JP2789968B2 - 光ｔｄｒによる計測方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバ、光導波
路等の光導波部にレーザ光を入射し、光導波部中を伝送
する光信号の反射散乱光を検出する事により光導波部の
特性検査、欠陥検出等を行う光ＴＤＲ（Optical Time D
omain Reflectmetry）による計測方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光ＴＤＲ装置は、光ファイバ端部からフ
ァイバ中に数ｎ〜数百nsec、ピークパワー数百Ｗの短パ
ルス光信号を入力し、光ファイバ各点における反射散乱
や、ファイバ中の欠陥等による光ファイバからの反射散
乱光を検出し、光ファイバの特性検査、欠陥検出等を行
うものである。この光ＴＤＲ装置は、更に、光ファイバ
の温度変化による反射散乱特性の変化を利用し、単一光
ファイバによる光ファイバ沿いの温度分布を計測する光
ファイバ温度計としても利用することができ、その開発
も行われている（例えば、“光ファイバ温度計測”OPTO
RONICS(1990 ）No.8、“ラマン散乱光利用分布型温度セ
ンサ”センサ技術(1989)Vo1.9No.7 ）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】（１）従来の光ＴＤＲ
装置においては、光ファイバ沿いの距離分解能を向上さ
せるためには、入射する光パルスの幅を狭くする必要が
ある。しかし、パルス幅を狭くすると光ファイバからの
反射散乱強度が小さくなる。また、長距離の光ファイバ
の計測を行う場合には、光の伝搬によって生じる損失に
より散乱強度が小さくなる。上記のような場合には、反
射散乱光をＳ／Ｎを良く検出するため、入射する光信号
のパワーを増大するか、或いは光信号を繰り返し入力
し、検出信号の平均処理を行う必要がある。従って、距
離分解能を高くしたい場合には、数nsec幅の短パルスの
光信号を用いなければならず、反射散乱の発生場所を距
離精度を良く計測するには反射散乱光の検出信号を高速
でサンプリングして信号処理する必要があり、信号処理
部が複雑になるという問題点がある。また、光信号のピ
ークパワーは計測上外乱となる誘導ラマンの発生するレ
ベル以下に制限されており任意に大きな値に設定するこ
とができないため、反射散乱光の検出感度が低下すると
いう問題点もある。また、平均演算処理によるノイズの
低減では多数回の平均処理を行う必要があり、信号処理
に要する時間が増大し、計測の応答性が低下するという
問題点があった。

【０００４】（２）また、光ファイバの特性計測に用い
られる光ＴＤＲ装置においては、光ファイバ中の各点か
らのレーリー散乱光強度の分布から伝搬損失等の光ファ
イバの特性計測を行っており、距離分解能を高くするた
めパルス幅の小さい信号を用いる必要があるが、レーリ
ー散乱光強度が微少であるため、散乱光をＳ／Ｎ良く検
出するためには、検出信号の多数回の平均演算処理を行
う必要があり、計測時間が増大するという問題点があっ
た。

【０００５】（３）また、光ファイバの欠陥検出に用い
られる光ＴＤＲ装置においては、光ファイバ中の欠陥位
置を高精度に検出するためには、上述の場合と同様に、
入射する光信号のパルス幅を狭くし、更に、検出信号の
サンプリング及び信号処理を高速で行う必要があり、装
置が複雑になるという問題点があった。

【０００６】（４）また、温度計測に用いられる光ＴＤ
Ｒ装置においては、温度計測を精度良く行うためには、
光ファイバからの反射散乱光のうち特に温度依存性の大
きいラマン散乱光が用いられるが、ラマン散乱光は光フ
ァイバ中からのレーリー散乱に比べてさらに強度が１／
１０００程度と小さく、ラマン散乱光を検出するには平
均演算処理を行う必要があり、計測時間が増大するとい
う問題点があった。

【０００７】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたものであり、距離分解能が高く、高感度でかつ
応答性に優れた光ＴＤＲによる計測方法及び装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
る光ＴＤＲによる計測方法は、第１のクロック信号に基
づいた第１の擬似ランダム信号を発生する工程と、第１
のクロック信号と周波数がわずかに異なる第２のクロッ
ク信号に基づいた第２の擬似ランダム信号を発生する工
程と、前記第１の擬似ランダム信号により振幅変調され
たレーザ光を発生し、光導波部に入力する工程と、光導
波部からの反射散乱光と前記第２の擬似ランダム信号と
を乗算する工程と、第１の擬似ランダム信号と前記第２
の擬似ランダム信号とを乗算する工程と、乗算された信
号の帯域制限をそれぞれ行う工程とを有し、帯域制限を
受けた信号を演算処理して所望の計測データ、例えば光
導波部の特性、欠陥、温度等のデータを得る。

【０００９】本発明の一つの態様による光ＴＤＲ装置
は、第１のクロック信号発生器と、第１のクロック信号
により駆動される第１の擬似ランダム信号発生器と、第
１のクロック信号と周波数がわずかに異なる第２のクロ
ック信号を発生する第２のクロック信号発生器と、第１
の擬似ランダム信号発生器と同一構成から成り、前記第
２のクロック信号により駆動される第２の擬似ランダム
信号発生器と、第１の擬似ランダム信号発生器の出力で
ある第１の擬似ランダム信号により振幅変調されたレー
ザ光を発生するレーザ発振器と、変調されたレーザ光の
光導波部への入力と光導波部からの反射散乱光の出力を
行う光方向性結合器と、光方向性結合器により得られた
光導波部からの反射散乱光を入力する受光器と、受光器
の出力信号と前記第２の擬似ランダム信号発生器の出力
である第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算
器と、第１の擬似ランダム信号と前記第２の擬似ランダ
ム信号とを乗算する第２の乗算器と、第１の乗算器によ
り乗算された信号の帯域制限を行う第１の帯域制限器
と、第２の乗算器により乗算された信号の帯域制限を行
う第２の乗算器とを有する。

【００１０】また、本発明の他の態様による光ＴＤＲ装
置は、光導波部として光ファイバを用い、そして、前記
第１及び第２の帯域制限器を介してそれぞれ得られる信
号に基づいて光ファイバの特性を計測する演算手段を有
する。

【００１１】また、本発明の他の態様による光ＴＤＲ装
置は、光導波部として光ファイバを用い、そして、前記
第１及び第２の帯域制限器を介してそれぞれ得られる信
号に基づいて光ファイバ中の疵等の欠陥による反射散乱
光を判別し、その位置の特定を行い、光ファイバ中の欠
陥検査をする演算手段を有する。

【００１２】また、本発明の他の態様による光ＴＤＲ装
置は、光導波部として光ファイバを用い、そして、前記
光方向性結合器により得られる反射散乱光を入力し、反
射散乱光のうち前記レーザ発振器の信号波長と異なる波
長の信号のみを透過させ、前記第１の帯域制限器に出力
する１個又は複数個の光学フィルタと、第１及び第２の
帯域制限器を介してそれぞれ得られる信号に基づいて、
前記光学フィルタを介して得られる反射散乱光の特定波
長成分を検出することにより光ファイバ中の各点におけ
るラマン散乱光強度の分布を求め、温度計測を行う演算
手段とを有する。また、本発明の他の態様による光ＴＤ
Ｒ装置は、光ファイバを対象物に直接接触させ、対象物
に接触させた部分からの反射散乱光を検出し、対象物の
温度を計測する。

【００１３】

【作用】本発明の一つの態様においては、第１のクロッ
ク信号発生器及び第２のクロック信号発生器により駆動
される第１の擬似ランダム信号発生器及び第２の擬似ラ
ンダム信号発生器から、信号パターンは同一で周波数が
わずかに異なる２つの擬似ランダム信号を繰り返し発生
する。第１の擬似ランダム信号によりレーザ光に対して
変調を施し、光導波部（例えば光ファイバ）に対して入
力し、光導波部中からの反射散乱光を受光器により受光
し、検出信号を得る。

【００１４】この検出信号と第２の擬似ランダム信号の
乗算を行うとその乗算結果は、レーザ光の変調に用いた
第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とは
信号パターンが同一で周波数がわずかに事なるため、２
つの信号の位相は徐々にずれてゆく。そして、或る時点
において２つの擬似ランダム信号のパターンが一致した
場合には、乗算結果は連続した正の信号となるが、時間
の経過とともに２つの擬似ランダム信号のパターンはず
れてゆき乗算結果は正負のランダムな信号列となり、さ
らに時間が経過すると２つの擬似ランダム信号のパター
ンは再び一致し、乗算結果は再び連続した正の信号とな
る。つまり、乗算結果として一定のパータンと周期を有
する時系列信号が得られる。乗算結果として得られた時
系列信号に対して擬似ランダム信号の周期より長い時定
数のローパスフィルタによる帯域制限を行うと、２つの
擬似ランダム信号のパターンが一致したときに高い値を
示す繰り返しパスル信号が検知信号として得られる。

【００１５】２つの擬似ランダム信号の乗算及び帯域制
限により検知信号として得られた繰り返しパルス信号
は、擬似ランダム信号の自己相関関数を時間軸上で拡大
した信号となっており、この相関信号処理における信号
の帯域制限により、検出信号中に含まれるノイズ成分が
除去され、光導波部からの反射散乱光をＳ／Ｎ良く計測
することが可能となる。この検知信号の時間軸上の拡大
率は擬似ランダム信号を駆動する２つのクロック信号の
周波数とその周波数差によって定まり、クロック信号の
周波数をｆ_１，ｆ_２，周波数差をΔｆ＝ｆ_１−ｆ_２とす
ると、ｆ_１／Δｆ倍に拡大される。

【００１６】光導波部中の光信号の信号伝播による時間
遅れも同様に時間軸上で拡大されるので、検知信号の時
間遅れを計測することにより光信号の光導波部中での時
間遅れを算出し、反射散乱を生じた位置を決定すること
ができる。また、検知信号は光導波部中での信号反射散
乱強度に対応した信号強度を有しており、検知信号パル
スの強度から反射散乱強度を算出することができる。そ
して、本発明の他の態様においては、帯域制限器を介し
て得られる例えば光導波部（光ファイバ）の各点からの
反射強度分布を求めることにより光導波部の特性が計測
される。

【００１７】また、本発明の他の態様においては、光導
波部（光ファイバ）の各点からの反射強度変化から光フ
ァイバ中の疵等の欠陥による反射散乱光を判別し、その
位置の特定を行い、光ファイバ中の欠陥検査をする。ま
た、本発明の他の態様においては、は光ファイバの各点
からの反射強度分布から光ファイバの特性の計測をす
る。

【００１８】また、本発明の他の態様においては、光フ
ァイバの各点からの反射強度変化から光ファイバ中の疵
等の欠陥による反射散乱光を判別し、その位置の特定を
行い、光ファイバ中の欠陥検査をする。

【００１９】また、本発明の他の態様においては、１個
又は複数個の光学フィルタにより反射散乱光のうちレー
ザ発振器の信号波長と異なる波長の信号のみを透過さ
せ、光学フィルタを介して得られる反射散乱光の特定波
長成分を検出することにより光ファイバ中の各点におけ
るラマン散乱光強度の分布を求め温度計測を行う。ま
た、本発明の他の態様においては、光ファイバを対象物
に直接接触させ、対象物に接触させた部分からの反射散
乱光を検出することにより対象物の温度を計測する。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の一実施例の光ＴＤＲ装置の構
成を示すブロック図である。図１において、１，２はク
ロック信号発生器、３，４は擬似ランダム信号発生器、
５はレーザ光源、６は光方向性結合器であり、７は光導
波部である。９は受光器、１０は増幅器、１１，２０は
乗算器、１２，２１はローパスフィルタであり、１３は
計算機である。

【００２１】本実施例では、クロック信号発生器１，２
により周波数がそれぞれｆ_１＝２５０．０００ＭＨｚ、
ｆ_２＝２５０．００１ＭＨｚの２つのクロック信号を発
生し、擬似ランダム信号発生器３，４を駆動する。擬似
ランダム信号発生器３，４は、フィードバックループを
有するシフトレジスタにより構成されるＭ系列信号発生
器から構成され、符号長１０２３の同一パターンのＭ系
列信号を発生する。従って、擬似ランダム信号発生器
３，４を以下Ｍ系列信号発生器３，４と称するものとす
る。

【００２２】レーザ光源５は半導体レーザから構成さ
れ、Ｍ系列信号発生器３の出力であるＭ系列信号を入力
し、Ｍ系列信号により強度変調されたレーザ光を発生す
る。レーザ光源５からの変調光は光方向性結合器６に入
力し、光方向性結合器６から光導波部７へ入射する。光
導波部７に入射した光信号は、光導波部７中の各位置か
ら反射散乱され入射端方向へと戻り、反射散乱光は方向
性結合器６により分岐されてフォトダイオードからなる
受光器９に入力する。そして、受光器において反射散乱
光強度に比例した電気信号に変換され、その電気信号は
増幅器１０により増幅される。乗算器１１はダブルバラ
ンスドミキサから構成され、増幅器１０の出力信号とＭ
系列信号発生器４の出力であるＭ系列信号とを入力して
２つの信号の乗算を行い、その乗算結果の信号はローパ
スフィルタ１２に入力し、そこで帯域制限される。ま
た、乗算器２０は、乗算器１１と同様にダブルバランス
ドミキサから構成され、Ｍ系列信号発生器３のＭ系列信
号とＭ系列信号発生器４のＭ系列信号とを入力して２つ
の信号の乗算を行い、その乗算結果の信号はローパスフ
ィルタに出力し、そこで帯域制限される。ローパスフィ
ルタ１２，２１の出力は計算機１３に入力する。計算機
１３はその入力信号をＡ／Ｄ変換及びサンプリングし、
この２つの入力信号の時間差から検知信号の時間遅れを
求めそれにより光導波部７の反射を生じた点（欠陥）の
位置等を求められる。

【００２３】図２は図１の実施例の動作波形を示すタイ
ミングチャートである。ここでは、説明の便宜上光導波
部７中の一点において光信号の反射を生じ、途中の部分
では光信号の反射散乱を生じない場合について考える。
クロック信号発生器１、２からは周波数ｆ_１，ｆ_２の正
弦波クロック信号が出力し（図２（ａ））、Ｍ系列信号
発生器３，４へ入力する。Ｍ系列信号発生器３，４では
図２（ｂ）に例示するような正負の符号列（パルス列）
で構成されるＭ系列信号を発生する。このＭ系列信号の
符号パターンは、Ｍ系列発生器３，４の構成によって決
まり、符号周期ｔａはシフトレジスタの段数をｎとする
と、ｔａ＝２ⁿ −１となり、またその周期はｔ＝ｔａ／
ｆ＝（２ⁿ −１）／ｆ（ｆ：周波数）となる。Ｍ系列信
号はレーザ光源５へ入力し、レーザ光源５ではＭ系列信
号に応じて強度変調が施され、図２（ｃ）に示す信号強
度を有するレーザ光を発生し、レーザ光は光導波部７に
入射する。光導波部７中の一点で反射された光信号は受
光器９に入射し、反射信号の強度に応じた電気信号（Ｍ
系列信号）が得られる（図２（ｄ））。

【００２４】受光器９からの信号は乗算器１１に入力
し、Ｍ系列信号発生器４からの出力と乗算される。この
時、受信信号とＭ系列信号発生器４からのＭ系列信号と
の符号パターンが一致した場合には２つの信号の乗算結
果は正の信号の連続となり、２つの信号の符号パターン
がずれている場合に、正負のランダムな信号列となる
（図２（ｅ），（ｅ_ａ））。この乗算結果の信号をロー
パスフィルタ１２へ入力するとその出力は、図２（ｆ）
に示すようなパルス信号となる。また、ローパスフィル
タ２１の出力は時間遅れがないので図（ｇ）に示すよう
な時刻基準信号としてのパルス信号となる。

【００２５】このパルス信号の周期Ｔは、Ｍ系列信号発
生器３，４を駆動する２つのクロック信号の周波数差Δ
ｆ＝ｆ₁ −ｆ₂ 及びＭ系列信号の符号長ｔａにより定ま
り、Ｔ＝ｔａ／Δｆ＝（２ⁿ −１）／Δｆとなる。入射
端から反射を生じた点までの距離をＬとすると、光信号
の往復に要する伝播遅延時間τ₀ はτ₀ ＝２Ｌ／ｃ（ｃ
は光導波部中の光速）となり、このとき検知信号の伝播
遅延時間τ₁ はｆ／Δｆ倍に拡大され、τ₁ ＝τ₀ ・ｆ
／Δｆの時間遅れが観測される。その遅延時間τ₁ を距
離に換算することにより欠陥の位置が求められる。

【００２６】なお、反射点が一点の場合について説明し
たが、実際には光導波部７中の欠陥のある個所ではそれ
ぞれ反射をするので、計算機１３により次の処理がなさ
れる。つまり、計算機１３はローパスフィルタ１２の出
力である検知信号及びローパスフィルタ２１の出力であ
る時刻基準信号を一定間隔でＡ／Ｄ変換、サンプリング
し、時間経過に伴う検知信号強度の変化データを得る。
そして、この検知信号強度のデータは光導波部７中の各
点からの反射散乱光強度に相当するデータであり、各点
間の距離ΔＬ（分解能）はサンプリング時間をΔτとす
ると、ΔＬ＝ｃ／２・Δτ・Δｆ／ｆとなり光導波部７
に沿った反射散乱光の強度分布が分解能ΔＬで得られ
る。サンプリングは、時刻基準信号を起点とし、計測し
たい光導波部７の長さに相当する時間分（最大計測可能
距離は、検知信号の周期により決定され、ΔＬ＝ｃ／２
・Ｔ・Δｆ／ｆとなる）のデータのサンプリンクを行
う。検知信号データの収集後は、その目的に応じたデー
タ処理を行う。つまり、本実施例においては、検知信号
中に存在するピークを検出し、ピーク点の位置からピー
クを生じた場所（欠陥の場所）を算出している。勿論、
検知信号の強度分布に基づいて光導波部７の特性を計測
することもできる。

【００２７】なお、上記実施例において説明したＭ系列
信号の処理は後述する実施例においてもその処理過程は
基本的に同一である。

【００２８】図３は本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置
の構成を示すブロック図である。本実施例は光ファイバ
の特性計測に光ＴＤＲ装置を適用しており、図１の光導
波部７として光ファイバ７ａを用いている。本実施例の
光ＴＤＲ装置による特性計測においては、光ファイバ７
ａ中に入射した光信号は光ファイバ７ａ中の各点で反射
散乱し、受信側では各点からの反射散乱光が重畳された
信号が計測される。この結果、Ｍ系列信号処理を行った
結果得られる検知信号も光ファイバ７ａ中の各点からの
反射散乱光強度に対応したパルスを重畳した信号とな
る。

【００２９】図４はこのときの検知信号の信号強度を示
す特性図である。入射端からの距離が大きくなるほど光
信号の往復の伝播損失が大きくなるため、信号の入射時
刻からの経過時間が長いほど（距離が遠いほど）検知信
号の強度が低下している。ここで、検知信号は周期Ｔ
（図１の実施例参照）で繰り返され、検知信号における
時間（信号入射時刻からの経過時間τ₁ ）と光ファイバ
７ａ中の距離との関係は図１の実施例で述べた時間軸の
拡大率からＬ＝ｃ／２・τ₁ ・Δｆ／ｆとなり（ｃは光
ファイバ中の光速）、この関係から反射散乱光強度の光
ファイバ７ａ沿いの分布や光ファイバの任意の点からの
反射散乱光強度を求めることができる。

【００３０】図５は光ファイバ７ａの伝播損失が途中で
変化している場合の検知信号の信号強度を示す特性図で
ある。光ファイバ７ａの伝播損失が途中で変化している
と、検知信号の信号強度の分布の傾きが図示のように途
中から変化し、検知信号の信号強度分布の変化からファ
イバの伝播損失特性を求めることができる。計算機１３
は、図１の実施例と同様にして検知信号及び時刻基準信
号をサンプリングし、データの収集後は、目的に応じた
データ処理を行うが、本実施例においてはファイバの特
性検査をしており、検知信号の信号強度の距離による変
化から光ファイバの減衰特性（伝播損失）を求める。

【００３１】図６は本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置
の構成を示すブロック図である。本実施例は光ファイバ
の欠陥検査に光ＴＤＲ装置を適用している。光ファイバ
７ａ中に疵等の欠陥があると疵部分からのフレネル反射
を生じる。フレネル反射は、一般に光ファイバの欠陥が
ない部分からの反射散乱光（主にレーリー散乱）に対し
て強度が大きい。

【００３２】図７はこのように疵等の欠陥がある場合の
信号処理の結果得られる検知信号の信号強度の特性図で
ある。検知信号の信号強度は光ファイバ各点からの散乱
光が重畳した信号中にフレネル反射によるピークを生じ
た波形となる。この検知信号中のピーク点までの時間遅
れを計測することにより光ファイバ中の欠陥のある点を
計測することが可能となる。計算機１３は、図１の実施
例と同様に検知信号及び時刻基準信号をサンプリング
し、目的に応じたデータ処理を行う。つまり、本実施例
においては検知信号中に存在するピークを検出し、ピー
ク点の位置からピークを生じた場所（欠陥の場所）を算
出する。

【００３３】図８は本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置
の構成を示すブロック図である。本実施例は温度計測に
光ＴＤＲ装置を適用している。光ファイバ中での光信号
の反射散乱は、その過程によりレーリ散乱、ラマン散乱
などに分類される。この中でも特に温度依存性の大きい
ラマン散乱による反射散乱光が温度計測に用いられる。

【００３４】図９はラマン散乱による波長と反射散乱光
強度との関係を示した特性図である。ラマン散乱は図示
のように、入射光の波数（ν₀ ＝２π／λ₀ 、λ₀ は波
長）に対してシフトした波数の散乱光を生じ、入射光波
数に対して波数の小さい（波長の長い）散乱光をストー
クス光、波数の大きい（波長の短い）散乱光をアンチス
トークス光と呼び、その波数シフト量ν_k は光ファイバ
の材質により定まる。この波数（波長）シフトを利用し
反射散乱光からラマン散乱による成分のみを検出するこ
とが可能である。ストークス光及びアンチストークス光
の散乱強度は、次式に示す温度依存性を持つ。

【００３５】

【数１】

【００３６】

【数２】

【００３７】 Ｉｓ： ストークス光強度 ｈ： プラン
ク定数 Ｉａ： アンチストークス光強度 ｃ： ファイ
バ中の光速 ν₀ ： 入射光波数（２π／λ₀ ） ｋ： ボルツ
マン定数 ν_k ： ラマン散乱シフト量 Ｔ： 光ファ
イバの温度 光ファイバ７ａからの反射散乱光のうちラマン散乱光に
よるストークス光又はアンチストークス光の散乱強度を
計測することにより、光ファイバ７ａの温度を計測する
ことができる。

【００３８】本実施例では光ファイバ７ａからの反射散
乱光は光学フィルタ８に入力する。光学フィルタ８は入
射光波長λ₀ に対してλ_k だけ波長が長い光を通過させ
るフィルタであり、λ_k を光ファイバ７ａの材質により
定まるラマン散乱による波長シフト量とすることによ
り、光ファイバ７ａからの反射散乱光のうちラマン散乱
によるストークス光のみを通過させる。また、光学フィ
ルタ８に入射光波長λ₀に対してλ_k だけ波長が短い光
を通過させるフィルタを用いることにより、反射散乱光
のうちラマン散乱によるアンチストーク光のみを通過さ
せることも可能である。

【００３９】光学フィルタ８からの出力は受光器９及び
増幅器１０により受光及び増幅され、乗算器１１及びロ
ーパスフィルタ１２により相関信号処理を行うことによ
り光ファイバ７ａ中のラマン散乱によるストークス光又
はアンチストークス光の散乱強度に応じた検知信号が得
られる。ラマン散乱によるストークス光又はアンチスト
ークス光の温度依存性と検知信号強度から反射散乱を生
じた点の光ファイバ７ａの温度を算出することができ
る。得られた検知信号は、図４に示した信号と同様に光
ファイバ各点からのラマン散乱光が重畳した波形とな
る。すなわち、検知信号強度の時間変化は光ファイバ７
ａ中の各点におけるラマン散乱光強度の変化に対応して
おり、光ファイバ７ａ中の各点におけるラマン散乱光強
度を求めることにより温度分布を計測することが可能と
なる。

【００４０】計算機１３は、図１の実施例と同様に検知
信号及び基準時刻信号をサンプリングし、各目的に応じ
たデータ処理を行う。本実施例においてはファイバ沿い
の温度計測をしており、検知信号としてラマン散乱によ
るストークス光又はアンチストークス光強度が得られる
ので、入力サンプリングした検知信号データからストー
クス光又はアンチストークス光の強度分布を算出し、散
乱光強度から各データに対するファイバ温度を求めてい
る。このとき、複数回の周期にわたってデータのサンプ
リングを行い、平均処理を行うことによりさらにノイズ
を低減することも可能である。また、入射時刻からの一
定の時間遅れを設け、検知信号のサンプリングを一回行
うことにより、光ファイバ中の任意の１点に関するデー
タ計測を行うことができる。

【００４１】図１０は温度分布の計測を行う場合の処理
を示すフローチャートである。検知信号強度をサンプリ
ングし、遅延時間を距離に換算し、反射散乱光の強度を
算出する。そして、その強度に基づいて温度を算出す
る。以上の処理をサンプリン時間Δτ毎に繰り返し、光
ファイバ７ａの全長相当分に亘って繰り返した後、距離
ー温度分布データを適当な表示手段（例えばＣＲＴ）に
表示させる。

【００４２】図１１は任意の位置の温度の計測を行う場
合の処理を示すフローチャートである。測定点までの距
離を時間Δｔに換算し、レーザー光を光ファイバ７ａに
入射した後時間をカウントし、時間がΔｔになるとその
時の検知信号をサンプリングし、そのときの散乱光強度
を算出し、温度を算出する。

【００４３】図１２は本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装
置の構成を示すブロック図である。本実施例においては
光ファイバ７ａを対象物に接触させ、接触させた点に対
応する時間の検知信号強度から光ファイバ７ａのラマン
散乱光強度を求め、その点の温度、すなわち対象物の温
度を求めている。この時の温度計測の方法は図１０に示
されたフローチャートに基づいてなされる。

【００４４】図１３は本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装
置の構成を示すブロック図である。本実施例においては
受光側に２個の光学フィルタ８，１５が並設されてい
る。本実施例においては、光方向性結合器６から出力さ
れた光ファイバ７からの反射散乱光は光分岐路１４によ
り分岐されそれぞれ光学フィルタ８，１５に入力する。
光学フィルタ８は入射光波長λ₀ に対してλ_k だけ波長
が長い光を通過させるフィルタで、光学フィルタ１５は
入射光波長λ₀ に対してλ_k だけ波長が短い光を通過さ
せるフィルタである。λ_k ，λ_k を光ファイバの材質に
より定まるラマン散乱による波長シフト量とすることに
より、光学フィルタ８，１５はそれぞれ光ファイバから
の反射散乱光のうちラマン散乱により波長の変化したス
トークス光及びアンチストークス光をそれぞれ通過させ
る。

【００４５】光学フィルタ８，１５からの出力はそれぞ
れ受光器９，１６及び増幅器１０，１７により受光及び
増幅され、乗算器１１，１８及びローパスフィルタ１
２，１９により相関信号処理を行うことにより光ファイ
バ７ａからの反射散乱光のうちラマン散乱によるストー
クス光及びアンチストークス光の散乱強度に応じた検知
信号が得られる。ラマン散乱によるストークス光とアン
チストークス光との強度比は、光ファイバの材質により
定まるラマン散乱シフト量が定まれば次式に示すように
反射散乱を生じた点の温度にのみ依存する。 Ｉａ／Ｉｓ＝ （（ν₀ ＋ν_k ）／（ν₀ −ν_k ））⁴ ｅｘｐ（−ｈｃν_k ／ｋＴ）） 上式によりストークス光とアンチストークス光の強度比
を測定することにより、レーザ光源の強度変動、光ファ
イバの曲がりによる損失などの外乱の影響が取り除か
れ、光ファイバ７ａの各点における温度分布の算出を行
うことができる。勿論、この処理は上述の実施例と同様
に計算機１３によりなされる。

【００４６】なお、上述の実施例においては擬似ランダ
ム信号としてＭ系列信号の場合について説明したが、本
発明はそれに限定されるものではなく、例えばバーカー
系列符号、相補系列符号、ゴールド符号等を用いること
もできる。

【００４７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光導波部
に入力する信号として擬似ランダム信号により変調され
たレーザ光を用い、光導波部からの反射散乱光に対して
相関演算を行うことによりノイズを低減しＳ／Ｎを向上
させ、更に符号長を長くすることにより高感度な信号検
出が可能となり、平均処理による信号処理時間を減少さ
せることが可能となっている。例えば、符号長１０２３
のＭ系列信号を用いることにより−１２０ｄＢ以上減衰
した信号まで計測可能となっている。更に、検知信号の
１周期での計測も可能になり、複数回の計算値の平均処
理による要する時間も減少できる。

【００４８】また、本発明によれば、２つの周波数の異
なる擬似ランダム信号を利用して信号処理を行うための
実際の光信号の伝播時間に対して時間的に拡大された検
知信号が得られ、反射散乱光の時間遅れの計測、強度検
出等の信号処理を低速で行うことが可能となる。例えば
Ｍ系列信号の符号長４０９５、クロック周波数を２５０
ＭＨｚ、クロック周波数の差を１０ｋＨｚとすると、検
知信号の周期は０．４ｓｅｃ、検知信号の拡大率は２５
０００倍（２５０ＭＨｚ／１０ｋＨｚ）となり、検知信
号のワンプリングを０．１ｍｓｅｃで行うとその換算距
離は０．４ｍとなり、低速のサンプリングでも高い分解
能を実現することが可能になっている。この場合、平均
処理によりＳ／Ｎを増大させた場合においても、従来の
光ＴＤＲ装置に比べてその平均回数を減らし、従来の光
ＴＤＲ装置では数十秒かかっていた計測信号処理時間を
数秒に短縮することが可能になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光ＴＤＲ装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２】図２は図１の実施例の動作波形を示すタイミン
グチャートである。

【図３】本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置の構成を示
すブロック図である。

【図４】図３の光ファイバの検知信号の信号強度の特性
図である。

【図５】光ファイバの伝搬損失が変化した場合の検知信
号の信号強度の特性図である。

【図６】本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置の構成を示
すブロック図である。

【図７】疵がある場合の検知信号の特性図である。

【図８】本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置の構成を示
すブロック図である。

【図９】ラマン散乱による波長と反射散乱光強度との関
係を示した特性図である。

【図１０】本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置の構成を
示すブロック図である。

【図１１】温度分布の計測を行う場合の処理を示すフロ
ーチャートである。

【図１２】任意の位置の温度の計測を行う場合の処理を
示すフローチャートである。

【図１３】本発明の他の実施例の光ＴＤＲ装置の構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１，２ クロック信号発生器 ３，４ 擬似ランダム信号発生器（Ｍ系列信号発生器） ５ レーザ光源 ６ 光方向性結合器 ７ 光導波部 ７ａ 光ファイバ ８，１５ 光学フィルタ ９，１６ 受信器 １０，１７ 増幅器 １１，１８ 乗算器 １２，１９ ローパスフィルタ １３ 計算機 １４ 光分岐路

フロントページの続き (72)発明者 山田 健夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−282284（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72540（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−181804（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−25080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−90554（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−132932（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01K 11/12 G01M 11/00 G01S 17/32

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のクロック信号に基づいた第１の擬
   似ランダム信号を発生する工程と、 前記第１のクロック信号と周波数がわずかに異なる第２
   のクロック信号に基づいた第２の擬似ランダム信号を発
   生する工程と、 前記第１の擬似ランダム信号により振幅変調されたレー
   ザ光を発生し、光導波部に入力する工程と、 光導波部からの反射散乱光と前記第２の擬似ランダム信
   号とを乗算する工程と、 前記第１の擬似ランダム信号と前記第２の擬似ランダム
   信号とを乗算する工程と、 乗算された信号の帯域制限をそれぞれ行う工程とを有す
   る光ＴＤＲによる計測方法。
2. 【請求項２】 第１のクロック信号発生器と、 該第１のクロック信号により駆動される第１の擬似ラン
   ダム信号発生器と、 前記第１のクロック信号と周波数がわずかに異なる第２
   のクロック信号を発生する第２のクロック信号発生器
   と、 前記第１の擬似ランダム信号発生器と同一構成から成
   り、前記第２のクロック信号により駆動される第２の擬
   似ランダム信号発生器と、 前記第１の擬似ランダム信号発生器の出力である第１の
   擬似ランダム信号により振幅変調されたレーザ光を発生
   するレーザ発振器と、 変調されたレーザ光の光導波部への入力と光導波部から
   の反射散乱光の出力を行う光方向性結合器と、 該光方向性結合器により得られた光導波部からの反射散
   乱光を入力する受光器と、 該受光器の出力信号と前記第２の擬似ランダム信号発生
   器の出力である第２の擬似ランダム信号とを乗算する第
   １の乗算器と、 前記第１の擬似ランダム信号と前記第２の擬似ランダム
   信号とを乗算する第２の乗算器と、 前記第１の乗算器により乗算された信号の帯域制限を行
   う第１の帯域制限器と、 前記第２の乗算器により乗算された信号の帯域制限を行
   う第２の乗算器とを有する光ＴＤＲ装置。
3. 【請求項３】 光導波部として光ファイバを用い、そし
   て、前記第１及び第２の帯域制限器を介してそれぞれ得
   られる信号に基づいて光ファイバの特性を計測する演算
   手段を有する請求項２記載の光ＴＤＲ装置。
4. 【請求項４】 光導波部として光ファイバを用い、そし
   て、前記第１及び第２の帯域制限器を介してそれぞれ得
   られる信号に基づいて光ファイバ中の疵等の欠陥による
   反射散乱光を判別し、その位置の特定を行い、光ファイ
   バ中の欠陥検査をする演算手段を有する請求項２記載の
   光ＴＤＲ装置。
5. 【請求項５】 光導波部として光ファイバを用い、そし
   て、前記光方向性結合器により得られる反射散乱光を入
   力し、反射散乱光のうち前記レーザ発振器の信号波長と
   異なる波長の信号のみを透過させ、前記第１の帯域制限
   器に出力する１個又は複数個の光学フィルタと、 前記第１及び第２の帯域制限器を介してそれぞれ得られ
   る信号に基づいて、前記光学フィルタを介して得られる
   反射散乱光の特定波長成分を検出することにより光ファ
   イバ中の各点におけるラマン散乱光強度の分布を求め、
   温度計測を行う演算手段とを有する請求項２記載の光Ｔ
   ＤＲ装置。
6. 【請求項６】 光ファイバを対象物に直接接触させ、対
   象物に接触させた部分からの反射散乱光を検出し、対象
   物の温度を計測する請求項５記載の光ＴＤＲ装置。