JP2004101472A

JP2004101472A - Distortion temperature measurement system using optical fiber

Info

Publication number: JP2004101472A
Application number: JP2002266846A
Authority: JP
Inventors: Masato Ishioka; 石岡　昌人
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a spatial resolution of a distortion temperature measurement system using an optical fiber. <P>SOLUTION: The measurement system comprises an optical fiber 18 disposed in a sensing section 16, a noise modulation signal source 10 which outputs a noise modulation signal along with a synchronous signal, a light source 11 that outputs an output light based on the noise modulation signal, an optical distributor 12 that distributes the output light to pump light E and probe light F, and an optical circulator 14 which guides the pump light E to the optical fiber 18 while guides brillouin scattering light G to the optical fiber 18. It also comprises an optical modulator 22 which modulates the probe light F, an optical delay part 24 which delays the probe light F, an optical multiplexer 26 that multiplexes the probe light F with the brillouin scattering light G, a wavelength filter 29 that extracts the brillouin scattering light G from the multiplexed light, a light receiver 30 which converts the brillouin scattering light G into an electric signal, and a waveform measuring device 31 which acquires measurement information about a temperature change and distortion amount of the sensing section 16 based on the electric signal. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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、光ファイバ内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の歪みと温度とを同時に計測する計測装置に係り、特に、そのブリルアン散乱現象の発生位置の空間分解能の向上を図った歪み温度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバをセンシング媒体として用いて歪みおよび温度の分布を測定する技術が幾つかあるが、そのうちの一つに光ファイバ内で発生するブリルアン散乱現象を利用した方法がある。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場所での分布計測が可能である。
【０００３】
この技術は、光ファイバが敷設されている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光ファイバセンサーが用いられている。例えば、（１）光通信網の保守管理、（２）トンネルや鉄橋等の大型構造物の保守管理、（３）航空機等に利用されている複合材料にこれら光ファイバを埋設することで、その材料自体に故障、疲労などの不具合を自己診断するスマートマテリアル・ストラクチャーに利用することができる。
【０００４】
ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ内で周波数の異なる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、光ファイバ内の音響波を介してパワーが移動する現象をいう。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以下に示す式［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。
【０００５】
【数１】

【０００６】
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）と呼ばれ、そ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［１］式で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。つまり、光ファイバ内でブリルアン散乱現象を効率良く発生させるためには、ブリルアンシフト周波数ν_Ｂを中心としブリルアン線幅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。ブリルアンシフト周波数ν_Ｂは光ファイバ内の音速ｖ_ａとしたとき、以下に示す式［２］で与えられる。
【０００７】
【数２】

【０００８】
ここで、ｎはファイバの屈折率、λは光ファイバ内の光の波長である。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、ブリルアンシフト周波数ν_Ｂは、上記［２］式により温度、歪みの検知手段を与える結果となる。
【０００９】
例えば波長１．５５μｍにおけるＵＶ被膜シングルモード石英光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以下に示す［３］式、および［４］式であることが知られている。
【００１０】
【数３】

【００１１】
【数４】

【００１２】
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または歪みの分布を測定することができる。
【００１３】
前述のブリルアンゲインスペクトラムを測定する従来技術として、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、それぞれ光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ＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）法が用いられてきた。
【００１４】
また、ＢＯＴＤＡと等価な技術としてポンプパルス光のみが被測定光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（光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ＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法が用いられてきた。ＢＯＴＤＡおよびＢＯＴＤＲは、以下に示す非特許文献１によって解説されている。
そして、従来技術のＢＯＴＤＡおよびＢＯＴＤＲの温度、歪みの発生個所の空間分解能δ_ｚ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、以下に示す［５］式で与えられる。
【００１５】
【数５】

【００１６】
従って空間分解能δ_ｚを良くするには、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を精度良く測定するためには、光パルス時間幅Ｗは以下に示す［６］式の範囲に制約される。
【００１７】
【数６】

【００１８】
一般的な数値例として、ブリルアンゲイン幅Δν_Ｂ＝３０ＭＨｚと、光ファイバ内の光速ｖ＝２×１０^８ｍ／ｓを用いると、［５］式で与えられる空間分解能δ_ｚは３ｍとなる。
【００１９】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ．　，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｖｏｌ．　１３　，　ｐｐ．　１２９６−１３０２．　（１９９５）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の光ファイバを用いた歪み温度計測装置では、以下のような問題がある。
【００２１】
すなわち、従来技術であるＢＯＴＤＡおよびＢＯＴＤＲでは、空間分解能が前述した理由により実質１〜３ｍ程度に制限されており、上述した（１）から（３）に示す応用例のうち、（２）トンネルや鉄橋等の大型構造物の保守管理、（３）航空機等に利用されている複合材料にこれら光ファイバを埋設することで、その材料自体の故障、疲労などの不具合を自己診断するためには、空間分解能が足りないという問題がある。
【００２２】
また、ブリルアン散乱現象を利用した測定法および装置は、ポンプ光と式［２］で示されるブリルアンシフト周波数帯相当に離調したプローブ光の二つの光波が必要である。そして、その離調周波数は通常１０ＧＨｚ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。これは、上述した（１）から（３）に示す応用例の全てに該当する。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という問題がある。
【００２３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、連続光を基本にし、ポンプ光に雑音変調を行うことで時間的にポンプ光のスペクトル幅（コヒーレンス性）を制御し、そのブリルアン散乱条件の周波数相関による効果を利用することによって、空間分解能を高めた光ファイバを用いた歪み温度計測装置を提供することにある。
【００２４】
また、その第２の目的は、上述したような光ファイバを用いた歪み温度計測装置を低コストで提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【００２６】
すなわち、請求項１の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、上記第１の目的を達成するために、被測定物に対して配置されるセンシング用光ファイバと、雑音変調信号を同期信号とともに出力する雑音変調信号出力部と、雑音変調信号出力部から出力された雑音変調信号に基づいて出力光を出力する光源と、光源からの出力光をポンプ光とプローブ光とに分配する光分配器とを備えている。更に、光分配器によって分配されたポンプ光を、センシング用光ファイバに導くと共に、ポンプ光が導かれたセンシング用光ファイバ内で発生した歪みおよび温度に関する情報を有するブリルアン散乱光を、このセンシング用光ファイバから導く導光手段と、光分配器によって分配されたプローブ光に対して、ブリルアンシフト周波数相当の変調信号を印加することによって、周波数変調処理を施す周波数変調手段と、周波数変調手段によって周波数変調されたプローブ光と、ポンプ光とが予め定めた時間位相関係になるように、このプローブ光の遅延処理を行う光遅延手段と、光遅延手段によって遅延処理されたプローブ光と、導光手段によって導かれたブリルアン散乱光とを合波する光合波手段とを備え、光合波手段によって合波されたブローブ光とブリルアン散乱光からなる合波光から、ブリルアン散乱光のみを抽出するフィルタ手段と、フィルタ手段によって抽出されたブリルアン散乱光を電気信号に変換する変換手段と、変換手段によって変換された電気信号に基づいて、被測定物の歪み量および温度変化に関する測定情報を求め、この測定情報を、雑音変調信号出力部から出力された同期信号に同期させて表示する表示手段とを備えている。
【００２７】
従って、請求項１の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置においては、以上のような手段を講じることにより、光変調器の変調信号源の変調周波数を離調操作することで変化する測定信号の強度変化から、ブリルアン散乱利得の周波数特性を求めることができる。更にその結果からスペクトラムの周波数変化を求め、その周波数値と被測定物理量との換算係数から、歪みや温度を測定することができる。その結果、空間分解能および歪み・温度測定精度を向上することが可能となる。
【００２８】
請求項２の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、上記第１の目的を達成するために、被測定物に対して配置されるセンシング用光ファイバと、雑音変調信号を同期信号とともに出力する雑音変調信号出力部と、雑音変調信号出力部から出力された雑音変調信号に基づいて出力光を出力する光源と、光源からの出力光をポンプ光とプローブ光とに分配する光分配器とを備えている。更に、光分配器によって分配されたプローブ光に対して、ブリルアンシフト周波数相当の変調信号を印加することによって、周波数変調処理を施す周波数変調手段と、周波数変調手段によって周波数変調されたプローブ光と、ポンプ光とが予め定めた時間位相関係になるように、このプローブ光の遅延処理を行う光遅延手段と、センシング用光ファイバの一端に接続され、光遅延手段によって遅延処理されたプローブ光Ｆを、センシング用光ファイバに導く第１の導光手段と、センシング用光ファイバの他の一端が接続され、光分配器によって分配されたポンプ光を、センシング用光ファイバに導くと共に、センシング用光ファイバ内においてポンプ光によって誘起されたブリルアン散乱光と合波されたプローブ光を、センシング用光ファイバから導く第２の導光手段とを備え、第２の導光手段によって導光されたプローブ光から、ブリルアン散乱光のみを抽出するフィルタ手段と、フィルタ手段によって抽出されたブリルアン散乱光を電気信号に変換する変換手段と、変換手段によって変換された電気信号に基づいて、被測定物の歪み量および温度変化に関する測定情報を求め、この測定情報を、雑音変調信号出力部から出力された同期信号に同期させて表示する表示手段とを備えている。
【００２９】
従って、請求項２の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置においては、以上のような手段を講じることにより、ポンプ光から見た反射光、つまり、そのブリルアン散乱光発生有無による利得差で生じるパルス状の反射光の時間差を検出することで、そのブリルアン散乱の発生位置を求めることができる。更に、光変調器の変調信号源の変調周波数を離調操作することで変化する測定信号の強度変化に基づいて、ブリルアン散乱利得の周波数特性を求めることができる。そして、その結果からスペクトラムの周波数変化を求めることができるので、その周波数値と被測定物理量との換算係数から、歪みや温度を高い空間分解能で測定することができる。
【００３０】
請求項３の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、上記第２の目的を達成するために、被測定物に対して配置されるセンシング用光ファイバと、雑音変調信号を同期信号とともに出力する雑音変調信号出力部と、雑音変調信号出力部から出力された雑音変調信号に基づいて出力光を出力する光源と、光源からの出力光をポンプ光とプローブ光とに分配する光分配器とを備えている。更に、光分配器によって分配されたポンプ光を、センシング用光ファイバに導くと共に、ポンプ光が導かれたセンシング用光ファイバ内で発生した歪みおよび温度に関する情報を有するブリルアン散乱光を、このセンシング用光ファイバから導く導光手段と、光分配器によって分配されたプローブ光に対して、１８０度時間位相遅延処理を行う光遅延手段と、光遅延部によって遅延処理されたプローブ光と、導光手段によって導かれたブリルアン散乱光とを合波する光合波手段と、光合波手段によって合波されたブローブ光とブリルアン散乱光からなる合波光から、ブリルアン散乱光のみを抽出するフィルタ手段とを備え、フィルタ手段によって抽出されたブリルアン散乱光を電気信号に変換する変換手段と、変換手段によって変換された電気信号に基づいて、被測定物の歪み量および温度変化に関する測定情報を求め、この測定情報を、雑音変調信号出力部から出力された同期信号に同期させて表示する表示手段とを備えている。
【００３１】
従って、請求項３の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置においては、以上のような手段を講じることにより、請求項１で備えていた光変調器および変調信号源を省略した構成であっても、雑音変調信号出力部が光源に対して雑音変調信号波形を印加することによって、請求項１の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置の作用効果を奏することができる。すなわち、請求項１の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置と同じ作用効果を、小型化および低コスト化を図りつつ実現することが可能となる。
【００３２】
請求項４の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、上記第２の目的を達成するために、被測定物に対して配置されるセンシング用光ファイバと、雑音変調信号を同期信号とともに出力する雑音変調信号出力部と、雑音変調信号出力部から出力された雑音変調信号に基づいて出力光を出力する光源と、光源からの出力光をポンプ光とプローブ光とに分配する光分配器とを備えている。更に、光分配器によって分配されたプローブ光に対して、１８０度時間位相遅延処理を行う光遅延手段と、センシング用光ファイバの一端に接続され、光遅延手段によって遅延処理されたプローブ光Ｆを、センシング用光ファイバに導く第１の導光手段と、センシング用光ファイバの他の一端が接続され、光分配器によって分配されたポンプ光を、センシング用光ファイバに導くと共に、センシング用光ファイバ内においてポンプ光によって誘起されたブリルアン散乱光と合波されたプローブ光を、センシング用光ファイバから導く第２の導光手段と、第２の導光手段によって導光されたプローブ光から、ブリルアン散乱光のみを抽出するフィルタ手段とを備え、フィルタ手段によって抽出されたブリルアン散乱光を電気信号に変換する変換手段と、変換手段によって変換された電気信号に基づいて、被測定物の歪み量および温度変化に関する測定情報を求め、この測定情報を、雑音変調信号出力部から出力された同期信号に同期させて表示する表示手段とを備えている。
【００３３】
従って、請求項４の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置においては、以上のような手段を講じることにより、請求項２で備えていた光変調器および変調信号源を省略した構成であっても、雑音変調信号出力部が光源に対して雑音変調信号波形を印加することによって、請求項２の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置の作用効果を奏することができる。すなわち、請求項２の発明の光ファイバを用いた歪み温度計測装置と同じ作用効果を、小型化および低コスト化を図りつつ実現することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３５】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態を図１から図４を用いて説明する。
【００３６】
図１は、第１の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の一例を示す構成概念図である。
【００３７】
すなわち、本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、雑音変調信号源１０と、光源部１１と、光分配器１２と、光サーキュレータ１４と、センシング区間１６に配置された光ファイバ１８と、変調信号源２０と、光変調器２２と、光遅延部２４と、光合波器２６と、検出信号処理部２８とを備えている。更に、検出信号処理部２８は、波長フィルタ２９と、受光器３０と、波形測定器３１とを備えている。
【００３８】
光源部１１は、雑音変調信号源１０から雑音変調信号が印加されることによって雑音変調可能な光源から為しており、好適な一例に半導体レーザがある。光源部１１からの出力光は雑音変調光となる。この雑音変調光は、光分配器１２がポンプ光Ｅとプローブ光Ｆとにそれぞれ分配する。
【００３９】
ポンプ光Ｅは、光サーキュレータ１４によって入力ポートａから出力ポートｂへ出力されるようにしている。光サーキュレータ１４の出力ポートｂは実際の歪みや温度を検知するためのセンシング区間１６の光ファイバ１８の片端に接続されており、ポンプ光Ｅはその光ファイバ１８内を伝搬し、ポンプ光Ｅによって誘起されたブリルアン散乱光Ｇが発生する。
【００４０】
一方のプローブ光Ｆは、変調信号源２０によりブリルアンシフト周波数相当の変調信号が印加された光変調器２２に導かれる。この場合の光変調器２２の好適な一例として、波長１．５５μｍ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が、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。
【００４１】
プローブ光Ｆが光変調器２２によって変調されると、そのプローブ光Ｆの変調周波数はν（ｔ）±ν_Ｂとなる。その後プローブ光Ｆは光遅延部２４に導かれるようにしている。光遅延部２４の光路差条件は、結果として受光側において、図２に示すようなポンプ光Ｅとプローブ光Ｆの時間位相関係になるように設定している。
【００４２】
光遅延部２４によって光路遅延を受けたプローブ光Ｆは、光合波器２６に導かれ、一方のセンシング区間１６の光ファイバ１８から光サーキュレータ１４の出力ポートｃを経由したブリルアン散乱光Ｇと結合されるようにしている。その後、検出信号処理部２８の波長フィルタ２９がブリルアン散乱光Ｇの波長成分のみを受光器３０に入力する。
【００４３】
受光器３０は、受光したブリルアン散乱光Ｇを電気信号に変換し、測定信号を得る。この測定信号は、雑音変調信号源１０から出力される雑音変調信号に基づいたタイミング波形（図２の受光側の検出タイミング波形）に同期して波形測定器３１（好適な一例としてオシロスコープ）に入力されるようにしている。
【００４４】
次に、以上のように構成した本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の作用について説明する。
【００４５】
すなわち、本実施の形態では、基本的にある時間周期で雑音変調した連続光からなるポンプ光Ｅとプローブ光Ｆとが用いられている。そして、センシング区間１６に配置された光ファイバ１８において、それぞれの変調波形の関係が、図２に示す時間関係になるよう、ポンプ光Ｅとプローブ光Ｆとが光ファイバ１８内に存在すると、それぞれの変調区間の組合せでブリルアン散乱発生の有無が制御できる。
【００４６】
ブリルアン散乱が発生する組合せは、ポンプ光Ｅとプローブ光Ｆとがいずれも雑音変調されていない区間、ブリルアン散乱が発生しない組合せは、ポンプ光Ｅとプローブ光Ｆとの両方が雑音変調もしくはいずれか一方が雑音変調している区間である。雑音変調の有無によるブリルアン散乱光スペクトラムの実験結果を図３に示す。
【００４７】
上述したような本実施の形態における雑音変調光利用と、従来技術のパルス光との違いは、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。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、従来技術によるパルス光では、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。すなわち、空間分解能向上に伴うパルス化（Ｗ１→Ｗ２）により、全ての時間領域においてポンプ光スペクトラム幅は広がった状態になるため、結果ブリルアンスペクトラム周波数拡散により強度が低くなり感度が劣化する。
【００４８】
一方、本実施の形態では、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、ブリルアン散乱光が発生しうる区間つまりポンプ光Ｅとプローブ光Ｆの両方が雑音変調のない時にはその光スペクトラムは拡散せず、狭い状態である。それ以外の時間区間では雑音変調がある区間なのでスペクトラムが拡散してしまい、ブリルアン散乱が発生しづらくなっている。ブリルアン散乱光Ｇが発生する区間の時間幅Ｗを、Ｗ１からＷ２のように短くしても、図４（ｄ）のようにスペクトラム拡散は生じない。よって、時間幅の短縮化による従来技術の課題は回避して、非変調区間の短時間化による空間分解能は、その時間幅に比例して向上する。
【００４９】
また、本実施の形態において、ブリルアン発生位置の特定は、ポンプ光Ｅから見た反射光、つまり、そのブリルアン散乱光Ｇの発生有無による利得差で生じるパルス状の反射光の時間差を検出することで、そのブリルアン発生位置が求められる。
【００５０】
同時に、歪みや温度のような被測定物理量の特定には、そのブリルアン散乱利得スペクトラムの周波数変化を検出し、その周波数値と被測定物理量との換算係数から上述した［３］式、および［４］式を用いて算出される。
【００５１】
上述したように、本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置においては、上記のような作用により、ポンプ光Ｅから見た反射光、つまり、そのブリルアン散乱光発生有無による利得差で生じるパルス状の反射光の時間差を検出することで、そのブリルアン発生位置を求めることができる。
【００５２】
そして、光変調器２２の変調信号源の変調周波数ν_Ｂを離調操作することで変化する測定信号の強度変化から、ブリルアン散乱利得の周波数特性を求めることができる。更にその結果からスペクトラムの周波数変化を求め、その周波数値と被測定物理量との換算係数から、歪みや温度を測定することができる。その結果、空間分解能および歪み・温度測定精度を向上することが可能となる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図５を用いて説明する。
【００５４】
図５は、第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の一例を示す構成概念図である。
【００５５】
すなわち、本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、雑音変調信号源１０と、光源部１１と、光分配器１２と、光サーキュレータ１４と、センシング区間１６に配置された光ファイバ１８と、変調信号源２０と、光変調器２２と、光遅延部２４と、検出信号処理部２８と、光アイソレータ３２とを備えている。更に、検出信号処理部２８は、波長フィルタ２９と、受光器３０と、波形測定器３１とを備えている。
【００５６】
光源部１１は、雑音変調信号源１０から雑音変調信号が印加されることによって雑音変調可能な光源から為しており、好適な一例に半導体レーザがある。光源部１１からの出力光は雑音変調光となる。その雑音変調光は、光分配器１２がポンプ光Ｅとプローブ光Ｆとにそれぞれ分配する。
【００５７】
ポンプ光Ｅは、光サーキュレータ１４によって入力ポートａから出力ポートｂへ出力されるようにしている。光サーキュレータ１４の出力ポートｂは実際の歪みや温度を検知するためのセンシング区間１６の光ファイバ１８の片端に接続されており、ポンプ光Ｅはその光ファイバ１８内を伝搬し、ポンプ光Ｅによって誘起されたブリルアン利得を形成する。
【００５８】
そして、そのブリルアン利得条件に見合った後述するプローブ光Ｆは、そのブリルアン利得情報を反映したプローブ光Ｆ’となり、光ファイバ１８内を伝搬し、光サーキュレータ１４の出力ポートｂからポートｃを経由して、波長フィルタ２９、更には受光器３０へと導かれるようにしている。波長フィルタ２９は、この導かれたプローブ光Ｆ’からブリルアン散乱光Ｇのみを抽出する。
【００５９】
一方、プローブ光Ｆは、変調信号源２０によりブリルアン周波数相当の変調信号が印加された光変調器２２に導かれるようにしている。光変調器２２の好適な一例として、波長１．５５μｍ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が、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。
【００６０】
プローブ光Ｆが、このような光変調器２２によって変調されると、そのプローブ光の変調周波数はν（ｔ）±ν_Ｂとなる。その後プローブ光Ｆは光遅延部２４に導かれるようにしている。光遅延部２４の光路差条件は、結果として受光側において図２に示すようなポンプ光Ｅとプローブ光Ｆの時間位相関係になるように設定している。
【００６１】
光遅延部２４によって光路遅延を受けたプローブ光Ｆは、光アイソレータ３２を経由してセンシング区間１６の光ファイバ１８に導かれ、その後は、上述したようにして、最終的にブリルアン散乱光Ｇが受光器３０に導かれるようにしている。
【００６２】
受光器３０は、受光したブリルアン散乱光Ｇを電気信号に変換し、測定信号を得る。この測定信号は、雑音変調信号源１０から出力される雑音変調周期に基づいたタイミング波形（図２の受光側の検出タイミング波形）に同期して波形測定器３１（好適な一例としてオシロスコープ）に入力されるようにしている。
【００６３】
以上のように構成した本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置では、ポンプ光Ｅから見た反射光、つまり、そのブリルアン散乱光発生有無による利得差で生じるパルス状の反射光の時間差を検出することで、そのブリルアン発生位置を求めることができる。
【００６４】
そして、更に、光変調器２２の変調信号源２０の変調周波数ν_Ｂを離調操作することで変化する測定信号の強度変化に基づいて、ブリルアン散乱利得の周波数特性を求めることができる。
【００６５】
更にその結果からスペクトラムの周波数変化が求められるので、その周波数値と被測定物理量との換算係数から、歪みや温度を測定することができる。
【００６６】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図６から図８を用いて説明する。
【００６７】
図６は、第３の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の一例を示す構成概念図である。
【００６８】
また、図７は、第３の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の変形例を示す構成概念図である。
【００６９】
すなわち、図６に示す本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、図１に示す第１の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の構成から光変調器２２および変調信号源２０を省略した構成である。また、図７に示す本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置は、図５に示す第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の構成から光変調器２２および変調信号源２０を省略した構成である。図６では図１と、図７では図５と、それぞれ同一部分には同一符号を付している。
【００７０】
本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置では、雑音変調信号源１０は、光源部１１に対して、図８に示すような雑音変調信号波形を印加する。そもそもポンプ光Ｅとプローブ光Ｆは、同じ光源からの雑音変調光であり、それぞれ光分配器１２によって二分され、第１および第２の実施の形態では、それぞれ光変調器２２と変調信号源２０で必要な変調等の光波処理を行っている。本実施の形態では、これらの操作を光源部１１の雑音変調信号波形を、図８に示す区間（Ｉ）プローブ光部分と、区間（ＩＩ）ポンプ光部分とに時分割で操作することで実現する。
【００７１】
本実施の形態で用いる光源部１１の好適な一例として半導体レーザが挙げられるが、その特徴の一つに駆動電流を変化することで同時に所望する周波数変調を実現することができる。この場合の具体的な例で言うと、区間（Ｉ）プローブ光部分において、ポンプ光周波数より、ブリルアン周波数（石英ファイバの場合、通常１０ＧＨｚから１１ＧＨｚ）分だけ低周波数に周波数偏移した光波である必要があるが、それは半導体レーザの駆動電流値をその周波数偏移分に相当する電流変化を、その区間（Ｉ）の時間領域において与えることで容易に実現できる。
【００７２】
このようにポンプ光Ｅとプローブ光Ｆそれぞれに必要な光波制御は時分割上で個別に行うことができ、それぞれの光波スペクトラムの様子は、図８（ｂ）で示されるようになる。そして本発明の目的のためには、最終的にはポンプ光Ｅとプローブ光Ｆが受光器３０前もしくは光ファイバ１８で同一時間で合波しなければならない。そのためには、図８（ｂ）に示す変調信号波形と１８０度時間位相反転した状態の同波形の重なりあいが必要でありそれを実現しているのは図１および図５に示す光遅延部２４である。雑音変調光の１８０度時間位相ずれた分に相当する光路差を光遅延部２４が担当している。
【００７３】
以上、本実施の形態の特徴について記述した。他装置構成および動作については前述した第１および第２の実施の形態と同じであるので、重複を避けるためにここではその記述を省略する。
【００７４】
上述したように、本実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置は図６および図７にその構成を示すように、図１および図５に示すような第１および第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置から、光変調器２２および変調信号源２０を省略した構成であっても、雑音変調信号源１０が、光源部１１に対して、図８に示すような雑音変調信号波形を印加することによって、第１および第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の作用効果を奏することができる。
【００７５】
したがって、第１および第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置よりも装置構成を簡素化することによって、小型化および低コスト化を図りつつ、同じ作用効果を得ることができる。
【００７６】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス光誘起によるブリルアン散乱光の発生・位置識別技術ではなく、連続光を基本にし、ポンプ光に雑音変調を行うことで時間的にポンプ光のスペクトル幅（コヒーレンス性）を制御することができる。
【００７８】
更に、そのブリルアン散乱条件の周波数相関による効果を利用し、もって、空間分解能を高めるとともに、コストダウンを図ることが可能な光ファイバを用いた歪み温度計測装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の一例を示す構成概念図
【図２】ポンプ光とプローブ光との時間位相関係を示す図
【図３】雑音変調の有無とブリルアン散乱光スペクトラムとの関係を示す図
【図４】ブリルアン散乱計測法における従来技術との比較を説明するための図
【図５】第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の一例を示す構成概念図
【図６】第３の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の一例を示す構成概念図
【図７】第３の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪み温度計測装置の別の一例を示す構成概念図
【図８】光源部に対して印加する雑音変調信号波形の概念を説明するための図
【符号の説明】
Ｅ…ポンプ光
Ｆ…プローブ光
Ｇ…ブリルアン散乱光
１０…雑音変調信号源
１１…光源部
１２…光分配器
１４…光サーキュレータ
１６…センシング区間
１８…光ファイバ
２０…変調信号源
２２…光変調器
２４…光遅延部
２６…光合波器
２８…検出信号処理部
２９…波長フィルタ
３０…受光器
３１…波形測定器
３２…光アイソレータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring apparatus that measures the strain and the temperature of an object to be measured simultaneously by capturing a change in a Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber using an optical fiber as a medium. The present invention relates to a strain temperature measuring device that improves the spatial resolution of a position.
[0002]
[Prior art]
There are several techniques for measuring strain and temperature distribution using an optical fiber as a sensing medium, and one of them is a method utilizing the Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber. This method has a simple configuration and enables distribution measurement at an arbitrary measurement place, compared to the conventional method of arranging fixed-point sensors in advance.
[0003]
This technique uses an optical fiber sensor that measures a physical quantity related to a disturbance factor such as distortion or temperature around the optical fiber laid. For example, (1) maintenance and management of optical communication networks, (2) maintenance and management of large structures such as tunnels and iron bridges, and (3) embedding these optical fibers in composite materials used in aircrafts and the like. It can be used for a smart material structure that performs self-diagnosis of defects such as failure and fatigue in the material itself.
[0004]
The Brillouin scattering phenomenon is a phenomenon in which when two light waves with different frequencies pass in both directions in an optical fiber, the power moves from high-frequency light to low-frequency light via acoustic waves in the optical fiber. Say. When the frequency difference between passing light waves is ν, the moving power is approximately the Brillouin gain spectrum g defined by the following equation [1]. _B (Ν).
[0005]
(Equation 1)

[0006]
Where ν _B , Δν _B Are called a Brillouin shift frequency and a Brillouin line width (gain width), respectively, and a Brillouin gain spectrum composed of these parameters has a profile according to the Lorentz function curve as shown in the above equation [1]. That is, in order to efficiently generate the Brillouin scattering phenomenon in the optical fiber, the Brillouin shift frequency ν _B And the Brillouin line width Δν _B It is necessary to add a frequency difference ν in the frequency range of Brillouin shift frequency ν _B Is the sound velocity v in the optical fiber _a Is given by the following equation [2].
[0007]
(Equation 2)

[0008]
Here, n is the refractive index of the fiber, and λ is the wavelength of light in the optical fiber. Speed of sound v _a Changes depending on the temperature and strain around the optical fiber, the Brillouin shift frequency ν _B Gives the means for detecting temperature and strain by the above equation (2).
[0009]
For example, the Brillouin shift frequency ν of a UV-coated single-mode quartz optical fiber at a wavelength of 1.55 μm _B It is known that the change sensitivity with respect to the temperature and the amount of strain is expressed by the following equations [3] and [4].
[0010]
[Equation 3]

[0011]
(Equation 4)

[0012]
Therefore, the Brillouin gain spectrum g _B By measuring (v) as a function of position along the optical fiber, the distribution of temperature or strain can be measured.
[0013]
As a conventional technique for measuring the above-mentioned Brillouin gain spectrum, a pulse pump light and a continuous wave probe light having a variable frequency ν are respectively incident from both ends of an optical fiber, and a power proportional to the Brillouin gain of the probe light due to the Brillouin scattering phenomenon. A BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) method of measuring a change as a function of time and obtaining a temperature and strain distribution from the amount of the change has been used.
[0014]
As a technique equivalent to BOTDA, only the pump pulse light is incident from the optical fiber to be measured, and the Brillouin gain spectrum g of the backscattered light component power due to the natural Brillouin scattering phenomenon. _B A BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Refractometry) method of measuring a temperature function (position function on an optical fiber) of (ν) and obtaining a temperature and strain distribution from the change amount has been used. BOTDA and BOTDR are described in Non-Patent Document 1 shown below.
Then, the temperature of the conventional BOTDA and BOTDR, and the spatial resolution δ of the location where the distortion occurs. _z Is given by the following equation [5], where W is the pulse time width of the pump light and v is the light speed in the optical fiber.
[0015]
(Equation 5)

[0016]
Therefore the spatial resolution δ _z In order to improve the optical pulse width, it is necessary to shorten the optical pulse time width W. However, the Brillouin gain spectrum g _B (Ν), especially its maximum frequency, the Brillouin shift frequency ν _B Is measured with high accuracy, the optical pulse time width W is restricted to the range of the following equation [6].
[0017]
(Equation 6)

[0018]
As a general numerical example, Brillouin gain width Δν _B = 30 MHz and the speed of light in the optical fiber v = 2 × 10 ⁸ m / s, the spatial resolution δ given by equation [5] _z Is 3 m.
[0019]
[Non-patent document 1]
T. Horiguchi et al. , Journal of Lightwave Technology. Vol. 13 pp. 1296-1302. (1995)
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional strain temperature measuring device using an optical fiber has the following problems.
[0021]
That is, in BOTDA and BOTDR, which are the prior arts, the spatial resolution is substantially limited to about 1 to 3 m for the above-described reason, and among the application examples (1) to (3) described above, (2) tunnel and Maintenance management of large structures such as iron bridges, and (3) self-diagnosis of failures such as failure and fatigue of the materials themselves by embedding these optical fibers in composite materials used in aircraft, etc. There is a problem that the spatial resolution is insufficient.
[0022]
In addition, the measurement method and apparatus using the Brillouin scattering phenomenon require two light waves of a pump light and a probe light detuned corresponding to the Brillouin shift frequency band represented by the formula [2]. The detuning frequency usually requires a detuning accuracy of 1 MHz or less in a high frequency range of 10 GHz or more, and that portion accounts for most of the cost of the entire apparatus. This corresponds to all of the application examples (1) to (3) described above. For this reason, there is a problem that the cost is much higher than that of a normal optical fiber sensor device which deals with the nonlinear phenomenon of an optical fiber.
[0023]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and a first object of the present invention is to temporally perform spectral modulation (coherence) of pump light by performing noise modulation on pump light based on continuous light. Is to provide a strain temperature measurement device using an optical fiber with improved spatial resolution by controlling the Brillouin scattering condition and utilizing the effect of the frequency correlation.
[0024]
A second object of the present invention is to provide a strain temperature measuring device using an optical fiber as described above at low cost.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures.
[0026]
That is, in order to achieve the first object, the strain temperature measuring apparatus using the optical fiber according to the first aspect of the present invention synchronizes the sensing optical fiber disposed with respect to the device under test with the noise modulation signal. A noise modulation signal output unit that outputs the signal together with a signal, a light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit, and light that distributes the output light from the light source to pump light and probe light And a distributor. Further, the pump light distributed by the light distributor is guided to the sensing optical fiber, and Brillouin scattered light having information on strain and temperature generated in the sensing optical fiber to which the pump light is guided is used for this sensing. A light guiding means for guiding from an optical fiber, a frequency modulation means for performing a frequency modulation process by applying a modulation signal corresponding to a Brillouin shift frequency to the probe light distributed by the optical distributor, An optical delay means for delaying the probe light so that the modulated probe light and the pump light have a predetermined time phase relationship; a probe light delayed by the optical delay means; Optical multiplexing means for multiplexing the Brillouin scattered light guided by the optical multiplexing means, and multiplexed by the optical multiplexing means. Filter means for extracting only Brillouin scattered light from combined light comprising lobe light and Brillouin scattered light, conversion means for converting Brillouin scattered light extracted by the filter means to an electric signal, and electric signal converted by the conversion means Display means for obtaining measurement information relating to the distortion amount and temperature change of the device under test based on the above, and displaying the measurement information in synchronization with the synchronization signal output from the noise modulation signal output unit.
[0027]
Therefore, in the strain temperature measuring apparatus using the optical fiber according to the first aspect of the present invention, by taking the above-described means, the measurement which changes by detuning the modulation frequency of the modulation signal source of the optical modulator can be performed. The frequency characteristics of the Brillouin scattering gain can be obtained from the change in the signal intensity. Further, a frequency change of the spectrum is obtained from the result, and distortion and temperature can be measured from a conversion coefficient between the frequency value and the physical quantity to be measured. As a result, it is possible to improve spatial resolution and strain / temperature measurement accuracy.
[0028]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a strain temperature measuring apparatus using an optical fiber, comprising: a sensing optical fiber disposed for an object to be measured; A noise modulation signal output unit, a light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit, and an optical distributor that distributes the output light from the light source to pump light and probe light And Further, by applying a modulation signal corresponding to the Brillouin shift frequency to the probe light distributed by the optical distributor, frequency modulation means for performing frequency modulation processing, probe light frequency-modulated by the frequency modulation means, An optical delay unit for delaying the probe light and a probe light F connected to one end of the sensing optical fiber and delayed by the optical delay unit so that the pump light and the pump light have a predetermined time phase relationship. A first light guiding means for guiding to the sensing optical fiber, and the other end of the sensing optical fiber being connected to guide the pump light distributed by the optical distributor to the sensing optical fiber; The probe light multiplexed with the Brillouin scattered light induced by the pump light in the Filter means for extracting only Brillouin scattered light from the probe light guided by the second light guide means, and converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means into an electric signal. Conversion means for converting the electric signal converted by the conversion means, and obtains measurement information on the amount of distortion and temperature change of the device under test, and converts the measurement information into a synchronization signal output from a noise modulation signal output unit. And display means for displaying in synchronization with the display.
[0029]
Therefore, in the strain temperature measuring apparatus using the optical fiber according to the second aspect of the present invention, by taking the above means, the reflected light viewed from the pump light, that is, the gain difference due to the presence or absence of the Brillouin scattered light generation. By detecting the time difference between the generated pulse-like reflected lights, the position where the Brillouin scattering occurs can be obtained. Further, the frequency characteristic of the Brillouin scattering gain can be obtained based on a change in the intensity of the measurement signal which is changed by detuning the modulation frequency of the modulation signal source of the optical modulator. Then, since the frequency change of the spectrum can be obtained from the result, distortion and temperature can be measured with high spatial resolution from the conversion coefficient between the frequency value and the physical quantity to be measured.
[0030]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a strain temperature measuring apparatus using an optical fiber, comprising: a sensing optical fiber disposed on an object to be measured; A noise modulation signal output unit, a light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit, and an optical distributor that distributes the output light from the light source to pump light and probe light And Further, the pump light distributed by the light distributor is guided to the sensing optical fiber, and Brillouin scattered light having information on strain and temperature generated in the sensing optical fiber to which the pump light is guided is used for this sensing. A light guiding means for guiding from an optical fiber, an optical delay means for performing a 180-degree time phase delay processing on the probe light distributed by the light distributor, a probe light delayed by an optical delay unit, and a light guiding means Light combining means for combining the Brillouin scattered light guided by the light, and filter means for extracting only Brillouin scattered light from the combined light consisting of the probe light and the Brillouin scattered light combined by the optical combining means, Converting means for converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means into an electric signal; Based on the signal, and a display unit obtains the measurement information on the strain amount and temperature change of the object to be measured, which the measurement information is displayed in synchronization with the synchronizing signal outputted from the noise modulating signal output unit.
[0031]
Therefore, in the strain temperature measuring apparatus using the optical fiber according to the third aspect of the present invention, by taking the above-described means, the optical modulator and the modulation signal source provided in the first aspect are omitted. Even when the noise modulation signal output unit applies the noise modulation signal waveform to the light source, the operation and effect of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the first aspect of the present invention can be achieved. That is, the same operation and effect as those of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the first aspect of the present invention can be realized while reducing the size and cost.
[0032]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a strain temperature measuring apparatus using an optical fiber, comprising: a sensing optical fiber disposed on an object to be measured; A noise modulation signal output unit, a light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit, and an optical distributor that distributes the output light from the light source to pump light and probe light And Further, an optical delay means for performing a 180-degree time-delay process on the probe light distributed by the optical distributor, and a probe light F connected to one end of the sensing optical fiber and delayed by the optical delay means, A first light guiding means for guiding to the sensing optical fiber, the other end of the sensing optical fiber being connected, and a pump light distributed by the optical distributor being guided to the sensing optical fiber; A second light guide for guiding the probe light multiplexed with the Brillouin scattered light induced by the pump light from the sensing optical fiber inside the probe, and a Brillouin from the probe light guided by the second light guide. A filter means for extracting only scattered light, and converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means into an electric signal. Based on the electric signal converted by the converter and the conversion unit, measurement information on the distortion amount and temperature change of the device under test is obtained, and the measurement information is synchronized with a synchronization signal output from the noise modulation signal output unit. Display means for displaying.
[0033]
Therefore, the strain temperature measuring apparatus using an optical fiber according to the invention of claim 4 has a configuration in which the optical modulator and the modulation signal source provided in claim 2 are omitted by taking the above means. Even when the noise modulation signal output section applies the noise modulation signal waveform to the light source, the operation and effect of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the second aspect of the present invention can be achieved. That is, the same operation and effect as those of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the second aspect of the present invention can be realized while reducing the size and cost.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0035]
(First Embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0036]
FIG. 1 is a configuration conceptual diagram showing an example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to the first embodiment.
[0037]
That is, the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment includes the noise modulation signal source 10, the light source unit 11, the optical distributor 12, the optical circulator 14, and the light disposed in the sensing section 16. The optical system includes a fiber 18, a modulation signal source 20, an optical modulator 22, an optical delay unit 24, an optical multiplexer 26, and a detection signal processing unit 28. Further, the detection signal processing unit 28 includes a wavelength filter 29, a light receiver 30, and a waveform measuring device 31.
[0038]
The light source unit 11 is made of a light source capable of noise modulation by applying a noise modulation signal from the noise modulation signal source 10, and a preferable example is a semiconductor laser. Output light from the light source unit 11 is noise-modulated light. This noise-modulated light is distributed by the optical distributor 12 to the pump light E and the probe light F.
[0039]
The pump light E is output from the input port a to the output port b by the optical circulator 14. The output port b of the optical circulator 14 is connected to one end of an optical fiber 18 in a sensing section 16 for detecting actual strain and temperature, and the pump light E propagates through the optical fiber 18 and is pumped by the pump light E. The induced Brillouin scattered light G is generated.
[0040]
One probe light F is guided by a modulation signal source 20 to an optical modulator 22 to which a modulation signal equivalent to a Brillouin shift frequency is applied. A preferred example of the optical modulator 22 in this case is a Brillouin shift frequency ν of a quartz optical fiber at a wavelength of 1.55 μm. _B A waveguide type modulator using a modulatable electric field effect corresponding to 10 to 11 GHz may be mentioned, but a modulator using an acoustic effect, a bulk type modulator based on both effects, or the like may be used.
[0041]
When the probe light F is modulated by the optical modulator 22, the modulation frequency of the probe light F is ν (t) ± ν _B It becomes. Thereafter, the probe light F is guided to the optical delay unit 24. The optical path difference condition of the optical delay unit 24 is set such that the light receiving side has a time phase relationship between the pump light E and the probe light F as shown in FIG.
[0042]
The probe light F subjected to the optical path delay by the optical delay unit 24 is guided to the optical multiplexer 26, and is coupled with the Brillouin scattered light G from the optical fiber 18 in one sensing section 16 via the output port c of the optical circulator 14. I am trying to. After that, the wavelength filter 29 of the detection signal processing unit 28 inputs only the wavelength component of the Brillouin scattered light G to the light receiver 30.
[0043]
The light receiver 30 converts the received Brillouin scattered light G into an electric signal to obtain a measurement signal. This measurement signal is input to a waveform measuring device 31 (an oscilloscope as a preferable example) in synchronization with a timing waveform (detection timing waveform on the light receiving side in FIG. 2) based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal source 10. I am trying to be.
[0044]
Next, the operation of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0045]
That is, in the present embodiment, the pump light E and the probe light F which are basically composed of continuous light noise-modulated with a certain time period are used. When the pump light E and the probe light F are present in the optical fiber 18 such that the relationship between the modulated waveforms in the optical fiber 18 disposed in the sensing section 16 becomes the time relationship shown in FIG. The presence / absence of Brillouin scattering can be controlled by the combination of the modulation sections.
[0046]
The combination in which Brillouin scattering occurs is a section in which neither the pump light E nor the probe light F is noise-modulated, and the combination in which Brillouin scattering does not occur is a combination in which both the pump light E and the probe light F are noise-modulated or any of them. One is a section where noise modulation is performed. FIG. 3 shows experimental results of Brillouin scattered light spectrum with and without noise modulation.
[0047]
The difference between the use of the noise-modulated light in the present embodiment as described above and the pulse light of the related art is the difference in the optical spectrum width in various measurement time regions. As shown in FIGS. 4A and 4B, in the pulsed light according to the related art, the optical spectrum is always spread in any time region. That is, the pulse width (W1 → W2) accompanying the improvement of the spatial resolution widens the pump light spectrum width in all the time regions, and as a result, the intensity becomes low due to the Brillouin spectrum frequency spreading and the sensitivity is deteriorated.
[0048]
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 4C and FIG. 4D, when the Brillouin scattered light is generated, that is, when both the pump light E and the probe light F have no noise modulation, the light is The spectrum does not spread and is in a narrow state. In other time sections, the spectrum is spread because noise modulation is performed in the section, and Brillouin scattering is hard to occur. Even if the time width W of the section in which the Brillouin scattered light G is generated is shortened from W1 to W2, the spectrum spread does not occur as shown in FIG. Therefore, the problem of the prior art due to the shortening of the time width is avoided, and the spatial resolution by shortening the non-modulation section is improved in proportion to the time width.
[0049]
In the present embodiment, the Brillouin occurrence position is specified by detecting the time difference between the reflected light viewed from the pump light E, that is, the pulsed reflected light generated by the gain difference depending on whether the Brillouin scattered light G is generated. Then, the Brillouin occurrence position is obtained.
[0050]
At the same time, in order to specify the physical quantity to be measured such as distortion or temperature, a change in the frequency of the Brillouin scattering gain spectrum is detected, and the above-mentioned equations [3] and [4] are obtained from the conversion coefficient between the frequency value and the physical quantity to be measured. ] Is calculated.
[0051]
As described above, in the strain temperature measuring apparatus using the optical fiber according to the present embodiment, the reflected light viewed from the pump light E, that is, the gain difference due to the presence or absence of Brillouin scattered light is generated by the above-described operation. By detecting the time difference of the pulsed reflected light generated in the above, the Brillouin occurrence position can be obtained.
[0052]
Then, the modulation frequency ν of the modulation signal source of the optical modulator 22 _B The frequency characteristic of the Brillouin scattering gain can be determined from the intensity change of the measurement signal that changes by detuning the. Further, a frequency change of the spectrum is obtained from the result, and distortion and temperature can be measured from a conversion coefficient between the frequency value and the physical quantity to be measured. As a result, it is possible to improve spatial resolution and strain / temperature measurement accuracy.
[0053]
(Second embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG.
[0054]
FIG. 5 is a configuration conceptual diagram illustrating an example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to the second embodiment.
[0055]
That is, the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment includes the noise modulation signal source 10, the light source unit 11, the optical distributor 12, the optical circulator 14, and the light disposed in the sensing section 16. It comprises a fiber 18, a modulation signal source 20, an optical modulator 22, an optical delay unit 24, a detection signal processing unit 28, and an optical isolator 32. Further, the detection signal processing unit 28 includes a wavelength filter 29, a light receiver 30, and a waveform measuring device 31.
[0056]
The light source unit 11 is made of a light source capable of noise modulation by applying a noise modulation signal from the noise modulation signal source 10, and a preferable example is a semiconductor laser. Output light from the light source unit 11 is noise-modulated light. The light distributor 12 distributes the noise-modulated light into the pump light E and the probe light F.
[0057]
The pump light E is output from the input port a to the output port b by the optical circulator 14. The output port b of the optical circulator 14 is connected to one end of an optical fiber 18 in a sensing section 16 for detecting actual strain and temperature, and the pump light E propagates through the optical fiber 18 and is pumped by the pump light E. Form an induced Brillouin gain.
[0058]
Then, a probe light F to be described later that matches the Brillouin gain condition becomes a probe light F ′ reflecting the Brillouin gain information, propagates in the optical fiber 18, and passes from the output port b to the port c of the optical circulator 14. Thus, the light is guided to the wavelength filter 29 and further to the light receiver 30. The wavelength filter 29 extracts only the Brillouin scattered light G from the guided probe light F ′.
[0059]
On the other hand, the probe light F is guided by a modulation signal source 20 to an optical modulator 22 to which a modulation signal equivalent to a Brillouin frequency is applied. As a preferred example of the optical modulator 22, a Brillouin shift frequency ν of a quartz optical fiber at a wavelength of 1.55 μm _B A waveguide type modulator using a modulatable electric field effect corresponding to 10 to 11 GHz may be mentioned, but a modulator using an acoustic effect, a bulk type modulator based on both effects, or the like may be used.
[0060]
When the probe light F is modulated by such an optical modulator 22, the modulation frequency of the probe light is ν (t) ± ν _B It becomes. Thereafter, the probe light F is guided to the optical delay unit 24. The optical path difference condition of the optical delay unit 24 is set so as to result in a time phase relationship between the pump light E and the probe light F as shown in FIG.
[0061]
The probe light F subjected to the optical path delay by the optical delay unit 24 is guided to the optical fiber 18 in the sensing section 16 via the optical isolator 32, and thereafter, the Brillouin scattered light G is finally converted as described above. The light is guided to the light receiver 30.
[0062]
The light receiver 30 converts the received Brillouin scattered light G into an electric signal to obtain a measurement signal. This measurement signal is input to a waveform measuring device 31 (an oscilloscope as a preferred example) in synchronization with a timing waveform (detection timing waveform on the light receiving side in FIG. 2) based on the noise modulation cycle output from the noise modulation signal source 10. I am trying to be.
[0063]
In the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment configured as described above, the reflected light viewed from the pump light E, that is, the pulse-shaped reflected light generated by the gain difference depending on whether or not the Brillouin scattered light is generated. , The Brillouin occurrence position can be obtained.
[0064]
Further, the modulation frequency ν of the modulation signal source 20 of the optical modulator 22 _B The frequency characteristic of the Brillouin scattering gain can be determined based on the intensity change of the measurement signal that changes by detuning the.
[0065]
Further, since the frequency change of the spectrum is obtained from the result, distortion and temperature can be measured from the conversion coefficient between the frequency value and the physical quantity to be measured.
[0066]
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0067]
FIG. 6 is a configuration conceptual diagram showing an example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to the third embodiment.
[0068]
FIG. 7 is a configuration conceptual diagram showing a modification of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the third embodiment.
[0069]
That is, the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment shown in FIG. 6 is different from the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the first embodiment shown in FIG. The configuration is such that the modulation signal source 22 and the modulation signal source 20 are omitted. Further, the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment shown in FIG. 7 is different from the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the second embodiment shown in FIG. The configuration is such that the modulation signal source 22 and the modulation signal source 20 are omitted. 6, the same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. 5 and FIG.
[0070]
In the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment, the noise modulation signal source 10 applies a noise modulation signal waveform as shown in FIG. In the first place, the pump light E and the probe light F are noise-modulated light from the same light source, and are divided into two by the optical distributor 12, respectively. In the first and second embodiments, the optical modulator 22 and the modulated signal source 20 are respectively provided. Performs the necessary lightwave processing such as modulation. In the present embodiment, these operations are realized by time-divisionally operating the noise modulation signal waveform of the light source unit 11 into the section (I) probe light portion and the section (II) pump light portion shown in FIG. I do.
[0071]
A preferable example of the light source unit 11 used in the present embodiment is a semiconductor laser. One of the features of the light source unit 11 is that a desired frequency modulation can be realized simultaneously by changing a driving current. In a specific example of this case, the section (I) is a light wave whose frequency is shifted to a lower frequency than the pump light frequency by a Brillouin frequency (in the case of a quartz fiber, usually 10 GHz to 11 GHz) in the probe light portion. Although it is necessary, it can be easily realized by giving a drive current value of the semiconductor laser to a current change corresponding to the frequency shift in a time region of the section (I).
[0072]
As described above, the lightwave control required for each of the pump light E and the probe light F can be individually performed on a time division basis, and the state of each lightwave spectrum is as shown in FIG. 8B. Then, for the purpose of the present invention, finally, the pump light E and the probe light F must be multiplexed in front of the light receiver 30 or in the optical fiber 18 at the same time. For this purpose, it is necessary to overlap the modulated signal waveform shown in FIG. 8B with the same waveform in a state where the phase is inverted by 180 degrees, and this is realized by the optical delay unit shown in FIGS. 24. The optical delay unit 24 is in charge of an optical path difference corresponding to a 180-degree time phase shift of the noise modulation light.
[0073]
The features of the present embodiment have been described above. The configuration and operation of the other devices are the same as those of the first and second embodiments described above, and therefore description thereof is omitted here to avoid duplication.
[0074]
As described above, the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the present embodiment has the first and second embodiments as shown in FIGS. 1 and 5 as shown in FIGS. Even if the optical modulator 22 and the modulation signal source 20 are omitted from the strain temperature measurement device using the optical fiber according to the embodiment, the noise modulation signal source 10 By applying the noise modulation signal waveform as shown, the operation and effect of the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the first and second embodiments can be obtained.
[0075]
Therefore, by simplifying the device configuration as compared with the strain temperature measuring device using the optical fiber according to the first and second embodiments, the same operation and effect can be obtained while reducing the size and cost. it can.
[0076]
Although the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such configurations. Within the scope of the technical idea described in the claims, those skilled in the art can come up with various modified examples and modified examples, and these modified examples and modified examples are also within the technical scope of the present invention. It is understood that it belongs to.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, instead of the technique for identifying and generating Brillouin scattered light induced by pulsed light, based on continuous light, noise modulation is performed on the pump light to temporally change the spectrum of the pump light. The width (coherence) can be controlled.
[0078]
Further, by utilizing the effect of the frequency correlation of the Brillouin scattering condition, it is possible to realize a strain temperature measuring device using an optical fiber capable of improving the spatial resolution and reducing the cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration conceptual diagram showing an example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a time phase relationship between pump light and probe light.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the presence or absence of noise modulation and the Brillouin scattered light spectrum.
FIG. 4 is a diagram for explaining a comparison with the prior art in the Brillouin scattering measurement method.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating an example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to a second embodiment.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to a third embodiment.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a configuration of another example of a strain temperature measuring device using an optical fiber according to a third embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining the concept of a noise modulation signal waveform applied to a light source unit.
[Explanation of symbols]
E: Pump light
F: Probe light
G: Brillouin scattered light
10 noise modulation signal source
11 Light source section
12 ... Optical distributor
14 ... Optical circulator
16 ... Sensing section
18 Optical fiber
20: modulated signal source
22 ... Optical modulator
24 optical delay unit
26 ... Optical multiplexer
28 ... Detection signal processing unit
29 ... Wavelength filter
30 ... Receiver
31 ... Waveform measuring instrument
32 ... Optical isolator

Claims

An optical fiber for sensing arranged with respect to an object to be measured;
A noise modulation signal output unit that outputs a noise modulation signal together with a synchronization signal,
A light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit,
An optical distributor that distributes output light from the light source to pump light and probe light,
The pump light distributed by the light distributor is guided to the sensing optical fiber, and the Brillouin scattered light having information on strain and temperature generated in the sensing optical fiber from which the pump light is guided is detected by this sensing. Light guiding means for guiding from the optical fiber for use;
For the probe light distributed by the optical distributor, by applying a modulation signal equivalent to the Brillouin shift frequency, frequency modulation means for performing frequency modulation processing,
An optical delay unit that delays the probe light so that the probe light frequency-modulated by the frequency modulation unit and the pump light have a predetermined time-phase relationship,
A probe light delayed by the optical delay means, and an optical multiplexing means for multiplexing the Brillouin scattered light guided by the light guiding means,
From combined light consisting of probe light and Brillouin scattered light combined by the optical combining means, filter means for extracting only Brillouin scattered light,
Conversion means for converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means to an electric signal,
Based on the electric signal converted by the conversion unit, obtain measurement information on the amount of distortion and temperature change of the device under test, and synchronize the measurement information with a synchronization signal output from the noise modulation signal output unit. A strain temperature measuring device using an optical fiber having a display means for displaying.

An optical fiber for sensing arranged with respect to an object to be measured;
A noise modulation signal output unit that outputs a noise modulation signal together with a synchronization signal,
A light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit,
An optical distributor that distributes output light from the light source to pump light and probe light,
For the probe light distributed by the optical distributor, by applying a modulation signal equivalent to the Brillouin shift frequency, frequency modulation means for performing frequency modulation processing,
An optical delay unit that delays the probe light so that the probe light frequency-modulated by the frequency modulation unit and the pump light have a predetermined time-phase relationship,
A first light guide unit that is connected to one end of the sensing optical fiber and guides the probe light F delayed by the optical delay unit to the sensing optical fiber;
The other end of the sensing optical fiber is connected, and the pump light distributed by the optical distributor is guided to the sensing optical fiber, and Brillouin scattering induced by the pump light in the sensing optical fiber. A second light guide means for guiding the probe light multiplexed with light from the sensing optical fiber,
Filter means for extracting only the Brillouin scattered light from the probe light guided by the second light guide means,
Conversion means for converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means to an electric signal,
Based on the electric signal converted by the conversion unit, obtain measurement information on the amount of distortion and temperature change of the device under test, and synchronize the measurement information with a synchronization signal output from the noise modulation signal output unit. A strain temperature measuring device using an optical fiber having a display means for displaying.

An optical fiber for sensing arranged with respect to an object to be measured;
A noise modulation signal output unit that outputs a noise modulation signal together with a synchronization signal,
A light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit,
An optical distributor that distributes output light from the light source to pump light and probe light,
The pump light distributed by the light distributor is guided to the sensing optical fiber, and the Brillouin scattered light having information on strain and temperature generated in the sensing optical fiber from which the pump light is guided is detected by this sensing. Light guiding means for guiding from the optical fiber for use;
Optical delay means for performing a 180-degree time phase delay process on the probe light distributed by the optical distributor,
An optical multiplexing unit that multiplexes the probe light delayed by the optical delay unit and the Brillouin scattered light guided by the light guiding unit,
From combined light consisting of probe light and Brillouin scattered light combined by the optical combining means, filter means for extracting only Brillouin scattered light,
Conversion means for converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means to an electric signal,
Based on the electric signal converted by the conversion unit, obtain measurement information on the amount of distortion and temperature change of the device under test, and synchronize the measurement information with a synchronization signal output from the noise modulation signal output unit. A strain temperature measuring device using an optical fiber having a display means for displaying.

An optical fiber for sensing arranged with respect to an object to be measured;
A noise modulation signal output unit that outputs a noise modulation signal together with a synchronization signal,
A light source that outputs output light based on the noise modulation signal output from the noise modulation signal output unit,
An optical distributor that distributes output light from the light source to pump light and probe light,
Optical delay means for performing a 180-degree time phase delay process on the probe light distributed by the optical distributor,
A first light guide unit that is connected to one end of the sensing optical fiber and guides the probe light F delayed by the optical delay unit to the sensing optical fiber;
The other end of the sensing optical fiber is connected, and the pump light distributed by the optical distributor is guided to the sensing optical fiber, and Brillouin scattering induced by the pump light in the sensing optical fiber. A second light guide means for guiding the probe light multiplexed with light from the sensing optical fiber,
Filter means for extracting only the Brillouin scattered light from the probe light guided by the second light guide means,
Conversion means for converting the Brillouin scattered light extracted by the filter means to an electric signal,
Based on the electric signal converted by the conversion unit, obtain measurement information on the amount of distortion and temperature change of the device under test, and synchronize the measurement information with a synchronization signal output from the noise modulation signal output unit. A strain temperature measuring device using an optical fiber having a display means for displaying.