JP4803083B2 - 光ファイバ測定装置及びサンプリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの長さ方向における特性を測定する光ファイバ測定装置、及びサンプリング方法に関する。

近年、光ファイバ測定装置の一種として、光ファイバ内で生ずるラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）を検出して光ファイバの長さ方向における温度分布を測定する光ファイバ測定装置（Ｒ−ＯＴＤＲ：Raman Optical Time Domain Reflectmetry）が提案されている。図７は、従来の光ファイバ測定装置の構成を示す図である。図７に示す通り、従来の光ファイバ測定装置１００は、測定装置１０１と演算表示装置１０２とを備えており、光ファイバ１０３の長さ方向における温度分布を測定するものである。

測定装置１０１は、レーザダイオード１１１から射出された光Ｐ_Ｌを光ファイバ１０３に入射させるとともに、光ファイバ１０３から射出される後方散乱光Ｐ_Ｂから光ファイバ１０３の温度分布データを求めて演算表示装置１０２に出力する。演算表示装置１０２は、測定装置１０１からの温度分布データに対して所定の演算を行って光ファイバ１０３の長さ方向における温度分布を表示するとともに、その時間変化や温度変化の検出を行う。

上記の光ファイバ１０３から射出される後方散乱光Ｐ_Ｂには、レーザダイオード１１１から射出される光Ｐ_Ｌの波長とは異なる波長のストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとが含まれる。これらのストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａは、その強度比が温度に比例して変化することから、光Ｐ_Ｌを光ファイバ１０３に入射させた時点以降のストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの強度比の時間変化を求めることで、光ファイバ１０３の長さ方向における温度分布を測定することができる。

ここで、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとは波長が異なり光ファイバ１０３中を伝播する速度が相違するため、光ファイバ１０３中の同一地点で発生したものであっても、測定装置１０１に入射する時間にずれが生じてしまう。かかる時間ずれが生じているストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａの光電変換信号をＡ／Ｄ変換器１１２ｓ，１１２ａの各々で同じサンプル速度でサンプリングして得られたサンプルデータに基づいて光ファイバ１０３の長さ方向における温度分布を測定しようとしても正確な温度分布を測定することはできない。

そこで、Ａ／Ｄ変換器１１２ｓ，１１２ａのサンプル速度を制御するタイミング処理器１１３を設け、Ａ／Ｄ変換器１１２ｓがストークス光Ｐ_ｓの光電変換信号をサンプリングする速度と、Ａ／Ｄ変換器１１２ａが反ストークス光Ｐ_ａの光電変換信号をサンプリングする速度とを、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの光ファイバ１０３中における速度の差に応じて異ならせている。これにより、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの速度差による時間ずれを解消することができる。

また、Ａ／Ｄ変換器１１２ｓ，１１２ｓがストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａの光電変換信号を同じ速度でそれぞれサンプリングする場合においては、サンプリングよって得られたサンプルデータに対して所定の補間処理を施せば、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの速度差による時間ずれを解消することも可能である。尚、従来の光ファイバ測定装置の詳細については、例えば以下の特許文献１を参照されたい。
特開平６−２６９４０号公報

ところで、図７に示した従来の光ファイバ測定装置１００は、上述の通り、ストークス光Ｐ_ｓの光電変換信号をサンプリングする速度と、反ストークス光Ｐ_ａの光電変換信号をサンプリングする速度とを異ならせる必要がある。このため、Ａ／Ｄ変換器１１２ｓ，１１２ｓのサンプル速度を制御するタイミング処理器１１３が複雑化し、回路規模が増大するという問題があった。更に、Ａ／Ｄ変換器１１２ｓ，１１２ｓのタイミングを同期させようとすると、タイミング処理器１１３が益々複雑化する。

また、ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａの光電変換信号を同じ速度でそれぞれサンプリングして得られたサンプルデータに対して補間処理を施す従来例においては、サンプルデータの数が多くなるにつれて補間を行う処理が膨大になる。このため、補間処理を行うための高速な処理装置が必要になり、光ファイバ測定装置のコストが上昇するという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でコストの上昇を伴わずに伝播速度が異なる複数の信号を所望のタイミングでサンプリングすることができる光ファイバ測定装置及びサンプリング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ測定装置は、パルス光（Ｐ_Ｌ）を光ファイバ（１３）に入射させて得られる周波数の異なる複数の散乱光（Ｐ_ｓ、Ｐ_ａ）を検出して光ファイバの長さ方向における特性を測定する光ファイバ測定装置（１、２）において、前記複数の散乱光の各々を同一のタイミングでサンプリングするサンプリング部（２３ａ，２３ｂ）と、前記サンプリング部から出力されるサンプルデータのうち、前記複数の散乱光のうちの少なくとも１つの散乱光に関するサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く第１処理及び所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する第２処理の何れか一方の処理を行う信号処理部（２５、３２）と、前記信号処理部の処理結果を用いて所定の演算を行い、前記光ファイバの長さ方向における特性を求める演算処理部（２６）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、光ファイバから射出された複数の散乱光はサンプリング部において同一のタイミングでサンプリングされ、サンプリング部で得られたサンプルデータのうち、複数の散乱光のうちの少なくとも１つの散乱光に関するサンプルデータに対して、信号処理部において所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く第１処理及び所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する第２処理の何れか一方の処理が行われる。そして、演算処理部において信号処理部の処理結果を用いて所定の演算が行われ、光ファイバの長さ方向における特性が求められる。
また、本発明の光ファイバ測定装置は、前記複数の散乱光が、ラマン散乱により生ずるストークス光及び反ストークス光を含み、前記演算処理部は、前記所定の演算として、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を求める演算を行うことを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ測定装置は、前記複数の散乱光の各々を個別に光電変換する複数の受光素子（２１ａ、２１ｂ）を備えており、前記サンプリング部は、前記受光素子の各々から出力される光電変換信号をサンプリングして前記サンプルデータを出力することを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ測定装置は、前記サンプリング部が、前記複数の散乱光の各々を光周波数領域でサンプリングする光サンプリング部と、前記光サンプリング部でサンプリングされた前記複数の散乱光の各々を個別に光電変換して前記サンプルデータとして出力する複数の受光素子（２１ａ、２１ｂ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ測定装置は、前記パルス光を前記光ファイバに複数回に亘って入射させる度に得られる前記複数の散乱光毎のサンプルデータを散乱光毎に平均化する平均化処理部（２４ａ，２４ｂ）を備え、前記信号処理部は、前記平均化処理部で平均化されたサンプルデータのうちの少なくとも１つの散乱光に関するサンプルデータに対して、前記第１処理及び前記第２処理の何れか一方の処理を行うことを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ測定装置は、前記パルス光を前記光ファイバに複数回に亘って入射させる度に得られる前記信号処理部の処理結果を平均化する平均化処理部（３３）を備えることを特徴としている。
更に、本発明の光ファイバ測定装置は、前記信号処理部が、前記第１処理によりサンプルデータを間引く位置、又は前記第２処理により前記所定データを追加する位置を、前記パルス光が前記光ファイバに複数回に亘って入射される度に変えることを特徴としている。
本発明のサンプリング方法は、伝送路中を伝播する速度が異なる複数の信号をサンプリングするサンプリング方法であって、前記複数の信号の各々を同一のタイミングでサンプリングする第１ステップと、前記第１ステップで得られたサンプルデータのうち、前記複数の信号のうちの少なくとも１つの信号に関するサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く第１処理及び所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する第２処理の何れか一方の処理を行う第２ステップとを含むことを特徴としている。

本発明によれば、複数の信号のうちの少なくとも１つの信号に関するサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く第１処理及び所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する第２処理の何れか一方の処理を行っているため、簡素な構成でコストの上昇を伴わずに伝播速度が異なる複数の信号を所望のタイミングでサンプリングすることができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による光ファイバ測定装置及びサンプリング方法について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による光ファイバ測定装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の光ファイバ測定装置１は、パルス光源回路１１、フィルタ部１２、光ファイバ１３、処理部１４、タイミング発生回路１５、及び表示操作装置１６を備える。この光ファイバ測定装置１は、光ファイバ１３内で生ずるラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）を検出して光ファイバ１３の長さ方向における温度分布を測定する光ファイバ測定装置（Ｒ−ＯＴＤＲ）である。

パルス光源回路１１は、例えば半導体レーザ等の光源を備えており、タイミング発生回路１５で規定されるタイミングでパルス状のレーザ光Ｐ_Ｌを射出する。尚、以下の説明では、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光Ｐ_Ｌの周波数をν_０とする。フィルタ部１２は、方向性結合器１２ａと光フィルタ１２ｂとを備える。方向性結合器１２ａは、パルス光源回路１１から射出されたレーザ光Ｐ_Ｌが光ファイバ１３に導かれ、且つ、光ファイバ１３で生じた後方散乱光Ｐ_Ｂが光フィルタ１２に導かれるよう、パルス光源回路１１、光ファイバ１３、及び光フィルタ１２ｂを光学的に結合する。

光フィルタ１２ｂは、方向性結合器１２ａからの後方散乱光Ｐ_Ｂに含まれるラマン散乱光（ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａ）を抽出するとともに、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとを分離して出力するフィルタである。尚、光ファイバ１３で生ずるラマンシフト周波数をν_Ｒとすると、反ストークス光Ｐ_ａの周波数はν_０−ν_Ｒで表され、反ストークス光Ｐ_ａの周波数はν_０＋ν_Ｒで表される。光ファイバ１３は、例えば数ｋｍ〜数十ｋｍ程度の長さを有する石英系マルチモード光ファイバを用いることができる。尚、シングルモード光ファイバを用いてもよい。

処理部１４は、光電変換回路２１ａ，２１ｂ、増幅回路２２ａ，２２ｂ、Ａ／Ｄ変換回路２２ａ，２３ｂ、平均化処理回路２４ａ，２４ｂ、信号処理回路２５、及び演算処理回路２６を備える。光電変換回路２１ａ，２１ｂは、例えばアバランシェ・フォトダイオード等の受光素子を備えており、フィルタ部１２の光フィルタ１２ｂから出力されるストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａをそれぞれ光電変換する。増幅回路２２ａ，２２ｂは光電変換回路２１ａ，２１ｂから出力される光電変換信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。

Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂは、増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号をタイミング発生回路１５で規定されるタイミングでサンプリングし、ディジタル化されたサンプルデータを出力する。ここで、図１に示す通り、タイミング発生回路１５から出力されるタイミング信号ＴＧ２はＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂの双方に入力されているため、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂは増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号を同一のタイミングでそれぞれサンプリングする。

平均化処理回路２４ａは、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光Ｐ_Ｌが複数回に亘って光ファイバ１３に入射される度に得られるＡ／Ｄ変換回路２３ａのサンプルデータを平均化する。同様に、平均化処理回路２４ｂは、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光Ｐ_Ｌが複数回に亘って光ファイバ１３に入射される度に得られるＡ／Ｄ変換回路２３ｂのサンプルデータを平均化する。光ファイバ１３で生ずるラマン散乱光（ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａ）は微弱であるため、光ファイバ１３に対して複数回に亘ってレーザ光Ｐ_Ｌを入射させて得られるサンプルデータを平均化することにより、所望の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を得ている。

信号処理回路２５は、平均化処理回路２４ｂで平均化されたサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く処理を行う。この処理は、光ファイバ１３中を伝播するストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの速度差に起因して生ずる測定誤差を解消するためである。ここで、一般的に光ファイバ中を伝播する光の速度は波長依存性を有し、波長が短い光よりも相対的に波長が長い光の方が光ファイバ１３中を伝播する速度が速くなる。

例えば、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光Ｐ_Ｌの波長が０．９８μｍであるとし、ラマンシフト周波数ν_Ｒが１３．２ＴＨｚであるとすると、ストークス光Ｐ_ｓの波長はおよそ１．０２μｍになり、反ストークス光Ｐ_ａの波長はおよそ０．９４μｍになる。このとき、波長が１．０２μｍであるストークス光Ｐ_ｓに対する光ファイバ１３の屈折率は１．４８１５４になり、波長が０．９４μｍである反ストークス光Ｐ_ａに対する光ファイバ１３の屈折率は１．４８２１９になる。すると、ストークス光Ｐ_ｓの速度は反ストークス光Ｐ_ａの速度に対して１．０００４倍早くなる。

この速度差は、光ファイバ１３の距離が短い場合や、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂでのサンプリングレートが低い場合には無視できるため、さほど問題にはならない。しかしながら、光ファイバ１３の長さが数十ｋｍと長く、またＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂでのサンプリングレートが高くなると問題が生じてくる。例えば、光ファイバ１３の長さが１０ｋｍであり、反ストークス光Ｐ_ａが光ファイバ１３中を１ｍ進むのに要する時間間隔（周期）でＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂがサンプリングを行う場合を考える。かかる場合において、光ファイバ１３の先端部分（１０ｋｍ先の部分）で発生したストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａがフィルタ部１２に到達する時間の差は４０ｎｓｅｃになり、この時間の差を距離に換算すると４ｍの差になる。この差は、光ファイバ１３の長さ方向における温度分布を測定する上で無視できない大きさである。

この差を解消するため、信号処理回路２５は、光ファイバ１３中を伝播する速度がストークス光Ｐ_ｓよりも遅い反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータを間引く処理を行っている。具体的には、光ファイバ１３中のストークス光Ｐ_ｓの速度をＶ_ｓとし、光ファイバ１３中の反ストークス光Ｐ_ａの速度をＶ_ａとすると、信号処理回路２５は平均化処理回路２４ｂから順次出力されるサンプルデータに対して、以下の（１）式で示されるサンプル数ｎ毎に１サンプルだけ間引く処理を行う。
ｎ＝ＩＮＴ（１／（Ｖ_ｓ／Ｖ_ａ−１）） ……（１）

尚、上記（１）式中における演算「ＩＮＴ」は、続く括弧内の値の小数点以下を切り捨てて整数化を行う演算を意味する。上記（１）式で示されるサンプル数ｎは、光ファイバ１３中において同一地点で生じたストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光_ａとの到達距離差が、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂの１サンプル周期中に反ストークス光Ｐ_ａが光ファイバ１３中を伝播する距離だけずれるために必要な伝播距離（サンプル数）を意味している。

図２は、光ファイバ１３中における伝播距離に応じたストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を示す図である。尚、図２においては、横軸にサンプルポイント（光ファイバ１３中における位置と同義）を取り、縦軸にストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を取っている。但し、縦軸に取った到達距離差は、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂの１サンプル周期中に反ストークス光Ｐ_ａが光ファイバ１３中を伝播する距離で正規化している。以下、この距離を「基準伝播距離」という。

図２（ａ）を参照すると、光ファイバ１３中における伝播距離が大きくなる（サンプルポイントが大きくなる）のに比例してストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差が累積的に大きくなるのが分かる。また、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差は、上記（１）式で示されるサンプル数ｎ毎に、基準伝播距離の割合で増加するのが分かる。

信号処理回路２５は、上記の（１）式で示されるサンプル数ｎ毎に１サンプルだけ間引く処理を行うことにより、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差の累積を防止している。ここで、サンプルポイント「０」からサンプル数ｎ毎に、上記の間引き処理を行うと、図２（ｂ）に示す通り、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を見かけ上、０〜＋１（基準伝播距離）にすることができる。

これに対し、図２（ｃ）に示す通り、サンプルポイント「０．５ｎ」からサンプル数ｎ毎に、上記の間引き処理を行うと、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を見かけ上、−０．５〜＋０．５（基準伝播距離の半分）にすることができる。よって、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を最大値を極力小さくしたければ、図２（ｃ）に示す通り、サンプルポイント「０．５ｎ」からサンプル数ｎ毎に、上記の間引き処理を行うのが望ましい。

演算処理回路２６は、平均化処理回路２４ａで平均化処理が行われたストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータと、信号処理回路２５で間引き処理が行われた反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータとを用いて、サンプルポイント毎の強度比を求める演算を行う。かかる演算によって各サンプルポイント毎の温度が求められ、これにより光ファイバ１３の長さ方向における温度分布が得られる。

タイミング発生回路１５は、パルス光源回路１１に対してパルス状のレーザ光Ｐ_Ｌを射出させるタイミングを規定するタイミング信号ＴＧ１を出力するとともに、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂに対して、これらが増幅回路２２ａ，２２ｂから出力される光電変換信号をそれぞれサンプリングするタイミングを規定するタイミング信号ＴＧ２を出力する。表示操作装置１６は、例えば、液晶表示装置やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示装置とユーザにより操作されるキーボードやマウス等の入力装置とを備えたコンピュータにより実現される。この表示操作装置１７は、演算処理回路２６から出力される演算結果（光ファイバ１３の長さ方向における温度分布）を表示装置に表示するとともに、ユーザの操作に応じて、処理部１４及びタイミング発生回路１５等を制御する。

次に、本実施形態の光ファイバ測定装置１の動作について説明する。尚、ここでは、ストークス光Ｐ_ｓの速度で考えてｍサンプル（ｍは、ｎより大きな整数）分だけの温度分布を測定するものとする。動作が開始されると、タイミング発生回路１５からタイミング信号ＴＧ１が出力され、このタイミング信号ＴＧ１に基づいてパルス光源回路１１からパルス状のレーザ光Ｐ_Ｌが射出される。このレーザ光Ｐ_Ｌは、光フィルタ部１２を介して光ファイバ１３に入射し、光ファイバ１３中を伝播する。

レーザ光Ｐ_Ｌが光ファイバ１３中を進むと、ラマン散乱光（ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａ）を含む後方散乱光Ｐ_Ｂが発生する。この後方散乱光Ｐ_Ｂは、光ファイバ１３中をレーザ光Ｐ_Ｌの進行方向とは逆方向に進み、フィルタ部１２の光フィルタ１２ｂに入射する。そして、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとが抽出されて分離される。ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａは、光電変換回路２１ａ，２１ｂでそれぞれ光電変換されて、それらの光電変換信号が増幅回路２２ａ，２２ｂでそれぞれ増幅される。増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号は、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂにおいて、タイミング発生回路１５から出力されるタイミング信号ＴＧ２で規定されるタイミングでそれぞれサンプリングされる。

ここで、レーザ光Ｐ_Ｌを光ファイバ１３に入射させてからのＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂにおけるサンプリングの回数をｍ＋ｍ／ｎ（小数点以下切り上げ）とする。つまり、ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａに対するサンプルポイントの数がｍ＋ｍ／ｎであるとする。これら、ｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータは、平均化処理回路２４ａ，２４ｂにそれぞれ蓄えられる。

光ファイバ１３にパルス状のレーザ光Ｐ_Ｌが入射される度に、以上の処理が繰り返し行われ、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるストークス光Ｐ_ｓに関するｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータが平均化処理回路２４ａで平均化されるとともに、Ａ／Ｄ変換回路２３ｂから出力される反ストークス光Ｐ_ａに関するｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータが平均化処理回路２４ｂで平均化される。平均化処理回路２４ａ，２４ｂにおける平均化処理が終了すると、信号処理回路２５で反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータの間引き処理が行われる。

ここで、図３に示す通り、平均化処理回路２４ａで平均化されたｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータ（ストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータ）をＳＴ（０），ＳＴ（１），…，ＳＴ（ｍ−１＋ｍ／ｎ）とし、平均化処理回路２４ｂで平均化されたｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータ（反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータ）をＡＳ（０），ＡＳ（１），…，ＡＳ（ｍ−１＋ｍ／ｎ）とする。図３は、ストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータと反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータとの関係を説明するための図表である。

図３を参照すると、信号処理回路２５における間引き処理の前においては、各サンプルポイントにおけるストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータＳＴ（０），ＳＴ（１），…，ＳＴ（ｍ−１＋ｍ／ｎ）と、反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータＡＳ（０），ＡＳ（１），…，ＡＳ（ｍ＋ｍ／ｎ−１）とが１対１に対応しているのが分かる。信号処理回路２５における処理が開始されると、信号処理回路２５は、平均化処理回路２４ｂで平均化されたサンプルデータを読み出し、例えば図２（ｃ）を用いて説明した通り、サンプルポイント「０．５ｎ」からサンプル数ｎ毎に間引く処理を行う。

具体的には、サンプルポイント「０．５ｎ」，「１．５ｎ」，「２．５ｎ」，…におけるサンプルデータＡＳ（０．５ｎ），ＡＳ（１．５ｎ），ＡＳ（２．５ｎ），…を間引く処理が行われる。図３を参照すると、ストークス光Ｐ_ｓのサンプルデータに対して、間引き処理後の反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータが間引かれた分だけずれているのが分かる。以上の間引き処理を行うことで、最終的にはｍ／ｎ個のサンプルデータが間引かれるため、反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータはｍ個になる。

信号処理回路２５での間引き処理が終了すると、演算処理回路２６は、平均化処理回路２４ａで平均化されたサンプルデータＳＴ（０），ＳＴ（１），…，ＳＴ（ｍ＋ｍ／ｎ−１）のうち、ＳＴ（０）〜ＳＴ（ｍ−１）までのｍ個のサンプルデータと、信号処理回路２５における間引き処理後のｍ個のサンプルデータとを用いて、サンプルポイント毎の強度比を求める演算を行い、各サンプルポイント毎の温度を求める。この演算結果は、表示操作装置１６に出力され、表示操作装置１６に設けられた表示装置（図示省略）に光ファイバ１３の長さ方向における温度分布が表示される。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態による光ファイバ測定装置の要部構成を示すブロック図である。尚、図４においては、図１に示したブロックと同じブロックについては同一の符号を付してある。本実施形態の光ファイバ測定装置２と図１に示した光ファイバ測定装置１とが相違する点は、図１に示した処理部１４とは構成が異なる処理部３１を備えてる点である。

処理部３１は、図１に示した処理部１４と同様に、光電変換回路２１ａ，２１ｂ、増幅回路２２ａ，２２ｂ、Ａ／Ｄ変換回路２２ａ，２３ｂ、平均化処理回路２４ａ、及び演算処理回路２６を備えているが、平均化処理回路２４ｂ及び信号処理回路２５に代えて信号処理回路３２及び平均化処理回路３３を備えてる点において相違する。信号処理回路３２は、Ａ／Ｄ変換回路２３ｂから出力されるサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く処理を行う。この処理は、光ファイバ１３中を伝播するストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの速度差に起因して生ずる測定誤差を解消するためである。

ここで、信号処理回路３２は、レーザ光Ｐ_Ｌが光ファイバ１３に複数回に亘って入射される度に、サンプルデータを間引く位置を変えている。例えば、最初にレーザ光Ｐ_Ｌを光ファイバ１３に入射させた場合には、Ａ／Ｄ変換回路２３ｂから出力されるサンプルデータＡＳ（１），ＡＳ（ｎ＋１），ＡＳ（２ｎ＋１），…を間引き、次にレーザ光Ｐ_Ｌを光ファイバ１３に入射させた場合には、Ａ／Ｄ変換回路２３ｂから出力されるサンプルデータＡＳ（２），ＡＳ（ｎ＋２），ＡＳ（２ｎ＋２），…を間引くといった具合である。平均化処理回路３３は、パルス光源回路１１から射出されるレーザ光Ｐ_Ｌが複数回に亘って光ファイバ１３に入射される度に信号処理回路３２から出力されるサンプルデータを平均化する。

次に、本実施形態の光ファイバ測定装置２の動作について説明する。尚、ここでは、ストークス光Ｐ_ｓの速度で考えてｍサンプル（ｍは、ｎより大きな整数）分だけの温度分布を測定するものとする。動作が開始されると、第１実施形態と同様に、タイミング発生回路１５からタイミング信号ＴＧ１が出力され、このタイミング信号ＴＧ１に基づいてパルス光源回路１１からパルス状のレーザ光Ｐ_Ｌが射出される。このレーザ光Ｐ_Ｌは、光フィルタ部１２を介して光ファイバ１３に入射し、光ファイバ１３中を進む間に、ラマン散乱光（ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａ）を含む後方散乱光Ｐ_Ｂが発生する。

この後方散乱光Ｐ_Ｂは、光ファイバ１３中をレーザ光Ｐ_Ｌの進行方向とは逆方向に進み、フィルタ部１２の光フィルタ１２ｂに入射する。そして、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとが抽出されて分離される。ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａは、光電変換回路２１ａ，２１ｂでそれぞれ光電変換されて、それらの光電変換信号が増幅回路２２ａ，２２ｂでそれぞれ増幅される。増幅回路２２ａ，２２ｂで増幅された光電変換信号は、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂにおいて、タイミング発生回路１５から出力されるタイミング信号ＴＧ２で規定されるタイミングでそれぞれサンプリングされる。

ここで、第１実施形態と同様に、レーザ光Ｐ_Ｌを光ファイバ１３に入射させてからのＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂにおけるサンプリングの回数をｍ＋ｍ／ｎ（小数点以下切り上げ）とする。つまり、ストークス光Ｐ_ｓ及び反ストークス光Ｐ_ａに対するサンプルポイントの数がｍ＋ｍ／ｎであるとする。Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータは平均化処理回路２４ａに蓄えられ、Ａ／Ｄ変換回路２３ｂから出力されるｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータは信号処理回路３２で間引かれる。例えば、サンプルデータＡＳ（１），ＡＳ（ｎ＋１），ＡＳ（２ｎ＋１），…が間引かれる。信号処理回路３２で間引き処理が行われた後のｍ個のサンプルデータは、平均化処理回路３３に蓄えられる。

光ファイバ１３にパルス状のレーザ光Ｐ_Ｌが入射される度に、以上の処理が繰り返し行われ、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるストークス光Ｐ_ｓに関するｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータが平均化処理回路２４ａで平均化されるとともに、信号処理回路３２で間引き処理が行われた後のｍ個のサンプルデータが平均化処理回路３３で平均化される。ここで、前述した通り、信号処理回路３２は、レーザ光Ｐ_Ｌが光ファイバ１３に複数回に亘って入射される度にサンプルデータを間引く位置を変えているため、信号処理回路３２及び平均化処理回路３３においては図５に示す平均化処理が行われる。

図５は、信号処理回路３２及び平均化処理回路３３で行われる平均化処理を示すフローチャートである。最初のレーザ光Ｐ_Ｌが光ファイバ１３に入射されると、１回目の平均化処理が行われる（ステップＳ１１）。この１回目の平均化処理では、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータＡＳ（０），ＡＳ（１），…，ＡＳ（ｍ−１＋ｍ／ｎ）のうち、サンプルデータＡＳ（１），ＡＳ（ｎ＋１），ＡＳ（２ｎ＋１），…が信号処理回路３２で間引かれ、残りのｍ個のサンプルデータが平均化処理回路３３に蓄積される。

次のレーザ光Ｐ_Ｌが光ファイバ１３に入射されると、２回目の平均化処理が行われる（ステップＳ１２）。この２回目の平均化処理では、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータＡＳ（０），ＡＳ（１），…，ＡＳ（ｍ−１＋ｍ／ｎ）のうち、サンプルデータＡＳ（２），ＡＳ（ｎ＋２），ＡＳ（２ｎ＋２），…が信号処理回路３２で間引かれ、残りのｍ個のサンプルデータが平均化処理回路３３に入力される。そして、先に入力されたｍ個のサンプルデータを用いた平均化処理が行われる。

以下同様の処理が繰り返され、例えばｎ回目の平均化処理（ステップＳ１３）では、Ａ／Ｄ変換回路２３ａから出力されるｍ＋ｍ／ｎ個のサンプルデータＡＳ（０），ＡＳ（１），…，ＡＳ（ｍ−１＋ｍ／ｎ）のうち、サンプルデータＡＳ（ｎ），ＡＳ（ｎ＋ｎ），ＡＳ（２ｎ＋ｎ），…が信号処理回路３２で間引かれ、残りのｍ個のサンプルデータが平均化処理回路３３に入力される。そして、先に平均化されているｍ個のサンプルデータを用いた平均化処理が行われる。

以上の処理が終了すると、平均化処理が終了したか否かが判断される（ステップＳ１４）。平均化処理が終了していない場合には判断結果が「ＮＯ」になって、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。これに対し、平均化処理が終了した場合には、ステップＳ１４の判断結果が「ＹＥＳ」になって、一連の処理は終了する。尚、図５においては、説明の便宜上、平均化処理の繰り返し数（ステップＳ１１〜Ｓ１３までに行われる平均化処理数）をｎとしているが、繰り返し数は任意の数に設定することができる。但し、繰り返し数をｋ（ｋはｎ以下の整数）とすると、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差は、基準伝播距離の（１−ｋ／ｎ）倍になる。ｋ／ｎ≦０．５を満たす繰り返し回数ｋを設定すればストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を基準伝播距離の半分にすることができる。

図６は、図５に示す処理によって得られる反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータの平均値を示す図である。図６を参照すると、最初の平均化処理（図５のステップＳ１１）ではサンプルデータＡＳ（１）が間引かれ、次の平均化処理（図５のステップＳ１２）ではサンプルデータＡＳ（２））が間引かれているのが分かる。また、図６を参照すると、サンプルデータの平均値は隣り合うサンプルデータに所定の係数を掛けた和で表されているのが分かる。

例えば、ｉ番目（ｉは０以上の整数）のサンプルデータの平均値は、ｉ番目のサンプルデータＡＳ（ｉ）に所定の係数を掛けたものと、（ｉ＋１）番目のサンプルデータＡＳ（ｉ＋１）に所定の係数を掛けたものとの和で表されている。これは、ｉ番目のサンプルデータＡＳ（ｉ）と（ｉ＋１）番目のサンプルデータＡＳ（ｉ＋１）とを用いた補間式と同様の式である。つまり、本実施形態では、信号処理回路３２で間引き処理を行い、平均化処理回路３３で平均化処理を行うという簡単な処理だけで、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を補完する複雑な補間演算と同等の演算結果が得られることになる。

以上の処理が終了すると、演算処理回路２６は、平均化処理回路２４ａで平均化されたサンプルデータＳＴ（０），ＳＴ（１），…，ＳＴ（ｍ＋ｍ／ｎ−１）のうち、ＳＴ（０）〜ＳＴ（ｍ−１）までのｍ個のサンプルデータと、平均化処理回路２４ｂで平均化処理が行われたｍ個のサンプルデータとを用いて、サンプルポイント毎の強度比を求める演算を行い、各サンプルポイント毎の温度を求める。この演算結果は、表示操作装置１６に出力され、表示操作装置１６に設けられた表示装置（図示省略）に光ファイバ１３の長さ方向における温度分布が表示される。

以上説明した通り、本発明の第１，第２実施形態による光ファイバ測定装置によれば、反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータを間引き、或いは間引いたサンプルデータを平均化することでストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を解消することができるため、従来のようにストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとを別々のタイミングでサンプリングする必要はなく、所望のタイミングでサンプリングすることができる。これにより、タイミング発生回路１５の構成を簡略化することができるとともにコストの上昇を抑えることができる。

以上、本発明の実施形態による光ファイバ測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、信号処理回路２５，３２が間引き処理を行うものであると説明したが、光ファイバ１３の長さやＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂのサンプリングレートに応じて間引き処理を行うか否かを切り替えるのが望ましい。例えば、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂでのサンプル数ｍが、前述した（１）式で示されるサンプル数ｎよりも少なければ、間引き処理を省略しても良い。

また、図１に示す光ファイバ測定装置１では、信号処理回路２５と演算処理回路２６とが個別の回路で構成されている例を図示しているが、信号処理回路２５は演算処理回路２６と一体化された回路であってもよい。また、前述した実施形態では、光ファイバ１３中を伝播する速度が遅い反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータを間引く場合を例に挙げて説明したが、伝播速度が速いストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータに対して所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する処理を行っても良い。或いは、反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータの間引きと、ストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータに対するサンプルデータの追加を同時に行っても良い。

ストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータに対する所定データの追加を行う場合には、前述した（１）式で示されるサンプル数ｎ毎に、サンプル数ｎ毎のデータを追加するのが望ましい。例えば、サンプル数ｎ毎に順次サンプルデータＳＴ（ｎ），ＳＴ（２ｎ），ＳＴ（３ｎ），…を追加しても良く、サンプル数ｎ毎に順次サンプルデータＳＴ（０．５ｎ），ＳＴ（１．５ｎ），ＳＴ（２．５ｎ），…を追加しても良い。

また、上記実施形態では、光ファイバ１３中を伝播するストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとをサンプリングする場合を例に挙げて説明したが、本発明は光ファイバ中を伝播する異なる速度の光をサンプリングする場合一般に適用することができる。例えば、１本の光ファイバの特性を複数の波長の光を用いて測定する光ファイバ測定装置（ＯＴＤＲ）に適用することができる。更には、光ファイバ中を伝播する光をサンプリンする場合に限られず、同軸ケーブルを伝播する電気信号のように伝送路を伝播する異なる速度の信号をサンプリングする場合一般に適用することができる。例えば、電気オシロスコープが備えるＴＤＲ（Time Domain Reflectometer）機能を用いて伝送路を伝播する異なる複数の信号を測定する場合に適用することができる。

また、上記実施形態においては、ストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとを光電変換回路２１ａ，２１ｂでそれぞれ光電変換し、これらの光電変換信号に対してＡ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂでそれぞれサンプリングを行う構成について説明した。しかしながら、光周波数の領域でストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとを同一のタイミングでサンプリングし、サンプリングされたストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとを光電変換回路２１ａ，２１ｂを用いて個別に光電変換する構成であっても良い。かかる構成の場合には、Ａ／Ｄ変換回路２３ａ，２３ｂは省略される。

本発明の第１実施形態による光ファイバ測定装置の要部構成を示すブロック図である。 光ファイバ１３中における伝播距離に応じたストークス光Ｐ_ｓと反ストークス光Ｐ_ａとの到達距離差を示す図である。 ストークス光Ｐ_ｓに関するサンプルデータと反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータとの関係を説明するための図表である。 本発明の第２実施形態による光ファイバ測定装置の要部構成を示すブロック図である。 信号処理回路３２及び平均化処理回路３３で行われる平均化処理を示すフローチャートである。 図５に示す処理によって得られる反ストークス光Ｐ_ａに関するサンプルデータの平均値を示す図である。 従来の光ファイバ測定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１，２ 光ファイバ測定装置
１３ 光ファイバ
２１ａ，２１ｂ 光電変換回路
２３ａ，２３ｂ Ａ／Ｄ変換回路
２４ａ，２４ｂ 平均化処理回路
２５ 信号処理回路
２６ 演算処理回路
３２ 信号処理回路
３３ 平均化処理回路
Ｐ_ａ 反ストークス光
Ｐ_Ｌ レーザ光
Ｐ_ｓ ストークス光

Claims (8)

1. パルス光を光ファイバに入射させて得られる周波数の異なる複数の散乱光を検出して光ファイバの長さ方向における特性を測定する光ファイバ測定装置において、
   前記複数の散乱光の各々を同一のタイミングでサンプリングするサンプリング部と、
   前記サンプリング部から出力されるサンプルデータのうち、前記複数の散乱光のうちの少なくとも１つの散乱光に関するサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く第１処理及び所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する第２処理の何れか一方の処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部の処理結果を用いて所定の演算を行い、前記光ファイバの長さ方向における特性を求める演算処理部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ測定装置。
2. 前記複数の散乱光は、ラマン散乱により生ずるストークス光及び反ストークス光を含み、
   前記演算処理部は、前記所定の演算として、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を求める演算を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ測定装置。
3. 前記複数の散乱光の各々を個別に光電変換する複数の受光素子を備えており、
   前記サンプリング部は、前記受光素子の各々から出力される光電変換信号をサンプリングして前記サンプルデータを出力する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光ファイバ測定装置。
4. 前記サンプリング部は、前記複数の散乱光の各々を光周波数領域でサンプリングする光サンプリング部と、
   前記光サンプリング部でサンプリングされた前記複数の散乱光の各々を個別に光電変換して前記サンプルデータとして出力する複数の受光素子と
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光ファイバ測定装置。
5. 前記パルス光を前記光ファイバに複数回に亘って入射させる度に得られる前記複数の散乱光毎のサンプルデータを散乱光毎に平均化する平均化処理部を備え、
   前記信号処理部は、前記平均化処理部で平均化されたサンプルデータのうちの少なくとも１つの散乱光に関するサンプルデータに対して、前記第１処理及び前記第２処理の何れか一方の処理を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光ファイバ測定装置。
6. 前記パルス光を前記光ファイバに複数回に亘って入射させる度に得られる前記信号処理部の処理結果を平均化する平均化処理部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光ファイバ測定装置。
7. 前記信号処理部は、前記第１処理によりサンプルデータを間引く位置、又は前記第２処理により前記所定データを追加する位置を、前記パルス光が前記光ファイバに複数回に亘って入射される度に変えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光ファイバ測定装置。
8. 伝送路中を伝播する速度が異なる複数の信号をサンプリングするサンプリング方法であって、
   前記複数の信号の各々を同一のタイミングでサンプリングする第１ステップと、
   前記第１ステップで得られたサンプルデータのうち、前記複数の信号のうちの少なくとも１つの信号に関するサンプルデータに対して、所定数のサンプルデータ毎に所定数のサンプルデータを間引く第１処理及び所定数のサンプルデータ毎に所定数の所定データを追加する第２処理の何れか一方の処理を行う第２ステップと
   を含むことを特徴とするサンプリング方法。

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