pulse are incident so that the main light pulse is not temporally incident before the sub light pulse, the continuous light is incident, the sub light pulse and the main light pulse, An optical fiber for detection in which a stimulated Brillouin scattering phenomenon occurs with the continuous light;
A matched filter corresponding to the spread spectrum method, detecting light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon by filtering light emitted from the detection optical fiber;
A Brillouin gain spectrum or a Brillouin loss spectrum is obtained based on light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon detected by the matched filter, and based on the obtained Brillouin gain spectrum or Brillouin loss spectrum. A distributed optical fiber sensor comprising: a Brillouin time domain detector for measuring strain and / or temperature generated in the detection optical fiber.
前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、
前記連続光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射され、
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出された前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定すること
を特徴とする請求項1に記載の分布型光ファイバセンサ。
The sub light pulse and the main light pulse are incident from one end of the detection optical fiber,
The continuous light is incident from the other end of the detection optical fiber;
The Brillouin time domain detector obtains a Brillouin gain spectrum or a Brillouin loss spectrum based on light applied to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from one end of the detection optical fiber, The distributed optical fiber sensor according to claim 1, wherein strain and / or temperature generated in the detection optical fiber is measured based on a gain spectrum or a Brillouin loss spectrum.
前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、
前記連続光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射され、
前記検出用光ファイバは、伝播する前記連続光をその他方端で反射し、
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出した前記誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたはブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定すること
を特徴とする請求項1に記載の分布型光ファイバセンサ。
The sub light pulse and the main light pulse are incident from one end of the detection optical fiber,
The continuous light is incident from one end of the detection optical fiber,
The detection optical fiber reflects the continuous light propagating at the other end,
The Brillouin time domain detector calculates a Brillouin gain spectrum or a Brillouin loss spectrum based on light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from one end of the detection optical fiber, and determines the Brillouin gain obtained. The distributed optical fiber sensor according to claim 1, wherein strain and / or temperature generated in the detection optical fiber is measured based on a spectrum or a Brillouin loss spectrum.
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第1誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第1ブリルアン・ロス・スペクトルと、前記メイン光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第2誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第2ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第2ブリルアン・ロス・スペクトル、および/または、前記サブ光パルスと前記連続光とが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第3誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルまたは第2ブリルアン・ロス・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定すること
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の分布型光ファイバセンサ。
The Brillouin time domain detector detects a first stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber when the sub-light pulse, the main light pulse, and the continuous light are incident on the detection optical fiber. The detection light when the first Brillouin gain spectrum or the first Brillouin loss spectrum obtained based on the light, the main light pulse, and the continuous light are incident on the detection optical fiber. The second Brillouin gain spectrum or the second Brillouin loss spectrum obtained based on the light related to the second stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the fiber, and / or the sub-light pulse and the continuous light. Third guided Brillouin emitted from the detection optical fiber when incident on the detection optical fiber The difference between the third Brillouin gain spectrum or the second Brillouin loss spectrum obtained based on the light applied to the disturbance phenomenon is obtained, and the distortion generated in the detection optical fiber based on the obtained difference and The distributed optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein temperature is measured.
前記サブ光パルスは、前記メイン光パルスに対して時間的に先行して前記検出用光ファイバに入射されること
を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の分布型光ファイバセンサ。
5. The distributed type according to claim 1, wherein the sub light pulse is incident on the optical fiber for detection prior to the main light pulse in time. Optical fiber sensor.
前記メイン光パルスと前記サブ光パルスとは、時間的に重なった部分が存在すること
を特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の分布型光ファイバセンサ。
The distributed optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the main light pulse and the sub light pulse have a temporally overlapping portion.
自然散乱によるブリルアン散乱現象を利用して歪みおよび/または温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えること
を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
In a distributed optical fiber sensor that measures strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon due to natural scattering,
An optical pulse light source that generates a main optical pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub optical pulse;
An optical fiber for detection in which the sub light pulse and the main light pulse are incident, and the sub light pulse and the main light pulse cause a natural Brillouin scattering phenomenon by sound waves due to thermal noise;
A matched filter corresponding to the spread spectrum method for detecting light applied to the natural Brillouin scattering phenomenon by filtering light emitted from the detection optical fiber;
A Brillouin gain spectrum is obtained based on the light applied to the natural Brillouin scattering phenomenon detected by the matched filter, and the distortion generated in the detection optical fiber based on the obtained Brillouin gain spectrum and / or A distributed optical fiber sensor comprising a Brillouin time domain detector for measuring temperature.
前記ブリルアン時間領域検出計は、前記サブ光パルスおよび前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第1自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第1ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、前記メイン光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第2自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第2ブリルアン・ゲイン・スペクトル、および/または、前記サブ光パルスが前記検出用光ファイバに入射された場合に前記検出用光ファイバから射出される第3自然ブリルアン散乱現象にかかる光に基づいて求められた第3ブリルアン・ゲイン・スペクトルと、の差を求め、この求めた差に基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪みおよび/または温度を測定すること
を特徴とする請求項7に記載の分布型光ファイバセンサ。
The Brillouin time-domain detector is based on light applied to a first natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber when the sub light pulse and the main light pulse are incident on the detection optical fiber. Obtained based on the obtained first Brillouin gain spectrum and light related to the second natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber when the main light pulse is incident on the detection optical fiber. Based on the second Brillouin gain spectrum and / or light related to the third natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber when the sub-light pulse is incident on the detection optical fiber. The difference between the third Brillouin gain spectrum and the obtained third Brillouin gain spectrum is obtained, and the detection is performed based on the obtained difference. Distributed optical fiber sensor according to claim 7, characterized in that to measure strain and / or temperature generated in the optical fiber.
JP2009041162A 2008-05-29 2009-02-24 Distributed optical fiber sensor Active JP5213125B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009041162A JP5213125B2 (en) 2008-05-29 2009-02-24 Distributed optical fiber sensor

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008140694 2008-05-29
JP2008140694 2008-05-29
JP2009041162A JP5213125B2 (en) 2008-05-29 2009-02-24 Distributed optical fiber sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010008400A JP2010008400A (en) 2010-01-14
JP5213125B2 true JP5213125B2 (en) 2013-06-19

Family

ID=41589068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009041162A Active JP5213125B2 (en) 2008-05-29 2009-02-24 Distributed optical fiber sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5213125B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103954311A (en) * 2014-03-11 2014-07-30 中国科学院上海光学精密机械研究所 Phase-sensitive optical time domain reflectometer based on Brillouin amplification

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011232138A (en) * 2010-04-27 2011-11-17 Neubrex Co Ltd Distribution type optical fiber sensor
KR101326859B1 (en) 2012-03-13 2013-11-12 한국철도기술연구원 Optical fiber sensor system based brillouin scattering
CN103376124A (en) * 2012-04-17 2013-10-30 扬州森斯光电科技有限公司 Brillouin optical time domain analyzer
CN102706451B (en) * 2012-07-02 2016-01-13 中国计量学院 Utilize the high precision spectroanalysis instrument of excited Brillouin light loss mechanism
CN103090894A (en) * 2013-01-10 2013-05-08 中国人民解放军国防科学技术大学 Distributed optical fiber sensing device and method based on Brillouin Er-doped fiber laser
ITBO20130142A1 (en) 2013-03-29 2014-09-30 Filippo Bastianini QUESTIONER FOR FIBER OPTIC DISTRIBUTED SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A QUICKLY TUNING BRACELET RING LASER
WO2015170355A1 (en) 2014-05-05 2015-11-12 Filippo Bastianini Apparatus for interrogating distributed optical fibre sensors using a stimulated brillouin scattering optical frequency-domain interferometer
WO2016178255A1 (en) 2015-05-05 2016-11-10 Filippo Bastianini Double frequency conversion apparatus for sourcing radiations having an intrinsically stable wavelength-shift that is quickly tuneable within an extended range, in particular for use in brillouin analysers
CN113819931B (en) * 2021-09-28 2023-06-16 北京卫星环境工程研究所 Brillouin frequency shift extraction method for BOTDR and BOTDA fusion

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3401483B2 (en) * 2000-07-04 2003-04-28 科学技術振興事業団 Wavelength converter
JP3553534B2 (en) * 2001-09-26 2004-08-11 三菱重工業株式会社 Optical fiber distribution type measuring method and apparatus
US7719666B2 (en) * 2004-06-25 2010-05-18 Neubrex Co., Ltd. Distributed optical fiber sensor
JP4630151B2 (en) * 2005-07-26 2011-02-09 学校法人 芝浦工業大学 Method for measuring Brillouin spectrum of optical fiber, and apparatus using the method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103954311A (en) * 2014-03-11 2014-07-30 中国科学院上海光学精密机械研究所 Phase-sensitive optical time domain reflectometer based on Brillouin amplification
CN103954311B (en) * 2014-03-11 2016-09-21 中国科学院上海光学精密机械研究所 Phase sensitive optical time domain reflectometer based on Brillouin amplification

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010008400A (en) 2010-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5322184B2 (en) Distributed optical fiber sensor
JP5213125B2 (en) Distributed optical fiber sensor
JP5322162B2 (en) Distributed fiber optic pressure sensor
JP5021221B2 (en) Distributed optical fiber sensor
JP4463818B2 (en) Distributed optical fiber sensor
US6542228B1 (en) Optical time domain reflectometry method and apparatus
JP5654891B2 (en) Optical fiber characteristic measuring apparatus and method
CA3104086C (en) Extinction ratio free phase sensitive optical time domain reflectometry based distributed acoustic sensing system
EP2246685B1 (en) Optical fiber characteristic measuring device and method
JP2011232138A (en) Distribution type optical fiber sensor
JP4758227B2 (en) Distributed optical fiber sensor
US11662229B2 (en) Optical fiber BOCDA sensor using phase code modulation of pump light and probe light which have time difference
CN112654840B (en) Optical fiber characteristic measuring device and optical fiber characteristic measuring method
WO2015180786A1 (en) Optical process and optical device, allowing to avoid unwanted nonlinear effects in an optical fiber
JP4896814B2 (en) Distributed optical fiber sensor
US20220163355A1 (en) Brillouin distributed optical fiber sensor capable of measuring long measuring distance
JP5196962B2 (en) Lightwave radar device
JP2011053146A (en) Detection cable, and monitoring system including the same
JP3237745B2 (en) Strain / temperature distribution measuring method and its measuring device
EP3150969B1 (en) Sensor for measuring the distribution of physical magnitudes in an optical fibre and associated measuring method
Fernández-Ruiz et al. > 10 dB SNR enhancement in distributed acoustic sensors through first order phase noise cancellation
JP2009293950A (en) Light reflection measurement apparatus
Youn et al. High-resolution distributed analysis on Brillouin dynamic grating by differential measurement and matched filtering
RU2214584C1 (en) Brillouin optical reflectometer
JPH06258188A (en) Apparatus for measuring wavelength dispersion of optical fiber

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120125

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130130

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130205

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130221

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5213125

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160308

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250