JPH0241694B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光フアイバ線路の障害点探索装置に関
するものである。光通信の実用化に伴い、光フア
イバの保守点検のため種々の障害点探索装置が開
発されている。最も一般的な方法は弧立パルス法
と呼ばれ、光フアイバの一端より単一光パルスを
入射し光フアイバから戻つてくるエコー光を観測
し、その形状の変化から障害点の検出を行う。

光フアイバからのエコー光はレーリー後方散乱
光と呼ばれる光フアイバ自身による散乱光と、障
害点での光フアイバの不連続性によつて発生する
フレネル反射光の２種類からなつている。フレネ
ル反射光は障害点の状況により強度が変動し、統
計的に調べられた結果によれば全障害点の５％程
度の割合でフレネル反射光がレーリー後方散乱光
に比べ弱い場合が存在する。一方レーリー後方散
乱光の強度は障害点の種類による変動がない。こ
のため障害点を確実に検出するためにはレーリー
後方散乱光を観測する必要があり、通常の弧立パ
ルス法での障害点探索可能距離はレーリー後方散
乱光の検出感度を基準に求められている。

単一パルスによるレーリー後方散乱光の強度は
入射パルスの幅とピークパワーに比例する性質が
ある。一方距離分解能はレーダー測距の場合と同
様に入射パルス幅に反比例する。その結果ピーク
パワーの同じ光源を使うと探索可能距離と距離分
解能は相反関係を成す。このことは探索を行う光
フアイバ線路の長さに応じて片方の性能を低下さ
せて使用しなければならないという不都合を生じ
る。

この欠点を解決する方法として最近Ｍ系列パル
スを使用する障害点探索法が開発された。Ｍ系列
パルス法では入射光としてＭ系列と呼ばれる特殊
符号化パルス列を用いる。そして障害点からのフ
レネル反射光が入射パルス列と同じ波形であるこ
とを利用し、入射パルス列と障害点からのフレネ
ル反射光との相互相関を調べこの２つのパルス列
の相関の最大となる時間差から障害点を検出す
る。Ｍ系列パルス法では受信感度がパルス列のビ
ツト数に比例し、距離分解能はパルス列のクロツ
ク周波数に依存しているので弧立パルス法に見ら
れる探索可能距離と距離分解能の相反関係は発生
しない。またＭ系列パルス法は距離分解能におい
てすぐれ、通常の弧立パルス法の最大分解能が数
ｍ程度であるのに対し、Ｍ系列パルス法では数cm
程度の精度を持つことが報告されている。

しかしＭ系列パルス法では障害点検出にフレネ
ル反射光を使用するためフレネル反射光の弱い障
害点に対して検出感度が低下し、障害点探索の信
頼性を確保できないということが実用的な点から
見た場合大きな欠点である。

本発明の目的は従来のＭ系列パルス法の欠点で
ある障害点探索の不確定性を取り除き、かつ高い
距離分解能を持つ障害点探索装置を提供すること
である。

本発明では光パルス列を発生するレーザ装置と
前記レーザ装置の出力光路上に方向性光フアイバ
光入出力装置を配置し、前記方向性光フアイバ光
入出力装置の光フアイバ結合端に被測定光フアイ
バを結合し、前記方向性光フアイバ光入出力装置
の光検出出力光路上にエコー光検出装置を配置し
前記エコー光検出装置に接続された信号処理部に
相関検出装置を備える光フアイバ障害点探索装置
において、前記レーザ装置の出力光路上に入射光
の一部を分岐するビームスプリツターと、前記ビ
ームスプリツターにより分岐された前記レーザ装
置出力光の出力信号を検出する入射光検出装置と
前記入射光検出装置出力信号と前記エコー光検出
装置の出力信号を記憶する波形記憶装置と、前記
波形記憶装置に記憶された入射光信号よりエコー
光信号を推定しその結果得られた信号と前記波形
記憶装置に記憶されたエコー光信号を微分し相関
信号を生成する相関信号生成装置を備え、前記生
成された相関信号の相関検出を行う障害点探索装
置が得られる。

従来のＭ系列パルスを用いる方法と異なる点は
入射パルス列の波形を元に障害点によるエコー光
の変化を推定した波形を求め、さらにこの波形の
微分波形と実際に観測されたエコー光の微分波形
を相関信号としたことである。単一パルスによる
光フアイバからのレーリー後方散乱光波形の表式
はよく知られており、入射パルス幅と光フアイバ
の特性定数によつて表現できる。一方フレネル反
射光の波形は入射パルス波形と同じである。入射
光が光パルス列である場合も、入射パルス列を微
小時間間隔で分割して考え、各部からのレーリー
後方散乱光を合成すれば、全体のレーリー後方散
乱光を求めることができる。

次に本発明について図面を用いて詳細に説明す
る。第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図
であり、１は光パルス列を発生するレーザ装置、
２は１の出力光の一部を分岐するビームスプリツ
ター、３は方向性光フアイバ光入出力装置、４は
被測定光フアイバであり、５と６は光検出器、７
は波形記憶装置、８は相関信号生成装置、９は相
関検出装置、１０は出力装置であり、１１は信号
処理装置を示す。

この装置の動作は次のように行われる。レーザ
装置１で発生した光パルス列の一部はビームスプ
リツター２で分岐され光検出器５で電気信号に変
換される。この信号は波形記憶装置７で量子化さ
れた後記憶される。一方光パルス列の大部分は方
向性光フアイバ光入出力装置３を通じて被測定光
フアイバ４に入射される。発生したエコー光は方
向性光フアイバ光入出力装置３により、入射光路
から分岐され、光検出器６に入射する。光検出器
６によつて電気信号に変換されたエコー光信号は
波形記憶装置７によつて量子化され、波形の記憶
が行われる。次の相関信号生成装置８及び相関検
出装置の働きは信号に対して演算処理を施すこと
である。この部分は信号波形の変化を示しながら
説明する。

第２図はレーザ装置１による光パルス列の発生
から信号が波形記憶装置７に記憶されるまでの信
号波形を示し、同図ａは光検出器５で検出された
入射光パルス波形であり、同図ｂは光検出器６で
検出されたエコー光波形である。また同図ｃは同
図ｂの部分５０を拡大した図である。この障害点
ではレーリー後方散乱光とフレネル反射光の強度
がほぼ等しいとしている。第２図ａ，ｂ，ｃでは
縦軸は光強度、横軸は時間を表わし、同図ａ，ｃ
は時間単位が等しい。同図ｄ，ｅは各々同図ａ，
ｃを波形記憶装置７によつて量子化したときの波
形である。なおPiは入射光の強度を、Prはエコ
ー光の強度を示す。

第３図は相関信号生成装置８で行われる信号処
理の第一段階の様子を示す図である。第３図ａは
第２図ｄの波形からエコー光中のレーリー後方散
乱光成分の変化を求めたときの波形であり、第３
図ｂには同図ａにレーリー後方散乱光成分にほぼ
等しい大きさのフレネル反射光を重ね合わせた波
形を示す。

次に相関信号生成装置８によつて入射光パルス
波形からエコー光を推定する過程を式を用いさら
に詳しく説明する。

第２図ｄに示される幅Δt、ピークパワーPn（ｎ
＝１〜ｋ）のパルス列によるエコー光の時間変化
は式(1)、(2)、(3)によつて表わすことができる。こ
の場合障害点は入射端から距離ｌの位置にあり光
はこの障害点以遠に伝わらないとしている。

Pr（t′）＝Ａ_k 〓 〓ⁿ⁼⁰ P_oexp｛α_tv_g（nΔt−t′）｝；−To＋Ｋ△ｔ＜t′
≦０…(1) Pr（t′）＝Ａ_k 〓 〓^n=m P_oexp｛α_tv_g（ｎ−ｍ＋１／２）Δt｝＋CPm；（ｍ
−１）Δt＜t′≦mΔt…(2) （ｍ＝１〜ｋ） Pr（t′）＝０；kΔt＜t′ …(3) Ａ：Sα_sv_gΔtexp（−2lα_t）／２ Ｓ：レーリー後方散乱係数 α_s：レーリー損失係数 v_g：フアイバ中の光速度 α_t：フアイバ中の全損失係数 T₀：2l／v_g t′：ｔ−T₀ Ｃ：障害点でのフレネル反射係数 式(1)は第３図ｂの時間座標のアの領域に対応し
一様で緩やかに減少するレーリー後方散乱光が観
測される。式(2)は第３図ｂのイの領域に対応し、
障害点での光伝送遮断のため急激に変化するエコ
ー光が観測される。式(3)では入射パルス列の最後
尾が障害点までの距離を往復した後の時間領域を
示し第３図ｂのウの領域に示されるようにエコー
光は消滅している。本発明では前記式のうち障害
点に関する情報を含む式(2)で示される演算を相関
信号生成装置８で用いる。式(2)の中で相関検出に
用いられる情報は信号波形に関するものである。
式(2)中の各変数は、障害点までの距離ｌとフレネ
ル反射係数を除くと、入射パルス波形及び光フア
イバの特性定数から成つている。光フアイバの特
性定数は通常既知であるので式(2)の波形を得るた
めに必要な情報の中であらかじめ特定できない値
はＡ／Ｃの値のみであることがわかる。障害点ま
での距離ｌはＡに含まれている。ここでは説明の
都合上Ａ／Ｃの値が求まつた場合について次段で
行われる信号処理の過程を示す。これまでの説明
によつて信号処理された信号は観測されたエコー
波形と式(2)によつて求められた波形という形で相
関信号生成装置８に納められている。この２種類
の信号は障害点によつてエコー光に急激な変化が
引き起こされた部分を抽出するため微分される。
微分の時定数を波形記憶装置のサンプリングレー
トに等しくすることにより、微分操作は差分操作
に置きかえることができ、演算の簡略化を計るこ
とができる。

第４図は微分操作による波形処理を示す図であ
る。同図ａ，ｂは観測されたエコー信号波形及び
式(2)で表わされる信号波形であり、同図ｃ，ｄは
同図ａ，ｂに微分操作を加えて得られる信号波形
である。この段階で相関信号生成装置８の信号処
理は終了する。

次に相関検出装置９の動作を述べる。相関検出
とは２種類の入力信号fn（t_o）、g_o（t_o）に対して相
互相関関数Ｒ（Ｔ）を定義しこの関数の形から入
力信号間の波形の一致及び時間遅れを検出する方
法である。相互相関関数Ｒ（Ｔ）は次のように定
義される。

Ｒ（Ｔ）＝_∞ 〓ⁿ⁼⁰ fn（t_o）・g_o（t_o＋Ｔ） −(4) 第５図はfn，g_oを各々第４図ｃ，ｄとしたとき
の相互相関関数Ｒ（Ｔ）の波形を示す図である。
相互相関関数の最大となる時間座標の位置は障害
点までを光が往復する時間となるので、この時間
に光フアイバ中の光速度を乗じ、得られた値を数
値２で割れば障害点までの距離を知ることができ
る。この結果は出力装置１０を用いて出力され
る。相関の有無の判断を行うには相互相関関数Ｒ
（Ｔ）のバツクグラウンドを越えるピークが相互
相関関数Ｒ（Ｔ）に現われるか否かをチエツクす
ればよい。

次にＡ／Ｃの値を求める方法について述べる。
第６図はＡ／Ｃを求めるときのフローチヤート図
である。この動作は次の通りである。相関信号生
成装置８でＡ／Ｃの初期値を設定してその場合の
相関信号を生成する。このとき生成された相関信
号について相関検出装置９で相関の有無の判断を
行う。そのとき相関があれば結果を出力装置１０
で出力する。逆に相関が検出されなければＡ／Ｃ
の値を変化させ、再び相関の有無を判断する。こ
のループを繰り返すことによつて相関の発生する
Ａ／Ｃを求めることができる。

本発明の利点はフレネル反射のない障害点を含
む全ての障害点に対して障害点を弧立パルス法に
比べ高い精度で決定できることである。本発明に
よる距離分解能と探索距離の関係は独立に設定す
ることができる。つまり距離分解能は入射パルス
列の個々のパルスの幅によつて定まり、探索距離
はパルス列全体のエネルギーに比例するので、パ
ルス幅とピークパワーの等しいパルス列を用いれ
ばパルスの数を増加することにより距離分解能を
損うことなく探索距離を伸ばすことができる。

本発明の他の効果はＭ系列パルス法に見られる
特殊光パルス列を発生する光パルス列発生装置が
不必要なことであり、例えばパルス励起固体レー
ザのノーマル発振等のパルス高のランダムな光パ
ルス列を入射光パルス列として使用できることで
ある。この場合Ｍ系列パルス法に用いられるレー
ザダイオードに比較し入射エネルギーは1000倍以
上であり同一距離で比較すると信号雑音比を、
1000倍以上改善することができる。

なお上記においては本発明の一実施例について
説明したが本発明の目的を逸脱することなく構成
要素の各種の変形、置換が可能である。例えば第
１図において光検出器６と波形記憶装置７の間に
対数増幅器を加え、相関信号生成装置８において
上記対数増幅の効果を補正すれば処理系のダイナ
ミツクレンジを広げることができ、障害点を広い
距離範囲に渡つて調査することが可能となる。ま
た相互相関関数Ｒ（Ｔ）を評価関数としてＡ／Ｃ
を求める場合多数のパルス列に渡つて加算平均化
処理を行うと、信号雑音比を一層改善することが
できる。この加算平均化して求められた相互相関
関数から障害点を検出すればさらに長距離に渡つ
て障害点探索を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図で
あり、第２図ａ，ｂは各々光検出器５，６での受
信光波形、同図ｃは同図ｂの部分拡大図であり、
同図ｄ，ｅは波形記憶装置７によつて記憶された
信号波形である。第３図ａ，ｂは相関信号生成装
置８の第１段階で信号処理を示す図であり入射光
波形からエコー光を推定したときの波形である。
第４図は相関信号生成装置８の第２段階での信号
処理を示す図であり、同図ａおよびｂの信号波形
に微分処理を行つたときの波形をそれぞれ同図
ｃ，ｄに示す。第５図は相関検出装置９への入射
信号波形とこれらを元に求められた相互相関関数
の波形を示す。第６図は信号処理部での障害点検
出のフローチヤート図である。 図において１はレーザ装置、２はビームスプリ
ツター、３は方向性光フアイバ光入出力装置、４
は被測定光フアイバ、５と６は光検出器、７は波
形記憶装置、８は相関信号生成装置、９は相関検
出装置、１０は出力装置、１１は信号処理装置を
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光パルス列を発生するレーザ装置と、前記レ
   ーザ装置の出力光路上に方向性光フアイバ光入出
   力装置を配置し、前記方向性光フアイバ光入出力
   装置の光フアイバ結合端に被測定光フアイバを結
   合し、前記方向性光フアイバ光入出力装置の光検
   出出力光路上にエコー光検出装置を配置し、前記
   エコー光検出装置に接続された信号処理部に相関
   検出装置を備える光フアイバ障害点探索装置にお
   いて、前記レーザ装置の出力光路上に入射光の一
   部を分岐するビームスプリツターと、前記ビーム
   スプリツターにより分岐された前記レーザ装置出
   力光の出力信号を検出する入射光検出装置と、前
   記入射光検出装置出力信号と前記エコー光検出装
   置の出力信号を記憶する波形記憶装置と、前記波
   形記憶装置に記憶された入射光信号よりエコー光
   信号を推定しその結果得られた信号と前記波形記
   憶装置に記憶されたエコー光信号を微分し相関信
   号を生成する相関信号生成装置を備え、前記生成
   された相関信号を前記相関検出装置に入力するこ
   とを特徴とする光フアイバ障害点探索装置。