JP2016053525A - Method and device for measuring temperature and distortion distribution - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、光ファイバの温度・歪み分布測定方法および装置に関する。 The present invention relates to an optical fiber temperature / strain distribution measuring method and apparatus.
光時間領域反射測定法（Optical Time Domain Reflectometry：ＯＴＤＲ）、および光周波数領域反射測定法（Optical Frequency Domain Reflectometry:ＯＦＤＲ）は、光通信技術における測定技術として著名である。これらの光リフレクトメトリ測定方法によれば、光ファイバの伝送損失分布や、温度・歪み分布を測定することができる。例えば非特許文献１および非特許文献２に、不規則なジグザグを描く後方レイリー散乱光波形を用いて、温度・歪み分布を高精度に測定する技術が提案されている。 Optical time domain reflectometry (OTDR) and optical frequency domain reflectometry (OFDR) are well known as measurement techniques in optical communication technology. According to these optical reflectometry measurement methods, it is possible to measure the transmission loss distribution and temperature / strain distribution of the optical fiber. For example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 propose a technique for measuring temperature and strain distribution with high accuracy using a backward Rayleigh scattered light waveform that draws an irregular zigzag.
ＯＦＤＲは、周波数掃引光源からのローカル光を光ファイバからの後方散乱光と干渉させて生じるビート信号を解析して、光ファイバにおける後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定するという技術である。しかしながら周波数掃引光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離では後方散乱光とローカル光との干渉性が失われ、ビート信号のスペクトル幅が広がってしまうので損失分布の測定精度が劣化する。そこで、出力光のコヒーレンス特性に基づいて測定結果を補償することで、損失分布を測定距離によらず高精度に得られるようにする技術が発案され、特許出願されている（例えば特許文献１）。このほか非特許文献３にも、光源の位相雑音の影響を補償する方法が開示されている。 OFDR is a technique for analyzing a beat signal generated by causing local light from a frequency swept light source to interfere with backscattered light from an optical fiber and measuring the distribution of the backscattered light intensity in the optical fiber with respect to the light propagation direction. . However, at a measurement distance exceeding about 1/2 of the coherence length of the frequency swept light source, the coherence between the backscattered light and the local light is lost, and the spectrum width of the beat signal is widened, so that the measurement accuracy of the loss distribution is deteriorated. In view of this, a technique has been devised and patent-pending for compensating the measurement result based on the coherence characteristics of the output light so that the loss distribution can be obtained with high accuracy regardless of the measurement distance (for example, Patent Document 1). . In addition, Non-Patent Document 3 discloses a method for compensating for the influence of the phase noise of the light source.
光信号の損失分布の測定精度は、光リフレクトメトリ測定方法を用いて、長距離においても一定の水準で達成されている。しかしながら温度・歪み分布を高精度に測定できる距離は依然として、周波数掃引光源のコヒーレンス長の１／２程度に制限されている。光リフレクトメトリ測定方法を用いて、温度・歪み分布を長距離においても高精度に測定可能とする技術が要望されている。 The measurement accuracy of the loss distribution of the optical signal is achieved at a certain level even at a long distance by using an optical reflectometry measurement method. However, the distance at which the temperature / strain distribution can be measured with high accuracy is still limited to about ½ of the coherence length of the frequency swept light source. There is a demand for a technique that enables temperature and strain distribution to be measured with high accuracy even at long distances using an optical reflectometry measurement method.
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度に測定する方法および装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method and apparatus for measuring temperature / strain distribution with high accuracy irrespective of the measurement distance of an optical fiber.
上記目的を達成するための本発明の態様を以下に述べる。
（１）本発明に係わる温度・歪み分布測定方法は、第１乃至第９のステップを具備する。第１ステップは、光周波数を掃引される光源からの出力光を測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、出力光の位相雑音の影響を測定するステップである。第２ステップは第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップである。第３ステップは、第１ステップとは異なる時に光源からの出力光を測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、出力光の位相雑音の影響を測定するステップである。第４ステップは、第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップである。第５ステップは、第２ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形と、第４ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形とのそれぞれについて測定対象とする区間を抽出するステップである。第６ステップは、第５ステップで抽出された区間の波形を逆フーリエ変換して、第２ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、第４ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとを算出するステップである。第７ステップは、第２ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、第４ステップで位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとの相互相関により周波数シフト量を算出するステップである。第８ステップは、周波数シフト量に基づいて測定対象の温度・歪みを算出するステップである。第９ステップは、第５ステップ乃至第８ステップを繰り返して、測定対象における温度・歪みの光の伝播方向に対する分布を算出するステップである。
An embodiment of the present invention for achieving the above object will be described below.
(1) The temperature / strain distribution measuring method according to the present invention includes first to ninth steps. In the first step, output light from a light source whose optical frequency is swept is made incident on a measurement target to obtain a backward Rayleigh scattered light waveform, and the influence of phase noise of the output light is measured. The second step is a step of compensating for the influence of the phase noise measured in the first step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the first step. The third step is a step in which the output light from the light source is incident on the measurement object at a time different from the first step to obtain the backward Rayleigh scattered light waveform and the influence of the phase noise of the output light is measured. The fourth step is a step of compensating for the influence of the phase noise measured in the third step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the third step. The fifth step is a section to be measured for each of the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the second step and the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the fourth step. Is a step of extracting. The sixth step includes inversely Fourier transforming the waveform of the section extracted in the fifth step, the Rayleigh scattered light spectrum based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the second step, and the fourth step. And calculating a Rayleigh scattered light spectrum based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for by the phase noise. The seventh step includes a Rayleigh scattered light spectrum based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the second step, and a Rayleigh based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the fourth step. This is a step of calculating a frequency shift amount by cross-correlation with the scattered light spectrum. The eighth step is a step of calculating the temperature and strain of the measurement object based on the frequency shift amount. The ninth step is a step of calculating the distribution of the temperature / strain in the measurement object with respect to the light propagation direction by repeating the fifth to eighth steps.
すなわち（１）の態様によれば、光源の位相雑音の影響を補償された複数の後方レイリー散乱波形に基づいて温度・歪み分布を測定することができる。従って位相雑音の影響の大きい長距離区間においても、温度・歪み分布の測定精度を高められる。 That is, according to the aspect (1), the temperature / strain distribution can be measured based on a plurality of backward Rayleigh scattered waveforms compensated for the influence of the phase noise of the light source. Therefore, the measurement accuracy of the temperature / strain distribution can be improved even in a long distance section where the influence of the phase noise is large.
（２）本発明に係わる温度・歪み分布測定方法は、（１）において、第２ステップは、光源のコヒーレンス時間程度の遅延を与える参照干渉計から出力されるビート信号の位相を連結して光源の位相雑音の影響を補償する連結参照法により、第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップであり、第４ステップは、連結参照法により、第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償するステップである。 (2) In the temperature / strain distribution measuring method according to the present invention, in (1), in the second step, the phase of the beat signal output from the reference interferometer that gives a delay of about the coherence time of the light source is connected. The step of compensating the influence of the phase noise measured in the first step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the first step by the concatenated reference method that compensates for the influence of the phase noise in the fourth step, This is a step of compensating for the influence of the phase noise measured in the third step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the third step by the concatenated reference method.
すなわち（２）の態様によれば、後方レイリー散乱光波形に対し位相雑音の影響を連結参照法により補償することができる。 That is, according to the aspect of (2), the influence of phase noise can be compensated for the backward Rayleigh scattered light waveform by the concatenation reference method.
この発明によれば、光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度に測定する方法および装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a method and apparatus for measuring temperature / strain distribution with high accuracy regardless of the measurement distance of the optical fiber.
図１は、実施形態に係る光リフレクトメトリ測定装置の一例を示す図である。この実施形態ではＯＦＤＲにより後方レイリー散乱光波形を観測することを想定する。
図１において、周波数掃引連続光光源１は連続光を出射する。周波数掃引連続光光源１は、連続光の周波数を時間に対して線形に掃引する。この出力光２は分岐素子３により分岐され、一方は参照干渉計６に参照光７として入射され、他方は主干渉計５に入射される（入射光１３）。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an optical reflectometry measuring apparatus according to an embodiment. In this embodiment, it is assumed that the backward Rayleigh scattered light waveform is observed by OFDR.
In FIG. 1, a frequency sweep continuous light source 1 emits continuous light. The frequency sweep continuous light source 1 sweeps the frequency of continuous light linearly with respect to time. The output light 2 is branched by the branch element 3, one of which is incident on the reference interferometer 6 as the reference light 7, and the other is incident on the main interferometer 5 (incident light 13).
参照干渉計６に入射された参照光７は分岐素子８により２分岐され、一方の光のみが遅延ファイバ９により遅延されたのち互いに合分岐素子１０で合波される。合波された光は受光素子１１で電気信号に変換される。アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２はこの電気信号をディジタルデータに変換し、データ処理装置２２に入力する。 The reference light 7 incident on the reference interferometer 6 is branched into two by the branching element 8, and only one light is delayed by the delay fiber 9 and then multiplexed by the coupling / branching element 10. The combined light is converted into an electrical signal by the light receiving element 11. The analog / digital (A / D) converter 12 converts this electrical signal into digital data and inputs it to the data processor 22.
一方、主干渉計５への入射光１３は分岐素子１４でさらに２分岐され、一方はローカル光１６として合分岐素子１９に入射され、他方が測定光１５として被測定光ファイバ４に入射される。 On the other hand, the incident light 13 entering the main interferometer 5 is further branched into two by the branch element 14, one is incident on the branching element 19 as the local light 16, and the other is incident on the measured optical fiber 4 as the measurement light 15. .
測定光１５は被測定光ファイバ４を伝搬する過程でレイリー散乱され、後方散乱光１８が生じる。後方散乱光１８は光サーキュレータ１７により取り出され、合分岐素子１９によりローカル光１６と合波されたのち受光素子２０で電気信号に変換される。この電気信号は、後方散乱光１８とローカル光１６との干渉により生じる干渉ビート信号を含む。アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２１は干渉ビート信号をディジタルデータに変換し、データ処理装置２２に入力する。 The measurement light 15 is Rayleigh scattered in the process of propagating through the optical fiber 4 to be measured, and backscattered light 18 is generated. The backscattered light 18 is extracted by the optical circulator 17, combined with the local light 16 by the combining / branching element 19, and then converted into an electric signal by the light receiving element 20. This electric signal includes an interference beat signal generated by the interference between the backscattered light 18 and the local light 16. The analog / digital (A / D) converter 21 converts the interference beat signal into digital data and inputs the digital data to the data processing device 22.
データ処理装置２２は、主干渉計５からのディジタルデータおよび参照干渉計６からのディジタルデータに基づく周波数解析により、被測定光ファイバ４の各位置からの後方散乱光強度分布を得る。次に、図１の構成を基礎として、被測定光ファイバ４の温度・歪み分布を測定する一般的な手法を説明する。 The data processing device 22 obtains the backscattered light intensity distribution from each position of the measured optical fiber 4 by frequency analysis based on the digital data from the main interferometer 5 and the digital data from the reference interferometer 6. Next, a general method for measuring the temperature / strain distribution of the optical fiber 4 to be measured will be described based on the configuration of FIG.
まず、少なくとも２回のＯＦＤＲ測定を行う。例えば初回の測定で得られた被測定光ファイバ４の後方レイリー散乱光波形をｐ１（ｚ）とし、次回以降の測定で得られた被測定光ファイバ４の後方レイリー散乱光波形をｐ２（ｚ）とする。また、初回の測定での温度をＴ１、歪みをε１とし、次回以降の測定での温度をＴ２、歪みをε２とする。 First, at least two OFDR measurements are performed. For example, the backward Rayleigh scattered light waveform of the measured optical fiber 4 obtained in the first measurement is p 1 (z), and the backward Rayleigh scattered light waveform of the measured optical fiber 4 obtained in the subsequent measurements is p 2 ( z). In addition, the temperature in the first measurement is T 1 , the strain is ε 1 , the temperature in the subsequent measurement is T 2 , and the strain is ε 2 .
次に、ｐ１（ｚ）、ｐ２（ｚ）のそれぞれについて温度・歪み測定対象とする区間を切り出す（抽出する）。切り出された区間の後方レイリー散乱光波形を逆フーリエ変換することにより、切り出された区間におけるレイリー散乱光スペクトルｓ１（ν）、ｓ２（ν）を得ることができる。ｓ１（ν）とｓ２（ν）との相互相関Ｒ１，２（ν′）は式（１）により算出でき、周波数シフト量Δνを求めることができる。 Next, for each of p 1 (z) and p 2 (z), sections for temperature / strain measurement are cut out (extracted). Rayleigh scattered light spectra s 1 (ν) and s 2 (ν) in the cut out section can be obtained by performing inverse Fourier transform on the backward Rayleigh scattered light waveform in the cut out section. The cross-correlation R 1,2 (ν ′) between s 1 (ν) and s 2 (ν) can be calculated by equation (1), and the frequency shift amount Δν can be obtained.
Δνが求まれば、式（２）により、温度Ｔ２、歪みε２を求めることができる。 If Δν is obtained, the temperature T 2 and the strain ε 2 can be obtained from the equation (2).
複数の区間を切り出して式（１）および（２）により温度、歪みを算出することで、被測定光ファイバ４における温度・歪み分布を求めることができる。 The temperature / strain distribution in the optical fiber 4 to be measured can be obtained by cutting out a plurality of sections and calculating the temperature and strain according to equations (1) and (2).
ＯＦＤＲにおいては、後方散乱光１８とローカル光１６とが合波して生じる干渉ビート信号の周波数が、被測定光ファイバ４の長手方向の距離に対応する。干渉ビート信号をフーリエ変換すれば被測定光ファイバ４の後方レイリー散乱光波形を得ることができる。 In OFDR, the frequency of the interference beat signal generated by combining the backscattered light 18 and the local light 16 corresponds to the longitudinal distance of the optical fiber 4 to be measured. If the interference beat signal is Fourier-transformed, the backward Rayleigh scattered light waveform of the optical fiber 4 to be measured can be obtained.
簡単のためにＫ個の散乱体が一次元方向に並んだモデルを考える。このようなモデルにおいてＯＦＤＲで測定される干渉ビート信号Ｉ（ｔ）は、式（３）で与えられる。 For simplicity, consider a model in which K scatterers are arranged in a one-dimensional direction. The interference beat signal I (t) measured by OFDR in such a model is given by equation (3).
式（３）において、ａｉはｉ番目の散乱体による散乱光の振幅、γは試験光の周波数掃引速度、ν０は試験光の初期周波数、τｉはｉ番目の散乱体までの距離ｚｉに対応する遅延時間を示す。等式τｉ＝２ｎｚｉ／ｃ（ｎは屈折率、ｃは真空における光速）が成り立つ。 In equation (3), a i is the amplitude of the scattered light from the i-th scatterer, γ is the frequency sweep speed of the test light, ν 0 is the initial frequency of the test light, and τ i is the distance z to the i-th scatterer. The delay time corresponding to i is shown. The equation τ i = 2nz i / c (where n is the refractive index and c is the speed of light in vacuum) holds.
θ（ｔ）は周波数掃引連続光光源１の位相雑音を示す。位相雑音θ（ｔ）は、測定中に、また、測定の度にランダムに発生する。光源のコヒーレンス時間τｃに対してτｉ＞τｃとなる測定距離では、θ（ｔ）−θ（ｔ−τｉ）の影響が大きくなり、このことが測定の空間分解能を低下させる。 θ (t) represents the phase noise of the frequency swept continuous light source 1. The phase noise θ (t) is randomly generated during measurement and every measurement. At the measurement distance where τ i > τ c with respect to the coherence time τ c of the light source, the influence of θ (t) −θ (t−τ i ) becomes large, and this reduces the spatial resolution of the measurement.
測定距離が光源のコヒーレンス長に対して十分短く（時間次元でτＫ＜＜τｃが成り立ち）、θ（ｔ）−θ（ｔ−τｉ）≒０と見做せるならば、Ｉ（ｔ）のフーリエ変換ｐ（ｆ）は式（４）で近似される。 If the measurement distance is sufficiently short with respect to the coherence length of the light source (τ K << τ c holds in the time dimension) and θ (t) −θ (t−τ i ) ≈0, then I (t ) Fourier transform p (f) is approximated by equation (4).
τｉ＝２ｎｚｉ／ｃであるから、ｆは被測定光ファイバの長手方向の距離に対応し、ｐ（ｆ）は後方レイリー散乱光波形を表す。ｐ（ｆ）について、任意の区間を抽出する（切り出す）、すなわちｎ１≦ｉ≦ｎ２の範囲の足し合わせのみを考え、逆フーリエ変換すると、式（５）および（６）に示されるレイリー散乱光スペクトルｓ（ν）を得ることができる。 Since τ i = 2nz i / c, f corresponds to the distance in the longitudinal direction of the optical fiber to be measured, and p (f) represents the backward Rayleigh scattered light waveform. For p (f), an arbitrary interval is extracted (cut out), that is, considering only the addition in the range of n 1 ≦ i ≦ n 2 and the inverse Fourier transform is performed, the Rayleigh shown in equations (5) and (6) A scattered light spectrum s (ν) can be obtained.
温度・歪み変化があると、光ファイバが伸縮し、τｉが変化する。光ファイバ（被測定光ファイバ）の状態が温度Ｔ１、歪みε１から温度Ｔ２、歪みε２に変化し、ｉ番目の散乱点に対応する遅延量がτｉ，１からτｉ，２に変化したとすると、ｓ（ν）は式（７）を満たすΔνだけ横軸方向にシフトする。 When there is a change in temperature and strain, the optical fiber expands and contracts and τ i changes. The state of the optical fiber (measured optical fiber) changes from temperature T 1 and strain ε 1 to temperature T 2 and strain ε 2 , and the delay amount corresponding to the i-th scattering point is τ i, 1 to τ i, 2. S (ν) shifts in the horizontal axis direction by Δν that satisfies Equation (7).
周波数シフト量Δνは、式（１）に示されるｓ１（ν）とｓ２（ν）の相互相関Ｒ１，２（ν′）により求められる。ｓ（ν）がΔνだけ周波数シフトしたとすると、Ｒ１，２（ν′）はν′＝Δνにおいてピークとなる。求められたΔνを用いて、式（１）を計算することにより温度Ｔ２、歪みε２を求める。これを被測定光ファイバ４の各位置について実施して、温度・歪み分布を求めることができる。 The frequency shift amount Δν is obtained from the cross-correlation R 1,2 (ν ′) of s 1 (ν) and s 2 (ν) shown in the equation (1). If s (ν) is frequency shifted by Δν, R 1,2 (ν ′) peaks at ν ′ = Δν. The temperature T 2 and the strain ε 2 are obtained by calculating the equation (1) using the obtained Δν. This can be carried out for each position of the optical fiber 4 to be measured to obtain the temperature / strain distribution.
ところで、ＯＦＤＲの有する課題の一つは、レイリー散乱光波形がどの程度の距離まで再現性良く得られるかということである。仮に、被測定光ファイバの温度・歪み分布状態が全く変化しない環境、つまりａｉ、τｉが一定である環境を考える。このような環境でＯＦＤＲによる測定が２回実施されたとして、それぞれの測定で観測される干渉ビート信号Ｉ１（ｔ）、Ｉ２（ｔ）はそれぞれ式（８）、式（９）のように記述できる。 By the way, one of the problems of the OFDR is how far the Rayleigh scattered light waveform can be obtained with good reproducibility. Consider an environment in which the temperature / strain distribution state of the optical fiber to be measured does not change at all, that is, an environment in which a i and τ i are constant. Assuming that measurement by OFDR is performed twice in such an environment, interference beat signals I 1 (t) and I 2 (t) observed in each measurement are expressed by equations (8) and (9), respectively. Can be described in
光源の位相雑音は測定の度にランダムに発生するので、θ１（ｔ）≠θ２（ｔ）である。光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離では、光源の位相雑音の影響θ（ｔ）−θ（ｔ−τｉ）が無視できない大きさになり、観測されるビート信号はＩ１（ｔ）≠Ｉ２（ｔ）となる。この結果から分かるように、たとえ被測定光ファイバの温度・歪み状態が変化しなくとも、光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える測定距離では後方レイリー散乱光波形を再現性良く得ることができず、温度・歪分布測定を行うことができない。実施形態ではこのような事態を克服するための技術について説明する。 Since the phase noise of the light source is randomly generated at every measurement, θ 1 (t) ≠ θ 2 (t). At a measurement distance exceeding about ½ of the coherence length of the light source, the influence θ (t) −θ (t−τ i ) of the phase noise of the light source becomes a non-negligible magnitude, and the observed beat signal is I1 (t ) ≠ I2 (t). As can be seen from this result, the backward Rayleigh scattered light waveform can be obtained with good reproducibility at a measurement distance exceeding about 1/2 the coherence length of the light source even if the temperature and strain state of the optical fiber to be measured does not change. Therefore, the temperature / strain distribution cannot be measured. In the embodiment, a technique for overcoming such a situation will be described.
図２は、実施形態に係る、ＯＦＤＲによる温度・歪み分布測定の手順の一例を示すフローチャートである。図２に示されるフローチャートにおいても図１に示される構成を基礎とする。先に述べた一般的な手法と比べて特徴的なのは、後方レイリー散乱光波形の測定と同時に、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響を測定することである。 FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a procedure of temperature / strain distribution measurement by OFDR according to the embodiment. The flowchart shown in FIG. 2 is also based on the configuration shown in FIG. What is characteristic as compared with the general method described above is that the influence of the phase noise of the frequency-swept continuous light source 1 is measured simultaneously with the measurement of the backward Rayleigh scattered light waveform.
先ず、データ処理装置２２はＯＦＤＲにより、後方レイリー散乱光波形ｐ１（ｚ）と、この測定で発生した周波数掃引連続光光源１の位相雑音（θ１とする）の影響とを同時に測定する（ステップＳ１）。次に、データ処理装置２２は、ｐ１（ｚ）に対し、位相雑音θ１の影響を補償する処理を施す（ステップＳ２）。位相雑音の影響を補償する処理としては、例えば非特許文献３にも提示される連結参照法（concatenative reference method）を用いることができる。この測定における温度をＴ１、歪みをε１とする。 First, the data processing device 22 simultaneously measures the backward Rayleigh scattered light waveform p 1 (z) and the effect of the phase noise (referred to as θ 1 ) of the frequency swept continuous light source 1 generated in this measurement by OFDR ( Step S1). Next, the data processing device 22 performs processing for compensating for the influence of the phase noise θ 1 on p 1 (z) (step S2). As a process for compensating for the influence of phase noise, for example, a concatenative reference method presented in Non-Patent Document 3 can be used. The temperature in this measurement is T 1 and the strain is ε 1 .
次に、データ処理装置２２は温度Ｔ２、歪みε２との環境下でも同様に、ＯＦＤＲにより、後方レイリー散乱光波形ｐ２（ｚ）と、周波数掃引連続光光源１の位相雑音（θ２とする）の影響とを同時に測定する（ステップＳ３）。また、データ処理装置２２は、ｐ２（ｚ）に対し、位相雑音θ２の影響を補償する処理を施す（ステップＳ４）。 Next, the data processing unit 22 the temperature T 2, as well in an environment of the strain epsilon 2, by OFDR, a backward Rayleigh scattering light waveform p 2 (z), the frequency sweep continuous light source 1 of the phase noise (theta 2 And the influence of the above are simultaneously measured (step S3). In addition, the data processing device 22 performs a process for compensating for the influence of the phase noise θ 2 on p 2 (z) (step S4).
次に、データ処理装置２２は、ｐ１（ｚ）、ｐ２（ｚ）のそれぞれについて温度・歪み測定対象とする任意の区間を切り出す（抽出する）（ステップＳ５）。次に、データ処理装置２２は、切り出された区間の波形を逆フーリエ変換し、レイリー散乱光スペクトルｓ１（ν）、ｓ２（ν）を算出する（ステップＳ６）。 Next, the data processing device 22 cuts out (extracts) arbitrary sections to be measured for temperature and strain for each of p 1 (z) and p 2 (z) (step S5). Next, the data processing device 22 performs inverse Fourier transform on the waveform of the extracted section, and calculates Rayleigh scattered light spectra s 1 (ν) and s 2 (ν) (step S6).
次にデータ処理装置２２は、ｓ１（ν）とｓ２（ν）の相互相関により周波数シフト量Δνを求める（ステップＳ７）。そしてデータ処理装置２２は、求められたΔνを用いて、式（１）を計算することにより温度Ｔ２、歪みε２を求める（ステップＳ８）。ステップＳ５〜ステップＳ８の手順は、温度・歪み分布測定対象の全ての領域について温度Ｔ２、歪みε２が得られるまで繰り返される（ステップＳ９）。そして、ステップＳ９において全領域への測定が完了したと判定されると、被測定光ファイバ４の各位置についての温度・歪み分布を求めることができる。 Next, the data processing device 22 obtains the frequency shift amount Δν based on the cross-correlation between s 1 (ν) and s 2 (ν) (step S7). Then, the data processing device 22 obtains the temperature T 2 and the strain ε 2 by calculating the equation (1) using the obtained Δν (step S8). The procedure from step S5 to step S8 is repeated until the temperature T 2 and the strain ε 2 are obtained for all regions of the temperature / strain distribution measurement target (step S9). When it is determined in step S9 that the measurement for the entire region is completed, the temperature / strain distribution for each position of the measured optical fiber 4 can be obtained.
次に、ステップＳ２およびステップＳ４における、位相雑音θの影響を補償する処理について説明する。データ処理装置２２は光の伝搬途中で生じる位相雑音θの影響を、連結参照法と称される方法で補償する機能を備える。以下にその詳細を説明する。 Next, a process for compensating for the influence of the phase noise θ in steps S2 and S4 will be described. The data processing device 22 has a function of compensating for the influence of the phase noise θ generated during the propagation of light by a method called a concatenation reference method. Details will be described below.
［１］ステップＳ２およびステップＳ４において、データ処理装置２２は、被測定光ファイバ４の後方散乱光１８とローカル光１６との干渉ビート信号Ｉ（ｔ）の測定と同時に、参照干渉計６のビート信号Ｉｒｅｆ（ｔ）を測定する。Ｉｒｅｆ（ｔ）は式（１０）で与えられる。 [1] In steps S2 and S4, the data processing device 22 measures the beat of the reference interferometer 6 simultaneously with the measurement of the interference beat signal I (t) between the backscattered light 18 and the local light 16 of the optical fiber 4 to be measured. The signal I ref (t) is measured. I ref (t) is given by equation (10).
Ｉ（ｔ）はＡ／Ｄ変換器２１により一定の時間間隔でサンプリングされる。同様にＩｒｅｆ（ｔ）はＡ／Ｄ変換器１２により一定の時間間隔でサンプリングされる。 I (t) is sampled by the A / D converter 21 at regular time intervals. Similarly, I ref (t) is sampled by the A / D converter 12 at regular time intervals.
［２］ データ処理装置は、例えば式（１１）に示されるＩｒｅｆ（ｔ）のヒルベルト変換により、Ｉ（ｔ）の位相Ｘ１（ｔ）を求める。 [2] The data processing device obtains the phase X 1 (t) of I (t) by, for example, the Hilbert transform of I ref (t) shown in Expression (11).
［３］ 次にデータ処理装置２２は、Ｘ１（ｔ）について、位相間隔Ｓ１ごとの時間列、すなわちＸ１（ｔＭ，１）＝ＭＳ１（Ｍは整数）となる時間列ｔＭ，１を求める。 [3] Next the data processor 22, for X 1 (t), the time sequence for each phase interval S 1, namely X 1 (t M, 1) = MS 1 (M is an integer) and a time sequence t M , 1 is obtained.
［４］ 次にデータ処理装置２２は、時間列ｔＭ，１に従ってＩ（ｔ）を再度サンプリングする。処理後の信号Ｉ′（ｔＭ，１）は式（１２）に示されるようになる。 [4] Next, the data processing device 22 samples I (t) again according to the time sequence t M, 1 . The processed signal I ′ (t M, 1 ) is as shown in Expression (12).
ここで、処理後に残留する位相雑音Φｉ，１（ｔ）は式（１３）に示される。 Here, the phase noise Φ i, 1 (t) remaining after the processing is expressed by Equation (13).
式（１２）から、τｉ＝τｒｅｆとなる位置、つまり被測定光ファイバ４の長手方向に対してＬｒｅｆ／２＝ｃτｒｅｆ／２ｎの地点においてΦｉ（ｔ）＝０となることがわかる。これは、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響が完全に補償されることを、意味する。 From Expression (12), Φ i (t) = 0 at a position where τ i = τ ref , that is, at a point of L ref / 2 = cτ ref / 2n with respect to the longitudinal direction of the optical fiber 4 to be measured. Recognize. This means that the influence of the phase noise of the frequency swept continuous light source 1 is completely compensated.
［５］ 次にデータ処理装置２２は、式（１２）をフーリエ変換し、０≦ｚ＜３Ｌｒｅｆ／４の区間を切り出す。
［６］ 次にデータ処理装置２２は、Ｎτｒｅｆの遅延を与える参照干渉計６のビート信号に相当する位相ＸＮ（ｔ）を、式（１４）に示す位相Ｘ１（ｔ）の連結により計算する。これにより、周波数掃引連続光光源１のコヒーレンス長を超える地点においても位相雑音の影響を補償することができる。
[5] Next, the data processing device 22 performs Fourier transform on the equation (12), and cuts out an interval of 0 ≦ z <3L ref / 4.
[6] Next, the data processing device 22 converts the phase X N (t) corresponding to the beat signal of the reference interferometer 6 that gives a delay of Nτ ref by connecting the phases X 1 (t) shown in Expression (14). calculate. Thereby, the influence of the phase noise can be compensated even at a point exceeding the coherence length of the frequency sweep continuous light source 1.
［７］ 次にデータ処理装置２２は、［３］の手順と同様にして、Ｎ≧２であるＮについてもＸＮ（ｔ）について位相間隔ＳＮごとの時間列ｔＭ，Ｎを求める。 [7] Next, similarly to the procedure of [3], the data processing device 22 obtains time sequences t M and N for each phase interval S N with respect to X N (t) for N in which N ≧ 2.
［８］ データ処理装置２２は、［４］の手順と同様にして時間列ｔＭ，Ｎに従ってＩ（ｔ）を再度サンプリングする。処理後の信号Ｉ′（ｔＭ，Ｎ）は式（１５）に示される。 [8] The data processing device 22 samples I (t) again according to the time sequence t M, N in the same manner as the procedure of [4]. The processed signal I ′ (t M, N ) is expressed by equation (15).
処理後に残留する位相雑音Φｉ，Ｎ（ｔ）は式（１６）に示される。 The phase noise Φ i, N (t) remaining after the processing is expressed by equation (16).
以上の計算から分かるように、（Ｎ−１）回の位相連結処理により、ＮＬｒｅｆ／２の地点では周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響が完全に補償される。 As can be seen from the above calculation, the influence of the phase noise of the frequency swept continuous light source 1 is completely compensated at the point of NL ref / 2 by (N−1) times of phase concatenation processing.
［９］ 次にデータ処理装置２２は、式（１５）をフーリエ変換し、（Ｎ＋１）Ｌｒｅｆ／４≦ｚ＜（Ｎ＋２）Ｌｒｅｆ／４の区間を切り出す。 [9] Next, the data processing device 22 performs Fourier transform on Expression (15), and cuts out a section of (N + 1) L ref / 4 ≦ z <(N + 2) L ref / 4.
［１０］ データ処理装置２２は、［６］〜［９］の手順を２≦Ｎ≦（２ＬＦＵＴ／Ｌｒｅｆ）＋１の範囲で実施する。 [10] The data processing device 22 performs the procedures [6] to [9] in the range of 2 ≦ N ≦ (2L FUT / L ref ) +1.
［１１］ データ処理装置２２は、［５］および［１０］で得られた結果を接続し、後方散乱光波形を得る。 [11] The data processing device 22 connects the results obtained in [5] and [10] to obtain a backscattered light waveform.
毎回のＯＦＤＲによる測定で［１］〜［１１］の処理を実施することで、ＮＬｒｅｆ／２の地点で周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響が完全に補償される。よって、温度・歪み状態が変化しないと仮定すれば、後方レイリー散乱光波形の再現性はＮＬｒｅｆ／２の地点で最も良くなる。 By performing the processing of [1] to [11] in each measurement by OFDR, the influence of the phase noise of the frequency swept continuous light source 1 is completely compensated at the point of NL ref / 2. Therefore, assuming that the temperature / strain state does not change, the reproducibility of the backward Rayleigh scattered light waveform is best at the point of NL ref / 2.
図３は、被測定光ファイバ４の各地点（位置）における相互相関ピーク強度の一例を示す図である。図３に示されるグラフにおいて光源からの距離が横軸に、相互相関ピーク強度が縦軸にプロットされる。図３のグラフを得た実験では、２回の測定を行い、各測定の結果のそれぞれに対して連結参照法による位相雑音補償を実施した。実線が位相雑音補償（Phase noise compensation：ＰＮＣ）の有るケース（with PNC）を示す。比較のためＰＮＣの無いケース（without PNC）を一点鎖線で示す。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the cross-correlation peak intensity at each point (position) of the optical fiber 4 to be measured. In the graph shown in FIG. 3, the distance from the light source is plotted on the horizontal axis, and the cross-correlation peak intensity is plotted on the vertical axis. In the experiment in which the graph of FIG. 3 was obtained, two measurements were performed, and phase noise compensation was performed on each of the measurement results by the linked reference method. A solid line shows a case (with PNC) where phase noise compensation (PNC) is present. For comparison, a case without PNC (without PNC) is indicated by a one-dot chain line.
各地点での相互相関を、５００点（２４．６ｍの長さに相当）の点数のレイリー散乱光波形で計算した。２回の測定間の時間間隔を２００ｍｓ（ミリ秒）とし、よって外部環境の変化が無視できる程度に小さいと仮定できる。試験光の周波数掃引速度を５００ＧＨｚ／ｓ、掃引幅を２．５ＧＨｚ、測定時間を５ｍｓとした。被測定光ファイバ４に４０ｋｍ長の光ファイバを用い、参照干渉計６に４．９２ｋｍ長のファイバを用い、１６回の位相連結処理を行った。図３のグラフによればＬｒｅｆ／２＝２．４６ｋｍの周期で波形の再現性が回復し、位相雑音補償の効果が弱くなる（２Ｎ−１）Ｌｒｅｆ／４の地点（補償ワースト点）においても相関係数０．７程度の高い再現性が保たれることが確認された。 The cross-correlation at each point was calculated with a Rayleigh scattered light waveform of 500 points (corresponding to a length of 24.6 m). It can be assumed that the time interval between two measurements is 200 ms (milliseconds), so that changes in the external environment are negligibly small. The frequency sweep speed of the test light was 500 GHz / s, the sweep width was 2.5 GHz, and the measurement time was 5 ms. Using a 40 km long optical fiber for the optical fiber 4 to be measured and a 4.92 km long fiber for the reference interferometer 6, the phase coupling process was performed 16 times. According to the graph of FIG. 3, the reproducibility of the waveform is restored at a period of L ref /2=2.46 km, and the effect of phase noise compensation is weakened (2N−1) point of L ref / 4 (compensation worst point). It was also confirmed that a high reproducibility with a correlation coefficient of about 0.7 was maintained.
以上述べたように実施形態では、ＯＦＤＲによる後方レイリー散乱光測定を複数回にわたって実施する。時間的に前後する１回目の測定と２回目の測定を、それぞれ被測定光ファイバ４の温度・歪みの変化前、変化後に位置付けることができる。そして実施形態では、各回の測定で得られた後方レイリー散乱光波形のそれぞれに、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響を補償する処理を施す。 As described above, in the embodiment, the backward Rayleigh scattered light measurement by OFDR is performed a plurality of times. The first measurement and the second measurement which are temporally changed can be positioned before and after the change of the temperature and strain of the optical fiber 4 to be measured. In the embodiment, a process for compensating for the influence of the phase noise of the frequency swept continuous light source 1 is applied to each of the backward Rayleigh scattered light waveforms obtained in each measurement.
発生する位相雑音は測定毎に異なるので、実施形態では毎回の測定において、被測定光ファイバ４の後方散乱光と、周波数掃引連続光光源１の位相雑音の影響とを観測する。そして各回の測定で取得された位相雑音の情報に基づいて、それぞれの後方散乱光の測定結果に対し位相雑音の影響を補償する。これにより、τｉ＞τｃの測定距離においても、θ（ｔ）−θ（ｔ−τｉ）≒０とする近似を成立させることができるので、同じ温度・歪み状態において、後方レイリー散乱光波形の再現性を長距離においても保つことができる。従って、光源のコヒーレンス長の１／２程度を超える長距離においても、高精度で温度・歪み分布を測定することが可能になる。 Since the generated phase noise is different for each measurement, in the embodiment, the backscattered light of the measured optical fiber 4 and the influence of the phase noise of the frequency sweep continuous light source 1 are observed in each measurement. Based on the phase noise information acquired in each measurement, the influence of the phase noise is compensated for the measurement result of each backscattered light. As a result, the approximation that θ (t) −θ (t−τ i ) ≈0 can be established even at the measurement distance of τ i > τ c , so that the backward Rayleigh scattered light can be obtained in the same temperature and strain state. Waveform reproducibility can be maintained over long distances. Therefore, temperature / strain distribution can be measured with high accuracy even at a long distance exceeding about 1/2 of the coherence length of the light source.
光源の位相雑音の影響は、光源のコヒーレンス時間程度の遅延τｒｅｆを与える参照干渉計を設け、この参照干渉計から出力されるビート信号の位相をモニタリングすることで補償できる。連結参照法は、モニタリングした位相を連結させることにより、τｒｅｆ×（連結回数＋１）の範囲で位相雑音の影響を補償することができる。 The influence of the phase noise of the light source can be compensated by providing a reference interferometer that gives a delay τ ref that is about the coherence time of the light source and monitoring the phase of the beat signal output from this reference interferometer. The concatenation reference method can compensate for the influence of phase noise in the range of τ ref × (number of concatenations + 1) by concatenating the monitored phases.
連結参照法は、既存の技術においては光源の位相雑音の影響で低下したＯＦＤＲの空間分解能を改善するために用いられてきた。これに対し実施形態では、全く異なる着眼点から連結参照法を用いている。つまり、複数回の測定においてそれぞれ異なる位相雑音の影響を受けた結果に対して、各測定で連結参照法による位相雑音補償を行うことで後方レイリー散乱光波形から位相雑音の影響を除去し、得られた波形を比較するようにしている。 The concatenated reference method has been used in the existing technology to improve the spatial resolution of OFDR which has been reduced due to the influence of the phase noise of the light source. In contrast, in the embodiment, the connection reference method is used from a completely different viewpoint. In other words, the effects of phase noise that were affected by different measurements in multiple measurements were performed, and the effects of phase noise were removed from the backward Rayleigh scattered light waveform by performing phase noise compensation using the linked reference method in each measurement. The generated waveforms are compared.
ＯＦＤＲで測定された後方レイリー散乱光波形を用いて、高精度の温度・歪み分布測定が可能であるが、ＯＦＤＲでは光源のコヒーレンス長の１／２程度を超えた測定距離では光源の位相雑音の影響が顕著になる。発生する位相雑音は測定の度に異なるので、コヒーレンス長の１／２程度を超える距離では、たとえ温度・歪み変化がなくとも散乱光波形を再現性良く得ることができない。長距離の温度・歪み分布測定に向けて、光源のコヒーレンス長を超える長距離で後方レイリー散乱光波形を再現性良く得ることが重要である。 Although the temperature and strain distribution can be measured with high accuracy using the backward Rayleigh scattered light waveform measured by OFDR, the phase noise of the light source is measured at a measurement distance exceeding about 1/2 of the coherence length of the light source by OFDR. The effect becomes noticeable. Since the generated phase noise differs for each measurement, the scattered light waveform cannot be obtained with good reproducibility even if there is no temperature / distortion change at a distance exceeding about 1/2 of the coherence length. For long-distance temperature / strain distribution measurement, it is important to obtain a backward Rayleigh scattered light waveform with good reproducibility over a long distance exceeding the coherence length of the light source.
そこで実施形態では、温度・歪み変化前と変化後等の複数回のレイリー散乱光測定において、各測定において発生する位相雑音の影響を観測し、位相雑音の影響を補償する処理をそれぞれの測定で得られたレイリー散乱光波形に施す。これにより、位相雑音の影響が測定のたびに異なっていても、温度・歪み状態が同じであれば波形を再現性良く得ることが可能になる。従って光源のコヒーレンス長を超える長距離にかけて温度・歪み分布を測定することができる。 Therefore, in the embodiment, in a plurality of Rayleigh scattered light measurements before and after temperature / strain change, the effects of phase noise generated in each measurement are observed, and processing for compensating for the effects of phase noise is performed in each measurement. It applies to the obtained Rayleigh scattered light waveform. As a result, even if the influence of the phase noise is different for each measurement, it is possible to obtain a waveform with good reproducibility if the temperature and strain state are the same. Accordingly, the temperature / strain distribution can be measured over a long distance exceeding the coherence length of the light source.
また、ＯＦＤＲで測定された後方レイリー散乱光波形を用いた温度・歪み分布測定の空間分解能は、ステップＳ５で切り出す後方レイリー散乱光波形の長さで決まる。切り出す後方レイリー散乱光波形を短くするほど、より局所的な（高空間分解能で）温度・歪みを測定することができるが、式（１）の相互相関において、ν′≠Δνの部分の強度が増加し、ν′＝Δνの位置のピークを認識しにくくなる。これにより、Δνを正確に求めることが困難になる。つまり、高い空間分解能での温度・歪み分布測定のためには、ν′＝Δνで高い相関係数を持つことが求められる。 The spatial resolution of the temperature / strain distribution measurement using the backward Rayleigh scattered light waveform measured by OFDR is determined by the length of the backward Rayleigh scattered light waveform cut out in step S5. The shorter the rear Rayleigh scattered light waveform to be cut, the more local (with high spatial resolution) temperature and strain can be measured. However, in the cross-correlation of Equation (1), the intensity of the portion of ν ′ ≠ Δν As a result, the peak at the position of ν ′ = Δν becomes difficult to recognize. This makes it difficult to accurately obtain Δν. That is, in order to measure the temperature / strain distribution with high spatial resolution, it is required to have a high correlation coefficient at ν ′ = Δν.
従来のＯＦＤＲを用いた手法では、測定距離が長くなるほど位相雑音の影響が顕著になるため、式（１）においてν′＝Δνの相関係数が低くなり、切り出す後方レイリー散乱光波形を長くとる必要がある。つまり、測定距離が長くなるほど、温度・歪み分布の空間分解能を低下させざるを得なくなる。光源のコヒーレンス長を超えた測定距離では、もはや温度・歪みを分布的に測定できなくなる。 In the conventional method using OFDR, the influence of phase noise becomes more prominent as the measurement distance becomes longer. Therefore, the correlation coefficient of ν ′ = Δν becomes lower in equation (1), and the extracted backward Rayleigh scattered light waveform is made longer. There is a need. That is, the longer the measurement distance, the lower the spatial resolution of the temperature / strain distribution. At a measurement distance that exceeds the coherence length of the light source, temperature and strain can no longer be distributedly measured.
それに対し本発明では、被測定光ファイバのＮＬｒｅｆ／２の地点では位相雑音の影響が完全に補償され、式（１）の相互相関においてν′＝Δνで高い相関係数が得られる。これにより、ＮＬｒｅｆ／２の地点では切り出す後方レイリー散乱光波形を短くできるため、より高空間分解能かつ長距離で温度・歪み分布を測定することを可能とする。 On the other hand, in the present invention, the influence of the phase noise is completely compensated at the point of NL ref / 2 of the optical fiber to be measured, and a high correlation coefficient can be obtained with ν ′ = Δν in the cross-correlation of Expression (1). As a result, the rear Rayleigh scattered light waveform cut out at the point of NL ref / 2 can be shortened, so that the temperature / strain distribution can be measured with higher spatial resolution and longer distance.
また、本発明において被測定光ファイバの（２Ｎ−１）Ｌｒｅｆ／４の地点では位相雑音補償の効果が弱いため、ＮＬｒｅｆ／２の地点に比べて相関係数が低くなるが、適切なＬｒｅｆの参照干渉計を用いることで、図３に示したように温度・歪み分布測定をするのに十分な相関係数を得ることができる。したがって、本発明は（２Ｎ−１）Ｌｒｅｆ／４の地点を含む全ての地点で温度・歪み分布測定を可能とするものであり、ＮＬｒｅｆ／２の地点では特に高い空間分解能で温度・歪み分布を測定できる。 In the present invention, since the effect of phase noise compensation is weak at the point of (2N−1) L ref / 4 of the optical fiber to be measured, the correlation coefficient is lower than that at the point of NL ref / 2, but it is appropriate. By using the L ref reference interferometer, a correlation coefficient sufficient to measure the temperature / strain distribution as shown in FIG. 3 can be obtained. Therefore, the present invention enables the temperature / strain distribution measurement at all points including the point of (2N-1) L ref / 4, and the temperature / strain at a particularly high spatial resolution at the point of NL ref / 2. Distribution can be measured.
逆に、切り出す後方レイリー散乱光波形を長くとった場合、温度・歪み分布測定の空間分解能が悪くなるが、ステップＳ６で算出されるレイリー散乱光スペクトルの周波数分解能は向上するため、温度・歪みの測定精度が向上する。つまり、温度・歪み分布測定の空間分解能と、温度・歪みの測定精度はトレードオフの関係にあり、これらは後方レイリー散乱光波形の取得と位相雑音補償後のステップＳ５で、温度・歪みを測定可能な範囲で自由に調節することができる。 Conversely, when the extracted backward Rayleigh scattered light waveform is long, the spatial resolution of the temperature / strain distribution measurement is degraded, but the frequency resolution of the Rayleigh scattered light spectrum calculated in step S6 is improved. Measurement accuracy is improved. In other words, the spatial resolution of temperature / strain distribution measurement and the measurement accuracy of temperature / strain are in a trade-off relationship, and these measures temperature / strain in step S5 after acquisition of the backward Rayleigh scattered light waveform and phase noise compensation. It can be adjusted as much as possible.
これらのことから、光ファイバの測定距離によらず温度・歪み分布を高精度、高空間分解能で測定する方法および装置を提供することが可能となる。 Accordingly, it is possible to provide a method and apparatus for measuring temperature / strain distribution with high accuracy and high spatial resolution regardless of the measurement distance of the optical fiber.
なお、この発明は、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要素を削除してもよい。 It should be noted that the present invention can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
１…周波数掃引連続光光源、２…出力光、３…分岐素子、４…被測定光ファイバ、５…主干渉計、６…参照干渉計、７…参照光、８…分岐素子、９…遅延ファイバ、１０…合分岐素子、１１…受光素子、１２…アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、１３…入射光、１４…分岐素子、１５…測定光、１６…ローカル光、１７…光サーキュレータ、１８…後方散乱光、１９…合分岐素子、２０…受光素子、２１…アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２２…データ処理装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Frequency sweep continuous light source, 2 ... Output light, 3 ... Branching device, 4 ... Optical fiber to be measured, 5 ... Main interferometer, 6 ... Reference interferometer, 7 ... Reference light, 8 ... Branching device, 9 ... Delay Fibers, 10 ... Multi-branch element, 11 ... Light receiving element, 12 ... Analog / digital (A / D) converter, 13 ... Incident light, 14 ... Branch element, 15 ... Measuring light, 16 ... Local light, 17 ... Optical circulator , 18 ... backscattered light, 19 ... coupling / branching element, 20 ... light receiving element, 21 ... analog / digital (A / D) converter, 22 ... data processing device
Claims (4)
前記第１ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第１ステップで測定された位相雑音の影響を補償する第２ステップと、
前記第１ステップとは異なる時に前記光源からの出力光を前記測定対象に入射して後方レイリー散乱光波形を得るとともに、前記出力光の位相雑音の影響を測定する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償する第４ステップと、
前記第２ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形と、前記第４ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形とのそれぞれについて測定対象とする区間を抽出する第５ステップと、
前記第５ステップで抽出された区間の波形を逆フーリエ変換して、前記第２ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、前記第４ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとを算出する第６ステップと、
前記第２ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルと、前記第４ステップで前記位相雑音の影響を補償された後方レイリー散乱光波形に基づくレイリー散乱光スペクトルとの相互相関により周波数シフト量を算出する第７ステップと、
前記周波数シフト量に基づいて前記測定対象の温度・歪みを算出する第８ステップと、
前記第５ステップ乃至前記第８ステップを繰り返して、前記測定対象における温度・歪みの光の伝播方向に対する分布を算出する第９ステップとを具備することを特徴とする、光ファイバの温度・歪み分布測定方法。 A first step of making an output light from a light source whose optical frequency is swept enter a measurement object to obtain a backward Rayleigh scattered light waveform, and measuring an influence of phase noise of the output light;
A second step of compensating the influence of the phase noise measured in the first step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the first step;
A third step in which the output light from the light source is incident on the measurement object at a time different from the first step to obtain a backward Rayleigh scattered light waveform, and the influence of the phase noise of the output light is measured;
A fourth step for compensating the influence of the phase noise measured in the third step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the third step;
Sections to be measured for each of the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the influence of the phase noise in the second step and the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the effect of the phase noise in the fourth step A fifth step of extracting;
The waveform of the section extracted in the fifth step is subjected to inverse Fourier transform, and the Rayleigh scattered light spectrum based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the influence of the phase noise in the second step, and in the fourth step, A sixth step of calculating a Rayleigh scattered light spectrum based on a backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the influence of the phase noise;
Rayleigh scattered light spectrum based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the second step, and Rayleigh scattered light based on the backward Rayleigh scattered light waveform compensated for the phase noise effect in the fourth step. A seventh step of calculating a frequency shift amount by cross-correlation with the optical spectrum;
An eighth step of calculating the temperature and strain of the measurement object based on the frequency shift amount;
A temperature / strain distribution of the optical fiber, wherein the fifth step to the eighth step are repeated to calculate a distribution of the temperature / strain in the measurement object with respect to the light propagation direction. Measuring method.
前記第４ステップは、前記連結参照法により、前記第３ステップで得られた後方レイリー散乱光波形に対し前記第３ステップで測定された位相雑音の影響を補償することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバの温度・歪み分布測定方法。 In the second step, the first step is performed by a concatenated reference method that concatenates the phases of beat signals output from a reference interferometer that gives a delay equivalent to the coherence time of the light source to compensate for the influence of phase noise of the light source. To compensate for the influence of the phase noise measured in the first step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in (1),
The fourth step comprises compensating for the influence of the phase noise measured in the third step on the backward Rayleigh scattered light waveform obtained in the third step by the concatenated reference method. 2. A method for measuring a temperature / strain distribution of an optical fiber according to 1.
前記データ処理部は、
前記光源からの出力光を測定対象に入射して前記後方レイリー散乱光波形を得るとともに、前記出力光の位相雑音の影響を測定し、
前記後方レイリー散乱光波形に対し前記測定された位相雑音の影響を補償し、
前記後方レイリー散乱光波形の取得と当該後方レイリー散乱光波形に対する前記位相雑音の影響の補償とを複数回実施し、
前記位相雑音の影響を補償された複数の後方レイリー散乱光波形のそれぞれについて測定対象とする区間を抽出し、
前記抽出された区間の波形を逆フーリエ変換して、前記位相雑音の影響を補償された複数の後方レイリー散乱光波形のそれぞれに基づく複数のレイリー散乱光スペクトルを算出し、
前記複数のレイリー散乱光スペクトルの相互相関により周波数シフト量を算出し、
前記周波数シフト量に基づいて前記測定対象の温度・歪みを算出し、
前記区間を抽出することと、前記複数のレイリー散乱光スペクトルを算出することと、前記周波数シフト量を算出することと、前記温度・歪みを算出することとを繰り返して、前記測定対象における温度・歪みの光の伝播方向に対する分布を算出することを特徴とする、光ファイバの温度・歪み分布測定装置。 In an optical fiber temperature / strain distribution measuring device including a data processing unit that obtains a backward Rayleigh scattered light waveform of light incident on a measurement target from a light source that is swept at an optical frequency,
The data processing unit
The output light from the light source is incident on a measurement object to obtain the backward Rayleigh scattered light waveform, and the influence of the phase noise of the output light is measured.
Compensating for the effect of the measured phase noise on the back Rayleigh scattered light waveform;
Performing the acquisition of the backward Rayleigh scattered light waveform and compensation of the influence of the phase noise on the backward Rayleigh scattered light waveform a plurality of times,
Extract a section to be measured for each of a plurality of backward Rayleigh scattered light waveforms compensated for the influence of the phase noise,
A plurality of Rayleigh scattered light spectra based on each of a plurality of backward Rayleigh scattered light waveforms compensated for the influence of the phase noise by inverse Fourier transforming the waveform of the extracted section;
Calculating a frequency shift amount by cross-correlation of the plurality of Rayleigh scattered light spectra,
Calculate the temperature and strain of the measurement object based on the frequency shift amount,
Extracting the section, calculating the plurality of Rayleigh scattered light spectra, calculating the frequency shift amount, and calculating the temperature and strain are repeated, and An apparatus for measuring temperature / strain distribution of an optical fiber, wherein a distribution of strain with respect to a propagation direction of light is calculated.
前記データ処理部は、前記参照干渉計から出力されるビート信号の位相を連結して前記光源の位相雑音の影響を補償する連結参照法により、前記後方レイリー散乱光波形に対し前記測定された位相雑音の影響を補償することを特徴とする、請求項３に記載の光ファイバの温度・歪み分布測定装置。 And a reference interferometer that provides a delay of about the coherence time of the light source,
The data processing unit is configured to connect the phase of the beat signal output from the reference interferometer to compensate for the influence of phase noise of the light source, and to measure the measured phase with respect to the backward Rayleigh scattered light waveform. 4. The temperature / strain distribution measuring device for an optical fiber according to claim 3, wherein the influence of noise is compensated.
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