WO2004040241A1 - 分布型光ファイバセンサシステム - Google Patents

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WO2004040241A1
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Definitions

  • the present invention relates to a distributed optical fiber sensor system capable of measuring distortion and temperature generated in structures such as bridges, tunnels, and buildings by using an optical fiber with high spatial resolution and considering transient phenomena.
  • a distributed optical fiber sensor that measures the strain distribution by measuring the frequency shift amount of Brillouin scattering generated in an optical fiber along the optical fiber, and the Raman scattering generated in an optical fiber!
  • a distributed optical fiber sensor that measures the temperature distribution by measuring the light intensity ratio of light and anti-stalk light along an optical fiber is known. (Ptronics) P325-P327. The spatial resolution of these distributed optical fiber sensors was limited to several meters due to the measurement method.
  • the inventor of the present invention proposed a distributed optical fiber sensor system having a high spatial resolution on the order of sub-cm as one of the inventors in Japanese Patent Application No. 11-150618.
  • the application was disclosed as Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-0-07497.
  • FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a distributed optical fiber sensor system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-hi 746997.
  • the distributed optical fiber sensor system 100 is composed of an optical fiber 1002, a pump light source 1003, a probe light source 1004, and a light intensity detector 1005. , Optical power blur 1, optical filter 1, arithmetic means 1, control Means 1020.
  • An optical fiber 1002 which is a sensor for detecting strain and temperature, is installed on a structure 1001, which is an object to be measured. From one end of this optical fiber # 002, discontinuous pump light emitted from the pump light source 1003 is incident via the optical power bra 1006, and from the other end, a discontinuous probe emitted from the probe light source 1004. Light is incident.
  • the discontinuous pump light causes various scatterings such as Brillouin scattering, Raman scattering and Rayleigh scattering due to the nonlinearity of the optical fiber 1002 and the like.
  • the generated various scatterings amplify the discontinuous probe light when the frequency matches the discontinuous probe light, and are guided to the optical filter 1007 by the optical power brush 1006.
  • the optical filter 1007 mainly transmits Brillouin-amplified discontinuous probe light (Brillouin scattered light) from these various scattered lights and the like.
  • the transmitted Brillouin scattered light has its light intensity detected by a light intensity detector 1005, and the detection result is output to arithmetic means 1008.
  • the control means 1020 sets the frequency of the discontinuous probe light, controls the light emission of the probe light source 1004 and the pump light source 1003 so that the discontinuous probe light and the discontinuous pump light overlap at the measurement point of the structure 1001, In addition, control of sampling timing in the light intensity detector 1005 is performed so that Brillouin scattered light generated as a result of the interaction can be detected.
  • the calculating means 1008 calculates the strain and the temperature of the optical fiber 1002 based on the detection result of the light intensity detector 1005. In this calculation, the distributed optical fiber sensor system 1000 achieved high spatial resolution by further dividing the overlapping section where the discontinuous probe light and the discontinuous pump light overlapped into a plurality of minute sections. .
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has a high spatial resolution distribution type optical filter corresponding to a transient phenomenon by using pump light as first and second pump lights having different frequencies. It is an object of the present invention to provide an optical sensor system.
  • a distributed optical fiber sensor system includes an optical fiber for a sensor installed on an object to be measured, and a first optical fiber having a pulse width longer than a transient response time of acoustic phonons. While emitting pulsed light, a second pulsed light is emitted following the first pulsed light at a time interval during which the vibration of the acoustic phonon is substantially maintained, and the first and second pulsed light are transmitted to the optical fiber.
  • the light source to be supplied and the scattering gain spectrum of the Brillouin scattered light generated in the optical fiber by the second pulsed light correspond to twice the time obtained by equally dividing the pulse width of the second pulse.
  • Detecting means for detecting at each time interval, and for each minute section of the optical fiber corresponding to each scattering gain spectrum at each time interval, based on each scattering gain spectrum at each time interval.
  • the detection unit includes: a light power bra that combines light having a predetermined frequency with Brillouin scattered light from the optical fiber; A light receiver that receives light and performs photoelectric conversion, an oscillator that oscillates an electric signal of a predetermined frequency, a mixer that multiplexes an output of the light receiver with an output of the oscillator, and a predetermined one of outputs of the mixer A buffer that stores the output of the band-pass filter, and a control unit that sweeps a predetermined frequency of the oscillator in a range where the scattering gain spectrum can be obtained. And it is constituted. Furthermore, in such a distributed optical fiber sensor system,
  • the detection means includes two of the band 'pass' fills stored in the buffer. It further comprises an interpolating means for interpolating data between the two outputs by using the output of (1).
  • the detection means comprises: a light power bra that combines light having a predetermined frequency with Brillouin scattered light from the optical fiber; and light emitted from the light power bra.
  • a light-receiving device that receives and performs photoelectric conversion, a band-pass filter that transmits a predetermined frequency band out of the output of the light-receiving device, a time that outputs the band-pass-filter output, and a time that performs frequency analysis. Frequency analysis means.
  • the detecting means includes an inputting means for inputting light of a predetermined frequency to the optical fiber so as to face the second pulse light; and A light power bra that combines light and Brillouin scattered light from the optical fiber; a light receiver that receives light emitted from the light power bra and photoelectrically converts the light; and a predetermined frequency among outputs of the light receiver A band-pass filter that transmits a band, a buffer that stores an output of the band-pass filter, and a control unit that sweeps a predetermined frequency of the light within a range in which the scattering gain spectrum can be obtained.
  • the detection means further includes an optical frequency conversion means for converting the frequency of the light having the predetermined frequency so as to perform heterodyne detection.
  • the light of the predetermined frequency and the Brillouin scattered light interact with each other a plurality of times in the optical fiber.
  • the arithmetic means includes: for each minute section of the optical fiber corresponding to each scattering gain spectrum at each time interval, for each scattering gain at each time interval; It is configured by further calculating the lateral pressure applied to the measured object based on the spectrum.
  • the detecting means comprises: a first optical power bra that distributes light of a predetermined frequency into two, and one of the light distributed by the first optical power bra.
  • An optical switch for transmitting or blocking, light from the optical switch, and optical light A second optical power bra that multiplexes the Brillouin scattered light from the bar and distributes the two into two, and makes one of the distributed lights incident on the optical fiber; and a second optical power bra distributed by the first optical power bra.
  • a third light power bra that combines the light of the third light power bra with the other light distributed by the second light power bra, and a light receiver that receives the light emitted from the third light power bra and performs photoelectric conversion.
  • a band-pass filter that transmits a predetermined frequency band out of the output of the light receiver; and a time-frequency analysis unit that performs time-frequency analysis of the output of the band-pass filter.
  • the second pulse light that generates the Brillouin scattered light for measurement is propagated, so that a transient phenomenon occurs in the Brillouin scattered light for measurement. Does not occur. Therefore, strain and temperature can be measured more accurately than in the past.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining pump light emitted from the optical frequency converter.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the state of acoustic phonons caused by the first pulse light and the second pulse light.
  • FIG. 4 is a diagram showing a frequency relationship of each light.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency of the oscillator and the spectrum of Brillouin scattered light.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a virtual minute space and an optical fiber.
  • FIG. 7 shows a scattering gain spectrum
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the distributed optical fiber sensor system according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the operation in SI7.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating frequency characteristics of a two-dimensional low-pass filter.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between measurement points and interpolation points obtained from the measurement points.
  • FIG. 12 is a diagram showing the matrix a (i, j) of Equation 3 when the pulsed light is rectangular.
  • Figure 13 is a country showing the characteristics of the filter used in CT processing.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of an input waveform of the time / frequency analysis unit 44.
  • FIG. 16 is a diagram showing the frequency spectrum in each time and window.
  • FIG. 17 is a flowchart showing the operation of the distributed optical fiber sensor system according to the second embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the third embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the fifth embodiment.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining a physical process in the fifth embodiment.
  • FIG. 22 is a view showing a flow chart when the lateral pressure is obtained.
  • H23 is a view showing the configuration of a distributed optical fiber sensor system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-0 / 0797.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the first embodiment.
  • the distributed optical fiber sensor system 10 includes a light source 11, optical power blurs 12, 19, 22, a controller 13, an optical frequency converter 14, and an RF signal.
  • Source 15 optical amplifier 16, optical isolator 17, polarization controller ⁇ 8, optical fiber 21, receiver 23, mixer 24, oscillator 25, bandpass filter (BPF) 26, amplifier 27, analog / digital conversion (A / D) 28, a buffer 29 and a control operation unit 30.
  • BPF bandpass filter
  • the light source 11 supplies the optical fiber 21 with light having a spectral line width smaller than the line width of the Brillouin scattered light to the optical fiber 21 under the control of the control arithmetic unit 30 in order to measure distortion and temperature.
  • the light source 11 for example, various semiconductor lasers such as a distributed feedback semiconductor laser and a distributed Bragg reflection semiconductor laser can be used.
  • a semiconductor laser that emits CW light having a wavelength of 1550 nm (the frequency is f0) is used.
  • the light brass 12, 19, and 22 are components that combine and split incident light and emit the light.
  • the optical power coupler 19 may use an optical circuit.
  • the RF signal source 15 generates an electric signal of an RF (radio frequency) frequency under the control of the control calculation unit 30.
  • the optical frequency converter 14 is a component that converts the frequency (wavelength) of the incident light into a predetermined frequency.
  • the frequency of the electric signal supplied from the RF signal source 15 This is a single side band (SSB) LN optical modulator that converts the frequency of incident light according to the frequency.
  • the controller 13 controls the optical frequency converter 14 and the RF signal source 15 under the control of the control operation unit 30 to control the incident light of the optical frequency converter 14 at a predetermined frequency for a predetermined period. And inject at a predetermined timing.
  • the optical amplifier 16 is a component for amplifying incident light to a predetermined light intensity.
  • an optical fiber amplifier doped with a rare earth element according to the wavelength of the incident light to be amplified is used.
  • erbium is used as a rare earth element.
  • the optical isolator 17 is a component intended to transmit light in only one direction.
  • the polarization controller 18 is a component that converts the plane of polarization of the incident light into a predetermined plane of polarization and emits it under the control of the control operation unit 30.
  • the optical fiber 21 is divided into a reference optical fiber section 21-1 and a detection optical fiber section 21-2, and is, for example, a silica-based optical fiber.
  • the reference optical fiber section 2 1-1 is placed without being fixed to the DUT, and the detection optical fiber section 2 1-2 is placed inside or on the surface of the structure (DUT) 1 such as a bridge, tunnel or building. Fixed to. When measuring only the temperature without measuring the strain, it is not always necessary to fix the detection optical fiber section 21-2.
  • the light receiver 23 is a component for detecting the light intensity of the incident light, and converts the electric signal into an electric signal having an intensity corresponding to the received light intensity.
  • the mixer 24 multiplexes the input electric signals and outputs the multiplexed electric signals.
  • the oscillator 25 oscillates an electric signal having a predetermined frequency f l under the control of the control operation unit 30.
  • B PF 26 is a filter that transmits only a predetermined frequency band.
  • the amplifier 27 amplifies the input signal to a predetermined amplitude.
  • AZD28 converts analog signals to digital signals. Buffer 29 temporarily stores the output of A / D 28.
  • the control operation unit 30 is a component that controls each unit of the distributed optical fiber sensor system 10 and calculates distortion and temperature with a high spatial resolution as described later. ⁇ Computer.
  • the CW laser light of frequency f 0 emitted from the light source 11 is incident on the port a of the optical power bra 12 and is divided into two.
  • One of the split laser beams exits from port d Then, it is incident on the port q of the optical power bra 22.
  • the other laser beam is emitted from port c and enters optical frequency converter 14.
  • the frequency of the incident laser light is adjusted to a predetermined frequency by the optical frequency converter 14 according to the RF 'frequency of the RF signal source 15, and the emission time of the optical frequency converter 14 is controlled by the controller 13. Is adjusted.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining pump light emitted from the optical frequency converter.
  • the horizontal axis in FIG. 2 is the time axis, and the vertical axis is the light intensity.
  • the CW laser beam incident on the optical frequency converter 14 from the optical power blur 12 is divided into the first pulse light with the pulse width Twl and the pulse according to the control signal of the controller 13 and the RF frequency of the RF signal source 15.
  • the second pulse light having the width Tw2 is formed. Since the first pulse light is a pulse for starting and stabilizing the movement of the acoustic phonon, the pulse width Twl needs to have a period for ending the transient response.
  • the duration of the transient response varies depending on the material of the optical fiber, the light intensity of the pulse, and the like, but is usually about 20 ns. Therefore, for example, in the present embodiment, it is set to 100 ns in consideration of a margin.
  • the second pulse light is a pulse for measuring distortion and temperature
  • Tw2 dt X m).
  • the interval Twr between the first pulsed light and the second pulsed light is a period required for changing the frequency of the first pulsed light to the frequency of the second pulsed light. It depends on the performance of the converter 14 and the RF signal source. Since the vibration of the acoustic phonon starts to be attenuated by the end of the first pulse light, the shorter the interval Twr, the better. For example, in the present embodiment, it is 2 ns. In this 2 ns, there is virtually no attenuation of acoustic phonons, so that the effect of the interval Twr on the measurement of strain and temperature does not substantially occur.
  • the frequency f 1 of the first pulse light and the frequency f 2 of the second pulse light produce almost the same acoustic phonon in the optical fiber 21 and the frequency f of the oscillator 25 by the mixer 24.
  • the frequency is set to a value that can be efficiently filtered by the BPF 26.
  • the frequency f of the first pulse light 1 was set to 12 GHz
  • the frequency f 2 of the second pulsed light was set to 10 ⁇ 8 GHz.
  • the first pulse light and the second pulse light emitted from the optical frequency converter 14 are lost in the optical isolator 17, the polarization controller 18, the optical power blur 19, 22, and the optical fiber 21.
  • the optical amplifier 16 amplifies the optical fiber 16 to such an extent that a nonlinear optical effect sufficient to measure distortion and temperature is generated in the detection optical fiber section 21-2 in consideration of the connection loss and each connection loss.
  • the output of the optical amplifier 16 has a maximum value of 20 dBm.
  • the amplified first pulse light and second pulse light have their polarization planes adjusted by a polarization controller 18 via an optical isolator 17, and are incident on one port e of an optical power blur 19.
  • the first pulse light and the second pulse light emitted from the port g of the light bra 19 are incident on the optical fiber 21.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the state of acoustic phonons caused by the first pulse light and the second pulse light.
  • the horizontal axis in FIG. 3 indicates the position on the optical fiber 21.
  • the points A, B, C and D in FIG. 3 correspond to the points A ′, B ′, C and D ′ shown in FIG.
  • the acoustic phonon shown in FIG. 3 is generated by the first pulse light and the second pulse light.
  • the start point A 'of the first pulse light arrives, oscillation starts in the optical fiber 21 (point A), but the acoustic phonon cannot rise instantaneously, but gradually rises as shown in Fig. 3.
  • This transient response is normally about 20 ns as described above, and it is considered that the acoustic phonon will reach a sufficiently stable state after 60 ns (point S), which is three times as large. Thereafter, the stable state continues until the end point B 'of the first pulse light reaches (point S to point B).
  • the Brillouin scattered light generated by the acoustic phonons in the optical fiber 21 enters the port g of the optical power bra 19 and exits from the port f.
  • the Brillouin scattered light emitted from the port f enters the port r of the optical power bra 22.
  • the CW pump light incident from the port q and the Brillouin scattered light incident from the port r are combined by the optical power bra 22 and distributed into two.
  • FIG. 4 is a diagram showing a frequency relationship of each light.
  • the horizontal axis in Fig. 4 is the frequency, and the vertical axis is the intensity.
  • the intensity is different from the actual state because it only shows the correlation between the frequencies of the lights.
  • the frequency f 0 is the CW pump light
  • the frequency f 1 is the first pulse light
  • the frequency f 2 is the second pulse light.
  • the frequency Sb1 is the frequency of the Brillouin scattered light generated by the first pulse light
  • the frequency Sb2 is the frequency of the Brillouin scattered light generated by the second pulse light.
  • the bandwidth B is the frequency band of the light receiver 23
  • ⁇ is the center frequency of the light receiver 23, and ⁇ ⁇ 2 in the present embodiment.
  • FIG. 4 does not show the anti-strix light and the Raman scattered light of the Brillouin scattered light because they are irrelevant to the following description.
  • the bandwidth B is 600 M If the frequency is selected to be equal to or less than Hz, only the Brillouin scattered light by the second pulse light can be output from the light receiver 23.
  • the Brillouin scattered light by the second pulse light is obtained by causing the CW laser light of the light source 11 to interact with the optical power blur 22 and appropriately selecting the bandwidth B of the light receiver 23.
  • the output corresponding to is obtained from the photodetector 23. If the absolute value of the variable X is represented by abs [x], the bandwidth B of the receiver 23 is ⁇ ,
  • Abs [f1-f0-fB]> B> abs [f2-f0-fB] ⁇ ⁇ ⁇ (1) may be set.
  • the distributed light is input to the light receiver 23 and is photoelectrically converted.
  • a balanced receiver BR
  • the output of the optical receiver 23 is multiplexed with a sine wave electric signal of frequency f e input from the oscillator 25 by the mixer 24 and input to the BP 26.
  • the frequency f e is set to 1.3 GHz
  • the transmission characteristics of the BPF 26 are such that the center frequency coe is 1.0 GHz and the transmission frequency range is 1 MHz.
  • the output of the BP 26 is amplified to a predetermined level, and is converted from an analog signal to a digital signal by the A / D 28. Then, it is further squared to convert the light intensity P s (t) according to the Brillouin scattered light.
  • s of P s (t) indicates a frequency, which is S b 2 in FIG.
  • s S b 2
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency of the oscillator and the spectrum of Brillouin scattered light.
  • the horizontal axis in Fig. 5 is frequency, and the vertical axis is the intensity of Brillouin scattered light.
  • dt 1 ns because the RF amplitude is reduced to 1 GHz, so that P s (t) is such that the second pulse light propagates through the optical fiber 21 for 1 ns. Is the light intensity of the Brillouin scattered light generated during the operation.
  • the strain and the temperature generated in the optical fiber 21 can be measured with a spatial resolution of 10 cm.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a virtual minute space and an optical fiber.
  • the Z axis is set in the longitudinal direction of the optical fiber 21 with the origin of the reference fiber section 2 1-1 as the coordinate origin. Then, the reference optical fiber 21-1 is divided into m minute spaces, and the detection fiber section 21-2 is divided into n-1 minute spaces. It is also assumed that the second pulse is virtually divided into m sections of minute time dt. In the case of the present embodiment, the length of the minute space is 1 Ocm as described above. In this case, the ⁇ Lillian scattering gain matrix is expressed as in Equation 3. a (1,1) a (1,2) a (1, m) 0 0 Qs (D
  • Qs (i) (i is an integer of 1 ⁇ i ⁇ n) is at least a plurality of minute sections z (i) to z (i +) shown in FIG. 6 at the set frequency f2 of the second pulse light.
  • n ⁇ 1) is a variable determined by the light intensity of the Brillouin scattered light and the light intensity of the second pulse light incident on the optical fiber 21, and
  • gs (j) is the j-th minute section z (j) corresponding to the frequency s
  • Qs (i) is expressed by Equation 4 in consideration of the light intensity of the Brillouin scattered light by the second pulse and the propagation loss of the second pulse in the optical fiber 21.
  • FIG. 7 shows a scattering gain spectrum.
  • the horizontal axis in FIG. 7 is the frequency, and the vertical axis is the scattering gain coefficient.
  • the solid line in FIG. 7 is the measured scattering gain spectrum A, and the broken line is the scattering gain spectrum B in the reference optical fiber section 21 -1.
  • Ag is the difference between the measured maximum value of the scattering gain spectrum A and the maximum value of the scattering gain spectrum B in the reference optical fiber section 21-1. This is the difference between the frequency giving the maximum value and the frequency giving the maximum value of the scattering gain spectrum B in the reference optical fiber section 21 -1.
  • Equation 5 holds when the temperatures are set as ⁇ i, T i, ⁇ r, and Tr, respectively.
  • ⁇ ⁇ r — ⁇ i
  • ⁇ ⁇ r1 ⁇ i
  • gr the maximum gain coefficient of the reference fiber section 21-11
  • C ⁇ , C ⁇ p, Ct, and Ctp are optical fibers. This is a constant unique to 21.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the distributed optical fiber sensor system according to the first embodiment.
  • the arithmetic and control unit 30 initializes each unit and performs initial settings such as operating the RF signal source 15 and the transmitter 25 (SI 1).
  • the arithmetic and control unit 30 controls the controller 13 so that the above-described first pulse light and second pulse light are emitted from the optical frequency converter 14 (S12).
  • the arithmetic and control unit 30 activates the light source 11 to emit CW laser light.
  • the emitted CW laser light is emitted from the optical frequency converter 14 as the first pulse light and the second pulse light by the controller 13 and the RF signal source 15 as described above (S13). .
  • the emitted first pulse light and second pulse light act on each part as described above, and Brillouin scattered light by the second pulse light is sampled.
  • the predetermined period is 2 L / V since the light travels round the optical fiber 21 assuming the entire length of the optical fiber 21.
  • control operation unit 30 repeats S12 to S15 while shifting the frequency fe of the oscillator 25 by a predetermined frequency in the frequency range in which Brillouin scattered light is predicted to occur (S1 6).
  • S1 6 the control operation unit 30 repeats S12 to S15 while shifting the frequency fe of the oscillator 25 by a predetermined frequency in the frequency range in which Brillouin scattered light is predicted to occur.
  • control operation unit 30 controls the polarization controller 18 to rotate the polarization planes of the first and second pulse lights by a predetermined angle, and S 1 2 to S16 may be repeated to obtain average data for obtaining the measured scattering gain spectrum A shown in FIG.
  • S 1 2 to S16 may be repeated to obtain average data for obtaining the measured scattering gain spectrum A shown in FIG.
  • the polarization effect in the optical fiber 21 is averaged, and a more accurate characteristic curve C is obtained, so that distortion can be measured more accurately.
  • control calculation unit 30 calculates the distortion and the temperature for each minute section with high spatial resolution using the data of the buffer 29 based on the above-described equations 3 to 5 (S17).
  • the distributed optical fiber sensor system 10 virtually divides the optical fiber 21 into minute sections and calculates the strain and the temperature based on the Brillouin scattered light in these minute sections. Strain and temperature can be measured with higher spatial resolution than conventional distributed optical fiber sensor systems.
  • the spatial resolution of the present embodiment is determined by the speed of light in the optical fiber and the sampling rate. Then, the distributed optical fiber sensor system 10 in the present embodiment propagates the second pulse light that generates the Brillouin scattered light for measurement after the first pulse light is propagated. There is no transient in the light. Therefore, distortion and temperature can be measured more accurately.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the operation in S17.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating frequency characteristics of a two-dimensional one-pass filter.
  • FIG. 10 (a) is a diagram showing the frequency characteristic of the two-dimensional low-pass filter at a certain time. The horizontal axis of FIG. 10 (a) is the frequency, and the vertical axis is the input / output ratio.
  • FIG. 10 (b) is a diagram illustrating frequency characteristics of a two-dimensional one-pass filter at a certain frequency. The horizontal axis in Fig. 10 (b) is time, and the vertical axis is input / output ratio.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between measurement points and interpolation points obtained from the measurement points.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating frequency characteristics of a two-dimensional one-pass filter.
  • FIG. 10 (a) is a diagram showing the frequency characteristic of the two-dimensional low-pass filter at a certain time.
  • FIG. 12 is a diagram showing the matrix a (i, j) of Equation 3 when the pulsed light is rectangular.
  • FIG. 13 is a diagram showing characteristics of a filter used in the CT processing.
  • the control calculation unit 30 filters the measurement data in the buffer 29 with a two-dimensional low-pass filter having the frequency characteristic Lp shown in FIG. 10 (S31).
  • the cutoff frequency v c shown in FIG. 1 0, depending on the line width of the Brillouin scattering, for example in the case of 35MH z is 1 00 MH z.
  • the control calculation unit 30 interpolates the data between the two measurement data by a desired number by, for example, linear interpolation or non-linear interpolation (S32).
  • FIG. 32 linear interpolation or non-linear interpolation
  • the control calculation unit 30 performs CT processing filtering using the characteristic curve shown in FIG. 3 (S33). Then, the control calculation unit 30 calculates the strain and the temperature for each minute section using the data after the processing of S3 "1 to S33 based on the above-described equations 3 to 5 (S34). Therefore, the distortion and temperature can be measured with even higher resolution In the interpolation described above, the distortion and temperature can be measured with high resolution at a data port interval three times smaller than the interval of the measurement data ⁇ ⁇ ⁇ determined by A / D 28. Next, another embodiment will be described.
  • the distributed optical fiber sensor system 10 according to the first embodiment is different from the distributed optical fiber sensor system 10 shown in FIG. In FIG. 6, data for obtaining the measured scattering gain spectrum A shown in FIG. 7 was obtained by repeatedly performing the processing of S 12 to S 15 in a predetermined frequency range.
  • the distributed optical fiber sensor system 11 in this embodiment is an embodiment in which data is obtained by using a time-frequency analysis technique.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the second embodiment.
  • the distributed optical fiber sensor system 11 in the second embodiment includes a light source 11, a light power brass 12, 19, 22, a controller 13, an optical frequency converter 14, RF signal source 15, optical amplifier 16, optical isolator 17, polarization controller 18, optical fiber 21, optical receiver 23, BPF 41, amplifier 42, A / D43, time / frequency analyzer 44 and The control unit 45 is provided.
  • the CW laser light of frequency f 0 emitted from the light source 11 is incident on the optical frequency converter 14 via the optical power blur 12.
  • the light is converted into a second pulse light having a frequency of 3 GHz and a pulse width of 30 ns, and is incident on the optical amplifier 16. After that, while operating in the same manner as in the first embodiment, these first and second pulse lights are transmitted through the optical amplifier 16, the optical isolator 17, the polarization controller 18, and the optical fiber 2 It is incident on 1.
  • the Brillouin scattered light generated by the second pulsed light in the optical fiber 2 ⁇ is incident on the port r of the optical power bra 22 via the optical power bra 19.
  • the CW laser beam incident from the port q and the Brillouin scattered light incident from the port r are combined by the optical power bra 22 and split into two, and are respectively incident on the light receiver 23.
  • f B is the optical power blur 2 when an optical fiber of 10.7 GHz is used.
  • the distributed light is input to the light receiver 23 and is photoelectrically converted.
  • the output of the optical receiver 23 is input to BPF41.
  • the transmission characteristics of the BPF 41 have a center frequency of 30 OMHz and a transmission frequency range of 40 OMHz. Therefore, the output of the BPF 41 has a maximum frequency of 500 MHz and a minimum frequency of 100 MHz.
  • the output of the BP 41 is amplified to a predetermined level by the amplifier 42, and is converted from the analog signal to a digital signal by the AZD 43.
  • the output of the AZD 43 is input to the time / frequency analyzer 44.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an input waveform of the time / frequency analysis unit 44.
  • the horizontal axis in Fig. 15 is time, and the vertical axis is amplitude.
  • FIG. 16 is a diagram showing a frequency spectrum in each time window. In FIG. 16, the X axis indicates time, the y axis indicates frequency, and the z axis indicates intensity.
  • the time 'frequency analysis unit 44 sets a time'. Window W (time-window) W1 for a fixed period T as shown in Fig. 15, and performs Fourier analysis on the data in the time window W1. By performing the conversion, the frequency spectrum S pwl is obtained. Then, by shifting the time window W 1 sequentially by a fixed time dw like a time window W 2 and a time window W 3,..., As shown in FIG. Find pw 2, S pw3, ⁇ ⁇ ⁇ in real time.
  • S pw2 is the frequency of time (T + dw) Z2 with respect to S pwl It is a spectrum.
  • the certain period T is set to 400 ns, and during this period T, 320 pieces of data are obtained, and a Fourier transform is performed to obtain a frequency spectrum.
  • the fixed time d w is set to ⁇ 0 ns, and the frequency spectrum at each time is obtained.
  • Such a time-frequency analysis unit 44 includes, for example, a real-time spectrum analyzer.
  • the time-frequency analysis method is used as a method for obtaining the frequency spectrum at each time, but a wavelet transform method can also be used.
  • control calculation unit 45 uses the frequency spectrum at each time obtained by the time and frequency analysis unit 44 to calculate the value of 10 cm using Expressions 3 to 5 as in the first embodiment.
  • the strain and temperature generated in the optical fiber 21 are measured with a spatial resolution.
  • FIG. 17 is a flowchart showing the operation of the distributed optical fiber sensor system according to the second embodiment.
  • the arithmetic and control unit 45 initializes each unit and performs initial settings such as activating the RF signal source 15 (S 21).
  • the arithmetic and control unit 45 controls the controller 13 so that the above-described first pulse light and second pulse light are emitted from the optical frequency converter 14 (S22).
  • the arithmetic and control unit 45 activates the light source 11 to emit CW laser light, and causes the optical frequency converter 14 to emit the first pulse light and the second pulse light (S23).
  • the emitted first pulsed light and second pulsed light act on each part as described above, and Brillouin scattered light by the second pulsed light is sampled (S24).
  • the sampling of the prillian scattered light is performed over a predetermined period, so that the sampling is performed over the entire length of the detection optical fiber section 21-2 (S25).
  • a frequency spectrum as shown in FIG. 16 that is, data for obtaining a dispersion gain spectrum is obtained for each minute section.
  • the control calculation unit 45 calculates the distortion and the temperature for each minute section using the data of the time / frequency analysis unit 44 at a high spatial resolution based on the above-described equations 3 to 5 (S26) ).
  • the distributed optical fiber sensor system 11 according to the present embodiment is based on the distributed optical fiber sensor system 10 according to the first embodiment. Since it is used, it is not necessary to perform frequency scanning as in the first embodiment, so that the measurement time can be shortened and the measurement can be performed in real time. Therefore, it is possible to measure even a measurement object whose strain and temperature change dynamically.
  • the pump light composed of the first and second pulse lights and the probe light are opposed to each other in the traveling directions of the first and second pulse lights.
  • a probe light that is incident on a fiber, amplifies probe light by Brillouin scattering by the second pulse light, and detects Brillouin-amplified probe light to obtain distortion and temperature.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the third embodiment.
  • the distributed optical fiber sensor system 12 includes a light source 11, optical power blurs 12, 19, 22, 51, a controller 13, and an optical frequency converter 1. 4, RF signal source 15, Optical amplifier 16, Optical isolator 17, Polarization controller 18, Optical fiber 21, Optical receiver 23, LPF 5 2 ', Amplifier 53, A / D 54, It is provided with a buffer 55 and a control operation unit 56.
  • the CW laser light of frequency f 0 emitted from the light source 11 is incident on the optical frequency converter 14 via the optical power blur 12.
  • the light is converted to a second pulse light of 10.8 GHz and pulse width of 30 ns, and is incident on the optical amplifier 16. Thereafter, these first and second pulsed light beams are transmitted through the optical amplifier 16, the optical isolator 17, the polarization controller 18, and the optical power blur 19 while operating in the same manner as in the first embodiment.
  • the light is incident on one end of the fiber 21.
  • the CW laser light distributed by the optical power brush 12 and emitted from the port d is incident on the port j of the optical power coupler 51 and is distributed into two. One part of the light is emitted from the port I and is incident on the port q of the optical power bra 22. Then, the other of the divided light is emitted from the port k and is incident on the other end of the optical fiber 21. The CW laser light incident from the other end of the optical fiber 21 becomes probe light.
  • the probe light (Brillouin scattered light) amplified by the Brillouin scattering of the second pulse light in the optical fiber 21 is incident on the port r of the light power bra 22 via the light power bra 19.
  • the CW laser light incident from the port q and the Brillouin scattered light incident from the port r are combined by the optical power bra 22 and split into two, and are respectively incident on the light receiver 23. That is, homodyne detection is performed.
  • f 0 1 0.8 GHz
  • f 1-f 0-f B 1.5 GHz
  • f 2-f O- f B 0.3 GHz (3 00 MHz)
  • the width B is selected to be 1 GHz, only the Brillouin scattered light by the second pulse light can be output from the light receiver 23.
  • the band width B of the light receiver 23 is set so that Expression 1 is satisfied as in the first embodiment.
  • the distributed light is input to the light receiver 23 and is photoelectrically converted.
  • the output of the light receiver 23 is input to the LPF 52 '.
  • the LPF 52 ′ As for the transmission characteristics, the transmission frequency range was set to 100 MHz.
  • the output of the LPF 52 ' is amplified to a predetermined level by the amplifier 52, and is converted from an analog signal to a digital signal by the A / D 54.
  • the sampling rate of A / D 54 is set to 1600 MS or more. Convert to RF signal strength. In the present embodiment, it is set to 2 GS.
  • the buffer 55 temporarily stores the output of AZD54.
  • the control operation unit 30 controls each unit of the distributed optical fiber sensor system 10 and also uses the data of the buffer 55 to obtain a spatial resolution of 5 cm according to Expressions 3 to 5 as in the first embodiment.
  • the strain and the temperature generated in the optical fiber 21 are measured by using.
  • the operation of actually measuring strain and temperature using the distributed optical fiber sensor system 12 is the same as the operation of the distributed optical fiber sensor system 11 in the first embodiment shown in FIG. Therefore, the description is omitted.
  • the distributed optical fiber sensor system 12 according to the present embodiment uses the probe light in addition to the effect of the distributed optical fiber sensor system 10 according to the first embodiment. And the measurement distance can be made longer.
  • the distributed optical fiber sensor system 12 according to the third embodiment detects the reprillian scattered light by the homodyne detection.
  • the distributed optical fiber sensor system 13 according to the fourth embodiment includes a heterodyne (heterodyne). This is an embodiment for detecting librillouin scattered light by detection.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of a distributed optical fiber sensor system according to the fourth embodiment.
  • the distributed optical fiber sensor system 13 according to the fourth embodiment includes a light source 11, an optical power blur 12, 19, 22, 51, a controller 13, an optical frequency Transducers 14 5 7 RF signal source 15
  • Optical isolator 17 Polarization It comprises a controller 18, an optical fiber 21, a light receiver 23, a BPF 52, an amplifier 53, an A / D 5.4, a buffer 55 and a control operation unit 56.
  • the CW laser light of frequency f 0 emitted from the light source 11 is incident on the optical frequency converter 14 via the optical power blur 12.
  • the light is converted into a second pulse light having a pulse width of 10.8 GHz and a pulse width of 30 ns, and is incident on the optical amplifier 16. Thereafter, these first and second pulsed light beams are transmitted through the optical amplifier 16, the optical isolator 17, the polarization controller 18, and the optical power blur 19 while operating in the same manner as in the first embodiment.
  • the light is incident on one end of the fiber 21.
  • the CW laser light distributed by the optical power blur 12 and emitted from the port d is incident on the port j of the optical power blur 51 and is distributed into two.
  • One of the divided light is emitted from the port I, is converted into a predetermined frequency (f ao) by the optical frequency conversion unit 57, and is incident on the port q of the optical power bra 22.
  • the other is emitted from the port k and is incident on the other end of the optical fiber 2 ⁇ .
  • the CW laser light incident from the other end of the optical fiber 21 becomes probe light.
  • the probe light (Brillouin scattered light) amplified by the Brillouin scattering of the second pulse light in the optical fiber 21 is incident on the port r of the optical power bra 22 via the optical power bra 19.
  • the CW laser beam of a predetermined frequency incident from the port q and the Brillouin scattered light incident from the port r are combined by the optical power bra 22 and distributed into two, and are respectively incident on the optical receiver 23.
  • the predetermined frequency (fa0) is set to 120 MHz, heterodyne detection is performed.
  • the distributed light is input to the light receiver 23 and is photoelectrically converted.
  • the output of the optical receiver 23 is input to the BPF 52.
  • the transmission of BPF 52 The characteristics were set at a center frequency of 120 MHz and a transmission frequency range of 1 MHz.
  • the output of the BPF 52 is amplified to a predetermined level by the amplifier 52, and is converted from an analog signal to a digital signal by the A / D 54.
  • the sampling rate of A and D54 is set to 500 MS or more. In the present embodiment, it is set to 1 GS.
  • the output of the A / D 54 is temporarily stored in the buffer 55.
  • the control operation unit 30 controls each unit of the distributed optical fiber sensor system 10 and uses the data of the buffer 55 to obtain a space of 10 cm according to Expressions 3 to 5, as in the first embodiment.
  • the strain and the temperature generated in the optical fiber 21 are measured with the resolution.
  • the operation of actually measuring strain and temperature using the distributed optical fiber sensor system 13 is the same as the operation of the distributed optical fiber sensor system 11 in the first embodiment shown in FIG. Therefore, the description is omitted.
  • the distributed optical fiber sensor system 13 according to the present embodiment uses the probe light in addition to the effect of the distributed optical fiber sensor system 10 according to the first embodiment. Distance and high precision can be achieved. Next, another embodiment will be described.
  • the distributed optical fiber sensor system amplifies the Brillouin scattered light by the second pulsed light by looping it, and detects the amplified Brillouin scattered light to reduce the distortion and the temperature. It is an embodiment to be sought.
  • FIG. 20 is a diagram showing a distributed optical fiber sensor system according to the fifth embodiment.
  • FIG. 20 (a) shows the configuration thereof, and
  • FIG. 20 (b) shows the operation of the optical gate switch and the optical frequency conversion.
  • 6 is a timing chart showing the operation of the container.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining a physical process in the fifth embodiment.
  • the distributed optical fiber sensor system 14 in the fifth embodiment includes a light source 11, a light power brass 12, 19, 22, 61, 64, a controller 13 and an optical circuit.
  • the optical gate switch 62 is an optical switch that transmits (ON) or blocks (OFF) incident light according to a control signal.
  • the CW laser light of frequency f 0 emitted from the light source 11 is incident on the optical frequency converter 14 via the optical power blur 12.
  • the light is converted into a second pulse light having a pulse width of 10.8 GHz and a pulse width of 30 ns, and is incident on the optical amplifier 16 at the timing shown in FIG. 20 (b).
  • these first and second pulsed lights are transmitted through the optical amplifier 16, the optical isolator 17, the polarization controller 18, and the optical power blur 19 while operating in the same manner as in the first embodiment.
  • the light enters one end of the optical fiber 21.
  • the CW laser light distributed by the optical power brush 12 and emitted from the port d is incident on the port n of the optical power coupler 61 and distributed to two.
  • One of the divided light is emitted from the port 0, and is incident on the port V of the optical power blur 64 through the optical gate switch 62 at the timing shown in FIG. 20 (b).
  • the other part distributed by the optical power blur 61 is emitted from the port p, is converted into a predetermined frequency by the optical frequency converter 57, and is incident on the port q of the optical power blur 22.
  • the CW laser beam incident on the port V of the optical power bra 64 is emitted from the port w and is incident on the other end of the optical fiber 21.
  • the CW laser light incident from the other end of the optical fiber 21 becomes probe light.
  • the probe light (Brillouin scattered light) amplified by the Brillouin scattering of the second pulse light in the optical fiber 21 is emitted from the port f of the optical power bra 19 and is brought to a predetermined level by the optical amplifier 63. Amplified and light power It is incident on port u of bra 64.
  • the Brillouin scattered light incident on the port u is distributed by the optical power blur 64, and the Brillouin scattered light emitted from the port w is incident on the other end of the optical fiber 21.
  • the CW laser light (probe light) emitted from the optical gate switch 62 circulates a predetermined number of times through the loop of the optical power 64, the optical fiber 21, the optical power 19, the optical amplifier 63, and the optical power 64.
  • the first and second pulses emitted from the optical frequency converter 14 are controlled by the control arithmetic unit 69 so as to interact with the orbiting probe light at the same timing.
  • the other Brillouin scattered light distributed by the force bra 64 enters the port r of the force bra 22.
  • the CW laser light incident from the port q and the Brillouin scattered light incident from the port r are combined by the optical power bra 22 and divided into two, and are respectively incident on the light receiver 23 and are photoelectrically converted.
  • the output of the light receiver 23 is output to the BPF 65 under the control of the control calculation unit 69 at the timing of the Prillian scattering light or a predetermined number of times, for example, 40 rounds of the loop.
  • 0 1 0.8 GHz
  • f 1-f 0-f B 1.5 GHz
  • f 2-f O-f B 0.3 GHz (3 0 OMH z)
  • the output of the BPF 65 is amplified to a predetermined level by an amplifier 66, and is converted from an analog signal to a digital signal by an A / D 67.
  • a / D 67 the sampling rate of D 67 to 400 MS or more.
  • interpolation is substantially performed at 2000 MS. In this embodiment, it is set to 2 GS.
  • the buffer 55 temporarily stores the output of the A / D 54.
  • the control operation unit 30 controls each unit of the distributed optical fiber sensor system 10 and uses the data of the buffer 55 to perform optical control with a spatial resolution of 5 cm according to Equations 3 to 5 as in the first embodiment.
  • the strain and temperature generated in the fiber 21 are measured.
  • Qs (i) in Equation 3 is obtained as follows.
  • the Z axis is set in the longitudinal direction of the optical fiber section 21 with the origin of the reference optical fiber section 21 -1 as the coordinate origin.
  • D L of 2 1 is obtained as a representative collectively loss in the loop of the optical power bra 64 optical fiber 21 ⁇ light force bra 1 9 ⁇ optical amplifier 63 ⁇ light force bra 64.
  • P s (k) (z) indicates the probe light intensity of the frequency s at the k-th z position.
  • R (k) (z) indicates the polarization coefficient of the second pulse light and the probe light at the k-th z position, and is a random number from 0 to 1 in a single mode optical fiber.
  • ⁇ (z, s) is the Brillouin amplification coefficient for frequency s at position z, and basically depends on strain and temperature when the wavelength is determined.
  • S ⁇ ( ⁇ ) is the energy density of the second pulsed light, and is expressed as in Expression 7.
  • Equation 8 holds.
  • R j k Is the average value of random numbers, so if the number of rounds k is increased, the value of each minute section can be approximated by the same constant.
  • the distributed optical fiber sensor system 14 in the present embodiment has the effect of looping Brillouin scattered light in addition to the effect of the distributed optical fiber sensor system 10 in the first embodiment.
  • the polarization state of the second pulse and the probe light is averaged. Therefore, it is possible to cope with dynamically changing strain changes and temperature changes.
  • the lateral pressure is applied to the structure 1, the lateral pressure is also applied to the optical fiber 21 and the optical fiber 21 is distorted in the radial direction.
  • This radial distortion is caused by the average scattering gain spectrum (average scattering gain spectrum) for various polarizations and the scattering gain spectrum (specific scattering gain spectrum) for a specific polarization.
  • the lateral pressure of each minute section can be obtained.
  • FIG. 22 is a view showing a flow chart when the lateral pressure is obtained.
  • the polarization plane of the polarization controller 18 is adjusted to an appropriate polarization plane (S 41), and the scattering gain spectrum is obtained by S 12 to S 16 described with reference to FIG. (S42).
  • S 41 and S 42 are repeated while changing the polarization polarization by a predetermined number of times appropriate to obtain the average (S 43).
  • the scattering gain vectors for each polarization plane are averaged to obtain an average.
  • the scattering gain spectrum is obtained (S44).
  • the polarization plane of the polarization controller 18 is maintained at a specific polarization plane (S45), and the scattering gain spectrum (specific scattering gain) for this specific polarization plane is determined by S12 to S16. (S4 6).
  • the polarization coefficient is determined from the average scattering gain spectrum and the specific scattering gain spectrum, and the lateral pressure is determined (S47).
  • the distributed optical fiber sensor system propagates the first pulsed light, and then propagates the second pulsed light that generates the Brillouin scattered light for measurement. No transient phenomenon occurs in the scattered light. Therefore, the strain and the temperature can be measured more accurately than before.

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Abstract

本発明は、構造物の歪みや温度を高空間分解能に過渡現象を考慮して測定し得る分布型光ファイバセンサシステムに関する。本発明の分布型光ファイバセンサシステムは、被測定物に設置される光ファイバと、音響フォノンの過渡応答時間以上のパルス幅である第１パルス光を発光し、音響フォノンの振動が維持される時間間隔で続けて第２パルス光を発光して、光ファイバに供給する光源部と、第２パルス光の光ファイバ中で生じたブリルアン散乱光の散乱利得スペクトルを、第２パルスのパルス幅を等分割して得られる時間の２倍に相当する時間間隔で検出する検出部と、各時間間隔の各散乱利得スペクトルに対応する光ファイバの各微小区間について、各散乱利得スペクトルに基づいて歪み及び／又は温度を演算する制御演算部とを備える。

Description

分布型光フアイバセンサシステム
技術分野
本発明は、 橋、 トンネル、 建物等の構造物に生じた歪みや温度を光ファイバを用 いて高空間分解能に過渡現象を考慮して測定し得る分布型光フアイバセンサシステ 明
厶に関する。
田
景技術
従来、 光ファイバ中で生じるブリルアン散乱の周波数シフ卜量を光ファイバに沿 つて計測することにより歪み分布を計測する分布型光ファィバセンサや、 光フアイ バ中で生じるラマン散乱のス! ^一クス光と反ス卜ークス光との光強度比を光フアイ バに沿って計測することによつて温度分布を計測する分布型光ファィバセンサが知 られており、 例えば、 「次世代光テクノロジー集成」 （才プ卜ロニクス社） P 3 2 5〜P 3 2 7に記載されている。 これら分布型光ファイバセンサの空間分解能は、 その測定方法から数 mオーダーが限界であった。
そこで、 本願発明の発明者は、 サブ c mオーダーの高空間分解能の分布型光ファ ィバセンサシステムをその発明者の一人として特願平 1 1一 1 5 0 6 1 8号で提案 し、 この出願は、 特開 2 0 0 0— 0 7 4 6 9 7号公報として開示された。
図 2 3は、 特開 2 0 0 0—ひ 7 4 6 9 7号公報開示の分布型光ファイバセンサシ ステムの構成を示す図である。
図 2 3において、 この分布型光ファイバセンサシステム 1 0 0 0は、 光ファイバ 1 0 0 2と、 ポンプ光源 1 0 0 3と、 プローブ光源 1 0 0 4と、 光強度検出器 1 0 0 5と、 光力ブラ 1 0 0 6と、 光フィルタ 1 0 0 7と、 演算手段 1 0 0 8と、 制御 手段 1 020とを備えて構成される。
歪みや温度を検出するセンサ部分である光ファイバ 1 002は、 被測定物である 構造物 1 001に設置される。 この光ファイバ Ί 002の一端からは、 ポンプ光源 1 003から射出された不連続ポンプ光が光力ブラ 1 006を介して入射され、 他 端からは、 プローブ光源 1 004から射出された不連続プローブ光が入射される。 不連続ポンプ光は、 光ファイバ 1 002の非線形性等によってブリルアン散乱、 ラ マン散乱及びレーリー散乱等の各種散乱を生じさせる。 生じた各種散乱は、 不連続 プローブ光と周波数が一致していると不連続プローブ光を増幅し、 光力ブラ 1 00 6によって光フィルタ 1 007に導かれる。 光フィルタ 1 007は、 これら各種散 乱光等からブリルアン増幅された不連続プローブ光 （ブリルアン散乱光） を主に透 過させる。 透過したブリルアン散乱光は、 光強度検出器 1 005によってその光強 度が検出され、 検出結果は、 演算手段 1 008に出力される。 制御手段 1 020は 、 不連続プローブ光の周波数の設定、 構造物 1 001の測定箇所で不連続プローブ 光と不連続ポンプ光とが重なり合うようにプローブ光源 1 004及びポンプ光源 1 003の発光制御、 及び、 相互作用の結果生じたブリルアン散乱光を検出すること ができるように光強度検出器 1 005におけるサンプリングタイミングの制御等を 行う。
演算手段 1 008は、 光強度検出器 1 005の検出結果に基づき光ファイバ 1 0 02の歪みや温度を演算する。 この演算において、 分布型光ファイバセンサシステ 厶 1 000は、 不連続プローブ光と不連続ポンプ光とが重なり合う重合区間を更に 複数の微小区間に分割することによつて高空間分解能を達成していた。
ところで、 ブリルアン散乱の原因となる音響フオノンは、 機械波動であるため、 瞬時に振動を始めることができず、 過渡現象 (transient phenomenon) が存在する ことが知られている ( J. Smith, A.Brown? .DeMerchant,X.Bao," Pulse width dependence of the Bri I louin loss Spectrum , Optical
Communi cat ion, Vol.168 (1999), P393-P398) 。 そのため、 ブリルアン散乱を利用し て歪みや温度をより正確に計測するためには、 この過渡現象を考慮する必要がある。 本発明は、 上記事情に鑑みて為された発明であり、 ポンプ光を周波数が互いに異 なる第 1及び第 2ポンプ光とすることにより過渡現象に対応した高空間分解能の分 布型光フ 7ィバセンサシステムを提供することを目的とする。
発明の開示
上述の目的を達成するために、 本発明に係る分布型光フアイバセンサシステムは 、 被測定物に設置されるセンサ用の光ファイバと、 音響フォノンの過渡応答時間以 上のパルス幅である第 1パルス光を発光すると共に、 音響フオノンの振動が実質的 に維持される時間間隔で前記第 1パルス光に続けて第 2パルス光を発光し、 該第 1 及び第 2パルス光を前記光ファイバに供給する光源と、 前記第 2パルス光によって 前記光ファイバ中で生じたブリルアン散乱光の散乱利得スぺクトルを、 前記第 2パ ルスのパルス幅を等分割して得られる時間の 2倍に相当する時間間隔で検出する検 出手段と、 前記各時間間隔の各散乱利得スぺクトルに対応する前記光ファイバの各 微小区間について、 前記各時間間隔の各散乱利得スぺク卜ルに基づいて歪み及び/ 又は温度を演算する演算手段とを備えて構成される。
そして、 上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、 前記検出手段は、 所 定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光力ブラと 、 前記光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、 所定の周波数 の電気信号を発振する発振器と、 前記受光器の出力と前記発振器の出力とを合波す るミキサと、 前記ミキサの出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド'パス · フィル夕と、 前記バンド ·パス ·フィルタの出力を記憶するバッファと、 前記散乱 利得スぺクトルが得られる範囲で前記発振器の所定の周波数を掃引する制御手段と 備えて構成される。 さらに、 このような分布型光ファイバセンサシステムにおいて
、 前記検出手段は、 前記バッファに記憶されているバンド 'パス 'フィル夕の 2個 の出力を用いて、 該 2個の出力の間のデータを補間する補間手段をさらに備えるこ とで構成される。
また、 上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、 前記検出手段は、 所定 の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光力ブラと、 前記光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、 前記受光器の出 力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド ·パス ·フィルタと、 前記バンド'パス -フィル夕の出力を時間 ·周波数解析する時間 ·周波数解析手段とを備えて構成さ れる。
さらに、 上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、 前記検出手段は、 所 定の周波数の光を前記第 2パルス光と対向するように前記光フアイバに入射する入 射手段と、 前記所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合 波する光力ブラと、 前記光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器 と、 前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド'パス ·フィルタ と、 前記バンド ' ·パス ·フィルタの出力を記憶するバッファと、 前記散乱利得スぺ クトルが得られる範囲で前記光の所定の周波数を掃引する制御手段と備えて構成さ れる。 そして、 この分布型光ファイバセンサシステムにおいて、 前記検出手段は、 ヘテロダイン検波をするように前記所定の周波数の光の周波数を変換する光周波数 変換手段を更に備えて構成される。 また、 これら分布型光ファイバセンサシステム において、 前記所定の周波数の光と前記ブリルアン散乱光とが前記光ファイバ中で 複数回相互作用するように構成される。 そして、 このような分布型光ファイバセン サシステムにおいて、 前記演算手段は、 前記各時間間隔の各散乱利得スぺクトルに 対応する前記光ファイバの各微小区間について、 前記各時間間隔の各散乱利得スぺ ク卜ルに基づいて前記被測定物にかかる側圧をさらに演算することで構成される。 また、 上述の分布型光ファイバセンサシステムにおいて、 前記検出手段は、 所定 の周波数の光を 2つに分配する第 1光力ブラと、 前記第 1光力ブラで分配された一 方の光を透過又は遮断する光スィツチと、 前記光スィツチからの光と前記光フアイ バからのブリルァン散乱光とを合波して 2つに分配すると共に、 分配した一方の光 を前記光ファイバに入射させる第 2光力ブラと、 前記第 1光力ブラで分配された他 方の光と前記第 2光力ブラで分配された他方の光とを合波する第 3光力ブラと、 前 記第 3光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、 前記受光器の 出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド'パス ·フィルタと、 前記バンド'パ ス ·フィルタの出力を時間 ·周波数解析する時間 ·周波数解析手段とを備えて構成 される。
このような分布型光ファイバセンサシステムは、 第 1パルス光を伝播させた後に、 測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第 2パルス光を伝播させるので、 測定用の ブリルアン散乱光には過渡現象が生じない。 このため、 従来より正確に歪み及び温 度を計測することができる。
図面の簡単な説明
図 1は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す 図である。
図 2は、 光周波数変換器から射出されるポンプ光を説明するための図である。 図 3は、 第 1パルス光及び第 2パルス光による音響フォノンの様子を説明するた めの図である。
図 4は、 各光の周波数関係を示す図である。
図 5は、 発振器の周波数とブリルアン散乱光のスぺクトルとの関係を示す図であ る。
図 6は、 仮想的な微小空間と光ファイバとの関係を示す図である。
図 7は、 散乱利得スペクトルを示すである。
図 8は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示す フローチャートである。 図 9は、 S I 7における動作を示すフローチャートである。
図 1 0は、 2次元ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
図 1 1は、 計測点と計測点から得た補間点との関係を示す図である。
図 1 2は、 パルス光が矩形の場合における式 3の行列 a ( i， j ) を示す図であ る。
図 1 3は、 C T処理で使用されるフィル夕の特性を示す國である。
図 1 4は、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。
図 1 5は、 時間 ·周波数解析部 4 4の入力波形の一例を示す図である。
図 1 6は、 各タイ厶，ウィンドウにおける周波数スぺクトルを示す図である。 図 1 7は、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示 すフローチヤ一卜である。
図 1 8は、 第 3の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。
図 1 9は、 第 4の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。
図 2 0は、 第 5の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。
図 2 1は、 第 5の実施形態における物理過程を説明するための図である。
図 2 2は、 側圧を求める場合におけるフローチヤ一卜を示す図である。
H 2 3は、 特開 2 0 0 0 - 0 7 4 6 9 7号公報開示の分布型光ファイバセンサシ ステムの構成を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。 なお、 各図において 同一の構成については、 同一の符号を付し、 その説明を省略する。
(第 1の実施形態の構成）
図 1は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示す 図である。
図 1において、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0は、 光源 1 1、 光力ブラ 1 2、 1 9、 22、 制御器 1 3、 光周波数変換器 1 4、 R F信 号源 1 5、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制御器〗 8、 光ファイバ 21、 受光器 23、 ミキサ 24、 発振器 25、 バンドパスフィルタ (B P F) 26、 増幅 器 27、 アナログ /ディジタル変換器 (A/D) 28、 バッファ 29及び制御演算 部 30を備えて構成される。
光源 1 1は、 歪みや温度を測定するために光ファイバ 21にブリルアン散乱光の 線幅より狭いスぺクトル線幅の光を制御演算部 30の制御の下に供給する。 光源 1 1は、 例えば、 分布帰還墊半導体レーザ、 分布ブラッグ反射型半導体レーザなど各 種半導体レーザを利用することができる。 本実施形態では、 波長 1 550 nm (そ の周波数を f 0とおく。 ） の CW光を発光する半導体レーザを用 た。 光力ブラ 1 2、 1 9、 22は、 入射光を結合及び分岐して射出する部品である。 なお、 光力プ ラ 1 9は、 光サーキユレ 夕を使用してもよい。
R F信号源 1 5は、 制御演算部 30の制御の下に R F (radio frequency) 周波 数の電気信号を発生する。 光周波数変換器 1 4は、 入射した光の周波数 （波長） を 所定の周波数に変換する部品であり、 例えば、 本実施形態の場合には、 R F信号源 1 5から供給される電気信号の周波数に応じて入射光の周波数を変換する S S B (single side band) 一 LN光変調器である。 制御器 1 3は、 制御演算部 30の制 御下に、 光周波数変換器 1 4及び R F信号源 1 5を制御することによって光周波数 変換器 1 4の入射光を所定の周波数、 所定の期間及び所定のタイミングで射出する。 光増幅器 1 6は、 入射光を所定の光強度まで増幅する部品であり、 例えば、 増幅す る入射光の波長に合わせた希土類元素を添加した光ファイバ増幅器が用いられる。 波長 1 5 0 0 n m帯の光を増幅する場合には、 希土類元素としてエルビウム
(e rb i um, 原子番号 6 8 ) 元素が使用される。 光アイソレータ 1 7は、 光を一方向 のみに透過させることを意図した部品である。
偏光制御器 1 8は、 制御演算部 3 0の制御の下に、 入射光の偏光面を所定の偏光 面に変換して射出する部品である。 光ファイバ 2 1は、 参照光ファイバ部 2 1 -1 と検出光ファイバ部 2 1 -2 との各部に分けられ、 例えば、 石英系の光ファイバで ある。 参照光ファイバ部 2 1 -1 は、 被測定物に固定されないで配置され、 検出光 ファイバ部 2 1 -2 は、 橋、 トンネル及び建物等の構造物 （被測定物） 1の内部又 は表面に固定される。 なお、 歪みを計測しないで温度のみを計測する場合には、 必 ずしも検出光ファイバ部 2 1 -2を固定する必要はない。
受光器 2 3は、 入射光の光強度を検出する部品であり、 受光した光強度に応じた 強度の電気信号に変換する。 ミキサ 2 4は、 入力された複数の電気信号を合波して 出力する。 発振器 2 5は、 制御演算部 3 0の制御の下に、 所定の周波数 f l の電気 信号を発振する。 B P F 2 6は、 所定の周波数帯のみを透過するフィルタである。 増幅器 2 7は、 入力信号を所定の振幅に増幅する。 AZ D 2 8は、 アナログ信号を ディジタル信号に変換する。 バッファ 2 9は、 A/ D 2 8の出力を一時的に記憶す る。 制御演算部 3 0は、 分布型光ファイバセンサシステム 1 0の各部を制御すると 共に、 後述のように歪み及び温度を高空間分解能で演算する部品であり、 例えば、 マイクロプロセッサなどで構成されるパーソナル ·コンピュータである。
次に、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0の動作につ いて説明する。
(第 1の実施形態の動作）
まず、 光源 1 1から射 ¾された C Wレーザ光が分布型光ファイバセンサシステム 1 0においてどのように作用するかについて説明する。
光源 1 1から射出された周波数 f 0の C Wレーザ光は、 光力ブラ 1 2のポー卜 a に入射され、 2つに分配される。 分配された一方のレーザ光は、 ポート dから射出 され、 光力ブラ 2 2のポー卜 qに入射される。 他方のレーザ光は、 ポー卜 cから射 出され、 光周波数変換器 1 4に入射される。 入射したレーザ光は、 R F信号源 1 5 の R F'周波数に従って光周波数変換器 1 4で周波数が所定の周波数に調整され、 か つ、 制御器 1 3によって光周波数変換器 1 4の射出時間が調整される。
図 2は、 光周波数変換器から射出されるポンプ光を説明するための図である。 図 2の横軸は時間軸であリ、 縦軸は光強度である。
光力ブラ 1 2から光周波数変換器 1 4に入射された C Wレーザ光は、 制御器 1 3 の制御信号及び R F信号源 1 5の R F周波数に従って、 パルス幅 Twl の第 1パル ス光とパルス幅 Tw2 の第 2パルス光とに形成される。 第 1パルス光は、 音響フォ ノンの運動を開始させ、 かつ、 安定化させるためのパルスであるので、 そのパルス 幅 Twl は、 過渡応答が終了するだけの期間が必要である。 過渡応答の継続時間は、 光ファイバの材質、 パルスの光強度などに応じて変化するが通常約 2 0 n s程度で ある。 そこで、 例えば、 本実施形態では、 マージンを見込んで 1 0 0 n sに設定し た。 また、 第 2パルス光は、 歪みや温度を計測するためのパルスであるので、 その パルス幅 Tw2 は、 計測に必要な期間であれば良く （Tw2= d t X m) 、 例えば、 本実施形態では、 3 0 n sに設定した。 また、 第 1パルス光と第 2パルス光との間 隔 Twr は、 第 1パルス光の周波数から第 2パルス光の周波数に変更するために要 する期間であり、 専ら制御器 1 3、 光周波数変換器 1 4及び R F信号源の性能に左 右される。 第 1パルス光の終了によって音響フォノンの振動が減衰を開始するので、 この間隔 Twr は、 短い程好ましい。 例えば、 本実施形態では、 2 n sである。 な お、 この 2 n sでは、 音響フォノンの減衰は実質的に無いので、 歪みや温度の計測 に間隔 Twrの影響は実質的に生じない。
また、 第 1パルス光の周波数 f 1と第 2パルス光の周波数 f 2は、 光ファイバ 2 1中でほぼ同様な音響フオノンを生じさせ、 かつ、 ミキサ 2 4で発振器 2 5の周波 数 f eの電気信号で合波された結果 B P F 2 6で効率良くフィルタリングすること が可能な周波数に設定される。 例えば、 本実施形態では、 第 1パルス光の周波数 f 1は 1 2 G H zに設定され、 第 2パルス光の周波数 f 2は 1 0 · 8 G H zに設定さ れた。
光周波数変換器 1 4から射出された第 1パルス光及び第 2パルス光は、 光ァイソ レー夕 1 7、 偏光制御器 1 8、 光力ブラ 1 9、 2 2及び光ファイバ 2 1における損 失や各接続損失などを考慮して、 検出光ファイバ部 2 1 -2 で歪みや温度を計測す るのに充分な非線形光学効果を生じさせる程度に、 光増幅器 1 6で増幅される。 な お、 本実施形態では、 光増幅器 1 6の出力を最大値 2 0 d B mにした。
増幅された第 1パルス光及び第 2パルス光は、 光アイソレータ 1 7を介して偏光 制御器 1 8で偏光面を調整され、 光力ブラ 1 9の一方のポー卜 eに入射される。 光 力ブラ 1 9のポー卜 gから射出された第 1パルス光及び第 2パルス光は、 光フアイ バ 2 1に入射される。
図 3は、 第 1パルス光及び第 2パルス光による音響フォノンの様子を説明するた めの図である。 図 3の横軸は光ファイバ 2 1上の位置を示す。 また、 図 3の A， B， C及び Dの各点は、 図 2に示す A ' ， B ' ， C 及び D ' の各点に対応する。
光ファイバ 2〗では、 第 1パルス光及び第 2パルス光によって図 3に示す音響フ オノンが生じる。 第 1パルス光の開始点 A ' が到達すると光ファイバ 2 1中では振 動が開始されるが （点 A) 、 音響フオノンは瞬時に立ち上がることはできず、 図 3 に示すように徐々に立ち上がる （点 A〜点 S ) 。 この過渡応答は、 上記した通り通 常約 2 0 n sであり、 3倍の 6 0 n s (点 S ) を経過すれば、 音響フオノンは、 充 分安定状態に達すると考えられる。 その後、 第 1パルス光の終了点 B ' が到達する まで安定状態が続く （点 S〜点 B ) 。 そして、 第 1パルス光が終了し第 2パルス光 が到達するまでの期間 Twr は、 光がなくなるが、 この期間 Twr は短いので、 慣性 により音響フオノンは、 そのままの状態を維持する （点 B〜点 C ) 。 その後、 第 2 パルス光の開始点 C ' が到達するが、 既に音響フオノンは安定状態で振動している ので、 過渡応答なく最初から安定な第 2パルス光による音響フォノンが生じる。 こ のため、 第 2パルス光によるブリルアン散乱は、 安定に生じる。 なお、 第 1パルス 光と第 2パルス光とは、 実質的にほぼ同じ音響フオノンを生じさせる。 この安定状 態は、 第 2パルス光の終了点 D' が到達するまで継続する （点 C〜点 D) 。 そして、 第 2パルス光が終了すると音響フオノンは徐々に減衰して基底状態に戻る （点り〜 点 E) 。 なお、 点 Dにおいても安定的な音響フオノンを維持するために、 第 2パル ス光の終了後に所定の時間間隔を空けて第 2パルスと周波数の異なる第 3パルスを 光ファイバ 21に入射してもよい。
光ファイバ 21中の音響フォノンによって生じたブリルアン散乱光は、 光力ブラ 1 9のポー卜 gに入射され、 ポート fから射出される。 ポー卜 fから射出されたブ リルアン散乱光は、 光力ブラ 22のポー卜 rに入射される。 ポー卜 qから入射され た CWポンプ光とポー卜 rから入射されたブリルアン散乱光は、 光力ブラ 22で結 合されて 2つに分配される。
図 4は、 各光の周波数関係を示す図である。 図 4の横軸は周波数であり、 縦軸は 強度であるが、 各光の周波数の相互関係を示すだけなので、 その強度は実態とは異 なる。
図 4において、 周波数 f 0は CWポンプ光であり、 周波数 f 1は第 1パルス光で あり、 周波数 f 2は第 2パルス光である。 そして、 周波数 S b 1は第 1パルス光に よって生じたブリルアン散乱光の周波数であり、 周波数 S b 2は第 2パルス光によ つて生じたブリルアン散乱光の周波数である。 なお、 f l一 S b 1 =f 2— S b2 =f Bの関係にある。 バンド幅 Bは受光器 23の周波数バンドであり、 ωは受光器 23の中心周波数であり、 本実施形態では ΒΖ 2である。 また、 図 4には、 以下の 説明と無関係であるので、 ブリルアン散乱光の反ス卜一クス光及びラマン散乱光は 示されていない。
ここで、 f Bは、 1 0. 5 GH zの光ファイバを使用した場合には、 光力ブラ 2 2における干渉 (合波） により、 f 1— f O=1 2GH z、 f 2- f 0=1 0. 8 GH z (レーリー散乱光に対応する。 、 f 1— f O— f B=1. 5GH z、 f 2 — f O— f B = 0. 3 GH z (300MH z) となるので、 バンド幅 Bを 600 M H z以下に選定すれば、 第 2パルス光によるブリルアン散乱光だけ受光器 23から 出力させることができる。 このように本実施形態では、 光源 1 1の CWレーザ光を 光力ブラ 22で相互作用させ、 受光器 23のバンド幅 Bを適当に選定することによ り、 第 2パルス光によるブリルアン散乱光に対応する出力を受光器 23より得てい る。 受光器 23のバンド幅 Bは、 変数 Xの絶対値を a b s [x] で表示するとすれ ぱ、 上記より、
a b s [f 1 - f 0- f B] >B>a b s [f 2- f 0- f B] · · · (1 ) が成立するように設定すればよい。
そして、 分配された光は、 受光器 23に入力され、 光電変 される。 受光器 23 は、 光源 1 1で生じるノイズをキャンセルする観点から、 例えば、 本実施形態では、 バランスド ' レシーバ （balanced receiver, B R) を用いた。 受光器 23の出力 は、 ミキサ 24で発振器 25から入力される周波数 f eの正弦波電気信号を合波さ れ、 B P F 26に入力される。 例えば、 本実施形態では、 周波数 f eは 1. 3 G H zに設定され、 B P F 26の透過特性は、 中心周波数 coeが 1 · 0 G H zで透過周 波数範囲が 1 MH zに設定された。
B P F 26の出力は、 所定のレベルまで増幅され、 A/D 28でアナログ信号か らディジタル信号に変換される。 そして、 ブリルアン散乱光に応じた光強度 P s (t) に変換するためにさらに 2乗される。
ここで、 上述の場合において、 A/D 28のサンプリングレートを 5 GSに設定 すれば、 a b s [f e-ω] =1. 0 G H zにおいてもブリルアン散乱光による信 号を記録することができる。
また、 P s (t) の sは、 周波数を示し、 図 4の S b 2である。 本実施形態では、 s = S b 2
= (f 2 - f B) — f 0 + f e · · · (2) である。 この P s (t) は、 バッファ 29に入力されて一時的に記憶される。
このようにして図 5に斜線で示す周波数 sに対応するスぺク卜ル P fe が得られ る。 図 5は、 発振器の周波数とブリルアン散乱光のスペクトルとの関係を示す図で ある。 図 5の横軸は周波数であり、 縦軸はブリルアン散乱光の強度である。
ここで、 本実施形態では、 1 G H zの R F振幅に整理するのであるから d t = 1 n sであり、 そのため P s (t) は、 第 2パルス光が光ファイバ 21中を 1 n sだ け伝播する間に生じるブリルアン散乱光の光強度である。 一方、 1 n sの間に第 2 パルス光は、 光速 V = 20 Omm/n sであるから光ファイバ 2 1中を d z = d t XV/2= 1 0 cmだけ伝播することとなり、 結局、 P s (t) は、 光ファイバ 21における 1 0 c mおきのプリルアン散乱光の光強度となる。
従って、 この P s (t) を用いて後述のように演算すると、 本実施形態では、 1 0 cmの空間分解能で光ファイバ 21に生じる歪み及び温度を計測することができ ることになる。
次に、 この歪み及び温度の演算方法について説明する。 図 6は、 仮想的な微小空 間と光ファイバとの関係を示す図である。
図 6において、 光ファイバ 2 1の長尺方向に参照ファイバ部 2 1 -1 の起点を座 標原点とする Z軸を設定する。 そして、 参照光ファイバ 2 1 -1 を m個の微小空間 に分割し、 検出ファイバ部 2 1 -2 を n— 1個の微小空間に分割する。 また、 第 2 パルスは、 仮想的に微少時間 d tの m個の区間に分割されているものと考える。 な お、 本実施形態の場合には、 上述より微小空間の長さは 1 O cmとなる。 この場合 において、 ^^リルアン散乱利得行列は、 式 3のように表される。 a(1,1) a(1,2) a(1,m) 0 0 Qs(D
0 a(2,2) a(2,3) a(2,m+1). 0 Qs(2)
0' a(i,i) ' a(i,i+n-1 ) 0 · · 0 Qs(i) a(n,n) a(n,n+1) a(n,m+n-1 Qs(n)
Figure imgf000015_0001
(3) ここで、 Qs ( i ) ( iは 1≤ i≤nの整数） は、 少なくとも、 第 2パルス光の 設定周波数 f 2における、 図 6に示す複数の微小区間 z ( i ) 〜z ( i +n— 1 ) に関するブリルアン散乱光の光強度及び光ファイバ 21に入射した第 2パルス光の 光強度によって決まる変数であり、 g s (j ) は周波数 sに対応する j番目の微小 区間 z (j ) の散乱利得係数であり、 a ( i , j ) は変数 Qs ( i ) に対する j番 目の微小区間 z ( j ) ( j = i〜 （ i +m— 1 ) ) に関するブリルアン散乱光の光 強度の割合を示す寄与率である。
Qs ( i ) は、 第 2パルスによるブリルアン散乱光の光強度と第 2パルスの光フ アイバ 21中の伝播損失を考慮すると、 式 4のように表される。
Qs ( i ) = l n P s (t i ) +aL- 7? - - - (4) ここで、 aは光ファイバ 2 Ίの減衰係数であり、 Lは光ファイバ 21の長さである。
?7は定数であるが、 簡単のために 77 = 0としてもよい。
そして、 発振器 25の周波数 f eを 5 MH z間隔で走査すると、 ブリルアン散乱 光のタイム . ドメイン 'スペクトル （time domain spectra) を計測することがで さる。
さらに、 或る区間 iで式 3及び式 4を用いて得られた a ( i， j ) を周波数軸で 表すと、 当該区間 iの散乱利得スペクトルを得ることができる。
図 7は、 散乱利得スペクトルを示すである。 図 7の横軸は周波数であり、 縦軸は 散乱利得係数である。 図 7の実線は計測した散乱利得スペクトル Aであり、 破線は 参照光ファイバ部 21 -1 における散乱利得スペクトル Bである。 Agは、 これら 計測した散乱利得スぺク卜ル Aの最大値と参照光ファイバ部 21 -1 における散乱 利得スペクトル Bの最大値との差であり、 厶レは、 計測した散乱利得スペクトル A の最大値を与える周波数と参照光ファイバ部 21 -1 における散乱利得スぺク卜ル Bの最大値を与える周波数との差である。
当該区間 iにおける歪み及び温度と参照光ファイバ部 21 -1 における歪み及び 温度をそれぞれ、 ε i、 T i、 ε r、 T rとおくと、 式 5が成り立つことが知られ ている。
Figure imgf000017_0001
ここで、 Δε = ε r— ε i、 ΔΤ = Τ r一 Τ iであり、 g rは参照ファイバ部 21 一 1の最大利得係数、 C ε 、 C ε p、 C t レ及び C t pは光ファイバ 21に固有 な定数である。
このように計測結果を式 3及び式 4に用いて、 図 7に示す散乱利得係数シフ卜△ g及び周波数シフト八レを求めて、 式 5に用いることによって、 微小区間 z ( i ) における歪み ε i = ε r +Δε及び温度 T i = T r +ΔΤを求めることができる。 次に、 分布型光ファイバセンサシステム 1 0を用いて実際に歪み及び温度を計測 する場合の動作について説明する。
図 8は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示す フローチヤ一卜である。
まず、 演算制御部 30は、 各部を初期化し、 R F信号源 1 5及び発信器 25を作 動きせる等の初期設定を行う （S I 1 ) 。 次に、 演算制御部 30は、 光周波数変換 器 1 4より上述した第 1パルス光及び第 2パルス光が射出されるように、 制御器 1 3を制御する （S 1 2) 。 次に、 演算制御部 30は、 光源 1 1を作動させ、 CWレ 一ザ光を発光させる。 発光した CWレーザ光は、 上述したように制御器 1 3及び R F信号源 1 5によって、 光周波数変換器 1 4から第 1パルス光及び第 2パルス光と なって射出される （S 1 3) 。 射出された第 1パルス光及び第 2パルス光は、 上述 のように各部で作用し、 第 2パルス光によるブリルアン散乱光がサンプリングされ る （S 1 4 ) 。 次に、 このブリルアン散乱光のサンプリングが所定の期間に亘つて 行われることによって、 検出光ファイバ部 2 1 -2 の全長に亘つてサンプリングが 行われる （S 1 5 ) 。 所定の期間は、 光ファイバ 2 1の全長をしとすれば、 光が光 ファイバ 2 1を往復する時間であるから 2 L / Vである。
次に、 制御演算部 3 0は、 ブリルアン散乱光が発生すると予測される周波数範囲 で、 発振器 2 5の周波数 f eを所定の周波数分だけずらしながら、 S 1 2乃至 S 1 5を繰り返す （S 1 6 ) 。 こうして図 7に示す計測した觳乱利得スペクトル Aを得 るためのデータが光ファイバ 2 1の各微小区間毎にそれぞれ得られる。
ここで、 偏光による影響を抑制するために、 制御演算部 3 0は、 偏光制御器 1 8 を制御することにより、 第 1及び第 2パルス光の偏光面を所定の角度だけ回転させ、 S 1 2乃至 S 1 6を繰り返し、 図 7に示す計測した散乱利得スぺク卜ル Aを得るた めの平均的なデータを得るようにしてもよい。 これによつて光ファイバ 2 1におけ る偏波効果が平均化され、 より正確な特性曲線 Cが得られるので、 歪みをより正確 に計測することができる。
次に、 制御演算部 3 0は、 バッファ 2 9のデータを用いて各微小区間について歪 み及び温度を高空間分解能で上述した式 3乃至式 5に基づき演算する （S 1 7 ) 。
以上のように、 本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0は、 光 ファイバ 2 1を微小区間に仮想的に分割し、 この微小区間におけるブリルアン散乱 光に基づき歪み及び温度を演算するので、 従来の分布型光ファイバセンサシステム に較べて高空間分解能で歪み及び温度を計測することができる。 本実施形態の空間 分解能は、 光ファイバ中の光速とサンプリングレー卜とによって決まる。 そして、 本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0は、 第 1パルス光を伝播 させた後に、 測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第 2パルス光を伝播させるの で、 測定用のブリルアン散乱光には過渡現象が生じない。 このため、 より正確に歪 み及び温度を計測することができる。
ここで、 第 1の実施形態の S 1 7を改良することにより、 さらに高分解能で歪み 及び温度を計測する手法について説明する。
図 9は、 S 1 7における動作を示すフローチヤ一卜である。 図 1 0は、 2次元口 一パスフィルタの周波数特性を示す図である。 図 1 0 (a) は、 或る時間における 2次元ローパスフィルタの周波数特性を示す図であり、 図 1 0 (a) の横軸は周波 数であり、 縦軸は入出力比である。 図 1 0 (b) は、 或る周波数における 2次元口 一パスフィルタの周波数特性を示す図である。 図 1 0 (b) の横軸は時間であり、 縦軸は入出力比である。 図 1 1は、 計測点と計測点から得た補間点との関係を示す 図である。 図 1 2は、 パルス光が矩形の場合における式 3の行列 a ( i， j ) を示 す図である。 図 1 3は、 CT処理で使用されるフィル夕の特性を示す図である。 図 9において、 制御演算部 30は、 バッファ 29の計測データを図 1 0に示す周 波数特性 L pを持つ 2次元ローパスフィルタによってフィルタリングする （S 3 1 ) 。 ここで、 図 1 0に示す遮断周波数 vcは、 ブリルアン散乱の線幅に依存し、 例えば 35MH zの場合では 1 00 M H zである。 次に、 制御演算部 30は、 2点 の計測データの間におけるデータを例えば線形補間又は非線形補間によって所望数 だけ補間する （S 32) 。 図 1 1では、 2点の計測データ〇の間における 2点のデ 一夕口を線形補間によって補間した状況を示している。 次に、 制御演算部 30は、 図 Ί 3に示す特性曲線を用いて CT処理フィルタリングを行う （S 33) 。 そして、 制御演算部 30は、 S 3 "1乃至 S 33の処理後のデータを用いて各微小区間につい て歪み及び温度を上述した式 3乃至式 5に基づき演算する （S 34) 。 これによつ て、 さらに高分解能で歪み及び温度を計測することができる。 上述の補間では、 A /D 28で決まる計測データ〇の間隔よりも三倍細かいデータ口間隔で高分解能で 歪み及び温度を計測することができる。 次に、 別の実施形態について説明する。
(第 2の実施形態の構成）
第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0は、 図 8に示す S 1 6において、 所定の周波数範囲で繰り返し S 1 2乃至 S 1 5の処理を行うことによ つて、 図 7に示す計測した散乱利得スぺクトル Aを得るためのデータを得ていたが、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 1は、 時間 '周波数解 析手法 （time-frequency analysis) を用いてデータを得る実施形態である。
図 1 4は、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。 図 1 4において、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシ ステ厶 1 1は、 光源 1 1、 光力ブラ 1 2、 1 9、 22、 制御器 1 3、 光周波数変換 器 1 4、 R F信号源 1 5、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制御器 1 8、 光ファイバ 2 1、 受光器 23、 B P F 4 1、 増幅器 42、 A/D43、 時間 ·周波 数解析部 44及び制御演算部 45を備えて構成される。
次に、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 1の動作につ いて説明する。
(第 2の実施形態の動作）
光源 1 1から射出された周波数 f 0の CWレーザ光は、 光力ブラ 1 2を介して光 周波数変換器 1 4に入射される。 入射した CWレーザ光は、 光周波数変換部 1 4で 周波数 f 1 = 5 G H z、 パルス幅 1 00 n sの第 1パルス光と、 2 n sの時間間隔 を空けて、 周波数 f 2 = 1 0. 3 GH z, パルス幅 3 0 n sの第 2パルス光に変換 され、 光増幅器 1 6に入射される。 その後、 これら第 Ί及び第 2パルス光は、 第 1 の実施形態と同様に作用しながら、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制御 器 1 8及び光力ブラ 1 9を介して光ファイバ 2 1に入射される。
光ファイバ 2〗中で第 2パルス光によって生じたブリルアン散乱光は、 光力ブラ 1 9を介して光力ブラ 22のポー卜 rに入射される。 ポー卜 qから入射された CW レーザ光とポー卜 rから入射されたブリルアン散乱光は、 光力ブラ 22で結合され て 2つに分配され、 それぞれ受光器 23に入射される。
ここで、 f Bは、 1 0. 7 GH zの光ファイバを使用した場合には、 光力ブラ 2
2における干渉 （合波） により、 f 1 — f O = 5 GH z、 f 2 - f 0 = 1 0. 7 G H z (レーリー散乱光に対応する。 ) 、 f 1一 f 0— f B = 5. 7 GH z、 f 2- f 0- f B = 0. 4 G H z (400 MH z) となるので、 バンド幅 Bを 2 GH z以 下に選定すれば、 第 2パルス光によるプリルアン散乱光だけ受光器 23から出力さ せることができる。 受光器 23のバンド幅 Bは、 第 1の実施形態と同様に式 1が成 立するように設定する。
そして、 分配された光は、 受光器 23に入力され、 光電変換される。 受光器 23 の出力は、 B P F4 1に入力される。 例えば、 本実施形態では、 B P F4 1の透過 特性は、 中心周波数が 30 OMH zで透過周波数範囲が 40 OMH zに設定された。 このため、 B P F 41の出力は、 最大周波数が 500 M H z、 最小周波数が 1 00 MH zとなる。
B P F 41の出力は、 増幅器 42で所定のレベルまで増幅され、 AZD 43でァ ナログ信号からディジタル信号に変換される。 ここで、 上述の場合において、 A/ D 43のサンプリングレー卜を 4 X 500 = 2000 MS以上に設定する。 本実 施形態では、 8 GSに設定された。 そして、 AZD43の出力は、 時間 '周波数解 析部 44に入力される。
図 Ί 5は、 時間 ·周波数解析部 44の入力波形の一例を示す図である。 図 1 5の 横軸は時間であり、 縦軸は振幅である。 また、 図 1 6は、 各タイ厶 -ウィンドウに おける周波数スペクトルを示す図である。 図 1 6の X軸は時間を示し、 y軸は周波 数を示し、 z軸は強度を示す。
時間'周波数解析部 44は、 図 1 5に示すように一定期間 Tのタイム '.ウィンド ゥ （time- window) W1を設定し、 このタイ厶 ·ウィンドウ W 1中のデ一夕に対し てフーリエ変換を行うことにより、 周波数スペクトル S pwlを求める。 そして、 タイム ' ウィンドウ W 1 をタイ Α · ウィンドウ W 2、 タイム ' ウィンドウ W 3、 · · ，のように一定時間 dwだけ順次にずらすことによって、 図 1 6に示すよ うに各時間における周波数スペクトル S pw 2、 S pw3、 · · ·をリアルタイム で求める。 ここで、 S pw2は、 S pwlに対して時刻 （T + dw) Z2の周波数 スぺクトルとなっている。
例えば、 本実施形態では、 一定期間 Tは 4 0 0 n sに設定され、 この期間 T中に おいて 3 2 0 0個のデータを得て、 フーリエ変換を行い周波数スぺクトルを求める。 また一定時間 d wは〗 0 n sに設定され、 各時刻における周波数スぺクトルが求め られる。
このような時間 ·周波数解析部 4 4としては、 例えば、 リアルタイム ·スぺク卜 ラ厶 ·アナライザなどがある。 また、 本実施形態では、 各時刻における周波数スぺ クトルを求める手法として、 時間 ·周波数解析法を用いたが、 ウエーブレツ卜変換 法も用いることができる。
そして、 制御演算部 4 5は、 時間，周波数解析部 4 4で求めた各時刻における周 波数スペクトルを用いて、 第 1の実施形態と同様に、 式 3乃至式 5を用いて 1 0 c mの空間分解能で光ファイバ 2 1に生じる歪み及び温度を計測する。
次に、 分布型光ファイバセンサシステム 1 1を用いて実際に歪み及び温度を計測 する場合の動作について説明する。
図 1 7は、 第 2の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの動作を示 すフローチヤ一卜である。
図 1 7において、 まず、 演算制御部 4 5は、 各部を初期化し、 R F信号源 1 5を 作動させる等の初期設定を行う （S 2 1 ) 。 次に、 演算制御部 4 5は、 光周波数変 換器 1 4より上述した第 1パルス光及び第 2パルス光が射出されるように、 制御器 1 3を制御する （S 2 2 ) 。 次に、 演算制御部 4 5は、 光源 1 1を作動させ、 C W レーザ光を発光させ、 光周波数変換器 1 4より第 1パルス光及び第 2パルス光を射 出させる （S 2 3 ) 。 射出された第 1パルス光及び第 2パルス光は、 上述のように 各部で作用し、 第 2パルス光によるブリルアン散乱光がサンプリングされる （S 2 4 ) 。 次に、 このプリルアン散乱光のサンプリングが所定の期間に亘つてサンプリ ングされることによって、 検出光ファイバ部 2 1 -2 の全長に亘つてサンプリング が行われる （S 2 5 ) 。 このようにして各微小区間毎に図 1 6に示すような周波数スぺク卜ル、 即ち、 散 乱利得スペクトルを得るためのデータが得られる。 次に、 制御演算部 4 5は、 時 間 ·周波数解析部 4 4のデータを用いて各微小区間について歪み及び温度を高空間 分解能で上述した式 3乃至式 5に基づき演算する （S 2 6 ) 。
以上のように、 本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 1は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0の効果に加えてさらに、 データ取得に時間■周波数解析の手法を用いるから、 第 1の実施形態のように周波 数走査をしないで済むので、 計測時間を短くすることができ、 しかも、 リアルタイ 厶で計測することができる。 よって、 動的に歪み及び温度が変^:する測定対象でも 計測可能となる。
次に、 別の実施形態について説明する。
(第 3の実施形態）
第 3の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムは、 第 1及び第 2パル ス光から成るポンプ光と、 第 1及び第 2パルス光の進行方向に対向するようにプロ ーブ光とを光ファイバに入射し、 第 2パルス光によるブリルアン散乱によってプロ 一ブ光を増幅し、 ブリルアン増幅されたプローブ光 （ブリルアン散乱光） を検出す ることによつて歪み及び温度を求める実施形態である。
図 1 8は、 第 3の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。
図 Ί 8において、 第 3の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 2 は、 光源 1 1、 光力ブラ 1 2、 1 9、 2 2、 5 1、 制御器 1 3、 光周波数変換器 1 4、 R F信号源 1 5、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制御器 1 8、 光フ アイバ 2 1、 受光器 2 3、 L P F 5 2 ' 、 増幅器 5 3、 A/ D 5 4、 バッファ 5 5 及び制御演算部 5 6を備えて構成される。
次に、 第 3の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 2の動作につ いて説明する。 (第 3の実施形態の動作）
光源 1 1から射出された周波数 f 0の CWレーザ光は、 光力ブラ 1 2を介して光 周波数変換器 1 4に入射される。 入射した CWレーザ光は、 光周波数変換部 1 4で 周波数 f 1 = 1 2 G H z、 パルス幅 1 00 n &の第 1パルス光と、 2 n sの時間間 隔を空けて、 周波数 f 2 = 1 0. 8 GH z, パルス幅 30 n sの第 2パルス光に変 換され、 光増幅器 1 6に入射される。 その後、 これら第 1及び第 2パルス光は、 第 1の実施形態と同様に作用しながら、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制 御器 1 8及び光力ブラ 1 9を介して光ファイバ 2 1の一方端に入射される。
一方、 光力ブラ 1 2で分配されポー卜 dから射出された CWレーザ光は、 光力プ ラ 51のポー卜 jに入射され、 2つに分配される。 分配された一方は、 ポー卜 Iか ら射出され、 光力ブラ 22のポー卜 qに入射される。 そして、 分配された他方は、 ポート kから射出され、 光ファイバ 21の他方端に入射される。 この光ファイバ 2 1の他方端から入射された CWレーザ光がプローブ光となる。
光ファイバ 21中で第 2パルス光のブリルアン散乱によって増幅されたプローブ 光 (ブリルアン散乱光) は、 光力ブラ 1 9を介して光力ブラ 22のポー卜 rに入射 される。 ポー卜 qから入射された CWレーザ光とポー卜 rから入射されたブリルァ ン散乱光は、 光力ブラ 22で結合されて 2つに分配され、 それぞれ受光器 23に入 射される。 即ち、 ホモダイン （homodyne) 検波となる。
ここで、 f Bは、 1 0. 5 GH zの光ファイバを使用した場合には、 光力ブラ 2 2における干渉 （合波） により、 f 1 - f 0= 1 2 GH Z, f 2- f 0= 1 0. 8 GH z, f 1 - f 0 - f B= 1. 5 GH z、 f 2- f O- f B = 0. 3 G H z (3 00 MH z) となるので、 バンド幅 Bを 1 GH zに選定すれば、 第 2パルス光によ るブリルアン散乱光だけ受光器 23から出力させることができる。 受光器 23のバ ンド幅 Bは、 第 1の実施形態と同様に式 1が成立するように設定する。
そして、 分配された光は、 受光器 23に入力され、 光電変換される。 受光器 23 の出力は、 L P F 52 ' に入力される。 例えば、 本実施形態では、 L P F 52 ' の 透過特性は、 透過周波数範囲が 1 0 0 M H zに設定された。
L P F 5 2 ' の出力は、 増幅器 5 2で所定のレベルまで増幅され、 A/ D 5 4で アナログ信号からディジタル信号に変換される。 ここで、 上述の場合において、 A / D 5 4のサンプリングレートを 1 6 0 0 M S以上に設定する。 R F信号の強度に 換算する。 本実施形態では、 2 G Sに設定された。 バッファ 5 5は、 AZ D 5 4の 出力を一時的に記憶する。 制御演算部 3 0は、 分布型光ファイバセンサシステム 1 0の各部を制御すると共に、 バッファ 5 5のデータを用いて第 1の実施形態と同様 に、 式 3乃至式 5によって 5 c mの空間分解能で光ファイバ 2 1に生じる歪み及び 温度を計測する。
なお、 分布型光ファイバセンサシステム 1 2を用いて実際に歪み及び温度を計測 する場合の動作は、 図 8に示す第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシ ステ厶 1 1の動作と同様なので、 その説明を省略する。
以上のように、 本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 2は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0の効果に加えてさらに、 プローブ光を用いるので、 より強い信号光が得られ、 計測距離をより長距離化する ことができる。
次に、 別の実施形態について説明する。
(第 4の実施形態）
第 3の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 2は、 ホモダイン検 波によリプリルァン散乱光を検出したが、 第 4の実施形態における分布型光ファィ バセンサシステム 1 3は、 ヘテロダイン （he terodyne) 検波によリブリルアン散乱 光を検出する実施形態である。
図 1 9は、 第 4の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムの構成を示 す図である。 囡1 9において、 第 4の実施形態における分布型光ファイバセンサシ ステ厶 1 3は、 光源 1 1、 光力ブラ 1 2、 1 9、 2 2、 5 1、 制御器 1 3、 光周波 数変換器 1 4、 5 7、 R F信号源 1 5、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光 制御器 1 8、 光ファイバ 2 1、 受光器 2 3、 B P F 5 2、 増幅器 5 3、 A/ D 5 .4、 バッファ 5 5及び制御演算部 5 6を備えて構成される。
次に、 第 4の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 2の動作につ いて説明する。
(第 4の実施形態の動作）
光源 1 1から射出された周波数 f 0の C Wレーザ光は、 光力ブラ 1 2を介して光 周波数変換器 1 4に入射される。 入射した C Wレーザ光は、 光周波数変換部 1 4で 周波数 f 1 = 1 2 G H z、 パルス幅 1 0 0 n sの第 1パルス光と、 2 n sの時間間 隔を空けて、 周波数 f 2 = 1 0 . 8 G H z、 パルス幅 3 0 n sの第 2パルス光に変 換され、 光増幅器 1 6に入射される。 その後、 これら第 1及び第 2パルス光は、 第 1の実施形態と同様に作用しながら、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制 御器 1 8及び光力ブラ 1 9を介して光ファイバ 2 1の一方端に入射される。
一方、 光力ブラ 1 2で分配されポー卜 dから射出された C Wレーザ光は、 光力プ ラ 5 1のポー卜 jに入射され、 2つに分配される。 分配された一方は、 ポー卜 Iか ら射出され、 光周波数変換部 5 7で所定の周波数 （f a o ) に変換され、 光力ブラ 2 2のポ一卜 qに入射される。 そして、 分配された他方は、 ポー卜 kから射出され、 光ファイバ 2〗の他方端に入射される。 この光ファイバ 2 1の他方端から入射され た C Wレーザ光がプロ一ブ光となる。
光ファイバ 2 1中で第 2パルス光のブリルアン散乱によって増幅されたプローブ 光 （ブリルアン散乱光） は、 光力ブラ 1 9を介して光力ブラ 2 2のポー卜 rに入射 される。 ポー卜 qから入射された所定の周波数の C Wレーザ光とポー卜 rから入射 されたブリルアン散乱光は、 光力ブラ 2 2で結合されて 2つに分配され、 それぞれ 受光器 2 3に入射される。 所定の周波数 （ f a 0 ) は、 1 2 0 M H zに設定される ので、 ヘテロダイン検波となる。
そして、 分配された光は、 受光器 2 3に入力され、 光電変換される。 受光器 2 3 の出力は、 B P F 5 2に入力される。 例えば、 本実施形態では、 B P F 5 2の透過 特性は、 中心周波数が 1 20MH zで透過周波数範囲が 1 M H zに設定された。
B P F52の出力は、 増幅器 52で所定のレベルまで増幅され、 A/D54でァ ナログ信号からディジタル信号に変換される。 ここで、 上述の場合において、 A, D54のサンプリングレー卜を 500MS以上に設定する。 本実施形態では、 1 G Sに設定された。 そして、 A/D54の出力は、 バッファ 55に一時的に記憶され る。 制御演算部 30は、 分布型光ファイバセンサシステム 1 0の各部を制御すると 共に、 バッファ 55のデータを用いて第 1の実施形態と同様に、 式 3乃至式 5によ つて 1 0 cmの空間分解能で光ファイバ 21に生じる歪み及び温度を計測する。 なお、 分布型光フアイバセンサシステム 1 3を用いて実際に歪み及び温度を計測 する場合の動作は、 図 8に示す第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシ ステ厶 1 1の動作と同様なので、 その説明を省略する。
以上のように、 本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 3は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0の効果に加えてさらに、 プローブ光を用いるので、 測定範囲の長距離化や高精度^を図ることができる。 次に、 別の実施形態について説明する。
(第 5の実施形態〉
第 5の実施形態における分布型光フアイバセンサシステムは、 第 2パルス光によ るブリルアン散乱光をループさせることによって増幅し、 増幅されたブリルアン散 乱光を検出することによつて歪み及び温度を求める実施形態である。
図 20は、 第 5の実施形態における分布型光ファイバセンサシステムを示す図で あり、 図 20 (a) はその搆成を示し、 図 20 (b) は光ゲートスィッチの動作及 び光周波数変換器の動作を示すタイミングチヤ一卜である。 図 21は、 第 5の実施 形態における物理過程を説明するための図である。
図 20 (a) において、 第 5の実施形態における分布型光ファイバセンサシステ 厶 1 4は、 光源 1 1、 光力ブラ 1 2、 1 9、 22、 61、 64、 制御器 1 3、 光周 波数変換器 1 4、 57、 R F信号源 1 5、 光増幅器 1 6、 63、 光アイソレータ 1 7、 偏光制御器 1 8、 光ファイバ 2 1、 受光器 2 3、 光ゲー卜スィッチ 6 2、 B P F 6 5、 増幅器 6 6、 A/ D 6 7、 バッファ 6 8及び制御演算部 6 9を備えて構成 される。 光ゲ一卜スィッチ 6 2は、 入射光を制御信号に応じて透過 （オン） 又は遮 断 （オフ） する光スィッチである。
次に、 第 5の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 4の動作につ いて説明する。
(第 5の実施形態の動作）
光源 1 1から射出された周波数 f 0の C Wレーザ光は、 光力ブラ 1 2を介して光 周波数変換器 1 4に入射される。 入射した C Wレーザ光は、 光周波数変換部 1 4で 周波数 f 1 = 1 2 G H z、 パルス幅 1 0 0 n sの第 1パルス光と、 2 n sの時間間 隔を空けて、 周波数 f 2 = 1 0 . 8 G H z、 パルス幅 3 0 n sの第 2パルス光に変 換され、 図 2 0 ( b ) に示すタイミングで光増幅器 1 6に入射される。 その後、 こ れら第 1及び第 2パルス光は、 第 1の実施形態と同様に作用しながら、 光増幅器 1 6、 光アイソレータ 1 7、 偏光制御器 1 8及び光力ブラ 1 9を介して光ファイバ 2 1の一方端に入射される。
—方、 光力ブラ 1 2で分配されポー卜 dから射出された C Wレーザ光は、 光力プ ラ 6 1のポー卜 nに入射され、 2つに分配される。 分配された一方は、 ポー卜 0か ら射出され、 図 2 0 ( b ) に示すタイミングで光ゲートスィッチ 6 2を介して光力 ブラ 6 4のポー卜 Vに入射される。 光力ブラ 6 1で分配された他方は、 ポー卜 pか ら射出され、 光周波数変換部 5 7で所定の周波数に変換され、 光力ブラ 2 2のポー 卜 qに入射される。
また'、 光力ブラ 6 4のポー卜 Vに入射された C Wレーザ光は、 ポー卜 wから射出 され、 光ファイバ 2 1の他方端に入射される。 この光ファイバ 2 1の他方端から入 射された C Wレーザ光がプローブ光となる。 一方、 光ファイバ 2 1中で第 2パルス 光のブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光 （ブリルアン散乱光） は、 光力 ブラ 1 9のポー卜 fから射出され、 光増幅器 6 3で所定のレベルに増幅され、 光力 ブラ 64のポー卜 uに入射される。 ポート uに入射したブリルアン散乱光は、 光力 ブラ 64で分配され、 ポー卜 wから射出されたブリルアン散乱光は、 光ファイバ 2 1の他方端に入射される。 こうして光ゲートスィッチ 62から射出された CWレー ザ光 （プローブ光） は、 光力ブラ 64→光ファイバ 21→光力ブラ 1 9→光増幅器 63→光力ブラ 64のループを所定回数だけ周回する。 その周回の間に、 光周波数 変換器 1 4から射出された第 1及び第 2パルスは、 この周回するプローブ光に対し 同じタイミングで相互作用するように制御演算部 6 9の制御によって、 図 20
(b) に示す如く周回時間 TLoop ごとに光周波数変換器 1 4から射出する。 ルー プを所定回数だけ周回することにより光ファイバ 21中で繰り返し相互作用するた め、 光ファイバ 21の歪みや温度をより反映した状態になると共に、 第 2パルスと プローブ光との偏光状態が平均^:される。 そのため、 ダイナミックに変化する歪み 変化や温度変化にも対応することができる。
一方、 力ブラ 64で分配された他方のブリルアン散乱光は、 力ブラ 22のポート rに入射される。 ポー卜 qから入射された CWレーザ光とポー卜 rから入射された ブリルアン散乱光は、 光力ブラ 22で結合されて 2つに分配され、 それぞれ受光器 23に入射され、 光電変換される。 ここで、 プリルアン散乱光か'所定回数、 例えば、 40回ループを周回したタイミングで制御演算部 69の制御によリ受光器 23の出 力が B P F 65に出力される。
ここで、 f Bは、 1 0. 5 GH zの光ファイバを使用した場合には、 光力ブラ 2 2における干渉 （合波） により、 f 1 — f O=1 2GH z、 f 2- f 0 =1 0. 8 GH z、 f 1 - f 0 - f B= 1. 5 GH z、 f 2- f O- f B = 0. 3 GH z (3 0 OMH z) となるので、 中心周波数が 1 20MH zで透過周波数範囲が 1 MH z に選定すれば、 第 2パルス光によるブリルアン散乱光だけ受光器 23から出力させ ることができる。
B P F 65の出力は、 増幅器 66で所定のレベルまで増幅され、 A/D 67でァ ナログ信号からディジタル信号に変換される。 ここで、 上述の場合において、 AZ D 67のサンプリングレー卜を 400 MS以上に設定する。 そして、 図 9を用いて 説明した手順によれば、 実質的に 2000MSに補間される。 本実施形態では、 2 GSに設定された。 バッファ 55は、 A/D 54の出力を一時的に記憶する。 制御 演算部 30は、 分布型光ファイバセンサシステム 1 0の各部を制御すると共に、 ッファ 55のデータを用いて第 1の実施形態と同様に、 式 3乃至式 5によって 5 c mの空間分解能で光ファイバ 21に生じる歪み及び温度を計測する。
ここで、 式 3における Qs ( i ) は、 次のようにして求められる。 図 21におい て、 光ファイバ部 21の長尺方向に参照光ファイバ部 21 -1 の起点を座標原点と する Z軸を設定する。 また、 図 2 1の DLは、 光力ブラ 64—光ファイバ 21→光 力ブラ 1 9→光増幅器 63→光力ブラ 64のループにおける損失をまとめて代表さ せたものである。 k回目に Z =しから入射して周回するプローブ光は、 式 6のよう に 3§c:れる。 nPP (0) (k) = - j¾ zo (k〉 (Z) T (Z， S) Ss (Z) dZ PL+ 1 nPP (L) (k- )
(6) ここで、 P s (k) (z) は k回目 z位置における周波数 sのプローブ光強度を示す。
R (k) (z) は、 k回目 z位置における第 2パルス光とプローブ光との偏波係数を 示し、 シングルモード光ファイバにおいては 0から 1までの乱数である。 Ύ (z、 s) は位置 zにおける周波数 sに対するブリルアン増幅係数であり、 基本的に波長 が決まると歪み及び温度に依存する。 a sは光ファイバ 21の減衰係数であり、 S ρ (ζ) は第 2パルス光のエネルギー密度であり、 式 7のように表される。 (7,
Figure imgf000030_0001
ここで、 Ae f f は、 光ファイバ 21の有効断面積である。 また、 図 21より式 8 が成立する。
P 1)(L)=DLGE(k 1)Ps(k 2)(0) "…（8) 以上、 式 6乃至式 8をまとめて、 検出光ファイバ部 2 1 -2 を長さ d zの複数の 微小区間に等分割して差分方程式で整理すると、 式 9乃至式 1 2にまとめることが できる。
Figure imgf000031_0001
ii o
Figure imgf000031_0002
i
Figure imgf000031_0003
Figure imgf000031_0004
ここで、 添え字 i， jは微小区間の番号である。 式 1 1から分かるように、 R j k は、 乱数の平均値であるから、 周回数 kを大きくすると各微小区間の値は同じ定数 で近似することができる。
以上のように、 本実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 4は、 第 1の実施形態における分布型光ファイバセンサシステム 1 0の効果に加えてさらに、 ブリルアン散乱光をループさせるので、 光ファイバ 2 1の歪みや温度をより反映し た状態になると共に、 第 2パルスとプローブ光との偏光状態が平均化される。 その ため、 ダイナミックに変化する歪み変化や温度変化にも対応することができる。 一方、 上述の第〗乃至第 5の実施形態において、 構造物 1に側圧がかかると同時 に光ファイバ 2 1にも側圧がかかり、 光ファイバ 2 Ίの径方向に歪みが生じる。 こ の径方向の歪みは、 様々な偏光に対する平均な散乱利得スぺクトル （平均散乱利得 スぺク卜ル） と或る特定の偏光に対する散乱利得スぺク卜ル （特定散乱利得スぺク 卜ル） とを比較することによつて各微小区間の側圧を求めることができる。
図 2 2は、 側圧を求める場合におけるフローチヤ一卜を示す図である。 図 2 2に おいて、 まず、 偏光制御器 1 8の偏光面を適当な偏光面に調整し （S 4 1 ) 、 図 8 を用いて説明した S 1 2乃至 S 1 6により、 散乱利得スペクトルを求める （S 4 2 ) 。 平均を求めるのに適当な所定回数だけ偏光偏を変えながら S 4 1及び S 4 2 を繰り返し （S 4 3 ) 、 所定回数だけ繰り返したら、 各偏光面に対する散乱利得ス ベクトルを平均することによって平均散乱利得スペクトルを求める （S 4 4 ) 。
次に、 偏光制御器 1 8の偏光面を或る特定の偏光面に維持し （S 4 5 ) 、 S 1 2 乃至 S 1 6によりこの特定な偏光面に対する散乱利得スぺクトル （特定散乱利得ス ベクトル） を求める （S 4 6 ) 。 平均散乱利得スペクトルと特定散乱利得スぺク卜 ルとから偏光係数を求め、 側圧を求める （S 4 7 ) 。
このように第 1乃至第 5の実施形態における分布型光ファイバセンサを利用する ことによって光ファイバ 2 1の径方向に生じた歪みも測定することができる。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明に係る分布型光ファイバセンサシステムは、 第 1パルス光 を伝播させた後に、 測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第 2パルス光を伝播さ せるので、 測定用のブリルアン散乱光には過渡現象が生じない。 このため、 従来よ リ正確に歪み及び温度を計測することができる。

Claims

請求の範囲
( 1 ) 被測定物に設置されるセンサ用の光ファイバと、
音響フオノンの過渡応答時間以上のパルス幅である第 1パルス光を発光すると共 に、 音響フォノンの振動が実質的に維持される時間間隔で前記第 1パルス光に続け て第 2パルス光を発光し、 該第 1及び第 2パルス光を前記光ファイバに供給する光 源と、
前記第 2パルス光によつて前記光フアイバ中で生じたブリルァン散乱光の散乱利 得スぺクトルを、 前記第 2パルスのパルス幅を等分割して得られる時間の 2倍に相 当する時間間隔で検出する検出手段と、
前記各時間間隔の各散乱利得スぺクトルに対応する前記光ファイバの各微小区間 について、 前記各時間間隔の各散乱利得スぺク卜ルに基づいて歪み及び 又は温度 を演算する演算手段とを備えたこと
を特徴とする分布型光ファイバセンサシステム。
( 2 ) 前記検出手段は、
所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光力プ ラと、
前記光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
所定の周波数の電気信号を発振する発振器と、
前記受光器の出力と前記発振器の出力とを合波するミキサと、
前記ミキサの出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド ·パス ·フィルタと 前記バンド 'パス ·フィル夕の出力を記憶するバッファと、
前記散乱利得スぺクトルが得られる範囲で前記発振器の所定の周波数を掃引する 制御手段と備えること
を特徴とする請求の範囲 1に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
( 3 ) 前記検出手段は、 前記バッファに記憶されているバンド'パス 'フィルタ の 2個の出力を用いて、 該 2個の出力の間のデータを補間する補間手段をさらに備 える と
を特徴とする請求の範囲 2に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
( 4 ) 前記検出手段は、
所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光力プ ラと、
前記光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド 'パス ·フィル夕と 前記バンド 'パス ·フィルタの出力を時間 ·周波数解析する時間 ·周波数解析手 段とを備えること
を特徴とする請求の範囲 1に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
( 5 ) 前記検出手段は、
所定の周波数の光を前記第 2パルス光と対向するように前記光フアイバに入射す る入射手段と、
前記所定の周波数の光と前記光ファイバからのブリルアン散乱光とを合波する光 力ブラと、
前記光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、
前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド'パス ·フィルタと 前記バンド'パス■フィルタの出力を記憶するバッファと、
前記散乱利得スぺクトルが得られる範囲で前記光の所定の周波数を掃引する制御 手段とを備えること
を特徴とする請求の範囲 1に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
( 6 ) 前記検出手段は、 ヘテロダイン検波をするように前記所定の周波数の光の 周波数を変換する光周波数変換手段を更に備えることを
を特徴とする請求の範囲 5に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
( 7 ) 前記所定の周波数の光と第 2パルス光とが前記光フアイバ中で複数回相互 作用するように構成したこと
を特徴とする請求の範囲 5又は請求の範囲 6に記載の分布型光ファイバセンサシ ステム。
( 8 ) 前記演算手段は、
前記各時間間隔の各散乱利得スぺク卜ルに対応する前記光ファイバの各微小区間 について、 前記各時間間隔の各散乱利得スぺクトルに基づいて前記被測定物にかか る側圧をさらに演算すること
を特徴とする請求の範囲 7に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
( 9 ) 前記検出手段は、
所定の周波数の光を 2つに分配する第 1光力ブラと、
前記第 1光力ブラで分配された一方の光を透過又は遮断する光スィッチと、 前記光スィッチからの光と前記光ファイバからのブリルァン散乱光とを合波して
2つに分配すると共に、 分配した一方の光を前記光フアイバに入射させる第 2光力 ブラと、
前記第 1光力ブラで分配された他方の光と前記第 2光力ブラで分配された他方の 光とを合波する第 3光力ブラと、
前記第 3光力ブラから射出された光を受光して光電変換する受光器と、 前記受光器の出力のうち所定の周波数帯域を透過するバンド'パス ·フィルタと 前記バンド'パス ·フィルタの出力を時間 ·周波数解析する時間 ·周波数解析手 段とを備えること
を特徴とする請求の範囲 1に記載の分布型光ファイバセンサシステム。
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