JP7298471B2 - 光コヒーレントセンサ及び光コヒーレントセンシング方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、光ファイバを用いた分布型振動センサに適用可能な、光コヒーレントセンサ及び光コヒーレントセンシング方法に関する。

光ファイバにプローブ光として光パルスを入射すると、光パルスの伝搬に伴って後方散乱光が発生していく。光ファイバの長手方向の各位置において発生した後方散乱光は、光が光ファイバの入力端から後方散乱光の発生位置までの往復に要する時間だけ遅れて観測される。例えば、光ファイバに破断点がある場合、破断点に対応する時刻において後方散乱光の強度が変化する。この原理は、通信用光ファイバの破断点の検知に利用され、時間領域反射測定（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）として知られている。

このＯＴＤＲは、光ファイバに伝わる振動の分布的な測定など、光センサにも応用されている。光ファイバに振動が加わると、振動が加わった位置近傍で発生した後方散乱光の位相が変化する。このため、ＯＴＤＲによって得られた後方散乱光の位相の変化を観測することにより、分布的に光ファイバに加えられた振動の情報を得ることができる。このような、光ファイバに加えられた振動を分布的に測定する光ファイバセンサは、分布型振動センサ（ＤＶＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ）や、分布型音響センサ（ＤＡＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ）と呼ばれる。

後方散乱光の位相は、光ファイバに外部から加えられた振動によって変化するが、プローブ光の位相にも依存する。プローブ光の位相は、後方散乱光の発生位置（観測点）に到達するまでに受けた振動によって変化する。このため、通常、各位置の振動を測定するために、光ファイバ上の異なる２点で発生した後方散乱光の位相差を測定する手段が採られる。一般に、この２点間の距離は、ゲージ長と呼ばれる。

時間経過に伴って入射される複数の光パルス（以下、光パルス列とも称する。）に対して同様の測定を行うと、求めた位相差の時間変化から振動の波形が得られる。

一般に、プローブ光の光源として高コヒーレンスなレーザを利用して得られるＯＴＤＲの波形は、光パルスが伝搬する間に発生する複数の散乱中心からの後方散乱光が干渉した結果として得られる。このため、後方散乱光の強度は、発生位置に対して不規則に異なる。この現象は、フェーディングと呼ばれ、振動の測定結果に影響を与える。

ＤＡＳにおいて、位相差の算出に利用する２点からの後方散乱光のうち少なくとも一方の強度が、フェーディングにより微弱な場合、この点を利用して求めた位相情報の精度が著しく劣化する。フェーディングによる精度の劣化を回避する技術として、プローブ光の波長の多重化（例えば、非特許文献１参照。）や、強度が微弱になる位置を補完する位相変調などの技術がある。

Y. Lu, X. Zhang, C. Liang, M. Chen, J. Wang, and Z. Meng, "Fading noise reduction in distributed vibration measurements utilizing multi-wavelength based Φ-OTDR," in 26th International Conference on Optical Fiber Sensors, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2018),paper TuE21 Aleksander Karol Wojcik, "Signal statics of phase dependent optical time domain reflectometry", Dissertation of Texax A&M University MARK F.SCHILLING,"The Surprising Predictability of Long Runs", Math Mag. 85(2012)141-149

しかしながら、上述の波長の多重化や位相変調の技術では、高価な装置を導入しなければならず、光コヒーレントセンサの入手コストを増大させる課題がある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、高価な装置を導入することなく、信号処理によってフェーディングによる精度の劣化を回避する、光コヒーレントセンサ及び光コヒーレントセンシング方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光コヒーレントセンサは、プローブ光として光パルスを生成する光源部と、プローブ光によって測定対象物で発生する信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する受光部と、ビート信号が入力される演算部とを備えて構成される。演算部は、光情報取得手段、基準時間可変幅取得手段、精度劣化回避手段、及び、振動情報取得手段を備える。

光情報取得手段は、光パルスごとに、信号光の受光時刻ｔに対する、信号光の強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布を、ビート信号から取得する。基準時間可変幅取得手段は、光情報取得手段が取得した信号光の強度Ｉ（ｔ）の分布から、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対する基準時間可変幅Ｔ_０を取得する。精度劣化回避手段は、初期状態の基準時間ＳＴ_０と、基準時間可変幅Ｔ_０とに基づいて基準時間ＳＴを設定する。振動情報取得手段は、信号光の受光時刻ｔに対する位相差を、受光時刻ｔｊに対する位相Ｐ（ｔｊ）と受光時刻ｔｉに対する位相Ｐ（ｔｉ）との差として取得し、この位相差から振動情報を取得する。ここで、ｔｊ＞ｔ＞ｔｉであり、ｔｊ－ｔｉ＝ＳＴである。

また、この発明の光コヒーレントセンサの他の好適実施形態によれば、精度劣化回避手段は、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第１時間Δｔ１を基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第１時間Δｔ１について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｊ＋Δｔ１）の最小値を取得し、この最小値が最大となる最大第１時間Δｔ１ｍａｘを取得する。また、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第２時間Δｔ２を基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第２時間Δｔ２について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｉ－Δｔ２）の最小値を取得し、この最小値が最大となる最大第２時間Δｔ２ｍａｘを取得する。その後、ＳＴ_０＋Δｔ１ｍａｘ＋Δｔ２ｍａｘを基準時間ＳＴとする。

また、この発明の光コヒーレントセンシング方法は、以下の過程を備えて構成される。先ず、プローブ光として光パルスを生成する。次に、プローブ光によって測定対象物で発生する信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する。次に、光パルスごとに、信号光の受光時刻ｔに対する、信号光の強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布を、ビート信号から取得する。次に、基準時間可変幅Ｔ_０を取得する。次に、基準時間ＳＴを設定する。次に、信号光の受光時刻ｔに対する位相差を、受光時刻ｔｊに対する位相Ｐ（ｔｊ）と受光時刻ｔｉに対する位相Ｐ（ｔｉ）との差として取得し、この位相差から振動情報を取得する。

また、この発明の光コヒーレントセンシング方法の好適実施形態によれば、基準時間ＳＴを設定する過程では、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第１時間Δｔ１を変化させて、各第１時間Δｔ１について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｊ＋Δｔ１）の最小値を取得し、この最小値が最大となる最大第１時間Δｔ１ｍａｘを取得する。また、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第２時間Δｔ２を変化させて、各第２時間Δｔ２について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｉ－Δｔ２）の最小値を取得し、この最小値が最大となる最大第２時間Δｔ２ｍａｘを取得する。その後、ＳＴ_０＋Δｔ１ｍａｘ＋Δｔ２ｍａｘを基準時間ＳＴとする。

また、この発明の光コヒーレントセンサ及び光コヒーレントセンシング方法の好適実施形態によれば、測定対象物として、光ファイバにプローブ光が入力される。プローブ光が光ファイバに入力されていない状態での、信号光の強度Ｉ_ｓ０と、プローブ光が光ファイバに入力されている状態での、信号光の強度Ｉと、予め定められたフェーディング確率ｑ_０から、以下の式（１）及び（２）を用いて、整数ｍ_０を算出する。そして、光ファイバ上でのレイリー散乱光の強度分布が互いに独立しているとみなせる時間ｔ_ｄと、整数ｍ_０の積を、基準時間可変幅Ｔ_０として取得する。

この発明の光コヒーレントセンサ及び光コヒーレントセンシング方法によれば、位相差を求めるにあたり、第１時間Δｔ１及び第２時間Δｔ２を変化させて、２点からの信号光の強度Ｉがともに大きくなるように基準時間ＳＴを設定することにより、フェーディングによる精度劣化を回避することができる。

この発明の光コヒーレントセンサを説明するための模式図である。 振動検知光ファイバセンサの特性試験の結果を示す図である。

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、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、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。

図１を参照して、この発明の一実施形態に係る光コヒーレントセンサを説明する。図１は、この発明の光コヒーレントセンサを説明するための模式図である。ここでは、光コヒーレントセンサの構成例として、振動検知光ファイバセンサを説明する。

振動検知光ファイバセンサは、光源部１０、光サーキュレータ２０、光ファイバ３０及び計測部４０を備えて構成される。また、計測部４０は、受光部５０及び演算部６０を備えて構成される。この振動検知光ファイバセンサは、例えば、ＯＴＤＲに用いられる。

光源部１０は、プローブ光として、周期的に光パルスを生成する。すなわち、光源部１０は光パルス列を生成する。振動検知光ファイバセンサの空間分解能は、この光パルスの幅に依存する。また、振動検知光ファイバセンサの測定距離は、光パルスの繰り返し周波数に依存する。光パルスは、測定対象物である光ファイバ３０を１ｍ伝搬するのに５ｎｓの時間を要する。信号光として、光ファイバ３０で発生する後方散乱光を観測する場合は，順方向の伝搬と，逆方向の伝搬の往復の時間を要するので、１ｍあたり１０ｎｓの遅延が発生する。例えば、パルス幅を１００ｎｓ、繰り返し周波数を５ｋＨｚとしたとき、空間分解能は１０ｍとなり、最大の測定距離は２０ｋｍとなる。

光源部１０は、例えば、レーザ光源１２、ファイバカプラ１３、強度変調器１４、関数発生器１６及び光増幅器１８を備えて構成される。

レーザ光源１２は、通信波長帯の連続光として、レーザ光を生成する。レーザ光源１２として、線幅が１０ｋＨｚ以下のいわゆる狭線幅レーザを用いるのが良い。レーザ光源１２として狭線幅レーザを用いると、この振動検知光ファイバセンサは、位相感応ＯＴＤＲに用いることができる。レーザ光の波長は、任意で良いが、標準単一モード光ファイバで低損失の１５５０ｎｍにするのが良い。レーザ光源１２で生成されたレーザ光は、ファイバカプラ１３に送られる。

ファイバカプラ１３は、レーザ光を２分岐する。２分岐された一方は、強度変調器１４に送られる。また、２分岐された他方は、参照光として受光部５０に送られる。

関数発生器１６は、矩形状の電気パルスを生成する。この電気パルスは、強度変調器１４に送られる。関数発生器１６が生成する電気パルスは、例えば、パルス幅が１００ｎｓで、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。また、関数発生器１６の出力は、後述するアナログ－ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器５６にも送られ、トリガー信号として用いられる。

強度変調器１４は、レーザ光を電気パルスで光パルス化して、光パルスを生成する。この光パルスは、光増幅器１８に送られる。強度変調器１４が生成する光パルスのパルス幅と繰り返し周波数は、共に関数発生器１６が生成する電気パルスと同じである。この例では、光パルスは、パルス幅が１００ｎｓで、繰り返し周波数が５ｋＨｚである。

強度変調器１４として、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が用いられる。ＡＯＭを用いる場合、光ドップラー効果により、強度変調器１４で生成される光パルスの周波数は、強度変調器１４に入力されるレーザ光の周波数から変化する。このため、受光部５０でのコヒーレント検波の際には、ヘテロダイン検波となることが多い。

強度変調器１４で生成された光パルスは、光増幅器１８で所定の増幅を受ける。これは、光パルスの強度が強いほど、光ファイバ３０での後方散乱光の強度が強くなるためである。光増幅器１８で増幅された光パルスは、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３０に送られる。なお、ここでは図示及び説明を省略するが、一般的には、光増幅器１８の後段に、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）が用いられる。ＢＰＦは、光増幅器１８で発生する自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｒｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）のノイズを取り除く。

光ファイバ３０に送られたプローブ光は、光ファイバ３０を伝播する。プローブ光の伝播に伴って後方散乱光が発生する。この後方散乱光は、信号光として光サーキュレータ２０を経て受光部５０に送られる。なお、ここでは図示及び説明を省略するが、後方散乱光を増幅するために、受光部５０の前段に光増幅器とＢＰＦが設けられることが多い。

受光部５０は、プローブ光によって、光ファイバ３０で発生する後方散乱光をコヒーレント検波して電気信号を生成する。

受光部５０は、コヒーレントレシーバ５２、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）５４、アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器５６を備えて構成される。

コヒーレントレシーバ５２は、参照光を用いて、後方散乱光のコヒーレント検波を行う。コヒーレントレシーバ５２として、例えば、光９０°ハイブリッドカプラを用いることができる。コヒーレントレシーバ５２からの出力は、バランス型ＰＤ５４に送られる。

バランス型ＰＤ５４は、コヒーレントレシーバ５２からの出力をバランス検波する。これにより、後方散乱光の強度と位相の情報を持つ、Ｉ相（ｃｏｓ波）とＱ相（ｓｉｎ波）のビート信号が生成される。このＩ相及びＱ相のビート信号は、Ａ／Ｄ変換器５６に送られる。

Ａ／Ｄ変換器５６は、Ｉ相及びＱ相のビート信号をディジタル信号に変換する。ディジタル信号に変換された、Ｉ相及びＱ相のビート信号は、演算部６０に入力される。

演算部６０としては、例えば、市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を利用できる。ここでは、一例として、演算部６０が、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｕｎｉｔ）７０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６４及び記憶手段６６を備えて構成されるものとして説明する。ＣＰＵ７０は、ＲＯＭ６４に格納されているプログラムを実行することにより、後述する各機能手段を実現する。各機能手段での処理結果は、一時的にＲＡＭ６２に格納される。

演算部６０が備える機能手段として、光情報取得手段７２、基準時間可変幅取得手段７４、精度劣化回避手段７６及び振動情報取得手段７８がある。これら機能手段の動作は、受光部５０の構成に依存する。ここでは、コヒーレントレシーバ５２として、例えば、光９０°ハイブリッドカプラを用いたヘテロダイン検波の例を説明する。

光情報取得手段７２は、光パルスごとに、後方散乱光の受光時刻ｔに対する、後方散乱光の強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布を、Ａ／Ｄ変換器５６から送られたビート信号から取得する。基準時間可変幅取得手段７４は、光情報取得手段７２によって取得される強度Ｉ（ｔ）の分布から、適切な基準時間可変幅Ｔ_０を決定する。精度劣化回避手段７６は、０から基準時間可変幅Ｔ_０までの範囲で、最大第１時間Δｔ１ｍａｘ及び最大第２時間Δｔ２ｍａｘを設定する。振動情報取得手段７８は、ｋ番目の光パルスに対する信号光の、受光時刻ｔにおける位相差を、Ｐ（ｔ＋ＳＴ_０／２＋Δｔ１ｍａｘ、ｋ）－Ｐ（ｔ－ＳＴ_０／２－Δｔ１ｍａｘ、ｋ）として取得する。ここで、ＳＴ_０は、初期状態の基準時間である。その後、ｋ番目の光パルスに対する信号光の、受光時刻ｔにおける位相差を、ｋ方向にアンラップすることで振動情報を取得する。以下、各機能手段の動作をより詳細に説明する。

強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）を取得するにあたり、光情報取得手段７２は、先ず、Ｉ相及びＱ相のビート信号から、後方散乱光の複素振幅を生成する。

この後方散乱光の複素振幅もビート信号であるので、ダウンコンバートする必要がある。そこで、次に、後方散乱光の複素振幅をダウンコンバートする。このダウンコンバートする方法として、例えば、ビート周波数を持つ逆回転の複素振幅を、後方散乱光の複素振幅に積算し、ローパスフィルター（ＬＰＦ）を作用させる方法が用いられる。

その後、ダウンコンバートして得られた複素振幅の絶対値を計算することで、後方散乱光の受光時刻ｔに対する、後方散乱光の強度Ｉ（ｔ）の分布が得られる。また、このとき、後方散乱光の位相Ｐ（ｔ）の分布も得られる。強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布は、例えば、記憶手段６６に格納される。記憶手段６６には、記憶手段６６の容量に応じて定められる数の光パルスについて、強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布が格納される。なお、記憶手段６６に換えて、ＲＡＭ６２に格納してもよい。

基準時間可変幅取得手段７４は、基準時間可変幅Ｔ_０を取得する。一般的に、光ファイバにおけるレイリー散乱光の強度分布Ｐｒ（Ｉ）は、以下の式（ａ１）で示される指数分布に従うことが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

ここで、＜Ｉ＞は、レイリー散乱光の強度の平均値を示す。

また、観測される位相の精度は、雑音強度Ｉ_ｎと、レイリー散乱光の強度Ｉ_ｓの比で決まる。観測される位相と、レイリー散乱光の位相の誤差δφの最大値ｍａｘ（δφ）は、以下の式（ａ２）で与えられる。

従って、位相の誤差をφ_０以下に抑えたい場合、レイリー散乱光の強度Ｉ_ｓは、以下の式（ａ３）で与えられる条件を満たさなければならない。

位相の誤差がφ_０を上回ることを、フェーディングが発生すると呼ぶとすると、光ファイバ上のある一点において、フェーディングが発生する確率ｑは、以下の式（１）で与えられる。

ここで、光ファイバ上でのレイリー散乱光の強度分布Ｐｒ（Ｉ）が、受信時間ｔ_ｄごとに独立しているとみなせるとする。ｍ点（ｍは１以上の整数）以上のＲ点（Ｒは１以上の整数）連続してフェーディングが発生する確率をＰｒ（Ｒ≧ｍ）と表す。なお、ｍ点以下のＲ点連続してフェーディングが発生する確率Ｐｒ（Ｒ≦ｍ）は、以下の式（ｂ１）で与えられることが知られている（例えば、非特許文献３参照）。

ここで、Ｎは、光ファイバ上で、レイリー散乱光の強度分布Ｐｒが、独立な指数分布とみなせる点の数である。上式（ｂ１）を用いると、ｍ点以上のＲ点連続してフェーディングが発生する確率Ｐｒ（Ｒ≧ｍ）は、以下の式（ｂ２）で与えられる。

ここで、基準時間可変幅Ｔ_０をＴ_０＝ｔ_ｄ×ｍとしたとき、ｍ＋１点以上のＲ点連続してフェーディングが発生する場合に、振動情報取得手段７８で得られる振動情報がフェーディングの影響を受ける。

このため、振動情報取得手段７８で得られる振動情報がフェーディングの影響を受ける確率をある一定値ｑ_０以下に抑えるためには、ｑ_０＞Ｐｒ（Ｒ≧ｍ＋１）を満たす最小のｍ（＝ｍ_０）を用いて、Ｔ_０＝ｔ_ｄ×ｍ_０とすればよい。

上式（ｂ２）を整理すると、ｍ_０は、以下の式（２）から得られる。

ここで、［］はガウス記号であり、［ｘ］は、ｘ以下の最大の整数を示す。

なお、強度分布が独立しているとみなせる受信時間ｔ_ｄは、実際に測定したフェーディング確率を、最小二乗法などを用いて、上式（ｂ２）にフィッティングすることで得られる。

基準時間可変幅取得手段７４は、光パルスを光ファイバ３０に入力しない状態で、受光部５０が検出する光強度を雑音強度Ｉ_ｎとし、光パルスを光ファイバ３０に入力している状態で、受光部５０が検出するレイリー散乱光の強度の平均値を＜Ｉ＞として、上式（１）及び（２）を用いて、基準時間可変幅Ｔ_０を算出する。ここで、許容できる位相の誤差φ_０と、許容できるフェーディング確率ｑ_０は、予め定めておけばよい。

精度劣化回避手段７６は、光情報取得手段７８によって得られた強度情報から、基準時間可変幅取得手段７４によって得られた基準時間可変幅の範囲で，強度の大きな点を利用して、基準時間ＳＴを決定する。これにより，フェーディングによる精度劣化を回避できる。

精度劣化回避手段７６は、初期状態の基準時間ＳＴ_０と、第１時間Δｔ１に対して、記憶手段６６に格納されている複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔ＋ＳＴ_０／２＋Δｔ１）の最小値Ｉｍｉｎ（Δｔ１）を取得する。さらに、第１時間Δｔ１を基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第１時間Δｔ１について得られた最小値Ｉｍｉｎ（Δｔ１）の中で、最小値Ｉｍｉｎ（Δｔ１）が最大となる第１時間Δｔ１を最大第１時間Δｔ１ｍａｘとして取得する。

また、精度劣化回避手段７６は、初期状態の基準時間ＳＴ_０と、第２時間Δｔ２に対して、記憶手段６６に格納されている複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔ－ＳＴ_０／２－Δｔ２）の最小値Ｉｍｉｎ（Δｔ２）を取得する。さらに、第２時間Δｔ２を基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第２時間Δｔ２について得られた最小値Ｉｍｉｎ（Δｔ２）の中で、最小値Ｉｍｉｎ（Δｔ２）が最大となる第２時間Δｔ２を最大第２時間Δｔ２ｍａｘとして取得する。

振動情報取得手段７８は、受信時刻ｔにおける位相差を取得する。ここでは、ｔｊ＞ｔ＞ｔｉ、且つ、ｔｊ－ｔｉ＝ＳＴとしたときに、信号光の受光時刻ｔに対する位相差を、受光時刻ｔｊに対する位相Ｐ（ｔｊ）と受光時刻ｔｉに対する位相Ｐ（ｔｉ）との差として取得する。

光情報取得手段７２で得られた位相情報と、精度劣化回避手段７６で得られたΔｔ１ｍａｘとΔｔ２ｍａｘを用いて、各光パルスｋ、受信時刻ｔに対して、Ｐ（ｔ＋ＳＴ_０／２＋Δｔ１ｍａｘ、ｋ）－Ｐ（ｔ－ＳＴ_０／２－Δｔ２ｍａｘ、ｋ）を計算して位相差ΔＰ（ｋ）を得る。すなわち、ｔｊ＝ｔ＋ＳＴ_０／２＋Δｔ１ｍａｘかつｔｉ＝ｔ－ＳＴ_０／２－Δｔ２ｍａｘである。また、ＳＴ＝ＳＴ_０＋Δｔ１ｍａｘ＋Δｔ２ｍａｘである。

さらに、この計算で得られた位相差ΔＰを、ｋ方向にアンラップする。振動情報取得手段７８は、位相差ΔＰの分布から、受信時刻ｔにおける振動情報を、任意好適な従来公知の方法で取得する。この受信時刻ｔは、光ファイバに長手方向における位置ｘに対応する。従って、振動情報取得手段７８は、光ファイバの長手方向の位置ｘにおける振動情報を取得できる。

光ファイバ上の各位置の振動を測定するために、光ファイバ上の異なる２点で発生した後方散乱光の位相差を測定する際の、この２点間の距離であるゲージ長に基準時間ＳＴが対応する。そして、この発明では、許容できる位相の誤差φ_０と、許容できるフェーディング確率ｑ_０に応じて、基準時間ＳＴをＳＴ_０＋Δｔ１ｍａｘ＋Δｔ２ｍａｘと設定して
いる。このため、この発明の光コヒーレントセンサを用いると、フェーディングの発生を所望の確率以下に抑え、所望の精度で振動情報を取得することができる。

図２を参照して、分布型振動検知光ファイバセンサの特性試験を説明する。図２は、分布型振動検知光ファイバセンサの特性試験の結果を示す図である。図２では、横軸に、ゲージ長可変幅［単位：ｍ］を取って示し、左側の縦軸に、フェーディング確率［単位：％］を取って示し、右側の縦軸にフェーディングが発生するまでの平均時間［単位：年］を取って示している。なお、ゲージ長可変幅は、基準時間可変幅Ｔ_０と光ファイバ中での光速を乗算することで得られる。

図２では、各点が、測定結果を表している。また、曲線Ｉは、測定結果に対して得られた、理論式のフィッティング曲線を示し、曲線ＩＩは、ゲージ長可変幅に対するフェーディングが発生するまでの平均時間を示している。フェーディングが発生するまでの平均時間は、フィッティング曲線とパルスの繰返し周波数から計算される。

ここでは、光ファイバ３０の長さを１２［ｋｍ］とした。また、レーザ光源１２として、線幅３ｋＨｚの狭線幅レーザを用いた。さらに、強度変調器１６では，パルス幅を２００［ｎｓｅｃ］とした。このとき、許容できる位相の誤差φ_０をπ／６として、各ゲージ長可変幅に対するフェーディング確率を測定した。

独立の指数分布と見なせる距離間隔は、フィッティング結果から約４［ｍ］であった。図２の結果から，この系においては、１００年に一回程度のフェーディング確率に抑えたい場合は、ゲージ長可変幅を３０［ｍ］程度とすればよいことが分かる。また，フィッティング曲線のパラメータＩ_ｓ０／＜Ｉ＞は、０．０１１程度となった。

一方、光パルスが存在しないときに観測される散乱光強度Ｉ_ｎとφ_０から計算されるパラメータＩ_ｓ０は、４．２９程度となり、レイリー散乱光の平均強度＜Ｉ＞は、３６０程度となった。従って、観測結果から計算されるパラメータは、０．０１２程度となり、フィッティング結果とほぼ等しい。

このように、ゲージ長可変幅が小さく、フェーディングが起こりやすい状況でのフェーディング確率から、１００年に一度程度フェーディングが発生するゲージ長可変幅の値が分かる。

（他の実施形態）
ここでは、振動検知光ファイバセンサを例にとり、フェーディングによる精度劣化を低減できる光コヒーレントセンサを説明したが、これに限定されない。２点間における位相の差を利用する光コヒーレントセンサであれば、この発明を適用できる。

また、ここでは、受光部５０でのコヒーレント検波の際には、ヘテロダイン検波となる場合を説明したが、ホモダイン検波であってもよい。ホモダイン検波にする場合は、強度変調器１４として周波数シフトのないものを用いるか、あるいは、ファイバカプラ１３とコヒーレントレシーバ５２の間に参照光の周波数をシフトさせる周波数シフタを用いればよい。ホモダイン検波の場合は、Ａ／Ｄ変換器５６として広帯域のものを用いる必要がない。

１０ 光源部
１２ レーザ光源
１３ ファイバカプラ
１４ 強度変調器
１６ 関数発生器
１８ 光増幅器
２０ 光サーキュレータ
３０ 光ファイバ
４０ 計測部
５０ 受光部
５２ コヒーレントレシーバ
５４ バランス型フォトダイオード（ＰＤ）
５６ アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
６０ 演算部
６２ ＲＡＭ
６４ ＲＯＭ
６６ 記憶手段
７０ ＣＰＵ
７２ 光情報取得手段
７４ 基準時間可変幅取得手段
７６ 精度劣化回避手段
７８ 振動情報取得手段

Claims (6)

1. プローブ光として光パルスを生成する光源部と、
   前記プローブ光によって測定対象物で発生する信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する受光部と、
   前記ビート信号が入力される演算部と
   を備え、
   前記演算部は、
   前記光パルスごとに、前記信号光の受光時刻ｔに対する、前記信号光の強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布を、前記ビート信号から取得する光情報取得手段と、
   前記光情報取得手段が取得した前記信号光の強度Ｉ（ｔ）の分布から、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対する基準時間可変幅Ｔ_０を取得する基準時間可変幅取得手段と、
   前記初期状態の基準時間ＳＴ_０と、前記基準時間可変幅Ｔ_０とに基づいて基準時間ＳＴを設定する精度劣化回避手段と、
   ｔｊ＞ｔ＞ｔｉ、且つ、ｔｊ－ｔｉ＝ＳＴとしたときに、前記信号光の受光時刻ｔに対する位相差を、受光時刻ｔｊに対する位相Ｐ（ｔｊ）と受光時刻ｔｉに対する位相Ｐ（ｔｉ）との差として取得し、前記位相差から、振動情報を取得する振動情報取得手段と
   を備える
   ことを特徴とする光コヒーレントセンサ。
2. 前記測定対象物として、光ファイバに前記プローブ光が入力され、
   前記基準時間可変幅取得手段は、
   前記プローブ光が前記光ファイバに入力されていない状態での、信号光の強度Ｉ_ｓ０と、
   前記プローブ光が前記光ファイバに入力されている状態での、信号光の強度Ｉと、
   予め定められたフェーディング確率ｑ_０と
   から、以下の式（１）及び（２）を用いて、整数ｍ_０を算出し、
   前記光ファイバ上でのレイリー散乱光の強度分布が互いに独立しているとみなせる時間ｔ_ｄと、前記整数ｍ_０の積を、前記基準時間可変幅Ｔ_０として取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光コヒーレントセンサ。
   

   
3. 前記精度劣化回避手段は、
   前記初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第１時間Δｔ１を前記基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第１時間Δｔ１について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｊ＋Δｔ１）の最小値を取得し、該最小値が最大となる最大第１時間Δｔ１ｍａｘを取得し、
   前記初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第２時間Δｔ２を前記基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第２時間Δｔ２について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｉ－Δｔ２）の最小値を取得し、該最小値が最大となる最大第２時間Δｔ２ｍａｘを取得し、
   ＳＴ_０＋Δｔ１ｍａｘ＋Δｔ２ｍａｘを前記基準時間ＳＴとする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光コヒーレントセンサ。
4. プローブ光として光パルスを生成する過程と、
   前記プローブ光によって測定対象物で発生する信号光をコヒーレント検波してビート信号を生成する過程と、
   前記光パルスごとに、前記信号光の受光時刻ｔに対する、前記信号光の強度Ｉ（ｔ）及び位相Ｐ（ｔ）の分布を、前記ビート信号から取得する過程と、
   前記信号光の強度Ｉ（ｔ）の分布から、初期状態の基準時間ＳＴ_０に対する基準時間可変幅Ｔ_０を取得する過程と、
   前記初期状態の基準時間ＳＴ_０と、前記基準時間可変幅Ｔ_０とに基づいて基準時間ＳＴを設定する過程と、
   ｔｊ＞ｔ＞ｔｉ、且つ、ｔｊ－ｔｉ＝ＳＴとしたときに、前記信号光の受光時刻ｔに対する位相差を、受光時刻ｔｊに対する位相Ｐ（ｔｊ）と受光時刻ｔｉに対する位相Ｐ（ｔｉ）との差として取得し、前記信号光の受光時刻に対する前記位相差から、振動情報を取得する過程と
   を備えることを特徴とする光コヒーレントセンシング方法。
5. 前記測定対象物として、光ファイバに前記プローブ光が入力され、
   前記基準時間可変幅Ｔ_０を取得する過程は、
   前記プローブ光が前記光ファイバに入力されていない状態での、信号光の強度Ｉ_ｓ０と、
   前記プローブ光が前記光ファイバに入力されている状態での、信号光の強度Ｉと、
   予め定められたフェーディング確率ｑ_０と
   から、以下の式（１）及び（２）を用いて、整数ｍ_０を算出する過程と、
   前記光ファイバ上でのレイリー散乱光の強度分布が互いに独立しているとみなせる時間ｔ_ｄと、前記整数ｍ_０の積を、前記基準時間可変幅Ｔ_０として取得する過程と
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の光コヒーレントセンシング方法。
   

   
6. 前記基準時間ＳＴを設定する過程では、
   前記初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第１時間Δｔ１を前記基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第１時間Δｔ１について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｊ＋Δｔ１）の最小値を取得し、該最小値が最大となる最大第１時間Δｔ１ｍａｘを取得し、
   前記初期状態の基準時間ＳＴ_０に対して、第２時間Δｔ２を前記基準時間可変幅Ｔ_０の範囲内で変化させて、各第２時間Δｔ２について、それぞれ複数の光パルスにおける強度Ｉ（ｔｉ－Δｔ２）の最小値を取得し、該最小値が最大となる最大第２時間Δｔ２ｍａｘを取得し、
   ＳＴ_０＋Δｔ１ｍａｘ＋Δｔ２ｍａｘを前記基準時間ＳＴとする
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の光コヒーレントセンシング方法。

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