JP2024017862A - 光ファイバセンサ及び光ファイバセンシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ上の入射端からの距離ごとに、探索範囲の広さを決定することにより、過剰に空間分解能を損なうことなくフェーディングの影響を回避する。【解決手段】光情報取得手段は、光パルスごとに、信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘに対する、信号光の強度Ｉ（ｘ）及び位相Ｐ（ｘ）の分布を、ビート信号から取得する。各位置探索範囲取得手段は、光情報取得手段が取得した信号光の強度Ｉ（ｘ）の分布から、光ファイバの位置ごとに、ゲージ長ｘＧＬに対する探索範囲ＬＳ（ｘ）を取得する。精度劣化回避手段は、ゲージ長ｘＧＬ及び探索範囲ＬＳ（ｘ）に基いて、信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘにおける、位相差ΔＰ（ｘ）を算出する２点を決定する。振動情報復調手段は、決定された２点間の位相差ΔＰ（ｘ）を取得し、位相差ΔＰ（ｘ）から、振動情報を復調する。【選択図】図２

Description

この発明は、光ファイバセンサ及び光ファイバセンシング方法に関する。

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した技術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、ポイントで計測する電気センサーとは異なり、長距離の分布センシングを可能とする。

レイリー散乱光を利用する分布型光ファイバセンサとして知られる位相感応時間領域反射測定（φ－ＯＴＤＲ：Ｐｈａｓｅ－ｓｅｎｓｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）は、その測定範囲の広さ、測定感度の高さから幅広い分野で注目されている（例えば、非特許文献１又は２参照）。

しかし、φ－ＯＴＤＲでは、レイリー散乱光強度が光ファイバ上の位置によってランダムに振る舞うことから、位相測定精度も位置によってランダムに振る舞う（例えば、非特許文献３参照）。特に、散乱光強度が微弱になっている位置ではフェーディングが生じ、それによって測定波形の歪が発生してしまう（例えば、非特許文献４参照）。

この課題を解決する方法として、プローブ光を周波数多重する方法（例えば、非特許文献５参照）やプローブ光の光位相を変調する方法（例えば、非特許文献６参照）が知られている。また、近年ではフェーディングの周波数領域での解析による方法（例えば、非特許文献７参照）、最近傍解析（Ｎｅａｒｅｓｔ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いた方法（例えば、非特許文献８参照）、教師データを用いた学習による方法（例えば、非特許文献９参照）など、信号処理のみによってフェーディングの影響を抑制する方法も提案されている。

さらに、この出願の発明者らが提案している、ある位置の光位相をその近傍で最も強度の高い位置の光位相で代用する適応ゲージ長方式もある（例えば、特許文献１又は２、若しくは、非特許文献１０参照）。

特開２０２０－１５９９１５ 特開２０２１－１０３１０７

Yuelan Lu, Tao Zhu, Liang Chen, and Xiaoyi Bao, "Distributed Vibration Sensor Based on Coherent Detection of Phase-OTDR," J. Lightwave Technol. 28, 3243-3249 (2010). Z. Pan, K. Liang, Q. Ye, H. Cai, R. Qu, and Z. Fang, "Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detection," in Optical Sensors and Biophotonics, J. Popp, D. Matthews, J. Tian, and C. Yang, eds., Vol. 8311 of Proceedings of SPIE (Optica Publishing Group, 2011), paper 83110S. A. K. Wojcik, "Signal statistics of phase dependent optical time domain reflectometry," Ph.D. dissertation, Dept. Electr. Eng. Comput. Sci., Texas A&M University, College Station, TX, USA 2006. Available: <http://hdl.handle.net/1969.1/4873>. Healey, P, "Fading in heterodyne OTDR", Electronics Letters 20(1), 30-32(1984). Y. Lu, X. Zhang, C. Liang, M. Chen, J. Wang, and Z. Meng, "Fading noise reduction in distributed vibration measurements utilizing multi-wavelength based on φ-OTDR", in 26th International Conference on Optical Fiber Sensors, OSA Technical Digest(Optical Society of America, 2018), paper TuE21. X. Wang et al., "Interference-Fading-Free φ-OTDR Based on Differential Phase Shift Pulsing Technology," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 31, no. 1, pp. 39-42, 1 Jan.1, 2019. Yue Wu, Zinan Wang, Ji Xiong, Jialin Jiang, Shengtao Lin, and Yongxiang Chen, "Interference Fading Elimination With Single Rectangular Pulse in ヨ -OTDR," J. Lightwave Technol. 37, 3381-3387 (2019) Guojie Tu, Mengmeng Zhao, Zheng Tang, Kai Qian, and Benli Yu, "Fading Noise Suppression in φ-OTDR Based on Nearest Neighbor Analysis," J. Lightwave Technol. 38, 6691-6698 (2020). Fei Jiang, Zhenhai Zhang, Zixiao Lu, Honglang Li, Yahui Tian, Yixin Zhang, and Xuping Zhang, "High-fidelity acoustic signal enhancement for phase-OTDR using supervised learning," Opt. Express 29, 33467-33480 (2021) N. Yamashiro, Y. Kanda, H. Murai, and H. Sasaki, "Adaptive Gauge Length Method to Avoid Fading Effect for Phase-sensitive OTDR," in Optical Fiber Sensors Conference 2020 Special Edition, G. Cranch, A. Wang, M. Digonnet, and P. Dragic, eds., OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), paper T2A.2.

ここで、上述の適応ゲージ長方式は、ある位置の光位相をその近傍で最も強度の高い位置の光位相で代用する方式である。そのため、探索範囲の広さに応じて空間分解能の劣化を伴う。これまでの適応ゲージ長方式では、光ファイバ全体に亘って単一の探索範囲を決定していた。

しかし、光ファイバの一方の端部である光パルスの入射端近くと、他方の端部である終端近くとでは、散乱光強度の平均値が異なる。このため、フェーディングを回避するために必要な探索範囲の広さも異なる。それにも関わらず、従来の適応ゲージ長方式では、終端近くにおいてフェーディングを回避できるように探索範囲の広さが設定される。

この結果、従来の適応ゲージ長方式ではフェーディングを回避できるものの、入射端近くにとっては過剰な探索範囲を設定することとなり、その分、空間分解能を劣化させる恐れがある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、光ファイバ上の入射端からの距離ごとに、探索範囲の広さを決定することにより、過剰に空間分解能を損なうことなくフェーディングの影響を回避する、光ファイバセンサ及び光ファイバセンシング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センサは、プローブ光として光パルスを生成する光源部と、プローブ光によって測定対象物で発生する後方散乱光を含む信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する受光部と、ビート信号が入力される演算部とを備えて構成される。演算部は、光情報取得手段、各位置探索範囲取得手段、精
度劣化回避手段、及び、振動情報復調手段を備える。

光情報取得手段は、光パルスごとに、信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘに対する、信号光の強度Ｉ（ｘ）及び位相Ｐ（ｘ）の分布を、ビート信号から取得する。各位置探索範囲取得手段は、光情報取得手段が取得した信号光の強度Ｉ（ｘ）の分布から、光ファイバの位置ごとに、ゲージ長ｘ_ＧＬに対する探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する。精度劣化回避手段は、ゲージ長ｘ_ＧＬ及び探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）に基いて、信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘにおける、位相差ΔＰ（ｘ）を算出する２点を決定する。振動情報復調手段は、決定された２点間の位相差ΔＰ（ｘ）を取得し、位相差ΔＰ（ｘ）から、振動情報を復調する。

上述した光ファイバセンサの好適実施形態によれば、各位置探索範囲取得手段は、光ファイバの位置ごとに、後方散乱光の、信号成分及び雑音成分から与えられる位相誤差が、予め定められる最大位相誤差以上になる区間の数の期待値が１未満となる、最小の探索範囲を採用する。

また、各位置探索範囲取得手段が、光ファイバの入力端側の方が短く、終端側の方が長い探索範囲を取得する構成にしてもよい。

また、この発明の光ファイバセンサのさらなる好適実施形態によれば、精度劣化回避手段は、光ファイバの各位置ｘに対して、入射端側に、ｓをｘ－ｘ_ＧＬから、ｘ－ｘ_ＧＬ－Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる入射端側位置と、光ファイバの各位置ｘに対して、終端側に、ｓをｘ＋ｘ_ＧＬから、ｘ＋ｘ_ＧＬ＋Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる終端側位置を、位相差ΔＰ（ｘ）を算出するのに用いる２点として決定する。

また、この発明の光ファイバセンシング方法は、以下の過程を備えて構成される。先ず、プローブ光として光パルスを生成する。次に、プローブ光によって光ファイバで発生する後方散乱光を含む信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する。次に、光パルスごとに、信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘに対する、信号光の強度Ｉ（ｘ）及び位相Ｐ（ｘ）の分布を、ビート信号から取得する。次に、信号光の強度Ｉ（ｘ）の分布から、光ファイバの位置ごとに、ゲージ長ｘ_ＧＬに対する探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する。次に、ゲージ長ｘ_ＧＬ及び探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）に基いて、信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘにおける、位相差ΔＰ（ｘ）を算出する２点を決定する。次に、決定された２点間の位相差ΔＰ（ｘ）を取得し、位相差ΔＰ（ｘ）から、振動情報を復調する。

上述した光ファイバセンシング方法の好適実施形態によれば、探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する過程では、後方散乱光の信号成分及び雑音成分から与えられる位相誤差が予め定められる最大位相誤差以上になる区間の数の期待値が１未満となる最小の探索範囲を、光ファイバの位置ごとに取得する。

また、探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する過程において、光ファイバの入力端側の方が短く、終端側の方が長い探索範囲を取得する構成にしてもよい。

また、この発明の光ファイバセンシング方法のさらなる好適実施形態によれば、位相差ΔＰ（ｘ）を算出する２点を決定するにあたり、光ファイバの各位置ｘに対して、入射端側に、ｓをｘ－ｘ_ＧＬから、ｘ－ｘ_ＧＬ－Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる入射端側位置と、光ファイバの各位置ｘに対して、終端側に、ｓをｘ＋ｘ_ＧＬから、ｘ＋ｘ_ＧＬ＋Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、
複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる終端側位置を、位相差ΔＰ（ｘ）を算出するのに用いる２点として決定する。

この発明の光ファイバセンサ及び光ファイバセンシング方法によれば、光ファイバ上の入射端からの距離ごとに、探索範囲の広さを決定することにより、過剰に空間分解能を損なうことなくフェーディングの影響を回避できる。

フェーディング抑制の基本原理を説明するための模式図である。 この発明の光ファイバセンサを説明するための模式図である。 この発明の光ファイバセンサの動作を説明するための図（１）である。 この発明の光ファイバセンサの動作を説明するための図（２）である。 この発明の光ファイバセンサの動作を説明するための図（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、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。

（フェーディング抑制の基本原理）
図１を参照して、フェーディング抑制の基本原理を説明する。図１は、フェーディング抑制の基本原理を説明するための模式図である。

光ファイバセンサは、光源部１０、光サーキュレータ２０、光ファイバ３０及び計測部４０を備えて構成される。また、計測部４０は、受光部５０及び演算部６０を備えて構成される。この振動検知光ファイバセンサは、例えば、ＯＴＤＲに用いられる。

光源部１０は、例えば、レーザ光源１１、光ファイバカプラ１２、強度変調器１３、光増幅器１４、光フィルタ１５、及び、周波数シフタ１６を備えて構成される。

レーザ光源１１は、通信波長帯の連続光として、レーザ光を生成する。レーザ光源１１として、周波数安定かつ線幅が１０ｋＨｚ以下のいわゆる狭線幅レーザを用いるのが良い。レーザ光の波長は、任意で良いが、標準単一モード光ファイバで低損失の１５５０ｎｍにするのが良い。レーザ光源１１で生成されたレーザ光は、光ファイバカプラ１２に送られる。

光ファイバカプラ１２は、レーザ光をプローブ光とローカル光に２分岐する。２分岐された一方のプローブ光は、強度変調器１３に送られる。また、２分岐された他方のローカル光は、周波数シフタ１６に送られる。

強度変調器１３は、プローブ光を、強度変調器１３の外部から入力される電気パルスで光パルス化して、光パルスを生成する。この光パルスは、光増幅器１４に送られる。強度変調器１３で生成される光パルスは、例えば、パルス幅が１００ｎｓで、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。光パルスは、測定対象物である光ファイバ３０を１ｍ伝搬するのに５ｎｓの時間を要する。信号光として、光ファイバ３０で発生する後方散乱光を観測する場合は，順方向の伝搬と，逆方向の伝搬の往復の時間を要するので、１ｍあたり１０ｎｓの遅延が発生する。例えば、パルス幅を１００ｎｓ、繰り返し周波数を５ｋＨｚとしたとき
、空間分解能は１０ｍとなり、最大の測定距離は２０ｋｍとなる。

強度変調器１３として、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が用いられる。

強度変調器１３で生成されたプローブ光は、光増幅器１４で所定の増幅を受ける。これは、プローブ光の強度が強いほど、光ファイバ３０での後方散乱光の強度が強くなるためである。光増幅器１４で増幅されたプローブ光は、光フィルタ１５に送られる。

光フィルタ１５は、光増幅器１４で発生する自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｒｉｆｉｅｄ
Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）のノイズを取り除く。光フィルタ１５でノイズが取り除かれたプローブ光は、光サーキュレータ２０を経て光ファイバ３０に送られる。

光ファイバ３０に送られたプローブ光は、光ファイバ３０を伝播する。プローブ光の伝播に伴って後方散乱光が発生する。この後方散乱光を含む信号光は、光サーキュレータ２０を経て受光部５０に送られる。なお、ここでは図示及び説明を省略するが、後方散乱光を増幅するために、受光部５０の前段に光増幅器と光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）が設けられることが多い。

一方、周波数シフタ１６に送られたローカル光は、周波数シフタ１６において、光周波数がシフトされる。この周波数シフタ１６は、検波方式に応じて、ローカル光の光周波数を調整する。例えば、検波方式としてヘテロダイン検波方式を用いる場合は、ローカル光と散乱光の間に周波数差を与えるために用いられる。また、検波方式としてホモダイン検波方式を用いる場合は、ローカル光と散乱光の周波数を一致させるために用いられる。ローカル光と散乱光の周波数差によっては、周波数シフタ１６を備えない構成にしてもよい。

例えば、強度変調器１３にＡＯＭを用いる場合、光ドップラー効果により、強度変調器１３で生成される光パルスの周波数は、強度変調器１３に入力されるレーザ光の周波数から変化する。このため、ホモダイン検波方式を用いる場合に、周波数シフタ１６が設けられることがある。一方、ヘテロダイン検波方式を用いる場合に、周波数シフタ１６を設けないこともある。

受光部５０は、プローブ光によって、光ファイバ３０で発生する後方散乱光をコヒーレント検波して電気信号を生成する。

受光部５０は、コヒーレントレシーバ５２、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）５４、アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器５６を備えて構成される。

コヒーレントレシーバ５２は、参照光を用いて、後方散乱光のコヒーレント検波を行う。コヒーレントレシーバ５２として、例えば、光９０°ハイブリッドカプラを用いることができる。コヒーレントレシーバ５２からの出力は、バランス型ＰＤ５４に送られる。

バランス型ＰＤ５４は、コヒーレントレシーバ５２からの出力をバランス検波する。これにより、後方散乱光の強度と位相の情報を持つ、Ｉ相（ｃｏｓ波）とＱ相（ｓｉｎ波）のビート信号が生成される。このＩ相及びＱ相のビート信号は、Ａ／Ｄ変換器５６に送られる。

Ａ／Ｄ変換器５６は、Ｉ相及びＱ相のビート信号をディジタル信号に変換する。ディジ
タル信号に変換された、Ｉ相及びＱ相のビート信号は、演算部６０に入力される。

演算部６０としては、例えば、市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を利用できる。ここでは、一例として、演算部６０が、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｕｎｉｔ）７０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６４及び記憶手段６６を備えて構成されるものとして説明する。ＣＰＵ７０は、ＲＯＭ６４に格納されているプログラムを実行することにより、後述する各機能手段を実現する。各機能手段での処理結果は、一時的にＲＡＭ６２に格納される。

演算部６０が備える機能手段として、光情報取得手段７２、探索範囲取得手段７４、精度劣化回避手段７６及び振動情報復調手段７８がある。これら各機能手段の動作は、受光部５０の構成に依存する。ここでは、コヒーレントレシーバ５２として、例えば、光９０°ハイブリッドカプラを用いたヘテロダイン検波の例を説明する。

光情報取得手段７２は、Ａ／Ｄ変換器５６で得られるビート信号のｃｏｓ波及びｓｉｎ波から、信号光の強度（散乱光強度とも称する。）Ｉ（ｘ、ｋ）及び信号光の位相（散乱光位相とも称する。）Ｐ（ｘ、ｋ）を算出する。ここで、ｘは光ファイバ３０の入射端からの距離であり、ｋはプローブ光として繰り返し入射される光パルスの番号である。

散乱光強度Ｉ（ｘ、ｋ）及び散乱光位相Ｐ（ｘ、ｋ）を算出するにあたり、光情報取得手段７２は、先ず、ｃｏｓ波及びｓｉｎ波から、後方散乱光の光複素電界を生成する。

後方散乱光の光複素電界もビート信号であるので、ダウンコンバートする必要がある。そこで、後方散乱光の複素振幅をダウンコンバートする。このダウンコンバートする方法として、例えば、ビート周波数を持つ逆回転の複素正弦波を、後方散乱光の光複素電界に乗算し、ローパスフィルター（ＬＰＦ）を作用させる方法が用いられる。

その後、ダウンコンバートして得られた複素振幅の絶対値の２乗を計算することで、散乱光強度Ｉ（ｘ、ｋ）が得られる。また、複素振幅の位相を計算することで、散乱光位相Ｐ（ｘ、ｋ）が得られる。

探索範囲取得手段７４は、フェーディングが発生しないように適応ゲージ長方式における探索範囲Ｌ_Ｓを決定する。探索範囲Ｌ_ｓが広すぎれば、フェーディングの影響は回避できるが、空間分解能が劣化してしまう。一方、探索範囲Ｌ_Ｓが狭すぎれば、空間分解能の劣化は抑えられるが、フェーディングの影響は回避できなくなってしまう。そのため、適切な探索範囲Ｌ_Ｓを設定する必要がある。適切な探索範囲Ｌ_Ｓの設定方法としては、単純に測定結果を確認しながら設定する方法でも良いが、特許文献２に開示されている定量的な設定方法でも良い。

一般に、位相を測定するφ－ＯＴＤＲでは、あるゲージ長ｘ_ＧＬに対して、光ファイバ上の位置ｘでの振動波形をＰ（ｘ＋ｘ_ＧＬ／２，ｋ）-Ｐ（ｘ-ｘ_ＧＬ／２，ｋ）の式を用いて算出する。このとき、Ｉ（ｘ＋ｘ_ＧＬ／２，ｋ）やＩ（ｘ-ｘ_ＧＬ／２，ｋ）が微弱であると、フェーディングの影響を受けてしまう。

そこで、各位置ｘに対して、入射端側に、ｓをｘ－ｘ_ＧＬから、ｘ－ｘ_ＧＬ－Ｌ_Ｓまで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度Ｉ（ｓ、ｋ）の最小値が、最大となる入射端側位置ｙ１を導出する。また、各位置ｘに対して、終端側に、ｓをｘ＋ｘ_ＧＬから、ｘ＋ｘ_ＧＬ＋Ｌ_Ｓまで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度Ｉ（ｓ、ｋ）の最小値が、最大となる終端側位置ｙ２を導出する。そして、振動情報復調手段が、光パ
ルスｋ、光ファイバ位置ｘに対して、Ｐ（ｙ２，ｋ）－Ｐ（ｙ１，ｋ）を計算し、この計算結果を光パルスｋの方向にアンラップして、光ファイバに印加された振動情報を復調する。このように、適応ゲージ長方式では、ある位置の位相をその周辺で最も強度の高い位置の位相で代用することで、フェーディングの影響を回避する。

（実施形態）
図２～図５を参照して、この発明の光ファイバセンサの実施形態を説明する。図２は、この発明の光ファイバセンサを説明するための模式図である。図３～５は、この発明の光ファイバセンサの動作を説明するための図である。

この発明の光ファイバセンサは、フェーディング抑制の基本原理の説明に用いた図１に示す探索範囲取得手段７４に換えて、各位置探索範囲取得手段７５を備える点が異なっている。他の構成については、図１を参照して説明した構成と同様なので、重複する説明を省略することもある。

図３は、適応ゲージ長方式を用いていない場合のφ－ＯＴＤＲの例を示す図である。図３（Ａ）は、光ファイバの位置に対する散乱光強度を示す。図３（Ａ）では、横軸に、光ファイバの入射端からの位置［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、散乱光強度を任意単位（ａ．ｕ．）で取って示している。また、図３（Ｂ）は、φ－ＯＴＤＲの測定結果を示す。図３（Ｂ）では横軸に、光ファイバの入射端からの位置［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、時間［単位：ｍｓ］を取って示している。また、図３（Ｂ）では、濃淡が位相を示している。

ここでは、光ファイバの長さを２５ｋｍとし、終端付近に１００Ｈｚの正弦波を印加した結果を示している。

適応ゲージ長方式を用いていない場合のφ－ＯＴＤＲでは、図３（Ｂ）に示されるように、様々な位置で、ノイズによる縦線が見られる。

図４は、例えば、図１に示される、従来の適応ゲージ長方式を用いた光ファイバセンサにおける、φ－ＯＴＤＲの測定結果を示す図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）では横軸に、光ファイバの入射端からの位置［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、時間［単位：ｍｓ］を取って示している。また、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、濃淡が位相を示している。なお図４（Ａ）及び（Ｂ）では、位置が２２ｋｍから２５ｋｍまでの範囲を拡大して示している。

ここでは、図４（Ａ）及び（Ｂ）の探索範囲Ｌ_Ｓはそれぞれ一定である。図４（Ａ）は、探索範囲Ｌ_Ｓが２４ｍの場合を示し、図４（Ｂ）は、探索範囲Ｌ_Ｓが２７ｍの場合を示している。図４（Ａ）では２２．５ｋｍ付近及び２４．３ｋｍ付近にフェーディングが発生している。一方、図４（Ｂ）ではそれらのフェーディングの影響が排除できていることが分かる。

このことから、従来の適応ゲージ長方式を用いた場合のφ－ＯＴＤＲでは、探索範囲Ｌ_Ｓが２７ｍ程度必要である。

しかし、この必要とされる探索範囲Ｌ_Ｓの２７ｍは２０ｋｍ以降においてフェーディングの影響を回避するのに必要な探索範囲であって、光ファイバの入射端付近にとっては過剰であると考えられる。そこで、この発明の光ファイバセンサでは、各位置探索範囲取得手段７５が、位置ごとに探索範囲Ｌ_Ｓを決定する。

散乱光の信号成分がＩ_Ｓ、雑音成分がＩ_Ｎであるとき、位相誤差φは、以下の式（１）で与えられる。

雑音成分がＩ_Ｎであるとき、最大位相誤差φ_ｍを与える信号成分Ｉ_Ｓ０は、以下の式（２）で与えられる。

したがって、雑音成分Ｉ_Ｎが与えられたときに、位相誤差φを最大位相誤差φ_ｍ以下にするためには、以下の式（３）を満たす必要がある。

また、一般的に、光ファイバにおけるレイリー散乱光の強度分布Ｐ（Ｉ）は、以下の式（４）で示される指数分布に従う。

したがって、ある一つの区間における位相誤差は、以下の式（５）で与えられる確率ｐ_ｍ（＝Ｐｒ（Ｉ_Ｓ＜Ｉ_ＳＯ））で、φｍ以上になる。

このとき、光ファイバ長をＬ、分布が独立とみなせる距離をＬ_ｄ、探索範囲をＬ_Ｓとすると、適応ゲージ長の理論から、以下の式（６）が、光ファイバ全体において、適応ゲージ長方式を用いた結果として位相誤差がφ_ｍ以上になる区間の数と見積もれる。

従って、探索範囲Ｌ_Ｓが、以下の式（７）を満たすとき、期待値としては、位相誤差がφ_ｍ以上になる区間の数が１未満であり、光ファイバ全体にわたって、位相誤差がφ_ｍ以上にはならず、フェーディングの影響を抑制できる。

上記式（７）を変形すると、以下の式（８）が得られる。

上記式（８）を満たす最小の探索範囲Ｌｓを採用すれば、位相誤差がφ_ｍ以上にならずに、空間分解能の劣化を最大限抑えられる。

そこで、各位置探索範囲取得手段７５は、上記式（５）を用いて、＜Ｉ＞を光ファイバ各位置でのその周辺の散乱光強度として、各位置の探索範囲Ｌ_Ｓを算出する。各位置探索範囲取得手段７５が探索範囲Ｌ_Ｓを決定した後の処理は、従来と同様に行うことができるので、重複する説明を省略する。

図５を参照して、この発明の光ファイバセンサを用いた測定結果を説明する。図５は、この発明の光ファイバセンサでの結果を示す図である。図５（Ａ）は、φ－ＯＴＤＲの測定結果を示す。図５（Ａ）では横軸に、光ファイバの入射端からの位置［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、時間［単位：ｍｓ］を取って示している。また、図５（Ａ）では、濃淡が位相を示している。

図５（Ｂ）は、光ファイバ各位置での探索範囲Ｌ_Ｓを示す。図５（Ｂ）では、横軸に光ファイバの入射端からの位置［単位：ｋｍ］を取って示し、縦軸に、探索範囲Ｌ_Ｓ［単位：ｍ］を取って示している。また、図５（Ｂ）では、この発明の光ファイバセンサにおける探索範囲Ｌ_Ｓを曲線Ｉで示し、従来の適応ゲージ長方式を用いた光ファイバセンサにおける探索範囲Ｌ_Ｓを直線ＩＩで示している。

ここでは、最大位相誤差φ_ｍをπ／４とし、各位置での平均散乱光強度として、各位置の周辺１００ｍの散乱光強度の平均値を用いた。また、雑音成分Ｉ_Ｎは、光パルスが存在しないときに観測される散乱光強度とすることができる。

図５（Ａ）に示されるように、この発明の光ファイバセンサによれば、図３（Ｂ）や図４（Ａ）に見られるノイズによる縦線が見られず、フェーディングの影響を回避できている。また、図５（Ｂ）に示されるように、光ファイバの全長２５ｋｍに対し、入射端近辺、入射端から１０ｋｍ付近まで探索範囲Ｌｓが１０ｍ程度となっているなど、従来技術の２７ｍと比較して、短くなっており、過剰な空間分解能の劣化を抑制できていることがわかる。

精度劣化回避手段７６は、各位置ｘに対して、入射端側に、ｓをｘ－ｘ_ＧＬから、ｘ－ｘ_ＧＬ－Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度Ｉ（ｓ、ｋ）の最小値が、最大となる入射端側位置ｙ１を導出する。また、各位置ｘに対して、終端側に、ｓをｘ＋ｘ_ＧＬから、ｘ＋ｘ_ＧＬ＋Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度Ｉ（ｓ、ｋ）の最小値が、最大となる終端側位置ｙ２を導出する。

そして、振動情報復調手段が、光パルスｋ、光ファイバ位置ｘに対して、Ｐ（ｙ２，ｋ）－Ｐ（ｙ１，ｋ）を計算し、この計算結果を光パルスｋの方向にアンラップして、光ファイバに印加された振動情報を復調する。このように、適応ゲージ長方式では、ある位置の位相をその周辺で最も強度の高い位置の位相で代用することで、フェーディングの影響を回避する。

振動情報復調手段７８は、各位置ｘにおける位相差を取得する。さらに、この計算で得られた位相差ΔＰを、ｋ方向にアンラップする。振動情報復調手段７８は、位相差ΔＰの分布から、受信時刻ｔにおける振動情報を、任意好適な従来公知の方法で取得する。この受信時刻ｔは、光ファイバに長手方向における位置ｘに対応する。従って、振動情報取得手段７８は、光ファイバの長手方向の位置ｘにおける振動情報を取得できる。

この発明の光ファイバセンサ及び光センシング方法では、平均散乱光強度が相対的に大きい入射端側の探索範囲を短く、相対的に小さい終端側の探索範囲を長くするなど、探索範囲Ｌ_Ｓを、散乱光強度の信号成分の大きさに従って定める。この結果、この発明の光ファイバセンサ及び光センシング方法によれば、過剰に空間分解能を損なうことなくフェーディングの影響を回避できる。

１０ 光源部
１１ レーザ光源
１２ 光ファイバカプラ
１３ 強度変調器
１４ 光増幅器
１５ 光フィルタ
１６ 光周波数シフタ
１８ 光増幅器
２０ 光サーキュレータ
３０ 光ファイバ
４０ 計測部
５０ 受光部
５２ コヒーレントレシーバ
５４ バランス型フォトダイオード（ＰＤ）
５６ アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
６０ 演算部
６２ ＲＡＭ
６４ ＲＯＭ
６６ 記憶手段
７０ ＣＰＵ
７２ 光情報取得手段
７４ 探索範囲取得手段
７５ 各位置探索範囲取得手段
７６ 精度劣化回避手段
７８ 振動情報復調手段

Claims (8)

1. プローブ光として光パルスを生成する光源部と、
   前記プローブ光によって光ファイバで発生する後方散乱光を含む信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する受光部と、
   前記ビート信号が入力される演算部と
   を備え、
   前記演算部は、
   前記光パルスごとに、前記信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘに対する、前記信号光の強度Ｉ（ｘ）及び位相Ｐ（ｘ）の分布を、前記ビート信号から取得する光情報取得手段と、
   前記信号光の強度Ｉ（ｘ）の分布から、前記光ファイバの位置ごとに、ゲージ長ｘ_ＧＬに対する探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する各位置探索範囲取得手段と、
   ゲージ長ｘ_ＧＬ及び前記探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）に基いて、前記信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘにおける、位相差ΔＰ（ｘ）を算出するのに用いる２点を決定する精度劣化回避手段と、
   決定された２点間の位相差ΔＰ（ｘ）を取得し、前記位相差ΔＰ（ｘ）から、振動情報を復調する振動情報復調手段と
   を備える
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記各位置探索範囲取得手段は、
   後方散乱光の信号成分及び雑音成分から与えられる位相誤差が予め定められる最大位相誤差以上になる区間の数の期待値が１未満となる最小の探索範囲を、前記光ファイバの位置ごとに取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記各位置探索範囲取得手段は、
   前記光ファイバの入力端側の方が短く、終端側の方が長い探索範囲を取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記精度劣化回避手段は、光ファイバの各位置ｘに対して、入射端側に、ｓをｘ－ｘ_ＧＬから、ｘ－ｘ_ＧＬ－Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる入射端側位置と、光ファイバの各位置ｘに対して、終端側に、ｓをｘ＋ｘ_ＧＬから、ｘ＋ｘ_ＧＬ＋Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる終端側位置を、位相差ΔＰ（ｘ）を算出するのに用いる２点として決定する
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
5. プローブ光として光パルスを生成する過程と、
   前記プローブ光によって光ファイバで発生する後方散乱光を含む信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する過程と、
   前記光パルスごとに、前記信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘに対する、前記信号光の強度Ｉ（ｘ）及び位相Ｐ（ｘ）の分布を、前記ビート信号から取得する過程と、
   前記信号光の強度Ｉ（ｘ）の分布から、前記光ファイバの位置ごとに、ゲージ長ｘ_ＧＬに対する探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する過程と、
   前記ゲージ長ｘ_ＧＬ及び前記探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）に基いて、前記信号光の光ファイバの入射端からの距離ｘにおける、位相差ΔＰ（ｘ）を算出する２点を決定する過程と、
   決定された２点間の位相差ΔＰ（ｘ）を取得し、前記位相差ΔＰ（ｘ）から、振動情報を復調する過程と
   を備える
   ことを特徴とする光ファイバセンシング方法。
6. 前記探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する過程では、
   後方散乱光の信号成分及び雑音成分から与えられる位相誤差が予め定められる最大位相誤差以上になる区間の数の期待値が１未満となる最小の探索範囲を、前記光ファイバの位置ごとに取得する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンシング方法。
7. 前記探索範囲Ｌ_Ｓ（ｘ）を取得する過程では、
   前記光ファイバの入力端側の方が短く、終端側の方が長い探索範囲を取得する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンシング方法。
8. 位相差ΔＰ（ｘ）を算出する２点を決定するにあたり、
   光ファイバの各位置ｘに対して、入射端側に、ｓをｘ－ｘ_ＧＬから、ｘ－ｘ_ＧＬ－Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる入射端側位置と、光ファイバの各位置ｘに対して、終端側に、ｓをｘ＋ｘ_ＧＬから、ｘ＋ｘ_ＧＬ＋Ｌ_Ｓ（ｘ）まで変化させたときに、複数の光パルスでの散乱光強度の最小値が、最大となる終端側位置を、位相差ΔＰ（ｘ）を算出するのに用いる２点として決定する
   ことを特徴とする請求項５～７のいずれか一項に記載の光ファイバセンシング方法。

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