JP2020134264A - 光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いたＢＯＴＤＲにおいて、ＡＳＥノイズの影響を低減する。【解決手段】光ファイバ歪み及び温度測定装置は、自己遅延ヘテロダイン干渉により得られた測定信号を平均化して平均化データを生成する平均化処理部と、平均化データに基づいてノイズ信号を生成するノイズ信号生成部と、平均化データからノイズ信号を減算して、ノイズ除去ビート信号を生成する減算処理部と、ノイズ除去ビート信号と局発信号から周波数シフト量を算出するブリルアン周波数シフト算出部とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法に関する。

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。特に、散乱光を利用する光ファイバセンシングは、点ごとに計測する電気センサとは異なり、長距離の分布としてのセンシングが可能であるため、被測定対象全体の物理量を計測することができる。

分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。

ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｇａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）と呼ばれる。ＢＧＳの周波数シフト及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）及びブリルアン線幅と呼ばれる。ＢＦＳ及びブリルアン線幅は、光ファイバの材質および入射光波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバの場合、波長１．５５μｍにおけるＢＦＳの大きさ及びブリルアン線幅は、それぞれ約１１ＧＨｚ及び約３０ＭＨｚとなることが報告されている。また、非特許文献１からシングルモードファイバ中の歪み、温度の変化に伴うＢＦＳの大きさは波長１．５５μｍにおいて、それぞれ０．０４９ＭＨｚ／με、１．０ＭＨｚ／℃である。

このように、ＢＦＳは歪みと温度に対して依存性を持つ。このため、ＢＯＴＤＲは橋梁やトンネルなどに代表される大型建造物や、地滑りが発生する恐れのある箇所などの監視目的で利用可能であり、注目されている。

ＢＯＴＤＲでは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２〜３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。

ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保できない。その結果、Ｓ／Ｎ改善のための平均化処理が必要となる。ＢＯＴＤＲを行う従来の光ファイバ歪み測定装置では、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得しているが、平均化処理とこの３次元情報の取得のため、測定時間の短縮が難しい。

これに対し、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する、自然ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６を参照して、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定する、従来の光ファイバ歪み測定装置の基本構成について説明する。図６は、従来の光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。

光ファイバ歪み測定装置は、光源部１０、サーキュレータ２０、光増幅器３０、光バンドパスフィルタ３２、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１及びタイミング制御器９０を備えて構成される。

光源部１０は、プローブ光を生成する。光源部１０は、連続光を生成する光源１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１４を備えて構成される。

光パルス発生器１４は、タイミング制御器９０で生成された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスが、プローブ光として、光源部１０から出力される。

この光源部１０から出力されたプローブ光は、サーキュレータ２０を経て、被測定光ファイバ１００に入射される。

被測定光ファイバ１００からの後方散乱光は、サーキュレータ２０を経て、光増幅器３０に送られる。光増幅器３０で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。光バンドパスフィルタ３２は、自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られる。この光バンドパスフィルタ３２から出射される自然ブリルアン散乱光の時刻ｔにおける信号Ｅ_０（ｔ）は、以下の式（１）で表される。

ここで、Ａ_０は振幅、η_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱係数、ｆ_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱光の光周波数、φ_０は初期位相を示している。なお、ブリルアン散乱係数η_Ｂ（ｔ）及びブリルアン散乱光の光周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光ファイバ中での局所的な歪みや温度変化により変化するため、時間ｔの関数としている。

自己遅延ヘテロダイン干渉計４１は、分岐部４２、光周波数シフタ部４３、遅延部４８、合波部５０、コヒーレント検波部６０、局発電気信号源８３及びＢＦＳ取得部７０を備えて構成される。

局発電気信号源８３は、周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を生成する。

分岐部４２は、プローブ光により被測定光ファイバ１００で発生する後方ブリルアン散乱光を、光バンドパスフィルタ３２を経て受け取り、第１光路及び第２光路に２分岐する。

光周波数シフタ部４３は、第１光路に設けられている。光周波数シフタ部４３は、局発電気信号源８３で生成された周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、周波数ｆ_ＡＯＭの周波数シフトを与える。また、第２光路に遅延部４８が設けられている。遅延部４８は、第２光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。

合波部５０は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部５０に入射される、第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）及び第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）は、それぞれ、以下の式（２）及び（３）で表される。

ここで、Ａ_１及びＡ_２は、それぞれＥ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ−τ）の振幅であり、φ_１及びφ_２は、それぞれＥ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ−τ）の初期位相である。

コヒーレント検波部６０は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。コヒーレント検波部６０は、例えば、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）６２、ＦＥＴ増幅器６４及びアナログ−ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）６６を備えて構成される。ヘテロダイン検波により与えられるビート信号Ｉ_１２は、以下の式（４）で表される。

コヒーレント検波部６０で生成されたビート信号Ｉ_１２は測定信号としてＢＦＳ取得部７０に送られる。また、局発電気信号源８３で生成された電気信号は局発信号としてＢＦＳ取得部７０に送られる。ＢＦＳ取得部７０は、ミキサ７２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７４及びＢＦＳ算出手段７６を備えて構成されている。

ミキサ７２は、測定信号と、局発信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。局発電気信号源８３で生成された電気信号Ｉ_ＡＯＭを以下の式（５）で表す。

ミキサ７２で生成されたホモダイン信号は、上式（４）及び（５）を乗算して得られる、以下の式（６）で表される。

上式（６）中の和周波成分をＬＰＦ７４で除去すると、以下の式（７）で表される信号が得られる。

上式（７）のφ_１−φ_２−φ_ＡＯＭと、遅延時間τは一定であるため、ブリルアン周波数ｆ_Ｂ（ｔ）の変化のみが出力強度の差として出力される。

ブリルアン周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光源１２の発振周波数の揺らぎと被測定光ファイバ１００の歪みの２つの要因によって変化する。しかし、光源１２として周波数安定化狭線幅光源を用いることで、被測定光ファイバ１００の歪みによる影響が支配的となる。

図７（Ａ）及び（Ｂ）は、ブリルアンシフトとビート信号の位相変化を示す模式図である。図７（Ａ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に周波数を取って示している。また、図７（Ｂ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に電圧を取って示している。

この横軸の時間は、ブリルアン散乱が起こった場所を示している。すなわち、プローブ光が出射された時間に対して、時間ｔ経過後に後方ブリルアン散乱光が入射された場合、被測定光ファイバ内の光の伝播速度をｖとすると、被測定光ファイバの入射端からｖｔ／２の位置で後方ブリルアン散乱が生じたことになる。

図７（Ａ）及び（Ｂ）では、時刻ｔ_１からｔ_２までの時間Ｔに対応する区間において、周波数シフトが生じた例を示している。このとき、自己遅延ヘテロダイン干渉計で遅延時間τが与えられているため、位相変化はｔ_１からｔ_１＋τまでの間に変化し、時刻ｔ_２からｔ_２＋τまでの間に元の状態に戻る。すなわち、光ファイバ歪み測定装置で位相差を測定するには、Ｔ≧τの関係を満たす必要があり、測定可能な時間分解能（すなわち、空間分解能）がτによって定まる。

一方、特許文献１に記載の技術では、上式（７）から分かるように、位相シフト量を検出するため、検出範囲は０〜πで与えられる。また、位相シフト量からＢＦＳへの変換は遅延時間τに依存する。このように、測定可能な周波数範囲（検出範囲）もτの大きさで定まる。

すなわち、τが大きくなると、検出範囲が小さくなるが、空間分解能は大きくなる。一方、τが小さくなると、空間分解能は小さくなるが、検出範囲が大きくなる。このように、遅延時間と検出範囲の間にトレードオフの関係がある。

図８は、遅延時間と測定可能周波数の関係を示す図である。ここでは、位相変化の最小検出感度をπ／１０００、最大値をπとしている。遅延時間τを１ｎｓとすると、周波数測定範囲は１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚとなる。１ｎｓの遅延時間τは２０ｃｍの空間分解能に対応し、１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの検出範囲は０．００２〜１％の光ファイバの歪みに相当する。これらの値は、光ファイバの歪み測定として、十分な空間分解能及び測定精度を満足している。

この特許文献１に開示されている光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法によれば、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲ（ＳＤＨ−ＢＯＴＤＲ：Ｓｅｌｆ−Ｄｅｌａｙｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ＢＯＴＤＲ）の技術を用いて、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このＳＤＨ−ＢＯＴＤＲでは、周波数掃引を必要としないため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。

特開２０１６−１９１６５９号公報

Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．，"Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ"，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ．Ｅ７６−Ｂ， ｎｏ．４， ｐｐ．３８２−３９０ （１９９３）

ここで、上述の従来例において、光増幅器３０として、例えば、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が用いられる。ＥＤＦＡの出力には、ＥＤＦＡ自身が発生させる自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｒｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）のノイズ（以下、ＡＳＥノイズとも称する。）が含まれる。

このＡＳＥノイズは、白色雑音（ランダムノイズ）である。ＡＳＥノイズが自己遅延ヘテロダイン干渉計４１を通ってもランダムノイズのままであり、ＢＦＳ算出手段７６において平均化することにより、近似的に０となることが期待される。

しかし、実際には、ＡＳＥノイズによって、光周波数シフタ部４３で与えられる周波数シフトｆ_ＡＯＭと同じ周波数の微弱なノイズが発生してしまう。このノイズは、ブリルアン散乱光によって得られるビート信号と同じ周波数を持つため、フィルタによって除去することは不可能である。

被測定光ファイバ１００のサーキュレータ２０に接続される近端付近で発生する後方散乱光と比べて、近端とは反対側の遠端付近で発生する後方散乱光は、信号レベルが小さくなる。このため、被測定光ファイバ１００の長さが長くなると、遠端に対応する信号レベルに対してＡＳＥノイズの影響が無視できなくなる可能性がある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いたＢＯＴＤＲにおいて、ＡＳＥノイズの影響を低減することが可能な、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置は、光源部と、分岐部と、光周波数シフタ部と、遅延部と、合波部と、コヒーレント検波部と、電気信号生成部と、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）取得部とを備えて構成される。

光源部は、プローブ光を生成する。分岐部は、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。光周波数シフタ部は、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設けられていて、ビート周波数の周波数シフトを与える。遅延部は、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設けられている。合波部は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。コヒーレント検波部は、合波光をヘテロダイン検波して差周波を測定信号として出力する。電気信号生成部は、測定信号と同じ周波数を持つ局発信号を生成する。ＢＦＳ取得部は、測定信号と局発信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量を取得する。

ＢＦＳ取得部は、測定信号を平均化して平均化データを生成する平均化処理部と、平均化データに基づいてノイズ信号を生成するノイズ信号生成部と、平均化データからノイズ信号を減算して、ノイズ除去ビート信号を生成する減算処理部と、ノイズ除去ビート信号と局発信号から周波数シフト量を算出するＢＦＳ算出部とを備える。

上述した光ファイバ歪み及び温度測定装置の好適な実施形態では、ノイズ信号生成部は、予め、光源部がプローブ光を生成しない状態で測定された平均化データから、ノイズ信号を得る。また、上述した光ファイバ歪み及び温度測定装置の他の好適な実施形態では、ノイズ信号生成部は、平均化データのうち、光ファイバが無い区間での平均化データからノイズデータを取得し、ノイズデータから、ＡＳＥノイズの初期位相及び振幅を算出し、初期位相及び振幅を用いて、ノイズ信号を得る。

また、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定方法は、以下の過程を備えて構成される。先ず、プローブ光を生成する。次に、プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。次に、第１光路及び第２光路のいずれか一方を伝播する光に、ビート周波数の周波数シフトを与える。また、第１光路及び第２光路のいずれか一方を伝搬する光に遅延を与える。次に、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。次に、合波光をヘテロダイン検波して差周波を測定信号として出力する。次に、測定信号と同じ周波数を持つ局発信号を生成する。次に、測定信号と局発信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量を取得する。

周波数シフト量を取得する過程は、さらに、以下の過程を備えて構成される。先ず、測定信号を平均化して平均化データを生成する。次に、平均化データに基づいてノイズ信号を生成する。次に、平均化データからノイズ信号を減算して、ノイズ除去ビート信号を生成する。次に、ノイズ除去ビート信号と局発信号から周波数シフト量を算出する。

上述した光ファイバ歪み及び温度測定方法の好適な実施形態では、ノイズ信号を生成する過程において、予め、プローブ光を生成しない状態で測定された平均化データから、ノイズ信号を得る。また、上述した光ファイバ歪み及び温度測定方法の他の好適な実施形態では、ノイズ信号を生成する過程は、さらに以下の過程を備える。平均化データのうち、光ファイバが無い区間での平均化データからノイズデータを取得する。そして、ノイズデータから、ＡＳＥノイズの初期位相及び振幅を算出する。初期位相及び振幅を用いて、ノイズ信号を得る。

この発明の、光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法によれば、後方散乱光が無い状態で得られたノイズ信号を、測定信号から減算することにより、ＡＳＥノイズの影響を低減することができる。

測定装置の構成例を示す模式的なブロック図である。 ノイズ処理方法を説明するための演算フローを示す図である。 静的処理及び動的処理を説明するための模式図である。 ノイズ発生の原理を説明するための模式図である。 ノイズ処理の効果を示す図である。 従来の光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。 ブリルアンシフトとビート信号の位相変化を示す模式図である。 遅延時間と測定可能周波数の関係を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各図は、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

(構成例)
図１を参照して、この発明の、光ファイバ歪み及び温度測定装置を説明する。図１は、この発明の、光ファイバ歪み及び温度測定装置（以下、単に測定装置とも称する。）の構成例を示す模式的なブロック図である。

測定装置は、光源部１０、サーキュレータ２０、光増幅器３０、光バンドパスフィルタ３２、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１及びタイミング制御器９０を備えて構成される。

光源部１０は、プローブ光を生成する。光源部１０は、連続光を生成する光源１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１４を備えて構成される。

ここで、この測定装置は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源１２の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅（以下、単に線幅とも称する。）は、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源１２として周波数安定化狭線幅光源が用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ（以下、被測定光ファイバとも称する。）１００の歪みを０．００８％としたとき、ブリルアンシフトは４ＭＨｚに相当する。このため、０．００８％程度の歪みを測定するには、光源１２の周波数揺らぎ及び線幅は４ＭＨｚより十分に小さく、数１０ｋＨｚ以下であることが望ましい。なお、周波数揺らぎ及び線幅が１０ｋＨｚ程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが、既製品として一般に入手可能である。

光パルス発生器１４は、任意好適な従来周知の、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器又は電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて構成される。光パルス発生器１４は、タイミング制御器９０で生成された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ１００を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部１０から出力される。

この光源部１０から出力されたプローブ光は、サーキュレータ２０を経て、被測定光ファイバ１００に入射される。なお、サーキュレータ２０に換えて、光カプラを用いても良い。

被測定光ファイバ１００からの後方散乱光は、サーキュレータ２０を経て、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）などで構成される光増幅器３０に送られる。光増幅器３０で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。

光バンドパスフィルタ３２は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、後方散乱光のうち、自然ブリルアン散乱光の成分を含む光を透過させる。光バンドパスフィルタ３２は、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いた光フィルタを含んで構成される。光バンドパスフィルタ３２が所望の透過特性を奏するように、光フィルタを多段に設けてもよい。

光バンドバスフィルタ３２から出力される光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られる。この光バンドパスフィルタ３２から出力される光に含まれる自然ブリルアン散乱光の時刻ｔにおける信号Ｅ_０（ｔ）は、上式（１）で表される。

ここで、Ａ_０は振幅、η_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱係数、ｆ_Ｂ（ｔ）はブリルアン散乱光の光周波数、φ_０は初期位相を示している。なお、ブリルアン散乱係数η_Ｂ（ｔ）及びブリルアン散乱光の光周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光ファイバ中での局所的な歪みや温度変化により変化するため、時間ｔの関数としている。

自己遅延ヘテロダイン干渉計４１は、分岐部４２、光周波数シフタ部４３、遅延部４８、合波部５０、コヒーレント検波部６０、電気信号生成部としての局発電気信号源８３及びＢＦＳ取得部７１を備えて構成される。

局発電気信号源８３は、周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を生成する。

分岐部４２は、プローブ光により被測定光ファイバ１００で発生する後方ブリルアン散乱光を、光バンドパスフィルタ３２を経て受け取り、第１光路及び第２光路に２分岐する。

光周波数シフタ部４３は、この構成例では、第１光路に設けられている。光周波数シフタ部４３は、局発電気信号源８３で生成された周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、周波数ｆ_ＡＯＭの周波数シフトを与える。

また、この構成例では、第２光路に遅延部４８が設けられている。遅延部４８は、第２光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。

合波部５０は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部５０に入射される、第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）及び第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）は、それぞれ、上式（２）及び（３）で表される。

コヒーレント検波部６０は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。コヒーレント検波部６０は、例えば、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）６２、ＦＥＴ増幅器６４及びＡ／Ｄ６６を備えて構成される。ヘテロダイン検波により与えられるビート信号Ｉ_１２は、上式（４）で表される。

コヒーレント検波部６０で生成されたビート信号Ｉ_１２は、測定信号としてＢＦＳ取得部７１に送られる。また、局発電気信号源８３で生成された電気信号は局発信号としてＢＦＳ取得部７１に送られる。

ＢＦＳ取得部７１は、平均化処理部１８０、ノイズ信号生成部１８２、減算処理部１８４、ＢＦＳ算出部１７０を備えて構成される。ＢＦＳ取得部７１は、ノイズ除去を施した後、ＢＦＳ波形を算出する。

このＢＦＳ取得部７１は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成できる。また、ソフトウェアを実行することにより、ＢＦＳ取得部７１を実現する構成にしても良い。なお、各処理の内容を記憶する記憶手段については、任意好適な従来公知の構成にできるので、ここでは説明を省略する。

図２及び図３を参照して、ＢＦＳ取得部７１での動作を説明する。図２は、ノイズ処理方法を説明するための演算フローを示す図である。図２（Ａ）は静的処理を示し、図２（Ｂ）は動的処理を示す。図３は、静的処理及び動的処理を説明するための模式図である。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸に被測定光ファイバ１００の入力端からの距離［単位：ｍ］を取って示し、縦軸にビート信号の強度［ａ．ｕ．］を取って示している。

ＢＦＳ取得部７１に送られた信号は、平均化処理部１８０で、Ｍ回分（Ｍは２以上の整数）の平均化が行われる（Ｓ２１）。この平均化の回数は、タイミング制御器９０で生成される電気パルスの数に対応する。平均化の回数Ｍは、任意好適な数に設定されるが、例えば、被測定光ファイバ１００の長さが５ｋｍの場合、４０００回程度にすることができる。

ノイズ信号生成部１８２は、平均化処理部１８０で得られた平均化データに基づいてノイズ信号を生成する。ノイズ信号の生成処理には、静的処理と動的処理の２通りの処理手法がある。

先ず、静的処理について説明する。静的処理では、歪みや温度の測定前に、ノイズ信号を予め取得する（Ｓ１５）。ノイズ信号は、プローブ光を生成しない状態で、すなわち、後方散乱光が光増幅器３０に入力されない状態での平均化データから生成される。この場合、ＢＦＳ取得部７１に送られる信号は、測定信号を含まずＥＤＦＡで構成されるＡＳＥノイズ（図３（Ａ）参照）のみとなる。このＡＳＥノイズは、信号レベルが低い。このため、平均化データをさらにＮ回（Ｎは２以上の整数）、すなわちＭ×Ｎ回平均して、ノイズ信号を得る。ノイズ信号を得るための平均化の回数Ｎは、任意好適な数に設定されるが、例えば、被測定光ファイバ１００の長さが５ｋｍの場合、４回以上にすることができる。

次に、動的処理について説明する。動的処理では、歪みや温度の測定中に、ノイズ信号を取得することができる。ノイズ信号は、後方散乱光が光増幅器３０に入力されている状態での、光ファイバが無い区間に対応する平均化データから取得される。

光ファイバが無い区間では、ＢＦＳ取得部７１に送られる信号は、ＥＤＦＡで構成されるＡＳＥノイズ（図３（Ｂ）参照）のみとなる。このＡＳＥノイズは、信号レベルが低いため、光ファイバが無い区間での平均化データをさらにＮ回（Ｎは２以上の整数）平均してノイズデータを得る（Ｓ３１）。ノイズデータから、ＡＳＥノイズの初期位相と振幅を算出する（Ｓ３３）。その後、算出した初期位相と振幅を用いて、ノイズ信号を生成する（Ｓ３５）。

減算処理部１８４は、平均化データから、静的処理（Ｓ１５）又は動的処理（Ｓ３１〜Ｓ３５）で生成されたノイズ信号を減算してノイズ除去ビート信号を得る（Ｓ４１）。ノイズ除去ビート信号は、ＢＦＳ算出部１７０に送られる。

ＢＦＳ算出部１７０は、ミキサ１７２、ＬＰＦ１７４及びＢＦＳ算出手段１７６を備えて構成されている。

ミキサ１７２は、ノイズ除去ビート信号と局発信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。局発電気信号源８３で生成された局発信号Ｉ_ＡＯＭを上式（５）で表す。

ミキサ１７２で生成されたホモダイン信号は、上式（４）及び（５）を乗算して得られる、上式（６）で表される。

上式（６）中の和周波成分をＬＰＦ１７４で除去すると、上式（７）で表される信号が得られる。

ＢＦＳ算出手段１７６は、ＬＰＦ１７４の出力強度から、ＢＦＳを算出してＢＦＳ波形を取得する（Ｓ４３）。ＢＦＳ波形を取得した後は、従来公知の方法で、歪み又は温度を取得する。

（本発明の原理）
図４を参照して、本発明の原理の概略を説明する。図４は、本発明の原理を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、光増幅器３０の出力を示す模式図であり、図４（Ｂ）は光バンドパスフィルタ３２の出力を示す模式図であり、図４（Ｃ）は、自然ブリルアン散乱光に対する自己遅延干渉を示す模式図であり、図４（Ｄ）は、ＡＳＥノイズに対する自己遅延干渉を示す模式図である。

光増幅器３０の出力には、自然ブリルアン散乱光とＡＳＥノイズが含まれている（図４（Ａ））。光増幅器３０の出力は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。

光バンドパスフィルタ３２は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、後方散乱光のうち、自然ブリルアン散乱光の成分を含む光を透過させる（図４（Ｂ））。光バンドバスフィルタ３２から出力される光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られる。

自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られた光は２分岐される。例えば、２分岐された一方には、周波数ｆ_ＡＯＭとして２００ＭＨｚの周波数シフトが与えられ、２分岐された他方には、時間τとして１ｎｓｅｃの遅延が与えられた後、合波される。合波により得られた合波光をヘテロダイン検波すると、自然ブリルアン散乱光に由来する成分から２００ＭＨｚのビート信号が生成される（図４（Ｃ））。

一方、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られた光に含まれるＡＳＥノイズは、本来ランダムノイズである。このため、２分岐された一方に、周波数ｆ_ＡＯＭとして２００ＭＨｚの周波数シフトを与え、２分岐された他方に、時間τとして１ｎｓｅｃの遅延を与えた後、合波されると、近似的に０になることが期待される。

しかし、実際には、ランダムノイズであるＡＳＥノイズは、光バンドパスフィルタ３２を透過する際に、帯域が制限される。これにより、光バンドパスフィルタ３２から出力される光に含まれる周期的成分の割合が、やや大きくなる。この結果、ビート信号には、ＡＳＥノイズに起因する、微弱な２００ＭＨｚのノイズ信号が含まれる（図４（Ｄ））。このＡＳＥノイズに起因する２００ＭＨｚのノイズも位相シフトとして検出してしまうため、測定されるＢＦＳは、自然ブリルアン散乱光による値から異なる。

本発明は、このＡＳＥノイズの影響を取り除くものである。

図５を参照して、本発明の効果を説明する。図５は、本発明の効果を説明するための模式図である。図５（Ａ）〜（Ｅ）は、被測定光ファイバ１００の入力端からの位置に対するＢＦＳの値を示している。図５（Ａ）〜（Ｅ）は、横軸に、被測定光ファイバ１００の入力側からの位置を取って示し、縦軸にＢＦＳの値を取って示している。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、測定開始時の測定結果を示し、図５（Ｄ）及び（Ｅ）は、測定開始後３０分ほど経過した時点での測定結果を示している。図５（Ａ）は、ＡＳＥノイズの減算を行わない場合の結果を示し、図５（Ｂ）及び（Ｄ）は、静的処理を行った場合の結果を示し、図５（Ｃ）及び（Ｅ）は、動的処理を行った場合の結果を示している。

特に、被測定光ファイバの距離が長くなるなど信号レベルが小さくなると、測定されるＢＦＳに与える２００ＭＨｚノイズの影響が大きくなる。この結果、測定開始時において、被測定光ファイバの位置に対するＢＦＳの値は傾きを持つ（図５（Ａ）参照）。また、この傾きは、自然ブリルアン散乱光に由来する信号とＡＳＥノイズに由来するノイズの比（Ｓ／Ｎ）と、信号とノイズの位相関係により定まる。

ここで、上述の静的処理により得られたノイズ信号を減算することにより、被測定光ファイバの位置に対するＢＦＳの値は傾きがなくなる（図５（Ｂ）参照）。同様に、上述の動的処理により得られたノイズ信号を減算することにより、被測定光ファイバの位置に対するＢＦＳの値は傾きがなくなる（図５（Ｃ）参照）。

なお、測定開始後、時間が経過すると、装置内の温度の揺らぎなどにより、光源の周波数が揺らぐ場合がある。この場合、信号とノイズの位相関係が変わるため、静的処理では、測定開始後約３０分で、被測定光ファイバの位置に対するＢＦＳの値は傾きがわずかにみられる（図３（Ｄ）参照）。

一方、動的処理では、測定開始後約３０分でも、被測定光ファイバの位置に対するＢＦＳの値は傾きが除去される（図５（Ｅ）参照）。

このように、この発明の光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法によれば、ＡＳＥノイズの影響を低減することができる。特に、動的処理を行えば、装置内の温度の揺らぎなどにより、光源の周波数が揺らぐ場合であっても、ＡＳＥノイズの影響が低減される。

ここでは、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲの例を説明したが、これに限定されない。光源で生成される参照光と自然ブリルアン散乱光とを干渉させるＢＯＴＤＲにも、本発明は適用可能である。また、ブリルアン散乱に限らず、光ファイバ中で後方散乱される光を測定するＯＴＤＲにも適用可能である。

１０ 光源部
２０ サーキュレータ
３０ 光増幅器
３２ 光バンドパスフィルタ
４１ 自己遅延ヘテロダイン干渉計
４２ 分岐部
４３ 光周波数シフタ部
４８ 遅延部
５０ 合波部
６０ コヒーレント検波部
６２ バランス型ＰＤ
６４ ＦＥＴ増幅器
６６ Ａ／Ｄ
７０、７１ ＢＦＳ取得部
７２、１７２ ミキサ
７４、１７４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７６、１７６ ＢＦＳ算出手段
８３ 局発電気信号源
９０ タイミング制御器
１７０ ＢＦＳ算出部
１８０ 平均化処理部
１８２ ノイズ信号生成部
１８４ 演算処理部

Claims (6)

1. プローブ光を生成する光源部と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する分岐部と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられた、ビート周波数の周波数シフトを与える光周波数シフタ部と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられた遅延部と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する合波部と、
   前記合波光をヘテロダイン検波して差周波を測定信号として出力するコヒーレント検波部と、
   前記測定信号と同じ周波数を持つ局発信号を生成する電気信号生成部と、
   前記測定信号と前記局発信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量を取得するブリルアン周波数シフト取得部と
   を備え、
   前記ブリルアン周波数シフト取得部は、
   前記測定信号を平均化して平均化データを生成する平均化処理部と、
   前記平均化データに基づいてノイズ信号を生成するノイズ信号生成部と、
   前記平均化データから前記ノイズ信号を減算して、ノイズ除去ビート信号を生成する減算処理部と、
   前記ノイズ除去ビート信号と前記局発信号から前記周波数シフト量を算出するブリルアン周波数シフト算出部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定装置。
2. 前記ノイズ信号生成部は、
   予め、前記光源部が前記プローブ光を生成しない状態で測定された前記平均化データから、前記ノイズ信号を得る
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
3. 前記ノイズ信号生成部は、
   前記平均化データのうち、光ファイバが無い区間での平均化データからノイズデータを取得し、
   前記ノイズデータから、ＡＳＥノイズの初期位相及び振幅を算出し、
   前記初期位相及び前記振幅を用いて、前記ノイズ信号を得る
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ歪み及び温度測定装置。
4. プローブ光を生成する過程と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方を伝播する光に、ビート周波数の周波数シフトを与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方を伝搬する光に遅延を与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する過程と、
   前記合波光をヘテロダイン検波して差周波を測定信号として出力する過程と、
   前記測定信号と同じ周波数を持つ局発信号を生成する過程と、
   前記測定信号と前記局発信号とをホモダイン検波して、周波数シフト量を取得する過程と
   を備え、
   前記周波数シフト量を取得する過程は、
   前記測定信号を平均化して平均化データを生成する過程と、
   前記平均化データに基づいてノイズ信号を生成する過程と、
   前記平均化データから前記ノイズ信号を減算して、ノイズ除去ビート信号を生成する過程と、
   前記ノイズ除去ビート信号と前記局発信号から前記周波数シフト量を算出する過程と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定方法。
5. 前記ノイズ信号を生成する過程では、
   予め、前記プローブ光を生成しない状態で測定された前記平均化データから、前記ノイズ信号を得る
   ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。
6. 前記ノイズ信号を生成する過程は、さらに、
   前記平均化データのうち、光ファイバが無い区間での平均化データからノイズデータを取得する過程と、
   前記ノイズデータから、ＡＳＥノイズの初期位相及び振幅を算出する過程と、
   前記初期位相及び前記振幅を用いて、前記ノイズ信号を得る過程と
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。

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