JP2010190728A - 光ファイバ特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを分離して測定する。
【解決手段】ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量と、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量とに基づいて、光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを分離して測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの一端から入射した測定光の散乱光に基づいて光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置に関するものである。

近年、例えば橋、トンネル、建物等の構造物に光ファイバを設置し、光ファイバの特性を測定することによって光ファイバが設置された環境の特性（温度分布及び歪み分布）を測定する方法が提案されている。
より詳細には、例えば、光ファイバ中におけるブリルアン散乱によって生じる散乱光であるブリルアン散乱光から上記温度分布及び歪み分布を測定する方法（特許文献１参照）や、光ファイバ中におけるレイリー散乱によって生じる散乱光であるレイリー散乱光から上記温度分布及び歪み分布を測定する方法（非特許文献１参照）が提案されている。

ブリルアン散乱光から上記温度分布及び歪み分布を測定する方法は、測定光に対するブリルアン散乱光の周波数シフト量（ブリルアン周波数シフト量）を光ファイバに沿って分布計測し、ブリルアン周波数シフト量から温度変化量及び歪み変化量を算出することによって、上記温度分布及び歪み分布を測定する方法である。

一方、レイリー散乱光から上記温度分布及び歪み分布を測定する方法は、光ファイバにコヒーレント光を入射し、環境変化後におけるレイリー散乱光の長手方向の強度分布であるレイリー散乱波形を環境変化前におけるレイリー散乱波形と一致させるのに必要なコヒーレント光の周波数シフト量をレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量として光ファイバに沿って分布計測し、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量から温度変化量及び歪み変化量を算出することによって、上記温度分布及び歪み分布を測定する方法である。

特許第２５７５７９４号公報

小山田弥平、外２名、「多周波数で測定したレイリー散乱波形に基づく歪・温度の高精度分布測定法」、社団法人 電子情報通信学会、信学技報、ＯＦＴ２００７−２９（２００７−８）、ｐ．８３−ｐ．８８

しかしながら、上記ブリルアン周波数シフト量及び上記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量は、光ファイバの温度と歪みとの両方に依存して変化する。このため、上記ブリルアン周波数シフト量及び上記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量が、光ファイバの温度変化によるものであるか、光ファイバの歪み変化によるものであるかの区別をつけることができない。
したがって、従来のブリルアン散乱光を用いた測定方法及びレイリー散乱光を用いた測定方法は、光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを分離して測定することができないという欠点を有している。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、光ファイバの一端から入射した測定光の散乱光に基づいて光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置において、光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを分離して測定可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
第１の発明は、光ファイバの一端から入射したコヒーレント光の散乱光に基づいて上記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置であって、ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量と、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量とに基づいて、上記光ファイバの温度特性と上記光ファイバの歪み特性とを分離して測定するという構成を採用する。
第２の発明は、上記第１の発明において、上記ブリルアン周波数シフト量、上記光ファイバの温度の変化量及び上記光ファイバの歪みの変化量をパラメータとする第１関係式と、上記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量、上記光ファイバの温度の変化量及び上記光ファイバの歪みの変化量をパラメータとする第２関係式とを用いて上記光ファイバの温度特性と上記光ファイバの歪み特性とを分離するという構成を採用する。
第３の発明は、上記第２の発明において、上記ブリルアン周波数シフト量をΔｆ_Ｂ、上記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量をΔｆ_Ｒ、上記光ファイバの温度の変化量をΔＴ、上記光ファイバの歪みの変化量をΔε、係数をａ，ｂ，ｃ，ｄとした場合に、上記第１関係式が式（１）で表され、Δｆ_Ｂ＝ａ・Δε＋ｂ・ΔＴ （１）上記第２関係式が式（２）で表されるΔｆ_Ｒ＝ｃ・Δε＋ｄ・ΔＴ （２）という構成を採用する。
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、射出するコヒーレント光の光周波数を変更可能な光源手段と、上記コヒーレント光を測定光と参照光とに分岐する光分岐手段と、上記測定光を上記光ファイバに入射すると共に上記光ファイバからの上記散乱光を上記測定光と別経路で射出する光方向性結合手段と、上記参照光及び上記散乱光を受光して受光信号とする光検出手段と、上記受光信号から上記ブリルアン周波数シフト量、上記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量を得ると共に上記光ファイバの温度特性と上記光ファイバの歪み特性とを分離して算出する信号処理手段と、上記信号処理手段が上記ブリルアン周波数シフト量を取得する際に上記コヒーレント光の光周波数が固定され、上記信号処理手段が上記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量を取得する際に上記コヒーレント光の光周波数を変更するように上記光源手段を制御する制御手段と、を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量と、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量との両方を取得する。これらのブリルアン周波数シフト量及びレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量の両方を用いることによって、光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを独立して算出することが可能となる。すなわち、本発明によれば、ブリルアン周波数シフト量及びレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量に基づいて光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを分離して測定する。
したがって、本発明によれば、光ファイバの一端から入射した測定光の散乱光に基づいて光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置において、光ファイバの温度特性と光ファイバの歪み特性とを区別して測定することが可能となる。

本発明の一実施形態における光ファイバ特性測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における光ファイバ特性測定装置が備える信号処理部の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における光ファイバ特性測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態における光ファイバ特性測定装置の変形例であり、光源装置が光周波数可変光源である例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における光ファイバ特性測定装置の変形例であり、ＳＳＢ変調器及び高周波発振器を備える例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における光ファイバ特性測定装置の変形例であり、光源装置が光周波数可変光源であり、ＳＳＢ変調器及び高周波発振器を備える例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る光ファイバ特性測定装置の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０の構成を示すブロック図である。この図に示すように、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０は、光源装置１１、第１光カプラ１２（光分岐手段）、光変調器１３、パルスジェネレータ１４、第１偏波制御器１５、光アンプ１６、第２光カプラ１７（光方向性結合手段）、光コネクタ１８、センシング用光ファイバ１９（光ファイバ）、第２偏波制御器２０、第３光カプラ２１、光検出器２２（光検出手段）、ミキサ２３、第１切替スイッチ３１、第２切替スイッチ３２、高周波発振器２４、信号処理部２５（信号処理手段）、制御部２６、入力装置２７及び出力装置２８を備えている。

光源装置１１は、コヒーレント光Ｌ０を射出すると共に、射出するコヒーレント光Ｌ０の光周波数を変更可能に構成されており、図１に示すように、光周波数安定化光源１１ａと、ＳＳＢ（Single Sideband）変調器１１ｂと、高周波発振器１１ｃとを備えている。
光周波数安定化光源１１ａは、狭線幅のコヒーレント光Ｌ０を安定して射出する光源である。この光周波数安定化光源１１ａとしては、例えば、１．５５μｍ帯のレーザ光を射出するＭＱＷ−ＤＦＢ（多重量子井戸−分布帰還型）半導体レーザ等をシアン化水素ガスなどの分子の吸収線を利用して光周波数を安定化して用いることができる。
ＳＳＢ変調器１１ｂは、入力される高周波信号に基づいて光周波数安定化光源１１ａから入射されるコヒーレント光Ｌ０を周波数シフトさせるものである。また、高周波発振器１１ｃは、ＳＳＢ変調器１１ｂに入力する高周波信号を生成するものである。
なお、高周波発振器１１ｃは、制御部２６に電気的に接続されており、制御部２６からの指令に基づいて生成する高周波信号の周波数を変更可能とされている。そして、高周波発振器１１ｃにて生成される高周波信号の周波数が変更されることによって、光源装置１１から射出されるコヒーレント光Ｌ０の周波数が変更される。

第１光カプラ１２は、光源装置１１から入射されるコヒーレント光Ｌ０を測定光Ｌ１と、参照光Ｌ２とに分岐するものであり、１つの入射ポートと２つの射出ポートとを有する１×２の光分岐結合器である。

光変調器１３は、入力されるパルス信号に基づいて第１光カプラ１２から入射される測定光Ｌ１をパルス化するものである。
パルスジェネレータ１４は、光変調器１３に入力するパルス信号を生成するものである。
第１偏波制御器１５は、光変調器１３から射出された測定光Ｌ１の偏波状態をランダムに変化させるものである。なお、測定光Ｌ１の偏波状態がランダムに変化されることによって、センシング用光ファイバ１９からの戻り光である散乱光Ｌ３の偏波依存性による測定への影響を除去することができる。
光アンプ１６は、光変調器１３から射出された測定光Ｌ１を増幅させて出力するものである。この光アンプ１６としては、例えばＥｒ（エルビウム）ドープファイバを利用した光ファイバ増幅器等を用いることができる。
なお、第１偏波制御器１５及び光アンプ１６は、必要に応じて設置されるものである。したがって、光変調器１３から射出された測定光Ｌ１の偏波状態が既にランダムである場合には、第１偏波制御器１５を省くことができる。また、光変調器１３から射出された測定光Ｌ１の強度が十分である場合には、光アンプ１６を省くことができる。

第２光カプラ１７は、測定光Ｌ１を光ファイバ１９に入射させると共に、光ファイバ１９からの散乱光Ｌ３を測定光Ｌ１と別経路で射出するものであり、入出射ポートが光コネクタ１８を介して光ファイバ１９と接続されている。

第２偏波制御器２０は、第１光カプラ１２から入射される参照光Ｌ２の偏波状態をランダムに変化させるものである。参照光Ｌ２の偏波状態がランダムに変化されることによって、参照光Ｌ２と散乱光Ｌ３との偏波不整合による測定ノイズを低減させることができる。
なお、第２偏波制御器２０は、必要に応じて設置されるものである。したがって、参照光Ｌ２と散乱光Ｌ３との偏波不整合による測定ノイズが無視できる程度の場合には、第２偏波制御器２０を省くことができる。

第３光カプラ２１は、第１光カプラ１２から入射される参照光Ｌ２と第２光カプラ１７を介して入射される散乱光Ｌ３とを合波して合波光Ｌ４を出力するものである。
光検出器２２は、合波光Ｌ４を受光し、参照光Ｌ２と散乱光Ｌ３との周波数差分を示す信号を受光信号Ｓ１として出力するものである。なお、光検出器２２は、コンデンサを備えており、合波光Ｌ４を電気変換した際に生じる直流成分を除去する。
このような、第３光カプラ２１及び光検出器２２によってヘテロダイン光検出回路が構成される。
なお、光検出器２２の後には必要に応じて受光信号Ｓ１を増幅するアンプが設置される。このようなアンプを設置する場合には、光検出器２２にコンデンサを設置せず、アンプにおいて上記直流成分を除去するようにしても良い。

第１切替スイッチ３１及び第２切替スイッチ３２は、ブリルアン散乱光の周波数シフト量を測定する場合に受光信号Ｓ１をミキサ２３を通過させて信号処理部２５に入力し、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量を測定する場合に受光信号Ｓ１をミキサ２３を通過せずに信号処理部２５に入力するための切替動作を行うものである。

ミキサ２３は、入力される高周波信号と光検出器２２から入力される受光信号Ｓ１とを混合して、受光信号Ｓ１の周波数を低減させて出力するものである。
高周波発振器２４は、ミキサ２３に入力する上記高周波信号を生成して出力するものである。
なお、高周波発振器２４は、制御部２６に電気的に接続されており、制御部２６の指令に基づいて、高周波信号の生成を行う。
また、第２切替スイッチ３２と信号処理部２５との間に必要に応じてローパスフィルタ及びアンプが設置される。

信号処理部２５は、入力される受光信号Ｓ１に対して所定の信号処理を行うことによって、センシング用光ファイバ１９の温度分布（温度特性）及び歪み分布（歪み特性）を分離して算出するものであり、図２に示すように、Ａ／Ｄコンバータ２５ａと、入力データ記憶部２５ｂと、演算データ記憶部２５ｃと、プログラム記憶部２５ｄと、演算部２５ｅとを備えている。

Ａ／Ｄコンバータ２５ａは、入力された受光信号Ｓ１をデジタル信号に変換するものである。
入力データ記憶部２５ｂは、演算部２５ｅから入力される算出データを記憶するものである。

演算データ記憶部２５ｃは、演算部２５ｅが算出データを算出するために必要なパラメータや演算式データを予め記憶するものである。
そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０において演算データ記憶部２５ｃは、下式（１）で示される第１関係式と、下式（２）で示される第２関係式とが記憶されている。
Δｆ_Ｂ＝ａ・Δε＋ｂ・ΔＴ （１）
Δｆ_Ｒ＝ｃ・Δε＋ｄ・ΔＴ （２）
なお、上式（１），（２）において、ブリルアン周波数シフト量がΔｆ_Ｂ、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量がΔｆ_Ｒ、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量がΔＴ、センシング用光ファイバ１９の歪みの変化量がΔε、係数がａ，ｂ，ｃ，ｄとされている。
また、演算データ記憶部２５ｃは、上記係数ａ，ｂ，ｃ，ｄも記憶している。また、演算データ記憶部２５ｃは、センシング用光ファイバ１９の温度分布（温度特性）及び歪み分布（歪み特性）の初期値を記憶している。さらに、演算データ記憶部２５ｃは、センシング用光ファイバ１９が初期状態（温度分布及び歪み分布が上記初期値である状態）において得られるレイリー散乱光の長手方向の強度分布であるレイリー散乱波形を記憶している。
なお、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂ、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒ、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ、センシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δε、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄについては、後に詳説する。

プログラム記憶部２５ｄは、信号処理部２５が動作する上で必要なプログラムや各種パラメータを記憶している。

演算部２５ｅは、入力データ記憶部２５ｂに記憶された算出データや演算データ記憶部２５ｃに記憶された演算式データ及びパラメータ等に基づいて、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ及びセンシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δεを各々算出し、さらにはセンシング用光ファイバ１９の温度分布と歪み分布とを分離して算出するものである。
詳細には、演算部２５ｅは、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂ、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ及びセンシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δεをパラメータとする上記第１関係式（１）と、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒ、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ及びセンシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δεをパラメータとする上記第２関係式（２）とを用いて、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ及びセンシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δεを算出し、算出した温度の変化量ΔＴ及び歪みの変化量Δεを用いてセンシング用光ファイバ１９の温度分布と歪み分布とを分離して算出する。

制御部２６は、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０の動作全体を制御するものである。そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０において制御部２６は、信号処理部２５においてブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを算出する際にコヒーレント光Ｌ０の光周波数が固定されるように光源装置１１を制御する。また、制御部２６は、信号処理部２５においてレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを算出する際にコヒーレント光Ｌ０の光周波数が変更されるように光源装置１１を制御する。

入力装置２７は、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０と作業者とのマンマシンインターフェースである。
出力装置２８は、信号処理部２５にて算出したセンシング用光ファイバ１９の温度分布及び歪み分布を視覚化して表示するものである。

なお、信号処理部２５、制御部２６、入力装置２７及び出力装置２８は、例えばコンピュータによって具現化される。
つまり、信号処理部２５及び制御部２６は、コンピュータが備える記憶装置（例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ等）とＣＰＵとによって具現化される。また、入力装置２７は、コンピュータが備えるキーボードやマウス等によって具現化される。また、出力装置２８は、コンピュータが備えるディスプレイ等によって具現化される。
ただし、上記構成に限られるものではなく、例えば、入力装置２７がネットワークとの通信装置、また出力装置２８がプリンタによって具現化されても良い。

次に、上述したブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂ、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒ、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ、センシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δε、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄについて説明する。

ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂは、センシング用光ファイバ１９中において測定光Ｌ１がブリルアン散乱することによって生じるブリルアン散乱光の周波数の初期状態（ΔＴ＝Δε＝０）の周波数と、測定時の周波数との差である。
なお、ブリルアン散乱光は、センシング用光ファイバ１９からの戻り光である散乱光Ｌ３に含まれている。そして、光検出器２２から出力される受光信号Ｓ１の周波数がブリルアン散乱光の周波数を示している。したがって、当該受光信号Ｓ１の周波数からブリルアン散乱光の周波数を算出してブリルアン周波数として入力データ記憶部２５ｂに一旦記憶させ、演算データ記憶部２５ｃに記憶されている初期状態（ΔＴ＝Δε＝０）でのブリルアン周波数との差分を計算することによってブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを算出することができる。

レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒは、センシング用光ファイバ１９中において測定光Ｌ１がレイリー散乱することによって生じるレイリー散乱光の長手方向の強度分布であるレイリー散乱波形を、センシング用光ファイバ１９の環境変化の前と後とで同一とするために必要とされるコヒーレント光Ｌ０の周波数シフト量である。
レイリー散乱波形は、センシング用光ファイバ１９が設置された環境の特性（温度分布及び歪み分布）が変化するに伴って変化する。ただし、コヒーレント光Ｌ０（すなわち測定光Ｌ１）の周波数を適切に変更することによって、環境変化後のレイリー散乱波形を環境変化前と一致させることができる。そして、この際変化させたコヒーレント光Ｌ０の周波数の変化量がレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒとされる。
なお、レイリー散乱光は、センシング用光ファイバ１９からの戻り光である散乱光Ｌ３に含まれている。そして、光検出器２２から出力される受光信号Ｓ１の強度がレイリー散乱光の強度を示している。そして、センシング用光ファイバ１９に沿ったレイリー散乱光の強度を入力データ記憶部２５ｂに記憶させることによってレイリー散乱光の長手方向の強度分布であるレイリー散乱波形を得ることができる。続いて、予め演算データ記憶部２５ｃに記憶された初期状態におけるレイリー散乱波形と一致するように、制御部２６によって光源装置１１を制御することによってコヒーレント光Ｌ０を変化させ、この際の変化量をレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒとすることができる。

センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴは、演算データ記憶部２５ｃに記憶されたセンシング用光ファイバ１９の温度分布の初期値との差である。
センシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δεは、演算データ記憶部２５ｃに記憶されたセンシング用光ファイバ１９の歪み分布の初期値との差である。

係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、予め実験によって求められる値である。
詳細には、係数ａは、センシング用光ファイバ１９の歪み分布が変化しないように、かつ意図的に既知の値に温度分布を変化させて取得されたブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを用いて算出する。つまり、第１関係式（１）の右辺第２項を固定値とし、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂと既知の温度の変化量ΔＴとから係数ａが算出できる。
係数ｂは、センシング用光ファイバ１９の温度分布が変化しないように、かつ意図的に既知の値に歪み分布を変化させて取得されたブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを用いて算出する。つまり、第１関係式（１）の右辺第１項を固定値とし、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂと既知の歪みの変化量Δεとから係数ｂが算出できる。
係数ｃは、センシング用光ファイバ１９の歪み分布が変化しないように、かつ意図的に既知の値に温度分布を変化させて取得されたレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを用いて算出する。つまり、第２関係式（２）の右辺第２項を固定値とし、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒと既知の温度の変化量ΔＴとから係数ｃが算出できる。
係数ｄは、センシング用光ファイバ１９の温度分布が変化しないように、かつ意図的に既知の値に歪み分布を変化させて取得されたレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを用いて算出する。つまり、第２関係式（２）の右辺第１項を固定値とし、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒと既知の歪みの変化量Δεとから係数ｄが算出できる。

次に、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０の動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。

まず最初に、制御部２６は、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを算出する（ステップＳ１）。
具体的には、制御部２６は、光源装置１１の高周波発振器１１ｃによって生成される高周波信号の周波数を一定に制御することによって、光周波数が固定されたコヒーレント光Ｌ０を光源装置１１に射出させる。また、制御部２６は、ミキサ２３に入力する高周波信号を高周波発振器２４によって生成させる。また、制御部２６は、第１切替スイッチ３１及び第２切替スイッチ３２によって受光信号Ｓ１がミキサ２３を通過して信号処理部２５に到達する接続環境を形成する。

このようなステップＳ１において光源装置１１から射出されたコヒーレント光Ｌ０は、第１光カプラ１２で測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分岐される。
測定光Ｌ１は、光変調器１３においてパルスジェネレータ１４で生成されたパルス信号に基づいてパルス化され、第１偏波制御器１５にて偏波状態がランダム化された後に、光アンプ１６で増幅され、その後第２光カプラ１７及び光コネクタ１８を介してセンシング用光ファイバ１９の一端に入射される。
一方参照光Ｌ２は、第２偏波制御器２０にて偏波状態がランダム化された後に、第３光カプラ２１に入射する。

測定光Ｌ１は、センシング用光ファイバ１９に入射されると、センシング用光ファイバ１９中において散乱する。この結果、ブリルアン散乱光を含む散乱光Ｌ３がセンシング用光ファイバ１９の一端から戻り光として射出される。
散乱光Ｌ３は、第３光カプラ２１に入射する。そして、第３光カプラ２１において参照光Ｌ２と散乱光Ｌ３とが合波されて、その結果生成される合波光Ｌ４が第３光カプラ２１から射出される。
そして、合波光Ｌ４は、光検出器２２において受光信号Ｓ１に変換される。

受光信号Ｓ１は、ミキサ２３において高周波発振器２４で生成された高周波信号と混合されることによって周波数が低減されて信号処理部２５に入力される。
そして、信号処理部２５に入力された受光信号Ｓ１は、制御部２６の制御の下、Ａ／Ｄコンバータ２５ａによってデジタル信号に変換され、演算部２５ｅに入力される。
演算部２５ｅは、制御部２６の制御の下、受光信号Ｓ１の周波数からブリルアン散乱光の周波数を算出する。そして、この算出されたブリルアン散乱光の周波数は入力データ記憶部２５ｂに記憶される。

このように入力データ記憶部２５ｂにブリルアン散乱光の周波数が記憶されると、演算部２５ｅは、制御部２６の制御の下、上記ブリルアン散乱光の周波数の初期状態（ΔＴ＝Δε＝０）の周波数と、測定時の周波数との差分を計算することによってブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを算出する。
なお、センシング用光ファイバ１９は、信号処理部２５において、全長方向に亘って複数の領域に分割されて記憶されている。そして、領域ごとにブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂが算出されて入力データ記憶部２５ｂに記憶される。

続いて、制御部２６は、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを算出する（ステップＳ２）。
具体的には、制御部２６は、光源装置１１の高周波発振器１１ｃによって生成される高周波信号の周波数を一定に制御することによって、光周波数が固定されたコヒーレント光Ｌ０を光源装置１１に射出させる。また、制御部２６は、高周波発振器２４における高周波信号の生成を停止する。また、制御部２６は、第１切替スイッチ３１及び第２切替スイッチ３２によって受光信号Ｓ１がミキサ２３を通過せずに信号処理部２５に到達する接続環境を形成する。

このようなステップＳ２において光源装置１１から射出されたコヒーレント光Ｌ０は、ステップＳ１と同様に、第１光カプラ１２で測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分岐される。
測定光Ｌ１は、光変調器１３においてパルスジェネレータ１４で生成されたパルス信号に基づいてパルス化され、第１偏波制御器１５にて偏波状態がランダム化された後に、光アンプ１６で増幅され、その後第２光カプラ１７及び光コネクタ１８を介してセンシング用光ファイバ１９の一端に入射される。
一方参照光Ｌ２は、第２偏波制御器２０にて偏波状態がランダム化された後に、第３光カプラ２１に入射する。

測定光Ｌ１は、センシング用光ファイバ１９に入射されると、センシング用光ファイバ１９中において散乱し、レイリー散乱光を含む散乱光Ｌ３がセンシング用光ファイバ１９の一端から戻り光として射出される。
散乱光Ｌ３は、第３光カプラ２１に入射する。そして、第３光カプラ２１において参照光Ｌ２と散乱光Ｌ３とが合波されて、その結果生成される合波光Ｌ４が第３光カプラ２１から射出される。
そして、合波光Ｌ４は、光検出器２２において受光信号Ｓ１に変換される。

受光信号Ｓ１は、信号処理部２５に入力し、制御部２６の制御の下、Ａ／Ｄコンバータ２５ａによってデジタル信号に変換されて演算部２５ｅに入力される。
演算部２５ｅは、制御部２６の制御の下、受光信号Ｓ１からレイリー散乱波形を算出する。この算出されたレイリー散乱波形は入力データ記憶部２５ｂに記憶される。そして、レイリー散乱波形がセンシング用光ファイバ１９の全長に亘って算出されて記憶される。
続いて、演算部２５ｅは、制御部２６の制御の下、演算データ記憶部２５ｃに記憶された初期状態におけるレイリー散乱波形と比較して、算出して得られたレイリー散乱波形が異なる領域を抽出する。
その後、制御部２６は、光源装置１１を制御することによって、抽出した領域のスペクトルが初期状態の波形に一致するように、コヒーレント光Ｌ０の周波数を変更する。より詳細には、制御部２６は、抽出した領域の波形と当該領域の初期状態の波形との相関をとり、相関値が最も強くなるコヒーレント光Ｌ０の周波数を決定する。そして、制御部２６は、このコヒーレント光Ｌ０の周波数の変化量をレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒとして入力データ記憶部２５ｂに記憶する。
なお、全長に亘って複数の領域に分割されたセンシング用光ファイバ１９の領域ごとにレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒが算出されて入力データ記憶部２５ｂに記憶される。

続いて、制御部２６は、センシング用光ファイバ１９の温度変化量ΔＴ及びセンシング用光ファイバ１９の歪み変化量Δεを算出する（ステップＳ３）。
具体的には、制御部２６の制御の下、演算部２５ｅが、入力データ記憶部２５ｂに記憶されたブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂ及びレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを、演算データ記憶部２５ｃに記憶された第１関係式（１）及び第２関係式（２）に代入し、温度変化量ΔＴ及び歪み変化量Δεについて解くことによって、センシング用光ファイバ１９の温度変化量ΔＴ及びセンシング用光ファイバ１９の歪み変化量Δεを算出する。
なお、全長に亘って複数の領域に分割されたセンシング用光ファイバ１９の領域ごとに温度変化量ΔＴ及び歪み変化量Δεが算出され、算出された温度変化量ΔＴ及び歪み変化量Δεは、各領域に対応付けられて入力データ記憶部２５ｂに一旦記憶される。

続いて、制御部２６は、センシング用光ファイバ１９の温度分布及びセンシング用光ファイバ１９の歪み分布を算出する（ステップＳ４）。
具体的には、制御部２６の制御の下、演算部２５ｅが、ステップＳ３にて算出された温度変化量ΔＴと歪み変化量Δεとを、演算データ記憶部２５ｃに予め記憶されたセンシング用光ファイバ１９の温度分布の初期値及びセンシング用光ファイバ１９の歪み分布初期値に加えることによって、新たなセンシング用光ファイバ１９の温度分布及びセンシング用光ファイバ１９の歪み分布を分離して算出する。
そして、算出されたセンシング用光ファイバ１９の温度分布及びセンシング用光ファイバ１９の歪み分布は、算出データとして演算部２５ｅから出力され、制御部２６を介して出力装置２８に入力されることで視覚化されて表示される。

そして、このような本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０によれば、センシング用光ファイバ１９の特性としてセンシング用光ファイバ１９の温度分布及びセンシング用光ファイバ１９の歪み分布を算出して測定することによって、実質的にセンシング用光ファイバ１９が設置される環境の温度分布及び歪み分布を分離して測定することができる。

以上のような本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０においては、ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂと、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒとに基づいて、センシング用光ファイバ１９の温度分布（温度特性）とセンシング用光ファイバ１９の歪み分布（歪み特性）とを分離して測定する。
つまり、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０によれば、ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂと、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒとの両方を取得する。
そして、これらのブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂ及びレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒの両方を用いることによって、上述のようにセンシング用光ファイバ１９の温度分布と歪み分布とを独立して算出することが可能となる。
したがって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０によれば、温度分布と歪み分布とを区別して測定することが可能となる。

また、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０は、ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂのみから光ファイバの特性を測定する方法（例えば特許文献１）を採用する従来の装置と比較して、ハードウェア構成としては、光源装置１１にＳＳＢ変調器１１ｂ及び高周波発振器１１ｃのみを設置することで実現することができる。
一方、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０は、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒのみから光ファイバの特性を測定する方法（例えば非特許文献１）を採用する従来の装置と比較して、ハードウェア構成としては、ミキサ２３及び高周波発振器２４のみを設置することで実現することができる。
そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０においては、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを取得するための構成と、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを取得するための構成との多くが共通化されて兼用とされている（例えば、第１光カプラ１２、光変調器１３、パルスジェネレータ１４、第１偏波制御器１５、光アンプ１６、第２光カプラ１７、光コネクタ１８、センシング用光ファイバ１９、第２偏波制御器２０、第３光カプラ２１、光検出器２２、信号処理部２５、制御部２６、入力装置２７及び出力装置２８が共通化されている）ため、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１０を従来の装置とほぼ同じ大きさとすることができ装置の大型化を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、光源装置１１が光周波数安定化光源１１ａ、ＳＳＢ変調器１１ｂ及び高周波発振器１１ｃを備え、さらにミキサ２３及び高周波発振器２４を備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図４に示すように、光源装置１１が、高精度にコヒーレント光Ｌ０の光周波数を変化させることができる光周波数可変光源によって構成されていても良い。
また、図５に示すように、ミキサ２３及び高周波発振器２４に換えて参照光Ｌ２を高周波信号に基づいて周波数シフトさせるＳＳＢ変調器２９及び該ＳＳＢ変調器２９に入力する高周波信号を生成する高周波発振器３０を備える構成を採用することもできる。
さらに図６に示すように、光源装置１１を上記光周波数可変光源によって構成すると共に、ミキサ２３及び高周波発振器２４に換えてＳＳＢ変調器２９及び高周波発振器３０を備える構成を採用することもできる。
また、図５及び図６では、ＳＳＢ変調器２９及び高周波発振器３０は、参照光Ｌ２を周波数シフトさせるために第１光カプラ１２と第３光カプラ２１の間に設置されているが、測定光Ｌ１を周波数シフトさせるように光変調器１３と第２光カプラ１７の間に設置しても良い。この時、ＳＳＢ変調器２９のかわりに両側波帯の信号を発生する光強度変調器を採用しても良い。

また、上記実施形態においては、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを取得するための構成と、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを取得するための構成との多くが共通化されている例について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂを取得するための構成と、レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒを取得するための構成とを別体で設ける構成を採用することもできる。

また、上記実施形態においては、第１関係式がΔｆ_Ｂ＝ａ・Δε＋ｂ・ΔＴで表され、第２関係式がΔｆ_Ｒ＝ｃ・Δε＋ｄ・ΔＴで表される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１関係式としてブリルアン周波数シフト量Δｆ_Ｂ、センシング用光ファイバ１９の温度の変化量ΔＴ、センシング用光ファイバ１９の歪みの変化量Δεをパラメータとして備える関係式を用い、第２関係式としてレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量Δｆ_Ｒ、温度の変化量ΔＴ、歪みの変化量Δε、をパラメータとして備える関係式を用いることによって、温度の変化量ΔＴ及び歪みの変化量Δεを分離して算出することができる。

また、上記実施形態における光変調器１３及びパルスジェネレータ１４に換えて、光スイッチを設置しても良い。

また、上記実施形態においては、光ファイバ特性測定装置１０が、構成要素としてセンシング用光ファイバ１９を備える例について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、センシング用光ファイバ１９を備えない構成を採用することもできる。
このような構成を採用する場合には、予め設置されたセンシング用光ファイバに対して本発明の光ファイバ特性測定装置を接続し、この接続されたセンシング用光ファイバの特性を測定し、さらにはセンシング用光ファイバの設置された環境の特性を測定することとなる。

１０……光ファイバ特性測定装置、１１……光源装置（光源手段）、１２……第１光カプラ（光分岐手段）、１７……第２光カプラ（光方向性結合手段）、１９……センシング用光ファイバ（光ファイバ）、２２……光検出器（光検出手段）、２５……信号処理部（信号処理手段）、２６……制御部（制御手段）

Claims (4)

1. 光ファイバの一端から入射したコヒーレント光の散乱光に基づいて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置であって、
   ブリルアン散乱光から得られるブリルアン周波数シフト量と、レイリー散乱光から得られるレイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量とに基づいて、前記光ファイバの温度特性と前記光ファイバの歪み特性とを分離して測定することを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
2. 前記ブリルアン周波数シフト量、前記光ファイバの温度の変化量及び前記光ファイバの歪みの変化量をパラメータとする第１関係式と、前記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量、前記光ファイバの温度の変化量及び前記光ファイバの歪みの変化量をパラメータとする第２関係式とを用いて前記光ファイバの温度特性と前記光ファイバの歪み特性とを分離することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ特性測定装置。
3. 前記ブリルアン周波数シフト量をΔｆ_Ｂ、前記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量をΔｆ_Ｒ、前記光ファイバの温度の変化量をΔＴ、前記光ファイバの歪みの変化量をΔε、係数をａ，ｂ，ｃ，ｄとした場合に、前記第１関係式が下式（１）で表され、
   Δｆ_Ｂ＝ａ・Δε＋ｂ・ΔＴ （１）
   前記第２関係式が下式（２）で表される
   Δｆ_Ｒ＝ｃ・Δε＋ｄ・ΔＴ （２）
   ことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ特性測定装置。
4. 射出するコヒーレント光の光周波数を変更可能な光源手段と、
   前記コヒーレント光を測定光と参照光とに分岐する光分岐手段と、
   前記測定光を前記光ファイバに入射すると共に前記光ファイバからの前記散乱光を前記測定光と別経路で射出する光方向性結合手段と、
   前記参照光及び前記散乱光を受光して受光信号とする光検出手段と、
   前記受光信号から前記ブリルアン周波数シフト量、前記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量を得ると共に前記光ファイバの温度特性と前記光ファイバの歪み特性とを分離して算出する信号処理手段と、
   前記信号処理手段が前記ブリルアン周波数シフト量を取得する際に前記コヒーレント光の光周波数が固定され、前記信号処理手段が前記レイリー散乱波形に関する相関ピーク周波数シフト量を取得する際に前記コヒーレント光の光周波数を変更するように前記光源手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバ特性測定装置。

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