JP4896814B2 - 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／又は温度を高精度で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。このブリルアン散乱現象の際に見られるブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪み及び温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって歪み及び／又は温度が測定される。

図１２は、背景技術に係る分布型光ファイバセンサを示す図である。図１２（Ａ）は、この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１２（Ｂ）、（Ｃ）は、この分布型光ファイバセンサに用いられる光パルスの例を示す図である。図１３は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。図１３の横軸は、周波数であり、その縦軸は、音響フォノンの振幅である。

図１２（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、第１及び第２光源５０１、５０４と、検出用光ファイバ５０２と、光カプラ５０３と、時間領域検出計５０５とを備えて構成される。

第１光源５０１は、図１２（Ｂ）に示すように、光強度が矩形状である光パルスを生成し、この生成した光パルスを射出する。第１光源５０１から射出された光パルスは、検出用光ファイバ５０２の一方端から入射される。検出用光ファイバ５０２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。第２光源５０４は、前記光パルス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）を射出する。第２光源５０４から射出された連続光は、光カプラ５０３を介して検出用光ファイバ５０２の他方端から入射される。検出用光ファイバ５０２では、光パルスと連続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５０３を介して時間領域検出計５０５に入射される。時間領域検出計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、光パルス又は連続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５０２の長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、検出用光ファイバ５０２に沿った歪み分布及び／又は温度分布を求める。

なお、連続光の周波数を光パルスの周波数よりも高くすることにより、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの代わりにブリルアン・ロス・スペクトル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・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを「ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトル」と略記する。

この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パルス幅で制限される。例えば、空間分解能が３ｍの場合では、光パルスのパルス幅は、３０ｎｓとされ、空間分解能が２ｍの場合では、光パルスのパルス幅は、２０ｎｓとされる。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、音響フォノンの完全な立ち上がりに約２８ｎｓが必要である。このため、ブリルアン・ゲイン・スペクトルは、図１３に示すように、光パルスのパルス幅が約２８ｎｓ以上までは、ローレンツ曲線（Lorentzain curve）（図１３に示す曲線ａ１、ａ２）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１３に示す曲線ｂ１、ｂ２、ｂ３）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、中心周波数を求めることが難しくなって、その空間分解能は、通常、約２〜３ｍとされている。各曲線ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３は、光パルスのパルス幅がそれぞれ１００ｎｓ、２８ｎｓ、１０ｎｓ、５ｎｓ、１ｎｓである場合の各ブリルアン・ゲイン・スペクトルである。

そこで、本願発明者は、図１２（Ｂ）に示す光パルスの代わりに、図１２（Ｃ）に示すように、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階段状光パルスを用いることによって、高精度（例えば２００με以下）、高空間分解能（例えば１ｍ以下）で歪み及び／又は温度の分布を測定する手法を特許文献１で提案した。なお、１００με＝０．０１％である。
国際公開第２００６／００１０７１号パンフレット

ところで、上記分布型光ファイバセンサでは、さらに高精度化が要望されており、上記特許文献１で提案した手法には、高精度化の点で改善の余地がある。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、歪み及び／又は温度をより高精度で測定可能な分布型光ファイバセンサを提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明に係る一態様では、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、メイン光パルスと、前記メイン光パルスに先立ち、最大光強度が前記メイン光パルスの光強度よりも小さく、エネルギーが立ち上がりから前記メイン光パルスの立ち上がりまで前記最大光強度で一定の光パルスにおけるエネルギーよりも小さいサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光とが入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続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・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・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ることを特徴とする。なお、Ａ及び／又はＢは、Ａ及びＢのうち少なくとも一方を意味する。

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、プローブ光を示し、そして、図１（Ｃ）は、ポンプ光を示す。

図１において、本理論解析では、光強度ＡＬ^２の連続光（ＣＷ）がプローブ光として検出用光ファイバＳＯＦの一方端から入射され、パルス幅Ｄで光強度（Ａｓ＋Ｃｓ）^２の光パルスＯＰと、この光パルスＯＰに先立って、この光パルスＯＰの光強度ＡＬ^２よりも小さい光強度Ｃｓ^２でその立ち上がりから光パルスＯＰの立ち上がりまで一定の光パルス前方光ＯＰｆとがポンプ光として検出用光ファイバＳＯＦの他方端から入射される。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。光パルス前方光ＯＰｆのパルス幅は、Ｔｆである。本理論解析では、このような測定系におけるブリルアン・ロス・スペクトルが導出される。

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ＳＯＦに歪みがある場合のブリルアン散乱の方程式は、式１乃至式３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ＳＯＦ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ＳＯＦ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、「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」に示されている。

式１は、ポンプ光に関する式であり、式２は、プローブ光に関する式であり、式３は、音響フォノンの寿命に関する式である。これら式１乃至式３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４乃至式１１となる。

ここで、ζは、検出用光ファイバＳＯＦ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ＳＯＦ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。

式５のＨ_１は、光パルスＯＰと連続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６のＨ_２は、光パルス前方光ＯＰｆと連続光とにより励起されさらに光パルスＯＰと連続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７のＨ_３は、光パルスＯＰと連続光とにより励起されさらに光パルス前方光ＯＰｆと連続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８のＨ_４は、光パルス前方光ＯＰｆと連続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。これらＨ_１乃至Ｈ_４を比較すると、Ｈ_２を検出することができるように光パルスＯＰの光強度（Ａｓ＋Ｃｓ）^２、光パルス前方光ＯＰｆのパルス幅Ｔｆ及び光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｃｓ^２を設定することによって、短いパルス幅Ｄの光パルスＯＰを用いて高精度で高空間分解能で歪み及び／又は温度が検出可能であることが分かる。光パルスＯＰのパルス幅Ｄは、所望の空間分解能に応じて適宜に設定され、光ファイバの材質にもよるが、例えば、５０ｃｍの空間分解能を得るためには、パルス幅が５ｎｓに設定され、また例えば、１０ｃｍの空間分解能を得るためには、パルス幅が１ｎｓに設定される。

そして、本発明では、メイン光パルスに時間的に先立つサブ光パルスは、当該サブ光パルスの最大光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さく、そして、その立ち上がりからメイン光パルスの立ち上がりまで前記最大光強度で一定の光パルスを考えた場合に、当該サブ光パルスのエネルギーがこの考えた光パルスにおけるエネルギーよりも小さく設定される。

図１（Ｃ）を用いて説明すると、上記メイン光パルスは、光パルスＯＰに相当し、最大光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さく、そして、その立ち上がりからメイン光パルスの立ち上がりまで前記最大光強度で一定の光パルスは、光パルス前方光ＯＰｆに相当する。従って、上記サブ光パルスは、そのエネルギーがこの光パルス前方光ＯＰｆのエネルギーよりも小さく設定される。

このようなサブ光パルスは、好ましくは、そのパルス幅が立ち上がりから前記メイン光パルスの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。また好ましくは、サブ光パルスは、その光強度が時間経過に従って減少する。また好ましくは、サブ光パルスは、その光強度が時間経過に従って増加する。また好ましくは、サブ光パルスは、その光強度が時間経過に従って増加した後に減少する。

このようなサブ光パルスを用いることによって、ノイズ成分となるＨ_４の成分が小さくなり、Ｈ_２への影響が抑制される。同時にまた、ブリルアン・ロス／ゲイン・スペクトルのピーク幅が狭められ、中心周波数の測定誤差が小さくなり、より高精度にブリルアン周波数シフトが測定可能となる。その結果、より高精度に、歪み及び／又は温度が測定可能となる。

そして、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記連続光は、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・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・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及び／又は温度を測定することを特徴とする。

この構成によれば、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行って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分布型光ファイバセンサが提供される。

また、上述の分布型光ファイバセンサにおいて、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、前記連続光は、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、伝播する前記連続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・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・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及び／又は温度を測定することを特徴とする。

この構成によれば、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行って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分布型光ファイバセンサが提供される。

さらに、これら上述の光ファイバセンサにおいて、前記光パルス光源及び前記連続光光源は、線幅の狭い所定の周波数であって略一定の光強度である光を連続的に発光する第１及び第２発光素子と、前記第１及び第２発光素子の各温度を実質的に一定にそれぞれ保持する第１及び第２温度制御部と、前記第１及び第２発光素子が発光する前記各光の各周波数を実質的に一定にそれぞれ保持する第１及び第２周波数制御部と、前記第１及び第２発光素子が発光する前記各光の一部がそれぞれ入射され、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と前記ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が既知の基準用光ファイバと、前記基準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の光強度と既知の前記関係とに基づいて前記第１及び第２発光素子が発光する前記各光の周波数差が所定の周波数差となるように、前記第１周波数制御部及び／又は前記第２周波数制御部を制御する周波数設定部とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２発光素子がそれぞれ発光する各光の各周波数差が所定の周波数差に制御されるので、より高精度にブリルアン周波数シフトが測定可能となる。その結果、より高精度に、歪み及び／又は温度が測定可能となる。そして、この構成によれば、別途、外部に、周波数校正用の基準用光ファイバが分布型光ファイバセンサに必要とされず、分布型光ファイバの装置内で周波数の校正が可能となる。

また、これら分布型光ファイバセンサにおいて、前記光パルス光源は、線幅の狭い所定の周波数であって略一定の第１光強度である光を連続的に発光する発光素子と、前記発光素子が発光する光を互いに光強度が異なるように２個に分岐する光分岐部と、前記光分岐部で分岐され光強度が相対的に大きい方の光の光強度を変調する第１光強度変調器と、前記光分岐部で分岐され光強度が相対的に小さい方の光の光強度を変調する第２光強度変調器と、前記第１及び第２光強度変調器でそれぞれ変調された各光を合波する光合波部とを備え、前記第１光強度変調器は、前記メイン光パルスを生成し、前記第２光強度変調器は、前記サブ光パルスを生成することを特徴とする。

この構成によれば、メイン光パルスとサブ光パルスとが第１光強度変調器と第２光強度変調器とによって個別に生成されるので、メイン光パルスのパルス幅が精度よく設定可能となり、また、光強度が様々な形のサブ光パルスが生成可能となる。その結果、より高精度に、歪み及び／又は温度が測定可能となる。

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。

この構成によれば、計測対象物の歪み及び／又は温度が測定可能となる。

本発明に係る分布型光ファイバセンサでは、歪み及び／又は温度がより高精度で測定可能となる。

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。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。

本発明に係る実施形態の分布型光ファイバセンサは、後述するように、光スイッチを切り換えることによって、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サブ光パルス及びメイン光パルス光をポンプ光として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をプローブ光として入射して、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。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・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域分析と略記する。このブリルアン・ゲイン／ロス・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、ブリルアン増幅／減衰を受けた光である。

そして、この分布型光ファイバセンサは、後述するように、光スイッチを切り換えることによって、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ポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射して、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・ゲイン／ロス・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・ゲイン／ロス・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。

図２は、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３は、分布型光ファイバセンサにおける光パルス生成部の構成を示すブロック図である。

図２において、分布型光ファイバセンサＳは、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１自動温度制御部（以下、「第１ＡＴＣ」と略記する。）１０と、第１自動周波数制御部（以下、「第１ＡＦＣ」と略記する。）１１と、制御処理部１３と、ブリルアン時間領域検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２自動温度制御部（以下、「第２ＡＴＣ」と略記する。）１８と、第２自動周波数制御部（以下、「第２ＡＦＣ」と略記する。）１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５とを備えて構成される。

第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８によって予め設定される所定温度で略一定に保持されると共に第１及び第２ＡＦＣ１１、１９によって予め設定される所定周波数で略一定に保持されることにより、所定周波数の連続光を生成し射出する光源装置である。第１光源１の出力端子（射出端子）は、光カプラ２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。第２光源２０の出力端子（射出端子）は、光カプラ２１の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。

このような第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、例えば、発光素子と、発光素子の近傍に配置されこの発光素子の温度を検出する例えばサーミスタ等の温度検出素子と、発光素子の後方から射出されるバック光を受光して２つに分岐する例えばハーフミラー等の光カプラと、光カプラで分岐された一方の光を、周期的フィルタであるファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotetalon Filter）を介して受光する第１受光素子と、光カプラで分岐した他方の光を受光する第２受光素子と、温度調整素子と、これら発光素子、温度検出素子、光カプラ、第１及び第２受光素子、ファブリペローエタロンフィルタ及び温度調整素子が配設される基板とを備えて構成される。

発光素子は、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。第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子は、検出した各検出温度を第１及び第２ＡＴＣ１０、１８へそれぞれ出力する。第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備え、各受光光強度に応じた各受光出力を第１及び第２ＡＦＣ１１、１９へそれぞれ出力する。温度調整素子は、発熱及び吸熱を行うことにより基板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を備えて構成される。

第１及び第２ＡＴＣ１０、１８は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子の各検出温度に基づいて各温度調整素子を制御することによって、各基板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。これによって第１及び第２光源１、２０における各発光素子の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。このため、発光素子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。

第１及び第２ＡＦＣ１１、１９は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子の各受光出力に基づいて各発光素子を制御することによって、各発光素子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。

これら第１及び第２光源１、２０における光カプラ、ファブリペローエタロンフィルタ第１及び第２受光素子と第１及び第２ＡＦＣ１１、１９とは、第１及び第２光源１、２０における発光素子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それぞれ構成している。

光カプラ２、５、２１、２３は、１個の入力端子から入射された入射光を２つの光に分配して２個の出力端子へそれぞれ射出する光部品である。光カプラ８は、２個の入力端子のうちの一方の入力端子から入射された入射光を１個の出力端子から射出すると共に他方の入力端子から入射された入射光を前記出力端子から射出する光部品である。光カプラ２、５、２１、２３、８は、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２の一方の出力端子は、光パルス生成部３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光サーキュレータ１２の第１端子に光学的に接続される。光カプラ５の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部６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１４の第２入力端子に光学的に接続される。光カプラ２１の一方の出力端子は、光スイッチ２２の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２８を介して基準用光ファイバ１７の他方端に光学的に接続される。光カプラ２３の一方の出力端子は、光強度調整部２４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１４の第４入力端子に光学的に接続される。光カプラ８の一方の入力端子は、光サーキュレータ７の第２端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２５の他方の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に光学的に接続される。

光パルス生成部３は、第１光源１が射出した連続光が入射され、この連続光から、メイン光パルスと、このメイン光パルスに先立つサブ光パルスとを生成する装置である。このサブ光パルスの最大光強度は、メイン光パルスの光強度よりも小さい。そして、このサブ光パルスの立ち上がりからメイン光パルスの立ち上がりまで光強度が前記最大光強度で一定である光パルスを想定した場合に、このサブ光パルスのエネルギーは、この想定された光パルスのエネルギーよりも小さい。

このような光パルス生成部３は、例えば、図３に示すように、偏光保持光カプラ３１、３６と、第１及び第２光強度変調器３２、３４と、第１及び第２ドライバ回路３３、３５とを備えて構成される。

偏光保持光カプラ３１、３６は、例えば、偏光保持ビームスプリッタ等の光部品である。偏光保持光カプラ３１は、光カプラ２を介して第１光源１が射出した連続光が入射され、この入射された連続光を偏光方向を保持した状態で２個に分岐するものである。偏光保持光カプラ３１の一方の出力端子は、第１光強度変調器３２の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、第２光強度変調器３４の入力端子に光学的に接続される。

第１及び第２光強度変調器３２、３４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。第１光強度変調器３２の出力端子は、偏光保持光カプラ３６の一方の入力端子に光学的に接続され、第２光強度変調器３４の出力端子は、偏光保持光カプラ３６の他方の入力端子に光学的に接続される。

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を印加することによって入射光の光強度が変調され、射出される。

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およびフランツ・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などもある。

第１及び第２ドライバ回路３３、３５は、制御処理部１３によって制御され、それぞれ、第１及び第２光強度変調器３２、３４を駆動する回路である。第１及び第２ドライバ回路３３、３５は、それぞれ、例えば、第１及び第２光強度変調器３２、３４を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成し、この生成した直流電圧信号を直流出力（ＤＣ出力）として出力する直流電源回路と、所定波形の光パルスを生成すべく、通常オフされている第１及び第２光強度変調器３２、３４をオンするためであって所定の電圧波形を持つ電圧パルスを生成し、この生成した電圧パルスを交流出力（ＡＣ出力）として出力するパルス発生回路と、この電圧パルスの生成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。

第１光強度変調器３２は、第１ドライバ回路３３の制御によって、例えば、メイン光パルスを生成し、第２光強度変調器３４は、第２ドライバ回路３５の制御によって、例えば、サブ光パルスを生成する。第１ドライバ回路３３は、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスの波形に応じた波形の電圧パルスをＡＣ出力として出力する。第２ドライバ回路３３は、サブ光パルスの生成タイミングで、サブ光パルスの波形に応じた波形の電圧パルスをＡＣ出力として出力する。サブ光パルスの最大光強度は、上述したように、メイン光パルスの光強度よりも小さい。このため、偏光保持光カプラ３１は、光強度が互いに異なるように入射光を２個に分岐するものである。偏光保持光カプラ３１は、例えば、光強度の比が５：５となるように入射光を２個に分岐する。また例えば、偏光保持光カプラ３１は、光強度の比が８：２となるように入射光を２個に分岐する。また例えば、偏光保持光カプラ３１は、光強度の比が９：１となるように入射光を２個に分岐する。偏光保持光カプラ３１で分岐され光強度が相対的に大きい方の光は、第１光強度変調器３２に入射され、偏光保持光カプラ３１で分岐され光強度が相対的に小さい方の光は、第２光強度変調器３４に入射される。

偏光保持光カプラ３６は、第１及び第２光強度変調器３２、３４がそれぞれ射出した光が入射され、第１光強度変調器３２から射出された光と第２光強度変調器３４から射出された光とを各偏光方向を保持した状態で合波するものである。偏光保持光カプラ３６の出力端子は、光パルス生成部３の出力端子であり、後段の光スイッチ４の入力端子に光学的に接続される。

なお、偏光保持光カプラ３６の出力端子には、図３に破線で示すように、光パルス生成部３から射出される光パルスの光強度を所定の光強度とすべく、サブ光パルス及びメイン光パルスを増幅する光増幅器３７が必要に応じて光学的に接続されても良い。

図２に戻って、光スイッチ４、２２は、制御処理部１３の制御に従って、入力端子と出力端子との間で光をオンオフする光部品である。オンでは、光が透過され、オフでは、光が遮断される。光スイッチ４、２２は、本実施形態では、例えばＭＺ光変調器や半導体電界吸収型光変調器等の、入射光の光強度を変調する光強度変調器が用いられる。光スイッチ４、２２には、制御処理部１３によって制御され、この光強度変調器を駆動するドライバ回路が含まれる。このドライバ回路は、例えば、光強度変調器を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成する直流電源回路と、通常オフされている光強度変調器をオンするための電圧パルスを生成するパルス発生回路と、この電圧パルスの生成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。光スイッチ４の出力端子は、光カプラ５の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ２２の出力端子は、光カプラ２３の入力端子に光学的に接続される。

光強度・偏光調整部６は、制御処理部１３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６の出力端子は、光サーキュレータ７の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部６は、例えば、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可変減衰器と、入射光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。

光サーキュレータ７、１２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。光サーキュレータ７の第１端子は、光強度・偏光調整部６の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、上述したように、光カプラ８の一方の入力端子に光学的に接続され、第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１４の第３入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１２の第１端子は、上述したように、光カプラ２の他方の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ２７を介して基準用光ファイバ１７の一方端に光学的に接続され、第３端子は、ブリルアン時間領域検出計１４の第１入力端子に光学的に接続される。

光コネクタ９、２６、２７、２８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。

光強度調整部２４は、制御処理部１３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２４の出力端子は、光スイッチ２５の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２４は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出する光可変減衰器と、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光アイソレータとを備えて構成される。光強度調整部２４に入射した入射光は、光可変減衰器で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータを介して射出される。この光アイソレータは、分布型光ファイバセンサＳ内における各光部品の接続部等で生じる反射光の伝播やサブ光パルス及びメイン光パルスの第２光源２０への伝播を防止する役割を果たす。

１×２光スイッチ２５は、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を２個の出力端子のうちの何れか一方から射出する１入力２出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチなどが利用される。１×２光スイッチ２５の一方の出力端子は、上述したように、光カプラ８の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端に光学的に接続される。手動又は制御処理部１３の制御に従って、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域分析が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように１×２光スイッチ２５が切り換えられ、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域反射分析が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように１×２光スイッチ２５が切り換えられる。

検出用光ファイバ１５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、サブ光パルス及びメイン光パルスと連続光とが入射され、ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出される。ここで、配管、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１５が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。

基準用光ファイバ１７は、第１及び第２光源１、２０がそれぞれ射出する各光の周波数を調整するために使用される光ファイバであって、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差とブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め既知の光ファイバである。

温度検出部１６は、基準用光ファイバ１７の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部１３へ出力する。

ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＳの各部を制御し、光コネクタ２７及び光サーキュレータ１２を介して第１入力端子に入射された、基準用光ファイバ１７から射出したブリルアン散乱現象に係る光の光強度を求め、この求めた光強度を制御処理部１３へ出力する。そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＳの各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した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１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルをそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフトをそれぞれ求め、求めた各領域部分のブリルアン周波数シフトに基づいて検出用光ファイバ１５の歪み分布及び／又は温度分布を検出する。第１乃至第４入力端子から入射された入射光は、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。ブリルアン時間領域検出計１４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。

制御処理部１３は、ブリルアン時間領域検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５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、第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光パルス生成部３、光スイッチ４、２２、光強度・偏光調整部６及び光強度調整部２４を制御する電子回路である。制御処理部１３は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、検出用光ファイバ１５の歪み及び／又は温度の分布を高空間分解能で測定するために必要な各データを記憶するメモリ等を備えて構成される。そして、制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差とブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め記憶される記憶部と、ブリルアン時間領域検出計１４が求めたブリルアン散乱現象に係る光の光強度と基準用光ファイバ１７における既知の前記関係とに基づいて第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する周波数設定部とを機能的に備えている。

なお、これら第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光強度・偏光調整部６、光強度調整部２４及び光強度変調器は、前記特許文献１を参考にすることができる。

次に、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。

最初に、第１光源１から射出される連続光の周波数、及び、第２光源２０から射出される連続光の周波数の調整（キャリブレーション）について説明する。

まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１を制御することによって第１光源１で所定周波数の連続光を発光させ、この連続光を第１光源１から射出させ、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９を制御することによって第２光源２０で所定周波数の連続光を発光させ、この連続光を第２光源２０から射出させる。

第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２、光サーキュレータ１２及び光コネクタ２７を介して基準用光ファイバ１７の一方端に入射され、第２光源２０から射出された連続光は、光カプラ２１及び光コネクタ２８を介して基準用光ファイバ１７の他方端に入射される。基準用光ファイバ１７の一方端に入射した第１光源１からの連続光と、基準用光ファイバ１７の他方端に入射した第２光源２０からの連続光とは、基準用光ファイバ１７でブリルアン散乱現象を生じる。これによって生じたブリルアン散乱現象に係る光は、基準用光ファイバ１７の一方端から射出され、光サーキュレータ１２を介してブリルアン時間領域検出計１４に入射される。

ブリルアン時間領域検出計１４は、受光したブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出し、この検出した光強度を制御処理部１３へ通知する。

制御処理部１３は、この通知を受けると、その周波数設定部によって、その記憶部に予め記憶されている基準用光ファイバ１７における、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差とブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係と、ブリルアン時間領域検出計１４が求めたブリルアン散乱現象に係る光の光強度とに基づいて第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する。

図４は、第１及び第２光源が発光する各光の周波数の調整を説明するための図である。図４の横軸は、相対周波数差であり、その縦軸は、光強度である。

基準用光ファイバ１７における、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差とブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係は、図４に示すように、略ローレンツ曲線の上に凸の曲線Ｃである。

制御処理部１３は、まず、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の設定すべき所定周波数差ｆａに対応する基準光強度Ｐａを前記関係から求める。そして、制御処理部１３は、ブリルアン時間領域検出計１４が検出した測定光強度Ｐｄがこの基準光強度Ｐａと一致するように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する。

あるいは、制御処理部１３は、ブリルアン時間領域検出計１４が検出した測定光強度Ｐｄに対応する周波数差ｆｄを前記関係から求める。そして、制御処理部１３は、この求めた周波数差ｆｄが設定すべき所定周波数差ｆａと一致するように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する。

これによって第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差は、設定すべき所定周波数差ｆａに調整される。なお、本実施形態では、光強度Ｐｄは、受光素子で光電変換された電圧値で与えられ、基準光強度Ｐａは、この基準光強度Ｐａに対応する電圧値となる。

そして、基準用光ファイバ１７における、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差とブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係は、温度依存性を有している。本実施形態では、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差を所定周波数差ｆａに調整する際に、制御処理部１３は、温度検出部１６によって基準用光ファイバ１７の温度を検出し、この検出温度に応じて基準用光ファイバ１７における前記関係を補正する。このため、より高精度で、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差が所定周波数差ｆａに調整される。

このように動作することによって第１光源１から射出される連続光の周波数、及び、第２光源２０から射出される連続光の周波数が調整される。

分布型光ファイバセンサは、通常、検出用光ファイバと、分布型光ファイバセンサ本体とから構成される。従来では、第１光源１から射出される連続光の周波数及び第２光源２０から射出される連続光の周波数の調整は、分布型光ファイバセンサ本体と検出用光ファイバとの間に（分布型光ファイバセンサ本体の外部に）基準用光ファイバが光学的に接続され、この基準用光ファイバを用いて行われていたが、本実施形態の分布型光ファイバセンサＳでは、分布型光ファイバセンサ本体の内部に配設される基準用光ファイバ１７を用いて行われる。このため、従来のように、別途、分布型光ファイバセンサ本体の外部に基準用光ファイバを光学的に接続する必要がなく、煩雑さが解消される。そして、分布型光ファイバセンサ本体の内部に基準用光ファイバ１７が配設されるので、基準用光ファイバ１７の温度を容易に検出することができ、より高精度に、第１光源１から射出される連続光の周波数及び第２光源２０から射出される連続光の周波数が調整可能となる。

後述するように、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルを得るために、例えば第２光源２０から射出される連続光の周波数が制御処理部１３の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引される。このため、このような第１光源１から射出される連続光の周波数及び第２光源２０から射出される連続光の周波数の調整は、測定精度を向上させる観点から、掃引のために周波数が変更されるごとに実行されても良い。

また、第１光源１から射出される連続光の周波数及び第２光源２０から射出される連続光の周波数の調整は、当該調整が或る周波数差で１度実行されれば、掃引のために周波数が変更されてもその変更後の周波数は、高精度に所定の周波数に変更されるから、測定時間を短縮させる観点から、測定ごとや所定期間の経過ごとに実行されても良い。あるいは、分布型光ファイバセンサＳの起動の際に実行されても良い。

次に、歪み及び／又は温度の測定動作について説明する。

まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１を制御することによって第１光源１で所定周波数の連続光を発光させ、この連続光を第１光源１から射出させ、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９を制御することによって第２光源２０で所定周波数の連続光を発光させ、この連続光を第２光源２０から射出させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３に入射され、第２光源２０から射出された連続光は、光カプラ２１を介して光スイッチ２２に入射される。

次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって光パルス生成部３で所定波形のサブ光パルス及びメイン光パルスを生成させ、このサブ光パルス及びメイン光パルスを光パルス生成部３から射出させる。この光パルス生成部３から射出されたサブ光パルス及びメイン光パルスは、光スイッチ４に入射される。

制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるサブ光パルス及びメイン光パルスの生成タイミングに応じて光スイッチ４及び光スイッチ２２をオンする。制御処理部１３は、サブ光パルス及びメイン光パルスの生成タイミングをブリルアン時間領域検出計１４に通知する。

光スイッチ４がオンされると、サブ光パルス及びメイン光パルスは、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のサブ光パルス及びメイン光パルスは、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整され、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のサブ光パルス及びメイン光パルスは、ブリルアン時間領域検出計１４に入射される。

ブリルアン時間領域検出計１４は、サブ光パルス及びメイン光パルスのスペクトルを計測し、サブ光パルス及びメイン光パルスの周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。

光スイッチ２２がオンされると、連続光は、光カプラ２３に入射され、２つに分岐される。分岐された一方の連続光は、光強度調整部２４に入射され、光強度調整部２４でその光強度が調整され、１×２光スイッチ２５に入射される。１×２光スイッチ２５は、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域分析が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように切り換えられており、連続光は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射される。一方、１×２光スイッチ２５は、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域反射分析が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように切り換えられており、連続光は、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射される。一方、光カプラ２３で分岐された他方の連続光は、ブリルアン時間領域検出計１４に入射される。

ブリルアン時間領域検出計１４は、連続光のスペクトルを計測し、連続光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第２ＡＴＣ１８、第２ＡＦＣ１９及び光強度調整部２４を制御する。

ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したサブ光パルス及びメイン光パルスは、検出用光ファイバ１５の他方端から入射され検出用光ファイバ１５を伝播する連続光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１５の一方端から他方端へ伝播する。ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域反射分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したサブ光パルス及びメイン光パルスは、検出用光ファイバ１５の一方端から入射され検出用光ファイバ１５の他方端で反射して検出用光ファイバ１５を伝播する連続光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１５の一方端から他方端へ伝播する。ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域反射分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射した連続光が他方端で反射したタイミングでサブ光パルス及びメイン光パルスが検出用光ファイバ１５の一方端に入射するように光スイッチ４をオンするタイミングが調整され、そして、検出用光ファイバ１５の一方端に入射して他方端で反射した連続光が検出用光ファイバ１５でサブ光パルス及びメイン光パルスとブリルアン散乱現象を生じさせるように光スイッチ２２をオフするタイミングが調整される。

ブリルアン散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８及び光サーキュレータ７を介してブリルアン時間領域検出計１４に入射される。ブリルアン時間領域検出計１４は、制御処理部１３から通知された前記生成タイミングに基づいて、この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１５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。

ここで、ブリルアン散乱現象に係るサブ光パルス及びメイン光パルスと連続光との間における相互作用の程度は、これら各光の偏光面の相対関係に依存するが、本実施形態に係る分布型光ファイバセンサＳでは、測定ごとに光強度・偏光調整部６でサブ光パルス及びメイン光パルスの偏光面がランダムに変わるので、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の分布を得ることができる。

このような検出用光ファイバ１５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が、例えば第２光源２０から射出される連続光の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度かつ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルが高精度かつ高空間分解能で得られる。

そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、検出用光ファイバ１５に歪みを生じていない部分におけるブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルのピークに対応する周波数を基準に、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトル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１５の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフトを高精度かつ高空間分解能で求める。

そして、ブリルアン時間領域検出計１４は、この各領域部分のブリルアン周波数シフトから検出用光ファイバ１５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求める。この求めた検出用光ファイバ１５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。

次に、本実施形態の分布型光ファイバセンサに用いられるサブ光パルス及びメイン光パルスの態様例について説明する。

図５は、第１態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。図６は、第１及び第２光強度変調器に入力される第１及び第２ドライバ回路のＡＣ出力を示す図である。図７は、第２態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。図８は、第３乃至第５態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図９及び図１０は、第１及び第２比較例に係る光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。図５（Ａ）及び図７（Ａ）は、第１及び第２態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す。図９（Ａ）及び図１０（Ａ）は、第１及び第２比較例に係る光パルスの波形を示す。図５（Ａ）、図７（Ａ）、図８（Ａ）乃至（Ｃ）、図９（Ａ）及び図１０（Ａ）の横軸は、ｎｓ単位で表す時間（ｔｉｍｅ）であり、それらの縦軸は、光強度である。図５（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、第１及び第２態様に係るブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す。図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）は、第１及び第２比較例に係るブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す。図５（Ｂ）、図７（Ｂ）、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）の横軸は、ＭＨｚ単位で表す周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）であり、それらの縦軸は、ａ．ｕ．（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ）で表すブリルアン・ゲイン（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｇａｉｎ）である。なお、これら図５（Ｂ）、図７（Ｂ）、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）は、シミュレーション結果である。また、図６（Ａ）は、第１態様の場合を示し、図６（Ｂ）は、第２態様の場合を示す。

第１態様では、図５（Ａ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状（光強度Ｐが第１所定パルス幅Ｄ１間において第１所定光強度Ｐ１で一定）であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度Ｐ２の矩形形状（光強度Ｐが第２所定パルス幅Ｄ２間において第２所定光強度Ｐ２で一定）である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。サブ光パルスＯＰｓがこのような波形であるため、サブ光パルスＯＰｓの第２所定光強度Ｐ２が図１（Ｃ）に示す光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｃｓ^２と同一であっても、そのエネルギーは、光パルス前方光ＯＰｆのエネルギーよりも小さい。

例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、７ｎｓの時間が空けられている。

このような第１態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍを生成するために、光パルス生成部３は、次のように動作する。図６（Ａ）に示すように、まず、第２ドライバ回路３５は、第２光強度変調器３４の射出光における光強度Ｐが上記第２所定光強度Ｐ２（図５（Ａ）の場合では０．００５）となる電圧値の矩形電圧パルスを時刻ｔ１（図５（Ａ）の場合では０ｎｓ）でＡＣ出力として第２光強度変調器３４へ出力し、時刻ｔ１から上記第２所定パルス幅Ｄ２（図５（Ａ）の場合では５ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ２（図５（Ａ）の場合では５ｎｓ）でこの出力を停止する。次に、時刻ｔ２から上記所定時間（図５（Ａ）の場合では７ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ３（図５（Ａ）の場合では１２ｎｓ）で、第１ドライバ回路３３は、第１光強度変調器３２の射出光における光強度Ｐが上記第１所定光強度Ｐ１（図５（Ａ）の場合では０．０６２）となる電圧値の矩形電圧パルスをＡＣ出力として第１光強度変調器３２へ出力し、時刻ｔ３から上記第１所定パルス幅Ｄ１（図５（Ａ）の場合では１ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ４（図５（Ａ）の場合では１３ｎｓ）でこの出力を停止する。このように光パルス生成部３が動作することによって、例えば、図５（Ａ）に示す波形のサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍが生成される。なお、第１及び第２ドライバ回路３３、３５間の同期を取るために、例えば、第２ドライバ回路３５が矩形電圧パルスの立ち上がりタイミング（時刻ｔ１）を第１ドライバ回路３３に通知する。以下の第２乃至第５態様でも同様である。

ここで、サブ光パルスＯＰｓは、メイン光パルスＯＰｍが検出用光ファイバ１５に音響フォノンを生じさせる前に、検出用光ファイバ１５に予備的に音響フォノンを生じさせるための光であるから、サブ光パルスＯＰｓの立ち上がり時刻からメイン光パルスＯＰｍの立ち上がり時刻までの時間は、検出用光ファイバ１５における音響フォノンの継続時間以内の時間で適宜に設定され、例えば、５ｎｓや１０ｎｓや１５ｎｓや２０ｎｓ等に設定される。またメイン光パルスＯＰｍのパルス幅Ｄ１は、所望の空間分解能に応じて適宜に設定されるが、１ｍ以下の高空間分解能を得るために１０ｎｓ以下に設定される。サブ光パルスＯＰｓの光強度Ｐ２とメイン光パルスＯＰｍの光強度Ｐ１は、比Ｒ＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１／Ｐ２）を定義すると、前記Ｈのシミュレーションを行って比Ｒに対するＨ_２／（Ｈ_１＋Ｈ_３＋Ｈ_４）を求め、Ｈ_２／（Ｈ_１＋Ｈ_３＋Ｈ_４）の値が０．５以上となる比Ｒの値となるように設定される。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Ｒは、Ｈ_２／（Ｈ_１＋Ｈ_３＋Ｈ_４）のピークを与える値に設定され、これに応じてサブ光パルスＯＰｓの光強度Ｐ２とメイン光パルスＯＰｍの光強度Ｐ１が設定される。以下の第２乃至第５態様でも同様である。

第２態様では、図７（Ａ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２で立ち上がって光強度Ｐが時間経過に従って徐々に減少する直角三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。サブ光パルスＯＰｓがこのような波形であるため、サブ光パルスＯＰｓの第２所定光強度Ｐ２が図１（Ｃ）に示す光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｃｓ^２と同一であっても、そのエネルギーは、光パルス前方光ＯＰｆのエネルギーよりも小さい。

例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち上がりの光強度Ｐ２が０．００５である。

このような第２態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍを生成するために、光パルス生成部３は、次のように動作する。図６（Ｂ）に示すように、まず、第２ドライバ回路３５は、第２光強度変調器３４の射出光における光強度Ｐが上記直角三角形状となる直角三角形の電圧パルスを時刻ｔ１（図７（Ａ）の場合では０ｎｓ）でＡＣ出力として第２光強度変調器３４へ出力し、時刻ｔ１から上記第２所定パルス幅Ｄ２（図７（Ａ）の場合では１３ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ２（図７（Ａ）の場合では１３ｎｓ）でこの出力を停止する。次に、直ちに（時刻ｔ３（図７（Ａ）の場合では１３ｎｓ）で、第１ドライバ回路３３は、第１光強度変調器３２の射出光における光強度Ｐが上記第１所定光強度Ｐ１（図７（Ａ）の場合では０．０６２）となる電圧値の矩形電圧パルスをＡＣ出力として第１光強度変調器３２へ出力し、時刻ｔ３から上記第１所定パルス幅Ｄ１（図７（Ａ）の場合では１ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ４（図７（Ａ）の場合では１４ｎｓ）でこの出力を停止する。このように光パルス生成部３が動作することによって、例えば、図７（Ａ）に示す波形のサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍが生成される。

第３態様では、図８（Ａ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで時間経過に従って徐々に増加する直角三角形状であり、そして、第１光パルスＯＰｍが第２光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。サブ光パルスＯＰｓがこのような波形であるため、サブ光パルスＯＰｓの第２所定光強度Ｐ２が図１（Ｃ）に示す光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｃｓ^２と同一であっても、そのエネルギーは、光パルス前方光ＯＰｆのエネルギーよりも小さい。

例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち下がりの光強度Ｐ２が最大光強度であって０．００５である。

このような第３態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍを生成するために、光パルス生成部３は、次のように動作する。まず、第２ドライバ回路３５は、第２光強度変調器３４の射出光における光強度Ｐが上記直角三角形状となる直角三角形の電圧パルスを時刻ｔ１（図８（Ａ）の場合では０ｎｓ）でＡＣ出力として第２光強度変調器３４へ出力し、時刻ｔ１から上記第２所定パルス幅Ｄ２（図８（Ａ）の場合では１３ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ２（図８（Ａ）の場合では１３ｎｓ）でこの出力を停止する。次に、直ちに（時刻ｔ３（図８（Ａ）の場合では１３ｎｓ）で、第１ドライバ回路３３は、第１光強度変調器３２の射出光における光強度Ｐが上記第１所定光強度Ｐ１（図８（Ａ）の場合では０．０６２）となる電圧値の矩形電圧パルスをＡＣ出力として第１光強度変調器３２へ出力し、時刻ｔ３から上記第１所定パルス幅Ｄ１（図８（Ａ）の場合では１ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ４（図８（Ａ）の場合では１４ｎｓ）でこの出力を停止する。このように光パルス生成部３が動作することによって、例えば、図８（Ａ）に示す波形のサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍが生成される。

第４態様では、図８（Ｂ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少する二等辺三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。サブ光パルスＯＰｓがこのような波形であるため、サブ光パルスＯＰｓの第２所定光強度Ｐ２が図１（Ｃ）に示す光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｃｓ^２と同一であっても、そのエネルギーは、光パルス前方光ＯＰｆのエネルギーよりも小さい。

例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであってパルスの中央における最大光強度Ｐ２が０．００５である。

このような第４態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍを生成するために、光パルス生成部３は、次のように動作する。まず、第２ドライバ回路３５は、第２光強度変調器３４の射出光における光強度Ｐが上記二等辺三角形状となる二等辺三角形の電圧パルスを時刻ｔ１（図８（Ｂ）の場合では０ｎｓ）でＡＣ出力として第２光強度変調器３４へ出力し、時刻ｔ１から上記第２所定パルス幅Ｄ２（図８（Ｂ）の場合では１４ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ２（図８（Ｂ）の場合では１４ｎｓ）でこの出力を停止する。次に、直ちに（時刻ｔ３（図８（Ｂ）の場合では１４ｎｓ）で、第１ドライバ回路３３は、第１光強度変調器３２の射出光における光強度Ｐが上記第１所定光強度Ｐ１（図８（Ｂ）の場合では０．０６２）となる電圧値の矩形電圧パルスをＡＣ出力として第１光強度変調器３２へ出力し、時刻ｔ３から上記第１所定パルス幅Ｄ１（図８（Ｂ）の場合では１ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ４（図８（Ｂ）の場合では１５ｎｓ）でこの出力を停止する。このように光パルス生成部３が動作することによって、例えば、図８（Ｂ）に示す波形のサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍが生成される。

第５態様では、図８（Ｃ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少するガウス曲線形状である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。サブ光パルスＯＰｓがこのような波形であるため、サブ光パルスＯＰｓの第２所定光強度Ｐ２が図１（Ｃ）に示す光パルス前方光ＯＰｆの光強度Ｃｓ^２と同一であっても、そのエネルギーは、光パルス前方光ＯＰｆのエネルギーよりも小さい。

例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって最大光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、４．５ｎｓの時間が空けられている。

このような第５態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍを生成するために、光パルス生成部３は、次のように動作する。まず、第２ドライバ回路３５は、第２光強度変調器３４の射出光における光強度Ｐが上記ガウス曲線形状となるガウス曲線形状の電圧パルスを時刻ｔ１（図８（Ｃ）の場合では０ｎｓ）でＡＣ出力として第２光強度変調器３４へ出力し、時刻ｔ１から上記第２所定パルス幅Ｄ２（図８（Ｃ）の場合では５ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ２（図８（Ｃ）の場合では５ｎｓ）でこの出力を停止する。次に、時刻ｔ２から上記所定時間（図８（Ｃ）の場合では４．５ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ３（図８（Ｃ）の場合では９．５ｎｓ）で、第１ドライバ回路３３は、第１光強度変調器３２の射出光における光強度Ｐが上記第１所定光強度Ｐ１（図８（Ｃ）の場合では０．０６２）となる電圧値の矩形電圧パルスをＡＣ出力として第１光強度変調器３２へ出力し、時刻ｔ３から上記第１所定パルス幅Ｄ１（図８（Ｃ）の場合では１ｎｓ）に対応する時間が経過した時刻ｔ４（図８（Ｃ）の場合では１０．５ｎｓ）でこの出力を停止する。このように光パルス生成部３が動作することによって、例えば、図８（Ｃ）に示す波形のサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍが生成される。

第１乃至第５態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍでは、メイン光パルスＯＰｍに時間的に先立つサブ光パルスＯＰｓは、当該サブ光パルスＯＰｓの最大光強度Ｐ２がメイン光パルスＯＰｍの光強度Ｐ１よりも小さく、そして、その立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで前記最大光強度Ｐ２で一定の光パルスＯＰｆを考えた場合に、当該サブ光パルスＯＰｓのエネルギーがこの考えた光パルスＯＰｆにおけるエネルギーよりも小さく設定される。このため、ノイズ成分となるＨ_４の成分が小さくなり、Ｈ_２への影響が抑制される。このため、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルのピーク幅が狭められ、中心周波数の測定誤差が小さくなり、より高精度にブリルアン周波数シフトが測定可能となる。その結果、より高精度に、歪み及び／又は温度が測定可能となる。

ここで、第１比較例として、図９（Ａ）に示すように、パルス幅及び光強度が同一の第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２を備え、第１光パルスＯＰｗ１と第２光パルスＯＰｗ２との間には、所定時間が空けられている場合（図９（Ａ）の場合では、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２は、パルス幅が１ｎｓであって、光強度が０．０６２であって、所定時間が５ｎｓである。）では、この第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２と連続光とによるブリルアン・ゲイン・スペクトルは、図９（Ｂ）に示すように、比較的強度が大きな複数のピークを持ち、ブリルアン周波数シフトを求めるためのピーク（図９（Ｂ）において矢印で示すピーク）の光強度がこのピークの両側のピークにおける強度と殆ど差がないプロファイルである。このため、分布型光ファイバセンサＳがブリルアン周波数シフトを求めるためのピークを抽出することが難しい。

一方、本第１乃至第５態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍと連続光とによるブリルアン・ゲイン・スペクトルは、複数のピークを持つが、ブリルアン周波数シフトを求めるためのピークの強度がこのピークの両側のピークにおける強度よりも明らかに大きいプロファイルである。例えば、第１態様の場合におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルが図５（Ｂ）に示されており、第２態様の場合におけるブリルアン・ゲイン・スペクトルが図７（Ｂ）に示されている。なお、これら各図において、ブリルアン周波数シフトを求めるためのピークが矢印で示されている。このため、分布型光ファイバセンサＳがブリルアン周波数シフトを求めるためのピークを抽出することがより容易となる。

また、第２比較例として、図１０（Ａ）に示すように、前記特許文献１に開示の階段状光パルスの場合（図１０（Ａ）の場合では、パルス幅が１３ｎｓであって光強度が０．００５である光パルス前方光ＯＰｆの後にパルス幅が１ｎｓであって光強度が０．０６２である光パルスＯＰを備える階段状光パルス）では、この階段状光パルスと連続光とによるブリルアン・ゲイン・スペクトルは、図１０（Ｂ）に示すプロファイルとなり、矢印で示すブリルアン周波数シフトを求めるためのピークの半値幅が本第１乃至第５態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍと連続光とによるブリルアン・ゲイン・スペクトルにおけるブリルアン周波数シフトを求めるためのピークの半値幅よりも大きい（広い）。このため、本第１乃至第５態様に係るサブ光パルスＯＰｓ及びメイン光パルスＯＰｍと連続光とによるブリルアン・ゲイン・スペクトルの方がより高精度に歪み及び／又は温度が計測可能である。

なお、上述の実施形態における分布型光ファイバセンサＳは、サブ光パルス及びメイン光パルスの周波数を固定し、連続光の周波数を所定周波数範囲で掃引することによってブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルを測定するものである。このため、第１光源１の発光素子は、必ずしも周波数可変半導体レーザである必要はなく、周波数固定の半導体レーザであってもよい。

また、上述の実施形態における分布型光ファイバセンサＳでは、サブ光パルス及びメイン光パルスの周波数が固定され、連続光の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルが測定されたが、連続光の周波数が固定され、サブ光パルス及びメイン光パルスの周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトルが測定されてもよい。

そして、上述の実施形態における光パルス生成部３は、入射光を２個に分岐し、一方の入射光から第２光強度変調器３４でサブ光パルスを生成し、他方の入射光から第１光強度変調器３２でメイン光パルスを生成し、これらサブ光パルス及びメイン光パルスを合波するように構成されたが、サブ光パルスに対応する形状のサブ電圧パルスと、メイン光パルスに対応する波形のメイン電圧パルスとを電気的に合成し、この電気的に合成されたサブ電圧パルスとメイン電圧パルスとをＡＣ出力として光強度変調器に入力することで、サブ光パルス及びメイン光パルスを生成するように構成されてもよい。

また、上述の実施形態では、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域分析とブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域反射分析とが一体で実行可能なように分布型光ファイバセンサＳが構成されたが、ブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域分析が実行可能な分布型光ファイバセンサとブリルアン・ゲイン／ロス・スペクトラム時間領域反射分析が実行可能な分布型光ファイバセンサとで別体で構成されても良い。

そして、上述の実施形態において、ブリルアン時間領域検出計では、第３入力端子から入射された入射光は、光電変換を行う受光素子を備える受光回路によって受光されるが、その受光回路の回路構成から検出用光ファイバ１５に入射される連続光は、その光強度が図１１に示すように変調されても良い。

図１１は、検出用光ファイバに入射される連続光の光強度変調を説明するための図である。図１１（Ａ）は、検出用光ファイバに入射される連続光の波形を示し、その横軸は、時間であり、その縦軸は、光強度である。図１１（Ｂ）は、受光回路の一構成例を示す回路図である。図１１（Ｃ）は、受光回路の周波数特性を示す図であり、その横軸は、周波数であり、その縦軸は、受光回路の出力である。

図１１（Ｂ）に示すように、受光回路４０は、例えば、光電変換素子のホトダイオード４１と、抵抗素子４２と、コンデンサ４３、４５と、増幅器４４と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４６とを備えて構成される。ホトダイオード４１は、直列に接続される電流電圧変換用の抵抗素子４２を介して接地され、直列接続のホトダイオード４１及び抵抗素子４２には、バイアス電圧Ｖｃｃが印加される。ホトダイオード４１と抵抗素子４２との接続点には、直流成分カット用のコンデンサ４３を介して増幅器４４が接続される。増幅器４４には、直流成分カット用のコンデンサ４３を介してハイパスフィルタ４６が接続される。このような受光回路４０では、ホトダイオード４１がブリルアン散乱現象に係る光を受光すると、受光光量に応じた光電流が抵抗素子４２に流れ、抵抗素子４２で電流電圧変換される。その電流電圧変換された電圧出力は、コンデンサ４３を介して増幅器４４に入力され、増幅器４４で増幅される。増幅器４４の出力は、コンデンサ４５を介してハイパスフィルタ４６に入力され、予め設定された所定の低周波数範囲がカットされる。

ここで、検出用光ファイバ１５に入射される連続光が光強度変調されることなく、ホトダイオード４１、抵抗素子４２、コンデンサ４３及び増幅器４４で構成される受光回路で受光されると、当該受光回路の出力が図１１（Ｃ）に示すように低周波数領域で抵抗素子４２の抵抗値Ｒとコンデンサ４３の容量Ｃとで決まる時定数で徐々に立ち上がるため、低周波数領域での測定が良好とはならない場合がある。

そこで、検出用光ファイバに入射される連続光は、図１１（Ａ）に示すように、抵抗素子４２の抵抗値Ｒとコンデンサ４３の容量Ｃとで決まる時定数に応じた周波数で所定の振幅で光強度変調される。そして、この周波数以下の低周波数成分がハイパスフィルタ４６でカットされるように、上述のように受光回路が構成される。

このように構成されると、受光回路では、図１１（Ｃ）に示すように、抵抗素子４２の抵抗値Ｒとコンデンサ４３の容量Ｃとで決まる時定数で徐々に立ち上がる領域の出力がカットされ、見かけ上、ダイレクトに出力値が得られる。

本実施形態では、光スイッチ２２が光強度変調器を備えて構成されているので、光スイッチ２２によって第２光源２０から射出された連続光が所定の光強度を中心に所定の振幅で光強度変調され、検出用光ファイバ１５に入射される。例えば、光スイッチ２２では、連続光が１００ｋＨｚで光強度変調され、ハイパスフィルタ４６の遮断周波数が１００ｋＨｚに設定される。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

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。 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光パルス生成部の構成を示すブロック図である。 第１及び第２光源が発光する各光の周波数の調整を説明するための図である。 第１態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。 第１及び第２光強度変調器に入力される第１及び第２ドライバ回路のＡＣ出力を示す図である。 第２態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。 第３乃至第５態様に係るサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 第１比較例に係る光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。 第２比較例に係る光パルスの波形、及び、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。 検出用光ファイバに入射される連続光の光強度変調を説明するための図である。 背景技術に係る分布型光ファイバセンサを示す図である。 ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示す図である。

符号の説明

Ｓ 分布型光ファイバセンサ
３ 光パルス生成部
１３ 制御処理部
１４ ブリルアン時間領域検出計
１６ 温度検出部
１７ 基準用光ファイバセンサ
３１、３６ 偏光保持光カプラ
３２、３４ 第１及び第２光強度変調器
３３、３５ 第１及び第２ドライバ回路

Claims (10)

1. 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、
   メイン光パルスと、前記メイン光パルスに先立ち、最大光強度が前記メイン光パルスの光強度よりも小さく、エネルギーが立ち上がりから前記メイン光パルスの立ち上がりまで前記最大光強度で一定の光パルスにおけるエネルギーよりも小さいサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
   連続光を生成する連続光光源と、
   前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光とが入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続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・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・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ること
   を特徴とする分布型光ファイバセンサ。
2. 前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
   前記連続光は、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・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・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及び／又は温度を測定すること
   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. 前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスは、前記検出用光ファイバの一方端から入射し、
   前記連続光は、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、伝播する前記連続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・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・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及び／又は温度を測定すること
   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。
4. 前記サブ光パルスのパルス幅は、立ち上がりから前記メイン光パルスの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
5. 前記サブ光パルスの光強度は、時間経過に従って減少すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
6. 前記サブ光パルスの光強度は、時間経過に従って増加すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
7. 前記サブ光パルスの光強度は、時間経過に従って増加した後に減少すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
8. 前記光パルス光源及び前記連続光光源は、
   線幅の狭い所定の周波数であって略一定の光強度である光を連続的に発光する第１及び第２発光素子と、
   前記第１及び第２発光素子の各温度を実質的に一定にそれぞれ保持する第１及び第２温度制御部と、
   前記第１及び第２発光素子が発光する前記各光の各周波数を実質的に一定にそれぞれ保持する第１及び第２周波数制御部と、
   前記第１及び第２発光素子が発光する前記各光の一部がそれぞれ入射され、ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と前記ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が既知の基準用光ファイバと、
   前記基準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の光強度と既知の前記関係とに基づいて前記第１及び第２発光素子が発光する前記各光の周波数差が所定の周波数差となるように、前記第１周波数制御部及び／又は前記第２周波数制御部を制御する周波数設定部とを備えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
9. 前記光パルス光源は、
   線幅の狭い所定の周波数であって略一定の第１光強度である光を連続的に発光する発光素子と、
   前記発光素子が発光する光を互いに光強度が異なるように２個に分岐する光分岐部と、
   前記光分岐部で分岐され光強度が相対的に大きい方の光の光強度を変調する第１光強度変調器と、
   前記光分岐部で分岐され光強度が相対的に小さい方の光の光強度を変調する第２光強度変調器と、
   前記第１及び第２光強度変調器でそれぞれ変調された各光を合波する光合波部とを備え、
   前記第１光強度変調器は、前記メイン光パルスを生成し、
   前記第２光強度変調器は、前記サブ光パルスを生成すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
10. 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９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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