CN101246056A - 利用布里渊散射的频谱测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用布里渊散射的频谱测定装置及测定方法，其能够更迅速地判断光纤的温度或变形的状态。该频谱测定装置具有光源、分析部及异常判断部。光源输出泵浦光及探测光。使输出的泵浦光及探测光向传感光纤相对地入射。分析部分析通过布里渊散射使探测光得到的增益。异常判断部基于分析部的分析结果，判断与传感光纤的温度或变形相关的状态。泵浦光和探测光之间的频率差ν设定在规定的频率差设定范围内。该频率差设定范围是包括基准增益频谱中取得峰值的频率差在内的范围，设定为小于或等于基准增益频谱的谱线宽度，该基准增益频谱是在传感光纤的温度或变形处于基准状态时探测光得到的增益的频谱。

Description

利用布里渊散射的频谱测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及一种利用光纤内发生的布里渊散射判断该光纤的温度或变形的状态(检测异常)的频谱测定装置及测定方法。

背景技术

表示由光纤内发生的布里渊散射而得到的增益的布里渊增益频谱(下面称为BGS)，随着光纤温度及变形的不同而变化。已知利用该BGS的变化测定光纤温度及变形的技术。

在文献(Kazuo Hotate and Sean Ong Soon Leng，″A Correlation-Based Continuous-Wave technique for measurement of dynamic strainalong an opticalfiber using Brillouin scattering with fully distributedability″，TechnicalDigest of OFS-15，PD5(2002))中，记载了一种测定光纤内各位置处的BGS的技术。在上述文献记载的技术中，首先使泵浦光及探测光从光纤两端相对地入射。由此，通过在光纤中传输泵浦光而产生布里渊散射，探测光通过该布里渊散射得到布里渊增益。预先将泵浦光及探测光都调频为正弦波形，探测光主要在泵浦光和探测光之间的相干较高的相干峰位置处得到布里渊增益。

通过固定光纤中的相干峰位置，针对该相干峰位置处的泵浦光和探测光之间的频率差进行扫描，测定探测光得到的布里渊增益，从而测定BGS。由于该BGS的形状随相干峰位置处光纤温度及变形的不同而变化，所以通过将光纤的沿长度方向的各位置设定为相干峰位置，分别测定BGS，能够了解光纤沿长度方向的温度分布及变形分布的状态。

发明内容

发明人对上述现有技术进行研究，其结果发现下述问题。

即，在超导体中，如果温度、磁场或电流密度中的任意一个超过临界点，就会使超导状态崩溃(成为正常导电状态)而发热，超导体的温度急剧上升。为了防止上述现象，需要测定并常时监视超导体的温度分布。因此，考虑通过将光纤卷绕在超导体上，使用上述文献记载的技术测定光纤沿长度方向的温度，从而测定超导体的温度分布。在此情况下，温度分布的测定速度成为问题。

在上述文献中，记载了以下述方式测定BGS的方法，即，针对频率差在10.8～11.0GHz的范围内进行扫描，以间隔为2MHz、采样率为8.8Hz的条件，在频率差的100个点上测定探测光得到的布里渊增益。即，在上述文献记载的方法中，光纤中1个位置的温度测定需要大约0.114秒。由此，在沿光纤的长度方向进行100个位置的温度测定，从而测定光纤的温度分布的情况下，测定需要11.4秒左右。

由于上述文献中记载的方法的测定速度较慢，所以使温度上升的检测变慢，无法防止超导体的温度急速上升的现象。

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种测定装置及测定方法，其能够更迅速地判断光纤温度或变形的状态。

本发明所涉及的频谱测定装置是用于利用在作为传感器部的光纤内产生的布里渊散射而检测该光纤异常的装置，其具有传感器部(光纤)或具有用于可拆卸地设置该传感器部的构造。具体地说，该频谱测定装置具有光源、探测光输出端、泵浦光输出端、分析部以及判断部。

光源输出泵浦光及探测光。探测光输出端向光纤的一端供给来自光源的探测光，泵浦光输出端向光纤的另一端供给来自光源的泵浦光。分析部分析通过布里渊散射而在光纤内使探测光得到的增益，该布里渊散射是通过在光纤中传输泵浦光而产生的。判断部基于分析部的分析结果，判断与光纤的温度或变形相关的状态。

特别地，在该频谱测定装置中，将光纤内传输的泵浦光和探测光之间的频率差设定在频率差设定范围内，该频率差设定范围是包含基准增益频谱中取得峰值的频率差在内的范围、且小于或等于基准增益频谱的谱线宽度，该基准增益频谱是在光纤的温度或变形处于基准状态时探测光得到的增益的频谱。

根据本发明所涉及的频谱测定装置，由于分析部进行的布里渊增益的分析是在包含基准增益频谱中取得峰值的频率差在内的频率差设定范围内，针对包含在该频率差设定范围内的频率差进行的，所以在判断与光纤的温度或变形相关的状态时，能够得到足够的信息。另外，该分析是针对包含在小于或等于基准增益频谱谱线宽度的范围内的频率差，无需对范围外的频率差进行分析。由此，能够缩短布里渊增益的测定时间。由此，能够更迅速地判定温度或变形的状态。

此外，本发明所涉及的频谱测定装置，在采用使作为传感器部的光纤可以在装置主体上自由拆卸的结构的情况下，优选该频谱测定装置还具有：第1连接器，其使光纤的一端与探测光输出端光学连接；以及第2连接器，其使光纤的另一端与上述泵浦光输出端光学连接。

优选本发明所涉及的频谱测定装置还具有警报信号输出部(报告部)，其基于判断部的判断结果，输出报告温度或变形的异常的警报信号。在此情况下，由于能够在更迅速地判断温度或变形的状态的同时输出报告异常的警报信号，所以能够迅速地报告异常。

优选分析部针对包括在频率差设定范围内的频率差，分析上述探测光得到的增益的频谱，判断部基于分析部分析出的频谱中有无极大值而判断有无异常。在此情况下，分析部分析出的频谱中没有包含极大值，表示在探测光得到的布里渊增益的频谱中，取得峰值的频率差偏移了大于或等于规定值。上述情况表示光纤温度或变形发生大于或等于规定程度的变化，产生了异常。由此，基于与上述范围内的频率差相对、探测光得到的增益的频谱中有无极大值，能够准确地判断光纤异常。

另外，在本发明所涉及的频谱测定装置中，通过分析部针对包括在频率差设定范围内的2个频率差，分别分析探测光得到的增益，判断部将由分析部分析出的2个增益的比值与预先设定的基准比值进行比较，从而判断有无异常。在此情况下，如果由分析部分析出的2个增益的比值相对于基准比值变化了大于或等于规定值，则表示探测光得到的布里渊增益的频谱发生大于或等于规定程度的变化。上述情况表示光纤温度或变形发生大于或等于规定程度的变化，产生了异常。由此，通过将由分析部分析出的2个增益的比值与基准比值进行比较，能够准确地判断光纤异常。

在本发明所涉及的频谱测定装置中，通过分析部针对包括在频率差设定范围内的1个频率差，分析探测光得到的增益，判断部将由分析部分析出的1个增益与预先设定的基准值进行比较，判断有无异常。在此情况下，如果由分析部分析出的1个增益相对于基准值变化大于或等于规定值，则表示探测光得到的布里渊增益的频谱发生大于或等于规定程度的变化。上述情况表示光纤温度或变形发生大于或等于规定程度的变化，产生了异常。由此，通过将由分析部分析出的1个增益与规定值进行比较，能够准确地判断光纤异常。

优选本发明所涉及的频谱测定装置还具有第1耦合器、延迟单元、第2耦合器以及光电二极管。优选光源是1台交替输出泵浦光及探测光的光源。第1耦合器将从光源输出的泵浦光和探测光进行分支。延迟单元将由第1耦合器分支出的泵浦光或探测光施加延迟后，输出至上述光纤。第2耦合器取出在光纤中得到增益并从上述光纤输出的探测光。光电二极管对从第2耦合器输出的探测光进行感光。

在上述结构中，由于从1台光源交替输出泵浦光和探测光，所以可以精确地控制它们的频率差。另外，通过使从光源输出的泵浦光和探测光由第1耦合器分支，由延迟单元施加延迟，能够调整泵浦光和探测光入射至光纤的定时。然后，在光纤中得到增益的探测光，通过由第2耦合器分支而被取出，由光电二极管进行感光。基于从光电二极管输出的电气信号，分析部进行上述分析。通过上述过程，能够高精度地进行分析，可以准确地判断异常。

本发明所涉及的频谱测定方法，是将光纤配置在对象物附近或配置为与对象物接触的状态，使用具有上述构造的频谱测定装置，检测对象物的异常。在此情况下，由于光纤的温度或变形随着对象物的温度或变形的变化而变化，所以通过判断光纤的异常，能够判断对象物的异常。

此外，本发明所涉及的各实施例，通过下述详细说明及附图，能够进一步地充分理解。这些实施例仅用于例示，不能认为本发明限定于此。

另外，从下面的详细说明可以明确本发明的更多应用范围。详细说明及特定的事例示出了本发明的最佳实施例，但仅用于例示，本发明范围中的各种变形及改进，根据该详细说明对于本领域技术人员是显而易见的。

附图说明

图1是表示由通常的BOCDA获得的BGS测定结果的曲线图。

图2是表示本发明所涉及的频谱测定装置的一个实施例的结构的图。

图3是表示本发明所涉及的频谱测定装置具有的传感光纤的配置例的图。

图4是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第1种方法的曲线图。

图5是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第2种方法的曲线图。

图6是用于说明本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第2种方法的变形例的曲线图(其1)。

图7是用于说明本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第2种方法的变形例的曲线图(其2)。

图8是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第3种方法的曲线图。

图9是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第3种方法的第1变形例的曲线图。

图10是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第3种方法的第2变形例的曲线图。

图11是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第3种方法的第3变形例的曲线图。

图12是用于说明由本发明所涉及的频谱测定装置进行的异常检测的第3种方法的第4变形例的曲线图。

具体实施方式

下面，参照图1～图12详细说明本发明所涉及的利用布里渊散射的频谱测定装置及测定方法的各实施例。另外，在附图的说明中，对相同部位、相同部分标注相同标号，省略重复说明。

本发明所涉及的频谱测定装置为如下装置，即，利用布里渊散射现象检测对象物的温度分布或变形分布的异常，并发送警报信号。利用上述频谱测定装置，实现本发明所涉及的频谱测定方法。布里渊散射现象是指：在光纤中传输光(泵浦光)时，由泵浦光使光纤中产生声波，通过该泵浦光和声波的相互作用，使泵浦光的一部分向低频侧偏移，同时向后方散射。

例如在使用BOCDA(Brillouin OpticalCorrelation DomainAnalysis)的情况下，如果将探测光与泵浦光相对地输入至光纤中，则在泵浦光和探测光之间的相干较高的相干峰位置上，通过布里渊散射而使探测光得到增益。该探测光得到的增益，随着相干峰位置处泵浦光和探测光间的频率差v、和相干峰位置处光纤温度及变形的不同而变化。

通过固定光纤中的相干峰位置，在该相干峰位置处针对泵浦光和探测光之间的频率差v进行扫描，而测定探测光得到的布里渊增益，可以得到BGS。BGS是算式(1)所示的洛伦兹型频谱。

$g_B\left(v\right)=\frac{g_0}{1+{\{2(v-v_B)/{\mathrm{\Δv}}_B\}}^2}---\left(1\right)$

在算式(1)中，g_B(v)表示探测光得到的由布里渊散射产生的增益，g₀表示峰值，v_B表示产生峰值的频率差v，Δv_B表示半高宽。

由于该BGS的形状随着相干峰位置上的温度及变形的不同而变化，所以如图1所示，通过将光纤的沿长度方向的各位置设定为相干峰位置而测定BGS，可以得知光纤的温度分布或变形分布的状态。图1是表示光纤的长度方向的各位置处的BGS的曲线图。图1的X轴表示频率差v，Y轴表示增益强度，Z轴表示光纤的长度方向的位置Z1～Zm。

通过设定相干峰位置为位置Z1，使泵浦光和探测光相对地入射至光纤中，同时针对泵浦光和探测光间的频率差v进行扫描，测定探测光得到的布里渊增益，能够得到BGS1。相同地，能够在光纤的各位置Z2～Zm处分别得到BGS2～BGSm。

本发明所涉及的频谱测定装置及频谱测定方法，通过使用BOCDA，在光纤沿长度方向的各位置上测定探测光得到的布里渊增益，检测光纤的温度分布或变形分布的异常。图2是表示用于实现本发明所涉及的频谱测定方法的频谱测定装置(本发明所涉及的频谱测定装置)的一个实施例的结构的图。

本发明所涉及的频谱测定装置具有装置主体1和在该装置主体1上可自由拆卸的传感光纤17(传感器部)。装置主体1具有探测光输出端170a和泵浦光输出端170b，探测光输出端170a和传感光纤17的一端经由第1连接器170c光学地连接。另外，泵浦光输出端170b和传感光纤17的另一端经由第2连接器170d光学地连接。装置主体1具有光源3，该光源3如下述所示输出泵浦光及探测光。首先，通过从波形发生器6施加矩形波状的直接调频而使LD 5起振，而从一个LD5以时分方式交替地产生泵浦光和探测光。矩形波状直接调频的振幅为10～11GHz左右，高频侧作为泵浦光使用，低频侧作为探测光使用。直接调频的振幅相当于从光源3输出时的泵浦光的中心频率和探测光的中心频率之间的频率差v。光源3通过使直接调频的振幅变化而控制频率差v。在图2的结构中，由于使用1台光源3输出泵浦光和探测光，所以能够精确地控制泵浦光和探测光之间的频率差。

在直接调频的波形中，通过波形发生器6叠加振幅为1GHz左右的正弦波成分。光源3通过控制该叠加在泵浦光和探测光上的正弦波成分的相位差，在传感光纤17中控制相干峰位置，其中，在该相干峰位置处泵浦光和探测光之间的频率差v始终恒定。由于探测光主要在相干峰位置上得到布里渊增益，所以能够测定相干峰位置处的布里渊增益。

从LD 5输出的泵浦光及探测光由耦合器7分支为2条路线。由耦合器7分支出的一侧的光通过偏振控制器9，然后通过强度调制器11。在强度调制器11中周期性地进行光闸的开合，仅取出泵浦光。取出的泵浦光在由EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)13放大光强后，通过隔离器15而传导至传感光纤17，该传感光纤17经由第1及第2连接器170c、170d安装在装置主体1上。

由耦合器7分支出的另一侧的光作为探测光使用。使探测光通过光纤延迟单元19而施加时间延迟，以使探测光与泵浦光同时通过传感光纤17。施加了延迟的探测光通过偏振控制器20，然后通过隔离器21，从与泵浦光导入端相反的一端导入至传感光纤17。

这样从光源3输出的泵浦光和探测光，分别从传感光纤17的两端相对地输入。然后，泵浦光通过在传感光纤17内传输而产生布里渊散射。通过该布里渊散射，探测光主要在相干峰位置上得到增益。

通过布里渊散射得到增益的探测光，从泵浦光导入端射出，通过配置在传感光纤17和隔离器15之间的耦合器23取出。取出的探测光由光滤波器25去除探测光以外的成分，仅取出得到由布里渊散射产生的增益的探测光。该探测光在PD 27中被感光而变换为电气信号。通过使设定为各种频率差的泵浦光和探测光相对地入射至传感光纤17而得到布里渊增益，并使获得布里渊增益后的探测光在PD 27中感光，而测定BGS。随后，将得到布里渊增益的探测光的电气信号输入至锁定放大器29中。在锁定放大器29中进行与强度调制器11同步的同步检测。然后将输入至锁定放大器29中的电气信号放大，输入至计算机31中。

装置主体1具有计算机31(控制部)，该计算机31中作为硬件具有CPU、RAM及ROM、硬盘等，该计算机31作为分析部33、异常判断部35及报告部37起作用。

分析部33使得到布里渊增益的探测光的电气信号输入，分析探测光由布里渊散射得到的布里渊增益。异常判断部35具有存储用于异常检测的各种基准数据的存储器350。该异常判断部35基于分析部33的分析结果，判断传感光纤17的温度或变形的异常。报告部37，在异常判断部35判断为异常的情况下，输出报告异常的警报信号而报告异常。

在装置主体1中，如图3所示，传感光纤17配置在对象物M上，检测对象物M的温度或变形的异常。图3是表示本发明所涉及的频谱测定装置所具有的传感光纤的配置例的图。

对象物M例如是高温超导电动机的超导线圈。为了使超导线圈保持在超导状态，需要使超导材料保持小于或等于一定温度。另外，能够流过超导材料的电流依赖于超导材料的温度。根据上述理由，测定超导线圈的温度分布很重要。对象物M通过将多卷以带盘状卷绕超导材料而形成为环状的带盘重叠，而形成中空圆筒状。

优选使传感光纤17沿对象物M的内侧面及外侧面卷绕成螺旋状，设置为分别环绕各带盘的内侧面及外侧面1周。由此，将传感光纤17的沿长度方向的各位置与对象物M的各位置对应地配置。

下面，说明具有上述构造的该频谱测定装置进行异常检测的第1～第3方法。

(第1异常检测方法)

在第1异常检测方法中，光源3在规定范围(频率差设定范围)内针对泵浦光和探测光之间的频率差v进行扫描，分析部33针对规定范围内的频率差v，分析探测光得到的布里渊增益。图4是用于说明本实施例所涉及的第1异常检测方法的曲线图。在图4中，横轴表示频率差v，纵轴是某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。

图4中虚线的曲线所示的BGS，是传感光纤17的温度及变形为基准状态时的基准BGSa。所谓基准状态是指配置有传感光纤17的对象物M的温度正常的状态。基准BGSa中的极大值是峰值g₀，得到峰值g₀的频率差v是峰值频率差v_B。

上述的规定范围，设定为包括基准BGSa中的峰值频率差v_B在内的、从频率差vstart至频率差vstop的范围。且规定范围的宽度设定为小于或等于基准BGSa的谱线宽度的宽度。优选规定范围的宽度基于下述峰值频率差的偏移量进行设定，该峰值频率差是在对象物M的正常温度范围中使用传感光纤17测定BGS的情况下得到的。

在对象物M为超导线圈的情况下，超导线圈浸泡在液氮中运行，如果对象物M的温度为67～77K的范围，则认为高温超导电动机正常运行。在此情况下，优选将频率差vstart设定为传感光纤17的温度为67K时的峰值频率差，将频率差vstop设定为传感光纤17的温度为77K时的峰值频率差。此时的规定范围的宽度为数MHz～10MHz左右。当然，也可以视温度的容限而将规定范围的宽度设定得更窄。

分析部33对传感光纤17的各位置，分析从频率差vstart至频率差vstop的范围的布里渊增益，得到与各位置对应的BGSb。BGSb相当于图1所示的BGS1的一部分。在异常检测装置1的异常检测处理中，分析部33通常不针对规定范围之外的频率差v分析布里渊增益。

异常判断部35基于分析部33分析出的BGSb中是否存在极大值P，来判断异常。在异常判断部35判断异常时，其所利用的分析部33的分析结果是由分析部33使用具有规定范围内的频率差v的泵浦光和探测光分析出的结果，不包括由分析部33使用具有规定范围之外的频率差v的泵浦光和探测光分析出的结果。

在BGSb中存在极大值P的情况下，表示峰值存在于规定范围内，传感光纤17的温度变化处于从基准状态开始的规定值以内。由此，异常判断部35在如图4所示，分析出的BGSb中具有极大值P的情况下，判断为没有异常。在BGSb单纯增加或单纯减少、即没有极大值P的情况下，表示峰值存在于规定范围之外，传感光纤17的温度或变形相对于基准状态产生比规定值更大的变化。由此，异常判断部35在没有极大值P的情况下判断为具有异常。

异常判断部35在具有极大值P的情况下，基于其峰值频率差，测定传感光纤17的温度。具体地说，异常判断部35存储有预先将峰值频率差与传感光纤17的温度进行关联的数据库，基于该数据库提取与测定到的峰值频率差关联的温度作为温度测定值。

下面，说明使用第1异常检测方法的情况下的该频谱测定装置的动作。如果开始测定，则首先通过光源3设定泵浦光和探测光的相位差，以使相干峰位置位于传感光纤17的测定开始位置。然后，从频率差vstart至频率差vstop针对泵浦光和探测光之间的频率差v进行扫描，利用分析部33分析规定范围内的BGSb。

基于分析出的BGSb中是否存在极大值P，利用异常判断部35判断有无异常。在由异常判断部35判断为没有异常的情况下，将相干峰位置设定为下一测定位置。如果像这样异常判断部35判断为没有异常，则依次测定传感光纤17的沿长度方向的各位置的BGSb，并判断异常。在任意位置处由异常判断部35判断为存在异常的情况下，由警报信号输出部输出报告异常的警报信号。

例如，与警报信号对应，超导电动机的控制部(未图示)可以控制超导线圈(对象物M)的温度下降，也可以设定使超导电动机的运行停止。由此可以防止超导线圈烧损。

根据上述说明的该频谱测定装置，由于由分析部33进行的布里渊增益的分析，是针对包括基准增益频谱中得到峰值的频率差在内的规定范围的频率差而进行的，所以在判断与传感光纤17的温度或变形相关的状态时，能够得到足够的信息。另外，由于该分析针对小于或等于基准增益频谱谱线宽度的规定范围的频率差进行，不需要对规定范围之外的频率差进行分析，所以能够缩短布里渊增益的测定及分析时间。由此，可以更迅速地判断温度或变形的状态。此外，由于输出报告异常的警报信号，所以能够迅速地报告异常。

分析部33针对规定范围内的频率差而分析探测光得到的增益的频谱，异常判断部35基于由分析部33分析出的频谱中有无极大值而判断有无异常。在此情况下，由分析部33分析出的频谱中不包括极大值的情况，表示探测光得到的布里渊增益的频谱中，得到峰值的频率差偏移了大于或等于规定值。这种情况表示传感光纤17的温度或变形变化了大于或等于规定量。即，基于在与上述规定范围内的频率差相对、探测光得到的增益的频谱中有无极大值，能够准确且迅速地判断传感光纤17的温度异常。

另外，由于传感光纤17配置在对象物M上，传感光纤17的温度与对象物M的温度变化对应而变化，所以通过判断传感光纤17的异常，能够判断对象物的异常。

例如，在间隔为2MHz，采样率为8.8Hz时，测定并分析布里渊增益的情况下，比较现有装置与该频谱测定装置。在现有的装置中，在频率差为10.8～11.0GHz的范围内扫描布里渊增益，如图1所示将峰底部分也包括在内而分析BGS整体。由此，在现有装置中，为了掌握传感光纤1个位置的温度状态，需要在100个频率差下测定及分析布里渊增益。即，为了掌握传感光纤1个位置的温度状态，需要花费大约0.1秒。由此，在沿传感光纤的长度方向进行100个位置的温度测定而测定传感光纤的温度分布的情况下，测定花费10秒左右。

与其相对，在本实施例所涉及的频谱测定装置中，在对象物M的温度正常范围为10℃的情况下，由于在通用的单模光纤中，与温度变化对应的峰值频率的变化为1MHz/℃左右，所以规定范围的宽度vstart-vstop为10MHz左右。此时，为了掌握传感光纤1个位置的温度状态，需要在5个频率差下测定并分析布里渊增益。针对1个频率差测定并分析布里渊增益所花费的时间是1ms，在沿传感光纤17的长度方向进行100个位置的温度测定而测定传感光纤的温度分布的情况下，测定花费1ms×5×100＝0.5秒左右。即，在本实施例所涉及的频谱测定装置中，能够以0.5秒的间隔检测温度异常，与现有的装置相比，可以以缩短20倍左右的时间间隔检测异常。

另外，如现有装置所示，如果要在较大的频率范围内测定布里渊增益，则需要使光滤波器的透射波长变化。与其相对，在本实施例所涉及的频谱测定装置中，由于将进行测定及分析的频率范围抑制在规定范围的狭窄范围内，所以能够使光滤波器25的透射波长固定。即，能够提供更廉价且简单的装置。

另外，由于在直接调频中，通过改变施加在LD上的电流而改变频率差，所以如果进行测定的频率范围较大，则无法保持施加电流和起振频率之间的线性关系。在本实施例所涉及的频谱测定装置中，由于频率范围比现有装置窄，所以能够较高地保持线性关系。由此，能够在光源3中高精度地控制频率差v。

在上述实施例中，使规定范围(频率差设定范围)的宽度小于或等于基准BGSa的谱线宽度。但也可以是例如使规定范围的宽度小于或等于BGS的10％全宽(在布里渊增益为峰值的10％时的全宽)。在使用通用的单模光纤作为传感光纤17的情况下，BGS的10％全宽为90MHz左右。另外，也可以是例如使规定范围的宽度小于或等于BGS的20％全宽(在布里渊增益为峰值的20％时的全宽)。在使用通用的单模光纤作为传感光纤17的情况下，BGS的20％全宽为60MHz左右。

另外，也可以是例如使规定范围的宽度小于或等于BGS的半高宽。使用通用的单模光纤作为传感光纤17的情况下，BGS的半高宽为30MHz左右。另外，也可以是例如使规定范围的宽度小于或等于BGS的半高半宽。使用通用的单模光纤作为传感光纤17的情况下，BGS的半高半宽为15MHz左右。

(第2异常检测方法)

在第2异常检测方法中，针对各测定位置，分析部33对上述规定范围(频率差设定范围)所包含的2个频率差v₁、v₂，分别分析探测光得到的布里渊增益g_1b、g_2b。异常判断部35通过将由分析部33分析出的2个布里渊增益g_1b、g_2b之比g_1b/g_2b，与规定比值(预先存储在存储器350中的基准数据)进行比较，判断有无异常。上述规定比值为，在传感光纤17的温度及变形为基准状态(正常状态)时得到的基准BGSa中，频率差v₁的布里渊增益g₁和频率差v₂的布里渊增益g₂之比g₁/g₂。

图5是用于说明第2异常检测方法的曲线图。在图5中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。图5中所示的虚线的曲线，是在基准状态下得到的基准BGSa。双点划线所示的曲线表示在BGS的谱线宽度程度的范围内对频率差进行扫描而进行测定的情况下的BGSb。

例如，由于如图5所示，如果将频率差v₁设定为得到基准BGSa的峰值的频率差，则布里渊增益g₁成为基准BGSa中的最大值，规定比值g₁/g₂为最大。由此，分析出的比值g_1b/g_2b越小于规定比值g₁/g₂，传感光纤17的温度及变形就越远离基准状态。

在此情况下，异常判断部35将分析出的比值g_1b/g_2b与规定比值g₁/g₂进行比较，如果比值g_1b/g_2b小于或等于规定比值g₁/g₂的规定比例，则判断为存在异常。如果比值g_1b/g_2b大于规定比值g₁/g₂的规定比例，则异常判断部35判断为没有异常。根据上述方式，能够准确地判断传感光纤17的温度异常。特别地，该第2异常检测方法，即使在对象物M的正常温度幅度更窄时，也能够高灵敏度地进行测定。

由于如果在该频谱测定装置中使用第2异常检测方法，则能够通过针对2个频率差v₁、v₂测定及分析布里渊增益而判断异常，所以能够缩短异常的检测间隔。例如，在测定1个布里渊增益所花费的时间为1ms左右，沿传感光纤17的长度方向进行100个位置的温度测定而测定传感光纤的温度分布的情况下，测定花费1ms×2次×100个位置＝0.2秒左右。即，在本实施例所涉及的频谱测定装置中，能够以0.2秒的间隔检测温度异常。

图6及图7是用于说明第2异常检测方法的变形例的曲线图。在图6、7中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。

例如图6所示，如果将频率差v₁及频率差v₂设定为使这两者的平均值成为基准BGSa的峰值频率差，则规定比值g₁/g₂为1。在此情况下，如图6所示，如果传感光纤17的温度变高，则BGSb向高频侧移动，分析出的比值g_1b/g_2b变小。另外，如图7所示，如果传感光纤17的温度变低，则BGSb向低频侧移动，分析出的比值g_1b/g_2b变大。

异常判断部35将分析出的比值g_1b/g_2b和规定比值g₁/g₂进行比较，如果比值g_1b/g_2b比1小或大规定比例，则判断为具有异常。异常判断部35将分析出的比值g_1b/g_2b和规定比值g₁/g₂进行比较，如果比值g_1b/g_2b相对于1发生规定比例以内的变化，则判断为没有异常。

也可以使进行分析的频率差v₁和频率差v₂之差，小于或等于BGS半高宽。例如，在通用的单模光纤中，优选设定为小于或等于BGS半高宽即30MHz。

(第3异常检测方法)

在第3异常检测方法中，对各测定位置，分析部33针对上述规定范围(频率差设定范围)所包含的1个频率差v₁，分析探测光得到的增益。异常判断部35通过将由分析部33分析出的1个增益g_0a与规定值(预先存储在存储器350中的基准数据)进行比较，判断有无异常。上述规定值为，在传感光纤17的温度及变形为基准状态(正常状态)时得到的基准BGSa中的频率差v₁的布里渊增益g₁。

图8是用于说明第3异常检测方法的曲线图。在图8中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。图8中所示的虚线的曲线，是在基准状态下得到的基准BGSa。双点划线所示的曲线表示在BGS的谱线宽度程度的范围内以频率差进行扫描并进行测定的情况下的BGSb。

例如图8所示，如果将频率差v₁设定为得到基准BGSa的峰值的频率差v_B，则布里渊增益g₁成为基准BGSa中的最大值(峰值g₀)。由此，分析出的布里渊增益g_0a越小于规定值(峰值g₀)，传感光纤17的温度及变形就越远离基准状态。

异常判断部35将针对频率差v₁(v_B)测定出的布里渊增益g_0a与规定值g₀进行比较，如果布里渊增益g_0a小于或等于规定值g₀的规定比率，则判断为具有异常。如果布里渊增益g_0a落在规定值g₀的规定比率内，则异常判断部35判断为没有异常。通过上述方式，能够准确地判断传感光纤17的温度异常。特别地，该第3异常检测方法在要求高测定速度的情况下有效。

由于如果在该频谱测定装置中使用第3异常测定方法进行测定，则能够通过对1个频率差v₁测定并分析布里渊增益而判断异常，所以能够缩短异常的检测间隔。例如，在测定1个布里渊增益所花费的时间为1ms，沿传感光纤17的长度方向进行100个位置的温度测定而测定传感光纤的温度分布的情况下，测定花费1ms×100个位置＝0.1秒左右。即，在本实施例所涉及的频谱测定装置中，能够以0.1秒的间隔检测温度异常。

图9是用于说明第3异常检测方法的第1变形例的曲线图。在图9中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。

如图9所示，将频率差v₁设定为位于上述规定范围内的高频侧、且使基准BGSa中的布里渊增益g₁为较小值。在此情况下，如果传感光纤17的温度上升，BGSb向高频侧移动，则分析出的布里渊增益g_1a变得比规定值g₁大，从而能够检测传感光纤17的温度偏离基准状态。

在此情况下，异常判断部35将针对频率差v₁分析出的布里渊增益g_1a与规定值g₁进行比较，如果布里渊增益g_1a大于或等于规定值g₁的规定倍，则判断为具有异常。如果布里渊增益g_1a比规定倍于规定值g₁的值小，则异常判断部35判断为没有异常。

例如，如果将传感光纤17处于正常温度范围内的最高温度时，频率差v₁下取得的布里渊增益g₁设定为基准值，则能够立刻检测到传感光纤17处于比正常温度范围更高的温度。

图10是用于说明第3异常检测方法的第2变形例的曲线图。在图10中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。

如图10所示，将频率差v₁设定为位于上述规定范围内的高频侧、且使基准BGSa中的布里渊增益g₁为较大值。在此情况下，如果传感光纤17的温度下降，BGSb向低频侧移动，则分析出的布里渊增益g_1a变得比规定值g₁小，从而能够检测传感光纤17的温度偏离基准状态。

在此情况下，异常判断部35将针对频率差v₁分析出的布里渊增益g_1a与规定值g₁进行比较，如果布里渊增益g_1a小于或等于规定值g₁的规定比率，则判断为具有异常。如果布里渊增益g_1a大于规定值g₁的规定比率，则异常判断部35判断为没有异常。

例如，如果将传感光纤17处于正常温度范围内的最低温度时，频率差v₁下取得的布里渊增益g₁设定为基准值，则能够立刻检测到传感光纤17处于比正常温度范围更低的温度。

图11是用于说明第3异常检测方法的第3变形例的曲线图。在图11中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。

如图11所示，将频率差v₁设定为位于上述规定范围内的低频侧、且使基准BGSa中的布里渊增益g₁为较大值。在此情况下，如果传感光纤17的温度上升，BGSb向高频侧移动，则分析出的布里渊增益g_1a变得比规定值g₁小，从而能够检测传感光纤17的温度偏离基准状态。

在此情况下，异常判断部35将针对频率差v₁分析出的布里渊增益g_1a与规定值g₁进行比较，如果布里渊增益g_1a小于或等于规定值g₁的规定比率，则判断为具有异常。如果布里渊增益g_1a大于规定值g₁的规定比率，则异常判断部35判断为没有异常。

图12是用于说明第3异常检测方法的第4变形例的曲线图。在图12中，横轴表示频率差v，纵轴表示某相干峰位置上探测光得到的布里渊增益的强度。

如图12所示，将频率差v₁设定为位于上述规定范围内的低频侧、且使基准BGSa中的布里渊增益g₁为较小值。在此情况下，如果传感光纤17的温度下降，BGSb向低频侧移动，则分析出的布里渊增益g_1a变得比规定值g₁大，从而能够检测传感光纤17的温度偏离基准状态。

在此情况下，异常判断部35将针对频率差v₁分析出的布里渊增益g_1a与规定值g₁进行比较，如果布里渊增益g_1a大于或等于规定值g₁的规定倍，则判断为具有异常。如果布里渊增益g_1a比规定倍于规定值g₁的值小，则异常判断部35判断为没有异常。

例如，如果将频率差v₁设定为上述规定范围内的最小频率差，则g₁成为规定范围内低频侧的最小值。由此，布里渊增益g_1a越大于规定值g₁，则传感光纤17的温度及变形越远离基准状态。

在上述实施例中，将超导线圈作为对象物M，但本发明所涉及的频谱测定装置的测定对象物并不限于超导体。另外，在上述实施例中，将该频谱测定装置作为检测温度异常的装置进行了说明，但该频谱测定装置也能够同样地测定变形的变化，可以作为检测变形异常的装置使用。另外，在上述实施例中，该频谱测定装置使用BOCDA测定布里渊增益，但也可以使用BOTDR(Brillouin Optical Time DomainReflectometry)、BOTDA(Brillouin OpticalTime Domain Analysis)进行测定。

如上所述根据本发明，能够更迅速地判断光纤的温度或变形的状态。

根据上述本发明的说明可知，能够对本发明进行各种变形。不能认为这些变形脱离本发明的精神及范围，所有本领域的技术人员能够轻易地得到的改良，都包括在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种频谱测定装置，其测定与对象物邻近的光纤内产生的布里渊散射光的频谱变化，

其特征在于，具有：

光源，其输出用于向上述光纤的两端相对地入射的泵浦光及探测光；

探测光输出端，其用于将从上述光源输出的探测光向上述光纤的一端供给；

泵浦光输出端，其用于将从上述光源输出的泵浦光向上述光纤的另一端供给；

分析部，其对通过上述泵浦光在上述光纤中传输产生的布里渊散射而使上述探测光得到的增益进行分析；以及

判断部，其基于上述分析部的分析结果，判断与上述光纤的温度或变形有关的状态，

将在上述光纤内传输的上述泵浦光和上述探测光之间的频率差设定在频率差设定范围内，该频率差设定范围是包含基准增益频谱中取得峰值的频率差在内的范围、且小于或等于上述基准增益频谱的谱线宽度，该基准增益频谱是在上述光纤的温度或变形处于基准状态时上述探测光得到的增益的频谱。

2.根据权利要求1所述的频谱测定装置，其特征在于，还具有：

光纤，其作为传感器部，用于传输上述探测光和上述泵浦光。

3.根据权利要求1所述的频谱测定装置，其特征在于，还具有：

第1连接器，其使上述光纤的一端与上述探测光输出端光学连接；以及

第2连接器，其使上述光纤的另一端与上述泵浦光输出端光学连接。

4.根据权利要求1所述的频谱测定装置，其特征在于，还具有：

警报信号输出部，其基于上述判断部的判断结果，输出报告上述光纤的温度或变形的异常的警报信号。

5.根据权利要求4所述的频谱测定装置，其特征在于，

上述分析部将与包括在上述频率差设定范围内的频率差相对的上述探测光得到的增益的频谱进行分析，然后，

上述判断部，基于在上述分析部分析出的增益频谱中有无极大值，判断上述光纤中有无异常。

6.根据权利要求4所述的频谱测定装置，其特征在于，

上述分析部针对包括在上述频率差设定范围内的2个频率差，分别分析上述探测光得到的增益，然后，

上述判断部，通过将由上述分析部分析出的2个增益的比值与预先设定的基准比值进行比较，判断上述光纤中有无异常。

7.根据权利要求4所述的频谱测定装置，其特征在于，

上述分析部针对包括在上述频率差设定范围内的1个频率差，分析上述探测光得到的增益，然后，

上述判断部，通过将由上述分析部分析出的1个增益与预先设定的基准值进行比较，判断上述光纤中有无异常。

8.根据权利要求2所述的频谱测定装置，其特征在于，还具有：

第1耦合器，其将从上述光源输出的泵浦光和探测光进行分支；

延迟单元，其对由上述第1耦合器分支出的泵浦光或探测光施加延迟后，输出至上述光纤；

第2耦合器，其用于取出在上述光纤中得到增益并从上述光纤输出的探测光；以及

光电二极管，其对由上述第2耦合器取出的探测光进行感光，

上述光源包括1台交替输出上述泵浦光及上述探测光的光源。

9.一种频谱测定方法，其特征在于，

将上述光纤至少配置在对象物附近，

从所配置的上述光纤两端相对地入射探测光和泵浦光，同时使用权利要求1中的频谱测定装置测定上述对象物的物理量变化，然后，

基于测定结果，检测上述对象物的异常。

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