JP6969442B2 - 光ファイバセンシング装置及び光ファイバセンシング方法 - Google Patents

Description

この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバセンシング装置及び光ファイバセンシング方法に関する。

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、特許文献１参照）。

ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、低周波（ストークス）側及び高周波（アンチストークス）側に約１１ＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測される。以下の説明では、ブリルアン散乱により生じたストークス側の光を単にストークス光と称し、アンチストークス側に生じた光を単に反ストークス光と称する。

この周波数シフトは、光ファイバの歪みや温度に対して線形に変化する性質がある。このため、測定した周波数シフトの値から、歪みや温度を取得することができる。従って、測定対象となる大型の設備や建造物に光ファイバを適切に設置することにより、コンクリートのひび割れの検出システムや、広範囲をカバーする火災報知器としてのＢＯＴＤＲの利用が期待されている。

特開２０１６−１９１６５９号公報

ＢＯＴＤＲにおける光ファイバセンシング装置の開発においては、測定誤差の低減が重要な課題として取り組まれてきた。

上述のように、ブリルアン散乱の周波数シフトは、光ファイバの歪みや温度に対して線形に変化する性質がある。従って、歪みや温度の値を正確に測定するには、周波数測定機器の誤差を低減する、又は、歪係数Ｃ_ｓ（＝周波数シフト／歪）・温度計数Ｃ_Ｔ（＝周波数シフト／温度）を高めるとよい。

歪係数Ｃ_ｓ・温度計数Ｃ_Ｔを高める手法として、歪係数Ｃ_ｓ・温度計数Ｃ_Ｔの大きい光ファイバを用いるものがある。このためには、光ファイバセンシング用に、特殊な材料のファイバを開発する必要がある。従って、コスト面で実現性は乏しい。

他の手法として、逓倍器を用いるものがある。例えば、光素子の非線形性を利用することにより２次高調波変換を行うと、歪係数Ｃ_ｓ・温度計数Ｃ_Ｔを２倍にした場合に等しい周波数シフトが得られる。

しかしながら、この手法では、２次高調波変換の際に、増幅器を通過するため、受信したブリルアン散乱光のＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）比が劣化するという問題がある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、ストークス光と反ストークス光のビート成分を検出することで、ストークス光と反ストークス光の一方を測定する場合に比べて、２倍の周波数シフトを得ることができ、これにより、歪・温度の測定誤差を軽減することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバセンシング装置は、プローブ光を生成する光送信部と、プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を抽出する波長フィルタ部と、ストークス光及び反ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する光受信部とを備えて構成される。

また、この発明の光ファイバセンシング装置の他の実施形態によれば、第１プローブ光と、第１プローブ光より周波数が高く、かつ、第１プローブ光と位相同期している第２プローブ光を生成する光送信部と、第１プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第１ストークス光及び第１反ストークス光と、第２プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第２ストークス光及び第２反ストークス光のうち、第１反ストークス光と第２ストークス光を抽出する波長フィルタ部と、第１反ストークス光及び第２ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する光受信部とを備えて構成される。

また、この発明の光ファイバセンシング方法は、以下の過程を備える。先ず、プローブ光を生成する。次に、プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を抽出する。次に、ストークス光及び反ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する。

また、この発明の光ファイバセンシング方法の他の実施形態によれば、以下の過程を備える。先ず、第１プローブ光と、第１プローブ光より周波数が高く、かつ、第１プローブ光と位相同期している第２プローブ光を生成する。次に、第１プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第１ストークス光及び第１反ストークス光と、第２プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第２ストークス光及び第２反ストークス光のうち、第１反ストークス光と第２ストークス光を抽出する。次に、第１反ストークス光及び第２ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する。

この発明の、光ファイバセンシング装置及び光ファイバセンシング方法は、ストークス光と反ストークス光のビート成分を検出することで、ストークス光と反ストークス光の一方を測定する場合に比べて、２倍の周波数シフトを得ることができ、これにより、歪・温度の測定誤差を軽減できる。

第１センシング装置の概略構成図である。 第１センシング装置の動作を説明するための模式図である。 第２センシング装置の概略構成図である。 第２センシング装置の動作を説明するための模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１実施形態）
図１を参照して、この発明の第１実施形態に係る光ファイバセンシング装置（以下、第１センシング装置とも称する。）を説明する。図１は、第１センシング装置の概略構成図である。

第１センシング装置は、光送信部１０、光サーキュレータ２０、光ファイバ１００、第１光フィルタ３０、光増幅器４０、第２光フィルタ５０、光受信部６０、信号処理部９０を備えて構成される。

光送信部１０は、プローブ光を生成する。光送信部１０は、ＣＷ光源１２、光パルス発生器１６及びタイミング調整器１８を備えて構成される。

ＣＷ光源１２は、単一の線スペクトルを示すＣＷ光を生成し、光パルス発生器１６に送る。ＣＷ光源１２には、例えば、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ等が用いられる。また、ＣＷ光源１２は、光ファイバ１００内でシングルモード伝送できる波長帯で発振する。

光パルス発生器１６は、タイミング調整器１８で生成された電気パルスに応じて、ＣＷ光から光パルスを生成する。この光パルスの繰返し周期とパルス幅は、既存のＯＴＤＲと同様に、それぞれ最大測定距離と位置分解能に応じて決定される。

光パルス発生器１６は、光強度の調整機能を備える。光パルスの強度は、光ファイバ１００において、誘導ブリルアン散乱を発生させない範囲で、可能な限り高強度になるように調整される。光パルス発生器１６として、例えば、強度変調器を用いることができる。

タイミング調整器１８は、光パルス発生器１６において光パルスを生成するための電気パルスを生成するとともに、信号処理部９０で平均化処理を行うためのタイミング制御に用いられる。

光パルス発生器１６が生成した光パルスは、プローブ光として送信部１０から出力される。プローブ光は、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入力される。なお、光サーキュレータ２０に換えて、光カプラとアイソレータを組み合わせて用いても良い。

測定対象となる光ファイバ１００は、センシング媒体であり、測定対象物に適切に設置される。光ファイバ１００の一端は、光サーキュレータ２０に接続され、他端は、端面反射を抑制するように終端される。光ファイバ１００として、ＣＷ光源１２の発振周波数帯において、シングルモード伝送が可能であり、低損失であり、及び、非線形散乱現象を観測できる程度の非線形光学定数を有するものが用いられる。この光ファイバ１００として、例えば、光通信で用いられる標準型シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）が用いられる。

光ファイバ１００からの後方散乱光は、光サーキュレータ２０を経て、波長フィルタ部としての第１光フィルタ３０に送られる。

第１光フィルタ３０は、プローブ光（周波数ｆ_Ｐ）と同一の周波数帯に現れるレイリー散乱光（周波数ｆ_Ｒ）を除去し、ストークス光（周波数ｆ_Ｓ）と反ストークス光（周波数ｆ_ＡＳ）を抽出する周波数特性を有する。第１光フィルタ３０が抽出した、ストークス光と反ストークス光は、光増幅部４０に送られる。第１光フィルタ３０として、例えば、レイリー散乱光の周波数帯に除去帯がある帯域除去フィルタを用いることができる。

光増幅部４０は、ストークス光と反ストークス光の周波数帯域において、十分な増幅利得を有する素子で構成される。光増幅部４０として、１５５０ｎｍ帯においては、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いることができる。なお、光増幅部４０として、半導体増幅器やパラメトリック増幅器を用いてもよい。光増幅部４０で増幅された光信号は、第２光フィルタ５０に送られる。

第２光フィルタ５０は、光増幅部４０で付加された雑音を低減する。第２光フィルタ５０として、例えば、ストークス光から反ストークス光までの周波数帯に通過帯を有する帯域通過フィルタを用いることができる。第２光フィルタ５０を通過した、ストークス光と反ストークス光は、光受信部６０に送られる。

光受信部６０は、フォトダイオード（ＰＤ）６２、ミキサ６４、発振器６６、フィルタ６８、及び、周波数・強度変換回路７０を備えて構成される。

光受信部６０に送られたストークス光及び反ストークス光は、同一受光素子であるＰＤ６２に入力される。

ＰＤ６２に入力された、ストークス光及び反ストークス光は、ビート成分を生成するとともに光電変換される。ここでは、図２を参照して、光ファイバ１００の温度がＴからＴ＋ΔＴに変化した場合を例に挙げて第１センシング装置の動作を説明する。図２は、光ファイバの温度がＴからＴ＋ΔＴに変化した場合の動作を説明するための模式図であり、ＰＤ６２に入力される、ストークス光及び反ストークス光の周波数スペクトルを示している。図２（Ａ）は、光ファイバ１００の温度がＴの場合を示し、図２（Ｂ）は、光ファイバ１００の温度がＴ＋ΔＴの場合を示している。

光ファイバ１００の温度がＴの場合（図２（Ａ））、ストークス光の振幅をＥ_Ｓ０、反ストークス光の振幅をＥ_ＡＳ０とすると、ストークス光と反ストークス光の複素振幅は以下の式で表される。

Ｅ_Ｓ（Ｔ）＝Ｅ_Ｓ０ｅｘｐ（ｊ２πｆ_Ｓｔ）
Ｅ_ＡＳ（Ｔ）＝Ｅ_ＡＳ０ｅｘｐ（ｊ２πｆ_ＡＳｔ）
ここで、ｔは時間である。この両者をＰＤ６２に入力したときの、ＰＤ６２の出力電圧Ｖ_ＰＤ（Ｔ）は、以下の式（１）で表される。

Ｖ_ＰＤ（Ｔ）∝Ｅ_Ｓ０ ^２＋Ｅ_ＡＳ０ ^２＋Ｅ_Ｓ０Ｅ_ＡＳ０ｃｏｓ｛２π（ｆ_ＡＳ−ｆ_Ｓ）ｔ｝ （１）
また、光ファイバ１００の温度がＴ＋ΔＴの場合（図２（Ｂ））、ストークス光と反ストークス光の複素振幅は以下の式で表される。

Ｅ_Ｓ（Ｔ＋ΔＴ）＝Ｅ_Ｓ０ｅｘｐ｛ｊ２π（ｆ_Ｓ−Ｃ_ＴΔＴ）ｔ｝
Ｅ_ＡＳ（Ｔ＋ΔＴ）＝Ｅ_ＡＳ０ｅｘｐ｛ｊ２π（ｆ_ＡＳ＋Ｃ_ＴΔＴ）ｔ｝
この両者をＰＤ６２に入力したときのＰＤ６２の出力電圧Ｖ_ＰＤ（Ｔ＋ΔＴ）は、以下の式（２）で表される。

Ｖ_ＰＤ（Ｔ＋ΔＴ）
∝Ｅ_Ｓ０ ^２＋Ｅ_ＡＳ０ ^２＋Ｅ_Ｓ０Ｅ_ＡＳ０ｃｏｓ｛２π（ｆ_ＡＳ−ｆ_Ｓ＋２Ｃ_ＴΔＴ）ｔ｝ （２）
上記式（１）及び式（２）を比べると、光ファイバ１００の温度がＴからＴ＋ΔＴに変化した場合における周波数シフトは、２Ｃ_ＴΔＴとなっていることが分かる。このように、ストークス光と反ストークス光の一方を測定する場合の周波数シフト（Ｃ_ＴΔＴ）に比べて、２倍の周波数シフトを得ることができる。

ここで、ＰＤ６２の出力電圧の中で、温度変化の情報を含んだ項の周波数ｆ_ＡＳ−ｆ_Ｓは、光ファイバ１００がＳＳＭＦの場合では、約２２ＧＨｚである。従って、ＰＤ６２として、帯域幅が２２ＧＨｚ以上あり、アバランシェフォトダイオードのような高感度の素子を用いるのが良い。

ＰＤ６２の出力は、ミキサ６４に送られる。ミキサ６４には、発振器６６で生成された周波数ｆ_ＬＯの正弦波も入力される。ミキサ６４は、ＰＤ６２の出力をダウンコンバートする。ダウンコンバートされた信号は、フィルタ６８を経て、周波数・強度変換回路７０に送られる。

発振器６６が生成する正弦波の周波数ｆ_ＬＯは、ダウンコンバート後の信号の周波数が、周波数・強度変換回路７０の動作周波数範囲に収まるように調整される。発振器６６の周波数揺らぎは、測定精度に大きく影響するので、水晶発振器を参照信号とした位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路など、安定性の良いものを用いる必要がある。なお、周波数・強度変換回路７０の動作周波数範囲が十分に高ければ、ミキサ６４及び発振器６６を備えなくてもよい。

フィルタ６８は、ミキサ６４の出力信号に含まれる、不要な周波数成分（例えば、発振器６６が生成する正弦波など）を除去し、ストークス光及び反ストークス光のビート成分に対応する周波数帯を通過させる。

周波数・強度変換回路７０は、ストークス光及び反ストークス光のビート成分の周波数変化を強度変化に変換する回路である。周波数・強度変換回路７０の帯域幅は、必要とされる温度測定範囲や、歪測定範囲により決定される。例えば、０℃から１００℃までの温度測定範囲が必要である場合、第１センシング装置における周波数シフトは２００ＭＨｚとなる。従って、周波数・強度変換回路６５の低域遮断周波数が１０ＭＨｚであるならば、高域遮断周波数は２１０ＭＨｚ以上にする必要がある。

信号処理部９０は、タイミング調整器１８が生成するトリガー信号に応じて、平均化処理を行い、歪み・温度変化の解析を行う。

なお、信号処理部９０は、従来公知の特許文献１と同様に構成することができるので、ここでは、詳細な説明を省略する。

上述した、第１センシング装置では、ストークス光と反ストークス光のビート成分を検出することで、ストークス光と反ストークス光の一方を測定する場合に比べて、２倍の周波数シフトを得ることができ、これにより、歪・温度の測定誤差を軽減することができる。

（第２実施形態）
図３を参照して、この発明の第２実施形態に係る光ファイバセンシング装置（以下、第２センシング装置とも称する。）を説明する。図３は、第２センシング装置の概略構成図である。

第２センシング装置は、光送信部１１、光サーキュレータ２０、光ファイバ１００、第１光フィルタ３１、光増幅器４０、第２光フィルタ５１、光受信部６１、信号処理部９０を備えて構成される。

光送信部１１は、２２ＧＨｚ程度の周波数間隔で、互いに位相同期した２つのプローブ光を生成する。

光送信部１１は、ＣＷ光源１２、光変調器１４、発振器１５、光パルス発生器１６及びタイミング調整器１８を備えて構成される。

ＣＷ光源１２は、第１センシング装置のＣＷ光源と同様に構成され、単一の線スペクトルを示すＣＷ光を生成する。ＣＷ光源１２が生成したＣＷ光は光変調器１４に送られる。

光変調器１４は、発振器１５が生成した正弦波で駆動され、２２ＧＨｚ間隔の側帯波を生成する。光変調器１４は、例えば、電界吸収型変調器、位相変調器、マッハツェンダ変調器など、２２ＧＨｚで動作可能な素子で構成される。

発振器１５は、第１センシング装置の発振器６６と同様に、周波数安定性の良い正弦波を発生させるものが用いられる。発振周波数は２２ＧＨｚ程度であり、その振幅は、光変調器１４において、１次側帯波の強度が十分に得られる値に設定される。光変調器１４をマッハツェンダ変調器で構成する場合は、発振器１５の発振周波数を１１ＧＨｚ、振幅を光変調器１４の半波長電圧の２倍に設定して、ＣＳＲＺ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）駆動することにより、２２ＧＨｚ間隔の側帯波を発生させてもよい。

２２ＧＨｚの周波数間隔の２つのＣＷ光は、光パルス発生器１４に送られる。光パルス発生器１６は、タイミング調整器１６で生成された電気パルスに応じて、２つのＣＷ光から、２２ＧＨｚの周波数間隔の２つの光パルスを生成する。これらの光パルスは、第１及び第２のプローブ光として、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入射される。ここでは、第１プローブ光（周波数ｆ_Ｐ１）を低周波側とし、第２プローブ光（周波数ｆ_Ｐ２）を高周波側として説明する。

光源部１１は、ＣＷ光源１２と光パルス発生器１６の間に、発振器１５で駆動される光変調器１４を備える点を除いて、第１センシング装置の光源部１０と同様に構成できるので、重複する説明を一部省略している。

なお、光送信部１１の構成は、上述の例に限定されない。ＣＷ光源と光変調器に変えて、２２ＧＨｚの間隔の複数の周波数成分のＣＷ光を生成するコム光源と、隣接する周波数成分を透過させるフィルタとで構成してもよい。また、光変調器として、マッハツェンダ変調器を用い、タイミング調整器の制御信号と、発振器の正弦波を乗算してから、マッハツェンダ変調器に入力する構成として、パルス発生器を備えない構成にしてもよい。

送信部１０から出力された第１及び第２プローブ光は、第１センシング装置と同様に、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入射される。

光ファイバ１００からの後方散乱光は、光サーキュレータ２０を経て、第１光フィルタ３１に送られる。光ファイバ１００では、第１プローブ光により、レイリー散乱光、ストークス光、反ストークス光（以下、それぞれ、第１レイリー散乱光、第１ストークス光、第１反ストークス光とも称する。）が発生する。また、光ファイバ１００では、第２プローブ光により、レイリー散乱光、ストークス光、反ストークス光（以下、それぞれ、第２レイリー散乱光、第２ストークス光、第２反ストークス光とも称する。）が発生する。

第１光フィルタ３１は、第１反ストークス光（周波数ｆ_ＡＳ１）と第２ストークス光（周波数ｆ_Ｓ２）を抽出し、第１ストークス光（周波数ｆ_Ｓ１）、第２反ストークス光（周波数ｆ_ＡＳ２）、第１レイリー散乱光（周波数ｆ_Ｒ１）及び第２レイリー散乱光（周波数ｆ_Ｒ２）を除去する。

光増幅部４０は、第１反ストークス光と第２ストークス光の周波数帯域において、十分な増幅利得を有する素子で構成される。光増幅部４０で増幅された光信号は、第２光フィルタ５１に送られる。

第２光フィルタ５１は、光増幅部４０で付加された雑音を低減する。第２光フィルタ５１として、例えば、第１反ストークス光から第２ストークス光までの周波数帯に通過帯を有する帯域通過フィルタを用いることができる。第２光フィルタ５１を通過した、第１反ストークス光と第２ストークス光は、光受信部６１に送られる。

光受信部６１は、フォトダイオード（ＰＤ）６２、フィルタ６８、及び、周波数・強度変換回路７０を備えて構成される。

光受信部６１に送られた第１反ストークス光及び第２ストークス光は、同一受光素子であるＰＤ６２に入力される。

ＰＤ６２に入力された、第１反ストークス光及び第２ストークス光は、ビート成分を生成するとともに光電変換される。ここでは、図４を参照して、第１センシング装置と同様に、光ファイバ１００の温度がＴからＴ＋ΔＴに変化した場合を例に挙げて動作を説明する。図４は、光ファイバの温度がＴからＴ＋ΔＴに変化した場合の第２センシング装置の動作を説明するための模式図であり、ＰＤ６２に入力される、ストークス光及び反ストークス光の周波数スペクトルを示している。図４（Ａ）は、光ファイバ１００の温度がＴの場合を示し、図４（Ｂ）は、光ファイバ１００の温度がＴ＋ΔＴの場合を示している。

光ファイバ１００の温度がＴの場合（図４（Ａ））、第１反ストークス光の振幅をＥ_ＡＳ１０、第２ストークス光の振幅をＥ_Ｓ２０とすると、ストークス光と反ストークス光の複素振幅は以下の式で表される。

Ｅ_ＡＳ１（Ｔ）＝Ｅ_ＡＳ１０ｅｘｐ（ｊ２πｆ_ＡＳ１ｔ）
Ｅ_Ｓ２（Ｔ）＝Ｅ_ＡＳ２０ｅｘｐ（ｊ２πｆ_Ｓ２ｔ）
ここで、ｔは時間である。この両者をＰＤ６２に入力したときの出力電圧Ｖ_ＰＤ（Ｔ）は、以下の式（３）で表される。

Ｖ_ＰＤ（Ｔ）
∝Ｅ_ＡＳ１０ ^２＋Ｅ_Ｓ２０ ^２＋Ｅ_ＡＳ１０Ｅ_Ｓ２０ｃｏｓ｛２π（ｆ_Ｓ２−ｆ_ＡＳ１）ｔ｝ （３）
また、光ファイバ１００の温度がＴ＋ΔＴの場合（図４（Ｂ））、ストークス光と反ストークス光の複素振幅は以下の式で表される。

Ｅ_ＡＳ１（Ｔ＋ΔＴ）＝Ｅ_ＡＳ１０ｅｘｐ｛ｊ２π（ｆ_ＡＳ１＋Ｃ_ＴΔＴ）ｔ｝
Ｅ_Ｓ２（Ｔ＋ΔＴ）＝Ｅ_Ｓ２０ｅｘｐ｛ｊ２π（ｆ_Ｓ２−Ｃ_ＴΔＴ）ｔ｝
この両者をＰＤ６２に入力したときの出力電圧Ｖ_ＰＤ（Ｔ）は、以下の式（４）で表される。

Ｖ_ＰＤ（Ｔ＋ΔＴ）
∝Ｅ_ＡＳ１０ ^２＋Ｅ_Ｓ２０ ^２＋Ｅ_ＡＳ１０Ｅ_Ｓ２０ｃｏｓ｛２π（ｆ_Ｓ２−ｆ_ＡＳ１−２Ｃ_ＴΔ Ｔ）ｔ｝ （４）
上記式（３）及び（４）を比べると、光ファイバ１００の温度がＴからＴ＋ΔＴに変化した場合における周波数シフトは、−２Ｃ_ＴΔＴとなっていることが分かる。

ＰＤ６２の出力電圧の中で、温度変化の情報を含んだ項の周波数ｆ_Ｓ２−ｆ_ＡＳ１は、以下の式で与えられる。

ｆ_Ｓ２−ｆ_ＡＳ１＝（ｆ_Ｐ２−ｆ_ｂ）−（ｆ_Ｐ１＋ｆ_ｂ）
ここで、ｆ_ｂは、ブリルアンシフトである。ｆ_ｂ≒１１ＧＨｚであるので、ｆ_Ｐ２−ｆ_Ｐ１が２２ＧＨｚ程度になるように、設定されていると、ｆ_Ｓ２−ｆ_ＡＳ１が低周波となり、ＰＤ６２に要求される帯域は軽減される。

また、上記式（３）及び（４）に示される、ＰＤ６２の出力電圧の第１項及び第２項は、ブリルアン光の二乗検波の成分であり、直流から１０ＭＨｚ程度までの帯域を占有する。従って、温度・歪の情報を含む第３項の周波数は、測定する温度・歪の範囲において、二乗検波の成分が占有する周波数帯を含まないように設定されている必要がある。

ＰＤ６２の出力は、フィルタ６８に入力され、上記式（３）及び（４）の第３項の成分のみが抽出される。抽出された成分は、周波数・強度変換回路７０に送られる。

周波数・強度変換回路７０及び信号処理部９０の構成及び動作は、第１センシング装置と同様なので、重複する説明を省略する。

上述した、第２センシング装置では、第１プローブ光と、第１プローブ光より周波数が高く、かつ、第１プローブ光と位相同期している第２プローブ光を用いているが、第１センシング装置と同様に、ストークス光と反ストークス光のビート成分を検出することで、ストークス光と反ストークス光の一方を測定する場合に比べて、２倍の周波数シフトを得ることができ、これにより、歪・温度の測定誤差を軽減することができる。

また、第２センシング装置では、第１プローブ光と第２プローブ光を用いることで、ビート成分の周波数を低くすることができる。この結果、光受信部に、ミキサ及び発振器が不要となり、また、ＰＤに要求される周波数が低くなる。

１０、１１ 光送信部
１２ ＣＷ光源
１４ 光変調器
１５、６６ 発振器
１６ 光パルス発生器
１８ タイミング調整器
２０ 光サーキュレータ
３０、３１、５０、５１ 光フィルタ
４０ 光増幅部
６０、６１ 光受信部
６２ フォトダイオード（ＰＤ）
６４ ミキサ
６８ フィルタ
７０ 周波数・強度変換回路
９０ 信号処理部
１００ 光ファイバ

Claims (4)

1. プローブ光を生成する光送信部と、
   前記プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を抽出する波長フィルタ部と、
   前記ストークス光及び反ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する光受信部と
   を備えることを特徴とする光ファイバセンシング装置。
2. 第１プローブ光と、前記第１プローブ光より周波数が高く、かつ、第１プローブ光と位相同期している第２プローブ光を生成する光送信部と、
   前記第１プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第１ストークス光及び第１反ストークス光と、前記第２プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第２ストークス光及び第２反ストークス光のうち、第１反ストークス光と第２ストークス光を抽出する波長フィルタ部と、
   前記第１反ストークス光及び第２ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する光受信部と
   を備えることを特徴とする光ファイバセンシング装置。
3. プローブ光を生成する過程と、
   前記プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を抽出する過程と、
   前記ストークス光及び反ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する過程と
   を備えることを特徴とする光ファイバセンシング方法。
4. 第１プローブ光と、前記第１プローブ光より周波数が高く、かつ、第１プローブ光と位相同期している第２プローブ光を生成する過程と、
   前記第１プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第１ストークス光及び第１反ストークス光と、前記第２プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、第２ストークス光及び第２反ストークス光のうち、第１反ストークス光と第２ストークス光を抽出する過程と、
   前記第１反ストークス光及び第２ストークス光を同一受光素子で受光し、これらのビート成分を検出する過程と
   を備えることを特徴とする光ファイバセンシング方法。

Images