JP6342019B2 - 分布型光ファイバ音波検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長手方向の各場所に到達した音波を、レーザ光の位相雑音の影響を排除して、高感度、かつ高精度で検出する分布型光ファイバ音波検出装置に関する。

光ファイバにレーザ光を入射して、その光ファイバの長手方向の各場所で光ファイバに到達した音波を計測して、侵入検知装置として利用するものがある（例えば特許文献１参照）。この装置は、レーザ光源からのパルス光の後方散乱光であるレイリー後方散乱光（以下、レイリー散乱光と略記する）を基に、このレイリー散乱光の光ファイバの各場所における強度変化を計測して行うものである。

上述の侵入検知技術、あるいは油井やガス井をセンシングする技術として分布型音波計測（ＤＡＳ：distributed acoustic sensing。以下ではＤＡＳと略記する場合がある）を用いる方法が従来から知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法は上述のように、レイリー散乱光の強度変化を用いるもので、簡略化してＤＡＳ−Ｉ（optical intensity-based DAS）と呼ばれる手法である。ＤＡＳ−Ｉは、音波によりレイリー散乱光の強度が振動することを利用するものであるから、信号処理自体は簡単であるが、位置により感度が大きく異なり、音波の検出性能は限定的である。一方、最近、ＤＡＳ‐Ｐ（optical phase-based DAS）と呼ばれるレイリー散乱光の位相変化を用いる手法が実用化されつつある。ＤＡＳ−Ｐでは、音波の空間積分がレイリー散乱光の位相になるから、位相の空間微分が必要になる。また、位相はその性質上ラッピング（wrapping）された形で観測されることから、アンラッピング（連続的な形の位相波形を求めること）も必要となる。このため、ＤＡＳ−Ｐは、ＤＡＳ−Ｉに比較して、信号処理は複雑になるが、音波の波形は忠実に再現できる特徴をもつ。

上記いずれの分布型音波計測法を用いても、音波の検出性能には、レーザ光の位相雑音と受信器の観測雑音の２種類の雑音が大きな影響を与え、検出性能を劣化させる要因となる。また、偏波の影響も考慮する必要がある。これらの要因のうち、観測雑音の影響については、パルス圧縮法を用いて信号のＳＮ比をあげることで抑制することが可能である（例えば、特許文献２参照）。また、偏波の影響については、偏波ダイバシティヘテロダイン検波器などを用いて検波することで抑制できる。

米国特許第５１９４８４７号明細書 国際公開第２０１３／０５１１９６号 国際公開第２０１０／１３６８１０号

"Applying DAS in Oil & Gas Operations", Novus Light Technologies Today、[online]、 Written by Anne Fischer、 8 October 2012、 インターネット＜http://www.novuslight.com/applying-das-in-oil-gas-operations_N320.html＞ "Statistical properties of Rayleigh backscattering in single-mode fibers", Journal of Lightwave Technology, vol.8, no.4, 1990, pp.561-567

しかしながら、レーザ光の位相雑音の影響については、従来は特殊なレーザ光源を用いることで対応していた。すなわち、従来の分布型音波計測においては、使用可能なレーザ光源の周波数の線幅（半値幅）は、通常１０ｋＨｚ以下であることが前提となっていた（例えば、特許文献１参照）。周波数の線幅が１０ｋＨｚより大きければ、音が検知できなかったため、そもそも音波の観測ができなかったからである。このように、従来は音波観測に使用できるレーザ光源には制約があった。

そして、このようなレーザ光源を用いる従来の分布型音波計測においては、以下のような問題点があった。１つ目は、レーザ光源の周波数の半値幅１０ｋＨｚ以下のレーザは、外部共振型の特殊なものになるため、高価なレーザ光源が必要となること。２つ目は、このような外部共振型のレーザ光源では、例えば、レーザ光の発振周波数を制御する場合、周波数のホッピング（hopping）が発生し発振周波数を連続的に変化させることができないなど、レーザ光の駆動と制御が難しいこと。３つ目は、このような狭い線幅のレーザ光源の用途はＤＡＳに限定されるため、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）やＴＷ−ＣＯＴＤＲ（Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry）といった他の光ファイバセンシングとの共用ができないため、共用しようとすると、少なくとも２種類以上のレーザ光源が必要になることである。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、通常のレーザ光源を用いた音波計測を可能とするため、レーザ光の位相雑音消去による新しい分布型音波計測方式を採用した分布型光ファイバ音波検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る分布型光ファイバ音波検出装置は、
音波で発生する光ファイバの歪によって、当該光ファイバに入射したレーザ光の後方散乱光が擾乱することにより、被測定対象である音波の分布状態を測定する分布型光ファイバ音波検出装置であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光をパルス整形して光パルスとし、この光パルスを前記光ファイバに注入するパルス発生器と、
前記レーザ光を一定時間遅らせて前記パルス発生器に注入する遅延回路と、
前記レーザ光を前記パルス発生器に直接注入するか、あるいは前記遅延回路を介して注入するかを、スイッチを切り替えて行うスイッチング回路と、
前記光ファイバ中で後方散乱し、この光ファイバの入射端に戻るレイリー散乱光を検波し中間信号であるＩＦ信号を抽出する検波器と、
この検波器で抽出された前記ＩＦ信号を処理してベースバンド信号に変換する信号処理器と、を備え、
前記被測定対象の音波を計測している間、
音波探査用の光パルスとこの音波探査用の光パルスの複製パルスを、前記スイッチング回路のスイッチを切り替えることにより、それぞれ奇数回目と偶数回目に、一定の時間間隔で繰り返し、前記光ファイバに交互に注入するようにするとともに、
前記信号処理器は、レイリー散乱光の偶数回目の信号から、その１つ前の奇数回目の信号を差し引いた後のＩＦ信号を処理することを特徴とするものである。

この発明によれば、レーザ光源は、その周波数の半値幅が１０ｋＨｚ以下のレーザを用いなくても、通常のレーザ光源を用いて音波計測が可能となる。このため、レーザ光の駆動と制御が容易になる。また、ＢＯＴＤＲやＴＷ−ＣＯＴＤＲといった他の光ファイバセンシングとの共用ができるといった顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の前提となる装置の基本構成の一例を示す図である。 図１のＡ部拡大図である。 ＤＡＳ−Ｉの信号成分と音波の振幅の関係の一例を示す図である。 ＤＡＳ−Ｐの信号成分と音波の振幅の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の基本構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置のシミュレーションに用いた音波の一例を示す図である。 図６の音波に対してＤＡＳ−Ｉの信号処理をして得られた強度の時間波形の一例を示す図である。 図６の音波に対してＤＡＳ−Ｉの信号処理をして得られた空間波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットした図である。 図７の強度の時間波形を時間で微分した波形の図である。 図９の時間で微分した波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットした結果を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉの場合のシミュレーション結果の一例であり、強度の時間波形を時間で微分した波形の図である。 本発明の実施の形態１に係るＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉの場合のシミュレーション結果の一例であり、図１１の時間で微分した波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットした図である。 図６の音波に対してＤＡＳ−Ｐの信号処理をして得られたシミュレーション結果の一例であり、位相の空間微分の時間波形の一例を示す図である。 図１３に示したＤＡＳ−Ｐの時間波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットした図である。 図１３の位相の空間微分の時間波形を時間で微分した図である。 図１５の時間で微分した波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットした図である。 本発明の実施の形態１に係るＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐの場合のシミュレーション結果であり、位相の空間微分の時間波形を時間で微分した図である。 図１７の時間で微分した波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットした図である。 本発明の実施の形態２に係る分布型光ファイバ音波検出装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１の前提となる一般的な分布型光ファイバ音波計測法について図を用いて説明する。図１は一般的な分布型光ファイバ音波検出装置の構成の一例を示す図である。図２は、図１のＡ部拡大図であり、図２（ａ）は、ヘテロダイン検波法を用いて検波する場合の図であり、図２（ｂ）は、ホモダイン検波法を用いて検波する場合の図である。これらの図において、レーザ光源１から出射されたレーザ光はパルス発生器２でパルス（図中には時間幅Ｄとしてパルス発生器２の右側に模式的に示した）に整形され、光ファイバ３の入力端（図中ｚ＝０として示した箇所。なお光ファイバの他端をｚ＝Ｌとする。即ち光ファイバの長手方向をｚ方向とし、光ファイバのｚ方向の長さをＬとする）から注入される。注入されたパルスは光ファイバ３中でレイリー散乱され、そのレイリー散乱されたレイリー散乱光は光ファイバ３の入力端に戻る。戻ってきたレイリー散乱光は、検波器４で検波され、中間信号、すなわち、ＩＦ信号（Intermediate Frequency信号）が抽出される。ここで検波器４で検波する検波法としては上述のように大別して２種類のものを用いることができる。１つはヘテロダイン検波法であり、検波器４の構成部品として、図２（ａ）に示すように、局所発振器４ａ及び周波数シフト器４ｂを用い、これらの構成部品により周波数シフトされたレーザ光源１のレーザ光を参照光として、偏波ダイバシティヘテロダイン検波器４ｃでヘテロダイン検波された後、中間信号であるＩＦ信号が抽出される。このＩＦ信号は、信号処理器５により信号処理されて、ベースバンド信号に変換される。同時に偏波ダイバシティ受信と組み合わせることで、偏波成分も抽出される。一方、別の検波法として、図２（ｂ）に示すように、ホモダイン検波法を用いることも可能である。この場合には、図２（ａ）に示すように、局所発振器４ａ及び周波数シフト器４ｂは用いず、ホモダイン検波器４ｄだけを用いて検波された後、ベースバンド信号が抽出される。

この装置で音波を計測するためには、音波の帯域幅の２倍以上のサンプリング周波数でプローブパルス（音波検出のためのパルスのこと）を光ファイバ３に注入して、音波（図１中に記号Ｓで示した）により発生した光ファイバ３内の歪によって擾乱したレイリー散乱光の計測を行うことで、音波の計測を行う。すなわち、図１中の光ファイバ３を除いた構成が一般的な分布型音波検出装置の構成となる。
なお、上述の信号処理においては、レイリー散乱光の信号の平均値を求め、この平均値を計測した信号から差し引く処理を行うため、レイリー散乱光の計測は繰り返し実施される。レイリー散乱光の信号の平均値を求める必要があるためである。

上記の特許文献１では、入力端に戻ったレイリー散乱光の強度を、光パルスを注入してからの、時間の関数として計測している。この計測は入力パルスを繰り返し光ファイバに注入しながら行われている。このとき、音波による歪が光ファイバ中に存在しなければ、ノイズを除けば、繰り返しの各回で同一のレイリー散乱光の散乱強度が得られる。音波による歪が光ファイバ中に存在すれば、繰り返しの各回でレイリー散乱光の散乱強度は変化する。この変化から音波を検出することができる。光ファイバへ光パルスを注入してからレイリー散乱光を受信するまでの時間は、光ファイバの各点までの光の往復時間であるから、光ファイバ中での音波の存在する（長手方向の）位置までの距離を定められる。この原理は、図１の分布型音波検出装置でも適用される。

上述の光ファイバにおけるレイリー散乱は、光ファイバ中の分子の配列がランダムであることにより引き起こされる。このランダムな配列により、光の屈折率あるいは電気感受率に、分子間距離のオーダでのミクロの揺らぎが発生することによる。このミクロの揺らぎのパターンはファイバ製造時に決まるものであり、ファイバ毎に固有のものである。

以下においては、ＤＡＳ−Ｉ及びＤＡＳ−Ｐについてのシミュレーション検討による比較を行うため、まず初めに、レイリー散乱の数学的モデルを考える。レイリー散乱は、数学的には光ファイバに沿っての後方散乱係数ρ（ｚ）と光波の積の積分として表現される（例えば、非特許文献２参照）。なお、ρ（ｚ）は複素数値をとる空間的な白色ガウス過程である。

光が完全にコヒーレントであるとすれば、光パルスを注入したときのレイリー散乱のベースバンド信号は、ρ（ｚ）の短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ：short time Fourier transform）になる。このとき、用いる光の周波数は基準値ωを中心に動かすとして、ω＋Δωと表し、この短時間フーリエ変換を下記の式（１）のように表す。この場合、基準値ωの値としては、例えば、２００ＴＨｚ程度の値とする。また、Δωはこの基準値ωから変化させる周波数の値であり、正の値だけでなく負の値も取る。

ここで、ｌ_ｐは空間的なパルス幅、ω_ｍ＝２ω／ｖ_ｇは用いる光の周波数ωに対応する空間周波数（波数）であり、ｖ_ｇはレーザ光の光ファイバ中での光の群速度である。ここでパルス幅をＤとすると、ｌ_ｐ＝ｖ_ｇＤ／２で表される。

一方、音波は、光ファイバ中では、長さ方向の歪の変化として感知される。具体的には、ある音波が気体等の媒質中を伝播して光ファイバに到達すると、言い換えると光ファイバに衝突すると、光ファイバにごくわずかな歪が生ずる。ここで、ｋ番目のパルスが注入されたときの音波の振幅を位置の関数としてａ_ｋ（ｚ）とおく。このとき、レイリー散乱光は定数を除くと、式（２）で表される。

ここでγはレイリー散乱における歪と周波数シフトとの関係を決める係数であり、γ_ｍ＝２γ／ｖ_ｇである。

式（２）から、音波が存在するときのレイリー散乱の強度は式（３）で表される。

また、音波が存在するときのレイリー散乱の位相は式（４）で表される。

式（３）、式（４）のいずれにも音波が含まれていることを確認できるが、位相の場合には、音波は空間積分の形で含まれる。

強度変化に基づくＤＡＳであるＤＡＳ−Ｉの場合には、レイリー散乱の強度スペクトル（ランダムなスペクトル）は、距離方向には間隔（この間隔は空間的パルス幅と等価である）ｌ_ｐで独立になるような挙動をし、周波数方向には、間隔ｖ_ｇ／（２ｌ_ｐ）（ｌ_ｐ＝１ｍの場合には、１００ＭＨｚ、ｌ_ｐ＝５ｍの場合には、２０ＭＨｚ）で独立になるような挙動をする（光の群速度を２０万ｋｍ／秒とする）。そして、音波による歪の振動と等価な周波数方向への振動は強度の振動をもたらし、この強度の振動から音波が検知できる。ただし、強度変化の仕方は光ファイバの位置ｚによって違ってくる（式（３）参照）。また、ＤＡＳ−Ｉの信号成分と音波の振幅の関係は、音波が十分小さい場合には線形化できるが、その係数は位置ｚに依存しており、符号もプラス、マイナス両方の値を取る（図３参照）。

一方、位相変化に基づくＤＡＳであるＤＡＳ−Ｐの場合には、レイリー散乱の位相から音波の分布を計測するためには、音波が空間積分の形で含まれることから、空間方向への微分あるいは差分が必要になる。そこで、差分幅をΔｚとおき、この幅内では、音波は変化しないものとする。このような場合においては、音波による歪の振動（周波数方向への振動と等価）は、位相差の振動をもたらし、音波と位相の関係はほぼ線形であり傾きは等しい（図４参照）。従って、位相差の振動から音波が検知できることがわかる。なお、パルス幅は、短い方が音波と位相差との直線性は良くなることが知られている。

ここで、ヘテロダイン受信について簡単に説明を加える。ＤＡＳでは、上記偏波の影響を除くため、２つの波形を処理する際、ヘテロダイン検波器を用いる光ヘテロダイン受信を行っている。この光ヘテロダイン受信を行うためには、受信光と参照光の偏波状態が一致している必要がある。ところが、通常の光ファイバでは、偏波状態は光ファイバに沿って変化し、受信光の偏波状態は未知である。これに対処するため、受信光を直交する２つの偏波成分に分離し、成分ごとに検出を行っている（この手法は一般に偏波ダイバシティと呼ばれる）。

以上説明したように、一般のＤＡＳでは、音波を検出する際、レーザ光の位相雑音が、その検出性能に大きな影響を与える。この課題を解決するため、本発明では、位相雑音消去（以下ではＰＮＣ（phase noise cancelling）と記載する）によるＤＡＳを提案する。ただし、レイリー散乱信号のＳＮ比は十分高いとする。つまり、観測雑音は十分小さいとして無視できる場合を取り扱う。以下の説明ではこの方式による分布型音波計測を簡略化してＰＮＣ−ＤＡＳと呼ぶ。

本発明の実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の一例を図５に示す。図１と比較して、レーザ光源１とパルス発生器２の間に、遅延回路６とスイッチング回路７の２つの構成要素が追加されて配置されている点が異なっている。ＰＮＣ−ＤＡＳでは、位相雑音を含むプローブパルスの他に、このプローブパルスのレプリカを用いる。そして繰り返し計測のためのプローブ光の光ファイバ３への注入は、プローブパルス（１回目）、このプローブパルスのレプリカパルス（以下単にレプリカと呼ぶ）（１回目）、プローブパルス（２回目）、レプリカ（２回目）、…、プローブパルス（ｎ回目）、レプリカ（ｎ回目）、の順に必要な回数、つまり、音波を計測する時間の間、繰り返し行う。また、上述のように、プローブパルスとレプリカの注入を規則的に交互に繰り返す必要がある。

通常、繰り返しは一定の時間間隔Δｔで行う。すなわち、プローブパルス（１回目）とレプリカ（１回目）の時間間隔、レプリカ（１回目）とプローブパルス（２回目）の時間間隔、プローブパルス（２回目）とレプリカ（２回目）の時間間隔等々、がすべて同じ時間間隔Δｔとなっている。このΔｔはパルス光同士が重なることがないようにするため、式（５）で表されるΔｔ_ｓよりも大きな値、つまり、Δｔ＞Δｔ_ｓとなるように設定する。

ここで、Ｌ_ｆは光ファイバの（長手方向の）長さ、ｖ_ｇはレーザ光の光ファイバ中での群速度である。このΔｔは遅延回路の遅延時間に等しい。なお、この時の繰り返しは、音波観測している間、継続してなされる。

次に、本発明の実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の動作について、図１と異なる動作を主として以下説明する。この繰り返し動作については、図５に示す分布型光ファイバ音波検出装置を用いて行う。図５に示すように、パルス繰り返し間隔に相当する遅延時間Δｔを与えるために設けられた遅延回路６を用い、スイッチング回路７でレーザ光源１からのレーザ光と遅延回路を介したレーザ光とを交互にスイッチングしてパルス発生器に注入する。すなわち、レーザ光を繰り返しパルス発生器に注入する動作において、レーザ光源から直接出射されたもの（プローブパルス）と、このプローブパルスのレプリカを上記の遅延回路を用いて遅延させたものと、を、スイッチング回路により交互にスイッチングしてパルス発生器に注入する。

この場合のＰＮＣ−ＤＡＳの信号処理では、偶数回目の信号であるレプリカの信号からその１つ前の奇数回目の信号を差し引く。つまり、信号そのものではなく、異なる時間において計測した信号の差を演算する処理をすることになるが、音波に含まれる位相雑音の影響は原理上、完全に排除される効果がある。ただし、２つずつの信号ペアで１つの信号を得ることになるので、実質的な繰り返し回数は半分になる。

具体的な信号処理は、強度を利用するＤＡＳ−Ｉと位相を利用するＤＡＳ−Ｐとでは互いに異なるが、これらと、本実施の形態のＰＮＣ−ＤＡＳとの信号処理方法の違いは以下のように説明できる。まず、ＤＡＳ−ＩとＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉとの違いは、ＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉでは、音波の時間差分を計測するため、レイリー散乱光の信号の平均値を求める必要がないため、信号処理はＤＡＳ−Ｉよりも簡単である。つまり、単に偶数回目の信号から、その一つ前の奇数回目の信号を差し引くだけでよい。上述の表現を用いると、レプリカ（ｊ回目）のレイリー散乱光の信号からプローブパルス（ｊ回目）のレイリー散乱光の信号を差し引くだけでよい。ここで、ｊは１、２、…、ｎの自然数である。

次に、ＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐの信号処理について説明する。ＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐの信号処理では、ＤＡＳ−Ｐと同様に、位相の空間微分と位相アンラッピングが必要となる。まず、位相の空間微分の必要性について説明する。上述の式（４）を座標ｚで微分すると、次式（６）が求まるので、これより音波の振幅ａ_ｋ（ｚ）が求められることがわかる。ここで、式（６）の左辺は位相の空間微分に相当する。

また、ＤＡＳ−Ｐの計測では、その信号の位相は０〜２πの値を持つとして処理されるため、位相信号はラッピングされる。従って信号が不連続なものとして計測される箇所が発生することから、これを修正して連続した信号として扱うためには、位相信号をアンラッピングすることが必要である。そしてこの事情はＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐの信号処理でも同様である。
従って、ＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐの信号処理では、ＤＡＳ−Ｐと同じ信号処理器を用いて、偶数回目の信号であるレプリカの位相信号から、その１つ前の奇数回目の位相信号を差し引く。

以下では、本発明の実施の形態１のＰＮＣ−ＤＡＳによる分布型光ファイバ音波検出装置によって計測した場合に、レーザ光の位相雑音が消去される効果があることを、一定条件の下でＤＡＳとＰＮＣ−ＤＡＳによって音波を計測した場合のシミュレーション結果の差によって説明する。

まず、用いる音波として、次式（７）で示される減衰振動を用いる（図６参照）。これは、本実施の形態１では、音波が光ファイバに衝突した場合を取り扱っており、減衰振動は、破壊や衝突によって音波が発生する場合に典型的に現れる振動の形態であるため、本実施の形態１を取り扱う場合の振動モデルとして適切と考えられるからである。

ここで、ａ_０は音波の最大振幅、ｆ_Ａは音波の周波数、τ_Ａは減衰時間、ｔ_０は音波の開始時間である。なお、光ファイバ中の音波は長さ方向への歪の振動とみなせる。

図６において、縦軸の音波の振幅ａ（ｔ）は、光ファイバ中の歪の大きさを表している。この歪は単位長さ当たりの変位として定義される。通常、この歪は微小である。そこで、ここでは音波により生ずる歪については、１００万分の１の歪（＝１με）を単位として表わす。横軸は時間（単位：秒）で、この時間は、式（７）のｔに対応している。また、プローブパルスを注入する時間をｔ_ｋ＝ｋΔｔ（ここでΔｔはパルスの繰り返し間隔である）、ｋ＝１、２、３、…、ｎとすると、ｋ番目のプローブパルスが注入されたときの音波の振幅ａ_ｋは、ａ_ｋ＝ａ（ｔ_ｋ）となる。

シミュレーション時の一定条件としては以下を仮定した。すなわち、光ファイバの長さＬ_ｆを１００ｍとし、光ファイバの長手方向の全ての位置ｚにおいて、同一の音波が存在するものとした。レーザ光の線幅（半値幅）は、１０ｋＨｚと比較して十分大きな値である１００ｋＨｚとした。また、観測雑音の影響を無視できるようにするため、観測雑音のＳＮ比を４０ｄＢとした。つまり、レーザ光の線幅が非常に広く、観測雑音が非常に少ない場合を条件として定めた。

以上の条件の下で、まず、ＤＡＳ−ＩとＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉのシミュレーション結果について、図７〜図１２を用いて説明する。図７〜図１０はＤＡＳ−Ｉのシミュレーション結果であり、図１１、図１２はＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉのシミュレーション結果である。

これらのシミュレーションにおいて、用いた音波の最大振幅ａ_０は０．０２με（ここで、１μεは上述のように１００万分の１の歪に相当する）、ｌ_ｐは先に説明したように空間的なパルス幅で、ここでは５ｍである（図１、図５に示すＤの値としては５０ｎｓである）。その他のパラメータの値は以下の通りである。まず、音波のパラメータ値は、ｆ_Ａ＝０．１ｋＨｚ、τ_Ａ＝０．１ｓ(ｓ：秒、以下同様)、ｔ_０＝０．１ｓである。ＤＡＳ−Ｉのパラメータ値は、レーザ光の線幅Δｆ＝１００ｋＨｚ、パルスの繰り返し間隔Δｔ＝１ｍｓ、データのサンプリング間隔は１０ｎｓ（ファイバ長１ｍに相当）である。

図７は、図６に示した音波に対して、ＤＡＳ−Ｉの信号処理で得られた強度の波形である。また、図８は、ＤＡＳ−Ｉの空間波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットしたものである。なお、図７は、位置ｚを４０ｍに固定したときの音波の強度Ｉ_ｋ（ｚ）の時間波形を表す。

一般に、光ファイバの位置ｚで散乱されて入力端に戻ってくるレイリー散乱光の強度は、時間と空間の関数としてＩ（ｔ、ｚ）と書ける。このうち時間は、プローブパルスを入力する離散的な時間ｔ_ｋ＝ｋΔｔ（ｋ＝１、２、３、・・・、ｎ）だから、レイリー散乱光の強度はｋ番目のプローブパルスに対するものとしてＩ_ｋ（ｚ）と表す。図７、図８は、このＩ_ｋ（ｚ）をプロットしたものである。図７はｚ＝４０ｍに固定した時の時間波形、すなわち、ｔ_ｋと強度Ｉ_ｋ＝Ｉ（ｔ_ｋ）の関係をプロットしたものである。図７では縦軸の表示はＩ（ｔ）とした。音波の振動波形が強度の振動波形に変換されている様子がわかる。なお、この様相は位置ｚが変化すると大きく変化する（次の図８参照）。一方、図８は、すべてのｚにおける強度Ｉ_ｋ（ｚ）の空間波形を全時間分重ね合わせてプロットしたものである。

次に、図９〜図１２は、レイリー散乱光の時間差分、すなわち式（８）をプロットしたものである。

図９、図１０の場合は、ｋはすべての１、２、３、…、についてのものであり、図１１、図１２の場合は、ｋは偶数番目の２、４、６、…、についてのものである。これは、ＰＮＣ−ＤＡＳの場合には、偶数番目のプローブパルスは、その１つ前の奇数番目のプローブパルスのレプリカであり、偶数番目のＩ_ｋ（ｚ）から、その１つ前のＩ_ｋ−１（ｚ）を差し引くことにより、位相雑音が消去される効果があるためである。図９、図１１はいずれも、ｚを固定したときの時間波形であり、図１０、図１２はすべてのｋ（ただし図１２の場合はすべての偶数番目のｋ）の空間波形を重ね合わせたものである。

図８中、白の線の集合（記号Ｃで示す縦軸ゼロ上とその近傍の領域）は、雑音のみの場合の空間波形（０秒＜時間ｔ＜０．１秒）、黒の線の集合（記号Ｂで示す領域）は、信号と雑音を合わせた場合の空間波形（０．１秒＜時間ｔ＜０．５秒）である。また、縦軸ゼロの位置に対して、ほぼ上下対称の波形パターンになっているが、これは音波の最大振幅ａ_０が十分小さく、強度変化への線形性が保たれているともいえる。この図から位置ｚにより大きく異なる結果が得られることがわかる。なお、図１０、１２、１４、１６、１８（図１４、図１６、図１８の詳細については後述）においても、白の線の集合は雑音のみの場合の空間波形、黒の線の集合は信号と雑音を合わせた場合の空間波形である。

図９は、図７の強度の波形を時間で微分した結果である。また図１０は図９の時間で微分した波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットしたものである。図８に比較して、雑音のみの場合の空間波形が、信号と雑音を合わせた場合の空間波形に近づき、雑音がほとんど消去できていないことがわかる。

これらに対して、図１１、図１２はＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉの場合のシミュレーション結果であり、ＤＡＳ−Ｉのシミュレーション結果である図９と図１０に、それぞれ対応させて比較することができる。強度の波形を時間で微分したＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉのシミュレーション結果は、ＤＡＳ−Ｉのシミュレーション結果と大きく異なっており、むしろ図６に示す元の音波の減衰波形に近い形となっているといえる。また、図１２は同様に図１０と対比される結果を示しているが、この場合も図１０の結果とは大きく異なり、雑音レベルは信号のレベルに比べて十分小さな値に抑えられており、本実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の位相雑音消去の効果が有効に反映されていると考えられる。

次に、ＤＡＳ−ＰとＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐのシミュレーション結果について、図１３〜図１８を用いて説明する。図１３〜図１６はＤＡＳ−Ｐのシミュレーション結果であり、図１７、図１８はＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐのシミュレーション結果である。

これらのシミュレーションにおいて、用いた音波のパラメータ値は、ＤＡＳ−Ｉの場合と同じであるので、説明を省略する。空間的なパルス幅ｌ_ｐは、ここでは１ｍである（図１、図５に示すＤの値としては１０ｎｓである）。その他のＤＡＳ−Ｐのパラメータの値は、ＤＡＳ−Ｉの場合と同じであるので、ここでは説明を省略する。

図１３は、図６に示した音波に対して、ＤＡＳ−Ｐの信号処理で得られた位相の空間微分Ｄ_ｋφ_ｋ（ｚ）の時間波形である。図１３では、位置ｚを４０ｍに固定したときの時間波形を示す（図１３では縦軸の表示はＤ_ｚφ（ｔ）／πとした）。これらから、音波の振動波形が位相の振動波形に変換されている様子がわかる。この様相は位置ｚが変化すると変化するが、その違いはＤＡＳ−Ｉの場合に比べて小さいと言える（下記図１４参照）。

図１４は、図１３に一例を示したＤＡＳ−Ｐの時間波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットしたものである。図８と同様、図中、白の線の集合は、雑音のみの場合の空間波形（０秒＜時間ｔ＜０．１秒）、黒の線の集合（記号Ｂで示した領域）は、信号と雑音を合わせた場合の空間波形（０．１秒＜時間ｔ＜０．５秒）である。また、縦軸０（ゼロ）の位置に対して、ほぼ上下対称の波形パターンになっている。これはもとの音波波形の上下対称性を反映したものであり、再現性が優れていることを示している。この図から、ＤＡＳ−Ｉに比べて、位置ｚによる違いは小さいことがわかる。

図１５は、図１３の位相の空間微分の時間波形を時間で微分した結果である。また図１６は図１５の時間で微分した波形を全時間にわたって重ね合わせてプロットしたものである。図１４に比較して、雑音のみの場合の空間波形が、信号と雑音を合わせた場合の空間波形に近づき、雑音がほとんど消去できていないことがわかる。

これらに対して、図１７、図１８はＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐの場合のシミュレーション結果であり、ＤＡＳ−Ｐのシミュレーション結果である図１５と図１６に、それぞれ対応させて比較することができる。位相の空間微分の時間波形を時間で微分したＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐのシミュレーション結果は、ＤＡＳ−Ｐのシミュレーション結果と大きく異なっており、ＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉの場合と同様に、むしろ図６に示す元の音波の減衰波形に近い形となっているといえる。また、図１８は同様に図１６と対比される結果を示しているが、この場合も図１６の結果とは大きく異なり、雑音レベルは信号のレベルに比べて十分小さな値に抑えられており、本実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の位相雑音消去の効果が有効に反映されていると考えられる。

以上説明したように、本実施の形態１に係る分布型光ファイバ音波検出装置の位相雑音消去方式であるＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｉ、およびＰＮＣ−ＤＡＳ−Ｐのいずれにおいても、位相雑音消去の効果があることを示した。すなわち、雑音の中でも位相雑音が支配的になる条件であるａ）レーザ光の位相雑音が大きい（レーザ光の線幅、つまり半値幅が１００ｋＨｚ以上）、及びｂ）観測雑音が小さい（ＳＮ比が４０ｄＢ以上）場合に効果が大きい。

なお、以上の説明では、音波は減衰振動を例にシミュレーションを行ったがこれに限らず、他の波形でも同様の効果を奏する。また、レーザ光の線幅（半値幅）は、１０ｋＨｚと比較して十分大きな値である１００ｋＨｚとしたが、これに限らず、１００ｋＨｚ以上の値であっても同様の効果を奏する。また、観測雑音のＳＮ比は４０ｄＢと仮定してシミュレーションを行ったが、これに限らず、観測雑音の影響を無視できるＳＮ比であれば、これ以外の値であっても同様の効果を奏する。

実施の形態２．
本実施の形態２について、図１９を用いて説明する。図１９は本実施の形態２に係る分布型光ファイバ音波検出装置の構成を示す図であり、レイリー散乱光を検波する方法が実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態では、図２（ａ）に示す装置構成のうち、レーザ光源１のレーザ光を周波数シフトさせるための局所発振器４ａ及び周波数シフト器４ｂが備えられていない場合に相当する。この図（図１９）の場合の検波法はホモダイン検波と呼ばれる検波法である。実施の形態１のヘテロダイン検波を用いる場合と比較して、プローブ信号と局所発振器による参照信号とが同じなため、回路構成がシンプルとなる利点を持つ。

実施の形態３．
実施の形態１、および実施の形態２では、観測雑音のＳＮ比が、例えば４０ｄＢなど、十分大きく、観測雑音が無視できる場合を例にして説明した。本実施の形態では、観測雑音のＳＮ比が十分大きくない場合の分布型光ファイバ音波検出装置について説明する。

本実施の形態では、図５の構成に加え、パルス発生器から出射された光パルスを変調する変調部と、レイリー散乱光について前記変調に対応する復調を行う復調部をさらに設ける構成とした分布型光ファイバ音波検出装置とする。このように構成することで、観測雑音のＳＮ比が十分大きくない場合についても実施の形態１と同様の効果が得られる。

すなわち、パルス発生器から出射された光パルスを変調部と、レイリー散乱光について前記変調に対応する復調を行う復調部を設けて、所定の符号系列を用いて光パルスの変調を行い、この変調された光パルスを光ファイバに入射させるとともに、この変調された光パルスに生じたレイリー散乱光について、復調部において復調を行う構成とする、つまり、所定の符号系列を用いたパルス圧縮を行う構成とする。この構成は小さなパルス幅でかつ強い信号強度を持った光パルスを用いて音波の検出を行ったのと同様の効果を得ることを可能とする（例えば、特許文献２参照）。従って、観測雑音のＳＮ比が十分大きくない場合についても、適用が可能となるため、実施の形態１と同様の効果を得られる。

実施の形態４．
実施の形態１、および実施の形態２では、レーザ光源１のレーザ光をヘテロダイン検波あるいはホモダイン検波の参照光として用いる場合を説明したが、本実施の形態では、レーザ光源による参照光を用いないで図１のＡ部の代わりに、例えば３×３光カプラによる干渉計、あるいは４×４光カプラによる干渉計（例えば、特許文献３参照）を用いる。この方法によってもレイリー散乱波の振幅及び位相の空間差分を求めることができるため、実施の形態１、実施の形態２と同様の効果が得られる。なお、上記では、３×３光カプラによる干渉計、あるいは４×４光カプラによる干渉計を用いた例で説明したが、これらに限らず、ｍを３以上の自然数として、ｍ×ｍ光カプラによる干渉計を用いても同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ レーザ光源、２ パルス発生器、３ 光ファイバ、４ 検波器、４ａ 局所発振器、４ｂ 周波数シフト器、４ｃ 偏波ダイバシティヘテロダイン検波器、４ｄ ホモダイン検波器、５ 信号処理器、６ 遅延回路、７ スイッチング回路、Ｄ パルスの時間幅 、ｌｐ 空間的なパルス幅、Ｌ_ｆ 光ファイバの（長手方向の）長さ、ｖ_ｇ レーザ光の光ファイバ中での群速度、ρ レイリー後方散乱係数、Δｆ レーザ光の線幅、Δｔ 遅延回路の遅延時間、及びパルスの繰り返し間隔

Claims (6)

1. 音波で発生する光ファイバの歪によって、当該光ファイバに入射したレーザ光の後方散乱光が擾乱することにより、被測定対象である音波の分布状態を測定する分布型光ファイバ音波検出装置であって、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光をパルス整形して光パルスとし、この光パルスを前記光ファイバに注入するパルス発生器と、
   前記レーザ光を一定時間遅らせて前記パルス発生器に注入する遅延回路と、
   前記レーザ光を前記パルス発生器に直接注入するか、あるいは前記遅延回路を介して注入するかを、スイッチを切り替えて行うスイッチング回路と、
   前記光ファイバ中で後方散乱し、この光ファイバの入射端に戻るレイリー散乱光を検波し中間信号であるＩＦ信号を抽出する検波器と、
   この検波器で抽出された前記ＩＦ信号を処理してベースバンド信号に変換する信号処理器と、を備え、
   前記被測定対象の音波を計測している間、
   音波探査用の光パルスとこの音波探査用の光パルスの複製パルスを、前記スイッチング回路のスイッチを切り替えることにより、それぞれ奇数回目と偶数回目に、一定の時間間隔で繰り返し、前記光ファイバに交互に注入するようにするとともに、
   前記信号処理器は、レイリー散乱光の偶数回目の信号から、その１つ前の奇数回目の信号を差し引いた後のＩＦ信号を処理することを特徴とする分布型光ファイバ音波検出装置。
2. 前記パルス発生器から出射された光パルスを変調する変調部と、
   前記変調部で変調された光パルスのレイリー散乱光を復調する復調部をさらに備え、
   定められた符号系列を用いて変調部で前記光パルスの変調を行い、この変調された光パルスを前記光ファイバに入射するとともに、この光パルスに生じたレイリー散乱光について、前記復調部で復調を行うことを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
3. 前記検波器は、周波数シフト器で周波数シフトされた前記レーザ光源のレーザ光を参照光として用い、ヘテロダイン検波され偏波ダイバシティヘテロダイン検波器、あるいは周波数シフトされない前記レーザ光源のレーザ光を参照光として用いるホモダイン検波器、あるいは、ｍを３以上の自然数として、前記２種類の参照光をいずれも用いない、ｍ×ｍ光カプラによる干渉計、のいずれか１つであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
4. 前記一定の時間間隔は、光ファイバの長さの２倍の値をレーザ光の光ファイバ中での群速度の値で除した値より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
5. 前記レーザ光源のレーザ光の線幅は、１００ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。
6. 前記信号処理器の信号出力の位相の空間微分と、位相の連続化処理である位相アンラッピングとを併せて行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分布型光ファイバ音波検出装置。

Images