JP3553534B2 - Optical fiber distribution type measuring method and apparatus - Google Patents

Description

【００１１】
ここでν_Ｂ、Δν_Ｂは、それぞれブリルアンシフト周波数、ブリルアン線幅（ゲイン幅）と称するパラメータである。これらパラメータからなるブリルアンゲインスペクトラムは、上記式（１）により示されるようにローレンツ関数曲線に従うプロファイルになる。
【００１２】
つまり、光ファイバ中でブリルアン散乱現象を効率よく発生させるためには、ブリルアン周波数シフトν_Ｂを中心としてブリルアンゲイン線幅Δν_Ｂの周波数範囲にある周波数差νを付加する必要がある。ブリルアン周波数シフトν_Ｂは、光ファイバ中の音速ｖ_ａとしたとき、次式（２）で与えられる。
【００１３】
【数２】

【００１４】
ここで、ｎはファイバの屈折率、λは光ファイバ中の光の波長である。
【００１５】
音速ｖ_ａが光ファイバ周辺の温度、歪みに依存して変化すると、ブリルアン周波数シフトν_Ｂは、上記式（２）により温度、歪みの検知手段を与える結果となる。
【００１６】
例えば波長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のブリルアンシフト周波数ν_Ｂの温度、歪み量に対する変化感度は、それぞれ次式（３）及び（４）であることが知られている。
【００１７】
【数３】

【００１８】
従って、ブリルアンゲインスペクトラムｇ_Ｂ（ν）を光ファイバに沿った位置の関数として測定することで温度又は歪みの分布を測定することができる。
【００１９】
前述のブリルアンゲインスペクトラムを測定する技術としては、ＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法が用いられてい。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、それぞれファイバ両端から入射し、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。
【００２０】
又、ＢＯＴＤＡ法と等価な技術としてＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法が用いられている。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。
【００２１】
これらＢＯＴＤＡ法及びＢＯＴＤＲ法は、次の文献『Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ． ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｖｏｌ． １３ ， ｐｐ． １２９６−１３０２． （１９９５）』において発案者らによって解説されている。
【００２２】
これらＢＯＴＤＡ法及びＢＯＴＤＲ法による温度、歪み発生個所の空間分解能δｚは、ポンプ光のパルス時間幅をＷ、光ファイバ中の光速をｖとすると次式（５）で与えられる。
【００２３】
【数４】

【００２４】
従って、空間分解能δｚを高くするには、光パルス時間幅Ｗを短くする必要がある。しかし、ブリルアンゲインスペクトラムｇ_Ｂ（ν）、特にその最大周波数であるブリルアンシフト周波数ν_Ｂを精度高く測定するためには、光パルス時間幅Ｗを次式（６）の範囲に制約される。
【００２５】
一般的な数値例として、ブリルアンゲイン幅Δν_Ｂ＝３０ＭＨｚと、光ファイバ中の光速ｖ＝２×１０^８ｍ／ｓを用いると、式（５）で与えられる空間分解能δｚは３ｍとなる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＢＯＴＤＡ法及びＢＯＴＤＲ法では、空間分解能が前述した理由により実質１〜３ｍ程度に制限され、（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挙げた応用例に関しては、空間分解能が足りないといった課題がある。
【００２７】
ブリルアン散乱現象を利用した測定方法では、ポンプ光と上記式（ｂ）で示されるブリルアンシフト周波数帯相当に離調（周波数シフト）したプローブ光の二つの光波が必要である。その離調周波数は、通常１０ＧＨｚ以上の高周波数領域において１ＭＨｚ以下の離調精度が必要であり、その部分が装置全体のコストの大半を占めている。
【００２８】
このため、光ファイバの非線形現象を取り扱った通常の光ファイバセンサー装置に比べ非常にコストがかかる。このことは応用例である上記（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の全てにおいて共通の課題である。
【００２９】
そこで本発明は、ブリルアン散乱現象の位置の空間分解能の向上及び被測定物理量の測定精度を高めることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、被測定物理量の空間分布を求める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空間分布を求める光ファイバ分布型測定方法において、光源からの光をポンプ光とプローブ光とに分配する工程と、ポンプ光をセンシング用光ファイバの一端から入射する工程と、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する工程と、ポンプ光とブリルアン周波数近傍まで変調された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、ブリルアン周波数近傍まで変調されたプローブ光は被測定物理量の情報を受けて被測定光として伝搬し、この被測定光とブリルアン周波数近傍まで変調されたプローブ光とを合波する工程と、こ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工程とを有することを特徴とする光ファイバ分布型測定方法である。
【００３１】
第２の発明は、被測定物理量の空間分布を求める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空間分布を求める光ファイバ分布型測定方法において、光源からの光をポンプ光とプローブ光とに分配する工程と、ポンプ光をセンシング用光ファイバに入射する工程と、プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する工程と、ポンプ光がセンシング用光ファイバ中に伝搬したときに自然ブリルアン散乱光が発生し、この自然ブリルアン散乱光に被測定物理量が反映して後方に被測定光として伝搬し、この被測定光とブリルアン周波数近傍まで変調されたプローブ光とを合波する工程と、こ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工程とを有することを特徴とする光ファイバ分布型測定方法である。
【００３２】
第３の本発明は、上記第１又は第２の本発明の光ファイバ分布型測定方法において、プローブ光の周波数は、位相変調によってポンプ光の周波数に対して周波数シフトし、この位相変調によって生じる基本変調周波数のｎ次高調波周波数成分（ｎは整数）を被測定物理量の測定に用いることを特徴とする。
【００３３】
第４の本発明は、上記第１又は第２の本発明の光ファイバ分布型測定方法において、プローブ光の中心周波数は、光源からの光の周波数変調に同期させて補正変調し、ブリルアン周波数の波長依存性の影響を低減することを特徴とする。
【００３４】
第５の本発明は、上記第１又は第２の本発明の光ファイバ分布型測定方法において、ポンプ光を光増幅してセンシング用光ファイバに送ることを特徴とする。
【００３５】
第６の発明は、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空間分布を求める光ファイバ分布型測定装置において、光源からの光を出力する光源部と、この光源部から出力された光をポンプ光とプローブ光とに分配する光分配手段と、ポンプ光をセンシング用光ファイバの一端から入射する第１の光学手段と、プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する光変調手段と、この光変調手段により変調されたプローブ光をセンシング用光ファイバの他端から入射する第２の光学手段と、ポンプ光とブリルアン周波数近傍まで変調された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たブリルアン周波数近傍まで変調されたプローブ光を被測定光とし、この被測定光と第２の光学手段からのブリルアン周波数近傍まで変調されたプローブ光とを合波する合波光学手段と、この合波光学手段から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検出手段とを具備したことを特徴とする光ファイバ分布型測定装置である。
【００３６】
第７の発明は、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空間分布を求める光ファイバ分布型測定装置において、光源からの光を出力する光源部と、この光源部から出力された光をポンプ光とプローブ光とに分配する光分配手段と、ポンプ光をセンシング用光ファイバの一端から入射する光学手段と、プローブ光をブリルアン周波数近傍まで変調する光変調手段と、ポンプ光がセンシング用光ファイバ中に伝搬したときに発生し、被測定物理量が反映して後方に伝搬する自然ブリルアン散乱光を被測定光とし、この被測定光と光変調手段によりブリルアン周波数近傍まで変調されたプローブ光とを合波する合波光学手段と、この合波光学手段から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検出手段とを具備したことを特徴とする光ファイバ分布型測定装置である。
【００３７】
第８の本発明は、上記第６又は第７の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、光源部は、出力する光の周波数変調が可能な光源と、この光源を所定の時間周期で周波数変調する変調制御部とからなることを特徴とする。
【００３８】
第９の本発明は、上記第６又は第７の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、光変調手段は、プローブ光の周波数を、ポンプ光の周波数に対して周波数変調する位相変調器であることを特徴とする。
【００３９】
第１０の本発明は、上記第６又は第７の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、光変調手段は、プローブ光の中心周波数を、光源からの光の周波数変調に同期させて補正変調する機能を有することを特徴とする。
【００４０】
第１１の本発明は、上記第６又は第７の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、光変調手段は、プロープ光の周波数を変調する光変調器と、この光変調器を駆動する変調信号源と、この変調信号源をコントロールする制御信号源とからなることを特徴とする。
【００４１】
第１２の本発明は、上記第１１の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、変調信号源は、光源部の周波数変調に同期して光変調器による変調を補正させるコントロール信号を、変調信号源に対して送出する機能を有することを特徴とする。
【００４２】
第１３の本発明は、上記第６又は第７の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、合波光学手段は、被測定光とプローブ光とを合波する光合波器と、この光合波器により合波された光の中からブリルアン散乱固有の周波数成分だけの光を選択して透過する光周波数フィルターとからなることを特徴とする。
【００４３】
第１４の本発明は、上記第６又は第７の本発明の光ファイバ分布型測定装置において、光分配手段と第１の光学手段との間に設けられ、光分配手段からのポンプ光を光増幅して第１の光学手段に送る光増幅手段を備えたことを特徴とする。
【００４４】
【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。
【００４５】
図１は光ファイバ分布型測定装置の構成図である。光源部１は、光源２を有し、この光源２からの光を周波数変調（ＦＭ）してそのＦＭ光Ｌを出力するもので、光源２と変調制御装置３とから構成されている。
【００４６】
光源２は、周波数変調可能なもので、例えば半導体レーザ（以降ＬＤと称する）が用いられる。以下、光源２をＬＤ２と称する。このＬＤ２は、光ファイバ分布型測定装置に好適である。このＬＤ２から出力されるＦＭ光Ｌは、光ファイバ４の一端側から入射するものとなっている。
【００４７】
変調制御装置３は、ＬＤ２をＦＭ変調するもので、駆動電源と第１変調信号源とからなる。
【００４８】
光ファイバ４の他端側には、光分配器５が接続されている。この光分配器５は、ＦＭ光Ｌを、ポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とにそれぞれ分岐するものである。光分配器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。なお、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４が接続されている。
【００４９】
光サーキュレータである第１の光学手段６がポンプ光Ｐ_１用の光ファイバ４の他端に接続されている。この第１の光学手段６は、ポンプ光Ｐ_１をセンシング用光ファイバ７の一端から入射させるものである。以下、第１の光学手段６を光サーキュレータ６と称する。この光サーキュレータ６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】
この光サーキュレータ６は、入力ポート６−１と２つの出力ポート６−２、６−３とを有し、このうち入力ポート６−１にポンプ光Ｐ_１用の光ファイバ４が接続され、出力ポート６−２にセンシング用光ファイバ７が接続されている。
【００５１】
センシング用光ファイバ７は、実際の歪みや温度（本発明の被測定物理量の好適な例）を検知するためのものである。
【００５２】
一方、光分配器５からのプローブ光Ｐ_２用の光ファイバ４の他端には、光変調器部８が接続されている。この光変調器部８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もので、プロープ光Ｐ_２の周波数を変調する光変調器９と、この光変調器９を駆動する変調信号源１０と、この変調信号源１０を外部からコントロールする制御信号源１１とから構成されている。
【００５３】
このうち光変調器９は、例えば波長１．５５μｍ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９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。
【００５４】
この光変調器９により変調されたプロープ光Ｐ_２は、光変調器部９の変調周波数ν_ｓによってν（ｔ）±ν_ｓの周波数成分を有するプローブ光Ｐ_３になる。
【００５５】
このプローブ光Ｐ_３は、プローブ光Ｐ_３用の光ファイバ４を伝搬して第２の光学手段１２に入射する。この第２の光学手段１２は、光分配器１３によってプローブ光Ｐ_３をプローブ光Ｐ_４とプローブ光Ｐ_５とにそれぞれ分岐するものである。
【００５６】
光分配器１３の分岐出力側には、プローブ光Ｐ_４用の光ファイバ４とプローブ光Ｐ_５用の光ファイバ４とが接続されている。このうちプローブ光Ｐ_４用の光ファイバ４は、センシング用光ファイバ７の他端側に接続されている。
【００５７】
従って、センシング用光ファイバ７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７内を伝搬し、かつ他端からプローブ光Ｐ_４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。
【００５８】
これにより、センシング用光ファイバ７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_４に移行する。このプローブ光Ｐ_４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。
【００５９】
光サーキュレータ６の出力ポート６−３と光分配器１３からのプローブ光Ｐ_５用の光ファイバ４との間には、合波光学手段１４が接続されている。
【００６０】
この合波光学手段１４は、ポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_４とがセンシング用光ファイバ７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たプローブ光Ｐ_６を被測定光とし、この被測定光Ｐ_６と光分配器１３からのプローブ光Ｐ_５とを合波するものである。
【００６１】
この合波光学手段１４は、光合波器１５と波長フィルター１６とからなっている。光合波器１５は、被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５とを合波するものである。この光合波器１５は、例えば光カプラー、ハーフミラー、ビームスプリッター等がの好適である。
【００６２】
波長フィルター１６は、光合波器１５からの合波光Ｐ_７のうちν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の光波だけを透過するものである。
【００６３】
検出部１７は、光合波器１５の合波光Ｐ_７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Ｐ_２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もので、光検出器１８と周波数解析装置１９とからなる。
【００６４】
光検出器１８は、合波光Ｐ_７のうち波長フィルターを透過したν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の光波を受光・干渉してその電気信号（ビート信号）に変換するものである。
【００６５】
周波数解析装置１９は、光検出器１８からの電気信号（ビート信号）を入力し、この電気信号（ビート信号）を周波数解析して周波数成分を求め、それらの周波数値からセンシング用光ファイバ７上の歪み又は温度の物理量の測定個所を求め、更に、光変調器部８によってプローブ光Ｐ_２のν_ｓを離調操作することで変化するビート信号の強度変化からその被測定物理量の変化を測定する機能を有している。
【００６６】
この周波数解析装置１９は、ＲＦスペクトラムアナライザー等であり、その他に好適な例としてＦＦＴ（高速フーリエ変換）、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）、ウエーブレット変換といった周波数解析手法による演算装置でもよい。
【００６７】
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。
【００６８】
ＬＤ２は、変調制御装置３によりＦＭ変調される。このＬＤ２から出力されるＦＭ光Ｌは、光ファイバ４の中を伝搬して光分配器５に入射する。
【００６９】
この光分配器５は、ＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とにそれぞれ分岐する。
【００７０】
このうちポンプ光Ｐ_１は、光ファイバ４の中を伝搬して光サーキュレータ６に入射する。この光サーキュレータ６では、ポンプ光Ｐ_１は入力ポート６−１から入射して出力ポート６−１から出射する。
【００７１】
ポンプ光Ｐ_１は、センシング用光ファイバ７の一端から入射し、このセンシング用光ファイバ７の中を伝搬する。
【００７２】
一方のプローブ光Ｐ_２は、光ファイバ４の中を伝搬して光変調器部８に入射する。この光変調器部８は、制御信号源１１により変調信号源１０を外部からコントロールし、この変調信号源１０により光変調器９を駆動する。
【００７３】
しかるに、光変調器９は、プローブ光Ｐ_２を入射し、このプローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍まで変調し、プローブ光Ｐ_３として出射する。このプローブ光Ｐ_３は、光変調器９の変調周波数ν_ｓによってν（ｔ）±ν_ｓの周波数成分を有する。
【００７４】
このプローブ光Ｐ_３は、光分配器１３に入射し、この光分配器１３によってプローブ光Ｐ_４とプローブ光Ｐ_５とにそれぞれ分岐される。
【００７５】
このうちプローブ光Ｐ_４は、センシング用光ファイバ７の他端（ポンプ光入力端とは逆の端）から入射し、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。その関係によってセンシング用光ファイバ７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_４に移行する。
【００７６】
プローブ光Ｐ_４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。このようにＳＢＳの情報を有するプローブ光Ｐ_６は、再び光サーキュレータ６の出力ポート６−２に入射し、この出力ポート６−２から出力ポート６−３を介して合波光学手段１４に入射する。
【００７７】
このとき、合波光学手段１４には、プローブ光Ｐ_６と共に、光分配器１３からのプローブ光Ｐ_５も入射する。
【００７８】
この合波光学手段１４の光合波器１５は、被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５とを合波する。
【００７９】
この光合波器１５からの合波光Ｐ_７は、波長フィルター１６に入射し、この波長フィルター１６によってν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の光波だけが透過する。この波長フィルター１６を透過した光波は、検出部１７に入射する。
【００８０】
この検出部１７の光検出器１８は、合波光Ｐ_７のうち波長フィルターを透過したν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の光波を受光・干渉してその電気信号（ビート信号）に変換する。
【００８１】
周波数解析装置１９は、光検出器１８からの電気信号（ビート信号）を入力し、この電気信号（ビート信号）を周波数解析して周波数成分を求め、それらの周波数値からセンシング用光ファイバ７上の歪み又は温度の物理量の測定個所を求め、更に、光変調器部８によってプローブ光Ｐ_２のν_ｓを離調操作することで変化するビート信号の強度変化からその被測定物理量の変化を測定する。
【００８２】
次に、上記第１の実施の形態の測定方法の原理を図２及び図３を参照して説明する。図２は誘導ブリルアン散乱（以降ＳＢＳと呼ぶ）現象からみた場合の図、図３は測定結果からみた場合の図である。なお、図２（ａ）は光周波数領域からみたポンプ光スペクトラムとブリルアンゲインスペクトラムとの関係であり、同図（ｂ）はプローブ光スペクトラムとの関係を示す図である。
【００８３】
この測定方法の原理の説明にあたり、ブリルアン散乱の発生及び被測定物理量の関係についての詳細な説明は、前項で述べているので、重複を避けるために、ここでは省略する。
【００８４】
又、本発明の測定法の特徴は、上記の項目でその概要を前述している。よって、図２及び図３を用いた第１の実施の形態の説明は、図１で構成されている各装置の測定パラメータが本発明の測定原理にどのように関係しているのかを説明する。
【００８５】
センシング用光ファイバ７中を伝搬するポンプ光Ｐ_１は、光ＦＭを伴うポンプ光スペクトラム１００として、周期Ｔでｔ＝０〜Ｔ（１０１〜１０２）の間で繰り返し変化（変調）している。そのポンプ光の周波数成分νｐ（ｔ）は、次式（７）で与えられる。
【００８６】
【数５】

【００８７】
ここで、ν_０はポンプ光の初期光周波数、Δν_ｍは光周波数変調幅（光ＦＭ幅）である。
【００８８】
上記式（７）のポンプ光１００によって発生するブリルアンゲインスペクトラム１０３の中心周波数ν_Ｂ（ｔ）は、次式（８）により与えられる。
【００８９】
【数６】

【００９０】
ここで、ブリルアンゲインスペクトラム１０３の中心周波数ν_Ｂは、センシング用光ファイバ７に固有のブリルアンシフト周波数（通常は石英ファイバで波長１．５５μｍの時１０〜１１ＧＨｚ付近）である。このブリルアンゲインスペクトラム１０３は、周期Ｔでｔ＝０〜Ｔ（１０４〜１０５）の間で繰り返し変化（変調）している。
【００９１】
一方、プローブ光Ｐ_３も同様に光ＦＭを伴うプローブ光スペクトラム１０６として、周期Ｔでｔ＝０〜Ｔ（１０７〜１０８）の間で繰り返し変化（変調）している。
【００９２】
それに付け加えて光変調器部８による変調の効果から最終的なプローブ光Ｐ_３の周波数ν_Ｓ（ｔ）は、次式（９）により与えられる。（以降ν_Ｓをプローブ光のオフセット周波数と称する）
【００９３】
【数７】

【００９４】
もし、プローブ光のオフセット周波数ν_Ｓがブリルアンシフト周波数ν_Ｂと等しいならば、上記式（８）は式（９）と等しくなり、その差は変調時間に依存しなくなる。
【００９５】
つまり、ブリルアンゲインスペクトラムが光ＦＭによって変化しても、それに同期してそのプローブ光も追随することを意味する。これより、相対的にみればブリルアンゲインスペクトラム１０３とプローブ光１０６との関係は常に周波数差は一定である。
【００９６】
次に図２（ｂ）を用いてプローブ光Ｐ_４のオフセット周波数ν_Ｓの離調（周波数可変操作）によってブリルアンゲインスペクトラム周波数分布を測定する原理を説明する。
【００９７】
前記説明のオフセット周波数成分ν_Ｓ＝ν_Ｂのとき、ブリルアンスペクトラムの中心周波数とプローブ光の中心周波数成分は一致し、その周波数条件の時にプローブ光Ｐ_４がＳＢＳを介して得られるブリルアン増幅率Ｇは最大値Ｇ_ｍａｘである。
【００９８】
そして、プローブ光のオフセット周波数値を離調することで、プローブ光スペクトラム１０９は、ブリルアンゲインプロファイル１１０に沿って、個々の周波数におけるブリルアン増幅率Ｇ_１〜Ｇｎの情報を受け取る。
【００９９】
この時のオフセット周波数の離調幅をΔν_Ｓとすれば、通常、Δν_Ｓ＞Δν_Ｂでそのブリルアンゲインプロファイルの分布を明らかにすることができる。（通常の石英ファイバで波長１．５５μｍ時のΔν_Ｂは１０〜３０ＭＨｚ付近）
従って、図２では、本発明の特徴である光ＦＭの連続光による測定手法において、光変調器部８の変調周波数（オフセット周波数）ν_Ｓを、ある任意の周波数幅Δν_Ｓの範囲で離調し、その都度プローブ光の強度変化（Ｇ_１〜Ｇｎに関係して）を測定すれば、ブリルアンゲインプロファイルを求めることができることを説明した。
【０１００】
次に、図３を用いてファイバ上の各位置におけるブリルアンゲインプロファイルのピーク値分布からその歪み（図３ではその被測定物理量を便宜上歪みとしたが温度でも同じである）分布を求める原理を説明する。
【０１０１】
同図に示す光ファイバ１２０は、図１に示すセンシング用光ファイバ７に対応する。又、ポンプ光１２１はポンプ光Ｐ_１に対応し、プローブ光１２２はプローブ光Ｐ_６に対応する。
【０１０２】
そして、図３に示す測定結果は、光ファイバ１２０の任意個所（Ｚ_１−Ｚ_２区間）１２３に歪みが発生した時を想定した場合である。
【０１０３】
歪み発生個所１２３でのプローブ光Ｐ_６の光電界Ｅ_ｒ（ｔ，ν_Ｓ）は、次式（１０）のようになり、そのプローブ光の合波・干渉相手であるプローブ光Ｐ_５の光電界Ｅ_ｒ’（ｔ，ν_Ｓ）は、次式（１１）となる。
【０１０４】
そして、これら両光を合波光学手段１４で合波、検出部１７によって受光・干渉して得られる測定信号のＡＣ（ビート）成分Ｉ_ｂ（ｔ）は、次式（１２）となる。
【０１０５】
【数８】

【０１０６】
ここで、Ｅ_ｒｏ、Ｅ’_ｒｏはプローブ光Ｐ_４、プローブ光Ｐ_５の初期電界振幅、ｎはファイバ屈折率、ｃは光速、Ｇ（ν_Ｓ）はプローブ光のオフセット周波数ν_Ｓにおけるブリルアン増幅率、Ｅ^＊はＥの複素共役項である。
【０１０７】
上記式（１２）より、その測定信号のビート周波数成分ｆ_ｂは、その歪み発生個所までの距離ｚ固有の値であり、振幅値はその歪み物理量に関係するＧ（ν_Ｓ）を含んでいる。
【０１０８】
そして、その歪み発生個所１２３におけるブリルアンゲインスペクトラムの強度最大値の周波数からその歪み量を特定することができる。
【０１０９】
しかるに、その操作は、図２で説明したように、光変調器部８のオフセット周波数ν_Ｓをブリルアンシフト周波数ν_Ｂ近傍でΔν_Ｓの範囲で離調し、その都度のＩ_ｂ（ｔ）の振幅値変化を測定する。
【０１１０】
これら操作を踏まえた最終的な測定結果は、図３に示すようにオフセット周波数ν_Ｓごとの測定ビート周波数信号１２４で構成される。そして、距離ごとにビート信号強度の最大値をつなぐと、光ファイバ１２０上の歪み分布１２５が求められる。
【０１１１】
これらの測定の原理に基づく本発明における空間分解能Δｚは、フーリエ変換時におけるサンプリング定理に従い次式（１３）のようになる。
【０１１２】
【数９】

【０１１３】
具体的には、上記式（１３）から光周波数変調（光ＦＭ）幅Δν_ｍ＝１ＧＨｚの時の空間分解能は１０ｃｍとなり、従来技術より空間分解能の性能が３０倍向上する。
【０１１４】
ところで、その光ＦＭ幅１ＧＨｚの実現のためにはＬＤ２の注入電流によるＦＭ発生法では、約１ｍＡの変調幅に相当し、また、外部変調法による発生では、市販レベルにおける高速光変調器で十分である。
【０１１５】
このように上記第１の実施の形態においては、ＬＤ２からの光を周波数変調してポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とに分配し、このうちポンプ光Ｐ_１をセンシング用光ファイバ７の一端から入射し、プローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍まで変調してプローブ光Ｐ_４としてセンシング用光ファイバ７の他端から入射し、これらポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_４とがセンシング用光ファイバ７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、プローブ光Ｐ_４は被測定物理量の情報を受けて被測定光Ｐ_６として伝搬し、この被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５との合波光Ｐ_７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Ｐ_２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。
【０１１６】
本発明の周波数変調光利用と従来技術のパルス光の違いを説明すれば、様々な測定時間領域における光スペクトラム幅の違いである。
【０１１７】
確かに周波数変調光は時間的に周波数が変化しているので、その測定時間全体（時間の積分領域）で見れば、周波数変調している掃引幅（帯域）のスペクトラム広がりがあり、従来技術のパルス幅とそれに伴う周波数スペクトラム幅の拡大と等価である。
【０１１８】
しかしながら、瞬時時間領域（時間の微分領域）においては、本来の単一周波数における線幅である。しかし、パルス光はいずれの時間領域においても常に光スペクトラムが拡散した状態にある。
【０１１９】
ブリルアンスペクトラム測定とは瞬時時間におけるそれぞれの光スペクトラムの周波数積分なので、本発明は、前記理由により瞬時時間領域ではスペクトラム広がりがないためブリルアンスペクトラムの測定精度は劣化しない。
【０１２０】
そして、本発明において空間分解能向上をする時には、周波数変調幅を大きくする必要があるが、それは積分時間領域の話であり、微分（瞬時）時間領域でみれば、従来技術で心配しているような光スペクトラム広がりへの影響はない。
【０１２１】
ゆえに、本発明は、従来技術のパルス方式（ＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤＲ）で課題となっていた空間分解能の向上と被測定物理量（歪みや温度）の測定精度の向上の両立が可能になり、これら基本性能が同時に向上するという効果がある。
【０１２２】
従って、上記第１の実施の形態によれば、ブリルアン散乱現象の位置の空間分解能の向上及び被測定物理量の測定精度を高めることができる。
【０１２３】
光ファイバセンサー等の応用として、（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の全てにおいて、ブリルアン散乱現象の位置の空間分解能の向上及び被測定物理量の測定精度を高めることができる。
【０１２４】
（２）次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。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。
【０１２５】
図４は光ファイバ分布型測定装置の構成図である。
【０１２６】
この光ファイバ分布型測定装置の上記第１の実施の形態との装置構成の違いは、センシング用光ファイバ７の他端が第２光学手段１２に接続されておらず、センシング用光ファイバ７中では上記第１の実施の形態におけるプローブ光Ｐ_４を必要としない点である。
【０１２７】
この第２の実施の形態では、センシング用光ファイバ７の一端だけで測定できるので、そのファイバ敷設方法は、より容易となり、かつその測定対象の適用範囲も広がるという利点をもつ。
【０１２８】
光サーキュレータ６の出力ポート６−２には、センシング用光ファイバ７の一端が接続されている。
【０１２９】
ポンプ光Ｐ_１は、センシング用光ファイバ７の中を伝搬する。この結果、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Ｐ_１０が発生する。この後方散乱光Ｐ_１０は、再び光サーキュレータ６の出力ポート６−２に帰還し、出力ポート６−３から光ファイバ４を伝搬して合波光学手段１４に導かれるものとなっている。
【０１３０】
この合波光学手段１４は、後方散乱光Ｐ_１０と光変調器部８からのプローブ光Ｐ_３とを合波するもので、光合波器１５と波長フィルター１６とからなっている。光合波器１５は、被測定光Ｐ_６とプローブ光Ｐ_５とを合波するものである。この光合波器１５は、例えば光カプラー、ハーフミラー、ビームスプリッター等がの好適である。波長フィルター１６は、光合波器１５からの合波光Ｐ_７のうちν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の光波だけを透過するものである。
【０１３１】
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。
【０１３２】
ＬＤ２は、変調制御装置３によりＦＭ変調される。このＬＤ２から出力されるＦＭ光Ｌは、光ファイバ４の中を伝搬して光分配器５に入射する。
【０１３３】
この光分配器５は、ＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とにそれぞれ分岐する。
【０１３４】
このうちポンプ光Ｐ_１は、光ファイバ４の中を伝搬して光サーキュレータ６に入射する。この光サーキュレータ６では、ポンプ光Ｐ_１は入力ポート６−１から入射して出力ポート６−１から出射する。
【０１３５】
このポンプ光Ｐ_１は、センシング用光ファイバ７の一端から入射し、このセンシング用光ファイバ７の中を伝搬する。
【０１３６】
ポンプ光Ｐ_１がセンシング用光ファイバ７の中を伝搬すると、このポンプ光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Ｐ_１０が発生する。この後方散乱光Ｐ_１０は、再び光サーキュレータ６の出力ポート６−２に帰還し、出力ポート６−３から光ファイバ４を伝搬して合波光学手段１４に導かれる。
【０１３７】
一方のプローブ光Ｐ_２は、光ファイバ４の中を伝搬して光変調器部８に入射する。この光変調器部８は、制御信号源１１により変調信号源１０を外部からコントロールし、この変調信号源１０により光変調器９を駆動する。
【０１３８】
しかるに、光変調器９は、プローブ光Ｐ_２を入射し、このプローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍まで変調し、プローブ光Ｐ_３として出射する。このプローブ光Ｐ_３は、光変調器９の変調周波数ν_ｓによってν（ｔ）±ν_ｓの周波数成分を有する。このプローブ光Ｐ_３は、合波光学手段１４に入射する。
【０１３９】
この合波光学手段１４は、光合波器１５により後方散乱光Ｐ_１０と光変調器部８からのプローブ光Ｐ_３とを合波する。
【０１４０】
この光合波器１５からの合波光は、波長フィルター１６に入射し、この波長フィルター１６によってν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の光波だけが透過する。この波長フィルター１６を透過した合波光Ｐ_１２は、検出部１７に入射する。
【０１４１】
この検出部１７の光検出器１８は、波長フィルターを透過したν（ｔ）−ν_ｓの周波数成分の合波光Ｐ_１２を受光・干渉してその電気信号（ビート信号）に変換する。
【０１４２】
周波数解析装置１９は、光検出器１８からの電気信号（ビート信号）を入力し、この電気信号（ビート信号）を周波数解析して周波数成分を求め、それらの周波数値からセンシング用光ファイバ７上の歪み又は温度の物理量の測定個所を求め、更に、光変調器部８によってプローブ光Ｐ_２のν_ｓを離調操作することで変化するビート信号の強度変化からその被測定物理量の変化を測定する。
【０１４３】
次に、上記図２及び図３を用いて上記第２の実施の形態の測定の原理を説明する。なお、上記第１の実施の形態と測定の原理が同じ点については重複を避ける上でここでの説明は省略する。ここでは、上記第１の実施の形態との測定の原理の上で異なる点について説明する。
【０１４４】
その際、図４で構成されている各装置の測定パラメータが本発明の測定原理にどのように関係しているのかに着目して以下に説明する。
【０１４５】
後方散乱光Ｐ_１０のブリルアン散乱光スペクトラムは、図２（ａ）に示す１０３に相当し、プローブ光Ｐ_３のスペクトラムは、同図（ａ）に示す１０６に相当する。
【０１４６】
そして、これらブリルアン散乱光スペクトラム１０３とプローブ光Ｐ_３のスペクトラム１０６との干渉によって生じる干渉ビートＩ_ｂ（ｔ）のＡＣ成分は、上記式（１２）と若干異なり次式（１４）のようになる。
【０１４７】
【数１０】

【０１４８】
つまり式（１４）は、上記第１の実施の形態における式（１２）で説明した歪み発生位置ｚ固有のビート周波数成分ｆ_ｂの他に、プローブ光のオフセット周波数成分ν_Ｓとブリルアンシフト周波数成分ν_Ｂとの差周波数成分Δｆ_ｒを含む信号となるのが特徴である。
【０１４９】
これは本発明において障害とはならない。何故なら第１及び第２の実施の形態においてこれらの関係は、全体の原理を説明しやすいように、プローブ光のオフセット周波数の初期周波数ν_Ｓ０＝ν_Ｂと前提条件としているが、一般的には、ν_Ｓ０の条件は≒ν_Ｂ近傍であればよく、それは任意に設定できるパラメータである。
【０１５０】
故にΔｆ_ｒは＝｜ν_Ｓ−ν_Ｓ０｜と書き換えることができ、これは測定前の既知パラメータとして演算上で後に補正することが容易である。また、第２の実施の形態における空間分解能は、上記第１の実施の形態と同じく上記式（１３）のように定義できる。
【０１５１】
このように上記第２の実施の形態においては、ＬＤ２からのＦＭ光Ｌをポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２とに分配し、このうちポンプ光Ｐ_１をセンシング用光ファイバ７に入射し、プローブ光Ｐ_２をブリルアン周波数近傍まで変調し、ポンプ光Ｐ_１がセンシング用光ファイバ７中に伝搬したときに自然ブリルアン散乱光が発生し、この自然ブリルアン散乱光に被測定物理量が反映して後方に被測定光Ｐ_１０として伝搬し、この被測定光Ｐ_１０とプローブ光Ｐ_３とを合波し、この合波光Ｐ_１２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Ｐ_３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。
【０１５２】
従って、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、ポンプ光Ｐ_１をセンシング用光ファイバ７の一端のみから入射するので、センシング用光ファイバ７の敷設の自由度が広がり、かつ容易となる。これよりセンシング用光ファイバ７の敷設の制限が多い所、及び他の使用目的で敷設した既存の光ファイバにおいても、本発明の適用範囲が広がるという固有の効果を奏することができる。
【０１５３】
（３）次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、図１及び図４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。
【０１５４】
この第３の実施の形態における変調器部８は、上記第１及び第２の実施の形態と同様に、光変調器９と変調信号源１０と制御信号源１１とから構成されているが、このうちの光変調器９が位相変調器であることに特徴を有している。
【０１５５】
上記第１及び第２の実施の形態における光変調器は、位相変調器の他に強度変調器や周波数シフター等の種類の光変調器を用いることができる。位相変調器以外の変調方法では、プローブ光のオフセット周波数ν_ｓがブリルアンシフト周波数ν_Ｂ付近（前記した条件では１０〜１１ＧＨｚ）の変調信号が必要であった。
【０１５６】
これに対して第３の実施の形態における位相変調器を光変調器９に置き換えた装置および変調方法では、その変調信号の周波数ν_Ｓは、ν_Ｂの整数分の１まで低周波数化することができる。
【０１５７】
これにより、低周波数に基づく光変調器部８の装置構成は容易となり、しいては本発明の装置全体のコスト低減に役立つ。
【０１５８】
図５は第３の実施の形態に基づく装置構成及び変調方法によって得られるブリルアンゲインプロファイル分布の実際の測定結果を示す。
【０１５９】
第３の実施の形態の原理について説明すると、第３の実施の形態に基づく位相変調によるプローブ光の電界を次式（１５）に示す。
【０１６０】
【数１１】

【０１６１】
上記式（１５）からプローブ光の周波数成分は、ν_Ｓを基本周波数とするｎ次（ｎ：整数）の高調波成分で構成される周波数コムであり、その各ｎ次の周波数スペクトラムの強度は、第１種のｎ次のベッセル関数で決まる係数に比例する。
【０１６２】
つまり、位相変調によりν_Ｓの基本周波数を印加するだけで、自動的に２ν_Ｓ、３ν_Ｓ、４ν_Ｓ、…、ｎν_Ｓの周波数成分が１度に生成されることを意味している。
【０１６３】
そしてν_Ｂに近いｎν_Ｓだけがビート信号の中間周波数帯に現れ測定することができる。ｎの値が大きいほど、その基本周波数ν_Ｓは小さくて済む（低周波数化）。
【０１６４】
図５は第３の実施の形態に基づいて実際に測定した結果であり、プローブ光の各基本周波数ν_Ｓの１／ｎのオフセット周波数値におけるブリルアンゲインスペクトラムの比較である。
【０１６５】
１〜４次の高調波成分いずれにおいても、同じ中間周波数帯５００ＭＨｚの値でピークを示すスペクトラムとなっている。そして、その強度値は上記式（１５）で示したそれぞれのベッセル関数の値に比例して変化している。
【０１６６】
これより図５は、プローブ光のオフセット周波数変調に位相変調を用いることで、そのオフセット周波数ν_Ｓの値を小さくできることを実際に示している。
【０１６７】
このように上記第３の実施の形態においては、光変調器９に位相変調器を用いることにより、プローブ光のオフセット周波数変調を位相変調方式にし、その高次高調波の周波数成分を利用することで、オフセット周波数変調を低周波数にすることができ、そのことで装置構成が容易になる。
【０１６８】
これにより、本発明における測定装置全体、又は同技術分野における（ＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤＲ）の測定装置全体においても、低コスト化に貢献できるこという特有の効果がある。
【０１６９】
すなわち、プローブ光に関する離調部分をより低周波数域にすることで、その離調装置構成を容易にして低コスト化を実現できる。
【０１７０】
プローブ光が変調器部８の位相変調器によってブリルアン周波数ν_Ｂ近傍に変調されるが、その時に位相変調器に印加される変調周波数は、そのν_Ｂの１／ｎ（ｎ：整数）であり、その変調周波数可変幅も１／ｎである。
【０１７１】
この結果、その離調周波数帯は、従来の１／ｎの低周波数帯で済むことになる。つまり、本手段の検出部１７で検出される信号の周波数成分は、プローブ光のｎ次高調波成分との相互作用によって発生する信号を用いるものとなる。
【０１７２】
（４）次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、図１及び図４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。
【０１７３】
図６は光変調器部８の構成図であり、図７はその原理図である。この第４の実施の形態は、ポンプ光の光ＦＭ化（波長変化）による影響で、ブリルアンシフト周波数ν_Ｂがそのポンプ光の波長変化に伴い変動し、それによって歪みや温度（被測定物理量）の測定精度が劣化する課題に対し、プローブ光側の光変調器部８で補正することで、その測定精度の向上を図ったものである。
【０１７４】
光変調器９に印加する変調波形は、電圧制御型信号源ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）１０と、そのＶＣＯ１０の発振周波数を外部から電圧制御する外部コントローラ１１と、その外部コントローラ１１と光源部１との同期を取るための同期接続線２０との装置構成によって生成される。
【０１７５】
通常、ＶＣＯ１０は、プローブ光Ｐ_２のオフセット周波数を、外部コントローラ１０のあるＤＣ電圧値により、ブリルアンシフト周波数近傍１０〜１１ＧＨｚ程度まで変化させることができる。
【０１７６】
プローブ光Ｐ_２をＦＭ周期時間Ｔの領域でアクティブな補正変調を行うためには、その外部コントローラ１１にその補正周波数幅に相当する電圧幅δＶ_ｍのＡＣ波形をＤＣ成分に加えることで補正可能である。
【０１７７】
その結果、補正変調信号波形が光変調器９に印加され、プローブ光Ｐ_２は、ＦＭ補正されたプローブ光Ｐ_３として出力される。
【０１７８】
次に、図７を用いてプローブ光Ｐ_２の補正変調によって歪み・温度の測定精度が向上する原理を説明する。
【０１７９】
同図４はＦＭポンプ光２００によって発生するブリルアンシフト周波数変化（点線）２０１と補正される前のＦＭプローブ光の周波数変化（実線）２０２との関係である。
【０１８０】
上記第１及び第２の実施の形態では、そのブリルアンシフト周波数２０１とＦＭプローブ光２０１との関係は時間に依存せず、その周波数差はν_Ｂ一定であると述べているが、厳密に言えば、上記式（２）で示しているブリルアンシフト周波数ν_Ｂの波長依存性（ここでは、ポンプ光の波長λが時間的に変動しているため）によって、プローブ光の周波数ν_０−ν_Ｓに対してδν_Ｂ（ｔ）の変動幅を有する。
【０１８１】
この変動幅が大きいと、ブリルアンゲインスペクトラムの測定精度が悪くなり、最終的には歪み・温度の測定精度が劣化する。この測定精度を向上するためには、その変動幅δνＢ（ｔ）をその変調時間Ｔの領域全てにわたり小さくしなければならず、このことは、ＦＭプローブ光の周波数変化波形２０１とブリルアン周波数変化（点線）２０１とを同じ波形にするのと等価である。
【０１８２】
それに必要な補正変調波形は、上記式（２）の関係から予測し事前に用意することができる。補正変調波形は、図６に示すＶＣＯ１０における変調信号波形である。
【０１８３】
このように上記第４の実施の形態においては、光変調器部８において、プローブ光Ｐ_２の中心周波数を、光源部１からの光の周波数変調に同期させて補正変調する、すなわち変調器信号源１０の周波数値を外部から制御し、その制御方法は光源部１の変調制御装置３と同期して行われ、その制御波形は上記式（２）の波長依存性の影響がでないように、その影響と相殺される周波数変化を変調周期時間内でリアルタイムに補正するので、より一層の被測定物理量の精度向上ができ、これまでその物理量の変動が小さすぎてその分布が測定できなかった測定対象に適用可能という特有の効果を奏することができる。
【０１８４】
すなわち、周波数変調ポンプ光の全ての変調周期時間領域に渡って発生するブリルアンゲインの中心周波数とプローブ光の中心周波数が、相対的に全ての変調周期時間に渡り、同じ周波数差を得ることで、ブリルアンゲインの波長依存性による影響を排除でき、純粋にその被測定物理量の変動分だけに反応した測定結果を得ることができる。この結果、被測定物理量の測定精度の向上が図られる。
【０１８５】
（５）次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、図１及び図４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。
【０１８６】
図８は光増幅器２１を接続した構成図である。この第５の実施の形態は、上記第１及び第２の実施の形態における光分配器５と光サーキュレータ６との間に光増幅器としてエルビウムドープなどの光ファイバアンプ２１を接続したこと特徴としている。
【０１８７】
なお、光ファイバアンプの種類は、そのポンプ光Ｐ_１の波長帯によってその種類が異なり、例えば波長１．５５μｍ帯の例としてエルビウムドープを挙げたが、それは好適な一例に過ぎず他の波長帯のポンプ光Ｐ_１に最適なファイバアンプならばどれでもよい。また、半導体素子による光増幅器でもよい。
【０１８８】
光分配器５からのポンプ光Ｐ_１は、光ファイバアンプ２１によって光増幅され、その増幅されたポンプ光Ｐ_１１は、光サーキュレータ６の入力ポート６−１に入力し、そして出力ポート６−２からセンシング用光ファイバ７へ出力される。
【０１８９】
これにより、増幅される前のポンプ光Ｐ_１に比べ、センシング用光ファイバ７上でより遠方でブリルアン発生に必要な出力が得られ、結果として測定範囲が拡大できる。
【０１９０】
このように第５の実施の形態によれば、ポンプ光Ｐ_１を光ファイバアンプ２１によって光増幅するので、より遠方までその被測定物理量の分布を測定することができるという特有の効果を奏することができる。
【０１９１】
なお、本発明は、上記第１乃至第５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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
【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の位置の空間分解能の向上及び被測定物理量の測定精度を高めることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装置を提供できる。
【０１９４】
又、本発明によれば、センシング用光ファイバの片端のみにポンプ光を入射するので、センシング用光ファイバの敷設の自由度が広がり、かつその敷設が容易となり、ファイバ敷設の制限が多い所及び他の使用目的で敷設した既存の光ファイバにおいても適用範囲を広げることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装置を提供できる。
【０１９５】
又、本発明によれば、プローブ光のオフセット周波数変調を位相変調方式にしたので、高次高調波の周波数成分を利用することで、オフセット周波数変調を低周波数にすることができ、これによって装置構成が容易になり、測定装置全体、又は同技術分野における従来技術のパルス方式（ＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤＲ）の測定装置全体においても低コスト化に貢献できる光ファイバ分布型測定方法及びその装置を提供できる。
【０１９６】
又、本発明によれば、光変調器部において、プローブ光の中心周波数を光源部からの光の周波数変調に同期させて補正変調する、すなわちプローブ光のＦＭをブリルアンシフト周波数変動に合わせて補正するので、ブリルアンゲインの波長依存性による影響を排除でき、純粋にその被測定物理量の変動分だけに反応した測定結果を得ることができ、より一層の被測定物理量の精度向上ができ、これまでその物理量の変動が小さすぎてその分布が測定できなかった測定対象に適用可能とすることができる光ファイバ分布型測定方法及びその装置を提供できる。
【０１９７】
又、本発明によれば、ポンプ光を光増幅するので、より遠方までその被測定物理量の分布を測定することができる光ファイバ分布型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】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第１の実施の形態の測定方法の原理を誘導ブリルアン散乱現象からみた場合の図。
【図３】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第１の実施の形態の測定方法の原理を測定結果からみた場合の図。
【図４】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図５】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第３の実施の形態に基づく装置構成及び変調方法によって得られるブリルアンゲインプロファイル分布の実際の測定結果を示す図。
【図６】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第４の実施の形態における光変調器部の構成図。
【図７】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第４の実施の形態における光変調器部の原理図。
【図８】本発明に係わる光ファイバ分布型測定装置の第５の実施の形態における光増幅器を接続した構成図。
【符号の説明】
１：光源部
２：光源（ＬＤ）
３：変調制御装置
４：光ファイバ
５：光分配器
６：第１の光学手段（光サーキュレータ）
７：センシング用光ファイバ
８：光変調器部
９：光変調器
１０：変調信号源
１１：制御信号源
１２：第２の光学手段
１３：光分配器
１４：合波光学手段
１５：光合波器
１６：波長フィルター
１７：検出部
１８：光検出器
１９：周波数解析装置
２０：同期接続線
２１：光増幅器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber distribution type measuring method and apparatus for measuring a physical quantity to be measured and its position by capturing a change in Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber using the optical fiber as a medium.
[0002]
[Prior art]
Such an optical fiber distribution type measuring method can be applied to an optical fiber sensor or the like for measuring a physical quantity related to a disturbance factor such as distortion or temperature around the optical fiber laid.
[0003]
Examples of this application include (a) maintenance and management of optical communication networks, (b) maintenance and management of large structures such as tunnels and iron bridges, and (c) failure and fatigue of composite materials used in aircraft and the like. It is a self-diagnosis of a defect.
[0004]
Specifically, by embedding an optical fiber in each of the objects (a) to (c), for example, a smart device that adds a function of performing self-diagnosis of a failure such as a failure or fatigue occurring in a material such as a composite material itself is added. It can be used for materials and structures.
[0005]
When the basic performance of such an optical fiber sensor or the like is improved, its application range becomes widespread mainly in the fields (b) and (c).
[0006]
There are several techniques for measuring strain or temperature distribution using an optical fiber as a sensing medium. Among these technologies, there is a method utilizing the Brillouin scattering phenomenon in an optical fiber.
[0007]
This method has a simple configuration and can measure the distribution of each physical quantity at an arbitrary measurement point, as compared with the conventional method of arranging fixed-point sensors in advance.
[0008]
The Brillouin scattering phenomenon is a phenomenon in which when two light waves having different frequencies pass in both directions in an optical fiber, power moves from high-frequency light to low-frequency light via an acoustic wave in the optical fiber. .
[0009]
When the frequency difference between passing light waves is ν, the moving power is approximately the Brillouin gain spectrum g defined by the following equation (1). _B (Ν).
[0010]
(Equation 1)

[0011]
Where ν _B , Δν _B Are parameters called Brillouin shift frequency and Brillouin line width (gain width), respectively. The Brillouin gain spectrum composed of these parameters has a profile that follows a Lorentz function curve as shown by the above equation (1).
[0012]
That is, in order to efficiently generate the Brillouin scattering phenomenon in the optical fiber, the Brillouin frequency shift ν _B And the Brillouin gain line width Δν _B It is necessary to add a frequency difference ν in the frequency range of Brillouin frequency shift ν _B Is the sound velocity v in the optical fiber _a Is given by the following equation (2).
[0013]
(Equation 2)

[0014]
Here, n is the refractive index of the fiber, and λ is the wavelength of light in the optical fiber.
[0015]
Speed of sound v _a Changes depending on the temperature and strain around the optical fiber, the Brillouin frequency shift ν _B Gives the means for detecting the temperature and the strain by the above equation (2).
[0016]
For example, the Brillouin shift frequency ν of a UV (ultraviolet) coated single mode quartz fiber at a wavelength of 1.55 μm _B It is known that the change sensitivity with respect to the temperature and the strain amount is represented by the following equations (3) and (4), respectively.
[0017]
(Equation 3)

[0018]
Therefore, the Brillouin gain spectrum g _B By measuring (v) as a function of position along the optical fiber, the distribution of temperature or strain can be measured.
[0019]
As a technique for measuring the above-mentioned Brillouin gain spectrum, a BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) method is used. In the BOTDA method, a pulse pump light having a variable frequency ν and a continuous wave probe light are respectively incident from both ends of a fiber, and a change in power proportional to the Brillouin gain of the probe light due to the Brillouin scattering phenomenon is measured as a function of time. The temperature and strain distribution are obtained from the change amount.
[0020]
A BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Refractometry) method is used as a technique equivalent to the BOTDA method. In the BOTDR method, only the pump pulse light is incident from the measured fiber, and the Brillouin gain spectrum g of the backscattered light component power due to the natural Brillouin scattering phenomenon. _B (Ν) is measured as a time function (position function on the fiber), and the distribution of temperature and strain is obtained from the amount of change.
[0021]
These BOTDA and BOTDR methods are described in the following document “T. Horiguchi et al. , Journal of Lightwave Technology. Vol. 13 pp. 1296-1302. (1995)].
[0022]
The temperature and the spatial resolution δz at the location where distortion is generated by the BOTDA method and the BOTDR method are given by the following equation (5), where W is the pulse time width of the pump light and v is the light speed in the optical fiber.
[0023]
(Equation 4)

[0024]
Therefore, in order to increase the spatial resolution δz, it is necessary to shorten the light pulse time width W. However, the Brillouin gain spectrum g _B (Ν), especially its maximum frequency, the Brillouin shift frequency ν _B Is measured with high accuracy, the optical pulse time width W is restricted to the range of the following equation (6).
[0025]
As a general numerical example, Brillouin gain width Δν _B = 30 MHz and the speed of light in the optical fiber v = 2 × 10 ⁸ When m / s is used, the spatial resolution δz given by Expression (5) is 3 m.
[0026]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the BOTDA method and the BOTDR method, the spatial resolution is substantially limited to about 1 to 3 m for the above-described reason, and (b) maintenance and management of large structures such as tunnels and iron bridges, and (c) aircraft are used. With respect to application examples cited for self-diagnosis of failures such as failure of composite materials and fatigue, there is a problem that the spatial resolution is insufficient.
[0027]
In the measurement method using the Brillouin scattering phenomenon, two light waves of the pump light and the probe light detuned (frequency shifted) corresponding to the Brillouin shift frequency band represented by the above equation (b) are required. The detuning frequency usually requires a detuning accuracy of 1 MHz or less in a high frequency region of 10 GHz or more, and that portion accounts for most of the cost of the entire apparatus.
[0028]
For this reason, the cost is much higher than that of a normal optical fiber sensor device that handles nonlinear phenomena of optical fibers. This is an application example of the above (a) maintenance and management of optical communication networks, (b) maintenance and management of large structures such as tunnels and iron bridges, and (c) failure and fatigue of composite materials used in aircraft and the like. This is a common problem in all of the self-diagnosis of the failure.
[0029]
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical fiber distribution type measuring method and an apparatus thereof that can improve the spatial resolution of the position of the Brillouin scattering phenomenon and increase the measurement accuracy of the physical quantity to be measured.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical fiber distribution type measuring method for obtaining a spatial distribution of a physical quantity to be measured by capturing a change in a Brillouin scattering phenomenon occurring in an optical fiber for sensing for obtaining a spatial distribution of a physical quantity to be measured. the light A step of distributing the pump light and the probe light, a step of injecting the pump light from one end of the sensing optical fiber, and a step of modulating the probe light to near the Brillouin frequency and entering from the other end of the sensing optical fiber, With pump light Modulated to near Brillouin frequency By induced Brillouin generated when probe light and light propagate through the sensing optical fiber from directions facing each other, Modulated to near Brillouin frequency The probe light receives information on the physical quantity to be measured and propagates as the light to be measured. Modulated to near Brillouin frequency A step of multiplexing the probe light and a location where the physical quantity to be measured is generated from the frequency value of the beat signal in the multiplexed light, and based on a change in the intensity of the beat signal when the detuning width of the probe light is changed. Obtaining a physical quantity to be measured.
[0031]
A second invention is an optical fiber distribution type measuring method for obtaining a spatial distribution of a physical quantity to be measured by capturing a change in a Brillouin scattering phenomenon occurring in a sensing optical fiber for obtaining a spatial distribution of a physical quantity to be measured. the light A step of distributing the pump light to the probe light, a step of injecting the pump light into the sensing optical fiber, a step of modulating the probe light to near the Brillouin frequency, and a step of transmitting the pump light into the sensing optical fiber. Natural Brillouin scattered light is generated, and the measured physical quantity is reflected on the natural Brillouin scattered light and propagates backward as light to be measured. Modulated to near Brillouin frequency A step of multiplexing the probe light and a location where the physical quantity to be measured is generated from the frequency value of the beat signal in the multiplexed light, and based on a change in the intensity of the beat signal when the detuning width of the probe light is changed. Obtaining a physical quantity to be measured.
[0032]
According to a third aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring method according to the first or second aspect of the present invention, the frequency of the probe light is frequency-shifted with respect to the frequency of the pump light by phase modulation, and is generated by the phase modulation. An nth harmonic frequency component (n is an integer) of the basic modulation frequency is used for measuring a physical quantity to be measured.
[0033]
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring method according to the first or second aspect of the present invention, the center frequency of the probe light is corrected and modulated in synchronization with the frequency modulation of the light from the light source, and the Brillouin frequency is adjusted. It is characterized in that the influence of wavelength dependence is reduced.
[0034]
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring method according to the first or second aspect of the present invention, the pump light is amplified and sent to the sensing optical fiber.
[0035]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an optical fiber distribution type measuring apparatus which obtains a spatial distribution of a physical quantity to be measured by capturing a change in a Brillouin scattering phenomenon occurring in an optical fiber for sensing. the light A light source for outputting light, light distribution means for distributing light output from the light source to pump light and probe light, first optical means for entering the pump light from one end of the sensing optical fiber, and probe light Light modulating means for modulating light to near the Brillouin frequency, second optical means for inputting probe light modulated by the light modulating means from the other end of the sensing optical fiber, and pump light. Modulated to near Brillouin frequency Received information on physical quantity to be measured by induced Brillouin generated when probe light propagates through sensing optical fiber from opposite directions Modulated to near Brillouin frequency The probe light is the light to be measured, and the light to be measured is Modulated to near Brillouin frequency When the location of the physical quantity to be measured is identified from the frequency value of the beat signal in the multiplexed light from the multiplexing optical means, and the detuning width of the probe light is changed. And a detecting means for obtaining a physical quantity to be measured based on a change in the intensity of the beat signal.
[0036]
A seventh aspect of the present invention is an optical fiber distribution type measuring apparatus which obtains a spatial distribution of a physical quantity to be measured by capturing a change in a Brillouin scattering phenomenon occurring in an optical fiber for sensing. the light A light source section for outputting light, a light distribution section for distributing light output from the light source section to pump light and probe light, an optical section for entering pump light from one end of a sensing optical fiber, and a Brillouin frequency A light modulating means that modulates the light to the vicinity, and natural Brillouin scattered light that is generated when the pump light propagates through the sensing optical fiber and propagates backward reflecting the measured physical quantity is defined as the measured light. And light modulation means Up to near the Brillouin frequency A multiplexing optical unit that multiplexes the modulated probe light and a beat signal frequency value in the multiplexed light from the multiplexing optical unit to specify a location where a physical quantity to be measured is generated and change the detuning width of the probe light. An optical fiber distribution type measuring apparatus comprising: a detecting unit for obtaining a physical quantity to be measured based on a change in intensity of a beat signal when the optical fiber is distributed.
[0037]
According to an eighth aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the sixth or seventh aspect of the present invention, the light source unit comprises: a light source capable of frequency-modulating the output light; And a modulation controller for performing modulation.
[0038]
A ninth aspect of the present invention is the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the sixth or seventh aspect, wherein the optical modulation means is a phase modulator that frequency-modulates the frequency of the probe light with respect to the frequency of the pump light. There is a feature.
[0039]
According to a tenth aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the sixth or seventh aspect, the optical modulation means corrects the central frequency of the probe light by synchronizing with the frequency modulation of the light from the light source. It has a function to perform.
[0040]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring apparatus of the sixth or seventh aspect of the present invention, the optical modulator includes an optical modulator for modulating the frequency of the probe light, and a modulation for driving the optical modulator. It is characterized by comprising a signal source and a control signal source for controlling the modulation signal source.
[0041]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the eleventh aspect of the present invention, the modulation signal source includes a control signal for correcting the modulation by the optical modulator in synchronization with the frequency modulation of the light source unit. It has a function of transmitting to a source.
[0042]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the sixth or seventh aspect, the multiplexing optical means comprises: an optical multiplexer for multiplexing the measured light and the probe light; And an optical frequency filter that selects and transmits only light having a frequency component unique to Brillouin scattering from the light combined by the device.
[0043]
A fourteenth aspect of the present invention is the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the sixth or seventh aspect of the present invention, wherein the pump light from the light distribution means is provided between the light distribution means and the first optical means. An optical amplification means for amplifying and sending the amplified light to the first optical means is provided.
[0044]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1) Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0045]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical fiber distribution type measuring apparatus. The light source unit 1 has a light source 2, and frequency-modulates (FM) the light from the light source 2 to output the FM light L. The light source unit 1 includes the light source 2 and a modulation control device 3.
[0046]
The light source 2 is capable of frequency modulation, and uses, for example, a semiconductor laser (hereinafter referred to as an LD). Hereinafter, the light source 2 is referred to as LD2. This LD 2 is suitable for an optical fiber distribution type measuring device. The FM light L output from the LD 2 is incident from one end of the optical fiber 4.
[0047]
The modulation control device 3 FM-modulates the LD 2 and includes a driving power supply and a first modulation signal source.
[0048]
An optical distributor 5 is connected to the other end of the optical fiber 4. The light distributor 5 converts the FM light L into the pump light P ₁ And probe light P ₂ And branch into each. The light distributor 5 is preferably, for example, an optical coupler, a beam splitter, a half mirror, or the like. The branch light output side of the optical distributor 5 has a pump light P ₁ And probe light P ₂ And two optical fibers 4 are connected.
[0049]
The first optical means 6 which is an optical circulator is a pump light P ₁ Optical fiber 4 is connected to the other end. The first optical means 6 is provided with a pump light P ₁ From the one end of the optical fiber 7 for sensing. Hereinafter, the first optical unit 6 is referred to as an optical circulator 6. The optical circulator 6 is preferably, for example, an optical coupler, a beam splitter, a half mirror, or the like.
[0050]
The optical circulator 6 has an input port 6-1 and two output ports 6-2 and 6-3. ₁ Optical fiber 4 is connected to the output port 6-2, and a sensing optical fiber 7 is connected to the output port 6-2.
[0051]
The sensing optical fiber 7 is for detecting an actual strain or temperature (a suitable example of the physical quantity to be measured in the present invention).
[0052]
On the other hand, the probe light P from the optical distributor 5 ₂ The other end of the optical fiber 4 is connected to an optical modulator section 8. The optical modulator section 8 includes a probe light P ₂ To the vicinity of the Brillouin frequency. ₂ An optical modulator 9 modulates the frequency of the optical modulator 9, a modulation signal source 10 for driving the optical modulator 9, and a control signal source 11 for controlling the modulation signal source 10 from outside.
[0053]
Among them, the optical modulator 9 is, for example, a Brillouin shift frequency ν of a quartz optical fiber at a wavelength of 1.55 μm. _B A waveguide type modulator using an electric field effect capable of modulating (equivalent to 10 to 11 GHz) is exemplified. The optical modulator 9 may be a modulation element using an acoustic effect or a bulk modulation element based on both effects.
[0054]
The probe light P modulated by the optical modulator 9 ₂ Is the modulation frequency ν of the optical modulator section 9 _s Ν (t) ± ν _s Probe light P having a frequency component of ₃ become.
[0055]
This probe light P ₃ Is the probe light P ₃ And then enters the second optical means 12. This second optical means 12 is provided with a probe light P by an optical distributor 13. ₃ To the probe light P ₄ And probe light P ₅ And branch into each.
[0056]
On the branch output side of the optical distributor 13, the probe light P ₄ Optical fiber 4 and probe light P ₅ And an optical fiber 4 are connected. The probe light P ₄ Optical fiber 4 is connected to the other end of sensing optical fiber 7.
[0057]
Therefore, the pump light P is applied to the sensing optical fiber 7 from one end. ₁ Is incident and propagates in the sensing optical fiber 7, and the probe light P ₄ Is incident and the pump light P ₁ Propagates in the direction opposite to the propagation direction (counter excitation).
[0058]
Thus, the pump light P in the sensing optical fiber 7 is formed. ₁ A part of the power is changed to the probe light P through the SBS phenomenon generated by ₄ Move to This probe light P ₄ From a viewpoint, it behaves as propagating light by Brillouin amplification.
[0059]
Probe light P from output port 6-3 of optical circulator 6 and optical distributor 13 ₅ A multiplexing optical unit 14 is connected between the optical fiber 4 and the optical fiber 4.
[0060]
This multiplexing optical means 14 is provided with a pump light P ₁ And probe light P ₄ Probe light P which receives information on the physical quantity to be measured by induced Brillouin generated when the light propagates through the sensing optical fiber 7 from directions opposite to each other. ₆ Is the measured light, and the measured light P ₆ And probe light P from the optical distributor 13 ₅ And multiplexing.
[0061]
The multiplexing optical means 14 includes an optical multiplexer 15 and a wavelength filter 16. The optical multiplexer 15 outputs the measured light P ₆ And probe light P ₅ And multiplexing. The optical multiplexer 15 is preferably, for example, an optical coupler, a half mirror, a beam splitter, or the like.
[0062]
The wavelength filter 16 outputs the multiplexed light P from the optical multiplexer 15. ₇ Ν (t) -ν _s Only the light wave having the frequency component of
[0063]
The detecting unit 17 outputs the multiplexed light P from the optical multiplexer 15. ₇ The location of the physical quantity to be measured is specified from the frequency value of the beat signal at ₂ A physical quantity to be measured is obtained based on a change in the intensity of the beat signal when the detuning width is changed, and includes a photodetector 18 and a frequency analyzer 19.
[0064]
The light detector 18 outputs the combined light P ₇ Ν (t) −ν transmitted through the wavelength filter _s The lightwave having the frequency component of (1) is received and interfered, and is converted into an electric signal (beat signal).
[0065]
The frequency analyzer 19 receives an electric signal (beat signal) from the photodetector 18, analyzes the frequency of the electric signal (beat signal) to obtain a frequency component, and obtains a frequency component from the frequency value on the sensing optical fiber 7. The measurement point of the physical quantity of the strain or the temperature of the probe light is determined, and the probe light P ₂ Ν _s Has a function of measuring a change in the physical quantity to be measured from a change in the intensity of the beat signal that changes as a result of detuning.
[0066]
The frequency analysis device 19 is an RF spectrum analyzer or the like, and may be an arithmetic device based on a frequency analysis method such as FFT (fast Fourier transform), DFT (discrete Fourier transform), or wavelet transform.
[0067]
Next, the operation of the device configured as described above will be described.
[0068]
The LD 2 is FM-modulated by the modulation control device 3. The FM light L output from the LD 2 propagates through the optical fiber 4 and enters the optical distributor 5.
[0069]
The optical distributor 5 converts the FM light L into the pump light P ₁ And probe light P ₂ And branch to respectively.
[0070]
Pump light P ₁ Propagates through the optical fiber 4 and enters the optical circulator 6. In this optical circulator 6, the pump light P ₁ Are input from the input port 6-1 and output from the output port 6-1.
[0071]
Pump light P ₁ Is incident from one end of the sensing optical fiber 7 and propagates through the sensing optical fiber 7.
[0072]
One probe light P ₂ Propagates through the optical fiber 4 and enters the optical modulator 8. The optical modulator unit 8 externally controls the modulation signal source 10 by the control signal source 11 and drives the optical modulator 9 by the modulation signal source 10.
[0073]
However, the optical modulator 9 outputs the probe light P ₂ And the probe light P ₂ Is modulated to near the Brillouin frequency, and the probe light P ₃ And emitted. This probe light P ₃ Is the modulation frequency ν of the optical modulator 9 _s Ν (t) ± ν _s Has the following frequency components.
[0074]
This probe light P ₃ Is incident on the optical distributor 13, and the probe light P ₄ And probe light P ₅ And each is branched.
[0075]
The probe light P ₄ Is incident from the other end of the sensing optical fiber 7 (the end opposite to the pump light input end), and the pump light P ₁ Propagates in the direction opposite to the propagation direction (counter excitation). The pump light P in the sensing optical fiber 7 depends on the relationship. ₁ A part of the power is changed to the probe light P through the SBS phenomenon generated by ₄ Move to
[0076]
Probe light P ₄ From a viewpoint, it behaves as propagating light by Brillouin amplification. Thus, the probe light P having SBS information ₆ Again enters the output port 6-2 of the optical circulator 6, and from this output port 6-2 to the multiplexing optical means 14 via the output port 6-3.
[0077]
At this time, the probe light P ₆ And the probe light P from the optical distributor 13 ₅ Also enter.
[0078]
The optical multiplexer 15 of the multiplexing optical means 14 outputs the measured light P ₆ And probe light P ₅ And multiplex.
[0079]
The multiplexed light P from the optical multiplexer 15 ₇ Is incident on the wavelength filter 16 and is ν (t) −ν _s Only the light wave of the frequency component of is transmitted. The light wave transmitted through the wavelength filter 16 enters the detection unit 17.
[0080]
The photodetector 18 of the detection unit 17 outputs the combined light P ₇ Ν (t) −ν transmitted through the wavelength filter _s The lightwave of the frequency component is received and interfered and converted into an electric signal (beat signal).
[0081]
The frequency analyzer 19 receives an electric signal (beat signal) from the photodetector 18, analyzes the frequency of the electric signal (beat signal) to obtain a frequency component, and obtains a frequency component from the frequency value on the sensing optical fiber 7. The measurement point of the physical quantity of the strain or the temperature of the probe light is determined, and the probe light P ₂ Ν _s The change in the physical quantity to be measured is measured from the change in the intensity of the beat signal that is changed by the detuning operation.
[0082]
Next, the principle of the measurement method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram when viewed from stimulated Brillouin scattering (hereinafter referred to as SBS) phenomenon, and FIG. 3 is a diagram when viewed from measurement results. FIG. 2A shows the relationship between the pump light spectrum and the Brillouin gain spectrum viewed from the optical frequency domain, and FIG. 2B shows the relationship between the probe light spectrum.
[0083]
In describing the principle of this measurement method, a detailed description of the relationship between the occurrence of Brillouin scattering and the physical quantity to be measured has been described in the preceding section, and is omitted here to avoid duplication.
[0084]
The features of the measuring method of the present invention have been outlined above in the above items. Therefore, the description of the first embodiment with reference to FIGS. 2 and 3 explains how the measurement parameters of each device configured in FIG. 1 relate to the measurement principle of the present invention. .
[0085]
Pump light P propagating in the sensing optical fiber 7 ₁ Are repeatedly changed (modulated) between t = 0 to T (101 to 102) in a cycle T as a pump light spectrum 100 accompanied by the light FM. The frequency component νp (t) of the pump light is given by the following equation (7).
[0086]
(Equation 5)

[0087]
Where ν ₀ Is the initial optical frequency of the pump light, Δν _m Is an optical frequency modulation width (optical FM width).
[0088]
The center frequency ν of the Brillouin gain spectrum 103 generated by the pump light 100 of the above equation (7) _B (T) is given by the following equation (8).
[0089]
(Equation 6)

[0090]
Here, the center frequency ν of the Brillouin gain spectrum 103 _B Is the Brillouin shift frequency inherent in the sensing optical fiber 7 (usually around 10 to 11 GHz at a wavelength of 1.55 μm with a quartz fiber). The Brillouin gain spectrum 103 repeatedly changes (modulates) at a period T from t = 0 to T (104 to 105).
[0091]
On the other hand, the probe light P ₃ Similarly, the probe light spectrum 106 accompanying the light FM repeatedly changes (modulates) at a period T between t = 0 to T (107 to 108).
[0092]
In addition, from the effect of the modulation by the optical modulator section 8, the final probe light P ₃ Frequency ν _S (T) is given by the following equation (9). (Hereinafter ν _S Is referred to as the offset frequency of the probe light)
[0093]
(Equation 7)

[0094]
If the offset frequency ν of the probe light _S Is the Brillouin shift frequency ν _B If Eq. Is equal to, Eq. (8) becomes equal to Eq. (9), and the difference is independent of the modulation time.
[0095]
That is, even if the Brillouin gain spectrum is changed by the light FM, the probe light follows in synchronization with the change. Accordingly, the relative frequency difference between the Brillouin gain spectrum 103 and the probe light 106 is always constant when viewed relatively.
[0096]
Next, referring to FIG. ₄ Offset frequency ν _S The principle of measuring the Brillouin gain spectrum frequency distribution by detuning (frequency variable operation) will be described.
[0097]
Offset frequency component ν described above _S = V _B , The center frequency of the Brillouin spectrum coincides with the center frequency component of the probe light, and the probe light P ₄ Is obtained through the SBS, the Brillouin amplification factor G is the maximum value G _max It is.
[0098]
Then, by detuning the offset frequency value of the probe light, the probe light spectrum 109 is changed along with the Brillouin gain profile 110 so that the Brillouin amplification factor G at each frequency is obtained. ₁ To Gn.
[0099]
The detuning width of the offset frequency at this time is Δν _S Then, usually Δν _S > Δν _B Clarifies the distribution of the Brillouin gain profile. (Δν at a wavelength of 1.55 μm with a normal quartz fiber _B Is around 10-30MHz)
Therefore, in FIG. 2, the modulation frequency (offset frequency) ν of the optical modulator unit 8 is used in the measurement method using continuous light of the light FM, which is a feature of the present invention. _S With an arbitrary frequency width Δν _S And the intensity of the probe light changes each time (G ₁ (In relation to Gn), a Brillouin gain profile can be obtained.
[0100]
Next, the principle of obtaining the distribution of the distortion (in FIG. 3, the measured physical quantity is set to the distortion for convenience, but the temperature is the same) from the peak value distribution of the Brillouin gain profile at each position on the fiber will be described with reference to FIG. I do.
[0101]
The optical fiber 120 shown in the figure corresponds to the sensing optical fiber 7 shown in FIG. The pump light 121 is a pump light P ₁ And the probe light 122 is the probe light P ₆ Corresponding to
[0102]
Then, the measurement result shown in FIG. ₁ -Z ₂ This is a case where it is assumed that distortion occurs in section 123.
[0103]
Probe light P at a distortion generating point 123 ₆ Optical electric field E of _r (T, ν _S ) Is given by the following equation (10), and the probe light P that is a multiplexing / interference partner of the probe light is ₅ Optical electric field E of _r '(T, ν _S ) Is given by the following equation (11).
[0104]
Then, these two lights are multiplexed by the multiplexing optical unit 14, and the AC (beat) component I of the measurement signal obtained by receiving and interfering with the detection unit 17 is obtained. _b (T) is given by the following equation (12).
[0105]
(Equation 8)

[0106]
Where E _ro , E ' _ro Is the probe light P ₄ , Probe light P ₅ , N is the fiber refractive index, c is the speed of light, G (ν _S ) Is the offset frequency ν of the probe light _S Brillouin amplification factor in E ^* Is the complex conjugate term of E.
[0107]
From the above equation (12), the beat frequency component f of the measurement signal is obtained. _b Is a value peculiar to the distance z to the distortion occurrence point, and the amplitude value is G (ν _S ).
[0108]
Then, the amount of distortion can be specified from the frequency of the maximum intensity of the Brillouin gain spectrum at the distortion occurrence point 123.
[0109]
However, the operation is performed by the offset frequency ν of the optical modulator 8 as described with reference to FIG. _S Is the Brillouin shift frequency ν _B Δν near _S Detuning in the range of _b The change in the amplitude value of (t) is measured.
[0110]
The final measurement result based on these operations is the offset frequency ν as shown in FIG. _S It is composed of a measured beat frequency signal 124 for each. Then, when the maximum value of the beat signal strength is connected for each distance, a strain distribution 125 on the optical fiber 120 is obtained.
[0111]
The spatial resolution Δz in the present invention based on these measurement principles is expressed by the following equation (13) according to the sampling theorem at the time of Fourier transform.
[0112]
(Equation 9)

[0113]
Specifically, from the above equation (13), the optical frequency modulation (optical FM) width Δν _m At 1 GHz, the spatial resolution is 10 cm, and the spatial resolution performance is 30 times higher than that of the prior art.
[0114]
By the way, in order to realize the optical FM width of 1 GHz, the FM generation method using the injection current of the LD 2 corresponds to a modulation width of about 1 mA. In the case of the external modulation method, a high-speed optical modulator at a commercial level is sufficient. It is.
[0115]
As described above, in the first embodiment, the light from the LD 2 is frequency-modulated and the pump light P ₁ And probe light P ₂ And the pump light P ₁ From the one end of the sensing optical fiber 7 and the probe light P ₂ Is modulated to near the Brillouin frequency and the probe light P ₄ From the other end of the sensing optical fiber 7, and the pump light P ₁ And probe light P ₄ Brillouin generated when the light propagates through the sensing optical fiber 7 from directions opposite to each other, the probe light P ₄ Is the light to be measured P ₆ And the measured light P ₆ And probe light P ₅ Multiplexed light P with ₇ The location of the physical quantity to be measured is specified from the frequency value of the beat signal at ₂ The physical quantity to be measured is obtained based on the change in the intensity of the beat signal when the detuning width is changed.
[0116]
The difference between the use of the frequency-modulated light of the present invention and the pulse light of the prior art will be described in the light spectrum width in various measurement time regions.
[0117]
Certainly, since the frequency of the frequency-modulated light changes with time, there is a spectrum spread of the frequency-modulated sweep width (band) when viewed over the entire measurement time (integrated area of time). This is equivalent to the pulse width and the resulting increase in the frequency spectrum width.
[0118]
However, in the instantaneous time domain (time differential domain), the line width is the original single frequency. However, the optical spectrum of the pulsed light is always in a diffused state in any time domain.
[0119]
Since the Brillouin spectrum measurement is the frequency integration of each optical spectrum in the instantaneous time, the present invention does not deteriorate the measurement accuracy of the Brillouin spectrum because the spectrum does not spread in the instantaneous time domain for the above-described reason.
[0120]
In order to improve the spatial resolution in the present invention, it is necessary to increase the frequency modulation width. However, this is the story of the integration time domain. There is no effect on the spread of the optical spectrum.
[0121]
Therefore, the present invention makes it possible to achieve both the improvement of the spatial resolution and the improvement of the measurement accuracy of the physical quantity to be measured (distortion and temperature), which have been problems in the pulse method (BOTDA, BOTDR) of the prior art, and these basic performances. Is improved at the same time.
[0122]
Therefore, according to the first embodiment, the spatial resolution of the position of the Brillouin scattering phenomenon can be improved and the measurement accuracy of the physical quantity to be measured can be improved.
[0123]
Examples of applications of optical fiber sensors include (a) maintenance and management of optical communication networks, (b) maintenance and management of large structures such as tunnels and iron bridges, and (c) failure and fatigue of composite materials used in aircraft and the like. In all the self-diagnosiss of the above-mentioned problems, the spatial resolution of the position of the Brillouin scattering phenomenon can be improved and the measurement accuracy of the physical quantity to be measured can be improved.
[0124]
(2) Next, a second embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0125]
FIG. 4 is a configuration diagram of the optical fiber distribution type measuring device.
[0126]
The difference between the optical fiber distribution type measuring apparatus and the first embodiment is that the other end of the sensing optical fiber 7 is not connected to the second optical unit 12 and the sensing optical fiber 7 Now, the probe light P in the first embodiment will be described. ₄ Is not required.
[0127]
In the second embodiment, since measurement can be performed at only one end of the sensing optical fiber 7, there is an advantage that the fiber laying method is easier and the applicable range of the measurement object is widened.
[0128]
One end of a sensing optical fiber 7 is connected to the output port 6-2 of the optical circulator 6.
[0129]
Pump light P ₁ Propagates through the sensing optical fiber 7. As a result, the pump light P ₁ Backscattered light P including natural Brillouin scattered light and Rayleigh scattered light ₁₀ Occurs. This backscattered light P ₁₀ Returns to the output port 6-2 of the optical circulator 6 again, propagates through the optical fiber 4 from the output port 6-3, and is guided to the multiplexing optical means 14.
[0130]
The multiplexing optical means 14 generates the backscattered light P ₁₀ And the probe light P from the optical modulator section 8 ₃ And an optical multiplexer 15 and a wavelength filter 16. The optical multiplexer 15 outputs the measured light P ₆ And probe light P ₅ And multiplexing. The optical multiplexer 15 is preferably, for example, an optical coupler, a half mirror, a beam splitter, or the like. The wavelength filter 16 outputs the multiplexed light P from the optical multiplexer 15. ₇ Ν (t) -ν _s Only the light wave having the frequency component of
[0131]
Next, the operation of the device configured as described above will be described.
[0132]
The LD 2 is FM-modulated by the modulation control device 3. The FM light L output from the LD 2 propagates through the optical fiber 4 and enters the optical distributor 5.
[0133]
The optical distributor 5 converts the FM light L into the pump light P ₁ And probe light P ₂ And branch to respectively.
[0134]
Pump light P ₁ Propagates through the optical fiber 4 and enters the optical circulator 6. In this optical circulator 6, the pump light P ₁ Are input from the input port 6-1 and output from the output port 6-1.
[0135]
This pump light P ₁ Is incident from one end of the sensing optical fiber 7 and propagates through the sensing optical fiber 7.
[0136]
Pump light P ₁ Propagates through the sensing optical fiber 7, the pump light P ₁ Backscattered light P including natural Brillouin scattered light and Rayleigh scattered light ₁₀ Occurs. This backscattered light P ₁₀ Returns to the output port 6-2 of the optical circulator 6 again, propagates through the optical fiber 4 from the output port 6-3, and is guided to the multiplexing optical means 14.
[0137]
One probe light P ₂ Propagates through the optical fiber 4 and enters the optical modulator 8. The optical modulator unit 8 externally controls the modulation signal source 10 by the control signal source 11 and drives the optical modulator 9 by the modulation signal source 10.
[0138]
However, the optical modulator 9 outputs the probe light P ₂ And the probe light P ₂ Is modulated to near the Brillouin frequency, and the probe light P ₃ And emitted. This probe light P ₃ Is the modulation frequency ν of the optical modulator 9 _s Ν (t) ± ν _s Has the following frequency components. This probe light P ₃ Enters the multiplexing optical unit 14.
[0139]
The multiplexing optical means 14 transmits the backscattered light P ₁₀ And the probe light P from the optical modulator section 8 ₃ And multiplex.
[0140]
The multiplexed light from the optical multiplexer 15 is incident on a wavelength filter 16 and is ν (t) −ν _s Only the light wave of the frequency component of is transmitted. The combined light P transmitted through the wavelength filter 16 ₁₂ Enters the detection unit 17.
[0141]
The photodetector 18 of the detection unit 17 is configured to transmit ν (t) −ν _s Multiplexed light P of frequency components ₁₂ Is converted into an electric signal (beat signal) by receiving and interfering with the signal.
[0142]
The frequency analyzer 19 receives an electric signal (beat signal) from the photodetector 18, analyzes the frequency of the electric signal (beat signal) to obtain a frequency component, and obtains a frequency component from the frequency value on the sensing optical fiber 7. The measurement point of the physical quantity of the strain or the temperature of the probe light is determined, and the probe light P ₂ Ν _s The change in the physical quantity to be measured is measured from the change in the intensity of the beat signal that is changed by the detuning operation.
[0143]
Next, the principle of measurement according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the same points of measurement as those in the first embodiment will not be described here to avoid duplication. Here, differences from the first embodiment on the principle of measurement will be described.
[0144]
At this time, the following description will focus on how the measurement parameters of each device configured in FIG. 4 relate to the measurement principle of the present invention.
[0145]
Backscattered light P ₁₀ Of the Brillouin scattered light corresponds to 103 shown in FIG. ₃ Corresponds to 106 shown in FIG.
[0146]
The Brillouin scattered light spectrum 103 and the probe light P ₃ Beat I caused by interference with the spectrum 106 _b The AC component of (t) is slightly different from the above equation (12) and is as shown in the following equation (14).
[0147]
(Equation 10)

[0148]
That is, the equation (14) is equivalent to the beat frequency component f unique to the distortion occurrence position z described in the equation (12) in the first embodiment. _b Besides, the offset frequency component ν of the probe light _S And Brillouin shift frequency component ν _B Difference frequency component Δf _r The characteristic feature is that the signal includes
[0149]
This is not an obstacle in the present invention. Because, in the first and second embodiments, these relations are set so that the initial frequency ν of the offset frequency of the probe light can be easily described so as to easily explain the overall principle. _S0 = V _B Is a precondition, but in general, ν _S0 Is ≒ ν _B Any parameters may be used as long as they are in the vicinity, and these are parameters that can be set arbitrarily.
[0150]
Therefore Δf _r Is = | ν _S −ν _S0 Can be rewritten as |, which can be easily corrected later as a known parameter before measurement. Further, the spatial resolution in the second embodiment can be defined as in the above equation (13), as in the first embodiment.
[0151]
As described above, in the second embodiment, the FM light L from the LD 2 is supplied to the pump light P ₁ And probe light P ₂ And the pump light P ₁ Is incident on the sensing optical fiber 7 and the probe light P ₂ Is modulated to near the Brillouin frequency, and the pump light P ₁ Is propagated through the sensing optical fiber 7, natural Brillouin scattered light is generated, and the measured B is reflected behind the natural Brillouin scattered light. ₁₀ And the measured light P ₁₀ And probe light P ₃ And the multiplexed light P ₁₂ The location of the physical quantity to be measured is specified from the frequency value of the beat signal at ₃ The physical quantity to be measured is obtained based on the change in the intensity of the beat signal when the detuning width is changed.
[0152]
Therefore, it is needless to say that the same effects as those of the first embodiment can be obtained. ₁ Is input from only one end of the sensing optical fiber 7, so that the degree of freedom in laying the sensing optical fiber 7 is widened and facilitated. As a result, the inherent effect that the application range of the present invention is widened can be achieved even in places where there are many restrictions on the laying of the sensing optical fiber 7 and in existing optical fibers laid for other purposes.
[0153]
(3) Next, a third embodiment of the present invention will be described. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0154]
The modulator section 8 in the third embodiment includes an optical modulator 9, a modulation signal source 10, and a control signal source 11, as in the first and second embodiments. The optical modulator 9 is characterized in that it is a phase modulator.
[0155]
As the optical modulator in the first and second embodiments, an optical modulator of a type such as an intensity modulator and a frequency shifter can be used in addition to the phase modulator. In modulation methods other than the phase modulator, the offset frequency ν of the probe light _s Is the Brillouin shift frequency ν _B A modulated signal in the vicinity (10 to 11 GHz under the above-described conditions) was required.
[0156]
On the other hand, in the device and the modulation method in which the phase modulator in the third embodiment is replaced with the optical modulator 9, the frequency ν of the modulated signal _S Is ν _B Can be reduced to an integer fraction of
[0157]
Thereby, the device configuration of the optical modulator unit 8 based on the low frequency becomes easy, which is useful for reducing the cost of the entire device of the present invention.
[0158]
FIG. 5 shows an actual measurement result of a Brillouin gain profile distribution obtained by the device configuration and the modulation method according to the third embodiment.
[0159]
Explaining the principle of the third embodiment, the electric field of the probe light by the phase modulation based on the third embodiment is expressed by the following equation (15).
[0160]
(Equation 11)

[0161]
From the above equation (15), the frequency component of the probe light is ν _S Is a frequency comb composed of n-order (n: an integer) harmonic components having a fundamental frequency, and the intensity of each n-th frequency spectrum is proportional to a coefficient determined by the n-th Bessel function of the first type. I do.
[0162]
That is, ν _S Just apply the fundamental frequency of 2ν _S , 3ν _S , 4ν _S , ..., nν _S Is generated at once.
[0163]
And ν _B Nν close to _S Only appear in the intermediate frequency band of the beat signal and can be measured. The larger the value of n, the more its fundamental frequency ν _S Can be small (low frequency).
[0164]
FIG. 5 shows the result of actual measurement based on the third embodiment, and shows each fundamental frequency ν of the probe light. _S 6 is a comparison of the Brillouin gain spectrum at an offset frequency value of 1 / n of FIG.
[0165]
Each of the first to fourth harmonic components has a spectrum showing a peak at the same value in the intermediate frequency band of 500 MHz. Then, the intensity value changes in proportion to the value of each Bessel function shown in the above equation (15).
[0166]
FIG. 5 shows that the offset frequency ν is obtained by using the phase modulation for the offset frequency modulation of the probe light. _S Shows that the value of can be reduced.
[0167]
As described above, in the third embodiment, by using a phase modulator for the optical modulator 9, the offset frequency modulation of the probe light is performed in the phase modulation system, and the frequency component of the higher harmonic is used. Thus, the offset frequency modulation can be performed at a low frequency, thereby simplifying the device configuration.
[0168]
Thereby, there is a specific effect that it is possible to contribute to cost reduction in the entire measuring device in the present invention or in the entire measuring device of (BOTDA, BOTDR) in the technical field.
[0169]
That is, by setting the detuning portion for the probe light to a lower frequency range, the detuning device configuration can be simplified and the cost can be reduced.
[0170]
The probe light is converted by the phase modulator of the modulator section 8 into the Brillouin frequency _B The modulation frequency applied to the phase modulator at that time is ν _B (N: an integer), and the modulation frequency variable width is also 1 / n.
[0171]
As a result, the detuning frequency band may be a low frequency band of 1 / n of the conventional frequency band. That is, the frequency component of the signal detected by the detection unit 17 of the present means uses the signal generated by the interaction with the n-th harmonic component of the probe light.
[0172]
(4) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0173]
FIG. 6 is a configuration diagram of the optical modulator unit 8, and FIG. 7 is a principle diagram thereof. In the fourth embodiment, the Brillouin shift frequency ν _B Is corrected by the optical modulator section 8 on the probe light side to correct the problem that the measurement accuracy of the distortion and the temperature (physical quantity to be measured) is deteriorated due to the fluctuation due to the wavelength change of the pump light. It is intended to improve the quality.
[0174]
The modulation waveform applied to the optical modulator 9 includes a voltage control type signal source VCO (Voltage Control Oscillation) 10, an external controller 11 for externally voltage controlling the oscillation frequency of the VCO 10, the external controller 11 and the light source unit 1. Is generated by the device configuration with the synchronization connection line 20 for synchronizing.
[0175]
Usually, the VCO 10 has the probe light P ₂ Can be changed to about 10 to 11 GHz near the Brillouin shift frequency by a certain DC voltage value of the external controller 10.
[0176]
Probe light P ₂ In order to perform active correction modulation in the region of the FM cycle time T, the external controller 11 needs to supply a voltage width δV corresponding to the correction frequency width. _m Can be corrected by adding the AC waveform to the DC component.
[0177]
As a result, the corrected modulation signal waveform is applied to the optical modulator 9, and the probe light P ₂ Is the FM-corrected probe light P ₃ Is output as
[0178]
Next, referring to FIG. ₂ The principle of improving the distortion / temperature measurement accuracy by the above-described correction modulation will be described.
[0179]
FIG. 4 shows a relationship between a Brillouin shift frequency change (dotted line) 201 generated by the FM pump light 200 and a frequency change (solid line) 202 of the FM probe light before being corrected.
[0180]
In the first and second embodiments, the relationship between the Brillouin shift frequency 201 and the FM probe light 201 does not depend on time, and the frequency difference is ν _B Although it is stated that it is constant, strictly speaking, the Brillouin shift frequency ν shown in the above equation (2) _B (In this case, because the wavelength λ of the pump light fluctuates with time), the frequency ν of the probe light ₀ −ν _S For δν _B (T).
[0181]
If the fluctuation width is large, the measurement accuracy of the Brillouin gain spectrum is deteriorated, and finally, the measurement accuracy of strain / temperature is deteriorated. In order to improve the measurement accuracy, the variation width δνB (t) must be reduced over the entire area of the modulation time T, which means that the frequency change waveform 201 of the FM probe light and the Brillouin frequency change ( (Dotted line) 201 is equivalent to the same waveform.
[0182]
The correction modulation waveform required for this can be predicted from the relationship of the above equation (2) and prepared in advance. The corrected modulation waveform is a modulation signal waveform in the VCO 10 shown in FIG.
[0183]
As described above, in the fourth embodiment, the probe light P ₂ Is corrected and synchronized in synchronization with the frequency modulation of the light from the light source unit 1, that is, the frequency value of the modulator signal source 10 is externally controlled. Synchronously performed, the control waveform corrects in real time within the modulation cycle time a frequency change that is offset by the influence of the wavelength dependence of the above equation (2) so as to eliminate the influence. The accuracy of the measured physical quantity can be improved, and a unique effect that the physical quantity can be applied to a measurement object whose distribution could not be measured because the variation of the physical quantity was too small can be obtained.
[0184]
In other words, the center frequency of the Brillouin gain and the center frequency of the probe light generated over all the modulation cycle time regions of the frequency modulation pump light, relatively over the entire modulation cycle time, to obtain the same frequency difference, The effect of the wavelength dependence of the Brillouin gain can be eliminated, and a measurement result purely responding only to the variation of the physical quantity to be measured can be obtained. As a result, the measurement accuracy of the physical quantity to be measured is improved.
[0185]
(5) Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0186]
FIG. 8 is a configuration diagram in which the optical amplifier 21 is connected. The fifth embodiment is characterized in that an optical fiber amplifier 21 such as erbium-doped as an optical amplifier is connected between the optical distributor 5 and the optical circulator 6 in the first and second embodiments. .
[0187]
The type of the optical fiber amplifier is the pump light P ₁ Erbium doping is mentioned as an example of the 1.55 μm wavelength band, but this is only a preferred example and the pump light P of another wavelength band is preferred. ₁ Any fiber amplifier that is most suitable for the system may be used. Further, an optical amplifier using a semiconductor element may be used.
[0188]
Pump light P from optical distributor 5 ₁ Is optically amplified by the optical fiber amplifier 21 and the amplified pump light P ₁₁ Are input to the input port 6-1 of the optical circulator 6 and output from the output port 6-2 to the sensing optical fiber 7.
[0189]
As a result, the pump light P before being amplified is ₁ As compared with the above, an output required for Brillouin generation can be obtained at a greater distance on the sensing optical fiber 7, and as a result, the measurement range can be expanded.
[0190]
As described above, according to the fifth embodiment, the pump light P ₁ Is optically amplified by the optical fiber amplifier 21, so that it is possible to obtain a unique effect that the distribution of the physical quantity to be measured can be measured farther.
[0191]
The present invention is not limited to the above-described first to fifth embodiments, and can be variously modified in an implementation stage without departing from the gist of the invention.
[0192]
Furthermore, the above-described embodiment includes various stages of the invention, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some components are deleted from all the components shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the problem described in the column of the effect of the invention can be solved. In the case where such an effect is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
[0193]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an optical fiber distribution type measurement method and apparatus capable of improving the spatial resolution of the position of the Brillouin scattering phenomenon and increasing the measurement accuracy of the physical quantity to be measured.
[0194]
Further, according to the present invention, since the pump light is incident only on one end of the sensing optical fiber, the degree of freedom in laying the sensing optical fiber is widened, and the laying is facilitated, and there are many places where fiber laying is limited. It is possible to provide an optical fiber distribution type measurement method and an apparatus thereof that can be applied to an existing optical fiber laid for another use purpose.
[0195]
Further, according to the present invention, since the offset frequency modulation of the probe light is performed by the phase modulation method, the offset frequency modulation can be reduced to a low frequency by using the frequency components of the higher harmonics. It is possible to provide an optical fiber distribution type measuring method and an apparatus that can be configured easily and contribute to cost reduction even in the entire measuring device or the entire conventional pulse type (BOTDA, BOTDR) measuring device in the technical field.
[0196]
Further, according to the present invention, in the optical modulator, the center frequency of the probe light is corrected and modulated in synchronization with the frequency modulation of the light from the light source, that is, the FM of the probe light is corrected in accordance with the Brillouin shift frequency fluctuation. Therefore, the effect of the wavelength dependence of Brillouin gain can be eliminated, a measurement result can be obtained purely in response to the fluctuation of the physical quantity to be measured, and the accuracy of the physical quantity to be measured can be further improved. It is possible to provide an optical fiber distribution type measurement method and an apparatus thereof that can be applied to a measurement object whose distribution cannot be measured because the fluctuation of the physical quantity is too small.
[0197]
Further, according to the present invention, since the pump light is optically amplified, it is possible to provide an optical fiber distribution type measuring method and apparatus capable of measuring the distribution of the physical quantity to be measured farther away.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of an optical fiber distribution type measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram when the principle of the measuring method according to the first embodiment of the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the present invention is viewed from stimulated Brillouin scattering.
FIG. 3 is a diagram when the principle of the measuring method according to the first embodiment of the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the present invention is viewed from the measurement results.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a second embodiment of the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an actual measurement result of a Brillouin gain profile distribution obtained by a device configuration and a modulation method of an optical fiber distribution type measuring device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of an optical modulator unit according to a fourth embodiment of the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a principle diagram of an optical modulator section in a fourth embodiment of the optical fiber distribution type measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of an optical fiber distribution type measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention, in which an optical amplifier is connected.
[Explanation of symbols]
1: Light source
2: Light source (LD)
3: Modulation control device
4: Optical fiber
5: Optical distributor
6: First optical means (optical circulator)
7: Optical fiber for sensing
8: Optical modulator section
9: Optical modulator
10: Modulation signal source
11: Control signal source
12: Second optical means
13: Optical distributor
14: combining optical means
15: Optical multiplexer
16: wavelength filter
17: Detector
18: Photodetector
19: Frequency analysis device
20: Synchronous connection line
21: Optical amplifier

Claims (14)

In the optical fiber distribution type measuring method of obtaining the spatial distribution of the physical quantity to be measured by capturing the change in the Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber for sensing to obtain the spatial distribution of the physical quantity to be measured,
Distributing the light from the light source to the pump light and the probe light,
A step of injecting the pump light from one end of the sensing optical fiber,
A step of modulating the probe light to near the Brillouin frequency and entering from the other end of the sensing optical fiber,
The probe light modulated to the vicinity of the Brillouin frequency by induced Brillouin generated when the pump light and the probe light modulated to the vicinity of the Brillouin frequency propagate in the sensing optical fiber from directions facing each other, Receiving the information of the physical quantity to be measured, propagating as the light to be measured, and multiplexing the light to be measured and the probe light modulated to near the Brillouin frequency ,
A step of identifying the location of the physical quantity to be measured from the frequency value of the beat signal in the multiplexed light, and obtaining the physical quantity to be measured based on a change in the intensity of the beat signal when the detuning width of the probe light is changed. When,
An optical fiber distribution type measuring method, characterized by comprising: In the optical fiber distribution type measuring method of obtaining the spatial distribution of the physical quantity to be measured by capturing the change in the Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber for sensing to obtain the spatial distribution of the physical quantity to be measured,
Distributing the light from the light source to the pump light and the probe light,
A step of injecting the pump light into the sensing optical fiber,
Modulating the probe light to near the Brillouin frequency,
When the pump light propagates through the sensing optical fiber, natural Brillouin scattered light is generated. And multiplexing the probe light modulated to near the Brillouin frequency ,
A step of identifying the location of the physical quantity to be measured from the frequency value of the beat signal in the multiplexed light, and obtaining the physical quantity to be measured based on a change in the intensity of the beat signal when the detuning width of the probe light is changed. When,
An optical fiber distribution type measuring method, characterized by comprising: The frequency of the probe light is frequency-shifted with respect to the frequency of the pump light by phase modulation, and an nth harmonic frequency component (n is an integer) of a fundamental modulation frequency generated by the phase modulation is used for measuring a physical quantity to be measured. 3. The optical fiber distribution type measuring method according to claim 1, wherein: The optical fiber distribution according to claim 1, wherein the center frequency of the probe light is corrected and modulated in synchronization with frequency modulation of light from the light source to reduce the influence of the Brillouin frequency on wavelength. Mold measurement method. The optical fiber distribution type measuring method according to claim 1, wherein the pump light is optically amplified and sent to the sensing optical fiber. In an optical fiber distribution type measuring device that obtains the spatial distribution of the physical quantity to be measured by capturing the change in the Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber for sensing,
A light source section for outputting light from the light source,
Light distribution means for distributing the light output from the light source unit to pump light and probe light,
First optical means for inputting the pump light from one end of the sensing optical fiber,
Light modulation means for modulating the probe light to near the Brillouin frequency,
A second optical means for entering the probe light modulated by the light modulating means from the other end of the sensing optical fiber;
The Brillouin frequency near that received information of the measured physical quantity by stimulated Brillouin caused when said pump light and said Brillouin frequency near said probe light modulated to have propagated from opposite directions to each other in the sensing optical fiber The probe light modulated up to the measured light, the multiplexing optical means for multiplexing the measured light and the probe light modulated to near the Brillouin frequency from the second optical means,
From the frequency value of the beat signal in the multiplexed light from the multiplexing optical unit, the location where the measured physical quantity is generated is specified, and based on the intensity change of the beat signal when the detuning width of the probe light is changed. Detecting means for obtaining a physical quantity to be measured;
An optical fiber distribution type measuring apparatus, comprising: In an optical fiber distribution type measuring device that obtains the spatial distribution of the physical quantity to be measured by capturing the change in the Brillouin scattering phenomenon occurring in the optical fiber for sensing,
A light source section for outputting light from the light source,
Light distribution means for distributing the light output from the light source unit to pump light and probe light,
Optical means for entering the pump light from one end of the sensing optical fiber,
Light modulation means for modulating the probe light to near the Brillouin frequency,
The natural Brillouin scattered light that is generated when the pump light propagates through the sensing optical fiber and propagates backward reflecting the physical quantity to be measured is defined as the light to be measured. Multiplexing optical means for multiplexing the probe light modulated to near the Brillouin frequency ,
From the frequency value of the beat signal in the multiplexed light from the multiplexing optical unit, the location where the measured physical quantity is generated is specified, and based on the intensity change of the beat signal when the detuning width of the probe light is changed. Detecting means for obtaining a physical quantity to be measured;
An optical fiber distribution type measuring apparatus, comprising: The light source unit is a light source capable of frequency modulation of light to be output,
A modulation control unit for frequency-modulating the light source at a predetermined time period;
The optical fiber distribution type measuring apparatus according to claim 6, comprising: 8. The optical fiber distribution type measuring apparatus according to claim 6, wherein the light modulating means is a phase modulator that frequency-modulates the frequency of the probe light with respect to the frequency of the pump light. 8. The optical fiber distribution type measuring apparatus according to claim 6, wherein the light modulating means has a function of correcting and modulating a center frequency of the probe light in synchronization with a frequency modulation of light from the light source. . The optical modulator, an optical modulator that modulates the frequency of the probe light,
A modulation signal source for driving the optical modulator;
A control signal source for controlling the modulation signal source;
The optical fiber distribution type measuring apparatus according to claim 6, comprising: 12. The modulation signal source according to claim 11, wherein the modulation signal source has a function of transmitting, to the modulation signal source, a control signal for correcting modulation by the optical modulator in synchronization with frequency modulation of the light source unit. Optical fiber distribution type measuring device. The multiplexing optical unit, an optical multiplexer that multiplexes the measured light and the probe light,
An optical frequency filter that selects and transmits only light having a frequency component unique to Brillouin scattering from the light combined by the optical combiner,
The optical fiber distribution type measuring apparatus according to claim 6, comprising: An optical amplifier provided between the light distribution means and the first optical means, and optically amplifying the pump light from the light distribution means and sending the pump light to the first optical means. The optical fiber distribution type measuring apparatus according to claim 6 or 7, wherein

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