JP2010216877A - 分布型光ファイバ圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象に作用する圧力と温度などを独立して高空間分解能で計測する。
【解決手段】分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、歪み、圧力及び温度検出計１４が、ブリルアン散乱現象を利用して第１検出用光ファイバ１５１に作用した歪み、圧力、温度によるブルリアン周波数シフト量を計測し、圧力遮蔽管３３に挿通された第２検出用光ファイバ１５２に作用した歪み、温度によるブルリアン周波数シフト量を計測し、レイリー散乱現象を利用して第１及び第２検出用光ファイバ１５１，１５２に作用した歪み、温度によるレイリー周波数シフト量を計測し、計測された第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２のブリルアン周波数シフト量、レイリー周波数シフト量とから第１検出用光ファイバ１５１に作用した圧力を算出するとともに、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２に作用した軸方向の歪みと温度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長尺方向について圧力や温度などを測定し得る分布型光ファイバ圧力センサに関する。

従来、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において、光ファイバは、当該光ファイバの設置される環境（計測対象）における歪み及び／又は温度を検出する媒体として利用される。

ブリルアン散乱現象とは、光が光ファイバへ入射された場合に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り、互いに周波数の異なる２つの光が光ファイバに入射され、これら２つの光の相互作用によって生じる誘導ブリルアン散乱現象と、光が光ファイバに入射され、この光と光ファイバ中の熱雑音によって生じている音響フォノンとの相互作用によって生じる自然ブリルアン散乱現象とがある。このブリルアン散乱現象の際に見られるブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪み及び温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって歪み及び／又は温度が測定される。

このブリルアン散乱現象を利用した歪みや温度の分布を計測する代表的な方式として、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）及びＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）がある。

まず、ＢＯＴＤＡでは、誘導ブリルアン散乱現象が利用され、互いに周波数の異なる２つのレーザ光がポンプ光及びプローブ光として検出用光ファイバへ対向して入射され、検出用光ファイバにおける、ポンプ光を入射した端部から射出される誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＡでは、ポンプ光及びプローブ光の相互作用によって音響フォノンが励起されている。

一方、ＢＯＴＤＲでは、１つのレーザ光がポンプ光として検出用光ファイバの一方端から入射され、前記一方端から射出される自然ブリルアン散乱現象に係る光が光バンドパスフィルタによって検出され、この検出された自然ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＲでは、熱雑音によって生じている音響フォノンが利用されている。

そして、これらＢＯＴＤＡ及びＢＯＴＤＲにおいて、このような測定がポンプ光の周波数又はＢＯＴＤＡではプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数毎に行われ、検出用光ファイバの長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトル（又はＢＯＴＤＡではブリルアン・ロス・スペクトル）がそれぞれ求められ、この測定結果に基づいて検出用光ファイバの長尺方向に沿った歪み分布及び／又は温度分布が測定される。上記のポンプ光には、通常、光強度が矩形状である光パルスが用いられ、ＢＯＴＤＡにおけるプローブ光には、連続光（ＣＷ光）が用いられる。

ここで、ＢＯＴＤＡでは、プローブ光を基準として、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される一方、プローブ光の周波数をポンプ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ロス・スペクトルが検出される。また、ＢＯＴＤＲでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される。ＢＯＴＤＡでは、これらブリルアン・ゲイン・スペクトル及びブリルアン・ロス・スペクトルのいずれを用いても歪み及び／又は温度が求められる。本明細書では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルとブリルアン・ロス・スペクトルとを、ＢＯＴＤＡでは、適宜、単に「ブリルアンスペクトル」と呼称することとする。

このＢＯＴＤＡ及びＢＯＴＤＲの空間分解能は、測定に用いられるポンプ光の光パルスのパルス幅で制限される。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、音響フォノンの完全な立ち上がりに約２８ｎｓが必要である。このため、ブリルアンスペクトルは、光パルスのパルス幅が約２８ｎｓ以上までは、ローレンツ曲線（Lorentzain curve）であり、それよりも光パルス幅を短くすると、広帯域な曲線となって、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、中心周波数を求めることが難しくなって、その空間分解能は、通常、約２〜３ｍとされている。

そこで、本願発明者は、上記の光パルスを２つの成分から構成することによって、高精度（例えば２００με以下）及び高空間分解能（例えば１ｍ以下）で歪み及び／又は温度の分布を測定する手法を特許文献１で提案した。本願発明者は、本方式をＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ／ＢＯＴＤＲ（Pulse Pre-Pumped BOTDA/BOTDR）と呼んでいる。なお、１００μεは、０．０１％に相当する（１００με＝０．０１％）。また、ブリルアン周波数シフトは、歪みに対して、約５００ＭＨｚ／％である。

国際公開第２００６／００１０７１号パンフレット

ところで、ブリルアン散乱現象を利用して計測されるブリルアン周波数シフト量は、光ファイバの軸方向の歪みと温度との２つのパラメータに依存して変化するため、ブリルアン散乱現象を利用して測定できるパラメータは、基本的に軸方向の歪み又は温度の一方のみであり、軸方向の歪みと温度とを同時に計測することができない。また、分布型光ファイバセンサの更なる空間分解能の向上も求められているところである。

そこで、本願発明者は、ブリルアン散乱現象を利用して計測されるブリルアン周波数シフト量に加え、レイリー散乱現象を利用して計測されるレイリー周波数シフト量を計測し、この両周波数シフト量から、光ファイバに作用した軸方向の歪みと温度とを算出する手法を特願２００８−３０２８７８号においてさらに提案した。

この先願に係る光ファイバセンサによれば、光ファイバが貼り付けられた計測対象の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができるものの、ブリルアン周波数シフト量が光ファイバの軸方向の歪みや温度の２つのパラメータだけでなく、光ファイバの圧力（光ファイバの径方向に作用）のパラメータにも依存することから、光ファイバの長尺方向について圧力差が存在する環境下で計測した場合、例えば光ファイバの長尺方向の一部が大気圧下にあり、他の部分が高圧下にある環境で計測した場合に、光ファイバに作用する圧力を計測することができないばかりか、この圧力による影響で光ファイバの正確な温度等の計測をすることができない。

本発明の目的は、光ファイバの長尺方向について圧力差が存在する環境下で計測した場合でも、光ファイバに作用する圧力を正確に計測することができるとともに、光ファイバの軸方向の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができ、これにより計測対象の少なくとも圧力や温度を高分解能で計測することができる分布型光ファイバ圧力センサを提供することである。

本発明に係る分布型光ファイバ圧力センサは、光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバ圧力センサであって、第１の光ファイバと、内圧が略一定に保たれた圧力遮蔽管と、前記第１の光ファイバに沿って配設され、少なくとも一部が前記圧力遮蔽管に挿通された第２の光ファイバと、ブリルアン散乱現象を利用して前記第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の歪み並びに圧力及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、レイリー散乱現象を利用して前記第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記ブリルアン計測手段によって計測された前記第１及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測された第１及び第２の光ファイバのレイリー周波数シフト量とから、前記第１の光ファイバに作用する圧力を算出するとともに、前記第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の歪みと温度とを算出する算出手段とを備える。

この分布型光ファイバ圧力センサによれば、第１の光ファイバは軸方向の歪み及び温度だけでなく、圧力の影響を受けるため、ブリルアン計測手段はブリルアン散乱現象を利用してこの第１の光ファイバに作用した軸方向の歪み並びに圧力及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測する。

一方、第２の光ファイバは内圧が略一定に保たれた圧力遮蔽管に少なくとも一部が挿通されているので、第１の光ファイバの長尺方向（軸方向）について圧力差が存在する環境下においても、この圧力遮蔽管に挿通された部分では圧力の影響を受けない。従って、第２の光ファイバは軸方向の歪み及び温度のみの影響を受けるため、ブリルアン計測手段はブリルアン散乱現象を利用してこの第２の光ファイバに作用した軸方向の歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測できる。

またこの分布型光ファイバ圧力センサによれば、当該光ファイバの長尺方向について圧力差が存在する環境下においても、第１及び第２の光ファイバによって計測されたブリルアン周波数シフト量と、レイリー周波数シフト量とを計測しているので、これらの４つの周波数シフト量を用いて、４つの未知数、すなわち第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の各歪み、及び各光ファイバに共通して作用する温度、並びに第１の光ファイバに作用する圧力を同時且つ独立して算出することができ、第１及び第２の光ファイバが敷設された計測対象の温度と圧力を同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。

なお、第２の光ファイバが第１の光ファイバに沿って配設されているため、計測対象における特定位置に対応する位置での第１及び第２の光ファイバの温度はいずれの光ファイバでも同一又は略同一の値となる。一方、同位置での各光ファイバの軸方向の歪みは、圧力や、圧力遮蔽管の影響、光ファイバを計測対象に固定する場合にはこのファイバの拘束条件の違い等により必ずしも相互に一致しないが、例えば第１の光ファイバが計測対象（特に物体）に固定されている場合、光ファイバの軸方向歪みがこの物体の光ファイバに沿った方向の歪みと等しくなることから、第１の光ファイバの軸方向歪みを計測することで計測対象である物体の歪みを計測することも可能となる。

また、前記第１及び第２の光ファイバは、軸方向の歪み並びに圧力及び温度の計測範囲において計測対象に沿って直線的に敷設されているのが好ましい。

この場合、光ファイバ圧力センサが高空間分解能を有するので、従来の分布型光ファイバセンサのように空間分解能を向上させるため棒状や筒状の弾性体に光ファイバを巻き付ける必要がなく、直線的に敷設しても高空間分解能で計測することができる。このように弾性体に光ファイバを巻き付ける必要がないので、高温、高圧下においても光ファイバに作用する歪みや温度、及び圧力を計測することができ、また弾性体に光ファイバを巻き付ける場合に比べて、光ファイバ等の計測部分の径を小さくすることができる。従って、例えば油層の圧力を計測するため油井に沿って光ファイバを直線的に敷設すれば、弾性体に光ファイバを巻き付ける従来の分布型光ファイバセンサに比べて、油井断面に占めるセンサの面積を小さくすることができ、これにより石油の汲み上げに対する抵抗を減らして石油の採掘効率を向上させることができる。

前記第１及び第２の光ファイバは、一端部において連設されているのが好ましい。

この場合、第１及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量を個別に計測することなく、一挙に計測することができ、しかも敷設作業が容易になる。

前記ブリルアン計測手段は、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成するとともに、前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に射出されないように前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスを前記第１及び第２の光ファイバに対して射出する光パルス光源と、連続光を生成するとともに、前記連続光を前記第１及び第２の光ファイバに対して射出する連続光光源と、前記第１及び第２の光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光との間で前記第１及び第２の光ファイバにおいて生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えるのが好ましい。

この場合、分布型光ファイバ圧力センサをＢＯＴＤＡとして機能させることができ、圧力及び温度等を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

前記ブリルアン計測手段は、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成するとともに、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスを前記第１及び第２の光ファイバに対して射出する光パルス光源と、前記第１及び第２の光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって前記第１及び第２の光ファイバにおいて生じた前記自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えるのが好ましい。

この場合、分布型光ファイバ圧力センサをＢＯＴＤＲとして機能させることができ、圧力及び温度等を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

本発明に係る分布型光ファイバ圧力センサにおいては、光ファイバの長尺方向について圧力差が存在する環境下で計測した場合でも、光ファイバに作用する圧力、軸方向の歪み及び温度を正確に計測することができ、これにより計測対象の圧力や温度などを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。

本発明に係る一実施の形態における分布型光ファイバ圧力センサの構成を示すブロック図である。 図１に示す分布型光ファイバ圧力センサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバ圧力センサの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す分布型光ファイバ圧力センサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバ圧力センサの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す分布型光ファイバ圧力センサによる歪み、圧力及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。 図１に示す光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。 ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成及び整合フィルタを説明するための図である。 図１に示す光パルス生成部から射出されるパルス光の一例を示す図である。 図１に示す分布型光ファイバ圧力センサにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。 図１に示す分布型光ファイバ圧力センサをＢＯＴＤＲに改良した場合における分布型光ファイバ圧力センサの構成を示すブロック図である。 狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。 全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図である。 図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバ圧力センサの実験結果を示す図である。 ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の構成を説明するための図である。 図１３（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバ圧力センサの実験結果を示す図である。 ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のさらに他の構成及び整合フィルタを説明するための図である。 図１５（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。 点広がり関数の一計算結果を示す図である。 ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２、１（ｔ、ν）を取り除いてブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）を求めるための信号処理部の構成を示すブロック図である。 メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的短い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。 メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的長い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。 他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。

以下、本発明に係る一実施の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、本発明に係る一実施の形態における分布型光ファイバ圧力センサの構成を示すブロック図である。

図１に示す分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３、３０と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１自動温度制御部（以下、「第１ＡＴＣ」と略記する。）１０と、第１自動周波数制御部（以下、「第１ＡＦＣ」と略記する。）１１と、制御処理部１３と、歪み、圧力及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２自動温度制御部（以下、「第２ＡＴＣ」と略記する。）１８と、第２自動周波数制御部（以下、「第２ＡＦＣ」と略記する。）１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５、２９、３１とを備える。

第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８によって予め設定される所定温度で略一定に保持されるとともに、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９によって予め設定される所定周波数で略一定に保持されることにより、所定周波数の連続光を生成して射出する光源装置である。第１光源１の出力端子（射出端子）は、光カプラ２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。第２光源２０の出力端子（射出端子）は、光カプラ２１の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。

第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、例えば、発光素子と、発光素子の近傍に配置され、この発光素子の温度を検出する温度検出素子（例えば、サーミスタ等）と、発光素子の後方から射出されるバック光を受光して２つに分岐する光カプラ（例えばハーフミラー等）で分岐された一方の光を、周期的フィルタであるファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotetalon Filter）を介して受光する第１受光素子と、光カプラで分岐した他方の光を受光する第２受光素子と、温度調整素子と、これら発光素子、温度検出素子、光カプラ、第１及び第２受光素子、ファブリペローエタロンフィルタ及び温度調整素子が配設される基板とを備えて構成される。

発光素子は、線幅の狭い所定周波数の光を発光するとともに、素子温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる素子であり、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）である。したがって、第１光源１は、周波数可変光源としても機能する。

第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子は、検出した各検出温度を第１及び第２ＡＴＣ１０、１８へそれぞれ出力する。第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備え、各受光光強度に応じた各受光出力を第１及び第２ＡＦＣ１１、１９へそれぞれ出力する。温度調整素子は、発熱及び吸熱を行うことにより基板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を備えて構成される。

第１及び第２ＡＴＣ１０、１８は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子の各検出温度に基づいて各温度調整素子を制御することによって、各基板の温度を所定温度に自動的に略一定に保持する回路である。これによって第１及び第２光源１、２０における各発光素子の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。このため、発光素子が発光する光の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。

第１及び第２ＡＦＣ１１、１９は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子の各受光出力に基づいて各発光素子を制御することによって、各発光素子が発光する光の周波数を所定周波数に自動的に略一定に保持したり、所定の周波数範囲で掃引したりする回路である。

第１及び第２光源１、２０における光カプラ、ファブリペローエタロンフィルタ、第１及び第２受光素子と、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９とは、第１及び第２光源１、２０における発光素子が発光する光の波長（周波数）を略固定する所謂波長ロッカーをそれぞれ構成している。

光カプラ２、５、２１、２３は、１個の入力端子から入射された入射光を２つの光に分配して２個の出力端子へそれぞれ射出する光部品である。光カプラ８は、２個の入力端子のうちの一方の入力端子から入射された入射光を１個の出力端子から射出するとともに、他方の入力端子から入射された入射光を上記の出力端子から射出する光部品である。光カプラ３０は、２個の入力端子から入射された２つの入射光を結合して２個の出力端子から射出する光部品である。光カプラ２、５、２１、２３、８、３０は、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２の一方の出力端子は、光パルス生成部３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、１×２光スイッチ３１の入力端子に光学的に接続される。光カプラ５の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部６の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み、圧力及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２１の一方の出力端子は、光スイッチ２２の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２８を介して基準用光ファイバ１７の他方端に光学的に接続される。光カプラ２３の一方の出力端子は、光強度調整部２４の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み、圧力及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ８の一方の入力端子は、光サーキュレータ７の第２端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２５の他方の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に光学的に接続される。光カプラ３０の一方の入力端子は、１×２光スイッチ３１の他方の出力端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２９の一方の出力端子に光学的に接続され、２つの出力端子は、歪み、圧力及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。

光パルス生成部３は、第１光源１が射出した連続光が入射され、この連続光から、ポンプ光として、メイン光パルスとサブ光パルスとを生成する装置である。メイン光パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。スペクトル拡散方式としては、例えば、周波数を変化させる周波数チャープ方式や、位相を変調する位相変調方式や、これら周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等を挙げることができる。

周波数チャープ方式としては、例えば、周波数を単調に、例えば直線的に変化させる方式等が挙げられる。そして、位相変調方式としては、例えば、ＰＮ系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。ＰＮ系列は、疑似乱数（pseudo-random number）系列であり、ＰＮ系列としては、例えば、Ｍ系列（maximal-length sequences）やＧｏｌｄ系列等が挙げられる。Ｍ系列は、複数段のシフトレジスタとその複数段の各段における各状態の論理結合をシフトレジスタへフィードバックする論理回路とを備えて構成される回路によって生成することが可能である。また、Ｇｏｌｄ系列は、ｎ次の原始多項式Ｆ１（ｘ）及びＦ２（ｘ）で発生されたＭ系列の０を−１に、１を＋１に対応させた系列をそれぞれＭｉ、Ｍｊとすると、両者の積Ｍｉ・Ｍｊによって生成することが可能である。また、位相変調方式の疑似乱数系列としてＧｏｌａｙ符号系列を用いることもできる。このＧｏｌａｙ符号系列は、自己相関関数のサイドローブが厳密に０になるという優れた特性を有している。サブ光パルスは、変調されていない無変調の光パルスであり、その最大光強度がメイン光パルスの光強度以下であるとともに、パルス幅が音響フォノンの寿命よりも充分に長い。

そして、光パルス生成部３は、制御処理部１３の制御に従って、本実施の形態のブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）では、メイン光パルスがサブ光パルスよりも時間的に先に検出用光ファイバ１５に入射されないように、サブ光パルス及びメイン光パルスを生成する。このような光パルス生成部３によって生成されるポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスについては、後述する。

光スイッチ４、２２は、制御処理部１３の制御に従って、入力端子と出力端子との間で光をオン／オフする光部品である。オンでは、光が透過され、オフでは、光が遮断される。光スイッチ４、２２は、本実施の形態では、例えばＭＺ光変調器や半導体電界吸収型光変調器等の、入射光の光強度を変調する光強度変調器が用いられる。光スイッチ４、２２には、制御処理部１３によって制御され、この光強度変調器を駆動するドライバ回路が含まれる。このドライバ回路は、例えば、光強度変調器を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成する直流電源と、通常オフされている光強度変調器をオンするための電圧パルスを生成するパルス発生器と、この電圧パルスの生成タイミングを制御するタイミング発生器とを備えて構成される。光スイッチ４の出力端子は、光カプラ５の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ２２の出力端子は、光カプラ２３の入力端子に光学的に接続される。

光強度・偏光調整部６は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整するとともに、入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部６の出力端子は、光サーキュレータ７の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部６は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光可変減衰器と、入射光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。光強度・偏光調整部６は、誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用され、光の偏光面をランダムに変更する。

光サーキュレータ７、１２は、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。すなわち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されるとともに、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ともに、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ともに、第２端子からは射出されない。光サーキュレータ７の第１端子は、光強度・偏光調整部６の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光カプラ８の一方の入力端子に光学的に接続され、第３端子は、１×２光スイッチ２９の入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１２の第１端子は、１×２光スイッチ３１の一方の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ２７を介して基準用光ファイバ１７の一方端に光学的に接続され、第３端子は、歪み、圧力及び温度検出計１４に光学的に接続される。

光コネクタ９、２６、２７、２８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。

光強度調整部２４は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部２４の出力端子は、光スイッチ２５の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２４は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出する光可変減衰器と、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光アイソレータとを備えて構成される。光強度調整部２４に入射した入射光は、光可変減衰器で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータを介して射出される。この光アイソレータは、分布型光ファイバ圧力センサＦＳ内における各光部品の接続部等で生じる反射光の伝播やサブ光パルス及びメイン光パルスの第２光源２０への伝播を防止する役割を果たす。

１×２光スイッチ２５、２９、３１は、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を２個の出力端子のうちの何れか一方から射出する１入力２出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチ等が利用される。

１×２光スイッチ２５の一方の出力端子は、光カプラ８の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様（両端測定）で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように、１×２光スイッチ２５が切り換えられ、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様（片端測定）で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように、１×２光スイッチ２５が切り換えられる。

１×２光スイッチ２９の一方の出力端子は、光カプラ３０の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み、圧力及び温度検出計１４に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様、又はブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が歪み、圧力及び温度検出計１４へ入射されるように、１×２光スイッチ２９が切り換えられ、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）として動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ３０の他方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ２９が切り換えられる。

１×２光スイッチ３１の一方の出力端子は、光サーキュレータ１２の第１端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光カプラ３０の一方の入力端子に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様、又はブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光サーキュレータ１２へ入射されるように、１×２光スイッチ３１が切り換えられ、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）として動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ３０の一方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ３１が切り換えられる。

検出用光ファイバ１５は、センサ用の光ファイバであり、ＢＯＴＤＡでは、サブ光パルス及びメイン光パルスと連続光とが入射され、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出され、レイリー散乱現象を利用する場合、パルス光が入射され、レイリー散乱現象の作用を受けた光が射出される。検出用光ファイバ１５は、一端が光コネクタ９に光学的に接続される第１検出用光ファイバ１５１（第１の光ファイバに相当）と、この第１検出用光ファイバ１５１の他端に折返し部１５３を介して連なる第２検出用光ファイバ１５２（第２の光ファイバに相当）とを備え、これらの両光ファイバ１５１，１５２が端部において折返し部１５３を介して連設されることにより１本の光ファイバとして構成されている。

なお、本実施の形態では、検出用光ファイバ１５は第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２の折返し部１５３側の端部が融着されることにより１本の光ファイバとして構成され、この折返し部１５３を図１に概略的に示すようなステンレスなどの有底筒状の保護管１５４内に挿入し、さらにこの保護管１５４内をエポキシ樹脂などの封止材で封止している。この保護管１５４は適宜省略することができるが、検出用光ファイバ１５の折返し部１５３を保護する観点から、本実施の形態のように保護管１５４を用いるのが好ましい。

第１検出用光ファイバ１５１は、光ファイバの圧力、温度及び軸方向の歪みを検出するセンサ用の光ファイバであり、計測対象に沿って配設されている。計測対象としては、例えば、配管、油田管、橋、トンネル、ダム、貯蔵庫、建物等の構造物等自体、又は構造物等に貯留、流通される流体などが挙げられる。なお、この第１検出用光ファイバ１５１が構造物に配設され、構造物に作用する圧力や温度だけでなく、その歪みをも測定する場合には、当該構造物に対し接着剤や固定部材等により適宜固定される。この第１検出用光ファイバ１５１は、ＢＯＴＤＡでは、サブ光パルス及びメイン光パルスと連続光とが入射されることにより、軸方向の歪み、圧力及び温度に依存する、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出される。

第２検出用光ファイバ１５２は、光ファイバの軸方向の歪み及び温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、第１検出用光ファイバ１５１に沿って、詳しくは該第１検出用光ファイバ１５１に近接した位置で略平行に配設されている。この第２検出用光ファイバ１５２は、計測対象に対応した検出範囲において、内圧が略一定に保たれた圧力遮蔽管３３に挿通され、必要に応じてこの圧力遮蔽管３３の内壁面に接着剤や固定部材等により適宜固定されている。第２検出用光ファイバ１５２は、圧力遮蔽管３３内に挿通されているため、第１検出用光ファイバ１５１と異なり、検出用光ファイバ１５の軸方向（長尺方向）に沿って圧力差がある場合でもこの軸方向に沿った圧力差による影響を受けず、圧力は長尺方向に沿って略一定となり、軸方向の歪み及び温度のみの影響を受ける。従って、第２検出用光ファイバ１５２は、ＢＯＴＤＡでは、サブ光パルス及びメイン光パルスと連続光とが入射されることにより、軸方向の歪み及び温度にのみ依存する、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出される。

圧力遮蔽管３３は、第２検出用光ファイバ１５２の検出範囲に外圧（周辺の圧力）が作用することを防ぐためのものであり、検出用光ファイバ１５の折返し部１５３側の端部、及び必要に応じてこの端部と反対側の端部において第２検出用光ファイバ１５２との間が気密的にシールされている。この圧力遮蔽管３３の内圧は、適宜設定することができるが、第２検出用光ファイバ１５２に作用する圧力が最も小さい地点での圧力（以下「基準圧力」と称する。）に設定するのが好ましく、通常、この基準圧力は、地上の圧力とされる１気圧に設定されている。圧力遮蔽管３３は、第１検出用光ファイバ１５１に沿って、詳しくは長尺方向にこの第１検出用光ファイバ１５１に当接した状態で配設され、必要に応じて（例えば計測対象の歪みを測定する場合など）計測対象に対して接着剤や固定部材等により適宜固定される。

具体的には、圧力遮蔽管３３は、鋼管、ステンレス管、ＣＦＲＰ（carbon fiber reinforced plastics）管等、所定の剛性と熱伝導性を有する管状部材からなり、外圧や熱伝導性の観点から素材、壁厚、形状が設定される。例えば、この光ファイバ圧力センサＦＳが油井における油層の圧力や油井の状態の検出に用いられる場合には、圧力遮蔽管３３は外径が３ｍｍ程度の断面円形のステンレス製の毛細管が用いられる。なお、圧力遮蔽管３３の内径は、第２検出用光ファイバ１５２が挿通可能であればよく、その肉厚は、材質や、検出用光ファイバ１５の敷設環境に応じて適宜設定される。

この圧力遮蔽管３３の折返し部１５３側の端部は、所定の長さに亘って前記保護管１５３内の封止材内に封入され、確実に気密的にシールされるように構成されている。一方、この圧力遮蔽管３３の他端部は、例えば大気圧などの基準圧力の下で開放されているものであってもよいが、本実施の形態では、折返し部１５３側の端部と同様に、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２を結束するためのステンレスなどの筒状の結束管１５６内に導入され、この結束管１５６内に充填されている封止材内に封入されている。

また、本実施の形態では、第１検出用光ファイバ１５１、第２検出用光ファイバ１５２及び圧力遮蔽管３３は、保護管１５４と結束管１５６との間において、被覆材１５５などにより束ねて１本のケーブルとして構成されている。このように１本のケーブルとして束ねた場合には、計測対象に対する配設作業が容易になるだけでなく、第１検出用光ファイバ１５１と第２検出用光ファイバ１５２との相対的な位置関係を一定に保ち易くなるとともに、これらの光ファイバ１５１、１５２及び圧力遮蔽管３３を計測対象に対して固定する場合には確実に同一箇所で固定することができ、これらの相対的位置関係や固定箇所のズレなどに基づく計測誤差を可及的に抑制することができる。

なお、検出用光ファイバ１５と、圧力遮蔽管３３と、これらの光ファイバ１５及び圧力遮蔽管３３を保護あるいは被覆する保護管１５４、被覆材１５５及び結束管１５６とにより、分布型光ファイバ圧力センサＦＳにおけるセンサ部として機能する。そして、このセンサ部を計測対象に配設することにより、計測対象の少なくとも圧力及び温度を測定することができる。

これらの第１検出用光ファイバ１５１、及び第２検出用光ファイバ１５２の計測対象に対する敷設は、計測対象を考慮して適宜行われる。例えば、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２を計測対象に沿って直線的に敷設するものであっても良いし、計測対象に蛇行状、あるいは巻回し状に敷設するものであっても良い。

具体的には、例えば、油層の圧力や温度を検出するために、油井に本実施の形態の分布型光ファイバ圧力センサＦＳが用いられる場合には、掘削されたボーリング穴に挿入されたチュービングの内壁面に沿って第１検出用光ファイバ１５１、及び圧力遮蔽管３３に挿通された第２検出用光ファイバ１５２を直線的に敷設する。この場合、各検出用光ファイバ１５１、１５２は、これらの軸方向とチュービング（油井）の中心軸方向とが一致又は略一致するように敷設される。このように第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２の軸方向とチュービングの中心軸方向とを一致させて直線的に敷設することによりチュービング（油井）の断面に占めるセンサの面積を小さくすることができ、これにより石油の汲み上げに対する抵抗を減らして石油の採掘効率を向上することができる。なお、石油採掘の手法は種々あるが、採掘にあたり、チュービングとして内外二重のチュービングが用いられる場合には、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２は、内側管、外側管のいずれに沿って敷設してもよい。また、これらの検出用光ファイバ１５１、１５２は、チュービングに対して固定されているものであってもよいが、通常、敷設作業の容易性を勘案してチュービングに沿ってフリー状態で配設される。この場合、この光ファイバ圧力センサＦＳによって、チュービング内の圧力、及び温度が計測されることになる。チュービングの歪み等を検出する場合には、これらの検出用光ファイバ１５１，１５２をチュービングに対して適宜固定する必要がある。

基準用光ファイバ１７は、第１及び第２光源１、２０がそれぞれ射出する各光の周波数を調整するために使用される光ファイバであって、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め既知の光ファイバである。また、基準用光ファイバ１７をレイリー後方散乱光の計測に用いられる光の調整に用いてもよい。

温度検出部１６は、基準用光ファイバ１７の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部１３へ出力する。

歪み、圧力及び温度検出計１４は、受光素子、光スイッチ、増幅回路、アナログ／ディジタル変換器、信号処理回路、スペクトルアナライザ及びコンピュータ等を備えて構成される。歪み、圧力及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバ圧力センサＦＳの各部を制御する。歪み、圧力及び温度検出計１４は、光コネクタ２７及び光サーキュレータ１２を介して入力端子に入射された、基準用光ファイバ１７から射出した誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を求め、この求めた光強度を制御処理部１３へ出力する。

また、歪み、圧力及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバ圧力センサＦＳの各部を制御し、１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と歪み、圧力及び温度検出計１４とを接続し、誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、歪み、圧力及び温度検出計１４内の誘導ブリルアン散乱光用の１入力端子を有する受光素子に入射される。歪み、圧力及び温度検出計１４は、内部のスイッチにより誘導ブリルアン散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。

また、歪み、圧力及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバ圧力センサＦＳの各部を制御し、１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と光カプラ３０とを接続し、レイリー後方散乱現象に係る光が、光カプラ３０を介して歪み、圧力及び温度検出計１４内のレイリー後方散乱光用の２入力端子を有する受光素子に入射される。歪み、圧力及び温度検出計１４は、内部のスイッチによりレイリー後方散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光したレイリー後方散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のレイリースペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のレイリースペクトルに基づいて各領域部分のレイリー周波数シフト量をそれぞれ求める。

さらに、歪み、圧力及び温度検出計１４は、上記のようにして求めたブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量から、検出用光ファイバ１５の軸方向の歪み分布、温度分布、及び第１検出用光ファイバ１５１の圧力分布を同時に且つ独立して検出する。

歪み、圧力及び温度検出計１４の各入力端子から入射された各入射光は、それぞれ、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換される。誘導ブリルアン散乱現象に係る光として入射された入射光は、受光素子で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。レイリー後方散乱現象に係る光として入射された入射光は、受光回路で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、レイリースペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。

制御処理部１３は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、検出用光ファイバ１５の軸方向の歪み、圧力及び温度の分布を高空間分解能で測定するために必要な各データを記憶するメモリ等を備える。制御処理部１３は、歪み、圧力及び温度検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の軸方向の歪み、圧力及び温度の分布を高空間分解能で且つより遠距離まで測定するように、第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光パルス生成部３、光スイッチ４、２２、光強度・偏光調整部６、１×２光スイッチ２５、２９、３１、及び光強度調整部２４を制御する電子回路である。

制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め記憶される記憶部と、歪み、圧力及び温度検出計１４が求めた誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度と基準用光ファイバ１７における既知の前記関係とに基づいて第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する周波数設定部とを機能的に備えている。また、制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、レイリー後方散乱現象を起こす光を射出するように第１ＡＦＣ１１を制御する周波数設定部を機能的に備えている。

なお、これら第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光強度・偏光調整部６、光強度調整部２４及び光強度変調器は、上記特許文献１を参考にすることができる。

ここで、検出用光ファイバに入射する光にスペクトル拡散方式を用いた場合におけるブリルアン周波数シフトについて以下に説明する。

スペクトル拡散方式、あるいはパルス圧縮方式は、いわゆるレーダ分野において、その計測可能距離を伸ばすために利用されている。これは、目標物を探知するために空間に放射されるパルス内部で周波数変調や位相変調等を用いることによってパルスのスペクトルを拡散し、目標物で反射された反射波にパルス圧縮と呼ばれる復調を施すことによって、目標物までの距離を探知するものである。これによって、パルスのエネルギーを大きくすることができ、計測可能距離を伸ばすことができる。スペクトル拡散は、一般に、信号を送信するために本来必要とされる帯域幅よりも意図的にその帯域幅を広くすることである。

このスペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用する場合、ブリルアン周波数シフトが非線形なプロセスを経て生じるため、光パルスのスペクトルを広げる（拡散する）と、これによって、第１に、励起される音響フォノンのスペクトルが広がるとともに、第２に、周波数毎の反射波の時系列信号におけるスペクトルも広がるという、スペクトルに二重の広がりが生じてしまう。このため、単純に、スペクトル拡散符号をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができない。そこで、本願発明者は、以下に解析するように、光パルスをメイン光パルスとサブ光パルスとから構成し、メイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いることによって、スペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができることを見出した。

以下に、ＢＯＴＤＡの場合について説明するが、同様に、ＢＯＴＤＲについても解析を行うことができる。

ＢＯＴＤＡでは、検出用光ファイバの一方端（ｚ＝０）からポンプ光が入射されるとともに、ポンプ光の周波数と異なる周波数のプローブ光が他方端から入射され、励起された音響フォノンの後方散乱がｚ＝０の端点で観測される。ブリルアン・ゲイン・スペクトル（ＢＧＳ）は、プローブ光のパワーの増分である。

まず、このポンプ光Ａ_ｐ（０，ｔ）は、複素包絡線が式１によって表される形状を持った光パルスとする。

ここで、Ｐ_ｐは、ポンプ光のパワーであり、ｆ（ｔ）は、時刻ｔにおけるポンプ光の振幅を表す関数であって、その絶対値の最大が１となるように規格化されている。

また、式２によって関数を定義すると、そのフーリエ変換は、式３によって表される。この場合において、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、２次元のコンボルーション（畳み込み、convolution）であり、式４によって表される。式４の右辺第１項が時変ローレンツスペクトルである。

ここで、上付きの＊は、複素共役であることを表し、ｉは、複素単位である（ｉ^２＝−１）。また、γは、利得係数であり、ν_Ｂ（ｚ）は、位置ｚにおけるブリルアン周波数シフトである。そして、Ｇ（ν）は、ローレンツスペクトルであり、ｖ_ｇは、ポンプ光の群速度である。演算子＊は、コンボルーションを表し、その上付き文字ｔ，νは、これらの変数に関しての２次元のコンボルーションであることを表している。なお、乗算の演算子・は、記載が省略されている。

ここで、理想的には、式４の右辺第１項の時変ローレンツスペクトル自体が観測されることであるが、実際には、点広がり関数ψ（ｔ、ν）とのコンボルーションでぼかされたブリルアン・ゲイン・スペクトルが観測される。このため、点広がり関数ψ（ｔ、ν）が２次元デルタ関数もしくはそれに近いことが必要となる。したがって、ψ（ｔ、ν）≒δ（ｔ）δ（ν）となることが好ましい。

ここで、ポンプ光をメイン光パルスｆ_１（ｔ）とサブ光パルスｆ_２（ｔ）とから構成する。すなわち、ポンプ光の振幅ｆ（ｔ）は、式５となる。

このサブ光パルスは、メイン光パルスのために、音響フォノンを励起するように機能するものである。サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂは、少なくとも音響フォノンの寿命に較べて充分に長くする。音響フォノンの寿命は、通常、５ｎｓ程度である。

このメイン光パルスは、音響フォノンで散乱されたエネルギーをプローブ光に渡すように機能するものである。このメイン光パルスは、時間方向に所定の時間幅で複数のセルに分割され、スペクトル拡散方式が用いられて広帯域化される。広帯域とは、音響フォノンのスペクトル線幅（約３０〜４０ＭＨｚ）に較べてである。このセルの時間幅がＢＯＴＤＡの空間分解能を決め、この逆数がスペクトルの幅になる。例えば、セル幅（セル時間幅）が０．１ｎｓである場合には、空間分解能は、１ｃｍとなり、スペクトル幅は、１０ＧＨｚとなる。そして、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、計測可能距離を伸ばすためにポンプ光に与えるエネルギー量を決める。ここで、ＢＯＴＤＡの空間分解能は、上述したように、メイン光パルスのセル幅で決まるため、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、ＢＯＴＤＡの空間分解能とは独立に設定することができる。したがって、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、所望の計測可能距離に応じて適宜に決定可能である。このため、計測可能距離を従来より伸ばすことが可能となる。

このようにポンプ光を２成分で構成した場合に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、３つの成分から構成され、式６及び式７（式７−１〜式７−３）によって表される。

そして、その点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式８によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式９及び式１０によって表される。

ここで、スペクトル拡散方式では、その復調に、そのスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタ（マッチドフィルタ）が用いられ、整合フィルタのインパルス応答ｈ（ｔ）がｆ_１（Ｄ−ｔ）とされる（ｈ（ｔ）＝ｆ_１（Ｄ−ｔ））。整合フィルタは、例えば、スペクトル拡散に用いた信号（スペクトル拡散に符号系列を用いる場合ではその符号）を時間的に反転して、整合フィルタの入力とのコンボルーションを取るものである。

メイン光パルスは、スペクトル拡散方式を用い、サブ光パルスは、無変調で、そのパルス幅が充分に長いとすることから、点広がり関数ψ（ｔ、ν）の成分ψ_１，２（ｔ、ν）は、式１１のように近似可能であり、前記好ましい型になる。

ここで、Ｃ_ｐは、メイン光パルスとサブ光パルスとの振幅比である。

したがって、これに対応するブリルアン・ゲイン・スペクトルは、式１２によって表される。

なお、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における他の成分Ｖ_１，１（ｔ、ν）及びＶ_２，１（ｔ、ν）は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されている場合には、フラットなスペクトルとなる。また、他の成分Ｖ_２，２（ｔ、ν）は、復調の際における整合フィルタによって抑圧される。

また、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_１，１（ｔ、ν）及びＶ_２，２（ｔ、ν）は、ポンプ光をメイン光パルスのみで構成、あるいはサブ光パルスのみで構成し、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを計測することによって抽出可能である。

以上の解析から、本分布型光ファイバ圧力センサでは、検出用光ファイバに入射する光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと無変調のサブ光パルスとの２成分で構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、光ファイバに作用する歪み及び温度等を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

図１に示す分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能し、１×２光スイッチ２５、２９、３１を切り換えることによって第１態様（両端測定）として動作する。図２は、図１に示す分布型光ファイバ圧力センサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバ圧力センサの概略構成を示すブロック図である。

図２に示すように、両端測定時において、分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、光パルス光源ＬＳ_ｐによって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスをポンプ光として、軸方向の歪み、圧力及び温度を検出するための検出用光ファイバ１５の一方端から入射するとともに、連続光光源ＬＳ_ＣＷによって生成された連続光を、プローブ光として検出用光ファイバ１５の他方端から入射する。

分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、歪み、圧力及び温度検出計１４によって検出用光ファイバ１５で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み、圧力及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＡ）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｌoss−ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフト量を計測する。

光パルス光源ＬＳ_ｐでは、レーザ光源ＬＤから射出されたレーザ光が光信号生成器ＯＳＧにおいて疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数で位相変調されることによって、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスが生成される。疑似乱数発生器ＲＧで生成した疑似乱数は、復調のために、歪み、圧力及び温度検出計１４へ通知される。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４では、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数に応じた整合フィルタＭＦでフィルタリングされ、信号処理部ＳＰでＢＯＴＤＡの信号処理が施されることによって、ブリルアン周波数シフト量が計測される。

なお、以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析は、ブリルアンスペクトラム時間領域分析と適宜略記される。このブリルアンスペクトラム時間領域分析では、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン増幅又は減衰を受けた光である。

また、図１に示す分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能し、光スイッチ２５、２９、３１を切り換えることによって第２態様（片端測定）として動作する。図３は、図１に示す分布型光ファイバ圧力センサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバ圧力センサの概略構成を示すブロック図である。

図３に示すように、片端測定時において、分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、光パルス光源ＬＳ_ｐによって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスをポンプ光として、そして、連続光光源ＬＳ_ＣＷによって生成された連続光をプローブ光として、検出用光ファイバ１５の一方端から入射する。なお、メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。

分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、歪み、圧力及び温度検出計１４によって検出用光ファイバ１５で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み、圧力及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＡ）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｌoss−ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフト量を計測する。

次に、分布型光ファイバ圧力センサＦＳの動作について説明する。まず、測定開始に当たって、第１及び第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が基準用光ファイバ１７を用いてそれぞれ調整（キャリブレーション）される。

より具体的には、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１と、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９とをそれぞれ制御することによって第１及び第２光源１、２０を各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させ、これら各連続光を基準用光ファイバ１７に互いに対向するように入射させる。これら第１光源１からの連続光及び第２光源２０からの連続光は、基準用光ファイバ１７で誘導ブリルアン散乱現象を起こし、この誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、基準用光ファイバ１７から光サーキュレータ１２を介して歪み、圧力及び温度検出計１４に入射される。

歪み、圧力及び温度検出計１４は、この誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、この受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出し、この検出した光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３には、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係がその記憶部に予め記憶されている。制御処理部１３は、この通知を受けると、その周波数設定部によって、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の設定すべき所定周波数差ｆａに対応する基準光強度Ｐａを上記関係から求め、歪み、圧力及び温度検出計１４が検出した測定光強度Ｐｄがこの基準光強度Ｐａと一致するように、第１ＡＦＣ１１及び第２ＡＦＣ１９を制御する。これによって第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差は、設定すべき所定周波数差ｆａに調整される。なお、本実施の形態では、光強度Ｐｄは、受光素子で光電変換された電圧値で与えられ、基準光強度Ｐａは、この基準光強度Ｐａに対応する電圧値となる。

ここで、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光源１、２０における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係は、一般に、温度依存性を有している。本実施の形態では、調整の際に、制御処理部１３は、温度検出部１６によって基準用光ファイバ１７の温度を検出し、この検出温度に応じて基準用光ファイバ１７における上記関係を補正している。このため、より高精度に調整を実行することが可能となる。

このように動作することによって第１及び第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が調整される。このような調整は、測定精度をより向上させる観点から、ブリルアンスペクトルを得る際に、掃引のために周波数が変更される毎に実行されても良いし、あるいは、測定時間を短縮させる観点から、歪み及び温度を測定毎に、又は、所定期間の経過毎に、さらに又は、分布型光ファイバ圧力センサＦＳの起動の際に、実行されても良い。

次に、歪み及び温度の計測動作について説明する。図４は、図１に示す分布型光ファイバ圧力センサＦＳによる軸方向の歪み、圧力及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、歪み、圧力及び温度検出計１４は、第１及び第２ブリルアン周波数シフト量Δνｂ１、Δνｂ２を含む検出用光ファイバ１５のブリルアン周波数シフト量Δνｂを推定し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。ここでのブリルアン周波数シフト量Δνｂの推定は、例えば、予測される最大温度変化量及び最大歪み変化量等を基に行われる。なお、ブリルアン周波数シフト量を測定するための周波数の掃引範囲は狭いので、この周波数の掃引範囲は簡単に推定することができる。

次に、ステップＳ２において、歪み、圧力及び温度検出計１４は、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを測定する。例えば、以下の処理により、ブリルアン周波数シフト量Δνｂが得られる。

まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１と、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９とを制御することによって、第１及び第２光源１、２０に各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３に入射され、第２光源２０から射出された連続光は、光カプラ２１を介して光スイッチ２２に入射される。

次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、所定のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、次のように光パルス生成部３を動作させることによって、ポンプ光を生成している。

図５は、図１に示す光パルス生成部３の構成及びその動作を説明するための図である。図６は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成及び整合フィルタを説明するための図であり、図６（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図６（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。

光パルス生成部３は、例えば、図５に示すように、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１０１と、ＬＮ強度変調器１０１を駆動するための第１駆動回路を構成する直流電源１０２、乗算器１０３及びタイミングパルス発生器１０４と、入射光の位相を変調するＬＮ位相変調器１１１と、ＬＮ位相変調器１１１を駆動するための第２駆動回路を構成する直流電源１１２、乗算器１１３及び疑似乱数発生器１１４と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２１と、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１３１と、ＬＮ強度変調器１３１を駆動するための第３駆動回路を構成する直流電源１３２、乗算器１３３及びタイミングパルス発生器１３４とを備えて構成される。

ＬＮ位相変調器１１１は、例えば電気光学効果を有するニオブ酸リチウムの基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成されることで構成され、両電極間に所定の信号を印加することによって生じる電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化をそのまま用いることにより、入射光の位相を変調する装置である。

ＬＮ強度変調器１０１、１３１は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成して電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化を強度変化に変えることにより、入射光の光強度を変調する装置である。なお、ＬＮ強度変調器１０１、１３１及びＬＮ位相変調器１１１には、ニオブ酸リチウムの基板に代え、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の他の電気光学効果を有する基板が用いられてもよい。

第１駆動回路において、直流電源１０２は、強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１０４は、ＬＮ強度変調器１０１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、そして、乗算器１０３は、直流電源１０２から入力される直流電圧とタイミングパルス生成器１０４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１０１へ出力する回路である。

第２駆動回路において、直流電源１１２は、位相変調すべく、ＬＮ位相変調器１１１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、疑似乱数発生器１１４は、入射光をスペクトル拡散方式で変調するようにＬＮ位相変調器１１１を動作させるべく、動作タイミングで疑似乱数を生成する疑似乱数生成回路であり、乗算器１１３は、直流電源１１２から入力される直流電圧と疑似乱数発生器１１４から入力される疑似乱数とを乗算し、疑似乱数に応じた直流電圧を位相変調器１１１へ出力する回路である。

ＥＤＦＡ１２１は、エルビウムを添加した光ファイバを備えて構成され、入射光を増幅して射出する光部品である。ＥＤＦＡ１２１は、検出用光ファイバ１５における歪み及び温度の検出に適した光強度にすべく、入射光を予め設定された所定の増幅率で増幅する。これによって第１光源１から検出用光ファイバ１５まで伝播する間において、損失（ロス）が発生する場合に、この損失も補償され、所定の計測範囲の測定が可能となる。

第３駆動回路において、直流電源１３２は、オン／オフ制御するようにＬＮ強度変調器１３１を強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１３４は、ＬＮ強度変調器１３１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、乗算器１３３は、直流電源１３２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器１３４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１３１へ出力する回路である。

このような光パルス生成部３を動作させることによって、例えば、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成することができる。

図６（Ａ）に示すポンプ光は、スペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスと、無変調であって、このメイン光パルスと重なることなく（オーバラップすることなく）時間的に先行するサブ光パルスとから構成されている。メイン光パルスは、所定の時間幅（セル幅）で複数のセルに分割され、本実施の形態では、それら各セルがＭ系列バイナリ符号によって変調（符号化）されている。セル幅は、所望の空間分解能に応じて設定され、メイン光パルスのパルス幅は、所望の計測距離に応じて設定される。また、サブ光パルスは、音響フォノンを完全に立ち上げることができるパルス幅とされ、図６（Ａ）に示す例では、メイン光パルスの光強度と同レベルの光強度とされている。

サブ光パルスとメイン光パルスとは、図６（Ａ）に示す例では、時間的に連続しているが、時間的に分離していてもよい。時間的に分離している場合には、サブ光パルスによって立ち上げられた音響フォノンが消失しないうちに、メイン光パルスが前記音響フォノンに作用する時間間隔に設定されることが好ましい。通常、音響フォノンの寿命は、約５ｎｓであるので、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間間隔は、約５ｎｓ以内であることが好ましい。

図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、図５において、まず、第１光源１から射出された連続光Ｌ１は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。

光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄとに相当するパルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）に相当する時間幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の間、オンされ、連続光Ｌ１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の光パルスＬ２となって射出される。

そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。

すなわち、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧は、Ｍ系列バイナリ符号が“＋”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とＭ系列バイナリ符号が“−”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とが互いに１８０度異なるような電圧値である。これによって、光パルスＬ２は、ＬＮ位相変調器１１１で、無変調の部分（サブ光パルスに対応する）とＭ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）とからなる光パルスＬ３となって射出される。

そして、ＥＤＦＡ１２１では、光パルスＬ３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ４となって射出される。

さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄ_ｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって、光パルスＬ４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ４に付随した自然放出光（ＡＳＥ）等のノイズが除去され、パルス幅Ｄ_ｓｕｂであって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄであってスペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスとから成るポンプ光Ｌ５となって射出される。

そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス、光パルスＬ４）の生成タイミングに応じて、光スイッチ４及び光スイッチ２２をオンする。制御処理部１３は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の生成タイミングを歪み、圧力及び温度検出計１４に通知する。

光スイッチ４がオンされると、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のポンプ光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整され、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のサブ光パルス及びメイン光パルスは、歪み、圧力及び温度検出計１４に入射される。

歪み、圧力及び温度検出計１４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のスペクトルを計測し、ポンプ光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。

一方、光スイッチ２２がオンされると、連続光（プローブ光）は、光カプラ２３に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のプローブ光（連続光）は、光強度調整部２４に入射され、光強度調整部２４でその光強度が調整され、１×２光スイッチ２５に入射される。１×２光スイッチ２５は、第１態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射される。

一方、１×２光スイッチ２５は、第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射される。一方、光カプラ２３で分岐された他方のプローブ光（連続光）は、歪み、圧力及び温度検出計１４に入射される。

歪み、圧力及び温度検出計１４は、プローブ光（連続光）のスペクトルを計測し、プローブ光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第２ＡＴＣ１８、第２ＡＦＣ１９及び光強度調整部２４を制御する。

第１態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の他方端から入射され検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。第２態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の一方端から入射され検出用光ファイバ１５の他方端で反射して検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。このようなポンプ光とプローブ光との相互作用に基づいて光スイッチ４及び光スイッチ２２におけるオン／オフのタイミングが制御処理部１３によって調整される。

１×２光スイッチ２９は、第１態様又は第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が歪み、圧力及び温度検出計１４へ入射されるように切り換えられている。したがって、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８、光サーキュレータ７及び１×２光スイッチ２９を介して歪み、圧力及び温度検出計１４に入射される。

歪み、圧力及び温度検出計１４では、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、上述したように直接検波によって抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされる。この整合フィルタは、例えば、図６（Ｂ）に示すように、光パルス生成部３のＬＮ位相変調器１１１でＭ系列バイナリ符号によって位相変調した位相変調パターン（Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３・・・Ｐ_ｎ−１Ｐ_ｎ）を時間的に反転した逆位相変調パターン（Ｐ_ｎＰ_ｎ−１・・・Ｐ_３Ｐ_２Ｐ_１）のフィルタである。

例えば、メイン光パルスの各セルがＭ系列バイナリ符号によって“＋−＋＋−＋・・・＋−”の位相変調パターンで変調されている場合には、整合フィルタは、この位相変調パターンを時間的に反転した“−＋・・・＋−＋＋−＋”の逆パターンとなる。このような整合フィルタを用いることによって、スペクトル拡散符号化されたメイン光パルスに起因した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を精度よく検出することが可能となる。歪み、圧力及び温度検出計１４は、制御処理部１３から通知された生成タイミングに基づいて、この受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、第１検出用光ファイバ１５１及び第２検出用光ファイバ１５２を含めた検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。

ここで、誘導ブリルアン散乱現象に係るポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）とプローブ光（連続光）との間における相互作用の程度は、これら各光の偏光面の相対関係に依存するが、本実施の形態に係る分布型光ファイバ圧力センサＦＳでは、測定毎に光強度・偏光調整部６でポンプ光の偏光面がランダムに変わるので、測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。このため、精度よく誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を得ることができる。

このような検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布が、例えば第２光源２０から射出されるプローブ光（連続光）の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度且つ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルが高精度且つ高空間分解能で得られる。

そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、検出用光ファイバ１５に歪みを作用していない部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数を基準に、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数の差を求めることによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求める。

再び、図４を参照して、次に、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ３において、上記の処理により求めたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定し、ステップＳ４において、推定したレイリー周波数シフト量Δνｒからレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。

なお、前記レイリー周波数シフト量Δνｒの推定と、パルス光の周波数の掃引範囲の決定は、検出用光ファイバ１５が第１検出用光ファイバ１５１と第２検出用光ファイバ１５２とを含むので、厳密には第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２間で異なる。しかし、本実施の形態では、簡単のため、第２検出用光ファイバ１５２のレイリー周波数シフト量Δν２を推定し、この推定に基づき第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２を含めた検出用光ファイバ１５のパルス光の掃引範囲を決定している。

具体的には、第２検出用光ファイバ１５２のブリルアン周波数シフト量Δνｂ２及びレイリー周波数シフト量Δνｒ２は、軸方向の歪みの変化量をΔε２、圧力の変化量をΔＰ、温度の変化量をΔＴとすると、下記式で表される。下記式において、Ｂ１１≒０．０５×１０^−３ＧＨｚ／με、Ｂ１２≒１．０７×１０^−３ＧＨｚ／℃、Ｒ１１≒−０．１５ＧＨｚ／με、Ｒ１２≒−１．２５ＧＨｚ／℃である。

なお、第２検出用光ファイバ１５２の検出範囲において内部が基準圧力に保たれた圧力遮蔽管３３に挿通されているので、第２検出用光ファイバ１５２のブリルアン周波数シフト量Δνｂ２は、圧力による影響を受けない。

Δνｂ２＝Ｂ１１×Δε２＋Ｂ１２×ΔＴ …（１３）
Δνｒ２＝Ｒ１１×Δε２＋Ｒ１２×ΔＴ …（１４）
上記の式１３と式１４とを比較すると、レイリー周波数シフト量Δνｒ２の感度は、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ２に比して非常に高いことがわかる。これは、計測精度を向上させるには非常に有利であるが、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ２を計測するための周波数の掃引範囲と同様にレイリー周波数シフト量Δνｒ２を計測するための周波数の掃引範囲を決定した場合、レイリー周波数シフト量Δνｒ２を計測するための周波数の掃引範囲が非常に広くなり、計測に長時間を要することとなる。

このため、本実施の形態で、既にステップＳ２で測定されたブリルアン周波数シフト量Δνｂのうち第２検出用光ファイバ１５２に対応するブリルアン周波数シフト量Δνｂ２からレイリー周波数シフト量Δνｒ２を推定する。例えば、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ２＝３００ＭＨｚが測定によって得られた場合、まず、すべての変化が温度の影響によるものと仮定すると、Δε２＝０となり、式１３から、ΔＴ≒３００℃が得られる。このΔＴ＝３００℃を式１４へ代入すると、Δνｒ２＝−３７５ＧＨｚが得られる。

次に、すべての変化が歪みの影響によるものと仮定すると、ΔＴ＝０となり、式１３から、Δε２＝６０００μεが得られる。このΔε＝６０００μεを式１４へ代入すると、Δνｒ２＝−９００ＧＨｚが得られる。この場合、レイリー周波数シフト量Δνｒ２を計測するための周波数の掃引範囲として、−３７５ＧＨｚから−９００ＧＨｚまでの範囲が決定される。したがって、−３７５ＧＨｚの近辺から−９００ＧＨｚの近辺までを掃引すれば、短時間でレイリー周波数シフト量Δνｒ２を計測することが可能となる。

なお、周波数の掃引範囲は、上記のようにして求めた２つの周波数をそのまま用いてもよいし、所定の測定マージン量を適宜付加したり、計測時間を短縮するために掃引範囲を所定量だけ狭くする等の種々の変更が可能である。また、この例では、温度変化量の下限は０℃、歪みの大きさは制限無しという想定での場合を示したが、装置の適用対象に応じて温度変化量や歪みの大きさの範囲は変わってもよい。温度変化量に上限と下限、また、歪みの大きさに上限が想定される場合にも、それに応じてレイリー周波数掃引範囲が決定される。

また、上記のように第２検出用光ファイバ１５２のブリルアン周波数シフト量Δνｂ２から第２検出用光ファイバ１５２のレイリー周波数シフト量Δνｒ２を求めてもよいが、例えば各検出用光ファイバ１５１、１５２のそれぞれのブリルアン周波数シフト量Δνｂ１、Δνｂ２から、各レイリー周波数シフト量Δνｒ１、Δνｒ２を推定し、これらの各推定値に基づき、各々の光ファイバの掃引範囲を決定してもよいし、第１検出用光ファイバ１５１のブリルアン周波数シフト量Δνｂ１から同検出用光ファイバ１５１のレイリー周波数シフト量Δνｒ１を推定し、この推定値に基づき第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２のパルス光の掃引範囲を決定してもよい。

この場合、第１検出用光ファイバ１５１のレイリー周波数シフト量Δνｒ１の推定は、以下の手法により行われる。

すなわち、第１検出用光ファイバ１５１のブリルアン周波数シフト量Δνｂ１及びレイリー周波数シフト量Δνｒ１は、軸方向の歪みの変化量をΔε１、圧力の変化量をΔＰ、温度の変化量をΔＴとすると、下記式で表される。下記式において、Ｂ１１≒０．０５×１０^−３ＧＨｚ／με、Ｂ１２≒１．０７×１０^−３ＧＨｚ／℃、Ｂ１３＝９．０１×１０^−７ＭＨｚ／Ｐａ、Ｒ１１≒−０．１５ＧＨｚ／με、Ｒ１２≒−１．２５ＧＨｚ／℃である。

Δνｂ１＝Ｂ１１×Δε１＋Ｂ１２×ΔＴ＋Ｂ１３×ΔＰ …（１５）
Δνｒ１＝Ｒ１１×Δε１＋Ｒ１２×ΔＴ …（１６）
なお、レイリー散乱現象は光ファイバ固有の性状（密度のゆらぎ）に依存した現象のため、レイリー周波数シフト量は光ファイバに作用する圧力の変化量に依存せず、このため、式１６において式１５の右辺第３項（圧力によるブリルアン周波数シフト量）に相当する項は存在しない。

上記式１３と式１５において、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２の軸方向歪み変化量Δε１、Δε２が等しい（Δε１＝Δε２）と仮定して、仮定圧力変化量ΔＰｓを求める。

ΔＰｓ＝（Δνｂ１―Δνｂ２）／Ｂ１３ …（１７）
そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、ステップＳ２の処理により求めた第１検出用光ファイバ１５２のブリルアン周波数シフト量Δνｂ１と、上記処理において求めた第１検出用光ファイバ１５１に作用する仮定圧力変化量ΔＰｓから、圧力変化による影響を排除した第１検出用光ファイバ１５１の補正ブリルアン周波数シフト量Δνｂ１’を求める。この補正ブリルアン周波数シフト量Δνｂ１’は下記式で表される。

Δνｂ１’＝Δνｂ１−Ｂ１３×ΔＰｓ＝Δνｂ２ …（１８）
次に、歪み、圧力及び温度検出計１４は、上記処理により求めた補正ブリルアン周波数シフト量Δνｂ１’からレイリー周波数シフト量Δνｒ１を推定し、推定したレイリー周波数シフト量Δνｒ１からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。この推定手法については、上記で説明した、第２検出用光ファイバ１５２のブリルアン周波数シフト量Δν２から第２検出用光ファイバ１５２のレイリー周波数シフト量Δνｒ２を推定する手法と同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に、ステップＳ５において、歪み、圧力及び温度検出計１４は、上記のようにして決定した周波数の掃引範囲を用いて、レイリー周波数シフト量Δνｒ（Δνｒ１、Δνｒ２）を測定する。例えば、以下の処理により、レイリー周波数シフト量Δνｒが得られる。

まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１を制御することによって、第１光源１に所定周波数で連続光を発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３及び１×２光スイッチ３１に入射され、１×２光スイッチ３１は、第１光源１から射出された連続光を光カプラ３０へ出力する。なお、レイリー周波数シフト量の計測時において、光スイッチ２２はオフされており、検出用光ファイバ１５の他方端から光は入射されない。

次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、レイリー散乱現象を利用するためのパルス光を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、以下のように光パルス生成部３を動作させることによって、パルス光を生成している。

図７は、図１に示す光パルス生成部３から射出されるパルス光の一例を示す図であり、図７（Ａ）は、パルス光の波長を示し、図７（Ｂ）はパルス光の波形を示している。図７（Ｂ）に示すパルス光は、所定レベルの矩形波であり、図７（Ａ）に示すように、所定数のパルス毎にその周期が所定周波数だけ順次増加される。なお、図７（Ａ）では、図示を容易にするために、周波数が線形的に増加するように模式的に図示しているが、厳密には、数パルス毎にその周波数が増加され、パルス光の周波数はステップ状に増加される。また、後述する加算平均を行わない場合、すなわち、１パルスでレイリー後方散乱光を計測する場合は、１パルス毎にその周波数を増加するようにしてもよい。

なお、パルス光は、この例に特に限定されず、レイリー散乱現象を利用できれば、種々の形態の光等を用いることができる。また、レイリー散乱現象を利用する光に、上記の誘導ブリルアン散乱現象に利用する光と同様に、Ｍ系列バイナリ符号によって変調（符号化）する等の種々の方法を適用してもよい。

図７に示すパルス光を生成するために、第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。光パルス生成部３では、パルス光の生成タイミングで、パルス光のパルス幅に相当する動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅に相当する時間幅の間、オンされ、連続光は、図７（Ｂ）に示すパルス幅の光パルスとなって射出される。その後、パルス光は、ＬＮ位相変調器１１１を介してＥＤＦＡ１２１へ入射され、光パルスが所定の光強度となるまで増幅され、ＬＮ強度変調器１３１を介して光スイッチ４へ射出される。

そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるパルス光の生成タイミングに応じて、光スイッチ４をオンし、パルス光の生成タイミングを歪み、圧力及び温度検出計１４に通知する。

光スイッチ４がオンされると、パルス光は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のパルス光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整されるとともに、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のパルス光は、歪み、圧力及び温度検出計１４に入射される。

歪み、圧力及び温度検出計１４は、パルス光のスペクトルを計測し、パルス光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。

検出用光ファイバ１５の一方端に入射したパルス光は、検出用光ファイバ１５内で散乱されてレイリー散乱現象を生じさせ、レイリー散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８、光サーキュレータ７及び１×２光スイッチ２９を介して光カプラ３０に入射される。この結果、光カプラ３０により混合された２つの光が歪み、圧力及び温度検出計１４に入射される。なお、このレイリー散乱現象は、第１検出用光ファイバ１５１内と、第２検出用光ファイバ１５２内の双方で生じ、これらレイリー散乱現象に係る光が共に検出用光ファイバ１５の一方端から射出される。

上記のようにして、第１光源１は、波長可変光源として機能し、時間とともにパルス光の波長を変化させ、光パルス生成部３は、光強度変調器、光増幅器及び光強度変調器として機能し、所定パルス幅のパルスを作成し、光強度・偏光調整部６は、高速偏波スクランブラーとして機能し、各パルス光にランダムな偏波面を与える。光カプラ３０は、第１光源１からの連続波と検出用光ファイバ１５からのレイリー後方散乱光とを混合させ、歪み、圧力及び温度検出計１４の受光素子は、これらの光をホモダイン受信する。

このとき、光強度・偏光調整部６により各パルス光にランダムな偏光面を測定毎に与えているので、歪み、圧力及び温度検出計１４は、波長の変化分のレイリー後方散乱光を加算して平均を取ることにより、平滑なレイリー後方散乱光を得ることができ、このレイリー後方散乱光のレベルから各距離の損失を換算することができる。

このような検出用光ファイバ１５の長尺方向におけるレイリー散乱現象に係る光の光強度の分布が、パルス光の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度且つ高空間分解能で測定される。その結果、第１検出用光ファイバ１５１及び第２検出用光ファイバ１５２を含む検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるレイリースペクトルが高精度且つ高空間分解能で得られる。

そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、検出用光ファイバ１５に歪みが作用していない部分におけるレイリースペクトルと、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるレイリースペクトルとの相関関係係数を計算することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるレイリー周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求める。

図８は、図１に示す分布型光ファイバ圧力センサＦＳにより計測された第２検出用光ファイバ１５２のレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。図８（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図８（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相関関係係数を示している。図８（Ａ）に示すように、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線であり、両者の相関関係係数を計算すると、図８（Ｂ）に示すようになり、両者の相関関係係数のピークのオフセット量Δｖｒ２がレイリー周波数シフト量となる。

このΔｖｒ２だけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させると、図８（Ｃ）のようになり、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とがほぼ一致しており、レイリー周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求めることができたことがわかる。なお、第１検出用光ファイバ１５１のレイリー周波数シフト量もこれら第２検出用光ファイバ１５２のレイリーシフト量Δνｂ２と同様に求めることができる。

最後に、ステップＳ６おいて、歪み、圧力及び温度検出計１４は、上記のようにして得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂ（Δνｂ１、Δνｂ２を含む）とレイリー周波数シフト量Δνｒ（Δνｒ１、Δνｒ２を含む）とから、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分における検出用光ファイバ１５の軸方向の歪みと温度とを検出する。

歪み、圧力及び温度検出計１４は、式１３〜式１６の連立方程式に、各領域部分のブリルアン周波数シフト量Δνｂ１、Δνｂ２及びレイリー周波数シフト量Δνｒ１、Δνｒ２を代入し、ガウスの消去法を用いて、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における圧力の変化量ΔＰ、及び温度の変化量ΔＴ並びに各検出用光ファイバ１５１、１５２の軸方向の歪み変化量Δε１、Δε２を求め、求めた圧力の変化量ΔＰ、及び温度の変化量ΔＴ、並びに軸方向の歪みの変化量Δε１、Δε２を所定の基準圧力、基準温度、及び基準歪みに加算し、最終的に圧力及び温度並びに軸方向の歪みを高精度且つ高分解能で求める。この求めた値のうち、例えば第１検出用光ファイバ１５１の長尺方向の各領域部分における圧力及び温度の分布は、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。なお、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２が計測対象としての物体に固定される場合には、第１検出用光ファイバ１５１の軸方向の歪みをこの物体の検出用光ファイバ１５に沿った方向の歪みとして出力部に提示するようにしてもよい。

なお、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２の長尺方向の各領域部分における温度の分布は、この両検出用光ファイバ１５１、１５２の相互間で同一又は略同一であり、これが計測対象に作用する温度の分布となる。

上記の構成により、本実施の形態の分布型光ファイバ圧力センサＦＳでは、圧力遮蔽管３３に挿通されることにより外圧から遮断された第２検出用光ファイバ１５２が、外圧をも作用している第１検出用光ファイバ１５１と近接した位置に略平行に配設されているので、計測対象における特定位置に対応する位置での第１及び第２の検出用光ファイバ１５１、１５２の温度はいずれの光ファイバ１５１、１５２でも同一又は略同一の値となる。従って、この分布型光ファイバ圧力センサＦＳによれば、検出用光ファイバ１５の長尺方向について圧力差が存在する環境下においても、第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２によって計測されたブリルアン周波数シフト量Δνｂ１、Δνｂ２と、レイリー周波数シフト量Δνｒ１、Δνｒ２とを計測しているので、これらの４つの周波数シフト量を用いて、４つの未知数、すなわち第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の各歪み変化量Δε１、Δε２、及び各光ファイバに共通して作用する温度変化量ΔＴ、並びに第１検出用光ファイバ１５１に作用する圧力の変化量ΔＰを同時且つ独立して算出することができ、第１及び第２の光ファイバ１５１、１５２が敷設された計測対象の温度と圧力を同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。この結果、約０．１ｍの空間分解能で且つ０．１ＭＰａ以下又は約±０．１℃以下の精度で圧力や温度を検出することができた。

なお、計測対象における特定位置に対応する位置での各検出用光ファイバ１５１、１５２の軸方向の歪み変化量Δε１、Δε２は、圧力や、圧力遮蔽管３３の影響等により必ずしも相互に一致しないが、例えば第１の光ファイバが計測対象（特に物体）に固定されている場合、光ファイバの軸方向歪みがこの物体の光ファイバに沿った方向の歪みと等しくなることから、第１の光ファイバの軸方向歪みを計測することで計測対象である物体の歪みを計測することも可能となる。

また、図１に示す構成の分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、その構成要素を改良してＢＯＴＤＲを構成することも可能である。

図９は、図１に示す分布型光ファイバ圧力センサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバ圧力センサの構成を示すブロック図である。

図９において、ＢＯＴＤＲの分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、第１光源１と、光パルス生成部３と、光スイッチ４と、光カプラ５と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７と、１×２光スイッチ３５と、光コネクタ９、２６と、第１ＡＴＣ１０と、第１ＡＦＣ１１と、制御処理部１３と、歪み、圧力及び温度検出計１４と、第１検出用光ファイバ２５１と、第２検出用光ファイバ２５２と、圧力遮蔽管３３とを備えて構成されている。

なお、１×２光スイッチ３５の入力端子は、光サーキュレータ７の出力端子に光学的に接続され、一方の出力端子は、光コネクタ９に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２６に光学的に接続される。この１×２光スイッチ３５も、１×２光スイッチ２５、２９、３１と同様に、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を２個の出力端子のうちのいずれか一方から射出する１入力２出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチ等が利用される。この１×２光スイッチ３５は、制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、第１検出用光ファイバ２５１の各周波数シフト量を検出する場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ９を介して第１検出用光ファイバ２５１の一方端へ入射されるように、１×２光スイッチ３５が切り換えられ、第２検出用光ファイバ２５２の各周波数シフト量を検出する場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して第２検出用光ファイバ２５２の一方端へ入射されるように、１×２光スイッチ３５が切り換えられる。

ＢＯＴＤＲの場合では、歪み、圧力及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバ圧力センサＦＳの各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、第１検出用光ファイバ２５１又は第２検出用光ファイバ２５２の各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。

歪み、圧力及び温度検出計１４の入力端子から入射された各入射光は、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。このとき、光バンドパスフィルタ（以下、「光ＢＰＦ」と略記する。）が用いられ、この光ＢＰＦは、狭い所定の透過周波数帯域の光部品、すなわち、狭い所定の周波数帯域の光を透過するとともに、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り、例えば、以下の狭線幅光バンドパスフィルタが用いられる。

図１０は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。図１０（Ａ）は、狭線幅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１０（Ｂ）乃至（Ｄ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの動作を説明するための図である。

光サーキュレータ７から歪み、圧力及び温度検出計１４の入力端子へ入射された入射光は、例えば、図１０に示す光ＢＰＦによってフィルタリングされ、自然ブリルアン散乱現象に係る光が抽出される。また、入射光は、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。

光ＢＰＦ３１０は、例えば、図１０（Ａ）に示すように、第１ファブリペローエタロンフィルタ（以下、「ＥＦ」と略記する。）３１１と、第１ＥＦ３１１に光学的に接続される第２ＥＦ３１２とを備えて構成される。第１ＥＦ３１１は、図１０（Ｂ）に示すように、その半値全幅ＦＷＨＭ１が、光ＢＰＦ３１０における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るとともに、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ１の一つが、光ＢＰＦ３１０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２ＥＦ３１２は、図１０（Ｃ）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が光パルス（サブ光パルス及びメイン光パルス）の周波数と自然ブリルアン後方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るとともに、その透過周波数帯域が第１ＥＦ３１１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１ＥＦ３１１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の一つが光ＢＰＦ３１０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。

このような構成の光ＢＰＦ３１０では、第１ＥＦ３１１で、所定の透過周波数帯域に相当する周波数の光が透過する。すなわち、第１ＥＦ３１１のＦＳＲ１毎に半値全幅ＦＷＨＭ１に相当する周波数の光が透過する。そして、第１ＥＦ３１１を透過した光は、第２ＥＦ３１２で、第１ＥＦ３１１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な光ＢＰＦ３１０の透過周波数特性は、図１０（Ｂ）に示す第１ＥＦ３１１の透過周波数特性と図１０（Ｃ）に示す第２ＥＦ３１２の透過周波数特性とを合成した特性となり、図１０（Ｄ）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１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１で、そして、そのＦＳＲが第２ＥＦ３１２のＦＳＲ２となる。なお、第１ＥＦ３１１と第２ＥＦ３１２とは、逆に光学的に接続されてもよい。

また、ＢＯＴＤＲの場合では、制御処理部１３は、歪み、圧力及び温度検出計１４と信号を入出力することによって、第１検出用光ファイバ２５２又は第２検出用光ファイバ２５２の長尺方向における各検出用光ファイバ２５１、２５２の軸方向の歪み、温度及び圧力の分布を高空間分解能で且つより遠距離まで測定するように、第１光源１、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１、光パルス生成部３、光スイッチ４及び光強度・偏光調整部６を制御する。

このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバ圧力センサＦＳでは、第１光源１及び光パルス生成部３によって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスは、光スイッチ４、光カプラ５、光強度・偏光調整部６、光サーキュレータ７及び光コネクタ９、２６を介して、第１検出用光ファイバ２５２又は第２検出用光ファイバ２５２の一方端から入射される。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。第１検出用光ファイバ２５２又は第２検出用光ファイバ２５２で自然ブリルアン散乱現象の作用を受けた光（自然ブリルアン後方散乱光）が第１検出用光ファイバ２５２又は第２検出用光ファイバ２５２の一方端から射出され、歪み、圧力及び温度検出計１４によって受光される。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＲ）が行われ、ブリルアン周波数シフト量が検出される。なお、自然ブリルアン散乱現象に係る光は、自然ブリルアン後方散乱光である。

このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバ圧力センサＦＳでも、１×２光スイッチ３５を切り換えることにより第１検出用光ファイバ２５１及び第２検出用光ファイバ２５２の各ブリルアン周波数シフト量と各レイリー周波数シフト量とを検出することができるため、第１検出用光ファイバ２５１に作用する圧力を計測することができ、また、光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、検出用光ファイバ１５の軸方向の歪み、温度及び圧力を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

なお、このＢＯＴＤＲの分布型光ファイバ圧力センサＦＳでは、第１検出用光ファイバ２５１のブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量の計測と、第２検出用光ファイバ２５２のブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量の計測とは、１×２光スイッチ３５を切り換えることにより別個に行う必要があることから、各検出用光ファイバ２５１、２５２の計測は、経時変化による計測対象の状態の変化を考慮して、時間的に連続して行うか、短い時間間隔で行うのが好ましい。

図１１は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフト量を求める方法を説明するための図である。図１１の横軸は、ＭＨｚ単位で表す周波数であり、その縦軸は、ｍＷ単位で表すブリルアン・ゲインである。図１１（Ａ）は、第１乃至第３ブリルアンスペクトルを示し、図１１（Ｂ）は、全体から第２及び第３ブリルアンスペクトルを減算した結果を示す。そして、図１１（Ａ）の実線は、全体のブリルアンスペクトルである第１ブリルアンスペクトルであり、破線は、その構成要素である第２ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの和である。

なお、本実施の形態に係るＢＯＴＤＡの分布型光ファイバ圧力センサＦＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第１ブリルアンスペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第２ブリルアンスペクトルを求める。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２を含めた検出用光ファイバ１５のブリルアン周波数シフト量を求め、このブリルアン周波数シフト量から第１検出用光ファイバ１５１に作用する圧力、及び第１又は第２検出用光ファイバ１５１、１５２に作用した軸方向の歪み及び温度を測定してもよい。

あるいは、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第３ブリルアンスペクトルを求める。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２を含めた検出用光ファイバ１５のブリルアン周波数シフト量を求め、このブリルアン周波数シフト量から第１検出用光ファイバ１５１に作用する圧力、及び第１又は第２検出用光ファイバ１５１、１５２に作用した軸方向の歪み及び温度を測定してもよい。

このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに作用した軸方向の歪み、圧力及び温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。

あるいは、例えば、図１１において、まず、分布型光ファイバ圧力センサＦＳを上述のように動作させることによって、第１ブリルアンスペクトル（図１１（Ａ）の実線）を求める。次に、分布型光ファイバ圧力センサＦＳを上述のように動作させることによって、第２及び第３ブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。次に、歪み、圧力及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトル（図１１（Ａ）の実線）と第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和（図１１（Ａ）の破線）との差（図１１（Ｂ））を求める。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この求めた差に基づいて第１及び第２検出用光ファイバ１５１、１５２を含めた検出用光ファイバ１５のブリルアン周波数シフト量を求め、このブリルアン周波数シフト量から第１検出用光ファイバ１５１に作用する圧力、及び第１又は第２検出用光ファイバ１５１、１５２に作用した歪み及び温度を測定してもよい。

このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに作用した歪み及び温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。

また、本実施の形態に係るＢＯＴＤＲの分布型光ファイバ圧力センサＦＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２に、サブ光パルス及びメイン光パルスを入射させ、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この場合に第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２から射出される第１自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、メイン光パルスを入射させ、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この場合に第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２から射出される第２自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて第１及び第２検出用光ファイバ２５１、２５２のブリルアン周波数シフト量を求め、このブリルアン周波数シフト量から第１検出用光ファイバ２５１に作用する圧力、及び第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２に作用した軸方向の歪み及び温度を測定してもよい。

あるいは、制御処理部１３の制御によって、第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２に、サブ光パルスを入射させ、歪み、圧力及び温度検出計１４は、この場合に第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２から射出される第３自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて第１及び第２検出用光ファイバ２５１、２５２のブリルアン周波数シフト量を求め、このブリルアン周波数シフト量から第１検出用光ファイバ２５１に作用する圧力、及び第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２に作用した軸方向の歪み及び温度を測定してもよい。

このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をより簡単により高精度に求めることができる結果、各検出用光ファイバに作用した歪み、温度及び圧力をより簡単により高精度に求めることが可能となる。

あるいは、第２及び第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、そして、歪み、圧力及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトル及び第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて第１及び第２検出用光ファイバ２５１、２５２のブリルアン周波数シフト量を求め、このブリルアン周波数シフト量から第１検出用光ファイバ２５１に作用する圧力、及び第１又は第２検出用光ファイバ２５１、２５２に作用した軸方向の歪み及び温度を測定してもよい。

このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、各検出用光ファイバに作用した歪み、温度及び圧力をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。

次に、上記のような無変調のサブ光パルスとスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとからなる光パルスを用いた分布型光ファイバ圧力センサＦＳにおける実験結果について説明する。この実験結果は、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに作用した歪みによるブリルアン周波数シフト量を測定した結果である。

図１２は、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバ圧力センサの第２検出用光ファイバ１５２のブリルアン周波数シフト量を測定した実験結果を示す図である。図１２（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図１２（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図１２（Ａ）のｘ軸は、周波数（ＭＨｚ）であり、ｙ軸は、ブリルアンゲイン（ｎＷ）であり、ｚ軸は、第２検出用光ファイバ１５２の長尺方向における距離（ｍ）である。図１２（Ｂ）の横軸は、第２検出用光ファイバ１５２の長尺方向における距離（ｍ）であり、その縦軸は、ピーク周波数（ＭＨｚ）である。実線は、測定されたピーク周波数であり、破線は、ブリルアン周波数シフトである。なお、この実験結果は、検出用光ファイバ１５の全長に亘る測定結果ではなく、検出用光ファイバ１５、特に第２検出用光ファイバ１５２の長尺方向の一部を取り出したものであるが、簡略化のため取り出し部分の一端をｚ＝０として説明する。

本実験では、ポンプ光は、図６（Ａ）に示すように、パルス幅３０ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに連続して後続するパルス幅１２．７ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１２７個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調（符号化）され、スペクトル拡散符号化されている。

第２検出用光ファイバ１５２には、表１に示すように、ｚ＝１００ｃｍからｚ＝１０１ｃｍまでの第１区間、ｚ＝２００ｃｍからｚ＝２０２ｃｍまでの第２区間、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３０３ｃｍまでの第３区間、ｚ＝４００ｃｍからｚ＝４０４ｃｍまでの第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。

このような第２検出用光ファイバ１５２にスペクトル拡散方式を一部に用いられたポンプ光を入射させ、測定すると、図１２（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図１２（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図１２に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みによるブリルアン周波数シフト量が測定されており、高精度且つ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。

このようにメイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いても高精度且つ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

なお、上述の実施の形態では、図６に示す態様のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）が用いられたが、これに限定されるものではなく、例えば、図１３に示す態様のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）が用いられてもよい。

図１３は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の構成を説明するための図であり、図１３（Ａ）は、ポンプ光の他の第１構成を示し、図１３（Ｂ）は、ポンプ光の他の第２構成を示す。

図６（Ａ）に示すポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度と同一レベルであったが、例えば、図１３（Ａ）に示すように、ポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さくてもよい。サブ光パルスは、上述したように、メイン光パルスに時間的に先行して音響フォノンを立ち上げる役割を果たすので、メイン光パルスのように大きな光強度が必要ではなく、メイン光パルスの光強度よりも小さくてよい。

また、図６（Ａ）及び図１３（Ａ）に示す各ポンプ光は、サブ光パルスがメイン光パルスと重なることなくメイン光パルスに時間的に先行するように構成されたが、例えば、図１３（Ｂ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持っていてもよい。このような構成のポンプ光では、メイン光パルスに時間的に先行してサブ光パルスによって音響フォノンを立ち上げる観点から、メイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分がメイン光パルスに対して時間的に先行していることが好ましく、さらに、このメイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分が音響フォノンを完全に立ち上げる時間以上、例えば約３０ｎｓ以上であることがより好ましい。

ここで、このようなスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、メイン光パルスと重なった部分を持つサブ光パルスとからなるポンプ光を分布型光ファイバ圧力センサＦＳに用いた場合における実験結果について説明する。この実験結果は、図１２に示す実験結果と同様に、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに作用した歪みによるブリルアン周波数シフト量を測定した結果である。また、第２検出用光ファイバ１５２の一部を取り出し、その取り出し部分の一端をｚ＝０として表している。

図１４は、図１３（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバ圧力センサの実験結果を示す図である。図１４（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図１４（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図１４（Ａ）及び（Ｂ）における各軸は、図１２（Ａ）及び（Ｂ）とそれぞれ同じである。

本実験では、ポンプ光は、図１３（Ｂ）に示すように、パルス幅１３２．３ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに対し３０ｎｓだけ時間的に遅れてこのサブ光パルスと重なっているパルス幅１０２．３ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１０２３個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調され、スペクトル拡散符号化されている。

第２検出用光ファイバ１５２には、上述と同様に、表１に示すように、第１ないし第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。

このような検出用光ファイバ１５に図１３（Ｂ）に示す構成のポンプ光を入射させ、測定すると、図１４（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図１４（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図１４に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みによるブリルアン周波数シフト量が測定されており、高精度且つ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。

このようにサブ光パルスとメイン光パルスとに重なった部分が存在する場合でも、高精度且つ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。

さらに、本実施の形態の分布型光ファイバ圧力センサＦＳに用いられるポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の態様について説明する。

図１５は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のさらに他の構成及び整合フィルタを説明するための図であり、図１５（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図１５（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。図１６は、図１５（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。

図１３（Ｂ）に示す構成のポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持ちつつメイン光パルスと重なった部分を持ったサブ光パルスと、メイン光パルスとから構成されたが、図１５（Ａ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持つことなくメイン光パルスと時間的に完全に一致するように重なったサブ光パルスと、メイン光パルスとから構成されてもよい。すなわち、サブ光パルスの立ち上がりタイミング及びその立ち下がりタイミングは、メイン光パルスの立ち上がりタイミング及びその立ち下がりタイミングとそれぞれ一致している。

このような図１５（Ａ）に示す構成のポンプ光は、例えば、図１６に示す構成の光パルス生成部３から生成することができる。図１６に示す構成の光パルス生成部３では、その構成は、図５に示す光パルス生成部３及び光スイッチ４の構成と一致し、その動作が、図５に示す光パルス生成部３の動作と異なるものである。このため、ここでは、その構成の説明を省略し、その動作について説明する。

まず、図１６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、ＬＮ強度変調器１０１は、サブ光パルスを生成するために、所定のレベルの光（漏れ光）が漏れ出す（射出する）ように、オンされている。

第１光源１から射出された連続光Ｌ１１（＝Ｌ１）は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。連続光Ｌ１１が入射されると、ＬＮ強度変調器１０１は、前記漏れ光を射出する。

光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅Ｄの動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄの直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、連続光Ｌ１１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅Ｄの光パルスが漏れ光に重畳された光パルスＬ１２となって射出される。

そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。これによって、光パルスＬ１２は、ＬＮ位相変調器１１１で、Ｍ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）が漏れ光に重畳された光パルスＬ１３となって射出される。

そして、ＥＤＦＡ１２１では、前記光パルスＬ１３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ１４となって射出される。

さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝メイン光パルスのパルス幅Ｄ）に相当するパルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって、光パルスＬ１４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ１４に付随した自然放出光等のノイズが除去されるとともに、光パルスＬ１４の前後の漏れ光に起因する光（ＥＤＦＡ１２１で増幅された漏れ光）が除去され、パルス幅Ｄ_ｓｕｂ（＝Ｄ）であって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄ（＝Ｄ_ｓｕｂ）であってスペクトル拡散符号化されたメイン光パルスとから成り、サブ光パルス上にメイン光パルスが時間的に完全に一致して重なったポンプ光Ｌ１５となって射出される。

ここで、図１３（Ｂ）や図１５（Ａ）に示すように、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合には、分布型光ファイバセンサＦＳは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）に対応するブリルアン周波数シフトを時系列データとして複数求める場合に、現時点の成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）を成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）に対応する過去のブリルアン周波数シフトに基づいて所定の関数式を用いることによって推定し、上述した前記第１ブリルアンスペクトルから前記第２ブリルアンスペクトルおよび前記第３ブリルアンスペクトルを減算した結果から、さらに前記推定結果＾Ｖ_２，１（ｔ、ν）を減算するように構成されてもよい。このように構成することによって、より高精度に検出用光ファイバ１５に作用した歪みおよび／または温度を測定することが可能となる。

このメイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合では、より正確には、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、４つの成分から構成され、式１９および式２０（式２０−１〜式２０−４）によって表される。

なお、式２０−１、式２０−２および式２０−４は、それぞれ、上述の式７−１、式７−２および式７−３と同じである。

そして、その点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、上述の式８によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、上述の式９および式１０によって表される。なお、図１７に、点広がり関数ψ（ｔ、ν）の計算例を示す。図１７（Ａ）は、点広がり関数ψ_１，１（ｔ、ν）を示し、図１７（Ｂ）は、点広がり関数ψ_１，２（ｔ、ν）を示し、図１７（Ｃ）は、点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）を示し、そして、図１７（Ｄ）は、点広がり関数ψ_２，２（ｔ、ν）を示す。

メイン光パルスとサブ光パルスから成るポンプ光と連続光のプローブ光とを検出用光ファイバ１５に入射させた場合に、Ｖ_１，１（ｔ，ν）は、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、メイン光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにメイン光パルスが散乱されて生じる成分であり、Ｖ_１，２（ｔ，ν）は、前記場合に、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、サブ光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにメイン光パルスが散乱されて生じる成分であり、Ｖ_２，１（ｔ，ν）は、前記場合に、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、メイン光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにサブ光パルスが散乱されて生じる成分であり、そして、Ｖ_２，２（ｔ，ν）は、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光のうち、サブ光パルスとプローブ光とにより励起されたフォノンにサブ光パルスが散乱されて生じる成分である。

なお、このＶ_１，１（ｔ，ν）は、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを検出用光ファイバ１５に入射させ、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づくものであり、また、Ｖ_２，２（ｔ，ν）は、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを検出用光ファイバ１５に入射させ、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象にかかる光に基づくものである。

例えば歪み区間の幅が比較的短くかつそれ以外では歪みがない場合には、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されているため、フラットなスペクトルとなり、図１４に示すように、高精度かつ高空間分解能で歪みが求められるが、より一般的には、歪みおよび／または温度を高精度かつ高空間分解能で求めるために、この成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）を考慮する必要がある。この成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）は、次のように考慮され、分布型光ファイバセンサＦＳは、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合に、より一般的に、歪みおよび／または温度を高精度かつ高空間分解能で求めること可能となる。

この成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）における点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）は、式２１のように表され、このうちのｓに関する積分は、ｔ＜０である場合には、式２２のように表される。ここで、ｔ＜０の場合には常にｔ−｜τ｜＜０であることから、メイン光パルスがスペクトル拡散（パルス圧縮）される場合には、式２２によって表される積分値は、０となる。したがって、この場合、点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）は、０に近似される。このことは、図１７（Ｃ）からも理解される。

そして、この点広がり関数ψ_２，１（ｔ、ν）がｔ≧０の範囲においてのみ０ではない値を持つことは、式２３が、ν_Ｂ（ｖ_ｇｓ／２）、ｓ≦ｔによって決定され、ν_Ｂ（ｖ_ｇｓ／２）、ｓ＞ｔには、依存しないことを意味する。このことから、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）は、時間ｔにおいて、前記時間ｔまでのブリルアン周波数シフトν_Ｂ（ｓ）、ｔ−Ｄ≦ｓ≦ｔから推定することが可能となる。すなわち、時間ｔにおけるブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の推定値は、式２４のように表され、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、式２５のように表され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の影響を略取り除くことが可能となる。

なお、上記式中において、成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の推定値は、推定値であることを表す符号“＾”をオーバラップさせた“Ｖ”で表記されている。

上述の式２４および式２５によって表される処理は、例えば、次の信号処理部によって実現される。

図１８は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）を取り除いてブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）を求めるための信号処理部の構成を示すブロック図である。図１８における添え字ｎは、時間を離散化してｔ_ｎ＝ｎ△ｔ（ｎ＝１、２、３、・・・）とした場合において、当該変数が時間ｔ_ｎにおける値であることを表す。なお、時間刻み幅△ｔは、メイン光パスルを周波数拡散する場合における前記セル幅と同程度かそれ以下に設定される。

この信号処理部４１は、例えば、図１８に示すように、減算部４１１と、ブリルアン周波数シフト推定部（ＢＦＳ推定部）４１２と、ブリルアン周波数シフト推定値記憶部（ＢＦＳ推定値記憶部）４１３と、Ｖ_２，１成分推定部４１４とを備えて構成される。信号処理部４１は、例えば歪み、圧力及び温度検出計１４にさらに搭載され、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合に利用される。信号処理部４１は、ハードウェア的に構成されてもよく、また、ソフトウェア的に構成されてもよい。ソフトウェア的に構成される場合には、信号処理部４１は、歪み、圧力及び温度検出計１４に実装されたマイクロコンピュータ上に機能的に実現される。

減算部４１１は、入力信号Ｙ_ｎ（ν）からＶ_２，１成分推定部４１４からの出力信号＾Ｖ_２、１（ｔ_ｎ−１、ν）を減算し、この減算結果Ｘ_ｎ（ν）を出力する回路である。この入力信号Ｙ_ｎ（ν）は、上述した前記第１ブリルアンスペクトルから前記第２ブリルアンスペクトルおよび前記第３ブリルアンスペクトルを減算した信号である。すなわち、入力信号Ｙ_ｎ（ν）は、観測雑音（外乱雑音）をζ（ν）とすれば、式２６のように表される。

減算部４１１から出力される減算結果Ｘ_ｎ（ν）は、観察雑音ζ（ν）や推定誤差が無ければ、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）となる。すなわち、減算部４１１から出力される減算結果Ｘ_ｎ（ν）は、観察雑音ζ（ν）や推定誤差を含んだ、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）である。

ＢＦＳ推定部４１２は、減算部４１１から出力される減算結果Ｘ_ｎ（ν）をブリルアン・ゲイン・スペクトルとして扱うことによって、減算結果Ｘ_ｎ（ν）のピーク値からブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）を求め、この求めたブリルアン周波数シフトを離散時間ｔ_ｎにおけるブリルアン周波数シフトの推定値＾ν_Ｂ，ｎとするものである。ここでは、記載の都合上、推定値であることを表す符号“＾”は、“ν”の前に記載されているが、式中では、“＾”は、“ν”にオーバラップさせて表記されている。以下、同様である。この推定では、減算結果Ｘ_ｎ（ν）のピーク付近で減算結果Ｘ_ｎ（ν）またはその対数に放物線を当てはめるようにすることによって、比較的精度よく推定することが可能となる。ＢＦＳ推定部４１２の推定結果＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎは、信号処理部４１の出力とされると共に、ＢＦＳ推定値記憶部４１３へ出力される。

ＢＦＳ推定値記憶部４１３は、ＢＦＳ推定部４１２から出力される推定結果＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎを記憶するものである。ＢＦＳ推定値記憶部４１３は、これら記憶している全てのブリルアン周波数シフトの推定値＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎをＶ_２，１成分推定部４１４へ出力する。

Ｖ_２，１成分推定部４１４は、ＢＦＳ推定値記憶部４１３に記憶されている離散時間ｔ_ｎよりも前の時間に推定されたブリルアン周波数シフトの推定結果＾ν_Ｂ，１、＾ν_Ｂ，２、＾ν_Ｂ，３、・・・、＾ν_Ｂ，ｎに基づいて、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）を推定し、この推定したＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ、ν）を減算部４１１へ出力するものである。この減算部４１１へ出力されるＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ、ν）は、減算部４１１に入力されてくる次の入力信号Ｙ_ｎ（ν）に対し、１ステップ（＝△ｔ）の時間遅れ（Ｚ^−１）が生じており、離散時刻ｔ_ｎ−１におけるＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ−１、ν）となる。より具体的には、Ｖ_２，１成分推定部４１４は、式２４を離散化した式２７を演算することによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ_２，１（ｔ、ν）の推定値＾Ｖ_２，１（ｔ、ν）を求める。

このＶ_２，１成分推定値＾Ｖ_２，１（ｔ_ｎ−１、ν）を用いると、減算部４１１の減算結果Ｘ_ｎ（ν）は、式２８のように表される。

このように構成することによって、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合において、分布型光ファイバセンサＦＳは、より高精度に検出用光ファイバ１５に生じた歪みおよび／または温度を測定することが可能となる。

図１９は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的短い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図１９（Ａ）および（Ｂ）は、図１８に示す信号処理部４１による信号処理を実行していない場合の結果を示し、図１９（Ｃ）および（Ｄ）は、図１８に示す信号処理部４１による信号処理を実行している場合の結果を示す。図１９（Ａ）および（Ｃ）は、ブリルアン周波数シフトの推定値を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表すブリルアン周波数シフト値である。図１９（Ｂ）および（Ｄ）は、その推定誤差を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表す誤差値である。ＣＲＢは、いわゆるクラメール・ラオの限界と呼ばれる理論的な性能限界であり、よい推定値ほど誤差がこの限界に近づくという性質を有している。

図１９に示す実験では、図６（Ａ）等の場合と同様に、検出用光ファイバ１５には、表１に示すように、ｚ＝１００ｃｍからｚ＝１０１ｃｍまでの第１区間、ｚ＝２００ｃｍからｚ＝２０２ｃｍまでの第２区間、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３０３ｃｍまでの第３区間、ｚ＝４００ｃｍからｚ＝４０４ｃｍまでの第４区間の各区間のそれぞれに、８０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、これ以外の箇所では歪みが与えられていない（ブリルアン周波数シフトが０である）。

図１９（Ａ）および（Ｂ）と図１９（Ｃ）および（Ｄ）とを較べて見ると分かるように、区間幅２ｃｍの第２区間および区間幅３ｃｍの第３区間において、本信号処理部４１による信号処理を実行した方がよい推定値が得られており、これら推定誤差は、略理論限界に近い。

図２０は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持つポンプ光を用いる場合であって比較的長い区間幅に歪みを与えている場合における分布型光ファイバセンサの数値実験結果を示す図である。図２０（Ａ）および（Ｂ）は、図１８に示す信号処理部４１による信号処理を実行していない場合の結果を示し、図２０（Ｃ）および（Ｄ）は、図１８に示す信号処理部４１による信号処理を実行している場合の結果を示す。図２０（Ａ）および（Ｃ）は、ブリルアン周波数シフトの推定値を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表すブリルアン周波数シフト値である。図２０（Ｂ）および（Ｄ）は、その推定誤差を示し、その横軸は、ｍ単位で表す距離であり、その縦軸は、ＭＨｚ単位で表す誤差値である。

図２０に示す実験では、検出用光ファイバ１５には、ｚ＝６０ｃｍからｚ＝８０ｃｍまでの第１１区間に１０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝１４０ｃｍからｚ＝１６０ｃｍまでの第１２区間に２０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝２２０ｃｍからｚ＝２４０ｃｍまでの第１３区間に３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３２０ｃｍまでの第１４区間に４０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、ｚ＝３８０ｃｍからｚ＝４００ｃｍまでの第１５区間に５０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する歪みが与えられ、これ以外の箇所では歪みが与えられていない（ブリルアン周波数シフトが０である）。

このような比較的長い区間幅（図２０に示す例では２０ｃｍ）である場合には、図２０（Ａ）および（Ｂ）と図２０（Ｃ）および（Ｄ）とを較べて見ると分かるように、本信号処理部４１による信号処理を実行しない場合には推定値に比較的大きな誤差が含まれているが、本信号処理部４１による信号処理を実行した場合には、推定誤差がほとんどなく、よい推定値が得られている。

また、これら図６（Ａ）、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）及び図１５（Ａ）に示す構成の光パルス（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、上述のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバ圧力センサでも、ＢＯＴＤＡの分布型光ファイバ圧力センサと同様に利用することが可能である。なお、ＢＯＴＤＲでは、上述したように、熱雑音によって励起されている音響フォノンを利用するため、サブ光パルスは、メイン光パルスに必ずしも時間的に先行する必要はない。もちろん、サブ光パルスがメイン光パルスよりも時間的に先行していてもよい。

また、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）としては、さらに、上記特許文献１に記載される階段状パルスだけでなく、以下のようなパルスを用いてもよい。

図２１は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。以下の各図の横軸は、ｎｓ単位で表す時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は、光強度である。図２１に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状（光強度Ｐが第１所定パルス幅Ｄ１間において第１所定光強度Ｐ１で一定）であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度Ｐ２の矩形形状（光強度Ｐが第２所定パルス幅Ｄ２間において第２所定光強度Ｐ２で一定）である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。

例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、７ｎｓの時間が空けられている。

図２２は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２２に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２で立ち上がって光強度Ｐが時間経過に従って徐々に減少する直角三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち上がりの光強度Ｐ２が０．００５である。

図２３は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２３（Ａ）に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで時間経過に従って徐々に増加する直角三角形状であり、そして、第１光パルスＯＰｍが第２光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち下がりの光強度Ｐ２が最大光強度であって０．００５である。

図２３（Ｂ）に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少する二等辺三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであってパルスの中央における最大光強度Ｐ２が０．００５である。

図２３（Ｃ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少するガウス曲線形状である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって最大光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、４．５ｎｓの時間が空けられている。

図２４は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２４に示す例では、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２のパルス幅及び光強度が同一であり、第１光パルスＯＰｗ１と第２光パルスＯＰｗ２との間には、所定時間が空けられている。例えば、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２は、パルス幅が１ｎｓであって、光強度が０．０６２であって、所定時間が５ｎｓである。

なお、上述の実施の形態におけるＢＯＴＤＡの分布型光ファイバ圧力センサＦＳでは、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の周波数が固定され、プローブ光（連続光）の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されたが、プローブ光の周波数が固定され、ポンプ光の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されてもよい。

また、上述の実施の形態では、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）用の分布型光ファイバ圧力センサと、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）とが一体で実行可能なように分布型光ファイバ圧力センサが構成され、又はこの一体型分布型光ファイバ圧力センサの一部を改良して、ブリルアンスペクトラム時間領域反射分析（ＢＯＴＤＲ）用の分布型光ファイバ圧力センサと、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）とが一体で実行可能なように分布型光ファイバ圧力センサが構成されたが、ブリルアンスペクトラム時間領域分析が実行可能な分布型光ファイバ圧力センサと、ブリルアンスペクトラム時間領域反射分析が実行可能な分布型光ファイバ圧力センサと、レイリー散乱現象を利用する分布型光ファイバ圧力センサとが、それぞれ別体で構成されてもよいし、一部が共用されてもよい。

また、本実施の形態の分布型光ファイバ圧力センサでは、セル幅は、任意の幅（秒）に設定することが可能である。上記の実験では、セル幅は、０．１ｎｓ（ナノ秒）に設定されたが、例えばピコ秒オーダ等のさらに短く設定することが可能である。したがって、本実施の形態の分布型光ファイバ圧力センサＦＳは、ミリメートルオーダの超高分解能を実現することが可能であり、光学部品の歪み、例えば光導波路の歪みを計測することに適用することも可能である。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施の形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施の形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

ＦＳ 分布型光ファイバ圧力センサ
１ 第１光源
２、５、８、２１、２３、３０ 光カプラ
３ 光パルス生成部
４、２２ 光スイッチ
６ 光強度・偏光調整部
７、１２ 光サーキュレータ
９、２６、２７、２８ 光コネクタ
１０ 第１自動温度制御部
１１ 第１自動周波数制御部
１３ 制御処理部
１４ 歪み、圧力及び温度検出計
１５ 検出用光ファイバ
１５１ 第１検出用光ファイバ（第１の光ファイバ）
１５２ 第２検出用光ファイバ（第２の光ファイバ）
１６ 温度検出部
１７ 基準用光ファイバ
１８ 第２自動温度制御部
１９ 第２自動周波数制御部
２０ 第２光源
２４ 光強度調整部
２５、２９、３１ １×２光スイッチ
３３ 圧力遮蔽管

Claims (5)

1. 光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバ圧力センサであって、
   第１の光ファイバと、
   内圧が略一定に保たれた圧力遮蔽管と、
   前記第１の光ファイバに沿って配設され、少なくとも一部が前記圧力遮蔽管に挿通された第２の光ファイバと、
   ブリルアン散乱現象を利用して前記第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の歪み並びに圧力及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、
   レイリー散乱現象を利用して前記第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、
   前記ブリルアン計測手段によって計測された前記第１及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測された第１及び第２の光ファイバのレイリー周波数シフト量とから、前記第１の光ファイバに作用した圧力を算出するとともに、前記第１及び第２の光ファイバに作用した軸方向の歪みと温度とを算出する算出手段とを備えることを特徴とする分布型光ファイバ圧力センサ。
2. 前記第１及び第２の光ファイバは、軸方向の歪み並びに圧力及び温度の計測範囲において計測対象に沿って直線的に敷設されていることを特徴とする請求項１記載の分布型光ファイバ圧力センサ。
3. 前記第１及び第２の光ファイバは、一端部において連設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の分布型光ファイバ圧力センサ。
4. 前記ブリルアン計測手段は、
   スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成するとともに、前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に射出されないように前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスを前記第１及び第２の光ファイバに対して射出する光パルス光源と、
   連続光を生成するとともに、前記連続光を前記第１及び第２の光ファイバに対して射出する連続光光源と、
   前記第１及び第２の光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光との間で前記第１及び第２の光ファイバにおいて生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
   前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分布型光ファイバ圧力センサ。
5. 前記ブリルアン計測手段は、
   スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成するとともに、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスを前記第１及び第２の光ファイバに対して射出する光パルス光源と、
   前記第１及び第２の光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって前記第１及び第２の光ファイバにおいて生じた前記自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
   前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分布型光ファイバ圧力センサ。