CN109891197A - 布里渊散射测定方法及布里渊散射测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的布里渊散射测定方法是在需要BOTDR的高空间分辨率来进行测量的情况下，利用脉冲间的间隔在声子寿命以上的多个脉冲的脉冲序列来进行脉冲间编码调制。在使用相关性的方法中，特别利用相关旁瓣成为零的Golay码作为该脉冲编码调制。另外，在不使用相关性的方法中，使用通过阿达马矩阵来进行脉冲间编码调制且在信号处理中进行矩阵转置的方法。

Description

布里渊散射测定方法及布里渊散射测定装置
技术领域
本发明涉及利用光纤中的布里渊散射来对被测定体的失真、温度的分布进行测量的测定方法及装置，特别涉及使用BOTDR(Brillouin optical time-domainreflectometry:布里渊光时域反射)方法来进行空间分辨率较高的测量的方法及装置。
背景技术
BOTDR是一种从光纤的一端将光脉冲(以下简称为脉冲)即探测光射入到光纤中，利用产生的布里渊散射光来对失真、温度的分布进行测量的方法，适用于长距离的测量。但是，若空间分辨率降低1m左右，为了提高该空间分辨率若使脉冲宽度变窄，则频谱变广，从而存在作为该测量方法的基础量的布里渊频移(Brillouin Frequency Shift。简称为BFS。以下也成为BFS)的测量精度无法提高的困境。
但是，近年来，作为用于改善现有的BOTDR法的方法，提出有如下方法：利用2个短脉冲(时间宽度窄的脉冲，以下简称为短脉冲)的DP(Doublepulse)(双脉冲)-BOTDR、利用长脉冲(时间宽度宽的脉冲，以下简称为长脉冲)与短脉冲进行组合的复合脉冲的S(Synthetic)(合成)-BOTDR、PSP(Phase shift pulse)(移相脉冲)-BOTDR等的新的方法，从而使得高空间分辨率成为可能。
其中，DP-BOTDR(双脉冲布里渊光时域反射)能够获得高空间分辨率，但是由于频谱中除了原本的峰值以外，等级接近原本峰值的多个峰值会同时地出现，因此为了正确地求出布里渊频移需要SN比高的测量信号。另一方面，S-BOTDR利用对短脉冲与长脉冲添加相位差并组合后得到的4种复合探测光来对4种BOTDR进行测量，通过对这些频谱进行合成，从而能够获得接近于洛伦兹频谱的频谱，因此不仅能提高空间分辨率也能提高频率分辨率且在实验中确认到实现了10cm的空间分解率。另外,PSP-BOTDR为对该S-BOTDR方法进行简化的方法，利用对短脉冲和长脉冲进行组合后得到的2种复合探测光能够来获得空间分辨率与频率分辨率都得到提高的频谱。
然而，在利用了布里渊散射的测量中，由于布里渊散射光较微弱，1次的测量只能获得与噪声相同程度的强度，因此需要通过多次重复测量来进行相加或者求平均，例如为了使SN比成为20dB而需要1万次的重复测量。
另外，BOTDR的频谱由于想要对光纤中的声子的随机振动的频谱进行测量，因此频谱自身根据瑞利分布进行较大变动。为此，为了抑制该变动即波动而需要多次重复测量。
另外，为了实现高空间分辨率，S-BOTDR或者PSP-BOTDR采用合成频谱的方法，各要素的频谱的波动的和成为该合成频谱的波动，为了抑制波动，与现有的BOTDR相比存在需要更多次重复测量的缺点。为了弥补该缺点，提高SN比较为重要。
一般地，为了维持空间分辨率而提高SN比而使用在脉冲内编码调制成的长脉冲、或者用在脉冲间编码调制成的长脉冲序列通过信号处理来进行解码的编码方法。这些方法大致分为以相关性为基础的方法、以及不利用相关性而使用矩阵转置的方法。
作为以相关性为基础的方法利用巴克码代码、M系列、Golay码等，这些字符串的自相关系数具有接近于δ函数的性质。其中，时滞(时间的延迟)为0(零)以外的相关，即旁瓣完全成为0的仅为Golay码。在雷达领域中，使用这些代码来进行长脉冲的脉冲内调制的方式被称为脉冲压缩。
另一方面，在不使用相关性的方法中，利用由以阿达马(Hadamard)矩阵为基础的代码序列构成的矩阵来进行对应于各行来进行观测，从而通过矩阵的转置与平均化来使SN比提高。特别地单工代码是由0和1构成的代码，能够作为强度调制来实现，能够获得与利用Golay码相同效果。
在光纤的OTDR(optical time-domain reflectometry：光时域反射技术)中，提出有利用单极的Golay码的脉冲压缩方法，利用单工代码法来提高SN比的方法。
在BOTDR中也提出有：利用单工法的编码方法，该编码方法是在现有的BOTDR的低空间分解率的情况下提高SN比的方法(例如参照非专利文献1)；以及利用Golay码的相关方法(例如参照非专利文献2)。
高空间分解率时的BOTDR中，提出通过利用双脉冲的BOTDR的脉冲内调制来提高SN比的方法(例如参照非专利文献3)的提案。
并且，也有提出通过S-BOTDR的脉冲内调制来提高SN比的方法的提案(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：M.A.Soto et al.,”Performance improvement in Brillouin-based simultaneous strain and temperature sensors employing pulse codingincoherent detection scheme”,OSA/OFC/NFOEC2009
非专利文献2：S.Won et al.,”The theoretical analysis and design of codingBOTDR system with APD detector”,IEEE Sensors J.,vol.14.no.8,pp.2626-2632,Aug.2014.
非专利文献3：S.Matsuura et al.,”Enhancing performance of double-pulseBOTDR”,IEICE Trans.B,vol.J.97-B,no.10,pp.962-972,Oct.2014(日语).
非专利文献4：K.Nishiguchi et al.,”Synthetic Spectrum Approach forBrillouin Optical Time-Domain Reflectometry”Sensors,vol.14,no.3,pp.4731-4754,Mar.2014.
非专利文献5：R.Shibata et al.,”Proposal and demonstration of high spatialresolution BOTDR by correlating signals sampled with narrow-and wide-widthwindow functions”,IEEE 6th International Conference on Photonics(ICP)2016,Mar.2016.
专利文献
专利文献1日本专利第5493089号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，BOTDR中的信号的波动除了由噪声引起以外由于瑞利(Raileigh)分布的信号自身引起的波动较多，后者的信号自身的波动与噪声不同而是具有与声子寿命相当的相关时间。为此，代码的间隔需要比该相关时间更大，若代码的间隔不设定为比该相关时间大，则无法获得抑制波动的效果。
本发明是为了解决上述问题点，是关于一种利用将脉冲间隔设定在声子的寿命以上的脉冲序列来进行脉冲间编码调制的方法、以及利用该方法的测定装置。并且，目的在于通过利用上述方法和装置，在BOTDR的测量中抑制波动并且提高SN比。
特别在布里渊测量中，由于需要精密测量时变频谱(大小等根据时间进行变动的频谱)，因此相关的旁瓣成为零(0)的特性较为重要，在本发明中，对利用Golay码，并将该代码用于布里渊测量时需要实现的要点进行说明。
另外，通过阿达马矩阵进行脉冲间的编码调制、通过信号处理的矩阵转置的方法也能够获得与利用Golay码相同的效果，因此针对利用该阿达马矩阵的S-BOTDR来提高SN比的方法也进行阐述。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明涉及布里渊散射测定方法，其特征在于，
以对时间宽度不同的2种光脉冲进行组合并在时间轴上规定的位置成为一对的方式使用形成激光的复合光脉冲，用2个Golay码的序列对一个具有时间宽度的光脉冲进行相位调制并编码成脉冲序列，并且所述复合光脉冲彼此的间隔在声子寿命以上的复合脉冲序列的其他复合光脉冲从被测定体所具备的光纤的一端射入，根据该光纤中产生的布里渊背向散射光的频移量的变化来对物理量进行检测，该布里渊散射测定方法其特征在于，包括如下：
利用来自用于产生所述2种光脉冲的第1激光光源的光、以及来自与该第1激光光源的振荡频率不同的第2激光光源的光来对所述布里渊背向散射光进行外差接收并作为第1信号输出；
在对该第1信号的频率仅变更了规定的频率之后，通过与所述时间宽度不同的各个光脉冲相对应的2种低通滤波器并作为第2信号输出；
基于通过了该第2信号中的一个所述低通滤波器的信号、以及通过了另一个所述低通滤波器的信号的复共轭信号，对每个所述Golay码序列，技术所述第2信号的互谱，根据该计算结果求出所述第2信号的合成光谱，并且对该合成光谱进行解码的解码处理。
本发明涉及布里渊散射测定装置，其特征在于，包括：
激光光源、
探测光发生器，该探测光发生器生成对被测定体的物理量进行测量用的探测光，其具有：由来自该激光光源产生的激光形成具有不同时间宽度的2种光脉冲即短脉冲与长脉冲的脉冲发生器；对该2种光脉冲中的一个光脉冲施加相位信息用的移相器；相位选择器，该相位选择器具有用于对所述相位信息进行选择的多个相位信息，根据所述移相器的指令从所述多个相位信息中进行选择且将该选择的相位信息发送至所述移相器；以及复合器，该复合器对所述一个光脉冲用2个Golay码的序列进行相位调制且进行编码，将该代码得到的一个光脉冲与另一个光脉冲彼此配置在时间轴上的特定位置中作为一对来对两个光脉冲进行复合；探测光生成器，该探测光生成器生成用于测量被测定体的物理量的探测光；
光外差接收机，该光外差接收机接收所述激光、以及通过将所述探测光射入至包括在所述被测定体内的光纤中而产生的布里渊背向散射光；
外差接收机，该外差接收机接收来自对降低了特定频率部分的频率进行振荡的振荡器的信号以及来自所述光外差接收机的输出信号；以及
信号处理器，该信号处理器使每个从该外差接收机输出的所述短脉冲和长脉冲的信号分别通过低通滤波器来求出光谱，并且通过计算来求出两者的互谱，
并对所述布里渊背向散射光的频移进行测量。
发明效果
根据本发明，即使在利用S-BOTDR法、PSP-BOTDR法的任意的方法的布里渊散射测定方法、或者测定装置中，也能够以高空间分辨率实现SN比较高的测量。另外，能够提供不受BOTDR特有的瑞利分布的信号自身的影响的精度较高的测定方法、或者测定装置。
附图说明
图1是用于说明通过利用本发明的实施方式1所涉及的S-BOTDR法的探测光的要素的形状的图。
图2示出采用本发明的实施方式1所涉及的S-BOTDR的框图。
图3是用于说明本发明的实施方式1所涉及的S-BOTDR入射光与散射光关系的图。
图4是示出本发明的实施方式1所涉及的S-BOTDR的信号处理的流程图。
图5是示出本发明的实施方式1所涉及的S-BOTDR的非线性光学效应的降低法的一个示例的流程图。
图6是示出本发明的实施方式1所涉及的S-BOTDR的非线性光学效应的降低法的其他示例的流程图。
图7是用于说明本发明的实施方式1所涉及的总和0的Golay码的一个示例的图。
图8是用于说明本发明的实施方式1所涉及的进行了编码处理的S-BOTDR的入射光与散射光的图。
图9是用于说明本发明的实施方式1所涉及的进行了编码处理的S-BOTDR的散射光中的复合脉冲的长度与间隔的图。
图10是示出本发明的实施方式1所涉及的进行了编码处理的S-BOTDR的信号处理的流程图。
图11是用于说明本发明的实施方式1所涉及的进行了编码处理的S-BOTDR的解析中的点扩散函数的条件设定的图。
图12是用于说明假设本发明的实施方式1所涉及的光纤的布里渊频移(BFS)的仿真条件的图。
图13是示出在S-BOTDR中在变更了重复次数的情况下根据BFS仿真的推定结果的图。
图14是示出在编码S-BOTDR中，在重复次数为210时变更了代码长度的情况下的根据BFS仿真的推定结果的图。
图15是示出在编码S-BOTDR的每个代码长度中，在变更了重复次数时的根据仿真的BFS的推定误差的图。
图16是用于说明通过利用本发明的实施方式2所涉及的PSP-BOTDR方法的探测光的要素的形状的图。
图17是用于说明本发明的实施方式2所涉及的PSP-BOTDR的入射光与散射光的图。
图18是用于说明本发明的实施方式2所涉及的进行了编码处理的PSP-BOTDR的探测光与散射光的图。
图19是用于说明本发明的实施方式2所涉及的进行了编码处理的PSP-BOTDR的散射光中的复合脉冲的长度与间隔的图。
具体实施方式
到目前为止提出的S-BOTDR方法是通过利用4种入射光即探测光来合成4种频谱从而求出理想的频谱的方法(参照非专利文献4)。但是，如同在PSP-BOTDR的提案中的利用互谱那样，即使在S-BOTDR中利用4种互谱代替作为要素的4种频谱的的方法的处理也变得简单(参照非专利文献5)。由于无论用哪个方法最终获得的合成频谱都相同，因此以下针对利用了互谱的S-BOTDR进行说明。
另外，S-BOTDR最少能够通过3种探测光来实现，考虑到编码方式扩展这点，在以下的说明中，特别针对利用4种探测光的S-BOTDR来进行说明。
实施方式1
针对本发明的实施方式1，以下使用附图进行说明。
[关于S-BOTDR的方法]
探测光如图1所示由短脉冲(由所期望的空间分辨率来规定时间宽度。例如，所期望的空间分辨率为10cm的情况，该时间宽度被确定为1ns。以下相同)和长脉冲(声子(Phonon)的寿命，即基于衰减时间10ns所规定，例如设定50ns的时间宽度。以下相同)组合构成。各脉冲由表达式来表示分别如式(1)、式(2)。
[数学式1]
[数学式2]
在此，D1、D2分别为短脉冲和长脉冲的脉冲宽度，t0为短脉冲的开始时间。另外，在此以如下所示的式(3)来表示t0与D1、D2的关系，以使得短脉冲位于长脉冲的中央位置。
[数学式3]
另外，D1确定作为与空间分解率相对应的时间宽度，作为具体的数值例，例如对于20cm空间分解率，确定为D1＝2ns。另一方面，D2确定作为与声子寿命相对应的时间宽度，作为具体的数值例，比声子寿命9ns要有足够长的时间，例如确定为D2＝50ns。
并且，作为短脉冲与长脉冲的具体的组合方法，构成为彼此带有相位差来进行重合。在此，利用复平面来对该重合方法进行说明。通过式(4)来表示复平面上的单位圆上等间隔地并排p个(其中p≧3)点。
[数学式4]
在此i表示虚数单位(-1的平方根)。并且，与该p个点相对应的，准备如下式(5)所示的p个探测光。
[数学式5]
f(j)(t)＝f1(t)+rλjf2(t)，j＝1，2，…，p (5)
在此，r为短脉冲与长脉冲的振幅比，λj的偏向角为相位差。由于该λj(j＝1、2、…、p)为单位圆上的点，因此式(6)成立。
[数学式6]
|λj|＝1 (6)
另外，通过等间隔地进行配置，下式(7)、式(8)成立。
[数学式7]
[数学式8]
接着，为了对S-BOTDR的实际测量装置进行说明，图2示出表示S-BOTDR的一个示例的框图。另外，为了对利用该S-BOTDR的框图所示出的装置时的信号处理进行说明，图3示出将入射光与散射光的关系用时间与空间的2维空间来进行表示。
首先，图2是表示S-BOTDR实际测量装置的一个示例的图。在该图中，来自激光光源1产生的激光通过脉冲发生器4的短脉冲发生器2与长脉冲发生器3来形分量别具有规定的不同时间宽度D1和D2的2种光脉冲即短脉冲和长脉冲。之后，长脉冲在被赋予相位信息之后，根据由相位选择器6所选择的相位，由移相器5以Golay码的2个序列对长脉冲进行相位调制并编码，该编码后的长脉冲与之前说明的短脉冲通过复合器7以成对的方式彼此复合构成为配置在预先确定的时间轴上的位置中，由探测光生成器8生成脉冲对作为探测光(与入射光相同，以下同样)入射至用于对对象的物理量进行测定而设置的光纤的一端中。
此时，由探测光生成器8射出的探测光f(j)(t)经由耦合器9入射至光纤中。并且，通过入射的激光，在该光纤中产生布里渊背向散射光。
所产生的布里渊背向散射光经由耦合器9与之前从激光光源直接入射至该光外差接收机光外差接收机10的激光一起由光外差接收机光外差接收机10来接收。由该光外差接收机10接收的信号以通过本机振荡器11进行变更后(与[降低]相同)的特定的频率来进行发送的信号一起通过外差接收机12进行接收，由AD转换器13在进行数字化后，在信号处理器14中通过与各个光脉冲所对应的低通滤波器(具体而言，短脉冲为1GHz左右，长脉冲为20MHz左右的频率带宽的滤波器)，从而计算并求出互谱。
在上述中，探测光生成器8包括：由短脉冲发生器2与长脉冲发生器3构成的脉冲发生器4、输入来自相位选择器6的相位信息λj且对在长脉冲发生器3中产生的长脉冲赋予相位信息的移相器5、以及对上述的短脉冲与长脉冲进行复合的复合器7。
在利用图2的框图所示出的装置的情况下的信号处理中，使用与探测光的短脉冲与长脉冲的整合滤波器相当的2种低通滤波器。具体用下式(9)、式(10)来表示这些。
[数学式9]
h1(t)＝f1(-t) (9)
[数学式10]
h2(t)＝f2(-t) (10)
这些来自低通滤波器的输出分别成为如下式(11)、式(12)。
[数学式11]
Y1 (j)＝Y11+rλjY21 (11)
[数学式12]
Y2 (j)＝Y12+rλjY22 (12)
这些式中的右边各要素的意思如下所述。
Y11：通过短脉冲f1(t)与短脉冲应答h1(t)相乘得到的输出
Y12：通过短脉冲f1(t)与长脉冲应答h2(t)相乘得到的输出
Y21：通过长脉冲f2(t)与短脉冲应答h1(t)相乘得到的输出
Y22：通过长脉冲f2(t)与长脉冲应答h2(t)相乘得到的输出
这些分别相当于在图3的入射光与散射光相交的矩形区域即菱形部分中进行图案图案划分所表示的各个区域中对声子进行积分。详细地Y11表示菱形部分的中心部分中黑色部位、Y12为以Y11为中心以图案条纹表示的带状区域中包含Y11的左下区域与右上区域部分、Y21为以Y11为中心以图案条纹表示的带状区域中包含Y11的右下区域与左上区域部分、Y22为以菱形部分整体包含上述Y11、Y12、Y21的区域。
在该情况中，探测光f(j)(t)所涉及的互谱利用上述Y1 (j)、Y2 (j)、Y11、Y12、Y21、Y22以及下式(13)来表示。
[数学式13]
在此，上划线(￣)表示复共轭。右边中，空间分辨率与频率分辨率都较高，期望的分量Dp用下式(14)来表示，该实数部分成为空间分辨率与频率分辨率都较高的理想的频谱。
[数学式14]
在此，利用对于在式(13)中所规定的对于各个探测光的互谱来对合成频谱以下式(15)进行定义。另外，(在R的上部中附加符号∧)意味着继续取括号内的值的实数部(以下相同)。
[数学式15]
若将式(13)代入式(15)，则可知在上述合成频谱中仅剩下所期望项与求出使如下所示式(16)成立的cj(在此j＝1、2、…、p)等效。
[数学式16]
由于式(16)中示出的方程式的个数为3个，因此变量p需要在3以上。在p≧4的情况下，解不唯一，但是注意到上述式(6)～式(8)对于任意的p≧3可知下式(17)为其解。
[数学式17]
cj＝λj，j＝1，2，…，p (17)
以下，利用式(17)所示出的解以式(18)所表示的内容来评价合成频谱
[数学式18]
如上所说明的利用互谱的S-BOTDR的测量以如下所示(a)～(f)的步骤来实施。
<利用互谱的S-BOTDR测量步骤>
(a)针对j＝1、2、…、p进行如下的(b)～(e)的处理。
(b)形成来自激光光源的光并生成具有f(j)(t)形状的探测光，且将该探测光入射至光纤中。
(c)利用来自与最开始的激光光源的频率相差11GHz左右的别的激光光源的光来进行布里渊散射光的光外差接收，且将该输出设为X(j)(t)。
(d)X(j)(t)仅偏移频率ν,且使与短脉冲和长脉冲相对应的2个低通滤波器h1(t)和h2(t)通过。将通过h1(t)和h2(t)的信号分别设为Y1 (j)(t,ν)、Y2 (j)(t,ν)。
(e)互谱通过下式来求出。
[数学式19]
(f)S-BOTDR的频谱通过下式(20)来求出。
[数学式20]
进行多次如上所说明的测量，对频谱进行相加或求平均。
如上所说明的，S-BOTDR可利用至少3种探测光来实现，在此利用标记简单的4种探测光来进行说明。在该情况下，圆周上等间隔排列的4点如式(21)所示出的。
[数学式21]
λ1＝1，λ2＝i，λ3＝-1，λ4＝-i (21)
[关于S-BOTDR的信号处理]
接着，针对S-BOTDR的信号处理方式进行如下详细地说明。在此，针对频率为固定，且从由宽频带接收(例如5GHz。以下相同)和高速采样(例如采样周期0.2ns。以下相同)所获得的数据中对各频率分量进行提取的信号处理方式进行说明。
对各探测光入射并返回的散射光进行外差接收，且将在AD转换后进行采样的数据设为X(j)(tn)(j＝1、2、3、4)。该数据是从I、Q两个信道输出的具有实数部和虚数部的复数数据。在此，上述j表示为探测光的种类。另外，tn＝nΔt(n＝0、1、2、…、N-1)为离散时间，Δt为采样间隔。图4中示出S-BOTDR的信号处理的流程。以下针对该流程的各个内容进行更详细地说明。
<频率分量的提取>
提取出的频率分量的频率作为ν＝ν1、ν2、…、νK。在此K为提取出的频率分量的个数。各频率分量在将频率从仅变更规定的频率(降低)之后通过2种低通滤波器来进行提取。该2种低通滤波器作为短脉冲和长脉冲的脉冲宽度的移动和。如下式(22)所示设置该脉冲宽度内的采样点的个数。
[数学式22]
另外，与之前式(3)中示出的短脉冲的开始时间t0相对应的指数如式(23)所示地进行设置。
[数学式23]
此时，来自频率ν的分量的低通滤波器的输出对于探测光f(j)(t)，成为如式(24)、式(25)所示。
[数学式24]
[数学式25]
<FFT的利用>
在以上说明中，频率分量的提取以在时间轴上进行处理的方法进行了说明，也可利用FFT。以下，针对该方法进行说明。
在数据的采样间隔为Δt，希望求出的频率的步长为Δν时，FFT的长度由式(26)来确定。
[数学式26]
此时，由FFT提取出的频率分量通过式(27)、式(28)来表示。
[数学式27]
[数学式28]
在此，函数fft的最后的参数表示为长度，在数据的个数比该长度小时，在后面加入函数zero(s)以使得该最后的参数成为指定的长度。此处，zeros(n0-1)表示为排列有(n0-1)个0。
由此求出的Y1 (j)(tn,·)和Y2 (j)(tn,·)的频率方向(在此，用标号[·]来表示参数的方向)的维度用Nfft表示，这个是由于一般地Nfft比希望求出的频率的个数K要大，因此该之后的处理的大小限制为K。
<互谱>
利用来自2种低通滤波器的输出，对于探测光f(j)(t)的互谱由式(29)来求出。
[数学式29]
<频谱合成>
合成频谱利用各个探测光的互谱，由下式(30)来求出。
[数学式30]
[关于利用反复测量来进行相加]
上述合成的布里渊频谱是由1次测量所获得，一般可知BOTDR的性质为每次的频谱具有较大的波动，该分布按照瑞利分布来进行(参照非专利文献4)。由此，在求得精度较高的数据时，有需要进行多次(210～214次左右)测量从而来进行频谱的相加。
若由第irep次的测量中获得的频谱设为Vs(irep),重复次数设为nrep,则相加后的频谱由下式(31)来表示。
[数学式31]
[关于偏振的处理]
光纤中的光的偏振进行变化且在信号与参照光的偏振中产生差。为了除去该偏振的影响，将信号分离成2个偏振分量，对于各个偏振分量进行上述的处理，从而获取该频谱的和。在该情况下，若对于偏振的2个分量所获得的频谱设置为Vs,accum (P),Vs,accum (S)，则偏振处理后的频谱由式(32)来表示。另外，(P)的P表示p波，(S)的S表示s波。
[数学式32]
另外，由于利用重复进行相加与偏振处理均指频谱的单纯求和，因此无论先进行哪个处理都可。
[关于非线性光学效应的降低方法(其1)]
S-BOTDR中作为探测光利用将短脉冲与长脉冲进行组合的任何种类的复合脉冲。可知在复合脉冲的振幅呈台阶状地变化的情况下、在某几种探测光的振幅不同的情况下，在探测光的功率变大时出现非线性光学效应的影响。
在上述探测光的功率较大的情况下，由于非线性光学效应(以下也称为克尔效应(Kerr效应)。)会发生相位偏移。探测光成为由长脉冲与短脉冲构成的复合脉冲，若长脉冲与短脉冲(以下成为长短脉冲)的振幅不同则长短脉冲间发生相位差。在此，以下针对这些进行探讨并且针对减少该情况的方法进行说明。
<S-BOTDR的情况下的相位偏移>
首先，针对近似相位偏移方法进行说明。
探测光由于构成要素的长短脉冲的振幅有较大差异，因此由于传输损耗与非线性光学效应(Kerr效应)，如下式(33)那样探测光的振幅与相位随距离z进行变化。
[数学式33]
f(j)(t)＝e-αz(g1·f1(t)+r·g2·f2(t)) (33)
在此g1、g2为如下式(34)所示那样变量中含有有效距离zeff(参照式(35))的指数函数。另外，θj表示短脉冲与长脉冲的相位差。
[数学式34]
g1＝exp(iγp1 (j)zeff)，g2＝exp(iγp2zeff+iθj) (34)
[数学式35]
另外在式(33)～(35)中，α为光脉冲的损耗系数，γ＝n2k0/Aeff为Kerr效应的系数，n2为光脉冲的非线性折射率，k0＝2π/λ为真空中的光的波数，λ为真空中的光的波长，Aeff为光纤中心的有效截面积，p1 (j)与p2分别为短脉冲(与长脉冲重叠)及长脉冲的功率。另外，r为长脉冲与短脉冲的振幅比(为了使频谱的波动变小，一般地该r设为1以下)。
在此，由于短脉冲与长脉冲的相位差为非线性效应，与距离一起进行变化，因此p1 (j)为取决于该相位进行变化的量。另一方面，p2为固定值。这些能够通过下式(36)来表示。
[数学式36]
在此，PP为探测光的功率。
接着，针对精密地对相位偏移进行评价的方法进行说明。
由于S-BOTDR的探测光的短脉冲与长脉冲的相位差重叠，因此由于非线性光学效应导致的相位偏移及功率的变化较为复杂。在上述的近似评价中，将重叠部分的功率利用上式(36)进行了近似，但是在此进行更精密地评价。
将由于非线性光学效应导致的探测光的变化设置为式(37)。
[数学式37]
f(j)(t)＝e-αz(g3·f1(t)+r·g4·f2(t)) (37)
在此，g3、g4通过下式(38)来表示。
[数学式38]
另外，g3、g4的变量中包含有由于Kerr效应导致的相位偏移θn1,1 (j)以及θn1,2。
此时，长短脉冲的功率考虑了传输损失与非线性光学效应并以式(39)、(40)来表示。
[数学式39]
[数学式40]
p2＝e-αzr2PP (40)
由此，若相位偏移差设置为θn1 (j)＝θn1,1 (j)-θn1,2，则该相位偏移差遵循如下的微分方程式(41)。
[数学式41]
若对由该式获得的相位偏移进行研究，4个探测光的相位偏移的距离的变化的平均的动作与利用近似式的情况相同，但是各个探测光的相位偏移与近似式的情况相差较大。另外，针对相位偏移的详细内容，由于与本次发明的内容没有直接关系，因此在此省略该说明。
在具有非线性光学效果的情况下，由于上述相位偏移差θn1 (j)取决于j而变化，因此4种频谱在频谱合成时的几个分量无法完全成为0。另外，即使在相位偏移差θn1 (j)取决于j的部分很少的情况下，由于平均的相位偏移θn1如式(42)所示那样，因此即使进行频谱合成也无法对所期望的分量。在此右边最后的括号标记<>表示多次测定的平均值。
[数学式42]
在此，有需要降低该非线性光学效应的影响，以下针对用于降低该非线性光学效应的影响的方法进行探讨。
<非线性光学效应的降低方法的代表例>
为了降低S-BOTDR中的非线性光学效应，利用相位偏移的推定值作为来对4种复合滤波器(参照下式(43))进行替换的方法有用以下的式(44)来表示的方法。
[数学式43]
[数学式44]
在此，上述2个相位偏移的推定值(下式(45)及式(46)的左边中表示的值)中利用探测光的相位偏移近似值(下式(45)及式(46)的右边中表示的值)，该近似值中的p1 (j)，p2由之前式(36)中示出的数学式来给出。
[数学式45]
[数学式46]
<非线性光学效应的降低方法(其1)>
首先，利用上述代表例中示出的对相位进行校正的方法，针对第1非线性光学效应的降低方法进行以下说明。
在利用互谱的S-BOTDR中，求出各个探测光的互谱的式子如之前的式(29)所示那样，具有下式(47)所示的形式，因此在该式中进行式(48)中表示的相位的校正即可。
[数学式47]
[数学式48]
θnl(tn)＝γPPzeff(tn) (48)
在此，γ为Kerr效应的系数，PP为探测光的功率。另外zeff(tn)由下式(49)来表示。
[数学式49]
在此，zn＝vgtn/2为对于时间tn的距离，vg为光纤中的光速。
为了进行这样的相位的校正，对求出合成频谱的上式(30)(已经说明)进行修正，设为式(50)即可。
[数学式50]
图5中示出该方法的流程图。该流程图中，作为最后的[合成频谱]示出的倒梯形的框图部分是与原来的算法(参照图4)不相同的部分。
上述的非线性光学效应降低方法(其1)的算法中为了降级非线性光学效应而增加了相位的校正，该校正式中包含有Kerr效应的系数γ,因此有需要对该γ的值正确地进行掌握。但是，该γ是取决于光纤的量，因此为了掌握正确的值有需要根据数据进行推定。另外，通过这样的校正，能够在频谱合成的过程中，恢复期望的项，相反地不需要的项的消除效果减小。在此，以下对不进行相位校正的其他的方法进行说明。
<非线性光学效应的降低方法(其2)>
在此，不进行相位校正，合成频谱不对实数部进行评价，以下针对用绝对值进行评价的方法进行说明。
在利用互谱的S-BOTDR中，若没有非线性光学效应，则合成频谱的期待值取实数值，因此如求出合成频谱的上述式(30)所示出的那样，取实数部。
然而，在存在非线性光学效应的情况下，对每个距离增加不同的相位变化。该相位变化若以取绝对值来代替取实数部则不受影响。因此，频谱合成仍然为复数值，也可以下式(51)中示出的内容来处理。
[数学式51]
具体而言，也可利用该式(51)，通过重复测量来进行相加(参照上式(31))、以及在进行了偏振的处理(参照上式(32))之后，取绝对值，通过下式(52)来求出最终的合成频谱即可。
[数学式52]
在图6中将该步骤作为流程图进行表示。图中，作为最后的[合成频谱]表示的框图部分是与原来的算法不同的部分。
[编码S-BOTDR的方法]
<关于Golay码序列>
长度M的代码列对Ak,Bk,在对于其中k＝0、1、…、M-1的各个自相关和为0(零)以外的移位全部成为0时，即式(53)成立时，称为互补序列。在此δk如下式(54)。
[数学式53]
[数学式54]
一般地，Golay码序列为取±1这样的值的二进制的互补码序列，在上述的长度M为2的幂的情况下，由被称为Appending(附加)方法的下式(55)所表示的方法来构成。
[数学式55]
在式(56)中示出式(55)的具体示例。
[数学式56]
在此，利用以上说明的Golay码来进行编码。示出图7的M＝16的情况下的Golay码的示例。
<关于探测光的结构>
S-BOTDR中已经对探测光利用将短脉冲与长脉冲进行组合的4种复合脉冲进行了说明。每种复合脉冲分别构成用Golay码的2个序列进行了编码的复合脉冲序列，因此进行了编码的复合脉冲序列总共为8序列，探测光也成为8种类型。
例如，在利用M＝4的Golay码的情况下，如下式(57)所示那样成为8序列的代码序列。
[数学式57]
编码仅设为短脉冲或长脉冲中的一个。另外，将复合脉冲间的间隔设为d，将代码的个数设为M，如式(58)、式(59)所示，构成8种探测光。
[数学式58]
[数学式59]
在此，上标(A,j)、(B,j)表示为分别与代码序列(λj,A)、(λj,B)相对应。
在该结构中，虽然基于Golay码对长脉冲进行相位调制，但是长脉冲也可保持不变而对短脉冲进行相位调制，在该情况下，8种探测光构成为如下式(60)、式(61)所示。
[数学式60]
[数学式61]
图8中示出为了对在设为M＝4的短脉冲进行相位调制的情况下的编码S-BOTDR的探测光与散射光进行说明而图示化的示例。该示例中示出序列为(1,1,1,-1)时的示例。
<关于脉冲序列的长度与间隔>
首先，针对脉冲序列的长度进行如下说明。
一般地，在对脉冲序列进行相位调制并进行外差接收的情况下，在脉冲序列的整个长度中必需建立光学相干。即，在脉冲序列的整个长度中由于相位噪声引起的相位波动需要足够小。但是，在此为了获取具有来自之前说明的2个低通滤波器的共通的相位噪声的输出的互谱，而消除相位噪声。
例如，在复合脉冲序列A的情况下，来自低通滤波器h1(t)的输出由与代码序列{Am}1≦m≦M相对应的M个项构成，各项中包含激光的相位噪声。
激光的相位噪声设为φN(t),相位噪声设为在复合脉冲的长度左右不发生变化。此时第m个项中成为包含由于相位噪声的相位项exp(-iφN(t-md))。然而，若相位噪声为共通，则来自另一个低通滤波器h2(t)的输出也在第m个项包含相同的相位项exp(-iφN(t-md))，因此在互谱中乘以单侧的复共轭时，相对应的相位项彼此的绝对值相同而符号相反，从而相互抵消，不受相位噪声的影响。另外，不相对应的项彼此由于时间偏移因此不产生相关。
如此若存在复合脉冲长度左右的光学相干，则相位噪声的影响消失，对于脉冲序列长度的限制也不存在。由此，代码长度M可以为任何长度。
另外，激光光学相干以相干时间来进行表示，在激光的线宽设为Δf时，相干时间τcoh以下式(62)来表示。
[数学式62]
复合脉冲的长度与长脉冲的长度D2相同，因此相干时间τcoh需满足式(63)的条件。但是，该条件是在进行编码之前的S-BOTDR所必需的条件。
[数学式63]
τcoh＞＞D2 (63)
例如，在Δf＝300kHz时，τcoh＝1.06μs，在D2＝50ns时足够满足该条件。
<关于复合脉冲彼此的间隔>
通过了2个低通滤波器的信号均包含来自脉冲序列的所有复合脉冲的散射光。为了通过相关性进行解码，必需来自相邻的复合脉冲的散射光彼此不具有相关性。在此，由于获取2个低通滤波器输出的互谱，必需将来自第m个复合脉冲的散射光中的包含在一个低通滤波器中的散射光与来自相邻的第m±1个复合脉冲的散射光中的包含在另一个低通滤波器中的散射光在z方向上进行分离。
然而，在考虑将散射光如图3那样分成Y11、Y12、Y21、Y22的4个分量时，在进行频谱合成阶段中除了Y11、Y22相关性以外，全部抵消而无需考虑。由此，将来自第m个复合脉冲的散射光中的Y11分量与来自第m±1个复合脉冲的散射光中的Y22分量、或者该相反的组合在z方向上进行分离成为了条件。该条件如图9所示，复合脉冲的间隔设为d时，由式(64)来进行表示，因此由式(65)来给出满足d的条件。
[数学式64]
[数学式65]
d≥D1+D2 (65)
例如，在D1＝2ns，D2＝50ns的情况下，d需要为d＝52ns以上。
[关于编码S-BOTDR的信号处理]
此处，示出从频率为固定且通过宽频带接收与高速采样获得的数据提取各频率分量的方式。将下式(66)中示出的探测光射入且对返回的散射光进行外差接收，在AD转换后，采样得到的数据以下式(67)来表示。
[数学式66]
f(A，j)(t)，f(B，j)(t)，j＝1，2，3，4 (66)
[数学式67]
X(A，j)(tn)，X(B，j)(tn)，j＝1，2，3，4 (67)
在此，＝nΔt(n＝0、1、2、…、N)为离散时间，Δt为采样间隔。图10中示出该编码S-BOTDR的信号处理的流程。
<关于频率分量的提取>
提取出的频率分量的频率设为ν＝ν1、ν2、…、νK。在此K为提取出的频率分量的个数。与S-BOTDR的情况相同地对频率进行降低后用2种低通滤波器提取各频率分量。该序列(A，j)对于j＝1，2，3，4可写成如下式(68)、式(69)那样。
[数学式68]
[数学式69]
序列(B，j)对于j＝1，2，3，4也可写成如下式(70)、式(71)那样。
[数学式70]
[数学式71]
<关于FFT的利用>
与S-BOTDR的情况相同地，频率分量的提取也可利用FFT。根据FFT，利用先前说明的式(27)、式(28)来对频率分量进行提取。在这些式子中，上标(j)表示(A,j)或(B,j)中的任何一个。其他的参数等由于与之前说明相同，因此在此省略详细的说明。
<关于互谱>
与S-BOTDR的情况相同地，利用来自2种低通滤波器的输出，序列(A,j)对于j＝1,2,3,4的互谱通过下式(72)来求出。
[数学式72]
序列(B,j)对于j＝1,2,3,4也可通过下式(73)来求出。
[数学式73]
<关于频谱合成>
合成频谱与Golay码的A序列与B序列相对应且如下式(76)、式(77)那样进行求出。
[数学式74]
[数学式75]
<关于通过相关性进行解码>
解码为相关性处理，通过下式(76)来进行。
[数学式76]
在此，q(＝d/Δt)为d中的离散时间(采样点)的个数。
[关于通过重复测量进行相加]
通过重复测量进行的相加与S-BOTDR相同。即，若重复次数设为nrep,则频谱的等级成为nrep倍，由于频谱上的噪声的标准偏差成为(nrep)0.5倍，因此SN比成为1次测量的(nrep)0.5倍。
频谱波动的原因不仅是由于噪声引起的，也是由于信号的波动引起的，在此首先考虑噪声为主导的情况。为了达到目标精度所需的SN比设为SNRrec,若S-BOTDR的每1次测量的SN比设为SNR1，则为了实现目标精度所需的重复次数通过式(77)来求出。
[数学式77]
在编码S-BOTDR的情况下，若用长度M的代码进行编码，则频谱的等级成为M倍，由于频谱上的噪声的标准偏差成为M0.5，因此SN比成为M0.5。即，关于相对于频谱上的噪声的SN比，用长度M的代码进行的编码与通过重复M次来进行相加等效，通过编码S-BOTDR的1次测量的SN比成为M0.5*SNR1。另外，若在编码S-BOTDR中通过重复测量来进行相加，则为了实现目标精度需要的重复次数通过式(78)来求出。
[数学式78]
即，为了实现目标精度所需的重复次数减少为未进行编码时的次数的1/M。
[关于偏振的处理]
偏振的处理与S-BOTDR的情况完全相同，获取相对于偏振的2个分量而获得的频谱的和，从而求出频谱。若通过重复而进行相加与偏振处理均是频谱的单纯求和，可以先进行任一个的处理，这与S-BOTDR的情况相同。
[关于编码S-BOTDR的解析]
<关于互谱的点扩散函数>
对编码调制后的探测光A的散射光进行外差接收后得到的信号以式(79)来表示。
[数学式79]
在此，ζ(z,t)为在声子过程中在空间方向(z方向)上为白色，向时间方向(t方向)带有洛伦兹频谱那样的1阶过程。通过2种低通滤波器的信号分别用下式(80)、式(81)来表示。
[数学式80]
[数学式81]
由这些式子求出的互谱的期待值成为式(82)(针对以上式(79)～式(81)参照非专利文献4)
[数学式82]
在此，L(t，ν)为时间变量的洛伦兹频谱，Ψ(A，j)(t，ν)为点扩散函数，通过式(83)来表示。
[数学式83]
在此Fk1(t，ν)为由下式(84)来规定。
[数学式84]
Fkl(t，ν)＝ξτ[fk(τ)hl(t-τ)]，k，l＝1，2 (84)
针对探测光中的f(A，j)，j＝1，2，3，4的4种，若进行频谱合成，则该期待值由式(85)来表示。
[数学式85]
在此，右边的最后表示的函数替换为下式(86)，若利用式(6)～式(8)，则能够获得下式(87)。
[数学式86]
[数学式87]
对该式(87)的右边各项进行研究。
首先，式(84)的右边为fk(τ)h1(t-τ)，该支持即函数值不为0的点的集合成为图11中的阴影区域。若函数f(t，τ)的t方向的支持定义为下式(88)，则从图11可知各fk(τ)h1(t-τ)的t方向的支持为有界的。
[数学式88]
由于Fk1(t，τ)为对τ方向的傅里叶变换，因此该对t方向的支持与fk(τ)h1(t-τ)相同。由此，在k＝l＝1或者为2的情况下，下式(89)成立。
[数学式89]
suppt(F11(t，ν))＝[-D1，D1]，suppt(F22(t，ν))＝[-D2，D2] (89)
由此式(87)右边各项的对t方向的支持成为下式(90)。
[数学式90]
根据对于复合脉冲间的距离的条件(参照式(65))，可知由于d≧D1+D2,因此在m≠m'时，下式(91)成立。
[数学式91]
由此，下式(92)成立。
[数学式92]
同样地，针对探测光中的f(B,j),j＝1,2,3,4的4种,若进行频谱合成，则该期待值可由下式(93)、式(94)来表示。
[数学式93]
[数学式94]
<关于频谱的解码>
若根据2个合成频谱进行解码，则可获得式(95)、(96)。
[数学式95]
[数学式96]
该式(96)右边最下方的等式除以2M成为不伴随编码的S-BOTDR点扩散函数，通过进行编码可知频谱成为2M倍。 但是，由于噪声的标准偏差成为 (2M)0.5，因此SN比成为(2M)0.5。由此编码增益为(2M)0.5(2M的平方根)。
S-BOTDR中通过频谱合成能够实现10cm的空间分辨率，为了确保该测量精度需要增加测量的重复次数从而需要长时间的测量。该问题通过采用上述那样的编码S-BOTDR、即利用进行了编码的探测光的S-BOTDR方式能够克服。该编码S-BOTDR保持重复次数较少的状态下，通过使代码长度增加，从而能够提高测量精度。由此，可以预想到能够大幅度地缩短用于获取所期望的测量精度的测量时间。
在此，接着，对该编码S-BOTDR的效果针对根据仿真的验证结果进行说明。
[仿真的条件]
<光纤>
在仿真中使用的是在如图12所示出的全长5.75m的光纤中插入4个布里渊频移(以下简称为BFS来进行说明)不同的区间。各区间的BSF从图左侧起依次为5cm区间为40MHz,10cm区间为60MHz，20cm区间为80MHz，50cm区间为100MHz。
该5.75m的光纤与长度5km的光纤的前端相连接，考虑到往返的光的衰减。在此，功率衰减系数为0.25dB/km。即，在5km的往返中光功率下降2.5db。
<探测光的功率与噪声的大小>
探测光的功率为Pp＝28dBm(631mW)。另外，也考虑到噪声的影响，考虑了频谱的波动是由于散射光导致、以及由于该噪声引起的这两方面的影响来进行仿真。在此，噪声的大小基于实测值而确定。即，对噪声的大小进行设定以使得在Pp＝28dBm，脉冲宽度＝5ns，重复次数＝216的条件下，频谱的SN比成为24.9dB。
<S-BOTDR>
本次采用的S-BOTDR所涉及的主要特性如下：
(a)探测光：4种探测光为使短脉冲与长脉冲重叠后得到的复合脉冲，长短脉冲间的相位差为0(零)、π/2、π、3π/2的4种。
(b)脉冲宽度：短脉冲宽度D1＝1ns，长脉冲的脉冲宽度D2＝50ns。
<编码S-BOTDR>
本次采用的编码S-BOTDR所涉及的主要特性如下：
(a)探测光：4种进行了编码的探测光基于Golay码进行相位调制，成为进行了编码的复合脉冲的脉冲序列。个别的复合脉冲的结构与已经说明过的S-BOTDR相同。
(b)脉冲宽度：短脉冲宽度D1＝1ns，长脉冲的脉冲宽度D2＝50ns。
(c)复合脉冲间的间隔(d):d＝76ns。
(d)代码长度(M):M＝1，4，16，64(在M＝1的情况下为S-BOTDR)。
<BSF的推定方法>
在BSF的推定中，将抛物线拟合到各位置z处的合成频谱的对数，该顶点的位置作为BSF推定值。
[仿真结果]
<S-BOTDR>
在图13中，S-BOTDR中的重复次数改变为210(＝1024)、212(＝4096)、214(＝16384)、216(＝65536)，针对这4个情况而进行的BFS的推定结果分别如图13(a)、图13(b)、图13(c)、图13(d)所示。由于短脉冲的脉冲宽度在1ns中的空间分辨率为10cm，因此无论哪种情况，5cm区间都检测不出，10cm以上的区间也包括边缘能够检测出，由此可知每增加重复次数能够提高推定性能。其中，若想要获得足够的推定性能，需要重复216次左右以上，因此测量费时间。
<编码S-BOTDR>
图14中，在编码S-BOTDR中重复次数固定为210(＝1024)，代码长度M变化为M＝1，4，16，64的情况下的仿真结果分别在图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)中表示。如这些图示可知，在增加代码的情况下的效果与在图13的S-BOTDR中增加重复次数的情况相同。
<BSF的推定误差>
为了定量掌握S-BOTDR与编码S-BOTDR的BFS推定误差，使用在BFS中没有变化的3m光纤代替在仿真条件下已经说明的光纤，在仿真的各个位置处求出BFS的推定值，将该BFS推定值与真值的差的RMS(Root Mean Square简称为均方根)作为推定误差。图15示出对每个编码S-BOTDR的代码长改变重复次数时的BFS推定误差。
由该图可知，使代码长度设为n倍与使重复次数设为n倍能够获得基本相同的效果。例如，若重复次数为210且代码长度为64，则能够与代码长度为1(这个成为S-BOTDR)且重复次数为216的情况获得相同效果。
<仿真验证的总结>
进行包含了编码S-BOTDR的噪声的仿真，用仿真对符号长度变长时的效果进行确认。若频谱的波动仅由于噪声引起，则将编码S-BOTDR的代码长度变为M倍时，频谱的SN比成为M0.5倍，BFS的推定误差成为1/M0.5倍。同样地重复次数设为nrep倍时，频谱的SN比成为(nrep)0.5倍，BFS的推定误差成为1/(nrep)0.5倍。
BOTDR的散射光自身具有波动，该波动由于对BOTDR进行编码且即使代码长度变大也无法，因此编码的效果可能受到限制。然而，布里渊散射光的功率极小，在由噪声引起的波动比散射光自身的波动要大得多的情况下，能够期待如在仿真中示出的示例那样的编码效果。
实施方式2
接着，针对本发明的实施方式2的布里渊测量方法中的PSP-BOTDR情况下的编码的详细情况以及效果与上述实施方式1同样地利用式子与图进行说明。
[PSP-BOTDR的情况]
在PSP-BOTDR的情况下也能够与S-BOTDR相同地利用Golay码来进行编码。
<关于PSP-BOTDR的方法>
与S-BOTDR相同，将短脉冲与长脉冲分别设为D1、D2。构成PSP-BOTDR的探测光的要素为由下式(97)、式(98)来表示的短脉冲f1(t)与长脉冲f2(t)(参照图16)。
[数学式97]
[数学式98]
短脉冲与长脉冲的振幅比设为r，2种探测光由如下式(99)、(100)所示构成。
[数学式99]
f(1)(t)＝f1(t)+rf2(t) (99)
[数学式100
f(2)(t)＝f1(t)-rf2(t) (100)
低通滤波器也由2个要素构成，各个要素成为探测光的要素的整合滤波器。即，设置如下式(101)、式(102)。
[数学式101]
h1(t)＝f1(-t) (101)
[数学式102]
h2(t)＝f2(-t) (102)
在图17中将PSP-BOTDR的入射光和散射光用时间与空间的二维空间来进行表示。图17的情况也能与图3的情况相同地进行说明。其中，在图3中，由于长短脉冲重叠，因此区域Y11、Y12、Y21、Y22重叠。另一方面，在图17中，由于长短脉冲不发生重叠，因此各部分如下所述进行区分。即，Y11表示为菱形部分的左侧中用黑色涂布的部位，Y12为相对于Y11以条纹图案表示的带状区域中的(不包含Y11)右上区域部分，Y21为相对于Y11以条纹图案表示的带状区域中的(不包含Y11)右下区域部分，Y22为在菱形部分中除去上述Y11、Y12、Y21区域部分。
<关于PSP-BOTDR的测量步骤>
通过与S-BOTDR的情况相同的以下的步骤(a)～(f)能够来进行测量。
(a)针对j＝1、2进行如下所示的(b)～(e)的处理。
(b)生成由来自激光光源的光形成的具有f(j)(t)形状的探测光，且入射至光纤中。
(c)利用来自与最开始的激光光源的频率相差11GHz左右的别的激光光源的光来进行布里渊散射光的光外差接收，且将该输出设为X(j)(t)。
(d)X(j)(t)仅降低频率ν,且使与短脉冲和长脉冲相对应的2个低通滤波器h1(t)和h2(t)通过。将通过h1(t)和h2(t)的信号分别设为Y1 (j)(t,ν)、Y2 (j)(t,ν)。
(e)通过式(19)(在S-BOTDR的测量步骤中已说明)来求出互谱。
(f)PSP-BOTDR的频谱通过下式(103)来求出。
[数学式103]
进行多次这样的测量来对频谱进行相加或者求平均。另外，在上述步骤中也能够与(d)S-BOTDR的情况相同地使用FFT。
<关于编码PSP-BOTDR的方法>
PSP-BOTDR中利用将短脉冲与长脉冲进行组合的2种复合脉冲。若其分别用2个Golay码的序列进行编码，则成为4种复合脉冲序列。例如，在利用M＝4的Golay码的情况下，如下式(104)所示那样成为4序列的代码序列。
[数学式104]
<探测光的结构>
由此，探测光也可由编码后的2种复合脉冲序列构成即可。复合脉冲间的间隔设为d，个数设为M，2种脉冲序列由如下式(105)、式(106)构成。
[数学式105]
[数学式106]
该脉冲结构虽然用Golay码对长脉冲进行相位调制，但是也可保持长脉冲不变，而对短脉冲进行相位调制，在该情况下，成为如下式(107)、式(108)所示。
[数学式107]
[数学式108]
图18示出编码后的PSP-BOTDR的探测光与散射光，在此示出M＝4，对短脉冲进行相位调制的情况。
<关于脉冲序列的长度与间隔>
首先，脉冲序列的长度与S-BOTDR的情况相同。相干的限制仅针对各个复合脉冲，对于代码序列的长度没有限制。
接着，针对复合脉冲彼此的间隔d进行说明。
这个也与编码S-BOTDR相同地在相邻的复合脉冲间，图17示出的散射光的Y11分量与Y22分量必需在z方向上分离。该条件在编码PSP-BOTDR的情况下，如图19示出的那样，在复合脉冲的间隔设为d时，成为式(109)。
[数学式109]
由此，由式(110)来给出满足d的条件。
[数学式110]
d≥D1+D2 (110)
例如，在D1＝2ns，D2＝32ns的情况下，需要将d设为d＝34ns以上。
<关于编码PSP-BOTDR的信号处理>
通常，在测量时对频率进行扫描，因此在这里表示与各频率ν＝ν1、ν2、…、νK相对的信号处理方法。对各探测光入射并返回的散射光进行外差接收，且将在AD转换后进行采样的数据设为X(j)(tn,ν)。在此，j＝A,B表示为探测光的种类。另外，tn＝nΔt(n＝0、1、2、…、N)为离散时间，Δt为采样间隔。
<低通滤波器>
与PSP-BOTDR相同地，2种低通滤波器对于序列(A,+),序列(A,-)可用式(111)表示，对于序列(B,+),序列(B,-)用式(112)表示。
[数学式111]
[数学式112]
<互谱>
与PSP-BOTDR的情况相同地，利用来自2种低通滤波器的输出，相对于序列(A,+),序列(A,-)的互谱通过之前说明的下式(113)来求出。
[数学式113]
对于序列(B,+),序列(B,-)也同样地通过下式(114)来求出。
[数学式114]
<关于频谱合成>
合成频谱与Golay码的A序列与B序列相对应，分别通过下式(115)的上侧的式子、下侧的式子来求出。
[数学式115]
<关于相关性进行解码>
解码为相关性处理，通过下式(116)来进行。通过该解码也能够自动地进行频谱的合成。
[数学式116]
在此，q＝d/Δt为复合脉冲间的间隔d中的离散时间(采样点)的个数。
[关于通过反复测量进行相加]
与编码S-BOTDR相同地，根据编码的改善效果使SN比成为M0.5倍。由于这个与M次的重复相加等效，因此在PSP-BOTDR的情况下，为了改善SN比若将所需的重复次数设为nrep，则在编码PSP-BOTDR的情况下，减少了nrep/M。但是，为了抑制信号的波动即使对所需的重复次数进行编码也不会变化。
<偏振的处理>
偏振的处理与S-BOTDR的情况完全相同，获取相对于偏振的2个分量而获得的频谱的和，从而求出频谱。通过重复而进行的相加与偏振处理是指任意一个频谱的单纯求和，因此可以先进行任一个处理，这也与S-BOTDR的情况相同。
以上针对将利用Golay码进行的编码适用于布里渊测量时的详细情况与其效果进行了说明。以下，针对除Golay码的编码以外的有用的方法即将利用阿达马矩阵的编码适用于布里渊测量时的详细情况及其效果进行说明。
实施方式3
[关于利用阿达马矩阵的编码]
以上针对利用Golay码及其相关性的编码法进行了阐述，此处开始，针对使用阿达马矩阵而不利用相关性的方法进行说明。使用阿达马矩阵的方法也与利用Golay码的情况获得相同的效果。以下针对利用该阿达马矩阵来提高S-BOTDR的SN比法进行说明。
<关于阿达马矩阵>
阿达马矩阵是指取要素为±1的二进制的值，并且各行各列成为彼此正交的方阵。即，n次的阿达马矩阵H满足下式(117)。
[数学式117]
HHT＝nIn (117)
在此，In为n次的单位矩阵。由此，由式(118)给出逆矩阵。
[数学式118]
若H为阿达马矩阵，则哪行乘以-1或者哪列乘以-1也仍然成为阿达马矩阵。由此，能够假设H的第1行和第1列的要素全都为1(这被称为归一化的阿达马矩阵)。进行归一化后的阿达马矩阵H的i行(i≠1)由于与第1行正交，因此i行的1的个数与-1的个数必需相等。由此，n必需为偶数。
在n≧3的情况下，归一化的阿达马矩阵H的i行(i≠1)的要素为1，j行(j≠1,i)的要素成为1及-1的个数分别设为N++,N+-。同样地，i行的要素为-1，j行(j≠1,i)的要素成为1及-1的个数分别设为N-+,N--。由于i行与j行分别与第1行正交，因此N+++N+-＝n/2,N+-+N--＝n/2,由于i行与j行正交，因此N+++N--＝n/2。通过对这些进行联立并求解，成为N++＝N+-＝N-+＝N--＝n/4。由此n必需为4的倍数。
在给出n次的阿达马矩阵Hn时，用式(119)来表示的矩阵成为2n次的阿达马矩阵。
[数学式119]
利用这个(应用西尔维斯特构造法)能够导出下式(120)所表示的矩阵。
[数学式120]
<探测光的结构>
S-BOTDR中利用将短脉冲与长脉冲进行组合的p(≧3)种的复合脉冲作为探测光。对各个通过阿达马矩阵进行编码的S-BOTDR，构成基于阿达马矩阵的各行的值进行编码的复合脉冲序列，与编码S-BOTDR的情况相同地仅对短脉冲或长脉冲中的任一个进行编码。若阿达马矩阵的维数设为NH(该值如之前说明的那样必需为2或4的倍数)，则探测光成为全部pNH组的复合脉冲序列。
通过下式(121)来给出各探测光的振幅。
[数学式121]
在此，f1(t),f2(t)分别为如之前表示的式(1)，式(2)的短脉冲和长脉冲的振幅，Hk,m(k,m＝1,2,…NH)为阿达马矩阵的要素，λj(j＝1,…,p)为之前表示的式(4)的单位圆上的点，r为短脉冲与长脉冲的振幅比，d为复合脉冲间的间隔。
<利用阿达马矩阵的方法>
利用阿达马矩阵的编码方法通过以下示出的步骤来实施。
使用阿达马矩阵的编码S-BOTDR的步骤如以下(a)～(i)所示。
(a)针对k＝1、2、…，NH进行如下的(b)～(g)的处理。
(a)针对j＝1、2、…、p进行如下的(c)～(f)的处理。
(c)生成由来自激光光源的光形成的具有f(k) (j)(t)形状的探测光，且入射至光纤中。
(d)利用来自与最初的激光光源隔开频率为11GHz左右的其他激光光源的光来对布里渊散射光进行外差接收。该输出设为Xk (j)(t)。
(e)将Xk (j)(t)仅降低频率ν,且使与短脉冲和长脉冲相对应的2个低通滤波器h1(t)和h2(t)通过。将通过h1(t)和h2(t)的信号分别设为Y1 k(j)(t,ν)、Y2 k(j)(t,ν)。
(f)互谱通过下式(122)来求出。
[数学式122]
(g)S-BOTDR的频谱通过下式(123)来求出。
[数学式123]
(h)阿达马矩阵的转置通过下式(124)来进行。
[数学式124]
(i)重复的频谱的相加通过下式(125)来进行。
[数学式125]
通过重复测量来对频谱相加、以及由2个偏振的分量获得的频谱的求和的操作与S-BOTDR相同。
利用阿达马矩阵的方法中的SN比的改善效果为(NH)0.5，若通过与利用Golay码的方法相同的测量次数来进行比较则结果相同。
如上所说明的那样，可知在实施方式1～3的任何一个中，通过运用考虑为最适合于布里渊测量的编码方法，与以往的方法相比能够提高SN比等来提高测量精度。另外，本发明在其发明范围内可对各实施方式进行自由地组合，可对各实施方式进行适当地变形、省略。例如，在以上的说明中，仅对长脉冲进行编码的方法或者装置进行了说明，但是不限于此，仅对短脉冲进行编码的方法或者装置也能够起到同样的效果。
标号说明
1激光光源，2短脉冲发生器，3长脉冲发生器，4脉冲发生器，5移相器，6相位选择器，7复合器，8探测光生成器(入射光生成器)，9耦合器，10光外差接收机，11本机振荡器，12外差接收机，13AD转换器，14信号处理器。

Claims (6)

1.一种布里渊散射测定方法，
以将时间宽度不同的2种光脉冲进行组合并在时间轴上规定的位置成为一对的方式使用形成激光的复合光脉冲，用2个Golay码的序列对一个具有时间宽度的光脉冲进行相位调制并编码成脉冲序列，并且所述复合光脉冲彼此的间隔在声子寿命以上的复合脉冲序列的其他复合光脉冲，从被测定体所具备的光纤的一端射入，根据该光纤中产生的布里渊背向散射光的频移量的变化来对物理量进行检测，该布里渊散射测定方法其特征在于，包括如下步骤：
利用来自用于产生所述2种光脉冲的第1激光光源的光、以及来自与该第1激光光源的振荡频率不同的第2激光光源的光来对所述布里渊背向散射光进行外差接收并作为第1信号输出；
在对该第1信号的频率仅变更了规定的频率之后，通过与所述时间宽度不同的各个光脉冲相对应的2种低通滤波器并作为第2信号输出；
基于通过了该第2信号中的一个所述低通滤波器的信号、以及通过了另一个所述低通滤波器的信号的复共轭信号，对每个所述Golay码序列，计算所述第2信号的互谱，且根据该计算结果求出所述第2信号的合成频谱；
并且，对该合成频谱进行解码的解码处理。
2.一种布里渊散射测定方法，
以对时间宽度不同的2种光脉冲进行组合并在时间轴上规定的位置成为一对的方式形成使用激光的复合光脉冲，并将一个具有时间宽度的光脉冲用阿达马矩阵的各行的值来编码成脉冲序列，并且所述复合光脉冲彼此的间隔在声子寿命以上的复合脉冲序列的其他复合光脉冲从被测定体所具备的光纤的一端射入，根据该光纤中产生的布里渊背向散射光的频移量的变化来对物理量进行检测，该布里渊散射测定方法其特征在于，包括如下步骤：
利用来自用于产生所述2种光脉冲的第1激光光源的光、以及来自与该第1激光光源的振荡频率不同的第2激光光源的光来对所述布里渊背向散射光进行外差接收以作为第1信号输出；
在对该第1信号的频率仅变更了规定的频率之后，通过与所述时间宽度不同的各个光脉冲相对应的2种低通滤波器并作为第2信号输出；
基于该第2信号中的通过了一个所述低通滤波器的信号、以及通过了另一个所述低通滤波器的信号的复共轭信号，对所述第2信号的互谱进行计算，且根据该计算结果求出所述第2信号的合成频谱；
更进一步，基于该合成频谱，在进行了阿达马矩阵的转置运算之后，对重复的频谱进行相加。
3.如权利要求1或2所述的布里渊散射测定方法，其特征在于，
进行对所述合成频谱的测量重复进行210～214次，并将该测量中获得的数据相加来求出频谱的加法处理，并且进行针对所述第1信号与所述第2信号中产生的偏振，在分别对入射面内的偏振频谱和与入射面垂直的方向的偏振频谱的2种偏振分量分别进行测量之后，取相对于该2种偏振分量所获得的频谱的和从而求出频谱的偏振处理。
4.如权利要求3所述的布里渊散射测定方法，其特征在于，
在求取所述合成频谱时，从克尔效应的系数、所述光脉冲功率、以及到所述被测定体的测定点为止的有效距离来决定是否要进行相位校正，或者不进行相位校正，而是以复值来对合成频谱进行计算且在进行了所述加法处理及所述偏振处理之后，取绝对值从而来求出最终的合成频谱。
5.一种布里渊散射测定装置，其特征在于，包括：
激光光源、
探测光发生器，该探测光发生器生成对被测定体的物理量进行测量用的探测光，其具有：由来自该激光光源产生的激光形成具有不同时间宽度的2种光脉冲即短脉冲与长脉冲的脉冲发生器；对该2种光脉冲中一个光脉冲施加相位信息用的移相器；相位选择器，该相位选择器具有用于对所述相位信息进行选择的多个相位信息，根据所述移相器的指令从所述多个相位信息中进行选择且将该选择的相位信息发送至所述移相器；以及复合器，该复合器对所述一个光脉冲用2个Golay码的序列进行相位调制且进行编码，将该编码得到的一个光脉冲与另一个光脉冲彼此配置在时间轴上的特定位置中作为一对从而来对两个光脉冲进行复合；探测光生成器，该探测光生成器生成用于测量被测定体的物理量的探测光；
光外差接收机，该光外差接收机接收所述激光、以及通过将所述探测光射入至包括在所述被测定体内的光纤中而产生的布里渊背向散射光；
外差接收机，该外差接收机接收来自对变更了特定频率部分的频率进行振荡的振荡器的信号以及来自所述光外差接收机的输出信号；以及
信号处理器，该信号处理器使每个从该外差接收机输出的所述短脉冲和长脉冲的信号分别通过低通滤波器从而来求出频谱，并且通过计算来求出两者的互谱，
并对所述布里渊背向散射光的频移进行测量。
6.如权利要求5所述的布里渊散射测定装置，其特征在于，
所述光脉冲的时间宽度由所述激光的线宽与π的积的倒数来确定的设为该激光的相干时间的1/20以下，复合脉冲彼此的间隔设定在所述短脉冲的时间宽度与所述长脉冲的时间宽度的和以上。
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