JP2007240351A - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定し得る分布型光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】本発明では、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを周波数を変えながら射出する階段状光パルス光源１１と、光パルスが入射される検出用光ファイバ２０と、光パルスに起因して生じる自然ブリルアン散乱光を検出用光ファイバ２０から受光して自然ブリルアン散乱光に基づき検出用光ファイバ２０の長尺方向の歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出部１９とを備える分布型光ファイバセンサ１において、ブリルアン時間領域検出部１９は、自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い透過周波数帯域を持つ狭帯域光バンドパスフィルタ２０４を介して自然ブリルアン散乱光を受光して歪み及び／又は温度を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用い、ブリルアン散乱現象を利用することによって光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。

光ファイバに光パルスを入射すると、光パルスが光ファイバを伝播する間に光ファイバと相互作用することによって進行方向と逆方向へ反射光が発生する。この現象は、一般に、後方散乱現象と呼ばれ、レーリー散乱現象、ブリルアン散乱現象及びラマン散乱現象等がある。このブリルアン散乱現象によって発生する反射光は、自然ブリルアン散乱光と呼ばれ、入射した光パルスの周波数とは異なる周波数で発生する。自然ブリルアン散乱光は、ポンプ光としての光パルスが電歪現象によって格子振動の音響モードを発生し、これが屈折率の周期的な変調を生成して回折格子を形成し、光パルスがこの回折格子によってブラッグ回折を受けることによって発生する。そして、この回折格子が光ファイバ中の音速ｖａで移動するので、ドップラー効果によって自然ブリルアン散乱光の周波数は、光パルスの周波数に対して高周波数側及び低周波数側にシフトする。この自然ブリルアン散乱光の周波数は、光パルスの周波数（波長）や光ファイバの構成材料等に依存するが、光ファイバに生じた歪みや温度にも依存する。このため、自然ブリルアン散乱光の中心周波数（自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおけるピークの周波数）と光パルスを光ファイバに入射してからの戻り時間とを計測することによって、光ファイバにおける長手方向の歪み分布や温度分布が測定可能である。この測定法に基づく測定装置は、ブリルアン光時間領域反射測定装置（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer、以下、「ＢＯＴＤＲ」と略記する。）と呼ばれ、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。

図７は、特許文献１に開示のＢＯＴＤＲの構成を示す図である。図７において、特許文献１に開示のＢＯＴＤＲ１０００は、スペクトル線幅の狭い連続光を射出するコヒーレント光源１０１０と、この連続光が入射されこの連続光を測定光と参照光とに分岐してそれぞれ射出する光方向性結合器１０１１と、この測定光が入射されこの測定光をパルス化して光パルスを射出する光スイッチ１０１２と、この光パルスが入射され、光周波数変換器１０１４とループ回路を構成してこの入射された光パルスの周波数を所定周波数分ずつ階段状に周波数掃引して連続光を射出する光方向性結合器１０１３と、この連続光が入射されこの連続光をパルス化して光パルスを射出する音響光学素子１０１５と、この光パルスが入射されこの光パルスを被測定光ファイバ１０２１に射出すると共に被測定光ファイバ１０２１内の自然ブリルアン散乱光を射出する光方向性結合器１０１６と、光方向性結合器１０１１から射出された上記参照光と光方向性結合器１０１６から射出された自然ブリルアン散乱光とが入射されこれらをＯ／Ｅ変換器１０１８に射出する光方向性結合器１０１７と、この入射された参照光を局発光としてこの入射された自然ブリルアン散乱光をコヒーレント受信（ヘテロダイン検波）して電気信号を出力するＯ／Ｅ変換器１０１８と、この電気信号が入力されこの電気信号を増幅して出力する増幅器１０１９と、この増幅器１０１９で増幅された電気信号が入力されこの入力された電気信号を平均化加算処理して被測定光ファイバ１０２１の長手方向における歪み分布や温度分布等の特性を測定する信号処理回路１０２０とを備えて構成される。

図８は、ブリルアン・ゲイン・スペクトル（自然ブリルアン散乱光のスペクトル）を示す図である。図８の横軸は、周波数であり、その縦軸は、自然ブリルアン散乱光の光強度である。このような構成のＢＯＴＤＲでは、その空間分解能は、測定に用いられる光パルスのパルス幅で制限される。即ち、光ファイバ中の光の速度をｖ_ｇ［ｍ／ｓ］とした場合に、パルス幅がＴp［ｓ］の光パルスを用いた測定では、空間分解能△ｚは、ｖ_ｇＴp／２［ｍ］となる。具体的には、光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが通常使用される一般的な光ファイバでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルは、図８に示すように、光パルスのパルス幅が３０ｎｓまではローレンツ曲線（Lorentzain curve）（曲線ａ）であり、それよりもパルス幅を短くすると広帯域な曲線（曲線ｂ）となって中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、空間分解能△ｚは、通常、約２〜３ｍとなる。空間分解能を向上させるためには短いパルス幅の光パルスを必要とするが、この場合光パルスの持つスペクトル幅が広がるため、結果的に歪みの測定精度が悪くなってしまう。そのため、高精度（例えば２００με以下）で高空間分解（例えば１ｍ以下）に歪み分布及び／又は温度分布を測定することは、困難とされ、高精度で高空間分解に歪み分布及び／又は温度分布を測定することが要望されていた。なお、１００με＝０．０１％である。また、「Ａ及び／又はＢ」は、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」を意味する。
特開平０９−０８９７１４号公報 特開平０５−２４０６９９号公報

そのため、発明者らは、誘導ブリルアン散乱現象を利用する場合について、光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定し得る分布型光ファイバセンサをＷＯ２００６／００１０７１（ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９３５２）で提案した。詳細は、上記文献に記載したが、この分布型光ファイバセンサの主な特徴は、センサ用の光ファイバに連続光のポンプ光とプローブ光とを入射し、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルス（以下、「階段状光パルス」と略記する。）をこのプローブ光に用いることにある。

なお、誘導ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ中で周波数の異なる２個の光がすれ違うとき、高い周波数の光から低い周波数の光へ、光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象である。すれ違う２光波間の周波数差をνdとするとき、移動するパワーは、近似的に式１で定義されるブリルアンゲインｇｂ（νd）に比例する。
ｇｂ（νd）＝１／（１＋（２（νd−νb）／△νb）^２） ・・・式１
νb＝２ｎｖa／λ ・・・式２
ここで、νbは、ブリルアン周波数シフトであり、△νbは、ブリルアンゲイン線幅（半値全幅）であり、ｎは、光ファイバの屈折率であり、ｖaは、光ファイバ中の音速であり、λは、光ファイバに入射する光の波長である。

そして、発明者らは、ブリルアン散乱現象において、ポンプ光としての光パルスの周波数と自然ブリルアン散乱光の周波数との差ｆｓが、光パルスの波長をλｐとすると、ｆｓ＝（２×ｎ×ｖａ）／（λｐ）であり、自然ブリルアン散乱光の成長が、ｆ＝ｆｓでピークを持つブリルアンゲインｇｂ（ｆ）で特徴付けられ、光パルスが電歪現象によって格子振動の音響モードを発生する時間をｔ、音響フォノンの寿命をτｂとすると、ｅｘｐ（−ｔ／τｂ）で減衰するので、ブリルアンゲインｇｂ（ｆ）が、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの半値全幅を△ｆｓとすると、ローレンツ曲線型のスペクトルｇｂ（ｆ）＝１／（１＋（２（ｆ−ｆｓ）／△ｆｓ）^２）を持つことから、上記文献に開示した理論がブリルアン散乱現象を利用したＢＯＴＤＲにも同様に成立し、このＢＯＴＤＲに上記文献に開示の方法を応用することによって光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定し得ることを見出した。

ところが、背景技術に係るＢＯＴＤＲの構成において、光パルスを上記階段状光パルスに代え、空間分解能を１ｍや１０ｃｍにするために階段状光パルスにおける内側の光パルスのパルス幅を１０ｎｓや１ｎｓにすると、背景技術に係るＢＯＴＤＲがヘテロダイン検波をしているため、Ｏ／Ｅ変換器１０１８や増幅器１０１９に例えば１００ＭＨｚ以上や１ＧＨｚ以上の広帯域な素子が必要となってしまうという問題が生じる。仮に、Ｏ／Ｅ変換器１０１８や増幅器１０１９に帯域が不充分な素子を用いると、その出力は、図８の曲線ａのようなローレンツ曲線とならず、図８の曲線ｂのような中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となってしまい、自然ブリルアン散乱光のスペクトルを測定することができない。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、階段状光パルスを用い、ブリルアン散乱現象を利用することによって光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定し得る分布型光ファイバセンサを提供することを目的としている。

本発明者らは、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明に係る一態様では、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを周波数を変えながら射出する階段状光パルス光源と、前記光パルスが入射される検出用光ファイバと、前記光パルスが前記検出用光ファイバを伝播することによって生じる自然ブリルアン散乱光を前記検出用光ファイバから受光して前記自然ブリルアン散乱光に基づき前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出部とを備える分布型光ファイバセンサにおいて、前記ブリルアン時間領域検出部は、前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ狭帯域光バンドパスフィルタを介して前記自然ブリルアン散乱光を受光して前記自然ブリルアン散乱光に基づき前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を計測することを特徴とする。

また、本発明に係る他の一態様では、予め設定された時間幅及び光強度の光パルス前方光と予め設定された時間幅及び前記光パルス前方光の光強度よりも大きな光強度の光パルスとを周波数を変えながら射出する階段状光パルス光源と、前記光パルスが入射される検出用光ファイバと、前記光パルスが前記検出用光ファイバを伝播することによって生じる自然ブリルアン散乱光を前記検出用光ファイバから受光して前記自然ブリルアン散乱光に基づき前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出部とを備える分布型光ファイバセンサにおいて、前記ブリルアン時間領域検出部は、前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ狭帯域光バンドパスフィルタを介して前記自然ブリルアン散乱光を受光して前記自然ブリルアン散乱光に基づき前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を計測することを特徴とする。

そして、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記ブリルアン時間領域検出部は、前記階段状光パルス光源から射出された前記階段状光パルスの一部又は前記光パルス前方光と前記光パルスとの一部が入射され、前記階段状光パルスの一部又は前記光パルス前方光と前記光パルスとの一部を検出した場合に検出信号を出力する検出部と、前記検出用光ファイバから射出された前記自然ブリルアン散乱光が入射され、前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ狭帯域光バンドパスフィルタと、前記狭帯域光バンドパスフィルタを透過した光が入射され、前記光の光強度に応じた電気信号を出力する光強度検出部と、前記検出部からの前記検出信号に基づき設定した時間原点を基準に時間領域で検出した前記光強度検出部からの前記電気信号に基づいて前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を計測する計測部とを備えることを特徴とする。

また、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記狭帯域光バンドフィルタは、前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ第１ファブリペローエタロンフィルタと、前記第１ファブリペローエタロンフィルタの透過周波数帯域を含む透過周波数帯域を持ち、かつ、前記階段状光パルスの周波数又は前記光パルス前方光と前記光パルスとの周波数と、前記自然ブリルアン散乱光の周波数と、の間の周波数間隔より広いフリースペクトラムレンジを持つ第１ファブリペローエタロンフィルタとを備えることを特徴とする。

さらに、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記狭帯域光バンドフィルタは、前記階段状光パルス又は前記光パルス前方光と前記光パルスとを所定の周波数範囲で掃引する場合における中心周波数の階段状光パルスが前記検出用光ファイバを伝播することによって生じる自然ブリルアン散乱光の周波数に、前記第１及び第２ファブリペローエタロンフィルタにおける透過周波数帯域の中心周波数を一致させるようにそれぞれ制御する第１及び第２中心周波数制御部をさらに備えることを特徴とする。

そして、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバと前記ブリルアン時間領域検出部との間に配置され、前記検出用光ファイバの長尺方向における特定の位置又は特定の領域で生じた自然ブリルアン散乱光を透過させて前記ブリルアン時間領域検出部へ射出すると共に、前記検出用光ファイバの長尺方向における前記特定の位置又は前記特定の領域を除く領域で生じた自然ブリルアン散乱光を遮光する光スイッチをさらに備えることを特徴とする。

また、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記階段状光パルス光源は、空間分解能を１ｍ以下とした場合であって前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルが実質的にローレンツ曲線となる前記階段状光パルス又は前記光パルス前方光と前記光パルスとを射出することを特徴とする。

さらに、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、入射光の偏光面をランダムに変更して射出する偏光制御部をさらに備え、前記階段状光パルス又は前記光パルス前方光と前記光パルスとは、前記偏光制御部を介して前記検出用光ファイバに入射することを特徴とする。

このような構成の分布型光ファイバセンサは、ブリルアン散乱現象を利用することによって光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は、実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図２は、実施形態の分布型光ファイバセンサにおける階段状光パルス光源を説明するための図である。図２（Ａ）は、階段状光パルス光源の構成を示すブロック図であり、図２（Ｂ）は、階段状光パルスの生成を説明するための図である。図３は、実施形態の分布型光ファイバセンサにおける狭帯域光バンドパスフィルタを説明するための図である。図３（Ａ）は、狭帯域光バンドパスフィルタの構成を示すブロック図であり、図３（Ｂ）は、狭帯域光バンドパスフィルタにおけるＡＴＣの構成を示すブロック図である。図４は、狭帯域光バンドパスフィルタの透過周波数特性を説明するための図である。図４（Ａ）は、狭帯域光バンドパスフィルタにおける第１エタロンフィルタの透過周波数特性を示し、図４（Ｂ）は、狭帯域光バンドパスフィルタにおける第２エタロンフィルタの透過周波数特性を示し、図４（Ｃ）は、狭帯域光バンドパスフィルタの透過周波数特性を示す。

図１において、実施形態における分布型光ファイバセンサ１は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、偏光制御部１３と、光サーキュレータ１４と、光コネクタ１５、１７と、周波数校正用光ファイバ１６と、制御処理部１８と、ブリルアン時間領域検出部１９と、検出用光ファイバ２０とを備えて構成される。

階段状光パルス光源１１は、制御処理部１８によって制御され、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルス（階段状光パルス）を生成する光源装置である。このような階段状光パルスは、見かけ上、互いに異なる光強度の光パルスが多重されているように見える。階段状光パルス光源１１の出力端子（射出端子）は、光カプラ１２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。

このような階段状光パルス光源１１は、例えば、図２（Ａ）に示すように、光源１０１と、第１乃至第３光強度変調器１０２、１０３、１０５と、光増幅器１０４とを備えて構成される。

光源１０１は、制御処理部１８によって制御され、線幅の狭い所定の周波数の光を発光する光源装置である。光源１０１は、例えば、多量子井戸構造ＤＦＢレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）を備えて構成される発光部１１１と、発光部１１１における波長可変半導体レーザの素子温度を所定の温度に自動的に略一定に保持する自動温度制御部（Automatic Temperature Control part、以下、「ＡＴＣ部」と略記する。）１１２と、発光部１１１における波長可変半導体レーザの発振周波数を所定の周波数に自動的に略一定に保持するように波長可変半導体レーザを駆動する自動周波数制御部（Automatic Frequency Control part、以下、「ＡＦＣ部」と略記する。）１１３とを備えて構成される。ＡＴＣ部１１２により発振周波数の温度依存性が抑制され、駆動電流を制御することにより発振周波数が安定的に変更され得る。

第１乃至第３光強度変調器１０２、１０３、１０５は、制御処理部１８によって制御され、入射光の光強度を変調する光部品であり、例えば、マッハツェンダ型光変調器（以下、「ＭＺ光変調器」と略記する。）や半導体電界吸収型光変調器等である。光増幅器１０４は、入射光の光強度を所定の増幅率で増幅する光部品であり、例えば、光源１０１が発光する光の周波数に対し利得を持つ半導体光増幅器や、例えば希土類元素添加光ファイバ増幅器やラマン増幅光ファイバ増幅器等の光ファイバ増幅器等である。

光源１０１の出力端子は、第１光強度変調器１０２の入力端子に光学的に接続され、第１光強度変調器１０２の出力端子は、第２光強度変調器１０３の入力端子に光学的に接続され、第２光強度変調器１０３の出力端子は、光増幅器１０４の入力端子に光学的に接続され、光増幅器１０４の出力端子は、第３光強度変調器１０５の入力端子に光学的に接続される。そして、第３光強度変調器１０５の出力端子から射出される光は、階段状光パルス光源１１の出力となる。

このような構成の階段状光パルス光源１１では、図２（Ｂ）に示すように、まず、光源１０１は、制御処理部１８の制御により、線幅の狭い所定の周波数ｆ_０であって略一定の光強度Ｐ１’である光ＣＷ_０を連続的に発光し射出する（ＰＳ１）。この光源１０１から射出された連続光ＣＷ_０は、第１光強度変調器１０２に入射される。

第１光強度変調器１０２は、通常状態では第１光強度変調器１０２から射出される光の光強度が光強度Ｐ１’より小さく微弱な光強度Ｐ２’となるように制御処理部１８の制御により駆動され、所定のタイミングでオンすると共に光パルスＯＰのパルス幅に対応する時間経過後のタイミングで通常状態に戻るように制御処理部１８の制御により駆動される。これによって第１光強度変調器１０２は、光強度Ｐ２’の連続的な漏れ光ＣＷ_Ｌの中に光強度Ｐ１’の光パルスＯＰが在る光を射出する（ＰＳ２）。そして、連続的な漏れ光ＣＷ_Ｌと光パルスＯＰとから成る波形の光が第１光強度変調器１０２から第２光強度変調器１０３に入射される。

第２光強度変調器１０３は、通常状態ではオフであり、所定のタイミングでオンすると共に階段状光パルスＯＰｓのパルス幅に対応する時間経過後のタイミングで通常状態のオフに戻るように、制御処理部１８の制御により駆動される。第２光強度変調器１０３は、入射光を透過及び遮光する光スイッチとして用いられる。これによって第２光強度変調器１０３に入射された光は、光パルスＯＰの前方及び後方に所定の時間幅だけ光強度Ｐ２’の連続的な漏れ光ＯＰｆ（光パルス前方光ＯＰｆ）及びＯＰｂ（光パルス後方光ＯＰｂ）を残して残余が除去され、第２光強度変調器１０３は、微弱な光強度Ｐ２’の光パルスの中に光強度Ｐ２’よりも大きい光強度Ｐ１’の光パルスＯＰが在る光強度が一段階変化する階段状であって線幅の狭い階段状光パルスＯＰsを射出する（ＰＳ３）。そして、階段状光パルスＯＰsが第２光強度変調器１０３から光増幅器１０４に入射される。

光増幅器１０４は、第１乃至第３光強度変調器１０２、１０３、１０５の損失等を補償して階段状光パルスＯＰｓを所定の光強度にするために階段状光パルスＯＰｓを増幅する。これによって光強度Ｐ１’及び光強度Ｐ２’がそれぞれ光強度Ｐ１及び光強度Ｐ２に増幅され、光増幅器１０４は、光強度Ｐ２の光パルスの中に光強度Ｐ２よりも大きい光強度Ｐ１の光パルスＯＰが在る光強度が一段階変化する階段状であって線幅の狭い階段状光パルスＯＰｓを射出する（ＰＳ４）。そして、増幅された階段状光パルスＯＰsが光増幅器１０４から第３光強度変調器１０５に入射される。

第３光強度変調器１０５は、通常状態ではオフであり、所定のタイミングでオンすると共に階段状光パルスＯＰｓのパルス幅に対応する時間経過後のタイミングで通常状態のオフに戻るように、制御処理部１８の制御により駆動される。第３光強度変調器１０５は、光スイッチとして用いられる。光増幅器１０４から射出された増幅された階段状光パルスＯＰｓは、光増幅器１０４によって光パルス前方光ＯＰｆの前方及び光パルス後方光ＯＰｂの後方に自然放出光（Amplifier Spontaneous Emission、ＡＳＥ）を伴っているが、第３光強度変調器１０５がこのように動作することによって、光パルス前方光ＯＰｆの前方及び光パルス後方光ＯＰｂの後方に存在する自然放出光が除去され、第３光強度変調器１０５は、光強度Ｐ２の光パルスの中に光強度Ｐ２よりも大きい光強度Ｐ１の光パルスが在る光強度が一段階変化する階段状であって線幅の狭い階段状光パルスＯＰsを射出する（ＰＳ５）。

このように動作することによって階段状光パルス光源１１は、線幅の狭い所定の周波数の階段状光パルスＯＰｓを生成し、射出する。

そして、高精度かつ高空間分解能で測定するために、階段状光パルスＰＯｓにおける、光パルス前方光ＯＰｆの時間幅Ｔｆ、光パルスＯＰのパルス幅（時間幅）Ｔｐ及び光パルス後方光ＯＰｂの時間幅Ｔｂ、並びに、光パルスＯＰの光強度Ｐ１及び光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｐ２（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ２）は、上記ＷＯ２００６／００１０７１に開示した誘導ブリルアン散乱現象の場合における解析と同様の解析をブリルアン散乱現象の場合について行うことによって、次のように決定される。

光パルス前方光ＯＰｆの時間幅Ｔｆは、音響フォノンの立ち上り時間に応じてその音響フォノンが９０％に立ち上がった場合における自然ブリルアン散乱光のスペクトルの半値全幅をＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum）とすると、Ｔｐ＜Ｔｆ≦（１／ＦＷＨＭ）となるように設定される。光パルスＯＰのパルス幅Ｔｐは、例えば１ｍ以下の高空間分解能を得るために１０ｎｓ≧Ｔp＞０に設定される。光パルス後方光ＯＰｂの時間幅Ｔｂは、Ｔｂ＜Ｔｆであって短い程よく、０でもよい。そして、階段状光パルスＯＰｓが検出用光ファイバ２０で光パルスとして存在する必要があるため、上述の範囲で、光パルス前方光ＯＰｆの時間幅Ｔｆ、光パルスＯＰの時間幅Ｔｐ及び光パルス後方光ＯＰｂの時間幅Ｔｂが決定される。

光パルスＯＰの光強度Ｐ１及び光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｐ２（光パルス後方光ＯＰｂの光強度Ｐ２）は、自然ブリルアン散乱の基礎方程式からブリルアンゲインを表す式を求め、この求めた式に基づいて光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｐ２に対する光パルスＯＰの光強度Ｐ１の比Ｐｒｘ（＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１／Ｐ２））をパラメータにシミュレーションを行って最も良い値を与える比Ｐｒｘを求めることによって決定される。

図１に戻って、光カプラ１２は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光カプラ１２の一方の出力端子は、偏光制御部１３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出部１９の第１入力端子に光学的に接続される。

偏光制御部１３は、制御処理部１８によって制御され、入射光の偏光面をランダム（無作為）に変更して射出する偏波スクランブラである。偏光制御部１３の出力端子は、光サーキュレータ１４の第１端子に光学的に接続される。

自然ブリルアン散乱光は、検出用光ファイバ２０を伝播する階段状光パルスＯＰｓの偏光面に依存する。このため、本実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１では、階段状光パルスＯＰｓの１つの周波数に対して複数回、例えば５００回や１０００回の測定を行ってその平均値を採用することによって、これら測定ごとに偏光制御部１３で階段状光パルスＯＰｓの偏光面がランダムに変わるので、この依存性を実質的に解消することができる。そのため、本実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１は、検出用光ファイバ２０の長尺方向における自然ブリルアン散乱光の光強度の分布をより精度よく得ることができる。

光サーキュレータ１４は、第１乃至第３の３端子の光サーキュレータであり、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。即ち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されると共に第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出されると共に第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出されると共に第２端子からは射出されない。

光コネクタ１５、１７は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。光サーキュレータ１４の第２端子は、光コネクタ１５を介して周波数校正用光ファイバ１６の一方端に光学的に接続される。周波数校正用光ファイバ１６の他方端は、光コネクタ１７を介して検出用光ファイバ２０の一方端に光学的に接続される。光サーキュレータ１４の第３端子は、ブリルアン時間領域検出部１９の第２入力端子に光学的に接続される。

周波数校正用光ファイバ１６は、階段状光パルス光源１１の発振周波数を校正するための、自然ブリルアン散乱光の周波数が既知の光ファイバである。検出用光ファイバ２０で歪み及び／又は温度を測定する前に、周波数校正用光ファイバ１６の自然ブリルアン散乱光の周波数が測定され、この実際に得られた自然ブリルアン散乱光の周波数と既知な自然ブリルアン散乱光の周波数との差分が無くなるように、階段状光パルス光源１１の発振周波数が調整される。これによって階段状光パルス光源１０１の発振周波数が校正される。

検出用光ファイバ２０は、歪み及び／又は温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、その一方端から階段状光パルスＯＰｓが入射され、ブリルアン散乱現象によって階段状光パルスＯＰｓに起因して自然ブリルアン散乱光を発生する。階段状光パルスＯＰｓの進行方向と逆方向に進行する自然ブリルアン散乱光は、光カプラ１７、周波数校正用光ファイバ１６、光カプラ１５及び光サーキュレータ１４を介して、ブリルアン時間領域検出部１９の第２入力端子へ射出される。ここで、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪み及び／又は温度を測定する場合には、検出用光ファイバ２０が計測対象物に固定され、測定対象物に生じた歪み及び／又は温度が測定され得る。

制御処理部１８は、ブリルアン時間領域検出部１９と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ２０の長尺方向における検出用光ファイバ２０の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１及び偏光制御部１３を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、メモリ及びその周辺回路等を備えて構成される。

ブリルアン時間領域検出部１９は、制御処理部１８と信号を入出力することによって分布型光ファイバセンサ１の各部を制御し、第１入力端子から入射した階段状光パルスＯＰｓの入射時点に基づき時間原点を設定して第２入力端子で受光した自然ブリルアン散乱光を時間領域で測定することによって、検出用光ファイバ２０の長尺方向の各領域部分（各位置）における自然ブリルアン散乱光のスペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分（各位置）の自然ブリルアン散乱光のスペクトルに基づいて検出用光ファイバ２０の歪み分布及び／又は温度分布を計測する。

本実施形態では、ブリルアン時間領域検出部１９は、例えば、受光部２０１、２０８と、上述の光増幅器１０４と同様に入射光の光強度を所定の増幅率で増幅する光増幅部２０２と、アナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換部（以下、「Ａ／Ｄ変換部」と略記する。）２０３、２０６と、狭帯域光バンドパスフィルタ（以下、「狭帯域光ＢＰＦ」と略記する。）２０４と、信号処理部２０５と、入力信号を所定の増幅率で増幅する増幅部２０７とを備えて構成される。

受光部２０１、２０８は、受光した光の光強度に応じた電気信号を出力する回路であり、受光した光をこの受光した光の光強度に応じた電流に変換する例えばフォトダイオード等の光電変換素子、光電変換素子から出力された電流を電圧に変換する電流／電圧変換素子及びその周辺回路を備えて構成される。

信号処理部２０５は、受光部２０１が光カプラ１２で分岐した階段状光パルスＯＰｓを検出した場合に出力する検出信号をＡ／Ｄ変換部２０３を介して受信し、受光部２０８が光増幅部２０２及び狭帯域光ＢＰＦ２０４を介して受光した光の光強度に応じて出力した電気信号を増幅部２０７及びＡ／Ｄ変換部２０６を介して受信し、受光部２０１からＡ／Ｄ変換部２０３を介して受信した検出信号に基づき設定した時間原点を基準に時間領域で検出した受光部２０８から増幅部２０７及びＡ／Ｄ変換部２０６を介して受信した電気信号に基づいて検出用光ファイバ２０の長尺方向における歪み及び／又は温度を計測する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、メモリ及びその周辺回路等を備えて構成される。

受光部２０１、受光部２０８及び信号処理部２０５は、それぞれ請求項の検出部、光強度検出部及び計測部の一例である。

狭帯域光ＢＰＦ２０４は、狭い所定の透過周波数帯域の光部品、即ち、狭い所定の周波数帯域の光を透過すると共にこの所定の周波数帯域を除く帯域の光を遮断する光部品である。狭帯域光ＢＰＦ２０４は、例えば、図３（Ａ）に示すように、第１及び第２光バンドパスフィルタ（以下、「光ＢＰＦ」と略記する。）３０１、３０２を備えて構成される。

第１光ＢＰＦ３１１は、第１基板３１１と、第１温度検出素子３１２と、第１ファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotEtalon Filter以下、「ＥＦ」と略記する。）３１３と、第１温度調整素子３１４と、第１ＡＴＣ部３１５とを備えて構成される。そして、第２光ＢＰＦ３２１は、第２基板３２１と、第２温度検出素子３１２と、第２ＥＦ３２３と、第２温度調整素子３２４と、第２ＡＴＣ部３２５とを備えて構成される。なお、第１光ＢＰＦ３０１と第２光ＢＰＦ３０２とは、後述するように第１ＥＦ３１３と第２ＥＦ３２３とが異なるだけでそれらの構成は、図３（Ａ）に示すように同様であるので、第１光ＢＰＦ３０１の構成について説明し、第２光ＢＰＦ３０２の構成については省略する。

第１基板３１１は、第１温度検出素子３１２及び第１ＥＦ３１３がその一方面上に載置される架台である。第１温度検出素子３１２は、第１ＥＦ３１３の近傍に配置され、第１ＥＦ３１３の温度を検出するための部品であり、例えば、抵抗値が温度変化に応じて変化することによって温度を検出するサーミスタである。第１温度検出素子３１２が第１ＥＦ３１３の温度を精度よく検出し得る観点から、第１基板３１１は、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属材料（合金を含む）であることが好ましい。また、第１基板３１１は、温度変化を少なくすることができるように、その熱容量が大きいことが好ましい。第１温度調整素子３１４は、発熱及び吸熱を行うことにより第１基板３１１の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子である。本実施形態では、Ｐ型とＮ型の熱電半導体を銅電極にはんだ付けしたペルチェ素子が用いられ、第１ＥＦ３１３等が配置された第１基板３１１の上記一方面と対向する他方面にこのペルチェ素子が密着状態で配置される。

第１ＡＴＣ部３１５は、第１温度検出素子３１２の検出出力に基づいて第１温度調整素子３１４を制御することによって、第１基板３１１の温度を所定の温度に自動的に略一定に保持する回路である。

第１ＡＴＣ部３１５は、例えば、図３（Ｂ）に示すように、第１温度検出素子３１２の検出出力と制御処理部１８からの参照電圧Ｖｒｅｆとが入力されこれらの差分を出力する増幅器３１５１と、増幅器３１５１の差分出力が入力される例えばローパスフィルタ回路から成る積分回路３１５２と、増幅器３１５１の差分出力が入力される例えばハイパスフィルタ回路から成る微分回路３１５３と、積分回路３１５２の積分出力及び微分回路３１５３の微分出力が入力されその比例を出力する比例回路３１５４と、比例回路３１５４のプラス出力及びマイナス出力に応じて温度調整素子ドライバ回路３１５７を駆動する出力を得る増幅器３１５５、３１５６と、比例回路３１５４の比例出力に応じて第１温度調整素子３１４の駆動電流を生成するブリッジ回路からなる温度調整素子ドライバ回路３１５７とを備えて構成される。即ち、第１ＡＴＣ部３１５は、第１温度検出素子３１２の検出出力に基づいて第１温度調整素子３１４をＰＩＤ制御する構成である。参照電圧Ｖｒｅｆは、第１基板３１１が所定の温度である場合における第１温度検出素子３１２の検出出力と同じ値に設定される。

このような構成によって、第１ＡＴＣ部３０１は、第１基板３１１が所定の温度よりも高い場合には、第１温度調整素子３１４が吸熱するように第１温度調整素子３１４を駆動し、第１基板３１１が所定の温度よりも低い場合には、第１温度調整素子３１４が発熱するように第１温度調整素子３１４を駆動する。本実施形態では、第１温度調整素子３１４であるペルチェ素子に吸熱時には＋１．４Ａの電流が供給され、発熱時には−０．６Ａの電流が供給される。このように第１ＡＴＣ部３０１が第１温度調整素子３１４を駆動することによって第１基板３１１の温度が所定の温度に自動的に略一定に保持される。その結果、第１ＥＦ３１３の温度も所定の温度に自動的に略一定に保持される。そのため、第１ＥＦ３１３における透過周波数帯域の中心周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。そして、所定の温度は、第１ＥＦ３１３が上記所定の透過周波数帯域である場合の温度である。また、比例回路３１５４の比例出力は、第１基板３１１の温度安定度をモニタするために、アナログ／ディジタル変換されて制御処理部１８に出力される。

第１温度検出素子３１２、第１ＡＴＣ部３１５及び第１温度調整素子３１４は、請求項の第１中心周波数制御部の一例であり、第２温度検出素子３２２、第２ＡＴＣ部３２５及び第２温度調整素子３２４は、請求項の第２中心周波数制御部の一例である。

このような構成の第１及び第２光ＢＰＦ３０１、３０２は、第１光ＢＰＦ３０１の第１ＥＦ３１３から射出された光が第２光ＢＰＦ３０２の第２ＥＦ３２３に入射されるように、光学的に接続される。また、第１ＥＦ３１３は、図４（Ａ）に示すように、その半値全幅ＦＷＨＭ１が狭帯域光ＢＰＦ２０４における上記所定の透過周波数帯域に相当する周波数幅であるように設定され、そして、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ１の一つが狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。第２ＥＦ３２３は、図４（Ｂ）に示すように、そのＦＳＲ（Free Spectral Range、フリースペクトラムレンジ）２が階段状光パルスＯＰｓの周波数と自然ブリルアン散乱光の周波数との間の周波数間隔より広くなるように設定され、その透過周波数帯域が第１ＥＦ３１３の透過周波数帯域を含むようにするために、その半値全幅ＦＷＨＭ２が第１ＥＦ３１３の半値全幅ＦＷＨＭ１以上に設定され、そして、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ２の一つが狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。

このような構成の狭帯域光ＢＰＦ２０４では、第１光ＢＰＦ３０１で、第１ＥＦ３１３の透過周波数帯域に相当する周波数の光が透過する。即ち、第１ＥＦ３１３のＦＳＲ１ごとに半値全幅ＦＷＨＭ１に相当する周波数の光が透過する。そして、第１ＥＦ３１３を透過した光は、第２光ＢＰＦ３０２で、第１ＥＦ３１３の中心周波数ｆａ１の透過周波数帯域に相当する周波数の光のみが透過する。このため、このような構成の狭帯域光ＢＰＦ２０４の透過周波数特性は、図４（Ａ）に示す第１ＥＦ３１３の透過周波数特性と図４（Ｂ）に示す第２ＥＦ３２３の透過周波数特性とを合成した特性となり、図４（Ｃ）に示すように、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａが周波数ｆａ１（＝ｆａ２）で、その半値全幅ＦＷＨＭが第１ＥＦ３１３の半値全幅ＦＷＨＭ１で、そして、そのＦＳＲが第２ＥＦ３２３のＦＳＲ２となる。なお、上述では、第１光ＢＰＦ３０１の第１ＥＦ３１３から射出された光が第２光ＢＰＦ３０２の第２ＥＦ３２３に入射されるように光学的に接続することによって狭帯域光ＢＰＦ２０４が構成されたが、第２光ＢＰＦ３０２の第１ＥＦ３２３から射出された光が第１光ＢＰＦ３０１の第１ＥＦ３１３に入射されるように光学的に接続することによって狭帯域光ＢＰＦ２０４が構成されてもよい。

次に、実施形態に係る分布型光ファイバセンサの動作について説明する。

制御処理部１８の制御により、階段状光パルス光源は、上述したパルス幅及び比Ｐｒｘの階段状光パルスＯＰｓを射出する。この階段状光パルスＯＰｓは、光カプラ１２へ射出され、この光カプラ１２で２つの階段状光パルスＯＰｓに分配される。

この光カプラ１２で分配された一方の階段状光パルスＯＰｓは、ブリルアン時間領域検出部１９の第１入力端子へ射出される。この第１入力端子から入射した階段状光パルスＯＰｓは、受光部２０１へ射出される。受光部２０１は、ブリルアン時間領域検出部１９の第１入力端子から入射した光を受光し、この光の光強度に応じた信号をＡ／Ｄ変換部２０３へ出力する。Ａ／Ｄ変換部２０３は、この信号をディジタル信号に変換して信号処理部２０５へ出力する。信号処理部２０５は、この信号をＡ／Ｄ変換部２０３から検出信号として受信することにより、階段状光パルス光源１１が階段状光パルスＯＰｓを射出したことを認識し、そして、この信号の受信時点に基づき時間原点を設定して自然ブリルアン散乱光の時間領域での検出を開始する。

この時間原点は、Ａ／Ｄ変換部２０３から信号を受信した受信時点でもよいが、より精度よく測定するために、階段状光パルス光源１１から光カプラ１２を介してブリルアン時間領域検出部１９まで階段状光パルスＯＰｓが伝播する第１伝播時間と、階段状光パルス光源１１から光カプラ１２、偏光制御部１３、光サーキュレータ１４、光カプラ１５、校正用光ファイバ１６及び光カプラ１７まで階段状光パルスＯＰｓが伝播する第２伝播時間に光カプラ１７から校正用光ファイバ１６、光カプラ１５及び光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出部１９まで自然ブリルアン散乱光が伝播する第３伝播時間を加算した第４伝播時間との差（＝第４伝播時間−第１伝播時間）で補正しても良い。さらに、より精度よく測定するために、受光部２０１及びＡ／Ｄ変換部２０３の第１処理時間と、光増幅部２０２、狭帯域光ＢＰＦ２０４、受光部２０８、増幅部２０７及びＡ／Ｄ変換部２０６の第２処理時間との差（＝第２処理時間−第１処理時間）も考慮して補正しても良い。

一方、光カプラ１２で分配された他方の階段状光パルスＯＰｓは、偏光制御部１３へ射出され、この偏光制御部１３でその偏光面が調整され、光サーキュレータ１４、光コネクタ１５、校正用光ファイバ１６及び光コネクタ１７を介して検出用光ファイバ２０の一方端へ射出される。検出用光ファイバ２０の一方端から入射した階段状光パルスＯＰｓは、ブリルアン散乱現象によって自然ブリルアン散乱光を生じさせながら検出用光ファイバ２０の一方端から他方端に向かって伝播する。

階段状光パルスＯＰｓの進行方向と逆方向に伝播する自然ブリルアン散乱光は、検出用光ファイバ２０の一方端から射出され、光コネクタ１７、校正用光ファイバ１６、光コネクタ１５及び光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出部１９の第２入力端子へ射出される。

この第２入力端子から入射した自然ブリルアン散乱光は、光増幅部２０２へ射出される。光増幅部２０２は、この第２入力端子から入射した自然ブリルアン散乱光を増幅し、狭帯域光ＢＰＦ２０４に射出する。狭帯域ＢＰＦ２０４は、この入射された自然ブリルアン散乱光を濾波して自然ブリルアン散乱光のうちの透過周波数帯域に対応する周波数の光のみを受光部２０８に射出する。受光部２０８は、この狭帯域光ＢＰＦ２０４から入射した光を受光し、この光の光強度に応じた信号を増幅部２０７へ出力する。増幅部２０７は、この信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換部２０６へ出力する。Ａ／Ｄ変換部２０６は、この信号をディジタル信号に変換して信号処理部２０５へ出力する。

信号処理部２０５は、Ａ／Ｄ変換部２０３から入力した信号に基づき時間原点を設定し、Ａ／Ｄ変換部２０６から入力した信号に基づいて、第２入力端子から入射した自然ブリルアン散乱光を時間領域で検出し、検出用光ファイバ２０の長尺方向の各領域部分（各位置）における自然ブリルアン散乱光のスペクトルの分布を測定する。

図５は、狭帯域光バンドパスフィルタの機能を説明するための図である。図５（Ａ）は、階段状光パルスの周波数と検出用光ファイバの或る位置における自然ブリルアン散乱光の周波数との関係を説明するための図である。図５（Ｂ）は、階段状光パルスの周波数を掃引することによって検出用光ファイバの或る位置における自然ブリルアン散乱光の測定原理を説明するための図である。図５（Ｃ）は、狭帯域光バンドパスフィルタを利用することによって測定される検出用光ファイバの或る位置における自然ブリルアン散乱光を説明するための図である。図５の各図における横軸は、周波数を示し、その縦軸は、光強度を示す。図６は、自然ブリルアン散乱光のスペクトルの分布を示す図である。図６のｘ軸は、検出用光ファイバ２０の一方端からの距離Ｌであり、そのｙ軸は、周波数であり、そのｚ軸は、光強度である。また、説明の都合上、距離Ｄ１では、検出用光ファイバ２０に歪みが生じていないものとし、距離Ｄ２では、検出用光ファイバ２０に歪みが生じていないものとしている。

ここで、階段状光パルスの周波数を掃引して狭帯域光ＢＰＦ２０４を利用することによる自然ブリルアン散乱光の測定について説明する。

自然ブリルアン散乱光は、図５（Ａ）に示すように、階段状光パルスＯＰｓの周波数ｆｐから、検出用光ファイバ２０の構成材料等によって決まる周波数間隔ｆｓに、さらに検出用光ファイバ２０の歪みや温度によって決まる周波数間隔△ｆｂだけ離れた周波数ｆｐ＋ｆｓ＋△ｆｂ（＝ｆｂ＋△ｆｂ）で生じる。このため、階段状光パルスＯＰｓの周波数ｆｐが変化すると、これに従って自然ブリルアン散乱光の周波数ｆｂ＋△ｆｂも変化する。よって、階段状光パルスＯＰｓの周波数ｆｐが所定の周波数範囲ｆｐ−△ｆｐ〜ｆｐ＋△ｆｐで変化すると、これに従って自然ブリルアン散乱光は、周波数範囲ｆｂ＋△ｆｂ−△ｆｐ〜ｆｂ＋△ｆｂ＋△ｆｐで生じることになる。

一方、狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数ｆａは、固定である。

このため、周波数ｆｐ１、ｆｐ２、ｆｐ３、ｆｐ４、・・・、ｆｐｎに変化させて階段状光パルスＯＰｓを掃引すると、図５（Ｂ）に示すように、これに従って自然ブリルアン散乱光も曲線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、・・・、Ｂｎのように変化するので、自然ブリルアン散乱光の曲線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、・・・、Ｂｎにおける狭帯域光ＢＰＦ２０４の透過周波数帯域に対応する周波数成分の光が狭帯域光ＢＰＦ２０４から射出され、受光部２０８で受光され、その光強度に応じたレベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、・・・、Ｌｎの電気信号が受光部２０８から出力されることになる。

よって、階段状光パルスＯＰｓを周波数掃引する周波数範囲ｆｐ−△ｆｐ〜ｆｐ＋△ｆｐは、階段状光パルスＯＰｓの周波数ｆｐ、狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数ｆａ、検出用光ファイバ２０の構成材料等によって決まる周波数間隔ｆｓ、及び、検出用光ファイバ２０の歪みや温度によって決まる周波数間隔△ｆｂを考慮して設定される。より具体的には、狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数ｆａが階段状光パルスＯＰｓの周波数ｆｐから、検出用光ファイバ２０の構成材料等によって決まる周波数間隔ｆｓだけ離れた周波数ｆｐ＋ｆｓ（＝ｆａ）に設定され、階段状光パルスＯＰｓを周波数掃引する周波数範囲ｆｐ−△ｆｐ〜ｆｐ＋△ｆｐは、階段状光パルスＯＰｓを検出用光ファイバ２０に入射することによって生じる自然ブリルアン散乱光の周波数範囲（例えば、自然ブリルアン散乱光の半値全幅ＦＷＨＭ）ＢＷｂに、さらに検出用光ファイバ２０の歪みや温度によって決まる周波数間隔△ｆｂを加算した周波数範囲ＢＷｂ＋△ｆｂを考慮して設定される。

実際には、損失の少ない光ファイバが検出用光ファイバ２０に採用されるので、この採用された検出用光ファイバ２０に応じて階段状光パルスＯＰｓの周波数が設定され、この設定された階段状光パルスＯＰｓの周波数及び採用した検出用光ファイバ２０に応じて狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数ｆａが設定され、この設定された階段状光パルスＯＰｓの周波数、採用した検出用光ファイバ２０及び検出用光ファイバ２０に加わる想定の歪み量及び／又は温度を考慮して、階段状光パルスＯＰｓを周波数掃引する周波数範囲ｆｐ−△ｆｐ〜ｆｐ＋△ｆｐが設定されることになる。

このような設定の下に、階段状光パルスＯＰｓの周波数を掃引することによって、図５（Ｃ）に示すローレンツ曲線形状の波形をした、検出用光ファイバ２０の長尺方向の或る位置における自然ブリルアン散乱光のスペクトルが狭帯域光ＢＰＦ２０４及び受光部２０８によって計測される。信号処理部２０５は、この検出用光ファイバ２０の長尺方向の或る位置における自然ブリルアン散乱光のスペクトルを解析することによってピークを検出し、検出用光ファイバ２０の長尺方向の或る位置における自然ブリルアン散乱光の周波数ｆｂ＋△ｆｂを求めることができる。ここで、狭帯域光ＢＰＦ２０４は、その透過周波数帯域の中心周波数が第１及び第２ＡＴＣ部３１５、３２５によって制御されているので、より精度よく所定の周波数で濾波することができる。このため、自然ブリルアン散乱光のスペクトルがより精度よく得られるから、信号処理部２０５は、自然ブリルアン散乱光のスペクトルを解析することによってピークをより精度よく検出することができ、自然ブリルアン散乱光の周波数ｆｂ＋△ｆｂをより精度よく求めることができる。そして、信号処理部２０５は、時間領域で解析することにより、図６に示すように、検出用光ファイバ２０の長尺方向の各位置の自然ブリルアン散乱光の周波数ｆｂ＋△ｆｂを求めることができ、検出用光ファイバ２０の長尺方向における歪み分布及び／又は温度分布を計測することができる。この求めた検出用光ファイバ２０の長尺方向の各領域部分における歪み及び／又は温度の分布は、ＣＲＴ表示装置やＸＹプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。

このように本実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１では、狭帯域光ＢＰＦ２０４を用いるので、階段状光パルスＯＰｓにおける光パルスＯＰのパルス幅を１０ｎｓ以下としたとしても自然ブリルアン散乱光のスペクトルを測定することができる。このため、分布型光ファイバセンサ１は、検出用光ファイバ２０の長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定することができる。

このように階段状光パルスＯＰｓを周波数で掃引しながら狭帯域光ＢＰＦ２０４で自然ブリルアン散乱光を濾波することによって自然ブリルアン散乱光のスペクトルを計測するので、狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の帯域幅は、少なくとも自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅とする必要があるが、階段状光パルスＯＰｓを掃引する周波数間隔ｆｐｓ（＝ｆｐ２−ｆｐ１＝ｆｐ３−ｆｐ２＝ｆｐ４−ｆｐ３＝・・・）及び狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の帯域幅は、自然ブリルアン散乱光のスペクトルの計測精度に影響することになる。この結果、分布型光ファイバセンサ１の歪み及び／又は温度の測定精度に影響することになる。階段状光パルスＯＰｓを掃引する周波数間隔ｆｐｓを狭くするほど、自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形の計測精度が向上する。また、狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の帯域幅（本実施形態では第１ＥＦ３１３の半値全幅ＦＷＨＭ１）を狭くするほど、自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形の計測精度が向上する。自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形の計測精度が向上することによって、分布型光ファイバセンサ１の歪み及び／又は温度の測定精度も向上することになる。このため、階段状光パルスＯＰｓを掃引する周波数間隔ｆｐｓ及び狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の帯域幅は、分布型光ファイバセンサ１の歪み及び／又は温度における所望の測定精度（自然ブリルアン散乱光の波形における所望の計測精度）に応じて適宜決定される。

一具体例を挙げると、検出用光ファイバ２０に１５５０ｎｍ用のシングルモード光ファイバを用い、階段状光パルスＯＰｓの周波数ｆｐを１９３４６４．５ＧＨｚとした場合、狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の中心周波数は、１９３４７５．５ＧＨｚが好ましい。そして、１０ｃｍの解像度で歪み分布を計測する場合、階段状光パルスＯＰｓを掃引する周波数間隔ｆｐｓは、５ＭＨｚで狭帯域光ＢＰＦ２０４における透過周波数帯域の帯域幅は、２０ＭＨｚが好ましい。

ここで、半値半幅ＨＷＨＭ（Half Width Half Maximum）は、半値全幅ＦＷＨＭの半分である（ＨＷＨＭ＝ＦＷＨＭ／２）。

なお、上述の実施形態では、分布型光ファイバセンサ１は、長尺方向における検出用光ファイバ２０全体の歪み分布及び／又は温度分布を測定するように構成されたが、分布型光ファイバセンサ１は、検出用光ファイバ２０の特定の位置における歪み及び／又は温度、あるいは、検出用光ファイバ２０の特定の領域（複数の位置）における歪み分布及び／又は温度分布を測定するように構成されてもよい。

このような構成の分布型光ファイバセンサ２は、図１に破線で示すように、分布型光ファイバセンサ１の構成にさらに光スイッチ３１を備えて構成される。

光スイッチ３１は、制御処理部１８によって制御され、検出用光ファイバ２０の長尺方向における特定の位置又は特定の領域で生じた自然ブリルアン散乱光を透過させてブリルアン時間領域検出部１９へ射出すると共に、検出用光ファイバ２０の長尺方向における上記特定の位置又は上記特定の領域を除く領域で生じた自然ブリルアン散乱光を遮光する光部品であり、光サーキュレータ１４の第３端子とブリルアン時間領域検出部１９の第２入力端子（光増幅部２０２）との間に設けられる。光サーキュレータ１４の第３端子は、光スイッチ３１の入力端子に光学的に接続され、光スイッチ３１の出力端子は、ブリルアン時間領域検出部１９の第２入力端子に光学的に接続される。光スイッチ３１は、例えば、第１乃至第３光強度変調器１０２、１０３、１０５と同様に、入射光の光強度を変調する光強度変調器によって構成される。

検出用光ファイバ２０の一方端から、測定すべき特定の位置までの検出用光ファイバ２０の長尺方向における距離をＺ、光速をｃ、及び、光スイッチ３１が入射光を透過するオンのタイミングをＴとすると、Ｚ＝（ｃ／ｎ）×（Ｔ／２）が成り立つ。従って、制御処理部１８がＴ＝（２ｎＺ）／ｃのタイミングで光スイッチ３１をオンするように制御することによって検出用光ファイバ２０の特定の位置における歪み及び／又は温度が測定され得る。そして、測定すべき領域を階段状光パルスＯＰｓが伝播する伝播時間に相当する時間だけ光スイッチ３１のオンを継続するように制御処理部１８が光スイッチ３１を制御することによって検出用光ファイバ２０の特定の領域（複数の位置）における歪み分布及び／又は温度分布が測定され得る。

実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 実施形態の分布型光ファイバセンサにおける階段状光パルス光源を説明するための図である。 実施形態の分布型光ファイバセンサにおける狭帯域光バンドパスフィルタを説明するための図である。 狭帯域光バンドパスフィルタの透過周波数特性を説明するための図である。 狭帯域光バンドパスフィルタの機能を説明するための図である。 自然ブリルアン散乱光のスペクトルの分布を示す図である。 特許文献１に開示のＢＯＴＤＲの構成を示す図である。 ブリルアン・ゲイン・スペクトル（自然ブリルアン散乱光のスペクトル）を示す図である。

符号の説明

１、２ 分布型光ファイバセンサ
１１ 階段状光パルス光源
１３ 偏波制御部
１８ 制御処理部
１９ ブリルアン時間領域検出部
２０ 検出用光ファイバ
３１ 光スイッチ
１０１ 光源
１０２、１０３、１０５ 光強度変調器
１１１ 発光部
１１２、３１５、３２５ 自動温度制御部
１１３ 自動周波数制御部
２０１、２０８ 受光部
２０４ 狭帯域光バンドパスフィルタ
２０５ 信号処理部
３０１、３０２ 光バンドパスフィルタ
３１２、３２２ 温度検出素子
３１３、３２３ ファブリペローエタロンフィルタ
３１４、３２４ 温度調整素子

Claims (7)

1. 内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを周波数を変えながら射出する階段状光パルス光源と、前記光パルスが入射される検出用光ファイバと、前記光パルスが前記検出用光ファイバを伝播することによって生じる自然ブリルアン散乱光を前記検出用光ファイバから受光して前記自然ブリルアン散乱光に基づき前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出部とを備える分布型光ファイバセンサにおいて、
   前記ブリルアン時間領域検出部は、前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ狭帯域光バンドパスフィルタを介して前記自然ブリルアン散乱光を受光して前記自然ブリルアン散乱光に基づき前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を計測すること
   を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
2. 前記ブリルアン時間領域検出部は、
   前記階段状光パルス光源から射出された前記階段状光パルスの一部が入射され、前記階段状光パルスの一部を検出した場合に検出信号を出力する検出部と、
   前記検出用光ファイバから射出された前記自然ブリルアン散乱光が入射され、前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ狭帯域光バンドパスフィルタと、
   前記狭帯域光バンドパスフィルタを透過した光が入射され、前記光の光強度に応じた電気信号を出力する光強度検出部と、
   前記検出部からの前記検出信号に基づき設定した時間原点を基準に時間領域で検出した前記光強度検出部からの前記電気信号に基づいて前記検出用光ファイバの長尺方向における歪み及び／又は温度を計測する計測部とを備えること
   を特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
3. 前記狭帯域光バンドフィルタは、
   前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルにおける半値半幅より狭い帯域幅の透過周波数帯域を持つ第１ファブリペローエタロンフィルタと、
   前記第１ファブリペローエタロンフィルタの透過周波数帯域を含む透過周波数帯域を持ち、かつ、前記階段状光パルスの周波数と前記自然ブリルアン散乱光の周波数との間の周波数間隔より広いフリースペクトラムレンジを持つ第１ファブリペローエタロンフィルタとを備えること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
4. 前記狭帯域光バンドフィルタは、
   前記光パルスを所定の周波数範囲で掃引する場合における中心周波数の光パルスが前記検出用光ファイバを伝播することによって生じる自然ブリルアン散乱光の周波数に、前記第１及び第２ファブリペローエタロンフィルタにおける透過周波数帯域の中心周波数を一致させるようにそれぞれ制御する第１及び第２中心周波数制御部をさらに備えること
   を特徴とする請求項３に記載の分布型光ファイバセンサ。
5. 前記検出用光ファイバと前記ブリルアン時間領域検出部との間に配置され、前記検出用光ファイバの長尺方向における特定の位置又は特定の領域で生じた自然ブリルアン散乱光を透過させて前記ブリルアン時間領域検出部へ射出すると共に、前記検出用光ファイバの長尺方向における前記特定の位置又は前記特定の領域を除く領域で生じた自然ブリルアン散乱光を遮光する光スイッチをさらに備えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
6. 前記階段状光パルス光源は、
   空間分解能を１ｍ以下とした場合であって前記自然ブリルアン散乱光のスペクトルが実質的にローレンツ曲線となる前記光パルスを射出すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
7. 入射光の偏光面をランダムに変更して射出する偏光制御部をさらに備え、
   前記光パルスは、前記偏光制御部を介して前記検出用光ファイバに入射すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。

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