JP3492346B2 - 歪みと温度の分布測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを媒体
とし、光ファイバ中で発生するブリルアン散乱現象の変
化を捉えて物理量の分布を測定するもので、特に被測定
物理量として歪みと温度との変化を区別して両方の分布
を同時に測定する歪みと温度の分布測定方法及びその装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる測定方法は、光ファイバを敷設し
た周囲の歪みや温度等の外乱因子に関する物理量を測定
するための光ファイバセンサ等に応用できる。

【０００３】この応用例は、例えば、（ａ）光通信網の
保守管理、（ｂ）トンネルや鉄橋等の大型構造物の保守
管理、（ｃ）航空機等に利用されている複合材料の故
障、疲労などの不具合の自己診断である。

【０００４】具体的には、これら（ａ）〜（ｃ）の対象
にそれぞれ光ファイバを埋設することで、例えば複合材
料などの材料自体に発生する故障、疲労などの不具合を
自己診断する機能を付加するスマートマテリアル・スト
ラクチャーなどに利用することができる。

【０００５】このような光ファイバセンシングにおいて
温度と歪みとの両方の分布を測定するには、図１５に示
すようにそれぞれ測定原理が異なる別々なセンシングシ
ステムが必要になる。

【０００６】これらセンシングシステムは、温度センシ
ングとしてラマン散乱光の測定に光パルス試験器（ＯＴ
ＤＲ：Optical Time Domain Reflectometory ；光時間
領域反射測定器）を使用するラマンＯＴＤＲ（Ｒ−ＯＴ
ＤＲ）１０１と、歪みセンシングとして光ファイバ中の
ブリルアン散乱の周波数シフト（ブリルアン周波数シフ
トと呼ぶ）量を測定するブリルアンＯＴＤＲ（Ｂ−ＯＴ
ＤＲ）１０２とである。

【０００７】これらラマンＯＴＤＲ１０１とブリルアン
ＯＴＤＲ１０２とは、それぞれセンシング用ファイバ１
０３に接続される。

【０００８】このうちラマンＯＴＤＲ１について説明す
ると、光ファイバにおける温度分布を測定する方法に
は、ラマン散乱光の後方散乱係数の温度による変化に着
目した温度分布測定法が提案されている。この温度分布
測定法には、例えば文献『Electron. Lett. , vol.21,N
o.13,pp.569-570 ,1985』に記載されている技術があ
る。

【０００９】この温度分布測定法は、上記の如くラマン
散乱光の測定に光パルス試験器（ＯＴＤＲ）が使用され
る。センシング用ファイバ１０３中に光パルスが入射さ
れてから散乱光が測定されるまでに遅延時間が生じる。
この遅延時間は、散乱光が生じる点（散乱点）までの距
離に対応する。従って、散乱光及び遅延時間を測定する
ことにより、センシング用ファイバ１０３における任煮
の点のラマン散乱光の温度による散乱係数の変化、すな
わち温度変化が測定可能になる。このラマンＯＴＤＲの
方法は、既に大型構造物の温度分布測定などに応用され
ている。

【００１０】一方、ブリルアンＯＴＤＲ１０２について
説明すると、センシング用ファイバ１０３を用いた歪み
センシングシステムには、センシング用ファイバ１０３
中でのブリルアン散乱光の周波数シフト量をファイバに
沿って分布計測することにより、歪みと温度を測定する
方法が提案されている。

【００１１】この方法は、光パルス試験器ＯＴＤＲ又は
それと類似なパルス−連続光対向法との組み合わせるこ
とにより、歪みと温度の連続分布が測定可能である。例
えば文献『J. Lightwave Tecnol. , vol.13,No.7,pp.12
96-1302,1995』に記載されている。この方法では、ブリ
ルアン周波数シフトが歪みと温度の両方に依存するた
め、両者を区別して測定できない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したラマンＯ
ＴＤＲ１０１とブリルアンＯＴＤＲ１０２の２つの方法
を用いた場合には、次のような技術課題がある。

【００１３】（１）ラマン散乱は非弾性散乱であるた
め、ラマン散乱光の波長は、入射光の波長からずれたも
のとなる。このラマン散乱による波長変化は、光ファイ
バが石英系の場合、約１００ｎｍと大きな値であるた
め、光ファイバの低損失波長域からずれてしまい、この
結果、伝搬損失の増大により長距離にわたる測定ができ
ない。

【００１４】図１５には歪みと温度とが同時に測定でき
る範囲が制限されるが示されている。センシング用ファ
イバ３のラマンＯＴＤＲ１０１とブリルアンＯＴＤＲ１
０２とが接続された一端側では、温度と歪みと分布の両
方の測定範囲があるが、他端側では歪み測定範囲のみと
なり、同時に温度と歪みと分布が測定できない。

【００１５】（２）ラマン散乱係数の歪み依存性は小さ
いため、ラマンＯＴＤＲ法により歪み測定ができない。

【００１６】（３）ブリルアン散乱を用いた方法では、
歪みと温度の両方の効果でブリルアン周波数シフトが発
生するため、従来の測定手法のままでは両物理量の分離
識別はできない。このためラマン散乱による温度測定が
必要である。

【００１７】又、ラマンとブリルアンの両物理現象を利
用するシステム構成のために、装置構成が煩雑であり、
装置価格が高価である。

【００１８】そこで本発明は、ブリルアン散乱現象を利
用するファイバセンシングの測定原理だけで、長距離に
渡って歪みと温度との両方を区別して測定できる歪みと
温度の分布測定方法及びその装置を提供することを目的
とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、センシング用
光ファイバ中で発生するブリルアン散乱現象の変化を捉
えて被測定物理量の変化を測定する歪みと温度の分布測
定方法において、センシング用光ファイバにおける各波
長ごとのブリルアン散乱の歪み波長依存係数とその温度
波長係数を予め求めておき、センシング用光ファイバに
入射するポンプ光の各波長ごとのブリルアン周波数シフ
トの変化を求めるステップと、これら測定データを、セ
ンシング用光ファイバの歪みの変化と温度の変化とに関
する２元連立方程式に代入し演算することにより、セン
シング用光ファイバの各位置で発生した歪みの変化と温
度の変化とをそれぞれ識別して同時に求めるステップと
を有することを特徴とする歪みと温度の分布測定方法で
ある。

【００２０】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定方法において、センシング用光ファイバの歪みの変
化と温度の変化とに関する２元連立方程式は、ポンプ光
の波長をλ_n、波長依存係数をＣ_ε(λ_n)、温度波長係数
をＣ_T(λ_n)、ブリルアン周波数シフトの変化をΔν_B(λ
_n)、センシング用光ファイバの歪みの変化をΔε、セン
シング用光ファイバの温度の変化をΔＴとすると、

【数５】 により表わされる。

【００２１】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定方法において、ポンプ光の波長の総数が３波長以上
の場合、センシング用光ファイバの各位置で発生した歪
みの変化と温度の変化とをそれぞれ加算平均演算して、
センシング用光ファイバの各位置で発生した歪みの変化
と温度の変化とをそれぞれ識別して同時に求めるステッ
プを有する。

【００２２】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定方法において、加算平均演算する方程式は、２元連
立方程式を演算して得られた解であるセンシング用光フ
ァイバの歪みの変化をΔε、センシング用光ファイバの
温度の変化をΔＴ、これらΔε、ΔＴの組合せの総数を
Ｎとすると、

【数６】 により表わされる。

【００２３】本発明は、センシング用光ファイバ中で発
生するブリルアン散乱現象の変化を捉えて被測定物理量
の変化を測定する歪みと温度の分布測定装置において、
複数の波長成分の光を出力する光源部と、この光源部か
らの出力光をポンプ光とプローブ光とに分岐する光分配
器と、ポンプ光又はプローブ光のいずれかの光に変調を
行う光変調器と、この光変調器により変調された光をセ
ンシング用光ファイバに導くと共に、センシング用光フ
ァイバからの温度と歪みの物理情報を有するブリルアン
散乱光を導く導光手段と、この導光手段により導かれた
ブリルアン散乱光を受光して電気信号に変換する受光部
と、この受光部からの電気信号を入力し、センシング用
光ファイバに入射するポンプ光の各波長ごとのブリルア
ン周波数シフトの変化を示す各測定データを、センシン
グ用光ファイバの歪みの変化と温度の変化とに関する２
元連立方程式に代入し演算し、センシング用光ファイバ
の各位置で発生した歪みの変化と温度の変化とをそれぞ
れ識別して同時に求める信号処理部とを具備したことを
特徴とする歪みと温度の分布測定装置である。

【００２４】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、信号処理部は、ポンプ光の波長をλ
_n、波長依存係数をＣ_ε(λ_n)、温度波長係数をＣ
_T(λ_n)、ブリルアン周波数シフトの変化をΔν_B(λ_n)、
センシング用光ファイバの歪みの変化をΔε、センシン
グ用光ファイバの温度の変化をΔＴとすると、

【数７】 を演算する。

【００２５】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、信号処理部は、ポンプ光の波長の総
数が３波長以上の場合、センシング用光ファイバの各位
置で発生した歪みの変化と温度の変化とをそれぞれ加算
平均演算して、センシング用光ファイバの各位置で発生
した歪みの変化と温度の変化とをそれぞれ識別して同時
に求める。

【００２６】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、信号処理部は、２元連立方程式を演
算して得られた解であるセンシング用光ファイバの歪み
の変化をΔε、センシング用光ファイバの温度の変化を
ΔＴ、これらΔε、ΔＴの組合せの総数をＮとすると、

【数８】 を演算する。

【００２７】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、光源部は、出力する光の波長を連続
的に可変可能であり、かつ外部制御により随時任意の波
長の光を出力する。

【００２８】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、光源部は、複数の光源を備え、これ
ら光源からはそれぞれ異なる各波長の光を出力する。

【００２９】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、光源部は、複数の光源と、これら光
源からそれぞれ出力された光を一つの光路に集約し、単
一光路で同時に複数の波長の光を出力する波長合波器と
からなる。

【００３０】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、光源部は、複数の光源からそれぞれ
出力された光のうち任意の単一波長のみの光を一つの光
路に導く光スイッチを備え、この光スイッチの光路選択
の切り替えによって出力する光の波長を随時選択する。

【００３１】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、受光部は、ポンプ光の任意の波長に
見合ったブリルアン散乱光のみを透過させる波長可変光
バンドパスフィルタと、この波長可変光バンドパスフィ
ルタを透過した光を電気信号に変換する光検出器とから
なる。

【００３２】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、受光部は、センシング用光ファイバ
からの単一光路で導かれる複数の波長の後方散乱光を分
配する波長分配器と、この波長分配器により分配された
各波長ごとにポンプ光の任意の波長に見合ったブリルア
ン散乱光のみを透過させる複数の波長可変光バンドパス
フィルタと、これら波長可変光バンドパスフィルタをそ
れぞれ透過した各光をそれぞれ各電気信号に変換する複
数の光検出器とからなる。

【００３３】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、信号処理部は、受光部から出力され
た電気信号からブリルアンビート周波数成分のみを抽出
する電気信号周波数フィルタと、この電気信号周波数フ
ィルタにより抽出された周波数信号から周波数スペクト
ラムの最大強度のピーク周波数を検出し、このピーク周
波数の値をブリルアン周波数として求める第１の演算部
と、この第１の演算部により定義されたポンプ波長毎の
ブリルアン周波数値のデータを格納するデータ格納部
と、このデータ格納部に格納されたデータを用いて上記
演算を行なってセンシング用光ファイバの各位置で発生
した歪みの変化と温度の変化とをそれぞれ識別して同時
に求める第２の演算部とからなる。

【００３４】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、センシング用光ファイバからの単一
光路で導かれた複数の波長の後方散乱光がそれぞれ分配
された場合、信号処理部は、各波長ごとに電気信号周波
数フィルタと第１の演算部とが並列処理する。

【００３５】本発明は、上記本発明の歪みと温度の分布
測定装置において、信号処理部は、センシング用光ファ
イバの歪みの変化と、センシング用光ファイバの温度の
変化との組み合わせが複数の場合、これら歪みと温度と
のそれぞれの値の加算平均を行う演算部と、この演算部
の演算結果を最終的な測定結果として表示する表示部と
からなる。

【００３６】

【発明の実施の形態】（１）以下、本発明の第１の実施
の形態について図面を参照して説明する。

【００３７】図１は歪みと温度の分布測定装置の構成図
である。この歪みと温度の分布測定装置は、Brillouin
Optical Time Domain Analysis (BOTDA)を適用した構成
である。このＢＯＴＤＡ法は、周波数νが可変のパルス
ポンプ光と連続波プローブ光とを、それぞれセンシング
用光ファイバ１０３の両端から入射し、ブリルアン散乱
現象によるプローブ光のブリルアンゲインに比例したパ
ワーの変化を時間の関数として測定し、その変化量から
温度、歪み分布を求めるものである。

【００３８】歪みと温度の分布測定装置の全体構成を説
明すると、光源部１には、光ファイバ２−１を介して光
分配器３が接続されている。

【００３９】この光分配器３には、２本の光ファイバ２
−２、２−３が接続され、一方の光ファイバ２−２に光
変調器４を介して光サーキュレータ５が接続されてい
る。これら光変調器４と光サーキュレータ５との間は、
光ファイバ２−４により接続されている。他方の光ファ
イバ２−３には、光変調器６が接続されている。

【００４０】光サーキュレータ５と光変調器６との間に
は、各光ファイバ２−５、２−６を介してセンシング用
光ファイバ１０３が接続されている。このセンシング用
光ファイバ１０３は、実際の歪みや温度を検知するため
のものである。

【００４１】光サーキュレータ５には、光ファイバ２−
７を介して受光部７が接続され、さらにこの受光部７の
出力端子に信号処理部８が接続されている。

【００４２】光源部１は、複数の波長成分の光を出力す
るもので、図２に示すように波長可変光源１０と、波長
コントローラ電源１１からなる。

【００４３】波長可変光源１０は、波長範囲λ₁〜λｎ
で波長を可変して光Ｐを出力するもので、例えば半導体
レーザ（ＬＤ）が用いられる。この波長可変光源２に
は、光ファイバ２−１を介して光分配器３が接続されて
いる。

【００４４】波長コントローラ電源１１は、波長可変光
源２を駆動し、かつ出力光Ｐの波長を波長範囲λ₁〜λ
ｎで波長可変のコントロールをする機能を有するもの
で、例えば出力光Ｐの波長を各中心波長λ_１、λ_２、
…、λｎのいずれかにコントロールする。

【００４５】光分配器３は、光源部１の出力光Ｐをポン
プ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とに分配するもので、例えば
光カプラー、ビームスプリッター、ハーフミラー等が好
適である。この光分配器５の分岐出力側には、ポンプ光
Ｐ_１用とプローブ光Ｐ_２用との２本の光ファイバ２−
２、２−３が接続される。

【００４６】なお、本実施の形態では、光ファイバ２−
２にポンプ光Ｐ_１を導き、光ファイバ２−２、２−３に
プローブ光Ｐ_２を導いているが、これとは逆に光ファイ
バ２−２にプローブ光Ｐ_２を導き、光ファイバ２−２、
２−３にポンプ光Ｐ_１を導いてもよい。

【００４７】光変調器６は、プローブ光Ｐ_２をブリルア
ン周波数近傍まで変調する、すなわちプロープ光Ｐ_２の
周波数を変調する機能を有する。なお、光ファイバ２−
２にプローブ光Ｐ_２を導いた場合には、光変調器４によ
りプローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍まで変調す
る。

【００４８】この光変調器６は、例えば波長１．５５μ
ｍにおける石英光ファイバのブリルアンシフト周波数ν
_B（＝１０〜１１ＧＨｚ相当）の変調可能な電界効果を
利用した導波路型変調器が挙げられる。この光変調器６
は、他に音響効果を用いた変調素子や、両効果に基づく
バルク型の変調素子等でもよい。

【００４９】光サーキュレータ５は、入力ポート５−１
と２つの出力ポート５−２、５−３とを有し、このうち
入力ポート５−１にポンプ光Ｐ_１用の光ファイバ２−４
が接続され、出力ポート５−２に光ファイバ２−５を介
してセンシング用光ファイバ１０３が接続されている。
又、出力ポート５−３には、光ファイバ２−７を介して
受光部７が接続されている。この光サーキュレータ５
は、例えば光カプラー、ビームスプリッター、ハーフミ
ラー等が好適である。

【００５０】センシング用光ファイバ１０３には、一端
からポンプ光Ｐ_１が入射して同センシング用光ファイバ
１０３内を伝搬し、かつ他端からプローブ光Ｐ_２が入射
してポンプ光Ｐ_１の伝搬方向とは逆向きに伝搬（対向励
起）する。

【００５１】これにより、センシング用光ファイバ１０
３中では、ポンプ光Ｐ_１によって発生するＳＢＳ現象を
介してそのパワーの一部がプローブ光Ｐ_２に移行する。
このプローブ光Ｐ_２からみれば、それはブリルアン増幅
による伝搬光として振舞う。

【００５２】このＳＢＳ情報を有するプローブ光Ｐ
_２は、再び光サーキュレータ５の出力ポート５−２に入
射し、この出力ポート５−２から出力ポート５−３、光
ファイバ２−７を伝搬して受光部７に入射する。

【００５３】受光部７は、光ファイバ２−７を伝搬して
きたプローブ光Ｐ_２のブリルアン散乱光を受光して電気
信号に変換する機能を有するもので、図３に示すように
波長可変光バンドパスフィルタ１２と、光検出器１３と
からなる。

【００５４】波長可変光バンドパスフィルタ１２は、ポ
ンプ光Ｐ_１の任意の波長λ_１、λ_２、…、λｎに見合っ
たブリルアン散乱光のみを透過させる作用を持つもの
で、例えば光源部１の出力光Ｐの波長λｎよりも０．０
８〜０．１ｎｍ（この数値は、石英ファイバで波長１．
５５μｍの場合）だけ離調したブリルアン散乱光波長の
みを抽出する機能を有する。

【００５５】光検出器１３は、波長可変光バンドパスフ
ィルタ１２を透過した光を電気信号に変換する機能を有
する。

【００５６】信号処理部８は、受光部７からの電気信号
を入力し、センシング用光ファイバ１０３に入射するポ
ンプ光Ｐ_１の各波長λ_１、λ_２、…、λｎごとのブリル
アン周波数シフトの変化を示す各測定データを、センシ
ング用光ファイバ１０３の歪みの変化と温度の変化とに
関する２元連立方程式に代入し演算し、センシング用光
ファイバ１０３の各位置で発生した歪みの変化と温度の
変化とをそれぞれ識別して同時に求める機能を有する。

【００５７】この信号処理部８は、ポンプ光Ｐ_１の波長
をλｎ、波長依存係数をＣ_ε(λｎ)、温度波長係数をＣ
_T(λｎ)、ブリルアン周波数シフトの変化をΔν_B(λ
ｎ)、センシング用光ファイバ１０３の歪みの変化をΔ
ε、センシング用光ファイバ１０３の温度の変化をΔＴ
とすると、次の２元連立方程式、

【数９】 を演算してセンシング用光ファイバ１０３の各位置で発
生した歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ識
別して同時に求める機能を有する。

【００５８】図４は任意波長における歪み及び温度の物
理量とブリルアン周波数シフトとの関係を示す。歪みの
変化Δε及び温度の変化ΔＴに対してブリルアン周波数
シフトの変化をΔν_Bは、それぞれ比例的に増加してい
る。

【００５９】又、信号処理部８は、ポンプ光Ｐ_１の波長
の総数が３波長以上の場合、センシング用光ファイバ１
０３の各位置で発生した歪みの変化と温度の変化とをそ
れぞれ加算平均演算して、センシング用光ファイバ１０
３の各位置で発生した歪みの変化と温度の変化とをそれ
ぞれ識別して同時に求める機能を有する。

【００６０】この信号処理部８は、上記２元連立方程式
（式(1)）を演算して得られた解であるセンシング用光
ファイバ１０３の歪みの変化をΔε、センシング用光フ
ァイバ１０３の温度の変化をΔＴ、これらΔε、ΔＴの
組合せの総数をＮとすると、

【数１０】 を演算してポンプ光Ｐ_１の波長の総数が３波長以上の場
合のセンシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した
歪みの変化と温度の変化とをそれぞれ識別して同時に求
める機能を有する。

【００６１】具体的に信号処理部８は、図５に示すよう
に電気信号周波数フィルタ１４と、Ａ／Ｄ変換器１５
と、第１の演算部１６と、データ格納部１７と、第２の
演算部（以下、分離演算部と称する）１８と、波長総数
判定部１９と、加算平均演算部２０と、表示部２１とを
有している。

【００６２】電気信号周波数フィルタ１４は、受光部７
から出力された電気信号のノイズ等を低減する作用を持
つ。

【００６３】Ａ／Ｄ変換器１５は、電気信号周波数フィ
ルタ１４を透過したノイズが低減されたアナログ信号を
デジタル信号に変換する機能を有する。

【００６４】第１の演算部１６は、電気信号周波数フィ
ルタ１４及びＡ／Ｄ変換器１５を経た光変調器６の各変
調周波数νのデジタル信号波形、つまりこのデジタル信
号波形は光変調器６の変調周波数νと波形時間ｔと波形
強度Ｉの３つのパラメータ（３次元）が関係した波形デ
ータであり、その波形データから時間ごとの周波数と波
形強度の関係からその波形データを見て強度が最大とな
る周波数値（ピーク周波数値）をブリルアン周波数ν_B
として検出する。そしてそのブリルアン周波数を求める
過程をすべての波形時間にわたり行うことで、時間領域
におけるブリルアン周波数分布（２次元）ν_B(t)が求ま
る。すなわち時間領域と距離領域は等価であるため、結
果として各距離におけるブリルアン周波数分布ν_B(z)を
求める機能を有する。繰り返すが、第１の演算部１６の
役割と作用は前述した通りである。

【００６５】データ格納部１７には、第１の演算部１６
により検出されたポンプ光Ｐ_１の波長λ_１、λ_２、…、
λｎ毎のブリルアン周波数値のデータ（ブリルアン周波
数分布の計測データ）が格納される。これら計測データ
は、例えばピーク周波数ν_Ｂのデータλ_１［ν
_Ｂ(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］であ
る。このデータ格納部１７は、計測データλ_１［ν
_Ｂ(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］の書
き込み、読み出し可能である。

【００６６】分離演算部１８は、データ格納部１７に格
納された計測データλ_１［ν_Ｂ(z)］、λ_２［ν
_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］を用いて上記式（１）の
演算を行なってセンシング用光ファイバ１０３の各位置
で発生した歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞ
れ識別して同時に求める機能を有する。

【００６７】ここで、本発明の基本原理であるブリルア
ン散乱を利用した方法は、外乱因子（この場合被測定物
理量）である「歪み」や「温度」の影響により、その散
乱光の周波数成分の変化量（ブリルアン周波数シフト）
を測定し、その測定値から被測定物理量を算出する方式
である。波長λの光波におけるブリルアン周波数ν_Bの
関係は次式

【数１１】 により表わされる。

【００６８】ここで、ｎはセンシング用光ファイバ１０
３の屈折率、λはセンシング用光ファイバ１０３中の光
の波長である。ｖ_aはセンシング用光ファイバ１０３の
音速であり、センシング用光ファイバ１０３の周辺の温
度や歪みが変化すると音速ν _aが変化し、最終的な結果
として上記式（３）の関係からブリルアン周波数ν_Bが
変化する。

【００６９】ちなみにこの音速ν_Aは周囲環境下におけ
るセンシング用光ファイバ１０３固有の物性値に依存し
て得られる値であり、センシング用光ファイバ１０３の
ヤング率、ポアソン比、密度で与えられる。

【００７０】上記式（３）を具体的に波長１．５５μｍ
におけるＵＶ（紫外線）被膜シングルモード石英ファイ
バについて求めると、そのブリルアン周波数ν_Bの温
度、歪み量に関する演算係数Ｃ_Ｔ(λ)、Ｃ_ε(λ)はそれ
ぞれ次式（４）、式（５）であることが知られている。

【００７１】

【数１２】

【００７２】又、同じ光通信帯の別な波長λ＝１．３μ
ｍにおける同様な上記の係数は次式（６）、式（７）に
より表わされる。

【００７３】

【数１３】

【００７４】このように温度、歪み各係数とも波長依存
性があり、各波長固有の係数として取り扱うことができ
る。

【００７５】上記分離演算部１８は、上記式（１）、
（２）に従い、実際の測定によって求められるブリルア
ン周波数シフトの測定値から歪みの変化Δεと温度の変
化ΔＴとの両被測定物理量を算出するので、この算出の
ために予め上記式（４）〜（７）のような演算係数値Ｃ
_Ｔ(λ)、Ｃ_ε(λ)が算出パラメータとしてデータ化さ
れ、既値として用意している。

【００７６】図６は各物理量変化係数の波長依存性を示
す。同図から波長λに対する温度変化係数（演算係数
値）Ｃ_Ｔ(λ)と歪み変化係数（演算係数値）Ｃ_ε(λ)と
の変化が分る。

【００７７】波長総数判定部１９は、光源部１の波長λ
_１、λ_２、…、λｎの総数が例えば３以上（ｎ≧３）で
あるか否かを判断する機能を有する。

【００７８】加算平均演算部２０は、光源部１の波長λ
_１、λ_２、…、λｎの総数が例えば３以上（ｎ≧３）の
場合、分離演算部１８の演算により求められた歪みの変
化Δεと温度の変化ΔＴとのそれぞれの値の加算平均を
行う機能を有する。

【００７９】具体的に加算平均演算部２０は、上記２元
連立方程式（式(1)）を演算して得られた解であるセン
シング用光ファイバ１０３の歪みの変化をΔε、センシ
ング用光ファイバ１０３の温度の変化をΔＴ、これらΔ
ε、ΔＴの組合せの総数をＮとすると、上記式（２）を
演算してポンプ光Ｐ_１の波長の総数が３波長以上の場合
のセンシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した歪
みの変化と温度の変化とをそれぞれ識別して同時に求め
る機能を有する。

【００８０】表示部２１は、分離演算部１８の演算によ
り求められた歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴ、又は加
算平均演算部２０により加算平均されて求められた歪み
の変化Δεと温度の変化ΔＴを表示出力する。

【００８１】次に、上記の如く構成された装置の作用に
ついて説明する。

【００８２】光源部１からは、波長λ_１、λ_２、…、λ
ｎの光が出力される。この出力光Ｐは、光分配器３によ
りポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とに分配される。

【００８３】このうちポンプ光Ｐ_１は、光変調器４から
光サーキュレータ５を伝搬してセンシング用光ファイバ
１０３に入射する。

【００８４】プローブ光Ｐ_２は、光変調器６に入射す
る。この光変調器６は、プローブ光Ｐ _２をブリルアン周
波数近傍まで変調する、すなわちプロープ光Ｐ_２の周波
数を変調する。この変調されたプロープ光Ｐ_２は、セン
シング用光ファイバ１０３に入射する。

【００８５】このセンシング用光ファイバ１０３には、
一端からポンプ光Ｐ_１が入射して同センシング用光ファ
イバ１０３内を伝搬し、かつ他端からプローブ光Ｐ_２が
入射してポンプ光Ｐ_１の伝搬方向とは逆向きに伝搬（対
向励起）する。

【００８６】これにより、センシング用光ファイバ１０
３中では、ポンプ光Ｐ_１によって発生するＳＢＳ現象を
介してそのパワーの一部がプローブ光Ｐ_２に移行する。
このプローブ光Ｐ_２からみれば、それはブリルアン増幅
による伝搬光として振舞う。

【００８７】このＳＢＳ情報を有するプローブ光Ｐ
_２は、再び光サーキュレータ５の出力ポート５−２に入
射し、この出力ポート５−２から出力ポート５−３、光
ファイバ２−７を伝搬して受光部７に入射する。

【００８８】これにより、センシング用光ファイバ１０
３には、一端からポンプ光Ｐ_１が入射して同センシング
用光ファイバ１０３内を伝搬し、かつ他端からプローブ
光Ｐ _２が入射してポンプ光Ｐ_１の伝搬方向とは逆向きに
伝搬（対向励起）する。

【００８９】このセンシング用光ファイバ１０３中で
は、ポンプ光Ｐ_１によって発生するＳＢＳ現象を介して
そのパワーの一部がプローブ光Ｐ_２に移行する。このプ
ローブ光Ｐ_２からみれば、それはブリルアン増幅による
伝搬光として振舞う。

【００９０】このＳＢＳ情報を有するプローブ光Ｐ
_２は、再び光サーキュレータ５の出力ポート５−２に入
射し、この出力ポート５−２から出力ポート５−３、光
ファイバ２−７を伝搬して受光部７に入射する。

【００９１】この受光部７は、図３に示すように光ファ
イバ２−７を伝搬してきたプローブ光Ｐ_２のブリルアン
散乱光を波長可変光バンドパスフィルタ１２に入射す
る。

【００９２】この波長可変光バンドパスフィルタ１２
は、ポンプ光Ｐ_１の任意の波長λ_１、λ_２、…、λｎに
見合ったブリルアン散乱光のみを透過させる。例えば光
源部１の出力光Ｐの波長λｎよりも０．０８〜０．１ｎ
ｍ（この数値は、石英ファイバで波長１．５５μｍの場
合）だけ離調したブリルアン散乱光波長のみを抽出して
光検出器１３に入射する。

【００９３】この光検出器１３は、波長可変光バンドパ
スフィルタ１２を透過したブリルアン散乱光波長のみの
光を電気信号に変換する。この電気信号は、信号処理部
８に送られる。

【００９４】この信号処理部８は、受光部７から送られ
てきた電気信号を電気信号周波数フィルタ１４に送る。
この電気信号周波数フィルタ１４は、受光部７から出力
された電気信号のノイズ等を低減する。

【００９５】次に、Ａ／Ｄ変換器１５は、電気信号周波
数フィルタ１４を透過したノイズが低減されたアナログ
信号をデジタル信号に変換する。

【００９６】次に、第１の演算部１６は、電気信号周波
数フィルタ１４及びＡ／Ｄ変換器１５を経た光変調器６
の各変調周波数νのデジタル信号波形、つまりこのデジ
タル信号波形は光変調器６の変調周波数νと波形時間ｔ
と波形強度Ｉの３つのパラメータ（３次元）が関係した
波形データであり、その波形データから時間ごとの周波
数と波形強度の関係からその波形データを見て強度が最
大となる周波数値（ピーク周波数値）をブリルアン周波
数ν_Bとして検出する。そしてそのブリルアン周波数を
求める過程をすべての波形時間にわたり行うことで、時
間領域におけるブリルアン周波数分布（２次元）ν_B(t)
が求まる。すなわち時間領域と距離領域は等価であるた
め、結果として各距離におけるブリルアン周波数分布ν
_B(z)が求まる。

【００９７】データ格納部１７には、第１の演算部１６
により検出されたポンプ光Ｐ_１の波長λ_１、λ_２、…、
λｎ毎のブリルアン周波数分布の計測データが格納され
る。これらデータは、例えばピーク周波数ν_Ｂの計測デ
ータλ_１［ν_Ｂ(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν
_Ｂ(z)］である。図７には各波長λ_１、λ_２、…、λｎ
ごとのブリルアン周波数分布の計測データが示されてい
る。

【００９８】次に、分離演算部１８は、データ格納部１
７に格納された計測データλ_１［ν _Ｂ(z)］、λ_２［ν
_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］を読み取り、これら計測
データλ_１［ν_Ｂ(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ
［ν_Ｂ(z)］を用いて上記式（１）の演算を行なってセ
ンシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した歪みの
変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ分離して同時に
求める。

【００９９】なお、分離演算部１８は、上記式（１）、
（２）に従い、実際の測定によって求められるブリルア
ン周波数シフトの測定値から歪みの変化Δεと温度の変
化ΔＴとの両被測定物理量を算出するので、この算出の
ために予め上記式（４）〜（７）のような演算係数値Ｃ
_Ｔ(λ)、Ｃ_ε(λ)が算出パラメータとしてデータ化さ
れ、既値として用意している。

【０１００】次に、波長総数判定部１９は、光源部１の
波長λ_１、λ_２、…、λｎの総数が例えば３以上（ｎ≧
３）であるか否かを判断する。

【０１０１】この判断の結果、光源部１の波長λ_１、λ
_２、…、λｎの総数が例えば３以下であれば、表示部２
１は、図７に示すように分離演算部１８の演算により求
められた歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴを表示出力す
る。

【０１０２】ところが、光源部１の波長λ_１、λ_２、
…、λｎの総数が例えば３以上（ｎ≧３）であれば、加
算平均演算部２０は、上記２元連立方程式（式(1)）を
演算して得られた解であるセンシング用光ファイバ１０
３の歪みの変化をΔε、センシング用光ファイバ１０３
の温度の変化をΔＴ、これらΔε、ΔＴの組合せの総数
をＮとして歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとのそれぞ
れの値の加算平均、すなわち上記式（２）を演算してポ
ンプ光Ｐ_１の波長の総数が３波長以上の場合のセンシン
グ用光ファイバ１０３の各位置で発生した歪みの変化と
温度の変化とをそれぞれ識別して同時に求める。

【０１０３】次に、表示部２１は、図７に示すように加
算平均演算部２０により加算平均されて求められた歪み
の変化Δεと温度の変化ΔＴを表示出力する。

【０１０４】このように上記第１の実施の形態において
は、センシング用光ファイバ１０３における各波長
λ_１、λ_２、…、λｎごとのブリルアン散乱の歪み波長
依存係数Ｃ_ε(λ)とその温度波長係数Ｃ_Ｔ(λ)を予め求
めておき、センシング用光ファイバ１０３に入射するポ
ンプ光の各波長ごとのブリルアン周波数シフトの変化を
求め、これら計測データλ_１［ν_Ｂ(z)］、λ_２［ν
_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］を、センシング用光ファ
イバ１０３の歪みの変化と温度の変化とに関する２元連
立方程式に代入し演算することによりセンシング用光フ
ァイバ１０３の各位置で発生した歪みの変化Δεと温度
の変化ΔＴとをそれぞれ識別して同時に求めるので、ブ
リルアン散乱現象を利用するファイバセンシングの測定
原理だけで、長距離に渡って歪みと温度との両方を区別
して同時に測定できる。又、装置構成が簡単であり、装
置価格が定価にできる。

【０１０５】又、ポンプ光の波長の総数が３波長以上の
場合、センシング用光ファイバ１０３の各位置で発生し
た歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ加算平
均演算して、センシング用光ファイバ１０３の各位置で
発生した歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ
識別して同時に求めるので、センシング用光ファイバ１
０３の各位置で発生した歪みの変化Δεと温度の変化Δ
Ｔとをそれぞれ分離、識別し、かつ高精度に両物理量を
同時に表示できる。

【０１０６】さらに、ラマン散乱より波長シフト量が極
めて少ないブリルアン散乱光を用いることで、光ファイ
バの低損失波長帯の１．３〜１．５５μｍの範囲内だけ
で測定することができ、より遠方まで測定範囲を拡大で
きる。

【０１０７】ブリルアン散乱係数のうち歪み波長依存係
数と温度波長依存係数と、２波長以上におけるそれぞれ
のブリルアン周波数シフト量のパラメータを用いた連立
方程式を解くことで、歪みと温度を区別して同時に分布
計測できる。

【０１０８】そのうえ、３波長以上のそれに関するそれ
ぞれのパラメータを用いた連立方程式の歪みと温度の複
数の解を加算平均することで、歪み、温度の測定精度を
向上することができる。

【０１０９】従って、光ファイバを敷設した周囲の歪み
や温度等の外乱因子に関する物理量を測定するための光
ファイバセンサ等、例えば、（ａ）光通信網の保守管
理、（ｂ）トンネルや鉄橋等の大型構造物の保守管理、
（ｃ）航空機等に利用されている複合材料の故障、疲労
などの不具合の自己診断に用いるに最適である。

【０１１０】（２）次に、本発明の第２の実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分
には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【０１１１】図８は歪みと温度の分布測定装置の構成図
である。この歪みと温度の分布測定装置は、Brillouin
Optical Time Domain Reflectometory (BOTDR)を適用し
た構成である。このＢＯＴＤＲ法は、ポンプパルス光の
みを被測定ファイバから入射し、自然ブリルアン散乱現
象による後方散乱光成分パワーのブリルアンゲインスペ
クトラムｇ_Ｂ（ν）の時間関数（ファイバ上の位置関
数）として測定し、その変化量から温度、歪みの分布を
求めるものである。

【０１１２】歪みと温度の分布測定装置の全体構成を説
明すると、光源部１には、光ファイバ２−１を介して光
分配器３が接続されている。この光分配器３には、２本
の光ファイバ２−２、２−３が並列接続され、一方の光
ファイバ２−２に光変調器４を介して光サーキュレータ
５が接続されている。そして、この光サーキュレータ５
の出力ポート５−２にセンシング用光ファイバ１０３が
接続されている。

【０１１３】光分配器３の他方の光ファイバ２−３に
は、光変調器６を介して光合波器２２が接続されてい
る。この光合波器２２には、光サーキュレータ５の出力
ポート５−３が光ファイバ２−７を介して接続されてい
る。

【０１１４】従って、センシング用光ファイバ１０３に
ポンプ光Ｐ_１を入射すると、センシング用光ファイバ１
０３中では、ポンプ光Ｐ_１によって自然ブリルアン散乱
光とレーリー散乱光を含む後方散乱光が発生する。この
後方散乱光は、再び光サーキュレータ５の出力ポート５
−２に帰還し、この出力ポート５−２、５−３から光フ
ァイバ２−７を伝搬して光合波器２２に導かれる。

【０１１５】この光合波器２２は、光分配器３からのプ
ローブ光Ｐ_２とセンシング用光ファイバ１０３からの後
方散乱光とを合波するものである。

【０１１６】この光合波器２２により合波された光は、
受光部７に送られる。そして、この受光部７に信号処理
部８が接続されている。

【０１１７】次に、上記の如く構成された装置の作用に
ついて説明する。

【０１１８】光源部１からは、波長λ_１、λ_２、…、λ
ｎの光が出力される。この出力光Ｐは、光分配器３によ
りポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とに分配される。

【０１１９】このうちポンプ光Ｐ_１は、光サーキュレー
タ５を伝搬してセンシング用光ファイバ１０３に入射す
る。

【０１２０】このセンシング用光ファイバ１０３にポン
プ光Ｐ_１が入射すると、センシング用光ファイバ１０３
中では、ポンプ光Ｐ_１によって自然ブリルアン散乱光と
レーリー散乱光を含む後方散乱光が発生する。この後方
散乱光は、再び光サーキュレータ５の出力ポート５−２
に帰還し、この出力ポート５−２、５−３から光ファイ
バ２−７を伝搬して光合波器２２に導かれる。

【０１２１】一方、プローブ光Ｐ_２は、光変調器６によ
りブリルアン周波数近傍まで変調される。すなわちプロ
ープ光Ｐ_２の周波数が変調される。この変調されたプロ
ープ光Ｐ_２は、光合波器２２に導かれる。

【０１２２】この光合波器２２は、光分配器３からのプ
ローブ光Ｐ_２とセンシング用光ファイバ１０３からの後
方散乱光とを合波し、この合波された光を受光部７に送
る。

【０１２３】以下、上記第１の実施の形態と同様に、受
光部７は、光合波器２２からの合波光を受光して電気信
号に変換する。

【０１２４】信号処理部８は、受光部７からの電気信号
を入力し、センシング用光ファイバ１０３に入射するポ
ンプ光Ｐ_１の各波長λ_１、λ_２、…、λｎごとのブリル
アン周波数シフトの変化を示す各計測データλ_１［ν_Ｂ
(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］を、セ
ンシング用光ファイバ１０３の歪みの変化と温度の変化
とに関する上記式（１）の２元連立方程式に代入し演算
し、センシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した
歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ識別して
同時に求める。

【０１２５】又、信号処理部８は、ポンプ光Ｐ_１の波長
の総数が３波長以上の場合、センシング用光ファイバ１
０３の各位置で発生した歪みの変化Δεと温度の変化Δ
Ｔとをそれぞれ上記式（２）を用いて加算平均演算し
て、センシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した
歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ識別して
同時に求める。

【０１２６】表示部２１は、分離演算部１８の演算によ
り求められた歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴ、又は加
算平均演算部２０により加算平均されて求められた歪み
の変化Δεと温度の変化ΔＴを表示出力する。

【０１２７】このように上記第２の実施の形態によれ
ば、ＢＯＴＤＲ法を適用した構成であっても、長距離に
渡って歪みと温度との両方を区別して同時に測定でき
る。又、装置構成が簡単であり、装置価格が定価にでき
る。

【０１２８】又、ポンプ光の波長の総数が３波長以上の
場合、センシング用光ファイバ１０３の各位置で発生し
た歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ加算平
均演算するので、センシング用光ファイバ１０３の各位
置で発生した歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれ
ぞれ分離、識別し、かつ高精度に両物理量を同時に表示
できる。

【０１２９】さらに、ラマン散乱より波長シフト量が極
めて少ないブリルアン散乱光を用いることで、光ファイ
バの低損失波長帯の１．３〜１．５５μｍの範囲内だけ
で測定することができ、より遠方まで測定範囲を拡大で
きる。

【０１３０】ブリルアン散乱係数のうち歪み波長依存係
数と温度波長依存係数と、２波長以上におけるそれぞれ
のブリルアン周波数シフト量のパラメータを用いた連立
方程式を解くことで、歪みと温度を区別して同時に分布
計測できる。

【０１３１】そのうえ、３波長以上のそれに関するそれ
ぞれのパラメータを用いた連立方程式の歪みと温度の複
数の解を加算平均することで、歪み、温度の測定精度を
向上することができる。

【０１３２】（３）次に、本発明の第３の実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。

【０１３３】この第３の実施の形態は、図１及び図８に
示す歪みと温度の分布測定装置における各光源部１、各
受光部７及び各信号処理部８の構成をそれぞれ変更した
ものである。

【０１３４】図９は光源部１の構成図である。この光源
部１には、複数の光源３０−１〜３０−ｎが設けられて
いる。これら光源３０−１〜３０−ｎは、それぞれ異な
る発振波長λ_１、λ_２、…、λｎを持っている。これら
光源３０−１〜３０−ｎには、それぞれ各光ファイバ３
１−１〜３１−ｎを介して波長合波器３２に並列接続さ
れている。

【０１３５】光源コントローラ３３は、各光源３０−１
〜３０−ｎをそれぞれ独立に個々の波長λ_１、λ_２、
…、λｎを安定化させて、それらの各光Ｐ_１〜Ｐｎを出
力するもので、各光源３０−１〜３０−ｎを制御駆動す
るｎチャンネルからなる。

【０１３６】図１０は受光部７の構成図である。この受
光部７は、例えば図８に示す光合波器２２からの波長多
重のブリルアン散乱光を入射し、このブリルアン散乱光
を各波長λ_１、λ_２、…、λｎの数の分（ｎ個）に分配
する波長分配器３４を備える。

【０１３７】この波長分配器３４には、光源部１の出力
光Ｐ_１〜Ｐｎの各波長λ_１、λ_２、…、λｎの数と同一
数の光バンドパスフィルタ３５−１〜３５−ｎが並列に
設けられている。これら光バンドパスフィルタ３５−１
〜３５−ｎは、それぞれポンプ光Ｐ_１の任意の各波長λ
_１、λ_２、…、λｎに見合ったブリルアン散乱光のみを
透過させる作用を持つものである。

【０１３８】光受光器３６−１〜３６−ｎは、各光バン
ドパスフィルタ３５−１〜３５−ｎに対応して設けられ
ている。これら光受光器３６−１〜３６−ｎは、それぞ
れ各光バンドパスフィルタ３５−１〜３５−ｎを透過し
た各光を各電気信号に変換する機能を有する。

【０１３９】図１１は信号処理部８の構成図である。な
お、図５と同一部分には同一符号を付してその詳しい説
明は省略する。この信号処理部８は、電気信号周波数フ
ィルタ３７、Ａ／Ｄ変換器３８及び第１の演算部３９が
それぞれ光源部１の出力光Ｐ _１〜Ｐｎの各波長λ_１、λ
_２、…、λｎの数と同一数のチャンネルｎにより並列処
理するものとなっている。

【０１４０】このうち電気信号周波数フィルタ３７は、
受光部７から出力されたｎチャンネルの各電気信号のノ
イズ等を低減する作用を持つ。

【０１４１】Ａ／Ｄ変換器３８は、ｎチャンネルの電気
信号周波数フィルタ３７を透過したノイズが低減された
各アナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する機能
を有する。

【０１４２】第１の演算部３９は、ｎチャンネルの各電
気信号周波数フィルタ３７及びＡ／Ｄ変換器３８をそれ
ぞれ経た光変調器６の各変調周波数νのデジタル信号波
形、つまりこのデジタル信号波形は光変調器６の変調周
波数νと波形時間tと波形強度Ｉの３つのパラメータ
（３次元）が関係した波形データであり、その波形デー
タから時間ごとの周波数と波形強度の関係からその波形
データを見て強度が最大となる周波数値（ピーク周波数
値）をブリルアン周波数ν_Bとして検出する。そしてそ
のブリルアン周波数を求める過程をすべての波形時間に
わたり行うことで、時間領域におけるブリルアン周波数
分布（２次元）ν_B(t)が求まる。すなわち時間領域と距
離領域は等価であるため、結果として各距離におけるブ
リルアン周波数分布ν_B(z)を求める機能を有する。

【０１４３】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。

【０１４４】光源部１は、図９に示すように複数の光源
３０−１〜３０−ｎからそれぞれ異なる発振波長λ_１、
λ_２、…、λｎの各光Ｐ_１〜Ｐｎを出力する。これら光
Ｐ_１〜Ｐｎは、波長合波器３２によって合波されて光分
配器３に伝搬する。

【０１４５】ところで、図１に示すＢＯＴＤＡ法又は図
８に示すＢＯＴＤＲ法のいずれを適用した装置であって
も、センシング用光ファイバ１０３からのブリルアン散
乱光は、複数の光源３０−１〜３０−ｎの各発振波長λ
_１、λ_２、…、λｎに対応した波長多重のブリルアン散
乱光である。

【０１４６】受光部７は、図１０に示すように光合波器
２２からの波長多重のブリルアン散乱光を入射し、この
ブリルアン散乱光を波長分配器３４によって各波長
λ_１、λ _２、…、λｎの数の分（ｎ個）に分配する。

【０１４７】これら分配されたｎ個の各ブリルアン散乱
光は、それぞれ各バンドパスフィルタ３５−１〜３５−
ｎに入射する。これにバンドパスフィルタ３５−１〜３
５−ｎによりポンプ光Ｐ_１の任意の各波長λ_１、λ_２、
…、λｎに見合ったブリルアン散乱光のみが透過する。

【０１４８】各光受光器３６−１〜３６−ｎは、各光バ
ンドパスフィルタ３５−１〜３５−ｎを透過した各波長
λ_１、λ_２、…、λｎに対応する光をそれぞれ各電気信
号に変換する。

【０１４９】次に、信号処理部８は、図１１に示すよう
に電気信号周波数フィルタ３７、Ａ／Ｄ変換器３８及び
第１の演算部３９において光源部１の出力光Ｐ_１〜Ｐｎ
の各波長λ_１、λ_２、…、λｎの数と同一数のチャンネ
ルｎにより並列処理する。

【０１５０】このうち電気信号周波数フィルタ３７は、
受光部７から出力されたｎチャンネルの各電気信号のノ
イズ等を低減する作用を持つ。

【０１５１】Ａ／Ｄ変換器３８は、ｎチャンネルの電気
信号周波数フィルタ３７を透過したノイズが低減された
各アナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する機能
を有する。

【０１５２】第１の演算部３９は、ｎチャンネルの各電
気信号周波数フィルタ３７及びＡ／Ｄ変換器３８をそれ
ぞれ経た光変調器６の各変調周波数νのデジタル信号波
形、つまりこのデジタル信号波形は光変調器６の変調周
波数νと波形時間tと波形強度Ｉの３つのパラメータ
（３次元）が関係した波形データであり、その波形デー
タから時間ごとの周波数と波形強度の関係からその波形
データを見て強度が最大となる周波数値（ピーク周波数
値）をブリルアン周波数ν_Bとして検出する。そしてそ
のブリルアン周波数を求める過程をすべての波形時間に
わたり行うことで、時間領域におけるブリルアン周波数
分布（２次元）ν_B(t)が求まる。すなわち時間領域と距
離領域は等価であるため、結果として各距離におけるブ
リルアン周波数分布ν_B(z)を求める。

【０１５３】以下、上記第１の実施の形態と同様に、デ
ータ格納部１７には、第１の演算部３９により検出され
たポンプ光Ｐ_１の波長λ_１、λ_２、…、λｎ毎のブリル
アン周波数分布の計測データλ_１［ν_Ｂ(z)］、λ
_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］が格納される。

【０１５４】次に、分離演算部１８は、データ格納部１
７に格納された計測データλ_１［ν _Ｂ(z)］、λ_２［ν
_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］を読み取り、これら計測
データλ_１［ν_Ｂ(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ
［ν_Ｂ(z)］を用いて上記式（１）の演算を行なってセ
ンシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した歪みの
変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ分離して同時に
求める。

【０１５５】次に、波長総数判定部１９は、光源部１の
波長λ_１、λ_２、…、λｎの総数が例えば３以上（ｎ≧
３）であるか否かを判断し、この判断の結果、光源部１
の波長λ_１、λ_２、…、λｎの総数が例えば３以下であ
れば、表示部２１は、図７に示すように分離演算部１８
の演算により求められた歪みの変化Δεと温度の変化Δ
Ｔを表示出力する。

【０１５６】光源部１の波長λ_１、λ_２、…、λｎの総
数が例えば３以上（ｎ≧３）であれば、加算平均演算部
２０は、上記２元連立方程式（式(1)）を演算して得ら
れた解であるセンシング用光ファイバ１０３の歪みの変
化をΔε、センシング用光ファイバ１０３の温度の変化
をΔＴ、これらΔε、ΔＴの組合せの総数をＮとして歪
みの変化Δεと温度の変化ΔＴとのそれぞれの値の加算
平均を上記式（２）を演算することにより行ない、セン
シング用光ファイバ１０３の各位置で発生した歪みの変
化と温度の変化とをそれぞれ識別して同時に求める。

【０１５７】次に、表示部２１は、図７に示すように加
算平均演算部２０により加算平均されて求められた歪み
の変化Δεと温度の変化ΔＴを表示出力する。

【０１５８】このように上記第３の実施の形態によれ
ば、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することが
できることは言うまでもなく、さらに、波長の異なる複
数の光源３０−１〜３０−ｎを並列に配置し、それに対
応した受光部７、信号処理部８も並列に構成すること
で、より高速に測定でき計測時間の短縮が図られる。

【０１５９】（４）次に、本発明の第４の実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。

【０１６０】この第４の実施の形態は、図１及び図８に
示す歪みと温度の分布測定装置における各光源部１、各
受光部７及び各信号処理部８の構成をそれぞれ変更した
ものである。

【０１６１】光源部１は、上記第３の実施の形態で説明
した図９に示す光源部１と同一構成で、図１２に示すよ
うに複数の光源３０−１〜３０−ｎと、各光ファイバ３
１−１〜３１−ｎと、波長合波器３２と、光源コントロ
ーラ３３とからなる。

【０１６２】受光部７は、上記第１の実施の形態で説明
した図３に示す受光部７と同一構成で、図１３に示すよ
うに波長可変光バンドパスフィルタ１２と、光検出器１
３とからなる。

【０１６３】信号処理部８は、上記第１の実施の形態で
説明した図５に示す信号処理部８と同一構成で、図１４
に示すように電気信号周波数フィルタ１４と、Ａ／Ｄ変
換器１５と、第１の演算部１６と、データ格納部１７
と、第２の演算部（分離演算部）１８と、波長総数判定
部１９と、加算平均演算部２０と、表示部２１とからな
る。

【０１６４】このような構成であれば、光源部１は、図
１２に示すように複数の光源３０−１〜３０−ｎからそ
れぞれ異なる発振波長λ_１、λ_２、…、λｎの各光Ｐ_１
〜Ｐｎを出力する。これら光Ｐ_１〜Ｐｎは、波長合波器
３２によって合波されて光分配器３に伝搬する。

【０１６５】ところで、図１に示すＢＯＴＤＡ法又は図
８に示すＢＯＴＤＲ法のいずれを適用した装置であって
も、センシング用光ファイバ１０３からのブリルアン散
乱光は、複数の光源３０−１〜３０−ｎの各発振波長λ
_１、λ_２、…、λｎに対応した波長多重のブリルアン散
乱光である。

【０１６６】以下、上記第１の実施の形態と同様に、受
光部７は、光合波器２２からの合波光を受光して電気信
号に変換する。

【０１６７】信号処理部８は、受光部７からの電気信号
を入力し、センシング用光ファイバ１０３に入射するポ
ンプ光Ｐ_１の各波長λ_１、λ_２、…、λｎごとのブリル
アン周波数シフトの変化を示す各計測データλ_１［ν_Ｂ
(z)］、λ_２［ν_Ｂ(z)］、…、λｎ［ν_Ｂ(z)］を、セ
ンシング用光ファイバ１０３の歪みの変化と温度の変化
とに関する上記式（１）の２元連立方程式に代入し演算
し、センシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した
歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ識別して
同時に求める。

【０１６８】又、信号処理部８は、ポンプ光Ｐ_１の波長
の総数が３波長以上の場合、センシング用光ファイバ１
０３の各位置で発生した歪みの変化Δεと温度の変化Δ
Ｔとをそれぞれ上記式（２）を用いて加算平均演算し
て、センシング用光ファイバ１０３の各位置で発生した
歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴとをそれぞれ識別して
同時に求める。

【０１６９】表示部２１は、分離演算部１８の演算によ
り求められた歪みの変化Δεと温度の変化ΔＴ、又は加
算平均演算部２０により加算平均されて求められた歪み
の変化Δεと温度の変化ΔＴを表示出力する。

【０１７０】このように上記第４の実施の形態によれ
ば、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することが
できることは言うまでもなく、さらに、波長の異なる複
数の光源３０−１〜３０−ｎを並列に配置することで、
高速に測定でき計測時間を短縮することが可能である。

【０１７１】又、波長の異なる複数の光源３０−１〜３
０−ｎを並列に配置しつつも、受光部７、信号処理部８
を直列構成することで、その装置構成をより簡素するこ
とでシステム全体が廉価になる。

【０１７２】なお、本発明は、上記第１乃至第４の実施
の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨
を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

【０１７３】さらに、上記実施形態には、種々の段階の
発明が含まれており、開示されている複数の構成要件に
おける適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出でき
る。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾
つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとす
る課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で
述べられている効果が得られる場合には、この構成要件
が削除された構成が発明として抽出できる。

【０１７４】例えば、本発明は、ＦＭ光をポンプ光とプ
ローブ光とに分配し、ポンプ光をセンシング用光ファイ
バの一端から入射し、プローブ光をブリルアン周波数近
傍まで変調してセンシング用光ファイバの他端から入射
し、ポンプ光とプローブ光とがセンシング用光ファイバ
中を互いに対向する方向から伝搬したときに生じる誘導
ブリルアンによって被測定物理量の情報を受けて被測定
光として伝搬し、この被測定光とプローブ光との合波光
におけるビート信号の周波数値から被測定物理量の発生
個所を特定し、かつプローブ光の離調幅を変化させたと
きのビート信号の強度変化に基づいて被測定物理量を求
める光ファイバ分布型測定方法及びその装置にも適用で
きる。

【０１７５】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、ブ
リルアン散乱現象を利用するファイバセンシングの測定
原理だけで、長距離に渡って歪みと温度との両方を区別
して測定できる歪みと温度の分布測定方法及びその装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態を示す構成図。

【図２】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態における光源部の具体的な構成図。

【図３】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態における受光部の具体的な構成図。

【図４】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態における任意波長における歪み及び温度
の物理量とブリルアン周波数シフトとの関係を示す図。

【図５】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態における信号処理部の具体的な構成図。

【図６】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態における各物理量変化係数の波長依存性
を示す図。

【図７】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
１の実施の形態における信号処理部の処理過程を示す
図。

【図８】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
２の実施の形態を示す構成図。

【図９】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の第
３の実施の形態における光源部の構成図。

【図１０】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の
第３の実施の形態における受光部の構成図。

【図１１】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の
第３の実施の形態における信号処理部の構成図。

【図１２】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の
第４の実施の形態における光源部の構成図。

【図１３】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の
第４の実施の形態における受光部の構成図。

【図１４】本発明に係わる歪みと温度の分布測定装置の
第４の実施の形態における信号処理部の構成図。

【図１５】従来における温度と歪みとの両方の分布を測
定するときの測定原理を示す図。

【符号の説明】

１０３：センシング用光ファイバ １：光源部 ２−１，２−２，２−３，２−４，２−５，２−６，２
−７：光ファイバ ３：光分配器 ４，６：光変調器 ５：光サーキュレータ ７：受光部 ８：信号処理部 １０：波長可変光源 １１：波長コントローラ電源 １２：波長可変光バンドパスフィルタ １３：光検出器 １４：電気信号周波数フィルタ １５：Ａ／Ｄ変換器 １６：第１の演算部 １７：データ格納部 １８：第２の演算部（分離演算部） １９：波長総数判定部 ２０：加算平均演算部 ２１：表示部 ２２：光合波器 ３０−１〜３０−ｎ：光源 ３１−１〜３１−ｎ：光ファイバ ３２：波長合波器 ３３：光源コントローラ ３４：波長分配器 ３５−１〜３５−ｎ：光バンドパスフィルタ ３６−１〜３６−ｎ：光受光器 ３７：電気信号周波数フィルタ ３８：Ａ／Ｄ変換器 ３９：第１の演算部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01D 5/26 G01K 11/12 G01M 11/00 G01L 1/24

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センシング用光ファイバ中で発生するブ
   リルアン散乱現象の変化を捉えて被測定物理量の変化を
   測定する歪みと温度の分布測定方法において、 前記センシング用光ファイバにおける各波長ごとのブリ
   ルアン散乱の歪み波長依存係数とその温度波長係数を予
   め求めておき、 前記センシング用光ファイバに入射するポンプ光の各波
   長ごとのブリルアン周波数シフトの変化を求めるステッ
   プと、 これら測定データを、前記センシング用光ファイバの歪
   みの変化と温度の変化とに関する２元連立方程式に代入
   し演算することにより、前記センシング用光ファイバの
   各位置で発生した前記歪みの変化と前記温度の変化とを
   それぞれ識別して同時に求めるステップと、を有するこ
   とを特徴とする歪みと温度の分布測定方法。
2. 【請求項２】 前記センシング用光ファイバの歪みの変
   化と温度の変化とに関する前記２元連立方程式は、前記
   ポンプ光の波長をλ_n、前記波長依存係数をＣ_ε(λ_n)、
   前記温度波長係数をＣ_T(λ_n)、前記ブリルアン周波数シ
   フトの変化をΔν_B(λ_n)、前記センシング用光ファイバ
   の歪みの変化をΔε、前記センシング用光ファイバの温
   度の変化をΔＴとすると、 【数１】 により表わされることを特徴とする請求項１記載の歪み
   と温度の分布測定方法。
3. 【請求項３】 前記ポンプ光の波長の総数が３波長以上
   の場合、前記センシング用光ファイバの各位置で発生し
   た前記歪みの変化と前記温度の変化とをそれぞれ加算平
   均演算して、前記センシング用光ファイバの各位置で発
   生した前記歪みの変化と前記温度の変化とをそれぞれ識
   別して同時に求めるステップを有することを特徴とする
   請求項１記載の歪みと温度の分布測定方法。
4. 【請求項４】 前記加算平均演算する方程式は、前記２
   元連立方程式を演算して得られた解である前記センシン
   グ用光ファイバの歪みの変化をΔε、前記センシング用
   光ファイバの温度の変化をΔＴ、これらΔε、ΔＴの組
   合せの総数をＮとすると、 【数２】 により表わされることを特徴とする請求項３記載の歪み
   と温度の分布測定方法。
5. 【請求項５】 センシング用光ファイバ中で発生するブ
   リルアン散乱現象の変化を捉えて被測定物理量の変化を
   測定する歪みと温度の分布測定装置において、 複数の波長成分の光を出力する光源部と、 この光源部からの出力光をポンプ光とプローブ光とに分
   岐する光分配器と、 前記ポンプ光又は前記プローブ光のいずれかの光に変調
   を行う光変調器と、 この光変調器により変調された光を前記センシング用光
   ファイバに導くと共に、前記センシング用光ファイバか
   らの温度と歪みの物理情報を有するブリルアン散乱光を
   導く導光手段と、 この導光手段により導かれた前記ブリルアン散乱光を受
   光して電気信号に変換する受光部と、 この受光部からの前記電気信号を入力し、前記センシン
   グ用光ファイバに入射するポンプ光の各波長ごとのブリ
   ルアン周波数シフトの変化を示す各測定データを、前記
   センシング用光ファイバの歪みの変化と温度の変化とに
   関する２元連立方程式に代入し演算し、前記センシング
   用光ファイバの各位置で発生した前記歪みの変化と前記
   温度の変化とをそれぞれ識別して同時に求める信号処理
   部と、を具備したことを特徴とする歪みと温度の分布測
   定装置。
6. 【請求項６】 前記信号処理部は、前記ポンプ光の波長
   をλ_n、前記波長依存係数をＣ_ε(λ_n)、前記温度波長係
   数をＣ_T(λ_n)、前記ブリルアン周波数シフトの変化をΔ
   ν_B(λ_n)、前記センシング用光ファイバの歪みの変化を
   Δε、前記センシング用光ファイバの温度の変化をΔＴ
   とすると、 【数３】 を演算することを特徴とする請求項５記載の歪みと温度
   の分布測定装置。
7. 【請求項７】 前記信号処理部は、前記ポンプ光の波長
   の総数が３波長以上の場合、前記センシング用光ファイ
   バの各位置で発生した前記歪みの変化と前記温度の変化
   とをそれぞれ加算平均演算して、前記センシング用光フ
   ァイバの各位置で発生した前記歪みの変化と前記温度の
   変化とをそれぞれ識別して同時に求めることを特徴とす
   る請求項５記載の歪みと温度の分布測定装置。
8. 【請求項８】 前記信号処理部は、前記２元連立方程式
   を演算して得られた解である前記センシング用光ファイ
   バの歪みの変化をΔε、前記センシング用光ファイバの
   温度の変化をΔＴ、これらΔε、ΔＴの組合せの総数を
   Ｎとすると、 【数４】 を演算することを特徴とする請求項７記載の歪みと温度
   の分布測定装置。
9. 【請求項９】 前記光源部は、出力する前記光の波長を
   連続的に可変可能であり、かつ外部制御により随時任意
   の波長の光を出力することを特徴とする請求項５記載の
   歪みと温度の分布測定装置。
10. 【請求項１０】 前記光源部は、複数の光源を備え、こ
    れら光源からはそれぞれ異なる各波長の光を出力するこ
    とを特徴とする請求項５記載の歪みと温度の分布測定装
    置。
11. 【請求項１１】 前記光源部は、複数の光源と、これら
    光源からそれぞれ出力された光を一つの光路に集約し、
    単一光路で同時に複数の波長の光を出力する波長合波器
    とからなることを特徴とする請求項１０記載の歪みと温
    度の分布測定装置。
12. 【請求項１２】 前記光源部は、複数の光源からそれぞ
    れ出力された光のうち任意の単一波長のみの光を一つの
    光路に導く光スイッチを備え、この光スイッチの光路選
    択の切り替えによって出力する光の波長を随時選択する
    ことを特徴とする請求項１０記載の歪みと温度の分布測
    定装置。
13. 【請求項１３】 前記受光部は、前記ポンプ光の任意の
    波長に見合ったブリルアン散乱光のみを透過させる波長
    可変光バンドパスフィルタと、 この波長可変光バンドパスフィルタを透過した光を電気
    信号に変換する光検出器と、からなることを特徴とする
    請求項５記載の歪みと温度の分布測定装置。
14. 【請求項１４】 前記受光部は、前記センシング用光フ
    ァイバからの単一光路で導かれる複数の波長の後方散乱
    光を分配する波長分配器と、 この波長分配器により分配された各波長ごとに前記ポン
    プ光の任意の波長に見合ったブリルアン散乱光のみを透
    過させる複数の波長可変光バンドパスフィルタと、 これら波長可変光バンドパスフィルタをそれぞれ透過し
    た各光をそれぞれ各電気信号に変換する複数の光検出器
    と、からなることを特徴とする請求項５記載の歪みと温
    度の分布測定装置。
15. 【請求項１５】 前記信号処理部は、前記受光部から出
    力された前記電気信号からブリルアンビート周波数成分
    のみを抽出する電気信号周波数フィルタと、 この電気信号周波数フィルタにより抽出された周波数信
    号から周波数スペクトラムの最大強度のピーク周波数を
    検出し、このピーク周波数の値をブリルアン周波数とし
    て求める第１の演算部と、 この第１の演算部により定義された前記ポンプ波長毎の
    前記ブリルアン周波数値のデータを格納するデータ格納
    部と、 このデータ格納部に格納された前記データを用いて請求
    項６記載の演算を行なって前記センシング用光ファイバ
    の各位置で発生した前記歪みの変化と前記温度の変化と
    をそれぞれ識別して同時に求める第２の演算部と、から
    なることを特徴とする請求項５記載の歪みと温度の分布
    測定装置。
16. 【請求項１６】 前記センシング用光ファイバからの単
    一光路で導かれた複数の波長の後方散乱光がそれぞれ分
    配された場合、前記信号処理部は、前記各波長ごとに前
    記電気信号周波数フィルタと前記第１の演算部とが並列
    処理することを特徴とする請求項１５記載の歪みと温度
    の分布測定装置。
17. 【請求項１７】 前記信号処理部は、前記センシング用
    光ファイバの歪みの変化と、前記センシング用光ファイ
    バの温度の変化との組み合わせが複数の場合、これら歪
    みと温度とのそれぞれの値の加算平均を行う演算部と、 この演算部の演算結果を最終的な測定結果として表示す
    る表示部と、 からなることを特徴とする請求項５記載の歪みと温度の
    分布測定装置。