JP6612284B2 - ブリルアン及びレイリー分布センサ - Google Patents

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Description

光ファイバにおいて、光透過の損失メカニズムは光の吸収及び散乱を含み得る。吸収について、光は光のエネルギーが光ファイバ材料内で熱に変換されるとき吸収され得る。散乱について、光は光ファイバ中を伝播するとき様々な方向に分散され、光エネルギーの一部分が光ファイバのコアに戻される。この点に関して、透明媒体を通過する光がこの媒体の屈折率の周期的な空間的及び時間的変化と相互作用するときブリルアン散乱が発生する。ブリルアン散乱はひずみや温度等の環境変数に依存し、光ファイバの機械的歪み及び温度を検出するために利用することができる。ブリルアン散乱に比較して、レイリー散乱は光又は他の電磁放射の粒子による弾性散乱に関連する。レイリー散乱は光ファイバによる信号伝送の異常を識別するために利用し得る。
本発明の特徴を一例として下記の図面に示される実施形態につき説明する。
本発明の一実施形態に係わる、ブリルアン及びレイリー分布センサの構造を示す。 図２Ａ〜２Ｃは、本開示の一実施形態において、チューニング無しの場合、４ｎｍスキャン及び３５ｎｍスキャンを１０ｎｓパルスで１ｍの空間分解能で実行した場合のレイリーパワーのコヒーレントフェージング雑音をそれぞれ示す。 本発明の一実施形態による、ブリルアントレース及びレイリートレース決定方法のフローチャートを示す。 本発明の一実施形態による、ブリルアントレース及びレイリートレース決定方法の別のフローチャートを示す。 本発明の一実施形態による、コンピュータシステムを示す。
簡単のため及び説明のために、本開示は主としてその実施形態について記述する。以下の記述において、本発明のよりよい理解のために詳細な説明が与えられる。しかしながら、容易に明らかなように、本発明はこれらの詳細な記述に限定されることなく実施可能である。さらに、本開示を不必要に不明瞭にしないようにいくつかの方法及び構造は詳細に記述されていない。
本開示において、“ａ”及び”ａｎ”は特定の要素の「少なくとも一つ」を意味する。本開示で使用される、”ｉｎｃｌｕｄｅ”及び“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”は記述した要素を含むことを意味するが、それに限定されない。“ｂａｓｅｄ ｏｎ”は「少なくとも部分的に基づく」も意味する。
本開示の実施形態によるブリルアン及びレイリー分布センサは、一対の調節可能なレーザ源及び半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含み得る。両レーザ源を所定のオフセット周波数シフトを含むように調整することによって、このセンサは光ファイバのブリルアントレースとレイリートレースの両方を測定するために使用することができる。このブリルアン及びレイリー分布センサは、光時間領域リフレクトメータ（ＯＴＤＲ）とブリルアンＯＴＤＲ（Ｂ−ＯＴＤＲ）に適用することができる。このブリルアン及びレイリー分布センサは、ブリルアン及びレイリーコヒーレントリフレクトメトリに供することができる。
光増幅器（ＯＡ）は、最初に光信号を電気信号に変換する必要なしに、直接光信号を増幅することができる。ＳＯＡは半導体利得媒体に基づくタイプのＯＡである。ＳＯＡは光信号に対して広い波長範囲に亘って高い光利得を提供し得る。
光時間領域リフレクトメータ（ＯＴＤＲ）は光ファイバの特性測定のために使用される光電子装置である。ＯＴＤＲは一連の光パルスを試験中の光ファイバに注入し得る。ＯＴＤＲは光パルスが入射された光ファイバの同じ端から、光ファイバに沿う点から散乱されて又は反射されて戻る光を抽出し得る。収集された戻り散乱又は反射光は光ファイバの特性を測定するために使用することができる。例えば、収集された戻り散乱又は反射光は光ファイバの任意の位置における事象を検出し、位置決定し、測定するために利用することができる。事象は光ファイバの任意の位置における欠陥を含み得る。ＯＴＤＲにより測定し得る他のタイプの特性は、減衰均一性及び減衰率、セグメント長、及びコネクタ及びスプライスの位置及び挿入損を含む。
Ｂ−ＯＴＤＲは、光ファイバの異なる領域に沿う歪み及び温度を測定し得る光ファイバ歪み及び温度分布検出システムと称してもよい。
ＯＴＤＲに関して、コヒーレントＯＴＤＲ法は一般的に、ヘテロダインビート周波数を生成するために単一の細いレーザビームと音響光学変調器（ＡＯＭ）又は電気光学変調器（ＥＯＭ）の形態の周波数シフタを使用する。ＡＯＭは音響光学効果を使用し、音波によって光の周波数を回折及びシフトすることができる。ＥＯＭは電気光学効果を呈する信号制御素子を含み、信号制御素子を用いて光ビームを変調することができる。
ＡＯＭ及びＥＯＭに対して、周波数スキャンを適用すると、シフトされたレーザビームが単一レーザビームに直接追従し、一定のビート周波数を維持する。しかしながら、単一の細いレーザビーム及び周波数シフタを使用するコヒーレントＯＴＤＲ技術は、Ｂ−ＯＴＤＲ実装に複雑さを加える欠点を含んでいる。例えば、ＡＯＭは約１０．８ＧＨｚのブリルアン周波数シフトに一致する周波数シフトを生成し得ない。ＥＯＭ出力は多数のライン、基本波、側帯波及び高調波を含み、依然として望ましくない信号及びブリルアン相互作用を生成する。さらに、ＡＯＭ及びＥＯＭはレーザ源におけるＡＯＭ又はＥＯＭの挿入に対して２〜５ｄＢの挿入損を含み得る。
本発明の実施形態によるブリルアン及びレイリー分布センサは、ＯＴＤＲ実装とＢ−ＯＴＤＲ実装の両方をもたらす。さらに、このブリルアン及びレイリー分布センサは、光ファイバに対してブリルアントレース測定とレイリートレース測定の両方をもたらすことができる。
ブリルアントレース測定に対して２つのレーザビームの間の制御された周波数シフトはブリルアン及びレイリー分布センサに維持することができる。一実施形態では、ブリルアントレース測定のためのオフセット周波数シフトの範囲は約１０．０ＧＨｚ〜約１３ＧＨｚの周波数を含んでよい。例えば２つのレーザビームは約１０．８ＧＨｚのオフセット周波数シフトに設定してよい２つのレーザビームの第１レーザビームは外部変調器で変調してよい。変調されたレーザビームは被検査装置（ＤＵＴ）に注入してよい。例えば、ＤＵＴは光ファイバを含み得る。ＤＵＴからの後方散乱光はコヒーレント受信機によって収集され得る。コヒーレント受信機において、後方散乱光は局部発振器として使用される第２レーザビームと混合され得る。局部発振器としての第２レーザビームの使用に関して、第１レーザビームと関連する相対的に低い振幅の後方散乱信号はコヒーレント受信機において第２レーザビームの相対的に高い振幅の信号と混合され得る。コヒーレント受信機は偏光ダイバーシティコヒーレント受信機とし得る。センサコントローラは、ブリルアン及びレイリー分布センサの構成要素の動作を制御するために、これらの構成要素のオフセット頬本発明に通信可能に接続され得る。センサコントローラはブリルアントレース測定に関して本明細書に開示される様々な機能を実行し得る。例えば、センサコントローラは、分布ブリルアンスペクトルをサンプリングするために２つのレーザビームの間の様々な周波数シフトに対して収集を反復し得る。ＤＵＴ内のブリルアン相互作用は原プローブパルスに対して後方散乱信号を周波数シフトする。その周波数シフト値は、ストークスシフト又は反ストークスシフトに対してそれぞれプラス又はマイナス１０．８ＭＨｚに近い量である。ストークスシフトは、光波が共伝播音響波、即ち一般にドップラー効果になぞらえられる現象、によって後方散乱されるときに観測される負の周波数シフトといわれている。正の、即ち反ストークス、周波数シフトは、光波がカウンタ伝播音響波で後方散乱されるときに起こる２つのレーザ源間の周波数シフトを設定し調整することによって、ゼロ周波数を中心とするコヒーレント検波は分布ブリルアンスペクトルの記録を可能にする。ＤＵＴに沿う共振ブリルアン周波数シフトは、ブリルアントレースの解析から、例えばブリルアンスペクトルのフィッティングによって決定され得る。更に、積分ブリルアンパワーも、例えば共振ブリルアン周波数シフトに対して積分処理を実行することによって決定され得る。ブリルアン周波数シフト及び積分ブリルアンパワーはＤＵＴの機械的歪み及び温度を検出するために使用し得る。
レイリートレース測定に対して、ブリルアン及びレイリー分布センサは２つのレーザビームの間に周波数シフトを維持した状態で２つのレーザビームをある波長範囲に亘ってスキャンし得る。例えば２つのレーザビームはオフセット周波数シフトを持つように設定される。一実施形態によれば、レイリートレース測定のためのオフセット周波数シフトの範囲は約１００．０ＫＨｚから約１ＧＨｚの間の周波数を含み得る。例えば、オフセット周波数シフトは約２４０ＭＨｚに設定し得る。一実施形態によれば、前記波長範囲は１０の位のＧＨｚ（例えば１５ＧＨｚ）から数ＴＨｚ（例えば５０ＴＨｚ）までの範囲を含み得る。第１レーザビームは外部変調器で変調してよい。変調されたレーザビームはＤＵＴに注入し得る。例えば、ＤＵＴは光ファイバを含み得る。ＤＵＴからの後方散乱信号はコヒーレント受信機で収集し得る。後方散乱信号は局部発振器として使用される第２レーザビームと混合し得る。センサコントローラはレイリートレース測定について本明細書に記載した様々な機能を実行し得る。例えば、センサコントローラは、コヒーレントフェージング雑音を低減するために２つのレーザビームをスキャンしながら反復される収集の平均化を実行し得る。所定のオフセット周波数シフトにおけるコヒーレント検波はレイリートレースを生成する。レイリートレースはＤＵＴに沿う信号の伝達の異常を識別するために使用し得る。
図１は、本開示の一実施形態によるブリルアン及びレイリー分布センサ１００（以後「センサ１００」という）を示す。図１を参照すると、センサ１００は、第１レーザビームを１０２において放出する第１レーザ源と、第２レーザビームを１０４において放出する第２レーザ源を含み得る。第１レーザビーム及び第２レーザビームはそれぞれレーザビーム１及びレーザビーム２として示されている。レーザ源の各々は分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ源とし得る。ＤＦＢレーザ源は、レーザ源の活性領域が回折格子として周期的に構成される光ファイバレーザ源と記載してもよい。
変調器ドライバ１０６は変調器１０８を駆動し得る。変調器１０８はレーザビーム１を変調し得る。変調器１０８は外部変調器とし得る。変調器１０８の例としてはＳＯＭ、ＡＯＭ又はＥＯＭがある。変調器１０８はレーザビーム１を１０ｎｓ〜１μｓの範囲内で変調し得る。変調器１０８はレーザビーム１と光ファイバ１１０との間の中間に配置し得る。変調器１０８はカプラ１１２からの光信号の増幅を提供し得る。即ち、変調器１０８はカプラ１１２からの光信号に高い光学利得を広い波長範囲に亘って提供し得る。
フォトダイオード１１４はレーザビーム１とレーザビーム２との間に接続配置し得る。フォトダイオード１１４はレーザビーム１とレーザビーム２との間のビート周波数を測定し得る。レーザビーム１とレーザビーム２との間のビート周波数はレーザビーム１とレーザビーム２との間の所定のオフセット周波数シフトを設定するために使用し得る。所定のオフセット周波数シフトに対して、フォトダイオード１１４は光場の強さに比例する信号を供給し得る。この光場は同じ直線偏光状態の２つの単色光信号から成り、フォトダイオード１１４の応答帯域幅内のレーザビーム１とレーザビーム２との間の周波数差を有する。２つの場の干渉はこの周波数でビートを生成し、このビート周波数はフォトダイオード１１４の出力信号において観測可能である。
カプラ１１２、１１６及び１１８はレーザビーム１、フォトダイオード１１４及びレーザビーム２に接続し得る。カプラ１１２１１６及び１１８は図１に示すように１×２カプラとし得る。例えば、カプラ１１２は変調器１０８及びカプラ１１６への伝送のための光ファイバ結合を提供する。カプラ１１２は、レーザビームの９０％を変調器１０８に向け、レーザビームの１０％をフォトダイオード１１４に向ける９０／１０カプラとして設計してよい。カプラ１１６は５０／５０カプラとして設計してよく、カプラ１１８は９０／１０カプラとして設計してよい。
サーキュレータ１２０は変調器１０８と光ファイバ１１０の中間に配置し得る。サーキュレータ１２０は変調器１０８から増幅されたレーザ信号を受信し、増幅されたレーザビームを光ファイバ１１０に向けることができる。さらに、サーキュレータ１２０は光ファイバ１１０からの後方散乱信号を受信し得る。
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２２は光ファイバ１１０からサーキュレータ１２０を介して後方散乱信号を受信するために使用し得る。ＰＢＳ１２２は後方散乱信号を２つの異なる偏光ビームに分離し得る。即ち、光ファイバ１１０からの後方散乱信号は未知の偏光状態にあり、ＰＢＳ２２は後方散乱光を２つの偏光状態に分割する。偏光状態は２つの偏極状態への投影を表し得る。２つの偏極状態はＳ偏光とＰ偏光を表す。Ｓ偏光は入射面に垂直に偏極された光を称する。Ｐ偏光は入射面に平行に偏極された光を称する。
ＰＢＳ１２４はレーザビーム２を受信するために使用してよい。ＰＢＳ１２４はレーザビーム２を２つの異なる偏光ビームに分離し得る。
ＰＢＳ１２２からの出力はスプリッタ１２６と１２８に分離し得る。スプリッタ１２６において、Ｓ偏光はＳ偏光レーザビーム２と混合され得る。スプリッタ１２８において、Ｐ偏光はＰ偏光レーザビーム２と混合され得る。
スプリッタ１２６及び１２８からの出力はフォトダイオードに向けられる。スプリッタ１２６及び１２８は２×２のスプリッタを含み得る。スプリッタ１２６及び２８は５０／５０スプリッタとしてよく、後方散乱信号の５０％と正しい偏光状態のレーザビームの５０％が対応するフォトダイオードに向けられる。
センサコントローラ１３０は、本明細書に開示するように、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定するためにコヒーレント受信機１３２と連動し得る。コヒーレント受信機１３２はＰＢＳ１２２、ＰＢＳ１２４、スプリッタ１２６及び１２８、及びフォトダイオードを含み得る。
レイリートレース又はブリルアントレースは、各パルス後に同期収集される対応する光周波数又は周波数範囲における光パワーの一次的な漸近的変化を表し得る。コヒーレント受信機１３２のフォトダイオードにより発生される電気信号は後方散乱場の局部発振器とのビート周波数を反映し得る。コヒーレント受信機１３２のフォトダイオードの帯域幅、電気的増幅、及びアナログ−ディジタル変換は取得可能な光信号に対していくつかの周波数限界をセットし得る。アクセス可能な光周波数範囲はこの場合光振動の周波数±グローバル電気的帯域幅よりなる。コヒーレント受信機１３２のフォトダイオードにより発生される電気信号は、アクセス可能な周波数の範囲を更に低減するために、例えばローパス及びバンドパスフィルタを可とするアナログ又はディジタルフィルタによって処理してもよい。コヒーレント受信機１３２のフォトダイオードにより発生される電気信号は光後方散乱信号の場に比例し、パワーを決定するためにアナログ又はディジタル技術によって処理し得る。例えば、ディジタル二乗及び平均処理によって実効パワーを生成することができる。
ブリルアントレースに対して、レーザビーム１及びレーザビーム２は約１０．０ＧＨｚ１３．０ＧＨｚの範囲内のオフセット周波数にセットしてよい。例えば、レーザビーム１及びレーザビーム２は約１０．８ＧＨｚオフセット周波数シフトにセットしてよい。このような値の周波数シフトの場合、低周波数（例えばほぼゼロ周波数）でのコヒーレント検波はブリルアントレースを生成し得る。この場合には、ブリルアントレース測定に対してローパスフィルタを使用し得る。
レイリートレースに対して、レーザビーム１及びレーザビーム２はあるオフセット周波数シフトにセットしてよい。この同じ周波数でのコヒーレント検波はレイリートレースを生成する。例えば、レイリートレースに対して、レーザビーム１及びレーザビーム２は約１００．０ＫＨｚ〜１．０ＧＨｚの範囲内のオフセット周波数シフトに設定してよい。一実施形態によれば、レイリートレースに対して、レーザビーム１及びレーザビーム２は約２４０ＭＨｚのオフセット周波数シフトに設定してよい。この場合には、レイリートレース測定に対してバンドパスフィルタを使用し得る。
ブリルアントレース決定のためのセンサ１００の動作を図１につき説明する。
ブリルアントレース決定に対して、センサ１００はレーザビーム１とレーザビーム２との間に所定のオフセット周波数シフトを維持してよい。例えば、レーザビーム１及びレーザビーム２は約１０．８ＧＨｚのオフセット周波数シフトに設定してよい。例えば、レーザビーム１は１９３ＴＨｚの所定の周波数及び１０．８ＭＨｚのオフセット周波数シフトに設定し、レーザビーム２は約１９３ＴＨｚの所定の周波数に設定し得る。レーザビーム１及びレーザビーム２が約１０．８ＧＨｚの高い周波数でシフトされるとき、光ファイバ１１０から戻る後方散乱光はほぼレーザビーム２の周波数になり、ブリルアン検出をもたらす。
レーザビーム１は変調器１０８で変調してよい。
変調されたレーザビーム１はＤＵＴに注入し得る。図１の例では、ＤＵＴは光ファイバ１１０としてよい。
光ファイバ１１０からの後方散乱信号はコヒーレント受信機１３２で収集し得る。コヒーレント受信機１３２において、レーザビーム２は局部発振器として使用し得る。
後方散乱信号の収集は、分布ブリルアンスペクトルをサンプリングするために、２つのレーザビームの間の種々の周波数シフトに対して反復してよい。例えば、ブリルアントレースを約１０．８ＧＨｚで決定されると仮定すると、収集は様々な周波数シフトに対して約１０．７ＧＨｚ〜１０．９ＧＨｚの範囲において１．０〜１０．０ＭＨｚの増分で行うことができる。
１０．８ＧＨｚに設定されたレーザビーム周波数シフトに対する低周波数（ほぼゼロ周波数）でのコヒーレント検波はブリルアントレースを生成する。
光ファイバ１１０に沿う共振ブリルアン周波数シフトは分布ブリルアンスペクトルから決定し得る。光ファイバ１１０に沿う共振ブリルアン周波数シフトは分布ブリルアンスペクトルをフィッティングすることによって決定し得る。更に、積分ブリルアンパワーも分布ブリルアンスペクトルから決定し得る。例えば、積分ブリルアンパワーは、分布ブリルアンスペクトルに積分処理を適用することによって分布ブリルアンスペクトルから決定することができる。光ファイバ１１０に沿う共振ブリルアン周波数シフト及び積分ブリルアンパワーを用いて光ファイバ１１０に沿う機械的歪み及び温度を決定することができる。
レイリートレース測定のためのセンサ１００の動作を図１につき説明する。
レイリートレース測定に対して、センサ１００はレーザビーム１及びレーザビーム２をその２つのレーザビームの間に周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンしてよい。レイリートレース測定に対して、オフセット周波数シフトは約１００．０ＫＨｚ〜約１ＧＨｚの範囲内の周波数を含んでよい。例えば、レーザビーム１及びレーザビーム２は約１９３ＴＨｚの所定の周波数に設定し、レーザビーム１に対して２４０ＭＨｚのオフセット周波数シフトを指定してよい。従って、低い周波数シフトでレイリートレースを測定することができる。レーザビーム１及びレーザビーム２をその２つのレーザビームの間に周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘りスキャンするためにレーザビーム１及びレーザビーム２のレーザ源を連続的に調整してよい。
レーザビーム１は変調器１０８で変調してよい。
変調されたレーザビーム１はＤＵＴに注入してよい。図１の実施形態では、ＤＵＴは光ファイバ１１０を含んでよい。
光ファイバ１１０からの後方散乱信号はコヒーレント受信機１３２で収集し得る。コヒーレント受信機１３２において、レーザビーム２は局部発振器として使用し得る。
後方散乱信号の収集は同一の所定のオフセット周波数シフトで反復することができる。レイリートレースに対して、反復収集は、コヒーレントフェージング雑音を低減するために、２つのレーザビームをスキャンしながら平均化してよい。従って、オフセット周波数シフトでのコヒーレント検波はレイリートレースを生成し、可能な周波数の範囲は約１００．０ＫＨｚ〜約１ＧＨｚを含む。レイリートレースは光ファイバ１１０に沿う時間又は距離の関数としてレイリーパワーを表すことができる。
レイリーパワーの測定に対して、図２Ａ〜２Ｃは、本開示の一実施形態において、チューニング無しの場合、４ｎｍスキャン及び３５ｎｍスキャンを１０ｎｓパルスで１ｍの空間分解能で実行した場合のレイリーパワーのコヒーレントフェージング雑音をそれぞれ示す。図２Ａ〜２Ｃに示されるように、広帯域源又は狭帯域源の周波数スイープの使用は、雑音として観測可能な、コヒーレントフェージング雑音と称される干渉を低減する。
ブリルアンパワー及びレイリーパワーの測定に基づいて、センサ１００は高い空間分解能における温度及び歪み測定をもたらす。本明細書に開示するように、ブリルアンパワーはセンサ１００のＢ−ＯＴＤＲ機能に基づいて測定でき、レイリーパワーはセンサ１００のＯＴＤＲ機能に基づいて測定できる。この点に関して、センサ１００のＢ−ＯＴＤＲ機能はブリルアン周波数シフト及びブリルアンパワーの測定をもたらす。ブリルアンパワーはファイバ損失と関連するパワー変動を除去するためにレイリーパワーに対して正規化してよい。この点に関して、ブリルアンパワーはレイリーパワーで除算することによってレイリーパワーに対して正規化することができる。
レーザビーム１及びレーザビーム２のレーザ源のコースチューニングに関して、各レーザビームに対し、コースチューニングのためにレーザ源チップのチップ温度を使用し得る。チップ温度のテーブルをレーザビーム１及びレーザビーム２のレーザ源のチューニング値を決定するためのガイドとして使用することができる。レーザビーム１及びレーザビーム２のレーザ源のファインチューニングに関して、各レーザ源に対し、ファインチューニングのためにレーザ源チップの動作電流を使用し得る。即ち、ブリルアン及びレイリートレース決定に関して、チップ温度及びレーザ源動作電流をレーザビーム１とレーザビーム２との間のオフセット周波数シフトを制御するために使用することができる。
レーザビーム１とレーザビーム２に関するビート周波数を一定に維持するために、チップ温度及び動作電流に関する帰還ループをレーザビーム１、レーザビーム２及びフォトダイオード１１４の間に適用することができる。この点に関して、レーザビーム１及び２のビート周波数はレーザ源のチップ温度及び動作電流の測定値に基づいて必要に応じ維持することができる。
高速フォトダイオードで発生されるビート周波数の周波数は単位時間当たりのゼロ交差カウンタで評価される。この点に関して、レーザビームと関連するオフセット周波数シフトを決定する一つの技術はゼロ交差の計数である。例えば、ゼロレベルの交差をその都度決定するゼロレベル比較器を使用することができる。ゼロレベルの交差回数に基づいて、レーザビームと関連するオフセット周波数シフトを決定することができる。
後方散乱信号をコヒーレント検波方式の高周波（ＲＦ）帯域幅内に維持するために、安定化を十分に効率的にすべきである。これに関連して、レーザ源のチューニングに対して１ＭＨｚの周波数が１℃の温度変化に相当し得る。一例によれば、検波のＲＦ帯域幅は１ＭＨｚ又はそれ以上に指定され得る。高い空間分解能を達成するために、相対的に大きな検波帯域幅を使用し得る。例えば、検波に関して、ブリルアントレース決定に対してはローパスフィルタを使用することができ、レイリートレース決定に対してはバンドパスフィルタを使用することができる。１ＭＨｚより低いＲＦ帯域幅は１００ｍより大きい空間分解能と同等とみなせ、分布センシングに該当し得ない。
ＯＴＤＲなどのレイリー散乱応用において、より狭い帯域幅が必要とされる場合、コヒーレント信号を最大にするようにロックされたより狭い帯域幅であるが調節可能なＲＦフィルタを使用することができる。或いはまた、フォトダイオード１１４の出力をコヒーレント受信機１３２のフォトダイオードにおけるコヒーレント検波の出力と混合することによってコヒーレント信号を復調することができる。
一定のビート周波数を維持するためのレーザビーム１とレーザビーム２の同時スイープを同期させるために、２つのレーザビーム周波数対温度の変化曲線を決定することができる。この点に関して、レーザビーム１及びレーザビーム２のレーザ源を較正するためにこの変化曲線を利用することができる。さらに、本明細書に記載されているように、差周波数の微調整のためにレーザ源とフォトダイオード１１４との間に動作電流に関する帰還ループを維持することができる。
一定ビート周波数を維持するためのレーザビーム１及びレーザビーム２のスイープに対して、そのスイープは、ＯＴＤＲ収集データを処理し平均化しながら実行することができる。ＯＴＤＲ収集データはＣ−ＢバンドをカバーするＤＦＢのマトリクスを用いて処理し平均化することができる。ＤＦＢの第１マトリクスはレーザビーム１のために使用し、ＤＦＢの第２マトリクスはレーザビーム２のために使用することができる。
図３及び図４は、本開示の実施形態によるブリルアントレース及びレイリートレースを測定する方法３００及び４００のフローチャートをそれぞれ示す。方法３００及び４００は図１−２Ｃを参照して一例として非限定的に説明したブリルアン及びレイリー分布センサで実施することができる。方法３００及び４００は他のシステムで実行することもできる。
図１−図３、及び特に図３につき説明すると、方法３００は、ブロック３０２において、レーザビーム１（例えば、第１レーザビーム）及びレーザビーム２（例えば、第２レーザビーム）の間に所定のオフセット周波数シフトを維持するステップを含み得る。所定のオフセット周波数シフトはレーザビーム１又はレーザビーム２の何れかの所定の周波数に相対的であるとし得る。例えば、図１を参照すると、フォトダイオード１１４は第１レーザビームと第２レーザビームとの間のビート周波数を取得することができ、そのビート周波数はレーザビーム１とレーザビーム２との間に所定のオフセット周波数シフトを維持するために使用される。
ブロック３０４において、方法３００は、レーザビーム１を変調するステップを含み得る。変調されたレーザビーム１はＤＵＴに注入されるべきである。例えば、図１を参照すると、変調器１０８はレーザビーム１を変調し得る。ＤＵＴは光ファイバ１１０を含み得る。
ブロック３０６において、方法３００は、ＤＵＴからの後方散乱信号を収集するステップを含み得る。後方散乱信号はＤＵＴに注入された被変調レーザビーム１から生じる。レーザビーム２は局部発振器として使用し得る。例えば、図１を参照すると、コヒーレント受信機１３２はＤＵＴからの後方散乱信号を収集し得る。
ブロック３０８において、方法３００は、ＤＵＴから収集された後方散乱信号に基づいてＤＵＴのブリルアントレースを決定するステップを含み得る。例えば、図１を参照すると、センサコントローラ１３０がコヒーレント受信機１３２と連動してＤＵＴブリルアントレースを決定し得る。
いくつかの実施形態によれば、方法３００はさらに、複数の周波数シフトに対してＤＵＴからの後方散乱信号の収集を反復するステップを含んでもよい。例えば、ブリルアントレースが約１０．８ＧＨｚにおいて決定されると仮定すれば、収集は約１０．７ＧＨｚ〜１０．９ＧＨｚの範囲内において１．０ＭＨｚ〜１０．０ＭＨｚの増分で様々な周波数シフトに対して行うことができる。方法３００は、複数の周波数シフトに対応する反復収集及びＤＵＴからの後方散乱信号の収集に基づいて、分布ブリルアンスペクトルをサンプリングするステップを含んでもよい。方法３００は、分布ブリルアンスペクトルのサンプリングに基づいて、ＤＵＴに沿った共振ブリルアン周波数シフトを決定するステップを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、方法３００はさらに、分布ブリルアンスペクトルのサンプリングに基づいて、共振ブリルアン周波数シフトに対して積分操作を実行して積分ブリルアンパワーを決定するステップを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、方法３００はさらに、レーザビーム１及びレーザビーム２を２つのレーザビームの間に異なる所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンするステップを含んでもよい。例えば、異なる所定のオフセット周波数シフトは約２４０ＭＨｚとし得る。方法３００は、異なる所定のオフセット周波数シフトと関連するレーザビーム１をさらに変調するステップを含んでもよい。さらに変調されたレーザビーム１はＤＵＴに注入されるべきである。方法３００はＤＵＴからの更なる後方散乱信号をさらに収集するステップを含んでもよい。更なる後方散乱信号はＤＵＴに注入されたさらに変調されたレーザビーム１に基づいたものとなり得る。レーザビーム２は局部発振器として使用されるべきである。方法３００は、ＤＵＴからのさらに収集された後方散乱信号に基づいて、ＤＵＴのレイリートレースを決定するステップを含んでもよい。レイリートレースはレイリーパワーを光ファイバ１１０に沿う時間及び距離の関数として表し得る。
いくつかの実施形態によれば、方法３００はさらに、ＤＵＴに沿う積分ブリルアンパワー、レイリーパワー及び共振ブリルアン周波数シフトに基づいてＤＵＴと関連する温度及び歪みを決定するステップを含んでもよい。
図１−図２Ｃ及び図４、特に図４を参照すると、方法４００は、ブロック４０２において、レーザビーム１（例えば、第１レーザビーム）及びレーザビーム２（例えば、第２レーザビーム）を２つのレーザビームの間の所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンするステップを含み得る。例えば、図１を参照すると、フォトダイオード１１４は第１レーザビームと第２レーザビームとの間のビート周波数を取得し、そのビート周波数はレーザビーム１とレーザビーム２の間に所定のオフセット周波数シフトを維持するために使用される。所定のオフセット周波数シフトはレーザビーム１又はレーザビーム２のいずれかの所定の周波数と相対的である。
ブロック４０４において、方法４００はレーザビーム１を変調するステップを含み得る。例えば、図１を参照すると、変調器１０８はレーザビーム１を変調し得る。変調されたレーザビーム１はＤＵＴに注入されるべきである。
ブロック４０６において、方法４００はＤＵＴからの後方散乱信号を収集するステップを含み得る。後方散乱信号はＤＵＴに注入された被変調レーザビーム１から生じる。レーザビーム２は局部発振器として使用されるべきである。例えば、図１を参照すると、コヒーレント受信機１３２はＤＵＴからの後方散乱信号を収集し得る。
ブロック４０８において、方法４００は、ＤＵＴからの収集後方散乱信号に基づいてＤＵＴのレイリートレースを決定するステップを含み得る。例えば、図１を参照すると、センサコントローラ１３０はコヒーレント受信機１３２と連動してＤＵＴのレイリートレースを決定し得る。
いくつかの実施形態によれば、方法４００はさらに、所定のオフセット周波数シフトに対してＤＵＴからの後方散乱信号の収集を反復するステップを含み得る。方法４００は、コヒーレントフェージング雑音の低減のために、レーザビーム１及びレーザビーム２を両レーザビームの間に所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンする間に、所定のオフセット周波数シフトに対するＤＵＴからの後方散乱信号の反復収集を平均化するステップを含み得る。
いくつかの実施形態によれば、方法４００はさらに、レーザビーム１及びレーザビーム２間に異なる所定のオフセット周波数シフトを維持するステップを含み得る。例えば、異なる所定のオフセット周波数シフトは約１０．８ＭＨｚとし得る。方法４００は、異なる所定のオフセット周波数シフトと関連するレーザビーム１を更に変調するステップを含み得る。更に変調されたレーザビーム１はＤＵＴに注入されるべきである。方法４００は、ＤＵＴからの更なる後方散乱信号を更に収集するステップを含み得る。更なる後方散乱信号はＤＵＴに注入された更なる変調レーザビーム１に基づくものである。レーザビーム２は局部発振器として使用されるべきである。方法４００は、ＤＵＴから更に収集した後方散乱信号に基づいて、ＤＵＴのブリルアントレースを決定するステップを含み得る。
いくつかの実施形態によれば、方法４００はさらに、ブリルアントレースに基づいて、ＤＵＴと関連するブリルアンパワーを決定するステップを含み得る。方法４００は、ＤＵＴと関連するパワー変動を除去するために、ブリルアンパワーをレイリーパワーに対して正規化するステップを含み得る。方法４００は、ＤＵＴに沿う正規化されたブリルアンパワー及び共振ブリルアン周波数シフトに基づいて、ＤＵＴと関連する温度及び歪みを決定するステップを含み得る。
図５は、本明細書に記載した実施形態とともに使用し得るコンピュータシステム５００を示す。このコンピュータシステムは汎用プラットフォームを表し、サーバや別のコンピュータシステムに存在し得るコンポーネントを含み得る。コンピュータシステム５００はセンサコントローラ１３０のプラットフォームの一部分として使用し得る。コンピュータシステム５００は、プロセッサ（例えば、単一又は複数のプロセッサ）又は他のハードウェア処理回路によって、本明細書に記載した方法、機能及び他のプロセスを、実行することができる。これらの方法、機能及び他のプロセスはコンピュータ可読媒体に格納した機械読取り可能な命令として具体化することができ、この媒体はハードウェア記憶装置（例えばＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＥＰＲＯＭ（消去可能なプログラマブルＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ）、ハードドライブ及びフラッシュメモリ）のような非トランジトリ媒体とし得る。
コンピュータシステム５００は、本明細書に記載した方法、機能及び他のプロセスの一部又は全部を実行する機械読取り可能な命令を実施又は実行し得るプロセッサ５０２を含み得る。プロセッサ５０２からのコマンド及びデータは通信バス５０４を通して伝達し得る。コンピュータシステムは、プロセッサ５０２のための機械読取り可能な命令及びデータが実行時間中に存在し得る主メモリ５０６、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、機械読取り可能な命令及びデータを格納する、不揮発性としてもよい二次データ記憶装置５０８を含んでもよい。メモリ及びデータ記憶装置はコンピュータ読取り可能媒体の一例である。メモリ５０６は、実行時間中にメモリ５０６に存在しプロセッサ５０２により実行される機械読取り可能な命令を含むセンサコントローラ１３０を含んでもよい。
コンピュータシステム５００はキーボード、マウス、ディスプレイなどのＩ／Ｏ装置５１０を含み得る。コンピュータシステム５００はネットワークに接続するためのネットワークインタフェース５１２を含み得る。他の既知の電子コンポーネントをコンピュータシステムに付加することもでき、また置換することもできる。
プロセッサ５０２はハードウェアプロセッサと表してもよい。プロセッサ５０２はブリルアン及びレイリー分布センサ１００の様々なコンポーネントと関連する動作を実行し得る。例えば、プロセッサ５０２はセンサコントローラ１３０等と関連する動作を実行し得る。
本明細書に記載され図示されているものは一つの実施形態とその変形例のいくつかにすぎない。本明細書で使用する表現、記述及び図はほんの一例として示され、限定を意図するものではない。後記の請求項で特定される本発明の精神及び範囲内において多くの変形及びそれらの等価物が可能であり、後記の請求項においてすべての用語は特に指示のない限り最も広く合理的な意味に解釈されるべきである。

Claims (18)

  1. 第１レーザビームを放射する第１レーザ源を備え、
    第２レーザビームを放射する第２レーザ源を備え、
    前記第１レーザビームと前記第２レーザビームとの間のビート周波数を取得するフォトダイオードを備え、ここで、前記ビート周波数は前記第１レーザビームと前記第２レーザビームとの間に所定のオフセット周波数シフトを維持するために使用され、前記所定のオフセット周波数シフトは前記第１レーザビーム又は前記第２レーザビームの何れかの所定の周波数に対して規定されたものであり、
    前記第１レーザビームを変調する変調器を備え、ここで、変調された第１レーザビームは測定対象物（ＤＵＴ）に注入されるものであり、且つ
    前記ＤＵＴからの後方散乱信号を収集するコヒーレント受信機を備え、ここで、前記後方散乱信号は前記ＤＵＴに注入された前記変調された第１レーザビームから生じ、前記コヒーレント受信機は、前記第２レーザビームを局部発振器として用いて前記第１レーザビームと前記第２レーザビームとの間の前記既定のオフセット周波数シフトに基づいて前記ＤＵＴと関連するブリルアン及びレイリートレースを決定するために使用するものであり、
    前記コヒーレント受信機は、前記後方散乱信号を受信し、前記後方散乱信号を２つの異なる偏光状態に分割する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を更に有し、前記ＤＵＴに関する前記ブリルアン及びレイリートレースを決定するために、前記後方散乱信号の第１偏光状態に対応する分割部分が第１偏光状態の前記第２レーザビームと混合され、且つ、前記後方散乱信号の第２偏光状態に対応する分割部分が第２偏光状態の前記第２レーザビームと混合される、
    ブリルアン及びレイリー分布センサ。
  2. 前記ブリルアントレースを決定するための前記所定のオフセット周波数シフトは約１０．８ＧＨｚである、請求項１記載のブリルアン及びレイリー分布センサ。
  3. 前記ブリルアントレースを決定するための前記所定のオフセット周波数シフトは約１０．０ＧＨｚ〜約１３．０ＧＨｚの範囲内から選択される、請求項１記載のブリルアン及びレイリー分布センサ。
  4. 前記レイリートレースを決定するための前記所定のオフセット周波数シフトは約１００．０ＫＨｚ〜約１．０ＧＨｚの範囲内から選択される、請求項１記載のブリルアン及びレイリー分布センサ。
  5. 前記ＤＵＴは光ファイバである、請求項１記載のブリルアン及びレイリー分布センサ。
  6. 第１レーザビームと第２レーザビームの間に所定のオフセット周波数シフトを維持するステップで、前記所定のオフセット周波数シフトが前記第１レーザビーム又は前記第２レーザビームの何れかの所定の周波数に対して規定される、ステップと、
    前記第１レーザビームを変調するステップで、変調された第１レーザビームは測定対象物（ＤＵＴ）に注入される、ステップと、
    前記ＤＵＴから後方散乱信号を収集するステップで、前記後方散乱信号は前記ＤＵＴに注入された前記変調された第１レーザビームから生じ、前記第２レーザビームは局部発振器として使用される、ステップと、
    前記後方散乱信号を受信し、前記後方散乱信号を２つの異なる偏光状態に分割することによって、前記ＤＵＴから収集した後方散乱信号に基づいて、前記ＤＵＴのブリルアントレース及びレイリートレースを決定し、前記ＤＵＴに関する前記ブリルアン及びレイリートレースを決定するために、前記後方散乱信号の第１偏光状態に対応する分割部分が第１偏光状態の前記第２レーザビームと混合され、且つ、前記後方散乱信号の第２偏光状態に対応する分割部分が第２偏光状態の前記第２レーザビームと混合されるステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  7. 請求項６記載の方法において、更に、
    前記ＤＵＴからの前記後方散乱信号の収集を複数の周波数シフトに対して反復するステップと、
    前記複数の周波数シフトに対応する前記反復収集及び前記ＤＵＴからの後方散乱信号の収集に基づいて、分布ブリルアンスペクトルをサンプリングするステップと、
    前記分布ブリルアンスペクトルのサンプリングに基づいて、前記ＤＵＴに沿う共振ブリルアン周波数シフトを決定するステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  8. 請求項７記載の方法において、前記ブリルアントレースを決定するための前記所定のオフセット周波数シフトは約１０．８ＧＨｚである、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  9. 請求項７記載の方法において、更に、
    前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームを前記２つのレーザビームの間に異なる所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンするステップと、
    前記異なる所定のオフセット周波数シフトと関連する前記第１レーザビームを更に変調するステップで、更に変調された第１レーザ信号は前記ＤＵＴに注入されるステップと、
    前記ＤＵＴからの更なる後方散乱信号を更に収集するステップで、前記更なる後方散乱信号は前記ＤＵＴに注入された前記更に変調された第１レーザビームに基づくものであり、前記第２レーザビームが前記局部発振器として使用される、ステップと、
    前記ＤＵＴからの前記更なる収集後方散乱信号に基づいて、前記ＤＵＴのレイリートレースを決定するステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  10. 請求項８記載の方法において、更に、
    前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームを前記２つのレーザビームの間に異なる所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンするステップと、
    前記異なる所定のオフセット周波数シフトと関連する前記第１レーザビームを更に変調するステップで、更に変調された第１レーザ信号は前記ＤＵＴに注入されるステップと、
    前記ＤＵＴからの更なる後方散乱信号を更に収集するステップで、前記更なる後方散乱信号は前記ＤＵＴに注入された前記更に変調された第１レーザビームに起因し、前記第２レーザビームが前記局部発振器として使用される、ステップと、
    前記ＤＵＴからの前記更なる収集後方散乱信号に基づいて、前記ＤＵＴのレイリートレースを決定するステップで、前記レイリートレースは前記ＤＵＴに沿うレイリーパワー対時間又は距離を表す、ステップと、
    前記ＤＵＴに沿う前記積分ブリルアンパワー、前記レイリーパワー及び前記共振ブリルアン周波数シフトに基づいて、前記ＤＵＴと関連する温度及び歪みを決定するステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  11. 請求項６記載の方法において、前記ＤＵＴは光ファイバである、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  12. 請求項６記載の方法において、前記ブリルアントレースを決定するための前記所定のオフセット周波数シフトは約１０．８ＧＨｚである、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  13. 請求項６記載の方法において、前記ブリルアントレースを決定するための前記所定のオフセット周波数シフトは約１０．０ＧＨｚ〜約１３．０ＧＨｚの範囲内から選択される、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  14. 第１レーザビーム及び第２レーザビームを前記２つのレーザビームの間に所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンするステップで、前記所定のオフセット周波数シフトが前記第１レーザビーム又は前記第２レーザビームの何れかの所定の周波数に対して規定される、ステップと、
    前記第１レーザビームを変調するステップで、変調された第１レーザビームは測定対象物（ＤＵＴ）に注入される、ステップと、
    前記ＤＵＴからの後方散乱信号を収集するステップで、前記後方散乱信号は前記ＤＵＴに注入された前記変調された第１レーザビームから生じ、前記第２レーザビームが前記局部発振器として使用される、ステップと、
    前記ＤＵＴからの前記収集後方散乱信号に基づいて、前記ＤＵＴのレイリートレースを決定するステップと、
    前記第１レーザビームと前記第２レーザビームの間に異なる所定のオフセット周波数を維持するステップと、
    前記異なる所定のオフセット周波数シフトと関連する前記第１レーザビームを更に変調するステップで、更に変調された第１レーザ信号は前記ＤＵＴに注入されるステップと、
    前記ＤＵＴからの更なる後方散乱信号を更に収集するステップで、前記更なる後方散乱信号は前記ＤＵＴに注入された前記更に変調された第１レーザビームから生じ、前記第２レーザビームが前記局部発振器として使用される、ステップと、
    前記ＤＵＴからの前記更なる収集後方散乱信号に基づいて、前記ＤＵＴのブリルアントレースを決定するステップと、
    前記ブリルアントレースに基づいて、前記ＤＵＴと関連するブリルアンパワーを決定するステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  15. 請求項１４記載の方法において、更に、
    前記ＤＵＴからの前記後方散乱信号の収集を前記所定のオフセット周波数シフトに対して反復するステップと、
    前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームを前記２つのレーザビームの間に所定のオフセット周波数シフトを維持した状態で波長範囲に亘ってスキャンする間、前記所定のオフセット周波数シフトに対して反復された前記ＤＵＴからの前記後方散乱信号の収集を平均化してコヒーレントフェージング雑音を低減するステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  16. 請求項１４記載の方法において、前記所定のオフセット周波数シフトは約１００．０ＫＨｚ〜約１．０ＧＨｚの範囲から選択される、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  17. 請求項１４記載の方法において、前記ＤＵＴは光ファイバである、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
  18. 請求項１４記載の方法において、前記レイリートレースは前記ＤＵＴに沿うレイリーパワー対時間又は距離を表し、更に、
    前記ＤＵＴと関連するパワー変動を除去するために前記ブリルアンパワーを前記レイリーパワーに対して正規化するステップと、
    前記正規化したブリルアンパワー及び前記ＤＵＴに沿う共振ブリルアン周波数シフトに基づいて、前記ＤＵＴと関連する温度及び歪みを決定するステップと、
    を備える、ブリルアントレース及びレイリートレースを決定する方法。
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