WO2010061718A1 - 分布型光ファイバセンサ - Google Patents

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WO2010061718A1
WO2010061718A1 PCT/JP2009/068965 JP2009068965W WO2010061718A1 WO 2010061718 A1 WO2010061718 A1 WO 2010061718A1 JP 2009068965 W JP2009068965 W JP 2009068965W WO 2010061718 A1 WO2010061718 A1 WO 2010061718A1
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light
optical fiber
brillouin
rayleigh
pulse
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PCT/JP2009/068965
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哲賢 李
欣増 岸田
西口　憲一
アルツール グジク
篤 牧田
良昭 山内
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ニューブレクス株式会社
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Definitions

  • the present invention relates to a distributed optical fiber sensor that uses an optical fiber as a sensor and can measure strain and temperature with high accuracy in the longitudinal direction.
  • the optical fiber is used as a medium for detecting strain and / or temperature in the environment (measurement object) in which the optical fiber is installed.
  • the Brillouin scattering phenomenon is a phenomenon in which power moves through an acoustic phonon in an optical fiber when light enters the optical fiber, and two lights having different frequencies are incident on the optical fiber.
  • the Brillouin frequency shift seen during this Brillouin scattering phenomenon is proportional to the speed of sound in the optical fiber, and the speed of sound depends on the strain and temperature of the optical fiber. For this reason, strain and / or temperature is measured by measuring the Brillouin frequency shift.
  • BOTDA Bacillouin Optical Time Domain Analysis
  • BOTDR Bollouin Optical Time Domain Reflectometer
  • the stimulated Brillouin scattering phenomenon is used, and two laser beams having different frequencies are incident on the detection optical fiber as pump light and probe light, and the pump light is incident on the detection optical fiber.
  • the light intensity of light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the end is measured in the time domain.
  • acoustic phonons are excited by the interaction of pump light and probe light.
  • BOTDR one laser beam is incident as one of pump light from one end of a detection optical fiber, and light related to a natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the one end is detected by an optical bandpass filter.
  • the light intensity of the light related to the natural Brillouin scattering phenomenon is measured in the time domain.
  • acoustic phonons generated by thermal noise are used.
  • BOTDA and BOTDR such measurement is performed for each frequency while sequentially changing the frequency of the pump light or the frequency of the probe light in BOTDA, and at each part along the longitudinal direction of the detection optical fiber.
  • a Brillouin gain spectrum (or Brillouin loss spectrum in BOTDA) is obtained, and a strain distribution and / or a temperature distribution along the longitudinal direction of the detection optical fiber are measured based on the measurement result.
  • For the pump light an optical pulse having a rectangular light intensity is usually used, and for the probe light in BOTDA, continuous light (CW light) is used.
  • the Brillouin gain spectrum is detected by making the pump light frequency higher than the probe light frequency with respect to the probe light, while the probe light frequency is made higher than the pump light frequency. By raising it, the Brillouin loss spectrum is detected.
  • BOTDR a Brillouin gain spectrum is detected.
  • the strain and / or temperature is obtained using any of the Brillouin gain spectrum and the Brillouin loss spectrum.
  • the Brillouin gain spectrum and the Brillouin loss spectrum are simply referred to as “Brillouin spectrum” in the BOTDA as appropriate.
  • the spatial resolution of BOTDA and BOTDR is limited by the pulse width of the optical pulse of the pump light used for measurement.
  • the speed of light in the optical fiber varies slightly depending on the material of the optical fiber, a typical optical fiber that is normally used requires about 28 ns for complete rise of the acoustic phonon.
  • the Brillouin spectrum is a Lorentzin curve until the pulse width of the optical pulse is about 28 ns or more.
  • the Brillouin spectrum becomes a broadband curve, which is steep near the center frequency. It becomes a gentle shape. For this reason, it is difficult to obtain the center frequency, and the spatial resolution is usually about 2 to 3 m.
  • the inventor of the present application employs a method for measuring the strain and / or temperature distribution with high accuracy (for example, 200 ⁇ or less) and high spatial resolution (for example, 1 m or less) by configuring the above optical pulse from two components.
  • the Brillouin frequency shift is about 500 MHz /% with respect to the distortion.
  • the parameters that can be measured using the Brillouin scattering phenomenon are basically Therefore, it is only one of strain and temperature, and the strain and temperature cannot be separated and measured simultaneously.
  • An object of the present invention is to provide a distributed optical fiber sensor that can simultaneously and independently measure strain and temperature of a measurement object with high spatial resolution.
  • a distributed optical fiber sensor is a distributed optical fiber sensor that uses an optical fiber as a sensor, and uses the Brillouin scattering phenomenon to cause distortion in the optical fiber.
  • Brillouin measurement means for measuring a Brillouin frequency shift amount due to temperature
  • a Rayleigh measurement means for measuring a Rayleigh frequency shift amount due to distortion and temperature generated in the optical fiber using a Rayleigh scattering phenomenon
  • measurement by the Brillouin measurement means Calculating means for calculating the strain and temperature generated in the optical fiber from the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount measured by the Rayleigh measuring means.
  • Brillouin scattering phenomenon is used to measure the Brillouin frequency shift amount due to strain and temperature generated in the optical fiber
  • the Rayleigh scattering phenomenon is used to measure the distortion and temperature caused in the optical fiber. Since the Rayleigh frequency shift amount is measured, the strain and temperature generated in the optical fiber can be calculated simultaneously and independently using the two frequency shift amounts, and the measurement object attached with the optical fiber can be calculated. Strain and temperature can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution.
  • the strain and temperature of the object to be inspected can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distributed optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is operated in the first mode.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is operated in the second mode.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining strain and temperature measurement operations by the distributed optical fiber sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and operation of the optical pulse generator shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and the matched filter.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distributed optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of pulsed light emitted from the optical pulse generation unit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the Rayleigh frequency shift amount measured by the distributed optical fiber sensor shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the actual measurement position and the desired measurement position.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining strain and temperature measurement operations by the distributed optical fiber sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a method of deriving a correction amount.
  • FIG. 12 is a diagram showing the peak frequency of the Brillouin spectrum at each position in the longitudinal direction of the detection optical fiber having a different type fiber connected in the middle.
  • FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the relationship between the reference Rayleigh spectrum and the measured Rayleigh spectrum.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a reference Rayleigh spectrum and a measured Rayleigh spectrum.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between the threshold and the cross-correlation coefficient.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a method of determining a scanning range for obtaining the Rayleigh frequency shift amount from the relationship between the measured Rayleigh spectrum shift amount and the cross-correlation coefficient with respect to the reference Rayleigh spectrum.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the effect of the correction based on the correction amount.
  • FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is configured as BOTDR.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining a narrow linewidth optical bandpass filter.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining a method for obtaining a Brillouin frequency shift by subtracting components from the whole.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an experimental result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration illustrated in FIG.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining another configuration of pump light (sub light pulse and main light pulse).
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an experimental result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration illustrated in FIG. 22B is used.
  • FIG. 24 is a diagram for explaining still another configuration of the pump light (sub light pulse and main light pulse) and a matched filter.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining the configuration and operation of an optical pulse generator for generating pump light having the configuration shown in FIG.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • FIG. 28 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the distributed optical fiber sensor in the first embodiment.
  • the distributed optical fiber sensor FS shown in FIG. 1 includes a first light source 1, optical couplers 2, 5, 8, 21, 23, 30, an optical pulse generator 3, optical switches 4, 22, Polarization adjusting unit 6, optical circulators 7 and 12, optical connectors 9, 26, 27 and 28, a first automatic temperature control unit (hereinafter abbreviated as “first ATC”) 10, and a first automatic frequency control.
  • first ATC first automatic temperature control unit
  • first AFC first automatic frequency control unit
  • second ATC Second automatic temperature controller
  • second AFC second automatic frequency controller
  • second AFC second light source 20
  • An adjustment unit 24 and 1 ⁇ 2 optical switches 25, 29, and 31 are provided.
  • the first and second light sources 1 and 20 are held substantially constant at a predetermined temperature preset by the first and second ATCs 10 and 18, respectively, and a predetermined frequency preset by the first and second AFCs 11 and 19, respectively. Is a light source device that generates and emits continuous light of a predetermined frequency by being held substantially constant.
  • the output terminal (emission terminal) of the first light source 1 is optically connected to the input terminal (incident terminal) of the optical coupler 2.
  • the output terminal (emission terminal) of the second light source 20 is optically connected to the input terminal (incident terminal) of the optical coupler 21.
  • Each of the first and second light sources 1 and 20 is, for example, a light emitting element, a temperature detecting element (for example, a thermistor) that detects the temperature of the light emitting element, and a rear side of the light emitting element.
  • a temperature detecting element for example, a thermistor
  • One light branched by an optical coupler for example, a half mirror
  • receives back light emitted from the light and splits it into two passes through a Fabry-Perot etalon filter that is a periodic filter.
  • a first light receiving element for receiving light for receiving light
  • a second light receiving element for receiving the other light branched by the optical coupler for receiving the other light branched by the optical coupler
  • a temperature adjusting element for receiving the light emitting element, the temperature detecting element, the optical coupler, the first and second light receiving elements, a fabric And a substrate on which a Perot etalon filter and a temperature adjusting element are disposed.
  • the light emitting element is an element that emits light of a predetermined frequency with a narrow line width and can change an oscillation wavelength (oscillation frequency) by changing an element temperature or a drive current.
  • a multi-quantum well structure DFB laser and a tunable semiconductor laser (frequency tunable semiconductor laser) such as a tunable wavelength distribution Bragg reflection laser. Therefore, the first light source 1 also functions as a frequency variable light source.
  • the temperature detection elements in the first and second light sources 1 and 20 output the detected temperatures to the first and second ATCs 10 and 18, respectively.
  • the first and second light receiving elements in the first and second light sources 1 and 20 include photoelectric conversion elements such as photodiodes, for example, and output the respective light receiving outputs corresponding to the received light intensity to the first and second AFCs 11 and 19, respectively.
  • the temperature adjustment element is a component that adjusts the temperature of the substrate by generating heat and absorbing heat, and includes, for example, a thermoelectric conversion element such as a Peltier element or a Seebeck element.
  • the first and second ATCs 10 and 18 respectively control the temperature adjusting elements based on the detected temperatures of the temperature detecting elements in the first and second light sources 1 and 20 according to the control of the control processing unit 13, respectively.
  • This circuit automatically keeps the temperature of each substrate at a predetermined temperature substantially constant. Thereby, the temperature of each light emitting element in the first and second light sources 1 and 20 is automatically kept substantially constant at a predetermined temperature. For this reason, when the frequency of the light emitted from the light emitting element has temperature dependency, the temperature dependency is suppressed.
  • the first and second AFCs 11 and 19 respectively control the light emitting elements based on the light reception outputs of the first and second light receiving elements in the first and second light sources 1 and 20 according to the control of the control processing unit 13, respectively.
  • the frequency of the light emitted from each light emitting element is automatically kept substantially constant at a predetermined frequency, or is swept within a predetermined frequency range.
  • the optical coupler, the Fabry-Perot etalon filter, the first and second light receiving elements, and the first and second AFCs 11 and 19 in the first and second light sources 1 and 20 are the light emitting elements in the first and second light sources 1 and 20, respectively.
  • So-called wavelength lockers that substantially fix the wavelength (frequency) of the emitted light are configured.
  • the optical couplers 2, 5, 21, and 23 are optical components that distribute incident light incident from one input terminal into two lights and emit them to two output terminals, respectively.
  • the optical coupler 8 emits incident light incident from one input terminal of the two input terminals from one output terminal, and transmits incident light incident from the other input terminal from the output terminal. It is an optical component to be emitted.
  • the optical coupler 30 is an optical component that couples two incident lights incident from two input terminals and emits them from two output terminals.
  • the optical couplers 2, 5, 21, 23, 8, and 30 are, for example, micro optical element type optical branch couplers such as half mirrors, fused fiber optical fiber type optical branch couplers, optical waveguide type optical branch couplers, and the like. Can be used.
  • One output terminal of the optical coupler 2 is optically connected to the input terminal of the optical pulse generator 3, and the other output terminal is optically connected to the input terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 31.
  • One output terminal of the optical coupler 5 is optically connected to the input terminal of the light intensity / polarization adjusting unit 6, and the other output terminal is optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 14.
  • One output terminal of the optical coupler 21 is optically connected to the input terminal of the optical switch 22, and the other output terminal is optically connected to the other end of the reference optical fiber 17 via the optical connector 28.
  • One output terminal of the optical coupler 23 is optically connected to the input terminal of the light intensity adjusting unit 24, and the other output terminal is optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 14.
  • One input terminal of the optical coupler 8 is optically connected to the second terminal of the optical circulator 7, and the other input terminal is optically connected to the other output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 25. Is optically connected to one end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 9.
  • One input terminal of the optical coupler 30 is optically connected to the other output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 31, and the other input terminal is optically connected to one output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 29.
  • the two output terminals are optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 14.
  • the light pulse generation unit 3 is a device that receives continuous light emitted from the first light source 1 and generates a main light pulse and a sub light pulse as pump light from the continuous light.
  • the main light pulse is an optical pulse using a spread spectrum method. Examples of the spread spectrum method include a frequency chirp method that changes the frequency, a phase modulation method that modulates the phase, and a hybrid method that combines the frequency chirp method and the phase modulation method.
  • Examples of the frequency chirp method include a method of changing the frequency monotonously, for example, linearly.
  • Examples of the phase modulation method include a method of modulating the phase using a PN sequence.
  • the PN sequence is a pseudo-random number sequence, and examples of the PN sequence include an M sequence (maximal-length sequences) and a Gold sequence.
  • the M series can be generated by a circuit including a plurality of shift registers and a logic circuit that feeds back a logical combination of each state in each of the plurality of stages to the shift register.
  • the Gold sequence is defined as M and Mj, where 0 is -1 and 1 is +1 corresponding to M sequence generated by n-th primitive polynomials F1 (x) and F2 (x), respectively.
  • a Golay code sequence can be used as a phase modulation type pseudo-random number sequence.
  • This Golay code sequence has an excellent characteristic that the side lobe of the autocorrelation function is strictly zero.
  • the sub light pulse is an unmodulated unmodulated light pulse, the maximum light intensity of which is equal to or less than the light intensity of the main light pulse, and the pulse width is sufficiently longer than the lifetime of the acoustic phonon.
  • the optical pulse generator 3 detects the optical fiber for detection before the sub optical pulse in time according to the control of the control processor 13.
  • the sub light pulse and the main light pulse are generated so as not to be incident on the light beam 15.
  • the sub light pulse and the main light pulse as the pump light generated by the light pulse generation unit 3 will be described later.
  • the optical switches 4 and 22 are optical components that turn on / off light between the input terminal and the output terminal according to the control of the control processing unit 13. When on, light is transmitted, and when off, light is blocked.
  • the optical switches 4 and 22 are light intensity modulators that modulate the light intensity of incident light, such as an MZ light modulator or a semiconductor electroabsorption optical modulator.
  • the optical switches 4 and 22 include a driver circuit that is controlled by the control processing unit 13 and drives the light intensity modulator.
  • This driver circuit is, for example, a DC power source that generates a DC voltage signal for turning off the light intensity modulator in a normal state, and a pulse generator that generates a voltage pulse for turning on the light intensity modulator that is normally turned off. And a timing generator for controlling the generation timing of the voltage pulse.
  • the output terminal of the optical switch 4 is optically connected to the input terminal of the optical coupler 5.
  • the output terminal of the optical switch 22 is optically connected to the input terminal of the optical coupler 23.
  • the light intensity / polarization adjusting unit 6 is a component that is controlled by the control processing unit 13 to adjust the light intensity of the incident light and emit the light by changing the polarization plane of the incident light at random.
  • the output terminal of the light intensity / polarization adjustment unit 6 is optically connected to the first terminal of the optical circulator 7.
  • the light intensity / polarization adjustment unit 6 attenuates the light intensity of the incident light and emits it, and changes the amount of attenuation, and changes the polarization plane of the incident light at random.
  • a polarization controller that can be configured.
  • the light intensity / polarization adjusting unit 6 is commonly used for measurement of stimulated Brillouin scattered light and Rayleigh backscattered light, and randomly changes the polarization plane of the light.
  • Optical circulators 7 and 12 are irreversible optical components in which incident light and outgoing light have a cyclic relationship with their terminal numbers. That is, the light incident on the first terminal is emitted from the second terminal and is not emitted from the third terminal, and the light incident on the second terminal is emitted from the third terminal and the first terminal. The light which is not emitted from the first terminal but is incident on the third terminal is emitted from the first terminal and is not emitted from the second terminal.
  • the first terminal of the optical circulator 7 is optically connected to the output terminal of the light intensity / polarization adjustment unit 6, the second terminal is optically connected to one input terminal of the optical coupler 8, and the third terminal is It is optically connected to the input terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 29.
  • the first terminal of the optical circulator 12 is optically connected to one output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 31, and the second terminal is optically connected to one end of the reference optical fiber 17 via the optical connector 27.
  • the third terminal is optically connected to the input terminal of the strain and temperature detector 14.
  • Optical connectors 9, 26, 27, and 28 are optical components that optically connect optical fibers or optical components and optical fibers.
  • the light intensity adjusting unit 24 is a component that is controlled by the control processing unit 13 and adjusts the light intensity of incident light and emits the light.
  • the output terminal of the light intensity adjusting unit 24 is optically connected to the input terminal of the optical switch 25.
  • the light intensity adjusting unit 24 includes, for example, an optical variable attenuator that attenuates and emits light intensity of incident light, and an optical isolator that transmits light only in one direction from the input terminal to the output terminal.
  • the incident light that has entered the light intensity adjusting unit 24 is emitted through an optical isolator after the light intensity is adjusted to a predetermined light intensity by an optical variable attenuator.
  • This optical isolator plays a role of preventing the propagation of reflected light generated at the connection portion of each optical component in the distributed optical fiber sensor FS and the propagation of the sub light pulse and the main light pulse to the second light source 20.
  • the 1 ⁇ 2 optical switches 25, 29, 31 are 1-input 2-output optical switches that emit light from one of the two output terminals by switching the optical path,
  • a mechanical optical switch or an optical waveguide switch is used.
  • One output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 25 is optically connected to the other input terminal of the optical coupler 8, and the other output terminal is optically connected to the other end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 26. Connected.
  • BOTDA Brillouin spectrum time domain analysis
  • the 1 ⁇ 2 optical switch 25 When the 1 ⁇ 2 optical switch 25 is switched so as to be incident on the other end of the optical fiber 15 and operated in the second mode of Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) (one-end measurement), from the input terminal
  • BOTDA Brillouin spectrum time domain analysis
  • One output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 29 is optically connected to the other input terminal of the optical coupler 30, and the other output terminal is optically connected to the strain and temperature detector 14.
  • BOTDA Brillouin spectrum time domain analysis
  • BOTDA second mode of Brillouin spectrum time domain analysis
  • the 1 ⁇ 2 optical switch 29 is switched so that the incident light enters the strain and temperature detector 14 and operates as a coherent optical pulse tester (COTDR) using the Rayleigh scattering phenomenon
  • COTDR coherent optical pulse tester
  • One output terminal of the 1 ⁇ 2 optical switch 31 is optically connected to the first terminal of the optical circulator 12, and the other output terminal is optically connected to one input terminal of the optical coupler 30.
  • BOTDA Brillouin spectrum time domain analysis
  • BOTDA second mode of Brillouin spectrum time domain analysis
  • the 1 ⁇ 2 optical switch 31 is switched so that the incident light enters the optical circulator 12 and operates as a coherent optical pulse tester (COTDR) using the Rayleigh scattering phenomenon, the light is incident from the input terminal.
  • COTDR coherent optical pulse tester
  • the 1 ⁇ 2 optical switch 31 is switched so that light is incident on one input terminal of the optical coupler 30.
  • the detection optical fiber 15 is an optical fiber for a sensor that detects strain and temperature.
  • BOTDA a sub-light pulse, a main light pulse, and continuous light are incident, and light subjected to the action of stimulated Brillouin scattering is generated.
  • pulsed light is incident and light subjected to the effect of the Rayleigh scattering phenomenon is emitted.
  • the detection optical fiber 15 is an adhesive or a fixing member. It is fixed to the measurement object by such as.
  • the reference optical fiber 17 is an optical fiber used for adjusting the frequency of each light emitted from the first and second light sources 1 and 20, and the first and second light causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon.
  • the optical fiber has a known relationship between the frequency difference in the light and the light intensity of light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon. Further, the reference optical fiber 17 may be used for adjustment of light used for measurement of Rayleigh backscattered light.
  • the temperature detector 16 is a circuit that detects the temperature of the reference optical fiber 17 and outputs the detected temperature to the control processor 13.
  • the strain and temperature detector 14 includes a light receiving element, an optical switch, an amplifier circuit, an analog / digital converter, a signal processing circuit, a spectrum analyzer, a computer, and the like.
  • the strain and temperature detector 14 controls each unit of the distributed optical fiber sensor FS by inputting and outputting signals to and from the control processing unit 13.
  • the strain and temperature detector 14 obtains the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, which is incident on the input terminal via the optical connector 27 and the optical circulator 12 and is emitted from the reference optical fiber 17. The intensity is output to the control processing unit 13.
  • the strain and temperature detector 14 controls each part of the distributed optical fiber sensor FS by inputting and outputting signals to and from the control processing unit 13, and the 1 ⁇ 2 optical switch 29 is connected to the optical circulator 7 and the strain and temperature.
  • the detector 14 is connected, and light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is incident on a light receiving element having one input terminal for the stimulated Brillouin scattered light in the strain and temperature detector 14.
  • the strain and temperature detector 14 is connected to a light receiving element for stimulated Brillouin scattered light by an internal switch and an amplifier circuit, and detects light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon received at a predetermined sampling interval.
  • the Brillouin spectrum of each region portion of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the optical fiber 15 is obtained, and the Brillouin frequency shift amount of each region portion is obtained based on the obtained Brillouin spectrum of each region portion.
  • the strain and temperature detector 14 controls each part of the distributed optical fiber sensor FS by inputting / outputting signals to / from the control processing unit 13, and the 1 ⁇ 2 optical switch 29 includes the optical circulator 7 and the optical coupler 30.
  • the strain and temperature detector 14 is connected to a light receiving element for Rayleigh backscattered light and an amplifier circuit by an internal switch, and detects light related to the Rayleigh backscatter phenomenon received at a predetermined sampling interval.
  • the Rayleigh spectrum of each region portion of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the optical fiber 15 is obtained, and the Rayleigh frequency shift amount of each region portion is obtained based on the obtained Rayleigh spectrum of each region portion.
  • the strain and temperature detector 14 detects the strain distribution and the temperature distribution of the detection optical fiber 15 simultaneously and independently from the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount obtained as described above.
  • Each incident light incident from each input terminal of the strain and temperature detector 14 is converted into an electrical signal corresponding to the amount of received light by a light receiving element that performs photoelectric conversion.
  • Incident light incident as light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is directly detected by being converted into an electric signal by a light receiving element, filtered by a matched filter, converted to a digital electric signal by an analog / digital converter, Used to determine Brillouin spectrum.
  • Incident light incident as light related to the Rayleigh backscattering phenomenon is directly detected by being converted into an electric signal by a light receiving circuit, filtered by a matched filter, converted to a digital electric signal by an analog / digital converter, Used to determine the Rayleigh spectrum. Further, if necessary, the electric signal is amplified by the amplifier circuit before being digitally converted.
  • the control processing unit 13 includes, for example, a microprocessor, a working memory, and a memory that stores data necessary for measuring the strain and temperature distribution of the detection optical fiber 15 with high spatial resolution.
  • the control processing unit 13 inputs and outputs a signal to and from the strain and temperature detector 14 to thereby distribute the strain and temperature distribution of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 with high spatial resolution and further.
  • First and second light sources 1 and 20, first and second ATCs 10 and 18, first and second AFCs 11 and 19, optical pulse generator 3, optical switches 4 and 22, and light intensity / polarization adjustment so as to measure up to a distance 6 is an electronic circuit that controls the unit 6, 1 ⁇ 2 optical switches 25, 29, and 31, and the light intensity adjusting unit 24.
  • the control processing unit 13 includes a storage unit in which the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17 is stored. First and second in the first and second light sources 1 and 20 based on the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon obtained by the strain and temperature detector 14 and the known relationship in the reference optical fiber 17. A frequency setting unit that controls the first AFC 11 and / or the second AFC 19 is functionally provided so that the frequency difference of each light emitted from the light emitting element becomes a predetermined frequency difference set in advance. In addition, the control processing unit 13 functionally includes a frequency setting unit that controls the first AFC 11 so as to emit light that causes the Rayleigh backscattering phenomenon in the reference optical fiber 17.
  • Patent Document 1 can be referred to.
  • Spread spectrum method or pulse compression method is used to extend the measurable distance in the so-called radar field. This is because the spectrum of the pulse is diffused by using frequency modulation, phase modulation, etc. inside the pulse radiated to the space to detect the target, and demodulation called pulse compression is applied to the reflected wave reflected by the target. By doing so, the distance to the target is detected. Thereby, the energy of the pulse can be increased, and the measurable distance can be extended.
  • Spread spectrum is generally deliberately increasing the bandwidth that is originally required to transmit a signal.
  • BOTDA Brillouin gain spectrum
  • the pump light A p (0, t) is an optical pulse having a shape whose complex envelope is expressed by the equation (1).
  • P p is the power of the pump light
  • f (t) is a function representing the amplitude of the pump light at time t, and is normalized so that the maximum of its absolute value is 1. .
  • Equation (3) the Brillouin gain spectrum V (t, ⁇ ) is a two-dimensional convolution (convolution), and is represented by equation (4).
  • Equation (4) The first term on the right side of Equation (4) is a time-varying Lorentz spectrum.
  • the superscript * represents a complex conjugate
  • ⁇ is a gain coefficient
  • ⁇ B (z) is a Brillouin frequency shift at the position z.
  • G ( ⁇ ) is a Lorentz spectrum
  • vg is a group velocity of pump light.
  • the operator * represents convolution
  • the superscripts t and ⁇ represent two-dimensional convolution with respect to these variables. Note that the multiplication operator • is not shown.
  • the pump light is composed of the main light pulse f 1 (t) and the sub light pulse f 2 (t).
  • the amplitude f (t) of the pump light is expressed by Equation (5).
  • This sub light pulse functions to excite acoustic phonons for the main light pulse.
  • the pulse width D sub of the sub light pulse is made sufficiently longer than at least the lifetime of the acoustic phonon.
  • the lifetime of acoustic phonons is usually about 5 ns.
  • This main light pulse functions to pass the energy scattered by the acoustic phonon to the probe light.
  • the main light pulse is divided into a plurality of cells with a predetermined time width in the time direction, and is broadened by using a spread spectrum system. Broadband is compared to the spectral linewidth of acoustic phonons (approximately 30-40 MHz).
  • the time width of this cell determines the spatial resolution of BOTDA, and this reciprocal is the width of the spectrum. For example, when the cell width (cell time width) is 0.1 ns, the spatial resolution is 1 cm and the spectrum width is 10 GHz.
  • the pulse width D of the main light pulse determines the amount of energy given to the pump light in order to extend the measurable distance.
  • the pulse width D of the main optical pulse can be set independently of the spatial resolution of BOTDA. Therefore, the pulse width D of the main light pulse can be appropriately determined according to a desired measurable distance. For this reason, it becomes possible to extend measurable distance conventionally.
  • the point spread function ⁇ (t, ⁇ ) is expressed by the equation (8). Since the pump light is composed of the main light pulse and the sub light pulse, this point spread function ⁇ (t, ⁇ ) Is represented by Equation (9) and Equation (10).
  • the matched filter for example, inverts the signal used for spread spectrum (the code in the case of using a code sequence for spread spectrum) with respect to time and takes the convolution with the input of the matched filter.
  • the main light pulse uses a spread spectrum system, and the sub light pulse is unmodulated and its pulse width is sufficiently long. Therefore, the components ⁇ 1,2 (t, ⁇ ) can be approximated as in equation (11), and is the preferred type.
  • C p is an amplitude ratio between the main light pulse and the sub light pulse.
  • V 1,1 (t, ⁇ ) and V 2,1 (t, ⁇ ) in the Brillouin gain spectrum V (t, ⁇ ) are spectrally spread by a pseudorandom number of the main light pulse. In some cases, the spectrum is flat.
  • the other components V 2,2 (t, ⁇ ) are suppressed by the matched filter at the time of demodulation.
  • V 1,1 (t, ⁇ ) and V 2,2 (t, ⁇ ) in the Brillouin gain spectrum V (t, ⁇ ) are composed of only the main light pulse or the sub light pulse. And can be extracted by measuring the Brillouin gain spectrum.
  • the optical pulse incident on the detection optical fiber is composed of two components of the main optical pulse using the spread spectrum method and the unmodulated sub optical pulse, Since the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, the measurable distance can be extended and further measured while the strain and temperature can be measured with high spatial resolution.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is operated in the first mode.
  • the distributed optical fiber sensor FS uses the sub light pulse and the main light pulse generated by the light pulse light source LS p as pump light, and detects for detecting strain and temperature.
  • the incident light is incident from one end of the optical fiber 15 and the continuous light generated by the continuous light source LS CW is incident as the probe light from the other end of the detecting optical fiber 15.
  • the distributed optical fiber sensor FS receives light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generated in the detection optical fiber 15 by the strain and temperature detector 14, and the Brillouin gain spectrum time domain analysis (The Brillouin frequency shift amount is measured by performing B Gain -OTDA) or Brillouin loss spectrum time domain analysis (B Loss -OTDA).
  • the laser light emitted from the laser light source LD is phase-modulated by the pseudo random number from the pseudo random number generator RG in the optical signal generator OSG, so that the main optical pulse using the spread spectrum system is generated. Generated.
  • the pseudorandom number generated by the pseudorandom number generator RG is notified to the strain and temperature detector 14 for demodulation.
  • the strain and temperature detector 14 the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15 is filtered by the matched filter MF corresponding to the pseudo random number from the pseudo random number generator RG, and the signal processing unit By performing BOTDA signal processing at the SP, the Brillouin frequency shift amount is measured.
  • Brillouin gain spectrum time domain analysis or Brillouin loss spectrum time domain analysis is abbreviated as Brillouin spectrum time domain analysis as appropriate.
  • light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is light that has undergone Brillouin amplification or attenuation.
  • the distributed optical fiber sensor FS shown in FIG. 1 functions as a BOTDA when measuring the Brillouin frequency shift amount, and operates as the second mode (one-end measurement) by switching the optical switches 25, 29, and 31.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is operated in the second mode.
  • the distributed optical fiber sensor FS uses the sub light pulse and the main light pulse generated by the light pulse light source LS p as pump light and is generated by the continuous light source LS CW .
  • the continuous light thus made is incident from one end of the detection optical fiber 15 as probe light.
  • a spread spectrum method is used for the main light pulse.
  • the distributed optical fiber sensor FS receives light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generated in the detection optical fiber 15 by the strain and temperature detector 14, and the Brillouin gain spectrum time domain analysis (The Brillouin frequency shift amount is measured by performing B Gain -OTDA) or Brillouin loss spectrum time domain analysis (B Loss -OTDA).
  • each frequency of each continuous light emitted from the first and second light sources 1 and 20 is adjusted (calibrated) using the reference optical fiber 17.
  • control processing unit 13 controls the first ATC 10 and the first AFC 11, and the second ATC 18 and the second AFC 19, respectively, so that the first and second light sources 1 and 20 emit respective continuous lights at respective predetermined frequencies.
  • the light is emitted and the continuous light is incident on the reference optical fiber 17 so as to face each other.
  • the continuous light from the first light source 1 and the continuous light from the second light source 20 cause a stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17, and the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is transmitted from the reference optical fiber 17.
  • the light enters the strain and temperature detector 14 via the circulator 12.
  • the strain and temperature detector 14 receives the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, detects the light intensity of the received light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, and notifies the control processing unit 13 of the detected light intensity. .
  • the control processing unit 13 the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the reference optical fiber 17 is stored in advance in the storage unit. Has been.
  • the control processing unit 13 responds to the predetermined frequency difference fa to be set for each light emitted by the first and second light emitting elements in the first and second light sources 1 and 20 by the frequency setting unit.
  • the reference light intensity Pa to be obtained is obtained from the above relationship, and the first AFC 11 and the second AFC 19 are controlled so that the measured light intensity Pd detected by the strain and temperature detector 14 coincides with the reference light intensity Pa.
  • the frequency difference between the lights emitted from the first and second light emitting elements in the first and second light sources 1 and 20 is adjusted to a predetermined frequency difference fa to be set.
  • the light intensity Pd is given by a voltage value photoelectrically converted by the light receiving element
  • the reference light intensity Pa is a voltage value corresponding to the reference light intensity Pa.
  • the relationship between the frequency difference between the first and second lights causing the stimulated Brillouin scattering phenomenon and the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon generally has temperature dependence. Yes.
  • the control processing unit 13 detects the temperature of the reference optical fiber 17 by the temperature detection unit 16 and corrects the relationship in the reference optical fiber 17 according to the detected temperature. ing. For this reason, adjustment can be executed with higher accuracy.
  • each frequency of each continuous light emitted from the first and second light sources 1 and 20 is adjusted. Such adjustment may be performed every time the frequency is changed for the sweep when obtaining the Brillouin spectrum from the viewpoint of further improving the measurement accuracy, or from the viewpoint of shortening the measurement time.
  • the strain and temperature may be executed every measurement, every time a predetermined period elapses, or even when the distributed optical fiber sensor FS is activated.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining strain and temperature measurement operations by the distributed optical fiber sensor FS shown in FIG.
  • step S1 the strain and temperature detector 14, the Brillouin frequency shift amount ⁇ b are estimated, the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount ⁇ b is determined, and the first and second sweep ranges are determined.
  • the control processing unit 13 is instructed to emit each continuous light from the light sources 1 and 20.
  • the estimation of the Brillouin frequency shift amount ⁇ b here is performed based on, for example, the predicted maximum temperature change amount and maximum strain change amount. Since the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount is narrow, the frequency sweep range can be easily estimated.
  • step S2 the strain and temperature detector 14 measures the Brillouin frequency shift amount ⁇ b.
  • the Brillouin frequency shift amount ⁇ b is obtained by the following processing.
  • control processing unit 13 controls the first ATC 10 and the first AFC 11 and the second ATC 18 and the second AFC 19 to cause the first and second light sources 1 and 20 to emit respective continuous lights at respective predetermined frequencies.
  • the continuous light emitted from the first light source 1 is incident on the optical pulse generator 3 via the optical coupler 2
  • the continuous light emitted from the second light source 20 is incident on the optical switch 22 via the optical coupler 21. Is done.
  • control processing unit 13 controls the optical pulse generation unit 3 to generate predetermined pump light (sub optical pulse and main optical pulse). More specifically, the control processing unit 13 generates pump light by operating the optical pulse generation unit 3 as follows, for example.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and operation of the optical pulse generator 3 shown in FIG. 6A and 6B are diagrams for explaining the configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and the matched filter.
  • FIG. 6A shows the configuration of the pump light
  • FIG. It is a figure which shows a matched filter.
  • the optical pulse generation unit 3 includes an LN intensity modulator 101 that modulates the light intensity of incident light, and a DC power source that constitutes a first drive circuit for driving the LN intensity modulator 101. 102, a multiplier 103 and a timing pulse generator 104, an LN phase modulator 111 that modulates the phase of incident light, a DC power source 112 that constitutes a second drive circuit for driving the LN phase modulator 111, and a multiplier 113, a pseudo random number generator 114, an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 121, an LN intensity modulator 131 for modulating the light intensity of incident light, and a third drive circuit for driving the LN intensity modulator 131.
  • a DC power supply 132, a multiplier 133, and a timing pulse generator 134 are included.
  • the LN phase modulator 111 is formed by, for example, forming an optical waveguide, a signal electrode, and a ground electrode on a lithium niobate substrate having an electro-optic effect, and by applying a predetermined signal between the electrodes.
  • the apparatus modulates the phase of incident light by using the phase change accompanying the refractive index change caused by the electro-optic effect as it is.
  • the LN intensity modulators 101 and 131 are devices that modulate the light intensity of incident light by, for example, configuring a Mach-Zehnder interferometer and changing a phase change accompanying a refractive index change due to an electro-optic effect to an intensity change.
  • the LN intensity modulators 101 and 131 and the LN phase modulator 111 have other electro-optical effects such as lithium tantalate, lithium niobate / lithium tantalate, and the like instead of the lithium niobate substrate.
  • a substrate may be used.
  • the DC power supply 102 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101 in order to modulate the intensity
  • the timing pulse generator 104 includes the LN intensity modulator 101.
  • a pulse generation circuit that generates an operation timing pulse for operation, and a multiplier 103 multiplies the DC voltage input from the DC power supply 102 by the operation timing pulse input from the timing pulse generator 104, This is a circuit that outputs a DC voltage corresponding to the operation timing pulse to the LN intensity modulator 101.
  • the DC power supply 112 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN phase modulator 111 for phase modulation, and the pseudo-random number generator 114 converts the incident light into a spread spectrum system.
  • the pseudo random number generation circuit generates a pseudo random number at an operation timing in order to operate the LN phase modulator 111 so as to modulate at a DC voltage.
  • the multiplier 113 is a DC voltage input from the DC power source 112 and a pseudo random number generator 114. Is a circuit that outputs a DC voltage corresponding to the pseudo-random number to the phase modulator 111.
  • the EDFA 121 is an optical component that includes an optical fiber doped with erbium, and amplifies and emits incident light.
  • the EDFA 121 amplifies incident light at a predetermined amplification factor set in advance so as to obtain a light intensity suitable for detection of strain and temperature in the detection optical fiber 15.
  • a loss occurs during propagation from the first light source 1 to the detection optical fiber 15, this loss is also compensated, and measurement in a predetermined measurement range becomes possible.
  • the DC power supply 132 is a power supply circuit that generates a DC voltage to be applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 131 in order to intensity-modulate the LN intensity modulator 131 so as to perform on / off control.
  • the timing pulse generator 134 is a pulse generation circuit that generates an operation timing pulse in order to operate the LN intensity modulator 131.
  • the multiplier 133 receives the DC voltage input from the DC power supply 132 and the timing pulse generator 134. This circuit multiplies the input operation timing pulse and outputs a DC voltage corresponding to the operation timing pulse to the LN intensity modulator 131.
  • pump light having a configuration shown in FIG. 6A can be generated.
  • the pump light shown in FIG. 6A is unmodulated with the main light pulse encoded by the spread spectrum method, and precedes in time without overlapping (without overlapping) the main light pulse. And sub-light pulses.
  • the main optical pulse is divided into a plurality of cells with a predetermined time width (cell width), and in the present embodiment, each cell is modulated (encoded) with an M-sequence binary code.
  • the cell width is set according to the desired spatial resolution
  • the pulse width of the main light pulse is set according to the desired measurement distance.
  • the sub light pulse has a pulse width that can completely raise the acoustic phonon, and in the example shown in FIG. 6A, the light intensity is the same as the light intensity of the main light pulse.
  • the sub light pulse and the main light pulse are continuous in time, but may be separated in time.
  • the time interval between the sub light pulse and the main light pulse is preferably within about 5 ns.
  • the continuous light L1 emitted from the first light source 1 passes through the optical coupler 2 and the LN intensity of the optical pulse generator 3. The light enters the modulator 101.
  • the pulse width (D sub + D) operation timing pulse is a timing pulse generator which corresponds to the pulse width D of the pulse width D sub and main light pulse of the sub light pulse
  • the voltage is output from 104 to the multiplier 103, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 102, and a DC voltage having a pulse width (D sub + D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101.
  • the LN intensity modulator 101 is turned on for a time width (D sub + D) corresponding to the pulse width (D sub + D) according to the operation timing pulse, and the continuous light L1 is turned on.
  • an optical pulse L2 having a pulse width (D sub + D) is emitted.
  • the pseudo random number is multiplied from the pseudo random number generator 114 by the time timing of the cell width during the time width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse at the generation timing of the main optical pulse.
  • the DC voltage is sequentially output to 113, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 112, and the DC voltage modulated with the M-sequence binary code from the generation timing of the main optical pulse is modulated with the time width D.
  • the signals are sequentially applied to the signal electrodes of the phase modulator 111.
  • the DC voltage modulated by the M-sequence binary code is emitted from the LN phase modulator 111 when the DC voltage corresponding to the case where the M-sequence binary code is “+” is supplied to the LN phase modulator 111.
  • the phase of light and the phase of light emitted from the LN phase modulator 111 are 180 degrees different from each other when a DC voltage corresponding to the case where the M-sequence binary code is “ ⁇ ” is supplied to the LN phase modulator 111. It is a correct voltage value.
  • the optical pulse L2 is an optical pulse composed of an unmodulated portion (corresponding to the sub optical pulse) and a portion modulated by the M-sequence binary code (corresponding to the main optical pulse) by the LN phase modulator 111. Injected as L3.
  • the light pulse L3 is amplified until it reaches a predetermined light intensity, and is emitted as the light pulse L4.
  • operation timing pulses having a pulse width (D sub + D) corresponding to the pulse width D sub of the sub optical pulse and the pulse width D of the main optical pulse are timing according to the generation timing of the pump light.
  • the pulse generator 134 outputs to the multiplier 133 and is multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 132, and a DC voltage having a pulse width (D sub + D) is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 131.
  • the optical pulse L4 is a sub-optical pulse that has an LN intensity modulator 131 to remove noise such as spontaneous emission light (ASE) associated with the optical pulse L4 by the EDFA 121, and has a pulse width D sub and is not modulated.
  • pump light L5 having the pulse width D and the main light pulse encoded by the spread spectrum method.
  • control processing unit 13 turns on the optical switch 4 and the optical switch 22 according to the generation timing of the pump light (sub optical pulse, main optical pulse, and optical pulse L4) in the optical pulse generation unit 3.
  • the control processing unit 13 notifies the distortion and temperature detector 14 of the generation timing of the pump light (sub light pulse and main light pulse).
  • the pump light (sub light pulse and main light pulse) is incident on the optical coupler 5 and branched into two.
  • One of the branched pump lights is incident on the light intensity / polarization adjustment unit 6, the light intensity is adjusted by the light intensity / polarization adjustment unit 6, and the polarization direction is adjusted randomly (randomly). 7, and enters one end of the detection optical fiber 15 via the optical coupler 8 and the optical connector 9.
  • the other sub light pulse and the main light pulse branched by the optical coupler 5 enter the strain and temperature detector 14.
  • the strain and temperature detector 14 measures the spectrum of the pump light (sub light pulse and main light pulse) and notifies the control processing unit 13 of the frequency and light intensity of the pump light. Upon receiving this notification, the control processing unit 13 controls the first ATC 10, the first AFC 11, and the light intensity / polarization adjustment unit 6 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.
  • the optical switch 22 when the optical switch 22 is turned on, the continuous light (probe light) is incident on the optical coupler 23 and branched into two. One of the branched probe lights (continuous light) is incident on the light intensity adjusting unit 24, the light intensity of which is adjusted by the light intensity adjusting unit 24, and incident on the 1 ⁇ 2 optical switch 25.
  • the 1 ⁇ 2 optical switch 25 is configured such that light incident from the input terminal is connected to the other end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 26.
  • the probe light (continuous light) is incident on the other end of the detection optical fiber 15 via the optical connector 26.
  • the 1 ⁇ 2 optical switch 25 detects light incident from the input terminal via the optical coupler 8 and the optical connector 9.
  • the probe light continuously light
  • the probe light is switched to be incident on one end of the optical fiber 15, and is incident on one end of the detection optical fiber 15 via the optical coupler 8 and the optical connector 9.
  • the other probe light continuously light branched by the optical coupler 23 enters the strain and temperature detector 14.
  • the strain and temperature detector 14 measures the spectrum of the probe light (continuous light) and notifies the control processor 13 of the frequency and light intensity of the probe light. Upon receiving this notification, the control processing unit 13 controls the second ATC 18, the second AFC 19, and the light intensity adjustment unit 24 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.
  • pump light (sub-light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 15 is incident from the other end of the detection optical fiber 15 and is detected.
  • the detection optical fiber 15 propagates from one end to the other end while causing a probe light (continuous light) propagating 15 and a stimulated Brillouin scattering phenomenon.
  • the pump light (sub light pulse and main light pulse) incident on one end of the detection optical fiber 15 is incident from one end of the detection optical fiber 15 and is detected.
  • the probe light (continuous light) that is reflected at the other end of the light 15 and propagates through the detection optical fiber 15 is propagated from one end to the other end of the detection optical fiber 15 while causing a stimulated Brillouin scattering phenomenon.
  • On / off timings of the optical switch 4 and the optical switch 22 are adjusted by the control processing unit 13 based on the interaction between the pump light and the probe light.
  • the strain and temperature detector 14 In the 1 ⁇ 2 optical switch 29, when Brillouin spectrum time domain analysis (BOTDA) is performed in the first mode or the second mode, light incident from the input terminal is incident on the strain and temperature detector 14. It is switched as follows. Therefore, the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is emitted from one end of the detection optical fiber 15, and the strain and temperature detector 14 is passed through the optical connector 9, the optical coupler 8, the optical circulator 7, and the 1 ⁇ 2 optical switch 29. Is incident on.
  • BOTDA Brillouin spectrum time domain analysis
  • the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon is extracted by direct detection as described above, converted into an electric signal by the light receiving element, and filtered by the matched filter.
  • this matched filter is a phase modulation pattern (P 1 P 2 P 3 ).
  • P n ⁇ 1 P n is a filter of an antiphase modulation pattern (P n P n ⁇ 1 ... P 3 P 2 P 1 ) obtained by temporally inverting P n ⁇ 1 P n ).
  • the matched filter converts the phase modulation pattern temporally.
  • the reverse pattern of “ ⁇ +... + ⁇ ++ ⁇ +” is inverted.
  • the degree of interaction between pump light (sub light pulse and main light pulse) and probe light (continuous light) related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon depends on the relative relationship between the polarization planes of these lights.
  • the polarization plane of the pump light randomly changes in the light intensity / polarization adjustment unit 6 for each measurement, the measurement is performed a plurality of times and the average value is adopted. Thus, this dependency can be substantially eliminated. For this reason, the light intensity distribution of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon can be obtained with high accuracy.
  • the distribution of the light intensity of the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is, for example, the frequency of the probe light (continuous light) emitted from the second light source 20.
  • the frequency of the probe light (continuous light) emitted from the second light source 20 By sweeping in a predetermined frequency range at predetermined frequency intervals by control, measurement is performed with high accuracy and high spatial resolution at each frequency. As a result, a Brillouin spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.
  • the strain and temperature detector 14 detects the frequency corresponding to the peak of the Brillouin spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 in a state in which no strain is generated and the state in which the strain is generated.
  • the length of the detection optical fiber 15 is determined by obtaining the difference from the frequency corresponding to the peak of the Brillouin spectrum in the region corresponding to each region where no distortion occurs.
  • the Brillouin frequency shift amount in each part in the scale direction is obtained with high accuracy and high spatial resolution.
  • step S3 the strain and temperature detector 14 estimates the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r from the Brillouin frequency shift amount ⁇ b obtained by the above processing, and in step S4, estimates the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r.
  • the sweep range of the frequency of the pulsed light for measuring the Rayleigh backscattered light is determined from the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r.
  • the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r are expressed by the following equations, where ⁇ is the strain change amount and ⁇ T is the temperature change amount.
  • ⁇ is the strain change amount
  • ⁇ T is the temperature change amount.
  • R11 ⁇ -0.15GHz / ⁇ it is R12 ⁇ -1.25GHz / °C.
  • ⁇ b B11 ⁇ ⁇ + B12 ⁇ ⁇ T (13)
  • ⁇ r R11 ⁇ ⁇ + R12 ⁇ ⁇ T (14)
  • the sensitivity of the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is very high compared to the Brillouin frequency shift amount ⁇ b. This is very advantageous for improving the measurement accuracy, but determines the frequency sweep range for measuring the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r as well as the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount ⁇ b. In this case, the frequency sweep range for measuring the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r becomes very wide, and the measurement takes a long time.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is estimated from the already measured Brillouin frequency shift amount ⁇ b.
  • ⁇ T 300 ° C.
  • the two frequencies obtained as described above may be used as they are, or a predetermined measurement margin amount may be added as appropriate, or the sweep range may be set by a predetermined amount in order to shorten the measurement time.
  • Various changes such as narrowing are possible.
  • the lower limit of the temperature change amount is assumed to be 0 ° C. and the magnitude of the strain is assumed to be unlimited.
  • the range of the temperature change amount and the strain magnitude depends on the application target of the apparatus. It may change.
  • an upper limit and a lower limit are assumed for the temperature change amount and an upper limit is assumed for the magnitude of distortion, the Rayleigh frequency sweep range is determined accordingly.
  • step S5 the strain and temperature detector 14 measures the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r using the frequency sweep range determined as described above.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is obtained by the following processing.
  • the control processing unit 13 controls the first ATC 10 and the first AFC 11 to cause the first light source 1 to emit continuous light at a predetermined frequency.
  • the continuous light emitted from the first light source 1 is incident on the optical pulse generator 3 and the 1 ⁇ 2 optical switch 31 via the optical coupler 2, and the 1 ⁇ 2 optical switch 31 is emitted from the first light source 1.
  • Continuous light is output to the optical coupler 30. Note that when the Rayleigh frequency shift amount is measured, the optical switch 22 is turned off, and no light enters from the other end of the detection optical fiber 15.
  • control processing unit 13 controls the optical pulse generation unit 3 to generate pulsed light for using the Rayleigh scattering phenomenon. More specifically, the control processing unit 13 generates pulsed light by operating the optical pulse generating unit 3 as follows, for example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the pulsed light emitted from the optical pulse generation unit 3 illustrated in FIG. 1, FIG. 7A illustrates the wavelength of the pulsed light, and FIG. 7B illustrates the pulsed light.
  • the waveform is shown.
  • the pulsed light shown in FIG. 7B is a rectangular wave of a predetermined level, and as shown in FIG. 7A, the cycle is sequentially increased by a predetermined frequency for every predetermined number of pulses.
  • the frequency is schematically shown so as to increase linearly, but strictly speaking, the frequency is increased every few pulses, and the pulse The frequency of light is increased in steps. Further, when the averaging described later is not performed, that is, when Rayleigh backscattered light is measured with one pulse, the frequency may be increased for each pulse.
  • the pulse light is not particularly limited to this example, and various forms of light can be used as long as the Rayleigh scattering phenomenon can be used.
  • various methods such as modulation (encoding) using an M-sequence binary code may be applied to light using the Rayleigh scattering phenomenon, similarly to the light used for the stimulated Brillouin scattering phenomenon.
  • the continuous light emitted from the first light source 1 is incident on the LN intensity modulator 101 of the optical pulse generation unit 3 via the optical coupler 2.
  • an operation timing pulse corresponding to the pulse width of the pulsed light is output from the timing pulse generator 104 to the multiplier 103 at the generation timing of the pulsed light, and is multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 102. Then, a DC voltage having a pulse width is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101.
  • the LN intensity modulator 101 is turned on for a time width corresponding to the pulse width in accordance with the operation timing pulse, and the continuous light is emitted as an optical pulse having a pulse width shown in FIG. 7B. Is done. Thereafter, the pulsed light enters the EDFA 121 via the LN phase modulator 111, is amplified until the optical pulse reaches a predetermined light intensity, and is emitted to the optical switch 4 via the LN intensity modulator 131.
  • control processing unit 13 turns on the optical switch 4 according to the generation timing of the pulsed light in the optical pulse generation unit 3, and notifies the generation and timing detector 14 of the generation timing of the pulsed light.
  • the pulsed light is incident on the optical coupler 5 and branched into two.
  • One of the branched pulse lights is incident on the light intensity / polarization adjustment unit 6, the light intensity is adjusted by the light intensity / polarization adjustment unit 6, and the polarization direction is adjusted randomly (randomly),
  • the light is incident on one end of the detection optical fiber 15 through the optical circulator 7, the optical coupler 8, and the optical connector 9.
  • the other pulsed light branched by the optical coupler 5 enters the strain and temperature detector 14.
  • the strain and temperature detector 14 measures the spectrum of the pulsed light and notifies the control processing unit 13 of the frequency and light intensity of the pulsed light. Upon receiving this notification, the control processing unit 13 controls the first ATC 10, the first AFC 11, and the light intensity / polarization adjustment unit 6 as necessary so that an optimum measurement result can be obtained.
  • the pulsed light incident on one end of the detection optical fiber 15 is scattered in the detection optical fiber 15 to cause a Rayleigh scattering phenomenon, and light related to the Rayleigh scattering phenomenon is emitted from one end of the detection optical fiber 15. Then, the light enters the optical coupler 30 through the optical connector 9, the optical coupler 8, the optical circulator 7, and the 1 ⁇ 2 optical switch 29. As a result, the two lights mixed by the optical coupler 30 enter the strain and temperature detector 14.
  • the first light source 1 functions as a wavelength variable light source, changes the wavelength of the pulsed light with time
  • the optical pulse generator 3 functions as a light intensity modulator, an optical amplifier, and a light intensity modulator.
  • the light intensity / polarization adjusting unit 6 functions as a high-speed polarization scrambler and gives a random polarization plane to each pulsed light.
  • the optical coupler 30 mixes the continuous wave from the first light source 1 and the Rayleigh backscattered light from the detection optical fiber 15, and the light receiving element of the strain and temperature detector 14 receives these lights homodyne.
  • the strain and temperature detector 14 adds the Rayleigh backscattered light corresponding to the change in wavelength and averages it. Therefore, smooth Rayleigh backscattered light can be obtained, and loss at each distance can be converted from the level of Rayleigh backscattered light.
  • the distribution of the light intensity of the light related to the Rayleigh scattering phenomenon in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is obtained by sweeping the frequency of the pulsed light in a predetermined frequency range under the control of the control processing unit 13. Is measured with high accuracy and high spatial resolution. As a result, a Rayleigh spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 can be obtained with high accuracy and high spatial resolution.
  • the strain and temperature detector 14 includes a Rayleigh spectrum in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 in a state where no distortion is generated, and the length of the detection optical fiber 15 in a state where the distortion is generated.
  • the Rayleigh frequency in each part in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is calculated by calculating the cross-correlation coefficient with the Rayleigh spectrum of the part corresponding to each part in the state where the distortion is not generated. The shift amount is obtained with high accuracy and high spatial resolution.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the Rayleigh frequency shift amount measured by the distributed optical fiber sensor FS shown in FIG.
  • FIG. 8A shows the Rayleigh spectrum when there is distortion and when there is no distortion
  • FIG. 8B shows the cross-correlation coefficient when there is distortion and when there is no distortion.
  • the Rayleigh spectrum when there is distortion is a solid line in the figure
  • the Rayleigh spectrum when there is no distortion is the broken line in the figure
  • the peak offset amount ⁇ vr of both cross-correlation coefficients is the Rayleigh frequency shift amount.
  • step S6 the strain and temperature detector 14 determines each part of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction from the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r obtained as described above. Detects strain and temperature in
  • the strain and temperature detector 14 substitutes the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and Rayleigh frequency shift amount ⁇ r of each region portion into the above formula, and the strain change amount ⁇ in each region portion in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15. Then, the temperature change amount ⁇ T is obtained, the obtained strain change amount ⁇ and the temperature change amount ⁇ T are added to a predetermined reference strain and reference temperature, and finally the strain and temperature are obtained with high accuracy and high spatial resolution.
  • the obtained strain and temperature distribution in each region in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is presented to an output unit (not shown) such as a CRT display device, an XY plotter, or a printer.
  • the distributed optical fiber sensor FS of the present embodiment measures the Brillouin frequency shift amount due to the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 using the Brillouin scattering phenomenon, and the Rayleigh scattering phenomenon. Since the Rayleigh frequency shift amount due to the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 is measured by using the two frequency shift amounts, the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 are simultaneously and independently measured. Thus, the strain and temperature of the measurement object provided with the detection optical fiber 15 can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution. As a result, it was possible to detect strain and temperature with a spatial resolution of about 0.1 m and an accuracy of about ⁇ 15 ⁇ or less.
  • the distributed optical fiber sensor includes the first light source 1, the optical couplers 2, 5, 8, 21, 23, 30, the optical pulse generator 3, and the light.
  • the strain and temperature detector 14 includes a light receiving element, an optical switch, an amplifier circuit, an analog / digital converter, a signal processing circuit, a spectrum analyzer, a computer (CPU), a memory, and the like.
  • the strain and temperature detector 14 is attached to the measurement object, and the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon from the detection optical fiber 15 in a state (reference state) in which heat or external force from the measurement object is not applied is distorted and detected.
  • the light receiving element for stimulated Brillouin scattered light in the temperature detector 14 When incident on the light receiving element for stimulated Brillouin scattered light in the temperature detector 14, the light receiving element for stimulated Brillouin scattered light and the amplification circuit are connected by an internal switch, and the stimulated Brillouin scattering is received at a predetermined sampling interval.
  • the Brillouin spectrum of each region portion (measured position) of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is obtained.
  • the strain and temperature detector 14 obtains a frequency (reference peak frequency) corresponding to the peak from the Brillouin spectrum of each obtained area portion (measured position), and each obtained area portion (measured position). Is stored in the memory.
  • the strain and temperature detector 14 receives light related to the Rayleigh backscattering phenomenon from the detection optical fiber 15 in the reference state and enters the light receiving element for Rayleigh backscattered light in the strain and temperature detector 14.
  • a light receiving element for Rayleigh backscattered light and an amplifier circuit are connected by an internal switch, and light related to the Rayleigh backscattering phenomenon received at a predetermined sampling interval is detected, whereby the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction is detected.
  • the Rayleigh spectrum (reference Rayleigh spectrum) of each region portion (measured position) of the detection optical fiber 15 is obtained.
  • the strain and temperature detector 14 stores the obtained reference Rayleigh spectrum of each region (measured position) in a memory.
  • the strain and temperature detector 14 is a detection optical fiber in a state (measurement state) in which the CPU measures the reference peak frequency of each actual measurement position stored in the memory and the temperature and strain of the measurement object. 15, the correction amount is derived from the peak frequency of the Brillouin spectrum obtained from the Brillouin backscattered light from each of the actual measurement positions.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the actual measurement position and the measurement desired position.
  • FIG. 9A shows a state in which the measurement object is not deformed by heat or the like
  • FIG. 9B shows a state in which the measurement object is deformed.
  • the amount of correction is the Brillouin spectrum obtained from the Brillouin backscattered light from the measurement desired position based on the peak frequency of the Brillouin spectrum obtained from the Brillouin backscattered light from the measured position by correcting the deviation between the measured position and the measurement desired position. It is used when estimating the peak frequency.
  • the correction amount is used when estimating the Rayleigh spectrum obtained from the Rayleigh backscattered light from the measurement desired position from the Rayleigh spectrum obtained from the Rayleigh backscattered light from the actual measurement position.
  • the actual measurement position is a position at which the Brillouin spectrum or the Rayleigh spectrum is actually measured in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 by the distributed optical fiber sensor FS as described above (FIG. 9A and FIG. 9). 9 (B), see black dot).
  • the positions are arranged at intervals of 5 cm from one end in the detection optical fiber 15.
  • the Brillouin backscattered light is measured based on the time during which the light propagates through the detection optical fiber 15.
  • the detection optical fiber 15 expands and contracts, Since the speed of light propagating through the optical fiber does not change, the actually measured position in the detection optical fiber 15 where the Brillouin backscattered light measured based on the time is changed even if the detection optical fiber 15 is expanded or contracted. Do not move (see black circle in FIG. 9B). That is, the distance from one end of the detection optical fiber 15 attached to the measurement object to each measured position is constant regardless of the expansion and contraction of the detection optical fiber 15.
  • the measurement desired position is a position set on the detection optical fiber 15 and is a position that overlaps the actual measurement position in the reference state (see dotted lines in FIGS. 9A and 9B). . Since the desired measurement position is a position on the detection optical fiber 15, the measurement desired position deviates from the actual measurement position due to the distortion (expansion / contraction) of the detection optical fiber 15 based on the deformation of the measurement object (broken line in FIG. 9B). reference). That is, the distance from one end of the detection optical fiber 15 attached to the measurement object to each measurement desired position changes as the detection optical fiber 15 expands and contracts.
  • the strain and temperature detector 14 uses the above correction amount to calculate the peak of the Brillouin spectrum at the desired measurement position corresponding to the actual measurement position from the peak frequency of the Brillouin spectrum at each actual measurement position in the detection optical fiber 15 in the measurement state. Estimate the frequency. Further, the strain and temperature detector 14 estimates the Rayleigh spectrum of the measurement desired position corresponding to the actual measurement position from the Rayleigh spectrum of each actual measurement position in the measurement state detection optical fiber 15 using the correction amount. .
  • the strain and temperature detector 14 derives (measures) the Brillouin frequency shift amount ⁇ b based on the reference peak frequency at each actual measurement position and the peak frequency at the measurement desired position corresponding to each actual measurement position. Further, the strain and temperature detector 14 derives (measures) the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r based on the reference Rayleigh spectrum at each actual measurement position and the Rayleigh spectrum at the measurement desired position corresponding to each actual measurement position.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining a strain and temperature measurement operation by the distributed optical fiber sensor FS according to the second embodiment.
  • the strain and temperature detector 14 is in a state in which the detection optical fiber 15 is in the reference state (for example, the detection optical fiber 15 is in the plant). Whether or not the peak frequency (reference peak frequency) and Rayleigh spectrum (reference Rayleigh spectrum) of the Brillouin spectrum at each actual measurement position in the state where the plant or the like is stopped) is stored in the memory. Determine whether.
  • step S12 the strain and temperature detector 14 estimates the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and measures the Brillouin frequency shift amount ⁇ b as in step S1 of the first embodiment.
  • the control processing unit 13 is instructed to emit the continuous light from the first and second light sources 1 and 20 within the determined sweep range. If the reference peak frequency and the reference Rayleigh spectrum at each measured position are stored in the memory, the process proceeds to step S15.
  • the strain and temperature detector 14 measures the reference peak frequency of the Brillouin spectrum. For example, in the same manner as measuring the light intensity distribution of light (Brillouin backscattered light) related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 in step S2 of the first embodiment, strain and temperature are measured.
  • the detector 14 measures the light intensity distribution related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon, obtains the Brillouin spectrum of each region portion in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 from the measurement result, and obtains a reference peak from each of the Brillouin spectra. Each frequency is derived.
  • the reference peak frequency of the Brillouin spectrum at the actually measured positions set at intervals of 5 cm in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is measured.
  • the reference peak frequencies of the Brillouin spectrum at the above measured positions are stored in the memory of the strain and temperature detector 14, respectively.
  • the strain and temperature detector 14 measures the reference Rayleigh spectrum.
  • the strain and temperature detector 14 is used for the Rayleigh spectrum. Measure.
  • reference Rayleigh spectra at actual measurement positions set at intervals of 5 cm in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 are measured.
  • the frequency sweep range is preferably set as wide as possible within the range allowed by the memory capacity for storing the obtained data (Rayleigh spectrum or the like).
  • the reference Rayleigh spectrum at each actual measurement position measured in this way is stored in the memory of the strain and temperature detector 14, respectively.
  • the distortion of the measurement object is detected. Measurement with temperature is performed. At this time, the detection optical fiber 15 is in a state (measurement state) in which external force or heat based on distortion of the measurement object or temperature change can be applied to the detection optical fiber 15.
  • ⁇ ⁇ Strain and temperature detector 14 switches to Brillouin measurement mode. Specifically, in step S15, the strain and temperature detector 14 estimates the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and determines the frequency sweep range for measuring the Brillouin frequency shift amount ⁇ b, as in step S11.
  • the control processing unit 13 is instructed to emit continuous light from the first and second light sources 1 and 20 within the swept range.
  • step S16 the strain and temperature detector 14 measures the peak frequency of the Brillouin spectrum at each actual measurement position of the detection optical fiber 15 as in step S13.
  • step S17 the strain and temperature detector 14 extracts the reference peak frequencies stored in the memory, and from these reference peak frequencies and the peak frequencies obtained from the detection optical fiber 15 in the measurement state, A correction amount to be used when correcting the peak frequency measured from the detection optical fiber 15 in the measurement state is derived.
  • This correction amount is derived, for example, by the following processing.
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams illustrating an example of a method for deriving the correction amount.
  • the strain and temperature detector 14 divides the detection optical fiber 15 in the reference state into a plurality of regions in the longitudinal direction, sets one of them as a reference region rz, and detects the detection optical fiber 15 in the measurement state.
  • a correction region sz having a length corresponding to the reference region rz is set in a part of the longitudinal direction of the.
  • the strain and temperature detector 14 includes a waveform (see rz in FIG. 11A) in which the values of the reference peak frequencies at the respective measurement positions included in the reference region rz are arranged in the longitudinal direction and the correction region sz.
  • a cross-correlation coefficient is calculated with a waveform (see sz in FIG. 11A) in which the peak frequency values at the respective measured positions are arranged in the longitudinal direction.
  • the strain and temperature detector 14 repeatedly calculates the cross-correlation coefficient while moving the correction region sz at predetermined intervals along the longitudinal direction (sz1, sz2, sz3,... In FIG. 11A), and the result Is plotted (see FIG. 11B).
  • the movement length (offset amount) that maximizes the cross-correlation coefficient is the correction amount.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the peak frequency of the Brillouin spectrum in each region (measurement position) in the longitudinal direction in the detection optical fiber in which a different type fiber is connected in the middle.
  • the method of deriving the correction amount is not limited to the method of deriving using the reference region rz and the correction region sz that have the same longitudinal range as described above.
  • the range of the correction region in the longitudinal direction may be made larger or smaller than the reference region rz based on the expansion and contraction of the detection optical fiber 15. Thereby, it becomes possible to measure the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount with higher accuracy.
  • the strain and temperature detector 14 repeats the derivation of the correction amount with the plurality of regions obtained by dividing the detection optical fiber 15 in the reference state in the longitudinal direction as reference regions rz. Thereby, the correction amount with respect to all the actual measurement positions of the detection optical fiber 15 is derived.
  • step S18 the strain and temperature detector 14 estimates the peak frequency at the measurement desired position corresponding to each actual measurement value from the peak frequency obtained from each actual measurement value.
  • the peak frequency at the measurement desired position is obtained by the following processing.
  • the strain and temperature detector 14 derives a desired measurement position corresponding to the actual measurement position from each actual measurement position based on the correction amount derived for each reference region as described above.
  • the strain and temperature detectors 14 are mutually connected so that the peak frequency values obtained discretely in the longitudinal direction (in this embodiment, at intervals of 5 cm in the longitudinal direction) are continuous in the longitudinal direction. Interpolates between measured values (peak frequencies) between adjacent measured positions.
  • the above-described interpolation is performed by the B-spline interpolation method.
  • the present invention is not limited to this, and another interpolation method, a least square method, or the like may be performed.
  • the strain and temperature detector 14 estimates the peak frequency obtained from the Brillouin backscattered light from the desired measurement position based on each desired measurement position and the interpolated value thus obtained.
  • step S19 the strain and temperature detector 14 determines the reference peak frequency at each actual measurement position of the detection state optical fiber 15 stored in the memory and each actual measurement position estimated by the above processing.
  • the Brillouin frequency shift amount ⁇ b is derived (measured) from the difference from the peak frequency at the measurement desired position corresponding to.
  • the strain and temperature detector 14 is changed from the Brillouin measurement mode to the Rayleigh measurement mode.
  • the strain and temperature detector 14 estimates the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r from the Brillouin frequency shift amount ⁇ b obtained by the above processing in step S20, and step S21.
  • the frequency sweep range of the pulsed light for measuring the Rayleigh backscattered light is determined from the estimated Rayleigh frequency shift amount ⁇ r.
  • step S22 the strain and temperature detector 14 measures the Rayleigh spectrum at each actually measured position of the detection optical fiber 15 as in step S5 of the first embodiment.
  • step S23 the strain and temperature detector 14 estimates the Rayleigh spectrum at the measurement desired position corresponding to each measured position from the Rayleigh spectrum obtained at each measured position. For example, the Rayleigh spectrum at the measurement desired position is obtained by the following processing.
  • the strain and temperature detector 14 derives a desired measurement position corresponding to the actual measurement position from each actual measurement position based on the correction amount derived for each reference region in step S17.
  • the strain and temperature detectors 14 are adjacent to each other so that Rayleigh spectra obtained discretely in the longitudinal direction (in this embodiment, at intervals of 5 cm in the longitudinal direction) are continuous in the longitudinal direction. Interpolates between measured values (Rayleigh spectra) between measured positions.
  • the strain and temperature detector 14 estimates the Rayleigh spectrum obtained from the Rayleigh backscattered light from each measurement desired position based on each measurement desired position and the interpolated value obtained in this way.
  • step S24 the strain and temperature detector 14 determines the reference Rayleigh spectrum at each actual measurement position stored in the memory and the Rayleigh at the measurement desired position corresponding to each actual measurement position estimated by the above processing. Based on the spectrum, the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is derived (measured) in the same manner as in step S5 of the first embodiment.
  • each step stored in the memory is the same as in step S5 of the first embodiment.
  • the Rayleigh The frequency shift amount ⁇ r is easily derived.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is not sufficiently smaller than the above-mentioned shift amount compared to the frequency range of the reference Rayleigh spectrum or the frequency range of the corresponding Rayleigh spectrum (that is, relatively large). Since the corresponding range (overlap part) between the reference Rayleigh spectrum and the corresponding Rayleigh spectrum when deriving the number of relations is small, the reliability of the derived cross-correlation coefficient is reduced (the error is increased), thereby causing the Rayleigh It is difficult to derive the frequency shift amount ⁇ r.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is sufficiently smaller than the frequency range of the reference Rayleigh spectrum and the frequency range of the corresponding Rayleigh spectrum
  • the horizontal axis is the frequency
  • the vertical axis is the spectrum level.
  • the reference Rayleigh spectrum waveform and the corresponding Rayleigh spectrum waveform are moved relative to each other in the frequency axis direction (left-right direction in FIG. 8), and the reference Rayleigh spectrum at each relative position.
  • the strain and temperature detector 14 fixes the waveform of the reference Rayleigh spectrum and moves (shifts) the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum to the left and right while mutual phase at each position (each shift amount). The number of relationships is derived.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r as shown in FIG. 13 is the range of the frequency of the reference Rayleigh spectrum stored in the memory of the strain and temperature detector 14 or the frequency range of the corresponding Rayleigh spectrum (FIG. 13).
  • the overlapping portion indicated by a thick line in FIG. 13 Since the range in the frequency axis direction is small, the reliability of the cross-correlation coefficient derived at each relative position decreases.
  • the waveform portion of the reference Rayleigh spectrum in the measured frequency range Ra (the solid line portion of the upper waveform in FIG. 13) Co1.
  • the corresponding Coil portion of the corresponding Rayleigh spectrum only a part (overlap portion: the thick line portion of the waveform on the lower side of FIG. 13) falls within the frequency range Ra.
  • the extension or distortion in the detection optical fiber 15 is not uniform (that is, nonuniform) in each part in the longitudinal direction and the direction orthogonal thereto, the waveform of the reference Rayleigh spectrum and the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum
  • the portions Co1 and Co2 corresponding to each other do not completely match.
  • the strain and temperature detector 14 determines a predetermined Rayleigh frequency shift amount.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is derived by comparing the predetermined threshold value with the cross-correlation coefficient at each relative position in the frequency axis direction of the waveform of the reference Rayleigh spectrum and the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum. Try.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is derived by comparing the predetermined threshold value with the cross-correlation coefficient at each relative position, that is, comparing the numerical values, the Rayleigh frequency shift can be easily performed.
  • the quantity ⁇ r is derived.
  • the waveform of the reference Rayleigh spectrum actually measured at a specific actual measurement position at a predetermined time interval and the corresponding Rayleigh at the measurement desired position corresponding to the specific actual measurement position
  • the spectrum waveform has a form as shown in FIG. 14, for example.
  • the waveform of the reference Rayleigh spectrum and the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum in this figure are relatively moved in the frequency axis direction, and the cross-correlation coefficient at each relative position is derived and plotted, a graph as shown in FIG. 15 is obtained. It is done.
  • FIG. 15 in the actual measurement, there are cases where many peaks appear because the elongation, distortion, etc. at each part of the detection optical fiber 15 are not uniform.
  • the strain and temperature detector 14 uses a predetermined threshold th as shown in FIG. 15 stored in advance in the memory, and compares the threshold th with the cross-correlation coefficient to thereby determine the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r. Attempt to derive
  • This threshold th is the smallest value when the shift amount in the frequency axis direction of the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum with respect to the waveform of the reference Rayleigh spectrum when the cross-correlation coefficient is obtained, and the shift amount is large. Along with this, it becomes a large value. This is because the smaller the shift amount, the larger the overlapping portion of the corresponding portion of the waveform of the reference Rayleigh spectrum and the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum within a predetermined frequency range. The reliability of the derived cross-correlation coefficient is high even if the magnitude of the cross-correlation coefficient is low compared to when the shift amount is large.
  • the threshold th is based on a probability (false alarm probability) regarding the reliability of the cross-correlation coefficient between the reference Rayleigh spectrum and the corresponding Rayleigh spectrum, and corresponds to the corresponding Rayleigh spectrum (or the corresponding Rayleigh spectrum).
  • the false alarm probability is determined to be constant for each shift amount of the reference Rayleigh spectrum.
  • the false alarm probability is when the shift amount is not a correct value (that is, when the corresponding portions of the waveform of the reference Rayleigh spectrum and the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum do not overlap), The probability that the value exceeds the threshold.
  • This false alarm probability is theoretically obtained for each threshold value in each shift amount by considering a case where the reference Rayleigh spectrum and the corresponding Rayleigh spectrum are uncorrelated. Therefore, a threshold value for each shift amount is obtained by designating the false alarm probability (see threshold value th in FIG. 15).
  • the threshold th is compared with the value of the cross correlation coefficient. If there is a cross-correlation coefficient exceeding the threshold th (arrow ⁇ in FIG. 15), the shift amount in the frequency axis direction of the corresponding Rayleigh spectrum with respect to the waveform of the reference Rayleigh spectrum when the cross-correlation coefficient is obtained. It can be easily derived as the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r.
  • the cross-correlation coefficient between the reference Rayleigh spectrum and the corresponding Rayleigh spectrum is calculated. It may be used. That is, the strain and temperature detector 14 obtains the cross-correlation coefficient between the square root of the reference Rayleigh spectrum and the square root of the corresponding Rayleigh spectrum for each shift amount, and exceeds the threshold th at which the false alarm probability becomes constant at each shift amount.
  • the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r may be derived from the peak position of the cross correlation coefficient.
  • the false alarm probability is reduced, and this causes an error for each shift amount.
  • the threshold th that makes the alarm probability constant also decreases.
  • the certainty of detecting the correct Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is improved.
  • the false alarm probability is lower when using the square root instead of the spectrum itself because the probability distribution of the spectrum value becomes an exponential distribution, whereas the probability distribution of the square root value becomes a Rayleigh distribution. This is because the exponential distribution is longer at the tail of the distribution.
  • the strain and temperature detector 14 uses the threshold value th as described above. Then, the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is detected.
  • the strain and temperature detector 14 cannot derive the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r even when the threshold value th as described above is used (when a plurality of cross-correlation coefficients exceed the threshold value th or none). Etc.). In that case, the strain and temperature detector 14 further derives the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r as follows.
  • the Brillouin frequency shift amount ⁇ b is already measured (derived) in step S19.
  • the strain and temperature detector 14 cannot derive the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r even using the threshold th, the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is already obtained using the already derived Brillouin frequency shift amount ⁇ b.
  • the strain and temperature detector 14 uses the following equation (13) and the following equation (13) used when estimating the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r from the Brillouin frequency shift amount ⁇ b in step S20 (step S3 in the first embodiment).
  • equation (14) the relative position between the waveform of the reference Rayleigh spectrum and the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum (in this embodiment, the shift amount in the frequency axis direction of the waveform of the corresponding Rayleigh spectrum with respect to the waveform of the reference Rayleigh spectrum).
  • 16A which shows the relationship with the cross-correlation coefficient, is determined, and the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is obtained within the scanning range Sa1 (see FIG. 16B) based on the scanning range Sa. .
  • the strain and temperature detector 14 adds the value of the Brillouin frequency shift amount ⁇ b measured in step S19 and specific values of B11 and R11 (for example, B11 in the first embodiment) to the obtained equation (17). ⁇ 0.05 ⁇ 10 ⁇ 3 GHz / ⁇ , R11 ⁇ 0.15 GHz / ⁇ )) is substituted, and the lower limit value of the scanning range Sa (solid line on the left side in FIG. 16A) is derived and obtained.
  • the value of the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and specific values of B12 and R12 for example, in the first embodiment, B12 ⁇ 1.07 ⁇ 10 ⁇ 3 GHz / ° C., R12 ⁇ 1.
  • the strain and temperature detector 14 adds a predetermined measurement margin (dotted line in FIG. 16A) in consideration of errors.
  • the strain and temperature detector 14 obtains the value of the relative position (shift amount) having the largest cross-correlation coefficient within the scanning range Sa1 including the predetermined measurement margin as described above. Derived as a frequency shift amount ⁇ r.
  • the strain and temperature detector 14 is limited to the method using the threshold th in this way, the method using the Brillouin frequency shift amount ⁇ b already obtained, and the equations (13) and (14). There is no need to derive the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r from the data (reference Rayleigh spectrum and corresponding Rayleigh spectrum) containing a lot of noise using another method or both of the above method and the other method in order. May be configured.
  • step S24 when the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r is derived (measured) in step S24, finally, in step S25, the strain and temperature detector 14 obtains the Brillouin frequency shift obtained by the above processing. From the amount ⁇ b and the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r, the strain and temperature at each site in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 are detected.
  • the detection optical fiber 15 is long, or the temperature change and the distortion change are large, which causes a deviation between the actual measurement position and the measurement desired position in the measurement state. Even if it is large, the correction amount relating to this shift is derived from the Brillouin backscattered light, and the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount can be accurately detected by using this correction amount. In particular, by using this correction amount, it is possible to reliably detect the Rayleigh frequency shift amount (Rayleigh measurement).
  • the result shown in FIG. 17A is obtained.
  • the external force applied to the detection optical fiber 15 from the measurement object is obtained by measuring the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r without performing correction by the correction amount as in the above configuration.
  • the result shown by the alternate long and short dash line in FIG. is used to obtain a correction amount for correcting the deviation between the actual measurement position and the measurement desired position accompanying the expansion / contraction of the detection optical fiber 15 as in the above configuration.
  • the result shown in FIG. 17B was obtained.
  • the Brillouin frequency shift amount ⁇ b and the Rayleigh frequency shift amount ⁇ r are measured and the external force applied to the detection optical fiber 15 from the measurement object is obtained, thereby obtaining the result shown by the solid line in FIG. .
  • FIG. 17C by correcting the deviation between the actually measured position and the measurement desired position that accompanies the expansion and contraction of the detection optical fiber 15, noise resulting from the expansion and contraction is reduced, and the result is less shake. was gotten.
  • the distributed optical fiber sensor FS having the configuration shown in FIG. 1 can also constitute a BOTDR by a part of its constituent elements.
  • FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the distributed optical fiber sensor when the distributed optical fiber sensor shown in FIG. 1 is configured as BOTDR. In FIG. 18, only the blocks necessary for configuring the BOTDR are shown, and some of the blocks are not shown.
  • the BOTDR distributed optical fiber sensor FS includes a first light source 1, an optical pulse generator 3, an optical switch 4, an optical coupler 5, a light intensity / polarization adjuster 6, and an optical circulator 7.
  • the optical connector 9 includes a first ATC 10, a first AFC 11, a control processing unit 13, a strain and temperature detector 14, and a detection optical fiber 15.
  • the optical coupler 2 interposed between the first light source 1 and the optical pulse generator 3 and the optical coupler 8 interposed between the optical circulator 7 and the optical connector 9 are shown in FIG.
  • the distributed optical fiber sensor FS is configured as a BOTDR, it does not function substantially, so the illustration thereof is omitted, and the 1 ⁇ 2 optical switch 29 not shown is an optical circulator 7 and a strain and temperature detector. 14 is connected.
  • the strain and temperature detector 14 controls each part of the distributed optical fiber sensor FS by inputting / outputting a signal to / from the control processing unit 13, thereby causing a natural Brillouin scattering phenomenon received at a predetermined sampling interval. By detecting such light, the Brillouin gain spectrum of each region portion of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15 is obtained, and the Brillouin gain spectrum of each region portion thus obtained is obtained. Based on this, the Brillouin frequency shift amount of each region is determined.
  • Each incident light incident from the input terminal of the strain and temperature detector 14 is converted into an electric signal corresponding to the amount of received light by a light receiving element that performs photoelectric conversion, and this electric signal is converted into a digital electric signal by an analog / digital converter. And used to determine the Brillouin gain spectrum.
  • an optical bandpass filter hereinafter abbreviated as “optical BPF”
  • this optical BPF transmits an optical component having a narrow predetermined transmission frequency band, that is, light having a narrow predetermined frequency band.
  • it is an optical component that blocks light in a band other than the predetermined frequency band.
  • the following narrow line width optical bandpass filter is used.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining a narrow-line-width optical bandpass filter.
  • FIG. 19A is a block diagram showing a configuration of a narrow linewidth optical bandpass filter
  • FIGS. 19B to 19D are diagrams for explaining the operation of the narrowlinewidth optical bandpass filter. is there.
  • the incident light incident on the input terminal of the strain and temperature detector 14 from the optical circulator 7 is filtered by, for example, the light BPF shown in FIG. 19, and light related to the natural Brillouin scattering phenomenon is extracted. Further, incident light is converted into an electric signal by a light receiving element, filtered by a matched filter, converted into a digital electric signal by an analog / digital converter, and used for obtaining a Brillouin gain spectrum. Further, if necessary, the electric signal is amplified by the amplifier circuit before being digitally converted.
  • the optical BPF 310 includes a first Fabry-Perot etalon filter (hereinafter abbreviated as “EF”) 311 and a second EF 312 optically connected to the first EF 311. Configured.
  • the first EF 311 is set such that the full width at half maximum FWHM1 is a frequency width corresponding to a predetermined transmission frequency band in the optical BPF 310, and the center frequency fa1 of the transmission frequency band is set. Is set to coincide with the center frequency fa of the transmission frequency band in the optical BPF 310.
  • the second EF 312 has an FSR (Free Spectral).
  • the range (free spectrum range) 2 is set to be wider than the frequency interval between the frequency of the optical pulse (sub optical pulse and main optical pulse) and the frequency of the natural Brillouin backscattered light, and the transmission frequency band is
  • the full width at half maximum FWHM 2 is set to be equal to or greater than the full width at half maximum FWHM 1 of the first EF 311, and one of the center frequencies fa 2 of the transmission frequency band is the transmission frequency band in the optical BPF 310. It is set to coincide with the center frequency fa.
  • the first EF 311 transmits light having a frequency corresponding to a predetermined transmission frequency band. That is, light having a frequency corresponding to the full width at half maximum FWHM1 is transmitted for each FSR1 of the first EF 311.
  • the light transmitted through the first EF 311 is transmitted through the second EF 312, and only the light having a frequency corresponding to the transmission frequency band of the center frequency fa1 of the first EF 311 is transmitted.
  • the transmission frequency characteristic of the narrow-band optical BPF 310 having such a configuration is obtained by combining the transmission frequency characteristic of the first EF 311 shown in FIG. 19B and the transmission frequency characteristic of the second EF 312 shown in FIG. 19C.
  • the full width at half maximum FWHM is the full width at half maximum FWHM1 of the first EF 311
  • the FSR is the second EF 312.
  • FSR2 of Note that the first EF 311 and the second EF 312 may be optically connected in reverse.
  • the control processing unit 13 inputs and outputs a signal to and from the strain and temperature detector 14, thereby determining the strain and temperature distribution of the detection optical fiber 15 in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15.
  • the first light source 1, the first ATC 10, the first AFC 11, the optical pulse generation unit 3, the optical switch 4, and the light intensity / polarization adjustment unit 6 are controlled so that the measurement is performed with a high spatial resolution and a longer distance.
  • the sub light pulse and the main light pulse generated by the first light source 1 and the light pulse generation unit 3 are the optical switch 4, the optical coupler 5, the light intensity / polarization light, and the like.
  • the light is incident from one end of the detection optical fiber 15 through the adjustment unit 6, the optical circulator 7, and the optical connector 9.
  • a spread spectrum system is used for the main light pulse.
  • the light (natural Brillouin backscattered light) subjected to the natural Brillouin scattering phenomenon in the detection optical fiber 15 is emitted from one end of the detection optical fiber 15 and received by the strain and temperature detector 14.
  • B Gain -OTDR Brillouin gain spectrum time domain reflection analysis
  • the spatial resolution and the measurable distance can be set independently by configuring the optical pulse by the main optical pulse and the sub optical pulse using the spread spectrum method. Therefore, the strain and temperature can be measured with a high spatial resolution, and the measurable distance can be extended to measure further.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining a method of obtaining the Brillouin frequency shift amount by subtracting the constituent elements from the whole.
  • the horizontal axis in FIG. 20 is the frequency expressed in MHz, and the vertical axis is the Brillouin gain expressed in mW.
  • 20A shows the first to third Brillouin spectra
  • FIG. 20B shows the result of subtracting the second and third Brillouin spectra from the whole.
  • the solid line in FIG. 20A is the first Brillouin spectrum, which is the entire Brillouin spectrum
  • the broken line is the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum, which are constituent elements.
  • the strain and temperature detector 14 obtains a first Brillouin spectrum based on the light related to the first stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15 in this case.
  • the main light pulse as the pump light and the continuous light as the probe light are made incident on the detection optical fiber 15, and the strain and temperature detector 14 is used for detection in this case.
  • a second Brillouin spectrum is obtained based on the light related to the second stimulated Brillouin scattering phenomenon emitted from the optical fiber 15.
  • the strain and temperature detector 14 may obtain a difference between the first Brillouin spectrum and the second Brillouin spectrum and measure the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference. .
  • the strain and temperature detector 14 may obtain a difference between the first Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum, and measure the strain temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference.
  • the first Brillouin spectrum (solid line in FIG. 20A) is obtained by operating the distributed optical fiber sensor FS as described above.
  • the second and third Brillouin spectra are obtained by operating the distributed optical fiber sensor FS as described above.
  • the strain and temperature detector 14 determines the difference between the first Brillouin spectrum (solid line in FIG. 20A) and the sum of the second Brillouin spectrum and the third Brillouin spectrum (broken line in FIG. 20A) ( FIG. 20 (B)) is obtained. Then, the strain and temperature detector 14 may measure the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference.
  • the sub optical pulse and the main optical pulse are incident on the detection optical fiber 15 under the control of the control processing unit 13 to detect the strain and temperature.
  • the total 14 obtains the first Brillouin gain spectrum based on the light related to the first natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15.
  • the main light pulse is incident on the detection optical fiber 15, and the strain and temperature detector 14 is subjected to second natural Brillouin scattering emitted from the detection optical fiber 15 in this case.
  • a second Brillouin gain spectrum is obtained based on the light related to the phenomenon.
  • the strain and temperature detector 14 obtains a difference between the first Brillouin gain spectrum and the second Brillouin gain spectrum, and the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference. May be measured.
  • the sub optical pulse is made incident on the detection optical fiber 15, and the strain and temperature detector 14 causes the third natural Brillouin scattering phenomenon emitted from the detection optical fiber 15 in this case.
  • a third Brillouin gain spectrum is obtained based on the light related to.
  • the strain and temperature detector 14 obtains a difference between the first Brillouin gain spectrum and the third Brillouin gain spectrum, and the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 based on the obtained difference. May be measured.
  • the second and third Brillouin gain spectra are determined, respectively, and the strain and temperature detector 14 determines the first Brillouin gain spectrum, the second Brillouin gain spectrum, and the third Brillouin gain spectrum.
  • the difference and the sum may be obtained, and the strain and temperature generated in the detection optical fiber 15 may be measured based on the obtained difference.
  • FIG. 21 is a diagram showing an experimental result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration shown in FIG. 6A is used.
  • FIG. 21A shows the Brillouin gain spectrum
  • FIG. 21B shows the Brillouin frequency shift.
  • the x-axis is the frequency (MHz)
  • the y-axis is the Brillouin gain (nW)
  • the z-axis is the distance (m) in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15.
  • the horizontal axis represents the distance (m) in the longitudinal direction of the detection optical fiber 15
  • the vertical axis represents the peak frequency (MHz).
  • the solid line is the measured peak frequency and the dashed line is the Brillouin frequency shift.
  • the pump light is composed of a sub-light pulse with a pulse width of 30 ns and a main light pulse with a pulse width of 12.7 ns following the sub-light pulse,
  • the main optical pulse is divided into 127 cells having a cell width of 0.1 ns, and each cell is modulated (encoded) with an M-sequence binary code and subjected to spread spectrum encoding.
  • FIG. 21A When pump light partially using the spread spectrum method is incident on such a detection optical fiber 15 and measured, a Brillouin gain spectrum shown in FIG. 21A is obtained. As a result, FIG. The Brillouin frequency shift shown in B) is obtained. As shown in FIG. 21, the Brillouin frequency shift amount due to a predetermined magnitude of distortion is measured at each distortion position shown in Table 1, and distortion is obtained with high accuracy and high spatial resolution. Understood.
  • the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, so that the distortion is reduced. While being able to measure with high spatial resolution, the measurable distance can be extended to measure farther.
  • the pump light (sub light pulse and main light pulse) shown in FIG. 6 is used.
  • the present invention is not limited to this.
  • the pump light shown in FIG. Light may be used.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining another configuration of the pump light (sub light pulse and main light pulse).
  • FIG. 22A shows another first configuration of the pump light
  • FIG. 22 ) Shows another second configuration of the pump light.
  • the light intensity of the sub light pulse is the same level as the light intensity of the main light pulse.
  • the light intensity of the pulse may be smaller than the light intensity of the main light pulse.
  • the sub-light pulse plays a role in raising the acoustic phonon in advance of the main light pulse in time, so that a large light intensity is not required unlike the main light pulse, and the light intensity of the main light pulse. Smaller than that.
  • Each pump light shown in FIGS. 6A and 22A is configured such that the sub light pulse precedes the main light pulse in time without overlapping the main light pulse.
  • the pump light may have a portion where the main light pulse and the sub light pulse overlap in time.
  • the portion of the sub light pulse that does not overlap the main light pulse is relative to the main light pulse.
  • the time is preceded, and it is more preferable that the portion of the sub light pulse that does not overlap with the main light pulse is longer than the time for which the acoustic phonon is completely activated, for example, about 30 ns or more.
  • FIG. 23 is a diagram showing an experimental result of the distributed optical fiber sensor when the pump light having the configuration shown in FIG. 22B is used.
  • FIG. 23A shows the Brillouin gain spectrum
  • FIG. 23B shows the Brillouin frequency shift.
  • Each axis in FIGS. 23A and 23B is the same as FIGS. 21A and 21B.
  • the pump light overlaps the sub-light pulse having a pulse width of 132.3 ns and the sub-light pulse with a time delay of 30 ns from the sub-light pulse.
  • the main optical pulse is divided into 1023 cells having a cell width of 0.1 ns, and each cell is modulated with an M-sequence binary code to be spread spectrum encoded. Has been.
  • FIG. 23A The Brillouin frequency shift shown in FIG. As shown in FIG. 23, the Brillouin frequency shift amount due to a predetermined amount of distortion is measured at each distortion position shown in Table 1, and distortion is obtained with high accuracy and high spatial resolution. Understood.
  • the spatial resolution and the measurable distance can be set independently, so that the distortion is reduced. While being able to measure with high spatial resolution, the measurable distance can be extended to measure farther.
  • FIG. 24 is a diagram for explaining still another configuration of the pump light (sub-light pulse and main light pulse) and a matched filter.
  • FIG. 24A shows the configuration of the pump light
  • FIG. ) Is a diagram showing a matched filter.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining the configuration and operation of an optical pulse generator for generating pump light having the configuration shown in FIG.
  • the pump light having the configuration shown in FIG. 22B is composed of a sub light pulse having a portion that temporally precedes the main light pulse and having a portion overlapping the main light pulse, and a main light pulse.
  • the pump light has a sub light pulse that overlaps the main light pulse so as to completely coincide with the main light pulse without having a portion preceding the main light pulse in time, and the main light pulse.
  • an optical pulse In other words, the rising timing and the falling timing of the sub optical pulse coincide with the rising timing and the falling timing of the main optical pulse, respectively.
  • Such pump light having the configuration shown in FIG. 24A can be generated from the optical pulse generator 3 having the configuration shown in FIG. 25, for example.
  • the configuration is identical to the configuration of the optical pulse generation unit 3 and the optical switch 4 shown in FIG. 5, and the operation thereof is the same as that of the optical pulse generation unit 3 shown in FIG. It is different from the operation. For this reason, description of the structure is abbreviate
  • the LN intensity modulator 101 leaks (emits) a predetermined level of light (leakage light) in order to generate sub-light pulses. ) So that it is on.
  • the LN intensity modulator 101 emits the leakage light.
  • an operation timing pulse having a pulse width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse is output from the timing pulse generator 104 to the multiplier 103 and input from the DC power supply 102 at the generation timing of the pump light.
  • the obtained DC voltage is multiplied, and a DC voltage having a pulse width D is applied to the signal electrode of the LN intensity modulator 101.
  • the continuous light L11 is emitted by the LN intensity modulator 101 as an optical pulse L12 in which an optical pulse having a pulse width D is superimposed on leakage light.
  • the pseudo random number is multiplied from the pseudo random number generator 114 by the time timing of the cell width during the time width D corresponding to the pulse width D of the main optical pulse at the generation timing of the main optical pulse.
  • the DC voltage is sequentially output to 113, multiplied by the DC voltage input from the DC power supply 112, and the DC voltage modulated with the M-sequence binary code from the generation timing of the main optical pulse is modulated with the time width D.
  • the signals are sequentially applied to the signal electrodes of the phase modulator 111.
  • the optical pulse L12 is emitted as an optical pulse L13 in which a portion (corresponding to the main optical pulse) modulated by the M-sequence binary code is superimposed on the leakage light by the LN phase modulator 111.
  • the light pulse L13 is amplified until it reaches a predetermined light intensity, and is emitted as a light pulse L14.
  • the optical pulse L14 is removed from the LN intensity modulator 131 by the EDFA 121, such as spontaneous emission light accompanying the optical pulse L14, and light caused by the leakage light before and after the optical pulse L14 (in the EDFA 121).
  • the main light pulse coincides with the sub light pulse in time and overlaps and is emitted as pump light L15.
  • the optical pulses (sub optical pulse and main optical pulse) shown in FIGS. 6A, 22A, 22B, and 24A are the BOTDR distributed optical fiber sensors described above. However, it can be used in the same manner as the BOTDA distributed optical fiber sensor. Note that, as described above, since BOTDR uses acoustic phonons excited by thermal noise, the sub light pulse does not necessarily precede the main light pulse in terms of time. Of course, the sub light pulse may precede the main light pulse in terms of time.
  • the pump light (sub light pulse and main light pulse), not only the step-like pulse described in Patent Document 1 but also the following pulse may be used.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse as another example.
  • the horizontal axis represents time (time) expressed in ns
  • the vertical axis represents light intensity.
  • the main light pulse OPm has a first predetermined pulse width D1 and a rectangular shape having a first predetermined light intensity P1 (the light intensity P is constant at the first predetermined light intensity P1 between the first predetermined pulse widths D1).
  • the sub optical pulse OPs has a second predetermined pulse width D2 and a rectangular shape having the second predetermined light intensity P2 (the light intensity P is constant at the second predetermined light intensity P2 between the second predetermined pulse widths D2). .
  • a predetermined time is provided between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm. Accordingly, the second predetermined pulse width D2 of the sub light pulse OPs is shorter than the time from the rise of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm.
  • the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062
  • the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 5 ns and a light intensity P2 of 0.005.
  • a time of 7 ns is left between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm (from the fall of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm).
  • FIG. 27 is a diagram illustrating waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • the main optical pulse OPm has a rectangular shape with a first predetermined pulse width D1 and a first predetermined light intensity P1
  • the sub optical pulse OPs has a second predetermined light intensity with a second predetermined pulse width D2. (Maximum light intensity)
  • the light intensity P rises at P2, and the light intensity P gradually decreases with time, and the main light pulse OPm rises almost immediately after the end of the sub light pulse OPs.
  • the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062
  • the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 13 ns and a rising light intensity P2 of 0.005. is there.
  • FIG. 28 is a diagram showing waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • the main optical pulse OPm has a rectangular shape with a first predetermined pulse width D1 and a first predetermined light intensity P1
  • the sub optical pulse OPs has a light intensity with a second predetermined pulse width D2.
  • P is a right triangle shape that gradually increases with time until the second predetermined light intensity (maximum light intensity) P2, and the first optical pulse OPm rises almost immediately after the end of the second optical pulse OPs.
  • the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062
  • the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 13 ns and the falling light intensity P2 has a maximum light intensity.
  • the main light pulse OPm has a rectangular shape with a first predetermined pulse width D1 and a first predetermined light intensity P1
  • the sub light pulse OPs has a light intensity with a second predetermined pulse width D2.
  • P is an isosceles triangle shape that gradually increases to a second predetermined light intensity (maximum light intensity) P2 over time and then gradually decreases over time
  • the main light pulse OPm is the end of the sub light pulse OPs. It stands up almost immediately after.
  • the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062
  • the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 13 ns and the maximum light intensity P2 at the center of the pulse is 0. .005.
  • the main optical pulse OPm has a first predetermined pulse width D1 and a rectangular shape having a first predetermined light intensity P1
  • the sub optical pulse OPs has a second predetermined pulse width D2 and a light intensity.
  • P is a Gaussian curve shape that gradually increases to the second predetermined light intensity (maximum light intensity) P2 over time and then gradually decreases over time.
  • a predetermined time is provided between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm. Accordingly, the second predetermined pulse width D2 of the sub light pulse OPs is shorter than the time from the rise of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm.
  • the main light pulse OPm has a pulse width D1 of 1 ns and a light intensity P1 of 0.062
  • the sub light pulse OPs has a pulse width D2 of 5 ns and a maximum light intensity P2 of 0.005.
  • a time of 4.5 ns is left between the sub light pulse OPs and the main light pulse OPm (from the fall of the sub light pulse OPs to the rise of the main light pulse OPm).
  • FIG. 29 is a diagram showing waveforms of the sub light pulse and the main light pulse of another example.
  • the first and second optical pulses OPw1 and OPw2 have the same pulse width and optical intensity, and a predetermined time is left between the first optical pulse OPw1 and the second optical pulse OPw2.
  • the first and second optical pulses OPw1 and OPw2 have a pulse width of 1 ns, a light intensity of 0.062, and a predetermined time of 5 ns.
  • the frequency of the pump light (sub light pulse and main light pulse) is fixed, and the frequency of the probe light (continuous light) is swept within a predetermined frequency range. Then, the Brillouin spectrum is measured, but the Brillouin spectrum may be measured by fixing the frequency of the probe light and sweeping the frequency of the pump light in a predetermined frequency range.
  • a distributed optical fiber sensor for Brillouin spectral time domain analysis BOTDA
  • a distributed optical fiber sensor for Brillouin spectral time domain reflection analysis BOTDR
  • the Rayleigh scattering phenomenon The distributed optical fiber sensor is configured so that it can be executed integrally with the coherent optical pulse tester (COTDR), but the distributed optical fiber sensor capable of executing the Brillouin spectral time domain analysis and the Brillouin spectral time domain reflection analysis
  • the distributed optical fiber sensor capable of performing the above and the distributed optical fiber sensor using the Rayleigh scattering phenomenon may be configured separately or may be partially shared.
  • the cell width can be set to an arbitrary width (second).
  • the cell width is set to 0.1 ns (nanoseconds), but can be set to a shorter value such as a picosecond order. Therefore, the distributed optical fiber sensor FS of the present embodiment can realize an ultra-high resolution on the order of millimeters, and can also be applied to measure distortion of an optical component, for example, distortion of an optical waveguide. It is.
  • the distributed optical fiber sensor according to the present invention is a distributed optical fiber sensor that uses an optical fiber as a sensor, and a Brillouin frequency shift amount due to strain and temperature generated in the optical fiber by utilizing a Brillouin scattering phenomenon.
  • Brillouin measurement means for measuring Rayleigh measurement means for measuring the Rayleigh frequency shift amount due to strain and temperature generated in the optical fiber using the Rayleigh scattering phenomenon, Brillouin frequency shift amount measured by the Brillouin measurement means, And calculating means for calculating strain and temperature generated in the optical fiber from the Rayleigh frequency shift amount measured by the Rayleigh measuring means.
  • the Brillouin frequency shift due to strain and temperature generated in the optical fiber is measured using the Brillouin scattering phenomenon, and the strain and temperature generated in the optical fiber using the Rayleigh scattering phenomenon are measured. Since the Rayleigh frequency shift amount is measured, the strain and temperature generated in the optical fiber can be calculated simultaneously and independently using the two frequency shift amounts, and the measurement object to which the optical fiber is attached Can be measured simultaneously and independently with high spatial resolution.
  • the Rayleigh measuring means of the invention determines a sweep range of the frequency of the pulsed light for measuring Rayleigh backscattered light from the Brillouin frequency shift amount measured by the Brillouin measuring means, and the pulse within the determined sweep range It is also possible to measure the Rayleigh frequency shift amount by sweeping light and measuring Rayleigh backscattered light.
  • the sweep range of the pulsed light frequency for measuring the Rayleigh backscattered light is determined from the measured Brillouin frequency shift amount, and the pulsed light is swept within the determined sweep range to measure the Rayleigh backscattered light. Therefore, it is possible to sweep the pulsed light in a necessary and sufficiently narrow sweep range, and to measure the Rayleigh frequency shift amount having a very high sensitivity compared with the sensitivity of the Brillouin frequency shift amount in a short time.
  • the Rayleigh measuring means of the present invention provides the first Rayleigh frequency shift amount calculated from the amount of change in temperature when all of the Brillouin frequency shift amounts measured by the Brillouin measuring means are shift amounts due to temperature.
  • the second Rayleigh frequency shift amount calculated from the amount of change in distortion when all the Brillouin frequency shift amounts measured by the Brillouin measuring means are shift amounts due to distortion is the second frequency. It is also possible to determine the sweep range based on the first frequency and the second frequency.
  • the sweep range of the frequency of the pulsed light for measuring the Rayleigh backscattered light can be determined easily and in a short time from the measured Brillouin frequency shift amount, which is compared with the sensitivity of the Brillouin frequency shift amount.
  • the Rayleigh frequency shift amount having very high sensitivity can be measured in a shorter time.
  • the Rayleigh measuring means of the invention includes a Rayleigh scattering spectrum from the optical fiber in a predetermined reference state, and a Rayleigh scattering spectrum from the optical fiber in a measurement state of strain and temperature generated in the optical fiber in the reference state.
  • the Rayleigh frequency shift amount can be measured from the cross-correlation coefficient and the threshold value based on the probability related to the reliability of the cross-correlation coefficient.
  • the Rayleigh measuring means may include a square root of a Rayleigh scattering spectrum from the optical fiber in a predetermined reference state and a square root of a Rayleigh scattering spectrum from the optical fiber in a measurement state of strain and temperature generated in the optical fiber in the reference state.
  • the Rayleigh frequency shift amount can be measured from the cross-correlation coefficient between and the threshold based on the probability related to the reliability of the cross-correlation coefficient.
  • the level of the cross-correlation coefficient when it is uncorrelated with each other decreases, so the correct peak can be selected more reliably from the multiple peaks of the cross-correlation coefficient It becomes possible.
  • one of the Brillouin measuring means or the Rayleigh measuring means of the present invention includes an actual measurement position determined based on a travel time of light propagating in the optical fiber, and an actual measurement position as the optical fiber expands and contracts. While deriving a correction amount related to the desired measurement position on the optical fiber that is shifted, the correction amount is used to measure one of the Brillouin frequency shift amount or the Rayleigh frequency shift amount, and the other measurement means It is possible to measure the other of the Brillouin frequency shift amount or the Rayleigh frequency shift amount using the correction amount derived by the measuring means.
  • the Brillouin backscattered light actually measured in the optical fiber (measured position) where the Brillouin backscattered light (or Rayleigh backscattered light) and the Brillouin frequency shift amount (or Rayleigh frequency shift amount) are derived.
  • the correction amount relating to this deviation is used as the Brillouin backscattered light (or Rayleigh backscattered light )
  • the Brillouin frequency shift amount and the Rayleigh frequency shift amount can be accurately derived.
  • the Brillouin measurement means of the present invention includes Brillouin backscattered light from the optical fiber in a predetermined reference state, and Brillouin backscatter from the optical fiber in a state of measuring strain and temperature generated in the optical fiber in the reference state.
  • the correction amount can be derived using light.
  • the light intensity distribution (measured value) of the Brillouin backscattered light measured from the optical fiber in the measurement state and the light intensity distribution (measured value) of the Brillouin backscattered light measured from the optical fiber in the reference state
  • the peak frequency can be derived easily and with high accuracy, and the correction amount can be easily and accurately derived based on the peak frequency in each measurement state.
  • the Brillouin measurement means of the invention includes a storage unit that stores a reference measurement value obtained from Brillouin backscattered light from the optical fiber in the reference state, and the reference measurement value stored in the storage unit. And a correction amount deriving unit that derives the correction amount based on the measurement value obtained from the Brillouin backscattered light from the optical fiber in the measurement state.
  • the correction amount can be derived with higher accuracy, and as a result, the measurement object to which the optical fiber is attached is obtained. It becomes possible to accurately measure the strain and temperature of an object.
  • a plurality of actually measured positions according to the invention are set at intervals along the longitudinal direction of the optical fiber, and the storage unit includes Brillouin backscattered light from each actually measured position of the optical fiber in the reference state.
  • a plurality of obtained reference measurement values are stored, and the correction amount derivation unit sets a reference region in a part in the longitudinal direction of the optical fiber in the reference state, and the reference stored in the storage unit It is possible to derive the correction amount based on the reference measurement value of the actual measurement position in the region and the measurement value obtained from the Brillouin backscattered light from each actual measurement position in the optical fiber in the measurement state.
  • a reference region is set in a part in the longitudinal direction of the optical fiber in the reference state, the measurement value obtained from the actual measurement position included in the region, and the optical fiber obtained from the optical fiber in the measurement state
  • the correction amount can be derived reliably and in a short time.
  • the Brillouin measurement means of the present invention is based on the measurement values obtained from the Brillouin backscattered light from each measured position of the optical fiber in the measurement state, the plurality of measurement values in the longitudinal direction of the optical fiber
  • An interpolation unit that interpolates between measurement values at measurement positions adjacent to each other in the longitudinal direction so as to be continuous, and a plurality of actual measurements included in the reference region based on the correction amount derived by the correction amount deriving unit Estimated measurement values obtained from Brillouin backscattered light from each measurement desired position based on the measurement desired position and the value interpolated by the interpolation unit based on the measurement desired position corresponding to each actual measurement position.
  • the measurement value obtained from the Brillouin backscattered light from the desired measurement position corresponding to the actual measurement position is interpolated between a plurality of measurement values that can only be obtained discretely in the longitudinal direction of the optical fiber. Can be easily performed.
  • the distributed optical fiber sensor according to the present invention further includes polarization control means for randomly changing a polarization plane of light, and the Brillouin measurement means and the Rayleigh measurement means use the polarization control means as stimulated Brillouin scattered light. Can also be used for measurement of Rayleigh backscattered light.
  • the polarization control means is shared for the measurement of the stimulated Brillouin scattered light and the Rayleigh backscattered light, the configuration of the distributed optical fiber sensor can be simplified and the apparatus cost can be reduced.
  • the Brillouin measurement means of the present invention includes a light pulse light source that generates a main light pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub light pulse, a continuous light light source that generates continuous light, and the main light pulse.
  • a light pulse light source that generates a main light pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub light pulse
  • a continuous light light source that generates continuous light
  • the main light pulse Are incident on the sub light pulse and the main light pulse, the continuous light is incident, the sub light pulse, the main light pulse, and the continuous light
  • a Brillouin gain based on the light related to the stimulated Brillouin scattering phenomenon detected by the matched filter Spectrum or seek Brillouin loss spectrum
  • the distributed optical fiber sensor can function as BOTDA, and the strain and temperature can be measured with a high spatial resolution, and the measurable distance can be extended and further measured.
  • the Brillouin measurement means of the present invention the optical pulse light source that generates a main optical pulse using a spread spectrum method and an unmodulated sub optical pulse, the sub optical pulse and the main optical pulse are incident, A detection optical fiber in which a natural Brillouin scattering phenomenon occurs due to a sound wave caused by thermal noise in the sub light pulse and the main light pulse, and light related to the natural Brillouin scattering phenomenon by filtering light emitted from the detection optical fiber.
  • a Brillouin gain spectrum is obtained based on the matched filter corresponding to the spread spectrum method to be detected and the light related to the natural Brillouin scattering phenomenon detected by the matched filter, and the Brillouin gain spectrum is obtained Brill measuring the Brillouin frequency shift based on It is possible to provide an emission measurement unit.
  • the distributed optical fiber sensor can be made to function as a BOTDR, and it is possible to measure farther by extending the measurable distance while making it possible to measure strain and temperature with high spatial resolution.
  • the distributed optical fiber sensor according to the present invention is useful for a distributed optical fiber sensor that measures the strain and temperature of an object to be inspected. Suitable for independent high-resolution measurements.

Abstract

【課題】計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる分布型光ファイバセンサを提供する。 【解決手段】分布型光ファイバセンサＦＳは、光ファイバ１５をセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアン散乱現象を利用して光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測し、レイリー散乱現象を利用して光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測し、計測されたブリルアン周波数シフト量とレイリー周波数シフト量とから、光ファイバ１５に生じた歪みと温度とを算出する。

Description

分布型光ファイバセンサ
　本発明は、光ファイバをセンサとして用い、その長尺方向について歪み及び温度を高精度で測定し得る分布型光ファイバセンサに関する。
　従来、歪みや温度を測定する技術として、光ファイバ中で起こるブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法において、光ファイバは、当該光ファイバの設置される環境（計測対象物）における歪み及び／又は温度を検出する媒体として利用される。
　ブリルアン散乱現象とは、光が光ファイバへ入射された場合に光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象であり、互いに周波数の異なる２つの光が光ファイバに入射され、これら２つの光の相互作用によって生じる誘導ブリルアン散乱現象と、光が光ファイバに入射され、この光と光ファイバ中の熱雑音によって生じている音響フォノンとの相互作用によって生じる自然ブリルアン散乱現象とがある。このブリルアン散乱現象の際に見られるブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪み及び温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって歪み及び／又は温度が測定される。
　このブリルアン散乱現象を利用した歪みや温度の分布を計測する代表的な方式として、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）及びＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）がある。
　まず、ＢＯＴＤＡでは、誘導ブリルアン散乱現象が利用され、互いに周波数の異なる２つのレーザ光がポンプ光及びプローブ光として検出用光ファイバへ対向して入射され、検出用光ファイバにおける、ポンプ光を入射した端部から射出される誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＡでは、ポンプ光及びプローブ光の相互作用によって音響フォノンが励起されている。
　一方、ＢＯＴＤＲでは、１つのレーザ光がポンプ光として検出用光ファイバの一方端から入射され、前記一方端から射出される自然ブリルアン散乱現象に係る光が光バンドパスフィルタによって検出され、この検出された自然ブリルアン散乱現象に係る光の光強度が時間領域で測定される。このＢＯＴＤＲでは、熱雑音によって生じている音響フォノンが利用されている。
　そして、これらＢＯＴＤＡ及びＢＯＴＤＲにおいて、このような測定がポンプ光の周波数又はＢＯＴＤＡではプローブ光の周波数を順次に変化させながら周波数毎に行われ、検出用光ファイバの長尺方向に沿った各部分のブリルアン・ゲイン・スペクトル（又はＢＯＴＤＡではブリルアン・ロス・スペクトル）がそれぞれ求められ、この測定結果に基づいて検出用光ファイバの長尺方向に沿った歪み分布及び／又は温度分布が測定される。上記のポンプ光には、通常、光強度が矩形状である光パルスが用いられ、ＢＯＴＤＡにおけるプローブ光には、連続光（ＣＷ光）が用いられる。
　ここで、ＢＯＴＤＡでは、プローブ光を基準として、ポンプ光の周波数をプローブ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される一方、プローブ光の周波数をポンプ光の周波数よりも高くすることによって、ブリルアン・ロス・スペクトルが検出される。また、ＢＯＴＤＲでは、ブリルアン・ゲイン・スペクトルが検出される。ＢＯＴＤＡでは、これらブリルアン・ゲイン・スペクトル及びブリルアン・ロス・スペクトルのいずれを用いても歪み及び／又は温度が求められる。本明細書では、ブリルアン・ゲイン・スペクトルとブリルアン・ロス・スペクトルとを、ＢＯＴＤＡでは、適宜、単に「ブリルアンスペクトル」と呼称することとする。
　このＢＯＴＤＡ及びＢＯＴＤＲの空間分解能は、測定に用いられるポンプ光の光パルスのパルス幅で制限される。光ファイバの材質によって光ファイバ中の光の速度が若干異なるが、通常使用される一般的な光ファイバでは、音響フォノンの完全な立ち上がりに約２８ｎｓが必要である。このため、ブリルアンスペクトルは、光パルスのパルス幅が約２８ｎｓ以上までは、ローレンツ曲線（Lorentzain curve）であり、それよりも光パルス幅を短くすると、広帯域な曲線となって、中心周波数近傍で急峻さを失ったなだらかな形状となる。このため、中心周波数を求めることが難しくなって、その空間分解能は、通常、約２～３ｍとされている。
　そこで、本願発明者は、上記の光パルスを２つの成分から構成することによって、高精度（例えば２００με以下）及び高空間分解能（例えば１ｍ以下）で歪み及び／又は温度の分布を測定する手法を特許文献１で提案した。本願発明者は、本方式をＰＰＰ－ＢＯＴＤＡ／ＢＯＴＤＲ（Pulse Pre-Pumped BOTDA/BOTDR）と呼んでいる。なお、１００μεは、０．０１％に相当する（１００με＝０．０１％）。また、ブリルアン周波数シフトは、歪みに対して、約５００ＭＨｚ／％である。
　しかしながら、ブリルアン散乱現象を利用して計測されるブリルアン周波数シフト量は、光ファイバの歪みと温度との２つのパラメータに依存して変化するため、ブリルアン散乱現象を利用して測定できるパラメータは、基本的に歪み又は温度の一方のみであり、歪みと温度とを分離して同時に計測することはできない。
国際公開第２００６／００１０７１号パンフレット
　本発明の目的は、計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる分布型光ファイバセンサを提供することである。
　そして、この目的を達成するために、本発明に係る分布型光ファイバセンサは、光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、ブリルアン散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量とから、前記光ファイバに生じた歪みと温度とを算出する算出手段とを備える。
　この分布型光ファイバセンサにおいては、ブリルアン散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、２つの周波数シフト量を用いて光ファイバに生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、光ファイバが付設された計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。
　そのため、本発明に係る分布型光ファイバセンサにおいては、被検査対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。
図１は、本発明の第１実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。 図３は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。 図４は、図１に示す分布型光ファイバセンサによる歪み及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。 図５は、図１に示す光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。 図６は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成及び整合フィルタを説明するための図である。 図７は、図１に示す光パルス生成部から射出されるパルス光の一例を示す図である。 図８は、図１に示す分布型光ファイバセンサにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。 図９は、実測位置と計測希望位置との関係を説明する図である。 図１０は、本発明の第２実施形態における分布型光ファイバセンサによる歪み及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。 図１１は、補正量の導出方法を説明するための図である。 図１２は、中間に異種ファイバが接続された検出用光ファイバの長尺方向における各位置でのブリルアンスペクトルのピーク周波数を示す図である。 図１３は、参照レイリースペクトルと測定したレイリースペクトルとの関係を説明するための模式図である。 図１４は、参照レイリースペクトル及び測定したレイリースペクトルを示す図である。 図１５は、閾値と相互相関係数との関係を示す図である。 図１６は、参照レイリースペクトルに対する測定したレイリースペクトルのシフト量と相互相関係数との関係からレイリー周波数シフト量を求めるための走査範囲を決める方法を説明するための図である。 図１７は、補正量による補正の効果を説明するための図である。 図１８は、図１に示す分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。 図１９は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。 図２０は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフトを求める方法を説明するための図である。 図２１は、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。 図２２は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の構成を説明するための図である。 図２３は、図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。 図２４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のさらに他の構成及び整合フィルタを説明するための図である。 図２５は、図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。 図２６は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 図２７は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 図２８は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。 図２９は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。
　以下、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第１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符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、第１実施形態における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
　図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３、３０と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１自動温度制御部（以下、「第１ＡＴＣ」と略記する。）１０と、第１自動周波数制御部（以下、「第１ＡＦＣ」と略記する。）１１と、制御処理部１３と、歪み及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２自動温度制御部（以下、「第２ＡＴＣ」と略記する。）１８と、第２自動周波数制御部（以下、「第２ＡＦＣ」と略記する。）１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５、２９、３１とを備える。
　第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８によって予め設定される所定温度で略一定に保持されるとともに、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９によって予め設定される所定周波数で略一定に保持されることにより、所定周波数の連続光を生成して射出する光源装置である。第１光源１の出力端子（射出端子）は、光カプラ２の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。第２光源２０の出力端子（射出端子）は、光カプラ２１の入力端子（入射端子）に光学的に接続される。
　第１及び第２光源１、２０は、それぞれ、例えば、発光素子と、発光素子の近傍に配置され、この発光素子の温度を検出する温度検出素子（例えば、サーミスタ等）と、発光素子の後方から射出されるバック光を受光して２つに分岐する光カプラ（例えばハーフミラー等）で分岐された一方の光を、周期的フィルタであるファブリペローエタロンフィルタ（Fabry-perotetalon Filter）を介して受光する第１受光素子と、光カプラで分岐した他方の光を受光する第２受光素子と、温度調整素子と、これら発光素子、温度検出素子、光カプラ、第１及び第２受光素子、ファブリペローエタロンフィルタ及び温度調整素子が配設される基板とを備えて構成される。
　発光素子は、線幅の狭い所定周波数の光を発光するとともに、素子温度や駆動電流を変更することによって発振波長（発振周波数）を変えることができる素子であり、例えば、多量子井戸構造ＤＦＢレーザや可変波長分布ブラッグ反射型レーザ等の波長可変半導体レーザ（周波数可変半導体レーザ）である。したがって、第１光源１は、周波数可変光源としても機能する。
　第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子は、検出した各検出温度を第１及び第２ＡＴＣ１０、１８へそれぞれ出力する。第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備え、各受光光強度に応じた各受光出力を第１及び第２ＡＦＣ１１、１９へそれぞれ出力する。温度調整素子は、発熱及び吸熱を行うことにより基板の温度を調整する部品であり、例えば、ペルチェ素子やゼーベック素子等の熱電変換素子を備えて構成される。
　第１及び第２ＡＴＣ１０、１８は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における各温度検出素子の各検出温度に基づいて各温度調整素子を制御することによって、各基板の温度を所定温度に自動的に略一定に保持する回路である。これによって第１及び第２光源１、２０における各発光素子の温度が所定温度に自動的に略一定に保持される。このため、発光素子が発光する光の周波数が温度依存性を有する場合に、その温度依存性が抑制される。
　第１及び第２ＡＦＣ１１、１９は、それぞれ、制御処理部１３の制御に従って、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２受光素子の各受光出力に基づいて各発光素子を制御することによって、各発光素子が発光する光の周波数を所定周波数に自動的に略一定に保持したり、所定の周波数範囲で掃引したりする回路である。
　第１及び第２光源１、２０における光カプラ、ファブリペローエタロンフィルタ、第１及び第２受光素子と、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９とは、第１及び第２光源１、２０における発光素子が発光する光の波長（周波数）を略固定する所謂波長ロッカーをそれぞれ構成している。
　光カプラ２、５、２１、２３は、１個の入力端子から入射された入射光を２つの光に分配して２個の出力端子へそれぞれ射出する光部品である。光カプラ８は、２個の入力端子のうちの一方の入力端子から入射された入射光を１個の出力端子から射出するとともに、他方の入力端子から入射された入射光を上記の出力端子から射出する光部品である。光カプラ３０は、２個の入力端子から入射された２つの入射光を結合して２個の出力端子から射出する光部品である。光カプラ２、５、２１、２３、８、３０は、例えば、ハーフミラー等の微少光学素子形光分岐結合器や溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。
　光カプラ２の一方の出力端子は、光パルス生成部３の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、１×２光スイッチ３１の入力端子に光学的に接続される。光カプラ５の一方の出力端子は、光強度・偏光調整部６の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ２１の一方の出力端子は、光スイッチ２２の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２８を介して基準用光ファイバ１７の他方端に光学的に接続される。光カプラ２３の一方の出力端子は、光強度調整部２４の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。光カプラ８の一方の入力端子は、光サーキュレータ７の第２端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２５の他方の出力端子に光学的に接続され、出力端子は、光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に光学的に接続される。光カプラ３０の一方の入力端子は、１×２光スイッチ３１の他方の出力端子に光学的に接続され、他方の入力端子は、１×２光スイッチ２９の一方の出力端子に光学的に接続され、２つの出力端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。
　光パルス生成部３は、第１光源１が射出した連続光が入射され、この連続光から、ポンプ光として、メイン光パルスとサブ光パルスとを生成する装置である。メイン光パルスは、スペクトル拡散方式が用いられた光パルスである。スペクトル拡散方式としては、例えば、周波数を変化させる周波数チャープ方式や、位相を変調する位相変調方式や、これら周波数チャープ方式と位相変調方式とを組み合わせたハイブリッド方式等を挙げることができる。
　周波数チャープ方式としては、例えば、周波数を単調に、例えば直線的に変化させる方式等が挙げられる。そして、位相変調方式としては、例えば、ＰＮ系列を用いて位相を変調する方式等が挙げられる。ＰＮ系列は、疑似乱数（pseudo-random number）系列であり、ＰＮ系列としては、例えば、Ｍ系列（maximal-length　sequences）やＧｏｌｄ系列等が挙げられる。Ｍ系列は、複数段のシフトレジスタとその複数段の各段における各状態の論理結合をシフトレジスタへフィードバックする論理回路とを備えて構成される回路によって生成することが可能である。また、Ｇｏｌｄ系列は、ｎ次の原始多項式Ｆ１（ｘ）及びＦ２（ｘ）で発生されたＭ系列の０を－１に、１を＋１に対応させた系列をそれぞれＭｉ、Ｍｊとすると、両者の積Ｍｉ・Ｍｊによって生成することが可能である。また、位相変調方式の疑似乱数系列としてＧｏｌａｙ符号系列を用いることもできる。このＧｏｌａｙ符号系列は、自己相関関数のサイドローブが厳密に０になるという優れた特性を有している。サブ光パルスは、変調されていない無変調の光パルスであり、その最大光強度がメイン光パルスの光強度以下であるとともに、パルス幅が音響フォノンの寿命よりも充分に長い。
　そして、光パルス生成部３は、制御処理部１３の制御に従って、本実施の形態のブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）では、メイン光パルスがサブ光パルスよりも時間的に先に検出用光ファイバ１５に入射されないように、サブ光パルス及びメイン光パルスを生成する。このような光パルス生成部３によって生成されるポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスについては、後述する。
　光スイッチ４、２２は、制御処理部１３の制御に従って、入力端子と出力端子との間で光をオン／オフする光部品である。オンでは、光が透過され、オフでは、光が遮断される。光スイッチ４、２２は、本実施の形態では、例えばＭＺ光変調器や半導体電界吸収型光変調器等の、入射光の光強度を変調する光強度変調器が用いられる。光スイッチ４、２２には、制御処理部１３によって制御され、この光強度変調器を駆動するドライバ回路が含まれる。このドライバ回路は、例えば、光強度変調器を通常状態においてオフするための直流電圧信号を生成する直流電源と、通常オフされている光強度変調器をオンするための電圧パルスを生成するパルス発生器と、この電圧パルスの生成タイミングを制御するタイミング発生器とを備えて構成される。光スイッチ４の出力端子は、光カプラ５の入力端子に光学的に接続される。光スイッチ２２の出力端子は、光カプラ２３の入力端子に光学的に接続される。
　光強度・偏光調整部６は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整するとともに、入射光の偏光面をランダムに変更して射出する部品である。光強度・偏光調整部６の出力端子は、光サーキュレータ７の第１端子に光学的に接続される。光強度・偏光調整部６は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出するとともにその減衰量を変更することができる光可変減衰器と、入射光の偏光面をランダムに変えて射出することができる偏光制御器とを備えて構成される。光強度・偏光調整部６は、誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用され、光の偏光面をランダムに変更する。
　光サーキュレータ７、１２は、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。すなわち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出されるとともに、第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出されるとともに、第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出されるとともに、第２端子からは射出されない。光サーキュレータ７の第１端子は、光強度・偏光調整部６の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光カプラ８の一方の入力端子に光学的に接続され、第３端子は、１×２光スイッチ２９の入力端子に光学的に接続される。光サーキュレータ１２の第１端子は、１×２光スイッチ３１の一方の出力端子に光学的に接続され、第２端子は、光コネクタ２７を介して基準用光ファイバ１７の一方端に光学的に接続され、第３端子は、歪み及び温度検出計１４の入力端子に光学的に接続される。
　光コネクタ９、２６、２７、２８は、光ファイバ同士や光部品と光ファイバとを光学的に接続する光部品である。
　光強度調整部２４は、制御処理部１３によって制御され、入射光の光強度を調整して射出する部品である。光強度調整部２４の出力端子は、光スイッチ２５の入力端子に光学的に接続される。光強度調整部２４は、例えば、入射光の光強度を減衰して射出する光可変減衰器と、入力端子から出力端子へ一方向のみ光を透過する光アイソレータとを備えて構成される。光強度調整部２４に入射した入射光は、光可変減衰器で光強度が所定光強度に調整されて光アイソレータを介して射出される。この光アイソレータは、分布型光ファイバセンサＦＳ内における各光部品の接続部等で生じる反射光の伝播やサブ光パルス及びメイン光パルスの第２光源２０への伝播を防止する役割を果たす。
　１×２光スイッチ２５、２９、３１は、光路を切り換えることによって、入力端子から入射された光を２個の出力端子のうちの何れか一方から射出する１入力２出力の光スイッチであり、例えば、機械式光スイッチや光導波路スイッチ等が利用される。
　１×２光スイッチ２５の一方の出力端子は、光カプラ８の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様（両端測定）で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように、１×２光スイッチ２５が切り換えられ、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様（片端測定）で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように、１×２光スイッチ２５が切り換えられる。
　１×２光スイッチ２９の一方の出力端子は、光カプラ３０の他方の入力端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、歪み及び温度検出計１４に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様、又はブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が歪み及び温度検出計１４へ入射されるように、１×２光スイッチ２９が切り換えられ、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）として動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ３０の他方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ２９が切り換えられる。
　１×２光スイッチ３１の一方の出力端子は、光サーキュレータ１２の第１端子に光学的に接続され、他方の出力端子は、光カプラ３０の一方の入力端子に光学的に接続される。制御処理部１３の制御（又は手動）に従って、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第１態様、又はブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）の第２態様で動作させる場合には、入力端子から入射された光が光サーキュレータ１２へ入射されるように、１×２光スイッチ３１が切り換えられ、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）として動作させる場合には、入力端子から入射された光が光カプラ３０の一方の入力端子へ入射されるように、１×２光スイッチ３１が切り換えられる。
　検出用光ファイバ１５は、歪み及び温度を検出するセンサ用の光ファイバであり、ＢＯＴＤＡでは、サブ光パルス及びメイン光パルスと連続光とが入射され、誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光が射出され、また、レイリー散乱現象を利用する場合、パルス光が入射され、レイリー散乱現象の作用を受けた光が射出される。ここで、配管、油田管、橋、トンネル、ダム、建物等の構造物や地盤等の計測対象物に生じた歪み及び温度を測定する場合には、検出用光ファイバ１５が接着剤や固定部材等によって計測対象物に固定される。
　基準用光ファイバ１７は、第１及び第２光源１、２０がそれぞれ射出する各光の周波数を調整するために使用される光ファイバであって、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め既知の光ファイバである。また、基準用光ファイバ１７をレイリー後方散乱光の計測に用いられる光の調整に用いてもよい。
　温度検出部１６は、基準用光ファイバ１７の温度を検出する回路であり、検出温度を制御処理部１３へ出力する。
　歪み及び温度検出計１４は、受光素子、光スイッチ、増幅回路、アナログ／ディジタル変換器、信号処理回路、スペクトルアナライザ及びコンピュータ等を備えて構成される。歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御する。歪み及び温度検出計１４は、光コネクタ２７及び光サーキュレータ１２を介して入力端子に入射された、基準用光ファイバ１７から射出した誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を求め、この求めた光強度を制御処理部１３へ出力する。
　また、歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御し、１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と歪み及び温度検出計１４とを接続し、誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、歪み及び温度検出計１４内の誘導ブリルアン散乱光用の１入力端子を有する受光素子に入射される。歪み及び温度検出計１４は、内部のスイッチにより誘導ブリルアン散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。
　また、歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御し、１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と光カプラ３０とを接続し、レイリー後方散乱現象に係る光が、光カプラ３０を介して歪み及び温度検出計１４内のレイリー後方散乱光用の２入力端子を有する受光素子に入射される。歪み及び温度検出計１４は、内部のスイッチによりレイリー後方散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光したレイリー後方散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のレイリースペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のレイリースペクトルに基づいて各領域部分のレイリー周波数シフト量をそれぞれ求める。
　さらに、歪み及び温度検出計１４は、上記のようにして求めたブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量から、検出用光ファイバ１５の歪み分布及び温度分布を同時に且つ独立して検出する。
　歪み及び温度検出計１４の各入力端子から入射された各入射光は、それぞれ、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換される。誘導ブリルアン散乱現象に係る光として入射された入射光は、受光素子で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアンスペクトルを求めるために用いられる。レイリー後方散乱現象に係る光として入射された入射光は、受光回路で電気信号に変換されることによって直接検波され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、レイリースペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。
　制御処理部１３は、例えば、マイクロプロセッサ、ワーキングメモリ、及び、検出用光ファイバ１５の歪み及び温度の分布を高空間分解能で測定するために必要な各データを記憶するメモリ等を備える。制御処理部１３は、歪み及び温度検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の歪み及び温度の分布を高空間分解能で且つより遠距離まで測定するように、第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光パルス生成部３、光スイッチ４、２２、光強度・偏光調整部６、１×２光スイッチ２５、２９、３１、及び光強度調整部２４を制御する電子回路である。
　制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係が予め記憶される記憶部と、歪み及び温度検出計１４が求めた誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度と基準用光ファイバ１７における既知の前記関係とに基づいて第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差が予め設定される所定周波数差となるように、第１ＡＦＣ１１及び／又は第２ＡＦＣ１９を制御する周波数設定部とを機能的に備えている。また、制御処理部１３は、基準用光ファイバ１７における、レイリー後方散乱現象を起こす光を射出するように第１ＡＦＣ１１を制御する周波数設定部を機能的に備えている。
　なお、これら第１及び第２光源１、２０、第１及び第２ＡＴＣ１０、１８、第１及び第２ＡＦＣ１１、１９、光強度・偏光調整部６、光強度調整部２４及び光強度変調器は、上記特許文献１を参考にすることができる。
　ここで、検出用光ファイバに入射する光にスペクトル拡散方式を用いた場合におけるブリルアン周波数シフトについて以下に説明する。
　スペクトル拡散方式、あるいはパルス圧縮方式は、いわゆるレーダ分野において、その計測可能距離を伸ばすために利用されている。これは、目標物を探知するために空間に放射されるパルス内部で周波数変調や位相変調等を用いることによってパルスのスペクトルを拡散し、目標物で反射された反射波にパルス圧縮と呼ばれる復調を施すことによって、目標物までの距離を探知するものである。これによって、パルスのエネルギーを大きくすることができ、計測可能距離を伸ばすことができる。スペクトル拡散は、一般に、信号を送信するために本来必要とされる帯域幅よりも意図的にその帯域幅を広くすることである。
　このスペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用する場合、ブリルアン周波数シフトが非線形なプロセスを経て生じるため、光パルスのスペクトルを広げる（拡散する）と、これによって、第１に、励起される音響フォノンのスペクトルが広がるとともに、第２に、周波数毎の反射波の時系列信号におけるスペクトルも広がるという、スペクトルに二重の広がりが生じてしまう。このため、単純に、スペクトル拡散符号をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができない。そこで、本願発明者は、以下に解析するように、光パルスをメイン光パルスとサブ光パルスとから構成し、メイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いることによって、スペクトル拡散方式をＢＯＴＤＡやＢＯＴＤＲへ適用することができることを見出した。
　以下に、ＢＯＴＤＡの場合について説明するが、同様に、ＢＯＴＤＲについても解析を行うことができる。
　ＢＯＴＤＡでは、検出用光ファイバの一方端（ｚ＝０）からポンプ光が入射されるとともに、ポンプ光の周波数と異なる周波数のプローブ光が他方端から入射され、励起された音響フォノンの後方散乱がｚ＝０の端点で観測される。ブリルアン・ゲイン・スペクトル（ＢＧＳ）は、プローブ光のパワーの増分である。
　まず、このポンプ光Ａｐ（０，ｔ）は、複素包絡線が式（１）によって表される形状を持った光パルスとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
ここで、Ｐｐは、ポンプ光のパワーであり、ｆ（ｔ）は、時刻ｔにおけるポンプ光の振幅を表す関数であって、その絶対値の最大が１となるように規格化されている。
　また、式（２）によって関数を定義すると、そのフーリエ変換は、式（３）によって表される。この場合において、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、２次元のコンボルーション（畳み込み、convolution）であり、式（４）によって表される。式（４）の右辺第１項が時変ローレンツスペクトルである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
ここで、上付きの＊は、複素共役であることを表し、ｉは、複素単位である（ｉ２＝－１）。また、γは、利得係数であり、νＢ（ｚ）は、位置ｚにおけるブリルアン周波数シフトである。そして、Ｇ（ν）は、ローレンツスペクトルであり、ｖｇは、ポンプ光の群速度である。演算子＊は、コンボルーションを表し、その上付き文字ｔ，νは、これらの変数に関しての２次元のコンボルーションであることを表している。なお、乗算の演算子・は、記載が省略されている。
　ここで、理想的には、式（４）の右辺第１項の時変ローレンツスペクトル自体が観測されることであるが、実際には、点広がり関数ψ（ｔ、ν）とのコンボルーションでぼかされたブリルアン・ゲイン・スペクトルが観測される。このため、点広がり関数ψ（ｔ、ν）が２次元デルタ関数もしくはそれに近いことが必要となる。したがって、ψ（ｔ、ν）≒δ（ｔ）δ（ν）となることが好ましい。
　ここで、ポンプ光をメイン光パルスｆ１（ｔ）とサブ光パルスｆ２（ｔ）とから構成する。すなわち、ポンプ光の振幅ｆ（ｔ）は、式（５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　このサブ光パルスは、メイン光パルスのために、音響フォノンを励起するように機能するものである。サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂは、少なくとも音響フォノンの寿命に較べて充分に長くする。音響フォノンの寿命は、通常、５ｎｓ程度である。
　このメイン光パルスは、音響フォノンで散乱されたエネルギーをプローブ光に渡すように機能するものである。このメイン光パルスは、時間方向に所定の時間幅で複数のセルに分割され、スペクトル拡散方式が用いられて広帯域化される。広帯域とは、音響フォノンのスペクトル線幅（約３０～４０ＭＨｚ）に較べてである。このセルの時間幅がＢＯＴＤＡの空間分解能を決め、この逆数がスペクトルの幅になる。例えば、セル幅（セル時間幅）が０．１ｎｓである場合には、空間分解能は、１ｃｍとなり、スペクトル幅は、１０ＧＨｚとなる。そして、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、計測可能距離を伸ばすためにポンプ光に与えるエネルギー量を決める。ここで、ＢＯＴＤＡの空間分解能は、上述したように、メイン光パルスのセル幅で決まるため、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、ＢＯＴＤＡの空間分解能とは独立に設定することができる。したがって、メイン光パルスのパルス幅Ｄは、所望の計測可能距離に応じて適宜に決定可能である。このため、計測可能距離を従来より伸ばすことが可能となる。
　このようにポンプ光を２成分で構成した場合に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）は、３つの成分から構成され、式（６）及び式（７）（式（７－１）～式（７－３））によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　そして、その点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式（８）によって表され、ポンプ光がメイン光パルスとサブ光パルスとから構成されることから、この点広がり関数ψ（ｔ、ν）は、式（９）及び式（１０）によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
ここで、スペクトル拡散方式では、その復調に、そのスペクトル拡散方式に対応する整合フィルタ（マッチドフィルタ）が用いられ、整合フィルタのインパルス応答ｈ（ｔ）がｆ１（Ｄ－ｔ）とされる（ｈ（ｔ）＝ｆ１（Ｄ－ｔ））。整合フィルタは、例えば、スペクトル拡散に用いた信号（スペクトル拡散に符号系列を用いる場合ではその符号）を時間的に反転して、整合フィルタの入力とのコンボルーションを取るものである。
　メイン光パルスは、スペクトル拡散方式を用い、サブ光パルスは、無変調で、そのパルス幅が充分に長いとすることから、点広がり関数ψ（ｔ、ν）の成分ψ１，２（ｔ、ν）は、式（１１）のように近似可能であり、前記好ましい型になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
ここで、Ｃｐは、メイン光パルスとサブ光パルスとの振幅比である。
　したがって、これに対応するブリルアン・ゲイン・スペクトルは、式（１２）によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
　なお、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における他の成分Ｖ１，１（ｔ、ν）及びＶ２，１（ｔ、ν）は、メイン光パルスが疑似乱数によってスペクトル拡散されている場合には、フラットなスペクトルとなる。また、他の成分Ｖ２，２（ｔ、ν）は、復調の際における整合フィルタによって抑圧される。
　また、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＶ（ｔ、ν）における成分Ｖ１，１（ｔ、ν）及びＶ２，２（ｔ、ν）は、ポンプ光をメイン光パルスのみで構成、あるいはサブ光パルスのみで構成し、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを計測することによって抽出可能である。
　以上の解析から、本分布型光ファイバセンサでは、検出用光ファイバに入射する光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと無変調のサブ光パルスとの２成分で構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
　図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能し、１×２光スイッチ２５、２９、３１を切り換えることによって第１態様（両端測定）として動作する。図２は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第１態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。
　図２に示すように、両端測定時において、分布型光ファイバセンサＦＳは、光パルス光源ＬＳｐによって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスをポンプ光として、歪み及び温度を検出するための検出用光ファイバ１５の一方端から入射するとともに、連続光光源ＬＳＣＷによって生成された連続光を、プローブ光として検出用光ファイバ１５の他方端から入射する。
　分布型光ファイバセンサＦＳは、歪み及び温度検出計１４によって検出用光ファイバ１５で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（ＢＧain－ＯＴＤＡ）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（ＢＬoss－ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフト量を計測する。
　光パルス光源ＬＳｐでは、レーザ光源ＬＤから射出されたレーザ光が光信号生成器ＯＳＧにおいて疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数で位相変調されることによって、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスが生成される。疑似乱数発生器ＲＧで生成した疑似乱数は、復調のために、歪み及び温度検出計１４へ通知される。そして、歪み及び温度検出計１４では、検出用光ファイバ１５から射出される誘導ブリルアン散乱現象に係る光が、疑似乱数発生器ＲＧからの疑似乱数に応じた整合フィルタＭＦでフィルタリングされ、信号処理部ＳＰでＢＯＴＤＡの信号処理が施されることによって、ブリルアン周波数シフト量が計測される。
　なお、以下、ブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析は、ブリルアンスペクトラム時間領域分析と適宜略記される。このブリルアンスペクトラム時間領域分析では、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、ブリルアン増幅又は減衰を受けた光である。
　また、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳは、ブリルアン周波数シフト量を計測する場合、ＢＯＴＤＡとして機能し、光スイッチ２５、２９、３１を切り換えることによって第２態様（片端測定）として動作する。図３は、図１に示す分布型光ファイバセンサを第２態様で動作させた場合における分布型光ファイバセンサの概略構成を示すブロック図である。
　図３に示すように、片端測定時において、分布型光ファイバセンサＦＳは、光パルス光源ＬＳｐによって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスをポンプ光として、そして、連続光光源ＬＳＣＷによって生成された連続光をプローブ光として、検出用光ファイバ１５の一方端から入射する。なお、メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。
　分布型光ファイバセンサＦＳは、歪み及び温度検出計１４によって検出用光ファイバ１５で生じた誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、歪み及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域分析（ＢＧain－ＯＴＤＡ）又はブリルアン・ロス・スペクトラム時間領域分析（ＢＬoss－ＯＴＤＡ）を行うことにより、ブリルアン周波数シフト量を計測する。
　次に、分布型光ファイバセンサＦＳの動作について説明する。まず、測定開始に当たって、第１及び第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が基準用光ファイバ１７を用いてそれぞれ調整（キャリブレーション）される。
　より具体的には、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１と、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９とをそれぞれ制御することによって第１及び第２光源１、２０を各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させ、これら各連続光を基準用光ファイバ１７に互いに対向するように入射させる。これら第１光源１からの連続光及び第２光源２０からの連続光は、基準用光ファイバ１７で誘導ブリルアン散乱現象を起こし、この誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、基準用光ファイバ１７から光サーキュレータ１２を介して歪み及び温度検出計１４に入射される。
　歪み及び温度検出計１４は、この誘導ブリルアン散乱現象に係る光を受光し、この受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度を検出し、この検出した光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３には、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係がその記憶部に予め記憶されている。制御処理部１３は、この通知を受けると、その周波数設定部によって、第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の設定すべき所定周波数差ｆａに対応する基準光強度Ｐａを上記関係から求め、歪み及び温度検出計１４が検出した測定光強度Ｐｄがこの基準光強度Ｐａと一致するように、第１ＡＦＣ１１及び第２ＡＦＣ１９を制御する。これによって第１及び第２光源１、２０における第１及び第２発光素子が発光する各光の周波数差は、設定すべき所定周波数差ｆａに調整される。なお、本実施の形態では、光強度Ｐｄは、受光素子で光電変換された電圧値で与えられ、基準光強度Ｐａは、この基準光強度Ｐａに対応する電圧値となる。
　ここで、基準用光ファイバ１７における、誘導ブリルアン散乱現象を起こす第１及び第２光における周波数差と誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度との関係は、一般に、温度依存性を有している。本実施の形態では、調整の際に、制御処理部１３は、温度検出部１６によって基準用光ファイバ１７の温度を検出し、この検出温度に応じて基準用光ファイバ１７における上記関係を補正している。このため、より高精度に調整を実行することが可能となる。
　このように動作することによって第１及び第２光源１、２０から射出される各連続光の各周波数が調整される。このような調整は、測定精度をより向上させる観点から、ブリルアンスペクトルを得る際に、掃引のために周波数が変更される毎に実行されても良いし、あるいは、測定時間を短縮させる観点から、歪み及び温度を測定毎に、又は、所定期間の経過毎に、さらに又は、分布型光ファイバセンサＦＳの起動の際に、実行されても良い。
　次に、歪み及び温度の計測動作について説明する。図４は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳによる歪み及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
　まず、ステップＳ１において、歪み及び温度検出計１４、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを推定し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。ここでのブリルアン周波数シフト量Δνｂの推定は、例えば、予測される最大温度変化量及び最大歪み変化量等を基に行われる。なお、ブリルアン周波数シフト量を測定するための周波数の掃引範囲は狭いので、この周波数の掃引範囲は簡単に推定することができる。
　次に、ステップＳ２において、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを測定する。例えば、以下の処理により、ブリルアン周波数シフト量Δνｂが得られる。
　まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１と、第２ＡＴＣ１８及び第２ＡＦＣ１９とを制御することによって、第１及び第２光源１、２０に各所定周波数で各連続光をそれぞれ発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３に入射され、第２光源２０から射出された連続光は、光カプラ２１を介して光スイッチ２２に入射される。
　次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、所定のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、次のように光パルス生成部３を動作させることによって、ポンプ光を生成している。
　図５は、図１に示す光パルス生成部３の構成及びその動作を説明するための図である。図６は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の構成及び整合フィルタを説明するための図であり、図６（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図６（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。
　光パルス生成部３は、例えば、図５に示すように、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１０１と、ＬＮ強度変調器１０１を駆動するための第１駆動回路を構成する直流電源１０２、乗算器１０３及びタイミングパルス発生器１０４と、入射光の位相を変調するＬＮ位相変調器１１１と、ＬＮ位相変調器１１１を駆動するための第２駆動回路を構成する直流電源１１２、乗算器１１３及び疑似乱数発生器１１４と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２１と、入射光の光強度を変調するＬＮ強度変調器１３１と、ＬＮ強度変調器１３１を駆動するための第３駆動回路を構成する直流電源１３２、乗算器１３３及びタイミングパルス発生器１３４とを備えて構成される。
　ＬＮ位相変調器１１１は、例えば電気光学効果を有するニオブ酸リチウムの基板に、光導波路と信号電極と接地電極とが形成されることで構成され、両電極間に所定の信号を印加することによって生じる電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化をそのまま用いることにより、入射光の位相を変調する装置である。
　ＬＮ強度変調器１０１、１３１は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成して電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化を強度変化に変えることにより、入射光の光強度を変調する装置である。なお、ＬＮ強度変調器１０１、１３１及びＬＮ位相変調器１１１には、ニオブ酸リチウムの基板に代え、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム固有体等の他の電気光学効果を有する基板が用いられてもよい。
　第１駆動回路において、直流電源１０２は、強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１０４は、ＬＮ強度変調器１０１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、そして、乗算器１０３は、直流電源１０２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器１０４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１０１へ出力する回路である。
　第２駆動回路において、直流電源１１２は、位相変調すべく、ＬＮ位相変調器１１１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、疑似乱数発生器１１４は、入射光をスペクトル拡散方式で変調するようにＬＮ位相変調器１１１を動作させるべく、動作タイミングで疑似乱数を生成する疑似乱数生成回路であり、乗算器１１３は、直流電源１１２から入力される直流電圧と疑似乱数発生器１１４から入力される疑似乱数とを乗算し、疑似乱数に応じた直流電圧を位相変調器１１１へ出力する回路である。
　ＥＤＦＡ１２１は、エルビウムを添加した光ファイバを備えて構成され、入射光を増幅して射出する光部品である。ＥＤＦＡ１２１は、検出用光ファイバ１５における歪み及び温度の検出に適した光強度にすべく、入射光を予め設定された所定の増幅率で増幅する。これによって第１光源１から検出用光ファイバ１５まで伝播する間において、損失（ロス）が発生する場合に、この損失も補償され、所定の計測範囲の測定が可能となる。
　第３駆動回路において、直流電源１３２は、オン／オフ制御するようにＬＮ強度変調器１３１を強度変調すべく、ＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加する直流電圧を生成する電源回路であり、タイミングパルス発生器１３４は、ＬＮ強度変調器１３１を動作させるべく、動作タイミングパルスを生成するパルス生成回路であり、乗算器１３３は、直流電源１３２から入力される直流電圧とタイミングパルス発生器１３４から入力される動作タイミングパルスとを乗算し、動作タイミングパルスに応じた直流電圧をＬＮ強度変調器１３１へ出力する回路である。
　このような光パルス生成部３を動作させることによって、例えば、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成することができる。
　図６（Ａ）に示すポンプ光は、スペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスと、無変調であって、このメイン光パルスと重なることなく（オーバーラップすることなく）時間的に先行するサブ光パルスとから構成されている。メイン光パルスは、所定の時間幅（セル幅）で複数のセルに分割され、本実施の形態では、それら各セルがＭ系列バイナリ符号によって変調（符号化）されている。セル幅は、所望の空間分解能に応じて設定され、メイン光パルスのパルス幅は、所望の計測距離に応じて設定される。また、サブ光パルスは、音響フォノンを完全に立ち上げることができるパルス幅とされ、図６（Ａ）に示す例では、メイン光パルスの光強度と同レベルの光強度とされている。
　サブ光パルスとメイン光パルスとは、図６（Ａ）に示す例では、時間的に連続しているが、時間的に分離していてもよい。時間的に分離している場合には、サブ光パルスによって立ち上げられた音響フォノンが消失しないうちに、メイン光パルスが前記音響フォノンに作用する時間間隔に設定されることが好ましい。通常、音響フォノンの寿命は、約５ｎｓであるので、サブ光パルスとメイン光パルスとの時間間隔は、約５ｎｓ以内であることが好ましい。
　図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、図５において、まず、第１光源１から射出された連続光Ｌ１は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。
　光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄとに相当するパルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）に相当する時間幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の間、オンされ、連続光Ｌ１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の光パルスＬ２となって射出される。
　そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。
　すなわち、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧は、Ｍ系列バイナリ符号が“＋”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とＭ系列バイナリ符号が“－”の場合に対応する直流電圧がＬＮ位相変調器１１１に供給された場合にＬＮ位相変調器１１１から射出される光の位相とが互いに１８０度異なるような電圧値である。これによって、光パルスＬ２は、ＬＮ位相変調器１１１で、無変調の部分（サブ光パルスに対応する）とＭ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）とからなる光パルスＬ３となって射出される。
　そして、ＥＤＦＡ１２１では、光パルスＬ３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ４となって射出される。
　さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂとメイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅（Ｄｓｕｂ＋Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって、光パルスＬ４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ４に付随した自然放出光（ＡＳＥ）等のノイズが除去され、パルス幅Ｄｓｕｂであって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄであってスペクトル拡散方式で符号化されたメイン光パルスとから成るポンプ光Ｌ５となって射出される。
　そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス、光パルスＬ４）の生成タイミングに応じて、光スイッチ４及び光スイッチ２２をオンする。制御処理部１３は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の生成タイミングを歪み及び温度検出計１４に通知する。
　光スイッチ４がオンされると、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のポンプ光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整され、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のサブ光パルス及びメイン光パルスは、歪み及び温度検出計１４に入射される。
　歪み及び温度検出計１４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のスペクトルを計測し、ポンプ光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。
　一方、光スイッチ２２がオンされると、連続光（プローブ光）は、光カプラ２３に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のプローブ光（連続光）は、光強度調整部２４に入射され、光強度調整部２４でその光強度が調整され、１×２光スイッチ２５に入射される。１×２光スイッチ２５は、第１態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光コネクタ２６を介して検出用光ファイバ１５の他方端へ入射される。
　一方、１×２光スイッチ２５は、第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射されるように切り換えられており、プローブ光（連続光）は、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端へ入射される。一方、光カプラ２３で分岐された他方のプローブ光（連続光）は、歪み及び温度検出計１４に入射される。
　歪み及び温度検出計１４は、プローブ光（連続光）のスペクトルを計測し、プローブ光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第２ＡＴＣ１８、第２ＡＦＣ１９及び光強度調整部２４を制御する。
　第１態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の他方端から入射され検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。第２態様のブリルアンスペクトラム時間領域分析では、検出用光ファイバ１５の一方端に入射したポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、検出用光ファイバ１５の一方端から入射され検出用光ファイバ１５の他方端で反射して検出用光ファイバ１５を伝播するプローブ光（連続光）と誘導ブリルアン散乱現象を生じさせながら検出用光ファイバ１５の一方端から他方端へ伝播する。このようなポンプ光とプローブ光との相互作用に基づいて光スイッチ４及び光スイッチ２２におけるオン／オフのタイミングが制御処理部１３によって調整される。
　１×２光スイッチ２９は、第１態様又は第２態様でブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）が実行される場合には、入力端子から入射された光が歪み及び温度検出計１４へ入射されるように切り換えられている。したがって、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８、光サーキュレータ７及び１×２光スイッチ２９を介して歪み及び温度検出計１４に入射される。
　歪み及び温度検出計１４では、誘導ブリルアン散乱現象に係る光は、上述したように直接検波によって抽出され、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされる。この整合フィルタは、例えば、図６（Ｂ）に示すように、光パルス生成部３のＬＮ位相変調器１１１でＭ系列バイナリ符号によって位相変調した位相変調パターン（Ｐ１Ｐ２Ｐ３・・・Ｐｎ－１Ｐｎ）を時間的に反転した逆位相変調パターン（ＰｎＰｎ－１・・・Ｐ３Ｐ２Ｐ１）のフィルタである。
　例えば、メイン光パルスの各セルがＭ系列バイナリ符号によって“＋－＋＋－＋・・・＋－”の位相変調パターンで変調されている場合には、整合フィルタは、この位相変調パターンを時間的に反転した“－＋・・・＋－＋＋－＋”の逆パターンとなる。このような整合フィルタを用いることによって、スペクトル拡散符号化されたメイン光パルスに起因した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を精度よく検出することが可能となる。歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３から通知された生成タイミングに基づいて、この受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を時間領域分析し、検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を測定する。
　ここで、誘導ブリルアン散乱現象に係るポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）とプローブ光（連続光）との間における相互作用の程度は、これら各光の偏光面の相対関係に依存するが、本実施の形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳでは、測定毎に光強度・偏光調整部６でポンプ光の偏光面がランダムに変わるので、測定を複数回実行してその平均値を採用することによって、この依存性を実質的に解消することができる。このため、精度よく誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布を得ることができる。
　このような検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光の光強度の分布が、例えば第２光源２０から射出されるプローブ光（連続光）の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数間隔で所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度且つ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルが高精度且つ高空間分解能で得られる。
　そして、歪み及び温度検出計１４は、歪が生じていない状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数と、歪が生じている状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する領域部分のブリルアンスペクトルのピークに対応する周波数との差をそれぞれ求めることによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるブリルアン周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求める。
　再び、図４を参照して、次に、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ３において、上記の処理により求めたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定し、ステップＳ４において、推定したレイリー周波数シフト量Δνｒからレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。
　ここで、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒは、歪みの変化量をΔε、温度の変化量をΔＴとすると、下記式で表される。下記式において、Ｂ１１≒０．０５×１０－３ＧＨｚ／με、Ｂ１２≒１．０７×１０－３ＧＨｚ／℃、Ｒ１１≒－０．１５ＧＨｚ／με、Ｒ１２≒－１．２５ＧＨｚ／℃である。
　Δνｂ＝Ｂ１１×Δε＋Ｂ１２×ΔＴ　…（１３）
　Δνｒ＝Ｒ１１×Δε＋Ｒ１２×ΔＴ　…（１４）
　上記の式を比較すると、レイリー周波数シフト量Δνｒの感度は、ブリルアン周波数シフト量Δνｂに比して非常に高いことがわかる。これは、計測精度を向上させるには非常に有利であるが、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲と同様にレイリー周波数シフト量Δνｒを計測するための周波数の掃引範囲を決定した場合、レイリー周波数シフト量Δνｒを計測するための周波数の掃引範囲が非常に広くなり、計測に長時間を要することとなる。
　このため、本実施の形態で、既に測定されたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定する。例えば、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ＝３００ＭＨｚが測定によって得られた場合、まず、すべての変化が温度の影響によるものと仮定すると、Δε＝０となり、式（１３）から、ΔＴ＝３００℃が得られる。このΔＴ＝３００℃を式（１４）へ代入すると、Δνｒ＝－３７５ＧＨｚが得られる。
　次に、すべての変化が歪みの影響によるものと仮定すると、ΔＴ＝０となり、式（１３）から、Δε＝６０００μεが得られる。このΔε＝６０００μεを式（１４）へ代入すると、Δνｒ＝－９００ＧＨｚが得られる。この場合、レイリー周波数シフト量Δνｒを計測するための周波数の掃引範囲として、－３７５ＧＨｚから－９００ＧＨｚまでの範囲が決定される。したがって、－３７５ＧＨｚの近辺から－９００ＧＨｚの近辺までを掃引すれば、短時間でレイリー周波数シフト量Δνｒを計測することが可能となる。なお、周波数の掃引範囲は、上記のようにして求めた２つの周波数をそのまま用いてもよいし、所定の測定マージン量を適宜付加したり、計測時間を短縮するために掃引範囲を所定量だけ狭くする等の種々の変更が可能である。また、この例では、温度変化量の下限は０℃、歪みの大きさは制限無しという想定での場合を示したが、装置の適用対象に応じて温度変化量や歪みの大きさの範囲は変わってもよい。温度変化量に上限と下限、また、歪みの大きさに上限が想定される場合にも、それに応じてレイリー周波数掃引範囲が決定される。
　次に、ステップＳ５において、歪み及び温度検出計１４は、上記のようにして決定した周波数の掃引範囲を用いて、レイリー周波数シフト量Δνｒを測定する。例えば、以下の処理により、レイリー周波数シフト量Δνｒが得られる。
　まず、制御処理部１３は、第１ＡＴＣ１０及び第１ＡＦＣ１１を制御することによって、第１光源１に所定周波数で連続光を発光させる。第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３及び１×２光スイッチ３１に入射され、１×２光スイッチ３１は、第１光源１から射出された連続光を光カプラ３０へ出力する。なお、レイリー周波数シフト量の計測時において、光スイッチ２２はオフされており、検出用光ファイバ１５の他方端から光は入射されない。
　次に、制御処理部１３は、光パルス生成部３を制御することによって、レイリー散乱現象を利用するためのパルス光を生成させる。より具体的には、制御処理部１３は、例えば、以下のように光パルス生成部３を動作させることによって、パルス光を生成している。
　図７は、図１に示す光パルス生成部３から射出されるパルス光の一例を示す図であり、図７（Ａ）は、パルス光の波長を示し、図７（Ｂ）はパルス光の波形を示している。図７（Ｂ）に示すパルス光は、所定レベルの矩形波であり、図７（Ａ）に示すように、所定数のパルス毎にその周期が所定周波数だけ順次増加される。なお、図７（Ａ）では、図示を容易にするために、周波数が線形的に増加するように模式的に図示しているが、厳密には、数パルス毎にその周波数が増加され、パルス光の周波数はステップ状に増加される。また、後述する加算平均を行わない場合、すなわち、１パルスでレイリー後方散乱光を計測する場合は、１パルス毎にその周波数を増加するようにしてもよい。
　なお、パルス光は、この例に特に限定されず、レイリー散乱現象を利用できれば、種々の形態の光等を用いることができる。また、レイリー散乱現象を利用する光に、上記の誘導ブリルアン散乱現象に利用する光と同様に、Ｍ系列バイナリ符号によって変調（符号化）する等の種々の方法を適用してもよい。
　図７に示すパルス光を生成するために、第１光源１から射出された連続光は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。光パルス生成部３では、パルス光の生成タイミングで、パルス光のパルス幅に相当する動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅の直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、ＬＮ強度変調器１０１は、動作タイミングパルスに応じてそのパルス幅に相当する時間幅の間、オンされ、連続光は、図７（Ｂ）に示すパルス幅の光パルスとなって射出される。その後、パルス光は、ＬＮ位相変調器１１１を介してＥＤＦＡ１２１へ入射され、光パルスが所定の光強度となるまで増幅され、ＬＮ強度変調器１３１を介して光スイッチ４へ射出される。
　そして、制御処理部１３は、光パルス生成部３におけるパルス光の生成タイミングに応じて、光スイッチ４をオンし、パルス光の生成タイミングを歪み及び温度検出計１４に通知する。
　光スイッチ４がオンされると、パルス光は、光カプラ５に入射され、２つに分岐される。分岐された一方のパルス光は、光強度・偏光調整部６に入射され、光強度・偏光調整部６でその光強度が調整されるとともに、その偏光方向がランダム（無作為）に調整され、光サーキュレータ７、光カプラ８及び光コネクタ９を介して検出用光ファイバ１５の一方端に入射される。一方、光カプラ５で分岐された他方のパルス光は、歪み及び温度検出計１４に入射される。
　歪み及び温度検出計１４は、パルス光のスペクトルを計測し、パルス光の周波数及び光強度を制御処理部１３へ通知する。制御処理部１３は、この通知を受けると、最適な測定結果が得られるように必要に応じて、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１及び光強度・偏光調整部６を制御する。
　検出用光ファイバ１５の一方端に入射したパルス光は、検出用光ファイバ１５内で散乱されてレイリー散乱現象を生じさせ、レイリー散乱現象に係る光は、検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、光コネクタ９、光カプラ８、光サーキュレータ７及び１×２光スイッチ２９を介して光カプラ３０に入射される。この結果、光カプラ３０により混合された２つの光が歪み及び温度検出計１４に入射される。
　上記のようにして、第１光源１は、波長可変光源として機能し、時間とともにパルス光の波長を変化させ、光パルス生成部３は、光強度変調器、光増幅器及び光強度変調器として機能し、所定パルス幅のパルスを作成し、光強度・偏光調整部６は、高速偏波スクランブラーとして機能し、各パルス光にランダムな偏波面を与える。光カプラ３０は、第１光源１からの連続波と検出用光ファイバ１５からのレイリー後方散乱光とを混合させ、歪み及び温度検出計１４の受光素子は、これらの光をホモダイン受信する。
　このとき、光強度・偏光調整部６により各パルス光にランダムな偏光面を測定毎に与えているので、歪み及び温度検出計１４は、波長の変化分のレイリー後方散乱光を加算して平均を取ることにより、平滑なレイリー後方散乱光を得ることができ、このレイリー後方散乱光のレベルから各距離の損失を換算することができる。
　このような検出用光ファイバ１５の長尺方向におけるレイリー散乱現象に係る光の光強度の分布が、パルス光の周波数を制御処理部１３の制御によって所定の周波数範囲で掃引することによって、各周波数において高精度且つ高空間分解能で測定される。その結果、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分におけるレイリースペクトルが高精度且つ高空間分解能で得られる。
　そして、歪み及び温度検出計１４は、歪が生じていない状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域におけるレイリースペクトルと、歪が生じている状態の前記検出用光ファイバ１５の長尺方向において、前記歪みが生じていない状態の各領域部分に対応する領域部分のレイリースペクトルとの相互相関係数をそれぞれ計算することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分におけるレイリー周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求める。
　図８は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳにより計測されたレイリー周波数シフト量の一例を示す図である。図８（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図８（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相互相関係数を示している。図８（Ａ）に示すように、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線であり、両者の相互相関係数を計算すると、図８（Ｂ）に示すようになり、両者の相互相関係数のピークのオフセット量Δｖｒがレイリー周波数シフト量となる。
　このΔｖｒだけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させると、図８（Ｃ）のようになり、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とがほぼ一致しており、レイリー周波数シフト量を高精度且つ高空間分解能で求めることができたことがわかる。
　最後に、ステップＳ６おいて、歪み及び温度検出計１４は、上記のようにして得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂとレイリー周波数シフト量Δνｒとから、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部分における歪みと温度とを検出する。
　すなわち、上記の式（１３）、式（１４）から歪みの変化量Δεと温度の変化量ΔＴとを解くと、下記のようになる。下記式において、Ｃ１１≒－１２７５５．１０２με／ＧＨｚ、Ｃ１２≒－１０．９１８×με／ＧＨｚ、Ｃ２１≒１５３０．６１２℃／ＧＨｚ、Ｃ２２≒０．５１０℃／ＧＨｚである。
　Δε＝Ｃ１１×Δνｂ＋Ｃ１２×Δνｒ　…（１５）
　ΔＴ＝Ｃ２１×Δνｂ＋Ｃ２２×Δνｒ　…（１６）
　歪み及び温度検出計１４は、上記式に、各領域部分のブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを代入し、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における歪みの変化量Δε及び温度の変化量ΔＴを求め、求めた歪みの変化量Δε及び温度の変化量ΔＴを所定の基準歪み及び基準温度に加算し、最終的に歪み及び温度を高精度且つ高空間分解能で求める。この求めた検出用光ファイバ１５の長尺方向の各領域部分における歪み及び温度の分布は、ＣＲＴ表示装置やＸＹプロッタやプリンタ等の不図示の出力部に提示される。
　上記の構成により、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳでは、ブリルアン散乱現象を利用して検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、２つの周波数シフト量を用いて検出用光ファイバ１５に生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、検出用光ファイバ１５が付設された計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。この結果、約０．１ｍの空間分解能で且つ約±１５με以下の精度で歪み及び温度を検出することができた。
　次に、本発明に係る分布型光ファイバセンサの第２実施形態を図面に基づいて説明する。尚、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。
　第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサは、第１実施形態と同様に、第１光源１と、光カプラ２、５、８、２１、２３、３０と、光パルス生成部３と、光スイッチ４、２２と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７、１２と、光コネクタ９、２６、２７、２８と、第１ＡＴＣ１０と、第１ＡＦＣ１１と、制御処理部１３と、歪み及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５と、温度検出部１６と、基準用光ファイバ１７と、第２ＡＴＣ１８と、第２ＡＦＣ１９と、第２光源２０と、光強度調整部２４と、１×２光スイッチ２５、２９、３１とを備える（図１参照）。
　歪み及び温度検出計１４は、受光素子、光スイッチ、増幅回路、アナログ／ディジタル変換器、信号処理回路、スペクトルアナライザ、コンピュータ（ＣＰＵ）及びメモリ等を備えて構成される。
　歪み及び温度検出計１４は、計測対象物に付設され当該計測対象物からの熱や外力が加わってない状態（参照状態）の検出用光ファイバ１５からの誘導ブリルアン散乱現象に係る光が歪み及び温度検出計１４内の誘導ブリルアン散乱光用の受光素子に入射されると、内部のスイッチにより誘導ブリルアン散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光した誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分（実測位置）のブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、この求めた各領域部分（実測位置）のブリルアンスペクトルから、そのピークに対応する周波数（参照ピーク周波数）をそれぞれ求め、この求めた各領域部分（実測位置）の参照ピーク周波数をメモリに格納する。
　また、歪み及び温度検出計１４は、参照状態の検出用光ファイバ１５からのレイリー後方散乱現象に係る光が歪み及び温度検出計１４内のレイリー後方散乱光用の受光素子に入射されると、内部のスイッチによりレイリー後方散乱光用の受光素子と増幅回路とを接続し、所定のサンプリング間隔で受光したレイリー後方散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分（実測位置）のレイリースペクトル（参照レイリースペクトル）をそれぞれ求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、この求めた各領域部分（実測位置）の参照レイリースペクトルをメモリに格納する。
　また、歪み及び温度検出計１４は、ＣＰＵにおいて、メモリに記憶されている各実測位置の参照ピーク周波数と、計測対象物の温度及び歪みを計測している状態（計測状態）の検出用光ファイバ１５における前記各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数とから補正量を導出する。
　ここで、補正量、実測位置及び計測希望位置について説明する。図９は、実測位置と計測希望位置との関係を説明するための図である。図９（Ａ）は、計測対象物が熱等により変形していない状態を示し、図９（Ｂ）は、計測対象物が変形した状態を示す図である。
　補正量は、実測位置と計測希望位置とのずれを補正し、実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られたブリルアンスペクトルのピーク周波数に基づき計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られるブリルアンスペクトルのピーク周波数を推定するときに利用される。また、補正量は、実測位置からのレイリー後方散乱光から得られたレイリースペクトルから計測希望位置からのレイリー後方散乱光から得られたレイリースペクトルを推定するときに用いられる。
　実測位置とは、上記のように当該分布型光ファイバセンサＦＳにより、検出用光ファイバ１５の長尺方向において実際にブリルアンスペクトルやレイリースペクトルが計測される位置である（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の黒丸点参照）。本実施形態では、例えば、検出用光ファイバ１５において一方端から５ｃｍ間隔で並ぶ位置である。当該分布型光ファイバセンサＦＳでは、光が検出用光ファイバ１５中を伝播する時間に基づいてブリルアン後方散乱光を計測するが、検出用光ファイバ１５が伸縮しても当該検出用光ファイバ１５中を伝播する光の速度は変化しないため、前記時間に基づいて計測される前記ブリルアン後方散乱光が生じた検出用光ファイバ１５中の実測位置は、当該検出用光ファイバ１５が伸縮しても変化（移動）しない（図９（Ｂ）の黒丸参照）。即ち、計測対象物に付設された検出用光ファイバ１５の一方端から各実測位置までの距離は、当該検出用光ファイバ１５の伸縮に関わらず一定となる。
　これに対し、計測希望位置とは、検出用光ファイバ１５上に設定された位置であり、参照状態において実測位置と重なる位置である（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の点線参照）。この計測希望位置は、検出用光ファイバ１５上の位置であるため、計測対象物の変形に基づく検出用光ファイバ１５の歪（伸縮）に伴って実測位置からずれる（図９（Ｂ）の破線参照）。即ち、計測対象物に付設された検出用光ファイバ１５の一方端から各計測希望位置までの距離は、当該検出用光ファイバ１５の伸縮に伴って変わる。
　歪み及び温度検出計１４は、上記の補正量を利用して計測状態の検出用光ファイバ１５における各実測位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数から、前記実測位置に対応する計測希望位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数を推定する。また、歪み及び温度検出計１４は、上記の補正量を利用して計測状態の検出用光ファイバ１５における各実測位置のレイリースペクトから、前記実測位置に対応する計測希望位置のレイリースペクトルを推定する。
　歪み及び温度検出計１４は、各実測位置の参照ピーク周波数と、各実測位置に対応する計測希望位置のピーク周波数とに基づいてブリルアン周波数シフト量Δνｂを導出（計測）する。また、歪み及び温度検出計１４は、各実測位置の参照レイリースペクトルと、各実測位置に対応する計測希望位置のレイリースペクトルとに基づいてレイリー周波数シフト量Δνｒを導出（計測）する。
　次に、第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳの歪み及び温度の計測動作について説明する。図１０は、第２実施形態に係る分布型光ファイバセンサＦＳによる歪み及び温度の計測動作を説明するためのフローチャートである。
　まず、計測対象物の歪みと温度との計測（センシング）を始める前に、ステップＳ１１において、歪み及び温度検出計１４は、検出用光ファイバ１５が参照状態（例えば、検出用光ファイバ１５がプラント等に付設された場合に、このプラント等が停止している状態）での各実測位置のブリルアンスペクトルのピーク周波数（参照ピーク周波数）及びレイリースペクトル（参照レイリースペクトル）がメモリに格納されているか否かを判断する。
　メモリに格納されていない場合、先ず、ステップＳ１２において、歪み及び温度検出計１４は、第１実施形態のステップＳ１と同様、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを推定し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。尚、各実測位置の参照ピーク周波数及び参照レイリースペクトルがメモリに格納されている場合には、ステップＳ１５へ進む。
　ステップＳ１３において、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数を測定する。例えば、第１実施形態のステップＳ２において検出用光ファイバ１５の長尺方向における誘導ブリルアン散乱現象に係る光（ブリルアン後方散乱光）の光強度の分布を測定するのと同様にして、歪み及び温度検出計１４は、前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光強度の分布を測定し、その測定結果から検出用光ファイバ１５の長尺方向における各領域部分のブリルアンスペクトルを求め、これら各ブリルアンスペクトルから参照ピーク周波数をそれぞれ導出する。本実施形態では、検出用光ファイバ１５の長尺方向において５ｃｍ間隔で設定される実測位置のブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数がそれぞれ測定される。
　このように測定された上記の各実測位置（本実施形態では、５ｃｍ間隔で並ぶ実測位置）におけるブリルアンスペクトルの参照ピーク周波数は、それぞれ歪み及び温度検出計１４のメモリに格納される。
　次に、ステップＳ１４において、歪み及び温度検出計１４は、参照レイリースペクトルを測定する。例えば、第１実施形態のステップＳ５において検出用光ファイバ１５の長尺方向におけるレイリー散乱現象に係る光の光強度の分布を測定するのと同様にして、歪み及び温度検出計１４は、レイリースペクトルを計測する。本実施形態では、検出用光ファイバ１５の長尺方向において５ｃｍ間隔で設定される実測位置の参照レイリースペクトルがそれぞれ測定される。尚、レイリースペクトルの計測において、周波数の掃引範囲は、得られたデータ（レイリースペクトル等）を格納しておくメモリの容量が許す範囲内で、できる限り広く設定するのが好ましい。
　このように測定された上記の各実測位置における参照レイリースペクトルは、それぞれ歪み及び温度検出計１４のメモリに格納される。
　次に、参照状態の検出用光ファイバ１５から得られた当該検出用光ファイバ１５の各実測位置における参照ピーク周波数及び参照レイリースペクトルがそれぞれメモリに格納されている状態で、計測対象物の歪みと温度との計測が行われる。このとき、検出用光ファイバ１５には、計測対象物の歪みや温度変化に基づく外力や熱が当該検出用光ファイバ１５に加わり得る状態（計測状態）となっている。
　歪み及び温度検出計１４がブリルアン計測モードに切り替わる。具体的に、ステップＳ１５において、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ１１と同様に、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを推測し、ブリルアン周波数シフト量Δνｂを計測するための周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で第１及び第２光源１、２０からの各連続光を発光させるように、制御処理部１３に指示する。
　次に、ステップＳ１６において、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ１３と同様に、検出用光ファイバ１５の各実測位置におけるブリルアンスペクトルのピーク周波数を測定する。
　そして、ステップＳ１７において、歪み及び温度検出計１４は、メモリに記憶されている参照ピーク周波数を引き出し、これら参照ピーク周波数と上記の計測状態の検出用光ファイバ１５から得られたピーク周波数とから、前記計測状態の検出用光ファイバ１５から計測したピーク周波数を補正するときに利用する補正量を導出する。この補正量は、例えば以下のような処理により導出される。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、前記補正量の導出方法の一例を示す図である。
　先ず、歪み及び温度検出計１４は、参照状態の検出用光ファイバ１５を長尺方向において複数の領域に分割し、その一つを参照領域ｒｚとして設定すると共に、計測状態の検出用光ファイバ１５の長尺方向の一部に前記参照領域ｒｚに対応する長さの補正領域ｓｚを設定する。歪み及び温度検出計１４は、参照領域ｒｚに含まれる各実測位置の参照ピーク周波数の値を前記長尺方向に並べた波形（図１１（Ａ）のｒｚ内参照）と、補正領域ｓｚに含まれる各実測位置のピーク周波数の値を前記長尺方向に並べた波形（図１１（Ａ）のｓｚ内参照）との相互相関係数を算出する。歪み及び温度検出計１４は、補正領域ｓｚを長尺方向に沿って所定間隔で移動させながら（図１１（Ａ）のｓｚ１、ｓｚ２、ｓｚ３、…）相互相関係数の算出を繰り返し、その結果をプロットする（図１１（Ｂ）参照）。相互相関係数が最大となる移動長さ（オフセット量）が補正量となる。
　これは、図１２に示されるように、検出用光ファイバ１５の長尺方向における各実測位置でのブリルアンスペクトルのピーク周波数を前記長尺方向に順に並べると、検出用光ファイバ１５内の残留歪み（初期残留歪み）により、検出用光ファイバ毎に固有の波形となり、当該検出用光ファイバ１５の伸縮によってもこの波形の特徴が失われないことを利用している。ここで、図１２は、中間に異種ファイバが接続された検出用光ファイバにおける長尺方向の各領域部分（実測位置）でのブリルアンスペクトルのピーク周波数の一例を示す図である。
　尚、補正量を導出する方法は、上記のように長尺方向の範囲が等しい参照領域ｒｚと補正領域ｓｚとを用いて導出する方法に限定されない。例えば、前記補正領域の長尺方向における範囲を検出用光ファイバ１５の伸縮に基づき参照領域ｒｚよりも大きく又は小さくしてもよい。これにより、より高精度にブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量を計測することが可能となる。
　歪み及び温度検出計１４は、参照状態の検出用光ファイバ１５を長尺方向に分割した前記複数の領域をそれぞれ参照領域ｒｚとして、上記の補正量の導出を繰り返す。これにより、検出用光ファイバ１５の全ての実測位置に対する補正量が導出される。
　次に、ステップＳ１８において、歪み及び温度検出計１４は、各実測値で得られたピーク周波数から、各実測値に対応する計測希望位置でのピーク周波数をそれぞれ推定する。例えば、以下の処理により計測希望位置でのピーク周波数が得られる。
　歪み及び温度検出計１４は、上記のように参照領域毎に導出した補正量に基づき、各実測位置から当該実測位置に対応する計測希望位置をそれぞれ導出する。一方、歪み及び温度検出計１４は、長尺方向において離散的に（本実施形態では、長尺方向に５ｃｍ間隔で）得られたピーク周波数の値が前記長尺方向に連続するように、互いに隣り合う実測位置同士の計測値（ピーク周波数）間を補間する。本実施形態では、Ｂスプライン補間法により上記の補間を行っているが、これに限定されず、他の補間法や最小２乗法等により行ってもよい。
　歪み及び温度検出計１４は、このようにして得られた各計測希望位置と前記補間された値とに基づいて、当該計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られるピーク周波数をそれぞれ推定する。
　次に、ステップＳ１９において、歪み及び温度検出計１４は、メモリに記憶されている参照状態の検出用光ファイバ１５の各実測位置での参照ピーク周波数と、上記の処理により推定した前記各実測位置に対応する計測希望位置でのピーク周波数との差からブリルアン周波数シフト量Δνｂをそれぞれ導出（計測）する。
　このようにしてブリルアン周波数シフト量Δνｂが導出されると、歪み及び温度検出計１４は、ブリルアン計測モードからレイリー計測モードへ変更される。
　先ず、歪み及び温度検出計１４は、第１実施形態のステップＳ３及びＳ４と同様に、ステップＳ２０において、上記の処理により求めたブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推定し、ステップＳ２１において、推定したレイリー周波数シフト量Δνｒからレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定する。
　次に、ステップＳ２２において、歪み及び温度検出計１４は、第１実施形態のステップＳ５と同様に、検出用光ファイバ１５の各実測位置におけるレイリースペクトルを測定する。そして、ステップＳ２３において、歪み及び温度検出計１４は、各実測位置で得られたレイリースペクトルから、各実測位置に対応する計測希望位置でのレイリースペクトルをそれぞれ推定する。例えば、以下の処理により計測希望位置でのレイリースペクトルが得られる。
　歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ１７において参照領域毎に導出した補正量に基づき、各実測位置から当該実測位置に対応する計測希望位置をそれぞれ導出する。一方、歪み及び温度検出計１４は、長尺方向において離散的に（本実施形態では、長尺方向に５ｃｍ間隔で）得られたレイリースペクトルが前記長尺方向に連続するように、互いに隣り合う実測位置同士の計測値（レイリースペクトル）間を補間する。歪み及び温度検出計１４は、このようにして得られた各計測希望位置と前記補間された値とに基づいて、各計測希望位置からのレイリー後方散乱光から得られるレイリースペクトルをそれぞれ推定する。
　次に、ステップＳ２４において、歪み及び温度検出計１４は、メモリに記憶されている各実測位置での参照レイリースペクトルと、上記の処理により推定した前記各実測位置に対応する計測希望位置でのレイリースペクトルとに基づき、第１実施形態のステップＳ５と同様にして、レイリー周波数シフト量Δνｒをそれぞれ導出（計測）する。
　このとき、レイリー周波数シフト量Δνｒが、測定したレイリースペクトルの周波数の範囲（帯域幅）に比べて十分に小さい場合には、第１実施形態のステップＳ５と同様に、メモリに記憶されている各実測位置での参照レイリースペクトルと各実測位置に対応する計測希望位置で測定されたレイリースペクトル（以下、「対応レイリースペクトル」とも称することがある。）との相互相関係数に基づくことで、レイリー周波数シフト量Δνｒは容易に導出される。しかし、レイリー周波数シフト量Δνｒが、参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて上記のシフト量ほど十分に小さくない場合（即ち、比較的大きな場合）には、相互相関係数を導出するときの参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとの対応する範囲（オーバーラップ部分）が小さくなるため導出した相互相関係数の信頼度が低下し（誤差が大きくなり）、これによりレイリー周波数シフト量Δνｒの導出が困難となる。
　具体的には、レイリー周波数シフト量Δνｒが、参照レイリースペクトルの周波数の範囲及び対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて十分に小さい場合には、横軸を周波数とし、縦軸をスペクトルのレベルとしたグラフ（図８（Ａ）参照）において、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数軸方向（図８においては左右方向）に互いに相対移動させて各相対位置での参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との相互相関係数を導出することにより、容易にレイリー周波数シフト量Δνｒを導出することができる（図８（Ｂ）参照）。尚、本実施形態においては、歪み及び温度検出計１４は、参照レイリースペクトルの波形を固定して対応レイリースペクトルの波形を左右に移動（シフト）させつつ各位置（各シフト量）での相互相関係数を導出している。
　これに対し、図１３に示されるような、レイリー周波数シフト量Δνｒが、歪み及び温度検出計１４のメモリに記憶されている参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲（図１３中のＲａの範囲）に比べて比較的大きい場合には、測定した周波数の範囲Ｒａ内の両スペクトルの波形を周波数軸方向に相対移動させても、オーバーラップする部分（図１３において太線で示す周波数軸方向の範囲）が小さいため、各相対位置で導出された相互相関係数の信頼度が低下する。
　詳細には、両スペクトルの周波数の範囲に対してシフト量が比較的大きくなると、測定した周波数の範囲Ｒａ内の参照レイリースペクトルの波形の部位（図１３の上側の波形の実線の部位）Ｃｏ１に対応する対応レイリースペクトルの波形の部位Ｃｏ２において、そのうちの一部（オーバーラップ部分：図１３の下側の波形の太線の部分）だけしか周波数の範囲Ｒａ内に入らない。しかも、検出用光ファイバ１５における延びや歪みは、長尺方向及びこれと直交する方向の各部位において均一ではない（即ち、不均一である）ため、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との互いに対応する部位Ｃｏ１、Ｃｏ２同士も完全には一致しない。そのため、測定した周波数の範囲Ｒａ内の参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数軸方向に相対移動させつつ各相対位置での相互相関係数を導出しても、オーバーラップ部分同士が重なったときの相互相関係数が最も大きくなる（図８（Ｂ）参照）とは限らず、これによりレイリー周波数シフト量Δνｒの導出が困難となる。
　ここで、レイリー周波数シフト量Δνｒに対して参照レイリースペクトルの周波数の範囲と対応レイリースペクトルの周波数の範囲とを十分大きくすることにより、この困難性を除去することも考えられる。しかし、測定する周波数の範囲が大きくなると、測定に必要な時間が増加するのに加え、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数方向に相対移動させつつ各相対位置で相互相関係数を導出するのに必要な時間も増加するため、時間がかかり過ぎるといった問題が生じる。
　そこで、歪み及び温度検出計１４は、レイリー周波数シフト量Δνｒが参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて比較的大きい場合には、レイリー周波数シフト量決定用の所定の閾値を用い、この所定の閾値と、参照レイリースペクトルの波形及び対応レイリースペクトルの波形の周波数軸方向における各相対位置での相互相関係数とを比較することにより、レイリー周波数シフト量Δνｒの導出を試みる。この歪み及び温度検出計１４では、所定の閾値と各相対位置での相互相関係数との比較、即ち、数値の大小の比較によりレイリー周波数シフト量Δνｒが導出されるため、容易にレイリー周波数シフト量Δνｒが導出される。
　検出用光ファイバ１５の長尺方向において、特定の実測位置で所定の時間間隔をおいて実際に測定された参照レイリースペクトルの波形と、この特定の実測位置と対応する計測希望位置での対応レイリースペクトルの波形とは、例えば、図１４に示すような形となる。この図における参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形とを周波数軸方向に相対移動させ、各相対位置での相互相関係数を導出してプロットすると、図１５に示されるようなグラフが得られる。この図１５に示されるように、実測においては、検出用光ファイバ１５の各部位での伸びや歪み等が不均一となるため多数のピークが現れる場合がある。
　この場合、歪み及び温度検出計１４は、予めメモリに記憶された図１５に示されるような所定の閾値ｔｈを用い、この閾値ｔｈと相互相関係数とを比較することによってレイリー周波数シフト量Δνｒの導出を試みる。
　この閾値ｔｈは、相互相関係数を得たときの参照レイリースペクトルの波形に対する対応レイリースペクトルの波形の周波数軸方向へのシフト量が０のときに最も小さな値となり、シフト量が大きくなるのに伴って大きな値となる。これは、シフト量が小さいときほど、所定の周波数の範囲内において、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との対応する部分のオーバーラップする部分が大きくなるため、両波形の一致度（相互相関係数の大きさ）がシフト量の大きなときに比べて低くても導出された相互相関係数の信頼度が高く、一方、シフト量が大きければ、両スペクトルの波形の対応する部分におけるオーバーラップする部分が小さくなるため、両波形の一致度（相互相関係数）が前記のシフト量の小さなときに比べて高くなければ前記シフト量の小さなときと同じ信頼度が得られないからである。
　具体的に、閾値ｔｈは、参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとの相互相関係数の信頼度に関する確率（誤警報確率）に基づくものであり、参照レイリースペクトルに対する対応レイリースペクトル（又は対応レイリースペクトルに対する参照レイリースペクトル）のシフト量ごとに誤警報確率が一定となるように定められている。ここで、誤警報確率とは、シフト量が正しい値でないときに（即ち、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との対応する部位同士が重なっていないときに）、相互相関係数の値が閾値を超える確率である。この誤警報確率は、参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとが無相関である場合を考えることにより、各シフト量における閾値ごとに理論的に求められる。従って、誤警報確率を指定することによりシフト量ごとの閾値が求められる（図１５の閾値ｔｈ参照）。
　このような閾値ｔｈを用いることで、各相対位置（各シフト量）での相互相関係数のグラフに多数のピークが現れていても、この閾値ｔｈと相互相関係数の値とを比較し、閾値ｔｈを超えた相互相関係数があれば（図１５の矢印α）、この相互相関係数が得られたときの参照レイリースペクトルの波形に対する対応レイリースペクトルの周波数軸方向へのシフト量をレイリー周波数シフト量Δνｒとして容易に導出することができる。
　また、レイリー周波数シフト量Δνｒをさらに確実に導出するため、参照レイリースペクトルと対応レイリースペクトルとの相互相関係数の変わりに、参照レイリースペクトルの平方根と対応レイリースペクトルの平方根との相互相関係数を用いてもよい。即ち、歪み及び温度検出計１４は、参照レイリースペクトルの平方根と対応レイリースペクトルの平方根との相互相関係数をシフト量ごとにそれぞれ求め、各シフト量において誤警報確率が一定となる閾値ｔｈを超える相互相関係数のピーク位置からレイリー周波数シフト量Δνｒを導出するよう構成されてもよい。この場合には、参照レイリースペクトルの平方根と対応レイリースペクトルの平方根とが互いに無相関であった場合の相互相関係数のレベルが下がることから誤警報確率が小さくなり、これによりシフト量ごとの誤警報確率を一定とする閾値ｔｈも低下する。その結果、正しいレイリー周波数シフト量Δνｒの検出の確実性が向上する。このようにスペクトル自体でなくその平方根を用いた方が誤警報確率が下がるのは、スペクトルの値の確率分布が指数分布になるのに対しその平方根の値の確率分布がレイリー分布となるため、分布の裾野（テール）において指数分布の方が長くなるからである。
　このように、レイリー周波数シフト量Δνｒが参照レイリースペクトルの周波数の範囲又は対応レイリースペクトルの周波数の範囲に比べて比較的大きな場合に、歪み及び温度検出計１４は、上記のような閾値ｔｈを用いてレイリー周波数シフト量Δνｒの検出を行う。
　しかし、歪み及び温度検出計１４は、上記のような閾値ｔｈを用いても、レイリー周波数シフト量Δνｒを導出できない場合（複数の相互相関係数が閾値ｔｈを超えた場合や、一つも超えなかった場合等）もある。その場合には、歪み及び温度検出計１４において、さらに以下のようにしてレイリー周波数シフト量Δνｒの導出が行われる。
　レイリー周波数シフト量Δνｒを計測（導出）するときには、既に、ステップＳ１９において、ブリルアン周波数シフト量Δνｂが計測（導出）されている。ここで、同じ検出用光ファイバ１５から得られる光の散乱光を用いて計測を行っていることから、ブリルアン周波数シフト量Δνｂとレイリー周波数シフト量Δνｒとの間には所定の対応関係が有る。そこで、歪み及び温度検出計１４は、閾値ｔｈを用いてもレイリー周波数シフト量Δνｒを導出できなかった場合には、既に、導出されているブリルアン周波数シフト量Δνｂを利用してレイリー周波数シフト量Δνｒの導出を試みる。
　具体的に、歪み及び温度検出計１４は、ステップＳ２０（第１実施形態においてはステップＳ３）においてブリルアン周波数シフト量Δνｂからレイリー周波数シフト量Δνｒを推測するときに用いた以下の式（１３）及び式（１４）を利用して、参照レイリースペクトルの波形と対応レイリースペクトルの波形との相対位置（本実施形態では、参照レイリースペクトルの波形に対する対応レイリースペクトルの波形の周波数軸方向へのシフト量）と、相互相関係数との関係を示す図１６（Ａ）における走査範囲Ｓａを決定し、この走査範囲Ｓａに基づく走査範囲Ｓａ１（図１６（Ｂ）参照）内でレイリー周波数シフト量Δνｒを求める。
　Δνｂ＝Ｂ１１×Δε＋Ｂ１２×ΔＴ　…（１３）
　Δνｒ＝Ｒ１１×Δε＋Ｒ１２×ΔＴ　…（１４）
　詳細には、歪み及び温度検出計１４は、これら式（１３）及び式（１４）において、まず、すべての変化が温度の影響によるものと仮定する。これにより、
　Δνｒ＝（Ｒ１１／Ｂ１１）Δνｂ　…（１７）
が得られる。
　次に、歪み及び温度検出計１４は、すべての変化が歪みの影響によるものと仮定する。これにより、
　Δνｒ＝（Ｒ１２／Ｂ１２）Δνｂ　…（１８）
が得られる。
　歪み及び温度検出計１４は、得られた式（１７）に、ステップＳ１９で計測されたブリルアン周波数シフト量Δνｂの値と、Ｂ１１、Ｒ１１の具体的な値（例えば、第１実施形態では、Ｂ１１≒０．０５×１０－３ＧＨｚ／με、Ｒ１１≒－０．１５ＧＨｚ／με、）を代入して走査範囲Ｓａの下限値（図１６（Ａ）における左側の実線）を導出すると共に、得られた式（１８）にブリルアン周波数シフト量Δνｂの値と、Ｂ１２、Ｒ１２の具体的な値（例えば、第１実施形態では、Ｂ１２≒１．０７×１０－３ＧＨｚ／℃、Ｒ１２≒－１．２５ＧＨｚ／℃）を代入して走査範囲Ｓａの上限値（図１６（Ａ）における右側の実線）を導出する。このように走査範囲Ｓａの上限値と下限値とが決定した後、歪み及び温度検出計１４は、誤差を考慮して所定の測定マージン（図１６（Ａ）における点線）を付加する。歪み及び温度検出計１４は、このように所定の測定マージンを含む走査範囲Ｓａ１の範囲内において、最も相互相関係数が大きな相対位置（シフト量）の値を求め、この相対位置の値をレイリー周波数シフト量Δνｒとして導出する。
　尚、歪み及び温度検出計１４は、このように閾値ｔｈを用いた方法や、既に得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂの値及び式（１３）、式（１４）を用いた方法に限定される必要はなく、他の方法を用いて、又は上記の方法及び他の方法の両方を順に用いて、ノイズを多く含むデータ（参照レイリースペクトル及び対応レイリースペクトル）からレイリー周波数シフト量Δνｒを導出するように構成されてもよい。
　以上のようにして、ステップＳ２４において、レイリー周波数シフト量Δνｒがそれぞれ導出（計測）されると、最後に、ステップＳ２５において、歪み及び温度検出計１４は、上記の処理により得られたブリルアン周波数シフト量Δνｂとレイリー周波数シフト量Δνｒとから、検出用光ファイバ１５の長尺方向の各部位における歪みと温度とを検出する。
　上記の構成により、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳでは、検出用光ファイバ１５が長く、あるいは温度変化、歪み変化が大きく、これにより計測状態において実測位置と計測希望位置とのずれが大きくても、このずれに関する補正量をブリルアン後方散乱光から導出し、この補正量を利用することで、ブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量を精度よく検出することができる。また、特にこの補正量を利用することにより、レイリー周波数シフト量の検出（レイリー計測）を確実に行うことが可能となる。これは、レイリースペクトルがメインパルス光の幅に強く依存するため、メインパルス光の幅（本実施形態では１０ｃｍ）程度の精度で位置の補正（実測位置とこれに対応する計測希望位置との補正）を行わなければ、レイリー計測において参照状態と計測状態との相関が取れなくなるからである。
　例えば、検出用光ファイバ１５が３つの異なる状態のときに、それぞれブリルアンスペクトルのピーク周波数を計測すると、図１７（Ａ）に示す結果が得られた。この結果から、上記の構成のように補正量による補正を行うことなく、ブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを計測して計測対象物から検出用光ファイバ１５に加わる外力を求めると、図１７（Ｃ）の一点鎖線で示す結果となった。これに対し、図１７（Ａ）のように得られた結果を、上記の構成のように検出用光ファイバ１５の伸縮に伴う実測位置と計測希望位置とのずれを補正する補正量を求めて補正することで、図１７（Ｂ）に示す結果が得られた。この結果を用いてブリルアン周波数シフト量Δνｂ及びレイリー周波数シフト量Δνｒを計測して計測対象物から検出用光ファイバ１５に加わる外力を求めることで、図１７（Ｃ）の実線で示す結果が得られる。この図１７（Ｃ）からも明らかなように、検出用光ファイバ１５の伸縮に伴う実測位置と計測希望位置とのずれを補正することにより、前記伸縮に起因するノイズが減り、振れの少ない結果が得られた。
　なお、図１に示す構成の分布型光ファイバセンサＦＳは、その構成要素の一部によって、ＢＯＴＤＲを構成することも可能である。
　図１８は、図１に示す分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲに構成した場合における分布型光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。なお、図１８においては、ＢＯＴＤＲを構成するために必要なブロックのみを図示しており、一部のブロックの図示を省略している。
　図１８において、ＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳは、第１光源１と、光パルス生成部３と、光スイッチ４と、光カプラ５と、光強度・偏光調整部６と、光サーキュレータ７と、光コネクタ９と、第１ＡＴＣ１０と、第１ＡＦＣ１１と、制御処理部１３と、歪み及び温度検出計１４と、検出用光ファイバ１５とを備えて構成されている。なお、図１８では、第１光源１と光パルス生成部３との間に介在する光カプラ２、及び、光サーキュレータ７と光コネクタ９との間に介在する光カプラ８は、図１に示す分布型光ファイバセンサＦＳをＢＯＴＤＲに構成した場合では、実質的に機能しないので、その図示を省略し、また、図示を省略した１×２光スイッチ２９は、光サーキュレータ７と歪み及び温度検出計１４とを接続している。
　ＢＯＴＤＲの場合では、歪み及び温度検出計１４は、制御処理部１３と信号を入出力することによって、分布型光ファイバセンサＦＳの各部を制御し、所定のサンプリング間隔で受光した自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、この求めた各領域部分のブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。
　歪み及び温度検出計１４の入力端子から入射された各入射光は、光電変換を行う受光素子によって受光光量に応じた電気信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器によってこの電気信号がディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。このとき、光バンドパスフィルタ（以下、「光ＢＰＦ」と略記する。）が用いられ、この光ＢＰＦは、狭い所定の透過周波数帯域の光部品、すなわち、狭い所定の周波数帯域の光を透過するとともに、この所定の周波数帯域を除く帯域の光を遮断する光部品であり、例えば、以下の狭線幅光バンドパスフィルタが用いられる。
　図１９は、狭線幅光バンドパスフィルタを説明するための図である。図１９（Ａ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの構成を示すブロック図であり、図１９（Ｂ）乃至（Ｄ）は、狭線幅光バンドパスフィルタの動作を説明するための図である。
　光サーキュレータ７から歪み及び温度検出計１４の入力端子へ入射された入射光は、例えば、図１９に示す光ＢＰＦによってフィルタリングされ、自然ブリルアン散乱現象に係る光が抽出される。また、入射光は、受光素子によって電気信号に変換され、整合フィルタによってフィルタリングされ、アナログ／ディジタル変換器によってディジタルの電気信号に変換され、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求めるために用いられる。また、必要に応じて、ディジタル変換される前に増幅回路によって電気信号が増幅される。
　光ＢＰＦ３１０は、例えば、図１９（Ａ）に示すように、第１ファブリペローエタロンフィルタ（以下、「ＥＦ」と略記する。）３１１と、第１ＥＦ３１１に光学的に接続される第２ＥＦ３１２とを備えて構成される。第１ＥＦ３１１は、図１９（Ｂ）に示すように、その半値全幅ＦＷＨＭ１が、光ＢＰＦ３１０における所定の透過周波数帯域に相当する周波数幅であるように設定されるとともに、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ１の一つが、光ＢＰＦ３１０における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。
　第２ＥＦ３１２は、図１９（Ｃ）に示すように、そのＦＳＲ（Free Spectral
Range、フリースペクトラムレンジ）２が光パルス（サブ光パルス及びメイン光パルス）の周波数と自然ブリルアン後方散乱光の周波数との間の周波数間隔より広くなるように設定されるとともに、その透過周波数帯域が第１ＥＦ３１１の透過周波数帯域を含むようにするために、その半値全幅ＦＷＨＭ２が第１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１以上に設定され、そして、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａ２の一つが光ＢＰＦ３１０における透過周波数帯域の中心周波数ｆａと一致するように設定される。
　このような構成の光ＢＰＦ３１０では、第１ＥＦ３１１で、所定の透過周波数帯域に相当する周波数の光が透過する。すなわち、第１ＥＦ３１１のＦＳＲ１毎に半値全幅ＦＷＨＭ１に相当する周波数の光が透過する。そして、第１ＥＦ３１１を透過した光は、第２ＥＦ３１２で、第１ＥＦ３１１の中心周波数ｆａ１の透過周波数帯域に相当する周波数の光のみが透過する。このため、このような構成の狭帯域な光ＢＰＦ３１０の透過周波数特性は、図１９（Ｂ）に示す第１ＥＦ３１１の透過周波数特性と図１９（Ｃ）に示す第２ＥＦ３１２の透過周波数特性とを合成した特性となり、図１９（Ｄ）に示すように、その透過周波数帯域の中心周波数ｆａが周波数ｆａ１（＝ｆａ２）で、その半値全幅ＦＷＨＭが第１ＥＦ３１１の半値全幅ＦＷＨＭ１で、そして、そのＦＳＲが第２ＥＦ３１２のＦＳＲ２となる。なお、第１ＥＦ３１１と第２ＥＦ３１２とは、逆に光学的に接続されてもよい。
　また、ＢＯＴＤＲの場合では、制御処理部１３は、歪み及び温度検出計１４と信号を入出力することによって、検出用光ファイバ１５の長尺方向における検出用光ファイバ１５の歪み及び温度の分布を高空間分解能で且つより遠距離まで測定するように、第１光源１、第１ＡＴＣ１０、第１ＡＦＣ１１、光パルス生成部３、光スイッチ４及び光強度・偏光調整部６を制御する。
　このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳでは、第１光源１及び光パルス生成部３によって生成されたサブ光パルス及びメイン光パルスは、光スイッチ４、光カプラ５、光強度・偏光調整部６、光サーキュレータ７及び光コネクタ９を介して、検出用光ファイバ１５の一方端から入射される。メイン光パルスには、スペクトル拡散方式が用いられる。検出用光ファイバ１５で自然ブリルアン散乱現象の作用を受けた光（自然ブリルアン後方散乱光）が検出用光ファイバ１５の一方端から射出され、歪み及び温度検出計１４によって受光される。そして、歪み及び温度検出計１４によってブリルアン・ゲイン・スペクトラム時間領域反射分析（ＢＧain－ＯＴＤＲ）が行われ、ブリルアン周波数シフト量が検出される。なお、自然ブリルアン散乱現象に係る光は、自然ブリルアン後方散乱光である。
　このような構成のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳでも、光パルスを、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
　図２０は、全体から構成要素を減算することによってブリルアン周波数シフト量を求める方法を説明するための図である。図２０の横軸は、ＭＨｚ単位で表す周波数であり、その縦軸は、ｍＷ単位で表すブリルアン・ゲインである。図２０（Ａ）は、第１乃至第３ブリルアンスペクトルを示し、図２０（Ｂ）は、全体から第２及び第３ブリルアンスペクトルを減算した結果を示す。そして、図２０（Ａ）の実線は、全体のブリルアンスペクトルである第１ブリルアンスペクトルであり、破線は、その構成要素である第２ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの和である。
　なお、本実施の形態に係るＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＦＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルス及びメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第１ブリルアンスペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのメイン光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第２ブリルアンスペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
　あるいは、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、ポンプ光としてのサブ光パルスとプローブ光としての連続光とを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第３ブリルアンスペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトルと第３ブリルアンスペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み温度を測定してもよい。
　このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。
　あるいは、例えば、図２０において、まず、分布型光ファイバセンサＦＳを上述のように動作させることによって、第１ブリルアンスペクトル（図２０（Ａ）の実線）を求める。次に、分布型光ファイバセンサＦＳを上述のように動作させることによって、第２及び第３ブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。次に、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアンスペクトル（図２０（Ａ）の実線）と第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和（図２０（Ａ）の破線）との差（図２０（Ｂ））を求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
　このように構成することによって、ＢＯＴＤＡにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアンスペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。
　また、本実施の形態に係るＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサＦＳにおいて、まず、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、サブ光パルス及びメイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第１自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。次に、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、メイン光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第２自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
　あるいは、制御処理部１３の制御によって、検出用光ファイバ１５に、サブ光パルスを入射させ、歪み及び温度検出計１４は、この場合に検出用光ファイバ１５から射出される第３自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいて第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルを求める。そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルとの差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
　このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をより簡単により高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をより簡単により高精度に求めることが可能となる。
　あるいは、第２及び第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルをそれぞれ求め、そして、歪み及び温度検出計１４は、これら第１ブリルアン・ゲイン・スペクトルと第２ブリルアン・ゲイン・スペクトル及び第３ブリルアン・ゲイン・スペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバ１５に生じた歪み及び温度を測定してもよい。
　このように構成することによって、ＢＯＴＤＲにおいて、ブリルアン周波数シフト量を求める際に、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの不要成分を抑圧することができ、ブリルアン周波数シフト量をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることができる結果、検出用光ファイバに生じた歪み及び温度をさらにより簡単にさらにより高精度に求めることが可能となる。
　次に、上記のような無変調のサブ光パルスとスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとからなる光パルスを用いた分布型光ファイバセンサＦＳにおける実験結果について説明する。この実験結果は、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みによるブリルアン周波数シフト量を測定した結果である。
　図２１は、図６（Ａ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。図２１（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図２１（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図２１（Ａ）のｘ軸は、周波数（ＭＨｚ）であり、ｙ軸は、ブリルアンゲイン（ｎＷ）であり、ｚ軸は、検出用光ファイバ１５の長尺方向における距離（ｍ）である。図２１（Ｂ）の横軸は、検出用光ファイバ１５の長尺方向における距離（ｍ）であり、その縦軸は、ピーク周波数（ＭＨｚ）である。実線は、測定されたピーク周波数であり、破線は、ブリルアン周波数シフトである。
　本実験では、ポンプ光は、図６（Ａ）に示すように、パルス幅３０ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに連続して後続するパルス幅１２．７ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１２７個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調（符号化）され、スペクトル拡散符号化されている。
　検出用光ファイバ１５には、表１に示すように、ｚ＝１００ｃｍからｚ＝１０１ｃｍまでの第１区間、ｚ＝２００ｃｍからｚ＝２０２ｃｍまでの第２区間、ｚ＝３００ｃｍからｚ＝３０３ｃｍまでの第３区間、ｚ＝４００ｃｍからｚ＝４０４ｃｍまでの第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　このような検出用光ファイバ１５にスペクトル拡散方式を一部に用いられたポンプ光を入射させ、測定すると、図２１（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図２１（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図２１に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みによるブリルアン周波数シフト量が測定されており、高精度且つ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。
　このようにメイン光パルスにスペクトル拡散方式を用いても高精度且つ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
　なお、上述の実施の形態では、図６に示す態様のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）が用いられたが、これに限定されるものではなく、例えば、図２２に示す態様のポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）が用いられてもよい。
　図２２は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の構成を説明するための図であり、図２２（Ａ）は、ポンプ光の他の第１構成を示し、図２２（Ｂ）は、ポンプ光の他の第２構成を示す。
　図６（Ａ）に示すポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度と同一レベルであったが、例えば、図２２（Ａ）に示すように、ポンプ光は、サブ光パルスの光強度がメイン光パルスの光強度よりも小さくてもよい。サブ光パルスは、上述したように、メイン光パルスに時間的に先行して音響フォノンを立ち上げる役割を果たすので、メイン光パルスのように大きな光強度が必要ではなく、メイン光パルスの光強度よりも小さくてよい。
　また、図６（Ａ）及び図２２（Ａ）に示す各ポンプ光は、サブ光パルスがメイン光パルスと重なることなくメイン光パルスに時間的に先行するように構成されたが、例えば、図２２（Ｂ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスとサブ光パルスとが時間的に重なった部分を持っていてもよい。このような構成のポンプ光では、メイン光パルスに時間的に先行してサブ光パルスによって音響フォノンを立ち上げる観点から、メイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分がメイン光パルスに対して時間的に先行していることが好ましく、さらに、このメイン光パルスと重なっていないサブ光パルスの部分が音響フォノンを完全に立ち上げる時間以上、例えば約３０ｎｓ以上であることがより好ましい。
　ここで、このようなスペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、メイン光パルスと重なった部分を持つサブ光パルスとからなるポンプ光を分布型光ファイバセンサＦＳに用いた場合における実験結果について説明する。この実験結果は、図２１に示す実験結果と同様に、例えば、ＢＯＴＤＡにおいて、第１ブリルアンスペクトルと第２ブリルアンスペクトル及び第３ブリルアンスペクトルの和との差を求め、この求めた差に基づいて検出用光ファイバに生じた歪みによるブリルアン周波数シフト量を測定した結果である。
　図２３は、図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光を用いた場合における分布型光ファイバセンサの実験結果を示す図である。図２３（Ａ）は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルを示し、図２３（Ｂ）は、ブリルアン周波数シフトを示す。図２３（Ａ）及び（Ｂ）における各軸は、図２１（Ａ）及び（Ｂ）とそれぞれ同じである。
　本実験では、ポンプ光は、図２２（Ｂ）に示すように、パルス幅１３２．３ｎｓのサブ光パルスと、このサブ光パルスに対し３０ｎｓだけ時間的に遅れてこのサブ光パルスと重なっているパルス幅１０２．３ｎｓのメイン光パルスとからなり、メイン光パルスは、セル幅０．１ｎｓの１０２３個のセルに分割されており、各セルは、Ｍ系列バイナリ符号で変調され、スペクトル拡散符号化されている。
　検出用光ファイバ１５には、上述と同様に、表１に示すように、第１ないし第４区間の各区間のそれぞれに、ブリルアン周波数シフト換算で８０ＭＨｚの歪み（＝約１６００με）が予め与えられている。
　このような検出用光ファイバ１５に図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光を入射させ、測定すると、図２３（Ａ）に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルが得られ、その結果、図２３（Ｂ）に示すブリルアン周波数シフトが得られる。図２３に示すように、表１に示す各歪み位置に、予め与えられた大きさの歪みによるブリルアン周波数シフト量が測定されており、高精度且つ高空間分解能で歪みが求められていることが理解される。
　このようにサブ光パルスとメイン光パルスとに重なった部分が存在する場合でも、高精度且つ高空間分解能で歪みを求めることができている。そして、上述したように、ポンプ光を、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスとサブ光パルスとで構成することによって、空間分解能と計測可能距離とを独立に設定することができるから、歪みを高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することができる。
　さらに、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳに用いられるポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の他の態様について説明する。
　図２４は、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）のさらに他の構成及び整合フィルタを説明するための図であり、図２４（Ａ）は、ポンプ光の構成を示し、図２４（Ｂ）は、整合フィルタを示す図である。図２５は、図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するための、光パルス生成部の構成及びその動作を説明するための図である。
　図２２（Ｂ）に示す構成のポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持ちつつメイン光パルスと重なった部分を持ったサブ光パルスと、メイン光パルスとから構成されたが、図２４（Ａ）に示すように、ポンプ光は、メイン光パルスに時間的に先行する部分を持つことなくメイン光パルスと時間的に完全に一致するように重なったサブ光パルスと、メイン光パルスとから構成されてもよい。すなわち、サブ光パルスの立ち上がりタイミング及びその立ち下がりタイミングは、メイン光パルスの立ち上がりタイミング及びその立ち下がりタイミングとそれぞれ一致している。
　このような図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光は、例えば、図２５に示す構成の光パルス生成部３から生成することができる。図２５に示す構成の光パルス生成部３では、その構成は、図５に示す光パルス生成部３及び光スイッチ４の構成と一致し、その動作が、図５に示す光パルス生成部３の動作と異なるものである。このため、ここでは、その構成の説明を省略し、その動作について説明する。
　まず、図２４（Ａ）に示す構成のポンプ光を生成するために、ＬＮ強度変調器１０１は、サブ光パルスを生成するために、所定のレベルの光（漏れ光）が漏れ出す（射出する）ように、オンされている。
　第１光源１から射出された連続光Ｌ１１（＝Ｌ１）は、光カプラ２を介して光パルス生成部３のＬＮ強度変調器１０１に入射される。連続光Ｌ１１が入射されると、ＬＮ強度変調器１０１は、前記漏れ光を射出する。
　光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当するパルス幅Ｄの動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１０４から乗算器１０３へ出力され、直流電源１０２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄの直流電圧がＬＮ強度変調器１０１の信号電極に印加される。これによって、連続光Ｌ１１は、ＬＮ強度変調器１０１で、パルス幅Ｄの光パルスが漏れ光に重畳された光パルスＬ１２となって射出される。
　そして、光パルス生成部３では、メイン光パルスの生成タイミングで、メイン光パルスのパルス幅Ｄに相当する時間幅Ｄの間、疑似乱数がセル幅の時間タイミングで疑似乱数発生器１１４から乗算器１１３へ順次に出力され、直流電源１１２から入力された直流電圧と乗算され、メイン光パルスの生成タイミングから時間幅Ｄで、Ｍ系列バイナリ符号で変調された直流電圧がセル幅の時間タイミングでＬＮ位相変調器１１１の信号電極に順次に印加される。これによって、光パルスＬ１２は、ＬＮ位相変調器１１１で、Ｍ系列バイナリ符号で変調された部分（メイン光パルスに対応する）が漏れ光に重畳された光パルスＬ１３となって射出される。
　そして、ＥＤＦＡ１２１では、前記光パルスＬ１３が所定の光強度となるまで増幅され、光パルスＬ１４となって射出される。
　さらに、光パルス生成部３では、ポンプ光の生成タイミングに応じて、サブ光パルスのパルス幅Ｄｓｕｂ（＝メイン光パルスのパルス幅Ｄ）に相当するパルス幅Ｄｓｕｂ（＝Ｄ）の動作タイミングパルスがタイミングパルス発生器１３４から乗算器１３３へ出力され、直流電源１３２から入力された直流電圧と乗算され、パルス幅Ｄｓｕｂ（＝Ｄ）の直流電圧がＬＮ強度変調器１３１の信号電極に印加される。これによって、光パルスＬ１４は、ＬＮ強度変調器１３１で、ＥＤＦＡ１２１で光パルスＬ１４に付随した自然放出光等のノイズが除去されるとともに、光パルスＬ１４の前後の漏れ光に起因する光（ＥＤＦＡ１２１で増幅された漏れ光）が除去され、パルス幅Ｄｓｕｂ（＝Ｄ）であって無変調であるサブ光パルスとパルス幅Ｄ（＝Ｄｓｕｂ）であってスペクトル拡散符号化されたメイン光パルスとから成り、サブ光パルス上にメイン光パルスが時間的に完全に一致して重なったポンプ光Ｌ１５となって射出される。
　これら図６（Ａ）、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）及び図２４（Ａ）に示す構成の光パルス（サブ光パルス及びメイン光パルス）は、上述のＢＯＴＤＲの分布型光ファイバセンサでも、ＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサと同様に利用することが可能である。なお、ＢＯＴＤＲでは、上述したように、熱雑音によって励起されている音響フォノンを利用するため、サブ光パルスは、メイン光パルスに必ずしも時間的に先行する必要はない。もちろん、サブ光パルスがメイン光パルスよりも時間的に先行していてもよい。
　また、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）としては、さらに、上記特許文献１に記載される階段状パルスだけでなく、以下のようなパルスを用いてもよい。
　図２６は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。以下の各図の横軸は、ｎｓ単位で表す時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は、光強度である。図２６に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状（光強度Ｐが第１所定パルス幅Ｄ１間において第１所定光強度Ｐ１で一定）であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度Ｐ２の矩形形状（光強度Ｐが第２所定パルス幅Ｄ２間において第２所定光強度Ｐ２で一定）である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。
　例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、７ｎｓの時間が空けられている。
　図２７は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２７に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２で立ち上がって光強度Ｐが時間経過に従って徐々に減少する直角三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち上がりの光強度Ｐ２が０．００５である。
　図２８は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２８（Ａ）に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで時間経過に従って徐々に増加する直角三角形状であり、そして、第１光パルスＯＰｍが第２光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであって立ち下がりの光強度Ｐ２が最大光強度であって０．００５である。
　図２８（Ｂ）に示す例では、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少する二等辺三角形状であり、そして、メイン光パルスＯＰｍがサブ光パルスＯＰｓの終了後に略直ちに立ち上がっている。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が１３ｎｓであってパルスの中央における最大光強度Ｐ２が０．００５である。
　図２８（Ｃ）に示すように、メイン光パルスＯＰｍは、第１所定パルス幅Ｄ１で第１所定光強度Ｐ１の矩形形状であり、サブ光パルスＯＰｓは、第２所定パルス幅Ｄ２で光強度Ｐが時間経過に従って第２所定光強度（最大光強度）Ｐ２まで徐々に増加してその後時間経過に従って徐々に減少するガウス曲線形状である。そして、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間には、所定時間が空けられている。よって、サブ光パルスＯＰｓの第２所定パルス幅Ｄ２は、サブ光パルスＯＰｓ立ち上がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまでの時間よりも短い時間幅である。例えば、メイン光パルスＯＰｍは、パルス幅Ｄ１が１ｎｓであって光強度Ｐ１が０．０６２であり、サブ光パルスＯＰｓは、パルス幅Ｄ２が５ｎｓであって最大光強度Ｐ２が０．００５であり、サブ光パルスＯＰｓとメイン光パルスＯＰｍとの間（サブ光パルスＯＰｓの立ち下がりからメイン光パルスＯＰｍの立ち上がりまで）には、４．５ｎｓの時間が空けられている。
　図２９は、他の一例のサブ光パルス及びメイン光パルスの波形を示す図である。図２９に示す例では、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２のパルス幅及び光強度が同一であり、第１光パルスＯＰｗ１と第２光パルスＯＰｗ２との間には、所定時間が空けられている。例えば、第１及び第２光パルスＯＰｗ１、ＯＰｗ２は、パルス幅が１ｎｓであって、光強度が０．０６２であって、所定時間が５ｎｓである。
　なお、上述の実施の形態におけるＢＯＴＤＡの分布型光ファイバセンサＦＳでは、ポンプ光（サブ光パルス及びメイン光パルス）の周波数が固定され、プローブ光（連続光）の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されたが、プローブ光の周波数が固定され、ポンプ光の周波数が所定の周波数範囲で掃引されてブリルアンスペクトルが測定されてもよい。
　また、上述の実施の形態では、ブリルアンスペクトラム時間領域分析（ＢＯＴＤＡ）用の分布型光ファイバセンサと、ブリルアンスペクトラム時間領域反射分析（ＢＯＴＤＲ）用の分布型光ファイバセンサと、レイリー散乱現象を利用するコヒーレント光パルス試験器（ＣＯＴＤＲ）とが一体で実行可能なように分布型光ファイバセンサが構成されたが、ブリルアンスペクトラム時間領域分析が実行可能な分布型光ファイバセンサと、ブリルアンスペクトラム時間領域反射分析が実行可能な分布型光ファイバセンサと、レイリー散乱現象を利用する分布型光ファイバセンサとが、それぞれ別体で構成されてもよいし、一部が共用されてもよい。
　また、本実施の形態の分布型光ファイバセンサでは、セル幅は、任意の幅（秒）に設定することが可能である。上記の実験では、セル幅は、０．１ｎｓ（ナノ秒）に設定されたが、例えばピコ秒オーダ等のさらに短く設定することが可能である。したがって、本実施の形態の分布型光ファイバセンサＦＳは、ミリメートルオーダの超高分解能を実現することが可能であり、光学部品の歪み、例えば光導波路の歪みを計測することに適用することも可能である。
　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施の形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施の形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
　以上説明した本発明をまとめると以下の通りである。
　すなわち、本発明に係る分布型光ファイバセンサは、光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、ブリルアン散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量とから、前記光ファイバに生じた歪みと温度とを算出する算出手段とを備えることを特徴とする。
　この分布型光ファイバセンサによれば、ブリルアン散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するとともに、レイリー散乱現象を利用して光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測しているので、２つの周波数シフト量を用いて光ファイバに生じた歪みと温度とを同時に且つ独立して算出することができ、光ファイバが付設された計測対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測することができる。
　また、前記発明のレイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で前記パルス光を掃引してレイリー後方散乱光を計測することによりレイリー周波数シフト量を計測することも可能である。
　この場合、計測されたブリルアン周波数シフト量からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲でパルス光を掃引してレイリー後方散乱光を計測しているので、必要十分な狭い掃引範囲でパスル光を掃引し、ブリルアン周波数シフト量の感度に比して非常に高い感度を有するレイリー周波数シフト量を短時間で計測することが可能となる。
　また、前記発明のレイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが温度によるシフト量であるとしたときの温度の変化量から算出した第１のレイリー周波数シフト量を第１の周波数とするとともに、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが歪みによるシフト量であるとしたときの歪みの変化量から算出した第２のレイリー周波数シフト量を第２の周波数とし、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を基に前記掃引範囲を決定することも可能である。
　この場合、計測されたブリルアン周波数シフト量から、レイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を容易に且つ短時間で決定することができるので、ブリルアン周波数シフト量の感度に比して非常に高い感度を有するレイリー周波数シフト量をより短時間で計測することが可能となる。
　また、前記発明の前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルと前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルとの相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することが可能である。
　この場合、相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値を用いることで、光ファイバ内に歪み及び温度が不均一に生じ、これにより相互相関係数のピークが複数現れても、これら複数のピークと閾値とを比較することにより、相互相関係数の正しいピークを選択することが可能となる。
　また、前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根と前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根との相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することが可能である。
　このようにスペクトル自体ではなくスペクトルの平方根を用いることで互いに無相関であった場合の相互相関係数のレベルが低下するため、相互相関係数の複数のピークから正しいピークをより確実に選択することが可能となる。
　また、前記発明のブリルアン計測手段又はレイリー計測手段の一方の計測手段は、前記光ファイバ中を伝播する光の移動時間に基づいて定まる実測位置と、前記光ファイバの伸縮に伴って前記実測位置からずれる当該光ファイバ上の計測希望位置とに関する補正量を導出すると共に、この補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の一方を計測し、他方の計測手段は、前記一方の計測手段により導出された補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の他方を計測することが可能である。
　この場合、実際に計測されるブリルアン後方散乱光（又はレイリー後方散乱光）の生じた光ファイバ中の位置（実測位置）と、ブリルアン周波数シフト量（又はレイリー周波数シフト量）の導出のためにブリルアン後方散乱光（又はレイリー後方散乱光）の計測値を得たい光ファイバにおける位置（計測希望位置）とのずれが大きくても、このずれに関する補正量を前記ブリルアン後方散乱光（又はレイリー後方散乱光）から導出し、この補正量を用いることで、ブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量を精度よく導出することが可能となる。
　また、前記発明のブリルアン計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光と、前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光とを用いて前記補正量を導出することが可能である。
　この場合、前記計測状態の光ファイバから計測したブリルアン後方散乱光の光強度の分布（計測値）と、前記参照状態の光ファイバから計測したブリルアン後方散乱光の光強度の分布（計測値）とからそれぞれピーク周波数を容易に且つ高精度に導出することができ、これら各計測状態でのピーク周波数に基づくことにより前記補正量を容易且つ高精度に導出することが可能となる。
　また、前記発明のブリルアン計測手段は、前記参照状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた参照用計測値を格納する記憶部と、前記記憶部に格納されている前記参照用計測値と前記計測状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいて前記補正量を導出する補正量導出部とを備えることが可能である。
　この場合、光ファイバを計測対象物に付設した後に計測された参照計測値を格納しておくことができるため補正量をより高精度に導出でき、その結果、当該光ファイバが付設された計測対象物の歪と温度とを精度よく計測することが可能となる。
　また、前記発明の実測位置は、前記光ファイバの長尺方向に沿って間隔をおいて複数設定され、前記記憶部には、前記参照状態の光ファイバの各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた複数の参照用計測値が格納され、前記補正量導出部は、前記参照状態の光ファイバにおいて長尺方向の一部に参照領域を設定し、前記記憶部に格納されている前記参照領域内の実測位置の参照用計測値と、前記計測状態の光ファイバにおける各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られる計測値とに基づいて前記補正量を導出することが可能である。
　この場合、前記参照状態の光ファイバの長尺方向の一部に参照領域を設定し、この領域内に含まれる実測位置から得られた測定値と、前記計測状態の光ファイバから得られた前記計測値とに基づいて前記補正量を導出することで、前記参照状態の光ファイバから得られた全ての計測値と前記計測状態の光ファイバから得られた全ての計測値とに基づいて補正量を導出する場合に比べ、確実に且つ短時間で補正量を導出することが可能となる。
　また、この参照領域を光ファイバの長尺方向に沿って順次ずらすことで、光ファイバの長さに関わらず当該光ファイバの全ての実測位置に対する補正量の導出も確実に行うことが可能となる。
　また、前記発明のブリルアン計測手段は、前記計測状態の光ファイバの各実測位置からの前記ブリルアン後方散乱光から得られた計測値に基づき、これら複数の計測値が前記光ファイバの長尺方向において連続するように前記長尺方向に互いに隣り合う実測位置の計測値間を補間する補間部と、前記補正量導出部で導出された補正量に基づいて、前記参照領域内に含まれる複数の実測位置から各実測位置に対応する前記計測希望位置をそれぞれ導出し、この計測希望位置と前記補間部で補間された値とに基づいて各計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られる推定計測値を推定する推定部と、前記推定部により推定された推定計測値と、前記推定計測値が推定された計測希望位置に対応する前記参照状態の光ファイバの実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいてブリルアン周波数シフト量を導出するシフト量導出部とをさらに備えることが可能である。
　この場合、光ファイバの長尺方向に離散的にしか得られない複数の計測値間が補間されることで、実測位置に対応する計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られる計測値の推定を容易に行うことが可能となる。
　また、前記発明の分布型光ファイバセンサは、光の偏光面をランダムに変更する偏波制御手段をさらに備え、前記ブリルアン計測手段及び前記レイリー計測手段は、前記偏波制御手段を誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用することも可能である。
　この場合、誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に偏波制御手段を共用しているので、分布型光ファイバセンサの構成を簡略化して装置コストを低減することが可能となる。
　また、前記発明のブリルアン計測手段は、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、連続光を生成する連続光光源と、前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えることが可能である。
　この場合、分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＡとして機能させることができ、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することが可能となる。
　また、前記発明のブリルアン計測手段は、スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えることが可能である。
　この場合、分布型光ファイバセンサをＢＯＴＤＲとして機能させることができ、歪み及び温度を高空間分解能で測定可能としつつ、計測可能距離を伸ばしてより遠くまで測定することが可能となる。
　以上のように、本発明に係る分布型光ファイバセンサは、被検査対象物の歪みと温度とを計測する分布型光ファイバセンサに有用であり、被検査対象物の歪みと温度とを同時に且つ独立して高空間分解能で計測するのに適している。

Claims (13)

  1. 　光ファイバをセンサとして用いる分布型光ファイバセンサであって、
    　ブリルアン散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測手段と、
    　レイリー散乱現象を利用して前記光ファイバに生じた歪み及び温度によるレイリー周波数シフト量を計測するレイリー計測手段と、
    　前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量と、前記レイリー計測手段によって計測されたレイリー周波数シフト量とから、前記光ファイバに生じた歪みと温度とを算出する算出手段とを備えることを特徴とする分布型光ファイバセンサ。
  2. 　前記レイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量からレイリー後方散乱光を計測するためのパルス光の周波数の掃引範囲を決定し、決定した掃引範囲で前記パルス光を掃引してレイリー後方散乱光を計測することによりレイリー周波数シフト量を計測することを特徴とする請求項１記載の分布型光ファイバセンサ。
  3. 　前記レイリー計測手段は、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが温度によるシフト量であるとしたときの温度の変化量から算出した第１のレイリー周波数シフト量を第１の周波数とするとともに、前記ブリルアン計測手段によって計測されたブリルアン周波数シフト量のすべてが歪みによるシフト量であるとしたときの歪みの変化量から算出した第２のレイリー周波数シフト量を第２の周波数とし、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を基に前記掃引範囲を決定することを特徴とする請求項２記載の分布型光ファイバセンサ。
  4. 　前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルと前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルとの相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
  5. 　前記レイリー計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根と前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのレイリー散乱スペクトルの平方根との相互相関係数と、前記相互相関係数の信頼度に関する確率に基づく閾値とから前記レイリー周波数シフト量を計測することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
  6. 　前記ブリルアン計測手段又は前記レイリー計測手段の一方の計測手段は、前記光ファイバ中を伝播する光の移動時間に基づいて定まる実測位置と、前記光ファイバの伸縮に伴って前記実測位置からずれる当該光ファイバ上の計測希望位置とに関する補正量を導出すると共に、この補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の一方を計測し、
    　他方の計測手段は、前記一方の計測手段により導出された補正量を用いて前記ブリルアン周波数シフト量又は前記レイリー周波数シフト量の他方を計測することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の分布型光ファイバセンサ。
  7. 　前記ブリルアン計測手段は、所定の参照状態の前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光と、前記参照状態の光ファイバに生じた歪み及び温度の計測状態における前記光ファイバからのブリルアン後方散乱光とを用いて前記補正量を導出することを特徴とする請求項６に記載の分布型光ファイバセンサ。
  8. 　前記ブリルアン計測手段は、前記参照状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた参照用計測値を格納する記憶部と、
    　前記記憶部に格納されている前記参照用計測値と前記計測状態の光ファイバからのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいて前記補正量を導出する補正量導出部とを備えることを特徴とする請求項７に記載の分布型光ファイバセンサ。
  9. 　前記実測位置は、前記光ファイバの長尺方向に沿って間隔をおいて複数設定され、
    　前記記憶部には、前記参照状態の光ファイバの各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた複数の参照用計測値が格納され、
    　前記補正量導出部は、前記参照状態の光ファイバにおいて長尺方向の一部に参照領域を設定し、前記記憶部に格納されている前記参照領域内の実測位置の参照用計測値と、前記計測状態の光ファイバにおける各実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られる計測値とに基づいて前記補正量を導出することを特徴とする請求項８に記載の分布型光ファイバセンサ。
  10. 　前記ブリルアン計測手段は、前記計測状態の光ファイバの各実測位置からの前記ブリルアン後方散乱光から得られた計測値に基づき、これら複数の計測値が前記光ファイバの長尺方向において連続するように前記長尺方向に互いに隣り合う実測位置の計測値間を補間する補間部と、
    　前記補正量導出部で導出された補正量に基づいて、前記参照領域内に含まれる複数の実測位置から各実測位置に対応する前記計測希望位置をそれぞれ導出し、この計測希望位置と前記補間部で補間された値とに基づいて各計測希望位置からのブリルアン後方散乱光から得られる推定計測値を推定する推定部と、
    　前記推定部により推定された推定計測値と、前記推定計測値が推定された計測希望位置に対応する前記参照状態の光ファイバの実測位置からのブリルアン後方散乱光から得られた計測値とに基づいてブリルアン周波数シフト量を導出するシフト量導出部とをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の分布型光ファイバセンサ。
  11. 　光の偏光面をランダムに変更する偏波制御手段をさらに備え、
    　前記ブリルアン計測手段及び前記レイリー計測手段は、前記偏波制御手段を誘導ブリルアン散乱光とレイリー後方散乱光との計測に共用することを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
  12. 　前記ブリルアン計測手段は、
    　スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
    　連続光を生成する連続光光源と、
    　前記メイン光パルスが前記サブ光パルスよりも時間的に先に入射されないように前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記連続光が入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスと前記連続光との間で誘導ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
    　前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
    　前記整合フィルタで検出された前記誘導ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトル又はブリルアン・ロス・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
  13. 　前記ブリルアン計測手段は、
    　スペクトル拡散方式を用いたメイン光パルスと、無変調のサブ光パルスとを生成する光パルス光源と、
    　前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが入射され、前記サブ光パルス及び前記メイン光パルスが熱雑音による音波によって自然ブリルアン散乱現象が生じる検出用光ファイバと、
    　前記検出用光ファイバから射出される光をフィルタリングすることによって前記自然ブリルアン散乱現象に係る光を検出する、前記スペクトル拡散方式に対応する整合フィルタと、
    　前記整合フィルタで検出された前記自然ブリルアン散乱現象に係る光に基づいてブリルアン・ゲイン・スペクトルを求め、この求めた前記ブリルアン・ゲイン・スペクトルに基づいて前記ブリルアン周波数シフト量を計測するブリルアン計測部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバセンサ。
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