JP2003098037A - 光ファイバ分布型測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ブリルアン散乱現象の位置の空間分解能の向上
及び被測定物理量の測定精度を高めること。 【解決手段】ＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２
とに分配し、ポンプ光Ｐ _１をセンシング用光ファイバ７
の一端から入射し、プローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数
近傍まで変調してセンシング用光ファイバ７の他端から
入射し、ポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_４とがセンシング
用光ファイバ７中を互いに対向する方向から伝搬したと
きに生じる誘導ブリルアンによって被測定物理量の情報
を受けて被測定光Ｐ_６として伝搬し、この被測定光Ｐ_６
とプローブ光Ｐ_５との合波光Ｐ_７におけるビート信号の
周波数値から被測定物理量の発生個所を特定し、かつプ
ローブ光Ｐ_２の離調幅を変化させたときのビート信号の
強度変化に基づいて被測定物理量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを媒体
とし、光ファイバ中で発生するブリルアン散乱現象の変
化を捉えることで被測定物理量及びその位置を測定する
光ファイバ分布型測定方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる光ファイバ分布型測定方法は、光
ファイバを敷設した周囲の歪みや温度等の外乱因子に関
する物理量を測定するための光ファイバセンサー等に応
用できる。

【０００３】この応用例は、例えば、（ａ）光通信網の
保守管理、（ｂ）トンネルや鉄橋等の大型構造物の保守
管理、（ｃ）航空機等に利用されている複合材料の故
障、疲労などの不具合の自己診断である。

【０００４】具体的には、これら（ａ）〜（ｃ）の対象
にそれぞれ光ファイバを埋設することで、例えば複合材
料などの材料自体に発生する故障、疲労などの不具合を
自己診断する機能を付加するスマートマテリアル・スト
ラクチャーなどに利用することができる。

【０００５】このような光ファイバセンサー等の技術の
基本性能が向上した場合、その適用範囲は、主に上記
（ｂ）及び（ｃ）の分野を中心に広く普及する。

【０００６】光ファイバをセンシング媒体として歪み又
は温度を分布測定する技術は幾つかある。これら技術の
中には、光ファイバ中のブリルアン散乱現象を利用した
方法がある。

【０００７】この方法は、これまでの定点型センサーを
事前に並べ置く方法に比べ、単純な構成でしかも任意の
測定個所での各物理量の分布計測が可能である。

【０００８】ブリルアン散乱現象は、光ファイバ中で周
波数の異なる２つの光波が双方向からすれ違うとき、高
周波数の光から低周波数の光へと、光ファイバ中の音響
波を介してパワーが移動する現象である。

【０００９】すれ違う光波間の周波数差がνであると
き、移動するパワーは、近似的に次式（１）で定義され
るブリルアンゲインスペクトラムｇ_Ｂ(ν)に比例する。

【００１０】

【数１】

【００１１】ここでν_Ｂ、Δν_Ｂは、それぞれブリルア
ンシフト周波数、ブリルアン線幅（ゲイン幅）と称する
パラメータである。これらパラメータからなるブリルア
ンゲインスペクトラムは、上記式（１）により示される
ようにローレンツ関数曲線に従うプロファイルになる。

【００１２】つまり、光ファイバ中でブリルアン散乱現
象を効率よく発生させるためには、ブリルアン周波数シ
フトν_Ｂを中心としてブリルアンゲイン線幅Δν_Ｂの周
波数範囲にある周波数差νを付加する必要がある。ブリ
ルアン周波数シフトν_Ｂは、光ファイバ中の音速ｖ_ａと
したとき、次式（２）で与えられる。

【００１３】

【数２】

【００１４】ここで、ｎはファイバの屈折率、λは光フ
ァイバ中の光の波長である。

【００１５】音速ｖ_ａが光ファイバ周辺の温度、歪みに
依存して変化すると、ブリルアン周波数シフトν_Ｂは、
上記式（２）により温度、歪みの検知手段を与える結果
となる。

【００１６】例えば波長１．５５μｍにおけるＵＶ（紫
外線）被膜シングルモード石英ファイバのブリルアンシ
フト周波数ν_Ｂの温度、歪み量に対する変化感度は、そ
れぞれ次式（３）及び（４）であることが知られてい
る。

【００１７】

【数３】

【００１８】従って、ブリルアンゲインスペクトラムｇ
_Ｂ(ν)を光ファイバに沿った位置の関数として測定する
ことで温度又は歪みの分布を測定することができる。

【００１９】前述のブリルアンゲインスペクトラムを測
定する技術としては、ＢＯＴＤＡ(Brillouin Optical T
ime Domain Analysis)法が用いられてい。このＢＯＴＤ
Ａ法は、周波数νが可変のパルスポンプ光と連続波プロ
ーブ光とを、それぞれファイバ両端から入射し、ブリル
アン散乱現象によるプローブ光のブリルアンゲインに比
例したパワーの変化を時間の関数として測定し、その変
化量から温度、歪み分布を求めるものである。

【００２０】又、ＢＯＴＤＡ法と等価な技術としてＢＯ
ＴＤＲ(Brillouin Optical Time Domain Reflectometr
y)法が用いられている。このＢＯＴＤＲ法は、ポンプパ
ルス光のみを被測定ファイバから入射し、自然ブリルア
ン散乱現象による後方散乱光成分パワーのブリルアンゲ
インスペクトラムｇ_Ｂ（ν）の時間関数（ファイバ上の
位置関数）として測定し、その変化量から温度、歪みの
分布を求めるものである。

【００２１】これらＢＯＴＤＡ法及びＢＯＴＤＲ法は、
次の文献『T.Horiguchi et al. , Journal of Lightwav
e Technology. Vol. 13 , pp. 1296-1302. (1995)』に
おいて発案者らによって解説されている。

【００２２】これらＢＯＴＤＡ法及びＢＯＴＤＲ法によ
る温度、歪み発生個所の空間分解能δzは、ポンプ光の
パルス時間幅をＷ、光ファイバ中の光速をｖとすると次
式（５）で与えられる。

【００２３】

【数４】

【００２４】従って、空間分解能δｚを高くするには、
光パルス時間幅Ｗを短くする必要がある。しかし、ブリ
ルアンゲインスペクトラムｇ_Ｂ(ν)、特にその最大周波
数であるブリルアンシフト周波数ν_Ｂを精度高く測定す
るためには、光パルス時間幅Ｗを次式（６）の範囲に制
約される。

【００２５】一般的な数値例として、ブリルアンゲイン
幅Δν_Ｂ＝３０ＭＨｚと、光ファイバ中の光速ｖ=２×
１０^８ｍ／ｓを用いると、式（５）で与えられる空間分
解能δｚは３ｍとなる。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＢＯＴ
ＤＡ法及びＢＯＴＤＲ法では、空間分解能が前述した理
由により実質１〜３ｍ程度に制限され、（ｂ）トンネル
や鉄橋等の大型構造物の保守管理、（ｃ）航空機等に利
用されている複合材料の故障、疲労などの不具合の自己
診断に挙げた応用例に関しては、空間分解能が足りない
といった課題がある。

【００２７】ブリルアン散乱現象を利用した測定方法で
は、ポンプ光と上記式（ｂ）で示されるブリルアンシフ
ト周波数帯相当に離調（周波数シフト）したプローブ光
の二つの光波が必要である。その離調周波数は、通常１
０ＧＨｚ以上の高周波数領域において１ＭＨｚ以下の離
調精度が必要であり、その部分が装置全体のコストの大
半を占めている。

【００２８】このため、光ファイバの非線形現象を取り
扱った通常の光ファイバセンサー装置に比べ非常にコス
トがかかる。このことは応用例である上記（ａ）光通信
網の保守管理、（ｂ）トンネルや鉄橋等の大型構造物の
保守管理、（ｃ）航空機等に利用されている複合材料の
故障、疲労などの不具合の自己診断の全てにおいて共通
の課題である。

【００２９】そこで本発明は、ブリルアン散乱現象の位
置の空間分解能の向上及び被測定物理量の測定精度を高
めることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装
置を提供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、被測定
物理量の空間分布を求めるセンシング用光ファイバ中で
発生するブリルアン散乱現象の変化を捉えて被測定物理
量の空間分布を求める光ファイバ分布型測定方法におい
て、光源からの光を周波数変調してポンプ光とプローブ
光とに分配する工程と、ポンプ光をセンシング用光ファ
イバの一端から入射する工程と、プローブ光をブリルア
ン周波数近傍まで変調してセンシング用光ファイバの他
端から入射する工程と、ポンプ光とプローブ光とがセン
シング用光ファイバ中を互いに対向する方向から伝搬し
たときに生じる誘導ブリルアンによって、プローブ光は
被測定物理量の情報を受けて被測定光として伝搬し、こ
の被測定光とプローブ光とを合波する工程と、この合波
光におけるビート信号の周波数値から被測定物理量の発
生個所を特定し、かつプローブ光の離調幅を変化させた
ときのビート信号の強度変化に基づいて被測定物理量を
求める工程とを有することを特徴とする光ファイバ分布
型測定方法である。

【００３１】第２の本発明は、被測定物理量の空間分布
を求めるセンシング用光ファイバ中で発生するブリルア
ン散乱現象の変化を捉えて被測定物理量の空間分布を求
める光ファイバ分布型測定方法において、光源からの光
を周波数変調してポンプ光とプローブ光とに分配する工
程と、ポンプ光をセンシング用光ファイバに入射する工
程と、プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する
工程と、ポンプ光がセンシング用光ファイバ中に伝搬し
たときに自然ブリルアン散乱光が発生し、この自然ブリ
ルアン散乱光に被測定物理量が反映して後方に被測定光
として伝搬し、この被測定光とプローブ光とを合波する
工程と、この合波光におけるビート信号の周波数値から
被測定物理量の発生個所を特定し、かつプローブ光の離
調幅を変化させたときのビート信号の強度変化に基づい
て被測定物理量を求める工程とを有することを特徴とす
る光ファイバ分布型測定方法である。

【００３２】第３の本発明は、上記第１又は第２の本発
明の光ファイバ分布型測定方法において、プローブ光の
周波数は、位相変調によってポンプ光の周波数に対して
周波数シフトし、この位相変調によって生じる基本変調
周波数のｎ次高調波周波数成分（ｎは整数）を被測定物
理量の測定に用いることを特徴とする。

【００３３】第４の本発明は、上記第１又は第２の本発
明の光ファイバ分布型測定方法において、プローブ光の
中心周波数は、光源からの光の周波数変調に同期させて
補正変調し、ブリルアン周波数の波長依存性の影響を低
減することを特徴とする。

【００３４】第５の本発明は、上記第１又は第２の本発
明の光ファイバ分布型測定方法において、ポンプ光を光
増幅してセンシング用光ファイバに送ることを特徴とす
る。

【００３５】第６の本発明は、センシング用光ファイバ
中で発生するブリルアン散乱現象の変化を捉えて被測定
物理量の空間分布を求める光ファイバ分布型測定装置に
おいて、光源からの光を周波数変調して出力する光源部
と、この光源部から出力された光をポンプ光とプローブ
光とに分配する光分配手段と、ポンプ光をセンシング用
光ファイバの一端から入射する第１の光学手段と、プロ
ーブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する光変調手段
と、この光変調手段により変調されたプローブ光をセン
シング用光ファイバの他端から入射する第２の光学手段
と、ポンプ光とプローブ光とがセンシング用光ファイバ
中を互いに対向する方向から伝搬したときに生じる誘導
ブリルアンによって被測定物理量の情報を受けたプロー
ブ光を被測定光とし、この被測定光と第２の光学手段か
らのプローブ光とを合波する合波光学手段と、この合波
光学手段からの合波光におけるビート信号の周波数値か
ら被測定物理量の発生個所を特定し、かつプローブ光の
離調幅を変化させたときのビート信号の強度変化に基づ
いて被測定物理量を求める検出手段とを具備したことを
特徴とする光ファイバ分布型測定装置である。

【００３６】第７の本発明は、センシング用光ファイバ
中で発生するブリルアン散乱現象の変化を捉えて被測定
物理量の空間分布を求める光ファイバ分布型測定装置に
おいて、光源からの光を周波数変調して出力する光源部
と、この光源部から出力された光をポンプ光とプローブ
光とに分配する光分配手段と、ポンプ光をセンシング用
光ファイバの一端から入射する光学手段と、プローブ光
をブリルアン周波数近傍まで変調する光変調手段と、ポ
ンプ光がセンシング用光ファイバ中に伝搬したときに発
生し、被測定物理量が反映して後方に伝搬する自然ブリ
ルアン散乱光を被測定光とし、この被測定光と光変調手
段により変調されたプローブ光とを合波する合波光学手
段と、この合波光学手段からの合波光におけるビート信
号の周波数値から被測定物理量の発生個所を特定し、か
つプローブ光の離調幅を変化させたときのビート信号の
強度変化に基づいて被測定物理量を求める検出手段とを
具備したことを特徴とする光ファイバ分布型測定装置で
ある。

【００３７】第８の本発明は、上記第６又は第７の本発
明の光ファイバ分布型測定装置において、光源部は、出
力する光の周波数変調が可能な光源と、この光源を所定
の時間周期で周波数変調する変調制御部とからなること
を特徴とする。

【００３８】第９の本発明は、上記第６又は第７の本発
明の光ファイバ分布型測定装置において、光変調手段
は、プローブ光の周波数を、ポンプ光の周波数に対して
周波数変調する位相変調器であることを特徴とする。

【００３９】第１０の本発明は、上記第６又は第７の本
発明の光ファイバ分布型測定装置において、光変調手段
は、プローブ光の中心周波数を、光源からの光の周波数
変調に同期させて補正変調する機能を有することを特徴
とする。

【００４０】第１１の本発明は、上記第６又は第７の本
発明の光ファイバ分布型測定装置において、光変調手段
は、プロープ光の周波数を変調する光変調器と、この光
変調器を駆動する変調信号源と、この変調信号源をコン
トロールする制御信号源とからなることを特徴とする。

【００４１】第１２の本発明は、上記第１１の本発明の
光ファイバ分布型測定装置において、変調信号源は、光
源部の周波数変調に同期して光変調器による変調を補正
させるコントロール信号を、変調信号源に対して送出す
る機能を有することを特徴とする。

【００４２】第１３の本発明は、上記第６又は第７の本
発明の光ファイバ分布型測定装置において、合波光学手
段は、被測定光とプローブ光とを合波する光合波器と、
この光合波器により合波された光の中からブリルアン散
乱固有の周波数成分だけの光を選択して透過する光周波
数フィルターとからなることを特徴とする。

【００４３】第１４の本発明は、上記第６又は第７の本
発明の光ファイバ分布型測定装置において、光分配手段
と第１の光学手段との間に設けられ、光分配手段からの
ポンプ光を光増幅して第１の光学手段に送る光増幅手段
を備えたことを特徴とする。

【００４４】

【発明の実施の形態】（１）以下、本発明の第１の実施
の形態について図面を参照して説明する。

【００４５】図１は光ファイバ分布型測定装置の構成図
である。光源部１は、光源２を有し、この光源２からの
光を周波数変調（ＦＭ）してそのＦＭ光Ｌを出力するも
ので、光源２と変調制御装置３とから構成されている。

【００４６】光源２は、周波数変調可能なもので、例え
ば半導体レーザ（以降ＬＤと称する）が用いられる。以
下、光源２をＬＤ２と称する。このＬＤ２は、光ファイ
バ分布型測定装置に好適である。このＬＤ２から出力さ
れるＦＭ光Ｌは、光ファイバ４の一端側から入射するも
のとなっている。

【００４７】変調制御装置３は、ＬＤ２をＦＭ変調する
もので、駆動電源と第１変調信号源とからなる。

【００４８】光ファイバ４の他端側には、光分配器５が
接続されている。この光分配器５は、ＦＭ光Ｌを、ポン
プ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とにそれぞれ分岐するもので
ある。光分配器５は、例えば光カプラー、ビームスプリ
ッター、ハーフミラー等が好適である。なお、光分配器
５の分岐出力側には、ポンプ光Ｐ_１用とプローブ光Ｐ _２
用との２本の光ファイバ４が接続されている。

【００４９】光サーキュレータである第１の光学手段６
がポンプ光Ｐ_１用の光ファイバ４の他端に接続されてい
る。この第１の光学手段６は、ポンプ光Ｐ_１をセンシン
グ用光ファイバ７の一端から入射させるものである。以
下、第１の光学手段６を光サーキュレータ６と称する。
この光サーキュレータ６は、例えば光カプラー、ビーム
スプリッター、ハーフミラー等が好適である。

【００５０】この光サーキュレータ６は、入力ポート６
−１と２つの出力ポート６−２、６−３とを有し、この
うち入力ポート６−１にポンプ光Ｐ_１用の光ファイバ４
が接続され、出力ポート６−２にセンシング用光ファイ
バ７が接続されている。

【００５１】センシング用光ファイバ７は、実際の歪み
や温度（本発明の被測定物理量の好適な例）を検知する
ためのものである。

【００５２】一方、光分配器５からのプローブ光Ｐ_２用
の光ファイバ４の他端には、光変調器部８が接続されて
いる。この光変調器部８は、プローブ光Ｐ_２をブリルア
ン周波数近傍まで変調するもので、プロープ光Ｐ_２の周
波数を変調する光変調器９と、この光変調器９を駆動す
る変調信号源１０と、この変調信号源１０を外部からコ
ントロールする制御信号源１１とから構成されている。

【００５３】このうち光変調器９は、例えば波長１．５
５μｍにおける石英光ファイバのブリルアンシフト周波
数ν_B（＝１０〜１１ＧＨｚ相当）の変調可能な電界効
果を利用した導波路型変調器が挙げられる。この光変調
器９は、他に音響効果を用いた変調素子や、両効果に基
づくバルク型の変調素子等でもよい。

【００５４】この光変調器９により変調されたプロープ
光Ｐ_２は、光変調器部９の変調周波数ν_sによってν(t)
±ν_sの周波数成分を有するプローブ光Ｐ_３になる。

【００５５】このプローブ光Ｐ_３は、プローブ光Ｐ_３用
の光ファイバ４を伝搬して第２の光学手段１２に入射す
る。この第２の光学手段１２は、光分配器１３によって
プローブ光Ｐ_３をプローブ光Ｐ_４とプローブ光Ｐ_５とに
それぞれ分岐するものである。

【００５６】光分配器１３の分岐出力側には、プローブ
光Ｐ_４用の光ファイバ４とプローブ光Ｐ_５用の光ファイ
バ４とが接続されている。このうちプローブ光Ｐ_４用の
光ファイバ４は、センシング用光ファイバ７の他端側に
接続されている。

【００５７】従って、センシング用光ファイバ７には、
一端からポンプ光Ｐ_１が入射して同センシング用光ファ
イバ７内を伝搬し、かつ他端からプローブ光Ｐ_４が入射
してポンプ光Ｐ_１の伝搬方向とは逆向きに伝搬（対向励
起）する。

【００５８】これにより、センシング用光ファイバ７中
では、ポンプ光Ｐ_１によって発生するＳＢＳ現象を介し
てそのパワーの一部がプローブ光Ｐ_４に移行する。この
プローブ光Ｐ_４からみれば、それはブリルアン増幅によ
る伝搬光として振舞う。

【００５９】光サーキュレータ６の出力ポート６−３と
光分配器１３からのプローブ光Ｐ_５用の光ファイバ４と
の間には、合波光学手段１４が接続されている。

【００６０】この合波光学手段１４は、ポンプ光Ｐ_１と
プローブ光Ｐ_４とがセンシング用光ファイバ７中を互い
に対向する方向から伝搬したときに生じる誘導ブリルア
ンによって被測定物理量の情報を受けたプローブ光Ｐ_６
を被測定光とし、この被測定光Ｐ_６と光分配器１３から
のプローブ光Ｐ_５とを合波するものである。

【００６１】この合波光学手段１４は、光合波器１５と
波長フィルター１６とからなっている。光合波器１５
は、被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５とを合波するもので
ある。この光合波器１５は、例えば光カプラー、ハーフ
ミラー、ビームスプリッター等がの好適である。

【００６２】波長フィルター１６は、光合波器１５から
の合波光Ｐ_７のうちν(t)-ν_sの周波数成分の光波だけ
を透過するものである。

【００６３】検出部１７は、光合波器１５の合波光Ｐ_７
におけるビート信号の周波数値から被測定物理量の発生
個所を特定し、かつプローブ光Ｐ_２の離調幅を変化させ
たときのビート信号の強度変化に基づいて被測定物理量
を求めるもので、光検出器１８と周波数解析装置１９と
からなる。

【００６４】光検出器１８は、合波光Ｐ_７のうち波長フ
ィルターを透過したν(t)-ν_sの周波数成分の光波を受
光・干渉してその電気信号（ビート信号）に変換するも
のである。

【００６５】周波数解析装置１９は、光検出器１８から
の電気信号（ビート信号）を入力し、この電気信号（ビ
ート信号）を周波数解析して周波数成分を求め、それら
の周波数値からセンシング用光ファイバ７上の歪み又は
温度の物理量の測定個所を求め、更に、光変調器部８に
よってプローブ光Ｐ_２のν_sを離調操作することで変化
するビート信号の強度変化からその被測定物理量の変化
を測定する機能を有している。

【００６６】この周波数解析装置１９は、ＲＦスペクト
ラムアナライザー等であり、その他に好適な例としてＦ
ＦＴ（高速フーリエ変換）、ＤＦＴ（離散フーリエ変
換）、ウエーブレット変換といった周波数解析手法によ
る演算装置でもよい。

【００６７】次に、上記の如く構成された装置の作用に
ついて説明する。

【００６８】ＬＤ２は、変調制御装置３によりＦＭ変調
される。このＬＤ２から出力されるＦＭ光Ｌは、光ファ
イバ４の中を伝搬して光分配器５に入射する。

【００６９】この光分配器５は、ＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ
_１とプローブ光Ｐ_２とにそれぞれ分岐する。

【００７０】このうちポンプ光Ｐ_１は、光ファイバ４の
中を伝搬して光サーキュレータ６に入射する。この光サ
ーキュレータ６では、ポンプ光Ｐ_１は入力ポート６−１
から入射して出力ポート６−１から出射する。

【００７１】ポンプ光Ｐ_１は、センシング用光ファイバ
７の一端から入射し、このセンシング用光ファイバ７の
中を伝搬する。

【００７２】一方のプローブ光Ｐ_２は、光ファイバ４の
中を伝搬して光変調器部８に入射する。この光変調器部
８は、制御信号源１１により変調信号源１０を外部から
コントロールし、この変調信号源１０により光変調器９
を駆動する。

【００７３】しかるに、光変調器９は、プローブ光Ｐ_２
を入射し、このプローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍
まで変調し、プローブ光Ｐ_３として出射する。このプロ
ーブ光Ｐ_３は、光変調器９の変調周波数ν_sによってν
(t)±ν_sの周波数成分を有する。

【００７４】このプローブ光Ｐ_３は、光分配器１３に入
射し、この光分配器１３によってプローブ光Ｐ_４とプロ
ーブ光Ｐ_５とにそれぞれ分岐される。

【００７５】このうちプローブ光Ｐ_４は、センシング用
光ファイバ７の他端（ポンプ光入力端とは逆の端）から
入射し、ポンプ光Ｐ_１の伝搬方向とは逆向きに伝搬（対
向励起）する。その関係によってセンシング用光ファイ
バ７中ではポンプ光Ｐ_１によって発生するＳＢＳ現象を
介してそのパワーの一部がプローブ光Ｐ_４に移行する。

【００７６】プローブ光Ｐ_４からみれば、それはブリル
アン増幅による伝搬光として振舞う。このようにＳＢＳ
の情報を有するプローブ光Ｐ_６は、再び光サーキュレー
タ６の出力ポート６−２に入射し、この出力ポート６−
２から出力ポート６−３を介して合波光学手段１４に入
射する。

【００７７】このとき、合波光学手段１４には、プロー
ブ光Ｐ_６と共に、光分配器１３からのプローブ光Ｐ_５も
入射する。

【００７８】この合波光学手段１４の光合波器１５は、
被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５とを合波する。

【００７９】この光合波器１５からの合波光Ｐ_７は、波
長フィルター１６に入射し、この波長フィルター１６に
よってν(t)-ν_sの周波数成分の光波だけが透過する。
この波長フィルター１６を透過した光波は、検出部１７
に入射する。

【００８０】この検出部１７の光検出器１８は、合波光
Ｐ_７のうち波長フィルターを透過したν(t)-ν_sの周波
数成分の光波を受光・干渉してその電気信号（ビート信
号）に変換する。

【００８１】周波数解析装置１９は、光検出器１８から
の電気信号（ビート信号）を入力し、この電気信号（ビ
ート信号）を周波数解析して周波数成分を求め、それら
の周波数値からセンシング用光ファイバ７上の歪み又は
温度の物理量の測定個所を求め、更に、光変調器部８に
よってプローブ光Ｐ_２のν_sを離調操作することで変化
するビート信号の強度変化からその被測定物理量の変化
を測定する。

【００８２】次に、上記第１の実施の形態の測定方法の
原理を図２及び図３を参照して説明する。図２は誘導ブ
リルアン散乱（以降ＳＢＳと呼ぶ）現象からみた場合の
図、図３は測定結果からみた場合の図である。なお、図
２（ａ）は光周波数領域からみたポンプ光スペクトラム
とブリルアンゲインスペクトラムとの関係であり、同図
（ｂ）はプローブ光スペクトラムとの関係を示す図であ
る。

【００８３】この測定方法の原理の説明にあたり、ブリ
ルアン散乱の発生及び被測定物理量の関係についての詳
細な説明は、前項で述べているので、重複を避けるため
に、ここでは省略する。

【００８４】又、本発明の測定法の特徴は、上記の項目
でその概要を前述している。よって、図２及び図３を用
いた第１の実施の形態の説明は、図１で構成されている
各装置の測定パラメータが本発明の測定原理にどのよう
に関係しているのかを説明する。

【００８５】センシング用光ファイバ７中を伝搬するポ
ンプ光Ｐ_１は、光ＦＭを伴うポンプ光スペクトラム１０
０として、周期Ｔでｔ＝０〜Ｔ(１０１〜１０２)の間で
繰り返し変化（変調）している。そのポンプ光の周波数
成分νp(t)は、次式（７）で与えられる。

【００８６】

【数５】

【００８７】ここで、ν_０はポンプ光の初期光周波数、
Δν_ｍは光周波数変調幅（光ＦＭ幅）である。

【００８８】上記式（７）のポンプ光１００によって発
生するブリルアンゲインスペクトラム１０３の中心周波
数ν_Ｂ(t)は、次式（８）により与えられる。

【００８９】

【数６】

【００９０】ここで、ブリルアンゲインスペクトラム１
０３の中心周波数ν_Ｂは、センシング用光ファイバ７に
固有のブリルアンシフト周波数（通常は石英ファイバで
波長１．５５μｍの時１０〜１１ＧＨｚ付近）である。
このブリルアンゲインスペクトラム１０３は、周期Ｔで
ｔ＝０〜Ｔ(１０４〜１０５)の間で繰り返し変化（変
調）している。

【００９１】一方、プローブ光Ｐ_３も同様に光ＦＭを伴
うプローブ光スペクトラム１０６として、周期Ｔでｔ＝
０〜Ｔ(１０７〜１０８)の間で繰り返し変化（変調）し
ている。

【００９２】それに付け加えて光変調器部８による変調
の効果から最終的なプローブ光Ｐ_３の周波数ν_Ｓ(t)
は、次式（９）により与えられる。（以降ν_Ｓをプロー
ブ光のオフセット周波数と称する）

【００９３】

【数７】

【００９４】もし、プローブ光のオフセット周波数ν_Ｓ
がブリルアンシフト周波数ν_Bと等しいならば、上記式
（８）は式（９）と等しくなり、その差は変調時間に依
存しなくなる。

【００９５】つまり、ブリルアンゲインスペクトラムが
光ＦＭによって変化しても、それに同期してそのプロー
ブ光も追随することを意味する。これより、相対的にみ
ればブリルアンゲインスペクトラム１０３とプローブ光
１０６との関係は常に周波数差は一定である。

【００９６】次に図２（ｂ）を用いてプローブ光Ｐ_４の
オフセット周波数ν_Ｓの離調（周波数可変操作）によっ
てブリルアンゲインスペクトラム周波数分布を測定する
原理を説明する。

【００９７】前記説明のオフセット周波数成分ν_Ｓ=ν
_Ｂのとき、ブリルアンスペクトラムの中心周波数とプロ
ーブ光の中心周波数成分は一致し、その周波数条件の時
にプローブ光Ｐ_４がＳＢＳを介して得られるブリルアン
増幅率Ｇは最大値Ｇ_ｍａｘである。

【００９８】そして、プローブ光のオフセット周波数値
を離調することで、プローブ光スペクトラム１０９は、
ブリルアンゲインプロファイル１１０に沿って、個々の
周波数におけるブリルアン増幅率Ｇ_１〜Ｇｎの情報を受
け取る。

【００９９】この時のオフセット周波数の離調幅をΔν
_Ｓとすれば、通常、Δν_Ｓ＞Δν_Ｂでそのブリルアンゲ
インプロファイルの分布を明らかにすることができる。
（通常の石英ファイバで波長１．５５μｍ時のΔν_Ｂは
１０〜３０ＭＨｚ付近）従って、図２では、本発明の特
徴である光ＦＭの連続光による測定手法において、光変
調器部８の変調周波数（オフセット周波数）ν_Ｓを、あ
る任意の周波数幅Δν_Ｓの範囲で離調し、その都度プロ
ーブ光の強度変化（Ｇ_１〜Ｇｎに関係して）を測定すれ
ば、ブリルアンゲインプロファイルを求めることができ
ることを説明した。

【０１００】次に、図３を用いてファイバ上の各位置に
おけるブリルアンゲインプロファイルのピーク値分布か
らその歪み（図３ではその被測定物理量を便宜上歪みと
したが温度でも同じである）分布を求める原理を説明す
る。

【０１０１】同図に示す光ファイバ１２０は、図１に示
すセンシング用光ファイバ７に対応する。又、ポンプ光
１２１はポンプ光Ｐ_１に対応し、プローブ光１２２はプ
ローブ光Ｐ_６に対応する。

【０１０２】そして、図３に示す測定結果は、光ファイ
バ１２０の任意個所（Ｚ_１−Ｚ_２区間）１２３に歪みが
発生した時を想定した場合である。

【０１０３】歪み発生個所１２３でのプローブ光Ｐ_６の
光電界Ｅ_ｒ（ｔ,ν_Ｓ）は、次式（１０）のようにな
り、そのプローブ光の合波・干渉相手であるプローブ光
Ｐ_５の光電界Ｅ_ｒ’（ｔ,ν_Ｓ）は、次式（１１）とな
る。

【０１０４】そして、これら両光を合波光学手段１４で
合波、検出部１７によって受光・干渉して得られる測定
信号のＡＣ（ビート）成分Ｉ_ｂ（ｔ）は、次式（１２）
となる。

【０１０５】

【数８】

【０１０６】ここで、Ｅ_ｒｏ、Ｅ’_ｒｏはプローブ光Ｐ
_４、プローブ光Ｐ_５の初期電界振幅、ｎはファイバ屈折
率、ｃは光速、Ｇ（ν_Ｓ)はプローブ光のオフセット周
波数ν_Ｓにおけるブリルアン増幅率、Ｅ^＊はＥの複素共
役項である。

【０１０７】上記式（１２）より、その測定信号のビー
ト周波数成分ｆ_ｂは、その歪み発生個所までの距離ｚ固
有の値であり、振幅値はその歪み物理量に関係するＧ
（ν_Ｓ）を含んでいる。

【０１０８】そして、その歪み発生個所１２３における
ブリルアンゲインスペクトラムの強度最大値の周波数か
らその歪み量を特定することができる。

【０１０９】しかるに、その操作は、図２で説明したよ
うに、光変調器部８のオフセット周波数ν_Ｓをブリルア
ンシフト周波数ν_Ｂ近傍でΔν_Ｓの範囲で離調し、その
都度のＩ_ｂ(t)の振幅値変化を測定する。

【０１１０】これら操作を踏まえた最終的な測定結果
は、図３に示すようにオフセット周波数ν_Ｓごとの測定
ビート周波数信号１２４で構成される。そして、距離ご
とにビート信号強度の最大値をつなぐと、光ファイバ１
２０上の歪み分布１２５が求められる。

【０１１１】これらの測定の原理に基づく本発明におけ
る空間分解能Δzは、フーリエ変換時におけるサンプリ
ング定理に従い次式（１３）のようになる。

【０１１２】

【数９】

【０１１３】具体的には、上記式（１３）から光周波数
変調（光ＦＭ）幅Δν_ｍ＝１ＧＨｚの時の空間分解能は
１０ｃｍとなり、従来技術より空間分解能の性能が３０
倍向上する。

【０１１４】ところで、その光ＦＭ幅１ＧＨｚの実現の
ためにはＬＤ２の注入電流によるＦＭ発生法では、約１
ｍＡの変調幅に相当し、また、外部変調法による発生で
は、市販レベルにおける高速光変調器で十分である。

【０１１５】このように上記第１の実施の形態において
は、ＬＤ２からの光を周波数変調してポンプ光Ｐ_１とプ
ローブ光Ｐ_２とに分配し、このうちポンプ光Ｐ_１をセン
シング用光ファイバ７の一端から入射し、プローブ光Ｐ
_２をブリルアン周波数近傍まで変調してプローブ光Ｐ_４
としてセンシング用光ファイバ７の他端から入射し、こ
れらポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_４とがセンシング用光
ファイバ７中を互いに対向する方向から伝搬したときに
生じる誘導ブリルアンによって、プローブ光Ｐ _４は被測
定物理量の情報を受けて被測定光Ｐ_６として伝搬し、こ
の被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５との合波光Ｐ_７におけ
るビート信号の周波数値から被測定物理量の発生個所を
特定し、かつプローブ光Ｐ_２の離調幅を変化させたとき
のビート信号の強度変化に基づいて被測定物理量を求め
る。

【０１１６】本発明の周波数変調光利用と従来技術のパ
ルス光の違いを説明すれば、様々な測定時間領域におけ
る光スペクトラム幅の違いである。

【０１１７】確かに周波数変調光は時間的に周波数が変
化しているので、その測定時間全体（時間の積分領域）
で見れば、周波数変調している掃引幅（帯域）のスペク
トラム広がりがあり、従来技術のパルス幅とそれに伴う
周波数スペクトラム幅の拡大と等価である。

【０１１８】しかしながら、瞬時時間領域（時間の微分
領域）においては、本来の単一周波数における線幅であ
る。しかし、パルス光はいずれの時間領域においても常
に光スペクトラムが拡散した状態にある。

【０１１９】ブリルアンスペクトラム測定とは瞬時時間
におけるそれぞれの光スペクトラムの周波数積分なの
で、本発明は、前記理由により瞬時時間領域ではスペク
トラム広がりがないためブリルアンスペクトラムの測定
精度は劣化しない。

【０１２０】そして、本発明において空間分解能向上を
する時には、周波数変調幅を大きくする必要があるが、
それは積分時間領域の話であり、微分（瞬時）時間領域
でみれば、従来技術で心配しているような光スペクトラ
ム広がりへの影響はない。

【０１２１】ゆえに、本発明は、従来技術のパルス方式
（ＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤＲ）で課題となっていた空間分
解能の向上と被測定物理量（歪みや温度）の測定精度の
向上の両立が可能になり、これら基本性能が同時に向上
するという効果がある。

【０１２２】従って、上記第１の実施の形態によれば、
ブリルアン散乱現象の位置の空間分解能の向上及び被測
定物理量の測定精度を高めることができる。

【０１２３】光ファイバセンサー等の応用として、
（ａ）光通信網の保守管理、（ｂ）トンネルや鉄橋等の
大型構造物の保守管理、（ｃ）航空機等に利用されてい
る複合材料の故障、疲労などの不具合の自己診断の全て
において、ブリルアン散乱現象の位置の空間分解能の向
上及び被測定物理量の測定精度を高めることができる。

【０１２４】（２）次に、本発明の第２の実施の形態に
ついて説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を
付してその詳しい説明は省略する。

【０１２５】図４は光ファイバ分布型測定装置の構成図
である。

【０１２６】この光ファイバ分布型測定装置の上記第１
の実施の形態との装置構成の違いは、センシング用光フ
ァイバ７の他端が第２光学手段１２に接続されておら
ず、センシング用光ファイバ７中では上記第１の実施の
形態におけるプローブ光Ｐ_４を必要としない点である。

【０１２７】この第２の実施の形態では、センシング用
光ファイバ７の一端だけで測定できるので、そのファイ
バ敷設方法は、より容易となり、かつその測定対象の適
用範囲も広がるという利点をもつ。

【０１２８】光サーキュレータ６の出力ポート６−２に
は、センシング用光ファイバ７の一端が接続されてい
る。

【０１２９】ポンプ光Ｐ_１は、センシング用光ファイバ
７の中を伝搬する。この結果、ポンプ光Ｐ_１によって自
然ブリルアン散乱光とレーリー散乱光を含む後方散乱光
Ｐ_{１ ０}が発生する。この後方散乱光Ｐ_１０は、再び光サ
ーキュレータ６の出力ポート６−２に帰還し、出力ポー
ト６−３から光ファイバ４を伝搬して合波光学手段１４
に導かれるものとなっている。

【０１３０】この合波光学手段１４は、後方散乱光Ｐ
_１０と光変調器部８からのプローブ光Ｐ_３とを合波する
もので、光合波器１５と波長フィルター１６とからなっ
ている。光合波器１５は、被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ
_５とを合波するものである。この光合波器１５は、例え
ば光カプラー、ハーフミラー、ビームスプリッター等が
の好適である。波長フィルター１６は、光合波器１５か
らの合波光Ｐ_７のうちν(t)-ν_sの周波数成分の光波だ
けを透過するものである。

【０１３１】次に、上記の如く構成された装置の作用に
ついて説明する。

【０１３２】ＬＤ２は、変調制御装置３によりＦＭ変調
される。このＬＤ２から出力されるＦＭ光Ｌは、光ファ
イバ４の中を伝搬して光分配器５に入射する。

【０１３３】この光分配器５は、ＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ
_１とプローブ光Ｐ_２とにそれぞれ分岐する。

【０１３４】このうちポンプ光Ｐ_１は、光ファイバ４の
中を伝搬して光サーキュレータ６に入射する。この光サ
ーキュレータ６では、ポンプ光Ｐ_１は入力ポート６−１
から入射して出力ポート６−１から出射する。

【０１３５】このポンプ光Ｐ_１は、センシング用光ファ
イバ７の一端から入射し、このセンシング用光ファイバ
７の中を伝搬する。

【０１３６】ポンプ光Ｐ_１がセンシング用光ファイバ７
の中を伝搬すると、このポンプ光Ｐ _１によって自然ブリ
ルアン散乱光とレーリー散乱光を含む後方散乱光Ｐ_１０
が発生する。この後方散乱光Ｐ_１０は、再び光サーキュ
レータ６の出力ポート６−２に帰還し、出力ポート６−
３から光ファイバ４を伝搬して合波光学手段１４に導か
れる。

【０１３７】一方のプローブ光Ｐ_２は、光ファイバ４の
中を伝搬して光変調器部８に入射する。この光変調器部
８は、制御信号源１１により変調信号源１０を外部から
コントロールし、この変調信号源１０により光変調器９
を駆動する。

【０１３８】しかるに、光変調器９は、プローブ光Ｐ_２
を入射し、このプローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍
まで変調し、プローブ光Ｐ_３として出射する。このプロ
ーブ光Ｐ_３は、光変調器９の変調周波数ν_sによってν
(t)±ν_sの周波数成分を有する。このプローブ光Ｐ
_３は、合波光学手段１４に入射する。

【０１３９】この合波光学手段１４は、光合波器１５に
より後方散乱光Ｐ_１０と光変調器部８からのプローブ光
Ｐ_３とを合波する。

【０１４０】この光合波器１５からの合波光は、波長フ
ィルター１６に入射し、この波長フィルター１６によっ
てν(t)-ν_sの周波数成分の光波だけが透過する。この
波長フィルター１６を透過した合波光Ｐ_１２は、検出部
１７に入射する。

【０１４１】この検出部１７の光検出器１８は、波長フ
ィルターを透過したν(t)-ν_sの周波数成分の合波光Ｐ
_１２を受光・干渉してその電気信号（ビート信号）に変
換する。

【０１４２】周波数解析装置１９は、光検出器１８から
の電気信号（ビート信号）を入力し、この電気信号（ビ
ート信号）を周波数解析して周波数成分を求め、それら
の周波数値からセンシング用光ファイバ７上の歪み又は
温度の物理量の測定個所を求め、更に、光変調器部８に
よってプローブ光Ｐ_２のν_sを離調操作することで変化
するビート信号の強度変化からその被測定物理量の変化
を測定する。

【０１４３】次に、上記図２及び図３を用いて上記第２
の実施の形態の測定の原理を説明する。なお、上記第１
の実施の形態と測定の原理が同じ点については重複を避
ける上でここでの説明は省略する。ここでは、上記第１
の実施の形態との測定の原理の上で異なる点について説
明する。

【０１４４】その際、図４で構成されている各装置の測
定パラメータが本発明の測定原理にどのように関係して
いるのかに着目して以下に説明する。

【０１４５】後方散乱光Ｐ_１０のブリルアン散乱光スペ
クトラムは、図２（a）に示す１０３に相当し、プロー
ブ光Ｐ_３のスペクトラムは、同図（a）に示す１０６に
相当する。

【０１４６】そして、これらブリルアン散乱光スペクト
ラム１０３とプローブ光Ｐ_３のスペクトラム１０６との
干渉によって生じる干渉ビートＩ_ｂ(t)のＡＣ成分は、
上記式（１２）と若干異なり次式（１４）のようにな
る。

【０１４７】

【数１０】

【０１４８】つまり式（１４）は、上記第１の実施の形
態における式（１２）で説明した歪み発生位置ｚ固有の
ビート周波数成分ｆ_ｂの他に、プローブ光のオフセット
周波数成分ν_Ｓとブリルアンシフト周波数成分ν_Ｂとの
差周波数成分Δｆ_ｒを含む信号となるのが特徴である。

【０１４９】これは本発明において障害とはならない。
何故なら第１及び第２の実施の形態においてこれらの関
係は、全体の原理を説明しやすいように、プローブ光の
オフセット周波数の初期周波数ν_Ｓ０＝ν_Ｂと前提条件
としているが、一般的には、ν_Ｓ０の条件は≒ν_Ｂ近傍
であればよく、それは任意に設定できるパラメータであ
る。

【０１５０】故にΔｆ_ｒは＝｜ν_Ｓ−ν_Ｓ０｜と書き換
えることができ、これは測定前の既知パラメータとして
演算上で後に補正することが容易である。また、第２の
実施の形態における空間分解能は、上記第１の実施の形
態と同じく上記式（１３）のように定義できる。

【０１５１】このように上記第２の実施の形態において
は、ＬＤ２からのＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ_１とプローブ光
Ｐ_２とに分配し、このうちポンプ光Ｐ_１をセンシング用
光ファイバ７に入射し、プローブ光Ｐ_２をブリルアン周
波数近傍まで変調し、ポンプ光Ｐ_１がセンシング用光フ
ァイバ７中に伝搬したときに自然ブリルアン散乱光が発
生し、この自然ブリルアン散乱光に被測定物理量が反映
して後方に被測定光Ｐ _１０として伝搬し、この被測定光
Ｐ_１０とプローブ光Ｐ_３とを合波し、この合波光Ｐ_１２
におけるビート信号の周波数値から被測定物理量の発生
個所を特定し、かつプローブ光Ｐ_３の離調幅を変化させ
たときのビート信号の強度変化に基づいて被測定物理量
を求める。

【０１５２】従って、上記第１の実施の形態と同様の効
果を奏することは言うまでもなく、ポンプ光Ｐ_１をセン
シング用光ファイバ７の一端のみから入射するので、セ
ンシング用光ファイバ７の敷設の自由度が広がり、かつ
容易となる。これよりセンシング用光ファイバ７の敷設
の制限が多い所、及び他の使用目的で敷設した既存の光
ファイバにおいても、本発明の適用範囲が広がるという
固有の効果を奏することができる。

【０１５３】（３）次に、本発明の第３の実施の形態に
ついて説明する。なお、図１及び図４と同一部分には同
一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【０１５４】この第３の実施の形態における変調器部８
は、上記第１及び第２の実施の形態と同様に、光変調器
９と変調信号源１０と制御信号源１１とから構成されて
いるが、このうちの光変調器９が位相変調器であること
に特徴を有している。

【０１５５】上記第１及び第２の実施の形態における光
変調器は、位相変調器の他に強度変調器や周波数シフタ
ー等の種類の光変調器を用いることができる。位相変調
器以外の変調方法では、プローブ光のオフセット周波数
ν_sがブリルアンシフト周波数ν_B付近（前記した条件で
は１０〜１１ＧＨｚ）の変調信号が必要であった。

【０１５６】これに対して第３の実施の形態における位
相変調器を光変調器９に置き換えた装置および変調方法
では、その変調信号の周波数ν_Ｓは、ν_Ｂの整数分の１
まで低周波数化することができる。

【０１５７】これにより、低周波数に基づく光変調器部
８の装置構成は容易となり、しいては本発明の装置全体
のコスト低減に役立つ。

【０１５８】図５は第３の実施の形態に基づく装置構成
及び変調方法によって得られるブリルアンゲインプロフ
ァイル分布の実際の測定結果を示す。

【０１５９】第３の実施の形態の原理について説明する
と、第３の実施の形態に基づく位相変調によるプローブ
光の電界を次式（１５）に示す。

【０１６０】

【数１１】

【０１６１】上記式（１５）からプローブ光の周波数成
分は、ν_Ｓを基本周波数とするｎ次（ｎ：整数）の高調
波成分で構成される周波数コムであり、その各ｎ次の周
波数スペクトラムの強度は、第１種のn次のベッセル関
数で決まる係数に比例する。

【０１６２】つまり、位相変調によりν_Ｓの基本周波数
を印加するだけで、自動的に２ν_Ｓ、３ν_Ｓ、４ν_Ｓ、
…、ｎν_Ｓの周波数成分が１度に生成されることを意味
している。

【０１６３】そしてν_Ｂに近いｎν_Ｓだけがビート信号
の中間周波数帯に現れ測定することができる。ｎの値が
大きいほど、その基本周波数ν_Ｓは小さくて済む（低周
波数化）。

【０１６４】図５は第３の実施の形態に基づいて実際に
測定した結果であり、プローブ光の各基本周波数ν_Ｓの
１／ｎのオフセット周波数値におけるブリルアンゲイン
スペクトラムの比較である。

【０１６５】１〜４次の高調波成分いずれにおいても、
同じ中間周波数帯５００ＭＨｚの値でピークを示すスペ
クトラムとなっている。そして、その強度値は上記式
（１５）で示したそれぞれのベッセル関数の値に比例し
て変化している。

【０１６６】これより図５は、プローブ光のオフセット
周波数変調に位相変調を用いることで、そのオフセット
周波数ν_Ｓの値を小さくできることを実際に示してい
る。

【０１６７】このように上記第３の実施の形態において
は、光変調器９に位相変調器を用いることにより、プロ
ーブ光のオフセット周波数変調を位相変調方式にし、そ
の高次高調波の周波数成分を利用することで、オフセッ
ト周波数変調を低周波数にすることができ、そのことで
装置構成が容易になる。

【０１６８】これにより、本発明における測定装置全
体、又は同技術分野における（ＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤ
Ｒ）の測定装置全体においても、低コスト化に貢献でき
るこという特有の効果がある。

【０１６９】すなわち、プローブ光に関する離調部分を
より低周波数域にすることで、その離調装置構成を容易
にして低コスト化を実現できる。

【０１７０】プローブ光が変調器部８の位相変調器によ
ってブリルアン周波数ν_Ｂ近傍に変調されるが、その時
に位相変調器に印加される変調周波数は、そのν_Ｂの１
／ｎ（ｎ：整数）であり、その変調周波数可変幅も１／
ｎである。

【０１７１】この結果、その離調周波数帯は、従来の１
／ｎの低周波数帯で済むことになる。つまり、本手段の
検出部１７で検出される信号の周波数成分は、プローブ
光のｎ次高調波成分との相互作用によって発生する信号
を用いるものとなる。

【０１７２】（４）次に、本発明の第４の実施の形態に
ついて説明する。なお、図１及び図４と同一部分には同
一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【０１７３】図６は光変調器部８の構成図であり、図７
はその原理図である。この第４の実施の形態は、ポンプ
光の光ＦＭ化（波長変化）による影響で、ブリルアンシ
フト周波数ν_Ｂがそのポンプ光の波長変化に伴い変動
し、それによって歪みや温度（被測定物理量）の測定精
度が劣化する課題に対し、プローブ光側の光変調器部８
で補正することで、その測定精度の向上を図ったもので
ある。

【０１７４】光変調器９に印加する変調波形は、電圧制
御型信号源ＶＣＯ（Voltage Control Oscillation）１
０と、そのＶＣＯ１０の発振周波数を外部から電圧制御
する外部コントローラ１１と、その外部コントローラ１
１と光源部１との同期を取るための同期接続線２０との
装置構成によって生成される。

【０１７５】通常、ＶＣＯ１０は、プローブ光Ｐ_２のオ
フセット周波数を、外部コントローラ１０のあるＤＣ電
圧値により、ブリルアンシフト周波数近傍１０〜１１Ｇ
Ｈｚ程度まで変化させることができる。

【０１７６】プローブ光Ｐ_２をＦＭ周期時間Ｔの領域で
アクティブな補正変調を行うためには、その外部コント
ローラ１１にその補正周波数幅に相当する電圧幅δＶ_ｍ
のＡＣ波形をＤＣ成分に加えることで補正可能である。

【０１７７】その結果、補正変調信号波形が光変調器９
に印加され、プローブ光Ｐ_２は、ＦＭ補正されたプロー
ブ光Ｐ_３として出力される。

【０１７８】次に、図７を用いてプローブ光Ｐ_２の補正
変調によって歪み・温度の測定精度が向上する原理を説
明する。

【０１７９】同図４はＦＭポンプ光２００によって発生
するブリルアンシフト周波数変化（点線）２０１と補正
される前のＦＭプローブ光の周波数変化（実線）２０２
との関係である。

【０１８０】上記第１及び第２の実施の形態では、その
ブリルアンシフト周波数２０１とＦＭプローブ光２０１
との関係は時間に依存せず、その周波数差はν_Ｂ一定で
あると述べているが、厳密に言えば、上記式（２）で示
しているブリルアンシフト周波数ν_Ｂの波長依存性（こ
こでは、ポンプ光の波長λが時間的に変動しているた
め）によって、プローブ光の周波数ν_０-ν_Ｓに対して
δν_Ｂ(t)の変動幅を有する。

【０１８１】この変動幅が大きいと、ブリルアンゲイン
スペクトラムの測定精度が悪くなり、最終的には歪み・
温度の測定精度が劣化する。この測定精度を向上するた
めには、その変動幅δνＢ(t)をその変調時間Ｔの領域
全てにわたり小さくしなければならず、このことは、Ｆ
Ｍプローブ光の周波数変化波形２０１とブリルアン周波
数変化（点線）２０１とを同じ波形にするのと等価であ
る。

【０１８２】それに必要な補正変調波形は、上記式
（２）の関係から予測し事前に用意することができる。
補正変調波形は、図６に示すＶＣＯ１０における変調信
号波形である。

【０１８３】このように上記第４の実施の形態において
は、光変調器部８において、プローブ光Ｐ_２の中心周波
数を、光源部１からの光の周波数変調に同期させて補正
変調する、すなわち変調器信号源１０の周波数値を外部
から制御し、その制御方法は光源部１の変調制御装置３
と同期して行われ、その制御波形は上記式（２）の波長
依存性の影響がでないように、その影響と相殺される周
波数変化を変調周期時間内でリアルタイムに補正するの
で、より一層の被測定物理量の精度向上ができ、これま
でその物理量の変動が小さすぎてその分布が測定できな
かった測定対象に適用可能という特有の効果を奏するこ
とができる。

【０１８４】すなわち、周波数変調ポンプ光の全ての変
調周期時間領域に渡って発生するブリルアンゲインの中
心周波数とプローブ光の中心周波数が、相対的に全ての
変調周期時間に渡り、同じ周波数差を得ることで、ブリ
ルアンゲインの波長依存性による影響を排除でき、純粋
にその被測定物理量の変動分だけに反応した測定結果を
得ることができる。この結果、被測定物理量の測定精度
の向上が図られる。

【０１８５】（５）次に、本発明の第５の実施の形態に
ついて説明する。なお、図１及び図４と同一部分には同
一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【０１８６】図８は光増幅器２１を接続した構成図であ
る。この第５の実施の形態は、上記第１及び第２の実施
の形態における光分配器５と光サーキュレータ６との間
に光増幅器としてエルビウムドープなどの光ファイバア
ンプ２１を接続したこと特徴としている。

【０１８７】なお、光ファイバアンプの種類は、そのポ
ンプ光Ｐ_１の波長帯によってその種類が異なり、例えば
波長１．５５μｍ帯の例としてエルビウムドープを挙げ
たが、それは好適な一例に過ぎず他の波長帯のポンプ光
Ｐ_１に最適なファイバアンプならばどれでもよい。ま
た、半導体素子による光増幅器でもよい。

【０１８８】光分配器５からのポンプ光Ｐ_１は、光ファ
イバアンプ２１によって光増幅され、その増幅されたポ
ンプ光Ｐ_１１は、光サーキュレータ６の入力ポート６−
１に入力し、そして出力ポート６−２からセンシング用
光ファイバ７へ出力される。

【０１８９】これにより、増幅される前のポンプ光Ｐ_１
に比べ、センシング用光ファイバ７上でより遠方でブリ
ルアン発生に必要な出力が得られ、結果として測定範囲
が拡大できる。

【０１９０】このように第５の実施の形態によれば、ポ
ンプ光Ｐ_１を光ファイバアンプ２１によって光増幅する
ので、より遠方までその被測定物理量の分布を測定する
ことができるという特有の効果を奏することができる。

【０１９１】なお、本発明は、上記第１乃至第５の実施
の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨
を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

【０１９２】さらに、上記実施形態には、種々の段階の
発明が含まれており、開示されている複数の構成要件に
おける適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出でき
る。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾
つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとす
る課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で
述べられている効果が得られる場合には、この構成要件
が削除された構成が発明として抽出できる。

【０１９３】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、ブ
リルアン散乱現象の位置の空間分解能の向上及び被測定
物理量の測定精度を高めることができる光ファイバ分布
型測定方法及びその装置を提供できる。

【０１９４】又、本発明によれば、センシング用光ファ
イバの片端のみにポンプ光を入射するので、センシング
用光ファイバの敷設の自由度が広がり、かつその敷設が
容易となり、ファイバ敷設の制限が多い所及び他の使用
目的で敷設した既存の光ファイバにおいても適用範囲を
広げることができる光ファイバ分布型測定方法及びその
装置を提供できる。

【０１９５】又、本発明によれば、プローブ光のオフセ
ット周波数変調を位相変調方式にしたので、高次高調波
の周波数成分を利用することで、オフセット周波数変調
を低周波数にすることができ、これによって装置構成が
容易になり、測定装置全体、又は同技術分野における従
来技術のパルス方式（ＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤＲ）の測定
装置全体においても低コスト化に貢献できる光ファイバ
分布型測定方法及びその装置を提供できる。

【０１９６】又、本発明によれば、光変調器部におい
て、プローブ光の中心周波数を光源部からの光の周波数
変調に同期させて補正変調する、すなわちプローブ光の
ＦＭをブリルアンシフト周波数変動に合わせて補正する
ので、ブリルアンゲインの波長依存性による影響を排除
でき、純粋にその被測定物理量の変動分だけに反応した
測定結果を得ることができ、より一層の被測定物理量の
精度向上ができ、これまでその物理量の変動が小さすぎ
てその分布が測定できなかった測定対象に適用可能とす
ることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装置
を提供できる。

【０１９７】又、本発明によれば、ポンプ光を光増幅す
るので、より遠方までその被測定物理量の分布を測定す
ることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
１の実施の形態を示す構成図。

【図２】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
１の実施の形態の測定方法の原理を誘導ブリルアン散乱
現象からみた場合の図。

【図３】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
１の実施の形態の測定方法の原理を測定結果からみた場
合の図。

【図４】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
２の実施の形態を示す構成図。

【図５】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
３の実施の形態に基づく装置構成及び変調方法によって
得られるブリルアンゲインプロファイル分布の実際の測
定結果を示す図。

【図６】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
４の実施の形態における光変調器部の構成図。

【図７】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
４の実施の形態における光変調器部の原理図。

【図８】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第
５の実施の形態における光増幅器を接続した構成図。

【符号の説明】

１：光源部 ２：光源（ＬＤ） ３：変調制御装置 ４：光ファイバ ５：光分配器 ６：第１の光学手段（光サーキュレータ） ７：センシング用光ファイバ ８：光変調器部 ９：光変調器 １０：変調信号源 １１：制御信号源 １２：第２の光学手段 １３：光分配器 １４：合波光学手段 １５：光合波器 １６：波長フィルター １７：検出部 １８：光検出器 １９：周波数解析装置 ２０：同期接続線 ２１：光増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA20 AA65 BB05 CC14 DD03 FF41 FF58 FF61 GG06 LL00 LL02 LL22 LL37 LL67 2F103 BA37 CA06 CA07 EB02 EB19 EC09 EC10 EC12 EC13 EC16 2G086 DD04 DD05 2H038 AA01

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物理量の空間分布を求めるセンシ
   ング用光ファイバ中で発生するブリルアン散乱現象の変
   化を捉えて被測定物理量の空間分布を求める光ファイバ
   分布型測定方法において、 光源からの光を周波数変調してポンプ光とプローブ光と
   に分配する工程と、 前記ポンプ光を前記センシング用光ファイバの一端から
   入射する工程と、 前記プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調して前
   記センシング用光ファイバの他端から入射する工程と、 前記ポンプ光と前記プローブ光とが前記センシング用光
   ファイバ中を互いに対向する方向から伝搬したときに生
   じる誘導ブリルアンによって、前記プローブ光は前記被
   測定物理量の情報を受けて被測定光として伝搬し、この
   被測定光と前記プローブ光とを合波する工程と、 この合波光におけるビート信号の周波数値から前記被測
   定物理量の発生個所を特定し、かつ前記プローブ光の離
   調幅を変化させたときの前記ビート信号の強度変化に基
   づいて前記被測定物理量を求める工程と、を有すること
   を特徴とする光ファイバ分布型測定方法。
2. 【請求項２】 被測定物理量の空間分布を求めるセンシ
   ング用光ファイバ中で発生するブリルアン散乱現象の変
   化を捉えて被測定物理量の空間分布を求める光ファイバ
   分布型測定方法において、 光源からの光を周波数変調してポンプ光とプローブ光と
   に分配する工程と、 前記ポンプ光を前記センシング用光ファイバに入射する
   工程と、 前記プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する工
   程と、 前記ポンプ光が前記センシング用光ファイバ中に伝搬し
   たときに自然ブリルアン散乱光が発生し、この自然ブリ
   ルアン散乱光に前記被測定物理量が反映して後方に被測
   定光として伝搬し、この被測定光と前記プローブ光とを
   合波する工程と、 この合波光におけるビート信号の周波数値から前記被測
   定物理量の発生個所を特定し、かつ前記プローブ光の離
   調幅を変化させたときの前記ビート信号の強度変化に基
   づいて前記被測定物理量を求める工程と、を有すること
   を特徴とする光ファイバ分布型測定方法。
3. 【請求項３】 前記プローブ光の周波数は、位相変調に
   よって前記ポンプ光の周波数に対して周波数シフトし、
   この位相変調によって生じる基本変調周波数のｎ次高調
   波周波数成分（ｎは整数）を被測定物理量の測定に用い
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ分
   布型測定方法。
4. 【請求項４】 前記プローブ光の中心周波数は、前記光
   源からの光の周波数変調に同期させて補正変調し、ブリ
   ルアン周波数の波長依存性の影響を低減することを特徴
   とする請求項１又は２記載の光ファイバ分布型測定方
   法。
5. 【請求項５】 前記ポンプ光を光増幅して前記センシン
   グ用光ファイバに送ることを特徴とする請求項１又は２
   記載の光ファイバ分布型測定方法。
6. 【請求項６】 センシング用光ファイバ中で発生するブ
   リルアン散乱現象の変化を捉えて被測定物理量の空間分
   布を求める光ファイバ分布型測定装置において、 光源からの光を周波数変調して出力する光源部と、 この光源部から出力された前記光をポンプ光とプローブ
   光とに分配する光分配手段と、 前記ポンプ光を前記センシング用光ファイバの一端から
   入射する第１の光学手段と、 前記プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する光
   変調手段と、 この光変調手段により変調された前記プローブ光を前記
   センシング用光ファイバの他端から入射する第２の光学
   手段と、 前記ポンプ光と前記プローブ光とが前記センシング用光
   ファイバ中を互いに対向する方向から伝搬したときに生
   じる誘導ブリルアンによって前記被測定物理量の情報を
   受けた前記プローブ光を被測定光とし、この被測定光と
   前記第２の光学手段からの前記プローブ光とを合波する
   合波光学手段と、 この合波光学手段からの合波光におけるビート信号の周
   波数値から前記被測定物理量の発生個所を特定し、かつ
   前記プローブ光の離調幅を変化させたときの前記ビート
   信号の強度変化に基づいて前記被測定物理量を求める検
   出手段と、を具備したことを特徴とする光ファイバ分布
   型測定装置。
7. 【請求項７】 センシング用光ファイバ中で発生するブ
   リルアン散乱現象の変化を捉えて被測定物理量の空間分
   布を求める光ファイバ分布型測定装置において、 光源からの光を周波数変調して出力する光源部と、 この光源部から出力された前記光をポンプ光とプローブ
   光とに分配する光分配手段と、 前記ポンプ光を前記センシング用光ファイバの一端から
   入射する光学手段と、 前記プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する光
   変調手段と、 前記ポンプ光が前記センシング用光ファイバ中に伝搬し
   たときに発生し、前記被測定物理量が反映して後方に伝
   搬する自然ブリルアン散乱光を被測定光とし、この被測
   定光と前記光変調手段により変調された前記プローブ光
   とを合波する合波光学手段と、 この合波光学手段からの合波光におけるビート信号の周
   波数値から前記被測定物理量の発生個所を特定し、かつ
   前記プローブ光の離調幅を変化させたときの前記ビート
   信号の強度変化に基づいて前記被測定物理量を求める検
   出手段と、を具備したことを特徴とする光ファイバ分布
   型測定装置。
8. 【請求項８】 前記光源部は、出力する光の周波数変調
   が可能な光源と、 この光源を所定の時間周期で周波数変調する変調制御部
   と、からなることを特徴とする請求項６又は７記載の光
   ファイバ分布型測定装置。
9. 【請求項９】 前記光変調手段は、前記プローブ光の周
   波数を、前記ポンプ光の周波数に対して周波数変調する
   位相変調器であることを特徴とする請求項６又は７記載
   の光ファイバ分布型測定装置。
10. 【請求項１０】 前記光変調手段は、前記プローブ光の
    中心周波数を、前記光源からの光の周波数変調に同期さ
    せて補正変調する機能を有することを特徴とする請求項
    ６又は７記載の光ファイバ分布型測定装置。
11. 【請求項１１】 前記光変調手段は、前記プロープ光の
    周波数を変調する光変調器と、 この光変調器を駆動する変調信号源と、 この変調信号源をコントロールする制御信号源と、から
    なることを特徴とする請求項６又は７記載の光ファイバ
    分布型測定装置。
12. 【請求項１２】 前記変調信号源は、前記光源部の周波
    数変調に同期して前記光変調器による変調を補正させる
    コントロール信号を、前記変調信号源に対して送出する
    機能を有することを特徴とする請求項１１記載の光ファ
    イバ分布型測定装置。
13. 【請求項１３】 前記合波光学手段は、前記被測定光と
    前記プローブ光とを合波する光合波器と、 この光合波器により合波された光の中からブリルアン散
    乱固有の周波数成分だけの光を選択して透過する光周波
    数フィルターと、からなることを特徴とする請求項６又
    は７記載の光ファイバ分布型測定装置。
14. 【請求項１４】 前記光分配手段と前記第１の光学手段
    との間に設けられ、前記光分配手段からの前記ポンプ光
    を光増幅して前記第１の光学手段に送る光増幅手段を備
    えたことを特徴とする請求項６又は７記載の光ファイバ
    分布型測定装置。