JP2022096792A - 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】SDH-BOTDRにおいて、線形性の劣化を防ぎつつ、測定範囲を拡大する手段を提供する。【解決手段】第１測定信号と、余弦波である第１局発信号に基づいて、BFS1と、BFS1を反転させたBFS2を取得し、第２測定信号と、正弦波である第２局発信号に基づいて、BFS3を取得しBFSオフセット量に対し、-BFS3-2×BFSｏｆｆｓｅｔ+1/τを、ブリルアン周波数シフト波形として合成する。【選択図】図７

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計測が可能であるため、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の劣化診断、プラントの温度モニタリング、及び、地滑りが発生する恐れのある箇所の監視などの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、この出願に係る発明者らにより、自己遅延ヘテロダイン型のＢＯＴＤＲ（ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲ：Ｓｅｌｆ－ｄｅｌａｙｅｄ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ＢＯＴＤＲ）
を利用する、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲでは、ＢＦＳの変化が、受信されるビート信号と局発信号の位相比較をすることで、ビート信号中の位相変化として観測される。このように、ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲは、周波数掃引を必要とせずに直接ＢＦＳを算出できるため、高速かつ安価な測定を実現できる。

特開２０１６－１９１６５９号公報 特開２０２０－０５１９４１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）

上述の通り、特許文献１に記載されているＳＤＨ－ＢＯＴＤＲは、位相変化を観測する。このため、０～２πの位相変化に対し、測定範囲は、０～πに制限されてしまい、π～２πでは測定結果が反転してしまう。

これに対し、位相変化を抽出するための局発信号として、余弦（ｃｏｓ）波だけでなく、正弦（ｓｉｎ）波を用いることで、測定範囲を０～２πに拡大する提案もなされている（例えば、特許文献２参照）。しかし測定結果が反転する領域付近で、ＢＦＳの算出結果の線形性が失われてしまう懸念がある。

この発明は、上述の状況に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、ＳＤＨ－ＢＯＴＤＲにおいて、線形性の劣化を防ぎつつ、測定範囲を拡大する、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、プローブ光を生成する光源部と、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、第１光路及び第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、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設けられ、伝播する光に遅延時間τの遅延を与える遅延部と、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と、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、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、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ブリルアン周波数シフト取得部とを備えて構成される。

ブリルアン周波数シフト取得部は、第１ブリルアン周波数シフト算出部、第２ブリルアン周波数シフト算出部、合成部及び９０°位相シフト部を備え、ブリルアン周波数シフト取得部に送られた測定信号は２分岐され、２分岐された一方の第１測定信号は第１ブリルアン周波数シフト算出部に送られ、他方の第２測定信号は第２ブリルアン周波数シフト算出部に送られ、ブリルアン周波数シフト取得部に送られた局発信号は２分岐され、２分岐された一方の第１局発信号は第１ブリルアン周波数シフト算出部に送られる。他方の第２
局発信号は、９０°位相シフト部で９０°の位相シフトを受けた後、第２ブリルアン周波数シフト算出部に送られる。

第１ブリルアン周波数シフト算出部は、第１測定信号と、余弦波である第１局発信号に基づいて、第１ブリルアン周波数シフトＢＦＳ１と、第１ブリルアン周波数シフトを反転させた第２ブリルアン周波数シフトＢＦＳ２を取得する。第２ブリルアン周波数シフト算出部は、第２測定信号と、正弦波である第２局発信号に基づいて、第３ブリルアン周波数シフトＢＦＳ３を取得する。

合成部は、ブリルアン周波数シフトオフセット量ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対し、ＢＦＳ１＜１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}であるとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}であるとき、ＢＦＳ１を、３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１かつ、ＢＦＳ２＜５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}であるとき、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ＯＦＦＳＥＴ}であるとき、ＢＦＳ２を、７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２であるとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τを、ブリルアン周波数シフト波形として合成する。

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。次に、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時間τの遅延を与える。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。また、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、以下の過程を備える。先ず、測定信号を、第１測定信号と第２測定信号に２分岐する。また、局発信号を、第１局発信号と第２局発信号に２分岐する。次に、第１測定信号と、第１局発信号に基づいて、第１ブリルアン周波数シフトＢＦＳ１と、第１ブリルアン周波数シフトを反転させた第２ブリルアン周波数シフトＢＦＳ２を取得する。次に、第２測定信号と、第２局発信号に基づいて、第３ブリルアン周波数シフトＢＦＳ３を取得する。次に、ブリルアン周波数シフトオフセット量ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対し、ＢＦＳ１＜１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ１を、３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１かつ、ＢＦＳ２＜５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ２を、７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τを、ブリルアン周波数シフト波形として合成する。

上述の光ファイバ歪み及び温度測定方法の好適実施形態によれば、ブリルアン周波数シフト波形を合成する過程は、ＢＦＳ３＞－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する第１判定過程と、第１判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合に行われる、５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する第２判定過程と、第１判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に行われる、１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する第３判定過程と、第２判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に行われる、７／（８×τ）－Ｂ
ＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすか否かを判定する第４判定過程と、第３判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に行われる、３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１を満たすか否かを判定する第５判定過程と、第２判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合にＢＦＳ２を、第４判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合に、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τを、第４判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、第３判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合にＢＦＳ１を、第５判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合に、ＢＦＳ３＋１／τを、第５判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、ブリルアン周波数シフト波形として合成する過程とを備える。

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、線形性の劣化を防ぎつつ、従来技術に比べて、測定範囲を拡大することができる。

測定装置の構成例を示す模式的なブロック図である。 測定装置が備えるＢＦＳ取得部の模式的なブロック図である。 規格化された強度とＢＦＳ_ｃｏｓの関係を示す図である。 規格化された強度とＢＦＳ_ｓｉｎの関係を示す図である。 ＢＦＳ真値とＢＦＳ測定値の関係を示す図（１）である。 ＢＦＳ真値とＢＦＳ測定値の関係を示す図（２）である。 合成部の処理フローを示す図である。 ＢＦＳ真値とＢＦＳ測定値の関係を示す図（３）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。

図１及び図２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。また、図２は、測定装置が備えるＢＦＳ取得部の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、ブリルアン周波数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、ブリルアン周波数シフトは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、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、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、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、第１ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）算出部１７０、第２ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）算出部２７０、合成部８０及び９０°位相シフト部７８を備えて構成されている。ＢＦＳ取得部７１は、例えば、以下説明する処理を実行させるソフトウェアが搭載された、市販のパーソナルコンピュータを用いて構成することができる。また、ＢＦＳ取得部７１を、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成することもできる。

なお、上記式（４）で与えられるビート信号は、非常に微弱である。従って、信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上させるために、平均化処理を行う必要がある。この平均化処理は、高速化のために、ＦＰＧＡで実施することが望ましい。

ＢＦＳ取得部７１に送られた測定信号は２分岐される。２分岐された一方の第１測定信号は第１ＢＦＳ算出部１７０に送られる。他方の第２測定信号は第２ＢＦＳ算出部２７０に送られる。

また、ＢＦＳ取得部７１に送られた局発信号は２分岐される。２分岐された一方の第１局発信号は第１ＢＦＳ算出部１７０に送られる。他方の第２局発信号は、９０°位相シフト部７８で９０°の位相シフトを受けた後、第２ＢＦＳ算出部２７０に送られる。局発信号が余弦波（ｃｏｓ波）である場合、第１局発信号はｃｏｓ波として第１ＢＦＳ算出部１７０に送られ、第２局発信号は正弦波（ｓｉｎ波）として第２ＢＦＳ算出部２７０に送られる。

第１ＢＦＳ算出部１７０は、第１ミキサ１７２、第１ＬＰＦ１７４及び第１ＢＦＳ算出手段１７６を備えて構成されている。同様に、第２ＢＦＳ算出部２７０は、第２ミキサ２７２、第２ＬＰＦ２７４及び第２ＢＦＳ算出手段２７６を備えて構成されている。

先ず、第１ＢＦＳ算出部１７０について説明する。第１ミキサ１７２は、第１測定信号と第１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_ｃｏｓを以下の式（５）で表す。

第１ミキサ１７２で生成されたホモダイン信号は、上記式（４）及び式（５）を乗算して得られる、以下の式（６）で表される。

ここで、φ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝φ_１－φ_２－φ_ｃｏｓであり、ビート信号と局発信号の位相差を表している。上記式（６）中の和周波成分、すなわち、上記式（６）の第１項を第１ＬＰＦ１７４で除去すると、以下の式（７）で表される信号が得られる。

上記式（７）に示されるように、ブリルアン周波数の変化ｆ_Ｂ（ｔ）とブリルアン散乱係数の変化η_Ｂ（ｔ）が時間の関数になっているため、これらの変化が出力強度の変化として出力される。ここで、観測したい成分はブリルアン周波数の変化ｆ_Ｂ（ｔ）であるため、ブリルアン散乱係数の変化η_Ｂ（ｔ）を除去する。ブリルアン散乱係数の変化η_Ｂ（ｔ）は、上記式（４）を包絡線検波して得られる強度変化の情報から除去できる。従って、上記式（７）は、以下の式（８）で書き直せる。

上記式（８）より、ブリルアン周波数の変化ｆ_Ｂ（ｔ）のみが強度変化として出力され
る。第１ＢＦＳ算出手段１７６は、上記式（８）の振幅値から第１ブリルアン周波数シフトＢＦＳ１を算出する。なお、ＢＦＳ１は、ｃｏｓ波を用いて得られたＢＦＳであるためＢＦＳ_ｃｏｓと記載することもある。また、第１ＢＦＳ算出手段１７６は、ＢＦＳ_ｃｏｓを反転させたＢＦＳ_{ｃｏｓ＿ｉｎｖｅｒｓｅ}を、第２ブリルアン周波数シフトＢＦＳ２として算出する。

上記式（８）では、位相シフト２πｆ_Ｂ（ｔ）τが振幅値に換算されている。このため、以下の式（９）のように規格化を行って、ＢＦＳ１への換算を容易にする。

上記式（９）からＢＦＳ１は以下の式（１０）で算出される。

上記式（９）のように規格化された強度Ｉ_{ａ．ｕ．ｃｏｓ}とＢＦＳ１の関係について説明する。

ＢＦＳの周波数範囲は、遅延時間τにより決定され、１／τで与えられる。例えば、遅延時間τを１ｎ秒とすると、位相０～πで、ＢＦＳの周波数範囲は０～５００ＭＨｚと計算される。また、φ_{ｏｆｆｓｅｔ}（＝２πＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}）は位相の初期値である。設定したＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を０ＭＨｚの基準として、－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}～１／２τ－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を測定範囲に指定する。このＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}の設定により、基準となる位相から負の方向の位相変化も測定できるようになる。

図３は、上記式（１０）で与えられる、規格化された強度とＢＦＳ_ｃｏｓの関係を示す図である。図３は、横軸にＢＦＳ［ＭＨｚ］を取って示し、縦軸に強度［ａ．ｕ．］を取って示す。ここでは、遅延時間τを１ｎ秒、ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を１２５ＭＨｚとする例を説明する。この場合、周波数測定範囲は、－１２５ＭＨｚ～３７５ＭＨｚとなる。ＢＦＳ１は、周波数測定範囲の３７５ＭＨｚを超えると強度が反転してしまう。この結果、実際のＢＦＳ値が４００ＭＨｚであっても、測定されるＢＦＳ１は３５０ＭＨｚと算出される。

次に、第２ＢＦＳ算出部２７０について説明する。第２ミキサ２７２は、第２測定信号と第２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。第２局発信号は、局発電気信号源８３で生成された、ｃｏｓ波である局発信号Ｉ_ｃｏｓを９０°の位相シフトさせたｓｉｎ波であり、以下の式（１１）で表される。

第２ミキサ２７２及び第２ＬＰＦ２７４は、第１局発信号がｃｏｓ波である場合に、第２局発信号がｓｉｎ波であることを除けば、第１ミキサ１７２及び第１ＬＰＦ１７４と同様に動作するので、詳細な説明を省略する。上記式（５）に換えて上記式（１１）を用いて、上記式（６）～（１０）を書き直せば、以下の式（１２）が得られる。

第２ＢＦＳ算出手段２７６は、第２ブリルアン周波数シフトＢＦＳ３を算出する。なお、ＢＦＳ３は、ｓｉｎ波を用いて得られたＢＦＳであるためＢＦＳ_ｓｉｎとも記載する。

図４は、上記式（１１）で与えられる、規格化された強度とＢＦＳ_ｓｉｎの関係を示す図である。図４は、横軸にＢＦＳ［ＭＨｚ］を取って示し、縦軸に強度［ａ．ｕ．］を取って示す。上記ＢＦＳ_ｃｏｓと同様に、遅延時間τは１ｎ秒、ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}は１２５ＭＨｚである。この場合、周波数測定範囲は、－３７５ＭＨｚ～１２５ＭＨｚとなる。ＢＦＳ_ｃｏｓは、周波数測定範囲の１２５ＭＨｚを超えると強度が反転してしまう。

上記式（１０）及び（１２）によって算出される、ＢＦＳ１（＝ＢＦＳ_ｃｏｓ）、ＢＦＳ２（＝ＢＦＳ_{ｃｏｓ＿ｉｎｖｅｒｓｅ}）、ＢＦＳ３（＝ＢＦＳ_ｓｉｎ）を図５に示す。

図５は、横軸に実際のＢＦＳ値（ＢＦＳ真値）［ＭＨｚ］を取って示し、縦軸に測定されたＢＦＳ値（ＢＦＳ測定値）［ＭＨｚ］を取って示す。

ＢＦＳ測定値が反転する値は、ＢＦＳ１及びＢＦＳ２では３７５ＭＨｚであり、ＢＦＳ３では、１２５ＭＨｚ及び６２５ＭＨｚとなる。

合成部８０は、第１ＢＦＳ算出部１７０及び第２ＢＦＳ算出部２７０で算出された、ＢＦＳ１、ＢＦＳ２及びＢＦＳ３を用いて、ブリルアン周波数シフト波形を合成する。

ここで、ＢＦＳ測定値がそれぞれ反転する点を基準として、ＢＦＳ１、ＢＦＳ２及びＢＦＳ３のいずれかを選択すると、このＢＦＳ測定値が反転する点付近の領域での線形性が問題になることが懸念される。

ヘテロダイン受信で得られた信号Ｉ_１２にノイズが含まれない場合は、ＢＦＳが正しく算出されるが、ノイズが重畳されていると、反転した結果も含めて重畳されるため、ＢＦＳは若干小さく算出される。

図６は、ノイズ信号が重畳された場合の、ＢＦＳ真値とＢＦＳ測定値の関係の一例を示す図である。図６は、横軸にＢＦＳ真値［ＭＨｚ］を取って示し、縦軸にＢＦＳ測定値［
ＭＨｚ］を取って示す。ここでは、ＢＦＳ測定値は、３７５ＭＨｚで反転する例を示している。

図６では、ＢＦＳ真値を丸で示し、ＢＦＳ１を四角で示している。図６に示されるように、ＢＦＳ真値が３７５ＭＨｚ付近の場合、ＢＦＳ１がＢＦＳ真値に比べて若干小さく測定され、線形性が劣化している。そこで、この測定装置では、合成部８０は、線形な領域にあるＢＦＳ測定値を利用して、ブリルアン周波数シフト波形を合成する。

合成部８０は、選択されたＢＦＳ１、ＢＦＳ２及びＢＦＳ３を、ブリルアン周波数シフト波形として合成する。

図７を参照して合成部８０の処理を説明する。図７は、合成部８０の処理フローを示す図である。

先ず、第１判定過程Ｓ１０において、ＢＦＳ３＞－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する。図５に示されるように、ＢＦＳ１が反転する領域では、ＢＦＳ３が－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}（この例では、－１２５ＭＨｚ）より大きいことがわかる。従って、ＢＦＳ３＞－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かにより、ＢＦＳ１が反転しているか否かを判定する。ＢＦＳ１が反転していない領域であって、ＢＦＳ１が線形となる領域では、ＢＦＳ１を選択する。一方、ＢＦＳ１が反転している領域であって、ＢＦＳ２が線形となる領域では、ＢＦＳ２を選択する。

そこで、第１判定過程Ｓ１０に引き続いて、ＢＦＳ１及びＢＦＳ２が線形であるか否かを判定する。

第１判定過程Ｓ１０における判定の結果、満たす（Ｙｅｓ）と判定される場合、すなわち、ＢＦＳ１が反転している場合、第２判定過程Ｓ２０において、５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否か、すなわち、ＢＦＳ２が線形となる領域であるか否かを判定する。ここでは、ＢＦＳ２が線形となる領域は、５００ＭＨｚ～７５０ＭＨｚである。

一方、第１判定過程Ｓ１０における判定の結果、満たさない（Ｎｏ）と判定される場合、すなわち、ＢＦＳ１が反転していない場合、第３判定過程Ｓ３０において、１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否か、すなわち、ＢＦＳ１が線形となる領域であるか否かを判定する。ここでは、ＢＦＳ１が線形となる領域は、０ＭＨｚ～２５０ＭＨｚである。

第２判定過程Ｓ２０及び第３判定過程Ｓ３０における判定の結果、満たさない、すなわち、ＢＦＳ１及びＢＦＳ２が線形ではない、と判定される場合は、ＢＦＳ３を利用する。ＢＦＳ３は、１／（４×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}、及び、３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}付近、この例では、１２５ＭＨｚ及び６２５ＭＨｚ付近で反転するので、ＢＦＳ３＜１／（４×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}、１／（４×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ３≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}、ＢＦＳ３＜３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}に場合分けが必要となる。

そこで、第２判定過程Ｓ２０における判定の結果、満たさない（Ｎｏ）と判定される場合、第４判定過程Ｓ４０において、７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすか否かを判定する。また、第３判定過程Ｓ３０における判定の結果、満たさない（Ｎｏ）と判定される場合に、第５判定過程Ｓ５０において、３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１を満たすか否かを判定する。

第２判定過程Ｓ２０における判定の結果、満たす（Ｙｅｓ）と判定される場合、ＢＦＳ２が選択される（Ｓ６１）。

第４判定過程Ｓ４０における判定の結果、満たす（Ｙｅｓ）と判定される場合、ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を中心にＢＦＳ３を反転した後、１／τのオフセットを重畳したもの、すなわち、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τが選択される（Ｓ６２）。

第４判定過程Ｓ４０における判定の結果、満たさない（Ｎｏ）と判定される場合、ＢＦＳ３に１／（２×τ）を重畳したもの、すなわち、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）が選択される（Ｓ６３）。

第３判定過程Ｓ３０における判定の結果、満たす（Ｙｅｓ）と判定される場合、ＢＦＳ１が選択される（Ｓ６４）。

第５判定過程Ｓ５０における判定の結果、満たす（Ｙｅｓ）と判定される場合、ＢＦＳ３に１／（２×τ）を重畳したもの、すなわち、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）が選択される（Ｓ６５）。

第５判定過程Ｓ５０における判定の結果、満たさない（Ｎｏ）と判定される場合、ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を中心にＢＦＳ３を反転したもの、すなわち、－ＢＦＳ３－２×_{ｏｆｆｓｅｔ}が選択される（Ｓ６６）。

合成過程Ｓ７０では、合成手段８０が、Ｓ６１～Ｓ６６で選択されたＢＦＳからＢＦＳ波形を合成する。すなわち、合成手段８０は、ＢＦＳ１＜１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ１を、３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１かつ、ＢＦＳ２＜５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ２を、７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τを、ＢＦＳ波形として合成する。

合成されたＢＦＳ波形が得られた後、被測定光ファイバ１００の温度又は歪みが取得される。ＢＦＳ波形から、温度又は歪みの取得は、任意好適な従来公知の手段で行うことができるので、ここでは、説明を省略する。

図８は、ノイズ信号が重畳された場合の、ＢＦＳ真値とＢＦＳ測定値の関係の一例を示す図である。図８は、横軸にＢＦＳ真値［ＭＨｚ］を取って示し、縦軸にＢＦＳ測定値［ＭＨｚ］を取って示す。ここでは、ＢＦＳ測定値は、３７５ＭＨｚで反転する例を示している。図８では、ＢＦＳ真値を丸で示し、ＢＦＳ１を四角で示し、合成部８０で合成されたＢＦＳ（ＢＦＳ合成）を三角で示している。図８に示されるように、合成部８０で合成されたＢＦＳは、ＢＦＳ真値と近い値となっており、線形性が保たれることを示している。

従来の測定装置の測定範囲は、位相シフト０～πに対応する１～５００ＭＨｚである。これに対し、この測定装置では、第１及び第２ＢＦＳ算出部から得られた３つの値からＢＦＳを得ている。この結果、この測定装置の測定範囲は、位相シフト０～２πに対応する１～１０００ＭＨｚとなり、従来の測定装置の２倍になる。また、ＢＦＳの測定結果が反転する領域付近での線形性の劣化が抑制できる。

１０ 光源部
１２ 光源
１４ 光パルス発生器
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
７１ ＢＦＳ取得部
７８ ９０°位相シフト部
８０ 合成部
８３ 局発電気信号源
９０ タイミング制御器
１００ 被測定光ファイバ
１７０、２７０ ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）算出部
１７２、２７２ ミキサ
１７４、２７４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１７６、２７６ ＢＦＳ算出手段

Claims (3)

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、伝播する光に遅延時間τの遅延を与える遅延部と、
   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、第１ブリルアン周波数シフト算出部、第２ブリルアン周波数シフト算出部、合成部及び９０°位相シフト部を備え、
   前記ブリルアン周波数シフト取得部に送られた測定信号は２分岐され、２分岐された一方の第１測定信号は前記第１ブリルアン周波数シフト算出部に送られ、他方の第２測定信号は前記第２ブリルアン周波数シフト算出部に送られ、
   前記ブリルアン周波数シフト取得部に送られた局発信号は２分岐され、２分岐された一方の第１局発信号は前記第１ブリルアン周波数シフト算出部に送られ、他方の第２局発信号は、前記９０°位相シフト部で９０°の位相シフトを受けた後、前記第２ブリルアン周波数シフト算出部に送られ、
   前記第１ブリルアン周波数シフト算出部は、前記第１測定信号と、前記第１局発信号に基づいて、第１ブリルアン周波数シフトＢＦＳ１と、前記第１ブリルアン周波数シフトを反転させた第２ブリルアン周波数シフトＢＦＳ２を取得し、
   前記第２ブリルアン周波数シフト算出部は、前記第２測定信号と、前記第２局発信号に基づいて、第３ブリルアン周波数シフトＢＦＳ３を取得し、
   前記合成部は、ブリルアン周波数シフトオフセット量ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対し、
   ＢＦＳ１＜１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、
   １／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ１を、
   ３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１かつ、ＢＦＳ２＜５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、
   ５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ２を、
   ７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τを、
   ブリルアン周波数シフト波形として合成する
   ことを特徴とする光ファイバ歪み及び温度測定装置。
2. 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時間τの遅延を与え
   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、第１測定信号と第２測定信号に２分岐する過程と、
   前記局発信号を、第１局発信号と第２局発信号に２分岐する過程と、
   前記第１測定信号と、前記第１局発信号に基づいて、第１ブリルアン周波数シフトＢＦＳ１と、前記第１ブリルアン周波数シフトを反転させた第２ブリルアン周波数シフトＢＦＳ２を取得する過程と、
   前記第２局発信号に９０°の位相シフトを与えた後、前記第２測定信号と、前記第２局発信号に基づいて、第３ブリルアン周波数シフトＢＦＳ３を取得する過程と、
   ブリルアン周波数シフトオフセット量ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対し、
   ＢＦＳ１＜１／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、
   １／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ１を、
   ３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１かつ、ＢＦＳ２＜５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、
   ５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすとき、ＢＦＳ２を、
   ７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすとき、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／（８×τ）を、
   ブリルアン周波数シフト波形として合成する過程と
   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。
3. 前記ブリルアン周波数シフト波形を合成する過程は、
   ＢＦＳ３＞－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する第１判定過程と、
   前記第１判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合に行われる、 ５／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ２≦７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する第２判定過程と、
   前記第１判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に行われる、 １／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}≦ＢＦＳ１≦３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を満たすか否かを判定する第３判定過程と、
   前記第２判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に行われる、 ７／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ２を満たすか否かを判定する第４判定過程と、
   前記第３判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に行われる、 ３／（８×τ）－ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＜ＢＦＳ１を満たすか否かを判定する第５判定過程と、
   前記第２判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合にＢＦＳ２を、
   前記第４判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合に、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋１／τを、
   前記第４判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、
   前記第３判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合にＢＦＳ１を、
   前記第５判定過程における判定の結果、満たすと判定される場合に、ＢＦＳ３＋１／τ
   を、
   前記第５判定過程における判定の結果、満たさないと判定される場合に、ＢＦＳ３＋１／（２×τ）を、－ＢＦＳ３－２×ＢＦＳ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、
   ブリルアン周波数シフト波形として合成する過程と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ歪み及び温度測定方法。

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