WO2024069867A1 - 光ファイバの歪み又は温度を解析する装置及び方法 - Google Patents

光ファイバの歪み又は温度を解析する装置及び方法 Download PDF

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optical fiber
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frequency
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達也 岡本
大輔 飯田
優介 古敷谷
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Definitions

  • This disclosure relates to optical fiber sensing technology.
  • OTDR-DAS Distributed Acoustic Sensing
  • OTDR Optical Time Domain Reflectometry
  • the phase unwrapping condition (equivalent to the sampling theorem) must be satisfied. Furthermore, the longer the gauge length of the optical fiber that measures strain or temperature, the smaller the amount of phase change over time must be. For this reason, the gauge length of the optical fiber that measures strain or temperature is limited by the amount of phase change over time.
  • the purpose of this disclosure is to make it possible to measure strain or temperature in an analysis section of any length without being limited by the maximum time change in the phase to be measured.
  • the measurement system of the present disclosure comprises: a frequency sweep light source that outputs a frequency sweep light; an optical branching unit that branches the frequency sweep light into a probe light and a local light; an optical multiplexing unit that multiplexes backscattered light obtained by inputting the probe light into the optical fiber with the local light; an analysis device according to the present disclosure that analyzes a beat signal obtained by the combining; Equipped with.
  • the analysis device of the present disclosure executes the analysis method of the present disclosure.
  • An analysis method executed by an analysis device which analyzes a distribution waveform of a beat signal obtained by inputting a probe light, which is one of two branches of a frequency swept light and a local light, into an optical fiber, and multiplexing the backscattered light from the optical fiber with the local light, the method comprising: calculating a frequency offset at two different points on the optical fiber using cross-correlation of backscattered light waveforms obtained from the beat signals measured at different times; The difference between the frequency offsets at the two different points is calculated to measure the strain or temperature in the analysis section connecting the two different points.
  • the difference between the frequency offsets at the two different points is calculated to calculate the cumulative frequency modulation amount in the analysis section connecting the two different points, and the calculated cumulative frequency modulation amount may be used to calculate the strain or temperature.
  • the analysis section may be changed by changing the position of at least one of the two points in the optical fiber, and a vibration source in the optical fiber may be searched for based on an increase or decrease in the cumulative frequency modulation amount in the changed analysis section.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating backscattered light at two points in an optical fiber.
  • 1 shows an example of the configuration of a measurement system according to the present disclosure.
  • 3 shows an example of a time waveform of a beat signal.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating frequency modulation by instantaneous frequency.
  • 1 shows an example of a backscattered light waveform r( ⁇ ).
  • 4 shows an example of cross-correlation of frequency modulation amounts.
  • 2 shows an example of an analysis model of the optical fiber used in this embodiment.
  • 1 shows an example of an analysis flow in an analysis device.
  • 4 shows an example of a cumulative frequency modulation amount.
  • 4 shows an example of a cumulative frequency modulation amount.
  • OFDR Optical Frequency Domain Reflectometry
  • this disclosure uses OFDR to measure at least one of the strain due to physical vibration of the optical fiber and the temperature of the optical fiber in the analysis section. Below, an example of measuring the strain out of the strain and temperature is described.
  • Non-Patent Document 2 The inventors discovered that it is possible to measure frequency modulation by measuring the backscattered light waveform using OFDR and analyzing the time series of the backscattered light waveform by cross-correlation (see, for example, Non-Patent Document 2). This disclosure is an application of this technology.
  • FIG. 2 shows an example of the configuration of a measurement system according to the present disclosure.
  • the measurement system 10 is any means capable of measuring the backscattered light of an optical fiber 91 using OFDR.
  • the measurement system 10 includes a frequency sweep light source 11, a coupler 12 functioning as an optical branching unit, a circulator 13, a coupler 14 functioning as an optical multiplexing unit, a balanced optical receiver 15, an A/D converter 16, and an analyzer 17.
  • Analysis device 17 functions as the analysis device of the present disclosure and executes the analysis method of the present disclosure.
  • Analysis device 17 can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided via a network.
  • the program of the present disclosure is a program for realizing a computer as each functional unit of analysis device 17 of the present disclosure, and is a program for causing a computer to execute each step of the method executed by analysis device 17 of the present disclosure.
  • the frequency swept light from the frequency swept light source 11 is split by the coupler 12, with one probe light being sent to the circulator 13 and the other local light being sent to the coupler 14.
  • the circulator 13 inputs the probe light into the optical fiber 91 and outputs the backscattered light from the optical fiber 91 to the coupler 14.
  • the coupler 14 combines the local light from the coupler 12 and the backscattered light from the circulator 13. This generates a beat signal of the local light and the backscattered light.
  • the balanced photoreceiver 15 uses the combined light from the coupler 14 to output the I and Q components of the backscattered light.
  • the A/D converter 16 converts the I and Q components of the backscattered light into digital signals.
  • the analyzer 17 uses the I and Q components of the backscattered light to calculate the time waveform of the beat signal.
  • FIG 3 shows an example of a time waveform of a beat signal.
  • the backscattered light is measured twice at different times.
  • Each backscattered light has a beat frequency f beat and a frequency offset v offset due to distortion with respect to the local light.
  • a spectrum in the beat frequency (distance) domain is shown in Fig. 4.
  • the frequency sweep time of the probe light is sufficiently shorter than the inverse of the frequency modulation due to the distortion, the instantaneous frequency due to the distortion modulates the mapping of the beat frequency of the OFDR.
  • the beat frequency f beat of the OFDR becomes the sum of the beat frequency f beat without modulation and a frequency offset v offset corresponding to the instantaneous frequency due to the distortion.
  • ⁇ is the frequency sweep speed
  • z is the distance from the incident end of the probe light
  • c is the speed of light
  • z offset is a distance offset equivalent to the frequency offset ⁇ offset .
  • the frequency offset v offset corresponding to the frequency modulation amount of mapping is obtained from a cross-correlation signal using the backscattered light waveform r( ⁇ ) at a certain time as a reference waveform, as shown in Fig. 5. Therefore, the time series of the backscattered light waveform r( ⁇ ) is analyzed by the cross-correlation of the reference waveform. Then, as shown in Fig. 6, the offset of the frequency modulation amount that gives the peak of the cross-correlation is calculated. This makes it possible to measure the frequency offset v offset with respect to the reference waveform.
  • the optical fiber 91 is treated as a set of N sections, section #1 to section #N. Since the amount of frequency modulation applied to the optical fiber 91 is cumulative, it is possible to obtain the cumulative amount of frequency modulation in the analysis section connecting the two different points by calculating the difference between the frequency offsets v offset at two different points. This makes it possible to calculate the distortion due to vibration in the analysis section connecting the two different points.
  • the cumulative frequency modulation amount F M (t) from sections #1 to #M and the cumulative frequency modulation amount F N (t) from sections #1 to #N are respectively expressed by the following equations.
  • the cumulative frequency modulation amount F N ⁇ M (t) from section #M+1 to section #N is expressed by the following equation.
  • the distortion amount ⁇ N ⁇ M (t) corresponding to the accumulated frequency modulation amount F N ⁇ M (t) from section #M+1 to section #N is expressed by the following equation.
  • the parameters are as follows: ⁇ N-M : Phase from section #M+1 to #N k: Wave number n: Refractive index ⁇ : Wavelength L N-M : Length from section #M+1 to #N
  • FIG. 8 shows an example of an analysis flow in the analysis device 17.
  • the backscattered light waveform r( ⁇ ) of the optical fiber 91 is repeatedly measured, and then the frequency modulation amounts F M (t) and F N (t) at two arbitrary points located at distances x M and x N from the incident end of the probe light are calculated (S11 and S12).
  • the cumulative frequency modulation amounts F M (t) and F N (t) at the two analyzed points are subtracted from each other to obtain the frequency modulation in the analysis section between any two points (S13).
  • step S11 by calculating the frequency offset v offset in section #1 using multiple backscattered light waveforms r( ⁇ ) at different times, it is possible to calculate the cumulative frequency modulation amount F 1 (t) up to section #1 as shown in FIG. 9( a).
  • step S12 by calculating the frequency offset v offset in section #N using a plurality of backscattered light waveforms r( ⁇ ) at different times, it is possible to calculate the cumulative frequency modulation amount F N (t) from section #1 to section #N as shown in Fig. 9(b) .
  • F N (t) the cumulative frequency modulation amount
  • Fig. 9(b) impulse-like frequency modulation occurs between sections #1 to #N.
  • step S13 the difference between the cumulative frequency modulation amount F N (t) and the cumulative frequency modulation amount F 1 (t) is calculated.
  • analysis device 17 can determine that impulse-like frequency modulation is occurring between sections #2 to #N. Furthermore, using the result of step S13, analysis device 17 can calculate the amount of distortion ⁇ N-1 (t) between sections #2 to #N, for example, by using equation (8).
  • the present disclosure can be applied to searching for a vibration source based on an increase or decrease in the cumulative frequency modulation amount in an analysis interval. For example, when the cumulative frequency modulation amount F M (t) from sections #1 to #M is calculated by calculating the frequency offset v offset in section #M, an impulse-like frequency modulation occurs as shown in FIG.
  • the analysis interval is narrowed by changing section #1, which is one point in the analysis interval, to section #2, and the cumulative frequency modulation amount F M-1 (t) from section #2 to section #M is calculated. At this time, impulse-like frequency modulation occurs, as shown in FIG. 10(b).
  • the cumulative frequency modulation amount F N-M (t) from section #M+1 to section #N is calculated, the cumulative frequency modulation amount decreases and no impulse-like frequency modulation occurs, as shown in FIG 10(c). In such a case, it is understood that impulse-like frequency modulation occurs between sections #2 and #M. In this way, the present disclosure can analyze the cumulative frequency up to the midpoint and search for a vibration source based on the increase or decrease in the cumulative frequency modulation amount.
  • points on the backscattered light waveform r( ⁇ ) and positions on the optical fiber 91 can be associated with each other using the beat frequencies of the local light and the backscattered light.
  • the length of the analysis interval for calculating the difference in the cumulative frequency modulation amount between two points may be long, which makes it possible to search for a vibration source that exists at any position in the optical fiber 91.
  • the method of measuring the temperature of an optical fiber or the strain caused by vibration applied between two points by taking the difference between the measurement results at two points is mainly used in OTDR, but this disclosure adopts this method in OFDR.
  • the maximum time change in measurable strain is limited to the distance (gauge length) between two points due to phase unwrapping conditions, but in OFDR, the distance between two points is not limited. Therefore, this disclosure has the advantageous effect of allowing the distance between two points to be freely set. Therefore, this disclosure allows the distance between two points to be freely set in a means for measuring at least one of the physical vibrations applied to the optical fiber and the temperature of the optical fiber in a distributed manner along the longitudinal direction of the optical fiber.

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Abstract

本開示は、測定する位相の最大時間変化量に制限されることなく、任意の長さの解析区間における歪み又は温度を測定可能にすることを目的とする。　本開示は、周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を光ファイバに入射して得た前記光ファイバからの後方散乱光を前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、解析装置であって、異なる時間に測定された前記ビート信号から得られた後方散乱光波形の相互相関を用いて、前記光ファイバの異なる２地点における周波数オフセットを算出し、前記異なる２地点における周波数オフセットの差分を算出することで、前記異なる２地点を結ぶ解析区間における歪み又は温度を測定する、解析装置である。

Description

光ファイバの歪み又は温度を解析する装置及び方法
　本開示は、光ファイバセンシング技術に関する。
　被測定光ファイバにパルス試験光を入射し、レイリー散乱による後方散乱光を検出するＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いて、光ファイバの物理的な振動による歪み又は光ファイバの温度を、光ファイバ長手方向に分布的に計測するＯＴＤＲ－ＤＡＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｓｅｎｓｉｎｇ）が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
　ＯＴＤＲ－ＤＡＳで歪み又は温度を忠実に測定するためには、位相アンラッピング条件（サンプリング定理と等価）を満たす必要がある。また、歪み又は温度を測定する光ファイバのゲージ長が長いほど、位相の時間変化量は小さくなければならない。このため、歪み又は温度を測定する光ファイバのゲージ長が位相の時間変化量によって制限されていた。
Ｈａｒｔｏｇ，　Ａｒｔｈｕｒ　Ｈ．　Ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ．　ＣＲＣ　ｐｒｅｓｓ，　２０１７． Ｏｋａｍｏｔｏ，　Ｔａｔｓｕｙａ，　Ｄａｉｓｕｋｅ　Ｉｉｄａ，　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｏｓｈｉｄａ．　"Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｅａｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ．"　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　３７．１８　（２０１９）：　４８９６－４９０１．
　本開示は、測定する位相の最大時間変化量に制限されることなく、任意の長さの解析区間における歪み又は温度を測定可能にすることを目的とする。
　具体的には、本開示の測定システムは、
　周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、
　前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光に２分岐する光分岐部と、
　前記プローブ光を前記光ファイバに入射して得た後方散乱光を前記ローカル光と合波する光合波部と、
　前記合波によって得られたビート信号を解析する、本開示の解析装置と、
　を備える。
　本開示の解析装置は、本開示の解析方法を実行する。本開示の解析方法は、
　周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を光ファイバに入射して得た前記光ファイバからの後方散乱光を前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、解析装置が実行する解析方法であって、
　異なる時間に測定された前記ビート信号から得られた後方散乱光波形の相互相関を用いて、前記光ファイバの異なる２地点における周波数オフセットを算出し、
　前記異なる２地点における周波数オフセットの差分を算出することで、前記異なる２地点を結ぶ解析区間における歪み又は温度を測定する。
　本開示では、前記異なる２地点における周波数オフセットの差分を算出することで、前記異なる２地点を結ぶ解析区間における累積周波数変調量を算出し、算出した累積周波数変調量を用いて、歪み又は温度を算出してもよい。
　本開示では、前記光ファイバにおける前記２地点の少なくとも一方の位置を変更することで前記解析区間を変更し、変更した前記解析区間における累積周波数変調量の増減に基づいて、前記光ファイバにおける振動源を探索してもよい。
　なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。
　本開示によれば、測定する位相の最大時間変化量に制限されることなく、任意の長さの解析区間における歪み又は温度を測定することができる。
光ファイバにおける２地点での後方散乱光を説明する図である。 本開示の測定システムの構成例を示す。 ビート信号の時間波形の一例を示す。 瞬時周波数による周波数変調を説明する図である。 後方散乱光波形ｒ（τ）の一例を示す。 周波数変調量の相互相関の一例を示す。 本実施形態で用いる光ファイバの解析モデルの一例を示す。 解析装置における解析フローの一例を示す。 累積周波数変調量の一例を示す。 累積周波数変調量の一例を示す。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
　ＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）ではＯＴＤＲ－ＤＡＳのような歪み及び温度に対するサンプリング定理は存在しない。このため、周波数変調差を解析する解析区間の長さは任意に設定可能である。そこで、本開示は、ＯＦＤＲを用いて、解析区間における、光ファイバの物理的な振動による歪み及び光ファイバの温度の少なくともいずれかを測定する。以下、歪み及び温度のうちの歪みを測定する例について説明する。
　発明者達は、ＯＦＤＲを用いて後方散乱光波形を測定し、後方散乱光波形の時系列を相互相関で解析することで、周波数変調を測定可能になることを発見した（例えば、非特許文献２参照）。本開示はこの技術を応用したものである。
　本開示では、図１に示すように、光ファイバ９１の任意の解析区間を伝搬したプローブ光の周波数変調量を解析するため、プローブ光が入射端から地点Ａおよび地点Ｂまで伝搬した際に生じた周波数変調を非特許文献２の技術を用いて解析し、それら２地点間の周波数変調の差分をとる。これにより、本開示は、プローブ光が地点Ａと地点Ｂとの間を伝搬した際の周波数変調を解析する。
　図２に、本開示の測定システムの構成例を示す。測定システム１０は、ＯＦＤＲを用いて光ファイバ９１の後方散乱光を測定可能な任意の手段である。例えば、測定システム１０は、周波数掃引光源１１、光分岐部として機能するカプラ１２、サーキュレータ１３、光合波部として機能するカプラ１４、バランス型受光器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、解析装置１７を備える。
　解析装置１７は、本開示の解析装置として機能し、本開示の解析方法を実行する。解析装置１７は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。本開示のプログラムは、本開示に係る解析装置１７に備わる各機能部としてコンピュータを実現させるためのプログラムであり、本開示に係る解析装置１７が実行する方法に備わる各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
　周波数掃引光源１１からの周波数掃引光はカプラ１２において、一方のプローブ光がサーキュレータ１３へ、他方のローカル光はカプラ１４に分岐される。サーキュレータ１３はプローブ光を光ファイバ９１に入射し、光ファイバ９１からの後方散乱光をカプラ１４に出射する。カプラ１４は、カプラ１２からのローカル光とサーキュレータ１３からの後方散乱光を合波する。これにより、ローカル光と後方散乱光のビート信号が生成される。
　バランス型受光器１５は、カプラ１４からの合波光を用いて、後方散乱光のＩ成分及びＱ成分をそれぞれ出力する。Ａ／Ｄ変換器１６は、後方散乱光のＩ成分及びＱ成分をそれぞれデジタル信号に変換する。解析装置１７は、後方散乱光のＩ成分及びＱ成分を用いて、ビート信号の時間波形を算出する。
　図３にビート信号の時間波形の一例を示す。本実施形態では、一例として、後方散乱光を異なる時間に２回測定する例を示す。各後方散乱光には、ローカル光に対し、ビート周波数ｆｂｅａｔと、歪みによる周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔが含まれる。
　図４にビート周波数（距離）領域でのスペクトルの一例を示す。プローブ光の周波数掃引時間が歪みによる周波数変調の逆数よりも十分短い場合、歪みによる瞬時周波数は、ＯＦＤＲのビート周波数のマッピングを変調する。これにより、ＯＦＤＲのビート周波数ｆｂｅａｔは、変調がないときのビート周波数ｆｂｅａｔに、歪みによる瞬時周波数に相当する周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔが加わったものになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、γは周波数掃引速度、ｚはプローブ光の入射端からの距離、ｃは光速、ｚｏｆｆｓｅｔは周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔに相当する距離オフセットである。
　マッピングの周波数変調量に相当する周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔは、図５に示すように、ある時刻の後方散乱光波形ｒ（τ）を参照波形とした相互相関信号で得られる。そこで、後方散乱光波形ｒ（τ）の時系列を、参照波形の相互相関で解析する。そして、図６に示すように、相互相関のピークを与える周波数変調量のオフセットを算出する。これにより、参照波形に対する周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔを測定可能になる。
　図７に、本実施形態で用いる光ファイバ９１の解析モデルの一例を示す。本実施形態では、光ファイバ９１をセクション＃１～セクション＃ＮのＮ個のセクションの集合として扱う。光ファイバ９１に加わった周波数変調量は累積するため、異なる２地点の周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔの差分を計算すれば、それらを結ぶ解析区間の累積周波数変調量を求めることが可能である。これにより、異なる２地点を結ぶ解析区間の振動による歪みを算出することができる。
　具体的には、セクション＃ｉの周波数変調量をｆｉ（ｔ）とすると、セクション＃１から＃Ｍまでの累積周波数変調量ＦＭ（ｔ）及びセクション＃１から＃Ｎまで累積周波数変調量ＦＮ（ｔ）はそれぞれ次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　セクション＃Ｍ＋１から＃Ｎまでの累積周波数変調量ＦＮ－Ｍ（ｔ）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　セクション＃Ｍ＋１から＃Ｎまでの累積周波数変調量ＦＮ－Ｍ（ｔ）に相当する歪み量εＮ－Ｍ（ｔ）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、各パラメータは以下のとおりである。
　θＮ－Ｍ：セクション＃Ｍ＋１から＃Ｎまでの位相
　ｋ：波数
　ｎ：屈折率
　λ：波長
　ＬＮ－Ｍ：セクション＃Ｍ＋１から＃Ｎまでの長さ
（解析フロー）
　図８に、解析装置１７における解析フローの一例を示す。図５のように光ファイバ９１の後方散乱光波形ｒ（τ）を繰り返し測定し、その後、プローブ光の入射端から距離ｘＭ及びｘＮに位置する任意の２地点での周波数変調量ＦＭ（ｔ）及びＦＮ（ｔ）を算出する（Ｓ１１及びＳ１２）。
　解析した２地点での累積周波数変調量ＦＭ（ｔ）及びＦＮ（ｔ）を減算することで、任意の２地点間の解析区間の周波数変調を得る（Ｓ１３）。
　例えば、ステップＳ１１において、時間の異なる複数の後方散乱光波形ｒ（τ）を用いて、セクション＃１での周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔを算出することで、図９（ａ）に示すような、セクション＃１までの累積周波数変調量Ｆ１（ｔ）を算出することができる。
　例えば、ステップＳ１２において、時間の異なる複数の後方散乱光波形ｒ（τ）を用いて、セクション＃Ｎでの周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔを算出することで、図９（ｂ）に示すような、セクション＃１からセクション＃Ｎまでの累積周波数変調量ＦＮ（ｔ）を算出することができる。図９（ｂ）の例では、セクション＃１～＃Ｎの間でインパルス状の周波数変調が発生している。
　そして、ステップＳ１３において、累積周波数変調量ＦＮ（ｔ）と累積周波数変調量Ｆ１（ｔ）の差分を算出する。これにより、図９（ｃ）に示すように、セクション＃２から＃Ｎまでの累積周波数変調量を算出することができる。図９（ｃ）によれば、インパルス状の周波数変調が残っている。
　解析装置１７は、ステップＳ１３の結果を用いて、セクション＃２～＃Ｎの間でインパルス状の周波数変調が発生していると判定することができる。また、解析装置１７は、ステップＳ１３の結果を用いて、例えば式（８）を用いて、セクション＃２～＃Ｎの間での歪み量εＮ－１（ｔ）を算出することができる。
　本開示は、解析区間における累積周波数変調量の増減に基づいて、振動源の探索に適用することができる。例えば、セクション＃Ｍでの周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔを算出することで、セクション＃１から＃Ｍまでの累積周波数変調量ＦＭ（ｔ）を算出したとき、図１０（ａ）に示すように、インパルス状の周波数変調が発生している。
　解析区間における一方の地点であるセクション＃１をセクション＃２に変更することで解析区間を狭くし、セクション＃２からセクション＃Ｍまでの累積周波数変調量ＦＭ－１（ｔ）を算出する。このとき、図１０（ｂ）に示すように、インパルス状の周波数変調が発生している。
　両方のセクションを変更することで解析区間を変更し、セクション＃Ｍ＋１からセクション＃Ｎまでの累積周波数変調量ＦＮ－Ｍ（ｔ）を算出したとき、図１０（ｃ）に示すように、累積周波数変調量が減少し、インパルス状の周波数変調は発生していない。このような場合、セクション＃２～＃Ｍの間でインパルス状の周波数変調が発生していることが分かる。このように、本開示は、中間地点までの累積周波数を解析し、累積周波数変調量の増減に基づいて振動源を探索することができる。
　なお、図５に示すような後方散乱光波形ｒ（τ）上の点と光ファイバ９１上の位置は、ローカル光と後方散乱光のビート周波数を用いて対応付けることができる。例えば、式（１）の通り、周波数オフセットνｏｆｆｓｅｔが存在しない場合、ビート周波数はｆｂｅａｔ＝γ（２ｚ／ｃ）で与えられる。ｆｂｅａｔと距離ｚは測定条件である周波数掃引速度γを比例定数として関係付けられるため、ビート周波数ｆｂｅａｔから距離ｚを特定することができる。
（本開示の効果）
　本開示は、２地点間の累積周波数変調量の差を計算する解析区間長が長くてもよい。このため、光ファイバ９１における任意の位置に存在する振動源の探索が可能になる。
　２地点間の測定結果の差分をとることで２地点間に加わった振動による歪み又は光ファイバの温度を測定するという手法はＯＴＤＲで主に使われているが、本開示では、その手法をＯＦＤＲに採用している。ＯＴＤＲでは、位相アンラッピング条件により、測定できる歪みの最大時間変化量が２地点間の距離（ゲージ長）に制限されてしまうが、ＯＦＤＲでは、２地点間の距離に制限されない。このため、本開示は、２地点間の距離を自由に設定できるという有利な効果がある。したがって、本開示は、光ファイバに加わった物理的な振動及び光ファイバの温度のうちの少なくともいずれかを、光ファイバ長手方向に分布的に計測する手段において、２地点間の距離を自由に設定することができる。
１１：周波数掃引光源
１２、１４：カプラ
１３：サーキュレータ
１５：バランス型受光器
１６：Ａ／Ｄ変換器
１７：解析装置
９１：光ファイバ

Claims (6)

  1. 　周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を光ファイバに入射して得た前記光ファイバからの後方散乱光を前記ローカル光と合波して得たビート信号を解析する、解析装置であって、
    　異なる時間に測定された前記ビート信号から得られた後方散乱光波形の相互相関を用いて、前記光ファイバの異なる２地点における周波数オフセットを算出し、
    　前記異なる２地点における周波数オフセットの差分を算出することで、前記異なる２地点を結ぶ解析区間における歪み又は温度を測定する、
    　解析装置。
  2. 　前記異なる２地点における周波数オフセットの差分を算出することで、前記異なる２地点を結ぶ解析区間における累積周波数変調量を算出し、
    　算出した累積周波数変調量を用いて、歪み又は温度を算出する、
    　請求項１に記載の解析装置。
  3. 　前記光ファイバにおける前記２地点の少なくとも一方の位置を変更することで前記解析区間を変更し、
    　変更した前記解析区間における累積周波数変調量の増減に基づいて、
    　前記光ファイバにおける振動源を探索する、
    　請求項２に記載の解析装置。
  4. 　周波数掃引光を出力する周波数掃引光源と、
    　前記周波数掃引光をプローブ光とローカル光に２分岐する光分岐部と、
    　前記プローブ光を前記光ファイバに入射して得た後方散乱光を前記ローカル光と合波する光合波部と、
    　前記合波によって得られたビート信号を解析する、請求項１から３のいずれかに記載の解析装置と、
    　を備える測定システム。
  5. 　周波数掃引光から２分岐されたプローブ光とローカル光のうちの前記プローブ光を光ファイバに入射して得た前記光ファイバからの後方散乱光を前記ローカル光と合波して得たビート信号の分布波形を解析する、解析装置が実行する解析方法であって、
    　異なる時間に測定された前記ビート信号から得られた後方散乱光波形の相互相関を用いて、前記光ファイバの異なる２地点における周波数オフセットを算出し、
    　前記異なる２地点における周波数オフセットの差分を算出することで、前記異なる２地点を結ぶ解析区間における歪み又は温度を測定する、
    　解析方法。
  6. 　請求項１から３のいずれかに記載の解析装置としてコンピュータを実現させるためのプログラム。
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