JP2011053146A - Detection cable, and monitoring system including the same - Google Patents

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JP2011053146A JP2009203826A JP2009203826A JP2011053146A JP 2011053146 A JP2011053146 A JP 2011053146A JP 2009203826 A JP2009203826 A JP 2009203826A JP 2009203826 A JP2009203826 A JP 2009203826A JP 2011053146 A JP2011053146 A JP 2011053146A
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Yoshimasu Kishida
欣増 岸田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detection cable which can detect a material to be detected always in real time for a long period, and to provide a monitoring system including the cable. <P>SOLUTION: This detection cable 2 for detecting the specific material to be detected by utilizing a Brillouin scattering phenomenon and/or a Rayleigh scattering phenomenon in optical fibers 9, 12 includes: a detection optical fiber 9; a reaction member 10 for applying a pressure and/or heat to the detection optical fiber 9 by being brought into contact with the material to be detected; and a comparison optical fiber 12 disposed along the detection optical fiber 9, whose periphery is surrounded to be in a prescribed reference state. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光ファイバを利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムに関する。   The present invention relates to a detection cable for detecting a specific substance to be detected using an optical fiber, and a monitoring system including the same.

近年、地球温暖化の原因の一つとして温室効果ガスの影響が指摘され、特に、二酸化炭素(CO)などの温室効果ガスを削減することで、地球の温暖化の進行を防ぐための取り組みが全世界的になされている。このような取り組みの一つとして、工場や発電所等から排出されるCOを地中に貯留してCO2の排出量を削減する技術(地中貯留)がCO2削減の即効性ある方法と考えられている。 In recent years, the effects of greenhouse gases have been pointed out as one of the causes of global warming, and in particular, efforts to prevent global warming by reducing greenhouse gases such as carbon dioxide (CO 2 ). Has been made worldwide. As one of such efforts, a technique for reducing CO 2 emissions by storing CO 2 emitted from factories, power plants, etc. in the ground to reduce CO 2 emissions is an effective method for reducing CO 2 emissions. It is believed that.

この地中貯留では、工場や発電所等から排出される排ガス中から特定の物質(この場合、OC)が抽出され、この特定の物質が枯渇した油田、ガス田、地中深部の塩水性帯水層等に圧入された後、圧入井が塞がれることによって特定の物質が永続的に地中に貯留される。この地中貯留の実用化においては、地中深部に貯留された特定の物質の貯留状態を監視する必要がある。具体的には、圧入された特定の物質が地中深部に貯留されているか否か(即ち、特定の物質を貯留しようとする地中深部の貯留領域において圧入された特定の物質が存在しているか)、及び貯留した特定の物質が漏れ出ていないかを監視する必要がある。 In this underground storage, a specific substance (in this case, OC 2 ) is extracted from exhaust gas discharged from a factory, power plant, etc., and this specific substance is depleted in oil fields, gas fields, and salt water in the deep underground. After being injected into an aquifer or the like, a specific substance is permanently stored in the ground by closing the injection well. In the practical use of underground storage, it is necessary to monitor the storage state of a specific substance stored in the deep underground. Specifically, whether or not a specific material that is injected is stored in the deep underground (that is, there is a specific material that is injected in a storage region in the deep underground where the specific material is to be stored). It is necessary to monitor whether or not certain stored substances are leaking.

従来、この監視方法としては、特定の物質が貯留された貯留領域における弾性波(P波)の速度と特定の物質を含まない地中領域における弾性波の速度との違いに基づき、貯留された特定の物質の存在を確認する方法が知られている。具体的には、地表面において微小地震を発生させ、その反射波(P波)を測定することにより貯留領域に特定の物質が存在しているか否かを判断していた。また、地中において特定の物質の存在する範囲を測定することにより、この範囲の変動に基づいて貯留領域からの特定の物質の漏れを判断していた。   Conventionally, this monitoring method is based on the difference between the velocity of the elastic wave (P wave) in the storage area where the specific substance is stored and the velocity of the elastic wave in the underground area not including the specific substance. A method for confirming the presence of a specific substance is known. Specifically, a microearthquake is generated on the ground surface, and the reflected wave (P wave) is measured to determine whether or not a specific substance is present in the storage region. Moreover, by measuring the range where the specific substance exists in the ground, the leakage of the specific substance from the storage area was judged based on the fluctuation of this range.

また、特許文献1に記載の監視方法も知られている。この監視方法は、図29に示されるように、中性子線を照射する中性子銃501とγ線を測定する放射線検出器502とを用い、地表面から中性子線を地中に照射し、特定の物質(この場合CO)が中性子線を照射されることで放出するγ線を測定する。そして、この測定結果を解析することにより貯留された特定の物質の存在を確認すると共に、その範囲の変動に基づき特定の物質の貯留領域からの漏れを判断していた。 A monitoring method described in Patent Document 1 is also known. As shown in FIG. 29, this monitoring method uses a neutron gun 501 that irradiates a neutron beam and a radiation detector 502 that measures γ-rays. The γ-rays emitted when (in this case CO 2 ) is irradiated with neutrons are measured. And by analyzing this measurement result, while confirming the presence of the specific substance stored, the leak of the specific substance from the storage area was judged based on the fluctuation of the range.

特開2005−127983号公報JP-A-2005-127893

しかし、上記の方法では、微小地震を常時発生させるのは困難であり、また、放射線の中でも取り扱いに最も注意を要する中性子線を常時照射し続けるのは危険な場合もあるため、地中に貯留された特定の物質を長期間(例えば、数年以上)、常時且つリアルタイムで監視することは困難であった。   However, with the above method, it is difficult to constantly generate microearthquakes, and it may be dangerous to always irradiate neutrons that require the most attention in handling radiation. It has been difficult to monitor specific substances that have been made for a long period of time (for example, several years or more) constantly and in real time.

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、長期間、常時且つリアルタイムで被検知物質を検知可能な検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムを提供することを課題とする。   Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a detection cable capable of detecting a substance to be detected for a long period of time constantly and in real time, and a monitoring system including the same.

そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象を利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブルであって、検知用光ファイバと、前記被検知物質に接することで前記検知用光ファイバに圧力及び/又は熱を加える反応部材と、前記検知用光ファイバに沿って配設される比較用光ファイバと、前記比較用光ファイバに対して外部から加わる圧力及び/又は熱を緩和するための保護部材と、を備えることを特徴とする。   Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention provides a detection cable for detecting a specific substance to be detected using the Brillouin scattering phenomenon and / or the Rayleigh scattering phenomenon in an optical fiber, A fiber, a reaction member that applies pressure and / or heat to the detection optical fiber by being in contact with the substance to be detected, a comparison optical fiber disposed along the detection optical fiber, and the comparison light And a protective member for relieving pressure and / or heat applied to the fiber from the outside.

この検知用ケーブルによれば、検知用光ファイバ及び比較用光ファイバの各光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較することで、反応部材が被検知物質と接することに起因して検知用光ファイバに加わる圧力及び/又は熱を精度よく計測することができ、これにより当該検知用ケーブルが配置された領域(監視対象領域)における被検知物質の検知を確実且つ高精度に行うことが可能となる。しかも、当該検知用ケーブルでは、両光ファイバに検査光を入射させ、その散乱光を計測することにより被検知物質の検知ができるため、検査光を両ファイバに入射させ続けることにより、被検知物質の検知を、長期間、常時且つリアルタイムに行うことが可能となる。   According to this detection cable, by comparing scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and / or the Rayleigh scattering phenomenon in each optical fiber of the detection optical fiber and the comparison optical fiber, the reaction member can be compared with the substance to be detected. It is possible to accurately measure the pressure and / or heat applied to the optical fiber for detection due to contact, thereby reliably detecting the substance to be detected in the area where the detection cable is arranged (monitoring target area). And it becomes possible to carry out with high precision. In addition, in the detection cable, since the detection target substance can be detected by making the inspection light incident on both optical fibers and measuring the scattered light, the detection target substance can be detected by keeping the inspection light incident on both fibers. It is possible to detect this in a long time, constantly and in real time.

本発明に係る検知用ケーブルにおいては、前記反応部材は、前記検知用光ファイバに沿って連続又は断続に設けられるのが好ましい。   In the detection cable according to the present invention, the reaction member is preferably provided continuously or intermittently along the detection optical fiber.

この場合、検知用光ファイバの長尺方向において、反応部材が設けられた各領域部分における被検知物質の検知が可能となる。即ち、当該検知用ケーブルでは、その長尺方向に沿って連続または断続に被検知物質の検知が可能となる。   In this case, it becomes possible to detect the substance to be detected in each region where the reaction member is provided in the longitudinal direction of the detection optical fiber. In other words, the detection cable can detect the substance to be detected continuously or intermittently along the longitudinal direction.

また、前記反応部材は、前記検知用光ファイバを周方向に覆い、前記被検知物質に接することでその体積が変化すると共に前記接した被検知物質の有する熱が前記検知用光ファイバに伝わる素材で構成されてもよい。   In addition, the reaction member covers the detection optical fiber in the circumferential direction, the volume of the reaction member is changed by coming into contact with the detected substance, and the heat of the contacted detected substance is transmitted to the detection optical fiber It may be constituted by.

この場合、反応部材が被検知物質と接することによって検知用光ファイバに圧力及び熱が加わるため、より確実に被検知物質の検知が可能となる。   In this case, since the pressure and heat are applied to the detection optical fiber when the reaction member is in contact with the detection target substance, the detection target substance can be detected more reliably.

即ち、当該検知用ケーブルでは、反応部材が被検知物質と接することでその体積が変化して検知用光ファイバに加わる圧力(周方向に覆われる反応部材によって締め付けられる力)が変化すると共に、反応部材に接した被検知物質の有する熱が検知用光ファイバに加わるため、検知用光ファイバに加わる圧力の変化と熱の変化との両方から被検知物質の検知が行われる。   That is, in the detection cable, when the reaction member comes into contact with the substance to be detected, its volume changes and the pressure applied to the detection optical fiber (force tightened by the reaction member covered in the circumferential direction) changes and Since the heat of the detected substance in contact with the member is applied to the detection optical fiber, the detected substance is detected from both the change in pressure applied to the detection optical fiber and the change in heat.

また、前記反応部材は、接する被検知物質の濃度に応じて変形するのがより好ましい。   More preferably, the reaction member is deformed according to the concentration of the substance to be detected in contact therewith.

この場合、反応部材が接した被検知物質の濃度及び温度に応じた圧力及び熱が検知用光ファイバに加わるため、各光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光同士をそれぞれ比較して検知用光ファイバに加わる圧力と熱とをそれぞれ計測することで、監視対象領域における被検知物質の濃度及び温度を精度よく検知することができる。   In this case, since pressure and heat according to the concentration and temperature of the substance to be detected in contact with the reaction member are applied to the optical fiber for detection, the scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and the Rayleigh scattering phenomenon in each optical fiber is compared. Then, by measuring the pressure and heat applied to the detection optical fiber, the concentration and temperature of the substance to be detected in the monitoring target region can be detected with high accuracy.

即ち、当該検知用ケーブルでは、接する被検知物質の濃度に応じて変形、即ち、反応部材の体積の変化量が変わるため、反応部材に接する被検知物質の濃度に応じて検知用光ファイバに加わる圧力(周方向に覆われる反応部材によって締め付けられる力)が変化すると共に、反応部材に接した被検知物質の有する熱に応じて検知用光ファイバに加わる熱が変化するため、被検知物質の濃度及び温度の両方を検知することが可能となる。   In other words, the detection cable is deformed according to the concentration of the detected substance in contact, that is, the amount of change in the volume of the reaction member changes. Therefore, the detection cable is added to the detection optical fiber according to the concentration of the detected substance in contact with the reaction member. As the pressure (force tightened by the reaction member covered in the circumferential direction) changes and the heat applied to the detection optical fiber changes according to the heat of the detection substance in contact with the reaction member, the concentration of the detection substance Both temperature and temperature can be detected.

前記検知用光ファイバと前記反応部材とを外側から一括して囲み、外側から前記検知用光ファイバ及び前記反応部材の在る内側への前記被検知物質の透過を許容する選別部材をさらに備えるのが好ましい。   A screening member that collectively surrounds the detection optical fiber and the reaction member from the outside, and that allows the detection substance to pass from the outside to the inside where the detection optical fiber and the reaction member exist; Is preferred.

この場合、選別部材がその内側へ被検知物質を選択的に透過させることにより、他の物質の反応部材との接触が抑制されると共に被検知物質の反応部材との接触が十分に確保される結果、被検知物質の検知感度が向上する。   In this case, the selection member selectively allows the substance to be detected to permeate the inside thereof, so that the contact of the other substance with the reaction member is suppressed and the contact of the substance to be detected with the reaction member is sufficiently ensured. As a result, the detection sensitivity of the substance to be detected is improved.

または、選別部材が被検知物質を選択的に透過させるため、被検知物質以外の他の物質に接しても検知用光ファイバに圧力及び/又は熱を加える素材であっても反応部材として用いることが可能となり、反応部材の素材選択の自由度が増える。   Alternatively, since the selection member selectively transmits the substance to be detected, even if it is a material that applies pressure and / or heat to the optical fiber for detection even if it is in contact with another substance other than the substance to be detected, it can be used as a reaction member. This increases the degree of freedom in selecting the reaction member material.

前記反応部材を加熱又は加圧可能な除去手段をさらに備え、前記反応部材は、前記被検知物質と接することで当該被検知物質を吸収又は吸着する一方、前記除去手段によって加熱又は加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着するのが好ましい。   The reaction member further includes a removing unit capable of heating or pressurizing the reaction member, and the reaction member absorbs or adsorbs the detected substance by being in contact with the detected substance, and is heated or pressurized by the removing unit. Thus, it is preferable to release or desorb the substance to be detected that has been absorbed or adsorbed.

この場合、定期的又は任意間隔で除去手段によって反応部材に吸収又は吸着された被検知物質を当該反応部材から放出又は脱着させることにより、監視対象領域における被検知物質の経時的な変化の検知が容易になる。   In this case, the detected substance absorbed or adsorbed on the reaction member by the removing means at regular or arbitrary intervals is released from or desorbed from the reaction member, so that the change in the detected substance over time in the monitoring target region can be detected. It becomes easy.

前記除去手段は、内部に流体が流通され、この液体が加熱されることで径方向に膨張して前記反応部材を加圧する加圧管を有し、前記反応部材は、前記加圧管によって加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着してもよい。   The removing means includes a pressurizing tube that circulates fluid inside and expands in a radial direction when the liquid is heated to pressurize the reaction member, and the reaction member is pressurized by the pressurization tube. Thus, the substance to be detected that has been absorbed or adsorbed may be released or desorbed.

この場合、除去手段を簡素な構成とすることができる。しかも、簡素な構成とすることによって、メンテナンス性が向上すると共に長期間の被検知物質の検知に耐えうる十分な耐久性の確保が可能となる。   In this case, the removal means can have a simple configuration. In addition, with a simple configuration, maintainability is improved, and sufficient durability that can withstand detection of a substance to be detected for a long time can be secured.

加圧管が配置される場合、少なくとも、前記検知用光ファイバ、前記反応部材、前記比較用光ファイバ、前記保護部材、及び前記加圧管を外側から一括して囲むケーブルシースをさらに備え、前記ケーブルシースは、その外側と内側とを連通して前記被検知物質の通過を許容する連通部を有するのがより好ましい。   When the pressurizing tube is disposed, the cable sheath further includes at least the detection optical fiber, the reaction member, the comparison optical fiber, the protection member, and a cable sheath that collectively surrounds the pressurization tube from the outside. It is more preferable to have a communication part that allows the detected substance to pass through by communicating the outside and the inside.

このようにケーブルシースによって囲まれることで、加圧管の膨張による圧力が外に逃げずに効率よく反応部材に伝達される。しかも、外側から一括して囲まれることで、検知用光ファイバ、反応部材、比較用光ファイバ、保護部材、及び加圧管がケーブルシースにより保護されると共に、連通部により検知用ケーブル周辺の被特定物質のケーブルシース内への自由な浸入が許容されているため、ケーブルシースによりその周囲を囲まれていても反応部材と被検知物質との接触が十分に確保される。   By being surrounded by the cable sheath in this way, the pressure due to the expansion of the pressurizing tube is efficiently transmitted to the reaction member without escaping outside. In addition, the detection optical fiber, the reaction member, the comparison optical fiber, the protection member, and the pressure tube are protected by the cable sheath by being collectively surrounded from the outside, and the area around the detection cable is specified by the communication portion. Since free entry of the substance into the cable sheath is allowed, contact between the reaction member and the substance to be detected is sufficiently ensured even if the periphery is surrounded by the cable sheath.

前記保護部材は、前記比較用光ファイバの周囲を囲む保護パイプであるのが好ましい。   The protective member is preferably a protective pipe that surrounds the comparison optical fiber.

この場合、簡素な構成によって外部から加わる圧力及び/熱から比較用光ファイバを保護することができる。しかも、簡素な構成とすることによって、メンテナンス性が向上すると共に長期間の被検知物質の検知に耐えうる十分な耐久性の確保が可能となる。   In this case, the comparative optical fiber can be protected from pressure and / or heat applied from the outside with a simple configuration. In addition, with a simple configuration, maintainability is improved, and sufficient durability that can withstand detection of a substance to be detected for a long time can be secured.

前記検知用光ファイバに沿って延び、表面に複数の螺旋状の溝を有するスロットをさらに備え、異なる前記溝に前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバがそれぞれ収容されるのが好ましい。   It is preferable that the optical fiber further includes a slot extending along the detection optical fiber and having a plurality of spiral grooves on the surface, and the detection optical fiber and the comparison optical fiber are accommodated in different grooves.

この場合、検知用光ファイバと比較用光ファイバとの相対位置が固定されるため、各光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較し易くなる。しかも、スロットに溝が螺旋状に設けられ、この溝に検知用光ファイバ及び比較用光ファイバがそれぞれ収容されることにより、検知用ケーブルの屈曲に起因する各光ファイバの損傷が防止される。   In this case, since the relative positions of the detection optical fiber and the comparison optical fiber are fixed, it becomes easy to compare the scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and / or the Rayleigh scattering phenomenon in each optical fiber. In addition, a groove is provided in the slot in a spiral shape, and the detection optical fiber and the comparison optical fiber are accommodated in the groove, so that damage to each optical fiber due to the bending of the detection cable is prevented.

また、上記課題を解消すべく、本発明は、光ファイバを用いて特定の被検知物質を監視する監視システムであって、上記のいずれかの検知用ケーブルと、前記検知用ケーブルの検知用光ファイバ及び比較用光ファイバに検査光をそれぞれ入射させる光源と、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内において前記検査光により生じるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象に基づく散乱光をそれぞれ計測する計測手段と、前記計測手段により計測された前記検知用光ファイバ内における前記散乱光と前記比較用光ファイバ内における前記散乱光とに基づき前記被検知物質を検出する算出手段と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above problem, the present invention is a monitoring system that monitors a specific substance to be detected using an optical fiber, and includes any one of the detection cables described above and the detection light of the detection cables. A light source for injecting inspection light into the fiber and the comparison optical fiber, and scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and / or the Rayleigh scattering phenomenon caused by the inspection light in the detection optical fiber and the comparison optical fiber, respectively. Measuring means for measuring, and calculating means for detecting the substance to be detected based on the scattered light in the optical fiber for detection measured by the measuring means and the scattered light in the optical fiber for comparison. It is characterized by that.

この監視システムによれば、監視対象領域に配設した検知用ケーブルの各光ファイバ内に入射させた検査光により生じるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較することで、反応部材が被検知物質と接することに起因して検知用光ファイバに加わる圧力及び/又は熱を精度よく計測することができ、これにより監視対象領域における被検知物質の確実且つ高精度の検知が可能となり、この検知結果に基づいて被検知物質の確実且つ高精度の監視が可能となる。しかも、当該検知用ケーブルの両光ファイバに検査光を入射させ、その散乱光を計測することにより被検知物質の監視ができるため、検査光を両ファイバに入射させ続けることにより、被検知物質の監視を、長期間、常時且つリアルタイムに行うことが可能となる。   According to this monitoring system, by comparing the scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and / or the Rayleigh scattering phenomenon generated by the inspection light incident in each optical fiber of the detection cable disposed in the monitoring target region, It is possible to accurately measure the pressure and / or heat applied to the detection optical fiber due to the reaction member coming into contact with the detected substance, and this enables reliable and highly accurate detection of the detected substance in the monitoring target region. It becomes possible, and based on this detection result, it is possible to monitor the substance to be detected reliably and with high accuracy. Moreover, since the test substance can be monitored by making the test light incident on both optical fibers of the detection cable and measuring the scattered light, the test light can be monitored by continuing to make the test light incident on both fibers. Monitoring can be performed constantly and in real time for a long time.

前記計測手段は、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるブリルアン周波数シフト量を導出するブリルアン計測部と、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるレイリー散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるレイリー周波数シフト量を導出するレイリー計測部とを有し、前記算出手段は、前記ブリルアン計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるレイリー周波数シフト量とに基づき、前記検知用光ファイバ周辺の長尺方向における前記被検知物質の濃度分布及び温度分布を算出可能に構成されるのが好ましい。   The measurement means includes a Brillouin measurement unit for deriving a Brillouin frequency shift amount due to pressure and heat applied to each optical fiber by using a Brillouin scattering phenomenon in the detection optical fiber and the comparison optical fiber, and the detection A Rayleigh measurement unit for deriving a Rayleigh frequency shift amount due to pressure and heat applied to each optical fiber using the Rayleigh scattering phenomenon in the optical fiber for comparison and in the comparative optical fiber, and the calculation means includes the Brillouin frequency shift amount in the detection optical fiber and the comparison optical fiber derived by the Brillouin measurement unit, and Rayleigh frequency shift amount in the detection optical fiber and the comparison optical fiber derived by the Rayleigh measurement unit, Based on the above, the length around the optical fiber for detection Preferably, the is configured to calculate the concentration distribution and temperature distribution of the detected material in countercurrent.

この場合、検知用ケーブル周辺の長尺方向における各領域部分の被検知物質の濃度及び温度を同時に且つ独立して高空間分解能で検知可能となるため、検知用ケーブル周辺の長尺方向における被検知物質の分布を監視することが可能となる。   In this case, since the concentration and temperature of the substance to be detected in each region in the longitudinal direction around the detection cable can be detected simultaneously and independently with high spatial resolution, the detection in the longitudinal direction around the detection cable is possible. It becomes possible to monitor the distribution of substances.

即ち、ブリルアン散乱現象を利用して各光ファイバ内に生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して各光ファイバ内に生じた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ことで、2つの周波数シフト量を用いて各光ファイバに生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、これにより検知用ケーブル周辺の長尺方向における被検知物質の濃度分布及び温度分布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。   That is, the Brillouin frequency shift due to strain and temperature generated in each optical fiber is measured using the Brillouin scattering phenomenon, and the Rayleigh frequency shift due to strain and temperature generated in each optical fiber using the Rayleigh scattering phenomenon. By measuring the amount, the strain and temperature generated in each optical fiber can be calculated simultaneously and independently using the two frequency shift amounts, thereby detecting the length in the longitudinal direction around the detection cable. The concentration distribution and temperature distribution of the substance can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution.

前記ブリルアン計測部は、前記各光ファイバ中を伝播する光の移動時間に基づいて定まる実測位置と、前記各光ファイバの伸縮に伴って前記実測位置からずれる当該光ファイバ上の計測希望位置とに関する補正量を導出すると共に、この補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量を導出し、前記レイリー計測部は、前記ブリルアン計測部により導出された補正量を用いて前記レイリー周波数シフト量を導出するのが好ましい。   The Brillouin measurement unit relates to an actual measurement position determined based on a travel time of light propagating through each optical fiber, and a measurement desired position on the optical fiber that deviates from the actual measurement position as the optical fibers expand and contract. A correction amount is derived, and the Brillouin frequency shift amount is derived using the correction amount, and the Rayleigh measurement unit derives the Rayleigh frequency shift amount using the correction amount derived by the Brillouin measurement unit. Is preferred.

この場合、検知用ケーブルが長く、あるいは検知用ケーブルにおける温度変化や歪み変化が大きくても、検知用ケーブル周辺の長尺方向における各領域部分の被検知物質を精度よく検知することができ、これにより監視者から離れた検知対象領域であっても被検知物質の監視を精度よく行うことができる。   In this case, even if the detection cable is long, or the temperature change and distortion change in the detection cable are large, the substance to be detected in each region in the longitudinal direction around the detection cable can be accurately detected. As a result, the substance to be detected can be monitored accurately even in the detection target area away from the monitor.

即ち、検知用ケーブル内の各光ファイバにおける外力や温度変化による伸縮等が大きく、これにより実際に計測されるブリルアン後方散乱光の生じた光ファイバ中の位置(実測位置)と、ブリルアン周波数シフト量の導出のためにブリルアン後方散乱光の計測値を得たい光ファイバにおける位置(計測希望位置)とのずれが大きくても、このずれに関する補正量を前記ブリルアン後方散乱光から導出し、この補正量を用いることで、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を精度よく導出することができる。しかも、補正量を利用して実測位置とこの実測位置に対応する計測希望位置とのずれを補正することにより、ずれの影響を受け易いレイリー周波数シフト量を確実に導出することができる。   That is, the expansion / contraction due to the external force and temperature change in each optical fiber in the detection cable is large, and the position in the optical fiber where the Brillouin backscattered light actually measured is generated (measured position) and the Brillouin frequency shift amount. Even if there is a large deviation from the position (desired measurement position) in the optical fiber where the measurement value of the Brillouin backscattered light is desired to be derived, a correction amount relating to this deviation is derived from the Brillouin backscattered light, and this correction amount Can be used to accurately derive the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount. In addition, by correcting the deviation between the actual measurement position and the measurement desired position corresponding to this actual measurement position using the correction amount, it is possible to reliably derive the Rayleigh frequency shift amount that is easily affected by the deviation.

その結果、検知用ケーブル周辺の長尺方向における各領域部分の被検知物質の濃度分布及び温度分布の両方を高精度且つ高空間分解能で計測することができる。   As a result, it is possible to measure both the concentration distribution and temperature distribution of the substance to be detected in each region in the longitudinal direction around the detection cable with high accuracy and high spatial resolution.

以上より、本発明によれば、長期間、常時且つリアルタイムで被検知物質を検知可能な検知用ケーブル、及びこれを備えた監視システムを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a detection cable capable of detecting a substance to be detected for a long period of time, in real time, and a monitoring system including the same.

第1実施形態に係る監視システムの設置状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the installation state of the monitoring system which concerns on 1st Embodiment. 前記監視システムの検知用ケーブルを示す図であって、(A)は拡大横断面図であり、(B)は正面図である。It is a figure which shows the cable for a detection of the said monitoring system, Comprising: (A) is an expanded cross-sectional view, (B) is a front view. 前記検知用ケーブルにおけるセンサーファイバ部の一部破断斜視図である。It is a partially broken perspective view of a sensor fiber portion in the detection cable. 前記監視システムの監視装置本体のブロック図である。It is a block diagram of the monitoring apparatus main body of the monitoring system. 前記監視装置本体における光ファイバが接続された状態の検知用計測手段及び比較用計測手段の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the measurement means for a detection of the state in which the optical fiber in the said monitoring apparatus main body was connected, and the measurement means for a comparison. 実測位置と計測希望位置との関係を説明する図であって、(A)は参照状態の光ファイバにおける実測位置と計測希望位置との関係を示し、(B)は参照状態の光ファイバに外力が加わった状態の実測位置と計測希望位置との関係を示す図である。It is a figure explaining the relationship between an actual measurement position and a measurement desired position, Comprising: (A) shows the relationship between the actual measurement position in a reference state optical fiber, and a measurement desired position, (B) is an external force to the optical fiber in a reference state. It is a figure which shows the relationship between the actual measurement position of the state which added, and the measurement desired position. 図5に示す検知用計測手段及び比較用計測手段の動作を説明するための検知用計測手段及び比較用計測手段の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the measurement means for a detection for demonstrating operation | movement of the measurement means for a detection shown in FIG. 5, and the measurement means for a comparison. 前記監視システムでの監視動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the monitoring operation | movement in the said monitoring system. 図5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。It is a figure for demonstrating the structure and operation | movement of an optical pulse production | generation part shown in FIG. (A)はポンプ光(サブ光パルス及びメイン光パルス)の構成を説明し、(B)は整合フィルタを説明するための図である。(A) explains the configuration of pump light (sub light pulse and main light pulse), and (B) is a diagram for explaining a matched filter. 図5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って、(A)は、パルス光の波長を示し、(B)はパルス光の波形を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of pulsed light emitted from the optical pulse generation unit illustrated in FIG. 5, where (A) illustrates the wavelength of the pulsed light and (B) illustrates the waveform of the pulsed light. 補正量の導出方法の一例を示す図であって、(A)は参照領域と補正領域とを示し、(B)は参照領域内の波形と各補正領域内の波形との相関関係を示す図である。It is a figure which shows an example of the derivation | leading-out method of correction amount, Comprising: (A) shows a reference area and a correction area, (B) shows the correlation with the waveform in a reference area, and the waveform in each correction area. It is. 中間に異種ファイバが接続された検知用光ファイバの長尺方向における各位置でのブリルアンスペクトルのピーク周波数を示す図である。It is a figure which shows the peak frequency of the Brillouin spectrum in each position in the elongate direction of the optical fiber for detection to which the different kind fiber was connected in the middle. 前記検知用計測手段又は比較用計測手段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り、(A)は光ファイバに歪みがある場合と無い場合とのレイリースペクトルを示し、(B)は歪みがある場合と無い場合との相関関係係数を示し、(C)は歪みがある場合と無い場合との一方のレイリースペクトルの波形を移動させて重ね合わせた図である。It is a figure which shows an example of the Rayleigh frequency shift amount measured by the said measuring means for a detection, or the measuring means for a comparison, (A) shows the Rayleigh spectrum with and without an optical fiber, (B) Indicates correlation coefficients between when there is distortion and when there is distortion, and (C) is a diagram in which the waveform of one Rayleigh spectrum with and without distortion is moved and superimposed. 第1実施形態に係る監視システムの設置状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the installation state of the monitoring system which concerns on 1st Embodiment. 前記監視システムの監視装置本体における光ファイバが接続された状態の検知用計測手段及び比較用計測手段の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the measurement means for a detection in the state which the optical fiber in the monitoring apparatus main body of the said monitoring system was connected, and the measurement means for a comparison. 図16に示す検知用計測手段及び比較用計測手段の動作を説明するための検知用計測手段及び比較用計測手段の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the measurement means for a detection for demonstrating operation | movement of the measurement means for a detection shown in FIG. 16, and the measurement means for a comparison. 図5及び図16に示す検知用計測手段及び比較用計測手段をBOTDRに構成した場合における検知用計測手段及び比較用計測手段の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the measurement means for a detection in case the measurement means for a detection shown in FIG.5 and FIG.16 and the measurement means for a comparison are comprised in BOTDR, and a measurement means for a comparison. 狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図であって、(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、(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。It is a figure for demonstrating a narrow line | wire width optical bandpass filter, Comprising: (A) is a block diagram which shows the structure of a narrow line | wire width optical bandpass filter, (B) thru | or (D) are narrow line | wire widths. It is a figure for demonstrating operation | movement of an optical band pass filter. 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って、(A)は、第1乃至第3ブリルアンスペクトルを示し、(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図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a method for obtaining a Brillouin frequency shift by subtracting components from the whole, wherein (A) shows first to third Brillouin spectra, and (B) shows second and second Brillouin spectra from the whole. It is a figure which shows the result of subtracting a 3rd Brillouin spectrum. 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。It is a figure for demonstrating the other structure of pump light (a sub light pulse and a main light pulse). 図21(B)に示す構成のポンプ光を用いた場合における検知用計測手段及び比較用計測手段の実験結果を示す図であって、(A)はブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、(B)はブリルアン周波数シフトを示す。It is a figure which shows the experimental result of the measurement means for a detection in the case of using the pump light of the structure shown to FIG. 21 (B), and a comparison measurement means, Comprising: (A) shows a Brillouin gain spectrum, (B) Indicates Brillouin frequency shift. 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。It is a figure for demonstrating the further another structure and matching filter of pump light (a sub light pulse and a main light pulse). 図23(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。It is a figure for demonstrating the structure and operation | movement of an optical pulse production | generation part for producing | generating the pump light of the structure shown to FIG. 23 (A). 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。It is a figure which shows the waveform of the sub light pulse of another example, and the main light pulse. 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。It is a figure which shows the waveform of the sub light pulse of another example, and the main light pulse. 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。It is a figure which shows the waveform of the sub light pulse of another example, and the main light pulse. 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。It is a figure which shows the waveform of the sub light pulse of another example, and the main light pulse. 地中貯留されたCOの従来の監視方法を説明するための図である。Conventional monitoring methods underground pooled CO 2 is a diagram for explaining the.

以下、本発明の第1実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本実施形態に係る監視システムは、図1に示されるように、地中に貯留されたCO(被検知物質)を監視するシステムである。具体的に、監視システム1は、地中の貯留層R(本実施形態では、例えば地下深部塩水層)におけるCOの存在、COの貯留量、貯留されているCOの状態、貯留されたCOの貯留層Rからの漏れを監視し、検知用ケーブル2と監視装置本体3とを備える。 As shown in FIG. 1, the monitoring system according to the present embodiment is a system that monitors CO 2 (substance to be detected) stored in the ground. Specifically, the monitoring system 1 includes the presence of CO 2 in the underground reservoir R (in this embodiment, for example, a deep underground saline layer), the amount of CO 2 stored, the state of stored CO 2 , and storage. The leakage of CO 2 from the reservoir R is monitored, and a detection cable 2 and a monitoring device body 3 are provided.

検知用ケーブル2は、COの監視を行う監視対象領域(本実施形態では、地中)に配設され、COを検知するためのセンサーとして用いられるケーブルである。この検知用ケーブル2は、図2(A)にも示されるように、センサーファイバ部4と、比較ファイバ部5と、加圧管6と、これらセンサーファイバ部4、比較ファイバ部5及び加圧管6を外側から囲むケーブルシース(cable sheath)7と、ケーブルシース7内におけるセンサーファイバ部4、比較ファイバ部5及び加圧管6のそれぞれの位置決めを行うスロット8とを備える。 Detection cable 2 (in the present embodiment, the ground) monitored region for monitoring CO 2 is disposed in a cable used as a sensor for detecting the CO 2. As shown in FIG. 2A, the detection cable 2 includes a sensor fiber portion 4, a comparison fiber portion 5, a pressurizing tube 6, and the sensor fiber portion 4, the comparative fiber portion 5 and the pressurizing tube 6. A cable sheath 7 that surrounds the cable sheath 7 from the outside, and a slot 8 that positions the sensor fiber portion 4, the comparison fiber portion 5, and the pressure tube 6 in the cable sheath 7.

センサーファイバ部4は、図3にも示されるように、検知用光ファイバ9と、反応部材10と、ゲート部材(選別部材)11とを有する。これら検知用光ファイバ9と、反応部材10と、ゲート部材11とは、検知用光ファイバ9を中心にして、それぞれが同軸となるように外側に向かって順に反応部材10、ゲート部材11が配置される。   As shown in FIG. 3, the sensor fiber portion 4 includes a detection optical fiber 9, a reaction member 10, and a gate member (selection member) 11. The detection optical fiber 9, the reaction member 10, and the gate member 11 are arranged with the reaction member 10 and the gate member 11 in order from the detection optical fiber 9 so as to be coaxial with each other. Is done.

反応部材10は、特定の被検知物質(本実施形態ではCO)に接することで検知用光ファイバ9に圧力を加える部材である。この反応部材10は、検知用光ファイバ9に沿って設けられる。また、反応部材10は、検知用光ファイバ9を周方向に覆う。この反応部材10は、COに接することでその体積が変化すると共に、接したCOの有する熱が検知用光ファイバ9に伝わる素材で構成される。 The reaction member 10 is a member that applies pressure to the detection optical fiber 9 by being in contact with a specific substance to be detected (CO 2 in this embodiment). The reaction member 10 is provided along the detection optical fiber 9. The reaction member 10 covers the detection optical fiber 9 in the circumferential direction. The reaction member 10 is made of a material that changes its volume when it comes into contact with CO 2 and transmits heat of the CO 2 in contact with the detection optical fiber 9.

具体的に、反応部材10は、COと接することでこのCOを吸収して変形する。即ち、反応部材10のCOと接した部位は、このCOを吸収して当該部位の体積が変化する(大きくなる)。このように反応部材10がCOと接して体積が大きくなると、この反応部材10によって周方向に覆われている検知用光ファイバ9が反応部材10によって締め付けられ、即ち、検知用光ファイバ9に対して径方向中心に向かって圧力が加わり、これにより検知用光ファイバ9には変形や歪、伸びが生じる。この反応部材10の体積の変化量は、反応部材10が接するCOの濃度に応じて変化する。即ち、接するCOの濃度が高いと吸収するCOの量が多いため反応部材10における体積の変化量が大きく(即ち、反応部材10による検知用光ファイバ9の締め付けが強くなり)、濃度が低いと吸収するCOの量が少ないため体積の変化量が小さい(即ち、反応部材10による検知用光ファイバ9の締め付けがゆるい)。 Specifically, the reaction member 10 is deformed to absorb the CO 2 by contacting the CO 2. That is, site CO 2 and contact of the reaction member 10, the volume of the site (larger) varies by absorbing the CO 2. Thus, when the reaction member 10 comes into contact with CO 2 and the volume increases, the detection optical fiber 9 covered in the circumferential direction by the reaction member 10 is tightened by the reaction member 10, that is, the detection optical fiber 9 is attached to the detection optical fiber 9. On the other hand, pressure is applied toward the center in the radial direction, which causes deformation, distortion, and elongation in the detection optical fiber 9. The amount of change in the volume of the reaction member 10 varies depending on the concentration of CO 2 with which the reaction member 10 is in contact. That is, when the concentration of CO 2 in contact is high, the amount of CO 2 absorbed is large, so that the amount of change in volume in the reaction member 10 is large (that is, tightening of the detection optical fiber 9 by the reaction member 10 becomes strong), and the concentration is high. If it is low, the amount of CO 2 to be absorbed is small, so the amount of change in volume is small (that is, the detection optical fiber 9 is loosely tightened by the reaction member 10).

また、反応部材10は、圧力が加えられることで吸収したCOを放出する。本実施形態の反応部材10は、加圧管6とスロット8とを有する除去手段reにより圧力が加えられ、これにより吸収したCOを放出する。 In addition, the reaction member 10 releases the absorbed CO 2 when pressure is applied. The reaction member 10 of the present embodiment is pressurized by the removing means re having the pressurizing tube 6 and the slot 8, and thereby releases the absorbed CO 2 .

尚、本実施形態では、反応部材10が圧力を加えられることで吸収したCOを放出するため、検知用ケーブル2に除去手段reが設けられているが、反応部材10が、その周囲のCO濃度の変動に応じてCOを吸収・放出してその体積が変動する場合には、検知用ケーブル2に除去手段reを設けなくてもよい。 In this embodiment, since the reaction member 10 releases CO 2 absorbed when pressure is applied, the detection cable 2 is provided with a removing means re. In the case where the volume of CO 2 is absorbed and released in accordance with the fluctuation of the two concentrations and the volume thereof fluctuates, it is not necessary to provide the removing means re in the detection cable 2.

また、反応部材10は、COと接することで温度が変化する(例えば、発熱する)素材により構成されてもよい。この場合、反応部材10がCOと接することで検知用光ファイバ9に熱が加えられ、この熱による検知用光ファイバ9の温度変化を検出することでCOの検知が可能となる。このような素材が反応部材10に用いられた場合も、接するCOの濃度に応じて発熱量が変動する素材が好ましい。 Further, the reaction member 10 may be made of a material that changes in temperature (for example, generates heat) by being in contact with CO 2 . In this case, the reaction member 10 is CO 2 and that heat is applied to the sensing optical fiber 9 in contact, it is possible to detect the CO 2 by detecting the temperature change of the sensing optical fiber 9 by the heat. Even when such a material is used for the reaction member 10, a material whose calorific value varies according to the concentration of CO 2 in contact with the reaction member 10 is preferable.

ゲート部材11は、検知用光ファイバ9と反応部材10とを外側から一括して囲み、外側(径方向外側)から内側(径方向内側、即ち、検知用光ファイバ9及び反応部材10の在る側)へのCOの透過を許容する部材である。 The gate member 11 collectively surrounds the detection optical fiber 9 and the reaction member 10 from the outside, and from the outside (radially outside) to the inside (diameter inside, that is, the detection optical fiber 9 and the reaction member 10 are present. This is a member that allows permeation of CO 2 to the side).

具体的に、ゲート部材11は、周方向に反応部材10で覆われた検知用光ファイバ9を反応部材10のさらに外側から周方向に覆う(図3参照)。このゲート部材11は、外側から内側へのCOの透過および内側から外側へのCOの透過を許容する一方、他の物質(分子)の透過を阻止する。即ち、ゲート部材11は、周囲(外側)に存在する複数の物質のうちからCOのみを選択的に反応部材10側に透過させる。これにより反応部材10は、他の物質との接触が抑制されると共にCOとの十分な接触が確保される。 Specifically, the gate member 11 covers the detection optical fiber 9 covered with the reaction member 10 in the circumferential direction from the outer side of the reaction member 10 in the circumferential direction (see FIG. 3). This gate member 11 allows permeation of CO 2 from outside to inside and permeation of CO 2 from inside to outside, while blocking permeation of other substances (molecules). That is, the gate member 11 selectively transmits only CO 2 to the reaction member 10 side from among a plurality of substances existing around (outside). As a result, the reaction member 10 is prevented from coming into contact with other substances, and sufficient contact with CO 2 is ensured.

比較ファイバ部5は、センサーファイバ部4に沿って配設され、比較用光ファイバ12と、その周囲を囲う保護パイプ(保護部材)13と、を有する。本実施形態では、保護パイプ13として金属管が用いられる。この比較ファイバ部5では、比較用光ファイバ12の周囲が金属管13で囲まれることにより、検知用ケーブル2が監視対象領域に配設され検知用ケーブル2周辺のCO(被検知物質)の状態(濃度や温度等)が変動しても、比較用光ファイバ12の周囲が所定の参照状態に保たれる。本実施形態の比較ファイバ部5は、いわゆる金属管被覆光ファイバ(FIMT:Fiber In Metal Tube)により構成されている。 The comparison fiber portion 5 is disposed along the sensor fiber portion 4 and includes a comparison optical fiber 12 and a protection pipe (protection member) 13 surrounding the periphery. In the present embodiment, a metal pipe is used as the protective pipe 13. In the comparison fiber portion 5, the periphery of the comparison optical fiber 12 is surrounded by a metal tube 13, so that the detection cable 2 is disposed in the monitoring target region and the CO 2 (substance to be detected) around the detection cable 2 is detected. Even if the state (concentration, temperature, etc.) fluctuates, the periphery of the comparison optical fiber 12 is maintained in a predetermined reference state. The comparison fiber portion 5 of the present embodiment is configured by a so-called metal tube coated optical fiber (FIMT: Fiber In Metal Tube).

加圧管6は、内部に液体(本実施形態では水)が密封された管体であり、密封された液体が加熱されて熱膨張することにより当該加圧管6も径方向に膨らむように構成される。   The pressurizing tube 6 is a tube body in which a liquid (water in the present embodiment) is sealed, and is configured so that the pressurized tube 6 also expands in the radial direction when the sealed liquid is heated and thermally expanded. The

ケーブルシース7は、センサーファイバ部4、比較ファイバ部5及び加圧管6を内部に収納する管体である。ケーブルシース7は、金属製の管体で、感知部14と非感知部15とを有する。感知部14は、周壁に内部と外部とを連通する連通部14aが設けられた部位である。本実施形態の感知部14には、複数の孔(連通部)14a,14a,…が螺旋状に並ぶように設けられている(図2(B)参照)。尚、感知部14に設けられる連通部14aの具体的構成は限定されず、本実施形態のように丸孔でもよく、異形の孔やスリット等でもよい。即ち、感知部14は、ケーブルシース7の外側周辺に存在する物質(本実施形態では、COやCOを含む物質(例えば、塩水や原油等))がケーブルシース7の内側に自由に出入りできる構成であればよい。これに対し、非感知部15は、ケーブルシース7において連通部14aを有しない部位、即ち、ケーブルシース7の外側周辺に存在する物質が内側に自由に出入りできないように構成される部位である。 The cable sheath 7 is a tube body that houses the sensor fiber portion 4, the comparison fiber portion 5, and the pressure tube 6. The cable sheath 7 is a metal tube and includes a sensing unit 14 and a non-sensing unit 15. The sensing unit 14 is a part provided on the peripheral wall with a communication unit 14a that communicates the inside and the outside. In the sensing unit 14 of the present embodiment, a plurality of holes (communication portions) 14a, 14a,... Are provided so as to be arranged in a spiral shape (see FIG. 2B). The specific configuration of the communication portion 14a provided in the sensing portion 14 is not limited, and may be a round hole as in the present embodiment, an irregularly shaped hole, a slit, or the like. That is, the sensing unit 14 freely enters and exits the inside of the cable sheath 7 by a substance existing in the outer periphery of the cable sheath 7 (in this embodiment, a substance containing CO 2 or CO 2 (for example, salt water or crude oil)). Any configuration can be used. On the other hand, the non-sensing part 15 is a part that does not have the communication part 14a in the cable sheath 7, that is, a part that is configured so that substances existing around the outside of the cable sheath 7 cannot freely enter and exit inside.

本実施形態のケーブルシース7は、先端側(図2(B)における下側)に1つの感知部14を有する。しかし、ケーブルシース7は、この構成に限定されず、例えば、ケーブルシース7の長尺方向において、感知部14を中間位置に有していてもよく、複数箇所に有していてもよい。また、ケーブルシース7は、長尺方向の全域が感知部14により構成されてもよい(即ち、非感知部15がなくてもよい)。   The cable sheath 7 of the present embodiment has one sensing portion 14 on the distal end side (lower side in FIG. 2B). However, the cable sheath 7 is not limited to this configuration. For example, in the longitudinal direction of the cable sheath 7, the sensing unit 14 may be provided at an intermediate position or may be provided at a plurality of locations. The cable sheath 7 may be configured by the sensing unit 14 in the entire length direction (that is, the non-sensing unit 15 may not be provided).

スロット8は、ケーブルシース7の内径に対応する外径を有する長尺体であり、表面には溝8aが設けられている。この溝8aは、径方向中心に向かって凹むU溝であり、検知用ケーブル2の屈曲に対応できるよう、スロットの長尺方向に螺旋状に刻設されている。本実施形態のスロット8は、アルミニウム又はポリテトラフルオロエチレンで形成されている。溝8aは、センサーファイバ部4、比較ファイバ部5および加圧管6がそれぞれ嵌入できるように3本設けられている。この溝8aは、スロット8の長尺方向に螺旋状に刻設されている。溝8aにセンサーファイバ部4、比較ファイバ部5および加圧管6がそれぞれ嵌入された状態でスロット8がケーブルシース7に挿入されることにより、ケーブルシース7内でセンサーファイバ部4、比較ファイバ部5および加圧管6が位置決めされる。   The slot 8 is a long body having an outer diameter corresponding to the inner diameter of the cable sheath 7, and a groove 8 a is provided on the surface. The groove 8a is a U groove that is recessed toward the center in the radial direction, and is spirally engraved in the longitudinal direction of the slot so as to be able to cope with the bending of the detection cable 2. The slot 8 of this embodiment is made of aluminum or polytetrafluoroethylene. Three grooves 8a are provided so that the sensor fiber part 4, the comparison fiber part 5, and the pressure tube 6 can be fitted respectively. The groove 8 a is engraved in a spiral shape in the longitudinal direction of the slot 8. The slot 8 is inserted into the cable sheath 7 with the sensor fiber portion 4, the comparison fiber portion 5, and the pressure tube 6 inserted in the groove 8 a, so that the sensor fiber portion 4 and the comparison fiber portion 5 are within the cable sheath 7. And the pressure tube 6 is positioned.

このように構成されるスロット8および前記の加圧管6は、除去手段reを構成する。この除去手段reは、反応部材10に圧力を加える手段である。具体的に、除去手段reは、以下のようにして反応部材10に圧力を加える。   The slot 8 configured as described above and the pressurizing tube 6 constitute a removing means re. The removing unit re is a unit that applies pressure to the reaction member 10. Specifically, the removing unit re applies pressure to the reaction member 10 as follows.

先ず、監視装置本体3の加熱手段23(図4参照)により加圧管6内に密封された液体が加熱されて熱膨張し、加圧管6が径方向に膨らむ。この膨らみにより、加圧管6が嵌め込まれたスロット8の溝8aが押し広げられる。スロット8は、その周囲を金属製のケーブルシース7により囲まれているため、加圧管6から受けた力(溝8aを押し広げた力)を外部へ逃すことができず、当該スロット8を伝って加圧管6の嵌め込まれた溝8aと異なる溝8aに嵌め込まれたセンサーファイバ部4や比較ファイバ部5に伝える。これにより、センサーファイバ部4(詳細には反応部材10)に圧力が加わり、反応部材10は吸収したCOを放出する。 First, the liquid sealed in the pressurizing tube 6 is heated and thermally expanded by the heating means 23 (see FIG. 4) of the monitoring device main body 3, and the pressurizing tube 6 expands in the radial direction. By this swelling, the groove 8a of the slot 8 in which the pressurizing tube 6 is fitted is pushed and expanded. Since the slot 8 is surrounded by a metal cable sheath 7, the force received from the pressure tube 6 (the force that spreads the groove 8 a) cannot be released to the outside, and is transmitted through the slot 8. Then, it is transmitted to the sensor fiber portion 4 and the comparison fiber portion 5 that are fitted in the groove 8a different from the groove 8a in which the pressurizing tube 6 is fitted. Thereby, a pressure is applied to the sensor fiber portion 4 (specifically, the reaction member 10), and the reaction member 10 releases the absorbed CO 2 .

本実施形態において、ケーブルシース7は、内径が2.8cm、外径が3.2cmのSUS製の管体である。また、検知用光ファイバ9及び比較用光ファイバ12は、それぞれ直径が0.155cmの光ファイバである。また、金属管13は、内径が0.44cm、外径が0.84のSUS製の管体である。   In the present embodiment, the cable sheath 7 is a SUS tube having an inner diameter of 2.8 cm and an outer diameter of 3.2 cm. The detection optical fiber 9 and the comparison optical fiber 12 are each an optical fiber having a diameter of 0.155 cm. The metal tube 13 is a SUS tube having an inner diameter of 0.44 cm and an outer diameter of 0.84.

監視装置本体3は、図4にも示すように、検知用計測手段20と比較用計測手段21と比較算出手段22と加熱手段23と制御手段24とを備える。この監視装置本体3には、検知用ケーブル2を当該監視装置本体3に接続するための接続部cが設けられている。本実施形態の監視装置本体3には複数本の検知用ケーブル2,2,…が接続される。監視装置本体3は、検知用計測手段20、比較用計測手段21、比較算出手段22及び加熱手段23を一つのユニットとし、接続可能な検知用ケーブル2の本数に対応する数の前記ユニットを備える。また、この監視装置本体3にはモニター(表示手段)26が接続される。尚、本実施形態の監視装置本体3では、表示手段26が別に設けられているが、監視装置本体3に一体に設けられてもよい。また、表示手段26は、CRT表示装置のように画像による表示を行う表示手段に限定されず、XYプロッタやプリンタ等のように印字等によって表示する手段であってもよい。   As shown in FIG. 4, the monitoring apparatus main body 3 includes a detection measuring unit 20, a comparative measuring unit 21, a comparison calculating unit 22, a heating unit 23, and a control unit 24. The monitoring device main body 3 is provided with a connection portion c for connecting the detection cable 2 to the monitoring device main body 3. A plurality of detection cables 2, 2,... Are connected to the monitoring apparatus main body 3 of the present embodiment. The monitoring device body 3 includes the detection measuring means 20, the comparison measuring means 21, the comparison calculating means 22 and the heating means 23 as one unit, and includes the number of units corresponding to the number of connectable detection cables 2. . A monitor (display means) 26 is connected to the monitoring device main body 3. In the monitoring apparatus main body 3 of the present embodiment, the display means 26 is provided separately, but may be provided integrally with the monitoring apparatus main body 3. The display unit 26 is not limited to a display unit that displays an image as in a CRT display device, and may be a unit that displays by printing such as an XY plotter or a printer.

検知用計測手段20は、検知用ケーブル2のセンサーファイバ部4の光ファイバ(検知用光ファイバ)9に光学的に接続され、この光ファイバ9内における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を計測するものである。比較用計測手段21は、検知用ケーブル2の比較ファイバ部5の光ファイバ(比較用光ファイバ)12に光学的に接続され、この光ファイバ12内における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を計測するものである。これら検知用計測手段20と比較用計測手段21とは、同一の構成であるため、以下では検知用計測手段20についてのみ、図5も参照しつつ詳細に説明し、比較用計測手段21の説明を省略する。尚、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。   The detection measurement means 20 is optically connected to the optical fiber (detection optical fiber) 9 of the sensor fiber portion 4 of the detection cable 2 and measures the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount in the optical fiber 9. To do. The comparison measurement means 21 is optically connected to the optical fiber (comparison optical fiber) 12 of the comparison fiber portion 5 of the detection cable 2 and measures the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount in the optical fiber 12. To do. Since the detection measurement means 20 and the comparison measurement means 21 have the same configuration, only the detection measurement means 20 will be described in detail below with reference to FIG. Is omitted. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.

検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)は、検知用ケーブル2のセンサーファイバ部4の検知用光ファイバ9(又は比較ファイバ部5の比較用光ファイバ12)に検査光(ポンプ光及びプローブ光)を入射させる光源101、120と、検知用光ファイバ9内において検査光により生じるブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光を計測する計測手段とを有する。具体的に、検知用計測手段20は、第1光源101と、光カプラ102、105、108、121、123、130と、光パルス生成部103と、光スイッチ104、122と、光強度・偏光調整部106と、光サーキュレータ107、112と、光コネクタ109、127、128と、第1自動温度制御部(以下、「第1ATC」と略記する。)110と、第1自動周波数制御部(以下、「第1AFC」と略記する。)111と、制御処理部113と、歪み及び温度検出計114と、温度検出部116と、基準用光ファイバ117と、第2自動温度制御部(以下、「第2ATC」と略記する。)118と、第2自動周波数制御部(以下、「第2AFC」と略記する。)119と、第2光源120と、光強度調整部124と、1×2光スイッチ129、131とを備える。   The detection measuring means 20 (or the comparison measuring means 21) is configured to inject inspection light (pump light and Light sources 101 and 120 for injecting probe light) and measuring means for measuring scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and the Rayleigh scattering phenomenon caused by the inspection light in the detection optical fiber 9. Specifically, the measuring means for detection 20 includes a first light source 101, optical couplers 102, 105, 108, 121, 123, 130, an optical pulse generator 103, optical switches 104, 122, and light intensity / polarization. Adjustment unit 106, optical circulators 107 and 112, optical connectors 109, 127 and 128, a first automatic temperature control unit (hereinafter abbreviated as “first ATC”) 110, and a first automatic frequency control unit (hereinafter referred to as “first automatic frequency control unit”). , Abbreviated as “first AFC”) 111, control processing unit 113, strain and temperature detector 114, temperature detection unit 116, reference optical fiber 117, and second automatic temperature control unit (hereinafter “ 118, a second automatic frequency control unit (hereinafter abbreviated as “second AFC”) 119, a second light source 120, a light intensity adjustment unit 124, and a 1 × 2 light switch. And a 129, 131.

第1及び第2光源101、120は、それぞれ、第1及び第2ATC110、118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2AFC111、119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101の出力端子(射出端子)は、光カプラ102の入力端子(入射端子)に光学的に接続される。第2光源120の出力端子(射出端子)は、光カプラ121の入力端子(入射端子)に光学的に接続される。   The first and second light sources 101 and 120 are held substantially constant at a predetermined temperature preset by the first and second ATCs 110 and 118, respectively, and a predetermined frequency preset by the first and second AFCs 111 and 119, respectively. Is a light source device that generates and emits continuous light of a predetermined frequency by being held substantially constant. The output terminal (emission terminal) of the first light source 101 is optically connected to the input terminal (incident terminal) of the optical coupler 102. The output terminal (emission terminal) of the second light source 120 is optically connected to the input terminal (incident terminal) of the optical coupler 121.

第1及び第2光源101、120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。   Each of the first and second light sources 101 and 120 is, for example, a light emitting element, a temperature detecting element (for example, a thermistor) that detects the temperature of the light emitting element, and a rear side of the light emitting element. One light branched by an optical coupler (for example, a half mirror) that receives back light emitted from the light and splits it into two passes through a Fabry-Perot etalon filter (Fabry-perotetalon Filter) that is a periodic filter. A first light receiving element for receiving light, a second light receiving element for receiving the other light branched by the optical coupler, a temperature adjusting element, the light emitting element, the temperature detecting element, the optical coupler, the first and second light receiving elements, a fabric And a substrate on which a Perot etalon filter and a temperature adjusting element are disposed.

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101は、周波数可変光源としても機能する。   The light emitting element is an element that emits light of a predetermined frequency with a narrow line width and can change an oscillation wavelength (oscillation frequency) by changing an element temperature or a drive current. For example, a multi-quantum well structure DFB laser And a tunable semiconductor laser (frequency tunable semiconductor laser) such as a tunable wavelength distribution Bragg reflection laser. Therefore, the first light source 101 also functions as a frequency variable light source.

第1及び第2光源101、120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2ATC110、118へそれぞれ出力する。第1及び第2光源101、120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2AFC111、119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。   Each temperature detection element in the first and second light sources 101 and 120 outputs each detected temperature to the first and second ATCs 110 and 118, respectively. The first and second light receiving elements in the first and second light sources 101 and 120 are provided with photoelectric conversion elements such as photodiodes, for example, and each light receiving output corresponding to each light receiving light intensity is output to the first and second AFCs 111 and 119, respectively. To do. The temperature adjustment element is a component that adjusts the temperature of the substrate by generating heat and absorbing heat, and includes, for example, a thermoelectric conversion element such as a Peltier element or a Seebeck element.

第1及び第2ATC110、118は、それぞれ、制御処理部113の制御に従って、第1及び第2光源101、120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101、120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。   The first and second ATCs 110 and 118 respectively control the temperature adjustment elements based on the detection temperatures of the temperature detection elements in the first and second light sources 101 and 120 according to the control of the control processing unit 113, respectively. This circuit automatically keeps the temperature of each substrate at a predetermined temperature substantially constant. As a result, the temperature of each light emitting element in the first and second light sources 101 and 120 is automatically kept substantially constant at a predetermined temperature. For this reason, when the frequency of the light emitted from the light emitting element has temperature dependency, the temperature dependency is suppressed.

第1及び第2AFC111、119は、それぞれ、制御処理部113の制御に従って、第1及び第2光源101、120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。   The first and second AFCs 111 and 119 respectively control the light emitting elements based on the light reception outputs of the first and second light receiving elements in the first and second light sources 101 and 120 according to the control of the control processing unit 113, respectively. Thus, the frequency of the light emitted from each light emitting element is automatically kept substantially constant at a predetermined frequency, or is swept within a predetermined frequency range.

第1及び第2光源101、120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2AFC111、119とは、第1及び第2光源101、120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。   The optical coupler, the Fabry-Perot etalon filter, the first and second light receiving elements, and the first and second AFCs 111 and 119 in the first and second light sources 101 and 120 are the light emitting elements in the first and second light sources 101 and 120, respectively. So-called wavelength lockers that substantially fix the wavelength (frequency) of the emitted light are configured.

光カプラ102、105、121、123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108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130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102、105、121、123、108、130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。   The optical couplers 102, 105, 121, and 123 are optical components that distribute incident light incident from one input terminal into two lights and emit them to two output terminals, respectively. The optical coupler 108 emits incident light incident from one input terminal of the two input terminals from one output terminal, and transmits incident light incident from the other input terminal from the output terminal. It is an optical component to be emitted. The optical coupler 130 is an optical component that couples two incident lights incident from two input terminals and emits them from the two output terminals. The optical couplers 102, 105, 121, 123, 108, and 130 are, for example, micro optical element type optical branch couplers such as half mirrors, fused fiber optical fiber type optical branch couplers, optical waveguide type optical branch couplers, and the like. Can be used.

光カプラ102の一方の出力端子は、光パルス生成部103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131の入力端子に光学的に接続される。光カプラ105の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部106の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計114の入力端子に光学的に接続される。光カプラ121の一方の出力端子は、光スイッチ122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128を介して基準用光ファイバ117の他方端に光学的に接続される。光カプラ123の一方の出力端子は、光強度調整部124の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計114の入力端子に光学的に接続される。光カプラ108の一方の入力端子は、光サーキュレータ107の第2端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、光強度調整部124の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、監視装置本体3の接続部cにおいて光コネクタ109を介して検知用ケーブル2における検知用光ファイバ9の一方端に光学的に接続される。光カプラ130の一方の入力端子は、1×2光スイッチ131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129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、歪み及び温度検出計114の入力端子に光学的に接続される。   One output terminal of the optical coupler 102 is optically connected to the input terminal of the optical pulse generator 103, and the other output terminal is optically connected to the input terminal of the 1 × 2 optical switch 131. One output terminal of the optical coupler 105 is optically connected to the input terminal of the light intensity / polarization adjustment unit 106, and the other output terminal is optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 114. One output terminal of the optical coupler 121 is optically connected to the input terminal of the optical switch 122, and the other output terminal is optically connected to the other end of the reference optical fiber 117 via the optical connector 128. . One output terminal of the optical coupler 123 is optically connected to the input terminal of the light intensity adjusting unit 124, and the other output terminal is optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 114. One input terminal of the optical coupler 108 is optically connected to the second terminal of the optical circulator 107, the other input terminal is optically connected to the output terminal of the light intensity adjusting unit 124, and the output terminal is monitored. Optically connected to one end of the detection optical fiber 9 in the detection cable 2 via the optical connector 109 at the connection portion c of the apparatus main body 3. One input terminal of the optical coupler 130 is optically connected to the other output terminal of the 1 × 2 optical switch 131, and the other input terminal is optically connected to one output terminal of the 1 × 2 optical switch 129. The two output terminals are optically connected to the input terminals of the strain and temperature detector 114.

光パルス生成部103は、第1光源101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。   The optical pulse generator 103 is a device that receives continuous light emitted from the first light source 101 and generates main light pulses and sub light pulses as pump light from the continuous light. The main light pulse is an optical pulse using a spread spectrum method. Examples of the spread spectrum method include a frequency chirp method that changes the frequency, a phase modulation method that modulates the phase, and a hybrid method that combines the frequency chirp method and the phase modulation method.

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。   Examples of the frequency chirp method include a method of changing the frequency monotonously, for example, linearly. Examples of the phase modulation method include a method of modulating the phase using a PN sequence. The PN sequence is a pseudo-random number sequence, and examples of the PN sequence include an M sequence (maximal-length sequences) and a Gold sequence. The M series can be generated by a circuit including a plurality of shift registers and a logic circuit that feeds back a logical combination of each state in each of the plurality of stages to the shift register. In addition, the Gold sequence is defined as M, Mj generated by n-order primitive polynomials F1 (x) and F2 (x), where 0 is -1 and 1 is +1. Can be generated by the product Mi · Mj. Also, a Golay code sequence can be used as a phase modulation type pseudo-random number sequence. This Golay code sequence has an excellent characteristic that the side lobe of the autocorrelation function is strictly zero. The sub light pulse is an unmodulated unmodulated light pulse, the maximum light intensity of which is equal to or less than the light intensity of the main light pulse, and the pulse width is sufficiently longer than the lifetime of the acoustic phonon.

そして、光パルス生成部103は、制御処理部113の制御に従って、本実施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知用光ファイバ9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103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。   In the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) of the present embodiment, the optical pulse generator 103 detects the optical fiber 9 for detection before the sub optical pulse in time in the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) of this embodiment. The sub light pulse and the main light pulse are generated so as not to be incident on the light beam. The sub light pulse and the main light pulse as pump light generated by the light pulse generation unit 103 will be described later.

光スイッチ104、122は、制御処理部113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104、122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104、122には、制御処理部113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104の出力端子は、光カプラ105の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ122の出力端子は、光カプラ123の入力端子に光学的に接続される。   The optical switches 104 and 122 are optical components that turn on / off light between the input terminal and the output terminal according to the control of the control processing unit 113. When on, light is transmitted, and when off, light is blocked. In the present embodiment, the optical switches 104 and 122 use a light intensity modulator that modulates the light intensity of incident light, such as an MZ light modulator or a semiconductor electroabsorption optical modulator. The optical switches 104 and 122 include a driver circuit that is controlled by the control processing unit 113 and drives the light intensity modulator. This driver circuit is, for example, a DC power source that generates a DC voltage signal for turning off the light intensity modulator in a normal state, and a pulse generator that generates a voltage pulse for turning on the light intensity modulator that is normally turned off. And a timing generator for controlling the generation timing of the voltage pulse. The output terminal of the optical switch 104 is optically connected to the input terminal of the optical coupler 105. The output terminal of the optical switch 122 is optically connected to the input terminal of the optical coupler 123.

光強度・偏光調整部106は、制御処理部113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106の出力端子は、光サーキュレータ107の第1端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部106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106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。   The light intensity / polarization adjusting unit 106 is a component that is controlled by the control processing unit 113 and adjusts the light intensity of incident light, and randomly changes the polarization plane of incident light and emits the light. The output terminal of the light intensity / polarization adjusting unit 106 is optically connected to the first terminal of the optical circulator 107. For example, the light intensity / polarization adjusting unit 106 attenuates the light intensity of the incident light and emits the light, and changes the amount of attenuation, and changes the polarization plane of the incident light at random. And a polarization controller that can be configured. The light intensity / polarization adjustment unit 106 is commonly used for measurement of stimulated Brillouin scattered light and Rayleigh backscattered light, and randomly changes the polarization plane of the light.

光サーキュレータ107、112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107の第1端子は、光強度・偏光調整部106の出力端子に光学的に接続され、第2端子は、光カプラ108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129の入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ112の第1端子は、1×2光スイッチ131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127を介して基準用光ファイバ117の一方端に光学的に接続され、第3端子は、歪み及び温度検出計114の入力端子に光学的に接続される。   The optical circulators 107 and 112 are irreversible optical components in which incident light and outgoing light have a cyclic relationship with their terminal numbers. That is, the light incident on the first terminal is emitted from the second terminal and is not emitted from the third terminal, and the light incident on the second terminal is emitted from the third terminal and the first terminal. The light which is not emitted from the first terminal but is incident on the third terminal is emitted from the first terminal and is not emitted from the second terminal. The first terminal of the optical circulator 107 is optically connected to the output terminal of the light intensity / polarization adjustment unit 106, the second terminal is optically connected to one input terminal of the optical coupler 108, and the third terminal is It is optically connected to the input terminal of the 1 × 2 optical switch 129. The first terminal of the optical circulator 112 is optically connected to one output terminal of the 1 × 2 optical switch 131, and the second terminal is optically connected to one end of the reference optical fiber 117 via the optical connector 127. The third terminal is optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 114.

光コネクタ109、127、128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。   The optical connectors 109, 127, and 128 are optical components that optically connect optical fibers or optical components and optical fibers.

光強度調整部124は、制御処理部113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124の出力端子は、光カプラ108の他方の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部124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124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、検知用計測手段20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120への伝播を防止する役割を果たす。   The light intensity adjusting unit 124 is a component that is controlled by the control processing unit 113 and adjusts the light intensity of incident light and emits the light. The output terminal of the light intensity adjusting unit 124 is optically connected to the other input terminal of the optical coupler 108. The light intensity adjustment unit 124 includes, for example, a variable optical attenuator that attenuates and emits light intensity of incident light, and an optical isolator that transmits light only in one direction from the input terminal to the output terminal. The incident light incident on the light intensity adjusting unit 124 is emitted through an optical isolator after the light intensity is adjusted to a predetermined light intensity by an optical variable attenuator. This optical isolator plays a role of preventing the propagation of reflected light generated at the connection part of each optical component in the measuring means 20 for detection and the propagation of the sub light pulse and the main light pulse to the second light source 120.

1×2光スイッチ129、131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。   The 1 × 2 optical switches 129 and 131 are 1-input 2-output optical switches that emit light from one of the two output terminals by switching the optical path, for example, A mechanical optical switch, an optical waveguide switch, or the like is used.

1×2光スイッチ129の一方の出力端子は、光カプラ130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、歪み及び温度検出計114に光学的に接続される。制御処理部113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及び温度検出計114へ入射されるように、1×2光スイッチ129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130の他方の入力端子へ入射されるように、1×2光スイッチ129が切り換えられる。   One output terminal of the 1 × 2 optical switch 129 is optically connected to the other input terminal of the optical coupler 130, and the other output terminal is optically connected to the strain and temperature detector 114. When operating in the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) mode according to the control (or manual) of the control processing unit 113, the light incident from the input terminal is incident on the strain and temperature detector 114. When the 1 × 2 optical switch 129 is switched to operate as a coherent optical pulse tester (COTDR) using the Rayleigh scattering phenomenon, light incident from the input terminal is incident on the other input terminal of the optical coupler 130. Thus, the 1 × 2 optical switch 129 is switched.

1×2光スイッチ131の一方の出力端子は、光サーキュレータ112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130の一方の入力端子に光学的に接続される。制御処理部113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112へ入射されるように、1×2光スイッチ131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130の一方の入力端子へ入射されるように、1×2光スイッチ131が切り換えられる。   One output terminal of the 1 × 2 optical switch 131 is optically connected to the first terminal of the optical circulator 112, and the other output terminal is optically connected to one input terminal of the optical coupler 130. When operating in the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) mode according to the control (or manual) of the control processing unit 113, 1 × 2 so that the light incident from the input terminal enters the optical circulator 112. When the optical switch 131 is switched to operate as a coherent optical pulse tester (COTDR) using the Rayleigh scattering phenomenon, the light incident from the input terminal is incident on one input terminal of the optical coupler 130. The 1 × 2 optical switch 131 is switched.

ここで、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9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、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出され、また、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。   Here, in the detection optical fiber 9 of the detection cable 2, in BOTDA, the sub light pulse, the main light pulse, and the continuous light are incident, the light subjected to the action of the stimulated Brillouin scattering phenomenon is emitted, and the Rayleigh When utilizing the scattering phenomenon, pulsed light is incident and light subjected to the effect of the Rayleigh scattering phenomenon is emitted.

基準用光ファイバ117は、第1及び第2光源101、120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117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。   The reference optical fiber 117 is an optical fiber used to adjust the frequency of each light emitted from the first and second light sources 101 and 120, and the first and second light causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon. The optical fiber has a known relationship between the frequency difference in the light and the light intensity of light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon. Further, the reference optical fiber 117 may be used for adjustment of light used for measurement of Rayleigh backscattered light.

温度検出部116は、基準用光ファイバ117の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部113へ出力する。   The temperature detection unit 116 is a circuit that detects the temperature of the reference optical fiber 117, and outputs the detected temperature to the control processing unit 113.

歪み及び温度検出計114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、コンピュータ(CPU)及びメモリ等を備えて構成される。歪み及び温度検出計114は、制御処理部113と信号を入出力することによって、検知用計測手段20の各部を制御する。歪み及び温度検出計114は、光コネクタ127及び光サーキュレータ112を介して入力端子に入射された、基準用光ファイバ117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113へ出力する。   The strain and temperature detector 114 includes a light receiving element, an optical switch, an amplifier circuit, an analog / digital converter, a signal processing circuit, a spectrum analyzer, a computer (CPU), a memory, and the like. The strain and temperature detector 114 controls each part of the measuring means 20 for detection by inputting and outputting signals to and from the control processing unit 113. The strain and temperature detector 114 obtains the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the reference optical fiber 117, which is incident on the input terminal via the optical connector 127 and the optical circulator 112, and the obtained light. The intensity is output to the control processing unit 113.

また、歪み及び温度検出計114は、制御処理部113と信号を入出力することによって、検知用計測手段20の各部を制御し、1×2光スイッチ129は、光サーキュレータ107と歪み及び温度検出計114とを接続し、誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、歪み及び温度検出計114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。歪み及び温度検出計114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、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9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。   Further, the strain and temperature detector 114 controls each part of the measurement means 20 by inputting / outputting signals to / from the control processing unit 113, and the 1 × 2 optical switch 129 is connected to the optical circulator 107 and detects strain and temperature. The light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is incident on a light receiving element having one input terminal for stimulated Brillouin scattered light in the strain and temperature detector 114. The strain and temperature detector 114 is connected to a light receiving element for stimulated Brillouin scattered light by an internal switch and an amplifier circuit, and detects light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon received at a predetermined sampling interval. The Brillouin spectrum of each region portion of the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 of the cable 2 is obtained, and the Brillouin frequency shift amount of each region portion is calculated based on the obtained Brillouin spectrum of each region portion. Ask for each.

また、歪み及び温度検出計114は、制御処理部113と信号を入出力することによって、検知用計測手段20の各部を制御し、1×2光スイッチ129は、光サーキュレータ107と光カプラ130とを接続し、レイリー後方散乱現象に係る光が、光カプラ130を介して歪み及び温度検出計114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。歪み及び温度検出計114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、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9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。   The strain and temperature detector 114 inputs and outputs signals to and from the control processing unit 113 to control each unit of the detection measuring unit 20. The 1 × 2 optical switch 129 includes the optical circulator 107, the optical coupler 130, and the like. Are connected to each other, and light related to the Rayleigh backscattering phenomenon is incident on a light receiving element having two input terminals for Rayleigh backscattered light in the strain and temperature detector 114 via the optical coupler 130. The strain and temperature detector 114 is connected to a light receiving element for Rayleigh backscattered light and an amplifier circuit by an internal switch, and detects light related to the Rayleigh backscattering phenomenon received at a predetermined sampling interval. The Rayleigh spectrum of each region portion of the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 of the cable 2 is obtained, and the Rayleigh frequency shift amount of each region portion is calculated based on the obtained Rayleigh spectrum of each region portion. Ask for each.

また、歪み及び温度検出計114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、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9の歪み分布及び温度分布を同時に且つ独立して検出する。   Further, the strain and temperature detector 114 simultaneously and independently calculates the strain distribution and the temperature distribution of the detection optical fiber 9 of the detection cable 2 from the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount obtained as described above. To detect.

また、歪み及び温度検出計114は、監視対象領域に検知用ケーブル2が配設された後、この領域内でのCOの監視を開始する前の状態(参照状態)の検知用光ファイバ9からの誘導ブリルアン散乱現象に係る光が歪み及び温度検出計114内の誘導ブリルアン散乱光用の受光素子に入射されると、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、検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9の各領域部分(実測位置)のブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。そして、歪み及び温度検出計114は、この求めた各領域部分(実測位置)のブリルアンスペクトルから、そのピークに対応する周波数(参照ピーク周波数)をそれぞれ求め、この求めた各領域部分(実測位置)の参照ピーク周波数をメモリに格納する。 Further, the strain and temperature detector 114 has the detection optical fiber 9 in a state (reference state) before the start of monitoring of CO 2 in this region after the detection cable 2 is disposed in the region to be monitored. When the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is incident on the light receiving element for the stimulated Brillouin scattered light in the temperature detector 114, the light receiving element for the stimulated Brillouin scattered light and the amplifier circuit are connected by an internal switch. The Brillouin spectrum of each region portion (measured position) of the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 is detected by detecting the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon received at a predetermined sampling interval. Ask. Then, the strain and temperature detector 114 obtains a frequency (reference peak frequency) corresponding to the peak from the Brillouin spectrum of each obtained area portion (measured position), and each obtained area portion (measured position) Is stored in the memory.

また、歪み及び温度検出計114は、参照状態の検知用光ファイバ9からのレイリー後方散乱現象に係る光が歪み及び温度検出計114内のレイリー後方散乱光用の受光素子に入射されると、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、検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9の各領域部分(実測位置)のレイリースペクトル(参照レイリースペクトル)をそれぞれ求める。そして、歪み及び温度検出計114は、この求めた各領域部分(実測位置)の参照レイリースペクトルをメモリに格納する。   Further, when the light related to the Rayleigh backscattering phenomenon from the detection optical fiber 9 in the reference state is incident on the light receiving element for Rayleigh backscattered light in the strain and temperature detector 114, the strain and temperature detector 114, A light receiving element for Rayleigh backscattered light and an amplifier circuit are connected by an internal switch, and light related to the Rayleigh backscattering phenomenon received at a predetermined sampling interval is detected, whereby the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction is detected. The Rayleigh spectrum (reference Rayleigh spectrum) of each region portion (measured position) of the detection optical fiber 9 is obtained. Then, the strain and temperature detector 114 stores the obtained reference Rayleigh spectrum of each region (measured position) in a memory.

また、歪み及び温度検出計114は、CPUにおいて、メモリに格納されている各実測位置の参照ピーク周波数と、検知用ケーブル2によって監視対象領域でのCOの検知を行っている状態(監視状態)の検知用光ファイバ9における前記各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数とから補正量を導出する。 The strain and temperature detector 114 is a state in which the CPU detects CO 2 in the monitoring target region by using the reference peak frequency of each actual measurement position stored in the memory and the detection cable 2 in the CPU (monitoring state). The correction amount is derived from the peak frequency of the Brillouin spectrum obtained from the Brillouin backscattered light from the respective measured positions in the detection optical fiber 9).

ここで、補正量、実測位置及び計測希望位置について説明する。図6は、実測位置と計測希望位置との関係を説明するための図である。図6(A)は、参照状態の検知用光ファイバ9を示し、図6(B)は、参照状態の検知用光ファイバ9に外力が加わった状態を示す図である。   Here, the correction amount, the actual measurement position, and the measurement desired position will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the actual measurement position and the measurement desired position. FIG. 6A shows the detection optical fiber 9 in the reference state, and FIG. 6B shows a state in which an external force is applied to the detection optical fiber 9 in the reference state.

補正量は、実測位置とこの実測位置に対応する計測希望位置とのずれを補正し、実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られたブリルアンスペクトルのピーク周波数に基づき計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数を推定するときに用いられる。また、補正量は、実測位置からのレイリー後方散乱光から得られたレイリースペクトルから計測希望位置からのレイリー後方散乱光から得られたレイリースペクトルを推定するときに用いられる。   The correction amount corrects the deviation between the actual measurement position and the desired measurement position corresponding to this actual measurement position, and based on the Brillouin spectrum peak frequency obtained from the Brillouin backscattered light from the actual measurement position, the Brillouin backscatter from the measurement desired position It is used when estimating the peak frequency of the Brillouin spectrum obtained from light. The correction amount is used when estimating the Rayleigh spectrum obtained from the Rayleigh backscattered light from the measurement desired position from the Rayleigh spectrum obtained from the Rayleigh backscattered light from the actual measurement position.

実測位置とは、上記のように検知用計測手段20により、検知用光ファイバ9の長尺方向において実際にブリルアンスペクトルやレイリースペクトルが計測される位置である(図6(A)及び図6(B)の黒丸点参照)。本実施形態では、例えば、検知用光ファイバ9において一方端から5cm間隔で並ぶ位置である。当該検知用計測手段20では、光が検知用光ファイバ9中を伝播する時間に基づいてブリルアン後方散乱光を計測するが、検知用光ファイバ9が伸縮しても当該検知用光ファイバ9中を伝播する光の速度は変化しないため、前記時間に基づいて計測される前記ブリルアン後方散乱光が生じた検知用光ファイバ9中の実測位置は、当該検知用光ファイバ9が伸縮しても変化(移動)しない(図6(B)の黒丸参照)。即ち、監視装置本体3に接続された端部である検知用光ファイバ9の一方端から各実測位置までの距離は、当該検知用光ファイバ9の伸縮に関わらず一定となる。   The actual measurement position is a position where the Brillouin spectrum or the Rayleigh spectrum is actually measured in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 by the detection measurement means 20 as described above (FIG. 6A and FIG. 6). (See the black dot in B)). In the present embodiment, for example, in the detection optical fiber 9, the positions are arranged at intervals of 5 cm from one end. The detection measuring means 20 measures the Brillouin backscattered light based on the time during which light propagates through the detection optical fiber 9. Even if the detection optical fiber 9 expands and contracts, the detection measurement means 20 passes through the detection optical fiber 9. Since the speed of the propagating light does not change, the measured position in the detection optical fiber 9 where the Brillouin backscattered light measured based on the time is changed even if the detection optical fiber 9 expands or contracts ( Do not move) (see black circle in FIG. 6B). That is, the distance from one end of the detection optical fiber 9, which is the end connected to the monitoring apparatus main body 3, to each measured position is constant regardless of the expansion and contraction of the detection optical fiber 9.

これに対し、計測希望位置とは、検知用光ファイバ9上に設定された位置であり、参照状態において実測位置と重なる位置である(図6(A)及び図6(B)の点線参照)。この計測希望位置は、検知用光ファイバ9上の位置であるため、検知用光ファイバ9の歪(伸縮)に伴って実測位置からずれる(図6(B)の破線参照)。即ち、監視装置本体3に接続された端部である検知用光ファイバ9の一方端から各計測希望位置までの距離は、当該検知用光ファイバ9の伸縮に伴って変わる。   On the other hand, the measurement desired position is a position set on the detection optical fiber 9 and is a position that overlaps the actual measurement position in the reference state (see the dotted lines in FIGS. 6A and 6B). . Since this desired measurement position is a position on the detection optical fiber 9, it shifts from the actual measurement position along with the distortion (expansion / contraction) of the detection optical fiber 9 (see the broken line in FIG. 6B). That is, the distance from one end of the detection optical fiber 9, which is the end connected to the monitoring apparatus main body 3, to each measurement desired position changes as the detection optical fiber 9 expands and contracts.

歪み及び温度検出計114は、上記の補正量を利用して監視状態の検知用光ファイバ9における各実測位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数から、各実測位置に対応する計測希望位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数を推定する。また、歪み及び温度検出計114は、上記の補正量を利用して監視状態の検知用光ファイバ9における各実測位置のレイリースペクトから、各実測位置に対応する計測希望位置のレイリースペクトルを推定する。   The strain and temperature detector 114 uses the above correction amount to calculate the peak of the Brillouin spectrum at the measurement desired position corresponding to each measured position from the peak frequency of the Brillouin spectrum at each measured position in the detection optical fiber 9 in the monitoring state. Estimate the frequency. Further, the strain and temperature detector 114 estimates the Rayleigh spectrum of the measurement desired position corresponding to each measured position from the Rayleigh spectrum of each measured position in the monitoring optical fiber 9 in the monitoring state by using the above correction amount. .

歪み及び温度検出計114は、各実測位置の参照ピーク周波数と、各実測位置に対応する計測希望位置のピーク周波数とに基づいてブリルアン周波数シフト量Δνbを導出(計測)する。また、歪み及び温度検出計114は、各実測位置の参照レイリースペクトルと、各実測位置に対応する計測希望位置のレイリースペクトルとに基づいてレイリー周波数シフト量Δνrを導出(計測)する。   The strain and temperature detector 114 derives (measures) the Brillouin frequency shift amount Δνb based on the reference peak frequency at each actual measurement position and the peak frequency at the measurement desired position corresponding to each actual measurement position. Further, the strain and temperature detector 114 derives (measures) the Rayleigh frequency shift amount Δνr based on the reference Rayleigh spectrum at each actual measurement position and the Rayleigh spectrum at the measurement desired position corresponding to each actual measurement position.

歪み及び温度検出計114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。   Each incident light incident from each input terminal of the strain and temperature detector 114 is converted into an electric signal corresponding to the amount of received light by a light receiving element that performs photoelectric conversion. Incident light incident as light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is directly detected by being converted into an electric signal by a light receiving element, filtered by a matched filter, converted to a digital electric signal by an analog / digital converter, Used to determine Brillouin spectrum. Incident light incident as light related to the Rayleigh backscattering phenomenon is directly detected by being converted into an electric signal by a light receiving circuit, filtered by a matched filter, converted to a digital electric signal by an analog / digital converter, Used to determine the Rayleigh spectrum. Further, if necessary, the electric signal is amplified by the amplifier circuit before being digitally converted.

制御処理部113は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9の歪み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格納するメモリ等を備える。制御処理部113は、歪み及び温度検出計114と信号を入出力することによって、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9の歪み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101、120、第1及び第2ATC110、118、第1及び第2AFC111、119、光パルス生成部103、光スイッチ104、122、光強度・偏光調整部106、1×2光スイッチ129、131、及び光強度調整部124を制御する電子回路である。   The control processing unit 113 includes, for example, a microprocessor, a working memory, and a memory for storing data necessary for measuring the strain and temperature distribution of the detection optical fiber 9 of the detection cable 2 with high spatial resolution. Prepare. The control processing unit 113 inputs and outputs a signal to and from the strain and temperature detector 114 to thereby distribute the strain and temperature distribution of the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 of the detection cable 2 in a high space. The first and second light sources 101 and 120, the first and second ATCs 110 and 118, the first and second AFCs 111 and 119, the optical pulse generator 103, the optical switches 104 and 122, so as to measure at a resolution and a longer distance. This is an electronic circuit that controls the light intensity / polarization adjusting unit 106, the 1 × 2 optical switches 129 and 131, and the light intensity adjusting unit 124.

制御処理部113は、基準用光ファイバ117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格納される記憶部と、歪み及び温度検出計114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117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101、120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1AFC111及び/又は第2AFC119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113は、基準用光ファイバ117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1AFC111を制御する周波数設定部を機能的に備えている。   The control processing unit 113 includes a storage unit in which the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 117 is stored. First and second in the first and second light sources 101 and 120 based on the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon obtained by the strain and temperature detector 114 and the known relationship in the reference optical fiber 117. A frequency setting unit that controls the first AFC 111 and / or the second AFC 119 is functionally provided so that the frequency difference of each light emitted from the light emitting element becomes a predetermined frequency difference set in advance. In addition, the control processing unit 113 functionally includes a frequency setting unit that controls the first AFC 111 so as to emit light that causes the Rayleigh backscattering phenomenon in the reference optical fiber 117.

ここで、検知用光ファイバ9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。   Here, the Brillouin frequency shift when the spread spectrum method is used for the light incident on the detection optical fiber 9 will be described below.

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。   The spread spectrum method or the pulse compression method is used to extend the measurable distance in the so-called radar field. This is because the spectrum of the pulse is diffused by using frequency modulation, phase modulation, etc. inside the pulse radiated to the space to detect the target, and demodulation called pulse compression is applied to the reflected wave reflected by the target. By doing so, the distance to the target is detected. Thereby, the energy of the pulse can be increased, and the measurable distance can be extended. Spread spectrum is generally deliberately increasing the bandwidth that is originally required to transmit a signal.

このスペクトル拡散方式をBOTDA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へ適用することができることを見出した。尚、このスペクトル拡散方式は、後述するBOTDRや光ファイバの両端測定でのBOTDAにも適用できる。   When this spread spectrum method is applied to BOTDA, since the Brillouin frequency shift occurs through a non-linear process, the spectrum of the optical pulse is broadened (spread). Secondly, the spectrum in the time-series signal of the reflected wave for each frequency also spreads, and a double spread occurs in the spectrum. For this reason, the spread spectrum code cannot simply be applied to BOTDA. Therefore, the inventor of the present application applies the spread spectrum method to BOTDA by configuring the light pulse from the main light pulse and the sub light pulse and using the spread spectrum method for the main light pulse, as will be analyzed below. I found out that I can. This spread spectrum method can also be applied to BOTDR, which will be described later, and BOTDA in measuring both ends of an optical fiber.

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。   In the following, the case of BOTDA will be described. Similarly, it is possible to analyze BOTDR.

BOTDAでは、検知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。   In BOTDA, pump light is incident from one end (z = 0) of a detection optical fiber, and probe light having a frequency different from the frequency of the pump light is incident from the other end, and backscattering of excited acoustic phonons occurs. Observed at the end point of z = 0. Brillouin gain spectrum (BGS) is an increase in the power of the probe light.

まず、このポンプ光A(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。 First, the pump light A p (0, t) is an optical pulse having a shape in which a complex envelope is expressed by Equation 1.


ここで、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。 Here, P p is the power of the pump light, and f (t) is a function representing the amplitude of the pump light at time t, and is normalized so that the maximum of its absolute value is 1. .

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。
When the function is defined by Expression 2, the Fourier transform is expressed by Expression 3. In this case, the Brillouin gain spectrum V (t, ν) is a two-dimensional convolution and is expressed by Equation 4. The first term on the right side of Equation 4 is a time-varying Lorentz spectrum.




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=−1)。また、γは、利得係数であり、ν(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。 Here, the superscript * represents a complex conjugate, and i is a complex unit (i 2 = −1). Further, γ is a gain coefficient, and ν B (z) is a Brillouin frequency shift at the position z. G (ν) is a Lorentz spectrum, and vg is a group velocity of pump light. The operator * represents convolution, and the superscripts t and ν represent two-dimensional convolution with respect to these variables. Note that the multiplication operator • is not shown.

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。   Here, ideally, the time-varying Lorentz spectrum itself of the first term on the right-hand side of Equation 4 is observed, but in reality, it is blurred by convolution with the point spread function ψ (t, ν). The observed Brillouin gain spectrum is observed. Therefore, it is necessary that the point spread function ψ (t, ν) is at or close to the two-dimensional delta function. Therefore, it is preferable that ψ (t, ν) ≈δ (t) δ (ν).

ここで、ポンプ光をメイン光パルスf(t)とサブ光パルスf(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。 Here, the pump light is composed of the main light pulse f 1 (t) and the sub light pulse f 2 (t). That is, the amplitude f (t) of the pump light is expressed by Equation 5.


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Dsub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。 This sub light pulse functions to excite acoustic phonons for the main light pulse. The pulse width D sub of the sub light pulse is made sufficiently longer than at least the lifetime of the acoustic phonon. The lifetime of acoustic phonons is usually about 5 ns.

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。   The main light pulse functions to pass the energy scattered by the acoustic phonon to the probe light. The main light pulse is divided into a plurality of cells with a predetermined time width in the time direction, and is broadened by using a spread spectrum system. Broadband is compared to the spectral linewidth (approximately 30-40 MHz) of acoustic phonons. The time width of this cell determines the spatial resolution of BOTDA, and this reciprocal is the width of the spectrum. For example, when the cell width (cell time width) is 0.1 ns, the spatial resolution is 1 cm and the spectrum width is 10 GHz. The pulse width D of the main light pulse determines the amount of energy given to the pump light in order to extend the measurable distance. Here, since the spatial resolution of BOTDA is determined by the cell width of the main optical pulse as described above, the pulse width D of the main optical pulse can be set independently of the spatial resolution of BOTDA. Therefore, the pulse width D of the main light pulse can be appropriately determined according to a desired measurable distance. For this reason, it becomes possible to extend measurable distance conventionally.

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。   When the pump light is composed of two components in this way, the Brillouin gain spectrum V (t, ν) is composed of three components, and Equations 6 and 7 (Equations 7-1 to 7-3) Represented by



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。   The point spread function ψ (t, ν) is expressed by Equation 8, and since the pump light is composed of the main light pulse and the sub light pulse, the point spread function ψ (t, ν) is It is represented by Equation 9 and Equation 10.




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(D−t)とされる(h(t)=f(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。 Here, in the spread spectrum method, a matched filter (matched filter) corresponding to the spread spectrum method is used for demodulation, and the impulse response h (t) of the matched filter is set to f 1 (Dt) ( h (t) = f 1 (D−t)). The matched filter, for example, inverts the signal used for spread spectrum (the code in the case of using a code sequence for spread spectrum) with respect to time and takes the convolution with the input of the matched filter.

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ψ1,2(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。 The main light pulse uses a spread spectrum system, and the sub light pulse is unmodulated and its pulse width is sufficiently long. Therefore, the components ψ 1,2 (t, ν) can be approximated as in Equation 11 and is the preferred type.


ここで、Cは、メイン光パルスとサブ光パルスとの振幅比である。 Here, C p is an amplitude ratio between the main light pulse and the sub light pulse.

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。   Therefore, the corresponding Brillouin gain spectrum is represented by Equation 12.


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V1,1(t、ν)及びV2,1(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V2,2(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。 The other components V 1,1 (t, ν) and V 2,1 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are spectrally spread with a main light pulse by pseudorandom numbers. In some cases, the spectrum is flat. The other components V 2,2 (t, ν) are suppressed by the matched filter at the time of demodulation.

また、ブリルアン・ゲイン・スペクトルV(t、ν)における成分V1,1(t、ν)及びV2,2(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。 Further, the components V 1,1 (t, ν) and V 2,2 (t, ν) in the Brillouin gain spectrum V (t, ν) are composed of only the main light pulse or the sub light pulse. And can be extracted by measuring the Brillouin gain spectrum.

以上の解析から、本検知用計測手段20では、検知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、歪み及び温度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。   From the above analysis, in the detection measuring means 20, the light pulse incident on the detection optical fiber is composed of two components of a main light pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub light pulse, Since the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, the measurable distance can be extended and further measured while the strain and temperature can be measured with high spatial resolution.

また、図5に示す検知用計測手段20は、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、BOTDAとして機能する。図7は、図5に示す検知用計測手段20をBOTDAとして動作させた場合における検知用計測手段20の概略構成を示すブロック図である。   Moreover, the measurement means 20 for detection shown in FIG. 5 functions as BOTDA when measuring the Brillouin frequency shift amount. FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of the detection measurement means 20 when the detection measurement means 20 shown in FIG. 5 is operated as BOTDA.

図7に示すように、検知用計測手段20は、光パルス光源LS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LSCWによって生成された連続光をプローブ光として、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9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。 As shown in FIG. 7, the detection measuring means 20 uses the sub light pulse and the main light pulse generated by the light pulse light source LS p as pump light, and probes the continuous light generated by the continuous light source LS CW . Light enters from one end of the detection optical fiber 9 of the detection cable 2. A spread spectrum method is used for the main light pulse.

検知用計測手段20は、歪み及び温度検出計114によって検知用光ファイバ9で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み及び温度検出計114によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析(BGain−OTDA)又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析(BLoss−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。 The detection measuring unit 20 receives light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generated in the detection optical fiber 9 by the strain and temperature detector 114, and the Brillouin gain spectrum time domain analysis (B Gain- OTDA) or Brillouin loss spectrum time domain analysis (B Loss- OTDA) is performed to measure the Brillouin frequency shift amount.

光パルス光源LS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、歪み及び温度検出計114へ通知される。そして、歪み及び温度検出計114では、検知用光ファイバ9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。 In the optical pulse light source LS p , the laser light emitted from the laser light source LD is phase-modulated by the pseudo random number from the pseudo random number generator RG in the optical signal generator OSG, so that the main optical pulse using the spread spectrum system is generated. Generated. The pseudorandom number generated by the pseudorandom number generator RG is notified to the strain and temperature detector 114 for demodulation. Then, in the strain and temperature detector 114, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 9 is filtered by the matched filter MF corresponding to the pseudo random number from the pseudo random number generator RG, and the signal processing unit By performing BOTDA signal processing at the SP, the Brillouin frequency shift amount is measured.

尚、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。   Hereinafter, Brillouin gain spectrum time domain analysis or Brillouin loss spectrum time domain analysis is abbreviated as Brillouin spectrum time domain analysis as appropriate. In this Brillouin spectrum time domain analysis, light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is light that has undergone Brillouin amplification or attenuation.

次に、検知用計測手段20における調整動作について説明する。まず、監視動作前に、第1及び第2光源101、120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117を用いてそれぞれ調整(キャリブレーション)される。   Next, the adjustment operation in the detection measuring means 20 will be described. First, before the monitoring operation, each frequency of each continuous light emitted from the first and second light sources 101 and 120 is adjusted (calibrated) using the reference optical fiber 117.

より具体的には、制御処理部113は、第1ATC110及び第1AFC111と、第2ATC118及び第2AFC119とをそれぞれ制御することによって第1及び第2光源101、120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117に互いに対向するように入射させる。これら第1光源101からの連続光及び第2光源120からの連続光は、基準用光ファイバ117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117から光サーキュレータ112を介して歪み及び温度検出計114に入射される。   More specifically, the control processing unit 113 controls the first ATC 110 and the first AFC 111, and the second ATC 118 and the second AFC 119, respectively, so that the first and second light sources 101 and 120 each have continuous light at each predetermined frequency. The light is emitted and the continuous light is incident on the reference optical fiber 117 so as to face each other. The continuous light from the first light source 101 and the continuous light from the second light source 120 cause a stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 117, and the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is emitted from the reference optical fiber 117. The light enters the strain and temperature detector 114 via the circulator 112.

歪み及び温度検出計114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113へ通知する。制御処理部113には、基準用光ファイバ117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格納されている。制御処理部113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101、120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、歪み及び温度検出計114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1AFC111及び第2AFC119を制御する。これによって第1及び第2光源101、120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。   The strain and temperature detector 114 receives the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, detects the light intensity of the received light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, and notifies the control processing unit 113 of the detected light intensity. . In the control processing unit 113, the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 117 is stored in advance in the storage unit. Has been. Upon receiving this notification, the control processing unit 113 responds to the predetermined frequency difference fa to be set for each light emitted by the first and second light emitting elements in the first and second light sources 101 and 120 by the frequency setting unit. The first AFC 111 and the second AFC 119 are controlled so that the reference light intensity Pa to be obtained is obtained from the above relationship, and the measured light intensity Pd detected by the strain and temperature detector 114 matches the reference light intensity Pa. As a result, the frequency difference between the lights emitted from the first and second light emitting elements in the first and second light sources 101 and 120 is adjusted to a predetermined frequency difference fa to be set. In the present embodiment, the light intensity Pd is given by a voltage value photoelectrically converted by the light receiving element, and the reference light intensity Pa is a voltage value corresponding to the reference light intensity Pa.

ここで、基準用光ファイバ117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は、一般に、温度依存性を有している。本実施形態では、調整の際に、制御処理部113は、温度検出部116によって基準用光ファイバ117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117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。   Here, in the reference optical fiber 117, the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generally has temperature dependence. Yes. In this embodiment, at the time of adjustment, the control processing unit 113 detects the temperature of the reference optical fiber 117 by the temperature detection unit 116 and corrects the above-described relationship in the reference optical fiber 117 according to the detected temperature. Yes. For this reason, adjustment can be executed with higher accuracy.

このように動作することによって第1及び第2光源101、120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、監視装置本体3の起動の際に、実行されても良い。   By operating in this way, each frequency of each continuous light emitted from the first and second light sources 101 and 120 is adjusted. Such adjustment may be performed every time the frequency is changed for the sweep when obtaining the Brillouin spectrum from the viewpoint of further improving the measurement accuracy, or from the viewpoint of shortening the measurement time. The strain and temperature may be executed every measurement, every time a predetermined period elapses, or even when the monitoring apparatus body 3 is activated.

比較算出手段22は、検知用計測手段20及び比較用計測手段21とそれぞれ接続され、詳細には、検知用計測手段20の歪み及び温度検出計114及び比較用計測手段21の歪み及び温度検出計114とそれぞれ接続され、これら各歪み及び温度検出計114のCPUで導出された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から検知用ケーブル2の感知部14周辺の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布を導出する。具体的に、比較算出手段22は、検知用計測手段20で求めた検知用光ファイバ9における感知部14に対応する部分の長尺方向の圧力分布及び温度分布と、比較用計測手段21で求めた比較用光ファイバ12における感知部14に対応する部分の長尺方向の圧力分布及び温度分布との比較に基づき、検知用ケーブル2周辺(詳細には、感知部14周辺)の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布を導出する。 The comparison calculation means 22 is connected to the detection measurement means 20 and the comparison measurement means 21, respectively. Specifically, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement means 20 and the distortion and temperature detection meter of the comparison measurement means 21 are connected. 114, respectively, and the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount derived by the CPU of each strain and temperature detector 114, and the CO 2 in the longitudinal direction around the sensing unit 14 of the sensing cable 2 The concentration distribution and temperature distribution are derived. Specifically, the comparison calculation unit 22 obtains the pressure distribution and temperature distribution in the longitudinal direction of the portion corresponding to the sensing unit 14 in the detection optical fiber 9 obtained by the detection measurement unit 20 and the comparison measurement unit 21. Further, based on the comparison with the longitudinal pressure distribution and the temperature distribution of the portion corresponding to the sensing portion 14 in the comparison optical fiber 12, the sensing cable 2 periphery (specifically, the sensing portion 14 periphery) in the longitudinal direction. The concentration distribution and temperature distribution of CO 2 are derived.

加熱手段23は、前記のように検知用ケーブル2の加圧管6内に密封された液体を加熱するための手段であり、制御手段24からの指令信号に基づき加熱動作を行う。   The heating means 23 is a means for heating the liquid sealed in the pressure pipe 6 of the detection cable 2 as described above, and performs a heating operation based on a command signal from the control means 24.

制御手段24は、各比較算出手段22と接続され、検知用計測手段20、比較用計測手段21、比較算出手段22及び加熱手段23からなる各ユニットを制御する。また、制御手段24は、これら比較算出手段22で導出された各検知用ケーブル2の感知部14周辺の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布のデータを受け取り、モニター26に各種結果や情報を表示させるための加工を行うと共に、加工後のデータをモニター26に出力する。 The control unit 24 is connected to each comparison calculation unit 22 and controls each unit including the detection measurement unit 20, the comparison measurement unit 21, the comparison calculation unit 22, and the heating unit 23. Further, the control unit 24 receives the CO 2 concentration distribution and temperature distribution data in the longitudinal direction around the sensing unit 14 of each detection cable 2 derived by the comparison calculation unit 22, and receives various results and data on the monitor 26. Processing for displaying the information is performed, and the processed data is output to the monitor 26.

以上のように構成される監視システム1は、監視に必要な本数の検知用ケーブル2をCOの監視を行う監視対処領域に配設し、これら配設した検知用ケーブル2を監視装置本体3に接続する。具体的には、図1に示されるように、監視装置本体3が地上の所定位置に配置され、複数本の検知用ケーブル2がCOの貯留された貯留層Rをそれぞれ通過するよう、互いに間隔をおいて配設される。このとき、各検知用ケーブル2は、その基部が地上に位置して監視装置本体3の接続部cに接続され、先端側の感知部14がCOを監視したい領域(監視対象領域)に位置するように配設される。本実施形態では、監視対象領域は、COが貯留される地下深部塩水層(貯留層)R、その上方のキャップロックCR及びその周辺領域である。 In the monitoring system 1 configured as described above, a number of detection cables 2 necessary for monitoring are arranged in a monitoring coping area where CO 2 is monitored, and these arranged detection cables 2 are arranged in the monitoring apparatus main body 3. Connect to. Specifically, as shown in FIG. 1, the monitoring device main body 3 is arranged at a predetermined position on the ground, and the plurality of detection cables 2 pass through the storage layers R in which CO 2 is stored, respectively. Arranged at intervals. At this time, each of the detection cables 2 is located on the ground and connected to the connection part c of the monitoring apparatus main body 3, and the sensing part 14 on the distal end side is located in an area where the CO 2 is to be monitored (monitoring target area). Is arranged. In the present embodiment, the monitoring target region is a deep underground saltwater layer (reservoir) R in which CO 2 is stored, a cap lock CR above it, and its peripheral region.

尚、検知用ケーブル2の感知部14の長尺方向における長さは、当該検知用ケーブル2が配設される監視対象領域の大きさ等に合わせて設定されている。また、本実施形態では、検知用ケーブル2の感知部14が垂直方向に沿って配設されているが、これに限定されず、水平方向や傾斜方向に沿って配設されてもよい。また、感知部14が直線状に配置される必要もなく、湾曲等してもよく、全ての感知部14が平行若しくは略平行に配設される必要もない。   Note that the length of the sensing unit 14 in the longitudinal direction of the sensing cable 2 is set in accordance with the size of the monitoring target area where the sensing cable 2 is disposed. In the present embodiment, the sensing unit 14 of the detection cable 2 is disposed along the vertical direction, but the present invention is not limited to this, and the sensing unit 14 may be disposed along the horizontal direction or the inclination direction. Further, the sensing units 14 do not need to be arranged in a straight line, may be curved, and all the sensing units 14 need not be arranged in parallel or substantially in parallel.

次に、このように設置された監視システム1を用いた地中でのCOの監視動作について説明する。図8は、本実施形態に係る監視システム1により、地中貯留されたCOの監視動作を説明するためのフローチャートである。尚、監視装置本体3において、検知用計測手段20、比較用計測手段21、比較算出手段22及び加熱手段23を1つのユニットとする複数のユニットはそれぞれ同じ動作を行うので、以下でユニットの動作についての説明をするときには、1つのユニットについてのみ説明する。 Next, the CO 2 monitoring operation in the ground using the monitoring system 1 installed in this way will be described. FIG. 8 is a flowchart for explaining the monitoring operation of the CO 2 stored underground by the monitoring system 1 according to the present embodiment. In the monitoring apparatus main body 3, a plurality of units each having the detection measuring means 20, the comparison measuring means 21, the comparison calculating means 22 and the heating means 23 as one unit perform the same operation. When describing the above, only one unit will be described.

先ず、監視システム1が設置されて地中でのCOの監視を始める前に、検知用計測手段20及び比較用計測手段21の各歪み及び温度検出計114は、検知用光ファイバ9又は比較用光ファイバ12が参照状態(本実施形態では検知用ケーブル2の地中への配設直後の状態)での各実測位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数(参照ピーク周波数)及びレイリースペクトル(参照レイリースペクトル)を測定し、メモリに格納する。 First, before the monitoring system 1 is installed and monitoring of CO 2 in the ground is started, the strain and temperature detectors 114 of the measuring means 20 for detection and the measuring means 21 for comparison are detected by the optical fiber 9 for detection or the comparison. Brillouin spectrum peak frequency (reference peak frequency) and Rayleigh spectrum (reference Rayleigh spectrum) at each measured position when the optical fiber 12 is in the reference state (in this embodiment, the state immediately after the detection cable 2 is installed in the ground) ) And store in memory.

具体的に、ステップS1において、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)の歪み及び温度検出計114は、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101、120からの各連続光を発光させるように、制御処理部113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。尚、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。   Specifically, in step S1, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement unit 20 (or the comparison measurement unit 21) estimates the Brillouin frequency shift amount Δνb, and the frequency for measuring the Brillouin frequency shift amount Δνb. The control processing unit 113 is instructed to emit continuous light from the first and second light sources 101 and 120 within the determined sweep range. The estimation of the Brillouin frequency shift amount Δνb here is performed based on, for example, the predicted maximum temperature change amount and maximum strain change amount. Since the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount is narrow, the frequency sweep range can be easily estimated.

次に、ステップS2において、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)の歪み及び温度検出計114は、ブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数を測定する。例えば、以下の処理により、ブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数が得られる。   Next, in step S <b> 2, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement unit 20 (or the comparison measurement unit 21) measures the reference peak frequency of the Brillouin spectrum. For example, the reference peak frequency of the Brillouin spectrum is obtained by the following process.

まず、制御処理部113は、第1ATC110及び第1AFC111と、第2ATC118及び第2AFC119とを制御することによって、第1及び第2光源101、120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101から射出された連続光は、光カプラ102を介して光パルス生成部103に入射され、第2光源120から射出された連続光は、光カプラ121を介して光スイッチ122に入射される。   First, the control processing unit 113 controls the first ATC 110 and the first AFC 111 and the second ATC 118 and the second AFC 119 to cause the first and second light sources 101 and 120 to emit respective continuous lights at respective predetermined frequencies. The continuous light emitted from the first light source 101 is incident on the optical pulse generation unit 103 via the optical coupler 102, and the continuous light emitted from the second light source 120 is incident on the optical switch 122 via the optical coupler 121. Is done.

次に、制御処理部113は、光パルス生成部103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113は、例えば、次のように光パルス生成部103を動作させることによって、ポンプ光を生成している。   Next, the control processing unit 113 controls the optical pulse generation unit 103 to generate predetermined pump light (sub optical pulse and main optical pulse). More specifically, the control processing unit 113 generates pump light by operating the optical pulse generation unit 103 as follows, for example.

図9は、図5に示す光パルス生成部103の構成及びその動作を説明するための図である。図10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10(A)は、ポンプ光の構成を示し、図10(B)は、整合フィルタを示す図である。   FIG. 9 is a diagram for explaining the configuration and operation of the optical pulse generator 103 shown in FIG. FIG. 10 is a diagram for explaining the configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and the matched filter. FIG. 10A shows the configuration of the pump light, and FIG. It is a figure which shows a matched filter.

光パルス生成部103は、例えば、図9に示すように、入射光の光強度を変調するLN強度変調器201と、LN強度変調器201を駆動するための第1駆動回路を構成する直流電源202、乗算器203及びタイミングパルス発生器204と、入射光の位相を変調するLN位相変調器211と、LN位相変調器211を駆動するための第2駆動回路を構成する直流電源212、乗算器213及び疑似乱数発生器214と、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)221と、入射光の光強度を変調するLN強度変調器231と、LN強度変調器231を駆動するための第3駆動回路を構成する直流電源232、乗算器233及びタイミングパルス発生器234とを備えて構成される。   For example, as illustrated in FIG. 9, the optical pulse generation unit 103 includes an LN intensity modulator 201 that modulates the light intensity of incident light, and a DC power source that configures a first drive circuit for driving the LN intensity modulator 201. 202, a multiplier 203 and a timing pulse generator 204, an LN phase modulator 211 that modulates the phase of incident light, a DC power supply 212 that constitutes a second drive circuit for driving the LN phase modulator 211, and a multiplier 213, a pseudorandom number generator 214, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 221, an LN intensity modulator 231 that modulates the light intensity of incident light, and a third drive circuit for driving the LN intensity modulator 231. A DC power supply 232, a multiplier 233, and a timing pulse generator 234 are configured.

LN位相変調器211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。   The LN phase modulator 211 is configured by, for example, forming an optical waveguide, a signal electrode, and a ground electrode on a lithium niobate substrate having an electro-optic effect, and by applying a predetermined signal between both electrodes. The apparatus modulates the phase of incident light by using the phase change accompanying the refractive index change caused by the electro-optic effect as it is.

LN強度変調器201、231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201、231及びLN位相変調器211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。   The LN intensity modulators 201 and 231 are devices that modulate the light intensity of incident light, for example, by configuring a Mach-Zehnder interferometer and changing a phase change accompanying a refractive index change due to an electro-optic effect to an intensity change. Note that the LN intensity modulators 201 and 231 and the LN phase modulator 211 have other electro-optic effects such as lithium tantalate, lithium niobate, and lithium tantalate intrinsic substance instead of the lithium niobate substrate. A substrate may be used.

第1駆動回路において、直流電源202は、強度変調すべく、LN強度変調器201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204は、LN強度変調器201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203は、直流電源202から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器204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201へ出力する回路である。   In the first drive circuit, the DC power supply 202 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 201 in order to modulate the intensity, and the timing pulse generator 204 includes the LN intensity modulator 201. A pulse generation circuit that generates an operation timing pulse to operate, and a multiplier 203 multiplies the DC voltage input from the DC power supply 202 by the operation timing pulse input from the timing pulse generator 204, This is a circuit that outputs a DC voltage corresponding to the operation timing pulse to the LN intensity modulator 201.

第2駆動回路において、直流電源212は、位相変調すべく、LN位相変調器211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214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211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213は、直流電源212から入力される直流電圧と疑似乱数発生器214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211へ出力する回路である。   In the second drive circuit, the DC power supply 212 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN phase modulator 211 for phase modulation, and the pseudorandom number generator 214 converts the incident light into a spread spectrum system. The pseudo random number generation circuit generates a pseudo random number at an operation timing in order to operate the LN phase modulator 211 so as to perform modulation with a DC voltage input from the DC power supply 212 and a pseudo random number generator 214. Is a circuit that outputs a DC voltage corresponding to the pseudo-random number to the phase modulator 211.

EDFA221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。EDFA221は、検知用光ファイバ9又は比較用光ファイバ12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101から検知用光ファイバ9又は比較用光ファイバ12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。   The EDFA 221 is an optical component that includes an optical fiber doped with erbium, and amplifies and emits incident light. The EDFA 221 amplifies incident light at a predetermined amplification factor set in advance so as to obtain a light intensity suitable for detecting distortion and temperature in the detection optical fiber 9 or the comparison optical fiber 12. As a result, when a loss occurs during propagation from the first light source 101 to the detection optical fiber 9 or the comparison optical fiber 12, this loss is also compensated, and measurement in a predetermined measurement range becomes possible. .

第3駆動回路において、直流電源232は、オン/オフ制御するようにLN強度変調器231を強度変調すべく、LN強度変調器231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234は、LN強度変調器231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233は、直流電源232から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器234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231へ出力する回路である。   In the third drive circuit, the DC power supply 232 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 231 so as to intensity-modulate the LN intensity modulator 231 so as to perform on / off control. The timing pulse generator 234 is a pulse generation circuit that generates an operation timing pulse in order to operate the LN intensity modulator 231. The multiplier 233 receives the DC voltage input from the DC power source 232 and the timing pulse generator 234. This circuit multiplies the input operation timing pulse and outputs a DC voltage corresponding to the operation timing pulse to the LN intensity modulator 231.

このような光パルス生成部103を動作させることによって、例えば、図10(A)に示す構成のポンプ光を生成することができる。   By operating such an optical pulse generation unit 103, for example, pump light having a configuration shown in FIG. 10A can be generated.

図10(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10(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。   The pump light shown in FIG. 10A is unmodulated with the main light pulse encoded by the spread spectrum method, and precedes in time without overlapping (without overlapping) the main light pulse. And sub-light pulses. The main optical pulse is divided into a plurality of cells with a predetermined time width (cell width), and in the present embodiment, each cell is modulated (encoded) with an M-sequence binary code. The cell width is set according to the desired spatial resolution, and the pulse width of the main light pulse is set according to the desired measurement distance. Further, the sub light pulse has a pulse width capable of completely raising the acoustic phonon, and in the example shown in FIG. 10A, the light intensity is the same as the light intensity of the main light pulse.

サブ光パルスとメイン光パルスとは、図10(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。   In the example shown in FIG. 10A, the sub light pulse and the main light pulse are continuous in time, but may be separated in time. In the case of temporal separation, it is preferable to set the time interval at which the main light pulse acts on the acoustic phonon before the acoustic phonon raised by the sub light pulse disappears. Usually, since the acoustic phonon has a lifetime of about 5 ns, the time interval between the sub light pulse and the main light pulse is preferably within about 5 ns.

図10(A)に示す構成のポンプ光を生成するために、図9において、まず、第1光源101から射出された連続光L1は、光カプラ102を介して光パルス生成部103のLN強度変調器201に入射される。   In order to generate the pump light having the configuration shown in FIG. 10A, first, in FIG. 9, the continuous light L1 emitted from the first light source 101 is LN intensity of the optical pulse generation unit 103 via the optical coupler 102. The light enters the modulator 201.

光パルス生成部103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Dsubとメイン光パルスのパルス幅Dとに相当するパルス幅(Dsub+D)の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器204から乗算器203へ出力され、直流電源202から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅(Dsub+D)の直流電圧がLN強度変調器201の信号電極に印加される。これによって、LN強度変調器201は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅(Dsub+D)に相当する時間幅(Dsub+D)の間、オンされ、連続光L1は、LN強度変調器201で、パルス幅(Dsub+D)の光パルスL2となって射出される。 In the light pulse generation unit 103, at the generation timing of the pump light, the pulse width (D sub + D) operation timing pulse is a timing pulse generator which corresponds to the pulse width D of the pulse width D sub and main light pulse of the sub light pulse 204 is output to the multiplier 203, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 202, and a DC voltage having a pulse width (D sub + D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 201. As a result, the LN intensity modulator 201 is turned on for a time width (D sub + D) corresponding to the pulse width (D sub + D) according to the operation timing pulse, and the continuous light L1 is turned on. Thus, an optical pulse L2 having a pulse width (D sub + D) is emitted.

そして、光パルス生成部103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214から乗算器213へ順次に出力され、直流電源212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211の信号電極に順次に印加される。   Then, the optical pulse generator 103 multiplies the pseudo random number from the pseudo random number generator 214 at the time timing of the cell width during the time width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse at the generation timing of the main optical pulse. Sequentially output to 213, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 212, the DC voltage modulated by the M-sequence binary code is LN at the time timing of the cell width, with the time width D from the generation timing of the main optical pulse. The signal is sequentially applied to the signal electrodes of the phase modulator 211.

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211に供給された場合にLN位相変調器211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211に供給された場合にLN位相変調器211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211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。   That is, the DC voltage modulated by the M-sequence binary code is emitted from the LN phase modulator 211 when the DC voltage corresponding to the case where the M-sequence binary code is “+” is supplied to the LN phase modulator 211. The phase of the light and the phase of the light emitted from the LN phase modulator 211 when the DC voltage corresponding to the case where the M-sequence binary code is “−” are supplied to the LN phase modulator 211 are 180 degrees different from each other. It is a correct voltage value. Thus, the optical pulse L2 is an optical pulse composed of an unmodulated portion (corresponding to the sub optical pulse) and a portion modulated by the M-sequence binary code (corresponding to the main optical pulse) by the LN phase modulator 211. Injected as L3.

そして、EDFA221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。   In the EDFA 221, the light pulse L3 is amplified until it reaches a predetermined light intensity, and is emitted as the light pulse L4.

さらに、光パルス生成部103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Dsubとメイン光パルスのパルス幅Dに相当するパルス幅(Dsub+D)の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器234から乗算器233へ出力され、直流電源232から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅(Dsub+D)の直流電圧がLN強度変調器231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231で、EDFA221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Dsub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。 Further, in the optical pulse generation unit 103, an operation timing pulse having a pulse width (D sub + D) corresponding to the pulse width D sub of the sub optical pulse and the pulse width D of the main optical pulse is determined according to the generation timing of the pump light. The pulse generator 234 outputs to the multiplier 233 and is multiplied by the DC voltage input from the DC power source 232, and a DC voltage having a pulse width (D sub + D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 231. As a result, the optical pulse L4 is a sub-optical pulse that has an LN intensity modulator 231 to remove noise such as spontaneous emission light (ASE) associated with the optical pulse L4 by the EDFA 221 and has a pulse width D sub and is not modulated. And pump light L5 having the pulse width D and the main light pulse encoded by the spread spectrum method.

そして、制御処理部113は、光パルス生成部103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104及び光スイッチ122をオンする。制御処理部113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及び温度検出計114に通知する。   Then, the control processing unit 113 turns on the optical switch 104 and the optical switch 122 according to the generation timing of the pump light (sub optical pulse, main optical pulse, and optical pulse L4) in the optical pulse generation unit 103. The control processing unit 113 notifies the distortion and temperature detector 114 of the generation timing of the pump light (sub light pulse and main light pulse).

光スイッチ104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105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106に入射され、光強度・偏光調整部106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107、光カプラ108及び光コネクタ109を介して検知用ケーブル2における検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端に入射される。一方、光カプラ105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、歪み及び温度検出計114に入射される。   When the optical switch 104 is turned on, the pump light (sub optical pulse and main optical pulse) is incident on the optical coupler 105 and branched into two. One of the branched pump lights is incident on the light intensity / polarization adjusting unit 106, the light intensity is adjusted by the light intensity / polarization adjusting unit 106, the polarization direction is adjusted randomly (randomly), and the optical circulator. The light is incident on one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the detection cable 2 through the optical coupler 107, the optical coupler 108 and the optical connector 109. On the other hand, the other sub light pulse and main light pulse branched by the optical coupler 105 are incident on the strain and temperature detector 114.

歪み及び温度検出計114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113へ通知する。制御処理部113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1ATC110、第1AFC111及び光強度・偏光調整部106を制御する。   The strain and temperature detector 114 measures the spectrum of the pump light (sub light pulse and main light pulse) and notifies the control processing unit 113 of the frequency and light intensity of the pump light. Upon receiving this notification, the control processing unit 113 controls the first ATC 110, the first AFC 111, and the light intensity / polarization adjustment unit 106 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.

一方、光スイッチ122がオンされると、連続光(プローブ光)は、光カプラ123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124に入射され、光強度調整部124でその光強度が調整され、光カプラ108及び光コネクタ109を介して検知用ケーブル2における検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端へ入射される。一方、光カプラ123で分岐された他方のプローブ光(連続光)は、歪み及び温度検出計114に入射される。   On the other hand, when the optical switch 122 is turned on, continuous light (probe light) is incident on the optical coupler 123 and branched into two. One of the branched probe lights (continuous light) is incident on the light intensity adjustment unit 124, the light intensity of which is adjusted by the light intensity adjustment unit 124, and is detected in the detection cable 2 via the optical coupler 108 and the optical connector 109. The light is incident on one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). On the other hand, the other probe light (continuous light) branched by the optical coupler 123 enters the strain and temperature detector 114.

歪み及び温度検出計114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113へ通知する。制御処理部113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2ATC118、第2AFC119及び光強度調整部124を制御する。   The strain and temperature detector 114 measures the spectrum of the probe light (continuous light), and notifies the control processing unit 113 of the frequency and light intensity of the probe light. Upon receiving this notification, the control processing unit 113 controls the second ATC 118, the second AFC 119, and the light intensity adjustment unit 124 as necessary so as to obtain an optimum measurement result.

ブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検知用ケーブル2における検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端から入射され検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の他方端で反射して検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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104及び光スイッチ122におけるオン/オフのタイミングが制御処理部113によって調整される。   In the Brillouin spectrum time domain analysis, the pump light (sub light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the detection cable 2 is detected by the detection optical fiber 9 ( Alternatively, a probe that is incident from one end of the comparison optical fiber 12), reflects off the other end of the detection optical fiber 9 (or comparison optical fiber 12), and propagates through the detection optical fiber 9 (or comparison optical fiber 12). It propagates from one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) to the other end while causing light (continuous light) and stimulated Brillouin scattering. On / off timings of the optical switch 104 and the optical switch 122 are adjusted by the control processing unit 113 based on the interaction between the pump light and the probe light.

1×2光スイッチ129は、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及び温度検出計114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、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端から射出され、光コネクタ109、光カプラ108、光サーキュレータ107及び1×2光スイッチ129を介して歪み及び温度検出計114に入射される。   When the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is performed, the 1 × 2 optical switch 129 is switched so that light incident from the input terminal is incident on the strain and temperature detector 114. Therefore, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is emitted from one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12), and passes through the optical connector 109, the optical coupler 108, the optical circulator 107, and the 1 × 2 optical switch 129. And enters the strain and temperature detector 114.

歪み及び温度検出計114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10(B)に示すように、光パルス生成部103のLN位相変調器211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・・・Pn−1)を時間的に反転した逆位相変調パターン(Pn−1・・・P)のフィルタである。 In the strain and temperature detector 114, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is extracted by direct detection as described above, converted into an electric signal by the light receiving element, and filtered by the matched filter. For example, as shown in FIG. 10B, the matched filter is a phase modulation pattern (P 1 P 2 P 3 ... Phase-modulated by an M-sequence binary code by the LN phase modulator 211 of the optical pulse generation unit 103. P n-1 P n ) is a filter of an antiphase modulation pattern (P n P n-1 ... P 3 P 2 P 1 ) obtained by temporally inverting the P n-1 P n ).

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。歪み及び温度検出計114は、制御処理部113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、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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。   For example, when each cell of the main optical pulse is modulated with an M-sequence binary code with a phase modulation pattern of “+ − ++ − +... + −”, The matched filter temporally converts this phase modulation pattern. The reverse pattern of “− +... + − ++ − +” is inverted. By using such a matched filter, it is possible to accurately detect light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon caused by the spread spectrum encoded main light pulse. The strain and temperature detector 114 performs time domain analysis on the received light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon based on the generation timing notified from the control processing unit 113, and detects the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). ) To measure the light intensity distribution of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the longitudinal direction.

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検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)では、測定毎に光強度・偏光調整部106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。   Here, the degree of interaction between pump light (sub light pulse and main light pulse) and probe light (continuous light) related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon depends on the relative relationship between the polarization planes of these lights. In the detection measuring means 20 (or the comparison measuring means 21) according to the present embodiment, the light intensity / polarization adjusting unit 106 randomly changes the polarization plane of the pump light for each measurement, so the measurement is executed a plurality of times. By adopting the average value, this dependence can be substantially eliminated. For this reason, the light intensity distribution of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon can be obtained with high accuracy.

このような検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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120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113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、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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。   The light intensity distribution of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) is, for example, probe light (continuous light) emitted from the second light source 120. Are swept in a predetermined frequency range at predetermined frequency intervals under the control of the control processing unit 113, so that each frequency is measured with high accuracy and high spatial resolution. As a result, the Brillouin spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.

以上のようにして、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)の歪み及び温度検出計114は、前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光強度の分布を測定し、その測定結果から検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向における各領域部分のブリルアンスペクトルを求め、これら各ブリルアンスペクトルから参照ピーク周波数をそれぞれ導出する。本実施形態では、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向において、例えば、5cm間隔で設定される実測位置のブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数がそれぞれ測定される。   As described above, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement unit 20 (or the comparison measurement unit 21) measures the light intensity distribution related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, and detects the detection light from the measurement result. The Brillouin spectrum of each region in the longitudinal direction of the fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) is obtained, and the reference peak frequency is derived from each Brillouin spectrum. In the present embodiment, in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12), for example, the reference peak frequency of the Brillouin spectrum at the actually measured positions set at intervals of 5 cm is measured.

このように測定された上記の各実測位置(本実施形態では、5cm間隔で並ぶ実測位置)におけるブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数は、歪み及び温度検出計114のメモリにそれぞれ格納される。   The reference peak frequencies of the Brillouin spectrum at the above-described actually measured positions (measured positions arranged at intervals of 5 cm in this embodiment) are stored in the memory of the strain and temperature detector 114, respectively.

次に、ステップS3において、歪み及び温度検出計114は、参照レイリースペクトルを測定する。例えば、以下の処理により、参照レイリースペクトルが得られる。   Next, in step S3, the strain and temperature detector 114 measures the reference Rayleigh spectrum. For example, a reference Rayleigh spectrum is obtained by the following process.

先ず、制御処理部113は、第1ATC110及び第1AFC111を制御することによって、第1光源101に所定周波数で連続光を発光させる。第1光源101から射出された連続光は、光カプラ102を介して光パルス生成部103及び1×2光スイッチ131に入射され、1×2光スイッチ131は、第1光源101から射出された連続光を光カプラ130へ出力する。なお、参照レイリースペクトルの計測時において、光スイッチ122はオフされている。   First, the control processing unit 113 controls the first ATC 110 and the first AFC 111 to cause the first light source 101 to emit continuous light at a predetermined frequency. The continuous light emitted from the first light source 101 is incident on the optical pulse generator 103 and the 1 × 2 optical switch 131 via the optical coupler 102, and the 1 × 2 optical switch 131 is emitted from the first light source 101. Continuous light is output to the optical coupler 130. Note that the optical switch 122 is turned off during the measurement of the reference Rayleigh spectrum.

次に、制御処理部113は、光パルス生成部103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113は、例えば、以下のように光パルス生成部103を動作させることによって、パルス光を生成している。   Next, the control processing unit 113 controls the light pulse generation unit 103 to generate pulsed light for using the Rayleigh scattering phenomenon. More specifically, the control processing unit 113 generates pulsed light by operating the optical pulse generation unit 103 as follows, for example.

図11は、図5に示す光パルス生成部103から射出されるパルス光の一例を示す図であり、図11(A)は、パルス光の波長を示し、図11(B)はパルス光の波形を示している。図11(B)に示すパルス光は、所定レベルの矩形波であり、図11(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11(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。   11 is a diagram illustrating an example of the pulsed light emitted from the optical pulse generation unit 103 illustrated in FIG. 5, FIG. 11A illustrates the wavelength of the pulsed light, and FIG. 11B illustrates the pulsed light. The waveform is shown. The pulsed light shown in FIG. 11 (B) is a rectangular wave of a predetermined level, and as shown in FIG. 11 (A), the cycle is sequentially increased by a predetermined frequency for every predetermined number of pulses. In FIG. 11A, for ease of illustration, the frequency is schematically shown so as to increase linearly, but strictly speaking, the frequency is increased every few pulses, and the pulse The frequency of light is increased in steps. Further, when the averaging described later is not performed, that is, when Rayleigh backscattered light is measured with one pulse, the frequency may be increased for each pulse.

尚、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。   The pulsed light is not particularly limited to this example, and various forms of light can be used as long as the Rayleigh scattering phenomenon can be used. In addition, various methods such as modulation (encoding) using an M-sequence binary code may be applied to light using the Rayleigh scattering phenomenon, similarly to the light used for the stimulated Brillouin scattering phenomenon.

図11に示すパルス光を生成するために、第1光源101から射出された連続光は、光カプラ102を介して光パルス生成部103のLN強度変調器201に入射される。光パルス生成部103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204から乗算器203へ出力され、直流電源202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201の信号電極に印加される。これによって、LN強度変調器201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11(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211を介してEDFA221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231を介して光スイッチ104へ射出される。   In order to generate the pulsed light shown in FIG. 11, the continuous light emitted from the first light source 101 is incident on the LN intensity modulator 201 of the optical pulse generation unit 103 via the optical coupler 102. In the optical pulse generation unit 103, an operation timing pulse corresponding to the pulse width of the pulsed light is output from the timing pulse generator 204 to the multiplier 203 at the generation timing of the pulsed light, and is multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 202. Then, a DC voltage having a pulse width is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 201. Accordingly, the LN intensity modulator 201 is turned on for a time width corresponding to the pulse width in accordance with the operation timing pulse, and the continuous light is emitted as an optical pulse having the pulse width shown in FIG. Is done. Thereafter, the pulsed light enters the EDFA 221 via the LN phase modulator 211, is amplified until the optical pulse reaches a predetermined light intensity, and is emitted to the optical switch 104 via the LN intensity modulator 231.

そして、制御処理部113は、光パルス生成部103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104をオンし、パルス光の生成タイミングを歪み及び温度検出計114に通知する。   Then, the control processing unit 113 turns on the optical switch 104 according to the generation timing of the pulsed light in the optical pulse generation unit 103 and notifies the generation timing of the pulsed light to the strain and temperature detector 114.

光スイッチ104がオンされると、パルス光は、光カプラ105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106に入射され、光強度・偏光調整部106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107、光カプラ108及び光コネクタ109を介して検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端に入射される。一方、光カプラ105で分岐された他方のパルス光は、歪み及び温度検出計114に入射される。   When the optical switch 104 is turned on, the pulsed light is incident on the optical coupler 105 and branched into two. One of the branched pulse lights is incident on the light intensity / polarization adjustment unit 106, the light intensity is adjusted by the light intensity / polarization adjustment unit 106, and the polarization direction thereof is adjusted randomly (randomly). The light is incident on one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) via the optical circulator 107, the optical coupler 108, and the optical connector 109. On the other hand, the other pulsed light branched by the optical coupler 105 enters the strain and temperature detector 114.

歪み及び温度検出計114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113へ通知する。制御処理部113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1ATC110、第1AFC111及び光強度・偏光調整部106を制御する。   The strain and temperature detector 114 measures the spectrum of the pulsed light and notifies the control processing unit 113 of the frequency and light intensity of the pulsed light. Upon receiving this notification, the control processing unit 113 controls the first ATC 110, the first AFC 111, and the light intensity / polarization adjustment unit 106 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.

検知用ケーブル2における検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端に入射したパルス光は、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の一方端から射出され、光コネクタ109、光カプラ108、光サーキュレータ107及び1×2光スイッチ129を介して光カプラ130に入射される。この結果、光カプラ130により混合された2つの光が歪み及び温度検出計114に入射される。   The pulsed light incident on one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the detection cable 2 is scattered in the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) to cause a Rayleigh scattering phenomenon. The light related to the Rayleigh scattering phenomenon is emitted from one end of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12), and the optical connector 109, the optical coupler 108, the optical circulator 107, and the 1 × 2 optical switch 129. Through the optical coupler 130. As a result, the two lights mixed by the optical coupler 130 enter the strain and temperature detector 114.

上記のようにして、第1光源101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103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106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130は、第1光源101からの連続波と検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)からのレイリー後方散乱光とを混合させ、歪み及び温度検出計114の受光素子は、これらの光をホモダイン受信する。   As described above, the first light source 101 functions as a wavelength variable light source, changes the wavelength of the pulsed light with time, and the optical pulse generator 103 functions as a light intensity modulator, an optical amplifier, and a light intensity modulator. The light intensity / polarization adjusting unit 106 functions as a high-speed polarization scrambler and gives a random polarization plane to each pulsed light. The optical coupler 130 mixes the continuous wave from the first light source 101 and the Rayleigh backscattered light from the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). Receives homodyne light.

このとき、光強度・偏光調整部106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、歪み及び温度検出計114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。   At this time, since a random polarization plane is given to each pulsed light by the light intensity / polarization adjusting unit 106 for each measurement, the strain and temperature detector 114 adds the Rayleigh backscattered light corresponding to the change in wavelength and averages it. Therefore, smooth Rayleigh backscattered light can be obtained, and loss at each distance can be converted from the level of Rayleigh backscattered light.

このような検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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113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、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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。   The distribution of the light intensity of the light related to the Rayleigh scattering phenomenon in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) is controlled within the predetermined frequency range by controlling the frequency of the pulsed light by the control processing unit 113. By sweeping with, measurement is performed with high accuracy and high spatial resolution at each frequency. As a result, the Rayleigh spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.

以上のようにして、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)の歪み及び温度検出計114は、レイリースペクトルを計測する。本実施形態では、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向において、例えば、5cm間隔で設定される実測位置の参照レイリースペクトルがそれぞれ測定される。尚、レイリースペクトルの計測において、周波数の掃引範囲は、得られたデータ(レイリースペクトル等)を格納しておくメモリの容量が許す範囲内で、できる限り広く設定するのが好ましい。   As described above, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement unit 20 (or the comparison measurement unit 21) measures the Rayleigh spectrum. In this embodiment, in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12), for example, reference Rayleigh spectra at actually measured positions set at intervals of 5 cm are measured. In the measurement of the Rayleigh spectrum, the frequency sweep range is preferably set as wide as possible within the range allowed by the memory capacity for storing the obtained data (Rayleigh spectrum or the like).

このように測定された各実測位置における参照レイリースペクトルは、各歪み及び温度検出計114のメモリにそれぞれ格納される。   The reference Rayleigh spectrum at each actually measured position thus measured is stored in the memory of each strain and temperature detector 114, respectively.

以上のように、参照状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)から得られた当該検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の各実測位置における参照ピーク周波数及び参照レイリースペクトルがそれぞれメモリに格納された後、COの監視が開始される。 As described above, the reference peak frequency and the reference Rayleigh at each actual measurement position of the detection optical fiber 9 (or comparison optical fiber 12) obtained from the detection optical fiber 9 (or comparison optical fiber 12) in the reference state. After each spectrum is stored in memory, CO 2 monitoring is started.

このCOの監視は、以下のようにして行われる。当該監視システム1では、貯留層R内におけるCOの濃度や温度等を検知することにより、COの貯留層Rへの圧入時にはCOが貯留層R内に圧入されているか否か、貯留層R内に圧入されたCOの状態(安定しているか否か等)、貯留層R内のCOの量、貯留層RからのCOの漏れ等を主に監視し、COの貯留層Rへの圧入が終了した後には、貯留層R内でのCOの状態や、貯留層RからのCOの漏れ等を主に監視する。また、貯留層Rの周辺領域においてCOの有無や濃度等を検知することにより、貯留層R内に貯留されたCOが貯留層Rから漏れ出ていないかを監視する。 This monitoring of CO 2 is performed as follows. In the monitoring system 1, by detecting the concentration and temperature of the CO 2 or the like in the reservoir layer R, whether at the time of press-fitting to the reservoir R of the CO 2 CO 2 is pressed into the reservoir layer R, the reservoir state of CO 2 which is pressed into the layer R (stable whether etc.), the amount of CO 2 in the reservoir R, mainly to monitor the leakage of CO 2, etc. from the reservoir R, the CO 2 After the injection into the reservoir R is completed, the state of CO 2 in the reservoir R, the leakage of CO 2 from the reservoir R, and the like are mainly monitored. In addition, by detecting the presence or concentration of CO 2 in the peripheral region of the reservoir R, it is monitored whether the CO 2 stored in the reservoir R has leaked from the reservoir R.

具体的に、COの監視は以下のようにして行われる。貯留層R内及びその周辺領域に位置する検知用ケーブル2の感知部14では、連通部14aを通じて検知用ケーブル2(感知部14)周辺に存在するCO又はCOが溶け込んでいる物質(本実施形態では、COの溶け込んだ塩水)がケーブルシース7内に自由に出入りする。このケーブルシース7の内部に入ったCOがセンサーファイバ部4のゲート部材11を透過して反応部材10に接すると、反応部材10がこのCOを吸収し、その濃度に応じた体積変化を生ずる。これにより、検知用光ファイバ9が反応部材10からCOの濃度に応じた圧力が加えられる。また、反応部材10は、吸収したCOの有する熱が検知用光ファイバ9に伝わる素材で構成されているため、感知部14周辺のCOの有する熱が検知用光ファイバ9に加わる。 Specifically, monitoring of CO 2 is performed as follows. In the sensing part 14 of the detection cable 2 located in the reservoir R and the peripheral region thereof, the substance (this book) in which CO 2 or CO 2 existing around the detection cable 2 (sensing part 14) is dissolved through the communication part 14a (this book) In the embodiment, the salt water in which CO 2 is dissolved freely enters and leaves the cable sheath 7. When CO 2 entering the cable sheath 7 passes through the gate member 11 of the sensor fiber portion 4 and contacts the reaction member 10, the reaction member 10 absorbs this CO 2 and changes its volume according to its concentration. Arise. Thus, the sensing optical fiber 9 is the pressure corresponding to the concentration of CO 2 from the reaction member 10 is added. Further, since the reaction member 10 is made of a material that transmits the heat of the absorbed CO 2 to the detection optical fiber 9, the heat of the CO 2 around the sensing unit 14 is applied to the detection optical fiber 9.

一方、比較ファイバ部5では、比較用光ファイバ12が金属管13に囲まれているため、検知用ケーブル2周辺のCOの濃度や温度が変動してもこれに起因する反応部材10からの圧力や熱が伝わらず、比較用光ファイバ12の周囲の状態は所定の状態に保たれる。 On the other hand, in the comparison fiber portion 5, since the comparison optical fiber 12 is surrounded by the metal tube 13, even if the concentration or temperature of CO 2 around the detection cable 2 fluctuates, the reaction member 10 from the reaction member 10 is caused. The state around the comparison optical fiber 12 is maintained in a predetermined state without any pressure or heat being transmitted.

そのため、各計測手段20、21が検知用光ファイバ9と比較用光ファイバ12との長尺方向における互い対応する部位の歪みや温度をそれぞれ計測し、比較算出手段22が当該検知用光ファイバ9と当該比較用光ファイバ12との互いに対応する位置(各実測位置)同士での歪みや温度を比較することにより、前記各位置周辺におけるCOの濃度及び温度が導出される。この濃度と温度との計測が連続して(又は定期的に)行われることで、貯留層R内及びその周辺領域におけるCOの濃度変化及び温度変化の監視が行われる。 Therefore, each measuring means 20 and 21 measures the distortion and temperature of the corresponding portions in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 and the comparison optical fiber 12, respectively, and the comparison calculation means 22 measures the detection optical fiber 9. And the comparison optical fiber 12 with respect to each other at positions corresponding to each other (each measured position), the concentration and temperature of CO 2 around each position are derived. By continuously (or periodically) measuring the concentration and the temperature, the CO 2 concentration change and temperature change in the reservoir R and its peripheral region are monitored.

尚、本実施形態の検知用ケーブル2のセンサーファイバ部4においては、反応部材10が検知用光ファイバ9の長尺方向において連続するように配置されているため、検知用ケーブル2の長尺方向における感知部14周辺のCOの濃度分布及び温度分布を得ることができる。 In the sensor fiber portion 4 of the detection cable 2 of the present embodiment, since the reaction member 10 is arranged so as to be continuous in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9, the longitudinal direction of the detection cable 2 is determined. The concentration distribution and temperature distribution of CO 2 around the sensing unit 14 in FIG.

詳細には、以下のようにして検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向における各実測位置の歪みや温度を求める。   Specifically, the strain and temperature at each measured position in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) are obtained as follows.

先ず、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)の歪み及び温度検出計114がブリルアン計測モードに切り替わる。具体的に、ステップS4において、歪み及び温度検出計114は、ステップS1と同様に、ブリルアン周波数シフト量Δνbを推測し、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101、120からの各連続光を発光させるように、制御処理部113に指示する。   First, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement means 20 (or the comparison measurement means 21) is switched to the Brillouin measurement mode. Specifically, in step S4, the strain and temperature detector 114 estimates the Brillouin frequency shift amount Δνb and determines the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount Δνb, as in step S1. The control processing unit 113 is instructed to emit continuous light from the first and second light sources 101 and 120 within the sweep range.

次に、ステップS5において、歪み及び温度検出計114は、ステップS2と同様に、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の各実測位置におけるブリルアンスペクトルのピーク周波数を測定する。   Next, in step S5, the strain and temperature detector 114 measures the peak frequency of the Brillouin spectrum at each actual measurement position of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12), as in step S2.

そして、ステップS6において、歪み及び温度検出計114は、メモリに格納されている参照ピーク周波数を引き出し、これら参照ピーク周波数と監視状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)から得られたピーク周波数とから、監視状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)から計測したピーク周波数を補正するときに利用する補正量を導出する。この補正量は、例えば以下のような処理により導出される。図12(A)及び図12(B)は、前記補正量の導出方法の一例を示す図である。   In step S6, the strain and temperature detector 114 extracts the reference peak frequencies stored in the memory, and obtains the reference peak frequencies from the monitoring detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). The correction amount used when correcting the peak frequency measured from the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the monitoring state is derived from the measured peak frequency. This correction amount is derived, for example, by the following processing. 12A and 12B are diagrams illustrating an example of a method for deriving the correction amount.

先ず、歪み及び温度検出計114は、参照状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)を長尺方向において複数の領域に分割し、その一つを参照領域rzとして設定すると共に、監視状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向の一部に前記参照領域rzに対応する長さの補正領域szを設定する。歪み及び温度検出計114は、参照領域rzに含まれる各実測位置の参照ピーク周波数の値を長尺方向に並べた波形(図12(A)のrz内参照)と、補正領域szに含まれる各実測位置のピーク周波数の値を長尺方向に並べた波形(図12(A)のsz内参照)との相互相関係数を算出する。歪み及び温度検出計114は、補正領域szを長尺方向に沿って所定間隔で移動させながら(図12(A)のsz1、sz2、sz3、…)相互相関係数の算出を繰り返し、その結果をプロットする(図12(B)参照)。相互相関係数が最大となる移動長さ(オフセット量)が補正量となる。   First, the strain and temperature detector 114 divides the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the reference state into a plurality of regions in the longitudinal direction, and sets one as the reference region rz. A correction region sz having a length corresponding to the reference region rz is set in a part of the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the monitoring state. The strain and temperature detector 114 is included in the waveform (see rz in FIG. 12A) in which the values of the reference peak frequencies at the respective actual measurement positions included in the reference region rz are arranged in the longitudinal direction and the correction region sz. A cross-correlation coefficient is calculated with a waveform (see sz in FIG. 12A) in which peak frequency values at each actually measured position are arranged in the longitudinal direction. The strain and temperature detector 114 repeatedly calculates the cross-correlation coefficient while moving the correction region sz along the longitudinal direction at predetermined intervals (sz1, sz2, sz3,... In FIG. 12A), and the result Is plotted (see FIG. 12B). The movement length (offset amount) that maximizes the cross-correlation coefficient is the correction amount.

これは、図13に示されるように、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向における各実測位置でのブリルアンスペクトルのピーク周波数を長尺方向に順に並べると、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)内の残留歪み(初期残留歪み)等により、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)毎に固有の波形となり、当該検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の伸縮によってもこの波形の特徴が失われないことを利用している。ここで、図13は、中間に異種ファイバが接続された検知用光ファイバにおける長尺方向の各領域部分(実測位置)でのブリルアンスペクトルのピーク周波数の一例を示す図である。   As shown in FIG. 13, when the peak frequencies of the Brillouin spectrum at each measured position in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) are arranged in order in the longitudinal direction, Due to the residual strain (initial residual strain) in the optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) or the like, the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) has a unique waveform, and the detection optical fiber 9 ( Alternatively, it is utilized that the characteristics of this waveform are not lost even by expansion and contraction of the comparison optical fiber 12). Here, FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the peak frequency of the Brillouin spectrum in each region (measurement position) in the longitudinal direction in the detection optical fiber in which a different type fiber is connected in the middle.

尚、補正量を導出する方法は、上記のように長尺方向の範囲が等しい参照領域rzと補正領域szとを用いて導出する方法に限定されない。例えば、補正領域の長尺方向における範囲を検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の伸縮に基づき参照領域rzよりも大きく又は小さくしてもよい。これにより、より高精度に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を計測することが可能となる。   Note that the method of deriving the correction amount is not limited to the method of deriving using the reference region rz and the correction region sz having the same range in the longitudinal direction as described above. For example, the range in the longitudinal direction of the correction region may be made larger or smaller than the reference region rz based on the expansion and contraction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). Thereby, it becomes possible to measure the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount with higher accuracy.

歪み及び温度検出計114は、参照状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)を長尺方向に分割した前記複数の領域をそれぞれ参照領域rzとして、上記の補正量の導出を繰り返す。これにより、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の全ての実測位置に対する補正量が導出される。   The strain and temperature detector 114 repeats the derivation of the correction amount with the plurality of regions obtained by dividing the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the reference state in the longitudinal direction as reference regions rz. . Thereby, the correction amount with respect to all the actual measurement positions of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) is derived.

尚、本実施形態では、ブリルアン周波数シフト量Δνbとレイリー周波数シフト量Δνrとの導出が必要となる検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の感知部14に対応する部位に含まれる各実測位置に対する補正量だけを導出し、ブリルアン周波数シフト量Δνbとレイリー周波数シフト量Δνrとの導出が必要でない非感知部15に対応する部位に含まれる各実測位置に対する補正量は導出しないように構成されてもよい。このようにすることで、補正量を導出する実測位置の数を限定でき、演算処理にかかる時間を短縮することができる。   In the present embodiment, each of the parts included in the part corresponding to the sensing unit 14 of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) that needs to derive the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr. Only the correction amount for the actual measurement position is derived, and the correction amount for each actual measurement position included in the part corresponding to the non-sensing unit 15 that does not require the derivation of the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr is not derived. May be. In this way, the number of actually measured positions from which the correction amount is derived can be limited, and the time required for the arithmetic processing can be shortened.

次に、ステップS7において、歪み及び温度検出計114は、各実測値で得られたピーク周波数から、各実測値に対応する計測希望位置でのピーク周波数をそれぞれ推定する。例えば、以下の処理により計測希望位置でのピーク周波数が得られる。   Next, in step S7, the strain and temperature detector 114 estimates the peak frequency at the measurement desired position corresponding to each actual measurement value from the peak frequency obtained from each actual measurement value. For example, the peak frequency at the measurement desired position is obtained by the following processing.

歪み及び温度検出計114は、上記のように参照領域毎に導出した補正量に基づき、各実測位置から当該実測位置に対応する計測希望位置をそれぞれ導出する。一方、歪み及び温度検出計114は、長尺方向において離散的に(本実施形態では、長尺方向に5cm間隔で)得られたピーク周波数の値が長尺方向に連続するように、互いに隣り合う実測位置同士の計測値(ピーク周波数)間を補間する。本実施形態では、Bスプライン補間法により上記の補間を行っているが、これに限定されず、他の補間法や最小2乗法等により行ってもよい。   The strain and temperature detector 114 derives a desired measurement position corresponding to the actual measurement position from each actual measurement position based on the correction amount derived for each reference region as described above. On the other hand, the strain and temperature detectors 114 are adjacent to each other so that the peak frequency values obtained discretely in the longitudinal direction (in this embodiment, at intervals of 5 cm in the longitudinal direction) are continuous in the longitudinal direction. Interpolate between the measured values (peak frequency) of the matching actual measurement positions. In the present embodiment, the above-described interpolation is performed by the B-spline interpolation method. However, the present invention is not limited to this, and another interpolation method, a least square method, or the like may be performed.

歪み及び温度検出計114は、このようにして得られた各計測希望位置と前記補間された値とに基づいて、当該計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られるピーク周波数をそれぞれ推定する。   The strain and temperature detector 114 estimates the peak frequency obtained from the Brillouin backscattered light from the desired measurement position based on each desired measurement position and the interpolated value thus obtained.

次に、ステップS8において、歪み及び温度検出計114は、メモリに格納されている参照状態の検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の各実測位置での参照ピーク周波数と、上記の処理により推定した前記各実測位置に対応する計測希望位置でのピーク周波数との差からブリルアン周波数シフト量Δνbをそれぞれ導出(計測)する。   Next, in step S8, the strain and temperature detector 114 receives the reference peak frequency at each actual measurement position of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) in the reference state stored in the memory, and The Brillouin frequency shift amount Δνb is derived (measured) from the difference from the peak frequency at the measurement desired position corresponding to each measured position estimated by the processing.

このようにしてブリルアン周波数シフト量Δνbが導出されると、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)の歪み及び温度検出計114は、ブリルアン計測モードからレイリー計測モードへ変更される。   When the Brillouin frequency shift amount Δνb is derived in this way, the distortion and temperature detector 114 of the detection measurement unit 20 (or the comparison measurement unit 21) is changed from the Brillouin measurement mode to the Rayleigh measurement mode.

先ず、歪み及び温度検出計114は、ステップS9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を推測し、ステップS10において、推測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。   First, in step S9, the strain and temperature detector 114 estimates the Rayleigh frequency shift amount Δνr from the Brillouin frequency shift amount Δνb obtained by the above processing, and in step S10, Rayleigh backscattering from the estimated Rayleigh frequency shift amount Δνr. The sweep range of the frequency of the pulsed light for measuring light is determined.

ここで、ブリルアン周波数シフト量Δνb及びレイリー周波数シフト量Δνrは、歪みの変化量をΔε、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。 Here, the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr are expressed by the following equations, where Δε is the strain change amount and ΔT is the temperature change amount. In the following formulas, B11 ≒ 0.05 × 10 -3 GHz / με, B12 ≒ 1.07 × 10 -3 GHz / ℃, R11 ≒ -0.15GHz / με, it is R12 ≒ -1.25GHz / ℃.

Δνb=B11×Δε+B12×ΔT …(13)
Δνr=R11×Δε+R12×ΔT …(14)
上記の式を比較すると、レイリー周波数シフト量Δνrの感度は、ブリルアン周波数シフト量Δνb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Δνb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Δνr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Δνr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。
Δνb = B11 × Δε + B12 × ΔT (13)
Δνr = R11 × Δε + R12 × ΔT (14)
Comparing the above equations, it can be seen that the sensitivity of the Rayleigh frequency shift amount Δνr is much higher than the Brillouin frequency shift amount Δνb. This is very advantageous for improving the measurement accuracy, but determines the frequency sweep range for measuring the Rayleigh frequency shift amount Δνr as well as the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount Δνb. In this case, the frequency sweep range for measuring the Rayleigh frequency shift amount Δνr becomes very wide, and the measurement takes a long time.

このため、既に測定され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を推定する。例えば、ブリルアン周波数シフト量Δνb=300MHzが測定によって得られた場合、先ず、すべての変化が温度の影響によるものと仮定すると、Δε=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、Δνr=−375GHzが得られる。   For this reason, the Rayleigh frequency shift amount Δνr is estimated from the already measured Brillouin frequency shift amount Δνb. For example, when a Brillouin frequency shift amount Δνb = 300 MHz is obtained by measurement, assuming that all changes are due to the influence of temperature, Δε = 0, and ΔT = 300 ° C. is obtained from Equation 13. Substituting this ΔT = 300 ° C. into Equation 14 yields Δνr = −375 GHz.

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、Δε=6000μεが得られる。このΔε=6000μεを式14へ代入すると、Δνr=−900GHzが得られる。この場合、レイリー周波数シフト量Δνr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Δνr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。   Next, assuming that all changes are due to the influence of distortion, ΔT = 0, and Δε = 6000 με is obtained from Equation 13. Substituting this Δε = 6000 με into Equation 14, ΔΔr = −900 GHz is obtained. In this case, a range from −375 GHz to −900 GHz is determined as a frequency sweep range for measuring the Rayleigh frequency shift amount Δνr. Therefore, if the sweep is performed from the vicinity of −375 GHz to the vicinity of −900 GHz, the Rayleigh frequency shift amount Δνr can be measured in a short time. As the frequency sweep range, the two frequencies obtained as described above may be used as they are, or a predetermined measurement margin amount may be added as appropriate, or the sweep range may be set by a predetermined amount in order to shorten the measurement time. Various changes such as narrowing are possible. In this example, the lower limit of the temperature change amount is assumed to be 0 ° C. and the magnitude of the strain is assumed to be unlimited. However, the range of the temperature change amount and the strain magnitude depends on the application target of the apparatus. It may change. When an upper limit and a lower limit are assumed for the temperature change amount and an upper limit is assumed for the magnitude of distortion, the Rayleigh frequency sweep range is determined accordingly.

次に、ステップS11において、歪み及び温度検出計114は、ステップS3と同様に、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の各実測位置におけるレイリースペクトルを測定する。そして、ステップS12において、歪み及び温度検出計114は、各実測位置で得られたレイリースペクトルから、各実測位置に対応する計測希望位置でのレイリースペクトルをそれぞれ推定する。例えば、以下の処理により計測希望位置でのレイリースペクトルが得られる。   Next, in step S11, the strain and temperature detector 114 measures the Rayleigh spectrum at each actual measurement position of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12), similarly to step S3. In step S12, the strain and temperature detector 114 estimates the Rayleigh spectrum at the measurement desired position corresponding to each measured position from the Rayleigh spectrum obtained at each measured position. For example, the Rayleigh spectrum at the measurement desired position is obtained by the following processing.

歪み及び温度検出計114は、ステップS6において参照領域毎に導出した補正量に基づき、各実測位置から当該実測位置に対応する計測希望位置をそれぞれ導出する。一方、歪み及び温度検出計114は、長尺方向において離散的に(本実施形態では、長尺方向に5cm間隔で)得られたレイリースペクトルが前記長尺方向に連続するように、互いに隣り合う実測位置同士の計測値(レイリースペクトル)間を補間する。歪み及び温度検出計114は、このようにして得られた各計測希望位置と前記補間された値とに基づいて、各計測希望位置からのレイリー後方散乱光から得られるレイリースペクトルをそれぞれ推定する。   The strain and temperature detector 114 derives a desired measurement position corresponding to the actual measurement position from each actual measurement position based on the correction amount derived for each reference region in step S6. On the other hand, the strain and temperature detectors 114 are adjacent to each other so that Rayleigh spectra obtained discretely in the longitudinal direction (in this embodiment, at intervals of 5 cm in the longitudinal direction) are continuous in the longitudinal direction. Interpolates between measured values (Rayleigh spectra) between measured positions. The strain and temperature detector 114 estimates the Rayleigh spectrum obtained from the Rayleigh backscattered light from each measurement desired position based on each measurement desired position and the interpolated value thus obtained.

次に、ステップS13において、歪み及び温度検出計114は、メモリに格納されている各実測位置での参照レイリースペクトルと、上記の処理により推定した前記各実測位置に対応する計測希望位置でのレイリースペクトルとの相関関数係数をそれぞれ計算することによって、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)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。   Next, in step S13, the strain and temperature detector 114 detects the reference Rayleigh spectrum at each actual measurement position stored in the memory and the Rayleigh at the measurement desired position corresponding to each actual measurement position estimated by the above processing. By calculating the correlation function coefficient with the spectrum, the Rayleigh frequency shift amount in each part in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) is obtained with high accuracy and high spatial resolution.

図14は、図5に示す検知用計測手段20及び検知用光ファイバ9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14(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14(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14(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14(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Δvrがレイリー周波数シフト量となる。   FIG. 14 is a diagram showing an example of the Rayleigh frequency shift amount measured by the detection measuring means 20 and the detection optical fiber 9 shown in FIG. FIG. 14A shows the Rayleigh spectrum when there is distortion and when there is no distortion, and FIG. 14B shows the correlation coefficient between when there is distortion and when there is no distortion. As shown in FIG. 14A, the Rayleigh spectrum when there is distortion is a solid line in the figure, and the Rayleigh spectrum when there is no distortion is the broken line in the figure. 14 (B), and the offset amount Δvr of the peak of the correlation coefficient between them is the Rayleigh frequency shift amount.

このΔvr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14(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。   When the Rayleigh spectrum (solid line) when there is distortion is moved by this Δvr, it becomes as shown in FIG. 14C, and the Rayleigh spectrum (solid line) when there is distortion and the Rayleigh spectrum (dashed line) when there is no distortion. It is understood that the Rayleigh frequency shift amount can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.

次に、ステップS14において、歪み及び温度検出計114は、上記の処理により得られたブリルアン周波数シフト量Δνbとレイリー周波数シフト量Δνrとから、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)の長尺方向の各実測位置における歪みと温度とを検出する。   Next, in step S14, the strain and temperature detector 114 determines the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) from the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr obtained by the above processing. Strain and temperature at each measured position in the longitudinal direction are detected.

即ち、上記の式13、式14から歪みの変化量Δεと温度の変化量ΔTとを解くと、下記のようになる。下記式において、C11≒−12755.102με/GHz、C12≒−10.918×με/GHz、C21≒1530.612℃/GHz、C22≒0.510℃/GHzである。   That is, when the strain variation Δε and the temperature variation ΔT are solved from the above equations 13 and 14, the following is obtained. In the following formula, C11≈-12755.102 με / GHz, C12≈-10.918 × με / GHz, C21≈1530.612 ° C./GHz, and C22≈0.510 ° C./GHz.

Δε=C11×Δνb+C12×Δνr …(15)
ΔT=C21×Δνb+C22×Δνr …(16)
歪み及び温度検出計114は、上記式に、各実測位置のブリルアン周波数シフト量Δνb及びレイリー周波数シフト量Δνrを代入し、検知用光ファイバ9又は比較用光ファイバ12の長尺方向の各実測位置における歪みの変化量Δε及び温度の変化量ΔTを求め、求めた歪みの変化量Δε及び温度の変化量ΔTを所定の基準歪み及び基準温度に加算し、最終的に歪み及び温度を高精度且つ高空間分解能で求める。
Δε = C11 × Δνb + C12 × Δνr (15)
ΔT = C21 × Δνb + C22 × Δνr (16)
The strain and temperature detector 114 substitutes the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr of each actual measurement position into the above formula, and each actual measurement position in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 or the comparison optical fiber 12. The strain change amount Δε and the temperature change amount ΔT are obtained, and the obtained strain change amount Δε and the temperature change amount ΔT are added to a predetermined reference strain and reference temperature, and finally the strain and temperature are accurately determined. Obtain with high spatial resolution.

上記の構成により、検知用計測手段20(又は比較用計測手段21)では、ブリルアン散乱現象を利用して検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)に生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)に生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、2つの周波数シフト量を用いて検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)に生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)に生じた歪みと温度変化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。この結果、約0.1mの空間分解能で且つ約±15με以下の精度で歪み及び温度を検出することが可能となる。   With the above configuration, the detection measuring means 20 (or the comparison measuring means 21) uses the Brillouin scattering phenomenon to cause a Brillouin frequency shift due to distortion and temperature generated in the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). As well as measuring the amount of Rayleigh frequency shift due to distortion and temperature generated in the detection optical fiber 9 (or comparison optical fiber 12) using the Rayleigh scattering phenomenon, the two frequency shift amounts are The strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) can be calculated simultaneously and independently, and are generated in the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12). Strain and temperature change can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution. As a result, it becomes possible to detect strain and temperature with a spatial resolution of about 0.1 m and an accuracy of about ± 15 με or less.

また、検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)が長く、あるいは検知用光ファイバ9(又は比較用光ファイバ12)温度変化、歪み変化が大きく、これにより監視状態において実測位置と計測希望位置とのずれが大きくても、このずれに関する補正量をブリルアン後方散乱光から導出し、この補正量を利用することで、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を精度よく検出することができる。しかも、補正量を利用して実測位置とこの実測位置に対応する計測希望位置とのずれを補正することにより、ずれの影響を受け易いレイリー周波数シフト量Δνrを確実に導出することが可能となる。即ち、レイリースペクトルは、メインパルス光の幅に強く依存するため、メインパルス光の幅(本実施形態では10cm)程度の精度で実測位置とこれに対応する計測希望位置との補正を行わなければレイリー計測において参照状態と計測状態との相関が取れなくなるが、上記の補正量に基づく補正により、レイリー計測を行うのに十分な精度での補正を行うことができる。   In addition, the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) is long, or the detection optical fiber 9 (or the comparison optical fiber 12) has a large temperature change and distortion change. Even if the deviation from the position is large, a correction amount related to this deviation is derived from the Brillouin backscattered light, and this correction amount can be used to accurately detect the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount. In addition, by correcting the deviation between the measured position and the desired measurement position corresponding to the measured position using the correction amount, it is possible to reliably derive the Rayleigh frequency shift amount Δνr that is easily affected by the deviation. . That is, since the Rayleigh spectrum strongly depends on the width of the main pulse light, it is necessary to correct the measured position and the corresponding measurement desired position with an accuracy of about the width of the main pulse light (10 cm in the present embodiment). Although the correlation between the reference state and the measurement state cannot be obtained in the Rayleigh measurement, the correction based on the correction amount described above can be corrected with sufficient accuracy to perform the Rayleigh measurement.

次に、ステップS15において、比較算出手段22は、検知用計測手段20及び比較用計測手段21の各歪み及び温度検出計114で導出された検知用光ファイバ9の長尺方向における各領域部分の圧力分布及び温度分布と、この検知用光ファイバ9の前記各領域部分に対応する比較用光ファイバ12の長尺方向における各領域部分の圧力分布及び温度分布との比較に基づき、検知用ケーブル2の感知部14周辺の長尺方向に沿ったCOの濃度分布及びCOの温度分布を導出する。 Next, in step S15, the comparison calculation means 22 calculates the respective strains of the detection measurement means 20 and the comparison measurement means 21 and the respective region portions in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 derived by the temperature detector 114. Based on the comparison between the pressure distribution and the temperature distribution and the pressure distribution and the temperature distribution of each region portion in the longitudinal direction of the comparison optical fiber 12 corresponding to each region portion of the detection optical fiber 9, the detection cable 2. to derivation of the temperature distribution of the sensing portion 14 CO 2 concentration along the longitudinal direction of the peripheral distribution and CO 2.

具体的に、比較用光ファイバ12は、その周囲が金属管13により囲まれることで、反応部材10からの圧力や熱が加わらない状態に保たれている。そのため、比較算出手段22は、検知用光ファイバ9及び比較用光ファイバ12の対応する実測位置における圧力及び熱同士を比較し、比較用光ファイバ12に加わる圧力及び熱と検知用光ファイバ9に加わる圧力及び熱との差を、各実測位置においてCOの濃度や温度等に応じて反応部材10から検知用光ファイバ9が受ける圧力及び熱として算出する。比較算出手段22は、COの濃度とこのCOに反応部材10が接したときに検知用光ファイバ9が受ける圧力との関係をテーブルにしたものを予めメモリ等に格納しておき、このテーブルに基づいて各実測位置におけるCOの濃度を算出する。このようにして比較算出手段22は、検知用ケーブル2の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布を導出する。 Specifically, the comparison optical fiber 12 is surrounded by a metal tube 13 so that pressure or heat from the reaction member 10 is not applied. Therefore, the comparison calculation means 22 compares the pressure and heat at the corresponding measured positions of the detection optical fiber 9 and the comparison optical fiber 12, and applies the pressure and heat applied to the comparison optical fiber 12 to the detection optical fiber 9. The difference between the applied pressure and heat is calculated as the pressure and heat received by the detection optical fiber 9 from the reaction member 10 in accordance with the concentration and temperature of CO 2 at each measured position. Comparison calculating unit 22 may store in advance in the memory or the like obtained by the relationship between the pressure sensing optical fiber 9 is subjected when contacted reaction member 10 CO 2 concentration and this CO 2 in the table, this Based on the table, the concentration of CO 2 at each measured position is calculated. In this way, the comparison calculation means 22 derives the CO 2 concentration distribution and temperature distribution in the longitudinal direction of the detection cable 2.

比較算出手段22は、このようにCOの濃度分布及び温度分布を導出すると、ステップS16において、このCOの濃度分布及び温度分布をメモリに格納すると共に、既に格納したCOの濃度分布及び温度分布がある場合は、新たに導出されたCOの濃度分布及び温度分布と既に格納しているCOの濃度分布及び温度分布とを比較して各値の変動の有無を判断する。この判断により変動が認められた場合、貯留層Rに貯留されたCOの状態が変動し、又はCOが貯留層Rから漏れていることが判断できる。 Comparison calculating unit 22, in this way to derive the concentration distribution and temperature distribution of the CO 2, at step S16, it stores the density distribution and the temperature distribution of the CO 2 in the memory, and previously the concentration distribution of CO 2 stored If there is a temperature distribution, determines whether the variation of each is compared with the new density distribution of the derived CO 2 and temperature distribution already concentration distribution of CO 2 that stores and temperature distribution values. When a change is recognized by this determination, it can be determined that the state of CO 2 stored in the reservoir R changes or that CO 2 leaks from the reservoir R.

次に、ステップS17において、制御手段24は、各比較算出手段22からの結果を集めてメモリに格納すると共に、予め定められた様式でモニター26に結果を表示させるためにモニター26に出力信号を出力する。モニター26は、これを画面等に表示する。COの監視を停止する場合は、これで終了する(ステップS18)が、監視を続ける場合には、ステップS19において、制御手段24は、前回の計測から連続し、または所定の時間間隔をおいて、加熱手段23に指示して検知用ケーブル2の加圧管6に密封された液体を加熱する。これにより、加圧管6が膨張して反応部材10が加圧され、反応部材10が吸収したCOを放出する。そして、ステップS4に戻り、このステップS4からステップS17までを繰り返す。 Next, in step S17, the control means 24 collects the results from the respective comparison calculation means 22 and stores them in a memory, and outputs an output signal to the monitor 26 in order to display the results on the monitor 26 in a predetermined manner. Output. The monitor 26 displays this on a screen or the like. If the monitoring of CO 2 is stopped, the process ends here (step S18). If the monitoring is continued, in step S19, the control means 24 continues from the previous measurement or waits for a predetermined time interval. The heating means 23 is instructed to heat the liquid sealed in the pressure tube 6 of the detection cable 2. Thereby, the pressurizing tube 6 expands, the reaction member 10 is pressurized, and CO 2 absorbed by the reaction member 10 is released. And it returns to step S4 and repeats this step S4 to step S17.

これにより、各検知用ケーブル2周辺の長尺方向におけるCOの分布(濃度分布及び温度分布)を長期間、常時且つリアルタイムで監視することができる。 Thereby, the distribution (concentration distribution and temperature distribution) of CO 2 in the longitudinal direction around each detection cable 2 can be monitored constantly and in real time for a long time.

以上のような監視システム1によれば、検知用光ファイバ9及び比較用光ファイバ12内におけるブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光同士を比較することで、反応部材10がCOと接することに起因して検知用光ファイバ9に加わる圧力及び熱を容易且つ確実に計測することができ、これにより当該検知用ケーブル2が配置された検知対象領域におけるCOの検知が可能となる。しかも、当該検知用ケーブル2では、両光ファイバ9、12にポンプ光及びプローブ光を入射させ、これら光に起因する前記散乱光を計測することでCOの検知ができるため、ポンプ光及びプローブ光を両光ファイバ9、12に入射させ続けることにより、COの検知を常時行うことができる。しかも、光ファイバ9、12を用いた検知用ケーブル2をセンサーとして用い、この光ファイバ9、12内に入射させた光(ポンプ光及びプローブ光)を利用するため、検知用ケーブル2が長くても(例えば、数百m〜数十km)瞬時にブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象に基づく散乱光の測定が可能であり、例えば、地中深部や海底等の監視者から離れた領域におけるCOの監視もリアルタイムで行うことができる。 According to the monitoring system 1 as described above, the reaction member 10 comes into contact with CO 2 by comparing scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and the Rayleigh scattering phenomenon in the detection optical fiber 9 and the comparison optical fiber 12. As a result, the pressure and heat applied to the detection optical fiber 9 can be measured easily and reliably, and CO 2 can be detected in the detection target region where the detection cable 2 is arranged. Moreover, in the detection cable 2, the both optical fibers 9, 12 is incident pump light and the probe light, since it is detected in CO 2 by measuring the scattered light caused by these light, pumping light and probe By keeping light incident on both optical fibers 9 and 12, CO 2 can be detected at all times. Moreover, since the detection cable 2 using the optical fibers 9 and 12 is used as a sensor and the light (pump light and probe light) incident on the optical fibers 9 and 12 is used, the detection cable 2 is long. (For example, several hundred m to several tens of km) can be used to instantaneously measure scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and the Rayleigh scattering phenomenon. For example, CO 2 in a region away from the observer such as the deep underground or the seabed. Can also be monitored in real time.

また、監視システム1では、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することで、これら2つの周波数シフト量を用いて各光ファイバ9、12に生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、これにより各検知用ケーブル2周辺の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布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可能となる。これにより、長期間、常時且つリアルタイムに各検知用ケーブル2周辺の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布とを同時に且つ独立して高空間分解能で監視することが可能となる。 Further, in the monitoring system 1, by measuring the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount, the strain and temperature generated in each of the optical fibers 9 and 12 using these two frequency shift amounts simultaneously and independently. Thus, the CO 2 concentration distribution and temperature distribution in the longitudinal direction around each detection cable 2 can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution. As a result, the CO 2 concentration distribution and temperature distribution in the long direction around each detection cable 2 can be monitored simultaneously and independently with high spatial resolution for a long period of time constantly and in real time.

また、監視システム1では、検知用光ファイバ9及び比較用光ファイバ12が長く、あるいはこられ光ファイバ9、12における温度変化や歪み変化が大きく、これにより監視状態において実測位置と計測希望位置とのずれが大きくても、このずれに関する補正量をブリルアン後方散乱光から導出し、この補正量を利用することで、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を精度よく検出することができる。特に、この補正量を利用することにより、レイリー周波数シフト量の検出(レイリー計測)を確実に行うことが可能となる。   Further, in the monitoring system 1, the detection optical fiber 9 and the comparison optical fiber 12 are long, or the temperature change and the distortion change in the optical fibers 9 and 12 are large. Even if the deviation is large, the correction amount relating to this deviation is derived from the Brillouin backscattered light, and the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount can be accurately detected by using this correction amount. In particular, by using this correction amount, it becomes possible to reliably detect the Rayleigh frequency shift amount (Rayleigh measurement).

反応部材10が検知用光ファイバ9を周方向に覆い、COに接することでその体積が変化すると共に前記接したCOの有する熱が検知用光ファイバ9に伝わる素材で構成されているため、当該検知用ケーブル2を用いることで、監視対象領域におけるCOの濃度及び温度を精度よく監視することが可能となる。 Since the reaction member 10 covers the detection optical fiber 9 in the circumferential direction and is in contact with CO 2 , the volume of the reaction member 10 changes, and the heat of the contacted CO 2 is transmitted to the detection optical fiber 9. By using the detection cable 2, it is possible to accurately monitor the CO 2 concentration and temperature in the monitoring target region.

ゲート部材11が検知用光ファイバ9及び反応部材10を外側から一括して囲むと共に、COの透過を許容する素材で構成されることで、他の物質の反応部材10との接触が抑制されると共にCOの反応部材10との接触が十分に確保される結果、COの検知感度が向上する。または、ゲート部材11がCOを選択的に透過させるため、CO以外の物質に接しても検知用光ファイバ9に圧力及び/又は熱を加える素材であっても反応部材として用いることが可能となり、反応部材の素材選択の自由度が増える。 Since the gate member 11 collectively surrounds the detection optical fiber 9 and the reaction member 10 from the outside and is made of a material that allows permeation of CO 2 , contact of the other substance with the reaction member 10 is suppressed. In addition, as a result of sufficiently ensuring the contact of the CO 2 with the reaction member 10, the detection sensitivity of CO 2 is improved. Or, since the gate member 11 is selectively transmitted through the CO 2, even material also in contact with the CO 2 addition of substances applying pressure and / or heat to the sensing optical fiber 9 can be used as a reaction member This increases the degree of freedom in selecting the reaction member material.

また、監視システム1では、除去手段reを備え、反応部材10がCOと接することでこれを吸収する一方、除去手段reによって加圧されることで吸収したCOを放出するため、監視対象領域におけるCOの経時的な変化を検知することが可能となる。 Also, in the monitor system 1, comprising a removal means re, while the reaction member 10 absorbs this by contacting the CO 2, for releasing CO 2 absorbed by pressurized by removing means re, monitored It becomes possible to detect a change in CO 2 over time in the region.

次に、本発明の第2実施形態について図15及び図16を参照しつつ説明するが、上記第1実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 and 16. The same reference numerals are used for the same components as those in the first embodiment, and detailed descriptions are omitted, and different configurations are described. Only the details will be described.

監視システム1は、検知用ケーブル2と監視装置本体3とを備える。検知用ケーブル2は、センサーファイバ部4と、比較ファイバ部5と、加圧管6と、ケーブル本体57と、スロット8とを備え、両端を監視装置本体3の接続部cに接続可能に構成される。   The monitoring system 1 includes a detection cable 2 and a monitoring device body 3. The detection cable 2 includes a sensor fiber portion 4, a comparison fiber portion 5, a pressurizing tube 6, a cable body 57, and a slot 8, and is configured so that both ends can be connected to the connection portion c of the monitoring device body 3. The

ケーブル本体37は、長尺方向における中間位置に感知部14を有する。即ち、本実施形態のケーブル本体37は、感知部14を挟むように両端側に非感知部15、15を有する。   The cable body 37 has the sensing unit 14 at an intermediate position in the longitudinal direction. That is, the cable body 37 of the present embodiment has the non-sensing units 15 and 15 on both ends so as to sandwich the sensing unit 14.

このように構成される検知用ケーブル2は、図15に示すように、中間部の感知部14が貯留層Rを含む監視対象領域を通過し、その両端が地表に位置するように配設される。   As shown in FIG. 15, the detection cable 2 configured in this way is arranged so that the middle sensing unit 14 passes through the monitoring target region including the reservoir R, and both ends thereof are located on the ground surface. The

監視装置本体3は、検知用計測手段50と比較用計測手段51と比較算出手段22と加熱手段23と制御手段24とを備える。この実施形態においても、第1実施形態同様、検知用計測手段50と比較用計測手段51とは同一の構成であるため、以下では検知用計測手段50についてのみ説明し、比較用計測手段51の説明を省略する。   The monitoring apparatus main body 3 includes a detection measurement unit 50, a comparison measurement unit 51, a comparison calculation unit 22, a heating unit 23, and a control unit 24. Also in this embodiment, since the detection measuring means 50 and the comparison measuring means 51 have the same configuration as in the first embodiment, only the detection measuring means 50 will be described below. Description is omitted.

検知用計測手段50(又は比較用計測手段51)は、第1実施形態の検知用計測手段20の構成に加え、光コネクタ126と、1×2光スイッチ125とをさらに備える。この検知用計測手段50は、検知用ケーブル2の検知用光ファイバ9の両端がそれぞれ光学的に接続され、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)で動作できると共に、第1実施形態同様の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)でも動作可能に構成されている。   The detection measurement means 50 (or the comparison measurement means 51) further includes an optical connector 126 and a 1 × 2 optical switch 125 in addition to the configuration of the detection measurement means 20 of the first embodiment. The detection measuring means 50 is optically connected at both ends of the detection optical fiber 9 of the detection cable 2 and can operate in the first mode (both ends measurement) of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA). The second embodiment (one-end measurement) of the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) similar to the first embodiment is configured to be operable.

光コネクタ126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部品である。   The optical connector 126 is a component that optically connects optical fibers or optical components and optical fibers.

1×2光スイッチ125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る。この1×2光スイッチ125の入力端子は、光強度調整部124の出力端子に光学的に接続される。また、1×2光スイッチ125の一方の出力端子は、光カプラ108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126を介して検知用光ファイバ9の他方端に接続可能に構成される。制御処理部113の制御(又は手動)に従って、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126を介して検知用光ファイバ9の他方端へ入射されるように、1×2光スイッチ125が切り換えられ、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1088及び光コネクタ109を介して検知用光ファイバ9の一方端へ入射されるように、1×2光スイッチ125が切り換えられる。   The 1 × 2 optical switch 125 is a 1-input 2-output optical switch that emits light incident from an input terminal from one of two output terminals by switching an optical path. The input terminal of the 1 × 2 optical switch 125 is optically connected to the output terminal of the light intensity adjustment unit 124. Also, one output terminal of the 1 × 2 optical switch 125 is optically connected to the other input terminal of the optical coupler 108, and the other output terminal is connected to the other end of the detection optical fiber 9 via the optical connector 126. It is configured to be connectable to. When operating in the first mode (both ends measurement) of BOTDA according to the control (or manual) of the control processing unit 113, the light incident from the input terminal is connected to the other end of the detection optical fiber 9 via the optical connector 126. When the 1 × 2 optical switch 125 is switched so that the light enters the BOTDA and operates in the second mode of BOTDA (one-end measurement), the light incident from the input terminal passes through the optical coupler 1088 and the optical connector 109. Thus, the 1 × 2 optical switch 125 is switched so as to enter one end of the detection optical fiber 9.

制御処理部113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及び温度検出計114へ入射されるように、1×2光スイッチ129が切り換えられる。   When operating in the first mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) or the second mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) according to the control (or manual) of the control processing unit 113, it is incident from the input terminal. The 1 × 2 optical switch 129 is switched so that the reflected light is incident on the strain and temperature detector 114.

制御処理部113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112へ入射されるように、1×2光スイッチ131が切り換えられる。   When operating in the first mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) or the second mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) according to the control (or manual) of the control processing unit 113, it is incident from the input terminal. The 1 × 2 optical switch 131 is switched so that the incident light enters the optical circulator 112.

図16に示すこの実施形態に係る検知用計測手段50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125、129、131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17は、図16に示す検知用計測手段50を第1態様で動作させた場合における検知用計測手段50の概略構成を示すブロック図である。   The measuring means 50 for detection according to this embodiment shown in FIG. 16 functions as BOTDA when measuring the Brillouin frequency shift amount, and switches the 1 × 2 optical switches 125, 129, 131 to the first mode (both-end measurement). ). FIG. 17 is a block diagram showing a schematic configuration of the detection measuring means 50 when the detection measuring means 50 shown in FIG. 16 is operated in the first mode.

図17に示すように、両端測定時において、検知用計測手段50は、光パルス光源LS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、検知用光ファイバ9の一方端から入射するとともに、連続光光源LSCWによって生成された連続光を、プローブ光として検知用光ファイバ9の他方端から入射する。 As shown in FIG. 17, at the time of both-end measurement, the detection measuring unit 50 is incident from one end of the detection optical fiber 9 using the sub light pulse and the main light pulse generated by the light pulse light source LS p as pump light. At the same time, the continuous light generated by the continuous light source LS CW is incident from the other end of the detection optical fiber 9 as probe light.

検知用計測手段50は、歪み及び温度検出計114によって検知用光ファイバ9で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み及び温度検出計114によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析(BGain−OTDA)又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析(BLoss−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。 The detection measuring means 50 receives light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generated in the detection optical fiber 9 by the strain and temperature detector 114, and the Brillouin gain spectrum time domain analysis (B Gain- OTDA) or Brillouin loss spectrum time domain analysis (B Loss- OTDA) is performed to measure the Brillouin frequency shift amount.

光パルス光源LS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、歪み及び温度検出計114へ通知される。そして、歪み及び温度検出計114では、検知用光ファイバ9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。 In the optical pulse light source LS p , the laser light emitted from the laser light source LD is phase-modulated by the pseudo random number from the pseudo random number generator RG in the optical signal generator OSG, so that the main optical pulse using the spread spectrum system is generated. Generated. The pseudorandom number generated by the pseudorandom number generator RG is notified to the strain and temperature detector 114 for demodulation. Then, in the strain and temperature detector 114, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 9 is filtered by the matched filter MF corresponding to the pseudo random number from the pseudo random number generator RG, and the signal processing unit By performing BOTDA signal processing at the SP, the Brillouin frequency shift amount is measured.

次に、このように構成される監視システム1を用いた地中でのCOの監視動作について図8も参照しつつ説明する。尚、検知用計測手段50と比較用計測手段51とは同一の構成であるため、以下では検知用計測手段50についてのみ説明し、比較用計測手段51の説明を省略する。 Next, the CO 2 monitoring operation in the ground using the monitoring system 1 configured as described above will be described with reference to FIG. Since the detection measurement unit 50 and the comparison measurement unit 51 have the same configuration, only the detection measurement unit 50 will be described below, and the description of the comparison measurement unit 51 will be omitted.

ステップS1において、歪み及び温度検出計114は、ブリルアン周波数シフト量を推測し、周波数の掃引範囲を決定し、ステップS2において、参照ピーク周波数を測定する。このステップS2において、制御処理部113は、光パルス生成部103におけるポンプ光の生成タイミングに応じて、光スイッチ104及び光スイッチ122をオンする。光スイッチ122がオンされると、連続光(プローブ光)は、光カプラ123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124に入射され、光強度調整部124でその光強度が調整され、1×2光スイッチ125に入射される。1×2光スイッチ125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126を介して検知用光ファイバ9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126を介して検知用光ファイバ9の他方端へ入射される。   In step S1, the strain and temperature detector 114 estimates the Brillouin frequency shift amount, determines the frequency sweep range, and measures the reference peak frequency in step S2. In step S <b> 2, the control processing unit 113 turns on the optical switch 104 and the optical switch 122 according to the generation timing of the pump light in the optical pulse generation unit 103. When the optical switch 122 is turned on, continuous light (probe light) is incident on the optical coupler 123 and branched into two. One of the branched probe lights (continuous light) is incident on the light intensity adjusting unit 124, the light intensity of which is adjusted by the light intensity adjusting unit 124, and incident on the 1 × 2 optical switch 125. When the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is performed in the first mode, the 1 × 2 optical switch 125 is configured such that light incident from the input terminal is connected to the other end of the detection optical fiber 9 via the optical connector 126. The probe light (continuous light) is incident on the other end of the detection optical fiber 9 via the optical connector 126.

1×2光スイッチ125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108及び光コネクタ109を介して検知用光ファイバ9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108及び光コネクタ109を介して検知用光ファイバ9の一方端へ入射される。   When the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is executed in the second mode, the 1 × 2 optical switch 125 is a detection optical fiber through which the light incident from the input terminal passes through the optical coupler 108 and the optical connector 109. The probe light (continuous light) is incident on one end of the detection optical fiber 9 via the optical coupler 108 and the optical connector 109.

歪み及び温度検出計114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113へ通知する。制御処理部113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2ATC118、第2AFC119及び光強度調整部124を制御する。   The strain and temperature detector 114 measures the spectrum of the probe light (continuous light), and notifies the control processing unit 113 of the frequency and light intensity of the probe light. Upon receiving this notification, the control processing unit 113 controls the second ATC 118, the second AFC 119, and the light intensity adjustment unit 124 as necessary so as to obtain an optimum measurement result.

第1態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検知用光ファイバ9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、検知用光ファイバ9の他方端から入射され検知用光ファイバ9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知用光ファイバ9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、第1実施形態同様、検知用光ファイバ9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、検知用光ファイバ9の一方端から入射され検知用光ファイバ9の他方端で反射して検知用光ファイバ9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知用光ファイバ9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104及び光スイッチ122におけるオン/オフのタイミングが制御処理部113によって調整される。   In the Brillouin spectrum time domain analysis of the first aspect, pump light (sub-light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 9 is input from the other end of the detection optical fiber 9 and is detected. Propagation light 9 propagates from one end to the other end of the detection optical fiber 9 while causing a probe light (continuous light) and a stimulated Brillouin scattering phenomenon. In the Brillouin spectrum time domain analysis of the second mode, the pump light (sub light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 9 is transmitted from one end of the detection optical fiber 9 as in the first embodiment. Probe light (continuous light) that is incident and reflected by the other end of the detection optical fiber 9 and propagates through the detection optical fiber 9 and propagates from one end to the other end of the detection optical fiber 9 while causing a stimulated Brillouin scattering phenomenon. To do. On / off timings of the optical switch 104 and the optical switch 122 are adjusted by the control processing unit 113 based on the interaction between the pump light and the probe light.

1×2光スイッチ125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及び温度検出計114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、検知用光ファイバ9の一方端から射出され、光コネクタ109、光カプラ108、光サーキュレータ107及び1×2光スイッチ129を介して歪み及び温度検出計114に入射される。   When the Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is executed in the first mode or the second mode, the 1 × 2 optical switch 125 is configured such that light incident from the input terminal is incident on the strain and temperature detector 114. It is switched as follows. Therefore, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is emitted from one end of the detection optical fiber 9, and the strain and temperature detector 114 is passed through the optical connector 109, the optical coupler 108, the optical circulator 107, and the 1 × 2 optical switch 129. Is incident on.

このようにして参照ピーク周波数の測定が行われると、ステップS3において、歪み及び温度検出計114は、参照レイリースペクトルの測定を行い、検知用光ファイバ9から得られた当該検知用光ファイバ9の各実測位置における参照ピーク周波数及び参照レイリースペクトルをそれぞれメモリに格納した後、COの監視を開始する。 When the reference peak frequency is thus measured, in step S3, the strain and temperature detector 114 measures the reference Rayleigh spectrum, and the detection optical fiber 9 obtained from the detection optical fiber 9 is measured. After the reference peak frequency and the reference Rayleigh spectrum at each actual measurement position are stored in the memory, monitoring of CO 2 is started.

COの監視が開始されると、ステップS4において、歪み及び温度検出計114は、ステップS1と同様にして周波数の掃引範囲を決定し、ステップS5において、決定した掃引範囲内でブリルアンスペクトルのピーク周波数の測定を行い、ステップS6において、補正量を導出する。 When the monitoring of CO 2 is started, in step S4, the strain and temperature detector 114 determines the frequency sweep range in the same manner as in step S1, and in step S5, the peak of the Brillouin spectrum is determined within the determined sweep range. The frequency is measured, and a correction amount is derived in step S6.

次に、ステップS7において、歪み及び温度検出計114は、各実側値で得られたピーク周波数から、補正量に基づいて各実測値に対応する計測希望位置でのピーク周波数を導出し、ステップS8において、ブリルアン周波数シフト量Δνbを導出する。   Next, in step S7, the strain and temperature detector 114 derives the peak frequency at the measurement desired position corresponding to each actual measurement value from the peak frequency obtained from each actual value based on the correction amount. In S8, a Brillouin frequency shift amount Δνb is derived.

次に、ステップS9において、歪み及び温度検出計114は、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を推測し、ステップS10において、推測したレイリー周波数シフト量Δνrからパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。この掃引範囲内で、歪み及び温度検出計114は、ステップS11において、レイリースペクトルを測定し、ステップS12において、補正量に基づき計測希望位置でのレイリースペクトルを推定し、ステップS13において、レイリー周波数シフト量Δνrを導出する。そして、ステップS14において、歪み及び温度検出計114は、検知用光ファイバ9の長尺方向の各実測位置における歪みと温度とを検出する。   Next, in step S9, the strain and temperature detector 114 estimates the Rayleigh frequency shift amount Δνr from the Brillouin frequency shift amount Δνb, and in step S10, the sweep range of the pulsed light frequency from the estimated Rayleigh frequency shift amount Δνr. decide. Within this sweep range, the strain and temperature detector 114 measures the Rayleigh spectrum at step S11, estimates the Rayleigh spectrum at the desired measurement position based on the correction amount at step S12, and shifts the Rayleigh frequency at step S13. The quantity Δνr is derived. In step S <b> 14, the strain and temperature detector 114 detects the strain and temperature at each actually measured position in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9.

次に、ステップS15において、比較算出手段22は、検知用ケーブル2の感知部14周辺の長尺方向に沿ったCOの濃度分布及び温度分布を導出し、ステップS16において、既に得られたCOの濃度分布及び温度分布がある場合には、これとの比較により貯留層R内でのCO2の状態が変動し、又はCOが貯留層Rから漏れているか否かの判断を行う。 Next, in step S15, the comparison calculation means 22 derives the CO 2 concentration distribution and temperature distribution along the longitudinal direction around the sensing unit 14 of the detection cable 2, and in step S16, the already obtained CO 2 is obtained. If there are two concentration distribution and temperature distribution, which the comparison by fluctuates CO2 states within reservoir R, or CO 2 makes a determination whether or not leak from the reservoir R.

次に、ステップS17において、制御手段24は、各比較算出手段22からの結果を格納すると共に、モニター26に表示させる。   Next, in step S <b> 17, the control unit 24 stores the results from the respective comparison calculation units 22 and displays them on the monitor 26.

監視を続ける場合には、ステップS19において、制御手段24は、除去手段reにより検知用ケーブル2のセンサーファイバ部4における反応部材10に圧力を加えて当該反応部材10からCOを放出等させる。そして、ステップS4に戻り、このステップS4からステップS17までを繰り返す。 When monitoring is continued, in step S19, the control means 24 applies pressure to the reaction member 10 in the sensor fiber portion 4 of the detection cable 2 by the removal means re to release CO 2 from the reaction member 10. And it returns to step S4 and repeats this step S4 to step S17.

以上のような監視システム1によっても、第1実施形態同様、長期間、常時且つリアルタイムでCOの監視を行うことができる。しかも、ブリルアン周波数シフト量Δνbとレイリー周波数シフト量Δνrとを計測することで、これら2つの周波数シフト量Δνb及びΔνrを用いて各光ファイバ9、12に生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができる。これにより、各検知用ケーブル2周辺の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布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可能となり、その結果、当該監視システム1では、長期間、常時且つリアルタイムに各検知用ケーブル2周辺の長尺方向におけるCOの濃度分布及び温度分布とを同時に且つ独立して高空間分解能で監視することが可能となる。 Even with the monitoring system 1 as described above, it is possible to monitor CO 2 for a long period of time constantly and in real time, as in the first embodiment. In addition, by measuring the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr, the strain and temperature generated in each of the optical fibers 9 and 12 can be simultaneously and independently performed using these two frequency shift amounts Δνb and Δνr. Can be calculated. This makes it possible to measure the CO 2 concentration distribution and temperature distribution in the long direction around each detection cable 2 simultaneously and independently with high spatial resolution. It is possible to monitor the CO 2 concentration distribution and the temperature distribution in the longitudinal direction around each detection cable 2 simultaneously and independently with high spatial resolution for a period, always and in real time.

また、この監視システム1によっても、検知用光ファイバ9及び比較用光ファイバ12が長く、あるいはこれら光ファイバ9、12における温度変化や歪み変化が大きく、これにより監視状態において実測位置と計測希望位置とのずれが大きくても、このずれに関する補正量をブリルアン後方散乱光から導出し、この補正量を利用することで、ブリルアン周波数シフト量Δνb及びレイリー周波数シフト量Δνrを精度よく検出することができる。特に、この補正量を利用することにより、レイリー周波数シフト量Δνrの検出(レイリー計測)を確実に行うことが可能となる。   Also, with this monitoring system 1, the detection optical fiber 9 and the comparison optical fiber 12 are long, or the temperature change and strain change in these optical fibers 9 and 12 are large. Even if the deviation is large, the correction amount relating to this deviation is derived from the Brillouin backscattered light, and the Brillouin frequency shift amount Δνb and the Rayleigh frequency shift amount Δνr can be accurately detected by using this correction amount. . In particular, by using this correction amount, it becomes possible to reliably detect the Rayleigh frequency shift amount Δνr (Rayleigh measurement).

以上のような第1及び第2実施形態に係る検知用計測手段20、50及び比較用計測手段21、51は、その構成の一部によって、BOTDRを構成することも可能である。   The detection measurement means 20 and 50 and the comparison measurement means 21 and 51 according to the first and second embodiments as described above can constitute a BOTDR by a part of the configuration.

図18は、図5及び図16に示す検知用計測手段20、50及び比較用計測手段21、51をBOTDRに構成した場合におけるブロック図である。尚、図18においては、BOTDRを構成するために必要なブロックのみを図示しており、一部のブロックの図示を省略している。また、検知用計測手段20(50)と比較用計測手段21(51)とは同一の構成であるため、以下では検知用計測手段20(50)についてのみ説明し、比較用計測手段51についての説明は省略する。   FIG. 18 is a block diagram in the case where the detection measurement means 20 and 50 and the comparison measurement means 21 and 51 shown in FIGS. 5 and 16 are configured as BOTDR. In FIG. 18, only the blocks necessary for configuring the BOTDR are shown, and some of the blocks are not shown. Since the detection measurement means 20 (50) and the comparison measurement means 21 (51) have the same configuration, only the detection measurement means 20 (50) will be described below, and the comparison measurement means 51 will be described. Description is omitted.

図18において、BOTDRの検知用計測手段20(50)は、第1光源101と、光パルス生成部103と、光スイッチ104と、光カプラ105と、光強度・偏光調整部106と、光サーキュレータ107と、光コネクタ109と、第1ATC110と、第1AFC111と、制御処理部113と、歪み及び温度検出計114と、検知用光ファイバ9とを備えて構成されている。尚、図18では、第1光源101と光パルス生成部103との間に介在する光カプラ102、及び、光サーキュレータ107と光コネクタ109との間に介在する光カプラ108は、図5及び図16に示す検知用計測手段20(50)をBOTDRに構成した場合では、実質的に機能しないので、その図示を省略し、また、図示を省略した1×2光スイッチ129は、光サーキュレータ107と歪み及び温度検出計114とを接続している。   In FIG. 18, the BOTDR detection measuring means 20 (50) includes a first light source 101, an optical pulse generation unit 103, an optical switch 104, an optical coupler 105, a light intensity / polarization adjustment unit 106, and an optical circulator. 107, an optical connector 109, a first ATC 110, a first AFC 111, a control processing unit 113, a strain and temperature detector 114, and a detection optical fiber 9. In FIG. 18, the optical coupler 102 interposed between the first light source 101 and the optical pulse generator 103 and the optical coupler 108 interposed between the optical circulator 107 and the optical connector 109 are shown in FIGS. In the case where the detection measuring means 20 (50) shown in FIG. 16 is configured as BOTDR, it does not substantially function, so that the illustration is omitted, and the 1 × 2 optical switch 129 that is omitted is connected to the optical circulator 107. A strain and temperature detector 114 is connected.

BOTDRの場合では、歪み及び温度検出計114は、制御処理部113と信号を入出力することによって、検知用計測手段20(50)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、検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9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。   In the case of BOTDR, the strain and temperature detector 114 controls each part of the measurement means 20 (50) for detection by inputting and outputting signals to and from the control processing unit 113, and the natural Brillouin scattering received at a predetermined sampling interval. By detecting the light related to the phenomenon, the Brillouin gain spectrum of each region portion of the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9 is obtained, and the Brillouin gain · Based on the spectrum, the Brillouin frequency shift amount of each region is obtained.

歪み及び温度検出計114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。   Each incident light incident from the input terminal of the strain and temperature detector 114 is converted into an electric signal corresponding to the amount of received light by a light receiving element that performs photoelectric conversion, and this electric signal is converted into a digital electric signal by an analog / digital converter. And used to determine the Brillouin gain spectrum. At this time, an optical bandpass filter (hereinafter abbreviated as “optical BPF”) is used, and this optical BPF transmits an optical component having a narrow predetermined transmission frequency band, that is, light having a narrow predetermined frequency band. At the same time, it is an optical component that blocks light in a band other than the predetermined frequency band. For example, the following narrow line width optical bandpass filter is used.

図19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19(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19(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。   FIG. 19 is a diagram for explaining a narrow linewidth optical bandpass filter. FIG. 19A is a block diagram showing a configuration of a narrow linewidth optical bandpass filter, and FIGS. 19B to 19D are diagrams for explaining the operation of the narrowlinewidth optical bandpass filter. is there.

光サーキュレータ107から歪み及び温度検出計114の入力端子へ入射された入射光は、例えば、図19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。   The incident light incident on the input terminal of the strain and temperature detector 114 from the optical circulator 107 is filtered by, for example, the light BPF shown in FIG. 19, and the light related to the natural Brillouin scattering phenomenon is extracted. Further, incident light is converted into an electric signal by a light receiving element, filtered by a matched filter, converted into a digital electric signal by an analog / digital converter, and used for obtaining a Brillouin gain spectrum. Further, if necessary, the electric signal is amplified by the amplifier circuit before being digitally converted.

光BPF310は、例えば、図19(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19(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。   For example, as shown in FIG. 19A, the optical BPF 310 includes a first Fabry-Perot etalon filter (hereinafter abbreviated as “EF”) 311 and a second EF 312 optically connected to the first EF 311. Configured. As shown in FIG. 19B, the first EF 311 is set such that the full width at half maximum FWHM1 is a frequency width corresponding to a predetermined transmission frequency band in the optical BPF 310, and the center frequency fa1 of the transmission frequency band is set. Is set to coincide with the center frequency fa of the transmission frequency band in the optical BPF 310.

第2EF312は、図19(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。
As shown in FIG. 19C, the second EF 312 has its FSR (Free Spectral Range,
The free spectrum range 2 is set to be wider than the frequency interval between the frequency of the light pulse (sub-light pulse and main light pulse) and the frequency of the natural Brillouin backscattered light, and the transmission frequency band thereof is the first EF 311. The full width at half maximum FWHM2 is set to be equal to or greater than the full width at half maximum FWHM1 of the first EF 311, and one of the center frequencies fa2 of the transmission frequency band is the center frequency of the transmission frequency band in the optical BPF 310. It is set to coincide with fa.

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19(B)に示す第1EF311の透過周波数特性と図19(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19(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。   In the optical BPF 310 having such a configuration, the first EF 311 transmits light having a frequency corresponding to a predetermined transmission frequency band. That is, light having a frequency corresponding to the full width at half maximum FWHM1 is transmitted for each FSR1 of the first EF 311. The light transmitted through the first EF 311 is transmitted through the second EF 312, and only the light having a frequency corresponding to the transmission frequency band of the center frequency fa1 of the first EF 311 is transmitted. For this reason, the transmission frequency characteristic of the narrow-band optical BPF 310 having such a configuration is obtained by combining the transmission frequency characteristic of the first EF 311 shown in FIG. 19B and the transmission frequency characteristic of the second EF 312 shown in FIG. 19C. As shown in FIG. 19D, the center frequency fa of the transmission frequency band is the frequency fa1 (= fa2), the full width at half maximum FWHM is the full width at half maximum FWHM1 of the first EF 311, and the FSR is the second EF 312. FSR2 of Note that the first EF 311 and the second EF 312 may be optically connected in reverse.

また、BOTDRの場合では、制御処理部113は、歪み及び温度検出計114と信号を入出力することによって、検知用光ファイバ9の長尺方向における検知用光ファイバ9の歪み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光源101、第1ATC110、第1AFC111、光パルス生成部103、光スイッチ104及び光強度・偏光調整部106を制御する。   Further, in the case of BOTDR, the control processing unit 113 inputs and outputs a signal to and from the strain and temperature detector 114, thereby calculating the strain and temperature distribution of the detection optical fiber 9 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9. The first light source 101, the first ATC 110, the first AFC 111, the optical pulse generation unit 103, the optical switch 104, and the light intensity / polarization adjustment unit 106 are controlled so as to measure to a far distance with high spatial resolution.

このような構成のBOTDRの検知用計測手段20(50)では、第1光源101及び光パルス生成部103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104、光カプラ105、光強度・偏光調整部106、光サーキュレータ107及び光コネクタ109を介して、検知用光ファイバ9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。検知用光ファイバ9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)が検知用光ファイバ9の一方端から射出され、歪み及び温度検出計114によって受光される。そして、歪み及び温度検出計114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(BGain−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。 In the BOTDR detection measuring means 20 (50) having such a configuration, the sub light pulse and the main light pulse generated by the first light source 101 and the light pulse generating unit 103 are the optical switch 104, the optical coupler 105, and the light intensity. The light is incident from one end of the detection optical fiber 9 through the polarization adjusting unit 106, the optical circulator 107, and the optical connector 109. A spread spectrum system is used for the main light pulse. The light (natural Brillouin backscattered light) subjected to the natural Brillouin scattering phenomenon in the detection optical fiber 9 is emitted from one end of the detection optical fiber 9 and received by the strain and temperature detector 114. Then, a Brillouin gain spectrum time domain reflection analysis (B Gain -OTDR) is performed by the strain and temperature detector 114 to detect the Brillouin frequency shift amount. The light related to the natural Brillouin scattering phenomenon is natural Brillouin backscattered light.

このような構成のBOTDRの検知用計測手段20(50)でも、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、歪み及び温度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。   Even in the BOTDR detection measuring means 20 (50) having such a configuration, the spatial resolution and the measurable distance are independent by configuring the optical pulse with the main optical pulse and the sub optical pulse using the spread spectrum method. Therefore, the strain and temperature can be measured with a high spatial resolution, and the measurable distance can be extended to measure further.

次に、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Δνbを求める方法を図20に基づいて説明する。尚、検知用計測手段20(50)と比較用計測手段21(51)とは同一の構成であるため、以下でも検知用計測手段20(50)につてのみ説明し、比較用計測手段21(51)についての説明は省略する。   Next, a method for obtaining the Brillouin frequency shift amount Δνb by subtracting the components from the whole will be described with reference to FIG. Since the detection measurement means 20 (50) and the comparison measurement means 21 (51) have the same configuration, only the detection measurement means 20 (50) will be described below, and the comparison measurement means 21 ( The description of 51) is omitted.

図20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20(A)は、第1乃至第3ブリルアンスペクトルを示し、図20(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20(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。  The horizontal axis in FIG. 20 is the frequency expressed in MHz, and the vertical axis is the Brillouin gain expressed in mW. 20A shows the first to third Brillouin spectra, and FIG. 20B shows the result of subtracting the second and third Brillouin spectra from the whole. The solid line in FIG. 20A is the first Brillouin spectrum, which is the entire Brillouin spectrum, and the broken line is the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum, which are constituent elements.

尚、第1及び第2実施形態に係るBOTDAの検知用計測手段20(50)において、まず、制御処理部113の制御によって、検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114は、この場合に検知用光ファイバ9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113の制御によって、検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114は、この場合に検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114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検知用光ファイバ9に生じた歪み及び温度を測定してもよい。   In the BOTDA detection measuring means 20 (50) according to the first and second embodiments, first, the sub optical pulse and the main light as pump light are applied to the detection optical fiber 9 under the control of the control processing unit 113. A pulse and continuous light as probe light are incident, and the strain and temperature detector 114 calculates a first Brillouin spectrum based on the light related to the first stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 9 in this case. Ask. Next, under the control of the control processing unit 113, the main light pulse as the pump light and the continuous light as the probe light are made incident on the detection optical fiber 9, and the strain and temperature detector 114 is used for detection in this case. A second Brillouin spectrum is obtained based on the light related to the second stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the optical fiber 9. Then, the strain and temperature detector 114 may obtain a difference between the first Brillouin spectrum and the second Brillouin spectrum, and measure the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 based on the obtained difference. .

あるいは、制御処理部113の制御によって、検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114は、この場合に検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114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検知用光ファイバ9に生じた歪み温度を測定してもよい。   Alternatively, under the control of the control processing unit 113, the sub optical pulse as the pump light and the continuous light as the probe light are incident on the detection optical fiber 9, and the strain and temperature detector 114 in this case detects the detection light. A third Brillouin spectrum is obtained based on the light related to the third stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the fiber 9. Then, the strain and temperature detector 114 may obtain a difference between the first Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum and measure the strain temperature generated in the detection optical fiber 9 based on the obtained difference.

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Δνb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Δνb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生じた歪み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。   With this configuration, when BOTDA obtains the Brillouin frequency shift amount Δνb, unnecessary components of the Brillouin spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift amount Δνb can be obtained more easily and with high accuracy. The strain and temperature generated in the detection optical fiber can be obtained more easily and with higher accuracy.

あるいは、例えば、図20において、まず、検知用計測手段20(50)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20(A)の実線)を求める。次に、検知用計測手段20(50)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、歪み及び温度検出計114は、これら第1ブリルアンスペクトル(図20(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20(A)の破線)との差(図20(B))を求める。そして、歪み及び温度検出計114は、この求めた差に基づいて検知用光ファイバ9に生じた歪み及び温度を測定してもよい。   Alternatively, for example, in FIG. 20, the first Brillouin spectrum (solid line in FIG. 20A) is first obtained by operating the detection measuring means 20 (50) as described above. Next, the second and third Brillouin spectra are obtained by operating the detection measuring means 20 (50) as described above. Next, the strain and temperature detector 114 determines the difference between the first Brillouin spectrum (solid line in FIG. 20A) and the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum (broken line in FIG. 20A) ( FIG. 20 (B)) is obtained. Then, the strain and temperature detector 114 may measure the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 based on the obtained difference.

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Δνb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生じ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。   With this configuration, in BOTDA, when the Brillouin frequency shift amount is obtained, an unnecessary component of the Brillouin spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift amount Δνb can be obtained more easily and with higher accuracy. As a result, the strain and temperature generated in the detection optical fiber can be determined more easily and with higher accuracy.

また、第1及び2実施形態に係るBOTDRの検知用計測手段20(50)において、まず、制御処理部113の制御によって、検知用光ファイバ9に、サブ光パルス及びメイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計114は、この場合に検知用光ファイバ9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113の制御によって、検知用光ファイバ9に、メイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計114は、この場合に検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114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検知用光ファイバ9に生じた歪み及び温度を測定してもよい。   In the BOTDR detection measurement means 20 (50) according to the first and second embodiments, first, the sub optical pulse and the main light pulse are incident on the detection optical fiber 9 under the control of the control processing unit 113. In this case, the strain and temperature detector 114 obtains a first Brillouin gain spectrum based on the light related to the first natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 9. Next, under the control of the control processing unit 113, the main light pulse is incident on the detection optical fiber 9, and the strain and temperature detector 114 causes the second natural Brillouin scattering emitted from the detection optical fiber 9 in this case. A second Brillouin gain spectrum is obtained based on the light related to the phenomenon. Then, the strain and temperature detector 114 obtains a difference between the first Brillouin gain spectrum and the second Brillouin gain spectrum, and the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 based on the obtained difference. May be measured.

あるいは、制御処理部113の制御によって、検知用光ファイバ9に、サブ光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計114は、この場合に検知用光ファイバ9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、歪み及び温度検出計114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検知用光ファイバ9に生じた歪み及び温度を測定してもよい。   Alternatively, under the control of the control processing unit 113, the sub optical pulse is incident on the detection optical fiber 9, and the strain and temperature detector 114 causes the third natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 9 in this case. A third Brillouin gain spectrum is obtained based on the light related to. Then, the strain and temperature detector 114 obtains a difference between the first Brillouin gain spectrum and the third Brillouin gain spectrum, and the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 based on the obtained difference. May be measured.

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Δνbをより簡単により高精度に求めることができる結果、検知用光ファイバ9に生じた歪み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。   With this configuration, when the Brillouin frequency shift amount is obtained in BOTDR, an unnecessary component of the Brillouin gain spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift amount Δνb can be obtained more easily and with high accuracy. As a result, the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 can be obtained more easily and with higher accuracy.

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、歪み及び温度検出計114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検知用光ファイバ9に生じた歪み及び温度を測定してもよい。   Alternatively, the second and third Brillouin gain spectra are determined, respectively, and the strain and temperature detector 114 determines the first Brillouin gain spectrum, the second Brillouin gain spectrum, and the third Brillouin gain spectrum. Alternatively, the difference and the sum may be obtained, and the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 may be measured based on the obtained difference.

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Δνb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Δνb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、検知用光ファイバ9に生じ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。   With this configuration, when obtaining the Brillouin frequency shift amount Δνb in the BOTDR, unnecessary components of the Brillouin gain spectrum can be suppressed, and the Brillouin frequency shift amount Δνb can be more easily and more highly accurate. As a result, the strain and temperature generated in the detection optical fiber 9 can be determined more easily and with higher accuracy.

なお、上述の第1及び第2実施形態では、図10(A)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21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。   In the first and second embodiments described above, the pump light (sub light pulse and main light pulse) of the aspect shown in FIG. 10A is used, but the present invention is not limited to this. For example, Pump light (sub light pulse and main light pulse) having the form shown in FIG. 21 may be used.

図21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21(A)は、ポンプ光の他の第1構成を示し、図21(B)は、ポンプ光の他の第2構成を示す。   FIG. 21 is a diagram for explaining another configuration of the pump light (sub light pulse and main light pulse). FIG. 21A shows another first configuration of the pump light, and FIG. ) Shows another second configuration of the pump light.

図10(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21(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。   In the pump light shown in FIG. 10A, the light intensity of the sub light pulse is the same level as the light intensity of the main light pulse. For example, as shown in FIG. The light intensity of the pulse may be smaller than the light intensity of the main light pulse. As described above, the sub-light pulse plays a role in raising the acoustic phonon in advance of the main light pulse in time, so that a large light intensity is not required unlike the main light pulse, and the light intensity of the main light pulse. Smaller than that.

また、図10(A)及び図21(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21(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。   Each pump light shown in FIGS. 10A and 21A is configured such that the sub light pulse precedes the main light pulse in time without overlapping the main light pulse. As shown in 21 (B), the pump light may have a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time. In the pump light having such a configuration, from the viewpoint of starting the acoustic phonon by the sub light pulse temporally preceding the main light pulse, the portion of the sub light pulse that does not overlap the main light pulse is relative to the main light pulse. It is preferable that the time is preceded, and it is more preferable that the portion of the sub light pulse that does not overlap with the main light pulse is longer than the time for which the acoustic phonon is completely activated, for example, about 30 ns or more.

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検知用計測手段20(又は50)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、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生じ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。   Here, an experiment in the case where pump light composed of a main light pulse using such a spread spectrum system and a sub light pulse having a portion overlapping with the main light pulse is used for the detection measuring means 20 (or 50). The results will be described. The result of this experiment is, for example, that a difference between the first Brillouin spectrum and the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum in BOTDA is obtained, and the Brillouin frequency due to the distortion generated in the detection optical fiber based on the obtained difference. It is the result of measuring the shift amount.

図22は、図21(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センサの実験結果を示す図である。図22(A)は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図22(B)は、ブリルアン周波数シフトを示す。図22(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、検知用光ファイバ9の長尺方向における距離(m)である。図22(B)の横軸は、検知用光ファイバ9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。   FIG. 22 is a diagram illustrating an experimental result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration illustrated in FIG. 21B is used. FIG. 22A shows the Brillouin gain spectrum, and FIG. 22B shows the Brillouin frequency shift. In FIG. 22A, the x-axis is frequency (MHz), the y-axis is Brillouin gain (nW), and the z-axis is the distance (m) in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9. The horizontal axis in FIG. 22B is the distance (m) in the longitudinal direction of the detection optical fiber 9, and the vertical axis is the peak frequency (MHz).

本実験では、ポンプ光は、図22(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。   In this experiment, as shown in FIG. 22B, the pump light overlaps the sub-light pulse having a pulse width of 132.3 ns and the sub-light pulse with a time delay of 30 ns from the sub-light pulse. The main optical pulse is divided into 1023 cells having a cell width of 0.1 ns, and each cell is modulated with an M-sequence binary code to be spread spectrum encoded. Has been.

検知用光ファイバ9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。   As shown in Table 1, the detection optical fiber 9 includes a first section from z = 100 cm to z = 101 cm, a second section from z = 200 cm to z = 202 cm, and from z = 300 cm to z = 303 cm. The third section, each section of the fourth section from z = 400 cm to z = 404 cm, is given in advance a distortion of 80 MHz (= about 1600 με) in terms of Brillouin frequency shift.


このような検知用光ファイバ9に図21(B)に示す構成のポンプ光を入射させ、測定すると、図22(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22(B)に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図22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。   When the pump light having the configuration shown in FIG. 21B is made incident on such a detection optical fiber 9 and measured, the Brillouin gain spectrum shown in FIG. 22A is obtained. As a result, FIG. The Brillouin frequency shift shown in FIG. As shown in FIG. 22, the Brillouin frequency shift amount due to a predetermined magnitude of distortion is measured at each distortion position shown in Table 1, and distortion is obtained with high accuracy and high spatial resolution. Understood.

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。その結果、広範囲の監視対象領域において、高空間分解能でCO(被検知物質)の濃度分布等が得られ、これにより高空間分解能でCOの監視を行うことが可能となる。 Thus, even when there is a portion where the sub light pulse and the main light pulse overlap, distortion can be obtained with high accuracy and high spatial resolution. As described above, by configuring the pump light with the main light pulse and the sub light pulse using the spread spectrum method, the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, so that the distortion is reduced. While being able to measure with high spatial resolution, the measurable distance can be extended to measure farther. As a result, a concentration distribution of CO 2 (substance to be detected) or the like can be obtained with a high spatial resolution in a wide range of monitoring target areas, and this makes it possible to monitor the CO 2 with a high spatial resolution.

さらに、第1及び第2実施形態の検知用計測手段20(50)及び比較用計測手段21(51)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。   Furthermore, another aspect of the pump light (sub light pulse and main light pulse) used in the detection measurement means 20 (50) and the comparison measurement means 21 (51) of the first and second embodiments will be described.

図23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23(A)は、ポンプ光の構成を示し、図23(B)は、整合フィルタを示す図である。図24は、図23(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。   FIG. 23 is a diagram for explaining still another configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and a matched filter. FIG. 23A shows the configuration of the pump light, and FIG. ) Is a diagram showing a matched filter. FIG. 24 is a diagram for explaining the configuration and operation of an optical pulse generator for generating pump light having the configuration shown in FIG.

図21(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23(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。   The pump light configured as shown in FIG. 21B is composed of a sub light pulse having a portion that temporally precedes the main light pulse and having a portion overlapping the main light pulse, and a main light pulse. As shown in FIG. 23A, the pump light has a sub-light pulse that overlaps the main light pulse so as to completely coincide with the main light pulse without having a portion that precedes the main light pulse in time, And an optical pulse. In other words, the rising timing and the falling timing of the sub optical pulse coincide with the rising timing and the falling timing of the main optical pulse, respectively.

このような図13(A)に示す構成のポンプ光は、例えば、図24に示す構成の光パルス生成部103から生成することができる。図24に示す構成の光パルス生成部103では、その構成は、図9に示す光パルス生成部103及び光スイッチ104の構成と一致し、その動作が、図9に示す光パルス生成部103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。   Such pump light having the configuration shown in FIG. 13A can be generated from, for example, the optical pulse generation unit 103 having the configuration shown in FIG. The optical pulse generation unit 103 configured as shown in FIG. 24 has the same configuration as that of the optical pulse generation unit 103 and the optical switch 104 shown in FIG. 9, and its operation is the same as that of the optical pulse generation unit 103 shown in FIG. It is different from the operation. For this reason, description of the structure is abbreviate | omitted here and the operation | movement is demonstrated.

先ず、図23(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201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。   First, in order to generate pump light having the configuration shown in FIG. 23A, the LN intensity modulator 201 leaks (emits) a predetermined level of light (leakage light) in order to generate a sub-light pulse. ) So that it is on.

第1光源101から射出された連続光L11(=L1)は、光カプラ102を介して光パルス生成部103のLN強度変調器201に入射される。連続光L11が入射されると、LN強度変調器201は、前記漏れ光を射出する。   The continuous light L11 (= L1) emitted from the first light source 101 is incident on the LN intensity modulator 201 of the optical pulse generation unit 103 via the optical coupler 102. When the continuous light L11 is incident, the LN intensity modulator 201 emits the leakage light.

光パルス生成部103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204から乗算器203へ出力され、直流電源202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201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201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。   In the optical pulse generation unit 103, an operation timing pulse having a pulse width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse is output from the timing pulse generator 204 to the multiplier 203 and input from the DC power source 202 at the generation timing of the pump light. The DC voltage thus multiplied is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 201. Accordingly, the continuous light L11 is emitted by the LN intensity modulator 201 as an optical pulse L12 in which an optical pulse having a pulse width D is superimposed on leakage light.

そして、光パルス生成部103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214から乗算器213へ順次に出力され、直流電源212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211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211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。   Then, the optical pulse generator 103 multiplies the pseudo random number from the pseudo random number generator 214 at the time timing of the cell width during the time width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse at the generation timing of the main optical pulse. Sequentially output to 213, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 212, the DC voltage modulated by the M-sequence binary code is LN at the time timing of the cell width, with the time width D from the generation timing of the main optical pulse. The signal is sequentially applied to the signal electrodes of the phase modulator 211. As a result, the optical pulse L12 is emitted as an optical pulse L13 in which a portion (corresponding to the main optical pulse) modulated by the M-sequence binary code is superimposed on the leakage light by the LN phase modulator 211.

そして、EDFA221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。   In the EDFA 221, the light pulse L13 is amplified until it reaches a predetermined light intensity, and is emitted as a light pulse L14.

さらに、光パルス生成部103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Dsub(=メイン光パルスのパルス幅D)に相当するパルス幅Dsub(=D)の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器234から乗算器233へ出力され、直流電源232から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Dsub(=D)の直流電圧がLN強度変調器231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231で、EDFA221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(EDFA221で増幅された漏れ光)が除去され、パルス幅Dsub(=D)であって無変調であるサブ光パルスとパルス幅D(=Dsub)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。 Furthermore, in the light pulse generation unit 103, in accordance with the generation timing of the pump light, the operation timing of the pulse width D sub of corresponding to the pulse width D sub of the sub light pulse (= pulse width D of main light pulse) (= D) The pulse is output from the timing pulse generator 234 to the multiplier 233, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 232, and a DC voltage having a pulse width D sub (= D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 231. Is done. As a result, the optical pulse L14 is filtered by the LN intensity modulator 231 to remove noise such as spontaneous emission light accompanying the optical pulse L14 by the EDFA 221 and light caused by leakage light before and after the optical pulse L14 (in the EDFA 221). Amplified leakage light) is removed, a sub-light pulse having a pulse width D sub (= D) and unmodulated, and a main light pulse having a pulse width D (= D sub ) and spread spectrum encoded The main light pulse coincides with the sub light pulse in time and overlaps and is emitted as pump light L15.

これら図10(A)、図21(A)、図21(B)及び図23(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の検知用計測手段及び比較用計測手段でも、BOTDAの検知用計測手段及び比較用計測手段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。   These optical pulses (sub optical pulse and main optical pulse) shown in FIG. 10A, FIG. 21A, FIG. 21B, and FIG. The comparison measurement means can be used in the same manner as the BOTDA detection measurement means and the comparison measurement means. Note that, as described above, since BOTDR uses acoustic phonons excited by thermal noise, the sub light pulse does not necessarily precede the main light pulse in terms of time. Of course, the sub light pulse may precede the main light pulse in terms of time.

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、上述の階段状パルスだけでなく、さらに、以下のようなパルスを用いてもよい。   Further, as the pump light (sub light pulse and main light pulse), not only the above-mentioned stepped pulse but also the following pulse may be used.

図25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25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。   FIG. 25 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example. In each of the following drawings, the horizontal axis represents time (time) expressed in ns, and the vertical axis represents light intensity. In the example shown in FIG. 25, the main light pulse OPm has a first predetermined pulse width D1 and a rectangular shape having a first predetermined light intensity P1 (the light intensity P is constant at the first predetermined light intensity P1 between the first predetermined pulse widths D1. The sub optical pulse OPs has a second predetermined pulse width D2 and a rectangular shape having the second predetermined light intensity P2 (the light intensity P is constant at the second predetermined light intensity P2 between the second predetermined pulse widths D2). . A predetermined time is provided between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm. Accordingly, the second predetermined pulse width D2 of the sub light pulse OPs is shorter than the time from the rise of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm.

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。   For example, the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062, and the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 5 ns and a light intensity P2 of 0.005. A time of 7 ns is left between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm (from the fall of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm).

図26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25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。   FIG. 26 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example. In the example shown in FIG. 25, the main optical pulse OPm has a rectangular shape with a first predetermined pulse width D1 and a first predetermined light intensity P1, and the sub optical pulse OPs has a second predetermined light intensity with a second predetermined pulse width D2. (Maximum light intensity) The light intensity P rises at P2, and the light intensity P gradually decreases with time, and the main light pulse OPm rises almost immediately after the end of the sub light pulse OPs. For example, the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062, and the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 13 ns and a rising light intensity P2 of 0.005. is there.

図27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27(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。   FIG. 27 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example. In the example shown in FIG. 27A, the main optical pulse OPm has a first predetermined pulse width D1 and a rectangular shape having a first predetermined light intensity P1, and the sub optical pulse OPs has a second predetermined pulse width D2 and a light intensity. P is a right triangle shape that gradually increases with time until the second predetermined light intensity (maximum light intensity) P2, and the first optical pulse OPm rises almost immediately after the end of the second optical pulse OPs. For example, the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062, and the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 13 ns and the falling light intensity P2 has a maximum light intensity. And 0.005.

図27(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。   In the example shown in FIG. 27B, the main light pulse OPm has a first predetermined pulse width D1 and a rectangular shape having a first predetermined light intensity P1, and the sub light pulse OPs has a second predetermined pulse width D2 and a light intensity. P is an isosceles triangle shape that gradually increases to a second predetermined light intensity (maximum light intensity) P2 over time and then gradually decreases over time, and the main light pulse OPm is the end of the sub light pulse OPs. It stands up almost immediately after. For example, the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062, and the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 13 ns and the maximum light intensity P2 at the center of the pulse is 0. .005.

図27(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。   As shown in FIG. 27C, the main optical pulse OPm has a first predetermined pulse width D1 and a rectangular shape having a first predetermined light intensity P1, and the sub optical pulse OPs has a second predetermined pulse width D2 and a light intensity. P is a Gaussian curve shape that gradually increases to the second predetermined light intensity (maximum light intensity) P2 over time and then gradually decreases over time. A predetermined time is provided between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm. Accordingly, the second predetermined pulse width D2 of the sub light pulse OPs is shorter than the time from the rise of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm. For example, the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062, and the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 5 ns and a maximum light intensity P2 of 0.005. A time of 4.5 ns is left between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm (from the fall of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm).

図28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28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。   FIG. 28 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example. In the example shown in FIG. 28, the first and second optical pulses OPw1 and OPw2 have the same pulse width and optical intensity, and a predetermined time is provided between the first optical pulse OPw1 and the second optical pulse OPw2. ing. For example, the first and second optical pulses OPw1 and OPw2 have a pulse width of 1 ns, a light intensity of 0.062, and a predetermined time of 5 ns.

尚、本発明の検知用ケーブル及びこの検知用ケーブルを備えた監視システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   Note that the detection cable of the present invention and the monitoring system including the detection cable are not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention. is there.

検知用ケーブルで検知可能な被検知物質、及び監視システムにおける監視対象となる被検知物質はCOに限定されず、他の物質でもよく、例えば、ブタンやプロパン等であってもよい。この場合、反応部材は、ブタンやプロパン等の被検知物質と接することで検知用光ファイバ9に圧力及び/又は熱を加える素材により構成される。即ち、検知用ケーブルは、反応部材を構成する素材に応じた種類の被検知物質の検知ができる。また、反応部材が複数の物質と反応して体積や熱が変化する素材である場合には、ゲート部材11の素材を検知したい特定の物質のみを透過させる素材に変えることにより、他の物質の検知及び監視が可能となる。 The substance to be detected that can be detected by the detection cable and the substance to be detected in the monitoring system are not limited to CO 2 , but may be other substances, such as butane or propane. In this case, the reaction member is made of a material that applies pressure and / or heat to the detection optical fiber 9 by coming into contact with a substance to be detected such as butane or propane. That is, the detection cable can detect the type of substance to be detected according to the material constituting the reaction member. Also, when the reaction member is a material that reacts with a plurality of substances and changes in volume and heat, the material of the gate member 11 is changed to a material that allows only a specific substance to be detected to pass through. Detection and monitoring are possible.

上記実施形態のセンサーファイバ部4では、ゲート部材11が反応部材10を外側から囲っているが、反応部材10がCO(被検知物質)のみを吸収又は吸着する素材で構成されていれば、反応部材10の外側にゲート部材11がなくてもよい。 In the sensor fiber portion 4 of the above embodiment, the gate member 11 surrounds the reaction member 10 from the outside, but if the reaction member 10 is made of a material that absorbs or adsorbs only CO 2 (detected substance), The gate member 11 may not be provided outside the reaction member 10.

上記実施形態の除去手段reは、反応部材10に圧力を加える構成であるが、これに限定されない。例えば、反応部材が熱を加えられることにより吸収又は吸着した物質を放出又は脱着する場合には、除去手段は、反応部材に熱を加える構成となる。   Although the removal means re of the said embodiment is a structure which applies a pressure to the reaction member 10, it is not limited to this. For example, when releasing or desorbing a substance absorbed or adsorbed by applying heat to the reaction member, the removing means is configured to apply heat to the reaction member.

具体的に、除去手段は、ケーブルシース7内において、内部に蒸気を流通させることができる管(蒸気管)を加圧管6の変わりに配置し、この蒸気管内に高温の蒸気を供給するように構成されてもよい。このような構成によれば、蒸気管内を流れる蒸気の熱が管壁を通じて反応部材に伝わり、反応部材が吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着する。   Specifically, the removing means arranges a pipe (steam pipe) capable of circulating steam inside the cable sheath 7 instead of the pressurizing pipe 6, and supplies high-temperature steam into the steam pipe. It may be configured. According to such a configuration, the heat of the steam flowing in the steam pipe is transmitted to the reaction member through the pipe wall, and the detected substance absorbed or adsorbed by the reaction member is released or desorbed.

また、除去手段は、検知用光ファイバ9の表面をコートする金属膜、又は検知用光ファイバ9に沿って配設される金属線(例えば、電線等)によって構成され、これら金属膜や金属線に電気を流して発熱させることで反応部材を加熱するように構成されてもよい。   Further, the removing means is constituted by a metal film that coats the surface of the detection optical fiber 9 or a metal wire (for example, an electric wire) disposed along the detection optical fiber 9, and the metal film or the metal wire. The reaction member may be heated by causing electricity to flow through and generating heat.

上記実施形態の反応部材10は、長尺方向において、検知用光ファイバ9の略全体に設けられているが、一部だけを覆うように設けられてもよい。即ち、少なくとも検知用ケーブル2の一部に設けられた感知部14に対応する部位が反応部材10により覆われていればよい。かかる部位に反応部材10が設けられていれば、被検知物質の検知及び監視を行うことができる。これは、非感知部15には連通部14aが設けられていないため、検知用ケーブル2の周辺に被検知物質が存在していてもケーブルシース7内に被検知物質が自由に出入りすることができず、反応部材10が配置されていても、検知用ケーブル2の周辺のCOの濃度等を精度よくリアルタイムに検知することができないからである。また、反応部材10は、長尺方向において連続している必要もなく、断続であってもよい。 The reaction member 10 of the above embodiment is provided on substantially the entire detection optical fiber 9 in the longitudinal direction, but may be provided so as to cover only a part thereof. That is, it is only necessary that at least a portion corresponding to the sensing unit 14 provided in a part of the detection cable 2 is covered with the reaction member 10. If the reaction member 10 is provided at such a site, the substance to be detected can be detected and monitored. This is because the non-sensing part 15 is not provided with the communication part 14a, and therefore the substance to be detected can freely enter and exit the cable sheath 7 even if the substance to be detected exists around the detection cable 2. This is because even if the reaction member 10 is arranged, the concentration of CO 2 around the detection cable 2 cannot be detected accurately in real time. Moreover, the reaction member 10 does not need to be continuous in the longitudinal direction, and may be intermittent.

上記実施形態の監視システム1では、ブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象の両散乱現象に基づく散乱光を利用して被検知物質の検知及び監視を行っているが、これに限定されず、ブリルアン散乱現象又はレイリー散乱現象のいずれか一方の散乱現象に基づく散乱光を利用して検知及び監視を行ってもよい。即ち、上記実施形態の監視システム1では、両散乱現象に基づく散乱光を利用することで、検知用ケーブル2に沿って被検知物質の濃度分布及び温度分布を同時に且つ独立して高空間分解能で計測しているが、被検知物質の濃度又は温度の一方だけの計測でよい場合や、濃度分布等の空間分解能が低くてもよい場合には、いずれか一方の散乱現象に基づく散乱光を利用して検知及び監視を行う監視システムであってもよい。   In the monitoring system 1 of the above-described embodiment, detection and monitoring of a target substance are performed using scattered light based on both the Brillouin scattering phenomenon and the Rayleigh scattering phenomenon, but the present invention is not limited to this, and the Brillouin scattering phenomenon is not limited thereto. Alternatively, detection and monitoring may be performed using scattered light based on one of the Rayleigh scattering phenomena. That is, in the monitoring system 1 of the above embodiment, the concentration distribution and the temperature distribution of the substance to be detected can be simultaneously and independently performed with high spatial resolution along the detection cable 2 by using scattered light based on both scattering phenomena. If measurement is performed but only one of the concentration or temperature of the substance to be detected needs to be measured, or if the spatial resolution of the concentration distribution etc. may be low, use scattered light based on one of the scattering phenomena. Thus, a monitoring system that performs detection and monitoring may be used.

上記実施形態におけるBOTDAの検知用計測手段20(50)及び比較用計測手段21(51)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。   In the BOTDA detection measurement means 20 (50) and the comparison measurement means 21 (51) in the above embodiment, the frequency of the pump light (sub light pulse and main light pulse) is fixed, and the frequency of the probe light (continuous light). However, the Brillouin spectrum may be measured with the probe light frequency fixed and the pump light frequency swept within the predetermined frequency range.

1 監視システム
2 検知用ケーブル
3 監視装置本体
4 センサーファイバ部
5 比較ファイバ部
9 検知用光ファイバ
10 反応部材
11 ゲート部材(選別部材)
12 比較用光ファイバ
13 金属管(保護部材)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Monitoring system 2 Detection cable 3 Monitoring apparatus main body 4 Sensor fiber part 5 Comparison fiber part 9 Optical fiber for detection 10 Reaction member 11 Gate member (sorting member)
12 Optical fiber for comparison 13 Metal tube (protective member)

Claims (13)

光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象を利用して特定の被検知物質を検知するための検知用ケーブルであって、
検知用光ファイバと、
前記被検知物質に接することで前記検知用光ファイバに圧力及び/又は熱を加える反応部材と、
前記検知用光ファイバに沿って配設される比較用光ファイバと、
前記比較用光ファイバに対して外部から加わる圧力及び/又は熱を緩和するための保護部材と、を備えることを特徴とする検知用ケーブル。
A detection cable for detecting a specific target substance using a Brillouin scattering phenomenon and / or a Rayleigh scattering phenomenon in an optical fiber,
Optical fiber for detection;
A reaction member that applies pressure and / or heat to the optical fiber for detection by being in contact with the substance to be detected;
A comparison optical fiber disposed along the detection optical fiber;
And a protective member for relaxing pressure and / or heat applied from the outside to the comparative optical fiber.
前記反応部材は、前記検知用光ファイバに沿って連続又は断続に設けられることを特徴とする請求項1に記載の検知用ケーブル。   The detection cable according to claim 1, wherein the reaction member is provided continuously or intermittently along the detection optical fiber. 前記反応部材は、前記検知用光ファイバを周方向に覆い、前記被検知物質に接することでその体積が変化すると共に前記接した被検知物質の有する熱が前記検知用光ファイバに伝わる素材で構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の検知用ケーブル。   The reaction member is made of a material that covers the detection optical fiber in the circumferential direction, changes its volume by contacting the substance to be detected, and transmits the heat of the substance to be detected to the detection optical fiber. The detection cable according to claim 1, wherein the detection cable is provided. 前記反応部材は、接する被検知物質の濃度に応じて変形することを特徴とする請求項3に記載の検知用ケーブル。   The detection cable according to claim 3, wherein the reaction member is deformed according to a concentration of a substance to be detected in contact therewith. 前記検知用光ファイバと前記反応部材とを外側から一括して囲み、外側から前記検知用光ファイバ及び前記反応部材の在る内側への前記被検知物質の透過を許容する選別部材をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の検知用ケーブル。   And further comprising a selection member that collectively surrounds the detection optical fiber and the reaction member from outside and allows the detection target substance to pass from the outside to the inside where the detection optical fiber and the reaction member are present. The detection cable according to any one of claims 1 to 4. 前記反応部材を加熱又は加圧可能な除去手段をさらに備え、
前記反応部材は、前記被検知物質と接することで当該被検知物質を吸収又は吸着する一方、前記除去手段によって加熱又は加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の検知用ケーブル。
It further comprises a removing means capable of heating or pressurizing the reaction member,
The reaction member absorbs or adsorbs the detected substance by being in contact with the detected substance, and releases or desorbs the absorbed or adsorbed detected substance by being heated or pressurized by the removing unit. The detection cable according to any one of claims 1 to 5.
前記除去手段は、内部に流体が流通され、この液体が加熱されることで径方向に膨張して前記反応部材を加圧する加圧管を有し、
前記反応部材は、前記加圧管によって加圧されることで前記吸収又は吸着した被検知物質を放出又は脱着することを特徴とする請求項6に記載の検知用ケーブル。
The removing means has a pressurizing tube that circulates in the fluid inside and expands in a radial direction when the liquid is heated to pressurize the reaction member,
The detection cable according to claim 6, wherein the reaction member releases or desorbs the absorbed or adsorbed substance to be detected by being pressurized by the pressure tube.
少なくとも、前記検知用光ファイバ、前記反応部材、前記比較用光ファイバ、前記保護部材、及び前記加圧管を外側から一括して囲むケーブルシースをさらに備え、
前記ケーブルシースは、その外側と内側とを連通して前記被検知物質の通過を許容する連通部を有することを特徴とする請求項7に記載の検知用ケーブル。
At least a cable sheath that collectively surrounds the detection optical fiber, the reaction member, the comparison optical fiber, the protection member, and the pressurizing tube from the outside;
The detection cable according to claim 7, wherein the cable sheath includes a communication portion that allows communication between the outer side and the inner side and allows passage of the substance to be detected.
前記保護部材は、前記比較用光ファイバの周囲を囲む保護パイプであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の検知用ケーブル。   The detection cable according to claim 1, wherein the protection member is a protection pipe that surrounds the comparison optical fiber. 前記検知用光ファイバに沿って延び、表面に複数の螺旋状の溝を有するスロットをさらに備え、
異なる前記溝に前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバがそれぞれ収容されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の検知用ケーブル。
A slot extending along the sensing optical fiber and having a plurality of spiral grooves on the surface;
The detection cable according to claim 1, wherein the detection optical fiber and the comparison optical fiber are accommodated in different grooves.
光ファイバを用いて特定の被検知物質を監視する監視システムであって、
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の検知用ケーブルと、
前記検知用ケーブルの検知用光ファイバ及び比較用光ファイバに検査光をそれぞれ入射させる光源と、
前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内において前記検査光により生じるブリルアン散乱現象及び/又はレイリー散乱現象に基づく散乱光をそれぞれ計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記検知用光ファイバ内における前記散乱光と前記比較用光ファイバ内における前記散乱光とに基づき前記被検知物質を検出する算出手段と、を備えることを特徴とする監視システム。
A monitoring system for monitoring a specific substance to be detected using an optical fiber,
The detection cable according to any one of claims 1 to 10,
A light source for injecting inspection light into the detection optical fiber and the comparison optical fiber of the detection cable; and
Measuring means for measuring scattered light based on the Brillouin scattering phenomenon and / or the Rayleigh scattering phenomenon caused by the inspection light in the detection optical fiber and the comparison optical fiber;
Monitoring means comprising: calculating means for detecting the substance to be detected based on the scattered light in the optical fiber for detection measured by the measuring means and the scattered light in the optical fiber for comparison. system.
前記計測手段は、前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるブリルアン散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるブリルアン周波数シフト量を導出するブリルアン計測部と、
前記検知用光ファイバ内及び前記比較用光ファイバ内におけるレイリー散乱現象を用いて各光ファイバにそれぞれ加わった圧力及び熱によるレイリー周波数シフト量を導出するレイリー計測部とを有し、
前記算出手段は、前記ブリルアン計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測部によって導出された前記検知用光ファイバ及び前記比較用光ファイバにおけるレイリー周波数シフト量とに基づき、前記検知用光ファイバ周辺の長尺方向における前記被検知物質の濃度分布及び温度分布を算出可能に構成されることを特徴とする請求項11に記載の監視システム。
The measurement means includes a Brillouin measurement unit for deriving a Brillouin frequency shift amount due to pressure and heat applied to each optical fiber using the Brillouin scattering phenomenon in the detection optical fiber and the comparison optical fiber, and
A Rayleigh measuring unit for deriving a Rayleigh frequency shift amount due to pressure and heat applied to each optical fiber using the Rayleigh scattering phenomenon in the detection optical fiber and the comparison optical fiber,
The calculation means includes a Brillouin frequency shift amount in the detection optical fiber and the comparison optical fiber derived by the Brillouin measurement unit, and the detection optical fiber and the comparison optical fiber derived by the Rayleigh measurement unit. 12. The monitoring system according to claim 11, wherein the concentration distribution and the temperature distribution of the detected substance in the longitudinal direction around the detection optical fiber can be calculated based on the Rayleigh frequency shift amount in .
前記ブリルアン計測部は、前記各光ファイバ中を伝播する光の移動時間に基づいて定まる実測位置と、前記各光ファイバの伸縮に伴って前記実測位置からずれる当該光ファイバ上の計測希望位置とに関する補正量を導出すると共に、この補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量を導出し、
前記レイリー計測部は、前記ブリルアン計測部により導出された補正量を用いて前記レイリー周波数シフト量を導出することを特徴とする請求項12に記載の監視システム。
The Brillouin measurement unit relates to an actual measurement position determined based on a travel time of light propagating in each optical fiber, and a measurement desired position on the optical fiber that deviates from the actual measurement position as the optical fibers expand and contract. Deriving a correction amount and deriving the Brillouin frequency shift amount using this correction amount,
The monitoring system according to claim 12, wherein the Rayleigh measuring unit derives the Rayleigh frequency shift amount using the correction amount derived by the Brillouin measuring unit.
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