JP4758227B2 - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能でより高速に測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。

従来、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において光ファイバは、当該光ファイバの置かれる環境における歪み及び／又は温度を検出する媒体として利用される。

ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ中で周波数の異なる２個の光がすれ違うとき、高い周波数の光から低い周波数の光へ、光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象である。すれ違う２光波間の周波数差をνdとするとき、移動するパワーは、近似的に式１で定義されるブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）に比例する。
ＢＳg（νd）＝１／（１＋（２（νd−νb）／△νb）^２） ・・・（式１）
ここで、νbは、ブリルアン周波数シフトであり、△νbは、ブリルアンゲイン線幅（半値全幅）と呼ばれ、これらはブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）を特徴づけるパラメータである。

ブリルアン周波数シフトνbは、式２で与えられる。
νb＝２ｎｖa／λ ・・・（式２）
ここで、ｎは、光ファイバの屈折率であり、ｖaは、光ファイバ中の音速であり、λは、光ファイバに入射する光の波長である。

音速ｖaが光ファイバの歪み及び温度に依存するので、ブリルアン周波数シフトνbを測定することによって歪み及び／又は温度が測定され得る。従って、光ファイバの長尺方向における光ファイバの歪み分布及び／又は温度分布を測定するためには、光ファイバの各部分におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ測定すればよい。そして、高空間分解能を達成するためには、この部分の長さを短くする必要がある。

図２０は、背景技術に係る分布型光ファイバセンサの構成及びプローブ光を示す図である。図２０（Ａ）は、背景技術に係る分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図であり、図２０（Ｂ）は、プローブ光を示す図である。

図２０（Ａ）において、背景技術に係る分布型光ファイバセンサ５００は、プローブ光光源５０１と、光カプラ５０２と、検出用光ファイバ５０３と、ポンプ光光源５０４と、検出器５０５とを備えて構成される。

プローブ光光源５０１は、図２０（Ｂ）に示すパルス状の光パルスを生成し、この生成した光パルスをプローブ光として射出する。プローブ光光源５０１から射出されたプローブ光は、光カプラ５０２を介して検出用光ファイバ５０３の一方端に入射される。検出用光ファイバ５０３は、置かれた環境における歪み及び／又は温度を検出するための光ファイバであり、センサとして用いられている。ポンプ光光源５０４は、プローブ光の周波数よりも低い周波数の連続した光を生成し、この生成した連続光（ＣＷ光）をポンプ光として射出する。ポンプ光光源５０４から射出されたポンプ光は、検出用光ファイバ５０３の他方端に入射される。検出用光ファイバ５０３では、プローブ光とポンプ光とがブリルアン散乱現象を起し、このブリルアン散乱現象に係る光は、光カプラ５０２を介して検出器５０５に入射される。検出器５０５は、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を時間領域で測定する。分布型光ファイバセンサ５００は、ポンプ光又はプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数ごとにブリルアン散乱現象に係る光の光強度を時間領域で測定し、検出用光ファイバ５０３の長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）をそれぞれ求め、検出用光ファイバ５０３に沿った歪み分布及び／又は温度分布を求める。このような分布型光ファイバセンサは、例えば、特許文献１に開示されている。

なお、上述では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）から歪み及び／又は温度を求める方法を示したが、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることにより、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）の代わりにブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）を用いても同様に歪み及び／又は温度を求めることができる。以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）又はブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）を「ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）」と略記する。
特開２０００−０７４６９７号公報

ところで、背景技術に係る分布型光ファイバセンサでは、ブリルアン周波数シフトνbを求めるために、ポンプ光又はプローブ光の周波数を所定周波数範囲で順次に変化させながら周波数ごとにブリルアン散乱現象に係る光の光強度を時間領域で測定する必要がある。そのため、測定に時間がかかるという不都合があった。また、或る周波数の測定において、１回の測定で得られる光強度が小さいことから多数回の測定を行ってその平均を求めることによってこの或る周波数における光強度を求める必要があり、そして、その多数回における個々の測定において光の周波数を安定化させる制御を行っているため、さらに測定に時間がかかるという不都合があった。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能でより高速に測定し得る分布型光ファイバセンサを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る、当該光パルスにおける時間的な内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを生成する階段状光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記光パルスがプローブ光として入射されると共に前記連続光がポンプ光として入射され、前記プローブ光と前記ポンプ光との間でブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えた、ブリルアン散乱現象を利用して歪み及び／又は温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、前記連続光光源を第１周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させる第１制御部と、前記第１制御部で前記連続光光源を前記第１周波数間隔で掃引した際に前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たした場合に、前記所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲において前記連続光光源を前記第１周波数間隔より小さい第２周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させる第２制御部とをさらに備え、前記所定条件は、ブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定閾値以下になることであり、ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて検出用光ファイバに生じた歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が前記所定閾値以上になることであることを特徴とする。

そして、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記光パルス及び前記連続光は、周波数可変半導体レーザより射出されるレーザ光に基づく光であり、前記第１制御部は、前記周波数可変半導体レーザの駆動電流を変化させることによって、前記連続光光源を前記第１周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させ、前記第２制御部は、前記周波数可変半導体レーザの駆動電流を変化させることによって、前記連続光光源を前記第２周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させることを特徴とする。

また、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射し、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定することを特徴とする。

さらに、それら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記検出用光ファイバは、伝播する前記ポンプ光をその他方端で反射し、前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定することを特徴とする。

そして、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバから射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づく前記検出用光ファイバの長尺方向の１ｍ以下の各領域部分におけるブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルが実質的にローレンツ曲線であることを特徴とする。

また、これら上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記検出用光ファイバは、歪み及び／又は温度を測定すべき計測対象物に固定されることを特徴とする。

このような構成の分布型光ファイバセンサは、プローブ光として内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを用いるので、光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能で測定することができる。また、第１制御部が連続光を第１周波数間隔で掃引しながら検出用光ファイバに入射させ、第２制御部が第１制御部で連続光を第１周波数間隔で掃引した際に検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の強度が所定条件を満たした場合に、所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲において連続光を第１周波数間隔より小さい第２周波数間隔で掃引しながら検出用光ファイバに入射させるので、光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度をより高速に測定することができる。

まず、プローブ光として内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを用いる理由について説明する。

図２１は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。図２１の横軸は、周波数であり、その縦軸は、ロス／ゲインである。図２２は、漏れ光の光パルスを示す図である。

背景技術で説明した分布型光ファイバセンサ５００の空間分解能は、測定に用いられる光パルスの幅で制限される。即ち、光ファイバ中の光の速度をｖｇ［ｍ／ｓ］とした場合に、光パルス幅がＴp［ｓ］の光パルスを用いた測定では、空間分解能△ｚは、ｖｇＴp／２［ｍ］となる。

具体的には、光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが通常使用される一般的な光ファイバでは、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、光パルスの光パルス幅が３０ｎｓまではローレンツ曲線（Lorentzain curve）（図２１に示す曲線ａ）であり、それよりも光パルス幅を短くすると広帯域な曲線（図２１に示す曲線ｂ）となって中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、空間分解能△ｚは、約２〜３ｍとなる。空間分解能を向上させるためには短い光パルス幅の光パルスを必要とするが、この場合光パルスの持つスペクトル幅が広がるため、結果的に歪みの測定精度が悪くなってしまう。そのため、高精度（例えば２００με以下）で高空間分解（例えば１ｍ以下）に歪み及び／又は温度の分布を測定することは、困難とされ、高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度の分布を測定することが要望されていた。なお、１００με＝０．０１％である。

そのため、例えば、下記文献１乃至文献３に開示されているように、プローブ光光源５０１が図２２に示すように、微弱な光強度Ｃs^２の連続光（漏れ光）を検出用光ファイバ５０３に入射しながら所定光強度Ａs^２の光パルスを入射することによって、図２１において曲線ａで示すように、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）が中心周波数を明らかに認識することができる略中心周波数で急峻なピークを持つ略ローレンツ曲線となるので、高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度を測定することができることが知られている。

ここで、ローレンツ曲線は、ローレンツ関数ｇ（ｘ）の式３で一般に表される。
ｇ（ｘ）＝１／πａ／（ａ^２＋（ｘ−ａ）^２） ・・・（式３）
文献１；X.Bao and A.Brown,M. DeMerchant,J.Smith,"Characterization of the Brillouin-loss spectrum of single-mode fibers by use of very short(<10-ns)pulses",OPTICS LETTERS,Vol.24,No.8,April 15,1999
文献２；V.Lecoeuche,D.J.Webb,C.N.Pannell,and D.A.Jackson,"Transient response in high-resolution Brillouin-based distributed sensing using probe pulses shorter than the acoustic relaxation time",OPTICS LETTERS,Vol.25,No.3,February 1,2000
文献３；Shahraam Afshar V.,Graham A.Ferrier,Xiaoyi Bao,and Liang Chen,"Effect of the finite extinction ratio of an electro-optic modulator on the performance of distributed probe-pump Brillouin sensor systems",OPTICS LETTERS,Vol.28,No.16,August 15,2003

ここで、漏れ光の光強度Ｃs^２の設定は、検出用光ファイバの長さに依存するため、測定のたびに検出用光ファイバのファイバ長に合わせてマニュアルで微妙な調整を行う必要があった。このため、分布型光ファイバセンサを工業製品とした場合に、ユーザがこの難しいマニュアル調整を行う必要があり、このことが分布型光ファイバセンサを工業製品化する妨げとなっていた。そして、文献２では、その筆者らは、シミュレーションを行うことにより文献１の現象を確認しているが理論解析的には明らかにしていない。文献２では、微弱な光強度の連続光（漏れ光）を検出用光ファイバに入射しながら所定光強度の光パルスを入射することによって高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度を測定することができるその要因が明らかではなかった。このため、高精度で高空間分解に歪み及び／又は温度を測定するために、微弱な光強度の連続光と所定光強度の光パルスとにおける物理的な諸量をどのように調整すれば良いかが明らかではなかった。

そこで、本発明者らは、研究を積み重ねた結果、かかる現象を理論解析的に明らかにし、この理論解析結果に基づいて、検出用光ファイバのファイバ長に合わせて漏れ光の光強度のマニュアル調整が不要な分布型光ファイバセンサを得るに至った。以下、光強度階段状光パルスをプローブ光として用いた場合におけるブリルアン散乱現象の理論解析について図１乃至図３を用いて説明し、そして、光強度階段状光パルスの波形について図４及び図５を用いて説明する。

図１は、ブリルアン散乱現象の理論解析を説明するための図である。図１（Ａ）は、ブリルアン散乱現象の理論解析における測定系を示し、図１（Ｂ）は、ポンプ光を示し、そして、図１（Ｃ）は、プローブ光を示す。図２は、論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その１）である。図３は、論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その２）である。図４は、光強度階段状光パルスの波形を示す図である。図５は、論理解析に基づく比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）のシミュレーションを示す図である。

図１において、本理論解析は、光強度ＡL^２である連続光（ＣＷ）のポンプ光が検出用光ファイバＳＯＦの一方端から入射され、時間幅Ｔfで光強度Ｃs^２である光パルス前方光ＯＰfとパルス幅Ｄで光強度（Ａs＋Ｃs）^２である光パルスＯＰとからなる光強度階段状光パルスＯＰsがプローブ光として検出用光ファイバＳＯＦの他方端から入射される場合におけるブリルアン・ロス・スペクトルを導出するものである。光強度Ａs^２は、光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｃs^２を基準とした光強度である。

ここで、本明細書では、この光強度階段状光パルスＯＰsの光パルスＯＰにおける前方に所定時間幅Ｔfで残された連続的な漏れ光を光パルス前方光ＯＰfと呼称し、光強度階段状光パルスＯＰsの光パルスＯＰにおける後方に所定時間幅Ｔbで残された連続的な漏れ光（図４参照）を光パルス後方光ＯＰbと呼称することとする。

本理論解析において、検出用光ファイバＳＯＦの長さをＬとし、検出用光ファイバＳＯＦの長尺方向における位置座標をｚ（０≦ｚ≦Ｌ、原点は、検出用光ファイバＳＯＦの一方端とする）とし、そして、時間座標をｔとすると、検出用光ファイバに歪みがある場合のブリルアン散乱の方程式は、式４乃至式６によって表される。

ここで、ｖgは検出用光ファイバＳＯＦ中における光の群速度（ｖg＝ｃ／ｎ、ｃは光速であり、ｎは検出用光ファイバＳＯＦの屈折率である）であり、Ｅ_Ｌはポンプ光の電界強度であり、Ｅ_Ｓはストークス光の電界強度であり、Ｅ_ＡはΓ×ρ／Λである。＊は共役であることを示す。ΓはΓ_Ｂ／２であり、ρは検出用光ファイバの密度であり、Λは（γ×ｑ×ｑ）／（１６×π×Ω）である。Γ_Ｂは、音響フォノンの寿命をτ_ＢとするとΓ_Ｂ＝１／τ_Ｂであり、γは電歪結合定数（Electrostrietive Coupling Constant）と呼ばれ誘電率をεとするとγ＝ρ（δε／δρ）であり、ｑはポンプ光の波数をｋ_Ｌとしストークス光の波数をｋ_Ｓとするとｑ＝ｋ_Ｌ＋ｋ_Ｓであり、Ωは歪みが発生しない場合のブリルアン角周波数シフトであり、ポンプ光の角周波数をω_Ｌとしストークス光の角周波数をω_ＳとするとΩ＝ω_Ｌ−ω_Ｓであり、Ω_Ｂは或る歪みが生じている場合のブリルアン角周波数シフトであり、ポンプ光の角周波数をω_ＢＬとしストークス光の角周波数をω_ＢＳとするとΩ_Ｂ＝ω_ＢＬ−ω_ＢＳである。ｉは複素単位であり、ｉ×ｉ＝−１である。βはκ×Λ／Γであり、κは（γ×ω_Ｌ）／（４×ρ_０×ｎ×ｃ）≒（γ×ω_Ｓ）／（４×ρ_０×ｎ×ｃ）である。ρ_０は、検出用光ファイバの密度の平均値である。また、βは、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の利得係数をｇ_ＳＢＳとすると、ｇ_ＳＢＳ＝１６×π×β／（ｎ×ｃ）であり、ｇ_ＳＢＳ＝２．５×１０^−１１ｍ／Ｗであることが例えば、文献４に示されている。

文献４；A.L.Gaeta and R.W.Boyd,"Stochastic dynamoics of stimulated Brillouin scattering in an optical fiber",Physical Review A,Vol.44,no.5,1991,pp3205-3209

式４は、ポンプ光に関する式であり、式５は、プローブ光に関する式であり、式６は、音響フォノンの寿命に関する式である。これら式４乃至式６を解いて、近似解として、ブリルアン・ロスＶ（ｔ、Ω）を求めると、式７乃至式１１となる。

ここで、ζは検出用光ファイバの長尺方向における位置であり、ｓは時間である。ｃ．ｃは、定数であり、ｈ（ｚ，ｓ）は、検出用光ファイバの全長をＬＬとすると、位置ｚで時間ｓにおけるΓ×ｅ^{−（Γ＋ｉ（ΩＢ（ｚ）−Ω））}であり、ｈ^ｃ（ζ，ｓ）＝ｈ（ｚ，ｓ）＝ｈ（（ＬＬ−ζ）、ｓ）である。

この式８によって示されるＨ1は、光パルスＯＰとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。式９によって示されるＨ2は、光パルス前方光ＯＰfとポンプ光とにより励起されさらに光パルスＯＰとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。式１０によって示されるＨ3は、光パルスＯＰとポンプ光とにより励起されさらに光パルス前方光ＯＰfとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。式１１によって示されるＨ4は、光パルス前方光ＯＰfとポンプ光とにより励起される音響フォノンに基づくブリルアン・ロス・スペクトルを示す。

一例として、光強度階段状光パルスＯＰsにおけるその時間幅を１４ｎｓ、光パルスＯＰの時間幅Ｄを１ｎｓ、１０×ｌｏｇ（（Ａs＋Ｃs）^２／Ｃs^２）を２０ｄＢとし、検出用光ファイバＳＯＦ（全長１０ｍの零歪みの光ファイバ）における３．０５ｍの所に１００μεの歪みが生じ、３．０５ｍ±０．２ｍの所では歪みが生じていない場合について、３．０５ｍ−０．２ｍ、３．０５ｍ、３．０５ｍ＋０．２ｍにおけるＨ1＋Ｈ3、Ｈ2及びＨ4対する各シミュレーションの結果を図２及び図３に示す。図２（Ａ）はＨ1＋Ｈ3の場合であり、図２（Ｂ）はＨ2の場合であり、図３（Ａ）は、Ｈ4の場合であり、図３（Ｂ）は、Ｈ（＝Ｈ1＋Ｈ2＋Ｈ3＋Ｈ4）の場合である。各図の横軸は、周波数であり、実線は、１００μεの歪みがある場合であり、破線は、歪みがない場合である。そして、各図は、ブリルアン・ロス・スペクトルが中心周波数（ブリルアン・ロス・スペクトルのピークにおける周波数）を中心軸として左右対称であることから、右半分について示している。即ち、各図の縦軸が中心周波数であり、中心軸である。図２からＨ2の成分のみが顕著にブリルアン周波数シフトを示していることが分かる。

式７乃至式１１から分かるように、Ｈ3及びＨ4は、プローブ光からポンプ光へのエネルギーの転移が広範囲に亘ることから、局所的な歪みの情報が得難い。一方、Ｈ1及びＨ2は、プローブ光からポンプ光へのエネルギーの転移が局所的に行われることから、局所的な歪みの情報が得易い。ところで、シミュレーションの結果によると、Ｈ3は、他のＨ1、Ｈ2及びＨ4に較べて１桁小さく、Ｈ1の半値全幅は、例えば図２（Ａ）から分かるように約１ＧＨｚに及ぶため、Ｈ2に較べてＨ1は、広帯域な曲線となって中心周波数を見つけ難い。従って、Ｈ2を検出することができるように設定することによって、短いパルス幅の光パルスを用いて高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度を検出することができる。

次に、このＨ2を検出することができる光強度階段状光パルスＯＰsの波形について説明する。本発明におけるプローブ光は、波形を予め設定して検出用光ファイバのファイバ長に応じた調整を不要とするために、例えば図４に示す光強度階段状光パルスＯＰsとする必要がある。

この光強度階段状光パルスＯＰsの波形を規定するためには、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰのパルス幅（時間幅）Ｔp及び光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔb、並びに、光パルスＯＰの光強度Ｐ1及び光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2）を規定する必要がある。

まず、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰのパルス幅Ｔp及び光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbについて説明する。

この光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfは、例えば現在一般に使用されている１３００ｎｍ帯シングルモード光ファイバや１５５０ｎｍ帯シングルモード光ファイバを検出用光ファイバＳＯＦに使用する場合に、音響フォノンの立上り時間に応じてその音響フォノンが９０％に立ち上がった場合で、そのブリルアン散乱スペクトルの半値全幅が約３５ＭＨｚであるから、Ｔp＜Ｔf≦（１／３５ＭＨｚ）＝２８．５７ｎｓであればよい。

また、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfを長くすると（Ｔf＞２８．５７ｎｓ）、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の形状がよりローレンツ曲線に近くなるので、ブリルアン周波数シフトの値が精度よく得られ歪み及び／又は温度の精度が良くなる一方で、検出用光ファイバＳＯＦの或る位置におけるブリルアン周波数シフトにこの或る位置の周辺におけるブリルアン周波数シフトの情報が混じってしまうのでこの或る位置におけるブリルアン周波数シフトのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が悪くなってこの或る位置における歪み及び／又は温度の精度が悪くなる。このように光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfを長くすることは、歪み及び／又は温度の精度の点で良くなる方向と悪くなる方向とに作用する。

光パルスＯＰのパルス幅Ｔpは、１ｍ以下の高空間分解能を得るために１０ｎｓ≧Ｔp＞０であればよい。光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbは、Ｔb＜Ｔfであって短い程よく、０でもよい。

そして、本発明では、光強度階段状光パルスＯＰsが検出用光ファイバＳＯＦ内で図２２ではなく図４の波形で存在する必要がある。このため、上述の範囲で、まず光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰの時間幅Ｔp及び光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbが決定され、この決定された各時間幅を持つ光強度階段状光パルスＯＰsが検出用光ファイバＳＯＦ内で図４の波形で存在する検出用光ファイバＳＯＦの最小の長さが規定される。従って、この規定された最小の長さ以上の光ファイバを検出用光ファイバＳＯＦに使用することにより、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバＳＯＦのファイバ長に応じてプローブ光をマニュアルで調整する必要がなくなる。

次に、光パルスＯＰの光強度Ｐ1及び光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2）について説明する。

ここで、光パルス前方光ＯＰfの光強度Ｐ2（光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2）に対する光パルスＯＰの光強度Ｐ1の比Ｐrxを式１２によって定義する。
Ｐrx＝１０×ｌｏｇ（Ｐ1／Ｐ2）
＝１０×ｌｏｇ（（Ａs＋Ｃs）^２／Ｃs^２） ・・・（式１２）

そして、上述のＨ2を容易に検出する条件を調べるため、式１２によって定義される比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）をシミュレーションした。なお、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）は、Ｈ1、Ｈ2、Ｈ3及びＨ4の各ピークの値をそれぞれ用いて計算した。一例として、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfが１１ｎｓであり、光パルスＯＰの時間幅Ｔpが１ｎｓであり、そして、光パルス後方光ＯＰbの時間幅Ｔbが０ｎｓである光強度階段状光パルスＯＰsを用いた場合の論理解析に基づくシミュレーションの結果を図５に示す。
図５の横軸はｄＢ単位で表す比Ｐrxであり、図５の縦軸はＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）である。なお、シミュレーションにおける検出用光ファイバＳＯＦ（全長１０ｍの零歪みの光ファイバ）には、３．０５ｍの所で１００μεの歪みが生じ、３．０５±０．２ｍの所では歪みが生じていないと仮定してシミュレーションを行った。

図５から分かるように、比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）を示す曲線は、比Ｐrxが所定値でピークを持つ上に凸形状の高次曲線である。Ｈ2を検出するためには、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が０．５以上であればよいことから、このような曲線を得ることによって、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が０．５以上となる比Ｐrxの範囲（ａ≦比Ｐrx≦ｂ）を求めることができ、最も精度よくＨ2を検出するためには、Ｈ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が最高値、即ちピークとなる比Ｐrxの値（比Ｐrx＝ｃ）とすればよい。

従って、各時間幅が上述のように設定した光強度階段状光パルスＯＰsを用いる場合において、高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度を検出するためにはＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が約０．５以上となる比Ｐrxの範囲内の値に、そして、最も高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度を検出するためにはＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）がピークとなる比Ｐrxの値に、光強度階段状光パルスＯＰsの比Ｐrxを設定すればよい。

以上の説明から、高精度で高空間分解能に歪み及び／又は温度を検出し、そして、微小な歪みの変化を検出するためには、上述の各範囲で光強度階段状光パルスＯＰsの各時間幅Ｔf、Ｔp、Ｔbをそれぞれ決定し、この決定した各時間幅Ｔf、Ｔp、Ｔbを持つ光強度階段状光パルスＯＰsにおいて、式１２によって定義される比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）を式８乃至式１１に基づいてシミュレーションし、そして、シミュレーションの結果におけるＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）が０．５以上となる比Ｐrx、特にこのＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）がピークとなる比Ｐrxを光強度階段状光パルスの比Ｐrxに設定すればよい。
また、この決定した各時間幅Ｔf、Ｔp、Ｔbを持つ光強度階段状光パルスＯＰsから検出用光ファイバＳＯＦにおける使用可能な最小の長さが規定される。

本特許出願人は、以上の理論解析に基づく分布型光ファイバセンサを未公開のＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９３５２で提案している。

このような、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルス（光強度階段状光パルス）をプローブ光に用い、さらに、より高速に光ファイバの長尺方向について歪み及び／又は温度を測定し得る分布型光ファイバセンサの一実施形態について図面に基づいて以下に説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態における分布型光ファイバセンサは、歪み及び／又は温度を検出するための検出用光ファイバの一方端から光強度階段状パルス光のプローブ光を入射すると共にこの検出用光ファイバの他方端から連続光のポンプ光を入射して、検出用光ファイバで生じたブリルアン散乱現象に係る光を受光し、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＡ、Brillouin Gain Optical Time Domain Analysis）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（Ｂ^Ｌoss−ＯＴＤＡ、Brillouin Loss Optical Time Domain Analysis）を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪み及び／又は温度の分布を検出するものである。そして、この分布型光ファイバセンサは、連続光のポンプ光を第１周波数間隔で掃引しながら検出用光ファイバに入射させ、この際に検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たした場合に、所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲において連続光をこの第１周波数間隔より小さい第２周波数間隔で掃引しながら検出用光ファイバに入射させるものである。以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析をブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析と略記する。このブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析では、ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン減衰／増幅を受けた光である。

図６は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図７は、分布型光ファイバセンサにおける階段状光パルス光源の構成を示すブロック図である。図８は、分布型光ファイバセンサにおける自動温度制御器の構成を示すブロック図である。図９は、分布型光ファイバセンサにおける自動周波数制御器の構成を示すブロック図及びその動作原理を説明するための図である。図９（Ａ）は、分布型光ファイバセンサにおける自動周波数制御器の構成を示し、図９（Ｂ）は、その動作原理を説明するための図である。図１０は、階段状光パルスの生成を説明するための図である。図１１は、分布型光ファイバセンサにおける光強度・偏光調整部の構成を示すブロック図である。図１２は、第１の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。図１３は、分布型光ファイバセンサにおける光強度調整部の構成を示すブロック図である。

図６において、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサ１は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、光強度・偏光調整部１３と、光サーキュレータ１４と、光コネクタ１５と、制御処理部１６と、ブリルアン時間領域検出計１７と、検出用光ファイバ１８と、ＣＷ光源１９と、光カプラ２０と、光強度調整部２１と、光コネクタ２２とを備えて構成される。

階段状光パルス光源１１は、制御処理部１６によって制御され、内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを生成する光源装置である。このような光パルスは、見かけ上、互いに異なる光強度の光パルスが多重されているように見える。階段状光パルス光源１１の出力端子（射出端子）は、光カプラ１２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。

このような階段状光パルス光源１１は、例えば、図７に示すように、基板１０１と、温度検出素子１０２と、発光素子１０３と、光カプラ１０４と、ファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotEtalon Filter以下、「ＥＦ」と略記する。）１０５と、第１受光素子１０６と、第２受光素子１０７と、温度調整素子１０８と、自動温度制御器（Automatic Temperature Controller、以下、「ＡＴＣ」と略記する。）１０９と、自動周波数制御器（Automatic Frequency Controller、以下、「ＡＦＣ」と略記する。）１１０と、第１光強度変調器１１１と、第１光強度変調器駆動部１１２と、第２光強度変調器１１３と、第２光強度変調器駆動部１１４とを備えて構成される。

基板１０１は、温度検出素子１０２、発光素子１０３、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１受光素子１０６及び第２受光素子１０７が載置される架台である。

温度検出素子１０２は、発光素子１０３の近傍に配置され、発光素子１０３の温度を検出するための部品であり、例えば、抵抗値が温度変化に応じて変化することによって温度を検出するサーミスタである。温度検出素子１０２が発光素子１０３の温度を精度よく検出し得る観点から、基板１０１は、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属材料（合金を含む）であることが好ましい。また、基板１０１は、階段状光パルス光源１１の周囲における環境変化によってその温度変化が少なくなるように、その熱容量が大きいことが好ましい。温度調整素子１０８は、発熱及び吸熱を行うことにより基板１０１の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子である。本実施形態では、Ｐ型とＮ型の熱電半導体を銅電極にはんだ付けしたペルチェ素子が用いられ、発光素子１０３等が配置された基板１０１の面と逆の面にこのペルチェ素子が密着状態で配置される。

ＡＴＣ１０９は、温度検出素子１０２の検出出力に基づいて温度調整素子１０８を制御することによって、基板１０１の温度を所定温度に自動的に略一定に保持する回路である。ＡＴＣ１０９は、例えば、図８に示すように、温度検出素子１０２の検出出力と制御処理部１６からの参照電圧Ｖref1とが入力されこれらの差分を出力する増幅器２０１と、増幅器２０１の差分出力が入力される例えばローパスフィルタ回路から成る積分回路２０２と、増幅器２０１の差分出力が入力される例えばハイパスフィルタ回路から成る微分回路２０３と、積分回路２０２の積分出力及び微分回路２０３の微分出力が入力されその比例を出力する比例回路２０４と、比例回路２０４のプラス出力及びマイナス出力に応じて温度調整素子ドライバ２０７を駆動する出力を得る増幅器２０５、２０６と、比例回路２０４の比例出力に応じて温度調整素子１０８の駆動電流を生成するブリッジ回路からなる温度調整素子ドライバ２０７とを備えて構成される。即ち、ＡＴＣ１０９は、温度検出素子１０２の検出出力に基づいて温度調整素子１０８をＰＩＤ制御する構成である。参照電圧Ｖref1は、基板１０１が所定温度である場合における温度検出素子１０２の検出出力と同じ値に設定される。

このような構成によって、ＡＴＣ１０９は、基板１０１が所定温度よりも高い場合には、温度調整素子１０８が吸熱するように温度調整素子１０８を駆動し、基板１０１が所定温度よりも低い場合には、温度調整素子１０８が発熱するように温度調整素子１０８を駆動する。このようにＡＴＣ１０９が温度調整素子１０８を駆動することによって基板１０１の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。その結果、発光素子１０３の温度も所定温度に自動的に略一定に保持される。そのため、発光素子１０３が発光する光の周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。そして、所定温度は、発振すべき発振周波数ｆ_０で発光素子１０３が発振する場合における温度である。また、比例回路２０４の比例出力は、基板１０１の温度安定度をモニタするために、アナログ／ディジタル変換されて制御処理部１６に出力される。

図７に戻って、発光素子１０３は、線幅の狭い所定周波数の光を発光すると共に素子温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる素子であり、例えば、多量子井戸構造ＤＦＢレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）である。周波数可変半導体レーザが発光するレーザ光の周波数は、温度に依存するが、上述のようにＡＴＣ１０９によって所定温度に自動的に略一定に保持されるため発振周波数の温度依存性が抑制され、周波数可変半導体レーザは、駆動電流によって発振周波数を安定的に変更し得る。

光カプラ１０４は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、例えば、ハーフミラー等のビームスプリッタである。ＥＦ１０５は、周波数（波長）の変化に従って周期的に透過光強度が変化する周期的な透過周波数特性（周期的な透過波長特性）を持つ周期的フィルタである。ＥＦ１０５のＦＳＲ（Free Spectral Range）は、本実施形態では１００ＧＨｚである。第１及び第２受光素子１０６、１０７は、受光した光の光強度に応じた電流を発生し、この発生した電流を電圧に変換して出力する光電変換素子であり、例えば、ホトダイオードや抵抗器を備えて構成される。

発光素子１０３の前方及び後方から射出される光（本実施形態では、レーザ光）は、それぞれ第１光強度変調器１１１及び光カプラ１０４に入射される。発光素子１０３の後方から光カプラ１０４に入射された光は、光カプラ１０４で所定分配比で２つに分配され、分配された一方の光は、第２受光素子１０７に入射され、分配された他方の光は、ＥＦ１０５を介して第１受光素子１０６に入射される。第１及び第２受光素子１０６、１０７は、入射された光の光強度に応じた電圧を受光出力としてそれぞれＡＦＣ１１０へ出力する。

ＡＦＣ１１０は、第１及び第２受光素子１０６、１０７の受光出力ＰＤv1、ＰＤv2に基づいて発光素子１０３を制御することによって、発光素子１０３が発光する光の周波数を所定周波数に自動的に略一定に保持する回路である。ＡＦＣ１１０は、例えば、図９（Ａ）に示すように、第１受光素子１０６の受光出力ＰＤv1を増幅する増幅器２１１と、第２受光素子１０７の受光出力ＰＤv2を増幅する増幅器２１２と、増幅器２１１で増幅された第１受光素子１０６の受光出力ＰＤv1を増幅器２１２で増幅された第２受光素子１０６の受光出力ＰＤv2で割る割り算を行う割算回路２１３と、割算回路２１３の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2を増幅しアナログ／ディジタル変換を行って制御処理部１６へ出力する増幅器２１６と、割算回路２１３の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2と制御処理部１６からの参照電圧Ｖref2とが入力されこれらの差分を出力する増幅器２１４と、増幅器２１４の差分出力を増幅しアナログ／ディジタル変換を行って制御処理部１６へ出力する増幅器２１７と、増幅器２１４の差分出力と制御処理部１６からの参照電圧Ｖref3とが入力されこれらの差分を出力する増幅器２１５とを備えて構成される。

発光素子１０３が発光する光の周波数を発光素子１０３が発振すべき所定周波数ｆ_０に自動的に略一定に保持するＡＦＣ１１０の動作について説明する。

上述の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2は、発光素子１０３から周期的な透過周波数特性を持つＥＦ１０５を介して受光した光の光強度（受光出力ＰＤv1）を発光素子１０３から直接受光した光の光強度（受光出力ＰＤv2）で割った値であるから、図９（Ｂ）に示す曲線ｃのように、ＥＦ１０５のＦＳＲに合わせて周波数の変化に従って周期的に変化することになる。

発光素子１０３が発振すべき発振周波数ｆ_０（即ち、発光素子１０３が発光すべき光の周波数ｆ_０）に対応する曲線ｃ上の点をロックポイント（Lock Point）とし、その割算出力ＰＤv1／ＰＤv2の値をロックポイント値ＬＰ_０とする。

従って、仮に発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ_０よりも高くなると割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ_０よりも大きくなり、逆に、発振周波数ｆ_０よりも低くなると割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ_０よりも小さくなる。そこで、ＡＦＣ１１０は、割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ_０よりも大きい場合には、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ_０よりも高い場合であるから、発光素子１０３の光の周波数が下がるように発光素子１０３を駆動し、一方、割算出力ＰＤv1／ＰＤv2がロックポイント値ＬＰ_０よりも小さい場合には、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ_０よりも低い場合であるから、発光素子１０３の光の周波数が上がるように発光素子１０３を駆動すればよい。このため、上述の参照電圧Ｖref3は、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ_０で駆動されている場合の割算出力ＰＤv1／ＰＤv2と同じ値に設定され、そして、上述の参照電圧Ｖref2は、微調整を行うための参照電圧であり、さらに正確にロックポイント値ＬＰ_０に合わせるべく参照電圧Ｖref2が設定される。このように参照電圧Ｖref2、Ｖref3は、発光素子１０３の光の周波数が発振すべき発振周波数ｆ_０で駆動するロックポイント値ＬＰ_０になるように設定される。

このように参照電圧Ｖref2及びＶref3が設定され、ＡＦＣ１１０が動作することによって、ＡＦＣ１１０は、発光素子１０３の光の周波数が、発振すべき発振周波数ｆ_０からズレを生じると、このズレを解消するように発光素子１０３を駆動することができる。本実施形態では、発光素子１０３に周波数可変半導体レーザが用いられるから、ＡＦＣ１１０は、発振すべき発振周波数ｆ_０からのズレに応じて駆動電流を調整するので、周波数可変半導体レーザは、自動的に略一定に保持された所定周波数ｆ_０でレーザ光を発光することができる。

このため、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１及び第２受光素子１０６、１０７及びＡＦＣ１１０は、発光素子１０３が発光する光の波長（周波数）を略固定する所謂波長ロッカーを構成している。

第１及び第２光強度変調器１１１、１１３は、入射光の光強度を変調する光部品であり、例えば、マッハツェンダ型光変調器（以下、「ＭＺ光変調器」と略記する。）や半導体電界吸収型光変調器等である。

ＭＺ光変調器は、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の電気光学効果を有する基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成される。光導波路は、２個のＹ分岐導波路でその中間部分が２本に分かれて第１及び第２導波路アームを形成して、マッハ・ツェンダ干渉計（Mach-Zehnder interferometer）を構成する。信号電極は、この２本の導波路アーム上にそれぞれ形成され、接地電極は、所定間隔で信号電極と平行するように基板上に形成される。ＭＺ光変調器に入射された光は、光導波路を伝播し、第１Ｙ分岐導波路で２つに分岐し、それぞれ各導波路アームを伝播し、第２Ｙ分岐導波路で再び合波され、光導波路から射出される。

ここで、各信号電極に電気信号、例えば、高周波信号を印加すると電気光学効果によって各導波路アームの屈折率が変化するため、第１及び第２導波路アームを伝播する第１及び第２光は、進行速度が変化することになる。このため、各電気信号間で所定位相差を設けることで、第２Ｙ分岐導波路で第１光と第２光とが異なる位相で合波されることになり、合波された光は、入射した光のモードと異なるモード、例えば、高次モードになる。この異なるモードの合波光は、光導波路を伝播することができないので、光が強度変調されることになる。ＭＺ光変調器は、電気信号→屈折率変化→位相変化→強度変化というプロセスで入射光の光強度を変調する。電気光学効果を利用したものの他、磁気光学効果を利用した磁気光学変調器、音響光学効果を利用した音響光学変調器及びフランツ・ケルディッシュ効果（Franz-Keldysh effect）や量子閉込めシュタルク効果（quantum-confined Stark effect ）を利用した電界吸収型光変調器等もある。

第１及び第２光強度変調器駆動部１１２、１１４は、制御処理部１６によってそれぞれ制御され、それぞれ第１及び第２光強度変調器１１１、１１３を駆動するドライバ回路であり、例えば、第１及び第２光強度変調器１１１、１１３に印加する電圧パルスを発生するパルス発生回路と、この電圧パルスの発生タイミングを制御するタイミング発生回路とを備えて構成される。この電圧パルスは、第１及び第２光強度変調器１１１、１１３がＭＺ光変調器である場合には、上述の電気信号に相当する。

このような構成の階段状光パルス光源１１が階段状光パルスを生成する動作について説明する。図１０（Ａ）は、発光素子１０３の出力光（図７に示す矢印Ａの位置）を示す図であり、図１０（Ｂ）は、第１光強度変調器１１１の出力光（図７に示す矢印Ｂの位置）を示す図であり、そして、図１０（Ｃ）は、第２光強度変調器１１３の出力光、即ち、階段状光パルス光源１１の出力光（図７に示す矢印Ｃの位置）を示す図である。

図１０（Ａ）に示すように、発光素子１０３は、制御処理部１６の制御に基づくＡＦＣ１１０によって、線幅の狭い所定周波数ｆ_０であって略一定の光強度Ｐ1である光ＣＷ_０を連続的に発光し射出する。この発光素子１０３によって射出された連続光ＣＷ_０は、第１光強度変調器１１１に入射される。

背景技術では光強度変調器は、通常状態ではオフであり、所定タイミングでオン・オフすることによって図２０（Ｂ）に示す光パルスを生成するものである。光強度変調器がマッハツェンダ型光変調器である場合には、導波路に印加される電圧を調整することにより、オフは、第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光との位相差を１８０度に設定することによって実現され、オンは、第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光の位相を揃えることによって実現される。

図１０（Ｂ）に示すように、第１光強度変調器１１１は、通常状態では第１光強度変調器１１１から射出される光の光強度が光強度Ｐ１より小さく微弱な光強度Ｐ２となるように、制御処理部１６の制御に基づく第１光強度変調器駆動部１１２によって駆動され、タイミングＴ1でオンすると共にタイミングＴ2で通常状態に戻るように、制御処理部１６の制御に基づく第１光強度変調器駆動部１１２によって駆動される。このように第１光強度変調器駆動部１１２によって第１光強度変調器１１１が駆動されることによって、第１光強度変調器１１１に入射した連続光ＣＷ_０は、タイミングＴ1まで光強度Ｐ2に変調され、タイミングＴ1からタイミングＴ2まで変調を受けずに光強度Ｐ1のままに為され、タイミングＴ2から再び光強度Ｐ2に変調される。即ち、このように第１光強度変調器駆動部１１２によって駆動されることによって、第１光強度変調器１１１は、図１０（Ｂ）に示す光強度Ｐ2の連続的な漏れ光ＣＷ_Ｌの中に光強度Ｐ1の光パルスＯＰが在る光を射出する。この光強度Ｐ1は、図１及び図４における光強度Ｐ1（＝（Ａs＋Ｃs）^２）に対応し、光強度Ｐ2は、図１及び図４に示す光パルス前方光ＯＰf及び光パルス後方光ＯＰbの光強度Ｐ2（＝Ｃs^２）に対応する。光強度変調器がＭＺ光変調器である場合には、第１光強度変調器駆動部１１２は、ＭＺ光変調器の第１及び第２導波路アームに印加される電圧を調整することにより、通常状態では光強度がＰ2となるように第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光との位相差を調整し、タイミングＴ1では第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光の位相を揃え、タイミングＴ2では通常状態の光強度がＰ2となるように第１導波路アームを伝播する光と第２導波路アームを伝播する光との位相差を調整する。

そして、連続的な漏れ光ＣＷ_Ｌと光パルスＯＰから成る図１０（Ｂ）に示す波形の光が第１光強度変調器１１１から第２光強度変調器１１３に入射される。図１０（Ｃ）に示すように、第２光強度変調器１１３は、通常状態ではオフであり、タイミングＴ3でオンすると共にタイミングＴ4で通常状態のオフに戻るように、制御処理部１６の制御に基づく第２光強度変調器駆動部１１４によって駆動される。このように第２光強度変調器駆動部１１４によって第２光強度変調器１１３が駆動されることによって、第１光強度変調器１１１から第２光強度変調器１１３に入射した図１０（Ｂ）に示す波形の光は、タイミングＴ3まで光強度０に変調され（オフされ）、タイミングＴ3からタイミングＴ4まで変調を受けずにそのままに為され、タイミングＴ4から再び光強度０に変調される（オフにされる）。即ち、このように第２光強度変調器駆動部１１４によって駆動されることによって、第２光強度変調器１１３は、光パルスＯＰの前方だけ光強度Ｐ2の連続的な漏れ光ＯＰf（光パルス前方光ＯＰf）を残して残余を除去する。これによって第２光強度変調器１１３は、光強度Ｐ2の光パルスの中に光強度Ｐ2よりも大きい光強度Ｐ1の光パルスが在る光強度が一段階変化する階段状であって線幅の狭い光強度階段状光パルスＯＰsを生成する。なお、タイミングＴ4を調整することによって光パルス後方光ＯＰbを持つ光強度階段状光パルスＯＰsとしてもよい。

ここで、この光強度階段状光パルスＯＰsにおける光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔf、光パルスＯＰの時間幅Ｔp及び式１２で定義される比Ｐrxは、前述のように設定される。

本実施形態では、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfは、例えば、５ｎｓや１０ｎｓや１５ｎｓや２０ｎｓ等に設定した。また、光パルスＯＰのパルス幅Ｔpは、前述したように１ｍ以下の高空間分解能を得るために１０ｎｓ以下に設定する必要があるが、検出用光ファイバ１８の或る位置におけるブリルアン周波数シフトにこの或る位置の周辺におけるブリルアン周波数シフトの情報が混じることを抑制し得る観点から、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）をブリルアン時間領域検出計１７が測定する場合におけるサンプリング時間間隔に合わせると好適であり、本実施形態では、光パルスＯＰのパルス幅Ｔpは、５ｎｓや２ｎｓや１ｎｓに設定した。そして、比Ｐrxは、前述したように、比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）を式８乃至式１１に基づいてシミュレーションし、そして、そのシミュレーションの結果に基づいて設定される。本実施形態では、ブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークを検出する上で最も良好なローレンツ曲線を得ることができ、最も高精度で高空間分解能に歪み及び／又は温度を検出することができることから、比Ｐrxは、シミュレーションの結果におけるＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）のピークを与える値に設定される。比Ｐrxは、シミュレーションの結果におけるＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）の値が０．５以上となる比Ｐrxの値に設定しても、高精度で高空間分解能に歪み及び／又は温度を検出することができる。例えば、光パルス前方光ＯＰfの時間幅Ｔfが１２ｎｓであって光パルスＯＰの時間幅Ｔpが１ｎｓである場合において、比Ｐrxは、約１５ｄＢ〜約２７ｄＢの間の値に、そして、最も良好なローレンツ曲線を得るためには約２１ｄＢに設定される。

なお、第１光強度変調器１１１及び第２光強度変調器１１３の損失を補償するために光を増幅する光増幅器１１５を発光素子１０３から光カプラ１２の光路上に配置してもよい。特に、雑音となる自然放出光（ＡＳＥ、Amplifier Spontaneous Emission）の少ないうちに増幅する観点から図７に破線で示すように第１光強度変調器１１１と第２光強度変調器１１３との間の光路上に配置することが好ましい。光増幅器１１５は、例えば、発光素子１０３が発光する光の周波数に対し利得を持つ光ファイバ増幅器や半導体光増幅器である。光ファイバ増幅器は、例えば、エルビウム（元素記号；Ｅｒ）、ネオジム（元素記号；Ｎｄ）、プラセオジウム（元素記号；Ｐｒ）及びツリウム（元素記号；Ｔｍ）等の希土類元素を光ファイバに添加した希土類元素添加光ファイバ増幅器やラマン増幅を利用したラマン増幅光ファイバ増幅器等がある。

図６に戻って、光カプラ１２、２０は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光カプラ１２の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部１３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第１入力端子に光学的に接続される。

光強度・偏光調整部１３は、制御処理部１６によって制御され、入射光の光強度を調整すると共に入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部１３の出力端子は、光サーキュレータ１４の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部１３は、例えば、図１１に示すように光可変減衰器１２１と、偏光制御器１２２とを備えて構成される。光可変減衰器１２１は、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光部品である。光可変減衰器１２１は、例えば、入射光と射出光との間に減衰円板を挿入し、減衰円板の表面には回転方向に厚みが連続的に変えてある金属膜を蒸着して、この減衰円板を回転させることにより減衰量を調節する光可変減衰器や、入射光と射出光との間に磁気光学結晶およびこの磁気光学結晶の射出側に偏光子を挿入し、磁気光学結晶に磁界を印加してこの磁界の強さを変えることにより減衰量を調整する光可変減衰器等を利用することができる。偏光制御器１２２は、入射光の偏光面をランダムに変えて射出する光部品である。光強度・偏光調整部１３に入射した入射光は、光可変減衰器１２１で制御処理部１６の制御により光強度が所定光強度に調整されて偏光制御器１２２に入射され、偏光制御器１２２で偏光面がランダムに変えられて射出される。

光サーキュレータ１４は、第１乃至第３の３端子の光サーキュレータであり、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。即ち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されると共に第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出されると共に第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出されると共に第２端子からは射出されない。光コネクタ１５、２２は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。光サーキュレータ１４の第２端子は、光コネクタ１５を介して検出用光ファイバ１８の一方端に光学的に接続され、光サーキュレータ１４の第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第３入力端子に光学的に接続される。

ＣＷ光源１９は、制御処理部１６によって制御され、所定周波数範囲ｆrで光強度が略一定の連続光ＣＷpump1を発光する装置である。ＣＷ光源１９は、例えば、図１２に示すように、基板１３１と、温度検出素子１３２と、発光素子１３３と、光カプラ１３４と、ＥＦ１３５と、第１受光素子１３６と、第２受光素子１３７と、温度調整素子１３８と、ＡＴＣ１３９と、ＡＦＣ１４０とを備えて構成される。即ち、ＣＷ光源１９は、所定周波数範囲ｆrで光強度が略一定の連続光ＣＷpump1を発光すればよいから、発光素子１３３が射出する連続光を階段状光パルス光源１１のように光強度が階段状の光パルスに形成する必要がないので、階段状光パルス光源１１における第１及び第２光強度変調器１１１、１１３と第１及び第２光強度変調器駆動部１１２、１１４とを備えない構成である。ＣＷ光源１９における基板１３１、温度検出素子１３２、発光素子１３３、光カプラ１３４、ＥＦ１３５、第１受光素子１３６、第２受光素子１３７、温度調整素子１３８、ＡＴＣ１３９及びＡＦＣ１４０は、ＡＦＣ１４０が制御処理部１６の制御に基づき発光素子１３３の光の周波数を後述するように変更することを除き、光学的な接続関係や電気的な接続関係を含めて階段状光パルス光源１１における基板１０１、温度検出素子１０２、発光素子１０３、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１受光素子１０６、第２受光素子１０７、温度調整素子１０８、ＡＴＣ１０９及びＡＦＣ１１０とそれぞれ同様なので、その説明を省略する。

本実施形態の分布型光ファイバセンサ１は、プローブ光である階段状光パルスの周波数ｆ_０を固定し、ポンプ光である連続光ＣＷpump1の周波数を第１周波数間隔△ｆａで掃引しながら検出用光ファイバ１８に入射させ、この際に検出用光ファイバ１８から射出されるブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たした場合に、所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲ｆｒにおいて連続光ＣＷpump1を第１周波数間隔△ｆａより小さい第２周波数間隔△ｆｂで掃引しながら検出用光ファイバ１８に入射させることによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定し、ブリルアン周波数シフトνbを測定するものである。

そのため、制御処理部１６が、第１周波数間隔△ｆａで掃引するための周波数に合わせてＡＦＣ１４０における参照電圧Ｖref2及び参照電圧Ｖref3を変更してＡＦＣ１４０のロックポイント値ＬＰ_０を変更するように構成され、さらに、ブリルアン時間領域検出計１７の出力を参照することによって、制御処理部１６が、この際に検出用光ファイバ１８から射出されるブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たした場合に、所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲ｆrにおいて連続光ＣＷpump1を第１周波数間隔△ｆａより小さい第２周波数間隔△ｆｂで掃引するための周波数に合うように階段状に駆動電流を変更するように構成される。

ＣＷ光源１９の出力端子は、光カプラ２０の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２０の一方の出力端子は、光強度調整部２１の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、ブリルアン時間領域検出計１７の第２入力端子に光学的に接続される。

図６に戻って、光強度調整部２１は、制御処理部１６によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部２１の出力端子は、光コネクタ２２を介して検出用光ファイバ１８の他方端に光学的に接続される。光強度調整部２１は、例えば、図１３に示すように光可変減衰器１５１と、光アイソレータ１５２とを備えて構成される。光可変減衰器１５１は、光可変減衰器１２１と同様に、入射光の光強度を減衰して射出する光部品である。光アイソレータ１５２は、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光部品であり、例えば４５度ずれた状態の２つの偏光子の間にファラデー回転子を配置することによって構成することができる。光アイソレータ１５２は、分布型光ファイバセンサ１内における各光部品の接続部などで生じる反射光の伝播やプローブ光のＣＷ光源１９への伝播を防止する役割を果たす。光強度調整部２１に入射した入射光は、光可変減衰器１５１で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータ１５２を介して射出される。

なお、検出用光ファイバ１８を伝播したポンプ光は、光コネクタ１５及び光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射するので、光強度・偏光調整部１３や階段状光パルス光源１１に入射することはない。ここで、光サーキュレータ１４の代わりに光カプラを用いる場合には、ポンプ光が光強度・偏光調整部１３や階段状光パルス光源１１に入射することを防止するために、光強度・偏光調整部１３の出力端子に光アイソレータ又はポンプ光を遮断し階段状光パルスＯＰsを透過する光フィルタを配置することが好ましい。

検出用光ファイバ１８は、歪み及び／又は温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、その一方端からプローブ光が入射され、その他方端からポンプ光が入射され、ブリルアン散乱現象の作用を受けたプローブ光及びポンプ光がその他方端及び一方端からそれぞれ射出される。ここで、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪み及び／又は温度を測定する場合には、検出用光ファイバ１８を計測対象物に固定することによって測定することができる。

制御処理部１６は、ブリルアン時間領域検出計１７と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源１９及び光強度調整部２１を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、ＡＴＣ１０９用の参照電圧Ｖref1、ＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3、ＡＴＣ１３９用の参照電圧Ｖref1、ＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3（第１周波数間隔△ｆａ）、駆動電流（第２周波数間隔△ｆｂ）、タイミングＴ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4、比Ｐrx等の各データを記憶するメモリ等を備えて構成される。

ブリルアン時間領域検出計１７は、分布型光ファイバセンサ１の各部を制御し、制御処理部１６の制御によりＣＷ光源１９が第１周波数間隔△ｆａで掃引しながら連続光ＣＷpump1を検出用光ファイバ１８に入射させている場合にはブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断して所定条件を満たすとその旨を制御処理部１６に通知する。ブリルアン時間領域検出計１７は、この通知により制御処理部１６が所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲ｆrにおいて第２周波数間隔△ｆｂで掃引しながら連続光ＣＷpump1を検出用光ファイバ１８に入射させる場合には、ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）をそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）に基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトνbをそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトνbに基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する。所定条件は、ブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）に基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定閾値以下になることであり、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳg（νd）に基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定閾値以上になることである。

そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxが記憶されており、階段状光パルス光源１１が射出した光強度階段状光パルスＯＰsの光強度を検出し、光強度階段状光パルスＯＰsのＰ1／Ｐ2がこの比Ｐrxとなるように制御処理部１６に通知する。さらに、ブリルアン時間領域検出計１７は、ローレンツ曲線を得るべく最適なプロープ光の光強度及び最適なポンプ光の光強度が記憶されており、階段状光パルス光源１１が射出した光強度階段状光パルスＯＰsの光強度を検出すると共にＣＷ光源１９が射出した連続光ＣＷpump1の光強度を検出し、この最適なプロープ光の光強度及び最適なポンプ光の光強度となるように光強度・偏光調整部１３及び光強度調整部２１を調整すべく制御処理部１６に通知する。ブリルアン時間領域検出計１７は、光スイッチ、スペクトルアナライザ及びコンピュータ等を備えて構成される。

このようにローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるのは、プローブ光が階段状光パルスであるからである。また、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxがブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶されるので、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバのファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。

次に、第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサの動作について説明する。図１４は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定する場合における連続光の発光方法を説明するための図である。図１４の横軸は周波数であり、その縦軸は光強度である。図１５は、第２周波数間隔△ｆｂで連続光を発光する場合における駆動電流を説明するための図である。図１５の横軸は時間であり、その縦軸は駆動電流である。図１６は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルの分布及び距離Ｌ1と距離Ｌ2とにおけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。図１６（Ａ）は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルの分布を示し、ｘ軸は、検出用光ファイバ１８の一方端からの距離であり、ｙ軸は、周波数であり、ｚ軸は、光強度である。図１６（Ｂ）は、距離Ｌ1と距離Ｌ2とにおけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示し、ｘ軸は、周波数であり、ｙ軸は、光強度である。また、説明の都合上、距離Ｌ1では、検出用光ファイバ１８に歪みが生じていないものとし、距離Ｌ2では、検出用光ファイバ１８に歪みが生じているものとする。

まず、ブリルアン時間領域検出計１７は、光カプラ１２を介して階段状光パルス光源１１からの光のスペクトルを測定するように準備し、階段状光パルス光源１１から光を射出させる信号を制御処理部１６に通知する。

この信号を受けると、制御処理部１６は、既定のＡＴＣ１０９用の参照電圧Ｖref1とＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3とをＡＴＣ１０９とＡＦＣ１１０とにそれぞれ印加し、発光素子１０３を発光させ、階段状光パルス光源１１から光を射出させる。

階段状光パルス光源１１から射出された光は、光カプラ１２を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光のスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定結果から階段状光パルス光源１１が所定発振周波数ｆ_０の光を射出しているか否かを確認する。所定発振周波数ｆ_０ではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、所定発振周波数ｆ_０となるようにＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する信号を制御処理部１６に通知する。

この信号を受けると、制御処理部１６は、所定発振周波数ｆ_０となるようにＡＦＣ１１０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する。階段状光パルス光源１１から射出された光の発振周波数ｆが所定発振周波数ｆ_０になると、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光強度Ｐ1を制御処理部１６に通知する。

制御処理部１６は、この通知された光強度Ｐ1及び記憶している比Ｐrxに基づいて、光強度階段状光パルスＯＰsにおける光パルス前方光ＯＰf（光パルス後方光ＯＰbがある場合には、光パルス前方光ＯＰf及び光パルス後方光ＯＰb）の光強度Ｐ2に対する光パルスＯＰの光強度Ｐ1の比が前述した所定比Ｐrxとなるように、第１光強度変調器駆動部１１２を制御すると共に、光強度階段状光パルスＯＰsを射出するように第２光強度変調器駆動部１１４を制御する。

階段状光パルス光源１１から射出された光強度階段状光パルスＯＰsは、光カプラ１２を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光強度階段状光パルスＯＰsのスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定結果から階段状光パルス光源１１が所定比Ｐrxの光強度階段状光パルスＯＰsを射出しているか否かを確認する。所定比Ｐrxではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、所定比Ｐrxとなるように第１光強度変調器１１１を調整する信号を制御処理部１６に通知する。

この信号を受けると、制御処理部１６は、所定比Ｐrxとなるように第１光強度変調器１１１を調整する。このような調整を繰り返し、階段状光パルス光源１１から射出された光強度階段状光パルスＯＰsの比が所定比Ｐrxになると、ブリルアン時間領域検出計１７は、スペクトルの測定結果から階段状光パルス光源１１が射出した光強度階段状光パルスＯＰsが、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度で検出用光ファイバ１８に入射するように、光強度・偏光調整部１３の減衰量を調整する信号を制御処理部１６に通知する。

この信号を受けると、制御処理部１６は、光強度・偏光調整部１３の減衰量を調整し、制御処理部１６は、減衰量の調整が終了した旨を示す信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。

この信号を受けると、ブリルアン時間領域検出計１７は、階段状光パルス光源１１が所定光強度階段状光パルスＯＰsを射出する準備が整ったと判断し、所定光強度階段状光パルスＯＰsの射出を止めるように階段状光パルス光源１１を制御処理部１６に制御させる。

そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の測定を開始する。

まず、ブリルアン時間領域検出計１７は、光カプラ２０を介してＣＷ光源１９からの光のスペクトルを測定するように準備する。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、図１４に示すように、第１周波数間隔△ｆａで掃引する周波数範囲における最低の周波数ｆａ１の連続光をＣＷ光源１９から射出させる信号を制御処理部１６に通知する。

この通知を受けると、制御処理部１６は、既定のＡＴＣ１３９用の参照電圧Ｖref1と最低の周波数ｆａ１に対応するＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3とをＡＴＣ１３９とＡＦＣ１４０とにそれぞれ印加し、発光素子１３３を発光させ、ＣＷ光源１９から連続光を射出させる。

ＣＷ光源１９から射出された連続光は、光カプラ２０を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光のスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、ＣＷ光源１１が最低の周波数ｆａ１の連続光を射出しているか否かを確認する。最低の周波数ｆａ１ではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、最低の周波数ｆａ１となるようにＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する信号を制御処理部１６に通知する。さらに、ブリルアン時間領域検出計１７は、スペクトルの測定結果からＣＷ光源１９が射出した連続光が、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度で検出用光ファイバ１８に入射するように、光強度調整部２１の減衰量を調整する信号を制御処理部１６に通知する。

これらの信号を受けると、制御処理部１６は、最低の周波数ｆａ１となるようにＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する。さらに、制御処理部１６は、光強度調整部２１の減衰量を調整し、制御処理部１６は、減衰量の調整が終了した旨を示す信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。

この信号を受け、ＣＷ光源１９から射出された光の周波数が最低の周波数ｆａ１になると、光サーキュレータ１４を介したブリルアン散乱現象に係る光のスペクトルを測定するように準備し、ブリルアン時間領域検出計１７は、階段状光パルス光源１１から光強度階段状光パルスＯＰsを射出させる信号を制御処理部１６に通知する。

この信号を受けると、制御処理部１６は、階段状光パルス光源１１に光強度階段状光パルスＯＰsを射出させ、射出させたタイミングを知らせる信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。

階段状光パルス光源１１から射出された光強度階段状光パルスＯＰsは、光カプラ１２を介して光強度・偏光調整部１３に入射され、光強度・偏光調整部１３でその光強度及び偏光面が調整され、光サーキュレータ１４及び光コネクタ１５を介してプローブ光として検出用光ファイバ１８の一方端に入射する。検出用光ファイバ１８の一方端に入射したプローブ光（光強度階段状光パルスＯＰs）は、検出用光ファイバ１８の他方端から入射され検出用光ファイバ１８を伝播するポンプ光（連続光ＣＷpump1）とブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１８の一方端から他方端へ伝播する。

ブリルアン散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１８の一方端から射出され、光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射される。ブリルアン時間領域検出計１７は、制御処理部１６から通知された光強度階段状光パルスＯＰsを射出したタイミングに基づいて、受光したブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。

このようにブリルアン時間領域検出計１７は、ＣＷ光源１９に最低の周波数ｆａ１の連続光をポンプ光として射出させると共に階段状光パルス光源１１に光強度階段状光パルスＯＰsをプローブ光として射出させ、検出用光ファイバ１８でこれらプローブ光及びポンプ光によってブリルアン散乱現象を生じさせ、ブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。このように測定することによって、最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が得られる。

ここで、ブリルアン散乱現象に係るプローブ光とポンプ光との間における相互作用の程度は、プローブ光の偏光面とポンプ光の偏光面との相対関係に依存する。本実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１は、測定ごとに光強度・偏光調整部１３で光強度階段状光パルスＯＰsの偏光面がランダムに変わるので、最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布の測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。そのため、精度よくブリルアン散乱現象に係る光の光強度を得ることができる。

ブリルアン時間領域検出計１７は、最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の測定が終わると、この測定した最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断する。即ち、上述したように、ブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）に基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定した最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定閾値Ｔｈ以下であるか否かを判断する。この所定閾値Ｔｈは、この測定した光強度がブリルアン・ロス・スペクトルＢＳl（νd）に係る光の光強度であるか否かを判定するための値である。一方、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳｇ（νd）に基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定した最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定閾値Ｔｈ以上であるか否かを判断する。この所定閾値Ｔｈは、この測定した光強度がブリルアン・ゲイン・スペクトルＢＳｇ（νd）に係る光の光強度であるか否かを判定するための値である。

例えば、図１４に示すように周波数ｆａ３を含む或る周波数範囲でブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）が生じている場合には、周波数ｆａ１、周波数ｆａ２及び周波数ｆａ４では、測定したブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たさないことになる。よって、この例では、この測定した最低の周波数ｆａ１のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断した場合に、ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定した光強度が所定条件を満たしていないと判断して、第１周波数間隔△ｆａで掃引すべく、同様に、次の周波数ｆａ２のポンプ光を発光するように制御処理部１６に通知する。この通知を受けると制御処理部１６は、次の周波数ｆａ２のポンプ光を発光するようにＣＷ光源１９を調整する。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、次の周波数ｆａ２のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の測定し、この測定した次の周波数ｆａ２のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断する。

ここで、第１周波数間隔△ｆａ（＝ｆａｎ＋１−ｆａｎ、ｎ＝１、２、３、・・・）は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）が生じている周波数を探すための周波数間隔であり、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）の半値幅の２倍以下である。本実施形態では、効率よくブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）を探すために、第１周波数間隔△ｆａは、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）の半値幅の２倍に設定され、例えば、１００ＭＨｚに設定される。

この図１４に示す例では、この測定した周波数ｆａ２のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断した場合に、ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定した光強度が所定条件を満たしていないと判断して、第１周波数間隔△ｆａでさらに掃引すべく、次の周波数ｆａ３のポンプ光を発光するように制御処理部１６に通知する。この通知を受けると制御処理部１６は、次の周波数ｆａ２のポンプ光を発光するようにＣＷ光源１９を調整する。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、次の周波数ｆａ３のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度の測定し、この測定した次の周波数ｆａ３のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断する。

この図１４に示す例では、この測定した周波数ｆａ３のポンプ光に対応するブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たしているか否かを判断した場合に、ブリルアン時間領域検出計１７は、この測定した光強度が所定条件を満たしている判断する。この場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、所定条件を満たした周波数ｆａ３を含む所定周波数範囲ｆrにおいて第２周波数間隔△ｆｂで掃引しながらポンプ光を検出用光ファイバ１８に入射させる。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）をそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）に基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトνbをそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトνbに基づいて検出用光ファイバ１８の歪み分布及び／又は温度分布を検出する。

より具体的に説明すると、まず、ブリルアン時間領域検出計１７は、光カプラ２０を介してＣＷ光源１９からの光のスペクトルを測定するように準備する。そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、図１４に示すように、所定条件を満たした周波数ｆａ３を含む所定周波数範囲ｆrにおいて、第１周波数間隔△ｆａより狭い第２周波数間隔△ｆｂで掃引しながら連続光をＣＷ光源１９から射出させる信号を制御処理部１６に通知する。

この通知を受けると、制御処理部１６は、既定のＡＴＣ１３９用の参照電圧Ｖref1と最低の周波数ｆｂ３１に対応するＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3とをＡＴＣ１３９とＡＦＣ１４０とにそれぞれ印加し、発光素子１３３を発光させ、ＣＷ光源１９から連続光を射出させる。

ＣＷ光源１９から射出された連続光は、光カプラ２０を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射され、ブリルアン時間領域検出計１７は、その光のスペクトルを測定する。ブリルアン時間領域検出計１７は、ＣＷ光源１１が最低の周波数ｆｂ３１の連続光を射出しているか否かを確認する。最低の周波数ｆｂ３１ではない場合には、ブリルアン時間領域検出計１７は、最低の周波数ｆｂ３１となるようにＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する信号を制御処理部１６に通知する。さらに、ブリルアン時間領域検出計１７は、スペクトルの測定結果からＣＷ光源１９が射出した連続光が、ローレンツ曲線のブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を得られる最適な光強度で検出用光ファイバ１８に入射するように、光強度調整部２１の減衰量を調整する信号を制御処理部１６に通知する。

これらの信号を受けると、制御処理部１６は、最低の周波数ｆｂ３１となるようにＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整する。さらに、制御処理部１６は、光強度調整部２１の減衰量を調整し、制御処理部１６は、減衰量の調整が終了した旨を示す信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知する。

この信号を受け、ＣＷ光源１９から射出された光の周波数が最低の周波数ｆｂ３１になると、光サーキュレータ１４を介したブリルアン散乱現象に係る光のスペクトルを測定するように準備し、ブリルアン時間領域検出計１７は、階段状光パルス光源１１から光強度階段状光パルスＯＰsを射出させる信号を制御処理部１６に通知する。

この信号を受けると、制御処理部１６は、階段状光パルス光源１１に光強度階段状光パルスＯＰsを射出させ、射出させたタイミングを知らせる信号をブリルアン時間領域検出計１７に通知すると共に、周波数ｆｂ３１から第２周波数間隔△ｆｂ（＝ｆｂｎ＋１−ｆｂｎ、ｎ＝３１、３２、３３、・・・）で掃引しながらポンプ光を検出用光ファイバ１８に入射させるべく、図１５に示すように、ＡＦＣ１４０用の参照電圧Ｖref2、Ｖref3を調整することにより発光素子１３３の駆動電流を所定時間間隔で階段状に増加させる。即ち、時間ｔ３２−ｔ３１では駆動電流ｉ３１で発光素子１３３を発光させ、時間ｔ３３−ｔ３２では駆動電流ｉ３２で発光素子１３３を発光させ、時間ｔ３４−ｔ３３では駆動電流ｉ３３で発光素子１３３を発光させ、・・・、時間ｔ３１２−ｔ３１１では駆動電流ｉ３１で発光素子１３３を発光させる。この駆動電流ｉ３１は、発光素子１３３を周波数ｆｂ３１で発光させる電流であり、この駆動電流ｉ３２は、発光素子１３３を周波数ｆｂ３２で発光させる電流であり、・・・、この駆動電流ｉ３１１は、発光素子１３３を周波数ｆｂ３１１で発光させる電流である。

このように駆動電流ｉ３１から駆動電流ｉ３１１まで所定時間間隔で階段状に駆動電流を増加させることによって、最低の周波数ｆｂ３１から最高の周波数ｆｂ３１１まで第２周波数間隔△ｆｂで次々とポンプ光を検出用光ファイバ１８に入射させることができ、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を第２周波数間隔△ｆｂで次々と測定することができる。そして、上述したように、ＣＷ光源１９から射出される連続光ＣＷpump1の周波数を第１周波数間隔△ｆａで掃引する場合や最低の周波数ｆｂ３１でＣＷ光源１９から連続光ＣＷpump1を射出させる場合では、ＣＷ光源１１がこれらの周波数の連続光ＣＷpump1を射出しているか否かを確認するが、最低の周波数ｆｂ３１の次の周波数ｆｂ３２から最高の周波数ｆｂ３１１までは、この確認を行うことなく、駆動電流のみを変化させているだけなので、さらに高速にブリルアン散乱現象に係る光の光強度を第２周波数間隔△ｆｂで測定することができる。

ここで、所定条件を満たした周波数ｆａ３を含む所定周波数範囲ｆrは、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークを検出することができる範囲であればよく、例えば、所定条件を満たした周波数ｆａ３を中心周波数とするブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）の半値幅の２倍の周波数範囲である。そして、第２周波数間隔△ｆｂは、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークを検出する精度に関係し、狭ければピークを検出する精度が向上し、広ければピークを検出する精度が低下する。第２周波数間隔△ｆｂは、仕様によって決定され、本実施形態では、例えば、５ＭＨｚに設定される。

このようにブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）が生じていない場合には、第１周波数間隔△ｆａでブリルアン散乱現象に係る光の光強度が測定され、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳｌ／ｇ（νd）が生じている場合には、この所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲ｆrにおいて、第１周波数間隔△ｆａより狭い第２周波数間隔△ｆｂでブリルアン散乱現象に係る光の光強度が測定される。こうして、図１６（Ａ）に示すように、第１周波数間隔△ｆａで掃引される周波数範囲の各周波数における検出用光ファイバ１８の長尺方向におけるブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布ｍ1、ｍ2、ｍ3、ｍ4、・・・、ｍnが高精度かつ高空間分解能でより高速に得られ、その結果、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）が高精度かつ高空間分解能でより高速に得られる。

そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、検出用光ファイバ１８に歪みを生じていない部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数を基準に、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数の差を求めることによって、検出用光ファイバ１８の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトνbを高精度かつ高空間分解能でより高速に求める。

例えば、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、検出用光ファイバ１８の一方端から距離Ｌ1の部分では、歪みが無く、距離Ｌ2の部分で歪みが生じているとする。距離Ｌ1におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、図１６（Ｂ）で実線の曲線ｅで示され、距離Ｌ1におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、図１６（Ｂ）で破線の曲線ｆで示されている。この場合では、距離Ｌ1におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数νb1と距離Ｌ2におけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）のピークに対応する周波数νb2と差を求めて、ブリルアン周波数シフトνb＝νb2−νb1が求められる。

そして、ブリルアン時間領域検出計１７は、この各領域部分のブリルアン周波数シフトνbから検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分における歪み及び／又は温度を高精度かつ高空間分解能でより高速に求める。この求めた検出用光ファイバ１８の長尺方向の各領域部分における歪み及び／又は温度の分布は、ＣＲＴ表示装置やＸＹプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。

このように第１の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１は、プローブ光に光強度階段状光パルスＯＰsを用いるので、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ１を工業製品化することも可能である。また、論理解析の結果、最適な比Ｐrxに設定し得るので、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、ローレンツ曲線となるから、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。また、さらに、第１周波数間隔△ｆａで掃引することによってブリルアン散乱現象に係る光が生じている周波数範囲の目安をつけ、ブリルアン散乱現象に係る光が生じている周波数範囲の辺りで第２周波数間隔△ｆｂで細かくブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出するようにしているので、より高速に検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。

次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態における分布型光ファイバセンサは、歪み及び／又は温度を検出するための検出用光ファイバの一方端からプローブ光及びポンプ光を入射して、検出用光ファイバでブリルアン散乱現象の作用を受けたポンプ光を受光し、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析（Ｂ^Ｇain−ＯＴＤＲ、Brillouin Gain Optical Time Domain Reflectometer）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域反射分析（Ｂ^Ｌoss−ＯＴＤＲ、Brillouin Loss Optical Time Domain Reflectometer）を行うことにより、ブリルアン周波数シフトに基づいて歪み及び／又は温度を検出するものである。以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域反射分析をブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析と略記する。このブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析では、ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン散乱光である。

まず、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成について説明する。図１７は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。図１８は、第２の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。

第２の実施形態における分布型光ファイバセンサ２は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、光強度・偏光調整部１３と、光サーキュレータ１４と、光カプラ３３と、光コネクタ１５と、制御処理部３１と、ブリルアン時間領域検出計１７と、検出用光ファイバ１８と、ＣＷ光源３２と、光カプラ２０と、光強度調整部２１とを備えて構成される。第２の実施形態における分布型光ファイバセンサ２は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うことから、制御処理部１６及びＣＷ光源１９の代わりに制御処理部３１及びＣＷ光源３２を用い、光サーキュレータ１４の第２端子が一方の入力端子に光学的に接続され光強度調整部２１の出力端子が他方の入力端子に光学的に接続されると共に出力端子が光コネクタ１５に光学的に接続される光カプラ３３を光サーキュレータ１４と光コネクタ１５との間にさらに備え、検出用光ファイバ１８の他方端には何も光学部品が接続されていない点を除き、光学的な接続関係や電気的な接続関係を含めて第１の実施形態における分布型光ファイバセンサ１と同様であるので、その説明を省略する。

光カプラ３３は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、光カプラ１２、２２と同様の光部品である。

ＣＷ光源３２は、制御処理部３１によって制御され、所定タイミングで所定期間だけ連続光ＣＷpump2を発光する点を除き、第１の実施形態におけるＣＷ光源１９と同様である。そのため、ＣＷ光源３２は、例えば図１８に示すように、ＡＦＣ１４０が制御処理部３１の制御に基づき発光素子１３３の発振周波数を変更することを除き、光学的な接続関係や電気的な接続関係を含めて階段状光パルス光源１１における基板１０１、温度検出素子１０２、発光素子１０３、光カプラ１０４、ＥＦ１０５、第１受光素子１０６、第２受光素子１０７、温度調整素子１０８、ＡＴＣ１０９及びＡＦＣ１１０とそれぞれ同様な基板１３１、温度検出素子１３２、発光素子１３３、光カプラ１３４、ＥＦ１３５、第１受光素子１３６、第２受光素子１３７、温度調整素子１３８、ＡＴＣ１３９及びＡＦＣ１４０を備え、さらに、第３光強度変調器１６１及びこれを駆動する第３光強度変調器駆動部１６２を備えた構成である。

第３光強度変調器１６１は、第１及び第２光強度変調器１１１、１１３と同様に、入射光の光強度を変調する光部品である。第３光強度変調器駆動部１６２は、第１及び第２光強度変調器駆動部１１２、１１４と同様に、制御処理部３１によって制御され、第３光強度変調器１６１を駆動するドライバ回路である。発光素子１３３からの光は、第３光強度変調器１６１に入射される。第３光強度変調器１６１は、この発光素子１３３からの連続光ＣＷpump2を第３光強度変調器駆動部１６２の制御に基づいてオン・オフする。第３光強度変調器１６１がオンの場合に第３光強度変調器１６１から射出された光は、ＣＷ光源３２の出力光として光カプラ２０に入射される。ＣＷ光源３２は、このように動作することによって所定タイミングで所定期間だけ連続光ＣＷpump2を射出する。なお、図１８に破線で示すように、第３光強度変調器１６１の損失を補償するために光を増幅する光増幅器１６３を第３光強度変調器１６１の後に配置してもよい。

制御処理部３１は、ブリルアン時間領域検出計１７と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１８の一方端に入射したポンプ光が他方端で反射したタイミングでプローブ光が検出用光ファイバ１８の一方端に入射するようにポンプ光及びプローブ光を検出用光ファイバ１８に伝播させ、検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源１９及び光強度調整部２１を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ及びデータを記憶するメモリ等を備えて構成される。

なお、検出用光ファイバ１８の一方端から他方端へ伝播したポンプ光がこの他方端でパワーを損失することなく効率よく反射するようにするために、検出用光ファイバ１８の他方端にさらに入射光を反射する鏡部を備えてもよく、また、検出用光ファイバ１８の他方端を鏡面処理してもよい。

このような構成の第２の実施形態における分布型光ファイバセンサ２は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うので、各周波数において、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を測定する場合に、検出用光ファイバ１８の一方端に入射したポンプ光が他方端で反射したタイミングでプローブ光が検出用光ファイバ１８の一方端に入射するようにポンプ光及びプローブ光を検出用光ファイバ１８に伝播させ、ブリルアン散乱現象に係る光をブリルアン時間領域検出計１７で分析する点を除く、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサ１の動作と同様であるので、その説明を省略する。

このようにブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析によっても、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析と同様に、プローブ光に階段状光パルスを用いるので、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ２を工業製品化することも可能である。また、論理解析の結果、最適な比Ｐrxに設定し得るので、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、ローレンツ曲線となるから、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。さらに、第１周波数間隔△ｆａで掃引することによってブリルアン散乱現象に係る光が生じている周波数範囲の目安をつけ、ブリルアン散乱現象に係る光が生じている周波数範囲の辺りで第２周波数間隔△ｆｂで細かくブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出するようにしているので、より高速に検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。

次に、別の実施形態について説明する。
（第３の実施形態）
本発明に係る第３の実施形態における分布型光ファイバセンサは、１台でブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析及びブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うことができるものである。

図１９は、第３の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ３は、階段状光パルス光源１１と、光カプラ１２と、光強度・偏光調整部１３と、光サーキュレータ１４と、光カプラ３３と、光コネクタ１５と、制御処理部４１と、ブリルアン時間領域検出計１７と、検出用光ファイバ１８と、ＣＷ光源３２と、光カプラ２０と、光強度調整部２１と、光スイッチ４２と、光コネクタ２２とを備えて構成される。第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ３は、１台でブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析及びブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うことから、制御処理部１６及びＣＷ光源１９の代わりに制御処理部４１及びＣＷ光源３２を用い、光カプラ３３を光サーキュレータ１４と光コネクタ１５との間に、及び、光スイッチ４２を光強度調整部２１と光コネクタ２２との間にそれぞれさらに備える点を除き、光学的な接続関係や電気的な接続関係を含めて第１の実施形態における分布型光ファイバセンサ１と同様であるので、その説明を省略する。

光カプラ３３は、入射光を２つの光に分配して射出する光部品であり、光サーキュレータ１４の第２端子がその一方の入力端子に光学的に接続され、光スイッチ４２の一方の出力端子がその他方の入力端子に光学的に接続され、そして、その出力端子が光コネクタ１５に光学的に接続される。

光スイッチ４２は、１入力２出力である１×２の光スイッチであり、制御処理部４１の制御に基づいて入力端子から入射された光を２個の出力端子の何れか一方に選択的に射出する。光スイッチ４２は、光強度調整部２１の出力端子がその入力端子に光学的に接続され、その一方の出力端子が光カプラ３３の他方の入力端子に光学的に接続され、そして、その他方の出力端子が光コネクタ２２を介して検出用光ファイバ１８の他方端に光学的に接続される。

光スイッチ４２は、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチなどを利用することができる。機械式光スイッチは、プリズム、ロッドレンズおよび鏡などの微少光学素子や光ファイバ自体を移動・回転させることによって光路を切り換える光学部品である。さらに、半導体微細加工技術を用いて光導波路間に屈折率整合液を封入して該整合液を機械的に動かしたり、鏡を静電アクチュエータで動かしたりする光微少電気機械システム（Opto Micro ElectroMechanical Systems ）の光スイッチもある。光導波路スイッチは、例えば、光導波路でＭＺ干渉計を構成し、各光導波路アームに電界を印加することによって各光導波路アームの屈折率を変化させ、光路を切り換える光学部品である。また、キャリア注入による屈折率変化を利用した半導体光スイッチや光半導体増幅器をオン・オフのゲートとして用いた分配合流型の半導体光スイッチも知られている。

制御処理部４１は、ブリルアン時間領域検出計１７と信号を入出力することによって、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析及びブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析により、検出用光ファイバ１８の長尺方向における検出用光ファイバ１８の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するように、階段状光パルス光源１１、光強度・偏光調整部１３、ＣＷ光源１９、光強度調整部２１及び光スイッチ４２を制御する電子回路であり、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ及びデータを記憶するメモリ等を備えて構成される。

このような構成の分布型光ファイバセンサ３は、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析を行う場合には、制御処理部４１は、入力端子から入射された光が、光コネクタ２２を介して検出用光ファイバ１８の他方端に光学的に接続される出力端子から射出するように、光スイッチ４２を制御する。そして、分布型光ファイバセンサ３は、第１の実施形態における分布型光ファイバセンサ１と同様に動作することによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域分析を行うので、その動作の説明を省略する。

一方、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行う場合には、制御処理部４１は、入力端子から入射された光が、光カプラ３３及び光コネクタ１５を介して検出用光ファイバ１８の一方端に光学的に接続される出力端子から射出するように、光スイッチ４２を制御する。そして、分布型光ファイバセンサ３は、第２の実施形態における分布型光ファイバセンサ２と同様に動作することによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析を行うので、その動作の説明を省略する。

なお、この場合において、検出用光ファイバ１８でプローブ光とブリルアン散乱現象の相互作用を受け、検出用光ファイバ１８の一方端から射出されるポンプ光は、光カプラ３３で２つに分配され、その一方が光サーキュレータ１４を介してブリルアン時間領域検出計１７に入射されることになる。即ち、相互作用を受けたポンプ光は、光カプラ３３でそのパワーが損失する。そのため、この損失を補償するために、光サーキュレータ１４からブリルアン時間領域検出計１７までの光路上に光増幅器をさらに備えてもよい。あるいは、ポンプ光を受光素子で受光し光電変換した後に増幅するように増幅器をブリルアン時間領域検出計１７にさらに備えてもよい。

このように第３の実施形態における分布型光ファイバセンサ３は、第１及び第２の実施形態に係る分布型光ファイバセンサ１、２と同様に、プローブ光に階段状光パルスを用いるので、ローレンツ曲線が得られる上述の比Ｐrxをブリルアン時間領域検出計１７に予め記憶することができるから、背景技術のように測定のたびに検出用光ファイバ１８のファイバ長に合わせて光パルスをマニュアルで調整する必要がない。従って、分布型光ファイバセンサ３を工業製品化することも可能である。また、論理解析の結果、最適な比Ｐrxに設定し得るので、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）は、ローレンツ曲線となるから、高精度かつ高空間分解能で検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。さらに、第１周波数間隔△ｆａで掃引することによってブリルアン散乱現象に係る光が生じている周波数範囲の目安をつけ、ブリルアン散乱現象に係る光が生じている周波数範囲の辺りで第２周波数間隔△ｆｂで細かくブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出するようにしているので、より高速に検出用光ファイバ１８に生じた歪み及び／又は温度を測定することができる。

なお、第１乃至第３の実施形態において、分布型光ファイバセンサ１、２、３は、プローブ光である階段状光パルスの周波数ｆ_０を固定し、ポンプ光である連続光ＣＷpump1の周波数を所定周波数範囲ｆrで走査することによってブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定し、ブリルアン周波数シフトνbを測定するものである。このため、階段状光パルス光源１１の発光素子１０３は、必ずしも周波数可変半導体レーザである必要はなく、半導体レーザでもよい。

ブリルアン散乱現象の理論解析を説明するための図である。 論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その１）である。 論理解析に基づくシミュレーションの一例を示す図（その２）である。 光強度階段状光パルスの波形を示す図である。 論理解析に基づく比Ｐrxに対するＨ2／（Ｈ1＋Ｈ3＋Ｈ4）のシミュレーションを示す図である。 第１の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 分布型光ファイバセンサにおける階段状光パルス光源の構成を示すブロック図である。 分布型光ファイバセンサにおける自動温度制御器の構成を示すブロック図である。 分布型光ファイバセンサにおける自動周波数制御器の構成を示すブロック図及びその動作原理を説明するための図である。 階段状光パルスの生成を説明するための図である。 分布型光ファイバセンサにおける光強度・偏光調整部の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。 分布型光ファイバセンサにおける光強度調整部の構成を示すブロック図である。 ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルＢＳl/g（νd）を測定する場合における連続光の発光方法を説明するための図である。 第２周波数間隔△ｆｂで連続光を発光する場合における駆動電流を説明するための図である。 ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルの分布及び距離Ｌ1と距離Ｌ2とにおけるブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。 第２の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の分布型光ファイバセンサにおけるＣＷ光源の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 背景技術に係る分布型光ファイバセンサの構成及びプローブ光を示す図である。 ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルを示す図である。 漏れ光の光パルスを示す図である。

符号の説明

１、２、３ 分布型光ファイバセンサ
１１ 階段状光パルス光源
１６、３１、４１ 制御処理部
１７ ブリルアン時間領域検出計
１８ 検出用光ファイバ
１９、３２ ＣＷ光源
１０３、１３３ 発光素子

Claims (6)

1. 当該光パルスにおける時間的な内側に向かうほど光強度が大きくなるように光強度が階段状になった光パルスを生成する階段状光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記光パルスがプローブ光として入射されると共に前記連続光がポンプ光として入射され、前記プローブ光と前記ポンプ光との間でブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定するブリルアン時間領域検出計とを備えた、ブリルアン散乱現象を利用して歪み及び／又は温度を測定する分布型光ファイバセンサにおいて、
   前記連続光光源を第１周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させる第１制御部と、
   前記第１制御部で前記連続光光源を前記第１周波数間隔で掃引した際に前記検出用光ファイバから射出されるブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定条件を満たした場合に、前記所定条件を満たした周波数を含む所定周波数範囲において前記連続光光源を前記第１周波数間隔より小さい第２周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させる第２制御部とをさらに備え、
   前記所定条件は、ブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が所定閾値以下になることであり、ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて検出用光ファイバに生じた歪み分布及び／又は温度分布を検出する場合には、ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が前記所定閾値以上になることであること
   を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
2. 前記光パルス及び前記連続光は、周波数可変半導体レーザより射出されるレーザ光に基づく光であり、
   前記第１制御部は、前記周波数可変半導体レーザの駆動電流を変化させることによって、前記連続光光源を前記第１周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させ、
   前記第２制御部は、前記周波数可変半導体レーザの駆動電流を変化させることによって、前記連続光光源を前記第２周波数間隔で掃引しながら前記連続光を前記検出用光ファイバに入射させること
   を特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
3. 前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
   前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの他方端から入射し、
   前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
4. 前記プローブ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
   前記ポンプ光は、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
   前記検出用光ファイバは、伝播する前記ポンプ光をその他方端で反射し、
   前記ブリルアン時間領域検出計は、前記検出用光ファイバの一方端から射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記検出用光ファイバに生じた歪み及び／又は温度を測定すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分布型光ファイバセンサ。
5. 前記検出用光ファイバから射出したブリルアン散乱現象に係る光に基づく前記検出用光ファイバの長尺方向の１ｍ以下の各領域部分におけるブリルアン・ロス・スペクトル又はブリルアン・ゲイン・スペクトルが実質的にローレンツ曲線であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
6. 前記検出用光ファイバは、歪み及び／又は温度を測定すべき計測対象物に固定されること
   を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。

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