JP2022089177A - 光信号のデジタル化のための、およびブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための装置、および、温度と歪みとを空間的に分解して測定するための方法を提供する。【解決手段】光信号のデジタル化のための装置１０は、光信号を検出し、光信号に対応する電気信号を発生させるように設けられる光検出器１と、包絡線検波器４であって、光検出器１によって発生させられた電気信号の振幅を決定するように、そしてこれらの振幅に対応する電気信号を出力するように設けられた包絡線検波器４と、包絡線検波器４によって出力された電気信号をデジタル化し、対応するデータを出力するように設けられたアナログ／デジタル変換器７と、包絡線検波器４の入力部と接続されている、または接続可能である出力部を有する可変電圧源９であって、光信号のデジタル化のための装置が、包絡線検波器４を可変電圧源９で較正するように設けられている可変電圧源９と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光信号のデジタル化のための装置および方法、ならびに請求項１２の上位概念に従った、ブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための装置、および請求項１３の上位概念に従ったブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための方法に関する。

前述のタイプの、ブリルアン散乱によって温度と歪みを空間的に分解して測定するための装置および方法は、ＥＰ３１３９１３３Ａ１から知られている。そこに記載された装置では、レーザ光源から出射されるレーザ放射は、測定に使用される光ファイバに結合される。光ファイバ内のレーザ放射からブリルアン散乱により発生したブリルアン信号は、結合される。光偏光ビームスプリッタによって、結合されたブリルアン信号を互いに偏光の異なる２つの成分に分離し、光カプラによって、ブリルアン信号の各成分には、レーザ放射が混合される。これらの混合信号は、たとえば、光検出器として構成されたセンサー手段によって、別々に検出される。さらに、検出されたブリルアン信号から、光ファイバ断面の温度や歪みを空間分解能で求めることができる評価手段も設けられている。ブリルアン信号の周波数は、評価手段によって検出される。

光ファイバにおけるブリルアン散乱は、光ファイバに沿った、温度および歪みの分散計測および空間分解能による計測のために利用可能であり、それは、ブリルアン散乱の周波数と振幅とは、測定対象である温度および歪みの測定値の関数であるからである。

多くの場合、ブリルアン周波数のみが測定されるが、これは測定量に非常に敏感に依存し、たとえば溶融シリカにおいては約１ＭＨｚ／℃または０．０５ＭＨｚ／μεであり、非常に正確に決定することが可能である。しかし、温度と歪みとの２つの測定値の影響を分離する問題がある。

ルーズファイバ・ルーズチューブやソリッドファイバ・ソリッドチューブなど、設置の異なる光ファイバでの比較測定により、両測定値の分離が可能な場合もある（参照：Inaudi & Glisic, 2006, Reliability and Field testing of distributed strain and temperature sensors, 6167, 61671D-61671D-8 ）。あるいは、ブリルアン周波数の測定は、複数のブリルアンピークを持つファイバで行うこともできる（参照：Liu & Bao, 2012, Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement. J. Lightwave Technol., 30(8), 1053-1059）し、または少数の異なる空間モードを持つオリゴモードファイバ（参照: Weng, Ip, Pan, & Wang, 2015, Single-end simultaneous temperature and strain sensing techniques based on Brillouin optical time domain reflectometry in few-mode fibers, Opt. Express, 23(7), 9024-9039)で、温度と歪みとに対する周波数の依存性が異なるものを使用して、測定量を分離することができる。

しかし、これらの方法はいずれも、用途に応じて適切な光ファイバが必ずしも用意されているとは限らないので、一般的に適用できるものではない。また、複数の光ファイバおよび特殊な光ファイバの設置や測定は手間がかかる。

２つの測定値を分離するための別の方法は、１つ以上のブリルアン・ピークの周波数と振幅とを測定することである。１つ以上のブリルアン・ピークの周波数と振幅との測定の例は、Parker, Farhadiroushan, Handerek, & Rogers, 1997, Temperature and strain dependence of the power level and frequency of spontaneous Brillouin scattering in optical fibers, Opt. Lett., 22(11), 787-789 、およびMaughan, Kee, & Newson, 2001, Simultaneous distributed fiber temperature and strain sensor using microwave coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter, Measurement Science and Technology, 12(7), 834 に記載されている。

１つ以上のブリルアン・ピークの周波数と振幅とを測定することで、２つの独立した測定対象量が得られ、そこから原理的には、求められる２つの物理パラメータである温度と歪みとを決定することができる。しかし、振幅の温度および歪みに対する依存性は弱く、たとえば、０．３％／℃程度である。そのため、実用的な温度分解能と１℃程度の精度を得るためには、振幅を非常に精密に測定する必要がある。

特に、複数のブリルアン・ピークの周波数に基づいて両測定量を分離する場合、１本のファイバの異なるピークでは、温度および歪み依存性に関する周波数の係数が非常に似ていることが問題であることが判明した。そのため、測定量を分離して計算すると、ノイズがかなり増加する。さらに、ブリルアンＤＴＳ（Distributed Temperature Sensing；分布型温度センシング）における温度および歪みの測定のためにブリルアン散乱を用いるためには、２０ｄＢまたは３０ｄＢといった大きなダイナミックレンジに亘って振幅を線形に測定する必要がある。その理由は、一つには、光ファイバの減衰およびコネクタ、スプライス、および他のファイバ結合部材などでの損失が、ファイバ長の増加とともに信号振幅を減少させるからである。ファイバ長が一般的な１００ｋｍであり、減衰が０．２ｄＢ／ｋｍの場合、接続のない方向の総損失は、２０ｄＢとなる。また、偏波フェージングなどの影響により、信号レベルにさらなる変動が生じるが、これも検出器のダイナミックレンジでカバーする必要がある。

本発明の基礎にある課題は、冒頭で挙げたタイプの、光信号をデジタル化するための装置を作製すること、および光信号の振幅を非常に精密に、および／または大きなダイナミックレンジで検出することが可能である、光信号をデジタル化するための冒頭で挙げたタイプの方法を提供することである。さらにまた、本発明の基礎にある課題は、ブリルアン散乱を介して温度および歪みを空間的に分解して測定するための、冒頭で挙げたタイプの装置を作製すること、および、温度と歪みとを簡単に、および／または精密に決定することが可能である、ブリルアン散乱を介して温度および歪みを空間的に分解して測定するための冒頭で挙げたタイプの方法を提供することである。

これは、発明に従えば、請求項１の特徴を有する、光信号のデジタル化のための冒頭で挙げたタイプの装置によって、および請求項７の特徴を有する光信号のデジタル化のための冒頭で挙げたタイプの方法によって、ならびに、請求項１２の特徴を有するブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための装置によって、および請求項１３の上位概念に従ったブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための方法によって達成される。下位の請求項は、発明の好ましい実施形態に関する。

請求項１に従えば、光信号のデジタル化のための装置は、
光信号を検出し、光信号に対応する電気信号を発生させるように設けられる光検出器と、
包絡線検波器であって、光検出器によって発生させられた電気信号の振幅、またはこの電気信号から生じた電気信号の振幅を決定するように、そしてこれらの振幅に対応する電気信号を出力するように設けられた包絡線検波器と、
アナログ／デジタル変換器であって、包絡線検波器によって出力された電気信号をデジタル化し、対応するデータを出力するように設けられたアナログ／デジタル変換器と、
包絡線検波器の入力部と接続されている、または接続可能である出力部を有する可変電圧源であって、光信号のデジタル化のための装置が、包絡線検波器を可変電圧源で較正するように設けられている可変電圧源と、を
含む。

温度効果および歪み効果のブリルアン信号の振幅への影響は小さいので、振幅および周波数に基づくブリルアンＤＴＳによって十分な温度分解と精度とを得るためには非常に正確な振幅測定が必要である。このような精度を、較正されていない包絡線検波器では提供できない。

線形測定の場合、光ブリルアン信号のある程度の変化は、絶対信号強度に依存しない、測定された電圧のある程度の変化に変換される。ファイバの任意の箇所で正しい温度および歪の測定を実施するためには、大きなダイナミックレンジに亘る線形測定が必須である。較正されていない包絡線検波器は、このような線形性も提供できない。

たとえば、ＢＯＴＤＲ－ＤＴＳ（Brillouin optical time domain reflectometry distributed temperature sensing；ブリルアン光時間領域反射率計－分布型温度センシング）は、光ブリルアン信号を高周波の電気信号に変換し、フィルタリングと増幅を行うのが一般的である。このような信号の振幅は、包絡線検波器を用いて求めることができる。包絡線検波器は、信号から搬送波周波数を除去し、振幅を低い信号変調周波数でサンプリングおよび／またはデジタル化することを可能にする。基本的には高周波信号を整流した後、フィルターをかけて平滑化する。包絡線検波器の構成には、全波整流や半波整流、各種フィルタ、オペアンプを用いたアクティブ精密整流器など、さまざまなものがある。これらの構成はいずれも、出力信号の非直線性と温度依存性の点で厳しい制約がある。

小さい信号振幅での非直線性は、主に検出器に使用されている整流ダイオードの閾値電圧に起因する。この閾値は微弱な信号の検出を妨げ、低電圧でのダイオード特性を非直線的にする。この制限は、アクティブ整流器によって部分的に克服されるが、完全に解消されるわけではない。アクティブ整流器は、温度ドリフト、信号オフセット、電圧依存の利得など、他の問題を持つ可能性のある増幅回路を使用している。

高信号の場合，出力電圧が電源電圧レベルに近づくと利得が低下し、非直線性が発生することがある。さらに、トランジスタや抵抗などの温度依存性のある能動素子や受動素子によるオフセットや利得の変動により、増幅器出力の温度依存性が発生することがある。また、部品の特性にばらつきがあるので、バッチ内やバッチ間で検出器や増幅器の利得プロファイルが微妙に異なることも問題である。

横軸は入力信号の強さをｄＢで、縦軸は出力信号を任意の単位で表したもので、典型的な包絡線検波器の温度依存性を図４に例示する。実線は５℃の包絡線検波器の温度、点線は２５℃の包絡線検波器の温度、破線は５５℃の包囲型検出器の温度に対応している。特に、極小信号では、強い非線形性と出力の大きな温度依存性とが見られる。

発明に従って構成される可変電圧源によって、包絡線検波器の典型的な強度の非線形性および温度依存性にもかかわらず、大きなダイナミックレンジに亘って比較的精密な測定が可能になる。

電圧源は、光信号から生成される電気信号と同一または類似の周波数を有する可変電圧信号を生成するように設けることが可能である。特に、可変電圧源によって生成される電圧信号は、光信号から生成される電気信号の周波数範囲と等しい周波数範囲、それより小さい周波数範囲、またはそれより大きい周波数範囲であってもよい。特に、可変電圧源で生成される電圧信号の周波数範囲は、光信号から生成される電気信号の周波数範囲をカバーすることができる。あるいは、可変電圧源によって生成される電圧信号は、単一の周波数のみ、または光信号から生成される電気信号の周波数範囲内に位置する狭い周波数範囲を有することができる。

たとえば、光信号から生成される電気信号の周波数範囲は、８２３．５ＭＨｚから９３５ＭＨｚの間であってもよい。この場合、可変電圧源から生成される電圧信号は、少なくとも８２３．５ＭＨｚから９３５ＭＨｚまでの周波数範囲であればよい。可変電圧源が生成する電圧信号の周波数範囲は、たとえば例えば８００ＭＨｚから９６０ＭＨｚと、より広い範囲であることは十分に可能である。あるいは、この例では、可変電圧源によって生成される電圧信号の周波数範囲は小さく、光信号から生成される電気信号の周波数範囲内であってもよい。たとえば、可変電圧源が生成する電圧信号は、８９０ＭＨｚ＋／－３ｐｐｍの一定周波数であってもよい。

ブリルアンＤＴＳのほかに、光信号のデジタル化のための装置は、高周波数の光信号または電気信号の振幅の精密な測定を必要とするさらなる多くの用途のために用いることが可能である。

装置は、光検出器と包絡線検波器との間に配設されたバンドパスフィルタを含み、バンドパスフィルタは、光検出器によって生成された電気信号から、直流成分を、ならびに／または、包絡線検波器を介して振幅を決定する場合に必要とされない、および／もしくはノイズとみられる周波数領域を少なくとも、フィルタ除去するように構成されてもよい。さらに、装置は、光検出器と包絡線検波器との間、または光検出器とバンドパスフィルタとの間に配設された増幅器を含んでもよく、増幅器は、光検出器によって生成された電気信号を増幅するように設けられ、増幅器は、特にトランスインピーダンス増幅器である。

装置は、スイッチを含んでもよく、スイッチは、一方では、光検出器または増幅器またはバンドパスフィルタと、包絡線検波器との間に、他方では、可変電圧源と包絡線検波器との間に配設され、直接的にもしくは間接的に光検出器によって生成された電気信号を、包絡線検波器の入力部に付与する、または可変電圧源の出力部を包絡線検波器の入力部と接続するように設けられてもよい。

装置は、包絡線検波器とアナログ／デジタル変換器との間に配設された増幅器を含んでもよく、増幅器は、包絡線検波器によって生成された電気信号を増幅するように設けられる。

装置は、デジタル処理装置を含んでもよく、デジタル処理装置は、包絡線検波器の較正に際して、生成された較正データを保存し、これらの較正データを用いてアナログ／デジタル変換器によって出力されるデータを正規化するように設けられる。

請求項７に従えば、光信号をデジタル化するための方法は、
光信号を検出し、光信号に対応する電気信号を生成する工程と、
包絡線検波器によって、生成された電気信号の振幅またはこの電気信号から生じた電気信号の振幅を決定し、その振幅に対応する電気信号を出力する工程と、
包絡線検波器によって出力される電気信号をデジタル化し、デジタル化に対応するデータを出力する工程と、
可変電圧源によって、包絡線検波器を較正する工程と、
を含む。

包絡線検波器の較正のときに、可変電圧源によって複数の異なる電圧が生成され、包絡線検波器の入力部に印加されるように構成することができる。好ましくは、電圧源は、測定される電圧範囲全体にわたって、包絡線検波器とスイッチ位置の背後にある任意の増幅器の校正に使用することができる。電圧源は、検出する光電圧と同一または類似の周波数の可変電圧信号を供給することが好ましい。さらに、電圧源の出力は、予想される光電圧の全範囲で調整可能であることが望ましい。

電圧源は、光信号から生成される電気信号と同一または類似の周波数を有する可変電圧信号を生成することが可能である。特に、可変電圧源によって生成される電圧信号は、光信号から生成される電気信号の周波数範囲と等しい周波数範囲、それより小さい周波数範囲、またはそれより大きい周波数範囲であってもよい。特に、可変電圧源で生成される電圧信号の周波数範囲は、光信号から生成される電気信号の周波数範囲をカバーすることができる。あるいは、可変電圧源によって生成される電圧信号は、単一の周波数のみ、または光信号から生成される電気信号の周波数範囲内に位置する狭い周波数範囲を有することができる。

たとえば、光信号から生成される電気信号の周波数範囲は、８２３．５ＭＨｚから９３５ＭＨｚの間であってもよい。この場合、可変電圧源から生成される電圧信号は、少なくとも８２３．５ＭＨｚから９３５ＭＨｚまでの周波数範囲であればよい。可変電圧源が生成する電圧信号の周波数範囲は、たとえば８００ＭＨｚから９６０ＭＨｚと、より広い範囲であることは十分に可能である。あるいは、この例では、可変電圧源によって生成される電圧信号の周波数範囲は小さく、光信号から生成される電気信号の周波数範囲内であってもよい。たとえば、可変電圧源が生成する電圧信号は、８９０ＭＨｚ＋／－３ｐｐｍの一定周波数であってもよい。

さらに、包絡線検波器の較正が、包絡線検波器の複数の互いに異なる温度で行われるように構成することが可能である。較正は、受信機の予想される動作温度範囲内の任意の温度で実施することができる。このような方式では、スイッチ位置の下流にある受信部品の非線形性や温度による影響をほぼ完全に打ち消すことができる。

測定の精度をさらに高めるために、可変電圧源を使用前に較正する構成も可能である。

包絡線検波器の較正のときに、較正データを生成し、それを保存して出力データの正規化に使用することも可能である。

特に、光信号のデジタル化のための装置の製造または保守のときに、較正が行われてもよく、または、光信号の、互いに異なる連続するデジタル化の間で較正が行われてもよい。電圧源は、受信機に恒久的に接続してもよく、または一時的に接続してもよい。装置の製造時や保守時に、一時的に接続された電圧源を較正に使用することができる。完全な較正データは、装置のデジタル処理装置に保存され、信号の数値較正または補正に使用される。内蔵された固定電圧源により、光測定と光測定の間の都合のよい時間に校正データを記録することができる。このような統合されたソースによる較正は、システムの現在の状態に関連するので、より正確であり得る。

請求項１２に従えば、光信号のデジタル化のための装置は、発明に従った、光信号のデジタル化のための装置である。

請求項１３に従えば、光信号のデジタル化のための装置は、発明に従った、光信号のデジタル化のための装置である。

ブリルアン信号の周波数および振幅が決定されるよう設けられてもよい。その場合、異なる周波数でのブリルアン信号の振幅を連続的に測定し、振幅対周波数のピークフィットからピーク周波数を決定することができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照して、好ましい実施例の以下の説明から明らかになるであろう。

光信号のデジタル化のための発明に従った装置の概略図である。 ブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための発明に従った装置の第１実施形態の概略図である。 ブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための発明に従った装置の第２実施形態の概略図である。 包絡線検波器の温度依存性を示すグラフであり、入力信号の強度がデシベル（ｄＢ）でＸ座標に示され、出力信号が任意の単位でＹ軸に示される。

図中、同一または機能的に同一の部品には同一の参照符号を付している。破線の接続線は光信号を表し、光信号は好ましくは光ファイバで伝送される。実線の接続線は、電気信号線を表す。

図１に示す光信号をデジタル化する装置１０の実施形態は、たとえば高周波の振幅変調された光信号を受信して光電流を発生する光検出器１から構成されている。

装置１０は、さらに、トランスインピーダンス増幅器である１つ以上の増幅器２を備える。なお、増幅器２は任意であり、省略することも可能である。少なくとも１つの増幅器２は、光検出器１によって生成された電気信号を増幅し、それによって、電流を電圧に変換する。

トランスインピーダンス増幅器として設計された増幅器が光検出器１に内蔵されていることは十分にあり得る。この場合、光検出器１内の光電流は電圧信号に変換され、光検出器１の出力に印加される。

この装置はさらに、増幅された信号からＤＣ成分をフィルタリングするバンドパスフィルタ３と、さらなる処理のときに必要とされない周波数帯域を、または干渉する周波数帯域をフィルタリングするフィルタとを備えている。

装置１０は、包絡線検波器４をさらに備え、その入力は、スイッチ５を介してバンドパスフィルタ３の出力に接続される。なお、スイッチ５は任意であり、省略することも可能である。

包絡線検波器４は、バンドパスフィルタ３によってフィルタリングされた電気信号の振幅を求め、この振幅に対応する電気信号を出力する。その際、包絡線検波器４は、信号から搬送波周波数を除去し、振幅を低い信号変調周波数でサンプリングおよび／またはデジタル化することができるようにする。原理的には、高周波信号は整流された後、平滑化のためのフィルタリングが行われる。

装置１０は、包絡線検波器４から出力される電気信号を、その後のデジタル化に適したレベルまで増幅する増幅器６をさらに備えている。増幅器６は任意であり、省略することも可能である。装置１０は、増幅器６から出力された信号をデジタル化するアナログ／デジタル変換器７をさらに備える。

装置１０は、さらに、以下に説明するように、較正データを保存し、この較正データを用いて、広いダイナミックレンジにわたってアナログ／デジタル変換器７から出力されるデータを正規化または線形化することができるデジタル処理装置８を備えている。

装置１０は、さらに、可変電圧源９を備える。オプションのスイッチ５は、包絡線検波器４の入力を、バンドパスフィルタ３の出力に印加された増幅光電圧と、可変電圧源９の出力との間で切り換える。

特に、電圧源９は、検出すべき光電圧と同一または類似の周波数で可変電圧信号を供給することができる。

電圧源は、光信号から生成される電気信号と同一または類似の周波数を有する可変電圧信号を生成することが可能である。特に、可変電圧源が生成する電圧信号は、光信号から生成される電気信号の周波数範囲と同じ、それより低い、またはそれより高い周波数範囲であってもよい。特に、可変電圧源によって生成される電圧信号の周波数範囲は、光信号から生成される電気信号の周波数範囲を覆っていてもよい。あるいは、可変電圧源が生成する電圧信号は、単一の周波数のみであってもよいし、光信号から生成される電気信号の周波数範囲内に位置する狭い周波数範囲を有していてもよい。

たとえば、光信号から生成される電気信号の周波数範囲は、８２３．５ＭＨｚから９３５ＭＨｚの間であってもよい。この場合、可変電圧源によって生成される電圧信号は、少なくとも８２３．５ＭＨｚから９３５ＭＨｚまでの周波数範囲であってもよい。この場合、可変電圧源によって生成される電圧信号の周波数範囲は、より大きく、たとえば、８００ＭＨｚから９６０ＭＨｚの範囲であることは十分に可能である。あるいは、この例では、可変電圧源によって生成される電圧信号の周波数範囲がより小さく、光信号から生成される電気信号の周波数範囲内であることも可能である。たとえば、可変電圧源によって生成される電圧信号は、８９０ＭＨｚ＋／－３ｐｐｍの一定周波数を有していてもよい。

可変電圧源によって生成された電圧信号の振幅は、動作温度や時間によって無視できない量だけ変化し、特にこの変化の正確な値を装置内に保存することができる。

電圧源９の出力は、予想される光電圧の全範囲にわたって調整可能であることが望ましい。あるいは、可変の電圧源９のオン・オフ、または信号源として機能する光検出器１もしくは増幅器２のオン・オフによっても、信号切り替えを実現することができる。

電圧源９は、測定する電圧範囲全体にわたって、包絡線検波器４およびスイッチ位置の下流にある任意の増幅器６を校正するために使用されてもよい。較正は、包絡線検波器４の動作温度範囲にわたって好適に分散された多数の温度で行うことができる、または行うべきである。このような構成は、理想的には、スイッチ位置の下流にある受信部品の非線形性や温度による影響をほぼ完全に打ち消すことができる。

電圧源９は、包絡線検波器４およびスイッチ５にそれぞれ恒久的にまたは一時的に接続されてもよい。一時的に接続された電圧源９は、包絡線検波器４および場合により増幅器６の製造中または保守中の較正に使用されてもよい。その後、完全な較正データは、デジタル処理装置８に格納され、アナログ／デジタル変換器７によって生成された信号の数値較正または補正のために使用される。

固定された積分電圧源９は、光測定の間の任意の都合の良い時間に較正データを記録するために使用することができる。積分電圧源９を用いたこのような較正は、システムの現在の状態に関連するので、より正確であることが可能である。

図２は、ブリルアン散乱を利用して温度と歪みとを空間的に分解して測定する装置２０の第１の実施形態を示す図である。図２に示す装置２０は、ブリルアン散乱の励起に用いるレーザ光との光学的重ね合わせを利用するものである。

図２に示す装置２０は、たとえば線幅１ＭＨｚの狭帯域レーザ放射を発するレーザ光源１１で構成されている。さらに、レーザ光源１のレーザ放射は、たとえば、約１０ｍＷの一定のパワーを有する。好ましくは、レーザ光源１１として、たとえばＤＦＢレーザ等の周波数安定化ダイオードレーザ、または発光波長が近赤外域、たとえば１５５０ｎｍに設けられた狭帯域レーザが使用される。

図２に示された装置２０は、光ファイバスプリッタとして構成されたビームスプリッタ１２をさらに備え、このビームスプリッタは、レーザ光源１１からのレーザ放射を２つの部分１３ａ，１３ｂに分割することが可能である。第１の部分１３ａは、測定に使用される光ファイバ１４に結合され、その中で温度および歪みが、ブリルアン散乱の励起を介して空間分解能で決定されることになる。第２の部分１３ｂは、以下に詳細に説明するように、光ファイバ１４から結合され、ブリルアン散乱によって生成されたブリルアン信号と重畳するために使用される。

この装置は、散乱信号の局所割り当てに使用される方法に従って、レーザ放射の第１の部分１３ａを変調することができる光変調器１５をさらに備える。たとえば、光時間領域反射率測定（ＯＴＤＲ）法を用いる場合には、第１の部分１３ａからパルスが形成され、光周波数領域反射率測定（ＯＦＤＲ）法を用いる場合には、振幅変調された信号が形成される。図示しない光増幅器は、測定に使用されるレーザ放射の第１の部分１３ａを、同じく装置に含まれる光、特に光ファイバ、サーキュレータ１６を介して測定に使用される光ファイバ１４の中に導かれる前に増幅することが可能である。

測定に用いた光ファイバ１４にはブリルアン散乱信号が発生し、この信号は距離に対応した１０μｓ／ｋｍ程度の伝搬遅延で光サーキュレータ１６に戻り、サーキュレータによって装置の受信経路１７に導かれる。ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）などの図示しないオプションの光学フィルタを使用して、レイリー散乱光を抑制し、弱い方のブリルアン信号の測定に干渉しないようにすることができる。さらに、オプションの光増幅器１８により、受信経路１７において光増幅を行うことができる。

ブリルアン信号とレーザ放射の第２成分１３ｂとは、光カプラ、特に光ファイバカプラ１９によって結合される。装置２０は、光信号をデジタル化する装置としての図１による装置１０を構成する。この場合、レーザ放射の第２の成分１３ｂと重畳されたブリルアン信号は、光検出器１によって検出される。

特に、これにより、ブリルアン信号とレーザ放射成分との差周波が１０ＧＨｚ前後の範囲にあるビート信号が生成される。このビート信号の周波数と振幅とは、測定に用いる光ファイバ１４の材質、温度、歪みなどに依存する。

ビート信号の振幅は、ブリルアン信号のパワーとレーザ放射成分のパワーとの積の平方根に比例する。このため、高出力のレーザを使用すると、ブリルアン散乱光を直接測定するよりもかなり強い測定信号が得られ、装置の検出強度を大幅に向上させることができる。

図２による装置２０とは対照的に、図３による装置３０は、第１のレーザ光源１１に加えて、そのレーザ放射がブリルアン信号との重ね合わせに用いられる第２の狭帯域レーザ光源２１を備えている。この場合、この第２のレーザ光源２１の周波数は、ブリルアン散乱光と第２のレーザ光源２１との差周波が１ＧＨｚ以下になるように、第１のレーザ光源１１の周波数に対してちょうどずれるように調整される。一般的なブリルアン周波数は１０～１３ＧＨｚ程度であり、特に標準的なシングルモードファイバでは１０．８ＧＨｚ程度である。

ここで注意すべきは、ブリルアン・ピークの温度依存性もファイバに依存し、たとえば、標準的なシングルモードファイバでは約１．１ＭＨｚ／Ｋｅｌｖｉｎである。

たとえば、溶融石英ライトガイドを用いる場合、ブリルアン散乱光と第２レーザ光源２１との差周波を１ＧＨｚ以下にするためには、２つのレーザ光源１１，２１の相対的な周波数シフトを１０ＧＨｚより若干多くする必要がある。

差周波が１ＧＨｚ以下であれば、カットオフ周波数が１ＧＨｚ以下の光検出器１を使用することができ、検出限界が低くなる。また、この周波数帯の信号の増幅やフィルタリングは、よりシンプルで効率的です。

第２のレーザ光源２１を第１のレーザ光源１１に対して所望の周波数距離に安定化させるために、以下では模式的にしか示さないがＯ－ＰＬＬ（光位相同期ループ）２２と呼ばれる光入力信号による位相同期ループが使用されている。両レーザ光源１１，２１からのレーザ光の一部は、光ファイバスプリッタとして設計されたビームスプリッタ１２，２３で分離され、正しい偏光を有する光ファイバカプラと組み合わされて光検出器に重畳される。測定された信号には、両レーザ光源１１，２１の差周波の成分が含まれており、その周波数は１０ＧＨｚ前後の範囲にあるはずである。この信号の周波数は、Ｏ－ＰＬＬ２２において、所望の差周波に設定された電子局部発振器の周波数と比較される。この比較信号を用いて、２つのレーザ光源１１，２１のうち一方のレーザ光源１１の周波数を再調整し、レーザ光源１１，２１の差分周波数が局部発振器の周波数と一致するようにする。ダイオードレーザを用いる場合、レーザ周波数は動作電流を介して調整されることが好ましい。

ブリルアン信号は、カプラ１９において第２のレーザ光源２１から出射されたレーザ光の一部と重畳される。また、装置３０は、光信号をデジタル化する装置として、図１に従った装置１０を備える。光検出器１によって、第２のレーザ光源２１から出射されたレーザ放射の成分と重畳されたブリルアン信号が検出される。この場合、ブリルアン信号の周波数と振幅との両方を決定することができる。

この場合、装置１０は、ブリルアン信号周波数と２つのレーザ光源１１，２１の周波数間隔との間の周波数差によって与えられるバンドパスフィルタ３から離間した特定の周波数における振幅を測定する。周波数測定は、異なる周波数での振幅を連続的に測定し、振幅対周波数のピークフィットからピーク周波数を決定することからなる。

Claims (15)

1. 光信号のデジタル化のための装置（１０）であって、
   光信号を検出し、光信号に対応する電気信号を発生させるように設けられる光検出器（１）と、
   包絡線検波器（４）であって、光検出器（１）によって発生させられた電気信号の振幅、またはこの電気信号から生じた電気信号の振幅を決定するように、そしてこれらの振幅に対応する電気信号を出力するように設けられた包絡線検波器（４）と、
   アナログ／デジタル変換器（７）であって、包絡線検波器（４）によって出力された電気信号をデジタル化し、対応するデータを出力するように設けられたアナログ／デジタル変換器（７）と、
   包絡線検波器（４）の入力部と接続されている、または接続可能である出力部を有する可変電圧源（９）であって、光信号のデジタル化のための装置が、包絡線検波器（４）を可変電圧源（９）で較正するように設けられている可変電圧源（９）と、を
   含むことを特徴とする装置（１０）。
2. 光検出器（１）と包絡線検波器（４）との間に配設されたバンドパスフィルタ（３）を含み、バンドパスフィルタ（３）は、光検出器（１）によって生成された電気信号から、直流成分を、ならびに／または、包絡線検波器（４）を介して振幅を決定する場合に必要とされない、および／もしくはノイズとみられる周波数領域を、フィルタ除去するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 光検出器（１）と包絡線検波器（４）との間、または光検出器（１）とバンドパスフィルタ（３）との間に配設された増幅器（２）を含み、増幅器（２）は、光検出器（１）によって生成された電気信号を増幅するように設けられ、増幅器（２）は、特にトランスインピーダンス増幅器であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置（１０）。
4. スイッチ（５）を含み、スイッチ（５）は、一方では、光検出器（１）または増幅器（２）またはバンドパスフィルタ（３）と、包絡線検波器（４）との間に、他方では、可変電圧源（９）と包絡線検波器（４）との間に配設され、直接的にもしくは間接的に光検出器（１）によって生成された電気信号を、包絡線検波器（４）の入力部に付与する、または可変電圧源（１）の出力部を包絡線検波器（４）の入力部と接続するように設けられることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
5. 包絡線検波器（４）とアナログ／デジタル変換器（７）との間に配設された増幅器（６）を含み、増幅器（６）は、包絡線検波器（４）によって生成された電気信号を増幅するように設けられることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の装置（１０）。
6. デジタル処理装置（８）を含み、デジタル処理装置（８）は、包絡線検波器（４）の較正に際して、生成された較正データを保存し、これらの較正データを用いてアナログ／デジタル変換器（７）によって出力されるデータを正規化するように設けられることを特徴とする請求項１～５にいずれか１項に記載の装置（１０）。
7. 光信号をデジタル化するための方法であって、
   光信号を検出し、光信号に対応する電気信号を生成する工程と、
   包絡線検波器（４）によって、生成された電気信号の振幅またはこの電気信号から生じた電気信号の振幅を決定し、その振幅に対応する電気信号を出力する工程と、
   包絡線検波器（４）によって出力される電気信号をデジタル化し、デジタル化に対応するデータを出力する工程と、
   可変電圧源（９）によって、包絡線検波器（４）を較正する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
8. 可変電圧源（９）による包絡線検波器（４）の較正に際して、複数の互いに異なる電圧を生成し、包絡線検波器（４）の入力部に印加されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 包絡線検波器（４）の較正は、包絡線検波器（４）の複数の互いに異なる温度で行われることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 包絡線検波器（４）の較正に際して、較正データが生成され、保存され、出力されるデータの正規化のために使用されることを特徴とする請求項７～９のいずれか１項に記載の方法。
11. 光信号のデジタル化のための装置（１０）の製造または保守のときに、較正が行われ、または、光信号の互いに異なる連続するデジタル化の間で較正が行われることを特徴とする請求項７～１０のいずれか１項に記載の方法。
12. ブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための装置（２０，３０）であって、
    レーザ放射を生じるように設けられた少なくとも１つのレーザ光源（１１，２１）と、
    装置（２０，３０）が、少なくとも１つのレーザ光源（１１）によって生成されたレーザ放射が、光ファイバ（１４）内へと結合され、レーザ放射からブリルアン散乱により発生したブリルアン信号は、光ファイバ（１４）から分離されるように設けられる、光ファイバ（１４）と、
    光ファイバから分離されたブリルアン信号をデジタル化するように設けられた光信号のデジタル化のための装置（１０）と、
    を含む装置（２０，３０）において、
    光信号のデジタル化のための装置（１０）が、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置（１０）であることを特徴とする装置（２０，３０）。
13. ブリルアン散乱によって温度と歪みとを空間的に分解して測定するための方法であって、
    レーザ放射が生成される工程と、
    温度と歪みの測定のために、レーザ放射が、光ファイバ内へと結合される工程と、
    光ファイバ（１４）内のレーザ放射によって生じたブリルアン信号が、光ファイバから分離される工程と、
    光ファイバから分離されたブリルアン信号が、光信号のデジタル化のための装置（１０）によってデジタルされる工程と、を含む方法において、
    光信号のデジタル化のための装置（１０）が、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置（１０）であることを特徴とする方法。
14. ブリルアン信号の周波数および振幅が決定されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 異なる周波数でのブリルアン信号の振幅が連続的に測定され、振幅対周波数のピークフィットからピーク周波数が決定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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