CN103842782A - 分布型光纤声波检测装置 - Google Patents

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CN103842782A CN201280047302.3A CN201280047302A CN103842782A CN 103842782 A CN103842782 A CN 103842782A CN 201280047302 A CN201280047302 A CN 201280047302A CN 103842782 A CN103842782 A CN 103842782A
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light pulse
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岸田欣增
西口宪一
李哲贤
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Abstract

本发明所提供的分布型光纤声波检测装置包括：使光脉冲射入所述光纤的光脉冲射出部；以及接收在所述光纤内产生的瑞利散射光的瑞利散射光接收部。所述光脉冲射出部输出利用具有基于所述光纤的长度尺寸的规定长度且使所述光脉冲被分割为规定宽度的多个单元的码序列而被调制的所述光脉冲。所述瑞利散射光接收部具有：对所述瑞利散射光进行与所述光脉冲射出部中的调制对应的解调，从已被进行了该解调的所述瑞利散射光求出其相位变化的相位变化导出部；以及从由所述相位变化导出部求出的相位变化求出碰撞到所述光纤的声波的声波检测部。

Description

分布型光纤声波检测装置
技术领域
本发明涉及一种利用光纤作为传感器，能够高灵敏度且高精度地检测到达其长度方向上的各区域的声波的分布型光纤声波检测装置。
背景技术
以往，作为利用因使探测光(probe light)射入光纤而产生的瑞利后方散射光(以下仅称为“瑞利散射光(Rayleigh scattered light)”。)来测定该光纤的线路特性(光纤的损耗或破裂点的位置等)、或在该光纤的长度方向上的应变(strain)的分布的光纤传感技术，存在被称为OTDR(Optical Time Domain Reflectometer：光时域反射仪)的方法。
作为在该OTDR中例如测定线路特性的方法，已知有专利文献1所记载的方法。在该方法中，探测光输入(入射)到光纤内，基于由此在光纤内产生的瑞利散射光测定线路特性。
具体而言，光脉冲作为探测光从光纤的一个端部(输入端)输入(入射)。测定通过该光脉冲的输入而在光纤的长度方向上的各区域中产生并返回到输入端的瑞利散射光。根据这样测定的瑞利散射光的强度和产生了该瑞利散射光的位置测定光纤的线路特性。在此，在光纤的长度方向上产生了瑞利散射的位置是基于从输入端输入的光脉冲在光纤中散射并返回到输入端为止的往返时间而确定的。
另外，作为在OTDR中例如测定光纤的长度方向上的应变的分布的方法，已知有利用在光纤中产生了应变时在产生该应变的区域产生的瑞利散射光的频移的方法。
在该方法中，光脉冲从光纤的输入端输入(入射)。然后，分别测定通过该光脉冲的输入而在光纤的长度方向上的各区域中产生并返回到输入端的瑞利散射光。如果光纤被施加压力而在该光纤内产生应变，则在发生该应变的区域中产生的瑞利散射光的频率发生偏移，因此，该测定到的瑞利散射光与在初始状态(未被施加所述压力的状态)的光纤内产生的瑞利散射光相比相位发生变化。能够根据该相位变化检测施加于光纤的压力。此时，通过多次进行光脉冲的输入并求出所述各区域中的瑞利散射光的平均，能够高精度地得到所述相位变化。
这样，在上述的OTDR中，对光纤的长度方向上的各区域中的瑞利散射光的相位变化进行检测，并基于该相位变化，能够高灵敏度且高精度地检测光纤的长度方向上的各区域中的应变(施加于光纤的压力)。
根据上述的利用瑞利散射光的相位变化的方法，能够高灵敏度且高精度地检测在光纤的长度方向上的各区域中产生的应变，因此可考虑利用该方法来检测碰撞(到达)光纤的所述各区域的声波。
具体而言，当某声波在气体、液体、固体等介质中传播并到达光纤即碰撞光纤时，光纤中产生极其微小的应变。该应变依赖于碰撞光纤的声波的频率、振幅等。因此，通过上述的利用相位变化的方法来检测在光纤的所述各区域中产生的该应变，并对其进行分析，由此能够进行所述声波(频率、振幅等)的检测、所述声波的发送源的位置的确定等。
在上述的方法中，根据输入到光纤的探测光(光脉冲)的脉冲宽度，可决定在光纤的长度方向上的各区域中检测声波时该长度方向上的分辨率(长度方向分辨率)。例如在分别检测碰撞到在光纤的长度方向上隔开间隔的两点的声波的情况下，如果所述间隔小于探测光的脉冲宽度，则无法区分所导出的瑞利散射光的相位变化由碰撞到所述两点中的哪一点的声波而引起的。因此，为了实现较高的长度方向分辨率，需要减小脉冲宽度。
但是，如果减小探测光的脉冲宽度，则各光脉冲的能量减少，由此，在光纤的各区域散射并返回到输入端的散射光的信号强度降低。
并且，在上述的利用相位变化的方法中，检测在短时间内不发生变动的应变(光纤的应变)，因此多次分别测定在光纤的各区域中产生的瑞利散射光，利用其平均高精度地求出所述各区域中的瑞利散射光的相位变化。但是，声波的碰撞引起的光纤的应变在极短时间内变动，因此无法使用多次测定在所述各区域中产生的瑞利散射光来利用其平均的方法。
这样，通过上述的利用相位变化的方法高精度地检测声波是极为困难的。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-236513号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度且高精度地检测声波、并且能够实现高分辨率的分布型光纤声波检测装置。
本发明的一个方面所涉及的分布型光纤声波检测装置是将光纤作为传感器使用的分布型光纤声波检测装置，包括：
光脉冲射出部，使光脉冲从所述光纤的一端射入该光纤内；以及
瑞利散射光接收部，接收因所述光脉冲的入射而在所述光纤内产生的瑞利散射光，
其中，所述光脉冲射出部输出利用具有基于所述光纤的长度尺寸的规定长度且使所述光脉冲被分割为规定宽度的多个单元的码序列而被调制的所述光脉冲，
所述瑞利散射光接收部具备：
相位变化导出部，对所述瑞利散射光进行与所述光脉冲射出部的调制对应的解调，从已被进行了该解调的所述瑞利散射光求出其相位变化；以及
声波检测部，从由所述相位变化导出部求出的相位变化求出碰撞到所述光纤的声波。
本发明的目的、特征以及优点通过以下的详细说明和附图会变得更清楚。
附图说明
图1是表示本发明的第1本实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置的结构的功能框图。
图2是用于说明从所述分布型光纤声波检测装置的光脉冲射出部输出的相位调制后的光脉冲的图。
图3是用于说明所述分布型光纤声波检测装置的相位测定部的图。
图4是表示所述分布型光纤声波检测装置的数字信号处理部的电路的图。
图5的(A)～(D)是用于说明调制后的光脉冲和用于对该光脉冲进行解调的脉冲压缩复原滤波器的概念图。
图6是表示沿着检测用光纤的长度方向的瑞利散射光的相位变化的分布数据的图。
图7是表示检测声波时的流程的图。
图8是表示本发明的第2实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置的结构的功能框图。
图9是表示本发明的第3实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置的结构的功能框图。
图10是用于说明从多个脉冲单元输出的光脉冲的图。
具体实施方式
(第1实施方式)
下面，参照图1至图6说明本发明的第1实施方式。
本实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置10使用光纤(检测用光纤)12作为传感器，以高灵敏度且高精度分别检测碰撞到其长度方向上的各区域的声波，并且实现所述长度方向上的高分辨率(以下也仅称为“长度方向分辨率”。)。此外，本实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置10不仅检测碰撞到检测用光纤12的长度方向(z轴方向)上的指定位置(部位)的声波，而且还能够检测同时碰撞到长度方向上的各区域的声波的分布。
在该分布型光纤声波检测装置10中，能够利用检测用光纤12来代替麦克风进行录音。另外，例如向油井等插入检测用光纤12，通过该检测用光纤12检测在地中传播的声波(例如1kHz左右的声波)，由此能够观察油井的状态、地中内部的情形。另外，在医疗领域中，例如通过用检测用光纤12检测在人体内部传播的声波(例如频率为3MHz～30MHz的超声波)，能够进行人体内部的观察等。
如图1所示，该分布型光纤声波检测装置10具备装置主体11和检测用光纤12。装置主体11具备光脉冲射出部20、相位测定部50、光环行器14、瑞利散射光接收部30、控制处理部16以及输出部40。
此外，在分布型光纤声波检测装置10中，也可以在光脉冲射出部20与光环行器14之间配置掺铒光纤(EDFA)等光放大器。
另外，在分布型光纤声波检测装置10中，也可以在光脉冲射出部20与光环行器14之间配置用于确保从光脉冲射出部20输出的光脉冲的消光比的LN开关。在此情况下，优选在分布型光纤声波检测装置10中，使从光脉冲射出部20输出的光脉冲的消光比为几十dB以上。
检测用光纤12被用作为用于检测碰撞到该光纤12的声波的传感器。该检测用光纤12是具有第1端部(一端)12a以及与该第1端部12a相反一侧的端部即第2端部12b的长条光纤。例如，具体而言，在该分布型光纤声波检测装置10用于上述油井中的声波检测的情况下，检测用光纤12的长度尺寸(全长)L为30km左右，在该分布型光纤声波检测装置10用于上述医疗领域中的声波(超声波)检测的情况下，检测用光纤12的长度尺寸(全长)L为100m左右。
使光脉冲(探测光)从该检测用光纤12的第1端部12a射入该光纤12内，并且起因于该光脉冲而在该检测用光纤12内产生的与瑞利散射现象有关的光(瑞利后方散射光)向外部射出。
光脉冲射出部20具备输出规定频率的光脉冲的光源部22以及对光源部22输出的光脉冲进行调制(在本实施方式中为相位调制)的调制部24，使光脉冲从检测用光纤12的第1端部12a射入该检测用光纤12内。
光源部22具有光源220、第1分光部222以及第2分光部(分光部)224，输出第1光脉冲和第2光脉冲。
光源220能够输出(射出)规定频率的光脉冲。具体而言，如图2所示，光源220通过以第1时间间隔TD输出具有规定的脉冲宽度D的光脉冲P1、P2、P3、…Pi，来生成脉冲光。另外，光源220输出直线偏振的光脉冲Pi(脉冲光)。该光源220由控制处理部16控制，通过由该控制处理部16变更温度或驱动电流来变更振荡波长(振荡频率)。另外，光源220输出光脉冲Pi的输出间隔由控制处理部16来控制。本实施方式的光源220是激光二极管(LD)。
各光脉冲Pi的脉冲宽度D是基于检测用光纤12的长度尺寸L设定的。详细而言，脉冲宽度D越大，光脉冲Pi所具有的能量越大。因此，脉冲宽度D被设定为在瑞利散射光接收部30接收到通过从检测用光纤12的第1端部12a入射的光脉冲Pi而在第2端部12b附近产生的瑞利散射光时，在所述接收到的瑞利散射光中充分确保检测碰撞到该检测用光纤12的第2端部12b附近的声波所需要的信号强度(瑞利散射光的强度)的大小。一般，检测用光纤12的长度尺寸L越大，脉冲宽度D也越大。
另外，各光脉冲Pi间的时间间隔TD是基于作为该分布型光纤声波检测装置10的检测对象的声波的频率设定的。详细如下。
根据奈奎斯特的采样定理，作为检测对象的声波在该声波的1周期内必须至少被采样2次。因此，各光脉冲Pi间的时间间隔TD必须是作为检测对象的声波的1周期的一半以下。即，用一个光脉冲Pi能够检测(扫描)的声波的分布(碰撞到长度方向上的各区域的声波的分布)在所述光脉冲Pi能够在所述采样周期的时间内在检测用光纤12内往复的范围内。而且，频率高的声波因1周期短，因此所需的采样周期短，由此，在该采样周期内光脉冲Pi能够在检测用光纤12内往复的范围短。因此，利用一个光脉冲Pi能够将频率高的声波作为沿着检测用光纤12的分布来检测的范围窄(短)。因此，在用作为传感器的检测用光纤12比在根据所述检测的声波的周期规定的采样周期的时间内光脉冲Pi能够往复的范围长的情况下，如果将采样周期设定为光脉冲的往复时间以上，则在声波的频谱中产生混叠(aliasing)，导致检测出的声波产生混乱。另外，如果将采样周期设定为光脉冲的往复时间以下，则会同时接收来自该检测用光纤12的长度方向上的多个区域的瑞利散射光，无法检测声波的整体分布。
因此，在该分布型光纤声波检测装置10中，使光脉冲Pi间的间隔为短于作为检测对象的声波(在作为检测对象的声波的频带较宽的情况下为所述频带中的最高的频率的声波)的1周期的一半的时间间隔(第1时间间隔)TD，让多个光脉冲P1、P2、P3、…Pi以规定的间隔(与所述第1时间间隔TD对应的间隔)在检测用光纤12中前进。由此，通过多个光脉冲P1、P2、P3、…Pi能够在所述采样周期内对检测用光纤12的长度方向上的整个区域进行扫描，并且能够依次接收来自所述长度方向上的各区域的瑞利散射光，使来自所述长度方向上的各区域的瑞利散射光彼此不重复。
此外，本实施方式中的第1时间间隔TD是根据作为检测对象的声波规定的采样周期(所述声波的半周期以下的时间)内的指定的时间间隔。
另一方面，以第1时间间隔TD输出的各光脉冲Pi在调制部24中通过互不相同的(相互独立的)码序列而被进行相位调制，因此通过对接收到的瑞利散射光进行解调，能够判别该瑞利散射光是由哪个光脉冲Pi产生的。
因而，在分布型光纤声波检测装置10中，使用长条的检测用光纤12作为传感器，即使在检测频率高的(例如超声波那样的1周期短的)声波的情况下，也能够通过以第1时间间隔TD输出光脉冲Pi来高精度地检测沿着该检测用光纤12的声波的分布。
返回到图1，第1分光部222将从光源220输出的光脉冲Pi以维持直线偏振的状态进行分光(分支)，并将该分光的光脉冲Pi分别输出到第2分光部224和瑞利散射光接收部30(详细而言数字相干接收部320)。
第2分光部224将来自第1分光部222的光脉冲Pi以维持直线偏振的状态分光成第1光脉冲和第2光脉冲，并将第1光脉冲和第2光脉冲(一对光脉冲)输出到调制部24。该第2分光部224以1/2的比率(50:50)将所输入的光脉冲进行分支并输出。本实施方式的第2分光部224是3dB分光器(3dB分束器)。
调制部24具有相位调制部240和合成部242，对光源部22(详细而言第2分光部224)输出的第1光脉冲和第2光脉冲分别进行相位调制，将相位调制后的第1光脉冲与第2光脉冲进行合成。
相位调制部240具有进行第1光脉冲的相位调制的第1相位调制器240a、进行第2光脉冲的相位调制的第2相位调制器240b以及制作由第1码序列Ai和第2码序列Bi构成的一对码序列(成对码：参照图2)的码生成部244。
第1相位调制器240a基于从码生成部244输入的第1码序列Ai对第1光脉冲进行相位调制。
第2相位调制器240b基于从码生成部244输入的第2码序列Bi对第2光脉冲进行相位调制。
码生成部244如上所述那样生成由第1码序列Ai和第2码序列Bi构成的成对码，将第1码序列Ai输出到第1相位调制器240a，并且将第2码序列Bi输出到第2相位调制器240b。该码生成部244生成的成对码(第1码序列Ai和第2码序列Bi)分别具有基于检测用光纤12的长度尺寸L的规定长度(规定的序列长度)，通过利用该成对码对第1光脉冲和第2光脉冲分别进行相位调制，各光脉冲被分割为规定宽度d的多个单元(cell)(参照图5的(A)和图5的(B))。即，各光脉冲以调制速度d分别被进行相位调制。
各单元的宽度d是基于声波检测中的检测用光纤12的长度方向分辨率设定的。详细而言如下。
例如在分别检测碰撞到检测用光纤12中的在该光纤12的长度方向上隔着间隔的两点的声波的情况下，为了独立地检测碰撞到各点的声波而使用单脉冲(未被分割为多个单元的光脉冲)时，需要使脉冲宽度比该两点间的间隔短。在此，如果光脉冲Pi通过利用规定的码序列的相位调制而被分割为多个单元，则各单元能够起到与脉冲宽度小的光脉冲相同的作用。因此，各单元的宽度(单元宽度)d被设定为比作为目标的长度方向分辨率短。
另外，通过以这样的方式将各光脉冲分割为宽度d的多个单元，还能够检测频率高的声波。具体而言，在为了检测高频率的声波而使用单脉冲的情况下，必须利用比该高频率的声波在一周期内前进的距离短的脉冲宽度的光脉冲来进行测定。在此，如果光脉冲被分割为宽度d的多个单元，则如上所述那样各单元能够起到与脉冲宽度小的光脉冲相同的作用，因此能够检测通过脉冲宽度d的光脉冲可检测的高频率(与各单元的宽度d对应的高频率)的声波。
在本实施方式的分布型光纤声波检测装置10中，利用形成这样设定的宽度d的单元的码序列(成对码)分别对第1光脉冲和第2光脉冲进行相位调制。
本实施方式的码生成部244输出Golay码序列。此外，码生成部244输出的码序列并不限定于Golay码序列。即，码生成部输出的码序列只要是自相关函数的和为δ函数的成对码、或自相关函数单独为δ函数的码即可，例如可以是基于M序列等伪随机数的码序列。
另外，码生成部244生成按从光源部22输出的每个光脉冲Pi而不同的(独立的)成对码。由此，能够判别从检测用光纤12返回来的瑞利散射光是通过哪个光脉冲Pi产生的。
合成部242将在相位调制部240中分别被相位调制的第1光脉冲与第2光脉冲合成为一个光脉冲Pi进行输出。
本实施方式的合成部242具有一对输入端子(第1输入端子242a和第2输入端子242b)，这一对输入端子242a、242b分别被指定成所输入的光的偏光(偏振)方向为相互正交的方向。即，本实施方式的合成部242将第1光脉冲与第2光脉冲以偏光方向相互正交的状态进行合成并输出。下面，输入到第1输入端子242a的第1光脉冲也被称为P偏振脉冲，输入到第2输入端子242b的第2光脉冲也被称为S偏振脉冲。
将从光源220到合成部242的各结构进行连接的光路由偏振保持光纤(PM光纤)、维持偏振状态的波导构成。由此，从光源220作为直线偏光输出的光脉冲Pi在第2分光部224中的分光后也保持其偏光状态。为此，通过将连接第2分光部224与第1输入端子242a的偏振保持光纤等和连接第2分光部224与第2输入端子242b的偏振保持光纤等以其偏光方向相互正交的方式连接于合成部242的输入端子242a、242b，使输入到合成部242的一对光脉冲(第1光脉冲和第2光脉冲)成为偏光方向相互正交的状态。
相位测定部50测定光源220输出的光脉冲Pi的相位，检测该光脉冲中因光源220引起的相位的变化(相位的时间变化)。该相位测定部50连接于从光源220延伸的光纤(波导(waveguide))和解调部324，向解调部324输出与测定结果相应的相位信号。通过由解调部324进行基于该相位信号的修正，能够从解调后的信号排除因光源220产生的相位的变化的影响。
具体而言，相位测定部50如图3所示，具备I/Q分离部52和相位变化导出部54。
I/Q分离部52具有从自光源220延伸的光纤(波导)分支的两个光波导521、522、光耦合器523以及90°移相器524，对从光源220输出的光(光脉冲)进行I/Q分离。
光波导521、522使在从光源220延伸的光纤(波导)中前进的光的一部分分支，并将其引导至光耦合器523。各光波导521、522的光程长度互不相同。具体而言，光波导521的光程长度E2比光波导522的光程长度E1长τ(详细而言在时间τ内光脉冲前进的距离)。
光耦合器523使通过各光波导521、522而被引导的光彼此干涉并输出。此时，由于光波导521与光波导522的光程长度互不相同，因此光波导521引导的光比光波导522引导的光延迟时间τ到达光耦合器523。光耦合器523将该干涉后的光分支为两束向相位变化导出部54输出。
90°移相器524使通过光耦合器523分支的其中一束光的相位移动90°。
从如上所述的I/Q分离部52输出以下所示的I、Q信号。
[数1]
Q = E 1 E 2 · sin ( φ ( t + τ ) - φ ( t ) ) · · · ( 1 - 1 )
I = E 1 E 2 · cos ( φ ( t + τ ) - φ ( t ) ) · · · ( 1 - 2 )
相位变化导出部54将来自I/Q分离部52的I、Q信号进行A/D变换并合成，求出从光源220输出的光的相位φ(t)。具体而言，相位变化导出部54利用以下的式(2)求出所述光的相位φ(t)。
[数2]
φ ( t ) = arctan ( Q I ) · · · ( 2 )
另外，相位变化导出部54通过对利用上述式(2)求出的相位φ(t)进行时间微分(dφ(t)/dt)，还能够求出各时刻的相位的变化率。
相位变化导出部54将以此方式求出的从光源220输出的光的相位的变化(光脉冲中因光源220引起的相位的变化)φ(t)作为相位信号进行输出。
此外，相位测定部50的具体结构不限定于上述结构。即，相位测定部50只要能够检测光脉冲Pi中因光源220引起的相位的变化，也可以是其它结构。
另外，在相位测定部50内，构成从自光源220延伸的光纤等到相位变化导出部54的各光路(光波导521、522等)的光纤、波导等也具有偏振保持特性。即，从自光源220延伸的光纤等分支的光直到相位变化导出部54为止维持其偏光方向。
光环行器14是入射光和射出光在其端子号具有循环关系的非可逆性的光部件。即，射入第1端子14a的光从第2端子14b射出，并且不从第3端子14c射出。射入第2端子14b的光从第3端子14c射出，并且不从第1端子14a射出。射入第3端子14c的光从第1端子14a射出，并且不从第2端子14b射出。该光环行器14的第1端子14a连接于光脉冲射出部20，第2端子14b连接于检测用光纤12的第1端部12a，第3端子14c连接于瑞利散射光接收部30。
瑞利散射光接收部30具有相位变化导出部32和声波检测部34，接收因光脉冲(P偏光脉冲与S偏光脉冲合成所得的光脉冲)Pi的入射在检测用光纤12内产生的瑞利散射光。
相位变化导出部32具有数字相干接收部(分离和检波部)320、数字信号处理部322、解调部324以及导出部36，从已被进行了与光脉冲射出部20中的相位调制对应的解调的瑞利散射光求出其相位变化。
数字相干接收部320分别与检测用光纤12(详细而言光环行器14的第3端子14c)和光源部22(详细而言第1分光部224)连接，分别将来自检测用光纤12的瑞利散射光的正交的偏振成分(在本实施方式中为P/S偏振)和正交的相位成分(I/Q信道)进行分离，并作为电信号输出。
该数字相干接收部320具有偏振分离器320a、分支器320b、第1光90°混合器321a以及第2光90°混合器321b。
偏振分离器320a将瑞利散射光接收部30从检测用光纤12接收到的瑞利散射光分离(偏振分离)为规定的偏光方向的第1瑞利散射光(以下仅称为“P偏振散射光”。)以及偏光方向与该第1瑞利散射光正交的第2瑞利散射光(以下仅称为“S偏振散射光”。)。
分支器320b将来自第1分光部222的光脉冲Pi分支为两个(光脉冲Pi1、Pi2)。
第1光90°混合器321a使由分支器320b分出的光脉冲Pi1作为本地光(local light)(本地振荡光)与来自偏振分离器320a的P偏振散射光干涉，从而分离成I成分和Q成分，并将其变换为I、Q信号(模拟信号)进行输出。
第2光90°混合器321b使由分支器320b分出的光脉冲Pi2作为本地光(本地振荡光)与来自偏振分离器320a的S偏振散射光干涉，从而分离成I成分和Q成分，并将其变换为I、Q信号(模拟信号)进行输出。
数字信号处理部322在对从数字相干接收部320输出的各偏振散射光(P偏振散射光和S偏振散射光)的I、Q信号(模拟信号)分别进行了A/D变换后，使其通过图4所示的电路，输出与第1光脉冲对应的P偏振散射光的I、Q信号(以下仅称为“P偏振数字信号”。)以及与第2光脉冲对应的S偏振散射光的I、Q信号(以下仅称为“S偏振数字信号”。)。具体而言，数字信号处理部322决定图4的电路中的下侧所示的矩阵，通过利用该矩阵，将通过从光脉冲射出部20输出的光脉冲(使相位调制后的第1光脉冲与第2光脉冲合成所得的光脉冲)Pi而在检测用光纤12内产生的瑞利散射光分离成与所述第1光脉冲对应的P偏振数字信号以及与所述第2光脉冲对应的S偏振数字信号并输出。
在本实施方式中，将DP-QPSK(Dual Polarization Quadrature Phase ShiftKeying：双极化正交相移键控)接收模块用作为数字相干接收部320和数字信号处理部322。
在本实施方式的分布型光纤声波检测装置10中，由于进行40Gbit/s以上的高速光传输，因此，数字信号处理部322中的A/D变换的分辨率只有6bit。但是，在该分布型光纤声波检测装置10中，光脉冲Pi通过基于Golay码序列的相位调制而被分割，从而形成212个单元，在其被解调时汇总为一个光脉冲Pi，由此能够得到与具有18bit(=6+12)的分辨率的情况相同的精度。即，由于瑞利散射光的各单元分别包含(具有)检测用光纤12的产生该瑞利散射光的部位的应变信息，因此通过解调而被汇总，从而能够得到所述精度。这样，即使数字信号处理部322中的A/D变换的分辨率低，也能够通过如该分布型光纤声波检测装置10那样进行利用码序列的脉冲压缩来实现高精度的声波的检测。
解调部324在对通过数字相干接收部320和数字信号处理部322而被偏振分离的P偏振数字信号和S偏振数字信号分别进行了基于来自相位测定部50的相位信号的修正后，进行与调制部24的相位调制对应的解调。
该解调部324具有第1解调部324a和第2解调部324b。第1解调部324a和第2解调部324b与码生成部244连接。
第1解调部324a对从数字信号处理部322输出的P偏振数字信号进行基于来自相位测定部50的相位信号的修正。该相位信号是通过测定与修正对象的P偏振数字信号对应的光脉冲Pi中因光源引起的相位的变化而得到的信号。
详细而言，在将P偏振数字信号(与通过利用第1码序列Ai相位调制后的第1光脉冲而在检测用光纤12内产生的P偏振散射光对应的数字信号)设为Ai’的情况下，第1解调部324a进行以下的式(3)所示的修正。
[数3]
A1’=A1e-iφ(t)···(3)
即，第1解调部324a通过将由相位测定部50求出的φ(t)代入式(3)中的e的右上所示的-iφ(t)的“φ(t)”，对P偏振数字信号进行修正。由此，从P偏振数字信号排出因光源220引起的相位的变化的影响。
同样，第2解调部324b对从数字信号处理部322输出的S偏振数字信号Bi’进行基于来自相位测定部50的相位信号(用于上述的第1解调部324a中的P偏振数字信号的修正的相位信号)的修正(下述的式(4)所示的修正)。
[数4]
B1'=B1e-iφ(t)···(4)
然后，第1解调部324a对修正后的P偏振数字信号基于第1光脉冲在调制部24中被相位调制时的码(第1码序列Ai)进行解调。另外，第2解调部324b对修正后的S偏振数字信号基于第2光脉冲在调制部24中被相位调制时的码(第2码序列Bi)进行解调。
例如，在码序列的长度为16、且第1码序列A1和第2码序列B1分别表示为
A1=(1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1)
B1=(1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1)
的情况下(参照图5的(A)和图5的(B))，第1光脉冲在第1相位调制器240a中基于上述的第1码序列A1被相位调制，第2光脉冲在第2相位调制器240b中基于上述的第2码序列B1被相位调制。在此，设码的1、-1与相位调制的0、π对应。
该情况下，在第1解调部324a中，与该第1光脉冲对应的P偏振数字信号的解调利用与第1码序列A1对应的码(脉冲压缩复原整合滤波器)A1*来进行。具体而言，在第1解调部324a中，通过A1’·A1*的运算进行解调。另外，在第2解调部324b中，与第2光脉冲对应的P偏振数字信号的解调利用与第2码序列B1对应的码(脉冲压缩复原整合滤波器)B1*来进行。具体而言，在第2解调部324b中，通过B1’·B1*的运算进行解调。在此，A1*和B1*是使A1和B1的码的排列相反所得到的，表示为
A1*=(-1,1,-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,1)
B1*=(1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1)
(参照图5的(C)和图5的(D))。
导出部36具备成对合成部360、相位导出部362以及相位变化导出部364，求出被解调的瑞利散射光的相位变化ΔΦ。
成对合成部360取得在解调部324中已分别被解调的P偏振散射光与S偏振散射光之和(合成)来求出解调信号。具体而言，成对合成部360将由第1解调部324a解调的P偏振数字信号(I、Q信号：与P偏振散射光对应的信号)与由第2解调部324b解调的S偏振数字信号(I、Q信号：与S偏振散射光对应的信号)进行合成。更具体而言，在成对合成部360中，由第1解调部324a解调的P偏振数字信号与由第2解调部324b解调的P偏振数字信号的合成通过取得各信号的I成分(信号)彼此的和以及Q成分(信号)彼此的和，生成解调信号(I、Q信号)。
这样，通过解调、即取得P偏振散射光与S偏振散射光的解调后的信号之和，分别被分割为多个单元的P偏振散射光和S偏振散射光恢复成一个光脉冲(单脉冲)。此时，各单元(P偏振散射光的各单元和S偏振散射光的各单元)所具有的、检测用光纤12中的产生瑞利散射光(所述P偏振散射光和所述S偏振散射光)的部位的应变信息汇总到一个单元的脉冲宽度的单脉冲(未被分割为多个单元的光脉冲)。即，在本实施方式的分布型光纤声波检测装置10中，对通过光脉冲Pi在检测用光纤12内产生的瑞利散射光进行解调(即，进行利用规定的码序列的脉冲压缩)，由此能够得到与利用脉冲宽度(与单元宽度d相当的脉冲宽度)小且信号强度强的光脉冲进行声波检测时同等的效果。
相位导出部362根据在成对合成部360中求出的解调信号求出瑞利散射光接收部30所接收到的瑞利散射光的相位Φ。具体而言，相位导出部362根据由成对合成部360求出的解调信号(I、Q信号)利用以下的式(5)求出所述瑞利散射光的相位Φ。
[数5]
Φ = arctan ( Q I ) · · · ( 5 )
相位导出部362将这样求出的瑞利散射光的相位Φ输出到相位变化导出部364，并且保存到控制处理部16的存储部16a中。
相位变化导出部364求出由相位导出部362最近求出的瑞利散射光的相位与前次求出的瑞利散射光的相位之差(相位变化)ΔΦ。例如在由分布型光纤声波检测装置10在时刻t1、t2、t3、…ti进行了声波的检测的情况下，相位变化导出部364求出时刻ti时求出的瑞利散射光的相位Φi与时刻ti-1时求出的瑞利散射光的相位Φi-1之差作为相位变化ΔΦ。具体而言，相位变化导出部364从相位导出部362接收瑞利散射光的相位Φi，并且读出由相位导出部362保存在存储部16a中的前次求出的瑞利散射光的相位Φi-1，从这些相位求出前次求出的瑞利散射光与其次求出的瑞利散射光的相位变化ΔΦ(=Φi-Φi-1)。
声波检测部34根据从相位变化导出部364输出的瑞利散射光的相位变化ΔΦ的大小，制作图6所示的各时刻t1、t2、t3、…ti的在z轴方向(检测用光纤12的长度方向)的各位置的相位变化ΔΦ的大小的数据(沿着z轴的相位变化ΔΦ的分布数据)，并将该相位变化ΔΦ的分布数据保存到存储部16a中。此外，在本实施方式中，将各时刻t1、t2、t3、…的间隔TD2也称为采样率。
声波检测部34根据从光脉冲射出部20输出光脉冲Pi后直到由该光脉冲Pi产生的瑞利散射光被瑞利散射光接收部30接收为止的时间，确定在长度方向上产生了引起相位变化ΔΦ的瑞利散射光的位置。在该长度方向上的各位置的瑞利散射光的相位变化ΔΦ的大小表示从外部碰撞到检测用光纤12的该位置的声波。
控制处理部16用于控制分布型光纤声波检测装置10的各结构，例如具备微处理器、工作存储器以及存储所需数据的存储器等存储部16a。
另外，控制处理部16对由声波检测部34求出并保存在存储部16a中的各种数据(相位变化ΔΦ的分布等)进行运算处理，求出关于碰撞到检测用光纤12的声波的各种信息。例如、控制处理部16从沿着长度方向的相位变化ΔΦ的分布能够确定声波的发送源的位置。另外，控制处理部16从沿着长度方向的相位变化ΔΦ的分布的时间变化，还能够检测随着时刻的经过(t1、t2、t3、…、ti)的声波的发送源的位置的移动等。
输出部40具有显示部42和扬声器部44，向外部输出声波检测部34基于保存在存储部16a中的相位变化ΔΦ的分布在长度方向上的各位置处检测出的声波的各种信息。具体而言，输出部40通过显示部42显示例如具有表示检测用光纤12的长度方向的距离的轴(z轴)、表示经过时间的轴、表示检测出的声波的强度的轴这三个轴的图表等、或控制处理部16求出的声波的发送源的位置等。另外，输出部40通过扬声器部44输出(再生)在检测用光纤12的长度方向上的任意位置检测出的声波。
在再生检测出的声波时的情况下，输出部40在保存于存储部16a中的相位变化ΔΦ的分布数据的z轴上的规定位置设定再生窗(参照图6)，将该再生窗内的相位变化ΔΦ随着时刻(t1、t2、t3、…、ti)的经过的变化作为声(≈电压)的变化进行再生。
再生窗通常如在图6中作为单点的再生窗所示的那样设定在连接各时刻t1、t2、t3、…的z轴(检测用光纤12的长度方向)的指定位置的直线上。通过设定这种再生窗，碰撞到所述指定位置的声以时刻t1、t2、t3、…的经过顺序被再生。此外，再生窗并不限定于设定在所述直线上，例如也可以设定在z轴方向上具有规定的宽度的再生窗(在图6中单点的再生窗的左侧所示的再生窗)。在该情况下，在各时刻t1、t2、t3、…多个频率的声以混合的状态被再生。
在以上的分布型光纤声波检测装置10中，如图7所示那样进行声波的检测。下面详细地进行说明。
首先，配置检测用光纤12。该检测用光纤12既可以架设于空气中，也可以配置于地中、建筑物等的壁内、飞机等交通工具或壁等构造物的表面等。另外，检测用光纤12也可以缠绕在人体上的方式配置。
在架设于空气中的情况下，能够检测在空气中传播并到达检测用光纤12的声波。另外，在配置于地中、建筑物等的壁内、交通工具、构造物的表面等的情况下，能够检测在构成地中、壁、交通工具、构造物的各构件中传播并到达检测用光纤12的声波。并且，也可以将在建筑物内为了通信而已布设的光纤用作为检测用光纤12。在该情况下，室内产生的声波(声)在室内的空气、壁等中依次传播并到达检测用光纤(为了通信而已布设的光纤)12，由此能够检测该声波。另外，在缠绕于人体上的情况下，能够检测在人体中传播并到达检测用光纤12的声波(例如超声波等)。
当配置了检测用光纤12时，控制处理部16让从光脉冲射出部20以第1时间间隔TD输出被相位调制的光脉冲Pi，并使其经由光环行器14输入到检测用光纤12内。详细而言如下。
光源部22输出具有规定的脉冲宽度D且直线偏振的光脉冲Pi(步骤S1)。该光脉冲Pi以基于作为检测对象的声(在具有规定的频带的情况下为频率最高的声)的周期设定的第1时间间隔TD依次被输出。
该光脉冲Pi被第2分光部224分光为一对光脉冲(第1光脉冲和第2光脉冲)并提供给调制部24。在调制部24中，各相位调制器240a、240b利用由码生成部244生成的成对码(第1码序列Ai和第2码序列Bi)，对对应的一对光脉冲(由第2分光部224中分光的一对光脉冲)分别进行相位调制(步骤S2)。即，第1相位调制器240a利用第1码序列Ai对第1光脉冲进行相位调制，并且第2相位调制器240b利用第2码序列Bi对第2光脉冲进行相位调制。由此，各光脉冲被分割为多个单元。
通过各相位调制器240a、240b被相位调制后的一对光脉冲在合成部242中以偏光方向相互正交的状态被合成，该合成后的光脉冲Pi以第1时间间隔TD从光脉冲射出部20输出(步骤S3)。该光脉冲Pi经由光环行器14从第1端部12a输入到检测用光纤12内。由此，多个光脉冲P1、P2、P3、…、Pi在检测用光纤12内以与第1时间间隔TD对应的间隔向第2端部12b前进(参照图2)。
此时，例如在进行在固体中传播的声波的检测的情况下，如果固体中的声波的速度为5000m/s、检测对象的声波的频率为20kHz，则声波的1周期为50μs，采样周期例如为25μs(采样周期可以为该值以下。)。在该采样周期的时间内光脉冲Pi在光纤中前进的距离为5km。因而，第1时间间隔TD被设定为25μs(可以为该值以下。)。在该情况下，如果检测用光纤12的全长L为10km，则光脉冲Pi往复的距离为20km，因此4脉冲(4个)的光脉冲以第1时间间隔TD(25μs间隔或5km间隔)在该光纤12内往复。
另外，如果例如检测对象的声波的频率为10MHz，则声波的1周期为0.1μs(=100ns)，采样频率例如为50ns(采样周期可以为该值以下。)。在该采样周期的时间内光脉冲Pi在光纤中前进的距离为10m。因而，第1时间间隔TD被设定为50ns(可以为该值以下。)。在该情况下，如果检测用光纤12的全长L为100m，则光脉冲Pi往复的距离为200m，因此20脉冲(20个)的光脉冲以第1时间间隔TD(50ns间隔或10m间隔)在该光纤12内往复。
当光脉冲Pi如上所述那样输入到检测用光纤12内时，接着，控制处理部16根据由瑞利散射光接收部30接收到的瑞利散射光对碰撞到检测用光纤12的声波进行检测。详细而言如下。
当声波到达(碰撞)检测用光纤12时，在该光纤12中产生因该声波的碰撞引起的应变。该应变是检测用光纤12的长度方向(声波碰撞的位置处的检测用光纤12的中心轴(切线)方向)的应变。如果在产生了该应变的位置产生瑞利散射光，则该瑞利散射光与未产生所述应变时在相同的位置产生的瑞利散射光相比相位发生变化。该相位变化ΔΦ的大小与碰撞到检测用光纤12的声波的大小、频率等相对应。因此，瑞利散射光接收部30根据返回到检测用光纤12的第1端部12a的瑞利散射光，检测因声波对该检测用光纤12的碰撞产生的瑞利散射光的相位变化ΔΦ(应变的信息)，根据该相位变化ΔΦ对碰撞到检测用光纤12的声波进行检测。即，接收由射入检测用光纤12内的光脉冲Pi产生的瑞利散射光，从该瑞利散射光获取因声波的碰撞在检测用光纤12中产生的应变的信息。
更详细而言，首先，数字相干接收部320将接收到的瑞利散射光的正交的偏振成分(P/S偏振)和正交的相位成分(I/Q信道)进行分离。接着，数字信号处理部322在进行了A/D变换后，通过图4所示的电路生成与第1光脉冲对应的P偏振数字信号以及与第2光脉冲对应的S偏振数字信号并进行输出。然后，第1解调部324a(第2解调部324b)对P偏振数字信号(S偏振数字信号)进行与在第1相位调制器240a(第2相位调制器240b)中的相位调制对应的解调(Ai’·Ai*以及Bi’·Bi*)(步骤S4)。
当P偏振数字信号和S偏振数字信号分别被解调时，成对合成部360取得通过该解调求出的P偏振散射光(与P偏振散射光对应的信号)与S偏振散射光(与S偏振散射光对应的信号)之和来作为解调信号。由此，相当于通过相位调制而被分割为多个单元的瑞利散射光(光脉冲)的信号成为相当于一个单元的脉冲宽度的单脉冲(未被分割为多个单元的光脉冲)的信号。在此，当输入到检测用光纤12的光脉冲Pi因折射率的波动而反射从而产生了瑞利散射光时，由于构成光脉冲Pi的所有单元因所述波动而被反射，因此各单元分别包含该被反射的位置的应变信息。因此，通过解调而成为单脉冲(与单脉冲相当的信号)，从而使包含在各单元中的应变信息被汇总。由此，能够根据相当于一个光脉冲(瑞利散射光)的信号得到与在向检测用光纤12输出与所述单元的数目相同的数目的光脉冲的情况下所得到的信息量相同程度的应变信息。
当被解调的P偏振数字信号和S偏振数字信号被成对合成部360合成而生成解调信号时，相位导出部362根据该解调信号求出与该解调信号对应的瑞利散射光的相位。然后，相位变化导出部364根据该瑞利散射光的相位和在相位导出部362中前次求出的瑞利散射光的相位求出瑞利散射光的相位变化(即，因声波的碰撞而在检测用光纤12中引起的应变所产生的瑞利散射光的相位变化)ΔΦ(步骤S5)。在本实施方式中，由于因声波的碰撞引起的检测用光纤12的应变在极短的时间内变化，因此导出部36根据前次测定时(例如图6中的时刻t1)的瑞利散射光与接下来测定时(例如图6中的时刻t2)的瑞利散射光的相位差求出相位变化ΔΦ。
当这样求出了相位变化ΔΦ时，声波检测部34分别形成各时刻t1、t2、t3、…、ti的z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布数据，并保存到存储部16a(步骤S6)。该z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布是碰撞到z轴方向上的各位置的声波的分布。
此时，用一个光脉冲Pi能够检测(扫描)的z轴方向(长度方向)的声波的分布在光脉冲Pi能够在声波(检测对象的声波)的采样周期、即作为检测对象的声波的最大频率的周期的一半时间内在检测用光纤12内往复的范围内。通过从光脉冲射出部20以第1时间间隔TD输出多个光脉冲P1、P2、P3、…、Pi，可以由多个光脉冲P1、P2、P3、…、Pi在所述采样周期内对检测用光纤12的z轴方向(长度方向)的整个区域进行扫描。
当如上所述那样检测出z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布(声波的z轴方向的分布)时，接着，输出部40将在z轴方向(长度方向)上的指定位置(设定了再生窗的z轴上的位置)的随着时刻的经过(t1、t2、t3、…、ti)的相位变化ΔΦ的变化变换为电压的变化，由此，对碰撞到检测用光纤12的所述指定位置的声波进行再生(步骤S7)。
另外，控制处理部16根据由声波检测部34保存在存储部16a中的z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布确定声波的发送源的位置，输出部40通过显示部42对其进行显示。
此外，在控制处理部16中能够安装用于根据z轴方向的相位变化ΔΦ的分布再现地中、构造物内部的情形的程序。控制处理部16在由检测用光纤12检测出在地中、构造物内传播的声波时，通过执行所述程序，能够根据得到的z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布再现地中的情形、油井的状态、构造物内部的情形，输出部40能够显示各种信息。另外，当在控制处理部16中安装用于根据z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布再现人体内部的情形的程序时，通过由检测用光纤12检测在人体内传播的声波，并且执行所述程序，控制处理部16能够根据得到的z轴方向(长度方向)的相位变化ΔΦ的分布检测出人体内部的情形，输出部40将其作为图像进行显示。
根据以上的分布型光纤声波检测装置10，通过使基于规定的码序列被进行了相位调制的光脉冲Pi射入检测用光纤12，并且对通过该光脉冲Pi在检测用光纤12内产生的瑞利散射光进行与所述相位调制对应的解调(即，进行利用规定的码序列的脉冲压缩)，能够得到与利用脉冲宽度(与单元的宽度d相当的脉冲宽度)小且信号强度强的光脉冲进行声波检测时同等的效果。由此，能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的检测用光纤12的长度方向(z轴方向)上的各区域的声波，并且能够实现高的长度方向分辨率。
具体而言，通过利用规定长度(基于检测用光纤12的长度尺寸L的长度)的码序列(在本实施方式中为Golay码序列)对光脉冲Pi进行相位调制，在射入检测用光纤12的光脉冲Pi中能够确保足以检测声波的能量。详细而言如下。
利用长的码序列被相位调制的光脉冲Pi的脉冲宽度D根据该码序列的长度而相应地大，因此，越是利用长的码序列被相位调制的光脉冲Pi，具有越大的能量。因此，在接收到在检测用光纤12的第2端部12b附近产生的瑞利散射光时，将利用充分确保声波的检测所需的信号强度的长度的码序列被相位调制的光脉冲Pi用于声波的检测。由此，不管接收到在长条的检测用光纤12的长度方向上的哪一位置产生的瑞利散射光，该瑞利散射光都具有声波的检测所需的足够的信号强度。因此，能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的检测用光纤12的长度方向上的各区域的声波。
并且，如果光脉冲Pi通过相位调制被分割为多个单元，则在通过该光脉冲Pi而在检测用光纤12内产生了瑞利散射光时，该瑞利散射光的各单元分别包含(具有)产生该瑞利散射的部位的应变信息。由此，通过利用一个光脉冲Pi的测定能够得到大量的应变信息。即，通过对接收到的瑞利散射光进行解调，各单元所包含的应变信息被汇总，因此能够得到与利用许多(与单元的数目相当的数目)光脉冲测定产生所述瑞利散射的部位的应变时相同程度的应变信息。这样，通过进行利用规定的码序列的脉冲压缩，根据通过一个光脉冲Pi产生的瑞利散射光能够得到检测用光纤12的产生该瑞利散射光的部位的足够量的应变信息。其结果，即使是由于声波碰撞而在检测用光纤12中产生并在极短时间内变化的应变，也能够高精度地对其进行检测。
并且，光脉冲Pi通过相位调制被分割为规定宽度d的多个单元，由此还能够得到与利用脉冲宽度与所述单元的宽度d相同的光脉冲进行测定时相同的长度方向分辨率。即，通过将光脉冲Pi分割为与如上所述的规定长度的码序列对应的数目的单元，能够充分确保该光脉冲Pi所具有的能量来检测碰撞到远离检测用光纤12的第1端部12a的位置的声波，并且能够实现与单元宽度相应的高的长度方向分辨率。
在进行如本实施方式那样的利用码序列的脉冲压缩的情况下，由于能够通过一个光脉冲Pi得到检测用光纤12中的产生瑞利散射光的部位的足够量的应变信息，因此不需要对射入检测用光纤12的光脉冲Pi的频率进行扫描(sweep)测定。因此，根据该分布型光纤声波检测装置10，即使在光脉冲射出部20中使用与输出的光脉冲的频率可变的光源部相比结构简单的光源部22，也能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的检测用光纤12的长度方向上的各区域的声波，并且能够实现高的长度方向分辨率。
另外，通过如本实施方式那样进行利用自相关函数的和为δ函数的一对码序列(例如Golay码序列)的脉冲压缩，在根据由数字相干接收部320、数字信号处理部322及解调部324分离、解调的一对瑞利散射光(P偏振散射光和S偏振散射光)求出相位变化时，能够排除该一对瑞利散射光以外的瑞利散射光的影响。由此，能够更可靠地进行声波的高灵敏度且高精度的检测。
即，通过利用Golay码序列，在图2中，
Ai*Ai+Bi*Bi=2Mδ
Ai*Aj+Bi*Bj=0
分别成立。在此，*表示相关运算，M表示码列的长度。
由此，所述一对瑞利散射光的一方(例如、P偏振散射光)与另一方瑞利散射光的自相关函数的和为0，因此能够从测定结果排除所述一对瑞利散射光以外的瑞利散射光的影响。
另外，本实施方式的分布型光纤声波检测装置10通过相位测定部50检测光脉冲Pi因光源220引起的相位变化，在由解调部324进行与调制部24中的相位调制相应的解调之前，对接收到的瑞利散射光进行基于相位测定部50的测定结果的修正。由此，能够抑制解调后的瑞利散射光中因光源220引起的相位变化的影响。其结果，在本实施方式的分布型光纤声波检测装置10中，能够高精度地进行声波的检测。具体而言如下。
根据光源的种类，存在输出的光线(光脉冲)的相位随着时刻的经过而变化的光源，该相位变化没有规则性。因此，在分布型光纤声波检测装置10使用了所述相位变化的光源220的情况下，如果对接收到的瑞利散射光直接进行解调，则解调后的瑞利散射光处于包含因光源220引起的相位变化的影响(相位杂讯)的状态。因此，如本实施方式的分布型光纤声波检测装置10那样，通过测定光脉冲Pi的因光源220引起的相位变化，对解调前的瑞利散射光进行基于该测定结果的修正，相位杂讯被消除，解调后的瑞利散射光中的所述相位杂讯的影响得以抑制。由此，即使使用输出的光线的相位随着时刻的经过而变化的光源220，也能够高精度地检测声波。
(第2实施方式)
接着，参照图8说明本发明的第2实施方式，对与上述第1实施方式相同的结构使用相同符号并省略详细的说明，仅详细说明不同的结构。
该分布型光纤声波检测装置10A具备装置主体11和检测用光纤12。而且，装置主体11具备光脉冲射出部20A、相位测定部50A、50B、光环行器14、瑞利散射光接收部30A、控制处理部16以及输出部40。
此外，在本实施方式的分布型光纤声波检测装置10A中，也与第1实施方式同样，可以在光脉冲射出部20A与光环行器14之间配置掺铒光纤(EDFA)等光放大器。
光脉冲射出部20A具备输出规定频率的光脉冲的光源部22A、对光源部22A输出的光脉冲Pi进行相位调制的调制部24A以及强度调制部26，使光脉冲从检测用光纤12的第1端部12a射入该检测用光纤12内。
光源部22A具有第1光源220A、第2光源220B、第3分光部225以及第4分光部226。第1光源220A输出指定的波长λ1的第1光脉冲。另外，第2光源220B输出与波长λ1不同的波长λ2的第2光脉冲。即，第1光脉冲和第2光脉冲的波长λ互不相同。
第3分光部225使从第1光源220A输出的第1光脉冲分光(分支)，将该分光后的第1光脉冲分别输出到调制部24A和瑞利散射光接收部30A(详细而言分离和检波部312的第1混合器312a)。第4分光部226使从第2光源220B输出的第2光脉冲分光(分支)，将该分光后的第2光脉冲分别输出到调制部24A和瑞利散射光接收部30A(详细而言分离和检波部312的第2混合器312b)。
调制部24A具有相位调制部240A和合成部242A，分别对光源部22A(详细而言第1光源220A和第2光源220B)输出的第1光脉冲和第2光脉冲进行相位调制并合成。
相位调制部240A具有第1相位调制器240a、第2相位调制器240b以及制作由第1码序列Ai和第2码序列Bi构成的一对码序列(成对码：参照图2)的脉冲产生器(PulseGenerator)28。
脉冲产生器28具有生成用于第1光脉冲和第2光脉冲的相位调制的成对码的码生成部244、以及生成合成后的光脉冲Pi的强度调制用的信号(强度信号)的强度调制信号生成部245。
强度调制信号生成部245连接于强度调制部26，以与码生成部244生成的成对码对应的脉冲宽度D和脉冲间隔(第1时间间隔)TD输出强度调制用的信号(参照图2)。
合成部242A将在相位调制部240A中分别被相位调制的第1光脉冲与第2光脉冲合成为一个光脉冲Pi输出。本实施方式的合成部242A通过波分复用(WDM：WavelengthDivision Multiplex)技术将第1光脉冲与第2光脉冲合成为一个光脉冲Pi输出。
强度调制部26基于来自脉冲产生器28的强度调制信号生成部245的强度调制用信号对从合成部242A输出的光脉冲Pi进行强度调制。
与第1实施方式同样，被分割为宽度为d的多个单元且具有脉冲宽度D的光脉冲Pi以第1时间间隔TD从以上的光脉冲射出部20A输出。
相位测定部(第1相位测定部)50A测定第1光源220A输出的第1光脉冲的相位，检测该第1光脉冲中因第1光源220A引起的相位的变化(相位的时间变化)，并向第1解调部324a输出与该测定结果相应的相位信号。
相位测定部(第2相位测定部)50B测定第2光源220B输出的第2光脉冲的相位，检测该第2光脉冲中因第2光源220B引起的相位的变化(相位的时间变化)，并向第2解调部324b输出与该测定结果相应的相位信号。
瑞利散射光接收部30A具有相位变化导出部32A和声波检测部34，接收因光脉冲(波长互不相同的第1光脉冲与第2光脉冲合成后的光脉冲)Pi的入射而在检测用光纤12内产生的瑞利散射光。相位变化导出部32A具有分光部310、分离和检波部312、解调部324以及导出部36。分光部310以1/2的比率(50:50)将来自检测用光纤12的瑞利散射光进行分支并输出到分离和检波部312(详细而言第1混合器312a和第2混合器312b)。本实施方式的分光部310是3dB分光器(3dB分束器)。
分离和检波部312具有第1混合器312a、第2混合器312b、第1A/D变换部312c以及第2A/D变换部312d，从来自检测用光纤12的瑞利散射光分别提取作为与第1光脉冲对应的成分的第1瑞利散射光以及作为与第2光脉冲对应的成分的第2瑞利散射光。
第1混合器312a将来自第3分光部225的第1光脉冲作为本地光对来自检测用光纤12的瑞利散射光进行检波，从该瑞利散射光提取与第1光脉冲对应的第1瑞利散射光，并输出其I、Q信号(模拟信号)。第2混合器312b将来自第4分光部226的第2光脉冲作为本地光对来自检测用光纤12的瑞利散射光进行检波，从该瑞利散射光提取与第2光脉冲对应的第2瑞利散射光，并输出其I、Q信号(模拟信号)。
第1A/D变换部312c对从第1混合器312a输出的第1瑞利散射光的I、Q信号分别进行A/D变换使其成为数字信号，并输出到解调部324(详细而言第1解调部324a)。另外，第2A/D变换部312d对从第2混合器312b输出的第2瑞利散射光的I、Q信号分别进行A/D变换使其成为数字信号，并输出到解调部324(详细而言第2解调部324b)。
在各A/D变换部312c、312d中，与第1实施方式同样，A/D变换的分辨率只有6bit，而在本实施方式中，也通过基于Golay码序列的相位调制分割光脉冲而形成212个单元。因此，在其被解调时汇总为一个光脉冲，由此能够得到与具有18bit(=6+12)的分辨率的情况相同的精度。
解调部324具有第1解调部324a和第2解调部324b，分别对基于由各相位测定部50A、50B检测出的相位的变化而被修正的第1瑞利散射光和第2瑞利散射光进行解调。
具体而言，第1解调部324a在基于由相位测定部50A检测出的相位的变化修正了第1瑞利散射光之后，对该修正后的第1瑞利散射光进行与第1相位调制器240a中的相位调制对应的解调。另外，第2解调部324b在基于由相位测定部50B检测出的相位的变化修正了第2瑞利散射光之后，对该修正后的第2瑞利散射光进行与第2相位调制器240b中的相位调制对应的解调。
根据本实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置10A，也能通过进行利用规定的码序列的脉冲压缩而得到与利用脉冲宽度(与单元的宽度d相当的脉冲宽度)小且信号强度强的光脉冲进行声波检测时同等的效果。由此，能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的检测用光纤12的长度方向上的各区域的声波，并且能够实现高的长度方向分辨率。
另外，即使如本实施方式那样使用将波长互不相同的第1光脉冲与第2光脉冲合成(WDM)所得的光脉冲Pi，也能够容易且可靠地将接收到的瑞利散射光分离成第1瑞利散射光和第2瑞利散射光，因此与第1实施方式同样能够更可靠地进行声波的高灵敏度且高精度的检测。但是，如第1实施方式那样通过分光部(第2分光部224)将光源220输出的光脉冲分光为第1光脉冲和第2光脉冲的结构能够抑制光源的数目。
(第3实施方式)
接着，参照图9说明本发明的第3实施方式，对与上述第1实施方式和第2实施方式相同的结构使用相同的符号并省略详细的说明，仅详细说明不同的结构。
该分布型光纤声波检测装置10B具备装置主体11和检测用光纤12。而且，装置主体11具备光脉冲射出部20B、光环行器14、瑞利散射光接收部30B、控制处理部16以及输出部40。该分布型光纤声波检测装置10B在将光脉冲分割为多个单元时，不是如第1实施方式和第2实施方式的分布型光纤声波检测装置10、10A那样通过相位调制进行分割，而是通过强度调制进行分割。
光脉冲射出部20B具备输出规定频率的光脉冲的光源部22B、对光源部22B输出的光脉冲进行强度调制的调制部24B以及脉冲强度调制部26，使光脉冲从检测用光纤12的第1端部12a射入该光纤12内。
光源部22B具有第1光源220C、第2光源220D、第3光源220E、第4光源220F以及分光部230、231、232、233。
第1光源220C输出指定的波长λ1的第1光脉冲。第2光源220D输出波长λ2的第2光脉冲。第3光源220E输出波长λ3的第3光脉冲。第4光源220F输出波长λ4的第4光脉冲。在此，波长λ1、波长λ2、波长λ3以及波长λ4互不相同。即，第1光源220C、第2光源220D、第3光源220E以及第4光源220F分别输出不同波长λ的光脉冲。
各分光部230、231、232、233使从对应的光源220C、220D、220E、220F输出的光脉冲分光(分支)，将该分光后的光脉冲分别输出到调制部24B和瑞利散射光接收部30B的接收部313B。
调制部24B具有强度调制部250和合成部242A，分别对光源部22B(详细而言第1光源220C、第2光源220D、第3光源220E以及第4光源220F)输出的第1光脉冲、第2光脉冲、第3光脉冲以及第4光脉冲进行强度调制并合成。
强度调制部250具有利用由第1码序列Ai和第2码序列Bi构成的一对码序列(成对码)制作用于强度调制的码序列(码)的脉冲产生器28B、第1强度调制器251、第2强度调制器252、第3强度调制器253以及第4强度调制器254。
脉冲产生器28B具有生成用于各光脉冲(第1光脉冲、第2光脉冲、第3光脉冲以及第4光脉冲)的强度调制的一组码的码生成部244B、以及生成合成后的光脉冲Pi的强度调制用的信号(强度信号)的强度调制信号生成部245。
码生成部244B利用与第1实施方式和第2实施方式同样的由第1码序列Ai和第2码序列Bi构成的成对码，生成包含第1-1码序列A1i、第1-2码序列A2i、第2-1码序列B1i以及第2-2码序列B2i的一组码。码生成部244B将生成的各码序列(码)输出到各强度调制器251、252、253、254。详细而言，码生成部244B将第1-1码序列A1i输出到第1强度调制器251，将第1-2码序列A2i输出到第2强度调制器252，将第2-1码序列B1i输出到第3强度调制器253，将第2-2码序列B2i输出到第4强度调制器254。
具体而言，第1-1码序列A1i为(1-Ai)/2，第1-2码序列A2i为(1+Ai)/2，第2-1码序列B1i为(1-Bi)/2，第2-2码序列B2i为(1+Bi)/2。这是因为，在如第1实施方式和第2实施方式那样对光脉冲进行相位调制的情况下，调制后的值有可能为负，但是在对光脉冲进行强度调制的情况下调制后的值不能成为负，因此代替第1实施方式和第2实施方式中的成对码而使用如上所述的一组(四个)码。因而，在如本实施方式的分布型光纤声波检测装置10B那样通过强度调制将光脉冲分割为多个单元的结构中，至少需要四个光源220C、220D、220E、220F。
第1强度调制器251利用从脉冲产生器28B(码生成部244B)输入的第1-1码序列A1i对第1光脉冲进行强度调制。第2强度调制器252利用从脉冲产生器28B(码生成部244B)输入的第1-2码序列A2i对第2光脉冲进行强度调制。第3强度调制器253利用从脉冲产生器28B(码生成部244B)输入的第2-1码序列B1i对第3光脉冲进行强度调制。第4强度调制器254利用从脉冲产生器28B(码生成部244B)输入的第2-2码序列B2i对第4光脉冲进行强度调制。
这样，第1～第4光脉冲分别通过各强度调制器251、252、253、254而被强度调制，由此与第1实施方式和第2实施方式同样，各光脉冲被分割为规定的宽度d的多个单元。
瑞利散射光接收部30B具有相位变化导出部32B和声波检测部34，接收因光脉冲(波长互不相同的第1光脉冲、第2光脉冲、第3光脉冲以及第4光脉冲合成后的光脉冲)Pi的入射而在检测用光纤12内产生的瑞利散射光。
相位变化导出部32B具有散射光分光部310B、接收部313B、光电变换部315B、解调部324B以及导出部36B。
散射光分光部310B以1/4的比率(25:25:25:25)将来自检测用光纤12的瑞利散射光进行4分支并输出到接收部313B。本实施方式的散射光分光部310B是6dB分光器(6dB分束器)。
接收部313B具有第1～第4接收器313a、313b、313c、313d，分别从来自检测用光纤12的瑞利散射光提取作为与第1光脉冲对应的成分的第1瑞利散射光、作为与第2光脉冲对应的成分的第2瑞利散射光、作为与第3光脉冲对应的成分的第3瑞利散射光以及作为与第4光脉冲对应的成分的第4瑞利散射光。
第1接收器313a连接于散射光分光部310B，使来自分光部230的第1光脉冲作为本地光与来自检测用光纤12的瑞利散射光干涉，从该瑞利散射光提取与第1光脉冲对应的第1瑞利散射光。然后，第1接收器313a分离出所提取的第1瑞利散射光的P偏振和S偏振并输出。第2接收器313b连接于散射光分光部310B，使来自分光部231的第2光脉冲作为本地光与来自检测用光纤12的瑞利散射光干涉，从该瑞利散射光提取与第2光脉冲对应的第2瑞利散射光。然后，第2接收器313b分离出所提取的第2瑞利散射光的P偏振和S偏振并输出。第3接收器313c连接于散射光分光部310B，使来自分光部232的第3光脉冲作为本地光与来自检测用光纤12的瑞利散射光干涉，从该瑞利散射光提取与第3光脉冲对应的第3瑞利散射光。然后，第3接收器313c分离出所提取的第3瑞利散射光的P偏振与S偏振并输出。第4接收器313d连接于散射光分光部310B，使来自分光部233的第4光脉冲作为本地光与来自检测用光纤12的瑞利散射光干涉，从该瑞利散射光提取与第4光脉冲对应的第4瑞利散射光。然后，第4接收器313d分离出所提取的第4瑞利散射光的P偏振和S偏振并输出。
光电变换部315B具有第1～第4数字相干接收器315a、315b、315c、315d，将来自接收部313B的各接收器313a、313b、313c、313d的光信号(瑞利散射光)变换为数字信号。
第1数字相干接收器315a对来自第1接收器314a的第1瑞利散射光的P偏振和S偏振进行A/D变换并合成输出数字信号SA1。第2数字相干接收器315b对来自第2接收器314b的第2瑞利散射光的P偏振和S偏振进行A/D变换并合成输出数字信号SA2。第3数字相干接收器315c对来自第3接收器314c的第3瑞利散射光的P偏振和S偏振进行A/D变换并合成输出数字信号SB1。第4数字相干接收器315d对来自第4接收器314d的第4瑞利散射光的P偏振和S偏振进行A/D变换并合成输出数字信号SB2。
解调部324B具有第1～第4解调部324e、324f、324g、324h，对来自光电变换部315B的各数字相干接收器315a、315b、315c、315d的数字信号SA1、SA2、SB1、SB2，根据与该数字信号(第1～第4瑞利散射光)对应的光脉冲(第1～第4光脉冲)在强度调制部250中的强度调制相应地进行解调。
第1解调部324e对从第1数字相干接收器315a输出的数字信号(与第1瑞利散射光对应的信号)SA1基于第1光脉冲在调制部24B中被强度调制时的码(第1-1码序列A1i)进行解调(具体而言，SA1·A*)。第2解调部324f对从第2数字相干接收器315b输出的数字信号(与第2瑞利散射光对应的信号)SA2基于第2光脉冲在调制部24B中被强度调制时的码(第1-2码序列A2i)进行解调(具体而言，SA2·A*)。第3解调部324g对从第3数字相干接收器315c输出的数字信号(与第3瑞利散射光对应的信号)SB1基于第3光脉冲在调制部24B中被强度调制时的码(第2-1码序列B1i)进行解调(具体而言，SB1·B*)。第4解调部324h对从第4数字相干接收器315d输出的数字信号(与第4瑞利散射光对应的信号)SB2基于在第4光脉冲在调制部24B中被强度调制时的码(第2-2码序列B2i)进行解调(具体而言，SB2·B*)。
导出部36B具备合成部330和相位变化导出部364，求出被解调的瑞利散射光的相位变化ΔΦ。
合成部330将与在各解调部324e、324f、324g、324h中被解调的第1～第4瑞利散射光对应的数字信号进行合成，求出所接收到的瑞利散射光的相位Φ。具体而言，合成部330根据由第1解调部324e解调的信号SA1·A*以及由第2解调部324f解调的信号SA2·A*求出信号(SA1-SA2)·A*，并且根据由第3解调部324g解调的信号SB1·B*以及由第4解调部324h解调的信号SB2·B*求出信号(SB1-SB2)·B*。然后，合成部330根据这些信号(SA1-SA2)·A*和信号(SB1-SB2)·B*求出相当于瑞利散射光的相位Φ的信号S=(SA·A*+SB·B*)。在此，SA=SA1-SA2，SB=SB1-SB2。
相位变化导出部364求出由合成部330最近求出的瑞利散射光的相位Φ与前次求出的瑞利散射光的相位Φ之差(相位变化)ΔΦ。
即使在如本实施方式所涉及的分布型光纤声波检测装置10B那样通过强度调制将光脉冲分割为多个单元的情况下，也能够通过进行利用规定的码序列的脉冲压缩而得到与利用脉冲宽度(与单元的宽度d相当的脉冲宽度)小且信号强度强的光脉冲进行声波检测时同等的效果。由此，能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的检测用光纤12的长度方向上的各区域的声波，并且能够实现高的长度方向分辨率。
此外，本发明的分布型光纤声波检测装置并不限定于上述第1～第3实施方式，当然能够在不脱离本发明的宗旨的范围内施加各种变更。
上述第1～第3实施方式的光脉冲射出部20、20A、20B具备一个具有光源部22、22A、22B以及调制部24、24A、24B的单元(脉冲单元)，但是并不限定于此。即，光脉冲射出部也可以具备多个脉冲单元。
在该情况下，从各脉冲单元输出的光脉冲具有互不相同的频率，如图10所示，通过控制处理部16进行控制，按照各脉冲单元以第1时间间隔TD输出光脉冲，而各脉冲单元之间的光脉冲的输出时机相互错开比第1时间间隔TD短的第2时间间隔TD2的方式依次输出光脉冲。此外，各脉冲单元所输出的光脉冲输出到同一检测用光纤12内。
由此，能够每隔短时间间隔(第2时间间隔TD2)检测声波沿着检测用光纤12的分布(即，同时碰撞到检测用光纤12的长度方向上的各区域的所述声波的分布)。即，能够以高采样率(第2时间间隔TD2)检测声波沿着检测用光纤12的分布。
另外，在上述第1～第3实施方式的分布型光纤声波检测装置10、10A、10B中，多个光脉冲同时在检测用光纤12内以第1时间间隔TD前进(扫描)，但是并不限定于此。也可以是从光脉冲射出部20、20A、20B输出一个光脉冲P1，在瑞利散射光接收部30、30A、30B接收到通过所述光脉冲P1在检测用光纤12的第2端部12b产生并返回到第1端部12a的瑞利散射光之后，输出下一个光脉冲P2。即，在分布型光纤声波检测装置中，也可以只有一个光脉冲在检测用光纤12内前进(扫描)。
在上述第1～第3实施方式的分布型光纤声波检测装置10、10A、10B中，利用自相关函数为δ函数的成对码(例如Golay码序列)对光脉冲进行调制，但是并不限定于此。即，用于光脉冲的调制的码序列也可以是自相关函数单独为δ函数的码序列，例如可以是M序列等。
在上述第3实施方式的分布型光纤声波检测装置10B中，也可以设置与第1实施方式和第2实施方式相同的相位测定部。在上述第3实施方式的分布型光纤声波检测装置10B中设置相位测定部的情况下，针对每个光源(第1～第4光源220C、220D、220E、220F)设置该相位测定部。即，如果是使用了在输出的光中随着时刻的经过相位的变化小的光源(例如窄线宽激光光源(小于10kHz)等)的分布型光纤声波检测装置，则即使没有相位测定部也能够在声波的检测中确保精度。但是，在使用了通常的光通信所使用的光源(1～3MHz)的情况下，由于所述相位的变化大，因此设置相位测定部以从瑞利散射光消除因该光源引起的相位变化的影响(相位杂讯)，由此能够确保声波的检测精度。
在测定因光源引起的相位变化时，光的相位容易受到温度变化或振动的影响，因此，优选将相位测定部设置于分布型光纤声波检测装置的装置主体内的温度变化或振动少的位置。例如，优选相位测定部50设置于如图1所示的光源220与第1分光部222之间、第2分光部224与第1相位调制器240a(或第2相位调制器240b)之间、光环行器14与检测用光纤12的第1端部12a之间等。
另外，上述的具体实施例主要包括具有以下结构的发明。
本发明的一个方面所涉及的分布型光纤声波检测装置是使用光纤作为传感器的分布型光纤声波检测装置，包括：使光脉冲从所述光纤的一端射入该光纤内的光脉冲射出部；以及接收因所述光脉冲的入射而在所述光纤内产生的瑞利散射光的瑞利散射光接收部。而且，所述光脉冲射出部输出利用具有基于所述光纤的长度尺寸的规定长度且使所述光脉冲被分割为规定宽度的多个单元的码序列而被调制的所述光脉冲，所述瑞利散射光接收部具有：对所述瑞利散射光进行与所述光脉冲射出部的调制对应的解调，从已被进行了该解调的所述瑞利散射光求出其相位变化的相位变化导出部；以及从由所述相位变化导出部求出的相位变化求出碰撞到所述光纤的声波的声波检测部。
根据本发明，使利用规定的码序列而被调制的光脉冲(探测光)射入光纤，并对该光脉冲在光纤内产生的瑞利散射光进行与所述调制对应的解调(即，进行利用规定的码序列的脉冲压缩)。这种结构能够得到与利用脉冲宽度(与单元宽度相当的脉冲宽度)小且信号强度强的光脉冲进行声波检测时同等的效果。据此，能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的光纤的长度方向上的各区域的声波，并且能够实现在所述长度方向上的高的分辨率(在本说明书中简单地称为“长度方向分辨率”)。
具体而言，通过利用规定长度(基于光纤的长度尺寸的规定长度)的码序列来调制光脉冲，射入光纤的光脉冲能够确保足以检测声波的能量。详细而言如下所示。
利用长的码序列被调制的光脉冲的脉冲宽度根据该码序列的长度而相应地大，因此，越是利用长的码序列被调制的光脉冲具有越大的能量。因此，在接收到在光纤的输入端(让光脉冲入射的端面)和相反侧的端部附近产生的瑞利散射光时，将利用充分确保声波的检测所需的信号强度的长度的码序列被调制的光脉冲用于声波的检测。由此，不管接收到在长条的光纤的长度方向上的哪一位置产生的瑞利散射光，该瑞利散射光都具有声波的检测所需的足够的信号强度，因此，能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的光纤的长度方向上的各区域的声波。
并且，如果光脉冲通过调制被分割为多个单元，则在通过该光脉冲而在光纤内产生了瑞利散射光时，该瑞利散射光的各单元分别包含(具有)产生该瑞利散射的部位的应变信息，其结果，通过利用一个光脉冲的测定能够得到大量的应变信息。即，通过对接收到的瑞利散射光进行解调，各单元所包含的应变信息被汇总，因此能够得到与利用许多(与单元的数目相当的数目)的光脉冲测定产生所述瑞利散射的部位的应变时相同程度的应变信息。这样，通过进行利用规定的码序列的脉冲压缩，根据通过一个光脉冲产生的瑞利散射光能够得到光纤的产生该瑞利散射光的部位的足够量的应变信息。其结果，即使是由于声波碰撞而在光纤中产生并在极短时间内变化的应变，也能够高精度地对其进行检测。
并且，光脉冲通过调制被分割为规定宽度的多个单元，由此能够得到与利用脉冲宽度与所述单元的宽度相同的光脉冲进行测定时相同的长度方向分辨率。即，通过将光脉冲分割为与如上所述的规定长度的码序列对应的数目的单元，能够充分确保该光脉所具有的能量来检测碰撞到远离光纤的输入端的位置的声波，并且能够实现与单元宽度相应的高的长度方向分辨率。
具体而言，在分别检测在光纤的长度方向上隔开间隔的两点的声波的情况下，对于未被分割为多个单元的光脉冲(单脉冲)，需要使脉冲宽度比该两点间的间隔短，否则当接收到在各点产生的瑞利散射光时不能区别是在哪个点产生的瑞利散射光。在此，如果光脉冲通过利用规定的码序列的调制而被分割为多个单元，则如上所述各单元能够起到与脉冲宽度小的光脉冲相同的作用。因此，通过利用码序列的调制将光脉冲分割为宽度小的多个单元，能够区别在上述各点产生的瑞利散射光，从而能够分别检测在上述各点产生的瑞利散射光的相位变化。其结果，能够分别检测碰撞到上述各点的声波，即能够实现高的长度方向分辨率。
此外，通过如上所述将光脉冲分割为宽度小的多个单元，还能够检测频率高的声波。
为了检测高频率的声波，在单脉冲的情况下，必须利用脉冲宽度比该高频率的声波在一周期内前进的距离短的光脉冲来进行测定。在此，如果光脉冲通过利用规定的码序列的调制而被分割为多个单元，则如上所述各单元能够起到与脉冲宽度小的光脉冲相同的作用。因此，通过利用码序列的调制将光脉冲分割为宽度小的多个单元，能够检测与各单元的宽度对应的高频率的声波。
另外，上述的分布型光纤声波检测装置的光脉冲射出部的所述调制可以是相位调制，也可以是强度调制。即，所述光脉冲射出部可以输出通过利用所述码序列的相位调制而被分割为所述多个单元的光脉冲，或者，所述光脉冲射出部也可以输出通过利用所述码序列的强度调制而被分割为所述多个单元的光脉冲。不管是哪一种调制，光脉冲都被分割为多个单元，据此，能够进行高灵敏度且高精度的声波的检测，并且能够实现在光纤的声波检测中的高的长度方向分辨率。
在上述的分布型光纤声波检测装置中，所述单元的宽度基于在所述声波的检测中所述光纤在长度方向的分辨率而设定，光脉冲通过形成这种被设定的宽度的单元的码序列而被调制。
在利用上述的码序列进行脉冲压缩的情况下，由于通过一个光脉冲能够得到光纤中产生瑞利散射光的部位的足够量的应变信息，因此不需要对射入光纤的光脉冲的频率进行扫描(sweep)测定。因此，在分布型光纤声波检测装置中，所述光脉冲射出部可以具有：输出规定频率的光脉冲的光源部；以及利用所述码序列对从所述光源部输出的光脉冲进行相位调制的调制部。即，光脉冲射出部即使使用结构比输出的光脉冲的频率为可变的光源部简单的光源部，也能够高灵敏度且高精度地检测碰撞到长条的光纤的长度方向上的各区域的声波，并且能够实现高的长度方向分辨率。
另外，在进行所述脉冲压缩的情况下，优选，所述光源部输出第1光脉冲和第2光脉冲，所述调制部具备：相位调制部，利用由自相关函数的和为δ函数的第1码序列和第2码序列构成的一对码序列，用所述第1码序列对所述第1光脉冲进行相位调制，并且用所述第2码序列对所述第2光脉冲进行相位调制；以及合成部，将通过所述相位调制部分别被相位调制的第1光脉冲和第2光脉冲合成为一个光脉冲，所述相位变化导出部具备：分离部，将所述瑞利散射光分离成与所述第1光脉冲对应的第1瑞利散射光以及与所述第2光脉冲对应的第2瑞利散射光；解调部，对由该分离部分离的第1瑞利散射光进行与所述第1码序列对应的解调，并且对所述分离的第2瑞利散射光进行与所述第2码序列对应的解调；以及导出部，从被解调的第1瑞利散射光和第2瑞利散射光求出所述相位变化。
通过如此进行利用自相关函数的和为δ函数的一对码序列的脉冲压缩，当从由分离部分离的一对瑞利散射光（第1瑞利散射光以及第2瑞利散射光）求出相位变化时，可以排除该一对瑞利散射光以外的瑞利散射光的影响。因此，能可靠地进行声波的高灵敏度且高精度的检测。
在这种情况下，所述光源部具有输出直线偏振的光脉冲的光源，以及将从所述光源输出的光脉冲以维持直线偏振的状态分光为所述第1光脉冲和所述第2光脉冲而输出的分光部，所述合成部可以将所述第1光脉冲与所述第2光脉冲以偏振方向相互正交的状态进行合成，另外，所述光源部也可以具有：输出所述第1光脉冲的第1光源，以及输出所述第2光脉冲的第2光源，所述第1光脉冲的波长与所述第2光脉冲的波长互不相同。不管是哪一种构成，因为能容易且可靠地将接收到的瑞利散射光分光为第1瑞利散射光和第2瑞利散射光，所以都能够可靠地进行声波的高灵敏度且高精度的检测。但是，通过分光部将光源输出的光脉冲分光为第1光脉冲和第2光脉冲的结构，能抑制光源的数目。
另外，在光源部具有光源和分光部的情况下，优选具备相位测定部，该相位测定部测定所述光脉冲的相位并检测该光脉冲中因所述光源而引起的相位的变化，所述解调部对基于由所述相位测定部检测出的相位的变化分别被修正的所述第1瑞利散射光和所述第2瑞利散射光进行解调，另外，在光源部具有第1光源和第2光源的情况下，优选具备：测定所述第1光脉冲的相位并检测该第1光脉冲中因所述第1光源而引起的相位的变化的第1相位测定部；以及测定所述第2光脉冲并检测该第2光脉冲中因所述第2光源而引起的相位变化的第2相位测定部，其中，所述解调部对基于由所述第1相位测定部检测出的相位变化而被修正的所述第1瑞利散射光和基于由所述第2相位测定部检测出的相位变化而被修正的所述第2瑞利散射光分别进行解调。
根据此结构，检测光脉冲的因光源而引起的相位的变化，在由解调部进行与调制部的调制对应的解调之前，通过对接收到的瑞利散射光进行基于测定结果的修正，可以抑制解调后的瑞利散射光中的因光源引起的相位的变化的影响。其结果，能够高精度地进行声波的检测。具体而言如下。
根据光源的种类，存在输出的光线(光脉冲)的相位随着时刻的经过而变化的光源，该相位变化(相位的时间变化)没有规则性。因此，在分布型光纤声波检测装置使用了所述相位变化的光源的情况下，如果对接收到的瑞利散射光直接进行解调，则解调后的瑞利散射光处于包含因所述光源引起的相位变化的影响(相位杂讯)的状态。因此，如上述的任意一种结构那样，通过测定光脉冲的因光源引起的相位变化，对解调前的瑞利散射光进行基于该测定结果的修正，相位杂讯被消除，从而可以抑制解调后的瑞利散射光中的相位杂讯的影响。由此，即使使用输出的光线的相位随着时刻的经过而变化的光源，也能够高精度地检测声波。
另外，在本发明所涉及的分布型光纤声波检测装置中，优选，所述光源部以基于通过所述光纤检测的声波的频率的第1时间间隔输出所述光脉冲，所述调制部利用对从所述光源部输出的每个光脉冲通过不同的码序列进行相位调制。
根据此结构，可以使用长条的光纤作为传感器，将碰撞到该光纤的长度方向上的各区域的频率高的声波(即1个周期短的声波)作为沿该光纤的声波的分布进行检测。详细而言如下。
根据奈奎斯特的采样定理，采样周期需要被设定为检测(测定)出的声波的最大频率的2倍以上。即，采样周期(=1/采样频率)需要被设定在作为检测对象的声波的最大频率的周期的一半以下。在此，用一个光脉冲能够检测(扫描)的声波的分布(碰撞到长度方向上的各区域的声波的分布)在所述光脉冲能够在所述采样周期的时间内在光纤内往复的范围内。而且，频率高的声波(例如，超声波)因1周期的时间短，因此光脉冲在该一半的时间内(所述频率高的声波的半周期的时间)可在光纤内往复的距离短。因此，利用一个光脉冲能够将所述频率高的声波作为沿着光纤的分布来检测的范围窄(短)。因此，在被用作传感器的光纤比在所述检测的声波的半周期内光脉冲能够往复的范围长的情况下，如果将采样周期设定为光脉冲的往复时间以上，则在声波的频谱中产生混叠(aliasing)，所检测出的声波产生混乱。另外，如果将采样周期设定为光脉冲的往复时间以下，则会同时接收到来自该光纤的长度方向上的多个区域的瑞利散射光，无法检测声波的整体分布。
因此，通过以比作为检测对象的声波(在作为检测对象的声波的频带宽的情况下为所述频带中的最高的频率的声波)的半周期短的时间间隔(第1时间间隔)输出光脉冲，使多个光脉冲在光纤上以规定的间隔(与所述第1时间间隔对应的间隔)前进，由此，能够通过多个光脉冲在所述半周期内对光纤的长度方向上的整个区域进行扫描，并且能够依次接收来自所述长度方向上的各区域的瑞利散射光。另一方面，由于隔开间隔输出的各光脉冲利用互不相同的(相互独立的)码序列而被相位调制，因此通过对接收到的瑞利散射光进行解调，能够判别该瑞利散射光是由哪个光脉冲产生的。
因此，即使是将长条的光纤作为传感器使用来检测高频率的(即1周期短的)声波，通过以第1时间间隔输出光脉冲，也可高精度地检测沿该光纤的声波的分布。
在以第1时间间隔输出光脉冲的结构的情况下，所述光脉冲射出部包括具有所述光源部和所述调制部的多个脉冲单元，从各脉冲单元输出的所述光脉冲的频率互不相同，所述多个脉冲单元按照各脉冲单元以所述第1时间间隔输出所述光脉冲，而各脉冲单元之间的光脉冲的输出时机相互错开比所述第1时间间隔短的第2时间间隔的方式依次输出光脉冲。
根据此结构，能够每隔短的时间间隔(第2时间间隔)检测频率高的声波的沿着光纤的分布(即，同时碰撞到光纤的长度方向上的各区域的所述声波的分布)。即，能够以与第2时间间隔对应的高的采样率(时间分辨率)检测频率高的声波的沿着光纤的分布。
如上所示，根据本发明，能够提供一种高灵敏度且高精度地检测声波、并且能够实现高的分辨率的分布型光纤声波检测装置。

Claims (12)

1.一种分布型光纤声波检测装置，将光纤作为传感器而使用，其特征在于包括：
光脉冲射出部，使光脉冲从所述光纤的一端射入该光纤内；以及
瑞利散射光接收部，接收因所述光脉冲的入射而在所述光纤内产生的瑞利散射光，其中，
所述光脉冲射出部，输出利用码序列而被调制的所述光脉冲，所述码序列具有基于所述光纤的长度尺寸的规定长度且使所述光脉冲被分割为规定宽度的多个单元，
所述瑞利散射光接收部具有：
相位变化导出部，对所述瑞利散射光进行与所述光脉冲射出部的调制对应的解调，从已被进行了该解调的所述瑞利散射光求出其相位变化；以及
声波检测部，从由所述相位变化导出部求出的相位变化求出碰撞到所述光纤的声波。
2.根据权利要求1所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，所述调制是相位调制。
3.根据权利要求1所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，所述调制是强度调制。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，所述单元的宽度基于在所述声波的检测中所述光纤在长度方向的分辨率。
5.根据权利要求1或2所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，所述光脉冲射出部具有：
光源部，输出规定频率的光脉冲；以及
调制部，利用所述码序列对从所述光源部输出的光脉冲进行相位调制。
6.根据权利要求5所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述光源部输出第1光脉冲和第2光脉冲，
所述调制部具有：
相位调制部，利用由自相关函数的和为δ函数的第1码序列和第2码序列构成的一对码序列，用所述第1码序列对所述第1光脉冲进行相位调制，并且用所述第2码序列对所述第2光脉冲进行相位调制；以及
合成部，将通过所述相位调制部分别被相位调制的第1光脉冲和第2光脉冲合成为一个光脉冲，
所述相位变化导出部具有：
分离部，将所述瑞利散射光分离成与所述第1光脉冲对应的第1瑞利散射光以及与所述第2光脉冲对应的第2瑞利散射光；
解调部，对由所述分离部分离的第1瑞利散射光进行与所述第1码序列对应的解调，并且对所述分离的第2瑞利散射光进行与所述第2码序列对应的解调；以及
导出部，从被解调的第1瑞利散射光和第2瑞利散射光求出所述相位变化。
7.根据权利要求6所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述光源部具有输出直线偏振的光脉冲的光源，以及将从所述光源输出的光脉冲以维持直线偏振的状态分光为所述第1光脉冲和所述第2光脉冲而输出的分光部，
所述合成部，将所述第1光脉冲与所述第2光脉冲以偏振方向相互正交的状态进行合成。
8.根据权利要求7所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于还包括，
相位测定部，测定所述光脉冲的相位并检测该光脉冲中因所述光源而引起的相位的变化，其中，
所述解调部，对基于由所述相位测定部检测出的相位的变化而被分别修正的所述第1瑞利散射光和所述第2瑞利散射光进行解调。
9.根据权利要求6所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述光源部具有输出所述第1光脉冲的第1光源以及输出所述第2光脉冲的第2光源，
所述第1光脉冲的波长与所述第2光脉冲的波长互不相同。
10.根据权利要求9所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于包括：
第1相位测定部，测定所述第1光脉冲的相位并检测该第1光脉冲中因所述第1光源而引起的相位的变化；以及
第2相位测定部，测定所述第2光脉冲并检测该第2光脉冲中因所述第2光源而引起的相位变化，其中，
所述解调部，对基于由所述第1相位测定部检测出的相位变化而被修正的所述第1瑞利散射光和基于由所述第2相位测定部检测出的相位变化而被修正的所述第2瑞利散射光分别进行解调。
11.根据权利要求5至10中的任一项所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述光源部以基于通过所述光纤检测出的声波的频率的第1时间间隔输出所述光脉冲，
所述调制部利用对从所述光源部输出的每个光脉冲通过不同的码序列进行相位调制。
12.根据权利要求11所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述光脉冲射出部包括具有所述光源部和所述调制部的多个脉冲单元，
从各脉冲单元输出的所述光脉冲的频率互不相同，
所述多个脉冲单元按照如下所示的方式依次输出光脉冲，即，各脉冲单元以所述第1时间间隔输出所述光脉冲，而各脉冲单元之间的光脉冲的输出时机则相互错开比所述第1时间间隔短的第2时间间隔。
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