JP2015021826A - 光パルス試験装置及び光パルス試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃ−ＯＴＤＲを採用する光伝送システムの監視において、高感度な長距離測定を経済的に実施する。
【解決手段】試験光パルスの周波数成分と実測した後方散乱光のパワースペクトルのピーク周波数とを照合することで、補正すべき周波数ドリフト量を算出し、これによって高感度な後方散乱光強度分布を得ることを可能としたもので、光信号の演算処理過程において、光線路を任意に区間割りした上で、当該区間毎に後方散乱光のパワースペクトルのピーク周波数を算出する予備ステップと、得られた区間毎のピーク周波数を用いてパワースペクトル振幅値の抽出周波数を補正し、補正後の周波数により抽出したパワースペクトルの振幅値を基に後方散乱光強度分布を算出する計算ステップを有する。
【選択図】 図１

Description

発明は、光線路の光損失分布や断線位置等を測定するための光パルス試験装置及び光パルス試験方法に関する。

被試験光ファイバ（Fiber under test、以後ＦＵＴと称する）に試験光パルスを送出し、ＦＵＴからの後方散乱光を受信、解析することで各地点における光の反射率分布を測定する技術として光パルス試験方法（Optical Time Domain Reflectometry、以後ＯＴＤＲと称する）が知られている。ＯＴＤＲは、ＦＵＴに試験光パルスを送出し、ＦＵＴからの反射光やレイリー後方散乱光（以後、単に後方散乱光と称する）を受信、解析することでＦＵＴの各地点における光の反射率分布（以後、ＯＴＤＲ波形と称する）を測定する方法、装置である。この技術は光ファイバの片端からその損失分布評価を試験できるため、敷設された光ファイバの保守運用の観点から重要な技術である。

ＯＴＤＲの最大測定距離はＦＵＴの光損失値とＯＴＤＲのダイナミックレンジにより決まる。ここで、ダイナミックレンジとは測定の際に許容される最大損失値である。ダイナミックレンジを拡大する方法として、主にＦＵＴへ入射させる試験光パルスピークパワーを大きくする方法、受信系の最小受信感度を向上させる方法、試験光パルスを繰り返し入射し、測定結果を加算平均処理することによって測定信号の信号対雑音強度比を向上させる方法がある。最小受信感度を向上させる方法として、コヒーレント検波技術があり、このコヒーレント検波技術を用いるＯＴＤＲ（Coherent OTDR、以後Ｃ−ＯＴＤＲと称する）が長距離の測定方法として実用化されている（非特許文献１参照）。

この従来のＣ−ＯＴＤＲは、非特許文献１に示されるように、コヒーレント光を発する光源からの出力光を光方向性結合器によって試験光と局発光に分岐させる。分岐された試験光は光増幅器によって増幅された後、音響光学素子に入射され、周波数シフトを伴いパルス化される。パルス化された試験光は光サーキュレータを通過し、ＦＵＴに入射される。ＦＵＴで生じた後方散乱光は光サーキュレータにより光受信器側のみに向かい、光方向性結合器により前述の局発光と結合された後、バランス型光受信器によって受信される。これより、局発光と後方散乱光の干渉によって生じる干渉ビート信号が信号電流として検出される。この信号電流は、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換器によって数値化された後、加算平均処理される。処理された数値列を対数表示することでＯＴＤＲ波形を得ることができる。

また、特許文献１に、所定時間間隔毎に所定周波数間隔だけ変化させた試験光を光パルス化してＦＵＴに入射し、ＦＵＴからの反射及び後方散乱光を、試験光を分岐させた局発光とバランス型光受信器によって受信した後に周波数毎に分離して、試験光パルスの複数の周波数成分による反射率分布を求める技術が提案されている。この特許文献１記載の方法は、複数の周波数成分による多重効果によって、従来法のＣ−ＯＴＤＲ測定に比べ、一回の測定当たりに取得できる反射率分布が多重数分取得できるため、実効上の加算平均処理数を多く実行し、ダイナミックレンジを拡大することができる。

ここで、非特許文献１や特許文献１のコヒーレントＯＴＤＲでは、十分なコヒーレント検波効率を得るために、十分に狭線幅のレーザを光源として用いる必要があり、例えば1kmの距離分解能において、必要な線幅は10kHz程度である。また、ＦＵＴからの反射光やレイリー後方散乱光は、入射した試験光と同じ光周波数であると知られており、局発光と試験光の間でシフトした周波数に応じた干渉ビート信号が信号電流として検出され、取り扱われる。

しかしながら、実環境における長距離のＦＵＴは、振動の影響をわずかながら受けることとなり、入射した試験光とは異なる光周波数の後方散乱光が検出される場合がある。本現象による後方散乱光の周波数ドリフトはドップラー周波数シフトと呼ばれ、波の発生源である光源と観測地点との相対的な速度によって、波の周波数が異なって観測されるドップラー効果により発生する現象である。仮に光源に狭線幅のレーザを用いた場合においても、光受信側ではドップラー周波数シフトによって、等価的に線幅の広いレーザを用いた場合や光パルスが自己位相変調による非線形効果を受けて周波数シフトした場合と同様となり、結果としてコヒーレントＯＴＤＲの検波効率が低下するという課題がある（非特許文献１参照）。

尚、一般には、光受信器の受信帯域を広げることで周波数ドリフトした後方散乱光を検出することが可能である。但し、コヒーレントＯＴＤＲがよく用いられる海底光増幅中継システムの場合には、光増幅器を光線形中継器として用いているため、後方散乱光と共に光増幅器で発生する自然放出光が雑音として検出されてしまう。このように、受信帯域を広げると検出される雑音も多くなることから、受信帯域は試験光パルスに応じて必要最低限とする方が好ましい。

特開２０１１−１６４０７５号公報

H. Izumita et al, "The Performance Limit of Coherent OTDR Enhanced with Optical Fiber Amplifiers due to Optical Nonlinear Phenomena" JLT., vol. 12, no. 7, pp. 1230-1238 (1994)

以上のように、被試験光線路に試験光パルスを送出し、被試験光線路からの後方散乱光を受信、解析することで各地点における光の反射率分布を測定する技術としてＣ−ＯＴＤＲが実用化されているが、このＣ−ＯＴＤＲによる海底光増幅中継伝送システム等の長距離線路の監視に際して、光ケーブルが受ける微小な振動に起因するドップラー周波数シフト（後方散乱光の周波数ドリフト）が発生する場合があり、このドップラー周波数シフトによりＣ−ＯＴＤＲの検波効率が低下してしまう、という問題があった。

そこで本発明は、Ｃ−ＯＴＤＲによる高感度な長距離測定を経済的に実施することができ、線路監視品質を大きく向上させることができる光パルス試験装置及び光パルス試験方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る光パルス試験装置は、以下の態様で構成される。
（１）コヒーレントな第１の信号光を発する第１の光源と、前記第１の光源の出力光を分岐して局発光と試験光とを生成する分岐手段と、前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定の周波数間隔で変化させる光周波数制御手段と、前記光周波数制御手段の出力を光パルス化して試験光パルスを生成する第１の光パルス化手段と、前記第１の光源の出力光とは異なる波長の第２の信号光を発生する第２の光源と、前記第２の光源からの出力光を前記試験光パルスとは周期が逆となるようにパルス化してダミー光パルスを生成する第２の光パルス化手段と、前記ダミー光パルスを前記試験光パルスに重畳して光パルス信号を生成する光重畳手段と、前記光パルス信号を被試験光線路に入射し、前記被試験光線路の各地点で反射または散乱により発生した後方散乱光を取得する後方散乱光取得手段と、前記後方散乱光と前記局発光を光結合する光結合手段と、前記光結合された光信号を光受信して電流信号を取得する光受信手段と、前記電流信号を複数の周波数成分毎に分離する周波数分離手段と、前記試験光の被試験光線路からの反射光及び後方散乱光の反射率分布を求める演算処理手段とを具備し、前記演算処理手段は、前記被試験光線路を任意の区間長に区切って周波数ドリフトの補償区間を設定し、前記補償区間それぞれの信号データを抽出して、補償区間毎にそれぞれのピーク周波数を取得する予備処理手段と、前記光パルスのサンプル点毎にパワースペクトルを得て、前記被試験光線路上の位置が前記予備処理手段で設定した補償区間のうちのどの区間に含まれるかを判別して、前記サンプル点毎の開始処理データの開始位置に応じた補償区間を特定し、前記予備処理手段において、当該区間で算出されたピーク周波数を用いて、前記パワースペクトルの振幅値を抽出し、抽出されたパワースペクトルの振幅値を基に光パルス試験波形を算出する算出処理手段とを備える態様とする。

（２）（１）において、さらに、前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定間隔だけ変化させる光周波数制御手段を有し、前記複数の周波数成分を有する被試験光線路からの後方散乱光を演算処理手段により周波数分離する手段を有する態様とする。
（３）（１）または（２）において、前記光パルスのパルス幅または前記光周波数制御手段で試験光に与えられた所定の時間間隔によって決まる距離分解能よりも、前記予備処理手段における任意区間が長い態様とする。
（４）（１）において、前記演算処理手段は、前記試験光パルスの複数の周波数成分の入射時間のずれを補正して複数分の光パルス試験波形を取得し、前記抽出したパワースペクトルの振幅より前記複数分の光パルス試験波形を加算平均処理する態様とする。

また、本発明に係る光パルス試験方法は、以下の態様で構成される。
（５）コヒーレントな第１の信号光を分岐して局発光と試験光とを生成し、前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定の周波数間隔で変化させ、前記光周波数制御された試験光を光パルス化して試験光パルスを生成し、前記第１の信号光とは異なる波長の第２の信号光を発生する第２の光源と、前記第２の光源からの出力光を前記試験光パルスとは周期が逆となるようにパルス化してダミー光パルスを生成し、前記ダミー光パルスを前記試験光パルスに重畳して光パルス信号を生成し、前記光パルス信号を被試験光線路に入射し、前記被試験光線路の各地点で反射または散乱により発生した後方散乱光を取得し、前記後方散乱光と前記局発光を光結合し、前記光結合された光信号を光受信して電流信号を取得し、前記電流信号を複数の周波数成分毎に分離し、前記試験光の被試験光線路からの反射光及び後方散乱光の反射率分布を求める光パルス試験方法であって、予備処理として、前記被試験光線路を任意の区間長に区切って周波数ドリフトの補償区間を設定し、前記補償区間それぞれの信号データを抽出して、補償区間毎にそれぞれのピーク周波数を取得し、算出処理として、前記光パルスのサンプル点毎にパワースペクトルを得て、前記被試験光線路上の位置が前記予備処理手段で設定した補償区間のうちのどの区間に含まれるかを判別して、前記サンプル点毎の開始処理データの開始位置に応じた補償区間を特定し、前記予備処理手段において、当該区間で算出されたピーク周波数を用いて、前記パワースペクトルの振幅値を抽出し、抽出されたパワースペクトルの振幅値を基に光パルス試験波形を算出する態様とする。

（６）（５）において、さらに、前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定間隔だけ変化させ、前記複数の周波数成分を有する被試験光線路からの後方散乱光を演算処理により周波数分離する態様とする。
（７）（５）または（６）において、前記光パルスのパルス幅または前記光周波数制御手段で試験光に与えられた所定の時間間隔によって決まる距離分解能よりも、前記予備処理手段における任意区間が長い態様とする。
（８）（５）において、前記試験光パルスの複数の周波数成分の入射時間のずれを補正して複数分の光パルス試験波形を取得し、前記抽出したパワースペクトルの振幅より前記複数分の光パルス試験波形を加算平均処理する態様とする。

本発明では、入射する試験光パルスの周波数成分が既知であることに着目し、この試験光パルスの周波数成分と実測した後方散乱光のパワースペクトルのピーク周波数とを照合することで、補正すべき周波数ドリフト量を算出し、これによって高感度な後方散乱光強度分布を得ることを可能としたものである。具体的には、光信号の演算処理過程において、光線路を任意に区間割りした上で、当該区間毎に後方散乱光のパワースペクトルのピーク周波数を算出する予備ステップと、得られた区間毎のピーク周波数を用いてパワースペクトル振幅値の抽出周波数を補正し、補正後の周波数により抽出したパワースペクトルの振幅値を基に後方散乱光強度分布を算出する計算ステップを有するＣ−ＯＴＤＲである。

この構成によれば、ＦＵＴの任意の区間毎にドップラー効果による周波数ドリフト量を補正量として知ることができ、当該区間におけるＯＴＤＲ波形の算出には、前記補正量を用いた周波数における受信信号のパワースペクトルを用いることによって、前記ドップラー効果による周波数ドリフトの影響を低減することが可能となり、振動を有する実環境下においてより高感度な測定が可能となる。

さらに、１回の試験光パルスの入射毎に上記操作を実施することから、試験光パルスの繰り返し周期に応じてリアルタイムな振動影響の補償が可能となる。
また、光受信器には、受信帯域が広帯域なものを用いる必要はなくなり、上記振動影響を補償することによって、光増幅器を用いた線路における測定においても、雑音検出量を余分に増加させることなく、狭帯域な光受信器を用いることができ、安価な構成で高感度な測定が可能となる。

したがって、本発明によれば、Ｃ−ＯＴＤＲによる高感度な長距離測定を経済的に実施することができ、海底光増幅中継伝送システム等の光伝送システムの監視品質を大きく向上させることができる光パルス試験装置及び光パルス試験方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光パルス試験装置の構成を示すブロック図。 図１に示す光パルス試験装置の演算処理装置における演算処理内容を示すフローチャート。 図１に示す光パルス試験装置の実験系を表す模式図。 図１に示す光パルス試験装置で図３の実験系を測定した場合の実験結果を示す波形図。 図４に示す実験結果においても各々の補償区間における周波数ドリフト量の分布を示す特性図。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図１は本発明の実施形態の光パルス試験装置を示すブロック図である。同図に示す光パルス試験装置は、試験光の各周波数成分による被試験光ファイバからの反射光および後方散乱光の反射率分布を求めることができるものであり、かつ光増幅器を光線形中継器として用いた海底光増幅中継システムの測定において、試験光パルスの光サージを抑圧するためのダミー光を構成するため、第２の光源を用いたものである。

コヒーレント光を発する第１の光源１１からの出力光は分岐素子１２で２系統に分岐される。分岐された光の一方は局発光として用いられ、他方は試験光として光周波数制御器１３に入射される。この光周波数制御器１３は所定の時間間隔Ｗ（秒）毎に試験光の周波数を所定の周波数幅だけ全部でＭ個の周波数ｆ１，…ｆｉ，ｉ＋１，…，ｆＭを持つように段階的にシフトされる。Ｍは多重数となり、ｉ番目の周波数とｉ＋１番目の周波数には入射遅延Ｗ（秒）が設けられている。

ここで、第１の光源１１の出力光の線幅は、光周波数制御器１３により所定周波数を持続させる時間Ｗの逆数よりも小さい幅とする必要がある。これは、光パルス試験装置に要求される距離分解能に対応した、光の振幅および周波数の持続した時間幅の逆数よりも小さい線幅を持った光源を用意する必要があることを意味しており、本実施形態では１０ｋＨｚ以下としている。

ここで、分岐素子１２は具体的には光カプラまたはハーフミラーで構成される。また、光周波数制御器１３は、具体的には駆動源となる正弦波発生器１４からの信号周波数に応じて変調側波帯の周波数が変化する機能をもつ外部変調器であればよく、LiNbO₃を用いた位相変調器や振幅変調器、ＳＳＢ−ＳＣ（搬送波抑圧光単側波帯）変調器がその機能を持つことはよく知られている。

ここで、光周波数制御器１３による周波数シフト間隔は、周波数を持続させる所定時間間隔Ｗの逆数の自然数倍である必要がある。これは、複数の周波数成分による後方散乱光の信号を周波数成分毎に分離し測定するために必要であり、シフトさせた各周波数成分によるパワースペクトル成分がそれぞれ互いに直交するように設定しなければ、一つの周波数による後方散乱光パワーを測定することができないためである。

上記光周波数制御器１３で周波数制御を受けた試験光は、光増幅器１５で信号光パワーが増幅された後、光パルス化処理器１６でパルス発生器１９の発生パルスに基づいて光パルス化される。この光パルス化処理器１６は、具体的には音響光学素子をパルス駆動した音響光学スイッチであるが、LiNbO₃ を用いた電気光学素子をパルス駆動した導波路スイッチや高速な可変光減衰器で構成されてもよい。本実施形態では、光周波数制御器１３による周波数シフト間隔を８００ｋＨｚとしてＭ＝４０段シフトさせており、ＦＵＴ２２への入射端において、局発光との周波数差にして８．４〜３９．６ＭＨｚになるような構成を用いている。

なお、上記光周波数制御器１３と光パルス化処理器１６は互いに同期させるようにし、光パルス化させる時間幅を、光周波数制御器１３により全て周波数シフトさせた時間幅と等しくなるように、信号タイミング制御器２０によりタイミング制御する。
第２の光源１７は、第１の光源１１とは波長の異なる光源であり、ダミー光として試験光パルスに重畳させて試験光全体の強度変動を抑えることで、その強度を通信用の信号光強度とほぼ同程度に調整し、光サージの影響を抑制するためのものである。

上記第２の光源１７は、別の光パルス化処理器１８にて、パルス発生器１９の発生パルスに基づいて試験光パルスとパルス周期が逆となるように駆動されている。このようにして生成された光パルスはダミー光パルスとして光パルス化処理器１６に入力され、試験光パルスとて重畳される。このとき、ＦＵＴ２２への入射端において、時間的に試験光パルスとダミー光パルスが重畳された光の強度がほぼ一様になるように出力が調整されている。本実施形態では、一様化された重畳光も強度が０ｄＢｍ程度になるよう調整している。

ここで、第２の光源１７の出力光の波長は、本測定の受信には必要のない光信号となるため、第１の光源１１の波長と後述のバランス型光受信器２５の受信帯域以上離しておく必要がある。一方、海底光増幅中継伝送システムにおける光増幅器には増幅利得波長依存性があり、増幅利得波長依存性による第１の光源１１からの試験光パルスと第２の光源１７からのダミー光パルスの強度差を抑制するため、波長は近い方が望ましい。本実施形態では、第２の光源１７と第１の光源１１の波長差は、約１ｎｍ程度としている。

光パルス化処理器１６で光パルス化された試験光は、光サーキュレータ２１を通過し、ＦＵＴ２２に入射される。ＦＵＴ２２では、試験光パルスによる後方散乱光が生じる。この後方散乱光は戻り光となるが、光サーキュレータ２１によって光パルス化処理器１６の方向には戻らず、光受信器２５側のみに向かう。光サーキュレータ２１から出力された後方散乱光は、上記局発光と結合素子２４で光結合される。この結合素子２４の出力光は、バランス型光受信器２５で光受信されて電流信号となる。バランス型光受信器２５から出力される電流信号は、帯域ろ過フィルタ２６で不要な帯域成分が除去された後、数値化処理器２７で信号タイミング制御器２０からのタイミング情報に基づいて数値化されてから演算処理装置２８に入力される。

ここで、よく知られたナイキストの定理により、バランス型光受信器２５及び数値化処理器２７の受信帯域は、前記局発光と試験光パルスの所定周波数シフト総量の２倍以上である必要がある。このため、本実施形態では、バランス型光受信器２５及び数値化処理器２７の受信帯域は１００ＭＨｚとしている。前述のとおり、局発光との周波数差にして８．４〜３９．６ＭＨｚ（約４０ＭＨｚ以下）になるような構成としているため、２倍以上ある受信帯域１００ＭＨｚで十分であることが分かる。

図２は、本発明に係る演算処理装置２８における最終的なＯＴＤＲ波形を得るまでの演算処理の流れを示している。まず、１回の試験光パルスをＦＵＴ２２に入射すると（ステップＳ１１）、これによって得られる後方散乱光がバランス型光受信器２５及び数値化処理器２６を経て離散的な信号として入力される（ステップＳ１２）。なお、この信号には、上記光周波数制御器１３にて多重化された周波数成分が含まれる。また、この信号には、試験光パルスに重畳されたダミー光は、バランス型光受信器２５及び数値化処理器２６の受信帯域の範囲外となり含まれていない。

次に、ＯＴＤＲ波形の演算を行うが、まず予備ステップとして、ＦＵＴ２２を任意の区間長に区切り、周波数ドリフトの補償区間Ｘｉを設定しておき（ステップＳ２１）、補償区間Ｘｉ分の信号データを抽出する（ステップＳ２２）。本実施形態では、ＦＵＴ２２の全長に対して非常に局所的な振動印加が無い環境を想定して１００ｋｍとし、Ｘｉ（ｉ＝１〜５）の５つの補償区間を設定した。

次に、１番目の補償区間Ｘ１＝０〜１００ｋｍに該当する受信信号（複数の周波数成分が含まれる）を離散フーリエ変換してパワースペクトルを求め、ｆ１のピーク周波数を算出する。この際、試験光パルスは、前述のように各周波数にＦＵＴ２２への入射遅延Ｗ（秒）が加えられているため、１つの補償区間毎に２Ｗ（２は往復因子）分位置をずらしながら周波数多重数Ｍ回の離散フーリエ変換を実施する。これによって得られたパワースペクトルよりｆｉ，ｆｉ＋１，…，ｆＭ（Ｍは多重数）に該当するそれぞれのピークｆｐｉ，ｆｐｉ＋１，…，ｆｐＭ（Ｍは多重数）を算出する。なお、段階的に制御された周波数シフト間隔がΔｆとすれば、−Δｆ／２＜ｆ＜Δｆ／２の範囲内より、各々の光周波数においてピークを決定することとなる。上記処理を最後の補償区間まで繰り返し、最終的に１〜５の５つの補償区間毎にそれぞれＭ個のピーク周波数が得られる（ステップＳ２３）。このピーク周波数には、ＦＵＴ２２に与えられた振動による周波数ドリフトの影響が含まれている。試験光パルスの入射した各々の周波数成分は既知であるので、これと前記ピーク周波数との差分が、振動により発生した周波数ドリフトとなる。

次に、ＯＴＤＲ波形の計算ステップとして、上記と同じ光受信信号について、離散フーリエ変換が行われる。試験光パルスにおいてある一つの周波数を持続させる所定時間間隔がＷ（秒）の時、本実施形態の試験装置で得られる最小の距離分解能はＷによって決定される。１回の離散フーリエ変換を行う隣接点数Ｐは、数値化処理器２７のサンプリングレートがＳ（サンプル／秒）の時、最小の距離分解能に相当する時間以下となるように設定される必要がある。具体的には、
Ｐ≦Ｗ・Ｓ （１）
で決定される。

上記計算ステップでは、隣接点数Ｐ毎に離散フーリエ変換が行われパワースペクトルが得られる（ステップＳ３１）。これに用いる信号は、離散フーリエ変換されるＰ点の初めの信号を受信した時刻（試験パルス入射時刻からの経過時間）をｔとすると、ＦＵＴ２２上の位置は、入射端より
ｔ／２・ｖｇ （２）
だけ進んだ位置となる。上記ＦＵＴ２２上の位置が予備ステップで設定したどの補償区間Ｘｉに含まれるかを判別することで、処理したＰ点データの開始位置に応じた補償区間Ｘｉを特定する（ステップＳ３２）。続いて、予備ステップにおいて、当該区間で算出されたピーク周波数ｆｉを用いて、パワースペクトルの振幅値を抽出する周波数が補正され、抽出されたパワースペクトルの振幅値を基にＯＴＤＲ波形が算出される（ステップＳ３３）。

本実施形態では、複数の周波数成分から成る試験光パルスを用いているため、所定時間間隔Ｗだけ入射時間がずれていることを補正すると、複数分のＯＴＤＲ波形が同時に得られることとなる。そこで、抽出したパワースペクトルの振幅よりＭ個のＯＴＤＲ波形を加算平均処理する（ステップＳ３４）。この処理手順を勘案すると、単一の周波数成分から成る試験光パルスを用いた場合と比較して、等価的に多くの加算平均化処理と同様に信号対雑音比を向上させることができる。

次に、２回目の試験光パルスを入射して同様に得られたＯＴＤＲ波形を上記１回目で得られたＯＴＤＲ波形に加算する。上記処理を、試験光パルスの繰り返し数回分実施することで最終的なＯＴＤＲ波形を得る（ステップＳ３５）。
なお、補償区間Ｘｉの長さについては、数値化処理器２７のサンプリングレートＳに依存する。しかしながら、短いものであるとサンプリング数が少ない信号を離散フーリエ変換することになり、パワースペクトルの振幅としては小さくなるため、雑音レベルに近くなり、結果としてピーク周波数を検出できないおそれがある。このため、補償区間Ｘｉは、対象とする振動がどれだけ局所的であるかに依存するが、ＦＵＴ２２の全長に対してそれほど局所的でない、例えば本実施形態のように１００ｋｍ程度の環境下であれば、信号データ数が多く、十分な信号対雑音比が得られるため好ましい。

したがって、本実施形態の光パルス試験装置では、試験光パルスの繰り返し毎に振動による周波数ドリフトを補正する。これにより、試験光パルスがＦＵＴ２２を往復する伝搬時間、例えば１０００ｋｍのＦＵＴで約０．５ｍｓｅｃ程度、周波数にして約２ｋＨｚ程度、に相当する早い周波数ドリフト現象が発生しても補正を実施していることになる。自然界における音響波は概ね数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度であることから十分なリアルタイム性があると考えられる。

なお、本発明は、必ずしも複数の周波数成分を試験光パルスに用いる必要は無く、単に単一の周波数から成る試験光パルスを用いてもよい。この場合には、本実施形態に係る一つの周波数を持続させる所定時間間隔Ｗが、単一周波数の試験光パルスのパルス幅に相当することになる。

図３は、本実施形態に係る試験装置の実験系を表した模式図である。約１００ｋｍ間隔に光増幅中継器を配置した合計５スパン、総距離４５０ｋｍのＦＵＴ２２を構成し、図３に示すように第１スパンおよび第３スパンを防音箱に入れ、防音箱内に設置したスピーカーから音を発生させることによってＦＵＴ２２に振動を加えた。

図４は、本実施形態に係る光パルス試験装置で図３の実験系を測定した場合の実験結果を示している。図中の破線は、本実施形態の演算処理装置２８において予備ステップ、すなわち周波数ドリフトの補正が無く、単に入射した試験光の周波数においてＯＴＤＲ波形を演算した場合を示しており、実線は、演算処理装置２８において予備ステップを用い、周波数ドリフトの補正を実施した場合、およびスピーカーをＯＦＦにして振動が無い場合を重ねて示している。波形下の数字１〜５は、予備ステップにおける任意区間を示しており、この場合は１００ｋｍ毎に補償区間を設定した。また、図４のＯＴＤＲ波形はＦＵＴが無い区間、すなわち入射端より４５０ｋｍ以上のノイズレベルで正規化したものである。

図５は、各々の補償区間１〜５における周波数ドリフト量の分布を示したヒストグラムであり、周波数シフトが０の場合は、周波数ドリフトが無く、入射試験光と同一の周波数で後方散乱光が得られたことを意味する。図５より、各々の補償区間において、平均で６４ｋＨｚ〜１０９ｋＨｚと異なる影響を受けていることが分かる。
図４より、各々の補償区間１〜５において、それぞれ１．４ｄＢ、１．５ｄＢ、２．４ｄＢ、３．０ｄＢ，２．６ｄＢ高い平均パワーが得られ、振動環境下においても本実施形態の演算処理を用いることでより高感度に測定が実施されていることが分かる。なお、スピーカーをＯＦＦにして振動が無い状態においても、図４中の実線と同じ結果になることから、本実施形態における補償が有効に機能していることが分かる。

ところで、図５に示した周波数ドリフトは、波の発生源である光源から見て観測地点が一定の速度で移動している場合には、波の周波数が異なって観測されるドップラー効果と呼ばれる現象によるものである。ＦＵＴ２２に振動が加えられると、振動の速度に応じて光ファイバはわずかに伸縮するため、同じ地点から発生する後方散乱光の周波数が変化することになる。これが前述の周波数ドリフトを発生させる要因となる。

図４より、すなわち、後方散乱光の周波数が入射試験パルスと同一である、または前記光周波数制御器１３で制御された複数の周波数が既知であるとして、受信された信号のパワースペクトルの振幅値をＯＴＤＲ波形の算出に単に用いるだけでは、受信信号パワーの観点から最適であるとは言えず、測定における信号対雑音比を低下させる要因となる。これに対して、本実施形態に係る光パルス試験装置では、ＦＵＴ２２の任意の区間毎にその周波数ドリフトを補正することができるため、より高感度な測定が実施可能となる。

さらに、本実施形態によれば、バランス型光受信器２５に周波数ドリフトを考慮した広帯域のものを用いる必要が無く、安価で受信感度の良い狭帯域なバランス型光受信器を用いることができる。特に、光増幅器１５を用いて自然放出光による雑音が検出されるような場合においても、光受信器２５に入る雑音を最低限にすることができ、高感度な測定が実施可能である。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…第１光源、１２…分岐素子、１３…光周波数制御装置、１４…正弦波発生部、１５…光増幅器、１６…光パルス化処理部、１７…第２の光源、１８…光パルス化処理部、１９…パルス発生器、２０…信号タイミング制御器、２１…光サーキュレータ、２２…ＦＵＴ、２４…結合素子、２５…バランス型受信装置、２６…帯域ろ過フィルタ、２７…数値化処理器、２８…演算処理装置。

Claims (8)

1. コヒーレントな第１の信号光を発する第１の光源と、
   前記第１の光源の出力光を分岐して局発光と試験光とを生成する分岐手段と、
   前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定の周波数間隔で変化させる光周波数制御手段と、
   前記光周波数制御手段の出力を光パルス化して試験光パルスを生成する第１の光パルス化手段と、
   前記第１の光源の出力光とは異なる波長の第２の信号光を発生する第２の光源と、
   前記第２の光源からの出力光を前記試験光パルスとは周期が逆となるようにパルス化してダミー光パルスを生成する第２の光パルス化手段と、
   前記ダミー光パルスを前記試験光パルスに重畳して光パルス信号を生成する光重畳手段と、
   前記光パルス信号を被試験光線路に入射し、前記被試験光線路の各地点で反射または散乱により発生した後方散乱光を取得する後方散乱光取得手段と、
   前記後方散乱光と前記局発光を光結合する光結合手段と、
   前記光結合された光信号を光受信して電流信号を取得する光受信手段と、
   前記電流信号を複数の周波数成分毎に分離する周波数分離手段と、
   前記試験光の被試験光線路からの反射光及び後方散乱光の反射率分布を求める演算処理手段と
   を具備し、
   前記演算処理手段は、
   前記被試験光線路を任意の区間長に区切って周波数ドリフトの補償区間を設定し、前記補償区間それぞれの信号データを抽出して、補償区間毎にそれぞれのピーク周波数を取得する予備処理手段と、
   前記光パルスのサンプル点毎にパワースペクトルを得て、前記被試験光線路上の位置が前記予備処理手段で設定した補償区間のうちのどの区間に含まれるかを判別して、前記サンプル点毎の開始処理データの開始位置に応じた補償区間を特定し、前記予備処理手段において、当該区間で算出されたピーク周波数を用いて、前記パワースペクトルの振幅値を抽出し、抽出されたパワースペクトルの振幅値を基に光パルス試験波形を算出する算出処理手段とを備える光パルス試験装置。
2. さらに、前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定間隔だけ変化させる光周波数制御手段を有し、
   前記複数の周波数成分を有する被試験光線路からの後方散乱光を演算処理手段により周波数分離する手段を有する請求項１記載の光パルス試験装置。
3. 前記光パルスのパルス幅または前記光周波数制御手段で試験光に与えられた所定の時間間隔によって決まる距離分解能よりも、前記予備処理手段における任意区間が長い請求項１または２記載の光パルス試験装置。
4. 前記演算処理手段は、前記試験光パルスの複数の周波数成分の入射時間のずれを補正して複数分の光パルス試験波形を取得し、前記抽出したパワースペクトルの振幅より前記複数分の光パルス試験波形を加算平均処理する請求項１記載の光パルス試験装置。
5. コヒーレントな第１の信号光を分岐して局発光と試験光とを生成し、
   前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定の周波数間隔で変化させ、
   前記光周波数制御された試験光を光パルス化して試験光パルスを生成し、
   前記第１の信号光とは異なる波長の第２の信号光を発生する第２の光源と、
   前記第２の光源からの出力光を前記試験光パルスとは周期が逆となるようにパルス化してダミー光パルスを生成し、
   前記ダミー光パルスを前記試験光パルスに重畳して光パルス信号を生成し、
   前記光パルス信号を被試験光線路に入射し、前記被試験光線路の各地点で反射または散乱により発生した後方散乱光を取得し、
   前記後方散乱光と前記局発光を光結合し、
   前記光結合された光信号を光受信して電流信号を取得し、
   前記電流信号を複数の周波数成分毎に分離し、
   前記試験光の被試験光線路からの反射光及び後方散乱光の反射率分布を求める光パルス試験方法であって、
   予備処理として、前記被試験光線路を任意の区間長に区切って周波数ドリフトの補償区間を設定し、前記補償区間それぞれの信号データを抽出して、補償区間毎にそれぞれのピーク周波数を取得し、
   算出処理として、前記光パルスのサンプル点毎にパワースペクトルを得て、前記被試験光線路上の位置が前記予備処理手段で設定した補償区間のうちのどの区間に含まれるかを判別して、前記サンプル点毎の開始処理データの開始位置に応じた補償区間を特定し、前記予備処理手段において、当該区間で算出されたピーク周波数を用いて、前記パワースペクトルの振幅値を抽出し、抽出されたパワースペクトルの振幅値を基に光パルス試験波形を算出する光パルス試験方法。
6. さらに、前記試験光の周波数を所定の時間間隔毎に所定間隔だけ変化させ、
   前記複数の周波数成分を有する被試験光線路からの後方散乱光を演算処理により周波数分離する請求項５記載の光パルス試験方法。
7. 前記光パルスのパルス幅または前記光周波数制御手段で試験光に与えられた所定の時間間隔によって決まる距離分解能よりも、前記予備処理手段における任意区間が長い請求項５または６記載の光パルス試験方法。
8. 前記試験光パルスの複数の周波数成分の入射時間のずれを補正して複数分の光パルス試験波形を取得し、前記抽出したパワースペクトルの振幅より前記複数分の光パルス試験波形を加算平均処理する請求項５記載の光パルス試験方法。

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